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硅片纳米微粒清洗洁净新技术
 

1 引言

       目前,半导体行业中广泛使用的清洗方法仍是RCA(美国无线电公司)清洗法。但在向下一代65nm节点的迈进中,新结构的纳米器件对于清洗设备不断提出了新的挑战,因而对硅片表面各种污染物的控制规定了纳米微粒去除的特殊要求。根据国际半导体技术发展路线图计划,当半导体器件从90nm提升到65nm工艺时,必须将清洗过程中单晶硅和氧化硅的损失量从0.1nm减小到0.05nm[1]。

       这就对新一代清洗设备和清洗技术提出了无损伤和抑制腐蚀的新工艺要求,所以研发新颖的、合适的硅片表面的纳米微粒清洗技术势在必行。

2 传统的硅片湿法清洗和干法清洗技术

2.1 污染物杂质的分类

       根据污染物产生的原因,大致可将它们分为颗粒、有机物杂质、金属污染物三类。

       (1)颗粒:主要是一些聚合物、光致抗蚀剂等。颗粒的存在会造成IC芯片短路或大大降低芯片的测试性能[2]。

       (2)有机物杂质:它在硅片上以多种方式存在,如人的皮肤油脂、防锈油、润滑油、松香、蜡等。这些物质通常都会对加工进程带来不良影响。

       (3)金属污染物:它在硅片上以范德华引力、共价键以及电子转移等三种表面形式存在。这种玷污会破坏极薄的氧化层的完整性,增加漏电流密度,影响MOS器件的稳定性,结果导致形成微结构缺陷或雾状缺陷。

2.2 纳米微粒湿法清洗技术

2.2.1 RCA清洗法

       1970年WernerKern博士[3]在RCA实验室详细地讲述了他提出的芯片清洗工艺,这就是RCA清洗程序。该清洗法成为后来多种前道、后道清洗工艺流程的基础,80年代以来大多数工厂采用的清洗工艺基本都是最初的RCA清洗法。

       RCA清洗方法依靠溶剂、酸、表面活性剂和水,在不破坏晶圆表面特征的情况下通过喷射、净化、氧化、蚀刻或溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。在每次使用化学品后都要在超纯净水中彻底清洗。传统的RCA清洗流程见图1。

2.2.2 兆声波清洗法

       1985年,Schwartzman等人在SC-1清洗的同时,使用兆频超声波技术,获得了前所未有的清洗效果,使得该方法在清洗工艺中被广泛采用。兆声波清洗不但保留了超声波清洗之优点,而且克服了其不足[4]。兆声波清洗的机理是由高能(850kHz)频振效应并结合清洗剂的化学反应对硅片进行清洗,清洗时不形成超声波清洗那样的气泡,只以高速流体波连续冲击晶片表面,使硅片表面附着的污染物和微粒被强制清除,并进入清洗液中。兆声波清洗为达到工艺目的,也常使用表面活性剂,使粒子不再沉积在硅片表面上。兆声波清洗频率较高,它不同于产生驻波的超声波清洗,不会损伤硅片。同时在兆声波清洗过程中,无机械移动部件,因此可以减少清洗过程本身所造成的玷污。

2.3 纳米微粒干法清洗技术

       所谓干法清洗是相对湿法化学清洗而言的,一般指不采用溶液的清洗技术。根据彻底采用溶液的程度,分为“全干法”和“半干法”清洗。目前常用的干法清洗方法有:等离子体清洗、气相清洗技术等。等离子体清洗属于全干法清洗,而气相清洗属于半干法清洗。干法清洗的优点在于清洗后无废液,可以有选择性地进行芯片的局部清洗工序。

3 硅片纳米微粒去除新技术

3.1 低温冷凝喷雾清洗技术

3.1.1 背景与原理简介

       目前湿法清洗技术仍然是IC产业链主要的硅片清洗技术,但在超大规模集成电路(VLSI)的制备中,还有很多问题有待于解决,使工艺技术符合更深层次纳米器件制备的需要。化学品的纯度、微粒的产生以及金属杂质污染等问题的产生,使得许多清洗设备制造商已经减少了使用对硅片表面具有破坏性的兆声波清洗技术,而继续采用化学液体腐蚀的方法来清洗,其代价是造成大量原材料的无谓损失,且带来环境污染。随着90nm节点时代的到来,单纯依靠原料损失换取硅片表面洁净的方法终将被淘汰。为了解决这些问题,超凝态过冷动力学清洗技术的研究就显得更为重要。

