半导体制程用化学品应用省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

Page 1集成電路工業體系原料產業集成電路製造業電子產品矽石還原反應純化還原精製多晶矽多晶矽長單晶切片研磨拋光磊晶矽晶圓矽晶圓氧化光罩校準蝕刻雜質擴散離子植入化學氣相沉積電極金屬蒸著晶片檢查晶片製造晶片製造資訊產品消費性產品通訊產品其它系統產品系統產品製程服務邏輯設計電路設計圖形設計電路設計電路設計製作光罩模光罩製作光罩製作切割置放銲線塑模測試晶片封裝晶片封裝10/10/第1页Page 2Basic Structure of a Production ProcessDeposition(Oxidation,CVD,PVD)PhotolithograpyDoping(Implantation,Diffusion)Structuring(Dry etch/Wet etch)10/10/第2页Page 3Wet Chemical ProcessProcess typeNumber in the 64M productionStrippingabout 20Etchingabout 15Cleaningabout 3010/10/第3页Page 4Wet Chemicals in IC ProductionWaferPhoto ResistsBulk GasesSpecialty gasesPhoto ancillariesWet ChemicalsEstimated materials costs for SC manufacturing worldwide Deposition materialsOthersIn%10/10/第4页Page 5Use of Key Chemicals in the Semiconductor ProductionPhotoresist strippingResist removal Edge bead removerResist/Polyimid treatmentEtchingOxideNitrideSiliconTiN.CleaningPost CMP cleaningParticle removalHeavy metals,Ionsorganic contaminationsPost Polymer removersPost Plasma Etch Polymer removersPassivation of metal layersPad passivationH2SO4H2O2org.SolventsDMSONMP.H2SO4H2O2NH4OHHClHFCitric acidorg.SolventsHFHClH3PO4H2O2NH4OHHNO3KOH/NaOHHydroxyamineEthanoldiamineAlkyl diolWet Chemistry10/10/第5页Page 6濕式清潔技術與化學品濕式清潔技術自60年代RCA企业研發出來後使用至今已经有30多年。雖然当前有許多新清潔方式推出，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各式污染源，並不會對晶片產生缺点或刻痕，且使用操作方便安全，所以被廣為採用。濕式清潔在当前半導體業界仍以RCA SC-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：去除微粒子SC-2：去除金屬粒子SPM：去除有機物DHF：去除表層氧化物10/10/第6页Page 7濕式清潔技術與化學品RCA Standard Clean 1(SC-1，又稱，又稱APM)NH4OH/H2O2/H2O主要應用在微粒子之去除。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，另外NH4OH具強化协力，也可同時去除部份金屬離子。普通是以NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5之體積百分比混合液在70oC溫度下進行5-10分鐘之浸泡清洗。nRCA Standard Clean 2(SC-2，又稱，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。普通是以HCl:H2O2:H2O=1:1:6之體積百分比混合液在70oC溫度下進行5-10分鐘之浸泡清洗。10/10/第7页Page 8濕式清潔技術與化學品Piranha Clean(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。普通是以 4:1之體積百分比混合液在120oC溫度下進行10-15分鐘之浸泡清洗。Dilute HF Clean(DHF)HF/H2O主要應用在去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，普通均使用經稀釋處理之氫氟酸(HF 1%最為普遍)在室溫下與SiO2形成H2SiF6之方式去除之。清洗時間普通在15秒-30秒。在完成上述濕式清潔技術程序後，能够IPA來進行蒸氣乾燥，以防止在晶圓表面上流下水痕。10/10/第8页Page 9微影技術用化學品光刻膠稀釋液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（Edge Bead）若加入光刻膠稀釋液則可有效控制此現象之發生当前工業上較常使用之光刻膠稀釋液包含乙醇鹽類如Propylene Glycol Monomethyl Ether(PGME)及Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate(PGMEA)混合物；乳酸鹽類如Ethyl Lactate及酮類如Methyl Ethyl Ketone等10/10/第9页Page 10微影技術用化學品顯影劑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10/10/第10页Page 11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，所使用之有機溶劑如N-Methyl-Pyrolidinone(NMP)、Dimethyl Sulfoxide(DMSO)、Hydroxyamine 或 Aminoethoxy ethanol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。10/10/第11页Page 12蝕刻技術用高純度化學品蝕刻製程之功效乃是要將微影製程中未被光刻膠覆蓋或保護部份以化學反應或物理作用方式加以去除，而完成轉移光罩圖案到薄膜上面目标普通而言，蝕刻製程可大致分為兩類：一是濕式蝕刻（Wet Etching），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(Dry Etching)它乃是利用物理方法如電漿蝕刻來進行薄膜侵蝕一種技術10/10/第12页Page 13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普通而言，濕式蝕刻在半導體製程可用於以下幾個方面：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（Polycrystalline Si）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（Wafer Reclaim）10/10/第13页Page 14二氧化矽層蝕刻普通是以氫氟酸及氟化銨（HF/NH4F）所混合成之緩衝溶液(Buffered Oxide Etchant,BOE)來蝕刻SiO2層，化學反應式以下：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。而影響蝕刻率之原因包含：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。緩衝液之混合百分比：HF百分比愈高，蝕刻率愈快。10/10/第14页Page 15普通是以熱磷酸（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，蝕刻率也會加紧，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。