Quy trình làm sạch ướt chất bán dẫn

Tóm tắt: Khi kích thước của bóng bán dẫn tiếp tục thu nhỏ, quy trình sản xuất wafer trở nên ngày càng phức tạp và yêu cầu đối với công nghệ làm sạch ướt bán dẫn ngày càng cao. Dựa trên công nghệ làm sạch bán dẫn truyền thống, bài báo này giới thiệu công nghệ làm sạch wafer trong sản xuất bán dẫn tiên tiến và các nguyên tắc làm sạch của các quy trình làm sạch khác nhau. Từ góc độ kinh tế và bảo vệ môi trường, việc cải thiện công nghệ quy trình làm sạch wafer có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu sản xuất wafer tiên tiến.

0 Giới thiệu Quá trình làm sạch là một mắt xích quan trọng trong toàn bộ quá trình sản xuất chất bán dẫn và là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và năng suất của các thiết bị bán dẫn. Trong quá trình sản xuất chip, bất kỳ sự nhiễm bẩn nào cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị bán dẫn và thậm chí gây ra lỗi [1-2]. Do đó, cần có một quá trình làm sạch trước và sau hầu hết mọi quy trình trong sản xuất chip để loại bỏ các chất gây ô nhiễm bề mặt và đảm bảo độ sạch của bề mặt wafer, như thể hiện trong Hình 1. Quá trình làm sạch là quá trình chiếm tỷ lệ cao nhất trong quy trình sản xuất chip, chiếm khoảng 30% trong tổng số các quy trình sản xuất chip.

Với sự phát triển của mạch tích hợp quy mô cực lớn, các nút quy trình chip đã bước vào các nút 28nm, 14nm và thậm chí là các nút tiên tiến hơn, mức độ tích hợp tiếp tục tăng, độ rộng của dây chuyền tiếp tục giảm và luồng quy trình trở nên phức tạp hơn [3]. Sản xuất chip nút tiên tiến nhạy cảm hơn với ô nhiễm và việc làm sạch ô nhiễm trong điều kiện kích thước nhỏ khó khăn hơn, dẫn đến việc tăng các bước quy trình làm sạch, khiến quy trình làm sạch phức tạp hơn, quan trọng hơn và đầy thách thức hơn [4-5]. Quy trình làm sạch đối với chip 90nm là khoảng 90 bước và quy trình làm sạch đối với chip 20nm đã đạt tới 215 bước. Khi quy trình sản xuất chip bước vào các nút 14nm, 10nm và thậm chí cao hơn, số lượng quy trình làm sạch sẽ tiếp tục tăng, như thể hiện trong Hình 2.

1 Giới thiệu về quy trình làm sạch bán dẫn

Quá trình làm sạch là quá trình loại bỏ tạp chất trên bề mặt của wafer thông qua xử lý hóa học, khí và phương pháp vật lý. Trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, tạp chất như hạt, kim loại, chất hữu cơ và lớp oxit tự nhiên trên bề mặt của wafer có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, độ tin cậy và thậm chí là năng suất của thiết bị bán dẫn [6-8].

Quá trình làm sạch có thể được coi là cầu nối giữa các quá trình sản xuất wafer khác nhau. Ví dụ, quá trình làm sạch được sử dụng trước quá trình phủ, trước quá trình quang khắc, sau quá trình khắc, sau quá trình mài cơ học và thậm chí sau quá trình cấy ion. Quá trình làm sạch có thể được chia thành hai loại, cụ thể là làm sạch ướt và làm sạch khô.

1.1 Vệ sinh ướt

Làm sạch ướt là sử dụng dung môi hóa học hoặc nước khử ion để làm sạch wafer. Theo phương pháp quy trình, làm sạch ướt có thể được chia thành hai loại: phương pháp nhúng và phương pháp phun, như thể hiện trong Hình 3. Phương pháp nhúng là nhúng wafer vào bể chứa chứa đầy dung môi hóa học hoặc nước khử ion. Phương pháp nhúng là phương pháp được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là đối với một số nút tương đối trưởng thành. Phương pháp phun là phun dung môi hóa học hoặc nước khử ion vào wafer đang quay để loại bỏ tạp chất. Phương pháp nhúng có thể xử lý nhiều wafer cùng một lúc, trong khi phương pháp phun chỉ có thể xử lý một wafer tại một thời điểm trong một buồng vận hành. Với sự phát triển của công nghệ, yêu cầu về công nghệ làm sạch ngày càng cao và việc sử dụng phương pháp phun ngày càng trở nên phổ biến.

