DE102006022093B4

DE102006022093B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung einer Halbleiterscheibe durch Ätzen

Info

Publication number: DE102006022093B4
Application number: DE102006022093A
Authority: DE
Inventors: Diego Dr. Feijóo; Reinhold Wahlich; Oliver Dr. Riemenschneider
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: TW200745390A; JP2009536784A; WO2007131635A1; DE102006022093A1; JP4863409B2; TWI358469B

Abstract

Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterscheibe, umfassend folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
a) ortsabhängige Messung eines die Halbleiterscheibe charakterisierenden Parameters, um den ortsabhängigen Wert dieses Parameters auf einer gesamten Fläche der Halbleiterscheibe zu ermitteln,
b) Aufbringen eines Ätzmediums mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas auf diese gesamte Fläche der Halbleiterscheibe,
c) Ätzbehandlung dieser gesamten Fläche der Halbleiterscheibe durch Einwirkung des Ätzmediums unter gleichzeitiger Belichtung dieser gesamten Fläche, wobei die Abtragsrate der Ätzbehandlung von der Lichtintensität an der Fläche der Halbleiterscheibe abhängig ist, und wobei die Lichtintensität ortsabhängig so vorgegeben wird, dass die Unterschiede in den in Schritt a) gemessenen ortsabhängigen Werten des Parameters durch die ortsabhängige Abtragsrate verringert werden, und
d) Entfernung des Ätzmediums von der Fläche der Halbleiterscheibe.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einebnen einer Halbleiterscheibe mittels einer Ätzbehandlung mit lokal unterschiedlichem Materialabtrag.
Eine Halbleiterscheibe, insbesondere eine einkristalline Siliciumscheibe für die Verwendung in der Halbleiterindustrie, muss eine hohe Ebenheit aufweisen, insbesondere um den Anforderungen für die Herstellung integrierter Schaltkreise Rechnung zu tragen. Eine allgemein anerkannte Faustregel besagt, dass der SFQR_max-Wert einer Halbleiterscheibe nicht größer sein darf als die Linienbreite der Bauelemente, die auf der Halbleiterscheibe hergestellt werden sollen. Um eine möglichst große Anzahl von Schaltkreisen integrieren zu können, muss die geforderte Ebenheit außerdem möglichst nahe bis an den Rand der Vorderseite gewährleistet sein, wobei die Vorderseite als die Seite definiert ist, auf der die Bauelemente hergestellt werden sollen. Dies bedeutet, dass die Messung der Ebenheit mit sehr geringem Randausschluss durchzuführen ist und die spezifizierten Ebenheitswerte nicht nur für die sog. Full Sites, sondern auch für die Partial Sites erfüllt sein müssen. (Full Sites sind alle Flächenelemente, auf denen vollständige Bauelemente gefertigt werden können, Partial Sites sind die Flächenelemente am Scheibenrand, auf denen keine vollständigen Bauelemente Platz finden.)
Bei der Definition der Ebenheit von Halbleiterscheiben wird gemäß der SEMI-Norm M1-94 zwischen globaler und lokaler Ebenheit unterschieden. Die globale Ebenheit bezieht sich auf die gesamte Scheibenoberfläche abzüglich eines zu definierenden Randausschlusses. Sie wird durch den GBIR („global backsurfacereferenced ideal plane/range” = Bereich der positiven und negativen Abweichung von einer rückseitenbezogenen Idealebene für die gesamte Vorderseite der Halbleiterscheibe) beschrieben, welcher der früher gebräuchlichen Angabe TTV („total thickness variation”) entspricht. Die lokale Ebenheit bezieht sich auf eine begrenzte Fläche auf der Halbleiterscheibe, die in der Regel der Fläche des darauf zu errichtenden Bauelements entspricht. Sie wird oft als SFQR („site front surface referenced least squares/range” = Bereich der positiven und negativen Abweichung von einer über Fehlerquadratminimierung definierten Vorderseite für eine Fläche definierter Dimension) ausgedrückt. Die Größe SFQR_max gibt den höchsten SFQR-Wert für alle Bauelementeflächen auf einer bestimmten Halbleiterscheibe an. Beim SFQR ist immer anzugeben, auf welche Fläche sich der angegebene Wert bezieht, beispielsweise auf eine Fläche von 26 × 8 mm² gemäß der ITRS-Roadmap.
Ein weiterer Ebenheitsparameter ist die sog. Nanotopographie. Diese ist definiert als peak-to-valley-Abweichung in einem vorgegebenen Flächenelement, z. B. 2 × 2 mm². Die Nanotopographie wird unter Verwendung von Messgeräten wie ADE CR 83 SQM, ADE PhaseShift Nanomapper oder KLA Tencor SNT gemessen.
Die Ebenheit im Randbereich der Halbleiterscheibe wird durch den sog. „Edge Roll off” entscheidend beeinflusst. „A New Method for the Precise Measurement of Wafer Roll off of Silicon Polished Wafer”, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 38 (1999), 38–39 beschreibt die Messung des „Wafer Roll off” (= Edge Roll off). Der Edge Roll off kann sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite der Halbleiterscheibe auftreten. Er kann die SFQR-Werte der am Scheibenrand gelegenen Flächenelemente deutlich beeinflussen. Ein Edge Roll off ist insbesondere bei Halbleiterscheiben störend, die, beispielsweise zur Herstellung von SOI-Scheiben, mit einer weiteren Halbleiterscheibe verbunden (gebondet) werden, da der Edge Roll off der miteinander zu verbindenden Scheibenflächen großen Einfluss auf die Bondqualität am Scheibenrand hat.
Derzeit werden Halbleiterscheiben, die als Substrat für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente dienen, in der Regel nach der folgenden konventionellen Prozesssequenz hergestellt: Sägen, Läppen und/oder Schleifen, nasschemisches Ätzen, Abtragspolitur (engl. „stock removal polishing”) und Endpolitur (engl. „mirror polishing”). Es hat sich gezeigt, dass diese Prozesssequenz nicht in der Lage ist, die für die ständig abnehmenden Linienbreiten erforderlichen Ebenheiten zu gewährleisten.
In der EP798766A1 wird in der konventionellen Prozesssequenz zwischen Abtragspolitur und Endpolitur ein Gasphasenätzschritt nach dem PACE-Verfahren („plasma assisted chemical etching”) gefolgt von einer Wärmebehandlung eingefügt, um die Ebenheit der Halbleiterscheibe zu verbessern. Anhand der Prozessierung von Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 200 mm wird gezeigt, dass die beschriebene Prozesssequenz GBIR-Resultate von 0,2 bis 0,3 μm ermöglicht. Lokale Ebenheitsdaten sind nicht angegeben. Weiterhin ist nicht angegeben, wie groß der Randausschluss der Ebenheitsmessung war.
In der EP961314A1 ist ein ähnliches Verfahren angegeben, bei dem nach Sägen, Schleifen, PACE und Endpolitur GBIR-Werte von bestenfalls 0,14 μm und SFQR_max-Werte von bestenfalls 0,07 μm erreicht werden.
