周國安，徐存良

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

由于拋光片的分界面化學(xué)反應(yīng)和研磨微粒的存在，在 CMP(chemical mechanical planarization)工藝中，必然會引入表面缺陷和玷污。在晶片表面全局平坦化以后，必須進行有效的清洗來實現(xiàn)CMP工藝的優(yōu)點。為了確保得到進一步金屬化所需要的無缺陷無玷污晶片表面，CMP后清洗工藝是必需步驟[1]。目前因拋光后表面清洗不干凈引起的電子器件產(chǎn)品合格率降低，占次品率的50%左右，清洗質(zhì)量的高低已嚴(yán)重影響到先進電子產(chǎn)品的性能、可靠性和穩(wěn)定性[2]。

1 第一代CMP后清洗技術(shù)

20世紀(jì)80年代，IBM公司利用Strasbaugh公司生產(chǎn)的拋光機在East Fishkill工廠進行CMP工藝開發(fā)。1988年IBM開始將CMP工藝用于4M的DRAM的器件制造，1990年IBM公司便將其采用的CMP技術(shù)4M的DRAM工藝轉(zhuǎn)讓給Micron Technology公司[3]。 此后不久，又與Motorola公司合作，共同進入為蘋果公司生產(chǎn)PC機器件的行列。從此各種邏輯電路和存儲器便以不同的發(fā)展規(guī)模走向CMP。到1994年，隨著0.5 μm器件的批量生產(chǎn)和0.35 μm工藝的開發(fā)，CMP工藝便逐漸進入生產(chǎn)線，設(shè)備市場初步形成[4]。

這一階段進入CMP市場的主要設(shè)備是Strasbaugh公司的6DS-SP及Westech（先后被Speedfam,Novellus及目前的 Lam research收購）的IPEC372及IPEC372M。經(jīng)過CMP拋光后，單片晶圓被依次放置在CMP設(shè)備的收片盒中，且全部浸沒入去離子水中，全部拋光后，整盒的晶圓被提出并放置在獨立的清洗機中進行清洗，此時采用的是多槽浸泡化學(xué)濕法清洗技術(shù)，如圖1所示。

圖1 多槽浸泡式化學(xué)濕法清洗

多操浸泡式化學(xué)濕法清洗多采用RCA清洗技術(shù)，該技術(shù)1970年由Werner Kern提出[5]，這就是在大多數(shù)FAB廠（晶圓代加工廠）至今廣泛使用的SC1→DHF→SC2清洗，如表1所示。

其中SC1主要目的是去除顆粒玷污，也能去除部分金屬雜質(zhì)，其工作原理是：晶圓表面由H2O2氧化形成氧化膜（約6 nm呈親水性），該氧化膜又被NH4OH腐蝕，腐蝕后又立即發(fā)生氧化，周而復(fù)始，因此附著在晶圓表面的顆粒也隨著腐蝕層而落入清洗液中。DHF主要目的是去除表面的自然氧化膜，因此附著在自然氧化膜上的金屬再一次溶解到清洗液中，同時DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成,故可較容易去除表面的AL、Fe、Zn、Ni等金屬，也能去除附著在自然氧化膜上的金屬氫氧化物。SC2主要去除金屬離子。后來該項技術(shù)進一步優(yōu)化，并選擇加入了硫酸和雙氧水作為前道清洗工序，用于批量去除有機物顆粒，但是總體來說，其核心技術(shù)還是SC1→DHF→SC2。

表1 SC1→DHF→SC2

這種RCA清洗技術(shù)主要應(yīng)用于較大線寬的集成電路，清洗時間較長，一般都會大于1個小時，這將造成被清洗晶圓上的硅或氧化物的損失，和CMP銜接性能也較差，導(dǎo)致整體生產(chǎn)效率十分低下，因此這種批量清洗技術(shù)只是在第一代CMP中使用。

2 第二代CMP后清洗技術(shù)

