TWI614808B - 藉由活化非活性氧沉澱核製造高沉澱密度晶圓之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示處理矽晶圓以在其中形成氧沉澱核之高密度非均勻分佈，以致該等晶圓在經歷基本上任何任意電子裝置製程之熱處理循環後於本體中形成氧沉澱及形成接近表面之無沉澱區之方法。該等方法涉及藉由在約400℃及約600℃之間進行熱處理至少約1小時來活化非活性氧沉澱核。
Description
本發明一般而言係關於一種適用於製造電子元件之半導體材料基板(特別是矽晶圓)的製法。更特定言之，本發明係關於處理矽晶圓以在其中形成氧沉澱核之高密度非均勻分佈，以致在經歷基本上任何任意電子裝置製程之熱處理循環後，該等晶圓於本體中形成氧沉澱及形成接近表面之無沉澱區之方法。
單晶矽為用於半導體電子元件之大多數製造方法之起始材料，其通常係由所謂的丘克拉斯基(Czochralski)(CZ)法製得，其中將單一晶種浸泡於熔融矽中且接著藉由緩慢提取來生長。熔融矽在其裝納於石英坩堝中時會受到各種雜質(其中主要係氧)污染。於矽熔融體溫度下，氧進入晶格中直至其達到由該熔融體溫度下矽中氧之溶解度及由氧在固化矽中之實際偏析係數所決定之濃度。在通常用於製造電子裝置之方法之溫度下，該等濃度大於氧在固態矽中之溶解度。因此，隨著晶體自該熔融體生長及冷卻，氧於其中之溶解度快速地降低，因而在殘留的切片或晶圓中，氧係以過飽和濃度存在。
通常用於電子裝置製程中之熱處理循環會導致氧過飽和之矽晶圓中氧之沉澱。取決於其在晶圓中之位置及其相對尺寸，該等沉澱可係有害或有益。小的氧簇為電活性熱施體且可降低電阻率，不論其在
晶圓中之位置為何。位於晶圓之活性裝置區域中之大的氧沉澱會損及裝置之操作，但當位於晶圓之本體中時，卻能夠限制可能會在例如裝置製程期間接觸該晶圓之非所需金屬雜質。此通常稱為內部或本徵除氣(「IG」)。
已開發一種可靠且可再現地形成包含晶格空位繼而建立用於矽晶圓中氧沉澱之模板之氧沉澱核分佈之快速熱處理法(參見(例如)由Falster等人述於美國專利案編號：5,994,761；6,191,010；及6,180,220中之著作；其中各案係基於所有相關及一致性目的以引用的方式併入本文中)。「理想沉澱方法」一般會產生氧沉澱核之非均勻分佈，且在晶圓本體中之濃度相較在表面層中而言更高。於隨後的氧沉澱熱處理後，晶圓本體中高濃度之核形成可促進氧沉澱形成及生長之氧沉澱晶核生成中心，近表面區域中核之濃度要作成此促進係不足夠的。結果，在該近表面區域中形成剝蝕區(denuded zone)及在晶圓本體中形成氧沉澱(有時稱為本體微缺陷或簡稱為BMD)。
剝蝕區深度可藉由控制晶圓自退火溫度至晶格空位針對任何商業上實際的時段而言基本上成為固定之溫度之冷卻速率來控制。尤其在高電阻率晶圓中，理想上薄剝蝕區優於相對厚的剝蝕區，因為，一般而言，氧移除效率隨著剝蝕區深度之增加而減小，此乃因為自溶液移除(藉由沉澱於BMD處或藉由擴散至晶圓表面)間隙氧所必須行進之距離增加。結果，一旦剝蝕區變得過於深或厚，則該區中心之增加的間隙氧濃度(接近晶圓之表面及本體處之間隙氧有足夠的時間擴散至其被消耗之部位)將有可能足夠地高，以致熱施體形成會在裝置製程期間發生，因而降低該晶圓之裝置層中之電阻率。此在具有深剝蝕區之晶圓中可能尤其成為問題。此外，獲得薄剝蝕區所需之冷卻速率有些極端且熱衝擊可能會導致晶圓破碎之風險。
對於製造理想沉澱晶圓之新穎方法存在持續的需求，該等方法
允許進行較不穩健之快速熱退火因而增加加工生產量，且/或該等方法可在不增加晶圓之冷卻速率下形成薄剝蝕區。
本發明之一態樣係關於一種熱處理自藉由丘克拉斯基法生長之單晶矽鑄錠切片所得之單晶矽晶圓，以於後續熱處理步驟中影響該晶圓中氧之沉澱行為之方法。該矽晶圓具有前表面、背表面、在該等前及背表面之間之中心平面、包含該晶圓之自該前表面朝該中心平面軸向延伸至距該前表面一距離D之區域之前表面層、及包含該晶圓之在該中心平面及該前表面層之間之區域之本體層。使該晶圓經歷熱處理以在該晶圓的晶圓之該等前表面及本體層中安置一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核。該等氧沉澱核之至少一部分為非活性氧沉澱核及一部分為活性氧沉澱核。該等氧沉澱核之特徵係使得，在經歷NEC1氧沉澱熱處理後，活性氧沉澱核經轉化為氧沉澱且非活性氧沉澱核不形成氧沉澱。控制該經熱處理晶圓之冷卻速率以製造具有如下之氧沉澱核濃度分佈之晶圓：其中最大濃度係在本體區域中且該濃度大致上在朝晶圓之前表面之方向上減小及該等前表面及本體層中氧沉澱核之濃度之差係使得，若該晶圓經歷後續之氧沉澱熱處理，則在該前表面層中形成無氧沉澱之剝蝕區及在該本體層中形成氧沉澱，且該本體層中該等氧沉澱之濃度主要取決於氧沉澱核。在至少約400℃且不大於約600℃之溫度下使該晶圓經歷熱處理至少約1小時，以活化該晶圓中該等非活性氧沉澱核之至少一部分。
