Технологические процессы очистки поверхности полупроводниковых пластин

Основные принципы, на которых базируется любая технология очистки поверхности подложек, заключаются в следующем.

Технологические процессы должны состоять из ряда последова­тельных операций, из которых каждая предназначена для удаления одного или нескольких видов загрязнений. Технологические про­цессы увязываются с общим технологическим маршрутом изготов­ления приборов.

Для химической очистки подложек следует применять веще­ства, у которых продукты взаимодействия с загрязнениями легко удаляются с поверхности при последующей обработке.

Поскольку в технологии микроэлектроники постоянно совер­шенствуются технологические методы и отдельные операции (на­пример, для уменьшения минимального топологического размера) необходимо постоянно совершенствовать методы очистки [49].

Способы воздействия на поверхность пластин, применяемые в технологиях очистки, по характеру процесса делят на физические, химические, физико-химические. Так как процессы очистки полу­проводниковой поверхности постоянно совершенствуются комби­нированием и сочетанием различных методов, деление это ус­ловно. По агрегатному состоянию среды обработки методы очи­стки поверхности пластин подразделяются на "жидкостные" и "су­хие" [50]. "Жидкостные" методы включают обработку в жидкостях и парах [51,52]. Обработка в газовой среде или в вакууме относится к "сухим" методам очистки поверхности пластин. Общая схема "жидкостной" химической очистки поверхности подложек выгля­дит следующим образом: обработка в химических растворах, от­мывка в воде, сушка. Существуют различные разработки и моди­фикации процессов очистки [53]. Основные будут рассмотрены подробнее.

2.5.1. "Жидкостная" химическая обработка

В зависимости от цели очистки поверхностных слоев полупро­водниковых пластин применяется множество химических реаген­тов (органических и неорганических) с соответствующими харак­теристиками [35]. После воздействия химических реагентов на пла­стину проводится отмывка пластин в чистой деионизованной воде (с сопротивлением не менее 18 МОм·см) с целью удаления остат­ков раствора, адсорбированного на поверхности.

Химическая обработка в растворах RCA.Первым широко используемым процессом химической обработки был двухстадий­ный процесс, проводимый на основе водной смеси перекиси водо­рода (Н₂О₂), аммиака (NH₄OH) и водной смеси перекиси водорода с соляной кислотой (HCl). Этот процесс (Standart Clean–1, SC–2) раз­работан фирмой RCA в 1965 г. и опубликован в 1970 г. [12]. В на­стоящее время данный вид обработки широко применяется с неко­торыми изменениями концентраций растворов, температурных ре­жимов, варьированием времени обработки [37]. Возможно прове­дение дополнительных операций обработки в других реагентах, направленных на повышение эффективности очистки поверхности пластин [33].

Используемая RCA обработка состоит из последовательно вы­полняемых операций:

sH₂SO₄/H₂O₂ (7:3) при 120 °C – удаляются органические загряз­нения, ионы металлов;

sH₂O/HF (100:0,5) 20 °C – удаляется пленка естественного слоя SiO₂;

sNH₄OH/H₂O₂/H₂O (1:1:6) при 80 °С – удаляются механические частицы, органические загрязнения;

sHCl/H₂O₂/H₂O (1:1:6) при 80 °С – удаляются металлические за­грязнения;

sH₂O/HF (100:0,5) при 20 °C – удаляются химические оксиды;

sотмывка в воде после обработки в каждом из реагентов;

sсушка.

Традиционная "жидкостная" химическая RCA отмывка имеет ряд существенных недостатков, к которым следует отнести: боль­шое число этапов химической отмывки (12), значительные объемы потребления химических реагентов и деионизованной воды, расход чистого воздуха и газов в ЧПП. Кроме того, использование химческих смесей при высокой температуре способствует быстрому испарению жидкостей и ухудшению качества растворов. Посто­янно происходит поиск новых альтернативных и совершенствова­ние существующих методов очистки кремниевых пластин в цикле изготовления ИС, лишенных вышеуказанных недостатков [35].

