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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Reinigung von
Halbleiter-Wafern und insbesondere Techniken zum Reinigen von Wafern
mit hydrophoben dielektrischen Oberflächen mit niedrigem K-Wert und
von metallischen Oberflächen.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Für integrierte
Schaltkreise werden dielektrische Schichten verwendet, um Leiterbahnen
auf verschiedenen Schichten einer Halbleiterstruktur zu isolieren.
Da die Schaltkreise jedoch schneller und kompakter werden, nehmen
die Abstände
zwischen den Leiterbahnen ab, was notwendigerweise zu einer erhöhten Kopplungskapazität führt. Daher
ist es zunehmend wichtig geworden, eine dielektrische Schicht zu
bilden, die geeignet ist, die Leiterbahnen gegenüber den erhöhten Kopplungskapazitäten besser
zu isolieren, die den Nachteil haben, den Arbeitsablauf des Halbleiterbauelements
zu verlangsamen.
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1A ist
eine Querschnittsansicht, die mehrere Schichten eines typischen
integrierten Schaltkreises 10 gemäß dem Stand der Technik zeigt.
Der integrierte Schaltkreis 10 umfasst ein Substrat 12,
das eine dielektrische Oxidschicht 14 trägt, die
typischerweise aus Siliziumdioxid (SiO2)
besteht. Eine typischerweise aus Aluminium (Al) hergestellte Metallschicht
wird auf die dielektrische Oxidschicht 14 aufgebracht und
durch Ätzen
in eine Vielzahl von Metallleiterbahnen 16 geteilt. Zur
Vereinfachung der Darstellung sind nur zwei Metallleiterbahnen 16 dargestellt,
jedoch ist es hinrei chend bekannt, dass viele zusätzliche
Leiterbahnen 16 verwendet werden, um die erforderlichen
Verbindungen in einer Schicht eines integrierten Schaltkreisbauelements
zu schaffen.
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Im
Allgemeinen ist die Kopplungskapazität in einem integrierten Schaltkreis
direkt proportional zur dielektrischen Konstante (K) des verwendeten
dielektrischen Materials. Die dielektrische Oxidschicht 14,
die typischerweise aus Siliziumdioxid hergestellt wird, hat eine
dielektrische Konstante von ungefähr 4,0. Da die Dichte der Leiterbahnen
und die Betriebsfrequenzen in Halbleiterbauelementen ständig steigen,
sind die Kopplungskapazitäten
zwischen den Leiterbahnen auf ein Niveau angestiegen, dass die dielektrische
Oxidschicht 14, die eine dielektrische Konstante von ungefähr 4,0 hat,
ein wenig geeigneter Isolator ist.
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1B ist
eine Querschnittsansicht, die verschiedene Schichten eines anderen
Typs eines integrierten Schaltkreises 20 gemäß dem Stand
der Technik zeigt, der eine organische dielektrische Schicht 22 aufweist.
Die organische dielektrische Schicht 22 hat typischerweise
eine dielektrische Konstante von ungefähr 1,5 bis ungefähr 3,5.
Somit ist die organische dielektrische Schicht 22 wesentlich weniger
leitfähig
als die dielektrische Oxidschicht 14 und daher besser in
der Lage, Leiterbahnen zu isolieren und die Kopplungskapazitäten zu reduzieren. Nachdem
die organische dielektrische Schicht 22 auf das Substrat 12 aufgebracht
wurde, wird eine Vielzahl von Gräben
(trenches) 24 in die organische dielektrische Schicht 22 geätzt. Dann
werden die Gräben 24 gefüllt, indem
eine Kupfer-(Cu)-Schicht 26 (oder Aluminium) auf die organische
dielektrische Schicht 22 aufgebracht wird.
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1C zeigt
den integrierten Schaltkreis 20 von 1B, nachdem
ein konventionelles chemisch-mechanisches Polierverfahren (CMP)
durchgeführt
wurde. Der CMP-Vorgang
glättet
die obere Fläche
der Kupferschicht 20 bis hinunter auf die organische dielektrische
Schicht 22 und die sich ergebenden Kupferleiterbahnen 28.
Der CMP-Vorgang hinterlässt
jedoch einen Film aus Partikeln und Metallverunreinigungen ("Verunreinigungen") 30 auf
der Oberfläche
der dielektrischen Schicht 22 und den Kupferleiterbahnen 28.
Wie in der Technik wohl bekannt ist, hat Kupfer einen niedrigeren
Widerstand als das Aluminium, das bei dem integrierten Schaltkreis 10 von 1A verwendet
wurde. Weiterhin ist bekannt, dass Kupfer gegenüber Korro sion anfälliger ist
als Aluminium, was es noch wichtiger macht, Verunreinigungen 30 von
dessen Oberfläche
zu entfernen.
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1D zeigt
eine weitere Teilansicht eines Halbleiterbauelements 40 gemäß dem Stand
der Technik, bei dem die organische dielektrische Schicht 22 durch
Aufschleudern (spin-on) oder durch chemische Gasphasenabscheidung
(CVD) aufgebracht wird. 1E zeigt
eine weitere Teilansicht eines Halbleiterbauelements 50 gemäß dem Stand
der Technik, nachdem ein Durchgangsloch 52 durch eine dielektrische
Schicht 54 bis zu einer Metallleiterbahn 56 geätzt wurde.
Bei beiden Halbleiterbauelementen 40 und 50 hinterlassen
das Spin-On bzw. die Beschichtung und das Ätzen des Durchgangsloches einen
Film aus Verunreinigungen 30.
