用于在熱處理過程中支撐半導體晶片的支撐環(huán)、熱處理這種半導體晶片的方法及半導體晶片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于在半導體晶片的熱處理過程中支撐由單晶硅構成的半導體晶片的支撐環(huán)，包括：外側(cè)表面、內(nèi)側(cè)表面、和從外側(cè)表面延伸到內(nèi)側(cè)表面的用于放置半導體晶片的彎曲表面，如果彎曲表面被設計用于放置具有300mm的直徑的半導體晶片，則所述彎曲表面的曲率半徑不小于6000mm、不大于9000mm，或如果彎曲表面被設計用于放置具有450mm的直徑的半導體晶片，則所述彎曲表面的曲率半徑不小于9000mm、不大于14000mm。本發(fā)明還公開了一種用于這種半導體晶片的熱處理的方法和一種由單晶硅構成的熱處理后的半導體晶片。
【專利說明】用于在熱處理過程中支撐半導體晶片的支撐環(huán)、熱處理這 種半導體晶片的方法及半導體晶片
[0001] 本申請是申請日為2011年10月20日、申請?zhí)枮?01110330672. 5、發(fā)明名稱為 "用于在熱處理過程中支撐半導體晶片的支撐環(huán)、熱處理這種半導體晶片的方法及半導體 晶片"的發(fā)明專利申請的分案申請。

【技術領域】
[0002] 本發(fā)明涉及由硅構成的單晶半導體的熱處理領域。熱處理通常在井式爐（"晶片 船"）中執(zhí)行。在這種爐中，多個半導體晶片被同時加熱到高溫并保持相對較長的時段。在 這種情況下，它們以彼此間隔開地上下堆疊的方式支撐在支撐環(huán)上。這種支撐環(huán)（"基座 環(huán)"）通常由碳化硅構成，且具有在熱處理過程中支撐放置在它上面的半導體晶片的任務。

【背景技術】
[0003] 熱處理的目的是提供一種用于從表面延伸到半導體晶片的內(nèi)部中且沒有可干擾 電子器件的功能的電子有效結構的區(qū)（"潔凈區(qū)"）。這種缺陷特別是進入的氧氣的積累、 BMD(體積微缺陷，bulk micro defect)和由空位積聚形成的稱作C0P缺陷（晶體源顆粒） 的缺陷。由于熱處理，BMD形成核和C0P缺陷被解決，且所述區(qū)中的氧濃度下降到BMD形成 所需的閾值以下。
[0004] C0P缺陷的尺寸越大，需要越長的時間才能夠通過半導體晶片的熱處理解決它們。 因此，有利的是，在從坩鍋牽拉產(chǎn)生半導體晶片的單晶體的過程中盡早地采取可使C0P缺 陷具有明顯小的尺寸的措施。為此，通?？紤]也可組合的兩項措施。首先，單晶體的快速冷 卻防止空位移動足夠長而能夠以相對較大的C0P缺陷聚集。其次，給單晶體摻氮具有以下 效果：在單晶體的冷卻過程中，空位后來變得過飽和，因此僅有很少的時間可用于形成空位 積聚。
[0005] 在熱處理過程中的1050°C -1300°c的范圍內(nèi)的溫度下，單晶硅的晶格對干擾特別 敏感。溫度梯度、半導體晶片和支撐環(huán)由于硅和碳化硅的熱膨脹系數(shù)的不同而產(chǎn)生的相對 運動以及半導體晶片擠壓到支撐環(huán)上的固有重力可促使晶格中的滑移或引起刮擦。
[0006] 激光散射光線的測量方法和激光的去極化的測量方法通常用于探測應力和滑 移?；诤笳叩臏y量方法通過首字母表示而稱作SIRD，即代表"Scanning Infrared D印olarization"。US 2004/0021097A1描述了一種采用SIRD的測量方法，其可用于探測由 支撐環(huán)引起的半導體晶片上的缺陷。
