CN101792927A - 热处理硅晶片的方法 - Google Patents
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Abstract
在热处理通过分割由直拉生长法制造的硅单晶锭而获得的晶片的方法中，在具有1.0％或以上且20％或以下的氧分压和氩气的含氧混合气体气氛中，通过在1200℃或以上且硅熔点或以下的极限温度下，设置保持时间为等于或长于一秒且等于或短于60秒，来进行快速加热/冷却热处理，并且由此在硅晶片表面上形成具有9.1nm或以下、或者24.3nm或以上厚度的氧化物膜。
Description
本申请要求2009年1月30日提交的日本专利申请No.2009-019268以及2009年1月30日提交的日本专利申请No.2009-019269的优先权，在此引入其全部内容供参考。
技术领域
本发明涉及一种应用于半导体器件的对通过分割由直拉生长法制造的硅单晶锭而获得的硅晶片(下面将称为CZ方法)进行热处理的方法。
背景技术
关于被用作形成衬底的半导体器件的硅晶片(下面将称为晶片)，通常在预定环境中热处理(退火)经受镜面抛光的硅晶片，以便提高半导体器件工艺中的产量。
作为现有技术的热处理技术，例如，日本专利申请公开No.JP-A-261632公开了一种在含5％或以上的氧气的气氛中，在1250至1380℃的温度下进行热处理1至20小时的方法。日本专利申请公开No.JP-A-2000-31150公开了一种进行热处理的方法，即，在包含100％氮气或100％氧气的气氛中，或在氧气和氮气的混合气氛中，通过将最大维持温度设置为等于或高于1125℃且等于或低于硅熔点，并且将保持时间设置为等于或大于五秒，并然后从最大维持温度以8℃/秒或以上的冷却速率执行快速冷却。
但是，由JP-A-2006-261632中描述的方法制造的硅晶片具有在半导体器件工艺的热处理中晶片表面上易于发生位错的问题。
此外，关于由JP-A-2000-31150中描述的方法制造的硅晶片，在包含氧气的气氛中进行快速加热/冷却热处理。因此，在经受热处理的晶片表面上形成氧化物膜，即，形成经受镜面抛光的表面的器件。但是，存在依据该条件而使晶片表面的粗糙度降低的问题。
因此，该问题引起半导体器件工艺中的产量减少。
发明内容
本发明的示例性方面提供一种热处理硅晶片的方法，该方法可以抑制半导体器件工艺中的位错发生和晶片表面的粗糙度降低。
根据本发明的一方面，热处理硅晶片的方法设有：在含氧气氛中，在硅晶片的表面上，对于形成有9.1nm或以下、或者24.3nm或以上厚度的氧化物膜进行快速加热/冷却热处理。
通过进行该热处理，可以抑制半导体器件工艺中的位错发生和晶片表面的粗糙度降低。
由以下描述、附图以及权利要求，本发明的其他方面和优点将显而易见。
附图说明
图1是示出了根据本发明的热处理硅晶片的方法中使用的快速加热/冷却热处理设备例子的外形的剖面图。
图2是示出了根据本发明的快速加热/冷却热处理中的热处理顺序的示意性图表。
图3是示出了测试1-1中晶片表面上的氧化物膜厚度的测量点的视图。
图4是示出了测试1-1中每个极限温度T1下氧化物膜的厚度和SP1的Haze的晶片面内平均值之间关系的曲线。
图5是示出了测试1-1中每个极限温度T1下氧化物膜的厚度和SP2的Haze的晶片面内平均值之间关系的曲线。
图6是示出了测试1-2中晶片中心上的深度方向中的氧浓度分布曲线。
图7是示出了测试1-3中晶片的表面层中的最大氧浓度和极限温度之间关系的曲线。
图8是示出了测试2-1中每个极限温度下氧化物膜的厚度和SP1的Haze的晶片面内平均值之间关系的曲线。
图9是示出了测试2-1中每个极限温度下氧化物膜的厚度和SP2的Haze的晶片面内平均值之间关系的曲线。
具体实施方式
(第一实施例)
下面将参考附图，更详细地描述根据本发明的第一实施例。