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Bei
dem integrierten Schaltkreis 10 von 1A ist
es möglich,
sämtliche
Partikel zu entfernen, indem beispielsweise einfach die Oberfläche der
dielektrischen Oxidschicht 14 mit wässrigen Lösungen aus beispielsweise deionisiertem
Wasser oder aus deionisiertem Wasser und Säure/Base besprüht wird.
Wie gut bekannt ist, ist das Entfernen von Partikeln von der Oberfläche eines
Dielektrikums des Siliziumdioxid-Typs
ziemlich unkompliziert, da diese Art von Material im Wesentlichen
hydrophil ist. Das heißt,
wenn die Reinigungsflüssigkeiten
auf die Oberfläche
eines hydrophilen Materials aufgebracht werden, benetzen die Flüssigkeiten
tatsächlich
die gesamte Oberfläche.
Um die Reinigung weiter zu vereinfachen, wird bei einigen Reinigungsverfahren eine
spezielle Bürste
aus Polyvinylalkohol (PVA) (d.h. ein sehr weicher Schwamm) verwendet,
um zum Entfernen der Partikel unter Verwendung von deionisiertem
Wasser und/oder Säure/Base
beizutragen. Die Partikel werden dann von der Oberfläche der
dielektrischen Siliziumoxidschicht entfernt, indem sie weggespült werden.
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Unglücklicherweise
funktioniert dieses konventionelle Verfahren zum Reinigen der Halbleiter-Wafer
nicht bei Halbleiterbauelementen, die dielektrische Polymere mit
niedrigem K-Wert umfassen, wie beispielsweise die organische dielektrische Schicht 22.
Organische dielektrische Materialien sind hydrophob, daher werden
die Reinigungsflüssigkeiten
von der Oberfläche
der organischen Materialien abgestoßen. Wie bekannt ist, kann
ein Kontaktwinkel eines Wassertropfens, der direkten Kontakt mit einem
bestimmten Material hat, gemessen werden, um den Grad der Abstoßung zu
ermitteln.
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Darüber hinaus
sind organische dielektrische Materialien chemisch inert, was sie
daran hindert, mit chemischen Reagenzien zu reagieren und hydrophobe
Oberflächen
in hydrophile Oberflächen umzuwandeln,
während
die Hauptmasse des Materials unberührt bleibt. Da Standardreinigungsflüssigkeiten
nicht in der Lage sind, mit den hydrophoben organischen dielektrischen
Materialien ausreichend in Kontakt zu kommen, würde das Schruppen der Halbleiter-Wafer
mit einer Bürste
nur noch mehr Partikel auf die Oberfläche der Wafer bringen. Die
Anwendung von Schrupptechniken auf hydrophoben organischen Oberflächen verschlimmert
das Problem der Verunreinigung durch Partikel daher nur noch weiter.
Wie allgemein bekannt ist, können
einige hydrophobe organische Oberflächen unter Verwendung von organischen
Lösungsmitteln
gereinigt werden. Jedoch sind derartige organische Lösungsmittel
oft hochgiftig und teurer als Wasser. Wenn die toxischen organischen
Lösungsmittel
verwendet werden, ist darüber
hinaus eine weitaus aufwändigere
Ausrüstung
erforderlich, um die Reinigungsvorgänge durchzuführen. Das
Bürstenmaterial
PVA verträgt
sich im Allgemeinen nicht mit organischen Lösungsmitteln. Als Ergebnis
hiervon ist eine Reinigung unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln überaus unerwünscht.
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Angesichts
der vorstehenden Ausführungen ist
es wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen von Partikeln und/oder
Metallverunreinigungen von hydrophoben organischen dielektrischen
Schichten zu schaffen, bei denen wässrige Lösungen verwendet werden, ohne
die Oberfläche
des integrierten Schaltkreises zu beschädigen.
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WO-A-9713590
offenbart ein Verfahren zum Reinigen einer dielektrischen Oberfläche eines
Halbleiters, bei dem der Reinigungsvorgang durch Aufbringen von
deionisiertem Wasser und einer ersten Lösung auf die dielektrische
Oberfläche
beginnt, die Reinigung dann durch Aufbringen von deionisiertem Wasser
und einer zweiten Lösung
auf die dielektrische Oberfläche
fortgesetzt, und das Halbleitersubstrat danach einem Spinspülvorgang
unterzogen wird, um die restliche aufgebrachte Lösung zu sammen mit restlichen
Verunreinigungen von der dielektrischen Oberfläche zu entfernen.
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FR-A-2722511
betrifft ein ähnliches
Reinigungsverfahren und offenbart die Verwendung von oberflächenaktiven
Lösungen
sowohl beim ersten als auch beim zweiten Aufbringschritt des Verfahrens.
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US-A-5478436
offenbart die Verwendung eines oberflächenaktiven Mittels in einer
Reinigungslösung
für dielektrische
Oberflächen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen
einer dielektrischen Polymeroberfläche mit niedrigem K-Wert eines
Halbleitersubstrats nach Anspruch 1, wobei dessen bevorzugte Merkmale
in den Unteransprüchen
2 bis 22 aufgeführt
sind.
