TWI453801B - 製造具有磊晶沉積層之由矽構成的半導體晶圓的方法 - Google Patents
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Description
本發明關於一種製造具有磊晶沉積層之由矽構成的半導體晶圓的方法,該方法係包含以下步驟:引導一蝕刻氣體通過磊晶反應器,從而通過蝕刻氣體的作用移除該磊晶反應器內的表面上的殘留物;引導一第一沉積氣體通過該磊晶反應器,從而在該磊晶反應器內的表面上沉積矽;在該磊晶反應器的基座上放置一由矽構成的基材晶圓;以及引導一第二沉積氣體,在該基材晶圓上沉積一層磊晶層。
在例如EP1533836A1中同樣描述含有該等步驟的方法。因此,將在基材晶圓上沉積矽的過程中,在適當之情況下以不須加以控制的方式從磊晶反應器之表面上移除沉積在該等表面上的殘餘物係有利且必要的。一般而言,此步驟(即下文中所謂的「腔體蝕刻」)係依污染物程度和所需之品質而酌量進行。如果磊晶沉積在基材晶圓上的塗層為20微米或者更厚,或者有特別高品質的需求者,較適合之情況則為在一個基材晶圓上沉積磊晶層之後,在下一基材晶圓塗佈前進行腔體蝕刻。在其他情況下,腔體蝕刻則可以較少之頻率進行,例如在每塗佈2個至8個基材晶圓後進行。EP1533836A1也提出藉由引導沉積氣體通過磊晶反應器,以在磊晶反應器內的蝕刻表面上塗佈一矽薄膜。該矽薄膜將密封表面,並阻止污染物於隨後的基材晶圓塗佈過程中從表面擴散進入生長中之磊晶層內。在下文中,在腔體蝕刻後於磊晶反應器內的表面上所進行之矽薄膜沉積稱為「腔體塗佈」。
DE102005045337A1描述了腔體蝕刻對於隨後塗佈有磊晶層之基材晶圓的平整度具有不利效果。因此特別是此種半導體晶圓的局部平整度將會受到損害。因此,建議以將一親水性晶圓放置在基座上達一小段時間之方式,在腔體蝕刻後對基座進行親水化。該步驟之不利之處在於需要一專門方法步驟來親水化基座。
腔體蝕刻亦對於隨後塗佈有磊晶層之基材晶圓之少數電荷載子(minority charge carrier)的壽命具有不利效果。此種半導體晶圓中少數電荷載子的壽命係取決於「微波光導衰退(microwave photoconductivity decay,μ-PCD)」,若在基材晶圓塗佈前省略腔體蝕刻和腔體塗佈,則少數電荷載子的壽命將顯著地更短。
腔體蝕刻另外對基座,特別是升降銷(嵌在基座底部,用於升起和放低晶圓)具有腐蝕效果。由於腐蝕導致的磨損,基座和升降銷需要相對頻繁地進行更換。
緣此,本發明之目的旨在減少與腔體蝕刻相關的缺點,並且不用犧牲相關的優點,同時亦不引入新的缺點。
本發明目的係藉由一種製造具有磊晶沉積層之由矽構成的半導體晶圓的方法所實現,該方法包括:在一磊晶反應器的一基座上放置一擋片(dummy wafer);引導一蝕刻氣體通過該磊晶反應器,以便通過該蝕刻氣體的作用來移除該磊晶反應器內之表面上的殘留物;引導一第一沉積氣體通過該磊晶反應器,從而在該磊晶反應器內之表面上沉積矽;用一由矽構成的基材晶圓來替代該擋片;以及導入一第二沉積氣體,從而在該基材晶圓上沉積一磊晶層。