化學反應式以下：Si3N4+6H2O 3SiO2+4NH3H3PO4 act as a catalyst in Si3N4 etching氮化矽層蝕刻10/10/第15页Page 16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以下無機酸鹼來進行，包含：(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，当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+6HNO3 Al2O3+3H2O+6NO2 Al2O3+2H3PO42AlPO4+3H2O普通之蝕刻率約控制在3000/min。10/10/第16页Page 17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，惯用在以矽晶片為基板之微機械元件製程中，普通是使用稀釋之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+4HNO3 SiO2+2H2O+4NO2 SiO2+6HF H2SiF6+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則饰演類似緩衝溶液中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。10/10/第17页Page 18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（Backside Etching）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）減少缺点（Defect）外，並能有效去除晶背不純物，防止污染到正面之製程。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，所以濕式晶背蝕刻液也含蓋了多種無機酸類之組成，包含H3PO4、HNO3、H2SO4及HF等，如此才能有效去除複雜之晶背表層結構。10/10/第18页Page 19化學機械研磨用材料及化學品CMP is a new planarization technology using slurries.Devices with three and more metal layers with geometries of 0.35 m or less require a high degree of planarityAdvantagesRoom temperature processDefect density improvementVisible process at atmospheric pressureSafe usage(No toxic gas)High process yieldLess process time than alternatives10/10/第19页Page 20化學機械研磨用材料及化學品Polished SubstancesInterlayer Dielectric(ILD):SiO2,BPSG,Shallow Trech Isolation(STI),Polysilicon.Metal Layer:W,Al alloy,Cu,Ti,TiN,Ta,TaN etc.SlurryFor ILD substrates:SiO2 abrasive(particle size100 nm,solid content 1030%),alkali(NH4OH or KOH),surfactant,pH 9.011.0.For metal substrates:Al2O3 or SiO2 abrasive particle,acid/alkali,oxidizer(H2O2,Fe(NO3)3,.),surfactant,pH 3410/10/第20页Page 21化學機械研磨後清洗Use of Wet Chemistry:DIW,NH4OH,H2O2,HF,Citric Acid,SurfactantsBasic solution were used for removal particles by changing the charge at the controlled pH.Anionic,cationic and nonionic types surfactants were used to reduce surface tension.Use of hydrofluoric acid(HF):A thin oxide(2050)was removed to not only adhered and embedded particles but also ionic contamination.Use of Mechanical EnergyMechanically removing adhered and embedded particles by brush scrubbing or megasonic spray.10/10/第21页Page 22WaferThin Film process Oxidation:SiO2 PVD:Al,W CVD:Si,SiO2(TEOS),Si3N4 Spin on:SiLK Electroplating:Cu10/10/第22页Page 23Wafer Photo-resist Coating Spin on Puddle PrintingEdge BeadPhoto-resist10/10/第23页Page 24Wafer Edge Bead Remove IC:PGME/PGMEA(OK-73,EBR7030)TFT:NBA,OK-82 Other FPD:KOH,NaOH,NBAPhoto-resist10/10/第24页Page 25WaferExposureTMCPMCPhoto-resistPhoto Mask10/10/第25页Page 26WaferDeveloping IC:(2.38%TMAH)TFT:5(25%TMAH)Others:Na2CO3,K2CO3,KOHPhoto-resist10/10/第26页Page 27WaferEtchingPhoto-resist SiO2:BOE,SIO series Poly Si:Poly Etchant Si3N4:H3PO4,HF Mo:MOE-01 Al:ALE-series Cr:(Cr-T series)Cu:CUE-110 TaN:NPE-20010/10/第27页Page 28WaferStrippingPhoto-resist IC:SPS-430(Al),SPS-500(Cu)TFT:DMSO/MEA(SPS-410)or DMSO/BDG(SPS-420)Color Filter:BM stripper(SPS-1200),BM rework(SPS-1100)IC package:SPS-200,SPS-450 Others:KOH,NaOH,Acetone10/10/第28页Page 29WaferPost Stripping Rinse(PSR)IC:NMP,IPA TFT:NMP,DMSO,IPA Others:MEK,Acetone10/10/第29页Page 30Cu Technology Cu Plating Solution(ECD-series)Ternary Diffusion Barrier(TDB)Seeding material(Giga Cu)Electro-Polishing(ECP-series)Side wall polymer remover(SPS-500)Low K Material10/10/第30页Page 31CMP Process Slurry additive:SLA-100,Al2(SO4)3,TMAH,KOHCuLow K Material10/10/第31页Page 32Low K MaterialPost CMP Cleaning PCC-100:W PCC-300:Cu PCC-400:Poly-Si PCC-500:OxideCu10/10/第32页Page 33Process Chemicals Summary10/10/第33页