CN102623304B - 适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，其包含一第一退火步骤、一第一沉积步骤、一注入步骤，及一第二退火步骤。该第一退火步骤是以高于650℃的温度对一晶圆进行退火处理以在该晶圆表面形成一高质量硅层。该第一沉积步骤是在退火后的晶圆的高质量硅层上以硅锗气体源沉积出一硅锗沉积层。该注入步骤是将氧离子注入该晶圆中。该第二退火步骤是以高于650℃的温度对注入氧离子的晶圆进行退火处理以形成一层氧化硅层，使得产制出的晶圆较容易控制各材料层均匀度、表面平坦度，以将质量不均匀、价格较低廉的晶圆制作成质量均匀的晶圆以利纳米工艺使用。

Description

适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种晶圆及其制造方法，特别是涉及一种能够提供给半导体厂在纳米工艺时代所需的晶圆及制造方法。

背景技术

现有半导体工艺所使用的晶圆是以柴式拉晶法(Czochralski-grown)拉出晶柱，再将晶柱切段、切片而产制出晶圆。晶柱所切割出来的晶圆中，质量最佳的称为单晶晶圆(Epi-Wafer)、与生产晶圆(Prime Wafer)，单晶晶圆与生产晶圆几乎都使用集中在晶柱的“中间”段落，而接近头、尾两段所切割出的晶圆，具瑕疵的比例较高，质量也较差，因此通常会以低价售出被当作控、档片与测试晶圆(有Test-Wafer或Dummy Wafer或MonitorWafer等名称)。测试晶圆通常用于测试、实验，较难使用于正常工艺，且测试晶圆的售价大约只有生产晶圆的一成至两成。

有业者为了改善上述缺点，而发展出如中国台湾公告第I263329号“SIMOX晶圆的制造方法及该方法制造的SIMOX晶圆”专利案的技术，但是SIMOX晶圆在制造处理过程中，氧离子注入时所附着的粒子在之后的退火处理会形成缺陷，这是众所熟知的事实。当然除了SIMOX工艺以外，smart-cut制造方法也能够产制出高阶IC工艺适用的生产晶圆，如中国台湾公告第I327337号“绝缘层覆硅(SOI)晶圆及其制造方法”专利案。所谓smart-cut技术，是指离子注入剥离法，离子注入剥离法是一种例如在两片硅晶圆中的至少其中一片形成氧化膜的同时，由接合晶圆的表面注入氢离子或稀有气体离子，在接合晶圆内部，例如表面附近形成微小气泡层(封入层)后，在离子注入面通过氧化膜而使接合晶圆和基底晶圆密接，之后，加上热处理(剥离热处理)，再以微小气泡层为劈开面(剥离面)，将接合晶圆剥离为薄膜状，最后加上热处理(接合热处理)，坚固地接合两片硅晶圆，以作为SOI晶圆的技术。

然而，以上述方法所制得的生产晶圆因为(1)氧化硅层厚度均匀度差、(2)平坦度极低(3)缺陷(Defects)过多且难以控制等缺点，而导致(4)价格高，所以使得晶圆市场的成本一直居高不下，因为上述缺点会显著地影响后续半导体工艺的良率。

另外，在工艺线宽尺寸持续缩小的技术要求的情况下，晶圆的规格与适用性已经越来越严苛。因此，思考如何让拉晶后整根晶柱头、尾两段在具有部份缺陷或超出规格时仍然能够用于后续纳米工艺，为本实用新型领域者持续努力改进的重要目标。

由此可见，上述现有的晶圆及其制造方法在产品结构、制造方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的晶圆及其制造方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，能够改进一般现有的晶圆及其制造方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的晶圆及其制造方法存在的缺陷，而提供一种新型结构的适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，所要解决的技术问题是提供一种适用于适用于纳米工艺的晶圆制造方法，非常适于实用。

本发明的另一目的在于，克服现有的晶圆及其制造方法存在的缺陷，而提供一种新的适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，所要解决的技术问题是使其适用于纳米工艺的晶圆，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的其包含一个第一退火步骤、一个第一沉积步骤、一个注入步骤，以及一个第二退火步骤，其特征在于：该第一退火步骤以高于650℃的温度对一个晶圆进行退火处理以在该晶圆表面形成一个高质量硅层；该第一沉积步骤以化学气相沉积法将含有硅、锗的硅锗气体源在该晶圆的高质量硅层上沉积出一个硅锗沉积层；该注入步骤将氧离子注入该晶圆中；该第二退火步骤以高于650℃的温度对注入氧离子的晶圆进行退火处理，以使该晶圆的高质量硅层转化为一层氧化硅层。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其中所述的在该注入步骤中是以一个离子注入机将氧离子注入该晶圆中，氧离子注入的深度为0.001-5μm，氧离子注入的浓度为1×10¹³-5×10²¹atoms/cm³。

