DE102007044787A1

DE102007044787A1 - Verfahren zum Reinigen einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE102007044787A1
Application number: DE102007044787A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr. Zapilko; Thomas Buschhardt; Diego Dr. Feijóo; Günter Schwab
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-02
Also published as: CN101393863A; TW200915405A; KR20090030204A; JP2009076908A; SG151169A1; US20090071507A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Reinigen einer Halbleiterscheibe, umfassend das Bilden eines ersten wässerigen Flüssigkeitsfilms auf einer zu reinigenden Oberfläche der Halbleiterscheibe, wobei der erste Flüssigkeitsfilm Fluorwasserstoff und Ozon enthält; das Ersetzen des ersten Flüssigkeitsfilms durch einen zweiten wässerigen Flüssigkeitsfilm, der Fluorwasserstoff und Ozon enthält, wobei die Konzentration von Fluorwasserstoff im zweiten Flüssigkeitsfilm niedriger ist als im ersten Flüssigkeitsfilm; und das Entfernen des zweiten Flüssigkeitsfilms.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Reinigen einer Halbleiterscheibe mit einer wässerigen Reinigungsflüssigkeit, die Fluorwasserstoff und Ozon enthält.
Halbleiterscheiben, die zur Herstellung von elektronischen Bauelementen benötigt werden, müssen regelmäßig von Partikeln und Metallverunreinigungen gereinigt werden. Solche Reinigungsschritte sind sowohl bei den Herstellern der elektronischen Bauelemente als auch bei deren Lieferanten, den Herstellern der Halbleiterscheiben, üblich.
Wässerige Lösungen, die Fluorwasserstoff (HF) und Ozon (O₃) enthalten, haben sich als wirksame Reinigungsmittel bewährt. In der US 5,759,971 ist ein Reinigungsverfahren beschrieben, bei dem mehrere Halbleiterscheiben gleichzeitig in ein wässeriges Bad getaucht werden, das HF in einer Konzentration zwischen 0,03 und 0,05 Gew.-% und gelöstes Ozon bis zur Sättigung enthält. Moderne Verfahren sind auf eine Einzelscheibenbehandlung hin konzipiert, unter anderem, weil damit ein geringerer Verbrauch an Reinigungsflüssigkeit möglich ist. Die Reinigungsflüssigkeit wird in einem solchen Verfahren als Flüssigkeitsfilm auf eine oder auf beide Seitenflächen der Halbleiterscheibe gebracht. In der US 7,037,842 B2 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Seitenfläche einer sich drehenden Halbleiterscheibe mit einer wässerigen Reinigungsflüssigkeit besprüht wird, die Fluorwasserstoff und Ozon enthält.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist man bestrebt, die Zykluszeiten einer Reinigung möglichst kurz zu gestalten, also einen möglichst hohen Durchsatz an Halbleiterscheiben zu erzielen. Diesem Ziel steht entgegen, dass die Reinigung in der Regel umso vollständiger ist, je länger sie dauert. Eine naheliegende Lösung des Problems könnte darin vermutet werden, die Konzentra tion der die Reinigungswirkung entfaltenden Komponenten Fluorwasserstoff und Ozon zu erhöhen. Diese Strategie hat jedoch den Nachteil, dass durch eine hohe Konzentration von Fluorwasserstoff auch die ätzende Wirkung dieser Komponente verstärkt wird, was zu einer nicht hinzunehmenden Aufrauung der gereinigten Oberfläche führt. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Weg aufzuzeigen, der kurze Zykluszeiten und eine effektive Reinigung ohne unzulässige Verstärkung der Rauhigkeit der Oberfläche erlaubt.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Reinigen einer Halbleiterscheibe, umfassend das Bilden eines ersten wässerigen Flüssigkeitsfilms auf einer zu reinigenden Oberfläche der Halbleiterscheibe, wobei der erste Flüssigkeitsfilm Fluorwasserstoff und Ozon enthält; das Ersetzen des ersten Flüssigkeitsfilms durch einen zweiten wässerigen Flüssigkeitsfilm, der Fluorwasserstoff und Ozon enthält, wobei die Konzentration von Fluorwasserstoff im zweiten Flüssigkeitsfilm niedriger ist, als im ersten Flüssigkeitsfilm; und das Entfernen des zweiten Flüssigkeitsfilms.
