TWI420599B - 矽晶圓之製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用作半導體裝置之基板之矽晶圓的製造方法。
隨著近些年半導體裝置朝高整合性發展，對用作此等半導體裝置之一基板之矽晶圓品質要求變得越嚴格。特定言之，更加迫切地需要發展在裝置主動區域中具有較少原生缺陷之矽晶圓。
一種對矽晶圓執行熱處理之技術已知係作為減少該等原生缺陷之製程。
至於此技術之實例，有如下技術：在1000℃或更高及1350℃或更低之一溫度下且在氫氣及/或惰性氣體氛圍中將矽晶圓熱處理50小時或更短時間，緊接著在800℃或更高及1350℃或更低之一溫度範圍內進行氧化熱處理50小時或更短時間(例如，日本未審查專利公告JP-A-11-260677)。
亦已知一種技術為：在自1100℃至1300℃之一溫度下且在一非氧化氛圍中將一矽單晶體晶圓熱處理1分鐘或更長時間，並在自700℃至1300℃之一溫度下且在氧化氛圍中將所得之晶圓連續熱處理1分鐘或更長時間，而未將其降溫至小於700℃之一溫度，藉此在該晶圓之表面上形成一氧化矽薄膜(例如，日本未審查專利公告JP-A-2001-144275)。
近些年，一種使矽晶圓經受快速加熱/冷卻熱製程(RTP：快速熱製程)之技術已知係以高生產力及簡單方式製造在晶圓表層具有甚少缺陷之矽晶圓的技術。
作為一實例，已知有下列技術：將從具有11×1017
個原子/cm3
至17×1017
個原子/cm3
之氧濃度(ASTM F-121,1979)之一矽單晶體獲得的基板材料在1100℃至1280℃下且在含有90%或更高數量之氮氣的一氛圍中加熱0秒至600秒，且其後以100℃/sec至25℃/sec之一冷卻速率在轉換為含有10%或更高數量之氧氣的一氛圍中將其冷卻(例如，日本未審查專利公告JP-A-2003-115491)。
然而，JP-A-11-260677中描述之熱處理技術由於必需較長的熱處理時間且另外加熱處理期間易發生斷層，因此具有較差之生產力，該技術因此並非較佳的。
JP-A-2001-144275中描述之熱處理技術由於熱處理時間相當長且另外加熱處理期間易發生斷層，因此具有較差之生產力，該技術因此亦非較佳的。
在JP-A-2003-115491中描述之熱處理技術中，由於在含有90%或更高數量之氮氮之一氛圍中之熱處理所致在該矽晶圓之表面上不可避免地形成一氮化物薄膜。因此，需要用於移除該氮化物薄膜之一步驟(諸如蝕刻製程)，以致製造步驟數增加。因此，此技術亦非較佳。
鑑於以上情形而完成本發明。本發明之一目的係提供一種矽晶圓之製造方法，該方法可減少一原生缺陷，同時抑制在一快速加熱/冷卻熱製程期間產生斷層，且另外可改良由快速加熱/冷卻製程獲得之矽晶圓的表面粗糙度。
根據本發明之一態樣，提供一種矽晶圓之製造方法，該方法包含：製造根據柴可斯基(Czochralski)製程生長之一矽單晶體鑄錠；將該矽單晶體鑄錠切割為複數個矽晶圓；對該矽晶圓執行一第一熱處理製程，同時引入具有含量0.01體積百分比或以上及1.00體積百分比或以下之氧氣、及稀有氣體之一第一氣體，該第一熱處理製程包含：以一第一加熱速率將該矽晶圓快速加熱至1300℃或更高及矽熔點或更低之一第一溫度；及將該矽晶圓保持在該第一溫度；以及在該第一熱處理製程後，對該矽晶圓執行一第二熱處理製程，同時停止引入該第一氣體，而代之引入具有含量20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣、及稀有氣體之一第二氣體，該第二熱處理製程包含：將該矽晶圓保持在該第一溫度；及以一第一冷卻速率將該矽晶圓從該第一溫度快速冷卻。
較佳是該第一加熱速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下，且該第一冷卻速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
根據本發明之另一態樣，提供一種矽晶圓之製造方法，該方法包含：製造根據柴可斯基製程生長之一矽單晶體鑄錠；將該矽單晶體鑄錠切割為複數個矽晶圓；對該矽晶圓執行一第一熱處理製程，同時引入包含稀有氣體之一第一氣體，該第一熱處理包含：以一第一加熱速率將該矽晶圓快速加熱至1300℃或更高及該矽熔點或更低之一第一溫度；將該矽晶圓保持在該第一溫度；以一第一冷卻速率將該矽晶圓快速冷卻至800℃或更高及1000℃或更低之一第二溫度；及將該矽晶圓保持在該第二溫度；以及對該矽晶圓執行一第二熱處理製程，同時停止引入該第一氣體，而代之引入具有含量20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣之一第二氣體，該第二熱處理包含：將該矽晶圓保持在第二溫度；以一第二加熱速率將該矽晶圓從該第二溫度快速加熱至1300℃或更高及該矽熔點或更低之一第三溫度；將該矽晶圓保持在該第三溫度；及以一第二冷卻速率將該矽晶圓從該第三溫度快速冷卻。
