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TWI471911B - 製造磊晶晶圓的方法以及磊晶晶圓 - Google Patents

製造磊晶晶圓的方法以及磊晶晶圓 Download PDF

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TWI471911B
TWI471911B TW100141587A TW100141587A TWI471911B TW I471911 B TWI471911 B TW I471911B TW 100141587 A TW100141587 A TW 100141587A TW 100141587 A TW100141587 A TW 100141587A TW I471911 B TWI471911 B TW I471911B
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增田純久
楢原和宏
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勝高股份有限公司
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Description

製造磊晶晶圓的方法以及磊晶晶圓
本發明係一種製造磊晶晶圓的方法以及磊晶晶圓。本發明特別為一種製造磊晶晶圓的方法，在形成磊晶膜後，透過此方法不需要拋光(polishing)磊晶晶圓之上表面和後表面，即可得到具有高度平坦後表面之磊晶晶圓。
磊晶晶圓是一種高品質的晶圓，其通常透過蒸氣成長(vapor-growing)在例如矽基材上形成具有數微米之厚度的單晶矽層(磊晶層)。磊晶晶圓之優點在於可製造以例如硼(B)或磷(P)等摻質重度摻雜的晶圓，以回應設備製造商或類似者的要求。
將參考圖8描述製造磊晶晶圓的傳統通常方法。圖8的(a)繪示半導體晶圓40之一末端之附近區域(vicinity)，半導體晶圓於其末端部分形成有傾斜(beveled)區域41。在半導體晶圓40之上表面42a上形成磊晶膜50(圖8的(b))，以形成磊晶晶圓200。近來的磊晶成長技術使得在相對於半導體晶圓40之上表面42a之每一處形成具有一致厚度之磊晶膜50成為可能。
然而，相對於半導體晶圓40之後表面42b，當進行磊晶成長時，用以形成磊晶膜之反應氣體會觸及後表面42b，使得磊晶膜60會附加(attach)於半導體晶圓40之後表面42b之外周圍部分44。因此，即便磊晶膜50本身之厚度一致，包括半導體晶圓40之磊晶晶圓200在晶圓直 徑方向上之厚度輪廓為：包括附加於外周圍部分44之磊晶膜60之額外厚度之厚度輪廓。所以，一直以來，都有整體磊晶晶圓之平坦度下降之問題。尤其是，隨著已形成之磊晶膜50之厚度增加，附加於後表面42b之外周圍部分44之磊晶膜60之厚度也隨之增加。這會進一步使平坦度下降。應注意到，在本說明書中，半導體晶圓之一表面(主要磊晶膜成長於其上)稱為半導體晶圓之「上表面」，以及與上表面相對的另一表面如上述稱為半導體晶圓之「後表面」。
隨著近來半導體裝置之集積度提高，設計規則變得更小，不斷演進的磊晶矽晶圓被要求具有更嚴格的平坦度。此外，希望能夠從一個晶圓當中取得越多裝置越好，且當晶圓具有較大的直徑時，晶圓的全部表面必須要呈平坦狀，特別是即便在晶圓的邊緣部分(晶圓末端部分)。晶圓表面平坦度的測量排除範圍(邊緣排除)一直以來通常為距離晶圓邊緣3毫米(mm)，現在進步為2毫米，且甚至進一步將距離縮減至1毫米也差點挑戰成功了。
在這些狀況下，為了改良磊晶晶圓之平坦度，日本專利申請案JP 04-122023揭露一種製造方法，其中在形成磊晶膜後，對磊晶晶圓之上表面或其兩個表面進行鏡面拋光(mirror-polishing)步驟。此外，日本專利申請案JP 2005-209862和JP 2006-190703描述在形成磊晶膜後，對磊晶膜表面進行鏡面拋光之技術。
實際上，在三份先前技術文件中所揭露之發明允許對磊晶晶圓之上表面、或上表面及後表面兩者進行機械拋光，其可改良磊晶晶圓的表面平坦度。尤其，如日本專利申請案JP 04-122023所述，在形成磊晶膜後，若磊晶晶圓之兩個表面經過鏡面拋光，可清除如圖8的(b)所示之磊晶膜60，且可得到具有高平坦度的上表面和後表面之磊晶晶圓。
然而，因磊晶膜表面非常活躍(active)，磊晶膜表面之拋光可能會造成刮痕或拋光引發缺陷(Polishing Induced Defect,PID)，拋光引發缺陷為處理磊晶膜表面而引發的缺陷。此外，磊晶晶圓之拋光製程步驟導致生產成本的增加。並且，為了對磊晶晶圓之後表面進行鏡面拋光，磊晶晶圓之後側上之表面必須經過拋光，同時使用真空吸引元件(vacuum adsorption member)或類似物藉由吸附作用以固持住磊晶膜之上表面。由此，在磊晶膜的上表面上產生瑕疵或接觸痕跡，其會造成磊晶膜的品質劣化。因此，一直以來，都有在形成磊晶膜後不需要對磊晶晶圓之兩個表面(尤其是後表面)進行拋光而實踐包括外周圍部分之後表面上高平坦度之方法的需求。
