Глава 2. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ В настоящее время производство полупроводниковых изделий быстро развивается. Характерными тенденциями современного полупроводникового производства являются повышение степени интеграции элементов на кристалле, увеличение диаметра пластин с соответствующим уменьшением топологических норм [1,2]. На рис.2.1 представлена тенденция изменения во времени сложности выпускаемых интегральных схем.Рис.2.1. Изменение минимального размера элементов и объема динамической памяти (от килобайт до гигабайт) электронных элементов во времениПри производстве микроэлектронных изделий осуществляется прохождение полупроводниковых пластин по технологическому маршруту. После различных процессов (удаления фоторезиста, травления технологических слоев и других) проводится химическая обработка подложек для очистки поверхности от различных загрязнений и подготовки подложек к последующим технологическим операциям (ионному легированию, нанесению эпитаксиальных слоев, высокотемпературным диффузионным операциям) [3,4]. Химическая обработка проводится также при изготовлении структур без проведения предварительных операций, например, при подготовке подложек к соединению (сращиванию) при изготовлении структур "кремний на изоляторе" [5].^ 2.1. Технология очистки подложек для производства микроэлектронных изделий Химическая обработка полупроводниковых пластин является очень важной в процессе производства ИС различного назначения. Результаты подготовки подложек оказывают решающее влияние на получение различных структур и микроэлектронных изделий на их основе [6,7]. В зависимости от сложности получаемых изделий операции очистки поверхности подложек занимают до трети общего количества всех технологических этапов изготовления полупроводниковых изделий. Степень очистки оказывает непосредственное влияние на качество продукции, поэтому все больше микроэлектронных компаний прилагает усилия в этом направлении [811].^ 2.1.1. Важность снижения уровня загрязнений Микроэлектроника развивается в сторону совершенствования полупроводниковых изделий, технологический маршрута изготовления которых усложняется (табл.2.1) [1].Таблица 2.1^ Характеристики ИС Параметр БИС СБИС УБИС Число элементов на кристалле 103 – 105 105 – 107 107 – 5·108 Площадь кристалла, мм2 20 – 50 50 – 70 80 – 100 Топологический размер, мкм 2 – 1,5 1,2 – 0,8 0,7 – 0,3 Толщина слоя подзатворного диэлектрика, нм 90 – 40 40 – 15 15 – 10 Глубина р-n- перехода, мкм 1,2 – 0,8 0,5 – 0,2 0,2 – 0,1 Число шаблонов, шт. 6 – 10 8 – 15 12 – 18 C уменьшением минимальных размеров элементов Bmin и межсоединений в интегральных схемах механические загрязнения (частицы) малых размеров оказывают все большее отрицательное влияние на работу приборов. Так, линейное увеличение плотности дефектов на кремниевой пластине экспоненциально уменьшает выход годных изделий [12]. Требования к чистоте поверхности зависят от уровня реализуемой технологии и параметров изготавливаемого изделия. К примеру, размер механических загрязнений на пластине должен быть на порядок меньше минимального топологического размера элементов. По мере снижения размеров загрязнений сложность их удаления с поверхности резко увеличивается, поэтому в мировом производстве микроэлектронных изделий проводится непрерывный поиск оптимальных процессов химической обработки подложек [13].^ 2.1.2. Классификация загрязнений К чистой поверхности кремниевых пластин предъявляются требования по минимальному содержанию различных загрязнений: органических, примесей металлов, механических частиц [14]. Загрязнения на поверхности пластин кремния могут быть органического и неорганического происхождения и их можно условно разделить по форме на жидкие и твердые пленочные загрязнения, частицы. Частицы и пленочные загрязнения могут состоять из ионов, атомов, молекул и т.