TWI730446B - 矽晶圓的熱處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種矽晶圓的熱處理方法，於矽晶圓於惰性氣體氛圍下的熱處理中，能夠有效率地進行矽晶圓表面的自然氧化膜熔解時所產生之SiO氣體之排氣，能夠抑制反應產物沈積於熱處理腔室內且防止滑移之惡化。於900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，將晶圓保持5sec以上至30sec以下之時間，並且將晶圓轉速設為80rpm以上至120rpm以下，以氣體置換率成為90%以上之方式控制腔室內的惰性氣體之供給。

Description

矽晶圓的熱處理方法
本發明係關於一種矽晶圓的熱處理方法，尤其是關於一種於惰性氛圍下的熱處理中，能夠有效率地進行矽晶圓表面的自然氧化膜熔解時所產生之SiO氣體之排氣，防止熱處理腔室內的SiOx 固體的沈積之矽晶圓的熱處理方法。
伴隨著半導體元件的高積體化，對矽晶圓(以下亦簡稱為「晶圓」)等半導體基板要求高品質化。尤其是，將形成有元件之活性區域內的結晶缺陷予以減少為必須事項。例如矽晶圓係藉由矽單晶之生長及各種加工而製造，但在單晶之生長階段所產生之結晶缺陷存在於加工後的晶圓內。
作為以短時間的熱處理來減少存在於前述矽晶圓內的結晶缺陷之方法，例如已知有如日本專利特開2011-29429號公報中所揭示般使用RTP(Rapid Thermal Process；快速熱處理)裝置(急速升降溫熱處理裝置)之方法。日本專利特開2011-29429號公報中所揭示之方法係於前述RTP裝置中，將矽晶圓於氬氣氛圍下以1300℃以上至矽熔點以下之溫度範圍加熱後，冷卻至400℃以上至800℃以下之溫度，繼而切換為氧氣氛圍，以1250℃以上至矽熔點以下之溫度下進行熱處理。
然而，若於氬氣氛圍下進行熱處理，則形成於晶圓表面之自然氧化膜熔解，作為SiO氣體而脫離。所產生之SiO氣體未全部排氣，在高溫下對矽表面進行氣體蝕刻，作為SiOx 固體而沈積於溫度低的腔室內壁或其他構件表面。並且有以下課題：前述SiOx 固體成為附著於熱處理中的晶圓之顆粒(particle)的原因。
另外，一般而言，對於以單片式熱處理裝置處理中的矽晶圓，一邊以非接觸式的放射溫度計等來測量晶圓背面的多個點一邊將處理溫度予以控制，但於前述SiOx 等反應產物沈積於放射溫度計上之情形時，有無法準確地測量溫度、處理中的晶圓溫度變得不均勻、產生滑移(slip)缺陷之課題。
針對由自前述之SiO氣體之反應產物所造成之課題，日本專利特表2002-507250號公報中揭示有如下方法：使氣流產生於矽晶圓與放射溫度計之間的空間，使反應產物於前述放射溫度計上的沈積速度降低。
另外，日本專利特開2011-233556號公報中記載有藉由使晶圓旋轉以某種程度的高速度(例如250rpm至350rpm)旋轉，能夠使反應產物不沈積於晶圓上，抑制滑移缺陷。
然而，關於日本專利特表2002-507250號公報中所揭示之方法，即便能夠減少反應產物於放射溫度計上的沈積量，亦無法完全抑制沈積。
另外，關於日本專利特開2011-233556號公報中所記載之方法，雖然對於抑制反應產物沈積於晶圓上有效，但有如下課題：因自然氧化膜脫離而產生之SiO氣體不易自腔室內排出，因此若連續地進行處理，則SiOx 等反應產物會沈積於腔室內。
在此種背景下，本發明者進行了努力研究，結果發現以下狀況而完成本發明：於惰性氣體氛圍下一邊使矽晶圓旋轉一邊進行熱處理時，在達到1300℃以上之前，控制在SiO氣體自晶圓表面產生之溫度區段(900℃以上至1100℃以下)的晶圓轉速及氣體置換率，藉此SiO氣體自熱處理腔室的排氣效率提高，能夠防止腔室內的SiOx 等反應產物的沈積。
