TW540100B - Method for the production of an epitaxially grown semiconductor wafer - Google Patents
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Description
540100 五、發明說明(1) 本發明與一種用以製造具有一正面、一背面及正面沉 積有半導體材料磊晶(外延)層之半導體晶圓(片)之方法有 關。 依照既有技術,由中間產品製造磊晶生長半導體晶圓 之加工順序為:研磨性拋光-精密拋光-清洗-磊晶,於一 1 微米X 1微米面積内,用原子力顯微鏡(AFM)法量測,研 磨性拋光後之表面粗度約為〇 · 5至3 RMS (根均值,均方根) ,視加工情況而定,精密拋光後約為0 · 〇 5至0 · 2毫微米 RMS ° 歐洲專利申請案EP 71 1 8 54 A 1中曾述及一種製造系 φ 晶生長晶圓之方法,其中係將一經雜割-精研—姓刻之石夕晶 圓加以研磨性拋光,所得表面粗度為0 · 3至1 · 2 RMS (原子 · 力顯微鏡’ 1微米X 1微米)’為降低成本,在未實施平滑 精密拋光步驟之前沉積一磊晶矽層。就其電性而言,雖然 · 如此製造之磊晶層與先經過精密拋光步驟以傳統方式製造 之蠢晶層相若,但由於初始粗度較高,磊晶生長表面上局 部光線散射點(LLS)之入射較高,容易導致製作在該辈曰 圓上之元件之報廢率增加。 亦所週知者’基材晶圓(基片)内之瑕疫(該等瑕龜可 偵檢出來為氧化物沉澱),於磊晶層沉積後,可導致局部 彳馨 光線散射點之數目增加。歐洲專利ΕΡ- 9 5 9 1 5 4 A1中曾建 5義·於磊晶沉積前將基材晶圓施以熱處理,可減少近表面 . 瑕疲之數目。但經發現,如此達成之減少程度(尤其使用 可偵檢出許多瑕疵之基材晶圓時)仍嫌不足或提高成本。 - 540100 五、發明說明(2) ^—- 減低瑕疵之效果視熱處理之久暫而定。若熱處理僅將有關 成本維持在可承受水準之程度,磊晶生長表面上則發現極 多局部光線散射點。 所以其目的在說明一種方法,該方法可製得一種蠢晶 生長半導體晶圓,該晶圓之磊晶生長表面上無該等粗度及 局部光線散射點方面之缺點,而且該方法亦適於使用具有 可债檢氧化物沉殿瑕疲之半導體晶圓。另一目的在保持該 蠢晶生長半導體晶圓之其他性能至少與依照既有技術所製 屋晶生長半導體晶圓者相同。 、 本舍明之技術内谷係一種用以製造具有一正面及一背 面及正面沉積有半導體材料磊晶層之半導體晶圓之方法, 該方法包括下列諸加工步驟: (a )製備一具有拋光正面及特定厚度之基材晶圓; (b )於一磊晶反應器内,在有HC 1氣體及矽烷源存在、溫 度9 5 0至1 2 5 0 °C之情況下預處理該基材晶圓之正面,基材 晶圓之厚度實質上保持不變;及 i (c) 於經預處理之基材晶圓正面上沉積磊晶層。 | 此方法可製得一半導體晶圓,其中該磊晶層表面之最 大密度為每平方公分0 · 1 4個局部光線散射點及散射橫斷面 為大於或等於0 · 1 2微米。蟲晶層沉積之前,基材晶圓正面 之表面粗度為0 · 0 5至0 · 2毫微米根均值(由原子力顯微鏡於 1微米X 1微米大參考面上測得)。該半導體晶圓適用於半 導體工業,尤其適於製作線寬等於或低於〇.丨8微米之電子 元件。 540100 五、 , 可 調 發 衡 0· 基 0· 動 體 若 情 單 產 公 薄 33 及 材 用 溫 發明說明(5) 將本方法(b)步驟内之基材晶圓(尤其矽晶 達到此目的。HC1氣體及石夕院源之濃度係經適當處理 整,俾石夕之沉積或半導體材料之#刻性腐飯實田口以 生,而且半導體晶圓之厚度亦實質上不芒;不致 狀態之現象可以承受,可承受之範圍是:沉=平 5微米/分鐘及蝕刻性腐蝕最多為〇 . 2微 铲夕二 材晶圓之厚度而言,亦包含厚度減少高達;就 達〇.2微米更佳),或厚度增加高達〇 ·尤未(^以 2微米更佳)。 