TWI814488B - 高電阻矽晶圓的厚度測量方法以及平坦度測量方法 - Google Patents
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Abstract
本發明課題為藉由電容式的厚度測量裝置高精度地測量高電阻矽晶圓的厚度，並根據測量的結果來測量矽晶圓的平坦度。解決手段為：一種高電阻矽晶圓的厚度測量方法，係用以測量經摻雜硼以及n型雜質之高電阻的矽晶圓的厚度，並具備：使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟；以及對經降低電阻率的前述矽晶圓進行電容式的厚度測量之步驟。
Description
本發明係關於一種高電阻矽晶圓的厚度測量方法以及平坦度測量方法，尤其是關於一種藉由電容式的厚度測量裝置來測量高電阻矽晶圓的厚度並根據測量的結果來測量高電阻矽晶圓的平坦度之高電阻矽晶圓的厚度測量方法以及平坦度測量方法。
藉由柴可拉斯基法(Czochralski Method；CZ法)來培育單晶矽係藉由以下作法進行：將作為原料之多晶矽填充至設置於腔室內的石英坩堝，並藉由設置於該石英坩堝的周圍之加熱器將多晶矽加熱、熔融以形成矽熔融液。此後，將安置於晶種夾具(seed chuck)的種晶(seed crystal)(亦即晶種(seed))浸漬於該矽熔融液，並一邊將晶種夾具以及石英坩堝往同方向或反方向旋轉一邊提拉晶種夾具。
藉由如此的CZ法而製造的單晶矽大多係用作半導體材料。藉由添加於矽熔融液之摻雜物(dopant)(雜質)來調整所培育的單晶矽的電阻率。摻雜物係分類為n型以及p型，作為培育n型結晶時的摻雜物大多使用P(磷)，作為培育p型結晶時的摻雜物大多使用B(硼)。
近年來，作為單晶矽的品質，對於具有10000Ωcm以上的高電阻率的要求日益增加。作為能夠從該單晶矽獲得的矽晶圓係能夠使用例如用於通訊的高頻器件的製造等。
在製造10000Ωcm以上的高電阻單晶矽時，通常將高純度的多晶矽投入至例如專利文獻1(日本特開平5-58788號公報)所揭示般的高純度的石英坩堝(內表面經用合成石英塗佈)，且並未添加摻雜劑(doping agent)以無摻雜方式(non-dope)進行製造的方法，或者是投入極微量的摻雜物來培育。
例如，當在單純要求製造預定值以上的高電阻單晶矽時，雖然可使用經純度管理之石英坩堝以及矽原料而以無摻雜方式來進行單晶培育，惟當必須滿足更嚴格的電阻率範圍的要求時，希望以微量的摻雜物來管理電阻率。
當添加摻雜物而培育單晶矽時，融液中的摻雜濃度係隨著矽融液的減少而上升。如持續此情況，則單晶中的電阻率也會於提拉方向(單晶軸方向)變得不均勻。
為了使單結晶軸方向的電阻率穩定化，於專利文獻2(日本特開平4-243995號公報)記載例如從添加了硼的矽融液中提拉單晶矽時，將從坩堝的內表面熔出之摻雜物形成為帶來與硼相反的導電類型之n型雜質的磷之方法。亦即，藉由n型雜質來補償因硼的增加所導致的載子的增加，並緩和於提拉方向中的電阻率的變動。
此外，於專利文獻3(日本特開2013-142054號公報)揭示藉由於器件製造工序中對矽晶圓實施熱處理而形成熱施體(thermal donor)，並藉此預先控制單晶於軸向上的氧原子的濃度，以使導電型為N型並獲得所需的電阻率。
[專利文獻1]日本特開平5-58788號公報。
[專利文獻2]日本特開平4-243995號公報。
[專利文獻3]日本特開2013-142054號公報。
另外，對從單晶矽所獲得的高電阻的矽晶圓，必須於該矽晶圓的製造過程中的檢查工序中進行根據厚度測量以及厚度測量的結果之平坦度測量。
