半导体制程用化学品应用公开课一等奖市赛课一等奖课件

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長單晶切片研磨拋光磊晶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資訊產品消費性產品通訊產品其他系統產品製程服務邏輯設計電路設計圖形設計電路設計製作光罩模光罩製作切割置放銲線塑模測試晶片封裝6/15/2023BasicStructureofaProductionProcessDeposition(Oxidation,CVD,PVD)PhotolithograpyDoping(Implantation,Diffusion)Structuring(Dryetch/Wetetch)6/15/2023WetChemicalProcessProcesstype

Numberinthe64MproductionStripping about20Etching about15Cleaning about306/15/2023WetChemicalsinICProductionWaferPhotoResistsBulkGasesSpecialtygasesPhotoancillariesWetChemicalsEstimatedmaterialscostsforSCmanufacturingworldwide2023DepositionmaterialsOthersIn%6/15/2023UseofKeyChemicalsintheSemiconductorProductionPhotoresiststrippingResistremovalEdgebeadremoverResist/PolyimidtreatmentEtchingOxideNitrideSiliconTiN...CleaningPostCMPcleaningParticleremovalHeavymetals,IonsorganiccontaminationsPostPolymerremoversPostPlasmaEtchPolymerremoversPassivationofmetallayersPadpassivationH2SO4H2O2org.SolventsDMSONMP...H2SO4H2O2NH4OHHClHFCitricacidorg.SolventsHFHClH3PO4H2O2NH4OHHNO3KOH/NaOHHydroxyamineEthanoldiamineAlkyldiolWetChemistry6/15/2023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数年。雖然目前有許多新旳清潔方式推出，然RCA清潔技術仍被廣泛使用，這乃是可能有效地清除在晶片表面旳各式污染源，並不會對晶片產生缺陷或刻痕，且使用操作以便安全，所以被廣為採用。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6/15/2023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清除，另外NH4OH具強化合力，也可同時清除部份金屬離子。一般是以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。RCAStandardClean2(SC-2，又稱HPM)

HCl/H2O2/H2O主要應用在金屬離子之清除，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之體積百分比混合液在70oC溫度下進行5-10分鐘之浸泡清洗。6/15/2023濕式清潔技術與化學品PiranhaClean(SPM)H2SO4/H2O2主要應用在有機物之清除，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之體積百分比混合液在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之方式清除之。清洗時間一般在15秒-30秒。在完毕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。6/15/2023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涉及乙醇鹽類如PropyleneGlycolMonomethylEther(PGME)及PropyleneGlycolMonomethylEtherAcetate(PGMEA)混合物；乳酸鹽類如EthylLactate及酮類如MethylEthylKetone等．6/15/2023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．6/15/2023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清除後，即可將殘餘之光刻膠層卻除．在半導體製程中一般有兩種清除光刻膠材料之措施，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旳，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。6/15/2023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旳部份以化學反應或物理作用旳方式加以清除，而完毕轉移光罩圖案到薄膜上面旳目旳．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)它乃是利用物理措施如電漿蝕刻來進行薄膜侵蝕旳一種技術．6/15/2023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）或清除氮化矽（Nitride）層之圖案蝕刻或清除金屬層(如Al)之圖案蝕刻或清除多晶矽（PolycrystallineSi）層之圖案蝕刻或清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）6/15/2023二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來清除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涉及：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。6/15/2023一般是以熱磷酸（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，蝕刻率也會加紧，在140oC時，蝕刻率約在20Å/min，當溫度上升至200oC時，蝕刻率可達200Å/min，實務上多使用85%之H3PO4溶液。化學反應式如下： Si3N4+6H2O3SiO2+4NH3

H3PO4actasacatalystinSi3N4etching氮化矽層蝕刻6/15/2023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，涉及： (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溶解清除。2Al+6HNO3Al2O3+3H2O+6NO2

Al2O3+2H3PO4 2AlPO4+3H2O 一般之蝕刻率約控制在3000Å/min。6/15/2023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，其製程原理包括二道反應步驟： Si+4HNO3SiO2+2H2O+4NO2 SiO2+6HFH2SiF6+2H2O 先利用HNO3之強酸性將多晶矽氧化成為SiO2，再由HF將SiO2清除而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。6/15/2023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，防止污染到正面之製程。由於晶背表層常涉及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，涉及H3PO4、HNO3、H2SO4及HF等，如此才干有效清除複雜之晶背表層結構。6/15/2023化學機械研磨用材料及化學品CMPisanewplanarizationtechnologyusingslurries.Deviceswiththreeandmoremetallayerswithgeometriesof0.35morlessrequireahighdegreeofplanarityAdvantagesRoomtemperatureprocessDefectdensityimprovementVisibleprocessatatmosphericpressureSafeusage(Notoxicgas)HighprocessyieldLessprocesstimethanalternatives6/15/2023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,pH3~46/15/2023化學機械研磨後清洗UseofWetChemistry:DIW,NH4OH,H2O2,HF,CitricAcid,SurfactantsBasicsolutionwereusedforremovalparticlesbychangingthechargeatthecontrolledpH.Anionic,cationicandnonionictypessurfactantswereusedtoreducesurfacetension.Useofhydrofluoricacid(HF):Athinoxide(20~50Å)wasremovedtonotonlyadheredandembeddedparticlesbutalsoioniccontamination.UseofMechanicalEnergyMechanicallyremovingadheredandembeddedparticlesbybrushscrubbingormegasonicspray.6/15/2023WaferThinFilmprocessOxidation:SiO2PVD:Al,WCVD:Si,SiO2(TEOS),Si3N4Spinon:SiLKElectroplating:Cu6/15/2023WaferPhoto-resistCoatingSpinonPuddlePrintingEdgeBeadPhoto-resist6/15/2023WaferEdgeBeadRemoveIC:PGME/PGMEA(OK-73,EBR7030)TFT:NBA,OK-82OtherFPD:KOH,NaOH,NBAPhoto-resist6/15/2023WaferExposureTMCPMCPhoto-resistPhotoMask6/15/2023WaferDevelopingIC:(2.38%TMAH)TFT:5(25%TMAH)Others:Na2CO3,K2CO3,,KOHPhoto-resist6/15/2023WaferEtchingPhoto-resistSiO2:BOE,SIOseriesPolySi:PolyEtchantSi3N4:H3PO4,HFMo:MOE-01Al:ALE-seriesCr:(Cr-Tseries)Cu:CUE-110TaN:NPE-2006/15/2023WaferStripp