Резюме: Тъй като размерът на транзисторите продължава да намалява, процесът на производство на пластини става все по-сложен и изискванията към технологията за мокро почистване на полупроводници стават все по-високи и по-високи. Въз основа на традиционната технология за почистване на полупроводници, тази статия представя технологията за почистване на пластини в усъвършенстваното производство на полупроводници и принципите на почистване на различни процеси на почистване. От гледна точка на икономиката и опазването на околната среда, подобряването на технологията за почистване на вафли може по-добре да отговори на нуждите на усъвършенстваното производство на вафли.
0 Въведение Процесът на почистване е важна връзка в целия процес на производство на полупроводници и е един от важните фактори, влияещи върху производителността и производителността на полупроводниковите устройства. В процеса на производство на чипове всяко замърсяване може да повлияе на работата на полупроводниковите устройства и дори да причини повреда [1-2]. Следователно е необходим процес на почистване преди и след почти всеки процес в производството на чипове, за да се премахнат повърхностните замърсители и да се гарантира чистотата на повърхността на пластината, както е показано на фигура 1. Процесът на почистване е процесът с най-голям дял в процеса на производство на чипове , което представлява около 30% от всички процеси за производство на чипове.
С развитието на ултра-мащабни интегрални схеми, процесните възли на чипове навлязоха в 28nm, 14nm и дори по-напреднали възли, интеграцията продължи да се увеличава, ширината на линията продължи да намалява и потокът на процеса стана по-сложен [ 3]. Усъвършенстваното производство на чипове за възли е по-чувствително към замърсяване, а почистването на замърсяване при условия на малък размер е по-трудно, което води до увеличаване на стъпките на процеса на почистване, което прави процеса на почистване по-сложен, по-важен и по-предизвикателен [4-5] . Процесът на почистване за 90nm чипове е около 90 стъпки, а процесът на почистване за 20nm чипове е достигнал 215 стъпки. Тъй като производството на чипове навлиза в 14nm, 10nm и дори по-високи възли, броят на процесите на почистване ще продължи да нараства, както е показано на фигура 2.
1 Въведение в процеса на почистване на полупроводници
Процесът на почистване се отнася до процеса на отстраняване на примеси по повърхността на пластината чрез химическо третиране, газ и физични методи. В процеса на производство на полупроводници, примеси като частици, метали, органична материя и естествен оксиден слой върху повърхността на пластината могат да повлияят на производителността, надеждността и дори добива на полупроводниковото устройство [6-8].
Може да се каже, че процесът на почистване е мост между различните процеси за производство на вафли. Например процесът на почистване се използва преди процеса на нанасяне на покритие, преди процеса на фотолитография, след процеса на ецване, след процеса на механично смилане и дори след процеса на йонна имплантация. Процесът на почистване може грубо да се раздели на два вида, а именно мокро почистване и химическо чистене.
1.1 Мокро почистване
Мокрото почистване е използването на химически разтворители или дейонизирана вода за почистване на вафлата. Според метода на процеса мокрото почистване може да бъде разделено на два типа: метод на потапяне и метод на пръскане, както е показано на фигура 3. Методът на потапяне е да се потопи вафлата в резервоар за контейнер, пълен с химически разтворители или дейонизирана вода. Методът на потапяне е широко използван метод, особено за някои относително зрели възли. Методът на пръскане е да се пръскат химически разтворители или дейонизирана вода върху въртящата се пластина за отстраняване на примесите. Методът на потапяне може да обработва множество пластини едновременно, докато методът на пръскане може да обработва само една пластина наведнъж в една работна камера. С развитието на технологиите изискванията към технологията за почистване стават все по-високи и използването на метода на пръскане става все по-широко разпространено.
1.2 Химическо чистене
Както подсказва името, химическото чистене е процес, при който не се използват химически разтворители или дейонизирана вода, а се използва газ или плазма за почистване. С непрекъснатия напредък на технологичните възли изискванията за процесите на почистване стават все по-високи и по-високи [9-10], а делът на употреба също се увеличава. Отпадъчната течност, генерирана от мокрото почистване, също се увеличава. В сравнение с мокрото почистване, химическото чистене има високи инвестиционни разходи, сложна работа на оборудването и по-строги условия за почистване. Въпреки това, за отстраняването на някои органични вещества и нитриди и оксиди, химическото чистене има по-висока прецизност и отлични резултати.
