对单晶片清洁和干燥的研究.docx

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1、对单晶片清洁和干燥的研究目录1 .引言12 .摘要23 .介绍24 .热力学模型35 .清洗技术36 .干燥技术57 .实验68 .结果和讨论68.1.粒子添加/移除：68. 2.氧化物和铜化学机械抛光清洗和干燥：79. 3.水印预防：810. 结81 .引言随着1S1集成度的显著增加，各元件的断面构造从平面型向以沟槽（沟）构造的出现为代表的三维构造变迁。在以极限微细化为指向的1S1技术中，为了能够对应凹凸严重的复杂微细的构造表面，并且确保元件的可靠性和成品率，开发比以往更加显著地降低残留污染量的清洗、干燥技术变得越来越重要。即使在各种干燥化发展的今天，半导体器件表面的清洗，无尘化技术也被广泛

2、采用使用超纯水及高纯度药品水溶液的所谓湿式清洗工艺，其重要性也很高。另外，湿处理后，为了除去附着在表面的水，必须进行干燥过程。清洗过程的最后工序是用除去杂质到极限的超纯水进行硅晶圆的水洗处理，其次必须有完全除去附着在晶圆上的超纯水的干燥技术。应用兆频超声波能量去除颗粒已被证明是一种非常有效的非接触式清洁方法。对晶片表面的清洁同样重要的是干燥过程。一种非常常见的方法是高速旋转干燥，但从减少颗粒和防止水痕的角度来看，这都是无效的。一种高性能的替代品是基于旋转力和马兰戈尼力的“旋转戈尼”干燥器。这两种技术的结合为清洗和干燥晶片提供了有效的平台。这两种技术的结合为清洁和干燥晶圆提供了一个有效的平台。氧

3、化后CMP清洁的结果表明，相当于标准清洁，减少Coo和工具足迹。铜CMP后巨气清洗使用专有的清洗化学，然后“拮抗”干也是非常有效的颗粒去除。此外，有图案的铜表面无腐蚀。晶片表面的有效清洁是任何半导体工艺的重要部分。清洁中经常被忽视的一个方面是清洁后的干燥。忽略干燥过程，清洁带来的许多好处可能会丧失。因此，有效的清洁是干燥程序中必不可少的。2 .摘要从热力学和传输的角度研究了从半导体晶片上的纳米级特征中去除液体。热力学模型考虑特征中液体的各种圆柱对称状态并计算它们的自由能。开发了一个相图，以显示在给定特征的纵横比、液体所占的体积分数和内部接触角的情况下，圆柱特征中哪种液体配置最稳定。从特征中去除

4、液体所需的能量是根据这些参数以及特征外部晶片表面上的接触角来计算的。传输模型用于通过考虑液体蒸发动力学和气相传输来估计干燥时间。干燥由液体的蒸发速率控制。3 .介绍半导体晶片在转变为功能性微电路时经历了许多微制造步骤。特别是晶片清洗在器件制造过程中会发生很多次。为确保质量和可靠性，理想的晶圆清洁工艺应去除掩蔽和等离子蚀刻后残留的任何残留物。目前有三种主要的湿法清洁技术：湿台清洁系统、批量喷雾清洁系统和单晶片旋转清洁系统。1与前两种技术不同，单晶片旋转清洗系统一次处理一个晶片，24在每个晶片的基础上提供更均匀的清洁。使用连续的单晶片清洗方法，工艺混乱只会影响一个晶片，而不是整个多晶片盒。因此，相

5、对于平行清洗方法，单晶片旋转清洗实际上提高了整体工艺效率。具有更大功能和更低功率需求的微电路的生产需要越来越精细的电路图案。对于最先进节点上的功能，关键尺寸目前低于32nm,可以小至14nmo5,6单晶圆旋转清洗己成为应用于这些尺寸特征的主要方法。数字1提供了单晶片旋转清洁工具的示意图。晶圆被放置在一个可以围绕其中心轴旋转晶圆的盘子上；两个喷嘴个分配液体，另一个分配N2气体一一位于晶片上方。清洁过程包括润湿和干燥步骤。在润湿步骤中，液体从液体喷嘴喷出，而盘片以相对较低的速度(IoO-300RPM)旋转。在让液体流入晶片上的特征一段时间后，通过中断液体喷射、从另一个喷嘴将N2吹到晶片上并增加转速

