半导体湿式清洗设备

1、低氧化屋崩消霍屋 禊晶、金橘接 斜孔,可靠度 低氧化属崩漫甯整 接合漏雷、起始重屋 漂移、可靠度 改燃氧化速率 降低氧化唇品霞低氧化唇崩滑雷壁 低载于蓬移率降低氧化腐品 高接躅窗重明、低磊 晶晶、不良矽化物半导体湿式清洗设备 湿式清洗.晶圆洗净的目的主要清除晶圆表面的脏污，如微粒(Particle)、有机物(Organic)及金属离子 等杂质，此外如 Gate oxide 层的微粗糙(Micro-roughness) 及自然氧化物 (Native Oxide)消除亦在洗净制程的范畴.效果包含-芯片清洗一蚀亥1JLift-off污染源对电子组件的影响污染 可能污染源 封雷子元件之影警L微粒 梭台

2、、琮境、水氧、化学品、容器2,金犀 穰台、墓境、水 化挚品、容器 蹄子植入、m区有微物光阻残留、容器 化阜品、建桀物 油漆壁料撞款4,微粗糙化学品、晶EI厚 材料、洗浮程式 配方5.自然氧化举品一璟境 化物 水、氟影响洗净效果的因素.洗净制程的化学配方(Recipe) .洗净程序(Sequence) .除湿干燥的技术配方与洗净目标.化学配方与洗净目标，RCA-recipeCleaning SolutionsMixing RatioTemperatureCleaning Targets式 SPM)4:1120COrganic (Resist)HF/H?O(DHF)1:100Room TempNa

3、tive Oxide, MetalNHQHJHQJHQ(APM) .1:1:570-90 3CParticle, Organic1:1:670-90tMetalHF/H2O(DHF)riooRoom TempNative Oxide114 SPM(Su lfiiric-p eroxide mix), DHF(D ilute HF), AP M(Amin on ium - peroxide mix, SCI Standard Clean 1), HPM(Hydroch 1 oric-peroxide mix, SC2, Standard Clean 2)1.微粒与污染源微粒来源微粒来源来自洗净用

4、的去离子纯水(DI water),化学品(Chemicals) 及气体(Gases)或其它制程遗留的杂质或洁净室中所沾染的 dust.微粒附着于晶圆表面所受的吸附力一Electrostatic force一Varder Wals force一Capillary force一Chemical bond一Surface topography force微粒去除的机制°加眦" 4二,DissolutionAh 1y:微粒在强射化剜b被氧化核，即港的酸或酷由而去除*SurfaceEleclL(b)表面些微位刻跳子甯性的推耳而M微粒去涂微粒去除的机制超音波振荡器去除微粒的过程Tran

5、sducer Transducerw w w w w I I I 3 IPartial wettingTransducerTotal wetting Solvent diffusing at interfaceFloating free金属杂质 来源-洗净材料的化学品，纯水、气体的金属杂质及制程所引发的，如离子 植入，RIE干蚀刻、光阻去灰等.金属杂质含量需在1010 atom/cm2以下，方可确保电子组件的品质及良率 有机污染源 .有机污染源来自光阻残留物、晶舟、晶盒及洁净室环境的建材，如油漆，机台等 .污染源造成-阻绝洗净的效果，或阻绝离子化学蚀刻形成蚀刻不良对 Gate oxide 的厚

6、度均匀性与 Breakdown voltage2.光阻与配方光阻去除溶液主要光阻去除溶液 Caro Clean or Piranha Clean(SPM, H2SO4:H2O2=4:1 110 oC130 oC)缺点 : H2O2 不易维持稳定浓度 H2SO4 + O3O3易含有重金属，需经纯化处理 Chilled DI + O3利用O3分解的氧原子和有机光阻反应，可免 H2SO彼用，低残留硫含量自然氧化物晶圆表面因曝露在空氧中或浸泡在纯水中，造成表面的氧化，约510A 厚度，或在化学洗净过程中，接触强氧化剂，如H2O2 而在表面生成一层氧化物影响对 Gate oxide 的厚度均匀性与Bre

