فرآیند تمیز کردن مرطوب نیمه هادی

چکیده: با ادامه کوچک شدن اندازه ترانزیستورها، فرآیند تولید ویفر به طور فزاینده ای پیچیده می شود و الزامات برای فناوری تمیز کردن مرطوب نیمه هادی بیشتر و بالاتر می شود. بر اساس فن آوری سنتی تمیز کردن نیمه هادی، این مقاله به معرفی فناوری تمیز کردن ویفر در ساخت نیمه هادی پیشرفته و اصول تمیز کردن فرآیندهای مختلف تمیز کردن می پردازد. از منظر اقتصاد و حفاظت از محیط زیست، بهبود فناوری فرآیند تمیز کردن ویفر می تواند نیازهای تولید ویفر پیشرفته را بهتر برآورده کند.

0 مقدمه فرآیند تمیز کردن یک پیوند مهم در کل فرآیند تولید نیمه هادی است و یکی از عوامل مهم مؤثر بر عملکرد و بازده دستگاه های نیمه هادی است. در فرآیند تولید تراشه، هر گونه آلودگی ممکن است بر عملکرد دستگاه های نیمه هادی تأثیر بگذارد و حتی باعث خرابی شود [1-2]. بنابراین، تقریباً قبل و بعد از هر فرآیند در تولید تراشه برای حذف آلودگی‌های سطح و اطمینان از تمیزی سطح ویفر، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، یک فرآیند تمیز کردن لازم است. ، حدود 30 درصد از کل فرآیندهای تولید تراشه را تشکیل می دهد.

با توسعه مدارهای مجتمع در مقیاس بزرگ، گره‌های فرآیند تراشه وارد گره‌های 28 نانومتری، 14 نانومتری و حتی پیشرفته‌تر شده‌اند، ادغام به افزایش خود ادامه داده است، عرض خط کاهش یافته و جریان فرآیند پیچیده‌تر شده است. 3]. تولید تراشه گره پیشرفته نسبت به آلودگی حساس تر است و تمیز کردن آلودگی در شرایط اندازه کوچک دشوارتر است، که منجر به افزایش مراحل فرآیند تمیز کردن می شود و فرآیند تمیز کردن را پیچیده تر، مهم تر و چالش برانگیزتر می کند [4-5] . فرآیند تمیز کردن تراشه های 90 نانومتری حدود 90 مرحله است و فرآیند تمیز کردن تراشه های 20 نانومتری به 215 مرحله رسیده است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، همانطور که تولید تراشه وارد گره های 14 نانومتری، 10 نانومتری و حتی بالاتر می شود، تعداد فرآیندهای تمیز کردن همچنان افزایش می یابد.

1 مقدمه ای بر فرآیند تمیز کردن نیمه هادی ها

فرآیند تمیز کردن به فرآیند حذف ناخالصی های سطح ویفر از طریق عملیات شیمیایی، گاز و روش های فیزیکی اشاره دارد. در فرآیند تولید نیمه هادی، ناخالصی هایی مانند ذرات، فلزات، مواد آلی و لایه اکسید طبیعی روی سطح ویفر ممکن است بر عملکرد، قابلیت اطمینان و حتی عملکرد دستگاه نیمه هادی تأثیر بگذارد [6-8].

می توان گفت که فرآیند تمیز کردن پلی بین فرآیندهای مختلف تولید ویفر است. به عنوان مثال، فرآیند تمیز کردن قبل از فرآیند پوشش، قبل از فرآیند فوتولیتوگرافی، پس از فرآیند اچینگ، پس از فرآیند آسیاب مکانیکی و حتی پس از فرآیند کاشت یون استفاده می شود. فرآیند تمیز کردن را می توان به طور کلی به دو نوع تمیز کردن مرطوب و تمیز کردن خشک تقسیم کرد.

