DE19938340C1 - Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Halbleiterscheibe - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten HalbleiterscheibeInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite und einer Rückseite und einer auf der Vorderseite abgeschiedenen epitaktischen Schicht aus halbleitendem Material. Die Halbleiterscheibe ist dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schicht einen maximalen lokalen Ebenheitswert SGQR max von gleich oder kleiner 0,13 _m und eine maximale Dichte von 0,14 Streulichtzentren pro cm 2 aufweist, und die Vorderseite der Halbleiterscheibe vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht eine Oberflächenrauhigkeit von 0,05 bis 0,29 nm RMS, gemessen durch AFM auf einer 1 _m x 1 _m großen Referenzfläche besitzt. DOLLAR A Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterscheibe. Das Verfahren umfaßt die folgenden Prozeßschritte: DOLLAR A (a) als einzigen Polierschritt ein gleichzeitiges Polieren der Vorderseite und der Rückseite der Halbleiterscheibe zwischen sich drehenden Poliertellern unter Zuführen eines alkalischen Poliersols, wobei die Halbleiterscheibe in einer Aussparung einer Läuferscheibe liegt, deren Dicke um 2 bis 20 _m geringer bemessen ist als die Dicke der ferig polierten Halbleiterscheibe: DOLLAR A (b) gleichzeitiges Behandeln der Vorderseite und der Rückseite der Halbleiterscheibe zwischen sich drehenden Poliertellern unter Zuführen einer Flüssigkeit, die mindestens einen mehrwertigen Alkohol mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält, DOLLAR A (c) Reinigen und Trocknen der Halbleiterscheibe; und DOLLAR A (d) Abscheiden der epitaktischen Schicht auf ...
Description
Die Erfindung betrifft die kostengünstige Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer
epitaktischen Beschichtung auf einer Vorderseite, die über eine verbesserte Ebenheit
und eine reduzierte Anzahl von Lichtstreuzentren auf der Epitaxieschicht verfügt.
Derartige Halbleiterscheiben eignen sich für die Verwendung in der Halbleiterindustrie,
insbesondere zur Fabrikation von elektronischen Bauelementen mit Linienbreiten gleich
oder kleiner 0,13 µm.
Eine Halbleiterscheibe, die insbesondere zur Fabrikation von elektronischen
Bauelementen mit Linienbreiten gleich oder kleiner 0,13 µm geeignet sein soll, muß eine
Vielzahl besonderer Eigenschaften aufweisen. Einige dieser Eigenschaften sind
beispielsweise in der 1997 National Technology Roadmap for Semiconductors (NTRS),
Semiconductor Industry Association (SIA), San Jose, Table 20, S. 64-66 aufgelistet. Eine
besonders wichtige Eigenschaft ist die lokale Ebenheit der Halbleiterscheibe. Die
moderne Steppertechnologie verlangt optimale lokale Ebenheiten in allen Teilbereichen
einer Seite der Halbleiterscheibe, ausgedrückt beispielsweise als SFQR (site front-sur
face referenced least squares/range = Bereich der positiven und negativen Abwei
chung von einer über Fehlerquadratminimierung definierten Vorderseite für eine
Bauelementefläche definierter Dimension). Die Größe SFQRmax gibt den höchsten
SFQR-Wert für alle Bauelementeflächen auf einer Halbleiterscheibe an. Eine allgemein
anerkannte Faustregel besagt, daß der SFQRmax-Wert einer Halbleiterscheibe gleich
oder kleiner der auf dieser Scheibe möglichen Linienbreite von darauf herzustellenden
Halbleiterbauelementen sein muß. Eine Überschreitung dieses Wertes führt zu
Fokussierungsproblemen des Steppers und damit zum Verlust des betreffenden Bauele
mentes. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Halbleiterscheiben ist die Anzahl von
Lichtstreuzentren (localized light scatterers, LLS) auf der Oberfläche, auf welcher
Halbleiter-Bauelemente erzeugt werden sollen; in einer gewissen Anzahl und Größe
können LLS zum Ausfall der Bauelemente führen. Die endgültige Ebenheit einer
Halbleiterscheibe wird in der Regel durch einen Polierprozeß erzeugt. Zur Verbesserung
der
Ebenheitswerte einer Halbleiterscheibe wurden Apparate und Verfahren zum
gleichzeitigen Polieren von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe bereitgestellt
und weiterentwickelt. Diese sogenannte Doppelseitenpolitur ist beispielsweise in der US
3,691,694 beschrieben. Gemäß einer in der EP 208 315 B1 beschriebenen
Ausführungsform der Doppelseitenpolitur werden Halbleiterscheiben in Läuferscheiben
aus Metall oder Kunststoff, die über geeignet dimensionierte Aussparungen verfügen,
zwischen zwei rotierenden, mit einem Poliertuch belegten Poliertellern in Gegenwart
eines Poliersols auf einer durch die Maschinen- und Prozeßparameter vorbestimmten
Bahn bewegt und dadurch poliert. In der englischsprachigen Literatur werden diese
Läuferscheiben als "carrier" bezeichnet. In der nicht vorveröffentlichten
DE 199 05 737 A1 ist ein Doppelseitenpolierverfahren beschrieben,
welches zu Halbleiterscheiben mit verbesserter Ebenheit vor allem im Randbereich
führt; dabei kommen Läuferscheiben zum Einsatz, deren Dicke so bemessen ist, daß
die Enddicke der fertig polierten Scheiben nur um 2 bis 20 µm größer ist als die
Läuferscheibendicke. In der EP-887 152 A2 ist eine für die Doppelseitenpolitur
geeignete Läuferscheibe beschrieben.
