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Die
Erfindung betrifft eine epitaxierte Siliciumscheibe und ein Verfahren
zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben.
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Epitaktisch
beschichtete (epitaxierte) Siliciumscheiben eignen sich für die Verwendung
in der Halbleiterindustrie, insbesondere zur Fabrikation von hochintegrierten
elektronischen Bauelementen wie z. B. Mikroprozessoren oder Speicherchips.
Dabei werden hohe Anforderungen an die Ebenheit der Vorderseiten
der Siliciumscheiben gestellt, auf der die elektronischen Bauelemente
erzeugt werden. Dies ist notwendig, um Probleme beim Belichten der
Siliciumscheiben (Lithographie) und bei Zwischenpolierprozessen
(„Chemical
Mechanical Polishing",
CMP) während
der Fertigung der Bauelemente gering zu halten.
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Eine
kritische Eigenschaft ist dabei die lokale Ebenheit bzw. lokale
Geometrie der Siliciumscheibe auf ihrer Vorderseite. Die moderne
Steppertechnologie verlangt optimale lokale Ebenheiten in Teilbereichen
der Vorderseite der Siliciumscheibe, ausgedrückt beispielsweise als SFQR
(„site
front-surface referenced least squares/range” = Betrag der positiven und
negativen Abweichung von einer über
Fehlerquadratminimierung definierten Vorderseite für eine Bauelementefläche (Messfenster, „site") definierter Dimension).
Der maximale lokale Ebenheitswert SFQRmax gibt
den höchsten
SFQR-Wert für
die berücksichtigten
Bauelementeflächen
auf einer Siliciumscheibe an.
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Die
Bestimmung des maximalen lokalen Ebenheitswertes erfolgt üblicherweise
unter Berücksichtigung
eines Randausschlusses von beispielsweise 3 mm. Eine Fläche auf
einer Siliciumscheibe innerhalb eines nominalen Randausschlusses
wird üblicherweise
mit „Fixed
Quality Area", abgekürzt FQA,
bezeichnet. Jene Sites, die mit einem Teil ihrer Fläche außerhalb
der FQA liegen, deren Zentrum jedoch innerhalb der FQA liegen, werden „partial
sites" genannt.
Bei der Bestimmung der maximalen lokalen Ebenheit werden die „partial
sites" oftmals nicht
herangezogen, sondern nur die sog. „full sites", also die Bauelementeflächen, die
vollständig
innerhalb der FQA liegen. Um maximale lokale Ebenheitswerte vergleichen
zu können,
ist es unverzichtbar, den Randausschluss und damit die Größe der FQA
und des Weiteren anzugeben, ob die „partial sites" berücksichtigt
wurden oder nicht.
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Eine
allgemein anerkannte Faustregel besagt, dass der SFQRmax-Wert einer Siliciumscheibe gleich
oder kleiner der auf dieser Siliciumscheibe möglichen Linienbreite von darauf
herzustellenden Halbleiter-Bauelementen sein muss. Eine Überschreitung
dieses Wertes führt
zu Fokussierungsproblemen des Steppers und damit zum Verlust des
betreffenden Bauelementes. Im Hinblick auf eine Kostenoptimierung
ist es heute jedoch vielfach üblich, eine
Siliciumscheibe nicht wegen beispielsweise nur einer den vom Bauelementehersteller
spezifizierten SFQRmax-Wert überschreitenden
Bauelementefläche zurückzuweisen,
sondern einen definierten Prozentsatz, meist 1%, an Bauelementeflächen mit
höheren Werten
zuzulassen. Üblicherweise
wird der prozentuale Anteil der Sites, die unterhalb eines bestimmten Grenzwerts
eines Geometrieparameters liegen dürfen, durch einen PUA („Percent
Useable Area")-Wert angegeben,
der z. B. im Falle eines SFQRmax von kleiner
oder gleich 0,1 μm
und eines PUA-Wertes
von 99% besagt, dass 99% der Sites einen SFQRmax von gleich
oder kleiner 0,1 μm
aufweisen, während
für 1% der
Sites auch höhere
SFQR-Werte zugelassen werden („chip
yield").
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Nach
dem Stand der Technik lässt
sich eine Siliciumscheibe herstellen durch eine Prozessfolge Trennen
eines Einkristalls aus Silicium in Scheiben, Verrunden der mechanisch
empfindlichen Kanten, Durchführen
eines Abrasivschrittes wie Schleifen oder Läppen gefolgt von einer Politur.
EP 547894 A1 beschreibt
ein Läppverfahren;
Schleifverfahren sind in den Anmeldungen
EP 272531 A1 und
EP 580162 A1 beansprucht.
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Die
endgültige
Ebenheit wird in der Regel durch den Polierprozess erzeugt, dem
gegebenenfalls ein Ätzschritt
zur Entfernung gestörter
Kristallschichten und zur Entfernung von Verunreinigungen vorausgehen
kann. Ein geeignetes Ätzverfahren
ist beispielsweise aus
DE
19833257 C1 bekannt. Während
die klassischen einseitig arbeitenden Polierverfahren („single-side
polishing") in der
Regel zu schlechteren Planparallelitäten führen, gelingt es mit beidseitig
angreifenden Polierverfahren („double-side
polishing"), Siliciumscheiben
mit verbesserter Ebenheit herzustellen.
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Bei
polierten Siliciumscheiben wird also die notwendige Ebenheit durch
mechanische und chemo-mechanische Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Läppen und
Polieren erreicht.