考量到上述問題，本發明之目標為提供一種製造具有高度平坦後表面之磊晶晶圓的方法以及提供可藉此方法得到之磊晶晶圓，在形成磊晶膜後，不需要對磊晶晶圓之上表面和後表面進行拋光，即可得到上述磊晶晶圓。
在發明人進行各種研究後，他們改變了心態以達成實 現預期目標的可能方式，其藉由刻意預先滾離半導體晶圓之後表面之外周圍部分，而非在形成磊晶膜後再移除附加於半導體晶圓之後表面之外周圍部分之磊晶膜。因此，他們完成了本發明。
本發明為基於上述知識與研究，且主要包括下列構成部分。
(1)一種製造磊晶晶圓的方法，包含：製備半導體晶圓的步驟，半導體晶圓具有形成於其末端部分的傾斜部分、第一表面、相對於第一表面之第二表面，以及位於第一表面和第二表面兩者上的邊緣(edges)，邊緣分別在傾斜部分與第一表面和第二表面之間形成邊界；對第一表面之外周圍部分進行滾離以形成滾離區域的步驟，外周圍部分由預定位置從晶圓向外延伸，預定位置比第一表面上之邊緣的位置還要往內；以及在第二表面上形成第一磊晶膜的步驟。
(2)根據上述(1)之製造磊晶晶圓的方法，當第一磊晶膜形成於第二表面上時，基於附加於第一表面之外周圍部分之第二磊晶膜的膜厚來決定外周圍部分的滾離量。
(3)根據上述(1)或(2)之製造磊晶晶圓的方法，滾離步驟可藉由拋光製程所進行。
(4)根據上述(3)之製造磊晶晶圓的方法，可更包含對半導體晶圓之第一表面和第二表面之至少一者進行粗拋光步驟，且在本方法中，對外周圍部分進行拋光製程是在粗拋光步驟之後進行。
(5)根據上述(3)或(4)之製造磊晶晶圓的方法，可更包含：在形成第一磊晶膜之步驟之前，對半導體晶圓之至少第二表面進行加工拋光(finish-polishing)步驟，且在此方法中，對外周圍部分進行拋光製程是在加工拋光步驟之前進行。
(6)根據上述(3)之製造磊晶晶圓的方法，可藉由使用環狀的拋光布對外周圍部分進行拋光製程，環狀的拋光布具有對應於第一表面之外周圍部分之尺寸。
(7)根據上述(3)之製造磊晶晶圓的方法，可更包含：對半導體晶圓之第一表面和第二表面之至少一者進行粗拋光步驟，以及在形成第一磊晶膜之步驟前，對半導體晶圓之第一表面和第二表面之至少一者進行加工拋光步驟，且在上述方法中，在粗拋光步驟和加工拋光步驟之間，平行地進行對傾斜部分的鏡面拋光製程以及對外周圍部分的拋光製程。
(8)一種磊晶晶圓，包含：半導體晶圓，具有形成於其末端部分上的傾斜部分、第一表面、相對於第一表面之第二表面、以及在第一表面和第二表面兩者上的邊緣，邊緣分別在傾斜部分與第一表面和第二表面之間形成邊界；第一磊晶膜，具有3微米或大於3微米的厚度，第一磊晶膜形成於半導體晶圓之第二表面上；以及第二磊晶膜，形成於第一表面之外周圍部分上，其中ESFQR平均值(ESFQR mean value)代表包括在第一表面上之第二磊晶膜之至少一表面的表面平坦度，ESFQR平均值為100奈米 或小於100奈米。
根據本發明，在形成磊晶膜之前，預先將磊晶晶圓之後表面之外周圍部分刻意滾離，接著才形成磊晶膜。因此，本發明可提供具有高度平坦後表面之磊晶晶圓以及製造上述晶圓的方法，在形成磊晶膜後，不需要對磊晶晶圓之上表面和後表面進行拋光，即可得到上述晶圓。
以下，將參照附圖詳述本發明。原則上，同樣的元件以同樣的元件符號表示，且不會重複描述。
(製造磊晶晶圓的方法)
圖1為根據本發明所繪示之製造磊晶晶圓的代表性方法的剖面示意圖，其僅繪示晶圓之末端部分之附近區域。首先，製備半導體晶圓10(圖1的(a))。半導體晶圓10之實例可包括矽晶圓，其藉由以線鋸(wire saw)或類似物將單晶矽鑄塊(single crystal silicon ingot)切割成薄片(slice)，接著對薄片施以平坦化製程(planarizing process)(例如磨光(lapping)或磨削(grinding))而得。半導體晶圓10具有：形成於其末端部分的傾斜部分11、作為第二表面的上表面12a、作為第一表面的後表面12b(第一表面相對於上表面12a)、以及位於12a和12b表面上之邊緣13a和邊緣13b，邊緣13a和13b分別在傾斜部分11與表面12a和12b之間形成邊界。在使半導體晶圓10之末端部分傾斜後，可對半導體晶圓10進行粗拋光。
可對半導體晶圓之12a和12b表面之至少一者或更好 是兩者進行粗拋光。粗拋光為一種鏡面拋光的製程，為了移除因磨光或磨削所引出之工作應力層(working strain layer)以及為了控制表面輪廓(平坦度)之目的而進行之。舉例來說，雙面拋光裝置(double-side polishing apparatus)包括：用以接收半導體晶圓之載體(carrier)、上平板(upper plate)和下平板(lower plate)，載體夾於上平板和下平板之間，使用黏附有例如聚胺甲酸酯之硬拋光布之上平板和下平板中的每一個對晶圓之兩個表面進行鏡面拋光以得到平坦的形狀。在鏡面拋光的製程中，供應包含平均粒徑為30奈米至100奈米之自由研磨顆粒(free abrasive grains)(膠質氧化矽、鑽石研磨顆粒、氧化鋁研磨顆粒或類似物)之研磨漿料(abrasive slurry)至待拋光的表面上。可使用不同種類的拋光布以及包含具有不同大小之自由研磨顆粒之粗研磨溶液進行粗拋光之步驟，且在待拋光的矽晶圓表面上之研磨量(例如)在二或三個階段中分別被處理。