本發明的目的在於提供一種矽晶圓的熱處理方法，於用以在短時間使存在於矽晶圓內的結晶缺陷減少之惰性氣體氛圍下進行熱處理時，能夠有效率地進行矽晶圓表面的自然氧化膜熔解時所產生之SiO氣體之排氣，能夠抑制反應產物沈積於熱處理腔室內，防止滑移之惡化。
為了解決前述課題而完成的本發明的矽晶圓的熱處理方法係對在腔室內被保持成能夠旋轉之矽晶圓於惰性氣體氛圍下進行急速升降溫熱處理，且具有以下特徵：於前述腔室內的熱處理溫度為900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，將晶圓保持5sec以上之時間，並且將晶圓轉速設為80rpm以上至120rpm以下，以氣體置換率成為90%以上之方式控制前述腔室內的惰性氣體之供給。
再者，較理想為在前述腔室內的熱處理溫度達到1300℃以上之前，於900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，將晶圓保持5sec以上至30sec以下之時間，並且將晶圓轉速設為80rpm以上至120rpm以下。
另外，較理想為於900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，將前述腔室內的壓力設為1kPa以下。
藉由此種熱處理方法，於將矽晶圓於惰性氣體氛圍下進行熱處理之情形時，藉由將晶圓轉速與腔室內的氣體置換率予以控制，能夠有效率地進行晶圓表面的自然氧化膜熔解時所產生之SiO氣體之排氣。結果，能夠抑制反應產物沈積於熱處理腔室內，防止滑移之惡化。
根據本發明，能夠提供一種矽晶圓的熱處理方法，於矽晶圓於惰性氣體氛圍的熱處理中，能夠有效率地進行矽晶圓表面的自然氧化膜熔解時所產生之SiO氣體之排氣，能夠抑制反應產物沈積於熱處理腔室內，防止滑移之惡化。
以下，參照圖式對本發明的較佳的實施形態進行說明。
圖1是表示於本發明之矽晶圓的熱處理方法所使用之RTP裝置的一例的概要之剖視圖。
本發明的矽晶圓的熱處理方法中所使用之RTP裝置10如圖1所示，包含有：腔室(反應管)20，具備氛圍氣體導入口20a及氛圍氣體排出口20b；多個燈(lamp)30，隔開地配置於腔室20的上部；及晶圓支持部40，於腔室20內的反應空間25支持晶圓W。另外，雖未圖示，但包含有使晶圓W圍繞該晶圓W的中心軸以預定速度旋轉之旋轉機構。
晶圓支持部40包含有：環狀的基座(susceptor)40a，支持晶圓W的外周部；及台(stage)40b，將基座40a予以支持。腔室20例如由石英所構成。燈30例如由鹵素燈所構成。基座40a例如由矽所構成。台40b例如由石英所構成。
於使用圖1所示之RTP裝置10對晶圓W進行RTP之情形時，藉由下述方式進行：自設置於腔室20之未圖示的晶圓導入口，將晶圓W導入至反應空間25內，於晶圓支持部40的基座40a上支持晶圓W。然後，自氛圍氣體導入口20a導入後述之氛圍氣體，並且一邊藉由未圖示的旋轉機構使晶圓W旋轉，一邊藉由燈30對晶圓W表面進行燈照射。
再者，該RTP裝置10中的反應空間25內的溫度控制係藉由埋入於晶圓支持部40的台40b之多個放射溫度計50來測定晶圓W的下部的晶圓徑方向上的晶圓面內多個點(例如9個點)的平均溫度，基於該所測定之溫度來進行多個鹵素燈30的控制(各燈的個別的開關(ON-OFF)控制、發出之光的發光強度的控制等)。
其次，參照圖式對本發明的矽晶圓的熱處理方法進行說明。
本發明的矽晶圓的熱處理方法係藉由預定的製造條件對以下的矽晶圓進行RTP：自藉由柴可斯基法(Czochralski method)生長之矽單晶錠(ingot)進行切片所得的矽晶圓。
藉由柴可斯基法所為之矽單晶錠之生長係以眾所周知的方法進行。
亦即，將填充至石英坩堝的多晶矽加熱而製成矽熔融液，自該矽熔融液的液面上方使晶種接觸，一邊使晶種與石英坩堝旋轉一邊進行提拉，擴徑至所期望的直徑而使直體部生長，藉此製造矽單晶錠。
