DE102018200415A1

DE102018200415A1 - Halbleiterscheibe mit epitaktischer Schicht

Info

Publication number: DE102018200415A1
Application number: DE102018200415.3A
Authority: DE
Inventors: Norbert Werner; Christian Hager
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-11
Also published as: TW201938852A; EP3738138A1; IL275870A; JP2021510459A; JP6996001B2; IL275870B1; CN111602226B; TWI692557B; US11482597B2; KR102416913B1; SG11202006496WA; WO2019137728A1; US20210376088A1; CN111602226A; KR20200097348A

Abstract

Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, umfassend eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium und eine Schicht aus einkristallinem Silizium, die auf einer Vorderseite der Substratscheibe liegt, wobei die Substratscheibe eine Kristallorientierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorderseitenbezogener gemittelter ZDD der Halbleiterscheibe bei einer Aufteilung der Oberfläche der epitaktischen Schicht in 16 Sektoren und einem Randausschluss von 1 mm nicht weniger als - 30 nm/mmund nicht mehr als 0 nm/mmund der ESFQRder Halbleiterscheibe bei einem Randausschluss von 1 mm und 72 Sektoren mit jeweils einer Länge von 30 mm höchstens 10 nm beträgt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, umfassend eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium und eine auf der Substratscheibe liegende Schicht aus einkristallinem Silizium, die nachfolgend als Halbleiterscheibe aus Silizium mit epitaktischer Schicht (silicon epitaxial wafer) bezeichnet wird.
Die Herstellung solcher Halbleiterscheiben aus Silizium mit epitaktischer Schicht umfasst das Abscheiden der epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe mittels Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD). Besonders geeignet ist eine CVD, die in einem Einzelscheibenreaktor unter Normaldruck (atmospheric pressure) durchgeführt wird.
In der US5355831 sind typische Verfahrensparameter eines solchen Verfahrens veröffentlicht, die als beispielhaft angesehen werden können.
Für anspruchsvolle Anwendungen werden Halbleiterscheiben aus Silizium mit epitaktischer Schicht benötigt, die eine besonders einheitliche Randgeometrie aufweisen. Voraussetzung dafür ist, dass die Dicke der epitaktischen Schicht besonders einheitlich ist.
In US 2007/0227441 A1 wird auf periodische Schwankungen der Dicke der epitaktischen Schicht im Randbereich von solchen Halbleiterscheiben aus Silizium hingewiesen. Grund sind unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeiten, mit denen die epitaktische Schicht wächst. Die unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeiten stehen in einem Zusammenhang mit der Kristallorientierung der Halbleiterscheibe. Um die Dicke der epitaktischen Schicht im Randbereich zu vergleichmäßigen, wird in US 2007/0227441 A1 vorgeschlagen, die Struktur des Suszeptors mit der Periode der Dickenschwankungen zu verändern.
Der Vorschlag kann das Problem abschwächen, ist aber nicht ausreichend im Hinblick auf zukünftige Erwartungen von Herstellern elektronischer Bauelemente.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Vorschlag zu unterbreiten, der den Erwartungen besser gerecht wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, umfassend eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium und eine Schicht aus einkristallinem Silizium, die auf einer Vorderseite der Substratscheibe liegt, wobei die Substratscheibe eine Kristallorientierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorderseitenbezogener gemittelter ZDD der Halbleiterscheibe bei einer Aufteilung der Oberfläche der epitaktischen Schicht in 16 Sektoren und einem Randausschluss von 1 mm nicht weniger als - 30 nm/mm² und nicht mehr als 0 nm/mm² beträgt und der ESFQR_max der Halbleiterscheibe bei einem Randausschluss von 1 mm und 72 Sektoren mit jeweils einer Länge von 30 mm höchstens 10 nm beträgt.
ZDD und ESFQR sind die Randgeometrie einer Halbleiterscheibe charakterisierende Parameter, mit denen sich auch SEMI-Normen befassen (ZDD (SEMI M68-1015), ESFQR (SEMI M67-1015)). Der vorderseitenbezogene ZDD beschreibt die mittlere randnahe Krümmung der Oberfläche. ESFQR_max bezeichnet den ESFQR desjenigen Sektors, in dem der ESFQR am größten ist.
Eine erfindungsgemäße Halbleiterscheibe mit epitaktischer Schicht zeigt nahezu keine winkelabhängigen Schwankungen der Randgeometrie der epitaktischen Schicht, weil deren Herstellung vorsieht, das Entstehen solcher Schwankungen zu unterbinden. Abweichend vom Üblichen bedeckt die epitaktische Schicht nahezu nur die Hauptfläche der Vorderseite der Substratscheibe, die die Kristallorientierung der Substratscheibe bestimmt, und nahezu keine Bereiche der Vorderseite, die eine andere Kristallorientierung haben, weil eine auf der Kante der Substratscheibe vorgesehene Oxidschicht weitgehend verhindert, dass die epitaktische Schicht auf solchen Bereichen abgeschieden wird. Ausgedrückt durch den vorderseitenbezogenen ZDD (die zweifache Ableitung der Höhe senkrecht von der Medianebene zur Oberfläche der epitaktischen Schicht) und ausgedrückt als mittlerer ZDD von Sektoren, in denen der ZDD bestimmt wird, beträgt die Randgeometrie der Halbleiterscheibe mit epitaktischer Schicht bei einer Aufteilung der Oberfläche der epitaktischen Schicht in 16 Sektoren und unter Berücksichtigung eines Randausschlusses von 1 mm nicht weniger als - 30 nm/mm² und nicht mehr als 0 nm/mm². Die Oxidschicht auf der Rückseite verhindert darüber hinaus, dass sich, während eine epitaktische Schicht auf der Vorderseite abgeschieden wird, Material auf der Rückseite niederschlägt und dadurch den ESFQR verschlechtert. Deshalb beträgt der ESFQR_max der Halbleiterscheibe höchstens 10 nm, bei einem Randausschluss von 1 mm und 72 Sektoren mit jeweils einer Länge von 30 mm.
Der Durchmesser einer erfindungsgemäßen Halbleiterscheibe ist vorzugsweise nicht kleiner als 300 mm, besonders bevorzugt 300 mm.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiterscheibe umfasst vorzugsweise folgende Schritte:

