文章简介：谈300mm晶圆厂洁净室光刻区域环境中NH3和SO2的控制
刘媛娜
（中心国际集成电路制造（北京）有限公司品质工程处，北京 100176）
1 引言
集成电路工业，自1958年世界上第一块硅（Si）集成电路诞生以来经过48年的发展，现今已进入巨大规模集成电路（ULSI）发展时期。半导体工业制作的集成电路组件尺寸（CD）越来越小，未来都是朝着90nm、65nm以及45nm的方向发展，随着φ300mm（12英寸）硅片技术的成熟，在一块小小的芯片上，就可以整合更多的组件，技术越发展，对设备的要求就要越来越紧密、可靠、对环境的要求也越来越严格，其中对AMC控制有更严格的要求。
对于φ300mm Fab生产制程，尤其是光刻制程区，严格控制洁净室环境中NH3和SO2的含量是非常重要的，先进化学增幅光阻对分子碱基，通常是氨气非常敏感，因为成像化学品依赖光阻内的质子激发催化保护/反保护反应最终成像。当洁净室环境中NH3和SO2的含量达到一定的浓度时，在晶圆和光罩表面就会明显出现的薄雾和结晶现象。
另外，DUV微影制程受到NH3的影响会造成T型顶（T-topping）或线距改变，这在众多的研究中已被证实，例如Kinkead等人发现晶圆暴露作4×10-9的NH3下，只要10min的时间，就会造成线宽改变，如图1。
根据SEMI F21-95（现为F21-1102）标准，以每十亿分之一体积（1×10-12）的浓度对应每立方英尺中1个颗粒，将洁净室内的浓度依照MA、MB、MC和MD分级，如表1。
同时，针对各种特征尺寸生产环境的空气中AMC浓度要求，ITRS分别对0.25-0.1μm等制程技术的生产环境，建议严格的空气品质要求标准，在光刻区域，ITRS对AMC的要求标准如表2。
根据ITRS标准的要求，NH3含量最高不得超过1×10-9，SO2含量不能超过10×10-9，这样再经过机台端过滤器80%-90%的过滤效果，内部环境才能满足产品品质要求。
由于在光刻区域对NH3和SO2的要求最为严格，所以本文主要针对洁净室中光刻区域环境中NH3和SO2的控制进行讨论。
洁净室内，NH3（MB）的问题较为严重，来源广泛，大致包括外气、制程化学品、机台设备、洁净室内工作人员等；酸（MA）的污染中大部分是以外气所进入的SO2影响较大，所以一般碱的污染远高于酸的污染。
根据分析及实际验证，本文认为控制NH3可以分为3个步骤：
第一，从新风入口处进行控制； 第二，在洁净室光刻区域环境的天花板上安装化学过滤器；
第三，在机台端安装化学过滤器进行控制。
控制SO2可以仅从新风入口（MAU）处进行控制，根据实验数据，本文主要从新风入口和洁净室的天花板（FFU）处对NH3和SO2的控制分别进行讨论。
2 试验部分
（1）取样仪器：AirChek2000（美国SKC空气取样泵）。
（2）取样介质：去离子水。
（3）分析仪器：美国Dionex公司ICS2000（NH3分析仪器），美国Dionex公司IC-600（SO2分析仪器）。
（4）分析方法：标准曲线法。
3 NH3的控制
在对进入洁净室的新风处理的全套装置中，专门有一个环节装置是加湿段（Air washer，喷淋DIW），其主要功能是通过的新风进行温度和湿度的控制，保证洁净室恒温、恒湿。见图2。
NH3在水中有很强的溶解度（500：1），从新风开始就可以进行控制，新风通过Air Washer时，其中的杂质会被DIW部分吸收，这个指标可以用电导值（μs）来表示，μs越高，表示DIW吸收的杂质越多，同时其吸收能力也会随之下降，当达到饱和后，装置自动更换新的DIW，继续控制新风的品质。
前期经验表示，在未对Air Washer的DIW的电导值控制以前，定期监测洁净室光刻环境中NH3的含量，结果显示不但不符合ITRS标准的要求，而且很不稳定，对先进制程会形成很大的安全隐患。结果见图3。
考虑到DIW对NH3有很强的吸收，可以通过控制Air Washer的DIW电导值控制进入洁净室环境的空气中NH3的含量，所以，在控制喷淋Air washer的DIW电导值之后，连续在洁净室光刻区域环境中监测NH3含量，结果表明虽然有很大的改善，但仍不能满足ITRS标准要求。见图4。
