硅片的制备方法及装置与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种硅片的制备方法及装置。

背景技术：

在现有工艺中，通常利用直拉法或者区熔法得到硅单晶锭，然后对所述硅单晶锭进行线切割、磨削、抛光、清洗等工艺，以获得硅片。

然而在生长晶体的过程中，由于空位的聚集会形成空洞型微缺陷，即晶体原声粒子缺陷，容易降低mos器件栅氧化层的完整性(gateoxideintegrity，goi)，此外容易在化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing，cmp)工艺过程中导致硅片表面的雾度(haze)值较高。

在现有技术中，通常采用外延(epitaxy，epi)层工艺在所述硅片的表面生长一层相同晶向的外延膜，以减少所述空洞型微缺陷以及减小硅片表面的雾度值，然而epi工艺额外增加了大量工艺步骤，降低生产效率且严重增加成本。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种硅片的制备方法及装置，可以提高硅片的品质、降低生产成本，提高生产效率。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种硅片的制备方法，包括：在还原性气体的等离子态气氛下，对硅片进行第一步退火，所述第一步退火的过程中，退火温度从起始温度上升至第一预设温度；在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，所述第二步退火的过程中，退火温度保持为所述第一预设温度；其中，所述还原性气体的等离子态气氛为包含有基于还原性气体产生的等离子体的气氛。

可选的，所述第一步退火和第二步退火是在退火设备中进行的，在第一步退火之前，所述的硅片的制备方法还包括：向所述退火设备内通入惰性气体以形成惰性气氛，并对所述退火设备进行升温至所述起始温度；对所述退火设备进行气氛处理，以从所述惰性气氛转变为所述还原性气体的等离子态气氛。

可选的，在所述第二步退火之后，所述的硅片的制备方法还包括：对所述硅片进行第三步退火，在所述第三步退火过程中，退火温度从所述第一预设温度下降至第二预设温度。

可选的，所述第二预设温度为400℃至700℃。所述第一步退火、第二步退火和第三步退火是在退火设备中进行的，在进行所述第二步退火和进行所述第三步退火之间，所述的硅片的制备方法还包括：向所述退火设备内通入惰性气体，并排出所述退火设备内的所述等离子体，以形成惰性气氛。

可选的，所述第一步退火和第二步退火是在退火设备中进行的，所述还原性气体的等离子态气氛的形成步骤包括：基于所述还原性气体产生等离子体，然后向所述退火设备内通入惰性气体以及所述等离子体，以形成所述还原性气体的等离子态气氛，其中，所述还原性气体的等离子态气氛为包含有惰性气体与所述等离子体的混合物的气氛；或者，基于所述还原性气体产生等离子体，然后向所述退火设备内通入所述所述等离子体，并排出所述退火设备内的惰性气体，以形成所述还原性气体的等离子态气氛，其中，所述还原性气体的等离子态气氛为仅包含有所述等离子体的气氛。

可选的，所述还原性气体为氢气。

可选的，所述第一预设温度为850℃至1200℃。

可选的，所述起始温度为400℃至700℃。

可选的，所述第一步退火包括多个退火阶段，在后的退火阶段的升温速度小于在先的退火阶段的升温速度。

可选的，所述第二步退火的退火时长为20分钟至90分钟。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种硅片的制备装置，包括：

可选的，等离子体生成设备，用于基于还原性气体产生等离子体；退火设备，所述退火设备包括：退火腔室；晶圆基座，所述晶圆基座位于所述退火腔室内，且用于放置晶圆；等离子体输入管路，用于向所述退火腔室内输入所述等离子体。

可选的，所述的硅片的制备装置还包括：惰性气体输入管路，用于向所述退火腔室内输入惰性气体；气体输出管路，用于从所述退火腔室内输出所述等离子体和/或所述惰性气体；泵体，所述泵体与所述气体输出管路连接，用于从所述退火腔室内抽取出所述等离子体和/或所述惰性气体。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，通过在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，所述第二步退火的过程中，退火温度保持为所述第一预设温度，不仅可以对硅片表面的氧化层进行还原反应，还可以对硅片内部一定深度的空洞内的氧化薄膜进行还原反应，从而可以有效地减少所述硅片内的空洞型微缺陷，以及对硅片内的晶格缺陷进行更有效的修复，从而减小硅片表面的雾都值，提高硅片的品质。进一步地，相比于仅包含有还原性气体的还原气氛，由于包含有基于还原性气体产生的等离子体的还原性气体的等离子态气氛具有更强的还原性，有助于在更低的还原温度、更短的还原时长下实现更好的还原效果，从而有助于降低生产成本，提高生产效率。

进一步，在对所述硅片进行第三步退火之前，还包括形成惰性气氛的步骤，可以避免还原气氛对操作人员的影响，提高生产安全性。

进一步，所述第一步退火包括多个退火阶段，在后的退火阶段的升温速度小于在先的退火阶段的升温速度，可以通过在低温区提高升温速度，以尽快达到预设温度，在高温区降低升温速度，以提高硅片边缘与硅片中心的温度一致性，从而提高在硅片边缘与硅片中心的还原反应的一致性。

