Методы контроля чистоты поверхности пластин

В процессе резки и шлифовки пластины полупроводниковых материалов загрязняются различными органическими веществами, в том числе жирами, клеящими мастиками. В результате таких загрязнений скорости травления чистых и загрязненных участков сильно различаются.

Загрязнения на поверхности полупроводника даже в весьма малых количествах (10^–8 - 10^–9 г/см²) резко ухудшают качество приборов и изменяют протекание технологических процессов формирования полупроводниковых структур.

Поверхностные загрязнения можно классифицировать на следующие основные виды.

1. Физические или механические загрязнения (пыль, волокна, абразивные и другие частицы, не связанные химически с поверхностью). Наличие таких загрязнений приводит к неравномерности травления и дефектам в слоях диэлектрика или полупроводника, наносимых на поверхность полупроводникового материала.

2. Молекулярные загрязнения - это природные или синтетические воски, смолы и растительные масла (нефть). Они вносятся после механической резки, шлифовки и полировки пластин. Молекулярные загрязнения включают также отпечатки пальцев и жировые пленки, которые осаждаются под воздействием атмосферы или при длительном хранении пластин в таре. Эти пленки удерживаются на поверхности пластин слабыми электростатическими силами.

3. Ионные загрязнения появляются после травления в щелочных или кислотных растворах, особенно содержащих HF, после отмывки в дистиллированной воде. Ионные загрязнения удерживаются на поверхности в результате физической или химической адсорбции. Особенно нежелательно присутствие щелочных ионов, вызывающих нестабильность характеристик приборов при попадании их в слои окисла кремния.

4. Атомные загрязнения - это главным образом тяжелые металлы Au, Ag, Cu, осаждающиеся на поверхности кремния при кислотном травлении. Они могут влиять на время жизни носителей заряда, поверхностную проводимость.

Для успешной очистки поверхности пластин необходимы соответствующие методы контроля загрязнений. Наиболее точные методы контроля, как правило, требуют сложной уникальной аппаратуры и длительных экспериментов, что невозможно выполнить непосредственно в процессе проведения технологических операций.

Тем не менее в полупроводниковом производстве необходим постоянный контроль чистоты как технологических сред (воды, газов, кислот, растворителей), так и поверхности пластин. Причем контроль должен быть достаточно простым, удобным и неразрушающим.

Разработан ряд методов прямого и косвенного контроля чистоты поверхности. Методы прямого контроля определяют загрязнения непосредственно на контролируемой поверхности, методы косвенного контроля основаны на экстрагировании загрязнений растворителем с последующим их анализом каким-либо другим методом.

К прямым методам контроля относятся:

1) наблюдение поверхности пластины в темном (или светлом) поле микроскопа; загрязнения видны в виде светящихся точек (используют металлографический или интерференционный микроскопы);

2) наблюдение поверхности в косом свете - отражения от зеркальной поверхности пластины и в загрязненных местах различаются;

3) люминесцентный метод, использующий свойство ряда веществ, находящихся на поверхности, светиться под влиянием ультрафиолетовых лучей (может применяться для обнаружения органических пленок, олеиновой кислоты, вакуумных масел и других загрязнений), чувствительность его сравнительно мала и равна 1×10^–5 г/см²;

4) метод, основанный на смачиваемости поверхности, чувствительность которого определяется природой гидрофобных загрязнений, материалом подложки и шероховатостью поверхности, может успешно применяться только для оценки гидрофильной поверхности. Чувствительность метода 10^–6 ¸ 2×10^–7 г/см². Такой метод осуществляется либо погружением в чистую воду (гидрофобные включения не смачиваются), либо наблюдением рисунка изморози, по которому судят о наличии загрязнений на поверхности.

Наиболее точным косвенным методом контроля загрязнений является радиохимический метод, который заключается в том, что определяется количество адсорбированных радиоактивных изотопов по их активности, для чего снимаются спектры излучения образца и сравниваются со спектрами отдельных эталонных препаратов. Метод характеризуется наибольшей чувствительностью (5×10^–9 ¸ 1×10^–10 г/см²), он очень эффективен для определения неорганических веществ и ионов металлов.

Травление окисла и нитрида кремния

Для изготовления интегральных микросхем в ряде случаев необходимо формирование нужного рисунка в слоях окисла или нитрида кремния. Рисунок может быть получен с помощью фотолитографии, когда защитной маской при травлении служит фоторезист. Для травления окисла кремния можно использовать растворы различной концентрации плавиковой кислоты в воде, а также другие травители, содержащие плавиковую кислоту. Травление идет согласно реакции:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O.

При этом выделяются пузырьки газообразного SiF₄, которые вызывают отслаивание фоторезиста при фотолитографии и увеличивают растравливание окисла. Поэтому при травлении окисла кремния с использованием фоторезистивной маски применяется буферный травитель, в который, кроме плавиковой кислоты, добавляется фтористый аммоний NH₄F. При этом концентрация ионов фтора увеличивается и газообразное соединение SiF₄ переводится в устойчивое SiF :

SiF₄ + 2F^– ® SiF .

Состав буферного травителя таков: 10 см³ 49%-ный HF, 100 см³ NH₄F (450 г NH₄F на 650 см³ H₂O). Скорость травления термически
выращенного SiO₂ в буферном травителе 20 нм/мин. Скорость травления окисных пленок, полученных пиролитическим осаждением или какими-либо другими методами, выше, чем скорость травления термически выращенных. Наличие примесей также влияет на скорость травления окисла кремния. Стекла, содержащие бор (боросиликатные - БСС) и фосфор (фосфоросиликатные - ФСС), травятся примерно вдвое быстрее, чем окисел кремния.

Для травления нитрида кремния может использоваться плавиковая кислота. Скорость травления Si₃N₄ в концентрированной плавиковой кислоте может составлять 7 - 10 нм/мин при различных способах создания слоев нитрида кремния. Для улучшения равномерности травления может использоваться травитель с добавлением NH₄F (45 г HF, 200 г NH₄F,
300 г H₂O) или HF (49%-ный): NH₄F (40%-ный) = 1:7. Скорость травления при этом несколько снижается.

В технологии ИМС часто возникает необходимость в травлении двойного слоя: Si₃N₄ на SiO₂ или SiO₂ на Si₃N₄. Поскольку в травителях, содержащих плавиковую кислоту, скорость травления окисла кремния существенно выше скорости травления нитрида кремния, при травлении Si₃N₄ окисел будет разрушаться. Травителем для Si₃N₄, не воздействующим на окисел, является фосфорная кислота H₃PO₄. Травление Si₃N₄ в фосфорной кислоте идет интенсивно со скоростью 1 - 20 нм/мин при температуре 150 - 200 °С, при этом из раствора интенсивно испаряется вода и травитель обогащается P₂O₅. Скорость травления нитрида кремния падает. С увеличением содержания P₂O₅ начинает травиться окисел кремния. При температуре 180 °С скорость травления Si₃N₄ в водном 90%-ном растворе H₃PO₄ равна 10 нм/мин, а скорость травления SiO₂ на порядок величины меньше.

Дата добавления: 2015-12-08