DE102008026784A1 - Epitaxierte Siliciumscheibe mit <110>-Kristallorientierung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Epitaxierte Siliciumscheibe, umfassend eine gegenüber einer {110}-Kristallebene fehlorientierten Ebene als Scheibenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die <110>-Richtung um den Winkel Theta von der Normalen der Scheibenoberfläche weggekippt ist und die Projektion der verkippten <110>-Richtung mit der Richtung <-110> in der Scheibenebene einen Winkel phi einschließt und Theta durch 0 <= Theta <= 3° und 45° <= phi <= 90° (sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen) gegeben ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht auf ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumscheibe mit <110>-Kristallorientierung sowie eine derart hergestellte Siliciumscheibe.
  • Stand der Technik
  • Einkristallines Silicium, insbesondere im Falle von Siliciumstäben mit großen Durchmessern (>= 300 mm), wird mittels des sog. Czochralski(CZ)-Verfahrens gewachsen. Dabei wird ein Impflingskristall an die Oberfläche von in einem Quarztiegel geschmolzenem Silicium gebracht und langsam nach oben gezogen. Dabei wird zunächst ein Hals, der sog. Neck, erzeugt, anschließend die Ziehgeschwindigkeit verringert und ein konischer Bereich geformt, der in einen zylindrischen Bereich des Kristalls übergeht. Die Orientierung des Kristallgitters bezüglich der Ziehachse des Kristalls wird üblicherweise durch die Kristallorientierung des Impflingskristalls vorgegeben. Die Kristallwachstumsrichtung ist üblicherweise parallel zur Kristallziehrichtung bzw. senkrecht zur entsprechenden Kristallebene eines Querschnitts des Stabes senkrecht zur Kristallziehrichtung.
  • Während des Wachstums des Einkristalls beim CZ-Verfahren können zahlreiche Arten von Kristalldefekten entstehen. Es ist wünschenswert, Kristalle zu wachsen, die möglichst wenige solcher Defekte aufweisen. Besonders wichtige Defekte sind Slip-Versetzungen (Gleitverschiebungen). Solche Versetzungen können an zahlreichen Stellen des Kristallziehprozesses entstehen, sind aber besonders während eines ersten Teils des Ziehprozesses anzutreffen, verursacht durch einen Temperaturunterschied zwischen der Schmelzenoberfläche und dem Impflingskristall. Versetzungen sind dynamisch und neigen dazu, in Richtungen minimaler freier Energie im Kristallgitter zu propagieren.
  • Beim herkömmlichen Kristallwachstum, bei dem eine <001>-Kristallorientierung gewünscht ist, propagieren Versetzungen oftmals in Richtungen, die gegen die Ziehachse geneigt sind, da diese Richtungen Wege minimaler Energie darstellen. Dies ist beispielsweise in JP 03-080184 offenbart. Durch geeignete Verlängerung des Dünnhalses propagieren diese Versetzungen zur Halsoberfläche und verschwinden dort, bevor der konische Teil und nachfolgend das eigentliche zylindrische Kristallstück erzeugt werden. Versetzungen, die näher entlang der Kristallwachstumsachse, jedoch nicht parallel zu dieser propagieren, werden durch Verdünnung des Halses auf einen relativ kleinen Durchmesser, also Erzeugung des sog. Dünnhals (in der Literatur auch als Dash-Neck bezeichnet), überwiegend eliminiert. US 5,828,823 lehrt, einen langen Hals mit etwa 10 mm Durchmesser zu wachsen, um Versetzungen zu reduzieren und darüber hinaus einen Hals zu erzeugen, der ein entsprechendes Gewicht eines langen Kristalls tragen kann.
  • Für einige Anwendungen ist es wünschenswert, Siliciumscheiben mit anderen Kristallorientierungen als <001> bereitzustellen. Eine dieser alternativen Orientierungen ist <110>. Diese Kristallorientierung ist u. a. wegen ihrer höheren Löcherbeweglichkeit von Vorteil.
  • In mit <110>-Orientierung gewachsenen Kristallen sind die Kristallebenen niedriger Energien {111}-Ebenen, also senkrecht zu einer {110}-Ebene. Daher propagieren die Versetzungen in eine zur <110>-Kristallachse parallelen Richtung. So können diese Versetzungen nicht durch Wachstum eines herkömmlichen Halses eliminiert werden, da diese Versetzungen, die eher parallel zur Halsachse denn in einem Winkel zu dieser Achse liegen, nicht zur Oberfläche des Halses propagieren. Daraus würde jede aus einem derart gezogenen Einkristall erzeugte Siliciumscheibe Versetzungen enthalten.
  • Um dieses Problem zu umgehen, wird in JP 03-080184 vorgeschlagen, einen Impflingskristall mit leichter Fehlorientierung zu verwenden, so dass die Richtungen niedriger Energie, in die die Versetzungen propagieren, leicht gegen die Wachstumsachse geneigt sind. Durch Verkippung der Richtungen niedriger Energie bezüglich der Wachstumsachse propagieren die Versetzungen zur Oberfläche des Halses und werden vor Erzeugung des zylindrischen Kristallstücks eliminiert.
