90～65nm清洗新技術(shù)

張曉紅，王銳廷 
(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司微電子設(shè)備分公司，北京100016) 

摘 要：簡(jiǎn)單說(shuō)明了清洗技術(shù)在90～65 nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)階段的新發(fā)展，著重介紹了一種新的清洗技術(shù)-低溫冷凝清洗技術(shù)產(chǎn)生的背景、技術(shù)現(xiàn)狀及其應(yīng)用，對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體清洗行業(yè)的未來(lái)發(fā)展提出建議。

關(guān)鍵詞：90～65 nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)； 超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗； 微粗糙度； RMS(均方根誤差值)；載流子遷移率

中圖分類號(hào)：TN305．97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-4507(2005)08-0013-03

集成電路制造過(guò)程中清洗的主要目的是清除硅片表面的污染，如微粒、有機(jī)物及無(wú)機(jī)金屬離子等雜質(zhì)。而在未來(lái)90~65 nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)工藝中，除了要考慮上述的清洗技術(shù)指標(biāo)外，還需考慮清洗后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)，以達(dá)到半導(dǎo)體元件超薄柵氧化層的電性參數(shù)及特性，來(lái)滿足元件品質(zhì)及集成電路的可靠性要求。

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)的研究必須跟進(jìn)集成電路技術(shù)日新月異的發(fā)展。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)備的需求。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)也是對(duì)下一代芯片技術(shù)高成品率、高性能的重要保證。當(dāng)前，作為半導(dǎo)體制造工藝幕后主角的半導(dǎo)體清洗技術(shù)，被要求和使用在φ300 mm硅圓片的90 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的正式批量生產(chǎn)和65 nm的開發(fā)中。隨著細(xì)微化的發(fā)展，必須對(duì)硅片結(jié)構(gòu)和新的半導(dǎo)體材料應(yīng)用進(jìn)行研究。針對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的這些要求，各清洗設(shè)備廠家已經(jīng)開始在提供面向新一代無(wú)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)。
對(duì)于90～65 nm清洗技術(shù)的歷史性變革，存在著幾種比較有發(fā)展前途的清洗技術(shù)，其中應(yīng)用低溫冷凝噴霧技術(shù)的清洗設(shè)備引起了人們極大的關(guān)注。

1 超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)背景

目前，濕式化學(xué)洗凈技術(shù)仍然是半導(dǎo)體IC工業(yè)主要的硅片清洗技術(shù)，但是在USLI制造中，還有很多問(wèn)題有待解決，以更符合深層次納米制造技術(shù)的需求，在濕法化學(xué)清洗中所需要解決的主要問(wèn)題有： 

(1)化學(xué)品的純度；
(2)微粒的產(chǎn)生；
(3)金屬雜質(zhì)的污染；
(4)干燥技術(shù)的困難；
(5)廢水廢氣的處理；

針對(duì)以上問(wèn)題，在過(guò)去的兩個(gè)半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)技術(shù)發(fā)展階段，許多清洗設(shè)備制造商已經(jīng)有意識(shí)地減少了使用對(duì)硅片表面具有較強(qiáng)破壞性的兆聲清洗技術(shù)，而繼續(xù)采用化學(xué)液體腐蝕的方法來(lái)清洗硅片，其代價(jià)是造成大量原材料的無(wú)謂損失。隨著90 nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度還是從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，這種單純依靠損失原料換取硅片表面潔凈的方法都必將被淘汰。 為了解決這些存在的問(wèn)題，許多先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備制造商已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)Τ龖B(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)的研究與應(yīng)用。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大量損失，并且不會(huì)改變硅片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(介電常數(shù))半導(dǎo)體材料的疏水特性所帶來(lái)的清洗困難等難題的困擾，為新的半導(dǎo)體材料的更廣泛利用提供了可能性。

2 超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)原理簡(jiǎn)介

超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗系統(tǒng)運(yùn)用氬和氮的懸浮粒來(lái)清洗，是一種干法氣相無(wú)感光系統(tǒng)，它不會(huì)損壞薄膜層，對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生最小的影響。除了無(wú)毒、無(wú)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)。

目前國(guó)外某公司已開發(fā)應(yīng)用此原理的清洗系統(tǒng)--超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗系統(tǒng)，該公司的產(chǎn)品由于超強(qiáng)的工藝性能，正被應(yīng)用于大批量的制造中，其客戶發(fā)現(xiàn)該超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)在缺陷派出方面非常有效，并且對(duì)敏感的元件結(jié)構(gòu)不造成損傷，這項(xiàng)技術(shù)正在替代用于器件生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)。