das Bereitstellen einer Substratscheibe aus einkristallinem Silizium;
das Erzeugen einer Oxidschicht auf der Substratscheibe;
eine asymmetrische Doppelseitenpolitur der Substratscheibe, die die Oxidschicht teilweise entfernt und deren Ausdehnung auf die Rückseite und auf die Fläche eines Kantenbereichs der Substratscheibe beschränkt;
eine CMP der Vorderseite der Substratscheibe;
das Abscheiden der epitaktischen Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Vorderseite der Substratscheibe; und
das Entfernen der Oxidschicht von der Substratscheibe.

Erfindungsgemäß wird der Bereich der Kante und der Rückseite der Substratscheibe mit einer Oxidschicht maskiert und mit dem CMP-Schritt (chemical mechanical polishing) eine spiegelpolierte Vorderseite der Substratscheibe geschaffen, die größtenteils aus einer Hauptfläche mit einheitlicher Kristallorientierung besteht. Die Kristallorientierung der Hauptfläche der Vorderseite der Substratscheibe ist vorzugsweise eine {100}-Orientierung oder eine {110}-Orientierung. Die epitaktische Schicht wird anschließend auf der Vorderseite abgeschieden. Winkelabhängige Schwankungen der Dicke der epitaktischen Schicht treten kaum noch in Erscheinung. Solche Schwankungen beruhen auf der Abscheidung der epitaktischen Schicht auf Flächen mit unterschiedlicher Kristallorientierung und auf damit einhergehenden unterschiedlichen Abscheideraten. Das Vorhandensein der Oxidschicht verhindert, dass darauf eine epitaktische Schicht abgeschieden werden kann.
Mit asymmetrischer Doppelseitenpolitur ist hier eine Doppelseitenpolitur gemeint, bei der der Materialabtrag auf der Vorderseite schneller erfolgt, als auf der Rückseite, und an deren Ende die Oxidschicht vollständig von der Vorderseite poliert ist, während sie auf der Rückseite noch vorhanden ist. In EP 0 857 542 A1 ist beispielsweise beschrieben, wie ein asymmetrischer Materialabtrag herbeigeführt werden kann.
Die Oxidschicht ist eine Schicht aus Siliziumdioxid und wird vorzugsweise mittels CVD, besonders bevorzugt mittels AP-CVD (atmospheric pressure CVD) erzeugt. Alternativ kann die Oxidschicht auch mittels LP-CVD (low pressure CVD) oder thermisch erzeugt werden. Die Oxidschicht hat vorzugsweise eine Dicke von nicht weniger als 5 nm und nicht mehr als 100 nm. Die Substratscheibe wird zunächst vollständig mit der Oxidschicht bedeckt. Anschließend wird die Substratscheibe einer asymmetrischen DSP-Politur unterzogen, im Zuge derer die Oxidschicht auf der Vorderseite der Substratscheibe entfernt wird, das Oxid auf der Rückseite und im Bereich der Kante aber erhalten bleibt. Danach folgt eine einseitige CMP-Politur der Vorderseite der Substratscheibe. Das Resultat dieser Vorgehensweise ist, dass in den CMP polierten Bereichen der Substratscheibe keine Oxidschicht mehr vorhanden ist.
Das Abscheiden der epitaktischen Schicht erfolgt auf der Vorderseite der Substratscheibe, die frei von der Oxidschicht ist. Natives Oxid kann vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht durch eine Behandlung der Vorderseite mit Wasserstoff (H₂ bake) entfernt werden. Die Substratscheibe liegt beim Abscheiden der epitaktischen Schicht so auf dem Suszeptor eines CVD-Reaktors, dass die Vorderseite dem Abscheidegas ausgesetzt wird. Da die Kristallorientierung der Vorderseite nahezu einheitlich ist und vorzugsweise eine {100}-Kristallorientierung oder eine {110}-Kristallorientierung ist, wächst die epitaktische Schicht mit nahezu einheitlicher Abscheiderate auf der Vorderseite der Substratscheibe. Dementsprechend ist die Dicke der epitaktischen Schicht im Wesentlichen einheitlich.
Eine winkelabhängige Variation der Dicke der epitaktischen Schicht im Randbereich ist kaum festzustellen, weil die Oxidschicht einer dafür ursächlichen epitaktischen Abscheidung im Randbereich im Weg steht.
