Samenvatting: Naarmate de omvang van transistors blijft krimpen, wordt het waferproductieproces steeds complexer en worden de vereisten voor natte reinigingstechnologie voor halfgeleiders steeds hoger. Gebaseerd op traditionele reinigingstechnologie voor halfgeleiders, introduceert dit artikel de waferreinigingstechnologie in geavanceerde halfgeleiderproductie en de reinigingsprincipes van verschillende reinigingsprocessen. Vanuit het perspectief van economie en milieubescherming kan het verbeteren van de waferreinigingsprocestechnologie beter voldoen aan de behoeften van geavanceerde waferproductie.
0 Inleiding Het reinigingsproces is een belangrijke schakel in het gehele halfgeleiderproductieproces en is een van de belangrijke factoren die de prestaties en opbrengst van halfgeleiderapparaten beïnvloeden. In het chipproductieproces kan elke verontreiniging de prestaties van halfgeleiderapparaten beïnvloeden en zelfs tot storingen leiden [1-2]. Daarom is er voor en na bijna elk proces in de chipproductie een reinigingsproces vereist om oppervlakteverontreinigingen te verwijderen en de reinheid van het waferoppervlak te garanderen, zoals weergegeven in Afbeelding 1. Het reinigingsproces is het proces met het hoogste aandeel in het chipproductieproces en is goed voor ongeveer 30% van alle chipproductieprocessen.
Met de ontwikkeling van ultra-grootschalige geïntegreerde schakelingen zijn chipprocesknooppunten 28nm, 14nm en zelfs geavanceerdere knooppunten binnengegaan, is de integratie blijven toenemen, is de lijnbreedte blijven afnemen en is de processtroom complexer geworden [3]. Geavanceerde knooppuntchipproductie is gevoeliger voor verontreiniging en het reinigen van verontreinigingen onder kleine omstandigheden is moeilijker, wat leidt tot een toename van het aantal reinigingsprocesstappen, waardoor het reinigingsproces complexer, belangrijker en uitdagender wordt [4-5]. Het reinigingsproces voor 90nm-chips is ongeveer 90 stappen en het reinigingsproces voor 20nm-chips heeft 215 stappen bereikt. Naarmate de chipproductie 14nm, 10nm en zelfs hogere knooppunten binnengaat, zal het aantal reinigingsprocessen blijven toenemen, zoals weergegeven in Afbeelding 2.
1 Inleiding tot het reinigingsproces van halfgeleiders
Reinigingsproces verwijst naar het proces van het verwijderen van onzuiverheden op het oppervlak van de wafer door middel van chemische behandeling, gas en fysieke methoden. In het halfgeleiderproductieproces kunnen onzuiverheden zoals deeltjes, metalen, organische materie en natuurlijke oxidelaag op het oppervlak van de wafer de prestaties, betrouwbaarheid en zelfs opbrengst van het halfgeleiderapparaat beïnvloeden [6-8].
Het reinigingsproces kan worden beschouwd als een brug tussen de verschillende waferproductieprocessen. Het reinigingsproces wordt bijvoorbeeld gebruikt vóór het coatingproces, vóór het fotolithografieproces, na het etsproces, na het mechanische slijpproces en zelfs na het ionenimplantatieproces. Het reinigingsproces kan grofweg worden onderverdeeld in twee typen, namelijk nat reinigen en droog reinigen.
1.1 Nat reinigen
Nat reinigen is het gebruik van chemische oplosmiddelen of gedeïoniseerd water om de wafer te reinigen. Volgens de procesmethode kan nat reinigen worden onderverdeeld in twee typen: de onderdompelingsmethode en de sproeimethode, zoals weergegeven in Afbeelding 3. De onderdompelingsmethode is het onderdompelen van de wafer in een containertank gevuld met chemische oplosmiddelen of gedeïoniseerd water. De onderdompelingsmethode is een veelgebruikte methode, vooral voor sommige relatief volwassen knooppunten. De sproeimethode is het sproeien van chemische oplosmiddelen of gedeïoniseerd water op de roterende wafer om onzuiverheden te verwijderen. De onderdompelingsmethode kan meerdere wafers tegelijkertijd verwerken, terwijl de sproeimethode slechts één wafer tegelijk in één werkkamer kan verwerken. Met de ontwikkeling van technologie worden de eisen voor reinigingstechnologie steeds hoger en wordt het gebruik van de sproeimethode steeds wijdverbreider.
