隨著集成電路器件的納米化、高密度化、高集成度及多層金屬互連的進(jìn)步，半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)實(shí)際制造的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)也提出了更多新的要求。器件特征尺寸的不斷縮小和三維器件結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜性，使得半導(dǎo)體器件對(duì)顆粒污染、雜質(zhì)濃度和數(shù)量越來(lái)越敏感。
據(jù)2019年1月28日?qǐng)?bào)道，臺(tái)積電南科14廠(chǎng)發(fā)生一起不合格原料污染事故，預(yù)估損失上萬(wàn)片晶圓，受到影響的主要是16/12nm工藝。NVIDIA的GPU芯片、海思、聯(lián)發(fā)科的手機(jī)芯片以及一些ARM服務(wù)器處理器都使用了這一工藝，這也是臺(tái)積電的主要營(yíng)收來(lái)源之一。臺(tái)積電發(fā)生的污染源已被確認(rèn)，分別為前段刻蝕的鐵離子污染和光刻膠原材料污染。前段晶體管受到污染可能會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生不正常的漏電，進(jìn)而影響產(chǎn)品的良率、電學(xué)性能和可靠性。
2019年2月15日，臺(tái)積電坦承，受到南科14廠(chǎng)污染事件影響，本季營(yíng)收將減少約5.5億美元。受到影響的客戶(hù)包括輝達(dá)、聯(lián)發(fā)科、海思和賽靈思等重量級(jí)客戶(hù)，其中輝達(dá)的投片量超過(guò)上萬(wàn)片?？紤]到此次事故涉及的是相對(duì)先進(jìn)的16/12nm工藝，加上受到影響的股價(jià)大跌，臺(tái)積電的實(shí)際損失有可能超過(guò)了40億美元。如果再算上事故造成的停機(jī)以及產(chǎn)能和交付上的損失，則后果將更加慘重。
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這一事件非常強(qiáng)烈地傳遞了這樣一個(gè)信號(hào)，隨著集成電路特征尺寸越來(lái)越小，半導(dǎo)體器件對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的顆粒、有機(jī)殘留物、雜質(zhì)等污染物及濕法清洗的去除能力、缺陷控制、關(guān)鍵尺寸調(diào)控等的要求越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)工藝化學(xué)品和金屬離子等導(dǎo)致的污染越來(lái)越敏感，使得濕法工藝的關(guān)鍵性和重要性越發(fā)凸顯。此外，芯片制造過(guò)程中的每個(gè)工藝步驟都有不同的控制和良率要求，特別是先進(jìn)工藝要求制造過(guò)程中的顆粒尺寸越來(lái)越小，數(shù)量越來(lái)越少，缺陷密度也越來(lái)越低，這些都增加了工藝復(fù)雜性并帶來(lái)越來(lái)越多的技術(shù)挑戰(zhàn)。
技術(shù)節(jié)點(diǎn)演進(jìn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)
按照摩爾定律，集成電路器件特征尺寸每?jī)赡昕s小0.7倍，盡管目前維持這一趨勢(shì)所花費(fèi)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷微縮，先進(jìn)的集成電路器件已從平面向三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，集成電路制造工藝正變得越來(lái)越復(fù)雜，往往需要經(jīng)過(guò)幾百甚至上千道的工藝步驟。對(duì)于先進(jìn)的半導(dǎo)體器件制造，每經(jīng)過(guò)一道工藝，硅片表面都會(huì)或多或少地存在顆粒污染物、金屬殘留或有機(jī)物殘留等，因此幾乎所有工藝步驟都需要濕法處理。對(duì)于關(guān)鍵層來(lái)說(shuō)尤其如此，往往需要經(jīng)過(guò)多道清洗或濕法處理步驟。
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在20nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)，清洗步驟數(shù)量大約占所有工藝步驟數(shù)量的30%，而從16/14nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，更精細(xì)的三維器件結(jié)構(gòu)、更復(fù)雜的前后端工藝集成、193nm浸入式光刻結(jié)合多重曝光技術(shù)及EUV光刻技術(shù)的引入等多種因素的推動(dòng)，濕法工藝復(fù)雜性將進(jìn)一步提升，濕法工藝的步驟也會(huì)根據(jù)特定產(chǎn)品的需求而有所增長(zhǎng)。下圖為IC Knowledge LLC 對(duì)邏輯器件和3D NAND器件的清洗步驟數(shù)量隨工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)和閃存堆疊層數(shù)而做的調(diào)研數(shù)據(jù)，可以明顯看到清洗步驟的變化趨勢(shì)，顯示出清洗在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的重要性和迫切性愈發(fā)增加。
