矽晶片及矽晶片的熱處理方法

2023-10-05 23:54:59

專利名稱：矽晶片及矽晶片的熱處理方法
技術領域：
本發明涉及適合用作半導體設備形成用基板的矽晶片(以下也簡稱晶片)及對由通過佐克拉斯基法(以下稱CZ法)培養的矽單晶錠切片得到的矽晶片進行熱處理的矽晶片的熱處理方法。
背景技術：
近年來半導體設備的高集成度化和設計規則的超精細化不斷提高，因此在用作其基板的矽晶片中也要求形成設備活性區域的晶片的表面附近(特別是距晶片表面深至 5 μ m的區域以下也稱表面部)不存在COP (Crystal Originated Particle晶體原生顆粒) 等空洞缺陷(# ^ K欠陷oid defect)。通常，將通過CZ法培養的矽單晶錠切片，經鏡面研磨狀態的矽晶片存在COP等空洞缺陷，對於這些矽晶片，可通過使用立式熱處理爐等，例如在Ar氣氛下於1100°C以上溫度進行30分以上熱處理，來消除設備活性區域的COP等空洞缺陷(例如專利文獻1)。另外，不存在這樣的空洞缺陷的矽晶片例如可通過在採用CZ法培養矽單晶錠時控制V/G(V 提晶速度，G 溫度梯度)，全面提拉具有無缺陷區域的矽單晶錠，將其切片來製備(例如專利文獻2)。但是，專利文獻2記載的方法存在因V/G的輕微波動而產生空洞缺陷的情況，其控制非常難。此外，當控制V/G提拉無缺陷區域時，通常有必要將提晶速度V控制為低速，所以使矽單晶培養的生產能力降低。因此，也提出了如下方法培養提晶速度V可高速化的、空孔型點缺陷具有優勢區域(以下稱V-豐富區域)的矽單晶錠，對於將該單晶錠切片製備的矽晶片，在經過通過HF 處理除去存在於晶片表面部的空洞缺陷的內壁氧化膜的內壁氧化膜除去工序後，對該矽晶片進行急速加熱·急速冷卻熱處理(Rapid Thermal Process快速熱處理；以下也稱RTP)， 使得製作有設備的晶片表面部為無缺陷層(例如專利文獻3)。另一方面，在比晶片表面部更深的區域(特別是距晶片表面深度大於5μπι的區域以下稱晶片主體部)高密度地存在BMD (Bulk Micro Defect主體微缺陷)的矽晶片具備針對設備加工中混入的金屬雜質等的除雜能力。因此，也提出了為了在晶片主體部殘留過剩的空孔，形成氧析出核，而例如在氮或惰性氣氛下進行RTP，控制冷卻速度的方法(例如專利文獻4、5)。另外，已知在進行RTP時使用氧氣氛形成對應於所規定的無缺陷區域深度的所規定的氧化膜的方法(例如專利文獻6)和向矽晶片的表面一側供給以氬為主的氣體、向背面一側供給以氮為主的氣體進行RTP的方法(例如專利文獻7)等。作為實施這樣的RTP所需的裝置，例如具備收納基板的腔、設置於上述腔內的具有支持基板邊緣部的環形框架的基板支持部、加熱上述基板的加熱部和改性用氣體供給部的裝置是有效的，所述改性用氣體供給部在上述基板支持部支持基板時，向實質上封閉的封閉空間內供給含有分子中含氧原子的第1氣體和作為稀釋氣體的第2氣體的改性用氣體，所述封閉空間形成於該基板中形成半導體裝置的面的背面一側(例如專利文獻8)。在先技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2006-4983號公報專利文獻2 日本特開平8-330316號公報專利文獻3 日本特開2005-123241號公報專利文獻4 日本特表2007-534579號公報專利文獻5 日本特表2005-522879號公報專利文獻6 日本特開2000-91259號公報專利文獻7 日本特開2001-308101號公報專利文獻8 日本特開2003-77851號公報

發明內容
發明所要解決的課題但是，專利文獻1中記載的熱處理方法由於熱處理時間長，所以生產能力差，另外由於長時間的熱處理，所以氧從晶片表面向外擴散，導致設備活性區域的固溶氧濃度大幅降低，因此難以抑制因在設備加工中產生的損傷或應力的施加而產生的錯位擴張。另外，根據上述專利文獻3記載的方法，雖然可在形成設備活性區域的晶片表面部形成無缺陷層，但在專利文獻3中關於比上述晶片表面部更深的晶片主體部的空洞缺陷的消除等並無任何記載，沒有考慮。另外，根據上述專利文獻4、5記載的方法，雖然可實現晶片主體部的氧析出核形成的均一化，但在上述專利文獻4、5中關於比上述晶片表面部更深的晶片主體部的空洞缺陷的消除等也無任何記載，沒有考慮。如圖6所示，空洞缺陷通常由以八面體為基本形狀的多面體構成，其內部存在內壁氧化膜。若這樣的空洞缺陷大量存在於晶片主體部，則存在空洞缺陷本身成為設備加工的汙染源的可能性。此外，上述空洞缺陷由於具有八面體形狀，所以應力集中於其尖銳的角部3，具有易產生滑移(^ U ^ Slip)等的性質。作為應對上述空洞缺陷成為汙染源的對策，如專利文獻4、5所述，也考慮在晶片主體部高密度地形成BMD，但為形成BMD，需要晶片主體部存在大量空孔、氧濃度高等一定的條件，若從製備觀點考慮，則受到制約。此外，當高密度地形成BMD時，存在該BMD成為滑移的產生源的可能性，故不優選。另外，專利文獻6中記載的熱處理方法由於氣氛中的氧向晶片表面內擴散，所以設備活性區域的晶片極表面上的固溶氧濃度增加。因此，存在因在此晶片極表面上空洞缺陷的內壁氧化膜難以溶解而導致空洞缺陷未被消除而殘存的情況。