[0007] DE 10 2005 013 831 A1公開了熱處理過程中的溫度和半導體晶片中的氮的濃度 對上屈服應力（UYS)都具有特殊的影響。UYS是用于表示半導體材料對滑移的形成的阻力 的特征變量。因此，在l〇〇〇°C -1350°C的溫度范圍內(nèi)，阻力明顯降低，同樣隨著氮濃度的降 低也明顯降低。為了獲得在SIRD測量過程中不滑移的單晶硅構成的熱處理后的半導體晶 片，所引用的文獻建議使用在1200°C的溫度下測量的上屈服應力作為用于以特定方式執(zhí)行 熱處理的標準。因此，900°C以上的溫度范圍中的相對較高的加熱速率和/或最高為900°C 的溫度范圍中的相對較高的冷卻速率以及熱處理過程中使用封閉環(huán)作為支撐環(huán)僅適合于 相對阻抗性的半導體晶片。
[0008] JP 2003059851 A描述了 一種支撐環(huán)，該支撐環(huán)包括內(nèi)側(cè)表面和外側(cè)表面、用于放 置半導體晶片的水平表面以及位于內(nèi)側(cè)表面與水平放置表面之間的圓滑或傾斜邊緣。在探 測邊緣的粗糙度的測量區(qū)內(nèi)的最高峰點和最低谷點之間的距離Ry不大于5 μ m。
[0009] EP 1 772 901 A2中描述了兩部件式支撐環(huán)，支撐環(huán)的以平均粗糙度深度Rz的形 式表示的表面粗糙度希望不大于15 μ m。在這種支撐環(huán)上在1200°C的溫度下加熱600分鐘 的時長的由硅構成的半導體晶片在熱處理之后不具有可由激光散射光線或激光的去極化 探測到的滑移。
[0010] 然而，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由單晶硅構成的半導體晶片在熱處理過程中如 果使用現(xiàn)有的支撐環(huán)會受到可不利地影響半導體晶片的前側(cè)的納米形貌特征的應力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進的支撐環(huán)，公開一種用于熱處理由單晶硅構 成的半導體晶片的更好方法，以及提供一種由單晶硅構成的改善的熱處理后的半導體晶 片。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，上述目的通過一種用于在半導體晶片的熱處理過程中支 撐由單晶硅構成的半導體晶片的支撐環(huán)實現(xiàn)，所述支撐環(huán)包括：外側(cè)表面、內(nèi)側(cè)表面、和從 外側(cè)表面延伸到內(nèi)側(cè)表面的用于放置半導體晶片的彎曲表面，如果彎曲表面被設計用于 放置具有300mm的直徑的半導體晶片，貝U所述彎曲表面的曲率半徑不小于6000mm、不大于 9000mm，或如果彎曲表面被設計用于放置具有450mm的直徑的半導體晶片，則所述彎曲表 面的曲率半徑不小于9000mm、不大于14000mm。
[0013] 由硅構成的放置在支撐環(huán)上的半導體晶片由于其自身重量而垂彎，這是因為在中 心區(qū)域不存在通過支撐環(huán)的支撐。
[0014] 本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，使用具有用于放置半導體晶片的水平表面的支撐環(huán)是不 利的，即使水平放置表面與內(nèi)側(cè)表面之間的內(nèi)邊緣被圓滑。半導體晶片的垂彎特別是在支 撐環(huán)的內(nèi)邊緣的區(qū)域中會產(chǎn)生通常引起滑移的應力場。半導體晶片的熱處理同時還實現(xiàn)了 由滑移引起的不均勻度的局部平滑。因此，這種滑移通常不能被檢測到。然而，它會損害半 導體晶片的納米形貌特征，且在某些情況下會在電子器件的制作過程中在半導體晶片的前 側(cè)的暴露時產(chǎn)生散焦問題。納米形貌特征利用空間波長〇. 2-20_描述測量范圍內(nèi)的平坦 度偏差。用于確定納米形貌特征的有利的測量方法是光學干涉法。基于此的測量裝置商業(yè) 上可獲得。在本發(fā)明的情況下，半導體晶片的前側(cè)的納米形貌特征被測量，以表征前側(cè)的平 坦度和能夠估計熱處理對平坦度的影響。半導體晶片的前側(cè)是被提供用于電子結構的集成 的一側(cè)。

