TW201910762A - 矽晶圓的電阻率測量方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之矽晶圓的電阻率測量方法正確地求出僅摻雜劑的電阻率。本發明之矽晶圓的電阻率測量方法係包括以下步驟：求出矽晶圓W所具有之氧濃度與熱施體量之關係式；對被收容於縱型晶舟1之製造對象之矽晶圓W施予用以藉由以縱型熱處理爐2進行熱處理而將熱施體消去之施體消除處理，且將前述縱型晶舟自前述縱型熱處理爐以預定速度出爐後，測量矽晶圓的電阻率及氧濃度；根據已測量之前述矽晶圓的電阻率求出包含摻雜劑及熱施體之載體濃度；根據已測量之前述矽晶圓的氧濃度，藉由前述關係式求出前述矽晶圓所具有之熱施體量；求出從已求出之前述載體濃度減去已求出之前述熱施體量之摻雜劑量；以及將已求出之前述摻雜劑量轉換為電阻率。

Description

矽晶圓的電阻率測量方法
本發明係關於一種矽晶圓(silicon wafer)的電阻率測量方法，例如關於一種可高精度地求出大口徑且高電阻的矽晶圓的電阻率之矽晶圓的電阻率測量方法。
先前以來，矽晶圓的電阻率係在晶體成長(crystal growth)時，以450℃附近之熱歷程(thermal history)形成熱施體(thermal donor)，在650℃以上之溫度下進行熱處理，藉此將該熱施體消去(以下，稱為施體消除(donor killer)處理)，求出僅殘留之摻雜劑(dopant)的電阻率。然而，已知尤其是於200Ω‧cm以上之高電阻晶圓之情形時，電阻率會因熱施體的影響大幅變化，該熱施體係藉由溫度自施體消除處理溫度下降至室溫時所通過之450℃熱歷程而產生。
例如日本特開2003-240689號公報中提出有如下方法：使用單片式之高速急冷熱處理(RTA；rapid thermal processing)爐進行650℃以上之熱處理，將熱施體消去後急冷至300℃。
然而，對於日本專利特開2003-240689號公報中所揭示之高速急冷熱處理(RTA)爐來說，由於為單片處理，故有作業效率降低之課題。
為了不使作業效率降低，對於先前進行之由650℃以上之熱處理所為之施體消除處理來說，例如於6英吋以下之小口徑晶圓之情形時，利用橫置爐(horizontal furnace)進行熱處理，出爐後放入至冷卻裝置，藉此防止冷卻過程中的熱施體的再生。
然而，對於例如8英吋以上之大口徑晶圓來說，於利用橫置爐進行熱處理之情形時，由於晶圓尺寸大，故於熱處理時或冷卻時有因熱應力而導致晶圓破損之虞。
因此，對於大口徑晶圓來說，一般於縱型晶舟(vertical boat)堆載複數片晶圓，利用縱型熱處理爐進行熱處理。
然而，對於進行用於施體消除之熱處理之縱型熱處理爐來說，出爐時必需利用晶舟升降機之升降，因此無法將晶圓進行急冷。因此，有出爐時受450℃之熱歷程且熱施體再生之課題。
針對前述課題，日本專利第4970724號公報中，作為抑制熱施體之生成之技術，提出有於晶體成長時高濃度摻雜碳而阻礙熱施體之生成之技術。
然而，若如專利文獻2所揭示般使用摻雜碳而抑制熱施體之產生之方法，則有如下之課題：在製品中摻雜有碳之狀態下出 貨，由客戶進行製程熱處理時，成為氧析出核，引起使用期限(life time)降低等之課題。
本發明係在如上所述之情況下完成，目的在於提供一種矽晶圓的電阻率測量方法，即便是大口徑晶圓亦可不使晶圓破損地控制熱施體之再生，且可不使作業效率降低地正確地求出僅摻雜劑的電阻率。
為了解決前述課題而完成之本發明之矽晶圓的電阻率測量方法係具有預定的電阻率及氧濃度之矽晶圓的電阻率測量方法，特徵在於包括以下步驟：求出前述矽晶圓所具有之氧濃度與熱施體量之關係式之步驟；對被收容於縱型晶舟之製造對象之矽晶圓進行用以藉由以縱型熱處理爐進行熱處理而將熱施體消去之施體消除處理，且將前述縱型晶舟自前述縱型熱處理爐以預定速度出爐後，測量矽晶圓的電阻率及氧濃度之步驟；根據已測量之前述矽晶圓的電阻率求出包含摻雜劑及熱施體之載體濃度之步驟；根據已測量之前述矽晶圓的氧濃度，藉由前述關係式求出前述矽晶圓所具有之熱施體量之步驟；求出從已求出之前述載體濃度減去前述求出之熱施體量之摻雜劑量之步驟；以及將前述求出之摻雜劑量轉換為電阻率之步驟。
