TW493235B - Heat treatment method for a silicon monocrystal wafer - Google Patents

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493235 A7 _____ B7_ 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明有關一種矽單晶晶圓之熱處理方法，其係以丘 克拉斯基方法（以下稱爲、、c Z方法〃）切片已生長的矽 單晶錠而製得矽單晶晶圓，且該矽單晶晶圓中的晶體缺陷 情形可藉該熱處理方法顯著地減少。 相關技術說明： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 已知用以除去矽單晶晶圓之晶體缺陷的方法，爲在高 溫條件下將晶圓施以氫退火處理之方法，該方法中的氧化 物析出物將會隨著氫而減少及被分解，而使表面上的氧化 物膜被除去’因此可使氧向外擴散的速率增加以除去所產 生的缺陷。然而，已知即使在標準的條件下（例如1 2 0 0 °C處理6 0分鐘）進行氫退火處理，接近晶圓的表面仍 會有晶體缺陷及氧化物析出物殘留之情形發生，及因氧會 持續地自內部向外擴散至外部，且使氧化物析出物會再度 形成。又’該方法與氫退火處理前晶體的性質特徵有極大 的關係，因此必須選擇晶體.缺陷較少的晶圓作爲氫退火處 理用的晶圓。 又，另一種晶圓處理方法爲採用降低單晶之生長速率 方式以除去晶體缺陷之方法，依據該方法雖可使晶體缺陷 的數目降低，但會使裝置的氧化電介質擊穿電壓等電的性 質降低，且會使的該晶圓中的缺陷數目增加。 如上所述，即使當該矽單晶晶圓被施以氫退火處理， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -4- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 B7 五、發明説明（2 ) 要使晶體缺陷完全被除去是很困難的，且若降低拉引速率 時，又將導致缺陷量的增加，而使得利用氫退火處理方式 除去缺陷的操作變得很困難。 同時近來C ◦ P s (晶體初始顆粒）已被視爲裝置的 製造方法中產率降低的原因之一，其中C〇P爲一種晶體 缺陷形式，其可在晶體生長期間被引入晶體中，並已知其 一般爲具有八面體結構的微孔或洞之空的缺陷形式。 當具有C〇P s的晶圓以氨及過氧化氫的混合溶液進 行鏡面拋光淸潔處理時，將會在晶圓的表面會形成凹洞。 又當使用顆粒計數器測量晶圓上的顆粒數目時，凹洞亦會 被檢測出，且會與真正的顆粒一起被計算。上述測得的凹 洞以下稱爲a C〇P s 〃 ，以與實際的顆粒有所區別。 一般，在晶圓的表面層部分存在的C〇P s會使該晶 圓之電的特性變差，例如，氧化膜上之電介質擊穿（ T D D B )時間。而半導體裝置上重要電的特性經由可靠 的試驗得知與C〇P s的量有關，而爲了改善該時間與電 介質擊穿的關係，常需使C〇P s減少。 又，C 0 P s —般被認爲會影響氧化膜的通常零時間 (ordinary time zero)電介質擊穿性質。 更且，C〇P s —般亦被認爲對裝置的製造方法會造 成負面的影響，例如，若S〇I (絕緣體上的矽）晶圓的 表面層部分存在C〇P s，內埋的氧化膜可以蝕刻劑進行 蝕刻，或在蝕刻程序中或熱處理程序中將大氣壓氣體通入 C〇P s中，此時在佈線程序中的形成步驟會使所佈的線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) I 衣 JT* ^ ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 ____ B7 五、發明説明（3 ) 路斷裂，而導致產率降低。 已知較常用於降低C ◦ P s的方法爲使用氫退火處理 方式，而即使在典型的處理條件下進行退火處理，該晶圓 表面層部分的C〇P s將無法完全地被除去，仍會有部分 的C〇P s殘留，且該C〇P s亦會殘留於晶圓表面上相 當近的區域。 殘留於該晶圓表面層部分的C〇P S無法完全地被除 去的原因爲，例如當在1 2 0 0 °C將殘留於晶圓的 C〇P s進行高溫氫退火處理持續6 0分鐘或更長時，內 部的C〇P s會出現在該晶圓的表面上，而使氫退火期間 該晶圓表面被蝕刻，而就在溫度開始下降前，出現在表面 上的C〇P s於溫度下降時將很難被移除，且持續出現在 .表面上的C〇P s於溫度下降時更難除去。因此，爲了防 止在溫度下降時C 0 P s的產生，必須提高溫度的下降速 率。 又，一般在1 2 0 0°c進行氫退火處理持續6 0分鐘 ，矽的蝕刻厚度爲約0 · 5 // m，其隨著溫度的下降，蝕 刻速率會下降及轉移至該矽的表面的速率亦會變小。因此 ’虽溫度下降時’出現在表面的C〇P s雖不會被倉虫刻但 卻很難被除去。 另一方面，爲了減少COP S的產生，需藉氫退火方 法製造一種具有除去C〇P s的晶圓，爲達此目的亦必須 著重在用於製造晶圓之方法中拉引矽單晶晶圓錠之條件控 制的硏究。