然而，對於例如10000Ωcm以上的高電阻的矽晶圓，當在用電容式的厚度測量裝置對該矽晶圓的厚度尺寸以非接觸方式測量時，存在由於晶圓為高電阻因此無法正常地測量電容而無法獲得正確的厚度尺寸，從而偏差變大之課題。
具體地說，對於高電阻矽晶圓，存在進行電容式的厚度測量時成為比實際的厚度還薄數μm的值且量測值具偏差之課題。
為了解決上述課題，能想到取下樣品的矽晶圓並進行接觸式的厚度測量之方法，惟更佳的情況為藉由非接觸式的厚度測量來測量所有的矽晶圓的厚度。
本案發明人基於上述情況，以藉由電容式的厚度測量裝置對於從微量地摻雜作為硼以及n型雜質或作為硼以及施體(donor)之缺陷而培育之單晶矽所獲得之高電阻矽晶圓測量厚度來作為前提致力研究，進而做出本發明。
本發明的目的在於提供一種高電阻矽晶圓的厚度測量方法以及高電阻矽晶圓的平坦度測量方法，此兩種方法能藉由電容式的厚度測量裝置高精度地測量高電阻矽晶圓的厚度，並能根據測量的結果來測量矽晶圓的平坦度。
為了解決上述課題而完成的本發明的高電阻矽晶圓的厚度測量方法係用以測量經摻雜硼以及n型雜質之高電阻的矽晶圓的厚度，並具備：使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟；以及對經降低電阻率的前述矽晶圓進行電容式的厚度測量之步驟。
此外，理想上，於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，將前述矽晶圓的電阻率暫時地設為2000Ωm以下。
理想上，於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，藉由含氫原子的洗淨液對前述矽晶圓進行洗淨，並藉由於前述矽晶圓中擴散的氫原子而使前述矽晶圓中的硼失活。理想上，前述含氫原子的洗淨液係SC-1(Standard clean-1；第一標準清洗液，亦即氨水過氧化氫水混和液(ammonia-hydrogen peroxide))洗淨、稀釋氫氟酸洗淨、以及SH(sulfuric acid-hydrogen peroxide；硫酸過氧化氫水)洗淨中的任一種。
此外，使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，亦可藉由鹼性的化學溶液或酸性的化學溶液對前述矽晶圓進行濕蝕刻，並藉由於前述矽晶圓中擴散的氫原子而使前述矽晶圓中的硼失活。
此外，理想上，於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟之後，於16小時之內對前述矽晶圓進行電容式的厚度測量。
此外，於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，亦可藉由對矽晶圓進行至少450℃的熱處理以於前述矽晶圓中形成熱施體。
根據上述方法，於對矽晶圓進行電容式的厚度測量的前一刻，藉由含氫原子的洗淨劑來進行洗淨。藉此使得氫原子擴散、滲透於矽晶圓中並使矽晶圓中的硼失活。結果為矽晶圓係暫時地變化為相較於洗淨前電阻率更低的n型的矽晶圓，並能夠進行高精度的厚度測量以及平坦度測量。
此外，為了解決上述課題而完成的本發明的高電阻矽晶圓的平坦度測量方法，係使用了上述任一記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，對矽晶圓的整個面使用電容感測器進行掃描以取得前述矽晶圓的厚度分佈。
根據上述方法，能高精度地測量高電阻矽晶圓的平坦度。
