Die Nassreinigung (Wet Clean) ist einer der entscheidenden Schritte bei der Herstellung von Halbleitern. Ihr Ziel ist es, verschiedene Verunreinigungen von der Oberfläche des Wafers zu entfernen, um sicherzustellen, dass nachfolgende Prozessschritte auf einer sauberen Oberfläche durchgeführt werden können.
Da Halbleiterbauelemente immer kleiner werden und die Präzisionsanforderungen steigen, steigen auch die technischen Anforderungen an die Waferreinigung. Selbst kleinste Partikel, organische Materialien, Metallionen oder Oxidrückstände auf der Waferoberfläche können die Leistung der Bauelemente erheblich beeinträchtigen und so die Ausbeute und Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente beeinträchtigen.
Grundprinzipien der Waferreinigung
Der Kern der Waferreinigung besteht darin, verschiedene Verunreinigungen durch physikalische, chemische und andere Methoden effektiv von der Waferoberfläche zu entfernen, um sicherzustellen, dass der Wafer eine saubere Oberfläche aufweist, die für die nachfolgende Verarbeitung geeignet ist.
Art der Kontamination
Haupteinflüsse auf die Geräteeigenschaften
| Artikelkontamination | Musterfehler
Ionenimplantationsdefekte
Isolierfilm-Durchbruchdefekte
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| Metallische Verunreinigungen | Alkalimetalle | Instabilität des MOS-Transistors
Durchbruch/Verschlechterung des Gateoxidfilms
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| Schwermetalle | Erhöhter Sperrstrom des PN-Übergangs
Durchbruchdefekte im Gateoxidfilm
Verschlechterung der Lebensdauer von Minoritätsträgern
Erzeugung von Defekten in der Oxidanregungsschicht
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| Chemische Kontamination | Organisches Material | Durchbruchdefekte im Gateoxidfilm
CVD-Filmvariationen (Inkubationszeiten)
Schwankungen der thermischen Oxidschichtdicke (beschleunigte Oxidation)
Auftreten von Trübungen (Wafer, Linse, Spiegel, Maske, Retikel)
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| Anorganische Dotierstoffe (B, P) | MOS-Transistor Vth verschiebt
Widerstandsschwankungen bei Si-Substraten und hochohmigen Polysiliziumplatten
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| Anorganische Basen (Amine, Ammoniak) und Säuren (SOx) | Verschlechterung der Auflösung chemisch verstärkter Resists
Auftreten von Partikelverunreinigungen und Trübungen durch Salzbildung
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| Natürliche und chemische Oxidschichten durch Feuchtigkeit, Luft | Erhöhter Kontaktwiderstand
Durchbruch/Verschlechterung des Gateoxidfilms
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Zu den Zielen des Waferreinigungsprozesses gehören insbesondere:
Partikelentfernung: Mithilfe physikalischer oder chemischer Methoden werden kleine Partikel von der Waferoberfläche entfernt. Kleinere Partikel sind aufgrund der starken elektrostatischen Kräfte zwischen ihnen und der Waferoberfläche schwieriger zu entfernen und erfordern eine spezielle Behandlung.
Entfernung organischer Stoffe: Organische Verunreinigungen wie Fett und Fotolackrückstände können an der Waferoberfläche haften. Diese Verunreinigungen werden üblicherweise mit starken Oxidationsmitteln oder Lösungsmitteln entfernt.
Entfernung von Metallionen: Metallionenrückstände auf der Waferoberfläche können die elektrische Leistung beeinträchtigen und sogar nachfolgende Verarbeitungsschritte beeinträchtigen. Daher werden spezielle chemische Lösungen verwendet, um diese Ionen zu entfernen.
Oxidentfernung: Für einige Prozesse muss die Waferoberfläche frei von Oxidschichten, wie z. B. Siliziumoxid, sein. In solchen Fällen müssen natürliche Oxidschichten in bestimmten Reinigungsschritten entfernt werden.
Die Herausforderung der Wafer-Reinigungstechnologie besteht darin, Verunreinigungen effizient zu entfernen, ohne die Waferoberfläche negativ zu beeinflussen, beispielsweise durch die Verhinderung von Oberflächenaufrauhungen, Korrosion oder anderen physikalischen Schäden.
2. Ablauf der Waferreinigung
Der Wafer-Reinigungsprozess umfasst typischerweise mehrere Schritte, um die vollständige Entfernung von Verunreinigungen sicherzustellen und eine vollkommen saubere Oberfläche zu erzielen.