1.2 Giặt khô

Như tên gọi của nó, giặt khô là một quá trình không sử dụng dung môi hóa học hoặc nước khử ion, mà sử dụng khí hoặc plasma để làm sạch. Với sự tiến bộ liên tục của các nút công nghệ, các yêu cầu đối với các quy trình làm sạch ngày càng cao hơn [9-10] và tỷ lệ sử dụng cũng ngày càng tăng. Chất lỏng thải do giặt ướt tạo ra cũng ngày càng tăng. So với giặt ướt, giặt khô có chi phí đầu tư cao, vận hành thiết bị phức tạp và điều kiện làm sạch nghiêm ngặt hơn. Tuy nhiên, để loại bỏ một số chất hữu cơ và nitrua và oxit, giặt khô có độ chính xác cao hơn và kết quả tuyệt vời.

2 Công nghệ làm sạch ướt trong sản xuất chất bán dẫn Theo các thành phần khác nhau của chất lỏng làm sạch, công nghệ làm sạch ướt thường được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn được thể hiện trong Bảng 1.

2.1 Công nghệ làm sạch DIW

Trong quy trình vệ sinh ướt của sản xuất chất bán dẫn, chất lỏng vệ sinh được sử dụng phổ biến nhất là nước khử ion (DIW). Nước chứa các anion và cation dẫn điện. Nước khử ion loại bỏ các ion dẫn điện trong nước, khiến nước về cơ bản trở nên không dẫn điện. Trong sản xuất chất bán dẫn, tuyệt đối không được sử dụng trực tiếp nước thô. Một mặt, các cation và ion trong nước thô sẽ làm ô nhiễm cấu trúc thiết bị của wafer, mặt khác, nó có thể khiến hiệu suất của thiết bị bị lệch. Ví dụ, nước thô có thể phản ứng với vật liệu trên bề mặt wafer để ăn mòn, hoặc tạo thành ăn mòn pin với một số kim loại trên wafer, và cũng có thể gây ra sự thay đổi trực tiếp điện trở suất bề mặt của wafer, dẫn đến giảm đáng kể năng suất của wafer hoặc thậm chí là loại bỏ trực tiếp. Trong quy trình vệ sinh ướt của sản xuất chất bán dẫn, DIW có hai ứng dụng chính.

(1) Chỉ sử dụng DIW để làm sạch bề mặt wafer. Có nhiều hình thức khác nhau như con lăn, chổi hoặc vòi phun, mục đích chính là làm sạch một số tạp chất trên bề mặt wafer. Trong quy trình sản xuất chất bán dẫn tiên tiến, phương pháp làm sạch hầu như luôn là phương pháp wafer đơn, tức là chỉ có thể làm sạch một wafer trong một buồng cùng một lúc. Phương pháp làm sạch một wafer đơn cũng được giới thiệu ở trên. Phương pháp làm sạch được sử dụng là phương pháp phun quay. Trong quá trình quay của wafer, bề mặt của wafer được làm sạch bằng con lăn, chổi, vòi phun, v.v. Trong quá trình này, wafer sẽ cọ xát với không khí, do đó tạo ra tĩnh điện. Tĩnh điện có thể gây ra khuyết tật trên bề mặt wafer hoặc trực tiếp gây ra hỏng hóc thiết bị. Nút công nghệ bán dẫn càng cao thì yêu cầu xử lý khuyết tật càng cao. Do đó, trong quy trình làm sạch ướt DIW của sản xuất chất bán dẫn tiên tiến, yêu cầu quy trình của nó cao hơn. DIW về cơ bản là không dẫn điện và tĩnh điện sinh ra trong quá trình làm sạch không thể giải phóng tốt. Do đó, trong các nút quy trình sản xuất chất bán dẫn tiên tiến, để tăng độ dẫn điện mà không làm bẩn wafer, khí carbon dioxide (CO2) thường được trộn vào DIW. Do các yêu cầu quy trình khác nhau, trong một số trường hợp, khí amoniac (NH3) được trộn vào DIW.

