CN113838743A - 辅助晶圆及其制备方法、半导体制程 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种辅助晶圆及其制备方法、半导体制程，辅助晶圆的制备方法包括：提供初始晶圆；在所述初始晶圆表面形成保护膜，所述保护膜的材料包括低温相的氧化铝；对所述保护膜进行退火工艺，以使至少部分氧化铝由所述低温相转变为高温相，形成保护层。本发明有利于增加辅助晶圆的可循环使用次数。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体领域，特别涉及一种辅助晶圆及其制备方法、半导体制程。
背景技术
在机台制程中，为实现对晶圆制程的监控，通常需要使用辅助晶圆来监控或维持制程的有效性。在辅助晶圆和产品晶圆表面会进行相同的产品工艺，而为了使得辅助晶圆能够循环利用，通常会在将辅助晶圆置入机台内之前对辅助晶圆进行前制程，以在辅助晶圆的待处理表面形成保护膜，保护膜可以在去除保护膜远离辅助晶圆一侧的其他材料时对辅助晶圆进行保护，以避免去除工艺对辅助晶圆造成损伤，从而保证辅助晶圆能够循环使用。
现有保护膜的耐用性较差，易于损毁，辅助晶圆寿命有限，循环利用次数少，半导体制程成本较高。
发明内容
本发明实施例提供了一种辅助晶圆及其制备方法、半导体制程，有利于增加辅助晶圆的可循环利用次数。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种辅助晶圆的制备方法，包括：提供初始晶圆；在所述初始晶圆表面形成保护膜，所述保护膜的材料包括低温相的氧化铝；对所述保护膜进行退火工艺，以使至少部分氧化铝由所述低温相转变为高温相，形成保护层。
另外，所述在所述初始晶圆表面形成保护膜，包括：利用前驱物在所述初始晶圆表面形成所述保护膜，所述前驱物包括三甲基铝和臭氧，或者，所述前驱物包括三氯化铝和臭氧。
另外，采用载气承载所述三甲基铝，所述载气的流量为100sccm～400sccm。
另外，在200℃～600℃的温度条件下，利用所述前驱物形成所述保护膜。
另外，所述退火工艺包括尖峰退火，尖峰退火的退火温度大于900℃。
另外，所述高温相的氧化铝包括α-氧化铝。
另外，辅助晶圆的形成方法还包括：在所述保护层上形成功能层，同一刻蚀工艺对所述功能层与所述初始晶圆的刻蚀选择比小于对所述功能层与所述保护层的刻蚀选择比。
相应地，本发明实施例还提供了一种辅助晶圆，包括：初始晶圆以及位于所述初始晶圆表面的保护层，所述保护层的材料包括氧化铝，且所述氧化铝的物相包括高温相。
另外，在垂直于所述初始晶圆表面的方向上，所述保护层的厚度大于或等于2nm。
另外，所述保护层的材料包括α-氧化铝。
相应地，本发明实施例还提供一种半导体制程，包括：提供产品晶圆和上述辅助晶圆；步骤A：对所述产品晶圆和所述辅助晶圆进行同一制程工艺，以在所述产品晶圆和所述辅助晶圆表面形成功能层；步骤B：去除所述辅助晶圆表面的所述功能层。
另外，循环执行所述步骤A和所述步骤B。
与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点：
上述技术方案中，通过将氧化铝由低温相转变为高温相，使得氧化铝具有更为稳定的晶相结构、更高的硬度以及更低的活性，如此，有利于在去除辅助晶圆表面的介质材料时，减轻去除工艺对氧化铝的损伤，提高辅助晶圆的可循环使用次数，有效降低半导体制程成本。
另外，相对于均温退火来说，采用尖峰退火有利于缩短退火时间，且也能够较好的去除低温相氧化铝中的水分子。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1和图2为发明实施例提供的一种辅助晶圆的形成方法各步骤对应的剖面结构示意图；
图3至图4为本发明实施例提供的一种半导体制程各步骤对应的剖面结构示意图。
具体实施方式
在半导体工业中，用来监控批次间制程稳定的晶圆，称为控片(Control Wafer)，而用来维持单批次制程稳定的晶圆，称为挡片(Dummy Wafer)。控片的主要作用是通过进行工艺制程而监控机台(包括炉管和腔室机台)的稳定性和重复性；挡片的主要作用是通过填充空置位置以稳定气流和平衡机台内部温度，从而保持工艺的稳定性和均一性。
