DE69632553T2

DE69632553T2 - Verfahren zum Entfernen partikulärer Verunreinigungen von der Oberfläche einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE69632553T2
Application number: DE69632553T
Authority: DE
Inventors: Manoj Kumar Jain
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: EP0727816B1; EP1267394A2; EP1267394A3; DE69635534D1; EP0727816A3; DE69632553D1; EP1267394B1; DE69635534T2; EP0727816A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein die Halbleiterverarbeitung und insbesondere das Entfernen teilchenförmiger Verunreinigungen von Halbleiter-Bauelementen während der Herstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Halbleiter-Bauelemente werden in Fertigungsumgebungen hergestellt, die auf dem Fachgebiet als Reinräume bekannt sind und die speziell dafür ausgelegt sind, teilchenförmige Verunreinigungen zu filtern und zu beseitigen. Die Teilchenkontrolle ist für den Erfolg der Halbleiterherstellung entscheidend und beeinflußt direkt die Bauelementausbeute, weil ein einziges "Killerteilchen", das an der Oberfläche eines Bauelements haftet, eine ganze mikroelektronische Schaltung ruinieren kann. Diese "Killerteilchen" brauchen nicht groß zu sein, sie weisen jedoch im allgemeinen eine Größe von wenigstens der Hälfte der Breite von Leiterbahnen und anderen Schaltungsmerkmalen auf. Auf diese Weise kann ein 0,2 μm messendes Teilchen, das an einer Schaltung mit 0,8 μm messenden Strukturmerkmalen haftet, kaum eine Fehlfunktion hervorrufen, während dasselbe Teilchen, das an einer Schaltung mit 0,35 μm messenden Strukturmerkmalen haftet, die Schaltung mit viel höherer Wahrscheinlichkeit zerstört.
Trotz der reinen Fertigungsumgebung müssen während des gesamten Halbleiter-Fertigungsvorgangs im allgemeinen Reinigungsschritte ausgeführt werden, um Teilchen von den Wafern oder Scheiben zu entfernen, auf denen die Schaltungen hergestellt werden. Reinigungsschritte sind besonders wichtig vor kritischen Prozessen, wie der Lithographie, und nach schon an sich unsauberen Prozessen, wie dem chemisch-mechanischen Polieren (CMP). Beispielsweise verwenden CMP-Maschinen, die typischerweise zum Planarisieren oder Glätten einer Halbleiterwafer-Oberfläche verwendet werden, einen Polierschlamm, der im allgemeinen Schleifteilchen mit einer Größe unterhalb eines Mikrometers aus einem Material, wie Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid, enthält. Hunderte bis Tausende dieser Teilchen können zusammen mit von einem Wafer selbst während des Polierens entfernten Teilchen typischerweise auf einer polierten Waferoberfläche vorgefunden werden. Diese Teilchen müssen in einem Reinigungsschritt entfernt werden, oder sie können die Bauelementausbeute drastisch beeinträchtigen.
Es sind bei der Halbleiterverarbeitung viele Reinigungsverfahren üblich, wie Säurespülungen, Spülungen mit deionisiertem Wasser oder oberflächenaktiven Lösungen, und Reinigungen mit Ultraschall, Bürsten oder einem mechanischen Schwabbeln unter Verwendung dieser Spülungen und Lösungen sowie Kombinationen von diesen. Beispielsweise ist im Blackwell am 14. Juni 1994 erteilten US-Patent US-A-5 320 706 ein Verfahren zum Entfernen von Polierschlammteilchen von einem Halbleiterwafer durch Polieren des Wafers mit einer Polierauflage offenbart, während eine Mischung von deionisiertem Wasser und einem oberflächenaktiven Mittel auf den Wafer und die Auflage aufgebracht wird. Dieses Verfahren ist anscheinend in der Lage, die Anzahl der Restteilchen auf einem 127 mm (5 Zoll) messenden Wafer auf etwa 100 Teilchen mit einer Größe von 0,5 μm und darüber zu begrenzen. Leider ändert sich der Teilchenzählwert in etwa exponentiell mit der Teilchengröße, so daß es wahrscheinlich ist, daß falls 100 0,5 μm messende Teilchen nach dem Reinigen auf einem Wafer verbleiben, auch Tausende von 0,2 μm messenden Teilchen verbleiben, die jeweils eine Schaltung mit einer Strukturmerkmalsgröße von 0,35 μm zerstören können. Bei weiter schrumpfenden Strukturmerkmalsgrößen der Schaltung sind viel wirksamere Reinigungsverfahren erforderlich, falls annehmbare Ausbeuten beibehalten werden sollen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Entfernen teilchenförmiger Verunreinigungen von einer Halbleiterwafer-Oberfläche vor. Dies ist anscheinend die erste Erfindung, die die Anzahl der 0,2 μm messenden oder größeren Teilchen auf der Oberfläche von Wafern mit einem Durchmesser von 152,4 mm (6 Zoll) für Wafer, die zunächst bis zu mehrere Tausend solcher Teilchen enthalten, wiederholt auf etwa 10 oder weniger verringern kann. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist daher ein bisher unbekanntes Niveau der Wirksamkeit der Entfernung von Teilchen, sowohl hinsichtlich des Niveaus der Teilchenentfernung als auch der Wiederholbarkeit von Wafer zu Wafer.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer Vereinfachung des Reinigungsprozesses, weil die vorliegende Erfindung große, kostspielige Reinigungsgeräte, serialisierte Reinigungsprozesse und lange Reinigungszeiten überflüssig machen kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht zumindest gemäß einer Ausführungsform darin, daß gefährliche Chemikalien aus dem Reinigungsprozeß ausgeschlossen werden, während noch eine wirksame Reinigung bereitgestellt wird.