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Es
sollte zur Kenntnis genommen werden, dass die vorliegende Erfindung
auf zahlreiche Arten durchgeführt
werden kann. Mehrere erfinderische Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden nachstehend beschrieben.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung startet die Reinigung mit dem Aufbringen der
benetzbaren Behandlungsschicht, dessen Ziel die Entfernung von Partikeln
und/oder Metallverunreinigungen von der gesamten dielektrischen
Polymeroberfläche
mit niedrigem K-Wert ist. Um die Reinigung fortzusetzen, werden
deionisiertes Wasser und eine Tensid-Lösung auf die dielektrische
Polymeroberfläche
mit niedrigem K-Wert aufgebracht. Es folgt dann ein Spinspülen des
Halbleitersubstrats, um sämtliche
Rückstände der
aufgebrachten Lösung
der Tensid-Rezeptur oder der Tensid-Lösung zu entfernen, wobei die
restlichen Verunreinigungen durch Partikel und/oder Metallverunreinigungen
von der gesamten dielektrischen Polymeroberfläche mit niedrigem K-Wert entfernt
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren das Aufbringen
einer ersten Mischung aus deionisiertem Wasser und einer Lösung einer
Tensid-Rezeptur auf die organische dielektrische Oberfläche und
das anschließende
Schruppen der organischen dielektrischen Oberfläche. Eine zweite Mi schung aus
deionisiertem Wasser und einer Tensid-Lösung wird dann auf die dielektrische
Oberfläche
aufgebracht, und es folgt ein Schruppvorgang, um die Reinigung fortzusetzen.
Dann folgt ein Spinspülen
des Substrats unter Verwendung von deionisiertem Wasser, um das Entfernen
von sämtlichen
Verunreinigungen von der organischen dielektrischen Oberfläche zu vervollständigen.
Falls erforderlich, kann die Tensid-Lösung mit einem chemischen Verstärker vermischt
werden, und das Schruppen kann in einem Bürstensystem durchgeführt werden.
Das Bürstensystem
ist so ausgebildet, dass das DI-Wasser unter Verwendung der TTB-Technik
(durch die Bürste)
aufgebracht wird. In dieser Ausführungsform
kann die Tensid-Lösung
entweder unter Verwendung einer Tropf-Technik oder sogar unter Verwendung
der TTB-Technik aufgebracht werden.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie für die zeitweilige
Benetzung der Oberflächen
sorgt, um eine exzellente Reinigungsmöglichkeit zu erzielen.
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Für die vorliegende
Erfindung wird eine Vorrichtung zum Reinigen einer organischen dielektrischen
Oberfläche
eines Halbleiter-Wafers verwendet. Die Vorrichtung umfasst eine
erste Reinigungsstufe zum Aufbringen einer ersten Mischung aus deionisiertem
Wasser und einer Lösung
einer Tensid-Rezeptur auf die dielektrische Oberfläche. Die erste
Reinigungsstufe umfasst ein erstes Bürstensystem zum Schruppen der
dielektrischen Oberfläche
unter Verwendung der ersten Mischung. Die Vorrichtung umfasst eine
zweite Reinigungsstufe zum Aufbringen einer zweiten Mischung aus
deionisiertem Wasser und einer Tensid-Lösung auf die dielektrische
Oberfläche.
Die zweite Reinigungsstufe umfasst ein zweites Bürstensystem zum Schruppen der organischen
Oberfläche
unter Verwendung der zweiten Mischung. Nachdem die zweite Reinigungsstufe abgeschlossen
ist, wird ein Spinspülbecken
verwendet, um den Wafer unter Verwendung von deionisiertem Wasser
zu spülen,
um die Entfernung von sämtlichen
Verunreinigungen von der dielektrischen Oberfläche abzuschließen.
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Da
es sich bei der Herstellung von Halbleitern um eine sehr hohe Genauigkeit
erfordernde Technologie handelt, ist es extrem wichtig, in allen Phasen
der Fabrikation saubere Oberflächen
aufrecht zu erhalten. Hydrophobe dielektrische Schichten sind bekannt
dafür,
dass sie während
und nach Bearbeitungsvorgängen,
wie der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), dem Ätzen von
Durchgangslöchern
und dem chemisch-mechanischen Polieren (CMP), große Mengen
von mikroskopischen Partikeln und/oder Metallverunreinigungen anreichern.
Es ist daher außerordentlich
wichtig, die verunreinigenden Partikel zu entfernen, und das nicht nur,
um ein Halbleiterbauelement zu fertigen, das seinen beabsichtigen
Eigenschaften entspricht. Weiterhin ermöglichen die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, abgesehen von anderen geeigneten Techniken,
auch die Verwendung von Reinigungstechnologien, die auf der Schrupp-Technik
basieren, um hydrophobe Schichten mit niedrigem K-Wert zu reinigen.
