IC制造中清洗技術(shù)發(fā)展的研究分析.doc

IC制造中清洗技術(shù)發(fā)展的分析 作者： 日期：IC制造中清洗技術(shù)發(fā)展的分析盛金龍（北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司 北京 100016）摘要：概述了半導(dǎo)體制造中清洗技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)及生產(chǎn)中存在的問題，分析了解決問題的途徑，討論了當(dāng)前IC制造中關(guān)鍵清洗技術(shù)的發(fā)展方向。對(duì)于國(guó)產(chǎn)清洗設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展提出了自己的看法。關(guān)鍵詞：IC制造，清洗技術(shù)，挑戰(zhàn)中圖分類號(hào)：TN305.97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003353X（2006）030166041 引言以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)第一大產(chǎn)業(yè)，成為改造和拉動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大引擎和技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)中，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IC已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的籌碼和國(guó)家安全的保障。集成電路制造過程中清洗硅片表面的污染和雜質(zhì)是清洗的主要目的，在制造過程中，幾乎每道工序都涉及到清洗，而且集成電路的集成度越高，制造工序越多，所需的清洗工序也越多1。在諸多的清洗工序中，只要其中某一工序達(dá)不到要求，則將前功盡棄，導(dǎo)致整批芯片的報(bào)廢，所以可以毫不夸張地說，沒有有效的清洗技術(shù)，便沒有集成電路和超大規(guī)模集成電路的今天。傳統(tǒng)清洗技術(shù)主要使用酸、堿、雙氧水、甲苯、三氯乙烯、氟利昂等化學(xué)試劑，成本高，而且有毒，有腐蝕性，危害安全與健康并污染環(huán)境，特別是氟利昂等ODS物質(zhì)研究破壞地球臭氧層，危及人類生態(tài)環(huán)境，是國(guó)際上限期禁止生產(chǎn)和使用的物質(zhì)。多年來，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家就致力于研究無毒，無腐蝕性的清洗工藝，但尚未取得突破。隨著芯片尺寸加大，工藝線寬減小，從90nm工藝開始，以往在清洗過程中使用的超聲波清洗遇到一些問題，如造成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)損傷，在65nm及以下工藝，其損傷程度可能會(huì)加劇。芯片中的深溝槽結(jié)構(gòu)清洗時(shí)清洗液和漂洗去離子水很難進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，難以達(dá)到清洗目的。高堆疊式和深溝槽式結(jié)構(gòu)清洗后的干燥過程也是很關(guān)鍵的技術(shù)問題。一般小于130nm工藝中，要求必須去除所有大于或等于100nm的顆粒，而由于表面邊界層的限制，現(xiàn)行清洗技術(shù)，如液體或高壓（液體）噴射清洗已無法洗去100nm的顆粒。還有如何在后段有效去除光刻膠，同時(shí)保證不腐蝕銅導(dǎo)線和不改變低k電介質(zhì)的電介常數(shù)等都是當(dāng)前清洗技術(shù)面臨的問題。2 現(xiàn)代清洗技術(shù)中的關(guān)鍵要求在未來9065nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)工藝中，除了要考慮清洗后的硅片表面的微粗糙度及自然氧化物清除率等技術(shù)指標(biāo)外，也要考慮對(duì)環(huán)境的污染以及清洗的效率其經(jīng)濟(jì)效益等。