TW589414B - Process for producing silicon semiconductor wafers with low defect density - Google Patents

Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 589414 A7 B7 五、發明説明（1 ) 本發明相關於一種製造矽半導體晶圓之方法，該等矽 半導體晶圓之所謂「生成態」缺點密度甚低。 矽晶圓係由單晶體切割而成且可進一步形成製造電子 分件之主要材料。通常單晶體之製造係採用左科拉斯基法 (CZ法）或浮動區帶法（PZ法），將熔融材料（一般摻以矽）加 Μ冷卻固化而形成一單晶體。在CZ法中，一石英玻璃坩堝 內充有熔體，單晶體係由該融體抽拉而成。其間發生之情 況是：來自坩堝材料之氧溶解在融體内且以某種程度摻入 單晶體中。浮動區帶法係一無W堝抽拉法，所以浮動區帶 單晶體（FZ晶體）内之氧密度遠'較自坩堝抽拉之單晶體（CZ 晶體）者為低。但在製造FZ晶體過程中亦可能有氧摻入其 中，Μ致其氧密度與CZ晶體內所摻之氧差不多。舉例言之 ，美國專利US-5,089,082中曾述及該種經修飾之FZ法。尤 其F Z晶體實施摻氧之目的是：1 )促使單晶體结晶格子之機 槭性能更強，2)利用氧沉澱物（所諝之固有收取器）收集金 屬雜質。 /

CZ晶體及FZ晶體均無完全結晶格子。结晶格子含有規 律錯失，該等錯失稱作生成態缺點。以下所用「缺點」一 詞特指生成態缺點。製造電子分件時，最重要的是：半導 體晶圓之缺點密度必須儘可能的最低，尤其表面附近地區 。位於矽晶圓表面附件地區之任何缺點可能干擾一電子分 件之功能，或導致該分件失效。正常情況下，FZ晶圓之缺 點密度遠較CZ晶圓之缺點密度為低。但若摻氧ΓΖ晶圓之摻 氧濃度為至少4 X 10 17 /立方公分，其缺點密度即可達CZ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） \請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ¾衣· 訂 589414 A7 B7 五、發明説明（2 ) 晶圓缺點密度之等級。單晶體中摻和氧 （CZ晶體不可避免 者且係FZ晶體經常期望者），將導致高缺點密度。 因缺點密度影響電子分件之預期品質，所以要研發具 有低缺點密度之單晶體，尤其業經發現：藉助於退火熱處 理即可減低半導體晶圓內之缺點密度〔M.薩諾、M.侯拉 義、S.蘇米塔及T.席格瑪祖，在衛星學術討論會論文集 、ESSDERC.格瑞諾伯爾/法國，柯爾伯遜主編，第3頁， 電化學學會，彭寧頓，紐澤西（1993)〕。退火期間之主要 影響因素包含：溫度、退火時間、大氣環境及溫度變化速 率。通常溫度愈高及退火時間愈長，缺點密度之降低愈顯 著。但其不利之處是：高溫下實施退火太久，將增加該等 矽晶圓之製造成本。 最近出版之研究文獻〔D.格拉夫、U.藍伯特，M.布 羅爾、A.愛勒特、R.瓦利希及 P.華格納，材料科學及 工程B36, 50(1996)〕，其中曾揭示··藉退火Μ降低缺點 請 先- 閱 讀 背 面 i 事 項 再 填 寫 本 頁 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 中中之 方17Μ 程獻圓 化10, 過文晶 適 X 卻 造該矽·最 4 冷 製但在 之少Μ 體 。用 圓至 。中予 晶況應 晶達處其並 單狀地 矽可面，體 在佈利 造度表法晶 且分有 製濃近方單 而小現Μ氧靠種一 ，大發 用摻其一成 素之項 種其尤供形 因點該 一 ，，提化 鐽缺將 供圓低係固 關等可 提晶度容Μ 係該何 係矽密內加 小響如 的得點術料 大影或· 目製缺技材 點率否 之所，之融 缺速是 明法分明熔 ，卻示。發方公發將 時冷表上本該方本藉 度其未造， ，立 密，並製 法 \a) 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） 589414 A7 B7 五、發明説明（3 ) 製得一摻氧濃度為至少4 X 10 17 /立方公分之矽單晶體， 在溫度範圍8 5 0至1 1 0 0 t：冷卻期陬，該單晶體之佔用時間 低於80分鐘； b ) 將單晶體加工成為矽晶圓；及 c) 在至少1 0 0 0它溫度下，將該等矽晶圓加K退火，且退 火時間為至少1小時。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請七閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本案之諸發明人曾發現本方法之步驟a)具有之效果是-:與在特定溫度範圍内冷卻較慢之比較晶體之缺點密度相 較，經發現單晶體之缺點密度大幅增加。因此，由該種多 缺點之單晶體製得之半.導體晶圓，似乎不適宜用作製造電 子分件之主要原料。