藉由眾所周知的方法將如此獲得之矽單晶錠加工成矽晶圓。
亦即，藉由內周刀或線鋸等將矽單晶錠切片成晶圓狀後，經過外周部之倒角、拋光(lapping)、蝕刻、研磨等加工步驟來製造矽晶圓。再者，此處所記載之加工步驟為例示性，本發明並不僅限定於該加工步驟。
其次，對所製造之矽晶圓，藉由預定的製造條件進行RTP。
圖2係表示本發明的矽晶圓的熱處理方法中所應用之RTP的熱處理順序之概念圖。
本發明的矽晶圓的熱處理方法中所應用之RTP中的熱處理順序係於如圖1所示之RTP裝置10中，在保持於所期望的溫度T0(例如500℃)之腔室20內設置前述製造之矽晶圓。
對於腔室20內，自氛圍氣體導入口20a導入氛圍氣體(例如氬氣)，設成惰性氣體氛圍。
然後，藉由鹵素燈30將腔室20內加熱，以預定的升溫速度進行急速升溫，直至達到圖2之圖表所示之900℃以上至1100℃以下之溫度區段T1為止。
此處，前述溫度區段T1係以在預定時間tp1(較理想為5sec以上至30sec以下)之間維持該溫度範圍之方式進行控制。在超出前述溫度區段T1之前的升溫圖案例如如圖2所示般可主要採用圖案一、圖案二、圖案三。
另外，為了促進SiO氣體自熱處理空間排出，將前述溫度區段T1中的腔室內的氣壓控制為1kPa以下。
溫度區段T1為900℃以上至1100℃以下之原因在於，若溫度區段T1高於1100℃，則雖能夠去除晶圓表面的自然氧化膜，但保持溫度過高，所產生之SiO氣體將矽表面瞬間蝕刻之現象會產生。另外，原因在於，若溫度區段T1低於900℃，則未達到用以將自然氧化膜充分分解之溫度，無法充分去除晶圓表面的自然氧化膜。
另外，將保持前述溫度區段T1之時間tp1設為5sec以上至30sec以下之原因在於，雖形成於晶圓W表面之自然氧化膜厚有個體差，但若保持時間tp1為5sec以上，則能夠獲得充分的效果。另外，原因在於，藉由將保持時間tp1設為30sec以下，能夠將顆粒附著於晶圓W表面之機率抑制得較低。
另外，前述溫度區段T1下的晶圓W的旋轉速度係控制為80rpm以上至120rpm以下。
進而，於惰性氣體的導入量不足之情形時，有無法將SiO氣體充分排出之虞，因此以在1分鐘能夠將腔室內90%以上氣體置換之流量(30L/min以上至100L/min以下)來導入惰性氣體。
藉此，在SiO氣體藉由自然氧化膜熔解而自晶圓W的表面產生時，能夠提高SiO氣體的排出效率。
另外，於將氣體置換率設為90%之情形時，較理想為將腔室內壓力減壓，具體而言設為10kPa以下。尤其是，若將腔室內壓力設為1kPa以下，則能夠在5sec以內使氣體置換率成為90%，能夠更有效率地達成本發明的目的。
再者，於使晶圓W的轉速低於80rpm之情形時，晶圓W的面內溫度的不均勻會產生，處理中的晶圓W翹曲而自基座40a脫離等不良情況會發生。
另一方面，若使晶圓W的轉速大於120rpm，則SiO氣體的排氣效率降低，SiO氣體容易停滯於晶圓的正上方正下方，且於殘留到超過1100℃之高溫時瞬間地對矽表面進行蝕刻，因此產生反應產物沈積於處理腔室內等不良情況。
若經過前述預定時間tp1而腔室20內的溫度超過前述溫度區段T1，則進而以預定的升溫速度急速升溫至溫度T2(較理想為1300℃)，且保持例如30sec。
繼而，以預定的降溫速度降溫至溫度T3(例如600℃)後，將腔室內切換為氧化性氛圍。
若將腔室內切換為氧化性氛圍，則以預定的升溫速度升溫至溫度T4(例如1250℃)保持30sec後，以預定的降溫速度降溫至溫度T5(例如600℃)，結束RTP。
如上所述，根據本發明的實施形態，於將矽晶圓於惰性氣體氛圍下進行熱處理之情形時，藉由將晶圓轉速與腔室內的氣體置換率予以控制，能夠有效率地進行晶圓表面的自然氧化膜熔解時所產生之SiO氣體之排氣。結果，能夠抑制反應產物沈積於熱處理腔室內，防止滑移之惡化。