再者，較理想為求出前述矽晶圓所具有之氧濃度與熱施體量之關係式之步驟係包括以下步驟：於前述縱型晶舟堆載分別具有不同氧濃度水準之複數個矽晶圓，實施了施體消除處理後以預定速度出爐，測量已受熱施體之影響之複數個矽晶圓的第 一電阻率群之步驟；對與前述分別具有不同氧濃度水準之複數個矽晶圓為相同條件的複數個矽晶圓，進行了與前述施體消除處理相同的最高溫度及保持時間下的熱處理後，出爐時進行急冷，測量未受熱施體之影響之矽晶圓的第二電阻率群之步驟；以及基於每一氧濃度水準之前述第一電阻率與前述第二電阻率之差異，求出對於各氧濃度水準之再生熱施體量之前述關係式之步驟。
另外，較理想為被堆載於前述縱型晶舟之前述矽晶圓係被堆載於沿前述縱型晶舟的上下方向的堆載範圍，該縱型晶舟係被施予施體消除處理且出爐後的電阻率成為相同。
另外，較理想為前述施體消除處理中的最高溫度為至少650℃，保持時間為至少30min。
另外，較理想為自前述縱型熱處理爐之出爐速度為至少100mm/min。
另外，將熱施體量設為TD、將氧濃度設為Oi、將係數設為A、將指數設為B時，則前述關係式可由下述式(1)表示。
TD=A×[Oi]B‧‧‧式(1)
根據此種電阻率測量方法，於縱型熱處理爐中一起進行施體消除處理時，可基於預先求出之關係式修正而排除出爐時受450℃熱歷程而再生成之熱施體之影響，求出僅由摻雜劑所致的電阻率。
亦即，即便是大口徑的矽晶圓，於生產性高(作業效率良好)的縱型熱處理爐中進行熱處理後，亦可正確地評價僅摻雜劑的電阻率。
1‧‧‧縱型晶舟
2‧‧‧縱型熱處理爐
DW‧‧‧仿真晶圓
W‧‧‧矽晶圓
圖1係表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法中的準備階段之流程圖。
圖2係示意性地表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法中所使用之縱型熱處理爐之圖。
圖3係表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法中的操作階段之流程圖。
圖4係表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法的實施例結果之圖表。
圖5係表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法的其他實施例結果之圖表。
圖6係表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法中，對於晶圓所具有之各氧濃度之再生熱施體量之關係式(通式)之圖表。
以下，對本發明之矽晶圓的電阻率測量方法進行說明。
對於本發明之矽晶圓的電阻率測量方法來說，使用縱型熱處理爐，該縱型熱處理爐可一次將複數片矽晶圓收容，一起進行熱處理，而並非單片處理。並且，該方法係進行加熱至預定的溫度而將熱施體消去之施體消除熱處理，考慮再生熱施體量 而求出僅摻雜劑的電阻率。
對於本發明而言，為了獲得用以導出各晶圓的再生熱施體量之關係式，預先實施準備階段作為操作階段之前的準備階程。
圖1係表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法中的準備階段的流程之流程圖。圖2係示意性地表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法中所使用之縱型熱處理爐之圖。
首先，於圖2所示之縱型晶舟1(例如具有120條堆載用溝槽)，空出大致相等之間隔而堆載20片晶圓W(例如直徑φ 200mm)(圖1之步驟S1)。該等晶圓W係使用摻雜劑濃度及氧濃度相等之晶圓。再者，於縱型晶舟1係使仿真晶圓DW鄰接於製造對象之矽晶圓而於上下堆載5片以上。