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Andere
Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten
Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, die in beispielhafter
Weise die Prinzipien der Erfindung darstellen, hervor.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgende genaue Beschreibung
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen leicht verstanden. Um diese Beschreibung zu vereinfachen,
sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1A ist
eine Querschnittsansicht, die mehrere Schichten eines typischen
integrierten Schaltkreises gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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1B ist
eine Querschnittsansicht, die verschiedene Schichten eines anderen
Typs eines integrierten Schaltkreises gemäß dem Stand der Technik zeigt,
der eine organische dielektrische Schicht umfasst;
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1C zeigt
den integrierten Schaltkreis von 1B, nachdem
ein konventioneller CMP-Vorgang durchgeführt wurde;
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1D zeigt
eine weitere Teilansicht eines Halbleiterbauelements gemäß dem Stand
der Technik, bei dem die organische dielektrische Schicht durch
Spin-on oder durch CVD aufgebracht wurde;
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1E zeigt
eine weitere Teilansicht eines Halbleiterbauelements gemäß dem Stand
der Technik, nachdem ein Durchgangsloch durch eine dielektrische
Schicht bis zu einer Metallleiterbahn geätzt wurde;
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2A zeigt
eine Wafer-Reinigungsstation, die für die vorliegende Erfindung
zweckmäßig ist
und die auf automatische Weise durch eine Reinigungs-Steuerungsstation
gesteuert wird;
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2B ist
eine genauere schematische Ansicht der beispielhaften Wafer-Reinigungsstation:
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2C ist
eine genaue Ansicht des Reinigungsverfahrens, das im ersten Reinigungsschritt gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;
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2D zeigt
die Anwendungstechnik für
die Chemikalien, die sowohl beim ersten Reinigungsschritt als auch
beim zweiten Reinigungsschritt angewendet wird;
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2E ist
eine genaue Ansicht des Reinigungsverfahrens, das im zweiten Reinigungsschritt gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird ;
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3A zeigt
eine genauere Querschnittsansicht eines verunreinigten Halbleiter-Wafers beim Beginn
der Reinigung mit Tensid-Lösungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3B ist
eine genauere Ansicht der verunreinigten Oberfläche der dielektrischen Polymerschicht
mit niedrigem K-Wert;
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3C zeigt
den Halbleiter-Wafer, der im Wesentlichen frei von Verunreinigungen
durch Partikel und aufgebrachte Reinigungslösungen ist;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Reinigen eines Wafers
mit einer hydrophoben Oberfläche
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist
ein genaueres Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Reinigen eines
Wafers mit einer hydrophoben Oberfläche gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Genaue Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Es
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von dielektrischen
Materialien mit niedrigem K-Wert und metallischen Materialien auf Wafern
offenbart. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezielle
Einzelheiten beschrieben, um ein umfassendes Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
Es ist für
einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass die vorliegende
Erfindung auch ohne einige oder alle diese speziellen Einzelheiten
ausgeführt
werden kann. Weiterhin wurden in anderen Fällen hinreichend bekannte Verfahrensschritte
nicht im Einzelnen beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht
in unnötiger
Weise undeutlich zu machen.
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2A zeigt
eine Wafer-Reinigungsstation 100, die für die vorliegende Erfindung
zweckmäßig ist und
die auf automatische Weise durch eine Reinigungs-Steuerungsstation 102 gesteuert
wird. Die Wafer-Reinigungsstation 100 umfasst eine Beladestation 104,
eine Reinigungsstufe 106, eine Spin-, Spül- und Trockenstation
(SRD-Station) 108 und eine Entladestation 110.
Wie nachstehend beschrieben werden wird, werden die Reinigungstechniken
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise bei Raumtemperatur durchgeführt, was
die Ausstattung der Reinigungsstation 100 deutlich vereinfacht.
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Gemäß einem
groben Überblick
des Reinigungsverfahrens wird die Beladestation 104 zunächst mit
verunreinigten Halbleiter-Wafern bestückt. Die Beladestation 104 befördert dann
einen Wafer (jeweils einen nach dem anderen) zu der Reinigungsstufe 106,
in der eine dielektrische hydrophobe Oberfläche mit niedrigem K-Wert des Wafers
konditioniert wird, um Partikel und/oder Metallverunreinigungen von
der Oberfläche
effektiv entfernen zu können.
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In
einer Ausführungsform
ist die Reinigungsstufe 106 vorzugsweise in eine erste
Reinigungsstufe 106a und eine zweite Reinigungsstufe 106b unterteilt,
obwohl das Arbeiten mit nur einer Reinigungsstufe 106 ebenfalls
möglich
ist. Das Vorhandensein von zwei Reinigungsstufen 106a und 106b ermöglicht es
der Reinigungsstation 100, zwei Arten von Reinigungs-/Behandlungslösungen auf
den Wafer aufzubringen. Vorzugsweise verbringt jeder Wafer während eines
Reinigungszyklus' ungefähr 30 Sekunden
bis ungefähr
45 Sekunden, am besten jedoch ungefähr 35 Sekunden in jeder der
Reinigungsstufen 106a und 106b. Nachdem der Wafer
die Reinigungsstufe 106 passiert hat, wird er durch einen
Ausgangs-Sprühstrahl
geleitet, um die Reinigungs-/Behandlungslösungen und sämtliche
Verunreinigungen zu entfernen. Der Spinspülschritt wird durchgeführt, um
das endgültige
Entfernen von restlichen Verunreinigungen durch Partikel und von
Reinigungs-/Behandlungslösungen
zu ermöglichen.
Danach wird der Wafer in der SRD-Station 108 getrocknet.
Schließlich wird
der Wafer der Entladestation 110 zugeführt und dort gelagert.
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2B zeigt
eine genauere Ansicht der beispielhaften Wafer-Reinigungsstation 100.
Sowohl die Beladestation 104 als auch die Entladestation 110 sind
vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Kassette, die eine Anzahl
von Wafern enthält,
aufnehmen können.
Die erste und die zweite Reinigungsstufe 106a und 106b umfassen
vorzugsweise einen Satz PVA-Bürsten 120,
die sehr weich und porös sind.
Daher sind die Bürsten 120 in
der Lage, den Wafer sauber zu schruppen, ohne die empfindliche Oberfläche zu beschädigen. Da
die Bürsten 120 porös sind,
können
sie außerdem
als Leitung für
Flüssigkeiten
dienen, die auf die Waferoberfläche
aufgebracht werden sollen.
