TW508634B - Manufacturing method for silicon wafer - Google Patents
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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508634 A7 B7 五、發明説明（1 ) 〔技術領域〕 本發明係有關使用一邊可消滅矽晶圓（以下有時稱晶 圓）之表層部之內部生長缺陷，一邊使晶圓表面不發生霧 狀與微型粗糙度之惡化之熱處理之矽晶圓之製造方法。 〔背景技術〕 在C Z砂晶圓中存在者結晶引起之微粒（crystal originated particle ，簡稱C〇P )與氧析出物等之所謂內 部生長缺陷（grown-in defect )爲業者所周知，而有人提 出以氫氣氛下熱處理（以下簡稱氫氣退火）以做爲消滅該 項晶圓表面附近之內部生長缺陷。該項熱處理由於須使用 1 0 0 0 C以上之局溫之氣氣’所以需要有安全方面之對 策，因爲無法以一般之開放爐（例如，像橫式爐、爐口未 封閉之爐）處理，必須具備爲提升氣密性之封密構造與爆 炸時之對策之防爆設備，成本變得很高。 另一方面，最近明瞭以氬氣氣氛進行之熱處理（以下 有時稱氬氣退火）也可以同樣地消除內部生長缺陷。氬氣 退火因爲沒有爆炸性，故比氫氣安全，但是在可以安全操 作之背面’據所知會對砂晶圓引起特別之反應。舉一例說 ，在進行過氬氣退火之晶圓表面容易形微細凹孔（pit )。 依觀察，這是由於包含於原料氣體中之極少量之雜質 之氧氣與水分或熱處理工程中或取出晶圓時由反應管之爐 口捲入之外氣中之氧氣或水分形成氧化膜，該氧化膜與矽 (s i )產生S i 〇2+S i-2s i 0之反應，結果矽被 本^張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）~7^1 ' 1^---ί-------------IT-------· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 508634 A7 B7 五、發明説明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 蝕刻，該部分即成爲凹孔。該凹孔成爲晶圓表面之局部之 微型粗縫度（micro-raughness )及長周期之霧狀（haze ) 惡化之原因。氬氣對於微量之雜質或溫度不均等之細微環 境之變化如此地敏感，因此存在著不好處理之缺點（ demerit )。 要使此種氬氣退火之晶圓表面之微型粗糙度不致惡化 之方法除了降低原料氣體之水分濃度之外，在氬氣退火後 由熱處理爐取出晶圓之前，藉由氧氣氣氛或氮氣氣氛處理 來形成不被蝕刻之被膜之方法已被揭示（特開平 5 — 299413 號公報）。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 但是，如上述公報中所述，以1 0 0 0度以上之氮氣 處理雖會產生氮化膜，但在1 0 0 0度以上形成之氮化膜 與普通之自然氧化膜相較，利用H F之蝕刻速非常慢，且 以S C 1 ( Ν Η 4 Ο Η / Η 2〇2 / Η 2〇之混合溶液）或 S C 2 ( H C 1 / Η 2〇2 / Η 2〇之混合溶液）等之淸洗 不容易蝕刻，因此對後續之工程中之熱處理有所影響。而 且氮化膜比氧化膜有更大之電容率，換言之，即靜電容量 大，因此具有電荷之顆粒容易附著，一旦附著後之顆粒不 易去除。這是表面成長氮化膜時之缺點。
另一方面，在取出氬氣退火後之晶圓之前，要由氬氣 切換至氧氣時，也容易發生細微之凹孔。那是如果氬氣中 沒有一定量之氧氣存在（換言之，一定量以下之氧氣濃度 )，則形成有氧化膜之區域即發生 Si〇2+Si->2SiO ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2I0X297公釐） 508634 A7 B7 五、發明説明（3 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之反應而發生蝕刻之結果。此種現象在將氣體由氬切換爲 氧時必定會發生之過渡現象。以真空泵吸引氬氣後再引進 氧氣在氧氣之分壓少於一定値時，也會發生蝕刻。 〔發明之揭示〕 又在由氬氣切換到氧氣時容易發生因戧刻而發生凹孔 之問題不只發生於氬氣退火，在使用其他惰性氣體氣氛或 含爆炸限界（4 % )以下之氫氣之惰性氣體氣氛（以下簡 單總稱爲惰性氣體氣氛）之退火也會發生之問題。發生凹 孔之同時晶圓表面之霧狀與微型粗糙度會惡化。另外，知 道微型粗縫度（microroughness )會影響氧化膜耐壓性以及 MO S構造之電晶體之氧化膜正下面之電子及凹孔之遷移