在根据第一实施例的热处理硅晶片的方法中，在通过分割由CZ方法制造的硅单晶锭获得的晶片上进行快速加热/冷却热处理。本发明的特点在于，在等于或高于1300℃并且等于或低于硅熔点的极限温度下，在含氧气氛中进行快速加热/冷却热处理，且由此在该晶片表面上形成具有24.3nm或以上厚度的氧化物膜。
在如上所述的现有技术的热处理方法中，发生如下位错。在半导体器件工艺中形成沟槽，以便应力被施加到晶片的内部。因此，在晶片中发生位错。在后续热处理中，该位错延伸至晶片表面。
换句话说，在镜面抛光之后进行的热处理中，可以假定晶片中的氧过度地向外扩散，晶片表面层的氧浓度减小，并且使阻止位错的氧的钉扎力(pinning force)减小，并且晶片中发生的位错从而易于延伸至晶片表面。
另一方面，在本发明中，在硅晶片上进行快速加热/冷却热处理。因此，对应于该温度的可溶性极限氧浓度从该气氛向内扩散到晶片内部，此外，温度下降所需要的时间被缩短。因此，可以抑制向内扩散的晶片中的氧向外扩散。因此，可以抑制晶片表面层中的氧浓度的增加或减小。换句话说，可以抑制阻止位错的氧的钉扎力减小。因此，可以防止晶片中发生的位错延伸至该表面。
此外，氧化物膜的极限温度和厚度被控制在进行快速加热/冷却热处理的范围内。因此，也可以抑制热处理中由于氧化物膜的形成而引起的晶片表面的粗糙度降低。
在根据本发明的热处理硅晶片的方法中，在通过分割由CZ方法制造的硅单晶锭而获得的晶片上进行快速加热/冷却热处理。
硅单晶锭可以通过众所周知的工艺由CZ方法制造。更具体地说，石英坩埚中填充的多晶硅被加热为硅熔液，并且使籽晶晶体与硅熔液的液面接触，而且使籽晶晶体和石英坩埚旋转，同时，籽晶晶体被向上拉并且直径增加到所期望的直径，从而形成直桶部分，然后从该硅熔液除去籽晶晶体，以生长硅单晶锭。
接下来，通过众所周知的工艺，将由此获得的硅单晶锭处理为硅晶片。更具体地说，借助于内切刀齿或钢丝锯，将硅单晶锭分割为晶片形状，然后进行诸如外圆周部分的切角、研磨、刻蚀或镜面抛光的处理。
在含氧气氛中，在极限温度等于或高于1300℃且等于或低于硅熔点的条件下，通过使用快速加热/冷却热处理设备(下面将称为RTP设备)，在由此获得并经受镜面抛光的硅晶片上进行快速加热/冷却热处理，以便在晶片表面上形成具有24.3nm或以上厚度的氧化物膜。
图1示出了根据本发明的热处理硅晶片的方法中使用的RTP设备例子的外形。
图1所示的RTP设备10包括具有气氛气体入口20a和气氛气体出口20b的反应管20，设置在反应管20上、彼此远离的多个灯30以及用于在反应管20中的反应空间25中支撑晶片W的晶片支撑部分40。
晶片支撑部分40具有用于直接支撑晶片W的圆形基座40a以及用于支撑基座40a的载物台40b。
例如，反应管20和载物台40b由石英形成，而基座40a由硅形成。此外，例如，由卤素灯构成灯30。
通过在反应管20上设置的晶片入口(未示出)，将晶片W引入反应空间25中，在晶片支撑部分40的基座40a上支撑晶片W，从大气气体入口20a引入下面将描述的气氛气体，并使灯30照射光到晶片W的表面，使用图1所示的RTP设备10，来进行用于晶片W的快速加热/冷却热处理。
关于反应空间25中的温度控制，借助于晶片支撑部分40的载物台40b中嵌入的多个辐射温度计50，在晶片W的背面中晶片W的径向上测量大量点(例如，九个点)上的平均温度，并且基于每个测量温度，通过控制装置(未示出)来控制灯30的单个输出。
在快速加热/冷却热处理中，在其中晶片表面上形成的氧化物膜的厚度小于24.3nm的情况下，以及其中即使氧化物膜的厚度等于或大于24.3nm而快速加热/冷却热处理中的极限温度低于1300℃的情况下，也难以抑制晶片表面的粗糙度降低。另一方面，在极限温度超过硅熔点的情况下，将被热处理的硅晶片被熔化。
从RTP设备的寿命观点，更优选，极限温度应该等于或高于1300℃并且应该等于或低于1380℃。