Die Vorteile des Verfahrens werden insbesondere im Zusammenhang mit der Reinigung von Halbleiterscheiben aus Silicium, die noch frei von Bauelementstrukturen sind, deutlich. Solche Halbleiterscheiben werden typischerweise nach einer Politur, einer Wärmebehandlung oder nach dem Abscheiden einer epitaktischen Schicht gereinigt. Durch die ätzende Wirkung der Reinigungsflüssigkeit werden COP-Defekte (crystal originated particles) und Sauerstoffpräzipitate (BMD, bulk micro defects) freigelegt. Sie werden von Streulicht-Messgeräten als Partikel detektiert und sind eine Ursache für die Zunahme der Rauhigkeit der Oberfläche. Durch die Erfindung gelingt es, diese nachteilige Wirkung einzudämmen, ohne auf eine schnelle Vollendung der Reinigung verzichten zu müssen.
Das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren, das auf dem Konzept der Einzelscheibenbehandlung mit rotierender Halbleiterscheibe beruht, umfasst zwei Reinigungsstufen, die sich in erster Linie durch die Konzentration an Fluorwasserstoff in der Reinigungsflüssigkeit unterscheiden, wobei die Konzentration in der Reinigungsflüssigkeit der ersten Stufe höher ist, als in der Reinigungsflüssigkeit der folgenden Stufe. Die erste Stufe erstreckt sich vom Bilden eines ersten Flüssigkeitsfilms auf die zu reinigende Oberfläche der Halbleiterscheibe bis zum Ersetzen des ersten Flüssigkeitsfilms durch einen zweiten Flüssigkeitsfilm. Die zweite Stufe dauert von diesem Zeitpunkt an solange, bis der zweite Flüssigkeitsfilm von der zu reinigenden Oberfläche der Halbleiterscheibe entfernt wird. Beide Stufen dauern jeweils vorzugsweise nicht länger als 60 s, besonders bevorzugt jeweils nicht länger als 30 s, so dass die erfindungsgemäße Reinigung in vorzugsweise nicht mehr als 120 s, besonders bevorzugt in nicht mehr als 60 s durchgeführt werden kann.
Der Übergang von der ersten zur zweiten Reinigungsstufe erfolgt vorzugsweise indem der erste Flüssigkeitsfilm vom zweiten Flüssigkeitsfilm verdrängt wird, und die zu reinigende Oberfläche der Halbleiterscheibe währenddessen stets von Flüssigkeit benetzt bleibt.
Die Dicke des ersten und zweiten Flüssigkeitsfilms wird über die Geschwindigkeit gesteuert, mit der die Halbleiterscheibe um eine Drehachse gedreht wird, die die Mitte der zu reinigenden Oberfläche im rechten Winkel schneidet. Die Rotationsgeschwindigkeit liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 2000 Umin^–1. Besonders bevorzugt ist der Bereich von 200 bis 500 Umin^–1. Die Geschwindigkeit der Drehbewegung während der ersten Reinigungsstufe kann unterschiedlich sein zur Geschwindigkeit der Drehbewegung während der zweiten Reinigungsstufe. Die für eine Reinigungsstufe gewählte Geschwindigkeit wird vorzugsweise während der Reinigungsstufe nicht verändert. Auf Grund der Drehbewegung der Halbleiterscheibe fließt verbrauchte Reinigungsflüssigkeit zusammen mit Partikeln und gelösten Verunreinigungen am Rand der Halbleiterscheibe ab. Der dadurch entstehende Verlust an Reinigungsflüssigkeit wird laufend ausgeglichen, indem eine entsprechende Menge frischer Flüssigkeit durch eine oder mehrere Düsen auf die zu reinigende Oberfläche der Halbleiterscheibe aufgebracht wird.
Die erste Reinigungsstufe zielt im Wesentlichen darauf ab, natürliches Oberflächenoxid und gegebenenfalls kieselsolhaltige Poliermittelrückstände mit Hilfe einer vergleichsweise hohen Konzentration an Fluorwasserstoff rasch zu lösen. Dadurch wird auch unlöslichen Partikeln die Haftungsgrundlage entzogen, so dass sie von der Oberfläche der Halbleiterscheibe fortgespült werden können. Die zweite Stufe zielt im Wesentlichen darauf ab, den Spülvorgang unter ihn fördernden Bedingungen aufrecht zu erhalten, bei gleichzeitiger Minimierung des durch Ätzen von Halbleitermaterial erzeugten Materialabtrags.