本發明之另一態樣係關於一種活化非活性氧沉澱核之方法，該等非活性氧沉澱核包含自藉由丘克拉斯基法生長之單晶矽鑄錠切片所得之晶圓中之晶格空位。該晶圓具有前表面、背表面、在該等前及背表面之間之中心平面、包含該晶圓之自該前表面朝該中心平面軸向延伸至距該前表面一距離D之區域之前表面層、及包含該晶圓之在該中
心平面及該前表面層之間之區域之本體層。該晶圓在該晶圓之該等前表面及本體層中具有一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核。該等氧沉澱核之至少一部分為非活性氧沉澱核及一部分為活性氧沉澱核。該等氧沉澱核之特徵係使得，在經歷NEC1氧沉澱熱處理後，活性氧沉澱核經轉化為氧沉澱且非活性氧沉澱核不形成氧沉澱。該等氧沉澱核之濃度分佈之特徵係使得，最大濃度係在本體區域中且該濃度大致上在朝該晶圓之該前表面之方向上減小。在至少約400℃且不大於約600℃之溫度下使該晶圓經歷熱處理至少約1小時以活化該等非活性氧沉澱核，以致其在經歷NEC1氧沉澱熱處理後能夠形成氧沉澱。
關於本發明上述態樣所指出之特徵存在各種改進。在本發明之上述態樣中亦可併入其他特徵。該等改進及額外特徵可個別地或以任何組合存在。例如，下文關於本發明任何說明實施例所論述之各種特徵可單獨地或以任何組合併入本發明之任何上述態樣中。
1‧‧‧單晶矽晶圓
3‧‧‧前表面
5‧‧‧背表面
7‧‧‧假想中心平面
9‧‧‧晶體本體
11‧‧‧含空位之氧沉澱核
S1‧‧‧快速熱退火步驟
S2‧‧‧快速冷卻步驟
圖1為經歷熱退火步驟S1及快速冷卻步驟S2以於晶圓中形成含空位氧沉澱核之非均勻分佈之晶圓的示意圖；圖2為顯示經歷500℃熱處理持續根據實例2之各種時段之晶圓中之本體微缺陷密度的圖；及圖3為顯示經歷500℃熱處理持續根據實例2之各種時段之晶圓之剝蝕區深度的圖。
根據本發明，已發現在進行快速熱退火後形成兩種類型之含晶格空位之氧沉澱核。第一種類型之氧沉澱核行為如同習知之核，其中該等氧沉澱核在經歷氧沉澱熱處理(例如，NEC1氧沉澱熱處理)後形成氧沉澱。相對地，在快速熱退火後形成之第二種類型之氧沉澱核於經歷氧沉澱熱處理(例如，NEC1氧沉澱熱處理)後不形成氧沉澱。基
於本發明之目的，本文中將在氧沉澱熱處理後形成氧沉澱之該第一種氧沉澱核稱為「活性」氧沉澱核，及本文中將在氧沉澱熱處理後不形成氧沉澱之該第二種氧沉澱核稱為「非活性」氧沉澱核。
就此而言，已發現非活性氧沉澱核可藉由在至少約400℃且不大於約600℃之溫度下熱處理晶圓至少約1小時以活化該晶圓中該等非活性氧沉澱核之至少一部分而「活化」(與「喚醒」同義)。在不受任何特殊理論約束下，活化熱處理會導致非活性氧沉澱核之形態改變從而使其轉化為或充作活性氧沉澱核，其中該等核在進行氧沉澱熱處理後形成氧沉澱。該等活化熱處理在晶圓中建立相對高於未經歷此種熱處理之習知晶圓之氧沉澱核密度。該活化方法及該等所得活化氧沉澱核允許在比習知方法低的溫度下施行用於製造氧沉澱核之快速熱退火，但仍可獲得相當或甚至更高密度之氧沉澱。
進一步就此而言，應瞭解活化氧沉澱核在進行活化後可類似習知之活性氧沉澱核起作用(亦即，兩種類型之氧沉澱核在進行氧沉澱熱處理(例如，NEC1氧沉澱熱處理)後可變為氧沉澱)；然而，於其他態樣中，兩種類型核之行為可不同。例如，已發現活化氧沉澱核(亦即，已經歷活化熱處理之非活性核)相較於活性氧沉澱核(即，在未對其施行活化熱處理之氧沉澱熱處理後形成氧沉澱之核)擴散地更慢。活化沉澱核之較慢之擴散允許較少核擴散至晶圓之表面，此導致在施行氧沉澱熱處理步驟後之較薄的剝蝕區。
A.晶圓起始材料
於一些實施例中，本發明之起始半導體晶圓為自依照習知之丘克拉斯基(「CZ」)晶體生長方法生長之單晶鑄錠切片得之矽晶圓，其通常具有約150mm、約200mm、約300mm、約450mm或更大的直徑。該晶圓可經拋光，或者經磨光及蝕刻但未經拋光。該等方法、以及標準的矽切片、磨光、蝕刻、及拋光技術揭示於例如F.Shimura,
Semiconductor Silicon Crystal Technology,Academic Press,1989及Silicon Chemical Etching,(J.Grabmaier編輯)Springer-Verlag，紐約，1982(針對所有相關及一致性目的以引入的方式併入本文中)中。較佳地，該等晶圓係經熟習此項技藝者已知之標準方法拋光並清潔(例如，W.C.O'Mara等人，Handbook of Semiconductor Silicon Technology,Noyes Publications)。
一般而言，起始晶圓可具有落於可藉由CZ法達成之範圍內任何值之氧濃度，該範圍通常係介於約5×1017至約9×1017個原子/cm3或約10至約18PPMA(例如，約10至約12或15PPMA，依ASTM校正測得；Oi=4.9 α，其中α為1107cm-1吸收帶之吸收係數；新ASTM標準F-121-83)之間。此外，較佳地，起始晶圓在其近表面區域中不存在穩定氧沉澱(即，在約1200℃或更小之溫度下不會從該晶圓中溶解或退火出來之氧沉澱)。
