CN112002639A - 一种外延晶圆的制造方法和外延晶圆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外延晶圆的制造方法和外延晶圆。所述方法包括：步骤S1：提供半导体衬底晶圆，对所述衬底晶圆进行外延工艺以在所述衬底晶圆表面形成外延层；步骤S2：对所述衬底晶圆进行热处理，以消除所述外延层的雾状图案。根据本发明的外延晶圆制造方法和外延晶圆，在外延工艺之后对衬底晶圆进行热处理，促进晶圆表层原子朝向最小能量取向位置排列，使晶圆表面的外延层中原子排列堆积一致，从而消除了晶圆表面的雾状图案。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种外延晶圆的制造方法和外延晶圆。
背景技术
外延工艺广泛应用于半导体集成电路制造，其中外延片是集成电路芯片制造的基础原料，其制造过程需要在1100℃左右高温下进行外延层生长。
一种典型的外延片生产工艺中，采用吹气的方式抓取晶圆，其优势是可以在高温下取放晶圆，提高产量。同时，由于采用吹气的方式抓取晶圆，其中取片装置(wand)会在晶圆表面吹气区域留下明显的雾状图案(haze pattern)，同时，在外延工艺的过程中，往往由于各种原因使得晶圆表面的气流发生吹过时造成晶圆表面产生雾状区域，这些雾状区域，影响晶圆表面外延层的质量分布，影响后续器件(尤其是高阶逻辑器件制造)的质量。
本发明提供了一种外延晶圆的制造方法和外延晶圆，用以解决现有技术中的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种外延晶圆的制造方法，包括：
步骤S1：提供半导体衬底晶圆，对所述衬底晶圆进行外延工艺以在所述衬底晶圆表面形成外延层；
步骤S2：对所述衬底晶圆进行热处理，以消除所述外延层中的雾状图案。
示例性地，在所述步骤S2中，所述热处理为高温快速热处理，所述高温快速热处理将晶圆快速升温至热处理温度，以进行退火处理。
示例性地，所述热处理的温度范围为1000℃-1200℃。
示例性地，所述热处理的时间范围为1min-10min。
示例性地，在所述步骤S1中采用吹气的方式抓取所述衬底晶圆进行所述外延工艺。
示例性地，还包括在所述步骤S1之后、所述步骤S2之前和/或在所述步骤S2之后进行晶圆表面度量测试，用以测试衬底晶圆的表面形态。
示例性地，在所述步骤S2中，采用机械方式抓取所述衬底晶圆。
示例性地，在所述步骤S2中同时对多片所述衬底晶圆进行热处理。
示例性地，在所述热处理步骤中采用不会所述衬底晶圆反应的气体作为所述热处理步骤的氛围。
本发明还提供了一种外延晶圆，采用如上任意一项所述的方法制造。
根据本发明的外延晶圆制造方法和外延晶圆，在外延工艺之后对衬底晶圆进行热处理，促进晶圆表层原子朝向最小能量取向位置排列，使衬底晶圆表面的吹气区和非吹气区的原子排列堆积一致，从而消除衬底晶圆表面的雾状图案。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为根据本发明的一个实施例的一种外延晶圆制造方法的流程图；
图2为根据本发明的一个实施例的热处理过程的温度随时间变化的示意图；
图3为根据本发明的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果与根据现有的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果的对比图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明的移动电源。显然，本发明的施行并不限于半导体技术领域技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种对晶圆进行定位的方法，包括：
步骤S1：提供半导体衬底晶圆，对所述衬底晶圆进行外延工艺以在所述衬底晶圆表面形成外延层；
步骤S2：对所述衬底晶圆进行热处理，以消除所述外延层中的雾状图案。
根据本发明的外延晶圆制造方法，在外延工艺之后对衬底晶圆进行热处理，促进晶圆表层原子朝向最小能量取向位置排列，使衬底晶圆表面吹气区和非吹气区的原子排列堆积一致，从而消除衬底晶圆表面的雾状图案。
