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SC-1 vs SC-2 vs HF dilué : chimie, ce que chacun élimine, état de surface

Le nettoyage RCA, base du nettoyage des plaquettes de silicium, enchaîne des produits chimiques aux rôles différents. Le SC-1, mélange d’ammoniaque et de peroxyde d’hydrogène, élimine les particules et les matières organiques. Le SC-2, acide chlorhydrique additionné de peroxyde d’hydrogène, élimine la contamination métallique. L’acide fluorhydrique dilué (DHF) dissout l’oxyde natif de la surface. Après SC-1 et SC-2, la surface est couverte d’un oxyde mince et hydrophile (l’eau s’y étale) ; après le DHF, elle est terminée par de l’hydrogène et hydrophobe (l’eau perle).

CritèreSC-1 (APM)SC-2 (HPM)HF dilué (DHF)
Produits chimiquesHydroxyde d’ammonium, peroxyde d’hydrogène et eau (rapport classique 1:1:5)Acide chlorhydrique, peroxyde d’hydrogène et eau (rapport classique 1:1:6)Acide fluorhydrique dilué dans l’eau (environ 0,5 à 1 % à titre indicatif)
pH et températureAlcalin ; typiquement environ 70 à 80 °CAcide ; typiquement environ 70 à 80 °CAcide ; généralement à température ambiante
Élimine principalementLes particules et les matières organiquesLa contamination métallique (métaux alcalins, Fe, Al, etc.)L’oxyde natif et l’oxyde chimique, ainsi que la contamination qui y est piégée
MécanismeLe peroxyde oxyde la surface et l’ammoniaque dissout lentement cet oxyde, ce qui soulève les particules par en dessous ; la surface et les particules étant toutes deux chargées négativement, les particules ne se redéposent pasDissout les métaux sous forme d’ions solubles, comme les chloruresDissout le SiO2
Gravure du silicium et de l’oxydeFaible (oxyde à environ 0,1 à 1 nm par minute à titre indicatif)Presque nulleGrave l’oxyde ; le silicium n’est presque pas gravé
Surface après nettoyageOxyde chimique mince ; hydrophileOxyde chimique mince ; hydrophileTerminée par l’hydrogène ; hydrophobe
Effets secondaires et précautionsPeut rendre la surface rugueuse (peroxyde insuffisant, concentration ou température élevées) ; les métaux comme Fe et Al présents dans la solution tendent à se déposer sur la surfacePeu efficace pour éliminer les particulesLa surface hydrophobe attire les particules et les traces d’eau ; les métaux nobles comme le Cu tendent à se déposer sur la surface ; l’oxyde qui doit subsister est aussi aminci
Place habituelle dans la séquenceEn premier (après le SPM en cas de forte contamination organique), pour éliminer les particules et les matières organiquesAprès le SC-1, pour éliminer les métaux déposés par le SC-1Entre SC-1 et SC-2, ou en dernier (HF-last)

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

SC-1
Comme première étape de nettoyage, pour éliminer les particules et les matières organiques. On l’utilise partout où les particules comptent, comme le nettoyage après CMP.
SC-2
Après le SC-1, lorsque la contamination métallique doit être particulièrement faible, par exemple avant l’oxydation de grille ou un traitement thermique.
DHF
Lorsqu’il faut une surface de silicium nue, sans oxyde, par exemple juste avant une croissance épitaxiale, la formation de siliciures ou l’oxydation de grille.

Questions fréquentes

Pourquoi le SC-2 suit-il le SC-1 ?

Le SC-1 alcalin élimine bien les particules et les matières organiques, mais les métaux présents dans la solution, comme Fe et Al, tendent à se déposer sur la surface. Le SC-2 acide les élimine ensuite en les transformant en chlorures solubles et en ions similaires.

Pourquoi la surface repousse-t-elle l’eau après le HF dilué ?

Une fois l’oxyde dissous, la surface du silicium est terminée par des liaisons avec l’hydrogène. Le fait que l’eau perle confirme que l’oxyde a disparu. Cette surface attire cependant facilement les particules : le temps d’attente avant l’étape suivante est donc contrôlé.

Comment éviter que le SC-1 rende la surface rugueuse ?

La règle de base est de garder assez de peroxyde d’hydrogène pour que la surface reste couverte d’oxyde pendant la gravure. Aujourd’hui, les produits sont souvent dilués et utilisés à plus basse température, en combinaison avec un nettoyage mégasonique, pour éliminer les particules en gravant moins.

Comment vérifier que la contamination métallique a été éliminée ?

Des méthodes comme la fluorescence X en réflexion totale (TXRF) mesurent la quantité de métal à la surface de la plaquette. La sensibilité s’améliore encore si l’oxyde de surface est d’abord dissous par de la vapeur de HF et recueilli avant l’analyse. Les particules sont comptées avec des équipements d’inspection qui détectent la lumière laser diffusée par celles-ci.

Vérifier vos connaissances

Quel est le principal objectif du SC-1 (mélange ammoniaque-peroxyde d'hydrogène) utilisé dans le nettoyage RCA ?