較佳是該第一冷卻速率係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下，且該第二加熱速率係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
較佳是該第一加熱速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下，且該第二冷卻速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
本發明提供一種矽晶圓之製造方法，該矽晶圓可減少一原生缺陷，同時防止一快速加熱/冷卻熱製程期間產生斷層，且另外改良由快速加熱/冷卻製程獲得之矽晶圓的表面粗糙度。
將在下文中參考附圖描述本發明之例示性實施例。
圖1係說明在本發明之矽晶圓之製造方法中使用之一RTP(快速熱製程)裝置之一實例的一示意性橫截面圖。
如圖1中說明，用於本發明之矽晶圓之製造方法的一RTP裝置10包含：一反應管20，其具有一氛圍氣體入口20a及一氛圍氣體出口20b；複數個燈30，其等係配置於反應管20上方且彼此分開；及一晶圓支撐件40，其係用於支撐反應管20中一反應空間25中的一晶圓W。晶圓支撐件40具有用於直接支撐晶圓W之一環形基座40a及用於支撐基座40a之一基台40b。反應管20係由(例如)石英製成。燈30係(例如)一鹵素燈。基座40a係由(例如)矽製成。基台40b係由(例如)石英製成。
當藉由使用圖1中說明之RTP裝置10而使晶圓W經受一快速加熱/冷卻熱製程(RTP：快速熱製程)時，將晶圓W從反應管20之一未說明的晶圓入口放入反應空間25中，並將其放置在晶圓支撐件40的基座40a上。
其後，從氛圍氣體入口20a引入將在下文描述之氛圍氣體，且同時將晶圓W之表面暴露於燈30中。
RTP裝置10之反應空間25中的溫度控制係由下列進行：藉由使用嵌於晶圓支撐件40之基台40b中的複數個輻射溫度計而判定晶圓W之下部之徑向方向上多個點(例如，九個點)處的一平均溫度，及基於因此判定之溫度而控制(控制各自燈之開啟-關閉或控制光之發射強度)複數個鹵素燈30。
將在下文中參考附圖描述根據本發明之一第一實施例之矽晶圓的製造方法。
根據本發明之第一實施例之矽晶圓的製造方法包含：使從根據柴可斯基製程生長之一矽單晶體鑄錠製造的矽晶圓在特定製造條件下經受一快速加熱/冷卻熱製程。
根據柴可斯基製程生長矽單晶體鑄錠係以已知方式執行。
明確描述之，藉由以下步驟製造該矽單晶體鑄錠：將填充於一石英坩堝中之多晶矽加熱為一矽熔體，使種晶與矽熔體在矽熔體之液體表面上相接觸，旋轉該晶體與該石英坩堝的同時提拉所得之種晶，及將該種晶延伸為一預定之直徑以形成一直立圓柱形部。
以一已知方式將由此獲得之矽單晶體鑄錠加工為矽晶圓。
明確描述之，藉由以下步驟製造該矽晶圓：使用一內徑刀片或線鋸將該矽單晶體鑄錠切割為複數個晶圓，及執行各種處理步驟諸如鑄錠周邊部之去角、研磨、蝕刻及拋光。以上描述之處理步驟僅係例示性的，且本發明並不僅限於此等處理步驟。
其後使由此獲得之矽晶圓在預定製造條件下經受一快速加熱/冷卻熱製程。
圖2係說明在根據本發明之第一實施例之矽晶圓的製造方法中應用之一快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件的一示意圖。
在根據本發明之第一實施例之矽晶圓的製造方法中應用之快速加熱/冷卻熱製程具有一第一及第二熱處理製程。
執行第一熱處理製程，同時引入一第一氣體。在第一熱處理製程中，將如以上描述所製備的矽晶圓在一所需溫度T0
(例如，500℃)下放置於RTP裝置10之反應管20(如圖1中說明)中，以一第一加熱速率ΔTu將該矽晶圓快速加熱至一第一溫度T1
，且將該矽晶圓在該第一溫度T1
下保持一特定時間段t1
。
在第一熱處理製程後，執行第二熱處理製程，同時停止引入第一氣體，而代之引入一第二氣體。在第二熱處理製程中，將該矽晶圓在該第一溫度T1
保持一特定時間段t2
，且其後以一第一冷卻速率ΔTd將該矽晶圓從該第一溫度T1
快速冷卻。