又本、尤从向達 钱刻及沉積之反應速率夠高,所以表面上之石夕係 ,該表面上發生表面光滑及瑕疵移除作用。机 m之外,環境氣體中亦可含有摻質氣體:、尤1其-^理係在材料沉積至可承受程度之情況下實施,此種 >甚為適合。經此預處理之後,可獲 晶 1文j〗又双無瑕疵而光滑之 體矽表面。文獻中曾述及氫環境中之HC1對矽表面可 ^蝕刻^光滑效果(廖及羅斯:磊晶矽技術,學術出版 二二奥蘭多,佛羅里達,1 986,第71至73頁及漢慕德, 、"L積方法及技術手冊,諾斯出版公司,1988,第32至 頁)、。現在驚奇地發現,另有矽烷源存在,可大幅改善 加連表面之光滑及晶體瑕疵之移除。 曰特別適合的是,於第一個次步驟内將原有氧化物自基 曰曰圓之正面移除,最好於一隨後實施矽層磊晶沉積亦使 之反應器内,在9 0 0至1 2 0 0 °C溫度下(尤以1 1 0 0至1 1 5 0 °C 度下更佳)將該基材晶圓暴露於一純氫環境中。但,該 540100 五、發明說明(6) — -- 原生氧化,之移除亦可藉另一種習知方法,例如·· 氫處理=基材晶圓。之後該依照步驟(b)之預處理 化 最好藉將包括…源、Η。氣體ί 至 A 〇 ^ 初晶反應器内。若原生氧化物曾用氫預弁 移除,僅於業已存在之氫環境内添加矽烷源及仳丨即足夠 適當矽_烧源之特別實例包含矽烷(Si H4)、二氯矽烷( SiH2Cl2)、三氯矽烷(SiHCl3)、四氯矽&(sicu或該等物 質之混合物。其中以三氯矽烷最佳。 關於本發明加工順序之步驟(c ): 在本發明加工順序之最後步驟内,藉一標準方法,於 依照步驟(b)處理所得基材晶圓至少正面上形成一磊晶層 此員工作係用化學蒸氣沉積(c v D )法完成,所用之矽烷 (S=4·)、—氯矽烷(SiH2C12)、三氯矽烷(SiHCl3)、四氯矽 烷1 C丨。4 )或該等物質之混合物係送至晶圓表面,在6 〇 〇 ΐ溫度下,該等物質於該處分解生成元素石夕及揮發 ^ ασ,並形成一磊晶矽層,亦即與半導體晶圓結晶定 =長之非結晶矽層。矽層之厚度最好為〇· 3微米至10微 =設定導電類型及預期之導電性,該磊晶詹可不摻任 何凡素或有計晝地摻以硼、磷、砷或錄。 石曰本發明加工順序(a)至㈧)經實施後,所製表面清晰之 曰f;長半導體晶圓,可在其進一步加工以製造半導體元 4 2則將其特性加以描繪。利用雷射原理操作之光學表面 儀二、所測得之結果為··蠢晶生長石夕表面之最大密度為
540100 五、發明說明(7) 母平方公分〇 · 1 4個局部光線散射點,表面粗度低於〇 · 2個 百萬分點及微粗度低於1毫微米根均值。 本發明所製磊晶生長半導體晶圓,尤其具有磊晶矽塗 層之矽晶圓,符合製造線寬等於或低於〇· 18微米半導體元 件所需之條件。經驗證本發明之方法乃製造具有上述特徵 之蠢晶生長矽晶圓所遇問題之最佳答案。局部幾何形狀改 正可避免採用電漿蝕刻等成本密集之步驟。精密拋光亦無 必要。由於加工步驟少,破裂之風險亦減低。 實驗例1 :
步驟(a ):為用於本實驗例,所提供者係雙面拋光、 作為基材晶圓之3 0 0公厘矽晶圓,該等晶圓曾經對應地加 以抛光、清洗及烘乾。拋光前諸晶圓之粗度係〇 · 7毫微米 根均值(原子力顯微鏡,1微米X 1微米面積)。 步驟(b):實施磊晶塗被之前,於該磊晶反應器内,
將該等半導體晶圓之正面施以預處理,其目的係:於第一 個次(部分)步驟内移除正面上之原生氧化物及於第二個次 步驟内大幅減低表面上之粗度,俾於磊晶塗被之後可製得 表面粗度及局部光線散射點數目等性能獲致大幅改進之半 導體晶圓。於氫環境内、在丨丨2 〇 °c溫度下,首先將原生氧 化物移除’歷時一分鐘,可達成此目的。在1140溫度下 將HC1氣體及三氯矽烷加入氫環境内,歷時3 〇秒鐘,其目 的在大幅減低仍存在於正面上之粗度。沉積反應及蝕刻反 應在1 0 0 0標準立方公分/分鐘HC1及“⑽標準立方公分/分 鐘三氯石夕烧(飽和溫度為2 〇它)之情況下達到平衡,預處理