Einkristalline Halbleiterscheiben mit einer einkristallin aufgewachsenen Schicht
derselben Kristallorientierung, einer sogenannten Epitaxie- oder epitaktisch
aufgewachsenen Schicht, auf welcher Halbleiter-Bauelemente aufgebracht werden,
beispielsweise eine Siliciumscheibe mit einer Siliciumschicht, weisen gegenüber
Halbleiterscheiben aus einem homogenen Material gewisse Vorteile auf. In erster Linie
ist dabei das sogenannte Latch-up-Problem zu nennen, das beispielsweise in bipolaren
CMOS-Schaltkreisen auf homogenem Material auftreten und zu Spannungen in den
bipolaren Transistoren führen kann, die eine Ladungsumkehr ermöglichen und einen
Kurzschluß des betreffenden Bauelementes bewirken können. Dem Fachmann ist be
kannt, daß dieses Latch-up-Problem effektiv durch den Einsatz einer epitaxierten
Halbleiterscheibe aus einer hochdotierten Substratscheibe (niedriger elektrischer
Widerstand) und einer niedrig dotierten Epitaxieschicht (hoher Widerstand) verhindert
werden kann, was gleichzeitig eine erwünschte Getterwirkung des Sub
strates bewirkt und außerdem den Flächenverbrauch des Bauele
mentes senkt. Darüber hinaus weisen epitaxierte Oberflächen ei
ne im Vergleich mit polierten Halbleiterscheiben niedrigere De
fektdichte, ausgedrückt als LLS, die beispielsweise sogenannte
COPs (crystal-originated particles) sein können, auf, was in
der Regel zu einer höheren Ausbeute an intakten Halbleiter-
Bauelementen führt. Weiterhin besitzen Epitaxieschichten keinen
nenneswerten Sauerstoffgehalt, womit das Risiko von potentiell
Schaltkreis-zerstörenden Sauerstoffpräzipitaten in Bauelemente
relevanten Bereichen ausgeschlossen ist.
Nach dem Stand der Technik werden epitaxierte Halbleiterschei
ben aus geeigneten Vorprodukten durch die Prozeßfolge Abtrags
polieren - Endpolieren - Reinigen - Epitaxie hergestellt, wobei
die Oberflächenrauhigkeit nach dem Abtragspolieren, gemessen
mit dem Atomic-Force-Microscope-Verfahren (AFM) in einem Be
reich von 1 µm × 1 µm, je nach Prozeßführung etwa 0,5 bis 3 nm
RMS (root-mean-square) und nach dem Endpolieren etwa 0,05 bis
0,2 nm RMS beträgt. Ebenfalls bekannt sind drei- oder vier
stufige Polierprozesse, bei denen die Rauhigkeit sukzessiv ab
gesenkt wird. In der EP 684 634 A2 ist eine
Vorgehensvariante beschrieben, bei welcher im Abtragspolier
schritt nacheinander zwei verschiedene Poliersole unterschied
licher Körnung zugeführt werden, bevor die Halbleiterscheiben
einem Endpoliturschritt unterzogen werden. Nachteil mehrstufi
ger Polierverfahren ist, daß mit jedem zusätzlichen Schritt die
Herstellkosten der Halbleiterscheiben ansteigen.
In der EP 711 854 A1 ist ein Verfahren zur Her
stellung einer epitaxierten Scheibe beschrieben, indem eine ge
sägt-geläppt-geätzte Siliciumscheibe abtragspoliert wird, wobei
sich eine Oberflächenrauhigkeit von 0,3 bis 1,2 nm RMS (AFM, 1
µm × 1 µm) einstellt, und zur Kostensenkung ohne Durchführung
eines glättenden Endpolierschrittes eine epitaktische Silicium
schicht abgeschieden wird. Zwar ist die so hergestellte Epita
xieschicht einer unter vorheriger Anwendung eines Endpolier
schrittes konventionell hergestellten Epitaxieschicht in ihren
elektrischen Eigenschaften vergleichbar, jedoch führt der durch
die relativ hohe Ausgangsrauhigkeit verursachte Anstieg an Lichtstreuzentren auf der
epitaxierten Oberfläche potentiell zum vermehrten Ausfall von auf diesen Scheiben
hergestellten Bauelementen.
Es war daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten
Halbleiterscheibe bereitzustellen, die insbesondere zur Fabrikation von elektronischen
Bauelementen mit Linienbreiten gleich oder kleiner 0,13 µm geeignet ist und die
erwähnten Nachteile hinsichtlich der Anzahl an Lichtstreuzentren auf der epitaxierten
Oberfläche nicht aufweist, und die durch ein kostengünstiges Herstellungsverfahren
zugänglich ist. Ferner sollten die weiteren Eigenschaften der epitaxierten Halb
leiterscheibe mindestens genau so gut sein wie die von nach dem Stand der Technik
hergestellten epitaxierten Halbleiterscheiben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit
einer Vorderseite und einer Rückseite und einer auf der Vorderseite abgeschiedenen
epitaktischen Schicht aus halbleitendem Material, das folgende Prozeßschritte umfaßt:
- a) als einzigen Polierschritt ein gleichzeitiges Polieren der Vorderseite und der Rücksei te der Halbleiterscheibe zwischen sich drehenden Poliertellern unter Zuführen eines alkalischen Poliersols, wobei die Halbleiterscheibe in einer Aussparung einer Läufer scheibe liegt, deren Dicke um 2 bis 20 µm geringer bemessen ist als die Dicke der fertig polierten Halbleiter scheibe;
- b) gleichzeitiges Behandeln der Vorderseite und der Rückseite der Halbleiterscheibe zwischen sich drehenden Poliertellern un ter Zuführen einer Flüssigkeit, die mindestens einen mehrwerti gen Alkohol mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält,
- c) Reinigen und Trocknen der Halbleiterscheibe; und
- d) Abscheiden der epitaktischen Schicht auf der Vorderseite der gemäß der Schritte (a) bis (c) hergestellten Halbleiter scheibe.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß durch gleichzei
tiges Polieren einer Vorderseite und einer Rückseite einer
Halbleiterscheibe in einem einzigen Polierschritt, gefolgt von
der Zuführung einer mindestens einen mehrwertigen Alkohol mit 2
bis 6 Kohlenstoffatomen enthaltenden wäßrigen Flüssigkeit eine
Halbleiterscheibe mit hoher Ebenheit und niedriger Rauhigkeit
erzeugt wird. Das Verfahren kommt ohne die Durchführung eines
kostenintensiven und die Geometrie der Halbleiterscheibe ver
schlechternden Endpolierschrittes aus und führt zu einer epi
taktisch beschichteten Halbleiterscheibe mit einer sehr de
fektarmen Oberfläche.
