集成電路濕法工藝與濕法設備制造技術研究

宋文超，李家明，賈祥晨，劉廣杰，王洪建

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

集成電路濕法工藝是指在集成電路制造過程中需要使用化學藥液的工藝，主要有濕法清洗、化學機械拋光、無應力拋光和電鍍四大類[1]。

濕法清洗是針對不同工藝需求，采用特定的化學液和去離子水，對硅片表面進行無損傷清洗，以去除集成電路制造過程中的顆粒、自然氧化層、有機物、金屬污染、犧牲層、拋光殘留物等物質。由于集成電路制造工藝不斷發展，濕法清洗工藝面臨更高要求，減少硅片表面小尺寸顆粒雜質數量，同時盡可能避免硅片表面損傷是濕法清洗工藝面臨的挑戰。據ITRS對65 nm技術節點晶圓表面上各種沾污的要求，清洗后每個晶圓表面上含顆粒直徑32.5 nm個數小于80個，在柵氧化物整體(GOI)表面金屬(原子)小于5.0×109個，在其它表面金屬(原子)小于1.0×l010個，表面碳素(原子)小于1.2×1013個：并要求在清洗過程中的單晶硅和氧化硅損失量達0.05 nm。

化學機械拋光是通過研磨頭將機械力作用于硅片表面，同時利用研磨液中的化學物質與硅片表面材料發生化學反應來增加研磨速率，實現硅片表面平坦化。無應力拋光工藝基于電化學拋光原理，拋光液與硅片的銅表面接觸，在電化學作用下，有效去除圓片表層多余的銅層。拋光過程僅電化學拋光液與圓片接觸，無機械力，能夠很好地解決低k和超低k介質材料銅互連結構平坦化過程中因機械應力造成的損傷問題。電鍍是采用電化學原理，將硅片浸沒在電鍍液中進行金屬沉積的工藝。

濕法工藝從廣義上講，包括上述四大類；從狹義上講，主要包括濕法清洗和濕法腐蝕。本文對集成電路制造中常用的幾種濕法清洗和腐蝕工藝進行重點介紹。

1 常用濕法清洗與腐蝕工藝

1.1 柵氧化前清洗工藝

在先進的CMOS工藝中，柵氧是整個工藝的核心，對CMOS器件的可靠性有著決定性的作用，柵氧化工藝對硅表面有更高的要求。柵氧清洗工藝是柵氧化前表面的預處理工藝，通過柵氧清洗工藝去除表面的自然氧化層、微量金屬和表面雜質，提供一個潔凈平整的硅表面；然后進入爐管氧化得到一個高質量的氧化層。在濕法柵氧清洗工藝中，化學品直接與硅表面接觸，表面的潔凈度和對硅表面的損害程度將直接影響產品的性能。然而不管工藝如何先進，都無法完全地去除所有的雜質，也不可能排除引入任何的新雜質。除了提高化學品純度之外，所有的技術都是設法提高去除雜質的能力，將雜質降到一個更低的級別，從而改善CMOS器件的良率、質量和可靠性。

常見的柵氧清洗工藝配置如表1所示，采用SPM、DHF、SC1和SC2等化學溶液完成對有機物、自然氧化層、顆粒物和金屬離子污染的清洗去除。將O3引入到柵氧清洗工藝中，利用O3降低有機物和重金屬的含量，可防止金屬離子和表面顆粒的再吸附，并能有效預防水痕和自然氧化層的產生，從而大大提高了柵氧清洗的表面預處理能力，改善了柵氧化層的質量[2]。

表1 柵氧化前濕法清洗工藝配置

1.2 RCA清洗

RCA清洗是用于晶圓清洗的首選工藝方法，也是目前業界廣泛采用的工藝方法，能有效去除晶圓在芯片制造過程中引入的各種有機物、金屬、氧化物、顆粒等沾污。RCA清洗工藝在集成電路制造工藝中的分布如圖1所示，可廣泛應用于集成電路制造工藝過程中來料清洗、氧化前清洗、擴散前清洗和柵氧化前清洗等濕法工藝[3]。RCA清洗工藝配置如表1所示。

