一种在单晶硅晶圆上实现高速率沉积SiO₂薄膜的背封工艺的制作方法

专利名称：一种在单晶硅晶圆上实现高速率沉积SiO₂薄膜的背封工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及单晶硅晶圆背面处理技术领域，特别涉及一种在单晶硅晶圆上实现高速率沉积SiO2薄膜的背封工艺，用于制备IGBT用单晶硅晶圆的背封材料。
背景技术：
单晶硅晶圆抛光片的加工一般主要包括切片、倒角、磨片、腐蚀、背处理、抛光、清洗制程，其中背处理制程一般包括背损伤处理、背封处理和边缘氧化膜去除处理。背封处理是单晶硅晶圆加工的重要制程，其背封面的质量优劣对后道外延过程起着至关重要的作用，这是因为一般而言，外延沉积的硅片是重掺杂的，在外延生长过程的温度(1100°c左右)上，重掺硅片的掺杂剂会从重掺硅片外扩散与流动的反应物混合，一般这种现象被称为“自掺杂效应”。当外延层在硅片正表面生长时，这个效应会减弱，但硅片背面的外扩散仍在继续；在这个高温过程中，如果在硅片背面淀积一层薄膜，就能有效阻止掺杂剂的向外扩散，这一层就如同密封剂一样防止掺杂剂的逃逸。而在单晶硅晶圆生产中，背封工艺往往是整条生产线中的瓶颈工序，因此其产能的提升往往是降低制造成本的关键。在单晶硅晶圆加工制程中，一般选取的是二氧化硅(SiO2)作为背封材料。目前为止，制备二氧化硅背封材料主要采用溅射、物理气相沉积及低压化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、常温化学气相沉积以及高温氧化的方法。遗憾的是，目前这几种二氧化硅背封制备技术都有它各自的局限性溅射法由于靶材原子具有较高的动能，对基地存在明显的损伤；低压化学气相沉积虽制备的二氧化硅薄膜步阶覆盖率极佳，纯度极好，但其反应速度很慢，生长速率通常只有5至10nm/min，这样生长一片500nm的背封膜就需要一个小时左右，不可能大批量生产；等离子增强化学气相沉积通常均匀性较差，而起因其松散的粘附性会造成微尘物污染对后道加工带来不利影响并；而高温氧化方式无论是湿法氧化或是干法氧化，其进炉前预热时间以及出炉冷却时间较长影响其产能、晶圆边缘去的剥离也相对困难。而常温化学气相沉积不仅制程简单，生长速率快，不引入新的杂质、边缘氧化膜的去除相对简单，是一种适合大规模工业生产的制备单晶硅晶圆背封技术。

发明内容
本发明的目的是针对单晶硅晶圆生产线对背封工序的产能要求，提供一种高沉积速率背封工艺，用于来制备单晶硅晶圆背封材料。在传统的常温化学气相沉积法的基础上进行改进，通过增大气体流量的方式增大反应气体的压强。随着压强的增加，腔室内反应气体的浓度增加，反应产物SiO2的浓度相应增加，从而提高了薄膜淀积速率。但是随着压强的增大，如果使用普通密闭的反映腔体，其安全性通常存在隐患。在本工艺中，通过周边吹扫上百倍流量的氮气形成U形氮气墙形成保护，实现反映区域压强的积累，从而实现了高速沉积SiO2薄膜。 本发明是通过这样的技术方案实现的一种在单晶硅晶圆上实现高速率沉积SiO2薄膜的背封工艺，其特征在于，通过增大气体流量的方式增大反应气体的压强，使反应腔室内反应气体的浓度增加，反应产物SiO2的浓度相应增加，通过周边吹扫氮气形成U形氮气墙，使反应区域压强积累，实现在单晶硅晶圆表面高速沉积SiO2薄膜；所述工艺包括如下次序步骤
A.将洁净的待处理单晶硅晶圆通过机械传送至反应腔室下面，单晶硅晶圆表面加工温度保持在400-500°C ；
B.向反应腔室内通入纯度彡99.9999%的硅烷和纯度彡99. 9999%的氧气；通入硅烷的流量为59 sccm至132sccm,通入氧气的流量为649sccm至1452sccm ;U形氮气墙中保护气体氮气的流量为500 L/min至600L/min，碳化硅托盘底部加热单元升温至650°C 750°C，单晶硅晶圆传送单元表面覆盖有冷却水装置，冷却水装置使单晶硅晶圆表面加工温度保持在 400 500。。；
C.将硅烷与氧气反应的生成物通过反应腔室喷头喷出，硅烷与氧气反应的生成物沉积 在单晶硅晶圆表面形成氧化膜；
D.氧化膜沉积完成后，单晶硅晶圆被继续传送至背封机上载台，单晶硅晶圆沉积过程完成;
E.利用吸盘或手贴膜去除方法，去除完成氧化膜沉积的单晶硅晶圆边缘的氧化层。本发明的优点及效果是本发明通过高速率沉积背封工艺，制备单晶硅晶圆背封材料，其设备简单，制程温度低，沉积速度快，沉积速率能达到3575nm/min,在该技术领域中具有革命性的突破，该方法同时保持沉积精度高，边缘氧化膜去除同样相对简单、不引入新的污染的常压化学气相沉积技术的特点，是适用于大规模工业生产的制备单晶硅晶圆背封技术。