不同於前述之先前技術中所述及的方法,本發明係同時在腔體蝕刻過程和腔體塗佈過程中於基座上提供一擋片。該步驟帶來多個相關的優點。在腔體蝕刻和腔體塗佈以後,具有磊晶沉積層的第一半導體晶圓之少數電荷載子的壽命係長於在腔體蝕刻和腔體塗佈過程中省略擋片者。同樣的,在此情況下基座和固定銷(holding pins)的磨損亦有所下降。在腔體蝕刻和腔體塗佈過程中,擋片擋住了基座的大部分,此使得常含於腔體蝕刻期間之蝕刻氣體中的氯化氫很難或無法到達基座中被遮擋的部位,尤其是併於其中的升降銷。因此,基座中被擋片遮擋的部分在腔體蝕刻過程中將不受蝕刻氣體的腐蝕影響。在隨後的腔體塗佈過程中,擋片仍位於基座上,導致矽薄膜亦無法沉積到基座中被擋片阻擋的部分上。此形成了多種有益效果,蓋因避免了以下方面。
如果在腔體蝕刻和腔體塗佈過程中省略擋片,則在腔體塗佈後,基座覆蓋有一被氯化氫污染的矽薄膜。在為基材晶圓之正面塗佈一磊晶層基期間,氯化氫將從薄膜擴散入經沉積的磊晶層中,導致了所觀察到的少數電荷載子壽命縮短。
如果在腔體蝕刻和腔體塗佈過程中省略擋片,則在為由矽構成的基材晶圓塗佈該磊晶層時將存在著風險,其邊緣區域承載在基座架(ledge)上的基材晶圓將在多個點與在腔體塗佈過程中沉積在基座上的矽薄膜一起生長。在此情況下,經塗佈之半導體晶圓背面的邊緣區域將產生缺陷,該缺陷將產生晶格應力並引發滑移。
如果在腔體蝕刻和腔體塗佈過程中省略擋片,而所使用的基座基底由不透氣材料(不含有孔洞或者通孔)構成時,則風險在於,在基材晶圓塗佈過程中,最終氫將穿過基座之基底與升降銷之間的間隙並到達基材晶圓背面,使基材晶圓背面所形成的原生氧化物層被局部分解。此會造成原生氧化物層與無氧區域間之過渡形態(transitions),即所謂的「銷環(pin halo)」,其在聚光線下可被看見,該過渡型態將影響基材晶圓背面的奈米形貌,即在0.5毫米至10毫米之測定距離下,會造成高達60奈米之高度起伏。如果在腔體蝕刻和腔體塗佈期間存在有擋片,則不會產生該過渡型態。擋片將遮住下面的基座部分,從而維持基座表面的親水性特徵。該表面特性將隨後保護基材晶圓背面的原生氧化層不在升降銷區域中被溶解。
該擋片可以例如由矽構成、或者由碳化矽構成、或者石墨塗佈的碳化矽構成、或者由石英構成。較佳為由碳化矽構成或者由矽構成的擋片;特佳為至少在其背面上進行氧化或者覆蓋一由經沉積之二氧化矽構成之層的擋片。舉例而言,該氧化層保護擋片下方之矽不被蝕刻氣體分解,且使基座中被擋片覆蓋的部分親水化。若由矽構成或由碳化矽構成的擋片不僅僅是背面,而是全部被氧化層覆蓋,則具有相同的優點。擋片特佳係背面或者全部(也就是說在兩面以及邊緣)均塗佈有低熱氧化物(low thermal oxide,LTO)層之由矽構成或者由碳化矽構成者。LTO層較佳達100奈米至40,000奈米厚。較佳係重複使用擋片,即擋片係使用在至少一另外的腔體蝕刻和至少一另外的腔體塗佈上,並在另一基材晶圓上塗佈磊晶層之前進行該腔體蝕刻和該腔體塗佈。
該方法較佳係採用一種能塗佈單一基材晶圓的磊晶反應器來進行,例如商購自Applied Materials的Centura型或者商購自ASM International N.V.的Epsilon型單一晶圓磊晶反應器。
