Résumé : À mesure que la taille des transistors continue de diminuer, le processus de fabrication des plaquettes devient de plus en plus complexe et les exigences en matière de technologie de nettoyage humide des semi-conducteurs sont de plus en plus élevées. En s'appuyant sur la technologie traditionnelle de nettoyage des semi-conducteurs, cet article présente la technologie de nettoyage des plaquettes dans la fabrication avancée de semi-conducteurs et les principes de nettoyage de divers processus de nettoyage. Du point de vue de l'économie et de la protection de l'environnement, l'amélioration de la technologie du processus de nettoyage des plaquettes peut mieux répondre aux besoins de la fabrication avancée de plaquettes.
0 Introduction Le processus de nettoyage est un maillon important tout au long du processus de fabrication des semi-conducteurs et constitue l'un des facteurs importants affectant les performances et le rendement des dispositifs à semi-conducteurs. Dans le processus de fabrication des puces, toute contamination peut affecter les performances des dispositifs à semi-conducteurs et même provoquer une défaillance [1-2]. Par conséquent, un processus de nettoyage est nécessaire avant et après presque chaque processus de fabrication de puces pour éliminer les contaminants de surface et garantir la propreté de la surface de la plaquette, comme le montre la figure 1. Le processus de nettoyage est le processus qui occupe la plus grande part dans le processus de fabrication des puces, représentant environ 30 % de tous les processus de fabrication de puces.
Français Avec le développement des circuits intégrés à très grande échelle, les nœuds de processus de puce sont entrés dans les nœuds de 28 nm, 14 nm et même plus avancés, l'intégration a continué d'augmenter, la largeur de ligne a continué de diminuer et le flux de processus est devenu plus complexe [3]. La fabrication de puces à nœuds avancés est plus sensible à la contamination et le nettoyage de la contamination dans des conditions de petite taille est plus difficile, ce qui conduit à une augmentation des étapes du processus de nettoyage, rendant le processus de nettoyage plus complexe, plus important et plus difficile [4-5]. Le processus de nettoyage des puces de 90 nm est d'environ 90 étapes, et le processus de nettoyage des puces de 20 nm a atteint 215 étapes. À mesure que la fabrication de puces entre dans les nœuds de 14 nm, 10 nm et même plus élevés, le nombre de processus de nettoyage continuera d'augmenter, comme le montre la figure 2.
1 Introduction au processus de nettoyage des semi-conducteurs
Le processus de nettoyage désigne le processus d'élimination des impuretés à la surface de la plaquette par traitement chimique, gazeux et méthodes physiques. Dans le processus de fabrication des semi-conducteurs, les impuretés telles que les particules, les métaux, la matière organique et la couche d'oxyde naturel à la surface de la plaquette peuvent affecter les performances, la fiabilité et même le rendement du dispositif semi-conducteur [6-8].
Le processus de nettoyage peut être considéré comme un pont entre les différents processus de fabrication de plaquettes. Par exemple, le processus de nettoyage est utilisé avant le processus de revêtement, avant le processus de photolithographie, après le processus de gravure, après le processus de meulage mécanique et même après le processus d'implantation ionique. Le processus de nettoyage peut être grossièrement divisé en deux types, à savoir le nettoyage humide et le nettoyage à sec.
1.1 Nettoyage humide
Le nettoyage humide consiste à utiliser des solvants chimiques ou de l'eau déionisée pour nettoyer la plaquette. Selon la méthode de traitement, le nettoyage humide peut être divisé en deux types : la méthode d'immersion et la méthode de pulvérisation, comme illustré à la figure 3. La méthode d'immersion consiste à immerger la plaquette dans un réservoir rempli de solvants chimiques ou d'eau déionisée. La méthode d'immersion est une méthode largement utilisée, en particulier pour certains nœuds relativement matures. La méthode de pulvérisation consiste à pulvériser des solvants chimiques ou de l'eau déionisée sur la plaquette en rotation pour éliminer les impuretés. La méthode d'immersion peut traiter plusieurs plaquettes en même temps, tandis que la méthode de pulvérisation ne peut traiter qu'une seule plaquette à la fois dans une chambre de fonctionnement. Avec le développement de la technologie, les exigences en matière de technologie de nettoyage sont de plus en plus élevées et l'utilisation de la méthode de pulvérisation est de plus en plus répandue.
