CN105518441A - 用于定位铸块中的晶片的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定由半导体材料制成的铸块中的晶片的原始位置的方法，包括如下步骤：测量(F1)晶片的区域中的间隙氧的浓度([O_i])；测量(F2)在铸块的之前的凝固期间晶片的所述区域中形成的热施主的浓度([DTi])；根据热施主的浓度([DTi])以及间隙氧的浓度([Oi])，确定(F3)在铸块的凝固期间由晶片经历的热施主形成退火的实际持续时间(t_eff)；以及根据实际持续时间(t_eff)确定(F4)铸块中晶片的原始位置。

Description

用于定位铸块中的晶片的方法

技术领域

本发明涉及半导体晶片的特征技术，更具体地说，涉及用于确定铸块(晶片源于该铸块)中的晶片的原始位置的方法。

背景技术

在半导体铸块已经被晶化之后，它被切成多个晶片或基底。这些晶片然后被成批地被销售以用在集成电路或太阳能电池的制造。

这些组件的制造商提出了用于监控整个制造过程中的晶片的识别方案。这些方案与适合的管理软件工具一起使得他们能够记录与晶片或相应的批相关的信息，例如制造步骤的历史报告。

通常，集成电路或太阳能电池制造商不具有他们的铸块中的晶片的原始位置的任何知识。这个信息也没有由铸块制造商所告知，本质上是由于经济原因和可追溯原因。然而，这个信息对于晶片使用者而言是极其重要的，因为缺陷和杂质没有均匀地分布在半导体铸块中。例如，当铸块被牵引时，首先凝固的铸块的上部包含大量氧。最后凝固的铸块的底部富含金属杂质。这导致晶片的电和机械性能从铸块的一个部分到另一个部分显著地变化。

目前，在没有来自铸块制造商的指示的情况下，铸块中晶片的初始位置不能被确定。即使当这些信息可得到时，后者可能是局部的或者甚至错误的。

发明内容

因此，存在一种要求以提供一种用于随后确定由半导体材料制作的铸块中晶片的原始位置的方法。

根据本发明，这个要求倾向于通过提供如下步骤而被满足：

-测量晶片的一个区域中的间隙氧浓度(interstitialoxygenconcentration)；

-测量在铸块的之前凝固期间晶片的所述区域中形成的热施主(thermaldonor)的浓度；

-根据热施主浓度和间隙氧浓度，确定当发生铸块的凝固时晶片所经历的热施主形成退火(thermaldonorformationanneal)的有效时间；

-根据有效时间确定铸块中晶片的原始位置。

根据本发明的发展，在为了破坏热施主而执行的热处理之前和之后，根据在晶片的所述区域中测量的两个电阻率值，确定热施主浓度。

根据另外的发展，其与之前的发展相容，在附加热施主形成退火之前和之后，根据晶片的所述区域中测量的两个电阻率值，确定间隙氧浓度。

在本发明的优选实施例中，在附加热施主形成退火之后，热施主破坏热处理被执行。

根据如下步骤通过建立的列线图(abacus)能够确定晶片的原始位置：

-选择源于相同铸块的多个晶片；

-确定对于每个晶片的有效时间的值；

-根据列线图上的之前确定的有效时间的值的集，放置与有效时间的最小和最大值相对应的两个点；以及

-在两个点之间绘制直线。

最小和最大有效时间值最好与等于铸块的总高度的5％和85％的原始位置相关联。

附图说明

通过结合附图说明的并且仅仅为了非限制性示例的目的给出的特定实施例的如下描述，其他优点和特性将会变得更加清楚，其中：

图1描述了当铸块的凝固发生时，在铸块的头部的部分和铸块的底部的部分的温度的变化；

图2描述了用于确定在它的母体铸块中半导体晶片的原始位置的方法的步骤；

图3是给出在它的铸块中晶片的相对位置对在图2的步骤F3中计算的等效退火时间的列线图；

图4描述了图2中步骤F1的优选实施例；以及

图5描述了图2的步骤F2的优选实施例。

具体实施方式

通过传统的结晶技术获得的硅铸块(Siliconingots)，例如通过用于单晶硅的直拉法(Czochralskiprocess)和用于多晶硅的布里奇曼法(Bridgmanprocess)，包含氧。氧原子特别占据(多个)晶体点阵中的节点间隙(interstitialposition)。