1.2 Chemisch reinigen
Zoals de naam al aangeeft, is chemisch reinigen een proces waarbij geen chemische oplosmiddelen of gedemineraliseerd water worden gebruikt, maar gas of plasma voor het reinigen. Met de voortdurende vooruitgang van technologische knooppunten worden de vereisten voor reinigingsprocessen steeds hoger [9-10], en neemt ook het gebruikspercentage toe. De afvalvloeistof die wordt gegenereerd door nat reinigen neemt ook toe. Vergeleken met nat reinigen heeft chemisch reinigen hoge investeringskosten, complexe apparatuurbediening en strengere reinigingsomstandigheden. Voor het verwijderen van sommige organische stoffen en nitriden en oxiden heeft chemisch reinigen echter een hogere precisie en uitstekende resultaten.
2 Natte reinigingstechnologie in de halfgeleiderproductie De meest gebruikte natte reinigingstechnologie in de halfgeleiderproductie wordt weergegeven in Tabel 1, gerangschikt op de verschillende componenten van de reinigingsvloeistof.
2.1 DIW-reinigingstechnologie
In het natte reinigingsproces van de halfgeleiderproductie is de meest gebruikte reinigingsvloeistof gedeïoniseerd water (DIW). Water bevat geleidende anionen en kationen. Gedeïoniseerd water verwijdert de geleidende ionen in water, waardoor het water in principe niet-geleidend is. In de halfgeleiderproductie is het absoluut niet toegestaan om ruw water rechtstreeks te gebruiken. Enerzijds zullen de kationen en ionen in het ruwe water de apparaatstructuur van de wafer verontreinigen, en anderzijds kan het ervoor zorgen dat de prestaties van het apparaat afwijken. Het ruwe water kan bijvoorbeeld reageren met het materiaal op het oppervlak van de wafer om te corroderen, of batterijcorrosie vormen met sommige metalen op de wafer, en kan ook een directe verandering in de oppervlakteweerstand van de wafer veroorzaken, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de opbrengst van de wafer of zelfs directe schroot. In het natte reinigingsproces van de halfgeleiderproductie zijn er twee hoofdtoepassingen van DIW.
(1) Gebruik DIW alleen om het waferoppervlak te reinigen. Er zijn verschillende vormen, zoals rollen, borstels of sproeiers, en het hoofddoel is om wat onzuiverheden op het waferoppervlak te reinigen. In het geavanceerde halfgeleiderproductieproces is de reinigingsmethode bijna altijd een enkele wafermethode, dat wil zeggen dat er maar één wafer tegelijk in een kamer kan worden gereinigd. De methode voor het reinigen van een enkele wafer is hierboven ook geïntroduceerd. De gebruikte reinigingsmethode is de spinspraymethode. Tijdens de rotatie van de wafer wordt het oppervlak van de wafer gereinigd door rollen, borstels, sproeiers, enz. In dit proces zal de wafer tegen de lucht wrijven, waardoor statische elektriciteit wordt gegenereerd. Statische elektriciteit kan defecten op het waferoppervlak veroorzaken of direct leiden tot apparaatstoringen. Hoe hoger het halfgeleidertechnologieknooppunt, hoe hoger de vereisten voor het behandelen van defecten. Daarom zijn de procesvereisten in het DIW-natte reinigingsproces van geavanceerde halfgeleiderproductie hoger. DIW is in principe niet-geleidend en de statische elektriciteit die tijdens het reinigingsproces wordt gegenereerd, kan niet goed worden vrijgegeven. Daarom wordt in geavanceerde halfgeleiderproductieprocesknooppunten, om de geleidbaarheid te verhogen zonder de wafer te verontreinigen, gewoonlijk koolstofdioxidegas (CO2) gemengd met DIW. Vanwege verschillende procesvereisten wordt in een paar gevallen ammoniakgas (NH3) gemengd met DIW.