1.1 تمیز کردن مرطوب

تمیز کردن مرطوب استفاده از حلال های شیمیایی یا آب دیونیزه برای تمیز کردن ویفر است. با توجه به روش فرآیند، تمیز کردن مرطوب را می توان به دو نوع تقسیم کرد: روش غوطه وری و روش اسپری، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. روش غوطه وری به این صورت است که ویفر را در یک مخزن ظرف پر از حلال های شیمیایی یا آب یونیزه شده فرو کنید. روش غوطه وری یک روش پرکاربرد به خصوص برای برخی از گره های نسبتا بالغ است. روش پاشش به این صورت است که حلال های شیمیایی یا آب دیونیزه شده را روی ویفر چرخان اسپری می کنند تا ناخالصی ها از بین بروند. روش غوطه وری می تواند چندین ویفر را به طور همزمان پردازش کند، در حالی که روش اسپری تنها می تواند یک ویفر را در یک زمان در یک محفظه عملیاتی پردازش کند. با پیشرفت تکنولوژی، نیاز به تکنولوژی تمیز کردن بیشتر و بیشتر می شود و استفاده از روش سمپاشی روز به روز فراگیرتر می شود.

1.2 خشکشویی

همانطور که از نام آن پیداست، خشکشویی فرآیندی است که در آن از حلال های شیمیایی یا آب دیونیزه استفاده نمی شود، بلکه از گاز یا پلاسما برای تمیز کردن استفاده می شود. با پیشرفت مداوم گره های فناوری، الزامات برای فرآیندهای تمیز کردن بیشتر و بالاتر می شود [9-10]، و نسبت استفاده نیز در حال افزایش است. مایع زباله تولید شده توسط تمیز کردن مرطوب نیز در حال افزایش است. در مقایسه با تمیز کردن مرطوب، تمیز کردن خشک دارای هزینه های سرمایه گذاری بالا، عملیات تجهیزات پیچیده و شرایط تمیز کردن سخت تر است. اما برای حذف برخی از مواد آلی و نیتریدها و اکسیدها، خشکشویی دقت بالاتر و نتایج عالی دارد.

2 تکنولوژی تمیز کردن مرطوب در ساخت نیمه هادی ها با توجه به اجزای مختلف مایع تمیز کننده، تکنولوژی تمیز کردن مرطوب رایج در ساخت نیمه هادی ها در جدول 1 نشان داده شده است.

2.1 تکنولوژی تمیز کردن DIW

در فرآیند تمیز کردن مرطوب در ساخت نیمه هادی ها، رایج ترین مایع پاک کننده مورد استفاده، آب دیونیزه (DIW) است. آب حاوی آنیون ها و کاتیون های رسانا است. آب دیونیزه شده یون های رسانا را در آب حذف می کند و آب را اساساً نارسانا می کند. در ساخت نیمه هادی، استفاده مستقیم از آب خام مطلقاً مجاز نیست. کاتیون ها و یون های موجود در آب خام از یک طرف ساختار دستگاه ویفر را آلوده می کند و از طرف دیگر ممکن است باعث انحراف عملکرد دستگاه شود. به عنوان مثال، آب خام ممکن است با مواد روی سطح ویفر واکنش نشان دهد تا خورده شود، یا با برخی از فلزات روی ویفر خوردگی باتری ایجاد کند، و همچنین ممکن است باعث تغییر مستقیم مقاومت سطح ویفر شود و در نتیجه باعث ایجاد یک تغییر قابل توجه شود. کاهش عملکرد ویفر یا حتی قراضه کردن مستقیم. در فرآیند تمیز کردن مرطوب در ساخت نیمه هادی، دو کاربرد اصلی DIW وجود دارد.

