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 ultérieures du processus puissent être effectuées sur une surface propre.
À mesure que la taille des dispositifs semi-conducteurs continue de diminuer et que les exigences de précision augmentent, les exigences techniques des processus de nettoyage des plaquettes sont devenues de plus en plus strictes. Même les plus petites particules, matériaux organiques, ions métalliques ou résidus d'oxyde sur la surface de la tranche peuvent avoir un impact significatif sur les performances du dispositif, affectant ainsi le rendement et la fiabilité des dispositifs semi-conducteurs.
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 à un traitement ultérieur.
Type de contamination
Principales influences sur les caractéristiques de l'appareil
| Article Contamination | Défauts de motif
Défauts d'implantation ionique
Défauts de rupture du film isolant
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| Contamination métallique | Métaux alcalins | Instabilité des transistors MOS
Rupture/dégradation du film d'oxyde de grille
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| Métaux lourds | Augmentation du courant de fuite inverse à la jonction PN
Défauts de rupture du film d'oxyde de grille
Dégradation de la durée de vie du porteur minoritaire
Génération de défauts de couche d'excitation d'oxyde
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| Contamination chimique | Matière organique | Défauts de rupture du film d'oxyde de grille
Variations du film CVD (temps d'incubation)
Variations d'épaisseur du film d'oxyde thermique (oxydation accélérée)
Occurrence de brume (plaquette, lentille, miroir, masque, réticule)
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| Dopants inorganiques (B, P) | Le transistor MOS Vth se décale
Variations de résistance du substrat en Si et de la feuille de poly-silicium haute résistance
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| Bases inorganiques (amines, ammoniac) et acides (SOx) | Dégradation de la résolution des résines chimiquement amplifiées
Occurrence de contamination par des particules et de brume due à la génération de sel
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| Films d'oxydes 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 tranches 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 qui existent entre elles et la surface de la plaquette, ce qui nécessite un traitement spécial.
Élimination des matières organiques : les 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 sur la surface de la plaquette peuvent dégrader les performances électriques et même affecter les étapes de traitement ultérieures. Des solutions chimiques spécifiques sont donc utilisées pour éliminer ces ions.
Élimination des oxydes : certains processus nécessitent que la surface de la plaquette soit exempte de couches d'oxyde, telles que l'oxyde de silicium. Dans de tels cas, les couches d’oxyde naturel 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. Déroulement 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 sur une seule plaquette
Un processus typique de nettoyage de tranche comprend les étapes principales suivantes :
1. Pré-nettoyage (Pré-Nettoyage)
L'objectif du pré-nettoyage est d'éliminer les contaminants libres et les grosses particules de la surface de la plaquette, ce qui est généralement réalisé par un rinçage à l'eau déminéralisée (eau DI) et un nettoyage par ultrasons. L'eau désionisée peut initialement éliminer les particules et les impuretés dissoutes de la surface de la plaquette, tandis que le nettoyage par ultrasons utilise les effets de cavitation pour rompre la liaison entre les particules et la surface de la plaquette, les rendant ainsi plus faciles à déloger.
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 des plaquettes.
Élimination des matières organiques : Généralement, de l'acétone ou un mélange ammoniac/peroxyde (SC-1) est utilisé pour dissoudre et oxyder les contaminants organiques. Le rapport typique pour la solution SC-1 est NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, avec une température de travail d'environ 20°C.
Élimination des ions métalliques : de l'acide nitrique ou des mélanges d'acide chlorhydrique/peroxyde (SC-2) sont utilisés 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 la température maintenue à environ 80°C.
Élimination de l'oxyde : dans certains processus, l'élimination de la couche d'oxyde natif de la surface de la plaquette est nécessaire, pour laquelle une solution d'acide fluorhydrique (HF) est utilisée. Le rapport typique pour la solution HF est HF
₂O = 1:50, et il peut être utilisé à température ambiante.
3. Nettoyage final
Après le nettoyage chimique, les plaquettes subissent généralement une étape de nettoyage finale pour garantir qu'aucun résidu chimique ne reste à la surface. Le nettoyage final utilise principalement de l’eau déminéralisée pour un rinçage approfondi. De plus, un nettoyage à l'eau ozonée (O₃/H₂O) est utilisé pour éliminer davantage tous les contaminants restants de la surface de la tranche.
