La pulizia a umido (Wet Clean) è una delle fasi critiche nei processi di produzione dei semiconduttori, finalizzata a rimuovere vari contaminanti dalla superficie del wafer per garantire che le successive fasi del processo possano essere eseguite su una superficie pulita.
Poiché le dimensioni dei dispositivi a semiconduttore continuano a ridursi e i requisiti di precisione aumentano, 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 avere un impatto significativo sulle prestazioni del dispositivo, influenzando così la resa e l'affidabilità dei dispositivi a semiconduttore.
Principi fondamentali della pulizia dei wafer
Il fulcro della pulizia del wafer risiede nella rimozione efficace di vari contaminanti dalla superficie del wafer attraverso 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
| articolo Contaminazione | Difetti del modello
Difetti di impianto ionico
Difetti di rottura del film isolante
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| Contaminazione metallica | Metalli alcalini | Instabilità dei 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 vita dei portatori di minoranza
Generazione di difetti nello 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 (wafer, lente, specchio, maschera, reticolo)
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| Droganti inorganici (B, P) | Il transistor MOS Vth si sposta
Variazioni di resistenza del substrato 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 nativo e chimico dovuti a umidità, 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 tra loro e la superficie del wafer, che richiedono un trattamento speciale.
Rimozione del materiale organico: contaminanti organici come grasso e residui di fotoresist possono aderire alla superficie del wafer. Questi contaminanti vengono generalmente rimossi utilizzando forti agenti ossidanti o solventi.
Rimozione degli ioni metallici: i residui di ioni metallici sulla superficie del wafer possono degradare le prestazioni elettriche e persino influenzare le successive fasi di lavorazione. Pertanto, per rimuovere questi ioni vengono utilizzate soluzioni chimiche specifiche.
Rimozione dell'ossido: 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 consiste nel rimuovere in modo efficiente i contaminanti senza incidere negativamente sulla superficie del wafer, ad esempio prevenendo l'irruvidimento della superficie, la corrosione o altri danni fisici.
2. Flusso del processo di pulizia dei wafer
Il processo di pulizia del wafer prevede in genere più passaggi per garantire la rimozione completa dei contaminanti e ottenere una superficie completamente pulita.
Figura: Confronto tra la pulizia di tipo batch 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 sciolti e particelle di grandi dimensioni dalla superficie del wafer, operazione generalmente ottenuta mediante il risciacquo con acqua deionizzata (acqua DI) e la pulizia a ultrasuoni. L'acqua deionizzata può inizialmente rimuovere particelle e impurità disciolte dalla superficie del wafer, mentre la pulizia a ultrasuoni utilizza gli effetti di 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 fondamentali del processo di pulizia dei wafer, poiché utilizza soluzioni chimiche per rimuovere materiali organici, ioni metallici e ossidi dalla superficie del wafer.
Rimozione di materiale organico: in genere, per dissolvere e ossidare i contaminanti organici viene utilizzato 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: le miscele di acido nitrico o acido cloridrico/perossido (SC-2) vengono utilizzate per rimuovere gli ioni metallici dalla superficie del wafer. Il rapporto tipico per la soluzione SC-2 è HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, con la temperatura mantenuta a circa 80°C.
Rimozione dell'ossido: in alcuni processi è richiesta la rimozione dello strato di ossido nativo dalla superficie del wafer, per il quale viene utilizzata una soluzione di acido fluoridrico (HF). Il rapporto tipico per la soluzione 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, viene utilizzata la pulizia con acqua e ozono (O₃/H₂O) per rimuovere ulteriormente eventuali contaminanti rimanenti dalla superficie del wafer.
