4 Cleaning Solutions in the Semiconductor Wafer Manufacturing Process

Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 Basic Operations in Wafer Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542Photoresist Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 Photolithography and Masking Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 Radiation-Sensitive Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 Comparison of Positive and Negative Resists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Negative-Acting Photoresists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 Positive-Acting Photoresists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 Sensitizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 Additives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548Photoresist Performance Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 Adhesion Capability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 Exposure Speed and Sensitivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550General Wafer Cleaning Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 FEOL Cleaning Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Cleaning Process Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Temperature Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Ultrasonic and Megasonic Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552FEOL Cleaning Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 Sulfuric-Peroxide Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553Sulfuric Acid and Ammonium Persulfate Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 RCA Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554Quaternary Ammonium Hydroxides/Choline-Surfactant Chemistry . . . . . . . . . 554 TMAH Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555 Ozone-Water Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555BEOL Cleaning Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556Chemistry of Positive Photoresist Strippers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 NMP-Based Strippers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 Non-NMP-Based Organic Strippers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557Chemistry of Negative Photoresist Strippers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 Chemistry of Post-Plasma-Etch-Polymer Removers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558HA/Amine Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 HF/Glycol Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559Challenges of the Future Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 Copper Interconnects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 Low-k Dielectric Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561INTRODUCTIONIn semiconductor device manufacturing, silicon wafers are processed to fabricate very large-scale integration (VLSI) or ultra-large-scale integration (ULSI) circuits. Since the early stages of the semiconductor wafer processing in the 1960s, significant improvements and advancements have been made in chip manufacturing. However, the chemistry of wafer cleaning material and basic cleaning operations have remained fundamentally unchanged. During recent years, the geometry of the microcircuits, the diameter of the silicon wafers, and the processing equipment and methods have been significantly improved and updated. In early stages, simple immersion tanks of cleaning solutions were employed with manual agitation. Today, more-advanced cleaning solutions are applied on sophisticated wet benches and spray tools with automated chemical delivery systems and robotic arm movements for displacement of wafers.