在此之後，可對傾斜部分11進行鏡面拋光。注意到，可在粗拋光步驟前，先對傾斜部分11進行鏡面拋光。藉由在拋光布上承載晶圓之末端部分，同時供應研磨溶液且旋轉晶圓，以對經蝕刻(etched)的晶圓進行拋光使晶圓呈鏡面。拋光布的種類並沒有限制。舉例來說，可使用單層拋光布或其中海綿層(sponge layer)形成於拋光布層之後表面上之雙層拋光布。可使用作為單層拋光布和雙層拋光布之拋光布層，舉例來說，由合成樹脂發泡體(synthetic resin foam)(例如胺基甲酸酯發泡體(urethane foam)) 所組成之拋光布、硬絨式(hard velour type)之拋光布(其中以胺基甲酸酯樹脂(urethane resin)浸漬由聚酯織物(polyester fabric)製造之非織布)、或其中胺基甲酸酯樹脂已在非織基織物(base fabric)上發泡之麂皮墊。作為待供應至拋光布上之研磨液體(abrasive liquid)(拋光劑)，可使用例如高溫生成的氧化矽(pyrogenic silica)或膠質氧化矽之自由研磨顆粒分散(dispersed)於其中的鹼性溶液。
接著，後表面12b(其為半導體晶圓10之其中一個表面)之外周圍部分14經滾離(rolled off)，因此，此外周圍部分14定義為滾離區域(圖1的(b))。後表面12b之外周圍部分14為一個由預定位置P從晶圓向外延伸的區域，預定位置P比後表面12b之邊緣13b之位置還要裡面，如圖1的(a)所示。以下，將描述定義為滾離區域之外周圍部分14之大小以及滾離量。注意的是，此處之「滾離量」意指分離量(amount of separation)，其為在滾離晶圓後之晶圓之後表面12b之邊緣13c位置與沒有經過滾離的平坦之後表面12b之邊緣13b位置(參見圖1的(a))之間在厚度方向上的分離量(分離量t)，如圖1的(b)所示。
隨後，在形成第一磊晶膜20之步驟前，可進行加工拋光，以減少經滾離之半導體晶圓10之上表面之表面粗糙度。加工拋光不同於為了控制矽晶圓平坦度之拋光(例如粗拋光)，且進行加工拋光是為了減少晶圓表面上的輕度起伏(slight undulations)及霧化程度(haze level)。加工 拋光對應於鏡面拋光，鏡面拋光為藉由在旋轉之軟拋光布(rotating soft abrasive cloth)上承載待拋光之半導體晶圓10之表面，同時供應研磨漿料至待拋光之表面而進行。舉例來說，可使用單一晶圓拋光裝置(single wafer polishing apparatus)，或可使用同時拋光多數個矽晶圓之分批拋光裝置(batch polishing apparatus)。當然，可進行只用在半導體晶圓之表面12a之單面拋光或用在同時處理上表面12a及後表面12b之雙面拋光。此外，可在多個階段中使用不同拋光布或具有不同組成物之研磨漿料進行加工拋光。在加工拋光中，可使用含有自由研磨顆粒之鹼性水溶液(alkaline aqueous solution)作為加工拋光液。舉例來說，可使用鹼性水溶液，其中例如膠質氧化矽(研磨顆粒)、鑽石研磨顆粒或氧化鋁研磨顆粒的自由研磨顆粒經混合在鹼性水溶液中。因此，主要通過由於自由研磨顆粒之機械磨削作用(mechanical grinding action)以及鹼之化學作用(chemical action of alkali)來對待拋光之晶圓表面進行拋光。將自由研磨顆粒加入鹼性水溶液而作為加工拋光液，自由研磨顆粒之平均粒徑可選自於不會使研磨顆粒聚集(aggregate)之顆粒範圍，且平均粒徑最好可為10奈米至50奈米之間。不像用於粗拋光之硬拋光布(例如聚胺甲酸酯(polyurethane))，軟拋光布適合作為用於加工拋光之拋光布。特別是，可使用絲絨式或麂皮式之軟拋光布。絲絨式拋光布為所謂具有單層結構之非織布，其具有多孔質片狀材料(porous sheet material)之複合結構(composite structure)。麂皮式拋光布亦所謂工業材料用之人工皮革，不妨說，其由非織布之基層以及表面層組成，非織布具有合成纖維(synthetic fabric)及特製合成橡膠(special synthetic rubber)之複合結構，在表面層中有許多精細孔形成於例如聚酯樹脂(polyester resin)、聚醚樹脂(polyether resin)或聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resin)之聚合物樹脂中，這些樹脂具有絕佳的抗磨耗性(wear resistance)。
