Die Nassreinigung (Wet Clean) ist einer der entscheidenden Schritte in Halbleiterfertigungsprozessen und zielt darauf ab, verschiedene Verunreinigungen von der Oberfläche des Wafers zu entfernen, um sicherzustellen, dass nachfolgende Prozessschritte auf einer sauberen Oberfläche durchgeführt werden können.
Da die Größe von Halbleiterbauelementen immer kleiner wird und die Präzisionsanforderungen steigen, werden die technischen Anforderungen an Wafer-Reinigungsprozesse immer strenger. Selbst kleinste Partikel, organische Materialien, Metallionen oder Oxidrückstände auf der Waferoberfläche können die Geräteleistung erheblich beeinträchtigen und dadurch die Ausbeute und Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen beeinträchtigen.
Grundprinzipien der Waferreinigung
Der Kern der Waferreinigung besteht in der effektiven Entfernung verschiedener Verunreinigungen von der Waferoberfläche durch physikalische, chemische und andere Methoden, um sicherzustellen, dass der Wafer eine saubere, für die nachfolgende Verarbeitung geeignete Oberfläche aufweist.
Art der Kontamination
Haupteinflüsse auf Geräteeigenschaften
| Artikelkontamination | Musterfehler
Defekte bei der Ionenimplantation
Defekte der Isolierfolie
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| Metallische Verunreinigung | Alkalimetalle | Instabilität des MOS-Transistors
Abbau/Verschlechterung des Gate-Oxidfilms
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| Schwermetalle | Erhöhter Sperrableitstrom am PN-Übergang
Defekte beim Durchbruch des Gate-Oxidfilms
Verschlechterung der Lebensdauer von Minderheitsträgern
Entstehung von Defekten in der Oxidanregungsschicht
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| Chemische Kontamination | Organisches Material | Defekte beim Durchbruch des Gate-Oxidfilms
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) | Der Vth des MOS-Transistors verschiebt sich
Variationen des Widerstands von Si-Substrat und hochohmiger Polysiliziumschicht
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| Anorganische Basen (Amine, Ammoniak) und Säuren (SOx) | Verschlechterung der Auflösung chemisch verstärkter Resists
Auftreten von Partikelverunreinigungen und Trübungen aufgrund der Salzbildung
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| Native und chemische Oxidfilme aufgrund von Feuchtigkeit, Luft | Erhöhter Kontaktwiderstand
Abbau/Verschlechterung des Gate-Oxidfilms
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Zu den Zielen des Wafer-Reinigungsprozesses gehören insbesondere:
Partikelentfernung: Verwendung physikalischer oder chemischer Methoden zur Entfernung kleiner Partikel, die an der Waferoberfläche haften. Kleinere Partikel lassen sich aufgrund der starken elektrostatischen Kräfte zwischen ihnen und der Waferoberfläche schwieriger entfernen und erfordern eine spezielle Behandlung.
Entfernung organischer Materialien: Organische Verunreinigungen wie Fett und Fotolackrückstände können an der Waferoberfläche haften. Diese Verunreinigungen werden typischerweise mit starken Oxidationsmitteln oder Lösungsmitteln entfernt.
Metallionenentfernung: Metallionenrückstände auf der Waferoberfläche können die elektrische Leistung beeinträchtigen und sogar nachfolgende Verarbeitungsschritte beeinträchtigen. Daher werden zur Entfernung dieser Ionen spezielle chemische Lösungen eingesetzt.
Oxidentfernung: Bei einigen Prozessen muss die Waferoberfläche frei von Oxidschichten wie Siliziumoxid sein. In solchen Fällen müssen bei bestimmten Reinigungsschritten natürliche Oxidschichten entfernt werden.
Die Herausforderung der Wafer-Reinigungstechnologie besteht darin, Verunreinigungen effizient zu entfernen, ohne die Waferoberfläche zu beeinträchtigen, wie z. B. Oberflächenaufrauhung, Korrosion oder andere physische Schäden zu verhindern.
2. Wafer-Reinigungsprozessablauf
Der Wafer-Reinigungsprozess umfasst typischerweise mehrere Schritte, um die vollständige Entfernung von Verunreinigungen sicherzustellen und eine vollständig saubere Oberfläche zu erreichen.
Abbildung: Vergleich zwischen Batch-Reinigung und Einzelwafer-Reinigung
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, was typischerweise durch Spülen mit entionisiertem Wasser (DI-Wasser) und Ultraschallreinigung erreicht wird. Entionisiertes 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 Wafer-Reinigungsprozess. Dabei werden chemische Lösungen eingesetzt, um organische Materialien, Metallionen und Oxide von der Waferoberfläche zu entfernen.
Entfernung organischer Materialien: Typischerweise wird Aceton oder eine Ammoniak-/Peroxidmischung (SC-1) verwendet, um organische Verunreinigungen aufzulösen und zu oxidieren. Das typische Verhältnis für SC-1-Lösung ist NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, bei einer Arbeitstemperatur von etwa 20°C.
Entfernung von Metallionen: Salpetersäure oder Salzsäure/Peroxid-Mischungen (SC-2) werden verwendet, um Metallionen von der Waferoberfläche zu entfernen. Das typische Verhältnis für SC-2-Lösung ist HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, wobei die Temperatur bei etwa 80 °C gehalten wird.