根據本發明能提供一種高電阻矽晶圓的厚度測量方法以及高電阻矽晶圓的平坦度測量方法，此兩種方法能藉由電容式的厚度測量裝置而高精度地測量高電阻矽晶圓的厚度，並根據測量的結果來測量矽晶圓的平坦度。
1:平坦度測量裝置
2:電容感測器
3:電容感測器
4:移動機構
5:電腦
6:導通線
7:導通線
8:支撐構件
d1:距離
d2:距離
d3:距離
S1至S9:步驟
W:矽晶圓
[圖1]係能使用於本發明的測量方法之電容式的平坦度測量裝置之方塊圖。
[圖2]係顯示適用本發明的矽晶圓的平坦度測量方法之矽晶圓的製造工序例之流程圖。
[圖3]係顯示本發明的實施例的實驗1的結果之圖表。
[圖4]係顯示本發明的實施例的實驗2、3的結果之圖表。
以下一邊使用圖式一邊說明本發明的高電阻矽晶圓的厚度測量方法以及平坦度測量方法。
圖1係能使用於本發明的測量方法之電容式的平坦度測量裝置之方塊圖。該平坦度測量裝置1係具備：一對電容感測器2、3，係上下配置於由支撐構件8所支撐的矽晶圓W的表面；移動機構4，係用於使電容感測器2、3沿著晶圓表面掃描移動；以及電腦5，係使用從電容感測器2、3所獲得的測量值並演算測量點的晶圓厚度，以測量晶圓整體的平坦度。支撐構件8係藉由導通線6、7分別與電容感測器2、3連接。
電容感測器2係測量感測器前端與矽晶圓W的上表面之間的距離d1，電容感測器3係測量感測器前端與矽晶圓W的下表面之間的距離d2。亦即，電容感測器2、3係測量形成於感測器表面與晶圓表面之間的電容的變化以作為兩個表面之間的距離。
電腦5係使用電容感測器2與電容感測器3彼此的前端之間的距離d3，藉由演算式t=d3-(d1+d2)來求出晶圓厚度t。據此藉由移動機構4一邊使電容感測器2、3掃描(scan)(描測)一邊取得厚度分佈，求出矽晶圓的平坦度。
本發明的實施形態的特徵在於：於使用該平坦度測量裝置1所進行的厚度測量、平坦度測量的前階段工序中，藉由含氫原子的洗淨液來洗淨矽晶圓W，並使矽晶圓W的電氣性質暫時地改變。
此外，本發明的高電阻矽晶圓的平坦度測量方法係能實施於矽晶圓的製造過程中，並於該矽晶圓的製造過程中運用上述的矽晶圓的洗淨工序以及使用平坦度測量裝置1所進行的測量。
以下針對能夠實施本發明的平坦度測量方法的矽晶圓的製造工序進行說明。圖2係顯示適用本發明的矽晶圓的平坦度測量方法之矽晶圓的製造工序例之流程圖。
本發明的矽晶圓的平坦度測量的對象係電阻為例如10000Ωcm以上的高電阻矽晶圓。如此的矽晶圓係以例如下述方式製造。
首先，藉由柴可拉斯基法製造電阻為10000Ωcm以上的高電阻的單晶矽(圖2中的步驟S1)。
於此單晶矽的製造中，作為極微量的摻雜物，同時地使用例如：磷與硼、砷與硼等、n型雜質(n型摻雜物)與硼。此外，n型雜質與硼分別的摻雜量可根據所製造的矽晶圓的電阻率的目標值以及要形成為n型半導體還是形成為p型半導體之設計來決定。
作為具體的摻雜物的添加方法，例如起初將摻雜物添加用矽晶片裝填至合成石英玻璃性的坩堝以形成矽融液，該摻雜物添加用矽晶片係包含原料多晶矽(例如150kg)以及極微量的硼。
於坩堝形成矽融液之後，作為單晶提拉工序，使晶體直徑逐漸擴徑而形成肩部，並形成作為製品部分之直體部。
於此，於直體部的形成中，伴隨著矽融液的減少，融液中的硼摻雜物濃度也上升。若持續此狀態，單晶中的電阻率也會變得於提拉方向不均勻，因此一邊觀察培育中的單晶的電阻率，一邊將導致與硼相反的導電型之n型雜質追加投入至融液而進行提拉。亦即，硼的增加所造成的載子的增加係被n型雜質所補償，進而緩和提拉方向中的電阻率的變動。
