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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zum einseitigen Polieren von Halbleiterscheiben,
die mit einer verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht versehen sind. Gegenstand der Erfindung
ist auch eine Halbleiterscheibe mit einer solchen Schicht.
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Moderne
Anwendungen der Mikroelektronik wie beispielsweise Informations-
und Kommunikationstechnik verlangen nach immer höherer
Integrationsdichte und immer kürzeren Ansprechzeiten und
Taktraten der zugrunde liegenden mikroelektronischen Bauelemente.
Bauelemente sind beispielsweise Speicherzellen, Schalt- und Steuerelemente,
Transistoren, Logik-Gatter und dergleichen. Diese werden aus Substraten aus
Halbleitermaterialien hergestellt. Halbleitermaterialien umfassen
Elementhalbleiter wie Silicium und gelegentlich auch Germanium oder
Verbindungshalbleiter wie beispielsweise Gallium-Arsenid (GaAs).
Ein Maß für die Schaltgeschwindigkeit ist die
Beweglichkeit der Ladungsträger (freie Elektronen, Löcher).
Die Beweglichkeit ist die auf das angelegte elektrische Feld (elektrische
Spannung je Entfernungseinheit) bezogene mittlere Driftgeschwindigkeit
der Ladungsträger im Kristallgitter des Halbleitermaterials.
Die Elektronen-Beweglichkeit ist für reines Silicium wesentlich
geringer als beispielsweise für GaAs. Dennoch ist Silicium
aufgrund zahlreicher Vorteile das Standard-Material der Mikroelektronik.
Silicium ist günstig, leicht und nahezu unbegrenzt verfügbar,
ungiftig, sehr sauber darstellbar, kann gut und mit hoher Defektarmut
verarbeitet werden und besitzt ein stabiles Oxid (Dielektrikum).
Daher besteht der Wunsch, besonders schnelle Bauelemente ebenfalls
auf Silicium-Technologie basierend zu realisieren.
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Bei
gegebenem Material ist eine Erhöhung der Ladungsträger-Beweglichkeit
nur durch eine künstliche Veränderung der Eigenschaften
des Kristallgitters möglich. Aus theoretischen Untersuchungen
ist bekannt, dass insbesondere eine Verspannung des Kristallgitters
(Dehnung, Verzerrung) die Beweglichkeit erhöht. Der mittlere
Atomabstand (Gitterkonstante) des zum Silicium homologen Germaniums
ist etwa 4 % größer als der des Siliciums. Ein
Siliciumkristall mit eingebauten Germaniumatomen besitzt daher eine
größere Gitterkonstante als reines Silicium. Zu
dessen Herstellung wird auf einer defektfreien, ebenen und reinen
Silicium-Startoberfläche eine Silicium-Schicht mit einem
mit der Schichtdicke langsam zunehmenden Germanium-Anteil abgeschieden.
Dies geschieht aus der Gasphase mittels Thermolyse („chemical
vapor deposition", CVD) gasförmiger Germanium enthaltender
Vorstufen („precursor"), wie beispielsweise GeH4, GeCl4 und GeHCl3, an der Oberfläche oder durch
Bedampfung mit Teilchenstrahlen (Molekularstrahl-Epitaxie, MBE).
Durch diese Gradientenschicht mit veränderlicher Si/Ge-Stöchiometrie
wird die auf Grund der Gitterfehlpassung von Silicium und Germanium
aufgebaute Verspannung im Kristall während des Wachstums
gering gehalten. Eine weitere Relaxation wird durch abschließendes
Abscheiden einer stöchiometrisch konstanten Pufferschicht
mit dem Germaniumanteil der letzten Lage der Si1-xGex-Gradientenschicht erreicht. Der Gesamt-Schichtaufbau
wird als verspannt-relaxierte Lage bezeichnet („strain-relaxed
layer").
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Wird
auf der verspannt-relaxierten Lage reines Silicium in geringer Schichtdicke
abgeschieden, zwingt die Lage den Siliciumatomen ihren Atomabstand
auf. Die abgeschiedene Silicium-Schicht ist lateral gedehnt und
wird daher als Gitter verspanntes Silicium bezeichnet („strained
silicon"). In einer solchen verspannten Silicium-Schicht strukturierte
Bauteile weisen eine nach dem Grad der Verspannung und damit nach
dem Germanium-Anteil der verspannt-relaxierten Lage erhöhte
Ladungsträger-Beweglichkeit auf.
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Voraussetzung
für funktionstüchtige Bauteile mit kürzeren
Schalt- und Ladungsträger-Transportzeiten ist eine weitgehende
Defektfreiheit der verspannten Silicium-Schicht. Es zeigt sich,
dass sich ein Teil der Verspannung der Si1-xGex-Gradientenschicht auf Grund der Gitterfehlpassung
in Form regelmäßig auftretender Gitterfehler entlädt.
Diese bilden an den Durchstoßpunkten der Wachstumsoberfläche
ein Netzwerk sogenannter Versetzungsdefekte aus (Schraubenversetzungen).
Dieses Defekt-Netzwerk führt zu regelmäßigen Höhenmodulationen
der Oberfläche. Auf dem bevorzugten Si(100)-Substrat ähneln
diese Verwerfungen einer rautenförmigen Schraffur der Oberfläche
und werden daher als „cross-hatch defect Pattern" bezeichnet.
