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    清洗技術在IC制造的發展分析
    點擊次數:0  時間:2020-07-11  

      1  引言

      以集成電路為核心的電子信息產業已成為我國一大產業,成為改造和拉動傳統產業的強大引擎和技術基礎。當今世界經濟競爭中,擁有自主知識產權的IC已成為經濟發展的命脈、競爭的籌碼和國家 的保障。

      集成電路制造過程中清洗硅片表面的污染和雜質是清洗的主要目的,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不到要求,則將前功盡棄,導致整批芯片的報廢,所以可以毫不夸張地說,沒有 的清洗技術,便沒有集成電路和 規模集成電路的 。

      傳統清洗技術主要使用酸、堿、雙氧水、甲苯、三氯乙烯、氟利昂等化學試劑,成本高,而且有毒,有腐蝕性,危害 與健康并污染環境,特別是氟利昂等ODS物質研究破壞地球臭氧層,危及人類生態環境,上限期禁止生產和使用的物質。多年來,國內外科學家就致力于研究 ,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,如造成半導體器件結構損傷,在65nm及以下工藝,其損傷程度可能會加劇。芯片中的深溝槽結構清洗時清洗液和漂洗去離子水很難進入結構內部,難以達到清洗目的。高堆疊式和深溝槽式結構清洗后的干燥過程也是很關鍵的技術問題。一般小于130nm工藝中,要求  所有大于或等于100nm的顆粒,而由于表面邊界層的限制,現行清洗技術,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  光刻膠,同時保證不腐蝕銅導線和不改變低k電介質的電介常數等都是當前清洗技術面臨的問題。

      2  現代清洗技術中的關鍵要求

      在未來90~65nm節點技術工藝中,除了要考慮清洗后的硅片表面的微粗糙度及自然氧化物 率等技術指標外,也要考慮對環境的污染以及清洗的效率其經濟效益等。

      硅片清洗技術評價的主要指標可以歸納為:

      (1)微粗糙度(RMS);

      (2)自然氧化物 率;

      (3)金屬沾污、表面顆粒度以及有機物沾污,其他指標還包括:

      (4)芯片的破損率;

      (5)清洗中的再沾污;

      (6)對環境的污染;

      (7)經濟的可接受性(包括設備與運行成本、清洗效率)等。

      金屬沾污在硅片上是以范德華引力、共價鍵以及電子轉移等三種表面形式存在的[2]。這種沾污會破壞薄氧化層的完整性,增加漏電流密度,影響MOS器件的穩定性,重金屬離子會增加暗電流,情況為結構缺陷或霧狀缺陷。何良恩等人對300mm硅片表面清洗要求的演變做了總結

      表面顆粒度會引起圖形缺陷、外延前線、影響布線的完整性以及鍵合強度和表層質量。顆粒的 與靜電排斥作用有關,所以硅片表面呈正電時,容易降低顆粒 效率,甚至出現再沉淀。

      傳統的濕法化學清洗中所需要解決的主要問題有:化學片的純度、微粒的產生、金屬雜質的污染、干燥技術的困難、廢水廢氣的處理等。尋求解決上述問題的過程中,發現改用氣相清洗技術是一個 途徑。

      隨著微電子新材料的使用和微器件特征尺寸的進一步減小,迫切需要一種更具選擇性、更 、更容易控制的清潔清洗技術,在后道工序中銅引線、焊盤、鍵合等都需要進行有機污染物的清洗,用濕法清洗也很難達到目的。

      在執行晶圓的前、后段工藝過程時,晶圓需要經過無數次的清洗步驟,其次數取決于晶圓的設計和互連的層數。此外,由于清洗工藝過程不僅要剝離晶圓表面的光刻膠,同時還  復雜的腐蝕殘余物質,金屬顆粒以及其他污染物等,所以清洗過程是及其復雜的過程。

