一種高溫退火硅片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高溫退火硅片的制備方法，包括以下步驟：(1)將硅片裝載好后，以150mm/min的速度升入溫度為650℃，保護(hù)氣氛為純Ar的石英爐管內(nèi)，保溫30min；(2)向石英爐管內(nèi)通入H2，此時(shí)退火氣氛變?yōu)锳r和H2的混合氣氛，并升溫到1000℃；(3)停止通H2，將退火氣氛變?yōu)榧傾r氣氛，并升溫到1200℃保溫1h；(4)保溫結(jié)束后，繼續(xù)通入純Ar，降溫到650℃后出舟，將硅片冷卻至室溫后卸載。采用本發(fā)明的制備方法不但消除了硅片表面的空洞型微缺陷，降低了表面的霧度值(Haze值)，而且保證了硅片電阻率在深度方向上的一致性和徑向上的均勻性。本發(fā)明不會(huì)帶來(lái)附加的不良作用，不需要增加多余的工序，不僅提高了生產(chǎn)效率而且降低了成本，適合于批量生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種高溫退火硅片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫退火硅片的制備方法，用于制備高質(zhì)量集成電路用硅襯底材料。
【背景技術(shù)】
[0002]硅片是利用直拉法(CZ法)或者區(qū)熔法(FZ法)得到硅單晶錠，硅單晶錠經(jīng)過(guò)線切割、磨削、拋光、清洗等工藝制備得到的。在用CZ法生長(zhǎng)晶體的過(guò)程中，由于空位的聚集會(huì)形成一種空洞型微缺陷，即晶體原生粒子缺陷(COP)，這種缺陷會(huì)降低MOS器件柵氧化層的完整性(GOI)，因此為了滿足器件制備的要求，需要降低硅片表面的晶體原生粒子缺陷(COP)。高溫退火工藝就是一種有效的方法。一般工藝條件是將硅片置于Ar氣氛中，然后升溫到1200°C并保溫lh。但是如果在純氬氣中進(jìn)行熱處理會(huì)導(dǎo)致硅片近表面區(qū)域大約3μπι內(nèi)電阻的下降，如圖1所示。這主要是因?yàn)楣杵谇逑春碗S后的存儲(chǔ)過(guò)程中，會(huì)在硅片表面形成大約15-40nm厚的自然氧化膜，在退火過(guò)程中，這些氧化膜會(huì)吸附爐體或者臨近硅片的硼原子，這些硼原子在高溫的作用下會(huì)穿透氧化膜進(jìn)而擴(kuò)散到硅片表面區(qū)域，造成退火后硅片表面阻值的降低。
[0003]解決以上問(wèn)題的方法主要有以下兩種:一是把經(jīng)過(guò)熱處理的硅片重新拋光，除去表面大約5 μ m的厚度，就可以得到阻值正常的硅片；二是在高溫?zé)崽幚碇坝肏F溶液將硅片清洗一遍，去除表面的自然氧化膜，然后立即進(jìn)爐。但是這兩種方法都有局限性，第一種方法會(huì)導(dǎo)致表面潔凈區(qū)減小甚至消失，使硅片表面的空洞型缺陷重新出現(xiàn)；第二種方法會(huì)導(dǎo)致硅片表面顆粒的增加，如圖2所示。另外，這兩種方法都會(huì)導(dǎo)致成本的增加。
[0004]因此，需要找到一`種低成本的方法來(lái)降低或者消除硅片表面的晶體原生粒子缺陷(COP)，同時(shí)保持硅片表面到內(nèi)部電阻率的一致性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高溫退火硅片的制備方法，通過(guò)高溫?zé)崽幚碓诮档凸杵砻婵斩葱腿毕菝芏鹊耐瑫r(shí)保持電阻率深度分布的一致性，從而提聞襯底的質(zhì)量，提聞棚氧化層的完整性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種高溫退火硅片的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)將娃片裝載好后，以150mm/min的速度升入溫度為650°C,保護(hù)氣氛為純Ar的石英爐管內(nèi)，保溫30min;
[0009](2)向石英爐管內(nèi)通入H2,此時(shí)退火氣氛變?yōu)锳r和H2的混合氣氛，并升溫到10000C ；