圖1 RCA濕法清洗工藝分布示意圖

1.3 濕法去膠工藝

經過刻蝕或者離子注入之后，不再需要光刻膠作為保護層，因此需將光刻膠從硅片的表面除去，這一步驟簡稱為去膠。在集成電路工藝中，去膠的方法包括濕法去膠和干法去膠。干法去膠是利用等離子體將光刻膠去除，濕法去膠是通過化學液將光刻膠去除。相對于濕法去膠，干法去膠的效果更好，但是由于干法去膠存在反應殘留物的沾污問題，因此干法去膠與濕法去膠經常搭配使用。在濕法去膠中又分為有機溶劑去膠和無機溶劑去膠。使用有機溶劑去膠，主要是使光刻膠溶于有機溶劑中，從而達到去膠的目的。有機溶劑去膠中使用的溶劑主要有丙酮和芳香族的有機溶劑。

無機溶液去膠的原理是利用光刻膠本身也是有機物的特點（主要由碳和氫等元素構成的化合物），通過使用一些無機溶劑（如硫酸和雙氧水等），將光刻膠中的碳元素氧化成為二氧化碳，如此可將光刻膠從硅片的表面除去。

表2展示了一種無機濕法去膠工藝配置，其中配置了兩組SPM工藝單元，利用H2SO4和H2O2的強氧化性實現去膠目的。在SPM單元后配置了SC1單元，主要作用是去除少量的有機沾污和顆粒。缺點是可能會引起晶圓表面的金屬沾污和增加表面的微粗糙度。通過降低NH4OH濃度可以限制晶圓表面的腐蝕從而降低晶圓表面的微粗糙度，降低NH4OH和H2O2的濃度還可以提高對于顆粒的去除效果。目前，該去膠工藝主要用于SDG、POLY及SD注入后的去膠清洗（即干法去膠后表面的膠絲和聚合物清洗）。

表2 濕法去膠工藝配置

1.4 濕法氮化硅腐蝕

在集成電路制造中，局部氧化（LOCOS）、淺槽隔離（STI）和自對準接觸結構制作方面，氮化硅（Si3N4）被廣泛用作掩蔽層材料。氮化硅膜作為硅基板氧化時的阻擋層，起到隔離器件的作用（氮化硅膜上的氧化速率較硅基板上氧化速率慢得多）。在器件隔離形成后需要將氮化硅膜完全腐蝕掉，否則會影響后續的氧化工序而導致整個器件失效。

這層氮化硅掩蔽層要用熱磷酸（H3PO4）進行濕法化學剝離。磷酸槽始終維持在160℃左右并對露出的氧化硅具有高選擇比。用熱磷酸去除氮化硅是難以控制的，通過使用檢控樣片來進行定時操作（沒有終點檢測）。在氮化硅表面常常會形成一層氮氧化硅，因此在去除氮化硅之前，需要在HF槽中進行短時間的處理[4]。如果這一層氮氧化硅未被去除，即不能均勻地去除氮化硅，在氮化硅濕法腐蝕工藝前配置DHF單元去除氮氧化硅。濕法氮化硅薄膜腐蝕工藝中H3PO4作為催化劑，H2O作為主要反應物，其化學反應式為Si3N4+H2O←→3SiO2+4NH3。氮化硅濕法腐蝕的工藝配置如表3所示。

表3 氮化硅濕法腐蝕工藝配置

1.5 二氧化硅濕法腐蝕

二氧化硅在集成電路工藝中的應用廣泛，可分為場氧化層、柵氧化層、阻擋氧化層、摻雜阻擋層、墊氧化層、注入屏蔽氧化層、金屬層間絕緣阻擋層以及自然氧化層等。在集成電路工藝中對SiO2的刻蝕最為頻繁。在ULSI工藝中對SiO2的干法刻蝕主要是用于刻蝕接觸窗口，SiO2的濕法刻蝕主要用于自然氧化層、摻雜阻擋層、注入屏蔽氧化層、犧牲氧化層等去除工藝。

