Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Подготовка пластин Si, используемых при производстве структур КНИ 12
1.1 Перспективы производства структур КНИ 12
1.1.1. Особенности структур КНИ 13
1.1.2 Методы формирования структур КНИ 14
1.2 Получение структур КНИ методом сращивания полупроводниковых пластин 18
1.3 Роль процессов химической обработки в микроэлектронике 19
1.4 Влияние поверхностных загрязнений подложек на результаты технологических процессов 21
1.4.1 Классификация загрязнений 23
1.4.2 Источники загрязнений на поверхности пластин Si 26
1.4.3 Выбор процесса химической обработки 27
1.5 Способы очистки поверхности пластин Si от загрязнений 28
1.5.1 Жидкостная химическая обработка 29
1.5.2 Тенденции развития существующих методов жидкостной химической обработки 31
1.5.3 Сухие методы обработки поверхности 38
1.6 Контроль качества подготовки поверхности пластин Si 40
1.7 Выводы и постановка задачи 43
Глава 2 Оборудование и методика проведения эксперимента 45
2.1 Подготовка подложек 45
2.1.1 Химическая обработка методом погружения структур в растворы 46
2.1.2 Сушка структур 47
2.1.3 Химическая обработка аэрозольно-капельным распылением растворов 48
2.1.4 Химическая обработка с применением мегазвуковой энергии 50
2.1.5 Кистевая химическая обработка 51
2.1.6 Процессы химического травления 51
2.2 Методики контроля Si пластин и структур КНИ 52
2.3 Выводы 66
Глава 3 Причины, влияющие на загрязнение поверхности Si пластин в процессе получения структур КНИ 67
3.1 Анализ состояния поверхности подложек, используемых для производства структур КНИ и ИС 67
3.2 Выявление основных источников механических загрязнений поверхности полупроводниковых пластин 76
3.2.1 Влияние среды чистых производственных помещений на загрязнение Si
пластин 76
3.2.1.1 Влияние загрязнения поверхности полупроводниковых пластин в чистых производственных помещениях 77
3.2.1.2 Влияние чистоты технологических растворов на привносимые загрязнения поверхности пластин Si 79
3.2.1.3 Влияние параметров ЧПП на поверхностные привносимые загрязнения подложек 80
3.2.1.4 Влияние расположения Si пластин в кассете на поверхностные загрязнения 82
3.2.2 Влияние оборудования на загрязнение поверхности Si пластин 83
3.2.3 Влияние персонала на загрязнение поверхности Si пластин 85
3.2.4 Влияние чистоты используемых производственных материалов на загрязнение поверхности пластин Si 87
3.2.4.1 Определение влияния чистоты химических растворов на загрязнение поверхности подложек 88
3.2.4.2 Определение загрязнений поверхности исходных полупроводниковых пластин 89
3.2.5 Влияние технологического процесса химической обработки на уровень загрязнений пластин Si 91
3.2.5.1 Влияние операции сушки пластин Si на загрязнения поверхности 91
3.3 Анализ влияния факторов технологического процесса химической обработки на загрязнение поверхности Si пластин 94
3.4 Влияние процессов подготовки на контактную разность потенциала поверхности подложек 97
Глава 4 Разработка процессов подготовки Si пластин, предназначенных для получения структур КНИ 102
4.1 Влияние химической обработки на уровень остаточных загрязнений поверхности Si пластин 102
4.2 Воздействие раствора NH4OH/H2O2/H2O на поверхность Si пластин 104
4.3 Обработка Si пластин в водных растворах HF 107
4.4 Влияние процессов сушки Si пластин после проведения жидкостной обработки на уровень загрязнений 111
4.5 Влияние химической обработки на шероховатость поверхности Si пластин 114
4.6 Разработка процессов подготовки Si пластин 124
4.6.1 Разработка способов уменьшения уровня остаточных загрязнений в процессе проведения химической обработки 124
4.6.2 Разработка процесса химической обработки аэрозольно-капельным распылением растворов 128
4.6.3 Разработка процесса химической обработки с использованием растворов на основе 8-оксихинолина 133
4.7 Выводы 141
Глава 5 Исследование структур КНИ, полученных с использованием разработанных процессов подготовки подложек 143
5.1 Использование разработанных процессов подготовки подложек для получения структур КНИ 143
5.2 Технологический маршрут изготовления структур КНИ сращиванием подложек и отслаиванием части приборного слоя 149
5.3 Исследование характеристик структур КНИ, полученных сращиванием подложек и отслаиванием части приборного слоя 154
5.4 Исследование поверхности рабочего слоя структур КНИ, полученных сращиванием Si пластин 157
5.4.1 Влияние на поверхность образцов боковых сил трения зонда 160
5.4.2 Сравнение характеристик поверхности образцов пластин полученных разными методами 162
5.5 Лабораторный процесс формирования островковых структур КНИ 163
5.6 Выводы 167
Заключение 168
Список литературы 170
