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SC-1 vs. SC-2 vs. verdünnte Flusssäure: Chemie, Entfernung, Oberfläche danach

Die RCA-Reinigung, die Grundlage der Siliziumwaferreinigung, verwendet nacheinander Chemikalien mit unterschiedlichen Aufgaben. SC-1, eine Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid, entfernt Partikel und organische Stoffe. SC-2, Salzsäure mit Wasserstoffperoxid, entfernt Metallkontamination. Verdünnte Flusssäure (DHF) löst das native Oxid auf der Oberfläche. Nach SC-1 und SC-2 ist die Oberfläche von einem dünnen Oxid bedeckt und hydrophil (Wasser breitet sich aus); nach DHF ist sie wasserstoffterminiert und hydrophob (Wasser perlt ab).

MerkmalSC-1 (APM)SC-2 (HPM)Verdünnte Flusssäure (DHF)
ChemikalienAmmoniumhydroxid, Wasserstoffperoxid und Wasser (klassisches Verhältnis 1:1:5)Salzsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser (klassisches Verhältnis 1:1:6)Mit Wasser verdünnte Flusssäure (als Richtwert etwa 0,5 bis 1 %)
pH-Wert und TemperaturAlkalisch; typischerweise etwa 70 bis 80 °CSauer; typischerweise etwa 70 bis 80 °CSauer; meist Raumtemperatur
Entfernt hauptsächlichPartikel und organische StoffeMetallkontamination (Alkalimetalle, Fe, Al und andere)Natives und chemisches Oxid samt darin eingeschlossener Kontamination
MechanismusPeroxid oxidiert die Oberfläche, und Ammoniak löst dieses Oxid langsam, wodurch Partikel von unten angehoben werden; Oberfläche und Partikel sind beide negativ geladen, daher haften die Partikel nicht wieder anLöst Metalle als lösliche Ionen wie ChlorideLöst SiO2
Ätzen von Silizium und OxidGering (Oxid als Richtwert etwa 0,1 bis 1 nm pro Minute)Fast keinesÄtzt Oxid; Silizium wird kaum geätzt
Oberfläche nach der ReinigungDünnes chemisches Oxid; hydrophilDünnes chemisches Oxid; hydrophilWasserstoffterminiert; hydrophob
Nebenwirkungen und HinweiseKann die Oberfläche aufrauen (zu wenig Peroxid oder zu hohe Konzentration oder Temperatur); Metalle wie Fe und Al in der Lösung lagern sich leicht auf der Oberfläche abEntfernt Partikel nicht besonders wirksamDie hydrophobe Oberfläche zieht Partikel und Wasserflecken an; Edelmetalle wie Cu scheiden sich leicht auf der Oberfläche ab; auch Oxid, das bleiben soll, wird dünner
Übliche Position in der AbfolgeZuerst (nach SPM bei viel organischer Verschmutzung), zum Entfernen von Partikeln und organischen StoffenNach SC-1, zum Entfernen der durch SC-1 abgelagerten MetalleZwischen SC-1 und SC-2 oder am Schluss (HF-last)

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

SC-1
Als erster Reinigungsschritt zum Entfernen von Partikeln und organischen Stoffen. Wird überall eingesetzt, wo Partikel wichtig sind, etwa bei der Reinigung nach dem CMP.
SC-2
Nach SC-1, wenn Metallkontamination besonders niedrig gehalten werden muss, etwa vor der Gateoxidation oder einer Wärmebehandlung.
DHF
Wenn eine blanke, oxidfreie Siliziumoberfläche gebraucht wird, etwa unmittelbar vor epitaktischem Wachstum, Silizidbildung oder Gateoxidation.

Häufige Fragen

Warum folgt SC-2 auf SC-1?

Das alkalische SC-1 entfernt Partikel und organische Stoffe gut, aber Metalle in der Lösung wie Fe und Al lagern sich leicht auf der Oberfläche ab. Das saure SC-2 entfernt sie anschließend, indem es sie in lösliche Chloride und ähnliche Ionen überführt.

Warum stößt die Oberfläche nach verdünnter Flusssäure Wasser ab?

Ist das Oxid gelöst, wird die Siliziumoberfläche durch Bindungen an Wasserstoff terminiert. Dass Wasser abperlt, bestätigt, dass das Oxid entfernt ist. Diese Oberfläche zieht jedoch leicht Partikel an, daher wird die Wartezeit bis zum nächsten Schritt begrenzt.

Wie lässt sich das Aufrauen der Oberfläche durch SC-1 vermeiden?

Grundregel ist, genug Wasserstoffperoxid vorzuhalten, damit die Oberfläche während des Ätzens von Oxid bedeckt bleibt. Heute werden die Chemikalien oft verdünnt und bei niedrigerer Temperatur verwendet und mit Megaschallreinigung kombiniert, um Partikel bei geringerem Ätzabtrag zu entfernen.

Wie wird geprüft, ob die Metallkontamination entfernt ist?

Verfahren wie die Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) messen die Metallmenge auf der Waferoberfläche. Die Empfindlichkeit steigt weiter, wenn das Oberflächenoxid zuvor mit HF-Dampf gelöst und für die Analyse gesammelt wird. Partikel werden mit Inspektionsanlagen gezählt, die von ihnen gestreutes Laserlicht erfassen.

Verständnis prüfen

Was ist der Hauptzweck von SC-1 (Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid) bei der RCA-Reinigung?

