DE10328845A1 - Verfahren zur nasschemischen Oberflächenbehandlung einer Halbleiterscheibe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur nasschemischen Oberflächenbehandlung einer Halbleiterscheibe, wobei die Halbleiterscheibe DOLLAR A - mit einer sauren Flüssigkeit behandelt wird, wobei auf jeder Seite der Halbleiterscheibe höchstens 10 mum Material abgetragen wird und danach DOLLAR A - mit einer alkalischen Flüssigkeit behandelt wird, wobei wenigstens so viel Material abgetragen wird, dass die durch eine vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig entfernt werden.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur nasschemischen Oberflächenbehandlung einer Halbleiterscheibe mittels einer Abfolge von Behandlungsschritten, bei denen verschiedene Flüssigkeiten auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe einwirken.
- Die ständig steigende Miniaturisierung bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen hat immer höhere Anforderungen an die Oberflächenqualität der in der Regel in Scheibenform verwendeten Halbleitermaterialien wie insbesondere Silicium zur Folge. Dies gilt nicht nur für die geometrische Qualität der Oberflächen, sondern auch für ihre Reinheit, chemische Beschaffenheit, Partikel- und Fleckenfreiheit.
- Um diese Parameter in reproduzierbarer Weise beeinflussen und steuern zu können, wurden insbesondere nasschemische Oberflächenbehandlungsverfahren entwickelt. Diese Verfahren werden insbesondere im Anschluss an mechanische Oberflächenbehandlungen wie Schleifen, Läppen oder Polieren angewendet. Gekennzeichnet sind diese Verfahren gemäß dem Stand der Technik durch eine Abfolge von Behandlungsschritten, bei denen verschiedene wässrige, saure oder alkalische und/oder mit Gasen beaufschlagte Flüssigkeiten auf die Oberflächen einwirken. Nasschemische Oberflächenbehandlungsverfahren, die mit einem Materialabtrag von der Oberfläche einhergehen, werden auch als Ätzverfahren bezeichnet.
- Zum Ätzen von Halbleiterscheiben gibt es zwei in der Praxis genutzte Ätzverfahren, bei denen alkalische bzw. saure Flüssigkeiten zum Einsatz kommen:
Die alkalische Ätze lässt sich (am Beispiel von Silicium) durch folgende Reaktionsgleichung beschreiben: - Um fleckenfreie Scheiben zu erhalten und um ausreichend hohe Abtragsraten zu erzielen, muss der Prozess bei hohen Temperaturen stattfinden. Die Temperaturen sind auf mindestens 100 °C einzustellen, da sich bei niedrigeren Temperaturen Flecken bilden, die nur durch einen zusätzlichen Polierschritt wieder beseitigt werden können, der die Herstellkosten der Halbleiterscheibe erhöht. Die alkalische Ätze folgt in der Regel unmittelbar nach einem mechanischen Abtragsschritt, beispielsweise einem Läpp- oder Schleifschritt. Sie kann sowohl zur Reinigung der Scheibenoberfläche als auch zur Entfernung der bei dem mechanischen Abtragsschritt geschädigten Kristallbereiche („damage") verwendet werden.
- Eine Halbleiterscheibe, die im Wesentlichen frei von Metallkontaminationen ist, ist jedoch durch den Einsatz alkalischer Flüssigkeiten, selbst bei höchster Chemikalienreinheit, nicht herstellbar. Bei mechanisch bearbeiteten Scheiben befinden sich sowohl an der Oberfläche als auch im Damage-Bereich leicht diffundierende Elemente wie Kupfer oder Nickel, die bei höheren Temperaturen in die tiefer gelegenen Schichten der Halbleiterscheibe diffundieren und somit oberflächlichen Reinigungen nicht mehr zugänglich sind. Vorteilhaft ist dagegen, dass die alkalische Ätze verfahrenstechnisch relativ einfach gestaltet werden kann, da der entstehende Wasserstoff für den nötigen Stofftransport sorgt. Daher ist ohne größeren Aufwand ein homogener Materialabtrag über die gesamte Scheibenoberfläche möglich. Das bedeutet, dass die durch den mechanischen Abtragsschritt eingestellte Scheibenform (Geometrie) weitestgehend erhalten bleibt.
- Bei der sauren Ätze wird Silicium in der Regel mit Salpetersäure (HNO3) oxidiert und das entstandene Siliciumdioxid (SiO2) mit Flusssäure (HF) aufgelöst:
- Da dieser Prozess bei niedrigen Temperaturen stattfinden kann und außerdem metallauflösende Eigenschaften besitzt, können damit Halbleiterscheiben hergestellt werden, die im Wesentlichen frei von Metallverunreinigungen sind.