然後，第一磊晶膜20形成於上表面12a，上表面12a為相對於後表面12b之另一個表面(圖1的(c))。在磊晶成長中，將矽晶圓橫向放置於基座上，使得晶圓之上表面和後表面呈水平狀。接著，為了移除在矽晶圓之表面上之原生氧化膜(natural oxide films)或粒子，供應氫氣於腔室中，以在1150℃的溫度下持續60秒之氫氣烘乾(hydrogen bake)。之後，供應載氣(氫氣)、源氣體(例如四氯化矽(silicon tetrachloride)、甲矽烷(SiH4 )、三氯矽烷(SiHCl3 )或二氯矽烷(SiH2 Cl2 ))以及摻質氣體(例如二硼烷(B2 H6 )或磷化氫(PH3 ))於腔室中，以在加熱至1000℃至1150℃矽晶圓之表面上成長2至100微米厚之磊晶膜。
此時，用以形成第一磊晶膜20之反應氣體到達(reach)半導體晶圓10之後表面12b，使得第二磊晶膜30附加於半導體晶圓之後表面12b之外周圍部分14，此定義為滾離區域。注意到，如圖8的(b)中所示，傳統上，當磊晶膜60形成於後表面之外周圍部分44之上時，磊晶 晶圓200之後表面之平坦度會下降。然而，在本發明之製造方法中，在形成第一磊晶膜20之前，只有半導體晶圓之後表面12b之外周圍部分14經刻意預先滾離，然後才形成第一磊晶膜20。因此，第二磊晶膜30附加於為滾離區域之外周圍部分14。這使磊晶晶圓10之後表面12b具有高平坦度，而不需要在形成第一磊晶膜20之後對晶圓之後表面12b進行拋光。因此，磊晶晶圓100具有均勻的厚度輪廓，亦即具有高平坦度，即便在外周圍部分也可得到高平坦度，而不需要對磊晶晶圓100之上表面和後表面進行拋光。
外周圍部分14之滾離量t較佳是基於第二磊晶膜之膜厚而決定，在第一磊晶膜20形成於半導體晶圓10之上表面12a上時，第二磊晶膜會附加於後表面12b之外周圍部分14。這使得第二磊晶膜30之表面31與半導體晶圓之後表面12b齊平，可進一步增加磊晶晶圓100之後表面之平坦度。
以下將描述一個特定的實例。如圖8的(b)所示，若磊晶膜形成時並沒有滾離其後表面之外周圍部分，則附加於後表面之外周圍部分44上之磊晶膜60的最大膜厚即視為最大膜厚s。鑒於反應氣體由上表面到達後表面且流過(runs over)後表面，附加於後表面之外周圍部分44上之磊晶膜的最大膜厚s可由晶圓後表面之外周圍部分44之邊緣位置(edge position)所觀察到。有鑑於此，將滾離量t設定為等同於最大膜厚s。換言之，於製造磊晶晶圓 中，在第一磊晶膜20之磊晶狀況下，提前在實驗下發現上述最大膜厚s，且對後表面12b之外周圍部分14以進行滾離，其滾離量等同於在實驗下發現之最大膜厚s。注意到，元件符號43a及43b代表半導體晶圓之表面42a及42b之邊緣，而Q代表磊晶膜60附加於外周圍部分之最內位置。
更加詳細說明特定實例，第一磊晶膜20之膜厚與第二磊晶膜30之最大膜厚s之間存在直接關聯，第一磊晶膜20將形成於半導體晶圓10之上表面12a之上，而在第一磊晶膜20形成時，第二磊晶膜30會附加於後表面12b之外周圍部分14。因此，上述關係經提前發現並加以製表，使得在製造磊晶晶圓100中，可根據將形成之第一磊晶膜20之膜厚來選擇適合的滾離量。
此外，磊晶膜60所附加之外周圍部分之最內位置Q通常位於與後表面之邊緣13b相距5毫米或小於5毫米的區域內，即便距離會因磊晶成長狀況而異。由此，經定義為滾離區域之外周圍部分14可為與後表面之邊緣13b相距5毫米或小於5毫米的區域。承上，圖1的(a)中之後表面12b之預定內部位置P位於與後表面側之邊緣13b相距5毫米或小於5毫米的區域內。這是因為根據一般的磊晶狀況，第二磊晶膜30會附加於與後表面側之邊緣13b相距5毫米或小於5毫米的區域，且若第二磊晶膜30未附加之區域也經滾離，則後表面12b之平坦度會降低，此會對於裝置(deviee)產生不利影響。注意到下列之狀況，然絕非必然，當要求更精確的平坦度時，可在預先設定之設備 (apparatus)中以實驗發現在磊晶狀況下之位置Q，如滾離量可在實驗下發現用以進行滾離，使得位置P對應於在實驗下發現的位置Q。
注意到，在半導體晶圓之相鄰傾斜部分11的後表面12b上形成滾離區域。在此，傾斜部分11在數毫米等級(several millimeters order)之範圍內沿著晶圓之直徑方向及厚度方向上延伸。同時，滾離區域具有5毫米或小於5毫米之寬度(如上述，其為在直徑方向上之數毫米等級(several millimeters order))，而滾離量則於50奈米至500奈米之範圍內。因此，相對於晶圓直徑方向，傾斜部分11之傾斜程度實際遠大於外周圍部分14(也就是滾離區域)之傾斜程度。在此狀況下，為了更清楚地(in a visible manner)繪示外周圍部分14相對於晶圓直徑方向之傾斜程度，在包括圖1之所有剖面圖中，將晶圓在厚度方向上大幅地放大。因此，傾斜部分11經繪示為幾乎垂直於晶圓直徑方向。因傾斜部分11為不使用於裝置製程之區域，所以在包括圖1之所有圖式中，將附加於傾斜部分11之磊晶膜省略。
(滾離步驟之方法)
滾離步驟較佳是藉由拋光外周圍部分而進行之。此允許具有滾離量(如上述之奈米等級之範圍內)之滾離區域的形成，而不會對半導體晶圓10之後表面12b造成工作損害(working damage)或類似損害。用於滾離製程中之拋光布可為用於將前述傾斜部分進行鏡面拋光之同一種拋光 布。
