Tiivistelmä: Transistorien koon pienentyessä kiekkojen valmistusprosessi muuttuu yhä monimutkaisemmaksi ja puolijohteiden märkäpuhdistustekniikan vaatimukset ovat yhä korkeammat. Perinteiseen puolijohteiden puhdistustekniikkaan perustuvassa artikkelissa esitellään edistyneen puolijohteiden valmistuksen kiekkojen puhdistustekniikkaa ja erilaisten puhdistusprosessien puhdistusperiaatteita. Talouden ja ympäristönsuojelun näkökulmasta kiekkojen puhdistusprosessiteknologian parantaminen voi vastata paremmin edistyneen kiekkojen valmistuksen tarpeisiin.
0 Johdanto Puhdistusprosessi on tärkeä linkki koko puolijohteiden valmistusprosessissa ja yksi tärkeimmistä puolijohdelaitteiden suorituskykyyn ja tuottoon vaikuttavista tekijöistä. Sirun valmistusprosessissa mahdollinen kontaminaatio voi vaikuttaa puolijohdelaitteiden suorituskykyyn ja jopa aiheuttaa vikoja [1-2]. Siksi ennen ja jälkeen lähes jokaista lastunvalmistusprosessia tarvitaan puhdistusprosessi pintojen epäpuhtauksien poistamiseksi ja kiekon pinnan puhtauden varmistamiseksi, kuten kuvassa 1. Puhdistusprosessi on prosessi, jolla on suurin osuus lastun valmistusprosessissa , mikä vastaa noin 30 % kaikista sirujen valmistusprosesseista.
Ultra-suuren mittakaavan integroitujen piirien kehityksen myötä siruprosessisolmut ovat tulleet 28 nm:n, 14 nm:n ja vieläkin edistyneempiin solmuihin, integraatio on edelleen lisääntynyt, linjan leveys on edelleen pienentynyt ja prosessivirta on monimutkaistunut [ 3]. Edistyksellinen solmusirun valmistus on herkempää kontaminaatiolle, ja kontaminaatioiden puhdistaminen pienikokoisissa olosuhteissa on vaikeampaa, mikä johtaa puhdistusprosessin vaiheiden lisääntymiseen, mikä tekee puhdistusprosessista monimutkaisemman, tärkeämmän ja haastavamman [4-5] . 90 nm sirujen puhdistusprosessi on noin 90 vaihetta ja 20 nm sirujen puhdistusprosessi on saavuttanut 215 vaihetta. Kun siruvalmistus tulee 14 nm, 10 nm ja vielä korkeampiin solmuihin, puhdistusprosessien määrä kasvaa edelleen, kuten kuvasta 2 näkyy.
1 Johdatus puolijohteiden puhdistusprosessiin
Puhdistusprosessilla tarkoitetaan prosessia, jossa kiekon pinnalta poistetaan epäpuhtaudet kemiallisen käsittelyn, kaasun ja fysikaalisten menetelmien avulla. Puolijohteiden valmistusprosessissa epäpuhtaudet, kuten hiukkaset, metallit, orgaaniset aineet ja luonnollinen oksidikerros kiekon pinnalla, voivat vaikuttaa puolijohdelaitteen suorituskykyyn, luotettavuuteen ja tasaiseen tuottoon [6-8].
Puhdistusprosessin voidaan sanoa olevan silta eri kiekkojen valmistusprosessien välillä. Esimerkiksi puhdistusprosessia käytetään ennen pinnoitusprosessia, ennen fotolitografiaprosessia, etsausprosessin jälkeen, mekaanisen hiontaprosessin jälkeen ja jopa ioni-istutusprosessin jälkeen. Puhdistusprosessi voidaan karkeasti jakaa kahteen tyyppiin, nimittäin märkäpuhdistukseen ja kuivapesuun.
1.1 Märkäpuhdistus
Märkäpuhdistuksessa käytetään kemiallisia liuottimia tai deionisoitua vettä kiekon puhdistamiseen. Prosessimenetelmän mukaan märkäpuhdistus voidaan jakaa kahteen tyyppiin: upotusmenetelmä ja ruiskutusmenetelmä, kuten kuvassa 3 on esitetty. Upotusmenetelmänä on upotus kiekko kemiallisilla liuottimilla tai deionisoidulla vedellä täytettyyn säiliösäiliöön. Upotusmenetelmä on laajalti käytetty menetelmä, erityisesti joissakin suhteellisen kypsissä solmuissa. Ruiskutusmenetelmä on ruiskuttaa kemiallisia liuottimia tai deionisoitua vettä pyörivän kiekon päälle epäpuhtauksien poistamiseksi. Upotusmenetelmällä voidaan käsitellä useita kiekkoja samanaikaisesti, kun taas ruiskutusmenetelmällä voidaan käsitellä vain yksi kiekko kerrallaan yhdessä käyttökammiossa. Tekniikan kehittyessä puhdistustekniikan vaatimukset kohoavat ja ruiskutusmenetelmän käyttö yleistyy.