Abbildung: Vergleich zwischen Batch- und Einzelwaferreinigung
Ein typischer Wafer-Reinigungsprozess umfasst die folgenden Hauptschritte:
1. Vorreinigung (Pre-Clean)
Der Zweck der Vorreinigung besteht darin, lose Verunreinigungen und große Partikel von der Waferoberfläche zu entfernen. Dies geschieht typischerweise durch Spülen mit deionisiertem Wasser (DI-Wasser) und Ultraschallreinigung. Deionisiertes Wasser kann zunächst Partikel und gelöste Verunreinigungen von der Waferoberfläche entfernen, während die Ultraschallreinigung Kavitationseffekte nutzt, um die Bindung zwischen den Partikeln und der Waferoberfläche aufzubrechen und sie so leichter zu lösen.
2. Chemische Reinigung
Die chemische Reinigung ist einer der Kernschritte im Waferreinigungsprozess. Dabei werden chemische Lösungen verwendet, um organische Materialien, Metallionen und Oxide von der Waferoberfläche zu entfernen.
Entfernung organischer Stoffe: Typischerweise wird Aceton oder ein Ammoniak-Peroxid-Gemisch (SC-1) zum Lösen und Oxidieren organischer Verunreinigungen verwendet. Das typische Verhältnis für SC-1-Lösungen ist NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, bei einer Arbeitstemperatur von ca. 20°C.
Metallionenentfernung: Salpetersäure oder Salzsäure/Peroxid-Gemische (SC-2) werden verwendet, um Metallionen von der Waferoberfläche zu entfernen. Das typische Verhältnis für SC-2-Lösungen ist HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, wobei die Temperatur bei etwa 80 °C gehalten wird.
Oxidentfernung: Bei einigen Prozessen ist die Entfernung der nativen Oxidschicht von der Waferoberfläche erforderlich. Dazu wird Flusssäurelösung (HF) verwendet. Das typische Verhältnis für HF-Lösungen ist HF
₂O = 1:50 und kann bei Raumtemperatur verwendet werden.
3. Endreinigung
Nach der chemischen Reinigung werden Wafer üblicherweise einem letzten Reinigungsschritt unterzogen, um sicherzustellen, dass keine chemischen Rückstände auf der Oberfläche verbleiben. Bei der Endreinigung wird hauptsächlich deionisiertes Wasser zum gründlichen Spülen verwendet. Zusätzlich wird eine Ozonwasserreinigung (O₃/H₂O) eingesetzt, um verbleibende Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu entfernen.
4. Trocknen
Die gereinigten Wafer müssen schnell getrocknet werden, um Wasserflecken oder die erneute Anhaftung von Verunreinigungen zu vermeiden. Gängige Trocknungsmethoden sind Schleudertrocknung und Stickstoffspülung. Erstere entfernt Feuchtigkeit von der Waferoberfläche durch schnelles Schleudern, während letztere durch das Einblasen von trockenem Stickstoffgas über die Waferoberfläche eine vollständige Trocknung gewährleistet.
Kontaminant
Name des Reinigungsverfahrens
Beschreibung der chemischen Mischung
Chemikalien
| Partikel | Piranha (SPM) | Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid/DI-Wasser | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/Wasserstoffperoxid/DI-Wasser | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| Metalle (nicht Kupfer) | SC-2 (HPM) | Salzsäure/Wasserstoffperoxid/DI-Wasser | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 °C |
| Piranha (SPM) | Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid/DI-Wasser | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 °C | |
| DHF | Verdünnte Flusssäure/DI-Wasser (entfernt kein Kupfer) | HF/H2O1:50 | |
| Organische Stoffe | Piranha (SPM) | Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid/DI-Wasser | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/Wasserstoffperoxid/DI-Wasser | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Ozon in deionisiertem Wasser | O3/H2O-optimierte Mischungen | |
| Natives Oxid | DHF | Verdünnte Flusssäure/DI-Wasser | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Gepufferte Flusssäure | NH4F/HF/H2O |
3. Gängige Wafer-Reinigungsmethoden
1. RCA-Reinigungsmethode
Die RCA-Reinigungsmethode ist eine der klassischsten Waferreinigungstechniken in der Halbleiterindustrie und wurde vor über 40 Jahren von der RCA Corporation entwickelt. Sie dient hauptsächlich der Entfernung organischer Verunreinigungen und Metallionenverunreinigungen und kann in zwei Schritten durchgeführt werden: SC-1 (Standard Clean 1) und SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1-Reinigung: Dieser Schritt dient hauptsächlich der Entfernung organischer Verunreinigungen und Partikel. Die Lösung ist eine Mischung aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und Wasser, die eine dünne Siliziumoxidschicht auf der Waferoberfläche bildet.
SC-2-Reinigung: Dieser Schritt dient hauptsächlich der Entfernung von Metallionenverunreinigungen mithilfe einer Mischung aus Salzsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser. Er hinterlässt eine dünne Passivierungsschicht auf der Waferoberfläche, um eine erneute Kontamination zu verhindern.