【具體實施方式】
[0015] 圖1以剖視圖示出了與現(xiàn)有技術相關的支撐環(huán)。該支撐環(huán)的特征在于用于放置半 導體晶片的水平表面1。
[0016] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施的支撐環(huán)。該支撐環(huán)是封閉環(huán)，其特點在于用于放置 半導體晶片的凹形彎曲表面4。該凹形彎曲放置表面從外側(cè)表面2延伸到內(nèi)側(cè)表面3,因此， 不具有水平布置的部分。該彎曲表面具有從外側(cè)表面到內(nèi)側(cè)表面凹入形成的橫截面。如果 放置表面被設計用于放置具有300_的直徑的半導體晶片，則放置表面4的曲率半徑不小 于6000mm、不大于9000mm，或如果放置表面被設計用于放置具有450mm的直徑的半導體晶 片，貝 1J放置表面4的曲率半徑不小于9000mm、不大于14000mm，而且放置表面4的曲率半徑 優(yōu)選與半導體晶片的垂彎半徑對應。這樣，與使用具有完全或部分水平的放置表面的支撐 環(huán)相比，在熱處理過程中，在支撐環(huán)的放置表面與內(nèi)側(cè)表面之間的內(nèi)邊緣的區(qū)域處作用于 半導體晶體的應力場明顯較低。使用根據(jù)本發(fā)明實施的支撐環(huán)具有使因應力引起的缺陷的 密度更低的優(yōu)點，這也得到了熱處理后的半導體晶片的前側(cè)的改善的納米形貌特征證明。
[0017] 支撐環(huán)的外徑優(yōu)選與放置在彎曲表面上以用于熱處理目的的半導體晶片的直徑 相等，或大至多2_。支撐環(huán)的內(nèi)徑優(yōu)選比所述外徑小60mm-100mm。
[0018] 支撐環(huán)優(yōu)選由碳化硅構成或覆蓋有碳化硅。
[0019] 而且，有利的是，用于放置半導體晶片的彎曲表面滿足特定的粗糙度和平坦度標 準。
[0020] 平均粗糙度深度Rz應優(yōu)選不小于3 μ m、不大于5 μ m，且各點粗糙度深度中的最大 粗糙度深度Rmax應優(yōu)選不大于5 μ m。平均粗糙度深度Rz與各點粗糙度深度的算術平均值 (相對于單個測量區(qū)的最大峰值與最深谷值之差）對應。各點粗糙度深度借助于被分成五 個單獨的測量區(qū)的總測量區(qū)上的粗糙度映射輪廓確定。特征在于平均粗糙度深度Rz小于 3 μ m的粗糙度是不太有利的，這是因為它惡化了半導體晶片在支撐環(huán)上的滑移。特征在于 平均粗糙度深度Rz大于5 μ m的粗糙度會使得產(chǎn)生不利地影響熱處理后的半導體晶片的納 米形貌特征的局部材料點的危險。
[0021] 而且，彎曲放置表面的切削深度t為2μπι的材料比例Rmr(t)應不少于85%。該 特征值限定在DIN EN ISO 4287中，且表示總測量區(qū)中的處于指定切削深度下的包含材料 的區(qū)所占的百分比（支承比例）。后者由輪廓的最高峰值點計算。小于85%、特別是小于 50%的RmrOym)是不利的，因為小的材料比例意味著存在局部材料點，從而會不利地影 響熱處理后的半導體晶片的納米形貌特征。在不小于85%的Rmr (2 μ m)的情況下，材料峰 值點較寬些和圓滑，而不是收縮成一個點。
[0022] 最后，支撐環(huán)應盡可能理想地被成形。為了使熱處理后的半導體晶片的前側(cè)的納 米形貌特征可靠地保持在希望的范圍內(nèi)，放置表面應與曲率半徑處于所述范圍內(nèi)的幾何形 狀方面被理想成形的表面相差優(yōu)選不超過30μπι。因此，根據(jù)DIN ISO 1101標準的表面形 狀應優(yōu)選不超過〇. 〇3mm。相應地，放置表面必須位于兩個包絡面之間，所述包絡面的間距由 具有30 μ m的直徑的球體確定，其中，球體的中點位于幾何形狀方面理想的表面上。