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2C zeigt
eine genaue Ansicht des Reinigungsverfahrens, das in der ersten
Reinigungsstufe 106a gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. In der ersten Reinigungsstufe 106a wird
ein Wafer 130 zwischen einer oberen Bürste 120a und einer
unteren Bürste 120b platziert.
Der Wafer 130 kann rotiert werden, um es den Bürsten 120a und 120b zu
ermöglichen,
die gesamte Oberfläche
des Wafers 130 in geeigneter Weise zu reinigen. Unter gewissen
Um ständen
ist es erforderlich, auch die Unterseite des Wafers zu reinigen,
da die Verunreinigungen von der Unterseite auf die Oberseite wandern
könnten.
Obwohl sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des Wafers mit
den Bürsten 120 geschruppt
werden, ist die Oberseite, die mit der oberen Bürste 120a geschruppt
wird, das wichtigste Ziel für
die Reinigung, da die Oberseite diejenige Seite ist, auf der die
integrierten Schaltkreisbauelemente gefertigt werden.
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Während des
Reinigens fördert
eine Wasserquelle 126 für
beide Bürsten 120a und 120b deionisiertes
(DI) Wasser durch die Bürste
(TTB) mit einer Zuflussmenge von ungefähr 200 bis ungefähr 1000 ml/min,
vorzugsweise ungefähr
500 ml/min, auf den Wafer 130. Eine Tropfvorrichtung 122 für Chemikalien
ist über
der oberen Bürste 120a angeordnet,
um es einem Behandlungsarm 122a zu ermöglichen, eine Lösung 124a einer
oberflächenaktiven
(Tensid-) Rezeptur auf die obere Bürste 120a aufzutropfen.
Die Lösung
der Tensid-Rezeptur 124a wird vorzugsweise mit einer Durchflussrate
von ungefähr
150 bis ungefähr
250 ml/min aufgetropft. In einer alternativen Ausführungsform
können
die Chemikalien anders als bei der Tropfenzufuhr durch die Bürste (TTB)
zugeführt werden.
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2D zeigt
die Anwendungstechnik für
die Chemikalien, die sowohl in der ersten Reinigungsstufe 106a als
auch in der zweiten Reinigungsstufe 106b angewendet wird.
In der ersten Reinigungsstufe 106a mischt sich die Lösung 124a der
Tensid-Rezeptur,
nachdem sie auf die obere Bürste 120a aufgetropft
worden ist, mit dem von der Wasserquelle 126 zugeführten deionisierten
Wasser. Die obere Bürste 120a wird
dann auf den Wafer 130 abgesenkt, um den Wafer 130 zu
schruppen und zu reinigen. Die Reinigungslösung besteht daher aus einer
Kombination aus der aufgetropften Lösung 124a der Tensid-Rezeptur
und dem durch die Bürste
(TTB) zugeführten
deionisierten Wasser.
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Die
Lösung 124a der
Tensid-Rezeptur enthält
vorzugsweise ein Tensid und einen chemischen Verstärker, wie
beispielsweise Citronensäure
mit der in Tabelle A genannten chemischen Formel. Andere organische
Säuren,
wie Äpfelsäure und
Essigsäure sind
ebenfalls geeignet. Alternativ kann der chemische Verstärker auch
eine Base sein, beispielsweise Ammoniak (NH4OH)
oder eine Mischung aus Citronensäure
und Ammoniak. Andere alternative Beispiele für einen chemischen Verstärker aus Ammoniak
umfassen beispielsweise eine organische Base wie ein Alkylammoniumhydroxid.
Beispiele für
ein Alkylammoniumhydroxid können
Tetramethylammoniumhydroxid oder Tetrabutylammoniumhydroxid umfassen.
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In
einer Ausführungsform
wird der chemische Verstärker
verwendet, um eine elektrische Ladung der oberen Bürste 120a,
der hydrophoben Oberfläche
des Wafers 130 und der verunreinigenden Partikel, die auch
als Zetapotential bezeichnet wird, zu kontrollieren. Die Kontrolle
der elektrischen Ladung ist erforderlich, damit eine Ladung mit
dem gleichen elektrischen Vorzeichen (positiv oder negativ) an der
Bürste,
der Waferoberfläche
und den Partikeln anliegt. Wenn es sich bei dem chemischen Verstärker um
eine Säure
handelt, kommt es im Allgemeinen zu einer Abnahme des pH-Wertes
und zu einer Zunahme des Zetapotentials. Wenn es sich bei dem chemischen
Verstärker
um eine Base handelt, kommt es zu einer Zunahme des pH-Wertes und
zu einer Abnahme des Zetapotentials. Die Ladung trägt zur Reinigung
des Wafers 130 bei, da die verunreinigenden Partikel von
der Oberfläche
des Wafers 130 abgestoßen
werden. Die Ladung hält
auch die obere Bürste 120a sauber,
da die verunreinigenden Partikel von der Bürste 120a abgewiesen
werden und somit eine Belastung der Bürste (d.h. eine Anreicherung von
Verunreinigungen in der Bürste)
verhindert wird. Eine Mischung aus Citronensäure und Ammoniak wird verwendet,
um sowohl das Zetapotential als auch den pH-Wert zu kontrollieren.
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Das
Tensid ist vorzugsweise ein nichtionisches oder ein anionisches
Tensid und umfasst besonders bevorzugt aromatische Ringe (im Fall
von Anwendungen für
organische Dielektrika mit niedrigem K-Wert). Weiterhin sollte die
als Tensid gewählte Chemikalie
nach dem Beenden des Reinigungsvorganges von der Waferoberfläche leicht
abgespült werden
können.