Ausgangsprodukt des Verfahrens ist eine Halbleiterscheibe, die
auf bekannte Weise von einem Kristall abgetrennt wurde, bei
spielsweise von einem abgelängten und rundgeschliffenen Einkri
stall aus Silicium, und deren Vorder- und/oder Rückseite mit
tels eines Oberflächenschleifschrittes bearbeitet wurde. Falls
dies gewünscht wird, kann der Kristall mit einem oder mehreren
Orientierungsmerkmalen zur Indentifizierung der Kristallachsen
versehen werden, beispielweise einem Notch und/oder einem Flat.
Ebenso kann die Kante der Halbleiterscheibe an einer geeigneten
Stelle in der Prozeßkette mittels einer geeignet profilierten
Schleifscheibe verrundet werden. Außerdem besteht die Möglich
keit, daß die Oberfläche der Halbleiterscheibe nach dem
Schleifschritt geätzt wird.
Endprodukt des Verfahrens ist eine mindestens auf der Vorder
seite epitaxierte Halbleiterscheibe, die den Anforderungen an
epitaxierte Halbleiterscheiben als Ausgangsmaterial für Halb
leiterbauelemente-Prozesse mit Linienbreiten gleich oder klei
ner 0,13 µm genügt und aufgrund hoher Ausbeuten und Wegfall des
Endpolierschrittes den nach dem Stand der Technik hergestellten
Halbleiterscheiben bezüglich ihrer Herstellkosten überlegen
ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell zur Herstellung
eines scheibenförmigen Körpers eingesetzt werden, der aus einem
Material besteht, welches mit dem eingesetzten chemo-mechani
schen Doppelseiten-Polierverfahren bearbeitet und epitaxiert
werden kann. Silicium in einkristalliner Form mit einer Kri
stallorientierung (100), (110) oder (111), beispielsweise kri
stallisiert durch einen Czochralski- oder einen Zonenzieh
prozeß, ist bevorzugt. Das Silicium enthält dabei eine gewisse
Menge an Dotierstoff, wobei man zwischen Dotierstoffen aus der
3. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, beispielsweise
Bor, die zu Material vom p-Typ führen, und Elementen der 5.
Hauptgruppe, beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon, die
zu Material vom n-Typ führen, unterscheidet. Silicium oder Si
licium/Germanium ist als Material für die epitaktische Be
schichtung bevorzugt. Die epitaktische Beschichtung beispiels
weise aus Silicium unterscheidet sich durch ihren Dotierstoff
gehalt in ihren elektrischen Eigenschaften in der Regel von de
nen der Halbleiterscheibe, was in der Konstruktion der inte
grierten Halbleiter-Bauelemente ausgenutzt wird; dies ist je
doch nicht zwingend erforderlich. Außerdem könnte im Hinblick
auf die geplante Verwendung der erfindungsgemäßen epitaxierten
Halbleiterscheibe gewünscht sein, eine Epitaxieschicht ohne
jeglichen Dotierstoffgehalt aufzuwachsen, was ebenfalls prob
lemlos möglich ist. Im Rahmen der Erfindung sind Silicium
scheiben mit einer epitaktischen Beschichtung aus Silicium be
sonders bevorzugt, wobei Siliciumscheibe und Epitaxieschicht
entweder beide vom p-Typ oder beide vom n-Typ sind.
Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Silici
umscheiben mit Durchmessern von insbesondere 200 mm, 300 mm,
400 mm und 450 mm und Dicken von wenigen 100 µm bis einigen cm,
bevorzugt von 400 µm bis 1200 µm. Die epitaxierten Halbleiter
scheiben können entweder direkt als Ausgangsmaterial für die
Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt werden oder
nach Aufbringen von Rückseitenversiegelungen oder weiterer Be
handlung der Rückseite durch Schleifen, Ätzen, Polieren etc.
jeweils nach dem Stand der Technik ihrem Bestimmungszweck zuge
führt werden. Neben der Herstellung von Scheiben aus einem ho
mogenen Material kann die Erfindung natürlich auch zur Herstel
lung von mehrschichtig aufgebauten Halbleitersubstraten wie
SOI-Scheiben (silicon-on-insulator) und sogenannten "bonded wa
fers" eingesetzt werden, obwohl hierbei der Kostenvorteil ver
loren gehen kann.
Die weitere Beschreibung des Verfahrens erfolgt am Beispiel der
Herstellung einer Siliciumscheibe mit einer epitaktischen Be
schichtung der Vorderseite mit Silicium.
Prinzipiell ist es möglich, eine bespielsweise durch ein Innen
loch- oder Drahtsägeverfahren gesägte Siliciumscheibe direkt
dem erfindungsgemäßen Prozeß zu unterziehen. Es ist jedoch
sinnvoll und daher bevorzugt, die scharf begrenzte und daher
mechanisch sehr empfindliche Scheibenkante mit Hilfe einer ge
eignet profilierten Schleifscheibe zu verrunden. Weiterhin ist
es zwecks Verbesserung der Geometrie und teilweisem Abtrag der
zerstörten Kristallschichten möglich, die Siliciumscheibe einem
mechanischen Abtragsschritt wie Läppen oder Schleifen zu unter
ziehen, um den Materialabtrag im Polierschritt zu reduzieren.