二氧化硅刻蝕主要使用氫氟酸刻蝕液。根據濃度不同可分為CHF、LHF、DHF等。CHF是濃度為49%的氫氟酸刻蝕液，主要用來刻蝕聚合物(Polymer)以及氮化物，其反應速度很快，很難用其來刻蝕掉特定的厚度，因此只能用在過刻蝕的情況。LHF是CHF用水稀釋后的產物，其中氫氟酸和水的比例為1:50。該刻蝕液刻蝕速度穩定，晶圓生產上常用其刻蝕特定厚度的氧化膜。DHF是LHF進一步稀釋后的溶液，其中氫氟酸和水的比例為1:100。由于其濃度較低，所以其刻蝕速率很低，主要用來刻蝕晶圓表面的自然氧化膜。緩沖刻蝕劑BOE(全稱Buffered Oxide Etch)，是NH4F和HF以及表面活化劑的混合物，主要用來刻蝕晶圓上深槽里的氧化膜。緩沖刻蝕劑與SiO2氧化膜的反應機理為：

氧化硅濕法腐蝕工藝配置如表4、表5所示。

表4 氧化硅（with PR）濕法腐蝕工藝配置

表5 氧化硅濕法腐蝕工藝配置

2 典型濕法槽式設備制造技術

2.1 晶圓盒隔離技術

晶圓隔離進出料技術是將潔凈室直接設置于設備中，其中包括晶圓盒（POD）、SMIF I/O（input&Output）及微型潔凈環境（Mini-environment）三項主要技術。晶圓隔離技術又稱為標準機械接口（Standard Mechanical Interface，SMIF），國際半導體協會將SMIF列為300 mm（12英寸）晶圓廠的標準，成為0.13μm及更微細線寬制程需求潔凈度的主流技術。

SMIF提供了一個潔凈的環境（優于ISO三級標準的1級），同時允許將制造過程的總體潔凈程度降至ISO五級（100級），最終提供優于傳統1級凈室10倍以上的晶圓保護。這使得節約巨額運營成本成為可能，同時也使晶圓廠能夠更有效、更具成本效益。圖2展示了0.13μm工藝制程全自動濕法機臺，其中配置了SMIF接口，可有效提高濕法設備工藝水平。

圖2 配置SMIF接口的全自動濕法設備

2.2 設備前端模塊

設備前端模塊（EFEM，Equipment Front-end Module），是一種高潔凈等級的微環境設備接口模塊，用于統一自動化接口。EFEM是所有上料臺（Load Station）的集成平臺，在φ200 mm及φ300 mm晶圓規格生產線，更是扮演了與各個代工（Foundry）工廠自動化接口的主要橋梁。EFEM主要由前端模塊統一標準的料盒（FOUP）、上料通道（Load Port）、預對準機（Pre-aligner）和機械手構成。有的EFEM為了防止產生錯誤后降低傳送效率，設置了緩存區（Buffer），臨時放置硅片。此外，采用了高效過濾器(FFU)和特殊的結構、工藝處理，EFEM可以具備1級（Class 1）的超潔凈等級，從而保證硅片在傳送過程中不受污染[5]。EFEM結構與配置EFEM接口的全自動濕法設備如圖3所示。

圖3 EFEM結構與配置EFEM接口的全自動濕法設備

2.3 設備進風/排風系統

設備進風、排風系統的主要作用是控制設備工藝區空氣的潔凈度，并將化學槽揮發的腐蝕性氣體排放至廠務排風管道，保證清洗工藝效果、操作人員安全和設備安全。科學合理的進風、排風系統設計具有如下優勢：使設備內部獲得更高的凈化環境、與外界環境隔離避免內部受到污染、降低了能耗和使用成本。設備的進風、排風系統原理如圖4所示，設備每個排風口的壓差≥150 Pa，每個排風口的排風量應≥1 000 m3/h；應保證引風板開口總截面積與設備排風口總截面積相當；應調整FFU進風量、排風風門大小、引風窗大小，使進風總量與排風總量達到平衡。