Das PACE-Verfahren, wie in EP961314A1 vorgeschlagen, führt zu einer Verschlechterung der Rauhigkeit bei einer polierten Scheibe, die teilweise durch einen zusätzlichen Hydrophobierungsschritt unmittelbar vor dem PACE reduziert werden kann. PACE muss im Vakuum durchgeführt werden, was den Prozess anlagentechnisch aufwändig macht. Außerdem wird die Halbleiterscheibe mit den Zersetzungsprodukten der zum Ätzen verwendeten Gase kontaminiert, was einen zusätzlichen Reinigungsschritt notwendig macht, wie in EP1100117A2 beschrieben. Zudem erfolgt dieser Prozess nicht vollflächig, sondern durch Abrastern der Halbleiterscheibe. Dies ist einerseits sehr zeitaufwändig und führt andererseits zu Problemen bezüglich der Nanotopographie im Überlappungsbereich des Abrasterns als auch zu Problemen bezüglich der Ebenheit (SFQR_max und Edge Roll off) im äußeren Bereich der Halbleiterscheibe bis zu einer Entfernung von ca. 5 mm vom Scheibenrand. Eine mögliche Ursache ist die verstärkte Absaugwirkung am Rand der Halbleiterscheibe und damit Reduzierung des Ätzmediums, da im Vakuum gearbeitet wird. Durch die notwendige Überlappung beim Abrastern verschlechtert sich an den Überlappungspositionen insbesondere die Nanotopographie. Je größer der Durchmesser der Düse ist, mit der das Ätzmedium zugeführt wird, umso deutlicher ist die Verschlechterung. Aus wirtschaftlichen Gründen kann der Düsendurchmesser jedoch nicht beliebig klein gewählt werden.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren sind somit nicht in der Lage, die Geometrieanforderungen für Bauelemente mit Linienbreiten gleich oder kleiner 65 nm, d. h. SFQR_max-Werte von höchstens 65 nm, zu erfüllen. Die schwerwiegendsten Probleme treten dabei im Randbereich der Halbleiterscheibe auf, da der Randausschluss von derzeit 3 mm (bei Linienbreiten von 90 nm) bei den zukünftigen Linienbreiten von 65 nm auf 2 mm bzw. 1 mm oder weniger reduziert wird und die Partial Sites bei der Beurteilung der Ebenheit einbezogen werden.
Aus JP2004-281485A und JP09-232279A sind auch Verfahren bekannt, bei denen ein Geometrieparameter der Halbleiterscheibe ortsabhängig gemessen und die Halbleiterscheibe danach einem flüssigen Ätzmedium ausgesetzt wird. Während des Ätzens werden Bereiche der Halbleiterscheibe mit einer ortsabhängigen Lichtintensität bestrahlt, um einen ortsabhängig variierenden Ätzabtrag zu erzielen und damit die zuvor bestimmten Unregelmäßigkeiten der Scheibengeometrie zu beseitigen.
Weiterhin sind verschiedenste Verfahren bekannt, die Oberfläche einer Halbleiterscheibe durch Ätzen unter ortsabhängiger Belichtung, i. d. R. unter Verwendung einer entsprechenden Photomaske, zu strukturieren. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in US5318676 beschrieben.
Zum Strukturieren von Halbleiterscheiben werden auch Ätzpasten verwendet, die lokal auf die zu ätzenden Stellen aufgetragen werden. Solche Ätzpasten sind beispielsweise aus WO2004/032218A1 und EP1378948A1 bekannt.
Ein zusätzliches Problem ergibt sich im Fall von sog. SOI-Scheiben. Diese Halbleiterscheiben weisen eine Halbleiterschicht auf, die sich auf einer Fläche einer Trägerscheibe (engl. „base wafer” oder „handle wafer”) befindet. Die Dicke der Halbleiterschicht variiert abhängig von den zu prozessierenden Bauelementen. Generell wird zwischen sog. „dünnen Schichten” (weniger als 100 nm Dicke) und sog. „dicken Schichten” (von 100 nm bis ca. 80 μm) unterschieden. Die Trägerscheibe kann entweder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen (z. B. Glas, Quarz, Saphir) oder sie kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silicium, bestehen und lediglich durch eine elektrisch isolierende Schicht von der Halbleiterschicht getrennt sein. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise aus Siliciumoxid bestehen.
Die Halbleiterschicht einer SOI-Scheibe muss eine sehr homogene Dicke bis in den äußersten Randbereich aufweisen. Insbesondere bei Halbleiterschichten mit einer Dicke von 100 nm oder weniger variieren die Transistoreigenschaften, wie z. B. die Einsatzspannung, im Fall inhomogener Schichtdicken sehr stark. Die absolute Dickentoleranz bei SOI-Scheiben mit dünnen und dicken Halbleiterschichten hängt von der Schichtdicke ab.
Um eine möglichst große Anzahl von Schaltkreisen integrieren zu können, muss zudem die notwendige Schichtdickenhomogenität möglichst nahe bis an den Rand der Vorderseite gewährleistet sein. Dies bedeutet wiederum einen sehr geringen Randausschluss.
Im Stand der Technik sind Verfahren zur Nachbehandlung einer SOI-Scheibe mit dem Ziel der Verbesserung der Schichtdickenhomogenität bekannt. Dabei handelt es sich generell um lokale Ätzverfahren unter Abrastern der SOI-Scheibe, wobei an Stellen höherer Schichtdicke ein höherer Ätzabtrag vorgesehen ist: Gemäß US2004/0063329A1 wird in einem Trockenätzverfahren die Oberfläche der SOI-Scheibe mit einer Düse abgerastert, über die ein gasförmiges Ätzmedium lokal zugeführt wird. In EP488642A2 und EP511777A1 sind Verfahren beschrieben, in denen die Halbleiterschicht der SOI-Scheibe ganzflächig einem Ätzmedium ausgesetzt wird. Dieses Ätzmedium muss jedoch durch einen Laserstrahl oder einen mit einem optischen System fokussierten Lichtstrahl einer Lichtquelle lokal unter Abrastern der Oberfläche aktiviert werden (photochemisches Ätzen).
Alle Verfahren, bei denen die Oberfläche der Halbleiterschicht abgerastert werden muss, um einen lokal unterschiedlichen Ätzabtrag zu erreichen, sind sehr zeit- und damit kostenintensiv. Außerdem erfordert das Abrastern eine aufwändige Bewegung der Lichtquelle bzw. der Düse einerseits oder der SOI-Scheibe andererseits.
Zudem treten besonders im Randbereich der Scheibe, d. h. in einem Bereich bis zu 5 mm Entfernung vom Scheibenrand sowie in den Bereichen, in denen beim Abrastern die Überlappung geschieht, zusätzliche Inhomogenitäten der Schichtdicke auf. Bei einer Schichtdicke von 520 nm wird gemäß EP488642A2 eine Schichtdickenhomogenität von 10 nm ohne Angabe eines Randausschlusses erreicht. Gemäß EP511777A1 wird bei einer Schichtdicke von 108 nm eine Schichtdickenhomogenität von 8 nm ohne Angabe eines Randausschlusses erreicht.
Trotz der aufwändigen Verfahren werden somit die notwendigen Schichtdickenhomogenitäten, insbesondere im Randbereich der SOI-Scheibe, nicht erreicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterscheibe mit verbesserter Ebenheit (insbesondere im Randbereich) und Nanotopographie zur Verfügung zu stellen, die für die Herstellung von Bauelementen mit Linienbreiten von 65 nm oder weniger geeignet ist. Der Begriff „Halbleiterscheibe” umfasst dabei auch eine SOI-Scheibe. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine SOI-Scheibe mit verbesserter Schichtdickenhomogenität, insbesondere im Randbereich, zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterscheibe, umfassend folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