硅片清洗技術(shù)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)可以歸納為：（1）微粗糙度（RMS）；（2）自然氧化物清除率；（3）金屬沾污、表面顆粒度以及有機(jī)物沾污，其他指標(biāo)還包括：（4）芯片的破損率；（5）清洗中的再沾污；（6）對(duì)環(huán)境的污染；（7）經(jīng)濟(jì)的可接受性（包括設(shè)備與運(yùn)行成本、清洗效率）等。金屬沾污在硅片上是以范德華引力、共價(jià)鍵以及電子轉(zhuǎn)移等三種表面形式存在的2。這種沾污會(huì)破壞薄氧化層的完整性，增加漏電流密度，影響MOS器件的穩(wěn)定性，重金屬離子會(huì)增加暗電流，情況為結(jié)構(gòu)缺陷或霧狀缺陷。何良恩等人對(duì)300mm硅片表面清洗要求的演變做了總結(jié)（表1）3表面顆粒度會(huì)引起圖形缺陷、外延前線、影響布線的完整性以及鍵合強(qiáng)度和表層質(zhì)量。顆粒的去除與靜電排斥作用有關(guān)，所以硅片表面呈正電時(shí)，容易降低顆粒去除效率，甚至出現(xiàn)再沉淀3。傳統(tǒng)的濕法化學(xué)清洗中所需要解決的主要問題有：化學(xué)片的純度、微粒的產(chǎn)生、金屬雜質(zhì)的污染、干燥技術(shù)的困難、廢水廢氣的處理等。尋求解決上述問題的過程中，發(fā)現(xiàn)改用氣相清洗技術(shù)是一個(gè)有效途徑。隨著微電子新材料的使用和微器件特征尺寸的進(jìn)一步減小，迫切需要一種更具選擇性、更環(huán)保、更容易控制的清潔清洗技術(shù)，在后道工序中銅引線、焊盤、鍵合等都需要進(jìn)行有機(jī)污染物的清洗，用濕法清洗也很難達(dá)到目的。在執(zhí)行晶圓的前、后段工藝過程時(shí)，晶圓需要經(jīng)過無數(shù)次的清洗步驟，其次數(shù)取決于晶圓的設(shè)計(jì)和互連的層數(shù)。此外，由于清洗工藝過程不僅要?jiǎng)冸x晶圓表面的光刻膠，同時(shí)還必須去除復(fù)雜的腐蝕殘余物質(zhì)，金屬顆粒以及其他污染物等，所以清洗過程是及其復(fù)雜的過程。 3 清洗介質(zhì)的選擇從濕法清洗的實(shí)踐中，越來越多出現(xiàn)難于解決的問題時(shí)，迫使科技人員探索和尋找替代的技術(shù)，除了如增加超聲頻率（采用MHz技術(shù)）等補(bǔ)救方法之外，首選的途徑就是選擇氣相清洗技術(shù)來替代（熱氧化法、等離子清洗法等）4。選擇清洗介質(zhì)，即清洗劑是設(shè)備設(shè)計(jì)、清洗流程、工藝的前提，根據(jù)現(xiàn)代清洗技術(shù)中的關(guān)鍵要求，結(jié)合當(dāng)前材料科技發(fā)展中出現(xiàn)的新觀念、新成果，把目光集中到超臨界、超凝態(tài)，常壓低溫等離子體等介于氣、液相的臨界狀態(tài)物質(zhì)是順理成章的事。3.1 超臨界清洗劑5氣相清洗方法，使晶圓在氣相加工過程中可以一直保持在真空是內(nèi)，避免污染，因而增加了成品率，并降低了成本，氣相清洗方法采用了非常重要的CO2，超臨界CO2技術(shù)是使CO2成為液態(tài)，用高壓壓縮成一種介于液體和氣體之間的流體物質(zhì)，超臨界狀態(tài)。這種流體與固體接觸時(shí)，不帶任何表面張力，因此能滲透到晶圓內(nèi)部最深的光刻位置，因而可以剝離更小的顆粒。此外，流體的粘度很低，可以清除掉晶圓表面的無用固體。采用超臨界流體清洗給組合元件圖案造成的損傷少并可以抑制對(duì)Si基板的侵蝕和不純物的消費(fèi)?？蓪?duì)注入離子的光敏抗腐蝕劑掩模用無氧工藝進(jìn)行剝離。引進(jìn)超臨界流體清洗技術(shù)，清洗方法以不使用液體為主流，預(yù)計(jì)到2020年，可達(dá)到幾乎完全不使用液體的超臨界流體清洗或者針點(diǎn)清洗成為主要的清洗方法，超臨界流體清洗的革新點(diǎn)在于可以解決現(xiàn)有清洗方法中的兩個(gè)弊端，即清洗時(shí)，損傷晶片、或組合元件和污染環(huán)境的問題。3.2 超凝態(tài)過冷動(dòng)力學(xué)清洗運(yùn)用氬和氮的懸浮來清洗，是一種干法氣相無感光系統(tǒng)，不會(huì)損壞薄膜層，環(huán)境的影響小，除了無毒、無污染性，不易燃等優(yōu)點(diǎn)外，還具有廉價(jià)并易于操作的特點(diǎn)。氣霧與晶圓表面污染粒子相撞將動(dòng)能傳遞到污染粒子上，當(dāng)該能量大于污染粒子與晶圓表面的附著能時(shí)，污染粒子便脫離晶圓表面，攜帶被排走。清洗方法使用的是惰性氣體，可以安全的置于IC生產(chǎn)線的任何地方。