CN100447956C - 一种处理晶圆的方法及晶圆 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种处理一晶圆的方法，此晶圆具有至少一个半导体材料表面层，所述表面层的表面已经历一化学机械抛光步骤，继之以一RCA清洁步骤。在所述抛光步骤之后且在所述RCA清洁步骤之前，所述方法包括使用SC1溶液清洁所述半导体材料表面层的表面的中间步骤，SC1溶液是使得所述表面层(曲线B)中出现的缺陷比未经历所述中间清洁步骤的相似表面层(曲线A)的缺陷减少的浓度和温度条件下。
Description
技术领域
本发明涉及处理或清洁以薄片形式存在的晶圆的表面，在此晶圆表面上有一层称为“有用层”的半导体材料(例如硅(Si)或硅锗(SiGe))，且本发明涉及构成可自其生产大量元件(例如集成电路单元或分立的装置)的媒介。
背景技术
制作这些晶圆的一种已知技术为Smart
技术，例如其可用于获得SOI(绝缘体上覆硅结构)晶圆。执行应用于生产SOI晶圆的Smart技术的一实例在美国专利US-A-5 374564中描述，或在A.J.Auberton-Hervé等人在题为“Why Can Smart-Cut Change the Future ofMicroelectronics？”，Int Journal of High Speed Electronics and Systems，第10卷，No 1，2000，第131-146页的文章中描述。一般而言，所述Smart
技术包括将原子种类植入半导体晶圆(例如Si或SiGe)端面下的植入区；使所述经历植入之晶圆端面紧密接触支撑基板；和在植入区分裂晶圆以将位于植入区和透过其而发生植入的表面之间的晶圆部分转移到所述支撑基板上。
因此，得到具有已被转移到支撑基板的一个端面上的层的结构(例如SOI结构)。分裂和转移后，处理转移层的表面以移除植入层的厚度部分且减少所述分裂表面的粗糙度。这些处理的实例在美国专利申请案US 2004/115905和国际专利申请案WO-A-0115215中描述。通常，所述处理包括抛光步骤，接着在可选择的牺牲氧化和/或平滑化热处理的最终步骤前执行清洁步骤。对于扫描面积(例如用原子力显微镜执行)为2微米(μm)乘2μm来说，抛光步骤可减少均方根(rms)粗糙度至小于2.5埃(Angstroms，
)(例如2
rms)。
更确切地说，在第一步骤中，抛光包括化学机械抛光步骤，此步骤使用与既含有化学腐蚀所述层表面的试剂又含有机械磨蚀所述表面的研磨颗粒的抛光溶液相关联的抛光板，和通常使用去离子水(DIW)的清洗步骤。其后，执行一清洁步骤，包括用清洁溶液处理晶圆。
为清洁具有半导体材料表面层的晶圆的表面，已知使用被称为“RCA”(由于其由RadioCorporation of America提出)的标准处理，且其包括：
使用SC1溶液(标准清洁1)(或APM，过氧化铵-过氧化氢混合物)的第一清洁步骤，SC1溶液含有氢氧化铵(NH4OH)、过氧化氢(H2O2)和去离子水(H2O)；
使用SC2溶液(标准清洁2)(或HPM，盐酸-过氧化氢混合物)的第二清洁步骤，SC2溶液含有盐酸(HCl)、过氧化氢(H2O2)和去离子水。
通常用于50℃至80℃范围内的所述第一溶液SC1，主要是用来移除析出于所述晶圆表面上的颗粒和隐埋于靠近所述表面的颗粒，以及用来使表面亲水。
通常用于70℃至90℃范围内的所述第二溶液SC2，主要特别经由形成氯化物用来移除已沉积于所述晶圆表面上的金属污染物。
对于细薄结构，也就是诸如具有厚度小于约1000
的半导体有用层的SOI结构的结构，在最终产物(也就是在最终牺牲氧化作用后)中已观测到“HF”缺陷密度超过可接受界限。“HF”缺陷是在从所述层的表面一直伸入隐埋氧化层的SOI结构的活性半导体层中的缺陷。它们的存在可在以氢氟酸(HF)处理所述SOI结构后经由环状图案来显示。对于特定晶圆观测到的HF缺陷密度可高达15个缺陷/平方厘米(cm2)，而所推荐的界限值通常为大约0.5个缺陷/cm2，或甚至小于0.1个缺陷/cm2。
