Sammanfattning: När storleken på transistorer fortsätter att krympa, blir wafertillverkningsprocessen alltmer komplex, och kraven på halvledarvåtrengöringsteknik blir högre och högre. Baserat på traditionell halvledarrengöringsteknik introducerar detta papper waferrengöringstekniken inom avancerad halvledartillverkning och rengöringsprinciperna för olika rengöringsprocesser. Ur ekonomi- och miljöskyddsperspektiv kan förbättrad teknik för rengöringsprocesser för wafer bättre möta behoven hos avancerad wafertillverkning.
0 Inledning Rengöringsprocessen är en viktig länk genom hela halvledartillverkningsprocessen och är en av de viktiga faktorerna som påverkar prestanda och utbyte hos halvledarenheter. I chiptillverkningsprocessen kan all kontaminering påverka prestandan hos halvledarenheter och till och med orsaka fel [1-2]. Därför krävs en rengöringsprocess före och efter nästan varje process vid spåntillverkning för att avlägsna ytföroreningar och säkerställa renheten hos skivans yta, som visas i figur 1. Rengöringsprocessen är den process som har den högsta andelen i spåntillverkningsprocessen , som står för cirka 30 % av alla chiptillverkningsprocesser.
Med utvecklingen av ultrastorskaliga integrerade kretsar har chipprocessnoder kommit in i 28nm, 14nm och ännu mer avancerade noder, integrationen har fortsatt att öka, linjebredden har fortsatt att minska och processflödet har blivit mer komplext [ 3]. Avancerad tillverkning av nodchips är känsligare för kontaminering, och föroreningsrengöring under små förhållanden är svårare, vilket leder till en ökning av rengöringsprocessens steg, vilket gör rengöringsprocessen mer komplex, viktigare och mer utmanande [4-5] . Rengöringsprocessen för 90nm chips är cirka 90 steg, och rengöringsprocessen för 20nm chips har nått 215 steg. När chiptillverkning går in i 14nm, 10nm och ännu högre noder kommer antalet rengöringsprocesser att fortsätta att öka, som visas i figur 2.
1 Introduktion till halvledarrengöringsprocessen
Rengöringsprocessen hänvisar till processen att ta bort föroreningar på ytan av skivan genom kemisk behandling, gas och fysikaliska metoder. I halvledartillverkningsprocessen kan föroreningar som partiklar, metaller, organiskt material och naturligt oxidskikt på skivans yta påverka prestanda, tillförlitlighet och jämnt utbyte av halvledarenheten [6-8].
Rengöringsprocessen kan sägas vara en brygga mellan de olika processerna för tillverkning av wafer. Till exempel används rengöringsprocessen före beläggningsprocessen, före fotolitografiprocessen, efter etsningsprocessen, efter den mekaniska slipningsprocessen och även efter jonimplantationsprocessen. Rengöringsprocessen kan grovt delas in i två typer, nämligen våtrengöring och kemtvätt.
1.1 Våtrengöring
Våtrengöring är att använda kemiska lösningsmedel eller avjoniserat vatten för att rengöra wafern. Enligt processmetoden kan våtrengöring delas in i två typer: nedsänkningsmetod och spraymetod, som visas i figur 3. Nedsänkningsmetoden är att sänka ner wafern i en behållartank fylld med kemiska lösningsmedel eller avjoniserat vatten. Nedsänkningsmetoden är en mycket använd metod, speciellt för vissa relativt mogna noder. Spraymetoden är att spraya kemiska lösningsmedel eller avjoniserat vatten på den roterande skivan för att avlägsna föroreningar. Nedsänkningsmetoden kan bearbeta flera wafers samtidigt, medan sprutmetoden endast kan bearbeta en wafer åt gången i en arbetskammare. Med teknikens utveckling blir kraven på rengöringstekniken högre och högre och användningen av sprutmetoden blir mer och mer utbredd.
1.2 Kemtvätt
Som namnet antyder är kemtvätt en process som inte använder kemiska lösningsmedel eller avjoniserat vatten, utan använder gas eller plasma för rengöring. Med den ständiga utvecklingen av tekniknoder blir kraven på rengöringsprocesser högre och högre [9-10], och andelen användning ökar också. Den spillvätska som genereras vid våtrengöring ökar också. Jämfört med våtrengöring har kemtvätt höga investeringskostnader, komplex utrustningsdrift och strängare rengöringsvillkor. Men för borttagning av en del organiskt material och nitrider och oxider har kemtvätt högre precision och utmärkta resultat.