Es wurde beispielsweise nun entdeckt, daß eine kleine Reinigungsauflage, die mit einer hohen Drehgeschwindigkeit arbeitet, übenaschenderweise weniger als einen Mikrometer messende Verunreinigungen viel wirksamer von einem Halbleiterwafer entfernen kann als andere bekannte Verfahren zur Teilchenentfernung. Wenngleich dies nicht gut verstanden wirde, wurde beispielsweise beobachtet, daß durch Schwabbeln eines 152,4 mm (6 Zoll) messenden Wafers mit einer bei etwa 200 U/min und darüber arbeitenden 114,3 mm (4,5 Zoll) messenden Auflage gleichzeitig mit einer Waferspülung unter Verwendung einer Spülflüssigkeit in der An deionisierten Wassers, Teilchen viel wirksamer entfernt werden konnten als mit derselben Auflage mit derselben Spülung bei einer niedrigeren Drehgeschwindigkeit, selbst wenn die niedrigere Drehgeschwindigkeit mit höheren Auflagendrücken oder viel längeren Reinigungszeiten kombiniert wurden. Es wird angenommen, daß der unerwartete Erfolg dieser Erfindung auf eine Erhöhung der durch die hohe Drehgeschwindigkeit der Reinigungsauflage erzielten Zentrifugalkraft über ein kritisches Niveau hinaus zurückgeführt werden kann, das zum Entfernen von Teilchen mit einer gegebenen Größe erforderlich ist.
Es wird weiterhin angenommen, daß der Erfolg einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung auch auf die hohe Drehgeschwindigkeit und die jeweilige Reinigungskonfiguration zurückgeführt werden kann, welche nicht den ganzen Wafer gleichzeitig reinigt, sondern vielmehr eine Auflage verwendet, die den Wafer während des Reinigens nur teilweise überlappt.
Es ist nicht bekannt, in welchem Maße die sich drehende Auflage den Wafer während der Reinigung physikalisch kontaktiert und in welchem Maße der Kontakt zwischen der Auflage und dem Wafer durch eine Schicht der Spülflüssigkeit dazwischen bereitgestellt wird. Hier umfassen die Begriffe Kontakt oder kontaktierend jede Kombination aus einem physikalischen und einem durch eine Fluidschicht induzierten Kontakt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Entfernen teilchenförmiger Verunreinigungen von einer Halbleiterwafer-Oberfläche vorgesehen, welches die folgenden Schritten aufweist: In-Kontakt-Bringen der Waferoberfläche mit einer Reinigungsauflage, Zuführen eines Spülfluids zumindest zu der Waferoberfläche und Drehen der Reinigungsauflage mit einer Drehgeschwindigkeit, die ausreicht, um eine Zentripetalbeschleunigung von wenigstens 24,4 m/s² (80 ft/s²) auf wenigstens einen Abschnitt der in Kontakt mit der Waferoberfläche stehenden Auflage zu bewirken. Es wird angenommen, daß die wirksamste Reinigung während eines Zeitraums auftritt, in dem die Schritte des In-Kontakt-Bringens, des Zuführens und des Drehens gleichzeitig auftreten, wenngleich das Zuführen der Spülflüssigkeit beispielsweise vor dem Kontakt zwischen dem Wafer und der Auflage beginnen kann oder fortgesetzt werden kann, nachdem der Kontakt zwischen dem Wafer und der Auflage aufgehoben wurde (d. h. die Schritte sollten einander überlappen).