       超凝态过冷动力学技术是一种全干法无化学反应的工艺,它通过高速低温Ar/N2喷雾冲击来去除微粒,减少缺陷并且不对晶圆表面造成损伤,甚至也可用于铜互连线和多孔低介电系数薄膜。冷凝喷雾清洗法的机理是气雾与晶圆表面污染粒子相撞,将动能传递到污染粒子上,当该能量大于污染粒子与晶圆表面的附着能时,污染粒子便脱离晶圆表面,然后被排走掉。较之于传统清洗方法,该法不致使晶圆表面产生损伤和改变。由于这种清洗方法使用的是惰性气体,所以可以安全地用于IC生产线的任何部位。

3.1.2 应用

       此类清洗设备以超凝态过冷动力学为技术核心,可用于清洗IC关键图形尺寸为90nm以下、直径为200~300mm的晶圆。因为是单片清洗,所以具有很高的自动化程度。除了对传统清洗技术功能上的替代外,冷凝喷雾清洗方法在材料敏感等原因使传统方法难以应对的情况下,也能取得良好的效果。由于使用无腐蚀性的惰性气体,该方法拥有非常高的杂质去除率,减少硅片的整体缺陷,所以提高了最终成品率。伴随着铜、多孔低介电常数以及其他新材料和敏感结构对无损伤清洗法的要求,超凝态过冷动力学技术提供了稳定可靠的途径,它帮助IC制造商在纳米器件制造领域提高成品率。目前,国际上已经掌握了超凝态过冷动力学清洗技术,并已应用该项新技术生产清洗设备。

3.2 N2OECR等离子体系统清洗技术

       在VLSI制备过程中,面对晶圆尺寸的不断扩大与芯片关键图形尺寸的不断减小,硅片表面的大量有机污染物对硅片的有害影响正在逐渐加大。在干法清洗技术中,最有效的方法之一是紫外线清洗和等离子清洗。它可以减少辐射且便于控制。目前,电子回旋加速共振(ECR)等离子体系统已经用于硅片清洗中。与常用的等离子系统相比,ECR等离子体系统能发射更高密度、更低能量的离子,因而更有利于提高清洗的工作效率。

       2004年,韩国的Dae等人[6]用N2OECR等离子体系统清洗短时间存储的芯片,只需10s即可有效地清除硅片表面的有机污染物。用于试验研究中的硅片是P型掺杂半导体,它具有5~10Ω的电阻。硅片使用前已经去除表面的有机污染物和杂质,它在120℃的情况下,使用HF(氟化氢)清洗方式。清洗后样本先被放置于去除等离子水中5min,然后用N2鼓风机将它吹干。接着20ml纯净的丙酮放在存有晶圆的纸盒中,这样一来晶圆就被污染上丙酮蒸发气体长达3h。最后把被污染的晶圆移植到ECR系统中。ECR系统基底的压力为1.15×10-3Pa,清洗过程中的压力大约为893.26Pa,加以流动速率为15sccm的N2O微波,其功率为

       300W、频率为2.45GHz。等离子系统是由不锈钢制成的直径160mm、高度约150mm的圆柱体。

       一般来说,硅晶圆表面会显示很强的极性效应,因此会吸引有机添加剂包括极性基因。因此,具有相对微弱蒸发压力的有机污染物,微弱分子量和极性基因,就很容易被内在的氧化物吸引到硅片的表面。要去除这些有机污染物,C—Si,H—Si和O—Si化合物必须去分解。这就意味着起初离子能量就须达到最大的C—Si,H—Si和O—Si化合物的数值。为了去除这些化合物,离子能量须大于这些化合物的能量。这些化合物能量数值在表1中给出。离子能量的上限接近排气装置,下限靠近ECR等离子系统的微波窗口。如果计算离子的能量为893.26Pa,离子能量的分布状态数值在1446~3470kJ·mol-1围内,这样的高能离子就能够将这些有机污染物在操作压力893.26Pa的作用下从硅片表面上清除。

       众所周知,N2OECR等离子体呈电中性状态,其中包含了电子、离子、原子和分子。当晶圆表面受到N2O等离子体高能离子轰击时,一方面有机污染物会从晶圆表面溅射出去,另一方面N2OECR等离子体充当氧化剂。通过高能电子和N2O原子所形成的阳离子和阴离子主要是N2O+和O-。阴离子形成是NO-离子形成的结果,NO-离子旋转能导致电子分离,如下列化学反应式所表述

