CN106298616B - 一种硅片承载部件及降低高温退火片体金属含量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于硅片高温退火工艺的硅片承载部件以及采用该硅片承载部件降低高温退火片体金属含量的方法。该硅片承载部件在用于硅片高温退火工艺之前进行清洁处理和镀膜处理，其表面经二氯乙烯和氧气在高温下反应生成的盐酸气体清洗，并且在清洗洁净的表面上形成一氮化硅保护层。本发明的硅片承载部件主要应用于硅片高温退火工艺中，特别是1200℃退火工艺，能够显著降低退火硅片体金属的数值，提高产品的质量。利用本发明的硅片承载部件不仅能够明显的降低高温退火硅片体金属的含量，而且不需要拆装硅片承载部件，完全避免了盐酸的使用，安全可靠，降低了生成成本和安全成本。

Description

一种硅片承载部件及降低高温退火片体金属含量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于硅片高温退火工艺的硅片承载部件，以及降低硅片高温退火后体金属含量的方法，属于硅片加工技术领域。
背景技术
硅片一般是利用CZ法得到硅单晶锭，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。
硅片在高温退火工艺过程中极易被炉管、支撑部件中的金属杂质所沾污，造成金属含量的增加。特别是金属原子会从硅片的表面向体内扩散，造成体金属的偏高，而这无法在后续的工序中将其去除。图1和图2显示了退火后体金属沾污和硅片支撑环的对应关系，其中图1为碳化硅支撑环的结构示意图，图2为采用现有的碳化硅支撑环进行硅片退火后退火片内体铁分布图(测量方法为表面光电压(SPV)法)。可以看出体铁高的区域恰好与支撑环边缘相对应，并且体铁含量的平均值为1.72×E12atoms/cm3，已经严重超出了5×E10atoms/cm3的规范值。
碳化硅是一种多孔材质，在制备、运输、安装过程中极易吸附周围环境中的金属杂质。以前主要使用氢氟酸和硝酸的混合液来进行清洗，但是这种工作一般比较危险，需要专业的公司来进行；而且如果清洗次数太多也会影响碳化硅的寿命，正常情况下是每年进行一次清洗。
除了上述的清洗方法之外，在炉管中通入盐酸进行清洗也是以前常用的一种清洁方法。尽管这种方法很有效，但是也存在以下几个缺点：首先是盐酸的强腐蚀性会对气体管路、接口密封件产生腐蚀，造成气体中金属的增加；其次是盐酸气瓶的处理也需要非常小心，如果发生泄漏将会非常危险。
为了克服盐酸清洗的缺点，人们开始采用二氯乙烯作为盐酸的来源。二氯乙烯是一种易挥发的液体可以通过特氟龙管被载气携带进入炉管，从而避免了对气体管路的腐蚀。通常二氯乙烯被存储于透明的玻璃瓶中，易于保存和移动。二氯乙烯和氧气在高温下能够通过以下反应式(1)生成大量的盐酸气体和二氧化碳气体。盐酸气体能够和炉管和碳化硅部件上携带的金属杂质进行络合反应而将其去除。同时二氧化碳和多余的气体则随尾气排走。
C2H2Cl2+2O2→2HCL+2CO2 (1)
虽然碳化硅部件在经过二氯乙烯产生的盐酸气体清洗之后，表面的金属已经被去除，但是其内部的金属还无法被完全去除，如果不进行处理在后续高温工艺中仍然会析出，造成硅片的沾污。因此，需要在清洁干净的硅片承载部件表面生长一保护层，防止其体内的金属析出。该保护层主要是二氧化硅，但是二氧化硅的致密性较差，在工艺过程中金属杂质还是会通过其进入硅片内部。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于硅片高温退火工艺的硅片承载部件。该硅片承载部件在硅片进行退火处理时可以阻止金属通过扩散进入硅片内部，明显降低高温退火片体金属的含量。
