90～65nm清洗新技術

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

摘 要：簡單說明了清洗技術在90～65 nm節點技術階段的新發展，著重介紹了一種新的清洗技術-低溫冷凝清洗技術產生的背景、技術現狀及其應用，對我國半導體清洗行業的未來發展提出建議。

關鍵詞：90～65 nm節點技術； 超凝態過冷動力學清洗； 微粗糙度； RMS(均方根誤差值)；載流子遷移率

中圖分類號：TN305．97 文獻標識碼：A 文章編號：1004-4507(2005)08-0013-03

集成電路制造過程中清洗的主要目的是清除硅片表面的污染，如微粒、有機物及無機金屬離子等雜質。而在未來90~65 nm節點技術工藝中，除了要考慮上述的清洗技術指標外，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指標，以達到半導體元件超薄柵氧化層的電性參數及特性，來滿足元件品質及集成電路的可靠性要求。

集成電路制造業專用清洗設備以及相應的清洗工藝技術的研究必須跟進集成電路技術日新月異的發展。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，硅片清洗技術必須同步快速發展以滿足芯片制造業對專用設備的需求。同時，新型的專用清洗設備及其相關工藝技術的研究與開發也是對下一代芯片技術高成品率、高性能的重要保證。當前，作為半導體制造工藝幕后主角的半導體清洗技術，被要求和使用在φ300 mm硅圓片的90 nm技術節點的正式批量生產和65 nm的開發中。隨著細微化的發展，必須對硅片結構和新的半導體材料應用進行研究。針對半導體設備的這些要求，各清洗設備廠家已經開始在提供面向新一代無損傷和抑制刻蝕損耗新設備、新工藝領域展開了激戰。
對于90～65 nm清洗技術的歷史性變革，存在著幾種比較有發展前途的清洗技術，其中應用低溫冷凝噴霧技術的清洗設備引起了人們極大的關注。

1 超凝態過冷動力學清洗技術背景

目前，濕式化學洗凈技術仍然是半導體IC工業主要的硅片清洗技術，但是在USLI制造中，還有很多問題有待解決，以更符合深層次納米制造技術的需求，在濕法化學清洗中所需要解決的主要問題有： 

(1)化學品的純度；
(2)微粒的產生；
(3)金屬雜質的污染；
(4)干燥技術的困難；
(5)廢水廢氣的處理；

針對以上問題，在過去的兩個半導體節點技術發展階段，許多清洗設備制造商已經有意識地減少了使用對硅片表面具有較強破壞性的兆聲清洗技術，而繼續采用化學液體腐蝕的方法來清洗硅片，其代價是造成大量原材料的無謂損失。隨著90 nm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來說，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題，許多先進的半導體設備制造商已經轉向對超凝態過冷動力學清洗技術的研究與應用。這種干法清洗技術有效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，并且不會改變硅片表面物理特征以及化學特性，同時還克服了由于使用低k(介電常數)半導體材料的疏水特性所帶來的清洗困難等難題的困擾，為新的半導體材料的更廣泛利用提供了可能性。

2 超凝態過冷動力學清洗技術原理簡介

超凝態過冷動力學清洗系統運用氬和氮的懸浮粒來清洗，是一種干法氣相無感光系統，它不會損壞薄膜層，對周圍的環境產生最小的影響。除了無毒、無污染性、不易燃等優點外，還具有廉價并易于操作的特點。

目前國外某公司已開發應用此原理的清洗系統--超凝態過冷動力學清洗系統，該公司的產品由于超強的工藝性能，正被應用于大批量的制造中，其客戶發現該超凝態過冷動力學清洗技術在缺陷派出方面非常有效，并且對敏感的元件結構不造成損傷，這項技術正在替代用于器件生產的傳統技術。

超凝態過冷動力學清洗系統的工作原理如圖1所示。 

 

氮氣和氬氣在進入液氮熱交換器之前以氬／氮比為一定的比例混合。進入熱交換器后，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氬混合氣體的液化百分比。流經熱交換器后，混合氣便成為氣液混合物，然后進入清洗腔內的噴嘴，腔室內的壓力為6．67 kPa，噴嘴將氣液混合物直接噴射向晶圓表面。混合物一旦離開噴嘴進入腔室，其中的液體部分迅速膨脹并分裂為更加細小的顆粒，該過程為吸熱過程，腔內溫度降低，小顆粒冷凝成為固態晶體，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。冷凝的固態晶體在排氣過程中升華為氣態氬氣和氮氣然后排走。整個過程只有惰性氣體和固態結晶物接觸硅片表面，因此，該清洗方法不會留下水印，而且不會產生化學反應改變硅片表面材料的物理、化學性質。

