-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von epitaxierten
Siliciumscheiben.
-
Epitaktisch
beschichtete (epitaxierte) Siliciumscheiben eignen sich für
die Verwendung in der Halbleiterindustrie, insbesondere zur Fabrikation
von hochintegrierten elektronischen Bauelementen wie z. B. Mikroprozessoren
oder Speicherchips. Für die moderne Mikroelektronik werden
Ausgangsmaterialien (Substrate) mit hohen Anforderungen an globale
und lokale Ebenheit, Dickenverteilung, einseitenbezogene lokale
Ebenheit (Nanotopologie) und Defektfreiheit benötigt.
-
Die
globale Ebenheit bezieht sich auf die gesamte Oberfläche
einer Halbleiterscheibe abzüglich eines zu definierenden
Randausschlusses. Sie wird durch den GBIR („global backsurfacereferenced
ideal plane/range” = Betrag der positiven und negativen
Abweichung von einer rückseitenbezogenen Idealebene für
die gesamte Vorderseite der Halbleiterscheibe) beschrieben, welcher
der früher gebräuchlichen Angabe TTV („total thickness
variation” = Gesamtdickenvarianz) entspricht.
-
Die
früher gebräuchliche Angabe LTV („local
thickness variation”) wird heute gemäß SEMI-Norm
mit SBIR („site backsurface-referenced ideal plane/range” =
Betrag der positiven und negativen Abweichung von einer rückseitenbezogenen
Idealebene für eine einzelne Bauelementfläche
definierter Dimension) bezeichnet und entspricht dem GBIR bzw. TTV
einer Bauelementfläche („site”). Der
SBIR ist also im Gegensatz zur globalen Ebenheit GBIR auf definierte
Felder auf der Scheibe bezogen, also beispielsweise auf Segmente
eines Flächenrasters von Messfenstern der Größe
26 × 8 mm2 (Site-Geometrie). Der
maximale Site-Geometriewert SBiRmax gibt
den höchsten SBIR-Wert für die berücksichtigten
Bauelementeflächen auf einer Siliciumscheibe an.
-
Die
Bestimmung von maximalen Site-bezogenen Ebenheits- bzw. Geometriewerten
wie dem SBIRmax erfolgt üblicherweise
unter Berücksichtigung eines gewissen Randausschlusses
(EE = „Edge Exclusion”) von beispielsweise 3 mm.
Eine Fläche auf einer Siliciumscheibe innerhalb eines nominalen
Randausschlusses wird üblicherweise mit „Fixed
Quality Area”, abgekürzt FQA, bezeichnet. Jene
Sites, die mit einem Teil ihrer Fläche außerhalb
der FQA liegen, deren Zentrum jedoch innerhalb der FQA liegen, werden „partial
sites” genannt. Bei der Bestimmung der maximalen lokalen
Ebenheit werden die „partial sites” oft nicht
herangezogen, sondern nur die sog. „full sites”,
also die Bauelementeflächen, die vollständig innerhalb
der FQA liegen. Um maximale Ebenheitswerte vergleichen zu können,
ist es unverzichtbar, den Randausschluss und damit die Größe
der FQA und des Weiteren anzugeben, ob die „partial sites” berücksichtigt
wurden oder nicht.
-
Des
Weiteren ist es in Hinblick auf eine Kostenoptimierung heute vielfach üblich,
eine Siliciumscheibe nicht wegen beispielsweise nur einer den vom
Bauelementehersteller spezifizierten SBIRmax-Wert überschreitenden
Bauelementefläche zurückzuweisen, sondern einen
definierten Prozentsatz, z. B. 1%, an Bauelementeflächen
mit höheren Werten zuzulassen. Üblicherweise wird
der prozentuale Anteil der Sites, die unterhalb eines bestimmten
Grenzwerts eines Geometrieparameters liegen bzw. liegen dürfen,
durch einen PUA („Percent Useable Area”)-Wert
angegeben, der z. B. im Falle eines SBIRmax von
kleiner oder gleich 0,7 μm und eines PUA-Wertes von 99%
besagt, dass 99% der Sites einen SBIRmax von
gleich oder kleiner 0,7 μm aufweisen, während
für 1% der Sites auch höhere SBIR-Werte zugelassen
werden („chip yield”).
-
Nach
dem Stand der Technik lässt sich eine Siliciumscheibe herstellen
durch eine Prozessfolge Trennen eines Einkristalls aus Silicium
in Scheiben, Verrunden der mechanisch empfindlichen Kanten, Durchführung
eines Abrasivschrittes wie Schleifen oder Läppen, gefolgt
von einer Politur.
EP
547894 A1 be schreibt ein Läppverfahren; Schleifverfahren
sind in den Anmeldungen
EP
272531 A1 und
EP
580162 A1 beansprucht.
-
Die
endgültige Ebenheit wird in der Regel durch den Polierschritt
erzeugt, dem gegebenenfalls ein Ätzschritt zur Entfernung
gestörter Kristallschichten und zur Entfernung von Verunreinigungen
vorausgehen kann. Ein geeignetes Ätzverfahren ist beispielsweise
aus der
DE 19833257
C1 bekannt. Während die klassischen einseitig
arbeitenden Polierverfahren („single-side polishing”)
in der Regel zu schlechteren Planparallelitäten führen,
gelingt es mit beidseitig angreifenden Polierverfahren („double-side
polishing”), Siliciumscheiben mit verbesserter Ebenheit
herzustellen.