1.2 Nettoyage à sec
Comme son nom l'indique, le nettoyage à sec est un procédé qui n'utilise pas de solvants chimiques ni d'eau déionisée, mais utilise du gaz ou du plasma pour le nettoyage. Avec l'avancement continu des nœuds technologiques, les exigences en matière de processus de nettoyage sont de plus en plus élevées [9-10], et la proportion d'utilisation augmente également. Les déchets liquides générés par le nettoyage humide augmentent également. Par rapport au nettoyage humide, le nettoyage à sec a des coûts d'investissement élevés, un fonctionnement complexe des équipements et des conditions de nettoyage plus strictes. Cependant, pour l'élimination de certaines matières organiques, des nitrures et des oxydes, le nettoyage à sec offre une plus grande précision et d'excellents résultats.
2 Technologie de nettoyage humide dans la fabrication de semi-conducteurs Selon les différents composants du liquide de nettoyage, la technologie de nettoyage humide couramment utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs est présentée dans le tableau 1.
2.1 Technologie de nettoyage DIW
Dans le processus de nettoyage humide de la fabrication de semi-conducteurs, le liquide de nettoyage le plus couramment utilisé est l'eau déionisée (DIW). L'eau contient des anions et des cations conducteurs. L'eau déionisée élimine les ions conducteurs de l'eau, ce qui rend l'eau pratiquement non conductrice. Dans la fabrication de semi-conducteurs, il est absolument interdit d'utiliser directement de l'eau brute. D'une part, les cations et les ions de l'eau brute contamineront la structure du dispositif de la plaquette et, d'autre part, cela peut entraîner une déviation des performances du dispositif. Par exemple, l'eau brute peut réagir avec le matériau à la surface de la plaquette pour la corroder, ou former une corrosion de batterie avec certains métaux de la plaquette, et peut également provoquer un changement direct de la résistivité de surface de la plaquette, entraînant une diminution significative du rendement de la plaquette ou même une mise au rebut directe. Dans le processus de nettoyage humide de la fabrication de semi-conducteurs, il existe deux applications principales de DIW.
(1) Utilisez uniquement du DIW pour nettoyer la surface de la plaquette. Il existe différentes formes telles que des rouleaux, des brosses ou des buses, et le but principal est de nettoyer certaines impuretés sur la surface de la plaquette. Dans le processus de fabrication de semi-conducteurs avancés, la méthode de nettoyage est presque toujours une méthode à une seule plaquette, c'est-à-dire qu'une seule plaquette peut être nettoyée dans une chambre en même temps. La méthode de nettoyage d'une seule plaquette est également présentée ci-dessus. La méthode de nettoyage utilisée est la méthode de pulvérisation rotative. Pendant la rotation de la plaquette, la surface de la plaquette est nettoyée par des rouleaux, des brosses, des buses, etc. Dans ce processus, la plaquette frottera contre l'air, générant ainsi de l'électricité statique. L'électricité statique peut provoquer des défauts sur la surface de la plaquette ou provoquer directement une défaillance de l'appareil. Plus le nœud technologique des semi-conducteurs est élevé, plus les exigences en matière de traitement des défauts sont élevées. Par conséquent, dans le processus de nettoyage humide DIW de la fabrication avancée de semi-conducteurs, ses exigences de processus sont plus élevées. Le DIW est fondamentalement non conducteur et l'électricité statique générée pendant le processus de nettoyage ne peut pas être bien libérée. Par conséquent, dans les nœuds de processus de fabrication de semi-conducteurs avancés, afin d'augmenter la conductivité sans contaminer la plaquette, du gaz carbonique (CO2) est généralement mélangé au DIW. En raison des différentes exigences du processus, du gaz ammoniac (NH3) est mélangé au DIW dans quelques cas.
