TW201732099A - 晶圓熱處理的方法(二) - Google Patents
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Abstract
本發明提出了一種晶圓熱處理的方法,將晶圓置於含有一無氧混合氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速升溫處理,接著將該晶圓置於一含有一含氧氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速降溫處理,使得晶圓的表面上形成一無缺陷區,獲得在之後製程中可以釋放出以改善半導體元件的介面特性的氘,並控制體微缺陷的位置遠離半導體元件。
Description
本發明是關於晶圓製造領域,尤有關於一種晶圓熱處理的方法。
作為製造半導體元件原料之一的單晶矽經由被稱之為柴氏長晶法(Czochralski process,簡稱CZ法)、浮融帶長晶法(Floating zone method,簡稱FZ法)等晶體生長技術生長成圓柱形的單晶矽晶錠(ingot)。以CZ法為例,矽石被放置在坩鍋爐中加熱融化,再以一根直徑約10mm的棒狀晶種浸入融熔矽中,晶種被微微的旋轉向上提升,此時融熔矽中的矽原子會在接續晶種的單晶體的晶格排列方向繼續結晶,並延續其規則的晶格結構。若整個結晶環境穩定,就可以周而復始的形成結晶,最後形成一根圓柱形的原子排列整齊的矽單晶晶體,即矽單晶矽晶錠。矽單晶矽晶錠接著通過諸如切片、研磨、蝕刻、清洗、拋光等一系列晶圓加工製程而被加工成晶圓。
然而,在矽單晶成長的過程中、晶圓製造及後續形成半導體元件的各種製程中,或多或少會因結晶不完美、製程或結構產生的應力、剪力、或受到外界的雜質滲入而產生各種形式的缺陷。舉例來說,矽單晶成長過程中產生的空位(vacancy)、自間隙(self interstitialcy)等點缺陷、在
拉晶時不可避免地滲入來自石英坩鍋的氧雜質、在製作半導體元件的結構的過程中受到應力或剪力影響而產生的差排(dislocation)、製程中引入的金屬雜質等。由於這些缺陷附近的矽原子及自間隙矽本身具有未鍵結的電子,導致容易在半導體元件中的介面或表面上形成懸空鍵,且隨著偏壓的不同,使得載子在此復合(recombination)而減少或產生(generation)額外的載子,進一步導致電子遷移率(electron mobility)下降,以致降低半導體元件的效能。類似地,金屬雜質對製作出來的半導體元件的電子特性也會造成不利的影響,如:使閘極氧化層崩潰電壓降低、漏電流增加等。
另一問題是熱載子效應(Hot carrier effect),其是由於半導體元件尺度愈趨微小,載子在高電場中獲得足夠能量產生撞擊,而使少部分載子注入閘極氧化層。如此會造成半導體元件性能退化及其可靠度不良的問題。
目前常見的改善方法之一是使用氫氣鈍化處理(Hydrogen passivation treatment)技術,將製作好半導體元件的晶圓置放在氫氣環境中進行退火,使懸空鍵與氫結合,從而降低懸空鍵的數量及其對半導體元件操作帶來的不利影響。又如,美國專利號5872387揭露在半導體元件製作完成時,將之以氘氣調理,使得氘與三、四或五族元素以共價鍵結合,形成較為穩定的結構,從而減緩去鈍化(depassivation)現象的發生,避免熱載子的穿透,降低漏電流,提高元件的性能與可靠性。然而,半導體元件中摻雜許多種類的摻雜物,此些摻雜物與高反應的氫氣或氘氣在高溫環境可能會發生不同的反應而影響半導體元件的特性,因此提高鈍化處理製程參數最佳化的難度。
目前常見的另一改善方法是使用在由晶圓中殘留的間隙氧(Interstitial oxygen)在後續熱製程過程中生長成的氧沉澱(Oxygen precipitation)提供內質吸除(Intrinsic gettering)金屬雜質的功能,還可以一併防止差排(dislocation)滑移,帶來提高機械強度及半導體元件良率的效果。然而,若此些氧沉澱是出現在元件主動區中,會導致閘極氧化物的完整性降低,以及不必要的基板漏電流等問題,不符日趨精密的半導體元件的需求,因此氧沉澱須要是形成於元件主動區之外,如塊體區,才不致影響半導體元件的操作。因此,如何使氧沉澱以適宜的深度、密度與大小分布於晶圓中,一直是業界持續精進的目標之一。
