TW201402886A - 多晶矽晶圓 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450 mm以上者，其特徵在於：存在於該晶圓之傷痕的深度為10 μm以下。本發明之多晶矽晶圓係藉由熔解法而製作之外徑為450 mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100 mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為40 μm以上且100 μm以下、深度超過10 μm且為40 μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為1個以下，剩餘之傷痕的深度為10 μm以下。本發明之課題在於提供一種大型多晶矽晶圓，尤其是晶圓尺寸為外徑450 mm以上之矽晶圓，其晶圓面之傷痕之產生較為少量且較小，與單晶矽晶圓之機械物性類似。

Description

多晶矽晶圓

用於LSI製程之單晶矽晶圓之形狀隨著時代變化而趨向於大口徑化。其原因在於：若晶圓口徑變大，則可由1片晶圓製作更多之半導體元件，從而可降低晶片單價。

另一方面，隨著元件之微細化之發展，對矽晶圓之品質要求益發嚴格。因此，於晶圓尺寸向大型品轉移時，存在除規模(scale)之課題以外亦須解決品質之課題，下一代尺寸之單晶晶圓之市場價格變得非常昂貴之問題。

於ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors，國際半導體技術藍圖)中，亦預測到晶圓尺寸自直徑300mm向直徑450mm轉移之時期為2012年左右，自直徑450mm向直徑675mm轉移之時期為2019年左右，並認為今後對晶圓之大口徑化及品質之追求仍將持續。

若晶圓尺寸發生變化，則輸送晶圓之盒體(FOSB，Front Opening Shipping Box，前開式運裝盒)、或移動於各步驟間之晶圓盒(FOUP，Front Opening Unified Pod，前開式通用晶圓盒)必然會改變。又，搬送晶圓之機器人之形狀、或製造元件之裝置本身亦須重新設計開發成符合下一代尺寸之晶圓之形狀。

因此，於晶圓尺寸向大型品轉移時，會有使用下一代晶圓以各種目的進行各種試驗或驗證之背景。於該試驗或驗證中，會有未必需要使用昂貴之單晶矽晶圓之用途。

例如，於晶圓盒或搬送晶圓之機器人之開發中，認為若晶圓之重量或 強度、晶圓之重力撓曲等機械特性與單晶晶圓同等，則即便並非單晶晶圓亦可進行符合目的之試驗。

由於此種晶圓(以下稱為「機械晶圓」)實際上並非可製造 元件之單晶晶圓，故而低成本非常重要。因此，作為機械晶圓，必須省略不需要之品質而削減成本，並且把握於機械特性方面達到與單晶晶圓相同等級之條件。

若列舉過去之公知文獻作為參考，則關於LSI用燒結矽製晶 圓，如專利文獻1所記載，提出有結晶粒徑100μm以下之燒結體，又，如專利文獻2所示，提出有平均粒徑1~10μm之燒結體。

即便該等燒結矽製虛設晶圓(dummy wafer)可調整抗彎力、拉伸強度、維氏硬度而提高晶圓之強度，但於使晶圓之重力撓曲量接近單晶矽晶圓之重力撓曲量之方面自然亦有極限，成為用作直徑450mm以上之機械晶圓之情況極為有限之原因。

又，於專利文獻3中，記載有外徑為48mm以上且450mm 以下，減小粗糙度Ra及表面塌陷之情況。然而，450mm以上之多晶矽破裂之原因並非表面之粗糙度或塌陷之問題，而是微細之傷痕，故而認為於專利文獻3中仍未解決450mm以上之多晶矽之問題。

於將多晶矽用作機械晶圓之情形時，期待形成與單晶矽大致 同等之行為，使之不脫離單晶矽晶圓之彎曲強度與重力撓曲量兩者非常重要。於該方面，已知機械晶圓所要求之機械強度受到多晶矽表面之傷痕之較大影響，但於先前技術中並未發現其解決方法。

專利文獻1：日本特開2004-289065號公報

專利文獻2：國際公開編號WO2009/011233

專利文獻3：日本特開2009-38220號公報

本發明係鑒於上述情況而完成者，提供一種大型多晶矽晶圓，尤其是晶圓尺寸為外徑450mm以上之矽晶圓，其晶圓面之傷痕之產生較為少量且較小，與單晶矽晶圓之機械物性類似。

