Abstrakt: Efterhånden som størrelsen af transistorer fortsætter med at krympe, bliver wafer-fremstillingsprocessen stadig mere kompleks, og kravene til halvledervådrensningsteknologi bliver højere og højere. Baseret på traditionel halvlederrenseteknologi introducerer dette papir waferrensningsteknologien i avanceret halvlederfremstilling og rengøringsprincipperne for forskellige rengøringsprocesser. Fra et perspektiv af økonomi og miljøbeskyttelse kan forbedring af waferrensningsprocesteknologi bedre opfylde behovene for avanceret waferfremstilling.
0 Introduktion Renseprocessen er et vigtigt led i hele halvlederfremstillingsprocessen og er en af de vigtige faktorer, der påvirker ydeevnen og udbyttet af halvlederenheder. I chipfremstillingsprocessen kan enhver forurening påvirke ydeevnen af halvlederenheder og endda forårsage fejl [1-2]. Derfor er en renseproces påkrævet før og efter næsten hver proces i spånfremstilling for at fjerne overfladeforurenende stoffer og sikre renheden af waferoverfladen, som vist i figur 1. Renseprocessen er den proces med den højeste andel i spånfremstillingsprocessen , der tegner sig for omkring 30 % af alle chipfremstillingsprocesser.
Med udviklingen af ultra-storskala integrerede kredsløb er chipprocesknudepunkter kommet ind i 28nm, 14nm og endnu mere avancerede noder, integrationen er fortsat med at stige, linjebredden er fortsat med at falde, og procesflowet er blevet mere komplekst [ 3]. Avanceret fremstilling af nodechips er mere følsom over for kontaminering, og forureningsrensning under forhold med små størrelser er vanskeligere, hvilket fører til en stigning i rengøringsprocessens trin, hvilket gør rengøringsprocessen mere kompleks, vigtigere og mere udfordrende [4-5] . Renseprocessen for 90nm chips er omkring 90 trin, og renseprocessen for 20nm chips har nået 215 trin. Efterhånden som chipfremstilling kommer ind i 14nm, 10nm og endnu højere noder, vil antallet af renseprocesser fortsætte med at stige, som vist i figur 2.
1 Introduktion til halvlederrensningsproces
Rengøringsproces refererer til processen med at fjerne urenheder på overfladen af waferen gennem kemisk behandling, gas og fysiske metoder. I halvlederfremstillingsprocessen kan urenheder såsom partikler, metaller, organisk materiale og naturligt oxidlag på overfladen af waferen påvirke ydeevnen, pålideligheden og jævnt udbytte af halvlederenheden [6-8].
Renseprocessen kan siges at være en bro mellem de forskellige waferfremstillingsprocesser. For eksempel bruges renseprocessen før belægningsprocessen, før fotolitografiprocessen, efter ætseprocessen, efter den mekaniske slibeproces og endda efter ionimplantationsprocessen. Renseprocessen kan groft opdeles i to typer, nemlig vådrensning og kemisk rensning.
1.1 Våd rengøring
Vådrensning er at bruge kemiske opløsningsmidler eller deioniseret vand til at rense waferen. I henhold til procesmetoden kan vådrensning opdeles i to typer: nedsænkningsmetode og sprøjtemetode, som vist på figur 3. Nedsænkningsmetoden er at nedsænke waferen i en beholdertank fyldt med kemiske opløsningsmidler eller deioniseret vand. Nedsænkningsmetoden er en meget brugt metode, især for nogle relativt modne noder. Sprøjtemetoden er at sprøjte kemiske opløsningsmidler eller deioniseret vand på den roterende wafer for at fjerne urenheder. Nedsænkningsmetoden kan behandle flere wafere på samme tid, mens sprøjtemetoden kun kan behandle en wafer ad gangen i et operationskammer. Med teknologiens udvikling bliver kravene til rengøringsteknologien højere og højere, og brugen af sprøjtemetoden bliver mere og mere udbredt.
1.2 Kemisk rensning
Som navnet antyder, er renseri en proces, der ikke bruger kemiske opløsningsmidler eller deioniseret vand, men bruger gas eller plasma til rengøring. Med den kontinuerlige udvikling af teknologiknudepunkter bliver kravene til rengøringsprocesser højere og højere [9-10], og andelen af brug er også stigende. Spildvæsken, der genereres ved våd rengøring, er også stigende. Sammenlignet med våd rengøring har kemisk rensning høje investeringsomkostninger, kompleks udstyrsdrift og strengere rengøringsbetingelser. Men til fjernelse af noget organisk materiale og nitrider og oxider har kemisk rensning højere præcision og fremragende resultater.
