DE102011089362B4

DE102011089362B4 - Verfahren zum Polieren eines Substrates aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE102011089362B4
Application number: DE201110089362
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schwandner; Alfred Schreibauer
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: DE102011089362A1

Abstract

Verfahren zum einseitigen Polieren mindestens eines Substrates aus Halbleitermaterial, umfassend mindestens einen ersten Polierschritt, mit dem das Substrat auf einem Poliertuch poliert wird, wobei während des Polierschrittes eine alkalische Poliermitteldispersion, welche abrasive Partikel enthält, zwischen das Substrat und das Poliertuch gebracht wird und mindestens einen zweiten Polierschritt zur Politur des mindestens einen Substrates aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polierschritt durch Wasser gestoppt wird, das verwendete Poliertuch im Vergleich zu dem Poliertuch aus dem ersten Polierschritt weicher ist und die dynamische Kompressibilität des Poliertuches des zweiten Polierschrittes 19–23% beträgt und dieser zweite Polierschritt die Einzelschritte (a) bis (e) in der genannten Reihenfolge und mit den jeweils genannten Prozessparametern umfasst: (a) Politur des mindestens einen Substrates aus Halbleitermaterial mit einem Polierdruck pA und für eine Dauer tA, wobei als Poliermittel eine alkalische Dispersion mit freien Abrasiven verwendet wird; (b) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer tB mit einem Polierdruck pB, wobei pB wesentlich kleiner als pA ist und der Druck mit Beginn des Einzelschrittes (b) in weniger als 5 Sekunden auf pB abgesenkt wird und gleichzeitig das im Einzelschritt (a) verwendete Poliermittel durch Wasser ersetzt wird; (c) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer tC mit einem Polierdruck pC, wobei pC größer als pB aber kleiner als pA ist und der Druck mit Beginn des Einzelschrittes (c) in weniger als 5 Sekunden auf pC erhöht wird und gleichzeitig das im Einzelschritt (b) verwendete Wasser durch ein Poliermittel, welches aus einer alkalischen Dispersion besteht, ersetzt wird; (d) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer tD, wobei der Polierdruck pC auf 0 bar mit Beginn des Einzelschrittes (d) in weniger als 5 Sekunden gesenkt wird und das Poliertuch, bzw. der Flüssigkeitsfilm auf der Poliertuchoberfläche, noch in Kontakt mit der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial ist und gleichzeitig das im Einzelschritt (c) verwendete Poliermittel durch Wasser ersetzt wird; (e) Beenden des zweiten Polierschrittes durch das Abheben der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial vom mit dem Poliertuch belegten Polierteller und Spülen der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial mit Wasser für eine Zeitdauer tE.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Polieren eines Substrates aus Halbleitermaterial, umfassend mindestens die zwei Verfahrensschritte Einseiten-Abtragspolitur ohne einen Polierstoppschritt, welcher mittels Alkoholen, mittels Tensiden oder mittels speziellen Kieselsolen, die mit Tensid stabilisiert sind, wie z. B. Glanzox 3900 der Firma Fujimi Icorporated, erfolgen würde, und eine Schleierfreipolitur (Glanzpolitur). Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für die Politur hochdotierter n-Typ Siliciumsubstrate mit einem Substratwiderstand < 10 mOhmcm, bevorzugt < 5 mOhmcm und besonders bevorzugt <= 3 mOhmcm.
Scheiben aus Halbleitermaterial werden in einer Vielzahl von Prozessschritten hergestellt, angefangen mit dem Ziehen des Kristalls, über das Zersägen des Kristalls in Scheiben bis hin zur Oberflächenbearbeitung. Die Oberflächenbearbeitung zielt auf eine fehlerfreie, hochebene (planare) Oberfläche der Halbleiterscheibe ab. Die Politur ist dabei ein Verfahren der Oberflächenbearbeitung. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren für die Politur von Scheiben aus Halbleitermaterial (Wafer) bekannt. Hierzu zählen einseitige und beidseitige Polierverfahren.
Bei der sogenannten Doppelseitenpolitur (double side polishing, DSP) werden gleichzeitig die Vorder- und die Rückseite einer Scheibe poliert. Hierzu wird die Scheibe in einer Läuferscheibe (carrier plate) geführt, wobei sich die Läuferscheibe in einem Arbeitsspalt befindet, der von den mit je einem Poliertuch belegten oberen und unteren Polierteller gebildet wird. Die Doppelseitenpolitur für Scheiben aus Halbleitermaterial ist beispielsweise in der US3691694 beschrieben.
Bei der sogenannten Einseitenpolitur (single side polishing, SSP) wird nur jeweils eine Seite einer Scheibe poliert. Für die Einseitenpolitur von Scheiben aus Halbleitermaterial (Wafer) werden ein oder mehrere Wafer auf einer Trägerplatte, die z. B. aus Aluminium oder einer Keramik bestehen kann, befestigt. Die Befestigung auf der Trägerplatte erfolgt gemäß dem Stand der Technik in der Regel durch Aufkitten der Scheiben mittels einer Kittschicht und ist beispielsweise in EP0924759 B1 beschrieben. Die Einseitenpolitur für Scheiben aus Halbleitermaterial ist beispielsweise in der DE10054166 A1 und der US2007224821 A2 beschrieben.
Während einer Politur erfolgt ein Materialabtrag üblicherweise durch chemisch-mechanische Wechselwirkung (CMP) mit der Substratoberfläche. Die CMP wird insbesondere zur Beseitigung von Oberflächendefekten sowie zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit angewendet. CMP-Verfahren sind beispielsweise offenbart in US 2002-0077039 sowie in US 2008-0305722 .