1.2 Kemiallinen pesu
Kuten nimestä voi päätellä, kuivapesu on prosessi, jossa ei käytetä kemiallisia liuottimia tai deionisoitua vettä, vaan puhdistukseen käytetään kaasua tai plasmaa. Teknologian solmujen jatkuvan kehittymisen myötä puhdistusprosessien vaatimukset kohoavat jatkuvasti [9-10], ja myös käytön osuus kasvaa. Myös märkäpuhdistuksesta syntyvä jäteneste lisääntyy. Märkäpuhdistukseen verrattuna kuivapesulla on korkeat investointikustannukset, monimutkainen laitteiden käyttö ja tiukemmat puhdistusolosuhteet. Kuitenkin joidenkin orgaanisten aineiden sekä nitridien ja oksidien poistamiseksi kuivapesulla on suurempi tarkkuus ja erinomaiset tulokset.
2 Märkäpuhdistustekniikka puolijohteiden valmistuksessa Puhdistusnesteen eri komponenttien mukaan yleisesti käytetty märkäpuhdistustekniikka puolijohteiden valmistuksessa on esitetty taulukossa 1.
2.1 DIW-puhdistustekniikka
Puolijohteiden valmistuksen märkäpuhdistusprosessissa yleisimmin käytetty puhdistusneste on deionisoitu vesi (DIW). Vesi sisältää johtavia anioneja ja kationeja. Deionisoitu vesi poistaa vedestä johtavat ionit, mikä tekee vedestä periaatteessa johtamatonta. Puolijohteiden valmistuksessa raakaveden suora käyttö on ehdottomasti kielletty. Toisaalta raakaveden kationit ja ionit saastuttaa kiekon laiterakenteen ja toisaalta saattaa aiheuttaa laitteen suorituskyvyn poikkeamisen. Raakavesi voi esimerkiksi reagoida kiekon pinnalla olevan materiaalin kanssa syöpyäkseen tai muodostaa paristokorroosiota joidenkin kiekon metallien kanssa, ja se voi myös aiheuttaa suoran muutoksen kiekon pintaresistanssissa, jolloin seurauksena on merkittävä vohvelin saannon väheneminen tai jopa suora romutus. Puolijohteiden valmistuksen märkäpuhdistusprosessissa DIW:llä on kaksi pääsovellusta.
(1) Käytä vain DIW:tä kiekkojen pinnan puhdistamiseen. On olemassa erilaisia muotoja, kuten teloja, harjoja tai suuttimia, ja päätarkoituksena on puhdistaa joitain epäpuhtauksia kiekon pinnalta. Edistyneessä puolijohteiden valmistusprosessissa puhdistusmenetelmä on lähes aina yksikiekkomenetelmä, eli kammiossa voidaan puhdistaa vain yksi kiekko kerrallaan. Yksittäisen kiekon puhdistusmenetelmä on myös esitelty edellä. Käytetty puhdistusmenetelmä on spin spray -menetelmä. Kiekon pyörimisen aikana kiekon pinta puhdistetaan teloilla, harjoilla, suuttimilla jne. Tässä prosessissa kiekko hankaa ilmaa vasten, jolloin syntyy staattista sähköä. Staattinen sähkö voi aiheuttaa vikoja kiekon pintaan tai aiheuttaa suoraan laitevian. Mitä korkeampi puolijohdeteknologian solmu on, sitä korkeammat vaatimukset vikojen käsittelylle asetetaan. Siksi edistyneen puolijohteiden valmistuksen DIW-märkäpuhdistusprosessissa sen prosessivaatimukset ovat korkeammat. DIW on periaatteessa sähköä johtamaton, eikä puhdistusprosessin aikana syntyvää staattista sähköä voida vapauttaa hyvin. Siksi edistyneissä puolijohteiden valmistusprosessisolmuissa johtavuuden lisäämiseksi kiekkoa saastumatta sekoitetaan yleensä hiilidioksidikaasua (CO2) DIW:hen. Erilaisista prosessivaatimuksista johtuen ammoniakkikaasua (NH3) sekoitetaan DIW:hen muutamissa tapauksissa.