4. Asciugatura
I wafer puliti devono essere asciugati rapidamente per evitare filigrane o riattaccamenti di contaminanti. I metodi di essiccazione comuni includono la centrifugazione e lo spurgo con azoto. Il primo rimuove l'umidità dalla superficie del wafer ruotando ad alta velocità, mentre il secondo garantisce un'asciugatura completa soffiando azoto 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 | Diluire acido fluoridrico/acqua DI | 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 nell'industria dei semiconduttori, sviluppata 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 (Standard Clean 1) e SC-2 (Standard Clean 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 di 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 rimuovere materiali organici, utilizzando una miscela di acido solforico e perossido di idrogeno, tipicamente in un rapporto di 3:1 o 4:1. Grazie alle proprietà ossidanti estremamente forti di questa soluzione, può rimuovere una grande quantità di materia organica e contaminanti ostinati. Questo metodo richiede un controllo rigoroso delle condizioni, in particolare in termini di temperatura e concentrazione, per evitare di danneggiare il wafer.
La pulizia ad ultrasuoni utilizza l'effetto di cavitazione generato dalle onde sonore ad alta frequenza in un liquido per rimuovere i contaminanti dalla superficie del wafer. Rispetto alla tradizionale pulizia a ultrasuoni, la pulizia megasonica funziona a una frequenza più elevata, consentendo una rimozione più efficiente delle particelle di dimensioni inferiori al micron senza causare danni alla superficie del wafer.
4. Pulizia con ozono
La tecnologia di pulizia dell'ozono utilizza le forti proprietà ossidanti dell'ozono per decomporre e rimuovere i contaminanti organici dalla superficie del wafer, convertendoli infine in anidride carbonica e acqua innocue. Questo metodo non richiede l'uso di costosi reagenti chimici e provoca un minore inquinamento ambientale, rendendolo una tecnologia emergente nel campo della pulizia dei wafer.
4. Attrezzature per il processo di pulizia dei wafer
Per garantire l'efficienza e la sicurezza dei processi di pulizia dei wafer, nella produzione di semiconduttori viene utilizzata una varietà di apparecchiature di pulizia avanzate. I tipi principali includono:
1. Attrezzature per la pulizia a umido
Le attrezzature per la pulizia a umido comprendono varie vasche ad immersione, vasche per la pulizia ad ultrasuoni e asciugatrici. Questi dispositivi combinano forze meccaniche e reagenti chimici per rimuovere i contaminanti dalla superficie del wafer. I serbatoi ad immersione sono generalmente dotati di sistemi di controllo della temperatura per garantire la stabilità e l'efficacia delle soluzioni chimiche.
2. Attrezzature per il lavaggio a secco
Le apparecchiature per il lavaggio a secco includono principalmente pulitori al plasma, che utilizzano particelle ad alta energia nel plasma per reagire e rimuovere i residui dalla superficie del wafer. La pulizia al plasma è particolarmente adatta per processi che richiedono il mantenimento dell'integrità della superficie senza introdurre 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 dei 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 coerenti per ciascun wafer.
5. Tendenze future
Poiché i dispositivi a semiconduttore continuano a ridursi, la tecnologia di pulizia dei wafer si sta evolvendo verso soluzioni più efficienti e rispettose dell’ambiente. Le future tecnologie di pulizia si concentreranno su:
Rimozione delle particelle sub-nanometriche: le tecnologie di pulizia esistenti possono gestire particelle su scala nanometrica, ma con l’ulteriore riduzione delle dimensioni del dispositivo, la rimozione delle particelle sub-nanometriche diventerà una nuova sfida.
Pulizia verde ed ecologica: ridurre l’uso di sostanze chimiche dannose per l’ambiente e sviluppare metodi di pulizia più ecologici, come la pulizia con 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 della produzione.
La tecnologia di pulizia dei wafer, in quanto fase critica nella produzione di semiconduttori, svolge un ruolo fondamentale nel garantire superfici pulite dei wafer per i processi successivi. La combinazione di vari metodi di pulizia rimuove efficacemente i contaminanti, fornendo una superficie del substrato pulita per le fasi successive. Con l’avanzare della tecnologia, i processi di pulizia continueranno a essere ottimizzati per soddisfare le richieste di maggiore precisione e minori tassi di difetto nella produzione di semiconduttori.
Orario di pubblicazione: 08 ottobre 2024