6、(至IOoo2000RPM)来进行干燥。4 .热力学模型在典型的小表面特征的亚微米长度尺度上，液体表面张力开始在应力和能量分析中发挥重要作用。毛细管长度，T,7通过将拉普拉斯压力的尺度与重力和静水力引起的压力的尺度相等来估计。Ei鼬牖靛娜!裙儆M二的联京乐舶林一个轴并过日聃桶端流琳iT，献冰hiH,抵7型；,上面的热力学模型假设在蒸发和随后的气相传输过程中不会发生液体损失。动态模型有助于估计通过相变和传输过程干燥特征所需的时间。为了建立一个简单的定性模型，我们采用简化假设，即液体去除仅通过蒸发和扩散发生，并进一步假设气相表现理想。对于这个基线分析，我们还忽略了液体/蒸汽界面的曲率，以促进一维传

7、输模型的应用。数字8a显示假设的干燥机制，包括液体蒸发、特征中的蒸汽扩散以及特征外的蒸汽扩散或对流。5 .清洗技术清洗的目的是除去附着在晶圆表面上的有害污染物质，但同时也要求不对晶圆表面造成损伤。晶圆的清洗方法分为用高压水或刷子等手段机械地摩擦晶圆表面除去颗粒的机械清洗和将晶圆浸入清洗溶液中化学地除去污染物质的化学清洗两种，在此提及化学清洗。对器件特性产生重大不利影响的污染物质的代表性可分为粒子、有机物、金属类、自然氧化膜四大类。目前，湿式清洗对所有这些污染物质都有效，而且操作容易，所以专门采用。遗憾的是，在干式清洗的情况下，还没有确立有效去除所有这些污染物质的方法。一般来说，湿式清洗操作是单

8、独使用酸、碱的水溶液或者与过氧化氢水(以下简称过水)混合使用。此时，为了提高清洗效果，有时会加温液体或加入超声波清洗。对于各种污染物质，需要选择符合目的的最合适的清洗系统，采用合适的方法。在这种情况下，满足以下条件是不可或缺的。表1总结了现在半导体制造工艺中使用的清洗系统。表1(1)(3)的清洗系统主要是以除去有机物为目的进行的。(1)是将污染物质溶解、除去在溶剂中，所以要得到高清洁的表面需要大量的溶剂，但即使这样也会残留单分子层水平的吸附层。在大量附着蜡和油脂等污染物的情况下有效。(2)是利用药品的氧化力将有机物化学分解为水、二氧化碳等挥发性分子的方法，例如用于抗蚀剂剥离。(3)不仅对有机物

9、有效，对去除粒子也有效。(4)是除去金属污染的清洗方法。在这种情况下，最大限度地利用了能够容易溶解多种物质的水溶液的特征。也就是说，所有的金属对盐酸、硝酸、硫酸等无机酸具有很大的溶解度，即使在金属溶解的条件下，硅基板及其氧化膜也完全不受侵犯，而且反应生成物可以用超纯水完全水洗除去。因此，可以进行不损伤基板的清洗。(5)类同(4)o(6)类同(4)o(7)用于去除自然氧化膜，通过将晶圆浸入氢氟酸溶液中，氧化膜容易被蚀刻，但硅完全不受侵犯。(1)有檄溶剂=bIPA,71/才等(2)硫酸一谩水=1:14:1(3)T：/七二水一水=1:：51:2:7,7585T使用(4)境酸一谩水一水=1:1:61:

10、2:8,7585CT使用(5)温水(6)王水(7)希4、:酸液;.单鬲.冲表1再生晶片清洗系统清洗系统是在大约二十年前开发出来的，即使集成度提高到当时甚至现在的兆比特时代，清洗手法也基本上沿袭不变。通常RCA清洗是在高温下加热使用的，药液组成会随着时间的变化而变化。因此，如果使用过一次的话，通常会更新液体。6 .干燥技术为了提供一种干燥技术，该干燥技术不自然干燥粘附在晶片上的水，并且根本不留下污染物，因此需要在完成水洗过程之后尽可能快速地从晶片表面去除水。目前采用的高洁净晶圆干燥方法，其干燥方法大致可分为物理去除附着水的方法和用挥发性溶剂置换去除水的方法。以下，对各干燥方法进行解说。热风干燥：

11、由于该方法是将加热空气等吹到晶圆上进行干燥的方法，因此存在将水中所含的极微量杂质留在晶圆上的缺点，因此超纯水的水质的进一步提高以及加热介质和加热系统的高清净化是必不可少的。蒸汽干燥法：作为蒸汽干燥用溶剂，可以使用醇类特别是异丙醇(以下称为IPA；分子式C3H7OH)及三氯三氟乙烷(以下称为氟利昂C2H2Q3F3)被使用。IPA在化学上是稳定的，可以与水以任意比例混合，并且由于表面张力很小，约为20dynecm,所以适合于进入沟内的水的混合置换。由于氟利昂113对水的溶解性几乎没有，所以必须与醇类溶剂并用。图IIPA蒸汽干燥装置的构造图1显示了IPA蒸汽干燥装置的结构。被加热器加热的IPA蒸发，

