DE10063600A1

DE10063600A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Enstellen einer vorgegebenen HF-Konzentration in einem Reinigungsbad für Wafer

Info

Publication number: DE10063600A1
Application number: DE2000163600
Authority: DE
Inventors: Ramachandran Ravikumar; Holger Krause; Marion Nichterwitz; Christiane Nitschke; Klaus Penner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen von wenigstens einem Wafer (8) mit einer wässrigen Lösung von H¶2¶SO¶4¶ und H¶2¶O¶2¶ in einem Tank für Wafer-Verarbeitung (2), wobei ein vorgegebener Anteil von HF der wässrigen Lösung in dem Tank (2) zugeführt wird und die Konzentration von HF in der wässrigen Lösung ermittelt wird. DOLLAR A Um die Konzentration von HF in einer Lösung insbesondere für die BEOL-Reinigung von Wafern automatisch einstellen zu können, wird durch eine Analyseeinheit (5) in zeitlich regelmäßigen Abständen ein Probevolumen aus dem Tank (2) entnommen, die Konzentration von HF in der wässrigen Lösung in dem Probevolumen durch eine Vergleichseinheit (9) mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis von der Vergleichseinheit (9) ein Konzentrationssignal an eine Dosierpumpe (4) für die Zufuhr von HF aus einem HF-Vorratsbehälter (3) in die wässrige Lösung oder ein Freigabesignal für die Freigabe der Reinigung von Wafern (8) mit der vorhandenen Lösung ausgegeben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen einer vorgegebenen HF-Konzentration in einem Reinigungsbad für Wafer

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Ätzen von wenigstens einem Wafer mit einer wässrigen Lö sung von H₂SO₄ und H₂O2 in einem Tank für Wafer-Verarbeitung, wobei ein vorgegebener Anteil von HF der wässrigen Lösung in dem Tank zugeführt wird und die Konzentration von HF in der wässrigen Lösung ermittelt wird.

Es ist bekannt, Wafer in Tauch- oder Sprühbädern zu ätzen, um Schichten zu entfernen oder den Wafer zu reinigen. Dabei wer den verschiedene Ätzmittel eingesetzt. Die Verwendung neuer chemischer Ätzlösungen bei der Herstellung von Wafern erfor dert eine neue Einstellung der Chemie. Insbesondere muss die Konzentration der aktiven Ätzkomponente überwacht und einge stellt werden.

Für die BEOL-Reinigung (back end of line clean, BEOL clean) von Wafern geht man neuerdings zu wässrigen Lösungen einer Mischung schwefliger Säure, Wasserstoffperoxyds und sehr ge ringer Mengen HF über, wie sie in US 5 780 363 von Delehanty et al. und in EP-A1-0 918 081 von D. L. Rath und R. Rama chandran beschrieben werden.

Die Konzentration von HF als aktiver Ätzkomponente in der Ätzlösung nach diesem Stand der Technik liegt im ppm-Bereich. Um die chemische Lösung bei dem Prozess effektiv zu nutzen, ist es notwendig, dass die aktive Komponente HF in einer ge nau vorgegebenen Konzentration vorhanden ist. Die genaue Ein haltung dieser Konzentration zu überwachen, ist jedoch schwierig. Bisher wird die Konzentration von HF überwacht, indem in regelmäßigen Zeitintervallen eine Probe aus dem Ätz bad entnommen wird und in einem eigenen Labor untersucht wird.

Das Verfahren für die Untersuchung und Einstellung der Lösung für die Verarbeitung der Wafer wird anhand von Fig. 1 be schrieben. Fig. 1 zeigt die Hauptkomponenten für das Reinigen von Wafern mit einer wässrigen Lösung in einem Wafer-Bad, bei der HF die aktive Ätzkomponente ist. In einem Vorratsbehälter 1 wird die wässrige Lösung aus Wasser, schwefliger Säure H₂SO₄ und Wasserstoffperoxyd H₂O₂, jeweils in der gewünschten Menge und Konzentration hergestellt und bereitgehalten. Die Lösung wird in einem Tank 2 für die Wafer- Verarbeitung ver wendet, wobei in dem Tank 2 außerdem eine HF-Lösung einge setzt wird, die aus einem HF-Vorratsbehälter 3 über eine Do sierpumpe 4 in den Tank 2 zugeführt wird. Die aktive Kompo nente HF kann dabei mit dieser Lösung in einem Mischbehälter gemischt werden und dann für das Wafer-Bad verwendet werden, oder HF kann direkt und separat dem Bad zugesetzt werden. Die Konzentration von HF sinkt im Verlauf der Reinigung von meh reren Wafern. Aus Gründen der Effizienz muss diese Konzentra tion aber, wie oben beschrieben, möglichst konstant gehalten werden. Die Einstellung der Konzentration von HF in der Rei nigungsflüssigkeit für den Wafer umfasst die folgenden Schritte:

