TW202113173A - 半導體晶圓的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種製造半導體晶圓的方法，其中提供矽單晶棒，將該單晶棒切割成多個晶錠塊，由一個晶錠塊切割出測試晶圓，其中使該測試晶圓選擇性地經受第一熱處理，並且之後進行第二熱處理，該第二熱處理包括加熱階段、在保持溫度Th 下的保持階段及冷卻階段，並在測試晶圓上導致徑向溫度梯度ΔT，然後對半導體材料晶圓進行應力場的分析，以及根據進一步加工步驟，對從晶錠塊切割出的半導體晶圓進行進一步加工，該進一步加工步驟是根據測試晶圓的分析結果選取的。

Description

半導體晶圓的製造方法
本發明涉及一種半導體晶圓的製造方法，尤其涉及對晶體塊（crystal piece）進行適合於組件加工的測試。
單晶半導體晶圓是現代電子學的基礎。在半導體晶圓上製造元件的過程中，進行非常複雜的熱處理。這些步驟可能會導致晶格中產生熱應力（以下稱為“應力”），這不足為奇。甚至熱處理期間在半導體晶圓的晶圓支撐件上不利地安裝半導體晶圓也可能導致附加應力，並且最終，除其他因素外，半導體晶圓的塗層也可能引起附加應力場。
稱為上屈服應力τuy 的物理參數是半導體晶圓的參數，該參數指示應力水準，在該應力水準以上，半導體晶圓的變形不再是彈性可逆的，而是變為塑性不可逆的。各個半導體晶圓的上屈服應力取決於許多參數，對於特定情況下這些參數的認識或者獲取是缺乏或者不完全的。
如果誘導的應力大於相應的上屈服應力，則可能會透過包括滑移線形成在內的機制經由不可逆的變形發生應力的耗散，這在元件加工期間可能會導致故障，並因此增加元件部分的成本。
單晶半導體晶圓，特別是由矽製成的單晶半導體晶圓，通常是經由首先用浮區法（FZ）或柴氏法（ Czochralski  method，CZ）拉製單晶棒來製造的。將由此產生的晶棒分割成多個晶體塊，通常線上鋸或內徑鋸中將其加工成半導體晶圓。在研磨、拋光及邊緣加工之後，可以選擇性地透過CVD施加磊晶層。然後將如此生產的這些半導體晶圓用於進一步的元件加工。
如果僅在元件加工中對半導體晶圓進行熱處理時才識別出半導體晶圓中的滑移，則根據特定的垂直製造範圍，產生的成本可能是可觀的。
由於這個原因，送入到元件加工中的半導體晶圓需要是僅包括那些在元件加工中出現的應力小於上屈服應力並且因此不會因隨之產生的缺陷而形成滑移線的晶圓。
實際上，對於特定的半導體晶圓的上屈服應力或在元件加工期間產生的應力均沒有足夠的認識。
原則上可以減小在熱步驟期間在半導體晶圓中產生的應力。例如，US 2007/084827 A1教導了一種在進行熱處理時其上放置半導體晶圓的具有特別低的表面粗糙度的基座能夠減少產生的滑移線的數量。但是，這種措施不能降低例如由非常高的加熱及冷卻速率引起的熱誘導應力。由於高通量限制了可用時間，因此通常在實踐中使用高加熱及冷卻速率。
US 2004/040632 A1描述了一種特殊的基座，該基座為要在高溫下處理的半導體晶圓提供平坦的支撐表面。該基座似乎能夠降低處理期間半導體晶圓的機械誘導應力。但在此也沒有降低熱誘導應力。
很難同時預測半導體晶圓的上屈服應力及元件加工中實際引起的半導體晶圓應力。因此，很難預測半導體晶圓在元件加工中是否會遭受損壞。
因此，本發明的第一目的是提供一種用於評估半導體晶圓的半導體材料的方法，該方法能夠提供關於所製造的半導體晶圓是否會因應力產生所導致的損壞而在元件加工中受到損壞的指示。
本發明的第二個目的是提供一種用於評估半導體晶圓的方法，該方法能夠確定晶圓中殘餘應力的大小及方向。
這些目的透過申請專利範圍的特徵得以實現。
在下面的描述中詳細描述了本發明方法的較佳實施態樣。各個特徵可以單獨地或組合地實現為本發明的實施態樣。
本發明從根據現有技術拉製的矽的單晶（棒，錠）開始，首先透過鋸，較佳為帶鋸將其切割成多個晶體塊。
對於本發明，單晶還可以由另一種半導體材料例如鍺、砷化鎵、氮化鎵或其混合物組成。此外，對於本發明，除了柴氏（Czochralski） 拉晶法之外，還可以使用其他晶體生長方法，例如浮區法（FZ）。
