Influence des composants d'équipements semi-conducteurs sur la contamination métallique au dos des plaquettes de silicium

Les polluants présents à la surface des plaquettes de silicium se présentent généralement sous forme d'atomes, d'ions, de molécules, de particules ou de films, par adsorption chimique ou physique sur la surface de la plaquette ou dans la couche d'oxyde. Les impuretés atomiques désignent principalement les atomes de métaux lourds et précieux (tels que le cuivre, l'argent, l'or, le platine, etc.). Ces impuretés affectent principalement la durée de vie des porteurs minoritaires, la conductivité de surface, l'intégrité de l'oxyde et d'autres paramètres de stabilité du dispositif, et constituent la principale cause de défaillance. En particulier, à haute température ou sous champ électrique élevé, elles peuvent diffuser à l'intérieur du semi-conducteur ou s'étendre en surface, entraînant une réduction des performances et du rendement du dispositif.

Cet article se concentre sur la contamination métallique de la face arrière des plaquettes de silicium lors de l'étape FEOL (Final Engineering Line Opération). Cette contamination entraînera une pollution secondaire lors de l'étape suivante. Plus précisément : lors de l'étape précédente, la face arrière des plaquettes de silicium adsorbe plus ou moins physiquement des particules métalliques (contaminants métalliques) par contact avec les pièces métalliques des équipements ou par transmission via un élément contaminé, comme un bras mécanique. Ces particules seront ensuite acheminées vers les bains de traitement humide clés de l'étape suivante (par exemple, le bain de gravure chimique de la couche d'oxyde, le bain de décapage, etc.) et deviendront ainsi des sources de pollution secondaire.

Qu’en est-il de l’impact de la pollution secondaire sur les plaquettes de silicium ? Les études citées nous apprennent que les contaminants présents dans le bain de traitement humide peuvent affecter simultanément le film d’oxyde dans le bain de gravure humide par le biais de réactions électrochimiques, comme c’est le cas pour les plaquettes de silicium subissant une double gravure de grille, ou pour les plaquettes de silicium nettoyées avant l’oxydation de grille dans le bain de décapage, ce qui entraîne des effets de contamination réels.

1. Les effets de la cavité de traitement

Dans les équipements pour semi-conducteurs, certains équipements technologiques comportent plusieurs cavités, comme illustré sur la figure 1 : un équipement plasma typique avec trois chambres de traitement distinctes A, B et C. En production, pour optimiser la capacité de la ligne, il est nécessaire de dédier une partie de la cavité de traitement à l'avant de la ligne de diffusion (FEOL) et une autre partie à l'arrière (BEOL) de cette même ligne, sur un même équipement. Le trajet de déplacement étant commun, le passage de la plaquette de silicium par les voies avant et arrière peut entraîner une contamination métallique de la face arrière de la plaquette lors du traitement précédent.

 

À cette fin, deux séries de tests ICP-MS ont été réalisées après le traitement des plaquettes par cavité. La première série, composée de plaquettes de silicium propres, face avant vers le haut, a permis de contrôler la contamination de leur face avant. La seconde série, composée de plaquettes de silicium propres, face arrière vers le bas, a permis de contrôler la contamination de leur face arrière. Critère de conformité : une teneur en éléments métalliques inférieure à 5 × 10¹⁰ atomes/cm² est considérée comme acceptable. Les résultats des analyses ICP-MS sont présentés dans le tableau 1.

Dans le tableau 1, deux échantillons du premier groupe (emplacements 22 et 23) présentent une contamination sur la face avant des plaquettes de silicium de contrôle. Les résultats des tests indiquent que la concentration des composants métalliques est inférieure à 5 × 10¹⁰ atomes/cm². Deux échantillons du second groupe (emplacements 1 et 2) présentent une contamination sur la face arrière des plaquettes de silicium de contrôle. Les résultats montrent des concentrations d'aluminium et de fer supérieures à 5 × 10¹⁰ atomes/cm² (hors spécifications). Ces résultats confirment l'hypothèse selon laquelle la contamination métallique provient principalement de la face arrière des plaquettes de silicium.

 

2, l'impact des parties

Nous avons également mis en place deux séries de tests : la première, avec des plaquettes de silicium propres orientées vers le bas et placées face avant, afin de surveiller la contamination de leur face avant ; la seconde, avec des plaquettes de silicium propres orientées vers le bas, afin de surveiller la contamination de leur face arrière. En mesurant la contamination métallique des faces avant et arrière des plaquettes de silicium, nous pouvons évaluer l’influence des matériaux métalliques utilisés dans la fabrication de l’équipement. Les résultats sont présentés ci-dessous :