проблемы чистоты технологических сред при производстве

Д.М. БАЛАХАНОВ, О.В. КАРПОВ, О.А. ВАНЦЕВ1, Е.В. ЛЕСНИКОВ
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и
радиотехнических измерений», п. Менделеево, Московская обл.
ФГУП «Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова»,г.
Нижний Новгород
1
ПРОБЛЕМЫ ЧИСТОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ С СУБМИКРОННОЙ И НАНОМЕТРОВОЙ ТОПОЛОГИЕЙ
Развитие технологии в электронной промышленности направлено на уменьшение
размеров ИС и увеличение степени их интеграции (плотности). Действительность нашего времени
- переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в
микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области.
Производство изделий электроники, невозможно без контроля той среды, в которой они
производятся [1]. Надежность, качество и процент выхода годных ИС в значительной степени
зависят от уровня содержания примесей во всех видах технологических сред (деионизованной
воде, газах, воздушной среде ЧП, химических реактивах).
Воздушная среда ЧП. Счетная концентрация аэрозольных частиц определенных размеров,
содержащихся в воздухе является основным показателем для отнесения ЧП к тому или иному
классу чистоты. Класс чистого помещения характеризуется классификационным числом,
определяющим максимально допустимую счетную концентрацию аэрозольных частиц
определенных размеров в 1 м3 (ГОСТ ИСО 14644-1-2002). Чистота воздушной среды ЧП должна
постоянно соответствовать классу ЧП и контролироваться.
Если при производстве ИС с микро- топологическими размерами достаточно, чтобы
технологический процесс проводился в ЧП с максимальным классом ИСО 2, то для
наноэлектроники для наиболее ответственных операций необходим класс ИСО 1.
Год производства
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
ДОЗУ (1/2 шага), нм
65
57
50
45
40
36
32
28
Микропроцессор(1/2 шага), нм
54
45
40
36
32
28
25
22
Критический размер частиц, нм
34
29,5
26
22,5
20
18
16
14
Требуемый класс ЧП по ИСО
2
2
2
1
1
1
1
1
Таблица 1 - Связь параметров ИС и требуемого класса чистоты по критическим размерам частиц
для различных уровней технологий производимых ИС [2]
Технологические газы. В наибольших количествах электронная промышленность
потребляет технологические газы – азот, аргон, кислород, водород [3]. К загрязнениям
технологических газов относят аэрозольные частицы и химические загрязнения (пары воды,
кислород, окись и двуокись углерода, углеводороды, азот, водород) [4].
При производстве ИС с микротопологическими размерами критический размер частиц
устанавливался ранее равным 1/10 от величины минимального размера структурного элемента.
Для современных технологий критический размер определяется как 1/2 от величины проектной
нормы [5]. В таблице 2 представлена зависимость параметров контролируемых аэрозольных
частиц в технологических газах для производства ИС по прогнозам ITRS [6]. Допустимый уровень
содержания наночастиц при переходе от микроэлектронных технологий к наноэлектронным
уменьшается с 0,707 шт/л. до 0,1 шт/л.
Год начала
Крупномасштабное
Количество частиц
крупномасштабного
производство ИС с
Критический
размером большим
производства ИС с
топологией
размер частиц, нм
критического
данной топологией
(прогноз 2000 г.)
размера (шт./л)
1
1999
180 нм
90
< 0,1
2
2001
130 нм
65
< 0,1
3
2002
–
< 0,1
4
2004
90 нм
45
< 0,1
5
2005
–
< 0,1
6
2007
65 нм
32,5
< 0,1
7
2008
60 нм
30
< 0,1
8
2010
45 нм
22,5
< 0,1
9
2011
40 нм
20
< 0,1
Таблица 2 – Сравнительная характеристика содержания частиц в технологических газах в
зависимости от топологических норм ИС.
Деионизованная вода. Природа загрязнений частицами различна: окислы металлов,
нерастворимая двуокись кремния, коллоиды, микроорганизмы и т.д. Частицы генерируются также
самой установкой при подготовке ДИВ.