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Die
US 6,475,072 wie auch
Sawano
et al., Materials Science and Engeneering B89 (2002) 406-409, beschreiben
Polierverfahren, die darauf gerichtet sind, Si
1-xGe
x-Schichten zu glätten. Bei den
Verfahren handelt es sich um eine chemo-mechanische Politur (CMP),
bei der die Halbleiterscheibe unter Anwendung von Polierdruck über
einen mit einem Poliertuch versehenen rotierenden Polierteller bewegt
wird, während ein Poliermittel zwischen das Poliertuch
und die zu polierende Si
1-xGe
x-Schicht
zugeführt wird. Die verbleibende Rauhigkeit, gemessen mit
AFM („atomic force microscopy"), beträgt im besten
Fall 5 Å RMS („root mean square"), bezogen auf
ein Messraster mit der Fläche von 10 μm × 10 μm.
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Eine
auf diese Weise polierte Oberfläche weist jedoch störende
Kratzer auf, die wegen ihrer typischen Breiten und Tiefen im Sub-Mikrometer-Bereich
häufig auch als „Nanokratzer" bezeichnet werden. 1 zeigt eine
AFM-Aufnahme einer nach dem Stand der Technik polierten verspannt-relaxierten
Si1-xGex-Schicht,
auf der eine große Anzahl von Nanokratzern zu erkennen
ist. Doch auch wenn auf einer AFM-Aufnahme weniger oder keine Nanokratzer
zu erkennen sind, zeigen Streulichtmessungen bei größeren
räum lichen Wellenlängen („spatial wavelengths")
eine vergleichsweise hohe Mikro-Rauhigkeit der Oberfläche
und das Vorhandensein von individuellen Streulicht-Defekten an.
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Streulichtmessungen
sind Standardverfahren zur Beschreibung der Oberflächengüte.
Ein gebündelter Lichtstrahl (Laserlicht) rastert die Oberfläche
ab. Rauhigkeit oder Veränderungen der Dielektrizitätskonstanten, beispielsweise
hervorgerufen durch Beläge oder materialfremde Partikel
auf der Oberfläche, führen dazu, dass ein Teil
der auftreffenden Lichtintensität vom spekular reflektierten
Strahl weg ins Dunkelfeld gestreut werden, sofern die detektierten
Unregelmäßigkeiten eine Größe
im Bereich der Wellenlänge des verwendeten Lichts aufweisen
oder in diesem Bereich korreliert sind. Der weitgehend gleichmäßig
ins Dunkelfeld gestreute Anteil der Streulichtintensität
wird als „Haze" („Lichtschleier") bezeichnet und
in Anteilen der einfallenden Strahlintensität gemessen.
Er beschreibt die Mikro-Rauhigkeit der Oberfläche. Der örtlich
variierende Anteil der ins Dunkelfeld gestreuten Intensität
identifiziert individuelle Streulicht-Defekte (LPD, „light
point defects") und wird in Einheiten der charakteristischen Streulichtintensität
von Teilchen bekannter Größe angegeben (LSE, „light scattering
equivalent").
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Die 2 und 3 zeigen
das Ergebnis von Streulichtmessungen an einer nach dem Stand der Technik
polierten verspannt-relaxierten Si0,8Ge0,2-Schicht. 2 zeigt
die Verteilung aller im DNN-Kanal gemessenen LPD-Defekte 2 mit
LSE-Größen ≥ 0,13 μm. Die Bezeichnungen
der Kanäle beziehen sich auf die Größe
des Akzeptanzwinkels im Dunkelfeld um den spekular reflektierten
Messstrahl herum und den Einfallswinkel des Messstrahls auf die
Halbleiterscheibe: DNN bedeutet „dark-field, narrow acceptance,
normal incidence beam", DWN bedeutet „dark-field, wide
acceptance, normal incidence beam" und DCN bedeutet „dark-field,
composite acceptance, normal incidence beam. Der DCN- Kanal ist der
aus den im DNN-Kanal, im DWN-Kanal und als sog. „Area Defects"
registrierten LPD-Defekten zusammengesetzte Kanal, wobei LPD-Defekte,
die in mehreren der Einzelkanäle registriert wurden, nur
einfach gezählt werden. DNN, DWN und DCN werten die LPD-Defekte
jeweils nach LSE-Größenklassen getrennt aus. Im
in 2 angegebenen Beispiel wurden im DCN-Kanals für Äquivalentstreuer-Größen
von 0,13 μm–0,16 μm 37 LPD-Defekte gemessen,
für 0,16 μm–0,20 μm 16 und für
0,20 μm–0,24 μm 1 Defekt. LPD-Defekte
von LSE-Größen größer als 0,24 μm werden
als Flächendefekte („area defects") zusammengefasst.
Im gezeigten Beispiel wurden 7 area defects registriert. Das gezeigte
Beispiel liefert demnach für LSE-Größen ≥ 0,13 μm
in der Summe 37 + 16 + 1 + 7 = 61 LPD-Defekte im DCN-Kanal.
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3 gibt
die Häufigkeit C (in Prozent) der über die Halbleiterscheibe
gemessenen Streulicht-Intensitäten I im DNN-Kanal (in ppm
der einfallenden Strahlintensität; ppm = part per million,
10–6) wieder. Dieses Streulicht
wird als „DNN-Haze" („Lichtschleier") bezeichnet.
