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CN113138195A - 晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法 - Google Patents

晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法 Download PDF

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CN113138195A CN202110412646.0A CN202110412646A CN113138195A CN 113138195 A CN113138195 A CN 113138195A CN 202110412646 A CN202110412646 A CN 202110412646A CN 113138195 A CN113138195 A CN 113138195A
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刘赟
王洵
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Abstract

本发明提供了一种晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法，包括：在晶棒上按照预设的硅片抽样频率进行硅片抽样；对所述硅片进行晶体缺陷显现处理，以显示出所述硅片的晶体缺陷；对所述硅片的晶体缺陷进行晶体缺陷观察表征，并提取出表征晶体缺陷的数值；通过表征结果得到所述硅片的密度径向分布并区分晶体缺陷类型；根据所述表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型得到所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，以显示完整的所述晶棒的晶体缺陷分布。本发明无需纵切破坏晶棒就可以获得完整的晶棒的晶体缺陷分布，根据所述晶棒的晶体缺陷分布，可调整晶棒生长的工艺，以获得指定缺陷特性的晶棒。

Description

晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法。
背景技术
晶体生长过程中引入的缺陷对半导体器件良率具有显著影响，不同的器件对晶体中的缺陷类型和密度的要求不同。因此，需要对晶体的生长过程进行监控。
现有监控产品中晶体缺陷的方法一般通过硅片(wafer)抽样检测，检测方法包括如光散射层析(Laser Scattering Tomography，LST)、铜修饰、BMD热处理(Bulk MicroDefect，BMD，体微缺陷)等，然而，这些检测手段往往表征晶体缺陷不全面或实验周期太长，同时通过少量的抽样来判断产品质量难免出现误差。而要得知晶棒中确切的晶体缺陷分布则往往需要通过纵切观察的方式，但是一旦纵切后的晶棒就无法应用于生产，成本较高。
因此需要一种简单、有效且经济的方法来监控产品中的晶体缺陷，并指导拉晶工艺的修正、调试、改性，从而得到指定晶体缺陷特性的晶体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法，以解决完整晶棒的晶体缺陷表征不全面、实验周期太长以及成本太高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种晶体缺陷的监控方法，包括：
在晶棒上按照预设的硅片抽样频率进行硅片抽样；
对所述硅片进行晶体缺陷显现处理，以显示出所述硅片的晶体缺陷；
对所述硅片的晶体缺陷进行晶体缺陷观察表征，并提取出表征晶体缺陷的数值；
通过表征结果得到所述硅片的密度径向分布并区分晶体缺陷类型；
根据所述表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型得到所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，以显示完整的所述晶棒的晶体缺陷分布。
可选的，所述晶体缺陷类型包括空位型缺陷和自间隙型缺陷。