(2) Nettoyez le liquide de nettoyage résiduel sur la surface de la plaquette. Lorsque vous utilisez d'autres liquides de nettoyage pour nettoyer la surface de la plaquette, après l'utilisation du liquide de nettoyage, lorsque la plaquette tourne, bien que la majeure partie du liquide de nettoyage ait été jetée, il restera encore une petite quantité de liquide de nettoyage sur la surface de la plaquette, et DIW est nécessaire pour nettoyer la surface de la plaquette. La fonction principale de DIW ici est de nettoyer le liquide de nettoyage résiduel sur la surface de la plaquette. L'utilisation de liquide de nettoyage pour nettoyer la surface de la plaquette ne signifie pas que ces liquides de nettoyage ne corroderont jamais la plaquette, mais leur taux de gravure est assez faible et un nettoyage à court terme n'affectera pas la plaquette. Cependant, si le liquide de nettoyage résiduel ne peut pas être éliminé efficacement et que le liquide de nettoyage résiduel est autorisé à rester sur la surface de la plaquette pendant une longue période, il corrodera toujours la surface de la plaquette. De plus, même si la solution de nettoyage se corrode très peu, la solution de nettoyage résiduelle dans la plaquette est toujours redondante, ce qui est susceptible d'affecter les performances finales de l'appareil. Par conséquent, après avoir nettoyé la plaquette avec la solution de nettoyage, assurez-vous d'utiliser DIW pour nettoyer la solution de nettoyage résiduelle à temps.
2.2 Technologie de nettoyage HF
Comme nous le savons tous, le sable est raffiné en un noyau. La puce est formée d'innombrables gravures sur une plaquette de silicium monocristallin. Le composant principal de la puce est le silicium monocristallin. Le moyen le plus direct et le plus efficace de nettoyer la couche d'oxyde naturel (SiO2) formée à la surface du silicium monocristallin est d'utiliser du HF (acide fluorhydrique) pour nettoyer. Par conséquent, on peut dire que le nettoyage HF est la deuxième technologie de nettoyage après le DIW. Le nettoyage HF peut éliminer efficacement la couche d'oxyde naturel à la surface du silicium monocristallin, et le métal attaché à la surface de la couche d'oxyde naturel se dissoudra également dans la solution de nettoyage. Dans le même temps, HF peut également inhiber efficacement la formation de film d'oxyde naturel. Par conséquent, la technologie de nettoyage HF peut éliminer certains ions métalliques, la couche d'oxyde naturel et certaines particules d'impuretés. Cependant, la technologie de nettoyage HF présente également des problèmes inévitables. Par exemple, lors de l'élimination de la couche d'oxyde naturelle sur la surface de la plaquette de silicium, de petites piqûres resteront sur la surface de la plaquette de silicium après avoir été corrodées, ce qui affecte directement la rugosité de la surface de la plaquette. De plus, lors de l'élimination du film d'oxyde de surface, le HF éliminera également certains métaux, mais certains métaux ne veulent pas être corrodés par le HF. Avec l'avancement continu des nœuds de technologie des semi-conducteurs, les exigences pour que ces métaux ne soient pas corrodés par le HF sont de plus en plus élevées, ce qui fait que la technologie de nettoyage HF ne peut pas être utilisée dans les endroits où elle aurait pu être utilisée. Dans le même temps, certains métaux qui pénètrent dans la solution de nettoyage et adhèrent à la surface de la plaquette de silicium lorsque le film d'oxyde naturel se dissout ne sont pas facilement éliminés par le HF, ce qui fait qu'ils restent à la surface de la plaquette de silicium. En réponse aux problèmes ci-dessus, certaines méthodes améliorées ont été proposées. Par exemple, diluer le HF autant que possible pour réduire la concentration de HF ; ajouter un oxydant au HF, cette méthode peut éliminer efficacement le métal attaché à la surface de la couche d'oxyde naturel, et l'oxydant oxydera le métal à la surface pour former des oxydes, qui sont plus faciles à éliminer dans des conditions acides. En même temps, le HF éliminera la couche d'oxyde naturel précédente, et l'oxydant oxydera le silicium monocristallin à la surface pour former une nouvelle couche d'oxyde pour empêcher le métal de se fixer à la surface du silicium monocristallin ; ajouter un tensioactif anionique au HF, de sorte que la surface du silicium monocristallin dans la solution de nettoyage HF soit à potentiel négatif et la surface de la particule à potentiel positif. L'ajout d'un tensioactif anionique peut faire en sorte que le potentiel de la surface du silicium et de la surface de la particule aient le même signe, c'est-à-dire que le potentiel de surface de la particule passe du positif au négatif, qui est du même signe que le potentiel négatif de la surface de la plaquette de silicium, de sorte que la répulsion électrique est générée entre la surface de la plaquette de silicium et la surface de la particule, empêchant ainsi la fixation des particules ; ajoutez un agent complexant à la solution de nettoyage HF pour former un complexe avec des impuretés, qui est directement dissous dans la solution de nettoyage et ne se fixera pas à la surface de la plaquette de silicium.
