书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：超临界二氧化碳清洗晶圆工艺

编号：JFKJ-21-414

作者：炬丰科技

关键词： 超临界 CO2、光刻胶剥离、NEMS、二氧化硅蚀刻

介绍

随着半导体器件不断缩小并变得更快，将需要新的材料和工艺来实现这一进步。

已经提出基于超临界 CO2 (SCCO2) 的技术用于器件制造的各个步骤，例如清洁和沉积。SCCO2 扩散迅速、粘度低、表面张力接近于气体，因此可以轻松渗透到深沟槽和通孔中。它还可以在没有图案塌陷或粘滞的情况下进行清洁。SCCO2 具有液体的溶剂化特性，因此可以溶解醇类和氟化烃等化学物质，形成均质的超临界流体溶液。

已经研究了基于 SCCO2 的工艺，因为它具有剥离光刻胶残留物的潜力（由于它与低 k 材料的兼容性）并且因为它可以恢复低 k 材料的 k 值以进行 Cu/低 k 集成在生产线的后端 (BEOL)。SCCO2 在超低 k 材料加工中的应用是一项很有前景的未来技术。

在本文中，我们首先回顾了 SCCO2 在 BEOL 中的各种应用，然后展示了超临界 CO2 在半导体和纳米电子器件制造中针对生产线前端 (FEOL) 的几种应用。

SCCO2 在 BEOL 中的应用

图 1 显示了典型通孔开孔工艺的横截面示意图。用光刻胶图案化的低 k 膜通过 RIE 蚀刻，然后进行等离子灰化和湿法清洗。等离子灰化和湿法清洁会损坏低 k 膜，并且在低 k 膜的侧壁上形成聚合物残留物。然后通过RIE蚀刻铜布线上的蚀刻停止层以暴露铜布线。在这种突破性蚀刻过程中，化学副产品会留在铜表面。RIE中溅射的铜也可以沉积在low-k膜的侧壁上，氧化过孔底部的铜。

光刻胶条

通过添加共溶剂，SCCO2 可用于剥离低 k 膜上的蚀刻后光刻胶。我们已经成功地证明了通过选择合适的化学添加剂在 CVD SiOC 低 k 膜 (k=2.5) 上剥离蚀刻后光刻胶，而不改变低 k 膜的结构和介电常数 [1]。具有 0.15 至 0.18 mm 直径通孔的样品晶片用含有 10 vol.% 共溶剂和少量其他化学添加剂的超临界 CO2 在 50 ºC、19.3 MPa 下处理 15 分钟。图 2 显示了在含有共溶剂和化学添加剂的超临界 CO2 中处理之前/之后蚀刻后通孔结构的 SEM 图像。光刻胶在超临界 CO2 中完全剥离。

铜面清洁

目前，在蚀刻停止层（ESL）突破后，采用湿法清洁来清洁铜表面。随着介电常数较低的多孔膜的引入，湿化学中低 k 膜的吸湿性变得至关重要。另一方面，已经研究了诸如原子氢 [10] 和 hfac（六氟乙酰丙酮）气体之类的干法技术来减少或去除氧化铜。然而，由于这些气体的高反应选择性和低物理力，这些技术不能去除不均匀的固体残留物。

离子注入光刻胶的剥离

用于 32 纳米节点及以上节点的高级 CMOS 器件需要高驱动电流和超浅结，以满足速度和静态泄漏所需的电路规范。在剥离用于制造源极/漏极扩展的光刻胶时，必须找到减少结轮廓对硅凹陷程度和掺杂剂消耗的影响的方法。离子 - 例如砷、磷和硼 - 使用光刻胶掩模以各种剂量水平注入多次以形成源/漏扩展。

去除牺牲 SiO2 层

在纳米机电系统 (NEMS) 中，硅或二氧化硅已被用作制造独立结构（如横梁、悬臂梁和隔膜）的牺牲层。尽管传统的 HF 水溶液由于具有成本效益而有利于蚀刻二氧化硅牺牲层，但由于水溶液的表面张力产生的应力，当结构具有在水性蚀刻和随后的冲洗之后干燥高纵横比。另一方面，使用蒸气状HF的二氧化硅蚀刻必须在高压和低温下进行以获得高蚀刻速率。在这种情况下，当生成的水凝结在表面时，即使是气态的 HF 也会导致结构粘在一起。

概括

我们已经成功地使用超临界 CO2 剥离了离子注入的光刻胶，而不会产生硅凹槽。我们发现 SCCO2 中的光刻胶条不会氧化或蚀刻离子注入表面。使用超临界流体剥离光刻胶对环境无害，因此适用于 FEOL 中的众多光刻胶剥离步骤。此外，我们证明了二氧化硅的原位蚀刻可以形成纳米间隙梁结构。我们使用有效的共溶剂在超临界 CO2 中获得了比湿蚀刻工艺更高的二氧化硅蚀刻速率。我们还展示了使用 SCCO2去除颗粒的潜力。

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