在此情況下，存在為在該RTP後除去晶片極表面而需要再次進行鏡面研磨，所以生產能力降低的問題。另一方面，專利文獻7中記載的熱處理方法由於使用以氬為主的氣體，所以設備活性區域的晶片極表面的固溶氧濃度未增加。因此，在此情況下由於空洞缺陷的內壁氧化膜易溶解，所以可消除該晶片極表面的空洞缺陷。但是，由於氬氣與氧氣氛相比為了消除內壁氧化膜溶解了的空洞缺陷所需的間隙矽(格子間〉V 二 ^ interstitial Si)(以下稱 i-Si)的生成量少，所以存在可通過作為以秒為單位的短時間熱處理的RTP來消除該空洞缺陷的區域僅形成設備活性區域的晶片極表面的情況，在比該晶片極表面更下層的設備活性區域中(以下稱表層部)，存在空洞缺陷的消除能力降低，導致空洞缺陷未被消除而殘存的情況。在此情況下，存在設備加工中的成品率降低的問題。需要說明的是，當採用如專利文獻8所述的RTP裝置時，矽晶片例如在由SiC等構成的基座上將其背面的外周部(距晶片外周端約1 2mm的區域)保持為環狀。此時，經保持的晶片在RTP中，由於重力及熱膨脹的影響，晶片中心部彎曲成碗狀，發生彈性變形(圖 11)。在這樣的情況下，晶片的自重應力集中於保持晶片W背面外周部的環狀基座7內周一側端部7a，特別是在1000°C以上的溫度帶內存在易向晶片內導入滑移的問題。為抑制這種滑移的形成，需要降低晶片的彎曲量，有效分散自重應力。作為其中的一種方法，考慮使用可由整個晶片背面保持的基座的方法，但在這樣的情況下存在晶片與基座的接觸痕跡出現於整個晶片背面的問題。這樣的接觸痕跡存在具有Iym左右的高低差的情況，成為使形成有半導體設備的晶片表面一側的局部平滑性惡化的主要原因，故不優選。本發明鑑於上述情況而實施，其目的在於提供抑制存在於晶片主體部的空洞缺陷在設備加工中成為汙染源，而且也抑制其成為滑移發生源的矽晶片。另外，本發明的目的還在於提供即使在採用作為以秒為單位的熱處理的急速加熱·急速冷卻熱處理時，也可在設備活性區域的極表面和表層部區域大幅減少空洞缺陷的矽晶片的熱處理方法。此外，本發明的目的在於提供在對矽晶片進行急速加熱·急速冷卻熱處理時，即使採用將矽晶片背面的外周部呈環狀地保持的基座，仍可有效抑制滑移的產生，並且可在形成設備活性區域的晶片表面附近減少COP等結晶缺陷的矽晶片的熱處理方法。解決課題的手段本發明的矽晶片的特徵在於晶片表面部為不存在空洞缺陷的無缺陷區域，比晶片表面部更深的晶片主體部由以八面體為基本形狀的多面體構成，上述多面體的角部為曲面狀，並且存在內壁氧化膜被除去的空洞缺陷。若使用這樣的矽晶片，則可抑制存在於晶片主體部的空洞缺陷在設備加工中成為汙染源，而且也可抑制其成為滑移的產生源。上述空洞缺陷優選為全部上述多面體的角部形成曲面狀的球體或橢圓體。若使用這樣的矽晶片，則可確實抑制存在於晶片主體部的空洞缺陷成為滑移的產生源。另外，本發明矽晶片的第1實施方式的熱處理方法為對通過CZ法製備的矽晶片進行急速加熱·急速冷卻熱處理的矽晶片的熱處理方法，其特徵在於向上述矽晶片的形成半導體設備的表面一側所毗鄰的第1空間內供給惰性氣體，向上述矽晶片的背面一側所毗鄰的第2空間內供給氧化性氣體，於1300°C以上且1400°C以下的最高到達溫度下進行RTP。上述氧化性氣體的氧分壓優選為20%以上且100%以下。上述RTP後的矽晶片背面一側形成的氧化膜厚度優選為15nm以上。此外，本發明矽晶片的第2實施方式的熱處理方法為對通過CZ法製備的矽晶片進行急速加熱·急速冷卻熱處理的矽晶片的熱處理方法，其特徵在於具備將上述矽晶片急速加熱至最高到達溫度的第1步驟，於上述最高到達溫度下保持所規定時間的第2步驟，和從上述最高到達溫度急速冷卻的第3步驟，至少在以下條件下進行上述第1步驟向上述矽晶片的形成半導體設備的表面一側所毗鄰的第1空間內供給惰性氣體，向上述矽晶片的背面一側所毗鄰的第2空間內供給氧化性氣體，且與上述第1空間內的內壓相比，上述第2空間內的內壓為負壓。通過採用這樣的方法，即使在對矽晶片進行RTP時採用將矽晶片背面的外周部呈環狀地保持的基座，仍可有效抑制滑移的產生，並且可在形成設備活性區域的晶片表面附近減少COP等結晶缺陷。上述負壓優選為-500 以下。通過設定這樣的負壓範圍，可更顯著地有效抑制滑移的產生，並且可在形成設備活性區域的晶片表面附近減少COP等結晶缺陷。上述第1空間與上述第2空間優選在空間上相連接。通過採用具備這樣的構成的 RTP裝置，在上述條件下進行RTP，可更有效的抑制滑移的產生。發明的效果根據本發明，可提供如下矽晶片抑制存在於晶片主體部的空洞缺陷在設備加工中成為汙染源，而且可抑制其成為滑移發生源。因此，本發明矽晶片可極大地有助於設備加工中的成品率的提高。另外，根據本發明矽晶片的第1實施方式的熱處理方法，可提供如下矽晶片的熱處理方法即使在採用作為以秒為單位的熱處理的RTP時，仍可在設備活性區域的晶片極表面和表層部區域大幅減少空洞缺陷。因此，實施過本發明第1實施方式的熱處理的矽晶片可極大地有助於設備加工中的成品率的提高。此外，根據本發明矽晶片的第2實施方式的熱處理方法，可提供如下矽晶片的熱處理方法即使在對矽晶片進行RTP時採用將矽晶片背面的外周部呈環狀地保持的基座， 仍可有效抑制滑移的導入，並且可在形成設備活性區域的晶片表面附近減少COP等結晶缺陷。


