DE1521975C - Verfahren zum Dünnätzen von Siliciumscheiben - Google Patents

Description

Die Anforderungen im Hochfrequenzverhalten vieler Halbleiterbauelemente, insbesondere bei Speicherschaltdioden, setzen definiert dünne Kristallschichten verschiedener Dotierung voraus. Zusätzlich ist noch eine hohe Lebensdauer der Minoritätsladungsträger erforderlich, so daß die Epitaxialtechnik nur beschränkt anwendbar ist.

Das Schaltverhalten von Speicherschaltdioden wird zum großen Teil vom Störstellengradienten im Bereich des pn-Überganges bestimmt. Im Bereich optimaler Diffusionsbedingungen verursacht eine um ca. μ schwankende .Scheibendicke des Siliciumeinkristalls eine Veränderung j3es_Störstellengradienten um den Faktor 10. "

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, planparallele, etwa 45 μ dünne, hochohmige Siliciumeinkristallscheiben mit einer Dickentoleranz innerhalb der Scheibe von ± 1 μ herzustellen.

Es ist sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, dünne, hochohmige Siliciumscheiben ohne größere Zerstörungstiefe und Welligkeit bzw. Balligkeit der Kristalloberfläche als 3 μ durch mechanisches Polieren oder Ätzen mit sauren Ätzlösungen herzustellen. Die gebräuchlichsten Ätzlösungen bestehen aus einem Gemisch von konzentrierter Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure. Bei der Abätzung von Siliciumeinkristallen entstehen je nach Essigsäurekonzentration ballige und bei höheren Konzentrationen konkave Oberflächen. Außerdem erfolgt der Ätzabtrag nur sehr ungleichmäßig und ist von den verschiedenen Kristallorientierungen und von Versetzungen sehr stark abhängig. ■

Mittels alkalischer Ätzlösungen, z. B, mit konzentrierten Lösungen von KOH oder NaOH, bei verschiedenen Temperaturen erhält man eine günstigere Temperaturkonstanz als bei sauren Ätzlösungen, weil die freiwerdende Reaktionswärme bei tiefen Temperaturen infolge des langsamen Reaktionsablaufs leicht abfließen kann, andererseits kann sich eine nahe am Siedepunkt befindliche Lösung nicht mehr wesentlich erwärmen. Trotzdem ergeben Kristallscheiben auch bei alkalischen Ätzlösungen keine planparallelen Oberflächen, .wegen der schon nach dem Poliervorgang vorhandenen welligen ^Oberfläche von größer 3 μ. Außerdem ergibt die Ätzung in reiner KOH- bzw. NaOH-Lösung eine vom Rand der wie üblich in (lll)-Richtung orientierten Scheibe her stärkeren Materialangriff als auf der Kristalloberfläche. (

Durch Zusätze von Oxydations- bzw. Reduktionsmitteln zu Ätzlösungen kann die Abtraggeschwindigkeit beim Dickenätzen beeinflußt werden. Durch oxy-. dierende bzw. reduzierende Zusätze zu alkalischen Ätzlösungen kann die Dickenätzgeschwindigkeit an nach (lll)-Ebenen orientierten Siliciumscheiben um den Faktor 2 und mehr herab- bzw. heraufgesetzt werden, während die Ätzung vom Rand her nur relativ wenig beeinflußt wird. Die stärksten Oxydationsmittel bringen die Reaktion sogar zum Stillstand.

Wendet man diese Art der Oberflächenätzung zur Herstellung von dünnen Siliciumeinkristallscheiben aus hochohmigem Material für Kristalle an, deren geläppte Oberflächen in der (lll)-Ebene orientiert sind, so entstehen auf den Oberflächen Ätzgruben, die eine Oberflächenrauhigkeit, das heißt eine Tiefe der gefundenen Unebenheiten aufweist, die bei 8 bis 12 μ liegt.

Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum Herstellen von dünnen, planparallelen, insbesondere hochohmigen Scheiben von Siliciumeinkristallen mit einer Oberflächenrauhigkeit kleiner 2 μ und einer Dicke , von 5 bis 100 μ, vorzugsweise 45 #, zur Herstellung ν von Halbleiterbauelemente durch Ätzen der Einkristallscheiben nach erfolgtem Läppen und Feinpolieren mittels einer Oxydationsmittel enthaltenden alkali-

sehen Ätzlösung, bei dem der Vorteil der alkalischen Ätzlösungen mit oxydierenden Zusätzen bei höheren Temperaturen an geläppte Siliciumeinkristallscheiben mit einer für den Ätzabtrag besonders günstigen Kristallorientierung verbunden ist.

5 Dabei werden gemäß der Lehre der Erfindung in der (HO)- oder (511)-Ebene orientierte Einkristallscheiben mit einer Lösung geätzt, die als Oxydationsmittel Brom und/oder höherwertige Sauerstoffverbindungen von Brom, Blei oder Mangan enthalten. Am geeignetsten ist Kaliumdichromat K₂Cr₂O₇, welches in der Kalilauge in seine weniger stark oxydierenden Zerfallsprodukte übergeht, welche eine bestimmte hohe Konzentration erreichen und die Zerfallsreaktion verlangsamen. Solange noch unzerfallenes

K₂Cr₂O₇ in der Ätzlösung vorhanden ist, greift selbst siedende, hochkonzentrierte KOH oder NaOH die Oberfläche des Siliciums kaum an.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vor-

gesehen, daß die Herstellung der in der (511)-Ebene orientierten Siliciumeinkristalle durch Schneiden aus einem (lll)-orientierten Kristall, der längs einer unter ca. 20 ° zur Stabachse geneigten (111)-Fläche derart verzwülingt ist, daß die meisten Scheiben einen (Hl)- und einen um 16° fehlorientierten (lOO)-Oberflächenanteil (eigentlich (511)-Obefläche) zeigen, erfolgt.

Die Konzentration der Ätzlösung an alkalischen Bestandteilen wird bei dem der Erfindung zugrundeliegenden Verfahren zwischen 10- und 50prozentig, vorzugsweise 40prozentig, eingestellt. Der Zusatz von Oxydationsmitteln erfolgt im Überschuß, so daß am Anfang der Reaktion ein Bodensatz von beispielsweise K₂Cr₂O₇ oder K₂CrO₄ vorhanden ist. Die Temperatur während des Ätzvorganges wird in der Nähe des Siedepunktes der Ätzlösung, z.B. bei 12O⁰C, konstant gehalten.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung, planparallele, etwa 45 μ dünne, hochohmige Siliciumscheiben mit einem spezifischen Widerstand größer 20 Ohm. cm mit einer Dickentoleranz innerhalb der Scheiben von ± 1 μ herzustellen, wurde mit die mit alkalischen Lösungen, mit reaktionshemmenden Zusätzen von Oxydationsmitteln, auf die gewünschte Dicke abgeätzt wurden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren näher erläutert werden.