  1. AEntfernung metallischer Verunreinigungen
  2. BEntfernung von Partikeln und organischen Stoffen
  3. CEntfernung des natürlichen Oxids
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Entfernung von Partikeln und organischen Stoffen

SC-1 (NH4OH:H2O2:H2O, z. B. 1:1:5, etwa 70 ℃) oxidiert die Oberfläche mit Wasserstoffperoxid und löst diese Oxidschicht mit Ammoniak langsam mit etwa 0,1 bis 1 nm pro Minute auf; dadurch werden Partikel von unten unterspült und entfernt. Im alkalischen Milieu laden sich Partikel und Oberfläche beide negativ auf und stoßen sich ab, sodass auch eine Wiederablagerung erschwert wird. Auch organische Stoffe werden wirksam entfernt. Metallische Verunreinigungen werden mit SC-2, das natürliche Oxid mit verdünnter Flusssäure entfernt.

Was ist der Hauptzweck der Reinigung mit verdünnter Flusssäure (DHF)?

  1. AEntfernung organischer Stoffe
  2. BAbscheidung eines Metallfilms
  3. CEntfernung des natürlichen Oxids
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. Entfernung des natürlichen Oxids

Flusssäure löst SiO2; eine Behandlung mit etwa 0,5 bis 1 % verdünnter Flusssäure über einige zehn Sekunden entfernt das etwa 1 nm dicke natürliche Oxid auf der Siliziumoberfläche. Die Siliziumoberfläche ist danach wasserstoffterminiert und hydrophob, sodass die Entfernung daran erkennbar ist, dass Wasser abperlt. Die Behandlung erfolgt häufig unmittelbar vor Gateoxidation, Epitaxiewachstum oder Silizidbildung. Zur Entfernung organischer Stoffe und Partikel dient SC-1, für metallische Verunreinigungen SC-2.

Welche Kombination aus Reihenfolge und Zweck von SC-1 und SC-2 bei der Standard-RCA-Reinigung ist richtig?

  1. ANach der Entfernung von Partikeln und organischen Stoffen mit SC-1 werden mit SC-2 metallische Verunreinigungen entfernt
  2. BNach der Entfernung von Partikeln mit SC-2 werden mit SC-1 metallische Verunreinigungen entfernt
  3. CSC-1 und SC-2 werden gemischt und gleichzeitig verwendet
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. Nach der Entfernung von Partikeln und organischen Stoffen mit SC-1 werden mit SC-2 metallische Verunreinigungen entfernt

Die RCA-Reinigung wurde 1970 von Kern et al. bei RCA vorgestellt. Grundsätzliche Reihenfolge: Zuerst entfernt das alkalische SC-1 Partikel und organische Stoffe, danach löst das saure SC-2 (HCl:H2O2:H2O) die bei SC-1 leicht anhaftenden metallischen Verunreinigungen als Chloride und entfernt sie. Bei Bedarf wird dazwischen das Oxid mit verdünnter Flusssäure entfernt, und zwischen den Schritten wird mit Reinstwasser gespült. Auch über 50 Jahre später wird sie als Grundlage der Reinigung in weiterentwickelter Form genutzt.

  1. Wie ist der Zustand einer Siliziumoberfläche, die zuletzt mit verdünnter Flusssäure gereinigt wurde?
  2. Welche Rolle spielt Wasserstoffperoxid in SC-1 (Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid)?
  3. Welches Verfahren wird häufig zur Analyse geringer Metallverunreinigungen auf der Waferoberfläche verwendet?

Übungsfragen zu CMP und Reinigung

Wichtige Begriffe erklärt

RCA-Reinigung
Reinigungsverfahren: SC-1 (Ammoniak und Wasserstoffperoxid) entfernt Partikel und organische Stoffe, SC-2 (Salzsäure und Wasserstoffperoxid) entfernt metallische Verunreinigungen.
SC-1 (APM)
Mischung aus Ammoniaklösung, Wasserstoffperoxid und Wasser. Erster Schritt der RCA-Reinigung; entfernt Partikel und organische Stoffe bei leichtem Ätzen der Oberfläche.
SC-2 (HPM)
Mischung aus Salzsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser. Bei der RCA-Reinigung folgt sie auf SC-1 und entfernt metallische Verunreinigungen.
Verdünnte Flusssäure (DHF)
Mit Wasser verdünnte Flusssäure als Reinigungslösung. Entfernt das natürliche Oxid auf der Siliziumoberfläche und hinterlässt eine wasserstoffterminierte, hydrophobe Oberfläche.
Natives Oxid
Dünne Oxidschicht von etwa 1 nm Dicke, die sich auf Silizium durch Kontakt mit Luft oder Wasser von selbst bildet. Sie erhöht den Kontaktwiderstand und behindert epitaktisches Wachstum und wird daher unmittelbar vor dem betreffenden Schritt entfernt.
SPM (Schwefelsäure-Wasserstoffperoxid-Mischung)
Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid. Sie entfernt dank starker oxidierender Wirkung organische Stoffe wie Fotolack.
Megaschallreinigung
Reinigungsverfahren, bei dem Ultraschall von etwa 1 MHz in die Reinigungsflüssigkeit eingekoppelt wird, um Partikel von der Waferoberfläche zu entfernen.
TXRF (Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse)
Analyseverfahren, bei dem Röntgenstrahlung unter streifendem Einfall auf die Waferoberfläche total reflektiert und die von Spuren metallischer Verunreinigungen ausgehende Fluoreszenzstrahlung hochempfindlich gemessen wird.

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