半导体制程用化学品应用.ppt

2020 4 14 集成電路工業體系 2020 4 14 BasicStructureofaProductionProcess 2020 4 14 WetChemicalProcessProcesstypeNumberinthe64MproductionStrippingabout20Etchingabout15Cleaningabout30 2020 4 14 WetChemicalsinICProduction Wafer PhotoResists BulkGases Specialtygases Photoancillaries WetChemicals EstimatedmaterialscostsforSCmanufacturingworldwide2002 Depositionmaterials Others In 2020 4 14 UseofKeyChemicalsintheSemiconductorProduction PhotoresiststrippingResistremovalEdgebeadremoverResist Polyimidtreatment EtchingOxideNitrideSiliconTiN CleaningPostCMPcleaningParticleremovalHeavymetals Ionsorganiccontaminations PostPolymerremoversPostPlasmaEtchPolymerremoversPassivationofmetallayersPadpassivation H2SO4H2O2org SolventsDMSONMP H2SO4H2O2NH4OHHClHFCitricacidorg Solvents HFHClH3PO4H2O2NH4OHHNO3KOH NaOH HydroxyamineEthanoldiamineAlkyldiol WetChemistry 2020 4 14 濕式清潔技術與化學品 濕式清潔技術自60年代RCA公司研發出來後使用至今已有30多年 雖然目前有許多新的清潔方式推出 然RCA清潔技術仍被廣泛使用 這乃是可能有效地去除在晶片表面的各式污染源 並不會對晶片產生缺陷或刻痕 且使用操作方便安全 因此被廣為採用 濕式清潔在目前半導體業界仍以RCASC 1 SC 2兩段步驟搭配SPM及DHF為主流 其主要清洗機制為 SC 1 清除微粒子SC 2 清除金屬粒子SPM 清除有機物DHF 清除表層氧化物 2020 4 14 濕式清潔技術與化學品 RCAStandardClean1 SC 1 又稱APM NH4OH H2O2 H2O主要應用在微粒子之清除 利用NH4OH之弱鹼性來活化Si晶圓表層 將附著於表面之微粒子去除 此外NH4OH具強化合力 也可同時去除部份金屬離子 一般是以NH4OH H2O2 H2O 1 1 5之體積比例混合液在70oC溫度下進行5 10分鐘之浸泡清洗 RCAStandardClean2 SC 2 又稱HPM HCl H2O2 H2O主要應用在金屬離子之去除 利用HCl所形成之活性離子易與金屬離子化合之原理 一般是以HCl H2O2 H2O 1 1 6之體積比例混合液在70oC溫度下進行5 10分鐘之浸泡清洗 2020 4 14 濕式清潔技術與化學品 PiranhaClean SPM H2SO4 H2O2主要應用在有機物之去除 利用H2SO4之氧化性來破壞有機物中之碳氫鍵結 一般是以4 1之體積比例混合液在120oC溫度下進行10 15分鐘之浸泡清洗 DiluteHFClean DHF HF H2O主要應用在清除矽晶圓表面自然生成之二氧化矽層 由於此氧化物層厚度有限 一般均使用經稀釋處理之氫氟酸 HF1 最為普遍 在室溫下與SiO2形成H2SiF6之方式去除之 清洗時間一般在15秒 30秒 在完成上述濕式清潔技術程序後 可以IPA來進行蒸氣乾燥 以避免在晶圓表面上流下水痕 2020 4 14 微影技術用化學品 光刻膠稀釋液光刻膠乃是經由旋轉塗佈程序而在晶片上形成薄膜 然若其黏度溫過高經常會在晶片邊緣形成珠狀殘餘物 EdgeBead 若加入光刻膠稀釋液則可有效控制此現象之發生 目前工業上較常使用之光刻膠稀釋液包括乙醇鹽類如PropyleneGlycolMonomethylEther PGME 及PropyleneGlycolMonomethylEtherAcetate PGMEA 混合物 乳酸鹽類如EthylLactate及酮類如MethylEthylKetone等 