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Dokumentenidentifikation DE69834856T2 14.12.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000860866
Titel Reinigen von Halbleiterscheiben und Mikroelektronik-Substraten
Anmelder International Business Machines Corp., Armonk, N.Y., US;
Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Cohen, Susan, Austin, Texas 78731, US;
Cooper, Emmanuel I., Bronx, New York 10463, US;
Penner, Klaus, 01458 Otendorf-Okrilla, DE;
Rath, David L., Stormville, New York 12592, US;
Srivastava, Kamalesh K., Wappingers Falls, New York 12590, US
Vertreter Duscher, R., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Ass., 71034 Böblingen
DE-Aktenzeichen 69834856
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IE, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.02.1998
EP-Aktenzeichen 983010588
EP-Offenlegungsdatum 26.08.1998
EP date of grant 14.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/306(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 21/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B08B 3/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Schallreinigung von Halbleiterwafern und mikroelektronischen Substraten und spezieller auf ein gesteuertes Versetzen von Waferreinigungslösungen mit Gas in Megasonic-Reinigungsanwendungen.

Eine Entfernung von Partikeln und anderen Verunreinigungen von Halbleiterwaferoberflächen ist nach vielen Prozessschritten bei der Herstellung von integrierten Schaltkreischips (IC-Chips) wesentlich. Bei einer herkömmlichen Reinigungsanordnung werden die Halbleiterwafer nach einem Prozessschritt mittels Laden einer Mehrzahl der Wafer durch eine Haltevorrichtung ins Innere eines Behälters gereinigt, in den deionisiertes Wasser und reaktive Reinigungsfluide in Mengen zugeführt werden, die effektiv sind, die Waferoberflächen mit Flüssigkeit zu bedecken und zu reinigen. Die reaktiven Reinigungsfluide können in die Reinigungszusammensetzung in flüssiger Form oder gasförmig eingebracht werden. Nach der Reinigung werden die Wafer getrocknet, wie durch Hochgeschwindigkeitsschleudern oder Ersetzung von Oberflächenwasser durch Isopropylalkohol, und werden in einer reinen Umgebung bis zur weiteren Verarbeitung aufbewahrt.

Es sind verschiedene Techniken zur Unterstützung des Reinigungsprozesses bekannt, welche die Bewirkung einer schnellen Anregung der Reinigungsbehälterfluide, z.B. durch Sprudeln von Inertgasen (z.B. Stickstoff) durch die Reinigungsbehälterfluide, die Verwendung von magnetischen Rührern in dem Reinigungsbehälter, die Verwendung von Schallenergie, die gegen die Wafer in der Prozessflüssigkeit gerichtet ist, und Kombinationen dieser Techniken beinhalten.

Es ist bekannt, dass die Fähigkeit, Partikel von Waferoberflächen in derartigen Nassreinigungsprozessen zu entfernen, von vielen Faktoren abhängt, wie Prozesstemperatur, Wafervorbehandlung und Grad an Hydrophobie, der chemischen Zusammensetzung der Reinigungslösungen und Anregungsparametern, wie der Schallleistungsintensität (wenn verwendet).

Ein weit verbreiteter Nassreinigungsprozess für Wafer ist der so genannte "RCA-Reinigungsprozess". Ein herkömmlicher RCA-Reinigungsprozess beinhaltet eine erste Reinigungslösung mit 5:1:1-Volumenverhältnissen von Wasser, konzentriertem Wasserstoffperoxid (H2O2) und konzentriertem Ammoniumhydroxid (NH4OH) (für SC-1) und eine zweite Reinigungslösung mit 5:1:1-Volumenverhältnissen von Wasser, konzentriertem Wasserstoffperoxid (H2O2) und konzentrierter Salzsäure (HCl) (für SC-2). Der RCA-Reinigungsprozess enthält die Schritte:

SC-1-Reinigung, gefolgt von einer Spülung mit Wasser, gefolgt von der SC-2-Reinigung, gefolgt von einer Spülung mit Wasser, gefolgt von einer letzten Spülung mit Wasser (üblicherweise in einem separaten Tank) und anschließender Trocknung. Die RCA-Reinigung wurde eingeführt, bevor Megasonic-Wandler extensiv verwendet wurden, und die Reinigungen beruhten auf den hohen chemischen Konzentrationen für die Reinigung. Seither wurde realisiert, dass durch Hinzufügen von Megasonic bei der SC-1-Reinigung die Entfernung von Partikeln selbst mit reduzierten chemischen Konzentrationen und mit niedrigeren Prozesstemperaturen erreicht werden konnte, was außerdem die nominelle Menge an geätztem Silicium reduziert, und somit eine kostengünstigere, bessere Durchführung einer Reinigung. Außerdem tendieren einige Chemikalien, wie Wasserstoffperoxid, dazu, stärker als deionisiertes Wasser intrinsisch kontaminiert zu werden, was die Industrie weiter dazu motivierte, verdünnte Chemien bei den Waferreinigungsbädern zu betrachten. Es wurde die direkte Injektion von reaktiven Gasen, wie Ammoniak, in Reinigungslösungen zur Präparation einer verdünnten SC-1-Reinigungslösung als ein Weg vorgeschlagen, verdünnte ultrahochreine Bäder herzustellen. Eine Injektion von reaktiven Gasen wird jedoch in der Siliciumindustrie nicht allgemein praktiziert, insbesondere beim Erstellen von konzentrierten chemischen Bädern.

