CN112802782B - 用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统和方法，所述前处理系统包括反应腔、供液装置、排液装置和加热装置，反应腔内设置有支架，硅片能够放置在支架上，供液装置通过供液管与反应腔连通，以使得供液装置能够向反应腔内输送清洗液以清洗放置在反应腔内的硅片，排液装置通过排液管与反应腔连通，以使得排液装置能够将清洗液从反应腔中排出，加热装置能够加热反应腔内的硅片。本发明提供的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统和方法可以有效地消除机械传输装置的接触污染，从而消除测量设备自身污染对测试结果的干扰，达到利用少子寿命精确监控硅片制备过程中金属污染的目的。

Description

用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统和方法
技术领域
本发明涉及半导体少子寿命测试技术领域，尤其涉及一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统和前处理方法。
背景技术
少子寿命是半导体材料和器件的重要参数，它直接反映了半导体硅片材料的质量和器件特性，能够准确的得到这个参数，对于半导体器件制造具有重要意义。对于半导体器件而言，影响少子寿命的主要因素是硅片体内缺陷和有害杂质(金属等)构成的复合中心的浓度。所以，少子寿命的长短可以间接反映出硅片体内金属污染的程度。由此，可以利用少子寿命这个参数监控硅片制造过程中金属污染的来源，以达到金属管控的目的。
随着摩尔定律的发展，集成电路的线宽已经达到5nm水平，这对硅片金属管控的要求越来越高，因此需要不断提高少子寿命的测试准确性和灵敏度，从而精确地管控硅片制备工艺过程中的金属污染，以应对不断增大集成规模芯片所需的半导体硅片材料的需求。
在硅片的工艺制备过程中，金属污染主要来自拉晶、切片、研磨、抛光、热处理、机械传递等过程，如与真空吸盘、晶舟、硅片载台、机械手指等接触后，经扩散进入硅片体内的金属污染。通过监控每个过程的少子寿命，分析硅片的少子寿命分布图，即可精确定位金属的污染源及污染点，从而采取相应措施，消除各种金属污染。为了得到准确的少子寿命分布图，必须消除测量设备自身接触导致的金属污染，因此，少子寿命测试前处理装置的去污染功能就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统，可以有效地消除机械传输装置的接触污染，从而消除测量设备自身污染对测试结果的干扰，达到利用少子寿命精确监控硅片制备过程中金属污染的目的。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统，包括反应腔、供液装置、排液装置和加热装置，所述反应腔内设置有支架，硅片能够放置在所述支架上，所述供液装置通过供液管与所述反应腔连通，以使得所述供液装置能够向所述反应腔内输送清洗液以清洗放置在所述反应腔内的硅片，所述排液装置通过排液管与反应腔连通，以使得所述排液装置能够将清洗液从所述反应腔中排出，所述加热装置能够加热所述反应腔内的硅片。
优选地，所述反应腔内设置有用于检测所述反应腔中清洗液液位的液位传感器。
优选地，该前处理系统还包括能够向所述反应腔内输送吹扫气体的进气装置和将吹扫气体排出所述反应腔的排气装置。
优选地，所述支架包括至少三根支撑柱，每根所述支撑柱均从上到下向内倾斜设置，所述硅片能够放置在所述支撑柱之间，所述硅片与每根所述支撑柱的圆周面接触。
优选地，所述支撑柱的数量为三根。
本发明与现有技术的不同之处在于，本发明提供的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统通过设置供液装置和排液装置，可以清洗放置在反应腔中的硅片，从而消除硅片在进入反应腔前由于测量装置自身机械接触引入的污染，通过加热装置可以对反应腔内清洗后的硅片进行快速热退火处理，进而使得清洗干净的硅片在快速热退火处理过程中不再注入金属污染，从而可以更加准确地测试硅片电荷钝化的少子寿命，更加精确地反应制备硅片工艺过程发生的污染问题。因此，本发明提供的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统可以有效地消除机械传输装置的接触污染，从而消除测量设备自身污染对测试结果的干扰，达到利用少子寿命精确监控硅片制备过程中金属污染的目的。