Der Haze ist ein Maß für die Mikrorauhigkeit der Oberfläche
der Halbleiterscheibe. Für das in 3 gezeigte
Beispiel beträgt der über alle Intensitäten
integrierte und mit den für die Intensitäten ermittelten
Häufigkeiten gewichtete DNN-Haze 0,221 ppm.
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Die
hohe Rauhigkeit einer nach dem Stand der Technik polierten verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht offenbart
sich in einem charakteristischen inhomogenen Verlauf des in 3 gezeigten
Haze-Spektrums mit nicht-monotoner Häufigkeitsabnahme mit
zunehmender Streulichtintensität (multimodale Verteilung
mit Spitzen 3 und 4).
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Nach
bekannten Verfahren planarisierte Si1-xGex-Schichten sind demnach noch zu rau, um
darauf eine verspannte Silicium-Schicht abscheiden zu können,
die für besonders anspruchsvolle Anwendungen ausreichend
defektarm, glatt und eben ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Polieren von verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schichten anzugeben, das eine zum Aufwachsen
einer defektarmen, glatten und ebenen verspannten Silicium-Schicht
geeignete Oberfläche liefert, so dass die verspannte Silicium-Schicht
für die Strukturierung besonders anspruchsvoller mikroelektronischer
Hochgeschwindigkeits-Bauteile geeignet ist.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum einseitigen Polieren von
Halbleiterscheiben, die mit einer verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht versehen
sind, umfassend das Polieren einer Vielzahl von Halbleiterscheiben
in mehreren Polierfahrten, wobei eine Polierfahrt mindestens einen
Polierschritt beinhaltet und am Ende jeder Polierfahrt mindestens
eine der Vielzahl von Halbleiterscheiben mit polierter Si1-xGex-Schicht erhalten
wird; und
das Bewegen der mindestens einen Halbleiterscheibe
während des mindestens einen Polierschritts unter Anwendung
von Polierdruck über einen mit einem Poliertuch versehenen
rotierenden Polierteller und Zuführen von Poliermittel
zwischen das Poliertuch und die mindestens eine Halbleiterscheibe,
wobei ein Poliermittel zugeführt wird, das eine alkalische
Komponente und eine Germanium lösende Komponente enthält.
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Die
Erfinder sehen als Ursache für die vergleichsweise hohe
Rauhigkeit und die Nanokratzer nach der Politur Partikel an, die
Germanium enthalten und zurückbleiben, wenn Silicium unter
den Bedingungen der chemisch-mechanischen Politur gelöst
wird. Sie haben erkannt, dass es nicht ausreicht, diese Partikel
mechanisch zu entfernen, beispielsweise im Zuge einer Konditionierung
des Poliertuchs. Es ist vielmehr notwendig, schon während
der Politur damit zu beginnen, diese Partikel chemisch zu lösen.
Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass das Poliermittel ein Oxidationsmittel
als eine Komponente enthält, die Germanium in eine wasserlösliche
Oxidverbindung überführt. Besonders geeignet sind
Wasserstoffperoxid (H2O2),
Ozon (O3), Natriumhypochlorid (NaOCl), Natriumperchlorat
(NaClO4), Natriumchlorat (NaClO3)
und andere Oxidationsmittel. Auch Mischungen von mindestens zwei
der genannten Oxidationsmittel sind möglich. Das Oxidationsmittel wird
vorzugsweise in Form einer wässerigen Lösung dem
Poliermittel zugegeben.
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Neben
der Germanium lösenden Komponente enthält das
Poliermittel auch eine alkalische Komponente, vorzugsweise Kaliumcarbonat
(K2CO3) oder Kaliumhydroxid
(KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) oder Ammoniumhydroxid (NH4OH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (N(CH3)4OH) oder eine
beliebige Mischung dieser Stoffe, besonders bevorzugt eine Mischung
aus Kaliumcarbonat und Kaliumhydroxid oder Tetramethylammoniumhydroxid.
Die Konzentration der alkalischen Komponente im Poliermittel wird
so gewählt, dass das Poliermittel vorzugsweise einen pH-Wert
von 9 bis 11,5 aufweist. Die Germanium lösende Komponente
im Poliermittel wird zweckmäßigerweise erst möglichst
nahe dem Ort der Wechselwirkung des Poliermittels („point of
use") der Halbleiterscheibe zugeführt, da Oxidationsmittel
in der Regel instabil sind und deren Konzentration daher insbesondere
durch Wechselwirkung mit Verunreinigungen im Poliermittel zeitabhängig
abnimmt. Alternativ kann einem Poliermittelansatz Oxidationsmittel
in anfänglich höherer Konzentration zugesetzt
werden und die Verwendbarkeitsdauer des Poliermittels so eingeschränkt
werden, dass am Ort der Wechselwirkung des Poliermittels mit der
Halbleiterscheibe genau die geforderte Konzentration zur Verfügung
steht.
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4 zeigt
das Ergebnis einer Studie, bei der über mehrere Polierfahrten
(„run", R) hinweg die Bedingungen bezüglich der
Zufuhr des Oxidationsmittels geändert wurden. Während
einer ersten Phase 8 enthielt das zugeführte Poliermittel
keine Ger manium lösende Komponente, und es wurde nach jeder
Fahrt eine Tuchreinigung durchgeführt. Streulichtmessungen
an den polierten Oberflächen zeigen von Anfang an ein hohes und
im Verlauf der Phase 8 ansteigendes Niveau an „Haze".