CMP-Prozesse können auch ein oder mehrstufig ausgeführt werden, wobei bei einem mehrstufigen CMP-Prozess verschiedene Polierparameter und/oder Poliertücher verwendet werden können. Mehrstufige CMP-Verfahren lehren beispielsweise die DE 102 58 25 128 A1 und die US 6 468 135 B1 , mehrstufige CMP-Verfahren mit unterschiedlichen Poliertüchern sind beispielsweise aus DE 10 2008 053 610 A1 und US 5,913,712 A bekannt.
Darüber hinaus gibt es noch spezielle Polierverfahren, die beispielsweise für die Planarisierung beschichteter Substrate aus Halbleitermaterial eingesetzt werden. Das US-Patent 2002/0130049 A1 offenbart ein Verfahren zur elektrochemischen Politur von Substraten aus Halbleitermaterial, auf dessen Oberfläche eine Passivierungsschicht aufgebracht worden ist.
Bei der chemisch-mechanischen Politur eines Substrates aus Halbleitermaterial kann die Oberfläche mindestens eines von mehreren Poliertüchern fest gebundene Abrasive (fixed abrasives) enthalten. Polituren mit Poliertüchern, die fest gebundene Abrasive enthalten, werden als FA-Polituren bezeichnet. Die deutsche Patentanmeldung DE 102 007 035 266 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zu FA-Politur eines Substrates aus Siliciummaterial.
Die Politur einer Scheibe aus Halbleitermaterial besteht gemäß dem Stand der Technik aus mindestens zwei Polierschritten, nämlich einem ersten materialabtragenden Polierschritt, die sog. Abtragspolitur, bei der in der Regel etwa 12–15 μm Material pro Waferseite – entweder nur der Vorderseite oder der Vorder- und der Rückseite – abgetragen werden, und einer sich anschließenden Glanzpolitur (Schleierfreipolitur), die die Defektreduzierung bewirkt. Bei der Glanzpolitur wird zudem eine Reduzierung der Waferrauheit erzielt. Die Glanzpolitur wird mit Abträgen < 1 μm, vorzugsweise <= 0,5 μm, realisiert.
Die Oberflächen der polierten Scheiben aus Halbleitermaterial werden in der Regel nach einem Polierschritt mit Wasser, das ggf. Zusätze enthalten kann, zum Schutz der Oberfläche benetzt (quasi „nassgehalten”). Allerdings zeigen die Oberflächen der frisch polierten Scheiben aus Halbleitermaterial nach einer ersten materialabtragenden Politur ein hydrophobes Verhalten, d. h. es kann eine ungleichmäßige Benetzung der Scheibenoberfläche mit Wasser auftreten. Dieses birgt das Risiko lokaler Antrocknungen auf der Scheibenoberfläche, was die ungleichmäßige Ausbildung einer nativen Oxidschicht (Maskierung) auf der frisch polierten Scheibenoberfläche zur Folge hat.
Die native Oxidschicht ist resistenter als die reine Siliciumschicht gegen die typische Chemische Mechanische Politur (CMP) und stört daher den weiteren Polierprozess, bzw. nachfolgende Polierschritte. Aufgrund der ungleichmäßigen Ausbildung (unterschiedliche Oxiddicke) der nativen Oxidschicht kommt es in den Bereichen mit dickerer Oxidschicht zu einem Maskierungseffekt, der den chemisch mechanischen Polierprozess der Substratoberfläche beeinträchtigt und zur Ausbildung von Bereichen mit unterschiedlichem Materialabtrag führt (1).
1 zeigt Rauhigkeitsunterschiede und Defekte im Subnanometerbereich auf der Oberfläche (Ausschnitt; Rasterkraftmikroskopmessung (AFM-Messung)) einer mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheibe nach Anwendung der ersten chemisch mechanischen Abtragspolitur ohne einen speziellen Abtragspolierstoppschritt, welcher mittels Alkoholen, mittels Tensiden oder mittels speziellen Kieselsolen, die mit Tensid stabilisiert sind, wie z. B. Glanzox 3900 der Firma Fujimi Incorporated, erfolgen würde, und nach Anwendung einer Schleierfreipolitur gemäß dem Stand der Technik mit spezifischen Polierdrücken kleiner oder gleich 0,2 bar.
Der unterschiedliche Materialabtrag bei der chemisch mechanischen Politur von Siliciumsubstraten mit unterschiedlich dicken nativ gebildeten Oxidschichten bedingt die Ausprägung einer beispielhaft in 1 gezeigten Oberflächentopographie im Subnanometerbereich, die sich letztendlich beim Messen mit Streulicht als Defektstruktur abbildet (2a).
2a zeigt das Ergebnis eines Oberflächenscans (Streulichtmessung) von mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheiben nach der Glanzpolitur gemäß dem Stand der Technik. Die Punkte sind Oberflächendefekte (LLS, AC), hervorgerufen durch Maskierungseffekte.
Um diese Oberflächentopographie im Subnanometerbereich zu vermeiden, kommen bei Scheiben aus Halbleitermaterial nach erfolgter Abtragspolitur gemäß dem Stand der Technik spezielle Polierstoppschritte mit geeigneten Chemikalien (Tenside, Alkohole, speziell stabilisierte Kieselsole wie z. B. Glanzox 3900 von Fujimi Incorporated) am Ende eines Polierprozesses zum Einsatz. Diese Chemikalien stellen eine gleichmäßige Benetzung der frisch polierten Oberfläche der Scheiben aus Halbleitermaterial mit einem Feuchtigkeitsfilm sicher und sorgen zusätzlich dafür, dass Antrocknungen und ein Kontakt der frisch polierten Oberfläche mit der Umgebungsluft ausgeschlossen wird und es zu keiner ungleichmäßigen Ausbildung einer Oxidschicht kommt.
