La pulizia a umido (Wet Clean) è una delle fasi cruciali nei processi di produzione dei semiconduttori, volta a rimuovere vari contaminanti dalla superficie del wafer per garantire che le fasi successive del processo possano essere eseguite su una superficie pulita.
Con la continua riduzione delle dimensioni dei dispositivi a semiconduttore e l'aumento dei requisiti di precisione, i requisiti tecnici dei processi di pulizia dei wafer sono diventati sempre più rigorosi. Anche le particelle più piccole, i materiali organici, gli ioni metallici o i residui di ossido sulla superficie del wafer possono influire significativamente sulle prestazioni del dispositivo, compromettendone la resa e l'affidabilità.
Principi fondamentali della pulizia dei wafer
Il fulcro della pulizia dei wafer è la rimozione efficace di vari contaminanti dalla superficie del wafer mediante metodi fisici, chimici e di altro tipo, per garantire che il wafer abbia una superficie pulita, adatta alla successiva lavorazione.
Tipo di contaminazione
Principali influenze sulle caratteristiche del dispositivo
| Contaminazione dell'articolo | Difetti del modello
Difetti dell'impianto ionico
Difetti di rottura del film isolante
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| Contaminazione metallica | Metalli alcalini | Instabilità del transistor MOS
Rottura/degradazione del film di ossido di gate
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| metalli pesanti | Aumento della corrente di dispersione inversa della giunzione PN
Difetti di rottura del film di ossido di gate
Degrado della durata di vita del vettore di minoranza
Generazione di difetti dello strato di eccitazione dell'ossido
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| Contaminazione chimica | Materiale organico | Difetti di rottura del film di ossido di gate
Variazioni del film CVD (tempi di incubazione)
Variazioni dello spessore del film di ossido termico (ossidazione accelerata)
Presenza di foschia (cialda, lente, specchio, maschera, reticolo)
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| Droganti inorganici (B, P) | Spostamenti V del transistor MOS
Variazioni di resistenza del substrato di Si e del foglio di polisilicio ad alta resistenza
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| Basi inorganiche (ammine, ammoniaca) e acidi (SOx) | Degradazione della risoluzione dei resist amplificati chimicamente
Presenza di contaminazione da particelle e foschia dovuta alla generazione di sale
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| Film di ossido nativi e chimici dovuti all'umidità, all'aria | Maggiore resistenza al contatto
Rottura/degradazione del film di ossido di gate
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Nello specifico, gli obiettivi del processo di pulizia dei wafer includono:
Rimozione delle particelle: utilizzo di metodi fisici o chimici per rimuovere piccole particelle attaccate alla superficie del wafer. Le particelle più piccole sono più difficili da rimuovere a causa delle forti forze elettrostatiche che si instaurano tra loro e la superficie del wafer, richiedendo un trattamento speciale.
Rimozione di materiale organico: contaminanti organici come grasso e residui di fotoresist possono aderire alla superficie del wafer. Questi contaminanti vengono in genere rimossi utilizzando agenti ossidanti o solventi forti.
Rimozione degli ioni metallici: i residui di ioni metallici sulla superficie del wafer possono degradare le prestazioni elettriche e persino compromettere le fasi di lavorazione successive. Pertanto, vengono utilizzate soluzioni chimiche specifiche per rimuovere questi ioni.
Rimozione degli ossidi: alcuni processi richiedono che la superficie del wafer sia priva di strati di ossido, come l'ossido di silicio. In questi casi, gli strati di ossido naturale devono essere rimossi durante alcune fasi di pulizia.
La sfida della tecnologia di pulizia dei wafer sta nel rimuovere in modo efficiente i contaminanti senza compromettere la superficie del wafer, ad esempio impedendo che la superficie diventi ruvida, corrosa o abbia altri danni fisici.
2. Flusso del processo di pulizia dei wafer
Il processo di pulizia dei wafer prevede in genere più passaggi per garantire la completa rimozione dei contaminanti e ottenere una superficie completamente pulita.
Figura: Confronto tra la pulizia a lotti e quella a wafer singolo
Un tipico processo di pulizia dei wafer comprende i seguenti passaggi principali:
1. Pre-pulizia (Pre-Clean)
Lo scopo della pre-pulizia è rimuovere contaminanti e particelle di grandi dimensioni dalla superficie del wafer, operazione che si ottiene in genere mediante risciacquo con acqua deionizzata (DI) e pulizia a ultrasuoni. L'acqua deionizzata può inizialmente rimuovere particelle e impurità disciolte dalla superficie del wafer, mentre la pulizia a ultrasuoni sfrutta gli effetti della cavitazione per rompere il legame tra le particelle e la superficie del wafer, facilitandone la rimozione.