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對(duì)于先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，尤其是10nm、7nm甚至更小的器件。為了獲得更高的器件可靠性及電學(xué)性能，濕法工藝不僅要能夠從平坦的表面除去更小的隨機(jī)缺陷、金屬或有機(jī)離子沾污、特定材料和殘留顆粒等，而且還要能夠適應(yīng)更復(fù)雜、更精細(xì)的三維器件結(jié)構(gòu)帶來(lái)的越來(lái)越多的要求，以免對(duì)器件造成不必要的損害或關(guān)鍵材料的損失，從而降低產(chǎn)量和良率。
表面損傷帶來(lái)的挑戰(zhàn)
半導(dǎo)體技術(shù)的不斷演進(jìn)，促進(jìn)了更多新型材料在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，如高K柵介質(zhì)、金屬柵電極、新的硅化物、新型低k材料、新的互連金屬鈷等的引入，對(duì)濕法清洗選擇比的要求越來(lái)越高，對(duì)前段和后段工藝都會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。如何調(diào)控和優(yōu)化濕法處理工藝過(guò)程中不同材料間的選擇比，是一道同時(shí)擺在濕法清洗技術(shù)和干法剝離(stripping)技術(shù)面前的難題。
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對(duì)于先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)下器件的清洗，一個(gè)非常明顯的要求是在去除過(guò)程中要避免對(duì)圖形造成額外的損傷。因此，當(dāng)使用某一類(lèi)清洗液進(jìn)行處理時(shí)就必須了解器件結(jié)構(gòu)上的薄膜材料和組分的構(gòu)成及其比例關(guān)系。比如，在接觸孔清洗中，為了得到良好的電學(xué)接觸表現(xiàn)，需要去除接觸孔底部的自然氧化層，但是如果接觸孔氧化物薄膜的密度低于熱生長(zhǎng)氧化物，則會(huì)導(dǎo)致其刻蝕速率非?？?，圖形形貌及質(zhì)量受到無(wú)法預(yù)料的影響，所以必須保證清洗工藝過(guò)程中的選擇比。再如刻蝕柵電極之后的去膠工藝、離子注入后的去膠工藝都可能導(dǎo)致大量的硅襯底損失，尤其是當(dāng)這個(gè)過(guò)程需要重復(fù)很多遍時(shí)，材料的損耗預(yù)計(jì)將更加明顯，將對(duì)器件的電學(xué)性質(zhì)造成顯著的消極影響。
因此，在半導(dǎo)體前后段制造中，為了降低材料表面受到的損傷，對(duì)材料間的選擇比要求越來(lái)越高，濕法清洗技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)也日益突出。
高密度三維器件帶來(lái)的挑戰(zhàn)
對(duì)于平坦的表面來(lái)說(shuō)，面臨的困難主要集中在化學(xué)清洗方面；而對(duì)于三維結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，嚴(yán)密控制材料損失的清洗工藝對(duì)于FinFET、3D NAND和其他3D結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，因?yàn)椴磺‘?dāng)?shù)奶幚砜赡軙?huì)導(dǎo)致圖形損傷，特別是由于批處理晶圓的非均勻性，由此帶來(lái)非常明顯的器件電學(xué)性能惡化和可靠性問(wèn)題。對(duì)于這些新型的器件，由于結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，使得無(wú)損傷并能有效的去除表面顆粒變得非常困難。對(duì)于具有高縱橫比結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件來(lái)說(shuō)，殘留物必須完全去除，并且不能對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)機(jī)械性損傷或過(guò)多的側(cè)壁侵蝕。
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三維結(jié)構(gòu)的引入，多種不同種類(lèi)的材料集成在同樣的系統(tǒng)中，如何確保在去除顆粒的過(guò)程中，不損傷到器件結(jié)構(gòu)本身，并保持合適的工藝窗口和工藝精度是擺在當(dāng)前半導(dǎo)體集成電路制造過(guò)程中的重大難題。過(guò)去經(jīng)常采用的兆頻超聲波攪動(dòng)這樣的常規(guī)物理清洗方法會(huì)對(duì)器件結(jié)構(gòu)的損傷和圖形坍塌等有潛在影響，需要根據(jù)具體的產(chǎn)品特點(diǎn)，優(yōu)化、改進(jìn)或采用更好的處理方式，以便在保持微粒去除工藝效率的同時(shí)不對(duì)圖形完整性產(chǎn)生有害影響。