本發明的一目的在於提供一種晶圓熱處理的方法,將晶圓置於含有一無氧混合氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速升溫處理,再將該晶圓置於含有一含氧氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速降溫處理,藉此減少結晶原生缺陷,阻礙內質點缺陷的聚集,在該晶圓的該表面上形成一無缺陷區(Denuded zone,簡稱DZ)。
本發明的另一目的在於提供一種晶圓熱處理的方法,將晶圓置於含有一無氧混合氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速升溫處理,再將該晶圓置於含有一含氧氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速降溫處理,促使體微缺陷在接近預定製造半導體元件處形成,以避免在元件主動區形成體微缺陷(Bulk micro defect,簡稱MBD),壓制差排滑移,並提昇內質吸除金屬雜質的效果。
本發明的再一目的在於提供一種晶圓熱處理的方法,將晶圓
置於含有一無氧混合氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速升溫處理,再將該晶圓置於含有一含氧氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速降溫處理,使部份的氘以間隙雜質的形式存在晶圓中,提供在形成半導體元件過程中透過此些氘與介面上的懸空鍵結合,形成較為穩定的結構的潛力,從而提升半導體元件的效能。
本發明的又一目的在於提供一種晶圓熱處理的方法,將晶圓置於含有一無氧混合氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速升溫處理,再將該晶圓置於含有一含氧氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速降溫處理,藉此減緩去鈍化現象,確保半導體元件的性能,且提高半導體元件對熱載子穿透的抵抗力,降低漏電流的潛在風險,提升半導體元件的可靠性。
為了實現上述任一目的、解決任一問題或達成任一對晶圓或半導體元件有益的效果,本發明提出了一種晶圓熱處理的方法,包括下列步驟:將至少一晶圓置於一含有一無氧混合氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速升溫處理,使該晶圓升溫至一預定高溫,該無氧混合氣體包含氘氣及至少一低活性氣體;在該晶圓升溫至該預定高溫之後,將該晶圓置於一含有一含氧氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速降溫處理及。
該將至少一晶圓置於一含有一無氧混合氣體的環境中,對該至少一晶圓之一表面進行一快速升溫處理,使該至少一晶圓升溫至一預定高溫的步驟較佳是在該晶圓經切片形成之後至在該晶圓上製作複數個半導體元件的一結構之間執行,以避免在執行本發明的前述步驟時,同時對半
導體元件的多種不同成分或結構產生不同的影響,甚至是不利的影響,並簡化將前述步驟最佳化的過程。
進一步地,在該晶圓熱處理的方法中,該低活性氣體可選擇性地包括氬氣及/或氮氣,該含氧氣體包含氧氣或可選擇性地額外包括含氮氣體。該無氧混合氣體、低活性氣體及含氧氣體中的各種氣體的組成與比例可以依據所適用的晶圓及/或需求的半導體元件的特性調整,舉例來說,該無氧混合氣體中氬氣的氣體分壓可介在1%至99%之間,氮氣的氣體分壓可介在1%至99%之間,氘氣的氣體分壓可介在1%至99%之間,該含氧氣體中氧氣的氣體分壓可介在10%至100%、或1%至99%之間,含氮氣體的氣體分壓可介在1%至99%之間。
其次,該晶圓熱處理的方法中的快速升/降溫處理可藉由各種設備執行快速升/降溫處理之至少一者,在此無須限定。快速升/降溫處理中快速升溫及快速降溫的次數、輪流轉換次數、處理期間的起始溫度、到達的預定溫度及溫度升降變化的溫度梯度在此無須限制,舉例來說,在前述快速降溫處理之後可再次進行另一快速升溫處理及/或另一快速降溫處理。較佳地,前述預定高溫是介在1200℃至1400℃之間,前述快速降溫處理是以介於50℃/sec至150℃/sec之間的一溫度梯度從該預定高溫降溫,然本發明並不限於此。