2 Технология за мокро почистване в производството на полупроводници Според различните компоненти на почистващата течност, често използваната технология за мокро почистване в производството на полупроводници е показана в таблица 1.
2.1 DIW почистваща технология
В процеса на мокро почистване при производството на полупроводници най-често използваната почистваща течност е дейонизирана вода (DIW). Водата съдържа проводими аниони и катиони. Дейонизираната вода премахва проводимите йони във водата, което прави водата основно непроводима. В производството на полупроводници абсолютно не е позволено да се използва директно сурова вода. От една страна, катионите и йоните в суровата вода ще замърсят структурата на устройството на пластината, а от друга страна, това може да доведе до отклонение в работата на устройството. Например, необработената вода може да реагира с материала на повърхността на пластината, за да корозира или да образува корозия на батерията с някои метали върху пластината и може също да причини директна промяна в повърхностното съпротивление на пластината, което води до значително намаляване на добива на вафла или дори директно бракуване. В процеса на мокро почистване при производството на полупроводници има две основни приложения на DIW.
(1) Използвайте само DIW за почистване на повърхността на вафлата. Има различни форми като ролки, четки или дюзи, като основната цел е да почистят някои замърсявания по повърхността на вафлата. В усъвършенствания процес на производство на полупроводници, методът на почистване почти винаги е метод с единична пластина, тоест само една пластина може да бъде почистена в камера по едно и също време. Методът за почистване на единична вафла също е представен по-горе. Използваният метод на почистване е методът на центрофугиране. По време на въртенето на вафлата повърхността на вафлата се почиства от ролки, четки, дюзи и т.н. В този процес вафлата ще се трие във въздуха, като по този начин генерира статично електричество. Статичното електричество може да причини дефекти по повърхността на пластината или директно да причини повреда на устройството. Колкото по-висок е възелът на полупроводниковата технология, толкова по-високи са изискванията за обработка на дефекти. Следователно, в процеса на мокро почистване DIW на усъвършенствано производство на полупроводници, неговите изисквания към процеса са по-високи. DIW е основно непроводим и статичното електричество, генерирано по време на процеса на почистване, не може да бъде добре освободено. Следователно, в усъвършенстваните възли на процеса на производство на полупроводници, за да се увеличи проводимостта, без да се замърсява пластината, газът въглероден диоксид (CO2) обикновено се смесва с DIW. Поради различните изисквания на процеса, газът амоняк (NH3) се смесва с DIW в няколко случая.
(2) Почистете остатъчната почистваща течност върху повърхността на вафлата. Когато използвате други почистващи течности за почистване на повърхността на вафлата, след като се използва почистващата течност, докато вафлата се върти, въпреки че по-голямата част от почистващата течност е изхвърлена, все още ще има малко количество почистваща течност, останала върху повърхността на вафлата, и DIW е необходим за почистване на повърхността на вафлата. Основната функция на DIW тук е да почисти остатъчната почистваща течност върху повърхността на вафлата. Използването на почистваща течност за почистване на повърхността на пластината не означава, че тези почистващи течности никога няма да корозират пластината, но тяхната скорост на ецване е доста ниска и краткотрайното почистване няма да повлияе на пластината. Въпреки това, ако остатъчната почистваща течност не може да бъде ефективно отстранена и остатъчната почистваща течност се остави да остане върху повърхността на пластината за дълго време, тя все още ще корозира повърхността на пластината. В допълнение, дори ако почистващият разтвор корозира много малко, остатъчният почистващ разтвор във пластината все още е излишен, което вероятно ще повлияе на крайната производителност на устройството. Следователно, след почистване на вафлата с почистващия разтвор, не забравяйте да използвате DIW, за да почистите остатъчния почистващ разтвор навреме.
