TW202240034A - 矽晶圓的製造方法及矽晶圓 - Google Patents

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Abstract

本發明係製造於經熱處理之矽晶圓的表面的器件活性區域形成無細微缺陷的DZ層，於體層形成具高吸附能力的IG層且於矽晶圓表面中重金屬污染少的乾淨矽晶圓。 本發明係於爐中對矽晶圓進行急速升降溫熱處理的矽晶圓的製造方法，於溫度與時間的熱預算中，當設定以預定的最大時間來持續最大溫度為1350°C的熱處理之熱預算的條件為100%時，以53%以上至65%以下的熱預算來進行急速升降溫熱處理。

Description

矽晶圓的製造方法及矽晶圓
本發明係關於一種矽晶圓的製造方法及矽晶圓，並關於一種藉由急速升降溫熱處理(亦即RTP處理(Rapid Thermal Processing；快速熱處理))而於表層具有無缺陷層(DZ層(Denuded Zone；剝蝕區，亦即晶元表面無缺陷層))，並於體層(bulk layer)具有基於氧析出物所致的本質吸附(intrinsic gettering；IG)層之矽晶圓的製造方法及矽晶圓。
於半導體器件(semiconductor device)的製造製程中，存在於晶圓的器件活性區域(device activity domain)(距晶圓表面深度10μm左右)內的COP(Crystal Originated Particle，晶體原生顆粒，亦即空洞缺陷)可能成為半導體器件的特性及可靠性劣化的原因。
作為消除晶圓表層的COP的方法，具有如專利文獻1所揭示的對矽晶圓進行急速升降溫熱處理(以下稱為RTP)之方法。 RTP係以幾秒或是更短的時間尺度下將矽晶圓加熱至1000°C以上的高溫之製程。如此的高速加熱係藉由高強度的燈等進行。於冷卻步驟中，為了防止熱應力所致的差排(dislocation)或晶圓破壞，通常進行將晶圓溫度緩緩降低之控制。
根據該方法，藉由對矽晶圓進行高溫熱處理，使晶圓表面的氧氣往外側擴散並使晶格間的氧減少，使得COP的內壁氧化膜及結晶的氧析出物等與氧相關的缺陷係因氧的非飽和狀態而溶解，並使得於晶圓表面的器件活性區域形成無細微缺陷的無缺陷層(以下稱為DZ層)。
另外於DZ層以下的較深區域(體層部(bulk portion))中，所含的過量的晶格間的氧係藉由高溫熱處理而析出，並生成以細微的SiO 2析出物為代表的BMD(Bulk Micro-Defect；體層細微缺陷)。這些BMD係導致體層部的矽基質(silicon matrix)變形並引發二次差排及積層缺陷，從而吸附金屬雜質(形成本質吸附層(IG層)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-273049號公報。
[發明所欲解決之課題]
然而，有下述的問題，也就是當對矽晶圓的急速升降溫熱處理(RTP)中的熱預算(thermal budget)(熱處理製程的總和)變大時，於晶圓表面中在高溫下的熱處理中爐體所產生的Fe等重金屬污染變得顯著，並在使用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor；互補金屬氧化物半導體)影像感測器(image sensor) (亦即CIS(CMOS Image Sensor))等的高性能感測器時成為白色傷痕等品質劣化的原因。
此外，當熱預算大時，作為RTP的加熱源的燈的熱負荷變大，燈有損壞的危險。 有鑒於上述問題而存有下述問題，也就是於RTP中的熱預算雖然儘可能希望減小，但此情況下於晶圓表面的殘留COP，或是體層所形成的BMD不足，而無法享受RTP的優點。
本發明的目的在於提供一種矽晶圓的製造方法及矽晶圓，使得在對矽晶圓進行急速升降溫熱處理(RTP)時，能在不損壞RTP裝置的情況下完成熱處理，並且於經熱處理的矽晶圓的表面的器件活性區域形成無細微缺陷的DZ層，製造出於體層形成高吸附能力的IG層且於晶圓表面中重金屬污染少的乾淨矽晶圓。 [用以解決課題之手段]