接下來，如圖所示般將縱型晶舟1收容於縱型熱處理爐2，將爐內設為N2氛圍下，將加熱溫度設為650℃，進行30min之加熱處理，進行施體消除處理(圖1之步驟S2)。
然後，以出爐速度100mm/min(晶舟升降機的移動速度)取出晶圓W，對各晶圓W測量電阻率(圖1之步驟S3)。再者，於該電阻率的測量係藉由使用四根針狀電極之所謂四探針法進行。
根據上述結果，確認在縱型晶舟1的上下方向的任一範圍，電阻率成為大致固定(圖1之步驟S4)。再者，於本實施形態中將前述範圍稱為電阻率穩定溝槽範圍。
其次，將具有複數個不同氧濃度水準之複數個晶圓W堆載於前述縱型晶舟1的電阻率穩定溝槽範圍(圖1之步驟S5)，收容於縱型熱處理爐2後，在N2氛圍下、加熱溫度650℃下，進行30min之加熱處理，進行施體消除處理(圖1之步驟S6)。然後，以出爐速度100mm/min取出，對各晶圓W進行電阻率(第一電阻率群)及氧濃度之測量(圖1之步驟S7)。再者，於氧濃度之測量係使用紅外線吸收法(FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy；傅立葉轉換紅外線光譜)法)。亦即，該第一電阻率群係成為已受摻雜劑及熱施體之影響之電阻率。
接下來，使用具有與步驟S5、S6中所使用之條件相同條件的複數個晶圓W，藉由單片式之急速升降溫熱處理爐(RTP；rapid thermal processing)在N2之氛圍下進行650℃以上之熱處理30min，以50℃/s以上之速度冷卻至300℃。藉由該施體消除處理所獲得之晶圓W係已被抑制再生熱施體的產生，對電阻率無熱施體的影響。然後，對各晶圓W進行電阻率(第二電阻率群)及氧濃度之測量(圖1之步驟S8)。亦即，該第二電阻率群不受熱施體之影響，成為已受僅摻雜劑之影響之電阻率。
接下來，基於步驟S7中所測量之電阻率與步驟S8中所測量之電阻率之差異，製作對於各氧濃度之再生熱施體量之關係式(1)(以下亦稱為式(1))(圖1之步驟S9)。
具體而言，根據前述步驟S7中所測量之電阻率與前述步驟S8中所測量之電阻率之差，對複數個氧濃度水準之晶圓W進行 求出再生熱施體量的作業，將所得結果製成圖表。亦即，例如如圖6所示，縱軸取熱施體之值之對數，橫軸取氧濃度，求出近似曲線(通式)。結果，所獲得之式成為關係式(1)之形式。
式(1)中，將再生熱施體量設為TD、將氧濃度設為Oi、將係數設為A、將指數設為B。
TD=A×[Oi]B‧‧‧式(1)
再者，電阻率與熱施體量之關係可使用爾文曲線(Irvin curve)(載體濃度(摻雜劑濃度及熱施體濃度)與電阻率之一般關係)而推定雙方之值(摻雜劑一個與熱施體一個對電阻率所造成之影響度係等價)。
亦即，使用藉由SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International；國際半導體設備與材料協會)規格(SEMI-ME723)標準化之下述式(2)、(3)即可。
式(2)表示受體(acceptor)之濃度與電阻率之關係，式(3)表示施體之濃度與電阻率之關係。另外，於式(2)中，NA表示硼濃度、ρ表示電阻率，於式(3)中，ND表示磷濃度、ρ表示電阻率。
NA=1.330×1016/ρ+1.082×1017/ρ[1+(54.56 ρ)1.105]‧‧‧式(2)
ND=6.242×1018×10Z/ρ‧‧‧式(3)
再者，Z=(A0+A1X+A2X2+A3X3)/(1+B1X+B2X2+B3X3)
X=log10 ρ。
A0=-3.1083，A1=-3.2626，A2=-1.2196，A3=-0.13923，B1 =1.0265，B2=0.38755，B3=0.041833。
如此獲得用以求出再生熱施體量之前述關係式(1)後，可實施用以求出僅摻雜劑的電阻率之操作階段。