- Die saure Ätze weist aber den Nachteil auf, dass ein homogener Materialabtrag nur bedingt und mit hohem Aufwand zu realisieren ist, weshalb sich die durch den mechanischen Abtragsschritt eingestellte Scheibengeometrie bei der sauren Ätze wieder verschlechtert. Speziell im randnahen Bereich ist ein Erhalt der Scheibengeometrie bei einem Materialabtrag von mehr als 10 μm pro Scheibenseite nicht möglich.
- Man hat daher versucht, die alkalische und die saure Ätze vorteilhaft miteinander zu kombinieren. So wird die alkalische Ätze meist in Form einer Kurzätze zur Reinigung eingesetzt, bei der die auf der Scheibenoberfläche anhaftenden Partikel entfernt werden. Dabei verzichtet man darauf, die durch die vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig abzutragen. Dies erfolgt erst bei einer anschließenden sauren Ätze, bei der auch die eindiffundierten Metalle entfernt werden. Derartige Verfahren zur nasschemischen Oberflächenbehandlung, bei denen, ggf. in Kombination mit weiteren nasschemischen Schritten, zunächst eine alkalische Ätze und danach eine saure Ätze eingesetzt wird, sind in
DE 19953152 C1 ,US 6239039 B1 und WO 02/01616 A1 beschrieben. - Den steigenden Anforderungen an die Geometrie und die Metallfreiheit der Halbleiterscheiben werden aber auch diese kombinierten Verfahren nicht vollständig gerecht. Insbesondere führt eine Erhöhung des Materialabtrags bei der alkalischen Ätze auf Kosten der sauren Ätze zwar zu einer Verbesserung der Scheibengeometrie, gleichzeitig aber zu einer verschlechterten Entfernung der Metallverunreinigungen und umgekehrt. Zudem hat eine Erhöhung des Materialabtrags durch alkalisches Ätzen eine verstärkte Ausprägung der alkalischen Ätzstruktur zur Folge, was in der Regel zu einer Erhöhung der Rauhigkeitswerte führt. Stellen mit erhöhtem Damage werden überdurchschnittlich stark angeätzt und hinterlassen somit Vertiefungen in der Oberfläche.
- Die Aufgabe bestand daher darin, ein Verfahren zur nasschemischen Oberflächenbehandlung einer Halbleiterscheibe bereitzustellen, das in der Lage ist, die Anforderungen an die Metallfreiheit und an die Geometrie der Halbleiterscheibe gleichermaßen zu erfüllen.
- Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur nasschemischen Oberflächenbehandlung einer Halbleiterscheibe, wobei die Halbleiterscheibe
- – mit einer sauren Flüssigkeit behandelt wird, wobei auf jeder Seite der Halbleiterscheibe höchstens 10 μm Material abgetragen wird und danach
- – mit einer alkalischen Flüssigkeit behandelt wird, wobei wenigstens so viel Material abgetragen wird, dass die durch eine vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig entfernt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die Halbleiterscheibe zuerst mit einer sauren Flüssigkeit und danach mit einer alkalischen Flüssigkeit behandelt wird, wobei jeweils ein chemischer Materialabtrag stattfindet. Bei der sauren Ätze wird höchstens 10 μm Material je Scheibenseite abgetragen. Dies ist ausreichend, um die an der Scheibenoberfläche und in den oberflächennahen Bereichen befindlichen Metallverunreinigungen, beispielsweise Kupfer oder Nickel, zu entfernen. Gleichzeitig ist der Materialabtrag so gering, dass die durch die vorangegangene mechanische Bearbeitung bestimmte Geometrie der Halbleiterscheibe nur geringfügig nachteilig verändert wird. In der nachfolgenden alkalischen Ätze wird von der nach der sauren Ätze bereits weitgehend metallfreien Halbleiterscheibe so viel Material abgetragen, dass die bei der mechanischen Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig entfernt werden.
- Die erfindungsgemäße Prozessfolge gestattet es, die Vorteile beider Ätztechnologien optimal zu verknüpfen. Sie stellt sicher, dass die durch die mechanische Bearbeitung (z. B. Läppen oder Schleifen) eingestellte Scheibengeometrie erhalten bleibt und bietet somit optimale Voraussetzungen für eine nachfolgende Politur zumindest der Vorderseite der Halbleiterscheibe.
- Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei die für Silicium optimalen Verfahrensparameter angegeben sind. Das Verfahren ist jedoch nicht auf Silicium beschränkt. Dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren in die Schritte a) bis e) zerlegt, wobei die Oberfläche der Halbleiterscheibe in der angegebenen Reihenfolge mit folgenden Flüssigkeiten behandelt wird:
- a) mit einer ersten Reinigungsflüssigkeit, die dazu geeignet ist, auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe anhaftende Partikel zu entfernen,
- b) mit einer sauren Flüssigkeit, wobei auf jeder Seite der Halbleiterscheibe höchstens 10 μm Material abgetragen wird,
- c) mit der ersten Reinigungsflüssigkeit
- d) mit einer zweiten Reinigungsflüssigkeit, die dazu geeignet ist, Metallverunreinigungen von der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu entfernen und
- e) mit einer alkalischen Flüssigkeit, wobei wenigstens so viel Material abgetragen wird, dass die durch eine vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig entfernt werden.
- Die Schritte b) und e) sind zwingend notwendig, die Schritte a), c) und d) sind vorteilhaft, können aber auch weggelassen werden.
- Vorzugsweise werden zunächst in Schritt a) mittels einer Partikelreinigung die an der Oberfläche der Halbleiterscheibe anhaftenden Partikel (z. B. Läppmittelrückstände) entfernt. Dazu wird vorzugsweise eine Reinigungsflüssigkeit eingesetzt, die Wasser und ein Tensid enthält. Das Tensid in der wässrigen Reinigungsflüssigkeit umlagert die abzureinigenden Partikel und unterstützt dadurch das Ablösen der Partikel. Vorzugsweise liegt der pH-Wert der Reinigungsflüssigkeit im Bereich von 10 bis 12. Die Temperaturen bei dieser Reinigung liegen bevorzugt bei höchstens 90 °C, besonders bevorzugt bei höchstens 60 °C. Dadurch ist gewährleistet, dass die an der Oberfläche der Halbleiterscheibe oder in oberflächennahen Bereichen vorhandenen Metalle nicht in tiefere Schichten der Halbleiterscheibe diffundieren. Zur Unterstützung der Reinigungswirkung ist die gleichzeitige Anwendung von Ultraschall bevorzugt. Ohne Ultraschalleinwirkung ist die Reinigungswirkung geringer, was bedeutet, dass zum Reinigen der Scheiben längere Behandlungszeiten bzw. mehr Behandlungsbäder notwendig sind.
- In Schritt b) werden höchstens 10 μm Material pro Seite der Halbleiterscheibe abgetragen. Um eine möglichst geringe Veränderung der Scheibengeometrie zu erzielen, ist ein Materialabtrag von höchstens 5 μm pro Scheibenseite bevorzugt. Bei der sauren Ätze werden nicht nur die an der Oberfläche der Halbleiterscheibe befindlichen Metalle, sondern auch in den durch die vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereichen gebundene Metalle entfernt, ohne die Scheibengeometrie merklich zu verändern. Die saure Flüssigkeit enthält vorzugsweise Wasser, Flusssäure und Salpetersäure, wobei die Konzentration der Salpetersäure bevorzugt im Bereich von 60 % bis 80 % und die Konzentration der Flusssäure bevorzugt im Bereich von 0,5 % bis 5 % liegt. (Alle angegebenen Prozentwerte beziehen sich auf den Gewichtsanteil der betreffenden Verbindung am Gesamtgewicht der Lösung.) Die Temperatur der Flüssigkeit liegt bevorzugt im Bereich von 10 °C bis 30 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 15 °C bis 25 °C. Die saure Ätze in Schritt b) wird vorzugsweise so ausgeführt wie in
EP 625795 A1 - In einem nachfolgenden Schritt c) können Partikel, die sich nach der sauren Ätze noch auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe befinden können, mittels einer weiteren Partikelreinigung analog Schritt a) entfernt werden. Vorzugsweise wird wenigstens einer der Schritte a) und c) ausgeführt, wobei die Ausführung beider Schritte besonders bevorzugt ist.
- Unmittelbar vor der alkalischen Ätze e) wird vorzugsweise ein weiterer Reinigungsschritt d) mit einer zweiten Reinigungsflüssigkeit ausgeführt, die dazu geeignet ist, Metallverunreinigungen von der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu entfernen. Diese zweite Reinigungsflüssigkeit enthält vorzugsweise Wasser, Flusssäure (HF) und Ozon (O3). Vorzugsweise enthält auch die Atmosphäre über der Reinigungsflüssigkeit Ozon. Vorzugsweise liegt die Konzentration der Flusssäure im Bereich von 0,01 % bis 2 %. Ebenfalls bevorzugt ist, dass die Flüssigkeit mit Ozon gesättigt ist. Eine Metallreinigung an dieser Stelle des Verfahrens ist sinnvoll, um zu verhindern, dass nach den vorangegangenen Schritten verbliebene oder neu hinzugekommene Metallverunreinigungen bei den hohen Temperaturen der alkalischen Ätze in die Halbleiterscheibe hinein diffundieren können.