Die primäre Komponente der Reinigungslösung, Wasser, dient als Medium für die Reinigungsagenzien. Wasserstoffperoxid wirkt dahingehend, alle verbliebenen organischen Verunreinigungen auf der Waferoberfläche zu oxidieren, die aufgrund einer unvollständigen Entfernung von Photoresist und außerdem aufgrund von aus der Luft stammenden Materialien und physischer Handhabung vorliegen. Ammoniak ist effektiv bei der Entfernung von Schwermetallen, wie Cadmium, Kobalt, Kupfer, Quecksilber, Nickel und Silber, indem Aminokomplexe mit diesen Spezies gebildet werden. HCl ist effektiv zur Entfernung von Aluminium, Magnesium, Eisen und leichten Alkaliionen und zur Verhinderung einer Verlagerungs-Wiederplattierung aus der Lösung.

Die RCA-Reinigung wird außerdem üblicherweise unter Bedingungen schneller Anregung ausgeführt, was sowohl Schallenergie als auch Sprudeltechniken mit inertem (nicht-reaktivem) Gas beinhaltet. Zum Beispiel wurde ein Ultraschallwandler auf der Außenseite einer Quarzwand eines Reinigungsbehälters angebracht und Ultraschallenergie wurde durch die Wand und die RCA-Reinigungsprozesslösung zu den Wafern durchgeleitet. Unter anderem fördert die Ultraschallenergie eine Blasenbildung in der Reinigungslösung selbst. Alternativ wurde Stickstoffgas als ein inertes (nicht-reaktives) Gas unter Bedingungen, die in einem RCA-Reinigungsprozess angetroffen werden, von einer externen Quelle zugeführt und durch die Ätzmittel gesprudelt, die in dem Reinigungsbehälter enthalten waren, um eine separate Form von Anregung bereitzustellen. Für diese Anwendung bedeutet ein "inertes" Gas ein Gas, das mit den Wafermaterialien, die unter Reinigungsbedingungen gereinigt werden, nicht reagiert. Das gleiche Gas kann in Abhängigkeit von den speziellen Materialien und Reinigungsbedingungen als reaktiv oder inert klassifiziert werden.

Die Effekte von Gasen auf die Nassreinigungsprozesse für Wafer waren vor der vorliegenden Erfindung nur in einer beschränkten Weise verstanden.

Normalerweise gibt es verschiedene Arten von Gasen, die in RCA-Prozessreinigungsbädern gelöst sind. Das SC-1-Bad weist zum Beispiel gelösten Sauerstoff von zersetztem Wasserstoffperoxid und irgendwelche anderen Gase auf, die in dem deionisierten Wasser (DI-Wasser) vorhanden waren. In verdünnten SC-1-Bädern dominiert der Gasgehalt des DI-Wassers die Gesamtgaskonzentrationen in dem Bad. Die in der Lösung gelöste Menge jedes Gases addiert sich zu dem Gesamtgrad an Gassättigung, der durch die Menge jedes Gases festgelegt ist, das in der Lösung gelöst ist. Wenn zum Beispiel Wasser in Gleichgewicht mit Luft ist und wenn Luft nur aus 79 Stickstoff und 21 % Sauerstoff bestand, dann beträgt der Grad an (Gesamt-)Gassättigung in dem Wasser 100 %, während Sauerstoff bei 21 % Sättigung liegt und Stickstoff bei 79 Sättigung. Somit ist Sauerstoff etwa doppelt so löslich in Wasser wie Stickstoff, so dass die molare Konzentration van gelöstem Stickstoff nur etwa doppelt so groß ist wie jene von Sauerstoff. Temperatur und Druck beeinflussen ebenfalls die Menge an Gasen, die in einer Lösung gelöst werden können. Eine höhere Temperatur oder ein niedrigerer angewendeter Druck reduzieren die Menge an Gas, die gelöst werden kann, wodurch die Erwärmung eines gasgesättigten Wassers bewirkt, dass eine gewisse Menge des gelösten Gases über Blasen ausgetrieben wird.

Zwei empirische Beobachtungen haben eine mögliche Gefahr aufgezeigt, die auftritt, wenn zu viel Gas in den Waferreinigungslösungen vorhanden ist. Erstens tendieren Gasblasen, die sich in heißem deionisiertem Wasser (aufgrund einer temperaturgesteuerten Sättigung) bilden, dazu, Defekte in Siliciumoberflächen zu verursachen. Zweitens wurde beobachtet, dass das Vorhandensein von Sauerstoff in deionisiertem Wasser ein Oberflächenätzen und demzufolge eine Aufrauung von mit Wasserstoff abgeschlossenen Siliciumoberflächen verursacht. Das heißt, es wurde beobachtet, dass Sauerstoffgas reaktiv gegenüber mit Wasserstoff abgeschlossenen Siliciumoberflächen ist, wenngleich es inert gegenüber zu reinigenden Oxidwaferoberflächen ist. In jedem Fall haben diese zwei Probleme bei einigen Waferverarbeitungen zu der Verwendung von Entgasern für das deionisierte Wasser geführt, entweder in der gesamten Anlage (d.h. überall, wo das deionisierte Wasser aufbewahrt, gehandhabt und schließlich bei der Waferreinigung verwendet wird) oder zum Zeitpunkt der Verwendung (d.h. im Reinigungsbehälter selbst).