1. eine Probe der Lösung aus dem Tank 2 wird für die Analy se entnommen,
2. in der Analyse wird die HF-Konzentration ermittelt,
3. der ermittelte Wert wird mit einem Vorgabewert vergli chen,
4. bei Übereinstimmung beider Werte innerhalb eines vorge gebenen Intervalls erfolgt die Verarbeitung der Wafer, anderenfalls wird HF über die Pumpe 4 nachgeführt,
5. die Probe, die für die Analyse verwendet wurde, wird entsorgt (d. h. sie wird nicht zurückgegeben und weiter für die Verarbeitung der Wafer verwendet),
6. die Schritte 1 bis 5 werden in vorgegebenen Zeitinter vallen wiederholt, z. B. alle 30 Minuten.

Dieser Vorgang ist aufwändig und zeitintensiv, das Ergebnis kann erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung in der Prozesslinie berücksichtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei dem in einem Regelkreis die Konzentration von HF in einer Lö sung insbesondere für die BEOL-Reinigung von Wafern automa tisch eingestellt wird, so dass eine Anpassung der HF- Kon zentration in großer zeitlicher Nähe zu der Verarbeitung der Wafer erfolgen kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ei ne Vorrichtung zu schaffen, mit der das genannte Verfahren durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Bevorzugte Ausfüh rungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Prozesssteuerung bei den genannten neuen wässrigen Reinigungslösungen für die BEOL-Reinigung von Wafern.

Erfindungsgemäß wird durch eine Analyseeinheit in zeitlich regelmäßigen Abständen ein Probevolumen aus dem Tank entnom men, die Konzentration von HF in der wässrigen Lösung in dem Probevolumen wird durch eine Vergleichseinheit mit einem vor gegebenen Referenzwert verglichen, und in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis wird von der Analyseeinheit ein Kon zentrationssignal an eine Dosierpumpe für die Zufuhr von HF aus einem HF-Vorratsbehälter in die wässrige Lösung oder ein Freigabesignal für die Freigabe der Reinigung von Wafern mit der vorhandenen Lösung ausgegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dementsprechend eine Analyseeinheit für die Entnahme eines Probevolumens aus dem Tank in zeitlich regelmäßigen Abständen und eine Vergleichs einheit für den Vergleich der Konzentration von HF in der wässrigen Lösung in dem Probevolumen mit einem vorgegebenen Referenzwert und für die Ausgabe eines Konzentrationssignals an eine Dosierpumpe für die Zufuhr von HF aus einem HF- Vor ratsbehälter in die wässrige Lösung in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis oder eines Freigabesignals für die Freiga be der Reinigung von Wafern mit der vorhandenen Lösung.

Insbesondere erfolgt das Ätzen des mindestens einen Wafers in einem Tauchbad bei einer Konzentration der HF-Lösung zwischen 5 und 50 ppm, vorzugsweise bei einer Temperatur im Tauchbad zwischen 20C und 60C. Bevorzugt liegt die Verweildauer des mindestens einen Wafers im Bad zwischen 10 s und 300 s, und insbesondere wird die HF-Lösung dem Tank direkt zugeführt.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ätzen jeweils eines Wa fers in einem Sprühbad bei einer Konzentration der HF- Lösung zwischen 10 und 500 ppm, insbesondere bei einer Temperatur im Sprühbad zwischen 20C und 60C.

Bevorzugt wird die HF-Lösung in einem Vorratsbehälter mit der wässrigen Lösung von H₂SO₄ und H₂O₂ vermischt und anschließend dem Tank zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet zum Reinigen von Kontaktverbindungen und zum Reinigen von geätz ten Metallbahnen (BEOL-clean).

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt schematisch den bereits beschriebenen Aufbau nach dem Stand der Technik für die Reinigung von Wafern.

Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des er findungsgemäßen Aufbaus für die Reinigung von Wafern.

Fig. 3 zeigt schematisch den Ablauf der Prozessschritte gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des er findungsgemäßen Aufbaus für die Reinigung von Wafern.

Die Einstellung von HF muss als Steuerung erfolgen, bei der die Information über die Konzentration an die Tool-Steuerung geschickt wird, um Wafer im Chemie-Tank zu verarbeiten.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Grundaufbau für die Reini gung von Wafern. Der Aufbau in Fig. 2 ist ähnlich dem, der bereits anhand von Fig. 1 beschrieben wurde. Zusätzlich zu den Komponenten aus Fig. 1 umfasst der Aufbau nach Fig. 2 ei ne automatische Analyseeinheit 5, durch die in regelmäßigen Zeitabständen von z. B. 30 Minuten ein Probevolumen aus dem Tank 2 entnommen wird. In der Analyseeinheit 5 wird die HF- Konzentration in dem Probevolumen ermittelt und als elektri scher Wert ausgegeben. Das Probevolumen wird über einen Ab fluss 7 der Analyseeinheit 5 entsorgt.