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In
DE 19938340 C1 ist
beschrieben, monokristalline Siliciumscheiben mit einer monokristallin aufgewachsenen
Schicht aus Silicium mit derselben Kristallorientierung, einer so
genannten epitaktischen Beschichtung, auf welcher später Halbleiter-Bauelemente
aufgebracht werden, zu versehen. Derartige epitaktisch beschichtete
bzw. epitaxierte Siliciumscheiben weisen gegenüber Siliciumscheiben aus homogenem
Material gewisse Vorteile auf, beispielsweise die Verhinderung einer
Ladungsumkehr in bipolaren CMOS-Schaltkreisen
gefolgt vom Kurzschluss des Bauelementes („Latch-up”-Problem), niedrigere
Defektdichten (beispielsweise reduzierte Anzahl an COPs („crystal-originated
particles") sowie die
Abwesenheit eines nennenswerten Sauerstoffgehaltes, wodurch ein
Kurzschlussrisiko durch Sauerstoffpräzipitate in bauelementerelevanten
Bereichen ausgeschlossen werden kann.
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Nach
dem Stand der Technik werden epitaxierte Siliciumscheiben aus geeigneten
Vorprodukten üblicherweise
durch eine Prozesssequenz Abtragspolieren-Endpolieren-Reinigen-Epitaxie hergestellt.
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Aus
DE 10025871 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumscheibe mit einer auf
der Vorderseite abgeschiedenen epitaktischen Schicht bekannt, das
folgende Prozessschritte umfasst:
- (a) als einzigen
Polierschritt eine Abtragspolitur;
- (b) hydrophiles Reinigen und Trocknen der Siliciumscheibe;
- (c) Vorbehandeln der Vorderseite der Siliciumscheibe bei einer
Temperatur von 950 bis 1250 Grad Celsius in einem Epitaxiereaktor;
und
- (d) Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Vorderseite
der vorbehandelten Siliciumscheibe.
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Es
ist üblich,
um Siliciumscheiben vor Partikelbelastung zu schützen, die Siliciumscheiben
nach dem Polieren einer hydrophilen Reinigung zu unterziehen. Diese
hydrophile Reinigung erzeugt ein natives Oxid (natürliches
Oxid) auf den Siliciumscheiben, das sehr dünn ist (etwa 0,5–2 nm, je
nach Art der Reinigung und der Messung).
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Das
native Oxid wird später
bei einer Vorbehandlung der Siliciumscheibe in einem Epitaxiereaktor üblicherweise
unter Wasserstoffatmosphäre (auch „H2-Bake" genannt)
entfernt.
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In
einem zweiten Schritt werden die Oberflächenrauhigkeit der Vorderseite
der Siliciumscheibe reduziert und Polierdefekte von der Oberfläche entfernt,
indem eine Vorbehandlung der Siliciumscheibe mit einem Ätzmedium
erfolgt. Üblicherweise
wird als Ätzmedium
gasförmiger
Chlorwasserstoff (HCl) verwendet und der Wasserstoffatmosphäre zugegeben („HCl-Ätze").
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Die
derartig vorbehandelte Siliciumscheibe erhält anschließend eine epitaktische Schicht.
Epitaxiereaktoren, die insbesondere in der Halbleiterindustrie zum
Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Siliciumscheibe
verwendet werden, sind im Stand der Technik beschrieben. Dazu werden
im Epitaxiereaktor eine oder mehrere Siliciumscheiben mittels Heizquellen,
vorzugsweise mittels oberen und unteren Heizquellen, beispielsweise
Lampen oder Lampenbänken
erwärmt
und anschließend
einem Gasgemisch, bestehend aus einem eine Siliciumverbindung beinhaltenden
Quellengas (Silane), einem Trägergas
(beispielsweise Wasserstoff) und gegebenenfalls einem Dotiergas
(beispielsweise Diboran), ausgesetzt.
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Die
Abscheidung der epitaktischen Schicht erfolgt üblicherweise nach dem CVD-Verfahren („chemical
vapor deposition"),
indem als Quellengas Silane, beispielsweise Trichlorsilan (SiHCl3, TCS), zur Oberfläche der Siliciumscheibe geführt werden, sich
dort bei Temperaturen von 600 bis 1250°C zu elementarem Silicium und
flüchtigen
Nebenprodukten zersetzen und eine epitaktisch aufgewachsene Siliciumschicht
auf der Siliciumscheibe bilden. Die epitaktische Schicht kann undotiert
oder mittels geeigneten Dotiergasen gezielt mit Bor, Phosphor, Arsen
oder Antimon dotiert sein, um Leitungstyp und Leitfähigkeit
einzustellen.
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Ein
Suszeptor, der beispielsweise aus Graphit, Siliciumcarbid (SiC)
oder Quarz besteht und sich in der Abscheidekammer des Epitaxiereaktors
befindet, dient während
der Vorbehandlungschritte und während
der epitaktischen Beschichtung als Auflage für die Siliciumscheibe. Die
Siliciumscheibe liegt dabei üblicherweise
in Ausfräsungen
des Suszeptors auf, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten
und die Rückseite
der Siliciumscheibe, auf der in der Regel keine Schicht abgeschieden
wird, vor dem Quellengas zu schützen.
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Gemäß dem Stand
der Technik sind die Prozesskammern der Epitaxiereaktoren für eine oder mehrere
Siliciumscheiben ausgelegt.