  • Auch US 5,769,941 beschäftigt sich mit der Elimination von axial propagierenden Versetzungen in <110>-orientierten Kristallen. Dies wird erreicht durch Verkippung des Impflingskristalls und somit Verkippung der <110>-Richtung (Normale auf {110}-Ebene) von der Kristallachse, die es den Versetzungen erlaubt, zur Halsoberfläche zu propagieren.
  • Bei allen im Stand der Technik bekannten Methoden wird ein fehlorientierter Silicium-Einkristall erzeugt, wobei die Fehlorientierung z. B. 2–5° ( US 5,769,941 ) beträgt oder dafür alle Winkel zwischen den <001> und <101>-Richtungen ( JP 03-080184 ) ausgewählt werden können. JP 63-123893 offenbart einen Kristall mit einer Fehlorientierung von 0,2–4°.
  • Es hat sich gezeigt, dass das Ausmaß der Fehlorientierung großen Einfluss auf Eigenschaften der daraus hergestellten Siliciumscheiben hat. Oftmals ist es wünschenswert, eine Siliciumscheibe mit einer epitaktischen Schicht zu versehen.
  • In EP 1 592 045 A1 wurde gezeigt, dass die Oberflächenrauhigkeit der epitaktischen Schicht einer <110>-fehlorientierten Scheibe vom Neigungswinkel (Winkel zwischen Normale auf Scheibenoberfläche gegenüber realer <110>-Richtung) abhängt und niedriger ist als die Rauhigkeit der polierten Siliciumscheibe (ohne Epi-Schicht). Dieser Effekt ist bei Neigungswinkeln von 0–8° zu beobachten.
  • AFM-Aufnahmen zeigen Stufen und Absätze in <110>-Orientierung auf der epitaktischen Schicht. Die Breite eines Absatzes lässt sich EP 1 592 045 A1 zufolge direkt aus dem Neigungswinkel und dem Abstand zweier Stufen vorhersagen. Wenn der Neigungswinkel 1° übersteigt, ist die Breite eines Absatzes zwischen monoatomaren Schichtstufen 10 nm oder kleiner.
  • Eine Fehlorientierung (Neigungswinkel) von 0° ist praktisch nicht erreichbar, auch wenn versucht werden sollte, die Fehlorientierung nach CZ-Ziehen durch geeignete Maßnahmen (z. B. durch orientiertes Drahtsägen) wieder komplett zu reduzieren. Üblicherweise wird beim Drahtsägen die Fehlorientierung des Halbleiterstabes (ohne die Anfangs- und Endkoni) durch geeignetes Orientieren des auf einer Sägeleiste aufgekitteten Stabstücks relativ zum aus Sägedraht gebildeten Drahtgatter einer Drahtsäge reduziert. Da die Orientierung der Sägeleiste nie ganz exakt erfolgen kann und kleinere Ungenauigkeiten nicht auszuschließen sind, wird eine Fehlorientierung von exakt 0° nur in seltenen Fällen erreicht werden. Wenn also im Rahmen dieser Erfindung von Kristallen oder Scheiben mit Fehlorientierung 0° die Rede ist, sollte berücksichtig werden, dass kleinere Abweichungen von bis zu etwa 10 Minuten oder 0,2° (vgl. auch JP 63-123893 ) zu berücksichtigen sind.
  • Eine Korrektur der Fehlorientierung einzelner Stabstücke während des Drahtsägeprozesses hat zur Folge, dass die gesägten Siliziumscheiben eine ovale Scheibenform aufweisen, da das Drahtsägegatter einen Winkel <> 90° mit dem Zylindermantel des Stabstückes bildet. Fertigungstechnisch entstehen hieraus im wesentlichen zwei Problemfelder: Erstens entstehen durch den schrägen Schnitt an beiden Stabstückenden sogenannte „halfmoon-wafer”, die ein automatisches Vereinzeln der Scheiben von der üblicherweise verwendeten Kohleleiste unmöglich machen, und zweites wird die Komplexität beim Kantenverrunden deutlich erhöht, da für das Verrunden ovaler Scheiben besondere Technologien zur Verfügung gestellt werden müssen. Darüber hinaus kann der Transport von ovalen, unverrundeten Scheiben in handelsüblichen Kassetten zu einer Erhöhung der Auftrittswahrscheinlichkeit von Kantenausbrüchen führen, was ein Verwerfen der Scheiben zur Folge hätte.
  • Zudem ist das manuelle Handling von „halfmoon-wafern” aufgrund der messerscharfen Kanten mit einem erhöhten Sicherheitsrisiko für die Operatoren verbunden.
