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IC制造中清洗技术发展的分析

更新日期:2017-05-16
IC制造中清洗技术发展的分析
1 引言

以集成电路为核心的电子信息产业已成为我国第一大产业,成为改造和拉动传统产业的强大引擎和技术基础。当今世界经济竞争中,拥有自主知识产权的IC已成为经济发展的命脉、国际竞争的筹码和国家安全的保障。   
 
集成电路制造过程中清洗硅片表面的污染和杂质是清洗的主要目的,在制造过程中,几乎每道工序都涉及到清洗,而且集成电路的集成度越高,制造工序越多,所需的清洗工序也越多[1]。在诸多的清洗工序中,只要其中某一工序达不到要求,则将前功尽弃,导致整批芯片的报废,所以可以毫不夸张地说,没有有效的清洗技术,便没有集成电路和超大规模集成电路的今天。
传统清洗技术主要使用酸、碱、双氧水、甲苯、三氯乙烯、氟利昂等化学试剂,成本高,而且有毒,有腐蚀性,危害安全与健康并污染环境,特别是氟利昂等ODS物质研究破坏地球臭氧层,危及人类生态环境,是国际上限期禁止生产和使用的物质。多年来,国内外科学家就致力于研究无毒,无腐蚀性的清洗工艺,但尚未取得突破。
随着芯片尺寸加大,工艺线宽减小,从90nm工艺开始,以往在清洗过程中使用的超声波清洗遇到一些问题,如造成半导体器件结构损伤,在65nm及以下工艺,其损伤程度可能会加剧。芯片中的深沟槽结构清洗时清洗液和漂洗去离子水很难进入结构内部,难以达到清洗目的。高堆叠式和深沟槽式结构清洗后的干燥过程也是很关键的技术问题。一般小于130nm工艺中,要求必须去除所有大于或等于100nm的颗粒,而由于表面边界层的限制,现行清洗技术,如液体或高压(液体)喷射清洗已无法洗去100nm的颗粒。还有如何在后段有效去除光刻胶,同时保证不腐蚀铜导线和不改变低k电介质的电介常数等都是当前清洗技术面临的问题。
2 现代清洗技术中的关键要求
在未来90~65nm节点技术工艺中,除了要考虑清洗后的硅片表面的微粗糙度及自然氧化物清除率等技术指标外,也要考虑对环境的污染以及清洗的效率其经济效益等。
硅片清洗技术评价的主要指标可以归纳为:(1)微粗糙度(RMS);(2)自然氧化物清除率;(3)金属沾污、表面颗粒度以及有机物沾污,其他指标还包括:(4)芯片的破损率;(5)清洗中的再沾污;(6)对环境的污染;(7)经济的可接受性(包括设备与运行成本、清洗效率)等。

金属沾污在硅片上是以范德华引力、共价键以及电子转移等三种表面形式存在的[2]。这种沾污会破坏薄氧化层的完整性,增加漏电流密度,影响MOS器件的稳定性,重金属离子会增加暗电流,情况为结构缺陷或雾状缺陷。何良恩等人对300mm硅片表面清洗要求的演变做了总结(表1)[3]
 