Das Verfahren kann weiter das Drehen des Wafers, beispielsweise in einem Waferhalter während des Schritts des In-Kontakt-Bringens, aufweisen. Beim Schritt des In-Kontakt-Bringens können der Wafer und die Reinigungsauflage mit einem Druck von mehr als 6,8 kPa (1 lb/Zoll²) zusammengehalten werden. Wenngleich bei längeren Kontaktzeiten gewisse Vorteile beobachtet wurden, beträgt eine bevorzugte Dauer für den Kontaktschritt weniger als 20 Sekunden. Die Spülflüssigkeit kann beispielsweise deionisiertes Wasser enthalten. Die Reinigung kann zweckmäßigerweise mit CMP als Mittel zum Reinigen von Wafern durch chemisch-mechanisches Polieren kombiniert werden, um eine kontaminierte Oberfläche von einem Wafer zu entfernen und eine Reinigung durch einen Hochgeschwindigkeits-Schwabbelprozeß auszuführen, wie vorstehend beschrieben wurde.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist eine Zentripetalbeschleunigung unter den spezifizierten Bedingungen von mehr als 60,96 m/s² (200 ft/s²) vorgesehen. Eine bevorzugte Ausführungsform ist auch in der Lage, unter den spezifizierten Bedingungen eine Tangentialgeschwindigkeit von mehr als 2,1 m/s (7 ft/s) bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung kann einschließlich verschiedener Merkmale und Vorteile am besten anhand der folgenden Zeichnung verstanden werden:
1 zeigt typische Teilchenzählwerte, die nach der Waferreinigung durch fünf verschiedene Verfahren beobachtet werden,
2 zeigt eine Seitenansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung nützlichen Reinigungsvorrichtung,
3 zeigt eine Bodenansicht, in der weiter die Anordnung der Reinigungsauflage, des Wafers und des Systems zur Zufuhr von Spülfluid in der Vorrichtung aus 2 dargestellt ist,
4 enthält eine Graphik des Teilchenzählwerts in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit für mit der Vorrichtung aus 2 ausgeführte Tests,
5 enthält eine Graphik des Teilchenzählwerts in Abhängigkeit von der Zentripetalbeschleunigung des Auflagenrands für dieselben Tests,
die 6–8 zeigen einige andere Reinigungskonfigurationen, die bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung nützlich sein können, und
9 vergleicht Teilchenzählwerte für eine Reihe von Wafern nach dem Entfernen aus einem Oxidationsofen und nach dem CMP und der Reinigung gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die hier beschriebene vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen teilchenförmiger Verunreinigungen von einem Halbleiterwafer. Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf eine CMP-Reinigung beschrieben, wobei davon ausgegangen wird, daß die Erfindung vor oder nach anderen Halbleiteroperationen nützlich sein kann. Teilchenzähler nach dem Stand der Technik können gegenwärtig Teilchen, die kleiner als 0,15 bis 0,2 μm sind, nicht zuverlässig erfassen, weshalb sich alle Teilchenzählungen, die nachstehend erörtert werden, auf Teilchen beziehen, die 0,2 μm messen und größer sind. Weil es notwendig zu werden beginnt, sogar noch kleinere Teilchen zu entfernen und auch Instrumente zum Erfassen solcher Teilchen notwendig zu werden beginnen, wird erwartet, daß die hier beschriebene Erfindung zur Entfernung solcher Teilchen modifiziert werden kann (beispielsweise durch Ändern der Zentripetalbeschleunigung der Auflage und/oder der Geschwindigkeit der Auflage).
Das CMP eines Halbleiterwafers läßt im allgemeinen auf der polierten Waferoberfläche einen Schlammrest zurück, der typischerweise eine Schlammflüssigkeit und Tausende von Teilchen aufweist. Falls die Schlammflüssigkeit (oder eine Austauschflüssigkeit) von der Waferoberfläche verdampfen gelassen wird, lassen sich die anhaftenden Teilchen typischerweise viel schwerer entfernen, weshalb es vorzuziehen ist, daß der Wafer in eine geeignete Flüssigkeit oder in eine im wesentlichen gesättigte Atmosphäre eingetaucht bleibt, bis die Teilchenentfernung abgeschlossen ist, und der Wafer kann dann, beispielsweise durch Schleudern, getrocknet werden. Es wird nun auch angenommen, daß das Reinigen unmittelbar nach dem chemisch-mechanischen Polieren bei der Teilchenentfernung vorteilhaft sein kann. Die Reinigungsergebnisse für die hier erwähnten Prozesse schließen einen abschließenden Schritt einer beidseitigen Waferreinigung und eines Schleudertrocknens ein. Dieser Schritt kann auf einer Reinigungsmaschine in der Art derjenigen ausgeführt werden, die im Handel von Ontrek erhältlich ist, wobei zylindrische Reinigungsbürsten und eine Spülung mit deionisiertem Wasser zum Reinigen beider Seiten eines polierten Wafers verwendet werden.
1 zeigt typische Bereiche von Restteilchen, die nach mehreren Reinigungsprozessen (jeweils gefolgt von einer Ontrek-Reinigung) auf einem 152,4 mm (6 Zoll) messenden Wafer verbleiben. Der Prozeß A ist eine Spülung der Waferoberfläche mit deionisiertem Wasser, wobei typischerweise ein Strom eines Spülfluids etwa 30 Sekunden lang auf die Oberfläche eines rotierenden Wafers gerichtet wird. Dieser Prozeß ist sehr veränderlich, und es bleiben dabei typischerweise Hunderte von Teilchen auf dem Wafer zurück. Der Prozeß B ist ein Schwabbelschritt, der auf einer großen, sich verhältnismäßig langsam drehenden (mit weniger als 80 U/min) Auflage und einer Andruckplatte ausgeführt wird. Typischerweise wird der Auflage während des Schwabbelns ein Reinigungsfluid, wie deionisiertes Wasser oder ein oberflächenaktives Mittel, zugeführt, während die Auflage mit 30–50 U/min gedreht wird und der Wafer bei einer etwas höheren Umdrehungsgeschwindigkeit gedreht wird. Typischerweise werden Schwabbeldrücke von 20,7–41,4 kPa (3–6 psi) für 2–3 Minuten verwendet, wobei die sich ergebenden Teilchenzätilwerte typischerweise im Bereich von 35 bis 100 liegen.