- Получение структур КНИ методом сращивания полупроводниковых пластин
- Методики контроля Si пластин и структур КНИ
- Выявление основных источников механических загрязнений поверхности полупроводниковых пластин
- Воздействие раствора NH4OH/H2O2/H2O на поверхность Si пластин
Введение к работе
Актуальность работы
Развитие микроэлектроники происходит в направлении решения задач увеличения сложности, плотности компоновки элементов и повышения быстродействия ИС. Важной проблемой является повышение устойчивости ИС к внешним факторам (температуре, радиационным воздействиям и т.д.), приводящим к изменению параметров функционирования приборов. Использование структур "кремний на изоляторе" (КНИ), что позволяет значительно уменьшить паразитные связи между элементами ИС и подложкой, а также увеличить устойчивость ИС к воздействиям дестабилизирующих факторов. Структуры КНИ позволяют обеспечить технологические и экономические преимущества при получении ИС и элементов микроэлектромеханических систем, производимых по данным технологиям, перед альтернативными приборами, изготавливаемыми на обычных подложках, а также получить изделия, которые невозможно реализовать с использованием других методов получения. В настоящее время одним из перспективных направлений производства структур КНИ являются технологии, использующие методы сращивания полупроводниковых пластин, позволяющие получать структуры с изолированным слоем монокристаллического кремния толщиной от 0,1 мкм до десятков мкм с использованием методов утонения рабочей пластины.
Одной из основных операций в процессе получения структур КНИ методами сращивания подложек является химическая обработка полупроводниковых пластин. Процесс химической обработки подложек в общем случае можно представить в виде последовательных технологических операций очистки в химических реагентах, отмывки в воде и сушки. Подготовка поверхности Si пластин является определяющим этапом не только с точки зрения качества изготовляемых структур КНИ, но и работоспособности созданных на их основе элементов. Загрязнения и геометрические несовершенства поверхности Si являются основными причинами брака при
проведении операций термического сращивания полупроводниковых пластин для получения структур КНИ. Проблемы уменьшения количества загрязнений и улучшения морфологии поверхности подложек необходимо решать и для производства ИС, особенно с топологическими нормами менее 1,0 мкм. Поэтому тема диссертационной работы актуальна как с точки зрения развития передовых технологий производства структур КНИ, так и с точки зрения производства традиционных микроэлектронных изделий.
Цель работы
Основной целью диссертационной работы является:
- исследование и разработка процессов подготовки Si пластин,
предназначенных для получения структур КНИ и апробация их в реальном технологическом маршруте. Для достижения поставленной цели необходимо:
провести анализ основных технологических факторов, влияющих на качество структур КНИ;
определить влияние уровня и вида загрязнений поверхности Si пластин на качество структур КНИ, получаемых сращиванием подложек;
провести моделирование дефектности приборного слоя Si в структурах КНИ в зависимости от уровня, типа загрязнений и рельефа поверхности исходных подложек;
проанализировать факторы, влияющие на уровень загрязнений поверхности полупроводниковых пластин в технологическом процессе;
провести анализ и сравнить морфологию поверхности Si пластин после различных процессов подготовки исходных подложек;
разработать технологические процессы подготовки поверхности Si пластин, предназначенных для изготовления структур КНИ;
разработать технологический маршрут изготовления структур КНИ с использованием новых процессов подготовки подложек и исследовать характеристики полученных образцов.
Научная новизна
Исследовано влияние процессов подготовки поверхности подложек на параметры структур КНИ. Установлена корреляция между уровнем загрязнений на поверхности сращиваемых подложек и размерами пор в приборном слое структур КНИ.
На основе проведенного анализа поверхностных загрязнений построена модель влияния механических загрязнений поверхности пластин Si на дефектность структур КНИ.
Проведены исследования различными методами (в т.ч. на атомно-силовом микроскопе) влияния процессов обработки на морфологию поверхности Si пластин. Установлена связь между дефектами морфологии поверхности и параметрами процессов.
Обнаружено и объяснено влияние многократного циклического изменения скорости вращения подложек в процессе очистки на уровень поверхностных механических загрязнений с позиции изменения толщины граничного слоя жидкости на поверхности подложек под действием сил инерции.
