CN105324834A - 硅晶圆的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种硅晶圆的热处理方法，具有：将硅晶圆载置于SiC夹具上，放入热处理炉内的工序；在热处理炉内，在第一非氧化性气氛下，对硅晶圆进行热处理的工序；降温到能将硅晶圆从热处理炉内搬出的温度的工序；以及，将硅晶圆从热处理炉内搬出的工序；在降温工序中，在降温到能搬出的温度后，将第一非氧化性气氛切换成含氧气氛，在含氧气氛下，在SiC夹具的表面上形成厚度1～10nm的氧化膜，之后再将含氧气氛切换成第二非氧化性气氛。由此，能提供一种硅晶圆的热处理方法，该热处理方法能防止在热处理工序中来自于夹具和环境的碳污染。
Description
技术领域
本发明关于一种硅晶圆的热处理方法。
背景技术
一直以来，通过在非氧化性气氛中对硅晶圆的表层缺陷(COP)进行热处理，来消灭表层COP。在高温热处理的情况下，常使用SiC夹具，且热处理过的单晶硅晶圆(以下简称为硅晶圆)的取出环境含有氧、碳氧化物，它们会成为硅晶圆的碳污染源。被碳污染的硅晶圆会在器件工序中形成缺陷而诱发漏电流等。另外，被污染的碳会成为碳施体(炭素ドナー)，产生器件的Vth(thresholdvoltage，阈值电压)偏移，而成为器件动作不良的原因。
此处，作为硅晶圆的碳污染对策，专利文献1公开有在硅晶圆上形成氧化物层。然而，虽然该方法作为碳污染对策可期待某种程度的效果，但因高温氧化导致从SiC夹具渗出的碳渗出量高，又非抑制来自于碳污染源的碳产生量本身的对策，因此只靠这个对策想要确实地抑制碳污染是有困难的。另外，由于在热处理晶圆的表面上形成厚的氧化膜，因此需要氧化膜的去除和研磨工序。进一步地，由于在高温下形成氧化膜而对晶圆表面注入了氧，表层部的未消灭缺陷会因氧的供给而使得缺陷尺寸变大，也成为电特性劣化的主要原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2010-177442号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
如上所述，以消灭表层缺陷(COP)为目的氩气热处理晶圆在热处理中受到来自于SiC夹具和环境(晶圆的移载室)的碳污染(例如，以SIMS(二次离子质谱仪)的测定值计，为碳浓度3～5×1016atoms/cm3的污染)。这样的碳污染会对器件特性带来不好的影响，因此改善碳污染是当务之急。
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种硅晶圆的热处理方法，该热处理方法能防止在热处理工序中来自于夹具和环境的碳污染。
(二)技术方案
为了解决上述问题，在本发明中提供一种硅晶圆的热处理方法，其具有以下工序：将硅晶圆载置于SiC夹具上，放入热处理炉内的工序；在所述热处理炉内，在第一非氧化性气氛下，对所述硅晶圆进行热处理的工序；降温到能将所述硅晶圆从所述热处理炉内搬出的温度的工序；以及，将所述硅晶圆从所述热处理炉内搬出的工序；该硅晶圆的热处理方法的特征在于：在所述降温工序中，在降温到所述能搬出的温度后，将所述第一非氧化性气氛切换成含氧气氛，在所述含氧气氛下，在所述SiC夹具的表面上形成厚度1～10nm的氧化膜，之后再将所述含氧气氛切换成第二非氧化性气氛。
通过利用这样的热处理方法，能防止来自于SiC夹具本身的碳的排出。其结果，能防止硅晶圆的碳污染。
另外，可将所述含氧气氛首先设为第一含氧气氛，之后再设为第二含氧气氛，该第二含氧气氛的氧分压低于所述第一含氧气氛的氧分压。
通过设为这样的含氧气氛，可使形成于SiC夹具上的氧化膜在切换成第二非氧化性气氛时更不易剥落。
另外，可将所述氧化膜的形成在所述第一含氧气氛下、温度800℃以下、时间5分钟以下的热处理条件下进行。
若是这样的条件，可更准确地将形成于SiC夹具的表面上的氧化膜的厚度控制在希望的范围内。
(三)有益效果