- Anschließend wird die Halbleiterscheibe in Schritt e) mit einer alkalischen Flüssigkeit behandelt. Die alkalische Flüssigkeit enthält vorzugsweise Wasser und ein Alkalimetallhydroxid, wobei Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) besonders bevorzugt sind. Bevorzugt ist eine Konzentration des Alkalimetallhydroxids im Bereich von 25 % bis 60 %. Besonders bevorzugt ist auch die Verwendung hochreiner Chemikalien, um eine erneute Kontamination mit Metallen zu vermeiden, wobei die Konzentration an Eisen, Kupfer, Nickel und Chrom vorzugsweise jeweils unter 5 ppt liegen sollte. Die Temperatur während der Behandlung liegt vorzugsweise im Bereich von 70 °C bis 125 °C. Vorteilhaft ist eine Bewegung der Halbleiterscheibe während der Behandlung, beispielsweise eine Rotation. Bei der alkalischen Ätze wird wenigstens so viel Material abgetragen, dass die durch eine vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig entfernt werden.
- Nach der erfindungsgemäßen nasschemischen Behandlung wird die Halbleiterscheibe vorzugsweise gemäß dem Stand der Technik getrocknet, wobei beispielsweise Isopropanol-Trockner (insbesondere Marangoni-Trockner), Heißwasser-Trockner oder Rinser Dryer, eingesetzt werden. Die Trocknung wird vorzugsweise so gewählt, dass sie die Oberflächengüte, insbesondere bezüglich Metall- und Partikelkontamination, nicht verschlechtert. Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines HF/Ozon-Trockners.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf Halbleiterscheiben anwendbar, die zuvor mechanisch bearbeitet wurden. Bevorzugt ist die Anwendung auf Siliciumscheiben und insbesondere auf einkristalline Siliciumscheiben beliebigen Durchmessers.
Claims (13)
- Verfahren zur nasschemischen Oberflächenbehandlung einer Halbleiterscheibe, wobei die Halbleiterscheibe – mit einer sauren Flüssigkeit behandelt wird, wobei auf jeder Seite der Halbleiterscheibe höchstens 10 μm Material abgetragen wird und danach – mit einer alkalischen Flüssigkeit behandelt wird, wobei wenigstens so viel Material abgetragen wird, dass die durch eine vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig entfernt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe, bevor sie mit der alkalischen Flüssigkeit behandelt wird, wenigstens einmal mit einer ersten Reinigungsflüssigkeit behandelt wird, die dazu geeignet ist, auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe anhaftende Partikel zu entfernen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe, unmittelbar bevor sie mit der alkalischen Flüssigkeit behandelt wird, mit einer zweiten Reinigungsflüssigkeit behandelt wird, die dazu geeignet ist, Metallverunreinigungen von der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu entfernen.
- Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Halbleiterscheibe in Schritten a) bis e) in der angegebenen Reihenfolge mit folgenden Flüssigkeiten behandelt wird: a) mit einer ersten Reinigungsflüssigkeit, die dazu geeignet ist, auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe anhaftende Partikel zu entfernen, b) mit einer sauren Flüssigkeit, wobei auf jeder Seite der Halbleiterscheibe höchstens 10 μm Material abgetragen wird, c) mit der ersten Reinigungsflüssigkeit d) mit einer zweiten Reinigungsflüssigkeit, die dazu geeignet ist, Metallverunreinigungen von der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu entfernen und e) mit einer alkalischen Flüssigkeit, wobei wenigstens so viel Material abgetragen wird, dass die durch eine vorangegangene mechanische Bearbeitung geschädigten Kristallbereiche vollständig entfernt werden.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die saure Flüssigkeit Wasser, Flusssäure und Salpetersäure enthält.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Behandlung mit der sauren Flüssigkeit auf jeder Seite der Halbleiterscheibe höchstens 5 μm Material abgetragen wird.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Flüssigkeit Wasser und ein Alkalimetallhydroxid enthält.
- Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetallhydroxid Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid ist.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reinigungsflüssigkeit Wasser und ein Tensid enthält.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2, 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung mit der ersten Reinigungsflüssigkeit bei einer Temperatur von höchstens 90 °C stattfindet.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2, 4, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung mit der ersten Reinigungsflüssigkeit unter gleichzeitiger Einwirkung von Ultraschall erfolgt.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reinigungsflüssigkeit Wasser, Flusssäure und Ozon enthält.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe eine Siliciumscheibe ist.
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