a) ortsabhängige Messung eines die Halbleiterscheibe charakterisierenden Parameters, um den ortsabhängigen Wert dieses Parameters auf einer gesamten Fläche der Halbleiterscheibe zu ermitteln,
b) Aufbringen eines Ätzmediums mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas auf diese gesamte Fläche der Halbleiterscheibe,
c) Ätzbehandlung dieser gesamten Fläche der Halbleiterscheibe durch Einwirkung des Ätzmediums unter gleichzeitiger Belichtung dieser gesamten Fläche, wobei die Abtragsrate der Ätzbehandlung von der Lichtintensität an der Fläche der Halbleiterscheibe abhängig ist, und wobei die Lichtintensität ortsabhängig so vorgegeben wird, dass die Unterschiede in den in Schritt a) gemessenen ortsabhängigen Werten des Parameters durch die ortsabhängige Abtragsrate verringert werden, und
d) Entfernung des Ätzmediums von der Fläche der Halbleiterscheibe.

Allgemeine Beschreibung des Verfahrens:
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ätzen einer Halbleiterscheibe mit einem Ätzmedium mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas. Bei diesem Ätzverfahren wird die Fläche der Halbleiterscheibe (bei einer SOI-Scheibe die Halbleiterschicht) im Gegensatz zum Stand der Technik nicht punktuell oder abrasternd behandelt. Vielmehr wird die gesamte Fläche gleichzeitig behandelt. Der zur Korrektur erforderliche lokal unterschiedliche Ätzabtrag wird durch eine lokal unterschiedliche Abtragsrate und diese wiederum durch eine lokal unterschiedliche Lichtintensität erreicht. Die lokale Verteilung der Lichtintensität wird durch die lokalen Werte des zuvor gemessenen Parameters bestimmt. Der Parameter, der im erfindungsgemäßen Verfahren optimiert werden soll, wird in Schritt a) gemessen. Die daraus resultierenden Messwerte werden in Schritt c) zur Steuerung der lokalen Lichtintensität verwendet.
Soll beispielsweise die Dickenhomogenität der Halbleiterschicht einer SOI-Scheibe optimiert werden, wird in Schritt a) die ortsabhängige Schichtdicke gemessen und in Schritt c) die lokale Lichtintensität so gesteuert, dass an Orten großer Schichtdicke eine hohe Abtragsrate und an Orten geringer Schichtdicke eine niedrige Abtragsrate erzielt wird.
Soll die globale Ebenheit (GBIR) einer Halbleiterscheibe optimiert werden, wird in Schritt a) die Abweichung der Scheibenvorderseite von einer durch die Scheibenrückseite definierten Idealebene bestimmt und in Schritt c) die lokale Lichtintensität so gesteuert, dass an lokalen Erhebungen eine hohe Abtragsrate und an Orten lokaler Vertiefungen eine niedrige Abtragsrate erzielt wird.
Soll dagegen die lokale Ebenheit (SFQR) einer Halbleiterscheibe optimiert werden, wird in Schritt a) die Abweichung der Scheibenvorderseite von einer auf ein bestimmtes Messfenster, beispielsweise der Größe 26 × 8 mm², bezogenen Idealebene bestimmt und in Schritt c) die lokale Lichtintensität so gesteuert, dass an lokalen Erhebungen eine hohe Abtragsrate und an Orten lokaler Vertiefungen eine niedrige Abtragsrate erzielt wird.
Anhand der Messung in Schritt a) wird für jeden Punkt auf der Fläche der Halbleiterscheibe der notwendige Ätzabtrag bestimmt. Aus der von der Lichtintensität abhängigen Abtragsrate, die das verwendete Ätzmedium beim betreffenden Halbleitermaterial erzielt, lässt sich sowohl die erforderliche Dauer der Ätzbehandlung in Schritt c) als auch für jeden Punkt auf der Fläche der Halbleiterscheibe die erforderliche Lichtintensität berechnen.
Die Erfindung macht sich die Abhängigkeit der Abtragsraten bestimmter Ätzreaktionen von der Ladungsträgerkonzentration im Halbleitermaterial zunutze, die wiederum durch die Intensität des eingestrahlten Lichts beeinflusst werden kann. Dies wird im Folgenden am Beispiel von Silicium konkret beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Halbleitermaterialien anwendbar.
Das Ätzen von Silicium besteht immer aus einer zweistufigen Reaktion: Im ersten Schritt wird Silicium oxidiert, im Sauren zu Siliciumoxid (SiO₂), im Alkalischen zu SiO₃ ^2–. Im zweiten Schritt erfolgt im Sauren der Abtrag des Siliciumoxids durch Fluorwasserstoff (HF), im Alkalischen geht das SiO₃ ^2–-Anion in Lösung. Wird ein Ätzmedium geeigneter Zusammensetzung gewählt, so lässt sich die Ätzreaktion so steuern, dass der Oxidationsschritt der geschwindigkeitsbestimmende Schritt wird. Im Sauren kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Fluorwasserstoff in Relation zum Oxidationsmittel im Überschuss eingesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass sich durch Einstrahlen von Licht das chemische Potential und die Konzentration der Ladungsträger in Silicium oder anderen Halbleitermaterialien beeinflussen lässt. Dies führt dazu, dass die Geschwindigkeit der Oxidationsreaktion von der Lichtintensität abhängig wird. Damit beeinflusst die Lichtintensität die Ätzrate. Licht mit einer Wellenlänge unter 1100 nm wird durch Silicium absorbiert, wobei Ladungsträgerpaare (Elektronen und Löcher) entstehen. Der Absorptionskoeffizient ist stark von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Licht mit einer Wellenlänge nahe 1100 nm dringt tief in das Silicium ein, für Licht noch größerer Wellenlängen ist Silicium transparent.
Da die Behandlung gleichzeitig auf der ganzen Fläche ohne Abrastern erfolgt, ist sie sehr zeit- und damit kostensparend. Da die Abstufung und örtliche Auflösung der ortsabhängigen Lichtintensität sehr fein gewählt werden kann, können die beim Abrastern gemäß dem Stand der Technik auftretenden Überlappungseffekte vermieden werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass es lokal korrigierend bis zum Rand der Halbleiterscheibe arbeitet, sodass die erforderliche Qualität bis zum Scheibenrand erreicht wird. Insbesondere ist es möglich, die geforderte Ebenheit oder Schichtdicke bei einem Randausschluss von 2 mm oder weniger und unter Einbeziehung der Partial Sites zu erreichen. Da das erfindungsgemäße Verfahren kein Vakuum erfordert, können Konzentrationsänderungen des Ätzmediums am Rand der Halbleiterscheibe vermieden werden, die gemäß dem Stand der Technik durch die Absaugung hervorgerufen werden. Falls an bestimmten Positionen der Halbleiterscheibe, beispielsweise in Randnähe, systematische Inhomogenitäten beim Ätzabtrag auftreten, können diese bei der Berechnung der ortsabhängigen Lichtintensität berücksichtigt und kompensiert werden.
Das Verfahren eignet sich sowohl zum Entfernen von Inhomogenitäten der Halbleiterschicht einer SOI-Scheibe als auch zum Entfernen von Inhomogenitäten einer Halbleiterscheibe einschließlich Edge Roll off. Daher eignen sich die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelten Halbleiterscheiben auch hervorragend zum Verbinden (Bonden) mit einer weiteren Halbleiterscheibe, da die Bondqualität besonders am Rand von den SFQR-Werten und vom Edge Roll off beeinflusst wird. Die großen wirtschaftlichen Vorteile liegen in der höheren Nutzbarkeit der Scheibenfläche für die Herstellung von Bauelementen. Dies wirkt sich bei SOI-Scheiben aufgrund der deutlich höheren Herstellkosten besonders stark aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei einer SOI-Scheibe in der Regel nur auf der Vorderseite (= die Seite, die die Halbleiterschicht trägt), bei einer Halbleiterscheibe ohne Schichtstruktur bevorzugt auf der Vorderseite durchgeführt. Wenn der Edge Roll off auch auf der Rückseite verringert werden soll, muss das Verfahren auch auf der Rückseite angewendet werden. Das Verfahren kann in diesem Fall sequentiell auf der Vorderseite und der Rückseite angewendet werden.
Bevorzugt wird im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren keine Politur durchgeführt, um die Ebenheit nicht wieder zu verschlechtern.
Das Verfahren wird bei einer durch Übertragung einer Halbleiterschicht von einer Donorscheibe auf eine Trägerscheibe hergestellten SOI-Scheibe nach dem Verbinden der Scheiben und Trennen der Schicht vom Rest der Donorscheibe durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Fall einer SOI-Scheibe mit einem oder mehreren thermischen Prozessen zur Oberflächenglättung oder zur Verstärkung der Bondkraft und/oder mit einer oder mehreren Oxidationsbehandlungen zur Dünnung der Halbleiterschicht kombiniert werden.
Kurzbeschreibung der Figuren:
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
2 zeigt ein radiales Dickenprofil der Siliciumschicht einer gemäß dem Stand der Technik hergestellten SOI-Scheibe.
3 zeigt das radiale Dickenprofil der Siliciumschicht der in 2 dargestellten SOI-Scheibe, nachdem sie dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wurde.
Vorrichtung:
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich insbesondere eine Vorrichtung (wie in 1 schematisch dargestellt) zur Behandlung einer Halbleiterscheibe 7, umfassend:

– eine Messvorrichtung 11 zur ortsabhängigen Messung eines die Halbleiterscheibe 7 charakterisierenden Parameters,
– eine um ihre Mittelachse drehbar gelagerte Haltevorrichtung 12 für die Halbleiterscheibe 7,
– ein System 9 zur Zuführung eines Ätzmediums mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas und zur Entfernung des Ätzmediums, wobei das System 9 zur Zuführung und Entfernung des Ätzmediums so angeordnet ist, dass das Ätzmedium durch Rotation der Haltevorrichtung 12 und damit der Halbleiterscheibe 7 vollflächig gleichmäßig auf der Halbleiterscheibe 7 verteilt werden kann,
– eine steuerbare Belichtungsvorrichtung 1, die so angeordnet ist, dass sie die gesamte Fläche einer Seite der auf der Haltevorrichtung 12 befindlichen Halbleiterscheibe 7 mit einer ortsabhängigen Lichtintensität gleichzeitig belichten kann und
– eine Steuereinheit 10 zur Umrechnung der von der Messvorrichtung 11 ermittelten Werte des Parameters in Anweisungen zur Steuerung der Belichtungsvorrichtung 1 und Weitergabe der Anweisungen an die Belichtungsvorrichtung 1.