當作為雜質存在於單晶矽中時，取代碳有能力催化氧沉澱晶核生成中心之形成。因此，基於此及其他原因，單晶矽起始材料較佳具有低碳濃度。換言之，單晶矽較佳具有小於約5×1016個原子/cm3、較佳小於1×1016個原子/cm3、且更佳小於5×1015個原子/cm3之碳濃度。
B.建立用於氧沉澱之模板之方法
根據本發明，進行快速熱處理以形成建立於晶圓中供氧沉澱用之模板之氧沉澱核分佈。於一或多個實施例中，該模板係用於在晶圓本體中具有氧沉澱，但在本文中可稱為「剝蝕區」之近表面區域中具有低密度且較佳基本上不存在氧沉澱之晶圓。有利地，可獲得任何所需深度之剝蝕區。例如，可達成範圍自約10μm或更小至約100μm或更大之剝蝕區深度。
就此而言，形成之氧沉澱核一般包含晶格空位作為該等核之一部分。該等空位可為締合(亦即，鍵結及/或群組)氧(諸如氧二聚體
(O2))；然而，應明瞭本發明不限於任何結構及/或形態特定之氧沉澱核。例如，氧沉澱核可僅為空位或可鍵結成VO。如本文所用，「氧沉澱核」係指在氧沉澱熱處理後形成氧沉澱或在經活化後形成該等沉澱之任何結構單元，且本文所用之「氧沉澱核」不應視為具限制意味。
利用快速熱處理來形成氧沉澱核之分佈，其繼而建立用於氧沉澱之模板，大體上述於美國專利案號5,994,761、6,191,010及6,180,220中，其中各案針對所有相關及一致性目的以引用的方式併入本文中。述於其中之「理想沉澱方法」通常產生氧沉澱核之非均勻分佈，其中在晶圓本體中之濃度比在表面層中高。於隨後的氧沉澱熱處理後，晶圓本體中之高濃度核形成促進形成及生長氧沉澱之氧沉澱晶核生成中心，近表面區域中之核濃度則不足以達成此促進。結果，在近表面區域中形成剝蝕區及在晶圓本體中形成有時稱為本體微缺陷之氧沉澱。如其中所述，能可靠地形成深度在約10μm至約100μm範圍內之剝蝕區。
現參照圖1，根據本發明適用之起始材料為單晶矽晶圓1，其具有前表面3、背表面5、在該等前及背表面之間之假想中心平面7、及包含該等前及背表面之間之晶圓體積之晶體本體9。本文中使用術語「前」及「背」來區分晶圓之兩個主要、大致上平坦的表面；晶圓之前表面以該術語用於本文中時不一定為隨後將於其上製造電子裝置之表面，晶圓之背表面以該術語用於本文中時亦不一定為晶圓之與在其上製造電子裝置之該表面相對之主表面。此外，因為矽晶圓通常具有一些總厚度變化、翹曲及彎曲，故前表面上之每個點與背表面上之每個點間之中點可能不會精確地落在一平面內；然而，實際上，該等TTV、翹曲及彎曲通常相當小，以致可將緊鄰該等中點稱為落在於該等前及背表面之間近似等距離之假想中心平面內。
一般而言，於形成含空位氧沉澱核之非均勻分佈之方法的步驟S1
中，使矽晶圓1經歷將該晶圓加熱至高溫之熱處理步驟，以形成且因而增加晶圓1中含空位之氧沉澱核11之數量密度。較佳地，此熱處理步驟係於快速熱退火器中進行，其中將晶圓快速加熱至標的溫度及於該溫度下退火一段相當短的時間。由於本發明之方法歸因於非活性核之活化一般產生較高密度之氧沉澱核，故可施行低至1100℃之快速熱退火。就此而言，可使用至少約1100℃、至少約1175℃、至少約1200℃或至少約1300℃(例如，約1100℃至約1400℃、約1100℃至約1300℃、或約1100℃至約1200℃)之溫度。晶圓一般將在該等溫度範圍內維持至少約1秒且通常維持至少數秒(例如，至少約3秒或至少約5秒或更長)或甚至數十秒(例如，至少約20秒、至少約30秒、至少約40秒或更長)，及取決於晶圓之期望特性及晶圓進行退火之氛圍，維持可長達約60秒之時段(其接近市售快速熱退火器之極限)。基於迄今所獲得的實驗證據，於退火期間使晶圓維持在所建立的溫度下持續額外時間似乎並未導致空位濃度之增加。
於熱處理步驟S1期間，可將晶圓暴露於含有一或多種經選擇以產生相當均勻之氧沉澱核濃度分佈之氣體之氛圍。於一些實施例中，可藉由在非氮化且非氧化氛圍(亦即，惰性氛圍)中熱處理晶圓1來產生相當均勻之空位濃度分佈。當在快速熱退火步驟及述於下文之冷卻步驟中使用不含氮氣/不含氧氣之氣體作為氛圍或環境時，於達到退火溫度後不久(若非立即的話)即達成整個晶圓之核濃度增加。熱處理期間晶圓中所得核濃度(數量密度)之分佈自晶圓之前部至晶圓之背部相當恆定。適宜之氣體包括氬氣、氦氣、氖氣、二氧化碳、及其他該等惰性元素及化合物氣體、或該等氣體之混合物。
於若干實施例中，該非氮化/非氧化氛圍較佳具有不大於相當小分壓之氧氣、水蒸氣及其他氧化氣體。換言之，該氛圍總體不存在氧化氣體或具有不足以注入足量的會抑制空位濃度增加之矽自身填隙原
子之一分壓之該等氣體。雖然尚未精確確定氧化氣體濃度之下限，但已證實就分壓為0.01atm、或10,000份/1百萬份原子(ppma)之氧而言，未觀察到空位濃度之增加及效應。因此，較佳地，該氛圍具有分壓小於約0.01atm(10,000ppma)、小於約0.005atm(5,000ppma)、小於約0.002atm(2,000ppma)或最佳小於約0.001atm(1,000ppma)之氧氣及其他氧化氣體。
