集成电路湿法工艺与湿法设备制造技术研究

宋文超，李家明，贾祥晨，刘广杰，王洪建

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

集成电路湿法工艺是指在集成电路制造过程中需要使用化学药液的工艺，主要有湿法清洗、化学机械抛光、无应力抛光和电镀四大类[1]。

湿法清洗是针对不同工艺需求，采用特定的化学液和去离子水，对硅片表面进行无损伤清洗，以去除集成电路制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质。由于集成电路制造工艺不断发展，湿法清洗工艺面临更高要求，减少硅片表面小尺寸颗粒杂质数量，同时尽可能避免硅片表面损伤是湿法清洗工艺面临的挑战。据ITRS对65 nm技术节点晶圆表面上各种沾污的要求，清洗后每个晶圆表面上含颗粒直径32.5 nm个数小于80个，在栅氧化物整体(GOI)表面金属(原子)小于5.0×109个，在其它表面金属(原子)小于1.0×l010个，表面碳素(原子)小于1.2×1013个：并要求在清洗过程中的单晶硅和氧化硅损失量达0.05 nm。

化学机械抛光是通过研磨头将机械力作用于硅片表面，同时利用研磨液中的化学物质与硅片表面材料发生化学反应来增加研磨速率，实现硅片表面平坦化。无应力抛光工艺基于电化学抛光原理，抛光液与硅片的铜表面接触，在电化学作用下，有效去除圆片表层多余的铜层。抛光过程仅电化学抛光液与圆片接触，无机械力，能够很好地解决低k和超低k介质材料铜互连结构平坦化过程中因机械应力造成的损伤问题。电镀是采用电化学原理，将硅片浸没在电镀液中进行金属沉积的工艺。

湿法工艺从广义上讲，包括上述四大类；从狭义上讲，主要包括湿法清洗和湿法腐蚀。本文对集成电路制造中常用的几种湿法清洗和腐蚀工艺进行重点介绍。

1 常用湿法清洗与腐蚀工艺

1.1 栅氧化前清洗工艺

在先进的CMOS工艺中，栅氧是整个工艺的核心，对CMOS器件的可靠性有着决定性的作用，栅氧化工艺对硅表面有更高的要求。栅氧清洗工艺是栅氧化前表面的预处理工艺，通过栅氧清洗工艺去除表面的自然氧化层、微量金属和表面杂质，提供一个洁净平整的硅表面；然后进入炉管氧化得到一个高质量的氧化层。在湿法栅氧清洗工艺中，化学品直接与硅表面接触，表面的洁净度和对硅表面的损害程度将直接影响产品的性能。然而不管工艺如何先进，都无法完全地去除所有的杂质，也不可能排除引入任何的新杂质。除了提高化学品纯度之外，所有的技术都是设法提高去除杂质的能力，将杂质降到一个更低的级别，从而改善CMOS器件的良率、质量和可靠性。

常见的栅氧清洗工艺配置如表1所示，采用SPM、DHF、SC1和SC2等化学溶液完成对有机物、自然氧化层、颗粒物和金属离子污染的清洗去除。将O3引入到栅氧清洗工艺中，利用O3降低有机物和重金属的含量，可防止金属离子和表面颗粒的再吸附，并能有效预防水痕和自然氧化层的产生，从而大大提高了栅氧清洗的表面预处理能力，改善了栅氧化层的质量[2]。

表1 栅氧化前湿法清洗工艺配置

1.2 RCA清洗

RCA清洗是用于晶圆清洗的首选工艺方法，也是目前业界广泛采用的工艺方法，能有效去除晶圆在芯片制造过程中引入的各种有机物、金属、氧化物、颗粒等沾污。RCA清洗工艺在集成电路制造工艺中的分布如图1所示，可广泛应用于集成电路制造工艺过程中来料清洗、氧化前清洗、扩散前清洗和栅氧化前清洗等湿法工艺[3]。RCA清洗工艺配置如表1所示。