4. Séchage
Les plaquettes nettoyées doivent être séchées rapidement pour éviter les filigranes ou la réattache de contaminants. Les méthodes de séchage courantes comprennent l'essorage et la purge à l'azote. Le premier élimine l'humidité de la surface de la plaquette en tournant à grande vitesse, tandis que le second assure un séchage complet en soufflant de l'azote gazeux 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 désionisée | 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 désionisée | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1 ; 90°C | |
| DHF | Diluer l’acide fluorhydrique/l’eau DI (n’élimine pas le cuivre) | HF/H2O1:50 | |
| Produits biologiques | Piranha (SPM) | Acide sulfurique/peroxyde d'hydrogène/eau désionisée | 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 déminéralisée | Mélanges optimisés O3/H2O | |
| Oxyde natif | DHF | Diluer acide fluorhydrique/eau déionisée | 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 tranches 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 complétée en deux étapes : SC-1 (Standard Clean 1) et SC-2 (Standard Clean 2).
Nettoyage SC-1 : Cette étape est principalement utilisée pour éliminer les contaminants et les 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 est principalement utilisée pour éliminer les contaminants ioniques métalliques, en utilisant un mélange d'acide chlorhydrique, de peroxyde d'hydrogène et d'eau. Il laisse une fine couche de passivation sur 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, utilisant un mélange d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène, généralement dans un rapport de 3 : 1 ou 4 : 1. En raison des propriétés oxydantes extrêmement fortes de cette solution, elle peut éliminer une grande quantité de matière organique et de contaminants tenaces. Cette méthode nécessite un contrôle strict des conditions, notamment en termes de température et de concentration, pour éviter d'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 de la plaquette. Comparé au nettoyage par ultrasons traditionnel, le nettoyage mégasonique fonctionne à une fréquence plus élevée, permettant une élimination plus efficace des particules de taille inférieure au micron sans endommager la surface de la plaquette.
4. Nettoyage à l'ozone
La technologie de nettoyage à l'ozone utilise les fortes propriétés oxydantes de l'ozone pour décomposer et éliminer les contaminants organiques de la surface de la plaquette, les convertissant finalement en dioxyde de carbone et en eau inoffensifs. Cette méthode ne nécessite pas l’utilisation de réactifs chimiques coûteux et entraîne moins de pollution environnementale, ce qui en fait une technologie émergente dans le domaine du nettoyage des plaquettes.
4. Équipement de processus de nettoyage de plaquettes
Pour garantir l’efficacité et la sécurité des processus de nettoyage des plaquettes, divers équipements de nettoyage avancés sont utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs. Les principaux types comprennent :
1. Équipement de nettoyage humide
L'équipement de nettoyage humide comprend divers réservoirs d'immersion, des réservoirs de nettoyage à ultrasons et des essoreuses. Ces dispositifs combinent des forces mécaniques et des réactifs chimiques pour éliminer les contaminants de la surface de la plaquette. Les réservoirs 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 au plasma, qui utilisent des particules à haute énergie contenues dans le plasma pour réagir avec et éliminer les résidus de la surface de la plaquette. Le nettoyage au plasma est particulièrement adapté aux processus qui nécessitent de maintenir 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 le choix privilégié pour le nettoyage de tranches à grande échelle. Ces systèmes comprennent souvent des mécanismes de transfert automatisés, des systèmes de nettoyage multi-réservoirs et des systèmes de contrôle de précision pour garantir des résultats de nettoyage cohérents pour chaque tranche.
5. Tendances futures
Alors que les dispositifs à semi-conducteurs continuent de diminuer, la technologie de nettoyage des plaquettes évolue vers des solutions plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement. Les futures technologies de nettoyage se concentreront sur :
Élimination des particules inférieures au nanomètre : les technologies de nettoyage existantes peuvent traiter des particules à l'échelle nanométrique, mais avec la réduction supplémentaire de la taille des appareils, l'élimination des particules inférieures au nanomètre deviendra un nouveau défi.
Nettoyage vert et respectueux de l'environnement : 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 l'ajustement en temps réel de divers paramètres pendant le processus de nettoyage, améliorant ainsi davantage l'efficacité du nettoyage et l'efficience de la production.
La technologie de nettoyage des plaquettes, en tant qu'étape critique dans la fabrication des semi-conducteurs, joue un rôle essentiel pour garantir la propreté des surfaces des plaquettes pour les processus ultérieurs. La combinaison de diverses méthodes de nettoyage élimine efficacement les contaminants, fournissant ainsi une surface de substrat propre pour les étapes suivantes. À mesure que la technologie progresse, les processus de nettoyage continueront d’être optimisés pour répondre aux exigences d’une plus grande précision et de taux de défauts plus faibles dans la fabrication de semi-conducteurs.
Heure de publication : 08 octobre 2024