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１ 引言
?????? 目前，半導(dǎo)體行業(yè)中廣泛使用的清洗方法仍是ＲＣＡ（美國(guó)無(wú)線電公司）清洗法。但在向下一代６５ｎｍ節(jié)點(diǎn)的邁進(jìn)中，新結(jié)構(gòu)的納米器件對(duì)于清洗設(shè)備不斷提出了新的挑戰(zhàn)，因而對(duì)硅片表面各種污染物的控制規(guī)定了納米微粒去除的特殊要求。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖計(jì)劃，當(dāng)半導(dǎo)體器件從９０ｎｍ提升到６５ｎｍ工藝時(shí)，必須將清洗過(guò)程中單晶硅和氧化硅的損失量從０.１ｎｍ減小到０.０５ｎｍ［１］。
?????? 這就對(duì)新一代清洗設(shè)備和清洗技術(shù)提出了無(wú)損傷和抑制腐蝕的新工藝要求，所以研發(fā)新穎的、合適的硅片表面的納米微粒清洗技術(shù)勢(shì)在必行。
２ 傳統(tǒng)的硅片濕法清洗和干法清洗技術(shù)
２.１ 污染物雜質(zhì)的分類
?????? 根據(jù)污染物產(chǎn)生的原因，大致可將它們分為顆粒、有機(jī)物雜質(zhì)、金屬污染物三類。
?????? （１）顆粒：主要是一些聚合物、光致抗蝕劑等。顆粒的存在會(huì)造成ＩＣ芯片短路或大大降低芯片的測(cè)試性能［２］。
?????? （２）有機(jī)物雜質(zhì)：它在硅片上以多種方式存在，如人的皮膚油脂、防銹油、潤(rùn)滑油、松香、蠟等。這些物質(zhì)通常都會(huì)對(duì)加工進(jìn)程帶來(lái)不良影響。
?????? （３）金屬污染物：它在硅片上以范德華引力、共價(jià)鍵以及電子轉(zhuǎn)移等三種表面形式存在。這種玷污會(huì)破壞極薄的氧化層的完整性，增加漏電流密度，影響ＭＯＳ器件的穩(wěn)定性，結(jié)果導(dǎo)致形成微結(jié)構(gòu)缺陷或霧狀缺陷。
２.２ 納米微粒濕法清洗技術(shù)
２.２.１ ＲＣＡ清洗法
?????? １９７０年ＷｅｒｎｅｒＫｅｒｎ博士［３］在ＲＣＡ實(shí)驗(yàn)室詳細(xì)地講述了他提出的芯片清洗工藝，這就是ＲＣＡ清洗程序。該清洗法成為后來(lái)多種前道、后道清洗工藝流程的基礎(chǔ)，８０年代以來(lái)大多數(shù)工廠采用的清洗工藝基本都是最初的ＲＣＡ清洗法。
????? ?ＲＣＡ清洗方法依靠溶劑、酸、表面活性劑和水，在不破壞晶圓表面特征的情況下通過(guò)噴射、凈化、氧化、蝕刻或溶解晶片表面污染物、有機(jī)物及金屬離子污染。在每次使用化學(xué)品后都要在超純凈水中徹底清洗。傳統(tǒng)的ＲＣＡ清洗流程見(jiàn)圖１。
２.２.２ 兆聲波清洗法
?????? １９８５年，Ｓｃｈｗａｒｔｚｍａｎ等人在ＳＣ-１清洗的同時(shí)，使用兆頻超聲波技術(shù)，獲得了前所未有的清洗效果，使得該方法在清洗工藝中被廣泛采用。兆聲波清洗不但保留了超聲波清洗之優(yōu)點(diǎn)，而且克服了其不足［４］。兆聲波清洗的機(jī)理是由高能（８５０ｋＨｚ）頻振效應(yīng)并結(jié)合清洗劑的化學(xué)反應(yīng)對(duì)硅片進(jìn)行清洗，清洗時(shí)不形成超聲波清洗那樣的氣泡，只以高速流體波連續(xù)沖擊晶片表面，使硅片表面附著的污染物和微粒被強(qiáng)制清除，并進(jìn)入清洗液中。兆聲波清洗為達(dá)到工藝目的，也常使用表面活性劑，使粒子不再沉積在硅片表面上。兆聲波清洗頻率較高，它不同于產(chǎn)生駐波的超聲波清洗，不會(huì)損傷硅片。同時(shí)在兆聲波清洗過(guò)程中，無(wú)機(jī)械移動(dòng)部件，因此可以減少清洗過(guò)程本身所造成的玷污。