在該第一熱處理製程中，較佳是該第一氣體包含含量0.01體積百分比或以上及1.00體積百分比或以下之氧氣及稀有氣體。本文中使用之術語「該第一氣體包含含量為0.01體積百分比之氧氣」在參考圖1解釋時意指在供應於反應管20中之第一氣體中氧濃度係0.01體積百分比。
若使用氮氣而非稀有氣體作為第一氣體，則由於在快速加熱/冷卻熱製程後在該矽晶圓之表面上會不可避免地形成一氮化物薄膜，因此氮氣並非較佳的。此外，若使用氫氣而非稀有氣體作為第一氣體，由於在轉換第一氣體及第二氣體時氫氣與第二氣體中含有之氧氣混合可能發生爆炸，因此氫氣亦非較佳的，此將在下文中描述。
Ar(氬)氣作為稀有氣體係較佳的。
當該第一氣體中氧氣之濃度小於0.01體積百分比時，儘管可減少快速加熱/冷卻熱製程期間之原生缺陷，但是不能減緩所形成之矽晶圓的表面粗糙度。
當該第一氣體中氧氣之濃度超過1.00體積百分比時，儘管可減緩所形成之矽晶圓的表面粗糙度，但是不能減少快速加熱/冷卻熱製程期間之原生缺陷。
該第一加熱速率ΔTu較佳地係10℃/sec或以上與150℃/sec或以下。
若該第一加熱速率ΔTu小於10℃/sec，則生產力劣化。若該第一加熱速率ΔTu超過150℃/sec，則由於該矽晶圓不能承受一劇烈溫度變化，該矽晶圓中會發生斷層。
該第一溫度T1
較佳地係1300℃或更高及矽熔點或更低。本文中使用之術語「第一溫度T1
」意指當將晶圓W放置於如圖1中說明之RTP裝置10中時，晶圓W之下部之徑向方向上多個點(例如，九個點)處之平均溫度。
若該第一溫度T1
小於1300℃，則無法改良快速加熱/冷卻熱製程中之原生缺陷減少能力。
保持該第一溫度T1
之時間t1
較佳地係1sec或以上及60sec或以下。此範圍內之時間t1
可實現具有高生產力之快速加熱/冷卻熱製程。
在該第二熱處理製程中，較佳是該第二氣體中含有之氧氣的濃度係20體積百分比或以上與100體積百分比或以下。
氧氣濃度小於20體積百分比則無法改良快速加熱/冷卻熱製程中之原生缺陷減少能力。
從生產力之角度來講，較佳地係在該第一溫度T1
下執行將引入第一氣體轉換成引入第二氣體。
在該第二熱處理製程中，在轉換氣體氛圍後將該矽晶圓保持在該第二溫度T2
的時間t2
較佳地係1sec或以上與60sec或以下。此可實現具有高生產力之快速加熱/冷卻熱製程。
該第一冷卻速率ΔTd較佳地係10℃/sec或以上與150℃/sec或以下。
若該第一冷卻速率ΔTd小於10℃/sec，則生產力劣化。另一方面，若該第一冷卻速率ΔTd超過150℃/sec，則由於該矽晶圓不能承受劇烈溫度變化，該矽晶圓中可能發生斷層。
接著，將考慮本發明之一LSTD(雷射散射形態學缺陷)密度減少機制。圖3係說明本發明之LSTD密度減少機制之一示意圖。
當如本實施例中描述時，在第一熱處理製程中在引入第一氣體(包含含量為0.01體積百分比或以上與1.00體積百分比或以下之氧氣，及稀有氣體)下執行快速加熱/冷卻熱製程，在該矽晶圓之表面上形成足夠厚以防止增加表面粗糙度之一表面氧化物薄膜。在1300℃或更高及矽熔點或更低之高溫處理中，形成於COP(晶體原始顆粒)上之一內壁氧化物薄膜中含有的氧溶解於矽晶圓中(圖3A)。
在此一狀態下，在第二熱處理製程中將引入之氣體轉換為包含含量為20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣之第二氣體，藉此在該矽晶圓中快速形成氧固溶液，且此外引入填隙矽(下文中將稱為"i-Si")(圖3B)。所得之i-Si係填充於已被剝奪內壁氧化物薄膜之COP中，導致COP消失而形成所謂之DZ(剝蝕區)層(圖3C)。
根據本發明之矽晶圓的製造方法因此可改良一原生缺陷減少能力，同時抑制快速加熱/冷卻熱製程期間產生斷層，且另外可減緩透過該快速加熱/冷卻熱製程可用之矽晶圓的表面粗糙度。
在由此形成之DZ層中，保留氧固溶液(Oi)(圖3C)。DZ層中之固態氧濃度因此在即將成為傳導層之一裝置形成製程中變高，因而藉由氧固溶液阻止由於應力而在一裝置主動區域中產生或從該晶圓之背面產生的位錯，且可抑制位錯之延伸。
另外，DZ層之填隙矽由於引入i-Si(填隙Si)變得過飽和，因而可防止氧固溶液在快速加熱/冷卻熱製程後在DZ層中再次沉澱，原本在熱處理(例如，一裝置形成製程中之熱處理)中將發生該再次沉澱。
接著將參考一些圖式描述根據本發明之第二實施例之矽晶圓的製造方法。
根據本實施例之矽晶圓的製造方法係類似於第一實施例之製造方法，除了快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件之外。因此省略關於製造製程之描述，而描述製造條件。