在先前技術中，爲減少如C〇P形式的缺陷產 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' " -6 - 丨 Ί ^4T* ; (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 493235 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) 生’需使單晶生長速率降低，然而這種情況下雖然C〇p 的數目會減少但其粒徑會變大，因此即使自以氫退火方式 得到的單晶錠製得該晶圓，無法將其中存在的C〇p s除 去的機率會提高。因此，以目前的方法技術很難將C〇P 缺陷除去。 發明槪論 本發明之方法可解決上述問題，且本發明之目的爲製 造一種矽單晶晶圓，該晶圓的表面或表面層部分存在的晶 體缺陷爲最小。又本發明可提供一種用以製造裝置的矽單 曰曰曰晶圓’所製得的裝置不僅是具有優異的氧化電介質電壓 ’亦具有優異的如電學可靠性等電的特性。 又，本發明的另一目的爲用以製造無缺陷的矽單晶晶 圓’及達到提高產率、還原所使用氫的量、降低成本等及 其它相關之目的。 而爲達到上述目的，本發明揭示一種矽單晶晶圓之熱 處理方法’其包含在還原氣氛下藉丘克拉斯基方法生長矽 單晶錠’並將切片該矽單晶錠所製得的的矽單晶晶圓進行 熱處理’其中該晶圓係得自具有氧濃度爲1 6 p P m或以 下的砂單晶錠，且其係以q · 6 m m/m i η或以上的生 長速率拉引而製得的，又其爲具有高密度的C 0 P s，並 可在1 2 0 0 °C或以上之溫度條件下使用快速加熱/快速 冷卻裝置將其施以退火熱處理1秒或以上之時間。 上述方法中的快速加熱/快速冷卻裝置，例如，用於 本紙張尺度適用巾國國家標準（CNS ) A4規格（2!〇><297公釐) — 丨 Ί 、:-τ· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 493235 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（5 ) 將晶圓可迅速地載入一熱處理爐中之方法，其溫度被控制 在上述限定的溫度範圍內，並在上述限定的熱處理時間內 迅速地將該晶圓載出；或是於熱處理爐中將晶圓排列於預 定的位置上後，藉集塊式加熱器（lump heater)或其類似的 加熱器迅速地施以熱處理。上述 ''迅速地載入〃或、、迅速 地載出〃係指方法在整個特定的期間內溫度不被提高或降 低的情況下操作。又傳統上使用所謂載入或卸載的操作方 法係指將其中的晶圓慢慢地載入熱處理爐中，並將其慢慢 地載出，當然，其所需花費的時間爲將晶圓載入爐中預定 的位置之時間，例如，依載入晶圓的轉移裝置的容量之不 同，需花費數秒至數分鐘的時間。一般具有上述功能的裝 置稱爲快速加熱退火器（以下簡稱爲> R T A裝置〃）。 如上所述，具有氧濃度在1 6 p p m或以下之高密度 C〇P s的矽單晶錠，其係利用C Z方法在〇 · 6 mm/mi η或以上（以〇 _ 8mm/mi η或以上爲較 佳）的高生長速率以拉引方式製得矽單晶錠，再切片所製 得的晶圓錠以製得晶圓，然後將其利用快速加熱/快速冷 卻裝置，在減壓及1 2 0 0 °C或以上的條件下，施以退火 熱處理一秒鐘或以上，因此可獲得晶圓的表面及表面層部 分之C 0 P s密度甚低的晶圓。又依此方法可製造具有顯 著改良的例如氧化電介質擊穿電壓及其它電的特性（如電 學可靠性）的裝置。更且，大粒徑晶圓中較難除去的 C〇P s可在短時間內被處理掉，也因此可提高產率及改 善安全性，且氫氣體的使用量亦可被減少。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） I-----------^---4T·--;---- (请先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) -8- 493235 A7 B7 五、發明説明（6 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明亦有關一*種用於砂單晶晶圓之熱處理方法’其 包含在還原氣氛下藉丘克拉斯基方法生長製得矽單晶錠， 並切片該矽單晶錠製造矽單晶晶圓，然後將該晶圓施以熱 處理，其中該晶圓係得自具有氧濃度爲1 6 p pm或以下 的矽單晶錠，且生長速率爲〇 · η或以上（ 以0 · 8mm/mi η或以上爲較佳），又其爲具有高密 度C 0 P s ，可在1 2 〇 〇 °C或以上經使用批次式熱處理 爐將其施以退火熱處理3 0分鐘或以上。 上述批次式熱處理爐係指在爐中的熱處理方式爲批次 之方式，亦即，複數個晶圓置於複數個架上，該架又設於 垂直式熱處理爐中，然後將氫氣引進其中，使爐中的溫虔 慢慢地升高，於預定的溫度及預定的時間內進行熱處理， 再將溫度慢慢地降低。當使用這種形式的批次式熱處理爐 時，可熱處理大量的晶圓，而其另外包含用以載入及載出 該晶圓的循環將花費較長的時間，因此產率將較使用 R T A裝置進行處理的結果差，然而在溫度的控制能力上 卻較優異，因此能穩定地操作。