為了解決前述課題而完成的本發明的矽晶圓的製造方法為：於爐中對矽晶圓進行急速升降溫熱處理，於溫度與時間的熱預算中，當設定以預定的最大時間來持續最大溫度為1350°C的熱處理之熱預算的條件為100%時，以53%以上至65%以下的熱預算來進行急速升降溫熱處理。 此外，理想上，於前述急速升降溫熱處理所使用的矽晶圓係將基板的氧濃度控制為0.6×10 18atoms／cm 3(原子／立方公分)以上至1.0×10 18atoms／cm 3以下(ASTM’79 (American Society for Testing and Materials International’79；美國測試材料協會規範’79)。 此外，理想上，於以預定的最大時間來持續最大溫度為1350°C的熱處理之步驟中，前述預定的最大時間為20sec(秒)。
以此方式，於本發明的矽晶圓的製造方法中，於急速升降溫熱處理中，當將最大加熱溫度為1350°C下的加熱時間為例如20sec的情況設為100%的熱預算(熱處理步驟的總和)時，以53%以上至65%以下的熱預算來對矽晶圓進行熱處理。 藉此，能在不損壞RTP裝置(燈等)的情況下完成熱處理，並且於經熱處理的矽晶圓的表面的器件活性區域形成無細微缺陷的DZ層，並製造於體層形成高吸附能力的IG層且於晶圓表面中重金屬污染少的乾淨矽晶圓。
此外，為了解決前述課題而完成的本發明的矽晶圓中，表層中的LSTD(Laser Scattering Topography Defect；雷射散射形貌缺陷)的數量為0.3個／cm 2(平方公分)以下，且體層的BMD密度為5×10 10cm -3以上。 此外，理想上，基板的氧濃度為0.6×10 18atoms／cm 3以上至1.0×10 18atoms／cm 3以下(ATSM’79)。 [發明功效]
根據本發明，能提供一種矽晶圓的製造方法及矽晶圓，使得在對矽晶圓進行急速升降溫熱處理(RTP)時，能在不損壞RTP裝置的情況下完成熱處理，並且於經熱處理的矽晶圓的表面的器件活性區域形成無細微缺陷的DZ層，製造於體層形成高吸附能力的IG層且於晶圓表面中重金屬污染少的乾淨矽晶圓。
以下參照圖式說明本發明的較佳實施形態。圖1係顯示應用於本發明的矽晶圓的製造方法之急速升降溫熱處理裝置(RTP裝置)的一形態之剖面圖。 圖1所示的RTP裝置1係具備：腔室(chamber)(反應管)20，係具備氛圍(atmosphere)氣體導入口20a及氛圍氣體排出口20b；複數個燈30，係配置為與腔室20的上部分離；以及基板支撐部40，係於腔室20內的反應空間25支撐矽晶圓W。此外，雖然圖未示出，但具備旋轉機構，該旋轉機構係使矽晶圓W以該旋轉機構的中心軸為軸而以預定速度旋轉。
基板支撐部40係具備：環10，係支撐矽晶圓W的外周部；載台(stage)40a，係支撐環10。腔室20係例如由石英構成。燈30係例如以鹵素燈構成。載台40a係例如以石英構成。該RTP裝置1係能以10℃／秒至300℃／秒的升溫及降溫的溫度梯度(temperature gradient)來將矽晶圓W的整體均勻地加熱而進行處理，於後說明詳細的熱預算。
此外，於本實施形態的RTP裝置1中，藉由埋入基板支撐部40的載台40a之複數個放射溫度計來測量矽晶圓W的下部的基板徑向中的基板表面中的多個點(例如9個點)的平均溫度，並根據該測量到的溫度來控制複數個鹵素燈30(各個燈的個別的開關(ON-OFF)控制及發光的光的發光強度的控制等)，來進行反應空間25內的溫度控制。
接著，使用圖1的RTP裝置1來說明該實施形態的矽晶圓的製造方法。 首先，將矽晶圓W乘載於環10並予以固定。將該環10固定成使得矽晶圓W的上表面大致平行於設置於氧化氛圍下的反應空間25內的載台40a的上部。