-
Bei
polierten Siliciumscheiben wird also versucht, die notwendige Ebenheit
durch geeignete Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Läppen
und Polieren zu erreichen.
-
Allerdings
ergibt sich nach der Politur einer Siliciumscheibe meist ein Abfall
der Dicke der ebenen Siliciumscheibe zum Rand hin („Edge
Roll-off”). Auch Ätzverfahren neigen dazu, die
zu behandelnde Siliciumscheibe am Rand stärker anzugreifen
und einen derartigen Randabfall zu erzeugen.
-
Um
dem entgegenzuwirken, ist es üblich, Siliciumscheiben konkav
oder konvex zu polieren. Eine konkav polierte Siliciumscheibe ist
in der Mitte dünner, steigt dann zum Rand hin in ihrer
Dicke an und weist in einem äußeren Randbereich
einen Dickenabfall auf. Eine konvex polierte Siliciumscheibe ist
dagegen in der Mitte dicker, fällt dann zum Rand hin in
ihrer Dicke ab und zeigt in einem äußeren Randbereich
einen ausgeprägten Dickenabfall.
-
In
der
DE 19938340 C1 ist
beschrieben, auf monokristallinen Siliciumscheiben eine monokristalline Schicht
aus Silicium mit derselben Kristallorientierung, einer sogenannten
epitaktischen Schicht, auf welcher später Halbleiter-Bauelemente
aufgebracht werden, abzuscheiden. Derartige Systeme weisen gegenüber Siliciumscheiben
aus homogenem Material gewisse Vorteile auf, beispielsweise die
Verhinderung einer Ladungsumkehr in bipolaren CMOS-Schaltkreisen
gefolgt vom Kurzschluss des Bauelementes („Latch-up”-Problem),
niedrigere Defektdichten (beispielsweise reduzierte Anzahl an COPs
(„crystal-originated particles”) sowie die Abwesenheit
eines nennenswerten Sauerstoffgehaltes, wodurch ein Kurzschlussrisiko
durch Sauerstoffpräzipitate in Bauelemente-relevanten Bereichen
ausgeschlossen werden kann.
-
Nach
dem Stand der Technik werden epitaxierte Siliciumscheiben aus geeigneten
Vorprodukten durch eine Prozesssequenz Abtragspolieren – Endpolieren – Reinigen – Epitaxie
hergestellt.
-
Aus
DE 10025871 A1 ist
beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumscheibe
mit einer auf ihrer Vorderseite abgeschiedenen epitaktischen Schicht
bekannt, das folgende Prozessschritte umfasst:
- (a)
als einzigen Polierschritt einen Abtragspolierschritt;
- (b) (hydrophiles) Reinigen und Trocknen der Siliciumscheibe;
- (c) Vorbehandeln der Vorderseite der Siliciumscheibe bei einer
Temperatur von 950 bis 1250 Grad Celsius in einem Epitaxiereaktor;
und
- (d) Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Vorderseite
der vorbehandelten Siliciumscheibe.
-
Es
ist üblich, um Siliciumscheiben vor Partikelbelastung zu
schützen, die Siliciumscheiben nach dem Polieren einer
hydrophilen Reinigung zu unterziehen. Diese hydrophile Reinigung
erzeugt auf Vorder- und Rückseite der Siliciumscheibe natives
Oxid (natürliches Oxid), das sehr dünn ist (etwa
0,5–2 nm, je nach Art der Reinigung und der Messung).
-
Dieses
native Oxid wird bei einer Vorbehandlung in einem Epitaxiereaktor
unter Wasserstoffatmosphäre (auch H2-Bake
genannt) entfernt.
-
In
einem zweiten Schritt werden die Oberflächenrauhigkeit
der Vorderseite der Siliciumscheibe reduziert und Polierdefekte
von der Oberfläche entfernt, indem üblicherweise
kleine Mengen eines Ätzmediums, beispielsweise gasförmigen
Chlorwasserstoffs (HCl), der Wasserstoffatmosphäre zugegeben
werden.
-
Manchmal
wird neben einem Ätzmedium wie HCl auch eine Silanverbindung,
beispielsweise Silan (SiH4), Dichlorsilan
(SiH2Cl2), Trichlorsilan
(TCS, SiHCl3) oder Tetrachlorsilan (SiCl4) in einer solchen Menge zur Wasserstoffatmosphäre
zugegeben, dass Siliciumabscheidung und Siliciumätzabtrag
im Gleichgewicht sind. Beide Reaktionen laufen jedoch mit hinreichend
hoher Reaktionsrate ab, so dass Silicium auf der Oberfläche
mobil ist und es zu einer Glättung der Oberfläche
und zum Entfernen von Defekten auf der Oberfläche kommt.
-
Epitaxiereaktoren,
die insbesondere in der Halbleiterindustrie zum Abscheiden einer
epitaktischen Schicht auf einer Siliciumscheibe verwendet werden,
sind im Stand der Technik beschrieben.
-
Während
sämtlicher Beschichtungs- bzw. Abscheideschritte werden
eine oder mehrere Siliciumscheiben mittels Heizquellen, vorzugsweise
mittels oberen und unteren Heizquellen, beispielsweise Lampen oder Lampenbänken
erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, bestehend
aus einem Quellengas, einem Trägergas und gegebenenfalls
einem Dotiergas, ausgesetzt.
