晶圆清洗成为制造3D结构的关键挑战

晶圆清洗，曾经是一个非常简单的任务，就像将晶圆浸入清洗液中一样简单，现在正成为制造GAA fet和3d - ic的最大工程挑战之一。

有了这些新的3D结构——有些即将问世，但有些已经在大批量生产中——半导体晶圆设备和材料供应商在湿式清洗业务中处于推动提高产量和可靠性的中心。清理逻辑和内存结构过去是很简单的。但从finfet开始，下一步是栅极全能(GAA)结构，以及先进的DRAM电容器和3D NAND，清洗已经进入了第三个维度——并不总是可见或可测量的维度。

整个半导体制造过程中都有清洗步骤，而且有数百个。ACM Research的业务开发总监萨利-安·亨利(Sally-Ann Henry)指出，它们不仅包括清洁，还包括确保表面为下一步的光刻胶、蚀刻后和植入条、一般清洁以及多重图案和EUV的背面清洁做好准备。曾经是湿长凳上的浴缸已经演变为先进节点的创新单片清洁解决方案。

“随着新材料和工艺架构被引入到已经复杂的制造工艺中，专门的清洗工艺是进一步创新的关键，”英特尔半导体产品多元化主管Brian Wilbur说布鲁尔科学．他介绍了该公司定制的清洁方法。例如，布鲁尔的选择性表面改性材料可以对金属、聚合物、介质等提供高选择性，以增强清洗溶液。

“随着规模的不断扩大，芯片功能变得越来越小、越来越复杂，芯片制造商正在探索新的材料。这使得实现精确、均匀的清洁更具挑战性，”Lam Research清洁产品线大客户技术高级总监David Kretz说。“先进的下一代逻辑、DRAM和NAND需要新的方法。由于在芯片制造过程中也会多次使用清洗工艺来去除限制产量的残留物和缺陷，因此对具有成本效益的高效工艺的需求就更大了。”

根据TechInsights的数据，湿式晶圆处理系统的市场规模略高于50亿美元。排名前三的公司——依次为:Screen Semiconductor Solutions, TEL和Lam——占据了约75%的市场份额。接下来的三家——Semes、Naura和ACM Research——占了另外20%。尽管前三名占据主导地位，VLSI研究公司(现在是TechInsights的一部分)总裁Risto Puhakka将市场描述为“竞争相当激烈”。与大多数设备市场一样，湿式清洁设备市场在过去几年里出现了大幅上涨，2021年的增长率超过40%。该公司预计，2023年这一比例将降至-7%，但2022年至2027年的年复合增长率将再次回升，达到8.3%。

图1:EOS湿清洗系统提供低晶圆缺陷和高通量，以解决要求苛刻的晶圆清洗应用。来源:Lam Research

三维结构
逻辑结构和内存结构的挑战有些不同。在Semicon West 2022上，Screen工程副总裁Ian Brown发表了题为“制造3D设备和结构的独特挑战，包括GAA、3D DRAM、3D NAND和3D集成电路设备中的晶圆清洗技术”的详细演讲。(视频可以下载在这里.）

考虑逻辑设备。虽然finfet在大规模生产中的清洗不再有任何特别的困难，但即将转向GAA结构——首先是纳米片，后来是叉车——充满了挑战。

“最大的挑战是隐藏的表面，”布朗说。“我如何清洁蚀刻我看不见的表面?”封闭的、隐藏的垂直表面尤其坚韧。在纳米薄片中，隐藏了6个垂直表面，而在叉车fet中，这个数字上升到16个。

新材料也被加入，这增加了选择性的复杂性。该行业正在寻找新的湿化学选择，蒸汽蚀刻，或其中的一些组合。

但是随着纳米片的到来，布朗说新的考虑是模式崩溃。这种现象以前在3D NAND中遇到过，所以一些学习可以应用到新的逻辑结构中。

图2:新的逻辑结构需要新的清洗方案。来源:Screen Semiconductor/SEMI

在存储器结构中，3D NAND和深层DRAM电容器都面临挑战。在3 d与非时，细胞层数不断增加。美光(Micron)最近宣布已达到232层。这使得蚀刻柱的均匀性非常关键。“你知道，过度蚀刻这些东西很容易，因为你的目标是从上到下均匀的边缘，”布朗观察到。“这些设备的性能要求在垂直方向上有均匀的边缘。”

在过去的五年里已经做了很多工作，但这仍然很困难。他说:“随着3D NAND的扩展，这些水平线的纵横比变得越来越具有挑战性。”“即使在今天，我们在水平方向上也有模式崩溃。

