Sammendrag: Ettersom størrelsen på transistorer fortsetter å krympe, blir produksjonsprosessen for wafer stadig mer kompleks, og kravene til halvledervåtrenseteknologi blir høyere og høyere. Basert på tradisjonell halvlederrenseteknologi introduserer denne artikkelen waferrenseteknologien i avansert halvlederproduksjon og renseprinsippene for ulike renseprosesser. Fra et perspektiv av økonomi og miljøvern, kan forbedring av wafer-renseprosessteknologi bedre møte behovene til avansert wafer-produksjon.
0 Introduksjon Renseprosessen er en viktig kobling gjennom hele produksjonsprosessen for halvledere og er en av de viktige faktorene som påvirker ytelsen og ytelsen til halvlederenheter. I brikkeproduksjonsprosessen kan enhver forurensning påvirke ytelsen til halvlederenheter og til og med forårsake feil [1-2]. Derfor er det nødvendig med en renseprosess før og etter nesten hver prosess i brikkefremstilling for å fjerne overflateforurensninger og sikre renheten til waferoverflaten, som vist i figur 1. Renseprosessen er prosessen med høyest andel i brikkefremstillingsprosessen , som står for omtrent 30 % av alle chipproduksjonsprosesser.
Med utviklingen av ultra-storskala integrerte kretser, har brikkeprosessnoder gått inn i 28nm, 14nm og enda mer avanserte noder, integrasjonen har fortsatt å øke, linjebredden har fortsatt å avta, og prosessflyten har blitt mer kompleks [ 3]. Avansert produksjon av nodebrikker er mer følsom for forurensning, og forurensningsrengjøring under forhold med små størrelser er vanskeligere, noe som fører til en økning i renseprosesstrinn, noe som gjør renseprosessen mer kompleks, viktigere og mer utfordrende [4-5] . Renseprosessen for 90nm-brikker er omtrent 90 trinn, og renseprosessen for 20nm-brikker har nådd 215 trinn. Når brikkeproduksjonen går inn i 14nm, 10nm og enda høyere noder, vil antallet renseprosesser fortsette å øke, som vist i figur 2.
1 Introduksjon til halvlederrenseprosess
Rengjøringsprosess refererer til prosessen med å fjerne urenheter på overflaten av waferen gjennom kjemisk behandling, gass og fysiske metoder. I halvlederproduksjonsprosessen kan urenheter som partikler, metaller, organisk materiale og naturlig oksidlag på overflaten av waferen påvirke ytelsen, påliteligheten og jevnt utbytte til halvlederenheten [6-8].
Renseprosessen kan sies å være en bro mellom de ulike produksjonsprosessene for wafer. For eksempel brukes renseprosessen før belegningsprosessen, før fotolitografiprosessen, etter etseprosessen, etter den mekaniske slipeprosessen, og til og med etter ioneimplantasjonsprosessen. Renseprosessen kan grovt deles inn i to typer, nemlig våtrengjøring og tørrens.
1.1 Våtrengjøring
Våtrengjøring er å bruke kjemiske løsemidler eller avionisert vann for å rense waferen. I henhold til prosessmetoden kan våtrengjøring deles inn i to typer: nedsenkingsmetode og sprøytemetode, som vist i figur 3. Nedsenkingsmetoden er å senke waferen i en beholdertank fylt med kjemiske løsemidler eller avionisert vann. Nedsenkingsmetoden er en mye brukt metode, spesielt for noen relativt modne noder. Sprøytemetoden er å spraye kjemiske løsemidler eller avionisert vann på den roterende skiven for å fjerne urenheter. Nedsenkingsmetoden kan behandle flere wafere samtidig, mens sprøytemetoden kun kan behandle en wafer om gangen i ett operasjonskammer. Med teknologiutviklingen blir kravene til renseteknologi høyere og høyere, og bruken av sprøytemetoden blir mer og mer utbredt.
1.2 Rensing
Som navnet tilsier, er renseri en prosess som ikke bruker kjemiske løsemidler eller avionisert vann, men bruker gass eller plasma til rengjøring. Med den kontinuerlige utviklingen av teknologinoder blir kravene til renseprosesser høyere og høyere [9-10], og andelen bruk øker også. Avfallsvæsken som genereres ved våtrengjøring øker også. Sammenlignet med våtrengjøring har renseri høye investeringskostnader, kompleks utstyrsdrift og strengere rengjøringsbetingelser. For fjerning av noe organisk materiale og nitrider og oksider har imidlertid renseri høyere presisjon og utmerkede resultater.
2 Våtrenseteknologi i halvlederproduksjon I henhold til de forskjellige komponentene i rensevæsken er den vanlig brukte våtrengjøringsteknologien i halvlederproduksjon vist i tabell 1.