下面参考图1、图2和图3对根据本发明的一种对晶圆进行定位的方法进行示意性说明，其中图1为根据本发明的一个实施例的一种外延晶圆制造方法的流程图；图2为根据本发明的一个实施例的热处理过程的温度随时间变化的示意图；图3为根据本发明的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果与根据现有的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果的对比图。
首先，参看图1，执行步骤S1：提供半导体衬底晶圆，对所述衬底晶圆进行外延工艺以在所述衬底晶圆表面形成外延层。
外延工艺是指在单晶衬底上生长一薄层单晶的工艺，长有外延层的晶体片成为外延片(外延晶圆)。
在外延晶圆的制造过程中，首先对衬底晶圆进行处理，衬底晶圆通常为经过抛光的晶圆。示例性的，衬底晶圆包括蓝宝石晶圆、碳化硅晶圆以及硅晶圆。衬底晶圆通过晶棒切片后进行后处理获得。对晶圆进行后处理的步骤包括：将通过对晶棒切片后获得的晶片置于炉管中施以惰性气体加热，再到空气中快速冷却，以将氧杂质去除，从而稳定电阻，这一步需要使用到高温快速热处理设备。然后使用抛光机对晶片进行抛光处理，最后使用晶片清洗机对晶片进行清洗等获得衬底晶圆。
示例性的，在对衬底晶圆进行外延工艺以在衬底晶圆表面形成外延层之前，还对晶圆进行预处理。
示例性的，对衬底晶圆进行预处理的步骤包括：清洗，吹扫等，在此并不限定。
在根据本发明的一个示例中，衬底晶圆为硅晶圆，在步骤S1中通过外延工艺在衬底晶圆上生长一层硅薄膜层。
为了避免衬底晶圆的污染，往往采用吹气的方式抓取衬底晶圆到外延炉中进行外延工艺，由于采用吹气的方式抓取衬底晶圆，其中取片(wand)装置会在晶圆表面留下明显的雾状图案(wand haze pattern)，这一明显的雾状图案；同时，在外延工艺的过程中，往往由于各种原因使得晶圆表面的气流发生吹过时造成晶圆表面产生雾状，这些雾状使晶圆光泽度下降，影响晶圆表面外延层的质量分布，影响后续器件(尤其是高阶逻辑器件制造)的质量。
为此，本发明提供另一解决外延工艺中在衬底晶圆表面形成雾状图案的方法。下面继续参看图1对根据本发明的方法进行示例性介绍。
接着，继续参看图1，执行步骤S2：对所述衬底晶圆进行热处理，以消除所述外延层中的雾状图案。
由于外延工艺温度会影响雾状图案的分布，外延工艺温度越高，雾状图案的分布越明显，其使由于衬底晶圆表层原子在高温下受到大流量气体吹扫发生移动而形成的。为了使原子重新排列，在根据本发明的外延晶圆的制造方法中，在外延工艺之后对衬底晶圆进行热处理，促进晶圆表层原子朝向最小能量取向位置排列，使衬底晶圆表面的吹气区(wand)和非吹气区的原子排列堆积一致，从而消除衬底晶圆表面的雾状图案。
示例性的，所述热处理为高温快速热处理，所述高温快速热处理将晶圆快速升温至热处理温度，以进行退火处理。高温快速热处理使衬底晶圆在热处理过程中经过快速升温，升温至热处理温度停留一段时间后快速降温，由于衬底晶圆表面快速上升到高温，在高温下原子充分重排后，彻底消除雾状图案。
示例性的，所述热处理温度的范围为1000℃-1200℃。
示例性的，所述热处理的时间范围为1min-10min。所述热处理的时间为在热处理温度停留的时间。
示例性的，在所述热处理步骤中采用不会所述衬底晶圆反应的气体作为所述热处理步骤的氛围。示例性的，所述气体包括但不限于氢气、氮气和/或氩气。
在根据本发明的一个示例中，在所述步骤S2中，采用在氢气气氛中，在1100-1300℃下热处理1-2分钟。
参看图2，示出了根据本发明的一个实施例的热处理过程的温度随时间变化的示意图。
如图2所示，在AB段，将经过外延工艺后的衬底晶圆加载(load in)到热处理炉；在BC段，将热处理炉的温度上升到热处理温度T1，这一过程中，温度快速上升，使衬底晶圆表面进入到热处理状态；在CD段，衬底晶圆在热处理温度T1下停留一段时间，使衬底晶圆表面的原子充分重排，以彻底消除雾状图案；最后在DE段，将衬底晶圆降温至室温，以卸载(loadout)。
示例性的，在上述衬底晶圆加载过程(AB段)和衬底晶圆卸载过程(DE)段中，采用机械方式抓取晶圆，此时避免了气体方式抓取晶圆过程中使晶圆表面进一步产生雾状区域。
示例性的，在所述步骤S2中，对单片衬底晶圆进行热处理或者对多片晶圆同时进行热处理。
在根据本发明的一个示例中，进行上述热处理步骤之前对衬底晶圆进行表面度量测试(Metrology Test)，用以测试衬底晶圆的表面形态。衬底晶圆的表面形态包括但不限于：表面光雾度、颗粒度、平坦度等等。
