矽晶片的熱處理方法

2023-10-05 23:55:19 2

專利名稱：矽晶片的熱處理方法
矽晶片的熱處理方法技術區域本發明涉及對從利用佐克拉斯基法培養的矽單晶錠切割的矽晶片進行熱處理的矽晶片的熱處理方法。
背景技術：
隨著近年來的半導體器件的高集成化，對用作其基板的矽晶片的品質要求趨於嚴格。特別地強烈要求矽晶片的器件活性區域中的原生微缺陷(Grown-in欠陷Grown-in Defect)的降低化。作為降低這樣的原生微缺陷的方法，通常已知有對矽晶片實施高溫的熱處理的技術。作為一個實例，已知有如下技術(例如專利文獻1):在氫和/或惰性氣體氣氛下在1000°C以上1350°C以下的溫度下進行50小時以下的熱處理之後，在800°C以上1350°C 以下的溫度範圍內進行50小時以下的氧化熱處理。另外，已知有以下技術(例如專利文獻2)通過對單晶矽晶片在非氧化性氣氛下進行一分鐘以上1100 1300°C溫度的熱處理，不冷卻至低於700°C的溫度，連續在氧化性氣氛下進行一分鐘以上700 1300°C溫度的熱處理，製備在表面上形成矽氧化膜的單晶矽
曰曰/To另外，在近年，作為以高生產性且簡單地製備晶片表層部極低缺陷的矽晶片的技術，已知有對矽晶片實施急速加熱·急速冷卻熱處理(RTP =Rapid Thermal Process)的技術。作為一個實例，已知有以下技術(例如專利文獻3)使用從氧濃度為11 17X1017atoms/cm3(ASTMF121-79)的單晶矽採集的基板用素材，在含有90%以上氮的氣氛中升溫，在1100 1280°C下實施0 600秒的加熱之後，變更為含有10%以上氧的氣氛， 以100 25°C /秒的冷卻速度降溫。作為其他的一個實例，已知有以下技術(例如專利文獻4)以規定的第1溫度上升率急速地使RTP裝置內的溫度升高至第1溫度(例如1120°C 1180°C )為止，在第1溫度維持一定時間，接著，以規定的第1溫度下降率急速地降低至第2溫度(例如800°C )為止，在第2溫度下維持一定時間之後，以規定的第2溫度上升率急速地使其升高至高於第1 溫度的第3溫度(例如1200°C 1230°C )為止，在第3溫度下維持一定時間。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開平11-260667號公報專利文獻2 日本特開2001-144275號公報專利文獻3 日本特開2003-115491號公報專利文獻4 日本特開2005-86195號公報

發明內容
發明需要解決的課題然而，就專利文獻1、2所述的熱處理技術而言，由於熱處理時間是長時間，因此因為存在生產性差並且熱處理時容易發生滑移(7 U 7 Slip)的問題而不優選。另外，就專利文獻3所述的熱處理技術而言，由於在含90%以上氮的氣氛中進行， 因此在矽晶片的表面上形成氮化膜，為了除去其氮化膜，不得不增加新的蝕刻工序等，由於增加了製造工序而不優選。另外，專利文獻4所述的熱處理技術的目的在於矽晶片的表面附近區域存在的氧析出物的核心的除去、矽晶片的塊體區域存在的氧析出物的核形成的加速化及其成長，在矽晶片的器件活性區域中的原生微缺陷的降低存在限制。本發明是鑑於以上所述情況而完成的，目的在於提供矽晶片的熱處理方法，該方法能夠在抑制急速加熱·急速冷卻熱處理時的滑移的發生的同時，使原生微缺陷的降低能力提高，並且，還能夠在急速加熱·急速冷卻熱處理之後改善所得到的矽晶片的表面粗糙度。