Bevorzugt ist, die Siliciumscheibe einem Oberflächen-
Schleifschritt zu unterziehen, wobei entweder eine Seite ge
schliffen wird oder beide Seiten sequentiell oder beide Seiten
gleichzeitig geschliffen werden. Zum Entfernen des in den me
chanischen Prozeßschritten zwangsläufig erzeugten Damage der
Scheibenobenfläche und -kante und zum Entfernen von gegebenen
falls vorhandenen Verunreinigungen kann an dieser Stelle ein
Ätzschritt folgen. Dieser Ätzschritt kann entweder als naßche
mische Behandlung der Siliciumscheibe in einer alkalischen oder
sauren Ätzmischung oder als Plasmabehandlung ausgeführt werden.
Ein saurer Ätzschritt in einer Mischung aus konzentrierter wäß
riger Salpetersäure und konzentrierter wäßriger Flußsäure gemäß
der in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentschrift mit der Nummer DE 198
33 257 C1 beanspruchten Ausführungsform ist bevorzugt.
Ein besonders bevorzugtes Ausgangsmaterial für die erfindungs
gemäße Prozeßfolge sind Halbleiterscheiben aus Silicium mit ei
nem Durchmesser von gleich oder größer 200 mm, hergestellt
durch Sägen eines Silicium-Einkristalls, gefolgt von Kantenver
runden, sequentiellem Oberflächenschleifen beider Scheibensei
ten unter Abtrag von 10 µm bis 100 µm Silicium pro Seite und
naßchemischem Ätzen in einer sauren Ätzmischung unter Abtrag
von 5 µm bis 50 µm Silicium pro Scheibenseite.
Ein für die Herstellung der erfindungsgemäßen epitaxierten
Halbleiterscheiben geeigneter Polierprozeß ist beispielsweise
in der nicht vorveröffentlichten deutschen Offenlegungsschrift mit der Nummer DE 199 05
737 A1 beschrieben. Zur Durchführung kann eine handelsübliche
Doppelseitenpoliermaschine geeigneter Größe, z. B. eine Ma
schine das Typs AC2000 von Fa. Peter Wolters, verwendet werden.
Die Poliermaschine besteht im wesentlichen aus einem frei hori
zontal drehbaren unteren Polierteller und einem frei horizontal
drehbaren oberen Polierteller, die beide mit jeweils einem Po
liertuch bedeckt sind, und erlaubt unter kontinuierlicher Zu
führung eines alkalischen Poliersols geeigneter chemischer Zu
sammensetzung das beidseitige abtragende Polieren von Halb
leiterscheiben, in diesem Falle von Siliciumscheiben. In der
Regel wird aus Kostengründen eine Vielzahl von Siliciumscheiben
gleichzeitig poliert. Die Siliciumscheiben werden dabei durch
Läuferscheiben, die über ausreichend dimensionierte Aussparun
gen zur Aufnahme der Siliciumscheiben verfügen, während des Po
lierens auf einer durch Maschinen- und Prozeßparameter bestimm
ten geometrischen Bahn gehalten. Die Läuferscheiben sind mit
einer Verzahnung mit der Poliermaschine über einen sich drehen
den inneren und einen sich in der Regel gegenläufig drehenden
äußeren Stift- oder Zahnkranz in Kontakt und werden dadurch in
eine rotierende Bewegung zwischen den beiden Poliertellern ver
setzt. Besonders bevorzugt ist der gleichzeitige Einsatz von
vier bis sechs Läuferscheiben, die mit jeweils mindestens drei
in gleichen Abständen auf einer kreisförmigen Bahn angeordneten
Siliciumscheiben belegt sind.
Grundsätzlich können die Läuferscheiben beispielsweise aus Me
tall, Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff oder kunststoff
beschichtetem Metall gefertigt sein. Läuferscheiben aus Stahl
oder aus faserverstärktem Kunststoff sind bevorzugt; Läufer
scheiben aus rostfreiem Chromstahl sind besonders bevorzugt.
Die Läuferscheiben besitzen eine oder mehrere Aussparungen be
vorzugt in Kreisform zur Aufnahme von einer oder mehrerer Sili
ciumscheiben. Um eine freie Beweglichkeit der Siliciumscheibe
in der rotierenden Läuferscheibe zu gewährleisten, muß die Aus
sparung geringfügig größer im Durchmesser sein als die zu po
lierenden Siliciumscheiben. Zur Verhinderung einer Beschädigung
der Scheibenkante während des Polierens durch die Innenkante
der Aussparung in der Läuferscheibe ist es sinnvoll, die Innen
seite der Aussparungen mit einer Kunststoffbeschichtung von
gleicher Dicke wie die Läuferscheibe auszukleiden, beispiels
weise aus Polyamid, Polyethylen, Polypropylen oder Poly
vinylidendifluorid. Die Dicke der Läuferscheiben sollte so be
messen sein, daß die Enddicke der polierten Scheiben bevorzugt
um 2 bis 20 µm größer ist als die Läuferscheibendicke. Der Si
liciumabtrag durch den Polierschritt beträgt 5 bis 100 µm, be
vorzugt 10 µm bis 50 µm.
Im Rahmen der hinsichtlich der Dickenverhältnisse gemachten
Ausführungen wird der Polierschritt bevorzugt in der dem Fach
mann bekannten Art und Weise durchgeführt. Bevorzugt wird mit
5 einem handelsüblichen Polyurethan-Poliertuch einer Härte von 40
bis 120 (Shore A) poliert. Besonders bevorzugt sind Polyure
thantücher mit eingearbeiteten Polyethylenfasern in einem Här
tebereich von 60 bis 90 (Shore A). Im Falle der Politur von Si
liciumscheiben empfiehlt sich die kontinuierliche Zuführung ei
nes Poliersols mit einem pH-Wert von bevorzugt 9 bis 12, beson
ders bevorzugt 10 bis 11, aus bevorzugt 1 bis 10 Gew.-%, beson
ders bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% SiO2 in Wasser, unter Zusatz von
anorganischen Basen, wie Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid,
und/oder alkalischen Salzen, wie Kaliumcarbonat, und/oder orga
nischen Basen, wie Tetramethylammoniumhydroxid. Der Polierdruck
beträgt bevorzugt 0,05 bis 0,5 bar, besonders bevorzugt 0,1 bis
0,3 bar.