2.1 DIW renseteknologi
I våtrengjøringsprosessen til halvlederproduksjon er den mest brukte rensevæsken avionisert vann (DIW). Vann inneholder ledende anioner og kationer. Avionisert vann fjerner de ledende ionene i vann, noe som gjør vannet i utgangspunktet ikke-ledende. I halvlederproduksjon er det absolutt ikke tillatt å bruke råvann direkte. På den ene siden vil kationene og ionene i råvannet forurense enhetsstrukturen til waferen, og på den annen side kan det føre til at ytelsen til enheten avviker. For eksempel kan råvannet reagere med materialet på overflaten av waferen for å korrodere, eller danne batterikorrosjon med noen metaller på waferen, og kan også forårsake en direkte endring i overflateresistiviteten til waferen, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i utbyttet av waferen eller til og med direkte skraping. I våtrengjøringsprosessen for halvlederproduksjon er det to hovedanvendelser av DIW.
(1) Bruk kun DIW til å rengjøre waferoverflaten. Det finnes forskjellige former som ruller, børster eller dyser, og hovedformålet er å rense noen urenheter på waferoverflaten. I den avanserte halvlederproduksjonsprosessen er rengjøringsmetoden nesten alltid en enkelt wafer-metode, det vil si at bare én wafer kan rengjøres i et kammer samtidig. Metoden for rengjøring av en enkelt wafer er også introdusert ovenfor. Rengjøringsmetoden som brukes er spinnspraymetoden. Under rotasjonen av waferen blir overflaten av waferen rengjort av ruller, børster, dyser osv. I denne prosessen vil waferen gni mot luften og derved generere statisk elektrisitet. Statisk elektrisitet kan forårsake defekter på waferoverflaten eller direkte forårsake enhetsfeil. Jo høyere halvlederteknologinoden er, desto høyere er kravene til håndtering av feil. Derfor, i DIW våtrengjøringsprosessen for avansert halvlederproduksjon, er prosesskravene høyere. DIW er i utgangspunktet ikke-ledende, og den statiske elektrisiteten som genereres under renseprosessen kan ikke frigjøres godt. Derfor, i avanserte halvlederproduksjonsprosessnoder, for å øke ledningsevnen uten å forurense waferen, blandes vanligvis karbondioksidgass (CO2) inn i DIW. På grunn av ulike prosesskrav blir ammoniakkgass (NH3) blandet inn i DIW i noen få tilfeller.
(2) Rengjør den gjenværende rengjøringsvæsken på waferoverflaten. Når du bruker andre rengjøringsvæsker for å rengjøre waferoverflaten, etter at rengjøringsvæsken er brukt, ettersom waferen roterer, selv om det meste av rensevæsken har blitt kastet ut, vil det fortsatt være en liten mengde rengjøringsvæske igjen på waferoverflaten, og DIW er nødvendig for å rengjøre waferoverflaten. Hovedfunksjonen til DIW her er å rense den gjenværende rengjøringsvæsken på waferoverflaten. Bruk av rensevæske for å rengjøre waferoverflaten betyr ikke at disse rensevæskene aldri vil korrodere waferen, men etsningshastigheten deres er ganske lav, og kortvarig rengjøring vil ikke påvirke waferen. Imidlertid, hvis den gjenværende rengjøringsvæsken ikke kan fjernes effektivt og den gjenværende rengjøringsvæsken tillates å forbli på waferoverflaten i lang tid, vil den fortsatt korrodere waferoverflaten. I tillegg, selv om rengjøringsløsningen korroderer svært lite, er den gjenværende rengjøringsløsningen i waferen fortsatt overflødig, noe som sannsynligvis vil påvirke den endelige ytelsen til enheten. Derfor, etter rengjøring av waferen med rengjøringsløsningen, sørg for å bruke DIW for å rengjøre den gjenværende rengjøringsløsningen i tide.