[圖1]為示出本發明矽晶片的一個實例的示意截面圖。[圖2]為現有矽晶片的示意截面圖。[圖3]為示出本發明矽晶片的另一個實例的示意截面圖。[圖4]為示出獲得本發明矽晶片所需的及本發明矽晶片熱處理方法所採用的RTP 裝置(腔部)概要的截面圖。[圖5]為獲得本發明矽晶片所需的及說明本發明熱處理方法的RTP中熱處理程序的一個實例所需的示意圖。[圖6]為示出空洞缺陷的基本結構的透視圖。[圖7]為說明通過本發明矽晶片第1實施方式的熱處理方法減少空洞缺陷的機制所需的晶片截面圖。[圖8]為說明向晶片表面Wl—側供給氧化性氣體時在設備活性區域極表面殘存空洞缺陷的機制所需的晶片截面圖。
[圖9]為說明在不向晶片背面W2—側供給氧化性氣體時在設備活性區域表層部殘存空洞缺陷的機制所需的晶片截面圖。[圖10]為實施例3及比較例2 6的LPD測定結果圖。[圖11]為示出現有RTP裝置內保持晶片的晶片保持部狀態的截面圖。實施發明的最佳方式以下參照附圖對本發明進行更詳細的說明。圖1為示出本發明矽晶片的一個實例的示意截面圖。如圖1所示，本發明的矽晶片的特徵在於晶片表面部1，具體而言距晶片表面深度達5 μ m的區域為不存在空洞缺陷的無缺陷區域，比上述晶片表面部1更深的晶片主體部 2，具體而言距晶片表面深度超過5 μ m的區域由以八面體為基本形狀的多面體構成，上述多面體的角部為曲面狀，並且存在內壁氧化膜被除去的空洞缺陷4。另一方面，圖2示出現有矽晶片的示意截面圖。對由通過CZ法製備的具有V-豐富區域的矽單晶錠切片製得的矽晶片實施熱處理，以晶片表面部1為無缺陷層的現有晶片由於晶片主體部2所含的氧在該熱處理中難以向外擴散，所以存在於晶片主體2內的空洞缺陷5的內壁氧化膜6不被溶解而殘存。這樣的內壁氧化膜6由於具有引入空洞缺陷5周圍的金屬雜質的性質，所以若這樣的空洞缺陷5大量存在於晶片主體部2，則存在空洞缺陷5本身成為設備加工中的汙染源的可能性。對於本發明的矽晶片，由於除去這樣的內壁氧化膜，所以可抑制存在於晶片主體部的空洞缺陷在設備加工中成為汙染源。另外，如圖1所示的空洞缺陷4具有以八面體為基本形狀的多面體的角部(圖6 中符號3)為曲面狀的特徵。S卩，本發明的矽晶片這樣由於空洞缺陷4的尖角部形成曲面狀，所以也可抑制這些空洞缺陷4成為滑移的產生源。因此，本發明的矽晶片可極大地有助於設備加工中的成品率的提高。圖3為示出本發明矽晶片的另一個實例的示意截面圖。如圖3所示，上述空洞缺陷4優選為全部上述多面體的角部形成曲面狀的球體或橢圓體。若使用這樣的矽晶片，可確實抑制存在於晶片主體部的空洞缺陷成為滑移的產生源。對於這種存在於晶片主體部2的空洞缺陷4，可從晶片表面部1至晶片主體部2為止進行研削加工及研磨加工，通過透射型電子顯微鏡評價其形態。接著，對製備本發明矽晶片的方法及本發明矽晶片的熱處理方法進行說明。上述本發明的矽晶片可通過對將採用CZ法製備的矽單晶錠切片製得的晶片實施 RTP來製備。另外，本發明矽晶片的熱處理方法為對通過CZ法培養的矽單晶錠進行切片等加工製備的矽晶片進行RTP。CZ法為眾所周知的方法，具體而言將石英坩堝中充填的多晶矽加熱製成矽熔融液，使晶種接觸此矽熔融液的液面，在旋轉晶種和石英坩堝的同時提拉晶種，擴徑至所需要的直徑，形成直胴部(直胴部)，然後通過從矽熔融液上切斷來培養矽單晶錠。此時，控制V/G(V 提晶速度，G 溫度梯度)，培養具有V-豐富區域的矽單晶錠。然後，在將如上製得的矽單晶錠通過內徑刀片(內周刃)或鋼絲鋸等切片成晶片狀後，進行外周部的倒角(面取D )、研磨、蝕刻、鏡面研磨等加工，製得矽晶片。上述RTP可優選通過例如圖4所示的RTP裝置對如上製得的經鏡面研磨的矽晶片進行。圖4所示的RTP裝置10具備收納晶片W的反應管20，配置於上述反應管20內，承載有上述晶片W的晶片保持部30，和通過光照射加熱上述晶片W的多個滷素燈50。需要說明的是，在晶片保持部30保持有晶片W的狀態下，形成作為由反應管20內壁與晶片W的形成半導體設備的表面Wl —側圍成的空間的第1空間20a和作為由反應管 20內壁與晶片W背面W2 —側圍成的空間的第2空間20b。上述反應管20具備向上述晶片W的形成半導體設備的表面Wl —側的第1空間 20a供給第1氣氛Fa(圖中實線箭頭)的氣體供給口 22，從上述第1空間20a排出氣體的氣體排出口 26，向上述晶片W背面W2 —側的第2空間20b供給第2氣氛!^b (圖中虛線箭頭) 的氣體供給口 24，和從上述第2空間20b排出氣體的氣體排出口 28。反應管20例如由石英構成。晶片保持部30具備直接呈環狀地保持晶片W背面W2的外周部的基座32，和在保持基座32的同時使基座32在徑向方向旋轉的旋轉體34。基座32和旋轉體34例如由SiC 構成。加熱部40配置於晶片保持部30上方的反應管20外，從表面Wl —側加熱晶片W。 加熱部40例如由多個滷素燈50構成。另外，反應管20內形成的第1空間20a和第2空間20b通過連接部60分別在空間上相連接。