此類清洗設(shè)備以超凝態(tài)過冷動(dòng)力學(xué)為技術(shù)核心，可用于清洗集成電路關(guān)鍵尺寸在90nm以下、片徑200300mm的晶圓，單片清洗，具有很高自動(dòng)化程度。該清洗工藝的典型插入點(diǎn)為淀積前后清洗、CMP后清洗、刻蝕后清洗以及在線電子質(zhì)量測(cè)量后清洗，應(yīng)對(duì)各種與擴(kuò)散前清洗相關(guān)的挑戰(zhàn)、前段制造光刻膠剝離和去膠灰化后清洗、后段制造去膠灰化后清洗和塵埃去除等，目前，國(guó)際上掌握超凝態(tài)過冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)并應(yīng)用該技術(shù)生產(chǎn)的清洗設(shè)備基本上被FSI公司所壟斷。3.3 常壓低溫等離子體清洗等離子清洗有物理清洗和化學(xué)清洗（表面改性）兩種方式。前者稱為RIE方式，后者稱為PE方式。將激發(fā)到等離子態(tài)的活性粒子與表面分子反應(yīng)，而產(chǎn)物分析進(jìn)一步解析形成氣相殘余物而脫離表面4。去除光阻材料，一般利用酸或堿水溶劑、無水有機(jī)溶液，或用氧或氟等強(qiáng)氧化元素的射頻等離子反應(yīng)。經(jīng)上述方法處理后，芯片要用高純度的水進(jìn)行清洗，再用異丙醇干燥芯片表面。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模的芯片廠正常生產(chǎn)一天，要產(chǎn)生數(shù)百萬加侖的污水。如果利用常壓輝光冷等離子體所產(chǎn)生的活性物質(zhì)對(duì)有機(jī)污染和光刻膠進(jìn)行清洗是替代濕法化學(xué)方法的一種綠色手段，是被人們十分關(guān)注的根本治理污染的技術(shù)。 國(guó)內(nèi)在常壓低溫等離子體清洗設(shè)備的研制是從2003年開始，由中科院光電研究所和中科院微電子研究所聯(lián)合成立了常壓均勻冷等離子體技術(shù)研制課題組，在短短的兩年時(shí)間內(nèi)，先后成功研制出各種噴口直徑和形狀的常壓射頻冷等離子體噴槍設(shè)備，并申請(qǐng)了幾個(gè)相關(guān)設(shè)備專利。3.4 低溫冷凝噴霧技術(shù)隨著90nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)時(shí)代的到來，無論從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度還是從技術(shù)發(fā)展角度看，單純依靠損失原料換取硅片表面潔凈的方法必將被淘汰。這種干法清洗技術(shù)有效地避免了由兆聲清洗等傳統(tǒng)清洗技術(shù)所造成的硅片表面物理?yè)p傷，并極大地降低了由濕法腐蝕清洗所造成的原材料損失，并且不會(huì)改變硅片的表面物理特征以及化學(xué)特性，同時(shí)還克服了由于使用低k半導(dǎo)體材料的疏水特性所帶來的的清洗困難等難題。4 清洗方式的改進(jìn)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷著重要的技術(shù)轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的批式處理方法已經(jīng)無法適應(yīng)濕式清洗應(yīng)用，制造工藝過程也需探索其他新型清洗步驟，從而確保重要的器件規(guī)格、性能以及可靠性不會(huì)受到污染物的影響。此外，批式濕式處理也無法滿足如快速熱處理（RTP）等工藝的關(guān)鍵擴(kuò)散和CVD技術(shù)。4.1 針點(diǎn)式清洗將全面清洗晶片的清洗方式轉(zhuǎn)換為針點(diǎn)式的技術(shù)革新，使得清洗技術(shù)的作用已經(jīng)能夠達(dá)到原子級(jí)的表面控制。這種清洗技術(shù)可以降低半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的環(huán)境負(fù)荷。針點(diǎn)式清洗是將粒子一點(diǎn)一點(diǎn)地清除的方式，故又被稱為針點(diǎn)清洗方式。針點(diǎn)清洗，能夠完全清除通過濕式清洗和超臨界流體清洗不能完全除去的在晶片上殘留的粒子。針點(diǎn)清洗時(shí)，用激光清除粒子的激光清洗或是使用端部尖銳的微小探針除去粒子的納米針點(diǎn)清洗等。這些技術(shù)與超臨界流體的清洗相同，它不使用藥液和純水。