晶圆湿法清洗技术的艺术与科学
2021-5-12 0:00:00
作者：盛美半导体 Sally-Ann Henry，Jim Straus
晶圆湿法清洗技术虽然听起来不像极紫外 (EUV) 光刻那么先进，但对于确保成功的前沿节点、先进的半导体设备制造来说，晶圆湿法清洗技术可能比极紫外光刻技术更重要。这是因为晶圆要经过数百个图形化、蚀刻、沉积和互连工艺步骤，器件可靠性和最终产品良率都直接与晶圆的清洗效果相关。
晶圆上一个小小的颗粒就足以引起致命缺陷或偏移，最终导致器件故障。当今最先进的节点器件用在智能汽车、医疗保健和工业应用等关键领域。因此，器件可靠性尤为重要，这意味着需要对器件进行更严格的分类和分档，否则将会严重影响产能。
难点在于许多传统的晶圆清洗方法不仅不足以用于先进的节点技术，而且还会损坏精细结构，如finFET和硅通孔。因此，应优先考虑湿法清洗技术，将其作为稳健制造工艺流程的一部分。
基于此，让我们共同探索晶圆湿法清洗技术如何从一门艺术发展为一门科学，以及如何专门针对先进技术节点的需求开发湿法清洗技术。
共有多少个清洗步骤？
45nm节点技术需要大约150-200个单独清洗工艺步骤，而10nm节点清洗步骤是其3倍之多，约800个，包括：
● 光刻胶去除
● 蚀刻后去除
● 离子注入剥离
● 一般晶圆清洗
● 用于多重图案化和EUV的背面清洗
缩小技术节点需要双重、三重甚至四重图案光刻工艺。这为整个工艺流程增加了数百个额外步骤，同样也增加了额外的清洗步骤。EUV的引入不仅减少了工艺步骤数量，还可以实现更精细的处理，同时，在不对晶圆产生损害的情况下，满足了先进晶圆表面精细结构处理的要求。
晶圆湿法清洗技术不断发展
几十年来，不同的湿法清洗技术不断用于去除晶圆表面的无用颗粒、污染物和金属物质等，为下一工艺步骤做好相应准备。在《Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology》书中，副主编Karen Reinhardt和Werner Kern指出，“在过去，晶圆清洗和表面处理更多地被认为是一门艺术，而不是一门科学。”但现状已经改变。
槽式湿法清洗方法
早期，槽式湿法清洗设备批处理就可以满足直径为150mm，技术节点在45nm以上的晶圆需求。该种设备进行晶圆湿法清洗能够提高产能的同时增加了便利性，因此得到运用。在批量处理过程中，可以同时有效清洗25-50片晶圆。
这个过程包括，将晶圆批次浸入开放式槽式湿法设备的清洗化学品中，以松动和去除颗粒、金属和其他污染物。难点在于，该种设备清洗难以控制，并且不能从更细沟槽和通孔中去除亚微米颗粒。事实上，浸泡过程会导致化学成分顺着晶圆垂直流动，从而导致颗粒残留。此外，开放环境存在健康和安全问题。因此，如今该方法仅用于氮化硅剥离。随着晶圆变得更大，通孔、沟槽和互连技术变得更小，清洗和表面处理也随之变得更加复杂。设备重点工作从单纯的清洗转向到表面处理。目的是确保晶圆表面无颗粒且无损坏，并为下一步骤进行优化，例如薄膜沉积。因此需要更科学的方法，来对清洗进行微调以适应各种情况。
批量喷涂法
在晶圆湿法清洗技术的下一发展阶段，批量喷涂法得以运用。喷涂提高了晶圆化学反应的速度，也提高了去除晶圆上颗粒的能力。同时，因为晶圆批量被封闭在喷涂腔体中，所以系统和环境更为安全。但是，批量处理工艺仍然面临着挑战。其中一点是喷涂后的晶圆粘在一起产生镜面效应，化学品不能到达晶圆表面，无法有效清洗。
单片湿法清洗
单片湿法清洗技术使用的喷涂法，是执行多步清洗的45nm以下技术节点的200和300mm晶圆的首选方法。虽然总产能是个问题，但由于喷涂法更容易控制，使得晶圆更干净、缺陷更少，这弥补了总产能的不足。
传统喷涂方法面对的挑战在于，气溶胶无法保证总是可以达到适当的角度或深度来彻底清洗垂直结构和深孔。此外，喷涂的喷力还可能损坏精细结构。
兆声波清洗
盛美上海利用自主研发的空间交替相移 (SAPS) 兆声波清洗工艺将单片湿法清洗效率提升到全新水平。充分清洗晶圆的过程中，一不小心就会造成损坏。而SAPS可以很好地控制兆声波装置和晶圆之间的距离。此外，SAPS工艺使用了可渗透到硅中的兰姆波，减薄了化学品的边界层，可对背面清洗进行细微调整。盛美上海专有的时序能激气穴震荡（TEBO）兆声波清洗技术通过稳定气泡作用来清洗28nm及以下的 “敏感 ”结构，以防止在清洗过程中气泡内爆造成的损害。 结果是从最平坦的表面和最深的通孔到最精细的结构都可以进行均匀、无损伤的清洁。
结论
最先进的晶圆湿法清洗技术已经从槽式湿法清洗发展到批量喷涂，再到单片喷涂。这种转变通过提高先进技术节点半导体器件的可靠性和良率来弥补产能不足。盛美上海的SAPS兆声波清洗可实现均匀清洗，减少对晶圆结构的损坏。如需详细了解TEBO兆声波清洗的科学原理，请下载我们的白皮书。