圖3係表示本發明之矽晶圓的電阻率測量方法中的操作階段的流程之流程圖。
操作階段中，將所製造之各種摻雜劑濃度及氧濃度之晶圓W堆載於前述縱型晶舟1的電阻率穩定溝槽範圍，以縱型熱處理爐在N2氛圍下、650℃以上加熱30min，進行施體消除處理(圖3之步驟SP1)。
接下來，以出爐速度100mm/min取出晶圓W。由於此時有450℃之熱歷程故產生再生熱施體，對各晶圓W測量已受熱施體之影響之電阻率及氧濃度(圖3之步驟SP2)。
然後，對各晶圓W，根據步驟SP2中所測量之電阻率，基於爾文曲線求出載體濃度(圖3之步驟SP3)。該載體濃度係包含熱施體量及摻雜劑量之值。
另外，對各晶圓W根據步驟SP2中所測量之氧濃度，參照關係式(1)，藉此求出熱施體量(圖3之步驟SP4)。
接下來，自步驟SP3中所求出之載體濃度(量)減去步驟SP4中所求出之熱施體量，求出僅摻雜劑之量(圖3之步驟SP5)。
再者，載體濃度、熱施體量的單位均為(/cm3)，摻雜劑濃度的單位為(atoms/cm3)，於無熱施體之情形時，一個摻雜劑原子釋出一個載體，因此成為載體濃度=摻雜劑濃度。因此，於n型之情形時，成為載體濃度=摻雜劑濃度+熱施體量，於p型之情形時，成為載體濃度=摻雜劑濃度-熱施體量。
然後，藉由爾文曲線將所求出之摻雜劑量轉換為電阻率。亦即，求出僅摻雜劑的電阻率(圖3之步驟SP6)。
如上所述，根據本實施形態，於縱型熱處理爐中一起進行施體消除處理時，可基於預先求出之關係式(1)，修正而排除出爐時已受450℃熱歷程再生成之熱施體之影響，求出僅摻雜劑所致的電阻率。
亦即，即便是大口徑的矽晶圓，於生產性高(作業效率良好)的縱型熱處理爐中進行熱處理後，亦可正確地評價僅摻雜劑的電阻率。
再者，對於本發明來說，雖測量電阻率之晶圓的特性並無特別限制，但由於越成為電阻率為200Ω‧cm以上之高電阻，對電阻率變化所造成之熱施體的影響越顯著，故本發明有效果。
基於實施例對本發明之矽晶圓的電阻率測量方法進一步進行說明。在本實施例中係基於前述實施形態進行以下之實驗。
在實驗1中，進行於圖1所示之準備階段之中到求出電阻率穩定溝槽範圍為止的階段。
具體而言，準備氧濃度1.0E18atoms/cm3(Old ASTM(Old American Society for Testing Materials；舊美國材料與試驗協會)換算值)之n型之直徑200mm晶圓20片，均等地堆載於縱型晶舟的上下方向。
然後，將縱型晶舟收容於縱型熱處理爐內，在N2氛圍下、最高溫度650℃下，實施30min之熱處理(施體消除處理)，以晶舟升降機速度100mm/min進行出爐後，測量各晶圓的電阻率。另外，在熱處理至出爐之期間，觀察縱型晶舟的上部、中央部及下部各自的溫度變化。
該實驗結果為，可知產生(再生)熱施體之450℃之體驗時間(通過時間)係晶舟下部最長，晶舟上部最短。另外，可知晶舟中央部存在450℃體驗時間成為固定之範圍。
另外，自晶舟上部至下部載置之晶圓的熱處理後的電阻率示於圖4之圖表。在圖4中，縱軸為電阻率(Ω‧cm)，橫軸為晶舟溝槽位置。
結果如圖4之圖表所示，於晶舟下部電阻率低，於晶舟上部電阻率稍高。於晶舟中央部電阻率之變化成為大致固定。
根據該等結果，推測450℃體驗時間對晶圓的電阻率造成影 響。另外，確認到將晶舟中央部之範圍設為電阻率穩定溝槽範圍即可。
(實驗2)
在實驗2中，實施於圖1所示之準備階段之中求出氧濃度與熱施體量之關係式之階段。
具體而言，於前述實驗1中所求出之電阻率穩定溝槽範圍載置氧濃度不同的複數個n型矽晶圓W，將縱型晶舟收容於縱型熱處理爐內，在N2氛圍下、最高溫度650℃下，進行30min之熱處理(施體消除處理)，測量各晶圓的氧濃度及電阻率(第一電阻率群)。於表1中將各晶圓的氧濃度及將電阻率轉換為摻雜劑量之值(縱型爐)予以表示。