д. Органические загрязнения присутствуют в остатках фоторезиста, различного вида жиров, смазки и масел, использующихся в производстве. Загрязнения могут присутствовать в виде молекул, ионов, атомов, а также образовывать соединения между собой и подложкой. Атомные загрязнения представляют собой металлические пленки или частицы, например, электрохимически осажденные пленки металлов (Au, Ag, Cu и др.); частицы материала (Si, Fe, Ni и др.). Ионные загрязнения представляют собой катионы или анионы из неорганических химических растворов, например, Na+, Cl-, SO32-. Загрязнения могут быть разделены по типу их физико-химического взаимодействия с поверхностью полупроводника. Физические (или механические) загрязнения (пыль, волокна, абразивные и металлические частицы, органические загрязнения) связаны с поверхностью силами физической адсорбции. Наиболее опасными являются химические загрязнения, так как требуют большей энергии для удаления с поверхности, поскольку связаны с ней силами хемосорбции. В качестве примера химических загрязнений можно назвать окисные и сульфидные пленки, катионы, атомы металлов и др. [15]. Кроме того, при очистке подложек предъявляются требования к состоянию поверхности, а именно: изменение шероховатости поверхности в процессе химической обработки и наличие естественного слоя SiO2 [5]. Особенно актуальным вопрос шероховатости поверхности становится при изготовлении ИС с Bmin ^ 2.1.3. Источники загрязнений Источники загрязнений различны. Их можно условно разделить на несколько категорий.Рабочий персонал. Для вентиляции чистой комнаты используют метод ламинарного потока сверху вниз, который может быстро удалять пыль, источником которой является обслуживающий персонал.^ Окружающая среда. Чистота производственного помещения должна соответствовать уровню проводимых работ с пластинами. Уровень загрязнений частицами на поверхности пластин является следствием воздействия окружающей среды, используемой для хранения и транспортировки кассет с пластинами. В настоящее время для производства ИС с Bmin = 1 мкм и меньше используют чистые производственные помещения (ЧПП) класса 1 – 10 [8]. Снижения плотности загрязнений можно добиться созданием микрообъема с пластинами, с контролируемой подачей фильтрованного азота без очистки всего производственного помещения [16].Материалы. С целью поддержания высокой чистоты химических растворов и технологических сред применяют фильтрацию, рецикл. С увеличением степени интеграции схем возрастают требования к химической чистоте материалов, плотности и физическим размерам поверхностных микродефектов [17,18]. Тенденции изменения требований к материалам для производства ИС представлены в табл.2.2.^ Таблица 2.2Требования к газам, воздушным средам, воде,химическим реактивам Требования Емкость памяти ИС 16К 64К 256К 1М 4М 16М Содержание лимитирующих примесей в материалах, ат% 10-4 10-4 10-5–10-6 10-6–10-8 10-8 10-9 Критический размер инородных частиц в газовых и жидких средах, мкм 0,4 0,3 0,2 0,1 0,01–0,05 0,05 Микроорганизмы в воде, колоний на мл 1,0 1,0 0,8 0,5 0,2 0,1 Оборудование. Механические узлы оборудования являются источниками загрязнений, возникающих при трении поверхностей. В установках с использованием вакуума причинами загрязнений могут быть пыль и продукты реакции внутри рабочей камеры.^ Технологические процессы. В данной категории загрязнений учитываются загрязнения, привносимые самим процессом производства микроэлектронных изделий на всех его этапах.^ 2.2. Влияние загрязнений на характеристики микроэлектронных изделий Одной из главных задач полупроводниковой техники является изготовление надежных приборов, способных работать в течение длительного времени. Установлено, что электрические параметры электронных полупроводниковых приборов и их стабильность зависят от состояния поверхности полупроводниковых пластин, меняющегося в результате физических и химических процессов, протекающих на поверхности [19]. При контакте незащищенных полупроводниковых пластин с атмосферным воздухом на поверхности адсорбируются в основном молекулы воды и кислорода. Помимо молекул воды и газов на поверхности пластин осаждаются аэрозоли различного происхождения, продукты химических реакций, примеси из химических реактивов и моющих составов [15,20]. Загрязнения на поверхности Si пластин являются причиной различных дефектов структур [21].^ 2.2.1. Механические загрязнения Надежность, качество и процент выхода годных ИС в значительной степени зависят от загрязнений, вызываемых, прежде всего механическими частицами [22, 23]: - в процессах фотолитографии механические частицы приводят к искажению формируемого рисунка и, как следствие, к отказам в работе ИС из-за обрывов токоведущих дорожек и других причин; - присутствие инородных частиц на участках поверхности, подверженных ионной имплантации, приводит к рассеянию ионного пучка, в результате чего доза имплантированных ионов будет отличной от нормы. Возникают локальные участки с отличающейся электропроводностью, которые являются причиной возрастания токов утечки или короткого замыкания с подложкой; - при получении различных эпитаксиальных