TW583733B - Production method of SiC monitor wafer - Google Patents

Description

583733 發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係有關於導入半導體製程用機器 具有高純度的表面之碳化矽監控晶圓之製造；法超千坦且 、先前楝術 以矽單結晶為基板的半導體元件 ，的表面形成氧化膜之氧化步驟或擴;二於3 驟、且在減壓下形成氮化石夕膜、多結晶石夕膜、貝之擴政步 (Poly-silicon 膜）等之減壓 CVD(LpcVD)步驟 上形成微細電路。在這些步驟中壯 在矽日日圓 置等所謂的半導體製造裝置^使!擴政裝置、LPCVD裝 :砂晶圓插入爐内’由在高溫加熱石夕晶圓的爐】：：複數 :應性耽體向爐内供給的氣體導入部 ：；盖將 顯不著直立型LPCVD裝置的一個例子。 ）弟5圖 第5圖中，CVD裝置1〇在燐主 (圖中未顯示出），將内部加心高二加熱器 時，與真空幫浦（圖中未顯示出、，寺者k尚溫的同 至1 OTorr以下。且，捧俨 ，可以使内部減壓 化怖…製程爐|14體12的内部裝有⑽ 被製裎爐管1 4所覆# 所形成的吉w在舟接受部分1 8上裝著碳化矽或石芷ί 所形成的直立型齒條狀？石夹等 方向上，以適去的門限仅=圓日日舟20。晶囫晶舟2〇的上下 田、3隔保持著用來形成大規模積體電路 、發明說明（2) 一 2〇的)側等:#半右導膝體元件之複數的矽晶圓22。且’晶圓晶舟 内藏著:反應用氣體導入爐内的氣體導入管24，及 =j測定爐内溫度的熱電偶之熱電偶保護管Μ。 數的石夕曰1 n?^的CVD裝置10通過晶圓晶舟20在爐内裳有複 時，Λ = 。而且，使爐内減壓至100Torr以下，同 H2等的載12°〇。。的高溫，通過氣體導入管24將 爐内，夕等的反應性氣體（原料氣體）導入 -)或氧化 =7 。上Ϊ:粒裝置1〇中’為了調查附著於碎晶圓 等，晶圓曰:或有無在石夕晶圓22上形成-定的膜厚 晶圓30鱼；曰圓22、曰：：：之適當位置上有複數張的監控 用來管理這樣形成薄膜之膜厚，對於 25 Λ 控晶圓’―般使用表面粗度 石夕膜★非吊千坦的表面，先前的監控晶圓在形成多姓曰 腐餘性優良容用。因此，對於石肖酸等的耐 的磁斗i 刻之附著物、可能長期重複使用 的妷化矽晶圓受到了注目。 ^里後便用 一方面’碳化矽之硬度雖高，但難以 ，。一般使用金剛石磨粒進行研磨， 離:卜表 二身容易對晶圓表面造成刮痕損·。或 又也存在著研磨步驟中有雜質混入之問題。 ' 义π办

583733 五、發明說明（3) 至今的碳化石夕研磨技術中，無法用低成本來製造具有 超平坦且清潔的表面之碳化矽監控晶圓。例如，假定設計 規格0.13 "m時，必須檢測出〇1 _的微粒（垃圾）。然 而，對應於現有的量產之碳化矽研磨技術，其平均粗度約 Ra = 20nni之故，確認在這表面粗度丁無法檢測出微粒。 本發明係著眼於上述習知問題而產生的’以提供可以 將表面平坦化直至檢測出微粒的碳化矽監控晶圓之製造方 法0 發明内容 為了達到上述目的，本發明的碳化矽監控晶圓之製造 方法，用CVD法使3C-碳化矽沿著[lu]方向成長。且，將 碳化石夕的碳面研磨，照射氬氣之GCIB。另外，gcib的氣體 種類可以單獨使用cf4、sf6、NF3、chf3、〇2，或使用這些 的混合氣體。 ~ 更具體的，本發明的碳化矽監控晶圓之製造方法，用 CVD(ChemiCal Vapor Deposition)法將結晶系此的碳化矽 堆積在基板上，這碳化矽從基板脫離，藉由機械研磨單獨 或與 CMP(Chemo Mechanical p〇nshing)的並用使碳化矽 表面平坦後，對著表面照射GCIB(Gas Cluster Ι〇η Beam) 直至其表面粗度Ra = 〇· 5nm以下，且晶圓表面雜質密度 lxlOHatoms/cm2以下來製作。 且，前述的CVD步驟中，也可以使3C —Sic結晶沿著 [100] 、[110]或[111]方向定向成長，藉由使結晶方位