-
Als
Auflage für die Siliciumscheibe in einer Prozesskammer
des Epitaxiereaktors dient ein Suszeptor, der beispielsweise aus
Graphit, SiC oder Quarz besteht. Die Siliciumscheibe liegt während
des Abscheideprozesses auf diesem Suszeptor oder in Ausfräsungen
des Suszeptors auf, um eine gleichmäßige Erwärmung
zu gewährleisten und die Rückseite der Siliciumscheibe,
auf der üblicherweise nicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas
zu schützen. Gemäß dem Stand der Technik
sind die Prozesskammern für eine oder mehrere Siliciumscheiben
ausgelegt.
-
Bei
Siliciumscheiben mit größeren Durchmessern (größer
oder gleich 150 mm) werden üblicherweise Einzelscheibenreaktoren
verwendet und die Siliciumscheiben einzeln prozessiert, da sich
dabei eine gute epitaktische Schichtdickengleichförmigkeit
ergibt. Die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke kann
durch verschiedene Maßnahmen eingestellt werden, beispielsweise
durch eine Veränderung der Gasflüsse (H2, SiHCl3), durch
Einbau und Verstellen von Gaseinlassvorrichtungen (Injektoren),
durch Änderung der Abscheidetemperatur oder Modifikationen
am Suszeptor.
-
In
der Epitaxie ist es weiterhin üblich, nach einer oder mehreren
epitaktischen Abscheidungen auf Siliciumscheiben eine Ätzbehandlung
des Suszeptors ohne Substrat durchzuführen, bei der der
Suszeptor und auch andere Teile der Prozesskammer von Siliciumablagerungen
befreit werden. Diese Ätze, beispielsweise mit Chlorwasserstoff
(MCl), wird bei Einzelscheibenreaktoren oft schon nach Prozessierung
von wenigen Siliciumscheiben (nach 1 bis 5 Siliciumscheiben), bei
Abscheidung von dünnen epitaktischen Schichten teilweise erst
nach Prozessierung von mehr Siliciumscheiben (nach 10 bis 20 Siliciumscheiben)
durchgeführt. Üblicherweise wird nur eine HCl-Ätzbehandlung
oder auch eine HCl-Ätzbehandlung mit nachfolgender, kurzer
Beschichtung des Suszeptors durchgeführt.
-
Die
Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben mit guter globaler
Ebenheit gestaltet sich äußerst schwierig, da – wie
zuvor erwähnt – als Substrat üblicherweise
eine konkav oder konvex polierte Siliciumscheibe vorliegt.
-
Das
Abscheiden einer dickeren epitaktischen Schicht im Zentrum der konkav
polierten Siliciumscheibe, wobei die Dicke dieser Schicht nach außen
in Richtung des Randes der Siliciumscheibe abnehmen müsste,
könnte zwar die ursprünglich konkave Form der
Siliciumscheibe kompensieren und somit auch die globale Ebenheit
der Siliciumscheibe verbessern. Da aber nicht vermieden werden kann,
dass dabei eine wichtige Spezifikation einer epitaxierten Siliciumscheibe,
nämlich ein Grenzwert für eine Gleichförmigkeit
der epitaktischen Schicht, überschritten würde,
kommt dies in der Epitaxie von Siliciumscheiben nicht in Frage.
Gleiches gilt für Verfahren, die darauf abzielen, zunächst
eine gleichförmige epitaktische Schicht auf einer konkaven oder
konvexen polierten Scheibe abzuscheiden, ohne zunächst
die geometrische Form der Scheibe zu beeinflussen und anschließend
die epitaktische Schicht ”zurechtzuätzen” oder
mittels anderer Materialabtragsverfahren wie z. B. Polieren auf
diese Weise die Gesamtgeometrie der epitaxierten Scheibe zu verbessern.
Auch in diesem Fall resultiert, je nach Ausmaß der benötigten
Materialabträge, eine epitaxierte Scheibe mit inhomogener
epitaktischer Schichtdicke, was einen nicht akzeptablen Nachteil
darstellt. Daher spielen derartige Verfahren in der Epitaxie von
monokristallinen Siliciumwafern mit Durchmessern von 300 mm oder
450 mm für modernste Anwendungen in der Halbleiterindustrie
praktisch keine Rolle.
-
Aus
DE 10 2005 045 339
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben
bekannt, bei dem eine Vielzahl von wenigstens auf ihren Vorderseiten
polierten Siliciumscheiben bereitgestellt und nacheinander jeweils
einzeln in einem Epitaxiereaktor beschichtet werden, indem jeweils
eine der bereitgestellten Siliciumscheiben auf einem Suszeptor im
Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre
bei einem ersten Wasserstofffluss von 20–100 slm sowie
in einem zweiten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums
zur Wasserstoffatmosphäre bei einem zweiten, reduzierten
Wasserstofffluss von 0,5–10 slm vorbehandelt, anschließend
auf ihrer polierten Vorderseite epitaktisch beschichtet und aus
dem Epitaxiereaktor entfernt wird, und des weiteren jeweils nach
einer bestimmten Zahl von epitaktischen Beschichtungen eine Ätzbehandlung
des Suszeptors erfolgt.
