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 HBM与3D芯片时代，半导体臭氧系统如何选型？——先进制程对臭氧设备提出了哪些新要求

引言

近几年，随着AI算力快速增长，HBM（高带宽存储器）、3D NAND、先进封装以及Hybrid Bonding等技术迅速发展，半导体制造正在由二维结构向三维集成演进。

制程节点不断缩小、堆叠层数不断增加，也使工艺窗口越来越窄。臭氧（O₃）作为一种高活性氧化剂，已经从传统清洗工艺逐渐扩展到低温氧化、ALD沉积、介质膜制备、晶圆表面活化及臭氧水清洗等多个关键环节。

与此同时，半导体行业对臭氧系统的要求也发生了明显变化。客户关注的重点，已经不仅是臭氧浓度，而是整个臭氧系统的稳定性、洁净度、可靠性以及长期运行能力。

本文结合近年来先进制程的发展趋势，分析臭氧在半导体制造中的典型应用，并探讨半导体臭氧系统应具备哪些关键性能。

 一、为什么先进制程越来越依赖臭氧？

随着HBM和3D芯片不断发展，芯片制造需要完成越来越多的低温、高精度工艺。

传统热氧化通常需要较高的工艺温度，而在许多先进器件制造过程中，过高的温度可能影响已完成结构的尺寸稳定性或材料性能。因此，在部分氧化、薄膜沉积及表面处理工艺中，臭氧由于具有更高的化学活性，被广泛作为氧化剂使用。

相比氧气，臭氧具有以下特点：

氧化反应活性更高

可降低部分工艺温度

有利于提高膜层致密性

减少有机残留及碳污染

提升薄膜均匀性

缩短部分工艺反应时间

正因如此，臭氧已经成为ALD、O₃-CVD、臭氧水清洗等工艺的重要组成部分。

二、先进制程中的五大臭氧应用

1、ALD与CVD薄膜沉积

在ALD（原子层沉积）及部分CVD工艺中，臭氧通常作为氧化剂，与金属有机前驱体发生反应，用于沉积：

HfO₂

Al₂O₃

ZrO₂

SiO₂

High-k介质膜

相比采用水蒸气作为氧化剂，臭氧具有更高的反应活性，可更充分地去除前驱体配体，有助于降低碳残留，提高膜层纯度和致密性，并支持更低温度下的沉积工艺。

随着DRAM、3D NAND等器件结构不断复杂，臭氧已成为许多ALD设备的重要氧化剂之一。

典型要求包括：

高浓度臭氧输出

浓度长期稳定

与MFC稳定匹配

多腔体供气一致性良好

2、低温氧化工艺

除ALD外，在部分介质层制备及低温氧化工艺中，臭氧也被用于形成高质量氧化层。

臭氧能够在较低温度下促进氧化反应，有助于降低整体热预算，并改善部分薄膜质量。

对于先进器件而言，这意味着可以在保证性能的同时减少高温对既有结构造成的影响。

3、晶圆表面清洗

臭氧水（DI-O₃）目前广泛用于晶圆湿法清洗。

由于臭氧终分解为氧气，不会引入新的化学污染，因此适用于超纯水系统。

典型应用包括：

CMP后有机残留去除

光刻后表面清洗

金属沉积前预处理

有机污染物去除

臭氧水系统通常要求：

稳定臭氧浓度

高效气液混合

在线浓度监测

超纯水兼容设计

4、TSV及高深宽比结构清洗

HBM及先进封装大量采用TSV（Through Silicon Via）。

由于TSV具有较大的深宽比，传统清洗方式难以保证孔内污染物完全去除。

目前较成熟的方法通常采用：

臭氧水 + 兆声波（Megasonic）

臭氧负责氧化有机污染物；

兆声波帮助剥离污染颗粒。

两者结合能够明显改善深孔结构内部清洗效果。

5、Hybrid Bonding表面活化

混合键合已经成为HBM及先进封装的重要发展方向。

在键合之前，需要保证晶圆表面具有：

极低有机污染

良好亲水性

高洁净度

稳定表面状态

臭氧能够有效去除表面有机物，并提高表面羟基含量，因此被广泛用于键合前表面活化处理。

三、为什么先进制程越来越需要高浓度臭氧？

这是目前很多设备厂家容易忽略的问题。

实际上，高浓度臭氧并不是简单追求更高的数值，而是为了获得更好的工艺控制能力。

较高的臭氧浓度通常意味着：

更快的氧化反应速率；

更短的工艺时间；

更高的设备产能（Throughput）；

更好的膜层质量；

更低的工艺温度；

更稳定的重复性。

因此，越来越多先进设备开始采用高纯氧源配合高浓度臭氧发生系统。

需要说明的是，实际臭氧浓度应根据不同设备及工艺要求进行配置，并非浓度越高越好。

四、一套半导体臭氧系统应重点关注哪些指标？

相比传统工业臭氧设备，半导体行业更关注整个系统性能，而不仅仅是臭氧发生器。

建议重点关注以下指标：

这些指标共同决定了臭氧系统能否长期稳定服务于先进制程。

五、同林可提供完整的半导体臭氧系统解决方案

针对半导体制造对臭氧工艺的需求，同林可提供覆盖实验室研发、中试及批量生产的臭氧系统方案，包括：

半导体级高浓度臭氧发生器；

高纯氧供气及气路系统；

紫外臭氧在线浓度监测；

气液混合及臭氧水制备系统；

自动浓度反馈控制；

多腔体供气系统；

臭氧尾气催化分解装置；

系统集成、安装调试及技术支持。

所有系统均可根据客户的工艺需求进行定制配置，满足ALD、CVD、湿法清洗、材料研究及先进封装等不同应用场景。

结语

随着HBM、3D NAND、Hybrid Bonding等先进制程持续发展，臭氧已经从辅助工艺逐步成为关键工艺介质之一。未来，半导体臭氧系统的竞争重点，将不再局限于臭氧浓度，而是围绕浓度稳定性、洁净度、自动控制能力以及系统可靠性展开。

对于设备制造商和科研机构而言，选择一套适合工艺需求、运行稳定、易于集成的臭氧系统，将有助于提高工艺一致性和研发效率，为先进半导体制造提供可靠支持。