Oxidentfernung: Bei einigen Prozessen ist die Entfernung der natürlichen Oxidschicht von der Waferoberfläche erforderlich, wofür eine Flusssäurelösung (HF) verwendet wird. Das typische Verhältnis für HF-Lösungen ist HF
₂O = 1:50, und es kann bei Raumtemperatur verwendet werden.
3. Endreinigung
Nach der chemischen Reinigung werden Wafer in der Regel einem abschließenden Reinigungsschritt unterzogen, um sicherzustellen, dass keine chemischen Rückstände auf der Oberfläche verbleiben. Bei der Endreinigung wird überwiegend entionisiertes Wasser zur gründlichen Spülung eingesetzt. Darüber hinaus wird eine Reinigung mit Ozonwasser (O₃/H₂O) eingesetzt, um verbleibende Verunreinigungen noch weiter von der Waferoberfläche zu entfernen.
4. Trocknen
Die gereinigten Wafer müssen schnell getrocknet werden, um Wasserflecken oder das erneute Anhaften von Verunreinigungen zu verhindern. Zu den gängigen Trocknungsmethoden gehören Schleudertrocknung und Stickstoffspülung. Ersteres entfernt Feuchtigkeit von der Waferoberfläche, indem es sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, während letzteres für eine vollständige Trocknung sorgt, indem es trockenes Stickstoffgas über die Waferoberfläche bläst.
Schadstoff
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/entionisiertes Wasser (entfernt kein Kupfer) | HF/H2O1:50 | |
| Organische Produkte | 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 entionisiertem Wasser | O3/H2O-optimierte Mischungen | |
| Natives Oxid | DHF | Verdünnen Sie 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 Wafer-Reinigungstechniken in der Halbleiterindustrie und wurde vor über 40 Jahren von der RCA Corporation entwickelt. Diese Methode wird hauptsächlich zur Entfernung organischer Verunreinigungen und Metallionenverunreinigungen verwendet 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. Es 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 Materialien, bei der eine Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid verwendet wird, typischerweise im Verhältnis 3:1 oder 4:1. Aufgrund 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, der durch hochfrequente Schallwellen in einer Flüssigkeit erzeugt wird, 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 von Partikeln im Submikrometerbereich, ohne die Waferoberfläche zu beschädigen.
4. Ozonreinigung
Die Ozonreinigungstechnologie nutzt die starken oxidierenden Eigenschaften von Ozon, um organische Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu zersetzen und zu entfernen und sie letztendlich in harmloses Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln. Diese Methode erfordert keine Verwendung teurer chemischer Reagenzien und verursacht weniger Umweltverschmutzung, was sie zu einer aufstrebenden Technologie im Bereich der Waferreinigung macht.
4. Wafer-Reinigungsprozessausrüstung
Um die Effizienz und Sicherheit von Wafer-Reinigungsprozessen zu gewährleisten, werden in der Halbleiterfertigung verschiedene fortschrittliche Reinigungsgeräte eingesetzt. Zu den Haupttypen gehören:
1. Nassreinigungsgeräte
Zu den Nassreinigungsgeräten gehören verschiedene Tauchbecken, Ultraschall-Reinigungsbecken und Wäscheschleudern. Diese Geräte kombinieren mechanische Kräfte und chemische Reagenzien, um Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu entfernen. Tauchtanks sind typischerweise mit Temperaturkontrollsystemen ausgestattet, um die Stabilität und Wirksamkeit chemischer Lösungen sicherzustellen.
2. Trockenreinigungsgeräte
Zu den Trockenreinigungsgeräten gehören hauptsächlich Plasmareiniger, die hochenergetische Partikel im Plasma nutzen, um mit der Waferoberfläche zu reagieren und Rückstände von dieser zu entfernen. Die Plasmareinigung eignet sich besonders für Prozesse, bei denen die Oberflächenintegrität ohne die Einführung chemischer Rückstände erhalten bleiben muss.
3. Automatisierte Reinigungssysteme
Mit der kontinuierlichen Ausweitung der Halbleiterproduktion sind automatisierte Reinigungssysteme zur bevorzugten Wahl für die Reinigung von Wafern in großem Maßstab geworden. Diese Systeme umfassen häufig automatische Transfermechanismen, Mehrtank-Reinigungssysteme und Präzisionskontrollsysteme, um konsistente Reinigungsergebnisse für jeden Wafer sicherzustellen.
5. Zukünftige Trends
Da Halbleiterbauelemente immer kleiner werden, entwickelt sich die Wafer-Reinigungstechnologie hin zu effizienteren und umweltfreundlicheren Lösungen. Zukünftige Reinigungstechnologien werden sich auf Folgendes konzentrieren:
Entfernung von Partikeln im Subnanometerbereich: Bestehende 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 Automatisierung und Intelligenz: Intelligente Systeme ermöglichen die Überwachung und Anpassung verschiedener Parameter während des Reinigungsprozesses in Echtzeit und verbessern so die Reinigungseffektivität und Produktionseffizienz weiter.
Die Wafer-Reinigungstechnologie spielt als entscheidender Schritt in der Halbleiterfertigung eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung sauberer Waferoberflächen für nachfolgende Prozesse. Durch die Kombination verschiedener Reinigungsmethoden werden Verunreinigungen effektiv entfernt und eine saubere Substratoberfläche für die nächsten Schritte bereitgestellt. Mit fortschreitender Technologie werden Reinigungsprozesse weiterhin optimiert, um den Anforderungen nach höherer Präzision und geringeren Fehlerraten in der Halbleiterfertigung gerecht zu werden.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.10.2024