再者，前述實施形態中，作為惰性氣體以氬氣為例進行了說明，但於將其他惰性氣體導入至腔室內的情形時，亦能夠應用本發明。
[實施例]
基於實施例對本發明的矽晶圓的熱處理方法進一步進行說明。本實施例中，基於前述實施形態進行以下的實驗。
在本實施例中係使用如下的單片方式的RTP裝置：將在腔室內被水平地保持之晶圓自該晶圓的表面側予以燈加熱，自背面側以放射溫度計一邊測定一邊控制晶圓溫度。在該RTP裝置中，對直徑300mm的單晶矽兩面研磨晶圓1000片至1500片進行熱處理，對處理晶圓的氧化膜厚的推移與滑移長度(藉由X射線形貌術(X-ray topography)所測定)的推移進行評價。
作為共通的熱處理條件，將腔室內設為氬氣氛圍，急速升溫至1300℃並保持30sec後，降溫至600℃，不自腔室取出晶圓而切換為氧化性氛圍後，急速升溫至1250℃並保持30sec。
進而，以如下方式針對各實施例及比較例設定腔室內的條件。再者，用以下的條件所示之溫度區段T1(℃)係指與圖2的圖表中的溫度區段T1對應的時間點處的溫度範圍。
(a)溫度區段T1(℃)
(b)溫度區段T1中的晶圓轉速(rpm)
(c)溫度區段T1中的保持時間或升溫時間(sec)
(d)溫度區段T1中的氣體置換率(%)
(e)溫度區段T1中的壓力(kPa)
如表1、表2所示，藉由前述(a)至(e)之條件設定實施例1至實施例13及比較例1至比較例6且進行了評價。
表1的判定欄中，A(優良)表示未確認到連續處理中氧化膜厚增加，未見腔室內的SiOx 反應產物顯著沈積。B(良好)表示未見腔室內的SiOx 反應產物顯著沈積，但確認到於熱處理中晶圓自基座脫離等不良情況。C(不良)表示伴隨晶圓的處理片數增加，確認到氧化膜厚增加及產生滑移。
另外，在表2中，對腔室內的壓力(kPa)對氣體置換率成為90%以上為止的時間造成之影響進行了評價。
[表1]
  (a)溫度(℃) (b)轉速(rpm) (c)保持時間(sec) (d)氣體置換率(%) 判定
實施例1 900-1100 120 15 ≧90 A
實施例2 900 100 15 ≧90 A
實施例3 1000 100 15 ≧90 A
實施例4 1100 100 15 ≧90 A
實施例5 900-1100 80 15 ≧90 A
實施例6 900-1100 50 15 ≧90 B
實施例7 900-1100 0 15 ≧90 B
實施例8 900-1100 120 5 ≧90 A
實施例9 900-1100 120 30 ≧90 A
實施例10 900-1100 120 45 ≧90 B
比較例1 900-1100 150 15 ≧90 C
比較例2 900-1100 240 15 ≧90 C
比較例3 850 100 15 ≧90 C
比較例4 1150 100 15 ≧90 C
比較例5 900-1100 100 2 ≧90 C
比較例6 900-1100 100 15 85 C
[表2]
  (a)溫度(℃) (b)轉速(rpm) (e)壓力 (kPa) 成為氣體置換率≧90%為止的時間(sec)
實施例11 900-1100 120 0.1 4
實施例8 900-1100 100 1 5
實施例12 900-1100 100 10 8
實施例13 900-1100 100 100 11
如表1的實施例10所示，若溫度區段T1中的保持時間變長(45sec)，則顆粒附著於晶圓表面之機率變高，雖不顯著但可見腔室內的SiOx 反應產物的沈積(判定B)。因此，確認到溫度區段T1中的保持時間較理想為30sec以下。
另外，如表1的比較例4所示，若保持溫度高(1150℃)，則雖能夠去除晶圓表面的自然氧化膜，但由於保持溫度過高，故而已產生之SiO氣體將矽表面瞬間地蝕刻之現象會產生(判定C)。因此，確認到保持溫度較理想為1100℃以下。