本发明的另一个目的是提供一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理方法，能够有效地消除机械传输装置的接触污染，从而消除测量设备自身污染对测试结果的干扰，达到利用少子寿命精确监控硅片制备过程中金属污染的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理方法，包括以下步骤：
S10、将硅片放置在反应腔中；
S20、用清洗溶液清洗所述硅片；所述用清洗溶液清洗所述硅片，包括：通过供液装置向反应腔内输送清洗溶液，清洗所述硅片，然后通过排液装置将清洗溶液排出所述反应腔；
S30、向所述反应腔内输送超纯水冲洗所述硅片；
S40、去除所述反应腔中的水分；
S50、对所述反应腔中的硅片进行快速热退火处理。
优选地，在步骤S10中，所述反应腔内设置有三根支撑柱，每根所述支撑柱均从上到下向内倾斜设置，所述硅片放置在所述支撑柱之间，所述硅片与每根所述支撑柱的圆周面接触。
优选地，在步骤S20中，所述清洗所述硅片，包括：将所述硅片浸泡在所述清洗溶液中，浸泡时间为2-10分钟。
进一步优选地，在步骤S20中，所述用清洗溶液清洗所述硅片的次数为2-8次。
优选地，在步骤S30中，所述向所述反应腔内输送超纯水冲洗所述硅片，包括：
通过所述供液装置向所述反应腔中通入超纯水，当超纯水填满所述反应腔后，打开所述排液装置，所述排液装置的流速与所述供液装置的流速相同，从而使超纯水对所述硅片进行流水冲洗。
优选地，在步骤S40中，所述去除所述反应腔中的水分，包括：向所述反应腔内输入吹扫气体吹扫所述反应腔。
所述用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理方法首先将硅片放置在反应腔中，然后用清洗液清洗放置在反应腔中的硅片，并用超纯水冲洗硅片，清除硅片和反应腔内残留的清洗液，以消除硅片在进入反应腔前由于测量装置自身机械接触引入的污染，然后对反应腔内清洗后的硅片进行快速热退火处理，进而使得清洗干净的硅片在快速热退火处理过程中不再注入金属污染，因此本发明提供的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理方法可以有效地消除机械传输装置的接触污染，从而消除测量设备自身污染对测试结果的干扰，达到利用少子寿命精确监控硅片制备过程中金属污染的目的。
附图说明
图1是本发明提供的一种实施方式的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统的结构示意图；
图2是反应腔中放置硅片的结构示意图(主视)；
图3是图2中硅片与支撑柱接触部分的结构示意图(A处)；
图4是反应腔中放置硅片的结构示意图(俯视)；
图5是图4中硅片与支撑柱接触部分的结构示意图(B处)；
图6是本发明提供的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理方法统的流程图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-反应腔；2-供液装置；3-排液装置；4-加热装置；5-供液管；6-排液管；7-进气装置；8-排气装置；9-进气管；10-排气管；11-支撑柱；12-硅片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
适当参考图1所示，本发明提供的基本实施方式的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统包括反应腔1、供液装置2、排液装置3和加热装置4。
所述反应腔1可以采用快速热退火炉的腔体，反应腔1的内壁可以采用石英材料制作，形成石英盒，反应腔1的上端通过盖板密封连接。所述反应腔1内设置有支架，硅片12能够放置在所述支架上，即可以通过打开反应腔1上端的盖板来实现硅片12的取放。
