CN103820862A - 一种高温退火硅片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温退火硅片的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅片装载好后，以150mm/min的速度升入温度为650℃，保护气氛为纯Ar的石英炉管内，保温30min；(2)向石英炉管内通入H2，此时退火气氛变为Ar和H2的混合气氛，并升温到1000℃；(3)停止通H2，将退火气氛变为纯Ar气氛，并升温到1200℃保温1h；(4)保温结束后，继续通入纯Ar，降温到650℃后出舟，将硅片冷却至室温后卸载。采用本发明的制备方法不但消除了硅片表面的空洞型微缺陷，降低了表面的雾度值(Haze值)，而且保证了硅片电阻率在深度方向上的一致性和径向上的均匀性。本发明不会带来附加的不良作用，不需要增加多余的工序，不仅提高了生产效率而且降低了成本，适合于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温退火硅片的制备方法，用于制备高质量集成电路用硅衬底材料。
背景技术
硅片是利用直拉法(CZ法)或者区熔法(FZ法)得到硅单晶锭，硅单晶锭经过线切割、磨削、抛光、清洗等工艺制备得到的。在用CZ法生长晶体的过程中，由于空位的聚集会形成一种空洞型微缺陷，即晶体原生粒子缺陷(COP)，这种缺陷会降低MOS器件栅氧化层的完整性(GOI)，因此为了满足器件制备的要求，需要降低硅片表面的晶体原生粒子缺陷(COP)。高温退火工艺就是一种有效的方法。一般工艺条件是将硅片置于Ar气氛中，然后升温到1200℃并保温1h。但是如果在纯氩气中进行热处理会导致硅片近表面区域大约3μm内电阻的下降，如图1所示。这主要是因为硅片在清洗和随后的存储过程中，会在硅片表面形成大约15-40nm厚的自然氧化膜，在退火过程中，这些氧化膜会吸附炉体或者临近硅片的硼原子，这些硼原子在高温的作用下会穿透氧化膜进而扩散到硅片表面区域，造成退火后硅片表面阻值的降低。
解决以上问题的方法主要有以下两种：一是把经过热处理的硅片重新抛光，除去表面大约5μm的厚度，就可以得到阻值正常的硅片；二是在高温热处理之前用HF溶液将硅片清洗一遍，去除表面的自然氧化膜，然后立即进炉。但是这两种方法都有局限性，第一种方法会导致表面洁净区减小甚至消失，使硅片表面的空洞型缺陷重新出现；第二种方法会导致硅片表面颗粒的增加，如图2所示。另外，这两种方法都会导致成本的增加。
因此，需要找到一种低成本的方法来降低或者消除硅片表面的晶体原生粒子缺陷(COP)，同时保持硅片表面到内部电阻率的一致性。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种高温退火硅片的制备方法，通过高温热处理在降低硅片表面空洞型缺陷密度的同时保持电阻率深度分布的一致性，从而提高衬底的质量，提高栅氧化层的完整性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高温退火硅片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅片装载好后，以150mm/min的速度升入温度为650℃，保护气氛为纯Ar的石英炉管内，保温30min；
(2)向石英炉管内通入H2，此时退火气氛变为Ar和H2的混合气氛，并升温到1000℃；
(3)停止通H2，将退火气氛变为纯Ar气氛，并升温到1200℃保温1h；
(4)保温结束后，继续通入纯Ar，降温到650℃后出舟，将硅片冷却至室温后卸载。
在上述制备方法中，所述步骤(2)中Ar和H2的混合气氛中H2和Ar的流量比为4％；升温速度为3～5℃/min。
在上述制备方法中，所述步骤(4)中硅片的出舟速度为150mm/min。
本发明的优点在于：
与采用纯Ar气氛退火的硅片相比，采用本发明的制备方法不但消除了硅片表面的空洞型微缺陷，降低了表面雾度值(Haze)，而且保证了硅片电阻率在深度方向上的一致性和径向上的均匀性。
采用本发明不仅能够制备出高质量的硅衬底材料，而且不会带来附加的不良作用，不需要增加多余的工序，不仅提高了生产效率而且降低了成本，适合于批量生产。
附图说明
图1为硅片经过纯Ar气氛、1200℃/1h退火后电阻的深度分布图。
图2为硅片经过HF漂洗后表面颗粒的变化图。
图3为本发明的工艺流程图。
图4为步骤(2)温度为950℃时，硅片电阻率的深度分布图。
图5为步骤(2)升温速率为10℃/min时，硅片电阻率的深度分布图。
图6为采用本发明后用电容-电压(C-V)法测量得到的电阻率深度分布图。
图7为采用本发明后用扩展电阻(SRP)法测量得到的电阻率深度分布图。
图8为采用本发明退火前后硅片表面的颗粒变化情况。
图9为采用本发明退火前后硅片表面雾度值(Haze)的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