可选的，所述晶体缺陷显现处理的方法包括气相外延沉积、气相刻蚀、铜修饰或者体微缺陷热处理。
可选的，所述晶体缺陷观察的方法包括光学显微镜、光散射层析、激光散射或者少数载流子寿命。
可选的，在所述晶棒的长度方向上对所述硅片进行抽样。
可选的，所述硅片的抽样频率为1/10mm-1-1/200mm-1。
可选的，将表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型输入模拟软件中绘制所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，所述模拟软件采用MATLAB模拟软件或者Python模拟软件。
基于同一发明构思，本发明还提供一种晶棒生长方法，如上述的晶体缺陷的监控方法监控晶体缺陷，并根据所述晶棒的晶体缺陷分布调整所述晶棒的生长工艺，以获得指定缺陷特性的晶棒。
可选的，所述晶体缺陷为空位型缺陷时，降低晶棒拉速或者提高温度梯度。
可选的，所述晶体缺陷为自间隙型缺陷时，提高晶棒拉速或者降低温度梯度。
与现有技术相比，在本发明提供的晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法中，通过在晶棒上按照预设的硅片抽样频率进行硅片抽样，再对所述硅片进行晶体缺陷显现处理和晶体缺陷观察表征，并提取出表征晶体缺陷的数值，接着通过表征结果得到所述硅片的密度径向分布并区分晶体缺陷类型，将表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型输入模拟软件中绘制所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，获得完整的所述晶棒的晶体缺陷分布。通过上述方法，无需纵切破坏晶棒就可以获得完整的晶棒的晶体缺陷分布。根据所述晶棒的晶体缺陷分布，可以有效地调整晶棒生长的工艺，以获得指定缺陷特性的晶棒。
附图说明
图1是本发明实施例的晶体缺陷的监控方法流程示意图；
图2-图5是本发明实施例的晶体缺陷的监控方法对应结构示意图；
图6是本发明实施例的晶体缺陷的分布示意图；
图7是本发明实施例的晶棒生长方法的工艺调整示意图；
图8是本发明实施例的晶棒生长方法的I区域工艺调整示意图；
图9是本发明实施例的晶棒生长方法的V区域工艺调整示意图；
图中，
10-晶棒；11-硅片；12-等值线；13-I区域；13a-I区域横切面图；13b-I区域偏移拉速；14-V区域；14a-V区域横切面图；14b-V区域偏移拉速；15-I区域；15a-I区域横切面图；16-无微缺陷区域；17-无缺陷拉速线；18-实际拉速线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1为本发明实施例的晶体缺陷的监控方法流程示意图。如图1所示，本发明提供一种晶体缺陷的监控方法，包括：
步骤S1：在晶棒上按照预设的硅片抽样频率进行硅片抽样；
步骤S2：对所述硅片进行晶体缺陷显现处理，以显示出所述硅片的晶体缺陷；
步骤S3：对所述硅片的晶体缺陷进行晶体缺陷观察表征，并提取出表征晶体缺陷的数值；
步骤S4：通过表征结果得到所述硅片的密度径向分布并区分晶体缺陷类型；
步骤S5：将表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型输入模拟软件中绘制所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，以显示完整的所述晶棒的晶体缺陷分布。
图2-图5是本发明实施例的晶体缺陷的监控方法对应结构示意图。下面根据图2-图5详细的介绍晶体缺陷的监控方法。
请参考图2，在步骤S1中，在晶棒10上按照预设的硅片抽样频率进行硅片抽样。在本实施例中，按照在所述晶棒10的长度方向上对所述硅片进行抽样，预设的所述硅片的抽样频率例如是1/10mm-1～1/200mm-1。按照上述抽样频率，有利于完整地反映整个晶棒的晶体缺陷的生长状况。