7、akdown voltage自然氧化物的去除.DHF-Last -在最后一站浸入(100:1 DHF)中，以去除 Native Oxide.HF + H2O2 (FPM-Last)- 在最后一站，浸入 FPM昆合液(0.5%HF+ 10% H2O2) 溶液中，HF去除Oxide, H2O2去除金属杂质.HF + IPA (HF/IPA-Last) - 在最后一站，浸入(0.5%HF+ IPA<1000ppm)容液 中，HF去除Oxide , IPA去除微粒.HFVapor -将晶圆放入蒸气室中，将其抽成真空后，利用氮气作为载气，通入 HF Vapor ，可去除Oxide表面微粗糙度化学药

8、剂的使用是影响表面粗糙度的主因:浓度比例温度浸泡时间洗净制程以SC1洗净影响最大，可达 Ra=0.6 nm蚀刻制程以Conventional BHF 影响最大，可达Ra=0.9 nm湿式洗净技术.RCA-Clean 配方-去除微粒，金属杂质及有机污染应用于空白芯片进入炉管长Oxide前之清洗RCA-Clean 配方.RCA-clean is the first developed cleaning process for bare and oxidized silicon wafer.Process was introduced to RCA device fabrication center

9、 in 1965 and released in 1970.Chemical principles:H2O2 at high pH condition is a powerful oxidant一NH4OH is a strong complexant for metallic impurities一HCl in H2O2 forms soluble Alkali and metal salts一Mixtures formulated not to attack Si or SiO2湿式洗净配方.Modified RCA-Clean -加上清除光阻及有机物能力，增加硫酸清洗，如SPM/SOM(

10、SPM= H2SO4 + H2O2, SOM= H2SO4 + O3)Modified RCA-CLEAN12345678SPWS0MQORSC1+QDRSC2QDRFR*DRYoverflowMEGOverflowoverflowMEGSD120C16M70 C16M16MoverflowIF%10minohm-cm5minIohm-cm5 minOhm-cm5m inMarangonq湿式洗净配方.SPM Clean用于PSG BPSG沈积或全面离子植入后的清洗。主要功能乃将析出表面的磷 玻璃（P2O5）及硼玻璃（B2O5）溶于H2SO4中；或在离子植入后，去除芯片表面的 Polymer（

11、有机物）Pre & Post BPSG-Reflow CLEAN123456SPMQDRARMQDRFRDRY3.湿式清洗设备制程设备.Hardware configuration Vendor Vendor一Wet station.Conventional Bench Sugai, DNS, TEL, SCP.Single Batch Plug Flow DNS, CFM, Steag.Multiple Batch Plug Flow DNS, Sugai, TEL.Batch Spray DNS, FSI.Single Wafer Cleaner DNS, SEZ一Dry clea

12、ner.HF Vapor Clean FSI FSI湿式洗净设备Conventional Wet BenchR«4ri'如图喧丫5Clean ijhiI传统湿式洗净设备设备模块中央控制系统及晶圆输入端串联式化学酸槽(左侧)与洗濯槽(Rinse)-机器手与传输单元-侦测系统，包含流量侦测，温度侦侧，酸槽化学浓度校准-旋干/干燥设备传统湿式洗净设备规格ICDSTFtil £LEOR FIELD 工俎l£T勘 IW*郎£l尊必r M . Il I FkL 之曲 H 及“1 hCHER CMEWCfiiLijSYSTIM PERFORMANCE &

13、; CAPABILITYHEMTARGETPirticli?<15EA 。2卬Melal Iii1|XjrilyK1串AteTTKAzrrPiAir Elements)ThuiEiT UPHHrLJpdbililyZB皿PCSMDN肥我 hvwm Fai Jure-JflOU"hrMTiPWltd” Iicie To 和pair)3.3HK传统湿式洗净设备.系统参数包含一Chemical change一Chemical ratio Tank temperature一Cleaning process time一Chemical concentration一Rinse time一R

