清洗工艺是贯穿整个半导体制造的重要环节，是影响半导体器件性能以及良率的重要因素之一。在芯片制造过程中，任何的沾污都可能影响半导体器件的性能，甚至引起失效。因此，几乎在芯片制造的每一道工序前后，都需要进行清洗工艺，去除表面的污染物，保证晶圆表面的洁净度，尤其在抛光、刻蚀等工艺后，晶圆表面会附着一些颗粒、金属、有机物、自然氧化层等杂质。

清洗工艺是芯片制造过程中占比最高的工序， 约占所有芯片制造工序的30%。随着超大规模集成电路的发展，芯片工艺节点进入28nm、14nm甚至更先进的节点，集成度不断提高，线宽不断减小，工艺流程更加复杂，清洗工艺步骤不断增加，清洗工艺变得更加复杂、更加重要和更具挑战性。90nm的芯片清洗工艺约90道，到了20nm芯片的清洗工艺达到了215道。随着芯片制造进入14nm、10nm甚至更高节点，清洗工艺的道数仍然要不断增加。

制程节点与清洗步骤数量关系

半导体清洗工艺的类型

清洗工艺是通过化学处理、气体和物理方法去除晶圆表面杂质，大致可分为两种，即湿法清洗和干式清洗。

1.湿法清洗

湿法清洗即使用化学溶剂或者去离子水清洗晶圆，按照工艺方法可分为浸泡法和喷涂法两种。浸泡法是将晶圆浸入到装有化学溶剂或者去离子水的容器槽中，而喷涂法是将化学溶剂或者去离子水喷到旋转的晶圆上以去除杂质的方法。浸泡法可以同时处理多个晶圆，喷涂法一个作业腔室只能同时处理一片晶圆。随着工艺的发展，清洗工艺的要求越来越高，喷涂法的使用也越来越广泛。

2.干式清洗

干式清洗不使用化学溶剂或者去离子水等物质，而是采用气体或等离子体等来进行清洗。随着技术节点的不断推进，清洗工艺的要求越来越高，使用的比例也在不断增加，湿法清洗产生的废液也大量增加。相对湿法清洗，干式清洗投资费用高，设备操作复杂，清洗条件更加苛刻。但是，针对一些有机物以及氮化物、氧化物的去除，干式清洗精度更高，效果卓越。

目前应用广泛的清洗工艺仍为湿法清洗。

常用的湿法清洗工艺

根据清洗液成分不同，半导体制造中常用的湿法清洗技术可分为下表几种：

1.DIW清洗技术

在半导体制造湿法清洗工艺中，最常用的清洗液就是去离子水（DIW，De-Ionzied Water），需去除水中的导电阴阳离子，使水基本不导电。在半导体制造中，直接使用原水是绝对不允许的，原水可能会与晶圆表面的材料发生反应而腐蚀，或者会与晶圆上的一些金属形成电池腐蚀，还有可能引起晶圆表面电阻率的直接变化，从而导致晶圆的良率大幅下降甚至直接报废。

在半导体制造湿法清洗工艺中，DIW的应用主要有2种。

（1）清洗晶圆表面

其目的是清洗掉晶圆表面的一些杂质颗粒。在先进的半导体制造过程中，清洗的方式几乎都是单晶圆方式，也就是一个腔室内同一时间只能洗一片晶圆，采用旋转喷涂法，在晶圆旋转的过程中，在晶圆表面用滚轮、毛刷、喷嘴等方式清洁。

在这个过程中，晶圆会与空气摩擦，从而产生静电，静电在晶圆表面可能会引起缺陷，或者直接导致器件失效。而DIW基本是不导电的， 清洗作业过程中产生的静电也就不能得到很好地释放。 因此，在先进的半导体制造工艺节点中，为了增加导电性而又不污染晶圆，通常会在DIW中混入二氧化碳气体（CO₂）。由于工艺要求的不一样，少部分场合中，会在DIW中混入氨气气体（NH₃）。

（2）清洗晶圆表面残留的清洗液

主要作用就是清洗掉晶圆表面残留的清洗液。用清洗液清洗晶圆表面，虽然其腐蚀晶圆的刻蚀速率相当低，短时间的清洁并不会对晶圆产生影响。但是如果不能

有效去除残余的清洗液，让残余的清洗液长时间停留在晶圆表面，依然会腐蚀晶圆表面，也大概率会影响到器件的最终性能。因此，在用清洗液清洗晶圆后，一定要及时用 DIW清洁掉残留的清洗液。