(1) فقط از DIW برای تمیز کردن سطح ویفر استفاده کنید. اشکال مختلفی مانند غلتک، برس یا نازل وجود دارد و هدف اصلی تمیز کردن برخی ناخالصی‌های سطح ویفر است. در فرآیند ساخت نیمه هادی پیشرفته، روش تمیز کردن تقریباً همیشه یک روش تک ویفر است، یعنی تنها یک ویفر را می توان همزمان در یک محفظه تمیز کرد. روش تمیز کردن ویفر تک نیز در بالا معرفی شده است. روش تمیز کردن مورد استفاده روش اسپری اسپری می باشد. در حین چرخش ویفر، سطح ویفر توسط غلطک، برس، نازل و غیره تمیز می شود و در این فرآیند ویفر به هوا ساییده می شود و در نتیجه الکتریسیته ساکن تولید می کند. الکتریسیته ساکن ممکن است باعث نقص در سطح ویفر شود یا مستقیماً باعث خرابی دستگاه شود. هر چه گره فن آوری نیمه هادی بالاتر باشد، نیاز به رسیدگی به عیوب بالاتر است. بنابراین، در فرآیند تمیز کردن مرطوب DIW در ساخت نیمه هادی پیشرفته، نیازهای فرآیند آن بالاتر است. DIW اساساً نارسانا است و الکتریسیته ساکن تولید شده در طول فرآیند تمیز کردن نمی تواند به خوبی آزاد شود. بنابراین، در گره های فرآیند ساخت نیمه هادی پیشرفته، به منظور افزایش رسانایی بدون آلودگی ویفر، معمولاً گاز دی اکسید کربن (CO2) را با DIW مخلوط می کنند. با توجه به نیازهای مختلف فرآیند، گاز آمونیاک (NH3) در چند مورد به DIW مخلوط می شود.

(2) مایع تمیز کننده باقیمانده روی سطح ویفر را تمیز کنید. هنگام استفاده از مایعات پاک کننده دیگر برای تمیز کردن سطح ویفر، پس از استفاده از مایع پاک کننده، با چرخش ویفر، اگرچه بیشتر مایع پاک کننده به بیرون پرتاب شده است، همچنان مقدار کمی مایع پاک کننده روی سطح ویفر باقی می ماند. و DIW برای تمیز کردن سطح ویفر مورد نیاز است. وظیفه اصلی DIW در اینجا تمیز کردن مایع تمیز کننده باقیمانده روی سطح ویفر است. استفاده از مایع پاک کننده برای تمیز کردن سطح ویفر به این معنی نیست که این مایعات تمیز کننده هرگز ویفر را خورده نمی کنند، بلکه سرعت اچ شدن آنها بسیار کم است و تمیز کردن کوتاه مدت تأثیری روی ویفر نخواهد داشت. با این حال، اگر مایع تمیز کننده باقیمانده را نتوان به طور موثر حذف کرد و مایع تمیز کننده باقیمانده اجازه داد برای مدت طولانی روی سطح ویفر بماند، همچنان سطح ویفر را خورده می کند. علاوه بر این، حتی اگر محلول تمیز کننده بسیار کمی خورده شود، محلول تمیز کننده باقیمانده در ویفر همچنان اضافی است، که احتمالاً بر عملکرد نهایی دستگاه تأثیر می گذارد. بنابراین، پس از تمیز کردن ویفر با محلول تمیز کننده، حتما از DIW استفاده کنید تا محلول تمیز کننده باقیمانده را به موقع تمیز کنید.