此外，所培育的單晶矽的電阻率係藉由於提拉過程中測量單晶的直徑以及晶體長度，並由所測量到的單晶直徑以及晶體長度求出以單晶重量/初始矽原料的重量所示的固化率而推定晶體的電阻率。
於形成作為製品之直體部之後，晶體直徑係逐漸縮徑，使得晶體下端與矽融液之間的接觸面積逐漸變小(形成尾部)，晶體下端與矽融液之間被切斷從而製造出單晶矽。
對以此方式製造出的單晶矽切出直體部，藉由切片加工而獲得複數個矽晶圓(圖2中的步驟S2)。
使用金剛石磨石對所獲得的矽晶圓進行外周的倒角處理(斜切加工)，將端面形成為例如具圓弧狀的剖面(圖2中的步驟S3)。
接著，使配置了矽晶圓的載具於旋轉的上下的研磨(lapping)盤之間旋轉，並一邊供給磨粒一邊進行作雙面研磨的研磨加工(圖2中的步驟S4)。
於研磨加工之後，使配置了複數個矽晶圓之治具於混合了酸的蝕刻液中一邊沿晶圓軸旋轉一邊進行蝕刻，以去除前工序的機械加工所造成的破壞層(圖2中的步驟S5)。
接著，將矽晶圓配置於擴散爐內，進行藉由熱處理將產生於晶體培育過程中由氧所引起的不穩定的施體分解並使矽晶圓恢復至原本的電阻率之處理(圖2中的步驟S6)。
此外，將接著了矽晶圓的板件按壓至貼有研磨布之旋轉台板並施加拋光(polishing)，拋光係一邊供給研磨劑一邊進行基於機械與化學的複合作用所作的研磨直到晶圓表面變成鏡面(圖2中的步驟S7)。
於拋光結束後，用含氫原子的洗淨液來洗淨矽晶圓(圖2中的步驟S8)。具體地說，使用SC-1溶液(1份過氧化氫、1份氫氧化銨對5份水之溶液)、稀釋氫氟酸水、以及SH溶液(硫酸、過氧化氫之溶液)中的其中之一或是複數種的洗淨液依序進行洗淨。用這些洗淨液進行洗淨之後，視情況使用純水進行洗淨。此外，當用SC-1溶液時，於65℃的液溫下浸漬10分鐘。當用稀釋氫氟酸水時，於與室溫相同的液溫下浸漬5分鐘。此外，當用SH溶液時，於110℃液溫下浸漬7分鐘。
於該洗淨工序期間，於經摻雜硼的矽晶圓中，洗淨溶液所含的氫原子係擴散並滲透至矽晶圓內部。而且，藉由滲透至矽晶圓中的氫原子使得硼所帶來的受體(acceptor)的電活性喪失而失活。藉由使硼失活，使得矽晶圓暫時成為n型雜質比洗淨前還發揮作為摻雜物功能之n型矽晶圓，且電阻率比洗淨前下降。具體地說，暫時地降到2000Ωcm以下。
當距離步驟S8之洗淨工序超過16小時，會有矽晶圓中的氫原子往外擴散至室溫大氣中，並導致矽晶圓中的硼活化而使得矽晶圓的電阻率再次成為10000Ωcm以上的風險。因此，於洗淨之後的16小時以內使用平坦度測量裝置1來測量各矽晶圓的厚度、平坦度(圖2中的步驟S9)。
於此，由於矽晶圓相較於洗淨前係暫時地變化成電阻率降至2000Ωcm以下之n型的晶圓，因此能正確地測量電容感測器2、3與晶圓表面之間的電容，並能在受電阻的影響很小的情況下進行高精度的厚度測量、平坦度測量。
此外，當從如上述般步驟S8的洗淨工序起超過16小時的情況下，雖然氫氣係往外側擴散並使得矽晶圓中的硼再次活化且電阻值變高，但是在該情況下，藉由再次進行步驟S8的洗淨而使矽晶圓中的硼失活，就能夠使電阻值暫時為2000Ωcm以下並進行高精度的測量。
如上所述，根據本發明的實施形態，於對矽晶圓進行電容式的厚度測量的前一刻，藉由含氫原子的洗淨劑來進行洗淨。藉此使得氫原子擴散、滲透至矽晶圓中，並使得矽晶圓中的硼失活。結果，矽晶圓係暫時地變化為相較於洗淨前電阻率更低的n型的矽晶圓，並能夠進行高精度的厚度測量以及平坦度測量。
此外，於上述實施形態中，於圖2中的步驟S8中係設定為藉由含氫原子的洗淨劑來洗淨矽晶圓，惟於本發明中並不限於該形態。