此外，從氛圍氣體導入口20a導入製程氣體，並從氛圍氣體排出口20b排出反應空間25內的氣體，於矽晶圓W上形成預定的氣流。 接著，藉由來自埋入載台40a的複數個放射溫度計的反饋，亦即根據矽晶圓W的下部的溫度，對等間距配置的鹵素燈30進行個別的控制。然後，一邊控制矽晶圓W的溫度，一邊急速地將反應空間25內加熱，以進行矽晶圓W的加熱處理。
於此，於本實施形態的RTP裝置1中，當設定持續進行例如20sec(最大時間)的最大加熱溫度為1350℃下的加熱處理的情況為100%的熱預算(熱處理步驟的總和)時，例如以53%以上至65%以下的熱預算來進行急速升降溫熱處理。 例如，如圖2的圖表所示，於加熱開始後的10sec內將晶圓表面溫度加熱至1300℃。 接著，於加熱開始後的27sec至32sec內將晶圓表面溫度加熱至1350℃，並持續此狀態0sec至6sec。 之後，急速冷卻爐內，結束急速升降溫熱處理。 此外，控制使用於該急速升降溫熱處理步驟的矽晶圓，使基板的氧濃度為0.6×10 18atoms／cm 3以上至1.0×10 18atoms／cm 3以下(ASTM’79)。
於如此的急速升降溫熱處理中，藉由將加熱溫度升溫至1350℃，能去除晶圓表面的COP，並形成DZ層。此外，能使得所導入的隙孔濃度變高，並能獲得使體層的吸附能力達到充足程度之高BMD密度。當加熱溫度未達1350℃(熱預算不充分)時，會在晶圓表層殘留空穴(void)缺陷，並且使得體層的BMD密度減少，吸附能力降低。
此外，藉由不維持冗長的最高加熱溫度1350℃，能降低基於SPV(Surface Photovoltage；表面光電壓)法的Fe-B濃度(小於1×10 9cm -3)，並能淨化矽晶圓。當1350℃下的加熱時間過長且熱預算變得過大時，Fe污染(重金屬污染)變得顯著，此外，對RTP裝置1的熱負荷變大，因此可能導致燈的破損等，為不佳情況。
如上述般根據本發明的實施形態，於RTP裝置1中的急速升降溫熱處理中，當設定持續進行例如20sec的最大加熱溫度為1350℃下的加熱處理情況為100%的熱預算(熱處理步驟的總和)時，例如以53%以上至65%以下的熱預算來對矽晶圓進行熱處理。 藉此，使得能在不損壞RTP裝置1的情況下完成熱處理，並且於經熱處理的矽晶圓的表面的器件活性區域形成無細微缺陷的DZ層，製造於體層形成高吸附能力的IG層且於晶圓表面中重金屬污染少的乾淨矽晶圓。
此外，於前述實施形態中，將最高溫度為1350℃維持數秒並調整熱預算的較佳比例，惟於本發明中並不限於此形態，即使是在不具最高溫度為1350℃的持續時間的情況下也可在逐漸冷卻等情況下將熱預算的比例調整為前述53%以上至65%以下。
此外，於前述實施形態中，於急速升降溫熱處理中最大溫度下的持續時間係設為20sec，惟於本發明中並不限於此，亦可將高於20sec的時間設為最大持續時間。
[實施例] 針對本發明的矽晶圓的製造方法及矽晶圓進一步根據實施例進行說明。於本實施例中，根據前述實施形態進行以下實驗。
[實驗1] 於實驗1中，改變對於矽晶圓的急速升降溫熱處理的條件，測量LSTD(根據雷射光漫射光所檢測到的COP等細微缺陷)的數量。另外，使用於該急速升降溫熱處理步驟的矽晶圓的基板的氧濃度為約1.0×10 18atoms／cm 3(ASTM’79) 。
於條件No.1中，設定為如圖3所示的熱歷程，將最高溫度設為1350℃，並將最高溫度持續時間設為20sec。此外，將該條件的熱預算設為100%。 於條件No.2中，設定為如圖4所示的熱歷程，將最高溫度設為1350℃，並將最高溫度持續時間設為15sec。此外，將該條件的熱預算設為92.9%。
於條件No.3中，設定為如圖5所示的熱歷程，將最高溫度設為1350℃，並將最高溫度持續時間設為13sec。此外，將該條件的熱預算設為85.1%。 於條件No.4中，設定為如圖6所示的熱歷程，將最高溫度設為1350℃，並將最高溫度持續時間設為10sec。此外，將該條件的熱預算設為75.2%。