       大量的O-产物首先导致有机化合物氧化,然后使H2O,O2,CO,CO2等气体分解后被清除。这些气体都有极强烈的蒸汽压强。工艺上通过合适的浸泡时间,有机物基本上被去除。该方法比湿法清洗更彻底、也更有效,与其他干洗法相比,该方法不仅容易控制,而且对硅片表面损伤较小,具有一定的技术优势。

4 超细晶圆无危险的清洗设备及工艺技术

4.1 研发超细晶圆无危险清洗工艺的必要性

       对于晶圆表面的无危险清洗,是前段工艺表面处理必须解决的主要难题之一。进入45nm时代后,MOS器件的栅极长度缩小至18nm左右,每次清洗所造成的材料损耗不能超过0.3nm。欲在如此苛刻的条件下去除微粒而不造成电路图形损伤,将是极其困难的工序。传统高效率的微粒去除方法都是透过表面蚀刻或将机械能施加到晶圆表面上。然而,45nm技术的严格要求却会大幅度地缩小这些方法的适用范围,使工程师们要利用它们去除微粒,但不造成芯片结构的损伤,已经变得相当困难。为了在这一不断缩小的工艺适用范围内配合采用各种化学和物理清洗工艺,同时提供较强的微粒去除能力,半导体业界正在积极研发气溶胶清洗、离心喷雾清洗和针点式清洗等各项技术。

4.2 喷雾式清洗机

       喷雾式清洗机属于“干进干出”的湿法清洗系统。典型的喷雾式清洗机具有八种化学物质管路和一种去离子纯净水管路,外加两种回收循环系统。化学物质可以各自独立运用,也可以与水或其他化学物质混合使用。喷雾式清洗机的典型优点是比浸泡式清洗机占地面积小。因为其工艺运行是在单个反应室内完成的。所有作用到晶片上的化学物质都是新鲜的或者是刚过滤过的。在清洗时晶片是转动的,因此离心力提升了尘埃的去除效率。这就使喷雾式清洗机能够比浸泡式清洗机使用更少的去离子纯净水。通过控制其载体的氮气流速,微小的液滴能够不损伤微细图形而有效地去除尘埃。喷雾式液体喷嘴的物理机构可以在不牺牲尘埃去除效率的前提下使氧化物的化学腐蚀达到最小。

4.3 气溶胶清洗技术

       该工艺是一项解决微细图形破坏问题的又一项新技术,它是在微细图形上喷射极度低温的气溶胶(能将气体冷却的微颗粒),利用物理力进行清洗的气溶胶清洗技术。在这一干式清洗法中,由于不使用液体,所以不产生表面张力。原来的气溶胶清洗使用二氧化碳与氩气,但在大多数场合还是对微细尺寸的图形产生了破坏。现在使用的是比二氧化碳和氩气更轻的氮气,其目的是减少材料损耗和消除图形损伤。这种气溶胶清洗不破坏微细图形,所以不但在配线工程中,而且在基板工程中也使用。

4.4 针点式清洗方式

       将全面清洗晶片的清洗方式转换为针点方式的技术革命,使清洗技术的作用已经达到原子级的表面状态控制。这种清洗技术可以降低半导体产业的环境负荷,实为一种环保的清洗洁净技术。

       针点式清洗是将粒子一点点地清除之法,故被称为“针点清洗”方式。“针点清洗”方式能够完全清除经过湿法清洗和超临界流体清洗不能全部除去而残留在晶片上的粒子。当进行针点清洗时,可以选用两道工艺:一是激光清除粒子的激光清洗法;二是使用端部尖锐的微小探针除去粒子的纳米针点清洗法。针点式清洗的创新点在于可以解决现有清洗方法中的两个难题,即清洗时损伤晶片或芯片,以及环境污染的问题。

5 结语

       随着半导体纳米器件向65nm和45nm工艺进展,前端(FEOL)和后端(BEOL)晶片清洗技术都面临着纳米新技术的挑战。半导体器件的结构和材料变得越来越脆弱,而清洗效果和材料防损伤的要求却变得越来越严格。本文介绍的新型的硅片表面微粒清洗技术,是为了适应45nm以下的最先进的纳米MOS器件和MOSIC晶圆,以及超微细的微电子机械系统(MEMS)器件的清洗工艺,以适应今后半导体元器件制备的工程实际需要。

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