从快速加热/冷却热处理之后以高生产率去除形成的氧化物膜的观点，优选氧化物膜的厚度上限应该等于或小于100nm。
图2示意地示出了快速加热/冷却热处理中热处理顺序中的温度和时间之间的关系。
如图2所示，首先，在温度TO(例如，500℃)下，保持经受了镜面抛光的硅晶片，并在含氧气氛中，以温度上升速度ΔTu(℃/秒)迅速地加热到极限温度T1(℃)，并保持预定时间t(秒)，并且然后以温度下降速度ΔTd(℃/秒)，从该极限温度T1(℃)迅速地冷却到温度T0(℃)。
优选，含氧气氛中的氧分压应该等于或高于1.0％并且应该等于或低于20％。
如果氧分压低于1.0％，则难以将氧化物膜的厚度控制到该范围，此外，减小了该气氛中的氧向内扩散到晶片中的量。结果，氧的钉扎力被减小，使得难以抑制半导体器件处理中的位错发生。
另一方面，如果氧分压超过20％，因为氧分压过高，所以要形成的氧化物膜过于厚。由此，很难以高生产率来去除氧化物膜。
优选该含氧气氛中除氧气以外的气体应该是惰性气体。
如果氮气被用作除氧气以外的气体，那么在快速加热/冷却热处理中，在晶片表面上形成氮化物膜。为了去除该氮化物膜，需要重新增加刻蚀步骤，以致步骤数目增加，这不是优选的。
此外，如果氢气被用作除氧气以外的气体，那么存在氧气和氢气的混合气体可能引起爆炸的可能性，这不是优选的。
对于惰性气体，特别地，优选使用氩气。在氩气的情况下，可以进行快速加热/冷却热处理，而不形成诸如氮化物膜的其它薄膜或化学反应。
温度上升速度ΔTu和温度下降速度ΔTd可以等于或高于10℃/秒，并且可以等于或低于150℃/秒。
在其中温度上升速度ΔTu或温度下降速度ΔTd低于10℃/秒的情况下，生产率降低。
另一方面，在其中温度上升速度ΔTu或温度下降速度ΔTd超过150℃/秒的情况下，硅晶片承受不了温度的过度急剧变化而使得滑动发生。
极限温度T1等于或高于1300℃并且等于或低于硅的熔点，优选，等于或高于1300℃且等于或低于1380℃，如上所述。
在使用图1所示的RTP设备的快速加热/冷却热处理的情况下，假定极限温度T1被设为晶片背面中的晶片W的径向上的大量点(例如，九个点)上的平均温度。
极限温度T1下的保持时间t可以等于或长于1秒，而且可以等于或短于60秒。
如果保持时间t短于1秒，则难以实现生长缺陷减小，以及提高体内微缺陷(BMD)密度，提高体内微缺陷(BMD)密度是快速加热/冷却热处理最初目标。
另一方面，如果保持时间t超过60秒，那么生产率降低，并且晶片中的氧的向外扩散增加，这不是优选的。
[例1]
下面将基于例1，给出根据本发明的第一实施例的更具体描述，而且本发明不局限于以下的例1。
(测试1-1)极限温度、氧化物膜的厚度以及表面粗糙度之间的关系
通过分割由CZ方法制造的硅单晶锭而获得的并具有经受镜面抛光的两侧的硅晶片(300mm的直径，775mm的厚度以及1.3×1018atom/cc的氧浓度)被引入图1所示的RTP设备；并且在500℃的温度T0下，在氧100％气氛(20slm的流速)中，以50℃/秒的温度上升速度ΔTu和温度下降速度ΔTd，改变极限温度T1和保持时间t，以便以图2所示的热处理顺序进行快速加热/冷却热处理。因此，获得退火晶片，其中晶片表面上形成的氧化物膜的厚度被改变。
通过椭圆对称法由AutoELIII(由Rudolph Research有限公司制造)来测量由此获得的每个退火晶片表面上形成的氧化物膜的厚度。在包括晶片中心O(距中心0mm的距离)以及各个从晶片中心到晶片圆周的两个方向上具有40mm、75mm、110mm和145mm距离的位置的两个点的总共九个点上进行测量，如图3所示。它们的平均值被设为薄膜的厚度。图3中的数值表示距晶片中心的距离。
此外，通过氟酸清洗，去除该氧化物膜，然后通过激光束散射型粒子计数器(由KLA-Tencor有限公司制造的SP1和SP2)来测量表面粗糙度(Haze)的晶片面内平均值。