Ein entgegengesetztes Problem ergibt sich jedoch daraus, dass die zum "Entgasen" des deionisierten Wassers verwendeten Verfahren nicht selektiv sind und nicht nur dem Wasser Sauerstoff entziehen, sondern auch dazu tendieren, eine Verarmung an jeglichem Stickstoffgasgehalt herbeizuführen. Die auf diese Weise angetroffene Stickstoffgasverarmung kann signifikant sein. Das Fluid wird in diesem Fall, in dem der Gesamtgasgehalt nur einen geringen Bruchteil der vollständigen Sättigung ausmacht, als "vakuumentgast" betrachtet.

Dieses Problem wurde jedoch bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen Zusammensetzungen des RCA-Reinigungsprozesses mit ihren relativ hohen Reinigungsfluidkonzentrationen für Wasserstoffperoxid und Ammoniak ohne Absicht vermieden, so dass wesentliche Mengen von Gas aufgrund der Zersetzung von Wasserstoffperoxid, das Sauerstoffgas (O2) erzeugt, und für SC-1, sowie aufgrund der Flüchtigkeit von Ammoniumhydroxid (der wässrigen Form von Ammoniak), das Ammoniakgas (NH3) freisetzt, intrinsisch zur Verfügung stehen. Aufgrund derartiger relativ hoher Konzentrationen von Reinigungsfluiden, die während der Reinigung Gase erzeugen, wurden die vorstehend erwähnten Nachteile, die mit der Verwendung von entgastem Wasser verknüpft sind, großteils durch die Verfügbarkeit von Gasen aus den anderen gaserzeugenden Komponenten der Reinigungszusammensetzung überlagert.

In jüngerer Zeit ist jedoch das Interesse an der Verwendung von Reinigungszusammensetzungen gewachsen, die sehr viel verdünnter als die traditionellen "RCA-Reinigungsmittel" aus 5:1:1 H2O/H2O2/NH4OH sind. Die "verdünnte Chemie" bietet den Vorteil einer beträchtlichen Verringerung chemischer Anforderungen und des Verbrauchs, wobei sie weniger aggressiv gegenüber den Wafern ist. Eine Reinigung mit "verdünnter Chemie" kann jedoch versagen, wobei nur wenige Defekte entfernt werden und gelegentlich sogar Defekte hinzugefügt werden. Vor der vorliegenden Erfindung wurde die Quelle derartiger Ausfälle, die mit verdünnten Waferreinigungschemien verknüpft waren, nicht gefunden. Frühere Versuche bei der Prozessoptimierung durch Management des Gasgehaltes waren bei der Steuerung der Menge und der Identität der in den Prozessflüssigkeiten gelösten Gase nicht erfolgreich. Tatsächlich wurde vor der vorliegenden Erfindung lediglich die Steuerung des Sauerstoffgehalts untersucht.

Ein Waferreinigungssystem, wie es in der US-Patentschrift 5427622 (Stanaslovich) beschrieben ist, erfordert die Einbringung eines Stroms von äußerst feinen Blasen in die Reinigungsflüssigkeit entweder durch Düseninjektion eines kontinuierlichen Stroms von Blasen in den Rezirkulationsbehälter, oder es werden alternativ Blasen über einen in dem Rezirkulationsbehälter platzierten aktiven Katalysator bereitgestellt, und jede dieser Maßnahmen, soweit vorhanden, stellt eine vollständige Sättigung sicher (siehe Spalte 5, Zeile 1 bis 24).

In ähnlicher Weise beschreibt die englischsprachige Zusammenfassung für JP-02-091922 eine Ultraschall-Wascheinrichtung zum Reinigen von Halbleiterwafern mit einem "Mechanismus zum Lösen von Gas in Waschwasser".

Die deutsche Patentschrift DE 4209865 offenbart die Effektivität eines auf Wasser basierenden Reinigungsmittels zur Entfernung von metallhaltigen Rückständen auf Halbleiteroberflächen, insbesondere wird ein Siliciumwafer durch Dosen von Stickstoffdioxid und/oder Oxalsäure verbessert.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Realisierung der Erfindung in der Bereitstellung einer effizienten Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen mit geringeren Niveaus von Schallleistung, geringerer Temperatur und viel geringeren Konzentrationen von Chemikalien.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Effektivität einer megasonic-unterstützten Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen bereitgestellt, das die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Reinigungslösung, die ein nicht-reaktives Gas und Wasser enthält, wobei das Gas in der Reinigungslösung nicht mit einem zu reinigenden Substrat reagiert; Steuern einer Gaskonzentration in der Reinigungslösung durch i) vakuumentgastes Wasser, das von einer Wasserversorgung erhalten wird, und ii) Wiederhinzufügen von Gas zum vakuumentgasten Wasser in geeigneten Mengen, um eine Teilsättigung der Lösung mit dem Gas derart zu bewirken, dass die Lösung bei einer Prozesstemperatur nicht in Sättigung gelangt; und Reinigen eines Substrats in der Reinigungslösung bei der Prozesstemperatur durch Induzieren von Megasonic-Energie in die Reinigungslösung, wobei die Reinigungslösung mit dem Gas bei der Prozesstemperatur teilweise gesättigt ist.

In einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, um die Effektivität einer megasonic-unterstützten Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen zu steuern, die den Schritt der Bereitstellung eines Gaskonzentrationsniveaus in einer Reinigungslösung beinhaltet, wodurch die Lösung mit dem Gas bei Prozesstemperatur teilweise gesättigt ist. Die Teilsättigung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 60 und etwa 98 % Sättigung. Für die Zwecke dieser Anmeldung ist das Gaskonzentrationsniveau (d.h. der Grad an Sättigung) die Summe der relativen Konzentrationen jedes Typs von gelöstem Gas in der Lösung bezüglich der Gleichgewichtskonzentration (oder Gassättigungskonzentration), wenn die Umgebung über der Lösung nur aus jenem Gas besteht. Es wird angenommen, dass die interessierenden Gase nicht miteinander wechselwirken und daher hinsichtlich ihrer Effekte auf die physikalische Eigenschaft "Sättigung" additiv sind. Diese Annahme basiert auf dem idealen Gasgesetz, das auf normale Prozesstemperaturen und -drücke, die bei der Reinigung von Wafern angetroffen werden, gut anwendbar ist.

Vorteilhafterweise beinhaltet die Reinigungslösung deionisiertes H2O/H2O2/NH4OH jeweils in einem Volumenverhältnis von 10:1:1 bis 1.000:2:1.

Alternativ beinhaltet die Reinigungslösung deionisiertes H2O/H2O2/HCl jeweils in einem Volumenverhältnis von 10:0:1 bis 1.000:1:1.

Die Gaskonzentration kann entweder auf dem anlagenweiten Niveau oder vorzugsweise zum Verwendungszeitpunkt gesteuert werden. Im letzteren Fall sind zwei Wasserzuführungen vorgesehen, von denen eine vakuumentgastes Wasser und die andere gasgesättigtes Wasser ist, das von erneut mit Gas versetztem Wasser stammt. Prozesswasser für eine Verwendung bei der Waferreinigung mit der gewünschten Gaskonzentration wird dann durch Mischen von Wasser von den zwei Quellen, entgastem und mit Gas versetztem, in einem geeigneten Verhältnis erhalten.

Die Ausführungsform verwendet nicht-reaktive Gase ebenso wie eine Konzentrationssteuerung von Gasen in den Reinigungsfluiden, wie deionisiertem Wasser, das in der Reinigungslösung verwendet wird, um die Reinigungseffizienz zu verbessern.

Diese Ausführungsform macht es möglich, eine effiziente Waferreinigung bei geringeren Pegeln von Megasonic-Leistung, Temperatur und Konzentrationen von Chemikalien zu erzielen, wodurch eine potentielle Schädigung von Wafern minimiert wird, während der Prozess ökonomisch günstiger gemacht wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Das Vorstehende und weitere Aufgaben, Aspekte und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verständlich, in denen: Die Figur ein Blockdiagramm eines Waferreinigungssystems mit Mitteln zur Steuerung des Gasgehalts der Waferreinigungslösungen ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Diese Erfindung basiert auf der Bereitstellung einer gesteuerten Versetzung der Waferreinigungslösungen mit Gas unter Verwendung nicht-reaktiver Gase. Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass eine Quelle der Ausfälle bei Megasonic-Nassreinigungsvorgängen, die an Halbleiterwafern durchgeführt werden, mit der Verwendung von vakuumentgastem Wasser bei der Herstellung der Reinigungslösungen korreliert ist. Außerdem haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass nicht nur zu viel, sondern auch zu wenig in der Wasserkomponente der Reinigungszusammensetzung gelöstes Gas nachteilig ist. Im Fall einer "verdünnten Chemie" wird von den vorliegenden Erfindern angenommen, dass ein Vakuumentgasen des Wassers aufgrund der sehr geringen Mengen von Gas, die von jeglichen Reinigungsfluidkomponenten verfügbar sind, welche während Reinigungsreaktionen Gas freisetzen, zu einem Ausfall führt. Als eine wichtige logische Folge wird die Identität des oder der Gase wichtig, das bzw. die in dem Wasser enthalten ist bzw. sind, schon allein deshalb, da verschiedene Gase verschiedene Löslichkeiten aufweisen, die ihrerseits unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten haben. Außerdem kann die Wahl des gelösten Gases die Reinigung auch auf andere Weisen beeinflussen.

Um eine ausgezeichnete Waferreinigungseffizienz zu erzielen, wurde entdeckt, dass diese Aufgabe erreicht werden kann, indem die Gesamtgaskonzentrationen nahe, jedoch noch unterhalb des Sättigungsniveaus in der Reinigungslösung bei der Prozesstemperatur gehalten werden und nicht-reaktive Gase mit relativ hoher Löslichkeit in der Reinigungslösung verwendet werden. Das in der Reinigungslösung aufgebaute Niveau einer Teilgassättigung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 60 %und etwa 98 % der vollständigen (100 %) Sättigung unter den gegebenen Bedingungen von Temperatur und Druck. Die Hauptvorteile dieser Vorgehensweise liegen darin, dass eine effiziente Reinigung bei geringeren Pegeln von Megasonic-Leistung, niedrigerer Temperatur und viel geringeren Konzentrationen von Chemikalien erreicht werden kann, wodurch eine potentielle Schädigung von Wafern minimiert wird, während der Prozess ökonomischer gemacht wird.