[0010](3)停止通H2，將退火氣氛變?yōu)榧傾r氣氛，并升溫到1200°C保溫Ih ；
[0011](4)保溫結(jié)束后，繼續(xù)通入純Ar，降溫到650°C后出舟，將硅片冷卻至室溫后卸載。
[0012]在上述制備方法中，所述步驟⑵中Ar和H2的混合氣氛中H2和Ar的流量比為4% ;升溫速度為3~5°C /min。
[0013]在上述制備方法中，所述步驟⑷中硅片的出舟速度為150mm/min。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0015]與采用純Ar氣氛退火的硅片相比，采用本發(fā)明的制備方法不但消除了硅片表面的空洞型微缺陷，降低了表面霧度值(Haze)，而且保證了硅片電阻率在深度方向上的一致性和徑向上的均勻性。
[0016]采用本發(fā)明不僅能夠制備出高質(zhì)量的硅襯底材料，而且不會(huì)帶來(lái)附加的不良作用，不需要增加多余的工序，不僅提高了生產(chǎn)效率而且降低了成本，適合于批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為硅片經(jīng)過(guò)純Ar氣氛、1200°C /lh退火后電阻的深度分布圖。
[0018]圖2為硅片經(jīng)過(guò)HF漂洗后表面顆粒的變化圖。
[0019]圖3為本發(fā)明的工藝流程圖。
[0020]圖4為步驟(2)溫度為950°C時(shí)，硅片電阻率的深度分布圖。
[0021]圖5為步驟(2)升溫速率為10°C /min時(shí)，硅片電阻率的深度分布圖。
[0022]圖6為采用本發(fā)明后用電容-電壓(C-V)法測(cè)量得到的電阻率深度分布圖。
[0023]圖7為采用本發(fā)明`后用擴(kuò)展電阻(SRP)法測(cè)量得到的電阻率深度分布圖。
[0024]圖8為采用本發(fā)明退火前后硅片表面的顆粒變化情況。
[0025]圖9為采用本發(fā)明退火前后硅片表面霧度值(Haze)的變化情況。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]高溫退火硅片制備過(guò)程中所使用的設(shè)備是先進(jìn)半導(dǎo)體材料公司(ASM)的A412型高溫退火爐，用碳化硅舟(SIC-BAOT)和碳化硅環(huán)(SIC-RING)來(lái)裝載硅片，最大載片量為90片。所用硅片為P型〈110〉單晶，直徑為300mm，電阻率為8-12Q/cm。電阻率的測(cè)量方法為電容-電壓法(C-V)和擴(kuò)展電阻法(SRP)。表面顆粒和表面霧度值(Haze)用表面掃描儀(SPl)來(lái)測(cè)量，SPl中點(diǎn)缺陷(LPD)代表硅片表面的顆粒，無(wú)法洗掉的點(diǎn)缺陷(LPD-N)代表晶體原生粒子缺陷(COP)。
[0028]如圖3所示，本發(fā)明的步驟(1)是將清洗好的硅片裝入退火爐中，然后在Ar氣氛中保溫30min，主要目的是通過(guò)Ar吹掃來(lái)降低爐管內(nèi)的氧含量，防止在下一步通H2時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)；同時(shí)也使整個(gè)硅片的溫度保持一致，防止在下一步的升溫過(guò)程中產(chǎn)生滑移線。步驟
(2)是在H2和Ar的混合氣氛中以3~5°C /min升溫到1000°C。目的是去除硅片表面的自然氧化膜。退火爐的爐管、相鄰硅片、碳化硅舟都可能會(huì)釋放硼原子到硅片表面，然后被硅片表面的自然氧化層吸附，在高溫時(shí)就可能擴(kuò)散到硅片中去，造成電阻率降低。因此，為了保持電阻率的一致性，必須先去掉硅片表面的自然氧化膜。所以將H2通入到爐管中，出于安全考慮H2和Ar的流量比為4%，因?yàn)镠2的爆炸極限為4 0Z0~70%。H2在高溫下會(huì)和硅片表面的自然氧化膜(SiO2)發(fā)生如下反應(yīng):
[0029]H2+Si02 — SiO i +H2O ?
