濕法后道清洗藥液及設(shè)備的研究

彭利

【摘要】 在半導(dǎo)體濕法工藝中，后道清洗因使用有機(jī)藥液而與前道有著明顯區(qū)別。本文主要將以濕法清洗后道工藝幾種常用藥液及設(shè)備進(jìn)行對(duì)比研究，論述不同藥液與機(jī)臺(tái)的清洗原理，清洗特點(diǎn)與清洗局限性。

【關(guān)鍵詞】 濕法清洗 有機(jī)藥液 槽式 單片式 滾筒式

一、引言

在集成電路生產(chǎn)過(guò)程中，WET濕法工藝主要是指使用超純水及超純酸堿，有機(jī)等化學(xué)藥液， 完成對(duì)晶圓的清洗刻蝕及光刻膠剝離等工藝[1]。伴隨著集成電路設(shè)計(jì)線寬越來(lái)越窄，使得集成電路高度集成化， 這對(duì)傳統(tǒng)WET工藝帶來(lái)越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。其中后道配線工藝使用有機(jī)化學(xué)品以實(shí)現(xiàn)光刻膠的剝離及干法刻蝕后生成聚合產(chǎn)物的去除[2]，因?yàn)槌Ｓ玫臒o(wú)機(jī)酸會(huì)腐蝕金屬，所以在金屬配線（鋁、鎢，鈦）開(kāi)始出現(xiàn)后的剝離就必須用對(duì)金屬?zèng)]有腐蝕性的有機(jī)剝離藥液來(lái)實(shí)現(xiàn)。按工藝主要分如下幾類(lèi)：1.金屬配線及通孔工程光刻膠再工事時(shí)光刻膠剝離。2.VIA通孔刻蝕工程去膠后反應(yīng)生成聚合物的去除。3.金屬配線工程金屬刻蝕及去膠后反應(yīng)生成的聚合物的去除。

二、后道清洗有機(jī)藥液

在8寸生產(chǎn)線上，目前后道工藝中常用的有機(jī)剝離藥液主要有EKC，Air Product的ACT940 與N311，SST-A2以及國(guó)內(nèi)安集的ideal clean960等，這里主要介紹N311 ，ACT940，SST-A2三種藥液。N311 藥液為赤褐色液體，藥液工作溫度一般為70度，主要含有羥胺，醇類(lèi)，苯二酚，極性溶劑。ACT940版本較新于N311，ACT940 包含3種胺，在確保有機(jī)殘留物去除能力的同時(shí)提高了對(duì)顆粒的清洗效果。ACT940水含量的提高確保了更長(zhǎng)的使用時(shí)間 。ACT940包含兩種鋁腐蝕抑制劑，相對(duì)N311的一種抑制劑，能更有效的防止鋁腐蝕，同時(shí)具有更低的金屬刻蝕速率。SST-A2 藥液為無(wú)色透明液體，主要含有極性溶劑，氟化氨，氫氟酸，水，工作溫度一般為28度。N311主要用于通孔刻蝕工程后的淀積物的去除以及光刻剝離再工事等工藝。SST-A2主要用于鋁配線刻蝕后的淀積物的去除。ACT960則集N311與SST-A2兩種功能，即可用于通孔與金屬有機(jī)剝離工程。

三、有機(jī)藥液聚合物去除機(jī)理

N311去除金屬刻蝕后產(chǎn)生聚合物的機(jī)理為羥胺與水結(jié)合產(chǎn)生堿性物質(zhì)，然后與聚合物鰲合將其從金屬側(cè)壁上剝離（如圖1），因堿性物質(zhì)會(huì)對(duì)金屬線側(cè)壁產(chǎn)生微刻蝕，所以對(duì)N311的含水量要嚴(yán)格控制。剝離下的polymer鰲合物將溶于N311里的極性溶劑里。苯二酚的作用是與金屬線結(jié)合，從而保護(hù)金屬表面不會(huì)被過(guò)多刻蝕。在使用N311剝離后，需要使用IPA（異丙醇）進(jìn)行后續(xù)清洗，這里選擇IPA清洗而不直接用水是因?yàn)楫?dāng)N311藥液中水分過(guò)多時(shí)，會(huì)對(duì)metal產(chǎn)生較大腐蝕作用。其次IPA可以去除親水性物質(zhì)，并在處理時(shí)加以CO2注入來(lái)調(diào)節(jié)PH值，從而抑制N311與水生成強(qiáng)堿以避免對(duì)金屬的刻蝕。

