Abstrakt: Jak se velikost tranzistorů stále zmenšuje, proces výroby destiček je stále složitější a požadavky na technologii mokrého čištění polovodičů jsou stále vyšší a vyšší. Tento článek, založený na tradiční technologii čištění polovodičů, představuje technologii čištění destiček v pokročilé výrobě polovodičů a principy čištění různých čisticích procesů. Z hlediska hospodárnosti a ochrany životního prostředí může zlepšení technologie procesu čištění destiček lépe vyhovět potřebám pokročilé výroby destiček.
0 Úvod Proces čištění je důležitým článkem celého procesu výroby polovodičů a je jedním z důležitých faktorů ovlivňujících výkon a výtěžnost polovodičových zařízení. V procesu výroby čipů může jakákoli kontaminace ovlivnit výkon polovodičových zařízení a dokonce způsobit selhání [1-2]. Proto je téměř před každým procesem výroby čipů a po něm vyžadován proces čištění, aby se odstranily povrchové nečistoty a zajistila se čistota povrchu destičky, jak je znázorněno na obrázku 1. Proces čištění je proces s nejvyšším podílem na procesu výroby čipů. , což představuje asi 30 % všech procesů výroby čipů.
S vývojem ultra-velkých integrovaných obvodů, čipové procesní uzly vstoupily do 28nm, 14nm a ještě pokročilejších uzlů, integrace se nadále zvětšovala, šířka čáry se dále zmenšovala a procesní tok se stal složitějším [ 3]. Pokročilá výroba uzlových čipů je citlivější na kontaminaci a čištění kontaminace v podmínkách malých rozměrů je obtížnější, což vede ke zvýšení počtu kroků procesu čištění, takže proces čištění je složitější, důležitější a náročnější [4-5] . Proces čištění 90nm čipů má asi 90 kroků a proces čištění 20nm čipů dosáhl 215 kroků. Jak výroba čipů vstupuje do uzlů 14nm, 10nm a ještě vyšších, počet čisticích procesů se bude nadále zvyšovat, jak je znázorněno na obrázku 2.
1 Úvod do procesu čištění polovodičů
Proces čištění se týká procesu odstraňování nečistot z povrchu destičky pomocí chemického ošetření, plynových a fyzikálních metod. V procesu výroby polovodičů mohou nečistoty, jako jsou částice, kovy, organická hmota a přírodní oxidová vrstva na povrchu waferu, ovlivnit výkon, spolehlivost a dokonce i výtěžnost polovodičového zařízení [6-8].
O procesu čištění lze říci, že je mostem mezi různými procesy výroby plátků. Například proces čištění se používá před procesem povlakování, před procesem fotolitografie, po procesu leptání, po procesu mechanického broušení a dokonce i po procesu implantace iontů. Proces čištění lze zhruba rozdělit na dva typy, a to mokré čištění a suché čištění.
1.1 Mokré čištění
Mokré čištění spočívá v použití chemických rozpouštědel nebo deionizované vody k čištění destičky. Podle metody procesu lze mokré čištění rozdělit do dvou typů: metoda ponoření a metoda postřiku, jak je znázorněno na obrázku 3. Metoda ponoření spočívá v ponoření oplatky do nádoby naplněné chemickými rozpouštědly nebo deionizovanou vodou. Metoda ponoření je široce používaná metoda, zejména u některých relativně vyspělých uzlů. Metodou stříkání je stříkání chemických rozpouštědel nebo deionizované vody na rotující destičku, aby se odstranily nečistoty. Metoda ponoření může zpracovávat více plátků současně, zatímco metoda rozprašování může zpracovávat pouze jeden plátek najednou v jedné pracovní komoře. S rozvojem techniky jsou požadavky na technologii čištění stále vyšší a stále více se rozšiřuje používání metody stříkání.
1.2 Chemické čištění
Jak již z názvu vyplývá, chemické čištění je proces, který nepoužívá chemická rozpouštědla ani deionizovanou vodu, ale k čištění využívá plyn nebo plazmu. S neustálým pokrokem technologických uzlů jsou požadavky na čisticí procesy stále vyšší a vyšší [9-10] a zvyšuje se také podíl používání. Roste také odpadní kapalina vznikající při mokrém čištění. Ve srovnání s mokrým čištěním má suché čištění vysoké investiční náklady, složitý provoz zařízení a přísnější podmínky čištění. Pro odstranění některých organických látek a nitridů a oxidů má však chemické čištění vyšší přesnost a vynikající výsledky.