[0023] 當遵守所述標準時，由單晶硅構成的熱處理后的半導體晶片的前側(cè)具有相當好的 納米形貌特征。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，上述目的通過一種用于由單晶硅構成的半導體晶片的 熱處理的方法實現(xiàn)，所述方法包括：將半導體晶片放置在支撐環(huán)上，所述支撐環(huán)具有外側(cè) 表面、內(nèi)側(cè)表面和從外側(cè)表面延伸到內(nèi)側(cè)表面且用于放置半導體晶片的彎曲表面；以及將 放置在支撐環(huán)上的半導體晶片加熱到1050°C -1300°C的溫度且使其處于該溫度下30分 鐘-180分鐘的時長。
[0025] 如果未達到下溫度限度或如果熱處理的時長短于30分鐘，則不會出現(xiàn)"潔凈區(qū)"， 或者出現(xiàn)不會足夠深地延伸到半導體晶片的內(nèi)部中的"潔凈區(qū)"。如果超過上溫度限度或如 果熱處理的時長長于180分鐘，則該方法變得不經(jīng)濟。
[0026] 所述方法的突出的特點還在于，不必特別地考慮某些標準，例如半導體晶片材料 的上屈服應力或900°C以上的溫度范圍內(nèi)的加熱速率或最高為900°C的溫度范圍內(nèi)的冷卻 速率。因此，甚至可熱處理具有相對較低的氮濃度的半導體晶片，而也不會產(chǎn)生滑移。
[0027] 然而，優(yōu)選地，將900°C以上的溫度范圍內(nèi)的加熱速率和最高為900°C的溫度范圍 內(nèi)的冷卻速率設定為1°C /分鐘-10°C /分鐘的范圍內(nèi)的值。
[0028] 熱處理優(yōu)選在主要條件下不與硅產(chǎn)生化學反應的氣氛下或還原氣氛下執(zhí)行。例子 包括：在氬氣或在氬氣和氫氣的混合物中進行熱處理。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，上述目的通過一種由單晶硅構成的未有覆蓋物的半導體 晶片實現(xiàn)，所述半導體晶片具有"潔凈區(qū)"，具有1X 1〇13個原子/cm3-8 X 1014個原子/cm3的 氮濃度，且相對于直徑為4mm的圓形測量窗具有小于20nm的納米形貌特征、和相對于直徑 為20mm的圓形測量窗具有小于40nm的納米形貌特征。
[0030] 納米形貌特征的測量根據(jù)SEMI標準M78實施。
[0031] 如果氮濃度低于下范圍限度，則基于氮的存在的半導體晶片的穩(wěn)定性在其效果方 面太弱。如果氮濃度超過上范圍限度，則由氮引起的不利缺陷將增加。
[0032] 適合于制造所述半導體晶片的一種方法是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法。
[0033] "潔凈區(qū)"是從半導體晶片的前側(cè)向半導體晶片的內(nèi)部中延伸的長度優(yōu)選不小于 8 μ m的區(qū)，且在該區(qū)中不能探測到C0P缺陷和BMD。
[0034] 半導體晶片優(yōu)選具有4X1017個原子/cm3-7. 5X1017個原子/cm3的氧濃度（新 ASTM)和lohm cm-80ohm cm的電阻率。在"潔凈區(qū)"外，BMD密度優(yōu)選為5X108-2X10lclcnr3。
[0035] 半導體晶片的直徑優(yōu)選為300mm或450mm。
[0036] 產(chǎn)生半導體晶片的單晶體根據(jù)切克勞斯基（Czochralski)方法從容納在坩堝中 的熔融體以一牽拉速率牽拉而成，在所述牽拉速率下，相對于硅間隙過多地形成空位。單晶 體在1150°C -1000°C的溫度范圍中優(yōu)選以高的冷卻速率冷卻，以限制由此產(chǎn)生的C0P缺陷 的尺寸。
[0037] 示例：
[0038] 由單晶硅構成的具有300mm的直徑的半導體晶片在來自制造商ASM的A412型的 井式爐中經(jīng)受熱處理。半導體晶片在歷時120分鐘的時長的熱處理過程中加熱到1200°C的 溫度。
