半导体IC制程中的晶圆清洗.docx

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1、半导体IC制程中的晶圆清洗摘要：介绍了半导体IC制程中存在的各种污染物类型及其对IC制程的影响和各种污染物的去除方法，并对湿法和干法清洗的特点及去除效果进行了分析比较。关键词：湿法清洗；RCA清洗；稀释化学法；IMEC清洗法；单晶片清洗；干法清洗目录1 .前言12 .晶圆清洗：芯片制造中最重要最频繁的工序22.1.概述21.2. 前道晶圆生产过程的七大工序：33 .污染物杂质的分类83. 1.颗粒，84. 2.有机物95. 3.金属污染物96. 4.原生氧化物及化学氧化物94 .清洗方法分类94.1. 湿法清洗94.1.1.RCA清洗法94.1.2.稀释化学法104.1.3.IMEC清洗法11

2、4.1.4.单晶片清洗114.2.干法清洗125,总结121 .前言半导体IC制程主要以20世纪50年代以后发明的四项基础工艺（离子注入、扩散、外延生长及光刻）为基础逐渐发展起来，由于集成电路内各元件及连线相当微细，因此制造过程中，如果遭到尘粒、金属的污染，很容易造成晶片内电路功能的损坏，形成短路或断路等，导致集成电路的失效以及影响几何特征的形成。因此在制作过程中除了要排除外界的污染源外，集成电路制造步骤如高温扩散、离子植入前等均需要进行湿法清洗或干法清洗工作。干、湿法清洗工作是在不破坏晶圆表面特性及电特性的前提下，有效地使用化学溶液或气体清除残留在晶圆上之微尘、金属离子及有机物之杂质。2 .

3、晶圆清洗：芯片制造中最重要最频繁的工序2.1. 概述中国是半导体最大的消费国，占全球芯片需求的45%,有90%以上的芯片需要进口，国内高速发展的智能手机、人工智能、物联网、云计算、大数据各个领域都对芯片有根本性的依赖。目前芯片是中国举国之力发展的行业，但最核心是要有独立自主生产能力的“中国芯”，就要取决于半导体生产设备的国产化工艺。图1晶圆上的45纳米芯片图像随着半导体技术的不断发展，对工艺技术的要求越来越高，特别是对晶圆片的表面质量要求越来越严。晶圆制造环节的清洗步骤最多，清洗设备运用也最多，光刻、刻蚀、沉积、离子注入、CMP均需要经历清洗工艺。表1半导体制程中的清洗工艺2.3. 2.前道晶

4、圆生产过程的七大工序：氧化/扩散光刻一刻蚀一离子注入薄膜沉积-CMP-金属化晶圆片清洗质量的好坏对器件性能有严重的影响，其主要原因是圆片表面沾污造成的，这些沾污包括：超细微的颗粒、有机残留物、无机残留物和需要去除的氧化层；颗粒和金属杂质沾污会严重影响器件的质量和成品率。在目前的集成电路生产中，由于晶圆片表面沾污问题，导致50%以上的材料被损耗掉和80%的芯片电学失效。表2半导体污染物的种类、来源于危害鳗僚发用M*t*凸长连结VOIDRESIDUESCRATCHTHINNINGPARTIC1EBRIDGE图2晶圆制造过程中常见的缺陷正是由于晶圆清洗是半导体制造工艺中最重要、最频繁的工序，而且随着

5、尺寸缩小、结构复杂化，芯片对杂质含量的敏感度也相应提高，将直接影响到器件的成品率、性能和可靠性，所以国内外各大公司、研究机构等对清洗工艺的研究一直在不断地增强。据盛美公司估计,每月十万片的DRAM工厂，1%的良率提升可为客户每年提高利润30005000万美元。晶圆清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤30%以上，而且随着节点的推进，清洗工序的数量和重要性会继续提升，清洗设备的需求量也将相应增加。半导体晶圆清洗工艺细分为RCA清洗法、稀释化学法、IMEC清洗法、超声波清洗法、气相清洗法、等离子清洗法等，可归纳为湿法和干法两种，湿法清洗是目前主流技术路线，占芯片制造清洗步骤数量的90%以上。湿法清洗