擋片以及基材晶圓較佳係放置在一由碳化矽構成且放置在基座上的環上,從而減少在磊晶層沉積過程中基材晶圓的熱負載。同樣較佳的替代方式,可採用一個具有基座架之邊緣支撐體的一體成形基座(one-part susceptor)。於該兩情況中,擋片和基材晶圓僅在邊緣區域與支撐體接觸。
基座的基底較佳係具有通孔或孔隙通道之透氣結構。然而,其也可以由不透氣材料構成。
在腔體蝕刻之前,係將擋片放置於基座上。在此情況下,擋片的背面與基座的基底彼此相對。腔體蝕刻較佳係在1050℃至1200℃的溫度下進行。較佳係使用氯化氫和氫氣的混合物作為蝕刻氣體。氯化氫較佳以5標準升/每分鐘至20標準升/每分鐘的氣體流率導入通過磊晶反應器,氫氣的氣體流率較佳為5標準升/每分鐘至20標準升/每分鐘。腔體蝕刻較佳係持續50秒至400秒。
腔體塗佈較佳係在1100℃至1200℃溫度下進行,較佳係採用一含三氯矽烷的第一沉積氣體。三氯矽烷的氣體流率較佳為10標準升/每分鐘至19標準升/每分鐘。腔體塗佈較佳係持續10秒至100秒。在腔體塗佈期間同樣也將在腔體蝕刻期間所使用的擋片放置於基座上。
在腔體塗佈後,磊晶反應器之溫度係降低至550℃至900℃,並用一基材晶圓來代替擋片。在此情況下,基材晶圓背面和基座基底係彼此相對。
基材晶圓較佳為具有一經拋光正面的單晶矽晶圓。基材晶圓的直徑較佳為150毫米至450毫米,例如為150毫米、200毫米、300毫米或450毫米。基材晶圓可參酌例如DE102005045337A1中的方式製備。
在沉積磊晶層之前,基材晶圓較佳係於磊晶反應器中進行以下預處理:首先,對基材晶圓進行氫氣處理("H2
烘烤(bake)"),從而移除基材晶圓之正面或正面及背面上的原生氧化物層。然後,引導氯化氫和氫氣通過磊晶反應器,從而在磊晶層沉積之前平滑化基材晶圓的正面。
在預處理後,較佳係於1100℃至1200℃溫度下在基材晶圓的正面藉由引導一第二沉積氣體通過磊晶反應器之方式塗佈一磊晶層。較佳地,也同時對基材晶圓的背面進行氫氣淨化。第二沉積氣體係含有會分解出供形成磊晶層之物質的化合物。該物質較佳包括:矽、鍺,以及如硼、磷或砷之摻雜物。舉例說明,對於沉積摻雜有硼的矽膜層而言,沉積氣體較佳係包含有三氯矽烷、氫氣和二硼烷。亦可沉積由矽以外之不同材料構成的層,如由鍺構成的層或者由矽和鍺構成的層。
在基材晶圓上沉積磊晶層後進行包括放置擋片於基座上並再次進行腔體蝕刻之方法;或者,較佳係在下次於擋片存在的情況下進行腔體蝕刻及腔體塗佈之前,塗佈2個至24個或更多的另外晶圓。
實施例
在腔體蝕刻和腔體塗佈以後,對數個直徑為300毫米之由矽構成之基材晶圓塗佈一由矽構成的磊晶層。其中,係在氯化氫存在的情況下,以1170℃之溫度進行腔體蝕刻,持續200秒。並在1150℃溫度進行隨後的腔體塗佈,持續40秒。用於達成此目的之第一沉積氣體係由三氯矽烷和氫氣的混合物組成,其等分別以17標準升/每分鐘和30標準升/每分鐘的氣體流率引導通過磊晶反應器。
用於塗佈基材晶圓正面的第二沉積氣體係由三氯矽烷和氫氣的混合物組成。三氯矽烷係以17標準升/每分鐘的氣體流率引導通過磊晶反應器,而氫氣則以50標準升/每分鐘的氣體流率引導通過磊晶反應器。塗佈持續時間為100秒,塗佈溫度為1150℃。