Eine als Beispiel genannte Firma, die Tenside mit diesen Eigenschaften
herstellt, ist Valtech Corporation aus Pughtown, Pennsylvania. Die
Produktkennungen von Valtech für
die Tenside lauten beispielsweise SP 2275 und DP 93001. In einer
Ausführungsform
beträgt
die Konzentration des Tensids der Lösung 124a der Tensid-Rezeptur
(die sowohl das Tensid als auch den chemischen Verstärker enthält) vorzugsweise
ungefähr
0,1 Vol.-% bis ungefähr
1 Vol.-%.
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Bei
den hier beschriebenen Konzentrationen wird angenommen, dass die
Konzentration der von Valtech erworbenen Tensid-Lösung 100
Vol.-% beträgt,
jedoch können
viele andere Zulieferer Tensid-Lösungen
mit anderen Konzentrationen anbieten. Um die bevorzugten Konzentrationen
zu erreichen, kann daher eine unterschiedliche Verdünnung mit deionisiertem
Wasser erfolgen.
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Wenn
Citronensäure
als chemischer Verstärker
verwendet wird, sollte die Citronensäure vorzugsweise eine Konzentration
von ungefähr
0,1 Gew.-% bis ungefähr
5 Gew.-% der Lösung 124a der
Tensid-Rezeptur haben. Wenn Ammoniak verwendet wird, sollte sie
vorzugsweise eine Konzentration von ungefähr 0,02 Gew.-% bis ungefähr 5 Gew.-%
der Lösung 124a der
Tensid-Rezeptur haben. Die Lösung 124a der
Tensid-Rezeptur wird daher mit DI-Wasser vermischt, um den erwünschten
Konzentrationsgrad zu erhalten. Bevor der Wafer 130 aus
der ersten Reinigungsstufe 106a entfernt wird, wird er
durch die Bürste
(TTB) leicht mit DI-Wasser gespült,
um die Lösung
der Tensid-Rezeptur und/oder Partikel und Metallverunreinigungen
zu entfernen.
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2E zeigt
eine genaue Ansicht des Reinigungsverfahrens, das in der zweiten
Reinigungsstufe 106b gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Nachdem der Wafer 130 die
erste Reinigungsstufe 106a durchlaufen hat, wird er zu
der zweiten Reinigungsstufe 106b transportiert. Der Wafer 130 wird
erneut zwischen einer oberen Bürste 120a und
einer unteren Bürste 120b platziert.
Der Wafer 130 kann rotiert werden, um es den Bürsten 120a und 120b zu
ermöglichen, die
gesamte Oberfläche
des Wafers 130 zu reinigen. Eine Wasserquelle 126 kann
ebenfalls DI-Wasser für beide
Bürsten 120a und 120b durch
die Bürste
(TTB) liefern.
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Eine
Tropfvorrichtung 122 für
Chemikalien ist über
der oberen Bürste 120a angeordnet,
um es einem Behandlungsarm 122a zu ermöglichen, eine Tensid-Lösung 124b auf
die obere Bürste 120a und den
Wafer 130 aufzutropfen. Anders als die Lösung 124a der
Tensid-Rezeptur enthält
die Tensid-Lösung 124b Tensid
in einer Konzentration von vorzugsweise ungefähr 0,1 Vol.-% bis ungefähr 1 Vol.-%
und keinen chemischen Verstärker.
Die obere Bürste 120a wird
dann auf den Wafer 130 abgesenkt, um den Wafer 130 unter
Verwendung der Kombination aus Tensid-Lösung 124b und deionisiertem
Wasser zu schruppen und zu reinigen, wie in 2D dargestellt ist.
Wie bereits in der ersten Reinigungsstufe 106a, wird das
deionisierte Wasser mit einer Zuflussmenge von ungefähr 200 bis
ungefähr
1000 ml/min, vorzugsweise ungefähr
500 ml/min, aufgebracht.
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Wenn
die erste Reinigungsstufe 106a nicht den gewünschten
Erfolg beim Entfernen der Verunreinigungen von der Oberfläche des
Wafers hatte, kann die zweite Reinigungsstufe 106b alternativ auch
so gestaltet sein, dass sie mit dem chemischen Verstärker arbeitet.
Wenn der chemische Verstärker in
der zweiten Reinigungsstufe 106b hinzugefügt wird,
wird die Tensid-Lösung 124b (von 2E)
im Wesentlichen durch die Lösung 124a der
Tensid-Rezeptur (von 2C) ersetzt. Wenn mit der ersten Reinigungsstufe 106a eine
ausreichende Reinigung des zu reinigenden Materials erreicht wird,
ist es weiterhin sogar möglich,
dass die zweite Reinigungsstufe 106b nicht erforderlich
ist.
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Als
noch weitere Möglichkeit
kann die Reinigung von einigen Arten von Oberflächen nicht einmal die Anwendung
des chemischen Verstärkers
in der ersten Reinigungsstufe oder in der zweiten Reinigungsstufe
erfordern. In solchen Fällen
wird nur die Tensid-Lösung
sowohl in der ersten Reinigungsstufe als auch in der zweiten Reinigungsstufe
aufgebracht. Wenn dies der Fall ist, kann es eventuell nicht einmal einen
Bedarf an zwei Reinigungsstufen geben, und es wird nur ein einziger
Schritt zum Aufbringen der Tensid-Lösung benötigt.