圖4係說明在本發明之第二實施例之一晶圓的製造方法中應用之一快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件的一示意圖。
在根據本發明之第二實施例的快速加熱/冷卻熱製程中，執行一第一熱處理製程，同時引入一第一氣體；且執行一第二熱處理製程，同時停止引入該第一氣體，而代之引入一第二氣體。
在第一熱處理製程中，將以與第一實施例中使用之方式相同的方式製造之矽晶圓在一所需溫度T0
下(例如，500℃)放置於如圖1中說明之RTP裝置10之反應管20中，以一第一加熱速率ΔTu1
將該矽晶圓快速地加熱至一第一溫度T1
，將該矽晶圓在該第一溫度T1
下保持一特定時間段t1
，以一第一冷卻速率ΔTd1
將該矽晶圓快速冷卻至第二溫度T2
，並將該晶圓保持在該第二溫度T2
。
在執行第一熱處理製程後，執行第二熱處理製程。在第二熱處理製程中，將該矽晶圓保持在該第二溫度T2
，以一第二加熱速率ΔTu2
將該矽晶圓從第二溫度T2
快速加熱至於1300℃或更高及矽熔點或更低之一第三溫度T3
，將該矽晶圓在該第三溫度T3
下保持一特定時間段t2
，及以一第二冷卻速率ΔTd2
將該矽晶圓從該第三溫度T3
快速冷卻。將該矽晶圓在該第二溫度T2
下保持一特定時間段t3
。
在第一熱處理製程中，稀有氣體較佳地係用作第一氣體。
作為第一氣體，100體積百分比之稀有氣體更佳。
當在以上描述之條件下執行本發明中使用之快速加熱/冷卻熱製程時，可能減緩表面粗糙度且不損壞原生缺陷減少能力。
較佳使用Ar(氬)氣作為稀有氣體。
該第一加熱速率ΔTu1
較佳地係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
若該第一加熱速率ΔTu1
小於10℃/sec，則生產力變得劣化。另一方面，若該第一加熱速率ΔTu1
超過150℃/sec，則該矽晶圓無法承受一劇烈溫度變化，而導致該晶圓中產生斷層問題。
該第一溫度T1
較佳地係1300℃或更高及矽熔點或更低。本文中使用之術語「第一溫度T1
」意指當將晶圓W放置於如圖1中說明之RTP裝置10中時，晶圓W之下部之徑向方向上多個點(例如，九個點)處之平均溫度。
若該第一溫度T1
低於1300℃，則無法改良快速加熱/冷卻熱製程中之原生缺陷減少能力。
將該矽晶圓保持在該第一溫度T1
之時間t1
較佳地係1sec或以上及60sec或以下。此範圍內之時間t1
可實現具有高生產力之一快速加熱/冷卻熱製程。
該第一冷卻速率ΔTd1
較佳地係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
若該第一冷卻速率ΔTd1
小於20℃/sec，則無法改良快速加熱/冷卻熱製程中之原生缺陷減少能力。另一方面，當該第一冷卻速率ΔTd1
超過150℃/sec時，該矽晶圓無法承受一劇烈溫度變化，有時可能於其內發生斷層。
該第二溫度T2
較佳地係800℃或更高及1000℃或更低。
若該第二溫度T2
低於800℃，則氧固溶液可能沉澱。若該第二溫度T2
超過1000℃，則表面可能變得粗糙。
在該第二熱處理製程中，較佳是使用包含含量為20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣之氣體作為第二氣體。
若第二氣體具有之氧氣濃度小於20體積百分比，則無法改良快速加熱/冷卻熱製程中之原生缺陷減少能力。
較佳地係在該第二溫度T2
下執行將引入第一氣體轉換成引入第二氣體。若在該第二溫度T2
之範圍外(低於800℃或高於1000℃)執行氣體引入之轉換，則可能引起如前描述之不便之處。因此，此非較佳。
該第二溫度T2
之保留時間t3
較佳地係1sec或以上及60sec或以下。在此範圍內之保留時間可實現具有高生產力之一快速加熱/冷卻熱製程。
該第二加熱速率ΔTu2
較佳地係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
若該第二加熱速率ΔTu2
小於20℃/sec，則無法改良快速加熱/冷卻熱製程中之原生缺陷減少能力。另一方面，若該第二加熱速率ΔTu2
超過150℃/sec，則所得之矽晶圓無法承受一劇烈溫度變化，且可能於其內發生斷層。
第三溫度T3
(具有與第一溫度T1
類似之溫度範圍)之保留時間t2
較佳地亦為1sec或以上及60sec或以下。在上述範圍內之保留時間可達成具有高生產力之一快速加熱/冷卻熱製程。
該第二冷卻速率ΔTd2