2 Technologie mokrého čištění při výrobě polovodičů Podle různých složek čisticí kapaliny je v tabulce 1 uvedena běžně používaná technologie mokrého čištění při výrobě polovodičů.
2.1 Technologie čištění DIW
V procesu mokrého čištění při výrobě polovodičů je nejběžněji používanou čisticí kapalinou deionizovaná voda (DIW). Voda obsahuje vodivé anionty a kationty. Deionizovaná voda odstraňuje vodivé ionty ve vodě, takže voda je v podstatě nevodivá. Při výrobě polovodičů není absolutně dovoleno přímo používat surovou vodu. Na jedné straně kationty a ionty v surové vodě kontaminují strukturu waferu zařízení a na druhé straně mohou způsobit odchylku výkonu zařízení. Surová voda může například reagovat s materiálem na povrchu waferu ke korozi nebo tvořit korozi baterie s některými kovy na waferu a může také způsobit přímou změnu v povrchovém odporu waferu, což má za následek významnou snížení výtěžnosti oplatky nebo dokonce přímé sešrotování. V procesu mokrého čištění při výrobě polovodičů existují dvě hlavní aplikace DIW.
(1) K čištění povrchu destičky používejte pouze DIW. Existují různé formy, jako jsou válečky, kartáče nebo trysky, a hlavním účelem je vyčistit některé nečistoty na povrchu waferu. V pokročilém procesu výroby polovodičů je metoda čištění téměř vždy metodou jediné destičky, to znamená, že v komoře lze současně čistit pouze jednu destičku. Výše je také uveden způsob čištění jedné destičky. Použitou metodou čištění je metoda odstřeďování. Během rotace waferu je povrch waferu čištěn válečky, kartáči, tryskami atd. Při tomto procesu bude wafer dřít o vzduch, čímž vzniká statická elektřina. Statická elektřina může způsobit defekty na povrchu destičky nebo přímo způsobit poruchu zařízení. Čím vyšší je uzel polovodičové technologie, tím vyšší jsou požadavky na manipulaci s defekty. Proto jsou v procesu mokrého čištění DIW pokročilé výroby polovodičů jeho procesní požadavky vyšší. DIW je v podstatě nevodivý a statická elektřina generovaná během procesu čištění se nemůže dobře uvolnit. Proto se v pokročilých uzlech procesu výroby polovodičů, aby se zvýšila vodivost bez kontaminace plátku, obvykle do DIW přimíchává plynný oxid uhličitý (CO2). Kvůli různým procesním požadavkům se v několika případech přimíchává plynný amoniak (NH3).
(2) Vyčistěte zbytky čisticí kapaliny na povrchu destičky. Při použití jiných čisticích kapalin k čištění povrchu destičky, po použití čisticí kapaliny, když se destička otáčí, ačkoli většina čisticí kapaliny byla vypuštěna, na povrchu destičky stále zůstane malé množství čisticí kapaliny, a DIW je potřeba k čištění povrchu waferu. Hlavní funkcí DIW je zde čištění zbytkové čisticí kapaliny na povrchu waferu. Použití čisticí kapaliny k čištění povrchu waferu neznamená, že tyto čisticí kapaliny nikdy nekorodují wafer, ale jejich rychlost leptání je poměrně nízká a krátkodobé čištění neovlivní wafer. Pokud však nelze zbytkovou čistící kapalinu účinně odstranit a zbytková čistící kapalina může zůstat na povrchu destičky po dlouhou dobu, bude stále korodovat povrch destičky. Navíc, i když čisticí roztok koroduje velmi málo, zbytkový čisticí roztok v plátku je stále nadbytečný, což pravděpodobně ovlivní konečný výkon zařízení. Proto po vyčištění waferu čisticím roztokem nezapomeňte použít DIW k včasnému vyčištění zbytkového čisticího roztoku.
