TWI446410B - Preparation method of epitaxial wafers and epitaxial wafers - Google Patents

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Description

磊晶晶圓之製造方法及磊晶晶圓
本發明係有關一種磊晶晶圓之製造方法及磊晶晶圓。
製造半導體元件時，會有使用在矽晶圓上已形成有磊晶層之磊晶晶圓的情況。磊晶晶圓通常能夠藉由在反應爐內導入含有矽之原料氣體(SiCl4 、SiHCl3 等)，使其在加熱至高溫之矽單結晶晶圓上成長矽單結晶層(磊晶層)而製得。
磊晶層的膜厚度均勻性，係磊晶層的最重要的品質項目之一，通常能夠藉由使用紅外線之光學計測方法來評價。又，磊晶晶圓整體的厚度均勻性(平坦度)能夠基於靜電容量或以光學變位計為原理的方法來進行評價。
但是，藉由此等方法所進行之形狀測定，由於裝置的原理上、結構上的限制，無法正確地測定比從晶圓的外緣往內算起3毫米更外側的外周形狀。因此，有關磊晶層的膜厚度均勻性之討論，主要是集中於比從外緣往內算起5毫米更內側的部分，關於接近晶圓外緣(邊緣)之最外周附近之膜厚度均勻性，以往未受到注意。
但是，從近年來半導體元件的微細化或元件製造領域的擴大之觀點，即便在晶圓的最外周附近亦被要求具有高平坦度。對晶圓的最外周附近的平坦度或表面變位量的關心逐漸增加。因此，已開發計測晶圓的最外周附近的表面形狀之裝置；最近，為了評價晶圓的最外周形狀，使用被稱為邊緣下降量(亦有只稱為下降量(roll off)之情形)之指標，該邊緣下降量係定量性表示晶圓最外周部的下彎量和隆起量。
例如，若是直徑300毫米(半徑150毫米(mm))的矽晶圓時，有將從晶圓中心至147~149毫米之間的表面高度變位量(第8圖之B)作為下降量；或是將從晶圓的表面形狀開始加速地變化為下彎形狀之位置起，至更接近外緣之規定位置為止的表面變位量(第8圖之A、C)作為下降量，來進行評價之情形。
例如，如第7圖所示，算出在晶圓的周邊部之表面變位量的2階微分分布，將從表面變位量的2階微分開始變為負值的位置(下降開始點)起，至從晶圓的中心算起149毫米的位置亦即自外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量(第8圖之A)，作為下降量來進行評價。此時，若將下降開始點的高度設為0，其至外緣1毫米內側為止，若係下彎形狀時，該變位量(下降量)為負值，相反地，若是隆起形狀時則為正值。而且，下降量的絕對值越小的情況，則越能夠評價為在最外周附近亦具有高平坦度。
有各種提案揭示製造下降量小的晶圓之方法。例如在研磨晶圓時，會對晶圓的周邊部進行過量的研磨，如第9圖所示，晶圓的周邊部容易成為下彎狀。因此，例如有提案(參照特開2003-142434號公報)揭示一種方法，係僅在去角取面部形成其研磨速度比矽更慢的氧化膜等之後，進行兩面研磨之方法。若根據此種方法，因為能夠防止對晶圓的周邊部過量的研磨，能夠製造下降量較小的矽晶圓。
近年來，亦對磊晶晶圓要求下降量的規格化，希望能夠控制磊晶層及磊晶晶圓的外周形狀。但是，以往的磊晶晶圓成長技術，如第10圖所示，在最外周附近會有磊晶層21的厚度變薄之情形，因此由於磊晶成長製程，與磊晶成長前的矽晶圓10比較時會有下降量(變位量)惡化這樣的問題。
作為製造出在最外周附近的平坦度亦高的磊晶晶圓之方法，有提案(參照特開2003－332183號公報)揭示一種方法，係在磊晶成長後，藉由磨石進行縮徑去角取面加工、或藉由雷射來熔斷周邊部。
但是，此種方法係在磊晶成長後，藉由縮徑去角取面或熔斷來進行加工，除了會有產生塵埃和裂紋等之可能性以外，磊晶成長後，晶圓會縮小，其縮小量等於將晶圓縮徑或熔斷的加工量，實質上會有生產性或產率顯著地下降這樣的問題。