将Air Washer的DIW的电导值变化，外气中NH3的含量以及经过Air washer之后NH3的含量绘制在同一张图表中，观察它们之间是否有相关性，结果见图5。
从图5中可以看出：洁净室环境中NH3含量与Air Washer的DIW的电导值成正比，当外气中NH3的含量较高，且没有控制DIW的电导值时，DIW对NH3的吸收率较低，从而导致洁净室中的NH3含量的增高，当将DIW的电导值控制以后，洁净室中NH3的含量有明显的降低，而且波动较小，趋于稳定。
但是，这个控制方法也存在一定的局限性，即受限于DIW对NH3的吸收能力，根据经验一般认为，当外气中NH3含量在50×10-9以下时，通过控制DIW的电导值可以进行有效控制；当外气中NH3含量超过50×10-9或者过高时，DIW的吸收效率就会降低，从而导致无法进行有效控制。即，该步骤具有一定的随机性，为使洁净室光刻区域环境中NH3的含量满足ITRS标准要求，需要采取第二步措施：在洁净室光刻区域环境中连续监测NH3的含量，结果见图6。
从图6可以看出，在洁净室的天花板上加装化学过滤器以后，环境中NH3的含量有很明显的降低，保持稳定，并且满足ITRS标准要求。
化学过滤器都是有使用寿命的，当它的吸收能力被消耗尽以后，就失去了原来的作用，这时就有两种现象发生：
第一，失去对NH3的过滤控制作用；
第二，有可能会带来其他的污染。
所以就要通过监测数据粗略估计过滤器的过滤效率：同时在经过天花板过滤器之前（经过Air washer之后）和经过天花板过滤器之后（洁净室光刻环境）中取样监测，粗略估计过滤器的效果，结果见图7。
从图7中可以看出：经过过滤器之前与经过过滤器之后NH3的含量成正比，过滤器对环境起到了很好的保护作用。所以可以根据洁净室中NH3含量，变化情况和过滤器的过滤效率决定何时更换过滤器。
4 SO2的控制
在洁净室环境AMC的控制中，相对于NH3的控制来讲，SO2的控制就相对简单一些，SO2的污染主要是由外气引起的，但地点不同季节不同影响也会不同，可以概括为：北方比南方难控制，冬季比夏季难控制，比如在北方、冬季使用煤进行取暖，燃烧煤就会释放出大量的SO2，这些污染源经由外气补充口（Makeup Air Unit），如果不进行控制，就会直接进入洁净室，从而造成污染，严重影响产品品质，而在夏季，SO2的主要来源就大为减少，相对就比较容易控制。
对于SO2的控制，最好的方法就是在MAU端加装化学过滤器，从开始就控制进入洁净室SO2的量，从而保证光刻区域环境中SO2的浓度满足ITRS标准要求。
MAU端安装化学过滤器后，在经过过滤器之前和过滤器之后对SO2进行的连续监测，同时根据前后数据的差异评估过滤器对SO2的过滤效果，结果见图8。
通过图8可以明显得出以下结论：经过过滤器之前与之后SO2的浓度成正比，同时也可以知道通过安装化学过滤器，对SO2起到了很好的吸收作用，保证了洁净室光刻区域环境满足ITRS标准要求，而且还可以根据洁净室中的SO2含量的变化情况和过滤器的过滤效率决定何时更换过滤器。
5 结束语
综上所述，对NH3和SO2进行严格控制是极为必要的，随着制程工艺的发展，对环境中NH3和SO2的要求也越来越严格，越来越多的Fab依赖化学过滤器去除NH3和SO2，但是化学过滤器的价格昂贵，而且当NH3和SO2的浓度太高时，化学过滤器就会很快过饱和从而失去过滤效率，这时候为了满足生产要求，所能做的就是更换化学过滤器，这是一比不小的费用，但是相对于如果由于NH3和SO2的污染对制程和产品的良率造成决定性的影响而形成的损失相比，这又是微不足道的。
正是由于NH3和SO2对制程和产品的良率具有决定性的影响，就需要定期对洁净室NH3和SO2的baseline，当制程或者生产出现异常情况时，可以根据baseline及时发现问题，找出原因：二是可以通过定期监测，观察环境的变化趋势，当监测数据超出管制界限时，可以采取有效措施，减少因NH3和SO2所引起的损失。
责任编辑：JJSKT
