TWI578400B - Silicon wafer heat treatment method - Google Patents
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Description
本發明關於一種矽晶圓的熱處理方法。
已知可藉由在非氧化性氛圍中對矽晶圓表面的表層缺陷(又稱為晶體原生粒子，Crystal Originated Particle，COP)進行熱處理，來消滅表層COP。在高溫熱處理的情況下，常使用碳化矽(SiC)治具，且熱處理過的單晶矽晶圓(以下簡稱為矽晶圓)的取出環境含有氧、碳氧化物，這些物質會成為矽晶圓的碳污染源。被碳污染的矽晶圓會在元件(device)步驟中形成缺陷而誘發漏電流等。另外，被污染的碳會變成碳施體(carbon donor)，產生元件的臨界電壓(threshold voltage，Vth)偏移，而成為元素作動不良的原因。
此處，作為矽晶圓的碳污染對策，專利文獻1揭露了一種於矽晶圓上形成氧化物層的技術。然而，雖然這種方法作為矽晶圓的碳污染對策是能期待有某種程度的效果，但因高溫氧化而從SiC治具滲出的碳量較高，此方法又非抑制來自於碳污染源的碳產生量本身的對策，因此只靠這個對策想要確實地抑制碳污染是有困難的。另外，由於在熱處理晶圓的表面上形成了厚的氧化膜，因此氧化膜的去除和研磨步
驟是必要的。進一步，由於在高溫下形成氧化膜而對晶圓表面植入了氧，表層部的未消滅缺陷會因氧的供給而使得缺陷尺寸變大，因而也成為電特性劣化的重要原因。
專利文獻1：日本特開2010-177442號公報
如上所述，氬氣晶圓熱處理，是以消滅表層缺陷(COP)作為目的，該熱處理受到來自於SiC治具和環境(晶圓的移載室)的碳污染(舉例而言，以二次離子質譜分析儀(Second ion mass spectroscopy，SIMS)所得的測定值計，受到碳濃度3~5×1016atoms/cm3的污染)。這樣的碳污染會對元件特性帶來不好的影響，因此應儘速改善碳污染。
本發明是鑑於上述問題點而完成，目的在於提供一種矽晶圓的熱處理方法，此熱處理方法能防止在熱處理步驟中的來自於治具和環境的碳污染。
為了解決上述問題，於本發明中提供一種矽晶圓的熱處理方法，其具有以下步驟：將矽晶圓載置於SiC治具上且放入熱處理爐內的步驟；於前述熱處理爐內在第一非氧化性氛圍中，對前述矽晶圓進行熱處理的步驟；降溫到能將前述矽晶圓從前述熱處理爐內搬出的溫度為止的步驟；及，將
前述矽晶圓從前述熱處理爐內搬出的步驟；並且，該矽晶圓的熱處理方法的特徵在於：於前述降溫步驟中，在降溫到前述能搬出的溫度後，將前述第一非氧化性氛圍切換成含氧氛圍，在前述含氧氛圍中，於前述SiC治具的表面上形成厚度1~10nm的氧化膜，之後再將前述含氧氛圍切換成第二非氧化性氛圍。
藉由利用這樣的熱處理方法，能防止來自於SiC治具本身的碳的排出。其結果，能防止矽晶圓的碳污染。
另外，可先將前述含氧氛圍設為第一含氧氛圍後，再設為第二含氧氛圍，該第二含氧氛圍的氧分壓低於前述第一含氧氛圍的氧分壓。
藉由設為像這樣的含氧氛圍，可使得形成於SiC治具上的氧化膜在切換成第二非氧化性氛圍時變得更不容易剝落。
另外，可將前述氧化膜的形成，設為是在前述第一含氧氛圍中、溫度800℃以下、時間5分鐘以下的熱處理條件下進行。
若是這樣的條件，可更正確地將形成於SiC治具的表面上的氧化膜的厚度控制在希望的範圍內。
若依據本發明的矽晶圓的熱處理方法，能防止來自於SiC治具本身的碳的排出。其結果，能防止矽晶圓的碳污染。藉此，能去除元件作動不良的原因。另外，由於沒有在矽晶圓的表面上形成厚的氧化膜，因此也不需要有氧化膜的
去除和研磨步驟。
第1圖是本發明的矽晶圓的熱處理方法的流程圖。
第2圖是表示本發明的矽晶圓的熱處理方法的溫度曲線的一例的圖表。
第3圖是表示SiO2、SiOx、及Si各自的溫度與蒸氣壓的關係的圖。
第4圖是表示實施例與比較例的碳濃度曲線的結果的圖。