虽然行业长期以来一直在应对垂直模式的崩溃，但现在的挑战是水平方向的纵横比。该行业正在努力解决这一问题，将这项技术引入大批量生产。

图3:3D NAND提出了新的清洁挑战。来源:屏幕/半

缺陷消除
缺陷去除曾经只是蚀刻表面，然后将晶圆浸泡在湿浴中，释放颗粒，使它们漂浮。这种具有成本效益的方法可以在90nm左右工作，并且具有极高的吞吐量。然而，在90nm之后，还需要其他溶液。使用双流体喷雾系统单独清洗晶圆。随着颗粒变得更小、更分散、更难以分离，喷雾条件被调整。但在喷射压力造成结构损坏之前，这种情况只能到此为止。

此外，微小的喷雾液滴仍然只有一微米大小——通常是它们在高级3D结构中需要清理的沟槽的两倍大。使用GAA结构，没有视线，所以喷雾剂甚至无法接触隐藏的表面。

该行业的研究人员现在正在寻找聚合物来帮助去除颗粒。聚合物薄膜被旋转，然后以一种有结构的方式剥离，带走颗粒。Screen的版本叫做Nanolift。

晶圆背面污染和翘曲也已成为先进技术节点的普遍问题。留在晶圆背面的颗粒会影响光刻。

图4:SB-3300单片背面清洗系统。通过喷雾和刷清洗的组合，该工具机械地去除背面污染物，精确地蚀刻背面层并去除晶圆边缘残留物，同时最大限度地减少晶圆扭曲。来源:屏幕

在65nm之前，一种流行的湿式清洗技术是megasonics，它使用非常高频的声波来产生振荡气泡，轻轻擦洗结构。但在65纳米之后，业界就不再使用超级超音速了，因为气泡会破坏脆弱的结构。

几年前，ACM研究公司引入了高度可控的气泡，使超大电子学重新回到了前台，使其适用于当前难以到达区域的先进结构。Smart Megasonix技术允许化学物质进入3D结构的深孔，随后是该公司的热IPA蒸汽干燥器。成功在于数量。从2020年到2021年，ACM的同比增长近75%。它的空间交替相移(SAPS)技术采用兆声波的交替相位，在微观水平上以高度均匀的方式将兆声波能量传递到平坦和有图案的晶圆表面。根据该公司的说法，气泡可以破裂，但以一种非常可控的方式，因此它们可以比传统的喷射工艺更有效地去除晶圆上的随机缺陷。

对于更精细的结构，ACM的及时激励气泡振荡(TEBO)技术可以在兆声速清洗过程中通过使用一系列快速的压力变化来迫使气泡以特定的大小和形状振荡，从而实现对气泡空化的精确多参数控制。由于这些气泡振荡但不会破裂，TEBO技术避免了特征损坏，使其非常适合高级3D结构和高纵横比设备。

干燥
在每个清洗步骤之后，都有一个干燥步骤。在高级3D结构中，干燥步骤会产生更大的图案崩溃风险。从逻辑上讲，风险发生在后STI蚀刻、后poly蚀刻、纳米片释放和纳米线释放。在3D NAND中，崩溃的风险来自于氮化硅回调，用于创建看起来像“楼梯”的东西。

图5:Cellesta -i MD 300mm单片清洁系统针对≤10nm节点。该系统可以进行彻底的清洁，而不会损坏图样良好的晶圆表面，包括去除颗粒。花样干燥技术采用室内气氛控制和改进的IPA分配器。化学品的回收利用提高了生产率和运行成本。来源:电话

DRAM电容器是目前最大的挑战，由于激进的纵横比。

使用自旋、异丙醇(IPA)和一些氮的干燥过程₂干燥带着工业度过了2D时代。但先进的3D结构现在依赖于越来越多的IPA干燥步骤。布朗说，虽然这不是一个新工艺，但IPA干燥的时间越长，晶片厂挥发性有机化合物(VOC)的排放量就越大。大多数清洁供应商和供应商现在正在与客户合作解决这个问题。

目前，对于finfet, IPA干燥与表面改性是最先进的。但对于更先进的3D结构，液体的表面张力会增加图案崩溃的风险。下一个选择是升华，它通过直接从固体到气体来完全消除液相转变。

升华之后的下一个干燥选择是超临界二氧化碳(SC-CO)₂)，其中列出产地来源证的性质₂介于气体和液体之间。虽然目前一些芯片制造商正在使用它，但它是一个相对缓慢的过程，涉及到更高的压力和加热能量——所有这些加起来成本要高得多。Brown认为，对于大多数HVM来说，正在进行的延长IPA干燥和升华的工作最终将证明更具成本效益。