超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。 

 

氮?dú)夂蜌鍤庠谶M(jìn)入液氮熱交換器之前以氬／氮比為一定的比例混合。進(jìn)入熱交換器后，混合氣冷卻并且在溫度100 K、壓力157．13 kPa的情況下部分液化，熱交換器的溫度決定了氮?dú)寤旌蠚怏w的液化百分比。流經(jīng)熱交換器后，混合氣便成為氣液混合物，然后進(jìn)入清洗腔內(nèi)的噴嘴，腔室內(nèi)的壓力為6．67 kPa，噴嘴將氣液混合物直接噴射向晶圓表面?；旌衔镆坏╇x開噴嘴進(jìn)入腔室，其中的液體部分迅速膨脹并分裂為更加細(xì)小的顆粒，該過(guò)程為吸熱過(guò)程，腔內(nèi)溫度降低，小顆粒冷凝成為固態(tài)晶體，這些晶體直徑從小于0．5 μm到大于5．0 μm不等，沖擊速度達(dá)到100 m／s。晶圓表面的污染物粒子被這些高速的微小晶體沖擊、從晶圓表面脫離之后被層流氣體吹出清洗腔。冷凝的固態(tài)晶體在排氣過(guò)程中升華為氣態(tài)氬氣和氮?dú)馊缓笈抛摺Ｕ麄€(gè)過(guò)程只有惰性氣體和固態(tài)結(jié)晶物接觸硅片表面，因此，該清洗方法不會(huì)留下水印，而且不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)改變硅片表面材料的物理、化學(xué)性質(zhì)。

冷凝噴霧清洗方法的清洗機(jī)制簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是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，然后被排走。較之傳統(tǒng)清洗方法，該方法不僅對(duì)親水性表面能提高清洗效率，對(duì)疏水表面的清洗更為有效，例如SiN、SiOC以及多孔滲水低k材料等，這些都是傳統(tǒng)清洗方法不容易清洗的。有實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)用聚苯乙烯膠乳微粒作為污染粒子分別附著于親水性表面(SiO2)和疏水性表面(SiN和SiOC)，然后用冷凝噴霧清洗方法和傳統(tǒng)清洗方法進(jìn)行清洗對(duì)比，結(jié)果數(shù)據(jù)表明對(duì)親水性表面的清洗效率提高約30％，對(duì)疏水性表面清洗效率提高了約l倍?？傊?，無(wú)論對(duì)何種性質(zhì)表面，冷凝噴霧清洗方法都能較傳統(tǒng)清洗方法更有效地進(jìn)行清洗。

進(jìn)一步的研究顯示該方法不會(huì)對(duì)晶圓表面產(chǎn)生任何損傷和改變，并且因?yàn)檫@種清洗方法使用的是惰性氣體，所以可以安全地應(yīng)用于IC生產(chǎn)線的任何位置。國(guó)外很多已經(jīng)公開了的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)此給予了驗(yàn)證。

由于這種技術(shù)使用了沒(méi)有腐蝕性的惰性氣體，擁有非常高的雜質(zhì)去除率，減少了整體上的缺陷率，所以提高了最終產(chǎn)量。

3 超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)研究與應(yīng)用

此類清洗設(shè)備以超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)為技術(shù)核心，專門用于清洗集成電路關(guān)鍵尺寸在90 nm以下、片徑φ200~φ300 mm的晶圓片，單片清洗，具有很高自動(dòng)化程度。任何涉及到有污染粒子的IC生產(chǎn)工藝均能通過(guò)該清洗技術(shù)受益。該清洗工藝的典型插入點(diǎn)為淀積前后清洗(包括FEOL和BEOL)、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。除了對(duì)傳統(tǒng)清洗技術(shù)的功能上的替代外，冷凝噴霧清洗方法在由于材料敏感等原因而使傳統(tǒng)清洗方法難以應(yīng)對(duì)的情況下也發(fā)揮了很好的效果?？傊?，冷凝噴霧清洗技術(shù)為90 nm及更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝清洗提供了有效的解決方案。