(2) Puhdista jäljellä oleva puhdistusneste kiekon pinnalta. Käytettäessä muita puhdistusnesteitä kiekon pinnan puhdistamiseen, puhdistusnesteen käytön jälkeen kiekon pyöriessä, vaikka suurin osa puhdistusnesteestä on valunut ulos, kiekon pinnalle jää silti pieni määrä puhdistusnestettä, ja DIW tarvitaan kiekon pinnan puhdistamiseen. DIW:n päätehtävä tässä on puhdistaa kiekon pinnalla oleva puhdistusneste. Puhdistusnesteen käyttäminen kiekon pinnan puhdistamiseen ei tarkoita, että nämä puhdistusnesteet eivät koskaan syövyttäisi kiekkoa, mutta niiden etsausnopeus on melko alhainen, eikä lyhytaikainen puhdistus vaikuta kiekkoon. Kuitenkin, jos jäännöspuhdistusnestettä ei voida poistaa tehokkaasti ja jäännöspuhdistusnesteen annetaan jäädä kiekon pinnalle pitkään, se syövyttää silti kiekon pintaa. Lisäksi, vaikka puhdistusliuos syövyttäisi hyvin vähän, kiekossa oleva puhdistusliuos on edelleen ylimääräistä, mikä todennäköisesti vaikuttaa laitteen lopulliseen suorituskykyyn. Siksi, kun kiekot on puhdistettu puhdistusliuoksella, muista käyttää DIW:tä puhdistaaksesi jäljellä oleva puhdistusliuos ajoissa.
2.2 HF-puhdistustekniikka
Kuten me kaikki tiedämme, hiekka jalostetaan ytimeksi. Siru muodostuu lukemattomista kaiverruksista yksikidepiikiekolle. Sirun pääkomponentti on yksikidepii. Suorin ja tehokkain tapa puhdistaa yksikiteisen piin pinnalle muodostunut luonnollinen oksidikerros (SiO2) on puhdistaa HF (fluorivetyhappo). Siksi voidaan sanoa, että HF-puhdistus on DIW:n jälkeen toiseksi tärkein puhdistustekniikka. HF-puhdistuksella voidaan tehokkaasti poistaa luonnollinen oksidikerros yksikiteisen piin pinnalta, ja myös luonnonoksidikerroksen pintaan kiinnittynyt metalli liukenee puhdistusliuokseen. Samaan aikaan HF voi myös tehokkaasti estää luonnollisen oksidikalvon muodostumista. Siksi HF-puhdistustekniikka voi poistaa joitakin metalli-ioneja, luonnonoksidikerroksen ja joitain epäpuhtaushiukkasia. HF-puhdistustekniikalla on kuitenkin myös joitain väistämättömiä ongelmia. Esimerkiksi piikiekon pinnalta luonnollista oksidikerrosta poistettaessa piikiekon pintaan jää pieniä kuoppia korroosion jälkeen, mikä vaikuttaa suoraan kiekon pinnan karheuteen. Lisäksi HF poistaa pintaoksidikalvoa poistaessaan myös joitakin metalleja, mutta jotkin metallit eivät halua joutua HF:n syöpymään. Puolijohdeteknologian solmujen jatkuvan kehittymisen myötä vaatimukset näille metalleille, ettei HF syövyttäisi, kohoavat jatkuvasti, mikä johtaa siihen, että HF-puhdistustekniikkaa ei voida käyttää paikoissa, joissa sitä olisi voitu käyttää. Samanaikaisesti HF ei poista helposti joitakin metalleja, jotka tulevat puhdistusliuokseen ja tarttuvat piikiekon pintaan luonnonoksidikalvon liukeneessa, jolloin ne jäävät piikiekon pinnalle. Vastauksena yllä oleviin ongelmiin on ehdotettu joitain parannettuja menetelmiä. Esimerkiksi laimenna HF niin paljon kuin mahdollista vähentääksesi HF:n pitoisuutta; lisäämällä hapetinta HF:ään, tällä menetelmällä voidaan tehokkaasti poistaa luonnollisen oksidikerroksen pintaan kiinnittynyt metalli ja hapetin hapettaa pinnalla olevan metallin muodostaen oksideja, jotka on helpompi poistaa happamissa olosuhteissa. Samaan aikaan HF poistaa aiemman luonnollisen oksidikerroksen ja hapetin hapettaa pinnalla olevan yksikiteisen piin muodostaen uuden oksidikerroksen, joka estää metallia kiinnittymästä yksikiteisen piin pintaan; lisää anionista pinta-aktiivista ainetta HF:ään siten, että HF-puhdistusliuoksessa olevan yksikiteisen piin pinta on negatiivinen potentiaali ja hiukkasen pinta on positiivinen. Anionisen pinta-aktiivisen aineen lisääminen voi saada piipinnan ja hiukkasen pinnan potentiaalin olemaan sama merkki, eli hiukkasen pintapotentiaali muuttuu positiivisesta negatiiviseksi, mikä on sama merkki kuin piikiekon pinnan negatiivinen potentiaali, niin, että sähköinen repulsio syntyy piikiekon pinnan ja hiukkasen pinnan väliin, mikä estää hiukkasten kiinnittymisen; lisää kompleksinmuodostajaa HF-puhdistusliuokseen, jolloin muodostuu epäpuhtauksien kanssa kompleksi, joka liukenee suoraan puhdistusliuokseen eikä kiinnity piikiekon pintaan.