Nach Beendigung des Polierschrittes (a) muß die chemisch sehr
reaktive hydrophobe Scheibenoberfläche passiviert werden. Im
Rahmen der Erfindung gelingt dies durch Zuführung einer wäßri
gen Flüssigkeit, die mindestens einen mehrwertigen Alkohol mit
2 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält und als Stoppmittel wirkt.
Die Zuführung der Flüssigkeit ersetzt die Zuführung des weiter
oben beschriebenen Poliermittels, ohne daß die Poliermaschine
geöffnet wird, wodurch ein gleichzeitiges Behandeln von Vorder
seite und Rückseite der Halbleiterscheibe zwischen den sich
drehenden Poliertellern mit diesem Stoppmittel stattfindet, oh
ne daß eine zwischenzeitliche Exposition der reaktiven Schei
benoberfläche gegenüber Luftsauerstoff stattfindet. Es hat sich
zur Reduktion von Friktionskräften als sinnvoll erwiesen, dabei
den Druck auf 0,02 bis 0,10 bar zu reduzieren, was daher bevor
zugt ist. Eine kurzzeitige Zuführung von Wasser zwischen der
Zuführung von Poliermittel und Stoppmittel ist möglich, bringt
jedoch keine nennenswerten Vorteile mit sich.
Als mehrwertiger Alkohol mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen kommen
handelsübliche Substanzen in Betracht, die in für die Herstel
lung von Halbleiterscheiben ausreichender Reinheit erhältlich
und mit Wasser mischbar sind. Bevorzugt werden Ethylenglykol
(Ethandiol-1,2), Propylenglykole (Propandiol-1,2 und -1,3), Bu
tylenglykole (Butandiol-1,3 und -1,4) und Glycerin (Propantri
ol-1,2,3) in Konzentrationen von 0,1 bis 10 Vol-% eingesetzt.
Propylenglykole und Glycerin in Konzentrationen von 0,3 bis 3
Vol-% sind besonders bevorzugt. Das Stoppmittel kann außerdem
kurzkettige einwertige Alkohole, wie i-Propanol und n-Butanol,
in Konzentrationen von 0,1 bis 2 Vol-% enthalten. Daneben ist
die Zugabe geringer Mengen an Oligo- und Polymeralkoholen, bei
spielsweise höhere Ethylenglykole, Polyvinylalkohole oder Poly
etherpolyole, sowie Tensiden möglich. Die Zugabe stark saurer
oder stark alkalischer Komponenten ist nicht wünschenswert, da
sich im ersteren Falle durch unkontrollierte pH-Wert-Änderungen
Siliciumdioxid-Partikel bilden können, die zu verkratzten
Scheibenoberflächen führen, während im letzteren Falle Ätz
flecken auf der Scheibenoberfläche die Folge sein können.
Nach dem Stoppschritt (b) werden die Siliciumscheiben von der
Poliermaschine entfernt und einer Reinigung und Trocknung nach
dem Stand der Technik unterzogen. Die Reinigung kann entweder
als Batchverfahren unter gleichzeitiger Reinigung einer Viel
zahl von Scheiben in Bädern oder mit Sprühverfahren oder auch
als Einzelscheibenprozeß ausgeführt werden. Im Rahmen der Er
findung bevorzugt ist eine Badreinigung unter gleichzeitiger
Reinigung aller Scheiben aus einem Poliervorgang, beispielswei
se in der Sequenz wäßrige Flußsäure - Reinstwasser - Tetrame
thylammoniumhydroxid (TMAH)/Hydrogenperoxid (H2O2) - Reinstwas
ser, wobei eine Megaschallunterstützung im TMAH/H2O2-Bad zur
verbesserten Partikelentfernung von Vorteil ist. Zur flecken
freien Trocknung sind am Markt Geräte erhältlich, die bei
spielsweise nach dem Schleudertrocknungs-, Heißwasser-, Maran
goni- oder HF/Ozon-Prinzip arbeiten und alle gleichermaßen be
vorzugt sind. Die so erhaltenen doppelseitenpolierten Scheiben
sind trocken, hydrophil und frei von Flecken, Kratzern und wei
teren unter gebündeltem Licht sichtbaren Fehlern und weisen -
je nach gewählten Polierbedingungen und -medien - gemäß AFM-
Messungen (1 µm × 1 µm) eine Rauhigkeit zwischen 0,05 und 0,29
nm RMS auf. Messungen auf einem handelsüblichen, beispielsweise
kapazitiv oder optisch arbeitenden Geometriemeßgerät zeigen für
Bauelementeflächen von 25 mm × 25 mm lokale Geometriewerte
SFQRmax von gleich oder kleiner als 0,13 µm an.
Die gemäß der Schritte (a) bis (c) behandelten Siliciumscheiben werden nun nach Stan
dardverfahren mit einer epitaktischen Siliciumschicht mindestens auf der Vorderseite
versehen. Dies geschieht bevorzugt nach dem CVD-Verfahren (chemical vapor deposi
tion), indem Silane, beispielsweise Silan, SiH4, Dichlorsilan, SiH2Cl2, oder Trichlorsilan,
SiHCl3, zur Scheibenoberfläche geführt werden, sich dort bei Temperaturen zwischen
900°C und 1250°C zu elementarem Silicium und flüchtigen Nebenprodukten zersetzen
und eine epitaktische, das heißt einkristalline, kristallographisch an der Halbleiterschei
be orientiert aufgewachsene Siliciumschicht bilden. Dabei wird bevorzugt das in der
Natur vorkommende Si-Isotopengemisch verwendet. Es ist jedoch im Rahmen der Er
findung ebenfalls möglich, künstlich veränderte Si-Isotopengemische oder Si-
Reinisotope einzusetzen. Bevorzugt werden Siliciumschichten mit einer Dicke zwischen
0,3 µm and 10 µm epitaktisch aufgewachsen. Die Epitaxieschicht kann undotiert oder
gezielt beispielsweise mit Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon dotiert sein, um den Lei
tungstyp und die gewünschte Leitfähigkeit einzustellen.