(2) Reinig de resterende reinigingsvloeistof op het waferoppervlak. Wanneer u andere reinigingsvloeistoffen gebruikt om het waferoppervlak te reinigen, zal er, nadat de reinigingsvloeistof is gebruikt, terwijl de wafer draait, nog steeds een kleine hoeveelheid reinigingsvloeistof op het waferoppervlak achterblijven, hoewel het grootste deel van de reinigingsvloeistof is weggegooid, en is DIW nodig om het waferoppervlak te reinigen. De belangrijkste functie van DIW hier is om de resterende reinigingsvloeistof op het waferoppervlak te reinigen. Het gebruik van reinigingsvloeistof om het waferoppervlak te reinigen betekent niet dat deze reinigingsvloeistoffen de wafer nooit zullen corroderen, maar hun etssnelheid is vrij laag en kortdurende reiniging zal de wafer niet beïnvloeden. Als de resterende reinigingsvloeistof echter niet effectief kan worden verwijderd en de resterende reinigingsvloeistof lange tijd op het waferoppervlak mag blijven, zal het het waferoppervlak nog steeds corroderen. Bovendien is de resterende reinigingsoplossing in de wafer nog steeds overbodig, zelfs als de reinigingsoplossing heel weinig corrodeert, wat waarschijnlijk de uiteindelijke prestaties van het apparaat zal beïnvloeden. Zorg er daarom voor dat u na het reinigen van de wafer met de reinigingsoplossing tijdig DIW gebruikt om de resterende reinigingsoplossing te verwijderen.
2.2 HF-reinigingstechnologie
Zoals we allemaal weten, wordt zand verfijnd tot een kern. De chip wordt gevormd door talloze snijwerkjes op een monokristallijn siliciumwafer. Het hoofdbestanddeel op de chip is monokristallijn silicium. De meest directe en effectieve manier om de natuurlijke oxidelaag (SiO2) die op het oppervlak van monokristallijn silicium is gevormd, te reinigen, is door HF (waterstoffluoride) te gebruiken om te reinigen. Daarom kan worden gezegd dat HF-reiniging de reinigingstechnologie is die na DIW de tweede is. HF-reiniging kan de natuurlijke oxidelaag op het oppervlak van monokristallijn silicium effectief verwijderen en het metaal dat aan het oppervlak van de natuurlijke oxidelaag is bevestigd, zal ook oplossen in de reinigingsoplossing. Tegelijkertijd kan HF ook effectief de vorming van een natuurlijke oxidefilm remmen. Daarom kan HF-reinigingstechnologie enkele metaalionen, een natuurlijke oxidelaag en enkele onzuiverheidsdeeltjes verwijderen. HF-reinigingstechnologie heeft echter ook enkele onvermijdelijke problemen. Bijvoorbeeld, bij het verwijderen van de natuurlijke oxidelaag op het oppervlak van de siliciumwafer, zullen er enkele kleine putjes op het oppervlak van de siliciumwafer achterblijven na corrosie, wat direct van invloed is op de ruwheid van het waferoppervlak. Bovendien zal HF bij het verwijderen van de oppervlakteoxidefilm ook enkele metalen verwijderen, maar sommige metalen willen niet worden gecorrodeerd door HF. Met de voortdurende vooruitgang van halfgeleidertechnologieknooppunten worden de vereisten voor deze metalen om niet te worden gecorrodeerd door HF steeds hoger, wat resulteert in het niet kunnen gebruiken van de HF-reinigingstechnologie op plaatsen waar het had kunnen worden gebruikt. Tegelijkertijd worden sommige metalen die in de reinigingsoplossing terechtkomen en zich hechten aan het oppervlak van de siliciumwafer terwijl de natuurlijke oxidefilm oplost, niet gemakkelijk verwijderd door HF, wat resulteert in het achterblijven op het oppervlak van de siliciumwafer. Als reactie op de bovenstaande problemen zijn enkele verbeterde methoden voorgesteld. Bijvoorbeeld, verdun HF zoveel mogelijk om de concentratie van HF te verminderen; voeg oxidant toe aan HF, deze methode kan effectief het metaal verwijderen dat aan het oppervlak van de natuurlijke oxidelaag is gehecht, en de oxidant zal het metaal op het oppervlak oxideren om oxiden te vormen, die gemakkelijker te verwijderen zijn onder zure omstandigheden. Tegelijkertijd zal HF de vorige natuurlijke oxidelaag verwijderen, en de oxidant zal het monokristallijne silicium op het oppervlak oxideren om een nieuwe oxidelaag te vormen om te voorkomen dat het metaal zich hecht aan het oppervlak van het monokristallijne silicium; voeg anionische oppervlakteactieve stof toe aan HF, zodat het oppervlak van het monokristallijne silicium in de HF-reinigingsoplossing een negatief potentieel heeft, en het oppervlak van het deeltje een positief potentieel heeft. Het toevoegen van anionische oppervlakteactieve stof kan ervoor zorgen dat het potentieel van het siliciumoppervlak en het deeltjesoppervlak hetzelfde teken hebben, dat wil zeggen dat het oppervlaktepotentieel van het deeltje verandert van positief naar negatief, wat hetzelfde teken is als het negatieve potentieel van het siliciumwaferoppervlak, zodat de elektrische afstoting wordt gegenereerd tussen het siliciumwaferoppervlak en het deeltjesoppervlak, waardoor de hechting van deeltjes wordt voorkomen; Voeg een complexvormer toe aan de HF-reinigingsoplossing om een complex te vormen met onzuiverheden, dat direct in de reinigingsoplossing wordt opgelost en zich niet aan het siliciumwaferoppervlak hecht.
