DE1219764B - Process for the polishing removal of monocrystalline semiconductor bodies, in particular semiconductor wafers - Google Patents
Process for the polishing removal of monocrystalline semiconductor bodies, in particular semiconductor wafersInfo
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Description
Verfahren zum polierenden Abtragen von einkristallinen Halbleiterkörpern, insbesondere Halbleiterscheiben Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum polierenden Abtragen von einkristallinen Halbleiterkörpern, insbesondere von Halbleiterscheiben.Process for the polishing removal of monocrystalline semiconductor bodies, in particular semiconductor wafers The invention relates to a method for polishing removal of monocrystalline semiconductor bodies, in particular semiconductor wafers.
Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen geht man meist von einkristallinen Halbleiterscheiben aus, auf die einkristalline Schichten eines Halbleitermaterials aufgebracht oder in die Dotierungs-oder Kontaktierungsstoffe usw. einlegiert bzw. eindiffundiert werden. Um einwandfreie Halbleiteranordnungen zu erhalten, muß die Oberfläche der Halbleiterscheiben glatt sein, d. h. sie darf keine Unebenheiten aufweisen; sie muß aber auch, insbesondere bei der Abscheidung einkristalliner Schichten, eine ideale Struktur besitzen, muß also ohne jeden Fehler im Kristallgefüge oder in der Kristallstruktur sein, denn eine Fehlerstelle in der Oberfläche des Trägerkörpers vergrößert sich in der abgeschiedenen Schicht in Abhängigkeit von der Schichtdicke sehr stark. Außerdem müssen die Scheibenoberflächen, vor allem beim Einlegieren von Metallen od. dgl., planparallel sein, da auch die Legierungsfronten, beispielsweise beim Legierungstransistor die Fronten von Emitter und Kollektor, planparallel zueinander verlaufen sollen.In the manufacture of semiconductor arrangements, the starting point is usually single-crystal semiconductor wafers, onto which single-crystal layers of a semiconductor material are applied or into which doping or contacting substances etc. are alloyed or diffused. In order to obtain perfect semiconductor arrangements, the surface of the semiconductor wafers must be smooth, i.e. smooth. H. it must not have any bumps; however, it must also have an ideal structure, especially when depositing single-crystalline layers, i.e. it must be without any defects in the crystal structure or in the crystal structure, because a defect in the surface of the support body increases in size very much in the deposited layer, depending on the layer thickness strong. In addition, the disk surfaces, especially when alloying metals or the like, must be plane-parallel, since the alloy fronts, for example the fronts of the emitter and collector in the case of an alloy transistor, should also run plane-parallel to one another.
Die Herstellung der meist verwendeten Halbleiterscheiben erfolgt größtenteils durch Zerschneiden oder Zersägen von HaIbleiterstäben, z. B. senkrecht zur Längsachse. Die Oberfläche der Halbleiterscheiben zeigt deshalb oft Riefen und ist meist rauh; außerdem entstehen bei der mechanischen Behandlung infolge der Sprödigkeit der meisten Halbleitermaterialien, insbesondere von Silizium und Germanium, feine Risse und Spalten auf der Oberfläche der Halbleiterkörper, die oft eine Tiefe bis zu 10 #t und mehr erreichen. In diesem Bereich ist die Kristallstruktur völlig zerstört, so daß diese Schicht meist entfernt werden muß. Anschließend ist der Kristall weiter abzutragen, bis eine von Strukturfehlern bzw. Fehlern im Kristallgefüge freie Kristallschicht an der Oberfläche liegt. Dies geschieht gewöhnlich durch mechanisches Behandeln mit Schleif- oder Poliermitteln. Die Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit wird meist stufenweise erreicht, indem von Stufe zu Stufe die Korngröße des Schleif- bzw. Poliermittels verringert wird. Die zu Beginn der Behandlung verwendete, oft ziemlich grobe Körnung verursacht manchmal selber oberflächliche Strukturstörungen bzw. Störungen im Kristallgefüge, so daß in der folgenden Bearbeitungsstufe mit einem Poliermittel feinerer Körnung zuerst die oberste schadhafte Schicht abgetragen werden muß. In der letzten Stufe ist, um