1998年日本荏原（Ebara）以29%的市場份額占據(jù)世界第一，應(yīng)用材料占據(jù)市場第四（14%），但是到1999年后應(yīng)用材料以迅猛的發(fā)展姿勢迅速將市場擴展至32%，并從此以后一直占據(jù)市場的主導(dǎo)地位，據(jù)初步統(tǒng)計，應(yīng)用材料的8英寸的代表性設(shè)備Mirra至今已經(jīng)銷售3 000多臺，占據(jù)整體市場的絕大多數(shù)，因此選擇Mirra機臺的后清洗將具有較大的代表性意義。

20世紀(jì)90年代末，清洗技術(shù)開始采用單片清洗，這樣既可以保證片與片之間沒有相互的玷污，同時保證了較好的清洗效率。如圖2所示。

此時Mirra采用的是Lam Research的on track形成在線（on-line）清洗系統(tǒng)，Mirra機臺和on track機臺之間有機械接口，并有傳輸裝置，一旦CMP完成拋光后，將在線傳輸至on track機臺，二者之間有通信協(xié)議，一般而言，CMP作為主機，直接調(diào)度清洗機臺菜單，來完成后清洗。同樣Strasbaugh的6DS-SP也是采用此類工作原理，并且可以兼容on track機臺和DNS機臺。

圖2 Mirra-on track清洗系統(tǒng)

拋光完成后的片子將被依次傳遞至清洗機臺，在清洗機臺內(nèi)的收片盒儲存并持續(xù)噴淋，保持濕潤狀態(tài)。

然后清洗機根據(jù)設(shè)定的菜單（該菜單將被CMP主機調(diào)度）將片子逐個從收片盒取出并放入腔室#1，進行雙面刷洗，此時腔室（chamber）內(nèi)的轉(zhuǎn)子卡住晶圓并進行旋轉(zhuǎn)，而雙面刷夾持晶圓并轉(zhuǎn)動。其中刷子采用聚乙烯醇（PVA）制成，潮濕時質(zhì)地松軟，它利用液體水動力對表面微粒施加去除作用。去離子水在脫落微粒和晶片表面之間產(chǎn)生靜電作用，用它可以防止微粒再度沉淀，在這一步驟中，采用滾動的刷子加上氨水，其中NH3濃度多為2%。雙面刷是通過毛刷與硅片之間的相對運動，利用毛刷在硅片上的摩擦力將微粒從硅片上帶走。

完成刷洗#1后，片子將從腔室取出并送入到下一個腔室，進行刷洗#2的清洗，此時加上稀釋的氫氟酸去除金屬粒子污染，氫氟酸濃度通常為0.5%。

第二和第三步采用連續(xù)的雙面刷洗，采用不同的清洗液體，將使得清洗能夠面對更加復(fù)雜的化學(xué)狀況，清洗能力強，清洗工藝也較為靈活。

進行兩步刷洗后的晶圓將被送入到下一個腔室，進行去離子水噴淋并高速旋轉(zhuǎn)（通常為3 000 r/min），利用離心力的進行甩干，之后將清洗干凈的晶圓依次放入到收片盒中。

這種清洗方式較之之前的多槽式化學(xué)濕法清洗，能夠節(jié)省很多時間，且避免片與片之間的玷污。同時根據(jù)需要，可以選擇增加超聲或者兆聲清洗。但是由于CMP設(shè)備和后清洗設(shè)備都是獨立的設(shè)備，占用較大的制造廠的凈化間面積，并且兩臺設(shè)備均需要較多的維護，因此進入21世紀(jì)后，該種清洗房方案逐漸被集成清洗技術(shù)所取代。

3 第三代CMP后清洗技術(shù)