I trtT 度。 尤其是如果Μ 0 S電晶體之驅動頻率變高時，必須隨 著將載波（電子及凹孔）之遷移度提高。另外，如果有凹 孔時，在該部分會發生電場集中，而發生漏電流之增加及 氧化膜耐壓性之惡化。由於此種情形，必須減少氬氣退火 之晶圓之凹孔並提升霧狀與微型粗糙度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，本發明爲鑑及上述之先前技術問題而完成者， 其目的在提供一矽晶圓之製造方法，係對矽晶圓實施由氬 退火所代表之惰性氣體氣氛下之熱處理以消除晶圓表層部 之內部生長缺陷（grown-in defect )，同時使用不使晶圓 表面之霧狀或微型粗糙度變差之熱處理。 爲解決上述課題，本發明之矽晶圓之製造方法之第1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6 - 508634 A7 ___B7 ___ 五、發明説明（4 ) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 形態具有在惰性氣體氣氛下熱處理的矽晶圓之工程，其特 徵爲使用純化箱可將在該惰性氣體氣氛下之熱處理後之矽 晶圓取出熱處理爐之反應管外部而不與外氣相接觸，該純 化箱係以氮氣與氧氣之混合氧或1 〇 〇%之氧氣充塡，且 將該熱處理後之矽晶圓取出放入該純化箱中。 本發明之矽晶圓之製造方法之第2形態具有在惰性氣 體氣氛下熱處理矽晶圓之工程，其特徵爲在該惰性氣體氣 氛下之熱處理後，將該矽晶圓取出熱處理爐之反應管外部 時，將氮氣與氧氣之混合氣體或1 0 0%之氧氣吹向上述 砂晶圓而取出。 本發明之矽晶圓之製造方法之第3形態具有在惰性氣 體氣氛下熱處理矽晶圓之工程，其特徵爲在該惰性氣體氣 氛下之熱處理中之熱處理爐之排氣壓P (mmH2'0)與氣 體流量F ( S L Μ )之關係在滿足下式（1 )之條件下進 行熱處理。 F2 (-25/Ρ) + 2 · 5...... (1) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上述熱處理爐內之反應管與矽晶圓之最近接距離以 1 0mm至5 0mm之範圍爲宜。該反應管與矽晶圓之最 近接距離之上限之所以設定於5 0 m m是因爲如超過5 0 m m時晶圓與反應管（石英管）間之距離過大，對於要熱 處理之晶圓直徑需要具有相當大之內徑之石英管，對於裝 置之大型化與成本面等之缺點大，不合實用。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -7 - 508634 A7 B7 五、發明説明（5 ) W式之簡單說明 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖爲表示本發明之矽晶圓之製造方法之第1形態 之〜第1圖爲之說明圖。 第2圖爲表示本發明之矽晶圓之製造方法之第2形態 之〜第2圖爲之說明圖。 第3圖爲表示本發明之矽晶圓之製造方法之第3形態 之一第3圖爲中晶圓與石英管之相關位置之剖面說明圖， (a )爲晶圓與石英管之中心相符之情形，（b )表示晶 圓與石英管之中心移位之情形。 第4圖爲表示實驗例1之混合氣體中之氧氣濃度與熱 處理後之晶圓表面之霧狀之關係之圖表。 第5圖爲表示對實驗例2中取出之晶圓所吹之混合器 中之氧氣濃度與熱處理後之晶圓表面之霧狀之關係圖表。 第6圖爲表示對實驗例3之熱處理中之排氣壓P與氣 體流量F之關係圖表。 第7圖爲表示對實驗例4之矽晶圓與石英管之最近接 距離與熱處理後之晶圓表面之霧狀之關係圖表。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 主要元件對照表 12 熱處理爐 12a 反應管 13 晶圓舟 14 爐口部 15 處理氣體供應管 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐1 ^ 508634 A 7 B7 五、發明説明（6 ) 1 6 純 化 箱 1 7 排 氣 管 1 8 熱 處 理 氣 氛 2 0 蓋 Mfftr 體 2 2 氣 氛 2 4 氣 體 供 應 管 2 6 混 合 氣 W 晶 圓 P 排 氣 壓 F 氣 體 流 量 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 實施發明之最佳形態 以下就本發明之方法之第1圖爲參照附圖加以說明。 