２.３ 納米微粒干法清洗技術(shù)
?????? 所謂干法清洗是相對(duì)濕法化學(xué)清洗而言的，一般指不采用溶液的清洗技術(shù)。根據(jù)徹底采用溶液的程度，分為“全干法”和“半干法”清洗。目前常用的干法清洗方法有：等離子體清洗、氣相清洗技術(shù)等。等離子體清洗屬于全干法清洗，而氣相清洗屬于半干法清洗。干法清洗的優(yōu)點(diǎn)在于清洗后無(wú)廢液，可以有選擇性地進(jìn)行芯片的局部清洗工序。
３ 硅片納米微粒去除新技術(shù)
３.１.１ 背景與原理簡(jiǎn)介
?????? 目前濕法清洗技術(shù)仍然是ＩＣ產(chǎn)業(yè)鏈主要的硅片清洗技術(shù)，但在超大規(guī)模集成電路（ＶＬＳＩ）的制備中，還有很多問(wèn)題有待于解決，使工藝技術(shù)符合更深層次納米器件制備的需要。化學(xué)品的純度、微粒的產(chǎn)生以及金屬雜質(zhì)污染等問(wèn)題的產(chǎn)生，使得許多清洗設(shè)備制造商已經(jīng)減少了使用對(duì)硅片表面具有破壞性的兆聲波清洗技術(shù)，而繼續(xù)采用化學(xué)液體腐蝕的方法來(lái)清洗，其代價(jià)是造成大量原材料的無(wú)謂損失，且?guī)?lái)環(huán)境污染。隨著９０ｎｍ節(jié)點(diǎn)時(shí)代的到來(lái)，單純依靠原料損失換取硅片表面潔凈的方法終將被淘汰。為了解決這些問(wèn)題，超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)的研究就顯得更為重要。
?????? 超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)技術(shù)是一種全干法無(wú)化學(xué)反應(yīng)的工藝，它通過(guò)高速低溫Ａｒ／Ｎ２噴霧沖擊來(lái)去除微粒，減少缺陷并且不對(duì)晶圓表面造成損傷，甚至也可用于銅互連線和多孔低介電系數(shù)薄膜。冷凝噴霧清洗法的機(jī)理是氣霧與晶圓表面污染粒子相撞，將動(dòng)能傳遞到污染粒子上，當(dāng)該能量大于污染粒子與晶圓表面的附著能時(shí)，污染粒子便脫離晶圓表面，然后被排走掉。較之于傳統(tǒng)清洗方法，該法不致使晶圓表面產(chǎn)生損傷和改變。由于這種清洗方法使用的是惰性氣體，所以可以安全地用于ＩＣ生產(chǎn)線的任何部位。
３.１.２ 應(yīng)用