eine den Anforderungen der Halbleitertechiiik entsprechende, ungestörte Oberfläche der Halbleiterscheibe zu gewährleisten, ein Poliermittel mit einer sehr feinen Körnung von beispielsweise 10 m[t notwendig; oft sind recht dicke Schichten abzutragen, so daß, ini, ganzen gesehen, sehr lange Behandlungszeiten erforderlich sind.The manufacture of the most commonly used semiconductor wafers is largely carried out by cutting up or sawing up semiconductor rods, e.g. B. perpendicular to the longitudinal axis. The surface of the semiconductor wafers therefore often shows grooves and is usually rough; In addition, the brittleness of most semiconductor materials, in particular silicon and germanium, results in the mechanical treatment of fine cracks and fissures on the surface of the semiconductor body, which often reach a depth of up to 10 t and more. In this area the crystal structure is completely destroyed, so that this layer usually has to be removed. The crystal is then to be removed further until a crystal layer free of structural defects or defects in the crystal structure is on the surface. This is usually done by mechanical treatment with abrasives or polishing agents. The improvement of the surface quality is usually achieved in stages by reducing the grain size of the grinding or polishing agent from stage to stage. The often rather coarse grain used at the beginning of the treatment sometimes itself causes superficial structural disturbances or disturbances in the crystal structure, so that in the following processing step the uppermost defective layer must first be removed with a polishing agent of finer grain. In the last stage, in order to ensure an undisturbed surface of the semiconductor wafer that meets the requirements of semiconductor technology, a polishing agent with a very fine grain size of, for example, 10 μm is necessary; often very thick layers have to be removed, so that, viewed as a whole, very long treatment times are required.
Bei einem anderen Verfahren wird die gestörte Kristallschicht durch Behandlung mit chemischen Mitteln abgetragen. Hierdurch werden zwar keine Struktur- bzw. Kristallstörungen erzeugt, auch nimmt die Bearbeitung viel kürzere Zeit in Anspruch, je- doch entsprechen hier die Ergebnisse nicht den Erfordernissen der Halbleitertechnik, denn der Abtrag der gestörten Schicht erfolgt ungleichmäßig. Das chemische Poliermittel greift in den meisten Fällen den Rand der Scheiben stärker an, so daß sehr oft die ebene Form der Scheiben verlorengeht, die aber z. B. für das Aufwachsen von einkristallinen Schichten unbedingt nötig ist.In another method, the disturbed crystal layer is removed by treatment with chemical agents. Although this does not generate any structural or crystal disturbances , the processing also takes a much shorter time, but the results here do not meet the requirements of semiconductor technology, because the disturbed layer is removed unevenly. In most cases, the chemical polishing agent attacks the edge of the disks more strongly, so that very often the flat shape of the disks is lost. B. is absolutely necessary for the growth of monocrystalline layers.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Vetfahren zum polierenden Ab- tragen von einkristallinen Halbleiterkörpern, insbesondere von Halbleiterscheiben zu entwickeln, bei dem einwandfreie Oberflächen gewährleistet sind.The present invention is therefore based on the object of developing a method for the polishing removal of monocrystalline semiconductor bodies, in particular semiconductor wafers, in which perfect surfaces are guaranteed.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, daß den Halbleiterkörpern, während sie einer mechanischen Polierbehandlung unterzogen werden, gleichzeitig wenigstens ein mechanisch wirkendes und wenigstens ein chemisch wirkendes Poliermittel zugeführt werden, die mit etwa der gleichen Geschwindigkeit auch wieder weggeführt werden.The method of the present invention is now that the Semiconductor bodies while they are subjected to a mechanical polishing treatment, at the same time at least one mechanically acting and at least one chemically acting Polishing agents are fed in again at about the same speed as well be led away.
