CN110197790A - 一种iii-v族半导体晶圆的退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III‑V族半导体晶圆的退火方法，在退火过程的升温阶段，当温度升至温度范围在300℃～350℃的第一温度时，以30℃/min～50℃/min的降温速率进行时间不超过1min的降温，然后再继续升温；在退火过程的降温阶段，当温度降至温度范围在250℃～300℃的第二温度时，以40℃/min～50℃/min的升温速率，进行时间不超过1min的升温，然后再继续降温。相比现有技术，本发明可大幅降低晶圆退火制程中的破损率，从而有效提高产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种III-V族半导体晶圆的退火方法。
背景技术
III-V族化合物，是元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb形成的化合物，通常所说的III-V族半导体是由上述III族和V族元素所形成的两元化合物，其成分化学比为1：1。III-V族化合物半导体材料在光电子器件、光电集成、超高速微电子器件和超高频微波器件及电路上已得到了重要应用，具有广阔前景。目前工业上所使用的III-V族半导体主要为砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓。
III-V族半导体晶圆目前主要应用于LED及LD领域，LED领域工艺发展较成熟，而LD领域的工艺仍存在较多的问题。从工艺稳定性考虑，目前国内LD生产厂家晶圆尺寸主要使用2英寸及3英寸晶圆。相较于小尺寸晶圆，相同设备及人员投入下，4英寸及以上的中、大尺寸晶圆会极大程度上提高产能、降低产品批次间差异性。
因LD工艺过程中涉及到较多的高温工艺，特别是高温退火工艺。工艺过程中晶圆尺寸越大，相同热应力（相比小尺寸晶圆）产生的纵向形变越大，高温退火工艺导致的碎片风险成比例升高，现有退火工艺很难排除碎片风险，尤其是对于4英寸及以上晶圆的退火制程，普遍会产生10%以上的破损率，随着晶圆尺寸的增大，破损率还会进一步增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有III-V族半导体晶圆退火工艺的不足，提供一种III-V族半导体晶圆的退火方法，可大幅降低晶圆退火制程中的破损率，从而有效提高产品良率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种III-V族半导体晶圆的退火方法，在退火过程的升温阶段，当温度升至温度范围在300℃～350℃的第一温度时，以30℃/min～50℃/min的降温速率进行时间不超过1min的降温，然后再继续升温；在退火过程的降温阶段，当温度降至温度范围在250℃～300℃的第二温度时，以40℃/min～50℃/min的升温速率，进行时间不超过1min的升温，然后再继续降温。
优选地，其退火工艺的温度曲线具体如下：
S1、以35℃/min～50℃/min的升温速率从室温升温至温度范围在300℃～350℃的第一温度；
S2、以30℃/min～50℃/min的降温速率从第一温度开始进行时间不超过1min的降温；
S3、以10℃/min～20℃/min的升温速率继续升温至温度范围在350℃～450℃的退火温度；
S4、在退火温度下恒温10～15min；
S5、以10℃/min～20℃/min的降温速率从退火温度降温至温度范围在250℃～300℃的第二温度；
S6、以40℃/min～50℃/min的升温速率从第二温度开始进行时间不超过1min的升温；
S7、以35℃/min～50℃/min的降温速率继续降温至室温。
优选地，所述III-V族半导体晶圆为4英寸及以上尺寸的晶圆。
进一步地，所述III-V族半导体晶圆在退火过程中水平放置于由导热系数不大于2瓦/米·度的耐高温材料制成的载片台上，且晶圆底面与载片台台面全面接触。
优选地，所述耐高温材料为石英。
更进一步地，在退火过程中所述载片台为多层叠放，层与层之间的间隙高度大于所述III-V族半导体晶圆的厚度。
优选地，载片台层与层之间的所述间隙是通过与载片台一体或者独立的支撑件支撑形成。
优选地，所述III-V族半导体为GaAs、InP或GaN。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明针对III-V族半导体晶圆的材料特点，设计了一套独特的退火温度曲线，不同于传统的退火温度曲线所采用的缓慢升温和/或缓慢降温的方式，本发明在升温至某一特定温度区间时引入了一段短暂的降温过程，并在降温至某一特定温度区间时引入了一段短暂的升温过程，经实践发现该退火工艺可大幅降低剧烈温度变化引起的冲击，降低纵向形变，排除高温碎片风险。
