Neuigkeiten – Oberflächenkontamination von Wafern und deren Nachweismethode

Die Sauberkeit derWaferoberflächewird die Qualifizierungsrate nachfolgender Halbleiterprozesse und -produkte erheblich beeinflussen. Bis zu 50 % aller Ausbeuteverluste werden dadurch verursacht.WaferoberflächeKontamination.

Objekte, die unkontrollierte Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Bauelements oder des Herstellungsprozesses verursachen können, werden zusammenfassend als Verunreinigungen bezeichnet. Verunreinigungen können vom Wafer selbst, dem Reinraum, den Prozessanlagen, den Prozesschemikalien oder dem Wasser stammen.WaferVerunreinigungen können im Allgemeinen durch visuelle Beobachtung, Prozessinspektion oder den Einsatz komplexer Analysegeräte bei der Endprüfung des Geräts festgestellt werden.

▲Verunreinigungen auf der Oberfläche von Siliziumwafern | Bildquellennetzwerk

Die Ergebnisse der Kontaminationsanalyse können genutzt werden, um den Grad und die Art der Kontamination widerzuspiegeln, denen das Unternehmen ausgesetzt war.Waferin einem bestimmten Prozessschritt, einer bestimmten Maschine oder dem Gesamtprozess. Gemäß der Klassifizierung der Erkennungsmethoden,WaferoberflächeKontaminationen lassen sich in folgende Arten unterteilen.

Metallverunreinigung

Verunreinigungen durch Metalle können zu Defekten in Halbleiterbauelementen unterschiedlichen Ausmaßes führen.
Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle (Li, Na, K, Ca, Mg, Ba usw.) können Leckströme in der pn-Struktur verursachen, was wiederum zu einer Durchbruchspannung des Oxids führt; Verunreinigungen durch Übergangsmetalle und Schwermetalle (Fe, Cr, Ni, Cu, Au, Mn, Pb usw.) können den Ladungsträgerlebenszyklus verkürzen, die Lebensdauer des Bauteils verringern oder den Dunkelstrom im Betrieb des Bauteils erhöhen.

Gängige Methoden zum Nachweis von Metallverunreinigungen sind die Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse, die Atomabsorptionsspektroskopie und die induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS).

▲ Oberflächenkontamination von Wafern | ResearchGate

Metallverunreinigungen können von Reagenzien stammen, die bei der Reinigung, dem Ätzen, der Lithographie, der Abscheidung usw. verwendet werden, oder von den im Prozess eingesetzten Maschinen, wie z. B. Öfen, Reaktoren, Ionenimplantation usw., oder sie können durch unachtsame Waferhandhabung verursacht werden.

Partikelverunreinigung

Tatsächliche Materialablagerungen werden üblicherweise durch die Detektion des von Oberflächenfehlern gestreuten Lichts beobachtet. Daher ist die präzisere wissenschaftliche Bezeichnung für Partikelverunreinigungen „Lichtpunktdefekt“. Partikelverunreinigungen können bei Ätz- und Lithographieprozessen zu Blockierungs- oder Maskierungseffekten führen.

Beim Filmwachstum oder der Abscheidung entstehen Poren und Mikrohohlräume, und wenn die Partikel groß und leitfähig sind, können sie sogar Kurzschlüsse verursachen.

▲ Entstehung von Partikelverunreinigungen | Bildquellennetzwerk

Verunreinigungen durch kleinste Partikel können Schatten auf der Oberfläche verursachen, beispielsweise bei der Fotolithografie. Befinden sich größere Partikel zwischen der Fotomaske und der Fotolackschicht, können sie die Auflösung der Kontaktbelichtung verringern.

Darüber hinaus können sie beschleunigte Ionen bei der Ionenimplantation oder beim Trockenätzen blockieren. Partikel können auch vom Film eingeschlossen werden, wodurch Unebenheiten entstehen. Nachfolgend abgeschiedene Schichten können an diesen Stellen reißen oder sich Resist ansammeln, was bei der Belichtung zu Problemen führt.

Organische Verunreinigungen

Verunreinigungen, die Kohlenstoff enthalten, sowie Bindungsstrukturen, die mit C assoziiert sind, werden als organische Verunreinigung bezeichnet. Organische Verunreinigungen können unerwartete hydrophobe Eigenschaften auf der Oberfläche hervorrufen.Waferoberfläche, erhöhen die Oberflächenrauheit, erzeugen eine trübe Oberfläche, stören das Wachstum der Epitaxieschicht und beeinträchtigen die Reinigungswirkung von Metallverunreinigungen, wenn die Verunreinigungen nicht vorher entfernt werden.

Eine solche Oberflächenverunreinigung wird im Allgemeinen mit Instrumenten wie der thermischen Desorptions-Massenspektrometrie, der Röntgenphotoelektronenspektroskopie und der Auger-Elektronenspektroskopie nachgewiesen.

▲Bildquellennetzwerk

Gasförmige Verunreinigungen und Wasserverunreinigung

Moleküle aus der Atmosphäre und Wasserverunreinigungen mit Molekülgröße werden üblicherweise nicht von herkömmlichen HEPA- (Hochleistungs-Partikelfilter) oder ULPA-Filtern (Ultra-Low Penetration) entfernt. Solche Verunreinigungen werden üblicherweise mittels Ionenmassenspektrometrie und Kapillarelektrophorese überwacht.

Manche Verunreinigungen können mehreren Kategorien angehören, beispielsweise können Partikel aus organischen oder metallischen Materialien oder beidem bestehen, sodass diese Art von Verunreinigung auch anderen Kategorien zugeordnet werden kann.

▲Gasförmige molekulare Verunreinigungen | IONICON

Darüber hinaus lässt sich die Waferkontamination je nach Größe der Kontaminationsquelle in molekulare Kontamination, Partikelkontamination und prozessbedingte Verunreinigungen unterteilen. Je kleiner die Kontaminationspartikel sind, desto schwieriger ist ihre Entfernung. In der heutigen Elektronikkomponentenfertigung machen Waferreinigungsverfahren 30–40 % des gesamten Produktionsprozesses aus.