Die steuerbare Belichtungsvorrichtung 1 umfasst vorzugsweise eine Lichtquelle 2 mit einer definierten Leistung und Wellenlänge, eine Optik 4, die eine vollflächige Belichtung der Halbleiterscheibe 7 ermöglicht, sowie eine Vorrichtung 3 zum Einstellen der lokalen Lichtintensität.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Haltevorrichtung 12, die die Halbleiterscheibe aufnimmt, z. B. indem sie die Halbleiterscheibe mit Unterdruck ansaugt (sog. „Vakuum-Chuck”), die Lage der Halbleiterscheibe justiert und den nicht zu ätzenden Teil der Halbleiterscheibe, z. B. die Rückseite, abdeckt. Die Haltevorrichtung ist drehbar um ihre Mittelachse gelagert und mit einem Antrieb verbunden, der sie in Rotation versetzen kann. Vorzugsweise wird die Halbleiterscheibe konzentrisch auf der Haltevorrichtung platziert, sodass die Halbleiterscheibe ebenfalls um ihre Mittelachse rotiert, wenn die Haltevorrichtung in Rotation versetzt wird.
Das System 9 zur Zuführung und Entfernung des Ätzmediums umfasst beispielsweise eine Düse, über die der Halbleiterscheibe wahlweise in Schritt b) das Ätzmedium und in Schritt d) eine Reinigungsflüssigkeit zugeführt werden kann.
Die Haltevorrichtung 12 und das System 9 zur Zuführung und Entfernung des Ätzmediums können in einer geschlossenen Ätzkammer 6 montiert sein. Dies ist beispielsweise dann bevorzugt, wenn das Ätzmedium gesundheitsgefährdende oder korrosive gasförmige Bestandteile an die Umgebung abgibt.
Die Steuereinheit 10 kann neben der Belichtungseinrichtung 1 weitere Funktionen der Vorrichtung steuern, wie beispielsweise das Be- und Entladen von Halbleiterscheiben 7 mittels eines Roboters, das Aufbringen und Entfernen des Ätzmediums durch das System 9, die Drehzahl der Haltevorrichtung 12 für die Halbleiterscheibe oder die Parameter der Ätzbehandlung, wie beispielsweise Temperatur und Dauer der Ätzbehandlung.
Beschreibung der einzelnen Schritte und bevorzugte Ausführungsformen:
Im Folgenden werden die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und die dafür einsetzbare Vorrichtung zusammen mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erläutert:
Schritt a) – Messung
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf alle Halbleiterscheiben ohne Schichtstruktur anwendbar, wobei die Halbleiterscheibe vorzugsweise einen oder mehrere Stoffe enthält, die aus der Gruppe: Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, III/V-Verbindungshalbleiter und II/VI-Verbindungshalbleiter ausgewählt sind. Soll die Ebenheit der Vorderseite einer derartigen Halbleiterscheibe verbessert werden, so eignet sich als Parameter, der in Schritt a) des Verfahrens gemessen wird, die Höhenabweichung von einer definierten Idealebene, wie oben beschrieben. Diese Höhenabweichung kann mit einem herkömmlichen Geometriemessgerät bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch auf alle SOI-Scheiben anwendbar, wobei die Halbleiterschicht der SOI-Scheibe vorzugsweise einen oder mehrere Stoffe enthält, die aus der Gruppe: Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, III/V-Verbindungshalbleiter und II/VI-Verbindungshalbleiter ausgewählt sind. Soll die Schichtdickenhomogenität der Halbleiterschicht verbessert werden, so wird diese Schichtdicke in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessen. Die Dicke der Halbleiterschicht kann beispielsweise mit einem Ellipsometer, Interferometer oder Reflektometer ortsabhängig gemessen werden.
Generell richtet sich die Anzahl und Position der Messpunkte nach der gewünschten Auflösung. Die Anzahl der maximal möglichen Messpunkte hängt von der Größe der Messsonde ab. Beispielsweise beträgt die Größe der Messsonde bei den Messgeräten ADE 9500 (für Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 200 mm) und ADE AFS (für Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm) 2 × 2 mm².
Aus den Messwerten wird anschließend die erforderliche lokale Lichtintensität berechnet. Ein geeignetes Verfahren wird im Folgenden anhand von Geometriedaten, d. h. für eine Optimierung des GBIR oder SFQR, beschrieben, es ist aber sinngemäß auch auf Nanotopographie-Daten oder die Schichtdicke einer Halbleiterschicht im Fall einer SOI-Scheibe anwendbar.
Das Geometriemessgerät misst mit einer Messsonde der Größe A × A (typischerweise 4 × 4 mm² oder 2 × 2 mm²) ein vollständiges Mapping der Dicke t der Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser D. Die Dicke t ist dabei genau genommen die Höhenabweichung von einer durch die Rückseite der Halbleiterscheibe definierten Idealebene. Diese Daten können als Rohdaten vom Geometriemessgerät auf einen Computer übertragen werden. Legt man nun ein kartesisches Koordinatensystem durch die Mitte der Halbleiterscheibe, so existiert zu jedem Punkt x, y ein Wert der Dicke, t(x, y). Dabei wird x und y im Raster der Messfenstergröße variiert, was bedeutet, dass t(x, y) als Mittelwert der Dicke über das Quadrat, definiert durch x – A/2 bis x + A/2 und y – A/2 bis y + A/2 zu verstehen ist. Die Belichtungsvorrichtung besitzt eine Auflösung von B × B Bildpunkten, beispielsweise 1024 × 1024. Mit Hilfe einer Computer-internen Matrix der Größe B × B wird jedem Matrixelement M(a, b) der entsprechende Wert aus der originalen Dickenmatrix zugeordnet: M(a, b) = t(|–D/2 + a·D/B|, |–D/2 + b·D/B|) (1)
Dabei symbolisiert || die Betragsfunktion. Die Betragsfunktion ist anwendbar, da typischerweise die Auflösung der Belichtungsvorrichtung größer ist als die der originalen Dickendaten. Im entgegengesetzten Fall ist eine geometrische Mittelung der originalen Daten durchzuführen.
Nach dieser Transformation werden die Daten geglättet. Als Kontrollparameter existiert der Mittelungsradius R. Dem Bildpunkt mit den Koordinaten i, j wird der Mittelwert aus allen Bildpunkten zugeordnet, die in einem Kreis mit Radius R um den Punkt i, j liegen. Ein Punkt x, y liegt genau dann im Kreis um i, j, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: (i – x)·(i – x) + (j – y)·(j – y) ≤ R·R (2)
Der neue Wert berechnet sich aus dem Mittelwert aller M(x, y), die obige Bedingung erfüllen: Msmooth(i, j) = Mittelwert (M(x1, y1), M(x2, y2), M(x3, y3), ... M(xn, yn)) (3)
R liegt, bezogen auf das Ursprungskoordinatensystem, typischerweise zwischen 0,1 cm und 2 cm und dient als Tuningparameter.
Neben dieser geometrischen Glättung können aber auch alle anderen Standardverfahren zur Glättung durchgeführt werden, die Allgemeingut der EDV sind.
Der Maximalwert Max_M und Minimalwert Min_M der Matrix M_smooth erlauben die Erzeugung der Graustufenmatrix für die Belichtung der Halbleiterscheibe: Schwarzanteil des Bildpunkts i, j = (Msmooth(i, j) – MinM)·(MaxM – MinM)·100% (4) Transparenzanteil des Bildpunkts i, j = 100% – (Msmooth(i, j) – MinM)·(MaxM – MinM)·100% (5)
Durch diesen Algorithmus werden besonders dünne Stellen der Halbleiterscheibe als durchsichtig dargestellt, sodass diese Stellen in Schritt c) mit einer hohen Lichtintensität belichtet werden. Dagegen werden die dicksten Stellen schwarz dargestellt und damit in Schritt c) nicht oder nur mit einer geringen Lichtintensität belichtet. Die Berechnung ist für den Fall geeignet, dass der Materialabtrag mit steigender Lichtintensität abnimmt. Der umgekehrte Fall kann analog berechnet werden.
Die Berechnung der in Schritt c) anzuwendenden lokal unterschiedlichen Lichtintensität wurde im Zusammenhang mit der zu Grunde liegenden, in Schritt a) vorgenommenen Messung erläutert. Sie kann jedoch zu einem beliebigen Zeitpunkt zwischen der Messung in Schritt a) und dem Beginn der Ätzbehandlung in Schritt c) erfolgen.
Schritt b) – Auftragen des Ätzmediums
In Schritt b) des Verfahrens wird das Ätzmedium auf die Halbleiterscheibe aufgebracht. Das Ätzmedium hat erfindungsgemäß eine Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas und enthält unter anderem die zum Ätzen des Halbleitermaterials erforderlichen reaktiven Verbindungen. Besonders bevorzugt wird dafür ein Gel verwendet. Unter einem Gel ist eine halbstarre Masse aus einem lyophilen Sol zu verstehen, in dem das Dispersionsmedium vollständig von den Sol-Teilchen absorbiert ist. Insbesondere sind Gele bekannt, in denen die Moleküle des lyophilen Sols ein dreidimensionales Netzwerk bilden.
Die Viskosität des Ätzmediums wird erfindungsgemäß so eingestellt, dass es sich auf die Halbleiterscheibe aufschleudern lässt und während der Dauer der Ätzbehandlung in Schritt c) seine Formstabilität behält. Das Ätzmedium hat deshalb eine Viskosität im Bereich von 50 mPas bis 2000 mPas, besonders bevorzugt von 100 mPas bis 1000 mPas. Die Zusammensetzung des Ätzmediums, insbesondere im Hinblick auf die zum Ätzen erforderlichen reaktiven Verbindungen, ist in Kombination mit dem in Schritt c) verwendeten Lichtwellenlängenbereich und in Abhängigkeit vom Halbleitermaterial so zu wählen, dass eine ausreichend starke Abhängigkeit der Abtragsrate der Ätzreaktion von der Lichtintensität besteht.
Als Grundlage für die erfindungsgemäß verwendeten Ätzmedien können herkömmliche Ätzlösungen dienen, die sich zum Ätzen des Halbleitermaterials eignen. Als saure Ätzlösungen können wässrige Lösungen verwendet werden, die Flusssäure (HF) und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Salpetersäure (HNO₃), Ozon (O₃) oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂) enthalten. Zur gleichmäßigen Benetzung bei Verwendung eines sauren Ätzmediums ist der Zusatz von Stoffen bevorzugt, die die Oberflächenspannung des Ätzmediums reduzieren, beispielsweise Tenside oder Essigsäure. Als alkalische Ätzlösungen können wässrige Lösungen eingesetzt werden, die einen oder mehrere der Stoffe Kaliumhydroxid (KOH), Natriumhydroxid (NaOH), Tetramethylammoniumhydroxid (N(CH₃)₄OH, TMAH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH) oder Ammoniumfluorid (NH₄F) enthalten. Zusätzlich können die alkalischen Ätzlösungen weitere Zusätze wie Wasserstoffperoxid (H₂O₂) enthalten. Bevorzugt wird eine saure Lösung eingesetzt, die Flusssäure (HF) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) enthält.
Zur Einstellung der Viskosität des Ätzmediums werden diesen herkömmlichen Ätzlösungen vorzugsweise Verdickungsmittel zugesetzt, wobei diese Substanzen nur die Viskosität der Lösung verändern sollten. Weitere Veränderungen der Lösung oder eine Reaktion mit den in der Lösung enthaltenen Spezies oder mit der Halbleiterscheibe sollten vorzugsweise nicht stattfinden. Die Formstabilität der viskosen Lösung sollte auch während der Ätzbehandlung in Schritt c) bestehen bleiben. Weiterhin sollte das Verdickungsmittel so gewählt werden, dass das entstehende viskose Ätzmedium in dem Wellenlängenbereich, der für die Bestrahlung in Schritt c) gewählt wird, transparent ist.
Bevorzugte Verdickungsmittel sind Cellulosederivate aus der Gruppe der Hydrokolloide. Diese sind in Wasser löslich oder dispergierbar und quellen auf, wodurch sich viskose Lösungen oder Gele bilden. Die bekannteste Klasse ist die der Carboxymethylcellulosen (CMC), zu denen beispielsweise Xanthan gehört. Carboxymethylcellulosen sind in hohem Reinheitsgrad kommerziell verfügbar und reagieren nicht mit dem Halbleitermaterial. Die damit herstellbaren Gele weisen eine sehr hohe Viskosität auf und sind besonders temperaturstabil. Dieses Verfahren eignet sich zur Eindickung wässriger Lösungen mit nahezu beliebigem pH-Wert und auch mit hohen Konzentrationen der bezüglich der Ätzreaktion reaktiven Spezies.
Als Verdickungsmittel zur Gel-Herstellung eignen sich auch natürliche Harze und künstliche Polymere wie z. B. Polymethylmethacrylat, Polytetrafluorethylen und Polyvinylfluorid. Generell lassen sich alle Polymere verwenden, die sich in einem definierten Grad dreidimensional vernetzen lassen, wobei die Löslichkeit im gewünschten Lösungsmittel im Vordergrund steht.
Das viskose Ätzmedium zeigt im Wesentlichen dieselben Ätzeigenschaften wie die zu Grunde liegende flüssige Ätzlösung. Lediglich die Geschwindigkeit der Ätzreaktion unterliegt einer Diffusionslimitierung, wodurch sich der zeitliche Verlauf der Ätzraten verändert. Das vergleichsweise kleine Volumen der Schicht des Ätzmediums begrenzt zusätzlich die Gesamtmenge des aufgelösten Halbleitermaterials.
Beispielsweise werden bei der Ätzbehandlung einer mit Bor dotierten Siliciumscheibe der Orientierung 100 mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 1 bis 50 Ωcm ohne Zusatzbelichtung mit einem Gel auf Basis folgender wässriger Lösungen, angedickt mit ca. 0,3 bis 1,0% Xanthan, in 60 Sekunden folgende Materialabträge erreicht:

• TMAH 2,5%, Raumtemperatur: 6–12 nm Abtrag
• TMAH/H₂O₂/H₂O 1:1:5, 85°C: 1–2 nm Abtrag
• NH₄OH/H₂O₂/H₂O, 1:1:5, 85°C: 0,5 nm Abtrag
• HF 1%, O₃ 20 ppm, Raumtemperatur: 1–2 nm

Besonders gut verwendbar ist ein Gel auf Basis einer wässrigen Lösung, die Flusssäure und Wasserstoffperoxid enthält und mit Xanthan angedickt ist, wobei ein Gewichtsanteil des Xanthans von 0,3 bis 1,0% besonders bevorzugt ist. Alle Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsanteile.
Die Aufbringung des Ätzmediums in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt beispielsweise durch Aufstreichen nach dem Siebdruck-Verfahren, vorzugsweise aber durch Aufschleudern. Dabei wird das Ätzmedium auf die zu behandelnde Fläche der Halbleiterscheibe aufgegeben und die Halbleiterscheibe gleichzeitig oder nachfolgend in rasche Rotation, beispielsweise mit einer Drehzahl von 2000 bis 3000 Umdrehungen pro Minute, versetzt. Dabei bildet sich auf der Fläche der Halbleiterscheibe rasch, beispielsweise innerhalb einiger Millisekunden, ein aus dem Ätzmedium bestehender Film. Die Dicke dieses Films ist von der Viskosität des Ätzmediums abhängig und sollte vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm liegen.
Das Aufschleudern erfolgt vorzugsweise mit der in 1 dargestellten Vorrichtung: Diese ist mit einer um ihre Mittelachse drehbaren Haltevorrichtung 12 ausgestattet. Während die auf der Haltevorrichtung befestigte Halbleiterscheibe 7 in eine schnelle Rotation versetzt wird, wird gleichzeitig durch das System 9, das beispielsweise eine Düse umfasst, Ätzmedium auf die Oberseite der Halbleiterscheibe aufgebracht. Das System 9 liefert das Ätzmedium in der benötigten Menge, Dosierung und Qualität. Durch die schnelle Rotation wird das Ätzmedium schnell und sehr gleichmäßig über die ganze Fläche der Halbleiterscheibe verteilt.
Die Verwendung eines Ätzmedium mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas hat einige wesentliche Vorteile gegenüber dünnflüssigen Ätzlösungen: So können Phänomene, die durch das Eintauchen der Halbleiterscheibe in ein Tauchbad oder durch das Herausnehmen aus dem Tauchbad entstehen, vermieden werden. So kann beim Eintauchen der Halbleiterscheibe die Anströmung der Scheibenkante zu verstärktem oder abgeschwächtem Ätzen der Scheibenoberfläche im kantennahen Bereich führen. Beim Herausnehmen aus dem Tauchbad können auf der Scheibenoberfläche verbleibende Tropfen eine Nachwirkung haben und Ätzflecken auf der Scheibenoberfläche hinterlassen.
Der Prozess des Aufschleuderns erlaubt es, allein die Vorder- oder Rückseite der Halbleiterscheibe zu behandeln. Die andere Seite ist durch die Haltevorrichtung geschützt. Bei geeigneter Viskosität des Ätzmediums und Drehzahl der Halbleiterscheibe kann auch die Benetzung der Kanten unterdrückt werden, was bei niedrigviskosen Flüssigkeiten nicht möglich ist. Dies ist besonders relevant, wenn die Scheibenkante bezüglich Form und Oberflächenbeschaffenheit bereits vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die endgültige Qualität besitzt und somit eine Veränderung durch das Verfahren unerwünscht ist.
Wenn der Kontaktwinkel zwischen Gel und Oberfläche klein gehalten wird, was durch den Zusatz von Tensiden zum Ätzmedium oder durch eine hydrophile Oberfläche der Halbleiterscheibe erreicht werden kann, können auch strukturierte Oberflächen vollständig benetzt werden.
Das Verfahren kann auch so modifiziert werden, dass mehrere viskose Schichten aufgetragen werden. Die unterste Schicht, die im direkten Kontakt mit der Halbleiterscheibe steht, ist vorzugsweise frei von reaktiven Spezies. Wenigstens eine der oberen Schichten besteht aus dem Ätzmedium mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas. Durch eine thermische, elektrische oder mechanische Behandlung der viskosen Schichten kann eine Diffusion von reaktiven Spezies aus darüber liegenden Schichten an die Halbleiteroberfläche induziert werden. Werden die viskosen Schichten beispielsweise derart mit ortsabhängiger Anpassung der Lichtintensität belichtet, dass nur ein Teil der Oberfläche so erwärmt wird, dass dort eine ausreichende Diffusion von reaktiven Spezies in die unterste Schicht stattfindet, so kann erreicht werden, dass die Ätzreaktion nur an diesem Teil der Scheibenoberfläche stattfindet. Auf diese Weise kann die Ortsabhängigkeit des Ätzabtrags noch erhöht werden.
Schritt c) – Lichtgesteuertes Ätzen
In Schritt c) wird die Matrix der auf Basis der in Schritt a) durchgeführten Messung berechneten Graustufen durch die Belichtungsvorrichtung mit Hilfe einer geeigneten Optik scharf auf die mit dem Ätzmedium bedeckte Oberfläche der Halbleiterscheibe projiziert und damit in Schritt c) zur Steuerung der lokalen Lichtintensität verwendet.
Die spektrale Abhängigkeit der Lichtabsorption des Halbleitermaterials ist wichtig für die Auswahl einer geeigneten Lichtquelle. Beispielsweise zeichnen sich Lichtbogenlampen durch ein breites Spektrum und hohe Intensitäten aus, sie sind also gut brauchbar für die Belichtung ganzer Halbleiterscheiben. Durch Verwendung von geeigneten Filtern (Hochpass, Tiefpass) kann der passende Wellenlängenbereich eingestellt werden. Grundsätzlich können jedoch alle Lichtquellen verwendet werden, die zu der gewünschten Ladungsträgerkonzentration an der Oberfläche der Halbleiterscheibe und zum gewünschten Tiefenprofil der Ladungsträgerkonzentration führen. Es eignen sich beispielsweise auch Quecksilber- oder Natriumdampflampen, Laser oder LEDs.
Als Lichtquelle 2 (1) kann beispielsweise auch eine Halogenlampe verwendet werden, die Licht in einem Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1100 nm abgibt, sodass auf der zu belichtenden Fläche der Halbleiterscheibe eine Bestrahlungsstärke von 1 bis 100 mW/cm² auftrifft. Der Wellenlängenbereich kann dabei durch ein oder mehrere feste Filter eingeengt und an das zu bearbeitende Halbleitermaterial angepasst werden.
Die Optik 4 wird vorzugsweise so ausgelegt, dass die zu behandelnde Fläche der Halbleiterscheibe 7 möglichst homogen ganzflächig belichtet wird, d. h. vorzugsweise mit Abweichungen von weniger als ± 10%, wenn sich kein Filter 3 zwischen Lichtquelle und Halbleiterscheibe befindet. Alternativ können durch die Lichtquelle oder die Optik bedingte Belichtungs-Inhomogenitäten im Algorithmus für die Berechnung der Graustufen berücksichtigt und somit kompensiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die in Schritt a) erzielten Messergebnisse einer Halbleiterscheibe zur Herstellung eines exakt auf diese Halbleiterscheibe angepassten Filters 3 (2) verwendet, der anschließend in Schritt c) für die Belichtung dieser einen Halbleiterscheibe verwendet wird. Je nachdem, ob bei der Kombination aus verwendetem Ätzmedium und zu ätzendem Halbleitermaterial die Abtragsrate der Ätzreaktion mit steigender Lichtintensität steigt oder sinkt, muss der Filter in Bereichen, in denen ein besonders hoher Ätzabtrag erforderlich ist, eine besonders hohe oder besonders geringe Lichtdurchlässigkeit im verwendeten Wellenlängenbereich aufweisen. Die Graustufen des Filters können mit dem oben beschriebenen Algorithmus berechnet werden.