слоев загрязнения приводят к дефектообразованию, проявляющемуся в виде вздутий, бугорков, трещин, проколов. Наличие частиц на поверхности сращиваемых пластин при изготовлении структур КНИ приводит к образованию пор, возникновению напряжений в структуре и образованию области паразитной диффузии [24]. Механические загрязнения имеют различный состав и могут содержать органические вещества, металлические примеси. Вредное действие органических загрязнений состоит в том, что они разлагаются при нагревании, а также под действием ионной и электронной бомбардировки, выделяя газообразные продукты (СО, СO2, H2, H2О, O2 и др.), ухудшающие условия осаждения и роста тонких пленок, эпитаксиальных слоев и т.д.^ 2.2.2. Металлические загрязнения Металлические загрязнения попадают на поверхность полупроводниковых пластин до или после химической обработки. Остаточные либо привнесенные загрязнения металлов растворяются в слое SiO2, нарушая характеристики работы транзистора, ухудшают результаты термического окисления, изменяют время жизни носителей заряда и т.д. Загрязнения металлов могут диффундировать в глубь кристалла во время высокотемпературных обработок, образуя энергетические уровни в запрещенной зоне, увеличивая токи утечки. Загрязнения Fe наиболее распространены, так как содержатся в металлических элементах оборудования. Остатки травителей на основе водных растворов HF оставляют механические загрязнения на поверхности кремния, в состав которых входят металлические примеси [25]. Наиболее опасными примесями для полупроводниковых изделий являются тяжелые металлы – Fe, Cu, Ni, Zn, Cr, Au, Hg, Ag. К примеру, для технологии с минимальными топологическими нормами 0,6 мкм уровень опасных примесей металлов, включая Ni, Cu, Na, менее 5·1010 ат./см2, для технологии с нормами 250 нм – менее 2,5·1010 ат./см2, для технологии 180 нм - менее 1,3·1010 ат./см2 [26].^ 2.2.3. Микронеровности поверхности Шероховатость поверхности полупроводниковых пластин увеличивается после проведения технологических операций обработки, в частности, травления и очистки поверхности подложек. В работе [27] отмечается, что существует зависимость качества диэлектрического слоя от микронеровностей (шероховатости) поверхности полупроводниковых пластин (при толщине формируемого слоя SiO2 менее 10 нм), что напрямую влияет на стабильность работы транзисторных структур. В отечественной микроэлектронике данному вопросу уделяется недостаточно внимания, что, видимо, связано с неявным влиянием шероховатости на работу ИС с Bmin 1мкм [5]. В ГОСТе на отечественные полупроводниковые пластины приводятся устаревшие требования к поверхности [29]. До сих пор одной из основных методик измерения профиля шероховатости является измерение на профилографе, не обеспечивающем данных по состоянию поверхности. На пластинах диаметром 100 мм, соответствующих ЕТО.035.240 ТУ, изготавливаются ИС с Bmin ~ 2 мкм. Влияния различных способов стандартных процессов химической обработки на шероховатость поверхности существующими методиками обнаружить не удалось. В настоящее время на отечественных микроэлектронных предприятиях изготовляются ИС с Bmin ^ 2.2.4. Кристаллические дефекты Кристаллические дефекты полупроводниковых слоев подложки оказывают существенное влияние на работу получаемых ИС. В [27] приводятся данные об окислительных дефектах упаковки (ОДУ), которые снижают плотность тока. Наличие преципитатов кислорода (кластеров SiO2) приводит к внутреннему геттерированию, влияет на формирование слоев SiO2, что оказывает воздействие на движение электрического заряда между коллектором и эмиттером при работе транзисторных структур. Кристаллические дефекты, обусловленные наличием пор или включений у поверхности пластины, соизмеримы с размерами механических загрязнений. Этим объясняется тот факт, что при измерениях с применением микроскопических и других методов контроля нулевой уровень загрязнения поверхности подложек механическими загрязнениями после проведения химической обработки редко достижим. В табл.2.3 представлены основные параметры структур КНИ, полученных различными методами.Таблица 2.3^ Основные параметры структур КНИ, полученых различными методами Параметр SIMOX SMART-CUT ELTRAN BESOI Толщина изолиро-ванного слоя, нмSi SiO2 40 – 200100 30 – 10004000 30 – 1000* 50 – 4000 50 – 1000* 4000 Однородность тол-щины изолирован-ного слоя, нмSi SiO2 ± 2,0 ± 2,0 ± 2,5 ± 2 ± 5% ± 5% ± 10 Дефекты, см-2 HF – Дислокации, см-2 (травитель "Секко") 103 – 104 1 – 3·104 Дефекты (проколы) в SiO2, см-2 0,5 – 2,0 0 0 0 Примеси металлов, ат/см2 – – Микрошероховатость (Ra), нм поверхности Si в КНИ границы Si–SiO2 (1мкмX1мкм) 0,40,5 (1мкмX1мкм) 0,08– (1мкмX1мкм) 0,08– –– * указанная величина может быть значительно больше.