若是本发明的硅晶圆的热处理方法，则能防止来自于SiC夹具本身的碳的排出。其结果，能防止硅晶圆的碳污染。由此，能去除器件动作不良的原因。另外，由于没有在硅晶圆的表面上形成厚的氧化膜，因此不需要氧化膜的去除和研磨工序。
附图说明
图1是本发明的硅晶圆的热处理方法的流程图。
图2是表示本发明的硅晶圆的热处理方法的温度曲线的一例的图表。
图3是表示SiO2、SiOx及Si各自的温度与蒸气压的关系的图。
图4是表示实施例与比较例的碳浓度曲线的结果的图。
图5是表示使用了形成有1nm或10nm的氧化膜的SiC夹具时，距离晶圆表面的深度与晶圆表层的碳浓度的关系的图表。
图6是表示SiC夹具表面的氧化膜厚度(nm)与在晶圆表面层中的碳浓度的最大值之间的关系的图表。
具体实施方式
以下，更详细地说明本发明。
如上所述，寻求一种能防止碳污染的硅晶圆的热处理方法。
于是，本发明人等研究了抑制来自于碳污染源的碳产生量本身的方法。其结果，发现了SiC夹具的使用及取出(移载室)环境会对热处理晶圆表层的碳量带来影响。
本发明人等基于上述见解发现，通过将致密的极薄氧化保护膜形成于SiC夹具表面，能防止碳从SiC夹具本身排出，其结果，能防止硅晶圆的碳污染，从而完成了本发明。
以下，关于本发明的硅晶圆的热处理方法，作为实施方式的一例，一边参照附图一边详细地说明，但本发明并不限于该实施方式。
图1是本发明的硅晶圆的热处理方法的流程图。图2是表示本发明的硅晶圆的热处理方法的温度曲线的一例的图表。
首先，如图1的工序(a)所示，进行硅晶圆的热处理前清洗之后，将硅晶圆载置于SiC夹具上，放入热处理炉内。
此处，热处理炉没有特别限定，例如可使用公知的分批式热处理炉。作为放入硅晶圆的热处理室，可举出例如设置有放入口的由石英管构成的热处理室。放入时的炉内温度优选为600℃～800℃。
SiC夹具是碳化硅制成的夹具(舟皿)。作为SiC夹具，可举出例出SiC的烧结体、以碳为基底并在其表面涂层有SiC。
接下来，如图1的工序(b)所示，进行硅晶圆的热处理。首先，在第一非氧化性气氛下进行热处理炉的升温。虽然升温速度没有特别限定，但优选为例如3℃/分钟～10℃/分钟。升温结束后，以一定的温度进行保持。作为保持温度，优选为例如1100℃～1200℃，作为保持时间，优选为1分钟～1小时。通过进行这样的热处理，可进行使硅晶圆表层的COP消灭等改进处理。
接下来，如图1的工序(c)所示，继续在第一非氧化性气氛下将硅晶圆降温到能从热处理炉内搬出的温度。虽然降温速度没有特别限定，但优选为例如1℃/分钟～5℃/分钟。作为能搬出的温度，优选为例如600℃～800℃。
作为用于设为第一非氧化性气氛的气体，可举出例如氢、氮、氩、氦以及选自这些元素混合气氛等。作为第一非氧化性气氛，尤其优选100％的氩气氛。
接下来，如图1的工序(d)所示，在降温到能搬出的温度后，并且在将晶圆从石英管取出前，将第一非氧化性气氛切换成含氧气氛，在含氧气氛下，在SiC夹具的表面上形成厚度1～10nm的氧化膜。
氧化膜的形成例如可根据下述的反应式进行。
SiC(s)+3/2O2(g)→SiO2(s)+CO(g)
通过将形成于SiC夹具的表面上的氧化膜的厚度设为1～10nm，能防止硅晶圆的碳污染。作为形成于SiC夹具的表面上的氧化膜的厚度，尤其优选2～8nm。若氧化膜的厚度小于1nm，由于未全面形成氧化膜，因此有可能在硅晶圆表面产生碳污染(以SIMS的测定值计，是1×1016atoms/cm3以上的污染)。若进行氧化膜的厚度大于10nm这样的热处理，根据形成氧化膜时的SiC+3/2O2→SiO2+CO，因SiC夹具导致产生较多的CO气体，晶圆表面上的碳浓度增加。另外，在硅晶圆表面上会形成厚的氧化膜。继而，若在SiC夹具的表面上形成这样的厚的氧化膜，则在下一批的氩热处理中，会产生微量的氧气，由于蚀刻作用导致在硅晶圆的表面上产生表面粗糙，出现产生雾状痕迹(ヘイズ)的问题。