例如，亦可使用鹼性或酸性的化學溶液來實施濕蝕刻工序，以取代步驟S8的洗淨工序。例如，當為酸蝕刻時，於40℃的液溫下浸漬4分鐘。此時氫原子也會擴散、滲透至矽晶圓中，並能使矽晶圓中的硼失活。
或者亦可在步驟S9之厚度測量、平坦度測量之前，於450℃左右的低溫下對矽晶圓進行熱處理，並於矽晶圓中形成熱施體(氧施體)，使矽晶圓暫時作為n型矽晶圓而降低電阻率，於此狀態下進行步驟S9之厚度測量、平坦度測量。
此時，於步驟S9的測量工序之後，對矽晶圓實施650℃左右的熱處理，並使矽晶圓中的熱施體消滅，使矽晶圓的電阻率再次回到10000Ωcm以上。此外，此時就沒有洗淨後16小時之內測量之限制，惟由於需要複數次的熱處理作業，因此可視情況適當變更方式而進行平坦度測量。
此外，於上述實施形態中，係以對電阻率為10000Ωcm以上的矽晶圓的厚度、平坦度進行測量的情況為例進行了說明，惟本發明並不限定於該形態。例如，亦可適用於電阻率超過2000Ωcm的矽晶圓的厚度測量、平坦度測量。
此外，於上述實施形態中，作為本發明的厚度測量以及平坦度測量的對象之矽晶圓的電氣特性，亦即步驟S8中的洗淨前的矽晶圓的電氣特性可為p型，亦可為n型，任一種型皆能適用本發明。
根據實施例來說明本發明的高電阻矽晶圓的厚度測量方法以及高電阻矽晶圓的平坦度測量方法。
[實驗1]
於實驗1中，根據本發明的實施形態，製造電阻率為10000Ωcm的矽晶圓，並使用圖1的平坦度測量裝置1來進行晶圓中心點處的厚度測量。
[實施例1]
於實施例1中，於圖2中的步驟S8中，將厚度732μm的矽晶圓浸漬於與室溫相同溫度下的稀釋氫氟酸溶液5分鐘並洗淨之後，於經過14小時之時間點下，使用圖1的平坦度測量裝置1實施矽晶圓的中心點的厚度測量。
此外，測量厚度測量時間點的矽晶圓的電阻率。對相同的矽晶圓重複實施十次的厚度測量。
[比較例1]
於比較例1中，在對732μm的矽晶圓進行圖2中的步驟S8的洗淨之前，使用圖1的平坦度測量裝置1實施矽晶圓的中心點的厚度測量。
此外，測量厚度測量時間點的矽晶圓的電阻率。對相同的矽晶圓重複實施十次的厚度測量。
[比較例2]
於比較例2中，於圖2中的步驟S8中，將厚度732μm的矽晶圓浸漬於與室溫相同溫度下的稀釋氫氟酸溶液5分鐘並洗淨之後，於經過62小時之時間點下，使用圖1的平坦度測量裝置1實施矽晶圓的中心點的厚度測量。
此外，測量厚度測量時間點的矽晶圓的電阻率。對相同的矽晶圓重複實施十次的厚度測量。
將實施例1以及比較例1、2的結果顯示於表1。此外，以箱型圖將實施例1以及比較例1、2的厚度測量的結果顯示於圖的圖表。於圖3的圖表中縱軸係所測量的晶圓厚度(μm)。
於實施例1亦即洗淨後14小時之內的厚度測量中，係獲得接近實際值的測量結果，偏差很小。此外，此時的電阻值為2000Ωcm，能推定若電阻值為2000Ωcm以下則能夠進行正確的厚度測量。
另一方面，於比較例1、2亦即洗淨之前以及洗淨之後經過62小時，為偏離實際值的值，偏差變大。
[實驗2]
於實驗2中，對電阻率為10000Ωcm的矽晶圓使用含氫原子的洗淨液進行洗淨之後測量矽晶圓的電阻率，驗證隨著時間經過的變化。
將實驗2的結果顯示於圖4的圖表。於圖4的圖表中，縱軸為電阻率(Ωcm)，橫軸為洗淨後的經過時間(h)。實驗2中的電阻率的變化係以實線顯示。
[實驗3]
於實驗3中，對電阻率為2100Ωcm的矽晶圓使用含氫原子的洗淨液進行洗淨之後測量矽晶圓的電阻率，驗證隨著時間經過的變化。
將實驗3的結果顯示於圖4的圖表。於圖4的圖表中，縱軸為電阻率(Ωcm)，橫軸為洗淨後的經過時間(h)。實驗3中的電阻率的變化係以虛線顯示。