2.2 HF технология за почистване
Както всички знаем, пясъкът се пречиства в ядро. Чипът е оформен от безброй резби върху единична кристална силициева пластина. Основният компонент на чипа е монокристален силиций. Най-директният и ефективен начин за почистване на естествения оксиден слой (SiO2), образуван върху повърхността на монокристален силиций, е използването на HF (флуороводородна киселина) за почистване. Следователно може да се каже, че HF почистването е почистваща технология на второ място след DIW. HF почистването може ефективно да премахне естествения оксиден слой върху повърхността на монокристален силиций и металът, прикрепен към повърхността на естествения оксиден слой, също ще се разтвори в почистващия разтвор. В същото време HF може също така ефективно да инхибира образуването на естествен оксиден филм. Следователно HF технологията за почистване може да премахне някои метални йони, естествен оксиден слой и някои частици примеси. HF почистващата технология обаче има и някои неизбежни проблеми. Например, докато премахвате естествения оксиден слой върху повърхността на силиконовата пластина, някои малки ями ще останат на повърхността на силиконовата пластина след корозия, което пряко влияе върху грапавостта на повърхността на пластината. Освен това, докато отстранява повърхностния оксиден филм, HF ще отстрани и някои метали, но някои метали не искат да бъдат корозирали от HF. С непрекъснатото развитие на полупроводниковите технологични възли, изискванията за тези метали да не бъдат корозирали от HF стават все по-високи и по-високи, което води до невъзможността на HF технологията за почистване да се използва на места, където би могла да бъде използвана. В същото време някои метали, които навлизат в почистващия разтвор и полепват по повърхността на силиконовата пластина, докато естественият оксиден филм се разтваря, не се отстраняват лесно от HF, което води до оставането им на повърхността на силиконовата пластина. В отговор на горните проблеми са предложени някои подобрени методи. Например, разредете HF колкото е възможно повече, за да намалите концентрацията на HF; добавяне на окислител към HF, този метод може ефективно да отстрани метала, прикрепен към повърхността на естествения оксиден слой, и окислителят ще окисли метала на повърхността, за да образува оксиди, които са по-лесни за отстраняване при киселинни условия. В същото време HF ще премахне предишния естествен оксиден слой и окислителят ще окисли монокристалния силиций на повърхността, за да образува нов оксиден слой, за да предотврати прикрепването на метала към повърхността на монокристалния силиций; добавете анионно повърхностноактивно вещество към HF, така че повърхността на монокристалния силиций в почистващия разтвор на HF да е с отрицателен потенциал, а повърхността на частицата с положителен потенциал. Добавянето на анионно повърхностноактивно вещество може да накара потенциала на повърхността на силикона и повърхността на частиците да имат един и същ знак, тоест повърхностният потенциал на частицата се променя от положителен на отрицателен, което е със същия знак като отрицателния потенциал на повърхността на силициевата пластина, така че електрическото отблъскване се генерира между повърхността на силиконовата пластина и повърхността на частиците, като по този начин се предотвратява прикрепването на частиците; добавете комплексообразуващ агент към HF почистващия разтвор, за да образувате комплекс с примеси, който се разтваря директно в почистващия разтвор и няма да се прикрепи към повърхността на силиконовата пластина.
2.3 SC1 технология за почистване
Технологията за почистване SC1 е най-разпространеният, евтин и високоефективен метод за почистване за отстраняване на замърсяване от повърхността на вафлата. Почистващата технология SC1 може едновременно да отстрани органични вещества, някои метални йони и някои повърхностни частици. Принципът на SC1 за отстраняване на органична материя е да се използва окислителният ефект на водородния пероксид и разтварящият ефект на NH4OH, за да се превърнат органичните замърсявания във водоразтворими съединения и след това да се изхвърлят с разтвора. Благодарение на своите окислителни и комплексообразуващи свойства, разтворът на SC1 може да окисли някои метални йони, превръщайки тези метални йони във високовалентни йони и след това допълнително да реагира с алкали, за да образува разтворими комплекси, които се отделят с разтвора. Въпреки това, някои метали имат висока свободна енергия на оксиди, генерирани след окисление, които лесно се прилепват към оксидния филм върху повърхността на пластината (тъй като разтворът SC1 има определени окислителни свойства и ще образува оксиден филм върху повърхността на пластината), така че те са не се отстраняват лесно, като например метали като Al и Fe. При отстраняване на метални йони скоростта на адсорбция и десорбция на метала върху повърхността на пластината в крайна сметка ще достигне баланс. Следователно, в напредналите производствени процеси, почистващата течност се използва веднъж за процеси, които имат високи изисквания за метални йони. Той се изхвърля директно след употреба и няма да се използва отново. Целта е да се намали съдържанието на метал в почистващата течност, за да се отмие възможно най-много металът от повърхността на вафлата. Технологията за почистване SC1 може също ефективно да премахне замърсяването с повърхностни частици, а основният механизъм е електрическото отблъскване. В този процес може да се извърши ултразвуково и мегазвуково почистване, за да се получат по-добри почистващи ефекти. Технологията за почистване на SC1 ще окаже значително влияние върху грапавостта на повърхността на пластината. За да се намали въздействието на технологията за почистване SC1 върху грапавостта на повърхността на пластината, е необходимо да се формулира подходящо съотношение на компонентите на почистващата течност. В същото време използването на почистваща течност с ниско повърхностно напрежение може да стабилизира скоростта на отстраняване на частиците, да поддържа висока ефективност на отстраняване и да намали въздействието върху грапавостта на повърхността на пластината. Добавянето на повърхностно активни вещества към почистващата течност SC1 може да намали повърхностното напрежение на почистващата течност. В допълнение, добавянето на хелатиращи агенти към почистващата течност SC1 може да накара метала в почистващата течност непрекъснато да образува хелати, което е полезно за инхибиране на повърхностната адхезия на металите.
