利用成批喷雾式方法降低周期时间并提高工艺性能

    在集成电路工业中当器件的线宽变得越来越小时，设备制造商必须通过改进现存的应用与发展新的应用来达到或超过不断加严的制造工艺需求。因此，依靠使用臭氧和稀释的氢氟酸来减低化学物品和去离子超纯水的消耗的要求已经被制造商们提出来了[1-3]。 

    集成电路制造业中的新趋势更加推动了这些要求[4]。其中一个趋势就是集成电路的制造商们已经从制造大量的单一产品转移到制造小量的多种产品上来了。这个转移反过来也更加要求湿法清洗系统提供更短的运行时间更甚于更高的生产能力。 

    因为成批浸泡式系统通过设计具有一次洗许多晶片带来的高生产能力，所以运行单片晶片与100片晶片的时间是一样的。相反，单晶片系统设计成一次只运行一片晶片来得到非常短的运行时间。通常生产能力也相对较小些。成批喷雾式清洗机同时具有这两种优点，让使用者既能拥有具有高生产能力的大批量功能又有具有短的运行时间的小批量能力。 

    更低的化学物质和水的消耗加上硬件的改进使得来自FSI国际(Chaska, MN)的成批喷雾式处理技术在前道和后道工序上具备了降低运行时间和65nm尘埃水平的能力。这篇文章在基于在德州仪器在达拉斯的DMOS6 300mm生产线的工作上，探讨了这种清洗技术的工艺优化和改进过程。 

    产品和测试线上的数据显示，在成批喷雾式清洗机中一个优化的冲洗/干燥清洗技术能够在更低的运行时间中减低化学物质和水的消耗。 

    喷雾式清洗机技术 
    喷雾式清洗机是干进干出的湿法清洗系统。在前道和后道工序中所有的湿法清洗工序它都能做。典型的喷雾式清洗机具有八种化学物质管路和一种去离子纯净水管路，外加两种回收循环系统。化学物质可以各自独立运用，也可以跟水或其它化学物质互相混合使用。图1描述了化学品混合后作用到反应室内的晶片上。由于喷雾式清洗机的巨大的工艺弹性，它可以混合很宽比率的混合液。混合后的溶液既能以室温作用晶片上也可以通过红外加热器加热后作用到晶片上。回收循环系统可以运行许多用在前道工序中的化学物质和用在后道工序中的闪点超过60℃的三级有机溶剂。 

    喷雾式清洗机典型的优点是比浸泡式清洗机占地面积小。因为它的工艺运行是在单个反应室里完成的。所有作用到晶片上的化学物质都是新鲜的或者是刚过滤过的。由于在清洗时晶片是转动的，因此离心力提升了尘埃的去除效率和所有冲水时的效率。这样就使得喷雾式清洗机能够比浸泡式清洗机用更少的去离子纯净水。 

    工艺改进 

    四年前当制造工艺转向300mm的产品线时，运行程序几乎一成不变的拷贝自200mm的设备。最初的摸索验证后，进一步的工作开始利用300mm设备的改进设计与工艺能力来降低工艺时间与去离子纯净水的使用。 

    多种化学品工艺程序中两道化学物质作用中间的冲水过程消耗了大多数去离子纯净水还占用了很大部分的周期时间。比如对于冲洗相对较高粘性的很高浓度的用来剥离光阻的硫酸，就需要很大量的水和时间。许多研究已经留心一些特殊的技术来降低硫酸作用后紧接的冲水的消耗量。大多数其它的化学物质像HF，NH4OH和HCl很容易被水冲洗掉。因为使用它们时往往都是用水稀释后的，所以那些紧跟其后的冲水工序是很好的优化候选者。 

    当制造工艺从200mm转向300mm的产品线时，化学品的使用步骤几乎一成不变的拷贝自原来的程序。同时，由于更大的晶片和相应反应室的尺寸而成比例增加的干燥步骤使得整个的干燥时间增加了。因此制造商和设备生产商力求降低化学品作用之间的水洗时间，目的是为了在不改变化学品步骤的前提下提高最后的水洗干燥效果。图2所示是成批喷雾事工艺方法的应用，它既优化了水洗和干燥程序又节约了35-40%的用水。图3显示了在相同设备中优化后的水洗方法能节约20-30%的周期时间。优化了的水洗方法在300mm的产品线中得到验证与应用。表I列出了标准的去光阻步骤，论证了优化后的工艺程序减少了22%的周期时间和明显的耗水量。尘埃水平，线上的缺陷密度，多探针良率和电性性能等数据显示第一步优化后的程序跟原先的工艺有相同的效果。 

    周期时间和工艺性能的优化 

    第二步优化的目的是为了提高生产力与65nm缺陷性能。优化后的工艺程序称作FlashClean技术，它包括一个新的最后的水洗和干燥程序以及一个小的喷雾式清洗机硬件的修改。 