-
Ebenfalls
bekannt ist aus
DE
10 2005 045 339 A1 eine Siliciumscheibe mit einer Vorderseite
und einer Rückseite, wobei wenigstens ihre Vorderseite
poliert und wenigstens auf ihrer Vorderseite eine epitaktische Schicht
aufgebracht ist und die einen globalen Ebenheitswert GBIR von 0,07–0,3 μm
aufweist, bezogen auf einen Randausschluss von 2 mm.
-
Die
vergleichsweise gute Geometrie dieser epitaxierten Siliciumscheibe
resultiert daraus, dass es durch die Reduktion des Wasserstoffflusses
im zweiten Schritt der Vorbehandlung unter Zugabe eines Ätzmediums
gelingt, gezielt Material am Rand der Siliciumscheibe abzuätzen
und die Siliciumscheibe noch vor dem Epitaxierschritt global einzuebnen.
Nachteile des in
DE 10 2005
045 339 offenbarten Verfahrens bestehen darin, dass der
reduzierte Wasserstofffluss zwar die Ätzwirkung am Rand
der polierten Scheibe verstärkt, jedoch die Gasströmung über
die Halbleiterscheibe nicht laminar ist.
-
Die
Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein alternatives Verfahren
zur epitaktischen Beschichtung von Siliciumscheiben zur Verfügung
zu stellen, so dass epitaxierte Siliciumscheiben mit guter globaler
Ebenheit resultieren.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung
von epitaxierten Siliciumscheiben, bei dem eine Vielzahl von wenigstens
auf ihren Vorderseiten polierten Siliciumscheiben bereitgestellt
und nacheinander jeweils einzeln in einem Epitaxiereaktor beschichtet
werden, indem jeweils eine der bereitgestellten Siliciumscheiben
auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten
Schritt nur unter Wasserstoffatmosphäre bei einem Wasserstofffluss
von 1–100 slm sowie in einem zweiten Schritt unter Zugabe
eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre bei
einem Wasserstofffluss von 1–100 slm, bei einem Fluss des Ätzmediums
von 0,5–1,5 slm und bei einer mittleren Temperatur von
950–1050°C vorbehandelt und anschließend
auf ihrer polierten Vorderseite epitaktisch beschichtet und aus
dem Epitaxiereaktor entfernt wird, wobei beim zweiten Schritt der
Vorbehandlung die Leistung von über und unter dem Suszeptor
angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem
radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich der zu
epitaxierenden Siliciumscheibe und einem außerhalb dieses
Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied
von 5–30°C besteht.
-
Die
Erfindung macht sich zunutze, dass die Abtragsraten bei Behandlung
der Siliciumscheibe mit Wasserstoff und/oder Wasserstoff + Ätzmedium
temperaturabhängig ist. Dies ist in 2 gezeigt.
-
Bei
dem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich
der Siliciumscheibe handelt es sich vorzugsweise um einen Bereich
mit einer Ausdehnung von 1–150 mm, wenn der Durchmesser
der Siliciumscheibe 300 mm beträgt. Z. B. kann es sich
um einen kreisförmigen Bereich eines Durchmessers von 1–150
mm handeln, dessen Mittelpunkt dem Zentrum der Siliciumscheibe entspricht.
-
Weitere
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
abhängigen Produktansprüchen beansprucht.
-
Erfindungswesentlich
ist, dass die Temperatur in einer inneren Zone um das Zentrum von
Siliciumscheibe & Suszeptor
(es wird von oben und von unten geheizt) höher (oder niedriger)
ist als in einer äußeren Zone (Randbereich). Dies
hat aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Abtragsrate
zur Folge, dass der Materialabtrag entweder in der inneren Zone
oder im Randbereich höher ist. So kann der konvexen oder
konkaven Eingangsgeometrie der polierten Scheibe entgegengewirkt,
die globale Geometrie (TTV, GBIR) verbessert und schließlich
eine epitaxierte Siliciumscheibe mit guten Geometrieeigenschaften
bereitgestellt werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zeigt erstmals, dass
der Temperaturbereich von 950–1050°C hierfür wesentlich
ist.
-
Zur
Durchführung des Verfahrens eignet sich beispielsweise
der in
EP 0 445 596
B1 beschriebene Epitaxiereaktor. Er umfasst eine Reaktorkammer,
bestimmt durch ein Reaktorgefäß, das eine erste
Kuppel und eine zweite gegenüberliegende Kuppel aufweist, die
mechanisch gekoppelt sind, eine Halteeinrichtung zum Halten einer
Siliciumscheibe; eine Heizeinrichtung zum Heizen der Halbleiterscheibe,
wobei die Heizeinrichtung umfasst: eine erste Heizquelle, die sich
außerhalb der Kammer befindet und derart angeordnet ist,
dass Energie durch die erste Kuppel zu der Siliciumscheibe gestrahlt
wird; und eine zweite Heizquelle, die sich ebenfalls außerhalb
der Kammer befindet und die derart angeordnet ist, dass Energie
durch die zweite Kuppel zu der Siliciumscheibe gestrahlt wird; sowie
eine Gaseinlass- und auslassvorrichtung zum Einführen von
Gasen in die Kammer und zum Evakuieren von Gasen aus dieser.
-
Das
Aufheizen von Siliciumscheibe und Suszeptor erfolgt also üblicherweise
durch über und unter dem Suszeptor angeordnete Heizelemente.