Так же как и для технологических газов, критический размер частиц устанавливался
равным 1/10 минимального размера структурного элемента для ИС с микротопологическими
размерами. Для ИС с нанометровыми размерами минимальных структурных элементов
критический размер частиц равен 1/2 от величины проектной нормы, количество - не более 0,2
шт/л (таблица 3). Допустимый уровень содержания наночастиц в ДИВ 500-1000 шт/л, характерный
для микроэлектронного производства ИС уменьшается для наноэлектронного производства до 0,2
шт/л.
2005
2006
2007
2008
2009
ДОЗУ (1/2 шага), нм
80
70
65
57
50
Микропроцессор(1/2 шага), нм
90
78
68
59
52
Критический размер частиц, нм
40
35
32,5
29,5
26
Количество частиц>критического
<0,2 <0,2
<0,2
<0,2
<0,2
размера шт./мл
Таблица 3 - Сравнительная характеристика содержания частиц в ДИВ зависимости от
топологических норм ИС по прогнозам ITRS.
2010
2011
45
45
22,5
40
45
20
<0,2
<0,2
Химические реактивы. Жидкие химические реактивы входят в состав химических
растворов, либо непосредственно применяются в технологических процессах.
Диаметр частиц, который мог стать причиной появления дефектов, для микронных
технологий устанавливался как 1/10 от величины минимального размера элементов
Прогнозы NTRS 1997 и ITRS 2002-2008 определяют допустимые уровни загрязнений
частицами химических реактивов для различных уровней технологий производимых ИС (таблица
4). Критический размер частиц устанавливается равным 1/2 топологической нормы.
NTRS 1997
ITRS 2002
ITRS 2003
ITRS 2005
I
T
R
S
2
0
0
8
Год начала про-ва
1997
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Уровень
технологии, нм
250
130
115
100
90
80
70
65
57
50
Критический размер
частиц, нм
125
65
58
50
45
40
35
32,5
28,3
25
49% HF, 37% HCl:
количество частиц>
критического
размера, шт/мл
< 0.5
< 10
< 10
-
-
< 10
< 10
80
50
70
30% H2O2 количество
частиц>
критического
размера, шт/мл
< 0.5
< 10
< 10
< 1000 < 1000 < 1000
< 1000
80
50
70
< 10
< 10
< 1000 < 1000 < 1000
8000
5000
700
0
29% NH4OH, 100%
ИПС: количество
частиц>
критического
размера, шт/мл
< 0.5
< 1000
2008 2009
Таблица 4 - Допустимые уровни загрязнений частицами химических реактивов для различных
уровней технологий производимых ИС.
Контроль содержания частиц в технологических средах в нанометровом диапазоне
размеров (от 100 нм до 1 нм) становится актуальной задачей для современного уровня развития
электронной промышленности. В связи с этим возникает ряд проблем, требующих своего
разрешения:
- существующая в России нормативная база устанавливает контролируемые дисперсные
параметры наночастиц только для воздушной среды ЧП и минимального размера 100 нм. (ГОСТ
ИСО 14644-1-2002);
- для других технологических сред, необходимых для производства ИС современного уровня,
отечественная нормативная база отсутствует;
- требуется соответствующее метрологического обеспечение.
Контроль содержания частиц в технологических средах в нанометровом диапазоне размеров (от
100 нм до 1 нм) становится актуальной задачей для современного уровня развития электронной
промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Физические основы микроэлектроники В.И Марголин, В.А. Жабреев, В.А. Тупик. М., Академия,
2008 г., 400 с.
2 Проектирование чистых помещений В. Уайт – М.: Клинрум, 2004. 360 с
3 Современный взгляд на обеспечение чистоты в субмикронных производствах СБИС/В.В.
Мартынов - Чистые помещения технологические среды, 2002, № 1
4 Подготовка технологического трубопровода/Стив Пурнелл (перевод П.А. Гладких) - Чистые
помещения и технологические среды, 2003, № 4
5 International Technology Roadmap for Semiconductors 2007 Edition, Yield Enhancement
6 International Technology Roadmap for Semiconductor. 2000 Update. Defect Reduction.
2
1