當使用圖4所示RTP裝置10進行RTP時進行如下操作通過設置於反應管20的未圖示的晶片導入口將晶片W導入反應管20內，將晶片W呈環狀地保持在晶片保持部30 的基座32上，在分別從第1供給口 22供給下述第1氣氛Fa、從第2供給口 M供給下述第 2氣氛！^的同時，通過加熱部40加熱晶片W。以下對製得使用圖4所示RTP裝置的本發明矽晶片所需的RTP的一個實例進行說明。圖5示出此RTP中的熱處理程序的一個實例。在圖5所示的熱處理程序中，首先使晶片W背面W2的外周部承載、支持於保持在溫度TO (例如600°C)的反應管20內的晶片保持部30的基座32上。然後，在從氣體供給口 22供給第1氣氛Fa的同時，從氣體排出口沈排出第1氣氛Fa(根據需要在從氣體供給口 M供給第2氣氛!^b的同時，從氣體排出口觀排出第2氣氛ig，通過基座旋轉部34旋轉基座32，與此同時通過滷素燈50的光照射以規定的升溫速度ATuCC/秒)急速加熱晶片W至最高到達溫度Tl (°C)。接著，將上述最高到達溫度Tl保持規定時間t (秒)。然後，關閉滷素燈50的光照射，根據需要使用第2氣氛Fb，以規定的降溫速度 ATd(°C/秒)急速冷卻晶片W。上述熱處理程序中的晶片W的溫度測定例如通過配置於晶片W下方的放射溫度計
8(未圖示)來進行。另外，上述升溫速度和降溫速度的控制如下進行根據如上測定的溫度， 通過控制手段(未圖示)個別控制滷素燈50的輸出功率或控制第1氣氛Fa或第2氣氛!^b
的流量等。作為製得本發明矽晶片所需的第1手段，優選將培養的矽單晶錠的氧濃度控制在1. lX1018atoms/cm3以下。換言之，優選將本發明矽晶片的晶片主體部的氧濃度控制在 1. 1 X 1018atoms/cm3 以下。通過採用這樣的方法，在RTP中存在於晶片主體部2的空洞缺陷的內壁氧化膜易被溶解，在晶片表面部1產生的間隙矽(以下稱i-Si)擴散至晶片主體部2，進入內壁氧化膜被除去的空洞缺陷，所以可獲得該內壁氧化膜被除去，且具有以八面體為基本形狀的多面體角部形成曲面狀的空洞缺陷的圖1所示矽晶片。這裡所說的氧濃度為根據1970-1979年度版Old ASTM給出的換算係數得出的計算值，可通過紅外分光光度法或次級離子質量分析裝置(SIMQ來測定。另外，除上述方法外，通過延長最高到達溫度Tl的規定時間t (秒)，在晶片表面部1產生的i-Si的量增加，大量進入內壁氧化膜被除去的空洞缺陷內，進一步包埋於空洞缺陷的內部，可獲得具有由全部該角部形成曲面的球體或橢圓體構成的微小空洞缺陷的圖 3所示矽晶片。上述氧濃度在抑制RTP中滑移的產生等保持作為矽晶片的強度的關係方面更優選為 0. 8X 1018atoms/cm3 以上。另外，作為製得本發明矽晶片所需的第2手段，優選在RTP中使用惰性氣體作為第 1氣氛Fa，使用氧化性氣體作為第2氣氛!V例如在圖5所示的熱處理程序下進行。通過採用這樣的方法，在矽晶片背面W2—側產生大量的i-Si，這些i-Si擴散至晶片表面一側W1，通過i-Si該促進存在於晶片主體部2的空洞缺陷內壁氧化膜的溶解，因而以八面體為基本形狀的多面體接近在能量上穩定的球形，而且包埋其內部，所以可獲得圖1 所示的矽晶片。另外，通過延長最高到達溫度Tl的規定時間t (秒)，在晶片背面W2 —側產生的 i-Si大量擴散至晶片主體部2，大量進入內壁氧化膜被除去的空洞缺陷內，進一步包埋於接近球形的空洞缺陷中，可獲得具有由全部該角部形成曲面的球體或橢圓體構成的微小空洞缺陷的圖3所示矽晶片。此外，作為製得本發明矽晶片所需的第3手段，優選在RTP中使用氧化性氣體作為第1氣氛Fa和第2氣氛!V例如在圖5所示的熱處理程序下進行熱處理。通過採用這樣的方法，在矽晶片表面、背面產生大量的i-Si，通過這些i-Si促進存在於晶片主體部2的空洞缺陷內壁氧化膜的溶解，並且以八面體為基本形狀的多面體接近在能量上穩定的球形，而且包埋其內部，所以可獲得圖1所示的矽晶片。另外，通過延長最高到達溫度Tl的規定時間t (秒)，在晶片表面、背面大量產生的i-Si大量擴散至晶片主體部2，大量進入內壁氧化膜被除去的空洞缺陷內，進一步包埋接近球形的空隙內部，可獲得具有由全部該角部形成曲面的球體或橢圓體構成的微小空洞缺陷的圖3所示矽晶片。需要說明的是，當採用此第3手段時，存在空洞缺陷殘存於矽晶片的極表面(例如距晶片表面Iym以內)的情況。此時，通過在RTP後研磨矽晶片表面可獲得本發明的如圖1、3所示的矽晶片。上述RTP中的最高到達溫度Tl優選為1300°C以上且矽的熔點以下。當上述最高到達溫度Tl不足1300°C時，難以提高形成設備活性區域的晶片表面部的空洞缺陷的消除能力。另一方面，當上述最高到達溫度Tl超過矽熔點時，熱處理的矽晶片最終熔化，故不優選。需要說明的是，從作為RTP裝置的裝置壽命的觀點出發，上述最高到達溫度Tl的上限值更優選為1380°C以下。另外，在上述RTP中使用的惰性氣體優選為氬氣，氧化性氣體優選為氧氣。當使用氮氣作為上述惰性氣體時，在RTP中晶片表面形成氮化膜，為除去此氮化膜，必須重新增加蝕刻工序等，工序增加，故不優選。另外，由於氫氣與作為第2氣氛Fb使用的氧的混合氣有爆炸的危險性，故不優選使用。