於條件No.5中設定為如圖7所示的熱歷程，將最高溫度設為1350℃，並將最高溫度持續時間設為8sec。此外，將該條件的熱預算設為65.4%。 於條件No.6中，設定為如圖8所示的熱歷程，將最高溫度設為1350℃，並將最高溫度持續時間設為2sec。此外，將該條件的熱預算設為59.4%。
於條件No.7中，設定為如圖9所示的熱歷程，將最高溫度設為1350℃，並將最高溫度持續時間設為0.1sec。此外，將該條件的熱預算設為52.8%。 於條件No.8中，設定為如圖10所示的熱歷程，將最高溫度設為1340℃，並將最高溫度持續時間設為0.1sec。此外，將該條件的熱預算設為42.3 %。
於條件No.9中，設定為如圖11所示的熱歷程，將最高溫度設為1330℃，並將最高溫度持續時間設為0.1sec。此外，將該條件的熱預算設為31.7%。 於條件No.10中，設定為如圖12所示的熱歷程，將最高溫度設為1320℃，並將最高溫度持續時間設為0.1sec。此外，將該條件的熱預算設為21.1%。
於條件No.11中，設定為如圖13所示的熱歷程，將最高溫度設為1310℃，並將最高溫度持續時間設為0.1sec。此外，將該條件的熱預算設為10.5%。 於條件No.12中，設定為如圖14所示的熱歷程，將最高溫度設為1300℃，並將最高溫度持續時間設為22sec。此外，將該條件的熱預算設為0%。
於圖15的圖表顯示條件No.1至No.12的結果。圖15的圖表的縱軸(左軸)係預估LSTD(個／cm 2)，橫軸為條件No.。 如該圖表所示，從條件No.1至No.12，LSTD係隨著熱預算的減少而增加。條件No.8之後，LSTD的數量係超過0.3個／cm 2，數值變差。因此可知作為消除晶圓表層的COP之熱處理條件，條件No.1至No.7為較佳。
[實驗2] 於實驗2中，根據與實驗1相同的急速升降溫熱處理之條件，來測量體層的BMD密度。 於圖15的圖表顯示條件No.1至No.12的結果。圖15的圖表的縱軸(右側)係體層的BMD密度(cm -3)，橫軸係條件No.。 如該圖表所示，從條件No.1至No.7，體層的BMD密度係大致固定且獲得夠高的值(5×10 10cm -3以上)。 然而，條件No.8之後隨著熱預算的減少，體層的BMD密度降低。此乃因由急速升降溫熱處理所導入之隙孔濃度隨著熱預算降低所致。 因此可知，作為使體層的吸附性能達充分之熱處理條件，條件No.1至No.7為較佳。
[實驗3] 於實驗3中，根據與實驗1相同的急速升降溫熱處理之條件，藉由SPV法測量熱處理後的矽晶圓的FeB濃度。 於圖16的圖表顯示條件No.1至No.12的結果。圖16的圖表的縱軸係FeB濃度(cm -3)，橫軸為條件No.。 如該圖表所示，FeB濃度為條件No.1至No.8遞減，條件No.8之後為測量下限值以下。當良好的FeB濃度為1×10 9cm -3時，低於此值的條件No.為條件No.5至No.12。 因此可知，為了將矽晶圓處理乾淨，條件No.5至No.12為較佳。
根據以上的實驗1至實驗3的結果可知，當基板的氧濃度為1.0×10 18atoms／cm 3(ASTM’79)時，能消除晶圓表層的COP，使體層的吸附性能足夠，並能將矽晶圓處理乾淨之熱處理條件No.為條件No.5(熱預算65%)至條件No.7(熱預算53%)。 此外，若為這些條件No.5至No.7的範圍，則最高溫度持續時間不會過長，能確保足夠的熱預算，並能抑制對裝置的不良影響。
[實驗4] 於實驗4中係將與實驗1相同的對矽晶圓的急速升降溫熱處理的條件改變，而測量LSTD(根據雷射光漫射光所檢測到的COP等細微缺陷)的數量。 於此實驗4中，與實驗1間係僅於急速升降溫熱處理步驟所使用的矽晶圓基板的氧濃度不同，該值為約0.6×10 18atoms／cm 3(ASTM’79)。 於圖17的圖表係顯示條件No.1至No.12的結果。圖17的圖表的縱軸(左側)為預估LSTD(個／cm 2)，橫軸為條件No.。 如此圖表所示，從條件No.1至No.12的LSTD的數量為目標值0.3個／cm 2以下。
