本發(fā)明是關(guān)于晶圓制造領(lǐng)域，尤其有關(guān)于一種晶圓熱處理的方法。

背景技術(shù)：

作為制造半導(dǎo)體器件原料之一的單晶硅經(jīng)由被稱之為柴氏長晶法(czochralskiprocess，簡稱cz法)、浮融帶長晶法(floatingzonemethod，簡稱fz法)等晶體生長技術(shù)生長成圓柱形的單晶硅晶錠(ingot)。以cz法為例，硅石被放置在坩鍋爐中加熱融化，再以一根直徑約10mm的棒狀晶種浸入融熔硅中，晶種被微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，此時融熔硅中的硅原子會在接續(xù)晶種的單晶體的晶格排列方向繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)。若整個結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定，就可以周而復(fù)始的形成結(jié)晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶硅晶錠。硅單晶硅晶錠接著通過諸如切片、研磨、蝕刻、清洗、拋光等一系列晶圓加工工藝而被加工成晶圓。

然而，在硅單晶成長的過程中、晶圓制造及后續(xù)形成半導(dǎo)體器件的各種工藝中，或多或少會因結(jié)晶不完美、工藝或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力、剪力、或受到外界的雜質(zhì)滲入而產(chǎn)生各種形式的缺陷。舉例來說，硅單晶成長過程中產(chǎn)生的空位(vacancy)、自間隙(selfinterstitialcy)等點(diǎn)缺陷、在拉晶時不可避免地滲入來自石英坩鍋的氧雜質(zhì)、在制作半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的過程中受到應(yīng)力或剪力影響而產(chǎn)生的位錯(dislocation)、工藝中引入的金屬雜質(zhì)等。由于這些缺陷附近的硅原子及自間隙硅本身具有未鍵結(jié)的電子，導(dǎo)致容易在半導(dǎo)體器件中的界面或表面上形成懸掛鍵，且隨著偏壓的不同，使得載流子在此復(fù)合(recombination)而減少或產(chǎn)生(generation)額外的載流子，進(jìn)一步導(dǎo)致電子遷移率(electronmobility)下降，以致降低半導(dǎo)體器件的效能。類似地，金屬雜質(zhì)對制作出來的半導(dǎo)體器件的電子特性也會造成不利的影響，如：使柵極氧化層崩潰電壓降低、漏電流增加等。

另一問題是熱載流子效應(yīng)(hotcarriereffect)，其是由于半導(dǎo)體器件尺度愈趨微小，載流子在高電場中獲得足夠能量產(chǎn)生撞擊，而使少部分載流子注入柵極氧化層。如此會造成半導(dǎo)體器件性能退化及其可靠度不良的問題。

目前常見的改善方法之一是使用氫氣鈍化處理(hydrogenpassivationtreatment)技術(shù)，將制作好半導(dǎo)體器件的晶圓置放在氫氣環(huán)境中進(jìn)行退火，使懸掛鍵與氫結(jié)合，從而降低懸掛鍵的數(shù)量及其對半導(dǎo)體器件操作帶來的不利影響。又如，專利號5872387的美國專利揭露在半導(dǎo)體器件制作完成時，對其用氘氣處理，使得氘與三、四或五族元素以共價(jià)鍵結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而減緩去鈍化(depassivation)現(xiàn)象的發(fā)生，避免熱載流子的穿透，降低漏電流，提高器件的性能與可靠性。然而，半導(dǎo)體器件中摻雜許多種類的摻雜物，這些摻雜物與高反應(yīng)的氫氣或氘氣在高溫環(huán)境可能會發(fā)生不同的反應(yīng)而影響半導(dǎo)體器件的特性，因此提高鈍化處理工藝參數(shù)優(yōu)化的難度。