????? ?此類清洗設(shè)備以超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)為技術(shù)核心，可用于清洗ＩＣ關(guān)鍵圖形尺寸為９０ｎｍ以下、直徑為２００～３００ｍｍ的晶圓。因?yàn)槭菃纹逑?，所以具有很高的自?dòng)化程度。除了對(duì)傳統(tǒng)清洗技術(shù)功能上的替代外，冷凝噴霧清洗方法在材料敏感等原因使傳統(tǒng)方法難以應(yīng)對(duì)的情況下，也能取得良好的效果。由于使用無(wú)腐蝕性的惰性氣體，該方法擁有非常高的雜質(zhì)去除率，減少硅片的整體缺陷，所以提高了最終成品率。伴隨著銅、多孔低介電常數(shù)以及其他新材料和敏感結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)損傷清洗法的要求，超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)技術(shù)提供了穩(wěn)定可靠的途徑，它幫助ＩＣ制造商在納米器件制造領(lǐng)域提高成品率。目前，國(guó)際上已經(jīng)掌握了超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)，并已應(yīng)用該項(xiàng)新技術(shù)生產(chǎn)清洗設(shè)備。
３.２ Ｎ２ＯＥＣＲ等離子體系統(tǒng)清洗技術(shù)
????? ?在ＶＬＳＩ制備過(guò)程中，面對(duì)晶圓尺寸的不斷擴(kuò)大與芯片關(guān)鍵圖形尺寸的不斷減小，硅片表面的大量有機(jī)污染物對(duì)硅片的有害影響正在逐漸加大。在干法清洗技術(shù)中，最有效的方法之一是紫外線清洗和等離子清洗。它可以減少輻射且便于控制。目前，電子回旋加速共振（ＥＣＲ）等離子體系統(tǒng)已經(jīng)用于硅片清洗中。與常用的等離子系統(tǒng)相比，ＥＣＲ等離子體系統(tǒng)能發(fā)射更高密度、更低能量的離子，因而更有利于提高清洗的工作效率。
?????? ２００４年，韓國(guó)的Ｄａｅ等人［６］用Ｎ２ＯＥＣＲ等離子體系統(tǒng)清洗短時(shí)間存儲(chǔ)的芯片，只需１０ｓ即可有效地清除硅片表面的有機(jī)污染物。用于試驗(yàn)研究中的硅片是Ｐ型摻雜半導(dǎo)體，它具有５～１０Ω的電阻。硅片使用前已經(jīng)去除表面的有機(jī)污染物和雜質(zhì)，它在１２０℃的情況下，使用ＨＦ（氟化氫）清洗方式。清洗后樣本先被放置于去除等離子水中５ｍｉｎ，然后用Ｎ２鼓風(fēng)機(jī)將它吹干。接著２０ｍｌ純凈的丙酮放在存有晶圓的紙盒中，這樣一來(lái)晶圓就被污染上丙酮蒸發(fā)氣體長(zhǎng)達(dá)３ｈ。最后把被污染的晶圓移植到ＥＣＲ系統(tǒng)中。ＥＣＲ系統(tǒng)基底的壓力為１.１５×１０－３Ｐａ，清洗過(guò)程中的壓力大約為８９３.２６Ｐａ，加以流動(dòng)速率為１５ｓｃｃｍ的Ｎ２Ｏ微波，其功率為
????? ?３００Ｗ、頻率為２.４５ＧＨｚ。等離子系統(tǒng)是由不銹鋼制成的直徑１６０ｍｍ、高度約１５０ｍｍ的圓柱體。
????? ?一般來(lái)說(shuō)，硅晶圓表面會(huì)顯示很強(qiáng)的極性效應(yīng)，因此會(huì)吸引有機(jī)添加劑包括極性基因。因此，具有相對(duì)微弱蒸發(fā)壓力的有機(jī)污染物，微弱分子量和極性基因，就很容易被內(nèi)在的氧化物吸引到硅片的表面。要去除這些有機(jī)污染物，Ｃ—Ｓｉ，Ｈ—Ｓｉ和Ｏ—Ｓｉ化合物必須去分解。這就意味著起初離子能量就須達(dá)到最大的Ｃ—Ｓｉ，Ｈ—Ｓｉ和Ｏ—Ｓｉ化合物的數(shù)值。為了去除這些化合物，離子能量須大于這些化合物的能量。這些化合物能量數(shù)值在表１中給出。離子能量的上限接近排氣裝置，下限靠近ＥＣＲ等離子系統(tǒng)的微波窗口。如果計(jì)算離子的能量為８９３.２６Ｐａ，離子能量的分布狀態(tài)數(shù)值在１４４６～３４７０ｋＪ·ｍｏｌ－１圍內(nèi)，這樣的高能離子就能夠?qū)⑦@些有機(jī)污染物在操作壓力８９３.２６Ｐａ的作用下從硅片表面上清除。