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3A zeigt
eine genauere Querschnittsansicht eines verunreinigten Halbleiter-Wafers 130' zu Beginn der
Reinigung mit Tensid-Lösungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Wafer 130' umfasst ein Substrat 132 mit
einer über
dem Substrat 132 ausgebildeten dielektrischen Polymerschicht 134 mit
niedri gem K-Wert. Die dielektrische Polymerschicht 134 mit
niedrigem K-Wert (beispielsweise ein organisches Material) ist weitaus weniger
leitfähig
als Schichten, die aus Siliziumdioxid hergestellt sind. Die dielektrische
Polymerschicht 134 mit niedrigem K-Wert hat typischerweise eine dielektrische
Konstante mit Werten von ungefähr
1,5 bis ungefähr
3,5.
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Während die
dielektrische Polymerschicht 134 mit niedrigem K-Wert ein
weitaus besserer Isolator als dielektrische Materialien aus Siliziumdioxid
ist und die Kopplungskapazität
zwischen den Metallleiterbahnen 135 stark reduziert, ist
es unglücklicherweise
weitaus schwieriger, sie zu reinigen und Partikel und/oder Metallverunreinigungen 138 von
der Oberfläche
der dielektrischen Polymerschicht 134 mit niedrigem K-Wert zu entfernen,
da sie hydrophob ist. Wie aus der Technik gut bekannt ist, kann
ein Kontaktwinkel zwischen einem Wassertropfen und der Oberfläche eines
Materials gemessen werden, um zu ermitteln, ob das Material hydrophob
oder hydrophil ist. Typischerweise zeigt ein Kontaktwinkel von ungefähr 20° oder darüber im Allgemeinen
an, dass das Material hydrophob ist. Folglich sind normales Wasser
und andere wässrige
Reinigungsflüssigkeiten
nicht in der Lage, die Oberfläche
zu benetzen und verunreinigende Partikel 138 wegzuspülen, da sie
abgestoßen
werden und auf der Oberfläche
der dielektrischen Polymerschicht 134 mit niedrigem K-Wert
Tropfen bilden.
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Wie
oben erwähnt
wurde, umfasst das Reinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung
die Verwendung von Reinigungslösungen,
die Tenside enthalten. Tensid-Moleküle 136 sind amphiphil,
enthalten sowohl hydrophobe als auch hydrophile Gruppen (beispielsweise
eine hydrophile Gruppe 136a und eine hydrophobe Gruppe 136b).
Somit wird die hydrophobe Gruppe 136b des Tensid-Moleküls 136 in Richtung
auf eine hydrophobe Oberfläche
gezogen. 3B ist eine schematische Darstellung
eines Tensid-Moleküls über der
verunreinigten Oberfläche
der dielektrischen Polymerschicht 134 mit niedrigem K-Wert.
Wenn ein Tensid auf den Wafer aufgebracht wird, zieht die hydrophobe
Gruppe 136b das Tensid-Molekül 136 mit der dielektrischen
Polymerschicht 134 mit niedrigem K-Wert an.
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Gleichzeitig
zieht die hydrophile Gruppe 136a des Tensid-Moleküls 136 deionisiertes
Wasser und andere Reinigungsflüssigkeiten
an, um eine Benetzung der Oberfläche der
dielektrischen Polymerschicht 134 mit niedrigem K-Wert
zu ermöglichen.
Da die Oberfläche
jetzt benetzt wird, sind die oberen und unteren Bürsten 120a und 120b nun
in der Lage, die Partikel und Metallverunreinigungen 138 abzulösen und
sie in die Reinigungsflüssigkeiten
zu befördern, indem
sie die dielektrische Polymerschicht 134 mit niedrigem
K-Wert schruppen. Alle restlichen verunreinigenden Partikel 138 und
die Tensid-Moleküle 136 können dann
mit DI-Wasser weggespült
werden (beispielsweise in der Spin-, Spül- und Trockenstation 108),
so dass ein Wafer 130' hinterlassen
wird, der im Wesentlichen frei von verunreinigenden Partikeln 138 und
von aufgebrachten Reinigungslösungen
ist, wie in 3C gezeigt ist.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren 200 zum Reinigen
eines Wafers mit einer hydrophoben Oberfläche gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren 200 startet
bei Schritt 202, in dem ein Substrat bereitgestellt wird,
das beispielsweise jeder beliebige Typ eines Halbleiter-Wafers sein
kann. In Verfahrensschritt 204 wird eine hydrophobe Schicht über dem Substrat
aufgebracht. Die hydrophobe Schicht ist als Isolierung für die Metallleiterbahnen
im Substrat vorgesehen und besteht vorzugsweise aus einem dielektrischen
Polymermaterial mit niedrigem K-Wert (d.h. aus organischem dielektrischen
Material). Deionisiertes Wasser und eine Lösung einer Tensid-Rezeptur
werden auf die hydrophobe Schicht aufgebracht, um in Schritt 206 eine
benetzbare Behandlungsschicht zu bilden. Die Lösung der Tensid-Rezeptur umfasst
vorzugsweise ein Tensid und einen chemischen Verstärker. Mit
der benetzbaren Behandlungsschicht beginnt die Reinigung der hydrophoben
Schicht von Partikeln und/oder Metallverunreinigungen.
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In
Schritt 208 wird ebenfalls deionisiertes Wasser aufgebracht,
die Anwendung eines chemischen Verstärkers, wie er in Schritt 206 verwendet wird,
wird jedoch nicht fortgesetzt. Stattdessen wird eine Tensid-Lösung, die
nur aus Tensid besteht, auf das Substrat aufgebracht. Während dieses
Reinigungsschritts trägt
die benetzbare Behandlungsschicht weiterhin zur Reinigung bei. Als
nächstes werden
die aufgebrachten Lösungen
in Schritt 210 durch einen Spinspülvorgang weggespült, was
eine im Wesentlichen von Partikeln und/oder Metallverunreinigungen
freie hydrophobe Schicht hinterlässt.