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Bei
Siliciumscheiben mit größeren Durchmessern
(größer oder
gleich 150 mm) werden üblicherweise
Einzelscheibenreaktoren verwendet, da diese für ihre gute epitaktische Schichtdickengleichförmigkeit
bekannt sind. Die Gleichmäßigkeit
der Schichtdicke kann durch verschiedene Maßnahmen eingestellt werden,
beispielsweise durch eine Veränderung
der Gasflüsse
(Wasserstoff, TCS), durch Einbau und Verstellen von Gaseinlassvorrichtungen
(Injektoren), durch Änderung
der Abscheidetemperatur oder Veränderungen
am Suszeptor.
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In
der Epitaxie ist es üblich,
nach einigen epitaktischen Abscheidungen auf Siliciumscheiben eine Ätzbehandlung
des Suszeptors ohne Substrat durchzuführen, bei der der Suszeptor
und auch andere Teile der Prozesskammer von Siliciumablagerungen
befreit werden. Diese Ätzbehandlung,
die beispielsweise mit Chlorwasserstoff (HCl) erfolgen kann, wird
bei Einzelscheibenreaktoren oft schon nach Prozessierung von wenigen
Siliciumscheiben (z. B. nach 3–5 epitaktischen
Beschichtungen), bei Abscheidung von dünnen epitaktischen Schichten
erst nach Prozessierung einer höheren
Zahl an Siliciumscheiben (z. B. nach 10–20 epitaktischen Beschichtungen)
durchgeführt.
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Üblicherweise
wird nur eine Ätzbehandlung mit
HCl oder auch eine Ätzbehandlung
mit HCl sowie nachfolgender, kurzer Beschichtung des Suszeptors durchgeführt. Die
Suszeptorbeschichtung erfolgt, damit die Siliciumscheibe nicht direkt
auf dem Suszeptor aufliegt.
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Es
hat sich gezeigt, dass die im Stand der Technik bekannten Verfahren
zu einer schlechten Ausbeute führen,
da ein Teil der epitaxierten Siliciumscheiben schlechte lokale Ebenheitswerte
insbesondere im Randbereich aufweist. Wird beispielsweise eine Ätzbehandlung
des Suszeptors nach jeweils 4 epitaktischen Abscheidungen durchgeführt, weist
jeweils mindestens eine dieser epitaxierten Siliciumscheiben deutlich
schlechtere lokale Ebenheitswerte im Randbereich auf. Der maximale
lokale Ebenheitsparameter SFQRmax liegt
für diese
epitaxierten Siliciumscheiben üblicherweise
im Bereich von 0,05 μm oder
höher,
weshalb sie für
die Abbildung von Strukturen (Steppertechnologie) der zukünftigen
Generation elektronischer Bauelemente mit Linienbreiten von kleiner
als 45 nm ungeeignet sind.
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Daher
bestand die Aufgabe der Erfindung darin, die Ausbeute an epitaxierten
Siliciumscheiben mit guten lokalen Ebenheitswerten zu erhöhen und eine
epitaxierte Siliciumscheibe bereitzustellen, die den Anforderungen
zukünftiger
Technologiegenerationen genügt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur epitaktischen Beschichtung von Siliciumscheiben,
bei dem eine Vielzahl von wenigstens auf ihren Vorderseiten polierten
Siliciumscheiben bereitgestellt und nacheinander jeweils einzeln
in einem Epitaxiereaktor beschichtet werden, indem jeweils eine
der bereitgestellten Siliciumscheiben auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor
abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre sowie
in einem zweiten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre vorbehandelt,
anschließend
auf ihrer polierten Vorderseite epitaktisch beschichtet und aus
dem Epitaxiereaktor entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils nach einer bestimmten Zahl von epitaktischen Beschichtungen eine Ätzbehandlung
des Suszeptors erfolgt und nach dieser Ätzbehandlung der Suszeptor
hydrophiliert wird.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
eine Vielzahl von wenigstens auf ihren Vorderseiten polierten Siliciumscheiben
bereitgestellt.
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Dazu
wird ein nach dem Stand der Technik, vorzugsweise durch Tiegelziehen
nach Czochralski, hergestellter Einkristall mittels bekannter Trennverfahren,
vorzugsweise durch Drahtsägen
mit freiem („slurry") oder gebundenem
Korn (Diamantdraht) in eine Vielzahl von Siliciumscheiben getrennt.
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Des
Weiteren erfolgen mechanische Bearbeitungsschritte wie sequentielle
Einseiten-Schleifverfahren („single-side
grinding, SSG), simultane Doppelseiten-Schleifverfahren („double-disk
grinding", DDG)
oder Läppen.
Die Kante der Siliciumscheibe einschließlich von gegebenenfalls vorhanden
mechanischen Markierungen wie einer Orientierungskerbe („notch") oder einer im wesentlichen
geradlinigen Abflachung des Siliciumscheibenrandes („flat") wird in der Regel
auch bearbeitet (Kantenverrunden, „edge-notch-grinding").
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Außerdem sind
chemische Behandlungsschritte vorgesehen, die Reinigungs- und Ätzschritte umfassen.
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Nach
den Schleif-, Reinigungs- und Ätzschritten
erfolgt gemäß dem Stand
der Technik eine Glättung
der Oberfläche
der Siliciumscheiben durch Abtragspolitur. Beim Einseitenpolieren
(„single-side polishing", SSP) werden Siliciumscheiben
während der
Bearbeitung rückseitig
auf einer Trägerplatte
mit Kitt, durch Vakuum oder mittels Adhäsion gehalten. Beim Doppelseitenpolieren
(DSP) werden Siliciumscheiben lose in eine dünne Zahnscheibe eingelegt und
vorder- und rückseitig
simultan „frei
schwimmend" zwischen
einem oberen und einem unteren, mit einem Poliertuch belegten Polierteller
poliert.
