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濕法工藝在集成電路中的應(yīng)用

一、概述

集成電路濕法工藝是指在集成電路制造過程中，通過化學(xué)藥液對硅片表面進(jìn)行處理的一類關(guān)鍵技術(shù)，主要包括濕法清洗、化學(xué)機(jī)械拋光、無應(yīng)力拋光和電鍍四大類。這些工藝貫穿于芯片制造的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響器件性能與良率。

濕法清洗是其中基礎(chǔ)且關(guān)鍵的工藝，它根據(jù)不同工藝階段的污染特點(diǎn)，采用特定配比的化學(xué)液和去離子水，對硅片表面進(jìn)行精細(xì)化清洗，以去除制造過程中殘留的顆粒、自然氧化層、有機(jī)物、金屬雜質(zhì)、犧牲層及拋光殘留物等。隨著集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷微縮，清洗工藝面臨更高要求：一方面需有效清除納米級顆粒與微量污染物，另一方面必須嚴(yán)格控制清洗過程對硅片表面及結(jié)構(gòu)的損傷。以65 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)為例，ITRS要求清洗后單個(gè)晶圓表面粒徑大于32.5 nm的顆粒數(shù)量少于80個(gè)，柵氧化層表面的金屬原子含量低于5.0×10?個(gè)，其他區(qū)域金屬原子低于1.0×101?個(gè)，表面碳含量不超過1.2×1013個(gè)；同時(shí)，清洗過程中單晶硅與氧化硅的材料損失需控制在0.05 nm以內(nèi)，這對清洗工藝的選擇與控制提出了極精密的要求。

化學(xué)機(jī)械拋光是一種將化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨相結(jié)合的表面平坦化工藝，通過研磨頭施加機(jī)械壓力，同時(shí)利用研磨液中化學(xué)成分與硅片表面材料反應(yīng)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)全局平坦化，是目前主流的高精度拋光技術(shù)。無應(yīng)力拋光則基于電化學(xué)原理，通過拋光液與硅片表面的銅層在電場作用下發(fā)生反應(yīng)，選擇性地去除多余銅膜。該工藝僅通過電化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)材料去除，避免了機(jī)械應(yīng)力，尤其適用于低k及超低k介質(zhì)等脆弱材料在銅互連結(jié)構(gòu)平坦化過程中的工藝需求，能有效減少機(jī)械損傷和介質(zhì)層塌陷等問題。電鍍工藝則利用電化學(xué)沉積原理，在硅片表面沉積金屬層，用于形成互連線、通孔填充等結(jié)構(gòu)。本文對集成電路制造中常用的幾種濕法清洗和腐蝕工藝進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

二、濕法工藝

1.柵氧化前清洗工藝

在先進(jìn)的CMOS工藝中，柵氧層是整個(gè)工藝流程的核心，對CMOS器件的可靠性起著決定性作用。因此，柵氧化工藝對硅片表面的潔凈度和平整性提出了極高的要求。柵氧清洗工藝作為柵氧化前的關(guān)鍵預(yù)處理步驟，其主要功能在于去除硅片表面的自然氧化層、微量金屬污染物以及各類表面雜質(zhì)，從而為后續(xù)熱氧化生長高質(zhì)量柵氧化層提供潔凈且平整的表面基礎(chǔ)。在濕法柵氧清洗工藝中，化學(xué)試劑直接與硅片表面接觸，因此清洗后表面的潔凈度及清洗過程對硅片表面的損傷程度，直接關(guān)系到最終器件的性能表現(xiàn)。盡管清洗技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，但無論工藝多么先進(jìn)，都難以完全清除所有污染物，也無法徹底避免引入新雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，除了不斷提升化學(xué)試劑的純度外，各種技術(shù)手段的核心目標(biāo)均在于增強(qiáng)對污染物的去除能力，將雜質(zhì)濃度降至更低水平，進(jìn)而提升CMOS器件的良率、性能及可靠性。

常見的柵氧清洗工藝配置如表所示，主要通過SPM（硫酸-過氧化氫混合物）、DHF（稀釋氫氟酸）、SC1（氨水-過氧化氫-水溶液）和SC2（鹽酸-過氧化氫-水溶液）等化學(xué)溶液的組合使用，分別完成對有機(jī)物、自然氧化層、顆粒污染物及金屬離子的清除。在工藝中引入臭氧（O3）可進(jìn)一步改善清洗效果：利用O3降低有機(jī)物和重金屬含量，有效抑制金屬離子和顆粒在表面的再吸附，并能預(yù)防水痕形成與自然氧化層的再生，從而顯著增強(qiáng)柵氧清洗的表面預(yù)處理能力，最終提升柵氧化層的品質(zhì)。