6、采用特定的化学药液和去离子水，对晶圆表面进行无损伤清洗一一氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。湿法清洗主要包括RCA清洗法、超声波清洗等，效率高、成本较低，但由于化学试剂使用多，会造成化学交叉污染、图形损伤。清洗技术分类清洗技术溶液浸泡法机械刷洗法二流体清洗.超声波清洗兆声波清洗批式旋转喷淋等离子清洗气相清洗束流清洗图3半导体清洗技术分类干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术。包括气相清洗法、等离子体清洗等，优点有清洗环境友好、低磨损等，但受限于成本高、控制精度要求等，目前无法大量应用于全部产线，在少量特定步骤会采用干法清洗。除去晶圆清洗，等离子清洗也常用于光刻胶的去除工艺中，

7、在等离子体反应系统中通入少量的氧气，在强电场作用下，使氧气产生等离子体，迅速使光刻胶氧化成为可挥发性气体状态物质被抽走。这种清洗技术在去胶工艺中具有操作方便、效率高、表面干净、无划伤、有利于确保产品的质量等优点。污染、提高良率，需要继续增加清洗步骤。在8060nm的工艺制程中，清洗工艺约有IOO个步骤,而当工艺节点来到20nm以下时，清洗步骤增加至200道以上。而越往下走，要得到较高的良率，几乎每步工序都离不开清洗。在湿法清洗工艺路线下，目前主流的清洗设备主要包括单片清洗设备、槽式清洗设备、组合式清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等。先进制程中，单片清洗逐渐取代槽式批量清洗，并且占据最高的市场份额

8、。单片清洗技术是盛美半导体突破兆声波气泡内爆破坏理论，自主研制的颠覆性的TEBO无损伤单片清洗技术。单晶圆清洗可以减少材料损伤，孔洞的清洗能力，防止晶片结构损伤，清除交叉污染，改善晶圆可靠性;槽式清洗具备良好的设备稳定性、高处理性能和批量生产的高生产率，可以清除金属、材料及微粒子的交叉污染，但是设备产能较低，污染风险较大。在90-65nm工艺中，为节约成本、提高效率,通常以槽式设备清洗为主；而在更低线宽nm级工艺中，对杂质的容忍度较低，工艺越先进，单片清洗技术的占比往往越高。ACM的薄晶圆清洗系统。采用TEBO（时序能激气穴震荡）兆声波清洗技术。在进行机械研磨/抛光以达到所需的厚度之后，ACM

9、的处理系统将在随后的关键工艺中支持这些超薄、高翘曲的晶圆，包括使用湿法蚀刻来减薄硅以消除微裂纹。此外，通过实施不同的化学组合，该工具可用于清洁，光刻胶去除，薄膜去除和金属蚀刻。纵观全球半导体清洗设备市场，主要由迪恩士、东京电子和拉姆研究等日美韩企业瓜分，合计占据约95%的市场份额，行业高度集中。国内清洗设备龙头盛美半导体市占率约2.3%,但未来有绝对潜力拓展发展空间。本土清洗设备市场国有化率约为20%,但是，今后几年随着国内芯片产业开始迎来井喷式爆发，国产清洗设备厂商将继续昂头挺进。盛美半导体、北方华创、芯源微、至纯科技等是国内半导体清洗的先行者，其中盛美半导体更是杀进欧美国家垄断的国际细分市

10、场。序号设备名称国产化率主要国内厂家1去胶设备90%以上北京屹唐半导体科技有限公司2清洗设备20%左右盛美半导体、北方华创3刻蚀设招20%左右中微公司、北方华创、北京屹唐半导体科技有限公司4热处理设备20%左右北方华创、北京屹唐半导体科技有限公司5PVD设着10%左右北方华创6CMP设备10%左右天津华海清科机电科技有限公司7涂胶显影设备零的突破芯源微8光刻设备预计将有零的突破上海微电子装备（集团）股份有限公司图6晶圆生产设备国产化情况Gartner预测，整体晶圆代工市场2019年到2023年的复合年均成长率为4.5%,市场营收可望于2023年达到783亿美元。而2018年至2023年之间建设