HF缺陷被认为是对晶圆“破坏性的”缺陷，因为它们使其对于后续处理不可行(不可接受的品质)，尤其对于元件形成而言。
发明内容
本发明提出一种用于已经历一化学机械抛光步骤和一RCA清洁步骤的半导体材料层的技术解决办法，特别是在后续处理过程中其可减少所述处理对HF缺陷出现的影响，且结果可减少在所述层中的HF缺陷密度。
此目标通过一种处理具有至少一个半导体材料表面层的晶圆的方法来实现，所述表面层的表面已经历化学机械抛光步骤，继之以RCA清洁步骤，在此方法中，在抛光步骤后和RCA清洁步骤前，使用SC1溶液实施清洁半导体材料表面层的表面的中间步骤，SC1溶液是在使得随后出现的缺陷(HF缺陷)比未经历所述中间清洁步骤的相似表面层的缺陷减少的浓度和温度条件下。
如下文详述，本申请者已确定于随后的处理过程中(例如牺牲性氧化作用)出现的HF缺陷密度在已经历根据本发明的中间清洁步骤的表面层中比在未经历所述步骤(即仅经历抛光步骤和RCA清洁步骤)的类似层中低得多。如果不经过所述中间清洁步骤，缺陷通过抛光污染物或残余物的区域中的优先蚀刻而形成在表面层中。所述缺陷可为出现于层表面上的缺陷；因此这些已是HF缺陷。当不出现所述缺陷时，在后续处理过程中其可变为浮现缺陷且结果变为HF缺陷，例如在经(举例而言)牺牲氧化的变薄过程中，由于变薄是“保形的”(也就是不管初始厚度如何，在表面上的材料移除是不变的)，所以其可将非浮现缺陷转变为浮现缺陷。
在本发明的一方面，SC1溶液包含1体积氢氧化铵(NH4OH)、4体积过氧化氢(H2O2)和10至40体积去离子水(H2O)，所述SC1溶液在低于50℃的温度下使用。
例如，SC1溶液可包含1体积氢氧化铵(NH4OH)、4体积过氧化氢(H2O2)及20体积去离子水(H2O)且在20℃±5℃温度下使用。
中间清洁步骤可经由将具有半导体有用层的晶圆浸入SC1溶液中来进行。
在一变化中，清洁步骤使用一包含一固定晶圆的抛光头的抛光单元来进行，所述晶圆的半导体材料的表面层的表面也保持与一板接触，所述抛光单元包括一经其分配SC1溶液的注射管线。
半导体材料的表面层厚度小于1000
较好。
半导体材料的表面层可由硅(Si)或硅锗(SiGe)形成，且视情况构成了使用(例如)Smart-
技术分别制造的SOI或SGOI(绝缘体上覆硅锗)结构的表面层。
本发明还提供一种具有至少一个半导体材料表面层的晶圆，所述表面层具有小于1000
的厚度，对于2μm×2μm的扫描面积具有小于2.5
rms的粗糙度，和小于0.5/cm2，或甚至小于0.1/cm2的HF缺陷密度。所述晶圆可为一绝缘体上覆硅(SOI)结构。
附图说明
图1为使用一抛光单元来进行本发明的中间清洁步骤的图。
图2为展示中间清洁步骤对于不同厚度硅层的效果图。
具体实施方式
本发明的目标是在具有至少一个半导体材料表面有用层(例如一厚度小于1000
的硅或硅锗(SiGe)层)的完成结构中减少HF缺陷密度。术语“完成”结构意味半导体有用层的表面已经历如上所述的至少一化学机械抛光步骤和一使用RCA处理清洁有用层表面的步骤的结构。所述抛光步骤之前或之后还可经例如牺牲氧化或快速或缓慢热退火的表面热处理。
如下详述，本申请者已觉察经由使用在其使用条件(浓度、温度)下较和缓的SC1溶液添加一清洁步骤，且其适当介于(也就是)化学机械抛光步骤与RCA清洁步骤之间，在完成结构中HF缺陷密度可显著减少。
所述中间步骤有助于移除污染物和较小缺陷，或者在化学机械抛光步骤过程中产生的残余物，且尤其归因于使用具有研磨颗粒(金属污染物)的化学试剂的悬浮液。在随后的处理过程中，所述污染物和小缺陷在HF缺陷的出现中充当“催化剂”。在经RCA处理清洁半导体有用层表面的步骤过程中所述污染物和小缺陷似乎构成蚀刻的优先位置且导致缺陷的出现。所述缺陷可通过薄半导体层且在RCA处理过程中出现在隐埋层(例如氧化物层)上(这些缺陷被称为HF缺陷因为它们可由HF来显示)或能在随后的处理(例如牺牲氧化)过程中出现。
