🗊Презентация Основы поверхностной обработки полупроводниковых материалов

Лекция 2 Основы поверхностной обработки полупроводниковых материалов. Кристаллическая структура кремния. Химическая обработка подложек кремния: очистка в растворителях, травление. Химическое анизотропное травление. Контроль чистоты поверхности подложек.

Содержание Кристаллическая структура кремния. Химическая обработка подложек кремния: очистка в растворителях, травление. Химическое анизотропное травление. Контроль чистоты поверхности подложек.

Кристаллическая структура Кристаллическая решётка кремния  кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм, но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза.

Кристаллическая решетка кремния Объемная структура (можно изобразить плоской). Большими кружками показаны ионы кремния или германия. Ядра атомов вместе с электронами на внутренних оболочках обладают положительным зарядом 4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней оболочке. Внешние электроны показаны маленькими кружками. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи, показанные линиями на кристаллической решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятся четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний и германий являются идеальными изоляторами, так как не имеют свободных электронов, создающих проводимость. 

Изменение минимального размера элементов и объема динамической памяти (от килобайт до гигабайт) электронных элементов во времени

Характеристики ИС

Классификация загрязнений Органических загрязнения (фоторезист, жиры, смазки, масла); Наличие примесей металлов (алюминий, железо, медь, серебро, золото); Остатки механических частиц (резина, пластмассы, металлы); Жидкие загрязнения (водные соединения); Твердые пленочные загрязнения.

Источники загрязнений Рабочий персонал (метод ламинарного потока сверху вниз, который может бы­стро удалять пыль). Окружающая среда (используемая для хранения и транспортировки кассет с пластинами). Материалы (технологические среды, чистота расходных материалов, плотность и физический размер микродефектов на поверхности). Оборудование (механические узлы оборудования – пыль, продукты химических реакций). Технологические процессы ( загрязнения, привносимые самим процессом произ­водства микроэлектронных изделий).

Требования к газам, воздушным средам, воде, химическим реактивам

Механические загрязнения влияют на: Надежность ИС; Качество ИС; Процент выхода годных ИС. Через: Фотолитографию (механические загрязнения меняют рисунок элемента); Ионную имплантацию, приводящую к рассеянию ионного пучка; Создание эпитаксиальных слоев (загрязнения приводят к дефектообразованию, проявляющемуся в виде вздутий, бугорков, трещин, проколов). 

Металлические загрязнения Me растворяются в SiO2 -> изменяется время жизни носителей, образуются энергетические уровни в запрещенной зоне, ухудшается процесс термического окисления, увеличиваются токи утечки, нарушается работа транзисторов. Остатки водных растворов на основе HF содержат металлические примеси Fe, Cu, Ni, Zn, Cr, Fe, Hg, Au. Например, мин.тех.нормы 0,6мкм уровень опасных примесей Me (Ni, Cu, Na) – менее 5*1010 ат/см2; мин.тех.норма 250нм – менее 2,5*1010 ат/см2; мин.тех.норма 180нм – менее 1,3*1010 ат/см2; Загрязнения на основе Fe очень распространены, т.к. Fe содержится в металлических элементах оборудования.

Микронеровности поверхности Появляются после операций обработки, травления и очистки поверхности; Влияют на качество диэлектрика (особенно при толщинах менее 10нм); Влияют на качество слоя поликремния (затворы МДП транзисторов, мостиковое соединение проводников, резистивные элементы); Контроль поверхности проводят профилографом или сканирующим зондовым микроскопом, или атомно-силовым микроскопом.

Кристаллические дефекты Окислительные дефекты упаковки (ОДУ) снижают плотность тока; Преципитаты кисло­рода (кластеры SiO2) приводят к внутреннему геттерированию (связывание в нейтральные ассоциации подвижных, нежелательных примесей и дефектов на границах раздела, образованных внешней поверхностью кристаллов или поверхностью границ преципитатов), влияет на формирование слоев SiO2, что оказывает воздействие на движение электрического заряда; Кристаллические дефекты, обусловленные наличием пор или включений у поверхности пластины, соизмеримы с размерами ме­ханических загрязнений.   