此項(xiàng)工作現(xiàn)在還只限于對(duì)除去粒子的原理進(jìn)行驗(yàn)證的階段，今后應(yīng)該將高處理能力的裝置開發(fā)和粒子檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行統(tǒng)合的技術(shù)開發(fā)。4.2 單晶圓處理技術(shù)通過使用單晶圓技術(shù)可以有提高100nm及其以下工藝的成品率。對(duì)于更小線寬的300mm晶圓，晶圓的成本太高，清洗晶圓的風(fēng)險(xiǎn)也極高，使用單晶圓技術(shù)可使制造商能夠在更小規(guī)模的生產(chǎn)線上以更少的設(shè)備投入生產(chǎn)出與大型生產(chǎn)線數(shù)量相同的芯片。單晶圓處理技術(shù)與批式處理系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵之處在于產(chǎn)能，即它必須能夠達(dá)到要求的濕式清洗平臺(tái)每小時(shí)150200只晶圓的產(chǎn)能。5 環(huán)境保護(hù)與IC清洗環(huán)境問題是個(gè)社會(huì)性問題，清洗對(duì)環(huán)境的影響已被提到日程上來，開發(fā)完全能減低環(huán)境負(fù)荷的新技術(shù)，可以說是當(dāng)前清洗技術(shù)迫切需要解決的一項(xiàng)重大課題。半導(dǎo)體架構(gòu)導(dǎo)致的環(huán)境污染是半導(dǎo)體制造商大量用H2SO4或HCl，NH4OH等的藥液和水進(jìn)行RCA清洗所引起的環(huán)境污染。清洗技術(shù)中使用的氟利昂等ODS物質(zhì)，破壞地球高空的臭氧層，形成度臭氧洞，危害人類生態(tài)環(huán)境。1987年通過了關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書，規(guī)定了消耗臭氧層物質(zhì)的生產(chǎn)量和消費(fèi)量限制的進(jìn)程，加快了淘汰步伐，要求清洗行業(yè)提前到2006年。研究使用于超大規(guī)模集成電路的用的新型電子工業(yè)清洗劑和替代氟利昂等ODS物質(zhì)的清洗劑是當(dāng)務(wù)之急。氣相清洗技術(shù)中的清洗劑應(yīng)該探索容易與污染物進(jìn)行分離再生，重新凈化的技術(shù)方案，循環(huán)使用的清洗劑必然會(huì)減輕環(huán)境壓力。6 清洗設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化道路集成電路制造業(yè)專用清洗設(shè)備以及相應(yīng)的清洗工藝技術(shù)的研究必須與集成電路技術(shù)日新月異的發(fā)展相協(xié)調(diào)。面對(duì)晶圓尺寸的不斷擴(kuò)大與芯片關(guān)鍵尺寸的不斷縮小的實(shí)際情況，硅片清洗技術(shù)必須同步快速發(fā)展以滿足芯片制造業(yè)對(duì)專用設(shè)備的要求。同時(shí)，新型的專用清洗設(shè)備及其相關(guān)工藝技術(shù)的研究與開發(fā)是對(duì)下一代芯片技術(shù)的高成品率和高性能特點(diǎn)的重要保證。各清洗設(shè)備廠家已經(jīng)開始在提供面向新一代無損傷和抑制刻蝕損耗新設(shè)備、新工藝領(lǐng)域展開了激戰(zhàn)。面對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)被世界少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)備制造商壟斷的局勢(shì)與中國(guó)大陸地區(qū)半導(dǎo)體行業(yè)及微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展形勢(shì)，過程實(shí)施了863計(jì)劃，國(guó)產(chǎn)的硅片研磨清洗機(jī)、化學(xué)濕臺(tái)，等離子清洗機(jī)、管殼封裝清洗及為代表的設(shè)備已進(jìn)入了半導(dǎo)體芯片制作和后封裝全過程。但是行業(yè)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體清洗設(shè)備的需求不斷增加，而現(xiàn)有的半導(dǎo)體清洗技術(shù)已經(jīng)無法滿足需求的情況，導(dǎo)致大量半導(dǎo)體設(shè)備依靠進(jìn)口。2005年中國(guó)芯片設(shè)備的采購(gòu)和使用量占全球采購(gòu)量的25，其中清洗設(shè)備將占到