較佳地，使用帶鋸或內徑鋸從一個晶體塊上切割下至少一個半導體晶圓作為測試晶圓，供本發明進行分析。根據分析結果，將晶體塊的剩餘部分提供給半導體晶圓的進一步製造過程。
半導體晶圓的進一步生產過程包括線鋸、粗磨（grinding）、研磨（lapping）、拋光、邊緣圓滑化（edge rounding）、清潔及蝕刻的步驟。施加同質磊晶或異質磊晶沉積的另一半導體材料層是選擇性的。
從單晶分離出的半導體材料的半導體晶圓較佳包括直徑為150mm、200mm或較佳為300mm的單晶矽晶圓。
半導體晶圓包括正面及背面以及圓周邊緣，它們一起形成該晶圓的表面。邊緣通常由透過先前的粗磨及蝕刻過程而被平坦化的兩個表面（稱為刻面）以及垂直於晶圓的正面／背面的圓周表面（稱為脊（apex）或鈍面（blunt））組成。根據定義，半導體材料晶圓的正面是在隨後的元件加工中施加所需微結構的那一面。
如此獲得的半導體晶圓根據本發明較佳地經受第一熱處理，其中該熱處理的熱預算較佳地對應於元件加工中的熱處理。是否實施該第一熱處理步驟與本發明無關。但是，發明人已經認識到，實施該步驟顯著改善了測量結果。
在元件加工中，通常實施熱處理步驟以例如施加塗層。所需的熱條件例如溫度及時間（熱預算）及所需的氣體成分（環境）根據塗層的類型而變化。已經表明，在熱處理期間是否沉積層與本發明方法無關。顯然，足以模擬元件加工中必不可少的相關時間／溫度曲線（熱預算）。
這種元件加工例如可以是稱為Toshiba測試（在780o C下3小時，然後在1000o C下16小時）的測試。然而，也可以使用其他熱步驟。
如果較佳地，在元件加工中主要使用的氣氛另外用於第一熱處理步驟中，則本發明方法的結果再次顯著改善。在這種情況下，該氣氛較佳地包括選自如下氣體中的一或多種氣體：He、Ar、H2 、O2 、N2 、NH3 、SiHCl3 、SiH2 Cl2 、SiH4 、SiCl4 、CH4 Cl2 Si、CH4 或者H2 O。
第二熱處理過程包括加熱階段、保持階段及冷卻階段。加熱階段是將半導體晶圓從室溫加熱到保持階段的期望溫度Th （保持溫度）的階段。
加熱速率應理解為由室溫及保持階段中的溫度之間的溫度差與達到該溫度差所需的加熱時間所形成的比率。
此外，冷卻速率應理解為由保持階段中的溫度及室溫之間的溫度差與達到該溫度差所需的冷卻時間所形成的比率。
特別佳將冷卻速率設置為不超過4 K/s。較佳的加熱速率較佳不大於3K/s。
根據本發明，實施第二熱處理過程，使得在保持階段中在半導體晶圓上引起溫度差。該溫度差在這裡被理解為從半導體晶圓的中心到邊緣的溫度梯度，並且半導體晶圓的平均溫度被理解為保持溫度。
較佳將保持溫度設定為在700℃及1410℃之間（更佳在900℃及1100℃之間）。保持時間可以在10秒與10分鐘之間變化；較佳的保持時間為約60秒。
更佳地，保持階段中的溫度梯度的量在1及30K之間，非常佳地在2及5K之間。
非常佳地，保持階段中的溫度梯度的量既高於加熱階段中的溫度梯度，也高於冷卻階段中的溫度梯度。
本領域技術人員知道用於測量溫度梯度的多種技術。例如，可以使用一或多個高溫計直接測定熱晶圓上各個位置的溫度差。但是，例如，可以透過用SiHCl3 塗覆晶圓來間接確定設定的溫度梯度，從而獲得更高的精度。該沉積以反應受限模式進行，因此沉積速率是溫度的強函數。在測量沉積層的層厚度（例如，透過橢圓偏振法）並使用適當的校準曲線後，可以為晶圓每個點處的溫度分配一個溫度，從而確定徑向溫度梯度。
應力場是晶格中的局部應力或整體應力，其可以透過合適的方法，例如SIRD（掃描紅外去極化）來檢測。 SIRD利用物理原理，當線偏振光通過在機械應力下的區域時，其偏振方向發生改變。這種情況下的去極化定義為：
Figure 02_image001
其中Ip 是在檢測器中捕獲的雷射的強度，並根據原始偏振方向（即平行）偏振化。 Io 是在檢測器中垂直於原始偏振方向捕獲的雷射的強度。在此，去極化度D被用作半導體晶圓中測量位點處的應力的量度。