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 當晶圓製自具有與上述方法（使用快速加熱/快速冷 卻裝置）所使用的晶圓錠之一相同性質的矽單晶晶錠時， 其以批次式熱處理爐在1 2 0 CTC或以上之溫度下施以退 火熱處理3 0分鐘或以上，以使其表面層部分的C〇P s 密度顯著地降低，並改善裝置的電的特性（如氧化電介質 擊穿電壓，電學可靠性，或其它類似的性質），更且，對 具有大粒徑的晶圓而言可提高產率及降低成本。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 - 493235 A7 -____Β7 _ 五、發明説明（7 ) —--------衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在這種情形下，於矽單晶晶圓中被施以熱處理的高密 度c〇p s以具有6 〇 — 1 3 0 nm粒徑者爲較佳，且以 包含僅有〜個的微孔者爲較佳。 含有高密度細微C〇P s的矽單晶易於在〇 · 6 mm/mi n或以上（以〇 · 8mm/mi η或以上爲較 佳）之速率下藉拉引方式而製得，且當單晶的氧濃度爲 1 6 P Pma或以下時，在c〇P的內壁幾乎不會有氧化 物膜存在，因此晶圓中的C〇P可輕易地以退火熱處理方 式除去。 更:且’單晶中的氧濃度的控制可藉調整含有矽原料熔 融其中的坩鍋之旋轉次數、旋轉次數能生長的單晶、惰性 氣體的流量、熔融溫度或類似的條件而達到。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另’本發明亦有關一種矽單晶晶圓的熱處理方法，其 中該矽晶圓具有60 — 130nm粒徑的COPs ，其可 於還原氣氛及1 2 0 0 °C或以上之條件下施以熱處理。又 ’本發明亦有關一種矽單晶晶圓的熱處理方法，其中該矽 晶圓中的c〇P S爲包含僅有一個微孔的晶體缺陷，其於 減壓及1 2 0 0 °C或以上之條件下施以熱處理。 上述細微的C〇P或包含僅有一個微孔之晶體缺陷的 C 0 P，其於還原氣氛下易於以高溫處理方式除去（不考 慮製造晶圓之方法的情況下）。 在一具體的實施情況下，上述方法之還原氣氛爲 1 0 0 %氫氣壓或氫與氬的混合氣壓，如此才能使氫退火 熱處理達到效果，且在c〇P s內壁上產生氧化膜的情形 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29*7公釐） -10- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 __B7_ 五、發明説明（8 ) 可顯著地減少，及前述的微孔可被矽塡滿，以提供一種幾 乎無缺陷的晶圓。 又，本發明有關一種以上述方法除去C〇P s的矽單 晶晶圓。 以上述熱處理方法製得的矽單晶晶圓中的C〇P會較 小，且在C〇P內壁上的氧化膜亦可藉氫退火方式減少， 及以氫溶解將其溶解，然後自晶圓的表面擴散。又前述的 微孔以能自晶圓表面除去的矽塡滿，依此方式以除去 C〇P s，因此而製得無缺陷的矽單晶晶圓。另依此方法 可製得具有利用性的矽單晶晶圓，且可以改善裝置的特性 及產率。 又，可依本發明之方法將氧濃度爲1 6 p p m a或以 下的矽單晶錠切片製得晶圓，其中該錠係以〇 . 6 mm/m i η或以上之生長速率拉引而製得的，且於還原 氣氛下將其中高密度的C ◦ P s以快速加熱/快速冷卻裝 置或批次式熱處理爐施以高溫熱處理，因此在表面或表面 層部分的C〇P s可顯著地減少，以製得無缺陷的晶圓。 依此方式製得的晶圓能有效地作爲製造具有優異電的特性 之裝置的晶圓來源，且特別是以高速條件拉引製得的大粒 徑晶圓，其儘可能地藉選擇適合該單晶的生長條件及氫退 火條件，以達到提高產率及降低成本等目的，更且可減少 氫的用量。 圖式簡要說明 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） I 衣 4Τ· ： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -11 - 493235 A7 ___ B7 五、發明説明（9 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1爲有關熱處理溫度與LPD (COP)數目的關 係圖’其中L P D係位於使用快速加熱/快速冷卻裝置施 以氫退火熱處理後之晶圓表面上； 圖2爲有關於矽單晶於各拉引條件下，比較氫退火處 理前後之在晶圓表面層部分的LPD (COP)(數目/ 晶圓）的關係圖； 圖3爲有關氫退火條件與以R T A裝置處理或以批次 式熱處理爐處理結果的比較關係圖； 圖4爲有關以RTA裝置或批次式裝置施以氫退火處 理時’所得到的晶圓表面層部分之L P D ( C〇P )數目. 的比較關係圖； 圖5爲有關雙形式微孔生長步驟的槪略圖； 圖6爲有關以快速加熱及冷卻矽晶圓的熱處理爐實例 之槪略圖。 