在不跳脫本發明之技術思想之範圍內，可能有圖示之例之 外之各種變形自不待言。 第1圖爲表示本發明之第1形態之矽晶圓之製造方法 之一第1圖爲之說明圖。第1圖中之熱處理爐1 2爲縱式 爐。該熱處理爐12具有反應管（石英管）12a ，其內 部之晶圓舟（wafer boat )上配置複數個晶圓W。在其爐口 部1 4側設有純化箱1 6。該純化箱1 6構造上，在晶圓 W被熱處理之間被由熱處理氣氛1 8隔開，熱處理結束後 取出晶圓W時，連結部分之蓋體2 0 —打開時，熱處理氣 氛1 8與純化箱1 6之氣氛2 2即連通。純化箱1 6內部 在蓋體2 0被打開之前充塡著氮氣與氧氣之混合氣體，而 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 - 508634 A7 B7___ 五、發明説明（7 ) 在熱處理結束後可以將晶圓W取出放入充滿混合氣體氣氛 2 2之純化箱1 6內部。在第1圖中，1 5爲處理（原料 )氣體供應管，而17爲排氣管。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第2圖爲表示本發明之第2形態之矽晶圓之製造方法 之一第2圖爲之說明圖。第2圖中之熱處理爐1 2也爲縱 式爐。熱處理爐1 2之構造與第1圖相同，故省略再度說 明。該熱處理爐1 2之爐口部1 4裝設著有別於處理氣體 (氬氣）之供應管1 5之氣體供應管2 4。如第2圖所示 ，爲取出晶圓W，一邊降下晶圓舟1 3，一邊由該氣體供 應管2 4向晶圓表面之大致平行方向供應混合氣體2 6。 藉此，可以有效防止大氣入侵熱處理爐1 2，同時在晶圓 W表面形成保護膜。 第3圖爲表示本發明之第3形態之矽晶圓之製造方法 之一第3圖爲之晶圓與石英管之相關位置之剖面說明圖， (a )表示晶圓與石英管之中心相符之情形，（b )表示 晶圓與石英管之中心移位之情形。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如上所述，本發明之第3形態之矽晶圓之製造方法係 在熱處理爐1 2之排氣壓P (mmH2〇)與氣體流量F ( S L Μ )之關係滿足下式（1 )之條件下進行熱處理。 F2 (- 25/Ρ) + 2 · 5...... (1) 此時，如第3圖（a )及（b )所示，被晶圓舟1 3 所支撑之晶圓W之外周端與石英管1 2 a之內壁之距離被 發現會影響熱處理後之晶圓W之霧狀位準（haze level ) 而在後面所述之第4圖爲表示其具體例。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 508634 A7 __________ B7 五、發明説明（8 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如第3圖（b )所示，如將晶圓W放置於石英管1 2 a之大致中央部分，則晶圓W之外周端與石英管1 2 a之 內壁之距離D在任何位置大致皆相同。另一方面，如將放 置晶圓W於石英管1 2 a內之位置錯開（錯開晶圓W之中 心與石英管1 2 a之中心），即出現晶圓W與石英管1 2 a之最近接距離d。藉將該最近接距離d設定於1 〇 m m 至5 0 m m之範圍內，即可防止熱處理後之晶圓W之霧狀 位準之惡化。 另外，要取出本發明之第3形態中之熱處理後之晶圓 時’如使用第1或第2形態之晶圓取出法，則對防止晶圓 之霧狀位準之惡化更有效果。 接著，要舉出實驗例更具體地說明本發明。 (實驗例） 使用直徑15〇mm0、p型、晶體取向<100> 、電阻率1 0 Ω · c m之矽鏡面晶圓，實施1 2 0 0 °C、 6 0分鐘之氬氣1 0 0%氣氛下之熱處理。以設有與第1 圖相同之純化箱之縱式爐做爲熱處理爐使用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在本實驗例中，會充塡於純化箱內之氮氣與氧氣之混 合氣體之混合比變化以調查對霧狀（haze )之影響。熱處 理中之氬氣流量爲2 0 S LM，排氣壓爲一5mmH2〇， 取出溫度爲8 0 0 °C。 使用K L A — temcor公司製之Surfscan SP1於霧狀之測 定。該測定裝置係以雷射光描瞄晶圓表面，以測定其散射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格(210X297公釐1 31: 508634 A7 ___B7 五、發明説明（9 ) 光之強度，相對於入射光之散射光強度係以p p m單位求 得°霧狀之測定結果如第4圖所示。