Удаление загрязнений с поверхности пластин в процессах химической обработки «Жидкостная» химическая очистка - использование растворов с большим "редокс"-потенциалом (электродный потенциал окислительно-восстановительной реак­ции) для удаления металлических и ор­ганических загрязнений с поверхности кремниевых пластин. В растворах H2SO4/H2O2 и HCl/H2O2/H2O, имеющих высокий "редокс"-потенциал, при высо­кой температуре (больше 100 °С) происходит удаление металличе­ских примесей и органических загрязнений (фоторезиста) с по­верхности подложек. Органические пленки под действием кислот при высокой температуре разрушаются и продукты реакции пере­ходят в раствор.

Удаление загрязнений с поверхности пластин в процессах химической обработки На поверхности Si-пластин в процессе изготовления ИС могут находиться слои SiO2, Si3N4, Al, органических соедине­ний и др. В алкильных растворах все эти материалы имеют отрица­тельный пси-потенциал (электрокинетический потенциал частиц в кинетике обменных химических реакций), т.е. такой же полярно­сти, что и используемый раствор NH4OH/H2O2/H2O (табл.1). За­грязнения на поверхности, взаимодействуя с заряженными тем же знаком пси-потенциала частицами раствора, взаимно отталкиваются и, таким образом, удаляются с поверхности пластины.

Очистка поверхности подложек в перекисно-аммиачном растворе Удаление механических загрязнений с поверхности полупроводниковых пластин в основ­ном используется обработка погружением в перекисно-аммиачный раствор (NH4OH/H2O2/H2O). Между двумя химическими компонентами про­исходит компенсационное взаимодействие: перекись водорода (H2O2) окисляет кремний и образует слой оксида кремния (SiO2) непосредственно на поверхности подложки, а аммиак, напротив, подтравливает образовавшийся слой SiO2. Слой SiO2 постоянно образуется и удаляется, а подтравливание слоя SiO2 под частицами способствует удалению с поверхности Si пластин загрязнений.  Недостаток: изме­нение концентрации компонентов в растворе в процессе его ис­пользования и хранения, что приводит к ухудшению характеристик поверхности подложек. 

Изменение скорости травления поверхности кремниевой пластины при изменении концентрации компонентов в процессе аэрозольно-капельного распыления раствора NH4OH/H2O2/H2O при различной температуре

Методы анализа частиц на поверхности пластин Бесконтактные методы (анализ отраженного сканирующего лазерного луча и мик­роскопия); Микроскопические методы (электронная и оптиче­ская микроскопия) - растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечиваю­щая электронная микроскопия (ПЭМ); Контрольная аппаратура - оптический микроскоп с увели­чением до х500.

Методы анализа органических загрязнений на поверхности пластин Методы, основанные на смачиваемости поверхности пластин жидкостями, позволяют фиксировать физическую неоднородность поверхности, обнаруживать органические загрязнения с чувстви­тельностью 10-5–10-8 г/см2. Например, ме­тоды окунания, пульверизации воды, конденсации воды, за­потевания. Недостатки: малая чувствительность при низких концентрациях загрязнений; от­сутствие возможности контроля других типов загрязнений.

Методы анализа металлических загрязнений на поверхности пластин Электрохимические методы – для анализа жидких технологических сред и исследование поверхности на примесей ионов металлов. Различают методы: электрогравиметрический (потенциометрические и вольт­амперметрические), кулонометрический, полярографичес­кий, кондуктометрический анализы. Радиохимические методы вклю­чают в себя нейтронно-активационный анализ, метод радиоактив­ных индикаторов и др. Обладают низкой чувствительностью. Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), метод локального рентгеновского анализа обеспечивают анализ поверхности с вы­сокой чувствительностью (до 0,1 ат.%)  Наиболее эффективным для анализа распределения примесей по поверхности и глубине образцов является метод вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) с чувствительностью до 10-6 ат% .