解決課題的方法本發明的矽晶片的熱處理方法的特徵在於，具有第1熱處理工序，其中，對於從利用佐克拉斯基法培養的矽單晶錠切割的矽晶片，在惰性氣體氣氛中以第1升溫速度急速升溫至1300°c以上矽的融點以下的第1溫度為止，在保持所述第1溫度之後，以第1降溫速度急速降溫至400°C以上800°C以下的第2溫度為止；以及第2熱處理工序，其中，在所述第1熱處理工序之後，從所述惰性氣體氣氛轉換為含有20vol. %以上100vol. %以下的氧氣的含氧氣氛之後，以第2升溫速度從所述第2溫度急速升溫至1250°C以上矽的融點以下的第3溫度為止，於所述第3溫度保持之後，以第2降溫速度從所述第3溫度急速降溫。上述第1溫度優選為1300°C以上1380°C以下，上述第3溫度優選為1250°C以上 1380°C 以下。發明效果根據本發明，能夠提供矽晶片的熱處理方法，該方法能夠在抑制急速加熱·急速冷卻熱處理時的滑移的發生的同時，使原生微缺陷的降低能力提高，並且，能夠在急速加熱·急速冷卻熱處理之後改善所得到的矽晶片的表面粗糙度。因此，實施了本發明的熱處理的矽晶片能夠大大有助於器件加工中生產率的提
尚ο


[圖1]是概略表示在本發明的矽晶片的熱處理方法中使用的RTP裝置的一個實例的截面圖。[圖2]是表示適用本發明的矽晶片的熱處理方法的急速加熱 急速冷卻熱處理的熱處理順序的概念圖。[圖3]是用於說明降低本發明的LSTD密度的機理的概念圖。[圖4]是試驗3的各條件中的微粗糙度的結果圖。[圖5]是表示試驗5中的急速加熱 急速冷卻熱處理之後的各條件下的總滑移長度的發生狀況的結果圖。[圖6]是表示試驗6中的急速加熱 急速冷卻熱處理之後的各條件下的總滑移長度的發生狀況的結果圖。
具體實施例方式下面參照附圖對本發明的優選實施方式進行說明。圖1是概略表示在本發明的矽晶片的熱處理方法的RTP裝置中使用的一個實例的截面圖。如圖1所示，在本發明的矽晶片的熱處理方法中使用的RTP裝置10具有具有氣氛氣體導入口 20a以及氣氛氣體排出口 20b的反應管20、在反應管20的上部間隔配置的多個燈30和在反應管20內的反應空間25中支持晶片W的晶片支持部40。晶片支持部40 具有支持晶片W的外周部的環狀基座40a和支持基座40a的載物臺40b。反應管20例如可以由石英構成。燈30例如可以由滷素燈構成。基座40a例如可以由矽構成。載物臺40b 例如可以由石英構成。使用圖1所示的RTP裝置10對晶片W進行RTP的情況如下進行從設置於反應管 20的未圖示的晶片導入口將晶片W導入反應空間25內，將晶片W支持在晶片支持部40的基座40a上，在從氣氛氣體導入口 20a導入後述的氣氛氣體的同時，一邊通過未圖示的旋轉裝置使晶片W旋轉，一邊通過利用燈30對晶片W表面進行燈照射。需要說明的是，該RTP 裝置10中的反應空間25內的溫度控制利用埋入晶片支持部40的載物臺40b的多個輻射溫度計50測定晶片W的下部的晶片直徑方向的晶片面內多點(例如9個點)的平均溫度， 根據該測定的溫度進行多個滷素燈30的控制(各燈的單獨開-關(ON-OFF)控制或發光的光發光強度的控制等)。接著，參照附圖對本發明的矽晶片的熱處理方法進行說明。本發明的矽晶片的熱處理方法是對從通過佐克拉斯基法培養的矽單晶錠切割的矽晶片，通過規定的製造條件進行RTP。採用佐克拉斯基法的矽單晶錠的培養使用公知的方法來進行。S卩，將填充於石英坩堝的多晶矽加熱形成矽熔液，從該矽熔液的液面上方使晶種接觸，使晶種與石英坩堝一邊旋轉一邊拉伸，通過擴徑至所希望的直徑為止來培養直胴部 (直胴部straight cylindrical portion)來製造矽單晶錠。這樣得到的矽單晶錠可以利用公知的方法加工成矽晶片。S卩，利用內徑刀片(內周刃)或鋼絲鋸等將矽單晶錠切割為晶片狀之後，經過外周部的倒角(面取D )、拋光、蝕刻、研磨等的加工工序，製造矽晶片。