Der Prozeß C ist ein Schwabbelschritt, der auf einer kleinen, sich verhältnismäßig langsam drehenden Auflage und Andruckplatte ausgeführt wird, wie er an der Reinigungsstation einer im Handel erhältlichen Strasbaugh-6DS-SP-Poliermaschine auftritt. Bei diesem Prozeß wird eine Waferdrehungsrate von etwa 15 U/min in Zusammenhang mit einer Auflagendrehungsrate von 75 U/min oder weniger und eine Zufuhr einer Spülflüssigkeit zur Waferoberfläche verwendet. Die Auflage weist einen Durchmesser von 114,3 mm (4,5 Zoll) auf, und es werden typischerweise Drücke der Reinigungsauflage von etwa 6,9 kPa (1 psi) über 2–4 Minuten verwendet, wobei die sich ergebenden Teilchenzählwerte, die typischerweise beobachtet werden, von etwa 60 bis zu einigen Hundert reichen.
Der Prozeß D ist eine Ultraschallreinigung, die beispielsweise mit einem im Handel von Verteq vertriebenen Megasonic-Ultraschallreinigungstank ausgeführt werden kann. Bei diesem Prozeß werden typischerweise ein oder mehrere Ultraschallreinigungs- und -spül-Schritte ausgeführt, um Teilchen von einer Waferoberfläche abzuheben, und es handelt sich dabei gegenwärtig um ein Reinigungsverfahren, das in der Halbleiterindustrie bevorzugt ist.
Der Prozeß E stellt eine Reinigung dar, die für die vorliegende Erfindung typisch ist. Es kann 1 entnommen werden, daß die vorliegende Erfindung im allgemeinen die von anderen Verfahren ausgeführte Reinigung verbessert, und daß sie verwendet werden kann, um praktisch alle entfernbaren Teilchen von einer Halbleiterwafer-Oberfläche zu entfernen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 2 und 3 dargestellt, wobei zwei Hauptteile der Vorrichtung, nämlich ein Waferhalter 12 und eine Reinigungsstation 14, dargestellt sind. Diese Vorrichtung stellt eine Standard-Reinigungsstation dar, wie sie mit einer Strasbaugh-6DS-SP-Poliereinrichtung geliefert wird, wobei Modifikationen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgenommen wurden. In dieser Poliereinrichtung verwendet der Waferhalter 12 ein Vakuum zum Halten des Wafers 10 während der Polier- und Reinigungsvorgänge, und er ist in der Lage, den Wafer 10 zu drehen, wie in 3 dargestellt ist. Die Reinigungsstation 14 weist an der Station 14 angebrachte Rollen 16 auf, so daß der Halter 12 während des Reinigens auf den Rollen 16 liegt und sich darauf dreht. Die Station 14 weist weiterhin ein System 18 zur Zufuhr von Spülfluid auf, welches während des Betriebs einen Strom, beispielsweise von deionisiertem Wasser, der möglicherweise andere Chemikalien enthält, auf die polierte Oberfläche des Wafers 10 richtet. Eine Reinigungsauflage 20 ist auf der Auflagen-Andruckplatte 22 montiert, die im wesentlichen parallel zur polierten Oberfläche des Wafers 10 orientiert ist. Die Auflage 20 umfaßt vorzugsweise einen Stapel mit zwei Auflagen, der eine elastische Unter-Auflage in der Art einer Suba-4-Auflage und eine obere Auflage, die typischerweise aus einer Polymermischung, wie Polytex Supreme, besteht, einschließt, welche beide von Rodel hergestellt werden. Ein Auflagenstapel, der die Andruckplatte 22 vollständig abdeckt oder sich etwas darüber hinaus erstreckt, ist bevorzugt. Die Auflagen-Andruckplatte 22 ist an einem Antriebsmechanismus 24 angebracht, der in der Lage sein muß, die Auflage unter Druck mit einer verhältnismäßig hohen Drehgeschwindigkeit zu drehen, wie hier beschrieben wird. Schließlich ist ein Eingriffsmechanismus 26 am Antriebsmechanismus 24 befestigt, um die Vertikalbewegung der Andruckplatte 22 zu steuern, wodurch ein Eingreifen und Lösen der Auflage 20 und des Wafers 10 und auch die Steuerung des Kontaktdrucks der Auflage ermöglicht werden. Typischerweise existiert zwischen der Auflage und dem Wafer, wobei sich diese nicht in Eingriff befinden, ein bestimmter Zwischenraum, wenn der Halter 12 auf den Rollen 16 ruht.