主要元件對照 1 鐘罩 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 垂直式加熱器 2 ^ 水平式加熱器 4 水冷室 5 基板 6 支撐軸 7 階段 8 晶圓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 493235 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 9 馬達 10 熱處理爐 2〇 空洞 21 晶格節點間缺陷的氧 22 氧化膜 23 第二微孔 24 雙形式微孔 發明詳細說明及較佳實施 以下將進一步地詳細說明本發明技術內容，但其並非 用以限制本發明範圍。 本發明發明人已完成各項實驗，且致力於硏究及發現 可降低在矽晶圓表面層部分存在的C〇P s密度的熱處理 條件’他們亦發現當存在有高密度之細微C〇P s的單晶 錠在高速條件下藉拉引方式製得具有低氧濃度的單晶，然 後再將最終的晶圓施以氫退火處理，如此可使C〇P密度 明顯地下降，以得到無缺陷的矽單晶晶圓。因此，本發明 之方法即是以此硏究內容爲基礎。 有關本發明方法的基本理論係以下述內容爲基礎。 即’於一般條件下以C Z方法拉引而製得矽單晶，該 晶圓的激光散射層析X射線攝影缺陷（Laser Scattering Tomography Defect，（ L S T D ))可以透射電子顯微鏡 (transmission electron microscope，( T E M ))預先觀察 到，並可記錄由厚度爲2 - 4 n m的氧化膜所包圍的 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） 丨 ------4Τ·--：---- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -13- 493235 A7 B7_ 五、發明説明（11 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) C〇P，其中該C〇P具有由雙或參之規則性八面體微孔 連結架構，且其粒徑爲1〇〇—3〇〇nm (M· Kato et al.;Jpn. Appln. Pys .35 (1996) 5597)。 而另一硏究顯示當快速冷卻的C Z晶體中的L S T D 時，可觀察到存在僅有一個獨立及單一形式的缺陷，該單 一形式的缺陷爲具有6 0 - 1 3 0 n m粒徑的規則性八面 體微孔，而其氧化膜較以傳統方法在一般條件下冷卻所得 到的氧化膜薄，或在某些情況下不會產生氧化膜。 又，已於缺陷生長的最初階段會產生單一形式缺陷， 及於隨後的階段會產生雙或參形式的缺陷。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖5爲有關雙形式微孔生長步驟的槪略圖，首先，於 生長晶圓的冷卻過程中，空洞2 0開始凝聚而形成如（a )所示的細微孔，然後，該微孔吸收由其上擴散的空洞， 及生長並聚集於該微孔周圍的晶格節點間缺陷的氧2 1上 ，以形成如（b )所示薄的氧化膜2 2，而該氧化膜會包 圍於該微孔以防止形成如（c )及（d )所示之吸收性空 洞，然後該空洞開始與氧化膜最弱的一端接觸而使得缺陷 產生，然後在最弱端第二微孔2 3開始膨脹以形成如（e )所示的雙形式微孔2 4。 用以形成單一形式微孔及雙或參形式微孔之方法間的 差異爲在高速下拉引及快速冷卻程序之不同。多數小的單 一形式微孔於形成時，其C 0 P內壁的氧化膜相當地薄， 或在氧濃度較低時，氧化膜並不會存在；又當在高速拉引 及慢慢地冷卻晶體時，可形成少數的雙或參形式微孔，此 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -14- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 ______B7 五、發明説明（12 ) 時C〇P內壁的氧化膜又會變的相當地厚。 以下將進一步地分析上述方法產生的現象，在過去的 方法中曾嘗試於低速條件下生長晶體以使如c〇P s或其 類似物的缺陷減少，並將晶圓施以氫退火處理以除去殘餘 之大的雙或參形式的C〇P缺陷，然而一般以傳統方法製 得的晶圓很難藉氫退火處理方式將C〇P S除去，因此造 成C ◦ P的粒徑過大，且在該C〇P的表面上會有厚的氧 化膜存在。相反地，依本發明之方法將具有低氧濃度的單 晶在高速條件下生長，以提供一種其中存在多數單一形式 C〇P的單晶錠，其中該C〇P未具有氧化膜或薄氧化膜 (若有的話），及此時C〇P易於以熱處理方式（即晶圓 的氫退火處理方式）除去。 依本發明之方法，拉引的速率爲0 . 6 m m/m i η 或以上，以Ο · 8 m m/m i n或以上爲較佳，因此具有 6 Ο — 1 3 0 nm粒徑之多數的單一形式COP s可被產 生，並可有效地防止雙或參形式的COP產生。因此，該 拉引速率以儘可能快爲較佳，例如爲1 . 〇 m m或以上， 係依被拉引的晶體粒徑而定。一般拉引的速率低於0·6 m m時，雖然C〇P的數目減少，但該晶體會因冷卻過慢 而使C〇P生成雙或參形式，且使C 0 P內壁的氧化膜會 變得較硬。在大部分情形下，當氧的濃度較低時，單一形 式COP的粒徑約爲6 0 — 1 3 0 nm，且不會在在內壁 生成氧化膜生成。 