14、inse resistivity一Robot operation一AlarmAL 二QL'rtKTZLEGA3dWi：匚口IT ROLLE 4DhllNm warm 如errI WAfifi HETLJM4PLMPCJKMTVMMUIUMKRSAMPLEraiir日LIERin!：S9 SMS自胃|酸槽沈浮系标SCI酸梢结懵窗传统湿式洗净设备 .洗净功能(Recipe Capabilities) RCA B-Clean一Pre-gate CleanB Clean-HF LastB Clean-No HFSPM-Clean一Pre-metal-Clean传统湿式洗净设备- 优点a.节省化

15、学用品- 化学槽换酸可依洗净的晶圆批数， 作为下次换酸依据，故连续使用下，则每片 芯片洗净的费用成本较低b.连续洗净，提高机器用率(Machine Up Time)- 机台换酸后，预热约一小时方可使用，洗货时则每1015分钟，可放入2个批量的晶舟(50 Pcs)c.技术成熟一Field proven传统湿式洗净设备.缺点：a. Footprint 大b.酸槽溶液越洗越脏 c.开放式加热酸槽，溶液浓度随时变化d.纯水消耗量大e.浸入时芯片下端先入后出，拉出时，DHF由上往下流，易造成不均匀 封密式容器洗净设备.Plug Flow (Enclosed-Vessel Cleaning System)

16、原理-将晶圆置于密闭单容器(Enclosed Vessel)内，依设定的Recipe,通入 不同的化学洗净溶液，至容器内，经 DI纯水洗濯残留酸碱液，再通入IPA将晶 圆干燥封密式容器洗净设备 .特点-晶圆在密闭容器内进行洗净程序，芯片不接触空气，因此可减少微粒污染优点一Footprint 较小-较少微粒污染-系统较简单 -溶液浓较易控制-较少化学品及DI纯水消耗.缺点废液处理困难受限于低浓度的化学溶液Spray Chemical Cleaning Processor原理-将晶舟置于洗净槽内的转盘，新鲜的洗净化学液经由N2加压，自中央喷洗柱均匀喷洒在芯片上清洗CHEMICALSUF PUfWA

17、TER SUPPLYNITROGEN SUPPLYON-CEhnTEHSPRUWPDSTPROC魁四产日ERMOTOR/MCIQR SHAFTASPIRATORDRAINSpray Chemical Cleaning Processor.系统方块图wnttr muMiv ChwibvrSpray Chemical Cleaning Processor! -Mr Prcsijnc优点 1. Small footprint 2. No cross contamination due to fresh chemicals used in each cycle 3. Low DI water cons

18、umption.缺点 1. Poor uniformity 2. HF last difficult 3. High maintenance due to many rotating partsWafer Dry Technology 晶圆干燥技术主要功能是脱水干燥，理论上需达到不增加芯片上的微粒的需求.干燥机可分为一Down-Flow Spin Dryer一IPA Dryer一Marangoni DryerDown-Flow Spin Dryer原理-利用高速旋转下产生的离心力，并配合空气过滤器所喷下的干净气流,将芯片上的水滴旋干，并蒸发干而无微粒及水痕 (Water Mark)高菰同油（H

19、i的Bp玳JAirFI口唠麻州F伯叫Down-Flow Spin Dryer.设备示意CLEANfiOOMAIRHEPA FILTERAHTFSTATICASSEM BLf 一UUl.EXHAUSTPOATPROCESS CHAMBER FROWT VIEWBRUSHLESS DC MOTOR WITH ASPIRATED iwOTOn 5HAPrDown-Flow Spin Dryer.机械特性转速需在34秒内，加速至800rpm振动的克服内部压力的克服（高速易生低压，导致排气倒灌）-腔壁几何形状设计不当，易积沈积物或使水滴反弹至芯片表面IPA Dryer.原理-将潮湿的芯片传至IPA（Is