本发明的另一目的在于提供一种采用所述硅片承载部件降低高温退火片体金属含量的方法，能够行之有效的解决退火片体金属含量高的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于硅片高温退火工艺的硅片承载部件，该硅片承载部件在用于硅片高温退火工艺之前进行清洁处理和镀膜处理，其表面经二氯乙烯和氧气在高温下反应生成的盐酸气体清洗，并且在清洗洁净的表面上形成一氮化硅保护层。
本发明的主要原理是：首先利用二氯乙烯和氧气在高温下反应生成的盐酸来去除吸附在硅片承载部件表面上的金属沾污，然后在高温下利用氮气和碳化硅反应生成致密的氮化硅薄膜阻止因硅片承载部件内部金属析出而造成的硅片沾污。
其中，所述硅片承载部件为碳化硅舟和碳化硅环。
具体来讲，所述硅片承载部件的清洁处理和镀膜处理包括以下步骤：
(1)在氩气气氛下，于600-650℃将硅片承载部件升入炉管，温度稳定后，通入氧气进行氧化工艺，氧气的流量为氩气的50％；
(2)升温至800-900℃，停止通入氩气，并以氩气为载气通入二氯乙烯，载气的流量为氧气流量的3％；
(3)升温至高于退火工艺温度，同时增加氧气的流量和载气氩气的流量，然后保温3-5小时，停止通入二氯乙烯，保持氧气流量1-2小时；
(4)停止通入氧气，并通入氮气进行氮化工艺，持续3-5小时，然后将炉管温度降到600-650℃，冷却一段时间后将硅片承载部件从炉管降下。
优选地，所述步骤(1)中氩气的流量为10-15slm。
一种利用所述硅片承载部件降低高温退火片体金属含量的方法，将从炉管降下的硅片承载部件立即用于高温退火工艺。
本发明的优点在于：
本发明的硅片承载部件主要应用于硅片高温退火工艺中，特别是1200℃退火工艺，能够显著降低退火硅片体金属的数值，提高产品的质量。
利用本发明的硅片承载部件不仅能够明显的降低高温退火硅片体金属的含量，而且不需要拆装硅片承载部件，完全避免了盐酸的使用，安全可靠，降低了生成成本和安全成本。
附图说明
图1为碳化硅支撑环的结构示意图。
图2为采用现有的碳化硅支撑环进行硅片退火后退火片内体铁分布图。
图3为本发明硅片承载部件清洁处理和镀膜处理的工艺流程图。
图4为采用本发明的硅片承载部件进行硅片退火后退火片内体铁分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图3所示，为本发明硅片承载部件清洁处理和镀膜处理的工艺流程图，具体包括以下步骤：
第一步：将硅片承载部件在氩气气氛下、T1温度下升入炉管(1-2)，然后稳定一段时间(2-3)，待温度稳定后通入氧气进行氧化工艺(3-4)，然后开始升温到T2温度(4-5)。该步典型的工艺参数是T1为600-650℃，T2为800-900℃，氩气流量为10-15slm，氧气的流量为氩气的50％，但是不限于此，也可以根据设备条件进行调整。
第二步：在温度稳定到T2后(5-6)，停止通入氩气，打开Bubbler开始通入二氯乙烯(6-7)，同时升温到T3(7-8)。Bubbler的载气通常为氩气，载气的流量为氧气流量的3％。T3的温度在1200-1250℃之间，根据高温退火工艺的温度进行选择，一般要高于退火工艺温度50℃。
第三步：温度稳定在T3后，将氧气的流量增加到10slm，相应的Bubbler载气流量也要增加，然后保温一段时间，通常是3-5小时(8-9)。之后关闭Bubbler，保持氧气流量，通常是1-2小时(9-10)，完成后关闭氧气，通入氮气进行氮化工艺，通常是3-5小时(10-11)。
第四步：氮化工艺结束后，氮气流量不变，将炉管温度降到T1(11-12)，冷却一段时间后将硅片承载部件从炉管降下(12-13)，整个工艺完成。
实施例
该实施例中选择的设备是ASM的A412高温退火炉，用碳化硅舟和碳化硅环来装载硅片，最大载片量为90片。