如圖4的圖表所示，確認到於10000Ωcm的矽晶圓的情況下，洗淨後至30小時的電阻率為2000Ωcm，能高精度地進行厚度測量。
另一方面，確認到於2100Ωcm的矽晶圓的情況下，洗淨後至20小時為2000Ωcm，能高精度地進行厚度測量。
基於實驗2、3的結果，將能夠高精度進行厚度測量的洗淨後經過時間去掉邊幅(margin)設為洗淨後小時16。
由以上的實施例的結果確認到，根據本發明能高精度地測量矽晶圓的厚度。
S1至S9:步驟
Claims (9)
- 一種高電阻矽晶圓的厚度測量方法，係用以測量經摻雜硼以及n型雜質之高電阻的矽晶圓的厚度，並具備：使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟；以及對經降低電阻率的前述矽晶圓進行電容式的厚度測量之步驟。
- 如請求項1所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，其中於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，將前述矽晶圓的電阻率暫時地設為2000Ωm以下。
- 如請求項1所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，其中於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，藉由含氫原子的洗淨液對前述矽晶圓進行洗淨，並藉由於前述矽晶圓中擴散的氫原子而使前述矽晶圓中的硼失活。
- 如請求項3所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，其中於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，用前述洗淨液將前述矽晶圓浸漬4分鐘以上。
- 如請求項3所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，其中前述含氫原子的洗淨液係SC-1洗淨、稀釋氫氟酸洗淨、以及SH洗淨中的任一種。
- 如請求項1所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，其中於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，藉由鹼性的化學溶液或酸性的化學溶液對前述矽晶圓進行濕蝕刻，並藉由於前述矽晶圓中擴散的氫原子而使前述矽晶圓中的硼失活。
- 如請求項1所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，其中於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟之後，於16小時之內對前述矽晶圓進行電容式的厚度測量。
- 如請求項1所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，其中於使前述矽晶圓中的n型雜質提升功能並暫時地形成電阻率較低的n型矽晶圓之步驟中，藉由對矽晶圓進行至少450℃的熱處理以於前述矽晶圓中形成熱施體。
- 一種高電阻矽晶圓的平坦度測量方法，係使用了如請求項1至8中任一項所記載之高電阻矽晶圓的厚度測量方法，對矽晶圓的整個面使用電容感測器進行掃描以取得前述矽晶圓的厚度分佈。
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