2.4 SC2 технология за почистване
Почистващата технология SC2 също е евтина технология за мокро почистване с добра способност за отстраняване на замърсяване. SC2 има изключително силни комплексообразуващи свойства и може да реагира с метали преди окисление, за да образува соли, които се отстраняват с почистващия разтвор. Разтворимите комплекси, образувани от реакцията на окислени метални йони с хлоридни йони, също ще бъдат отстранени с почистващия разтвор. Може да се каже, че при условие, че не засяга пластината, технологията за почистване SC1 и технологията за почистване SC2 се допълват взаимно. Феноменът на метална адхезия в почистващия разтвор е лесен за алкален почистващ разтвор (т.е. SC1 почистващ разтвор) и не е лесен за киселинен разтвор (SC2 почистващ разтвор) и има силна способност да премахва метали върху повърхността на вафлата. Въпреки това, въпреки че метали като Cu могат да бъдат отстранени след почистване на SC1, някои проблеми с металната адхезия на естествения оксиден филм, образуван върху повърхността на пластината, не са решени и той не е подходящ за технологията за почистване на SC2.
2.5 O3 почистваща технология
В процеса на производство на чипове технологията за почистване на O3 се използва главно за отстраняване на органични вещества и дезинфекция на DIW. О3 почистването винаги включва окисление. Най-общо казано, O3 може да се използва за отстраняване на някои органични вещества, но поради окисляването на O3 ще настъпи повторно отлагане върху повърхността на пластината. Следователно HF обикновено се използва в процеса на използване на O3. В допълнение, процесът на използване на HF с O3 може също да премахне някои метални йони. Трябва да се отбележи, че като цяло по-високите температури са полезни за отстраняване на органични вещества, частици и дори метални йони. Въпреки това, когато използвате технология за почистване на O3, количеството O3, разтворено в DIW, ще намалее с повишаване на температурата. С други думи, концентрацията на O3, разтворен в DIW, ще намалее с повишаване на температурата. Следователно е необходимо да се оптимизират детайлите на O3 процеса, за да се увеличи максимално ефективността на почистване. В производството на полупроводници O3 може да се използва и за дезинфекция на DIW, главно защото веществата, използвани за пречистване на питейната вода, обикновено съдържат хлор, което е неприемливо в областта на производството на чипове. Друга причина е, че O3 ще се разложи на кислород и няма да замърси системата DIW. Въпреки това е необходимо да се контролира съдържанието на кислород в DIW, което не може да бъде по-високо от изискванията за използване в производството на полупроводници. 2.6 Технология за почистване с органични разтворители В процеса на производство на полупроводници често се включват някои специални процеси. В много случаи методите, въведени по-горе, не могат да бъдат използвани, тъй като ефективността на почистването не е достатъчна, някои компоненти, които не могат да бъдат отмити, са гравирани и не могат да се генерират оксидни филми. Следователно някои органични разтворители също се използват за постигане на целта на почистването.
3 Заключение
В процеса на производство на полупроводници процесът на почистване е процесът с най-много повторения. Използването на подходяща технология за почистване може значително да подобри добива от производството на чипове. С големия размер на силициевите пластини и миниатюризацията на структурите на устройството, индексът на плътност на подреждане се увеличава и изискванията за технологията за почистване на пластини стават все по-високи и по-високи. Има по-строги изисквания за чистотата на повърхността на вафлата, химичното състояние на повърхността, грапавостта и дебелината на оксидния филм. Въз основа на зряла технология на процеса, тази статия въвежда технологията за почистване на вафли в усъвършенстваното производство на вафли и принципите на почистване на различни почистващи процеси. От гледна точка на икономиката и опазването на околната среда, подобряването на технологията за почистване на вафли може по-добре да отговори на нуждите на усъвършенстваното производство на вафли.