用於測量測試晶圓中的應力的測量技術較佳為SIRD。
較佳在半導體晶圓的預定區域的位置處測量去極化度，以給出基於位置的測量值。
如此獲得的基於位置的測量值以截止波長為2mm的高通濾波器處理。
然後，可以計算出這些基於位置的測量值的標準差：
Figure 02_image003
其中n是測量次數，
Figure 02_image005
是位置i處的單個測量值，以及
Figure 02_image007
是該區域內所有測量值的算術平均值。
在第一計算方法中，較佳地，將區域定義為中點與晶圓表面上的中點重合的晶圓上的徑向對稱環。該區域的外半徑小於晶圓的半徑，較佳地小於晶圓的半徑的98％，並且內半徑大於晶圓的半徑的50％，較佳地大於晶圓的半徑的75％。
在這裡，所評估的參數
Figure 02_image009
被理解為相關於元件加工期間的熱處理步驟晶圓的穩健性（robustness）的第一量度。
例如，透過應用第一計算技術，可以分析來自不同製程的不同晶錠的不同晶錠塊的晶錠塊。相應地，可以對拉晶參數進行適當的修改，以滿足半導體晶圓的應力穩健性（stress robustness）要求。
在第二計算技術中，將使用高通濾波器處理的測量資料分為至少兩個區域。在區域內，根據測量值的最大值及最小值進行搜索。如果最大值大於預定的鑒別器值DU，並且最小值小於鑒別器值DU的負值，則將該區域指定為“差”，否則指定為“好”。
在該第二方法中，對於晶圓在熱處理方面的品質，良好區域相對於所有區域的比例被理解為半導體晶圓的應力敏感性的量度。
透過應用第二計算技術，例如可以識別及／或觀察在應力穩健性方面敏感的區域。
無
無

Claims (12)

  1. 一種製造半導體晶圓的方法，其中 提供矽單晶棒， 將該單晶棒切割成多個晶錠塊，以及 由一個晶錠塊切割出測試晶圓， 其中使該測試晶圓選擇性地經受第一熱處理，並且之後進行第二熱處理，該第二熱處理包括加熱階段、在保持溫度Th 下的保持階段及冷卻階段，並在該測試晶圓上導致徑向溫度梯度ΔT， 然後對半導體材料之晶圓進行應力場的分析，以及 根據進一步加工步驟，對從晶錠塊切割出的半導體晶圓進行進一步加工，該進一步加工步驟是根據該測試晶圓的分析結果選取的。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該保持階段的溫度Th 在700℃及1410℃之間。
  3. 如請求項1或2所述的方法，其中，該單晶棒是經由柴氏法（ Czochralski method）拉製的。
  4. 如請求項1或2所述的方法，其中，該單晶棒是經由浮區法拉製的。
  5. 如請求項1或2所述的方法，其中，該加熱階段的加熱速率小於4 K/s，以及該冷卻階段的冷卻速率小於5 K/s。
  6. 如請求項1或2所述的方法，其中，該保持階段中溫度梯度的量在1 K及30 K之間。
  7. 如請求項1或2所述的方法，其中，至少一個熱處理步驟的氣氛包括選自如下的至少一種化學物質：He、Ar、H2 、O2 、N2 、NH3 、CH4 、SiHCl3 、SiH2 Cl2 、SiH4 、SiCl4 、CH4 Cl2 Si及H2 O。
  8. 如請求項1或2所述的方法，其中，對半導體材料之晶圓進行之應力場的分析包括SIRD測量。
  9. 如請求項1或2所述的方法，其中，該加熱階段中及該冷卻階段中的徑向熱梯度的量均小於該保持階段中的徑向熱梯度的量。
  10. 如請求項1或2所述的方法，其中，在該保持階段中，半導體晶圓的邊緣溫度比中心溫度高。
  11. 如請求項1或2所述的方法，其中，該第二熱處理步驟係使用基座進行，其中半導體晶圓位於該基座的整個區域上。
  12. 如請求項1或2所述的方法，其中，該保持階段的持續時間為至少10秒。
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