(2) Làm sạch chất lỏng làm sạch còn sót lại trên bề mặt wafer. Khi sử dụng các chất lỏng làm sạch khác để làm sạch bề mặt wafer, sau khi sử dụng chất lỏng làm sạch, khi wafer quay, mặc dù hầu hết chất lỏng làm sạch đã được đẩy ra ngoài, nhưng vẫn còn một lượng nhỏ chất lỏng làm sạch còn sót lại trên bề mặt wafer và cần DIW để làm sạch bề mặt wafer. Chức năng chính của DIW ở đây là làm sạch chất lỏng làm sạch còn sót lại trên bề mặt wafer. Sử dụng chất lỏng làm sạch để làm sạch bề mặt wafer không có nghĩa là những chất lỏng làm sạch này sẽ không bao giờ ăn mòn wafer, nhưng tốc độ khắc của chúng khá thấp và việc làm sạch trong thời gian ngắn sẽ không ảnh hưởng đến wafer. Tuy nhiên, nếu không thể loại bỏ hiệu quả chất lỏng làm sạch còn sót lại và để chất lỏng làm sạch còn sót lại trên bề mặt wafer trong thời gian dài, nó vẫn sẽ ăn mòn bề mặt wafer. Ngoài ra, ngay cả khi dung dịch làm sạch ăn mòn rất ít, dung dịch làm sạch còn sót lại trong wafer vẫn còn dư thừa, điều này có khả năng ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng của thiết bị. Do đó, sau khi làm sạch wafer bằng dung dịch làm sạch, hãy đảm bảo sử dụng DIW để làm sạch dung dịch làm sạch còn sót lại kịp thời.

2.2 Công nghệ làm sạch HF

Như chúng ta đã biết, cát được tinh chế thành lõi. Chip được hình thành bằng vô số các chạm khắc trên một tấm wafer silicon đơn tinh thể. Thành phần chính trên chip là silicon đơn tinh thể. Cách trực tiếp và hiệu quả nhất để làm sạch lớp oxit tự nhiên (SiO2) hình thành trên bề mặt của silicon đơn tinh thể là sử dụng HF (axit hydrofluoric) để làm sạch. Do đó, có thể nói rằng làm sạch HF là công nghệ làm sạch chỉ đứng sau DIW. Làm sạch HF có thể loại bỏ hiệu quả lớp oxit tự nhiên trên bề mặt của silicon đơn tinh thể và kim loại bám trên bề mặt của lớp oxit tự nhiên cũng sẽ hòa tan vào dung dịch làm sạch. Đồng thời, HF cũng có thể ức chế hiệu quả sự hình thành của màng oxit tự nhiên. Do đó, công nghệ làm sạch HF có thể loại bỏ một số ion kim loại, lớp oxit tự nhiên và một số hạt tạp chất. Tuy nhiên, công nghệ làm sạch HF cũng có một số vấn đề không thể tránh khỏi. Ví dụ, trong khi loại bỏ lớp oxit tự nhiên trên bề mặt của wafer silicon, một số hố nhỏ sẽ được để lại trên bề mặt của wafer silicon sau khi bị ăn mòn, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám của bề mặt wafer. Ngoài ra, trong khi loại bỏ lớp màng oxit bề mặt, HF cũng sẽ loại bỏ một số kim loại, nhưng một số kim loại không muốn bị HF ăn mòn. Với sự tiến bộ liên tục của các nút công nghệ bán dẫn, các yêu cầu đối với các kim loại này không bị HF ăn mòn ngày càng cao hơn, dẫn đến việc công nghệ làm sạch HF không thể được sử dụng ở những nơi có thể sử dụng được. Đồng thời, một số kim loại đi vào dung dịch làm sạch và bám vào bề mặt của tấm silicon khi lớp màng oxit tự nhiên hòa tan không dễ bị HF loại bỏ, dẫn đến chúng vẫn nằm trên bề mặt của tấm silicon. Để ứng phó với các vấn đề trên, một số phương pháp cải tiến đã được đề xuất. Ví dụ, pha loãng HF càng nhiều càng tốt để giảm nồng độ HF; thêm chất oxy hóa vào HF, phương pháp này có thể loại bỏ hiệu quả kim loại bám trên bề mặt của lớp oxit tự nhiên và chất oxy hóa sẽ oxy hóa kim loại trên bề mặt để tạo thành oxit, dễ loại bỏ hơn trong điều kiện axit. Đồng thời, HF sẽ loại bỏ lớp oxit tự nhiên trước đó và chất oxy hóa sẽ oxy hóa silic đơn tinh thể trên bề mặt để tạo thành lớp oxit mới để ngăn kim loại bám vào bề mặt silic đơn tinh thể; thêm chất hoạt động bề mặt anion vào HF, để bề mặt silic đơn tinh thể trong dung dịch làm sạch HF là điện thế âm và bề mặt của hạt là điện thế dương. Thêm chất hoạt động bề mặt anion có thể làm cho điện thế của bề mặt silic và bề mặt hạt có cùng dấu, nghĩa là điện thế bề mặt của hạt thay đổi từ dương sang âm, cùng dấu với điện thế âm của bề mặt wafer silic, để tạo ra lực đẩy điện giữa bề mặt wafer silic và bề mặt hạt, do đó ngăn ngừa sự bám dính của các hạt; thêm chất tạo phức vào dung dịch làm sạch HF để tạo thành phức hợp có tạp chất, được hòa tan trực tiếp trong dung dịch làm sạch và sẽ không bám vào bề mặt wafer silic.