Dabei handelt es sich bei Verwendung herkömmlicher Epitaxiereaktoren
wie der Epi Centura von Applied Materials um IR-Lampen, vgl.
EP 0 445 596 B1 .
Diese können z. B. kreisförmig angeordnet sein.
Es sind jedoch auch andere Arten von Heizelementen denkbar.
-
Außerdem
ist es möglich, die Leistung der Heizelemente getrennt
voneinander zu regeln. Bei den IR-Lampenbänken ist es möglich,
die Wärmeleistung gezielt auf einen inneren Bereich der
Reaktorkammer und getrennt davon auf einen äußeren
Bereich der Reaktorkammer zu lenken. Dies ist analog zu der bereits bekannten
Möglichkeit, die Gasflüsse im Reaktor in eine
sog. inner zone und eine outer zone zu verteilen.
-
Durch
geeignete Wahl der Leistung der Heizelemente, die die Temperatur
im inneren und äußeren Bereich beeinflussen, lässt
sich der erfindungswesentliche Temperaturunterschied zwischen innerer
Zone und äußerer Zone bewerkstelligen.
-
Wie 2 zeigt,
ist es möglich, durch geeignete Wahl der mittleren Temperatur
z. B. das Ausmaß des Materialabtrags bzgl. Breite und Höhe
im Zentrumsbereich der Siliciumscheibe festzulegen.
-
Erfindungswesentlich
sind also der Temperaturunterschied zwischen Bereichen der Siliciumscheibe und
die Wahl einer mittleren Temperatur von 950–1050°C.
-
Ausführliche Beschreibung
der Erfindung
-
Grundsätzlich
wird im erfindungsgemäßen Verfahren zunächst
eine Vielzahl von wenigstens auf ihrer Vorderseite polierten Siliciumscheiben
bereitgestellt.
-
Dazu
wird ein nach dem Stand der Technik, vorzugsweise durch Tiegelziehen
nach Czochralski, hergestellter Silicium-Einkristall mittels bekannter
Trennverfahren, vorzugsweise durch Drahtsägen mit freiem („Slurry”)
oder gebundenem Korn (Diamantdraht) in eine Vielzahl von Siliciumscheiben
zersägt.
-
Des
Weiteren erfolgen mechanische Bearbeitungsschritte wie sequentielle
Einseiten-Schleifverfahren („single-side grinding, SSG),
simultane Doppelseiten-Schleifverfahren („double-disc grinding”,
DDG) oder Läppen. Die Kante der Siliciumscheibe einschließlich
von gegebenenfalls vorhanden mechanischen Markierungen wie einer
Orientierungskerbe („notch”) oder einer im wesentlichen
geradlinigen Abflachung des Siliciumscheibenrandes („flat”)
werden in der Regel auch bearbeitet (Kantenverrunden, „edge-notch-grinding”).
-
Außerdem
sind chemische Behandlungsschritte vorgesehen, die Reinigungs- und Ätzschritte
umfassen.
-
Nach
den Schleif-, Reinigungs- und Ätzschritten erfolgt eine
Glättung der Oberfläche der Siliciumscheiben durch
Abtragspolitur. Beim Einseitenpolieren („single-side polishing”,
SSP) werden Siliciumscheiben während der Bearbeitung rückseitig
auf einer Trägerplatte mit Kitt, durch Vakuum oder mittels
Adhäsion gehalten. Beim Doppelseitenpolieren (DSP) werden
Siliciumscheiben lose in eine dünne Zahnscheibe eingelegt
und vorder- und rückseitig simultan „frei schwimmend” zwischen
einem oberen und einem unteren, mit einem Poliertuch belegten Polierteller
poliert.
-
Anschließend
werden die Vorderseiten der Siliciumscheiben vorzugsweise schleierfrei
poliert, beispielsweise mit einem weichen Poliertuch unter Zuhilfenahme
eines alkalischen Poliersols; zum Erhalt der bis zu diesem Schritt
erzeugten Ebenheit der Siliciumscheiben liegen die Materialabträge
dabei relativ niedrig, bevorzugt 0,05 bis 1,5 μm. In der
Literatur wird dieser Schritt oft als CMP-Politur (chemo-mechanical
polishing) bezeichnet.
-
Nach
der Politur werden die Siliciumscheiben einer hydrophilen Reinigung
und Trocknung nach dem Stand der Technik unterzogen. Die Reinigung
kann entweder als Batchverfahren unter gleichzeitiger Reinigung einer
Vielzahl von Siliciumscheiben in Bädern oder mit Sprühverfahren
oder auch als Einzelscheibenprozess ausgeführt werden.
-
Bei
den bereitgestellten Siliciumscheiben handelt es sich vorzugsweise
um Scheiben aus monokristallinem Siliciummaterial, SOI(„silicon-on-insulator”)-Scheiben,
Siliciumscheiben mit verspannten Siliciumschichten („strained
silicon”) oder sSOI(„strained silicon-on-insulator”)-Scheiben.
Verfahren zur Herstellung von SOI- oder sSOI-Scheiben wie SmartCut
sowie Verfahren zur Herstellung von Scheiben mit verspannten Siliciumschichten
sind im Stand der Technik bekannt.
-
Die
bereit gestellten polierten Siliciumscheiben werden anschließend
in einem Epitaxiereaktor jeweils einzeln vorbehandelt.