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Die
bereitgestellten Siliciumscheiben sind wenigstens auf ihren Vorderseiten
poliert.
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Des
Weiteren sind die Vorderseiten der bereitgestellten Siliciumscheiben
vorzugsweise schleierfrei poliert, beispielsweise mit einem weichen
Poliertuch unter Zuhilfenahme eines alkalischen Poliersols; zum
Erhalt der bis zu diesem Schritt erzeugten Geometrie der Siliciumscheiben
liegen die Materialabträge
dabei relativ niedrig, bevorzugt 0,05 bis 1,5 μm. In der Literatur wird dieser
Schritt oft als CMP-Politur („chemo-mechanical
polishing") bezeichnet.
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Nach
der Politur werden die Siliciumscheiben einer hydrophilen Reinigung
und Trocknung nach dem Stand der Technik unterzogen. Die Reinigung
kann entweder als Batchverfahren unter gleichzeitiger Reinigung
einer Vielzahl von Siliciumscheiben in Bädern oder mit Sprühverfahren
oder auch als Einzelscheibenprozess ausgeführt werden.
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Auf
die polierten Vorderseiten der bereitgestellten Siliciumscheiben
werden anschließend
in einem Einzelscheibenreaktor epitaktische Schichten abgeschieden.
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Die
bereitgestellten Siliciumscheiben sind vorzugsweise Scheiben aus
monokristallinem Silicium, SOI („silicon-on-insulator")-Scheiben, Scheiben mit
einer verspannten Siliciumschicht („strained silicon") oder sSOI(„strained
silicon-on-insulator")-Scheiben.
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Vor
der eigentlichen Abscheidung der epitaktischen Schicht auf die polierte
Vorderseite einer Siliciumscheibe erfolgt zunächst jeweils eine Vorbehandlung
der Siliciumscheibe unter reiner Wasserstoffatmosphäre, vorzugsweise
in einem Temperaturbereich von 950 bis 1200°C, in der Prozesskammer, um
das nach dem vorangegangenen Reinigungsschritt gebildete native
Oxid von der Vorderseite der Siliciumscheibe abzulösen.
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Dabei
liegt ein Wasserstofffluss in einem Bereich von 1–100 slm
(Standard Liter pro Minute), bevorzugt bei 30–60 slm.
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In
einem zweiten Schritt erfolgt eine Zugabe eines Ätzmediums in die Wasserstoffatmosphäre und eine
Behandlung der Siliciumscheibe mit diesem Ätzmedium, vorzugsweise bei
einer Temperatur von 950–1200°C.
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Als Ätzmedium
wird vorzugsweise gasförmiger
Chlorwasserstoff verwendet. Die Konzentration des gasförmigen HCl
wird dabei vorzugsweise in einem Bereich von 5–20 Vol.-% gehalten, so dass
eine Ätzrate
bei 0,01–0,2 μm/min liegt.
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Vorzugsweise
wird neben gasförmigem
HCl auch eine Silanquelle, beispielsweise Silan (SiH4), Dichlorsilan
(SiH2Cl2), Trichlorsilan
(TCS, SiHCl3) oder Tetrachlorsilan (SiCl4), bevorzugt Trichlorsilan, in einer solchen
Menge zur Wasserstoffatmosphäre zugegeben,
dass Siliciumabscheidung und Siliciumätzabtrag im Gleichgewicht sind.
Beide Reaktionen laufen jedoch mit hinreichend hoher Reaktionsrate ab,
so dass Silicium auf der Oberfläche
mobil ist und es zu einer Glättung
der Oberfläche
und zum Entfernen von Defekten auf der Oberfläche kommt.
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Nach
den Vorbehandlungsschritten wird eine epitaktische Schicht auf der
polierten Vorderseite einer Siliciumscheibe abgeschieden. Dazu wird
Wasserstoff als Trägergas
eine Silanquelle als Quellengas zugegeben. Die Abscheidung der epitaktischen Schicht
erfolgt abhängig
von der verwendeten Silanquelle bei einer Temperatur von 900–1200°C.
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Vorzugsweise
wird als Silanquelle Trichlorsilan (TCS) verwendet bei einer Abscheidetemperatur von
1050–1150°C.
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Die
Dicke der abgeschiedenen epitaktischen Schicht beträgt vorzugsweise
0,5–5 μm.
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Nach
einer bestimmten Zahl von epitaktischen Beschichtungen einer Siliciumscheibe
erfolgt eine Behandlung des Suszeptors mit einem Ätzmedium,
wobei sich auf dem Suszeptor dabei kein Substrat befindet.
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Vorzugsweise
erfolgt die Ätzbehandlung nach
1–5 epitaktischen
Beschichtungen in der Prozesskammer des Epitaxiereaktors. Dies bedeutet, dass
beispielsweise nach jeder dritten epitaktischen Beschichtung einer
Siliciumscheibe die epitaxierte Siliciumscheibe vom Suszeptor bzw.
aus dem Epitaxiereaktor entfernt und der Suszeptor anschließend einer Ätzbehandlung
unterzogen wird.
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Die Ätzbehandlung
erfolgt vorzugsweise mit HCl.
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Erfindungsgemäß wird der
Suszeptor nach dieser Ätzbehandlung
hydrophiliert. Mit dieser Hydrophilierung des Suszeptors wird erreicht,
dass die Oberfläche
des Suszeptors mit Sauerstoff abgesättigt, die Suszeptoroberfläche also
hydrophil ist.