Die HF-Konzentration in dem Probevolumen wird von der Analy seeinheit 5 an eine Vergleichseinheit 9 ausgegeben, die den elektrischen Wert einliest. In der Vergleichseinheit 9 wird die Konzentration von HF in der wässrigen Lösung in dem Pro bevolumen mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen.

Diese Vergleichseinheit 9 gibt in Abhängigkeit von dem Ver gleichsergebnis von der Analyseeinheit 8 ein Konzentrations signal über eine gestrichelt dargestellte Steuerleitung 6 zwischen der HF- Analyseeinheit 8 und der Dosierpumpe 4 an die Dosierpumpe 4 aus. Die Dosierpumpe 4 führt auf das Kon zentrationssignal hin zusätzliches HF aus dem HF- Vorratsbe hälter 3 in die wässrige Lösung zu. In der gezeigten Ausfüh rungsform wird die HF-Lösung durch die Dosierpumpe 4 direkt in den Tank 2 für die Wafer- Verarbeitung gepumpt. Die HF- Lösung kann jedoch auch erst mit der wässrigen Lösung aus H₂SO₄ und H₂O₂ in dem Vorratsbehälter 1 oder in einem (nicht dargestellten) Mischventil zwischen Vorratsbehälter 1 und Tank 2 vermischt werden, wonach die Lösung in den Tank 2 ge leitet wird.

Alternativ wird durch die Vergleichseinheit 9 ein Freigabe signal ausgegeben, dass die zur Reinigung anstehenden Wafer 8 für die Reinigung freigibt, wenn sich die Konzentration von HF innerhalb des gewünschten Intervalls um den Referenzwert befindet.

Der in Fig. 2 gezeigte Aufbau ist für Tauchbadätzen ausge legt. Dabei wird die Konzentration der HF-Lösung in dem Tauchbad für die Wafer vorzugsweise zwischen 5 und 50 ppm, insbesondere zwischen 7 und 12 ppm und besonders bevorzugt zwischen 8 und 10 ppm eingestellt. Die Temperatur im Tauchbad sollte zwischen 20C und 60C liegen, um die Verweildauer des mindestens einen Wafers im Bad nicht kürzer als 10 s und nicht länger als 300 s werden zu lassen.

In Fig. 3 ist der Regelkreis schematisch dargestellt, der bei dem Tauchätzen der Vergleichseinheit 9 zugrunde liegt. Beim Füllen des Tanks 2 am Anfang (t = 0) wird die chemische Lö sung analysiert, um den Pegel der aktiven Komponente zu er mitteln. Wenn der Wert innerhalb des vorgeschriebenen Be reichs liegt, so werden die Wafer 8 mit der Lösung bearbei tet. Das Probevolumen wird immer dann entnommen, wenn ein (externer) Taktgeber das Ende eines vorgegebenen Zeitinter valls anzeigt (Zeit t < 0).

Das Verfahren lässt sich über das Tauchätzen von Wafer-Pake ten auch auf die Verarbeitung einzelner Wafer in einem Sprüh bad anwenden. Ein entsprechender Aufbau ist in Fig. 4 ge zeigt. Soweit die Komponenten in Fig. 4 denen in Fig. 2 ent sprechen, sind sie gleich wie in Fig. 2 bezeichnet und werden der Kürze halber hier nicht noch einmal erläutert. Statt eines Tanks 2 für das Tauchbadätzen wie in Fig. 2 zeigt Fig. 4 einen Sprüh-Container 10, in dem jeweils ein Wafer 8 zur Zeit verarbeitet wird und dabei auf jeder Seite mit der Ätzlösung besprüht wird. Um die Homogenität der Ätzlösung zu gewähr leisten, wird bei dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau die HF-Lö sung dem Vorratsbehälter 1 der wässrigen Lösung aus H₂SO₄ und H₂O₂ zugeführt anstatt direkt dem Sprüh-Container 10. Dadurch lässt sich der Aufbau des Sprüh-Containers 10 vereinfachen.

Dementsprechend erhält bei der Sprüh-Reinigung die HF- Analy seeinheit 5 die Probevolumen aus dem Vorratsbehälter 1.

Bei dem Ätzen eines Wafers in einem Sprühbad liegt die Kon zentration der HF-Lösung zwischen 10 und 500 ppm, wobei die Temperatur im Sprühbad wiederum zwischen 20C und 60C liegt.