於其他實施例中，可在熱處理步驟S1之前於步驟S0中藉由在含氧氛圍中熱處理晶圓1以生長包絡該晶圓1之表面氧化物層，來產生相當均勻的空位濃度分佈。一般而言，該氧化物層將具有大於形成於矽上之原生氧化物層(約15Å)之厚度。該表面氧化物層之厚度通常為至少約20Å，及於一些實施例中，該晶圓將具有至少約25Å或至少約30Å厚之氧化物層。然而，迄今所獲得之實驗證據顯示具有大於約30Å厚度之氧化物層提供極少或無額外效益。
於在晶圓上形成表面氧化物層之實施例中，在形成該氧化物層之後，通常在氮化氛圍(即，可氮化暴露矽表面之含有氮氣(N2)或含氮化合物氣體(諸如氨氣)之氛圍)的存在下進行快速熱退火步驟S1。或者或另外地，該氛圍可包含非氧化且非氮化之氣體(諸如氬氣)。於達到退火溫度後不久(若非立即的話)即達成整個晶圓中含空位氧沉澱核之增加，且核濃度分佈相當地均勻。
於該快速熱退火步驟S1之後，晶圓具有包含該晶圓之在前表面及自該前表面朝中心平面測量之一距離D之間之區域之表面層、及包含該晶圓之在該中心平面及該表面層之間之第二區域之本體層，其中該表面層及本體層具有一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核。該等氧沉澱核之至少一部分為非活性氧沉澱核及一部分為活性氧沉澱核。
在完成該快速熱退火步驟S1後，於步驟S2中使晶圓快速冷卻通過含空位之氧沉澱核(且特別是其中之空位本身)在單晶矽中相對可移動
之溫度範圍。通常，含空位氧沉澱核在降至超過約700℃、超過約800℃、超過約900℃或甚至超過約1000℃之溫度在商業上實際的時段內在矽中可移動。隨著該晶圓之溫度降低通過此溫度範圍，該等含空位核擴散至晶圓之表面及/或該晶圓表面上之氧化物層且互毀，因而導致核濃度分佈改變，且改變程度取決於晶圓維持在該範圍內一溫度之時間長度。若使該晶圓維持在該範圍內一溫度達一段無窮長時間，則核濃度分佈將再次變成與步驟S1之初始分佈類似(例如，均勻)，但平衡濃度將小於緊接於完成該熱處理步驟後之濃度。然而，如本文進一步論述，藉由快速冷卻該晶圓，不論係單獨地還是結合控制熱處理及冷卻該晶圓之環境，可達成氧沉澱核之非均勻分佈，在晶圓本體中之濃度大於在接近表面之區域中之濃度。例如，製程條件(例如，冷卻速率)可經控制成例如使得最大核濃度係在距晶圓表面至少約10μm、至少約20μm、至少約30μm、至少約40μm、至少約50μm、至少約70μm或更大之一距離處。於一實施例中，含空位氧沉澱核之最大濃度係在中心平面7處或接近中心平面7處，該核濃度一般在該晶圓之前表面3及背表面5之方向上減低。於第二實施例中，最大核濃度係在該中心平面7與接近該晶圓之該表面3、5中任一者之層或區域之間，該濃度一般在該兩表面及該中心平面之方向上減低。
就此而言，應進一步注意，一般而言，如本文所用之「剝蝕區」為佔據接近晶圓表面區域之區域，其(i)不存在超過當前偵測極限(目前為約107個氧沉澱/cm3)的氧沉澱及(ii)具有低濃度(且較佳基本上不存在)在經歷氧沉澱熱處理後轉化為氧沉澱之氧沉澱核。基本上不存在氧沉澱晶核生成中心之晶圓將係指在800℃之溫度下退火四小時且接著在1000℃之溫度下退火十六小時後具有小於107個氧沉澱/cm3之晶圓。
冷卻步驟S2可方便地在其中進行加熱步驟S1之同一氛圍中進行。
然而，該冷卻步驟S2可在可能會改變核濃度分佈形狀之不同氛圍中進行。不論所選擇的氛圍為何，快速冷卻晶圓之效應超越大氣因素且導致近表面區域中空位濃度之顯著減低。該快速熱退火步驟S1及冷卻步驟S2可在例如許多市售快速熱退火(「RTA」)爐之任一者中進行，其中晶圓係藉由高功率燈組個別地加熱。RTA爐能夠快速地加熱矽晶圓，例如，在數秒內自室溫加熱至約1200℃。
一般而言，於氧沉澱核可移動之溫度範圍內之平均冷卻速率為至少約5℃/秒，或如在其他實施例中，為至少約20℃/秒、至少約50℃/秒、至少約100℃/秒或甚至至少約150℃/秒或更大(例如，約20℃/秒至約200℃/秒、約20℃/秒至約100℃/秒、或約100℃/秒至約200℃/秒)。通常，目前的處理設備產生在約30℃/秒及約80℃/秒且更通常在約40℃/秒及約50℃/秒之間之冷卻速率。就此而言，應注意一旦晶圓經冷卻至含空位氧沉澱核在單晶矽中相對可移動之溫度範圍外之溫度，冷卻速率即似乎不顯著影響晶圓之沉澱特性且因而似乎不具嚴格關鍵性。
於S2之後，該晶圓具有最大濃度係在本體區域中且該濃度大致在晶圓之前表面方向上減低之氧沉澱核的濃度分佈。該等前表面及本體層中氧沉澱核之濃度之差係使得，若使該晶圓經歷後續之氧沉澱熱處理，則在該前表面層中形成無氧沉澱之剝蝕區及在該本體層中形成氧沉澱，且該本體層中該等氧沉澱之濃度主要取決於該等氧沉澱核。該前表面層所延伸之自前表面至中心平面之距離D可為10μm或更小或甚至約100μm或更大。於一些實施例中，D為至少約10μm、至少約20μm、至少約30μm、至少約40μm、至少約50μm、至少約70μm或至少約100μm(例如，約1μm至約200μm、約10μm至約200μm、約10μm至約100μm、或約10μm至約50μm)。