Методы исследования рельефа поверхности подложек Методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) иссле­дуют свойства поверхностей материалов в диапазоне микронного, атомного уровней. В СЗМ существует метод исследования поверхности полупроводниковых пластин с применением атомно-силовой микроскопии. Этот метод весьма привлекателен низкими требованиями к подготовке образцов. АСМ ис­пользуется для контроля характеристик поверхности полупровод­никовых пластин в процессе проведения процессов "жидкостных" химических обработок подложек

"Жидкостная" химическая обработка Химическая обработка в растворах RCA (последовательно вы­полняемые операции): H2SO4/H2O2 (7:3) при 120 °C – удаляются органические загряз­нения, ионы металлов; H2O/HF (100:0,5) 20 °C – удаляется пленка естественного слоя SiO2; NH4OH/H2O2/H2O (1:1:6) при 80 °С – удаляются механические частицы, органические загрязнения; HCl/H2O2/H2O (1:1:6) при 80 °С – удаляются металлические за­грязнения; H2O/HF (100:0,5) при 20 °C – удаляются химические оксиды; отмывка в воде после обработки в каждом из реагентов; сушка. Недостатки: боль­шое число этапов химической отмывки (12), значительные объемы потребления химических реагентов и деионизованной воды, расход чистого воздуха и газов в ЧПП. Кроме того, использование хими­ческих смесей при высокой температуре способствует быстрому испарению жидкостей и ухудшению качества растворов. Модификация процесса RCA (TRTWC (Total Room Temperature Wet Cleaning) – "жидкостная" химическая очистка при комнатной температуре). Сушка пластин (центрифугирование с обдувом теплым азотом; очистка и сушка подложек в паро­вой фазе; метод сушки горячим воздухом и горячим азотом; сушка по методу Марангони -  по­верхность кремниевой пластины контактирует с водой в присутст­вии летучего и хорошо растворимого в воде соединения, например, изопропилового спирта.) .

Методы проведения "жидкостной" химической обработки Погружение в растворы. Мегазвуковая обработка. Ультразвуковая обработка. Обработка струей жидкости высокого давления. Аэрозольно-капельное распыление растворов. Кистевая обработка.

Зависимость уровня остаточных загрязнений на поверхности Si пла­стин диаметром 150 мм от количества циклов обработки различными методами: 1 – погружением в растворы по стандартной методике; 2 – с применением мега-звуковой энергии в растворе NH4OH/H2O2/H2O; 3 – аэрозольно-капельным распы­лением растворов H2SO4/H2O2; H2O/HF; NH4OH/H2O2/H2O; HCl/H2O2/H2O

Поверхность исходной Si пластины: а – внешний вид поверхности образца; б – профиль шероховатости поверхности подложки; в – изометрическое изображение поверхности образца; г – распределение неровностей поверхности по размерам

Поверхность Si пластины после обработки в буферном растворе: а – внешний  вид  поверхности  образца;  б – профиль шероховатости поверхности; в – изометрическое изображение поверхности образца; г – распределение неров­ностей поверхности по размерам

Поверхность Si пластины после обработки методом погружения по стандартной методике в растворы H2SO4/H2O2, NH4OH/H2O2/H2O: а – внешний вид поверхности образца; б – профиль шероховатости поверхности; в – изометри­ческое изображение поверхности образца; г – распределение неровностей поверх­ности по размерам

Поверхность Si пластины после обработки аэрозольно-капельным распылением растворов H2SO4/H2O2; H2O/HF; NH4OH/H2O2/H2O; HCl/H2O2/H2O: а – внешний вид поверхности образца; б – профиль шероховатости поверхности; в – изометрическое изображение поверхности образца; г – распределение неров­ностей поверхности по размерам