Впервые проведены комплексные исследования процесса подготовки поверхности Si пластин в растворах на основе 8-оксихинолина и определены основные закономерности нелинейного влияния состава раствора на чистоту поверхности подложек.
Практическая иенность
Разработан новый технологический процесс обработки Si пластин диаметром 100 и 150 мм с использованием аэрозольно-капельного распыления растворов H2SO4/H2O2, NH4OH/H2O2/H2O, предназначенный для подготовки поверхности к проведению термического сращивания. В результате снижен уровень механических загрязнений до 15 частиц на поверхности подложек диаметром 150 мм, уменьшена неровность поверхности подложек в 1,6 раза по сравнению со стандартными методиками обработки.
Разработан новый состав раствора на основе 8-оксихинолина и режимы подготовки подложек с применением мегазвукового воздействия, позволяющие снизить уровень металлических примесей на поверхности подложек.
Разработан технологический маршрут получения структур КНИ методами сращивания Si пластин с использованием предложенных процессов подготовки подложек, позволяющих снизить дефектность рабочего слоя структуры.
Разработана технологическая схема лабораторного процесса получения составных островковых структур КНИ, являющаяся основой для биполярной технологии.
Изготовлены образцы структур КНИ, предназначенные для производства ИС с повышенной радиационной и термической устойчивостью, а также датчиков и элементов микроэлектромеханических систем специального назначения. Полученные результаты подтверждены соответствующими актами внедрения.
Положения выносимые на зашиту
Модель влияния поверхностных загрязнений подложек на качество формируемых структур КНИ.
Результаты комплексных исследований влияния различных факторов технологического процесса химической обработки на уровень загрязнений и морфологию поверхности Si пластин.
Технологические режимы подготовки поверхности подложек методом аэрозольно-капельного распыления растворов H2S04/H202, NH4OH/H2O2/H2O.
4. Новый состав раствора на основе комплексообразователя 8-
оксихинолина для химической обработки подложек с использованием
мегазвукового воздействия на обрабатываемую Si пластину.
5. Технологический маршрут изготовления структур КНИ, включающий
разработанные процессы подготовки подложек.
6. Изготовленные образцы структур КНИ, полученные сращиванием подложек и удалением части приборного слоя, обладающие повышенной устойчивостью к температурным, радиационным воздействиям.
Апробаиия результатов работы
Результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Третья международная научно-техническая конференция
«Микроэлектроника и информатика-97» (Москва, МИЭТ, 1997 г.);
2. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
«Микроэлектроника и информатика-98» (Москва, МИЭТ, 1998 г.);
3. Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и
технологии, НМТ-98» (Москва, МАТИ, 1998 г.);
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-99» (Москва, МИЭТ, 1999 г.);
Научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления, Датчик-99», (Гурзуф, 1999 г.);
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика-2000» (Москва, МИЭТ, 2000 г.);
7. Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника
и информатика-XXI век» (Москва, МИЭТ, 2000 г.).
Публикации
По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 13 работ, включая оригинальные статьи в отечественных периодических изданиях и тезисы докладов на конференциях. Результаты работы вошли составной частью в НТО по НИР «Теоретические и экспериментальные физико-химические исследования процессов формирования многослойных структур типа "кремний на изоляторе" с целью создания нового поколения радиационностойкой
элементной базы военного назначения» (№ гос. регистрации 01200008756, 2000 г.).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал диссертации изложен на 187 страницах машинописного текста, включая 57 рисунков и 12 таблиц. Список литературы состоит из 191 наименования.
Получение структур КНИ методом сращивания полупроводниковых пластин
В Европейских странах развитием и совершенствованием технологии BESOI занимаются во многих институтах и практически в большинстве микроэлектронных компаний: IBIS, SOITEQ, PHILIPS, TOMPSON, ENSERG, NMRC, MEDL, PLESSEY [21]. В последнее время заметно увеличение внимания мировых производителей СБИС к выпуску КНИ структур по технологии сращивания (BESOI, Eltran, Smart Cut).
Процесс получения структур КНИ с использованием сращивания многоступенчатый, однако, определяющее влияние на конечный результат оказывают методы подготовки поверхности полупроводниковых пластин при проведении основных этапов производства. Для технологии BESOI основными являются следующие этапы: Формирование стоп-слоя, например, Si02 или Si3N4; Окисление, либо нанесение диэлектрического слоя на поверхности опорной и рабочей пластин (или на одну из пластин); Соединение (сращивание) двух подложек через нанесенные слои; Утонение рабочей пластины механическим, химическим или электрохимическим способом до заданной толщины слоя.