另外，此时，将含氧气氛首先设为第一含氧气氛后，如图1的工序(e)所示，可再设为第二含氧气氛，该第二含氧气氛的氧分压低于第一含氧气氛的氧分压。此处，可将氧化膜的形成在第一含氧气氛下、温度800℃以下、时间5分钟以下的热处理条件下进行。之后，优选在第二含氧气氛下、温度800℃以下、时间10分钟以下的热处理条件下保持。
作为第一含氧气氛，优选例如氧浓度为50～100％，尤其优选100％的氧气氛。若是这样的高分压氧环境，可在短时间内在SiC夹具表面上形成厚度1～10nm的致密的极薄氧化保护膜。另外，通过设为温度800℃以下、时间5分钟以下的热处理条件，优选设为温度600℃以上且800℃以下、时间0.3分钟以上且5分钟以下的热处理条件，能在SiC夹具表面上形成均匀的氧化膜，并能更准确地控制所形成的氧化膜的厚度。
作为第二含氧气氛，例如，优选为N2与O2的混合气体，且氧浓度为0.1～20％，尤其优选为0.6％的氧气氛。在第一含氧气氛下进行极薄的氧化膜的形成之后，以温度800℃以下、时间10分钟以下的热处理条件，优选以温度600℃以上且800℃以下、时间1分钟以上且10分钟以下的热处理条件，通过在这样的低分压氧环境下保持，可防止形成于SiC夹具表面上的极薄的氧化膜挥发，变得更不易剥落，因此优选。
如上所述，通过在高分压氧环境下以短时间在SiC夹具表面上形成氧化膜，之后，即使在低分压氧气的移载室中氧、碳及碳氧化物附着于SiC夹具的表面，由于氧化膜的存在而使得与SiC夹具的反应不易发生。另外，通过提高氧分压而引起钝化氧化反应(パッシブ酸化反応)。此时，相较于自然氧化膜(SiOx)，形成于SiC夹具表面上的SiO2膜在下一批次的非氧化性气氛(氩气氛)中的热处理工序中，耐蚀性变强。其结果，能防止来自于SiC夹具本身的碳从氧化膜排出。因此，能将硅晶圆的碳污染量控制在1×1016atoms/cm3以下。
图3是表示SiO2、SiOx及Si各自的温度与蒸气压的关系的图。纵轴表示蒸气压的对数值(Torr)，横轴表示温度的倒数(1000/°K)。如图3所示，在温度一定时，由于SiO2的蒸气压比SiOx的蒸气压低，因此不易蒸发，其结果，氧化膜(形成于SiC夹具表面上的由SiO2构成的致密的极薄氧化保护膜)表面的耐蚀性变强。
另一方面，SiO2/SiC层的空隙的大小是0.2nm以上，扩散于SiO2/SiC层中的氧分子与SiO2层的界面的Si原子、SiC层的界面的碳原子结合而离解。被氧化的碳原子通过热运动，作为CO2分子或CO分子从SiC层的界面脱离，并扩散于SiO2层中(SiC(s)+3/2O2(g)→SiO2(s)+CO(g))。但是，若热处理温度为低温(例如800℃以下)，且以短时间供给氧，则能抑制在SiO2/SiC界面扩散的氧量，并能降低在下一次的热处理批次中产生碳氧化物。
在进行了工序(e)的第二含氧气氛下的保持后，如图1的工序(f)所示，切换成第二非氧化性气氛，在第二非氧化气氛下将硅晶圆从热处理炉内搬出。作为用于设为第二非氧化性气氛的气体，可举出与上述第一非氧化性气氛中使用的相同的气体。作为第二非氧化性气氛，尤其优选100％的氩气氛。搬出时的温度优选600℃～800℃。
这样，本发明的硅晶圆的热处理方法，通过将SiC夹具的氧化膜的厚度控制在以下程度，即，在下一批次的高温的氩气氛的热处理中不会完全挥发而消失的程度，在下一次的热处理批次的高温的氩气氛的热处理中，能防止碳从SiC夹具本身排出，进一步地，能防止因硅晶圆的表面粗糙导致产生雾状痕迹。继而，能防止在降温工序中对硅晶圆的碳污染，和氧化膜在晶圆表面较厚地形成。进一步地，在使用表面上未形成氧化膜的新的SiC夹具的情况下，预先通过伪晶圆等的热处理在SiC夹具表面上形成1～10nm的厚度的氧化膜，由此能确实地防止在产品的硅晶圆的热处理中的碳污染。若利用这样的本发明的方法，相较于控制晶圆的氧化膜厚度的现有的热处理方法，能够进一步降低硅晶圆的碳污染。
实施例
以下，揭示实施例和比较例以更具体地说明本发明，但本发明并不限定于这些例子。
(实施例)