具体而言，在炉管制程中，为了监控炉管机台是否稳定，需将控片与产品晶圆一起置于机台内进行制程，以便对比观察制程品质；此外，为保持炉管内的气流稳定分布等特性稳定，在炉管内产品晶圆数量不足时，需要添加辅助晶圆来补充。在腔室机台暖机时，通常也需要使用一定数量的辅助晶圆进行操作。
本发明实施提供的一种辅助晶圆的形成方法，以低温相的氧化铝为原料，经过退火工艺使之转变为高温相，高温相的氧化铝相对于低温相的氧化铝来说，具有较高的晶型结构稳定性以及较低的反应活性，如此，有利于避免氧化铝与去除工艺中的刻蚀剂发生反应，降低刻蚀剂对保护层造成的损伤，提高保护层的可循环利用次数。
本申请中的辅助晶圆包括控片(Control Wafer)和挡片(Dummy Wafer)。控片既可以与产品晶圆一起置于机台内进行工艺制程，也可以单独进行工艺制程。需要说明的是，虽然挡片无需进行工艺制程，但是其表面依然会存在被污染的问题，污染源包括暖机时热流所携带的分子污染物，因此挡片在使用过后，也需要进行清洁工艺。为避免清洁工艺对挡片造成损伤，可以在挡片表面形成一定厚度的保护层，以使挡片能够循环利用。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
图1和图2为发明实施例提供的一种辅助晶圆的形成方法各步骤对应的剖面结构示意图。
参考图1，提供初始晶圆100，在初始晶圆100表面形成保护膜110，保护膜110的材料包括低温相的氧化铝。
本实施例中，初始晶圆100与产品晶圆尺寸相同。如此，能够直接利用产品晶圆加工形成辅助晶圆，无需单独制备初始晶圆100，使得初始晶圆100较容易获取。
在其他实施例中，根据需要形成的保护层的厚度调整初始晶圆的尺寸，以使形成保护层后的辅助晶圆的尺寸与产品晶圆尺寸相同。如此，有利于保证在辅助晶圆表面形成的产品结构尺寸与在产品晶圆表面形成的产品结构尺寸相同，从而使得通过辅助晶圆能够更为精准地监控产品晶圆表面形成的产品结构是否满足预设要求。
本实施例中，利用前驱物在初始晶圆100表面形成保护膜110，前驱物包括三甲基铝和臭氧；在其他实施例中，前驱物包括三氯化铝和臭氧。
具体地，通过载气承载三甲基铝，以使三甲基铝能够和臭氧一同被送入反应腔室内。相对于固态三甲基铝来说，被载气承载的三甲基铝具有较低的密度，能够与气态的臭氧充分反应。如此，有利于保证前驱物的充分利用，同时，由于三甲基铝为有毒物质，三甲基铝的充分反应有利于降低后续进行污染处理的成本，进而降低整体工艺成本。
本实施例中，载气的流量为100sccm～400sccm，例如为200sccm、250sccm或300sccm。采用该范围的载气流量，有利于保证被载气承载的三甲基铝能够与臭氧充分反应，反应过后仅有较少残余甚至没有残余；此外，有利于避免过量的三甲基铝与臭氧同时反应而释放出过量的热，进而避免过量的热释放可能导致的爆炸等问题，提高制程工艺的安全性。
本实施例中，在利用前驱物形成保护膜110时，将反应腔室内的温度条件控制在200℃～600℃内，例如300℃、400℃或500℃。如此，有利于避免反应腔室内温度过高而引发的三甲基铝爆炸，保证制程工艺的安全性；此外，有利于对初步形成的氧化铝进行一定程度的脱水，使之形成具有较为稳定的晶型结构的低温相氧化铝，例如ρ-AL2O3、χ-AL2O3、η-AL2O3或γ-AL2O3，低温相氧化铝的分子式可写成AL2O3·nH20，其中0＜n＜0.6。
由于低温相氧化铝在进行退火工艺时会有一定程度的缩水，即高温相氧化铝的分子团尺寸小于低温相氧化铝分子团尺寸，因此在将保护膜110转化为保护层之后，保护层在垂直于初始晶圆100表面的方向上的厚度小于保护膜110的厚度。也就是说，在形成初始保护膜110时，保护膜110的厚度应当大于所需要的保护层的厚度。
本实施例中，保护膜110覆盖初始晶圆100的整个表面，例如包括初始晶圆100的侧面和上下表面，以保证对保护膜110进行退火工艺形成的保护层的保护效果；在其他实施例中，保护膜覆盖初始晶圆的部分表面，例如可以仅覆盖上表面。
参考图2，在形成保护膜110(参考图1)之后，采用尖峰退火工艺对保护膜110进行热处理，形成保护层120。
尖峰退火工艺相对于均温退火工艺来说，在实现低温相氧化铝的有效脱水的同时，具有较短的退火时间，有利于缩短工艺时间。如此，能够在实现保护膜110转变为保护层120的同时，降低炉管和反应腔室内所积聚的热量，避免热量过高而导致燃烧、爆炸等事故。