就此而言，在不脫離本發明之範疇下，該等退火及冷卻步驟之
精確條件可不同於本文所述。此外，可例如憑經驗藉由調整退火之溫度及持續時間、及大氣條件(亦即，大氣之組成、以及氧氣分壓)來確定該等條件，以控制剝蝕區之所需深度。
進一步就此而言，應瞭解上述氧沉澱核分佈為活性及非活性氧沉澱核之組合分佈，此乃因熱處理步驟S1及冷卻步驟S2以類似方式影響活性及非活性核。雖然利用目前可採行的技術無法直接偵測或量測活性及非活性氧沉澱核，然而，若氧沉澱係藉由使矽晶圓經歷氧沉澱熱處理而於該等部位生長，則可間接地量測其等。例如，活性氧沉澱核可藉由使氧沉澱核分佈經改變之晶圓經歷其中使該晶圓在800℃之溫度下退火四小時且接著在1000℃之溫度下退火十六小時之NEC1氧沉澱熱處理(未使該晶圓經歷介入之核活化製程)及藉由量測所形成氧沉澱之數量(例如，測定於蝕刻處理後之本體微缺陷之數量)來偵測。
非活性氧沉澱核可藉由使氧沉澱核分佈經改變之晶圓經歷如下所述之核活化製程接著再經歷其中使該晶圓在800℃之溫度下退火四小時且接著在1000℃之溫度下退火十六小時之NEC1氧沉澱熱處理及藉由量測所形成氧沉澱之數量並將該數量與其中未進行核活化步驟之晶圓進行比較來偵測。氧沉澱密度除可歸因於習知晶核生成外之增加指示許多非活性核在活化製程期間經活化。
就此而言，可歸因於習知晶核生成之氧沉澱密度之增加可藉由將具有相同氧含量之非氧沉澱晶圓加熱至下述活化溫度持續一段時間接著進行其中使該晶圓在800℃之溫度下退火四小時且接著在1000℃之溫度下退火十六小時之NEC1氧沉澱熱處理及藉由量測所形成氧沉澱之數量來測定。該等非氧沉澱晶圓可藉由使起始晶圓經歷其中原有氧簇及沉澱經溶解及其中在後續氧沉澱熱處理期間諸如藉由在針對所有相關及一致性目的以引用的方式併入本文中之美國專利案第6,336,968號中揭示之方法來防止簇及沉澱形成之熱處理來製得。
於本發明之一些實施例中，非活性及活性氧沉澱核可經穩定，以致其不可在低於約1150℃之溫度下溶解。可採用熟習此項技藝者可用於穩定氧沉澱核之任何方法，及於一些特定實施例中，根據針對所有相關及一致性目的以引用的方式併入本文中之美國專利案第6,955,718號中揭示之方法來穩定該等核。
C.活化非活性含空位氧沉澱核之方法
在進行熱處理步驟S1及冷卻步驟S2之後，使晶圓經歷其中將該晶圓加熱至足以活化非活性含空位氧沉澱核之溫度之活化步驟S3。非活性氧沉澱核可在低至約400℃之溫度下活化；然而，不超過核溶解之溫度之較高溫度可能為較佳，此乃因在較高溫度下需要較少時間來達成顯著的活化效應。因此，活化溫度可為至少約400℃、至少約450℃、至少約500℃或甚至至少約550℃(例如，約400℃至約600℃、約450℃至約600℃、或約500℃至約600℃)。一般而言，可進行在400℃及600℃之間之熱處理持續至少約1小時，且通常係退火至少約2小時(例如，約1小時至約4小時或約2小時至約4小時)。於較低之溫度(例如，約400℃至約450℃)下，可使用較長時間之熱處理來充分地活化非活性氧沉澱核，諸如處理至少約10小時、至少約20小時、至少約30小時、至少約40小時或甚至至少約50小時或更長(例如，約1小時至約50小時或約10小時至約50小時)。
該活化熱處理S3可在與熱退火步驟S1及/或冷卻步驟S2相同的氛圍中進行。適宜之氛圍包括(例如)氬氣、氦氣、氖氣、二氧化碳、及其他該等惰性元素及化合物氣體、或該等氣體之混合物(其可包含或不含氧氣)。
就此而言，應瞭解該活化熱處理S3導致晶圓中非活性氧沉澱核之至少一部分活化。隨著熱處理之進行，活化效應趨向平穩。例如，在約500℃之溫度下，在約4至約5小時之熱處理後未觀察到進一步活
化。基於本發明之目的，當在再施行1小時之熱處理後晶圓徑向中心處之氧沉澱密度(作為本體微缺陷測得)不增加至少約10%時，「實質上所有的」非活性沉澱核經活化。
在非活性氧沉澱核活化後，於經歷基本上任何任意電子裝置製程之熱處理循環後，晶圓在本體中形成氧沉澱及在接近表面處形成無沉澱區，其中本體中之氧沉澱密度較其中未進行活化製程之晶圓高。可使用超過約650℃之任何製程來可靠地形成氧沉澱核。於一些實施例中，針對比較在使晶圓經歷不同熱處理後形成之沉澱量之目的，進行標準氧沉澱熱處理。一種典型的氧沉澱熱處理為其中將晶圓加熱至800℃之溫度持續四小時且接著在1000℃之溫度下持續十六小時之NEC1氧沉澱熱處理。
就此而言，已發現已經歷氧沉澱核活化製程之晶圓在氧沉澱熱處理後包含更高密度的氧沉澱(參見實例1及2)。例如，當晶圓以50℃/秒或更小之速率冷卻時，該晶圓可在NEC1氧沉澱熱處理後形成至少約7.5×1010cm-3或至少約9.0×1010cm-3或至少約1.0×1011cm-3之氧沉澱密度，其實質上較其中未進行活化熱處理之晶圓高(例如，高出至少約10%、至少約20%或甚至至少約30%)。