鑒於上述問題，本發明之主要目的係提供一種方法，藉由在磊晶成長時控制在最外周附近之磊晶層的厚度，能夠製造出下降量的數值小的磊晶晶圓。
為了達成上述目的，若依據本發明，能夠提供一種磊晶晶圓之製造方法，係藉由對矽晶圓上供給原料氣體，使磊晶層氣相成長來製造磊晶晶圓的方法，其特徵為：藉由控制該氣相成長之磊晶層的成長速度及/或成長溫度，來控制在該矽晶圓的周邊部所形成的磊晶層的厚度。
如後所述，本發明的發明人，發現磊晶層的成長速度及成長溫度與在晶圓的周邊部所形成的磊晶層的厚度之間有密切的關係。因此，如上述，藉由控制磊晶層的成長速度及/或成長溫度，能夠控制在矽晶圓的周邊部所形成磊晶層的厚度，而能夠製造出下降量小的磊晶晶圓。
作為更具體的方法，係提供一種磊晶晶圓之製造方法，係藉由對矽晶圓上供給原料氣體，使磊晶層氣相成長來製造磊晶晶圓的方法，其特徵為：預先求得磊晶層的成長速度及/或成長溫度、與該磊晶層在成長前後之下降量的差之相互關係，基於該相互關係，藉由控制在成為製品的矽晶圓上成長之磊晶層的成長速度及/或成長溫度，來控制該磊晶層之成長後的下降量。
預先求得磊晶層的成長速度等與在磊晶成長前後之下降量的差之相互關係，基於該相互關係，控制成長速度，來控制磊晶成長後之下降量，能夠確實地製造出下降量小的磊晶晶圓。
較佳為：以使前述磊晶層成長後之磊晶晶圓的下降量，可以與使前述磊晶層成長前之矽晶圓的下降量相同或較小的方式，來控制該磊晶層之周邊部的厚度。
如上述，因為能夠藉由控制磊晶層的成長速度等，來控制磊晶成長後之下降量，所以能夠製造出具有與原來的矽晶圓相同或更小的下降量之磊晶晶圓。
此時，能夠將前述下降量，設為：從該矽晶圓或磊晶晶圓之表面變位量的2階微分開始成為負值的位置起，至從該矽晶圓或磊晶晶圓的外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量。
若將下降量設為如上述範圍中的表面變位量來進行控制時，能夠更確實地控制磊晶層的外周形狀，而能夠製造出具有所希望的下降量之磊晶晶圓。
作為前述矽晶圓，可使用直徑300毫米以上的矽晶圓。
若依據本發明，特別是對於近年來要求之300毫米以上的大直徑矽晶圓係有效的，因為即便是在外周附近亦能夠形成膜厚度均勻性優良的磊晶層，所以磊晶成長後，不必施行縮徑去角取面加工。因此，若使用直徑為300毫米以上的矽晶圓成長磊晶層時，能夠製造大直徑且下降量的值小之磊晶晶圓，亦可附隨地提升元件產率。
又，本發明係提供一種磊晶晶圓，能夠藉由前述本發明之方法製造出來。
如前述，若依據本發明時，能夠控制形成在矽晶圓周邊部之磊晶層的厚度，而能夠製造出下降量小的磊晶晶圓。因此，藉由此種方法所製得之磊晶晶圓，最外周附近的平坦度亦高，能夠提高元件產率。
特別是本發明能夠提供一種磊晶晶圓，係在矽晶圓上使磊晶層氣相成長而成之磊晶晶圓，其使該磊晶層成長後之磊晶晶圓的下降量，係與該磊晶層成長前的矽晶圓的下 降量相同或較小。
磊晶成長後的下降量若與原來矽晶圓的下降量相同或較小時，因為到達周邊為止之磊晶層的膜厚度均勻性良好、或是到達磊晶晶圓的周邊為止之平坦度高，所以能夠確實地提高元件產率。
此時，能夠將前述下降量，設為：前述矽晶圓或磊晶晶圓的表面變位量之2階微分開始成為負值的位置起，至從該矽晶圓或磊晶晶圓的外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量。
若是將下降量設為如上述範圍之表面變位量來進行控制而製成的磊晶晶圓時，即使是在最外周附近，亦確實地具有極高的平坦度。
前述晶圓，係具有直徑300毫米以上的矽晶圓。
依據本發明，特別是對於近年來要求之300毫米以上的大直徑晶圓係有效的，因為磊晶成長後，不必施行縮徑加工等，能夠提供300毫米以上的大直徑且下降量小之磊晶晶圓。