Eine mögliche Erklärung für den Anstieg
der Rauhigkeit ist, dass Germaniumpartikel mit der Zeit im Poliertuch
angereichert werden und zunehmend Nanokratzer auf nachfolgend polierten
Halbleiterscheiben hinterlassen. Die Rauhigkeit der polierten Oberflächen
nimmt deutlich ab, wenn, wie während der Phase 9,
das Poliermittel zusätzlich ein Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid
enthält, und nimmt wieder zu, wenn, wie während
der Phase 7, auf das Oxidationsmittel verzichtet wird.
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Die
Konzentration des Oxidationsmittels im Poliermittel beträgt
vorzugsweise 0,01 Mol/kg bis 0,2 Mol/kg, insbesondere 0,06 bis 0,12
Mol/kg. Es ist auch bevorzugt, die Konzentration des Oxidationsmittels
auf die Konzentration des Germanium-Anteils der verspannt-relaxierten
Si1-xGex-Schicht
abzustimmen. Je höher der Germanium-Anteil ist, desto höher
sollte die Konzentration des Oxidationsmittels sein. Sie sollte
jedoch auch nicht zu hoch sein, damit nicht die Abtragsrate („removal
rate", RR) der Politur zu gering wird. Bei einem als Abtragsschritt
ausgeführten Polierschritt beträgt die Abtragsrate
vorzugsweise mindestens 1,5 nm/s, besonders bevorzugt 2 nm/s. Die
Abtragsrate nimmt in dem Maße ab, in dem Silicium zu Siliciumdioxid
oxidiert wird, das sich der Politur stärker widersetzt.
Die optimale Konzentration des Oxidationsmittels lässt
sich am besten durch Versuche ermitteln, bei denen die Konzentration
des Oxidationsmittels variiert und in Beziehung zum gefundenen Polierergebnis
gesetzt wird. In 5 ist das Ergebnis einer entsprechenden
Untersuchung für Si0,8Ge0,2-Schichten und für Wasserstoffperoxid
als Oxidationsmittel zusammengefasst. In 5 kennzeichnet
10 einen Bereich, bei dem aufgrund geringer Konzentration des Germanium
lösenden Zusatzes (Oxidationsmittels) eine niedrige Abtragsrate
erzielt wird. 12 kennzeichnet einen Bereich, bei dem das Gleichgewicht
zwischen Germanium lösender Komponente und der Silicium
angreifenden, alkalischen Komponente zu Gunsten der Germanium lösenden
Komponente verschoben ist, was ebenfalls eine niedrige Abtragsrate
bewirkt. 11 kennzeichnet einen Bereich, bei dem aufgrund eines ausgewogenen
Verhältnisses der alkalischen Komponente und der Germanium
lösenden Komponente im Poliermittel ein hoher Polierabtrag
erzielt wird. Demnach hat die Abtragsrate der Politur ihr Maximum,
wenn die H2O2-Konzentration
im Poliermittel in einem besonders bevorzugten Bereich von 0,1 bis
0,3 Gew.-% liegt.
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Es
ist auch von Vorteil und daher ebenfalls bevorzugt, das Poliertuch
zu konditionieren, wobei darunter eine mechanische oder hydrodynamische
Bearbeitung des Poliertuchs unter gleichzeitigem Zuführen
eines Germanium lösenden Reinigungsmittels zum Poliertuch
verstanden werden soll. Geeignete Konditionier-Werkzeuge sind beispielsweise
Bürsten, vorzugsweise mit Borsten aus Polyamid oder mit
Hartstoffen wie beispielsweise Diamant oder Siliciumcarbid besetzte
Konditionierköpfe, oder Düsen, mit denen ein Wasserstrahl,
gegebenenfalls beaufschlagt mit Ultraschall, mit hohem Druck auf
das Poliertuch gerichtet wird. Das Reinigungsmittel besitzt vorzugsweise
einen pH von 9 bis 11,5 und enthält zweckmäßigerweise
aber nicht notwendigerweise das gleiche Oxidationsmittel, wie das
Poliermittel. Das Poliertuch kann während oder nach einem
Polierschritt oder nach einer bestimmten Anzahl von Polierfahrten
konditioniert werden, wobei die genannten Zeitpunkte auch beliebig
kombiniert werden können. Findet die Konditionierung während
eines Polierschrittes, also in Anwesenheit der zu polierenden Halbleiterscheibe
statt, so ist es bevorzugt, dass die Konzentration des Oxidationsmittels
im Reinigungsmittel im Bereich der Konzentration des Oxidationsmittels
im Poliermittel liegt. Wird das Poliertuch in Abwesenheit der Halbleiterscheibe
konditioniert, ist es bevorzugt, wenn das Oxidationsmittel mit einer
Konzentration von 0,01 Mol/kg bis 1,5 Mol/kg im Reinigungsmittel
enthalten ist.
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In
diesem Fall ist es günstig, das Poliertuch mit Wasser zu
spülen, bevor mit einem weiteren Polierschritt begonnen
wird. Die Häufigkeit der Konditionierung des Poliertuchs
kann auch mit der Anzahl der absolvierten Polierfahrten gesteigert
werden, um zu verhindern, dass sich Germaniumpartikel mit der Zeit
im Poliertuch anreichern.