所述供液装置2通过供液管5与所述反应腔1连通，以使得所述供液装置2能够向所述反应腔1内输送清洗液以清洗放置在所述反应腔1内的硅片12。供液装置2用于向反应腔1内提供清洗液，清洗液可以包括各种清洗溶液和其他清洗液体，例如供液装置2可以向反应腔1提供SC1清洗溶液、SC2清洗溶液或者超纯水等。供液装置2可以采用现有的各种供液装置，例如供液装置2可以包括溶液腔、泵、阀门、管路等，溶液腔根据需要可以设置多个，用于盛放不同的清洗液，阀门可以采用电磁阀，安装在连接溶液腔的管路上和/或供液管5上。在本发明的优选实施例中，在供液管5上安装有阀门。
所述排液装置3通过排液管6与反应腔1连通，以使得所述排液装置3能够将清洗液从所述反应腔1中排出。排液管6优选安装在反应腔1的底部，以便于将反应腔1中的清洗溶液排出，排液装置3可以为容纳液体的容器。排液装置3也可以包括泵，以便于将清洗溶液快速从反应腔1中排出。在本发明的优选实施例中，在排液管6上也安装有阀门。
所述加热装置4能够加热所述反应腔1内的硅片12。加热装置4可以采用现有的各种加热装置，例如采用现有的快速热退火炉的加热装置。本领域技术人员应当知晓，为控制反应腔1内的温度，在反应腔1中应当设置温度传感器。考虑到清洗液可能对温度传感器产生影响，温度传感器(例如热电偶)可以通过可拆卸地方式安装在反应腔1的盖板上，在清洗硅片时，将温度传感器从盖板上取下，当对硅片进行快速热退火处理时，再将温度传感器安装在盖板上。
上述基本实施方式提供的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统在使用时，可以首先将硅片12放入反应腔1中，然后通过供液装置2向反应腔1输入清洗液(例如SC1)，浸泡放置在反应腔1内的硅片12一段时间后(例如5分钟)，通过排液装置3将反应腔1中的清洗液排出；其中通过清洗液浸泡硅片12的步骤可以根据需要重复多次；然后通过供液装置2向反应腔1中通入超纯水，使用超纯水对硅片12进行流水冲洗，当冲洗一段时间(例如10分钟)后，关闭供液装置2，打开排液装置3，将反应腔1中的液体排出。此时可以消除硅片12在进入反应腔前由于测量装置自身机械接触引入的污染，再通过加热装置4对反应腔1内清洗后的硅片12进行快速热退火处理，可以使得清洗干净的硅片在快速热退火处理过程中不再注入金属污染，因此能够更加准确地测试硅片电荷钝化的少子寿命，更加精确地反应制备硅片工艺过程发生的污染问题。
在本发明中，优选地，所述反应腔1内还设置有用于检测所述反应腔1中清洗液液位的液位传感器。通过设置液位传感器，可以检测反应腔1中清洗液的液位，以更好地控制供液装置2和排液装置3的运行。所述液位传感器也可以通过可拆卸地方式设置在反应腔1的盖板上，当清洗硅片12时，将液位传感器安装在盖板上，当对硅片12进行快速热退火处理时，再将液位传感器从盖板上卸下。
如图1所示，在本发明中，为了消除反应腔1中残留的水分对测试单晶硅片少子寿命的影响，所述前处理系统包括能够向所述反应腔1内输送吹扫气体的进气装置7和将吹扫气体排出所述反应腔1的排气装置8。进气装置7通过进气管9连接在反应腔1上，排气装置8通过排气管10连接在反应腔1上。其中吹扫气体优选采用高纯氮气。进气装置7可以为能够产生吹扫气体(例如高纯氮气或者压缩干燥空气)的装置，或者是能够输送吹扫气体的管路或装置。排气装置8可以为具有吸气功能的装置，或者是能够输送吹扫气体的管路或装置。在进气装置7、排气装置8、进气管9和排气管10上均可以设置阀门。优选地，在进气管9和排气管10上均设置有阀门。
在本发明中，在反应腔1内设置有支架以支撑硅片12。其中支架可以采用现有的各种支架。当支架与硅片12的接触面积较大时，十分容易累积污染，并且一旦污染，会造成很大的污染面积，从而严重干扰测试。因此，在本发明的优选实施方式中，参考图2、图4所示，所述支架包括至少三根支撑柱11，每根所述支撑柱11均从上到下向内倾斜设置，所述硅片12能够放置在所述支撑柱11之间，所述硅片12与每根所述支撑柱11的外圆周面接触。其中每根所述支撑柱11均从上到下向内倾斜设置，使得支撑柱11形成从下到上向外张开的爪状结构，从而可以实现硅片12的有效支撑。所述支撑柱11的倾斜角度优选为5-30度。支撑柱11可以通过各种连接件与反应腔1的底部固定连接。如图2、图4所示，在本发明的优选实施例中，所述支撑柱11的数量为三根。三根支撑柱11可以围绕硅片12均布。