[0030]隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧化膜中的硼原子也被帶到了退火氣氛中而消除，硅片表面的電阻率也就保持了一致性。H2和SiO2的反應(yīng)的最低溫度為850°C，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在溫度低于1000°C時(shí)，氧化膜無(wú)法全部去除，硅片表面的電阻值會(huì)降低。圖4是以5°C /min升溫到950°C時(shí)的電阻率隨深度變化圖?？梢钥闯龉に嚱Y(jié)束后表面電阻降低。需要說(shuō)明的是升溫速率對(duì)氧化膜的消除有很大的影響。如果升溫速率太快，會(huì)導(dǎo)致中心和邊緣電阻很大的變化。圖5是升溫速度為10°C /min升溫到1000°C，工藝完成后的中心和邊緣電阻率隨深度的變化，可以看出邊緣電阻率相比于中間升高很大。實(shí)驗(yàn)證明升溫速度保持在3~5°C /min時(shí)，能夠保證電阻具有良好的均勻性。理論上來(lái)說(shuō)升溫速度越慢，硅片邊緣和中心的溫度越接近，H2和SiO2的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的也越均勻，硅片邊緣和中心電阻一致性也越好。圖6為速率為3°C /min時(shí)，電阻率隨深度的分布圖?？梢钥闯龉杵行暮瓦吘壍碾娮杪试谏疃确较蛏隙急３至撕芎玫囊恢滦?。圖7為擴(kuò)展電阻的測(cè)量結(jié)果。由于電容-電壓法(C-V法)本身的局限性，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量硅片表面Iym處的阻值，因此需要用擴(kuò)展電阻法(SRP法)來(lái)測(cè)量。從測(cè)試結(jié)果可以看出，硅片表面到內(nèi)部的電阻基本一致。
[0031]本發(fā)明的步驟(3)是將保護(hù)氣氛變?yōu)锳r，然后將溫度升到1200°C并保溫lh。本步驟的主要目的是消除硅片表面的晶體原生粒子缺陷(COP)和降低硅片的表面微粗糙度。晶體原生粒子缺陷(COP)的內(nèi)壁有一層氧化膜，在高溫環(huán)境下氧化膜分解為間隙氧而擴(kuò)散到硅片外面，只剩下由空位構(gòu)成的空洞，然后自間隙硅原子就會(huì)填充到這些空洞中而將這些空洞填平，晶體原生粒子缺陷(COP)隨之消失。同時(shí)在高溫下，硅片表面的原子會(huì)自發(fā)的從能量高的地方擴(kuò)散到能量低的地方，即從表面的“凸起”流動(dòng)到表面的“凹坑”中去，使表面變得平整，降低了表面的微粗糙度。步驟(4)是本發(fā)明的最后一步，當(dāng)保溫結(jié)束后，在純Ar氣氛下將溫度降到650°C出舟冷卻，卸載硅片。
[0032]圖8為拋光片退火前后利用表面掃描儀SPl測(cè)量得到的顆粒值，可以看出經(jīng)過(guò)高溫處理后片子表面的晶體原生粒子缺陷(COP)全部被消除，表面顆粒的數(shù)量也有了明顯的減少。圖9為用本發(fā)明處理前后硅片表面霧度值(Haze)，硅片經(jīng)過(guò)退火后表面霧度值(Haze)的平均值降低了 52.6%，峰值降低了 70.7%，充分說(shuō)明本發(fā)明提高了硅片的表面質(zhì)`量。
[0033]綜上所述，采用本發(fā)明不僅能夠制備出高質(zhì)量的硅襯底材料，而且不會(huì)帶來(lái)附加的不良作用，不需要增加多余的工序，不僅提高了生產(chǎn)效率而且降低了成本，適合于批量生產(chǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫退火硅片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將硅片裝載好后，以150mm/min的速度升入溫度為650°C，保護(hù)氣氛為純Ar的石英爐管內(nèi)，保溫30min ；(2)向石英爐管內(nèi)通入H2，此時(shí)退火氣氛變?yōu)锳i^PH2的混合氣氛，然后升溫到1000°C; (3)停止通H2，將退火氣氛變?yōu)榧傾r氣氛，并升溫到1200°C保溫Ih； (4)保溫結(jié)束后，繼續(xù)通入純Ar，降溫到650°C后出舟，將硅片冷卻至室溫后卸載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫退火硅片的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中Ar和H2的混合氣氛中H2和Ar的流量比為4%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫退火硅片的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中升溫速度為3~5°C /min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫退火硅片的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中硅片的出舟速度為 150mm/min。
【文檔編號(hào)】C30B29/06GK103820862SQ201210465601
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月16日
【發(fā)明者】李宗峰, 馮泉林, 趙而敬, 盛方毓, 閆志瑞, 李青保, 王磊 申請(qǐng)人:有研半導(dǎo)體材料股份有限公司