Resumo: À medida que o tamanho dos transistores continua a diminuir, o processo de fabricação de wafers se torna cada vez mais complexo, e os requisitos para a tecnologia de limpeza úmida de semicondutores estão se tornando cada vez maiores. Com base na tecnologia tradicional de limpeza de semicondutores, este artigo apresenta a tecnologia de limpeza de wafers na fabricação avançada de semicondutores e os princípios de limpeza de vários processos de limpeza. Da perspectiva da economia e da proteção ambiental, melhorar a tecnologia do processo de limpeza de wafers pode atender melhor às necessidades da fabricação avançada de wafers.
0 Introdução O processo de limpeza é um elo importante em todo o processo de fabricação de semicondutores e é um dos fatores importantes que afetam o desempenho e o rendimento dos dispositivos semicondutores. No processo de fabricação de chips, qualquer contaminação pode afetar o desempenho dos dispositivos semicondutores e até mesmo causar falhas [1-2]. Portanto, um processo de limpeza é necessário antes e depois de quase todos os processos na fabricação de chips para remover contaminantes da superfície e garantir a limpeza da superfície do wafer, conforme mostrado na Figura 1. O processo de limpeza é o processo com a maior proporção no processo de fabricação de chips, respondendo por cerca de 30% de todos os processos de fabricação de chips.
Com o desenvolvimento de circuitos integrados de ultra-grande escala, os nós de processo de chip entraram em 28 nm, 14 nm e nós ainda mais avançados, a integração continuou a aumentar, a largura da linha continuou a diminuir e o fluxo do processo se tornou mais complexo [3]. A fabricação de chips de nó avançado é mais sensível à contaminação, e a limpeza da contaminação em condições de tamanho pequeno é mais difícil, o que leva a um aumento nas etapas do processo de limpeza, tornando o processo de limpeza mais complexo, mais importante e mais desafiador [4-5]. O processo de limpeza para chips de 90 nm é de cerca de 90 etapas, e o processo de limpeza para chips de 20 nm atingiu 215 etapas. À medida que a fabricação de chips entra em nós de 14 nm, 10 nm e até mais altos, o número de processos de limpeza continuará a aumentar, conforme mostrado na Figura 2.
1 Introdução ao processo de limpeza de semicondutores
Processo de limpeza refere-se ao processo de remoção de impurezas na superfície do wafer por meio de tratamento químico, gás e métodos físicos. No processo de fabricação de semicondutores, impurezas como partículas, metais, matéria orgânica e camada de óxido natural na superfície do wafer podem afetar o desempenho, a confiabilidade e até mesmo o rendimento do dispositivo semicondutor [6-8].
O processo de limpeza pode ser considerado uma ponte entre os vários processos de fabricação de wafers. Por exemplo, o processo de limpeza é usado antes do processo de revestimento, antes do processo de fotolitografia, após o processo de gravação, após o processo de moagem mecânica e até mesmo após o processo de implantação de íons. O processo de limpeza pode ser dividido em dois tipos, a saber, limpeza úmida e limpeza a seco.
1.1 Limpeza úmida
A limpeza úmida é usar solventes químicos ou água deionizada para limpar o wafer. De acordo com o método do processo, a limpeza úmida pode ser dividida em dois tipos: método de imersão e método de pulverização, conforme mostrado na Figura 3. O método de imersão é imergir o wafer em um tanque de contêiner cheio de solventes químicos ou água deionizada. O método de imersão é um método amplamente utilizado, especialmente para alguns nós relativamente maduros. O método de pulverização é pulverizar solventes químicos ou água deionizada no wafer rotativo para remover impurezas. O método de imersão pode processar vários wafers ao mesmo tempo, enquanto o método de pulverização pode processar apenas um wafer por vez em uma câmara operacional. Com o desenvolvimento da tecnologia, os requisitos para a tecnologia de limpeza estão ficando cada vez maiores, e o uso do método de pulverização está se tornando cada vez mais difundido.
1.2 Limpeza a seco
Como o nome indica, a limpeza a seco é um processo que não usa solventes químicos ou água deionizada, mas usa gás ou plasma para limpeza. Com o avanço contínuo dos nós de tecnologia, os requisitos para processos de limpeza estão ficando cada vez maiores [9-10], e a proporção de uso também está aumentando. O líquido residual gerado pela limpeza úmida também está aumentando. Comparada com a limpeza úmida, a limpeza a seco tem altos custos de investimento, operação complexa de equipamentos e condições de limpeza mais rigorosas. No entanto, para a remoção de alguma matéria orgânica e nitretos e óxidos, a limpeza a seco tem maior precisão e excelentes resultados.