2.3 SC1-reinigingstechnologie
SC1-reinigingstechnologie is de meest voorkomende, goedkope en zeer efficiënte reinigingsmethode voor het verwijderen van verontreiniging van het waferoppervlak. SC1-reinigingstechnologie kan organisch materiaal, sommige metaalionen en sommige oppervlaktedeeltjes tegelijkertijd verwijderen. Het principe van SC1 om organisch materiaal te verwijderen, is om het oxiderende effect van waterstofperoxide en het oplossende effect van NH4OH te gebruiken om organische verontreiniging om te zetten in in water oplosbare verbindingen en deze vervolgens met de oplossing te ontladen. Vanwege zijn oxiderende en complexerende eigenschappen kan SC1-oplossing sommige metaalionen oxideren, deze metaalionen omzetten in hoogvalente ionen en vervolgens verder reageren met alkali om oplosbare complexen te vormen die met de oplossing worden ontladen. Sommige metalen hebben echter een hoge vrije energie van oxiden die na oxidatie worden gegenereerd, die zich gemakkelijk aan de oxidefilm op het waferoppervlak hechten (omdat SC1-oplossing bepaalde oxiderende eigenschappen heeft en een oxidefilm op het waferoppervlak zal vormen), dus ze zijn niet gemakkelijk te verwijderen, zoals metalen zoals Al en Fe. Bij het verwijderen van metaalionen zal de snelheid van metaaladsorptie en -desorptie op het waferoppervlak uiteindelijk een evenwicht bereiken. Daarom wordt de reinigingsvloeistof in geavanceerde productieprocessen eenmalig gebruikt voor processen met hoge eisen aan metaalionen. Deze wordt na gebruik direct afgevoerd en wordt niet opnieuw gebruikt. Het doel is om het metaalgehalte in de reinigingsvloeistof te verminderen om het metaal op het waferoppervlak zoveel mogelijk weg te spoelen. SC1-reinigingstechnologie kan ook effectief oppervlaktedeeltjesverontreiniging verwijderen en het belangrijkste mechanisme is elektrische afstoting. In dit proces kan ultrasone en megasone reiniging worden uitgevoerd om betere reinigingseffecten te verkrijgen. SC1-reinigingstechnologie zal een aanzienlijke impact hebben op de oppervlakteruwheid van de wafer. Om de impact van SC1-reinigingstechnologie op de oppervlakteruwheid van de wafer te verminderen, is het noodzakelijk om een geschikte reinigingsvloeistofcomponentverhouding te formuleren. Tegelijkertijd kan het gebruik van reinigingsvloeistof met een lage oppervlaktespanning de deeltjesverwijderingssnelheid stabiliseren, een hoge verwijderingsefficiëntie behouden en de impact op de oppervlakteruwheid van de wafer verminderen. Het toevoegen van oppervlakteactieve stoffen aan SC1-reinigingsvloeistof kan de oppervlaktespanning van de reinigingsvloeistof verlagen. Bovendien kan het toevoegen van chelerende middelen aan SC1-reinigingsvloeistof ervoor zorgen dat het metaal in de reinigingsvloeistof continu chelaten vormt, wat gunstig is om de oppervlaktehechting van metalen te remmen.