2 Vådrensningsteknologi i halvlederfremstilling Ifølge de forskellige komponenter i rensevæsken er den almindeligt anvendte vådrensningsteknologi i halvlederfremstilling vist i tabel 1.
2.1 DIW rengøringsteknologi
I vådrensningsprocessen ved fremstilling af halvledere er den mest almindeligt anvendte rensevæske deioniseret vand (DIW). Vand indeholder ledende anioner og kationer. Deioniseret vand fjerner de ledende ioner i vand, hvilket gør vandet stort set ikke-ledende. Ved halvlederfremstilling er det absolut ikke tilladt at bruge råvand direkte. På den ene side vil kationerne og ionerne i råvandet forurene waferens enhedsstruktur, og på den anden side kan det få enhedens ydeevne til at afvige. For eksempel kan råvandet reagere med materialet på overfladen af waferen for at korrodere eller danne batterikorrosion med nogle metaller på waferen og kan også forårsage en direkte ændring i waferens overfladeresistivitet, hvilket resulterer i en betydelig fald i waferens udbytte eller endda direkte skrotning. I vådrensningsprocessen ved fremstilling af halvledere er der to hovedanvendelser af DIW.
(1) Brug kun DIW til at rense waferoverfladen. Der findes forskellige former såsom ruller, børster eller dyser, og hovedformålet er at rense nogle urenheder på waferoverfladen. I den avancerede halvlederfremstillingsproces er rensemetoden næsten altid en enkelt wafer-metode, det vil sige, at kun én wafer kan renses i et kammer på samme tid. Metoden til at rense en enkelt wafer er også introduceret ovenfor. Den anvendte rengøringsmetode er spin-spray-metoden. Under waferens rotation renses waferens overflade af ruller, børster, dyser osv. I denne proces vil waferen gnide mod luften og derved generere statisk elektricitet. Statisk elektricitet kan forårsage defekter på waferoverfladen eller direkte forårsage enhedsfejl. Jo højere halvlederteknologisknudepunktet er, desto højere er kravene til håndtering af defekter. Derfor er dens proceskrav højere i DIW vådrensningsprocessen for avanceret halvlederfremstilling. DIW er grundlæggende ikke-ledende, og den statiske elektricitet, der genereres under rengøringsprocessen, kan ikke frigives godt. Derfor blandes kuldioxidgas (CO2) normalt i DIW for at øge ledningsevnen uden at forurene waferen i avancerede halvlederfremstillingsprocesser. På grund af forskellige proceskrav blandes ammoniakgas (NH3) i DIW i nogle få tilfælde.
(2) Rengør den resterende rengøringsvæske på waferoverfladen. Når du bruger andre rensevæsker til at rense waferoverfladen, efter at rensevæsken er brugt, da waferen roterer, selvom det meste af rensevæsken er blevet smidt ud, vil der stadig være en lille mængde rensevæske tilbage på waferoverfladen, og DIW er nødvendig for at rense waferoverfladen. Hovedfunktionen af DIW her er at rense den resterende rensevæske på waferoverfladen. Brug af rensevæske til at rense waferens overflade betyder ikke, at disse rensevæsker aldrig vil korrodere waferen, men deres ætsningshastighed er ret lav, og kortvarig rengøring vil ikke påvirke waferen. Men hvis den resterende rensevæske ikke kan fjernes effektivt, og den resterende rensevæske får lov til at forblive på waferoverfladen i lang tid, vil den stadig korrodere waferoverfladen. Derudover, selvom rengøringsopløsningen korroderer meget lidt, er den resterende rengøringsopløsning i waferen stadig overflødig, hvilket sandsynligvis vil påvirke enhedens endelige ydeevne. Derfor, efter rengøring af waferen med renseopløsningen, skal du sørge for at bruge DIW til at rense den resterende rengøringsopløsning i tide.