柵氧化前濕法清洗工藝配置

2.RCA清洗

RCA清洗是用于晶圓清洗的首選工藝方法，也是目前業(yè)界廣泛采用的工藝方法，能有效去除晶圓在芯片制造過程中引入的各種有機(jī)物、金屬、氧化物、顆粒等沾污。RCA清洗工藝在集成電路制造工藝中的分布如圖所示，可廣泛應(yīng)用于集成電路制造工藝過程中來料清洗、氧化前清洗、擴(kuò)散前清洗和柵氧化前清洗等濕法工藝。RCA清洗工藝配置如表所示。

RCA濕法清洗工藝分布示意圖

3.濕法去膠工藝

經(jīng)過刻蝕或者離子注入之后，不再需要光刻膠作為保護(hù)層，因此需將光刻膠從硅片的表面除去，這一步驟簡稱為去膠。在集成電路工藝中，去膠的方法包括濕法去膠和干法去膠。干法去膠是利用等離子體將光刻膠去除，濕法去膠是通過化學(xué)液將光刻膠去除。相對于濕法去膠，干法去膠的效果更好，但是由于干法去膠存在反應(yīng)殘留物的沾污問題，因此干法去膠與濕法去膠經(jīng)常搭配使用。在濕法去膠中又分為有機(jī)溶劑去膠和無機(jī)溶劑去膠。使用有機(jī)溶劑去膠，主要是使光刻膠溶于有機(jī)溶劑中，從而達(dá)到去膠的目的。有機(jī)溶劑去膠中使用的溶劑主要有丙酮和芳香族的有機(jī)溶劑。

無機(jī)溶液去膠的原理是利用光刻膠本身也是有機(jī)物的特點(diǎn)（主要由碳和氫等元素構(gòu)成的化合物），通過使用一些無機(jī)溶劑（如硫酸和雙氧水等），將光刻膠中的碳元素氧化成為二氧化碳，如此可將光刻膠從硅片的表面除去。表展示了一種無機(jī)濕法去膠工藝配置，其中配置了兩組SPM工藝單元，利用H2SO4和H2O2的強(qiáng)氧化性實(shí)現(xiàn)去膠目的。在SPM單元后配置了SC1單元，主要作用是去除少量的有機(jī)沾污和顆粒。缺點(diǎn)是可能會引起晶圓表面的金屬沾污和增加表面的微粗糙度。通過降低NH4OH濃度可以限制晶圓表面的腐蝕從而降低晶圓表面的微粗糙度，降低NH4OH和H2O2的濃度還可以提高對于顆粒的去除效果。目前，該去膠工藝主要用于SDG、POLY及SD注入后的去膠清洗（即干法去膠后表面的膠絲和聚合物清洗）。

濕法去膠工藝配置

4.濕法氮化硅腐蝕

在集成電路制造中，局部氧化（LOCOS）、淺槽隔離（STI）和自對準(zhǔn)接觸結(jié)構(gòu)制作方面，氮化硅（Si3N4）被廣泛用作掩蔽層材料。氮化硅膜作為硅基板氧化時(shí)的阻擋層，起到隔離器件的作用（氮化硅膜上的氧化速率較硅基板上氧化速率慢得多）。在器件隔離形成后需要將氮化硅膜完全腐蝕掉，否則會影響后續(xù)的氧化工序而導(dǎo)致整個(gè)器件失效。

這層氮化硅掩蔽層要用熱磷酸（H3PO4）進(jìn)行濕法化學(xué)剝離。磷酸槽始終維持在160℃左右并對露出的氧化硅具有高選擇比。用熱磷酸去除氮化硅是難以控制的，通過使用檢控樣片來進(jìn)行定時(shí)操作（沒有終點(diǎn)檢測）。在氮化硅表面常常會形成一層氮氧化硅，因此在去除氮化硅之前，需要在HF槽中進(jìn)行短時(shí)間的處理。如果這一層氮氧化硅未被去除，即不能均勻地去除氮化硅，在氮化硅濕法腐蝕工藝前配置DHF單元去除氮氧化硅。

濕法氮化硅薄膜腐蝕工藝中H3PO4作為催化劑，H2O作為主要反應(yīng)物，化學(xué)反應(yīng)式為Si3N4+H2O←→3SiO2+4NH3。氮化硅濕法腐蝕的工藝配置如表所示。