蚀刻均匀性
在2D中，均匀性是晶圆内或晶圆间的问题。但在3D NAND中，蚀刻的均匀性产生了栅极，因此器件性能非常依赖于蚀刻均匀性。顶部、中间和底部的蚀刻需要均匀。衬垫和凹槽金属需要一个笔直的轮廓。布朗说:“这些都是有趣的问题，”一些业内最优秀的人才正在研究这个问题。

有几种改进湿法蚀刻的方法。乳液工具上的质量输送可以得到改善，或者可以从浸入式工具转换为单片工具。其他选择包括蒸汽蚀刻或湿法和蒸汽蚀刻的结合。为了研究在狭窄空间中湿化学的控制，业界已经转向先进的模拟来了解过程的基本原理。化学品供应商也在设计创造性的解决方案来加强控制。

环境问题
清洁设备和材料行业的公司处于环境和可持续发展问题的最前沿，因此正在寻找减少化学品和水的使用以及设备废气排放的方法。

图6:Tahoe工具在一个平台中结合了批量和单片清洗和可选的超大电子学。与单片系统相比，它可以减少80%的硫酸使用量和化学废物。来源:ACM Research

TEL和Screen是加入imec的公司之一可持续半导体技术与系统(SSTS)的研究计划，该计划支持半导体行业减少碳足迹。

所有的主要参与者都在寻找减少硫酸(工业中使用最广泛的化学品之一)以及其他化学品使用的方法。例如，Screen在他们的单片SU-3300平台上开发了过氧化硫混合物(SPM)回收功能，其中H₂所以₄可回收，可选配废气再循环系统，可减少65%的排放。该公司的目标是到2030年将销售产品的温室气体排放量减少20%。

芯片制造商也在尽自己的一份力量来减少先进结构清洗过程对环境的影响。例如，联华电子一直在与化学品供应商合作，开发更环保、毒性更低的化学品，其中许多化学品目前已在它们的晶圆厂投入使用。

“随着制造技术变得越来越复杂，客户的设计变得越来越复杂，以及新材料的引入，这将继续具有挑战性。联华电子的技术开发模块部，监督蚀刻和清洗工艺的先进开发。“提高清洁溶剂的效率和减少清洁过程中使用的化学品对环境的影响过去是分开看待的，但这两个挑战正在汇合。无论是客户要求、监管要求还是内部ESG目标，趋势都是朝着更绿色的解决方案和更少的浪费发展。”

这代表了代工厂的一个重大转变。他说:“在UMC，我们首先关注的是减少蚀刻浪费，或调整残留物成分，使其更容易清除。”“然后，我们致力于优化溶剂的配方、浓度和温度，以实现更高的清洁效率。使用相同数量的化学品可以生产更多的晶圆，这降低了成本，产生的有害废物也更少。”

计量差距
“如果你不能衡量它，你对自己的表现有多了解?布朗问道。在开发过程中尝试新的解决方案，然后不得不等待SEM回来并告诉他们是否在正确的轨道上，这是令人沮丧的。

Linx Consulting的执行合伙人马克·瑟斯克(Mark Thirsk)称之为计量差距。瑟斯克的公司为电子供应链中的化学品、气体和材料供应商提供战略咨询和市场分析服务，他说:“计量系统无法测量至关重要的污染水平和颗粒大小。”Linx认为“配方清洁”市场(用于清除蚀刻和cmp后残留物的化学品)将达到5.6亿美元，到2025年的复合年增长率为5%。

只有几纳米的污染物不会出现在标准的在线测量设备上。Thirsk指出，需要扫描电镜图像才能找到它，这在大批量生产环境中并不实用。他说:“我们要求清洁公司、化工公司或设备公司控制超出我们可以测量的范围。”这是一个尚未解决的问题。

就其本身而言，KLA指出了用于识别无图纹晶圆上的污染物的解决方案，用于晶圆和工艺工具的鉴定，用于图纹晶圆清洁后工艺的在线监测，以及用于检测进入化学物质的化学过程控制产品。KLA Surfscan和ADE部门高级营销总监Ming Li表示:“KLA与我们的客户和半导体生态系统中的合作伙伴密切合作，以了解他们的下一代挑战。”“这些信息推动了我们的技术路线图，因此我们正在生产能够在正确的时间解决芯片制造商最关键挑战的产品。”

结论
清洗对产量和可靠性至关重要。新的3D结构带来了许多新的挑战。清洁技术的领导者正在研究创新的解决方案，但一些特殊的问题，如缺乏视线和计量差距，仍然没有得到解决。