第5圖是表示使用了形成有1nm或10nm的氧化膜之SiC治具時，從晶圓表面算起的深度與晶圓表層的碳濃度之間的關係的圖表。
第6圖是表示SiC治具表面的氧化膜厚度(nm)與在晶圓表面層中的碳濃度的最大值之間的關係的圖表。
以下，更詳細地說明本發明。
如上述般，正在謀求一種矽晶圓的熱處理方法，其能防止碳污染。
此處，本發明人考量了抑制來自於碳污染源的碳產生量本身的方法。其結果，想到SiC治具的使用及取出(移載室)環境會對熱處理晶圓表層的碳量帶來影響。
本發明人基於上述見解，想到以下技術特徵，而完成本發明：藉由將細緻的極薄氧化保護膜形成於SiC治具表面，能防止碳從SiC治具本身被排出，其結果，能防止矽晶
圓的碳污染。
以下，針對本發明的矽晶圓的熱處理方法，作為一實施態樣，一邊參照圖式一邊詳細地說明，但本發明並不限於此實施態樣。
第1圖是本發明的矽晶圓的熱處理方法的流程圖。第2圖是表示本發明的矽晶圓的熱處理方法的溫度曲線(temperature profile)的一例的圖表。
首先，如第1圖的步驟(a)所示，進行矽晶圓的熱處理前清洗之後，將矽晶圓載置於SiC治具上，並放入熱處理爐內。
此處，熱處理爐並未特別限定，舉例而言，可使用周知的批次式熱處理爐。作為放入矽晶圓之熱處理室，可舉出例如設有放入口且由石英管(quartz tube)所構成的熱處理室。放入時的爐內溫度較佳是600℃~800℃。
SiC治具是碳化矽製成的治具(boat，舟皿)。作為SiC治具，可舉例出SiC的燒結體、和以碳作為基底並在其表面覆蓋SiC者等。
接下來，如第1圖的步驟(b)所示，進行矽晶圓的熱處理。首先，在第一非氧化性氛圍中，進行熱處理爐的升溫。雖然升溫速度沒有特別限制，但較佳是例如3℃/分鐘~10℃/分鐘。升溫結束後，以一定的溫度進行保持。作為保持溫度，較佳是例如1100℃~1200℃；作為保持時間，較佳是1分鐘~1小時。藉由進行這樣的熱處理，可執行使矽晶圓表層的COP消滅等改質處理。
接下來，如第1圖的步驟(c)所示，持續在第一非氧化性氛圍中，將矽晶圓降溫到能從熱處理爐內搬出的溫度為止。雖然降溫速度沒有特別限制，但較佳是例如1℃/分鐘~5℃/分鐘。作為能搬出的溫度，較佳是例如600℃~800℃。
作為用於被設為第一非氧化性氛圍的氣體，可舉例出氫、氮、氬、氦、及從這些元素中選出之混合氛圍。作為第一非氧化性氛圍，特佳是100%的氬氛圍。
接下來，如第1圖的步驟(d)所示，在降溫到前述能搬出的溫度後，且將晶圓從石英管取出前，將第一非氧化性氛圍切換成含氧氛圍，在含氧氛圍中，於SiC治具的表面上形成厚度1~10nm的氧化膜。
氧化膜的形成，舉例而言，可依照下述的反應式進行。
SiC(s)+3/2O2(g)→SiO2(s)+CO(g)
藉由將形成於SiC治具的表面上的氧化膜的厚度設為1~10nm，能防止矽晶圓的碳污染。作為形成於SiC治具的表面上的氧化膜的厚度，特佳是2~8nm。若氧化膜的厚度未滿1nm，會因未於全體表面上形成氧化膜而有可能會在矽晶圓的表面產生碳污染(以SIMS所得的測定值是1×1016atoms/cm3以上的污染)。而若以使氧化膜的厚度超過10nm的方式進行熱處理，依據形成氧化膜時的「SiC+3/2O2→SiO2+CO」，會從SiC治具產生較多的CO(一氧化碳)氣體，而導致晶圓表面上的碳濃度增加。另外，矽晶圓的表面會形成有厚的氧化膜。繼而，若是在SiC治具的表面上形成這樣的厚
的氧化膜，在下一批的氬熱處理中，會產生微量的氧氣氣體，在矽晶圓的表面上會因為蝕刻作用引起表面粗糙，而引起會產生霧狀痕跡之問題。
另外，此時，先將含氧氛圍設為第一含氧氛圍後，如第1圖的步驟(e)所示，可再設為第二含氧氛圍，其中第二含氧氛圍的氧分壓低於第一含氧氛圍的氧分壓。此處，可將氧化膜的形成，設為是在第一含氧氛圍中、溫度800℃以下、時間5分鐘以下的熱處理條件下進行。之後，較佳是保持在第二含氧氛圍中、溫度800℃以下、時間10分鐘以下的熱處理條件下。