高温退火硅片制备过程中所使用的设备是先进半导体材料公司(ASM)的A412型高温退火炉，用碳化硅舟(SIC-BAOT)和碳化硅环(SIC-RING)来装载硅片，最大载片量为90片。所用硅片为P型<110>单晶，直径为300mm，电阻率为8-12Ω/cm。电阻率的测量方法为电容-电压法(C-V)和扩展电阻法(SRP)。表面颗粒和表面雾度值(Haze)用表面扫描仪(SP1)来测量，SP1中点缺陷(LPD)代表硅片表面的颗粒，无法洗掉的点缺陷(LPD-N)代表晶体原生粒子缺陷(COP)。
如图3所示，本发明的步骤(1)是将清洗好的硅片装入退火炉中，然后在Ar气氛中保温30min，主要目的是通过Ar吹扫来降低炉管内的氧含量，防止在下一步通H2时发生危险；同时也使整个硅片的温度保持一致，防止在下一步的升温过程中产生滑移线。步骤(2)是在H2和Ar的混合气氛中以3～5℃/min升温到1000℃。目的是去除硅片表面的自然氧化膜。退火炉的炉管、相邻硅片、碳化硅舟都可能会释放硼原子到硅片表面，然后被硅片表面的自然氧化层吸附，在高温时就可能扩散到硅片中去，造成电阻率降低。因此，为了保持电阻率的一致性，必须先去掉硅片表面的自然氧化膜。所以将H2通入到炉管中，出于安全考虑H2和Ar的流量比为4％，因为H2的爆炸极限为4％～70％。H2在高温下会和硅片表面的自然氧化膜(SiO2)发生如下反应：
H2+SiO2→SiO↑+H2O↑
随着反应的进行，氧化膜中的硼原子也被带到了退火气氛中而消除，硅片表面的电阻率也就保持了一致性。H2和SiO2的反应的最低温度为850℃，但是实验发现在温度低于1000℃时，氧化膜无法全部去除，硅片表面的电阻值会降低。图4是以5℃/min升温到950℃时的电阻率随深度变化图。可以看出工艺结束后表面电阻降低。需要说明的是升温速率对氧化膜的消除有很大的影响。如果升温速率太快，会导致中心和边缘电阻很大的变化。图5是升温速度为10℃/min升温到1000℃，工艺完成后的中心和边缘电阻率随深度的变化，可以看出边缘电阻率相比于中间升高很大。实验证明升温速度保持在3～5℃/min时，能够保证电阻具有良好的均匀性。理论上来说升温速度越慢，硅片边缘和中心的温度越接近，H2和SiO2的化学反应进行的也越均匀，硅片边缘和中心电阻一致性也越好。图6为速率为3℃/min时，电阻率随深度的分布图。可以看出硅片中心和边缘的电阻率在深度方向上都保持了很好的一致性。图7为扩展电阻的测量结果。由于电容-电压法(C-V法)本身的局限性，无法准确测量硅片表面1μm处的阻值，因此需要用扩展电阻法(SRP法)来测量。从测试结果可以看出，硅片表面到内部的电阻基本一致。
本发明的步骤(3)是将保护气氛变为Ar，然后将温度升到1200℃并保温1h。本步骤的主要目的是消除硅片表面的晶体原生粒子缺陷(COP)和降低硅片的表面微粗糙度。晶体原生粒子缺陷(COP)的内壁有一层氧化膜，在高温环境下氧化膜分解为间隙氧而扩散到硅片外面，只剩下由空位构成的空洞，然后自间隙硅原子就会填充到这些空洞中而将这些空洞填平，晶体原生粒子缺陷(COP)随之消失。同时在高温下，硅片表面的原子会自发的从能量高的地方扩散到能量低的地方，即从表面的“凸起”流动到表面的“凹坑”中去，使表面变得平整，降低了表面的微粗糙度。步骤(4)是本发明的最后一步，当保温结束后，在纯Ar气氛下将温度降到650℃出舟冷却，卸载硅片。
图8为抛光片退火前后利用表面扫描仪SP1测量得到的颗粒值，可以看出经过高温处理后片子表面的晶体原生粒子缺陷(COP)全部被消除，表面颗粒的数量也有了明显的减少。图9为用本发明处理前后硅片表面雾度值(Haze)，硅片经过退火后表面雾度值(Haze)的平均值降低了52.6％，峰值降低了70.7％，充分说明本发明提高了硅片的表面质量。
综上所述，采用本发明不仅能够制备出高质量的硅衬底材料，而且不会带来附加的不良作用，不需要增加多余的工序，不仅提高了生产效率而且降低了成本，适合于批量生产。
Claims (4)
1.一种高温退火硅片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅片装载好后，以150mm/min的速度升入温度为650℃，保护气氛为纯Ar的石英炉管内，保温30min；
(2)向石英炉管内通入H2，此时退火气氛变为Ar和H2的混合气氛，然后升温到1000℃；
(3)停止通H2，将退火气氛变为纯Ar气氛，并升温到1200℃保温1h；
(4)保温结束后，继续通入纯Ar，降温到650℃后出舟，将硅片冷却至室温后卸载。
2.根据权利要求1所述的高温退火硅片的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中Ar和H2的混合气氛中H2和Ar的流量比为4％。
3.根据权利要求1所述的高温退火硅片的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中升温速度为3～5℃/min。
4.根据权利要求1所述的高温退火硅片的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中硅片的出舟速度为150mm/min。
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