前述的适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其中所述的在该第一退火步骤中是以高温炉管进行退火处理，处理时间为10分钟至60分钟，并是选自氢气、氩气、氮气或稀有气体进行退火处理。

前述的适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其中所述的在该第一退火步骤中是以快速退火设备进行退火处理，处理时间为1.0分钟至60分钟，并是选自氢气、氩气、氮气或稀有气体进行退火处理。

前述的适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其中所述的在该第二退火步骤中是以高温炉管进行退火处理，处理时间为10分钟至4小时，并是选自氢气、氩气、氮气或稀有气体进行退火处理。

前述的适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其中所述的在该第二退火步骤中是以快速退火设备进行退火处理，处理时间为1.0分钟至4小时，并是选自氢气、氩气、氮气或稀有气体进行退火处理。

前述的适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其中所述的其还包含一个第二沉积步骤，该第二沉积步骤是以化学气相沉积法在形成该氧化硅层后的晶圆上，并在该硅锗沉积层表面以含硅的硅气体源沉积出一个硅沉积层。

前述的适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其中所述的其还包含一个研磨步骤，该研磨步骤是以化学机械研磨的方式研磨该晶圆的硅沉积层表面。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的任一方法制造的晶圆，其中所述的该晶圆还包含一个形成于该硅基板层上的氧化硅层，以及一个以硅锗气体源沉积于该氧化硅层上的硅锗沉积层。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的任一方法制造的晶圆，其中所述的该晶圆还包含一个沉积于该硅锗沉积层上的硅沉积层。

借由上述技术方案，本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法至少具有下列优点及有益效果：

本发明用于纳米工艺晶圆制造方法的第一较佳实施例具有以下优点：

(1)低制造成本：本发明能够以较低成本的方式生产出能够供纳米工艺使用的晶圆2。

(2)成形出高质量的氧化硅层23：该氧化硅层23是直接由该高质量硅层22转化而来，因此介电能力优于热蒸镀的氧化硅，另外，也能生产出具不同厚度的绝缘用氧化硅层23。

(3)高质量的硅锗沉积层24：由于该硅锗沉积层24的组成为完美晶格结构，因此晶圆2表面的质量较佳也较为平坦，另外，也能生产出具有不同厚度的硅锗沉积层24。

(4)适用现有设备：本发明晶圆制造方法在处理过程中所使用的设备与现有半导体厂的设备相同，因此不需另外添购设备而造成额外支出。

另外，本发明所生产的晶圆2还具有其它优点：

(1)氧化硅层23的厚度与均匀性能够由注入氧离子浓度与退火处理的温度与退火时间来调节。

(2)利用本发明所生产的生产晶圆2，质量均匀性(uniformity)较佳。

(3)利用本发明所生产的生产晶圆2，能够单一芯片达高质量要求。

(4)利用本发明所生产的生产晶圆2，因调变步骤单纯所以能轻易地满足各种生产晶圆2的规格需求，上述优点是大尺寸纳米线宽时代半导体晶圆2持续追求的重要目的。

(5)晶柱利用率提升：生产晶圆2就算在大尺寸(例如12时晶圆2)时，仍然能够以极低成本将质量较差的晶圆2进行改良，以产制出符合规格的晶圆2。

(6)降低报废率：以本发明所制作的生产晶圆2，因为步骤较简单，因此生产良率(Yield)高，报废率(Script)低。

(7)广泛的使用范围：利用本发明所改良产制的晶圆2，因调变步骤单纯所以能轻易地满足各种生产晶圆2的规格需求。

综上所述，本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，其包含一第一退火步骤、一第一沉积步骤、一注入步骤，及一第二退火步骤。该第一退火步骤是以高于650℃的温度对一晶圆进行退火处理以在该晶圆表面形成一高质量硅层。该第一沉积步骤是在退火后的晶圆的高质量硅层上以硅锗气体源沉积出一硅锗沉积层。该注入步骤是将氧离子注入该晶圆中。该第二退火步骤是以高于650℃的温度对注入氧离子的晶圆进行退火处理以形成一层氧化硅层，使得产制出的晶圆较容易控制各材料层均匀度、表面平坦度，以将质量不均匀、价格较低廉的晶圆制作成质量均匀的晶圆以利纳米工艺使用。本发明在技术上有显着的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法的晶圆制造方法的第一较佳实施例的一流程图。