需要說明的是，此處記載的加工工序為例示，本發明並不限定為僅該加工工序。接著，對製造的矽晶片在規定的製造條件下進行RTP。圖2是表示適用於本發明的矽晶片的熱處理方法的RTP的熱處理順序的概念圖。適用於本發明的矽晶片的熱處理方法的RTP中的熱處理順序包括第1熱處理工序，其中，在所希望的溫度Ttl(例如500°C )保持的如圖1所示的RTP裝置10的反應管20 內設置所述製造的矽晶片，在第1氣體氣氛中以第1升溫速度Δ Tu1急速升溫至第1溫度T1 為止，在保持所述第1溫度T1規定時間、之後，以第1降溫速度ATd1急速降溫至第2溫度T2為止，保持第2溫度T2 ；以及第2熱處理工序，其中，是在該第1熱處理工序之後，在所述第2溫度T2下從所述第1氣體氣氛轉換為第2氣體氣氛，並且，在保持第2溫度T2之後， 以第2升溫速度Δ Tu2從第2溫度T2急速升溫至第3溫度T3為止，在保持第3溫度T3規定時間t2之後，以第2降溫速度Δ Td2從第3溫度T3急速降溫。於所述第2溫度T2的保持進行規定時間t3。上述第1熱處理工序中的第1氣體氣氛優選為惰性氣體。在使用氮氣作為上述第1氣體氣氛的時候，在RTP時由於矽晶片的表面上形成氮化膜而不優選。另外，在使用氫氣作為上述第1氣體氣氛的時候，在後述的氣體氣氛的轉換時，由於有與第2氣體氣氛所含的氧氣混合的可能性、有爆炸的危險性而不優選。作為上述惰性氣體更優選不含其他氣體的氣體氣氛(惰性氣體100% )。例如，在上述惰性氣體氣氛中不含氧的時候，在第1熱處理工序中，由於矽晶片表面的氧濃度增加，因此在該表面上存在的COP的內壁上形成的內壁氧化膜所含的氧難以溶解於矽晶片內，所以難以使矽晶片表面的原生微缺陷的降低能力提高。在上述惰性氣體氣氛中優選使用氬氣。第1溫度T1優選為1300°C以上矽的融點以下。需要說明的是，在此所謂的第1溫度T1是指在如圖1所示的RTP裝置10內設置晶片W的情況下晶片W的下部的晶片直徑方向中的晶片面內多點(本實施方式中為9個點)的平均溫度。在上述第1溫度T1低於1300°C的時候，難以使RTP中的原生微缺陷的降低能力提
尚ο從裝置壽命的觀點出發，上述第1溫度T1更優選為1300°C以上1380°C以下。第2溫度T2優選為400°C以上800°C以下。在此所謂的第2溫度T2與第1溫度T1同樣是指在如圖1所示的RTP裝置10內設置晶片W的情況下，晶片W的下部的晶片直徑方向中的晶片面內多點(本實施方式中為9 點)的平均溫度。在上述第2溫度T2低於400°C的時候，作為RTP的生產性惡化，因而不優選。在上述第2溫度T2超過800°C的時候，矽晶片的表面粗糙度增大而不優選。上述第2熱處理工序中的第2氣體氣氛優選使用含有20vol. %以上100vol. %以下的氧氣的含氧氣氛。需要說明的是，在此所謂的「含有vol. 使用圖1進行說明是指向反應管20內供給時的含氧氣氛中所含的氧氣的含有率(vol. % )。在上述氧氣的含有率低於20vol. %的時候，難以使RTP中的原生微缺陷的降低能力提高。上述含氧氣氛中所含的氧氣以外的氣體優選為惰性氣體。另外，所述惰性氣體可以優選使用氬氣。由上述第1氣體氣氛轉換為上述第2氣體氣氛的時間優選在上述第2溫度T2進行。即，如果在超過800°C的溫度下進行上述氣體的轉換，則存在矽晶片的表面粗糙度增大的問題，因而不優選。需要說明的是，如果在800°C以下進行上述氣體的轉換，則可以在第1熱處理工序中的降溫時進行或者還可以在第2熱處理工序中的升溫時進行。需要說明的是，上述氣體的轉換即使是在800°C以下，在第1熱處理工序的升溫時或在第2熱處理工序的降溫時進行的時候，也難以使原生微缺陷的降低能力提高(由於在前者的情況下矽晶片表面的氧濃度增加，在後者的情況下導入的間隙矽(以下稱為i-Si)少)。第3溫度T3優選為1250°C以上矽的融點以下。需要說明的是，在此所謂的第3溫度T3與第1溫度T1同樣是指在如圖1所示的RTP 裝置10內設置的晶片W的情況下，晶片W的下部的晶片直徑方向中的晶片面內多點(本實施方式中為9個點)的平均溫度。在上述第3溫度T3低於1250°C的時候難以使RTP中的原生微缺陷的降低能力提