Der Filter selbst kann auf verschiedene Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Herstellung einer Filterfolie im Druckverfahren oder durch die Verwendung eines LCD-Filters mit vielen einzeln ansteuerbaren LCD-Elementen. Prinzipiell sind jedoch alle Filterarten geeignet, die eine Transmission von annähernd 0 bis 100% zulassen und eine geeignete lokale Auflösung erlauben. Der Filter 3 wird zur Belichtung der Halbleiterscheibe 7, für die er hergestellt wurde, in geeigneter Weise so zwischen Lichtquelle 2 und Halbleiterscheibe 7 in der Belichtungsvorrichtung 1 angebracht, dass der Filter 3 exakt auf der mit dem Ätzmedium bedeckten Fläche der Halbleiterscheibe 7 abgebildet wird.
Anstelle eines Filters mit örtlich unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit kann auch ein entsprechend hergestellter Spiegel mit örtlich unterschiedlicher Reflektivität eingesetzt werden.
Die Herstellung eines Filters oder eines Spiegels, der jeweils nur für eine Halbleiterscheibe verwendet werden kann, ist sehr aufwändig. Aus diesem Grund ist folgende Ausführungsform der Erfindung besonders bevorzugt: Aus dem in Schritt a) gemessenen ortsabhängigen Wert des Parameters wird mit Hilfe der Steuereinheit 10, vorzugsweise ein Computer, eine Graustufenkarte berechnet. Dazu kann der oben beschriebene Algorithmus verwendet werden. Die Belichtung der Halbleiterscheibe 7 in Schritt c) erfolgt durch eine Projektionsvorrichtung, die ein Bild dieser Graustufenkarte auf die Fläche der Halbleiterscheibe 7 projiziert. Die Belichtungsvorrichtung 1 ist in diesem Fall eine Projektionsvorrichtung, die ohne Verwendung eines festen Filters oder Spiegels das Bild der Graustufenkarte direkt auf die Halbleiterscheibe projizieren kann. Die Projektionsvorrichtung arbeitet vorzugsweise nach dem Prinzip eines Daten- oder Videoprojektors (sog. „Beamer”). Dabei wird das Licht der Projektionslampe 2 entweder durch eine ansteuerbare transparente LCD-Einheit 3 geleitet oder über einen ansteuerbaren Spiegelchip (eine Matrix aus vielen hunderttausend mikroskopisch kleinen Spiegeln auf einem wenige cm² großen Chip) umgelenkt. Eine derartige Projektionsvorrichtung, wie sie derzeit kommerziell erhältlich ist, ermöglicht beispielsweise eine Steuerung der Lichtdurchlässigkeit in einem Bereich von 0 bis 100% mit einer Auflösung von 1024 × 768 Punkten. Dies ergibt auf der Oberfläche einer zu behandelnden Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm eine Dichte von ca. 6,5 Punkten/mm².
Während der Ätzbehandlung kann eine Heizung oder Kühlung zur Einstellung einer definierten, homogenen Temperatur eingesetzt werden. Bei allen Ätzmedien wird die Temperatur vorzugsweise in Abhängigkeit vom Halbleitermaterial und vom erforderlichen Materialabtrag so gewählt, dass geeignete Abtragsraten erzielt werden.
Eine in-situ-Messung des Materialabtrages während der Ätzbehandlung in Schritt c) ist durch den Einsatz eines integrierten Messsystems zur Messung des zu optimierenden Parameters möglich, wobei die aktuellen Messdaten sofort an die Steuereinheit 10 weitergegeben und verarbeitet werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in einem zusätzlichen Schritt nach Schritt c) und vor Schritt d) eine Ätzbehandlung der gesamten Fläche der Halbleiterscheibe ohne Belichtung oder unter gleichzeitiger Belichtung der gesamten Fläche durchgeführt, wobei die Lichtintensität auf der gesamten Fläche der Halbleiterscheibe konstant ist, sodass ein konstanter, ortsunabhängiger Materialabtrag erreicht wird. Dieser Schritt bewirkt, falls erforderlich, eine Dünnung der Halbleiterscheibe oder der Halbleiterschicht einer SOI-Scheibe bis zu einer angestrebten Zieldicke. Bei diesem zweistufigen Prozess werden bei der Berechnung der lokal unterschiedlichen Lichtintensität nur die gemessenen Inhomogenitäten des Parameters berücksichtigt. Nach der Homogenisierung in Schritt b) wird die Halbleiterscheibe oder Halbleiterschicht in Schritt c) auf die gewünschte Dicke reduziert.
Die Kombination aus Homogenisierung und Dünnung kann aber auch als einstufiger Prozess durchgeführt werden. In diesem Fall wird bei der Berechnung der lokal unterschiedlichen Lichtintensität der erforderliche Gesamtabtrag bis zur gewünschten Enddicke berücksichtigt.
Schritt d) – Entfernen des Ätzmediums
Im letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ätzmedium von der Fläche der Halbleiterscheibe entfernt. Vorzugsweise erfolgt die Entfernung durch Aufbringen einer Reinigungsflüssigkeit auf die Schicht des Ätzmediums, wodurch das Ätzmedium verdünnt und abgespült wird. Vorzugsweise ist die Reinigungsflüssigkeit ein Lösungsmittel, beispielsweise Wasser. Vorzugsweise wird auch dieser Schritt in der in 1 dargestellten Vorrichtung durchgeführt, und zwar bei rotierender Haltevorrichtung 12. Eine gleichzeitige Einwirkung von Ultraschall kann das Abspülen des Ätzmediums unterstützen.
Produkte
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung von Halbleiterscheiben mit hervorragend ebener Oberfläche und von SOI-Scheiben mit hervorragender Schichtdickenhomogenität.
Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Halbleiterscheiben, deren Vorderseite einen GBIR von höchstens 0,09 μm, einen SFQR_max in einem Messfenster der Größe 26 × 8 mm² einschließlich Partial Sites von höchstens 0,05 μm bei einem Randausschluss von 2 mm und einen Edge Roll off auf der Vorderseite von höchstens 0,2 μm, gemessen in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm Entfernung vom Rand der Halbleiterscheibe, aufweisen.
Vorzugsweise zeichnen sich die erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterscheiben sogar durch einen SFQR_max in einem Messfenster der Größe 26 × 8 mm² einschließlich Partial Sites von höchstens 0,03 μm bei einem Randausschluss von 2 mm aus.
Die Erfindung erlaubt auch die Herstellung von Halbleiterscheiben, deren Vorderseite eine Nanotopographie (peak to valley) in einem Messfenster der Größe 2 × 2 mm² von höchstens 16 nm bei einem Randausschluss von 2 mm aufweisen.
Erfindungsgemäß hergestellte, hoch ebene Halbleiterscheiben, insbesondere bestehend aus einkristallinem Silicium, eignen sich für die Verwendung in der Halbleiterindustrie, insbesondere zur Fabrikation von elektronischen Bauelementen mit Linienbreiten von 65 nm oder weniger. Sie eignen sich auch besonders gut als Donorscheiben oder Trägerscheiben zur Herstellung von gebondeten SOI-Scheiben, insbesondere, da die Ebenheit einschließlich Edge Roll off auch bei einem sehr geringen Randausschluss von lediglich 2 mm gewährleistet ist.
Die Erfindung erlaubt auch die Herstellung einer SOI-Scheibe, umfassend eine Halbleiterschicht und eine Trägerscheibe, wobei die Halbleiterschicht eine Dicke von weniger als 100 nm aufweist und die relative Standardabweichung von der mittleren Dicke der Halbleiterschicht bei einem Randausschluss von 2 mm höchstens 3% beträgt. Die relative Standardabweichung der Dicke der Halbleiterschicht wird im Folgenden auch als Schichtdickenhomogenität bezeichnet.
Vorzugsweise zeichnen sich die erfindungsgemäß hergestellten SOI-Scheiben bei einer Schichtdicke von höchstens 100 nm sogar durch eine Schichtdickenhomogenität von höchstens 1% bei einem Randausschluss von 2 mm aus.