Hierbei findet in einer besonderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens das mechanisch wirkende Poliermittel meist in feinkörniger Form Verwendung; C insbesondere sind Korngrößen vorteilhaft, die wenigstens um den Faktor10 kleiner sind als die jeweils abzutragende Schicht. Soll beispielsweise eine Schicht von etwa 30 ... 40 [t Dicke abgetragen werden, so empfiehlt es sich, ein mechanisch wirkendes Poliermittel mit einer Korngröße von etwa 3 ... 4 #t oder weniger zu verwenden, etwa von 2 #t. Ohne die Maßnahme gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Poliermittel, insbesondere entsprechend einer besonders günstigen Ausbildung des Erfindungsgedankens ein Poliermittel dieser geringen Größe gemeinsam mit wenigstens einem chemisch wirkenden Poliermittel zu verwenden und die Halbleiterkörper nach mechanischen Methoden, z. B. in einer Poliermaschine zu polieren, würde man mit einem derartigen kleinen Korn überhaupt keinen Poliereffekt erzielen. In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhält man mit dieser Maßnahme jedoch besonders günstige Vorteile. Ein derart kleines Korn erzeugt selber praktisch keine Störungen in der Oberfläche der Halbleiterkörper3 sondern trägt nur die oberste schadhafte Schicht gleichmäßig ab.Here, in a special embodiment of the inventive concept, the mechanically acting polishing agent is mostly used in fine-grained form; C, in particular, grain sizes are advantageous which are at least a factor of 10 smaller than the respective layer to be removed. If, for example, a layer of about 30 ... 40 [t thickness is to be removed, it is recommended to use a mechanical polishing agent with a grain size of about 3 ... 4 #t or less, for example 2 #t. Without the measure according to the present invention, a polishing agent, in particular a polishing agent of this small size according to a particularly favorable embodiment of the inventive concept to be used together with at least one chemically acting polishing agent and the semiconductor body by mechanical methods, e.g. B. to polish in a polishing machine, one would achieve no polishing effect at all with such a small grain. In the method according to the present invention, however, particularly favorable advantages are obtained with this measure. Such a small grain itself produces practically no disturbances in the surface of the semiconductor body3 but only removes the uppermost defective layer evenly.
Das gemäß der Erfindung verwendete, chemisch wirkende Poliermittel wird zweckmäßigerweise meist in Form von Lösungen verwendet, vor allem kommen wohl wässerige- Lösungen in Frage, obwohl nichtwässerige Lösungen nicht ausgeschlossen sind; beispielsweise können manchmal alkoholische oder ähnliche Lösungen recht vorteilhaft sein. Insbesondere sind die Lösungen jedoch in. verdünnter Form zu verwenden. Die Konzentration ist zweckmäßigerweise jeweils so gering einzustellen, daß eine chemische Reaktion der Lösung mit den Halbleiterkörpern praktisch nicht erfolgt. Erst bei gleichzeitiger Anwendung mit einem mechanisch wirkenden Poliermittel in der Poliermaschine tritt der überraschende Effekt einer besonders vorteilhaften Polierwirkung ein. Außerdem sind jeweils nur relativ kurze Polierzeiten nötig. - Beispielsweise kann man bei dem Verfahren gemäß der Erfindung so vorgehen, daß man die Halbleiterkörper auf eine etwa horizontal angeordnete Polierscheibe auflegt und sie reibende Bewegungen ausführen läßt; meist werden sie hierzu mit Hilfe eines Klebemittels, beispielsweise mit Bienenwachs, auf einer Trägerscheibe festgeklebt, die auf die Polierscheibe aufgelegt wird. Dann werden gleichzeitig, entweder im Gemisch oder getrennt voneinander, wenigstens ein chemisch wirkendes und wenigstens ein mechanisch wirkendes Poliermittel zugegeben, beispielsweise zugetropft. Das mechanisch wirkende Poliermittel kann in Form einer Suspension, beispielsweise einer wässerigen Suspension od. dgl. angewendet werden; es kann jedoch auch im chemisch wirkenden Poliermittel suspendiert sein.The chemically acting polishing agent used according to the invention is expediently mostly used in the form of solutions, above all aqueous solutions are probably possible, although non-aqueous solutions are not excluded; for example, alcoholic or similar solutions can sometimes be quite beneficial. In particular, however, the solutions are to be used in a diluted form. The concentration