因而，通过在中间清洁步骤过程中控制(也就是通过减少)所用的SC1溶液(较和缓的SC1溶液)的蚀刻度，可能在标准RCA清洁步骤之前除去污染物且可能不需蚀刻半导体有用层就可使较小缺陷钝化，否则HF缺陷将从这些较小缺陷中发展。
用于本发明的中间清洁步骤中的较和缓SC1溶液的蚀刻度主要受调节SC1溶液的成份浓度和其温度控制。然而，本发明的中间清洁步骤必须允许在不腐蚀半导体有用层的情况下除去污染物和钝化较小缺陷以避免HF缺陷的出现。如果使用SC1溶液的条件(也就是组份的浓度和温度)给予其更大的蚀刻度，那么将有蚀刻有用层过深且在此层中造成额外的缺陷的风险。换句话说，对于在RCA清洁中使用SC1溶液，SC1溶液中添加剂的浓度和其操作温度必须相对通常条件降低，但仅下降至特定界限，低于此界限所述中间清洁步骤将不具有足够效果(也就是说不能除去大量较小缺陷和污染物或源自化学机械抛光的残余物)。根据下列给出的实例，熟练人员将可在中间清洁步骤过程中调节SC1溶液的浓度和温度条件以处理半导体材料的有用层表面。
以已知方式，SC1溶液含有氢氧化铵(NH4OH)、过氧化氢(H2O2)和去离子水(H2O)。根据本发明，较和缓的SC1溶液配方如下所示：
1体积的氢氧化铵(NH4OH)；
4体积的过氧化氢(H2O2)；和
10至40体积的去离子水(H2O)。
在本发明的中间清洁步骤中，SC1溶液的操作温度不得超过约50℃。所述溶液最好在环境温度下使用，其避免必须使用加热装置且简化中间清洁步骤的控制。以已知的方式，溶液的温度增加造成其蚀刻程度的增加(活化作用)。
举例来说，在环境温度(假定为20℃±5℃)下，含有1体积NH4OH、4体积H2O2和20体积H2O的较和缓SC1溶液提供良好的HF缺陷减少能力，同时最小化半导体层的蚀刻。然而，在环境温度下含有15体积H2O的SC1溶液与含有30体积H2O的SC1溶液一样也提供良好结果。
另外，应用所述较和缓SC1溶液所需时间为约1分钟。
在本发明的第一实施方案中，通过将具有半导体有用层的晶圆浸入含上述配方的SC1溶液中来实施中间清洁步骤。所述SC1溶液最好在环境温度下且浸入时间为约1分钟。
在本发明的另一实施方案中，使用抛光单元采用较和缓的SC1溶液来实施中间清洁步骤。图1展示抛光单元10，其包含抛光头11，所述抛光头中插入一基板，例如一包含绝缘支撑120和作为半导体有用层的硅层121的SOI基板12。单元10进一步包含板13和抛光垫14。根据本发明，通常用于将研磨悬浮液分配入所述头中的管线15用于分配较和缓的SC1溶液。压力Fe和由箭头16象征的运动被施加于所述头上以确保整个硅层121的表面与较和缓的SC1溶液接触。
图2展示当使用本发明的较和缓SC1溶液(例如在环境温度下含有1体积NH4OH、4体积H2O2和20体积H2O的较和缓SC1溶液)进行中间清洁步骤时所获得的关于硅层中HF缺陷减少的结果。
在图2中，曲线A和B表示在200毫米(mm)晶圆上(也就是在314cm2的表面积上)，分别在无使用较和缓SC1溶液(曲线A)的中间清洁步骤和有使用较和缓SC1溶液(曲线B)的中间清洁步骤时，在已经历化学机械抛光和RCA清洁的硅层上观测到的HF缺陷数目。我们将观测到HF缺陷密度与硅层的厚度有联系，曲线A和B展示在硅层厚度变薄为沿横坐标展示的值后揭示HF缺陷的结果。此观测结果确定在使用先前技术方法(也就是化学机械抛光后直接进行标准RCA处理而没有中间清洁步骤)所处理的晶圆中观测到的HF缺陷导致非浮现缺陷存在于较厚层中。在层变薄过程中所述缺陷转变为HF缺陷。