2.2 تکنولوژی تمیز کردن HF

همانطور که همه ما می دانیم، شن و ماسه به یک هسته تصفیه می شود. این تراشه توسط حکاکی های بی شماری بر روی یک ویفر سیلیکونی تک کریستالی تشکیل شده است. جزء اصلی روی تراشه سیلیکون تک کریستال است. مستقیم ترین و مؤثرترین راه برای تمیز کردن لایه اکسید طبیعی (SiO2) تشکیل شده بر روی سطح سیلیکون تک کریستال، استفاده از HF (اسید هیدروفلوئوریک) برای تمیز کردن است. بنابراین، می‌توان گفت که تمیز کردن HF بعد از DIW، فناوری تمیزکاری است. تمیز کردن HF می تواند به طور موثر لایه اکسید طبیعی روی سطح سیلیکون تک کریستال را حذف کند و فلز متصل به سطح لایه اکسید طبیعی نیز در محلول تمیز کننده حل می شود. در همان زمان، HF همچنین می تواند به طور موثری از تشکیل فیلم اکسید طبیعی جلوگیری کند. بنابراین، تکنولوژی تمیز کردن HF می تواند برخی از یون های فلزی، لایه اکسید طبیعی و برخی از ذرات ناخالصی را حذف کند. با این حال، تکنولوژی تمیز کردن HF نیز دارای برخی مشکلات اجتناب ناپذیر است. به عنوان مثال، در حین برداشتن لایه اکسید طبیعی روی سطح ویفر سیلیکونی، چند حفره کوچک پس از خوردگی روی سطح ویفر سیلیکونی باقی می ماند که مستقیماً بر زبری سطح ویفر تأثیر می گذارد. علاوه بر این، با حذف لایه اکسید سطح، HF برخی از فلزات را نیز حذف می کند، اما برخی از فلزات نمی خواهند توسط HF خورده شوند. با پیشرفت مداوم گره های فناوری نیمه هادی، الزامات برای خورده نشدن این فلزات توسط HF بیشتر و بیشتر می شود و در نتیجه فناوری تمیز کردن HF در مکان هایی که می توان از آن استفاده کرد، استفاده نمی شود. در عین حال، برخی از فلزاتی که وارد محلول تمیزکننده می شوند و به دلیل حل شدن لایه اکسید طبیعی به سطح ویفر سیلیکونی می چسبند، به راحتی توسط HF حذف نمی شوند و در نتیجه روی سطح ویفر سیلیکونی باقی می مانند. در پاسخ به مشکلات فوق، چند روش بهبود یافته پیشنهاد شده است. به عنوان مثال، HF را تا حد امکان رقیق کنید تا غلظت HF کاهش یابد. اکسیدان را به HF اضافه کنید، این روش می تواند به طور موثر فلز متصل به سطح لایه اکسید طبیعی را حذف کند و اکسیدان فلز را روی سطح اکسید می کند تا اکسیدهایی را تشکیل دهد که در شرایط اسیدی راحت تر حذف می شوند. در همان زمان، HF لایه اکسید طبیعی قبلی را حذف می کند و اکسیدان سیلیکون تک کریستالی را روی سطح اکسید می کند تا یک لایه اکسید جدید تشکیل دهد تا از اتصال فلز به سطح سیلیکون تک کریستالی جلوگیری کند. سورفکتانت آنیونی را به HF اضافه کنید، به طوری که سطح سیلیکون تک کریستال در محلول تمیز کننده HF پتانسیل منفی و سطح ذره پتانسیل مثبت باشد. افزودن سورفکتانت آنیونی می تواند باعث شود که پتانسیل سطح سیلیکون و سطح ذره علامت یکسانی داشته باشند، یعنی پتانسیل سطحی ذره از مثبت به منفی تغییر می کند که همان علامت پتانسیل منفی سطح ویفر سیلیکونی است. به طوری که دافعه الکتریکی بین سطح ویفر سیلیکونی و سطح ذرات ایجاد می شود و در نتیجه از چسبیدن ذرات جلوگیری می شود. ماده کمپلکس کننده را به محلول تمیزکننده HF اضافه کنید تا کمپلکسی با ناخالصی ها تشکیل شود که مستقیماً در محلول تمیز کننده حل می شود و به سطح ویفر سیلیکونی نمی چسبد.