    在成批喷雾式清洗机中最后的干燥是在工艺程序结尾时用传统的高流量氮气完成的。喷氮气时附带晶片高速的旋转使水成为薄薄的一层，在5到10分钟就蒸发完全。然而这项技术许多年前就成为成批喷雾式处理的标准方法。新的方法能提升缺陷水平到尘埃小于120nm。 

    晶片表面从潮湿到干燥的转变被认为是提高工艺性能的关键。因为在工艺结束时尘埃性能与晶片温度有很强的相互关系。一般情况下当晶片温度高于环境温度5-10℃时，能得到最低的缺陷水平。 

    为了理解晶片表面最后的蒸发状况是如何影响缺陷水平的，可研究反应室温度，氮气流量和转盘温度这三种参量。在一系列用90nm尘埃增加作为参考变量的实验之后，其优化过的水洗和干燥程序数据结果被作为将近三年的基准。然而，当缺陷监控转到65nm时，还需要有进一步的改进。 

    以前，研究者注重对晶片从潮湿到干燥的转变的研究。特别是他们认定大多数65nm下的缺陷是冲洗去离子纯净水与吹干潮湿晶片之间的10秒中内产生的。因此研究者决定需要用吸气的方法来代替最后的水洗后的吹气，使得65nm以下的缺陷水平降到接近尘埃。 

    当研究者研究晶片从最后的冲水到干燥步骤时，他们研究出让热的冲洗水直接作用到反应室壁的能力。用热水冲洗反应室使得最后的干燥时间更为明显得降低了。反应室冲洗工艺是通过从转盘上喷水完成的。这就需要一个旋转的水供应通道，因此需要一种新的硬件设计方法。 

    图4阐明了在最终优化后结合了热水反应室冲/ 洗干燥晶片是减少了大量的后续时间，而且是针对50片300mm的晶片。图5说明了在3个不同的300mm 工艺中使用了这个系统后怎样的在整个工艺时间中节约了14-22%。

    大批量生产能力与小批量运行时间的结合 
    图6总结了在使用了冲洗/干燥优化工艺后，前道和后道工序中灰化后清洗的生产能力和周期时间。前道工序中piranha/SC-1清洗每批50片晶片的典型的生产能力是160片，以及每批5片晶片的周期时间是20分钟。 

    对于piranha/SC-1清洗20分钟的周期时间并非革命性的进步；实际上是太慢了而不能把它转移到单晶片平台上。虽然寻求那种替代iranha/SC-1清洗方法的工作已经完成，但没有什么建议被广泛采纳[6]。而且对在后道清洗时由于表面活性剂而产生的晶片表面改变的担心已成为接受新的化学物质的强烈障碍[7]。然而当门氧化层的厚度继续降低时，潜在的污染物的影响会变得更加严重。 

    一个研究证明单晶片清洗方式中的化学应用程式在成批喷雾式清洗机中也能运行得很好。而且显示了喷雾式清洗机技术能够在1分钟内把后道工序中的残留物完全去掉[8]。图6中重点标出后道中灰化后工艺就是在1分钟完成的，每片晶片消耗的化学物质少于5毫升。这个研究排除了两种常见的不实说法：第一，成批式清洗机需要很长的化学品作用时间；第二，单晶片清洗机和成批式清洗机需要不同的化学物质。 

    尘埃水平表现 

    优化后的水洗/干燥工艺极大地提高了65nm以下的尘埃效果。在65nm尘埃水平中，原始晶片的质量是受关注的因素。典型情况下新的可接受的晶片存在不同的表面尘埃和污染水平。有的晶片在传送箱中就被污染了，而有的仍是干净的。任何情况下所有晶片在使用前必须要清洗处理过。其中最好的一个方法是用piranha/SC-1灰化后清洗法。 

    表II显示了用piranha/SC-1清洗10片不同品牌的新的300mm光片的结果。实际增加值表示这种设备在用这种清洗工艺后沉积的尘埃数或去掉后又重新沉积的尘埃数。 

    图7是FSI 300mm Zeta喷雾式清洗机在前道工艺中的灰化后清洗数据的比较，包括用标准的水洗/干燥程序和优化后的带热反应室水洗的水洗/干燥程序。这两组数据除了最后的水洗/干燥程序，使用了相同的清洗菜单。表III列举了图7中的上中下控制线。数据显示优化后的工艺比标准工艺在大于65nm光点缺陷检测中有更好的表现。图8的数据来自于安装在一条65nm探测线上清洗系统，与图7表现相同。根据每天的监控结果显示，应用优化后的水洗/干燥工序后，大于100nm 的光点缺陷大大地下降了。 

    结论 
    市场需求的变化要求设备制造商去改进工艺表现，使清洗方法能够节约材料与降低周期时间。这些改进在300mm的生产线上得到的验证。周期时间下降10-25%之间在前后道工艺中都达到了。在后道灰化后残留物去除少批次晶片工序中，周期时间能够缩短到11分钟。在一系列应用中，大于65nm的尘埃缺陷的检测上限已经不高于25。