2. Pulizia chimica
La pulizia chimica è una delle fasi principali del processo di pulizia dei wafer e utilizza soluzioni chimiche per rimuovere materiali organici, ioni metallici e ossidi dalla superficie del wafer.
Rimozione di materiale organico: in genere, per sciogliere e ossidare i contaminanti organici si utilizza acetone o una miscela di ammoniaca/perossido (SC-1). Il rapporto tipico per la soluzione SC-1 è NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, con una temperatura di esercizio di circa 20°C.
Rimozione degli ioni metallici: l'acido nitrico o le miscele di acido cloridrico/perossido (SC-2) vengono utilizzate per rimuovere gli ioni metallici dalla superficie del wafer. Il rapporto tipico per la soluzione di SC-2 è HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, con temperatura mantenuta a circa 80°C.
Rimozione dell'ossido: in alcuni processi, è necessaria la rimozione dello strato di ossido nativo dalla superficie del wafer, per la quale viene utilizzata una soluzione di acido fluoridrico (HF). Il rapporto tipico per la soluzione di HF è HF.
₂O = 1:50 e può essere utilizzato a temperatura ambiente.
3. Pulizia finale
Dopo la pulizia chimica, i wafer vengono solitamente sottoposti a una fase di pulizia finale per garantire che non rimangano residui chimici sulla superficie. La pulizia finale utilizza principalmente acqua deionizzata per un risciacquo accurato. Inoltre, la pulizia con acqua ozonizzata (O₃/H₂O) viene utilizzata per rimuovere ulteriormente eventuali contaminanti rimasti dalla superficie del wafer.
4. Asciugatura
I wafer puliti devono essere asciugati rapidamente per evitare la formazione di filigrana o il riattaccamento di contaminanti. I metodi di essiccazione più comuni includono la centrifugazione e il lavaggio con azoto. La prima rimuove l'umidità dalla superficie del wafer mediante centrifugazione ad alta velocità, mentre la seconda garantisce un'asciugatura completa soffiando azoto gassoso secco sulla superficie del wafer.
Contaminante
Nome della procedura di pulizia
Descrizione della miscela chimica
Prodotti chimici
| Particelle | Piranha (SPM) | Acido solforico/perossido di idrogeno/acqua deionizzata | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Idrossido di ammonio/perossido di idrogeno/acqua deionizzata | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metalli (non rame) | SC-2 (HPM) | Acido cloridrico/perossido di idrogeno/acqua deionizzata | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Acido solforico/perossido di idrogeno/acqua deionizzata | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Acido fluoridrico diluito/acqua deionizzata (non rimuove il rame) | HF/H2O1:50 | |
| Prodotti organici | Piranha (SPM) | Acido solforico/perossido di idrogeno/acqua deionizzata | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Idrossido di ammonio/perossido di idrogeno/acqua deionizzata | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozono nell'acqua deionizzata | Miscele ottimizzate O3/H2O | |
| Ossido nativo | DHF | Acido fluoridrico diluito/acqua deionizzata | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Acido fluoridrico tamponato | NH4F/HF/H2O |
3. Metodi comuni di pulizia dei wafer
1. Metodo di pulizia RCA
Il metodo di pulizia RCA è una delle tecniche di pulizia dei wafer più classiche nel settore dei semiconduttori, sviluppato da RCA Corporation oltre 40 anni fa. Questo metodo viene utilizzato principalmente per rimuovere contaminanti organici e impurità di ioni metallici e può essere completato in due fasi: SC-1 (Pulizia Standard 1) e SC-2 (Pulizia Standard 2).
Pulizia SC-1: questa fase viene utilizzata principalmente per rimuovere contaminanti organici e particelle. La soluzione è una miscela di ammoniaca, perossido di idrogeno e acqua, che forma un sottile strato di ossido di silicio sulla superficie del wafer.
Pulizia SC-2: questa fase viene utilizzata principalmente per rimuovere i contaminanti da ioni metallici, utilizzando una miscela di acido cloridrico, perossido di idrogeno e acqua. Lascia un sottile strato di passivazione sulla superficie del wafer per prevenire la ricontaminazione.
