Le nettoyage humide (Wet Clean) est l'une des étapes critiques des processus de fabrication de semi-conducteurs, visant à éliminer divers contaminants de la surface de la plaquette afin de garantir que les étapes de processus ultérieures peuvent être effectuées sur une surface propre.
Alors que la taille des semi-conducteurs continue de diminuer et que les exigences de précision augmentent, les exigences techniques des procédés de nettoyage des plaquettes sont devenues de plus en plus strictes. Même les plus petites particules, matières organiques, ions métalliques ou résidus d'oxyde présents à la surface des plaquettes peuvent avoir un impact significatif sur les performances des dispositifs, affectant ainsi leur rendement et leur fiabilité.
Principes fondamentaux du nettoyage des plaquettes
L’essentiel du nettoyage des plaquettes réside dans l’élimination efficace de divers contaminants de la surface de la plaquette par des méthodes physiques, chimiques et autres afin de garantir que la plaquette présente une surface propre adaptée au traitement ultérieur.
Type de contamination
Principales influences sur les caractéristiques des appareils
| Contamination de l'article | Défauts de modèle
Défauts d'implantation ionique
Défauts de rupture du film isolant
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| Contamination métallique | Métaux alcalins | Instabilité du transistor MOS
Rupture/dégradation du film d'oxyde de grille
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| Métaux lourds | Augmentation du courant de fuite inverse de la jonction PN
Défauts de rupture du film d'oxyde de grille
Dégradation de la durée de vie des porteurs minoritaires
Génération de défauts dans la couche d'excitation d'oxyde
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| Contamination chimique | Matière organique | Défauts de rupture du film d'oxyde de grille
Variations des films CVD (temps d'incubation)
Variations de l'épaisseur du film d'oxyde thermique (oxydation accélérée)
Apparition de voile (plaquette, lentille, miroir, masque, réticule)
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| Dopants inorganiques (B, P) | Décalages Vth du transistor MOS
Variations de résistance du substrat Si et de la feuille de polysilicium à haute résistance
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| Bases inorganiques (amines, ammoniac) et acides (SOx) | Dégradation de la résolution des résines amplifiées chimiquement
Apparition d'une contamination particulaire et d'une brume due à la génération de sel
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| Films d'oxyde natifs et chimiques dus à l'humidité et à l'air | Résistance de contact accrue
Rupture/dégradation du film d'oxyde de grille
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Plus précisément, les objectifs du processus de nettoyage des plaquettes comprennent :
Élimination des particules : Utilisation de méthodes physiques ou chimiques pour éliminer les petites particules fixées à la surface de la plaquette. Les particules plus petites sont plus difficiles à éliminer en raison des fortes forces électrostatiques entre elles et la surface de la plaquette, ce qui nécessite un traitement spécifique.
Élimination des matières organiques : Des contaminants organiques tels que la graisse et les résidus de résine photosensible peuvent adhérer à la surface de la plaquette. Ces contaminants sont généralement éliminés à l'aide d'agents oxydants puissants ou de solvants.
Élimination des ions métalliques : Les résidus d'ions métalliques à la surface de la plaquette peuvent dégrader les performances électriques et même affecter les étapes de traitement ultérieures. Par conséquent, des solutions chimiques spécifiques sont utilisées pour éliminer ces ions.
Élimination des oxydes : Certains procédés nécessitent que la surface du wafer soit exempte de couches d'oxyde, comme l'oxyde de silicium. Dans ce cas, les couches d'oxyde naturelles doivent être éliminées lors de certaines étapes de nettoyage.
Le défi de la technologie de nettoyage des plaquettes réside dans l'élimination efficace des contaminants sans affecter négativement la surface de la plaquette, par exemple en empêchant la rugosité de la surface, la corrosion ou d'autres dommages physiques.
2. Flux du processus de nettoyage des plaquettes
Le processus de nettoyage des plaquettes implique généralement plusieurs étapes pour garantir l’élimination complète des contaminants et obtenir une surface entièrement propre.
Figure : Comparaison entre le nettoyage par lots et le nettoyage de plaquettes individuelles
Un processus typique de nettoyage de plaquettes comprend les étapes principales suivantes :
1. Pré-nettoyage (Pre-Clean)
Le prénettoyage vise à éliminer les contaminants libres et les grosses particules de la surface du wafer. Ce processus est généralement réalisé par rinçage à l'eau déionisée (eau DI) et nettoyage par ultrasons. L'eau déionisée permet d'éliminer initialement les particules et les impuretés dissoutes de la surface du wafer, tandis que le nettoyage par ultrasons exploite les effets de cavitation pour rompre la liaison entre les particules et la surface du wafer, facilitant ainsi leur délogement.