氮化硅濕法腐蝕工藝配置

5.化學(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)械拋光是一項(xiàng)結(jié)合化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的表面全局平坦化技術(shù)，主要用于介質(zhì)層（如氧化硅）和金屬互連層（如銅、鎢）的拋光。CMP過程涉及三個(gè)核心要素：拋光液、拋光墊和工藝參數(shù)。拋光液中的化學(xué)成分（如氧化劑、絡(luò)合劑）與晶圓表面材料發(fā)生反應(yīng)，形成易于去除的軟質(zhì)層，再通過拋光墊的機(jī)械摩擦將其剝離，從而實(shí)現(xiàn)納米級平整表面。CMP的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)不同材料間的選擇性拋光，例如在銅互連工藝中需依次拋光銅、阻擋層（Ta/TaN）和介質(zhì)層，同時(shí)避免出現(xiàn)凹陷、侵蝕和殘留顆粒等缺陷。工藝后表面粗糙度通常要求Ra < 1 nm，平坦度誤差在納米范圍內(nèi)。當(dāng)前CMP技術(shù)正向低壓力拋光、無磨料拋光及電化學(xué)機(jī)械拋光等方向發(fā)展，以應(yīng)對低k介質(zhì)、高深寬比結(jié)構(gòu)及三維集成等新挑戰(zhàn)，提升工藝兼容性與可靠性。

6.無應(yīng)力拋光

無應(yīng)力拋光是一種基于電化學(xué)原理的表面平坦化技術(shù)，特別適用于銅互連結(jié)構(gòu)的后道平坦化。該工藝將晶圓作為陽極浸入含特殊電解質(zhì)的拋光液中，在電場作用下銅表面發(fā)生可控的陽極溶解反應(yīng)，優(yōu)先溶解表面微觀凸起，從而實(shí)現(xiàn)選擇性平坦化。由于整個(gè)過程無機(jī)械外力介入，可有效避免傳統(tǒng)CMP工藝中因機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的低k介質(zhì)層損傷、圖形塌陷和微裂紋等問題，尤其適用于高深寬比結(jié)構(gòu)和脆弱材料的平坦化需求。無應(yīng)力拋光的關(guān)鍵在于優(yōu)化電解液配方（如調(diào)節(jié)pH值、添加劑類型）和控制電場分布均勻性，以實(shí)現(xiàn)高平整度、低粗糙度的表面，同時(shí)保持高材料去除率。目前該技術(shù)仍在進(jìn)一步發(fā)展中，研究方向包括與CMP的工藝集成、多層金屬結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改進(jìn)等，以滿足先進(jìn)制程中對材料兼容性和可靠性的嚴(yán)苛要求。

三、結(jié)語

在半導(dǎo)體制造工藝中，濕法工藝作為貫穿襯底加工、晶圓制造到封裝測試全過程的核心環(huán)節(jié)，其工序占比已達(dá)25%以上，對整個(gè)制造流程的良品率影響超過40%。這一重要地位源于濕法工藝在晶圓表面處理、污染物去除、薄膜沉積及結(jié)構(gòu)成型等方面不可替代的作用。隨著集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷微縮，工藝線寬持續(xù)收縮，對濕法工藝的精確度、選擇性和均勻性提出了更高的要求。

與光刻機(jī)、刻蝕機(jī)等核心工藝設(shè)備相比，半導(dǎo)體濕法設(shè)備展現(xiàn)出更強(qiáng)的定制化特性。設(shè)備需根據(jù)具體工藝需求（如清洗、腐蝕、拋光、電鍍等）和材料體系（如硅、化合物半導(dǎo)體、新型金屬互連材料等）進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，尤其在化學(xué)液配方、溫度控制、流體動力學(xué)及防污染等方面具有高度專業(yè)性。當(dāng)前，濕法設(shè)備正朝著更高精度、更低損傷、更優(yōu)均勻性和綠色環(huán)保的方向發(fā)展。

隨著摩爾定律向縱深演進(jìn)，工藝線寬向亞納米級邁進(jìn)，濕法設(shè)備制造技術(shù)將持續(xù)升級。設(shè)備需應(yīng)對更高深寬比結(jié)構(gòu)的清洗難題、更低k值材料的無損處理、以及新型三維集成結(jié)構(gòu)的表面處理挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，新興的異構(gòu)集成、先進(jìn)封裝及第三代半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域也為濕法工藝帶來新的發(fā)展機(jī)遇。因此，半導(dǎo)體濕法設(shè)備市場前景廣闊，預(yù)計(jì)將在高純度化學(xué)品管理、超精細(xì)工藝控制、自動化與智能化集成等方面迎來新一輪技術(shù)突破與市場增長。