如图2中所示，当进行根据本发明的额外的清洁步骤时(参见曲线B)硅层中的HF缺陷密度比不经历中间清洁(参见曲线A)的相同层中的HF缺陷密度显著减少。对于厚度小于1000
的层来说，中间清洁步骤对HF缺陷密度减少的影响变得显著；且厚度越小，影响越大。
上述本发明的中间清洁步骤可最小化已经历化学机械抛光步骤继之以RCA清洁步骤的半导体材料层中的缺陷。结果本发明可单独应用于半导体材料(例如硅或硅锗)晶圆或应用于具有由半导体材料层构成的表面层的多层晶圆。
上述本发明的中间清洁步骤尤其可显著减少SOI(或SGOI)结构中的HF缺陷密度，所述SOI(或SGOI)结构通常包含厚度小于1000
的诸如硅(或硅锗合金)的半导体材料的表面层，这些结构是使用Smart
技术来制造的，也就是(在植入和分裂后)经由将半导体材料的精细层转移到绝缘支撑上，使所述半导体转移层的表面的化学机械抛光步骤和RCA清洁步骤成为必需。
Claims (13)
1.一种处理晶圆(12)的方法，所述晶圆具有至少一个半导体材料表面层(121)，所述表面层的表面已经历化学机械抛光步骤，继之以RCA清洁步骤，所述方法的特征在于，在所述抛光步骤之后且在所述RCA清洁步骤之前，其包括使用SC1溶液清洁所述半导体材料表面层的所述表面的中间清洁步骤，SC1溶液是使得所述表面层中出现的缺陷比未经历所述中间清洁步骤的表面层的缺陷减少的浓度和温度条件下，所述SC1溶液包含1体积氢氧化铵、4体积过氧化氢及10到40体积去离子水，所述SC1溶液在低于50℃的温度下。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述SC1溶液在20℃±5℃温度下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述中间清洁步骤进行1分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述中间清洁步骤通过将具有所述表面层的所述晶圆浸入SC1溶液中来进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述中间清洁步骤使用包含固定所述晶圆(12)的抛光头的抛光单元(10)来进行，所述晶圆的半导体材料的表面层(121)的表面也保持与一抛光垫(14)接触，所述抛光单元包括注射管线(15)，经其分配所述SC1溶液。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述半导体材料的表面层厚度小于1000
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述半导体材料的表面层是由硅制成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述晶圆为使用Smart-Cut
技术制造的绝缘体上覆硅结构。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述半导体材料的表面层是由硅锗制成。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述晶圆为使用Smart-Cut技术制造的绝缘体上覆硅锗结构。
11.一种具有至少一个半导体材料表面层的晶圆，所述晶圆经权利要求1中所述的方法处理，所述表面层具有小于1000
的厚度，对于2μm×2μm的扫描面积具有小于2.5
rms的粗糙度，和小于0.5/cm2的HF缺陷密度。
12.根据权利要求11所述的晶圆，其特征在于其包含绝缘体上覆硅结构。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的晶圆，其特征在于其具有小于0.1/cm2的HF缺陷密度。
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