Die Nassreinigung ist einer der entscheidenden Schritte in der Halbleiterfertigung. 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 die Größe von Halbleiterbauelementen immer weiter schrumpft und die Anforderungen an die Präzision steigen, sind die technischen Anforderungen an Waferreinigungsprozesse zunehmend strenger geworden. Selbst kleinste Partikel, organische Materialien, Metallionen oder Oxidrückstände auf der Waferoberfläche können die Leistung der Bauelemente erheblich beeinträchtigen und somit die Ausbeute und Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente negativ beeinflussen.
Grundprinzipien der Waferreinigung
Der Kern der Waferreinigung besteht darin, verschiedene Verunreinigungen von der Waferoberfläche durch physikalische, chemische und andere Methoden effektiv 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
| Artikelverunreinigung | Musterfehler
Ionenimplantationsdefekte
Isolierfilm-Durchschlagsdefekte
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| Metallische Verunreinigungen | Alkalimetalle | MOS-Transistor-Instabilität
Durchbruch/Verschlechterung der Gate-Oxidschicht
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| Schwermetalle | Erhöhter Sperrleckstrom der PN-Übergangsstelle
Durchbruchdefekte der Gate-Oxidschicht
Verschlechterung der Minoritätsträgerlebensdauer
Erzeugung von Defekten in der Oxidschicht durch Anregung
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| Chemische Kontamination | Organisches Material | Durchbruchdefekte der Gate-Oxidschicht
Variationen des CVD-Films (Inkubationszeiten)
Variationen der thermischen Oxidschichtdicke (beschleunigte Oxidation)
Trübungsvorkommen (Wafer, Linse, Spiegel, Maske, Fadenkreuz)
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| Anorganische Dotierstoffe (B, P) | MOS-Transistor Vth-Verschiebungen
Variationen des Widerstands von Si-Substrat und hochohmigem Polysilizium-Folien
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| Anorganische Basen (Amine, Ammoniak) & Säuren (SOx) | Verschlechterung der Auflösung chemisch verstärkter Resists
Auftreten von Partikelverunreinigungen und Dunst aufgrund von Salzbildung
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| Natürliche und chemische Oxidschichten aufgrund von Feuchtigkeit, Luft | Erhöhter Kontaktwiderstand
Durchbruch/Verschlechterung der Gate-Oxidschicht
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Die Ziele des Wafer-Reinigungsprozesses umfassen im Einzelnen:
Partikelentfernung: Die Entfernung kleiner, an der Waferoberfläche haftender Partikel erfolgt mittels physikalischer oder chemischer Verfahren. Kleinere Partikel sind aufgrund der starken elektrostatischen Kräfte zwischen ihnen und der Waferoberfläche schwieriger zu entfernen und erfordern daher eine spezielle Behandlung.
Entfernung organischer Materialien: Organische Verunreinigungen wie Fett und Fotolackreste können an der Waferoberfläche haften bleiben. Diese Verunreinigungen werden üblicherweise mit starken Oxidationsmitteln oder Lösungsmitteln entfernt.
Entfernung von Metallionen: Metallionenrückstände auf der Waferoberfläche können die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen und sogar nachfolgende Verarbeitungsschritte beeinflussen. Daher werden spezielle chemische Lösungen zur Entfernung dieser Ionen eingesetzt.
Oxidentfernung: Einige Prozesse erfordern eine oxidfreie Waferoberfläche, beispielsweise frei von Siliziumdioxid. In solchen Fällen müssen natürliche Oxidschichten in bestimmten Reinigungsschritten entfernt werden.
Die Herausforderung bei der Waferreinigungstechnologie besteht darin, Verunreinigungen effizient zu entfernen, ohne die Waferoberfläche negativ zu beeinflussen, wie z. B. Oberflächenaufrauung, Korrosion oder andere physikalische Schäden zu verhindern.
2. Ablauf des Waferreinigungsprozesses
Der Wafer-Reinigungsprozess umfasst typischerweise mehrere Schritte, um die vollständige Entfernung von Verunreinigungen zu gewährleisten und eine vollständig saubere Oberfläche zu erzielen.
