DE2007865C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Polieren einer Siliciumoberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polieren von Siliciumoberflächcn, bei welchem dem mechanischen Pollervorgang ein unter Beteiligung von Fluorionen ablaufender chemischer Poltervorgang überlagert wird. Eine Weilerbildung der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Ein Verfahren der genannten Art ist aus der DE-AS 52 183 bekannt. Integrierte monolithische Halbleiterschaltungen, Transistoren, Dioden und andere, z, B, passive Halbleiterbauelemente, werden durch verschiedene aufeinanderfolgende Verfahrensschntte, wie Diffusion und Epitaxie auf planaren Siliciumoberfläctien hergestellt. Die Perfektion dieser planaren Siliciumdberflachen in bezug auf die OberfläclTenrauhigkcit, welche so gut sein muß, daß die Abweichungen von der Idealoberfläche größenordnungsmäßig höchstens einige zehntel nm betragen, die Oberflächenebenheit, die Einheitlichkeit und die Freiheit von chemischen Schädigungen ist eine Grundforderung für die Herstellung von Halbleiterbauelementen. Die Bedeutung ist aus dem Umstand zu ersehen, daß heutzutage mehr als 20 000 aktive und passive Halbleiterbauelemente auf einem Siliciumplättchen von etwa 3 cm Durchmesser gebildet werden. Die Oberflächenebenheit des Siliciumplättchens ist für die Maskierung bei den phntolithographischen Verfahren wegen der Forderung von kleinsten Abmessungen der Halbleiterbauelemente sehr kritisch. Eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Oberfläche der Maske und der Oberfläche des Siüciumplättchens, hervorgerufen durch stärkere Abweichungen der Siliciumoberfläche von einer idealen planaren Oberfläche, beeinflußt die Nebeneinanderanordnung von Halbleiterbauelementen mit feinen Strukturen auf der Oberfläche des Siliciumplättchens. Diese Unebenheit wird zur Kante des Siliciumplättchens hin stärker. Daraus ergeben sich an der Peripherie des Siliciumplättchens fehlerhafte Halbleiterbauelemente. Wie groß der Bereich mit den fehlerhaften Halbleiterbauelementen ist, hängt von dem Ausmaß der Unebenheit des Siliciumplättchens ab. Mechanische oder physikalische Defekte und Unregelmäßigkeiten in der planaren Silicumoberfläche erzeugen außerdem auf der gesamten Oberfläche gerade noch oder nicht mehr brauchbare Halbleiterbauelemente, was die Ausbeute stark verringern kann.

Zur Lösung dieser Probleme wurden bisher schon mehrere Verfahren bekannt Zu ihnen gehören das chemische Ätzen, das Elektropolieren, das mechanische Läppen und Polieren sowie die Anwendung mehrerer dieser Polierschritte nacheinander. Mit dem mechanisehen Polieren, das im allgemeinen aus einem Abschleifen und Polieren mit Poliermitteln von zunehmender Feinheit besteht, lassen sich die meisten Kratzer und Grübchen in einer Siliciumoberfläche entfernen. Die Poliermittel selbst beschädigen jedoch die Siliciumoberfläche in AWiringigkeit von der Partikelgröße des Poliermittels und den Umgebungsbedingungen, wie Druck und Temperatur. Daher schließt das mechanische Polieren im allgemeinen mit einem chemischen Ätzen zur Entfernung dieser Schäden im Siliciumplättchen ab. Während sich mit diesen Verfahren zwar die Oberflächenbeschaffenheit von Siliciumoberflächen wesentlich verbessern läßt, sind sie doch zeitaufwendig und erzeugen keine vollkommene planere und kristallographisch perfekte Siliciumoberflächen.

Die erstrebte plane und perfekte Siliciumoberfläche kann auch durch das aus der DE-AS 12 52 183 bekannte Verfahren noch nicht erreicht werden, bei dem als chemisch wirksame, Fluoranionen enthaltende Lösung ein Gemisch von Salpetersäure und Flußsäure verwendetwird.