若依據本發明，製造磊晶晶圓時，藉由控制氣相成長之磊晶層的成長速度及/或成長溫度，能夠控制在矽晶圓的周邊部所形成之磊晶層的厚度。藉此，在最外周附近也能夠形呈厚度厚的磊晶層，而能夠製造出一種具有與磊晶層成長前之矽晶圓的下降量相同或較小下降量，且平坦度極高之磊晶晶圓。
以下，一邊參照附隨圖面，一邊具體地說明依據本發明，並使用矽晶圓(矽單結晶晶圓)來製造磊晶晶圓的情況。
本發明的發明人重複調查及研究在使用矽晶圓來製造磊晶晶圓時，磊晶成長條件與磊晶層的外周形狀。結果發現磊晶層的成長速度及成長溫度、與磊晶層的最外周形狀之間有密切的相互關係，而藉由控制這些成長條件(成長速度及/或成長溫度)，能夠控制在磊晶層的最外周附近的形狀、特別是控制所希望的厚度，而完成了本發明。
依據本發明來製造磊晶晶圓時，首先，求得磊晶層的成長速度及/或成長溫度、與該磊晶層在成長前後之下降量的差之相互關係。
所使用的磊晶成長裝置，若能夠任意控制成長速度及成長溫度時，沒有特別限定，以使用如第2圖所示之單片式磊晶成長裝置1為佳。該裝置1係在反應爐2的上下具備加熱用燈3、4，及能夠旋轉的基座5等。磊晶成長時係藉由在基座5上裝或矽晶圓6，使用H2 作為載體氣體而將SiHCl3 等的原料氣體導入爐內，藉由上下的加熱用燈3、4，來將矽晶圓6加熱至規定溫度，能夠在晶圓上形成膜厚度均勻性優良的磊晶層。
若是此種單片式裝置1時，能夠藉由加熱用燈3、4，高精確度地控制成長溫度(晶圓的溫度)，藉由調整溫度同時調整原料氣體的濃度或流量，能夠精確度優良地控制成長速度。而且，單片式裝置1，從亦能夠對應使用直徑200毫米以上、特別是300毫米以上之大型矽晶圓來進行磊晶成長的情況而言，使用此種單片式裝置1係較為有利的。
第3圖(A)-(E)係使用直徑300毫米的矽晶圓，將以各種的成長條件(成長速度、成長溫度)進行磊晶成長時之在磊晶成長前後的晶圓周邊部之表面變位量的2階微分，加以圖案化而成。由第3圖，能夠算出表面變位量之2階微分變為負值時之位置，作為下降開始點。又，第4圖(A)-(E)係表示在磊晶成長前後之周邊部的表面變位量、與成長前後的表面變位量的差。
而且，將第3圖所求得之從下降開始點，至從矽晶圓的外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量，作為下降量，根據第3圖及第4圖，能夠求得在磊晶成長前後之下降量(Roll-off Amount：ROA)的差(△ROA)。表1係整理各成長條件與△ROA的關係而成。
而且，對於成長速度、成長溫度亦求得△ROA。第5及6圖係表示在磊晶層的成長條件(成長速度、成長溫度)與在磊晶成長前後之下降量的差(△ROA)之關係。△ROA係從磊晶晶圓的下降量減去磊晶成長前之矽晶圓的下降量後所得到的值，若△ROA為正(+)時，係表示在磊晶製程中外周形狀往上隆起，若△ROA為負(－)時，係表示在磊晶製程中外周形狀往下彎。又，若△ROA在0附近時，在磊晶成長前後之下降量的差小，亦即，在最外周附近之磊晶層的膜厚度均勻性高。
在第5及6圖，能夠觀察到成長溫度與△ROA之間、及成長速度與△ROA之間，各自具有密切的關係。亦即，若依據第5圖，使成長速度為一定時，若越提高成長溫度時，則△ROA變成越大，能夠增加周邊的磊晶層厚度。又，得知成長溫度相同時，若成長速度越低時，則△ROA變成越大，在磊晶層的最外周部附近之厚度變為較厚的形狀。
另一方面，若依據第6圖，使成長溫度為一定時，成長速度越高時則△ROA變成越小、在周邊之磊晶層的厚度變薄。又，成長速度相同時，若成長溫度越高時，則△ROA變成越大，磊晶成長後之在最外周附近之磊晶層的厚度變為較厚的形狀。
因此，基於此等相互關係，藉由控制磊晶層在作為製品的矽晶圓上面成長之成長速度及/或成長溫度，能夠控制磊晶層成長後之下降量。亦即，能夠單獨各自控制成長溫度及成長速度、或是藉由適當的組合控制，來控制磊晶層的外周形狀，並能夠以控制磊晶層成長後之磊晶晶圓的下降量與磊晶層成長前之矽晶圓的下降量比較時係相同或較小的方式，來控制磊晶層的厚度。