目前常見的另一改善方法是使用在由晶圓中殘留的間隙氧(interstitialoxygen)在后續(xù)熱工藝過程中生長成的氧沉淀(oxygenprecipitation)提供內(nèi)質(zhì)吸除(intrinsicgettering)金屬雜質(zhì)的功能，還可以一并防止位錯(dislocation)滑移，帶來提高機(jī)械強(qiáng)度及半導(dǎo)體器件良率的效果。然而，若這些氧沉淀是出現(xiàn)在器件有源區(qū)中，會導(dǎo)致柵極氧化物的完整性降低，以及不必要的基板漏電流等問題，不符日趨精密的半導(dǎo)體器件的需求，因此氧沉淀須要是形成于器件有源區(qū)之外，如塊體區(qū)，才不致影響半導(dǎo)體器件的操作。因此，如何使氧沉淀以適宜的深度、密度與大小分布于晶圓中，一直是業(yè)界持續(xù)精進(jìn)的目標(biāo)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一目的在于提供一種晶圓熱處理的方法，將晶圓置于含有氧氣及氘氣的一混合氣體的環(huán)境中，對該晶圓的一表面進(jìn)行一快速升/降溫處理，藉此減少結(jié)晶原生缺陷，阻礙內(nèi)質(zhì)點(diǎn)缺陷的聚集，在該晶圓的該表面上形成一無缺陷區(qū)(denudedzone，簡稱dz)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種晶圓熱處理的方法，將晶圓置于含有氧氣及氘氣的一混合氣體的環(huán)境中，對該晶圓的一表面進(jìn)行一快速升/降溫處理，促使體微缺陷在接近預(yù)定制造半導(dǎo)體器件處形成，以避免在器件有源區(qū)形成體 微缺陷(bulkmicrodefect，簡稱mbd)，壓制位錯滑移，并提升內(nèi)質(zhì)吸除金屬雜質(zhì)的效果。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種晶圓熱處理的方法，將晶圓置于含有氧氣及氘氣的一混合氣體的環(huán)境中，對該晶圓的一表面進(jìn)行一快速升/降溫處理，使部份的氘以間隙雜質(zhì)的形式存在晶圓中，提供在形成半導(dǎo)體器件過程中透過這些氘與界面上的懸掛鍵結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的潛力，從而提升半導(dǎo)體器件的效能。

本發(fā)明的又一目的在于提供一種晶圓熱處理的方法，將晶圓置于含有氧氣及氘氣的一混合氣體的環(huán)境中，對該晶圓的一表面進(jìn)行一快速升/降溫處理，藉此減緩去鈍化現(xiàn)象，確保半導(dǎo)體器件的性能，且提高半導(dǎo)體器件對熱載流子穿透的抵抗力，降低漏電流的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提升半導(dǎo)體器件的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)上述任一目的、解決任一問題或達(dá)成任一對晶圓或半導(dǎo)體器件有益的效果，本發(fā)明提出了一種晶圓熱處理的方法，包括將至少一晶圓置于一包含氧氣及氘氣的一混合氣體的環(huán)境中，對該晶圓的一表面進(jìn)行一快速升/降溫處理的步驟。

該將至少一晶圓置于一包含氧氣及氘氣的一混合氣體的環(huán)境中，對該晶圓的一表面進(jìn)行一快速升/降溫處理的步驟較佳是在該晶圓經(jīng)切片形成之后至在該晶圓上制作多個半導(dǎo)體器件的一結(jié)構(gòu)之間執(zhí)行，以避免在執(zhí)行本發(fā)明的前述步驟時，同時對半導(dǎo)體器件的多種不同成分或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響，甚至是不利的影響，并簡化將前述步驟優(yōu)化的過程。

進(jìn)一步地，在該晶圓熱處理的方法中，該混合氣體可選擇性地額外包括其他氣體，如氬氣和氮?dú)?。該混合氣體中的各種氣體的組成與比例可以依據(jù)所適用的晶圓及/或需求的半導(dǎo)體器件的特性調(diào)整，舉例來說，該混合氣體中氧氣的氣體分壓可介于1％至99％之間，該混合氣體中氘氣的氣體分壓可介于1％至99％之間，該混合氣體中氬氣的氣體分壓可介于1％至99％之間，該混合氣體中氮?dú)獾臍怏w分壓可介于1％至99％之間。