第11頁 540100 五、發明說明(8) 晶圓之粗度為〇 . 〇 9毫微米根均值。 步驟(C ):於一蟲晶反應内’依照既有技術,在經 步驟(b )預處理之半導體晶圓正面上供以磊晶生長石夕晶圓 ,利用SiHCl3作為矽成分,並以摻二硼烷(B2H6)以調整阻 力。在11 4 0 °C反應室溫度下,以3微米/分鐘之沉積速率沉 積之層厚為3 · 2微米。 磊晶生長矽晶圓特性之描繪:
正面上曾以磊晶方式生長矽層之矽晶圓,其磊晶生長 正面上之瑕疵,係利用一種依照雷射原理操作之KLA-Ten cor工廠製造之SP1型表面檢查儀器加以特性描繪;其 局部光線散射點之總數為等於或大於0.1 2微米,DWN(「暗 域寬」)通道之平均值為20 ± 9,對應於0· 03個局部光線散 射點/平方公分,其霧值為〇 · 〇 6 ± 0 · 0 3個百萬分點,及根 均值為0 · 0 7毫微米(1 X 1平方微米面積)。 比較例1 -未經預處理:
將具有實驗例1同樣特性之矽晶圓作為基材晶圓。未經 施以本發明所述之預處理,正面加以蠢晶塗被後,於DWN 通道内發現其局部光線散射點瑕疵等於或大於〇. 1 2微米者 之平均值為368± 124,對應於〇.52± 0.18個局部光線散射 點/平方公分。其霧值為0 · 0 9 ± 0 · 0 4個百萬分點。 比較例2 -僅用HC1預處理: 將具有實驗例1同樣特性之矽晶圓作為基材晶圓。實 施蠢晶塗被前’於蠢晶反應器内,用H C 1將石夕晶圓之正面 細> 以預處理。為此,在1 1 4 0 °C溫度下,於氫氣環境中添加
540100 五、發明說明(9) — HC1氣體’歷時3〇秒鐘或1分鐘。該經預處理晶圓之粗度為 0 · 3 2毫微米根均值(3 〇秒鐘)及〇 · 1 7毫微米根均值(丨分鐘) ’亦即與本發明用HC 1及三氯矽烷實施預處理之情形相較 ’處理時間雖為兩倍,粗度卻大幅提高。以磊晶矽層實施 塗被之後’經分別發現總局部光線散射點瑕疵數為丨3 2 土 28 ( 30秒鐘)及22 ± 15(1分鐘);霧值為0· 07 ± 〇· 〇3個百萬 · 分點(3 0秒鐘)及〇 · 〇 6 ± 〇 · 〇 3個百萬分點(丨分鐘),其根均 -值粗度為0· 10毫微米(30秒鐘)及0· 09毫微米(1分鐘)。 依照上述實驗例1及兩個比較例所製3 0 0公厘矽晶圓之 正面、背面及邊緣係利用精於此項技藝者習知之標準方法 ,就晶圓表面之金屬污染,少數電荷載體壽命以及毫微表 面狀態特性加以描繪。各個實驗組間未發現有統計相關之 · 差異。 實驗例2 : 步驟(a ):為此實驗例,供以具有拋光表面之3 〇 〇公厘 石夕晶圓作為基材晶圓’在該等晶圓上可侦檢到瑕疲種子之 環狀堆積,亦即所謂之氧化感應疊層缺陷環。 I 步驟(b):實施磊晶塗被之前,於該磊晶反應器内,
|將該等半導體晶圓之正面施以預處理,其目的在將磊晶塗 被後仍可偵檢出之局部光線散射點之數目減至最低。在氫 氣環境内、11 5 0 °C溫度下,首先將原生氧化物移除,歷時 1分鐘,可達成此目的。在11 2 0 °C —溫度下,於氫氣環境中 添加HC 1及三氯矽烷,歷經另外6 0秒鐘[9 0 0標準立方公分/ 分鐘氣化氫及2 000標準立方公分/分鐘三氣矽烷(飽和溫度
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540100 五、發明說明(ίο) 2 0 〇C )]。 步驟(c )··之後’於蠢晶反應器内,依照既有技術, 於依照步驟(b )預處理過之半導體晶圓正面上提供一磊晶 生長矽晶圓。該塗被工作係1 120 °C溫度下實施,歷時75秒 鐘。 磊晶生長矽晶圓特性之描繪:正面上附有磊晶生長石夕 之石夕晶圓係利用依照雷射原理操作、K L A - T e n c 〇 r S p 1型之 表面檢查儀器,就其蠢晶生長正面之瑕疯加以特性描繪; 大於0· 12微米之局部光線散射點瑕疵總數為4〇。 比較例3至6,經過熱處理: 將具有實驗例2同樣特性之矽晶圓作為基材晶圓。