^ 2.3. Механические загрязнения на поверхности полупроводниковых пластин В процессе изготовления ИС на поверхность полупроводниковых пластин постоянно осаждаются загрязнения из различных источников, т.е. происходит адгезия загрязнений на поверхность подложек. Количество осаждаемых механических частиц зависит от многих факторов, например от размера контролируемых загрязнений, вида внешней среды (воздух, жидкость). В воздушной среде ЧПП движение частиц определяют: их броуновское движение, силы гравитации, электрические силы. С целью минимизирования количества механических частиц, попадающих из внешней среды, на производственных участках микроэлектронных предприятий применяется система вентиляции с ламинарным потоком воздуха. В этом случае обеспечивается требуемый уровень чистоты в ЧПП. При производстве ИС с Bmin Практические измерения показали, что наибольшую опасность для технологических процессов обработки Si пластин при получении структур КНИ представляют неконтролируемые загрязнения, источником которых является оборудование и персонал. К примеру, выходной контроль поверхности подложек на автоматическом лазерном анализаторе поверхности "Surfscan-4500" сокращает количество привносимых механических загрязнений в среднем втрое по сравнению с контролем пластин вручную на оптическом микроскопе "Inspection jenatech" в ЧПП класса 10.^ 2.3.1. Адгезия механических частиц на поверхность полупроводниковых пластин На механическую частицу в воздушном пространстве действуют силы притяжения (Ван-дер-Ваальса, электростатическая) и отталкивания, при этом силы притяжения в обычных условиях преобладают. В воздушной среде ЧПП концентрация ионов на два порядка выше, чем в обычном помещении. Статический заряд полупроводниковых пластин (электропотенциал) составляет около 1000 В, что существенно увеличивает количество притягиваемых к поверхности подложек загрязнений. Воздействие заряда пластины существенно увеличивается на механические загрязнения меньшего диаметра (рис.2.2). После отмывки подложек в чистой деионизованной воде марки "А" поверхностный заряд составляет около 5000 В. Для снижения влияния заряда пластин на чистоту поверхности проводят ряд организационных мероприятий, среди которых следует выделить заземление электрического заряда, скапливаемого на рабочей одежде операторов технологических участков, а также увеличение влажности воздуха ЧПП.Рис.2.2. Воздействие статического заряда на адгезию механических частиц различного диаметра к поверхности кремниевых пластинВ жидкости количество осаждаемых загрязнений на поверхность зависит от чистоты химических растворов, массы, скорости движения жидкости. Адгезия загрязнений в жидкости может рассматриваться по диффузионной модели (рис.2.3).Рис.2.3. Диффузионная модель адгезии механической частицы к полупроводниковой поверхности в жидкостиПрактические измерения показали, что содержание примесей Na в растворе H2SO4 (ОСЧ), применяемом в отечественной технологии, составляет величину 5·1010 ат./см2: присутствие загрязнений Al ~ 1·1013 ат./см2, Fe ~ 5·1012 ат./см2 в растворах NH4OH (ОСЧ) и H2O2 (ОСЧ) делает невозможным их применение для изготовления ИС с Bmin ~ 0,6 мкм. Основными направлениями решения вопросов чистоты поверхности подложек в процессе "жидкостной" химической обработки являются: ужесточение требований к системам фильтрации технологических растворов, разработка новых технических решений и методов проведения обработки.^ 2.3.2. Удаление загрязнений с поверхности пластин в процессах химической обработки Основной механизм действия "жидкостной" химической очистки заключается в следующем: для удаления металлических и органических загрязнений с поверхности кремниевых пластин необходимо использовать растворы с большим "редокс"-потенциалом (электродный потенциал окислительно-восстановительной реакции). При воздействии этого типа растворов происходит окисление металлических примесей, разложение органических соединений на летучие соединения и воду. В общепринятых 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. На поверхности кремниевых пластин в процессе изготовления ИС могут находиться слои SiO2, Si3N4, Al, органических соединений и др. В алкильных растворах все эти материалы имеют отрицательный -потенциал (электрокинетический потенциал частиц в кинетике обменных химических реакций), т.