2. Piranha-Reinigungsmethode (Piranha Etch Clean)
Die Piranha-Reinigungsmethode ist eine hochwirksame Technik zur Entfernung organischer Stoffe. Sie verwendet eine Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid, typischerweise im Verhältnis 3:1 oder 4:1. Dank der extrem starken oxidativen Eigenschaften dieser Lösung können große Mengen organischer Stoffe und hartnäckiger Verunreinigungen entfernt werden. Diese Methode erfordert eine strenge Kontrolle der Bedingungen, insbesondere hinsichtlich Temperatur und Konzentration, um eine Beschädigung des Wafers zu vermeiden.
Die Ultraschallreinigung nutzt den Kavitationseffekt hochfrequenter Schallwellen in einer Flüssigkeit, um Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu entfernen. Im Vergleich zur herkömmlichen Ultraschallreinigung arbeitet die Megaschallreinigung mit einer höheren Frequenz und ermöglicht so eine effizientere Entfernung submikrometergroßer Partikel, ohne die Waferoberfläche zu beschädigen.
4. Ozonreinigung
Die Ozonreinigungstechnologie nutzt die stark oxidierenden Eigenschaften von Ozon, um organische Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu zersetzen und zu entfernen. Diese werden schließlich in unschädliches Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Dieses Verfahren benötigt keine teuren chemischen Reagenzien und verursacht weniger Umweltbelastung. Damit ist es eine aufstrebende Technologie im Bereich der Waferreinigung.
4. Wafer-Reinigungsprozessausrüstung
Um die Effizienz und Sicherheit von Waferreinigungsprozessen zu gewährleisten, werden in der Halbleiterfertigung verschiedene moderne Reinigungsgeräte eingesetzt. Zu den wichtigsten Typen gehören:
1. Nassreinigungsgeräte
Nassreinigungsgeräte umfassen verschiedene Tauchbecken, Ultraschallreinigungsbecken und Schleudertrockner. Diese Geräte kombinieren mechanische Kräfte und chemische Reagenzien, um Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu entfernen. Tauchbecken sind typischerweise mit Temperaturkontrollsystemen ausgestattet, um die Stabilität und Wirksamkeit der chemischen Lösungen zu gewährleisten.
2. Trockenreinigungsgeräte
Zu den Trockenreinigungsanlagen gehören hauptsächlich Plasmareiniger. Diese nutzen hochenergetische Plasmapartikel, um mit der Waferoberfläche zu reagieren und Rückstände zu entfernen. Die Plasmareinigung eignet sich besonders für Prozesse, bei denen die Oberflächenintegrität erhalten bleiben muss, ohne dass chemische Rückstände entstehen.
3. Automatisierte Reinigungssysteme
Mit dem kontinuierlichen Ausbau der Halbleiterproduktion haben sich automatisierte Reinigungssysteme zur bevorzugten Wahl für die Waferreinigung im großen Maßstab entwickelt. Diese Systeme verfügen häufig über automatisierte Transfermechanismen, Mehrtank-Reinigungssysteme und Präzisionssteuerungssysteme, um für jeden Wafer gleichbleibende Reinigungsergebnisse zu gewährleisten.
5. Zukünftige Trends
Da Halbleiterbauelemente immer kleiner werden, entwickelt sich die Waferreinigungstechnologie hin zu effizienteren und umweltfreundlicheren Lösungen. Zukünftige Reinigungstechnologien konzentrieren sich auf:
Entfernung von Partikeln im Subnanometerbereich: Vorhandene Reinigungstechnologien können mit Partikeln im Nanometerbereich umgehen, aber mit der weiteren Reduzierung der Gerätegröße wird die Entfernung von Partikeln im Subnanometerbereich zu einer neuen Herausforderung.
Grüne und umweltfreundliche Reinigung: Die Reduzierung des Einsatzes umweltschädlicher Chemikalien und die Entwicklung umweltfreundlicherer Reinigungsmethoden wie Ozonreinigung und Megaschallreinigung werden immer wichtiger.
Höhere Automatisierungs- und Intelligenzgrade: Intelligente Systeme ermöglichen die Echtzeitüberwachung und Anpassung verschiedener Parameter während des Reinigungsvorgangs und verbessern so die Reinigungswirksamkeit und Produktionseffizienz weiter.
Die Waferreinigungstechnologie ist ein entscheidender Schritt in der Halbleiterfertigung und trägt entscheidend dazu bei, saubere Waferoberflächen für nachfolgende Prozesse zu gewährleisten. Die Kombination verschiedener Reinigungsmethoden entfernt effektiv Verunreinigungen und sorgt für eine saubere Substratoberfläche für die nächsten Schritte. Mit dem technologischen Fortschritt werden die Reinigungsprozesse kontinuierlich optimiert, um den Anforderungen an höhere Präzision und geringere Fehlerraten in der Halbleiterfertigung gerecht zu werden.
Veröffentlichungszeit: 08.10.2024