尚ο從裝置壽命的觀點出發，上述第3溫度T3更優選為1300°C以上1380°C以下。接著，對本發明的LSTD密度降低的機理使用圖3進行考察。在第1熱處理工序中，如在惰性氣體氣氛中進行RTP，則矽晶片的表面的氧在向外部擴散的同時，在1300°C以上矽的融點以下的高溫下，COP的內壁氧化膜所含的氧溶解於矽晶片內部(圖3(a))。在該狀態下，在第2熱處理工序中，通過將氣氛氣體轉換為含有20vol. %以上100vol. %以下的氧氣的含氧氣氛，氧急劇固溶於矽晶片內，並且大量導入i-Si (圖3(b))。通過該i-Si埋入除去所述內壁氧化膜的COP內而COP消失，即形成 DZ(Denuted Zone)層(圖 3(c))。需要說明的是，在所形成的DZ層中，形成上述固溶氧(Oi)殘留的狀態(圖3 (c))。 因而，由於在上述DZ層中的固溶氧濃度增高，在RTP後的熱處理(例如器件工序中的熱處理)中，由於從晶片背面等發生的位錯(転位dislocation)被上述固溶氧束縛，能夠抑制位錯的伸張。另外，上述DZ層由於通過i-Si的導入而成為間隙矽過度飽和的狀態，所以在RTP 後的熱處理(例如器件工序的熱處理)中能夠防止在上述DZ層內再次析出固溶氧。第1升溫速度ATu1優選為10°C /sec以上150°C /sec以下。在上述第1升溫速度ATu1低於10°C /sec的時候，存在生產性差的問題。另外， 上述第1升溫速度超過150°C /sec的時候，存在著在不能耐受過於急劇的溫度變化而在矽晶片上發生滑移的問題。保持第1溫度T1的時間、優選為Isec以上60sec以下。據此，能夠實現生產性高的RTP。第1降溫速度Δ Td1優選為20°C /sec以上150°C /sec以下。在第1降溫速度ATd1低於20°C /sec的時候，難以使RTP中的原生微缺陷的降低能力提高。在第1降溫速度ATd1超過150°C /sec的時候，存在著在不能耐受過於急劇的溫度變化而在矽晶片上發生滑移的問題。保持第2溫度T2的時間t3優選為Isec以上60sec以下。據此，能夠實現生產性高的RTP。第2升溫速度Δ Tu2優選為20°C /sec以上150°C /sec以下。在所述第2升溫速度Δ Tu2低於20°C /sec的時候，難以使RTP中的原生微缺陷的降低能力提高。另外，在所述第2升溫速度Δ Tu2超過150°C/sec的時候，存在著在不能耐受過於急劇的溫度變化而在矽晶片上發生滑移的問題。
保持第3溫度T3的時間t2優選為Isec以上60sec以下。據此，能夠實現生產性高的RTP。第2降溫速度Δ Td2優選為10°C /sec以上150°C /sec以下。在第2降溫速度ATd2低於10°C/sec的時候，存在著生產性差的問題。在第2降溫速度ATd2超過150°C /sec的時候，存在著在不能耐受急劇的溫度變化而在矽晶片上發生滑移的問題。實施例接著，通過實施例對本發明的效果進行具體說明，但本發明並不被下述實施例所限定。(試驗1)通過佐克拉斯基法製備P型、結晶面方位(001)、固溶氧濃度
1. 2X 1018atoms/ cm (根據1970-1979年度版OldASTM的換算係數的計算值)、電阻23 25 Ω /cm的矽單晶