在根据本发明的一个示例中，进行上述热处理步骤之后对衬底晶圆进行表面度量测试(Metrology Test)，用以测试衬底晶圆的表面形态。衬底晶圆的表面形态包括但不限于：表面光亮度、颗粒度、平坦度等等。
进一步，在根据本发明的一个示例中，在热处理工艺之后对衬底晶圆进行表面度量测试之后，如果衬底晶圆表面仍存在雾状图案，继续执行上述步骤S2，以完全消除雾状图案。
在根据本发明的一个示例中，在进行上述表面度量测试之后，进行常规的处理工艺(如吹扫等)后进行分拣和封装。
参看图3示出了根据本发明的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果与根据现有的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果的对比图。其中，图3A，图3B以及图3C为根据现有的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果，从图中可以看出，晶圆表面光泽度较差，具有雾状图案，图3D位根据本发明的外延晶圆制造方法制备的外延晶圆表面测试结果，其示出表面光泽度好，不具有雾状图案。可见，根据本发明的一种外延晶圆制造方法的彻底消除衬底晶圆表面的雾状图案。
以上，是对根据本发明的一种外延晶圆制造方法的示例性介绍，根据本发明的外延晶圆制造方法，在外延工艺之后对衬底晶圆进行热处理，促进晶圆表层原子朝向最小能量取向位置排列，使衬底晶圆表面的原子排列堆积一致，从而消除衬底晶圆表面的雾状图案。
实施例二
本发明还提供了一种外延晶圆，其采用如实施例一所述的外延晶圆的制造方法进行制造。
由于根据本发明的外延晶圆制造方法，在外延工艺之后对衬底晶圆进行热处理，促进晶圆表层原子朝向最小能量取向位置排列，使衬底晶圆表面的原子排列堆积一致，从而消除衬底晶圆表面的雾状图案；因此，根据本发明的外延晶圆其具有表面无雾状图案，无雾状缺陷的优点，具有良好的晶圆表面外延层质量分布，不会影响后续器件(尤其是高阶逻辑器件制造)的质量。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (10)
1.一种外延晶圆的制造方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供半导体衬底晶圆，对所述衬底晶圆进行外延工艺以在所述衬底晶圆表面形成外延层；
步骤S2：对所述衬底晶圆进行热处理，以消除所述外延层中的雾状图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述热处理为高温快速热处理，所述高温快速热处理将晶圆快速升温至热处理温度，以进行退火处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度范围为1000℃-1200℃。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热处理的时间范围为1min-10min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中采用吹气的方式抓取所述衬底晶圆进行所述外延工艺。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述步骤S1之后、所述步骤S2之前和/或在所述步骤S2之后进行晶圆表面度量测试，用以测试衬底晶圆的表面形态。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用机械方式抓取所述衬底晶圆。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中同时对多片所述衬底晶圆进行热处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述热处理步骤中采用不会所述衬底晶圆反应的气体作为所述热处理步骤的氛围。
10.一种外延晶圆，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述的方法制造。
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