作為第一含氧氛圍，較佳是例如其氧濃度為50~100%，特佳是100%的氧氛圍。若是這樣的高分壓氧氣環境，可在短時間內於SiC治具表面上形成厚度1~10nm的細緻的極薄氧化保護膜。另外，藉由設為溫度800℃以下、時間5分鐘以下的熱處理條件，較佳是設為溫度600℃以上且800℃以下、時間0.3分鐘以上且5分鐘以下的熱處理條件，能在SiC治具表面上形成均勻的氧化膜，而能更正確地控制所形成的氧化膜的厚度。
作為第二含氧氛圍，舉例而言，較佳是N2(氮氣)與O2(氧氣)的混合氣體，且氧濃度是0.1~20%，更佳的是0.6%的氧氛圍。在第一含氧氛圍中進行極薄的氧化膜的形成之後，保持於溫度800℃以下、時間10分鐘以下的熱處理條件，較佳是於溫度600℃以上且800℃以下、時間1分鐘以上且10分鐘以下的熱處理條件；藉由保持在這樣的低分壓氧氣環
境，可防止形成於SiC治具表面上的極薄的氧化膜揮發，變得更不容易剝落，因而較佳。
如上述般，藉由在高分壓氧氣環境下，以短時間內於SiC治具表面上形成氧化膜，之後即使在低分壓氧氣的移載室中有氧、碳、及碳氧化物附著於SiC治具的表面，因為氧化膜的存在會使得這些物質變得難以與SiC治具起反應。另外，藉由提高氧氣分壓而引起鈍化氧化反應(passive oxidation)。此時，相較於自然的氧化膜(SiOx)，形成於SiC治具表面上的SiO2膜(二氧化矽膜)在下一批次的非氧化性氛圍(氬氛圍)中的熱處理步驟中，耐蝕性會變得更強。其結果，能防止來自於SiC治具本身的碳從氧化膜內排出。因此，能將矽晶圓的碳污染量控制在1×1016atoms/cm3以下。
第3圖是表示SiO2(二氧化矽)、SiOx(氧化矽)、及Si(矽)各自的溫度與蒸氣壓的關係的圖式。縱軸表示蒸氣壓的對數數值(logarithmic value，Torr)，橫軸表示溫度的倒數(1000/°K)。如第3圖所示，當溫度是定值時，由於SiO2的蒸氣壓比SiOx的蒸氣壓還低，因此不易蒸發；其結果，氧化膜(形成於SiC治具表面上的由SiO2所構成的細緻的極薄氧化保護膜)表面的耐蝕性變強。
另一方面，SiO2/SiC層的空隙的大小是0.2nm以上，擴散於SiO2/SiC層中的氧分子會與SiO2層的界面的Si原子、和與SiC層的界面的碳原子等結合而解離(dissociation)。被氧化的碳原子因為熱運動(thermal motion)而作為CO2(二氧化碳)分子和CO分子等從SiC層的界面脫離，且擴散於SiO2層中
(SiC(s)+3/2O2(g)→SiO2(s)+CO(g))。但是，若熱處理溫度是低溫(例如800℃以下)且以短時間供給氧的話，能抑制在SiO2/SiC界面擴散的氧量，而能降低在下一次的熱處理批次中的碳氧化物的產生。
進行了在步驟(e)的第二含氧氛圍中的保持後，如第1圖的步驟(f)所示，切換成第二非氧化性氛圍，且在第二非氧化氛圍中將矽晶圓從熱處理爐內搬出。作為用於被設為第二非氧化性氛圍的氣體，可舉例出與用於上述第一非氧化性氛圍相同的氣體。作為第二非氧化性氛圍，特佳是100%的氬氛圍。搬出時的溫度較佳是600℃~800℃。
像這樣，本發明的矽晶圓的熱處理方法，藉由將SiC治具的氧化膜的厚度控制在於下一批次的高溫的氬氛圍的熱處理中不會完全揮發掉的程度，在下一次的熱處理批次的高溫的氬氛圍的熱處理中，能防止碳從SiC治具本身被排出，進一步地，能防止因矽晶圓的表面粗糙而產生的霧狀痕跡。繼而，能防止在降溫步驟中對於矽晶圓的碳污染和氧化膜在晶圓表面較厚地形成等。此外，若要使用表面還未形成有氧化膜的新的SiC治具，可以藉由預先以仿真晶圓(dummy wafer)等的熱處理在SiC治具表面上形成1~10nm的厚度的氧化膜，能確實地防止在產品的矽晶圓的熱處理中的碳污染。若利用這樣的本發明的方法，相較於控制晶圓的氧化膜的厚度這樣的過去的熱處理方法，能夠更加地降低矽晶圓的碳污染。
以下，揭示實施例和比較例以更具體地說明本發
明，但本發明並不限定於這些例子。
