DD228935A1

DD228935A1 - Formstabile halbleiterscheibe und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DD228935A1
Application number: DD26857084A
Authority: DD
Inventors: Walter Nitzsche; Fritz-Guenter Kirscht; Georg Riepel; Dietmar Taenzer; Clemens Hansch; Norbert Krauss; Wolfram Lange; Ruth Bertoldi; Diethard Wruck
Original assignee: Erfurt Mikroelektronik
Priority date: 1984-10-22
Filing date: 1984-10-22
Publication date: 1985-10-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Praeparation von Silizium-Scheiben mit stabilisierter Form zur Herstellung von integrierten Bauelementen. Die Aufgabe besteht darin, Kruemmungsformen von Silizium-Scheiben zu vereinheitlichen und ueber den Bauelemente-Herstellungsprozess aufrecht zu erhalten. Die Aufgabe wird durch Erzeugen von scheibenrueckseitigen Stoer- und/oder Deckschichten in Abhaengigkeit von Durchbiegungsklassifikationen der Ausgangsscheiben oder durch gezielt gekruemmtes Trennschleifen der Einkristalle geloest. Figur

Description

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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, eine Beeinflussung der Scheibenform mittels rückseitig auf gestörten Scheiben ausgebildeten Schichten zu erreichen, die makroskopisch Zugspannungen in Silizium-Scheiben verursachen. Es zeigt sich jedoch, daß dieses Verfahren nicht durchgehend für alle real vorkommenden Scheibenformen zum Erfolg führt, insbesondere eingeschränkt ist, bei vorderseitig stark konvex ausgebildeten Ausgangsscheiben.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die mechanische Stabilität von Halbleiter-Scheiben zu verbessern und somit die Ausbeute bei der Fertigung von Halbleiter-Bauelementen zu erhöhen.

Wesen der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine formstabile Halbleiter-Scheibe und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, das zu eng tolerierter Form der Scheiben zu Beginn und während des Zyklus der Bauelemente-Herstellung führt und insbesondere geeignet ist, eine leicht konvexe Wölbung der bauelementeseitigen Oberfläche (im weiteren Vorderseite genannt) der Scheiben zu sichern. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem von einer konvexen Scheibenkrümmung der Vorderseite als Einsatzzustand für die Bauelementeherstellung ausgegangen wird und die Halbleiter-Scheibe rückseitig mittels Deck- und/oder Störschichten formstabilisiert wird. Dabei wird entweder von kreisrunden Scheiben mit Anfasungen oder von kreisringförmigen Scheiben mit Anfasungen und den Kreisring öffnenden Schritt ausgegangen.

Für die Erzeugung von Deckschichten werden vorzugsweise Silizium-Verbindungen mit den Elementen Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff angestrebt, entweder durch Reaktion dieser Elemente mit dem Rückseiten-Scheibenmaterial bei hohen Temperaturen oder durch Abscheiden aus der Gasphase.

Gewünschte Druck- oder Zugspannungen lassen sich über die Dicke dieser Schichten regulieren. Besonders vorteilhaft sind Siliziumcarbid (SiC)-Schichten, die je nach Wahl der Schichtdicke Zug- oder Druckspannungen erzeugen und chemisch und thermisch äußerst resistent sind. Es ist zweckmäßig, daß die Störschicht mittels eines mechanisch abrasiven Eingriffs als nahezu konzentrische Gitterstörung eingebracht wird.

Zur Stabilisierung der konvexen Scheibenkrümmung ist es nun zweckmäßig bei Silizium-Scheiben mit konkaver Vorderseite diese mit einer Stör- und/oder Deckschicht auf der Rückseite zu versehen, die dort Zugspannungen verursacht und deren Dicke der Krümmung der Silizium-Scheibe angepaßt wird.