另外，使用相同條件的複數個矽晶圓W，藉由單片式之急速升降溫熱處理爐(RTP)，在N2之氛圍下進行650℃以上之熱處理30min，以50℃/s以上之速度冷卻至300℃為止。然後，對各晶圓測量氧濃度及電阻率(第二電阻率群)。於表1中將各晶圓之氧濃度及將電阻率轉換為摻雜劑量之值(RTP)予以表示。
0為非摻雜品。
然後，針對各氧濃度水準，根據第一電阻率群與第二電阻率群之差異(摻雜劑量之差異：表1中的推定值)求出氧濃度與熱施體量之關係。所得結果示於圖5之圖表。在圖5中，縱軸為熱施體量(個/cm3)，橫軸為氧濃度(E18atoms/cm3)。
根據該圖表所示之曲線獲得關係式(4)(以下亦稱為式(4))。再者，於式(4)中將熱施體量設為TD、將氧濃度設為Oi。
TD=2.33E11×[Oi]7.375‧‧‧(4)
(實驗3)
在實驗3中，於第一縱型熱處理爐之縱型晶舟中，使p型矽晶圓與n型矽晶圓混合存在而載置於前述電阻率穩定溝槽範圍，進行650℃以上之熱處理30min，以晶舟升降機速度(出爐速度)100mm/min進行熱處理。
出爐後，對各晶圓繪製對於氧濃度之熱施體量於圖5之圖表。在圖5中，以×表示p型晶圓，以△表示n型晶圓。
另外，於第二縱型熱處理爐之縱型晶舟中，將p型矽晶圓及n型矽晶圓載置於前述電阻率穩定溝槽範圍，進行650℃以上之熱處理30min，以晶舟升降機速度(出爐速度)100mm/min進行 熱處理。
出爐後，對各晶圓繪製對於氧濃度之熱施體量於圖5之圖表。在圖5中，以◇表示p型晶圓，以□表示n型晶圓。
該等實驗之結果係已全部繪製於沿前述式(4)之曲線之位置。因此，確認到於相同條件下進行熱處理之情形時，與n型、p型無關，均可應用實驗2中所求出之相同關係式。

Claims (6)

  1. 一種矽晶圓的電阻率測量方法，係具有預定的電阻率及氧濃度之矽晶圓的電阻率測量方法，且包括以下步驟：求出前述矽晶圓所具有之氧濃度與熱施體量之關係式之步驟；對被收容於縱型晶舟之製造對象之前述矽晶圓施予用以藉由以縱型熱處理爐進行熱處理而將熱施體消去之施體消除處理，且將前述縱型晶舟自前述縱型熱處理爐以預定速度出爐後，測量前述矽晶圓的電阻率及氧濃度之步驟；根據已測量之前述矽晶圓的電阻率求出包含摻雜劑及熱施體之載體濃度之步驟；根據已測量之前述矽晶圓的氧濃度，藉由前述關係式求出前述矽晶圓所具有之熱施體量之步驟；求出從已求出之前述載體濃度減去已求出之前述熱施體量之摻雜劑量之步驟；以及將求出之前述摻雜劑量轉換為電阻率之步驟。
  2. 如請求項1所記載之矽晶圓的電阻率測量方法，其中求出前述矽晶圓所具有之氧濃度與熱施體量之關係式之步驟係包括以下步驟：於前述縱型晶舟堆載分別具有不同氧濃度水準之複數個矽晶圓，實施了前述施體消除處理後，以前述預定速度出爐，測量已受熱施體之影響之複數個矽晶圓的第一電阻率群之步驟；對與前述分別具有不同氧濃度水準之複數個矽晶圓為相同條件的複數個矽晶圓，進行了與前述施體消除處理相同的最高溫度及保持時間下的熱處理後，出爐時進行急 冷，測量未受熱施體之影響之矽晶圓的第二電阻率群之步驟；以及基於每一氧濃度水準之前述第一電阻率與前述第二電阻率之差異，求出對於各氧濃度水準之再生熱施體量之前述關係式之步驟。
  3. 如請求項1所記載之矽晶圓的電阻率測量方法，其中被堆載於前述縱型晶舟之前述矽晶圓係被堆載於沿前述縱型晶舟的上下方向的堆載範圍，前述縱型晶舟係被施予前述施體消除處理且出爐後的電阻率成為相同。
  4. 如請求項1所記載之矽晶圓的電阻率測量方法，其中前述施體消除處理中的最高溫度為至少650℃，保持時間為至少30min。
  5. 如請求項1所記載之矽晶圓的電阻率測量方法，其中自前述縱型熱處理爐之出爐速度為至少100mm/min。
  6. 如請求項1所記載之矽晶圓的電阻率測量方法，其中將前述熱施體量設為TD、將前述氧濃度設為Oi、將係數設為A、將指數設為B時，前述關係式可由下述式(1)表示：TD=A×[Oi] B‧‧‧式(1)。
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