  • Beschreibung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Siliciumscheibe nach Anspruch 1, umfassend folgende Schritte:
    • a) Ziehen eines Siliciumeinkristalls mit <110>-Orientierung gemäß Czochralski, unter Verwendung eines Impflingskristalls mit <110>-Orientierung, dessen geometrische Achse um einen bestimmten Winkel gegen seine reale <110>-Kristallachse geneigt ist, so dass auch der gezogene <110>-orientierte Silicium-Einkristall eine leichte Fehlorientierung seiner geometrischen Achse gegenüber seiner realen <110>-Kristallachse aufweist;
    • b) Orientiertes Rundschleifen dieses Silicium-Einkristalls durch Bestimmung der nach Ziehen resultierenden Fehlorientierung des Silicium-Einkristalls, geeignetes Ausrichten des zwischen Druckstücken in einer Schleifmaschine eingespannten Einkristalls und Abschleifen einer Mantelfläche des Einkristalls, bis dieser einen bestimmten, einheitlichen Durchmesser aufweist und dadurch Änderung der nach Ziehen des Einkristalls resultierenden Fehlorientierung;
    • c) Abtrennen von Scheiben vom rundgeschliffenen Einkristalls;
    • d) Weiterverarbeitung einer derart abgetrennten Scheiben mittels mechanischer, chemischer oder chemo-mechanischer Verfahren, durch die jedoch die Fehlorientierung der Oberfläche weitgehend unverändert bleibt;
    • e) vorzugsweise Aufbringen einer epitaktischen Schicht auf eine derart weiterverarbeitete Scheibe,
    dadurch gekennzeichnet, dass die <110>-Richtung um den Winkel θ von der Normalen der Scheibenoberfläche weggekippt ist und die Projektion der verkippten <110>-Richtung mit der Richtung <110> in der Scheibenebene einen Winkel φ einschließt und θ durch 0 ≤ θ ≤ 3° und 45° ≤ φ ≤ 90° (sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen) gegeben ist.
  • Vorzugsweise wird ein leicht fehlorientierter Impfling verwendet. Dieser ist vorzugsweise auf einem Impflingshalter angebracht.
  • Vorzugsweise beträgt die Fehlorientierung des verwendeten Impflingskristalls 5° oder weniger, vorzugsweise 3° oder weniger, ganz besonders bevorzugt 2° oder weniger. Die untere Grenze ist durch das Erfordernis des versetzungsfreien Ziehens sowie durch die damit notwendige Länge des Halses limitiert.
  • Vorzugsweise ist die Fehlorientierung in Richtung der nächsten <100>- oder <111>-Ebene gerichtet (vgl. 1 bzgl. der Definition der Kristallrichtungen und -ebenen).
  • Dadurch besitzt auch der derart gezogene Einkristall eine entsprechende Fehlorientierung.
  • Der Einkristall weist vorzugsweise einen gegenüber dem gewünschten Enddurchmesser von 150 mm, 200 mm, 300 mm oder 450 mm leicht erhöhten (einige mm) Durchmesser auf.
  • Der gewünschte Enddurchmesser wird erst bei späteren Kantenbearbeitungsschritten (Kantenschleifen, -polieren) an Siliciumscheiben erreicht.
  • Um einen versetzungsfreien Kristall ziehen zu können, wird die Dash-Necking-Methode angewendet, d. h nach Inkontaktbringen des Impflingskristalls mit der im Tiegel befindlichen Polysiliciumschmelze wird zunächst ein Dünnhals gezogen, der ein Ausbreiten der Versetzungslinien unterbindet.
  • Nach dem Ziehen des Einkristalls, der bis auf die Maßnahmen zur Einstellung der gewünschten Fehlorientierung dem Stand der Technik Czochralski-gezogener Kristalle entspricht, werden vorzugsweise Anfangs- und Endkoni abgetrennt. Dann erfolgt das Rundschleifen des Kristallstücks parallel zu einer definierten Kristallrichtung. Dabei wird das Einkristallstück derart angeordnet, dass die gewünschte Kristallorientierung durch die stirnseitig aufgebrachten Druckstücke definiert wird.
  • Die Bestimmung der Kristallorientierung erfolgt durch ein Röntgengoniometer.
  • Ein entsprechendes Verfahren zum orientierten Rundschleifen und eine geeignete Vorrichtung sind in der europäischen Patentschrift EP 0 962 284 B1 offenbart.
  • Der Einkristall wird vorzugsweise auf einen einheitlichen Durchmesser von jeweils etwas mehr als der Scheibenenddurchmesser rundgeschliffen.
  • Durch das orientierte Rundschleifen lässt sich eine gewünschte Fehlorientierung des Stabstrucks einstellen bzw. die nach Ziehen erhaltene Fehlorientierung korrigieren.
  • Vorzugsweise wird der Betrag der Fehlorientierung des gezogenen Kristalls um z. B. etwa 1° reduziert, so dass zum Beispiel für den Fall, dass der Betrag der fehlorientierung nach Ziehen etwa 1,5° beträgt, nach dem Rundschleifen eine betragsmäßige Fehlorientierung von etwa 0,5° resultiert.
  • Vorzugsweise erfolgt beim orientierten Rundschleifen ein Verkippen der Fehlorientierung nach CZ in die fertigungstechnisch angestrebte Richtung, also z. B. in Richtung der nächsten <111> oder <100>-Ebene (vgl. 1). Dadurch ändern sich Betrag und Richtung der Fehlorientierung.
  • Anschließend wird das rundgeschliffene Stabstück mittels einer Drahtsäge in Scheiben zertrennt.
  • Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der Einkristall derart auf einer relativ zum Drahtgatter der Drahtsäge verkippten Sägeleiste befestigt wird, so dass die gesägten Scheiben eine Oberfläche mit einer nach Betrag und Richtung definierten fehlorientierten <110>-Kristallebene aufweisen.
  • Es ist aber ganz besonders bevorzugt, dass das Erreichen der gewünschten Fehlorientierung allein durch Ziehen des Einkristalls und durch das nachfolgende orientierte Rundschleifen wie oben beschrieben erfolgt.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsform kommt es während des Drahtsägeschritts, der gemäß Stand der Technik erfolgt, zu keinen bzw. allenfalls marginalen Änderungen der Fehlorientierung (sowohl Betrag als auch Richtung).
  • Die abgetrennten Scheiben weisen somit eine fehlorientierte <110>-Oberfläche auf, die sich durch die Raumwinkel φ und θ ausdrücken lässt.
  • Die Fehlorientierung der abgetrennten Scheiben beträgt θ = 0–3°, φ = 45–90° (sowie alle symmetrischäquivalente Richtungen).
  • Besonders bevorzugt ist φ = 55–85° und θ = 0–2.5° (sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen, 8), und ganz besonders bevorzugt ist φ = 60–80° und θ = 0,1–1,5° (sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen, 9).
  • Nach dem Abtrennen der Scheiben vom Kristall erfolgen Bearbeitungsschritte, die zum Ziel haben, die Scheiben global einzuebnen, mit glatten, defekt- und partikelfreien Oberflächen und Kanten zu versehen.
  • Dies sind vorzugsweise rein mechanische Verfahren wie Einseiten- oder Doppelseitenschleifen (SSG, DDG, Grob- und/oder Feinschleifen) und/oder Läppen, chemische Verfahren wie Ätz(sauer oder alkalisch) und Reinigungsschritte, chemisch-mechanische Verfahren wie Einseiten- und Doppelseitenabtragpolitur (SSP, DSP) oder chemisch-mechanische Schleiferfreipolitur (CMP)
  • Bei diesen Bearbeitungsschritten sind keine Änderungen der Fehlorientierungen der <110>-Oberflächen vorgesehen. Es kommt allenfalls zu marginalen Änderungen, die prozesstechnisch nicht zu vermeiden sind.
  • Die derart bearbeiteten Scheiben werden vorzugsweise mit einer epitaktischen Schicht versehen.
  • Die Rauigkeit der abgeschiedenen epitaktischen Schicht wird durch die zuvor eingestellte Fehlorientierung der <110>-Oberfläche des Epi-Substrats maßgeblich beeinflusst.
  • Im Folgenden werden einige der Verfahrensschritte detaillierter beschrieben.
  • Kristallziehen <110>
  • Zunächst wird ein Silicium-Einkristall produziert, indem man einen Impfkristall verwendet, in dem die <110> Kristallrichtung in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die axiale Richtung geneigt ist. (Fehlorientierter Impfling)
  • Dazu wird ein Quarztiegel mit Siliciumschmelze zum Ziehen des Kristalls bereitgestellt.
  • Der der Impfkristall, der an einem Impfkristallhalter angebracht wird, wird in die Siliciumschmelze eingetaucht. Anschließend wird der Impfkristallhalter hochgezogen und Silicium gewachsen, während der Impfkristallhalter und der Tiegel in die gleiche Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden.
  • In der CZ-Methode stimmt die axiale Longitudinalrichtung des Impfkristalls mit der Zugrichtung überein.
  • Vorzugsweise wird ein Verengungsprozess (Verkleinerung des Querschnitts) des Durchmessers des Siliciumkristalls durchgeführt, nachdem der Impfkristall in Kontakt mit der Schmelzoberfläche gebracht worden ist (Dash-Necking). Infolgedessen bildet sich ein Versetzungsnetzwerknetz, verursacht durch den Wärmeschock. Durch Wachsen des Dünnhalses wird die Ausbreitung der Versetzungen in das nachfolgend gezogene Kristallstück verhindert.
  • Anschließend wird der Impflingskristall weiter hochgezogen und ein Siliciumstab aus einkristallinem Silicium produziert.
  • Der gezogene Siliciumstab umfasst schließlich einen oberen Teil, der durch den Dash-Necking-Prozess gebildet wurde, einen geraden zylinderförmigen Körper und evtl. auch ein Endstückteil, bei dem der Durchmesser reduziert wurde.
  • Dabei resultiert ein Zustand, in dem die Richtung des Verkippens der <110>-Kristallrichtung in Bezug auf die axiale Richtung des Impfkristalls die Richtung der nächsten {111} Kristallfläche neben der {110} Kristallfläche ist, also in [001]-Richtung.
  • Des weiteren kann die Richtung des Verkippens der <110> Kristallrichtung in Bezug auf die axiale Richtung des Impfkristalls die Richtung der {100} Kristallfläche neben der {110} Kristallfläche sein, also in [1–10]-Richtung.
  • Vorzugsweise werden anschließend Anfangs- und Endkoni abgetrennt.
  • Orientiertes Rundschleifen
  • Durch das orientierte Rundschleifen lässt sich eine gewünschte Fehlorientierung des Kristalls einstellen bzw. eine nach Ziehen erhaltene Fehlorientierung korrigieren.