图1 RCA湿法清洗工艺分布示意图

1.3 湿法去胶工艺

经过刻蚀或者离子注入之后，不再需要光刻胶作为保护层，因此需将光刻胶从硅片的表面除去，这一步骤简称为去胶。在集成电路工艺中，去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶。干法去胶是利用等离子体将光刻胶去除，湿法去胶是通过化学液将光刻胶去除。相对于湿法去胶，干法去胶的效果更好，但是由于干法去胶存在反应残留物的沾污问题，因此干法去胶与湿法去胶经常搭配使用。在湿法去胶中又分为有机溶剂去胶和无机溶剂去胶。使用有机溶剂去胶，主要是使光刻胶溶于有机溶剂中，从而达到去胶的目的。有机溶剂去胶中使用的溶剂主要有丙酮和芳香族的有机溶剂。

无机溶液去胶的原理是利用光刻胶本身也是有机物的特点（主要由碳和氢等元素构成的化合物），通过使用一些无机溶剂（如硫酸和双氧水等），将光刻胶中的碳元素氧化成为二氧化碳，如此可将光刻胶从硅片的表面除去。

表2展示了一种无机湿法去胶工艺配置，其中配置了两组SPM工艺单元，利用H2SO4和H2O2的强氧化性实现去胶目的。在SPM单元后配置了SC1单元，主要作用是去除少量的有机沾污和颗粒。缺点是可能会引起晶圆表面的金属沾污和增加表面的微粗糙度。通过降低NH4OH浓度可以限制晶圆表面的腐蚀从而降低晶圆表面的微粗糙度，降低NH4OH和H2O2的浓度还可以提高对于颗粒的去除效果。目前，该去胶工艺主要用于SDG、POLY及SD注入后的去胶清洗（即干法去胶后表面的胶丝和聚合物清洗）。

表2 湿法去胶工艺配置

1.4 湿法氮化硅腐蚀

在集成电路制造中，局部氧化（LOCOS）、浅槽隔离（STI）和自对准接触结构制作方面，氮化硅（Si3N4）被广泛用作掩蔽层材料。氮化硅膜作为硅基板氧化时的阻挡层，起到隔离器件的作用（氮化硅膜上的氧化速率较硅基板上氧化速率慢得多）。在器件隔离形成后需要将氮化硅膜完全腐蚀掉，否则会影响后续的氧化工序而导致整个器件失效。

这层氮化硅掩蔽层要用热磷酸（H3PO4）进行湿法化学剥离。磷酸槽始终维持在160℃左右并对露出的氧化硅具有高选择比。用热磷酸去除氮化硅是难以控制的，通过使用检控样片来进行定时操作（没有终点检测）。在氮化硅表面常常会形成一层氮氧化硅，因此在去除氮化硅之前，需要在HF槽中进行短时间的处理[4]。如果这一层氮氧化硅未被去除，即不能均匀地去除氮化硅，在氮化硅湿法腐蚀工艺前配置DHF单元去除氮氧化硅。湿法氮化硅薄膜腐蚀工艺中H3PO4作为催化剂，H2O作为主要反应物，其化学反应式为Si3N4+H2O←→3SiO2+4NH3。氮化硅湿法腐蚀的工艺配置如表3所示。

表3 氮化硅湿法腐蚀工艺配置

1.5 二氧化硅湿法腐蚀

二氧化硅在集成电路工艺中的应用广泛，可分为场氧化层、栅氧化层、阻挡氧化层、掺杂阻挡层、垫氧化层、注入屏蔽氧化层、金属层间绝缘阻挡层以及自然氧化层等。在集成电路工艺中对SiO2的刻蚀最为频繁。在ULSI工艺中对SiO2的干法刻蚀主要是用于刻蚀接触窗口，SiO2的湿法刻蚀主要用于自然氧化层、掺杂阻挡层、注入屏蔽氧化层、牺牲氧化层等去除工艺。

