單晶片濕法清潔工藝的氧氣控制

摘要

低氧含量的濕法加工可能會(huì)提供一些優(yōu)勢，但是，完全控制在晶圓加工過程中避免吸氧仍然是單個(gè)晶圓工具上的短流程工業(yè)化的挑戰(zhàn)。在線氧濃度監(jiān)測用于工藝優(yōu)化。然后，根據(jù)記錄的氧濃度和處理室中氣氛控制的硬件可用選項(xiàng)，評估稀釋 HF 溶液中的鈷蝕刻。

介紹

FEOL 應(yīng)用和 BEOL 已經(jīng)證明了在液體（沖洗水、稀釋的酸，如 HF、HCl）和大氣中（氮?dú)饬?、密閉室）中低氧含量的濕法加工的優(yōu)勢應(yīng)用 ，以及 2010 年 ITRS 路線圖建議在晶圓廠設(shè)施提供給潤濕設(shè)備的超純水中添加 10ppb。然而，在晶圓加工過程中完全控制避免吸氧仍然是在非常短的工藝時(shí)間的單晶圓工具上進(jìn)行工藝工業(yè)化的挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)工作中，我們將專注于超稀釋 HF 溶液中的氧氣控制。事實(shí)上，已經(jīng)證明用于 BEOL 互連蝕刻后清潔的“HF 預(yù)算”隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)而不斷減少，但可能仍然需要確保低成本工藝和良好的清潔效率。為了最大限度地減少絕緣多孔電介質(zhì)的橫向蝕刻，即使對于 10nm 節(jié)點(diǎn)，也建議將 HF 濃度降低至 0.05%wt，并改進(jìn)氧濃度控制。然而，由于過程穩(wěn)健性可能會(huì)受到非常短的過程時(shí)間（例如 <15 秒）的影響，我們研究了具有較低 HF 濃度的溶液。使用 0.025%wt HF 溶液，使我們能夠以更長的工藝時(shí)間保持非常低的電介質(zhì)蝕刻，因此，清潔工藝窗口以及在線監(jiān)測的穩(wěn)健性（流量和溫度在線控制）應(yīng)略有改善。為了更好地控制敏感金屬（如鈷）的蝕刻速率，降低 HF 濃度可能也很有趣，在高級節(jié)點(diǎn)中用作銅“襯里”和銅“封蓋”。

實(shí)驗(yàn)性

在這項(xiàng)研究中，使用了來自 SCREEN 的工業(yè)單晶片平臺 SU3100。溶液在位于地下室的混合罐中用來自設(shè)施的超純脫氧水 (< 0.5ppb [O2]) 和標(biāo)準(zhǔn)微電子級化學(xué)品制備，以達(dá)到 0.025%wt 的最終濃度。由于 N2 流和 N2 以 10 l/min 的速度從罐底冒泡，HF 混合罐中的氣氛被 N2 飽和。在使用點(diǎn)之前的化學(xué)生產(chǎn)線上安裝了一個(gè)額外的脫氣裝置（基于膜的氧氣分離裝置）。

結(jié)果

使用點(diǎn)的低氧濃度很難管理，尤其是在混合罐中進(jìn)行準(zhǔn)備時(shí)，因?yàn)橛布膸讉€(gè)部分（罐排水管、PFA 管道、分配管線中的流體回吸）可能會(huì)產(chǎn)生氧氣吸收。首先，在很長的處理時(shí)間（20 分鐘）內(nèi)記錄了晶片處理過程中氧濃度的變化，如圖 1 所示。在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)氧氣濃度隨著流速的增加而降低。首先要考慮的主要參數(shù)是混合罐中的“刷新率”（從設(shè)施中補(bǔ)充脫氧水的頻率）和由于防止化學(xué)停滯的再循環(huán)回路中的剩余空氣而導(dǎo)致的氧氣吸收。

然后使用較短的配方執(zhí)行過程，但仍適用于監(jiān)測氧氣濃度：長時(shí)間的預(yù)分配至排（3 分鐘），然后是兩分鐘的化學(xué)品分配。配方優(yōu)化前后記錄的氧濃度如圖 2 所示。我們確認(rèn)，在處理每個(gè)晶片之前，需要長時(shí)間的預(yù)分配以沖洗生產(chǎn)線中剩余的氧氣，然后再將化學(xué)物質(zhì)發(fā)送到晶片上。然而，在晶片上化學(xué)分配開始時(shí)檢測到氧增加的小峰值（圖 2a）。實(shí)時(shí)氧氣監(jiān)測和工藝配方時(shí)間順序的比較使我們能夠確定這是由于在化學(xué)分配之前用水進(jìn)行了額外的預(yù)潤濕步驟。實(shí)際上，由于閥門打開/關(guān)閉，管線中的氧氣含量略有增加。

結(jié)論

總之，發(fā)現(xiàn)化學(xué)制品中氧濃度的在線監(jiān)測器對非常短的處理時(shí)間內(nèi)氧濃度的小波動(dòng)非常敏感。對于給定的工具配置，它使我們能夠清楚地確定一些可能影響使用點(diǎn)氧氣濃度的關(guān)鍵參數(shù)，例如化學(xué)品流速、混合罐準(zhǔn)備、初始氧氣含量和配方參數(shù)（預(yù)分配時(shí)間、回吸步驟）。工藝性能通過在超稀釋 HF 溶液中鈷蝕刻速率的急劇下降得到驗(yàn)證。

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審核編輯：符乾江