另外，氨類氣體因晶片表面部的空洞缺陷的消除能力降低而不優選。升溫速度Δ Tu優選為10°C /秒以上且150°C /秒以下。當上述升溫速度Δ Tu不足10°C /秒時，不僅存在生產能力差的問題，氧擴散至基板內部達到飽和濃度的區域增大，所以內壁氧化膜的消失不充分的區域增加，故不優選。另一方面，當上述升溫速度Δ Tu超過150°C /秒時，存在不耐受過於急劇的溫度變化，在矽晶片上產生滑移的問題。另外，降溫速度ATd優選為10°C /秒以上且150°C /秒以下。當上述降溫速度ATd不足10°C/秒時，存在生產能力差的問題。另一方面，當上述降溫速度ATd超過150°C/秒時，存在不耐受過於急劇的溫度變化，在矽晶片上產生滑移的問題。接著，對本發明第1實施方式的熱處理方法進行說明。適用於本發明第1實施方式的熱處理方法的RTP如下對經鏡面研磨的矽晶片採用圖4所示的RTP裝置10，向矽晶片的形成半導體設備的表面Wl —側所毗鄰的第1空間20a內供給惰性氣體作為第1氣氛 Fa,向矽晶片背面W2 —側所毗鄰的第2空間20b內供給氧化性氣體作為第2氣氛!V例如通過圖5所示的熱處理程序在1300°C以上且1400°C以下的最高到達溫度下進行。更具體而言，將經鏡面研磨的晶片W設置於保持在溫度TO (例如600°C )的反應管20內，向晶片W的形成半導體設備的表面Wl —側所毗鄰的第1空間20a內供給惰性氣體，向晶片W背面W2 —側所毗鄰的第2空間20b內供給氧化性氣體，在以規定的升溫速度ATu(°C /秒)從溫度T0(°C )急速升溫至作為最高到達溫度T1(°C )的1300°C以上且1400°C以下後，在最高到達溫度TirC )下保持規定時間t(秒)，以規定的降溫速度 ATdCC/秒)從該最高到達溫度TlCC)急速冷卻至將晶片W取出反應管20外的溫度(例如溫度T0(°C ))。需要說明的是，當使用圖4所示的RTP裝置10時，上述溫度TO、Tl可通過設置於晶片保持部30下方的放射溫度計(未圖示)來測定。需要說明的是，當在晶片W的徑向方向設置有多個放射溫度計時也可取其平均溫度。這樣，根據本發明矽晶片的第1實施方式的熱處理方法，由於具備上述方式，所以即使在採用作為以秒為單位的熱處理的RTP時，也可在設備活性區域的極表面及表層部區域大幅減少空洞缺陷。因此，實施過本發明的熱處理的矽晶片可大大有助於設備加工中的成品率的提高。接著，對可獲得本效果的機制進行說明。圖7為用於說明通過本發明矽晶片的第 1實施方式的熱處理方法減少空洞缺陷的機制的晶片截面圖。在本發明的RTP中，若分別向晶片表面Wl —側供給惰性氣體(在圖7中為氬)、向背面W2 —側供給氧化性氣體(未圖示)(圖7(a))，則存在於設備活性區域D的空洞缺陷的內壁氧化膜溶解，在設備活性區域D的極表面Da氧從晶片表面向外擴散。需要說明的是， 通過向晶片背面W2 —側供給氧化性氣體，在晶片背面W2 —側產生大量i-Si。需要說明的是，由於i-Si在矽內的擴散速度快，所以大量i-Si從晶片背面W2 —側擴散至表面Wl —側。 另外，通過在晶片表面Wl —側也供給惰性氣體，在極表面Da內產生i-Si (圖7(b))。因此， 可分別通過在極表面Da產生的ili大幅減少存在於極表面Da的空洞缺陷，通過從晶片W 背面W2 —側擴散的i-Si大幅減少存在於設備活性區域D表層部Db存在的空洞缺陷(圖 7(c))。需要說明的是，當向晶片表面Wl —側供給氧化性氣體時，由於設備活性區域極表面的固溶氧濃度增加，所以導致空洞缺陷的內壁氧化膜難以溶解，存在空洞缺陷未被消除而殘存的情況。圖8為用於說明向晶片表面Wl —側供給氧化性氣體時空洞缺陷殘存於設備活性區域極表面的機制的晶片截面圖。在RTP中，若向晶片表面Wl —側供給氧化性氣體(在圖8中為氧)(圖8(a))，則由於氣氛中的氧向晶片內擴散，所以晶片表面形成氧化膜(SiO2),與此同時設備活性區域D 的極表面Da的固溶氧濃度增加。需要說明的是，存在於極表面Da的空洞缺陷雖然存在若干內壁氧化膜溶解的情況，但無法完全溶解，殘存於空洞缺陷內。另一方面，在設備活性區域D的表層部Db中，由於未出現因氧向內擴散導致的固溶氧濃度增加，所以存在於表層部 Db內的空洞缺陷的內壁氧化膜溶解(圖8(b))。因此，在極表面Da中，由於內壁氧化膜殘存於空洞缺陷內，所以因氧向內擴散而產生的i-Si無法進入該空洞缺陷內，結果導致在極表面Da中殘存空洞缺陷(圖8 (c))。需要說明的是，當不向晶片背面W2—側供給氧化性氣體時，僅憑供給晶片表面Wl 一側的稀薄氣氛，在晶片表面Wl —側產生的i-Si的量少，所以存在以下情況可通過作為所謂秒單位的短時間的熱處理的RTP消除該空洞缺陷的區域僅形成設備活性區域的極表面；在比該極表面更下層的表層部存在以下情況空洞缺陷的消除能力降低，導致空洞缺陷未被消除而殘存。圖9為用於說明當不向晶片背面W2 —側供給氧化性氣體時空洞缺陷殘存於設備活性區域表層部的機制的晶片截面圖。在RTP中，當向晶片表面Wl —側供給惰性氣體(在圖9中為氬)，向背面W2 —側供給氧化性氣體時(圖9 (a))，存在於設備活性區域D的空洞缺陷的內壁氧化膜溶解，在晶片極表面Da中氧從晶片表面向外擴散，但不向晶片背面W2—側供給氧化性氣體，所以晶片內產生的i-Si的量少，而且僅在晶片表面Wl —側產生(圖9(b))。因此，在極表面Da中雖然可消除空洞缺陷，但在表層部Db中由於i-Si的量少，所以無法消除空洞缺陷，空洞缺陷 (也包含內壁氧化膜溶解的空洞缺陷)殘存(圖9(c))。