本实施例中，尖峰退火工艺的峰值温度大于900℃。如此，有利于使得保护层120中的氧化铝转变为完全脱水的α-AL2O3，俗称刚玉。α-AL2O3是当前发现的氧化铝晶型结构中最为稳定的一种，具有仅次于金刚石的硬度，不易受到损伤；同时不溶于强酸，能够对初始晶圆100起到更好的保护作用。
本实施例中，在形成保护层120之后，在保护层120上形成功能层，例如可以是通过沉积、刻蚀、印刷等方式实现的结构层或材料层，同一刻蚀工艺对功能层与初始晶圆100的刻蚀选择比小于功能层与保护层120的刻蚀选择比。如此，有利于保证保护层120的保护效果。
本实施例中，通过将氧化铝由低温相转变为高温相，使得氧化铝具有更为稳定的晶相结构以及更低的活性，如此，有利于在去除辅助晶圆表面的介质材料时，减轻去除工艺对氧化铝的损伤，例如，以监控晶圆为例，在经过高温退火后的Al2O3极耐氢氟酸/硝酸混合液腐蚀，刻蚀速率几乎为0。在进行回收循环的次数较少时，不需要再进行前制程以形成保护层，甚至不需要进行性能确认，就可以直接投入炉管或反应腔室内以再次用作监控晶圆，而没有进行退火的Al2O3或者具有高介电常数的介电材料可以以很高的刻蚀速率被氢氟酸/硝酸混合液腐蚀，在进行几次回收循环后之后就需要对其性能进行确认，以确认其依然具有较好的保护性能。
此上述方案能够有效提高保护层和辅助晶圆的可循环使用次数，相对于现有技术循环使用次数为10-30次来说，本申请所记载的技术方案的循环次数可达300次，如此能够有效降低控片(Control Wafer，包括监控晶圆、填充晶圆)和/或挡片(DummyWafer)的使用成本。
相应地，本发明实施例还提供了一种辅助晶圆，可采用上述辅助晶圆的形成方法制成。
参考图2，辅助晶圆包括：初始晶圆100以及位于初始晶圆100表面的保护层120，保护层120的材料包括氧化铝，氧化铝的物相包括高温相。
本实施例中，保护层120覆盖初始晶圆100的整个表面，例如包括初始晶圆100的侧面、上下表面；在其他实施例中，保护层覆盖初始晶圆的部分表面，例如可以只是覆盖上表面。当保护层120仅覆盖初始晶圆100的上表面，在用混合酸进行清洗时，混合酸会对初始晶圆100的未被保护层120覆盖的区域进行腐蚀，尽管如此，相较于现有技术，依然能够提高辅助晶圆的可循环使用次数。
本实施例中，初始晶圆100表面任意位置的保护层120的材料都是高温相的氧化铝；在其他实施例中，仅有初始晶圆上表面(即进行工艺制程的表面)的保护层的材料为高温相的氧化铝，其余位置的保护层材料为低温相氧化铝；或者，保护层包括与初始晶圆表面接触的第一保护层和远离初始晶圆表面的第二保护层，第一保护层的材料为低温相氧化铝，第二保护层的材料为高温相氧化铝。
本实施例中，在垂直于初始晶圆100表面的方向上，保护层120的厚度大于或等于2nm。如此，有利于使得保护层120具有较高的可循环利用次数。需要说明的是，保护层120的可循环次数不仅与保护层120的厚度有关，还与半导体制程中的工艺步骤有关。具体地，除了去除工艺中氢氟硝酸混合液的腐蚀，在进行其他工艺步骤，尤其是热处理步骤时，高温会穿过保护层120而对初始晶圆100的性能造成影响。
例如，当初始晶圆100内包含有置于硅穿孔内的导电材料时，多次的热处理可能会使得导电材料发生膨胀变形，从而使得初始晶圆100各个位置的应力不均匀，甚至使得初始晶圆100出现裂缝等形变特征。因此，在考虑保护层120的厚度时，除了要考虑退火工艺的工艺时间(时间长可能有爆炸等风险)、所需要的循环次数以外，还需要考虑初始晶圆100的耐用度，即初始晶圆100可经历的工艺制程的次数，保证在回收循环时，初始晶圆100的性能满足需求，进而保证最终的功能层测试结果正确。
本实施例中，保护层120的材料包括α-氧化铝，俗称刚玉。
本实施例中，采用高温相的氧化铝作为保护层材料，使得保护层具有较高的耐损伤性，在初始晶圆尚未发生性能退化或者未被损坏时，可多次投入炉管或者反应腔室内，用作监控晶圆和/或填充晶圆。如此，能够使得辅助晶圆具有较高的可循环利用次数，以及有效降低控片(Control Wafer)和/或挡片(Dummy Wafer)的使用成本。
相应地，本发明实施例还提供一种半导体制程，用于应用上述辅助晶圆。