е. такой же полярности, что и используемый раствор NH4OH/H2O2/H2O (табл.2.4). Загрязнения на поверхности, взаимодействуя с заряженными тем же знаком -потенциала частицами раствора, взаимно отталкиваются и, таким образом, удаляются с поверхности пластины [33,34].^ Таблица 2.4 -потенциал материалов в растворах с различным рН, мВ Материалы HF/H2O (рН = 3) NH4OH/H2O2 (рН = 8,8) Si -20 -50 SiO2 10 -60 -механические частицы 60 -30 Современной методикой уменьшения влияния -потенциала на загрязнения является добавление поверхностно-активных веществ (ПАВ) в раствор (рис.2.4 – 2.7).Рис.2.4. Механические загрязнения в водеРис.2.5. Механические загрязнения в растворе с анионными ПАВРис.2.6. Механические загрязнения в растворе с нонионными ПАВ Рис.2.7. Механические загрязнения в растворе с катионными ПАВОтрицательный -потенциал на частицах можно создать, добавив анионное ПАВ, и положительный -потенциал, добавив катионное ПАВ. Таким образом, добавляя в раствор для удаления слоев SiO2 на основе HF/H2O соответствующее ПАВ, можно одновременно удалять загрязнения с поверхности кремниевых пластин. В отечественной микроэлектронике работы в указанном направлении ведутся, однако положительных результатов пока не достигнуто, т.к. существует проблемы, в основном связанные с тем, что, ПАВ порой сами являются причиной дополнительных загрязнений поверхности подложек. Необходимо отметить следующие экспериментальные зависимости. Большее количество остаточных загрязнений на поверхности полупроводниковых пластин наблюдается, когда ионная сила раствора увеличивается, разница значений -потенциала частицы и пластины растет, диаметр механических частиц уменьшается [27]. Практические результаты показали, что при среднем исходном уровне загрязнения поверхности кремниевых пластин диаметром 150 мм на уровне 700 частиц после очистки подложек в растворе H2SO4/H2O2 количество загрязнений уменьшилось до 650 частиц, после проведения очистки подложек в растворе NH4OH/H2O2/H2O средний конечный уровень загрязнений составил 60 частиц на пластине.^ 2.3.3. Очистка поверхности подложек в перекисно-аммиачном растворе В отечественной микроэлектронике для удаления механических загрязнений с поверхности полупроводниковых пластин в основном используется обработка погружением в раствор NH4OH/H2O2/H2O. В процессе очистки поверхности подложек в указанном растворе 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. В результате протекания указанных процессов слой оксида кремния постоянно образуется и удаляется, а подтравливание слоя SiO2 под частицами способствует удалению с поверхности Si пластин загрязнений. Главным недостатком указанного процесса химической обработки является изменение концентрации компонентов в растворе в процессе его использования и хранения, что приводит к ухудшению характеристик поверхности подложек. Раствор перекиси водорода при нагревании разлагается по схеме 2H2O2=2H2O+O2. Уменьшается концентрация аммиака в растворе, что происходит за счет его летучести в процессе нагревания раствора. Добавками стабилизаторов снижают скорость разложения раствора. В литературных источниках рассматриваются варианты объемных отношений компонентов раствора NH4OH/H2O2/H2O как 1:1:3, с тенденцией уменьшения концентраций NH4OH и H2O2 в воде при современных режимах химической обработки. Температура обработки варьируется от 20 до 80 С [33,35–38]. На рис.2.8 приведены результаты исследований изменения скорости травления поверхности подложек в зависимости от концентрации компонентов в растворе NH4OH/H2O2/H2O. Полученные результаты свидетельствуют о том, что обработка в растворе NH4OH/H2O2/H2O при низких температурах не приводит к изменениям шероховатости поверхности Si пластин. Рис.2.8. Изменение скорости травления поверхности кремниевой пластины при изменении концентрации компонентов в процессе аэрозольно-капельного распыления раствора NH4OH/H2O2/H2O при различной температуреИсследования шероховатости кремниевых пластин с применением атомно-силовой микроскопии (АСМ) показали, что оптимально проводить обработку в ПАВ без нагревания при температуре 20 С. Наибольшая эффективность удаления загрязнений при наименьшем повреждении поверхности получена в растворе NH4OH/H2O2/H2O при температуре 55 С при соотношении компонентов 1:2:30.