[0039] 半導體晶片由單晶體切片而成，所述單晶體已根據(jù)切克勞斯基方法以產(chǎn)生半導體 晶片的單晶體的截面從容納在坩堝中的硅構成且摻有氮的熔融體以〇. 86_/分鐘的平均 牽拉速率牽拉而成，且被有效冷卻。1150-1000°C的溫度范圍中的冷卻速率在相應的單晶體 的中心處為2. 5K/min，在其邊緣處為3. 2K/min。
[0040] 在熱處理過程中，半導體晶片位于由碳化硅構成的以圖2中示出的方式實施的支 撐環(huán)上。支撐環(huán)的外徑比半導體晶片的直徑大lnm。
[0041] 支承表面的粗糙度輪廓通過靠模工具機測量。
[0042] 在使用的支撐環(huán)的情況下，平均粗糙度深度Rz在3 μ m-5 μ m的范圍內(nèi)，且測量的 各點粗糙度深度中的最大粗糙度深度Rmax不超過5 μ m。而且，在任何支撐環(huán)中，彎曲放置 表面的切削深度t為2 μ m的材料比例Rmr (t)不小于85%。
[0043] 在1000個處理道次的時段之后，沒有觀察到由于超過半導體晶片的前側(cè)的容許 納米形貌特征的上限度而產(chǎn)生的任何一次破裂。
[0044] 納米形貌特征的測量根據(jù)SEMI標準M78執(zhí)行，其中，具有297mm的"固定優(yōu)質(zhì) 區(qū)"（FQA)，"關鍵選項（key option)"為NT-CC，"閾值區(qū)（threshold = "截止波長" Ac = 20_。該估計根據(jù)"偏差度規(guī)"實施。
[0045] 在相同的條件下，放置在根據(jù)圖1中的圖示實施的支撐環(huán)上的半導體晶片也被熱 處理。在這些半導體晶片的情況下，在SIRD測量之后和納米形貌特征測量之后均觀察到數(shù) 量可觀的破裂。
[0046] 圖3和圖4示出了具有缺陷的半導體晶片和根據(jù)本發(fā)明的半導體晶片的典型SIRD 圖像。記錄的圖像使用來自制造商PVA TePla的SIRD A300P型的測量裝置產(chǎn)生。作為半 導體晶片的破裂原因的局部SIRD應力標記在圖3中。標記的位置顯不，應力是由半導體晶 片與支撐環(huán)的內(nèi)邊緣的相互作用引起的。
[0047] 圖5和6示出了具有缺陷的半導體晶片的前側(cè)和根據(jù)本發(fā)明的半導體晶片的前側(cè) 的典型的納米形貌特征測量結果。記錄的圖像使用來自制造商KLA Tencor的WaferSight2 型的測量裝置產(chǎn)生。作為半導體晶片的破裂原因的超過局部納米形貌特征的情況標記在圖 5中。其在使用的支撐環(huán)的內(nèi)邊緣的區(qū)域中的位置顯示出，支撐環(huán)的形狀導致該超過情況。
[0048] 圖5示出的半導體晶片相對于4mm的直徑的測量窗具有8. 68nm的納米形貌特征、 相對于20mm的直徑的測量窗具有55. 56nm的納米形貌特征。在圖6所示的根據(jù)本發(fā)明的 半導體晶片的情況下，相應的測量值分別為4. 48nm和10. Olnm。
【權利要求】
1. 一種由單晶硅構成的未有覆蓋物的半導體晶片，具有"潔凈區(qū)"，具有1X1013個原子 /cm3-8X 1014個原子/cm3的氮濃度，且半導體晶片的前側(cè)相對于直徑為4_的圓形測量窗 具有小于20nm的納米形貌特征、相對于直徑為20mm的圓形測量窗具有小于40nm的納米形 貌特征。
【文檔編號】C30B33/02GK104152994SQ201410392443
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2011年10月20日 優(yōu)先權日:2010年10月20日
【發(fā)明者】E·道布, R·凱斯, M·科勒斯勒, T·洛赫 申請人:硅電子股份公司