其次，該晶圓熱處理的方法中的快速升/降溫處理可藉由各種設(shè)備執(zhí)行快速升/降溫處理之至少一者，在此無須限定?？焖偕?降溫處理中快速升溫及快速降溫的次序、次數(shù)、輪流轉(zhuǎn)換次數(shù)、處理期間的起始溫度、到達(dá)的預(yù)定溫 度及溫度升降變化的溫度梯度在此無須限制，然較佳地，快速升/降溫處理可包括一快速升溫及一快速降溫，更佳地，該快速升/降溫處理可選擇性地包括從介于1200℃至1400℃的一預(yù)定高溫，經(jīng)該快速降溫以介于50℃/sec至150℃/sec的一溫度梯度降溫。

經(jīng)施以本發(fā)明的該晶圓熱處理的方法，該晶圓中的一氮固溶體濃度較佳但不限于是介于1×10¹²原子/cm³至8×10¹⁸原子/cm³之間，該晶圓中的一氘固溶體濃度較佳但不限于是介于1×10¹²原子/cm³至8×10¹⁸原子/cm³之間，該晶圓之一表面較佳但不限于形成深度介于3μm至30μm之間的一無缺陷區(qū)，該無缺陷區(qū)下的一塊體區(qū)較佳形成多個體微缺陷。

因此，經(jīng)本發(fā)明所提供的晶圓熱處理的方法處置過的晶圓，較佳可減少其中點(diǎn)缺陷，在其表面上形成一無缺陷區(qū)，獲得在之后工藝中可以釋放出以改善半導(dǎo)體器件的界面特性的氘，并控制體微缺陷的位置遠(yuǎn)離半導(dǎo)體器件，亦可幫助半導(dǎo)體器件避免熱載流子的穿透，降低漏電流，減緩去鈍化現(xiàn)象，提高半導(dǎo)體器件的性能與可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中晶圓熱處理的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步說明各實(shí)施例，本發(fā)明乃提供有圖式。這些圖式乃為本發(fā)明揭露內(nèi)容之一部分，其主要系用以說明實(shí)施例，并可配合說明書之相關(guān)描述來解釋實(shí)施例的運(yùn)作原理。配合參考這些內(nèi)容，本領(lǐng)域具有通常知識者應(yīng)能理解其他可能的實(shí)施方式以及本發(fā)明之優(yōu)點(diǎn)。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被解釋為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛理解，而并不作為對本發(fā)明的限制。

為了清楚說明，在此不描述實(shí)際實(shí)施例的全部特征，也不詳細(xì)描述公知的功能和結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿绱藭贡景l(fā)明由于不必要的細(xì)節(jié)而混亂。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在任何實(shí)際實(shí)施例的開發(fā)中，必須做出大量實(shí)施細(xì)節(jié)以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個實(shí)施例改變?yōu)榱硪粋€實(shí)施例。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費(fèi)時間的，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來 說僅僅是常規(guī)工作。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。根據(jù)下面說明和申請專利范圍，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

請參考圖1，其為本發(fā)明一實(shí)施例中晶圓熱處理的方法的流程圖。在步驟s110中，經(jīng)切片形成一晶圓。在此晶圓可選擇性地預(yù)先從cz、fz法或其他晶體生長技術(shù)之一者制作成的單晶硅晶錠通過諸如切片、研磨、蝕刻、清洗、拋光等一系列晶圓加工工藝而被加工制成。之后，在步驟s120中，晶圓被置于含有氧氣及氘氣的一混合氣體的環(huán)境中，對該晶圓的一表面進(jìn)行一快速升/降溫處理。其后，在步驟s130中，在該晶圓上制作多個半導(dǎo)體器件的一結(jié)構(gòu)，如半導(dǎo)體器件的柵極氧化層、介電質(zhì)膜層等結(jié)構(gòu)。因此，可知在執(zhí)行步驟s110時，晶圓上可選擇性地尚未完整地制作出半導(dǎo)體器件，甚至是尚未制作出半導(dǎo)體器件的任何結(jié)構(gòu)，如此可避免執(zhí)行步驟s110時直接對半導(dǎo)體器件中許多種類的元素與結(jié)構(gòu)的特性作或多或少的影響，而增加控制工藝參數(shù)的復(fù)雜度。