Das Verfahren ist jedoch teuer (Hilfsstoffkosten für Stopppoliermittel) und hat zudem den Nachteil, dass das für den Polierstopp verwendete Poliermittel das Abtragspoliertuch negativ in seinen Eigenschaften und seiner Lebensdauer beeinflusst. Das Abtragspoliertuch verändert sich bezüglich seiner Tucheigenschaften, da das Poliermittel, welches für den Polierstopp verwendet wird, in das Abtragspoliertuch eindringt und dort mit dem ebenfalls eingelagerten Poliermittelresten aus der Abtragspolitur und gegebenenfalls den Tuchfasern wechselwirkt. Dadurch ändern sich im Laufe der Zeit vor allem die Kompressibilität des Abtragspoliertuchs sowie dessen spezifische oberflächennahe Eigenschaften durch ”Verglasung”.
Bei der sogenannten ”Verglasung” handelt es sich um eine Verfestigung des Poliertuchs bzw. der Poliertuchoberfläche. Dabei werden im Laufe des Tuchlebens und in Abhängigkeit der stattgefundenen Polituren – bzw. des erfolgten Materialabtrags – Feststoffe in das Poliertuch eingelagert. Bei der Politur von Siliciumsubstraten erfolgt diese Feststoffeinlagerung über die Ausbildung von (festen) Kieselsäureaggregaten (letztendlich SiO₂, Verkieselung).
Diese im Poliertuchkörper und an der Poliertuchoberfläche eingelagerten Feststoffe verändern die Poliertucheigenschaften nachhaltig. Die Feststoffe verstopfen die im Tuch befindlichen Poren und vermindern zusätzlich die Kompressibilität und (elastische) Verformbarkeit des kompletten Poliertuchs. Dadurch wird z. B. der „Saug- bzw. Schwammeffekt” des Poliertuchs vermindert. Das Poliertuch kann dementsprechend zum einen weniger „frisches” Poliermittel „aufsaugen” und zum anderen, in gleicher Art und Weise weniger Poliermittel abgeben.
Somit steht weniger „frisches” Poliermittel unmittelbar auf der zu polierenden Substratoberfläche zur Verfügung, was sich negativ auf das Polierergebnis auswirkt.
Durch die Veränderung der Tucheigenschaften wird als weitere Folge die spezifische Polierabtragsrate des Abtragspolierprozesses negativ beeinflusst, sie sinkt – bezogen auf einen definierten Zeitraum – überproportional ab. Dieses hat zur Folge, dass der ganze Polierprozess in Abhängigkeit der so veränderten Poliertucheigenschaften nachgeregelt werden muss, was sich oftmals in einer Verschlechterung der erzielten Scheibengeometrie äußert.
Zur Vermeidung dieser negativen Effekte wird gemäß dem Stand der Technik versucht, durch regelmäßige Tuchkonditionierungsmaßnahmen der Änderung der Tucheigenschaften entgegenzuwirken. Ein Verfahren zur Konditionierung der Oberfläche eines Poliertuches ist beispielsweise in US5081051A offenbart.
Die regelmäßigen Tuchkonditionierungsmaßnahmen verlangsamen zwar die negative Veränderung der Tucheigenschaften, führen aber auch zu einer Partikelgenerierung durch Tuchabrieb, was wiederum die Gefahr von Polierkratzern auf den polierten Wafern und die Verschleppung von Partikeln in andere Prozessschritte birgt.
Zusätzlich nimmt die Tuchlebensdauer aufgrund des abrasiven Charakters der Tuchkonditionierung und dem damit verursachten Tuchverschleiß überproportional ab und resultiert in erhöhten Verfahrenskosten.
Im Anschluss an den ersten Abtragspolierschritt erfolgt gemäß dem Stand der Technik ein zweiter Polierschritt (Glanz- bzw. Schleierfreipolitur), bei dem – im Vergleich zur Abtragspolitur – ein weicheres Poliertuch verwendet wird. Dieser zweite Polierschritt besteht häufig aus einer Abfolge mehrerer Einzelschritte mit unterschiedlichen Polierdrücken und Schrittdauern.
Für spezifische Anwendungen, wie z. B. für eine spätere epitaktische Beschichtung, werden Substrate aus Halbleitermaterial dotiert, d. h. es werden gezielt Fremdatome in eine Schicht oder in die Kristallstruktur des Kristalls, beispielsweise eines Silicium-Einkristalls, eingebracht. Die Fremdatome sind Störstellen im Kristall und verändern gezielt die Eigenschaften des Ausgangsmaterials, meistens die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur.
Bei den Dotierstoffen wird zwischen n- und p-Dotierstoffen unterschieden. Bei der n-Dotierung (n für die freibewegliche negative Ladung, die dadurch eingebracht wird) werden fünfwertige Elemente, die so genannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein Beispiel für einen n-Dotierstoff ist Phosphor. Bei der p-Dotierung (p für die freibewegliche positive Ladungslücke, auch Loch oder Defektelektron genannt, die dadurch eingebracht wird) werden dreiwertige Elemente, die so genannten Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein Beispiel für einen p-Dotierstoff ist Bor.