11、的新工厂和线路将需要2200亿美元的晶圆厂设备。晶圆清洗作为半导体产业链中不可替代的一环，随着工艺节点的升级以及良率要求提高，清洗设备用量需求将持续增加，有着稳定而增长的市场空间，预计2023年就将达到35-40亿美元。集成电路是半导体产业的核心构成。据WSTS统计，2019年集成电路销售额达3,304亿美元，占全球半导体产业销售额的80.77%,是当之无愧的半导体支柱型产品。图7前道晶圆生产流程所需设备半导体中，手机芯片占据最大需求。在美国霸道制裁下，中芯国际扑向国产替代部件，华为、联发科入局芯片设计与制造。北方华创、中微公司、盛美股份、华峰测控、上海微电子在芯片材料、设计到生产制备的各大核

12、心环节上均实现从O到1的突破，逐个占山为王，合纵突破美帝围剿。在外部压力刺激下，半导体设备受到国内政策、产业、资金全方位的支持，国产替代有序推进。随着全球晶圆产能向大陆转移，大陆半导体设备市场将继续维持高位增长，半导体清洗公司将大大受益。而未来，新一代的碳基电子及其信息器件具有更优异的性能，在包括数字电路、射频/模拟电路、传感器件、光电器件等所有半导体应用领域都具备革命性的应用前景。中国有望主导芯片技术的直道超车。3.污染物杂质的分类制程中需要一些有机物和无机物参与完成，另外，制作过程总是在人的参与下在净化室中进行，这样就不可避免的产生各种环境对硅片污染的情况发生。根据污染物发生的情况，大致可

13、将污染物分为颗粒、有机物、金属污染物及氧化物。3. 1.颗粒，颗粒主要是一些聚合物、光致抗蚀剂和蚀刻杂质等。通常颗粒粘附在硅表面，影响下一工序几何特征的形成及电特性。根据颗粒与表面的粘附情况分析，其粘附力虽然表现出多样化，但主要是范德瓦尔斯吸引力，所以对颗粒的去除方法主要以物理或化学的方法对颗粒进行底切，逐渐减小颗粒与硅表面的接触面积，最终将其去除。3. 2.有机物有机物杂质在IC制程中以多种形式存在，如人的皮肤油脂、净化室空气、机械油、硅树脂真空脂、光致抗蚀剂、清洗溶剂等。每种污染物对IC制程都有不同程度的影响，通常在晶片表面形成有机物薄膜阻止清洗液到达晶片表面。因此有机物的去除常常在清洗工

14、序的第一步进行。3. 3.金属污染物IC电路制造过程中采用金属互连材料将各个独立的器件连接起来，首先采用光刻、蚀刻的方法在绝缘层上制作接触窗口，再利用蒸发、溅射或化学汽相沉积(CVD)形成金属互连膜，如A1-Si,CU等，通过蚀刻产生互连线，然后对沉积介质层进行化学机械抛光(CMP)o这个过程对IC制程也是一个潜在的污染过程，在形成金属互连的同时，也产生各种金属污染。必须采取相应的措施去除金属污染物。4. 4.原生氧化物及化学氧化物硅原子非常容易在含氧气及水的环境下氧化形成氧化层，称为原生氧化层。硅晶圆经过SC1和SC-2溶液清洗后，由于双氧水的强氧化力，在晶圆表面上会生成一层化学氧化层。为了

15、确保闸极氧化层的品质，此表面氧化层必须在晶圆清洗过后加以去除。另外，在IC制程中采用化学汽相沉积法(CVD)沉积的氮化硅、二氧化硅等氧化物也要在相应的清洗过程中有选择的去除。4.清洗方法分类4.1. 湿法清洗湿法清洗采用液体化学溶剂和D1水氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。通常采用的湿法清洗有RCA清洗法、稀释化学法、IMEC清洗法、单晶片清洗等.5. 1.1.RCA清洗法最初，人们使用的清洗方法没有可依据的标准和系统化。1965年，RCA(美国无线电公司)研发了用于硅晶圆清洗的RCA清洗法，并将其应用于RCA元件制作上。该清洗法成为以后多种前后道清洗工艺流程的基础，以后大多数工厂中使用的清洗工艺基本是基于最初的RCA清洗法。典型的RCA清洗见表1。RCA清洗法依靠溶剂、酸、表面活性剂和水，在不破坏晶圆表面特征的情况下通过喷射、净化、氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。在每次使用化学品后都要在超纯水(UPW)中彻底清洗。以下是常用清洗液及作用。8T(S+O+S9M2D/a(1) Ammoniumhydroxide/hydrogenperoxide/DIwatermixture(APM;NH4OH/H2O2/H