-
Die
Vorbehandlung umfasst jeweils eine Behandlung der Siliciumscheibe
in Wasserstoffatmosphäre (H2-Bake)
und eine Behandlung der Siliciumscheibe unter Zugabe eines Ätzmediums
zur Wasserstoffatmosphäre, jeweils in einem Temperaturbereich
von 950 bis 1050°C.
-
Beim Ätzmedium
handelt es sich vorzugsweise um Chlorwasserstoff (HCl).
-
Die
Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre erfolgt bei einem
Wasserstofffluss von 1–100 slm (Standard Liter pro Minute),
besonders bevorzugt 40–60 slm.
-
Die
Dauer der Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre beträgt
vorzugsweise 10–120 s.
-
Bei
der Vorbehandlung mit dem Ätzmedium beträgt der
Fluss des Ätzmediums 0,5–1,5 slm.
-
Der
Wasserstofffluss beträgt auch bei der Vorbehandlung mit
dem Ätzmedium 1–100 slm, besonders bevorzugt 40–60
slm.
-
Beim
zweiten Schritt der Vorbehandlung wird die Leistung der über
und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelemente derart geregelt,
dass ein radialsymmetrischer, die zentrale Achse umfassender Bereich
der zu epitaxierenden Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von
1–150 cm eine um, gegenüber dem außerhalb
dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe, 5–30°C
erhöhte Temperatur aufweist.
-
Bei
der HCl-Ätzbehandlung ist – je nach gewünschtem
Materialabtrag am Rand der zu epitaxierenden Siliciumscheibe – eine
Behandlungsdauer von 10–120 s bevorzugt, ganz besonders
bevorzugt 20–60 s.
-
Der
besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Siliciumscheibe
nach den Vorbehandlungsschritten eine für die nachfolgende
Abscheidung einer epitaktischen Siliciumschicht optimale Form der Vorderseite
erhält, da durch die Vorbehandlung die Siliciumscheibe
die konvexe oder konkave Form der Siliciumscheibe kompensiert wird.
-
Im
erfindungsgemäßen Verfahren entspricht die innere
Zone vorzugsweise einem Kreis von 1–150 mm Durchmesser
um das Zentrum der Siliciumscheibe, während die äußere
Zone einem Ring von 1–150 mm Breite, die den Rand der Siliciumscheibe
umfasst, entspricht. Diese Werte entsprechen der Anwendung der Erfindung
auf Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm. Bei Verwendung
von Siliciumscheiben der nächsten Generation mit einem
Substratdurchmesser von 450 mm, werden innere und äußere
Zone entsprechend gewählt, ebenso bei kleineren Substraten
wie 200 mm- oder 150 mm- Scheiben.
-
Die
Erfindung ermöglicht es, die äußere Zone
abhängig von der Eingangsgeometrie der zu epitaxierenden
Siliciumscheibe zu wählen. Vorzugsweise wird zunächst
in einem zu epitaxierenden Los von Siliciumscheiben die Eingangsgeometrie
der polierten Scheibe ermittelt und anschließend die entsprechenden
Prozesseinstellungen für die Vorbehandlungsschritte im
Epitaxiereaktor gewählt, also insbesondere die Ausdehnung
von innerer Zone, die Lampenleistung und der Temperaturunterschied
zwischen innerer und äußerer Zone während
der Ätzbehandlung im Reaktor.
-
Nach
den Vorbehandlungsschritten wird eine epitaktische Schicht wenigstens
auf der polierten Vorderseite der Siliciumscheibe abgeschieden.
Dazu wird Wasserstoff als Trägergas eine Silanquelle als
Quellengas zugegeben. Die Abscheidung der epitaktischen Schicht
erfolgt abhängig von der verwendeten Silanquelle bei einer
Temperatur von 900–1200°C.
-
Vorzugsweise
wird als Silanquelle Trichlorsilan (TCS) verwendet bei einer Abscheidetemperatur
von 1050–1150°C, die also über dem bei
den Vorbehandlungsschritten wesentlichen Temperaturbereich liegt.
-
Die
Dicke der abgeschiedenen epitaktischen Schicht beträgt
vorzugsweise 0,5–5 μm.
-
Nach
Abscheidung der epitaktischen Schicht wird die epitaxierte Siliciumscheibe
aus dem Epitaxiereaktor entfernt.
-
Nach
einer bestimmten Zahl an epitaktischen Abscheidungen auf Siliciumscheiben
erfolgt eine Behandlung des Suszeptors mit einem Ätzmedium,
vorzugsweise mit HCl, um den Suszeptor beispielsweise von Siliciumablagerungen
zu befreien.
-
Vorzugsweise
erfolgt ein Suszeptorätzen jeweils nach 1–15 epitaktischen
Beschichtungen von Siliciumscheiben. Dazu wird die epitaxierte Siliciumscheibe
entfernt und der substratfreie Suszeptor mit HCl behandelt.
-
Vorzugsweise
wird neben der Suszeptoroberfläche die gesamte Prozesskammer
mit Chlorwasserstoff gespült, um Siliciumablagerungen zu
entfernen.
-
Vorzugsweise
erfolgt nach dem Suszeptorätzen vor weiteren epitaktischen
Prozessen eine Beschichtung des Suszeptors mit Silicium. Dies kann
vorteilhaft sein, da die zu epitaxierende Siliciumscheibe dann nicht direkt
auf dem Suszeptor aufliegt.