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Die
Hydrophilierung des Suszeptors erfolgt vorzugsweise dadurch, dass
eine hydrophile Scheibe kurzzeitig auf den Suszeptor gelegt wird.
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Bei
der hydrophilen Scheibe handelt es sich um eine Scheibe, die wenigstens
auf ihrer einen Seite eine hydrophile Schicht beinhaltet und die
so auf den Suszeptor gelegt wird, dass diese hydrophile Schicht
und die Suszeptoroberfläche
in Berührung kommen.
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Während diese
hydrophile Scheibe auf dem Suszeptor aufliegt, beträgt die Temperatur
des Suszeptors bzw. in der Prozesskammer vorzugsweise 700–1100°C.
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Die
hydrophile Scheibe wird dabei nicht beschichtet.
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Die
hydrophile Scheibe wird vorzugsweise nach 1–30 Sekunden wieder vom Suszeptor
entfernt.
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Anschließend wird
die nächste
bereitgestellte Siliciumscheibe epitaxiert.
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Besonders
wirkungsvoll und deshalb besonders bevorzugt ist es, als hydrophile
Scheibe eine Scheibe aus Silicium zu verwenden, die eine thermische
Oxid- bzw. LTO(„Low
Temperature Oxide”)-Schicht beinhaltet.
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Während die
LTO-Scheibe auf dem Suszeptor aufliegt, beträgt die Temperatur des Suszeptors vorzugsweise
700–900°C.
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Die
LTO-Scheibe wird vorzugsweise nach 1–10 Sekunden wieder vom Suszeptor
entfernt.
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Besonders
bevorzugt ist es, die Ätzbehandlung
des Suszeptors nach jeder epitaktischen Beschichtung durchzuführen.
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Es
hat sich gezeigt, dass im Stand der Technik die unmittelbar nach
einer Suszeptorätze
epitaxierte Siliciumscheibe besonders schlechte lokale Ebenheitswerte
in ihrem Randbereich aufweist. Dies liegt daran, dass es insbesondere
am Rand der Siliciumscheibe durch Eindringen von Wasserstoff, Ätz- oder
Abscheidegas zwischen Siliciumscheibe und Suszeptor zu deutlichen
Veränderungen
der lokalen Ebenheit der Siliciumscheibe kommen kann. Nach der Ätzbehandlung
ist die Suszeptoroberfläche
mit Wasserstoff abgesättigt.
Wird nun auf die mit Wasserstoff abgesättigte Suszeptoroberfläche eine
Siliciumscheibe gebracht, kann bei der Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre der Wasserstoff
zwischen Suszeptor und Rückseite
der Siliciumscheibe hindurch bis weit nach innen Richtung Zentrum
der Siliciumscheibe diffundieren und dort natives Oxid ablösen. Während der
nachfolgenden epitaktischen Beschichtung dieser Siliciumscheibe
kann Silicium an den auf der Rückseite
abgeätzten
Stellen, insbesondere im Randbereich der Siliciumscheibe, aufwachsen,
was zu verschlechterter lokaler Ebenheit im Randbereich der Siliciumscheibe
und somit auch zu schlechten maximalen lokalen Ebenheitswerten führt.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
tritt dieses Problem nicht auf, da durch das Auflegen einer hydrophilen
Scheibe auf den Suszeptor dieser hydrophiliert wird.
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Bei
Verwendung einer LTO-Scheibe überträgt sich
ein Teil des Sauerstoffs von der LTO-Schicht auf den Suszeptor,
so dass nach Entfernen der LTO-Scheibe Sauerstoff auf der Suszeptoroberfläche überwiegt.
Dies hat den Vorteil, dass bei der Vorbehandlung der nächsten zu
epitaxierenden Siliciumscheibe in Wasserstoffatmosphäre das Eindringen
von Wasserstoff zwischen Suszeptoroberfläche und zu epitaxierender Siliciumscheibe
erschwert ist, da der eindiffundierende Wasserstoff mit Sauerstoff
vom mit Sauerstoff abgesättigten
Suszeptor reagiert.
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Dadurch
wird das Entfernen von nativem Oxid auf der Rückseite der zu epitaxierenden
Siliciumscheibe behindert. Da also kein Ätzabtrag von nativem Oxid auf
der Rückseite
der Siliciumscheibe in nennenswertem Umfang erfolgt, kommt es auch zu keiner
Abscheidung von Silicium an abgeätzten
Stellen. Damit wird eine Verschlechterung der lokalen Ebenheit einer
unmittelbar nach einer Suszeptorätze epitaxierten
Siliciumscheibe verhindert und die Ausbeute an epitaxierten Siliciumscheiben
mit definierten maximalen lokalen Ebenheitswerten erhöht.
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Die
hydrophile Scheibe bzw. die LTO-Scheibe, die nach der Ätzbehandlung
des Suszeptors auf diesen gelegt wird, wird vorzugsweise mehrmals
verwendet.
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Im
Rahmen der Erfindung ist folgender Prozessablauf besonders bevorzugt:
- (a) Auflegen einer wenigstens auf ihrer Vorderseite
polierten Siliciumscheibe auf den Suszeptor;
- (b) Vorbehandlung der polierten Siliciumscheibe unter Wasserstoffatmosphäre und unter
Zugabe von HCl zur Wasserstoffatmosphäre;
- (c) Epitaktische Beschichtung dieser vorbehandelten Siliciumscheibe;
- (d) Entfernen der epitaxierten Siliciumscheibe;
- (e) Ätzbehandlung
des Suszeptors mit HCl;
- (f) Auflegen einer LTO-Scheibe auf den Suszeptor für eine bestimmte
Zeit;
- (g) Entfernen der LTO-Scheibe;
und anschließend wieder
Schritt (a) bis (g).