为了比较，作为常规例子，在如上所述的相同硅晶片上不进行快速加热/冷却热处理，而是通过使用众所周知的垂直热处理炉，在100％氩气气氛中，在500℃的温度TO下，并以3℃/分钟的温度上升速度ΔTu和温度下降速度ΔTd，1200℃的极限温度T1和在该极限温度T1下的一小时的保持时间t，来执行热处理，并且以和上述相同的方法来测量氧化物膜的厚度和Haze的晶片面内平均值。
表1示出了在每个极限温度T1下对于氧化物膜的厚度和Haze的晶片面内平均值的测量结果。
此外，图4是示出了在每个极限温度T1下氧化物膜的厚度和SP1所述的Haze的晶片面内平均值之间的关系的曲线，而图5示出了在每个极限温度T1下氧化物膜的厚度和SP2的Haze的晶片面内平均值之间的关系的曲线。在图4和5二者中，纵坐标轴表示Haze而横坐标轴表示氧化物膜的厚度。
[表1]
由图4和5的曲线中所示的结果，发现当极限温度T1等于或高于1300℃且氧化物膜的厚度等于或大于24.3nm时(例1-1至1-4)，满足与常规例子中在相同级别上获得Haze的平均值的条件。
(测试1-2)氧分压和晶片氧浓度之间的关系
在通过分割由CZ方法制造的硅单晶锭而获得的并具有经受镜面抛光的两侧的硅晶片(300mm的直径，775mm的厚度以及1.3×1018atom/cc的氧浓度)上来进行常规例子中所描述的热处理。氧向外扩散，然后硅晶片被引入图1所示的RTP设备中，在用氩气稀释的含氧气氛中改变氧分压(20slm的总气体流速)，并且设置1350℃的极限温度T1和在该极限温度T1下15秒的保持时间t，而其他条件被设为与测试1-1中的条件相同，以进行快速加热/冷却热处理。因此，通过次级离子质谱仪(SIMS；由Cameca有限公司制造的Ims-6f)评估每个退火晶片的中心上的深度方向中的氧浓度分布。
此外，在其中设置了100％氧气气氛且改变了氧气流速，以进行快速加热/冷却热处理的情况下，还评估了每个退火晶片的中心上的深度方向中的氧浓度分布。
此外，关于测试1-1所述的常规例子中获得的退火晶片，也在相同条件下评估氧浓度分布。
图6是示出了评估结果的曲线。氧浓度是通过旧-ASTM转换而获得的值。在图6中，“AT”表示根据常规例子的仅仅经受退火的晶片，而“PW”表示根本不经受退火而是在镜面抛光之后获得的晶片的氧浓度分布。
由图6的曲线所示的结果，与其他氧气气氛条件中的晶片相比，在用氩气稀释的1％氧分压气氛中，发现氧更充分地向内扩散到经受快速加热/冷却热处理的晶片的表面层中。
但是，在0.4％的氧分压(未示出)的情况下，不能获得足够的氧浓度。
此外，发现，与如图6所示的在含氧气氛中进一步经受快速加热/冷却热处理的退火晶片相比，根据常规例子的仅仅经受退火的晶片(AT)表面层中的氧浓度大大地减小。
(测试1-3)极限温度/保持时间和晶片的氧浓度之间的关系
通过分割由CZ方法制造的硅单晶锭获得的并具有经受镜面抛光的两侧的硅晶片(300mm的直径，775mm的厚度以及1.3×1018atom/cc的氧浓度)被引入图1所示的RTP设备，并且在100％氧气气氛中，改变其极限温度和保持时间(20slm的流速)，以进行快速加热/冷却热处理，并且通过次级离子质谱仪(SIMS：由Cameca有限公司制造的Ims-6f)来评估每个退火晶片的中心上的深度方向中的氧浓度分布，并且由此获得晶片表面层(距表面约1至2μm)中的最大氧浓度。
图7是示出了晶片表面层中的最大氧浓度和极限温度之间的关系的曲线。
由图7的曲线所示的结果，发现退火晶片的表面层中的最大氧浓度由极限温度决定，而不取决于处理所需要的时间。
在1300℃或以上的情况下，特别，该最大氧浓度超过抛光衬底(PW)上的最大氧浓度。因此，可以估计，位错抑制效果几乎相等。
由此，由该结果，从抑制氧浓度减小的观点，优选快速加热/冷却热处理的极限温度应该被设为等于或高于1300℃。