但是，缺點密度之增加與缺點大小分 佈轉為小缺點（空間範圍較小之缺點）有關，所Μ ,依照步 驟c ),藉退火半導體晶圓而減低缺點則非常有效。該項處 理著實有效，經發現退火後之缺點密度較由上述比較晶體 製得之比較晶圓作同等處理後之缺點密度為低。假若該等 小缺點係於退火期間優先消除，則可發現該項结果之解釋 說明。相反地，於退火期間，較大之缺點並未除去。該等 較大之缺點仍保持不變，其數目之大小對退火後矽晶圓内 之可偵檢缺點密度具有決定性影響。就，缺點矽晶圓.而論 ,此乃意謂：當缺點大小分佈中之小缺點比例部分增加時 ，單晶體內缺點密度之重要性則降低。本方法之步驟a )可 確保：小缺點之比例部分儘可能的大而大缺點之比例部分 儘可能的小。在本方法之c )步驟期間，小缺點絕大部分加 Μ消除，所以經退火後之矽晶圓，其缺點密度甚小。 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 589414 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（4 本案之諸發明人曾進一步發現： ，影響缺點大小分佈，K摻有氮而且摻 /立分公分之單晶體而言，與未摻氮 小分佈相較，其缺點大小分佈亦同樣 移動。所Μ ,由摻氮單晶體製得之砂 之步驟c)處理後，其缺點密度亦同樣 單晶體之摻氮工作可在依照本方 之過程中實施。但是基本上，所製備 摻氧濃度為至少4 X 1 0 17 /立方公分 X 1 0 14 /立方公分並再依照本方法步 即足敷需要。所Κ ,單晶體摻氮工作 至11001特定溫度範圍內〔本方法步 晶體迅速冷卻作用。 由若干試驗顯示：對缺點大小分 氮之影響外，亦必須考量與單晶體摻 氮濃度而言，若t摻氧濃度減低，則小 為實施本方法，單晶體之製造可 例言之，該兩種製造方法之基本步驟 業化學百科全書」，卷A 2 3 ,第7 2 7至 述及。若採用FZ法時，其摻氧工作之 利US-5,089,082中所述。若採用FZ法 僅藉該方法之既有特性即可迅速冷卻 之溫度範圍内佔用之時間低於8 0分鐘 步驟a)所要求之單晶體迅速冷卻作用 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 摻有氮之單晶體亦可 氮濃度為至少1 X 1 0 14 之比較晶體之缺點大 有利地向小缺點方面 晶圓，經依照本方法 地小。 法步驟a )製造單晶體 之摻氮矽單晶體，其 ，摻氮濃度為至少1 驟b )及c )加以處理， 之實施可替代在850 驟a)所要求者〕之單 佈而言，除單晶體摻 氧之關係。對同一摻 缺點之部分比例増加。 採用CZ法或FZ法。舉 ,在鳥爾曼所編「工 731頁（1993)中均曾 實施最好依照美國專 ，因浮動區帶單晶體 ,而且在8 5 0至1 1 0 0 1C ，所Μ ,依照本方法 即不重要。若採用C Ζ 請 先， 閲 讀 背 意 事 項 再 填 寫 本 頁 589414 Μ Β7 五、發明説明（5 ) 請 先- 閲 讀 背 意 事 項 再 填 寫 本 頁 法，最好應使用強迫冷卻，Μ確保該單晶體在所述溫度範 圍内以所需速率實施冷卻。舉例言之，德國專利 DE-195 03 357 Α1中曾述及一種用Μ強迫冷卻單晶體之器具。 矽單晶體之摻氮工作之實施，通常係在該單晶體之製 造過程中使單晶體在一含氮環境（作為摻質源）内生長。 將單晶體加工Μ製成矽晶圓，同樣亦屬既有技術之範 疇。由單晶體切割成矽晶圓通常係使用環型鋸或線鋸。為 測定缺點密度及缺點大小分佈必須製備若干矽晶圓。各種 製> 備方法均係習用者。因缺點之特性主要與所用製備方法 有關，不可能對缺點之大小作絕對之顯示。假若基於同一 製備方法，缺點大小及缺點大小分佈之評估僅可加Μ彼此 比較。 依照一種「晶體原發微粒」（C 0 Ρ )試驗法，用一所諝 S C 1溶液將矽晶圓加以處理，可使缺點成為可見之「晶體 原發微粒」（C0P)。之後，利用商購表面檢查儀器以偵檢 缺點。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 藉助所諝之「閘極氧化物完整性」（G0I)檢查，亦可 測出缺點之多寡。在此情況下，可測試矽晶圓表面所塗氧 化物層之崩潰電位。在此方法中，藉界定G0I缺點密度得 以形成缺點特性。M.布羅爾、D.格拉夫、P.華格納、 U.藍伯特、H.A.傑爾伯爾、H.皮歐特克，「歐洲計算 腋務」秋季會1994,第619頁，電化學學會，彭寧頓 ,紐澤西（1994),業已顯示·· G0I撿査结果與C0P測試結果 間彼此關、極為密切。 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 589414 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（6 ) 步驟C)之方法包括：在至少ΐοοου (尤K1100至120〇υ 更佳）溫度下對矽晶圓所作之熱處理（退火），退火時間至 少1小時。