随着集成电路器件的纳米化、高密度化、高集成度及多层金属互连的进步,半导体技术节点越来越先进,对实际制造的多个关键环节也提出了更多新的要求。器件特征尺寸的不断缩小和三维器件结构的日益复杂性,使得半导体器件对颗粒污染、杂质浓度和数量越来越敏感。
据2019年1月28日报道,台积电南科14厂发生一起不合格原料污染事故,预估损失上万片晶圆,受到影响的主要是16/12nm工艺。NVIDIA的GPU芯片、海思、联发科的手机芯片以及一些ARM服务器处理器都使用了这一工艺,这也是台积电的主要营收来源之一。台积电发生的污染源已被确认,分别为前段刻蚀的铁离子污染和光刻胶原材料污染。前段晶体管受到污染可能会导致器件发生不正常的漏电,进而影响产品的良率、电学性能和可靠性。
2019年2月15日,台积电坦承,受到南科14厂污染事件影响,本季营收将减少约5.5亿美元。受到影响的客户包括辉达、联发科、海思和赛灵思等重量级客户,其中辉达的投片量超过上万片。考虑到此次事故涉及的是相对先进的16/12nm工艺,加上受到影响的股价大跌,台积电的实际损失有可能超过了40亿美元。如果再算上事故造成的停机以及产能和交付上的损失,则后果将更加惨重。
这一事件非常强烈地传递了这样一个信号,随着集成电路特征尺寸越来越小,半导体器件对生产工艺过程中的颗粒、有机残留物、杂质等污染物及湿法清洗的去除能力、缺陷控制、关键尺寸调控等的要求越来越高,同时对工艺化学品和金属离子等导致的污染越来越敏感,使得湿法工艺的关键性和重要性越发凸显。此外,芯片制造过程中的每个工艺步骤都有不同的控制和良率要求,特别是先进工艺要求制造过程中的颗粒尺寸越来越小,数量越来越少,缺陷密度也越来越低,这些都增加了工艺复杂性并带来越来越多的技术挑战。
技术节点演进带来的挑战
按照摩尔定律,集成电路器件特征尺寸每两年缩小0.7倍,尽管目前维持这一趋势所花费的时间越来越长。当前,随着半导体技术不断微缩,先进的集成电路器件已从平面向三维结构转变,集成电路制造工艺正变得越来越复杂,往往需要经过几百甚至上千道的工艺步骤。对于先进的半导体器件制造,每经过一道工艺,硅片表面都会或多或少地存在颗粒污染物、金属残留或有机物残留等,因此几乎所有工艺步骤都需要湿法处理。对于关键层来说尤其如此,往往需要经过多道清洗或湿法处理步骤。
在20nm及以下技术节点,清洗步骤数量大约占所有工艺步骤数量的30%,而从16/14nm节点开始,更精细的三维器件结构、更复杂的前后端工艺集成、193nm浸入式光刻结合多重曝光技术及EUV光刻技术的引入等多种因素的推动,湿法工艺复杂性将进一步提升,湿法工艺的步骤也会根据特定产品的需求而有所增长。下图为IC Knowledge LLC 对逻辑器件和3D NAND器件的清洗步骤数量随工艺技术节点和闪存堆叠层数而做的调研数据,可以明显看到清洗步骤的变化趋势,显示出清洗在先进技术节点下的重要性和迫切性愈发增加。
对于先进技术节点,尤其是10nm、7nm甚至更小的器件。为了获得更高的器件可靠性及电学性能,湿法工艺不仅要能够从平坦的表面除去更小的随机缺陷、金属或有机离子沾污、特定材料和残留颗粒等,而且还要能够适应更复杂、更精细的三维器件结构带来的越来越多的要求,以免对器件造成不必要的损害或关键材料的损失,从而降低产量和良率。