  • Vorzugsweise wird die Fehlorientierung des gezogenen Kristalls um etwa 1° reduziert, so dass für den Fall, dass der Einkristall nach Ziehen eine Fehlorientierung von etwa 1,5° aufweist, nach dem Rundschleifen eine Fehlorientierung von etwa 0,5° resultiert.
  • Vorzugsweise wird dazu die Kristallachse in der gewünschten Weise ausgerichtet, anschließend Druckstücke an den Stirnseiten des Kristall fixiert, z. B. aufgeklebt. An diesen Druckstücken ist der Kristall während des Schleifens in einer Schleifmaschine eingespannt. Anschließend wird der Einkristall geschliffen, bis er einen vorbestimmten, einheitlichen Enddurchmesser aufweist.
  • Drahtsägen
  • Anschließend wird der rundgeschliffene Einkristall mittels einer Drahtsäge in Scheiben zertrennt.
  • Beim Drahtsägen wird eine Vielzahl von Scheiben in einem Arbeitsgang von einem Kristallstück abgetrennt.
  • In US-5,771,876 ist das Funktionsprinzip einer derartigen Drahtsäge beschrieben.
  • Drahtsägen besitzen ein Drahtgatter, das von einem Sägedraht gebildet wird, der um zwei oder mehrere Drahtführungs- bzw. Umlenkrollen gewickelt ist.
  • Der Sägedraht kann mit einem Schneidbelag belegt sein.
  • Bei Verwendung von Drahtsägen mit Sägedraht ohne fest gebundenes Schneidkorn wird Schneidkorn in Form einer Suspension („Slurry”) während des Abtrennvorganges zugeführt.
  • Beim Abtrennvorgang durchdringt das auf einem Tisch befestigte Kristallstück das Drahtgatter, in dem der Sägedraht in Form parallel nebeneinander liegender Drahtabschnitte angeordnet ist. Die Durchdringung des Drahtgatters wird durch eine mittels einer Vorschubeinrichtung bewerkstelligten Relativbewegung zwischen Tisch und Drahtgatter bewirkt, die das Kristallstück gegen das Drahtgatter (Tischvorschub) oder das Drahtgatter gegen das Kristallstück führt.
  • Vorzugsweise wird der Einkristall derart auf einem relativ zum Drahtgatter der Drahtsäge verkippten Tisch befestigt, so dass die gesägten Scheiben eine Oberfläche mit einer nach Betrag und Richtung definierten fehlorientierten <110>-Kristallebene aufweisen, die Fehlorientierung, die nach orientiertem Rundschleifen resultiert, also weiter korrigiert werden kann.
  • Es ist jedoch besonders bevorzugt, den Drahtsägeschritt ohne Veränderung der Fehlorientierung durchzuführen, also ohne Verkippung von Tisch oder Sägeleiste gegen das Drahtgatter. Drahtgatter und Sägeleiste (bzw. eine Führungskante der Sägeleiste) sollen eine 90°-Winkel bilden, so dass die Kristallorientierung der abgetrennten Siliciumscheiben der Kristallorientierung des Einkristalls nach Rundschleifen entspricht.
  • Anhand des folgenden Ausführungsbeispiels lässt sich die Vorgehensweise verdeutlichen.
  • Ein 300 mm-Kristall wurde mittels eines leicht fehlorientierten <110>-Impflings nach der Czochralski-Methode einschließlich Dash-Necking gezogen, die Anfangs- und Endkoni abgetrennt und das Stabstück in einzelne Stabsegmente aufgeteilt.
  • Am Stabstück mit der Endposition 14 cm und der Länge von 10 cm, wurde die Fehlorientierung zwischen geometrischer Stabstückachse und der <110>-Richtung zu θ = 2,14° und φ~0° bestimmt.
  • Ziel für das Endprodukt war eine Orientierung von θ = 0,6° und φ nahe 90°.
  • Nach dem orientierten Rundschleifen war θ = 0,52° und φ = 88,9°. Durch einen Standard-Drahtsägeprozess ohne Verkippung von Tisch oder Sägeleiste gegen das Drahtgatter, ergaben sich weitere, marginale Veränderungen der Off-Orientierung, die durch prozesstechnische Schwankungen bedingt sind.
  • Die Off-Orientierung nach dem Vereinzeln der Scheiben wurde zu θ = 0,54° und φ = 81,4° bestimmt (siehe auch Tabelle 1, letzte Zeile). Das vorgegebene Target für die Off-Orientierung der Scheibenoberfläche von θ = 0,6° konnte im Rahmen der für den Stand der Technik bekannten Fertigungstoleranzen (delta θ = +/–0,2°) voll erreicht werden.
  • Die fertigungstechnisch erreichbaren Toleranzen von φ sind stark abhängig vom Betrag von θ und können für einen Winkel θ von ungefähr 0,6° mit delta φ = +/–10° abgeschätzt werden.