Модификация процесса RCA. Совершенствованием традици­онного процесса RCA занимаются практически все крупные техно­логические центры. В частности, европейская фирма IMEC разра­ботала концепцию "жидкостной" очистки на основе оптимизации соотношения компонентов в растворах RCA. Первый этап обра­ботки в NH₄OH/H₂O₂/H₂O приводит к образованию естественного слоя SiO₂ на поверхности пластин, который затем удаляется в вод­ном растворе HF. Оптимизация первого этапа химической обра­ботки фирмы IMEC заключается в использовании более разбавлен­ных химических растворов по сравнению со стандартной обработ­кой. Применяется обработка в растворе NH₄OH/H₂O₂/H₂O в про­порции компонентов (0,05:1:5) при 85 – 90 °С или (0,25:1:5) при 70 – 75 °С. Использование разбавленных химических реактивов по­зволяет уменьшить шероховатость поверхности пластин, снизить количество поверхностных дефектов, уменьшить количество ис­пользуемых химикатов и затрат [38].

TRTWC (Total Room Temperature Wet Cleaning) – "жидкостная" химическая очистка при комнатной температуре. Для удаления ор­ганических и металлических примесей требуется высокая окисли­тельная способность химических растворов. Этому требованию удовлетворяет сильно оксидированный раствор, имеющий положи­тельный "редокс"-потенциал. Таким образом, добавляя О₃, О₂ или Н₂ в чистую воду, можно добиться высокой эффективности очи­стки поверхности кремния от органических, металлических загряз­нений [33,54]. Все операции очистки проводятся при комнатной температуре, что позволяет точно поддерживать концентрацию и соотношение химических компонентов. Предложенная обработка TRTWC имеет ряд существенных преимуществ перед традицион­ной "жидкостной" химической отмывкой RCA, среди которых: снижение количества этапов очистки до 5, сокращение расхода деионизованной воды в 20 раз, снижение загрязнения окружающей атмосферы, что очень важно, так как очистка сточных вод является существенной проблемой в микроэлектронике [33,54].

Сушка пластин.Операции сушки после обработки Si пластин в химических веществах являются критичными, так как возможно повторное загрязнение подложек, что может привести к общим неудовлетворительным результатам всего процесса очистки.

Широко используется метод сушки с применением центрифуги благодаря своей высокой производительности. Ускорение враще­ния мокрых пластин с одновременным обдувом теплым азотом по­зволяет удалить поверхностный слой жидкости. Для устранения таких видов брака, как подтеки, разводы, уменьшения влияния внешней среды разработаны центрифуги с предварительной от­мывкой подложек водой. Проведенные исследования показали, что дополнительная отмывка водой в камере центрифуги позволяет со­кратить количество подложек с повышенным уровнем привноси­мых загрязнений по вине оператора технологического процесса с 5% практически до нуля.

При проведении процессов очистки и сушки подложек в паро­вой фазе происходит замещение адсорбированной на поверхности воды на малое количество органического растворителя (к примеру, изопропилового спирта). Затем этот органический растворитель испаряется.

Метод сушки горячим воздухом и горячим азотом заключается в том, что после подогрева воздух или азот пропускают через фильтр и направляют на структуру.

Принцип сушки по методу Марангони состоит в том, что по­верхность кремниевой пластины контактирует с водой в присутст­вии летучего и хорошо растворимого в воде соединения, например, изопропилового спирта. Происходит физическое вытеснение воды с поверхности полупроводниковой пластины по мере ее перемеще­ния через границу раздела раствора. В этом случае вода полностью удаляется с поверхности. Этот метод является достаточно чистым, так как при использовании большинства других методов сушки есть вероятность остатков нелетучих соединений на поверхности кремниевых пластин [55,56].

2.5.2. Методы проведения "жидкостной"