2.2 HF renseteknologi
Som vi alle ved, raffineres sand til en kerne. Chippen er dannet af utallige udskæringer på en enkelt krystal siliciumwafer. Hovedkomponenten på chippen er enkeltkrystal silicium. Den mest direkte og effektive måde at rense det naturlige oxidlag (SiO2), der dannes på overfladen af enkeltkrystal silicium, er at bruge HF (flussyre) til at rense. Derfor kan det siges, at HF-rengøring er renseteknologien næst efter DIW. HF-rensning kan effektivt fjerne det naturlige oxidlag på overfladen af enkeltkrystalsilicium, og metallet, der er fastgjort til overfladen af det naturlige oxidlag, vil også opløses i rengøringsopløsningen. Samtidig kan HF også effektivt hæmme dannelsen af naturlig oxidfilm. Derfor kan HF-renseteknologi fjerne nogle metalioner, naturligt oxidlag og nogle urenhedspartikler. HF renseteknologi har dog også nogle uundgåelige problemer. For eksempel, mens det naturlige oxidlag på overfladen af siliciumwaferen fjernes, vil der efterlades nogle små huller på overfladen af siliciumwaferen efter at være blevet korroderet, hvilket direkte påvirker ruheden af waferens overflade. Derudover vil HF samtidig med at overfladeoxidfilmen fjernes også fjerne nogle metaller, men nogle metaller ønsker ikke at blive korroderet af HF. Med den kontinuerlige udvikling af halvlederteknologisknuder bliver kravene til, at disse metaller ikke korroderes af HF, højere og højere, hvilket resulterer i, at HF-rensningsteknologien ikke kan bruges på steder, hvor den kunne have været brugt. Samtidig fjernes nogle metaller, der kommer ind i renseopløsningen og klæber til overfladen af siliciumwaferen, da den naturlige oxidfilm opløses, ikke let af HF, hvilket resulterer i, at de forbliver på overfladen af siliciumwaferen. Som svar på de ovennævnte problemer er nogle forbedrede metoder blevet foreslået. For eksempel fortynd HF så meget som muligt for at reducere koncentrationen af HF; tilføje oxidant til HF, kan denne metode effektivt fjerne metallet, der er fastgjort til overfladen af det naturlige oxidlag, og oxidanten vil oxidere metallet på overfladen for at danne oxider, som er nemmere at fjerne under sure forhold. Samtidig vil HF fjerne det tidligere naturlige oxidlag, og oxidanten vil oxidere enkeltkrystalsiliciumet på overfladen for at danne et nyt oxidlag for at forhindre metallet i at binde sig til overfladen af enkeltkrystalsilicium; tilsæt anionisk overfladeaktivt middel til HF, således at overfladen af enkeltkrystalsilicium i HF-renseopløsningen er negativt potentiale, og overfladen af partiklen er positivt potentiale. Tilsætning af anionisk overfladeaktivt middel kan få potentialet for siliciumoverfladen og partikeloverfladen til at have samme fortegn, det vil sige, at partiklens overfladepotentiale ændres fra positiv til negativ, hvilket er det samme tegn som det negative potentiale for siliciumwaferoverfladen, således at den elektriske frastødning genereres mellem siliciumwaferoverfladen og partikeloverfladen, hvorved fastgørelsen af partikler forhindres; tilsæt kompleksdannende middel til HF-rengøringsopløsningen for at danne et kompleks med urenheder, som er direkte opløst i rengøringsopløsningen og ikke vil hæfte til siliciumwaferoverfladen.
2.3 SC1 renseteknologi
SC1 renseteknologi er den mest almindelige, billige og højeffektive rengøringsmetode til at fjerne forurening fra waferoverfladen. SC1 renseteknologi kan fjerne organisk stof, nogle metalioner og nogle overfladepartikler på samme tid. Princippet for SC1 til at fjerne organisk materiale er at bruge den oxiderende virkning af hydrogenperoxid og den opløsende effekt af NH4OH til at omdanne organisk forurening til vandopløselige forbindelser og derefter udlede dem med opløsningen. På grund af dens oxiderende og kompleksdannende egenskaber kan SC1-opløsning oxidere nogle metalioner, omdanne disse metalioner til højvalente ioner og derefter reagere yderligere med alkali for at danne opløselige komplekser, der udledes med opløsningen. Nogle metaller har dog høj fri energi af oxider genereret efter oxidation, som er nemme at klæbe til oxidfilmen på waferoverfladen (fordi SC1-opløsning har visse oxiderende egenskaber og vil danne en oxidfilm på waferoverfladen), så de er ikke let at blive fjernet, såsom metaller som Al og Fe. Når metalioner fjernes, vil hastigheden af metaladsorption og -desorption på waferoverfladen til sidst nå en balance. Derfor bruges rensevæsken i avancerede fremstillingsprocesser én gang til processer, der har høje krav til metalioner. Det aflades direkte efter brug og vil ikke blive brugt igen. Formålet er at reducere metalindholdet i rensevæsken for at vaske metallet væk på waferoverfladen så meget som muligt. SC1 renseteknologi kan også effektivt fjerne overfladepartikelforurening, og hovedmekanismen er elektrisk frastødning. I denne proces kan der udføres ultralyds- og megalydsrensning for at opnå bedre rengøringseffekter. SC1 renseteknologi vil have en væsentlig indflydelse på waferens overfladeruhed. For at reducere SC1-renseteknologiens indvirkning på waferens overfladeruhed er det nødvendigt at formulere et passende forhold mellem rensevæskekomponenter. Samtidig kan brugen af rensevæske med lav overfladespænding stabilisere partikelfjernelseshastigheden, opretholde en høj fjernelseseffektivitet og reducere indvirkningen på waferens overfladeruhed. Tilsætning af overfladeaktive stoffer til SC1 rensevæske kan reducere overfladespændingen af rensevæsken. Derudover kan tilsætning af chelateringsmidler til SC1 rensevæske få metallet i rensevæsken til kontinuerligt at danne chelater, hvilket er gavnligt for at hæmme overfladeadhæsionen af metaller.