2.3 SC1-puhdistustekniikka
SC1-puhdistustekniikka on yleisin, edullisin ja tehokkain puhdistusmenetelmä epäpuhtauksien poistamiseen kiekon pinnalta. SC1-puhdistusteknologialla voidaan poistaa orgaanista ainetta, metalli-ioneja ja pintahiukkasia samanaikaisesti. SC1:n periaate orgaanisen aineksen poistamiseksi on käyttää vetyperoksidin hapettavaa vaikutusta ja NH4OH:n liuotusvaikutusta orgaanisen kontaminaatioiden muuttamiseksi vesiliukoisiksi yhdisteiksi ja sitten purkaa ne liuoksen mukana. Hapettavien ja kompleksoivien ominaisuuksiensa ansiosta SC1-liuos voi hapettaa joitain metalli-ioneja, muuttaen nämä metalli-ionit korkeaarvoisiksi ioneiksi ja sitten reagoida edelleen alkalin kanssa muodostaen liukoisia komplekseja, jotka purkautuvat liuoksen mukana. Joillakin metalleilla on kuitenkin korkea hapetuksen jälkeen syntyvien oksidien vapaa energia, jotka tarttuvat helposti kiekon pinnalla olevaan oksidikalvoon (koska SC1-liuoksella on tiettyjä hapettavia ominaisuuksia ja se muodostaa kiekon pintaan oksidikalvon), joten ne ovat ei ole helppo poistaa, kuten metallit, kuten Al ja Fe. Metalli-ioneja poistettaessa metallin adsorption ja desorption nopeus kiekon pinnalla saavuttaa lopulta tasapainon. Siksi edistyneissä valmistusprosesseissa puhdistusnestettä käytetään kerran prosesseissa, joissa metalli-ioneille on korkeat vaatimukset. Se tyhjenee heti käytön jälkeen, eikä sitä käytetä uudelleen. Tarkoituksena on vähentää puhdistusnesteen metallipitoisuutta niin, että kiekon pinnalla oleva metalli huuhtoutuu mahdollisimman paljon pois. SC1-puhdistusteknologialla voidaan myös tehokkaasti poistaa pintahiukkasten kontaminaatiota, ja päämekanismi on sähköinen hylkiminen. Tässä prosessissa voidaan suorittaa ultraääni- ja megasonic-puhdistus parempien puhdistusvaikutusten saamiseksi. SC1-puhdistusteknologialla on merkittävä vaikutus kiekon pinnan karheuteen. Jotta SC1-puhdistustekniikan vaikutus kiekon pinnan karheuteen voitaisiin vähentää, on tarpeen formuloida sopiva puhdistusnesteen komponenttisuhde. Samanaikaisesti alhaisen pintajännityksen omaavan puhdistusnesteen käyttö voi stabiloida hiukkasten poistonopeuden, ylläpitää korkeaa poistotehokkuutta ja vähentää vaikutusta kiekon pinnan karheuteen. Pinta-aktiivisten aineiden lisääminen SC1-puhdistusnesteeseen voi vähentää puhdistusnesteen pintajännitystä. Lisäksi kelatoivien aineiden lisääminen SC1-puhdistusnesteeseen voi saada puhdistusnesteen metallin muodostamaan jatkuvasti kelaatteja, mikä on hyödyllistä estää metallien pintaadheesiota.