在矽單晶錠中的氧濃度以高至1 6 p p m a爲較佳（ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） I Ί ^ 訂· · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -15- 493235 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（13 ) JEIDA:日本電子工業發展協會），尤以高至ι〇 P pma爲更佳。當氧的濃度大於1 6 p pma時，氧化 膜會變厚而導致於氫退火處理程序中的C ◦ P無法有效地 除去，且所需的處理時間會更長，因此將會對晶圓的性質 及產率造成不良的影響。 於矽單晶錠中的氧濃度極易以傳統方法控制，例如： 可藉調節惰性氣體的流量，生長單晶的旋轉數目，矽熔融 的溫度，或其它相關條件予以控制。 其次，藉由將上述矽單晶切片以製得砂晶圓，並將其 以快速加熱/快速冷卻裝置（R T A裝置）或批次式裝置 在1 0 0 %氫或氫與氬的混合氣壓的還原氣氛狀態下，施 以1 2 0 0°C或以上的熱處理，其中以RTA裝置處理一 秒或以上，又，以批次式裝置處理時則爲3 0分鐘或以上 ，可使C〇P密度顯著地降低。特別是在此種條件下可將 C〇P的密度下降至零。又當該晶圓利用上述氫退火方法 處理時，亦可製得一種裝置，其在氧化電介質擊穿電壓及 其它電的特性方面具有優異的性質，例如與時間有關的電 介質擊穿性質等。 上述本發明方法之具體實·施內容將以下述相關的圖 例說明，但其並非用來限制本發明之範圍。

本發明方法中的氫退火處理步驟所使用的快速加熱及 冷卻矽晶圓的裝置實例包括：加熱器，例如熱輻射方式的 燈加熱器，激光射線之激光加熱器，X -射線的X -射線 加熱器，電阻加熱器等；商業上使用的裝置，例如S H S 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 衣 τ ^4Τ, · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -16- 493235 A7 B7 五、發明説明（μ ) —2 8 0 〇 ( AST corp.產品）等；上述所列的裝置既不會 很複雜又不會很貴。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 首先，說明本發明方法所使用的快速加熱/快速冷卻 裝置’圖6爲電阻加熱型的快速加熱/快速冷卻裝置的簡 略剖面俯視圖。 圖6中熱處理爐1 〇包括鐘罩1，其係由例如碳化矽 或石英等物質形成，且其中該矽晶圓已先被熱處理過，又 該鐘罩以包圍在鐘罩外的加熱器2及2 /加熱，而該加熱 器2 /與沿著垂直方向設置的加熱器2係呈分開狀態的， 又於控制加熱器2及2 /間的個別動力方面，該加熱器 2 >的動力供給與加熱器2之動力供給亦是獨立的。上述 加熱方法並無特別的限制條件，亦可使用所謂的輻射加熱 及感應加熱方式，又該鐘罩及加熱器2及2 >可被裝入一 作爲加熱屏障的室中。 經濟部智慧財產局Μ工消費合作社印製 一水冷室4及基板5被設置於爐的較低部分，以使該 鐘罩1的內部與大氣壓隔開，晶圓8支撐於階段7，該階 段7與支撐的軸6的頂端接觸，其次以馬達9裝置將其垂 直移動，爲了自沿著水平方向的爐中將晶圓載入或卸載， 該水冷室4中的晶圓汽門（未標示）可藉閘閥裝置開閉， 基板5有一氣體入口及一氣體出口，其可調節爐中的氣壓 〇 在具有上述構造的熱處理爐1 0中，可將晶圓以下列 所述的步驟進行快速加熱/快速冷卻。 首先，以加熱器2及2 >將鐘罩的內部加熱至預定的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -17- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 ________B7 五、發明説明（15 ) 1 2 0 0 °C或以上之溫度，然後將其維持於該預定的溫度 ，藉同時分別控制加熱器2及2 /的動力供給，在沿著該 鐘罩垂直方向建立一溫度分佈，依此方式以階段7的位置 決定晶圓的熱處理溫度，及進入爐中的支撐軸之晶圓夾入 的量。 將鐘罩1的內部維持於預定的溫度，將設置於靠近熱 處理爐1 0的控制裝置（未標示）經晶圓汽門將晶圓*** 水冷室4中，該***的晶圓置於在階段7所提供的位於底 部儲備位置之S i C舟形皿中，而該水冷室4及該基板5 爲水冷的，因此位於儲備位置的晶圓不會加熱至高溫。 於階段7完成晶圓的設置，該馬達9立刻驅動以將支 撐軸***爐中，在將軸6提升至爐中而完成階段7的建立 ，又其於熱處理位置之溫度爲1 2 0 0°C或以上之預定溫 度範圍，於該溫度條件下熱處理該晶圓，此時，因爲只處 理約2 0秒鐘，從水冷室4底部儲備位置需要將階段7移 至熱處理位置，以使該矽晶圓能快速冷卻。 