D.磊晶層
於本發明之一些實施例中，在依照本發明一實施例製得之理想沉澱晶圓(例如，其中之非活性空位已被活化)之表面上沉積磊晶層，及於其他實施例中，可在沉積磊晶層之後進行理想沉澱製程及活化。將藉由為熟習此項技藝者所熟知並使用的方法(諸如分解氣相含矽組合物)來形成該磊晶層。於一些實施例中，將晶圓之表面暴露於包含含矽揮發性氣體(例如，SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl或SiH4)之氛圍。該氛圍亦可包含載氣(較佳係H2)。於一些實施例中，於磊晶沉積期間矽之來源為SiH2Cl2或SiH4。若使用SiH2Cl2，則於沉積期間之反
應器真空壓力較佳為約500至約760托(Torr)。另一方面，若使用SiH4，則反應器壓力較佳為約100托。最佳地，於沉積期間矽之來源為SiHCl3。其傾向於比其他來源便宜得多。此外，使用SiHCl3之磊晶沉積可在大氣壓下進行。此因無需真空泵且反應室無須相當堅固來防止崩潰而有利。此外，出現更少的安全性危害且空氣或其他氣體洩露進入反應室之機會減少。
於磊晶沉積期間，晶圓表面較佳係維持在足以防止含矽氛圍將多晶矽沉積至該表面上之溫度下。較佳地，該表面係維持在至少約800℃、更佳約900℃、及最佳約1100℃之溫度下。磊晶沉積之生長速率較佳為約0.5至約7.0μm/min。可例如藉由使用基本上由約2.5莫耳% SiHCl3及約97.5莫耳% H2所組成之氛圍在約1150℃之溫度及約1大氣壓之壓力下達成約3.5μm/min至約4.0μm/min之速率。
若需要，該磊晶層可額外地包含p-型或n-型摻雜劑。例如，該磊晶層通常較佳包含硼。此種層可藉由例如在沉積期間於氛圍中包含B2H6而製得。用於獲得所需性質(例如，電阻率)之氛圍中B2H6的莫耳分率將取決於若干因素，諸如在磊晶沉積期間自特定基板擴散出來之硼的量、作為污染物存在於反應器及基板中之p-型摻雜劑及n-型摻雜劑的量、及反應器壓力及溫度。就高電阻率應用而言，磊晶層中之摻雜劑濃度較佳就實際可行地低(本發明之基板晶圓可視需要具有高或低電阻率、或大於或小於約50歐姆cm之各別電阻率)。
E.矽絕緣體結構
依照本發明之實施例所製得之晶圓亦可併入矽絕緣體結構中。矽絕緣體結構一般包括裝置層、操作晶圓或支撐層、及在該支撐層及該裝置層之間之絕緣膜或層(通常係氧化物層)。一般而言，該裝置層之厚度係在約0.5至約20μm之間。可利用相關技藝中已知之各種技術製得矽絕緣體結構，如下文進一步論述。
若SOI結構之支撐層包括或係衍生自本發明之晶圓，則較佳地，該製程(例如，建立用於氧沉澱及活化非活性氧沉澱核之模板)將係在SOI結構之裝置層附接至操作層之前(或，在離子植入製程之情況中，在發生植入之前)進行。若本發明製程係在形成SOI結構之前進行，則可能希望在該製程完成之後及在開始製造SOI結構之前穩定操作晶圓中之氧沉澱晶核生成中心。另外，若利用該方法，則於一些實施例中，步驟S2之氧沉澱熱處理可在形成SOI結構期間達成(諸如在晶圓接合之情況中)，其限制條件為SOI製程所使用的處理時間及溫度對於氧沉澱形成而言係足夠的。
然而，應進一步注意，本發明矽晶圓製程亦可在製得SOI結構之後進行。在不受任何特殊理論約束下，咸信SOI結構之行為將如同典型的單晶矽晶圓，其中氧化物層充作空位及自身填隙可自其注入且可擴散至其的自由表面。
SOI結構可例如依SIMOX製程藉由使本發明之晶圓經歷如上所述在如美國專利案第5,436,175號及Plasma Immersion Ion Implantation for Semiconductor Processing,Materials Chemistryand Physics 46(1996)第132至139頁中所揭示技藝中為標準之離子植入製程來製得，其二者針對所有相關及一致性目的以引用的方式併入本文中。於該製程中，將離子植入矽晶圓基板中，接著使該矽晶圓基板經歷高溫退火以形成埋藏氧化物絕緣層。例如，若植入氧離子，則形成二氧化矽(SiO2)之埋藏絕緣層。若植入氮原子，則形成氮化矽(Si3N4)之埋藏層。於該等實例中，所得SOI結構包括均衍生自由本發明方法所製得晶圓之裝置層及絕緣層。因為通常約1150℃至約1400℃之高溫氧化物形成退火，氧溶解度超過晶圓中之典型氧濃度，以致已存在的沉澱會溶解回至間隙氧中。於該等實例中，就某些應用而言，可在SIMOX製程後進行氧還原二次退火。該實施例接著通常包括對具有可利用Cz
拉晶技術達成之基本上任何氧濃度之單晶矽晶圓進行快速熱退火及冷卻製程；在該晶圓中形成氧化物絕緣層；及在約700℃至約1100℃範圍內之溫度下進行二次退火。