需要說明的是，當供給第1空間20a內的氣氛為氫時，供給第2空間20b內的氧化性氣體(例如氧)與氫氣的混合有爆炸的危險性，故不優選。另外，當供給第1空間20a或上述第2空間20b內的氣氛為氮時，在RTP中晶片W 的表面最終形成氮化膜，為除去此氮化膜，必須重新進行蝕刻工序等，製備工序增加，故不優選。供給上述第1空間20a內的惰性氣體優選使用氬。另外，供給上述第2空間20b 內的氧化性氣體優選使用氧。上述最高到達溫度Tl設定為1300°C以上且1400°C以下。通過設定為這樣的溫度條件，可提高設備活性區域的空洞缺陷的消除能力。當上述最高到達溫度Tl不足1300°C時，設備活性區域的空洞缺陷的消除能力降低，故不優選。當上述最高到達溫度Tl超過1400°C時，由於接近矽的熔點，所以矽晶片發生熱變形，產生滑移等，故不優選。從作為上述RTP裝置的裝置壽命的觀點出發，更優選將上述最高到達溫度的上限值設定為1380°C以下。上述氧化性氣體的氧分壓優選為20%以上且100%以下。通過設定為這樣的氧分壓條件，可使晶片內產生大量的i-Si，所以可提高設備活性區域表層部的空洞缺陷的消除能力。需要說明的是，當上述氧分壓不足20%時，由於晶片內形成的i-Si的量少，所以難以提高該表層部的空洞缺陷的消除能力。上述惰性氣體優選為不含氧的100%氬氣，上述氧化性氣體優選為100%氧氣。通過設定為這樣的構成，可進一步在設備活性區域的極表面和表層部區域大幅減少空洞缺陷。上述RTP後的矽晶片背面一側形成有的氧化膜厚度優選為15nm以上。由於通過設定為這樣的氧化膜膜厚，可使晶片內產生大量的i-Si，所以可提高設備活性區域極表面的空洞缺陷的消除能力。上述最高到達溫度T1(°C)下的保持時間(t)優選為1秒以上且15秒以下。通過具備這樣的構成，可在設備活性區域的極表面和表層部區域大幅減少空洞缺陷，而且可大幅提高生產能力。需要說明的是，當上述保持時間(t)不足1秒時，由於保持時間(t)短， 所以存在不減少設備活性區域空洞缺陷的可能性，故不優選。接著，對本方面矽晶片的第2實施方式的熱處理方法進行說明。第2實施方式的熱處理方法的熱處理程序為，將經鏡面研磨的晶片W設置於在溫度TO (例如600°C )下保持的圖4所示RTP裝置10的反應管20內，向晶片W的形成半導體設備的表面Wl —側所毗鄰的第1空間20a內供給第1氣氛Fa，向與上述晶片W表面Wl相對的背面W2 —側所毗鄰的第2空間20b內供給第2氣氛!V接著，以規定的升溫速度ATuCC /秒)從溫度TO (°C )急速升溫至作為最高到達溫度的第1溫度Tl CC)(第1步驟)，然後於上述第1溫度Tl (°C )下保持規定時間t (秒) (第2步驟)，最後以規定的降溫速度ATdCC/秒)從上述第1溫度TlCC )急速冷卻至第2溫度(例如溫度TO (°C ))(第3步驟)。需要說明的是，溫度TO、Tl為當圖1所示的 RTP裝置10的反應管20內設置有晶片W時，通過設置於晶片保持部30下方的未圖示的放射溫度計測定的溫度(當在晶片W的徑向方向設置有多個放射溫度計時為其平均溫度)。
本發明矽晶片的第2實施方式的熱處理方法為至少在以下的條件下進行RTP 上述第1步驟中分別供給惰性氣體作為第1氣氛Fa、氧化性氣體作為第2氣氛!V並且將上述第2空間20b的內壓設定為與上述第1空間20a的內壓相比為負壓、即設定為低壓力。這是為了不使第2氣氛&流入第1空間20a的緣故。上述負壓的調整可通過調整第2排出口 28相對於第1排出口沈的排出壓力設定值來進行。這樣，通過將第2氣氛!^b設定為氧化性氣體，可抑制如上述圖11所示作為滑移產生原因的晶片的彎曲量。即，通過氧化晶片W的背面W2—側，在背面W2—側生成比表面 Wl厚膜厚的矽氧化膜的同時急速加熱，可利用矽與矽氧化膜的熱膨脹量之差抑制矽晶片的彎曲量。例如，1000°C下矽的熱膨脹係數為4. 4X 10_6(1/K)，與之相對的是，氧化膜的熱膨脹係數小，為5. 0 X ΙΟ"7 (1/Κ)，所以若在晶片W的背面W2形成厚膜厚的氧化膜，則可抑制晶片W的彎曲量。另外，通過將上述第1氣氛Fa設定為惰性氣體，並且使上述第2空間20b的內壓與上述第1空間20a的內壓相比處於負壓狀態，不使上述氧化性氣體折回第1空間20a內， 從而可減少晶片表面Wl附近的COP等結晶缺陷。需要說明的是，當不使上述第2空間20b的內壓與上述第1空間20a的內壓相比處於負壓狀態，上述氧化性氣體折回第1空間20a內時，導致在晶片W的表面Wl也形成厚膜厚的氧化膜。此時，由於導致晶片W的表面、背面形成厚膜厚的氧化膜，所以導致難以獲得利用上述矽與矽氧化膜的熱膨脹量之差的彎曲量抑制效果。此外，若最終在晶片W的表面Wl —側形成厚膜厚的氧化膜，則晶片表面附近的COP內壁氧化膜的溶解等受到抑制，結果導致難以在晶片表面附近減少COP等結晶缺陷。