Im ersten Flüssigkeitsfilm beträgt die Konzentration von Fluorwasserstoff vorzugsweise 0,1 bis 10 Gew.-% und liegt besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 2,0 Gew.-%. Im zweiten Flüssigkeitsfilm beträgt die Konzentration von Fluorwasserstoff vorzugsweise 0,001 bis 0,1 Gew.-% und liegt besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,02 bis 0,05 Gew.-%. Die Konzentration an Ozon kann in beiden Flüssigkeitsfilmen gleich sein oder im zweiten Flüssigkeitsfilm niedriger sein als im ersten Flüssigkeitsfilm. Sie sollte jedoch in jedem Fall ausreichend hoch gewählt sein, um eine hydrophile Scheibenoberfläche zu hinterlassen. Ozon kann bereits beim Aufbringen des Flüssigkeitsfilms auf die Halbleiterscheibe in der Reinigungsflüssigkeit enthalten sein. Bevorzugt ist jedoch ein Verfahren, bei dem es durch diffusionsgetriebenen Transport aus der umgebenden Gasphase im Flüssigkeitsfilm angereichert wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der US 2002/0050279 A1 beschrieben. Dabei wird Ozon im Gemisch mit Sauerstoff in die Prozesskammer eingeleitet. Die Ozon-Konzentration in Sauerstoff beträgt vorzugsweise 3 bis 20 Gew.-%.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der erste und/oder der zweite Flüssigkeitsfilm Chlorwasserstoff (HCl) in einer Konzentration von 0,2 bis 2,0 Gew.-% enthalten. Dieser Zusatz fördert das Entfernen von metallischen Verunreinigungen wie Ionen der Metalle Kupfer, Eisen und Nickel.
Der erste und zweite Flüssigkeitsfilm haben vorzugsweise Raumtemperatur (25°C). Die Temperatur kann jedoch darunter oder darüber liegen und bis zu 95°C betragen. Die Temperatur des ersten und zweiten Flüssigkeitsfilms kann gleich oder unterschiedlich sein.
Der zweite Flüssigkeitsfilm wird vorzugsweise entfernt, indem er durch ein Spülmittel, beispielsweise Reinstwasser, ozonhaltiges Reinstwasser, SC1-Lösung oder verdünnte Salzsäure verdrängt wird. Im Anschluss daran kann die Halbleiterscheibe getrocknet werden, beispielsweise indem das Spülmittel unter Zuströmen von Stickstoff bei hoher Drehgeschwindigkeit der Halbleiterscheibe abgeschleudert wird oder indem eine als Marangoni-Trocknung bekannte Trocknungsmethode durchgeführt wird.
Beispiel:
Halbleiterscheiben aus Silicium mit einem Durchmesser von 300 mm wurden nach einer chemisch-mechanischen Politur (CMP) gereinigt. Grobe Poliermittelreste wurden zuvor mit Hilfe von Walzen entfernt. Auf der polierten Oberfläche der derartig vorbehandelten Halbleiterscheiben wurden zwischen 200 und 500 Partikel mit einer mittleren Größe von größer als 65 nm nachgewiesen. Ein Teil dieser Halbleiterscheiben wurde erfindungsgemäß einer zweistufigen Reinigung mit einer HF und O₃ enthaltenden Reini gungsflüssigkeit unterzogen. Während der ersten Reinigungsstufe wurde die polierte Oberfläche der Halbleiterscheiben in einer Vorrichtung zur Einzelscheibenbehandlung mit einer wässerigen Lösung besprüht, die Fluorwasserstoff in einer Konzentration von 0,1 Gew.-% enthielt. Der Gasraum der Vorrichtung wurde gleichzeitig mit einem Sauerstoff/Ozon-Gemisch mit 230 g Ozon/Nm³ durchströmt. Auf der polierten Oberfläche der so behandelten Halbleiterscheibe bildete sich ein Ozon enthaltender Flüssigkeitsfilm mit einer HF-Konzentration von 0,1 Gew.-%. Nach Ablauf von 30 s wurde die Halbleiterscheibe in einer zweiten Reinigungsstufe mit einer wässerigen Lösung besprüht, die Fluorwasserstoff in einer Konzentration von 0,05 Gew.-% enthielt. An der Zufuhr von Ozon wurde nichts geändert, so dass sich ein Ozon enthaltender Flüssigkeitsfilm mit einer HF-Konzentration von 0,05 Gew.-% auf der polierten Oberfläche bildete. Nach Ablauf von weiteren 30 s wurde die gereinigte Halbleiterscheibe mit Reinstwasser gespült und getrocknet. Die gesamte Reinigung (erste und zweite Reinigungsstufe) dauerte 60 s und erfolgte unter Drehen der Halbleiterscheibe mit einer konstanten Geschwindigkeit von 300 Umin^–1.