In Schritt 212 wird dann das Substrat getrocknet und in Schritt 214 wird
das Substrat gelagert. In Schritt 216 wird festgestellt,
ob noch weitere Substrate gereinigt werden müssen. Im Allgemeinen beginnt
die Beladestation mit dem Zuführen
eines neuen zu reinigenden Wafers zur ersten Stufe 106a,
nachdem der Wafer, der sich zuvor in der ersten Stufe 106a befunden hat,
zur zweiten Stufe 106b transportiert worden ist. Wenn es
somit noch mehr zu reinigende Wafer gibt, wiederholt sich der Vorgang
ab Schritt 202. Ansonsten ist das Verfahren 200 beendet.
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5 stellt
ein genaueres Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Reinigen
eines Wafers mit einer hydrophoben Oberfläche gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Das Verfahren 300 startet
bei Schritt 302, in dem ein Substrat, beispielsweise ein
Halbleiter-Wafer, bereitgestellt wird. Als nächstes wird in Schritt 304 eine
hydrophobe Schicht durch eine beliebige geeignete chemische Gasphasenabscheidungs-Technik
(CVD) auf dem Substrat gebildet.
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In
Schritt 306 kann die hydrophobe Schicht durch chemisch-mechanisches
Polieren (CMP) geglättet
werden, oder es kann ein Durchgangsloch durch die hydrophobe Schicht
geätzt
werden. Wie bekannt ist, entfernt der CMP-Vorgang sowohl überschüssiges dielektrisches
Material von der hydrophoben Schicht als auch überschüssiges aufgebrachtes Metall
von den Metallleiterbahnen, die in der hydrophoben Schicht ausgebildet
sein können.
Wenn die hydrophobe Schicht gerade beschichtet worden ist, einem
CMP-Vorgang oder einem Ätzvorgang
unterzogen worden ist, sind in den meisten Fällen jedoch Verunreinigungen
vorhanden, was eine sorgfältige Reinigung
erforderlich macht.
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Schritt 308 transportiert
das Substrat zu einer ersten Reinigungsstation. Dort wird deionisiertes Wasser
durch eine obere Bürste
und eine untere Bürste
aufgebracht und eine Lösung
einer Tensid-Rezeptur wird in Schritt 310 auf die obere
Bürste aufgetropft.
Die Reinigung beginnt in Schritt 312 durch das Absenken
der oberen Bürste,
so dass sie die hydrophobe Schicht schruppt und verunreinigende
Partikel von der Oberfläche
der hydrophoben Schicht löst
und in die Reinigungslösungen
befördert. Gleichzeitig
wird die untere Bürste
an die Unterseite des Substrats angelegt. Um die Reinigung in der
ersten Reinigungsstation abzuschließen, wird ein Ausgangs-Sprühstrahl
verwendet, um Partikel und Metallverunreinigungen zu entfernen /
abzulösen,
bevor der Wafer in die zweite Reinigungsstation zum weiteren Reinigen
eintritt. Als nächstes
wird der Wafer in Schritt 314 zu einer zweiten Reinigungsstation
befördert.
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In
der zweiten Reinigungsstation wird in Schritt 316 erneut
deionisiertes Wasser durch eine obere Bürste und eine untere Bürste auf
den Wafer aufgebracht. Eine Tensid-Lösung wird durch Auftropfen
auf die obere Bürste
auf den Wafer aufgebracht. Wie in der ersten Reinigungsstation wird
die obere Bürste
auf die hydrophobe Schicht abgesenkt, um in Schritt 318 damit
zu beginnen, Partikel und Metallverunreinigungen von der Oberfläche der
Schicht zu schruppen. Die untere Bürste wird auf die gleiche Weise
an die Unterseite des Substrats angelegt.
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Als
nächstes
wird ein Ausgangs-Sprühstrahl angewendet,
um Verunreinigungen und den Großteil des
Tensids zu entfernen. Schließlich
werden in Schritt 320 Nachreinigungsvorgänge durchgeführt, wie
Spülen,
Trocknen und Lagern des gereinigten Wafers. In Schritt 322 wird
ermittelt, ob noch weitere Substrate gereinigt werden müssen und
wenn dies der Fall ist, wiederholt sich das Verfahren 300 ab Schritt 302.
Wenn nicht, ist das Verfahren 300 beendet.
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Obwohl
diese Erfindung anhand von einigen bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben worden ist, sollte zur Kenntnis genommen werden, das ein
Fachmann sich beim Lesen der vorstehenden Beschreibung und beim
Studium der Zeichnungen verschiedene Änderungen, Zusätze, Austauschmöglichkeiten
und Entsprechungen vorstellen kann, die in den Umfang der Erfindung
fallen, so wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.
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Obwohl
eine spezielle Reinigungsvorrichtung offenbart worden ist, können weiterhin
andere geeignete Reinigungsvorrichtungen, die die Arten von chemischen
Lösungen
gemäß der vorliegenden Erfindung
verwenden, ebenfalls benutzt werden. Es ist daher beabsichtigt,
dass die vorliegende Erfindung alle derartigen Änderungen, Zusätze, Austauschmöglichkeiten
und Entsprechungen einschließt.