Gegenstand des älteren deutschen Patents 16 21 473 ist ein Verfahren zum Polieren von Siliciumoberflächen, bei dem während des Polierens die zu polierende Siliciumoberfläche ständig mit einer im Überschuß zugegebenen wäßrigen Kupfer- oder Silberkationen und Fluoranionen enthaltenden Plattierlösung mit einem pn-Wert kleiner als 7 benetzt wird. Dieses Verfahren liefert eine aufgezeichnete Politur der Siliciumoberfläche, wenn diese Fremdatonie in nicht zu

μ hoher Konzentration enthält. Wo das Siliciumplättchen jedoch mit Fremdatomen stark dotiert ist. d. h. N ^f - oder P' -leitend ist, und die Fremdatome in der zu polierenden Siliciumoberfläche einen nicht mehr uner-

heblichen Anteil der Oberflächenatome darstellen, läßt sich mit dem Verfahren nach dem älteren Patent die Siliciumoberfläche nicht bis zur gewünschten Vollkommenheit polieren.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Polieren von Siliciumoberflächen anzugeben, das es ermöglicht, ungeachtet der Konzentration von Fremdatomen in dem zu polierenden Siliciumplättchen, Siliciumoberflächen zu erzeugen, weiche vollkommen eben und glatt sind und praktisch frei von Kristalldefekten sind.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch dessen Ausbildung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

»Überschuß« bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Mengen an chemisch reaktionsfähigen Stoffen in der Plattierlösung größer sind als die Mengen, welche mit dem Silicium reagieren, während die Lösung mit der Siliciumoberfläche in Kontakt ist Die Quecksilberkationen enthaltende Plattierlösung ist eine Lösung, welche unter Abscheidung von Quecksilber Silicium löst Durch das Befeuchten der Siliciumoberfläche mit der Lösung ergibt sich also eine Austauschplattierung des Quecksilbers auf der Siliciumoberfläche. Das gleicbzeitige und kontinuierliche Abwischen der Siliciumoberfläche entfernt das Quecksilber von den erhabenen Bereichen auf dieser Oberfläche. Das Quecksilber ist ein weiches oder pastenförmiges Material und hat keine hohe Oberflächenhaftung am Silicium oder an den darin befindlichen Partikeln aus Fremdatomen, d. h. es baut sich also keine Quecksilberschicht um die hervorragenden Fremdatome auf der Siliciumoberfläche auf und die resultierende polierte Oberfläche ist von überragender Qualität, und zwar — anders v/ie beim Gegenstand des deutschen Patents 16 21 473 — ungeachtet der Dotierungskonzentration im Siliciumplättchen. Auf diese Weise erhält die Siliciumoberfläche eine große Perfektion — auch bezüglich der Kristalldefekte, mit einer sehr guten Feinstruktur und ohne jegliche Beschädigung. Wesentlich für dieses Ergenis ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Veriahren nicht — wie bei dem in der DE-AS 12 52 183 beschriebenen Verfahren — als mechanisch wirkendes Poliermittel ein feinkörniges, hartes Material, wie z. B. S1O2, SiC und AI2O3 eingesetzt wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren nach der Erfindung vorteilhaft mit Hilfe der im Anspruch 6 gekennzeichneten Vorrichtung durchgeführt.

Eine Vorrichtung, mit der die bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eingesetzte weitgehend übereinstimmt, welche allerdings zum chemischmechanischen Polieren unter Verwendung eines feinkörnigen, harten Poliermittels eingesetzt wird, ist aus der DE-AS 12 37 307 bekannt. Auch bei dieser bekannten Poliervorrichtung ist eine sich drehende mit einer Polierschicht versehene Polierplatte vorhanden, auf welcher eine weitere Platte zur Aufnahme der zu polierenden Halbleiterscheiben so angeordnet ist, daß unter Drehung die Halbleiterscheiben mit der zu polierenden Oberfläche unter einem bestimmten Druck gegen die Polierschicht der Polierplatte gedruckt werden, und über welcher mindestens ein Behälter aufgehängt ist, um Polierflüssigkeit auf die Polierplatte zu bringen. Wie bei der bekannten Poliervorrichtung werden auch bei der Poliervorrichtung nach der &5 Weiterbildung de^r Erfindung die Halbleiterscheiben auf der weiteren Platte festgeklebt.