583733 五、發明說明（4) 一致、以避免CMP及GCIB照射時的蝕刻速度非等向性，這 樣來製造碳化矽監控晶圓。 在則述照射GC IB前的、機械研磨單獨或與αρ並用之 加工步驟中，使晶圓表面平坦化直至1〇〇 區域之表面粗 度（PV值）為5nm至50nm，其後藉由GCIB來製作超平坦表 面〇 >山 -叫’丨你、 w矽結晶的碳 面，以迫奴面作為研磨面，與矽面研磨相比 ;面^，對碳切表面照獅時，以』 、，口日日0火面為照射面，與矽面照射 俨，右〜二主 3 3 2，或使用這些的混合氣 體充刀利用表面生成的F自由基，來從隹 化學反應，以便得到更大來進广化矽表面的 面之氣體種類可以使用單獨CF二度二 使用這些的現合氣M，在蝕刻後 、〇2 ’或 可以照射氬氣核團。 八表面起平坦化，也 本發明利用結晶方向控制、 擇、及碳化矽與氣體種類之反應^化3的矽面/碳面之選 且清潔的碳化矽表面。 ^ 用低成本得到超平坦 行離子蝕刻時，為了提高賤 入射角。碳化矽結晶的方向不一 存在有理想的離子 子束，對於構成晶圓的各結晶粒可即使均一地照射離 由定向成長可以解決這問題。山其餘刻深度不同。藉 石反化石夕的（1 1 1 )面與 583733 五、 (1 面 離 發明說明 (5) --—---- — 一 1_1-）面並非等價。前者 。例如，形成於碳化碎表 ^夕面’後者稱之為碳 一 一過性，矽面上的Si0，、t匕石夕膜（Sl〇2膜）中的氧 。燜P 从π啜化矽表面 ^ 離子之透過性’石夕面上的Si〇2，、发透過夕|(jSl〇2膜2 :的氧 的耐=，獨i:料對於姓刻，:夕面與碳面也不同Γ 外，猎*半獨，用GCIB之氣體 nf不门另 〇2，或使用這些的混合氣體， 3 F3、 氣的情形相比較，可=Λ 進行反 〇2，或使《这公的浞合氣體，碳饱 υ 1 - 應，與氬氣的情形相比較，可 〃、 土進行反 L ^ ^ ^ hh ^ ^ J ^传到更大的餘刻速度。芦 些氣體種類的情形，雖然餘刻 I X ^ _ ^ ^ . J迷度大，但平扫化能力茬+ 故，可用氬氣來完成最終加工。 丁一1C此刀i之 應 實施方式 以下，對於本發明的z山儿 往每f來能，夂昭同 矽監控晶圓之製造方法的最 佳貝；瓜心、多…、圖面加以詳細說明。 如第4圖所示’碳化矽的紝曰 山< 7 / η、& ’曰]"、〇日日構造係金剛石之置換 型，碳原子（C)與矽原子㈧·） 且俠 ，务「 l 于^1)形成六角形的格子，同時， 沿著[1 1 1 ]軸的方向，排列著^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ m · λ μ ^臨σ幵Ν耆妷原子（C)的各層與排列著矽 原子（S i )的各層’王交赫姐石丨 m μ夂®s丨^ ’排列的構造。且’排列著碳原子 (C)的各層與排列著石夕为Q ·、 令/原千（Si)的各層之結合力，比直他 部分的結合力微弱之故，交思 ★ 八 又 合易>口者與（111)面平行的方向 被切斷。因此，碳卜功、、儿w A / J 夕/σ者與（111)面（碳原子（C)的層盘 矽原子（Si)的層之邊緣虛、承一从七A…曰丄 J曰/、 .t 咬、、表處）千仃的方向容易被切斷，切面 处出現碳原子（C )的層與矽原子（s i )的層。 這對於進行研磨時亦係同樣的’若研磨（111)，豆表 面會有矽原子（S i )的厣屮招 rtr ^ ^ ^ ^ , /、 J ’出現，研磨其相反一邊的面時，會 _