舉例來說，將半導體晶圓10放置於一個台上，上述台繞著作為旋轉中心之晶圓中心旋轉。當旋轉半導體晶圓10時，拋光元件承載於後表面12b之外周圍部分14上以僅對外周圍部分進行拋光。半導體晶圓10之旋轉使得晶圓之全部的外周圍部分14可依同等的寬度均勻地被拋光。此外，滾離量t可藉由將拋光元件承載於半導體晶圓上所施加之壓力以及拋光時間所控制。甚者，除了壓力和拋光時間外，滾離區域之寬度可藉由拋光元件相對於半導體晶圓10之角度而加以控制。
在本發明中較佳的是，如上述之製程步驟順序中，在對半導體晶圓10之兩個表面12a及12b之至少一者(或更好是兩者)進行粗拋光步驟之後，對外周圍部分14進行拋光製程，也就是進行滾離製程。這是因為滾離區域不是由上述順序中之粗拋光所移除(因滾離量約為50奈米至500奈米，而粗拋光之磨削量則非常大，為5微米至30微米)。
再者，如上述之順序中，在形成第一磊晶膜20之前(圖1的(c))，可對至少半導體晶圓10之上表面12a或對半導體晶圓10之上表面12a及後表面12b兩者進行加工拋光之步驟，且較佳在加工拋光之步驟前對外周圍部分14進行拋光製程(滾離製程)。上述步驟為較佳的，其是因為上述順序不會因用於晶圓表面(此表面已歷經最後的加工拋光，將會歷經磊晶成長)之研磨漿料的散射(scattering)而造成品質下降。或者，在最後的加工拋光 之後，可設計為藉由附加一個漿料散射阻隔層(slurry scatter barrier)或類似物於半導體晶圓之表面，來對外周圍部分14進行拋光製程。
以下，將繪示兩個對後表面之外周圍部分14進行拋光之製程方法之兩個特定實例。
圖2為根據本發明之製造磊晶晶圓之方法中所繪示之將晶圓後表面之外周圍部分進行拋光之方法之一實例的剖面示意圖。圖2中所示之用於拋光半導體晶圓10之外周圍部分14的裝置包括：固持半導體晶圓10並繞著中央軸而旋轉之旋轉台2，及具有對應於外周圍部分14尺寸之環狀的拋光布1。環狀的拋光布1只拋光與後表面之邊緣相距2毫米至5毫米之區域。環狀的拋光布1之旋轉方向與晶圓10之旋轉方向相反。使用環狀的拋光布1，環狀的拋光布1可均勻地承載於晶圓之外周圍部分上，以可避免對部分晶圓10之應力集中(stress concentration)。
圖3(a)及3(b)為根據本發明之製造磊晶晶圓之方法中所繪示之對晶圓後表面之外周圍部分進行拋光之另一實例的視圖。在上述之方法中，在對半導體晶圓進行粗拋光步驟之前或之後，對傾斜部分11進行鏡面拋光，其與本發明之滾離製程分開進行。在使用圖3(a)及圖3(b)之裝置之方法中，在對半導體晶圓進行粗拋光步驟以及加工拋光步驟之間，平行地進行(performed in parallel)對傾斜部分11之鏡面拋光製程以及對外周圍部分14之拋光製程(即為滾離製程)。
圖3(a)及圖3(b)為繪示此方法之示意圖。拋光墊3為對後表面12b之外周圍部分14進行拋光(滾離)之拋光墊。拋光墊4、5及6為對傾斜部分11進行鏡面拋光之拋光墊。拋光墊4是用以拋光半導體晶圓10之上表面、拋光墊6是用以拋光半導體晶圓10之下表面，及拋光墊5是用以拋光半導體晶圓10之頂點(最外末端部分)(outermost end portion)。圖3(a)所示之圖為使每一個拋光墊相對於半導體晶圓之角度更易使人了解。實際上，那四種拋光墊以不同圓周位置(circumferential position)排列在外周圍部分14上，例如，在藉由分割半導體晶圓之外周部(outer periphery)為四等份(quarters)(如圖3(b)中所示)所得到區域的每一個區域中，使得上述四種拋光墊3、4、5及6與半導體晶圓10之後表面之外周圍部分14接觸。所以，可藉由使用旋轉台使半導體晶圓10旋轉，來平行進行傾斜部分11之製程、傾斜部分11之鏡面拋光及後表面之外周圍部分14之拋光。甚者，較佳使用此種裝置，亦是因為可藉由微幅修改(minor modification)對晶圓之傾斜部分11進行鏡面拋光之傳統裝置而取得此種裝置。
(磊晶晶圓)
將參考圖4描述可藉由截至目前所述之製造方法而取得之磊晶晶圓100。磊晶晶圓100包含：形成於其末端部分的傾斜部分11、作為第二表面的上表面12a、作為第一表面的後表面12b(第一表面相對於上表面12a)、以及位 於12a和12b表面上之邊緣13a和邊緣13b，邊緣13a和13b分別在傾斜部分11與表面12a和12b之間形成邊界；第一磊晶膜20，具有3微米或大於3微米之厚度且形成於半導體晶圓10上；以及第二磊晶膜30，只形成於後表面12b上之外周圍部分14上。儘管存在第二磊晶膜30附加於後表面12b上，因外周圍部分14包括滾離區域，ESFQR平均值(其為包括後表面12b上之至少第二磊晶膜表面31之表面平坦度)典型上(characteristically)為100奈米或小於100奈米。
此時，當形成於表面12a上之第一磊晶膜20之膜厚非常薄時，少量之第二磊晶膜30因而附加於後表面之外周圍部分14上。因此，不需要運用本發明之製造方法即可得到相對平坦之後表面。然而，即便磊晶晶圓100上形成有3微米或大於3微米厚度之第一磊晶膜20，磊晶晶圓100典型上具有100奈米或小於100奈米之ESFQR平均值。