Nach Durchführung der epitaktischen Beschichtung mindestens der Vorderseite der be
sonders bevorzugt aus Silicium bestehenden Halbleiterscheibe besonders bevorzugt mit
Silicium liegt eine Halbleiterscheibe vor, die eine hydrophobe Oberfläche besitzt und in
dieser Form einer Weiterverarbeitung zur Herstellung integrierter Bauelemente zuge
führt werden kann. Es ist jedoch möglich, wenn auch im Rahmen der Erfindung nicht
zwingend notwendig, die Scheibenoberfläche zum Schutz vor Kontaminationen zu hyd
rophilieren, das heißt, sie mit einer dünnen Oxidschicht zu überziehen, beispielsweise
einer Oxidschicht einer Dicke von etwa 1 nm, die dem Fachmann als "native oxide" be
kannt ist. Dies kann prinzipiell auf zwei verschiedene Arten geschehen: Zum einen kann
die Oberfläche der epitaxierten Halbleiterscheibe mit einem oxidativ wirkenden Gas,
beispielsweise Ozon, behandelt werden, was in der Epitaxiekammer selbst oder
in einer separaten Anlage durchgeführt werden kann. Zum anderen
ist eine Hydrophilierung in einer Badanlage mit einer Badse
quenz vom RCA-Typ, gefolgt von einer Trocknung der Scheiben,
möglich.
Nach Durchführung der erfindungsgemäßen Prozeßsequenz (a) bis
(d) liegen mindestens auf der Vorderseite epitaxierte Halblei
terscheiben mit einer schleierfreien Oberfläche vor, die vor
ihrer weiteren Weiterverarbeitung zur Herstellung von Halblei
ter-Bauelementen einer Charaktersisierung ihrer Eigenschaften
zugeführt werden können. Messungen auf einem handelsüblichen,
beispielsweise kapazitiv oder optisch arbeitenden Geometriemeß
gerät zeigen für Bauelementeflächen von 25 mm × 25 mm lokale
Geometriewerte SFQRmax von gleich oder kleiner als 0,13 µm an.
Messungen mit einem auf Laserbasis arbeitenden optischen Ober
flächeninspektionsgerät zeigen eine maximale Dichte von 0,14
Streulichtzentren pro cm2 epitaxierter Scheibenoberfläche.
Falls notwendig, kann an einer geeigneten Stelle der Prozeß
kette eine Laserbeschriftung zur Scheibenidentifizierung und/
oder ein Kantenpolierschritt eingefügt werden, zum Beispiel vor
oder nach dem Schleifen im Falle der Lasermarkierung sowie vor,
im oder nach der Doppelseitenpolitur im Falle des Kantenpolie
rens. Eine Reihe weiterer, für bestimmte Produkte erforderliche
Prozeßschritte wie beispielsweise die Aufbringung von Rücksei
tenbeschichtungen aus Polysilicium, Siliciumdioxid und/oder Si
liciumnitrid läßt sich ebenfalls nach dem Fachmann bekannten
Verfahren an den geeigneten Stellen in die Prozeßkette einbau
en. Es kann darüber hinaus auch zweckmäßig sein, die Halblei
terscheibe vor oder nach einzelnen Prozeßschritten einer Batch-
oder Einzelscheibenreinigung nach dem Stand der Technik zu un
terziehen.
Hinsichtlich der weiteren üblicherweise zur Scheibencharakte
risierung herangezogenen, dem Fachmann wohlbekannten Parameter
wie beispielsweise Metallkontamination der Scheibenoberfläche
und Minoritätsladungsträger-Lebensdauer sowie nanotopologische
Eigenschaften weist eine erfindungsgemäß hergestellte epita
xierte Halbleiterscheibe keine Nachteile gegenüber einer epita
xierten Halbleiterscheibe auf, die nach dem Stand der Technik
unter Anwendung eines Endpolierschrittes vor der Abscheidung
der Epitaxieschicht hergestellt wird.
Eine erfindungsgemäß hergestellte epitaxierte Halbleiterschei
be, insbesondere eine Siliciumscheibe mit einer epitaktischen
Siliciumbeschichtung, erfüllt die Anforderungen für die Her
stellung von Halbleiterbauelementen mit Linienbreiten gleich
oder kleiner 0,13 µm. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich
als optimale Lösung zur Herstellung von epitaxierten Silicium
scheiben mit den geschilderten Merkmalen erwiesen. An das Aus
gangsprodukt werden minimale Geometrieanforderungen gestellt,
was die Anforderungen an die Vorprozesse reduziert. Die im er
findungsgemäßen Schritt erzielte gute Geometrie tritt schon
nach relativ geringen Materialabträgen und durch die erhöhte
Prozeßsicherheit, gepaart mit einem verringerten Bruchrisiko,
in sehr hohen Ausbeuten auf, ohne daß kostenintensive Schritte
zur lokalen Geometriekorrektur beispielsweise durch Plasmaätzen
notwendig sind, und bleibt durch die entfallende Notwendigkeit
der Durchführung eines Endpolierschrittes auch am erfindungs
gemäßen Endprodukt voll erhalten. Überraschend und nicht zu er
warten ist, daß die erfindungsgemäße Prozeßsequenz zu einem
Produkt führt, das in seinen Eigenschaften nicht nur nach dem
Stand der Technik hergestellten Halbleiterscheiben überlegen
ist, sondern gleichzeitig gegenüber diesen im Hinblick auf sei
ne Herstellkosten durch Verzicht auf einen Endpolierschritt si
gnifikante Vorteile aufweist.