2 Tecnologia de limpeza úmida na fabricação de semicondutores De acordo com os diferentes componentes do líquido de limpeza, a tecnologia de limpeza úmida comumente usada na fabricação de semicondutores é mostrada na Tabela 1.
2.1 Tecnologia de limpeza DIW
No processo de limpeza úmida da fabricação de semicondutores, o líquido de limpeza mais comumente usado é a água deionizada (DIW). A água contém ânions e cátions condutores. A água deionizada remove os íons condutores da água, tornando-a basicamente não condutora. Na fabricação de semicondutores, não é absolutamente permitido usar água bruta diretamente. Por um lado, os cátions e íons na água bruta contaminarão a estrutura do dispositivo do wafer e, por outro lado, podem causar desvios no desempenho do dispositivo. Por exemplo, a água bruta pode reagir com o material na superfície do wafer para corroer, ou formar corrosão da bateria com alguns metais no wafer, e também pode causar uma mudança direta na resistividade da superfície do wafer, resultando em uma diminuição significativa no rendimento do wafer ou mesmo em descarte direto. No processo de limpeza úmida da fabricação de semicondutores, há duas aplicações principais de DIW.
(1) Use apenas DIW para limpar a superfície do wafer. Existem diferentes formas, como rolos, escovas ou bicos, e o objetivo principal é limpar algumas impurezas na superfície do wafer. No processo avançado de fabricação de semicondutores, o método de limpeza é quase sempre um método de wafer único, ou seja, apenas um wafer pode ser limpo em uma câmara ao mesmo tempo. O método de limpeza de um único wafer também é apresentado acima. O método de limpeza usado é o método de spray giratório. Durante a rotação do wafer, a superfície do wafer é limpa por rolos, escovas, bicos, etc. Neste processo, o wafer irá esfregar contra o ar, gerando eletricidade estática. A eletricidade estática pode causar defeitos na superfície do wafer ou causar diretamente falha do dispositivo. Quanto maior o nó de tecnologia de semicondutores, maiores os requisitos para lidar com defeitos. Portanto, no processo de limpeza úmida DIW de fabricação avançada de semicondutores, seus requisitos de processo são maiores. DIW é basicamente não condutor, e a eletricidade estática gerada durante o processo de limpeza não pode ser bem liberada. Portanto, em nós de processo de fabricação de semicondutores avançados, para aumentar a condutividade sem contaminar o wafer, o gás dióxido de carbono (CO2) é geralmente misturado ao DIW. Devido a diferentes requisitos de processo, o gás amônia (NH3) é misturado ao DIW em alguns casos.
(2) Limpe o líquido de limpeza residual na superfície do wafer. Ao usar outros líquidos de limpeza para limpar a superfície do wafer, após o líquido de limpeza ser usado, conforme o wafer gira, embora a maior parte do líquido de limpeza tenha sido jogada fora, ainda haverá uma pequena quantidade de líquido de limpeza restante na superfície do wafer, e o DIW é necessário para limpar a superfície do wafer. A principal função do DIW aqui é limpar o líquido de limpeza residual na superfície do wafer. Usar líquido de limpeza para limpar a superfície do wafer não significa que esses líquidos de limpeza nunca corroerão o wafer, mas sua taxa de corrosão é bastante baixa, e a limpeza de curto prazo não afetará o wafer. No entanto, se o líquido de limpeza residual não puder ser removido efetivamente e o líquido de limpeza residual permanecer na superfície do wafer por um longo tempo, ele ainda corroerá a superfície do wafer. Além disso, mesmo que a solução de limpeza corroa muito pouco, a solução de limpeza residual no wafer ainda é redundante, o que provavelmente afetará o desempenho final do dispositivo. Portanto, após limpar o wafer com a solução de limpeza, certifique-se de usar DIW para limpar a solução de limpeza residual a tempo.