is expediently set so low in each case that a chemical reaction of the solution with the semiconductor bodies practically does not take place. Only when a mechanically acting polishing agent is used in the polishing machine at the same time does the surprising effect of a particularly advantageous polishing effect occur. In addition, only relatively short polishing times are necessary in each case. - For example, the invention may in accordance with such procedure is to hang up the semiconductor body to an approximately horizontally disposed polishing pad and it can perform grinding movements in the method; For this purpose, they are usually glued to a carrier disk with the aid of an adhesive, for example with beeswax, which is placed on the polishing disk. Then at the same time, either as a mixture or separately from one another, at least one chemically acting and at least one mechanically acting polishing agent are added, for example added dropwise. The mechanically acting polishing agent can be used in the form of a suspension, for example an aqueous suspension or the like; however, it can also be suspended in the chemically active polishing agent.
Nach einer weiteren, günstigen Ausbildung des Erfindungsgedankens wird das Verfahren in mehreren Stufen durchgeführt, indem z. B. die Komgröße des mechanisch wirkenden Poliermittels oder die Konzentration des chemisch wirkenden Poliermittels stufenweise verringert wird. Auch beide Maßnahmen nebeneinander anzuwenden ist möglich. Außerdem kann, gegebenenfalls zusätzlich, die Viskosität des chemisch wirkenden Poliermittels oder der Suspension des mechanisch wirkenden Poliermittels erhöht -werden, beispielsweise durch Zumischung einer hochviskosen Flüssigkeit, wie etwa Glykol oder Glycerin, oder eines öls, wie Paraffinöl oder Sillkonöl bzw. einem Gemisch davon, oder auch von Wasserglas u. dgl.After a further, favorable development of the inventive idea the process is carried out in several stages, e.g. B. the grain size of the mechanically acting polishing agent or the concentration of the chemically acting Abrasive is gradually reduced. Apply both measures side by side is possible. In addition, if necessary, the viscosity of the chemically acting polishing agent or the suspension of the mechanically acting polishing agent can be increased, for example by adding a highly viscous liquid, such as glycol or glycerine, or an oil such as paraffin oil or sillkon oil or a mixture of these, or of water glass and the like.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel beschrieben.For a more detailed explanation of the invention, a special one is given below described favorable embodiment.
Bei der Behandlung #on Siliziumkörpern, die z. B. in einer Poliermaschine, etwa auf einer Polierscheibe reibende Bewegungen ausführen, indem sie auf einer Trägerscheibe festgemacht, etwa festgeldebt sind, die, auf der Polierscheibe aufliegend, rotiert, erweist sich in der ersten Bearbeitungsstufe beispielsweise eine Suspension von 1 Gewichtsteil Siliziumkarbid mit einer Korngröße vorzugsweise zwischen etwa 0 und 2 #t in etwa 10 Gewichtsteilen einer etwa 10 %igen Natronlauge auf einer Gußeisenscheibe als vorteilhaft. In etwa 30 Minuten- wird mit diesem Poliermittelgemisch eine Schichtdicke von 30 ... 40 [1 abgetraien. Die Konzentration der Natronlauge kann auch höher sein, die bequem handzuhabende 10 1/oige Lauge reicht aber völlig aus. Nach dieser Behandlung werden die Körper vom Poliermittel gereinigt, indem man sie beispielsweise fließendem Leitungswasser aussetzt.When treating #on silicon bodies that z. B. in a polishing machine, for example perform rubbing movements on a polishing disk by being fastened to a support disk, for example firmly bonded, which rotates, resting on the polishing disk, turns out to be, for example, a suspension of 1 part by weight of silicon carbide with a grain size in the first processing stage preferably between about 0 and 2 #t in about 10 parts by weight of an approximately 10% sodium hydroxide solution on a cast iron disk as advantageous. In about 30 minutes a layer of 30 ... 40 [1] is removed with this mixture of polishing agents. The concentration of the caustic soda can also be higher, but the easy-to-use 10 % caustic solution is completely sufficient. After this treatment, the bodies are cleaned of the polishing agent, for example by exposing them to running tap water.