亦即，預先測定矽晶圓的下降量，以消除該值的方式來設定磊晶層的成長條件時，能夠獲得達到周邊部為止之平坦的磊晶晶圓，並能夠製造出如第1圖(A)所示之磊晶層12在外周部變為較厚形狀之磊晶晶圓。另一方面，若以使得可以與預先測得之矽晶圓的下降量值相同方式，來設定成長條件時，能夠得到具有均勻的膜厚度達到周邊為止的磊晶層之磊晶晶圓，例如能夠得到第1圖(B)所示之磊晶層11的厚度即便在最外周部亦均勻的磊晶晶圓。
作為具體例，係使用在周邊部產生下彎之矽晶圓來製造矽晶圓時，故意使磊晶層的外周形狀隆起，例如，可基於第5圖的關係，以成長溫度為1130℃或以上、成長速度為2.5微米/分鐘或以下的成長條件，來進行磊晶成長即可。藉由基於如此的成長條件來進行磊晶成長時，能夠增加在周邊部之磊晶層的厚度，而能夠製造出其外周形狀大致平坦的磊晶晶圓。再者，即使是較低的成長溫度、例如在1110℃以下的情況，利用使成長速度更低，亦能達成相同的效果。因此，除了考慮磊晶成長前之矽晶圓的外周形狀及磊晶成長後之所希望的外周形狀以外，亦考慮生產力等，來適當地設定成長溫度及成長速度即可。
以下，說明本發明的實施例。
(實施例)
準備直徑300毫米的矽晶圓，使用DynaSearch(商品名稱，RAYTEX公司製)作為平坦度奈米形貌測定裝置，來測定晶圓周邊部之表面高度變位量，作為下降量。
在該晶圓上進行磊晶成長時，為了補償周邊部的下彎形狀，基於第5及6圖所示之相互關係，將成長溫度設為1130℃、成長速度設為2.5微米/分鐘來進行磊晶成長。而且，對於所製得之磊晶晶圓，與磊晶成長前的矽晶圓同樣地測定表面變位量。
第11圖係表示上述矽晶圓及磊晶晶圓之表面變位量，縱軸係表示表面變位量之2階微分的值，橫軸係表示自晶圓的中心(0毫米)算起之距離(半徑)。在外周部數值急速地轉變成(-)負時係表示下彎，轉變成為(+)正時係表示隆起。
如第11圖所觀察到，藉由將變位量以徑向距離進行2階微分，顯現相對於半徑之加速度的變位量變化。表面變位量之2階微分變為負值之位置，亦即下降開始點，在磊晶成長前的矽晶圓時為自中心算起145毫米處，而在磊晶成長後的矽晶圓時則為自中心算起145.5毫米處。由此得知，藉由磊晶成長，下降開始位置往外周側移動。又，此時，從下降開始點至從晶圓外緣算起往內側1毫米為止之下降量，在磊晶成長前為356奈米，磊晶成長後變為322奈米，得知藉由沉積磊晶層能夠補償外周下彎形狀。
再者，本發明未限定於上述實施形態。上述實施形態僅是例示性的，只要是具有與本發明之申請專利範圍所記載之技術思想實質上相同的構成、亦能達成相同作用效果者，不論為何者，都包含在本發明的技術範圍內。
例如，雖然說明了使用單片式磊晶裝置來進行磊晶成長之情況，但是能夠使用的裝置未限定於此類型，若能夠適當地控制磊晶層的成長速度及成長溫度時，亦可使用批次型之圓筒型或扁圓型等的其他類型的裝置。
又，矽晶圓的大小亦未限定係300毫米，晶圓的大小可以按照要求而適當地選擇。
1．．．單片式磊晶成長裝置
2．．．反應爐
3．．．加熱燈
4．．．加熱燈
5．．．基座
6．．．矽晶圓
10．．．矽晶圓
11．．．磊晶層
12．．．磊晶層
第1圖係模式性表示有關本發明之磊晶晶圓的外周形狀之例子之圖。(A)係磊晶成長後之下降量比成長前小的情況，(B)係磊晶成長前後之下降量相同的情況。
第2圖係表示本發明能夠使用之單片式磊晶成長裝置之一個例子的概略圖。
第3圖係表示磊晶成長前後的下降開始點之圖。
第4圖係表示磊晶成長前後之周邊部的表面變位量、與成長前後的表面變位量的差之圖。
第5圖係表示磊晶層的成長溫度與在磊晶成長前後之下降量的差(△ROA)之關係之圖。
第6圖係表示磊晶層的成長速度與磊晶成長前後之下降量的差(△ROA)之關係之圖。
第7圖係說明下降開始點之圖。
第8圖係說明下降量的定義之圖。