[實驗5] 於實驗5中，根據與實驗4相同的急速升降溫熱處理的條件，來測量體層的BMD密度。 於圖17的圖表顯示條件No.1至No.12的結果。圖17的圖表的縱軸(右側)係體層的BMD密度(cm -3)，橫軸係條件No.。 如該圖表所示，從條件No.1至No.7，體層的BMD密度係大致固定且獲得夠高的值(5×10 10cm -3以上)。 然而，條件No.8之後隨著熱預算的減少，體層的BMD密度降低。 因此可知，作為使體層的吸附性能達充分之熱處理條件，條件No.1至No.7為較佳。
以上，藉由實驗4、5的結果，即使是在基板的氧濃度為約0.6×10 18atoms／cm 3(ASTM’79)時，條件No.1至No.7情況下仍能抑制晶圓表層中的LSTD的數量，並能使體層的吸附性能充足。因此，基板的氧濃度理想上為0.6×10 18atoms／cm 3以上至約1.0×10 18atoms／cm 3以下(ASTM’79)。
[產業可利用性] 如上所述，本發明的矽晶圓的製造方法於要求高品質之矽晶圓具實用性，特別適合於對矽晶圓進行急速升降溫熱處理(RTP)的情況。
1:RTP裝置(急速升降溫熱處理裝置) 10:環 20:腔室 20a:氛圍氣體導入口 20b:氛圍氣體排出口 25:反應空間 30:鹵素燈 40:基板支撐部 40a:載台 W:晶圓
[圖1]係顯示應用於本發明的矽晶圓的製造方法之急速升降溫熱處理裝置(RTP裝置)的一形態之剖面圖。 [圖2]係顯示於圖1的急速升降溫熱處理裝置(RTP裝置)中所應用的矽晶圓的熱歷程的例子之圖表。 [圖3]係顯示實施例的條件No.(編號)1的熱歷程之圖表。 [圖4]係顯示實施例的條件No.2的熱歷程之圖表。 [圖5]係顯示實施例的條件No.3的熱歷程之圖表。 [圖6]係顯示實施例的條件No.4的熱歷程之圖表。 [圖7]係顯示實施例的條件No.5的熱歷程之圖表。 [圖8]係顯示實施例的條件No.6的熱歷程之圖表。 [圖9]係顯示實施例的條件No.7的熱歷程之圖表。 [圖10]係顯示實施例的條件No.8的熱歷程之圖表。 [圖11]係顯示實施例的條件No.9的熱歷程之圖表。 [圖12]係顯示實施例的條件No.10的熱歷程之圖表。 [圖13]係顯示實施例的條件No.11的熱歷程之圖表。 [圖14]係顯示實施例的條件No.12的熱歷程之圖表。 [圖15]係顯示實施例的實驗1、實驗2的結果之圖表。 [圖16]係顯示實施例的實驗3的結果之圖表。 [圖17]係顯示實施例的實驗4、實驗5的結果之圖表。
1:RTP裝置(急速升降溫熱處理裝置)
10:環
20:腔室
20a:氣體導入口
20b:氛圍氣體排出口
25:反應空間
30:燈
40:基板支撐部
40a:載台
W:晶圓

Claims (5)

  1. 一種矽晶圓的製造方法，係於爐中對矽晶圓進行急速升降溫熱處理； 於溫度與時間的熱預算中，當設定以預定的最大時間來持續最大溫度為1350°C的熱處理之熱預算的條件為100%時，以53%以上至65%以下的熱預算來進行急速升降溫熱處理。
  2. 如請求項1所記載之矽晶圓的製造方法，其中於前述急速升降溫熱處理所使用的矽晶圓係將基板的氧濃度控制為美國測試材料協會規範’79的0.6×10 18atoms／cm 3以上至1.0×10 18atoms／cm 3以下。
  3. 如請求項1或請求項2所記載之矽晶圓的製造方法，其中於以預定的最大時間來持續最大溫度為1350°C的熱處理之步驟中，前述預定的最大時間為20sec。
  4. 一種矽晶圓，表層中的雷射散射形貌缺陷的數量為0.3個／cm 2以下，且體層的體層細微缺陷密度為5×10 10cm -3以上。
  5. 如請求項4所記載之矽晶圓，其中基板的氧濃度為美國測試材料協會規範’79的0.6×10 18atoms／cm 3以上至1.0×10 18atoms／cm 3以下。
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