2. Nettoyage chimique
Le nettoyage chimique est l’une des étapes principales du processus de nettoyage des plaquettes, utilisant des solutions chimiques pour éliminer les matières organiques, les ions métalliques et les oxydes de la surface de la plaquette.
Élimination des matières organiques : Généralement, on utilise de l'acétone ou un mélange ammoniac/peroxyde (SC-1) pour dissoudre et oxyder les contaminants organiques. Le ratio typique pour une solution SC-1 est NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, avec une température de travail d'environ 20°C.
Élimination des ions métalliques : L'acide nitrique ou un mélange d'acide chlorhydrique et de peroxyde (SC-2) est utilisé pour éliminer les ions métalliques de la surface de la plaquette. Le rapport typique pour la solution SC-2 est HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, avec une température maintenue à environ 80°C.
Élimination de l'oxyde : Certains procédés nécessitent l'élimination de la couche d'oxyde native de la surface de la plaquette, ce qui nécessite l'utilisation d'une solution d'acide fluorhydrique (HF). Le ratio typique d'une solution d'HF est HF.
₂O = 1:50, et il peut être utilisé à température ambiante.
3. Nettoyage final
Après le nettoyage chimique, les wafers subissent généralement une étape de nettoyage final afin de s'assurer qu'aucun résidu chimique ne reste à la surface. Ce nettoyage final utilise principalement de l'eau déionisée pour un rinçage complet. De plus, un nettoyage à l'eau ozonisée (O₃/H₂O) est utilisé pour éliminer tout contaminant restant à la surface du wafer.
4. Séchage
Les plaquettes nettoyées doivent être séchées rapidement pour éviter la formation de filigranes ou la réadhésion de contaminants. Les méthodes de séchage courantes incluent l'essorage et le rinçage à l'azote. Le premier élimine l'humidité de la surface de la plaquette par rotation à grande vitesse, tandis que le second assure un séchage complet en soufflant de l'azote sec sur la surface de la plaquette.
Contaminant
Nom de la procédure de nettoyage
Description du mélange chimique
Produits chimiques
| Particules | Piranha (SPM) | Acide sulfurique/peroxyde d'hydrogène/eau déionisée | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hydroxyde d'ammonium/peroxyde d'hydrogène/eau déionisée | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Métaux (pas de cuivre) | SC-2 (HPM) | Acide chlorhydrique/peroxyde d'hydrogène/eau déionisée | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 °C |
| Piranha (SPM) | Acide sulfurique/peroxyde d'hydrogène/eau déionisée | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Acide fluorhydrique dilué/eau DI (n'éliminera pas le cuivre) | HF/H2O1:50 | |
| Biologique | Piranha (SPM) | Acide sulfurique/peroxyde d'hydrogène/eau déionisée | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hydroxyde d'ammonium/peroxyde d'hydrogène/eau déionisée | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozone dans l'eau déionisée | Mélanges optimisés O3/H2O | |
| Oxyde natif | DHF | Acide fluorhydrique dilué/eau DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Acide fluorhydrique tamponné | NH4F/HF/H2O |
3. Méthodes courantes de nettoyage des plaquettes
1. Méthode de nettoyage RCA
La méthode de nettoyage RCA est l'une des techniques de nettoyage de plaquettes les plus classiques de l'industrie des semi-conducteurs, développée par RCA Corporation il y a plus de 40 ans. Cette méthode est principalement utilisée pour éliminer les contaminants organiques et les impuretés d'ions métalliques et peut être réalisée en deux étapes : SC-1 (Standard Clean 1) et SC-2 (Standard Clean 2).
Nettoyage SC-1 : Cette étape sert principalement à éliminer les contaminants et particules organiques. La solution est un mélange d'ammoniac, de peroxyde d'hydrogène et d'eau, qui forme une fine couche d'oxyde de silicium à la surface de la plaquette.
Nettoyage SC-2 : Cette étape sert principalement à éliminer les contaminants ioniques métalliques, à l'aide d'un mélange d'acide chlorhydrique, de peroxyde d'hydrogène et d'eau. Elle laisse une fine couche de passivation à la surface de la plaquette pour éviter toute recontamination.