Das Verfa :ren nacli der Erfindung und die Vorrichtung zu seiner Durchführung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den F i g. 1 bis 3 der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht mit teilweisem Schnitt einer Poliervorrichtung zur Durchführung des Polierverfahrens nach der Erfindung;

Fig,2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Poliervorrichtung und

Fig.3A, 3B, 3C und 3D Teile von Siliciumplättchen im Schnitt, bei denen an der Oberfläche an den Stellen, an denen Fremdatome an der Oberfläche liegen, größere Erhebungen bei der Austauschpolitur auftreten — das Problem bei bekannten Verfahren.

Die planare Siliciumoberfläche, die im allgemeinen als Ausgangsfläche bei den Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen benutzt wird, befindet sich an der Oberfläche eines dünnen monokristallinen Siliciumplättchens. Diese Siliciumplättchen werden aus monokristallinen Siliciumzylindern erzeugt und auf einer Läppmaschine mit einem feinen Schleifmittel geläppt Die Oberfläche des Siliciums '»vst eine einigermaßen gleichbleibende Rauhheit, ist jeüörh mechanisch beschädigt An diesem Punkt des Herstellungsverfahrens setzt das Polierverfahren nach der Erfindung ein. Es kann mit der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Poliervorrichtung durchgeführt werden. Die Poliervorrichtung umfaßt eine Schale 10 mit einem Flüssigkeitsauslaß 12 und einer angetriebenen Polie.-platte 14. Auf der Polierplatte 14 ist eine weiche feste Polierschic'ht 16 befestigt, die aus porösem Papier oder aus genoppten Textilien besteht Die Polierplatte 14 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb angetrieben, der an die Welle 18 gekuppelt ist Die zu polierenden Siliciumplättchen 25 werden an der kleineren Platte 20 angeklebt oder anderweitig befestigt. Diese Platte 20 mit den darauf befestigteil Siliciumplättchen 25 wird durch den Arm 22 mit seinen Lagerflächen 26 unter einem mittels der Welle 28 übertragenen Druck P gegen die Polierschicht 16 gedrückt. Der Arm 22 ragt vom Rand der Schale 10, wo er befestigt ist, in die Mitte und liegt neben der Platte 20 in der Bahn der Platte 20, die diese infolge der Drehung der Polierplatte 14 durchläuft. Die Oberfläche des Siliciumplättchens wird kontinuierlich mit einer Überschußmenge einer Austausch-Plattierungslösung befeuchtet, und diese Plattierlösung fließt von einem Behälter 30 durch eine Drosselöffnung 32 auf die Polierschicht 16 der sich drehenden Polierplatte 14. Die überschüssige Plattierlösung wird vom Rand der Polierplatte 14 weggespült und fließt durch die Auslauföffnung 12 ab.

In den F i g. 3A, 3B, 3C und 3D ist — zur Erläuterung des Verfahrens nach dem älteren deutschen Patent 16 21 473 — schemetisch in starker Vergrößerung ein st'ifl; dotiertes Siliciumplättchen 40 dargestellt, welches N ⁺ - oder P⁺-Ieitend ist und nicht aus Siliciumatomen bestehende homogen über das Siliciumpisttchen verteilte Erhebungen 42 aufweist. Das Siliciumplättchen 40, in dem die nicht aus Silicium bestehenden Partikel 42 verteilt sind, wird bei dem Verfahren nach dem älteren Patent schrittweise und dabei an seiner Oberfläche abgetragen, bis gemäß der Darstellung in F i g, 3B einer der Partikel 42 an der polierten Oberfläche erscheint. Die Siliciumoberfläche wird durch das gleichzeitige Austausehplattieren und das Abwischen weiter abgetragen. Der freigelegte Partikel 42 und der unmittelbar umgebende Teil der Siliciumoberfläche wird mit einem Ib-Metall, z. B. Kupfer, plattiert. Durch das Abwischen wird die Politur der übrigen Siliciumoberfläche fortge-

setzt, kommt jedoch im Bereich des Partikels 42 nicht zur Wirkung, der nicht im Austausch planiert wird und daher auch nicht wegpoliert wird, wie es in Fig. 3C gezeigt ist. Wenn sich der Partikel 42 über die Siliciumoberfläche erhebt, wird auch die Siliciumoberfläche in seiner Umgebung nicht von dem plattierten Ib-Metall freigewischt und dadurch die Politur in diesem zusätzlichen Bereich gestoppt. Somit wird ein »Hügel« aus Silicium gebildet, der den Partikel 42 umgibt, bis der Partikel 42 durch die beim kontinuierlichen Abwischen wirkende Kraft abgeschert wird. Die resultierende Oberflächenstruktur ist in Fig. 3D gezeigt. Durch weiteres Polieren wird natürlich auch dieser »Hügel« entfernt: Wenn das Verfahren jedoch beendet ist. ist die Oberfläche des Siliciumplättchcns nicht perfekt.