五、發明說明（6) 有碳原子(c)的層出現。因此 ' 面上出現矽原子（Si)的層， 反化矽晶圓通常係一邊的 面上::碳 侵者 本貫施形態的碳 所不，糟由CVD在石墨基材 。如這圖 面為（πι)(步驟100)，辦炉美/伯作产化矽晶圓，使其表 102)。對這樣得到 。1 =石夕晶圓脫離（步驟 104)，接著，進行曰圓#=\固表面進行機械研磨（步驟 射「(MR P 日日α厌面之CMP研磨（步驟106)，最後π 射GCIB ’即終了研磨作業（步驟ι〇8)。 麦a 如第2在圖製所造碳化石夕監控晶圓時’最初製作碳化石夕晶圓。這 度的石°黑構7V/、先一製-作符合碳化石夕晶圓尺寸的、由高純 ^ X' \ 、、一疋大小的圓板狀石墨基材4 0 (第2 ( 1 ) 圖）。，、後，將圓板狀石墨基材40裝入CVjD裝置，將裝置 (爐）内加熱到一定溫度（例如1 0 0 0〜1 6 0 0 °c )，保持這溫度 的同時’控制爐内在一定的壓力（例如丨〇〇T〇rr)。且，在 供給載子氣體氫氣（¾)的同時，以體積％為5〜2〇%供給碳化 石夕的原料Si CI4、（^¾等，於石墨基材40的表面使碳化石夕層 42成膜〇· 3〜lmm(第2(2)圖）。其後，將石墨基材4〇從CVD裝 置中取出’藉由機械加工研削切除碳化石夕層4 2的外周，使 石墨基材4 0的外周露出（第2 ( 3 )圖）。且，將夾有碳化矽層 4 2之石墨基材4 〇放入9 〇 〇〜1 4 〇 0 °C的爐内，對之供給氧氣， 使石墨基材4 0燃燒並除去，得到2張的碳化矽晶圓5 〇 (第 2 ( 4 )圖）。然後，將碳化矽晶圓研磨。

2189-5426-PF(Nl).ptd 第11頁 583733 五、發明說明（7) 對這樣得到的碳化矽晶圓50進行研膜處理以使之成為 可利用的監控晶圓。首先將這晶圓5 0用金剛石磨粒研磨至 Ra = 0· 02 // m後，進行CMP研磨。使用膠態的二氧化矽作為 研磨劑（粒徑70nm)，添加鹼來調整漿體的PH至10或11。研 磨時間為1 2小時。在碳面上進行CMP研磨。溫度55 °C、钱 刻速度pH 10時〇· 1 em/h，pHll時〇· 2 "m/h。室溫時蝕刻 速度會變得更小。且，矽面之蝕刻速度為碳面的一半以 下0

然後，對於僅實施了機械研磨的晶圓及機械研磨與 CMP並用的晶圓照射GC I B，進行晶圓的平坦化。GC I B裝置 顯示於第3圖。這GC I B裝置70可以使用週知的裝置，如圖 示般的’具有由原料反應室排氣幫浦及主反應室排氣幫浦 來啟動排氣的原料反應室7 1與主反應室7 2之2個真空室。 由南壓氣體谷為等供給的原料氣體，通過喷嘴74以超音速 的速度喷出，藉由斷熱膨脹而形成氣艟核團。所生成的核 團通過分離器76調整成束狀，被導入離子化部78。在這離 子化部78中’藉由燈絲的電子衝突被離·子化。核團在加速 部80被電界加速’氣體核團離子在減速電界部μ通過減速 電界被挑選分開（以核團的大小），且在加速部84被加速， 作為施加了高電壓的靶向晶圓5 〇照射。照射於晶圓5 〇的氣 體核團離子因與晶圓5 〇的衝突而破裂，其時，構成核團的 原子或分子與構成被加工物的原子或分子發生多體衝突， 使相對於Ba圓5 0呈水平方向的運動變得明顯，其結果，可