Alle im folgenden aufgeführten Beispiele und Vergleichsbeispie
le betreffen die Herstellung von Siliciumscheiben mit einem
Durchmesser von (300 ± 0,2) mm, einem Sauerstoffgehalt von
(6 ± 1) . 1017 Atomen/cm3 und einer Bor-Dotierung, die zu einem Wi
derstand im Bereich von 5 bis 20 mΩ.cm führt, und die eine epi
taktische Siliciumschicht auf der Vorderseite mit einer Bor-
Dotierung, die zu einem Widerstand im Bereich von 1 bis 10 Ω.cm
führt, besitzen. Die dazu benötigten Einkristalle wurden nach
dem Stand der Technik gezogen, abgelängt, rundgeschliffen und
auf einer handelsüblichen Drahtsäge in Scheiben mit einer auf
das Endprodukt zugeschnittenen Dicke zersägt. Nach dem Verrun
den der Kanten folgte auf einer Rotationsschleifmaschine ein
Oberflächen-Schleifschritt mit Diamanten der Körnung 600 Mesh,
wobei nacheinander von der Scheibenvorder- und -rückseite je 30
µm Silicium abgetragen wurden. Daran schloß sich ein saurer
Ätzschritt nach dem Strömungsätzverfahren an, wobei durch Ein
tauchen der sich drehenden Scheiben in eine Mischung aus 90
Gew.-% konzentrierter Salpetersäure (70 Gew.-% in wäßriger Lö
sung), 10 Gew.-% konzentrierter Flußsäure (50 Gew.-% in wäßri
ger Lösung) und 0,1 Gew.-% Ammoniumlaurylsulfat pro Scheiben
seite gleichzeitig je 10 µm Silicium abgetragen wurde. Die Ätz
mischung war auf (20 ± 1)°C temperiert und wurde mit Stick
stoffgas durchströmt.
Für dieses Beispiel standen 300-mm-Siliciumscheiben mit geätz
ter Oberfläche und einer Dicke von 815 µm zur Verfügung. Außer
dem standen fünf Läuferscheiben aus rostfreiem Chromstahl mit
geläppter Oberfläche und einer Dicke von 770 µm zur Verfügung,
die über jeweils drei kreisförmige, in gleichen Abständen auf
einer Kreisbahn angeordnete, mit Polyamid ausgekleidete Aus
sparungen vom Innendurchmesser 301 mm verfügten und die gleich
zeitige Politur von 15 300-mm-Siliciumscheiben auf einer Dop
pelseitenpoliermaschine des Typs AC2000 von Fa. Peter Wolters
ermöglichten.
Schritt (a): Der Doppelseitenpolierschritt wurde mit einem han
delsüblichen, mit Polyethylenfasern verstärkten Polyurethan-
Poliertuch SUBA500 von Fa. Rodel mit der Härte 74 (Shore A),
welches jeweils auf dem oberen und dem unteren Polierteller
aufgeklebt war, unter Verwendung eines Poliersols des Typs Le
vasil 200 von Fa. Bayer mit einem SiO2-Feststoffgehalt von 3
Gew.-% und einem durch Kaliumcarbonat- und Kaliumhydroxidzu
gaben auf einen auf 10,5 eingestellten pH-Wert unter einem An
preßdruck von 0,15 bar durchgeführt. Die Politur erfolgte bei
einer Temperatur des oberen und des unteren Poliertellers von
jeweils 40°C und führte zu einer Abtragsrate von 0,60 µm/min.
Schritt (b): Die Zuführung des Poliermittel wurde nach Errei
chen einer Dicke der polierten Scheiben von 775 µm beendet und
für einen Zeitraum von 3 min durch die Zuführung eines Stopp
mittels ersetzt, welches aus einer wäßrigen Lösung von 1 Vol-%
Glycerin, 1 Vol-% n-Butanol und 0,07 Vol-% eines handelsübli
chen Tensids mit dem Markennamen Silapur (Zubereitung auf der
Basis von Alkylbenzolsulfonsäure und Aminethoxylat; Hersteller
Fa. ICB) ersetzt, wobei unterer Polierteller, oberer Polier
teller und Läuferscheiben weiter bewegt wurden und der Druck
auf 0,05 bar reduziert wurde.
Schritt (c): Die polierten Siliciumscheiben wurden aus der Po
liermaschine entfernt und in einer Batch-Reinigungsanlage mit
der Badsequenz wäßrige Flußsäure - Reinstwasser - TMAH/H2O2/Me
gaschall - Reinstwasser gereinigt und in einem mit i-Propanol
nach dem Marangoniprinzip arbeitenden handelsüblichen Trockner
getrocknet. Die Scheiben wiesen eine Oberflächenrauhigkeit von
0,24 nm RMS (AFM, 1 µm × 1 µm) auf.
Schritt (d): Die gereinigt/getrockneten polierten Silicium
scheiben wurden in einem Epitaxiereaktor des Typs Centura HT308
der Fa. Applied Materials auf der Vorderseite mit einer epi
taktisch aufgewachsenen Siliciumschicht versehen, wobei als Si
liciumkomponente SiHCl3 zum Einsatz kam und der Widerstand
durch Dotierung mit Diboran, B2H6, eingestellt wurde. Bei einer
Reaktorkammertemperatur von 1090°C wurde bei einer Abscheide
rate von 3 µm/min eine Schicht der Dicke 2,8 µm abgeschieden.
Die mit Silicium auf der Vorderseite epitaxierten Silicium
scheiben wurden in einer Badanlage nach dem Stand der Technik
hydrophiliert und getrocknet und auf einem nach dem Laserprin
zip arbeitenden Oberflächeninspektionsgerät des Typs SP1 der
Fa. KLA-Tencor hinsichtlich ihrer Defekte auf der epitaxierten
Vorderseite charakterisiert; für die Gesamtzahl der LLS-Defekte
gleich oder größer 0,12 µm ergab sich im DWN-Kanal ("dark field
wide") ein Mittelwert von 51 ± 20, entsprechend (0,07 ± 0,03) LLS/
cm2. Anschließend wurden die Scheiben auf einem nach dem kapa
zitiven Prinzip arbeitenden Geometriemeßgerät des Typs AFS der
Fa. ADE mit 3 mm Randausschluß hinsichtlich ihrer lokalen Geo
metrie gemessen; für die SFQRmax-Werte (Raster 25 mm × 25 mm)
ergab sich ein Mittelwert von (0,10 ± 0,01) µm.