為解決上述課題，本發明人等反覆進行多晶矽之製造試驗而進行驗證，結果獲得以下見解：可獲得與單晶矽晶圓之機械物性類似之大型多晶矽晶圓。

本發明係基於上述見解而提供以下發明。

1)一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：存在於該晶圓之傷痕的深度為10μm以下。

2)一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為40μm以上且100μm以下、深度超過10μm且為40μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為1個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。

3)一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為20μm以上且40μm以下、深度超過20μm且為40μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為1個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。

4)一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為20μm以上且40μm以下、深度超過10μm且為20μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為3個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。

5)如1)至4)中任一項之多晶矽晶圓，其中，深度未達2μm之傷痕係未實施CMP而存在之傷痕。

本發明具有以下優異效果：其可提供一種大型多晶矽晶圓，尤其是晶圓尺寸為外徑450mm以上之矽晶圓，其晶圓面之傷痕(造成較強影響之傷痕)之產生較為少量且較小，與單晶矽晶圓之機械物性類似。

圖1係表示使用鹵素燈對傷痕進行觀察之情況之圖。

圖2係矽晶圓之4點彎曲試驗之外觀圖(照片)。

圖3係表示以實施例2之100mm×100mm×925μmt之樣品對表面傷痕之深度進行調查之情況的圖。

圖4係表示以實施例3之100mm×100mm×925μmt之樣品對表面傷痕之深度進行調查之情況的圖。

圖5係表示比較例2之傷痕寬度為127μm、傷痕深度為54μm之情形時之情況的圖。

圖6係表示以100mm見方之格子劃分450mm晶圓之例之圖。

圖7係表示以100mm見方之格子進行劃分之情形時，單晶之例、實施例1~實施例3及比較例1~2所存在之傷痕之例的說明圖。

本發明之多晶矽晶圓係藉由熔解法而製作之多晶矽晶圓。若如下述實施例所說明般使用經適當之退火處理之多晶矽，則可不進行單晶矽晶圓之製造中按標準進行之CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學機械拋光)而獲得與單晶矽晶圓同等之機械強度。

由於該等多晶矽晶圓未進行CMP，故而於多晶矽晶圓表面常常存在輕微之傷痕。又，亦已知有如下情形：切片步驟中產生之鋸痕或 研光步驟中產生之傷痕僅靠一次研磨無法充分去除，且影響多晶矽晶圓之強度。

因此，本發明人等藉由對多晶矽晶圓表面之傷痕之大小與多晶矽晶圓之機械特性的關係進行調查、研究而發現相互關聯，並藉由控制(調整)多晶矽晶圓表面之傷痕之大小而發現與單晶晶圓之機械特性類似之多晶矽晶圓之條件。

本發明之多晶矽晶圓提供如下者：其係藉由熔解法而製作之 外徑為450mm以上者，且存在於該晶圓之傷痕的深度為10μm以下。於傷痕深度為該程度之情形時，即便傷痕寬度較大亦不會降低矽晶圓之機械特性，故而未表示傷痕之寬度。以下情況相同。藉此，可提高矽晶圓之機械特性，從而可獲得與單晶晶圓之機械特性類似之多晶矽晶圓。

於本案發明中，如上所述，傷痕之深度係設為10μm以下， 但並不意味著傷痕之深度為0μm或深度為10μm以下之傷痕為0個。由於其目的在於不進行使成本變高之CMP(Chemical Mechanical Polishing)而獲得與單晶矽晶圓同等之機械強度，因此存在深度未達2μm之傷痕。即，深度未達2μm之傷痕係未實施CMP而存在之傷痕。

然而，由於上述等級之傷痕並非使多晶矽晶圓之機械特性降 低之主要因素，故而可忽略。將使用高亮度鹵素燈對該傷痕進行觀察之情況示於圖1。又，傷痕之形狀並無限制，包含長方形、四角形等矩形、圓形(正圓、橢圓形狀)、其他異形，於任一情形時均以自多晶矽晶圓之表面可看成一條之傷痕(亦有小缺陷之集合體之情形)為基準，傷痕之寬度為最長之寬度，深度為最大深度。