2.HF清洗技术

芯片上最主要的成分就是单晶硅，而清洗单晶硅表面形成的自然氧化层（SiO₂）最直接有效的就是用HF（氢氟酸）清洗。因此，HF清洗是仅次于DIW的常用清洗技术。用HF清洗可以有效去除单晶硅表面的自然氧化层，附着在自然氧化层表面的金属也会随之溶解到清洗液中去，同时还可以有效抑制自然氧化膜的形成。因此，用HF清洗技术可以去除一些金属离子、自然氧化层以及一些杂质颗粒。

不过HF清洗技术在半导体制造要求越来越高的趋势下存在一些问题，比如，在去除硅片表面的自然氧化层的同时，腐蚀硅片表面，影响晶圆粗糙度，另外一些不应被HF腐蚀的金属会受到影响，而其他附着到硅片表面的金属，不容易被HF清洗掉，导致其留在了硅片表面。

针对以上问题，可对HF清洗技术进行改进，比如降低HF的浓度，在HF中加入氧化剂，在HF中加入阴离子界面活性剂，在HF清洗液中加入络合剂等。

常用试剂

3.SC1清洗技术

SC1清洗技术是去除晶圆表面沾污最常见、成本较低、效率比较高的一种清洗方式。SC1溶液是氨水、双氧水、去离子水的混合溶液，可以同时去除有机物、一些金属离子以及一些表面的颗粒。其去除有机物的原理是通过双氧水的氧化性和NH₄OH的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性的化合物，然后随着溶液排出。

不过SC1溶液具有一定的氧化性，会在晶圆表面形成氧化膜，导致一些金属不能去除，比如Al和Fe等金属。在去除金属离子的时候，晶圆表面的金属吸附和脱附的速度最终会达到一个平衡。因此，在先进的制程工艺过程中，对金属离子要 求高的工艺，清洗液都是一次性使用的，其目的就是降低清洗液中的金属含量。

SC1清洗技术也可以有效去除表面颗粒沾污，主要的机理是电性的排斥作用。在此过程中，可以搭载超声、兆声清洗，获得更好的清洗效果。为了降低SC1清洗技术对晶圆表面粗糙度的影响，需要调配出合适的清洗液组分比例。同时，选用低表面张力的清洗液，在SC1清洗液中添加界面活性剂，加入螯合剂等都有助于获得更好的清洗效果。

SC1清洗机理

4.SC2清洗技术

SC2清洗技术也是一种成本低并且具有良好去除沾污能力的湿法清洗技术。SC2溶液为盐酸、双氧水、去离子水的混合溶液，具有极强的络合性，可以和氧化以前的金属作用生成盐，随清洗液冲洗而被去除。在不影响晶圆的条件下，SC1清洗技术和SC2清洗技术相辅相成。清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中 （SC1清洗液）易发生，在酸性溶液中（SC2清洗液）不易发生，并具有较强的去除晶圆表面金属的能力。

5.O₃清洗技术

在芯片制造过程中，O₃清洗技术主要用于消除有机物以及对DIW的消毒。因为 O₃的氧化作用，会在晶圆表面发生再沉积现象。因此，使用O₃的过程中一般会搭配HF使用，也可以去除一部分的金属离子。

在半导体制造中，O₃也可以用于DIW的消毒，主要是因为用于净化饮用水的物质一般都含有氯元素，在芯片制造领域是不能接受的，O₃会分解成氧气，而不会对DIW系统造成污染。但是需要注意控制DIW中的氧气含量，不能高于半导体制造中的使用要求。

6.有机溶剂清洗技术

在半导体制造过程中经常会涉及到一些特殊的工艺，不能使用上面介绍的这些方法，原因是清洗效率不够、对有些不能被洗掉的成分有刻蚀作用、不能生成氧化膜等，所以也会使用一些有机溶剂来达到清洗的目的。

常用有机溶液

参考来源：

1.半导体制造中的湿法清洗技术，贺敏辉、许亦鹏、刘宗芳、尤益辉（智能物联技术）；

2.半导体晶圆的污染杂质及清洗技术，张士伟（电子工业专用设备）；

3.半导体制造中清洗技术的研究新进展阐述，袁文勋、张海兵、邢开璞（科技创新与应用）。

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