SOI結構亦可藉由接合兩個晶圓及移除該等接合晶圓中一者之一部分而製得。例如，SOI結構可藉由BESOI製程製得，其中將本發明之晶圓接合至另一晶圓，且接著如美國專利案第5,024,723及5,189,500號中所揭示利用已知晶圓薄化技術蝕刻除去該等晶圓中一者之大部分以獲得裝置層，各案係針對所有相關及一致性目的以引用的方式併入本文中。於此實例中，所得SOI結構包括(i)裝置層、(ii)操作晶圓或支撐層、及(iii)在該裝置層及該支撐層之間之絕緣層。
於一替代晶圓接合方法中，將氫或另一離子植入該等晶圓中之一者中，且在接合該兩晶圓後，使該接合複合體經歷導致該接合複合體在植入部位處裂開之施力。例如，可藉由以下步驟製得SOI結構：(1)在本發明之晶圓中藉由轟擊植入離子(例如，氫、氮等等)以產生氣體微泡之層，同時維持溫度低於使得該等氣體微泡可自其擴散逃逸之溫度，(2)使該晶圓之平坦面與補強板接觸以形成接合複合體，及(3)使該接合複合體經歷會導致本發明之晶圓在離子植入區域中層離之熱或機械應力。若使用熱應力，則將該複合體加熱至高於發生離子植入之溫度的溫度，以建立結晶重排及該等微泡中之壓力效應，從而導致半導體薄膜與大部分基板之間之分離，如在針對所有相關及一致性目的以引用方式併入本文中之美國專利案第5,374,564號中所揭示。若SOI結構欲包括本發明之晶圓作為補強板，則在一或多個實施例中，使該晶圓在接合至另一晶圓之平坦面之前先經歷上述之理想沉澱製程。於其他實施例中，可先將低缺陷密度矽晶圓接合至丘克拉斯基型單晶矽晶圓，且接著可使整個SOI結構經歷上述之理想沉澱製程及核活化製程。
實例
實例1：確定在氧沉澱熱處理之前使矽晶圓經歷氧沉澱核活化製程之效應
在快速熱退火製程中加熱具有13ppma氧含量之許多晶圓以安置含空位氧沉澱核(活性及非活性核)之濃度，其中最大核濃度係在本體區域中且該濃度大致上在晶圓之前表面方向上減低。該快速熱退火包括將晶圓加熱至1300℃持續10秒接著以50K/sec、15K/sec、8K/sec或2K/sec進行冷卻。接著將該等晶圓中之若干晶圓加熱至500℃維持四小時以活化非活性氧沉澱核。在NEC1測試(在800℃之溫度下退火四小時且接著在1000℃之溫度下退火十六小時)之後，測定經歷活化製程之晶圓及未經歷活化製程之晶圓二者之BMD密度及可看見第一、第二及第十個BMD之深度。結果顯示於下表1中。
由表1可見，對於其中非活性核未被活化之晶圓，於2K/sec及8K/sec之冷卻速率下氧沉澱核之擴散出來防止在該晶圓之本體中形成沉澱。相對地，在8K/sec及2K/sec之冷卻速率下其中非活性核被活
化之晶圓包含氧沉澱。
此外，其中非活性核被活化之晶圓包含明顯更多的氧沉澱(作為BMD測得)。預期於500℃下發生一些習知之晶核生成；然而，就該氧濃度而言，因習知之晶核生成所致之預期的額外沉澱小於1×108BMD/cm3。在通常用於剝蝕區應用之50K/sec之冷卻速率下，本體沉澱密度增加至約1×1011BMD/cm3而剝蝕區減少至約20μm。
亦可自表1觀察到減小冷卻速率對經於500℃下加熱四小時之晶圓之影響不如對未經歷活化熱處理之晶圓之影響多。此點可由不論是否進行500℃熱處理，被活化之核(即，先前之非活性核)相對於活性核的擴散減少來解釋。
實例2：活化製程之時間相依性
藉由改變500℃熱處理之時間來確定活化非活性含空位氧沉澱核所需的時間。在氬氣氛圍中以50K/sec之冷卻速率使晶圓組經歷1230℃之快速熱退火持續10秒。結果可參見圖2及3。由圖2及3可見，可觀察到BMD於2小時之加熱時之顯著增加，及在4小時後BMD之密度增加至約1×1011BMD/cm3而剝蝕區之深度減少至約15μm。
如本文所用，術語「約」、「實質上」及「近似」在與尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性範圍連用時意欲涵蓋可存於該等性質或特性範圍之上限及/或下限中之變差，包括(例如)因捨入、測量方法所產生之變差或其他統計變差。
當引介本發明之組件或其較佳實施例時，冠詞「一」、「一個」、「該」欲指存在一或多個該等組件。術語「包含」、「包括」及「具有」意欲包含及意指可存在除所列組件外之額外組件。
由於可在不脫離本發明之範疇下對上述設備及方法作出各種改變，故以上發明說明中所包含及附圖中所顯示之所有內容應以例示性而非以限制意味來解釋。
1‧‧‧單晶矽晶圓
3‧‧‧前表面
5‧‧‧背表面
7‧‧‧假想中心平面
9‧‧‧晶體本體
11‧‧‧含空位之氧沉澱核
S1‧‧‧快速熱退火步驟
S2‧‧‧快速冷卻步驟
Claims (23)
