湿法后道清洗药液及设备的研究

  【摘要】 在半导体湿法工艺中，后道清洗因使用有机药液而与前道有着明显区别。本文主要将以湿法清洗后道工艺几种常用药液及设备进行对比研究，论述不同药液与机台的清洗原理，清洗特点与清洗局限性。【关键词】 湿法清洗 有机药液 槽式 单片式 滚筒式在集成电路生产过程中，WET  湿法工艺主要是指使用超纯水及超纯酸碱 , 有机等化学药液 , 完成对晶圆的清洗刻蚀及光刻胶剥离等工艺   [1]。伴随着集成电路设计线宽越来越窄，使得集成电路高度集成化 , 这对传统 WET 工艺带来越来越大的挑战。其中后道配线工艺使用有机化学品以实现光    刻胶的剥离及干法刻蚀后生成聚合产物的去除   [2]，因为常用的无机酸会腐蚀金属，所以在金属配线 ( 铝、钨，钛 ) 开始出现后的剥离就必须用对金属没有腐蚀性的有机剥离药液来实现。按工艺主要分如下几类：1. 金属配线及通孔工程光刻胶再工事时光刻胶剥离。2.VIA 通孔刻蚀工程去胶后反应生成聚合物的去除。3. 金属配线工程金属刻蚀及去胶后反应生成的聚合物的去除。

• 后道清洗有机药液在 8 寸生产线上，目前后道工艺中常用的有机剥离药液主要有 EKC，Air Product 的 ACT940 与 N311，SST-A2 以及国内安集的 ideal clean960 等，这里主要介绍 N311 ，ACT940，SST-A2 三种药液。N311 药液为赤褐色液体，药液工作温度一般为 70 度，主要含有羟胺，醇类，苯二酚，极性溶剂。ACT940 版本较新于 N311，ACT940 包含 3 种胺，在确保有机残留物去除能力的同时提高了对颗粒的清洗效果。ACT940 水含量的提高确保了更长的使用时间 。ACT940 包含两种铝腐蚀抑制剂，相对 N311 的一种抑制剂，能更有效的防止铝腐蚀，同时具有更低的金属刻蚀速率。SST-A2 药液为无色透明液体，主要含有极性溶剂，氟化氨，氢氟酸，水，工作温度一般为 28 度。N311 主要用于通孔刻蚀工程后的淀积物的去除以及光刻剥离再工事等工艺。SST-A2 主要用于铝配线刻蚀后的淀积物的去除。ACT960 则集 N311 与 SST-A2 两种功能，即可用于通孔与金属有机剥离工程。

三、有机药液聚合物去除机理

  N311 去除金属刻蚀后产生聚合物的机理为羟胺与水结合产生碱性物质，然后与聚合物鳌合将其从金属侧壁上剥离（如图 1），因碱性物质会对金属线侧壁产生微刻蚀，所以对 N311 的含水量要严格控制。剥离下的 polymer 鳌合物将溶于 N311 里的极性溶剂里。苯二酚的作用是与金属线结合， 从而保护金属表面不会被过多刻蚀。在使用 N311 剥离后，需要使用 IPA（异丙醇）进行后续清洗，这里选择 IPA 清洗而不直接用水是因为当 N311 药液中水分过多时 , 会对 metal产生较大腐蚀作用。其次 IPA 可以去除亲水性物质，并在处理时加以 CO2 注入来调节 PH 值 , 从而抑制 N311 与水生成强碱以避免对金属的刻蚀。SST-A2 去除聚合物的机理为氟化氨与聚合物反应将其从铝线上剥离，然后溶于有极性溶剂中。为提高金属配线中的电迁移能力，采用铝铜或铝硅铜合金来进行 ( 铜含量约0.5%) 金属配线，所以 SST-A2 清洗金属线时会发生铝成为正极, 铜为负极的局部原电池反应，从而在铝线上形成空洞， 所以对铝线在药液中的浸渍时间有着严格要求。

四、后段清洗机台后段清洗机台按作业方式主要分为槽式，滚筒旋转式（semitool 与PR200Z）与单片作业 (SR2000) 三种类型。槽式比较常见，药液处理槽的常见结构包括内外槽，循环管路，过滤器，循环泵，液位与温度传感器等，所用药液主要有 EKC 与 ACT960，其优点是出货量大，一次能够作业50 片硅片，这也导致如果机台发生问题，受影响的硅片数量还有因为药液使用的时间比较长，随着作业量与时间的增加，其含水量会慢慢下降导致聚合物去除能力下降，所以含水量的控制成为关键，一般通过部分换液补充新液来控制。滚筒式现在主要有 Semitool 与 PR200Z 两种机型，作业时将最多 26 片硅片放进滚筒里，通过内腔里的喷嘴将药液，水，氮气喷到硅片表面，并以不同的转速切换来进行清洗与干燥。PR200Z 是 semitool 的改进型，主要区别是 PR200Z分内外两个腔并能分离，即内腔处理药液步，外腔进行水洗和干燥，以实现更好的颗粒去除能力，且 PR200Z 有着更快速的转速切换能力与更多的药液喷嘴，所以清洗能力比semitool 强。滚筒式也因一次作业量小，逐渐被槽式所替代。单片式机台以SR2000 为例，机台为单枚式旋转喷淋式。主要应用为金属配线刻蚀后生成聚合物的去除。机台结构为   独立作业的 4 个腔，每个腔有移动式喷嘴两个，一个喷药液， 一个喷水与氮气。作业时硅片背面中心靠真空吸附，转速为0~5000rpm，在旋转时硅片背面喷去离子水，以防止药液回流到背面。单片式的主要优点是作业时间短，能有效的防止   金属过刻蚀或铝腐蚀的发生，且因为单枚作业，药液消耗少， 机台出异常时影响范围小。随着硅片尺寸的变大，比如  12 寸生产线，因槽式体积过于庞大，单片式已成为大尺寸硅片   清洗的趋势 ，

总结 ：随着半导体制造工艺的发展，对湿法工艺提出了越来越高的要求，后道铝制程清洗所用的药液与机型也将越来越复杂，本文以几种常用有机药液与清洗机型为例进行对比论述，得出了其不同的清洗机理以及性能局限性。