2.2 Tecnologia de limpeza HF
Como todos sabemos, a areia é refinada em um núcleo. O chip é formado por inúmeras esculturas em uma única pastilha de silício de cristal. O principal componente do chip é o silício de cristal único. A maneira mais direta e eficaz de limpar a camada de óxido natural (SiO2) formada na superfície do silício de cristal único é usar HF (ácido fluorídrico) para limpar. Portanto, pode-se dizer que a limpeza HF é a tecnologia de limpeza que fica atrás apenas do DIW. A limpeza HF pode remover efetivamente a camada de óxido natural na superfície do silício de cristal único, e o metal preso à superfície da camada de óxido natural também se dissolverá na solução de limpeza. Ao mesmo tempo, o HF também pode inibir efetivamente a formação de filme de óxido natural. Portanto, a tecnologia de limpeza HF pode remover alguns íons metálicos, camada de óxido natural e algumas partículas de impurezas. No entanto, a tecnologia de limpeza HF também tem alguns problemas inevitáveis. Por exemplo, ao remover a camada de óxido natural na superfície do wafer de silício, alguns pequenos buracos serão deixados na superfície do wafer de silício após serem corroídos, o que afeta diretamente a rugosidade da superfície do wafer. Além disso, ao remover o filme de óxido da superfície, o HF também removerá alguns metais, mas alguns metais não querem ser corroídos pelo HF. Com o avanço contínuo dos nós de tecnologia de semicondutores, os requisitos para que esses metais não sejam corroídos pelo HF estão ficando cada vez maiores, resultando na impossibilidade de uso da tecnologia de limpeza de HF em locais onde poderia ter sido usada. Ao mesmo tempo, alguns metais que entram na solução de limpeza e aderem à superfície do wafer de silício à medida que o filme de óxido natural se dissolve não são facilmente removidos pelo HF, resultando em sua permanência na superfície do wafer de silício. Em resposta aos problemas acima, alguns métodos aprimorados foram propostos. Por exemplo, diluir o HF o máximo possível para reduzir a concentração de HF; adicione oxidante ao HF, este método pode efetivamente remover o metal preso à superfície da camada de óxido natural, e o oxidante oxidará o metal na superfície para formar óxidos, que são mais fáceis de remover em condições ácidas. Ao mesmo tempo, o HF removerá a camada de óxido natural anterior, e o oxidante oxidará o silício monocristalino na superfície para formar uma nova camada de óxido para evitar que o metal se fixe à superfície do silício monocristalino; adicione surfactante aniônico ao HF, de modo que a superfície do silício monocristalino na solução de limpeza de HF seja potencial negativo, e a superfície da partícula seja potencial positivo. Adicionar surfactante aniônico pode fazer com que o potencial da superfície do silício e a superfície da partícula tenham o mesmo sinal, ou seja, o potencial da superfície da partícula muda de positivo para negativo, que é o mesmo sinal do potencial negativo da superfície do wafer de silício, de modo que a repulsão elétrica seja gerada entre a superfície do wafer de silício e a superfície da partícula, evitando assim a fixação de partículas; adicione um agente complexante à solução de limpeza HF para formar um complexo com impurezas, que é diretamente dissolvido na solução de limpeza e não se fixa à superfície do wafer de silício.
2.3 Tecnologia de limpeza SC1
A tecnologia de limpeza SC1 é o método de limpeza mais comum, de baixo custo e alta eficiência para remover contaminação da superfície do wafer. A tecnologia de limpeza SC1 pode remover matéria orgânica, alguns íons metálicos e algumas partículas de superfície ao mesmo tempo. O princípio do SC1 para remover matéria orgânica é usar o efeito oxidante do peróxido de hidrogênio e o efeito dissolvente do NH4OH para transformar contaminação orgânica em compostos solúveis em água e, em seguida, descarregá-los com a solução. Devido às suas propriedades oxidantes e complexantes, a solução SC1 pode oxidar alguns íons metálicos, transformando esses íons metálicos em íons de alta valência e, em seguida, reagir com álcali para formar complexos solúveis que são descarregados com a solução. No entanto, alguns metais têm alta energia livre de óxidos gerados após a oxidação, que são fáceis de aderir ao filme de óxido na superfície do wafer (porque a solução SC1 tem certas propriedades oxidantes e formará um filme de óxido na superfície do wafer), então eles não são fáceis de serem removidos, como metais como Al e Fe. Ao remover íons metálicos, a taxa de adsorção e dessorção de metal na superfície do wafer acabará atingindo um equilíbrio. Portanto, em processos avançados de fabricação, o fluido de limpeza é usado uma vez para processos que têm altos requisitos para íons metálicos. Ele é descarregado diretamente após o uso e não será usado novamente. O objetivo é reduzir o teor de metal no fluido de limpeza para lavar o metal na superfície do wafer o máximo possível. A tecnologia de limpeza SC1 também pode remover efetivamente a contaminação de partículas da superfície, e o mecanismo principal é a repulsão elétrica. Neste processo, a limpeza ultrassônica e megassônica pode ser realizada para obter melhores efeitos de limpeza. A tecnologia de limpeza SC1 terá um impacto significativo na rugosidade da superfície do wafer. Para reduzir o impacto da tecnologia de limpeza SC1 na rugosidade da superfície do wafer, é necessário formular uma proporção adequada de componentes do fluido de limpeza. Ao mesmo tempo, o uso de fluido de limpeza com baixa tensão superficial pode estabilizar a taxa de remoção de partículas, manter uma alta eficiência de remoção e reduzir o impacto na rugosidade da superfície do wafer. Adicionar surfactantes ao fluido de limpeza SC1 pode reduzir a tensão superficial do fluido de limpeza. Além disso, adicionar agentes quelantes ao fluido de limpeza SC1 pode fazer com que o metal no fluido de limpeza forme quelatos continuamente, o que é benéfico para inibir a adesão superficial de metais.