- 一種熱處理自藉由丘克拉斯基法生長之單晶矽鑄錠切片得之單晶矽晶圓以影響後續熱處理步驟中該晶圓中氧之沉澱行為之方法，該矽晶圓具有前表面、背表面、在該等前及背表面之間之中心平面、包括該晶圓之自該前表面朝該中心平面軸向延伸至距該前表面一距離D之區域之前表面層、及包括該晶圓之在該中心平面及前表面層之間之區域之本體層，該方法包括：使該晶圓經歷熱處理以在該晶圓的該晶圓之該等前表面及本體層中安置一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核，其中該等氧沉澱核之至少一部分為非活性氧沉澱核及一部分為活性氧沉澱核，該等氧沉澱核之特徵係使得，在經歷NEC1氧沉澱熱處理後，活性氧沉澱核經轉化為氧沉澱而非活性氧沉澱核不形成氧沉澱；控制該經熱處理之晶圓之冷卻速率以製造具有如下之氧沉澱核濃度分佈之晶圓：其中最大濃度係在本體區域中且該濃度大致上在朝晶圓之前表面之方向上減小，及該等前表面及本體層中氧沉澱核之濃度之差係使得，若使該晶圓經歷後續之氧沉澱熱處理，則在該前表面層中形成無氧沉澱之剝蝕區(denuded zone)及在該本體層中形成氧沉澱，且該本體層中該等氧沉澱之濃度主要取決於該等氧沉澱核；及使該晶圓在至少約400℃且不大於約600℃之溫度下經歷熱處理至少約1小時，以活化該晶圓中該等非活性氧沉澱核之至少一部分。
- 如請求項1之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理之溫度為至少約500℃。
- 如請求項1之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理係進行至少約2小時。
- 如請求項1之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理之溫度為約400℃至約450℃且該處理係進行至少約10小時。
- 如請求項1之方法，其中在該晶圓的晶圓之該等前表面及本體層中安置一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核之該熱處理之溫度為至少約1100℃。
- 如請求項1之方法，其中在該晶圓的晶圓之該等前表面及本體層中安置一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核之該熱處理之溫度為約1100℃至約1200℃。
- 如請求項5之方法，其中在該晶圓的晶圓之該等前表面及本體層中安置一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核之該熱處理係進行約1秒至約60秒。
- 如請求項1之方法，其中該平均冷卻速率為至少約5℃/秒。
- 如請求項1之方法，其中該晶圓中實質上所有的非活性氧沉澱核經活化。
- 如請求項1之方法，其中該晶圓係以約50℃/秒或更小之速率冷卻，且在NEC1氧沉澱熱處理後，該晶圓能夠形成至少約7.5×1010cm-3之氧沉澱密度。
- 如請求項1之方法，其包括使該晶圓經歷氧沉澱熱處理步驟。
- 如請求項11之方法，其中該氧沉澱熱處理為包含在電子裝置製造中的製程。
- 如請求項1之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理係在選自氬氣、氦氣、氖氣、二氧化碳及其混合物之環境中進行。
- 如請求項1之方法，其中D為至少約10μm。
- 一種在自藉由丘克拉斯基法生長之單晶矽鑄錠切片得且具有以下部分之晶圓中活化包含晶格空位之非活性氧沉澱核之方法：前表面、背表面、在該等前及背表面之間之中心平面、包括該晶圓之自該前表面朝該中心平面軸向延伸至距該前表面一距離D之區域之前表面層、及包括該晶圓之在該等中心平面及前表面層之間之區域之本體層，該晶圓的晶圓之該等前表面及本體層中具有一濃度的包含晶格空位之氧沉澱核，其中該等氧沉澱核中之至少一部分為非活性氧沉澱核及一部分為活性氧沉澱核，該等氧沉澱核之特徵係使得，在經歷NEC1氧沉澱熱處理後，活性氧沉澱核經轉化為氧沉澱而非活性氧沉澱核不形成氧沉澱，其中該等氧沉澱核之濃度分佈之特徵係使得，最大濃度係在本體區域中且該濃度大致上在朝該晶圓之該前表面之方向上減小，該方法包括；在至少約400℃且不大於約600℃之溫度下使該晶圓經歷熱處理至少約1小時以活化該等非活性氧沉澱核，以致其在經歷NEC1氧沉澱熱處理後能夠形成氧沉澱。
- 如請求項15之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理之溫度為至少約450℃。
- 如請求項15之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理係進行至少約2小時。
- 如請求項15之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理之溫度為約400℃至約450℃，且該處理係進行至少約10小時。
- 如請求項15之方法，其中該晶圓中實質上所有的非活性氧沉澱核經活化。
- 如請求項15之方法，其包括使該晶圓經歷氧沉澱熱處理步驟。
- 如請求項20之方法，其中該氧沉澱熱處理為包含在電子裝置製造中的製程。
- 如請求項15之方法，其中活化至少一部分該等非活性氧沉澱核之該熱處理係在選自氬氣、氦氣、氖氣、二氧化碳及其混合物之環境中進行。
- 如請求項15之方法，其中D為至少約20μm。
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