能進行相對於晶 圓5 0表面 的橫 方向 之切削 另外，以晶圓 /3i 五、發明說明（8) 】：：ί t :向的粒子之運動，表面的凸部被切削，可以 建】原子尺寸的平坦的超精密研磨。

SF 刻6逹产3a 3、〇2，或使用這些的混合氣體。這種氣體蝕 ⑷迷度大，但平扫仆銥六 例如氬氣、氮氣可以根據需要混合使用 種以上的氣體: 4彳又化合物的碳酸氣體之1種或2 =這樣的GCIBfl,射’能提高表面粗度至原子水準。 刻低，m : 持的能量比通常的離子蝕 -所不會對晶圓表面造成損傷，能達到所要的#精 常最好從相對其表面大致垂直的方力向照：表面的如射，通 述GC I B之代表性的照射條件如表工所示。 表1 氣體種類 —-------1 ---—---— cf4 ~ ............ 照射面積 ------- 直徑7 in ch 加速電壓 15kV --——-- 離子束電流 • 1 1 一ϋ f JL· i l i i 50μΑ 離子化電壓 30 0V 離子化電流 15 0mA 照射時間 lh 之段差來求得，射二

583733 五、發明說明（9) 表2 氣體種類 融刻速度 Ra 碳面 1.Opm/h 4nm 矽面 0.4pm/h 2 0nm 碳面（CMP) 1.Opm/h 1 · 6nm 砂面（CMP〉 0.4pm/h 4nm

將CF4照射於碳面時的蝕刻速度為1 // m/h。矽面時貝為 0 · 4 // m/h。且，氬氣核图照射中，碳面、矽面的蝕刻速度 均係CF4照射的1 / 1 0。僅使用氬氣時的產能極低。CF4照射 後，最終完工時照射氬氣核團。用AFΜ觀察表面的結果， 具有最平坦表面的晶圓係碳面（CMP並用），其平均值為 0· 2nm 〇 表3 氣體種類 蝕刻速度 Ra 碳面 0.lpm/h 0.5nm 矽面 0.05pm/h 10 . 0 nm 碳面（CMP) 1.10pm/h 0 . 2nm 砂面（CMP) 0.05pm/h 0.5nm

這樣，根據本實施形態，藉由CVD法使碳化矽結晶的 方向整合於[1 1 1 ]，且藉由對於這碳面採用CMP、GCIB，使 用CF4等反應性物質作為GC I B氣體種類，可以使難加工材的 碳化石夕之表面超平坦化。另外，上述實施形態中雖說明了

N1).prd 第14頁 583733 五、發明說明（10) 使碳化石夕結晶的方向整合於[111 ]的情形，但結晶方向整 合於[1 0 0 ]、[ 1 1 0 ]時也可以得到同樣的效果。 產業上的可利性 如以上所說明的，本發明係用CVD(Chemical Vapor D e p o s i t i ο η )法將結晶糸3 C的破化石夕堆積在基板上，這碳 化石夕從基板脫離，藉由機械研磨單獨或與CMp((；hemo Mechanical Pol i shi ng)的並用使碳化矽表面平坦後，對 著表面照射GCIB(Gas Cluster Ion Beam)直至其表面粗度 Ra = 0· 5nm以下，且晶圓表面的雜質密度在lxl〇llat〇ms/cm2 以下來製作之故，可以得到使碳化矽晶圓表面超平坦化 (月&檢測出微粒）之優良效果。