此處之ESFQR(邊緣平坦度公制(Edge flatness metric)，基於扇形區(Sector based)，以前表面為參考(Front surface referenced)，最小平方擬合參考平面(least sQuares fit reference plane)，扇形區內的資料範圍(Range of the data within sector))意指在扇形區域(扇形區)內所量測到之SFQR，上述扇形區域形成於晶圓的整個外周圍面積上。ESFQRmax意指在晶圓上之所有扇形區之ESFQR中之最大值。ESFQRmean為所有扇形區之ESFQR中之平均值。本發明所指定之ESFQR為在扇形區(位置 面積)(site size)中所量測之值，其為藉由使用平坦度量測裝置(由科磊公司(KLA-Tencor Corporation)所製造之Wafer Sight)將整個晶圓之外周圍平均地分割為72個扇形區，且上述扇形區在直徑方向具有30毫米之扇形區長度。注意到，此處之測量排除範圍(邊緣排除範圍)為1毫米(參見圖4(a))。圖4(b)為繪示用於計算ESFQR之扇形區形狀的俯視圖。外周圍部分之扇形區域為用以測量ESFQR之區域。ESFQRmean為一種指標，其代表半導體晶圓10除了傾斜部分11外之外周圍部分的平坦度。
注意到，SFQR(Site Front Least Squares Range)表示關於每一個位置(site)所得到之值，其為所述位置中為從參考平面算起之正向側(positive side)和負向側(negative side)之最大位移數量之絕對值之和，其藉由在預選之位置中使用最小平方法計算資料而得到。正向側意指晶圓(晶圓經水平地放置且其主要表面朝上)之上側(upper side)，且負向側意指同樣狀況下之晶圓之下側(lower side)。
已於前文敘述中描述本發明，來顯示典型實施例之僅僅一些實例。本發明不限於那些實施例，且在本發明之範圍內可進行各種的修改。
(實例)
(實驗性實例1：比較性實例)
在此實驗性實例中，為了檢查晶圓之後表面之平坦度因磊晶成長而下降之程度，於是進行了下列實驗。首先，製備具有300毫米直徑之矽晶圓(晶體方位(100)，p型)， 其上表面、後表面及傾斜部分已被鏡面拋光。特別是，在使用雙面拋光裝置(double-side polishing apparatus)對矽晶圓之上表面及後表面進行鏡面拋光(粗拋光)之後，使用單面拋光裝置(single-side polishing apparatus)進行加工拋光，由矽晶圓之上表面移除5微米之矽晶圓。
首先，將矽晶圓安置於在單晶圓磊晶裝置(single wafer epitaxial apparatus)中之基座(susceptor)上，且供應氫氣至腔室中，以在1150℃的溫度下持續60秒的氫氣烘乾。接著，將成長源氣體(growth source gas)(三氯矽烷)及摻質氣體(二硼烷)與氫氣一起供應至腔室內，氫氣為載氣，在1150℃的溫度下進行磊晶成長，以在矽晶圓之表面上形成具有5微米厚度之第一磊晶膜。由此，形成磊晶矽晶圓。
接著，圖5(a)繪示使用平坦度量測裝置(由科磊公司所製造之Wafer Sight)測量製造之磊晶矽晶圓之後表面之平坦度的結果。在徑向方向上距離後表面之中心139毫米至143毫米的區域中，將參考平面決定為基板的高度。圖5(a)揭示在磊晶晶圓之後表面之外周圍部分處(當與晶圓中心的距離為145毫米或大於145毫米)平坦度會下降。
(實驗性實例2)
接著，在此實驗性實例中，檢視第一磊晶膜之厚度與第二磊晶膜之厚度之間的關係，第一磊晶膜形成於半導體晶圓之表面上，而第二磊晶膜藉由形成第一磊晶膜而附加 於後表面之外周圍部分。在實驗性實例1中，具有5微米厚度之磊晶膜形成於矽晶圓表面上；在此實驗性實例中，製造磊晶晶圓，每一個磊晶晶圓具有第一磊晶膜，第一磊晶膜藉由控制形成磊晶膜的時間而具有各種膜厚。此時，除了膜形成時間外，將磊晶狀態設定為與實驗性實例1相同。
在晶圓中分別比後表面之邊緣部分往內1毫米及2毫米的位置處測量附加於每一個磊晶晶圓之後表面之外周圍部分之第二磊晶膜的膜厚。圖6繪示第一磊晶膜之膜厚及第二磊晶膜之膜厚之間所得到的關係，第一磊晶膜形成於半導體晶圓之上表面上，而第二磊晶膜附加於後表面之外周圍部分。圖6揭示附加於後表面之外周圍部分之第二磊晶膜之膜厚與形成於半導體晶圓之上表面之第一磊晶膜之膜厚具有直接相關(direct correlation)。
注意到，由於附加於後表面之外周圍部分之第二磊晶膜為數十至數百奈米等級，因此難以使用FT-IR(傅立葉變換紅外光(Fourier Transform Infrared))度量衡膜厚測量裝置來測量厚度。因此，在此實驗性實例中，如下描述來進行測量。首先，使用FT-IR度量衡膜厚測量裝置(由耐諾股份有限公司(Nanometrics Incorporated)所製造之QS3300 EG)來測量成長於矽晶圓之上表面側之第一磊晶膜之膜厚輪廓，且將第一磊晶膜之膜厚輪廓設定為初始值。之後，在與第一磊晶膜之成長狀態同樣的狀態下，將磊晶晶圓反轉以在矽晶圓之後表面上形成磊晶膜。這使得 第二磊晶膜亦成長於矽晶圓之上表面之第一磊晶膜的外周圍部分上。測量磊晶膜之厚度(包括成長於矽晶圓之上表面上之第一磊晶膜及第二磊晶膜之厚度)，且第二磊晶膜30之厚度可藉由計算結果值(resultant value)與初始值(initial value)之差而得。