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 由第4圖之結果得知，在氮氣與氧氣之混合氣體氣氛 或氧氣1 0 0%氣氛時霧狀位準低，又氧氣濃度越低霧狀 ®小。但是，取出時，以氧氣1 0 0 %處理之晶圓之霧狀 位準比其他之條件變及極大。 (實驗例2 ) 不用實驗例1使用純化箱之方法，而使用第2圖所示 之取出熱處理後之晶圓時，將氧氣與氮氣之混合氣吹向取 出中之晶圓之方法，進行與實驗例1相同之實驗，並調查 取出晶圓之霧狀位準。 在本實驗例中，將吹向取出晶圓之混合氣之混合比加 以變化以調查對霧狀之影響。其結果如第5圖所示。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由第5圖之結果得知，勁吹氣體如爲氮氣與氧氣之混 合氣或氧體1 0 0%氣氛時，霧狀位準低，其氧氣濃度越 低霧狀越小。但是取出時，以氮氣1 0 0處理之晶圓之霧 狀位準比其他之條件變及極大。 如上所述，在實驗例1、2中如皆爲氮氣與氧氣之混 合氣或氧氣之1 0 0%氣氛時，霧狀位準低，氮氣1 0 0 %時，霧狀位準變高之原因，可列到下列之結論。 要取出氬氣退火後之晶圓之前，要將氬氣切換到氧氣 時，之所以容易發生微小凹孔之理由如上所述，是因爲在 氬氣中不存在一定量以上之氧氣，所以在形成氧化膜之區 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐） -12 - 508634 A7 B7 五、發明説明（10 ) 域中發生 S i 〇 2 + S i -^ 2 S i 〇 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之反應而發生蝕刻所致。此種現象在將氣體由氬切換爲氧 時必定發生之過渡現象。因此，如設置本實驗例1、2那 種純化箱而直接投入具有某種程度（分壓）之氧氣之氣氛 中之方法，或直接將含有氧氣之氣體勁吹之方法時，由於 某種程度之分壓之氧氣形成充分之氧化膜之結果，有助於 降低霧狀，但是如果將其換成1 〇 〇 %氮氣氣氛時，由於 取出溫度爲8 〇 °c，做爲保護膜之氧化膜之形成不充分， 可能由於包含於氮氣中之微量雜質之水分在局部發生上述 反應，以致在本實驗中引起霧狀位準惡化。另外，如果， 氮氣與氧氣之混合氣氣氛中之氧氣濃度少於1 %時，霧狀 位準有時不惡化，但是實驗中確定晶圓面內與熱處理批次 間之霧狀位準之不均變大。因此，混合氣氣氛中之氧氣濃 度宜設定於大於1 %。 (實驗例3 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 使用直徑1 5 〇mm必、ρ型、晶體取向< 1 〇 〇〉 、電阻率1 0 Ω · c m之矽晶鏡面晶圓進行1 2 0 0 °C、 6 0分鐘之氬氣1 0 0%氣氛下之熱處理，以進行改變熱 處理中之氣體流量與排氣壓之實驗。熱處理爐係使用一般 之縱式爐，晶圓之出入溫度設定於6 0 0 T：。另外’所使 用之熱處理爐之石英管內徑爲2 2 0 m m，晶圓則放置於 其中央部。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -13- 508634 Α7 Β7 五、發明説明（11 ) 熱處理中之排氣壓係在爐之排氣孔附近設置壓力測感 器’而與設置於爐外之壓力測感器之差壓（與大氣壓之差 壓）來定義。實驗條件之氣體流量F係以3至3 0 ( S L Μ )爲範圍，排氣壓P則設定於一 5至一 2 5 (mmHsO)之範圍。另外，所謂 1 SLM ( Standard liter per minute )係指在標準狀態下，1公升之氣體在1分 鐘內流過之流量。 在聚集光下觀察熱處理後之晶圓是否在周邊部分出現 白濁以調查霧狀位準。其結果如表1所示。另外，經由將 表1之結果圖表化，求及周邊部有無白濁之邊界線後’發 現該境界線大致爲 F=( — 25/Ρ)+2·5(第 6 圖）。 另外，雖然根據氣體與排氣壓之關係，在晶圓周邊部 分發生生白濁之差異之理由不明，但是可能是晶圓周邊附 近之氣流影響了由飩刻而形成凹孔。亦即，相對於大氣壓 力，如排氣壓之負壓變大時，則即使少量之氣體流量’氣 體也會順暢流動，相對地，負壓小的時候，如不將氣體流 量增加至某種程度，可能在晶圓間之晶圓周邊部附近氣體 容易滯留成旋狀，因此容易僅在周邊部形成凹孔。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） -14- 1^---^-------0^— — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508634 9L 6. 2 t 年月曰 90117114號專利申請案 說明書修正頁 Α7 Β7 民國91年6月呈