请参考图3，在步骤S2中，对所述硅片11进行晶体缺陷显现处理，以显示出所述硅片11的晶体缺陷。所述晶体缺陷显现处理的方法包括气相外延沉积工艺、气相刻蚀工艺、铜修饰工艺或者体微缺陷热处理工艺。具体的，气相外延沉积工艺在所述硅片上沉积硅，由于所述硅片上存在晶体缺陷时，存在晶体缺陷区域的硅的沉积速率与其他区域不同，沉积后，所述硅片上的硅的厚度不同，会形成凸起和凹陷，显示所述硅片上的晶体缺陷，气相外延沉积工艺的气体例如是SiHCl3，在所述硅片上沉积的硅的厚度例如是0.5μm-5μm。由于所述硅片上存在晶体缺陷不同，晶体缺陷密度不同，反应速率不同，气相刻蚀工艺在所述硅片上腐蚀出来的尺寸不同的坑，这些坑有大有小、有深有浅。体微缺陷热处理工艺是采用两步热处理工艺，由于裸硅的表面缺陷较多，少子寿命很低，无法测出所述硅片的有效的少子寿命，因此需要进行体微缺陷热处理工艺。铜修饰工艺可以改变所述硅片的晶体缺陷形貌，通过形貌的差异判断晶体缺陷类型，计算晶体缺陷密度。
在本实施例中，所述晶体缺陷显现处理的方法采用气相刻蚀工艺，所述气相刻蚀工艺采用20slm-80slm的氢气气氛中通入0.1％-10％七族氢化物。所述七族氢化物例如是HF、HCl、HBr、HI刻蚀气体，在本实施例中，所述七族氢化物采用HCl气体，所述气相刻蚀工艺的反应温度例如是700℃-1100℃，优选为900℃。
请参考图4，在步骤S3中，对所述硅片11的晶体缺陷进行晶体缺陷观察表征，并提取出表征晶体缺陷的数值。在本实施例中，所述晶体缺陷观察的方法包括光学显微镜(optical microscope，OM)、光散射层析(Laser Scattering Tomography，LST)、激光散射(laser light scattering，LLS)或者少数载流子寿命(minority carrier lifetime，MCLT)。
当所述晶体缺陷显现处理的方法采用气相外延沉积工艺或者气相刻蚀工艺时，所述晶体缺陷观察方法优选激光散射(laser light scattering，LLS)，LLS通过扫描所述硅片的表面，计算所述硅片上凸起或者凹陷的位置，以及凸起或者凹陷的等效尺寸，通过晶体缺陷空间位置分布和晶体缺陷密度判断晶体缺陷类型。当所述晶体缺陷显现处理的方法采用BMD热处理工艺时，所述晶体缺陷观察方法优选MCLT或者LST，当所述晶体缺陷显现处理的方法采用铜修饰工艺时，所述晶体缺陷观察方法优选OM、LLS、LST或者MCLT。
在步骤S4中，通过表征结果得到所述硅片11的密度径向分布并区分晶体缺陷类型。在本实施例中，所述晶体缺陷类型包括空位型缺陷和自间隙型缺陷。V区域(V region)为高拉速或低温度梯度下产生的空位型缺陷区间，其中包括V-rich(这个区间里面晶体缺陷是空洞)、P-band(这个区间内晶体缺陷为OISF(oxidation induced stacking fault)的成核核心即大尺寸的氧沉淀)和Pv(这个区间内缺陷为小尺寸的氧沉淀)。I区域(I region)为低拉速或高温度梯度下产生的自间隙型缺陷区间，其中，包括A-defect(位错)与B-defect(自间隙原子团)。Defect-free为无微缺陷区域。对于I区域的自间隙型缺陷，采用铜修饰可以更好的展示缺陷，但是铜修饰不能很好的显示V区域的空位型缺陷。对于V区域的空位型缺陷，采用BMD热处理工艺，可以更好的展示缺陷，但是BMD热处理工艺不能很好的显示I区域的自间隙型缺陷。
请参考图5，在步骤S5中，将表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型输入模拟软件中绘制所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线12图，以显示完整的所述晶棒的晶体缺陷分布。在本实施例中，所述模拟软件采用MATLAB模拟软件或者Python模拟软件。如图5所示，横轴方向为晶棒的长度，纵轴为晶棒的直径，图5可以显示整个晶圆的晶体缺陷的分布。
图6是本发明实施例的晶体缺陷的分布示意图。从图6中可以看出，晶棒10的两端为I区域13和15，13a为I区域13的晶棒横向切面图，15a为I区域15的晶棒横向切面图，晶棒10的中间为V区域14，14a为I区域14的晶棒横向切面图。
图7是本发明实施例的晶棒生长方法的工艺调整示意图，图8是本发明实施例的晶棒生长方法的I区域工艺调整示意图，图9是本发明实施例的晶棒生长方法的V区域工艺调整示意图。