In 3 ist die vertikale Ausrichtung einiger wichtiger Bestandteile bei Betrachtung von unten dargestellt. Insbesondere sind ein 152,4 mm (6 Zoll) messender Wafer 10 und eine 114,3 mm (4,5 Zoll) messende Reinigungsauflage 20 in einer bevorzugten Anordnung dargestellt, wobei sich die ganze Auflage in Kontakt mit dem Wafer befindet und der Rand 21 der Auflage nahezu mit dem Waferrand 11 ausgerichtet ist (in dieser Figur in der 3-Uhr-Position). Die Drehrichtungen sind durch die Pfeile I und J dargestellt, wobei sich sowohl der Wafer als auch die Auflage bei dieser Ausführungsform entgegen dem Uhrzeigersinn drehen. Es kann anhand der Positionierung von 18 auch verstanden werden, daß während des Betriebs das Spülfluid, in erster Linie in dem nicht von 20 abgedeckten Bereich, auf die polierte Oberfläche von 10 gerichtet wird.
Die vom Hersteller gelieferte Reinigungsstation 14 war in der vom Hersteller gelieferten Form nicht für die Verwendung in einem Hochleistungs-Teilchenentfernungssystem, sondern vielmehr als ein System zum Entfernen von grobem Schlamm, vorgesehen. Ursprünglich war die Station 14 mit einem Antriebsmechanismus 24 ausgestattet, der aus einem kleinen Luftmotor bestand, welcher unter einem Auflagendruck von 6,9 kPa (1 psi) zu weniger als 75 U/min in der Lage war. Dieser wurde durch einen Elektromotor mit veränderlicher Geschwindigkeit ersetzt, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einem Auflagendruck von 34,5 kPa (5 psi) zu 600 U/min in der Lage war.
Mit dem vorhandenen Elektromotor mit veränderlicher Geschwindigkeit wurden Experimente mit verschiedenen Kombinationen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Auflage, des Drucks der Auflage, der Schwabbelzeit und der Spüllösung ausgeführt. Diese Experimente bestanden im allgemeinen aus einer etwa 10 Sekunden dauernden Wafervorspülung, der ein Schwabbeln über einen vorbestimmten Zeitraum folgte, dem ein Nachspülen des Wafers für 10 Sekunden folgte, wobei all diese Vorgänge bei einer Drehung des Wafers mit 15 U/min ausgeführt wurden. Nach dem Schleudertrocknen der Wafer wurden Teilchenmessungen unter Verwendung eines Surfscan-6400-Oberflächen-Scanners von Tencor Instruments ausgeführt. Der Auflagendruck wurde von etwa 6,9 kPa (1 psi) bis zu 27,6 kPa (4 psi) geändert (es wurde für eine kleine Auflage herausgefunden, daß größere Drücke den Wafer leicht brechen können). Die Auflagen-Kontaktzeiten wurden in manchen Fällen von 15 Sekunden bis zu 280 Sekunden geändert. Die Auflagen-Umdrehungsgeschwindigkeiten wurden bei jedem Experiment als 60, 75, 90, 180, 240, 400 oder 600 U/min gewählt. Die meisten Experimente wurden mit deionisiertem Wasser als Spülflüssigkeit ausgeführt, wenngleich auch Tests mit NH₄OH in einer deionisierten Wasserlösung ausgeführt wurden.
Es wurde herausgefunden, daß das Erhöhen des Auflagen-Kontaktdrucks im allgemeinen zu verringerten Teilchenvarianzen von Wafer zu Wafer für eine gegebene Auflagen-Umdrehungsgeschwindigkeit führte, es schien jedoch so, daß sich dabei nur eine geringe Verringerung des mittleren Teilchenzählwerts ergab, falls überhaupt. Es wurde auch herausgefunden, daß das Erhöhen der Auflagen-Kontaktzeit im allgemeinen zu verringerten Teilchenvarianzen von Wafer zu Wafer für eine gegebene Auflagen-Umdrehungsgeschwindigkeit führte, es schien sich dabei jedoch nur eine geringe Verringerung des mittleren Teilchenzählwerts zu ergeben, falls überhaupt. Insbesondere schienen in dem gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugten Drehgeschwindigkeitsbereich Auflagen-Kontaktzeiten mit einer Dauer von mehr als 15 Sekunden eine vernachlässigbare Wirkung auf den mittleren Teilchenzählwert nach dem Schwabbeln zu ergeben. Bei einem Schwabbeln mit einer Drehgeschwindigkeit von 75 U/min wurde für eine aus deionisiertem Wasser bestehende Spülflüssigkeit eine bessere Reinigung als für eine aus NH₄OH in deionisiertem Wasser bestehende Spülflüssigkeit beobachtet.
Wie jedoch in 4 dargestellt ist, wurden im allgemeinen bei einer hohen Drehgeschwindigkeit der Auflage sehr überraschende Ergebnisse beobachtet. 4 zeigt die durchschnittliche Teilchenanzahl je Wafer als Funktion der Auflagengeschwindigkeit, wobei n die Anzahl der durchschnittlich vorhandenen Wafer darstellt. Bei weniger als 100 U/min lagen die besten durchschnittlichen Teilchenzählwerte im Bereich von 70, wenn die Auflagengeschwindigkeit jedoch über 200 U/min erhöht wurde, wurde eine dramatische Verringerung des Teilchenzählwerts beobachtet, wobei 4 bis 6 Waferchargen durchschnittliche Teilchenzählwerte von lediglich 10 Teilchen je Wafer erreichten. Diese Ergebnisse sind besonders überraschend, wenn sie mit einem System verglichen werden, bei dem ein Schwabbeln auf einer großen Auflage mit 30–80 U/min verwendet wird. Eine große Auflage, die sich mit 80 U/min dreht, kann lineare Auflagengeschwindigkeiten am Kontaktpunkt zwischen dem Wafer und der Auflage erreichen, die mit den linearen Auflagengeschwindigkeiten vergleichbar sind, die mit der 114,3 mm (4,5 Zoll) messenden Auflage bei 200 U/min erreicht werden, es ist jedoch nicht bekannt, daß ein so großes Auflagensystem so niedrige Teilchenzählwerte wie jene erzeugt, die durch die vorliegende Erfindung erreicht werden.