表面颗粒度会引起图形缺陷、外延前线、影响布线的完整性以及键合强度和表层质量。颗粒的去除与静电排斥作用有关,所以硅片表面呈正电时,容易降低颗粒去除效率,甚至出现再沉淀[3]。
传统的湿法化学清洗中所需要解决的主要问题有:化学片的纯度、微粒的产生、金属杂质的污染、干燥技术的困难、废水废气的处理等。寻求解决上述问题的过程中,发现改用气相清洗技术是一个有效途径。
随着微电子新材料的使用和微器件特征尺寸的进一步减小,迫切需要一种更具选择性、更环保、更容易控制的清洁清洗技术,在后道工序中铜引线、焊盘、键合等都需要进行有机污染物的清洗,用湿法清洗也很难达到目的。
在执行晶圆的前、后段工艺过程时,晶圆需要经过无数次的清洗步骤,其次数取决于晶圆的设计和互连的层数。此外,由于清洗工艺过程不仅要剥离晶圆表面的光刻胶,同时还必须去除复杂的腐蚀残余物质,金属颗粒以及其他污染物等,所以清洗过程是及其复杂的过程。
3 清洗介质的选择
从湿法清洗的实践中,越来越多出现难于解决的问题时,迫使科技人员探索和寻找替代的技术,除了如增加超声频率(采用MHz技术)等补救方法之外,首选的途径就是选择气相清洗技术来替代(热氧化法、等离子清洗法等)[4]。选择清洗介质,即清洗剂是设备设计、清洗流程、工艺的前提,根据现代清洗技术中的关键要求,结合当前材料科技发展中出现的新观念、新成果,把目光集中到超临界、超凝态,常压低温等离子体等介于气、液相的临界状态物质是顺理成章的事。
3.1 超临界清洗剂[5]
气相清洗方法,使晶圆在气相加工过程中可以一直保持在真空是内,避免污染,因而增加了成品率,并降低了成本,气相清洗方法采用了非常重要的CO2,超临界CO2技术是使CO2成为液态,用高压压缩成一种介于液体和气体之间的流体物质,"超临界"状态。这种流体与固体接触时,不带任何表面张力,因此能渗透到晶圆内部最深的光刻位置,因而可以剥离更小的颗粒。此外,流体的粘度很低,可以清除掉晶圆表面的无用固体。采用超临界流体清洗给组合元件图案造成的损伤少并可以抑制对Si基板的侵蚀和不纯物的消费。可对注入离子的光敏抗腐蚀剂掩模用无氧工艺进行剥离。
引进超临界流体清洗技术,清洗方法以不使用液体为主流,预计到2020年,可达到几乎完全不使用液体的超临界流体清洗或者针点清洗成为主要的清洗方法,超临界流体清洗的革新点在于可以解决现有清洗方法中的两个弊端,即清洗时,损伤晶片、或组合元件和污染环境的问题。
3.2 超凝态过冷动力学清洗
运用氩和氮的悬浮来清洗,是一种干法气相无感光系统,不会损坏薄膜层,环境的影响小,除了无毒、无污染性,不易燃等优点外,还具有廉价并易于操作的特点。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,携带被排走。清洗方法使用的是惰性气体,可以安全的置于IC生产线的任何地方。此类清洗设备以超凝态过冷动力学为技术核心,可用于清洗集成电路关键尺寸在90nm以下、片径φ200-300mm的晶圆,单片清洗,具有很高自动化程度。该清洗工艺的典型插入点为淀积前后清洗、CMP后清洗、刻蚀后清洗以及在线电子质量测量后清洗,应对各种与扩散前清洗相关的挑战、前段制造光刻胶剥离和去胶灰化后清洗、后段制造去胶灰化后清洗和尘埃去除等,目前,国际上掌握超凝态过冷动力学清洗技术并应用该技术生产的清洗设备基本上被FSI公司所垄断。
3.3 常压低温等离子体清洗
等离子清洗有物理清洗和化学清洗(表面改性)两种方式。前者称为RIE方式,后者称为PE方式。将激发到等离子态的活性粒子与表面分子反应,而产物分析进一步解析形成气相残余物而脱离表面[4]。
去除光阻材料,一般利用酸或碱水溶剂、无水有机溶液,或用氧或氟等强氧化元素的射频等离子反应。经上述方法处理后,芯片要用高纯度的水进行清洗,再用异丙醇干燥芯片表面。一个标准规模的芯片厂正常生产一天,要产生数百万加仑的污水。如果利用常压辉光冷等离子体所产生的活性物质对有机污染和光刻胶进行清洗是替代湿法化学方法的一种绿色手段,是被人们十分关注的根本治理污染的技术。 国内在常压低温等离子体清洗设备的研制是从2003年开始,由中科院光电研究所和中科院微电子研究所联合成立了常压均匀冷等离子体技术研制课题组,在短短的两年时间内,先后成功研制出各种喷口直径和形状的常压射频冷等离子体喷枪设备,并申请了几个相关设备专利。
3.4 低温冷凝喷雾技术