Es hat sich gezeigt, dass eine ungleichmäßige Ausbildung einer nativen Oxidschicht nach der Abtragspolitur – bei Verwendung eines Polierstoppschrittes mit DI-Wasser und ohne Verwendung spezieller Polierstoppschritte mit geeigneten Chemikalien (Tenside, Alkohole, speziell stabilisierte Kieselsole wie z. B. Glanzox 3900) – insbesondere bei hochdotierten n-Typ Substraten aus Halbleitermaterial, beispielsweise Silicium, auftritt, die die anschließende Glanzpolitur (Schleierfreipolitur) deutlich beeinträchtigen kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Polierverfahren ohne speziellen Polierstoppschritt auf Basis speziell hierfür geeigneter Chemikalien (Tenside, Alkohole, speziell stabilisierte Kieselsole wie z. B. Glanzox 3900) für Substrate aus Halbleitermaterial anzugeben, wobei das verbesserte Polierverfahren auch insbesondere für Substrate aus Halbleitermaterial angewendet werden kann, die mit Dotierstoffen vom N-Typ, z. B. roter Phosphor, Antimon oder Arsen, hoch dotiert sind.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum einseitigen Polieren mindestens eines Substrates aus Halbleitermaterial, umfassend mindestens einen ersten Polierschritt, mit dem das Substrat auf einem Poliertuch poliert wird, wobei während des Polierschrittes eine alkalische Poliermitteldispersion, welche abrasive Partikel enthält, zwischen das Substrat und das Poliertuch gebracht wird und mindestens einen zweiten Polierschritt zur Politur des mindestens einen Substrates aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polierschritt durch Wasser gestoppt wird, das verwendete Poliertuch im Vergleich zu dem Poliertuch aus dem ersten Polierschritt weicher ist und die dynamische Kompressibilität des Poliertuches des zweiten Polierschrittes 19–23% beträgt und dieser zweite Polierschritt die Einzelschritte (a) bis (e) in der genannten Reihenfolge und mit den jeweils genannten Prozessparametern umfasst:

(a) Politur des mindestens einen Substrates aus Halbleitermaterial mit einem Polierdruck p_A und für eine Dauer t_A, wobei als Poliermittel eine alkalische Dispersion mit freien Abrasiven verwendet wird;
(b) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer t_B mit einem Polierdruck p_B, wobei p_B wesentlich kleiner als p_A ist und der Druck mit Beginn des Einzelschrittes (b) in weniger als 5 Sekunden auf p_B abgesenkt wird und gleichzeitig das im Einzelschritt (a) verwendete Poliermittel durch Wasser ersetzt wird;
(c) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer t_C mit einem Polierdruck p_C, wobei p_C größer als p_B aber kleiner als p_A ist und der Druck mit Beginn des Einzelschrittes (c) in weniger als 5 Sekunden auf p_C erhöht wird und gleichzeitig das im Einzelschritt (b) verwendete Wasser durch ein Poliermittel, welches aus einer alkalischen Dispersion besteht, ersetzt wird;
(d) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer t_D, wobei der Polierdruck p_C auf 0 bar mit Beginn des Einzelschrittes (d) in weniger als 5 Sekunden gesenkt wird und das Poliertuch, bzw. der Flüssigkeitsfilm auf der Poliertuchoberfläche, noch in Kontakt mit der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial ist und gleichzeitig das im Einzelschritt (c) verwendete Poliermittel durch Wasser ersetzt wird;
(e) Beenden des zweiten Polierschrittes durch das Abheben der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial vom mit dem Poliertuch belegten Polierteller und Spülen der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial mit Wasser für eine Zeitdauer t_E.

Im Folgenden wird das zur Lösung der Aufgabe verwendete erfindungsgemäße Verfahren detailliert, zusammen mit zwei Figuren, erläutert. Bei beiden Polierschritten handelt es sich jeweils um chemisch-mechanische Polierschritte (CMP-Schritte).
Beschreibung der Figuren:
1: Rauhigkeitsunterschiede und Defekte im Subnanometerbereich auf der Oberfläche (Ausschnitt; Rasterkraftmikroskopmessung (AFM-Messung)) einer mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheibe nach Anwendung der ersten chemisch mechanischen Abtragspolitur ohne Abtragspolierstoppschritt.
2a: Ergebnis eines Oberflächenscans (Streulichtmessung) von mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheiben nach der Glanzpolitur gemäß dem Stand der Technik. Die Punkte sind Oberflächendefekte (LLS, AC), hervorgerufen durch Maskierungseffekte.
2b: Ergebnis eines Oberflächenscans (Streulichtmessung) von mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheiben nach der erfindungsgemäßen Glanzpolitur. Bei der Streulichtmessung sind keine bzw. deutlich weniger Oberflächendefekte (LLS, AC) detektierbar.
Die Erfindung und ihre vorteilhafte Wirkung im Hinblick auf die Reduktion von Mikrorauhigkeit und Defektdichten, insbesondere bei hochdotierten N-Typ Silicium-Substraten, wird nachfolgend dargelegt.
Für die einseitige Politur mindestens einer Scheibe aus Halbleitermaterial (Substrat) wird die mindestens eine Scheibe aus Halbleitermaterial auf einer Trägerplatte befestigt. Vorzugsweise besteht die Trägerplatte aus Aluminium, besonders bevorzugt aus einer Keramik. Die Befestigung der mindestens einen Scheibe aus Halbleitermaterial erfolgt bevorzugt mittels eines Kitts. Geeigneter Kitt ist beispielsweise in EP0924759 B1 beschrieben.
Die Trägerplatte ist an einem rotierbaren Poliertopf, der sich hin zum und weg vom Polierteller bewegen kann, befestigt. Der Poliertopf wiederum drückt mit einem definierten Druck gegen einen mit einem Poliertuch belegten Polierteller, der sich ebenfalls drehen kann.