12、通过槽上部的冷却器冷却冷凝。图I1PA蒸汽干燥装置的构造将室温的晶圆投入槽内的底层后，晶圆表面的IPA冷凝，与表面附着水混合置换的同时除去该水。最终，晶圆温度与蒸汽温度相等时，该冷凝现象消失，干燥结束。即使是稀氟酸处理后的5英寸晶圆，粒子数也只有几个左右，蒸汽干燥方法是没有粒子污染和污点等的优秀的干燥方法。通过这种方法获得高清洁表面的注意点是，使用高纯度的IPA,使用合适的干燥装置，进行合适的过程操作和IPA的液体管理。7 .实验所有兆频超声波清洗和干燥数据都是在维泰克金手指20Omm单晶片平台上收集的。典型的转子式干燥条件为300至500rmin钟，去UPW流速为200m1min,N2流速为

13、2m1min,干燥时间小于25s。以1800rmin的速度旋转干燥需要25s。所有加工都在室温去离子(19C)下进行。粒子分析是通过用K1A坦科尔SP1-TBI测量低密度脂蛋白来进行的。8 .结果和讨论8.1.粒子添加/移除：为了直接比较旋转干燥器和旋转干燥器，进行了颗粒添加研究。首先用IMEC清洁器通过湿工作台处理覆盖硅晶片，得到亲水晶片表面，然后干燥转移到维泰克金手指上。然后用兆频超声波去离子水循环清洗晶片，然后干燥。经过这种方式实施该方法，研究了两个条件。第一个是干燥器去除悬浮在晶片上方液体中的颗粒的能力，这是兆频超声波循环的结果。其次，环境中的颗粒会提供额外的污染源，这种影响通过在Io

14、OO级洁净室中进行分析而被放大。旋转干燥的较高旋转速度产生的湍流将颗粒从环境中吸向晶片表面。该分析的结果如图2所示。最终结果是，旋转干燥将颗粒添加到晶片表面，旋转干燥略微减少了晶片表面上的颗粒数。旋转振子单独显示出从被污染的晶片表面去除弱粒子，而兆声与旋转振子结合显示出强粒子去除。对于后一种情况，粒子计数恢复到相同或更低的水平。8 .2.氧化物和铜化学机械抛光清洗和干燥:将兆声与ROtagoni干燥器相结合，为清洁和干燥化学机械抛光晶片提供了一个极好的平台。在氧化物化学机械抛光的情况下，晶片从IIoO纳米的厚度抛光到700纳米，然后湿转移到兆频超声波平台或洗涤器。然后用稀NH3清洗晶片，并在兆

15、频超声波平台（IOOO级洁净室）上用RotagOni干燥，或在洗涤器（1级洁净室）上用旋转干燥器干燥。颗粒计数表明，兆频超声波清洗和旋干法的总体平均值较低，分布比擦洗和旋转干燥更紧密（图3）O兆频超声波清洗对于去除地形特征的污染也非常有效。因此，化学机械抛光过程中的任何不一致（凹陷、划痕等）。可以被兆声有效地清洁，不像擦洗。CciCd4/1fcG图3在氧化物CMP后清洗的晶片上测量1SE0.20m的Ipd,以进行擦洗，随后进行旋转干燥和金手指干燥，随后进行旋转干燥对弯折和弯折叉形结构的电测量也验证了兆频超声波清洗的质量，随后是旋转振荡器干燥。当RotagOni干燥机结束清洗过程时，没有观察到电产量损失。8.3. 水印预防：Rotagoni干燥器的另一个特点是能够干燥图案化的疏水和亲水表面而没有水痕。这不是脱水的情况。图案化的硅和TEoS晶片经过高频清洗后，用旋转干燥机或旋转干燥机进行漂洗和干燥。对干燥晶片的检查显示，旋转干燥的晶片表面有水痕，但旋转干燥的晶片表面没有干燥痕迹（图4）O9 SiTEOS10 .总结已经开发了热力学模型和动态模型来研究半导体晶圆旋转清洗过程中的液体去除过程。热力学模型计算不同状态的能量，其中液体可能存在于圆柱特征的内部和外部。能量包括表面张力和拉普拉斯压力的贡献。总共分析了七种可能的液体状态（定义在图2作为状态I-VII）,包括五个内部