?????? 眾所周知，Ｎ２ＯＥＣＲ等離子體呈電中性狀態(tài)，其中包含了電子、離子、原子和分子。當(dāng)晶圓表面受到Ｎ２Ｏ等離子體高能離子轟擊時(shí)，一方面有機(jī)污染物會(huì)從晶圓表面濺射出去，另一方面Ｎ２ＯＥＣＲ等離子體充當(dāng)氧化劑。通過(guò)高能電子和Ｎ２Ｏ原子所形成的陽(yáng)離子和陰離子主要是Ｎ２Ｏ＋和Ｏ－。陰離子形成是ＮＯ－離子形成的結(jié)果，ＮＯ－離子旋轉(zhuǎn)能導(dǎo)致電子分離，如下列化學(xué)反應(yīng)式所表述
?????? 大量的Ｏ－產(chǎn)物首先導(dǎo)致有機(jī)化合物氧化，然后使Ｈ２Ｏ，Ｏ２，ＣＯ，ＣＯ２等氣體分解后被清除。這些氣體都有極強(qiáng)烈的蒸汽壓強(qiáng)。工藝上通過(guò)合適的浸泡時(shí)間，有機(jī)物基本上被去除。該方法比濕法清洗更徹底、也更有效，與其他干洗法相比，該方法不僅容易控制，而且對(duì)硅片表面損傷較小，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
４ 超細(xì)晶圓無(wú)危險(xiǎn)的清洗設(shè)備及工藝技術(shù)
４.１ 研發(fā)超細(xì)晶圓無(wú)危險(xiǎn)清洗工藝的必要性
????? ?對(duì)于晶圓表面的無(wú)危險(xiǎn)清洗，是前段工藝表面處理必須解決的主要難題之一。進(jìn)入４５ｎｍ時(shí)代后，ＭＯＳ器件的柵極長(zhǎng)度縮小至１８ｎｍ左右，每次清洗所造成的材料損耗不能超過(guò)０.３ｎｍ。欲在如此苛刻的條件下去除微粒而不造成電路圖形損傷，將是極其困難的工序。傳統(tǒng)高效率的微粒去除方法都是透過(guò)表面蝕刻或?qū)C(jī)械能施加到晶圓表面上。然而，４５ｎｍ技術(shù)的嚴(yán)格要求卻會(huì)大幅度地縮小這些方法的適用范圍，使工程師們要利用它們?nèi)コ⒘?，但不造成芯片結(jié)構(gòu)的損傷，已經(jīng)變得相當(dāng)困難。為了在這一不斷縮小的工藝適用范圍內(nèi)配合采用各種化學(xué)和物理清洗工藝，同時(shí)提供較強(qiáng)的微粒去除能力，半導(dǎo)體業(yè)界正在積極研發(fā)氣溶膠清洗、離心噴霧清洗和針點(diǎn)式清洗等各項(xiàng)技術(shù)。
４.２ 噴霧式清洗機(jī)
????? ?噴霧式清洗機(jī)屬于“干進(jìn)干出”的濕法清洗系統(tǒng)。典型的噴霧式清洗機(jī)具有八種化學(xué)物質(zhì)管路和一種去離子純凈水管路，外加兩種回收循環(huán)系統(tǒng)?；瘜W(xué)物質(zhì)可以各自獨(dú)立運(yùn)用，也可以與水或其他化學(xué)物質(zhì)混合使用。噴霧式清洗機(jī)的典型優(yōu)點(diǎn)是比浸泡式清洗機(jī)占地面積小。因?yàn)槠涔に囘\(yùn)行是在單個(gè)反應(yīng)室內(nèi)完成的。所有作用到晶片上的化學(xué)物質(zhì)都是新鮮的或者是剛過(guò)濾過(guò)的。在清洗時(shí)晶片是轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此離心力提升了塵埃的去除效率。這就使噴霧式清洗機(jī)能夠比浸泡式清洗機(jī)使用更少的去離子純凈水。通過(guò)控制其載體的氮?dú)饬魉?，微小的液滴能夠不損傷微細(xì)圖形而有效地去除塵埃。噴霧式液體噴嘴的物理機(jī)構(gòu)可以在不犧牲塵埃去除效率的前提下使氧化物的化學(xué)腐蝕達(dá)到最小。