Der erste Polierschritt ist eine einseitige Abtragspolitur gemäß dem Stand der Technik, bei dem bevorzugt 12–15 μm Material von der Oberfläche einer Scheibe aus Halbleitermaterial abgetragen werden. Der Polierdruck im ersten Polierschritt ist größer als der Polierdruck im zweiten Polierschritt. Der erste Polierschritt erfolgt mit einer Poliermitteldispersion gemäß dem Stand der Technik, welche Partikel als Abrasivstoff, beispielsweise Kieselsol, enthält.
Der Anteil des Abrasivstoffes in der Poliermitteldispersion beträgt vorzugsweise 0,25 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5–5 Gew.-%. Die Größenverteilung der Abrasivstoff-Teilchen ist vorzugsweise monomodal ausgeprägt. Die mittlere Teilchengröße beträgt 5 bis 300 nm, besonders bevorzugt 5 bis 50 nm. Der Abrasivstoff besteht aus einem das Substratmaterial mechanisch abtragendem Material, vorzugsweise aus einem oder mehreren der Oxide der Elemente Aluminium, Cer oder Silicium.
Besonders bevorzugt ist eine Poliermitteldispersion, die kolloid-disperse Kieselsäure enthält. Der pH-Wert der Poliermitteldispersion liegt vorzugsweise in einem Bereich von 9 bis 11,5 und wird vorzugsweise durch Zusätze wie Natriumcarbonat (Na₂CO₃), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder beliebige Mischungen dieser Verbindungen eingestellt.
Die Poliermitteldispersion kann darüber hinaus einen oder mehrere weitere Zusätze enthalten, beispielsweise oberflächenaktive Additive wie Netzmittel und Tenside, als Schutzkolloide wirkende Stabilisatoren, Konservierungsmittel, Biozide, Alkohole und Komplexbildner.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der erste Polierschritt (Abtragspolitur) mit Wasser gestoppt. Dabei werden mit Hilfe von Wasser, das eine für den Einsatz im Halbleiterbereich übliche Reinheit (DIW) hat, Poliermittelreste von der Substratoberfläche abgespült, um unkontrollierte Poliermittelreaktionen auf der Substratoberfläche, insbesondere Anätzvorgänge durch lokal erhöhte pH-Werte, weitestgehend zu unterbinden.
Dadurch, dass im erfindungsgemäßen Verfahren der erste Polierschritt mit Wasser gestoppt wird, erhöht sich – ohne Qualitätseinbußen – die Wirtschaftlichkeit der einseitigen Politur von Scheiben aus Halbleitermaterial deutlich, da auf die teuren Abtragsstoppmedien, wie beispielsweise Alkohole, Tenside oder spezieller Kieselsole, die mit Tensid stabilisiert sind, wie z. B. Glanzox 3900 der Firma Fujimi Incorporated, verzichtet wird.
Der zweite Polierschritt wird mit einem im Vergleich zum ersten Polierschritt weicheren Poliertuch durchgeführt. Daher erfolgt der zweite Polierschritt bevorzugt auf einer zweiten Poliermaschine. Bis zum Beginn des zweiten Polierschrittes trocknet der Wasserfilm ungleichmäßig ab, da die Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial hydrophob ist. An den Stellen, an denen sich auf der Substratoberfläche kein Flüssigkeitsfilm mehr befindet, kommt es durch Reaktion mit dem Luftsauerstoff zur Ausbildung einer unterschiedlich dicken nativen Oxidschicht. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass Dotierstoffe vom n-Typ die Ausbildung der Oxidschicht fördern.
Der zweite Polierschritt ist die Glanzpolitur (Schleierfreipolitur). Der erfindungsgemäße Glanzpoliturschritt unterscheidet sich vom ersten Abtragspolierschritt unter anderem dadurch, dass ein – im Vergleich zum ersten Polierschritt – weicheres und kompressibleres Poliertuch verwendet wird. Die dynamische Kompressibilität des Poliertuches beträgt bevorzugt 19–23%. Ein Beispiel für ein solches Poliertuch ist das SPM 3100 der Firma Rohm & Haas.
Der erfindungsgemäße zweite Polierschritt besteht aus einer Abfolge von fünf Einzelschritten (a) bis (e) mit speziell aufeinander abgestimmten Polierdrücken, Drehzahlen des Poliertellers und des Poliertopfes, sowie Medientypen und -mengen für den zweiten Polierschritt.
Die Einzelschritte (b) bis (e) des erfindungsgemäßen zweiten Polierschrittes beginnen immer mindestens mit einer übergangslosen (abrupten) Änderung des Polierdruckes. Dabei wird der Polierdruck ohne Zwischenstufen (Rampen) innerhalb der spezifischen Ansprechzeit der Poliermaschine geändert. Die Zeitdauer für die Druckänderung beträgt weniger als 5 Sekunden, vorzugsweise weniger als 3 Sekunden und ganz besonders bevorzugt weniger als 1,5 Sekunden.
Beim ersten Einzelschritt (a) des zweiten Polierschrittes erfolgt die Politur mit einem im Vergleich zu den nachfolgenden Einzelschritten erhöhten Polierdruck p_A. Als Poliermittel wird bevorzugt eine alkalische Dispersion mit freien Abrasiven verwendet. Bevorzugt besteht das Poliermittel aus einer wässrigen Dispersion einer alkalischen Komponente wie z. B. Kaliumcarbonat (K₂CO₃) und Kieselsol (SiO₂) mit Konzentrationsbereichen für SiO₂ von 4 bis 5 Gewichtsprozent (w%) im Poliermittel – bevorzugt 4,6 w% – und 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent K₂CO₃ im Poliermittel; hier bevorzugt 0,18 w%.