(第二实施例)
下面将参考附图更详细地描述根据本发明的第二实施例。
还是在根据第二实施例的热处理硅晶片的方法中，用和第一实施例中相同的方法，在通过分割由CZ方法制造的硅单晶锭而获得的晶片上也进行快速加热和快速冷却热处理。第二实施例的特点在于，在含氧气氛中，在等于或高于1200℃且等于或低于硅熔点的极限温度下，进行快速加热/冷却热处理，并且由此在晶片表面上形成具有9.1nm或以下厚度的氧化物膜。
在含氧气氛中，在通过与第一实施例中相同处理而获得并经受镜面抛光的硅晶片上，通过使用加热/冷却热处理设备(下面称为RTP设备)，来进行快速加热/冷却热处理，并由此在晶片表面上形成具有9.1nm或以下厚度的氧化物膜。
由于根据第二实施例的热处理硅晶片的方法所用的RTP设备与根据第一实施例的RTP设备10相同，因此其描述将被省略。
在快速加热/冷却热处理中，当晶片表面上形成的氧化物膜厚度超过9.1nm时，难以抑制晶片表面的粗糙度降低。
优选氧化物膜的厚度下限应该等于或大于3.0nm。如果该厚度小于3.0nm，则难以将含氧气氛中的氧向内扩散到晶片中，由此充分地提高晶片表面层的氧浓度。
此外，在第二实施例中，优选快速加热冷却热处理中的极限温度应该等于或高于1200℃且应该等于或低于硅的熔点。
通过设置该温度条件，可以更加大大地抑制快速加热/冷却热处理中的晶片表面的粗糙度降低。当该极限温度超过硅熔点时，将要经受快速加热/冷却热处理的硅晶片被熔化，这不是优选的。
更优选，该极限温度应该等于或高于1300℃并且应该等于或低于硅的熔点。
通过设置该温度条件，晶片表面层中的氧浓度可以被设置为与没有被热处理的晶片相等的级别。因此，可以更加大大地抑制半导体器件处理中的位错发生。
从RTP设备的寿命观点，更优选，该极限温度的上限应该等于或低于1380℃。
由于根据第二实施例的快速加热/冷却热处理中的热处理顺序中的温度和时间之间的关系与第一实施例相同，因此其描述将被省略。
用和第一实施例相同的方法，优选根据第二实施例的含氧气氛中的氧分压应该等于或高于1.0％且应该等于或低于20％。
此外，用和第一实施例相同的方法，根据第二实施例的含氧气氛中除氧气以外的气体应该是惰性气体。
用和第一实施例相同的方法，特别优选，氩气应该被用作惰性气体。
用和第一实施例相同的方法，优选根据第二实施例的温度上升速度ΔTu和温度下降速度ΔTd应该等于或高于10℃/秒且应该等于或低于150℃/秒。
根据第二实施例的极限温度T1等于或高于1200℃且等于或低于硅的熔点，优选等于或高于1300℃且等于或低于硅的熔点，更优选等于或高于1300℃且等于或低于1380℃，如上所述。
用和第一实施例相同的方法，优选在根据第二实施例的极限温度T1下的保持时间t应该等于或长于一秒且应该等于或短于60秒。
[例2]
将基于例2给出对第二实施例的更具体描述，本发明不局限于以下例2。
(测试2-1)极限温度、氧化物膜的厚度和表面粗糙度之间的关系
用和测试1-1相同的方法，通过分割由CZ方法制造的硅单晶锭而获得的并具有经受镜面抛光的两侧的硅晶片(300mm的直径，775mm的厚度以及1.3×1018atom/cc的氧浓度)被引入图1所示的RTP设备，并且在100％氧气氛中(20slm的流速)，在500℃的温度T0下，并以50℃/秒的温度上升速度ΔTu和温度下降速度ΔTd，改变其极限温度T1和保持时间t，以便以图2所示的热处理顺序来进行快速加热/冷却热处理。因此，获得退火晶片，其中晶片表面上形成的氧化物膜的厚度被改变。
通过椭圆对称法由AutoELIII来测量由此获得的每个退火晶片表面上形成的氧化物膜的厚度。用和例1相同的方法，如图3所示在包括晶片中心O(距中心0mm的距离)以及各个从晶片中心到晶片圆周的两个方向上具有40mm、75mm、110mm和145mm距离的位置的两个点的总共九个点上进行测量。它们的平均值被设为薄膜的厚度。图3中的数值表示距晶片中心的距离。
