65nm以下工艺无损伤清洗技术  

随着半导体向65nm和45nm工艺发展，前段（FEOL）和后段（BEOL）晶片清洗技术都面临着新挑战-半导体结构和材料变得越来越脆弱，而清洗效果和材料损失的要求却变得越来越严格。
　　尽管对于非关键层来说标准清洗技术和整批清洗系统还有一定的发展空间，但是关键层却迫切需要新颖独特的无损伤清洗新技术来满足65nm以下工艺的要求。其中，尽可能减小超声波清洗和等离子体去除工艺对半导体器件结构的损伤是关键，当然开发适合多孔低k材料的清洗新方法也是非常重要的（要求清洗后不能变成高k材料）。

　　清洗技术面临的问题
　　超声波在晶片清洗技术中的应用已经有好几年历史了。超声波可以在溶液中产生气泡，给清洗过程增加额外的物理能量，从而加强晶片表面particle的去除能力。但是，从90nm工艺开始，超声波清洗开始遇到一些问题，它有时会造成半导体器件结构损伤。对于65nm及以下工艺来说，其损伤程度可能更加严重。SCP Global Technologies公司技术市场部经理Kevin McLaughlin说：“当半导体结构比较牢固和强壮时，采用超声波清洗技术没有太大问题。但是随着半导体技术的发
展，用于去除particle的超声波能量已经足以破坏晶片上各种结构了，这就会带来一些问题。
　　多晶硅栅极是半导体器件中非常关键的结构，也是最容易受超声波损伤的地方。SEZ公司全球研究和发展部副总裁Harald Okorn-Schmidt指出，65nm工艺中有些地方的多晶硅栅极线宽只有40nm左右，很容易受到超声波损伤，甚至导致结构断裂。他说：“大多数芯片制造商从90nm工艺开始停止使用超声波，通常他们会用更强的衬底刻蚀技术进行代替。”但是，后者又会增加材料损失程度。
　　为此，SEZ公司通过声致发光法对超声波进行了深入研究，帮助工程师更好地了解超声波、particle去除效率和结构损伤程度之间的关系。Okorn-Schmidt解释说，超声波清洗时会发光，其中大部分在紫外光（UV）波长范围内，当然也有可见光。SEZ利用这种自然现象对超声波系统的分布均匀性进行了测量，然后根据测量结果重新调整超声波系统的设计，从而达到按照实际需要控制超声波发泡和能量分布方式的目的。他说：“一直以来，人们对超声波清洗的细节并不清楚，它就象是一个黑色魔幻世界一样。我们公司一直在努力解开超声波清洗系统的迷。现在，随着研究的深入，我们觉得我们已经开始真正了解超声波清洗系统的机制了。”
　　Okorn-Schmidt说：“尽管说服客户，让他们再次相信超声波清洗技术能够满足65nm以下新工艺的需要看起来有点难，但是有些地方的半导体公司仍然非常关心超声波清洗技术。我们也在努力改变半导体业界的成见，让他们重新相信超声波清洗技术。”
　　超声波的另外一个好处是它可以消薄边界层厚度。Okorn-Schmidt说：“正确使用超声波时，你可以在不损伤半导体结构的情况下提高颗粒去除能力和去除效果的均匀性。”

　　单片清洗还是整批清洗？
　　有些清洗系统制造商正在考虑是否要改变目前的标准超声波清洗系统，从而提高particle去除能力，降低结构损伤程度。减小损伤程度最简单的一个办法是不断降低超声波能量。McLaughlin认为：“降低超声波能量固然会减小结构损伤程度，但是它同时也会降低particle去除数目和效率。如果你只能采用这个办法，那么最终你将不得不关掉超声波。”
　　另外一个办法是提高化学清洗强度和清洗液温度，但是它会引起表面粗糙度加大的负面效应。“因此你将面临两难选择，你不得不对清洗溶液进行稀释，而且不能所有层都采用高温清洗方式；如果你采用超声波，那么你又会遇到结构损伤的问题。看起来现实是没有太多的办法可供选择。”MuLaughlin说。
　　与SEZ不同，有些清洗系统供应商认为用单晶片清洗方式取代传统整批清洗技术是解决问题的关键。McLaughlin说：“采用单片清洗方式时，至少你可以针对单片晶片进行条件优化，而整批清洗时你不得不采用平均条件。”
　　例如TEL公司表面处理系统专家Glenn Gale也认为，尽管目前TEL还在继续努力提高超声波能量分布均匀性、改善批处理式超声波清洗系统，但是最终的解决办法还是单片清洗技术。Glenn Gale说：“为了避免过多损失氧化硅或单晶硅层，清洗时不得不采用某些形式的物理能量加强清洗效果。不管这种能量是什么形式，采用单片清洗设备时都有一个共同优点：它可以提高能量分布均匀性。”
　　尽管每家清洗系统供应商都有各自不同的单片清洗计划和方案，但是其共同点都是针对单片晶片的清洗进行条件优化（图1）。SCP的单片浸泡式超声波清洗系统中，晶片被放置在与批处理式清洗系统相同的方向上，并浸泡在清洗液中。通过三个独立的传导系统，超声波被集中在溶液-空气界面上方，而不是在晶片表面上。然后，清洗系统将晶片传送到超声波界面上（不是将超声波移到晶片上），这样可以更好地控制晶片和超声波之间的接触时间。McLaughlin介绍说：“我们可以控制接触时间，使之足够除去particle但是又不足以破坏器件结构。”
“实际上，很多客户希望整个fab都能采用单晶片加工处理方式，WET是尚未实现单晶片处理的最后几个制程之一。”SEZ集团企业规划部总监Heinz Oyrer说。“尽管批处理式清洗技术在经济性和生产柔性方面都有很大优势，但是现在是我们考虑是否要增加清洗新技术的时候了。单晶片清洗技术对于新fab来说特别有意义。”
　　当然，批处理式清洗技术还未到寿终正寝的时候。因为不是每一层或每种器件的要求都是那么严格的，当产能是更加关键的因素时，采用批处理式清洗技术还是可行的。“例如，每种器件都要经过一
道SiN腐蚀工艺。通常它们都是处理时间为30min的批处理工艺。对于该工艺来说你没有必要也不想每次只能处理一片晶片。”



　　尽量减少薄膜材料的损失
　　除了可以改善超声波控制之外，推动单片清洗技术发展的另外一个重要因素是它可以尽量减少薄膜材料的损失。根据ITRS资料显示，当半导体从90nm工艺发展到65nm工艺时必须将清洗过程中的单晶硅和氧化硅损失量从1