  • Mechanische und chemo-mechanische Bearbeitungsschritte
  • Nach dem Drahtsägen erfolgen vorzugsweise folgende Bearbeitungsschritte:
    • – Verrunden der mechanisch empfindlichen Kanten,
    • – Durchführen eines Abrasivschrittes wie Schleifen oder Läppen.
  • EP 547894 A1 beschreibt ein Läppverfahren; Schleifverfahren sind in den Anmeldungen EP 272531 A1 und EP 580162 A1 beansprucht.
  • Die endgültige Ebenheit der <110>-orientierten Siliciumscheibe wird durch einen oder mehrere Polierprozesse 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.
  • Die Gruppe der chemo-mechanischen Bearbeitungsschritte umfasst Polierschritte, mit denen durch teilweise chemische Reaktion und teilweise mechanischen Materialabtrag (Abrasion) die Oberfläche geglättet wird und Restschädigungen der Oberfläche entfernt werden.
  • 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”), Scheiben mit verbesserter Ebenheit herzustellen.
  • Nach den Schleif-, Reinigungs- und Ätzschritten erfolgt eine Glättung der Oberfläche der Scheiben durch Abtragspolitur. Beim Einseitenpolieren („single-side polishing”, SSP) werden Scheiben während der Bearbeitung rückseitig auf einer Trägerplatte mit Kitt, durch Vakuum oder mittels Adhäsion gehalten. Beim Doppelseitenpolieren (DSP) werden die Scheiben 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.
  • Des Weiteren werden die Vorderseiten der Siliciumscheiben schleierfrei poliert, beispielsweise mit einem weichen Poliertuch unter Zuhilfenahme eines alkalischen Poliersols; zum Erhalt der bis zu diesem Schritt erzeugten Geometrie der Halbleiterscheiben liegen die Materialabträge dabei relativ niedrig, z. B. bei 0,05 bis 1,5 μm. In der Literatur wird dieser Schritt oft als CMP-Politur („chemo-mechanical polishing”) bezeichnet.
  • Epitaktische Beschichtung
  • Anschließend werden die monokristallinen <110>-orientierten Siliciumscheiben mit einer monokristallin aufgewachsenen Schicht aus Silicium derselben Kristallorientierung, einer so genannten epitaktischen Beschichtung, 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.
  • Dazu werden im Epitaxiereaktor eine oder mehrere Siliciumscheiben auf einem Suszeptor 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.
  • Die Abscheidung der epitaktischen Schicht erfolgt vorzugsweise 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 Datiergasen gezielt mit Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon dotiert sein, um Leitungstyp und Leitfähigkeit einzustellen.
  • Verfahren, die dazu geeignet sind, andere wichtige Geo-Parameter einer epitaxierten Siliciumscheibe (SFQR, GBIR und Edge Roll-off) zu optimieren und die sich insbesondere auf Vorbehandlungen der Siliciumscheibe beim Epi-Prozess (H2-bakeprozess, HCl-Ätzbehandlung, um natives Oxid zu entfernen) und Vorbehandlungen des Suszeptors beziehen, sind in den Anmeldungen DE102005045337 A1 , DE102005045338 A1 und DE102005045339 A1 beschrieben und kommen vorzugsweise auch im erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung.
  • Figuren
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 zeigt die Definition der Kristallrichtungen.
  • 2 und 3 zeigen die Definition des Raumwinkelbereichs der Fehlorientierung.
  • 4–6 zeigen Raumwinkelbereiche für bestimmte fehlorientierte, epitaxierte Scheiben und die zugehörigen AFM-Aufnahmen.
  • 7 zeigt schematisch Rauigkeitswerte von epitaxierten Scheiben für bestimmte Fehlorientierungen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert.
  • 1 zeigt die Definition der Kristallorientierungen in zweidimensionaler Darstellung.
  • 2 zeigt die Definition des Raumwinkelbereichs der Fehlorientierung einer Scheibe 1. Der Winkel θ gibt den Neigungswinkel in <100>-Richtung an. Für den Winkel der tatsächlichen Fehlorientierung ist die zusätzliche Angabe des Winkels φ nötig.
  • 3 zeigt ergänzend zu 2 die Definition des in dieser Erfindung verwendeten Raumwinkels zur Beschreibung der Fehlorientierung in dreidimensionaler Darstellung.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung der Kristallorientierung einer epitaxierten Halbleiterscheibe 13 mit einem Notch 23 in [–110]-Richtung. Die Fläche der Halbleiterscheibe ist eine fehlorientierte <110>-Kristallfläche, als Raumwinkel ausgedrückt θ = 2.28° und φ = 4,01°. Die Drehung um φ = 1,01° ist in Verbindung mit der Raumwinkel-Definition aus 2 durch das Bezugszeichen A veranschaulicht. Außerdem ist eine AFM-Aufnahme der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu sehen. Als Oberflächenrauhigkeit ergab sich AFM RMS (1 μm × 1 μm) = 0,736 nm nm.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung der Kristallorintierung einer Halbleiterscheibe 14 mit einem Notch 24 in [–110]-Richtung. Die Fläche der Halbleiterscheibe ist eine fehlorientierte <110>-Kristallfläche, als Raumwinkel ausgedrückt θ = 1.49° und φ = 264,6°. Die Drehung um φ = 264,6° ist in Verbindung mit der Raumwinkel-Definition aus 2 durch das Bezugszeichen B veranschaulicht. Außerdem ist eine AFM-Aufnahme der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu sehen. Als Oberflächenrauhigkeit ergab sich AFM RMS (1 μm × 1 μm) = 0,089 nm.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung der Kristallorientierung einer Halbleiterscheibe 15 mit einem Notch 25 in [–110]-Richtung. Die Fläche der Halbleiterscheibe ist eine fehlorientierte <110>-Kristallfläche, als Raumwinkel ausgedrückt θ = 1.18° und φ = 68,0° Die Drehung um φ = 68,0° ist in Verbindung mit der Raumwinkel-Definition aus 2 durch das Bezugszeichen C veranschaulicht. Außerdem ist eine AFM-Aufnahme der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu sehen. Als Oberflächenrauhigkeit ergab sich AFM RMS (1 μm × 1 μm) = 0,054 nm.