2189-5426-PF(Nl).ptd 第15頁 583733 圖式簡單說明 第1圖係實施形態的碳化矽監控晶圓之製造方法的步 驟流程圖。 第2圖係碳化矽晶圓之製造步驟圖。 第3圖係GC I B裝置的構造之剖面圖。 第4圖係碳化碎晶圓之結晶構造圖。 第5圖係減壓CVD裝置之說明圖。 符號說明 1 0 0〜碳化矽結晶於石 1 0 2〜從基板脫離； 1 06〜碳面之CMP研磨 4 0〜石墨基材； 5 0〜碳化矽晶圓； 70〜GCIB裝置； 7 2〜主反應室； 7 6〜分離器； 8 0〜加速部； 8 4〜加速部； 12〜[111]方向； S i〜ί夕原子； 1 2〜爐主體； 1 6〜基極； 2 0〜晶舟， 24〜氣體導入管； 墨基板上定向成長； 1 0 4〜機械研磨； 10 8〜0(：18照射； 4 2〜碳化矽層； 5 0〜碳化矽晶圓； 7卜原料氣體反應室 7 4〜喷嘴； 7 8〜離子化部； 8 2〜減速電界部； 1 0〜碳化矽晶圓； C〜碳原子； 10〜CVD裝置； 1 4〜製程爐管； 1 8〜晶舟接受部分； 2 2〜矽晶圓； 2 6〜電偶保護管；

…5二：—、？F(、l).ptd 第16頁 583733 圖式簡單說明 3 0〜監控晶圓 2189-5426-PF(Nl).ptd 第17頁

Claims (1)

1. 583733 六、申請專利範圍 · 1 · 一種碳化矽監控晶圓之製造方法，具有超平坦且清 潔表面， 其特徵在於： 用 CVD(Chemical Vapor Deposition)法將結晶系 3C 的 石反化碎堆積在基板上，使此碳化矽從基板脫離，藉由機械 研磨單獨或與 CMP(Chemo Mechanical Polishing)的並用 使碳化矽表面平坦後，對著表面照射^““” clusteF Ion Beam)直至其表面粗度Ra = 〇· 5nm以下，且晶圓表面的 雜質後、度在lxlOHatoms/cm2以下。

   2 ·如申睛專利範圍第1項所述的碳化石夕監控晶圓之製 造方法，其中，前述CVD步驟中，使3C一Sic結晶沿著[1〇1] 或[11 〇 ]或[111 ]方向定向成長，藉由使結晶方位一致，來 避免CMP及GCIB照射時的蝕刻速度非等向性。 3 ·如申請專利範圍第1項所述的碳化矽監控晶圓之製 造方法，其中，在照射G C I B前的機械研磨單獨戍盥α p # 用之加工步驟中，使晶圓表面平坦化直至=面：二 區域之表面粗度（PV值）為5nm至50nm，其後藉由gcib來製 作超平坦表面。 广

   4 ·如申凊專利範圍第1項所述的碳化石夕監控晶圓之製 造方法，其中，將碳化矽表面機械研磨時，以3C碳化石夕""結 晶的碳面為研磨面，與矽面研磨相比較得到更大的蝕刻速 度。 ^ 5 ·如申請專利範圍第1項所述的碳化矽監控晶圓之製 造方法，其中，對碳化矽表面照射GCIB時，以3C碳化秒&结 583733 六、申請專利範圍 晶的碳面為照射面， 度。 6. 如申請專利範 造方法，其中，對晶 獨使用 CF4、sf6、nf3 體，充分利用表面生 化學反應，以得到更 7. 如申請專利範 造方法，其中，照射 cf4、sf6、nf3、chf3 刻後為了使其表面超 與石夕面照射相比較得到更大的#刻速 圍第1項所述的碳化矽監控晶圓之製 圓表面照射的GC I B之氣體種類可以單 、CHF3、02，或使用這些的混合氣 成的F自由基等，促進碳化矽表面的 大的蝕刻速度。 圍第1項所述的碳化矽監控晶圓之製 晶圓表面之氣體種類可以單獨使用 > 02，或使用這些的混合氣體，在蝕 平坦化，需照射氬氣核團。 1111 1 »1 釅1 111 1 111 2189-5426-PF(Nl).ptd 第19頁