集成电路制造中常用湿法清洗和腐蚀工艺介绍

以下文章来源于芯禾叶带你看芯片，作者花茶

湿法工艺在集成电路中的应用

一、概述

集成电路湿法工艺是指在集成电路制造过程中，通过化学药液对硅片表面进行处理的一类关键技术，主要包括湿法清洗、化学机械抛光、无应力抛光和电镀四大类。这些工艺贯穿于芯片制造的多个关键环节，直接影响器件性能与良率。

湿法清洗是其中基础且关键的工艺，它根据不同工艺阶段的污染特点，采用特定配比的化学液和去离子水，对硅片表面进行精细化清洗，以去除制造过程中残留的颗粒、自然氧化层、有机物、金属杂质、牺牲层及抛光残留物等。随着集成电路技术节点不断微缩，清洗工艺面临更高要求：一方面需有效清除纳米级颗粒与微量污染物，另一方面必须严格控制清洗过程对硅片表面及结构的损伤。以65 nm技术节点为例，ITRS要求清洗后单个晶圆表面粒径大于32.5 nm的颗粒数量少于80个，栅氧化层表面的金属原子含量低于5.0×10⁹个，其他区域金属原子低于1.0×10¹⁰个，表面碳含量不超过1.2×10¹³个；同时，清洗过程中单晶硅与氧化硅的材料损失需控制在0.05 nm以内，这对清洗工艺的选择与控制提出了极精密的要求。

化学机械抛光是一种将化学腐蚀与机械研磨相结合的表面平坦化工艺，通过研磨头施加机械压力，同时利用研磨液中化学成分与硅片表面材料反应，协同实现全局平坦化，是目前主流的高精度抛光技术。无应力抛光则基于电化学原理，通过抛光液与硅片表面的铜层在电场作用下发生反应，选择性地去除多余铜膜。该工艺仅通过电化学作用实现材料去除，避免了机械应力，尤其适用于低k及超低k介质等脆弱材料在铜互连结构平坦化过程中的工艺需求，能有效减少机械损伤和介质层塌陷等问题。电镀工艺则利用电化学沉积原理，在硅片表面沉积金属层，用于形成互连线、通孔填充等结构。本文对集成电路制造中常用的几种湿法清洗和腐蚀工艺进行重点介绍。

二、湿法工艺

1.栅氧化前清洗工艺

在先进的CMOS工艺中，栅氧层是整个工艺流程的核心，对CMOS器件的可靠性起着决定性作用。因此，栅氧化工艺对硅片表面的洁净度和平整性提出了极高的要求。栅氧清洗工艺作为栅氧化前的关键预处理步骤，其主要功能在于去除硅片表面的自然氧化层、微量金属污染物以及各类表面杂质，从而为后续热氧化生长高质量栅氧化层提供洁净且平整的表面基础。在湿法栅氧清洗工艺中，化学试剂直接与硅片表面接触，因此清洗后表面的洁净度及清洗过程对硅片表面的损伤程度，直接关系到最终器件的性能表现。尽管清洗技术持续进步，但无论工艺多么先进，都难以完全清除所有污染物，也无法彻底避免引入新杂质的风险。因此，除了不断提升化学试剂的纯度外，各种技术手段的核心目标均在于增强对污染物的去除能力，将杂质浓度降至更低水平，进而提升CMOS器件的良率、性能及可靠性。

常见的栅氧清洗工艺配置如表所示，主要通过SPM（硫酸-过氧化氢混合物）、DHF（稀释氢氟酸）、SC1（氨水-过氧化氢-水溶液）和SC2（盐酸-过氧化氢-水溶液）等化学溶液的组合使用，分别完成对有机物、自然氧化层、颗粒污染物及金属离子的清除。在工艺中引入臭氧（O3）可进一步改善清洗效果：利用O3降低有机物和重金属含量，有效抑制金属离子和颗粒在表面的再吸附，并能预防水痕形成与自然氧化层的再生，从而显著增强栅氧清洗的表面预处理能力，最终提升栅氧化层的品质。

栅氧化前湿法清洗工艺配置

2.RCA清洗

RCA清洗是用于晶圆清洗的首选工艺方法，也是目前业界广泛采用的工艺方法，能有效去除晶圆在芯片制造过程中引入的各种有机物、金属、氧化物、颗粒等沾污。RCA清洗工艺在集成电路制造工艺中的分布如图所示，可广泛应用于集成电路制造工艺过程中来料清洗、氧化前清洗、扩散前清洗和栅氧化前清洗等湿法工艺。RCA清洗工艺配置如表所示。

RCA湿法清洗工艺分布示意图

3.湿法去胶工艺

经过刻蚀或者离子注入之后，不再需要光刻胶作为保护层，因此需将光刻胶从硅片的表面除去，这一步骤简称为去胶。在集成电路工艺中，去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶。干法去胶是利用等离子体将光刻胶去除，湿法去胶是通过化学液将光刻胶去除。相对于湿法去胶，干法去胶的效果更好，但是由于干法去胶存在反应残留物的沾污问题，因此干法去胶与湿法去胶经常搭配使用。在湿法去胶中又分为有机溶剂去胶和无机溶剂去胶。使用有机溶剂去胶，主要是使光刻胶溶于有机溶剂中，从而达到去胶的目的。有机溶剂去胶中使用的溶剂主要有丙酮和芳香族的有机溶剂。