Für die zweite Stufe der Behandlung -empfiehlt sich eine Suspension von 1 Gewichtsteil Siliziumkarbidpulver mit einer Korngröße zwischen etwa 0 und 2 R in etwa 100 Gewichtsteilen einer bis zu einem pH-Wert von etwa 10 ... 11 verdünnten, wässerigen Natronlauge auf einer Polierscheibe aus weichem Material. In etwa 1 Stunde wird mit diesem Poliermittelgeinisch eine etwa 10 #t dicke Schicht abgetragen. Die Halbleiterkörper werden anschließend beispielsweise mit Wasser gespült und gegebenenfalls in einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise Trichloräthylen, kurz geschwenkt, um überschüssiges Klebemittel zu entfernen. Anschließend werden Siliziumdioxydmehl mit einer Korngröße zwischen etwa 10 ... 40 m#t und verdünnte Natronlauge zum Fertig polieren verwendet. Am vorteilhaftesten ist eine Suspension von 1 Gewichtsteil des Siliziumdioxyds in etwa 100 Gewichtsteilen einer bis zu einem pH-Wert von etwa 10 ... 11 verdünnten wässerigen Natronlauge, die etwa in Abständen von 5Minuten oder kontinuierlich auf die Polierscheibe getropft wird. Nach etwa 30 Minuten ist eine etwa 5 #t starke Schicht abgetragen. Die Oberflächen sind nach dieser Behandlung plan und störungsfrei. Auch bei 800facher Vergrößerung lassen sich keine Störungen oder Fehler im Kristallgefüge oder in der Kristallstruktur feststellen. Die Polierzeit errechnet sich bei gleichzeitiger Behandlung von z. B. 17 Halbleiterkörpern zu etwa 7 Minuten pro Scheibe.For the second stage of the treatment - a suspension of 1 part by weight of silicon carbide powder with a grain size between about 0 and 2 R in about 100 parts by weight of an aqueous sodium hydroxide solution diluted to a pH of about 10 ... 11 is recommended on a polishing wheel soft material. In about 1 hour a 10 #t thick layer is removed with this polishing agent. The semiconductor bodies are then rinsed, for example, with water and, if appropriate, swiveled briefly in an organic solvent, for example trichlorethylene, in order to remove excess adhesive. Then silicon dioxide powder with a grain size between approx. 10 ... 40 m # t and diluted sodium hydroxide solution are used for the final polishing. On vorteilhaftesten is a suspension of 1 part by weight of Siliziumdioxyds in about 100 parts by weight which is approximately at intervals of 5 minutes or continuously dripped onto the polishing pad an up to a pH value of about 10 ... 11 dilute aqueous sodium hydroxide solution. After about 30 minutes, a 5 t thick layer has been removed. After this treatment, the surfaces are flat and free of defects. Even at 800x magnification, no defects or defects in the crystal structure or in the crystal structure can be found. The polishing time is calculated with simultaneous treatment of z. B. 17 semiconductor bodies for about 7 minutes per disc.
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