二氧化硅刻蚀主要使用氢氟酸刻蚀液。根据浓度不同可分为CHF、LHF、DHF等。CHF是浓度为49%的氢氟酸刻蚀液，主要用来刻蚀聚合物(Polymer)以及氮化物，其反应速度很快，很难用其来刻蚀掉特定的厚度，因此只能用在过刻蚀的情况。LHF是CHF用水稀释后的产物，其中氢氟酸和水的比例为1:50。该刻蚀液刻蚀速度稳定，晶圆生产上常用其刻蚀特定厚度的氧化膜。DHF是LHF进一步稀释后的溶液，其中氢氟酸和水的比例为1:100。由于其浓度较低，所以其刻蚀速率很低，主要用来刻蚀晶圆表面的自然氧化膜。缓冲刻蚀剂BOE(全称Buffered Oxide Etch)，是NH4F和HF以及表面活化剂的混合物，主要用来刻蚀晶圆上深槽里的氧化膜。缓冲刻蚀剂与SiO2氧化膜的反应机理为：

氧化硅湿法腐蚀工艺配置如表4、表5所示。

表4 氧化硅（with PR）湿法腐蚀工艺配置

表5 氧化硅湿法腐蚀工艺配置

2 典型湿法槽式设备制造技术

2.1 晶圆盒隔离技术

晶圆隔离进出料技术是将洁净室直接设置于设备中，其中包括晶圆盒（POD）、SMIF I/O（input&Output）及微型洁净环境（Mini-environment）三项主要技术。晶圆隔离技术又称为标准机械接口（Standard Mechanical Interface，SMIF），国际半导体协会将SMIF列为300 mm（12英寸）晶圆厂的标准，成为0.13μm及更微细线宽制程需求洁净度的主流技术。

SMIF提供了一个洁净的环境（优于ISO三级标准的1级），同时允许将制造过程的总体洁净程度降至ISO五级（100级），最终提供优于传统1级净室10倍以上的晶圆保护。这使得节约巨额运营成本成为可能，同时也使晶圆厂能够更有效、更具成本效益。图2展示了0.13μm工艺制程全自动湿法机台，其中配置了SMIF接口，可有效提高湿法设备工艺水平。

图2 配置SMIF接口的全自动湿法设备

2.2 设备前端模块

设备前端模块（EFEM，Equipment Front-end Module），是一种高洁净等级的微环境设备接口模块，用于统一自动化接口。EFEM是所有上料台（Load Station）的集成平台，在φ200 mm及φ300 mm晶圆规格生产线，更是扮演了与各个代工（Foundry）工厂自动化接口的主要桥梁。EFEM主要由前端模块统一标准的料盒（FOUP）、上料通道（Load Port）、预对准机（Pre-aligner）和机械手构成。有的EFEM为了防止产生错误后降低传送效率，设置了缓存区（Buffer），临时放置硅片。此外，采用了高效过滤器(FFU)和特殊的结构、工艺处理，EFEM可以具备1级（Class 1）的超洁净等级，从而保证硅片在传送过程中不受污染[5]。EFEM结构与配置EFEM接口的全自动湿法设备如图3所示。

图3 EFEM结构与配置EFEM接口的全自动湿法设备

2.3 设备进风/排风系统

设备进风、排风系统的主要作用是控制设备工艺区空气的洁净度，并将化学槽挥发的腐蚀性气体排放至厂务排风管道，保证清洗工艺效果、操作人员安全和设备安全。科学合理的进风、排风系统设计具有如下优势：使设备内部获得更高的净化环境、与外界环境隔离避免内部受到污染、降低了能耗和使用成本。设备的进风、排风系统原理如图4所示，设备每个排风口的压差≥150 Pa，每个排风口的排风量应≥1 000 m3/h；应保证引风板开口总截面积与设备排风口总截面积相当；应调整FFU进风量、排风风门大小、引风窗大小，使进风总量与排风总量达到平衡。