較佳地係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
若該第二冷卻速率ΔTd2
小於10℃/sec，則生產力劣化。另一方面，若該第二冷卻速率ΔTd2
超過150℃/sec時，該矽晶圓無法承受一劇烈溫度變化，此可導致其內產生斷層。
接著，將參考第一實施例中之圖3A至3C考慮本發明之一LSTD密度減少機制。
在該第一熱處理製程中，當如本實施例中之描述執行快速加熱/冷卻熱製程時，矽晶圓表面之氧向外擴散，且同時在1300℃或更高及矽熔點或更低之高溫處理中，形成於COP上之一內壁氧化物薄膜中含有的氧溶解於矽晶圓中(圖3A)。
在此狀態下，在第二熱處理製程中藉由轉換為引入含有含量為20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣之氣體，而發生氧在該矽晶圓中之快速溶解，並引入i-Si(圖3B)。該i-Si係填充於已被剝奪內壁氧化物薄膜之COP中，導致COP消失而形成所謂之DZ(剝蝕區)層(圖3C)。
在本實施例中，在800℃或更高及1000℃或更低之溫度下將引入氣體轉換為含有氧氣之氣體，因而本實施例有效地防止氧固溶液(Oi)在即將成為DZ層之一區域中沉澱，並防止產生表面粗糙度。因此不必如第一實施例描述之，在第一熱處理製程中在稀有氣體氛圍中併入含量為20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣。然而，如前描述，在第一熱處理製程中以0.01體積百分比或以上及1.00體積百分比或以下之含量將氧氣添加至稀有氣體氛圍中，此係有效地防止表面粗糙度，且不使原生缺陷減少能力劣化。
在由此形成之DZ層中，保留氧固溶液(Oi)(圖3C)。由於DZ層中氧固溶液之濃度增加，在隨後即將執行之裝置形成製程中，藉由氧固溶液阻止在該裝置主動區域中發生或由於來自晶圓背面之應力而發生的位錯，因此可能抑制該等位錯之延伸。
根據本發明之矽晶圓的製造方法可改良原生缺陷減少能力，同時抑制一快速加熱/冷卻熱製程期間產生斷層，且同時減緩由快速加熱/冷卻製程獲得之矽晶圓的表面粗糙度。
另外，DZ層(具有引入其中之i-Si(填隙矽))之填隙矽係過飽和的，因而可防止氧固溶液在快速加熱/冷卻熱製程後在DZ層中再次沉澱，該再次沉澱將在熱處理(例如，一裝置形成製程中之熱處理)中發生。
下文中將藉由實例明確描述本發明之優點。然而，應記住本發明並不限於以下實例或因以下實例而受限。
根據CZ製程製造一矽單晶體鑄錠，該矽單晶體鑄錠具有一P類型、一晶體平面方向(001)、1.2×1018
個原子/cm3
之氧固溶液[Oi]濃度(基於1970-1979版本中Old ASTM標準之轉換因數而計算)及自23Ω/cm至25Ω/cm之一電阻。
在製造時，藉由將塗敷有氮化矽薄膜之矽晶圓放入一坩堝中而執行摻雜氮之處理，且將一提拉速率V調整為平均1.2mm/min。同時，控制提拉速率及在一晶體軸方向上在1300℃下之一溫度梯度G以控制一V/G比率，以防止在一矽單晶體生長期間發生位錯叢集。
其後由一線鋸將所得之矽單晶體鑄錠切割為諸晶圓，並使其經受去角、研磨、蝕刻及拋光以獲得具有300mm直徑之一雙面拋光矽晶圓。
其後，使用如圖1中說明之RTP裝置10對由此製備的矽晶圓執行快速加熱/冷卻熱製程。快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件如下：
第一氣體：99.99體積百分比之氬濃度及0.01體積百分比之氧濃度。
第二氣體：100體積百分比之氧濃度。
T0
：500℃。
T1
：在五種條件下，即：無，1200℃、1250℃、1300℃及1350℃(術語「無」意指不執行快速加熱/冷卻熱製程，下文中將同樣地應用該術語)。
ΔTu：75℃/sec。
ΔTd：25℃/sec。
t1
：10sec。
t2
：10sec。
第一氣體：99.99體積百分比之氬濃度及0.01體積百分比之氧濃度。
第二氣體：80體積百分比之氬濃度及20體積百分比之氧濃度。
其他條件與試驗1中之條件相同。
第一氣體：99.99體積百分比之氬濃度及0.01體積百分比之氧濃度。
第二氣體：90體積百分比之氬濃度及10體積百分比之氧濃度。
其他條件與試驗1中之條件相同。
第一及第二氣體：100體積百分比之氧濃度。
其他條件與試驗1中之條件相同。
第一及第二氣體：80體積百分比之氬濃度及20體積百分比之氧濃度。
其他條件與試驗1中之條件相同。
第一及第二氣體：100體積百分比之氬濃度。
其他條件與試驗1中之條件相同。