Разработанные операции сращивания позволяют обеспечить изготовление ненапряженной структуры диаметром 100 мм с низкой величиной прогиба (60-100 мкм) и выдерживающей длительные высокотемпературные обработки с температурой до 1200С. Сращивание кремниевых пластин происходит с использованием диэлектрических материалов цельзиановои стекловидной системы, согласованных по коэффициенту термического линейного расширения с кремнием. Используется также твердоадгезионное сращивание кремний-кремний и сращивание через промежуточный слой оксида кремния [15].
Процессы химической обработки подложек оказывают решающее влияние на получение структур КНИ с использованием методов сращивания [13, 20]. Зазор между состыкованными поверхностями пластин Si увеличивается при попадании в него пылевидных частиц. Кроме того, на прочность соединения влияет шероховатость поверхности. Подробнее данный вопрос будет рассмотрен в 3-ей главе.
В процессе производства ИС различного назначения очень важной является химическая обработка полупроводниковых пластин. Операции химической обработки занимают до 25-30% от общего количества всех технологических операций изготовления ИС. Степень очистки оказывает непосредственное влияние на качество продукции, поэтому все больше фирм прилагает усилия в этом направлении [22-25]. Процессы химической обработки проводятся после удаления фоторезиста, травления слоев оксида кремния, перед ионным легированием, нанесением эпитаксиальных слоев, высокотемпературными диффузионными операциями и в других случаях [26, 27]. Характерными тенденциями развития современного полупроводникового производства являются повышение степени интеграции элементов на кристалле, увеличение диаметра пластин с соответствующим уменьшением топологических норм, что определяет нормы чистых производственных помещений (ЧПП) и критические размеры загрязняющих частиц в используемых средах и помещениях [28]. Увеличение плотности дефектов на Si пластине в современном микроэлектронном производстве экспоненциально уменьшает выход годных [29]. Требования к чистоте поверхности зависят от уровня реализуемой технологии и параметров изготавливаемого изделия. Поэтому целью очистки является достижение такого количества остаточных загрязнений, которые не являются помехой для последующих технологических процессов. Существует настоятельная потребность в высококачественной и в тоже время высокоскоростной технологии химической обработки Si пластин [30, 31].
В таблице 1.2 представлены параметры ИС. Размер загрязнений на пластине должен быть на порядок меньше минимального топологического размера элементов. С уменьшением размеров элементов и межсоединений в СБИС частицы малых размеров будут оказывать все большее отрицательное влияние на работу приборов. По мере снижения: размеров загрязнений сложность их удаления резко повышается, т.к. возрастают силы адсорбции. Таким образом, уменьшение топологических размеров элементов, к которому стремятся ведущие производители ИС (см. табл. 1.2), невозможно без применения новых способов химической обработки [32].
К примеру, для созданных на основе МОП технологии ДОЗУ с объемом памяти 4 Мбит число стадий технологического процесса достигло 500, а число литографий превысило 20. Кроме минимального размера элементов, другой проблемой, без решения которой невозможно наладить промышленный выпуск ИС нового поколения, является снижение количества загрязняющих частиц, которые могут попадать на пластины во время их химической обработки, транспортировки и межоперационного хранения. Следовательно, процесс очистки поверхности полупроводниковых пластин нуждается в постоянном развитии.
Одной из главных задач полупроводниковой техники является изготовление надежных приборов, способных работать в течение длительного времени. Установлено, что электрические параметры электронных
Методики контроля Si пластин и структур КНИ
Контроль чистоты поверхности пластин Si проводился на установке автоматического исследования поверхности структур «Surfscan-4500» путем лазерного сканирования поверхности. В работе проводились измерения количества загрязнений размером более 0,06 мкм2 по площади рассеивания полупроводниковых пластин с краевым исключением 6 мм. Основные
В светлом и темном полях оптического микроскопа «Inspection jenatech» проводился контроль поверхностных характеристик образцов по стандартной методике в ручном режиме [128]. Контролировались частицы, царапины, поверхностные нарушения с размером около 1 мкм и более. Увеличение составляло от 100 до 500 крат. Пластины поочередно извлекались из кассеты для контроля.