Die Figur ist ein Blockdiagramm eines Megasonic-Waferreinigungssystems 100, auf das die erfinderische Technik einer gesteuerten Versetzung der Waferreinigungslösungen mit Gas angewendet werden kann. Die Zufuhr 101 von deionisiertem (D.I.) Wasser bezeichnet die Wasserquelle für die Waferreinigungslösung. Die Wasserquelle ist nicht entgast. Das Wasser, das aus der Wasserzufuhr 101 entnommen wird, wird durch eine Vakuumentgasungsvorrichtung 102 geleitet. Die Vakuumentgasungsvorrichtung kann entweder eine Membranapparatur oder eine Turmvakuumkammer sein, die beide dafür ausgelegt sind, das in der ankommenden Wasserzufuhr gelöste Gas zu entfernen. Das entgaste Wasser wird dann zu einer Gasversetzungsvorrichtung 103 geleitet, die typischerweise eine Membranapparatur ist, in der das gewünschte gelöste Gas (z.B. Stickstoff) wieder in das Wasser eingebracht wird, so dass das gelöste Gas nahe der Sättigung ist. Unter Verwendung von Durchflussreglern 104 und 105 oder anderen proportional dosierenden Ventilen, wie einem zweiwegesteuernden Mischventil 106, werden dann der entgaste und der gasgesättigte Wasserstrom wieder in einem Verhältnis gemischt, das dem gewünschten Pegel an gelöstem Gas für das Wasser entspricht, das dem Waferreinigungsbehälter mit Megasonic-Einrichtung 107 zugeführt werden soll. Wenn zum Beispiel der Gasgehalt in dem vakuumentgasten Wasser 5 Sättigung aufwies und der Gasgehalt in dem wieder mit Gas versetzten Wasser, das die Gasversetzungseinrichtung 103 verlässt, 95 % Sättigung betrug, dann ergibt ein Gemisch, das durch Mischen des entgasten Wassers jeweils mit wieder mit Gas versetztem Wasser in einem Mischungsverhältnis von 20 %/80 gebildet wird, einen Mischwasserstrom mit einem Gasgehalt von 77 % Sättigung. Der Abzweig 108 in den Strömungsleitungen ermöglicht, dass entgastes Wasser die Gasversetzungseinrichtung 103 umgeht, wenn der Durchflussregler 104 geöffnet ist.

Es wurde festgestellt, dass die Effektivität einer Partikelentfernung von Testwafern unter Verwendung von Megasonic-Leistung und "verdünnter Chemie" stark von dem Gesamtgasgehalt und dem relativen Grad an Gassättigung in dem zugeführten deionisierten Wasser abhängig ist. Wenn das deionisierte Wasser zum Verwendungszeitpunkt vakuumentgast ist, wurde festgestellt, dass die Partikelentfernungseffizienz (von standardisierten Testwafern) von einem normalen Wert von 97 % auf etwa 50 % abnahm. Die Effizienz mit dem entgasten System konnte nicht wieder zurück auf den normalen Wert gebracht werden, selbst bei Erhöhen der Temperatur, der Prozessdauer oder des Megasonic-Leistungspegels. Die einzige korrigierende Prozedur, die funktionierte, bestand darin, die Entgasungsvorrichtung zu deaktivieren. Klarerweise ist eine substantielle Konzentration von gelöstem Gas für eine effiziente megasonic-unterstützte Reinigung von Bedeutung.

Ein übliches Testkriterium, das in der Siliciumindustrie zur Beurteilung der Effizienz eines Reinigungssystems verwendet wird, besteht darin, Wafer zu reinigen, die zuvor absichtlich mit Siliciumnitridpartikeln kontaminiert wurden. Die normale Prozedur besteht darin, die Anzahl dieser Partikel sowohl vor als auch nach der Reinigung unter Verwendung kommerziell erhältlicher Instrumente zu zählen, wie dem TENCOR-6200-Gerät. Dann kann die "Güte" der Reinigung durch die Entfernungseffizienz (RE%) quantifiziert werden, die als das Verhältnis der Anzahl von entfernten Partikeln dividiert durch die Gesamtanzahl von anfänglich auf dem Testwafer platzierten Partikeln definiert ist. Die Fähigkeit zur Entfernung von Partikeln (d.h. Defekten) von Siliciumwafern in dem SC-1-Reinigungsbad ist von den Prozessparametern abhängig, wie Temperatur, chemischen Konzentrationen und der Eintauchdauer der Wafer. Üblicherweise ist die RE% um so höher, je aggressiver das Bad ist (bei höheren Temperaturen und/oder mit einer chemischen Zusammensetzung, um einen pH-Wert zu ergeben), jedoch üblicherweise auf Kosten einer erhöhten Waferaufrauung. Die Reinigungseffizienz ist außerdem intrinsisch abhängig von der Auslegung des Reinigungsgeräts, wobei die lieferbare Megasonic-Leistung für das Bad von größter Wichtigkeit ist.

Es wurde festgestellt, dass die Verwendung von weiteren nicht-reaktiven Gasen ebenso wie die Konzentrationssteuerung von Gasen im Allgemeinen die Reinigungseffizienz steigert. Der Ausdruck "nicht-reaktives Gas" bedeutet ein Gas, das mit den zu reinigenden Materialien unter typischen Reinigungsbedingungen nicht reagiert. Somit kann das gleiche Gasmaterial in Abhängigkeit von den Umständen seiner Verwendung als reaktiv oder nicht-reaktiv eingestuft werden. Sauerstoff ist zum Beispiel ein reaktives Gas, wenn er in Kontakt mit Siliciumoberflächen ist, die mit Wasserstoff abgeschlossen sind, er wird jedoch als nicht-reaktiv eingestuft, wenn er in Kontakt mit den meisten Oxidoberflächen ist.