2.3 Công nghệ làm sạch SC1

Công nghệ làm sạch SC1 là phương pháp làm sạch phổ biến nhất, chi phí thấp và hiệu quả cao để loại bỏ chất bẩn khỏi bề mặt wafer. Công nghệ làm sạch SC1 có thể loại bỏ chất hữu cơ, một số ion kim loại và một số hạt bề mặt cùng một lúc. Nguyên lý của SC1 để loại bỏ chất hữu cơ là sử dụng hiệu ứng oxy hóa của hydro peroxide và hiệu ứng hòa tan của NH4OH để biến chất bẩn hữu cơ thành các hợp chất hòa tan trong nước, sau đó thải chúng ra cùng với dung dịch. Do tính chất oxy hóa và tạo phức của nó, dung dịch SC1 có thể oxy hóa một số ion kim loại, biến các ion kim loại này thành các ion hóa trị cao, sau đó phản ứng tiếp với kiềm để tạo thành các phức chất hòa tan được thải ra cùng với dung dịch. Tuy nhiên, một số kim loại có năng lượng tự do cao của oxit được tạo ra sau quá trình oxy hóa, dễ bám vào lớp màng oxit trên bề mặt wafer (vì dung dịch SC1 có một số tính chất oxy hóa nhất định và sẽ tạo thành lớp màng oxit trên bề mặt wafer), vì vậy chúng không dễ bị loại bỏ, chẳng hạn như các kim loại như Al và Fe. Khi loại bỏ các ion kim loại, tốc độ hấp phụ và giải hấp kim loại trên bề mặt wafer cuối cùng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng. Do đó, trong các quy trình sản xuất tiên tiến, chất lỏng làm sạch được sử dụng một lần cho các quy trình có yêu cầu cao về ion kim loại. Nó được xả trực tiếp sau khi sử dụng và sẽ không được sử dụng lại. Mục đích là để giảm hàm lượng kim loại trong chất lỏng làm sạch để rửa sạch kim loại trên bề mặt wafer càng nhiều càng tốt. Công nghệ làm sạch SC1 cũng có thể loại bỏ hiệu quả ô nhiễm hạt bề mặt và cơ chế chính là lực đẩy điện. Trong quá trình này, có thể thực hiện làm sạch siêu âm và megasonic để có được hiệu quả làm sạch tốt hơn. Công nghệ làm sạch SC1 sẽ có tác động đáng kể đến độ nhám bề mặt của wafer. Để giảm tác động của công nghệ làm sạch SC1 đến độ nhám bề mặt của wafer, cần phải lập công thức tỷ lệ thành phần chất lỏng làm sạch phù hợp. Đồng thời, việc sử dụng chất lỏng làm sạch có sức căng bề mặt thấp có thể ổn định tốc độ loại bỏ hạt, duy trì hiệu quả loại bỏ cao và giảm tác động đến độ nhám bề mặt của wafer. Thêm chất hoạt động bề mặt vào chất lỏng làm sạch SC1 có thể làm giảm sức căng bề mặt của chất lỏng làm sạch. Ngoài ra, việc thêm tác nhân tạo phức vào dung dịch vệ sinh SC1 có thể khiến kim loại trong dung dịch vệ sinh liên tục hình thành phức, có lợi cho việc ức chế sự bám dính bề mặt của kim loại.