階段7在預定的時間（一秒鐘或以上）停滯在預定的 熱處理位置上，於全停滯期間對該晶圓施以高溫熱處理， 並於預定的時間結束後完成，高溫熱處理步驟，其後立刻驅 動馬達9以拉動爐中的支撐軸6，使階段7稍降至水冷室 4之底部儲備位置，該下降的行爲可於例如約2 0秒鐘完 成，又因爲該水冷室4及基板5爲水冷式裝置，故可將該 晶圓於階段7快速冷卻，最後再藉晶圓控制裝置將該晶圓 自水冷室4中卸載，因此而完成晶圓的熱處理。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） I 衣 4Τ. ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -18- 493235 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（π ) 當有更多的晶圓被熱處理時，這些晶圓隨後可載入及 固定溫度的高溫熱處理爐1〇中進行熱處理。 使用上述快速加熱/快速冷卻裝置，矽晶圓可於 1 0 0 %氫氣壓下以具單一形式及加工架構的型態進行熱 處理。 本發明所實施的晶圓一般由砂錠切片而製得的，其中 該矽錠具有氧濃度高至1 6 p pma及具有6 0 — 1 3 0 nm之高密度的COP s，且其係以上述丘克拉斯基生長 法於0 · 8mm/mi η至1 · 2mm/mi η的速度拉 引並施以鏡面拋光而製得的，且所製得的每一晶圓均具有 8英吋及< 1 0 0>的位向。 上述步驟中的還原氣氛可設定爲1 〇 〇%氫氣體或氫 與氬的混合氣壓，爲了控制氫氣的下降能力可選擇後者， 以避免產生滑動擾亂或其它如安全性等問題。 該熱處理於1 2 0 0 °C或以上進行一秒或以上之時間 ，當溫度低於1 2 0 0 °C時無法完全除去C〇P，又時間 若少於一秒時則無法達成熱處理之效果。 如上所述，藉將具有小C〇P的晶圓經使用R T A裝 置施以氫退火處理，可使C 0 P幾乎完全消失，特別是位 於表面層部分的C〇P，因此可製得無缺陷的矽單晶晶圓 。又依此使用以氫退火處理的晶圓可製得具有優異的電的 特性的半導體裝置，例如優異的氧化電介質擊穿電壓、與 時間有關的電介質擊穿性質等或其它類似性質。 當使用R τ A裝置時，溫度會很快地提高，以使在最 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ΊI4T· 1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -19- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 B7 五、發明説明（17 ) 短的時間內到達除去C〇P的溫度條件，且即使有許多單 一形式的C〇P存在時該C〇P亦可容易地除去。 批次式熱處理爐亦可用以進行氫退火處理，而該批次 式熱處理爐意指不連續熱處理的裝置，其中晶圓置於垂直 或水平方向的熱處理爐中，將氫氣引入其中，再將該爐內 部的溫度緩慢地加熱至預定的溫度，然後於該預定的溫度 下及預定的時間內進行熱處理，接著使溫度慢慢地下降。 又當熱處理方法使用該批次式爐進行時，可立刻熱處理大 量的晶圓，而其另外包含用以載入及載出該晶圓的循環通 常所花費的時間較長，因此產率並不是很好，然而其在溫 度的控制上具有相當優異的能力且可穩定地操作。 另，處理方法中，使用批次式熱處理爐的氫退火條件 基本上與上述使用R T A裝置進行處理的條件相同，即在 1 0 0%氫氣壓或在氬與氫的混合氣壓及1 2 0 0°C或以 上之條件下，熱處理時間以3 0分鐘或以上爲較佳。而熱 處理時間若低於3 0分鐘將無法提供有效的處理，及 C〇P s亦無法完全地除去。 如上所述，即使當使用不連續垂直形式熱處理爐時幾 乎可完全地除去於製造時包含小C〇P s之晶圓的表面層 部分的C〇P s，以製得無缺陷的矽單晶晶圓。依此，施 以氫退火處理的晶圓可用以製造具有優異電的特性之半導 體裝置，該項性質例如氧化電介質撃穿電壓、時間依附的 電介質擊穿性質或其它類似性質。 而以其它方法測量在表面層部分（從晶圓表面至深度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 衣 Ί 、-1T* ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -20-

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（18) Q · 5 // m )之c〇P s總數目被減少至約一半的量，而 #所需的目的可選用批次式裝置或r T A裝置實施本發明 方法。 〔實例〕 以下實例及比較例將進一步說明本發明之方法，但這 _實例並不用以限定本發明之範圍。 (實例1 ) 將砂單晶锭的拉引速率（SE:seed elevation)設定於三 個階段·· 0 · 6，0 · 9 5，1 · 4 m m / m i η ;該單 晶錠具有氧濃度（〇i )爲.1 6 P pma及拉引的直徑爲 8英吋，依此方式製作晶圓。然後將晶圓於1 〇 〇 〇至 1 2 0 〇 °c施以氫退火處理，在晶圓表面層部分的 C 〇 p S以光散射裝置之L P D光點缺陷（Light Point Defect)模式測量。 其結果如圖1所示。