Nutzbare nicht-reaktive Gase beinhalten Stickstoff, Argon, Krypton und Xenon, Kohlendioxid und Distickstoffoxid (wenn ein geringfügig saurer pH-Wert beziehungsweise eine gewisse oxidierende Aktivität kein Problem sind), leichte Kohlenwasserstoffe (z.B. CH4, C2H6), leichte perfluorierte Kohlenwasserstoffe (z.B. CF4), leichte Äther (z.B. CH3OCH3) und leichte fluorierte Äther.

Die Reinigungseffizienz verschiedener gelöster Gase in einer schallbeaufschlagten Lösung, wie sie in der Ausführung der vorliegenden Erfindung angetroffen wird, ist von mehreren Faktoren abhängig:

  • (i) Erzeugung und Wachstum von Blasen mit jedem Schallzyklus;
  • (ii) Anzahl und Abmessung der erzeugten Blasen; und
  • (iii) mögliche signifikante lokale Effekte einer Erniedrigung der Oberflächenspannung und/oder eine Änderung des pH-Werts an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas.

Die Bildung von Blasen (durch Prozesse, die als Kavitation und gerichtete Diffusion bekannt sind) wird durch die zyklischen Druckänderungen bestimmt, die durch Schall in der Flüssigkeit induziert werden. Wenn der lokale Druck unter den hydrostatischen Druck abfällt, fällt die Löslichkeit von Gasen mit diesem ab. Wenn eine Nukleationsstelle, z.B. ein kleiner Partikel, vorhanden ist, wird eine lokale Übersättigung durch Bilden einer Blase gelöst, die während der zweiten Hälfte des Schallzyklus (teilweise oder vollständig) von der Flüssigkeit wieder absorbiert werden kann. Die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Blasen ist daher von der Amplitude der Druckfluktuationen, die von dem Megasonic-Gerät erzeugt werden, und folglich von der Megasonic-Leistung abhängig. Noch wichtiger ist allerdings, dass die Blasenbildung auch von Eigenschaften des Fluids abhängig ist, welche die sogenannten Kavitations- und gerichteten Diffusionsschwellwerte bestimmen. Relevante Fluideigenschaften in dieser Hinsicht umfassen:

  • (i) den relativen Grad an Sättigung des gelösten Gases (weit unter Sättigung ist es schwierig, Blasen zu erzeugen, und jene, die gebildet werden, kollabieren mehr energetisch und verursachen mit höherer Wahrscheinlichkeit eine Schädigung);
  • (ii) die absolute Löslichkeit des Gases (geringe Löslichkeit, es werden wenige Blasen erzeugt, sogar nahe Sättigung, da das verfügbare Gasvolumen gering ist; die Blasengröße, die bei der Entfernung relativ großer Partikel wichtig sein kann, ist außerdem wahrscheinlich größer, wenn das gelöste Gas löslicher ist);
  • (iii) Temperatur (höhere Temperatur, es ist leichter, Blasen zu bilden);
  • (iv) Oberflächenspannung (höhere Oberflächenspannung, es ist leichter, Blasen zu bilden); und
  • (v) Feststoffverunreinigungen (reinere Lösung, es ist schwieriger, Blasen zu bilden; man beachte, dass Lösungen, die bei der Waferreinigung verwendet werden, typischerweise eine Mikrofilterung durchlaufen).

Eine Unzulänglichkeit des Gassättigungsgrads und der Löslichkeit kann in gewissem Maß durch Verwendung einer höheren Megasonic-Leistung kompensiert werden. Auf der Basis der Erfahrung mit Ultraschallreinigung beginnt jedoch jenseits von bestimmten Leistungsgrenzen eine Schädigung der Waferoberfläche aufzutreten. In diesem Zusammenhang ist es erwähnenswert, so wird von den vorliegenden Erfindern theoretisiert, dass die Zusammensetzung des gelösten Gases zu der Menge an Energie in Beziehung steht, die in Form von Sonolumineszenz freigesetzt wird (die von dem gleichen Kavitätskollapsmechanismus erzeugt wird, von dem angenommen wird, dass er Waferoberflächen schädigt), und daher wahrscheinlich die erlaubte Grenze an Megasonic-Leistung für ein gegebenes System beeinflusst.

Eine weitere Überlegung bei der Verwendung eines hoch löslichen Gases ist jene von lokalen Fluktuationen der physikalischen Eigenschaften des Mediums an der Blasengrenzfläche. Zum Beispiel verursachen gelöste Stoffe, wie Ammoniak und Dimethyläther, große lokale Abnahmen der Oberflächenspannung, wenn die Blase reabsorbiert wird. Es wird angenommen, dass dies die Entfernung von Partikeln unterstützt. Ähnliche Effekte können mit Gasen wie CO2 und N2O Signifikanz aufweisen, die weniger löslich als Ammoniak oder Dimethyläther, jedoch viel löslicher als Sauerstoff und Stickstoff sind. Der pH-Wert der Reinigungslösung kann außerdem durch die Verwendung von basischen (Ammoniak, Methylamin etc.) und sauren (CO2 etc.) Gasen moduliert werden. Aus ökonomischen und Umweltgründen werden die meisten der vorstehend erwähnten Gase am besten in einem geschlossenen oder nahezu geschlossenen System verwendet, das einen Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre minimiert und ein Recycling der meisten Gases ermöglicht; CO2 und Edelgase (z.B. Argon) können jedoch nach Wunsch ohne Recycling verwendet werden.