Атомно-силовая микроскопия (ACM) использовалась для контроля характеристик поверхности полупроводниковых пластин в процессе проведения жидкостных химических обработок [ПО]. Измерения проводились на сканирующем зондовом микроскопе «SOLVER Р47». Исследование поверхности проводилось на максимальной площади сканирования 45x45 мкм перемещением зонда (кантилевера) по поверхности образцов. Основными характеристиками поверхности являются Rmax - максимум-минимум (перепад), Ra - шероховатость, Rq - среднеквадратичное отклонение. Применялись непроводящие кантилеверы.
Использовались несколько режимов измерений на АСМ, среди которых контактный и модуляционный режимы сканирования поверхности пластины. При использовании контактного режима кантилевер вепосредственно касается иглой поверхности. Модуляционный режим представляет собой "постукивание" кантилевером поверхности образца. При контактной методике измерений острие зонда касается поверхности, огибая неровности.
Особенности взаимодействия зонда и образца проявляются вблизи исследуемой поверхности. В то время, как острие зонда упирается в поверхность, то есть находится в зоне межмолекулярного отталкивания, остальная часть иглы находится в области притяжения. На рис. 2.5 представлена зависимость межмолекулярного взаимодействия острия кантилевера и образца.
Применялся режим регистрации изменения боковых сил, который заключается в измерении возникающего бокового изгиба кантилевера при сканировании из-за присутствия латеральных сил (см. рис. 2.6). Боковые силы, вызывающие крутильные деформации гибкого элемента зонда, возникают вследствие сил трения, а также из-за резких неоднородностей рельефа.
При подготовке образцов для измерений на АСМ использовалась следующая схема. На этапе подготовки трех групп Si пластин для определения влияния жидкостных обработок на состояние поверхности пластин Si использовались режимы, представленные в табл. 2.4.На втором этапе подготовки образцов для измерений каждая из пластин Si разделена по оси, перпендикулярной базовому срезу, на три части методом скалывания.
Результаты исследований представлены в виде изображения поверхности в изометрии и плоскости, профиля шероховатости поверхности, распределения неровностей по размерам, представленных на рис. 2.7. Изменение работы выхода электрона может быть оценено путем измерения разности потенциалов (КРП), возникающей между исследуемой поверхностью и эталонным электродом прибора. Величина КРП включает в себя дипольную составляющую работы выхода, следовательно, процессы, происходящие в поверхностной фазе (в том числе химические реакции), должны приводить к изменению КРП [129-131].
В настоящей работе был использован ионизационный вариант а-облучения статического емкостного метода, реализованный в приборе «Альфатест» (рис. 2.8). Сущность метода заключается в том, что одной из обкладок динамического конденсатора является испытуемый образец, при этом обкладки колеблются относительно друг друга, и производится измерение потенциала между пластинами.
Исследуемый образец помещается на столик 4 и представляет собой одну из обкладок статического конденсатора. Другой обкладкой является эталонный электрод 3, имеющий малую поверхность, изготовленный из материала, устойчивого в условиях атмосферы (в нашем случае — никелевая сетка, покрытая золотой пленкой). Универсальный вольтметр-электрометр позволяет измерять величину контактной разности потенциалов между испытуемым образцом и эталонным электродом с точностью ±0,002 В. Таким образом, при жесткой геометрии измерительной системы и постоянстве потока а-частиц, разность потенциалов между электродами определяется только КРП [132].
Растровая электронная микроскопия (РЭМ) позволяет получить изображение поверхности пластин Si, структур КНИ с более высокими значениями пространственного разрешения и глубины резкости, по сравнению с оптическим микроскопом, используя информацию отраженных электронов [102]. Использовалась установка «Jeol-5». Проводилось исследование поверхности полупроводниковых пластин, приборного слоя структур, боковой поверхности скола исследуемых образцов структур КНИ.
Использован метод электронной Оже-спектроскопии, позволяющий выявить металлические примеси на поверхности полупроводниковых пластин на уровне 0,01-1 ат % [133]. Принцип метода состоит в том, что электрон, падающий на анализируемую поверхность с достаточно высокой энергией, может выбить электрон внутренней оболочки атома. Кинетическая энергия электрона (Оже-электрона) определяется разностью энергий, анализ которой позволяет определить природу атомов [102].
Анализ содержания примесей Fe, Си на поверхности кремниевых пластин проводился на сканирующем Оже-микрозонде «PHI-660 Physical Electronics». Первичным пучком электронов с энергией 1-25 кэВ проводилось возбуждение поверхности кремниевой пластины с последующей регистрацией спектра вторичных электронов в диапазоне 0-32 кэВ.