Die bevorzugten Polierparameter des ersten Einzelschrittes sind ein Polierdruck p_A im Bereich von 0,22 bis 0,40 bar und eine Polierdauer t_A von 70 bis 120 Sekunden. Besonders bevorzugt ist im ersten Einzelschritt des zweiten Polierschrittes ein Polierdruck p_A im Bereich von 0,27 bis 0,3 bar und eine Polierdauer t_A von 80 bis 100 Sekunden. Die Drehzahl des Poliertellers, der mit einem Poliertuch belegt ist, liegt bevorzugt im Bereich von 30–35 U/min, besonders bevorzugt bei 32 U/min. Die Drehzahl des Poliertopfes, auf dem die Trägerplatte befestigt ist, liegt bevorzugt im Bereich von 6–12 U/min, besonders bevorzugt bei 9 U/min. Der Poliermitteldurchfluss liegt bevorzugt im Bereich 0,5 bis 1,5 l/min, besonders bevorzugt im Bereich 0,9 bis 1,1 l/min.
Im ersten Einzelschritt (a) des zweiten Polierschrittes wird die langwellige Rauheit (DIC-Haze bzw. Chapman-Rauheit im Raumwellenbereich von 80–250 μm) der Oberfläche der Scheibe aus Halbleitermaterial reduziert.
Der zweite Einzelschritt (b) des zweiten Polierschrittes folgt direkt dem ersten Einzelschritt (a) und beginnt durch eine abrupte, nur durch die Ansprechzeit der Poliermaschine verzögerte Absenkung des Polierdrucks auf einen Polierdruck p_B kleiner 0,1 bar. Bevorzugt wird der Polierdruck p_B im zweiten Einzelschritt auf einen Wert zwischen 0,05 und 0,1 bar abgesenkt.
Gleichzeitig wird das Poliermittel aus dem ersten Einzelschritt (a) durch Wasser ersetzt, d. h. anstelle des Poliermittels aus dem Einzelschritt (a) wird Wasser in den Arbeitsspalt (der Bereich zwischen dem Poliertuch und der Oberfläche des mindestens einen zu polierenden Substrates aus Halbleitermaterial) geleitet. Das Wasser hat eine für den Einsatz im Halbleiterbereich übliche Reinheit (DIW). Die Durchflussrate des Wassers ist größer gleich 20 l/min, bevorzugt 21 bis 25 l/min.
Durch den Einsatz von Wasser im Schritt (b) wird zwischen der Poliertuchoberfläche und der zu polierenden Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial ein Kühleffekt erreicht, mit dessen Hilfe einer zu starken Erwärmung der Scheibe aus Halbleitermaterial und der Poliertuchoberfläche entgegengewirkt wird.
Zusätzlich zum Kühleffekt wird die Poliertuchoberfläche durch das Wasser „abgewaschen” und von Poliermittelresten befreit. Dadurch wird auch die ”Verglasung” des Poliertuches verzögert und die Einsatzdauer des Poliertuches verlängert.
Die Drehzahl des Poliertellers, der mit einem Poliertuch belegt ist, liegt bevorzugt im Bereich von 30–35 U/min, besonders bevorzugt bei 32 U/min. Die Drehzahl des Poliertopfes, auf dem die Trägerplatte befestigt ist, liegt bevorzugt im Bereich von 6–12 U/min, besonders bevorzugt bei 9 U/min.
Der Spül- bzw. Kühlprozess des zweiten Einzelschrittes erfolgt für eine Dauer t_B von 5 bis 20 Sekunden, bevorzugt für 10 bis 15 Sekunden.
Der dem sich an den Einzelschritt (b) direkt anschließenden dritten Einzelschritt (c) des zweiten Polierschrittes beginnt mit einer abrupten, nur durch die Ansprechzeit der Poliermaschine verzögerte Erhöhung des Polierdruckes p_C auf 0,1 bis 0,25 bar, bevorzugt auf 0,15 bis 0,2 bar. Gleichzeitig wird das Wasser aus dem Einzelschritt (b) durch eine Polierdispersion, beispielsweise ein Kieselsol, ersetzt.
Die Polierdispersion enthält kolloidale Partikel mit einer bevorzugten Größe von 40–50 nm und hat einen pH-Wert kleiner 11. Die Oberfläche des Substrats aus Halbleitermaterial wird im dritten Einzelschritt des zweiten Polierschrittes für eine Dauer t_C von 90 bis 180 Sekunden, bevorzugt für eine Dauer t_C von 100 bis 130 Sekunden poliert.
Im dritten Einzelschritt (c) des zweiten Polierschrittes liegt die Drehzahl des Poliertellers, der mit einem Poliertuch belegt ist, bevorzugt im Bereich von 30–35 U/min, besonders bevorzugt bei 32 U/min. Die Drehzahl des Poliertopfes, auf dem die Trägerplatte befestigt ist, liegt bevorzugt im Bereich von 6–12 U/min, besonders bevorzugt bei 9 U/min. Der Durchfluss der Polierdispersion liegt bevorzugt im Bereich 0,5 bis 1 l/min, besonders bevorzugt im Bereich 0,7 bis 0,9 l/min.
Der dritte Einzelschritt (c) des zweiten Polierschrittes bewirkt eine Reduzierung von Localized Light Scatters (LLS-Defekten) und kurzwelliger Rauheit (Haze).