在本实施方式中，通过支撑柱11的圆周面与硅片12的边缘接触来支撑硅片12，如图3、图5所示，使得硅片12在水平和垂直方向上与支撑柱11仅有一个切点接触，从而极大地减少了硅片12与支撑柱11的接触面积，同时也极大地减少了污染风险和污染面积，因此可以降低甚至消除测试设备本身对测试的干扰。
与上述实施方式提供的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理装置的技术构思相似，本发明还提供了一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理方法，如图6所示，该方法包括以下步骤：
S10、将硅片12放置在反应腔1中；如上所述，其中反应腔1可以采用快速热退火炉的腔体，反应腔1可以包括盖板，通过打开反应腔1上端的盖板来实现硅片12的取放。在反应腔1内设置支架以支撑硅片12。其中支架可以为设置在反应腔1内的三根支撑柱11，每根支撑柱11均从上到下向内倾斜设置，硅片12放置在支撑柱11之间，硅片12与每根支撑柱11的圆周面接触。
S20、用清洗溶液清洗硅片12；用清洗溶液清洗硅片12，包括：通过供液装置2向反应腔1内输送清洗溶液，清洗硅片12，然后通过排液装置3将清洗溶液排出反应腔1。其中用清洗溶液清洗硅片12的方式可以采用各种方式，例如冲洗等。优选地，清洗硅片12的方式包括：将硅片12浸泡在清洗溶液中，浸泡时间为2-10分钟，优选为5分钟。所使用的清洗溶液为SC1、SC2等常用硅片清洗溶液。
在本步骤中，用清洗溶液清洗硅片12的次数为多次，优选为2-8次。
S30、向反应腔1内输送超纯水冲洗硅片12。其中用超纯水冲洗硅片12也可以采用各种常用地冲洗方式。为了获得更好地冲洗效果，在本发明中优选地，向反应腔1内输送超纯水冲洗硅片12的方法包括：通过供液装置2向反应腔1中通入超纯水，当超纯水填满反应腔1后(可以通过液位传感器检测)，打开排液装置3，使得排液装置3的流速与供液装置2的流速相同，使超纯水对硅片12进行流水冲洗，以达到更好地冲洗效果。用超纯水冲洗的时间为5-15分钟，优选为10分钟。当冲洗完成后，关闭供液装置2，再打开排液装置3，将反应腔1中的液体排出。
S40、去除反应腔1中的水分。在本发明中，去除反应腔1中的水分的方式优选包括：向反应腔1内输入吹扫气体吹扫反应腔1。具体地，同时打开进气装置7和排气装置8，通过进气装置7向反应腔1内输入高纯氮气或者压缩干燥空气吹扫反应腔1。吹扫反应腔1的时间为5-15分钟，优选为10分钟，以带走反应腔1内多余的水分。
S50、对反应腔1中的硅片12进行快速热退火处理。进行快速热退火处理后，使硅片12生长一层氧化膜，为电荷钝化测试少子寿命时承载钝化用的电荷。由于电荷隧穿效应，极薄的氧化层或天然氧化层(在裸硅晶圆片上)无法长期保持沉积电荷。所以采用快速热退火生长一层不大于50A的氧化膜，用于长期保留电荷，从而达到更好的钝化效果。
在进行快速热退火处理时，优选地，首先在室温下以每分钟5升的流速向反应腔内通入氮气，通入氮气的时间为2-4分钟；然后同时向反应腔中通入氮气和氧气，通入氮气和氧气的流速均大于每分钟5升，2-4分钟后，保持氮气和氧气持续通入反应腔中，打开加热装置，快速加热反应腔至800℃，并保持5-10分钟；然后关闭加热装置，同时向反应腔中以每分钟20-30升的流速通入氮气，时间为10-15分钟。
完成快速热退火处理后，硅片12即可转移至测试系统，经电荷沉积钝化，就可以进行少子寿命测试。
综上，本发明提供的技术方案基于金属对硅片少子寿命的影响，以及测试设备对硅片的污染机理，在硅片进行快速热退火之前，对现有的前处理系统加装供液装置2和排液装置3，以及巧妙地将反应腔的硅片支撑柱11倾斜一定角度(如图2所示)，以减少硅片12与支撑柱11的面积，从而有效地降低或消除测量设备自身的污染干扰，因而可以更加准确地测试硅片电荷钝化的少子寿命，更加精确地反映制备硅片工艺过程发生的污染问题。因此，本发明提供的技术方案可以有效地消除机械传输装置的接触污染，从而消除测量设备自身污染对测试结果的干扰，达到利用少子寿命精确监控硅片制备过程中金属污染的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，或者可以存在居中的零部件。