Besonders bevorzugt ist es, das erfindungsgemäße Verfahren zunächst auf die Donorscheibe und die Trägerscheibe anzuwenden, bevor diese miteinander verbunden werden, danach die Trägerscheibe mit der Halbleiterschicht vom Rest der Donorscheibe zu trennen und anschließend die so hergestellte SOI-Scheibe nochmals dem erfindungsgemäßen Verfahren zu unterziehen, um die Dicke der Halbleiterschicht zu homogenisieren. Eine derart hergestellte SOI-Scheibe zeichnet sich zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften durch einen GBIR von höchstens 0,1 μm und einen SFQR_max in einem Messfenster der Größe 26 × 8 mm² einschließlich Partial Sites von höchstens 53 nm bei einem Randausschluss von 2 mm und einen Edge Roll off auf der Vorderseite von höchstens 0,25 μm, gemessen in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm Entfernung vom Rand der Halbleiterscheibe, aus.
Da das erfindungsgemäße Verfahren auch auf SOI-Scheiben mit dicker Halbleiterschicht anwendbar ist, erlaubt es auch die Herstellung von SOI-Scheiben, umfassend eine Halbleiterschicht und eine Trägerscheibe, wobei die Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von 0,1 μm bis 80 μm aufweist und die relative Standardabweichung von der mittleren Dicke der Halbleiterschicht bei einem Randausschluss von 2 mm höchstens 4% beträgt.
Vorzugsweise zeichnen sich erfindungsgemäß hergestellte SOI-Scheiben mit dicker Halbleiterschicht sogar durch eine Schichtdickenhomogenität von höchstens 2% bei einem Randausschluss von 2 mm aus.
Wird eine SOI-Scheibe, wie oben für SOI-Scheiben mit dünner Halbleiterschicht beschrieben, durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Donorscheibe und die Trägerscheibe und anschließend auf die SOI-Scheibe hergestellt, was bevorzugt ist, so zeichnet sich die SOI-Scheibe mit dicker Halbleiterschicht zusätzlich durch einen GBIR von höchstens 0,11 μm und einen SFQR_max in einem Messfenster der Größe 26 × 8 mm² einschließlich Partial Sites von höchstens 55 nm bei einem Randausschluss von 2 mm und einen Edge Roll off auf der Vorderseite von höchstens 0,3 μm, gemessen in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm Entfernung vom Rand der SOI-Scheibe, aus.
Außerdem weist eine erfindungsgemäß hergestellte SOI-Scheibe mit dicker oder dünner Halbleiterschicht vorzugsweise eine Nanotopographie (peak to valley) in einem Messfenster der Größe 2 × 2 mm² von höchstens 16 nm, bevorzugt von höchstens 8 nm und besonders bevorzugt von höchstens 2 nm bei einem Randausschluss von 2 mm auf.
Beispiele
Beispiel 1
Behandelt wird eine SOI-Scheibe mit 200 mm Durchmesser, hergestellt durch Übertragung einer Siliciumschicht von einer Donorscheibe auf eine Trägerscheibe. Die Dicke der Scheibe beträgt 730 μm, die Dicke der Siliciumoxidschicht 120 nm, die Zieldicke der auf der Siliciumoxidschicht befindlichen Siliciumschicht 60 nm.
In Schritt a) wird die Dicke der Siliciumschicht mittels eines Interferometers ortsabhängig exakt vermessen. Die Messung mit 4000 Messpunkten und einem Randausschluss von 1 mm ergibt eine mittlere Schichtdicke von 67,5 nm mit einer Standardabweichung von 3,5 nm und einer Differenz von 8,8 nm zwischen maximaler und minimaler Schichtdicke. In 2 ist ein Dickenprofil entlang eines Durchmessers abgebildet, d. h. die Dicke t_SOI der Siliciumschicht, gemessen in der Einheit nm, als Funktion der radialen Position r, gemessen in der Einheit mm. Die Dickenmesswerte werden in einem Computer gespeichert und in eine Graustufenkarte umgerechnet. Orte mit höherer Schichtdicke ergeben dabei einen geringeren Transparenzanteil auf der Graustufenkarte, so dass an diesen Stellen eine geringere Belichtung erfolgt und damit eine höhere Abtragsrate erreicht wird und umgekehrt.
Anschließend wird in Schritt b) ein Ätzmedium in der Form eines Gels durch Aufschleudern auf die Oberfläche der Siliciumschicht aufgebracht. Das Ätzmedium besteht aus einer wässrigen Lösung, die 5% HF und 10% H₂O₂ enthält und die mit 0,7% Xanthan zu einem Gel angedickt wird. (Sämtliche Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsanteile.) Das Gel hat eine Viskosität von ca. 900 mPas. Beim Aufschleudern bildet das Ätzmedium einen homogenen Film von ca. 0,3 mm Dicke auf der gesamten Fläche der Siliciumschicht. Während des Aufschleuderns wird die SOI-Scheibe voll belichtet, die Abtragsrate ist also sehr gering.
Nach vollflächiger Bedeckung der Siliciumschicht mit dem Ätzmedium wird in Schritt c) die zuvor berechnete Graustufenkarte mittels eines Beamers in der richtigen Orientierung und Größe auf die Siliciumschicht der SOI-Scheibe projiziert. Auf diese Weise wird die Oberfläche der Siliciumschicht mit lokal unterschiedlicher Lichtintensität bestrahlt. Der verwendete Wellenlängenbereich beträgt 250–400 nm, die Lichtintensität variiert auf der Scheibe lokal zwischen ca. 5 und 100 mW/cm². Die Ätzbehandlung dauert 5,5 Minuten bei Raumtemperatur, die mittlere Ätzrate beträgt 1,4 nm/min. Die SOI-Scheibe wird anschließend sofort mit entionisiertem Wasser gespült, um das Ätzmedium von der Oberfläche der Siliciumschicht zu entfernen und den Ätzprozess zu stoppen. Danach wird die SOI-Scheibe aus der Vorrichtung entnommen und gemäß dem Stand der Technik getrocknet.
Dann wird mit dem gleichen Dickenmessverfahren wie vor der Ätzbehandlung wiederum die ortsabhängige Dicke der Siliciumschicht vermessen. Die mittlere Schichtdicke beträgt jetzt 60,4 nm mit einer Standardabweichung von 0,5 nm und einer Differenz von 2,6 nm zwischen maximaler und minimaler Schichtdicke. Das Dickenprofil entlang des Durchmessers, 3, zeigt die deutliche Einebnung der Siliciumschicht.
Beispiel 2
Bei vier Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm, die aus einem nach Czochralski gezogenen, mit Bor dotierten Einkristall (spezifischer Widerstand 1–10 Ωcm) hergestellt und einer Abtragspolitur unterzogen wurden, wird mit einem Randausschluss von 1 mm in Schritt a) die lokale Ebenheit vermessen. Es wird das Messgerät ADE 9900 E+ verwendet, die Größe der Flächenelemente beträgt 26 × 8 mm². Tabelle 1 zeigt die gemessenen SFQR_max-Werte (in nm) einschließlich Partial Sites.
Die Rohdaten (Einzelmesswerte) der ADE-Messung werden in einem Computer gespeichert und in eine Graustufenkarte umgerechnet. Anschließend werden die Siliciumscheiben einzeln analog zu Beispiel 1 behandelt. Als Ätzmedium wird jedoch eine wässrige Lösung verwendet, die 10 mol/dm³ Ammoniumfluorid und 1 mol/dm³ Wasserstoffperoxid enthält und die mit 0,7% Xanthan zu einem Gel angedickt wird. Das Gel weist eine Viskosität von ca. 900 mPas auf und bildet beim Aufschleudern einen homogenen Film von ca. 0,3 mm Dicke, der die gesamte Oberseite der Siliciumscheibe bedeckt. Die Ätzbehandlung unter Verwendung eines Beamers wie in Beispiel 1 dauert ca. 9 Minuten, wobei die lokale Lichtintensität in einem Bereich von ca. 5 bis 50 mW/cm² variiert.
Nach dem Ende der Ätzbehandlung wird jede Siliciumscheibe analog zu Beispiel 1 vom Ätzmedium befreit, getrocknet und erneut die lokale Ebenheit gemessen. Tabelle 1 zeigt, dass die SFQR_max-Werte (in nm) durch die erfindungsgemäße Ätzbehandlung deutlich reduziert wurden. Tabelle 1