另外，如表1的比較例3所示，若保持溫度低(850℃)，則無法充分去除晶圓表面的自然氧化膜(判定C)。認為原因在於，未達到用以使自然氧化膜充分熔解之溫度。因此，確認到保持溫度較理想為900℃以上。
鑒於上述結果，根據表1，確認到較理想為：於腔室內的溫度為900℃以上至1100℃以下時，將晶圓轉速設為0rpm以上至120rpm以下(較佳為80rpm以上至120rpm以下)，且將此時的保持時間設為5sec以上至30sec以下，進而將氣體置換率設為90%以上。
另外，確認到於如表2所示般將氣體置換率設為90%之情形時，藉由將腔室內壓力設為1kPa以下，能夠在5sec以內使氣體置換率成為90%，能夠更有效率地達成本發明的目的。
另外，針對表1所示之實施例1、比較例1、比較例2，分別將相對於處理片數之大於60nm之附著顆粒數(個/晶圓)、合計滑移長度(mm)、氧化膜厚增加率(%)之變化示於圖3、圖4、圖5的圖表。 在圖3的圖表中，橫軸為處理片數，縱軸為附著顆粒數(個/晶圓)。如該圖表所示，雖然在比較例1、2中若處理片數增加則附著顆粒數增加，但在實施例1中，附著顆粒數無關乎處理片數地被抑制得低。
另外，圖4的圖表中，橫軸為處理片數，縱軸為合計滑移長度(mm)。如該圖表所示，在比較例1、2中雖顯著地產生滑移，但在實施例1中完全未產生滑移。
另外，圖5的圖表中，橫軸為處理片數，縱軸為氧化膜厚增加率(%)。如該圖表所示，比較例1、2中，雖隨著處理片數增加而氧化膜厚變大，但在實施例1中氧化膜厚的增加率被抑制得低。
如上所述，根據本發明，確認到能夠有效率地進行矽晶圓表面的自然氧化膜熔解時所產生之SiO氣體之排氣，能夠抑制反應產物沈積於熱處理腔室內，防止滑移之惡化。
10:RTP裝置 20:腔室 20a:氛圍氣體導入口 20b:氛圍氣體排出口 25:反應空間 30:燈 40:晶圓支持部 40a:基座 40b:台 50:放射溫度計 T0,T2,T3,T4,T5:溫度 T1:溫度區段 tp1:時間 W:晶圓
[圖1]係本發明的矽晶圓的熱處理方法所應用之RTP裝置的剖視圖。 [圖2]是表示本發明的矽晶圓的熱處理方法的順序之圖表。 [圖3]是表示本發明的實施例的結果之圖表。 [圖4]是表示本發明的實施例的結果之另一圖表。 [圖5]是表示本發明的實施例的結果之另一圖表。
T0,T2,T3,T4,T5:溫度
T1:溫度區段
tp1:時間

Claims (3)

  1. 一種矽晶圓的熱處理方法，係對在腔室內被保持成能夠旋轉之矽晶圓於惰性氣體氛圍下進行急速升降溫熱處理；於前述腔室內的熱處理溫度為900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，將晶圓保持5sec以上至30sec以下之時間，並且將晶圓轉速設為80rpm以上至120rpm以下；於前述900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，以氣體置換率成為90%以上之方式控制前述腔室內的惰性氣體之供給。
  2. 如請求項1所記載之矽晶圓的熱處理方法，其中在前述腔室內的熱處理溫度達到1300℃以上之前，於前述900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，將晶圓保持5sec以上至30sec以下之時間，並且將晶圓轉速設為80rpm以上至120rpm以下。
  3. 如請求項1或2所記載之矽晶圓的熱處理方法，其中於前述900℃以上至1100℃以下之溫度區段中，將前述腔室內的壓力設為1kPa以下。
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