此外，通过氟酸清洗来去除氧化物膜，并且然后通过激光束散射型粒子计数器SP1和SP2来测量表面粗糙度(Haze)的晶片面内平均值。
用和第一实施例相同的方法，为了比较，作为常规例子，不在如上所述的相同硅晶片上进行快速加热/冷却热处理，而是在100％氩气气氛中，在500℃的温度T0下，并以3℃/分钟的温度上升速度ΔTu和温度下降速度ΔTd，1200℃的极限温度T1和该极限温度T1下的一小时的保持时间，通过使用众所周知的垂直热处理炉来执行热处理，并且用和上述相同的方法来测量氧化物膜的厚度和Haze的晶片面内平均值。
表2示出了根据第二实施例的对每个极限温度T1下氧化物膜的厚度和Haze的晶片面内平均值的测量结果。
此外，图8是示出了根据第二实施例的在每个极限温度T1下氧化物膜的厚度和SP1的Haze的晶片面内平均值之间的关系的曲线，而图9是示出了根据第二实施例的在每个极限温度T1下氧化物膜的厚度和SP2的Haze的晶片面内平均值之间的关系的曲线。在图8和9二者中，纵坐标轴表示Haze以及横坐标轴表示氧化物膜的厚度。
[表2]
由图8和9的曲线中所示的结果，发现，当氧化物膜的厚度等于或小于9.1nm(例2-1至2-10)时，满足获得具有与常规例子相等级别的Haze的平均值的条件，并且优选当极限温度T1等于或高于1200℃且氧化物膜的厚度等于或小于9.1nm(例2-3至2-10)时。
尽管已经参考其某些示例性实施例具体展示和描述了本发明构思，但是所属领域的技术人员应当明白，在不脱离附加权利要求所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以在其中形式上和细节上进行各种改变。
Claims (10)
1.一种热处理硅晶片的方法，包括：
在含氧气氛中，在硅晶片的表面上，进行快速加热/冷却热处理，用于形成具有9.1nm或以下，或者24.3nm或以上厚度的氧化物膜。
2.根据权利要求1所述方法，通过分割由直拉生长法制造的硅单晶锭，来获得所述硅晶片。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该快速加热/冷却热处理中的极限温度被设为等于或高于1200℃且等于或低于硅的熔点。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该快速加热/冷却热处理中的极限温度被设为等于或高于1300℃且等于或低于硅的熔点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该快速加热/冷却热处理中的极限温度被设为等于或高于1300℃且等于或低于1380℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述含氧气氛中，氧分压被设为等于或高于1.0％且等于或低于20％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该含氧气氛由氩气和氧气构成。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在极限温度下的保持时间被设为等于或长于1秒且等于或短于60秒。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在该快速加热/冷却热处理中的温度上升速度被设为等于或高于10℃/秒且等于或低于150℃/秒。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在该快速加热/冷却热处理中的温度下降速度被设为等于或高于10℃/秒且等于或低于150℃/秒。
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