SST-A2去除聚合物的機(jī)理為氟化氨與聚合物反應(yīng)將其從鋁線上剝離，然后溶于有極性溶劑中。為提高金屬配線中的電遷移能力，采用鋁銅或鋁硅銅合金來(lái)進(jìn)行（銅含量約0.5%）金屬配線，所以SST-A2清洗金屬線時(shí)會(huì)發(fā)生鋁成為正極，銅為負(fù)極的局部原電池反應(yīng)，從而在鋁線上形成空洞，所以對(duì)鋁線在藥液中的浸漬時(shí)間有著嚴(yán)格要求。

四、后段清洗機(jī)臺(tái)

后段清洗機(jī)臺(tái)按作業(yè)方式主要分為槽式，滾筒旋轉(zhuǎn)式（semitool與PR200Z）與單片作業(yè)（SR2000）三種類(lèi)型。（圖1）

槽式比較常見(jiàn)，藥液處理槽的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)包括內(nèi)外槽，循環(huán)管路，過(guò)濾器，循環(huán)泵，液位與溫度傳感器等，所用藥液主要有EKC與ACT960，其優(yōu)點(diǎn)是出貨量大，一次能夠作業(yè)50片硅片，這也導(dǎo)致如果機(jī)臺(tái)發(fā)生問(wèn)題，受影響的硅片數(shù)量也多，還有因?yàn)樗幰菏褂玫臅r(shí)間比較長(zhǎng)，隨著作業(yè)量與時(shí)間的增加，其含水量會(huì)慢慢下降導(dǎo)致聚合物去除能力下降，所以含水量的控制成為關(guān)鍵，一般通過(guò)部分換液補(bǔ)充新液來(lái)控制。

滾筒式現(xiàn)在主要有Semitool與PR200Z兩種機(jī)型，作業(yè)時(shí)將最多26片硅片放進(jìn)滾筒里，通過(guò)內(nèi)腔里的噴嘴將藥液，水，氮?dú)鈬姷焦杵砻?，并以不同的轉(zhuǎn)速切換來(lái)進(jìn)行清洗與干燥。PR200Z是semitool的改進(jìn)型，主要區(qū)別是PR200Z分內(nèi)外兩個(gè)腔并能分離，即內(nèi)腔處理藥液步，外腔進(jìn)行水洗和干燥，以實(shí)現(xiàn)更好的顆粒去除能力，且PR200Z有著更快速的轉(zhuǎn)速切換能力與更多的藥液噴嘴，所以清洗能力比semitool強(qiáng)。滾筒式也因一次作業(yè)量小，逐漸被槽式所替代。

單片式機(jī)臺(tái)以SR2000為例，機(jī)臺(tái)為單枚式旋轉(zhuǎn)噴淋式。主要應(yīng)用為金屬配線刻蝕后生成聚合物的去除。機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)為獨(dú)立作業(yè)的4個(gè)腔，每個(gè)腔有移動(dòng)式噴嘴兩個(gè)，一個(gè)噴藥液，一個(gè)噴水與氮?dú)?。作業(yè)時(shí)硅片背面中心靠真空吸附，轉(zhuǎn)速為0～5000rpm，在旋轉(zhuǎn)時(shí)硅片背面噴去離子水，以防止藥液回流到背面。單片式的主要優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)時(shí)間短，能有效的防止金屬過(guò)刻蝕或鋁腐蝕的發(fā)生，且因?yàn)閱蚊蹲鳂I(yè)，藥液消耗少，機(jī)臺(tái)出異常時(shí)影響范圍小。隨著硅片尺寸的變大，比如12寸生產(chǎn)線，因槽式體積過(guò)于龐大，單片式已成為大尺寸硅片清洗的趨勢(shì)[3]。

總結(jié) ：隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，對(duì)濕法工藝提出了越來(lái)越高的要求，后道鋁制程清洗所用的藥液與機(jī)型也將越來(lái)越復(fù)雜，本文以幾種常用有機(jī)藥液與清洗機(jī)型為例進(jìn)行對(duì)比論述，得出了其不同的清洗機(jī)理以及性能局限性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 臺(tái)灣交通大學(xué)電子研究所，半導(dǎo)體發(fā)展史 1990.01

[2] 半導(dǎo)體工藝 中圖分類(lèi)號(hào)：TN305.97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1003-353X（2003）09-0044-04

[3] 劉紅艷，萬(wàn)關(guān)良，同志瑞.硅片清洗及最新發(fā)展[J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2003，2l（z1）：144-149.