進入21世紀(jì)后，一方面制造廠建凈化間的費用越來越高，因此要求相關(guān)設(shè)備集成度也越來越高，占地面積大的設(shè)備將面臨被市場淘汰的可能。此時，技術(shù)上也要求CMP設(shè)備必須實現(xiàn)干進干出，進一步提高晶圓加工產(chǎn)品的質(zhì)量。因此分立式CMP的后清洗機臺被集成進CMP設(shè)備機臺內(nèi)是必然趨勢。

應(yīng)用材料的Mirra-mesa一經(jīng)推出市場就受到客戶的青睞，并占有較高的市場份額，此時應(yīng)用材料發(fā)明了垂直清洗的專利技術(shù)（專利號US006082377A），該項技術(shù)一方面可以獲得更為潔凈的晶圓，另一方面大幅度減少CMP設(shè)備的結(jié)構(gòu)空間。同期的荏原公司也推出OPTO 222機臺，采用水平的后清洗技術(shù)，但相比于應(yīng)用材料，明顯處于劣勢地位。Mirra-Mesa的后清洗結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Mirra-Mesa后清洗示意圖

從圖3中可以看出，垂直結(jié)構(gòu)是后清洗的顯著特征，也是應(yīng)用材料的核心技術(shù)之一。第一步潤濕加兆聲清洗。其中潤濕是為了保持顆粒狀態(tài)，以免顆粒干燥粘附在晶圓表面無法去除，然后采用兆聲清洗，兆聲波清洗通常采用0.8～1.3 MHz的聲波去除水浴中晶片上的顆粒，去除效率是清洗時間和顆粒尺寸的函數(shù)，清洗時以高速的流體波連續(xù)沖擊晶片表面，使硅片表面附著的污染物和微粒被強制除去并進入到去離子水中。在兆聲清洗中，是由三種機制共同作用達到分離帶走微粒的目的：

（1）微氣穴（micro‐cavitation）：在高頻聲場的作用下，在聲波的負周期，清洗液中會產(chǎn)生微小的氣穴。在聲波的正周期，這些微氣穴會破裂。微氣穴的大小和能量與聲波的頻率有直接關(guān)系。聲波的頻率越高，微氣穴的尺寸就越小。因此，足夠小的微氣穴的產(chǎn)生和破裂能夠在不損傷器件的基礎(chǔ)上將微粒從硅片的表面和溝槽中帶走，從而達到清洗的目的。

（2）聲波流（acoustic streaming）：高強度的聲波在液體中的傳播會導(dǎo)致恒定穩(wěn)態(tài)的液體流動，這種流動簡稱聲波流。聲波流會在固體與液體的界面產(chǎn)生一層薄薄的流體動力邊界層。邊界層的厚度與聲波的頻率以及液體的宏觀流速有關(guān)。較薄的邊界層更有利于通過液體的流動將微粒帶離硅片。

（3）水分子的加速力（water molecular acceleration force）：變頻器（transducer）的振動作用于液體中，將會使水分子同樣以高頻振動。有計算表明，高頻聲場中水分子的加速力大約是低頻條件下的幾十倍，甚至上百倍。從效果上看，水分子每秒幾十萬次對微粒的高頻推拉比低頻條件更有利于微粒從硅片上脫離。因此，在兆聲波槽體中，微粒在微氣穴和水分子加速力的作用下從硅片表面和溝槽中脫離，最后通過聲波流帶走，從而達到清洗的目的。另外，如果在兆聲波槽體中的清洗液中添加合適的化學(xué)試劑也將有助于微粒的脫離。在兆聲清洗過程中，聲波的頻率、能量，以及清洗液的化學(xué)成分和濃度都是非常重要的參數(shù)。兆聲波清洗方法已成為拋光片清洗的一種有效方法，能夠去除絕大部分小于0.2 μm顆粒。

后面的清洗程序與功能和Mirra-on track一樣,采用雙面刷洗和高速旋轉(zhuǎn)甩干。

4 第四代CMP后清洗技術(shù)