經施以本發明的該晶圓熱處理的方法,該晶圓中的一氮固溶體濃度較佳但不限於是介在1×1012原子/cm3至8×1018原子/cm3之間,該晶圓中的一氘固溶體濃度較佳但不限於是介在1×1012原子/cm3至8×1018原子/cm3之間,該晶圓之一表面較佳但不限於形成深度介在3μm至30μm之間的一無缺
陷區,該無缺陷區下的一塊體區較佳形成複數個體微缺陷。
是故,經本發明所提供的晶圓熱處理的方法處置過的晶圓,較佳可減少其中點缺陷,在其表面上形成一無缺陷區,獲得在之後製程中可以釋放出以改善半導體元件的介面特性的氘,並控制體微缺陷的位置遠離半導體元件,亦可幫助半導體元件避免熱載子的穿透,降低漏電流,減緩去鈍化現象,提高半導體元件的性能與可靠性。
S110,S120,S130,S140‧‧‧步驟
圖1為本發明一實施例中晶圓熱處理的方法的流程圖。
為進一步說明各實施例,本發明乃提供有圖式。此些圖式乃為本發明揭露內容之一部分,其主要係用以說明實施例,並可配合說明書之相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容,本領域具有通常知識者應能理解其他可能的實施方式以及本發明之優點。因此,下列描述應當被解釋為對於本領域技術人員的廣泛理解,而並不作為對本發明的限制。
為了清楚說明,在此不描述實際實施例的全部特徵,也不詳細描述公知的功能和結構,因為如此會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中,必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標,例如按照有關系統或有關商業的限制,由一個實施例改變為另一個實施例。另外,應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的,但是對於本領域技術人員來說僅僅是常規工作。
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根
據下面說明和申請專利範圍,本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是,附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精准的比例,僅用以方便、清晰地輔助說明本發明實施例的目的。
請參考圖1,其為本發明一實施例中晶圓熱處理的方法的流程圖。在步驟S110中,至少一晶圓經切片形成。在此晶圓可選擇性地預先從CZ、FZ法或其他晶體生長技術之一者製作成的單晶矽晶錠通過諸如切片、研磨、蝕刻、清洗、拋光等一系列晶圓加工製程而被加工製成。之後,在步驟S120中,該晶圓被置於含有一無氧混合氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速升溫處理,使晶圓升溫至一預定高溫,該無氧混合氣體包含氘氣及至少一低活性氣體。在該至少一晶圓升溫至該預定高溫之後,在步驟S130中,將該晶圓置於一含有一含氧氣體的環境中,對該晶圓之一表面進行一快速降溫處理。其後,在步驟S140中,在該晶圓上製作複數個半導體元件的一結構,如半導體元件的閘極氧化層、介電質膜層等結構。因此,可知在施用步驟S120、S130時,晶圓上可選擇性地尚未完整地製作出半導體元件,甚至是尚未製作出半導體元件的任何結構,如此可避免施用步驟S120、S130時直接對半導體元件中許多種類的元素與結構的特性作或多或少的影響,而增加控制製程參數的複雜度。
被施用步驟S120、S130的該表面可選擇性地包括該晶圓的單一表面或上下兩表面,若以前者為例,可在晶圓主動表面與晶圓背表面選擇,此處皆為晶圓主動表面。在此的晶圓是以單晶矽晶圓為例,本發明並不限於此。由於單晶矽晶圓的晶體具有晶格方向性,被施用步驟S120、S130的表面可能為特定晶格方向上的表面,比如說[100]方向的表面、[110]方向
的表面或其他方向的表面,在此無須限制。
在實際施用步驟S120、S130時,舉例來說,該含有無氧混合氣體或含氧氣體的環境可為一裝設有許多加熱及降溫設施並使該無氧混合氣體及含氧氣體先後通入並充盈其中的單一一個腔室、爐管或其類或分別通入不同的腔室、爐管或其類,比如說包括鹵素燈管(Halogen lamp)及水循環系統的單晶片快速升降溫處理(Rapid thermal processing)製程設備,然本發明並不限於此。