Am Ende des dritten Einzelschrittes (c) des zweiten Polierschrittes wird der Polierdruck abrupt, nur durch die Ansprechzeit der Poliermaschine verzögert auf 0 bar (drucklos) gesenkt. Gleichzeitig wird in diesem vierten Einzelschritt (d) des zweiten Polierschrittes das Poliermittel wiederum durch Wasser ersetzt. Das Wasser hat eine für den Einsatz im Halbleiterbereich übliche Reinheit. Diese Spül- bzw. Kühlphase erfolgt für eine Dauer t_D von 5 bis 20 Sekunden.
Im Schritt (d) kommt ein ”Aquaplaning”-Effekt zum Tragen. Dieser bewirkt, dass sich zwischen der Poliertuchoberfläche und der zu polierenden Oberfläche des mindestens einen Substrates aus Halbleitermaterial ein Wasserfilm ausbildet, welcher die optimierte Substratoberfläche unmittelbar vor dem Abheben vom Poliertuch praktisch schützt und somit einer Generierung von (Polier)kratzern vorbeugt.
Anschließend wird im sich direkt an den vierten Einzelschritt anschließenden fünften und letzten Einzelschritt (e) des zweiten Polierschrittes von dem mindestens einen mit einem Poliertuch belegten Polierteller die mindestens eine Substratoberfläche aus Halbleitermaterial abgehoben (Lifting). Dabei wird die Spül- bzw. Kühlphase mit Wasser für eine Dauer t_E von 5 bis 20 Sekunden fortgesetzt.

In der nachstehenden Tabelle ist ein Ausführungsbeispiel für den zweiten Polierschritt der erfindungsgemäßen einseitigen Politur eines Substrates aus Halbleitermaterial wiedergegeben. Poliert wurde ein mit rotem Phosphor hochdotierter (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumwafer (100-Orientierung; cz).

	Polierdruck [bar]	Dauer [s]	Weitere Bedingungen
(a)	0,27	90 s	Durchfluss 1 l/min, Medium: Poliermittel 2a(K₂CO₃ + Kieselsol + H₂O); Poliertellerdrehzahl: 32 U/min; Poliertopfdrehzahl: 9 U/min
(b)	0,05	10 s	Druck wird abrupt (ohne Rampen) gesenkt; Medium: H₂O zum Spülen und gleichzeitigem Kühlen, Durchfluss 23 l/min,; Poliertellerdrehzahl: 32 U/min; Poliertopfdrehzahl: 9 U/min
(c)	0,19	125 s	Druck wird abrupt (ohne Rampen) gesteigert; Medium: Glanzox 3900, Verdünnung 1:19, Durchfluss 0,8 l/min; Poliertellerdrehzahl: 32 U/min; Poliertopfdrehzahl: 9 U/min
(d)	0	10 s	Druck wird abrupt (ohne Rampen) gesenkt; Medium: H₂O zum Spülen und gleichzeitigem Kühlen, Durchfluss 23 l/min; Wasserfilm zwischen Si-Oberfläche und Poliertuchoberfläche; Poliertellerdrehzahl: 32 U/min; Poliertopfdrehzahl: 31 U/min
(e)	Kontaktlos	10 s	Poliertöpfe werden abgehoben, kein Kontakt mehr zwischen Poliertuch und Substratoberfläche; während Abhebephase: Durchfluss 23 l/min, Medium: H₂O zum Spülen und gleichzeitigem Kühlen; Poliertellerdrehzahl: 6 U/min; Poliertopfdrehzahl: 0 U/min
	Gesamt:	245 s

Während mit dem erfindungsgemäßen Glanzpoliturschritt im Vergleich zu einem Glanzpoliturschritt gemäß dem Stand der Technik die Oberflächenrauhigkeit (Haze) nicht verändert wird, weist die Oberfläche der mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumwafer nach Anwendung des erfindungsgemäßen Glanzpoliturschrittes signifikant weniger Oberflächendefekte (LLS und Area Count (AC)) auf, wie die nachfolgende Tabelle zeigt.

Parameter	Glanzpoliturschritt
Parameter	gemäß SdT		erfindungsgemäß
	50%	97,7%	50%	97,7%
Haze (ppm)	1,0	1,0	1,1	1,0
LLS, 0,12 μm	1,0	1,0	0,5	0,04
LLS, 0,20 μm	1,0	1,0	0,4	0,1
LLS, 0,30 μm	1,0	1,0	0,0	0,1
AC	1,0	1,0	1,0	0,2

Für den Vergleich wurden jeweils über 2000 Si-Scheiben nach der chemisch-mechanischen Abtragspolitur (CMP, erster Polierschritt, mit ausschließlich Wasser als Polierstoppmittel) mit einem Glanzpoliturschritt gemäß dem Stand der Technik (SdT, d. h. Polierdrücke kleiner oder gleich 0,2 bar) bzw. mit dem erfindungsgemäßen Glanzpoliturschritt (u. a. verschiedene Polierdrücke und Schrittdauern) poliert.
Wiedergegeben ist in der oben stehenden Tabelle der jeweilige 50%-Wert und der 97,7%-Wert (2σ) in einer normierten Größe, dabei sind die Messwerte des Glanzpoliturschrittes gemäß dem Stand der Technik (= „gemäß SdT”) auf 1,0 normiert. Die Messwerte des Glanzpoliturschrittes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden auf diese normierte Größe bezogen. Beispielsweise bedeutet ein Wert von 0,4 im erfindungsgemäßen Glanzpoliturschritt eine Verbesserung um 60% gegenüber dem Glanzpoliturschritt gemäß dem Stand der Technik für den jeweils betrachteten Parameter.
Die fast vollständige Defektfreiheit der Oberfläche einer mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheibe nach Anwendung des erfindungsgemäßen Glanzpoliturschrittes zeigt sich auch nochmal im direkten optischen Vergleich mit der Oberfläche einer mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheibe nach Anwendung des Glanzpoliturschrittes gemäß dem Stand der Technik (2).