接著，量測經受過快速加熱/冷卻熱製程之矽晶圓的LSTD密度。使用「MO601」(商標名，Raytex Corporation之產品)並將雷射波長調整為680nm及將接近深度調整為5μm而量測LSTD密度。
圖5說明在實例1之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之一LSTD密度在不同條件下之量測結果。
在圖5中，於橫座標上繪製第一熱處理製程及第二熱處理製程之最大操作溫度T1
(℃)，而於縱座標上繪製LSTD密度(片/cm2
)。
在圖5中，由一空白正方形、一空白圓、一實心三角形、一實心菱形及一實心正方形指示之點係分別表示試驗1、試驗2、試驗3、試驗4、試驗5及試驗6中LSTD密度(片/cm2
)相對於最大操作溫度T1
(℃)之作圖數據。
圖5已證實在試驗1及試驗2中，當第二氣體具有20體積百分比或更高之氧濃度時，LSTD密度減少效應較高。推斷發生此現象之原因為在第二熱處理製程期間隨著氧濃度增加，Si之氧化量增加，且大量i-Si係注入晶圓中。在不大於1250℃之最大操作溫度T1
下，證實LSTD密度減少無明顯差異。推斷發生此現象之原因為在第一熱處理製程中未將內壁氧化物薄膜充分地從COP中移除，因而即使注入晶圓中之大量i-Si也未進入COP。
如試驗6中顯示，即使當T1
為1300℃或更高時，一LSTD密度減少效應小。預期在1300℃或更高之T1
下將內壁氧化物薄膜從COP中移除，但由於具有100體積百分比之氬氣之氛圍氣體，推斷i-Si之注入量不足。
在試驗4中，第二熱處理製程中之氣體氛圍具有100體積百分比之氧氣，但LSTD密度減少效應小。推斷發生此現象之原因為在大量氧之存在下可移除晶圓之表層部中之COP，但於具有100體積百分比之氧氣的氛圍開始之處理會增加晶圓之極表層部中之氧固溶液濃度，且未充分地移除該部中之COP的內壁氧化物薄膜，因而在該晶圓之極表層部中保留有COP。
在試驗5中，第二氣體具有80體積百分比之氬及20體積百分比之氧。因此，LSTD密度之減少不充分。
因此在本發明中，可藉由以下步驟改良原生缺陷減少能力：在第一熱處理製程中，藉由引入具有100體積百分比之氬的氣體而在1300℃或更高之最大操作溫度下執行一快速加熱/冷卻熱製程；且其後在第二熱處理製程中，在1300℃或更高之最大操作溫度下執行一快速加熱/冷卻熱製程，同時轉換為引入具有20體積百分比或更高之氧濃度的氣體。
以與實例1類似之方式製造具有300mm直徑的一雙面拋光矽晶圓。
其後，使用圖1中說明之RTP裝置10對由此製造之矽晶圓執行一快速加熱/冷卻熱製程。以下為快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件。
第一氣體：總共七種條件，具有97.00體積百分比、98.00體積百分比、99.00體積百分比、99.50體積百分比、99.95體積百分比、99.99體積百分比及100體積百分比之氬濃度。另外，其含有(若有)氧氣。
第二氣體：100體積百分比之氧濃度。
T0
：500℃
T1
：1300℃
ΔTu：75℃/sec。
ΔTd：25℃/sec。
t1
：15sec。
t2
：15sec。
接著，量測經受過快速加熱/冷卻熱製程之矽晶圓的LSTD密度及表面粗糙度。使用「MO601」(商標名，Raytex Corporation之產品)在雷射波長與接近深度分別調整為680nm與5μm處量測LSTD密度。使用AFM(原子力顯微鏡)在3μm2
之一量測範圍內量測表面粗糙度。
圖6說明在實例2之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之一LSTD密度及微粗糙度在不同條件下的量測結果。在圖6中，於橫座標上繪製第一熱處理製程中之氬濃度(體積百分比)，於第一縱座標(在紙之左側)上繪製一LSTD密度(片/cm2
)，且於第二縱座標(在紙之右側)上繪製表面粗糙度RMS(nm)。
如圖6中說明，在氬濃度為98.00體積百分比或更低處(在氧濃度為2.00體積百分比或更高處)一LSTD密度減少效應小。推斷發生此現象之原因為晶圓之極表層部中之氧濃度由於Ar氛圍中存在氧而達到一固態溶液極限，且晶圓之極表層部中之COP的一內壁氧化物薄膜無法溶解於Si晶體中，使得難於移除COP。
另一方面，當第一氣體具有99.00體積百分比或更高之氬濃度(1.00體積百分比或更低之氧濃度)時，一LSTD密度減少效應高。在缺乏氧(100體積百分比之氬濃度)之情況下，在快速加熱/冷卻熱製程後可用之矽晶圓趨向於具有一粗糙表面。推斷表面粗糙度(RMS)發生該惡化之原因為：在第一熱處理製程中在其上未形成氧化物薄膜之矽晶圓在第二熱處理製程中暴露於一含氧氣體氛圍中，且由於該表面之氧化作用導致氧化物薄膜快速形成。
