DE19942282A1 - Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen - Google Patents

Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen

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Abstract

Das Reinigungsmittel für Substratoberflächen wie Kunststoff-, Metall- oder Halbleiteroberflächen enthält ein überkritisches Lösemittel wie das CO 2 , Xe, Kr, SF 6 . Dem überkritischen Lösemittel können bekannte Modifier zugesetzt werden. Das Reinigungsmittel wird vorzugsweise bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen oder anderen elektronischen Bauteilen eingesetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mittel und Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen, insbesondere Waferoberflächen.
Die Herstellung hochintegrierter Bauelemente, z. B. in 0,18 µm-Technologie, erfordert den Einsatz und die Weiterentwicklung leistungsfähiger Reinigungsverfahren zur Dekontamination der Waferoberfläche. Diese Reinigungsschritte, in verschiedenen Sequenzen zusammengefaßt, sind notwendig, um die während der Prozessierung gebildeten unerwünschten Nebenprodukte zu entfernen bzw. um Inhomogentitäten der Strukturierungsprozesse auszugleichen. Hierbei stoßen die bisher eingesetzten wäßrigen Systeme rasch an ihre Grenzen, nämlich die Systeme:
  • - verdünnte Schwefelsäure mit und/ohne Zusatz von Wasserstoffperoxid und/oder Ozon für organische Verunreinigungen;
  • - wäßrige Flußsäure zur Entfernung dünner Siliciumoxidschichten;
  • - verdünnte Ammoniak/Wasserstoffperoxidmischungen für Partikel und niedermolekulare organische Verbindungen und
  • - verdünnte Salzsäure mit/ohne Ozon oder H2O2 (Zusatz für kritische Schwermetalle).
Als Gründe sind zu nennen:
  • - mangelnde Automatisierbarkeit,
  • - Rückstände der Reinigungslösung oder sog. Waterspots auf der Waferoberfläche,
  • - relativ hoher Chemikalienverbrauch und
  • - Erfordernis eines Trocknungsschrittes mit Isopropanol, um das Wasser wieder zu verdrängen, am Ende jeder Reinigungssequenz.
Schon früh und sehr intensiv hat man sich deshalb mit alternativen Verfahren beschäftigt. Durch die Kombination von physikalischen und mechanischen Prozessen ("Brush-scrubbing, crygenic cleaning, Laser cleans") soll das Ablösen der Kontaminationen beschleunigt werden, um entweder ganz zu sog. trockenen Prozessen zu gelangen oder mit Hilfe sog. Hybridsysteme die o. g. und handlingsintensiven naßchemischen Reinigungsschritte abzulösen. Einen aktuellen Überblick der "Trends in Wafer Cleaning" findet man in Semiconductor International, August 1998 S. 64 ff.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsfähiges Mittel und Verfahren zur Reinigung von Waferoberflächen bereitzustellen.
Überraschend wurde gefunden, daß sich die geforderten Eigenschaften einer Reinigungssequenz sich auch mit Hilfe von überkritischem CO2 (oder einem anderen Gas mit ähnlichen Eigenschaften wie Kr, Xe oder SF6) bei moderaten Temperaturen in einem "Ein-Topf'-Reaktor, d. h. in einem quasi geschlossenen System darstellen lassen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Reinigungsmittel mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen.
Die Löse- bzw. Reinigungseigenschaften des überkritischen Lösemittels (überkritisches Fluid), insbesondere überkritisches CO2 (Kohlendioxid), können zu diesem Zweck zusätzlich mit Hilfe von sogenannten Modifiern angepaßt werden. Als Modifier werden eingesetzt:
SO3, H2SO4 (verdünnt oder konzentriert);
NH3, NH3 aq, (verdünnt oder konzentriert);
H2O, Alkohole, Ether, Ketone;
HCl, HCl aq (verdünnt oder konzentriert);
HF, HF aq (verdünnt oder konzentriert);
H2O2 (verdünnt oder konzentriert);
O2, Ozon.
Sie entsprechen weitestgehend, was ihre Art und Wirkung angeht, den Zusätzen von Reinigungsbädern auf wäßriger Basis.
Die Modifier werden in aller Regel mit Hilfe von Hochdruckdosierpumpen dem überkritischen Kohlendioxid beigemischt. Die Konzentrationen bewegen sich in der Regel unterhalb von jeweils 1 Gew.-%. Am Ende der Reinigung steht ein Spülschritt mit reinem CO2. Da das CO2 am Ende rückstandsfrei verdampft, entfällt die aufwendige Trocknung und der Wafer kann somit direkt die nächste Prozessierungssequenz durchlaufen.
Substratoberflächen sind Keramik-, Kunststoff-, Metall- oder Halbleiteroberflächen. Die Substratoberflächen sind in der Regel Oberflächen von Gegenständen, z. B. Scheiben, flachen Teilen, Bauteilen, insbesondere von Vorstufen zu elektronischen Bauteilen, fertigen elektronischen Bauteilen, Vor-, Zwischen- und Endprodukte bei der Halbleiterfertigung (z. B. bei der Wafer- Produktion).
Eine geeignete Apparatur für den Einsatz des Reinigungsmittels bei der Wafer- Produktion zeigt das Anlagenschema in Fig. 1.
Die zu reinigenden Wafer werden zu diesem Zweck, in der Regel als Waferpaket gehaltert, in einen Hochdruckautotklaven (1) verbracht und zunächst mit reinem CO2 gespült. Anschließend wird mittels eines Kompressors (2) der Druck auf einen vorher einzustellenden Wert erhöht, der oberhalb des kritischen Druckes von CO2 (73,825 bar) liegt. Gleichzeitig wird die Temperatur im Autoklaven mittels des Wärmetauschers (3) auf einen Wert eingestellt der sich oberhalb der kritischen Temperatur von CO2 (304,21 K) bewegt. Danach können die entsprechenden Modifier über die Dosierpumpen (4) zugeführt werden. Z. B erwies sich ein Gemisch aus verdünnter Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid in CO2 als günstig für die Entfernung von organischen Verunreinigungen, z. B. Reste von Photolacken, während eine stark verdünnte Flußsäure in CO2 dünne Oxidschichten (sogenanntes "native Oxide") samt deren eingelagerten Verunreinigungen auf der Waferoberfläche ablöst. Partikel auf der Oberfläche in Verbindung mit niedermolekularen organischen Verbindungen werden völlig analog zu wäßrigen Systemen durch ein Gemisch von Wasserstoffperoxid und Ammoniak entfernt. Schließlich und endlich können störende kritische Schwermetalle mittels Salzsäure/Wasserstoffperoxid-Zusatz zum überkritischen Solvent in Lösung gebracht werden, so daß sie sich von der Oberfläche ablösen lassen. Die Polarität des "überkritischen Reinigungsbades" kann für alle angewandten Reinigungssequenzen durch Zusatz von polaren Lösemitteln (z. B. Wasser oder Alkohole) in weiten Bereichen variiert werden. Gegen Ende jedes Reinigungsschrittes werden die günstigen Löseeigenschaften des überkritischen Solvents dazu benutzt, um den Modifier samt den abgelösten Verunreinigungen aus dem "Reinigungsbad" (Autoklav) zu verdrängen. Nach der Druckentlastung können die Wafer "trocken" (CO2 verdampft praktisch rückstandsfrei) aus dem Autoklav entnommen werden.
Die bekannten Rezepte zur Reinigung der Waferoberfläche, insbesondere die bekannten Systeme mit wäßrigem Milieu, sind mannigfaltig und lassen sich, was Art, Abmischungen und Konzentration der eingesetzten Modifier angeht, praktisch nicht mehr eingrenzen. Sie lassen sich in der Regel unter Beachtung gewisser Restriktionen (Reaktionswärmen!) analog auch in überkritischen Lösemitteln wie CO2, SF6, Kr oder Xenon einsetzen, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß nach der Entspannung des überkritischen Fluids mittels Druckregler (8) der Modifier im Abscheider (5) ausfällt und der geregelten Entsorgung (6) zugeführt werden kann. Das entspannte CO2 (7) geht ins Abgas oder kann wieder komprimiert und damit recycliert werden. (Im Schema nicht gezeigt).
Die bevorzugten Temperatur/Druckbereiche, erreichen angefangen von der kritischen Temperatur des jeweiligen Fluids max. 200°C. Für die Drücke gilt entsprechendes. Der wirtschaftlich vertretbare Bereich endet hier bei 1000 bar.
In der Regel wird man die kritischen Daten der jeweiligen Abmischungen (Überkritisches Lösemittel + Modifier) vorab in einer sogenannten Gleichgewichts- Apparatur bestimmen, um die untere Grenze der optimalen Parameter für den Reinigungsprozeß festzulegen.