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Das
erfindungsgemäß eingesetzte Poliermittel besitzt
vorzugsweise weitere Eigenschaften, die zu einer besonders glatten
polierten verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht führen. Es enthält
vorzugsweise eine kolloiddisperse Lösung von Kieselsäure
in Wasser (Kieselsol), mit einer monomodalen Größenverteilung
der Feststoffteilchen und einer mittleren Größe
der Feststoffteilchen im Bereich von 5 bis 70 nm. Geeignete Beispiele
sind unter den Namen Levasil® und
Glanzox vertriebene Poliermittel-Komponenten. Weiterhin ist ein Feststoffanteil
im Poliermittel von 0,25 bis 20 Gew.-% ebenfalls bevorzugt. Der
pH-Wert des Poliermittels beträgt vorzugsweise 9 bis 11,5.
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Das
Poliermittel kann auch einen oder mehrere weitere Zusätze
enthalten, beispielsweise Abrasivzusätze, Oberflächen
aktive Additive (Netzmittel, Tenside), Stabilisatoren (Schutzkolloide),
Konservierungsmittel, Organostatika, Alkohole, und/oder Komplexbildner.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn während der Politur der Polierdruck
in einem Bereich von 7 bis 70 kPa liegt und die Halbleiterscheibe
auf einer zykloidischen (hypozykloidischen oder epizykloidischen)
Bahnkurve bewegt wird, wobei dieser Bewegung auch eine radiale Bewegung
der Halbleiterscheibe überlagert sein kann.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens beinhaltet eine Polierfahrt nur einen Polierschritt,
während dessen eine oder mehrere Halbleiter scheiben mit
verspannt-relaxierter Si1-xGex-Schicht
auf einem Polierteller poliert werden.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens beinhaltet eine Polierfahrt mindestens zwei Polierschritte,
insbesondere einen Abtragsschritt und einen Glättschritt.
Abtrags- und Glättschritt unterscheiden sich dabei im Wesentlichen
dadurch, dass unterschiedliche Poliermittel-Zusammensetzungen verwendet
werden. Dabei ist der Abtragsschritt so gewählt, dass eine
hohe Materialabtragsrate und gute langwellige, die globale Ebenheit
der Halbleiterscheibe einstellende Glättwirkung erzielt
wird, und der zweite Glättschritt ist so gewählt,
dass eine geringstmögliche Rauhigkeit der resultierenden
Oberfläche erzielt wird. Die beiden Teilschritte werden
vorzugsweise auf zwei verschiedenen Poliertellern durchgeführt,
um eine Poliermittelverschleppung zu vermeiden. Im zweiten Polierschritt
kann das Oxidationsmittel in einer geringeren Konzentration im Poliermittel
enthalten sein oder es kann auf das Oxidationsmittel im Poliermittel,
das heißt, die Germanium lösende Komponente, auch
verzichtet werden. Der Glättschritt zielt darauf ab, einen
vergleichsweise geringen Materialabtrag mit einer vergleichsweise
geringen Abtragsrate zu erreichen, weshalb die durch Germaniumpartikel
verursachte Problematik in den Hintergrund tritt.
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Das
Poliermittel, das den Spalt zwischen der Halbleiterscheibe und der
Poliertuch-Oberfläche füllt, kann starke Kapillarkräfte
auf die Halbleiterscheibe ausüben, die ein gesteuertes,
gleichmäßiges und stets reproduzierbares Abheben
der Halbleiterscheibe nach Ende des letzten Polierschrittes verhindern.
Die Art des Abrisses des Poliermittelfilms beim Abheben wird von
der Zusammensetzung des Poliermittels und den Eigenschaften von
Poliermittel und Poliertuch bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass
nach dem Abheben auf der Halbleiterscheibe verbleibende, ungleichmäßig
verteilte und konzentrierte Poliermittelflecken, insbesondere bei Poliermittel
mit hohem pH-Wert, zu Schädigungen der soeben polierten
Oberfläche der Halbleiterscheibe führen. Es ist
daher zweckmäßig und deshalb ebenfalls bevorzugt,
eine Polierfahrt abzuschließen, indem das Poliermittel
nach und nach durch Wasser oder durch ein Poliermittel ersetzt wird,
das ein rückstandsarmes Abheben der Halbleiterscheibe vom
Polierteller ermöglicht.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eignen sich insbesondere Vorrichtungen, die zur chemisch-mechanischen
Politur von Halbleiter-Substratscheiben, zur chemisch-mechanischen
Planarisierung der Zwischenlagen mehrlagiger mikroelektronischer
Bauelemente oder zur Ebnung mikro-elektromechanischer Bauelemente
(MEMS) verwendet werden. Diese besitzen typischerweise einen oder
mehrere Polierteller und einen oder mehrere Polierköpfe,
die jeweils einen oder mehrere Halbleiterscheiben tragen. Die Polierköpfe
führen die Halbleiterscheiben unter Rotation über
die rotierenden Polierteller, die mit Poliertüchern bespannt
sind. Dabei wird dem Arbeitsspalt zwischen Halbleiterscheibe und
Poliertuchoberfläche Poliermittel zugeführt. Während
der Politur werden die Halbleiterscheiben rückseitig von
den Polierköpfen mittels Vakuum, Haftung, Klebung (Kittpolitur)
oder auf einem Luft- oder Wasserkissen geführt und gegebenenfalls
lateral lose von einem Führungsring („retainer
ring") gehalten. Der Führungsring kann beweglich sein und
selbstständig gegen das Poliertuch gepresst werden.