本发明进一步改进了传统的晶圆退火过程中的放置状态，由原来的竖直放置改为水平放置，并将其全面接触地放置于由低导热系数的耐高温材料制成的水平载片台上，进一步降低了晶圆在高温下的受力，并使得晶圆温度随载片台温度同步变化，避免了薄晶圆的温度变化过快，进一步降低碎片风险。本发明退火方法可将4英寸及以上尺寸晶圆的破损率由原来的10%以上降低至不到1%。
附图说明
图1为具体实施方式中晶圆在退火过程中的装载结构主视图；
图2为具体实施方式中晶圆在退火过程中的装载结构左视图；
图3为具体实施方式中晶圆在退火过程中的装载结构主视图；
图4为实施例1的退火温度曲线；
图5为实施例2的退火温度曲线。
图中附图标记含义如下：
1、载片台，2、晶圆，3、支撑件。
具体实施方式
针对现有III-V族半导体晶圆的退火工艺无法有效解决晶圆破损的问题，本发明的思路是首先对退火温度曲线进行大幅改进。不同于传统的退火温度曲线所采用的缓慢升温和/或缓慢降温的方式，本发明在升温至某一特定温度区间时引入了一段短暂的降温过程，并在降温至某一特定温度区间时引入了一段短暂的升温过程，经实践发现该退火工艺可大幅降低剧烈温度变化引起的冲击，降低纵向形变，排除高温碎片风险。具体而言，本发明所提出的III-V族半导体晶圆的退火方法，在退火过程的升温阶段，当温度升至温度范围在300℃～350℃的第一温度时，以30℃/min～50℃/min的降温速率进行时间不超过1min的降温，然后再继续升温；在退火过程的降温阶段，当温度降至温度范围在250℃～300℃的第二温度时，以40℃/min～50℃/min的升温速率，进行时间不超过1min的升温，然后再继续降温。
作为其中的优选方案，其退火工艺的温度曲线具体如下：
S1、以35℃/min～50℃/min的升温速率从室温升温至温度范围在300℃～350℃的第一温度；
S2、以30℃/min～50℃/min的降温速率从第一温度开始进行时间不超过1min的降温；
S3、以10℃/min～20℃/min的升温速率继续升温至温度范围在350℃～450℃的退火温度；
S4、在退火温度下恒温10～15min；
S5、以10℃/min～20℃/min的降温速率从退火温度降温至温度范围在250℃～300℃的第二温度；
S6、以40℃/min～50℃/min的升温速率从第二温度开始进行时间不超过1min的升温；
S7、以35℃/min～50℃/min的降温速率继续降温至室温。
现有的退火工艺中，都是将晶圆竖直方向地插在晶舟上的一系列卡槽中，由于卡槽与晶圆之间总是会存在空隙，因此这种放置方式会使得晶圆的受力往往是点受力或者线手里，这种受力的不均衡在高温下就更容易导致晶圆的破损。此外，晶圆在这种放置方式下与晶舟壁仅仅是点接触或线接触，其与晶舟之间的热量传递很微弱，在升降温过程中容易形成晶圆的快速升降温，这种快速升降温所带来的热冲击也容易导致晶圆的破损。
为此，本发明进一步改进了传统的晶圆退火过程中的放置状态，由原来的竖直放置改为水平放置，并将其全面接触地放置于由低导热系数的耐高温材料制成的水平载片台上，进一步降低了晶圆在高温下的受力，并使得晶圆温度随载片台温度同步变化，避免了薄晶圆的温度变化过快，进一步降低碎片风险。
具体地，所述III-V族半导体晶圆在退火过程中水平放置于由导热系数不大于2瓦/米·度的耐高温材料制成的载片台上，且晶圆底面与载片台台面全面接触。
为了有效利用退火炉的炉内空间，提高生产效率，最好在退火过程中采用多层晶圆叠层放置的方式，具体地，在退火过程中所述载片台为多层叠放，层与层之间的间隙高度大于所述III-V族半导体晶圆的厚度。这样就可以同时对位于多层载片台之间的多片晶圆同时进行热处理。优选地，载片台层与层之间的所述间隙是通过与载片台一体或者独立的支撑件支撑形成。
所述耐高温材料优选石英，其导热系数约1.5瓦/米·度（W/(m·K)）左右，且具有优良的耐热性能和可加工性。
为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
实施例1、
本实施例采用最普通的退火炉，图1到图3显示了晶圆的装载方式，如图1-图3所示，晶圆2并未采用传统的通过晶舟竖直方向的放置形式，而是水平放置于石英材质的载片台1上，载片台1的台面被处理为光滑的平面，其与晶圆1的底面全面接触，晶圆2与载片台1之间实现了良好的热传导，一方面使得晶圆1在高温下的受力十分均衡，另一方面使得晶圆2的温度随载片台1的温度同步变化，由于载片台的导热性较差，其本身的温度变化较迟缓，从而使得晶圆2不会产生快速的升降温。本实施例中采用多层载片台1层叠的方式来增加晶圆的装载量（图1～图3中仅显示了单层载片台），上下层的载片台1之间通过支撑件3撑起用于容纳晶圆2的空隙，本实施例中的支撑件3与与其下面的载片台是一体化成型的，实际上也可以用单独的垫块或支脚来进行支撑。