-
Außerdem
hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet ist, eine Siliciumscheibe herzustellen, die eine Vorderseite
und eine Rückseite umfasst, wobei wenigstens ihre Vorderseite
poliert und wenigstens auf ihrer Vorderseite eine epitaktische Schicht
aufgebracht ist und die einen globalen Ebenheitswert GBIR von 0,02–0,06 μm
aufweist, bezogen auf einen Randausschluss von 2 mm.
-
Wird
ein Randausschluss von 1 mm herangezogen, also ein verschärftes
Kriterium, ergeben sich GBIR-Werte von 0,04 bis 0,08 μm.
-
Die
lokale Ebenheit, ausgedrückt durch den SBIRmax,
liegt bei der erfindungsgemäß epitaxierten Siliciumscheibe
bei größer oder gleich 0,02 μm und kleiner
oder gleich 0,05 μm, ebenfalls bei einem Randausschluss
von 2 mm und bezogen auf Teilbereiche eines Flächenrasters
von Segmenten der Größe 26 × 8 mm2. Dabei ergeben sich 336 Segmente, davon
52 „partial sites”. Die „partial sites” werden
bei der Bestimmung des SBIRmax vorzugsweise
berücksichtigt. Der PUA-Wert beträgt vorzugsweise
100%.
-
Bezogen
auf einen Randausschluss von 1 mm ergibt sich ein SBIRmax von
0,04 bis 0,07 μm.
-
Die
Siliciumscheibe ist vorzugsweise eine Scheibe aus monokristallinem
Siliciummaterial, eine SOI(„silicon-on-insulator”)-Scheibe,
eine Siliciumscheibe mit einer verspannten Siliciumschicht („strained
silicon”) oder eine sSOI(„strained silicon-on-insulator”)-Scheibe,
die mit einer epitaktischen Schicht versehen ist.
-
Die
erfindungsgemäße epitaxierte Siliciumscheibe weist
vorzugsweise eine Epi-Schichtdickengleichförmigkeit von
höchstens 2,0 auf. Die Epi-Schichtdickengleichförmigkeit
lässt sich durch Messung von Mittelwert t und Range Δt
= tmax – tmin der
Epi-Schichtdicke ermitteln. Besonders bevorzugt liegt Δt/t
bei 0,5%–2,0%, ganz besonders bevorzugt bei 1,0%–1,5%.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt bei den
beanspruchten Gasflüssen und Gasflussverteilungen die Herstellung
von epitaxierten Siliciumscheiben mit diesen Epi-Schichtdickengleichförmigkeiten.
-
Wenn
im Stand der Technik versucht wird, die konkave Eingangsgeometrie
der polierten Siliciumscheibe dadurch zu korrigieren, dass bei der
Epitaxie in der Mitte der Siliciumscheibe eine dickere (oder eine
dünnere) Epitaxieschicht abgeschieden wird, oder dadurch,
dass zwar zunächst eine weitgehend gleichförmige Epitaxieschicht
abgeschieden wird, die konkave Geometrie der epitaxierten Siliciumscheibe
jedoch anschließend durch Ätzabtrag an der Epitaxieschicht
korrigiert wird, ist es unmöglich, den für die
Bauelementehersteller äußerst wichtigen und kritischen
Parameter Epi-Schichtdickengleichförmigkeit in jenem engen
Bereich von kleiner oder gleich 2% zu halten.
-
Beispiel:
-
Das
Beispiel bezieht sich auf einen Epitaxiereaktor vom Typ Epi Centura
von Applied Materials. Ein schematischer Aufbau der Reaktorkammer
einer solchen Anlage ist in 1 gezeigt.
-
1 zeigt
den schematischen Aufbau einer Reaktorkammer eines Epitaxierreaktors
zur Durchführung des Verfahrens.
-
2 zeigt
den Materialabtrag an einer polierten Siliciumscheibe mit Durchmesser
300 mm durch Ätz-Vorbehandlung in einem Epitaxiereaktor
für verschiedene Behandlungstemperaturen.
-
In 1 ist
der schematische Aufbau einer Reaktorkammer zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Dargestellt sind Heizelemente 11 (oben, äußerer
Bereich), 12 (oben, innerer Bereich), 13 (unten,
innerer Bereich) und 14 (unten, äußerer
Bereich). Der Reaktor umfasst einen Suszeptor 4 zur Aufnahme
der zu epitaxierenden Siliciumscheibe, eine Gaseinflussvorrichtung 2,
eine Gasabflussvorrichtung 3, eine Vorrichtung 5 zur
Lagerung und zum Anheben von Suszeptor bzw. Substrat (z. B. über
sog. Lift Pins) sowie Pyrometer 61 und 62 zur
berührungslosen Temperaturmessung in der Reaktorkammer.
-
Tabelle
1 zeigt nun beispielhaft typische Werte für Lampenleistungen
bei der Epi Centura, die den erfindungswesentlichen Temperaturunterschied
zwischen innerer und äußerer Zone bewerkstelligen.
-
Die
gesamte Lampenleistung beträgt in diesem Fall 70 kW, verteilt
auf die vier in 1 dargestellten Lampenbänke
(oben/innen, oben/außen, unten/innen, unten/außen).
Dies entspricht einer mittleren Temperatur in der Kammer von etwa
950–1050°C.