  • 7 zeigt eine Zusammenfassung der Ergebnisse aus Tabelle 1. Die Bezugszeichen A, B und C aus den 4–6 werden auch hier verwendet. Tabelle 1
    Θ [°] φ [°] φ* [°] (umgerechnet auf den 1. Quadranten) AFM RMS [nm] (1 μm × 1 μm)
    0.24 14.6 14.6 0.182
    0.75 224.0 44.0 0.142
    2.28 4.01 4.01 0.736 A
    0.35 44.17 44.17 0.136
    0.98 266.5 86.5 0.086
    1.49 264.6 84.6 0.089 B
    1.99 267.7 87.7 0.081
    0.49 4.67 4.67 0.307
    0.93 1.8 1.8 0.408
    0.38 270.0 0.0 0.249
    0.51 266.6 86.6 0.081
    0.51 5.6 5.6 0.248
    0.54 179.9 0.1 0.289
    0.54 184.3 4.3 0.275
    1.18 68.0 68.0 0.055 C
    0.54 98.6 81.4 0.083
  • Aus Tabelle 1 in Verbindung mit 7 ist ein deutlicher Zusammenhang zwischen den Rauhigkeitswerten und den Raumwinkeln θ [°], φ [°] ersichtlich. Die Winkel φ wurden auf den ersten Quadranten abgebildet. Daraus ergeben sich die Winkel φ*, die auch in 7 nach rechts aufgetragen sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine epitaxierte Siliciumscheibe, umfassend eine gegenüber einer {110}-Kristallebene fehlorientierten Ebene als Scheibenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die <110>-Richtung um den Winkel θ von der Normalen der Scheibenoberfläche weggekippt ist und die Projektion der verkippten <110>-Richtung mit der Richtung <-110> in der Scheibenebene einen Winkel φ einschließt und θ durch 0 ≤ θ ≤ 3° und 45° ≤ φ ≤ 90° (sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen) gegeben ist.,
  • Besonders bevorzugt ist eine solche epitaxierten Siliciumscheiben mit fehlorientierten (110)-Kristallebenen als Scheibenoberflächen, gekennzeichnet durch φ = 55–85° und θ = 0–2.5°, sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen.
  • Ebenfalls ganz besonders bevorzugt sind epitaxierte Siliciumscheiben mit fehlorientierten (110)-Kristallebenen als Scheibenoberflächen, gekennzeichnet durch φ = 60–80° und θ = 0,1–1,5°, sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen.
  • Die erfindungsgemäßen epitaxierten Siliciumscheiben zeichnen sich durch besonders niedrige Rauhigkeitswerte nach AFM RMS von –0.055–0,089 nm aus. Derart niedrige Rauhigkeitswerte waren im Stand der Technik, vgl. EP 1 592 045 A1 , 9, nicht erreichbar (Vergleichswerte: 0,10 und 0,12 nm). Außerdem wurde im Stand der Technik davon ausgegangen, dass der Winkel θ entscheidend für die erzielten Rauhigkeitswerte war und Werte für θ von 0–8° geeignet sind.
  • In der vorliegenden Erfindung wird erstmals offenbart, dass die Erkenntnisse im Stand der Technik unvollständig sind und bei der Untersuchung von fehlorientierten Scheibenoberflächen Raumwinkel betrachtet werden müssen. Der in 7 gezeigte Zusammenhang mit dem Winkel φ macht dies deutlich.
  • Die Fehlorientierungen, die im Rahmen dieser Erfindung als Raumwinkel ausgedrückt wurden, lassen sich ebenso durch die dem Fachmann wohl bekannten „Millerschen Indizes” bezeichnen.