在硅的结晶期间，铸块的温度缓慢地减少，从1414℃(硅的熔化温度)下降到环境温度(大约25℃)。然而，在350℃和500℃之间，节点间隙中的氧形成被称作热施主(thermaldonors,TD)的簇(clusters)。热施主具有生成自由电子的特性。因此，它们具有掺杂性质并影响硅的电性质。

因此，在完成铸块的凝固时热施主存在于铸块中，并且它们从而存在于晶片中，该晶片源于这个铸块。然而，热施主浓度在铸块的高度的范围内不是均匀的。这是由于如下事实：铸块的不同部分不是以相同的比率被冷却，并且它们不包含相同的间隙氧含量。

图1描绘了当通过直拉法执行牵引时硅铸块的顶端和底端的温度曲线图。铸块的被称为头部的顶端的温度曲线由虚线表示，而铸块的被称为底部的末端的温度曲线由直线表示。

如图1所示，与铸块的底部的温度相比，铸块的头部的温度随着时间更缓慢地下降。实际上，在铸块的顶部的凝固之后，经由在形成期间的铸块的本体，贯穿牵引的持续时间，铸块保持与熔化的硅溶液(moltensiliconbath)的热交换。另一方面，在牵引的结束时，底部凝固并且铸块然后从溶液中移开，这解释了为什么铸块的底部的温度更为快速地下降。

由于这些不同的冷却动力学，在与热施主的形成相对应的温度范围中铸块的头部比铸块的底部花费更多的时间。在图1的铸块的例子中，在350℃-500℃范围中(由点虚线表示)，铸块的头部多花费600分钟，而铸块的底部在这个范围中仅保持了80分钟。

硅铸块的中间部分，即，位于在头部和底部之间的那些，它们的温度以包括在两条曲线之间的比率下降。因此，这些部分具有包括在350℃-500℃范围中的温度的期间的时间位于80分钟和600分钟之间。

因此，在铸块的部分的凝固期间的热施主的有效形成时间t_eff取决于这个部分在铸块的位置h。进一步观察到取决于是末端还是头部被认为是铸块的位置的起源，函数t_eff(h)严格地增加或降低。换言之，双射关系存在于时间t_eff和铸块中的位置h之间：存在与铸块的每个部分相对应的单个时间t_eff。

这个观察被放入如下的应用以确定铸块中硅晶片的起源。根据最初存在于晶片中的间隙氧浓度和热施主浓度的读数，热施主的有效形成时间t_eff(在350℃和500℃之间)被确定。

图2描绘了这个硅晶片定位方法的步骤F1到F4。

在F1，间隙氧浓度，由[O_i]标记，在晶片的至少一个区域中被确定。浓度[O_i]特别地由次级离子质谱法(SIMS)或者由傅里叶变换红外光谱法(FTIR)来测量。后一个技术使得半导体材料中的红外辐射的吸收对辐射的波长被测量。由于间隙氧促成这个吸收，可能根据吸收测量推导出浓度[O_i]。

步骤F2包括确定晶片的相同区域或多个区域中的初始热施主浓度[TD]_i。如之前所指示的，在铸块的冷却期间出现的这些热施主在350℃和500℃之间。

再者，FTIR技术可以被用于测量浓度[TD]_i，因为热施主也对红外辐射的吸收具有影响。与氧类似，热施主使得特性峰值出现在吸收谱。热施主的族对应于每个峰值(识别的总共16个族，所有族具有相同的施主习性)。通过转换吸收峰值的幅度并且将获得的值相加，计算热施主浓度[TD]_i。

因此，一旦完成步骤F2，一对或多对的值[O_i]和[TD]_I已经被定义。

在步骤F3，根据氧含量[O_i]，确定使得形成具有浓度[TD]_i的热施主的、在350℃和500℃之间的热处理的有效时间t_eff。

优选地，依靠从文章["Formationkineticsofoxygenthermaldonorsinsilicon",WijaranakulaC.A.etal.,Appl.Phys.Lett.59(13),pp.1608,1991]获得的关系，根据在步骤F1和F2测量的值[O_i]和[TD]_i，计算有效时间t_eff。这个文章描述了在450℃通过退火在硅中热施主的形成动力学。