Claims (7)

1. Reinigungsmittel für Substratoberflächen, enthaltend ein überkritisches Lösemittel.
2. Reinigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß CO2, Xe, Kr oder SF6 als überkritisches Lösemittel eingesetzt wird.
3. Reinigungsmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem überkritischen Lösemittel ein oder mehrere Modifier zugesetzt werden.
4. Reinigungsmittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem überkritischen Lösemittel SO3 oder H2SO4 (verdünnt oder konzentriert), NH3 oder NH3 aq, (verdünnt oder konzentriert), H2O, Alkohole, Ether, Ketone; HCl oder HCl aq (verdünnt oder konzentriert), HF oder HF aq (verdünnt oder konzentriert), H2O2 (verdünnt oder konzentriert), O2 und/oder Ozon als Modifier zugesetzt werden.
5. Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche mit einem Reinigungsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in Kontakt gebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Substratoberfläche mit dem Reinigungsmittel in einem Autoklaven bei einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur und bei einem Druck oberhalb des kritischen Druckes des in dem Reinigungsmittel enthaltenen kritischen Lösemittels erfolgt.
7. Verwendung eines Reinigungsmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Behandlung von Keramik-, Kunststoff-, Metall- oder Halbleiteroberflächen als Substratoberflächen.
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