該低活性氣體可選擇性地額外包括氬氣及/或氮氣,即無氧混合氣體可選擇性地含有氘氣、氬氣及/或氮氣,該含氧氣體包含氧氣或可選擇性地額外包括一含氮氣體,如:氮氣、一氧化氮及/或二氧化氮。由於快速升/降溫處理的處理時間較短、熱效率高,在無氧混合氣體中添加惰性的氬氣及/或活性相對較低的氮氣可以折衝無氧混合氣體及/或含氧氣體的活性。該無氧混合氣體及含氧氣體中的各種氣體的組成與比例可以依據所適用的晶圓及/或需求的半導體元件的特性調整,舉例來說,該無氧混合氣體中氬氣的氣體分壓可介在1%至99%之間,較佳是介在5%至15%之間,氮氣的氣體分壓可介在1%至99%之間,氘氣的氣體分壓可介在1%至99%之間,較佳是介在85%至95%之間,該含氧氣體中氧氣的氣體分壓可介在10%至100%、或1%至99%之間,較佳是介在5%至15%之間,含氮氣體的氣體分壓可介在1%至99%之間,較佳是介在5%至15%之間。在快速升/降溫處理過程中,該無氧混合氣體及含氧氣體中的各種氣體的氣體分壓較佳為一固定值,然而亦可依需求隨時、隨溫度或溫度梯度變動。
在步驟S120、步驟S130中的處理時間、起始溫度、到達的預
定溫度及溫度升降變化的溫度梯度並無特定,詳細的製程參數在此示例性地是在步驟S120中,使該晶圓從介於1000℃至1200℃之間的一起始溫度開始,經快速升溫以介於600℃/sec至800℃/sec的一溫度梯度升溫至介於1200℃至1400℃之間的一預定高溫後,緊接著在步驟S130中,經快速降溫以介於50℃/sec至150℃/sec的一溫度梯度降溫至介於400℃至600℃之間的一預定低溫。在其他實施例中,亦可視需求選擇性地在快速升溫或快速降溫中維持一預定溫度一段時間,如:將晶圓經快速升溫加熱至一預定高溫之後,維持該預定高溫一段時間,再經快速降溫至一預定低溫,或者在另一實施例中,可以在步驟S120、S130之後亦可視需求選擇性重複執行任意次數的額外的快速升溫及/或快速降溫或任意次數輪流轉換,在此無須限制。
快速升溫處理提供能量促使晶圓表面排列無序的原子移動至位能最低的晶格位置上,消除空位、自間隙等點缺陷而形成近似完美的單晶層,因此減少結晶原生缺陷,阻礙內質點缺陷的聚集。此晶圓表面形成的近似完美的單晶層在此稱為一無缺陷區,其深度較佳為介於3μm至30μm之間。此無缺陷區較佳供之後形成多個半導體元件之用,由於其中甚少缺陷,此種晶圓具有潛力製造出具有優良特性的半導體元件。在此可藉由調整無氧混合氣體中各種氣體的比例,並控制此比例,來獲得高品質的無缺陷區。
快速升溫處理促使該無氧混合氣體中的部分氘氣及/或氮氣固溶於晶圓中,較佳使晶圓中的氮固溶體濃度是介在1×1012原子/cm3至8×1018原子/cm3之間,氘固溶體濃度是介在1×1012原子/cm3至8×1018原子/cm3之間。該無氧混合氣體中部份的氘氣以間隙式雜質型態存在於矽原子間隙。
晶圓中包括以間隙式雜質型態存在的氘可以帶來優異的潛力,然而其作用是需要在後續的製程或半導體元件的操作中才得以發揮。舉例來說,在晶圓供作製造基板於其上製作半導體元件時,氘會擴散出來與介面上的懸空鍵結合,形成較為穩定的共價鍵結構,從而提升半導體元件的效能。比如在形成閘極氧化層、介電質膜層等結構時,氘會擴散出來與閘極氧化層和矽之間的介面或介電層的介面上的懸空鍵結合。因此,可減緩在半導體元件使用過程中逐漸顯著的去鈍化現象,確保半導體元件的性能,並提高半導體元件對熱載子穿透的抵抗力,降低漏電流的潛在風險,提升半導體元件的可靠性。
由於在高溫時晶圓中的固溶氧含量較低溫時來得大,晶圓背表面的殘留空位濃度高,且協同含氧氣體中的氧氣,經快速降溫處理會促使氧氣在晶圓中沉澱,造成無缺陷區下的一塊體區形成複數個體微缺陷,較佳是使體微缺陷形成在晶圓表面3μm至30μm深度以下的塊體區,並且避免形成在元件主動區。若含氧氣體含有氮氣、一氧化氮或二氧化氮,也可以促進形成氧沉澱,提升氧沉澱的密度,還可以提高晶圓的機械強度,抑制空洞型缺陷。此些體微缺陷也帶來優異的效果:由於體微缺陷與半導體元件位置相近,在之後製造半導體元件時,可有效發揮內質吸除金屬雜質的效果,減少金屬雜質對半導體元件的不利影響。配合控制快速升/降溫處理的溫度梯度,可提升體微缺陷的密度、控制體微缺陷的尺寸,如此得以有效壓制在快速升/降溫處理或半導體元件製程中因剪應力造成的差排的滑移,使半導體元件的機械特性不致劣化。