被執(zhí)行步驟s110的該表面可選擇性地包括該晶圓的單一表面或上下兩表面，若以前者為例，可在晶圓主動表面與晶圓背表面選擇，此處為晶圓主動表面。在此的晶圓是以單晶硅晶圓為例，本發(fā)明并不限于此。由于單晶硅晶圓的晶體具有晶格方向性，被執(zhí)行步驟s110的表面可能為特定晶格方向上的表面，比如說[100]方向的表面、[110]方向的表面或其他方向的表面，在此無須限制。

在實(shí)際執(zhí)行步驟s110時，舉例來說，該含有氧氣及氘氣的混合氣體的環(huán)境可為一裝設(shè)有許多加熱及降溫設(shè)施并使該混合氣體通入并充盈其中的腔室、爐管或其類，比如說包括鹵素?zé)艄?halogenlamp)及水循環(huán)系統(tǒng)的單芯片快速升降溫處理(rapidthermalprocessing)工藝設(shè)備，然本發(fā)明并不限于此。

該混合氣體可選擇性地額外包括其他種類的氣體，如：氬氣和氮?dú)猓春醒鯕?、氘氣、氬氣和氮?dú)?。由于快速?降溫處理的處理時間較短、熱效率高，在混合氣體中添加惰性的氬氣和活性相對較低的氮?dú)饪梢哉蹧_混合氣體的活性。該混合氣體中的各種氣體的組成與比例可以依據(jù)所適用的晶圓及/或需求的半導(dǎo)體器件的特性調(diào)整，舉例來說，該混合氣體中氧氣的氣體分壓可介于 1％至99％之間，較佳是介于5％至15％之間，該混合氣體中氘氣的氣體分壓可介于1％至99％之間，較佳是介于85％至95％之間，該混合氣體中氬氣的氣體分壓可介于1％至99％之間，較佳是介于5％至15％之間，該混合氣體中氮?dú)獾臍怏w分壓可介于1％至99％之間，較佳是介于5％至15％之間。在快速升/降溫處理過程中，該混合氣體中的各種氣體的氣體分壓較佳為一固定值，然而亦可依需求隨時、隨溫度或溫度梯度變動。

步驟s110中的快速升/降溫處理中的升溫、降溫的次序、次數(shù)、處理期間的起始溫度、到達(dá)的預(yù)定溫度及溫度升降變化的溫度梯度并無特定，舉例來說可以是先進(jìn)行一快速升溫，接著再進(jìn)行一快速降溫的次序，之后亦可視需求選擇性重復(fù)執(zhí)行任意次數(shù)的快速升溫及/或快速降溫或任意次數(shù)輪流轉(zhuǎn)換，在此無須限制。詳細(xì)的工藝參數(shù)在此示例性地是使該晶圓從介于1000℃至1200℃之間的一起始溫度開始，經(jīng)快速升溫以介于600℃/sec至800℃/sec的一溫度梯度升溫至介于1200℃至1400℃之間的一預(yù)定高溫后，經(jīng)快速降溫以介于50℃/sec至150℃/sec的一溫度梯度降溫至介于400℃至600℃之間的一預(yù)定低溫。在其他實(shí)施例中，亦可視需求選擇性地在快速升溫或快速降溫中維持一預(yù)定溫度一段時間，如：將晶圓經(jīng)快速升溫加熱至一預(yù)定高溫之后，維持該預(yù)定高溫一段時間，再經(jīng)快速降溫至一預(yù)定低溫。

快速升/降溫處理提供能量促使晶圓表面排列無序的原子移動至位能最低的晶格位置上，消除空位、自間隙等點(diǎn)缺陷而形成近似完美的單晶層，因此減少結(jié)晶原生缺陷，阻礙內(nèi)質(zhì)點(diǎn)缺陷的聚集。此晶圓表面形成的近似完美的單晶層在此稱為一無缺陷區(qū)，其深度較佳為介于3μm至30μm之間。此無缺陷區(qū)較佳供之后形成多個半導(dǎo)體器件之用，由于其中甚少缺陷，此種晶圓具有潛力制造出具有優(yōu)良特性的半導(dǎo)體器件。在此可藉由調(diào)整混合氣體中各種氣體的比例，并控制此比例，來獲得高質(zhì)量的無缺陷區(qū)。