^ 2.4. Методы исследования состояния и характеристик поверхности подложек На каждом этапе изготовления полупроводниковых изделий на поверхности подложек находятся загрязнения разных типов. Для определения состояния и свойств поверхности подложек используют приведенные ниже методы исследования поверхности полупроводниковых пластин.^ 2.4.1. Методы анализа частиц на поверхности пластин При контроле и измерении механических поверхностных загрязнений обращаются в основном к бесконтактным методам, таким как анализ отраженного сканирующего лазерного луча и микроскопия [39]. Микроскопические методы, в частности, электронная и оптическая микроскопия относятся к наиболее точным методам. Диапазон увеличений х10 – х50000 [40 – 42]. К данной группе измерений относятся растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) [42]. В основном в качестве контрольной аппаратуры в отечественном производстве полупроводниковых структур применяется оптический микроскоп с увеличением до х500 [43, 44].^ 2.4.2. 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. К этой группе методов относятся методы окунания, пульверизации воды, конденсации воды, запотевания. Указанным методам присущи недостатки: малая чувствительность при низких концентрациях загрязнений; отсутствие возможности контроля других типов загрязнений [40]. Существуют разновидности фотометрического метода: спектрофотометрический, нефелометрический и турбодиметрический, рефрактометрический анализы [40]. Современным методом контроля органических загрязнений является масс-спектрометрический с чувствительностью – 1010 1011 мол/см2.^ 2.4.3. Методы анализа металлических загрязнений на поверхности пластин Электрохимические методы. В данную группу включают: электрогравиметрический, кулонометрический, полярографи-ческий, кондуктометрический анализы. Электрохимические методы контроля могут быть разделены на потенциометрические и вольтамперметрические. Методы предназначены в основном для анализа жидких технологических сред и исследования поверхностей на предмет содержания на них примесей ионов металлов [40].^ Радиохимические методы. Радиохимические методы включают в себя нейтронно-активационный анализ, метод радиоактивных индикаторов и др. Приведенные методы не применяются из-за низкой чувствительности (до 10-10 г/см2) [40]. Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), метод локального рентгеновского анализа обеспечивают анализ поверхности с высокой чувствительностью (до 0,1 ат.%) [45]. Наиболее приемлемым для анализа распределения примесей по поверхности и глубине образцов является метод вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) с чувствительностью до 10-6 ат% [40,42,46].^ 2.4.4. Методы исследования рельефа поверхности подложек Методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) исследуют свойства поверхностей материалов в диапазоне микронного, атомного уровней [28,29]. В СЗМ существует метод исследования поверхности полупроводниковых пластин с применением атомно-силовой микроскопии [30,47]. Этот метод весьма привлекателен низкими требованиями к подготовке образцов [48]. АСМ используется для контроля характеристик поверхности полупроводниковых пластин в процессе проведения процессов "жидкостных" химических обработок подложек [30]. Предполагается, что за этим методом будущее контроля характеристик поверхности подложек.^ 2.5. Технологические процессы очистки поверхности полупроводниковых пластин Основные принципы, на которых базируется любая технология очистки поверхности подложек, заключаются в следующем. Технологические процессы должны состоять из ряда последовательных операций, из которых каждая предназначена для удаления одного или нескольких видов загрязнений. Технологические процессы увязываются с общим технологическим маршрутом изготовления приборов. Для химической очистки подложек следует применять вещества, у которых продукты взаимодействия с загрязнениями легко удаляются с поверхности при последующей обработке. Поскольку в технологии микроэлектроники постоянно совершенствуются технологические методы и отдельные операции (например, для уменьшения минимального топологического размера) необходимо постоянно совершенствовать методы очистки [49]. Способы воздействия на поверхность пластин, применяемые в технологиях очистки, по характеру процесса делят на физические, химические, физико-химические. Так как процессы очистки полупроводниковой поверхности постоянно совершенствуются комбинированием и сочетанием различных методов, деление это условно. По агрегатному состоянию среды обработки методы очистки поверхности пластин подразделяются на "жидкостные" и "сухие" [50]. "Жидкостные" методы включают обработку в жидкостях и парах [51,52]. Обработка в газовой среде или в вакууме относится к "сухим" методам очистки поверхности пластин. Общая схема "жидкостной" химической очистки поверхности подложек выглядит следующим образом: обработка в химических растворах, отмывка в воде, сушка. Существуют различные разработки и модификации процессов очистки [53]. Основные будут рассмотрены подробнее.