-
60%
der Gesamtleistung kommt von den oberen Lampenbänken bzw.
Heizelementen. Tabelle 1
Gesamtleistung | | Obere
Heizelemente | | Untere
Heizelemente | |
70 kW | | 25
kW = 60% von 70 kW | | 45
kW = 40% von 70 kW | |
| Verteilung
Innen/Außen | Innen | Außen | Innen | Außen |
| Epitaxieren | 13,5 kW = 54% von 25
kW | 11,5 kW | 5,85 kW = 13% von 45
kW | 39,15 kW |
| | | | | |
| Ätzvorbehandlung | 16,5
kW = 66% von 25 kW | 8,5
kW | 7,2
kW = 16% von 45 kW | 37,8
kW |
-
Die
Verteilung der Lampenleistung auf innen/außen ist bei der Ätzvorbehandlung
anders als beim Epitaxieren.
-
Die
Verteilung 54%/13% führt bei der Epi Centura zu einer homogen
Temperaturverteilung auf Siliciumscheibe und Suszeptor. Hier ist
die Temperatur in allen Bereichen der Siliciumscheibe im Wesentlichen gleich.
Zum Erreichen einer homogenen Temperaturverteilung muss für
jede Reaktorkammer eine optimale Energieverteilung bestimmt werden.
Diese kann bei verschiedenen Reaktorkammern auch des gleichen Reaktortyps
(z. B. Epi Centura) variieren.
-
Vorzugsweise
wird zur Bestimmung der optimalen Energieverteilung für
den Epitaxieschritt wie folgt vorgegangen: Es wird eine Gruppe von
p-Scheiben (z. B. fünf Scheiben) jeweils mit einem Substratwiderstand > 10 Ohmcm verwendet.
Für jede Scheibe werden unterschiedliche Energieverteilungen
eingestellt (z. B. Scheibe 1: 54%/13% ... Scheibe 2: 58%/14% usw.).
Die fünf Scheiben werden dann zum Beispiel mit einem SP1
Lichtstreuungs-Messgerät der Firma KLA Tencor vermessen
und – falls nötig – unter einem Mikroskop
untersucht. Es wird eine mittlere Einstellung für die weiteren
Epitaxieschritte gewählt. Ziel ist es, für den
Epitaxieschritt eine möglichst homogene Energieverteilung über
die Siliciumscheibe zu erreichen. Dieses Vorgehen wird unter Fachleuten
auf dem Gebiet der Halbleiterepitaxie auch als „ein Gleitungsfenster
fahren” bezeichnet.
-
In
der laufenden Produktion werden regelmäßig Scheiben
auf etwaige Gleitungen untersucht. Falls Gleitungen auf den Scheiben
sind, wird das „Gleitungsfenster” gefahren, um
erneut eine optimale Einstellung der Energieverteilung zu bestimmen.
-
In
der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ausgehend von einer
auf solche Art optimierten Energieverteilung für den Epitaxieprozess,
die Leistung in der inneren Zone für die Ätzvorbehandlung
erhöht, um den erforderlichen Temperaturunterschied zwischen
innerer und äußerer Zone zu erzielen.
-
Ergibt
sich beispielsweise für den Epi-Prozess ein optimierter
Wert von 54% bzw. 62% für die Leistung der oberen Heizelemente
in die innere Zone (für homogene Temperaturverteilung über
ganze Scheibe), so ist für die Ätzvorbehandlung
ein Wert von 66% bzw. 72% bevorzugt.
-
Bei
der Ätzvorbehandlung wird also die Energieverteilung ausgehend
von der vorherigen Optimierung stets anders gewählt, um
den erfindungswesentlichen Temperaturunterschied von 5–30°C
zu erreichen.
-
Die
Verteilung 66%/16% aus Tabelle 1 führt zu einem Temperaturunterschied
von etwa 20°C. Variationen dieser Verteilung ermöglichen
die Einstellung des Temperaturunterschieds im gesamten beanspruchten Bereich.
-
2 zeigt
den Materialabtrag von Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von
300 mm (daher die Achsenbeschriftung von –150 mm bis +150
mm) in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Siliciumscheibe.
Bei den Vorbehandlungsschritten wurde die Verteilung 66%/16% aus
Tabelle 1 verwendet. Der Temperaturunterschied zwischen innerer
und äußerer Zone der Siliciumscheibe betrug also
etwa 20°C.
-
Es
zeigt sich, dass der Materialabtrag im inneren Bereich der Siliciumscheibe
um deren Zentrum (x-Achse = 0) eine deutliche Temperaturabhängigkeit
zeigt. Eine Temperatur von 980°C bzw. 1000°C und 1020°C
zeigt ein Ätzabtrags-Profil, das besonders geeignet ist,
die Geometrie für die meisten konvex polierten Siliciumscheiben
in besonders vorteilhafter Weise zu korrigieren. Daher ist dieser
Temperaturbereich für das erfindungsgemäße
Verfahren ganz besonders bevorzugt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 547894
A1 [0007]
- - EP 272531 A1 [0007]
- - EP 580162 A1 [0007]
- - DE 19833257 C1 [0008]
- - DE 19938340 C1 [0012]
- - DE 10025871 A1 [0014]
- - DE 102005045339 A1 [0026, 0027]
- - DE 102005045339 [0028]
- - EP 0445596 B1 [0036, 0037]