Wenngleich dies nicht gut verstanden wird, wird angenommen, daß ein Hauptfaktor der gemäß der vorliegenden Erfindung beobachteten verbesserten Reinigung auf Zentrifugalkräfte zurückgeführt werden kann, die sich aus der Auflagendrehung ergeben. Große tischartige Auflagen sind typischerweise nicht in der Lage, sich mit Drehgeschwindigkeiten zu drehen, welche die Zentrifugalkraft erzeugen, welche mit einer kleinen Auflage mit einer hohen Drehgeschwindigkeit erreichbar ist. Die Zentrifugalkräfte ändern sich mit dem Quadrat der Drehgeschwindigkeit, jedoch nur linear mit dem Auflagenradius, wodurch eine Kombination aus einer kleinen Auflage und einer höheren Drehgeschwindigkeit attraktiv gemacht wird, falls gemäß der vorliegenden Erfindung tatsächlich ein Zentrifugalreinigungsmechanismus eingesetzt wird.
Weil Zentrifugalkraftberechnungen das Beschleunigen einer bekannten Masse erfordern, ist ein gleichwertiger Ausdruck, der hier zum Definieren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Zentripetalbeschleunigung für einen festen Punkt auf der Auflage selbst, wobei erkannt wird, daß sich diese Beschleunigung radial mit dem Abstand vom Drehzentrum der Auflage ändert. 5 zeigt durchschnittliche Teilchenanzahlen je Wafer in Abhängigkeit von der Zentripetalbeschleunigung in 0,3 m/s² (ft/s²) für einen Punkt auf dem Rand einer 114,3 mm (4,5 Zoll) messenden Auflage. Anhand 5 ist ersichtlich, daß für eine 114,3 mm (4,5 Zoll) messende Auflage und eine Spülfluidzufuhr von deionisiertem Wasser bei 25°C Zentripetalbeschleunigungen des Auflagenrands von 24,4 m/s² (80 ft/s²) und mehr beständig niedrige Teilchenzählwerte erzeugen, wobei die bevorzugtesten Ausführungsformen Beschleunigungen von mehr als 60,96 m/s² (200 ft/s²) erfordern. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform für 152,4 mm (6 Zoll) messende Wafer verwendet eine Suba-4/Polytex-Supreme-Auflagenstapel mit einem Durchmesser von 114,3 mm (4,5 Zoll), wie vorstehend beschrieben wurde, eine Auflagen-Kontaktzeit von 15 Sekunden bei einem Auflagendruck von in etwa 17,2 kPa (2,5 psi), eine Wafer-Drehgeschwindigkeit von 5–20 U/min, eine Auflagen-Drehgeschwindigkeit von 600 U/min (eine Auflagenrand-Zentripetalbeschleunigung von 225,6 m/s² (740 ft/s²)) und eine Spülfluidzufuhr von deionisiertem Wasser bei 25°C, das für einen Zeitraum, der sich über 10 Sekunden vor dem Auflagenkontakt und 10 Sekunden nach dem Lösen der Auflage erstreckt, auf die freigelegte Waferoberfläche gerichtet wird.
Es wird weiterhin angenommen, daß ein Faktor bei der verbesserten Reinigung, die gemäß der vorliegenden Erfindung beobachtet wird, auf die bestimmte Reinigungsanordnung zurückgeführt werden kann, bei der der Wafer direkt befeuchtet wird und der Wafer unter den Rand einer sich drehenden Auflage gerichtet wird. Dagegen bedecken große tischartige Auflagen typischerweise die ganze Waferoberfläche während der Reinigung, und sie führen nur der Auflage Spülflüssigkeit zu.