然后时间t_eff被认为等于在450℃的退火的持续时间，其将被用于根据等于[O_i]的氧浓度获得等于[TD]_i的热施主浓度。

根据上述文章，浓度[TD]_i、浓度[O_i]以及在450℃的退火的时间t通过如下关系被关联：

${\[TD\]}_i=4.51*{10}^{-52}\×{(\[O_i\]{\left(1+\frac{2}{3}{D}_o\×t\×{\[O_i\]}^{2/3}\right)}^{-3/2})}^{3.45}\×t^{1.02}---\left(1\right)$

其中D_o在450℃的间隙氧的扩散系数(D_o＝3.5*10^-19cm²/s)。

因此计算的等效时间t构成有效时间t_eff的良好的近似，即，当铸块的凝固发生时在350℃-500℃温度范围中晶片花费的时间。

为了计算时间t_eff，上面的关系(1)是专用的(privileged)，因为450℃的温度是热施主形成动力学被最佳文件证明的温度。在450℃的退火已经是大量研究的对象，因为它构成热施主形成率和获得的最大浓度之间的良好平衡。

可替换地，通过给出对于氧浓度[O_i]的不同值的热施主浓度[TD]_i对在450℃的退火的时间t的列线图，确定有效时间t_eff。

考虑从450℃的不同参考温度，有效时间t_eff也可以被计算。特别由于文章["Effectofoxygenconcentrationonthekineticsofthermaldonorformationinsiliconattemperaturesbetween350and500℃",LondosC.A.etal.,Appl.Phys.Lett.62(13),pp.1525,1993]的教导，关系(1)以及列线图然后将被适应。这个文章也描述了硅中的热施主的形成动力学，但是对于包括在350℃和500℃之间的退火温度。

最后，当对于相同的硅晶片，多对的值[O_i]和[TD]_i可用时，能够计算在450℃的平均退火时间t_mean。这然后将意味着构成有效时间t_eff的较好指示。

图2的步骤F4包括已知有效时间t_eff确定在它的铸块中的晶片的原始高度h。对此，量t_eff和h之间的双射关系被实现。

有利地，通过代表函数h(t_eff)的列线图确定位置h。这种列线图使得与在步骤F3计算的有效时间t_eff的值相对应的铸块的位置h能够被容易且快速地读取。优选地，假设函数h(t_eff)是仿射函数，构造这个列线图。因此列线图的曲线是直线。

为了建立列线图，源自相同铸块的多个晶片是可得到的。优选地，晶片从与铸块相对应的批随机地获得。此外，由于总是意欲用于光电工业的基片的情况，铸块的晶片没有经受以破坏热施主为目的的热处理。

对于每个晶片首先测量浓度[O_i]和[TD]_i，然后计算不同有效时间值t_eff。参考图1(步骤F1-F3)，如在前所描述地执行步骤。

在有效时间值t_eff的集中，假定最高值，标记为t_eff(max)，对应于铸块的首先凝固的部分，即顶部(头部)，并且最低值，t_eff(min)，对应于最后凝固的底部(末端)。

一旦完成牵引，铸块制造商通常丢弃位于铸块的端部的底部和顶部，因为它们包含大量的杂质。它们是不能用的并因此被废弃。通常这些底部和顶部分别代表铸块的总高度的15％和5％。

因此，最高有效时间值t_eff(max)对应于在铸块中总高度大约5％的位置，并且最低有效时间值t_eff对应于铸块中大约85％(这个相对高度的起源对应于铸块的头部)的位置。

从这个假设开始，通过放置两个点，一个点在铸块的总高度的5％以及另一个点在铸块的总高度的85％，线h(t_eff)能够被绘制在列线图上。因此，获得的列线图能够用于在类似条件下被凝固的所有铸块。列线图被有利的构造用于每个铸块制造商以及用于每个牵引方法(直拉法、布里奇曼法…)。对于相同的牵引技术以及相同的制造商，多个列线图是必须的，如果操作条件充分地改变以修改铸块的冷却曲线图。