2.4 Công nghệ làm sạch SC2

Công nghệ làm sạch SC2 cũng là công nghệ làm sạch ướt giá rẻ với khả năng loại bỏ tạp chất tốt. SC2 có đặc tính tạo phức cực mạnh và có thể phản ứng với kim loại trước khi oxy hóa tạo thành muối, được loại bỏ bằng dung dịch làm sạch. Các phức chất hòa tan hình thành do phản ứng của các ion kim loại bị oxy hóa với các ion clorua cũng sẽ được loại bỏ bằng dung dịch làm sạch. Có thể nói, trong điều kiện không ảnh hưởng đến wafer, công nghệ làm sạch SC1 và công nghệ làm sạch SC2 bổ sung cho nhau. Hiện tượng bám dính kim loại trong dung dịch làm sạch dễ xảy ra trong dung dịch làm sạch kiềm (tức là dung dịch làm sạch SC1), và không dễ xảy ra trong dung dịch axit (dung dịch làm sạch SC2), và nó có khả năng loại bỏ kim loại trên bề mặt wafer mạnh. Tuy nhiên, mặc dù các kim loại như Cu có thể được loại bỏ sau khi làm sạch SC1, nhưng một số vấn đề về bám dính kim loại của màng oxit tự nhiên hình thành trên bề mặt wafer vẫn chưa được giải quyết và không phù hợp với công nghệ làm sạch SC2.

2.5 Công nghệ làm sạch O3

Trong quy trình sản xuất chip, công nghệ làm sạch O3 chủ yếu được sử dụng để loại bỏ chất hữu cơ và khử trùng DIW. Làm sạch O3 luôn liên quan đến quá trình oxy hóa. Nhìn chung, O3 có thể được sử dụng để loại bỏ một số chất hữu cơ, nhưng do quá trình oxy hóa của O3, sự lắng đọng lại sẽ xảy ra trên bề mặt wafer. Do đó, HF thường được sử dụng trong quá trình sử dụng O3. Ngoài ra, quá trình sử dụng HF với O3 cũng có thể loại bỏ một số ion kim loại. Cần lưu ý rằng, nhìn chung, nhiệt độ cao hơn có lợi cho việc loại bỏ chất hữu cơ, các hạt và thậm chí cả các ion kim loại. Tuy nhiên, khi sử dụng công nghệ làm sạch O3, lượng O3 hòa tan trong DIW sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. Nói cách khác, nồng độ O3 hòa tan trong DIW sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. Do đó, cần tối ưu hóa các chi tiết quy trình O3 để tối đa hóa hiệu quả làm sạch. Trong sản xuất chất bán dẫn, O3 cũng có thể được sử dụng để khử trùng DIW, chủ yếu là do các chất được sử dụng để làm sạch nước uống thường chứa clo, không được chấp nhận trong lĩnh vực sản xuất chip. Một lý do khác là O3 sẽ phân hủy thành oxy và sẽ không gây ô nhiễm hệ thống DIW. Tuy nhiên, cần kiểm soát hàm lượng oxy trong DIW, không thể cao hơn yêu cầu sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn. 2.6 Công nghệ làm sạch bằng dung môi hữu cơ Trong quá trình sản xuất chất bán dẫn thường có một số quy trình đặc biệt. Trong nhiều trường hợp, các phương pháp được giới thiệu ở trên không thể sử dụng được vì hiệu quả làm sạch không đủ, một số thành phần không thể rửa trôi được khắc và không thể tạo ra màng oxit. Do đó, một số dung môi hữu cơ cũng được sử dụng để đạt được mục đích làm sạch.

3. Kết luận

Trong quy trình sản xuất chất bán dẫn, quy trình làm sạch là quy trình có nhiều lần lặp lại nhất. Việc sử dụng công nghệ làm sạch phù hợp có thể cải thiện đáng kể năng suất sản xuất chip. Với kích thước lớn của wafer silicon và sự thu nhỏ của cấu trúc thiết bị, chỉ số mật độ xếp chồng tăng lên và các yêu cầu đối với công nghệ làm sạch wafer ngày càng cao hơn. Có những yêu cầu nghiêm ngặt hơn về độ sạch của bề mặt wafer, trạng thái hóa học của bề mặt, độ nhám và độ dày của màng oxit. Dựa trên công nghệ quy trình trưởng thành, bài viết này giới thiệu công nghệ làm sạch wafer trong sản xuất wafer tiên tiến và các nguyên tắc làm sạch của các quy trình làm sạch khác nhau. Theo quan điểm kinh tế và bảo vệ môi trường, việc cải thiện công nghệ quy trình làm sạch wafer có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu sản xuất wafer tiên tiến.