2 Våtrengöringsteknik vid halvledartillverkning Enligt de olika komponenterna i rengöringsvätskan visas den vanligaste våtrengöringstekniken vid halvledartillverkning i tabell 1.
2.1 DIW rengöringsteknik
I halvledartillverkningens våtrengöringsprocess är den vanligaste rengöringsvätskan avjoniserat vatten (DIW). Vatten innehåller ledande anjoner och katjoner. Avjoniserat vatten tar bort de ledande jonerna i vattnet, vilket gör vattnet i princip icke-ledande. Vid halvledartillverkning är det absolut inte tillåtet att använda råvatten direkt. Å ena sidan kommer katjonerna och jonerna i råvattnet att förorena anordningsstrukturen på skivan, och å andra sidan kan det få anordningens prestanda att avvika. Till exempel kan råvattnet reagera med materialet på skivans yta för att korrodera, eller bilda batterikorrosion med vissa metaller på skivan, och kan också orsaka en direkt förändring av skivans ytresistivitet, vilket resulterar i en betydande minskning i utbytet av skivan eller till och med direkt skrotning. I halvledartillverkningens våtreningsprocessen finns det två huvudsakliga tillämpningar av DIW.
(1) Använd endast DIW för att rengöra waferns yta. Det finns olika former som rullar, borstar eller munstycken, och huvudsyftet är att rengöra en del föroreningar på waferytan. I den avancerade halvledartillverkningsprocessen är rengöringsmetoden nästan alltid en enkel wafer-metod, det vill säga endast en wafer kan rengöras i en kammare samtidigt. Metoden att rengöra en enstaka wafer introduceras också ovan. Rengöringsmetoden som används är spinnspraymetoden. Under rotationen av wafern rengörs waferns yta med rullar, borstar, munstycken etc. I denna process kommer wafern att gnugga mot luften och därigenom generera statisk elektricitet. Statisk elektricitet kan orsaka defekter på skivans yta eller direkt orsaka fel på enheten. Ju högre halvledarteknologinod är, desto högre krav för hantering av defekter. Därför, i DIW våtrengöringsprocessen för avancerad halvledartillverkning, är dess processkrav högre. DIW är i grunden icke-ledande, och den statiska elektriciteten som genereras under rengöringsprocessen kan inte frigöras väl. För att öka konduktiviteten utan att förorena skivan, blandas därför vanligtvis koldioxidgas (CO2) i DIW i avancerade noder för tillverkning av halvledarprocesser. På grund av olika processkrav blandas ammoniakgas (NH3) i DIW i några få fall.
(2) Rengör den kvarvarande rengöringsvätskan på waferns yta. När du använder andra rengöringsvätskor för att rengöra waferns yta, efter att rengöringsvätskan har använts, eftersom wafern roterar, även om det mesta av rengöringsvätskan har kastats ut, kommer det fortfarande att finnas en liten mängd rengöringsvätska kvar på waferns yta, och DIW behövs för att rengöra waferytan. Huvudfunktionen för DIW här är att rengöra den kvarvarande rengöringsvätskan på waferytan. Att använda rengöringsvätska för att rengöra waferns yta betyder inte att dessa rengöringsvätskor aldrig kommer att korrodera wafern, men deras etsningshastighet är ganska låg och kortvarig rengöring kommer inte att påverka wafern. Men om den kvarvarande rengöringsvätskan inte kan avlägsnas effektivt och den kvarvarande rengöringsvätskan tillåts stanna på skivans yta under lång tid, kommer den fortfarande att korrodera skivans yta. Dessutom, även om rengöringslösningen korroderar mycket lite, är den kvarvarande rengöringslösningen i skivan fortfarande överflödig, vilket sannolikt kommer att påverka anordningens slutliga prestanda. Se därför till att använda DIW efter att ha rengjort wafern med rengöringslösningen för att rengöra den återstående rengöringslösningen i tid.