Abbildung: Vergleich zwischen Chargenreinigung und Einzelwaferreinigung
Ein typischer Wafer-Reinigungsprozess umfasst folgende Hauptschritte:
1. Vorreinigung (Pre-Clean)
Die Vorreinigung dient dazu, lose Verunreinigungen und größere Partikel von der Waferoberfläche zu entfernen. Dies geschieht typischerweise durch Spülen mit deionisiertem Wasser (DI-Wasser) und Ultraschallreinigung. Deionisiertes Wasser entfernt zunächst Partikel und gelöste Verunreinigungen von der Waferoberfläche, während die Ultraschallreinigung Kavitationseffekte nutzt, um die Verbindung zwischen den Partikeln und der Waferoberfläche zu lösen und so deren Ablösung zu erleichtern.
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 Stoffe: Typischerweise wird Aceton oder ein Ammoniak/Peroxid-Gemisch (SC-1) verwendet, um organische Verunreinigungen zu lösen und zu oxidieren. Das typische Verhältnis für eine SC-1-Lösung ist NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, mit einer Arbeitstemperatur von etwa 20°C.
Metallionenentfernung: Zur Entfernung von Metallionen von der Waferoberfläche werden Salpetersäure oder Salzsäure/Peroxid-Gemische (SC-2) verwendet. Das typische Mischungsverhältnis für SC-2-Lösungen beträgt HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, wobei die Temperatur bei etwa 80°C gehalten wird.
Oxidentfernung: In einigen Prozessen ist die Entfernung der natürlichen Oxidschicht von der Waferoberfläche erforderlich. Hierfür wird Flusssäure (HF) verwendet. Das typische Mischungsverhältnis der HF-Lösung beträgt HF:HF.
₂O = 1:50, und es kann bei Raumtemperatur verwendet werden.
3. Endreinigung
Nach der chemischen Reinigung werden die Wafer üblicherweise einem abschließenden Reinigungsschritt unterzogen, um sicherzustellen, dass keine chemischen Rückstände auf der Oberfläche verbleiben. Bei dieser abschließenden Reinigung 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 Anlagerung von Verunreinigungen zu verhindern. Gängige Trocknungsverfahren sind das Schleudertrocknen und das Spülen mit Stickstoff. Beim Schleudertrocknen wird die Feuchtigkeit durch schnelles Schleudern von der Waferoberfläche entfernt, während beim Spülen mit trockenem Stickstoffgas eine vollständige Trocknung gewährleistet wird.
Schadstoff
Name des Reinigungsverfahrens
Beschreibung des chemischen Gemisches
Chemikalien
| Partikel | Piranha (SPM) | Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid/destilliertes Wasser | H₂SO₄/H₂O₂/H₂O 3–4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/Wasserstoffperoxid/destilliertes Wasser | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metalle (außer Kupfer) | SC-2 (HPM) | Salzsäure/Wasserstoffperoxid/destilliertes Wasser | HCl/H₂O₂/H₂O 1:1:6; 85 °C |
| Piranha (SPM) | Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid/destilliertes Wasser | H₂SO₄/H₂O₂/H₂O₃-4:1; 90 °C | |
| DHF | Verdünnte Fluorwasserstoffsäure/destilliertes Wasser (entfernt Kupfer nicht) | HF/H2O 1:50 | |
| Bio | Piranha (SPM) | Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid/destilliertes Wasser | H₂SO₄/H₂O₂/H₂O 3–4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/Wasserstoffperoxid/destilliertes Wasser | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon in deionisiertem Wasser | O3/H2O-optimierte Gemische | |
| Natives Oxid | DHF | Verdünnte Fluorwasserstoffsäure/destilliertes Wasser | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Gepufferte Fluorwasserstoffsäure | NH4F/HF/H2O |
3. Gängige Methoden zur Waferreinigung
1. RCA-Reinigungsmethode
Das RCA-Reinigungsverfahren ist eine der klassischsten Waferreinigungstechniken in der Halbleiterindustrie und wurde vor über 40 Jahren von der RCA Corporation entwickelt. Dieses Verfahren dient primär der Entfernung organischer Verunreinigungen und Metallionen und kann in zwei Schritten durchgeführt werden: SC-1 (Standardreinigung 1) und SC-2 (Standardreinigung 2).
SC-1 Reinigung: Dieser Schritt dient hauptsächlich der Entfernung organischer Verunreinigungen und Partikel. Die Lösung ist ein Gemisch aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und Wasser, das eine dünne Siliziumoxidschicht auf der Waferoberfläche bildet.