第9圖係表示晶圓的周邊部係下彎之形狀之圖。
第10圖係表示磊晶層在周邊部下彎之形狀之圖。
第11圖係表示在實施例之矽晶圓與磊晶晶圓之表面變位量之圖。
10．．．矽晶圓
11．．．磊晶層
12．．．磊晶層

Claims (14)

  1. 一種磊晶晶圓之製造方法，係藉由對矽晶圓上供給原料氣體，使磊晶層氣相成長來製造磊晶晶圓的方法，其特徵為：預先求得磊晶層的成長速度及/或成長溫度、與該磊晶層在成長前後之下降量的差之相互關係，基於該相互關係，藉由控制在成為製品的矽晶圓上成長之磊晶層的成長速度及/或成長溫度，來控制該磊晶層之成長後的下降量。
  2. 一種磊晶晶圓之製造方法，係藉由對矽晶圓上供給原料氣體，使磊晶層氣相成長來製造磊晶晶圓的方法，其特徵為：藉由控制該氣相成長之磊晶層的成長速度及/或成長溫度，來控制在該矽晶圓的周邊部所形成的磊晶層的厚度，並以使該磊晶層成長後之磊晶晶圓的下降量，可以與使該磊晶層成長前之矽晶圓的下降量相同或較小的方式，來控制該磊晶層之周邊部的厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中以使該磊晶層成長後之磊晶晶圓的下降量，可以與使該磊晶層成長前之矽晶圓的下降量相同或較小的方式，來控制該磊晶層之周邊部的厚度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中將該下降量，設為：從該矽晶圓或磊晶晶圓之表面變位量的2階微分開始成為負值的位置，至從該矽晶圓或磊 晶晶圓的外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中將該下降量，設為：從該矽晶圓或磊晶晶圓之表面變位量的2階微分開始成為負值的位置，至從該矽晶圓或磊晶晶圓的外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中將該下降量，設為：從該矽晶圓或磊晶晶圓之表面變位量的2階微分開始成為負值的位置，至從該矽晶圓或磊晶晶圓的外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中該矽晶圓係使用直徑300毫米以上的矽晶圓。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中該矽晶圓係使用直徑300毫米以上的矽晶圓。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中該矽晶圓係使用直徑300毫米以上的矽晶圓。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中該矽晶圓係使用直徑300毫米以上的矽晶圓。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之磊晶晶圓之製造方法，其中該矽晶圓係使用直徑300毫米以上的矽晶圓。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之磊晶晶圓之製造方法， 其中該矽晶圓係使用直徑300毫米以上的矽晶圓。
  13. 一種磊晶晶圓，係在矽晶圓上使磊晶層氣相成長而成之磊晶晶圓，其特徵為：使該磊晶層成長後之磊晶晶圓的下降量，係與該磊晶層成長前的矽晶圓的下降量相同或較小，其中該下降量，係從該矽晶圓或磊晶晶圓的表面變位量之2階微分開始成為負值的位置，至從該矽晶圓或磊晶晶圓的外緣算起往內側1毫米的位置為止之表面變位量。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之磊晶晶圓，其中該磊晶晶圓係具有300毫米以上的直徑。
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