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In
diesem Prozessablauf ist vorgesehen, nach jeder epitaktischen Beschichtung
eine Ätzbehandlung
der Suszeptors durchzuführen,
wobei nach jeder Ätzbehandlung
des Suszeptors eine LTO-Scheibe auf den Suszeptor gelegt wird, um
einen Überschuss
an Sauerstoff auf dessen Oberfläche
zu erreichen.
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Es
hat sich gezeigt, dass dieser besonders bevorzugte Prozessablauf
gemäß (a) bis
(g) geeignet ist, eine Siliciumscheibe herzustellen, die eine Vorderseite
und eine Rückseite
umfasst, wobei wenigstens die Vorderseite poliert ist und auf die
Vorderseite eine epitaktische Schicht aufgebracht ist, gekennzeichnet
durch einen maximalen lokalen Ebenheitswert SFQRmax von
0,01 μm
bis 0,035 μm,
bezogen auf wenigstens 99% der Teilbereiche eines Flächenrasters
von Messfenstern der Größe 26 × 8 mm2 auf der Vorderseite der beschichteten Siliciumscheibe und
einen Randausschluss von 2 mm.
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Dies
wird im besonders bevorzugten Prozessablauf dadurch erreicht, dass
die Ätzbehandlung des
Suszeptors nach jeder epitaktischen Beschichtung erfolgt. Der Suszeptor
wird also vor jeder epitaktischen Beschichtung von Siliciumablagerungen
befreit. Um zu verhindern, dass während der Vorbehandlung gemäß (b) Wasserstoff
leicht zwischen Suszeptor und Siliciumscheibe eindringen kann, wird nach
jeder Ätzbehandlung
des Suszeptors eine LTO-Scheibe für eine bestimmte Zeit auf den
Suszeptor gelegt und anschließend
entfernt. Zum einen führt
dieser Prozessablauf dazu, dass die zu epitaxierende Siliciumscheibe
auf einer sauberen, von jeglichen Ablagerungen befreiten Suszeptoroberfläche und
somit besonders eben aufliegt. Zum anderen wird der im Stand der
Technik bereits beobachtete, aber nicht verstandene negative Einfluss
der Ätzbehandlung
des Suszeptors auf die lokale Ebenheit der epitaxierten Siliciumscheibe
durch das kurzzeitige Auflegen einer LTO-Scheibe nach der Ätzbehandlung des Suszeptors
verhindert.
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Bei
gemäß dem besonders
bevorzugten Prozessablauf epitaxierten Siliciumscheiben ergaben sich
folgende maximale lokale Ebenheitswerte: 0,013 μm–0,018 μm–0,024 μm–0,028 μm–0,033 μm. Dabei sind wiederum ein Flächenraster
von Messfenstern der Größe 26 × 8 mm2 auf der Vorderseite der epitaxierten Siliciumscheibe
und ein Randausschluss von 2 mm zugrunde gelegt.
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Vorzugsweise
weist die epitaxierte Siliciumscheibe einen maximalen lokalen Ebenheitswert SFQRmax von 0,01 μm bis 0,025 μm auf, da sich gezeigt hat,
dass das erfindungsgemäße Verfahren
bei Siliciumscheiben mit polierter Vorder- und Rückseite besonders gute Ergebnisse
zeigt. Dies liegt daran, dass in diesem Fall ein Spalt zwischen
Suszeptor und der Rückseite
der vom Suszeptor gehaltenen Siliciumscheibe besonders eng ist.
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Wird
im besonders bevorzugten Prozessablauf gemäß (a) eine auch auf der Rückseite
polierte und auf der Vorderseite CMP-polierte Siliciumscheibe sowie
des Weiteren ein Suszeptor mit einer polierten Auflagefläche verwendet,
ist es möglich,
epitaxierte Siliciumscheiben mit weiter verbesserten maximalen lokalen
Ebenheitswerten SFQRmax herzustellen. Vorzugsweise
sind dabei Vorder- und Rückseite der
Siliciumscheibe mittels DSP poliert.
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Daher
weist eine Siliciumscheibe, die eine Vorderseite und eine Rückseite
umfasst, wobei Vorder- und Rückseite
mittels DSP poliert und die Vorderseite CMP-poliert ist und wenigstens
auf deren Vorderseite eine epitaktische Schicht aufgebracht ist, vorzugsweise
einen maximalen lokalen Ebenheitswert SFQRmax von
0,01–0,02 μm auf, bezogen
auf einen Randausschluss von 2 mm.
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In
diesem Fall sind also Vorder- und Rückseite der Siliciumscheibe
poliert (Abtragspolitur), die Vorderseite der Siliciumscheibe darüber hinaus schleierfrei
bzw. CMP-poliert und die Vorderseite der Siliciumscheibe mit einer
epitaktischen Schicht versehen.
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Bei
einer epitaktisch beschichteten Siliciumscheibe mit einem Durchmesser
von 300 mm ergeben sich bei einem Randausschluss von 2 mm insgesamt
336 Messfenster (sites) in Form eines Flächenraster von Segmenten der
Größe 26 mm × 8 mm,
wobei 52 dieser 336 Messfenster „partial sites" sind.
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Vorzugsweise
werden im Rahmen dieser Erfindung auch die „partial sites" bei der Bestimmung des
maximalen lokalen Ebenheitswertes, also alle Teilbereiche eines
Flächenrasters
von Messfenstern der Größe 26 mm × 8 mm auf
der Vorderseite der Siliciumscheibe berücksichtigt.