2.3 Technologie de nettoyage SC1
La technologie de nettoyage SC1 est la méthode de nettoyage la plus courante, la plus économique et la plus efficace pour éliminer la contamination de la surface de la plaquette. La technologie de nettoyage SC1 peut éliminer la matière organique, certains ions métalliques et certaines particules de surface en même temps. Le principe de SC1 pour éliminer la matière organique est d'utiliser l'effet oxydant du peroxyde d'hydrogène et l'effet dissolvant de NH4OH pour transformer la contamination organique en composés hydrosolubles, puis les évacuer avec la solution. En raison de ses propriétés oxydantes et complexantes, la solution SC1 peut oxyder certains ions métalliques, transformant ces ions métalliques en ions à valence élevée, puis réagir davantage avec l'alcali pour former des complexes solubles qui sont évacués avec la solution. Cependant, certains métaux ont une énergie libre élevée des oxydes générés après oxydation, qui adhèrent facilement au film d'oxyde sur la surface de la plaquette (car la solution SC1 a certaines propriétés oxydantes et formera un film d'oxyde sur la surface de la plaquette), de sorte qu'ils ne sont pas faciles à éliminer, comme les métaux tels que Al et Fe. Lors de l'élimination des ions métalliques, le taux d'adsorption et de désorption du métal sur la surface de la plaquette finira par atteindre un équilibre. Par conséquent, dans les processus de fabrication avancés, le liquide de nettoyage est utilisé une fois pour les processus qui ont des exigences élevées en ions métalliques. Il est directement déchargé après utilisation et ne sera plus utilisé. Le but est de réduire la teneur en métal du liquide de nettoyage pour éliminer autant que possible le métal sur la surface de la plaquette. La technologie de nettoyage SC1 peut également éliminer efficacement la contamination des particules de surface, et le mécanisme principal est la répulsion électrique. Dans ce processus, un nettoyage par ultrasons et mégasonique peut être effectué pour obtenir de meilleurs effets de nettoyage. La technologie de nettoyage SC1 aura un impact significatif sur la rugosité de la surface de la plaquette. Afin de réduire l'impact de la technologie de nettoyage SC1 sur la rugosité de la surface de la plaquette, il est nécessaire de formuler un rapport de composants de liquide de nettoyage approprié. Dans le même temps, l'utilisation d'un liquide de nettoyage à faible tension superficielle peut stabiliser le taux d'élimination des particules, maintenir une efficacité d'élimination élevée et réduire l'impact sur la rugosité de la surface de la plaquette. L'ajout de tensioactifs au liquide de nettoyage SC1 peut réduire la tension superficielle du liquide de nettoyage. De plus, l'ajout d'agents chélateurs au liquide de nettoyage SC1 peut entraîner la formation continue de chélates par le métal contenu dans le liquide de nettoyage, ce qui est bénéfique pour inhiber l'adhérence superficielle des métaux.
