Andrew Black, Albert H. Liu, Philips Semiconductor, San Antonio, Texas
Linda T, Jiang, diane Hymes, Lam research Corp., Fremont, California
Lam research Corp. 發展出一種能精確控制化學藥劑混合及輸送的新型、高產能晶圓刷洗設備，此設備僅能使用一種清洗溶液，來移除所有由化學機械研磨所造成的缺陷，Philips Semiconductor已經成功的將此套系統應用於淺溝渠隔離層化學機械研磨(STI CMP)後清洗的生產設備上。此種新的技術能移除研磨液顆粒，降低淺溝渠隔離層化學機械研磨微刮痕的蝕刻擴大現象，相較於傳統的晶圓刷洗設備，此設備能提供顯著的高產能與較低的生產成本費用。
以刷洗為基礎的晶圓清洗技術，利用了機械刷洗及化學作用兩者合成力的優勢，使用低容量稀釋的清潔溶液，在室溫環境操作，並以應用於單晶片程序著稱[1]，因此價格上物超所值同時具有環境相容性。晶圓刷洗已經廣泛的被應用於化學機械研磨的後清洗上，能清洗金屬層、介電層及多晶矽晶圓[2，3]。
傳統的化學機械研磨後清洗使用一種鹼性(高PH值)清洗溶液，例如稀釋的氨水，來移除殘留研磨砥粒。如果需要移除金屬污染物，使用鹼性溶液清洗後再進行酸洗，然而連續使用兩種清洗用化學品，會增加處理程序設備的複雜性，降低產能，同時要使用更多的化學藥品及清水。所以尋找一種能以單一的化學物來移除所有缺陷的晶圓清洗技術迫在眉睫。
由Lam Research公司研發的一種新型高效率晶圓刷洗機，能使用一種化學溶液來移除所有的缺陷。此種新技術能降低費用、增加產能，降低20%的化學藥品使用量及48%的去離子水消耗量，部分原因是由於閒置狀態用水消耗量的減少。此種新的晶圓清洗機能應用於所有的化學機械研磨後清洗上。
實驗設計
過去，為了對淺溝渠隔離層化學機械研磨後清洗進行參數最佳化及效能評估，都是先取未圖案化的晶圓，而研磨機台使用Lam Teres，研磨液使用 Cabot SS-12來進行實驗。但在Philips Semiconductor，我們使用應用材料公司的Mirra研磨機台、Rodel公司的ILD 1300研磨液，來研磨淺溝渠隔離層晶圓試片。所有的晶圓都依照Lam公司建議的製程，以 Lam OnTrak HPD Synergy 晶圓刷洗機進行清洗。
經過化學機械研磨及清洗兩個製程後，我們立刻以掃描式電子顯微鏡(SEM)及原子力顯微鏡(AFM)檢視，以獲得定性的缺陷等級數據，圖案化晶圓上的缺陷以KLA-Tencor Surfscan AIT 進行定量的量測，毯覆性的晶圓則以Surfscan 6420進行量測。在蝕刻刻率測試項目上，氧化矽層的厚度以Tenco Prometrix UV1280及UV1250光學量測工具進行量測。
對未圖案化晶圓的測試
在Lam公司進行的實驗裡，毯覆性的氧化矽及氮化矽層晶圓在化學機械研磨後，使用0.5%的氫氟酸或0.5%的氨水溶液進行清洗。經過研磨及刷洗過後的毯覆性晶圓，晶圓面上的缺陷則以 Tencor Surfscan 量測。無論是以氫氟酸或氨水清洗過後的晶圓，氧化矽晶圓上0.15mm的缺陷數目小於100，在氮化矽晶圓上0.20mm的缺陷數目小於50。利用氫氟酸或氨水清洗的晶圓，氧化矽及氮化矽層的原子力顯微鏡影像都未顯示任何明顯的粗糙度差異。氧化矽層以原子力顯微鏡量測之均方根粗糙值介於0.2~0.3nm之間，氮化矽層之均方根粗糙值則小於0.15nm，這些結果顯示稀釋的氫氟酸或氨水，對移除毯覆性的氧化矽及氮化矽層表面研磨液顆粒都很有效果。