作为示例的目的，对于源自相同铸块的6个直拉法单晶硅片，有效时间t_eff被测量。结果在下面的表1中给出：

晶片	teff(分钟)
		1	168
2	202
		3	222
4	62
		5	88
6	18

表1

对于晶片n°3以及晶片n°6，最大和最小有效时间值t_eff被分别获得。因此晶片3和6分别对应于位于铸块的高度的5％和85％的部分。

图3是铸块中相对位置h对有效时间t_eff的图。之前获得的t_eff的两个值使得两个点被放置(在坐标{t_eff＝18；h＝0.85}和{t_eff＝222；h＝0.05}。利用这两个极端点方程式h＝-3.92*10^-3*t_eff+0.921的线能够被划出。

根据对于源自相同铸块或者源自等效铸块的任何随后的晶片计算的有效时间值，这条线或者它的方程式将使得这个晶片的原始位置h被计算。

利用表1的t_eff的其他值，可校验仿射函数的假设被证明。对于这个，然而必须持有铸块制造商所提供的信息使得晶片1、2、4和5的高度被精确地确定。

根据制造商数据，晶片1、2、4和5的位置h分别等于0.253、0.162、0.636和0.560。将这些值转移到图3的列线图，可能观察到点与方程式h＝-3.92*10^-3*t_eff+0.921的线相符。因此，根据其h(t_eff)是仿射函数的假设被校验。

这个列线图构造方法是快的且易于实现。为了更为精确，优选地选择大量晶片以便尽可能地接近有效地与铸块的端部相对应的最大和最小值。在图1中，大约10的因子存在于铸块的末端的有效时间和铸块的头部的有效时间之间。实际上，当大约10的比率t_eff(max)/t_eff(min)被达到时，测量的晶片的数目将被认为是足够。

用在步骤F1和F2用于测量浓度[O_i]和[TD]_i的FTIR技术需要具有厚度多于300μm的晶片、以及抛光表面状态(opticpolishedsurfacestate)("镜面"精加工)和完美平行的表面。因此，这个技术不适合用于光电工业，光电工业使用直接源于切割、并具有少于200μm的厚度的基底。此外，确定[TD]_i的FTIR测量通常在非常低的温度(4K)下进行以便降低由声子的吸收引起的背景噪声。因此难以大规模的应用这个技术。

因此，为了补偿FTIR技术的缺陷，替换技术被实现以确定浓度[O_i]和[TD]_i。在下面关联图4和图5来描述步骤F1和F2的这些变体。

因此图4描绘了用于确定间隙氧浓度[O_i]的另一个技术。这个技术，也基于热施主的形成，被详细描述在法国专利FR2964459中，用于硅晶片的氧映射。

在图4中，确定浓度[O_i]的步骤F1被分解为多个子步骤F10到F14。在F10，测量硅晶片的区域中的初始电阻率ρ₁。电阻率ρ₁考虑热施主和其他掺杂剂(例如，在p掺杂晶片的情况下的硼原子)，所有原始存在于晶片中(对于热施主的浓度[TD]_i方面)：

${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{1}{q\×\mathrm{\μ}(\[B\],{\[TD\]}_i)\×(\[B\]-2{\[DT\]}_i)}$

在上面的表达式中，q是元电荷(q＝1.6*10^-19C)以及[B]是掺杂剂浓度(例如，硼)。μ指定电荷载体的迁移率，其根据专利FR2964459的教导，除了掺杂剂浓度[B]之外取决于浓度[TD]_i。

然后晶片经受退火以便形成附加热施主(子步骤F11)。这个退火的温度优选地包括在350℃和500℃之间，例如450℃。退火时间可以从约十分钟改变到几个小时。除了在铸块的凝固期间形成的那些之外，这个退火的目的是形成新的热施主。

在退火F11之后，测量电阻率的新的值ρ₂，优选地在晶片的相同区域中(子步骤F12)。电阻率ρ₁和ρ₂例如通过四点探针方法、范德堡(VanderPauw)方法或者通过傅科电流(Foucaultcurrent)来测量。

当退火被执行F11时，电阻率的变化ρ₂-ρ₁可归于新的热施主的形成。在子步骤F13，电阻率值ρ₁和ρ₂使得热施主浓度[TD]₄₅₀被计算。

更具体地，电阻率ρ₂被写为：

${\mathrm{\ρ}}_2=\frac{1}{q\×\mathrm{\μ}(\[B\],{\[TD\]}_i+{\[TD\]}_{450})\×(\[B\]-2{\[TD\]}_i-2{\[TD\]}_{450})}$