Scheibe Nr. 1 2 3 4

SFQR_max vorher 115 105 95 110

SFQR_max nachher 52 45 47 49

Claims

Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterscheibe, umfassend folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge: a) ortsabhängige Messung eines die Halbleiterscheibe charakterisierenden Parameters, um den ortsabhängigen Wert dieses Parameters auf einer gesamten Fläche der Halbleiterscheibe zu ermitteln, b) Aufbringen eines Ätzmediums mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas auf diese gesamte Fläche der Halbleiterscheibe, c) Ätzbehandlung dieser gesamten Fläche der Halbleiterscheibe durch Einwirkung des Ätzmediums unter gleichzeitiger Belichtung dieser gesamten Fläche, wobei die Abtragsrate der Ätzbehandlung von der Lichtintensität an der Fläche der Halbleiterscheibe abhängig ist, und wobei die Lichtintensität ortsabhängig so vorgegeben wird, dass die Unterschiede in den in Schritt a) gemessenen ortsabhängigen Werten des Parameters durch die ortsabhängige Abtragsrate verringert werden, und d) Entfernung des Ätzmediums von der Fläche der Halbleiterscheibe.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe einen oder mehrere Stoffe enthält, die aus der Gruppe: Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, III/V-Verbindungshalbleiter und II/VI-Verbindungshalbleiter ausgewählt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter, der in Schritt a) gemessen wird, die Höhenabweichung von einer definierten Idealebene ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe eine SOI-Scheibe ist, die eine Halbleiterschicht auf einem elektrisch isolierenden Träger umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht einen oder mehrere Stoffe enthält, die aus der Gruppe: Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, III/V-Verbindungshalbleiter und II/VI-Verbindungshalbleiter ausgewählt sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter, der in Schritt a) gemessen wird, die Dicke der Halbleiterschicht ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringung des Ätzmediums in Schritt b) durch Aufschleudern erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium ein Gel ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium eine mit Xanthan angedickte wässrige Lösung ist, die Flusssäure und Wasserstoffperoxid enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtung der Halbleiterscheibe (7) in Schritt c) durch eine Lichtquelle (2) und einen zwischen der Lichtquelle (2) und der Halbleiterscheibe (7) angebrachten Filter (3) erfolgt, wobei der Filter (3) eine ortsabhängige Lichtdurchlässigkeit besitzt, die in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem ortsabhängigen Wert des Parameters steht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem in Schritt a) gemessenen ortsabhängigen Wert des Parameters mit Hilfe eines Computers eine Graustufenkarte berechnet wird und die Belichtung der Halbleiterscheibe in Schritt c) durch eine Projektionsvorrichtung erfolgt, die ein Bild dieser Graustufenkarte auf die Fläche der Halbleiterscheibe projiziert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Schritt zwischen Schritt c) und Schritt d) eine Ätzbehandlung der gesamten Fläche der Halbleiterscheibe bei gleichzeitiger Belichtung erfolgt, wobei die Lichtintensität auf der gesamten Fläche der Halbleiterscheibe konstant oder null ist, sodass ein konstanter, ortsunabhängiger Materialabtrag erreicht wird.
Vorrichtung zur Behandlung einer Halbleiterscheibe (7), umfassend: – eine Messvorrichtung (11) zur ortsabhängigen Messung eines die Halbleiterscheibe (7) charakterisierenden Parameters, – eine um ihre Mittelachse drehbar gelagerte Haltevorrichtung (12) für die Halbleiterscheibe (7), – ein System (9) zur Zuführung eines Ätzmediums mit einer Viskosität von 50 mPas bis 2000 mPas und zur Entfernung des Ätzmediums, wobei das System (9) zur Zuführung und Entfernung des Ätzmediums so angeordnet ist, dass das Ätzmedium durch Rotation der Haltevorrichtung (12) und damit der Halbleiterscheibe (7) vollflächig gleichmäßig auf der Halbleiterscheibe (7) verteilt werden kann, – eine steuerbare Belichtungsvorrichtung (1), die so angeordnet ist, dass sie die gesamte Fläche einer Seite der auf der Haltevorrichtung (12) befindlichen Halbleiterscheibe (7) mit einer ortsabhängigen Lichtintensität gleichzeitig belichten kann und – eine Steuereinheit (10) zur Umrechnung der von der Messvorrichtung (11) ermittelten Werte des Parameters in Anweisungen zur Steuerung der Belichtungsvorrichtung (1) und Weitergabe der Anweisungen an die Belichtungsvorrichtung (1).
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (4) ein Ellipsometer, Interferometer oder Reflektometer zur Messung einer Schichtdicke oder ein Geometriemessgerät zur Messung einer Höhenabweichung von einer definierten Idealebene ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsvorrichtung (1) eine Projektionsvorrichtung ist, die geeignet ist, das Bild einer durch die Steuereinheit (10) errechneten Graustufenkarte zu projizieren.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das System (9) zur Zuführung und Entfernung des Ätzmediums wenigstens eine Düse umfasst, über die wahlweise das Ätzmedium oder eine Reinigungsflüssigkeit auf die Halbleiterscheibe aufgebracht werden kann.