(實驗性實例3：實例)
在此實驗性實例中，進行下列實驗以評估藉由本發明之滾離製程改良平坦度之效果。首先，當在與實驗性實例1同樣的狀態下進行磊晶成長時，由實驗性實例2之測量結果可發現成長於後表面之邊緣部分上之第二磊晶膜之膜厚(最大膜厚s如圖8的(b)所示)。接著，在滾離量(圖1的(b)所示之滾離量t)與厚度s相等的拋光狀態下，進行只將後表面之外周圍部分滾離之拋光製程。
具體而言，使用如圖3(a)及圖3(b)所示之對傾斜部分進行鏡面拋光的鏡面拋光設備，矽晶圓之後表面會因吸附作用而被固持住。以預定的速度旋轉晶圓，且同時供給含有膠質氧化矽之鹼性水溶液之拋光劑以進行鏡面拋光，鏡面拋光藉由在矽晶圓之後表面上之外周圍部分上承載覆蓋著拋光布之拋光頭，且同時控制拋光頭之角度而進行之。此處之拋光狀態如下。藉由使拋光布相對於晶圓之水平表面傾斜15°角，在矽晶圓之後表面上，在由邊緣部分往內5毫米之位置上，進行2分鐘之鏡面拋光製程。
接著，藉由鏡面拋光製程對經滾離之矽晶圓之表面進行加工拋光並清潔(RCA清潔)。之後，在與實驗性實例 1同樣的狀態下進行磊晶成長，以在矽晶圓表面上形成具有5微米厚度之磊晶膜。圖5(b)繪示在與實驗性實例1同樣的方式下測量平坦度的結果。因此，結果顯示實驗性實例3(實例)所製造之磊晶矽晶圓之後表面比實驗性實例1(比較性實例)所製造之磊晶矽晶圓之後表面要來得平坦。除此之外，因這種製造方法不牽涉到對磊晶膜之上表面及後表面進行拋光，因此可提供高等級之磊晶矽晶圓，磊晶矽晶圓不會因拋光製程導致在後表面上具有拋光引發缺陷(PID defects)，也不會在表面上留下裂隙(flaw)或吸附作用之痕跡。
(實驗性實例4)
在此實驗性實例中，進行下列實驗以檢驗依第一磊晶膜之各種厚度，在進行或不進行本發明之滾離製程下，後表面之外周圍部分之平坦度會有何不同。
首先，作為比較性實例，相對於與實驗性實例1(比較性實例)之矽晶圓具有同樣規格(specification)之矽晶圓，控制形成磊晶膜之時間以形成具有各種改變厚度之第一磊晶膜的磊晶晶圓。在這種情況下，除了膜形成時間外，使用如實驗性實例1之同樣的磊晶成長狀態。特別是，為2微米、3微米、4微米及5微米之第一磊晶膜之4種膜厚標準的每一種標準，製造出25個磊晶矽晶圓。
接著，作為實例，基於實驗性實例2中所發現之相關性關係，得到第一磊晶膜之膜厚為2微米、3微米、4微米及5微米狀況下的滾離量，且每一個厚度的25個磊晶矽晶 圓在後表面上歷經如實驗性實例3中之相同程序步驟的滾離製程。之後，以上述比較性實例的類似方式形成第一磊晶膜，以形成磊晶矽晶圓。
相對於由實例所得到之100個磊晶矽晶圓及由比較性實例所得到之100個磊晶矽晶圓，經由上述之方法測量後表面之外周圍部分之ESFQR。測量結果繪示於圖7中。如圖7明顯所示，無論第一磊晶膜之厚度為何，發現由實例所得到之磊晶矽晶圓可達到100奈米或小於100奈米之ESFQR平均值。另一方面，由比較性實例所得到之磊晶矽晶圓大幅地受到第一磊晶膜之膜厚的影響。有些磊晶矽晶圓在2微米厚之磊晶成長中達到100奈米或小於100奈米之ESFQR平均值；然而，發現在3微米厚或更厚之磊晶成長中，不可能達到100奈米或小於100奈米之ESFQR平均值。
根據本發明，在形成磊晶膜之前，預先將半導體磊晶之後表面之外周圍部分刻意地滾離，接著才形成磊晶膜。因此，因此，本發明可提供具有高度平坦後表面之磊晶晶圓以及製造上述晶圓的方法，在形成磊晶膜後，不需要對磊晶晶圓之上表面和後表面進行拋光，即可得到上述晶圓。
1‧‧‧環狀拋光布
2‧‧‧旋轉台
3‧‧‧拋光墊(供外周圍部分之拋光製程所使用)
4、5、6‧‧‧拋光墊(供傾斜部分之鏡面拋光所使用)
10‧‧‧半導體晶圓
11‧‧‧傾斜部分
12a‧‧‧半導體晶圓之上表面
12b‧‧‧半導體晶圓之後表面
13a‧‧‧上表面側上之邊緣
13b‧‧‧後表面側上之邊緣(在滾離之前)
13c‧‧‧後表面側上之邊緣(在滾離之後)
14‧‧‧外周圍部分
20‧‧‧第一磊晶膜
20a‧‧‧第一磊晶膜之表面
30‧‧‧第二磊晶膜
31‧‧‧第二磊晶膜之表面
40‧‧‧半導體晶圓
41‧‧‧傾斜區域
42a‧‧‧上表面
42b‧‧‧後表面
43a‧‧‧邊緣
43b‧‧‧邊緣
44‧‧‧外周圍部分
50‧‧‧磊晶膜
60‧‧‧磊晶膜(附加於半導體晶圓之後表面)
100‧‧‧磊晶晶圓
200‧‧‧磊晶晶圓
t‧‧‧滾離量
P‧‧‧位置
Q‧‧‧位置
s‧‧‧最大膜厚
圖1為根據本發明所繪示之製造磊晶晶圓的代表性方法的剖面示意圖。
圖2為根據本發明之製造磊晶晶圓之方法中所繪示之將晶圓後表面之外周圍部分進行拋光之方法之一實例的剖 面示意圖，其中使用環狀的拋光布來進行拋光。