此項(xiàng)技術(shù)的研究將融合基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)材料、器件物理、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、化學(xué)、真空技術(shù)、精密機(jī)械、設(shè)備制造、統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)量學(xué)、環(huán)境超潔凈控制等技術(shù)領(lǐng)域的最新成就。是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究共同發(fā)展的產(chǎn)物。而且在許多領(lǐng)域，如真空技術(shù)、超潔凈控制領(lǐng)域等，還將挑戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展的極限。其中的關(guān)鍵技術(shù)有： (1)熱交換器。精確的低溫控制系統(tǒng)。

(2)真空系統(tǒng)。為清洗室提供穩(wěn)定的真空。

(3)清洗室。清洗室是該設(shè)備最關(guān)鍵的部件。清洗室具有晶圓自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)規(guī)正功能；同時(shí)，需保證氣霧噴射速率穩(wěn)定、噴射面均勻，晶圓在清洗室中不斷自轉(zhuǎn)，保證對(duì)晶圓清洗徹底。

(4)顆粒污染控制。根據(jù)特征線寬尺寸要求，洗凈后的硅片要求金屬雜質(zhì)含量≤lO10個(gè)／cm2，顆?？刂茦O為嚴(yán)格。這就要求設(shè)備本身應(yīng)具有l(wèi)級(jí)乃至0級(jí)的潔凈等級(jí)。需開發(fā)出相應(yīng)的片系統(tǒng)和設(shè)備自身的凈化控制單元。

(5)硅片表面微粗糙度的控制?？刂乒杵砻嫖⒋植诙葘⑹潜卷?xiàng)目的另一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，器件溝道載流子遷移率減小應(yīng)≤5％，這就要求表面粗糙度應(yīng)控制在0．2 nm RMS(均方根誤差值)范圍內(nèi)(用AFM原子力顯微鏡測(cè)量)。

(6)硅片自動(dòng)傳送系統(tǒng)。機(jī)械手自動(dòng)傳片系統(tǒng)是連接上下工位以及各清洗室的紐帶，在計(jì)算機(jī)的管理下自動(dòng)完成傳片任務(wù)。機(jī)械手裝卸硅片速度快、可靠性高、定位準(zhǔn)、無(wú)油污、無(wú)顆粒、不磨損、長(zhǎng)壽命、無(wú)碎片。

(7)微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用微機(jī)作為控制主機(jī)，并配有顯示器、大容量硬盤和軟驅(qū)。具有豐富嚴(yán)謹(jǐn)?shù)能浖С?，?duì)上下料SMIF裝置、機(jī)械手、閥門動(dòng)作等進(jìn)行自動(dòng)控制。

4 結(jié)論

預(yù)計(jì)到2008年，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入將突破1000億元。屆時(shí)中國(guó)將成為世界重要的集成電路制造基地之一。預(yù)計(jì)在2010年我國(guó)將成為世界的第二大集成電路的市場(chǎng)。同時(shí)隨著全球經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整，中國(guó)內(nèi)地將有一大批生產(chǎn)線要投資建設(shè)，再加上國(guó)外生產(chǎn)線向內(nèi)地的轉(zhuǎn)移，到2020年我國(guó)將成為世界上最大的集成電路生產(chǎn)制
造基地。預(yù)計(jì)在未來(lái)的1O年內(nèi)我國(guó)集成電路和半導(dǎo)體專用設(shè)備將有超過(guò)200億美圓的市場(chǎng)需求，這是一個(gè)非常好的發(fā)展契機(jī)，必是商家競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)。

目前，國(guó)際上掌握超凝態(tài)過(guò)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國(guó)際有限公司所壟斷，而該公司也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到亞洲已經(jīng)成為集成電路制造中心，所以正積極地?cái)U(kuò)大該種設(shè)備在整個(gè)亞洲的應(yīng)用?；谶@種現(xiàn)狀，我國(guó)應(yīng)加緊研究并掌握這項(xiàng)技術(shù)，打破其一家壟斷的格局，一方面將極大地降低我國(guó)集成電路生產(chǎn)線的設(shè)備投資成本，節(jié)約大量外匯，另一方面，還可利用我們的地域優(yōu)勢(shì)以及價(jià)格優(yōu)勢(shì)將我們的清洗設(shè)備打入到亞洲乃至世界半導(dǎo)體制造專用設(shè)備市場(chǎng)，增加我國(guó)外匯收入，提高我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力，并進(jìn)一步提升我國(guó)在國(guó)際半導(dǎo)體專用設(shè)備制造領(lǐng)域的地位。并在90-65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，具有我們的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。