冷凝噴霧清洗方法的清洗機制簡單地說，就是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，然后被排走。較之傳統清洗方法，該方法不僅對親水性表面能提高清洗效率，對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，這些都是傳統清洗方法不容易清洗的。有實驗對此進行驗證，實驗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清洗方法進行清洗對比，結果數據表明對親水性表面的清洗效率提高約30％，對疏水性表面清洗效率提高了約l倍。總之，無論對何種性質表面，冷凝噴霧清洗方法都能較傳統清洗方法更有效地進行清洗。

進一步的研究顯示該方法不會對晶圓表面產生任何損傷和改變，并且因為這種清洗方法使用的是惰性氣體，所以可以安全地應用于IC生產線的任何位置。國外很多已經公開了的實驗數據對此給予了驗證。

由于這種技術使用了沒有腐蝕性的惰性氣體，擁有非常高的雜質去除率，減少了整體上的缺陷率，所以提高了最終產量。

3 超凝態過冷動力學清洗技術研究與應用

此類清洗設備以超凝態過冷動力學清洗技術為技術核心，專門用于清洗集成電路關鍵尺寸在90 nm以下、片徑φ200~φ300 mm的晶圓片，單片清洗，具有很高自動化程度。任何涉及到有污染粒子的IC生產工藝均能通過該清洗技術受益。該清洗工藝的典型插入點為淀積前后清洗(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去除。除了對傳統清洗技術的功能上的替代外，冷凝噴霧清洗方法在由于材料敏感等原因而使傳統清洗方法難以應對的情況下也發揮了很好的效果。總之，冷凝噴霧清洗技術為90 nm及更先進的半導體工藝清洗提供了有效的解決方案。

此項技術的研究將融合基礎理論、基礎材料、器件物理、計算機、自動控制、化學、真空技術、精密機械、設備制造、統計分析、計量學、環境超潔凈控制等技術領域的最新成就。是基礎研究與應用研究共同發展的產物。而且在許多領域，如真空技術、超潔凈控制領域等，還將挑戰技術發展的極限。其中的關鍵技術有： (1)熱交換器。精確的低溫控制系統。

(2)真空系統。為清洗室提供穩定的真空。

(3)清洗室。清洗室是該設備最關鍵的部件。清洗室具有晶圓自動翻轉、自動規正功能；同時，需保證氣霧噴射速率穩定、噴射面均勻，晶圓在清洗室中不斷自轉，保證對晶圓清洗徹底。

(4)顆粒污染控制。根據特征線寬尺寸要求，洗凈后的硅片要求金屬雜質含量≤lO10個／cm2，顆粒控制極為嚴格。這就要求設備本身應具有l級乃至0級的潔凈等級。需開發出相應的片系統和設備自身的凈化控制單元。

(5)硅片表面微粗糙度的控制。控制硅片表面微粗糙度將是本項目的另一個技術關鍵。根據技術標準要求，器件溝道載流子遷移率減小應≤5％，這就要求表面粗糙度應控制在0．2 nm RMS(均方根誤差值)范圍內(用AFM原子力顯微鏡測量)。

(6)硅片自動傳送系統。機械手自動傳片系統是連接上下工位以及各清洗室的紐帶，在計算機的管理下自動完成傳片任務。機械手裝卸硅片速度快、可靠性高、定位準、無油污、無顆粒、不磨損、長壽命、無碎片。

(7)微機自動控制系統。系統采用微機作為控制主機，并配有顯示器、大容量硬盤和軟驅。具有豐富嚴謹的軟件支持，對上下料SMIF裝置、機械手、閥門動作等進行自動控制。

4 結論

預計到2008年，中國集成電路產業銷售收入將突破1000億元。屆時中國將成為世界重要的集成電路制造基地之一。預計在2010年我國將成為世界的第二大集成電路的市場。同時隨著全球經濟性產業布局的調整，中國內地將有一大批生產線要投資建設，再加上國外生產線向內地的轉移，到2020年我國將成為世界上最大的集成電路生產制
造基地。預計在未來的1O年內我國集成電路和半導體專用設備將有超過200億美圓的市場需求，這是一個非常好的發展契機，必是商家競爭的重點。

目前，國際上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國際有限公司所壟斷，而該公司也已經認識到亞洲已經成為集成電路制造中心，所以正積極地擴大該種設備在整個亞洲的應用。基于這種現狀，我國應加緊研究并掌握這項技術，打破其一家壟斷的格局，一方面將極大地降低我國集成電路生產線的設備投資成本，節約大量外匯，另一方面，還可利用我們的地域優勢以及價格優勢將我們的清洗設備打入到亞洲乃至世界半導體制造專用設備市場，增加我國外匯收入，提高我國經濟實力，并進一步提升我國在國際半導體專用設備制造領域的地位。并在90-65nm技術節點上，具有我們的自主知識產權。