2020 4 14 微影技術用化學品 顯影劑光刻膠材料在經過曝光過程 須再經顯影過程將圖案顯現出來 而顯影製程之原理乃是利用鹼性顯影液與經曝光之有機酸性光刻膠層部份進行酸鹼中和反應 使其與未經光刻膠層結構部份形成對比而達到顯像效果 在以往顯影劑為如NaOH KOH之溶液 但由於金屬離子可能會造成對IC元件之污染 近年來已改用有機鹼溶液取代 如四甲基氫氧化銨 TMAH 及四乙基氫氧化銨 TEAH 等 2020 4 14 微影技術用化學品 去光刻膠劑在使用薄膜蝕刻程序將未經光刻膠覆蓋之部份去除後 即可將殘餘之光刻膠層卻除 在半導體製程中通常有兩種去除光刻膠材料之方法 一為濕式去光刻膠法 另一則為乾式去光刻膠法 濕式去光刻膠法利用有機溶液將光刻膠材料溶解而達到去光刻膠之目的 所使用之有機溶劑如N Methyl Pyrolidinone NMP DimethylSulfoxide DMSO Hydroxyamine或Aminoethoxyethanol等 另一則是使用無機溶液如硫酸和雙氧水 但這種溶液含政擊金屬薄膜而造成缺陷 目前已較少使用 2020 4 14 蝕刻技術用高純度化學品 蝕刻製程之功能乃是要將微影製程中未被光刻膠覆蓋或保護的部份以化學反應或物理作用的方式加以去除 而完成轉移光罩圖案到薄膜上面的目的 一般而言 蝕刻製程可大致分為兩類 一是濕式蝕刻 WetEtching 它是利用化學反應如酸與材料之反應來進行薄膜之蝕刻 另一種為乾式蝕刻 DryEtching 它乃是利用物理方法如電漿蝕刻來進行薄膜侵蝕的一種技術 2020 4 14 濕式蝕刻技術與化學品 濕式蝕刻技術是屬於化學品 液相 與薄膜 固相 之表面反應 此技術之優點在於其製程簡且產量速度快 而由於化學反應並無方向性乃是屬於一種等方向性蝕刻 一般而言 濕式蝕刻在半導體製程可用於下列幾個方面 二氧化矽層之圖案蝕刻 Pattern 或去除氮化矽 Nitride 層之圖案蝕刻或去除金屬層 如Al 之圖案蝕刻或去除多晶矽 PolycrystallineSi 層之圖案蝕刻或去除非等向性矽層蝕刻減低矽晶圓蝕刻矽晶圖表層拋光矽晶圖表層粗糙化矽晶圓回收 WaferReclaim 2020 4 14 二氧化矽層蝕刻 一般是以氫氟酸及氟化銨 HF NH4F 所混合成之緩衝溶液 BufferedOxideEtchant BOE 來蝕刻SiO2層 化學反應式如下 SiO2 4HF 2NH4F NH4 2SiF6 2H2O利用HF來去除SiO2層 而緩衝溶液中NH4F是用來補充所消耗之F 使得蝕刻率能保持穩定 而影響蝕刻率之因素包括 SiO2層之型態 結構較鬆散 含水份較高 蝕刻率較快 反應溫度 溫度較高 蝕刻率較快 緩衝液之混合比例 HF比例愈高 蝕刻率愈快 2020 4 14 一般是以熱磷酸 140oC以上 溶液作為Nitride層蝕刻液 反應溫度愈高 磷酸組成在水份蒸發後也隨之升高 蝕刻率也會加快 在140oC時 蝕刻率約在20 min 當溫度上升至200oC時 蝕刻率可達200 min 實務上多使用85 之H3PO4溶液 化學反應式如下 Si3N4 6H2O3SiO2 4NH3H3PO4actasacatalystinSi3N4etching 氮化矽層蝕刻 2020 4 14 鋁層蝕刻 鋁常在半導體製程中作為導電層材料 濕式鋁層蝕刻可使用下列無機酸鹼來進行 包括 1 HCl 2 NaOH或KOH 3 H3PO4 HNO3 4 H3PO4 HNO3 CH3COOH因第 4 項之混合溶液之蝕刻效應最為穩定 目前被廣泛運用在半導體製程中 主要之製程原理是利用HNO3與Al層之化學反應 再由H3PO4將Al2O3溶解去除 2Al 6HNO3Al2O3 3H2O 6NO2Al2O3 2H3PO42AlPO4 3H2O一般之蝕刻率約控制在3000 min 2020 4 14 單晶矽 多晶矽層蝕刻 單晶矽之非等向性蝕刻多用來進行 1 0 0 面蝕刻 常用在以矽晶片為基板之微機械元件製程中 一般是使用稀釋之KOH在約80oC之溫度下進行反應 多晶矽之蝕刻在實務上多使用HNO3 HF及CH3COOH三種成份之混合溶液 其製程原理包含二道反應步驟 Si 4HNO3SiO2 2H2O 4NO2SiO2 6HFH2SiF6 2H2O先利用HNO3之強酸性將多晶矽氧化成為SiO2 再由HF將SiO2去除而CH3COOH則扮演類似緩衝溶液中H 提供者來源 使蝕刻率能保持穩定 此種通稱為 Poly Etch 之混合溶液也常作為控片回收使用 2020 4 14 晶背蝕刻 隨著半導體元件走向更高精密度及 輕薄短小 