2.4 SC2-puhdistustekniikka
SC2-puhdistustekniikka on myös edullinen märkäpuhdistustekniikka, jolla on hyvä lianpoistokyky. SC2:lla on erittäin vahvat kompleksinmuodostusominaisuudet ja se voi reagoida metallien kanssa ennen hapettumista muodostaen suoloja, jotka poistetaan puhdistusliuoksen mukana. Myös hapettuneiden metalli-ionien ja kloridi-ionien reaktiossa muodostuneet liukoiset kompleksit poistetaan puhdistusliuoksella. Voidaan sanoa, että sillä ehdolla, että ne eivät vaikuta kiekkoon, SC1-puhdistustekniikka ja SC2-puhdistustekniikka täydentävät toisiaan. Puhdistusliuoksen metallin tarttumisilmiö on helppo ilmaantua emäksisessä puhdistusliuoksessa (eli SC1-puhdistusliuoksessa), eikä se ole helppoa happamassa liuoksessa (SC2-puhdistusliuos), ja sillä on vahva kyky poistaa metalleja kiekon pinnalla. Vaikka metallit, kuten Cu, voidaan poistaa SC1-puhdistuksen jälkeen, joitain kiekon pinnalle muodostuneen luonnollisen oksidikalvon metallin tarttumisongelmia ei ole kuitenkaan ratkaistu, eikä se sovellu SC2-puhdistustekniikkaan.
2.5 O3 puhdistustekniikka
Sirunvalmistusprosessissa O3-puhdistustekniikkaa käytetään pääasiassa orgaanisen aineksen poistamiseen ja DIW:n desinfiointiin. O3-puhdistukseen liittyy aina hapettumista. Yleisesti ottaen O3:lla voidaan poistaa orgaanista ainetta, mutta O3:n hapettumisen vuoksi tapahtuu uudelleensaostumista kiekon pinnalle. Siksi HF:ää käytetään yleensä O3:n käyttöprosessissa. Lisäksi HF:n käyttö O3:n kanssa voi myös poistaa joitakin metalli-ioneja. On huomattava, että yleensä korkeammat lämpötilat ovat hyödyllisiä orgaanisen aineen, hiukkasten ja jopa metalli-ionien poistamisessa. O3-puhdistustekniikkaa käytettäessä DIW:hen liuenneen O3:n määrä kuitenkin pienenee lämpötilan noustessa. Toisin sanoen DIW:hen liuenneen O3:n pitoisuus pienenee lämpötilan noustessa. Siksi O3-prosessin yksityiskohdat on optimoitava puhdistustehokkuuden maksimoimiseksi. Puolijohteiden valmistuksessa O3:a voidaan käyttää myös DIW:n desinfiointiin pääasiassa siksi, että juomaveden puhdistukseen käytetyt aineet sisältävät yleensä klooria, mikä ei ole hyväksyttävää siruvalmistuksen alalla. Toinen syy on se, että O3 hajoaa hapeksi eikä saastuta DIW-järjestelmää. On kuitenkin tarpeen valvoa DIW:n happipitoisuutta, joka ei voi olla korkeampi kuin puolijohteiden valmistuksessa käytettävä vaatimus. 2.6 Orgaanisten liuottimien puhdistustekniikka Puolijohteiden valmistusprosessissa käytetään usein erikoisprosesseja. Monissa tapauksissa yllä esiteltyjä menetelmiä ei voida käyttää, koska puhdistustehokkuus ei ole riittävä, osa, joita ei voida pestä pois, syövytetään eikä oksidikalvoja voi syntyä. Siksi joitain orgaanisia liuottimia käytetään myös puhdistuksen tarkoituksen saavuttamiseksi.
3 Johtopäätös
Puolijohteiden valmistusprosessissa puhdistusprosessi on prosessi, jossa on eniten toistoja. Asianmukaisen puhdistustekniikan käyttö voi parantaa merkittävästi hakevalmistuksen tuottoa. Piikiekkojen suuren koon ja laiterakenteiden pienentymisen myötä pinotustiheysindeksi kasvaa ja kiekkojen puhdistusteknologian vaatimukset kohoavat koko ajan. Kiekon pinnan puhtaudelle, pinnan kemialliselle olomuodolle, karheudelle ja oksidikalvon paksuudelle asetetaan tiukemmat vaatimukset. Tässä kypsään prosessiteknologiaan perustuvassa artikkelissa esitellään kiekkojen puhdistustekniikka edistyneessä kiekkojen valmistuksessa ja eri puhdistusprosessien puhdistusperiaatteet. Talouden ja ympäristönsuojelun näkökulmasta kiekkojen puhdistusprosessiteknologian parantaminen voi vastata paremmin edistyneen kiekkojen valmistuksen tarpeisiin.