Wenngleich angenommen wird, daß die Konfiguration bei der vorliegenden Erfindung eine Rolle spielt, wurde herausgefunden, daß eine wichtige Beziehung zwischen der Auflagen-Drehgeschwindigkeit und der Reinigungswirksamkeit für eine 114,3 mm (4,5 Zoll) messende Auflage besteht. Weil die vom Wafer erfahrene Auflagengeschwindigkeit eine Funktion des radialen Abstands vom Zentrum der Auflage ist, sollten Auflagen unterschiedlicher Radien entsprechend andere Drehgeschwindigkeiten für ähnliche Reinigungsvorgänge benötigen. Eine Auflage eines gegebenen Radius, die mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit gedreht wird, kann durch eine Tangentialgeschwindigkeit am Rand der Auflage gekennzeichnet werden, von der angenommen wird, daß sie in höherem Maße in Bezug zur Reinigungswirksamkeit steht als die Auflagen-Drehgeschwindigkeit. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform für 152,4 mm (6 Zoll) messende Wafer verwendet einen Suba-4/Polytex-Supreme-Auflagenstapel mit einem Durchmesser von 114,3 mm (4,5 Zoll), wie vorstehend beschrieben wurde, eine Auflagen-Kontaktzeit von 15 Sekunden bei einem Auflagendruck von in etwa 17,2 kPa (2,5 psi), eine Wafer-Drehgeschwindigkeit von 5–20 U/min, eine Auflagen-Drehgeschwindigkeit von 600 U/min (Tangentialgeschwindigkeit des Auflagenrands von 3,7 m/s (12 ft/s)) und eine Spülfluidzufuhr von deionisiertem Wasser bei 25°C, das für einen Zeitraum, der sich über 10 Sekunden vor dem Auflagenkontakt und 10 Sekunden nach dem Lösen der Auflage erstreckt, auf die freigelegte Waferoberfläche gerichtet wird. Im allgemeinen ergaben sich bei einer längeren Auflagen-Kontaktzeit und/oder einem höheren Druck etwas bessere Ergebnisse. Die Ergebnisse für Tests mit 600 U/min sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Tabelle 1
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist die Wiederholbarkeit von Wafer zu Wafer. Viele Systeme büßen an Leistungsfähigkeit ein, nachdem die ersten paar Wafer gereinigt wurden. Ergebnisse eines Wiederholbarkeitstests für die vorliegende Erfindung sind in 9 dargestellt, wobei eine Charge von 10 152,4 mm (6 Zoll) messenden Wafern durch eine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute und betriebene Reinigungsstation seriell bearbeitet wurde. Ein 600 nm (6000 Å) messendes thermisches Oxid wurde in einem Ofen auf den 10 Wafern aufwachsen gelassen, und die Teilchen wurden nach dem Entfernen aus dem Ofen gezählt. Eine Linie G zeigt, daß die Anzahl der gemessenen Teilchen nach dem Oxidwachstum, das typischerweise als ein reiner Prozeß angesehen wird, für die 10 Wafer einen Mittelwert von 33 Teilchen und eine Standardabweichung von 18 Teilchen hat.
Die Wafer wurden nachfolgend in einer CMP-Maschine poliert, um 170 nm (1700 Å) thermisches Oxid zu entfernen, und sie wurden mit einer 15 Sekunden dauernden Reinigung bei 17,2 kPa (2,5 psi) bei einer Drehgeschwindigkeit von 600 U/min in deionisiertem Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung gereinigt, wobei der Wafer 10 Sekunden vorher und 10 Sekunden nachher gespült wurde. Die Teilchenzählwerte für die Wafer 1 bis 10 sind nach dem CMP und dem Reinigen durch eine Linie H dargestellt, wobei sich ein Mittelwert von 15 Teilchen und eine Standardabweichung von 5 Teilchen ergibt. Eine gute Reinigung wurde vom ersten bis zum letzten Wafer erhalten. Überraschenderweise waren 9 von 10 Wafern nach dem CMP und dem Reinigen gemäß der vorliegenden Erfindung sauberer als nach dem thermischen Oxidwachstum, was darauf hinweist, daß eine Kombination von CMP und einer Reinigung sowohl die Planarität als auch die Sauberkeit für Wafer nach als "rein" angesehenen Prozessen, wie einem Oxidwachstum oder einer chemischen Dampfabscheidung, verbessern kann.
Durch die Verwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung können andere Teilchenentfernungssysteme aufgebaut werden. Beispielsweise zeigt 6 ein System, bei dem eine Auflage 20, die im Durchmesser mit dem Wafer 10 vergleichbar ist, teilweise mit dem Wafer 10 überlappt werden kann, wobei beide während des Reinigens geschleudert werden. Wie in 7 dargestellt ist, kann ein solches System ermöglichen, daß das System 18 zum Zuführen von Spülflüssigkeit gleichzeitig sowohl 10 als auch 20 spült. Theoretisch kann die Auflagen-Drehgeschwindigkeit für ein solches System leicht gegenüber der verringert werden, die für ein kleineres Waferauflagesystem erwünscht ist, wobei sich eine ähnliche Funktionsweise ergibt.
7A zeigt ein System mit einer Auflage 20, deren Durchmesser weniger als halb so groß ist wie der Durchmesser des Wafers 10. Bei einem solchen System können die Auflage 20 und/oder der Wafer 10 manövriert werden, um eine Reinigung über die ganze Waferoberfläche bereitzustellen. Wie dargestellt ist, könnte die Auflage 20 beispielsweise seitlich über einen sich drehenden Wafer 10 bewegt werden, um dieses Ergebnis zu erreichen. Hierbei kann es sich um ein sehr kleines und wirksames System handeln, weil eine 40,64 mm (1,6 Zoll) messende Auflage, die sich mit 1000 U/min dreht, eine Zentripetalbeschleunigung des Auflagenrands aufweist, die mit derjenigen einer 114,3 mm (4,5 Zoll) messenden Auflage bei 600 U/min äquivalent ist. Alternativ könnten gemäß einer Ausführungsform mehrere kleine Auflagen mit einer überlappenden Bedeckung verwendet werden, wie in 7B dargestellt ist.