Die Dicke der epitaktischen Schicht aus Silizium beträgt vorzugsweise 1 bis 15 µm, besonders bevorzugt 1 bis 7 µm. Die Abscheidetemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 900 °C bis 1250 °C. Das Abscheidegas enthält ein Silan, vorzugsweise Trichlorsilan als Silizium-Quelle und Wasserstoff.
Die Oxidschicht wird nach dem Abscheiden der epitaktischen Schicht entfernt, vorzugsweise auf nasschemischem Weg mittels einer Chemikalie, die Fluorwasserstoff und gegebenenfalls Chlorwasserstoff und/oder Ammoniumfluorid enthält. Die Konzentration an Fluorwasserstoff beträgt vorzugsweise 0,2 Gew.-% bis 49 Gew.-%. Der nasschemische Schritt kann Teil einer Reinigungs-Sequenz sein, im Zuge derer die Halbleiterscheibe mit weiteren Chemikalien, beispielsweise mit Ozonwasser und/oder mit SC1-Lösung behandelt wird. Abweichend davon kann die Oxidschicht auch trocken entfernt werden, beispielsweise mittels Plasmaätzen oder Ätzen mit reaktiven Ionen (reactive ion etching, RIE).
Beispiel:
Eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium mit einem Durchmesser von 300 mm und {100}-Orientierung der Vorderseite wurde in einem CVD-Reaktor vollständig mit einer Oxidschicht beschichtet. Im Anschluss daran wurde die Substratscheibe zunächst einer Politur mittels DSP (mit einem harten (stärker materialabtragenden) Polier-Tuch auf der Vorderseite und einem weichen (weniger stark materialabtragenden) Polier-Tuch auf der Rückseite) und anschließend einer Politur der Vorderseite mittels CMP unterzogen und gereinigt.
Daraufhin folgte das Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus einkristallinem Silizium auf der Vorderseite der Substratscheibe mittels CVD in einem Einzelscheibenreaktor vom Typ Centura^® des Herstellers Applied Materials. Die Dicke der epitaktischen Schicht betrug 2,8 µm.
Anschließend wurde die Oxidschicht von der Kante und der Rückseite der entstandenen, epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe in einem Bad, das Fluorwasserstoff enthielt, entfernt.
Die Halbleiterscheibe wurde gereinigt und getrocknet und einer Messung der Randgeometrie unterzogen. Bei einem Randausschluss von 1 mm und einer Aufteilung der epitaktischen Schicht in 16 Sektoren betrug der vorderseitenbezogene mittlere ZDD, gemessen mit einer Messvorrichtung vom Typ Wafersight des Herstellers KLA-Tencor -27 nm/mm², der ESFQR_max betrug 8 nm bei einem Randausschluss von 1 mm und 72 Sektoren mit jeweils 30 mm Länge.
Vergleichsbeispiel:
Eine weitere Substratscheibe aus einkristallinem Silizium mit den Eigenschaften derjenigen des Beispiels wurde wie im Beispiel mit einer epitaktischen Schicht aus einkristallinem Silizium beschichtet. Es wurde jedoch darauf verzichtet, die Oxidschicht zu erzeugen. Der Verzicht wirkte sich deutlich nachteilig auf die Randgeometrie der entstanden Halbleiterscheibe aus: der entsprechende vorderseitenbezogene mittlere ZDD hatte einen Wert von -120 nm/mm² und einen entsprechenden ESFQR_max von 23 nm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5355831 [0003]
US 2007/0227441 A1 [0005]
EP 0857542 A1 [0014]

Claims

Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, umfassend eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium und eine Schicht aus einkristallinem Silizium, die auf einer Vorderseite der Substratscheibe liegt, wobei die Substratscheibe eine Kristallorientierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorderseitenbezogener gemittelter ZDD der Halbleiterscheibe bei einer Aufteilung der Oberfläche der epitaktischen Schicht in 16 Sektoren und einem Randausschluss von 1 mm nicht weniger als - 30 nm/mm² und nicht mehr als 0 nm/mm² und der ESFQR_max der Halbleiterscheibe bei einem Randausschluss von 1 mm und 72 Sektoren mit jeweils einer Länge von 30 mm höchstens 10 nm beträgt.
Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallorientierung eine {100}-Orientierung ist.
Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallorientierung eine {110}-Orientierung ist.
Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Durchmesser der Halbleiterscheibe von nicht weniger als 300 mm.