Die Versetzung mit Gas kann entweder im Hauptzufuhrsystem oder zum Verwendungszeitpunkt durchgeführt werden. Die letztere Vorgehensweise bietet den Vorteil der Verwendung verschiedener Gase oder des gleichen Gases bei verschiedenen Konzentrationen für verschiedene Prozesse oder Prozessschritte, wobei gereinigtes Wasser von einer üblichen Zufuhr verwendet wird. Die Menge an in dem Wasser oder in der Reinigungslösung gelöstem Gas muss gesteuert werden, um eine optimale Megasonic-Reinigung bei minimaler Defekterzeugung sicherzustellen. Insbesondere sollte die Gaskonzentration derart sein, dass die Lösung bei (oder unterhalb) der Prozesstemperatur nicht gesättigt wird.

Da für die meisten nicht-reaktiven Gase einfache Online-Löslichkeitsmonitore nicht zur Verfügung stehen, besteht eine einfache Art und Weise, die Gaskonzentration im korrekten Bereich zu halten, darin, Wasser von zwei Zufuhrquellen zu mischen. Eine Wasserzufuhrleitung liefert vakuumentgastes Wasser, während die andere gasgesättigtes Wasser liefert. Die zwei Zufuhren werden zum Verwendungszeitpunkt gemischt. Da das Gerät, das zum Entgasen von Wasser notwendig ist, komplizierter als jenes ist, das zur Gassättigung desselben notwendig ist, besteht eine bevorzugte Prozedur darin, die zentrale Wasserzufuhr vakuumzuentgasen und eine bestimmte Menge an entgastem Wasser zum Verwendungszeitpunkt mit Gas zu sättigen. Dann können die zwei Zufuhren in jedem beliebigen Verhältnis zum Verwendungszeitpunkt gemischt werden, um jede beliebige Gaskonzentration zwischen ihren zwei Werten zu ergeben.

Ein weiterer Modus zur Herstellung von Wasser mit der gewünschten Menge an gelöstem Gas besteht in der teilweisen Entgasung oder Vakuumentgasung gefolgt von einer gesteuerten erneuten Versetzung mit Gas. Dies kann das Verfahren der Wahl sein, wenn eine kontinuierliche Überwachung der Gaskonzentration leicht ist, z.B. für Gase wie CO2 und Sauerstoff.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden nicht beschränkenden Beispiele besser verständlich.

Es wurden Experimente in einem von CFM-Technologies, Inc. hergestellten Waferreinigungsgerät mit "geschlossenem" Behälter durchgeführt, bei dem das Reinigungsbad der Umgebung vernachlässigbar ausgesetzt war. Es wurden SC-1-Reinigungsbäder mit konzentriertem Wasserstoffperoxid, konzentriertem Ammoniumhydroxid und deionisiertem (DI-)Wasser mit den in Tabelle 1 unten angegebenen Mischungsverhältnissen hergestellt. vor dem Mischen wurde das deionisierte Wasser zuerst durch eine von W.L. Gore & Associates, Inc. hergestellte Entgasungsvorrichtung geleitet. Die Entgasungsvorrichtung bestand im Grunde aus -einer gasdurchlässigen Membran, die das DI-Wasser entweder von einem angelegten Vakuum oder einer Atmosphäre von Stickstoff bei einem Druck von etwa 1 Atmosphäre trennte. Bei angelegtem Vakuum wurde die Menge an in dem DI-Wasser gelöstem Gas mit etwa 50 % Sättigung bestimmt, und der Sättigungswert betrug 100 %, wenn die Entgasungsvorrichtung stattdessen die angelegte Stickstoffatmosphäre hatte.

Der SC-1-Reinigung folgte eine Spülung mit DI-Wasser und ein Trocknungsschritt. Die Eintauchdauer der Wafer in das SC-1-Bad wurde in allen experimentellen Durchläufen, die für diese Untersuchungen durchgeführt wurden, konstant gehalten. Die SC-1-Prozessparameter und der ermittelte Grad an Sättigung von der Entgasungsvorrichtung sind zusammen mit der RE% von Siliciumnitridpartikeln von Testwafern tabellarisch aufgeführt. Die tabellarisch aufgeführten Bereiche von RE%-Werten zeigen den Bereich von Ergebnissen an, die für mehrere experimentelle Durchläufe beobachtet wurden, die für diesen Test durchgeführt wurden.

Durch Vergleich der RE% für Test 1 mit jenem von Test 2 ist ersichtlich, dass, wenn nicht genügend gelöstes Gas in der Megasonic-Reinigung vorliegt, die Fähigkeit zur Entfernung von Defekten ernsthaft gestört ist. Die Tests 3 und 4 erhärten weiter dieses Ergebnis, wobei eine aggressivere chemische Reinigung durch Verwendung von höheren Reinigungstemperaturen angewendet wurde. Im Vergleich war die "weniger aggressive" chemische Reinigung mit ausreichend gelöstem Gas wie in Test 2 dem Test 3 unter Verwendung einer "aggressiveren" chemischen Reinigung überlegen. Die Tests 5 und 6 zeigen, dass, selbst wenn die Reinigungslösungstemperatur signifikant abgesenkt wird und die chemischen Konzentrationen beträchtlich verdünnt werden, die Reinigungseffizienz weiterhin auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden kann, wenn das Niveau des gelösten Gases ausreichend für die Megasonic-Reinigung ist.