Es wurde vorgegangen wie in Beispiel 1 beschrieben mit der Aus
nahme, daß während des Stoppschrittes anstelle der beschriebe
nen Flüssigkeit auf Glycerinbasis eine Mischung aus 3 Gew.-%
Levasil 200 und 1 Vol-% n-Butanol in Wasser eingesetzt wurde.
Die polierten Scheiben wiesen nach Reinigung und Trocknung eine
Rauhigkeit von 0,55 nm RMS (AFM, 1 µm × 1 µm) auf. Nach epitak
tischer Beschichtung und Hydrophilierung wurde auf der Vorder
seite ein Mittelwert der LLS-Defekte gleich oder größer 0,12 µm
im DWN-Kanal von 368 ± 124, entsprechend (0,52 ± 0,18) LLS/cm2, und
ein SFQRmax-Mittelwert von (0,10 ± 0,01) µm bestimmt.
Es wurde vorgegangen wie in Vergleichsbeispiel 1 beschrieben
mit dem Unterschied, daß vor der Durchführung der epitaktischen
Beschichtung ein Endpolierschritt auf der Scheibenvorderseite
nach dem Stand der Technik eingefügt wurde. Dabei kam ein wei
ches Polyurethan-Poliertuch und eine wäßrige Suspension des Po
liermittels Typ Glanzox 3900 von Fa. Fujimi mit einem SiO2-
Feststoffgehalt von 2 Gew.-% und einem pH-Wert von 10 zum Ein
satz; nach Abtrag von 0,5 µm Silicium bei einem Anpreßdruck von
0,15 bar wurden die Scheiben nach dem RCA-Verfahren gereinigt
und mit Hilfe eines eines Marangonitrockners getrocknet. Die
Rauhigkeit der endpolierten Vorderseite betrug 0,09 nm RMS
(AFM, 1 µm × 1 µm). Nach epitaktischer Siliciumabscheidung auf
der endpolierten Vorderseite wurden folgende Meßwerte erhalten:
Mittelwert LLS-Defektzahl Vorderseite gleich oder größer 0,12
µm im DWN-Kanal 78 ± 23, entsprechend (0,11 ± 0,03) LLS/cm2; Mit
telwert SFQRmax (0,12 ± 0,03) µm.
Die Vorderseiten, Rückseiten und Kanten der nach dem oben auf
geführten Beispiel und den beiden Vergleichsbeispielen herge
stellten 300-mm-Siliciumscheiben wurden mit den üblichen, dem
Fachmann bekannten Methoden hinsichtlich Metallkontamination
der Scheibenoberfläche und Minoritätsladungsträger-Lebensdauer
sowie nanotopologische Eigenschaften charakterisiert. Es wurden
keine statistisch relevanten Abweichungen zwischen den einzel
nen Versuchsgruppen beobachtet.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite und einer
Rückseite und einer auf der Vorderseite abgeschiedenen epitaktischen Schicht aus
halbleitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende
Prozeßschritte umfaßt:
- a) als einzigen Polierschritt ein gleichzeitiges Polieren der Vorderseite und der Rücksei te der Halbleiterscheibe zwischen sich drehenden Poliertellern unter Zuführen eines alkalischen Poliersols, wobei die Halbleiterscheibe in einer Aussparung einer Läufer scheibe liegt, deren Dicke um 2 bis 20 µm geringer bemessen ist als die Dicke der fertig polierten Halbleiterscheibe;
- b) gleichzeitiges Behandeln der Vorderseite und der Rückseite der Halbleiterscheibe zwischen sich drehenden Poliertellern unter Zuführen einer Flüssigkeit, die mindestens einen mehrwertigen Alkohol mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält;
- c) Reinigen und Trocknen der Halbleiterscheibe; und
- d) Abscheiden der epitaktischen Schicht auf der Vorderseite der gemäß der Schritte (a) bis (c) hergestellten Halbleiterscheibe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe und
die epitaktische Beschichtung aus Silicium bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in
Schritt (a) eingesetzte alkalische Poliersol im wesentlichen aus einer Suspension von
Siliciumdioxidteilchen und einer anorganischen und/oder einer organischen Base in
Wasser besteht, die einen pH-Wert von 9 bis 12 besitzt und kontinuierlich zugeführt
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in
Schritt (b) eingesetzte Flüssigkeit mindestens einen mehrwertigen Alkohol aus einer
Gruppe von Verbindungen enthält, die Ethylenglykol, Glycerin, Propylenglykole und
Butylenglykole umfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schritt (b)
eingesetzte Flüssigkeit mindestens einen Stoff aus einer Gruppe von Verbindungen
enthält, die einwertige Alkohole und Tenside umfaßt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in
Schritt (d) abgeschiedene epitaktische Schicht eine Dicke von 0,3 µm bis 10 µm besitzt
und bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1250°C abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in
Schritt (d) abgeschiedene epitaktische Schicht mit einem oxidierenden Gas hydrophiliert
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in
Schritt (d) abgeschiedene epitaktische Schicht naßchemisch hydrophiliert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiterscheibe durch Aufsägen eines Halbleiterkristalls erzeugt und vor dem Polieren
einem Schleifschritt unterworfen wird, wobei eine oder beide Seiten der
Halbleiterscheibe geschliffen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem
Schleifen der Halbleiterscheibe eine Kante der Halbleiterscheibe verrundet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor
dem Polieren der Halbleiterscheibe ein Ätzschritt unter Materialabtrag von jeder der
beiden Scheibenseiten durchgeführt wird.
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