４.３ 氣溶膠清洗技術(shù)
????? ?該工藝是一項(xiàng)解決微細(xì)圖形破壞問(wèn)題的又一項(xiàng)新技術(shù)，它是在微細(xì)圖形上噴射極度低溫的氣溶膠（能將氣體冷卻的微顆粒），利用物理力進(jìn)行清洗的氣溶膠清洗技術(shù)。在這一干式清洗法中，由于不使用液體，所以不產(chǎn)生表面張力。原來(lái)的氣溶膠清洗使用二氧化碳與氬氣，但在大多數(shù)場(chǎng)合還是對(duì)微細(xì)尺寸的圖形產(chǎn)生了破壞?，F(xiàn)在使用的是比二氧化碳和氬氣更輕的氮?dú)猓淠康氖菧p少材料損耗和消除圖形損傷。這種氣溶膠清洗不破壞微細(xì)圖形，所以不但在配線工程中，而且在基板工程中也使用。
４.４ 針點(diǎn)式清洗方式
????? ?將全面清洗晶片的清洗方式轉(zhuǎn)換為針點(diǎn)方式的技術(shù)革命，使清洗技術(shù)的作用已經(jīng)達(dá)到原子級(jí)的表面狀態(tài)控制。這種清洗技術(shù)可以降低半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的環(huán)境負(fù)荷，實(shí)為一種環(huán)保的清洗潔凈技術(shù)。
????? ?針點(diǎn)式清洗是將粒子一點(diǎn)點(diǎn)地清除之法，故被稱為“針點(diǎn)清洗”方式。“針點(diǎn)清洗”方式能夠完全清除經(jīng)過(guò)濕法清洗和超臨界流體清洗不能全部除去而殘留在晶片上的粒子。當(dāng)進(jìn)行針點(diǎn)清洗時(shí)，可以選用兩道工藝：一是激光清除粒子的激光清洗法；二是使用端部尖銳的微小探針除去粒子的納米針點(diǎn)清洗法。針點(diǎn)式清洗的創(chuàng)新點(diǎn)在于可以解決現(xiàn)有清洗方法中的兩個(gè)難題，即清洗時(shí)損傷晶片或芯片，以及環(huán)境污染的問(wèn)題。
５ 結(jié)語(yǔ)
?????? 隨著半導(dǎo)體納米器件向６５ｎｍ和４５ｎｍ工藝進(jìn)展，前端（ＦＥＯＬ）和后端（ＢＥＯＬ）晶片清洗技術(shù)都面臨著納米新技術(shù)的挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和材料變得越來(lái)越脆弱，而清洗效果和材料防損傷的要求卻變得越來(lái)越嚴(yán)格。本文介紹的新型的硅片表面微粒清洗技術(shù)，是為了適應(yīng)45nm以下的最先進(jìn)的納米ＭＯＳ器件和ＭＯＳＩＣ晶圓，以及超微細(xì)的微電子機(jī)械系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）器件的清洗工藝，以適應(yīng)今后半導(dǎo)體元器件制備的工程實(shí)際需要。
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