2.4 Technologie de nettoyage SC2
La technologie de nettoyage SC2 est également une technologie de nettoyage humide à faible coût avec une bonne capacité d'élimination de la contamination. SC2 a des propriétés complexantes extrêmement fortes et peut réagir avec les métaux avant l'oxydation pour former des sels, qui sont éliminés avec la solution de nettoyage. Les complexes solubles formés par la réaction des ions métalliques oxydés avec les ions chlorure seront également éliminés avec la solution de nettoyage. On peut dire que dans la condition de ne pas affecter la plaquette, la technologie de nettoyage SC1 et la technologie de nettoyage SC2 se complètent. Le phénomène d'adhérence des métaux dans la solution de nettoyage se produit facilement dans une solution de nettoyage alcaline (c'est-à-dire la solution de nettoyage SC1), et il n'est pas facile de se produire dans une solution acide (solution de nettoyage SC2), et elle a une forte capacité à éliminer les métaux sur la surface de la plaquette. Cependant, bien que des métaux tels que le Cu puissent être éliminés après le nettoyage SC1, certains problèmes d'adhérence des métaux du film d'oxyde naturel formé sur la surface de la plaquette n'ont pas été résolus et ne conviennent pas à la technologie de nettoyage SC2.
Technologie de nettoyage 2.5 O3
Dans le processus de fabrication de puces, la technologie de nettoyage O3 est principalement utilisée pour éliminer la matière organique et désinfecter l'eau de Javel. Le nettoyage O3 implique toujours une oxydation. En général, l'O3 peut être utilisé pour éliminer une partie de la matière organique, mais en raison de l'oxydation de l'O3, une redéposition se produira sur la surface de la plaquette. Par conséquent, le HF est généralement utilisé dans le processus d'utilisation de l'O3. De plus, le processus d'utilisation de HF avec O3 peut également éliminer certains ions métalliques. Il convient de noter qu'en général, des températures plus élevées sont bénéfiques pour éliminer la matière organique, les particules et même les ions métalliques. Cependant, lors de l'utilisation de la technologie de nettoyage O3, la quantité d'O3 dissous dans l'eau de Javel diminuera à mesure que la température augmentera. En d'autres termes, la concentration d'O3 dissous dans l'eau de Javel diminuera à mesure que la température augmentera. Par conséquent, il est nécessaire d'optimiser les détails du processus O3 pour maximiser l'efficacité du nettoyage. Dans la fabrication de semi-conducteurs, l'O3 peut également être utilisé pour désinfecter l'eau de Javel, principalement parce que les substances utilisées pour purifier l'eau potable contiennent généralement du chlore, ce qui est inacceptable dans le domaine de la fabrication de puces. Une autre raison est que l'O3 se décomposera en oxygène et ne polluera pas le système DIW. Cependant, il est nécessaire de contrôler la teneur en oxygène dans le DIW, qui ne peut pas être supérieure aux exigences d'utilisation dans la fabrication de semi-conducteurs. 2.6 Technologie de nettoyage par solvant organique Dans le processus de fabrication de semi-conducteurs, certains processus spéciaux sont souvent impliqués. Dans de nombreux cas, les méthodes présentées ci-dessus ne peuvent pas être utilisées car l'efficacité du nettoyage n'est pas suffisante, certains composants qui ne peuvent pas être éliminés par lavage sont gravés et des films d'oxyde ne peuvent pas être générés. Par conséquent, certains solvants organiques sont également utilisés pour atteindre l'objectif de nettoyage.
3 Conclusion
Dans le processus de fabrication des semi-conducteurs, le processus de nettoyage est le processus le plus répétitif. L'utilisation d'une technologie de nettoyage appropriée peut améliorer considérablement le rendement de la fabrication des puces. Avec la grande taille des plaquettes de silicium et la miniaturisation des structures des dispositifs, l'indice de densité d'empilement augmente et les exigences en matière de technologie de nettoyage des plaquettes sont de plus en plus élevées. Les exigences en matière de propreté de la surface des plaquettes, d'état chimique de la surface, de rugosité et d'épaisseur du film d'oxyde sont de plus en plus strictes. Sur la base d'une technologie de processus mature, cet article présente la technologie de nettoyage des plaquettes dans la fabrication de plaquettes avancées et les principes de nettoyage de divers processus de nettoyage. Du point de vue de l'économie et de la protection de l'environnement, l'amélioration de la technologie du processus de nettoyage des plaquettes peut mieux répondre aux besoins de la fabrication de plaquettes avancées.