无机溶液去胶的原理是利用光刻胶本身也是有机物的特点（主要由碳和氢等元素构成的化合物），通过使用一些无机溶剂（如硫酸和双氧水等），将光刻胶中的碳元素氧化成为二氧化碳，如此可将光刻胶从硅片的表面除去。表展示了一种无机湿法去胶工艺配置，其中配置了两组SPM工艺单元，利用H2SO4和H2O2的强氧化性实现去胶目的。在SPM单元后配置了SC1单元，主要作用是去除少量的有机沾污和颗粒。缺点是可能会引起晶圆表面的金属沾污和增加表面的微粗糙度。通过降低NH4OH浓度可以限制晶圆表面的腐蚀从而降低晶圆表面的微粗糙度，降低NH4OH和H2O2的浓度还可以提高对于颗粒的去除效果。目前，该去胶工艺主要用于SDG、POLY及SD注入后的去胶清洗（即干法去胶后表面的胶丝和聚合物清洗）。

湿法去胶工艺配置

4.湿法氮化硅腐蚀

在集成电路制造中，局部氧化（LOCOS）、浅槽隔离（STI）和自对准接触结构制作方面，氮化硅（Si3N4）被广泛用作掩蔽层材料。氮化硅膜作为硅基板氧化时的阻挡层，起到隔离器件的作用（氮化硅膜上的氧化速率较硅基板上氧化速率慢得多）。在器件隔离形成后需要将氮化硅膜完全腐蚀掉，否则会影响后续的氧化工序而导致整个器件失效。

这层氮化硅掩蔽层要用热磷酸（H3PO4）进行湿法化学剥离。磷酸槽始终维持在160℃左右并对露出的氧化硅具有高选择比。用热磷酸去除氮化硅是难以控制的，通过使用检控样片来进行定时操作（没有终点检测）。在氮化硅表面常常会形成一层氮氧化硅，因此在去除氮化硅之前，需要在HF槽中进行短时间的处理。如果这一层氮氧化硅未被去除，即不能均匀地去除氮化硅，在氮化硅湿法腐蚀工艺前配置DHF单元去除氮氧化硅。

湿法氮化硅薄膜腐蚀工艺中H3PO4作为催化剂，H2O作为主要反应物，化学反应式为Si3N4+H2O←→3SiO2+4NH3。氮化硅湿法腐蚀的工艺配置如表所示。

氮化硅湿法腐蚀工艺配置

5.化学机械抛光

化学机械抛光是一项结合化学腐蚀与机械研磨的表面全局平坦化技术，主要用于介质层（如氧化硅）和金属互连层（如铜、钨）的抛光。CMP过程涉及三个核心要素：抛光液、抛光垫和工艺参数。抛光液中的化学成分（如氧化剂、络合剂）与晶圆表面材料发生反应，形成易于去除的软质层，再通过抛光垫的机械摩擦将其剥离，从而实现纳米级平整表面。CMP的关键在于实现不同材料间的选择性抛光，例如在铜互连工艺中需依次抛光铜、阻挡层（Ta/TaN）和介质层，同时避免出现凹陷、侵蚀和残留颗粒等缺陷。工艺后表面粗糙度通常要求Ra < 1 nm，平坦度误差在纳米范围内。当前CMP技术正向低压力抛光、无磨料抛光及电化学机械抛光等方向发展，以应对低k介质、高深宽比结构及三维集成等新挑战，提升工艺兼容性与可靠性。

6.无应力抛光

无应力抛光是一种基于电化学原理的表面平坦化技术，特别适用于铜互连结构的后道平坦化。该工艺将晶圆作为阳极浸入含特殊电解质的抛光液中，在电场作用下铜表面发生可控的阳极溶解反应，优先溶解表面微观凸起，从而实现选择性平坦化。由于整个过程无机械外力介入，可有效避免传统CMP工艺中因机械应力导致的低k介质层损伤、图形塌陷和微裂纹等问题，尤其适用于高深宽比结构和脆弱材料的平坦化需求。无应力抛光的关键在于优化电解液配方（如调节pH值、添加剂类型）和控制电场分布均匀性，以实现高平整度、低粗糙度的表面，同时保持高材料去除率。目前该技术仍在进一步发展中，研究方向包括与CMP的工艺集成、多层金属结构的适应性改进等，以满足先进制程中对材料兼容性和可靠性的严苛要求。

三、结语

在半导体制造工艺中，湿法工艺作为贯穿衬底加工、晶圆制造到封装测试全过程的核心环节，其工序占比已达25%以上，对整个制造流程的良品率影响超过40%。这一重要地位源于湿法工艺在晶圆表面处理、污染物去除、薄膜沉积及结构成型等方面不可替代的作用。随着集成电路技术节点不断微缩，工艺线宽持续收缩，对湿法工艺的精确度、选择性和均匀性提出了更高的要求。

与光刻机、刻蚀机等核心工艺设备相比，半导体湿法设备展现出更强的定制化特性。设备需根据具体工艺需求（如清洗、腐蚀、抛光、电镀等）和材料体系（如硅、化合物半导体、新型金属互连材料等）进行针对性设计，尤其在化学液配方、温度控制、流体动力学及防污染等方面具有高度专业性。当前，湿法设备正朝着更高精度、更低损伤、更优均匀性和绿色环保的方向发展。

随着摩尔定律向纵深演进，工艺线宽向亚纳米级迈进，湿法设备制造技术将持续升级。设备需应对更高深宽比结构的清洗难题、更低k值材料的无损处理、以及新型三维集成结构的表面处理挑战。与此同时，新兴的异构集成、先进封装及第三代半导体制造等领域也为湿法工艺带来新的发展机遇。因此，半导体湿法设备市场前景广阔，预计将在高纯度化学品管理、超精细工艺控制、自动化与智能化集成等方面迎来新一轮技术突破与市场增长。