2.2 HF-rengöringsteknik
Som vi alla vet förädlas sand till en kärna. Chipet bildas av otaliga ristningar på en enkristall kiselskiva. Huvudkomponenten på chipet är enkristallkisel. Det mest direkta och effektiva sättet att rengöra det naturliga oxidskiktet (SiO2) som bildas på ytan av enkristallkisel är att använda HF (fluorvätesyra) för att rengöra. Därför kan man säga att HF-rengöring är rengöringstekniken näst efter DIW. HF-rengöring kan effektivt ta bort det naturliga oxidskiktet på ytan av enkristallkisel, och metallen fäst vid ytan av det naturliga oxidskiktet kommer också att lösas upp i rengöringslösningen. Samtidigt kan HF också effektivt hämma bildandet av naturlig oxidfilm. Därför kan HF-rengöringsteknik ta bort vissa metalljoner, naturligt oxidskikt och vissa föroreningspartiklar. Men HF-rengöringstekniken har också vissa oundvikliga problem. Till exempel, medan man tar bort det naturliga oxidskiktet på kiselskivans yta, kommer några små gropar att lämnas kvar på kiselskivans yta efter att ha korroderats, vilket direkt påverkar råheten hos skivans yta. Samtidigt som ytoxidfilmen avlägsnas kommer HF dessutom att ta bort vissa metaller, men vissa metaller vill inte korroderas av HF. Med den ständiga utvecklingen av halvledarteknologinoder blir kraven på att dessa metaller inte ska korroderas av HF högre och högre, vilket resulterar i att HF-rengöringstekniken inte kan användas på platser där den kunde ha använts. Samtidigt avlägsnas vissa metaller som kommer in i rengöringslösningen och fäster vid kiselskivans yta när den naturliga oxidfilmen löses upp inte lätt av HF, vilket resulterar i att de stannar kvar på kiselskivans yta. Som svar på ovanstående problem har några förbättrade metoder föreslagits. Späd till exempel HF så mycket som möjligt för att minska koncentrationen av HF; tillsätt oxidant till HF, denna metod kan effektivt avlägsna metallen som är fäst vid ytan av det naturliga oxidskiktet, och oxidanten kommer att oxidera metallen på ytan för att bilda oxider, som är lättare att ta bort under sura förhållanden. Samtidigt kommer HF att ta bort det tidigare naturliga oxidskiktet, och oxidationsmedlet kommer att oxidera enkristallkislet på ytan för att bilda ett nytt oxidskikt för att förhindra att metallen fäster vid ytan av enkristallkislet; tillsätt anjoniskt ytaktivt medel till HF, så att ytan av enkristallkislet i HF-rengöringslösningen har negativ potential och partikelytan har positiv potential. Tillsats av anjoniskt ytaktivt ämne kan göra att potentialen för kiselytan och partikelytan har samma tecken, det vill säga att partikelns ytpotential ändras från positiv till negativ, vilket är samma tecken som den negativa potentialen för kiselskivans yta, så att den elektriska repulsionen alstras mellan kiselskivans yta och partikelytan, och förhindrar därigenom fastsättning av partiklar; tillsätt komplexbildare till HF-rengöringslösningen för att bilda ett komplex med föroreningar, som löses direkt i rengöringslösningen och inte fäster på kiselskivans yta.
2.3 SC1 rengöringsteknik
SC1 rengöringsteknik är den vanligaste, billiga och högeffektiva rengöringsmetoden för att ta bort föroreningar från waferytan. SC1 rengöringsteknik kan ta bort organiskt material, vissa metalljoner och vissa ytpartiklar samtidigt. Principen för SC1 för att avlägsna organiskt material är att använda den oxiderande effekten av väteperoxid och den upplösande effekten av NH4OH för att omvandla organisk förorening till vattenlösliga föreningar och sedan släppa ut dem med lösningen. På grund av dess oxiderande och komplexbildande egenskaper kan SC1-lösning oxidera vissa metalljoner, förvandla dessa metalljoner till högvärdiga joner och sedan reagera ytterligare med alkali för att bilda lösliga komplex som släpps ut med lösningen. Vissa metaller har dock hög fri energi av oxider som genereras efter oxidation, som är lätta att fästa på oxidfilmen på waferns yta (eftersom SC1-lösning har vissa oxiderande egenskaper och kommer att bilda en oxidfilm på waferns yta), så de är inte lätt att ta bort, såsom metaller som Al och Fe. När metalljoner avlägsnas kommer hastigheten för metalladsorption och desorption på skivans yta så småningom att nå en balans. I avancerade tillverkningsprocesser används därför rengöringsvätskan en gång för processer som har höga krav på metalljoner. Den töms direkt efter användning och kommer inte att användas igen. Syftet är att minska metallhalten i rengöringsvätskan för att skölja bort metallen på waferytan så mycket som möjligt. SC1-rengöringstekniken kan också effektivt avlägsna ytpartikelföroreningar, och huvudmekanismen är elektrisk avstötning. I denna process kan ultraljuds- och megaljudsrengöring utföras för att få bättre rengöringseffekter. SC1-rengöringstekniken kommer att ha en betydande inverkan på skivans ytråhet. För att minska effekten av SC1-rengöringstekniken på skivans ytjämnhet är det nödvändigt att formulera ett lämpligt förhållande mellan rengöringsvätskekomponenter. Samtidigt kan användningen av rengöringsvätska med låg ytspänning stabilisera partikelavlägsningshastigheten, upprätthålla en hög borttagningseffektivitet och minska påverkan på skivans ytjämnhet. Att tillsätta ytaktiva ämnen till SC1 rengöringsvätska kan minska ytspänningen på rengöringsvätskan. Dessutom kan tillsats av kelatbildande medel till SC1 rengöringsvätska göra att metallen i rengöringsvätskan kontinuerligt bildar kelat, vilket är fördelaktigt för att hämma ytvidhäftningen av metaller.