對有圖樣淺溝渠隔離層晶圓的測試
由於在直接淺溝渠隔離層化學機械研磨過程，要研磨到氮化矽層與氧化矽層兩者都顯露後，才會在氮化矽層停止，所以淺溝渠隔離層晶圓要比未圖樣化的晶圓更難清潔。
因為在化學機械研磨過程中，氧化矽的磨除率高於氮化矽，所以溝渠內的氧化矽層會稍微凹陷[4]，同時研磨液顆粒會停滯在溝渠邊緣及角落的氮化矽-氧化矽界面上。使用像氨水清洗這種傳統的化學機械研磨後清洗方法，是很難移除這些顆粒的。
微小刮痕是淺溝渠隔離層化學機械研磨經常產生的其他種類缺陷，刮痕經常於溝渠氧化矽形成，而且在後續的氮化矽剝離與墊氧化矽移除過程更形嚴重。而隨後的非晶矽沉積階段，擴大的微小刮痕會填入矽，而且形成能導電的尖狀突起，成為致命的缺陷。
淺溝渠隔離層化學機械研磨所造成的缺陷，很容易受一致性沉積與等向蝕刻的剝離清洗過程影響。這在線上缺陷量測階段會引起背景雜訊，並且降低對致命缺陷的可觀察性[5] 。一個淺溝渠隔離層化學機械研磨後清洗製程必須移除所有的殘留研磨液，同時減低微小刮痕的擴大。
圖一：圖樣化淺溝渠隔離層晶圓在洗淨後的，代表性的掃描式電子顯微鏡影像：a) 以氨水清洗的晶圓 b)以氫氟酸清洗的晶圓。
在Philips Semiconductor，進行淺溝渠隔離層化學機械研磨後清洗製程階段中，我們拿生產線上的晶圓進行兩個不同批次的試驗，一半的試片是以氨水清洗，另外一半的試片則是以氫氟酸清洗，並以掃描式電子顯微鏡影像(圖一)及原子力顯微鏡影像(圖二)來檢視淺溝渠隔離層晶圓上的缺陷。以氫氟酸清洗的晶圓，呈現一個清潔及不含研磨液顆粒的表面，相反的，以氨水清洗的淺溝渠隔離層晶圓，能夠觀察到晶圓面上分佈著研磨液顆粒，這些顆粒主要分佈在氧化矽與氮化矽界面的邊緣(圖一a及圖二a)。由於98%的殘留研磨液顆粒尺寸是0.1mm到0.3mm，小於檢測極限0.4mm─生產製程時所使用的AIT 量測程序，所以無法進行氫氟酸清洗與氨水清洗效率的定量分析。
圖二：圖樣化淺溝渠隔離層晶圓的代表性原子力顯微鏡影像：上排是以氨水清洗的晶圓；底排是以氫氟酸清洗的晶圓。
缺陷特徵
在Philips Semiconductor的實驗裡，我們使用KLA-Tencor AIT儀器來檢視淺溝渠隔離層晶圓上的缺陷。在氮化矽及氧化矽的移除過程中，微小刮痕趨於變大與變深，所以在非結晶矽沉積後，殘留研磨液的影響會更明顯。因此，為了找出所有的缺陷，同時完全了解氨水及氫氟酸清洗對缺陷的影響，在不同的製造程序階段，使用了KLA-Tencor AIT掃描及掃描式電子顯微鏡檢查。缺陷數目的計算是以一組五片晶圓的平均數目計算。同時在每一個製程階段都觀察到類似的缺陷變化趨勢。
圖三：非晶矽沉積後，以氨水及氫氟酸清洗的淺溝渠隔離層晶圓之AIT缺陷數目比較。由小而大的欄位數代表增加的缺陷特徵尺寸及形狀。
無論是以氨水或氫氟酸清洗的晶圓，在非結晶矽沉積後，以AIT能檢測到的總缺陷數目都相似。以AIT檢查的數據按照大小尺寸來排列(圖三)，數據顯示，相對於以氨水清洗的晶圓，以氫氟酸清洗的晶圓有較多的小缺陷，但是對於較大的缺陷，兩者的缺陷數目很明顯的都較少。於欄位一(最小的尺寸及形狀)的缺陷數目，說明了以氫氟酸清洗的晶圓較以氨水清洗的晶圓多出19%的缺陷。
AIT所有欄位的量測資料都以Quest analysis(KLA-Tencor 量測儀器軟體)，辨認缺陷的型式及其來源，並且以缺陷自動分級(ADC)、光學及掃描式電子顯微鏡檢視來說明。留在以氫氟酸清洗的晶圓面上的缺陷多為微刮痕，以氨水清洗的晶圓除了微刮痕外，尚有殘留研磨液。氫氟酸清洗能很有效率的移除研磨液顆粒，氨水清洗則無法做到此點。