除此之外,在快速升溫處理之後,藉由在含氧氣體中進行快
速降溫處理,還可更為消除結晶原生缺陷,以獲得更為優良品質的無缺陷區。
是故,從上述中可以得知,經本發明所提供的晶圓熱處理的方法處置過的晶圓,較佳可減少其中點缺陷,在其表面上形成一無缺陷區,獲得在之後製程中可以釋放出以改善半導體元件的介面特性的氘,並控制體微缺陷的位置遠離半導體元件,亦可幫助半導體元件避免熱載子的穿透,降低漏電流,減緩去鈍化現象,提高半導體元件的性能與可靠性。
以上敍述依據本發明多個不同實施例,其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此,本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例,應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之,先前敍述及其附圖僅為本發明示範之用,並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能,且不悖于本發明之精神與範圍。
S110,S120,S130‧‧‧步驟
Claims (13)
- 一種晶圓熱處理的方法,包括:將至少一晶圓置於一含有一無氧混合氣體的環境中,對該至少一晶圓之一表面進行一快速升溫處理,使該至少一晶圓升溫至一預定高溫,該無氧混合氣體包含氘氣及至少一低活性氣體;及在該至少一晶圓升溫至該預定高溫之後,將該至少一晶圓置於一含有一含氧氣體的環境中,對該至少一晶圓之一表面進行一快速降溫處理。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該至少一低活性氣體包括氬氣和氮氣。
- 如申請專利範圍第2項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該無氧混合氣體中氬氣的氣體分壓介在1%至99%之間。
- 如申請專利範圍第2項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該無氧混合氣體中氮氣的氣體分壓介在1%至99%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該無氧混合氣體中氘氣的氣體分壓介在1%至99%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該預定高溫是介在1200℃至1400℃之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該快速降溫處理是以介於50℃/sec至150℃/sec之間的一溫度梯度從該預定高溫降溫。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該含氧氣體包含氧氣,該氧氣的氣體分壓介在10%至100%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該含氧氣體中包含氧氣及含氮氣體,該氧氣的氣體分壓介在1%至99%之間,且該含氮氣體的氣體分壓介在1%至99%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該晶圓中的一氮固溶體濃度是介在1×1012原子/cm3至8×1018原子/cm3之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓的形成方法,其中,該晶圓中的一氘固溶體濃度是介在1×1012原子/cm3至8×1018原子/cm3之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該晶圓之一表面形成深度介在3μm至30μm之間的一無缺陷區,該無缺陷區下的一塊體區形成複數個體微缺陷。
- 如申請專利範圍第1項所述的該晶圓熱處理的方法,其中,該將將至少一晶圓置於一含有一無氧混合氣體的環境中,對該至少一晶圓之一表面進行一快速升溫處理,使該至少一晶圓升溫至一預定高溫的步驟是在該晶圓經切片形成之後至在該晶圓上製作複數個半導體元件的一結構之間執行。
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