具体实施例方式下面结合实施例对本工艺进一步述详细说明
实施例
I)准备经过背损伤、清洗之后的单晶硅晶圆作为原料；单晶硅晶圆的规格为6英寸(直径150mm)厚度为645 μ m，掺杂剂为As，〈111〉晶向，电阻率为O. 002 O. 004 Ω .cm ;单晶硅晶圆背封机，该设备由上载台、反应腔室、机械手、传送单元、冷却水装置、碳化硅托盘及底部加热单元组成；膜厚测量仪(Nano Spec)ο2)把经过背损伤、清洗之后的单晶硅晶圆放置设备上载台；
3)此时通过机械手将单晶硅晶圆放置于碳化硅托盘上开始向反应腔室处传送；
4)开始向反应腔室内部通入一定配比的硅烷及氧气，流量分别为132sCCm及1452sccm ；氮气流量为 510L/min。5)碳化硅托盘底部加热单元的加热温度为650_750°C，单晶硅晶圆上覆盖的冷却水装置使单晶硅晶圆表面温度保持在400-500°C ；
6将硅烷与氧气反应的生成物通过反应腔室喷头喷出，硅烷与氧气反应的生成物沉积在单晶硅晶圆表面形成氧化膜；
7)利用吸盘式或手贴膜式去除氧化膜的方法，去除单晶硅晶圆边缘的氧化层；
8)清洗、甩干单晶硅晶圆，检验背封膜质量，在荧光灯下目检单晶硅晶圆背面表面有无背封不均、颗粒沾污及形貌不良，用膜厚测量仪(Nano Spec)测量膜厚是否符合客户要求；
9)实施例中，生产130片晶圆的SiO2背封膜500nm共用时60min，平均沉积速率能达到1083nm/min ; 10)在荧光灯下目检单晶硅晶圆背面表面无背封不均、颗粒沾污及形貌不良；抽测8片膜厚，全部符合的客户要求并且片内差在50um以下；
11)该背封膜采用浓度为24%的HF 25s即可去除边缘Si02。该实施例说明该工艺相对于低压化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积以及高温氧化方式制备二氧化硅背封材料的优点是膜厚精确、合格率高、制备方法简单特别是产能高，故此工艺适用于大规模工业生产的制备单晶硅晶圆背封工艺。 上述详细说明是有关本发明的具体说明，凡未脱离本发明精神的任何等效实施或变更，均属于本发明的内容范围。
权利要求
1.一种在单晶硅晶圆上实现高速率沉积SiO2薄膜的背封工艺，其特征在于，通过增大气体流量的方式增大反应气体的压强，使反应腔室内反应气体的浓度增加，反应产物SiO2的浓度相应增加，通过周边吹扫氮气形成U形氮气墙，使反应区域压强积累，实现在单晶硅晶圆表面高速沉积SiO2薄膜；所述工艺包括如下次序步骤 A.将洁净的待处理单晶硅晶圆通过机械传送至反应腔室下面，单晶硅晶圆表面加工温度保持在400-500°C ； B.向反应腔室内通入纯度彡99.9999%的硅烷和纯度彡99. 9999%的氧气；通入硅烷的流量为59 sccm至132sccm,通入氧气的流量为649sccm至1452sccm ;U形氮气墙中保护气体氮气的流量为500 L/min至600L/min，碳化硅托盘底部加热单元升温至650°C 750°C，单晶硅晶圆传送单元表面覆盖有冷却水装置，冷却水装置使单晶硅晶圆表面加工温度保持在 400 500。。； C.将硅烷与氧气反应的生成物通过反应腔室喷头喷出，硅烷与氧气反应的生成物沉积在单晶硅晶圆表面形成氧化膜； D.氧化膜沉积完成后，单晶硅晶圆被继续传送至背封机上载台，单晶硅晶圆沉积过程完成; E.利用吸盘或手贴膜去除方法，去除完成氧化膜沉积的单晶硅晶圆边缘的氧化层。
全文摘要
本发明涉及一种在单晶硅晶圆上实现高速率沉积SiO2薄膜的背封工艺，通过增大气体流量的方式增大反应气体的压强，使反应腔室内反应气体的浓度增加，反应产物SiO2的浓度相应增加,通过周边吹扫氮气形成U形氮气墙，使反应区域压强积累，实现在单晶硅晶圆表面高速沉积SiO2薄膜；发明的优点是通过高速率沉积背封工艺制备单晶硅晶圆背封材料，其设备简单，制程温度低，沉积速度快，沉积速率能达到3575nm/min，保持沉积精度高，边缘氧化膜去除相对简单，适用于大规模工业生产的制备单晶硅晶圆背封。
文档编号H01L21/316GK103021842SQ20121050838
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者刘建伟, 齐呈跃, 黄建国, 李家友 申请人:天津中环领先材料技术有限公司