2.2 HF renseteknologi
Som vi alle vet, blir sand raffinert til en kjerne. Brikken er dannet av utallige utskjæringer på en enkelt krystall silisiumskive. Hovedkomponenten på brikken er enkeltkrystall silisium. Den mest direkte og effektive måten å rense det naturlige oksidlaget (SiO2) som dannes på overflaten av enkrystall silisium er å bruke HF (fluorsyre) til å rengjøre. Derfor kan det sies at HF-rengjøring er renseteknologien nest etter DIW. HF-rengjøring kan effektivt fjerne det naturlige oksidlaget på overflaten av enkeltkrystall silisium, og metallet festet til overflaten av det naturlige oksidlaget vil også oppløses i rengjøringsløsningen. Samtidig kan HF også effektivt hemme dannelsen av naturlig oksidfilm. Derfor kan HF-renseteknologi fjerne noen metallioner, naturlig oksidlag og noen urenhetspartikler. HF-renseteknologi har imidlertid også noen uunngåelige problemer. For eksempel, mens du fjerner det naturlige oksidlaget på overflaten av silisiumplaten, vil noen små groper bli igjen på overflaten av silisiumplaten etter å ha blitt korrodert, noe som direkte påvirker ruheten til waferoverflaten. I tillegg, mens du fjerner overflateoksidfilmen, vil HF også fjerne noen metaller, men noen metaller ønsker ikke å bli korrodert av HF. Med den kontinuerlige utviklingen av halvlederteknologinoder, blir kravene for at disse metallene ikke skal korroderes av HF høyere og høyere, noe som resulterer i at HF-renseteknologien ikke kan brukes på steder der den kunne vært brukt. Samtidig blir noen metaller som kommer inn i rengjøringsløsningen og fester seg til overflaten av silisiumplaten når den naturlige oksidfilmen løses opp, ikke lett fjernet av HF, noe som resulterer i at de forblir på overflaten av silisiumplaten. Som svar på problemene ovenfor har noen forbedrede metoder blitt foreslått. For eksempel, fortynn HF så mye som mulig for å redusere konsentrasjonen av HF; tilsett oksidant til HF, kan denne metoden effektivt fjerne metallet festet til overflaten av det naturlige oksidlaget, og oksidanten vil oksidere metallet på overflaten for å danne oksider, som er lettere å fjerne under sure forhold. Samtidig vil HF fjerne det forrige naturlige oksidlaget, og oksidasjonsmidlet vil oksidere enkeltkrystallsilisiumet på overflaten for å danne et nytt oksidlag for å forhindre at metallet fester seg til overflaten av enkeltkrystallsilisiumet; tilsett anionisk overflateaktivt middel til HF, slik at overflaten av enkeltkrystallsilisiumet i HF-renseløsningen er negativt potensial, og overflaten til partikkelen er positivt potensial. Tilsetning av anionisk overflateaktivt middel kan få potensialet til silisiumoverflaten og partikkeloverflaten til å ha samme tegn, det vil si at overflatepotensialet til partikkelen endres fra positivt til negativt, som er det samme tegnet som det negative potensialet til silisiumwaferoverflaten, slik at den elektriske frastøtningen genereres mellom silisiumplateoverflaten og partikkeloverflaten, og forhindrer derved festing av partikler; tilsett kompleksdannende middel til HF-rengjøringsløsningen for å danne et kompleks med urenheter, som er direkte oppløst i rengjøringsløsningen og ikke vil feste seg til silisiumplatens overflate.
2.3 SC1 renseteknologi
SC1 renseteknologi er den vanligste, rimelige og høyeffektive rengjøringsmetoden for å fjerne forurensning fra waferoverflaten. SC1 renseteknologi kan fjerne organisk materiale, noen metallioner og noen overflatepartikler samtidig. Prinsippet til SC1 for å fjerne organisk materiale er å bruke den oksiderende effekten av hydrogenperoksid og den oppløsende effekten av NH4OH for å gjøre organisk forurensning til vannløselige forbindelser, og deretter tømme dem med løsningen. På grunn av dens oksiderende og kompleksdannende egenskaper, kan SC1-løsning oksidere noen metallioner, gjøre disse metallionene til høyverdige ioner, og deretter reagere videre med alkali for å danne løselige komplekser som slippes ut med løsningen. Noen metaller har imidlertid høy fri energi av oksider generert etter oksidasjon, som er lette å feste til oksidfilmen på waferoverflaten (fordi SC1-løsning har visse oksiderende egenskaper og vil danne en oksidfilm på waferoverflaten), så de er ikke lett å bli fjernet, slik som metaller som Al og Fe. Ved fjerning av metallioner vil hastigheten på metalladsorpsjon og desorpsjon på waferoverflaten til slutt nå en balanse. Derfor, i avanserte produksjonsprosesser, brukes rensevæsken én gang til prosesser som har høye krav til metallioner. Den utlades direkte etter bruk og vil ikke brukes igjen. Hensikten er å redusere metallinnholdet i rensevæsken for å vaske bort metallet på waferoverflaten så mye som mulig. SC1 renseteknologi kan også effektivt fjerne overflatepartikkelforurensning, og hovedmekanismen er elektrisk frastøtning. I denne prosessen kan ultralyd og megasonisk rengjøring utføres for å oppnå bedre rengjøringseffekter. SC1 renseteknologi vil ha en betydelig innvirkning på overflateruheten til waferen. For å redusere innvirkningen av SC1-renseteknologi på overflateruheten til waferen, er det nødvendig å formulere et passende forhold for rengjøringsvæskekomponenter. Samtidig kan bruk av rensevæske med lav overflatespenning stabilisere partikkelfjerningshastigheten, opprettholde en høy fjerningseffektivitet og redusere innvirkningen på overflateruheten til waferen. Tilsetning av overflateaktive stoffer til SC1 rensevæske kan redusere overflatespenningen til rengjøringsvæsken. I tillegg kan tilsetning av chelateringsmidler til SC1-rensevæsken føre til at metallet i rensevæsken kontinuerlig danner chelater, noe som er gunstig for å hemme overflateadhesjonen til metaller.