  1. AÉliminer la contamination métallique
  2. BÉliminer les particules et les composés organiques
  3. CÉliminer l'oxyde natif
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Réponse : B. Éliminer les particules et les composés organiques

Le SC-1 (NH4OH:H2O2:H2O, par exemple 1:1:5, vers 70 ℃) oxyde la surface par le peroxyde d'hydrogène tout en dissolvant lentement cet oxyde par l'ammoniaque, à environ 0,1 à 1 nm par minute ; les particules sont ainsi soulevées par-dessous et éliminées. En milieu alcalin, particules et surface sont toutes deux chargées négativement et se repoussent, ce qui limite aussi la redéposition. Il est également efficace contre les composés organiques. La contamination métallique s'élimine par le SC-2, l'oxyde natif par l'acide fluorhydrique dilué.

Quel est le principal objectif du nettoyage à l'acide fluorhydrique dilué (DHF) ?

  1. AÉliminer les composés organiques
  2. BDéposer un film métallique
  3. CÉliminer l'oxyde natif
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Réponse : C. Éliminer l'oxyde natif

L'acide fluorhydrique dissolvant le SiO2, un traitement de quelques dizaines de secondes à l'acide fluorhydrique dilué à environ 0,5 à 1 % élimine l'oxyde natif d'environ 1 nm à la surface du silicium. Après traitement, la surface de silicium est terminée par de l'hydrogène et devient hydrophobe ; le fait que l'eau perle permet de vérifier l'élimination. Ce traitement est souvent effectué juste avant l'oxydation de grille, la croissance épitaxiale ou la formation de siliciure. Les composés organiques et les particules s'éliminent par le SC-1, la contamination métallique par le SC-2.

Quelle combinaison d'ordre et d'objectifs du SC-1 et du SC-2 dans le nettoyage RCA standard est correcte ?

  1. ALe SC-1 élimine les particules et les composés organiques, puis le SC-2 élimine la contamination métallique
  2. BLe SC-2 élimine les particules, puis le SC-1 élimine la contamination métallique
  3. CLe SC-1 et le SC-2 sont mélangés et utilisés simultanément
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Réponse : A. Le SC-1 élimine les particules et les composés organiques, puis le SC-2 élimine la contamination métallique

Le nettoyage RCA, publié en 1970 par Kern et ses collègues de la société RCA, élimine d'abord les particules et les composés organiques par le SC-1 alcalin, puis, par le SC-2 acide (HCl:H2O2:H2O), la contamination métallique qui tend à se déposer lors du SC-1, en la dissolvant sous forme de chlorures ; c'est l'ordre de base. Au besoin, un passage à l'acide fluorhydrique dilué retire l'oxyde entre les deux, et chaque étape est suivie d'un rinçage à l'eau ultrapure. Plus de 50 ans après, il reste, avec des améliorations, la base du nettoyage.

  1. Quel est l'état d'une surface de silicium dont le dernier nettoyage a été fait à l'acide fluorhydrique dilué ?
  2. Quel rôle joue le peroxyde d'hydrogène dans le SC-1 (mélange ammoniaque-peroxyde d'hydrogène) ?
  3. Quelle méthode est couramment utilisée pour analyser les contaminations métalliques à l’état de traces à la surface des plaquettes ?

Questions d'entraînement sur CMP et nettoyage

Termes clés expliqués

Nettoyage RCA
Méthode de nettoyage qui élimine les particules et les contaminants organiques avec SC-1 (ammoniaque et eau oxygénée) et la contamination métallique avec SC-2 (acide chlorhydrique et eau oxygénée).
SC-1 (APM)
Mélange d'ammoniaque, d'eau oxygénée et d'eau. Utilisé en première étape du nettoyage RCA, il élimine particules et contaminants organiques en gravant légèrement la surface.
SC-2 (HPM)
Mélange d'acide chlorhydrique, de peroxyde d'hydrogène et d'eau. Utilisé après le SC-1 dans le nettoyage RCA pour éliminer la contamination métallique.
Acide fluorhydrique dilué (DHF)
Solution de nettoyage d'acide fluorhydrique dilué dans l'eau. Elle élimine l'oxyde natif de la surface du silicium et la rend hydrophobe, terminée par de l'hydrogène.
Oxyde natif
Fine couche d'oxyde d'environ 1 nm qui se forme naturellement lorsque le silicium est exposé à l'air ou à l'eau. Elle augmente la résistance de contact et gêne l'épitaxie ; on la retire juste avant les étapes concernées.
SPM (mélange acide sulfurique-eau oxygénée)
Mélange d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène. Son fort pouvoir oxydant élimine les matières organiques comme la résine.
Nettoyage mégasonique
Méthode de nettoyage qui applique des ultrasons d'environ 1 MHz au liquide pour éliminer les particules à la surface de la plaquette.
TXRF (fluorescence X en réflexion totale)
Méthode d'analyse où des rayons X frappent la plaquette en incidence rasante et sont totalement réfléchis, afin de mesurer avec une grande sensibilité la fluorescence X émise par les traces de contamination métallique en surface.

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