該等晶圓可個別或分批實施退火。大氣環境所 用之氣體係選自一個族群，該族群包括：惰性氣體、氧、 氮、氧/氮混合氣體及氫。其中氫或氩較為合意。 茲藉下列諸實驗例對本發明加以說明。 實驗例1) ^ 依照CZ法製得直徑2 0 0公厘之各種單晶體，並將其加 I 工製成CZ1至CZ3類之矽晶圓。在所有單晶體中，氧濃度均 高於5 X 1 0 17 /立方公分。在C Ζ 1類矽晶圓之案例內，將 生長中之單晶體加Κ有效地冷卻，該冷卻之晶體在850至 11 0 0 C溫度範圍内之佔用時間低於8 0分鐘。在C Ζ 2及C Ζ 3類 比較晶圓之案例内，於單晶體之抽拉過程中省去強迫冷卻 ,且在該溫度範圍內之佔用時間超過80分鐘。 為確定缺點特性，上述三類矽晶圓均實施G0I撿查及 C0P測試。評估C0P測試所用之表面檢査儀器可偵檢出大於 0 . 1 2微米之缺點。 在1200^0溫度下之氩氣環境內，將該三類矽晶圓全部 加以退火，歷時2小時，並用前述方法檢查其缺點。 G0I檢查結果如圖一所示，C0P測試结果如圖二所示。 在該等矽晶圓實施熱處理之前，G 0 I缺點密度則依照C Z 3至 CZ1之順序遞增。經退火後，該項情況顛倒，G0I缺點密度 則依照C Ζ 1至C Z 3之順序遞增。雖然經辑火後所有矽晶圓之 缺點密度均降低，但C Z 1類矽晶圓缺點密度之降低幅度最 ·(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----------- 、-ιτ ----.—---I !- --1- -- ml

A 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 589414 A7 B7 五、發明説明（7 ) 為顯著。 圖三所示係退火前矽晶圓之缺點大小分佈。雖然C Z 2 及C Z 3類矽晶圓之缺點大小在量測範圍内分佈得非常均勻 ,但C Z 1類晶圓小缺點之部分比例特別高而大缺點之部分 比例特別低。 實驗例2) 依照C Z法製得兩種直徑2 0 0公厘之不同單晶體，並將 其加工製成矽晶圓。僅將該兩種矽晶圓中之一種摻Μ氮， 其摻氮濃度為3 X 10 14 /立方公分。在該兩種單晶體中， 摻氮濃度均為9 X 1 0 17 /立方公分。經分析該等矽晶圓之 缺點大小分佈（其结果如圖四所示）顯示：摻氮作用造成缺 點大小分佈向較小缺點方面移動。 實驗例3) 依照F Ζ法製得三種直徑1 2 5公厘之矽晶體，並將其加工 製成FZ1至FZ3類之矽晶圓。將全部矽晶圓摻以氧，摻氧濃 度為4 . 5 X 10 17 /立方公分。摻氮濃度則分別如下： ---衣--- '(請4.閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-----y 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 種類 摻 質濃度 FZ1 2.5 X 10 14 /立方公分 FZ2 1.0 X 10 15 /立方公分 FZ3 3,0 X 10 15 /立方公分 / 首先對全部三類矽晶圓實施C 0 Ρ測試。 ·:< 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 589414 A7 B7 五、發明説明（8 ) 匾五所示係測定之缺點大小分佈。由圖中可看出：大 缺點之部分比例隨摻和程度之增加而大幅降低。因量測精 確度僅達該表面檢查儀器之偵檢極限，所Μ小缺點範圍内 大小分佈之表現不夠完整。 、 FZ1類矽晶圓係在1200¾溫度下之氧/氮氣體環境内 實實退火3小時。圖六所示係熱處理前、後矽晶圓實施G0I 檢查之结果。經發現G0I缺點密度獲致重大改進，此可歸 功於熱處理期間小缺點之消除。 圖式簡單說明： 圖一所示係G0I檢查结果。 圖二所示係C0P測試結果。 圖三所示係退火前矽晶圓之缺點大小分佈。 圖四所示係兩種矽晶圓之缺點大小分佈。 圖五所示係測定之缺點大小分佈。 圖六所示係熱處理前、後矽晶圓實施GO I檢査之结果。 ·(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-

、1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 丨丨丨 Μ t、申請專利範園 以Μ弋製造低缺點密度之石夕晶圓之方法，其♦白Μ · a)藉將熔融材料加以固化形 其中包括· 製得-摻氧漠度為4xJ〇17至 '^禮並予以冷卻，β :_:C之平均冷卻速率為 頁 8f靴冷卻期間，該單晶艘之佔用時tr2fi b)將單晶體加工成為矽晶圓；及 i。退火溫度為扇代至125旳，退火時間為i至4小 tr 3·如申明專利範圍第1或2項之方法其 線 單晶體實施冷卻時採用強迫冷卻。、在步驟a)內， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4 規格（210 x 297公爱）