图4 湿法设备进风、排风系统原理图

2.4 化学槽体模块

化学槽体模块是槽式湿法设备的核心单元，硅片在其内部完成特定的腐蚀或清洗工艺。化学槽体模块由槽体、循环泵、过滤器、液位传感器、流量计、浓度计、温控装置、管道阀体、自动盖等组成。根据不同化学液，槽体针对性选用石英、PVDF、PTFE、SUS316等材料。化学槽体模块的设计要实现化学液温度场、流场和浓度场的最优状态，以保证更好的腐蚀均匀性控制、最佳的清洗效果。化学槽体模块的工作原理如图5所示。

图5 化学槽体工作原理图

2.5 清洗水槽模块

在完成化学槽腐蚀清洗工艺后，硅片进入清洗水槽中进行清洗，去除残留化学药液，终止腐蚀工艺，避免过腐蚀发生。清洗水槽有两种，一种是溢流槽（Over Flow，OF），用于湿法刻蚀后清洗；一种是快排槽（Quick Dump Rinse，QDR），用于颗粒清洗后的清洗。同时根据特定工艺要求，清洗水槽模块会配置热水、CO2鼓泡和兆声清洗等功能。清洗水槽模块工作原理如图6所示。

图6 清洗水槽工作原理图

2.6 干燥技术

干燥的目的是去除晶片表面的液体，保证晶片表面洁净度，为晶片进入下道工艺做好准备。它是湿法清洗工艺中最后一个步骤，最终决定了晶片清洗的表面质量。干燥工序处理不当，极易导致晶片碎裂、表面损伤、氧化、水渍、颗粒的引入和沾污等缺陷，影响器件的性能及良率，严重时甚至致使整个晶片报废[6]。湿法槽式设备干燥方式主要有热N2干燥、旋转冲洗甩干（SRD）、慢拉与红外干燥(IR)、Marangoni干燥、IPA蒸汽干燥、HF/O3干燥等。SRD干燥和Marangoni干燥原理如图7所示。

图7 SRD与Marangoni干燥原理图

2.7 传输机械手模块

传输机械手用于硅片或硅片盒在设备内部工艺槽体和上下料工位中间的传送。早期湿法设备制造技术中将晶圆放置于片盒（Cassette）中进行湿法腐蚀清洗处理工艺。这种技术在150 mm（6英寸）及以下晶圆应用较多，工艺线宽大于0.5μm，极限颗粒控制0.2μm以上。目前主流IC生产线槽式湿法处理设备采用无片盒（Cassette-less）湿法腐蚀清洗技术，满足150 mm（6英寸）、200 mm（8英寸）、300 mm（12英寸）晶圆清洗要求，适用0.13μm甚至更细工艺线条，目前国外设备颗粒控制在0.09μm以下，工艺向更细线宽发展空间很大，是先进的主流湿法设备制造技术。带片盒清洗传输机械手与无片盒传输机械手结构如图8所示。

图8 带片盒清洗传输机械手与无片盒清洗传输机械手结构

2.8 化学液配比模块

化学配比模块用于化学槽体模块内多种化学成分的配比，可将工艺中用到的各种高浓度的化学液通过计量槽和计量泵按比例精确地自动注入到工艺槽中，从而实现槽内各化学液及水的精确配比。一方面可最大限度地降低化学试剂对操作人员可能造成的伤害；另一方面可保证不同批次产品的一致性问题。该部分主要依靠的技术环节：通过化学泵及批量控制器相结合技术完成化学液按比例准确配液；对工艺过程中耗用较多的化学溶液在处理前可进行精确添加；配置补液补偿技术。化学在线配比模块工作原理如图9所示。

图9 化学液在线配比模块工作原理图

3 结束语

在半导体制造工艺中，湿法工艺的全工序占比达到了25%以上，贯穿了衬底加工、晶圆制造到封装测试的全过程，影响制造过程良品率40%以上的因素来源于湿法工艺。与工艺过程中的核心设备或关键设备相比，半导体湿法设备的定制特色更加强烈。随着摩尔定律持续向纵深发展，工艺线宽将进一步收缩，湿法设备制造技术也会不断提高，半导体湿法设备的市场前景也将更加广阔。