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Der
PUA-Wert („chip
yield") beträgt wenigstens
99%, d. h. für
wenigstens 99% der Messfenster sind die lokalen Ebenheitswerte gleich
oder kleiner als der entsprechende maximale lokale Ebenheitswert.
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Vorzugsweise
wird ein PUA-Wert von 100% angenommen, d. h. die lokalen Ebenheitswerte
für die
einzelnen Messfenster sind alle gleich oder kleiner als der maximale
lokale Ebenheitswert.
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Durch
den extrem niedrigen maximalen lokalen Ebenheitswert von gleich
oder kleiner 0,02 μm
ist die erfindungsgemäße Siliciumscheibe
bereits für
die Fabrikation von elektronischen Bauelementen mit Linienbreiten
gleich 0,022 μm
oder kleiner, nach ITRS („International
Technology Roadmap For Semiconductors") auch als hp22-Technologiegeneration
bezeichnet, geeignet. Im Stand der Technik sind epitaxierte Siliciumscheiben
mit derart hervorragenden lokalen Ebenheitswerten nicht bekannt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Siliciumscheibe handelt
es sich vorzugsweise um eine Scheibe aus monokristallinem Silicium,
eine SOI(„silicon-on-insulator")-Scheibe, eine Scheibe
mit einer verspannten Siliciumschicht („strained silicon") oder eine sSOI(„strained
silicon-on-insulator")-Scheibe,
die jeweils wenigstens auf ihrer Vorderseite mit einer epitaktischen
Schicht versehen ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 7 dargelegt.
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1 zeigt
lokale Ebenheitswerte für
eine auf der Vorderseite CMP-polierte Siliciumscheibe.
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2 zeigt
lokale Ebenheitswerte für
die nach dem Stand der Technik mit einer epitaktische Schicht versehene
Siliciumscheibe aus 1.
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3 zeigt
lokale Ebenheitswerte für
eine auf der Vorderseite CMP-polierte Siliciumscheibe.
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4 zeigt
lokale Ebenheitswerte für
die erfindungsgemäß mit einer
epitaktische Schicht versehene Siliciumscheibe aus 3.
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5 zeigt
die Dicke einer auf der Vorderseite CMP-polierten Siliciumscheibe
gegen den Radius dieser Siliciumscheibe aufgetragen („Line-Scan").
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6 zeigt
den Verlauf der Dicke einer erfindungsgemäß mit einer epitaktischen Schicht
versehenen, zuvor auf der Vorderseite CMP-polierten Siliciumscheibe über den
Radius der Siliciumscheibe als Line-Scan.
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7 zeigt
eine Differenz zwischen der Dicke einer erfindungsgemäß mit einer
epitaktischen Schicht versehenen, zuvor auf der Vorderseite CMP-polierten
Siliciumscheibe und der Dicke dieser auf der Vorderseite schleierfrei
polierten Siliciumscheibe über
ihren Radius (Line-Scan).
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Vergleichsbeispiel (Stand der Technik)
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In 1 sind
lokale Ebenheitswerte SFQR einer auf Vorder- und Rückseite
mittels DSP polierten und auf der Vorderseite CMP-polierten Siliciumscheibe
mit einem Durchmesser von 300 mm dargestellt. Die Siliciumscheibe
ist in ein Flächenraster
von 336 Messfenstern einer Größe von 26 × 8 mm2 eingeteilt, von denen es sich bei 52 Messfenstern
um „partial
sites" handelt.
Der Ermittlung der SFQR-Werte ist ein Randausschluss von 2 mm bzw.
296 mm FQA zugrunde gelegt. Bei Berücksichtigung auch der 52 „partial
sites” ergibt
sich als Maximum aller SFQR-Werte dieser Siliciumscheibe ein maximaler lokaler
Ebenheitswert SFQRmax von 0,055 μm. Es zeigt
sich ein starker Anstieg der lokalen Ebenheitswerte zum Rand hin.
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Auf
der Vorderseite dieser CMP-polierten Siliciumscheibe wurde anschließend gemäß dem Stand
der Technik eine epitaktische Schicht abgeschieden. Die Abscheidung
erfolgte bei einer Temperatur in der Prozesskammer von 1120°C, einem TCS-Fluss von
17 slm, einem Fluss des Trägergases H2 von 50 slm und einer Abscheidedauer von
63 sec.
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In 2 sind
lokale Ebenheitswerte für
diese epitaxierte Siliciumscheibe dargestellt. Randausschluss und
FQA entsprechen den in der Beschreibung zu 1 genannten
Werten. Auch hier zeigt sich weiterhin ein deutlicher Anstieg der
lokalen Ebenheitswerte der epitaxierten Siliciumscheibe im Randbereich.
Bei Berücksichtigung
auch der 52 „partial
sites" ergibt sich
ein maximaler lokaler Ebenheitswert SFQRmax von
0,051 μm.
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Bei
weiteren, gemäß dem Stand
der Technik, also ohne Hydrophilierung des Suszeptors vor der epitaktischen
Abscheidung, epitaxierten Siliciumscheiben ergaben sich folgende
maximale lokale Ebenheitswerte SFQRmax: 0,042–0,044–0,050–0,057,
wobei die beiden letzteren den maximalen lokalen Ebenheitswerten
von unmittelbar nach einer Ätzbehandlung
des Suszeptors epitaxierten Siliciumscheiben entsprechen.