SC-2-Reinigung: Dieser Schritt dient primär 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-Ätzreinigung)
Die Piranha-Reinigungsmethode ist ein hochwirksames Verfahren zur Entfernung organischer Materialien. Dabei wird eine Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid, typischerweise im Verhältnis 3:1 oder 4:1, verwendet. Aufgrund der extrem starken oxidativen Eigenschaften dieser Lösung lassen sich große Mengen organischer Stoffe und hartnäckige Verunreinigungen entfernen. Um eine Beschädigung des Wafers zu vermeiden, ist bei dieser Methode eine strenge Kontrolle der Bedingungen, insbesondere hinsichtlich Temperatur und Konzentration, erforderlich.
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, wodurch submikrometergroße Partikel effizienter entfernt werden können, 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. Dabei werden sie in unschädliches Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Dieses Verfahren kommt ohne teure chemische Reagenzien aus und verursacht weniger Umweltbelastung, wodurch es sich zu einer vielversprechenden Technologie im Bereich der Waferreinigung entwickelt hat.
4. Anlagen zur Waferreinigung
Um die Effizienz und Sicherheit der Waferreinigungsprozesse zu gewährleisten, werden in der Halbleiterfertigung verschiedene fortschrittliche Reinigungsanlagen eingesetzt. Zu den wichtigsten gehören:
1. Nassreinigungsgeräte
Zu den Nassreinigungsanlagen gehören verschiedene Tauchbäder, Ultraschallreinigungsbecken und Schleudertrockner. Diese Geräte kombinieren mechanische Kräfte und chemische Reagenzien, um Verunreinigungen von der Waferoberfläche zu entfernen. Tauchbäder sind typischerweise mit Temperaturregelungssystemen ausgestattet, um die Stabilität und Wirksamkeit der chemischen Lösungen zu gewährleisten.
2. Ausrüstung für die chemische Reinigung
Zu den Anlagen für die Trockenreinigung zählen vor allem Plasmareiniger, die mit hochenergetischen Plasmapartikeln arbeiten, um Rückstände von der Waferoberfläche zu entfernen. Die Plasmareinigung eignet sich besonders für Prozesse, bei denen die Oberflächenintegrität erhalten bleiben und keine chemischen Rückstände entstehen sollen.
3. Automatisierte Reinigungssysteme
Mit dem kontinuierlichen Wachstum der Halbleiterproduktion haben sich automatisierte Reinigungssysteme als bevorzugte Lösung für die großflächige Waferreinigung etabliert. Diese Systeme umfassen häufig automatisierte Transfermechanismen, Mehrtank-Reinigungssysteme und Präzisionssteuerungssysteme, um gleichbleibende Reinigungsergebnisse für jeden Wafer zu gewährleisten.
5. Zukunftstrends
Da Halbleiterbauelemente immer kleiner werden, entwickelt sich die Waferreinigungstechnologie hin zu effizienteren und umweltfreundlicheren Lösungen. Zukünftige Reinigungstechnologien werden sich auf Folgendes konzentrieren:
Entfernung von Partikeln im Subnanometerbereich: Bestehende Reinigungstechnologien können Partikel im Nanometerbereich entfernen, aber mit der weiteren Verkleinerung der Geräte wird die Entfernung von Partikeln im Subnanometerbereich zu einer neuen Herausforderung.
Umweltfreundliche Reinigung: Die Reduzierung des Einsatzes umweltschädlicher Chemikalien und die Entwicklung umweltfreundlicherer Reinigungsmethoden, wie z. B. Ozonreinigung und Ultraschallreinigung, werden zunehmend wichtiger.
Höherer Automatisierungsgrad und mehr Intelligenz: Intelligente Systeme ermöglichen die Echtzeitüberwachung und -anpassung verschiedener Parameter während des Reinigungsprozesses und verbessern so die Reinigungseffektivität und Produktionseffizienz.
Die Waferreinigungstechnologie ist ein entscheidender Schritt in der Halbleiterfertigung und spielt eine zentrale Rolle für saubere Waferoberflächen, die für nachfolgende Prozesse unerlässlich sind. Durch die Kombination verschiedener Reinigungsverfahren werden Verunreinigungen effektiv entfernt und eine saubere Substratoberfläche für die nächsten Schritte geschaffen. Mit dem technologischen Fortschritt werden die Reinigungsprozesse kontinuierlich optimiert, um den Anforderungen an höhere Präzision und geringere Fehlerraten in der Halbleiterfertigung gerecht zu werden.
Veröffentlichungsdatum: 08.10.2024