Entsprechend werden Silizium-Scheiben mit konvexer Vorderseite mit einer Stör- und/oder Deckschicht versehen, die dort Druckspannungen verursacht und deren Dicke der Krümmung der Silizium-Scheibe angepaßt wird. Mit diesen Maßnahmen kann ein großes Spektrum von Ausgangsscheibenformen mit leicht konvex vorgespannten Vorderseiten eingestellt und über weite Bereiche des Bauelemente-Herstellungs-Zyklus aufrechterhalten werden. In beiden Fällen wird die Stärke der Stör- und/oder Deckschicht, beziehungsweise deren makroskopische Spannungskomponente, auch der jeweiligen Scheibendicke und -größe angepaßt. Vorteilhaft ist es auch, die Störschicht durch Eindiffusion von Fremdatomen in die Scheibenrückseite zu erzeugen, wobei die Vorbelegung mit diesen Fremdatomen auf konventionelle Art oder mit Hilfe der Ionenimplantation vorgenommen wird. Geeignete Ionen ohne Dotiercharakter sind zum Beispiel die der Elemente Kohlenstoff, Germanium, Argon. Zur Überführung der gegenüber Silizium artfremden Atome auf Gitterplätze im Silizium-Einkristall werden bekannte Ausheilverfahren angewendet. Das oberflächennahe Einbringen von Fremdatomen beziehungsweise deren Einbau auf Silizium-Gitterplätze ermöglicht wahlweise die Erzeugung von Zug- oder Druckspannungen über die Auswahl der geeigneten Elemente mit den Silizium abweichendem kovalenten Atomradius.

Verfahrensseitig wird die Aufgabe der Erfindung gelöst, indem das bekannte Verfahren des Trennschleifens der Silizium-Einkristalle so geführt wird, daß im wesentlichen konvex oder konkav zum Kristallstab hin gekrümmte Scheiben entstehen, wobei eine spezielle Wasserführung zur Schnittstelle und/oder ein definiertes, einseitiges Abrichten des Diamantboardes angewendet werden. Zweckmäßig ist es, nach der Herstellung von Silizium-Scheiben, diese hinsichtlich ihrer herstellungsbedingten, zufälligen Krümmungsform in Gruppen einzuteilen und nach Ausmaß der Krümmung zu selektieren.

Nach dieser Selektion und Klassifizierung schließen sich die erfindungsgemäßen Stabilisierungsmaßnahmen (Aufbringen einer rückseitigen Stör- und/oder Deckschicht) an, die im Verlaufe des Bauelementeherstellungs-Prozesses wiederholt werden können. Die Vorteile der erfinderischen Lösung liegen vor allem darin, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine große Vielfalt von Formen der Silizium-Ausgangsscheiben in eine für moderne VLSI-Bauelemente-Technologien notwendige definierte, leicht konvexe Vorderseiten-Krümmung gebracht und in dieser Form stabil erhalten werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung wird von Silizium-Einkristallen, die nach dem Czochralski-Verfahren oder dem Zonenschmelz-Verfahren gezüchtet sind, ausgegangen, an denen nach bekannten Verfahrensschritten der Scheibenherstellung erfindungsgemäße Selektionen und Klassifizierungen durchgeführt werden.

Im Falle des Trennschleifens kann ein gezieltes Ansteuern einer einzigen Krümmungsrichtung erfolgen, indem der Innenboard-Schleifautomat mit einem berührungslos arbeitenden Überwachungsgerät ausgerüstet wird, das die Auslenkung der Diamanttrennmaschine aus der idealen Schnittrichtung während des Schnittverlaufs erfaßt. Durch modifizierte Wasserführung zur Schnittstelle und/oder ein definiertes, einseitiges Abrichten des Diamantboardes wird eine Auslenkung der Diamanttrennscheibe in die gewünschte Richtung und Größe erzeugt.