Die Prozesssteuerung für das Sprühverfahren ist dieselbe wie die in Fig. 3 für die Verarbeitung von Wafern im Tank 2 ge zeigte. Bei der Implementierung des Regelkreises nach Fig. 3 kann die Wafer-Verarbeitung in einem Sprüh-Container 10 er folgen, bei dem die Kammer 10 entweder offen oder geschlossen ist (einschließlich Einzel-Wafer-Verarbeitungseinrichtun gen). Bei dem Sprüh-Container 10 erfolgt die HF-Zufuhr direkt in den Vorratsbehälter 1, in dem die anderen Chemikalien Was ser, schweflige Säure und Wasserstoffperoxyd gemischt werden. Die Probenentnahme erfolgt aus dem Vorratsbehälter 1. Der Be reich für HF bei Einzel-Wafer-Verarbeitung liegt zwischen 50 und 500 ppm. Die Hauptkomponenten der Vorrichtung für das Verarbeiten von einzelnen Wafern ist in Fig. 4 gezeigt.

Insbesondere ist das Verfahren zum Reinigen von Kontaktver bindungen und zum Reinigen von geätzten Metallbahnen (BEOL clean) geeignet.

Die Regelung der HF-Konzentration erfolgt in zeitlich sehr enger Beziehung zu der Verarbeitung der Wafer periodisch, und der Wert der HF-Konzentration wird mit Standard-Werten im Labor verglichen. Bei dem Verfahren finden Standardverfahren für die Analyse wie die im Stand der Technik allgemein be kannten Ionen- selektiven Elektroden Verwendung.

Bezugszeichenliste

1

Misch- und Vorratsbehälter für wässrige H₂

SO₄

- und H₂

O2- Lösung

2

Tank für Wafer-Verarbeitung

3

HF-Vorratsbehälter

4

Dosierpumpe für HF-Zufuhr

5

HF-Analyseeinheit

6

Steuerleitung zwischen HF-Analyseeinheit und Dosierpumpe

7

Abfluss

8

Wafer

9

Vergleichseinheit

10

Sprühbehälter für Wafer-Verarbeitung

Claims

1. Verfahren zum Ätzen von wenigstens einem Wafer (8) mit ei ner wässrigen Lösung von H₂SO₄ und H₂O₂ in einem Tank für Wa fer-Verarbeitung (2), wobei ein vorgegebener Anteil von HF der wässrigen Lösung in dem Tank (2) zugeführt wird und die Konzentration von HF in der wässrigen Lösung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Analyseeinheit (5) in zeitlich regelmäßigen Ab ständen ein Probevolumen aus dem Tank (2) entnommen wird, die Konzentration von HF in der wässrigen Lösung in dem Probevo lumen durch eine Vergleichseinheit (9) mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Ver gleichsergebnis von der Vergleichseinheit (9) ein Konzentra tionssignal an eine Dosierpumpe (4) für die Zufuhr von HF aus einem HF-Vorratsbehälter (3) in die wässrige Lösung oder ein Freigabesignal für die Freigabe der Reinigung von Wafern (8) mit der vorhandenen Lösung ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ätzen des mindes tens einen Wafers in einem Tauchbad bei einer Konzentration der HF-Lösung zwischen 5 und 50 ppm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Temperatur im Tauchbad zwischen 20C und 60C liegt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Verweildauer des mindestens einen Wafers im Bad zwischen 10s und 300 s liegt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die HF-Lösung dem Tank (2) direkt zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ätzen jeweils eines Wafers in einem Sprühbad bei einer Konzentration der HF-Lö sung zwischen 10 und 500 ppm erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Temperatur im Sprühbad zwischen 20C und 60C liegt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die HF-Lösung in einem Vorratsbehälter (3) mit der wässrigen Lösung von H₂SO₄ und H₂O₂ vermischt wird und anschließend dem Tank (2) zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ätzen des mindestens einen Wafers zum Reinigen von Kon taktverbindungen und geätzten Metallbahnen (BEOL-clean) er folgt.

10. Vorrichtung zum Ätzen von wenigstens einem Wafer (8) mit einer wässrigen Lösung von H₂SO₄ und H₂O₂ in einem Tank für Wafer-Verarbeitung (2), wobei ein vorgegebener Anteil von HF der wässrigen Lösung in dem Tank (2) zugeführt wird und die Konzentration von der HF in der wässrigen Lösung ermittelt wird, gekennzeichnet durch eine Analyseeinheit (5) für die Entnahme eines Probevolumens aus dem Tank (2) in zeitlich regelmäßigen Abständen und eine Vergleichseinheit (9) für den Vergleich der Konzentrati on von HF in der wässrigen Lösung in dem Probevolumen mit ei nem vorgegebenen Referenzwert und für die Ausgabe eines Kon zentrationssignals an eine Dosierpumpe (4) für die zufuhr von HF aus einem HF-Vorratsbehälter (3) in die wässrige Lösung in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis oder eines Freigabe signals für die Freigabe der Reinigung von Wafern (8) mit der vorhandenen Lösung.