2.3 تکنولوژی تمیز کردن SC1

تکنولوژی تمیز کردن SC1 رایج ترین، کم هزینه ترین و با کارایی بالا روش تمیز کردن برای از بین بردن آلودگی از سطح ویفر است. فناوری تمیز کردن SC1 می تواند مواد آلی، برخی یون های فلزی و برخی ذرات سطحی را همزمان حذف کند. اصل SC1 برای حذف مواد آلی استفاده از اثر اکسید کننده پراکسید هیدروژن و اثر حل کنندگی NH4OH برای تبدیل آلودگی آلی به ترکیبات محلول در آب و سپس تخلیه آنها با محلول است. محلول SC1 به دلیل خواص اکسیدکننده و کمپلکس‌کننده‌اش می‌تواند برخی از یون‌های فلزی را اکسید کند و این یون‌های فلزی را به یون‌های با ظرفیت بالا تبدیل کند و سپس با قلیایی واکنش داده و کمپلکس‌های محلول تشکیل دهد که با محلول تخلیه می‌شوند. با این حال، برخی از فلزات دارای انرژی آزاد بالایی از اکسیدهای تولید شده پس از اکسیداسیون هستند، که به راحتی به لایه اکسیدی روی سطح ویفر می‌چسبند (زیرا محلول SC1 خاصیت اکسیدکننده خاصی دارد و یک لایه اکسید روی سطح ویفر تشکیل می‌دهد)، بنابراین به راحتی قابل حذف نیست، مانند فلزاتی مانند Al و Fe. هنگام حذف یون های فلزی، سرعت جذب و دفع فلز در سطح ویفر در نهایت به تعادل می رسد. بنابراین، در فرآیندهای ساخت پیشرفته، سیال تمیزکننده یک بار برای فرآیندهایی که نیاز بالایی به یون های فلزی دارند، استفاده می شود. پس از استفاده مستقیما تخلیه می شود و دیگر استفاده نمی شود. هدف این است که محتوای فلز در مایع تمیز کننده را کاهش دهید تا فلز روی سطح ویفر تا حد امکان شسته شود. فن آوری تمیز کردن SC1 همچنین می تواند به طور موثر آلودگی ذرات سطح را حذف کند و مکانیسم اصلی دافعه الکتریکی است. در این فرآیند می توان برای به دست آوردن اثرات تمیز کنندگی بهتر، تمیز کردن اولتراسونیک و مگاسونیک انجام داد. فناوری تمیز کردن SC1 تأثیر قابل توجهی بر زبری سطح ویفر خواهد داشت. به منظور کاهش تاثیر فناوری تمیزکننده SC1 بر زبری سطح ویفر، لازم است نسبت اجزای مایع پاک کننده مناسبی فرموله شود. در عین حال، استفاده از مایع تمیز کننده با کشش سطحی کم می تواند سرعت حذف ذرات را تثبیت کند، راندمان حذف بالا را حفظ کند و تاثیر آن بر زبری سطح ویفر را کاهش دهد. افزودن سورفکتانت به مایع پاک کننده SC1 می تواند کشش سطحی مایع تمیز کننده را کاهش دهد. علاوه بر این، افزودن عوامل کیلیت به مایع تمیز کننده SC1 می تواند باعث شود که فلز موجود در مایع تمیز کننده به طور مداوم کلات تشکیل دهد که برای مهار چسبندگی سطحی فلزات مفید است.

2.4 تکنولوژی تمیز کردن SC2

فناوری تمیز کردن SC2 همچنین یک فناوری تمیز کردن مرطوب کم هزینه با قابلیت حذف آلودگی خوب است. SC2 دارای خواص کمپلکس کنندگی بسیار قوی است و می تواند قبل از اکسیداسیون با فلزات واکنش داده و نمک هایی را تشکیل دهد که با محلول تمیز کننده حذف می شوند. کمپلکس های محلول تشکیل شده از واکنش یون های فلزی اکسید شده با یون های کلرید نیز با محلول پاک کننده حذف خواهند شد. می توان گفت در شرایط عدم تاثیرگذاری بر ویفر، تکنولوژی تمیز کردن SC1 و تکنولوژی تمیز کردن SC2 مکمل یکدیگر هستند. پدیده چسبندگی فلز در محلول تمیز کننده به راحتی در محلول تمیز کننده قلیایی (یعنی محلول تمیز کننده SC1) رخ می دهد و در محلول اسیدی (محلول تمیز کننده SC2) به راحتی رخ نمی دهد و توانایی بالایی در حذف فلزات دارد. روی سطح ویفر با این حال، اگرچه فلزاتی مانند مس را می توان پس از تمیز کردن SC1 حذف کرد، برخی از مشکلات چسبندگی فلزات فیلم اکسید طبیعی تشکیل شده روی سطح ویفر حل نشده است و برای فناوری تمیز کردن SC2 مناسب نیست.