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统，其特征在于,包括反应腔（1）、供液装置（2）、排液装置（3）和加热装置（4），所述反应腔（1）的上端通过盖板密封连接，内设置有支架，硅片（12）能够放置在所述支架上，所述支架包括至少三根支撑柱（11），每根所述支撑柱（11）均从上到下向内倾斜设置，所述硅片（12）能够放置在所述支撑柱（11）之间，所述硅片（12）与每根所述支撑柱（11）的圆周面接触，所述供液装置（2）通过供液管（5）与所述反应腔（1）连通，以使得所述供液装置（2）能够向所述反应腔（1）内输送清洗液以清洗放置在所述反应腔（1）内的硅片（12），所述排液装置（3）通过排液管（6）与反应腔（1）连通，以使得所述排液装置（3）能够将清洗液从所述反应腔（1）中排出，所述加热装置（4）设置在所述反应腔（1）外，能够加热所述反应腔（1）内的硅片（12），以进行快速热退火处理，使硅片（12）生长一层氧化膜，为电荷钝化测试少子寿命时承载钝化用的电荷。
2.根据权利要求1所述的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统，其特征在于，所述反应腔（1）内设置有用于检测所述反应腔（1）中清洗液液位的液位传感器。
3.根据权利要求1所述的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统，其特征在于，还包括能够向所述反应腔（1）内输送吹扫气体的进气装置（7）和将吹扫气体排出所述反应腔（1）的排气装置（8）。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统，其特征在于，所述支撑柱（11）的数量为三根。
5.一种如权利要求1-4任一所述用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、将硅片（12）放置在反应腔（1）中，所述反应腔（1）内设置有三根支撑柱（11），每根所述支撑柱（11）均从上到下向内倾斜设置，所述硅片（12）放置在所述支撑柱（11）之间，所述硅片（12）与每根所述支撑柱（11）的圆周面接触；
S20、用清洗溶液清洗所述硅片（12）；所述用清洗溶液清洗所述硅片（12），包括：通过供液装置（2）向反应腔（1）内输送清洗溶液，清洗所述硅片（12），然后通过排液装置（3）将清洗溶液排出所述反应腔（1）；
S30、向所述反应腔（1）内输送超纯水冲洗所述硅片（12）；
S40、去除所述反应腔（1）中的水分；
S50、对所述反应腔（1）中的硅片（12）进行快速热退火处理。
6.根据权利要求5所述的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统的处理方法，其特征在于，在步骤S20中，所述清洗所述硅片（12），包括：
将所述硅片（12）浸泡在所述清洗溶液中，浸泡时间为2-10分钟。
7.根据权利要求6所述的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统的处理方法，其特征在于，在步骤S20中，所述用清洗溶液清洗所述硅片（12）的次数为2-8次。
8.根据权利要求5所述的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统的处理方法，其特征在于，在步骤S30中，所述向所述反应腔（1）内输送超纯水冲洗所述硅片（12），包括：
通过所述供液装置（2）向所述反应腔（1）中通入超纯水，当超纯水填满所述反应腔（1）后，打开所述排液装置（3），所述排液装置（3）的流速与所述供液装置（2）的流速相同，从而使超纯水对所述硅片（12）进行流水冲洗。
9.根据权利要求5所述的用于电荷钝化测试单晶硅片少子寿命的前处理系统的处理方法，其特征在于，在步骤S40中，所述去除所述反应腔（1）中的水分，包括：向所述反应腔（1）内输入吹扫气体吹扫所述反应腔（1）。
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