並說明如下：晶圓於1 2 0 0 °C 及1 ◦〇％氫氣壓下使用RTA裝置（SHS — 2 8 0 0 )施以氫退火處理1 0秒鐘，在晶圓表面層部分上粒徑爲 0 . 20至0 . 12//m的C〇Ps之數目分別爲每一晶 圓爲50、6、2，即當拉引速率越高時，可除去更多的 C〇Ps ;又將以SE (拉引速率）爲1 . 4 mm/min之條 件所製得的具有〇1爲1 6 P P m a的晶圓，於1 〇 〇 % 氫氣壓及1 2 0 CTC之條件下以批次式熱處理爐施以氫退 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 丨 衣 Ί 4T- ； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -21 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 B7 五、發明説明（19 ) 火處理一小時，測得C〇P S的數目爲每一晶圓爲9〇。 這些結果顯示熱處理以在1 2 0 0 °C或以上之溫度進 行爲較佳，而將在高速條件下拉引製得的晶圓施以氫退火 處理時，可輕易地減少LPD (COP)缺陷，因此可獲 得較少C〇P s的晶圓。更且發現拉引速率若低於〇 . 6 mm/m i η時，即使依被拉引的晶體之直徑而決定，會 因爲C〇Ρ生長過多以致於無法達成氫退火處理之效果。 (實例2 ) 在裝置的製造過程中影響裝置的重要因素爲位於表面 層部分上深至0 · 5 // m的C〇P s總數，然而其數目無 法以顆粒計數器立刻讀出，而由於在數個熱氧化處理階段 中會形成一具有相當厚度的氧化膜，因此在矽上的 c〇P s數目可藉由該氧化膜以顆粒計數器讀出，並計算 得深度方向的積分値，例如可由在數個階段中所生長厚至 1 · 0 // m的氧化膜，而測得表面起至深〇 · 5 // m處存 在的COP s的數目（在下文中以”氧化膜方法”說明）。 圖2爲有關利用氧化膜方法檢測c〇P密度方式以測 量氫退火之效果，矽單晶於1 , 4、1 · 4、0 · 9 5 mm/mi η速率下拉引以製得氧濃度分別爲1 6、12 、1 6 p p m a的晶圓，又將最終的晶圓施以熱氧化處理 以作爲表面上形成具有厚度〇 · 9 5//m之氧化（S i〇 )膜的樣品’在這些樣品上的表面層部分之C〇P s的數 目可以氧化膜方法計算得知，另一方面，其它三個晶圓以 張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21()>< 297公廣） 一 -22- Ί ^ 訂- . (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493235 A7 ________B7 五、發明説明（2〇 ) 上述相同方法製造，並於1 〇 〇%氫氣壓及1 2 使用R T A裝置施以氫退火處理1 0秒鐘，然後將該晶圓 施以上述熱氧化處理以形成具有厚度高至〇 . 9 5 //m的 氧化膜’再以氧化膜方法測得該晶圓表面層部分的 C〇P s數目。 由圖2結果顯示，圖2中於各拉引條件下塑製得的矽 單晶以氫退火處理前後，在該晶圓表面層部分LPD[C〇P]( 數目/晶圓）以柱狀圖表示，圖2中未著色部分爲當拉引 的速率加快至1 · 4mm/m i η時，其氧濃度爲1 2 ppma，LPD (72%)數目的減少速率可達到最大 ，未施以氫退火處理的晶圓中，以〇 . 95mm/mi η 速率拉引所製得的晶圓具有最少的L P D (約6 2 0 0 / 晶圓），又，相同的晶圓除施以氫退火處理外，其L P D 數目減少的速率爲最小（約1 8 % )，這些結果說明了以 下的事實：當晶體慢慢地生長時，C〇P s的數目變小， 但C〇P s的粒徑變大，此時C〇P s將不易減少，反之 ，當晶圓快速地生長時，C〇P s的數目變大，但 C〇P s的粒徑變小，此時c〇P s的數目容易被降低， 依此在高速下以拉引方式製造具有低氧濃度的晶圓，並施 以氫退火處理可有效地減少C〇P s。 (實例3 ) 以下將比較以R T A裝置氫退火處理及以批次式熱處 理爐處理之效果。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 丨 衣 Ί ^ 钉- · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -23- 經濟部智慧財產局S工消費合作社印製 493235 A7 _B7___ 五、發明説明（21 ) 具有氧濃度（〇1 )爲1 6 p p m a的單晶錠以 1 . 4 m m/m i η的拉引速率製造矽單晶，再將其中某 些晶圓於1 2 0 0°C溫度下使用RTA裝置施以氫退火處 理1 0秒鐘，其它晶圓則使用除了批次式熱處理爐外之 RTA裝置進行處理，然後在與上述退火處理相同條件下 施以氫退火處理，其處理時間爲6 0分鐘，其結果如圖3 之柱狀圖所示，於圖3顯示當晶圓以T R A裝置施以氫退 火處理時，晶圓表面層部分存在的C 0 P s的數目顯著地 降至約8數目/晶圓，即，與使用不連續熱處理裝置（約 9 3數目/晶圓）處理晶圓之結果比較，則顯現相當之效 果。 