因此可證實在本發明中，當氬濃度係99.00體積百分比或以上及99.99體積百分比或以下時，換言之當氧濃度係0.01體積百分比或以上及1.00體積百分比或以下時，可改良LSTD密度減少能力，且可防止表面粗糙度之惡化。
以與實例1類似之方式製備具有300mm直徑的一雙面拋光矽晶圓。
其後，使用圖1中說明之RTP裝置10而使由此製備之矽晶圓經受快速加熱/冷卻熱製程。以下為快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件。
第一氣體：100體積百分比之氬濃度。
第二氣體：100體積百分比之氧濃度。
T0
：500℃
T1
：1300℃
T2
：800℃
ΔTu1
：75℃/sec。
ΔTd1
：總共15種條件，在自10℃/sec至170℃/sec之範圍內。
ΔTu2
：25℃/sec。
ΔTd2
：25℃/sec。
t1
：15sec。
t2
：15sec。
t3
：15sec。
評估經受過快速加熱/冷卻熱製程之矽晶圓的一總斷層長度。使用由Rigaku Corporation製造之X射線形態圖(XRT300,004繞射)而量測整個晶圓。量測跨越整個晶圓觀察到之複數個斷層的各自長度，且評估所有斷層之總量作為總斷層長度。
圖7說明在實例3之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之總斷層長度在不同條件下的量測結果。
圖7已證實當第一熱處理製程中之第一冷卻速率ΔTd1
超過150℃/sec時，總斷層長度顯示劇烈增加之趨勢。
亦已證實當第一冷卻速率ΔTd1
小於20℃/sec時，LSTD密度減少效應小。推斷發生此現象之原因為由於第一冷卻速率ΔTd1
低，矽晶體中之氧再次聚集在COP之內壁上並形成一內壁氧化物薄膜，因而在第二熱處理製程中即使注入i-Si，COP亦不容易消失。
因此已證實在本發明中，在第一熱處理製程中高度有效地減少LSTD密度且防止生成斷層之第一冷卻速率ΔTd1
係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下。以上描述結果之上限(150℃/sec或更低)亦可類似地應用於第二熱處理製程中之第二冷卻速率ΔTd2
。
以與實例1類似之方式製備具有300mm直徑的一雙面拋光矽晶圓。
其後，使用圖1中說明之RTP裝置10使由此製備之矽晶圓經受一快速加熱/冷卻熱製程。以下為快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件。
第一氣體：100體積百分比之氬濃度。
第二氣體：100體積百分比之氧濃度。
T0
：500℃
T1
：1300℃
T2
：800℃
ΔTu1
：75℃/sec。
ΔTd1
：25℃/sec。
ΔTu2
：總共15種條件，在自10℃/sec至170℃/sec之範圍內。
ΔTd2
：25℃/sec。
t1
：15sec。
t2
：15sec。
t3
：15sec。
評估經受過快速加熱/冷卻熱製程之矽晶圓的總斷層長度。使用由Rigaku Corporation製造之X射線形態圖(XRT 300,004繞射)而量測整個晶圓。量測跨越整個晶圓觀察到之複數個斷層的各自長度，且評估所有斷層之總量作為總斷層長度。
圖8說明在實例4之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之總斷層長度在不同條件下的量測結果。
圖8已證實當第一熱處理製程中之第二加熱速率ΔTu2
超過150℃/sec時，總斷層長度顯示劇烈增加之趨勢。
另已證實當第二加熱速率ΔTu2
小於20℃/sec時，LSTD密度減少效應小。推斷發生此現象之原因為由於第二加熱速率ΔTu2
低，矽晶體中之氧再次聚集在COP之內壁上，且形成一內壁氧化物薄膜，因而在第二熱處理製程中，即使注入i-Si，COP亦不容易消失。
因此已證實在本發明中，在第二熱處理製程中高度有效地減少LSTD密度及防止斷層生成之第二加熱速率ΔTu2
係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下。以上描述結果之上限(150℃/sec或更低)亦可類似地應用於第一熱處理製程中之第一加熱速率ΔTu1
。