快速升/降溫處理促使該混合氣體中的部分氘氣及/或氮?dú)夤倘苡诰A中，較佳使晶圓中的氮固溶體濃度是介于1×10¹²原子/cm³至8×10¹⁸原子/cm³之間，氘固溶體濃度是介于1×10¹²原子/cm³至8×10¹⁸原子/cm³之間。該混合氣體中部份的氘氣以間隙式雜質(zhì)型態(tài)存在于硅原子間隙。晶圓中包括以間隙式雜質(zhì)型態(tài)存在的氘可以帶來優(yōu)異的潛力，然而其作用是需要在后續(xù)的工藝或半 導(dǎo)體器件的操作中才得以發(fā)揮。舉例來說，在晶圓供作制造基板于其上制作半導(dǎo)體器件時，氘會擴(kuò)散出來與界面上的懸掛鍵結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，從而提升半導(dǎo)體器件的效能。比如在形成柵極氧化層、介電質(zhì)膜層等結(jié)構(gòu)時，氘會擴(kuò)散出來與柵極氧化層和硅之間的界面或介電層的界面上的懸掛鍵結(jié)合。因此，可減緩在半導(dǎo)體器件使用過程中逐漸顯著的去鈍化現(xiàn)象，確保半導(dǎo)體器件的性能，并提高半導(dǎo)體器件對熱載流子穿透的抵抗力，降低漏電流的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提升半導(dǎo)體器件的可靠性。

由于在高溫時晶圓中的固溶氧含量較低溫時來得大，晶圓背表面的殘留空位濃度高，且協(xié)同混合氣體中的氧氣，經(jīng)快速升/降溫處理會促使氧氣在晶圓中沉淀，造成無缺陷區(qū)下的一塊體區(qū)形成多個體微缺陷，較佳是使體微缺陷形成在晶圓表面3μm至30μm深度以下的塊體區(qū)，并且避免形成在器件有源區(qū)。若混合氣體含有氮?dú)?，也可以促進(jìn)形成氧沉淀，提升氧沉淀的密度，還可以提高晶圓的機(jī)械強(qiáng)度，抑制空洞型缺陷。這些體微缺陷也帶來優(yōu)異的效果：由于體微缺陷與半導(dǎo)體器件位置相近，在之后制造半導(dǎo)體器件時，可有效發(fā)揮內(nèi)質(zhì)吸除金屬雜質(zhì)的效果，減少金屬雜質(zhì)對半導(dǎo)體器件的不利影響。配合控制快速升/降溫處理的溫度梯度，可提升體微缺陷的密度、控制體微缺陷的尺寸，如此得以有效壓制在快速升/降溫處理或半導(dǎo)體器件工藝中因剪應(yīng)力造成的位錯的滑移，使半導(dǎo)體器件的機(jī)械特性不致劣化。

因此，從上述中可以得知，經(jīng)本發(fā)明所提供的晶圓熱處理的方法處置過的晶圓，較佳可減少其中點(diǎn)缺陷，在其表面上形成一無缺陷區(qū)，獲得在之后工藝中可以釋放出以改善半導(dǎo)體器件的界面特性的氘，并控制體微缺陷的位置遠(yuǎn)離半導(dǎo)體器件，亦可幫助半導(dǎo)體器件避免熱載流子的穿透，降低漏電流，減緩去鈍化現(xiàn)象，提高半導(dǎo)體器件的性能與可靠性。

以上敘述依據(jù)本發(fā)明多個不同實(shí)施例，其中各項(xiàng)特征可以單一或不同結(jié)合方式實(shí)施。因此，本發(fā)明實(shí)施方式之揭露為闡明本發(fā)明原則之具體實(shí)施例，應(yīng)不拘限本發(fā)明于所揭示的實(shí)施例。進(jìn)一步言之，先前敘述及其附圖僅為本發(fā)明示范之用，并不受其限囿。其他器件之變化或組合皆可能，且不悖于本發(fā)明之精神與范圍。