圖3(a)及3(b)為根據本發明之製造磊晶晶圓之方法中所繪示之對晶圓後表面之外周圍部分進行拋光之另一實例的視圖，其中平行地進行對傾斜部分之鏡面拋光製程以及對外周圍部分之拋光製程；詳言之，圖3(a)為晶圓之外周圍部分之附近區域的剖面示意圖，且圖3(b)為晶圓和拋光墊之上視示意圖。
圖4(a)為根據本發明所繪示之代表性磊晶晶圓的剖面示意圖，且圖4(b)為解釋ESFQR的視圖。
圖5(a)及圖5(b)為顯示磊晶晶圓之後表面之外周圍部分之附近區域中之高度輪廓(height profiles)的曲線；詳言之，圖5(a)繪示由實驗性實例1(比較性實例)所得到之磊晶晶圓，且圖5(b)繪示由實驗性實例3(實例)所得到之磊晶晶圓。
圖6為根據本發明實驗性實例2之曲線，其顯示形成於半導體晶圓之上表面之第一磊晶膜之厚度與附加於後表面之外周圍部分之第二磊晶膜之厚度之間的關係。
圖7為根據實驗性實例4之曲線，其顯示當將形成於半導體晶圓之上表面上之第一磊晶膜之厚度為2微米、3微米、4微米或5微米時(實驗性實例1)(比較性實例)，後表面之外周圍部分之ESFQR；以及在進行本發明之滾離製程後，當具有2微米、3微米、4微米或5微米厚度之第一磊晶膜以類似方式形成(實例)時，後表面之外周圍部分之ESFQR。
圖8為繪示製造磊晶晶圓之傳統方法的剖面示意圖。
10‧‧‧半導體晶圓
11‧‧‧傾斜部分
12a‧‧‧半導體晶圓之上表面
12b‧‧‧半導體晶圓之後表面
13a‧‧‧上表面側上之邊緣
13b‧‧‧後表面側上之邊緣(在滾離之前)
13c‧‧‧後表面側上之邊緣(在滾離之後)
14‧‧‧外周圍部分
20‧‧‧第一磊晶膜
30‧‧‧第二磊晶膜
31‧‧‧第二磊晶膜之表面
100‧‧‧磊晶晶圓

Claims (7)

  1. 一種製造磊晶晶圓的方法，包含：製備半導體晶圓的步驟，所述半導體晶圓具有：形成於所述半導體晶圓之末端部分上的傾斜部分、第一表面、相對於所述第一表面之第二表面、以及在所述第一表面和所述第二表面兩者上的邊緣，所述邊緣分別在所述傾斜部分與所述第一表面和所述第二表面之間形成邊界；對所述第一表面之外周圍部分進行滾離以形成滾離區域的步驟，所述外周圍部分由預定位置從所述晶圓向外延伸，所述預定位置比所述第一表面上之所述邊緣的位置還要往內；以及在所述第二表面上形成第一磊晶膜的步驟；其中當所述第一磊晶膜形成於所述第二表面上時，基於附加於所述第一表面之所述外周圍部分之第二磊晶膜的膜厚來決定所述外周圍部分的滾離量；其中形成於所述第二表面上的所述第一磊晶膜具有3微米或大於3微米的厚度；其中ESFQR平均值代表包括在所述第一表面上之所述第二磊晶膜之至少一表面的表面平坦度，所述ESFQR平均值為100奈米或小於100奈米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製造磊晶晶圓的方法，其中藉由對所述外周圍部分進行拋光製程以進行所述滾離步驟。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之製造磊晶晶圓的方 法，更包含：對所述半導體晶圓之所述第一表面和所述第二表面之至少一者進行粗拋光步驟，其中對所述外周圍部分進行所述拋光製程是在所述粗拋光步驟之後進行。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之製造磊晶晶圓的方法，更包含：在形成所述第一磊晶膜的步驟之前，對所述半導體晶圓之至少所述第二表面進行加工拋光步驟，其中對所述外周圍部分進行所述拋光製程是在所述加工拋光步驟之前進行。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之製造磊晶晶圓的方法，其中藉由使用環狀的拋光布對所述外周圍部分進行所述拋光製程，所述環狀的拋光布具有對應於所述第一表面之所述外周圍部分的尺寸。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之製造磊晶晶圓的方法，更包含：對所述半導體晶圓之所述第一表面和所述第二表面之至少一者進行粗拋光步驟，以及在形成所述第一磊晶膜的步驟之前，對所述半導體晶圓之所述第一表面和所述第二表面之至少一者進行加工拋光步驟，其中在所述粗拋光步驟和所述加工拋光步驟之間，平行地進行對所述傾斜部分的鏡面拋光製程以及對所述外周 圍部分的所述拋光製程。
  7. 一種磊晶晶圓，包含：半導體晶圓，具有形成於所述半導體晶圓之末端部分上的傾斜部分、第一表面、相對於所述第一表面之第二表面、以及在所述第一表面和所述第二表面兩者上的邊緣，所述邊緣分別在所述傾斜部分與所述第一表面和所述第二表面之間形成邊界；第一磊晶膜，具有3微米或大於3微米的厚度，所述第一磊晶膜形成於所述半導體晶圓之所述第二表面上；以及第二磊晶膜，形成於所述第一表面之外周圍部分上，其中ESFQR平均值代表包括在所述第一表面上之所述第二磊晶膜之至少一表面的表面平坦度，所述ESFQR平均值為100奈米或小於100奈米。
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