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Beispiel
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In 3 sind
lokale Ebenheitswerte einer auf Vorder- und Rückseite mittels DSP polierten
und auf der Vorderseite CMP-polierten
Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm dargestellt, wiederum
bei einem Randausschluss von 2 mm. Auch hier zeigen sich deutlich
schlechtere Werte bezüglich
der lokalen Ebenheit am Rand der Siliciumscheibe. Bei Berücksichtigung
der 52 „partial
sites" ergibt sich
ein maximaler lokaler Ebenheitswert SFQRmax von
0,046 μm.
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Diese
CMP-polierte Siliciumscheibe wurde nach einer Ätzbehandlung des Suszeptors
und Auflegen einer LTO-Scheibe auf den Suszeptor epitaxiert. Die
LTO-Scheibe wurde dabei nach der Ätzbehandlung des Suszeptors
für 10
sec bei einer Temperatur von 900°C
in der Prozesskammer auf den Suszeptor gelegt. Anschließend erfolgte
eine epitaktische Abscheidung auf der Vorderseite der CMP-polierten
Siliciumscheibe, bei der folgende Prozessparameter zum Einsatz kamen:
TCS-Fluss 17 slm, H2-Fluss 50 slm, Temperatur
1120°C,
63 sec Abscheidedauer.
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In 4 sind
lokale Ebenheitswerte für
diese epitaxierte Siliciumscheibe dargestellt. Dabei ergibt sich
ein maximaler lokaler Ebenheitswert SFQRmax von
0,019. Dabei sind die 52 „partial
sites" berücksichtigt.
Dieser hervorragende lokale Ebenheitsparameter ist auf eine deutliche
Verbesserung der lokalen Ebenheit im Randbereich der epitaxierten
Siliciumscheibe zurückzuführen, die
durch das erfindungsgemäße Verfahren,
insbesondere durch die zuvor durchgeführte Hydrophilierung des Suszeptors
erreicht wird.
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5 zeigt
den Verlauf der Dicke einer auf der Vorderseite CMP-polierten Siliciumscheibe
in Abhängigkeit
vom Radius dieser Siliciumscheibe als Line-Scan. Es ist ein Randausschluss
von 2 mm zugrunde gelegt. Die Abbildung zeigt an beiden Rändern einen
deutlichen Abfall in den Dicken der Siliciumscheibe. Dieser Randabfall
ist auf die Polierschritte zurückzuführen. Eine
Siliciumscheibe wird üblicherweise
konkav poliert, d. h. die Dicke der polierten Siliciumscheibe nimmt
vom Zentrum der Siliciumscheibe aus nach außen hin zu, um nur am Rand
einen Dickenabfall zu zeigen („Roll-off").
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6 zeigt
den Verlauf der Dicke der auf der Vorderseite CMP-polierten und mit
einer epitaktischen Schicht versehenen Siliciumscheibe in Abhängigkeit
vom Radius dieser epitaxierten Siliciumscheibe als Line-Scan. Die
Dicke der epitaxierten Siliciumscheibe nimmt von innen nach außen zu.
Ein Randabfall bezüglich
der Dicke der Siliciumscheibe ist nicht mehr zu erkennen.
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7 zeigt
schließlich
die Differenz der Dicke der epitaxierten Siliciumscheibe aus 6 und der
Dicke der CMP-polierten
Siliciumscheibe aus 5 in Abhängigkeit vom Radius dieser
Siliciumscheibe als Line-Scan. Es wird also gezeigt, wie sich die
Dicke der CMP-polierten Siliciumscheibe durch die Vorbehandlungsschritte
und die Abscheidung einer epitaktischen Schicht verändert hat.
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Es
ist zu erkennen, dass sich die Dicke der epitaxierten Siliciumscheibe
am Rand deutlich erhöht hat,
wodurch der bei der CMP-polierten Siliciumscheibe beobachtete Randabfall
wenigstens teilweise kompensiert wird. Dies hat auch eine Verbesserung
der lokalen Ebenheit der epitaxierten Siliciumscheibe am Rand zur
Folge und insgesamt eine deutliche Verbesserung der maximalen lokalen
Ebenheit, wie in 4 gezeigt wurde. Dies ist auf
die Hydrophilierung des Suszeptors vor der epitaktischen Beschichtung
zurückzuführen, die
behindert, dass bei der Vorbehandlung Wasserstoff zwischen Suszeptor und
Siliciumscheibe eindringt und natives Oxid auf der Rückseite
der Siliciumscheibe entfernt wird, was zur Folge hätte, dass
Silicium an den auf der Rückseite
der Siliciumscheibe vom nativen Oxid befreiten Stellen aufwächst und
zu weiterhin schlechten lokalen Ebenheitswerten insbesondere im
Randbereich führen
würde,
wie im Vergleichsbeispiel und in 2 dargelegt.
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Bei
weiteren Messungen zeigten epitaxierte Siliciumscheiben, wobei jeweils
vor der epitaktischen Abscheidung eine Ätzbehandlung des Suszeptors durchgeführt und
anschließend
eine LTO-Scheibe für 10
sec bei einer Temperatur von 900°C
in der Prozesskammer auf den Suszeptor gelegt wurde, folgende maximale
lokale Ebenheitswerte SFQRmax: 0,012–0,014–0,015–0,018.
Die untersuchten Siliciumscheiben waren jeweils mittels DSP auf
Vorder- und Rückseite
poliert und auf ihrer Vorderseite CMP-poliert. Außerdem wurde ein Suszeptor
mit einer polierten Auflagefläche
verwendet.