Wenngleich die vorstehenden Beispiele der Erfindung auf verdünnte wässrige Reinigungslösungen abzielen, in denen der Fokus auf der Behandlung von deionisiertem Wasser als der Hauptlösungskomponente lag, versteht es sich, dass ähnliche Betrachtungen auch gelten, wenn Wasser nicht die Hauptkomponente ist, z.B. HF-Gylcerol, Schwefelsäure-Peroxid-Gemische.

Zusammengefasst erfordert ein effizienter Reinigungsprozess von mikroelektronischen Bauelementen niedrige Pegel von Megasonic-Leistung, eine niedrigere Temperatur und viel geringere Konzentrationen von Chemikalien. Das Verfahren steuert die Effektivität einer megasonic-unterstützten Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen durch Sichern eines Gaskonzentrationsniveaus in der Reinigungslösung derart, dass die Lösung bei der Prozesstemperatur teilweise mit dem Gas gesättigt ist. Die Gaskonzentration kann entweder auf dem anlagenweiten Niveau oder vorzugsweise zum Verwendungszeitpunkt gesteuert werden. Im letzteren Fall werden zwei Wasserzuführungen bereitgestellt, eine für vakuumentgastes Wasser und die andere für gasgesättigtes Wasser. Prozesswasser mit der gewünschten Gaskonzentration wird dann durch Mischen von Wasser von den zwei Quellen in einem geeigneten Verhältnis erhalten, wobei das resultierende Gemisch dem Waferreinigungsbehälter zugeführt wird.

Wenngleich die vorstehende Erörterung hauptsächlich der Reinigung von Siliciumwafern gewidmet war, ist die Nützlichkeit dieser Erfindung nicht auf diese spezifische Anwendung beschränkt. Für viele weitere Herstellungssektoren, bei denen empfindliche Teile zu reinigen sind, z.B. ladungsgekoppelte Bauelemente, Flüssigkristallanzeigen, optische und optoelektronische Komponenten, gelten ähnliche Betrachtungen hinsichtlich Partikelentfernung und Reinigungschemie.


Anspruch[de]
Verfahren zum Steuern der Effektivität einer megasonicunterstützten Reinigung von mikroelektronischen Bauelementen, das die Schritte umfasst:

Bereitstellen einer Reinigungslösung, die eine gesteuerte Konzentration eines nicht-reaktiven Gases und Wasser enthält, wobei das Gas in der Reinigungslösung nicht mit einem zu reinigenden Substrat reagiert;

wobei die Reinigungslösung durch die Schritte erhalten wird:

i) Vakuumentgasen von Wasser, das von einer Wasserversorgung erhalten wird,

ii) Hinzufügen des nicht-reaktiven Gases zu dem vakuumentgasten Wasser, um wenigstens teilweise gasgesättigtes Wasser zu bilden, und

iii) optionales Hinzufügen von vakuumentgastem Wasser zu dem wenigstens teilweise gasgesättigten Wasser,

wodurch eine Reinigungslösung erhalten wird, die mit dem nicht-reaktiven Gas bei der gesteuerten Konzentration teilgesättigt ist, wobei diese Konzentration derart gewählt ist, dass die Reinigungslösung bei der gewählten Prozesstemperatur nicht gesättigt wird, und

Reinigen des Substrats in der teilweise gasgesättigten Reinigungslösung bei der gewählten Prozesstemperatur durch Induzieren von Megasonic-Energie in die Reinigungslösung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die teilweise Sättigung im Bereich zwischen 60 % und 98 % Sättigung liegt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reinigungslösung durch Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Wasserversorgungszufuhr erhalten wird, wobei die erste Versorgungszufuhr eine Quelle von vakuumentgastem Wasser bereitstellt und die zweite Versorgungszufuhr eine Quelle von wenigstens teilweise gasgesättigtem Wasser gemäß den Schritten i) und ii) nach Anspruch 1 bereitstellt, wobei es des Weiteren als Schritt iii) nach Anspruch 1 das Mischen von Wasser aus der ersten und der zweiten Versorgungszufuhr in einem Verhältnis beinhaltet, das effektiv ist, die erforderliche teilgesättigte Reinigungslösung zu erhalten. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das entgaste Wasser, das zur Bildung der zweiten Versorgungszufuhr verwendet wird, aus der ersten Versorgungszufuhr entnommen wird und wobei die zweite Versorgungszufuhr gasgesättigtes Wasser für Schritt iii) bereitstellt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Reinigungslösung deionisiertes H2O/H2O2/NH4OH in einem jeweiligen Volumenverhältnis von 10:1:1 bis 1.000:2:1 beinhaltet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Reinigungslösung deionisiertes H2O/H2O2/HCl in einem jeweiligen Volumenverhältnis von 10:0:1 bis 1.000:1:1 beinhaltet. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat einen Halbleiterwafer beinhaltet. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Teilsättigung 77 Sättigung beträgt. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Teilsättigung im Bereich zwischen 77 % und 98 % Sättigung liegt.






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