Umweltfreundliche Nass-Reinigung in Dual-Damascene-Prozessen der Halbleiterfertigung: Post TiN etch und Oxid-Etch cleaning

Im Projekt IFTiN wurden zwei Fluide der intelligent fluids GmbH mit zwei Referenzchemien im Dual Damascene-Prozess auf 300-mm-Wafern verglichen.
Die Reinigungsleistung, CD-Veränderungen sowie Residuen- und Resist-Entfernung wurden mittels CD-SEM, Defect Inspection und AFM bewertet; TiN-, Oxid- und Kupferstrukturen blieben unverändert, der Resist zuverlässig entfernt.
IF I/IF II erreichten Residuenentfernung vergleichbar bis besser als dHF- bzw. EKC580-Referenzen und zeigten strukturgrößenabhängige Unterschiede.
Die CO2e-LCA ergab, dass die Prozessdauer der maßgebliche Emissionstreiber ist; Entsorgung bei intelligent fluids ist deutlich vereinfacht, weitere Daten zur Entsorgung und weitere Optimierungen sind erforderlich.

Abhängig von Prozessknoten und Chip-Design werden heutzutage zwischen 10 und 25 Metalllagen über der Transistorebene aufgebracht, die der Signalleitung, Stromverbindung und Einbindung weiterer Zusatzfunktionen dienen. Die Herstellung erfolgt über den Dual Damascene Prozess, bei dem die Metall-Interconnects im BEOL (Back-End-of-Line) mittels Trench- und Via-Ätzung in ein Dielektrikum erfolgt, bevor sie mit Kupfer gefüllt und mittels CMP planarisiert werden. Für die präzise Ätzung ins Dielektrikum ist eine Maskierung erforderlich, die dem Oxid-Ätzprozess standhält. Häufig wird dazu Titannritrid verwendet, was mittels PVD- oder CVD-Verfahren abgeschieden und über eine Lithografie und Plasma- Etch-Step vorstrukturiert wird.
Bei diesem DD-Verfahren sind zudem zwischen den einzelnen Abscheidungen und Ätzungen immer wieder Nass-Cleaning-Schritte erforderlich, die jeweils auf den nächsten Schritt und das zu reinigende Material abgestimmt sind.

Neben SC1/SC2 oder dHF-basierten Chemien, kommen hier auch oft aggressive, toxische und teils erdölbasierte Chemikalien zum Einsatz. Sie sind zum Teil mutagen, karzinogen, korrosiv, ökotoxisch bzw. wasservergiftend.
Bei 10-25 Metalllagen erfolgt 30-75 mal ein Cleaning-Step, der zudem Wasserspül-Schritte und Energie benötigt!
Die Entwicklung zu nachhaltigerem Cleaning birgt zum einen ein sehr hohes Potenzial in sich, sollte jedoch auch alle Komponenten der Kette wie Chemie, Spülschritte, der Energie und der Entsorgung betrachten.

Im Projekt „IFTiN“ haben wir zwei Fluide der Firma intelligent fluids GmbH gegen zwei Referenzchemien und deren Prozessierung miteinander verglichen.
Für den Schritt des Hardmask-Opens wurde eine Chemie gegen dHF-Cleans (diluted HF, verdünnte Flusssäure) referenziert, für den Schritt des Oxid-Ätzens gegen EKC580 von DuPont.
Dabei wurde die Partikel- und Residuen-Entfernung nach TiN-Etch sowie Oxid-Etch, die Auswirkung auf die Critical Dimensions (CD) und die Dauer des Prozesses erfasst und bewertet.

Durchgeführt wurden die Versuche auf 300mm-Industriestandard-Tools, wie einer Screen SU3200, einem vollautomatischen Single-Wafer Cleaner. Auch hier wurden eventuelle Auswirkungen der Chemie auf Leitungen, Filter oder Sensoren aufmerksam beobachtet.
Die Charakterisierung erfolgte mittels CD-SEM, Defect Inspection und AFM-Methoden.

Anhand von über 60 Charakterisierungen konnte nachgewiesen werden, dass

1. Die Reinigungswirkung der alternativen Chemie vergleichbar oder besser zur Referenzchemie auf Blankwafern ist;
2. die alternative Chemie TiN, Oxid und Kupfer nicht angreift und keine negative Auswirkung auf die Critical Dimension besitzt;
3. der verwendete Positiv-Resist Pristine oder ätz-geschädigt zuverlässig entfernt wird;
4. die Reinigungschemie „IF I“ eine gleichwerte Residuenentferung post TiN-Etch erreicht, wie das Standard-dHF-Cleaning;
5. die Reinigungs-Performance von „IF II“ post Oxid-Ätzung vergleichbar zu EKC580 ist und mit H₂O₂ gemischt werden kann;
6. die Reinigungseffizienz in gewissem Maße Strukturgrößenabhängig ist (in kleinen Strukturen etwas weniger effizient).

Die CO₂eq-Ökobilanzierung pro Wafer zeigte im Fall des dHF-Prozesses eindeutig, daß die Prozessdauer den maßgeblichsten Effekt auf die Emissionen des Prozesses besitzt.

Im Fall des EKC580 fällt die Chemie und das beigemischte H₂O₂ schon stärker ins Gewicht. Die Dauer der Prozesse war bei beiden in etwa gleich. Sie wurde auch für die Prozesse der alternativen Chemien beibehalten. Deren CO₂ eq-Werte lagen aufgrund der beinhaltenden Tenside jedoch deutlich höher. Der entscheidende Punkt stellte sich bei der Entsorgung klar heraus. Während beide Referenzchemien eine aufwändigen gesonderten Aufbereitung und Entsorgung benötigen, ist dies im Fall der Chemien von intelligent Fluids nicht nötig.

HF-Abwässer müssen aufwändig in einer Fällungs- und Flockungsanlage bewertet und neutralisiert, und in einer Kammerfilterpresse aufgefangen werden, bevor sie einem Entsorger übergeben werden können.
Auch EKC-basierte Chemien müssen i.d.R. gesondert UV-behandelt und einem externen Entsorger übergeben werden. Jeglicher Kontakt mit den Chemikalien muss unbedingt vermieden werden, was entsprechende Schutzmaßnahmen und -Kleidung bedingt.
Dies entfällt bei der Verwendung der alternativen Chemien.

Ausblick: Weitere Prozessoptimierungen und Bilanzierungen sind nötig. Dazu bedarf es der Erfassung der fehlenden Daten bei der Entsorgung und Wiederholungen der waferbasierten Tests.