Zum Vergleich wurden Halbleiterscheiben, die wie oben angegeben vorbehandelt worden waren, in derselben Vorrichtung einer nur einstufigen Reinigung unterzogen. Die polierte Oberfläche der zu reinigenden Halbleiterscheibe wurde mit einer wässerigen Lösung besprüht, die Fluorwasserstoff in einer Konzentration von 0,05 Gew.-% enthielt. Der Gasraum der Vorrichtung wurde gleichzeitig mit einem Sauerstoff/Ozon-Gemisch mit 230 g Ozon/Nm³ durchströmt. Auf der polierten Oberfläche der so behandelten Halbleiterscheibe bildete sich ein Ozon enthaltender Flüssigkeitsfilm mit einer HF-Konzentration von 0,05 Gew.-%. Während der Reinigung wurde die Halbleiterscheibe mit einer konstanten Geschwindigkeit von 300 Umin^–1 gedreht. Nach Ablauf von 60 s wurde die gereinigte Halbleiterscheibe mit Reinstwasser gespült und getrocknet. Bei einem Teil der Halbleiterscheiben wurde die Dauer der Reinigung auf bis zu 240 s verlängert, bei einem anderen Teil die Konzentration an Fluorwasserstoff auf 0,1 Gew.-% erhöht.
Die Überprüfung der Effizienz der Reinigung ergab, dass bei den erfindungsgemäß gereinigten Halbleiterscheiben nach der Reinigung im Durchschnitt 80% weniger Partikel gefunden wurden. Mit der einstufigen Reinigung konnten im besten Fall 45% der Partikel entfernt werden. Die Verlängerung der Reinigungsdauer hatte zur Folge, dass die Anzahl der nachgewiesenen Partikel wegen Ätzeffekten anstieg, was die Effizienz der Reinigung senkte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5759971 [0003]
- US 7037842 B2 [0003]
- US 2002/0050279 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Reinigen einer Halbleiterscheibe, umfassend das Bilden eines ersten wässerigen Flüssigkeitsfilms auf einer zu reinigenden Oberfläche der Halbleiterscheibe, wobei der erste Flüssigkeitsfilm Fluorwasserstoff und Ozon enthält; das Ersetzen des ersten Flüssigkeitsfilms durch einen zweiten wässerigen Flüssigkeitsfilm, der Fluorwasserstoff und Ozon enthält, wobei die Konzentration von Fluorwasserstoff im zweiten Flüssigkeitsfilm niedriger ist, als im ersten Flüssigkeitsfilm; und das Entfernen des zweiten Flüssigkeitsfilms.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Bilden des ersten Flüssigkeitsfilms bis zum Entfernen des zweiten Flüssigkeitsfilms nicht mehr als 120 s vergehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Bilden des ersten Flüssigkeitsfilms bis zum Ersetzen des ersten Flüssigkeitsfilms durch den zweiten Flüssigkeitsfilm nicht mehr als 60 s vergehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration von Fluorwasserstoff im ersten Flüssigkeitsfilm 0,1 bis 10 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration von Fluorwasserstoff im zweiten Flüssigkeitsfilm 0,001 bis 0,1 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeitsfilm durch den zweiten Flüssigkeitsfilm ersetzt wird, indem der erste Flüssigkeitsfilm vom zweiten Flüssigkeitsfilm verdrängt wird, und die zu reinigende Oberfläche der Halbleiterscheibe währenddessen stets von Flüssigkeit benetzt bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe beim Reinigen mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 100 bis 2000 Umin^–1 gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite Flüssigkeitsfilm oder beide HCl in einer Konzentration von 0,2 bis 2,0 Gew.-% enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Flüssigkeitsfilm durch Reinstwasser, ozonhaltiges Reinstwasser, SC1-Lösung oder verdünnte Salzsäure verdrängt wird.