2.4 SC2 renseteknologi
SC2 renseteknologi er også en rimelig våtrengjøringsteknologi med god forurensningsfjerningsevne. SC2 har ekstremt sterke kompleksdannende egenskaper og kan reagere med metaller før oksidering for å danne salter, som fjernes med rengjøringsløsningen. De løselige kompleksene som dannes ved reaksjonen av oksiderte metallioner med kloridioner vil også bli fjernet med renseløsningen. Det kan sies at under forutsetning av ikke å påvirke waferen, utfyller SC1 renseteknologi og SC2 renseteknologi hverandre. Metalladhesjonsfenomenet i rengjøringsløsningen er lett å oppstå i alkalisk rengjøringsløsning (det vil si SC1 rengjøringsløsning), og det er ikke lett å oppstå i sur løsning (SC2 rengjøringsløsning), og det har en sterk evne til å fjerne metaller på waferoverflaten. Men selv om metaller som Cu kan fjernes etter SC1-rengjøring, har noen metalladhesjonsproblemer av den naturlige oksidfilmen som dannes på waferoverflaten ikke blitt løst, og den er ikke egnet for SC2-renseteknologi.
2.5 O3 renseteknologi
I chipproduksjonsprosessen brukes O3 renseteknologi hovedsakelig for å fjerne organisk materiale og desinfisere DIW. O3-rengjøring innebærer alltid oksidasjon. Generelt sett kan O3 brukes til å fjerne noe organisk materiale, men på grunn av oksidasjonen av O3 vil gjenavsetning skje på waferoverflaten. Derfor brukes HF generelt i prosessen med å bruke O3. I tillegg kan prosessen med å bruke HF med O3 også fjerne noen metallioner. Det skal bemerkes at høyere temperaturer generelt er fordelaktige for å fjerne organisk materiale, partikler og til og med metallioner. Ved bruk av O3-renseteknologi vil imidlertid mengden O3 som er oppløst i DIW reduseres etter hvert som temperaturen øker. Konsentrasjonen av O3 oppløst i DIW vil med andre ord avta når temperaturen øker. Derfor er det nødvendig å optimalisere O3-prosessdetaljene for å maksimere rengjøringseffektiviteten. I halvlederproduksjon kan O3 også brukes til å desinfisere DIW, hovedsakelig fordi stoffene som brukes til å rense drikkevann generelt inneholder klor, noe som er uakseptabelt innen brikkefremstilling. En annen grunn er at O3 vil dekomponere til oksygen og ikke vil forurense DIW-systemet. Det er imidlertid nødvendig å kontrollere oksygeninnholdet i DIW, som ikke kan være høyere enn kravene til bruk i halvlederproduksjon. 2.6 Renseteknologi for organiske løsemidler I halvlederfremstillingsprosessen er det ofte noen spesielle prosesser involvert. I mange tilfeller kan metodene introdusert ovenfor ikke brukes fordi rengjøringseffektiviteten ikke er nok, noen komponenter som ikke kan vaskes bort blir etset, og oksidfilmer kan ikke genereres. Derfor brukes også noen organiske løsemidler for å oppnå formålet med rengjøring.
3 Konklusjon
I halvlederproduksjonsprosessen er renseprosessen prosessen med flest repetisjoner. Bruk av passende renseteknologi kan i stor grad forbedre utbyttet av chipproduksjon. Med den store størrelsen på silisiumskiver og miniatyrisering av enhetsstrukturer, øker stabletetthetsindeksen, og kravene til waferrenseteknologi blir høyere og høyere. Det er strengere krav til renheten til waferoverflaten, den kjemiske tilstanden til overflaten, ruheten og tykkelsen på oksidfilmen. Basert på moden prosessteknologi, introduserer denne artikkelen wafer-renseteknologien i avansert wafer-produksjon og rengjøringsprinsippene for ulike rengjøringsprosesser. Fra et perspektiv av økonomi og miljøvern, kan forbedring av wafer-renseprosessteknologi bedre møte behovene til avansert wafer-produksjon.