2. Metodo di pulizia Piranha (Piranha Etch Clean)
Il metodo di pulizia Piranha è una tecnica altamente efficace per la rimozione di materiali organici, che utilizza una miscela di acido solforico e perossido di idrogeno, tipicamente in un rapporto di 3:1 o 4:1. Grazie alle sue proprietà ossidanti estremamente elevate, questa soluzione è in grado di rimuovere una grande quantità di materia organica e contaminanti ostinati. Questo metodo richiede un rigoroso controllo delle condizioni, in particolare in termini di temperatura e concentrazione, per evitare di danneggiare il wafer.
La pulizia a ultrasuoni sfrutta l'effetto di cavitazione generato da onde sonore ad alta frequenza in un liquido per rimuovere i contaminanti dalla superficie del wafer. Rispetto alla pulizia a ultrasuoni tradizionale, la pulizia megasonica opera a una frequenza più elevata, consentendo una rimozione più efficiente di particelle di dimensioni sub-micrometriche senza danneggiare la superficie del wafer.
4. Pulizia con ozono
La tecnologia di pulizia all'ozono sfrutta le sue forti proprietà ossidanti per decomporre e rimuovere i contaminanti organici dalla superficie del wafer, convertendoli in anidride carbonica e acqua, entrambe innocue. Questo metodo non richiede l'uso di costosi reagenti chimici e riduce l'inquinamento ambientale, rendendolo una tecnologia emergente nel campo della pulizia dei wafer.
4. Apparecchiature per il processo di pulizia dei wafer
Per garantire l'efficienza e la sicurezza dei processi di pulizia dei wafer, nella produzione di semiconduttori vengono utilizzate diverse apparecchiature di pulizia avanzate. Le principali tipologie includono:
1. Attrezzatura per la pulizia a umido
Le apparecchiature per la pulizia a umido includono diverse vasche di immersione, vasche di pulizia a ultrasuoni e centrifughe. Questi dispositivi combinano forze meccaniche e reagenti chimici per rimuovere i contaminanti dalla superficie del wafer. Le vasche di immersione sono in genere dotate di sistemi di controllo della temperatura per garantire la stabilità e l'efficacia delle soluzioni chimiche.
2. Attrezzature per la pulizia a secco
Le apparecchiature per la pulizia a secco includono principalmente sistemi di pulizia al plasma, che utilizzano particelle ad alta energia nel plasma per reagire con la superficie del wafer e rimuoverne i residui. La pulizia al plasma è particolarmente adatta per processi che richiedono il mantenimento dell'integrità superficiale senza l'introduzione di residui chimici.
3. Sistemi di pulizia automatizzati
Con la continua espansione della produzione di semiconduttori, i sistemi di pulizia automatizzati sono diventati la scelta preferita per la pulizia di wafer su larga scala. Questi sistemi spesso includono meccanismi di trasferimento automatizzati, sistemi di pulizia multi-serbatoio e sistemi di controllo di precisione per garantire risultati di pulizia costanti per ogni wafer.
5. Tendenze future
Con la continua riduzione delle dimensioni dei dispositivi a semiconduttore, la tecnologia di pulizia dei wafer si sta evolvendo verso soluzioni più efficienti ed ecocompatibili. Le future tecnologie di pulizia si concentreranno su:
Rimozione di particelle sub-nanometriche: le tecnologie di pulizia esistenti possono gestire particelle su scala nanometrica, ma con l'ulteriore riduzione delle dimensioni dei dispositivi, la rimozione di particelle sub-nanometriche diventerà una nuova sfida.
Pulizia ecologica e rispettosa dell'ambiente: ridurre l'uso di prodotti chimici dannosi per l'ambiente e sviluppare metodi di pulizia più rispettosi dell'ambiente, come la pulizia all'ozono e la pulizia megasonica, diventerà sempre più importante.
Livelli più elevati di automazione e intelligenza: i sistemi intelligenti consentiranno il monitoraggio e la regolazione in tempo reale di vari parametri durante il processo di pulizia, migliorando ulteriormente l'efficacia della pulizia e l'efficienza produttiva.
La tecnologia di pulizia dei wafer, fase fondamentale nella produzione di semiconduttori, svolge un ruolo fondamentale nel garantire superfici pulite per i processi successivi. La combinazione di diversi metodi di pulizia rimuove efficacemente i contaminanti, garantendo una superficie del substrato pulita per le fasi successive. Con il progresso tecnologico, i processi di pulizia continueranno a essere ottimizzati per soddisfare le esigenze di maggiore precisione e riduzione dei tassi di difettosità nella produzione di semiconduttori.
Data di pubblicazione: 08-10-2024