需要說明的是，由於當上述第1氣氛Fa為氧化性氣體時，在晶片W的表面Wl —側形成厚膜厚的氧化膜，所以與上述情況一樣難以有效抑制晶片W產生滑移，而且難以減少晶片表面附近的COP等結晶缺陷。另外，由於當作為上述第2氣氛!^b使用氧化性氣體以外的氣體時，在晶片W的背面W2不形成氧化膜，所以難以有效抑制滑移的產生。作為上述惰性氣體，優選使用氬氣。另外，作為上述氧化性氣體，優選使用氧100% 的氧氣或氧氣與氦氣的混合氣。需要說明的是，上述第2空間20b優選在將晶片W保持在基座32上時不形成實質上的閉鎖空間。即，在圖4中優選具備在空間上連接第1空間20a和第2空間20b的連接部60。通過採用具備這種構成的RTP裝置，在上述條件下進行RTP，可更有效的抑制滑移的產生。假設當使用第2空間20b以保持晶片W的狀態形成閉鎖空間的RTP裝置時，如上所述，若在第2空間20b的內壓與第1空間20a的內壓相比為負壓的條件下進行RTP，則基座20上保持有的晶片W在壓力低的第2空間20b的方向產生應力，導致晶片W進一步彎曲， 使晶片W的彎曲量增加，難以有效抑制滑移的產生。上述負壓優選為-500 以下。即，優選與上述第1空間20a的內壓相比使上述第 2空間20b的內壓處於-500 以下的負壓狀態。此負壓的調整如上所述通過將第2排出口 28相對於第1排出口沈的排出壓力設定值調整為-500 以下來進行。通過控制在這樣的負壓範圍，可更顯著地有效抑制滑移的產生，並且可在構成設備活性區域的晶片表面附近減少COP等結晶缺陷。當上述負壓超過-500 時，導致供給上述第2空間20b的氧化性氣體折回第1空間20a內，因而難以抑制RTP中晶片W產生滑移，而且難以減少晶片表面附近的COP等結晶缺陷。上述負壓優選為-7001 以上且-5001 以下。當上述負壓不足-7001 時，供給第 1空間20a內的惰性氣體難以向晶片W的表面Wl方向供給，因而導致減少晶片表面附近的 COP等結晶缺陷的效果降低，故不優選。上述升溫速度ATu為例如10°C /秒以上且150°C /秒以下。上述第1溫度T1(°C )優選為1300°C以上且矽的熔點以下。當上述第1溫度 Tl(0C)不足1300°c時，減少矽晶片表面附近的COP等結晶缺陷的效果小，故不優選。當上述第1溫度Tl (°C )超過矽的熔點時，自然而然導致晶片W溶解，故不優選。另外，從作為RTP裝置的壽命的觀點出發，上述第1溫度Tl (V )更優選為1300°C 以上且1380°C以下。保持上述第1溫度Tl CC )的保持時間t為例如1秒以上且60秒以下。上述降溫速度ATd為例如10°C /秒以上且150°C /秒以下。
實施例以下根據實施例對本發明進行更具體地說明，但本發明不受下列實施例限制。[實施例1]對於將通過CZ法在V-豐富區域培養的矽單晶錠切片製得的矽晶片(直徑300mm、 厚775 μ m、氧濃度1. 1 X 1018atoms/cm3)，使用圖4所示的RTP裝置，按照圖5所示的熱處理程序，將第1氣氛Fa設定為100 %氬，將第2氣氛!^b設定為100 %氧，以升溫速度Δ Tu 300C /秒、最高到達溫度Tl :1350°C、降溫速度ATd :30°C /秒、最高到達溫度Tl的保持時間t :5秒進行RTP處理。然後，在採用雷射散射法評價晶片表面部(距晶片表面深至5 μ m)是否產生空洞缺陷的同時，在通過研削加工及研磨加工除去表層後採用透射型電子顯微鏡觀察晶片主體部(距表面深度超過5μπι的區域)的空洞缺陷。結果確認製得的矽晶片為晶片表面部是不存在空洞缺陷的無缺陷區域，晶片主體部由以八面體為基本形狀的多面體構成，上述多面體的角部為曲面狀，並且存在大量內壁氧化膜被除去的空洞缺陷。[實施例2]對於將通過CZ法在V-豐富區域培養的矽單晶錠切片製得的矽晶片(直徑300mm、 厚775mm、氧濃度1. latoms/cm3)，將最高到達溫度Tl的保持時間t設定為15秒，除此之外按照與實施例1相同的方法進行RTP處理。然後，按照與實施例1相同的方法觀察晶片表面部是否產生空洞缺陷及晶片主體部的空洞缺陷。結果確認製得的矽晶片為晶片表面部是不存在空洞缺陷的無缺陷區域，晶片主體部由以八面體為基本形狀的多面體構成，為全部上述多面體的角部形成曲面狀的球體或橢圓體，並且存在大量內壁氧化膜被除去的空洞缺陷。此外，空洞缺陷的尺寸比實施例1小。