2.4 SC2-reinigingstechnologie
SC2-reinigingstechnologie is ook een goedkope natte reinigingstechnologie met een goed vermogen om verontreinigingen te verwijderen. SC2 heeft extreem sterke complexerende eigenschappen en kan reageren met metalen vóór oxidatie om zouten te vormen, die worden verwijderd met de reinigingsoplossing. De oplosbare complexen die worden gevormd door de reactie van geoxideerde metaalionen met chloride-ionen, worden ook verwijderd met de reinigingsoplossing. Er kan worden gezegd dat onder de voorwaarde dat de wafer niet wordt aangetast, SC1-reinigingstechnologie en SC2-reinigingstechnologie elkaar aanvullen. Het fenomeen van metaalhechting in de reinigingsoplossing treedt gemakkelijk op in een alkalische reinigingsoplossing (dat wil zeggen SC1-reinigingsoplossing), en het treedt niet gemakkelijk op in een zure oplossing (SC2-reinigingsoplossing), en het heeft een sterk vermogen om metalen op het waferoppervlak te verwijderen. Hoewel metalen zoals Cu kunnen worden verwijderd na SC1-reiniging, zijn sommige metaalhechtingsproblemen van de natuurlijke oxidefilm die op het waferoppervlak is gevormd, niet opgelost en is het niet geschikt voor SC2-reinigingstechnologie.
2.5 O3-reinigingstechnologie
In het chipproductieproces wordt O3-reinigingstechnologie voornamelijk gebruikt om organisch materiaal te verwijderen en DIW te desinfecteren. O3-reiniging omvat altijd oxidatie. Over het algemeen kan O3 worden gebruikt om wat organisch materiaal te verwijderen, maar vanwege de oxidatie van O3 zal er herafzetting op het waferoppervlak plaatsvinden. Daarom wordt HF over het algemeen gebruikt in het proces van het gebruik van O3. Bovendien kan het proces van het gebruik van HF met O3 ook wat metaalionen verwijderen. Opgemerkt moet worden dat hogere temperaturen over het algemeen gunstig zijn voor het verwijderen van organisch materiaal, deeltjes en zelfs metaalionen. Bij het gebruik van O3-reinigingstechnologie zal de hoeveelheid O3 opgelost in DIW echter afnemen naarmate de temperatuur stijgt. Met andere woorden, de concentratie O3 opgelost in DIW zal afnemen naarmate de temperatuur stijgt. Daarom is het noodzakelijk om de O3-procesdetails te optimaliseren om de reinigingsefficiëntie te maximaliseren. In de halfgeleiderproductie kan O3 ook worden gebruikt om DIW te desinfecteren, voornamelijk omdat de stoffen die worden gebruikt om drinkwater te zuiveren over het algemeen chloor bevatten, wat onaanvaardbaar is op het gebied van chipproductie. Een andere reden is dat O3 zal ontbinden in zuurstof en het DIW-systeem niet zal vervuilen. Het is echter noodzakelijk om het zuurstofgehalte in DIW te regelen, dat niet hoger mag zijn dan de vereisten voor gebruik in de halfgeleiderproductie. 2.6 Organische oplosmiddelreinigingstechnologie In het halfgeleiderproductieproces zijn vaak enkele speciale processen betrokken. In veel gevallen kunnen de hierboven geïntroduceerde methoden niet worden gebruikt omdat de reinigingsefficiëntie niet voldoende is, sommige componenten die niet kunnen worden weggespoeld, worden geëtst en er geen oxidefilms kunnen worden gegenereerd. Daarom worden sommige organische oplosmiddelen ook gebruikt om het doel van reiniging te bereiken.
3 Conclusie
In het halfgeleiderproductieproces is het reinigingsproces het proces met de meeste herhalingen. Het gebruik van geschikte reinigingstechnologie kan de opbrengst van chipproductie aanzienlijk verbeteren. Met de grote omvang van siliciumwafers en de miniaturisatie van apparaatstructuren neemt de stapeldichtheidsindex toe en worden de vereisten voor waferreinigingstechnologie steeds hoger. Er zijn strengere vereisten voor de reinheid van het waferoppervlak, de chemische toestand van het oppervlak, de ruwheid en de dikte van de oxidefilm. Op basis van volwassen procestechnologie introduceert dit artikel de waferreinigingstechnologie in geavanceerde waferproductie en de reinigingsprincipes van verschillende reinigingsprocessen. Vanuit het perspectief van economie en milieubescherming kan het verbeteren van waferreinigingsprocestechnologie beter voldoen aan de behoeften van geavanceerde waferproductie.