Aus dieser Beschreibung gehl hervor, daß der F.ffekt eines großen nicht aus Silicium bestehenden Partikels. der selbst auch in einem optischen Mikroskop nicht /u sehen ist (in Röntgenaufnahmen sind diese Pnrtikel als schwarze Punkte zu sehen) darin besteht, daß ein vergrößerter Hügel neben dem Partikel entsteht. Solche Hügel sind mit bloßem Auge zu sehen. Kleinere Partikel verursachen kleine Hügel, die durch das Austauschpl.ittieren und das gleichzeitige Abwischen wegpoliert werden.

Fs wurden bei den der Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen festgestellt, daß durch Verwendung von Quecksilber als Austausch-Plattierungsmetall die oben erw ahnten Probleme gelöst werden. Die Quecksilberplattierung nimmt auf dem Silicium eine weißgefärbte pastenartige Form an und bildet meinen festen Metallfilm. Das Quecksilber laßt sich mit dem Poiierpapier oder -tuch leicht abwischen, da es eine geringe Adhäsion an der Siliciumoberfläche aufweist und infolgedessen das im vorhergehenden Absatz beschriebene Problem nicht vorliegt.

Besonders vorteilhaft ist die Queeksilherplatticrung beim Polieren von monokristallinen Siliciummatcrialicn. du- N-- und P--dotiert sind. Bei diesen Konzentrationen von Frerridatomen befinden sich iin Siliciumpl.ittchen Partikel aus Fremdatomen. Dk-si: bilden sich aufgrund der engen Nachbarschaft der Konzentration zur maximalen Löslichkeit der Fremdatone un Silicium oder bei der durch die zum Aufwachsen oder zur Herstellung des Siliciumeir.kristaÜcs erforderlichen Verarbeitung und führen zu Erhebungen an der Siliciumoberfia^he. Das Problem der Frh.'bungen ändert sich abhängig von der jeweils vorliegenden Art der Fremdatome. stellt sich jedoch bei allen P- und N ·-Dotierungen. Das Problem liegt /.B. vor bei N- Leitung Lew irkenden Arsen- und \nt:rronkonzentrationen ir derG^roße \r-rt 1 '■' 10'" Atome cm^J.

/wischen der zu polierender. Siliciumoberfläche und der f'olierithxKioberfläche muß eine realme Bewegung stattfinden Der aufzubringende Drtck hat für die gewünschten Polierergebnisse besonder; Bedeutung. Bei höheren Geschwindigkeiten der über die Polierplatte bewegten Siliciumplättchen kann der Druck verringert werden. Die Platte 20 sollte außerdem relativ zur Polierplatte 14 noch gedreht werden. Die Drehung kann durch die Polierplatte 14 oder durch einen externen

=, Antrieb erreicht werden. Die Drehung kann durch die Drehung der Polierplatte 14 induziert werden, wobei ein passendes Gewicht oder ein entsprechender Druck P auf die Platte 20 wirkt.

Beim letzten Schritt des Verfahrens wird die

η Polierplatte 14 von Resten der Plattierlösung befreit und der größte Teil des Quecksilbers von der polierten Siliciumoberfläche entfernt. Dabei wird einfach die zufließende Planierlösung durch eine nichtplattierende Flüssigkeit, wie Wasser, ersetzt, so daß das Quecksilber

r, aber kein Silicium mehr entfernt wird. Um die Quecksilberionen in die Plattierlösung zu bringen, wird Quecksilbernitrat bevorzugt, weil es keine unerwünschten Verunreinigungen in die Lösung einbringt. Mit dem gleichen Frfolg läßt sich auch Sulfat verwenden. Die