20、opropyl Alcohol ,异丙醇）Vapor Chamber内。IPA由N2作为传输气体，导入蒸汽干燥室内由底部的加热器，使 IPA受热蒸发为蒸汽。IPA高挥发性可将将晶圆表面水份脱水干燥，避免水痕、微粒及金属杂质O0OOO0要案*、*>电1*#人 金 Mk1 鼻小、，*、'/*1' +、' J %用d七 ¥* *4f±JQ 瑛1*，* F L1* , 2* f'fta 兴 J,4*事“1.>叱见4$才二%*£ W x 4* 、。*"* 4" i 9必士 WA餐*凡An *U04/- r-4

21、J b、Tf* 各声，* -T -f f r4 M»，中*AV卡 ，>"*-, / m- U=，、七二 'iVp#F：Ngn®. 1、中 F V”r4* Jl<>*< fA*卢乜之中吊戈A « % 餐甘行d-t卜专a f d *W 濡f* " 'v q *、* n.,f <-, *' .少在专4/ * »,-*¥电鼻 f > +fti+ T、* i , 0 ；M *4 > “* *W*”#，g W M M十 ?*.*1 ch.r<>|.J .本e也

22、右 v 二中叫苗?A AV3iJ;.«*-*-用w-A% -k、4，：/-* #，- %R* ' f，$:中，青 广“»*、1* * *,戟诙*、* M< 认-4-W-B-1 k > 亭亭-1：二牙才才步 £ ¥1 J- ，、*$力，$喜出步阵MT弋去一 s i > < K r4 * v* q产，；W F *，； V * "*«* # 1中 f 4；6 dll七封- E5-4* 品*J&2一15:1爸移l!r!-lWMa 需出出5:自:-!逢善浮基一IPA Dryer.IPA脱水技术的主要变量-

23、a. IPA的纯度与排水量-b. IPA蒸汽的流量及流速-c. IPA蒸汽的洁净度Marangoni DryerHIGHPUREIPA-SEVESSEL EXHAU号 T.原理：利用IPA与DI Water表面张力的不同，将晶圆表面残留的水分子吸收 流回水槽，而脱水干燥- 程序- a.洗涤完毕后，将晶圆自DIW缓慢拉出- b.以N2作为传输气体，吹向潮湿芯片- c.芯片表面的IPA浓度大于DIW浓度，故表面张力减小，因此水分子被吸回Marangoni Dryer制程1.在Oveflow 槽洗净达到设定阻值 2.晶圆缓慢拉出 DIW 同时通入IPA+ N2气体 3. IPA 流下晶圆入DIW液面

24、，产生Marangoni effect 表面张力差 4.晶圆表面水分子受表面张力影响，流入溢流DI槽优点：可克服深窄沟渠(Deep trench)内的水分子脱水之困难(表面张力克服分 子力)Marangoni Dryer.系统示意图CLASS10 HEPA FILTERED AIR化学酸槽的设计.Quartz Tank-用于不含氟化学药液的场合，可用于高温波浪锯齿状可利液面overflow及recirculate曲赛窜阴状园5g石英槽里H环楷藉横崎.Teflon Tank (PVDF Tank)-用于含HF液之场合，但不适于高温Recirculation DesignNote: overflo

25、w 与 recirculate 的 目 的Moving acid surface to reduce the possible particulate contamination on silicon surface when theDisposal Tank/ *ns'tifwrtl 尊m/firfl-nz为，a . | 一 n 一 n下(!* s ,Im I mkI mb>ln iiy VftjveAir VolvtH OAclJ 口rMuCily XW：UitrI* ir hr11高炉.口晶i l&mtrr 1TI-； J tdiif (B.叫M亡'”11 L|3"iil| Xri.nUO i -3 . CQiinrtzrmcrPV-BVJFtiiiip rr>KMiDry Clean Technology干式洗净/去除的机构compQumSi(a) PhysicalCHEMICALFACTIONMOJWFWTUW 丁斤