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[比較例1]對於將通過CZ法在V-豐富區域培養的矽單晶錠切片製得的矽晶片(直徑300mm、 厚775mm、氧濃度1. latoms/cm3)，將第2氣氛！^設定為100%氬，除此之外按照與實施例1 相同的方法進行RTP處理。然後，按照與實施例1相同的方法觀察晶片表面部是否產生空洞缺陷及晶片主體部的空洞缺陷。結果確認晶片表面部為不存在空洞缺陷的無缺陷區域，但晶片主體部存在大量內壁氧化膜未被除去的空洞缺陷。[實施例3、比較例2 6]對於通過CZ法控制V/G(V:提晶速度，G 單晶內的提拉軸方向的溫度梯度)來培養具有空孔型點缺陷支配性地存在的區域的矽單晶錠，然後從空孔型點缺陷支配性地存在的區域切片製得的雙面經鏡面研磨的晶片(直徑300mm、厚775mm)，使用圖4所示的RTP裝置10，進行RTP處理。此時，改變第1氣氛Fa、第2氣氛Fb的氣體種類，最高到達溫度Tl， 及保持時間t (秒)，按照圖5所示的熱處理程序進行RTP處理。需要說明的是，本試驗的其它條件(一定條件)如下所示。 溫度TO :600°C 升溫速度ATu:10°C/秒·降溫速度 ATd :10°C / 秒對於按照以上條件製得的退火晶片(7 二一義々工一/、annealed waf er)，通過 KLA-Tencor公司制Surfscan_SP2 (彡40nm)測定作為設備形成面的晶片表面的LPD (Light Point Defect光點缺陷)。另外，通過對作為設備形成面的晶片表面反覆進行研磨，採用同樣的方法測定距晶片表面深度方向的LPD分布。另外，分別對按照各種條件製得的退火晶片進行作為設備形成面的晶片表面的LSTD(Sym)測定，計算出缺陷密度的減少率。此測定通過LSTD (Laser Scattering Tomography Defect 雷射散射斷層缺陷)掃描儀(Raytex Corporation( V i r V >7 T^ 社)制M0-601)進行。另外，對於晶片背面形成的氧化膜厚度，使用Rudolph Research Analytical Corporation ( A K A 7丨J寸一 f 7 f >J歹^力義社)制三波長自動橢率計 Auto EL IV NIR III，採用橢圓對稱法評價晶片表面、背面的中心點。表1示出本試驗的試驗條件和LSTD的評價結果，圖10示出實施例3及比較例2 6的LPD測定結果圖。需要說明的是，圖10的縱軸為以該RTP前研磨晶片的設備形成面通過SP2得到的LPD數按100%計時的LPD數(空洞缺陷數)，橫軸為根據採用靜電電容法 (KLA-Tencor公司制AFS)測定的晶片中心厚度計算出的距晶片表面的距離。[表1]
I第1氣氛Fa I第2氣氛Fb 最高到達溫度Tire) I保持時間t(秒)I LSTD (5 wm)減少率(％) 實施例 3 ArO^13501598
~比較例 2 ArO^12503085
~比較例 3 O^~13501589
1權利要求
1.矽晶片，其特徵在於，晶片表面部為不存在空洞缺陷的無缺陷區域，比晶片表面部更深的晶片主體部由以八面體為基本形狀的多面體構成，上述多面體的角部為曲面狀，且存在內壁氧化膜被除去的空洞缺陷。
2.權利要求1的矽晶片，其特徵在於，上述空洞缺陷為全部上述多面體的角部形成曲面狀的球體或橢圓體。
3.矽晶片的熱處理方法，所述方法對通過佐克拉斯基法製備矽晶片進行急速加熱·急速冷卻熱處理，其特徵在於，向上述矽晶片的形成半導體設備的表面一側所毗鄰的第1空間內供給惰性氣體，向上述矽晶片的背面一側所毗鄰的第2空間內供給氧化性氣體，在1300°C以上且1400°C以下的最高到達溫度下進行。
4.權利要求3的矽晶片的熱處理方法，其特徵在於，上述氧化性氣體的氧分壓為20% 以上且100%以下。
5.權利要求3或4的矽晶片的熱處理方法，其特徵在於，上述急速加熱·急速冷卻熱處理後的矽晶片背面一側形成的氧化膜厚度為15nm以上。
6.矽晶片的熱處理方法，所述方法對通過佐克拉斯基法製備的矽晶片進行急速加熱·急速冷卻熱處理，其特徵在於，具備將上述矽晶片急速加熱至最高到達溫度為止的第1步驟、於上述最高到達溫度保持規定時間的第2步驟和從上述最高到達溫度急速冷卻的第3步驟；至少在以下條件下進行上述第1步驟向上述矽晶片的形成半導體設備的表面一側所毗鄰的第1空間內供給惰性氣體，向上述矽晶片的背面一側所毗鄰的第2空間內供給氧化性氣體，且與上述第1空間內的內壓相比，上述第2空間內的內壓為負壓。
7.權利要求6的矽晶片的熱處理方法，其特徵在於，上述負壓為-500 以下。
8.權利要求6或7的矽晶片的熱處理方法，其特徵在於，上述第1空間與上述第2空間在空間上相連接。
全文摘要
本發明提供抑制存在於晶片主體部的空洞缺陷成為設備加工中的汙染源或滑移的產生源的矽晶片，及可在進行RTP時於形成設備活性區域的晶片表面附近降低COP等結晶缺陷的矽晶片的熱處理方法。通過在對採用CZ法製備的矽晶片進行RTP時，使供給第1空間20a內和第2空間20b內的氣體和空間內的內壓、最高到達溫度T1等達到所規定值的矽晶片的熱處理方法，提供如下矽晶片晶片表面部1為不存在空洞缺陷的無缺陷區域，比晶片表面部1更深的晶片主體部2由以八面體為基本形狀的多面體構成，上述多面體的角部為曲面狀，且存在內壁氧化膜被除去的空洞缺陷4。
文檔編號H01L21/26GK102460658SQ201080025868
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月28日 優先權日2009年6月3日
發明者豐田英二, 仙田剛士, 前田進, 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, 齊藤廣幸 申請人:科發倫材料株式會社