;,, \ laloeenc. wie z. B. Chlorid, sind weniger erwünscht, da sie durch ihre Tendenz zur Komplexbildung mit Quecksilbcrionen (und Ammoniumionen) dazu neigen.

das Ausmaß der Siliciumentfernung /u reduzieren.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung

r> kann beispielsweise wie folgt verfahren werden:

Hin zylindrischer Körper aus monokristallinem (Zylinderachse in (I I !)-Richtung) mit Bor P dotiertem (Stör.tellenkonzentration 1.7 χ ΙΟ¹⁵ Atome/cm^!. spezifische Widerstand 8 Ohm · cm) Silicium von 32 mm Durchmesser wurde in eine große Anzahl von Scheiben von ungefähr 300 μm Dicke geschnitten. Die Obcrflä chen der Siliciumscheiben wurden mit einem Schleifmittel mit 12Mm Korndurchmesser geläppt. Die Siliciumplättchen wurden dann im I'llraschallverfahren mit

3=, Wasser und Seife gereinigt. Je eine Gruppe von 9 Siliciumplättchen wurde auf Platten 20 mit Glykolphthalatharz aufgeklebt. Die Siliciumplättchen wurden koplanar auf einer Läppmaschine unter Verwendung eines Schleifmittels mit 5 Mm Korndurchmesser geläppt.

Dann wurde die in den F ι g. 1 und 2 gezeigte Poliervorrichtung benutzt. Der Durchmesser der Polierplatte 14 betrug 37.5 cm. der der Platte 20 13.5 cm. Für die Polierschicht 16 wurde das »Microcloth« genannte Material verwendet. Die Polierplatte 14

J5 drehte sich mit 72 Umdrehungen pro Minute, die Polierzeit betrug 120 Minuten. Die Konzentration von Ammoniumfluorid und Quecksilbernitrat in der Plattierlösung war 6normal bzw. 0.3normal. der ρ,ι-Wert 6.5. Nach" 1 !9 Minuten Polieren wurde die Plattierlösung

ν, durch Wasser ersetzt, das eine Minute lang durch die Öffnung 32 auf die Polierplatte 14 strömte. Dann wurde die Poliervorrichtung gestoppt, die Siliciump'"ttchen mit Wasser gereinigt und dann von der Platte 20 genommen. Anschließend wurden die Siliciumplättchen

durch Eintauchen in Azeton von dem Glykolphthalatkleber gereinigt. Das restliche Quecksilber wurde dann mit heißer konzentrierter Salpetersäure entfernt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Polieren von Siliciumoberflächen, bei welchem dem mechanischen Poliervorgang ein unter Beteiligung von Fluoranioneri ablaufender chemischer Poliervorgang über!igen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Polierens die zu polierende Siliciumoberfläche ständig mit einer im Überschuß zugegebenen, Fluoranionen und Quecksilberkationen enthaltenden Plattierlösung benetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die zu polierende Siliciumoberfläche, die relativ zur Oberfläche einer Polierplatte bewegt wird, gegen diese mit einem Druck gedrückt wird, der bei höherer Geschwindigkeit der Relativbewegung niedriger gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn genügend poliert ist, die Zugabe der Plattiei lösung gestoppt, an ihrer Stelle eine nicht mit der Siliciumoberfläche reagierende Flüssigkeit zugeführt und die Hauptmenge des auf der Siliciumoberfläche noch vorhandenen Quecksilbers abgesteift wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattierlösung aus Quecksilbernitrat- oder Qupcksilbersulfatlösung und einer Fluorionen enthaltenden Lösung besteht

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattierlösung einen ph-Wert kleiner als 7 hat

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daü oberhalb einer sich drehenden, mit einer Polierschicht (16) versehenen Polierplatte (14) eine die Siliciumscheiben (25) aufnehmende weitere Platte (20) angeordnet ist, die unter Drehung und unter einem bestimmten Druck die Siliciumscheiben (25) gegen die Polierschicht (16) drückt und daß oberhalb der beiden Platten (14 und 20) ein Behälter (30) für die Plattierlösung und unterhalb der Polierplatte (14) eine Schale (10) zur Aufnahme der ablaufenden Plattierlösung angeordnet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5 unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumscheiben (25) an der Platte (20) festgeklebt werden.