      3  清洗介質的選擇

      從濕法清洗的實踐中,越來越多出現難于解決的問題時,迫使科技人員探索和尋找替代的技術,除了如增加超聲頻率(采用MHz技術)等補救方法之外,途徑就是選擇氣相清洗技術來替代(熱氧化法、等離子清洗法等)。選擇清洗介質,即清洗劑是設備設計、清洗流程、工藝的前提,根據現代清洗技術中的關鍵要求,結合當前材料科技發展中出現的新觀念、新成果,把目光集中到超臨界、超凝態,常壓低溫等離子體等介于氣、液相的臨界狀態物質是順理成章的事。

      3.1  超臨界清洗劑

      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,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技術是使CO2成為液態,用高壓壓縮成一種介于液體和氣體之間的流體物質,"超臨界"狀態。這種流體與固體接觸時,不帶任何表面張力,因此能滲透到晶圓內部深的光刻位置,因而可以剝離更小的顆粒。此外,流體的粘度很低,可以 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對Si基板的侵蝕和不純物的消費??蓪ψ⑷腚x子的光敏抗腐·蝕劑掩模用無氧工藝進行剝離。

      引進超臨界流體清洗技術,清洗方法以不使用液體為主流,預計到2020年,可達到幾乎 不使用液體的超臨界流體清洗或者針點清洗成為主要的清洗方法,超臨界流體清洗的革新點在于可以解決現有清洗方法中的兩個弊端,即清洗時,損傷晶片、或組合元件和污染環境的問題。

      3.2  超凝態過冷動力學清洗

      運用氬和氮的懸浮來清洗,是一種干法氣相無感光系統,不會損壞薄膜層,環境的影響小,不易燃等優點外,還具有廉價并易于操作的特點。氣霧與晶圓表面污染粒子相撞將動能傳遞到污染粒子上,當該能量大于污染粒子與晶圓表面的附著能時,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 的置于IC生產線的任何地方。此類清洗設備以超凝態過冷動力學為技術核心,可用于清洗集成電路關鍵尺寸在90nm以下、片徑&phi;200-300mm的晶圓,單片清洗,具有很高自動化程度。該清洗工藝的典型插入點為淀積前后清洗、CMP后清洗、刻蝕后清洗以及在線電子質量測量后清洗,應對各種與擴散前清洗相關的挑戰、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 等,目前,掌握超凝態過冷動力學清洗技術并應用該技術生產的清洗設備基本上被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。將激發到等離子態的活性粒子與表面分子反應,而產物分析進一步解析形成氣相殘余物而脫離表面。

       光阻材料,一般利用酸或堿水溶劑、無水有機溶液,或用氧或氟等強氧化元素的射頻等離子反應。經上述方法處理后,芯片要用高純度的水進行清洗,再用異丙醇干燥芯片表面。一個標準規模的芯片廠正常生產一·天,要產生數百萬加侖的污水。如果利用常壓輝光冷等離子體所產生的活性物質對有機污染和光刻膠進行清洗是替代濕法化學方法的一種綠色手段,是被人們十分關注的根本治理污染的技術。國內在常壓低溫等離子體清洗設備的研制是從2003年開始,由中科院光電研究所和中科院微電子研究所聯合成立了常壓均勻冷等離子體技術研制課題組,在短短的兩年時間內,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備,并申請了幾個相關設備專利。

      3.4  低溫冷凝噴霧技術

      隨著90nm節點技術時代的到來,無論從經濟學角度還是從技術發展角度看,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 地避免了由兆聲清洗等傳統清洗技術所造成的硅片表面物理損傷,并 地降低了由濕法腐蝕清洗所造成的原材料損失,并且不會改變硅片的表面物理特征以及化學特性,同時還克服了由于使用低k半導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

      整個半導體行業正在經歷著重要的技術轉型,傳統的批式處理方法已經無法適應濕式清洗應用,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格、性能以及可靠性不會受到污染物的影響。此外,批式濕式處理也無法滿足如快速熱處理(RTP)等工藝的關鍵擴散和CVD技術。