堆疊式圍柵納米線(xiàn)器件提出的挑戰(zhàn)
當(dāng)前，FinFET器件已經(jīng)在22nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)始了應(yīng)用，有望推進(jìn)到5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。繼續(xù)向下發(fā)展，F(xiàn)inFET器件將遇到更多困難，而垂直堆疊式圍柵納米線(xiàn)器件由于對(duì)短溝道效應(yīng)(SCE)和漏致勢(shì)壘效應(yīng)（DIBL）具有天生的免疫性，極好的靜電控制能力，極高的電流開(kāi)關(guān)比和縮小尺寸的能力, 已成為集成電路技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下的有力競(jìng)爭(zhēng)者。
盡管這種器件具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，可堆疊式圍柵納米線(xiàn)的制備技術(shù)則極具挑戰(zhàn)。有報(bào)道顯示，在納米線(xiàn)制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，四層結(jié)構(gòu)容易在相鄰納米線(xiàn)間發(fā)生粘連而三層結(jié)構(gòu)則無(wú)類(lèi)似的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)橛捎诓捎昧?/span>SiGe外延工藝，為了避免超晶格中的應(yīng)變弛豫，Si層間的SiGe的厚度必須被大幅度降低。在采用濕法工藝釋放時(shí)，溶液中的表面張力很容易誘導(dǎo)相鄰兩層之前納米線(xiàn)的相互粘連，導(dǎo)致納米線(xiàn)無(wú)法正常釋放。
為了半導(dǎo)體清洗技術(shù)能滿(mǎn)足不斷出現(xiàn)的新需求，必須根據(jù)產(chǎn)品或具體工藝的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有制造工藝進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整和修改。當(dāng)前，堆疊圍柵納米線(xiàn)的制備主要采用后釋放工藝以便與現(xiàn)有的FinFET器件制備技術(shù)有良好的兼容性，但難點(diǎn)在于如何在納米尺度范圍的柵極溝槽中去除SiGe犧牲層材料。
在這種情況下，干法清洗技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野，而采用HCl氣體去除犧牲層釋放納米線(xiàn)的方法得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)濕法清洗技術(shù)不同，這種技術(shù)需要采用新型的干法清洗設(shè)備。在SiGe犧牲層去除過(guò)程中，要避免對(duì)兩側(cè)SiGe層產(chǎn)生過(guò)多的橫向腐蝕，從而影響后續(xù)的柵氧化層和高K金屬柵材料的填充，這無(wú)疑增加了工藝復(fù)雜性和集成難度。
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未來(lái)與展望
隨著集成電路器件尺寸持續(xù)縮小，清洗工藝過(guò)程中的材料損失和表面粗糙度成為必須關(guān)注的領(lǐng)域，將微粒去除而又沒(méi)有材料損失和圖形損傷是最基本的要求，因此必須考慮周全并有所折衷。濕法清洗工藝的效果既取決于所采用的濕法工藝化學(xué)品，還與所采用的設(shè)備密切相關(guān)。為了推動(dòng)濕法清洗技術(shù)的快速發(fā)展，需要化學(xué)品企業(yè)、設(shè)備生產(chǎn)商與芯片制造商緊密協(xié)同，在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，而合作開(kāi)發(fā)定制化的化學(xué)品將是未來(lái)的重要趨勢(shì)。
另外，未來(lái)干法清洗技術(shù)有望在先進(jìn)器件上得到更廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于對(duì)選擇性要求非常高的表面清洗步驟上，這推動(dòng)了各種更多創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)，例如超臨界CO2(Super Critical CO2)清洗。
多年來(lái)得到廣泛應(yīng)用的各種商用清洗技術(shù)是解決當(dāng)前所面臨的一切挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)，而各種新材料、新技術(shù)、器件和新結(jié)構(gòu)等的大量出現(xiàn)必將推動(dòng)半導(dǎo)體清洗技術(shù)的快速發(fā)展，并持續(xù)滿(mǎn)足半導(dǎo)體集成電路制造提出的越來(lái)越嚴(yán)苛的技術(shù)需求。
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