五、發明説明（W 表1
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 表1中之觀察評估如下： Ο :周邊部無白濁， X :周邊部發生白濁， 一：未實驗 (實驗例4 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由實驗例3之表1中之排氣壓P與氣體流量F之組合 中選取F = 1 OSLM，P = — 1 5mmH2〇，以調查晶 圓^石英管之最近接距離與霧狀位準之關係。具體地說， 在實驗例3係將晶圓設置於石英管之大致中央部分，所以 如第3圖（a )所示，晶圓外周緣與石英管之內壁之距離 D在任何位置皆爲大致均等之3 5 m m，但在本實驗例中 ，則如第3圖（b )所示，藉由將晶圓由設置於石英管內 之位置錯開（將晶圓中心與石英管之中心錯開），令晶圓 與石英管之最近接距離d在約2 · 5至3 0 m m之範圍內 變化並分別進行熱處理以調查霧狀位準，結果如第7圖所 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 x 297公釐） -15- 508634 A7 B7 五、發明説明（13 ) 示。 由第7圖之結果得知，熱處理後之霧狀位準與晶圓與 石英管之最近接距離d有關，在該距離小於1 〇 m m時就 極端惡化。關於此現象之原因不明，惟與實驗例3之情形 一樣’可能由於晶圓周邊附近之氣體之流動影響到由蝕刻 而形成凹孔。 〔產業上之可利用性〕 如上所述，利用本發明可以對矽晶圓實施由氬氣退火 所代表之惰性氣體氣氛之熱處理以消除晶圓表層部之內部 生長缺點，同時達成不發生晶圓表面之霧狀與微型粗糙度 之惡化之效果。 i— —if HI nip —--I- - I 1 -1—i .................... I ϋ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2丨0x 297公釐） -16 -
Claims (1)
- 508634 9!. 6, 2 年月 .._固允 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 々、申請專利範圍 第90117114號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國91年6月修正 1 · 一種矽晶圓之製造方法，具有在惰性氣體氣氛下 熱處理矽晶圓之工程，其特徵爲使用純化箱，可將在該惰 性氣體氣氛下之熱處理後之矽晶圓取出熱處理爐之反應管 外部而不與外氣相接觸，該純化箱係以氮氣與氧氣之混合 氣或1 0 0 %之氧氣充塡，且將該熱處理後之矽晶圓取出 放入該純化箱中。 2 · —種矽晶圓之製造方法，具有在惰性氣體氣氛下 熱處理矽晶圓之工程，其特徵爲在該惰性氣體氣氛下之熱 處理後，將該矽晶圓取出熱處理爐之反應管外部時，將氮 氣與氧氣之混合氣體或1 〇 〇%之氧氣吹向上述矽晶圓而 取出。 3 · —種矽晶圓之製造方法，具有在惰性氣體氣氛下 熱處理矽晶圓之工程，其特徵爲在該惰性氣體氣氛下之熱 處理中之熱處理爐之排氣壓P (mmH2〇)與氣體流量F (S L Μ )之關係在滿足下式（1 )之條件下進行熱處理 FS (- 25/Ρ) + 2 · 5...... (1)。 4 .如申請專利範圍第3項之矽晶圓之製造方法，其 中在上述熱處理中，熱處理爐之反應管與矽晶圓之最近接 距離爲1 0mm至5 0mm之範圍。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — ΙΊ-----—-----IT------0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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| GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent | ||
| MK4A | Expiration of patent term of an invention patent |