經塗佈的半導體晶圓被區分為:在有擋片存在下進行腔體蝕刻和腔體塗佈後再進行塗佈的半導體晶圓(按實施例所得半導體晶圓);和在無擋片存在下進行腔體蝕刻和腔體塗佈後再進行塗佈的半導體晶圓(按比較例所得半導體晶圓)。在擋片存在下進行腔體蝕刻和腔體塗佈期間,係採用由碳化矽構成的擋片,且其在背面塗佈有LTO層。
對該等經塗佈之半導體晶圓進行後續之檢測,並發現以下結果:比較按比較例所得半導體晶圓之少數電荷載子的壽命(藉由μ-PCD方式所測得)平均較按實施例所得半導體晶圓縮短了23%與。
根據SEMT M43定義的方法測量並以臨界值T表示背面的奈米形貌,例如T=18奈米與T=55奈米相比,按實施例所得半導體晶圓要顯著優於按比較例所得半導體晶圓。其中,該測量係使用商購自ADE的Wafersight型儀器所進行的。臨界值T為計算所有FQA(固定品質區)之PV值(PV=峰至谷之值)分佈中之達3標準差(sigma)之PV值。正方形之測量區域之邊長為10毫米。
第1圖和第2圖顯示經塗佈的半導體晶圓背面在奈米形貌測量期間所測得的高度起伏。通過該等圖片之比較可辨別出經改進的奈米形貌。因此,尤其是,在按比較例所得之半導體晶圓背面的「銷環」在第1圖中係清晰可見,而在按實施例中所得之半導體晶圓背面上則不存在(第2圖)。
藉由商購自Rudolph的NSX型儀器檢測背面邊緣區域的缺陷。對應之缺陷影像(第3圖和第4圖)顯示按比較例所製得之半導體晶圓(第3圖)引發「滑移」的缺陷數量和密度係顯著高於按實施例所製得之半導體晶圓(第4圖)。
第5圖和第6圖的比較清楚揭示了本發明方法的另一優點。其二圖各已顯示沿經塗佈之半導體晶圓之直徑方向上的磊晶沉積層厚度的差異。按比較例所製得之半導體晶圓(第5圖)在邊緣處厚度顯著增加。而在按實施例所製得之半導體晶圓(第6圖)之情況下,邊緣處之厚度增加則顯著較小。
第1圖顯示按比較例所製得之經塗佈的半導體晶圓背面的高度起伏;
第2圖顯示按實施例所製得之經塗佈的半導體晶圓背面的高度起伏;
第3圖顯示按比較例所製得之半導體晶圓的背面邊緣區域中引發「滑移」的缺陷數量和密度;
第4圖顯示按實施例所製得之半導體晶圓的背面邊緣區域中引發「滑移」的缺陷數量和密度;
第5圖顯示沿按比較例所製得之經塗佈之半導體晶圓的直徑方向上之磊晶沉積層之厚度;以及
第6圖顯示沿按實施例所製得之經塗佈之半導體晶圓的直徑方向上磊晶沉積層之厚度。
Claims (3)
- 一種製造具有磊晶沉積層之由矽構成的半導體晶圓的方法,其包括:在一磊晶反應器的一基座上放置一擋片(dummy wafer),其中該擋片由矽組成、或者由矽或碳化矽構成並且在背面或者全部覆蓋有一氧化層;引導一含有氯化氫之蝕刻氣體通過該磊晶反應器,從而通過該蝕刻氣體的作用來移除該磊晶反應器內之表面上的殘留物;引導一第一沉積氣體通過該磊晶反應器,從而在該磊晶反應器內之表面上沉積矽;用一由矽構成的基材晶圓來替代該擋片;以及引導一第二沉積氣體通過該磊晶反應器,從而在該基材晶圓上沉積一磊晶層。
- 如請求項1所述之方法,其包括:在至少2至24個另外的基材晶圓上沉積一磊晶層,而在這期間沒有擋片放置於該基座上。
- 如請求項1或2所述之方法,其中該擋片係被重複使用。
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