在这个表达式中，与电阻率ρ₁的相比，在退火F11期间形成的热施主的浓度[TD]₄₅₀被加到初始热施主浓度[TD]_i。

如在专利FR2964459中，初始浓度[TD]_i能够被假定为远低于在退火F11期间形成的热施主的浓度[TD]₄₅₀([TD]_i<<[TD]₄₅₀，以及远低于掺杂剂含量，在硼作为掺杂剂的例子中[TD]_i<<[B])。然后，掺杂剂浓度[B]从在退火F11之前测量的电阻率值ρ₁获得，并且在已知掺杂剂浓度的情况下，根据电阻率值ρ₂计算浓度[TD]₄₅₀。

在计算[TD]₄₅₀时，也可以考虑在步骤F2测量的热施主的初始量[TD]_i。这个计算模式是最为精确的，并将因此被优先使用。

最后，在F14，根据浓度[TD]₄₅₀以及退火时间F11，在硅晶片中的氧浓度[O_i]被确定。数学方程式，例如上面的关系(1)，或者给出对于不同退火时间和温度的氧浓度的其他列线图，能够被用于这个目的。

在500℃和350℃之间的铸块的凝固期间，以及在退火F11期间，间隙氧浓度几乎不变化，因为有效时间t_eff和退火时间是短的。在F14测量的值因此真实地表示最初存在于铸块的部分中的氧的量(即，在铸块的冷却之前)。

图5描绘了步骤F2的实现的变体，其目的是确定热施主浓度[TD]_i。这个变体再次使用由热施主引起的电阻率变化的原理，如参照图4所描述的。因此，它包括电阻率测量步骤F20和F22，分别在(电阻率ρ₁)退火步骤F21之前和在(电阻率ρ₃)退火步骤F21之后。然而，与图4的退火F11不同，退火F21的目的不是形成附加热施主，相反是破坏最初存在于晶片中的那些热施主。在高于或等于600℃的温度执行退火F21例如30分钟。

在退火F21之后测量的值ρ₃是缺乏热施主的晶片的电阻率。因此，它仅仅取决于掺杂剂浓度。在硼作为仅仅的掺杂剂的例子中，它的表达式如下：

${\mathrm{\&rho;}}_3=\frac{1}{q\&times;\mathrm{\&mu;}(\&lsqb;B\&rsqb;)\&times;\&lsqb;B\&rsqb;}$

在退火F21之前测量的值ρ₁表示晶片由铸块制造商递送时晶片的状态。如之前所述，考虑在铸块的凝固期间形成的搀杂剂和热施主，在浓度[TD]_i方面。

因此，在步骤F23中，根据电阻率ρ₃计算掺杂剂含量，然后根据电阻率ρ₁以及根据掺杂剂浓度计算浓度[TD]_i。

无论晶片的厚度和表面状态，图4和图5的测量技术是可应用的。它们仅仅需要电阻率测量和热处理，这些是容易执行并且非破坏性的步骤。这两个技术因此适合于半导体工业，并且更具体地适合于硅太阳能基底(solarqualitysiliconsubstrate)。

图4和图5的步骤F1和F2能够彼此独立地执行。它们也能够相伴地被使用。

当图4和图5的步骤F1和F2以这个次序被排列时(如由图2所建议的)，图5的步骤F20能够被去除，因为参考值已经可用：在F10中在开端测量的值ρ₁。在浓度[O_i]已经在步骤F14中被确定之后，然后退火F21将被执行，紧接着测量第三电阻率值ρ₃(在F22)。最后，将根据电阻率ρ₃([TD]＝0)和ρ₁([TD]＝[TD]_i)计算初始热施主浓度[TD]_i。

此外，当步骤F2从步骤F1继续时，在热施主形成退火F11之后执行热施主破坏退火F21。因此，在完成过程时，在晶片中将不再有任何热施主。因此，对于随后的电或光电组件制造步骤，如果期望避开热施主，步骤的这个顺序是有利的。