Для расчета содержания примеси металлов использовали графики, приведенные в [2,3]. Для контроля металлических примесей выбраны Fe и Си, которым характерны следующие значения энергии вторичных электронов и факторов чувствительности: Си - 918 эВ, SCu=0,2; Fe - 703 эВ, Spe OJS; Si - 1615 эВ, SSi=0,042.
Качественную оценку степени совершенства кристаллической структуры изолированных кремниевых слоев структур КНИ осуществляли на основе анализа рентгеновских кривых качания. Кривые качания получали на работающем в режиме двухкристального спектрометра рентгеновском дифрактометре «ДРОН-2».
Измерение шероховатости поверхности Ra проводилось с применением профилографа, «Alpfa Step» фирмы «Texas Instruments». Сканирование поверхности проводилось в контактном режиме зондом с диаметром острия 0,5 мм на базовой длине от 100 до 400 мкм. Результаты измерений представлены в виде величины шероховатости Ra с точностью 5А, рассчитываемой по формуле 2.8, либо в виде изображения профиля шероховатости Si поверхности.где Zmax, Zmin - максимальное и минимальное значения величины, показывающей положение измеряемых точек поверхности образца в пространстве.
Выявление основных источников механических загрязнений поверхности полупроводниковых пластин
Причины, влияющие на количество привносимых загрязнений поверхности полупроводниковых пластин, условно разделили на 5 групп: окружающая среда, оборудование, материалы, персонал, технологические процессы (включающие организацию и управление процессами). Влияние каждой из причин в процентном отношении меняется в процессе развития производства ИС [143]. В нашем случае анализ проводился поочередным исключением влияния каждого из факторов на общий уровень привносимых загрязнений.
Поверхностные атомы полупроводниковой пластины, образующие границу кристаллической решетки, имеют ненасыщенные связи, а вся поверхность обладает высокой химической активностью. Присутствующие в окружающем пространстве загрязнения адсорбируются на поверхности Si пластин и связываются с ее атомами, тем самым, увеличивая уровень остаточных загрязнений [144]. Проведены исследования влияния разных причин на уровень загрязнений поверхности Si пластин [145-147].
Класс чистоты производственного помещения определялся на основе численного измерения концентрации частиц в рабочей среде [148]. Применялся прибор «HIAC/ROYCO-227» («Instruments division»), позволяющий обнаружить загрязняющие частицы диаметром более 0,5 мкм. Используемый на отечественных предприятиях стандарт (ОСТ) в основном соответствует требованиям чистых производственных помещений (ЧПП) основных производителей микроэлектронной продукции (таблица 3.2) [149]. Наиболее распространенными и признанными стандартами ЧПП являются Федеральный стандарт США FS 209В и соответствующий ему стандарт Германии VDI 2083 [147]. На рис. 3.7 показано изменение количества механических частиц, попадающих на поверхность пластин диаметром 150 мм в течение 60 мин в условиях ЧПП разного класса. Пластины располагались в кассете в вертикальном положении. Измерение количества частиц с площадью рассеивания более 0,06 мкм2 проводилось на установке «Surfscan-4500».
При соблюдении всех норм ЧПП класса 10 увеличение уровня загрязнений поверхности Si пластин за счет влияния внешней среды незначительно и составляет в среднем 8 частиц/час [150]. При вертикальном положении Si пластин в кассете в ЧПП класса 10000 количество частиц, находящихся на поверхности составляет в среднем 150 штук размером более 0,3 мкм. При длительном пребывании Si пластин в среде ЧПП на их поверхностях сорбируются боросодержащие соединения, которые при стыковке подложек запечатываются между ними. При последующих термообработках получившихся структур бор из них диффундирует в приборный слой и неконтролируемо (нежелательно) легирует его [144]. В связи с этим стыковка пластин должна проводиться сразу после проведения химической обработки.
При химической обработке полупроводниковых пластин методом погружения происходит накопление механических частиц в ваннах с технологическими жидкостями. За 168 часов (7 дней) в ванну с 2%-ым водным раствором HF (с ежедневной загрузкой 100 пластин) попадают механические частицы (примеси), являющиеся причиной увеличения уровня привносимых загрязнений поверхности полупроводниковых пластин. Увеличивается количество привносимых частиц от 420 (в свежем растворе) до 1500 (после 168 часов работы). При аэрозольно-капельном распылении водного раствора HF уровень загрязнений поверхности Si пластины диаметром 150 мм составляет в среднем 375 частиц. На основании проведенных экспериментов установлено, что для проведения операций травления Si02 следует использовать процессы аэрозольно-капельного распыления водного раствора HF с последующей химической обработкой в одном технологическом цикле.