      4.1  針點式清洗

      將清洗晶片的清洗方式轉換為針點式的技術革新,使得清洗技術的作用已經能夠達到原子級的表面控制。這種清洗技術可以降低半導體產業的環境負荷。

      針點式清洗是將粒子一點一點地 的方式,故又被稱為針點清洗方式。"針點清洗",能夠  通過濕式清洗和超臨界流體清洗不能 除去的在晶片上殘留的粒子。針點清洗時,用激光 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清洗等。這些技術與超臨界流體的清洗相同,它不使用藥液和純水。此項工作現在還只限于對除去粒子的原理進行驗證的階段,今后應該將高處理能力的裝置開發和粒子檢測技術結合起來進行統合的技術開發。

      4.2  單晶圓處理技術

      通過使用單晶圓技術可以有提高100nm及其以下工藝的成品率。對于更小線寬的300mm晶圓,晶圓的成本太高,清洗晶圓的風險也高,使用單晶圓技術可使制造商能夠在更小規模的生產線上以更少的設備投入生產出與大型生產線數量相同的芯片。單晶圓處理技術與批式處理系統競爭的關鍵之處在于產能,即它 能夠達到要求的濕式清洗平臺每小時150~200只晶圓的產能。

      5  環境保護與IC清洗

      環境問題是個社會性問題,清洗對環境的影響已被提到日程上來,開發 能減低環境負荷的新技術,可以說是當前清洗技術迫切需要解決的一項重大課題。

      半導體架構導致的環境污染是半導體制造商大量用H2SO4或HCl,

      NH4OH等的藥液和水進行RCA清洗所引起的環境污染。

      清洗技術中使用的氟利昂等ODS物質,破壞地球高空的臭氧層,形成度臭氧洞",危害人類生態環境。1987年通過了《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》,規定了消耗臭氧層物質的生產量和消費量限制的進程,加快了淘汰步伐,要求清洗行業提前到2006年。研究使用于 規模集成電路的用的新型電子工業清洗劑和替代氟利昂等ODS物質的清洗劑是當務之急。

      氣相清洗技術中的清洗劑應該探索容易與污染物進行分離再·生,重新凈化的技術方案,循環使用的清洗劑必然會減輕環境壓力。

      6  清洗設備的國產化道路

      集成電路制造業 清洗設備以及相應的清洗工藝技術的研究 與集成電路技術日新月異的發展相協調。面對晶圓尺寸的不斷擴大與芯片關鍵尺寸的不斷縮小的實際情況,硅片清洗技術 同步快速發展以滿足芯片制造業對 設備的要求。同時,新型的 清洗設備及其相關工藝技術的研究與開發是對下一代芯片技術的高成品率和高性能特點的重要保證。各清洗設備廠家已經開始在提供面向新一代無損傷和刻蝕損耗新設備、新工藝領域展開了激戰。

      面對半導體設備技術被世界少數發達國家的設備制造商壟斷的局勢與 大陸地區半導體行業及微電子產業的迅猛發展形勢,過程實施了863計劃,國產的硅片研磨清洗機、化學濕臺,等離子清洗機、管殼封裝清洗及為代表的設備已進入了半導體芯片制作和后封裝全過程。

      但是行業內對半導體清洗設備的需求不斷增加,而現有的半導體清洗技術已經無法滿足需求的情況,導致大量半導體設備依靠進口。2005年 芯片設備的采購和使用量占 采購量的25%,其中清洗設備將占到請求清洗設備市場的5%。

      一代技術、需要一代設備,我國的半導體設備產業是一個相對落后的產業,芯片制造過程的 產品的生產設備、材料等幾乎 依賴進口,這種形勢的改變是需要時日,需要工程技術界的不懈努力,更需要國家加大投入,組織 才智攻破技術禁區,使得我們在半導體制造設備領域真正占領一席之地。

    本文網址: http://www.clinkerboat.com/txwl/97.html

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