图2是本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，辅助说明该第一较佳实施例的一流程示意图。

图3是本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，说明本发明晶圆的第一较佳实施例的一示意图。

图4是本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法的一扫描式电子显微镜照片，放大倍率为6000倍，辅助说明本发明晶圆的切面结构。

图5是本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，说明本发明晶圆制造方法的第二较佳实施例的一流程图。

图6是本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，辅助说明该第二较佳实施例的一流程示意图。

图7是本发明适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法，说明本发明晶圆的第二较佳实施例的一示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的适用于纳米工艺的晶圆及其制造方法其具体实施方式、结构、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1与图2，为本发明晶圆制造方法的第一较佳实施例，该第一较佳实施例包含一第一退火步骤3、一第一沉积步骤4、一注入步骤5，以及一第二退火步骤6。

值得一提的是，以下在本制造方法的步骤中所使用的晶圆2，泛指由接近晶柱头、尾两端切片而成质量较差、缺陷较多的晶圆2，当然该晶圆2也能够是无法通过检测的一般晶圆2。

在该第一退火步骤3中是以高于650℃的温度对一晶圆2进行退火处理，进而在该晶圆2表面形成一高质量硅层22。在本较佳实施例中，是利用高温炉管进行该第一退火步骤3，处理时间为10分钟至60分钟，并是选自氢气(H₂)、氩气(Ar)、氮气(N₂)或稀有气体进行退火处理。

该晶圆2在高温条件下会使得原本劣质的硅材料因产生de-nune zone效应而在该晶圆2表面自然重组一层完美晶格结构(也就是高质量硅层22)。成形该高质量硅层22的主要有益效果在于：能：(1)吸纳晶圆2中原本存在的部分缺陷(Defects)，以及(2)使原本劣质硅材料重组成完美晶格结构以供后续第一沉积步骤4绝佳的沉积表面。

接着，在该第一沉积步骤4中是以化学气相沉积法将含有硅锗(Si-Ge)的硅锗气体源41在该晶圆2的高质量硅层22上沉积出一硅锗沉积层24。值得一提的是，化学气相沉积技术为本实用新型领域中具有通常知识者所熟知，因此不再赘述沉积的详细过程。在本较佳实施例中，是以化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)设备进行沉积工艺，当然也能够使用其它的沉积设备，不应以本较佳实施例所公开的内容为限。

该注入步骤5是以一离子注入机(图未示)将含氧离子注入该晶圆2中，氧离子注入的深度为0.001-5μm，氧离子注入的浓度为1×10¹³-5×10²¹atoms/cm³。

最后，在该第二退火步骤6中，是以高于650℃的温度对注入氧离子的晶圆2进行退火处理，以使该晶圆2的高质量硅层22转化为一层氧化硅层23。在本较佳实施例中，是利用高温炉管进行该第二退火步骤6，处理时间为10分钟至4小时，并是选自氢气(H₂)、氩气(Ar)、氮气(N₂)或稀有气体进行退火处理。

特别说明的是，该氧化硅层23主要是以氧化硅(Si_xO_2-x)作为材料所制成，成因是因为氧原子在硅晶格界面有奇特的趋众(Diffuse)与群聚(Cluster)行为，在足够高温(高于650℃)环境下，就会与硅原子形成氧化硅(Si_xO_2-x)材料。

请参阅图3，为以本发明晶圆制造方法的第一较佳实施例所产制出的晶圆2。本发明用于纳米工艺的晶圆2，包含一硅基板层21、一形成于该硅基板层21上的氧化硅层23，以及一以硅锗气体源41沉积于该氧化硅层23上的硅锗沉积层24。

请参阅图4，为上述晶圆2的扫描式电子显微镜照片，由图4中能够得知，靠近表面的硅锗沉积层24质量极佳，因此本发明用于纳米工艺的晶圆22确实能够应用于高阶纳米工艺。

由于该硅锗沉积层24的组成为完美晶格结构，因此晶圆2表面的质量较佳也较为平坦。而且该氧化硅层23是直接由该高质量硅层22转化而来，因此介电能力优于热蒸镀的氧化硅。所以以上述方法产制出的晶圆2能使原本被判断为劣质的晶圆转化为高质量晶圆，降低晶圆的生产成本，进而能提升产品竞争力。

请参阅图5与图6，为本发明晶圆制造方法的第二较佳实施例，本较佳实施例大致类似于本发明晶圆制造方法的第一较佳实施例，同样包含一第一退火步骤3、一第一沉积步骤4、一注入步骤5，以及一第二退火步骤6。不同的地方在于：本发明晶圆制造方法的第二较佳实施例还包含了一第二沉积步骤7，以及一研磨步骤8。