又，作為獲得與單晶晶圓同等之機械強度之條件，本案發明 提供一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，且於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為40μm 以上且100μm以下、深度超過10μm且為40μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為1個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。

由於該情形時亦未實施CMP，故而存在深度未達2μm之傷痕。即，深度未達2μm之傷痕係未實施CMP而存在之傷痕。與上述同樣地，該等級之傷痕並非使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素，故而可忽略。

又，作為獲得與單晶晶圓同等之機械強度之條件，本案發明 提供一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為20μm以上且40μm以下、深度超過20μm且為40μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為1個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。由於該情形時亦未實施CMP，故而存在深度未達2μm之傷痕。即，深度未達2μm之傷痕係未實施CMP而存在之傷痕。與上述同樣地，該等級之傷痕並非使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素，故而可忽略。

又，作為獲得與單晶晶圓同等之機械強度之條件，本案發明 提供一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，且於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為20μm以上且40μm以下、深度超過10μm且為20μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為3個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。

由於該情形時亦未實施CMP，故而存在深度未達2μm之傷痕。即，深度未達2μm之傷痕係未實施CMP而存在之傷痕。與上述同樣地，該等級之傷痕並非使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素，故而可忽略。

根據以上，可獲得與單晶晶圓之機械特性類似且低成本之多 晶矽晶圓。將以100mm見方之格子劃分外徑為450mm以上之晶圓之例示於圖6。雖亦有傷痕跨越2個劃分區域以上之情形，但劃分為100mm見方之情形時各劃分區域內之傷痕尺寸意指各個劃分區域內之最長寬度及最大 深度。以下情況相同。

根據以上，可獲得與單晶晶圓之機械特性類似且低成本之多 晶矽晶圓。適於矽晶圓之尺寸為外徑450mm以上之多晶矽晶圓，可用作機械晶圓。又，亦可提供矽純度為3N~7N、進而該純度以上之多晶矽晶圓。 本案發明包含該等。

以上所說明之多晶矽晶圓於利用高純度之矽素材之純度提 高晶圓表面之潔淨度之情形時，不僅可用作機械晶圓，而且亦可用作縱型爐等半導體製造裝置中所需之虛設填料晶圓。又，以上之表面傷痕之分類亦可應用於濺鍍靶或半導體製造裝置之固持器(holder)等各種零件。

製造多晶矽晶圓時使重力撓曲量與單晶近似之退火處理存 在以切片前之塊狀多晶矽錠進行之情形、及於經多線鋸(multi wire saw)切片之後進行之情形。於任一情形時均須適當調整升溫速度、保持溫度、保持時間、降溫速度、真空度、荷重。

以塊狀進行退火時容易操作，但為了與單晶晶圓之重力撓曲近似，進行接近晶圓形狀之切片後進行退火則具有所有晶圓均穩定地近似之特徵。

切片後之退火可於多線鋸加工後進行，亦可於研光步驟或拋 光步驟後進行。然而，由於各步驟中晶圓之厚度不同，故而必須考慮相應情況而使其近似於單晶晶圓之重力撓曲量。又，為避免不必要之雜質之熱擴散，必須於退火前適當清洗晶圓之表面。

藉此，可獲得與單晶矽晶圓之機械物性類似之外徑為450 mm以上的大型多晶矽晶圓，而可提供與用作機械晶圓之單晶矽之機械物性類似之大型多晶矽晶圓。又，由於可省略CMP步驟，故而具有可大幅提高產率、大幅降低製造成本之顯著特徵。

實施例

繼而，基於實施例對本發明進行說明。再者，以下之實施例 係用於使發明可容易理解，本發明並不受該等實施例限制。即，本發明顯然包含基於本發明之技術思想之其他例或變形例。再者，為了對比特性，亦揭示比較例。

(實施例1)

於二氧化矽製坩堝內使矽熔融，藉由單向凝固使其自坩堝底部固化而製作純度6N之690×690×250mm之矽錠。切除該錠之四個角，並進行圓筒研削，藉此加工成外徑為φ 451mm、長度為200mm。

繼而，以多線鋸加工對該直徑451mm之多晶矽錠進行切 片，並進行使重力撓曲量與單晶近似之退火處理，然後實施斜切(beveling)及凹口(notch)加工，並進行研光加工及一次拋光加工而製作直徑450mm、厚度925μm之兩面鏡面精加工之晶圓。