Die Folge davon ist, daß die Diamantscheibe nicht geradlinig sondern gekrümmt durch den Einkristallstab läuft und folglich definiert gekrümmte Scheiben entstehen. Die Rückseite der späteren konvexen Polierfläche ist entsprechend zu kennzeichnen.

Günstig ist auch eine Selektion nach dem Teilschritt „Ätzen" der Scheiben, bei dem die Störschichten auf beiden Seiten der Scheibe abgetragen und folglich die mechanischen Spannungen beseitigt wurden. Die so entstehende konkrete Scheibenform verändert sich beim abschließenden einseitigen Polieren nicht mehr. Für die Selektion und Klassifizierung werden die Scheiben vorzugsweise mit einem berührungslos arbeitenden Durchbiegungsmeßgerät gemessen und dabei die konkave Seite gekennzeichnet, sowie eine Klassifizierung nach Größengruppen vorgenommen.

Möglich ist auch eine Selektion nach den Teilschritten „Läppen" oder „Polieren". Da hier die spätere Scheibenvorderseite bereits feststeht, muß eine Selektion in konkave oder konvexe Vorderseiten vorgenommen werden, ehe die Klassifizierung in Größenklassen der Krümmung mit einem berührungslos messenden Gerät durchgeführt werden kann.

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Im allgemeinen soll nun durch weitere erfindungsgemäße Maßnahmen die Scheibenqualität der Klassifizierungsgruppen 2A eingestellt werden.

Beispiel 1:

Bei relativ geringer thermischer Belastung durch Bauelemente-Technologien ist die Ausbildung von Störschichten zur Einstellung erfindungsgemäßer Scheiben ausreichend.

Vorzugsweise für Technologien, diel 000 ⁰C als Temperaturbelastung nicht überschreiten und für die durchgehend automatische Chargierprogramme angewandt werden.

Scheiben der Klasse 1 A werden in die gewünschte Scheibenklasse 2A überführt, indem eine Hochdosis-Implantation von Kohlenstoff vorgenommen wird (10^le cm"², 250 keV), an die sich eine konventionelle Wärmebehandlung bei 550°C, 1 h anschließt.

Im Gegensatz dazu werden Scheiben der Klasse 2B mit Ge geringer Dosis (10¹⁴ cm"²,120 keV) und Scheiben der Klasse 2C ebenfalls mit Ge (5 x 10¹⁵ cm ~²,180 keV) implantiert und bei 550 ⁰C, 1 h ausgeheilt.

Beispiel 2:

Scheiben die einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt werden, werden nach der beschriebenen Klassifikation vorzugsweise mit einer Deckschicht aus SiC bzw. SiC-Verbindungen versehen, gegebenenfalls mit einer darunter ausgebildeten Störschicht.

So wird für eine CMOS-Technologie die Scheibenform vorteilhaft mittels Ausbildung einer Deckschicht eingestellt, wobei die resultierende makroskopische Scheibenverspannung über das Verfahren zur Deckschichtbildung sowie die jeweils vorgegebene Schichtdicke reguliert wird.

So werden Scheibenrückseiten der Klassen 1 A, 1 B und 1 C zunächst mit Weichruß beschichtet, wobei ein Kohlenwasserstoffgemisch aus Aceton und Benzol verbrannt wird. Anschließend erfolgt eine kurzzeitige Wärmebehandlung in reduzierender Atmosphäre bei 1 25O⁰C derart, daß sich eine dünne SiC-Schicht von etwa 10. ..30 nm durch Reaktion mit der Si-Oberfläche bildet. Diese bewirkt eine stabile Transformation in die angestrebte Scheibenklasse 2A.

Scheiben der Klasse 2 B werden zu diesem Zweck durch pyrolytische Zersetzung von Tetramethyl-Silan bei 800⁰C mit einer Si-C-Bindungen enthaltenden Schicht einer Dicke von etwa 40 nm versehen. Bei Scheiben der Klasse 2C wird die Schichtdicke auf etwa 70 nm erhöht.