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Die
Oberflächen der Polierköpfe, die die Halbleiterscheibe
halten, können steif (Kittpolitur) ausgeführt sein,
mit einem sogenannten „backing pad" beschichtet sein oder
aus einer rückseitig mit Druck beaufschlagten Membran bestehen.
Besteht das „backing pad" aus einem Luft- oder Wasserkissen,
kann dieses in mehrere, einzeln nach Druck und Volumenfluss ansteuerbare
Segmente unterteilt sein. Es sind auch Polierköpfe mit
einer Viel zahl einzeln, beispielsweise mittels Piezo-Aktuatoren
beweglicher Segmente einsetzbar.
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6 zeigt
beispielhaft eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete Vorrichtung mit einem Polierkopf in schematischer
Darstellung. Sie umfasst einen Polierteller 17 mit einem
darauf liegenden Poliertuch 18. Der Polierkopf 19 und
ein an dessen unterem Ende befestigter Führungsring 20 halten eine
Halbleiterscheibe 21 während eines Polierschritts
auf einer vorgegebenen Bahnkurve, die im Wesentlichen durch die
Bewegungen des Poliertellers und des Polierkopfes bestimmt wird.
Der Polierteller und der Polierkopf führen Drehbewegungen
um die Drehachsen 22 und 26 in die Drehrichtungen 25 und 23 aus.
Zusätzlich zu den Drehbewegungen kann der Polierkopf auch
eine radial gerichtete oszillierende Bewegung 24 ausführen.
Die dem Poliertuch abgewandte Rückseite der Halbleiterscheibe
wird durch ein Luftkissen mit Druck beaufschlagt, wobei eine innere
28 und eine äußere Druckzone 27 geschaffen
wird, die durch Bohrungen in der Grundplatte des Polierkopfes mit
Druckluft gespeist werden.
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7 zeigt
die berechnete Bahnkurve
31, die ein Aufpunkt am Rand der
Halbleiterscheibe über den Polierteller
17 mit
dem Poliertuch
18 durchläuft für die
in Tabelle 1 angegebenen kinematischen Parameter. Zwischen Startpunkt
29 und
Endpunkt
30 liegen im gezeigten Beispiel 6 Sekunden. Auf
Grund des gleichen Drehsinns von Polierkopf
23, und Polierteller
25,
und der gewählten Parameter ergeben sich verlängerte
Hypozykloiden mit charakteristischen nach außen gerichteten
Schlaufen. Verkürzte oder verlängerte Hypozykloiden
werden auch als Hypotrochoiden bezeichnet. Die radiale Oszillationsbewegung
des Polierkopfes zeigt sich in den wechselnden Amplituden dieser
Schlaufen und bspw. auch darin, dass der nach einem Umlauf dem Startpunkt
29 der
Bahnkurve
31 nächste Punkt
32 gegenüber
ersterem radial verschoben ist. Tabelle 1:
| | (Fig.
7) | (Fig.
8) |
| ∅ Halbleiterscheibe | 0,3 m |
| ∅ Polierteller | 0,8 m |
| ∅ Teilkreis
Polierkopf-Umlauf | 0,4 m |
| Amplitude
radiale Oszillation | 0,05 m |
| Frequenz
radiale Oszillation | 5/min |
| Drehzahl
Polierteller | +67 RPM |
| Gesamtdauer | 6s |
| Drehzahl
Polierkopf | +11
RPM | –11
RPM |
| mittlere
Bahngeschwindigkeit | 1,634
m/s | 1,628
m/s |
| Schwankung
Bahngeschwindigk. | ±0,158
m/s | ±0,167
m/s |
| Länge
Bahnkurve | 9,807
m | 9,769
m |
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8 zeigt
die Bahnkurve 33, die sich ergibt, wenn die Drehrichtung
des Polierkopfes 23 umgekehrt wird und die anderen kinematischen
Bedingungen beibehalten werden. Es ergibt sich eine epizykloidische Bahnkurve 33 (verlängert
Epizykloide, Epitrochoide) mit charakteristischen nach innen gerichteten
Schlaufen. Für die mittlere Bahngeschwindigkeit, deren
Schwankung beim Verlauf entlang der Bahnkurve und die Länge der
durchlaufenen Bahnkurven ergeben sich für Hypo- und Epitrochoide
unterschiedliche Werte.
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Poliertücher,
die zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besonders geeignet sind, bestehen im Wesentlichen aus
einem porösen Polyurethanschaum. Sie sind vorzugsweise
ein- oder mehrlagig aufgebaut, wobei Dicke, Härte, Anzahl
und Reihenfolge der Schichten die Punkt- und Flächenelastizität,
Poliermittelaufnahme und -abgabe und viele andere Eigenschaften
bestimmen. Faserbeigaben zur obersten, während der Bearbeitung
in Kontakt mit der Oberfläche der Halbleiterscheibe gelangenden
Tuchschicht beeinflussen das Material-Abtragsverhalten und die erhaltene
Oberflächengüte. Besonders bevorzugt wird das
Poliertuch vom Typ SPM 3100 von Rohm & Haas Electronic Materials, CMP Technologies,
verwendet.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Halbleiterscheibe mit einer Schichtstruktur,
umfassend eine Substratschicht aus einkristallinem Silicium als
unterste Schicht und eine verspannt-relaxierte Si1-xGex-Schicht als oberste Schicht, wobei die
oberste Schicht eine Unterlage zum Abscheiden von verspanntem Silicium
bildet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Si1-xGex-Schicht folgende Kennzahlen aufweist:
eine
AFM-Rauhigkeit, die kleiner als 0,7 Å RMS ist, bezogen
auf ein Messraster mit der Fläche von 10 μm × 10 μm;
und
eine Rauhigkeit nach Chapman, die kleiner als 3 Å ist,
bezogen auf einen 80 μm Filter.