繼而，使用切片鋸(dicing saw)切斷成100mm×100mm之 尺寸，準備多個樣品。為了防止於切斷面中產生龜裂，切斷係使用細齒刀片低速地進行，又，為慎重起見，切斷面以酸進行蝕刻而去除損傷。

對於該100mm×100mm×925μmt之樣品，以顯微鏡對存在 於表面之傷痕之數量及傷痕之寬度或深度進行觀察，結果為寬度100μm以下、深度10μm以下之表面傷痕。

繼而，以4點彎曲試驗機(圖2)測定製成100mm見方之晶圓之彎曲強度。其結果，若為寬度100μm以下、深度10μm以下之表面傷痕，則不會太依存於寬度、長度或數量而具有120MPa之彎曲強度。

(實施例2)

將以實施例1中所製作之100mm×100mm×925μmt之樣品對表面傷痕之深度進行調查之情況示於圖3。於圖3中，傷痕之寬度為28μm，深度為14μm。於傷痕之深度為10~20μm且其寬度為20~40μm之情形時，若每100mm見方至多有3條傷痕，則與毫無傷痕之市售之單晶晶圓之彎曲強 度幾乎無差別。順帶而言，該範圍之樣品之彎曲強度與單晶晶圓之平均彎曲強度100MPa相差±10%以下。

(實施例3)

就實施例1中所製作之100mm×100mm×925μmt之樣品而言，於晶圓表面之傷痕係寬度為40μm以上100μm以下且深度為10~40μm以下之傷痕、或寬度為20μm以上40μm以下且深度為20μm以上40μm以下之情形時，若每100mm見方至多有1條傷痕，則與毫無傷痕之市售之單晶晶圓之彎曲強度幾乎無差別。將該傷痕之例示於圖4。於圖4中，傷痕之寬度為63μm，且深度為27μm。

上述實施例係以100mm×100mm之樣品尺寸進行評價，但 實際之晶圓係以直徑450mm或675mm之尺寸而使用。然而，於以100mm×100mm之樣品尺寸進行評價時強度明顯低於市售之單晶晶圓之強度之情形時，於晶圓整體中亦成為弱點部，強度自然會降低。因此，可認為100mm×100mm之樣品尺寸之評價與晶圓整個面之評價有關聯。

(比較例1)

使用實施例1中所製作之100mm×100mm×925μmt之樣品，變更傷痕之條數，使傷痕之寬度為60μm左右、傷痕之深度為30μm左右之傷痕為2條以上，結果彎曲強度明顯降低為60MPa以下。

又，使傷痕之寬度為30μm左右、傷痕之深度為15μm左右之傷痕為4條以上，結果彎曲強度明顯降低為60MPa以下。

(比較例2)

將使用實施例1中所製作之100mm×100mm×925μmt之樣品而變更傷痕之尺寸，傷痕之寬度為127μm、傷痕之深度為54μm之情形時之情況示於圖5。於表面傷痕之深度超過40μm或者傷痕之寬度為100μm以上之情形時，彎曲強度明顯降低為60MPa以下。

關於晶圓之重力撓曲，可知基本上退火條件之影響強於表面 傷痕之影響。因此，排除如上所述之傷痕非常深且寬度較寬之情形，只要藉由退火條件使重力撓曲量與單晶近似，則無論為何種表面傷痕，均可與單晶之機械特性類似。

如上所述，於多晶矽晶圓中，傷痕之寬度、傷痕之深度、傷 痕之個數、傷痕之分散形態對機械特性造成較大影響。進行大量試驗之結果，本案發明係界定上述傷痕之形態，提高多晶矽晶圓之機械強度而使其與單晶矽晶圓之機械特性類似者，但亦有難以理解之方面，故而對於先前之高成本單晶之例、實施例1~實施例3及比較例1~2，以圖7所示之例為參考說明傷痕例之概要。

圖7中，上層之左圖係以虛線表示單晶矽晶圓之傷痕。雖然 傷痕之深度未達2μm，但存在大量。為了去除該傷痕，必須進行高成本之CMP處理。再者，雖然以虛線表示傷痕，但其並不表示傷痕之形態(形狀)，而是為了可與下述其他傷痕進行比較而以虛線表示。以下之線種以相同之含義使用。