2.5 تکنولوژی تمیز کردن O3

در فرآیند تولید تراشه، فناوری تمیز کردن O3 عمدتا برای حذف مواد آلی و ضد عفونی کردن DIW استفاده می شود. تمیز کردن O3 همیشه شامل اکسیداسیون است. به طور کلی، O3 را می توان برای حذف برخی از مواد آلی استفاده کرد، اما به دلیل اکسیداسیون O3، رسوب مجدد در سطح ویفر رخ می دهد. بنابراین، HF به طور کلی در فرآیند استفاده از O3 استفاده می شود. علاوه بر این، فرآیند استفاده از HF با O3 می تواند برخی از یون های فلزی را نیز حذف کند. لازم به ذکر است که به طور کلی دمای بالاتر برای حذف مواد آلی، ذرات و حتی یون های فلزی مفید است. با این حال، هنگام استفاده از فناوری تمیز کردن O3، مقدار O3 حل شده در DIW با افزایش دما کاهش می یابد. به عبارت دیگر، غلظت O3 محلول در DIW با افزایش دما کاهش می یابد. بنابراین، بهینه سازی جزئیات فرآیند O3 برای به حداکثر رساندن راندمان تمیز کردن ضروری است. در تولید نیمه هادی، O3 را می توان برای ضد عفونی کردن DIW نیز استفاده کرد، عمدتاً به این دلیل که مواد مورد استفاده برای تصفیه آب آشامیدنی عموماً حاوی کلر هستند که در زمینه تولید تراشه غیرقابل قبول است. دلیل دیگر این است که O3 به اکسیژن تجزیه می شود و سیستم DIW را آلوده نمی کند. با این حال، کنترل محتوای اکسیژن در DIW ضروری است، که نمی تواند بالاتر از الزامات مورد نیاز برای استفاده در تولید نیمه هادی باشد. 2.6 فن آوری تمیز کردن حلال آلی در فرآیند تولید نیمه هادی، برخی از فرآیندهای خاص اغلب درگیر هستند. در بسیاری از موارد، روش‌های معرفی‌شده در بالا قابل استفاده نیستند، زیرا راندمان تمیز کردن کافی نیست، برخی از اجزایی که قابل شستشو نیستند، حکاکی می‌شوند و فیلم‌های اکسیدی تولید نمی‌شوند. بنابراین، برخی از حلال های آلی نیز برای رسیدن به هدف تمیز کردن استفاده می شود.

3 نتیجه گیری

در فرآیند تولید نیمه هادی، فرآیند تمیز کردن فرآیندی است که بیشترین تکرار را دارد. استفاده از فناوری تمیز کردن مناسب می تواند عملکرد تولید تراشه را به میزان زیادی بهبود بخشد. با اندازه بزرگ ویفرهای سیلیکونی و کوچک‌سازی ساختار دستگاه، شاخص چگالی انباشتگی افزایش می‌یابد و الزامات فناوری تمیز کردن ویفر بالاتر و بالاتر می‌رود. برای تمیزی سطح ویفر، وضعیت شیمیایی سطح، زبری و ضخامت لایه اکسید الزامات سخت گیرانه تری وجود دارد. این مقاله بر اساس فناوری فرآیند بالغ، فناوری تمیز کردن ویفر در ساخت ویفر پیشرفته و اصول تمیز کردن فرآیندهای مختلف تمیز کردن را معرفی می‌کند. از منظر اقتصاد و حفاظت از محیط زیست، بهبود فناوری فرآیند تمیز کردن ویفر می تواند نیازهای تولید ویفر پیشرفته را بهتر برآورده کند.