В работе рассмотрены общие технологические требования к условиям проведения процессов при создании структур КНИ методом сращивания (табл. 3.3).
Таблица 3.3 Основные эксплуатационные требований к ЧПП в процессе изготовления структур КНИ методом сращиванияНаибольшую опасность для технологических процессов обработки Si пластин при получении структур КНИ представляют неконтролируемые загрязнения, источником которых является оборудование и персонал. Изучены способы устранения причин повышенного уровня загрязнений поверхности Si пластин, результаты которых представлены в табл. 3.4.
Для предотвращения появления неконтролируемого загрязнения поверхности пластин и подготовки производства структур КНИ проведены следующие исследования и мероприятия: 1) Установлено, что среднее количество механических частиц изменялось с 2,5 до 4,5 штук размером более 0,5 мкм на литр воздуха при наличие стеновых панелей с дефектным покрытием. Замена стеновых панелей с дефектным покрытием позволило снизить загрязнение воздуха до 2,5 частиц/литр, что соответствует ЧПП класса 100. 2) Проведен контроль статического электричества при работе с Si пластинами в ЧПП. В настоящее время значения напряжения может достигать величины порядка 1000 В рядом с контейнером пластин, что особенно опасно для КМОП схем с ячейкой памяти EEPROM [156]. Основными мерами борьбы с накоплением статического электричества в ЧПП традиционно остаются ионизация воздуха и повышение влажности до 60% (наиболее широко используют 45%). Для снижения уровня статического электричества во время химической очистки методом аэрозольно-капельного распыления используется обработка с уменьшенным временем отмывки в воде и сушки. 3) Исследованы основные источники вибрации. Источниками вибрации являются двигатели вытяжной вентиляции с частотой вращения ротора 1200 об/мин, находящиеся в верхней части конструкции ЧИП, а так же центрифуги для сушки пластин и установка аэрозольно-капельного распыления растворов с частотой вращения барабана до 1800 об/мин. Создаваемая интерференцией колебательных движений вибрация стеновых панелей является причиной интенсивного перемещения частиц в объеме ЧПП и, как следствие, загрязняется поверхность Si пластин. Экспериментальные замеры показали, что на поверхность пластины, находящейся рядом с работающим оборудованием (центрифугой), попадает до 10 частиц/мин. Для решения проблемы снижения уровня загрязнений поверхности Si пластин необходима установка системы с фальшполом на основаниях, не зависимых от конструкции здания. Необходимо также минимизировать время пребывания открытой поверхности полупроводниковых пластин в среде ЧПП и в идеальном случае обеспечить прохождение операций химической обработки и соединения пластин Si в одном технологическом цикле.
Воздействие раствора NH4OH/H2O2/H2O на поверхность Si пластин
В литературных источниках рассматриваются варианты объемных отношений компонентов раствора NH4OH/H2O2/H2O как 1:1:3, с тенденцией уменьшения концентраций NH4OH и Н202 в воде в современных режимах химической обработки [164-168]. В отечественной микроэлектронике в основном используется раствор NH4OH/H202/H20 (1:1:6,5). В зависимости от режимов химической обработки пластин, условий хранения растворов, в смеси NH4OH/H2O2/H2O меняется концентрация компонентов, что является причиной неблагоприятного воздействия раствора на Si поверхность и препятствием к использованию раствора для подготовки пластин к сращиванию.
Раствор перекиси водорода при нагревании быстро разлагается по схеме 2Н202 = 2Н20 + 02. Также уменьшается концентрация аммиака в растворе, что происходит за счет его испарения в процессе нагрева. Добавками стабилизаторов можно снизить скорость разложения раствора. Электронно-микроскопические исследования Si пластин, обрабатываемых в растворе NH4OH/H202/H20, показали возникновение локальных участков поверхности с повреждением кремния на глубину до 0,5 мкм, что свидетельствует об уменьшении концентрации перекиси водорода в растворе и, как следствие, подтрава поверхности Si пластин аммиаком. На рис. 4.2 представлен график изменения профиля шероховатости поверхности пластин Si по результатам измерений на профилографе, на базовой длине 100 мкм при разных температурах в процессе 10 минутной обработки погружением в раствор NH4OH/H202/H20. Исследования показали, что при увеличении температуры от 20С до 65С шероховатость увеличивается приблизительно в два раза. Полученные результаты согласуются с данными литературных источников, из которых известно, что изменение концентрации NH4OH и Н202 в растворе может приводить к существенному подтраву поверхности Si пластин. На рис. 4.3 приведены результаты исследований изменения скорости травления поверхности подложек в зависимости от концентрации компонентов в растворе NH4OH/H202/H20.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что обработка в растворе NH40H/H202/H20 при низких температурах не приводит к изменениям шероховатости поверхности Si пластин.