Das in 2a gezeigte Ergebnis eines Oberflächenscans (Streulichtmessung) einer mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheibe nach der Glanzpolitur gemäß dem Stand der Technik belegt die durch Maskierungseffekte hervorgerufenen Oberflächendefekte (LLS, AC). Der Oberflächenscan (Streulichtmessung) einer mit rotem Phosphor hochdotierten (kleiner oder gleich 3 mOhmcm) n-Typ Siliciumscheibe nach der erfindungsgemäßen Glanzpolitur weist hingegen keine bzw. deutlich weniger Oberflächendefekte auf.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Glanzpoliturschrittes können – ohne Implementierung eines speziellen Abtragsstopps basierend auf geeigneten Chemikalien (Tenside, Alkohole, speziell stabilisierte Kieselsole wie z. B. Glanzox 3900) – nach dem ersten Abtragspolierschritt gemäß Stand der Technik, Substrate aus Halbleitermaterial so poliert werden, dass keine Erhöhung der Defektdichte auf deren Oberfläche aufgrund von vormals stattgefundenen Maskierungseffekten stattfindet.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur einseitigen Politur mindestens eines Substrates aus Halbleitermaterial für hochdotierte N-Typ Silicium-Substrate (Substratwiderstand < 10 mOhmcm und besonders <= 3 mOhmcm), beispielsweise Scheiben aus Halbleitermaterial, die mit Arsen oder rotem Phosphor dotiert sind.
Die Glanzpolitur (Schleierfreipolitur) im erfindungsgemäßen Verfahren kann auch im Anschluss an eine doppelseitig erfolgte Abtragspolitur (DSP) erfolgen, bei der auf den speziellen Polierstoppschritt basierend auf geeigneten Chemikalien (Tenside, Alkohole, speziell stabilisierte Kieselsole wie z. B. Glanzox 3900) gemäß dem Stand der Technik verzichtet wird und nur eine einseitige Glanzpolitur erfolgen soll. Bei dieser Vorgehensweise besteht auch die Möglichkeit, zwischen Abtrags- und Glanzpolitur eine Bearbeitung der Scheibenrückseite (z. B. Aufbringen eines Getters oder einer Beschichtung oder beides), beziehungsweise eine Bearbeitung der Scheibenkante in Form einer Kanten-Notch Politur, durchzuführen.

Claims

Verfahren zum einseitigen Polieren mindestens eines Substrates aus Halbleitermaterial, umfassend mindestens einen ersten Polierschritt, mit dem das Substrat auf einem Poliertuch poliert wird, wobei während des Polierschrittes eine alkalische Poliermitteldispersion, welche abrasive Partikel enthält, zwischen das Substrat und das Poliertuch gebracht wird und mindestens einen zweiten Polierschritt zur Politur des mindestens einen Substrates aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polierschritt durch Wasser gestoppt wird, das verwendete Poliertuch im Vergleich zu dem Poliertuch aus dem ersten Polierschritt weicher ist und die dynamische Kompressibilität des Poliertuches des zweiten Polierschrittes 19–23% beträgt und dieser zweite Polierschritt die Einzelschritte (a) bis (e) in der genannten Reihenfolge und mit den jeweils genannten Prozessparametern umfasst: (a) Politur des mindestens einen Substrates aus Halbleitermaterial mit einem Polierdruck p_A und für eine Dauer t_A, wobei als Poliermittel eine alkalische Dispersion mit freien Abrasiven verwendet wird; (b) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer t_B mit einem Polierdruck p_B, wobei p_B wesentlich kleiner als p_A ist und der Druck mit Beginn des Einzelschrittes (b) in weniger als 5 Sekunden auf p_B abgesenkt wird und gleichzeitig das im Einzelschritt (a) verwendete Poliermittel durch Wasser ersetzt wird; (c) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer t_C mit einem Polierdruck p_C, wobei p_C größer als p_B aber kleiner als p_A ist und der Druck mit Beginn des Einzelschrittes (c) in weniger als 5 Sekunden auf p_C erhöht wird und gleichzeitig das im Einzelschritt (b) verwendete Wasser durch ein Poliermittel, welches aus einer alkalischen Dispersion besteht, ersetzt wird; (d) Fortsetzen des zweiten Polierschrittes für eine Dauer t_D, wobei der Polierdruck p_C auf 0 bar mit Beginn des Einzelschrittes (d) in weniger als 5 Sekunden gesenkt wird und das Poliertuch, bzw. der Flüssigkeitsfilm auf der Poliertuchoberfläche, noch in Kontakt mit der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial ist und gleichzeitig das im Einzelschritt (c) verwendete Poliermittel durch Wasser ersetzt wird; (e) Beenden des zweiten Polierschrittes durch das Abheben der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial vom mit dem Poliertuch belegten Polierteller und Spülen der mindestens einen Oberfläche des Substrates aus Halbleitermaterial mit Wasser für eine Zeitdauer t_E.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polierdruck p_A im ersten Einzelschritt (a) des zweiten Polierschrittes im Bereich von 0,27–0,3 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polierdruck p_B im zweiten Einzelschritt (b) des zweiten Polierschrittes im Bereich von 0,05 und 0,1 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polierdruck p_C im dritten Einzelschritt (c) des dritten Polierschrittes im Bereich von 0,15 und 0,2 bar liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu polierenden Substrat aus Halbleitermaterial um ein hochdotiertes n-Typ Siliciumsubstrat mit einem Substratwiderstand < 10 mOhmcm handelt.