Iio此時，進行投入以氮化矽膜被膜的矽晶片的氮摻雜處理，在調整拉伸速度為平均1.2mm/min的同時，以在培養單晶矽時不產生位錯簇(転位夕7 ^ ^ dislocation cluster)的方式，通過控制拉伸速度V和1300°C下的結晶軸方向的溫度梯度G，邊控制V/G 邊進行拉伸。接著，通過鋼絲鋸將得到的矽單晶錠切斷為晶片狀，實施倒角、拋光、蝕刻、研磨， 製備兩面研磨的直徑為300mm的矽晶片。接著，使用如圖1所示的RTP裝置10，以如圖2所示的熱處理順序分別變更第1溫度1\以及第3溫度T3，進行上述製備的矽晶片的RTP。其他的共同條件如下所述。·第1氣體氣氛氬100vol. %·第2氣體氣氛氧100vol. %· T0 500 "C· T2 600 "C· ATu1 :50°C /sec『 ATd1 :50°C /sec· ATu2 :25°C /sec· ATd2 :25°C/sec· ti :15sec· t2 :15sec· t3 :15sec接著，對進行了 RTP的矽晶片測定LSTD密度。LSTD密度使用日本raytex公司制 M0601，將雷射波長調整至680nm、進入深度為5 μ m進行測定。另外對沒有進行RTP的研磨後的矽晶片的LSTD密度也進行測定，將此作為參考例。並且，對進行了 RTP的矽晶片評價總滑移長度。該評價用X射線局部圖像(X線卜求m人X-ray topography)(日本rigaku公司制XRT300、004衍射)測定晶片整體，測定晶片整體中確認的多個滑移的每一個的長度，將所有的滑移長度的合計值作為總滑移長度進行評價。試驗1的各條件下的LSTD密度的結果圖示於表1。表 權利要求
1.矽晶片的熱處理方法，其特徵在於，具有第1熱處理工序，其中，對於從利用佐克拉斯基法培養的矽單晶錠切割的矽晶片，在惰性氣體氣氛中以第1升溫速度急速升溫至1300°c以上矽的融點以下的第1溫度為止，在保持所述第1溫度之後，以第1降溫速度急速降溫至400°C以上800°C以下的第2溫度為止；第2熱處理工序，其中，在所述第1熱處理工序之後，從所述惰性氣體氣氛轉換為含有 20vol. %以上100vol. %以下的氧氣的含氧氣氛之後，以第2升溫速度從所述第2溫度急速升溫至1250°C以上矽的融點以下的第3溫度為止，於所述第3溫度保持之後，以第2降溫速度從所述第3溫度急速降溫。
2.權利要求1的矽晶片的熱處理方法，其特徵在於，所述第1溫度為1300°C以上 1380°C以下，所述第3溫度為1250°C以上1380°C以下。
全文摘要
本發明提供矽晶片的熱處理方法，該方法能夠在抑制RTP時的滑移發生的同時，使原生微缺陷的降低能力提高，並且，在RTP之後，能夠改善所得到的矽晶片的表面粗糙度。對矽晶片，在惰性氣體氣氛中，以第1升溫速度急速升溫至1300℃以上矽的融點以下的第1溫度T1為止，在保持第1溫度T1之後，以第1降溫速度急速降溫至400℃以上800℃以下的第2溫度T2為止，接著，從惰性氣體氣氛轉換為含有20vol.％以上100vol.％以下的氧氣的含氧氣氛之後，以第2升溫速度從第2溫度T2急速升溫至1250℃以上矽的融點以下的第3溫度T3為止，於第3溫度T3保持之後，以第2降溫速度從第3溫度T3急速降溫。
文檔編號H01L21/26GK102473614SQ20108003382
公開日2012年5月23日 申請日期2010年5月17日 優先權日2009年7月27日
發明者豐田英二, 仙田剛士, 前田進, 村山久美子, 泉妻宏治, 磯貝宏道, 荒木浩司, 青木龍彥, 須藤治生, 鹿島一日兒 申請人:科發倫材料株式會社