图3至图4为本发明实施例提供的一种半导体制程各步骤对应的剖面结构示意图。
参考图3，提供产品晶圆210和上述辅助晶圆220。产品晶圆210和辅助晶圆220置于炉管200内，用于准备进行同一制程工艺，以形成相同的所需功能层。
参考图4，步骤A：对产品晶圆210和辅助晶圆220进行同一制程工艺，制程工艺包括沉积、刻蚀、退火以及印刷等，以在产品晶圆210和辅助晶圆220表面形成功能层230。
本实施例中，产品晶圆210和辅助晶圆220尺寸相同；在其他实施例中，辅助晶圆内的初始晶圆尺寸与产品晶圆尺寸相同。
本实施例中，在形成功能层230之后，将至少一个辅助晶圆220从炉管内取出，或者，将至少一个辅助晶圆220从反应腔室内取出，测量辅助晶圆220上方的功能层230的厚度，从而初步判断功能层230是否满足预设要求。若满足要求，则去除辅助晶圆220表面的功能层230；若不满足要求，则根据辅助晶圆220表面的功能层230分析缺陷类型和形成缺陷的原因。
此外，在功能层230的厚度满足预设要求之后，还可以进一步地对功能层230进行性能测试，例如电性能测试；若功能层230的性能满足预设要求，则去除功能层230。
步骤B：去除辅助晶圆220表面的功能层230。
通常采用HF/HNO3混合液去除功能层230，以保证功能层230能够被完全去除。而由于α-AL2O3对酸有极强的稳定性，耐HF/HNO3混合液腐蚀，且具有较高的硬度，因此单次去除工艺对α-AL2O3造成的损伤有限，在损伤不影响辅助晶圆220性能的情况下，剩余的辅助晶圆220可循环利用。也就是说，在半导体制程中，可循环执行上述步骤A和步骤B，直至辅助晶圆220的性能不满足要求，性能不满足要求指的是保护层或初始晶圆中任一项的性能不再满足工艺要求。
根据试验证明，2nm厚的α-AL2O3可承受300次左右的去除工艺的损伤，相对于现有保护层，其性能具有较大的提升。
本实施例中，提供一种半导体制程，在半导体制程中应用上述辅助晶圆，使得辅助晶圆能够多次循环使用，降低了工艺成本。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
Claims (12)
1.一种辅助晶圆的形成方法，其特征在于，包括：
提供初始晶圆；
在所述初始晶圆表面形成保护膜，所述保护膜的材料包括低温相的氧化铝；
对所述保护膜进行退火工艺，以使至少部分氧化铝由所述低温相转变为高温相，形成保护层。
2.根据权利要求1所述的辅助晶圆的形成方法，其特征在于，所述在所述初始晶圆表面形成保护膜，包括：利用前驱物在所述初始晶圆表面形成所述保护膜，所述前驱物包括三甲基铝和臭氧，或者，所述前驱物包括三氯化铝和臭氧。
3.根据权利要求2所述的辅助晶圆的形成方法，其特征在于，采用载气承载所述三甲基铝，所述载气的流量为100sccm～400sccm。
4.根据权利要求2所述的辅助晶圆的形成方法，其特征在于，在200℃～600℃的温度条件下，利用所述前驱物形成所述保护膜。
5.根据权利要求1所述的辅助晶圆的形成方法，其特征在于，所述退火工艺包括尖峰退火，尖峰退火的退火温度大于900℃。
6.根据权利要求1所述的辅助晶圆的形成方法，其特征在于，高温相的氧化铝包括α-氧化铝。
7.根据权利要求1所述的辅助晶圆的形成方法，其特征在于，还包括：在所述保护层上形成功能层，同一刻蚀工艺对所述功能层与所述初始晶圆的刻蚀选择比小于对所述功能层与所述保护层的刻蚀选择比。
8.一种辅助晶圆，其特征在于，包括：
初始晶圆以及位于所述初始晶圆表面的保护层，所述保护层的材料包括氧化铝，且所述氧化铝的物相包括高温相。
9.根据权利要求8所述的辅助晶圆，其特征在于，在垂直于所述初始晶圆表面的方向上，所述保护层的厚度大于或等于2nm。
10.根据权利要求8所述的辅助晶圆，其特征在于，所述保护层的材料包括α-氧化铝。
11.一种半导体制程，其特征在于，包括：
提供产品晶圆和如权利要求8～10中任一项所述的辅助晶圆；
步骤A：对所述产品晶圆和所述辅助晶圆进行同一制程工艺，以在所述产品晶圆和所述辅助晶圆表面形成功能层；
步骤B：去除所述辅助晶圆表面的所述功能层。
12.根据权利要求11所述的半导体制程，其特征在于，循环执行所述步骤A和所述步骤B。
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