圖4 濕法設備進風、排風系統原理圖

2.4 化學槽體模塊

化學槽體模塊是槽式濕法設備的核心單元，硅片在其內部完成特定的腐蝕或清洗工藝。化學槽體模塊由槽體、循環泵、過濾器、液位傳感器、流量計、濃度計、溫控裝置、管道閥體、自動蓋等組成。根據不同化學液，槽體針對性選用石英、PVDF、PTFE、SUS316等材料。化學槽體模塊的設計要實現化學液溫度場、流場和濃度場的最優狀態，以保證更好的腐蝕均勻性控制、最佳的清洗效果。化學槽體模塊的工作原理如圖5所示。

圖5 化學槽體工作原理圖

2.5 清洗水槽模塊

在完成化學槽腐蝕清洗工藝后，硅片進入清洗水槽中進行清洗，去除殘留化學藥液，終止腐蝕工藝，避免過腐蝕發生。清洗水槽有兩種，一種是溢流槽（Over Flow，OF），用于濕法刻蝕后清洗；一種是快排槽（Quick Dump Rinse，QDR），用于顆粒清洗后的清洗。同時根據特定工藝要求，清洗水槽模塊會配置熱水、CO2鼓泡和兆聲清洗等功能。清洗水槽模塊工作原理如圖6所示。

圖6 清洗水槽工作原理圖

2.6 干燥技術

干燥的目的是去除晶片表面的液體，保證晶片表面潔凈度，為晶片進入下道工藝做好準備。它是濕法清洗工藝中最后一個步驟，最終決定了晶片清洗的表面質量。干燥工序處理不當，極易導致晶片碎裂、表面損傷、氧化、水漬、顆粒的引入和沾污等缺陷，影響器件的性能及良率，嚴重時甚至致使整個晶片報廢[6]。濕法槽式設備干燥方式主要有熱N2干燥、旋轉沖洗甩干（SRD）、慢拉與紅外干燥(IR)、Marangoni干燥、IPA蒸汽干燥、HF/O3干燥等。SRD干燥和Marangoni干燥原理如圖7所示。

圖7 SRD與Marangoni干燥原理圖

2.7 傳輸機械手模塊

傳輸機械手用于硅片或硅片盒在設備內部工藝槽體和上下料工位中間的傳送。早期濕法設備制造技術中將晶圓放置于片盒（Cassette）中進行濕法腐蝕清洗處理工藝。這種技術在150 mm（6英寸）及以下晶圓應用較多，工藝線寬大于0.5μm，極限顆粒控制0.2μm以上。目前主流IC生產線槽式濕法處理設備采用無片盒（Cassette-less）濕法腐蝕清洗技術，滿足150 mm（6英寸）、200 mm（8英寸）、300 mm（12英寸）晶圓清洗要求，適用0.13μm甚至更細工藝線條，目前國外設備顆粒控制在0.09μm以下，工藝向更細線寬發展空間很大，是先進的主流濕法設備制造技術。帶片盒清洗傳輸機械手與無片盒傳輸機械手結構如圖8所示。

圖8 帶片盒清洗傳輸機械手與無片盒清洗傳輸機械手結構

2.8 化學液配比模塊

化學配比模塊用于化學槽體模塊內多種化學成分的配比，可將工藝中用到的各種高濃度的化學液通過計量槽和計量泵按比例精確地自動注入到工藝槽中，從而實現槽內各化學液及水的精確配比。一方面可最大限度地降低化學試劑對操作人員可能造成的傷害；另一方面可保證不同批次產品的一致性問題。該部分主要依靠的技術環節：通過化學泵及批量控制器相結合技術完成化學液按比例準確配液；對工藝過程中耗用較多的化學溶液在處理前可進行精確添加；配置補液補償技術。化學在線配比模塊工作原理如圖9所示。

圖9 化學液在線配比模塊工作原理圖

3 結束語

在半導體制造工藝中，濕法工藝的全工序占比達到了25%以上，貫穿了襯底加工、晶圓制造到封裝測試的全過程，影響制造過程良品率40%以上的因素來源于濕法工藝。與工藝過程中的核心設備或關鍵設備相比，半導體濕法設備的定制特色更加強烈。隨著摩爾定律持續向縱深發展，工藝線寬將進一步收縮，濕法設備制造技術也會不斷提高，半導體濕法設備的市場前景也將更加廣闊。