第一步是设定炉管温度为650℃，保护气体为氩气流量为10slm，将碳化硅舟和碳化硅环以150mm/min的速度升入炉管中，稳定30分钟。然后在炉管中通入5slm的氧气，稳定10分钟后，以10℃/min的速度将炉管温度升温到800℃。第二步是在炉管温度在800℃稳定10分钟后，停止通入氩气，开始打开Bubbler通入二氯乙烯气体。Bubbler的温度设定为20℃，载气为氩气，流量为氧气流量的3％(150sccm)。此时管路中氧气和二氯乙烯开始反应，初步起到清洁作用，然后以2℃/min的速度将炉管升温到1250℃。第三步是待炉管温度稳定在1250℃时，将氧气流量增加到10slm，Bubbler载气流量增加到300sccm，开始对炉管进行清洁工艺，时间为5小时。完成之后关闭Bubbler载气，继续通入氧气1小时，目的是对炉管和气路进行吹扫，去除残留的盐酸气体。吹扫完成之后，关闭氧气通入10slm的氮气，目的是让其与硅片承载部件发生氮化反应，生成致密的氮化硅薄膜保护层，起到保护作用，时间为3个小时。第四步是保持氮气流量不变，将温度从1250℃自然冷却降温到650℃，稳定后将碳化硅舟以150mm/min的速度从炉管降下，整个工艺完成。
在炉管清洗工艺完成之后，立即进行了硅片的高温退火工艺，所用硅片为P型<110>单晶，直径为300mm，电阻率为8-12Ω/cm。体铁的测量方法为表面光电压(SPV)法。
高温退火的具体工艺流程如下：
第一步是设定炉管温度为650℃，保护气体为氩气流量为10slm，将清洗好的硅片传递到碳化硅环上，然后碳化硅舟以150mm/min的速度升入炉管，稳定10分钟，待炉管内的氧含量降低到10ppm以下时，进行第二步。第二步是在炉管中通入4％的氢气，然后以5℃/min升温到1000℃。目的是去除硅片表面的自然氧化膜，防止硅片承载部件和硅片背面的硼原子通过“自掺杂效应”进入到硅片正面的氧化层中，然后扩散到硅片表面造成表面电阻率的降低。第三步是将保护气氛变为10slm的氩气，然后将炉管温度升到1200℃并保温1h。本步的主要目的是消除硅片表面的COP和降低硅片的表面微粗糙度。第四步是在保温结束后，在Ar气氛下将温度降到650℃出舟，然后冷却25分钟，卸载硅片。
图4为硅片退火后SPV法测量得到的体铁含量和分布图，可以看出经过高温处理后硅片的体铁含量为4.04×E9atoms/cm3，远低于5×E10atoms/cm3的规范值，并且已经看不到碳化硅环的形状分布。

Claims (4)

1.一种用于硅片高温退火工艺的硅片承载部件，其特征在于，该硅片承载部件在用于硅片高温退火工艺之前进行清洁处理和镀膜处理，其表面经二氯乙烯和氧气在高温下反应生成的盐酸气体清洗，并且在清洗洁净的表面上形成一氮化硅保护层；所述清洁处理和镀膜处理包括以下步骤：
(1)在氩气气氛下，于600-650℃将硅片承载部件升入炉管，温度稳定后，通入氧气进行氧化工艺，氧气的流量为氩气的50％；
(2)升温至800-900℃，停止通入氩气，并以氩气为载气通入二氯乙烯，载气的流量为氧气流量的3％；
(3)升温至1250℃，同时增加氧气的流量和载气氩气的流量，然后保温3-5小时，停止通入二氯乙烯，保持氧气流量1-2小时；
(4)停止通入氧气，并通入氮气进行氮化工艺，持续3-5小时，然后将炉管温度降到600-650℃，冷却一段时间后将硅片承载部件从炉管降下。
2.根据权利要求1所述的用于硅片高温退火工艺的硅片承载部件，其特征在于，所述硅片承载部件为碳化硅舟和碳化硅环。
3.根据权利要求1所述的用于硅片高温退火工艺的硅片承载部件，其特征在于，所述步骤(1)中氩气的流量为10-15slm。
4.一种利用权利要求1所述的硅片承载部件降低高温退火片体金属含量的方法，将从炉管降下的硅片承载部件立即用于高温退火工艺。
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