藉使用氧化膜方法檢測C〇P s，以比較使用R T A 裝置進行氫退火步驟處理晶圓表面層部分之C ◦ P s之效 果，與以批次式熱處理爐處理之效果，其中除了晶圓錠的 氧濃度爲1 2 P P m a外，晶圓的來源及氫退火的條件與 上述方法相同，再將晶圓進行與實例2類似的熱處理，所 生長的氧化膜厚度爲厚至〇 · 9 5 // m，並測得C〇P s 的數目。 結果如表4之柱狀圖所示，·圖4顯示當晶圓以R T A 裝置施以氫退火處理時，晶圓表面層部分（深度深至約 〇 · 5 // m )的L P D ( C〇P )的數目（深度方向的積 分値）爲約2 0 0 0數目/晶圓，及以不連續熱處理爐施 以氫退火處理之晶圓表面層部分的COP S數目爲9 5〇 數目/晶圓，因此自晶圓表面高至0 . 5 // m深度的區域 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） I-------•衣----—訂，—.--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -24- A7

493235 五、發明説明（22 ’以不連續熱處理爐處理C〇P s的數目爲較有利。 上述有關本發明方法之具體實施並非用來限制本發明 範圍，該具體實施僅視爲較佳之處理實例，其具有實質上 相同的架構，且如隨後申請的申請專利範圍所述，其可推 至包括與本發明技術領域之相似的技術及效果。 又，例如上述實施中可使用如圖6的電阻加熱型熱處 理爐，但本發明方法並不受此限制，理論上只要能快速加 熱及冷卻矽單晶晶圓及在1 2 0 0 °C或更高溫度下能加熱 晶圚的裝置即可使用，例如可以激光加熱器、X 一射線加 熱器、燈加熱器、及批次式熱處理爐進行熱處理。 ---------^^衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -1T.——：---Φ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25-

Claims (1)

1. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 · 一種矽單晶晶圓之熱處理方法，包括將矽單晶錠 切片製得之矽單晶晶圓於還原氣氛下熱處理之步驟，該單 晶錠係藉由丘克拉斯基法（Czochralski method)生長，其中晶 圓係藉由將具有16 ppma或以下的氧濃度的矽單晶錠切片而 得到的’該單晶錠係以0.6 mm/分鐘或以上的生長速率拉升 製得的，及其中高密度存在的C〇Ps，在丨2〇〇°(：或以上，透 過使用快速加熱/快速冷卻裝置，被施以退火熱處理1秒或以 上’其中還原氣氛爲100 %氫氣，或氬與氬的混合氣氛。 2 · —種矽單晶晶圚之熱處理方法，包括將矽單晶錠 切片製得之矽單晶晶圓於還原氣氛下熱處理之步驟，該單 晶錠係藉由丘克拉斯基法（Czochralski method)生長，其中晶 圓係藉由將具有16 ppma或以下的氧濃度的矽單晶錠切片而 得到的，該單晶錠係以0.6 mm/分鐘或以上的生長速率生長 ，及其中高密度存在的COPs，在1 200 °C或以上，透過使用 批次式熱處理爐，被施以退火熱處理30分鐘或以上，其中 還原氣氛爲100 %氫氣，或氫與氬的混合氣氛。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 ·如申請專利範圍第1項之矽單晶晶圓之熱處理方 法，其中，以該方法施以熱處理的矽單晶中的高密度 C〇p粒徑爲6〇一130nril·。 4 ·如申請專利範圍第2項之矽單晶晶圓之熱處理方 法，其中，以該方法施以熱處理的矽單晶中的高密度 〇〇下粒徑爲60 — 13〇11111。 5 ,如申請專利範圍第1項之矽單晶晶圓之·熱處理方 法，其中該C〇P包含僅有一個的微孔。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 493235 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍2 6 ·如申請專利範圍第2項之矽單晶晶圓之熱處理方 法，其中該C〇p包含僅有一個的微孔。 7 .如申請專利範圍第3項之矽單晶晶圓之熱處理方 法，其中該C〇p包含僅有一個的微孔。 8 ·如申請專利範圍第4項之矽單晶晶圓之熱處理方 法，其中該C〇p包含僅有·一個的微孔。 9 · 一種矽單晶晶圓之熱處理方法，其中具有包含僅 有一個微孔之晶體缺陷的C〇P的矽晶圓係在1 2 0 0 °C 或以上溫度及還原氣氛下施以熱處理，且該還原氣氛爲 1 0 0% —氫氣，或氫與氬的混合氣氛。 1 〇 ·如申請專利範圍第1項之矽單晶晶圓之熱處理方 法，其係用於製備具有已除去COPs之矽單晶晶圓。 1 1 _如申請專利範圍第2項之矽單晶晶圓之熱處理方 法，其係用於製備具有已除去COPs之矽單晶晶圓。 1 2 ·如申請專利範圍第9項之矽單晶晶圓之熱處理 方法，其係用於製備具有已除去COPs之矽單晶晶圓。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）