8 zeigt ein System mit einer Auflage 20, deren Durchmesser mehr als zweimal so groß ist wie derjenige des Wafers 10. Bei einem solchen System könnten mehrere Waferhalter verwendet werden, um gleichzeitig zwei oder mehr Wafer zu reinigen. Um jedoch in einer Entfernung von 228,6 mm (9 Zoll) vom Auflagenrand die Zentripetalbeschleunigung des Auflagenrands beispielsweise einer 114,3 mm (4,5 Zoll) messenden Auflage bei 600 U/min zu erreichen, müßte sich eine tischartige Auflagen-Andruckplatte mit 300 U/min drehen, wobei erhebliche Mengen an Spülfluid erforderlich wären. Bestehende tischartige Andruckplatten sind im allgemeinen nicht dafür ausgelegt, unter diesen Lastbedingungen zu arbeiten.
Um weiterhin die Tangentialgeschwindigkeit des Auflagenrands, beispielsweise einer 114,3 mm (4,5 Zoll) messenden Auflage bei 600 U/min, zu erreichen, müßte sich eine tischartige Auflagen-Andruckplatte mit 150 U/min drehen, wobei es wahrscheinlich erforderlich wäre, erhebliche Mengen an Spülfluid sowohl der Auflage als auch dem Wafer zuzuführen.
Andere Modifikationen dieser Ausführungsformen werden sich Fachleuten beim Lesen dieser Beschreibung ergeben. Beispielsweise könnte die Auflage über der Waferoberfläche statt unter ihr positioniert werden, oder der Wafer könnte in einer anderen Anordnung als der horizontalen Anordnung geschwabbelt werden. Die Auflage und der Wafer könnten sich auch entgegengesetzt zueinander drehen. Das Spülfluid könnte durch die Auflagen-Andruckplatte statt direkt auf die Waferoberfläche zugeführt werden oder in Verbindung mit direkt auf die Waferoberfläche zugeführtem Fluid zugeführt werden. Es können andere Mittel zum Eingreifen, Lösen und Steuern des auf die Auflage ausgeübten Drucks, einschließlich eines einfachen durch die Schwerkraft induzierten Drucks, verwendet werden. Die Viskosität des Spülfluids kann eine Wirkung auf die erforderliche Drehgeschwindigkeit haben, wobei die vorliegende Erfindung Fluide bei anderen Temperaturen als der Zimmertemperatur oder Fluide, deren Viskositäten von derjenigen von deionisiertem Wasser bei einer gegebenen Temperatur erheblich verschieden sind, einschließt. Im Prinzip könnten andere Mittel zum Erzeugen der hier erwähnten Beschleunigungen zur Teilchenentfernung entwickelt werden, bei denen ein anderer Mechanismus als eine sich drehende Auflage zum Entfernen von Teilchen verwendet wird.

Claims

Verfahren zum Entfernen teilchenförmiger Verunreinigungen von einer Halbleiterwafer-Oberfläche mit den folgenden Schritten: In-Kontakt-Bringen der Waferoberfläche mit einer Reinigungsauflage, Zuführen eines Spülfluids zumindest zu der Waferoberfläche und Drehen der Reinigungsauflage mit einer Drehgeschwindigkeit, die ausreicht, um eine Zentripetalbeschleunigung von wenigstens 24,4 m/s² (80 ft/s²) an wenigstens einem Abschnitt der in Kontakt mit der Waferoberfläche stehenden Auflage zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schritte des In-Kontakt-Bringens, des Zuführens und des Drehens weiter nach einem chemisch-mechanischen Polieren der Waferoberfläche ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit den weiteren Schritten: In-Kontakt-Bringen eines ersten Abschnitts der Waferoberfläche mit einer Reinigungsauflage, die einen Außenrand aufweist, und Zuführen eines Spülfluids zu einem zweiten Abschnitt der Waferoberfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Wafer weiter während des Schritts des In-Kontakt-Bringens gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem beim Schritt des In-Kontakt-Bringens die Waferoberfläche und die Reinigungsauflage mit einem durchschnittlichen Druck von wenigstens 6,9 kPa (1 lb/Zoll²) zusammengehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Schritt des In-Kontakt-Bringens weiter über eine Dauer von weniger als 20 Sekunden ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem beim Schritt des Zuführens ein deionisiertes Wasser enthaltendes Spülfluid zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem beim Schritt des Drehens die Reinigungsauflage so gedreht wird, daß der Betrag der Zentripetalbeschleunigung 60,96 m/s² (200 ft/s²) übersteigt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem beim Schritt des Drehens die Reinigungsauflage so gedreht wird, daß der Betrag der Tangentialgeschwindigkeit 2,1 m/s (7 ft/s) übersteigt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Spülschritt die folgenden Schritte aufweist: Spülen der Waferoberfläche mit deionisiertem Wasser und Zuführen von deionisiertem Wasser zu der Waferoberfläche und/oder der Reinigungsauflage.