2.2 Technologie vysokofrekvenčního čištění
Jak všichni víme, písek se rafinuje na jádro. Čip je tvořen nesčetnými řezbami na monokrystalickém křemíkovém plátku. Hlavní součástí čipu je monokrystalický křemík. Nejpřímější a nejúčinnější způsob čištění přírodní oxidové vrstvy (SiO2) vytvořené na povrchu monokrystalického křemíku je použití HF (kyseliny fluorovodíkové). Proto lze říci, že HF čištění je technologie čištění hned po DIW. HF čištění může účinně odstranit přirozenou oxidovou vrstvu na povrchu monokrystalického křemíku a kov připojený k povrchu přírodní oxidové vrstvy se také rozpustí v čisticím roztoku. Současně může HF také účinně inhibovat tvorbu přirozeného oxidového filmu. Technologie HF čištění proto může odstranit některé kovové ionty, přírodní oxidovou vrstvu a některé částice nečistot. Technologie vysokofrekvenčního čištění má však také některé nevyhnutelné problémy. Například při odstraňování přirozené oxidové vrstvy na povrchu křemíkového plátku zůstanou na povrchu křemíkového plátku po zkorodování malé důlky, které přímo ovlivňují drsnost povrchu plátku. Kromě toho při odstraňování povrchového oxidového filmu HF odstraní také některé kovy, ale některé kovy nechtějí být korodovány HF. S neustálým rozvojem uzlů polovodičové technologie jsou požadavky na to, aby tyto kovy nekorodovaly HF, stále vyšší a vyšší, což má za následek, že HF technologii čištění nelze použít na místech, kde by mohla být použita. Současně některé kovy, které vstupují do čisticího roztoku a ulpívají na povrchu křemíkového plátku, když se přirozený oxidový film rozpouští, nejsou snadno odstraněny HF, což má za následek, že zůstávají na povrchu křemíkového plátku. V reakci na výše uvedené problémy byly navrženy některé vylepšené metody. Například zřeďte HF co nejvíce, abyste snížili koncentraci HF; přidáním oxidantu do HF může tato metoda účinně odstranit kov připojený k povrchu přirozené oxidové vrstvy a oxidant oxiduje kov na povrchu za vzniku oxidů, které se snadněji odstraňují za kyselých podmínek. Současně HF odstraní předchozí přirozenou oxidovou vrstvu a oxidant oxiduje monokrystalický křemík na povrchu za vzniku nové oxidové vrstvy, která zabrání přichycení kovu k povrchu monokrystalického křemíku; přidejte aniontovou povrchově aktivní látku k HF, takže povrch monokrystalického křemíku v čisticím roztoku HF má negativní potenciál a povrch částice má pozitivní potenciál. Přidání aniontové povrchově aktivní látky může způsobit, že potenciál povrchu křemíku a povrchu částice bude mít stejné znaménko, to znamená, že povrchový potenciál částice se změní z pozitivního na negativní, což je stejné znaménko jako negativní potenciál povrchu křemíkového plátku, takže elektrické odpuzování je generováno mezi povrchem křemíkového plátku a povrchem částice, čímž se zabrání přichycení částic; přidejte do HF čisticího roztoku komplexotvorné činidlo, abyste vytvořili komplex s nečistotami, který je přímo rozpuštěn v čisticím roztoku a nebude se vázat na povrch křemíkové destičky.
2.3 Technologie čištění SC1
Technologie čištění SC1 je nejběžnější, nízkonákladová a vysoce účinná metoda čištění pro odstranění kontaminace z povrchu destičky. Čisticí technologie SC1 dokáže odstranit organickou hmotu, některé kovové ionty a některé povrchové částice současně. Principem SC1 k odstranění organické hmoty je využití oxidačního účinku peroxidu vodíku a rozpouštěcího účinku NH4OH k přeměně organické kontaminace na ve vodě rozpustné sloučeniny a jejich následnému vypuštění s roztokem. Díky svým oxidačním a komplexotvorným vlastnostem může roztok SC1 oxidovat některé kovové ionty, přeměnit tyto kovové ionty na vysokomocné ionty a poté dále reagovat s alkálií za vzniku rozpustných komplexů, které jsou vypouštěny s roztokem. Některé kovy však mají vysokou volnou energii oxidů generovaných po oxidaci, které snadno přilnou k oxidovému filmu na povrchu destičky (protože roztok SC1 má určité oxidační vlastnosti a vytvoří na povrchu destičky oxidový film), takže jsou není snadné odstranit, jako jsou kovy jako Al a Fe. Při odstraňování kovových iontů se rychlost adsorpce a desorpce kovu na povrchu destičky nakonec dostane do rovnováhy. Proto se v pokročilých výrobních procesech čisticí kapalina používá jednou pro procesy, které mají vysoké požadavky na kovové ionty. Po použití se přímo vybije a nebude znovu použit. Účelem je snížit obsah kovu v čisticí kapalině, aby se kov na povrchu destičky co nejvíce smyl. Čisticí technologie SC1 také dokáže účinně odstranit kontaminaci povrchovými částicemi a hlavním mechanismem je elektrické odpuzování. V tomto procesu lze provádět ultrazvukové a megasonické čištění pro dosažení lepších čisticích účinků. Technologie čištění SC1 bude mít významný vliv na drsnost povrchu waferu. Aby se snížil vliv čisticí technologie SC1 na drsnost povrchu waferu, je nutné formulovat vhodný poměr složek čisticí kapaliny. Současně může použití čisticí kapaliny s nízkým povrchovým napětím stabilizovat rychlost odstraňování částic, udržovat vysokou účinnost odstraňování a snížit dopad na drsnost povrchu plátku. Přidání povrchově aktivních látek do čisticí kapaliny SC1 může snížit povrchové napětí čisticí kapaliny. Navíc přidání chelatačních činidel do čisticí kapaliny SC1 může způsobit, že kov v čisticí kapalině bude nepřetržitě tvořit cheláty, což je výhodné pro inhibici povrchové adheze kovů.