實 施磊晶塗被前,在11 2 0 °C (比較例3 ),1 1 5 0 °C (比較例4 )及 1 2 0 0 °C (比較例5 )溫度下之氫氣内,將該等矽晶圓施以熱 處理,歷時6 0秒鐘,以取代本發明之預處理。在比較例6 内處理溫度同樣亦係1 1 5 0 °C,但處理時間為1 2 0秒鐘。隨 熱處理之後,磊晶塗被之條件與比較例4至6情形之實驗例 2者相同。在比較例3之情形中,塗被工作係在丨〇 9 〇。〇溫度 下實施’歷時8 1秒鐘。在磊晶塗被之後,局部光線散射點 瑕疵之數目分別為2 5 7 7 (比較例3 )、4 2 8 (比較例4 )及2 3 9 ( 比較例5 )及5 0 9 (比較例6 )。 比較例7-僅用HC 1實施預處理: 將具有實驗例2同樣特性之矽晶圓作為基材晶圓。與 實驗例2作對比,未添加三氯矽烷。下列磊晶塗被係在實 驗例2内同樣條件下實施。局部光線散射點瑕疵之數目為
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Claims (1)
- r正 六、申請專利範圍 f 540100 1· 一種用以製造具有一正面及一背面及正面沉積有半導 體材料蠢晶層之半導體晶圓之方法,其特徵為該方法包括 下列諸加工步驟: (a) 製備一具有拋光正面及特定厚度之基材晶圓; (b) 於一;日日反應内’在有HC1氣體及碎院源存在、溫 度950至1250 C之情況下預處理該基材晶圓之正面,基材 晶圓之厚度實質上保持不變;及 (c )於經預處理之基材晶圓正面上沉積磊晶層。2 ·如申請專利範圍第1項之方法,其中依照步驟(a )之抛 光正面係利用研磨性拋光為唯一拋光步驟而形成者。 3.如申請專利範圍第!項之方法,其中該基材晶圓之瑕 疵係可偵檢出之近表面氧化物沉澱或充有氧化物之細孔洞 f二申請專利範圍第3項之方法1中該基材晶圓含有 i辰度為3 X 1〇π至9 χ ι〇π個/立方公分之氧及至少一 質,該摻質係選自-個由氮、碳及删所組成之族群,視推 質種類而定,該等摻質之濃度範圍如下: 氮濃度範圍:1 χ 1〇1。至5 X 1〇11 2個/立方公分 碳濃度範圍:1 χ 1〇ΐ1至5 X ι〇π個/立方公分 石朋濃度範圍:超過5 χ 1〇〗3個/立方公分。Α刀1 ‘ s ΐ㈣專利範圍第1項之方法’其中該基材晶圓之正 面及月面係經同時拋光而形成拋光正面。 2 6.如申請專利範圍第卜員^法,其中僅基材晶圓之正 3 面加以拋光而形成拋光正面。 540100 六、申請專利範圍 7·如申請專利範圍第1項之方法,其中該基材晶圓之預 处及v胡日日層之/儿積係於蠢晶反應器内依照立即相互輪 替之方式實施。 % 8 ·如申明專利範圍第1項之方法,其中依照步驟(b)實施 基材晶圓預處理之過程中,原、生氧化物係於第一個次步驟 内自基材晶圓移除’在第二個次步驟内,該基材晶圓之處 理係在9 5 0至1 2 5 0 °C溫度下,於一添加ΗΠ氣體及一矽烷 之氳氣環境内實施。 9 ·如申明專利範圍第1項之方法,其中該矽院源係選自 一個,群,該族群包括:矽烷(SiH4)、二氯矽烷(SiH2Cl2) 、二氯矽烷(S1HCI3)、四氣矽烷(Sicl4)及該等物質之任何 混合物。 10·如申請專利範圍第1項之方法,其中HC1與矽烷源之濃 度比導致·石夕沉積之沉積速率低於0 · 5微米/分鐘或矽蝕刻 之餘刻速率低於〇· 2微米/分鐘,自該基材晶圓蝕除之材料 低於0 · 5被米及沉積在該基材晶圓表面上之材料低於〇 · $微 米。 11·如申請專利範圍第1項之方法,其中步驟(c )内所沉積 磊晶層之厚度為0 · 3微米至1 0微米,沉積溫度為6 至 1 2 5 0。。。 12·如申請專利範圍第1項之方法,其中步驟(c )内所沉積 之蠢晶層係利用一氧化氣體加以親水化。 13·如申請專利範圍第1項之方法,其中步驟(c )内所沉積 之磊晶層係加以濕化學親水化。第17頁 540100 六、申請專利範圍 14. 如申請專利範圍第1項之方法,其中尚包括用以製造
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