2.4 SC2 renseteknologi
SC2 renseteknologi er også en billig vådrensningsteknologi med god forureningsfjernelsesevne. SC2 har ekstremt stærke kompleksdannende egenskaber og kan reagere med metaller før oxidation for at danne salte, som fjernes med renseopløsningen. De opløselige komplekser dannet ved reaktionen af oxiderede metalioner med chloridioner vil også blive fjernet med renseopløsningen. Det kan siges, at under forudsætning af ikke at påvirke waferen, komplementerer SC1 renseteknologi og SC2 renseteknologi hinanden. Metaladhæsionsfænomenet i rengøringsopløsningen er let at opstå i alkalisk rengøringsopløsning (det vil sige SC1 rengøringsopløsning), og det er ikke let at opstå i sur opløsning (SC2 rengøringsopløsning), og det har en stærk evne til at fjerne metaller på waferoverfladen. Men selvom metaller som Cu kan fjernes efter SC1-rensning, er nogle metaladhæsionsproblemer af den naturlige oxidfilm dannet på waferoverfladen ikke løst, og den er ikke egnet til SC2-rensningsteknologi.
2.5 O3 renseteknologi
I spånfremstillingsprocessen bruges O3 renseteknologi hovedsageligt til at fjerne organisk materiale og desinficere DIW. O3-rensning involverer altid oxidation. Generelt kan O3 bruges til at fjerne noget organisk materiale, men på grund af oxidationen af O3 vil der ske genaflejring på waferoverfladen. Derfor bruges HF generelt i processen med at bruge O3. Derudover kan processen med at bruge HF med O3 også fjerne nogle metalioner. Det skal bemærkes, at højere temperaturer generelt er gavnlige til at fjerne organisk materiale, partikler og endda metalioner. Men ved brug af O3 renseteknologi vil mængden af O3 opløst i DIW falde, når temperaturen stiger. Med andre ord vil koncentrationen af O3 opløst i DIW falde i takt med at temperaturen stiger. Derfor er det nødvendigt at optimere O3-procesdetaljerne for at maksimere rengøringseffektiviteten. I halvlederfremstilling kan O3 også bruges til at desinficere DIW, primært fordi de stoffer, der bruges til at rense drikkevandet, generelt indeholder klor, hvilket er uacceptabelt inden for spånfremstilling. En anden grund er, at O3 vil nedbrydes til ilt og ikke vil forurene DIW-systemet. Det er dog nødvendigt at kontrollere iltindholdet i DIW, som ikke kan være højere end kravene til brug i halvlederfremstilling. 2.6 Rengøringsteknologi for organiske opløsningsmidler I halvlederfremstillingsprocessen er nogle specielle processer ofte involveret. I mange tilfælde kan metoderne introduceret ovenfor ikke anvendes, fordi rengøringseffektiviteten ikke er tilstrækkelig, nogle komponenter, der ikke kan vaskes væk, er ætset, og oxidfilm kan ikke dannes. Derfor bruges nogle organiske opløsningsmidler også til at opnå formålet med rengøring.
3 Konklusion
I halvlederfremstillingsprocessen er renseprocessen den proces med flest gentagelser. Brugen af passende renseteknologi kan i høj grad forbedre udbyttet af spånfremstilling. Med den store størrelse af siliciumwafers og miniaturiseringen af enhedsstrukturer stiger stabledensitetsindekset, og kravene til waferrensningsteknologi bliver højere og højere. Der er strengere krav til waferoverfladens renhed, overfladens kemiske tilstand, ruheden og tykkelsen af oxidfilmen. Baseret på moden procesteknologi introducerer denne artikel waferrensningsteknologien i avanceret waferfremstilling og rengøringsprincipperne for forskellige rengøringsprocesser. Fra et perspektiv af økonomi og miljøbeskyttelse kan forbedring af waferrensningsprocesteknologi bedre opfylde behovene for avanceret waferfremstilling.