2.4 Technologie čištění SC2
Technologie čištění SC2 je také nízkonákladová technologie mokrého čištění s dobrou schopností odstraňování nečistot. SC2 má extrémně silné komplexotvorné vlastnosti a může reagovat s kovy před oxidací za vzniku solí, které jsou odstraněny čisticím roztokem. Čisticím roztokem se odstraní i rozpustné komplexy vzniklé reakcí oxidovaných kovových iontů s chloridovými ionty. Dá se říci, že za podmínky neovlivňování oplatky se technologie čištění SC1 a technologie čištění SC2 vzájemně doplňují. K fenoménu adheze kovů v čisticím roztoku snadno dochází v alkalickém čisticím roztoku (tj. čisticím roztoku SC1) a není snadné k němu dojít v kyselém roztoku (čisticí roztok SC2) a má silnou schopnost odstraňovat kovy. na povrchu plátku. Ačkoli však kovy, jako je Cu, mohou být po čištění SC1 odstraněny, některé problémy s přilnavostí kovů v přirozeném oxidovém filmu vytvořeném na povrchu destičky nebyly vyřešeny a není vhodný pro technologii čištění SC2.
2.5 Technologie čištění O3
V procesu výroby čipů se technologie čištění O3 používá především k odstranění organických látek a dezinfekci DIW. Čištění O3 vždy zahrnuje oxidaci. Obecně řečeno, O3 lze použít k odstranění některých organických látek, ale kvůli oxidaci O3 dojde k opětovnému usazení na povrchu plátku. Proto se HF obecně používá v procesu použití O3. Kromě toho proces použití HF s O3 může také odstranit některé kovové ionty. Je třeba poznamenat, že obecně jsou vyšší teploty prospěšné pro odstraňování organických látek, částic a dokonce i kovových iontů. Při použití technologie čištění O3 se však bude množství O3 rozpuštěného v DIW s rostoucí teplotou snižovat. Jinými slovy, koncentrace O3 rozpuštěného v DIW se bude s rostoucí teplotou snižovat. Proto je nutné optimalizovat detaily procesu O3, aby se maximalizovala účinnost čištění. Při výrobě polovodičů lze O3 použít také k dezinfekci DIW, zejména proto, že látky používané k čištění pitné vody obecně obsahují chlór, což je v oblasti výroby čipů nepřijatelné. Dalším důvodem je, že se O3 rozloží na kyslík a neznečišťuje systém DIW. Je však nutné kontrolovat obsah kyslíku v DIW, který nemůže být vyšší než požadavky pro použití při výrobě polovodičů. 2.6 Technologie čištění organických rozpouštědel V procesu výroby polovodičů se často používají některé speciální procesy. V mnoha případech nelze výše uvedené metody použít, protože účinnost čištění není dostatečná, některé složky, které nelze smýt, jsou vyleptány a nelze vytvářet oxidové filmy. Proto se k dosažení účelu čištění používají také některá organická rozpouštědla.
3 Závěr
V procesu výroby polovodičů je proces čištění procesem s největším počtem opakování. Použití vhodné technologie čištění může výrazně zlepšit výtěžnost výroby třísek. S velkou velikostí křemíkových plátků a miniaturizací struktur zařízení se zvyšuje index stohovací hustoty a požadavky na technologii čištění plátků jsou stále vyšší a vyšší. Jsou přísnější požadavky na čistotu povrchu plátku, chemický stav povrchu, drsnost a tloušťku oxidového filmu. Tento článek, založený na vyspělé procesní technologii, představuje technologii čištění destiček v pokročilé výrobě destiček a principy čištění různých čisticích procesů. Z hlediska hospodárnosti a ochrany životního prostředí může zlepšení technologie procesu čištění destiček lépe vyhovět potřebám pokročilé výroby destiček.