雖然已結合例示性實施例描述本發明，但對熟習此項技術者將顯而易見在不脫離本發明下可在其中作出各種變化及修改，且因此目的在於只要在本發明之真實精神及範疇內，即在隨附申請專利範圍中涵蓋該等全部變化及修改。
10．．．RTP(快速熱製程)裝置
20．．．反應管
20a．．．氛圍氣體入口
20b．．．氛圍氣體出口
25．．．反應空間
30．．．燈
40．．．晶圓支撐件
40a．．．環形基座
40b．．．基台
圖1係說明根據本發明之矽晶圓之製造方法中使用之一RTP裝置之一實例的一示意性橫截面圖；
圖2係說明應用於根據本發明之第一實施例之一晶圓之製造方法的一快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件的一示意圖；
圖3A至3C係說明根據第一實施例之LSTD密度減少機制的示意圖；
圖4係說明應用於根據本發明之一第二實施例之矽晶圓之製造方法的一快速加熱/冷卻熱製程中之製造條件的一示意圖；
圖5說明在實例1之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之LSTD密度在不同條件下的量測結果；
圖6說明在實例2之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之LSTD密度及微粗糙度在不同條件下的量測結果；
圖7說明在實例3之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之總斷層長度在不同條件下的量測結果；及
圖8說明在實例4之快速加熱/冷卻熱製程後矽晶圓之總斷層長度在不同條件下的量測結果。
(無元件符號說明)
Claims (5)
- 一種矽晶圓之製造方法，其包括：製造根據柴可斯基(Czochralski)製程生長之一矽單晶體鑄錠；將該矽單晶體鑄錠切割為複數個矽晶圓；對該矽晶圓執行一第一熱處理製程，同時引入具有含量0.01體積百分比或以上及1.00體積百分比或以下之氧氣、及稀有氣體之一第一氣體，該第一熱處理製程包括：以一第一加熱速率將該矽晶圓快速加熱至1300℃或更高及矽熔點或更低之一第一溫度；及將該矽晶圓保持在該第一溫度；以及在該第一熱處理製程後，對該矽晶圓執行一第二熱處理製程，同時停止引入該第一氣體，而代之引入具有含量20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣、及稀有氣體之一第二氣體，該第二熱處理製程包括：將該矽晶圓保持在該第一溫度；及以一第一冷卻速率將該矽晶圓從該第一溫度快速冷卻。
- 如請求項1之矽晶圓之製造方法，其中該第一加熱速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下，且該第一冷卻速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
- 一種矽晶圓之製造方法，其包括：製造根據柴可斯基製程生長之一矽單晶體鑄錠；將該矽單晶體鑄錠切割為複數個矽晶圓；對該矽晶圓執行一第一熱處理製程，同時引入包含稀有氣體之一第一氣體，該第一加熱處理包括：以一第一加熱速率將該矽晶圓快速加熱至1300℃或更高及該矽熔點或更低之一第一溫度；將該矽晶圓保持在該第一溫度；以一第一冷卻速率將該矽晶圓快速冷卻至800℃或更高及1000℃或更低之一第二溫度；及將該矽晶圓保持在該第二溫度；以及對該矽晶圓執行一第二熱處理製程，同時停止引入該第一氣體，而代之引入包括含量20體積百分比或以上及100體積百分比或以下之氧氣之一第二氣體，該第二熱處理製程包括：將該矽晶圓保持在該第二溫度；以一第二加熱速率將該矽晶圓從該第二溫度快速加熱至1300℃或更高及矽熔點或更低之一第三溫度；將該矽晶圓保持在該第三溫度；及以一第二冷卻速率從該第三溫度快速冷卻該矽晶圓。
- 如請求項3之矽晶圓之製造方法，其中該第一冷卻速率係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下，且該第二加熱速率係20℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
- 如請求項4之矽晶圓之製造方法，其中該第一加熱速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下，且該第二冷卻速率係10℃/sec或以上及150℃/sec或以下。
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