Neben der dickenabhängigen Zug- bzw. Druckspannungswirkung hat SiC den Vorteil hoher chemischer Resistenz und einer Barrierewirkung für Verunreinigungsdiffusionen.

Für den Einsatz in einer Bipolartechnologie, bei der besonders hohe Anforderungen an die Formstabilität der Scheiben gestellt werden, erfolgt vorteilhaft zunächst die Ausbildung einer Störschicht, worauf wiederum eine Deckschicht abgeschieden wird.

Als günstig erwiesen sich mechanisch induzierte, annähernd konzentrisch ausgebildete Störungen wie sie etwa mittels Feinschleifen (zum Beispiel mittels Topfschleifscheibe) erzeugt werden.

Da derartige Störungen bekanntermaßen eine leicht konkave Krümmung der gegenüberliegenden Scheibenoberfläche verursachen, sollten Si₃N₄-Schichten mit einer starken Zugspannungskomponente zum Einsatz kommen (etwa 150 nm).

Claims

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Erfindungsanspruch:

1. Formstabile Halbleiterscheibe zum Herstellen von mikroelektronischen Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite der Scheibe definiert konvex gekrümmt ist und daß die Halbleiterscheibe rückseitig mittels Deckschichten und/oder Störschichten stabilisiert ist.
2. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Scheiben kreisrunde Scheiben mit Anfasungen sind.
3. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Scheiben kreisringförmige Scheiben mit Anfasungen und mit einem den Kreisring öffnenden Schnitt sind.
4. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitige Deckschicht eine Siliziumverbindung mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff ist.
5. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitige Störschicht eine mittels eines mechanischen abrasiven Eingriffs eingebrachte, nahezu konzentrische Gitterstörung ist.
6. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium-Scheiben mit konkaver Vorderseite mit Stör- und/oder Deckschichten versehen sind, so daß auf der Rückseite Zugspannungen bestehen, die über die Dicke der rückseitigen Stör- und/oder Deckschichten der Krümmung der Silizium-Scheiben angepaßt sind.
7. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium-Scheiben mit konvexer Vorderseite mit einer Stör- und/oder Deckschicht auf der Rückseite versehen sind, so daß auf der Rückseite Druckspannungen bestehen, die über die Dicke der Stör- und/oder Deckschichten der Krümmung der Silizium-Scheiben angepaßt sind.
8. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störschicht durch Eindiffusion von Fremdatomen an der Rückseite der Silizium-Scheibe eingebracht ist.
9. Formstabile Halbleiterscheibe nach Punkt 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störschicht durch Implantation von Ionen, zum Beispiel Kohlenstoff-, Germanium-, Argon-Ionen eingebracht und ausgeheilt ist.
10. Verfahren zum Herstellen einer formstabiien Halbleiterscheibe nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Halbleiterscheibe durch gezieltes Trennschleifen erzeugt wird.
11. Verfahren zum Herstellen einer formstabilen Halbleiterscheibe nach Punkt 1, dadurch^gekennzeichnet, daß die Silizium-Scheiben entsprechend der Krümmungsform (konkav oder konvex) in Gruppen eingeteilt werden und nach dem Ausmaß der Krümmung klassifiziert werden und daß die Stör- und/oder Deckschichten entsprechend der Gruppen und Klassen erzeugt werden.
12. Verfahren zum Herstellen einer formstabilen Halbleiterscheibe nach Punkt 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Deckschichten im Verlaufe des Zyklus der Bauelementeherstellung wiederholt wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine formstabile Halbleiterscheibe und Verfahren zu ihrer Herstellung für mikroelektronische Bauelemente mit hohem Integrationsgrad

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

LSI- und VLSI-Bauelementetechnologien stellen bekanntlich besonders hohe Anforderungen ah eine exakt eingehaltene Formbeständigkeit der Silizium-Scheiben zu Beginn des Zyklus der Bauelementeherstellung wie auch in dessen weiteren Verlauf bei jedem lithografischen Teilschritt. Zwischen diesen lithografischen Teilschritten werden im allgemeinen Hochtemperaturbehandlungen der Silizium-Scheiben ausgeführt.