^ 2.5.1. "Жидкостная" химическая обработка В зависимости от цели очистки поверхностных слоев полупроводниковых пластин применяется множество химических реагентов (органических и неорганических) с соответствующими характеристиками [35]. После воздействия химических реагентов на пластину проводится отмывка пластин в чистой деионизованной воде (с сопротивлением не менее 18 МОм·см) с целью удаления остатков раствора, адсорбированного на поверхности.^ Химическая обработка в растворах RCA. Первым широко используемым процессом химической обработки был двухстадийный процесс, проводимый на основе водной смеси перекиси водорода (Н2О2), аммиака (NH4OH) и водной смеси перекиси водорода с соляной кислотой (HCl). Этот процесс (Standart Clean–1, SC–2) разработан фирмой RCA в 1965 г. и опубликован в 1970 г. [12]. В настоящее время данный вид обработки широко применяется с некоторыми изменениями концентраций растворов, температурных режимов, варьированием времени обработки [37]. Возможно проведение дополнительных операций обработки в других реагентах, направленных на повышение эффективности очистки поверхности пластин [33]. Используемая RCA обработка состоит из последовательно выполняемых операций: 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. Традиционная "жидкостная" химическая RCA отмывка имеет ряд существенных недостатков, к которым следует отнести: 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. Постоянно происходит поиск новых альтернативных и совершенствование существующих методов очистки кремниевых пластин в цикле изготовления ИС, лишенных вышеуказанных недостатков [35].^ Модификация процесса RCA. Совершенствованием традиционного процесса RCA занимаются практически все крупные технологические центры. В частности, европейская фирма IMEC разработала концепцию "жидкостной" очистки на основе оптимизации соотношения компонентов в растворах RCA. Первый этап обработки в NH4OH/H2O2/H2O приводит к образованию естественного слоя SiO2 на поверхности пластин, который затем удаляется в водном растворе HF. Оптимизация первого этапа химической обработки фирмы IMEC заключается в использовании более разбавленных химических растворов по сравнению со стандартной обработкой. Применяется обработка в растворе NH4OH/H2O2/H2O в пропорции компонентов (0,05:1:5) при 85 – 90 С или (0,25:1:5) при 70 – 75 С. Использование разбавленных химических реактивов позволяет уменьшить шероховатость поверхности пластин, снизить количество поверхностных дефектов, уменьшить количество используемых химикатов и затрат [38].TRTWC (Total Room Temperature Wet Cleaning) – "жидкостная" химическая очистка при комнатной температуре. Для удаления органических и металлических примесей требуется высокая окислительная способность химических растворов. Этому требованию удовлетворяет сильно оксидированный раствор, имеющий положительный "редокс"-потенциал. Таким образом, добавляя О3, О2 или Н2 в чистую воду, можно добиться высокой эффективности очистки поверхности кремния от органических, металлических загрязнений [33,54]. Все операции очистки проводятся при комнатной температуре, что позволяет точно поддерживать концентрацию и соотношение химических компонентов. Предложенная обработка TRTWC имеет ряд существенных преимуществ перед традиционной "жидкостной" химической отмывкой RCA, среди которых: снижение количества этапов очистки до 5, сокращение расхода деионизованной воды в 20 раз, снижение загрязнения окружающей атмосферы, что очень важно, так как очистка сточных вод является существенной проблемой в микроэлектронике [33,54].^ Сушка пластин. Операции сушки после обработки Si пластин в химических веществах являются критичными, так как возможно повторное загрязнение подложек, что может привести к общим неудовлетворительным результатам всего процесса очистки. Широко используется метод сушки с применением центрифуги благодаря своей высокой производительности. Ускорение вращения мокрых пластин с одновременным обдувом теплым азотом позволяет удалить поверхностный слой жидкости. Для устранения таких в