到2006年以后，應(yīng)用材料推出300 mm的Reflection Lk機臺，該機臺面向銅拋光，在市場上獲得良好的反應(yīng)，是一種十分成功的機型，后清洗依然采用其核心專利技術(shù)之一的垂直結(jié)構(gòu)，同時采用IPA-VAPOR 專利技術(shù)（專利號：US005571337A），其后清洗技術(shù)令應(yīng)用材料公司十分自豪，以致其在主頁上宣稱：如果一個晶圓相當(dāng)于一個地球，那么清洗后的玷污僅只有0.3英畝，相當(dāng)于一個郊區(qū)的中型花園那么大 [The wafer is so clean after CMP(<100 45nm defects on a 300mm wafer)that compared to the entire surface area of the earth,the remaining contaminants would cover only 0.3 acres,the size of a medium sized suburban garden.]。

在300 mm Reflection Lk的后清洗結(jié)構(gòu)中，垂直的兆聲清洗、垂直的雙面刷洗技術(shù)依舊采用Mirra-mesa，只是將之前的旋轉(zhuǎn)甩干更換為IPA-WAPOR干燥法（IPA Vapor Dryer）。這種技術(shù)是將異丙醇與氮氣按一定比例混合，然后將混合氣體吹到正在離開水面的硅片表面。由于硅片表面和水面的水層厚度不同，異丙醇在硅片表面和水面之間形成了濃度梯度以及表面張力梯度，從而使得水在表面張力的作用下離開硅片表面，達到干燥的目的。在使用了異丙醇氣體干燥法后，化學(xué)機械研磨清洗后的硅片缺陷比傳統(tǒng)方法得到了顯著的改善。在異丙醇氣體干燥法中，重要的工藝參數(shù)有:IPA和氮氣的混合比，以及硅片離開水面的速度。采用此種工藝，一方面可以大幅提高干燥效率，減少干燥工藝時間，另一方面相比于旋轉(zhuǎn)甩干（轉(zhuǎn)速大于3 000r/min），則更加便于控制，運動部件更少，可靠性更高。

5 第五代CMP后清洗技術(shù)

應(yīng)用材料的Reflection已經(jīng)可以成功地延伸至32 nm技術(shù)節(jié)點。但是對于20 nm及以下的技術(shù)節(jié)點，即便是兆聲清洗，依然會造成晶圓圖形中線條的坍塌，如圖4所示。

在這方面，應(yīng)用材料也坦誠20 nm技術(shù)節(jié)點以下的后清洗是一項挑戰(zhàn)。

圖4 20 nm圖形的坍塌

在這方面，國外有些研究機構(gòu)已經(jīng)開始不同的清洗方案，進行干式、非接觸、無刷式清洗，這些清洗尚處于研究階段。比較有代表性的有干冰清洗（Carbon dioxide snow）、紫外線光清洗（Ultraviolet light activated）、制冷劑清洗（cryogenic aerosol）等。

6 結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了多槽浸泡式化學(xué)濕法清洗、在線清洗及200 mm和300 mm的集成清洗及今后20 nm及以下技術(shù)節(jié)點的清洗趨勢，這些清洗方案都是同當(dāng)時的最具代表性清洗設(shè)備密切結(jié)合進行論述，全面反映后清洗的真實情況。

[1] 張偉峰，周國安，詹陽.CMP后的晶圓清洗過程研究[J].電子工業(yè)專業(yè)設(shè)備，2008(6)：28-32.

[2] 雷紅.CMP后清洗技術(shù)的研究進展[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008(5)：369-373.

[3] 葛勱沖.CMP系統(tǒng)技術(shù)與市場[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2003(3)：17-24.

[4] 童志義.CMP設(shè)備市場及技術(shù)現(xiàn)狀[J].電子元器件應(yīng)用，2002(1)：53-58.

[5] W.Kern，DA.Puotinen.Clean Solutions Based on Hydrogen Peroxide for Use in Silicon Semiconductor Technology[J].RCA Review，1970(31)：187-206.