Trotz ausgeklügelter Durchführung der Hochtemperaturbehandlungen (optimales Ofenprofil, genaue Anordnung der Silizium-Scheiben, angepaßtes Temperatur-Zeit-Programm, zum Beispiel Rampenfahrweise) kann es infolge der Hochtemperaturbehandlungen zu bleibenden Veränderungen der Form der Silizium-Scheiben, zu Verwerfungen oder Verbeuiungen kommen, die zu Ungenauigkeiten, Unscharfen beim jeweils folgenden lithografischen Prozeß und letztlich zu Ausfällen des Bauelements führen.

Der Stand der Technik zur Herstellung von Silizium-Scheiben ist charakterisiert durch eine Fertigungslinie für polierte Silizium-Scheiben, die gewöhnlich beim nahezu zylindrischen, versetzungsfrei aus dem Tiegel gezüchteten Einkristall beginnt. Der Einkristall wird exakt kristallografisch orientiert und genau zylindrisch geschliffen, ebenfalls durch Anschleifen angefast und schließlich mittels einer Innen-board-Trennschleifmaschine in Scheiben (mit ausreichenden Übermaß der Dicke der Scheiben) aufgeschnitten. Die Silizium-Scheiben werden in oberflächennahen Bereichen von Schleif- und Schneidstörungen des Kristallgitters durch Abätzen einer hinreichend dicken Schicht von der Oberfläche befreit. Vor dem Ätzschritt kann noch ein Läpp- oder Feinschleifschritt vorgesehen sein, um die Form der Silizium-Scheiben zu verbessern.

Dennoch können fertig polierte Silizium-Scheiben innerhalb eines gewissen Streubereiches recht unterschiedliche Formen hinsichtich Durchbiegung und Ebenheit aufweisen. Es lassen sich konvexe und konkave Anteile der Oberfläche der polierten Silizium-Scheiben unterscheiden. Diese Streuungen wirken sich bei der Bauelementeherstellung nachteilig aus.

Zum Beispiel ist die durch thermische Spannungen induzierte Defektbildung im Volumen der Silizium-Scheiben abhängig von deren anfänglichen Krümmung im polierten Zustand, wie in Leroy, B.; Plangouven, C; Journ. Electrochem. Soe. 127, 961 (1980) nachgewiesen.

Des weiteren können Schwierigkeiten beim Ansaugen der Scheiben entstehen, wenn lithografische Schritte an rückseitig konvexen oder uneinheitlich gekrümmten Silizium-Scheiben vorgenommen werden sollen.

Zur Verbesserung der Formbeständigkeit von Haibleitermaterial-Scheiben wurde bereits vorgeschlagen, in der Halbleiter-Scheibe eine mit dem äußeren Rand verbundene Aussparung vorzunehmen, was zweckmäßig vor dem Ätzschritt erfolgt, (WP 210373).

Zur Stabilisierung der Form der Silizium-Scheiben über den gesamten Zyklus der Bauelemente-Herstellung hinweg wurde in letzter Zeit vorgeschlagen, die Rückseite der Silizium-Scheiben mit tiefen, fast durchgehenden Gräben zu versehen und die Halbleiter-Bauelemente in der Flucht dieser Gräben aufzubauen (DE OS 3304255/HO1L21/80). Es liegt auf der Hand, daß eine derartige Silizium-Scheibe eine hochpräzise Einzelfertigung mit entsprechenden Kosten voraussetzt.

Auch darf nicht übersehen werden, daß der Einsatz von Silizium-Scheiben mit komplizierten Formen in jedem Falle gewisse Veränderungen der technologischen Ausrüstungen erfordert.