请参考图7～9，基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种晶棒生长方法，如上述的晶体缺陷的监控方法，根据所述晶棒10的晶体缺陷分布，调整所述晶棒10的生长工艺，以获得指定缺陷特性的晶棒10。
在本实施例中，指定缺陷特性的晶棒10是指无晶体原生缺陷的完美晶体，例如是只有间隙原子缺陷，无任何聚合缺陷的区域，或近完美的晶体，例如是只有间隙原子缺陷和空穴区域缺陷，抑或夹杂小的可高温溶解氧沉淀的核的区域的晶体。
如图7所示，图7为对应晶棒每个区域的拉速，17是无缺陷拉速线，18是实际拉速线，13b是I区域实际拉速线18与无缺陷拉速线17的偏移拉速，14b是V区域实际拉速线18与无缺陷拉速线17的偏移拉速，可知，根据图7的I区域实际拉速线18与无缺陷拉速线17的偏移拉速13b，对应图8中I区域的偏离无缺陷区域拉速百分比和缺陷密度的关系，所述晶体缺陷为自间隙型缺陷(即I区域)时，提高晶棒拉速或者降低温度梯度。根据图7的I区域实际拉速线18与无缺陷拉速线17的偏移拉速14b，对应图9中V区域的偏离无缺陷区域拉速百分比和缺陷密度的关系，所述晶体缺陷为空位型缺陷(即V区域)时，降低晶棒拉速或者提高温度梯度。
综上可见，在本发明实施例提供的晶体缺陷的监控方法及晶棒生长方法，通过在晶棒上按照预设的硅片抽样频率进行硅片抽样；对所述硅片进行晶体缺陷显现处理和晶体缺陷观察表征，并提取出表征晶体缺陷的数值；通过表征结果得到所述硅片的密度径向分布并区分晶体缺陷类型；将表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型输入模拟软件中绘制所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，获得完整的所述晶棒的晶体缺陷分布。通过上述方法，无需纵切破坏晶棒就可以获得完整的晶棒的晶体缺陷分布。根据所述晶棒的晶体缺陷分布，调整晶棒生长的工艺，以获得指定缺陷特性的晶棒。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶体缺陷的监控方法，其特征在于，包括：
在晶棒上按照预设的硅片抽样频率进行硅片抽样；
对所述硅片进行晶体缺陷显现处理，以显示出所述硅片的晶体缺陷；
对所述硅片的晶体缺陷进行晶体缺陷观察表征，并提取出表征晶体缺陷的数值；
通过表征结果得到所述硅片的密度径向分布并区分晶体缺陷类型；
根据所述表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型得到所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，以显示完整的所述晶棒的晶体缺陷分布。
2.如权利要求1所述的晶体缺陷的监控方法，其特征在于，所述晶体缺陷类型包括空位型缺陷和自间隙型缺陷。
3.如权利要求1所述的晶体缺陷的监控方法，其特征在于，所述晶体缺陷显现处理的方法包括气相外延沉积、气相刻蚀、铜修饰或者体微缺陷热处理。
4.如权利要求1所述的晶体缺陷的监控方法，其特征在于，所述晶体缺陷观察的方法包括光学显微镜、光散射层析、激光散射或者少数载流子寿命。
5.如权利要求1所述的晶体缺陷的监控方法，其特征在于，在所述晶棒的长度方向上对所述硅片进行抽样。
6.如权利要求5所述的晶体缺陷的监控方法，其特征在于,所述硅片的抽样频率为1/10mm-1-1/200mm-1。
7.如权利要求1所述的晶体缺陷的监控方法，其特征在于，将表征晶体缺陷的数值和晶体缺陷类型输入模拟软件中绘制所述晶棒的晶体缺陷密度的等值线图，所述模拟软件采用MATLAB模拟软件或者Python模拟软件。
8.一种晶棒生长方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一所述的晶体缺陷的监控方法监控晶体缺陷，并根据所述晶棒的晶体缺陷分布调整所述晶棒的生长工艺，以获得指定缺陷特性的晶棒。
9.如权利要求8所述的晶棒生长方法，其特征在于，所述晶体缺陷为空位型缺陷时，降低晶棒拉速或者提高温度梯度。
10.如权利要求8所述的晶棒生长方法，其特征在于，所述晶体缺陷为自间隙型缺陷时，提高晶棒拉速或者降低温度梯度。
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