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Chapman
Instruments ist ein Hersteller von Standard-Messgeräten
zur Rauhigkeitsbestimmung ultraglatter Oberflächen. Das
Messgerät MP2000 ist ein Reflexions-Interferometer mit
gemeinsamem Strahlengang des ein- und auslaufenden Test-Lichtstrahls,
das parallel zur zu vermessenden Oberfläche geführt
wird („Scan"). Die Länge des „Scans"
bestimmt die größte zum Rauhigkeitswert beitragende
laterale Korrelationslänge (Filter). Der angegebene Rauhigkeitswert
wird durch Fouriertransformation des zwischen einfallendem und reflektiertem
Teilstrahl gemessenen Phasenkontrasts ermittelt.
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Der
Germanium-Anteil x der Si1-xGex-Schicht
liegt vorzugsweise in einem Bereich von x = 0,10 bis x = 0,30. Bezogen
auf einen 30 μm Filter ist die Rauhigkeit nach Chapman
vorzugsweise kleiner als 0,8 Å.
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Bezogen
auf einen 250 μm Filter ist die Rauhigkeit nach Chapman
vorzugsweise kleiner als 5 Å. Weitere bevorzugte Kennzahlen
der verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht sind ein DNN-Haze, das kleiner
als 0,07 ppm ist und eine Anzahl der LPD-Defekte im DCN-Kanal der
Größenklassen ≥ 0,13 μm kleiner
als 12, bezogen auf eine Scheibenfläche mit einem Durchmesser
von 300 mm. Der Unterschied der globalen Ebenheiten ΔGBIR
der verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht und der Substratschicht ist vorzugsweise
kleiner als 0,2 μm.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen
weiter erläutert. Es wurde eine Vielzahl von Halbleiterscheiben
aus Silicium mit verspannt-relaxierter Si0,8Ge0,2-Schicht und einem Durchmesser von 300
mm einseitig poliert, um die Schicht zu glätten. In den
Ausführungsbeispielen wurde eine CMP-Maschine der Strasbaugh,
Inc. vom Typ nHance 6EG verwendet. Weitere Versuche wurden an einer
Maschine der Applied Materials, Inc. vom Typ Reflexion durchgeführt.
Im Anschluss an die Politur wurden die Halbleiterscheiben gereinigt
und getrocknet, und die polierten Oberflächen untersucht.
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Die
Poliervorrichtung der Strasbaugh, Inc. besitzt einen Polierteller
mit einem Poliertuch und einen Polierkopf, der eine Halbleiterscheibe
vollautomatisch bearbeitet. Der Polierkopf ist kardanisch gelagert
und umfasst eine feste Basisplatte, die mit einem „backing
pad" beschichtet ist, und einen beweglichen Führungsring. Durch
Bohrungen in der Basisplatte können in zwei konzentrischen
Druckzonen, einer inneren und einer äußeren, Luftkissen
aufgebaut werden, auf denen die Halbleiterscheibe während
der Politur schwimmt. Der bewegliche Führungsring kann
mittels eines Druckluftbalgs mit Druck beaufschlagt werden, um so
das Poliertuch beim Kontakt mit der Halbleiterscheibe vorzuspannen
und plan zu halten.
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Die
Poliervorrichtung der Applied Materials, Inc. besitzt drei Polierteller,
die unterschiedliche Poliertücher tragen können,
und umfasst einen Turm, der mehrere Polierköpfe in fester
Anordnung zueinander trägt, die jeweils eine Halbleiterscheibe
aufnehmen. Die Halbleiterscheiben können synchron von einem
Po lierteller zum nächsten weiterbewegt und nacheinander
jeweils auf einem der drei Polierteller bearbeitet werden.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel umfasste eine Polierfahrt einen
Polierschritt, an dessen Ende jeweils eine polierte Halbleiterscheibe
erhalten wurde.
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Als
Poliermittel wurde eine wässerige Zusammensetzung mit pH
10,4 verwendet und mit Wasserstoffperoxid in einer Konzentration
von 0,178 Gew.-% als der Germanium lösenden Komponente.
Das Poliertuch wurde während der Politur mit dem Poliermittel
konditioniert. Weitere Einzelheiten zum Poliermittel und zu Parametern
der Politur sind in Tabelle 2 zusammengestellt: Tabelle 2:
| Parameter | Wert | Einheit |
| Polierzeit | 230 | sec |
| Polierdruck | 4,25 | psi
(29,3 kPa) |
| Druck
Führungsring | 2,25 | psi
(15,51 kPa) |
| Kopfgeschwindigkeit | 60 | rpm |
| Tellergeschwindigkeit | 70 | rpm |
| Druck
in der inneren Zone | 2 | psi
(13,79 kPa) |
| Druck
in der äußeren Zone | 6 | psi
(41,37 kPa) |
| Poliermittelfluss | 530 | ml/m |
| Levasil® 200 *) | 3,44 | Gew.-% |
| K2CO3 | 0,2 | Gew.-% |
| H2O2 | 0,178 | Gew.-% |
| pH-Wert | 10,4 | |
- *) Feststoffanteil im Poliermittel
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel umfasste eine Polierfahrt zwei
Polierschritte, einen Abtragsschritt und einen Glättschritt, die
mit unterschiedlichen Poliermitteln durchgeführt wurden.