在该第二沉积步骤7中，是以化学气相沉积法在该硅锗沉积层24表面以含有硅的硅气体源71沉积出一硅沉积层25。接着，该研磨步骤8是以化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的方式研磨该晶圆2的硅沉积层25表面。

该第二较佳实施例的优点是利用该硅沉积层25遮蔽、保护该硅锗沉积层24，因为锗材料在超过500℃的环境下会逐渐向外逸散，而造成晶圆2表面质量不稳定，而晶圆2在后续的加工工艺中常容易进入高温工艺，所以若是直接出货加工就会使得晶圆2质量不稳定。此举同时也能够生产出具有不同厚度的硅沉积层25的晶圆2。另外，经过研磨的硅沉积层25表面更为平坦，还具有产品上的优势。

特别说明的是，该研磨步骤8只是用于进一步增加该硅沉积层25表面的平坦度，如果经过沉积之后，该硅沉积层25表面的平坦度已经能符合需求，也能够省略该研磨步骤8以进一步降低工艺成本。当然，该研磨步骤8也能够直接应用于该第一较佳实施例中，而直接对该硅锗沉积层24的表面进行研磨。

另外，在该第二较佳实施例中，该第一退火步骤3与第二退火步骤6是使用速度较快的快速退火设备(Rapid Thermal Process，RTP)。在该第一退火步骤3中，进行退火处理的处理时间为1.0分钟至60分钟，并是选自氢气、氩气、氮气或稀有气体进行退火处理。在该第二退火步骤6中，进行退火处理的处理时间为1.0分钟至4小时，并是选自氢气、氩气、氮气或稀有气体进行退火处理。

请参阅图7，为以本发明晶圆制造方法的第二较佳实施例所产制出的晶圆2。该晶圆2与第一较佳实施例所产制的晶员2类似，不同的地方在于：以第二较佳实施例方法所产制出的晶圆2还包含一沉积于该硅锗沉积层24上的硅沉积层25。

综上所述，通过上述技术所产制出的晶圆2由于该硅锗沉积层24组成晶格完美、表面平坦，因此能将质量不均匀、只能用于微米工艺的低价晶圆2，或价格较低廉的晶圆2制作成质量均匀的晶圆2以利纳米工艺使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种适用于纳米工艺的晶圆制造方法，包含一个第一退火步骤、一个第一沉积步骤、一个注入步骤，以及一个第二退火步骤，其特征在于：该第一退火步骤以高于650℃的温度对一个晶圆进行退火处理以在该晶圆表面形成一个高质量硅层；该第一沉积步骤以化学气相沉积法将含有硅、锗的硅锗气体源在该晶圆的高质量硅层上沉积出一个硅锗沉积层；该注入步骤是以一个离子注入机将氧离子注入该晶圆中，氧离子注入的深度为0.001-5μm，氧离子注入的浓度为1×10¹³-5×10²¹atoms/cm³；该第二退火步骤以高于650℃的温度对注入氧离子的晶圆进行退火处理，以使该晶圆的高质量硅层转化为一层氧化硅层。

2.根据权利要求1所述适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其特征在于在该第一退火步骤中是以高温炉管进行退火处理，处理时间为10分钟至60分钟，并是选自氢气、氩气、氮气进行退火处理。

3.根据权利要求1所述适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其特征在于在该第一退火步骤中是以快速退火设备进行退火处理，处理时间为1.0分钟至60分钟，并是选自氢气、氩气、氮气进行退火处理。

4.根据权利要求1所述适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其特征在于在该第二退火步骤中是以高温炉管进行退火处理，处理时间为10分钟至4小时，并是选自氢气、氩气、氮气进行退火处理。

5.根据权利要求1所述适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其特征在于在该第二退火步骤中是以快速退火设备进行退火处理，处理时间为1.0分钟至4小时，并是选自氢气、氩气、氮气进行退火处理。

6.根据权利要求1至5项中任一所述适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其特征在于：其还包含一个第二沉积步骤，该第二沉积步骤是以化学气相沉积法在形成该氧化硅层后的晶圆上，并在该硅锗沉积层表面以含硅的硅气体源沉积出一个硅沉积层。

7.根据权利要求6所述适用于纳米工艺的晶圆制造方法，其特征在于其还包含一个研磨步骤，该研磨步骤是以化学机械研磨的方式研磨该晶圆的硅沉积层表面。