准备直径300mm的氮掺杂P型硅晶圆(电阻率：8～12Ωcm，氧浓度：15ppma(JEIDA(日本电子工业发展协会标准))，氮浓度：5×1013atoms/cm3)。对该晶圆进行热处理前清洗之后，载置于SiC夹具上，以700℃放入热处理炉内。升温到1200℃，进行保持1小时的热处理，然后降温到700℃。升温、保持、降温全部在100％氩气氛中进行。之后从100％氩气氛切换成100％氧气氛，并供给氧30秒，之后在0.6％氧气氛下净化(パージ)约10分钟后再切换成100％氩气氛，并在100％氩气氛下取出晶圆。
由此，在SiC夹具上形成了约1.2nm的氧化膜。此时，晶圆表面上形成有均匀的氧化膜(约2nm)，未产生雾状痕迹。另外，此时，由于晶圆表面的氧化膜薄，因此不需要如专利文献1的氧化膜去除工序。
(碳浓度分析)
对上述实施例和比较例进行了碳浓度分析，其中，比较例除了从晶圆的放入到搬出的工序都是在氩气氛下进行的以外，以与实施例相同的条件进行。图4是表示实施例与比较例的碳浓度曲线(表示以SIMS测定的晶圆表层的碳污染等级)的结果的图。图4的纵轴表示硅晶圆的表层的碳浓度(atoms/cm3)，横轴表示距离晶圆表面的深度(μm)。
在比较例(现有的退火晶圆)中，在碳浓度最高处检测出4×1016atoms/cm3的碳，相对于此，在实施例(进行了短时间氧气氛处理的硅晶圆)中，碳大幅减少到几乎是检测界限(7×1015atoms/cm3)以下。这被认为是因为在氩气氛的热处理中，碳从SiC夹具向气氛中的外部扩散被抑制。
另外，在实施例的条件中，分配切换成氧气氛的时间，而使形成于SiC夹具表面上的氧化膜的厚度改变，如图5、图6所示，用SIMS测定下一次的热处理批次的晶圆表面的碳污染量。
图5是表示使用了形成有1nm或10nm的氧化膜的SiC夹具时，距离晶圆表面的深度与晶圆表层的碳浓度的关系的图表。图5的纵轴表示硅晶圆的表层的碳浓度(atoms/cm3)，横轴表示距离晶圆表面的深度(μm)。图6是表示SiC夹具表面的氧化膜厚度(nm)与在晶圆表面层中的碳浓度(atoms/cm3)的最大值之间的关系的图表。图6的纵轴表示在晶圆表面层中的碳浓度(atoms/cm3)的最大值，横轴表示SiC夹具表面的氧化膜的厚度(nm)。
如图5所示，若氧化膜的厚度是1～10nm，就能防止碳污染。如图6所示，若氧化膜薄于1nm，由于没有全面形成致密的氧化膜，因此在晶圆表面产生了1×1016atoms/cm3以上的碳污染。另一方面，在氧化膜厚于10nm的情况下，也确认到了1×1016atoms/cm3以上的碳污染。
此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为例示，具有与本发明的权利要求书中记载的技术思想实质上相同的结构，并起到同样作用效果者，都包含于本发明的技术范围中。
Claims (3)
1.一种硅晶圆的热处理方法，其具有以下工序：
将硅晶圆载置于SiC夹具上，放入热处理炉内的工序；
在所述热处理炉内，在第一非氧化性气氛下，对所述硅晶圆进行热处理的工序；
降温到能将所述硅晶圆从所述热处理炉内搬出的温度的工序；以及，
将所述硅晶圆从所述热处理炉内搬出的工序；
其特征在于，
在所述降温工序中，在降温到所述能搬出的温度后，将所述第一非氧化性气氛切换成含氧气氛，在所述含氧气氛下，在所述SiC夹具的表面上形成厚度1～10nm的氧化膜，之后再将所述含氧气氛切换成第二非氧化性气氛。
2.如权利要求1所述的硅晶圆的热处理方法，其特征在于，将所述含氧气氛首先设为第一含氧气氛，之后再设为第二含氧气氛，该第二含氧气氛的氧分压低于所述第一含氧气氛的氧分压。
3.如权利要求2所述的硅晶圆的热处理方法，其特征在于，将所述氧化膜的形成在所述第一含氧气氛下、温度800℃以下、时间5分钟以下的热处理条件下进行。
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