Im Abtragsschritt wurde das gleiche Poliermittel wie im ersten Ausführungsbeispiel
eingesetzt, mit Ausnahme der Konzentration des darin enthaltenen
Wasserstoffperoxids. Diese betrug 0,355 Gew.-%. Im Glättschritt
wurde ein Poliermittel verwendet, dem kein Oxidationsmittel zugesetzt
worden war. Weitere Einzelheiten zum Poliermittel und zu Parametern
des Glättschritts sind in Tabelle 3 zusammengestellt: Tabelle 3:
| Parameter | Wert | Einheit |
| Polierzeit | 80 | sec |
| Polierdruck | 3 | psi
(20,68 kPa) |
| Druck
Führungsring | 1,5 | psi
(10,34 kPa) |
| Kopfgeschwindigkeit | 10 | rpm |
| Tellergeschwindigkeit | 70 | rpm |
| Druck
in der inneren Zone | 6 | psi
(41,37 kPa) |
| Druck
in der äußeren Zone | 2 | psi
(13,79 kPa) |
| Poliermittelfluss | 400 | ml/min |
| Glanzox
3900 *) | 1 | Gew.-% |
| pH-Wert | 10,4 | |
- *) Feststoffanteil im Poliermittel
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9 und 10 zeigen
die Ergebnisse von Streulichtmessungen an einer nach dem zweiten
Ausführungsbeispiel durchgeführten Politur einer
relaxierten Si0,8Ge0,2-Schicht.
In den DCN-Kanälen für 0,13 μm–0,16 μm
LSE-Größe werden 7, für 0,16 μm–0,20 μm
werden 3, für 0,20 μm–0,24 μm
kein und für „area counts" (≥ 0,24 μm)
9 LPD- Defekte gezählt. Insgesamt für LPD-Defekte ≥ 0,13 μm
im DCN-Kanal also 7 + 3 + 0 + 9 = 19. (Die Darstellung der Defektverteilung über
die Oberfläche in 9 zeigt
wieder alle gemessenen LPD-Defekte, also auch die ≤ 0,13 μm.).
Das DNN-Haze-Spektrum in 10 weist
nur Zählhäufigkeiten C bei sehr kleinen Streuintensitäten
I auf (vgl. 3) und nimmt zu höheren
Intensitäten hin nahezu monoton ab. (Bereiche niedriger
Intensität 3 und hoher Intensität 4 gehen
weitgehend homogen ineinander über.) Der über alle
Intensitäten I integrierte und mit der Zählhäufigkeit
C über die Halbleiteroberfläche gewichtete DNN-Haze enthält
nur 0,048 ppm der Strahlintensität des einfallenden Messstrahls.
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Die
Streulichtmessungen wurden unmittelbar nach Politur der verspannt-relaxierten
Si0,8Ge0,2-Oberfläche
und nach dem Entfernen der Poliermittelreste durchgeführt.
Um lose anhaftende Partikel, die das Polierergebnis verfälschen
zu entfernen, wurde die polierte Halbleiterscheibe gereinigt. Danach
wurden nur noch 3 LPD-Defekte mit ≥ 0,13 μm LSE-Größe
im DCN-Kanal gezählt (11).
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Beim
Polieren der verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht hat sich gezeigt, dass ein Mindest-Materialabtrag
erforderlich ist, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.
Dies gilt insbesondere für Rauhigkeiten bei größeren
Korrelationslängen. 12 zeigt
RMS-Rauhigkeiten nach Chapman bei 250 μm (36),
80 μm (37) und 30 μm (38) Korrelationslänge.
Für sehr lange Korrelationslängen (36)
nimmt die Rauhigkeit mit zunehmendem Materialabtrag auch oberhalb
5000 Å noch etwas weiter ab, während bei geringen
Korrelationslängen (37 und insbesondere 38)
oberhalb 5000 Å Materialabtrag keine weitere Glättung
erzielt wird. Bei sehr geringen Korrelationslängen ist
im Wesentlichen keine Abnahme der Rauhigkeit mit zunehmendem Materialabtrag
zu beobachten. So sind alle aus 40 μm × 40 μm-
(39), 10 μm × 10 μm- (40) und
1 μm × 1 μm- (41) AFM-Messungen errechneten
Werte für die RMS-Rauhigkeit bereits ab dem geringsten
durchgeführten Polierabtrag von 3000 Å konstant
(13). Die Erfinder erklären dies damit,
dass aufgrund der Elastizität des Poliertuchs zunächst bevorzugt
kurzwellige Unebenheiten abgetragen werden und erst mit zunehmendem
Materialabtrag nach und nach auch längerwellige Unebenheiten
beseitigt werden.
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Da
die Ebenheit auch bei größeren Korrelationslängen über
die Eignung der polierten verspannt-relaxierten Si1-xGex-Schicht zur Strukturierung besonders anspruchsvoller
Bauelemente entscheidet, wird ein Materialabtrag von mindestens
3500 Å (350 nm) bei der Durchführung der erfindungsgemäßen
Verfahren bevorzugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Sawano et
al., Materials Science and Engeneering B89 (2002) 406-409 [0006]