本实施例中所使用的退火温度为360℃，图4显示了本实施例的退火工艺过程曲线，第一阶段为快速升温阶段，晶圆温度从室温升高到300℃，升温速率为35℃/min，升温时间约为8min；第二阶段为热应力初步释放阶段，降温至250℃，降温时间1min;第三阶段为慢速升温阶段，晶圆温度从250℃上升到360℃，升温速率为11℃/min，升温时间约为10min；第四阶段为恒温阶段，恒温温度为360℃，恒温时间15min；第五阶段为慢速降温阶段，晶圆温度从360℃下降到250℃，降温速率为11℃/min，降温时间约为10min；第六阶段为短暂回温阶段，温度从250℃回温至300℃，回温时间为1min；第七阶段为快速降温阶段，晶圆温度从300℃降到室温，降温速率为35℃/min，降温时间约为8min。
实施例2、
本实施例中晶圆的装载方式与实施例1相同,此处不再赘述。本实施例中所使用的退火温度为420℃，图5显示了本实施例的退火工艺过程曲线，第一阶段为快速升温阶段，晶圆温度从室温升高到350℃，升温速率为33℃/min，升温时间约为10min；第二阶段为热应力初步释放阶段，降温至300℃，降温时间1min;第三阶段为慢速升温阶段，晶圆温度从300℃上升到420℃，升温速率为12℃/min，升温时间约为10min；第四阶段为恒温阶段，恒温温度为420℃，恒温时间15min；第五阶段为慢速降温阶段，晶圆温度从420℃下降到300℃，降温速率为12℃/min，降温时间约为10min；第六阶段为短暂回温阶段，温度从300℃回温至350℃，回温时间为1min；第七阶段为快速降温阶段，晶圆温度从350℃降到室温，降温速率为33℃/min，降温时间约为10min。
为了验证本发明的有益效果，分别使用两个实施例的工艺条件与传统的退火工艺进行对比实验。为模拟半导体制造工艺过程，实验选用晶圆经过等次数的曝光及刻蚀工艺，且经过等次数的250℃-300℃高温处理，采用同一台退火设备进行实验。
对比实验一：50片6英寸GaAs晶圆采用传统的晶舟竖直方式放置，匀速升、降温的方式进行退火，退火目标温度360℃，升、降温速率为20℃/min，共产生6片碎片，碎片率为12%。
对比实验二：50片6英寸GaAs晶圆使用本实施例1方式进行退火，退火温度360℃，此次实验未产生碎片，碎片率为0%。
对比实验三： 50片4英寸InP晶圆采用传统晶舟竖直方式放置，匀速升、降温的方式进行退火，退火温度为420℃，升、降温速率为30℃/min，共产生5片碎片，碎片率为10%。
对比实验四：50片4英寸InP晶圆使用本实施例2方式进行退火，退火温度为420℃，此次实验未产生碎片，碎片率为0%。
由以上实验结果可以看出，本发明技术方案可大幅度提高III-V族半导体晶圆退火制程的良品率，尤其是4英寸及以上的中、大尺寸晶圆，具有良好的经济效益。
Claims (8)
1.一种III-V族半导体晶圆的退火方法，其特征在于，在退火过程的升温阶段，当温度
升至温度范围在300℃～350℃的第一温度时，以30℃/min～50℃/min的降温速率进行时间不超过1min的降温，然后再继续升温；在退火过程的降温阶段，当温度降至温度范围在250℃～300℃的第二温度时，以40℃/min～50℃/min的升温速率，进行时间不超过1min的升温，然后再继续降温。
2.如权利要求1所述退火方法，其特征在于，其退火工艺的温度曲线具体如下：
S1、以35℃/min～50℃/min的升温速率从室温升温至温度范围在300℃～350℃的第一温度；
S2、以30℃/min～50℃/min的降温速率从第一温度开始进行时间不超过1min的降温；
S3、以10℃/min～20℃/min的升温速率继续升温至温度范围在350℃～450℃的退火温度；
S4、在退火温度下恒温10～15min；
S5、以10℃/min～20℃/min的降温速率从退火温度降温至温度范围在250℃～300℃的第二温度；
S6、以40℃/min～50℃/min的升温速率从第二温度开始进行时间不超过1min的升温；
S7、以35℃/min～50℃/min的降温速率继续降温至室温。
3.如权利要求1所述退火方法，其特征在于，所述III-V族半导体晶圆为4英寸及以上尺寸的晶圆。
4.如权利要求1所述退火方法，其特征在于，所述III-V族半导体晶圆在退火过程中水平放置于由导热系数不大于2瓦/米·度的耐高温材料制成的载片台上，且晶圆底面与载片台台面全面接触。
5.如权利要求4所述退火方法，其特征在于，所述耐高温材料为石英。
6.如权利要求4所述退火方法，其特征在于，在退火过程中所述载片台为多层叠放，层与层之间的间隙高度大于所述III-V族半导体晶圆的厚度。
7.如权利要求6所述退火方法，其特征在于，载片台层与层之间的所述间隙是通过与载片台一体或者独立的支撑件支撑形成。
8.如权利要求1所述退火方法，其特征在于，所述III-V族半导体为GaAs、InP或GaN。
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