如果相反期望利用由热施主赋予的电特性，在测量间隙氧浓度[O_i]之前(步骤F1-图4)，晶片的初始热施主浓度[TD]_i能够被测量(步骤F2-图5)。在这个情况下，第一步将是在创建新的热施主之前破坏初始热施主。如在之前的情况下，将仅仅进行三个电阻率测量：在退火F20([TD]＝[TD]_i)之前的初始电阻率ρ₁，在退火F20([TD]＝0)之后的电阻率ρ₃，以及在退火F10([TD]＝[TD]₄₅₀)之后的电阻率ρ₂。

换言之，晶片定位方法不限于步骤F1和F2的任何顺序。

如在上面所指示的，优选的在测量间隙氧浓度[O_i]之前已知初始热施主浓度[TD]_i。[O_i]的测量实际上更为精确，在计算浓度[TD]₄₅₀时考虑初始热施主(步骤F13–根据ρ₂的表达式)。在以450℃的退火F11之后以高温度执行退火使得对于测量[O_i]获得更好的精度。以相反的顺序，当下一个退火被执行F11时，退火F21能够影响热施主形成动力学，并因此使得间隙氧浓度[O_i]的测量失真。

因此，在优选实施例中，图4和图5的步骤被交织以便退火F21是退火F11的继续并且在浓度[O_i]之前浓度[TD]_i被确定。有利地步骤的顺序如下：

-F10(＝F20)：电阻率ρ₁的测量([TD]＝[TD]_i)；

-F11：350℃-500℃的退火；

-F12：电阻率ρ₂的测量([TD]＝[TD]_i+[TD]₄₅₀)；

-F21：600℃或更多的退火；

-F22：电阻率ρ₃的测量([TD]＝0)；

-F23：根据ρ₁和ρ₃计算[TD]_i；

-F13：根据ρ₁、ρ和[TD]_i计算[TD]₄₅₀；以及

-F14：根据[TD]₄₅₀确定[O_i]。

尽管结合Cz单晶硅晶片已经描述了方法，它也可以被应用到其他形式的硅(准单晶或者多晶的结构)以及其他半导体材料。锗例如是潜在候选，因为当氧基热施主的结晶发生时氧基热施主也被形成。最后，假设铸块的不同部分经受不同的冷却动力学，通过除了直拉法或布里奇曼法的牵引技术，从晶片源自的铸块能够被结晶。

Claims (6)

1.一种用于确定由半导体材料制成的铸块中的晶片的原始位置的方法，包括如下步骤：

-测量(F1)晶片的一个区域中的间隙氧浓度([O_i])；

-测量(F2)在铸块的之前的凝固期间晶片的所述区域中形成的热施主的浓度([TD_i])；

-根据热施主浓度([TD_i])以及间隙氧浓度([O_i])，确定(F3)当铸块的凝固发生时由晶片所经历的热施主形成退火的有效时间(t_eff)；以及

-根据有效时间(t_eff)，确定(F4)铸块中晶片的原始位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中根据在用于破坏热施主的热处理(F21)之前(F20)以及在用于破坏热施主的热处理(F21)之后(F22)、在晶片的所述区域中测量的两个电阻率值(ρ₁,ρ₃)来确定热施主浓度([TD_i])。

3.如权利要求2所述的方法，其中根据在附加热施主形成退火(F11)之前(F10)以及在附加热施主形成退火(F11)之后(F12)、在晶片的所述区域中测量的两个电阻率值(ρ₁,ρ₂)来确定间隙氧浓度([O_i])。

4.如权利要求3所述的方法，其中在附加热施主形成退火(F11)之后执行热施主破坏热处理(F21)。

5.如权利要求1-4的任何一个所述的方法，其中通过根据如下步骤建立的列线图(h((t_eff))来确定晶片的原始位置(h)：

-选择源于相同铸块的多个晶片；

-确定(F1,F2,F3)对于每个晶片的有效时间值(t_eff)；

-将与之前确定的有效时间值的集中的最小(t_eff(min))以及最大(t_eff(max))有效时间值相对应的两个点放置在列线图上；以及

-绘制两个点之间的直线。

6.如权利要求5所述的方法，其中最小和最大有效时间值(t_eff(min),t_eff(max))与等于铸块的总高度的5％和85％的原始位置(h)相关联。