Die auf 180 ± 1 μ geläppten, möglichst versetzungsarmen Siliciumeinkristallscheiben mit einem spezifisehen Widerstand größer 20 OHm.cm und einer (HO)-orientierten Oberfläche werden in einer Teflonhalterung aufrechtstehend in einem Aluminiumoxidgefäß mit 40prozentiger NaOH-Lösung, die mit einem Überschuß von K₂CrO₄ oder Na₂Cr₂O₇ versetzt ist, behandelt und bis zur gewünschten Scheibendicke, beispielsweise bis zu 45 μ, abgeätzt. Unter Überschuß von K₂CrO₄ oder Na₂Cr₂O₇ ist zu verstehen, daß soviel Chromsalz zugegeben wird, daß während der Ätzreaktion immer ein Bodensatz davon vorhanden ist. Das Ätzgefäß aus Aluminiumoxid wird in ein 125 ⁰C heißes Glycerinbad eingetaucht, welches mit Heizschlange und Kontaktthermometer auf konstanter Temperatur gehalten wird. Das Ätzgefäß ist zur Vermeidung übermäßiger Verdampfung und der Bildung von Carbonaten mit einer Abdeckung versehen. An Stelle von NaOH kann auch KOH verwendet werden. Im Anschluß an dialkalische Ätzung erfolgt zur Beseitigung von Schwermetallbelägen auf den Siliciumeinkristallscheiben vor der Weiterverarbeitung eine kurze Überätzung in einem Flußsäure-Salpetersäure-Gemisch. Die Dauer des gesamten Ätzvorganges ist abhängig von der Temperatur der Ätzlösung und beträgt bei einer Ausgangsstärke der Siliciumscheiben von 180 ± 1 μ bis zur gewünschten Scheibendicke von beispielsweise 45 ± 1 μ bei den oben angegebenen Bedingungen 40 bis 45 Minuten.

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen dünnen Siliciumscheiben weisen eine Oberflächenrauhigkeit kleiner 2 μ ohne zusätzliche Balligkeit und Welligkeit der Scheibe auf.

Geht man wiederum von feingeläppten, aber durch das Feinläppen balligen (511)-orientierten Scheiben aus, so erhält man mit der dem Verfahren gemäß der Erfindung zugrundeliegenden Ätzlösung und bei gleichen Arbeitsbedingungen fast beliebig dünne Scheiben mit einer Oberflächenrauhigkeit von kleiner 1 μ.

Es ist nicht gelungen, sowohl auf (lOO)-Oberflächen als auch auf (lll)-Oberflächen ohne Fehlorientierung beim Dickenätzen eine bessere einebnende Wirkung als einer Oberflächenrauhigkeit von 8 bis 12 μ entspricht auch mit oxydierenden oder reduzierenden Zusätzen in der Ätzlösung zu erzielen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich in sehr vorteilhafter Weise auf die Herstellung von Halbleiterbauelementen anwenden, bei denen sehr dünne Kristallschichten erforderlich sind, wie z.B. bei Speicherschaltdioden.

Weiterhin ist es möglich, das Verfahren gemäß der Erfindung auch zur Herstellung von piezoresistiven Anordnungen zu verwenden, beispielsweise für Dehnungsmeßstreifen.

Claims (6)

1 521 S75 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von dünnen, planparallelen, insbesondere hochohmigen Scheiben von Siliciumeinkristallen mit einer Oberflächenrauhigkeit kleiner 2 μ und einer Dicke von 5 bis 100 μ, vorzugsweise 45 μ, zur_ Herstellung von Halbleiterbauelementen, durch Ätzen der Einkristallscheiben nach erfolgtem Läppen und Feinpolieren mittels einer Oxydationsmittel enthaltenden alkalischen Atzlösung, dadurch gekennzeichnet, daß in der (HO)- oder (511)-Ebene orientierte Einkristallscheiben mit einer Lösung geätzt werden, die als Oxydationsmittel Brom und/oder höherwertige Sauerstoffverbindungen enthalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der in der (511)-Ebene orientierten Siliciumeinkristalle durch Schneiden aus einem mit einer Zwillingsbildung versehenen, (11 l)-orientierten Kristall erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallscheiben mit einer Lösung geätzt werden, die als höherwertige Sauerstoffverbindung K₂Cr₂O₇ oder K₂CrO₄ enthält.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristallscheiben mit einer Lösung geätzt werden, welche in bezug auf ihre alkalisch wirkenden Bestandteile eine Konzentration von 10 bis 50%, vorzugsweise 40 %, aufweist.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Atzung in der Nähe des Siedepunktes der Ätzlösung unter Konstanthaltung der Temperatur, vorzugsweise bei 120° C, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die höherwertigen Sauerstoffverbindungen in übersättigter Lösung zugesetzt werden.