2. Méthode de nettoyage Piranha (Piranha Etch Clean)
La méthode de nettoyage Piranha est une technique très efficace pour éliminer les matières organiques. Elle utilise un mélange d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène, généralement dans un rapport de 3:1 ou 4:1. Grâce à ses propriétés oxydantes extrêmement fortes, cette solution peut éliminer une grande quantité de matières organiques et de contaminants tenaces. Cette méthode exige un contrôle strict des conditions, notamment de température et de concentration, afin de ne pas endommager la plaquette.
Le nettoyage par ultrasons utilise l'effet de cavitation généré par des ondes sonores à haute fréquence dans un liquide pour éliminer les contaminants de la surface des plaquettes. Comparé au nettoyage par ultrasons traditionnel, le nettoyage mégasonique fonctionne à une fréquence plus élevée, permettant une élimination plus efficace des particules submicroniques sans endommager la surface des plaquettes.
4. Nettoyage à l'ozone
La technologie de nettoyage à l'ozone exploite les fortes propriétés oxydantes de l'ozone pour décomposer et éliminer les contaminants organiques de la surface des plaquettes, les transformant ainsi en dioxyde de carbone et en eau inoffensifs. Cette méthode, qui ne nécessite pas de réactifs chimiques coûteux et est moins polluante, constitue une technologie émergente dans le domaine du nettoyage des plaquettes.
4. Équipement de nettoyage des plaquettes
Afin de garantir l'efficacité et la sécurité des processus de nettoyage des plaquettes, divers équipements de nettoyage de pointe sont utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs. Les principaux types sont :
1. Équipement de nettoyage humide
Les équipements de nettoyage humide comprennent divers bacs d'immersion, des cuves de nettoyage à ultrasons et des essoreuses. Ces appareils combinent forces mécaniques et réactifs chimiques pour éliminer les contaminants de la surface des plaquettes. Les bacs d'immersion sont généralement équipés de systèmes de contrôle de la température pour garantir la stabilité et l'efficacité des solutions chimiques.
2. Équipement de nettoyage à sec
Les équipements de nettoyage à sec comprennent principalement des nettoyeurs plasma, qui utilisent des particules à haute énergie pour réagir avec la surface des plaquettes et en éliminer les résidus. Le nettoyage plasma est particulièrement adapté aux procédés nécessitant le maintien de l'intégrité de la surface sans introduire de résidus chimiques.
3. Systèmes de nettoyage automatisés
Avec l'expansion continue de la production de semi-conducteurs, les systèmes de nettoyage automatisés sont devenus la solution privilégiée pour le nettoyage de plaquettes à grande échelle. Ces systèmes intègrent souvent des mécanismes de transfert automatisés, des systèmes de nettoyage multi-cuves et des systèmes de contrôle de précision pour garantir des résultats de nettoyage constants pour chaque plaquette.
5. Tendances futures
Alors que les semi-conducteurs continuent de se réduire, les technologies de nettoyage des plaquettes évoluent vers des solutions plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement. Les futures technologies de nettoyage se concentreront sur :
Élimination des particules subnanométriques : les technologies de nettoyage existantes peuvent gérer les particules à l'échelle nanométrique, mais avec la réduction supplémentaire de la taille des appareils, l'élimination des particules subnanométriques deviendra un nouveau défi.
Nettoyage vert et écologique : la réduction de l’utilisation de produits chimiques nocifs pour l’environnement et le développement de méthodes de nettoyage plus respectueuses de l’environnement, telles que le nettoyage à l’ozone et le nettoyage mégasonique, deviendront de plus en plus importants.
Niveaux supérieurs d'automatisation et d'intelligence : les systèmes intelligents permettront la surveillance et le réglage en temps réel de divers paramètres pendant le processus de nettoyage, améliorant encore l'efficacité du nettoyage et l'efficience de la production.
Étape cruciale de la fabrication des semi-conducteurs, la technologie de nettoyage des plaquettes joue un rôle essentiel pour garantir la propreté des surfaces des plaquettes lors des processus ultérieurs. La combinaison de différentes méthodes de nettoyage élimine efficacement les contaminants, offrant ainsi une surface de substrat propre pour les étapes suivantes. À mesure que la technologie progresse, les procédés de nettoyage continueront d'être optimisés pour répondre aux exigences de précision accrue et de taux de défauts réduits dans la fabrication des semi-conducteurs.
Date de publication : 08/10/2024