之趨勢 晶背蝕刻 BacksideEtching 已逐漸取代傳統機械式晶背研磨 Grinding 製程 除了能降低矽晶片應力 Stress 減少缺陷 Defect 外 並能有效清除晶背不純物 避免污染到正面之製程 由於晶背表層常包含了各類材料如二氧化矽 多晶矽 有機物 金屬 氮化矽 多晶矽等 因此濕式晶背蝕刻液也含蓋了多種無機酸類之組成 包括H3PO4 HNO3 H2SO4及HF等 如此才能有效去除複雜之晶背表層結構 2020 4 14 化學機械研磨用材料及化學品 CMPisanewplanarizationtechnologyusingslurries Deviceswiththreeandmoremetallayerswithgeometriesof0 35 morlessrequireahighdegreeofplanarityAdvantagesRoomtemperatureprocessDefectdensityimprovementVisibleprocessatatmosphericpressureSafeusage Notoxicgas HighprocessyieldLessprocesstimethanalternatives 2020 4 14 化學機械研磨用材料及化學品 PolishedSubstancesInterlayerDielectric ILD SiO2 BPSG ShallowTrechIsolation STI Polysilicon MetalLayer W Alalloy Cu Ti TiN Ta TaNetc SlurryForILDsubstrates SiO2abrasive particlesize 100nm solidcontent10 30 alkali NH4OHorKOH surfactant pH9 0 11 0 Formetalsubstrates Al2O3orSiO2abrasiveparticle acid alkali oxidizer H2O2 Fe NO3 3 surfactant pH3 4 2020 4 14 化學機械研磨後清洗 UseofWetChemistry DIW NH4OH H2O2 HF CitricAcid SurfactantsBasicsolutionwereusedforremovalparticlesbychangingthechargeatthecontrolledpH Anionic cationicandnonionictypessurfactantswereusedtoreducesurfacetension Useofhydrofluoricacid HF Athinoxide 20 50 wasremovedtonotonlyadheredandembeddedparticlesbutalsoioniccontamination UseofMechanicalEnergyMechanicallyremovingadheredandembeddedparticlesbybrushscrubbingormegasonicspray 2020 4 14 Wafer ThinFilmprocess Oxidation SiO2PVD Al WCVD Si SiO2 TEOS Si3N4 Spinon SiLKElectroplating Cu 2020 4 14 Wafer Photo resistCoating SpinonPuddlePrinting EdgeBead Photo resist 2020 4 14 Wafer EdgeBeadRemove IC PGME PGMEA OK 73 EBR7030 TFT NBA OK 82OtherFPD KOH NaOH NBA Photo resist 2020 4 14 Wafer Exposure TMCPMC Photo resist PhotoMask 2020 4 14 Wafer Developing IC 2 38 TMAH TFT 5 25 TMAH Others Na2CO3 K2CO3 KOH Photo resist 2020 4 14 Wafer Etching Photo resist SiO2 BOE SIOseriesPolySi PolyEtchantSi3N4 H3PO4 HFMo MOE 01 Al ALE seriesCr Cr Tseries Cu CUE 110TaN NPE 200 2020 4 14 Wafer St