圖7中，上層左起第2圖係本案實施例1之說明圖，以一點 鏈線表示多晶矽晶圓之10μm以下(2μm~10μm)之傷痕。如上所述，該等級之傷痕並非使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素。自然亦可忽略以虛線表示之未達2μm之傷痕。

圖7中，上層左起第3圖係本案實施例2之說明圖，以細線 表示深度(超過)10μm~20μm以下之傷痕。如上所述，該等級之傷痕只要於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，於每一劃分區域中之傷痕之最大個數為3個以下，則並非使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素。

自然可忽略以虛線及一點鏈線表示之10μm以下之傷痕。再者，於上述說明中，由於傷痕之深度造成較大影響，故而僅限於傷痕之深度之說明。 然而，自上述說明可知，傷痕之寬度亦受到限制。

圖7中，上層之右圖係本案實施例3之說明圖，以粗線表示 深度(超過)20μm~40μm以下之傷痕。如上所述，只要該等級之傷痕於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，於每一劃分區域中之傷痕之最大個數為1個以下，則並非使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素。

自然可忽略最大個數為3個以下之細線之傷痕、以虛線及一點鏈線所表示之10μm以下之傷痕。再者，於上述說明中，由於傷痕之深度造成較大影響，故而僅限於傷痕之深度之說明。然而，自上述說明可知，傷痕之寬度亦受到限制。

圖7中，下層之左圖係比較例1之說明圖，以粗線表示深度 (超過)20μm~40μm以下之傷痕。如上所述，若該等級之傷痕於將晶 圓整體劃分為100mm見方之情形時，於每一劃分區域中之傷痕之最大個數為1個以上(圖中亦有2個之情形)，則成為使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素，故而不適宜。即便最大個數為3個以下之細線之傷痕、以虛線及一點鏈線所表示之10μm以下之傷痕可忽略，該情況亦不適宜。再者，於上述說明中，由於傷痕之深度造成較大影響，故而僅限於傷痕之深度之說明。然而，自上述說明可知，傷痕之寬度亦受到限制。

圖7中，下層之右圖係比較例2之說明圖，以粗鏈線表示深 度(超過)40μm之傷痕。如上所述，若該等級之傷痕於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，於每一劃分區域中之傷痕之最大個數為1個以上，則成為使多晶矽晶圓之機械特性降低之主要因素，故而不適宜。即便可忽略其他傷痕，該情況亦不適宜。再者，於上述說明中，由於傷痕之深度造成較大影響，故而僅限於傷痕之深度之說明。然而，自上述說明可知，傷痕之寬度亦受到限制。

[產業上之可利用性]

本發明具有以下優異效果：其可提供一種大型多晶矽晶圓， 尤其是晶圓尺寸為外徑450mm以上之矽晶圓，其晶圓面之傷痕之產生較為少量且較小，與單晶矽晶圓之機械物性類似。本發明可以與單晶晶圓相比、尤其是與晶圓向下一代尺寸轉移之時期之單晶晶圓相比而格外低之價格供給一種可進行試驗之晶圓，由於彎曲強度或重力撓曲等機械特性與單晶晶圓之特性類似，因此於晶圓盒之開發或搬送用機器人之開發中成為有效之晶圓。

如此，本發明之使用多晶矽錠而製作之外徑為450mm以上之多晶矽晶圓作為廉價且450mm以上之大型多晶矽晶圓，尤其是作為機械矽晶圓甚有用。

Claims (5)

1. 一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：存在於該晶圓之傷痕的深度為10μm以下。
2. 一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為40μm以上且100μm以下、深度超過10μm且為40μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為1個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。
3. 一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為20μm以上且40μm以下、深度超過20μm且為40μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為1個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。
4. 一種多晶矽晶圓，其係藉由熔解法而製作之外徑為450mm以上者，其特徵在於：於將晶圓整體劃分為100mm見方之情形時，存在於該晶圓之寬度為20μm以上且40μm以下、深度超過10μm且為20μm以下的傷痕於每一劃分區域中之最大個數為3個以下，剩餘之傷痕的深度為10μm以下。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之多晶矽晶圓，其中，深度未達2μm之傷痕係未實施CMP而存在之傷痕。