2.4 Tecnologia de limpeza SC2
A tecnologia de limpeza SC2 também é uma tecnologia de limpeza úmida de baixo custo com boa capacidade de remoção de contaminação. A SC2 tem propriedades complexantes extremamente fortes e pode reagir com metais antes da oxidação para formar sais, que são removidos com a solução de limpeza. Os complexos solúveis formados pela reação de íons metálicos oxidados com íons cloreto também serão removidos com a solução de limpeza. Pode-se dizer que, sob a condição de não afetar o wafer, a tecnologia de limpeza SC1 e a tecnologia de limpeza SC2 se complementam. O fenômeno de adesão de metal na solução de limpeza é fácil de ocorrer em solução de limpeza alcalina (ou seja, solução de limpeza SC1), e não é fácil de ocorrer em solução ácida (solução de limpeza SC2), e tem uma forte capacidade de remover metais na superfície do wafer. No entanto, embora metais como Cu possam ser removidos após a limpeza SC1, alguns problemas de adesão de metal do filme de óxido natural formado na superfície do wafer não foram resolvidos, e não é adequado para a tecnologia de limpeza SC2.
Tecnologia de limpeza 2.5 O3
No processo de fabricação de chips, a tecnologia de limpeza O3 é usada principalmente para remover matéria orgânica e desinfetar DIW. A limpeza O3 sempre envolve oxidação. Em termos gerais, O3 pode ser usado para remover alguma matéria orgânica, mas devido à oxidação de O3, ocorrerá a redeposição na superfície do wafer. Portanto, HF é geralmente usado no processo de uso de O3. Além disso, o processo de uso de HF com O3 também pode remover alguns íons metálicos. Deve-se notar que, em geral, temperaturas mais altas são benéficas para remover matéria orgânica, partículas e até mesmo íons metálicos. No entanto, ao usar a tecnologia de limpeza O3, a quantidade de O3 dissolvido em DIW diminuirá conforme a temperatura aumenta. Em outras palavras, a concentração de O3 dissolvido em DIW diminuirá conforme a temperatura aumenta. Portanto, é necessário otimizar os detalhes do processo O3 para maximizar a eficiência da limpeza. Na fabricação de semicondutores, O3 também pode ser usado para desinfetar DIW, principalmente porque as substâncias usadas para purificar água potável geralmente contêm cloro, o que é inaceitável no campo da fabricação de chips. Outra razão é que o O3 se decompõe em oxigênio e não polui o sistema DIW. No entanto, é necessário controlar o teor de oxigênio no DIW, que não pode ser maior do que os requisitos para uso na fabricação de semicondutores. 2.6 Tecnologia de limpeza de solvente orgânico No processo de fabricação de semicondutores, alguns processos especiais são frequentemente envolvidos. Em muitos casos, os métodos apresentados acima não podem ser usados porque a eficiência de limpeza não é suficiente, alguns componentes que não podem ser lavados são gravados e filmes de óxido não podem ser gerados. Portanto, alguns solventes orgânicos também são usados para atingir o propósito de limpeza.
3 Conclusão
No processo de fabricação de semicondutores, o processo de limpeza é o processo com mais repetições. O uso de tecnologia de limpeza apropriada pode melhorar muito o rendimento da fabricação de chips. Com o grande tamanho dos wafers de silício e a miniaturização das estruturas dos dispositivos, o índice de densidade de empilhamento aumenta, e os requisitos para a tecnologia de limpeza de wafer estão ficando cada vez maiores. Existem requisitos mais rigorosos para a limpeza da superfície do wafer, o estado químico da superfície, a rugosidade e a espessura do filme de óxido. Com base na tecnologia de processo madura, este artigo apresenta a tecnologia de limpeza de wafer na fabricação avançada de wafer e os princípios de limpeza de vários processos de limpeza. Da perspectiva da economia e da proteção ambiental, melhorar a tecnologia do processo de limpeza de wafer pode atender melhor às necessidades da fabricação avançada de wafer.