Таким образом, при создании структур КНИ методом BESOI необходимо использовать раствор NH4OH/H2O2/H2O при 20С. Безусловное снижение эффективности удаления загрязнений необходимо компенсировать применением дополнительного воздействия на граничный «экранирующий» слой жидкости использованием мегазвуковой энергии, разработкой специальных режимов проведения аэрозольно-капельного распыления растворов (см. гл. 4).
Рис. 4.3 Изменение скорости травления поверхности Si пластины при изменении концентрации компонентов в процессе аэрозольно-капельного распыления раствора NH40H/H202/H20
Для получения гидрофобной поверхности Si пластин без естественного слоя Si02 мы применяли процессы с завершающей обработкой в водных растворах HF (HF/H20). Последовательная обработка в растворах NH4OH/H2O2/H2O (или H2SO4/H2O2) и HF/H20 эффективно удаляет загрязнения с -поверхности полупроводниковых пластин [169]. Нами проведены исследования остаточных загрязнений поверхности Si пластин диаметром 150 мм при обработке 2%-ым водным раствором HF с частичным стравливанием и полным удалением слоя термического SiC 2. Исходный уровень загрязнений во всех экспериментах был одинаков и составлял приблизительно 400 частиц на пластину диаметром 150 мм. Результаты исследований остаточных загрязнений представлены нарис. 4.4.
Проведенные исследования загрязнения пластин после химической обработки аэрозольно-капельным распылением раствора HF/H20 показали, что уровень остаточных загрязнений сравнительно высок. Это можно объяснить тем, что существует разность знаков «дзета» потенциала поверхности Si пластины и загрязнений в растворе [170]. При увеличении концентрации HF в растворе, температуры обработки происходит повреждение поверхности Si после удаления слоя Si02. На рис. 4.5 представлена фотография поврежденной поверхности Si с вытравленными участками размером до 0,5 мкм, полученными после пребывания пластины Si в 10%-ом водном растворе HF при температуре 60С в течение 10 мин.
Проведенные исследования показали, что химическая обработка Si пластин аэрозольно-капельным распылением раствора HF/H20 является наиболее оптимальным методом очистки от механических загрязнений для получения гидрофобной поверхности Si пластин.
Для получения гидрофобной поверхности Si пластин предложено использовать следующую последовательность операций химической обработки: H2SO4/H2O2, HF/H20. При обработке подложек в H2SO4/H2O2 наряду с удалением поверхностных загрязнений происходит образование пленки Si02. Удаление слоя Si02 необходимо проводить в 2%-ом водном растворе HF. В результате проведенных исследований разработан метод химической обработки «х/о-мод-3» (см. гл. 2), позволяющий получать гидрофобную поверхность пластин Si. Время обработки в HF/H20 выбирается в зависимости от толщины исходного слоя Si02 исходя из экспериментальных данных, представленных на рис. 4.6.проводились без промежуточных технологических процессов, которые являются причиной повышенного уровня механических загрязнений (см. гл. 3).
Нами проведено исследование влияния процессов сушки Si пластин после проведения жидкостной обработки на уровень загрязнений. Исследования проводили с использованием центрифуги с вертикальной загрузкой Si пластин, широко применяемой в настоящее время на отечественных предприятиях микроэлектроники (далее «сушка-1») и фронтальной загрузкой (аналог установки фирмы «Semitool» - «сушка-2»). Сравнение производилось по нескольким параметрам, среди которых изменение количества механических загрязнений на поверхности полупроводниковых подложек, определявшееся на лазерном анализаторе поверхности «Surfscan-4500».
После проведения сушки возможно увеличение уровня загрязнений поверхности крайней пластины («экрана») по сравнению со средними значениями загрязнений на пластинах в кассете. Для уменьшения уровня загрязнений предложено использовать дополнительную операцию предварительной отмывки водой на установке «сушка-2». На рис. 4.7 представлен график снижения уровня механических загрязнений в зависимости от длительности операции дополнительной отмывки водой. Оптимальным является применение 3-х минутной отмывки.
Похожие диссертации на Исследование и разработка процессов подготовки поверхности кремниевых пластин при изготовлении структур кремний на изоляторе