  • Beispiele:
    • Θ = 1.5° und φ = 45°, 60°, 80°, 90°, ausgedrückt in Millerschen-Indizes: (719 696 18), (722 690 13), (725 688 4), (725 688 0)
    • Θ = 0.5° und φ = 45°, 60°, 80, 90°, ausgedrückt in Millerschen-Indizes: (711 702 6), (712 701 4), (713 701 1), (713 700 0)
  • Weitere Beispiele für Umrechnung von Raumwinkelangaben in Millersche Indizes:
    • Θ = 2°, φ = –90° ≡ (681 731 0); Θ = 1.5°, φ = –90° ≡ (688 722 0); Θ = 1°, φ = –90° ≡ (694 719 0); Θ = 1°, φ = –45° ≡ (698 715 1); Θ = 1°, φ = 45° ≡ (715 698 1).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (14)

  1. Epitaxierte Siliciumscheibe, umfassend eine gegenüber einer (110)-Kristallebene fehlorientierten Ebene als Scheibenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die <110>-Richtung um den Winkel θ von der Normalen der Scheibenoberfläche weggekippt ist und die Projektion der verkippten <110>-Richtung mit der Richtung <–110> in der Scheibenebene einen Winkel φ einschließt und θ durch 0 ≤ θ ≤ 3° und 45° ≤ φ ≤ 90° (sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen) gegeben ist.
  2. Epitaxierte Siliciumscheibe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch φ = 55–85° und θ = 0–2.5°, sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen.
  3. Epitaxierte Siliciumscheibe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch φ = 60–80° und θ = 0,1–1,5°, sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen.
  4. Epitaxierte Siliciumscheibe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rauhigkeitswert nach AFM RMS < 0,09 nm.
  5. Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Siliciumscheibe nach Anspruch 1, umfassend folgende Schritte: a) Ziehen eines Siliciumeinkristalls mit <110>-Orientierung gemäß Czochralski, unter Verwendung eines Impflingskristalls mit <110>-Orientierung, dessen geometrische Achse um einen bestimmten Winkel gegen seine reale [110]-Kristallachse geneigt ist, so dass auch der gezogene <110>-orientierte Silicium-Einkristall eine leichte Fehlorientierung seiner geometrischen Achse gegenüber seiner realen [110]-Kristallachse aufweist; b) Orientiertes Rundschleifen dieses Silicium-Einkristalls durch Bestimmung der nach Ziehen resultierenden Fehlorientierung des Silicium-Einkristalls, Ausrichten des zwischen Druckstücken in einer Schleifmaschine eingespannten Einkristalls und Abschleifen einer Mantelfläche des Einkristalls, bis dieser einen bestimmten, einheitlichen Durchmesser aufweist und die nach Ziehen des Einkristalls resultierende Fehlorientierung reduziert wird bzw. die gewünschte Fehlorientierung eingestellt wird c) Trennen des rundgeschliffenen Einkristalls in Scheiben mittels einer Drahtsäge; d) Weiterverarbeitung einer derart abgetrennten Scheiben mittels mechanischer, chemischer oder chemo-mechanischer Verfahren, durch die jedoch die Fehlorientierung der Oberfläche weitgehend unverändert bleibt; e) Aufbringen einer epitaktischen Schicht auf eine derart weiterverarbeitete Scheibe, dadurch gekennzeichnet, dass die <110>-Richtung um den Winkel θ von der Normalen der Scheibenoberfläche weggekippt ist und die Projektion der verkippten <110>-Richtung mit der Richtung <–110> in der Scheibenebene einen Winkel φ einschließt und θ durch 0 ≤ θ ≤ 3° und 45° ≤ φ ≤ 90° (sowie alle symmetrisch äquivalenten Richtungen) gegeben ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Dash-Necking-Methode angewendet wird, indem nach Inkontaktbringen des Impflingskristalls mit einer in einem Tiegel befindlichen Polysiliciumschmelze zunächst ein Dünnhals gezogen wird, der ein Ausbreiten von Versetzungslinien unterbindet.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei der Einkristall auf einen einheitlichen Durchmesser von jeweils etwas mehr als 150 mm, 200 mm, 300 mm oder 450 mm rundgeschliffen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei vor dem fehlorientierten Rundschleifen die Fehlorientierung mittels eines Röntgengoniometers bestimmt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei beim orientierten Rundschleifen die Fehlorientierung des gezogenen Kristalls um etwa 1° reduziert und die Richtung der Fehlorientierung nach Rundschleifen in eine angestrebte Richtung verkippt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei beim Zersägen der Einkristall dieser derart auf einer relativ zum Drahtgatter der Drahtsäge verkippten Sägeleiste befestigt wird, dass die gesägten Scheiben eine Oberfläche mit einer nach Betrag und Richtung definierten fehlorientierten <110>-Kristallebene aufweisen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die gewünschte Fehlorientierung allein durch Ziehen des Einkristalls und durch das nachfolgende orientierte Rundschleifen erfolgt und es während des Drahtsägeschritts und bei nachfolgenden Bearbeitungsschritten zu keinen bzw. allenfalls marginalen Änderungen der Fehlorientierung kommt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die abgetrennten Scheiben eine fehlorientierte <110>-Oberfläche aufweisen, wobei die Fehlorientierung θ = 0–2,5° und φ = 55–85° beträgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die Fehlorientierung θ = 0,1–1,5° und φ = 60–80° beträgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die abgetrennten Scheiben eine fehlorientierte <110>-Oberfläche aufweisen, wobei die <110>-Ebene in Richtung einer nächsten <111>-Ebene oder in Richtung einer nächsten <011>-Ebene verkippt ist.
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