2.4 SC2 rengöringsteknik
SC2-rengöringstekniken är också en billig våtrengöringsteknik med god föroreningsborttagningsförmåga. SC2 har extremt starka komplexbildande egenskaper och kan reagera med metaller före oxidation för att bilda salter, som avlägsnas med rengöringslösningen. De lösliga komplexen som bildas genom reaktionen av oxiderade metalljoner med kloridjoner kommer också att avlägsnas med rengöringslösningen. Man kan säga att under förutsättning att de inte påverkar wafern, kompletterar SC1-rengöringstekniken och SC2-rengöringstekniken varandra. Metallvidhäftningsfenomenet i rengöringslösningen är lätt att uppstå i alkalisk rengöringslösning (det vill säga SC1 rengöringslösning), och det är inte lätt att uppstå i sur lösning (SC2 rengöringslösning), och det har en stark förmåga att ta bort metaller på skivans yta. Men även om metaller som Cu kan avlägsnas efter SC1-rengöring, har vissa metallvidhäftningsproblem för den naturliga oxidfilmen som bildas på skivans yta inte lösts, och den är inte lämplig för SC2-rengöringsteknik.
2.5 O3 rengöringsteknik
I spåntillverkningsprocessen används O3-rengöringsteknik främst för att ta bort organiskt material och desinficera DIW. O3-rengöring innebär alltid oxidation. Generellt sett kan O3 användas för att avlägsna en del organiskt material, men på grund av oxidationen av O3 kommer återavsättning att ske på skivans yta. Därför används HF i allmänhet i processen att använda O3. Dessutom kan processen att använda HF med O3 också ta bort vissa metalljoner. Det bör noteras att i allmänhet är högre temperaturer fördelaktiga för att avlägsna organiskt material, partiklar och till och med metalljoner. Men när man använder O3-rengöringsteknik kommer mängden O3 som lösts i DIW att minska när temperaturen ökar. Med andra ord kommer koncentrationen av O3 löst i DIW att minska när temperaturen ökar. Därför är det nödvändigt att optimera O3-processdetaljerna för att maximera rengöringseffektiviteten. Inom halvledartillverkning kan O3 även användas för att desinficera DIW, främst eftersom de ämnen som används för att rena dricksvatten i allmänhet innehåller klor, vilket är oacceptabelt inom spåntillverkningen. En annan anledning är att O3 kommer att sönderfalla till syre och inte förorenar DIW-systemet. Det är dock nödvändigt att kontrollera syrehalten i DIW, som inte kan vara högre än kraven för användning vid halvledartillverkning. 2.6 Reningsteknik för organiska lösningsmedel I halvledartillverkningsprocessen är vissa speciella processer ofta involverade. I många fall kan de metoder som introducerats ovan inte användas eftersom rengöringseffektiviteten inte är tillräcklig, vissa komponenter som inte kan tvättas bort etsas och oxidfilmer inte kan genereras. Därför används även vissa organiska lösningsmedel för att uppnå syftet med rengöring.
3 Slutsats
I halvledartillverkningsprocessen är rengöringsprocessen den process med flest upprepningar. Användningen av lämplig rengöringsteknik kan avsevärt förbättra utbytet av spåntillverkning. Med den stora storleken på kiselwafers och miniatyriseringen av enhetsstrukturer ökar staplingsdensitetsindexet, och kraven på waferrengöringsteknik blir högre och högre. Det finns strängare krav på renheten hos waferytan, ytans kemiska tillstånd, oxidfilmens grovhet och tjocklek. Baserat på mogen processteknik introducerar den här artikeln waferrengöringstekniken i avancerad wafertillverkning och rengöringsprinciperna för olika rengöringsprocesser. Ur ekonomi- och miljöskyddsperspektiv kan förbättrad teknik för rengöringsprocesser för wafer bättre möta behoven hos avancerad wafertillverkning.