CMP后清洗技術(shù)發(fā)展歷程

周國(guó)安，徐存良

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(huì)引入表面缺陷和玷污。在晶片表面全局平坦化以后，必須進(jìn)行有效的清洗來(lái)實(shí)現(xiàn)CMP工藝的優(yōu)點(diǎn)。為了確保得到進(jìn)一步金屬化所需要的無(wú)缺陷無(wú)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(jìn)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(jī)在East Fishkill工廠進(jìn)行CMP工藝開(kāi)發(fā)。1988年IBM開(kāi)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(jìn)入為蘋(píng)果公司生產(chǎn)PC機(jī)器件的行列。從此各種邏輯電路和存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)，CMP工藝便逐漸進(jìn)入生產(chǎn)線，設(shè)備市場(chǎng)初步形成[4]。

這一階段進(jìn)入CMP市場(chǎng)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(gòu)）的IPEC372及IPEC372M。經(jīng)過(guò)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(méi)入去離子水中，全部拋光后，整盒的晶圓被提出并放置在獨(dú)立的清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，此時(shí)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(shí)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(lái)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)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(jī)物顆粒，但是總體來(lái)說(shuō)，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(shí)間較長(zhǎng)，一般都會(huì)大于1個(gè)小時(shí)，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(chǎng)份額占據(jù)世界第一，應(yīng)用材料占據(jù)市場(chǎng)第四（14%），但是到1999年后應(yīng)用材料以迅猛的發(fā)展姿勢(shì)迅速將市場(chǎng)擴(kuò)展至32%，并從此以后一直占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，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(tái)，占據(jù)整體市場(chǎng)的絕大多數(shù)，因此選擇Mirra機(jī)臺(tái)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(kāi)始采用單片清洗，這樣既可以保證片與片之間沒(méi)有相互的玷污，同時(shí)保證了較好的清洗效率。如圖2所示。

此時(shí)Mirra采用的是Lam Research的on track形成在線（on-line）清洗系統(tǒng)，Mirra機(jī)臺(tái)和on track機(jī)臺(tái)之間有機(jī)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(jī)臺(tái)，二者之間有通信協(xié)議，一般而言，CMP作為主機(jī)，直接調(diào)度清洗機(jī)臺(tái)菜單，來(lái)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(jī)臺(tái)和DNS機(jī)臺(tái)。

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(jī)臺(tái)，在清洗機(jī)臺(tái)內(nèi)的收片盒儲(chǔ)存并持續(xù)噴淋，保持濕潤(rùn)狀態(tài)。

然后清洗機(jī)根據(jù)設(shè)定的菜單（該菜單將被CMP主機(jī)調(diào)度）將片子逐個(gè)從收片盒取出并放入腔室#1，進(jìn)行雙面刷洗，此時(shí)腔室（chamber）內(nèi)的轉(zhuǎn)子卡住晶圓并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而雙面刷夾持晶圓并轉(zhuǎn)動(dòng)。其中刷子采用聚乙烯醇（PVA）制成，潮濕時(shí)質(zhì)地松軟，它利用液體水動(dòng)力對(duì)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(dòng)的刷子加上氨水，其中NH3濃度多為2%。雙面刷是通過(guò)毛刷與硅片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(gè)腔室，進(jìn)行刷洗#2的清洗，此時(shí)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(duì)更加復(fù)雜的化學(xué)狀況，清洗能力強(qiáng)，清洗工藝也較為靈活。

進(jìn)行兩步刷洗后的晶圓將被送入到下一個(gè)腔室，進(jìn)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(jìn)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(shí)間，且避免片與片之間的玷污。同時(shí)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(dú)立的設(shè)備，占用較大的制造廠的凈化間面積，并且兩臺(tái)設(shè)備均需要較多的維護(hù)，因此進(jìn)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(jìn)入21世紀(jì)后，一方面制造廠建凈化間的費(fèi)用越來(lái)越高，因此要求相關(guān)設(shè)備集成度也越來(lái)越高，占地面積大的設(shè)備將面臨被市場(chǎng)淘汰的可能。此時(shí)，技術(shù)上也要求CMP設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)干進(jìn)干出，進(jìn)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(jī)臺(tái)被集成進(jìn)CMP設(shè)備機(jī)臺(tái)內(nèi)是必然趨勢(shì)。

應(yīng)用材料的Mirra-mesa一經(jīng)推出市場(chǎng)就受到客戶的青睞，并占有較高的市場(chǎng)份額，此時(shí)應(yīng)用材料發(fā)明了垂直清洗的專利技術(shù)（專利號(hào)US006082377A），該項(xiàng)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(jī)臺(tái)，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(shì)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(rùn)濕加兆聲清洗。其中潤(rùn)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(wú)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(shí)間和顆粒尺寸的函數(shù)，清洗時(shí)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(qiáng)制除去并進(jìn)入到去離子水中。在兆聲清洗中，是由三種機(jī)制共同作用達(dá)到分離帶走微粒的目的：

（1）微氣穴（micro‐cavitation）：在高頻聲場(chǎng)的作用下，在聲波的負(fù)周期，清洗液中會(huì)產(chǎn)生微小的氣穴。在聲波的正周期，這些微氣穴會(huì)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(dá)到清洗的目的。

（2）聲波流（acoustic streaming）：高強(qiáng)度的聲波在液體中的傳播會(huì)導(dǎo)致恒定穩(wěn)態(tài)的液體流動(dòng)，這種流動(dòng)簡(jiǎn)稱聲波流。聲波流會(huì)在固體與液體的界面產(chǎn)生一層薄薄的流體動(dòng)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(guò)液體的流動(dòng)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(dòng)作用于液體中，將會(huì)使水分子同樣以高頻振動(dòng)。有計(jì)算表明，高頻聲場(chǎng)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(wàn)次對(duì)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(guò)聲波流帶走，從而達(dá)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(guò)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(jī)臺(tái)，該機(jī)臺(tái)面向銅拋光，在市場(chǎng)上獲得良好的反應(yīng)，是一種十分成功的機(jī)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(shí)采用IPA-VAPOR 專利技術(shù)（專利號(hào)：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(yè)上宣稱：如果一個(gè)晶圓相當(dāng)于一個(gè)地球，那么清洗后的玷污僅只有0.3英畝，相當(dāng)于一個(gè)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?dú)獍匆欢ū壤旌?，然后將混合氣體吹到正在離開(kāi)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(kāi)硅片表面，達(dá)到干燥的目的。在使用了異丙醇?xì)怏w干燥法后，化學(xué)機(jī)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?xì)怏w干燥法中，重要的工藝參數(shù)有:IPA和氮?dú)獾幕旌媳龋约肮杵x開(kāi)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)。但是對(duì)于20 nm及以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，即便是兆聲清洗，依然會(huì)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(chéng)20 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下的后清洗是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

圖4 20 nm圖形的坍塌

在這方面，國(guó)外有些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始不同的清洗方案，進(jìn)行干式、非接觸、無(wú)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(yǔ)

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(diǎn)的清洗趨勢(shì)，這些清洗方案都是同當(dāng)時(shí)的最具代表性清洗設(shè)備密切結(jié)合進(jìn)行論述，全面反映后清洗的真實(shí)情況。

[1] 張偉峰，周國(guó)安，詹陽(yáng).CMP后的晶圓清洗過(guò)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(jìn)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(chǎng)[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(chǎng)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.