準備了直徑300mm的氮摻雜P型矽晶圓(電阻係數(resistivity)：8~12Ωcm，氧濃度：15ppma(日本電子工業振興協會規格(Japan Electronic Industry Development Association，JEIDA))，氮濃度：5×1013atoms/cm3)。將此晶圓進行熱處理前清洗之後，載置於SiC治具上，以700℃放入熱處理爐內。升溫到1200℃，進行保持1小時的熱處理，然後降溫到700℃。升溫、保持、降溫全都是在100%氬氛圍中進行。之後從100%氬氛圍切換成100%氧氛圍且供給氧氣30秒，之後在0.6%氧氛圍中吹氣沖淨(purge)約10分鐘後再切換成100%氬氛圍，且在100%氬氛圍中取出晶圓。
藉此，於SiC治具上形成了約1.2nm的氧化膜。此時，晶圓表面上形成有均勻的氧化膜(約2nm)，並未發生霧狀痕跡。另外，此時，由於晶圓表面的氧化膜很薄，因此不需要如專利文獻1般的氧化膜去除步驟。
針對實施例和比較例進行了碳濃度分析；其中比較例中除了從晶圓的放入到搬出為止的步驟都是在氬氛圍中進行以外，其他都以與實施例相同的條件進行。第4圖是表示實施例與比較例的碳濃度曲線(表示以SIMS測定而得的晶圓表層的碳污染等級)的結果的圖式。第4圖的縱軸表示矽晶圓的表層的碳濃度(atoms/cm3)。橫軸表示從晶圓表面算起的深度(μ
m)。
於比較例(過去的退火晶圓)中，在碳濃度最高之處偵測到4×1016atoms/cm3的碳，相對於此，於實施例(進行了短時間氧氛圍處理後的矽晶圓)中，碳大幅減少到幾乎是偵測界限(7×1015atoms/cm3)以下。這被認為是因為，在氬氛圍的熱處理中，碳從SiC治具向外擴散至氛圍中的情況得以被抑制的關係。
另外，於實施例的條件中，設定切換成氧氛圍的時間而使形成於SiC治具表面上的氧化膜的厚度改變，如第5圖、第6圖所示般，以SIMS測定下一次的熱處理批次的晶圓表面的碳污染量。
第5圖是表示使用了形成有1nm或10nm的氧化膜之SiC治具時，從晶圓表面算起的深度與晶圓表層的碳濃度之間的關係的圖表。第5圖的縱軸表示矽晶圓的表層的碳濃度(atoms/cm3)，橫軸表示從晶圓表面算起的深度(μm)。第6圖是表示SiC治具表面的氧化膜厚度(nm)與在晶圓表面層中的碳濃度(atoms/cm3)的最大值之間的關係的圖表。第6圖的縱軸表示在晶圓表面層中的碳濃度(atoms/cm3)的最大值，橫軸表示SiC治具表面的氧化膜的厚度(nm)。
如第5圖所示，若氧化膜的厚度是1~10nm，就能防止碳污染。如第6圖所示，若氧化膜薄於1nm，由於沒有全面性地形成細緻的氧化膜，因此在晶圓表面產生了1×1016atoms/cm3以上的碳污染。另一方面，若是在氧化膜厚於10nm的情況下，也確認到了1×1016atoms/cm3以上的碳污染。
此外，本發明並不限定於上述實施型態。上述實施
型態僅為例示，只要實質上具有與本發明的申請專利範圍中所載的技術思想相同的構成，並能達到同樣作用效果者，都被包含於本發明的技術範圍中。
Claims (3)
- 一種矽晶圓的熱處理方法，其具有以下步驟：將矽晶圓載置於碳化矽治具上且放入熱處理爐內的步驟；於前述熱處理爐內，在第一非氧化性氛圍中，對前述矽晶圓進行熱處理的步驟；降溫到能將前述矽晶圓從前述熱處理爐內搬出的溫度為止的步驟；及，將前述矽晶圓從前述熱處理爐內搬出的步驟；並且，該矽晶圓的熱處理方法的特徵在於：於前述降溫步驟中，在降溫到前述能搬出的溫度後，將前述第一非氧化性氛圍切換成含氧氛圍，在前述含氧氛圍中，於前述碳化矽治具的表面上形成厚度1~10nm的氧化膜，之後再將前述含氧氛圍切換成第二非氧化性氛圍。
- 如請求項1所述的矽晶圓的熱處理方法，其中，先將前述含氧氛圍設為第一含氧氛圍後，再設為第二含氧氛圍，該第二含氧氛圍的氧分壓低於前述第一含氧氛圍的氧分壓。
- 如請求項2所述的矽晶圓的熱處理方法，其中，將前述氧化膜的形成，設為是在前述第一含氧氛圍中、溫度800℃以下、時間5分鐘以下的熱處理條件下進行。
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