随着90nm节点技术时代的到来,无论从经济学角度还是从技术发展角度看,单纯依靠损失原料换取硅片表面洁净的方法必将被淘汰。这种干法清洗技术有效地避免了由兆声清洗等传统清洗技术所造成的硅片表面物理损伤,并极大地降低了由湿法腐蚀清洗所造成的原材料损失,并且不会改变硅片的表面物理特征以及化学特性,同时还克服了由于使用低k半导体材料的疏水特性所带来的的清洗困难等难题。
4 清洗方式的改进
整个半导体行业正在经历着重要的技术转型,传统的批式处理方法已经无法适应湿式清洗应用,制造工艺过程也需探索其他新型清洗步骤,从而确保重要的器件规格、性能以及可靠性不会受到污染物的影响。此外,批式湿式处理也无法满足如快速热处理(RTP)等工艺的关键扩散和CVD技术。
4.1 针点式清洗
将全面清洗晶片的清洗方式转换为针点式的技术革新,使得清洗技术的作用已经能够达到原子级的表面控制。这种清洗技术可以降低半导体产业的环境负荷。
针点式清洗是将粒子一点一点地清除的方式,故又被称为针点清洗方式。"针点清洗",能够完全清除通过湿式清洗和超临界流体清洗不能完全除去的在晶片上残留的粒子。针点清洗时,用激光清除粒子的激光清洗或是使用端部尖锐的微小探针除去粒子的纳米针点清洗等。这些技术与超临界流体的清洗相同,它不使用药液和纯水。此项工作现在还只限于对除去粒子的原理进行验证的阶段,今后应该将高处理能力的装置开发和粒子检测技术结合起来进行统合的技术开发。
4.2 单晶圆处理技术
通过使用单晶圆技术可以有提高100nm及其以下工艺的成品率。对于更小线宽的300mm晶圆,晶圆的成本太高,清洗晶圆的风险也极高,使用单晶圆技术可使制造商能够在更小规模的生产线上以更少的设备投入生产出与大型生产线数量相同的芯片。单晶圆处理技术与批式处理系统竞争的关键之处在于产能,即它必须能够达到要求的湿式清洗平台每小时150~200只晶圆的产能。
5 环境保护与IC清洗
环境问题是个社会性问题,清洗对环境的影响已被提到日程上来,开发完全能减低环境负荷的新技术,可以说是当前清洗技术迫切需要解决的一项重大课题。
半导体架构导致的环境污染是半导体制造商大量用H2SO4或HCl,NH4OH等的药液和水进行RCA清洗所引起的环境污染。
清洗技术中使用的氟利昂等ODS物质,破坏地球高空的臭氧层,形成度臭氧洞",危害人类生态环境。1987年通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,规定了消耗臭氧层物质的生产量和消费量限制的进程,加快了淘汰步伐,要求清洗行业提前到2006年。研究使用于超大规模集成电路的用的新型电子工业清洗剂和替代氟利昂等ODS物质的清洗剂是当务之急。气相清洗技术中的清洗剂应该探索容易与污染物进行分离再生,重新净化的技术方案,循环使用的清洗剂必然会减轻环境压力。
6 清洗设备的国产化道路
集成电路制造业专用清洗设备以及相应的清洗工艺技术的研究必须与集成电路技术日新月异的发展相协调。面对晶圆尺寸的不断扩大与芯片关键尺寸的不断缩小的实际情况,硅片清洗技术必须同步快速发展以满足芯片制造业对专用设备的要求。同时,新型的专用清洗设备及其相关工艺技术的研究与开发是对下一代芯片技术的高成品率和高性能特点的重要保证。各清洗设备厂家已经开始在提供面向新一代无损伤和抑制刻蚀损耗新设备、新工艺领域展开了激战。
面对半导体设备技术被世界少数发达国家的设备制造商垄断的局势与中国大陆地区半导体行业及微电子产业的迅猛发展形势,过程实施了863计划,国产的硅片研磨清洗机、化学湿台,等离子清洗机、管壳封装清洗及为代表的设备已进入了半导体芯片制作和后封装全过程。
但是行业内对半导体清洗设备的需求不断增加,而现有的半导体清洗技术已经无法满足需求的情况,导致大量半导体设备依靠进口。2005年中国芯片设备的采购和使用量占全球采购量的25%,其中清洗设备将占到请求清洗设备市场的5%。
一代技术、需要一代设备,我国的半导体设备产业是一个相对落后的产业,芯片制造过程的高端产品的生产设备、材料等几乎完全依赖进口,这种形势的改变是需要时日,需要工程技术界的不懈努力,更需要国家加大投入,组织全国才智攻破技术禁区,使得我们在半导体制造设备领域真正占领一席之地。
近几年来,时代超声以前所未有的发展速度向半导体、太阳能硅片制造领域挺进,自2000年以来市场销售额以每年60%的速度递增。尤其是近几年开发生产的清洗设备先后有数十台设备进入日立、LG、飞利浦、无锡尚德、南京中电光伏等多家大型生产线。设备在生产线上与国外同类设备并线使用,完全达到用户的使用要求。