附图说明

图1是是现有技术中一种硅片从表面至内部不同深度对应的电阻率曲线图；

图2是本发明实施例中一种硅片的制备方法的流程图；

图3是本发明实施例中一种退火温度随退火时长变化的曲线图；

图4是本发明实施例中另一种退火温度随退火时长变化的曲线图；

图5是本发明实施例中一种硅片从表面至内部不同深度对应的电阻率曲线图；

图6是本发明实施例中一种硅片的制备装置的结构示意图。

具体实施方式

在现有的生长晶体的技术中，容易形成氧化层，以及硅片表面的雾度值较高。

具体而言，硅片在清洗存储过程中，表面容易形成氧化层，进而在退火中氧化层容易吸附退火设备(例如炉体)或者临近硅片的杂质(例如硼原子)。进而所述杂质(例如硼原子)容易穿透氧化层进而扩散到硅片表面区域，导致硅片表面阻值的降低。

图1是现有技术中一种硅片从表面至内部不同深度对应的电阻率曲线图。

如图1所示，距硅片表面的距离越近，受到氧化层吸附的杂质的影响，电阻率越低，从硅片表面至内部的预设范围内电阻率不一致，且较低的电阻率导致绝缘性降低，容易对后续形成的源漏掺杂区产生影响。

本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，不仅容易在硅片表面形成氧化层，进而吸附杂质，进一步还会在距离硅片表面的一定范围的硅片内部，形成大量空洞型微缺陷，即晶体原生粒子缺陷，所述空洞型微缺陷内也容易被氧化，进而形成非常薄的氧化薄膜且吸附杂质，由于空洞型微缺陷内的氧化薄膜难以去除，因此进一步导致硅片表面阻值的降低以及雾度值较高的问题。

在本发明实施例中，通过在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，所述第二步退火的过程中，退火温度保持为所述第一预设温度，不仅可以对硅片表面的氧化层进行还原反应，还可以对硅片内部一定深度的空洞内的氧化薄膜进行还原反应，从而可以有效地减少所述硅片内的空洞型微缺陷，以及对硅片内的晶格缺陷进行更有效的修复，从而减小硅片表面的雾都值，提高硅片的品质。进一步地，相比于仅包含有还原性气体的还原气氛，由于包含有基于还原性气体产生的等离子体的还原性气体的等离子态气氛具有更强的还原性，有助于在更低的还原温度、更短的还原时长下实现更好的还原效果，从而有助于降低生产成本，提高生产效率。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图2，图2是本发明实施例中一种硅片的制备方法的流程图。所述硅片的制备方法可以包括步骤s21以及步骤s22：

步骤s21：在还原性气体的等离子态气氛下，对硅片进行第一步退火，所述第一步退火的过程中，退火温度从起始温度上升至第一预设温度；

步骤s22：在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，所述第二步退火的过程中，退火温度保持为所述第一预设温度。

其中，所述还原性气体的等离子态气氛为包含有基于还原性气体产生的等离子体的气氛。

具体地，等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。更具体而言，等离子体是部分电离的气体，由电子、离子、自由基、中性粒子及光子组成，本身是含有物理和化学活泼粒子的电中性混合物。

在具体实施中，这些活泼自由基粒子能够做化学功，通过通入还原性气体的等离子态，相比于仅通入还原性气体，能够更好地改善半导体衬底的质量。

在本发明实施例中，可以通过外置的等离子体生成设备基于还原性气体产生等离子体，进而将所述等离子体输入退火腔室以形成所述还原性气体的等离子态气氛。

进一步地，所述第一步退火和第二步退火是在退火设备中进行的，在第一步退火之前，所述的硅片的制备方法还可以包括：向所述退火设备内通入惰性气体以形成惰性气氛，并对所述退火设备进行升温至所述起始温度；对所述退火设备进行气氛处理，以从所述惰性气氛转变为所述还原性气体的等离子态气氛。

下面结合图3对上述各个步骤进行说明。图3是本发明实施例中一种退火温度随退火时长变化的曲线图。

如图3所示，阶段a用于表示向所述退火设备内通入惰性气体以形成惰性气氛，并对所述退火设备进行升温至所述起始温度。

具体地，所述惰性气体可以选自氩(ar)气、氦(he)气、氖(ne)气、氪(kr)气以及氙(xe)气。所述起始温度(即为图3中a点对应的退火温度)可以为400℃至700℃。

优选地，所述惰性气体可以为氩气，所述起始温度可以为600℃。

更进一步地，加温时间可以设置为30min。

在本发明实施例中，在第一步退火之前，通过向所述退火设备内通入惰性气体以形成惰性气氛，可以采用惰性气体排出退火设备中的空气及氧气，避免退火设备内存在的空气对后续还原反应产生影响，且在还原性气体为氢气时，避免由于氢氧反应导致发生危险，提高生产安全性。

在本发明实施例中，在通入惰性气体时，对所述退火设备进行升温至所述起始温度，有助于降低生产成本，提高生产效率。具体地，还原性气体在高温条件下更容易对硅片表面的氧化层以及内部空洞的氧化薄膜进行还原，因此在低温条件下通入还原性气体不利于控制生产成本。

进一步地，在a点处，所述硅片的制备方法还包括对所述退火设备进行气氛处理，以从所述惰性气氛转变为所述还原性气体的等离子态气氛的步骤。

在本发明实施例中，通过通入还原性气体的等离子体，以在退火设备中形成还原性气体的等离子态气氛，有助于实现对硅片表面的氧化层以及内部空洞的氧化薄膜进行还原。

优选地，可以采用氢气(h2)作为还原性气体，以形成还原性气体的等离子态气氛。具体地，由于氢气形成的副产物为h2o，容易通过高温等方式被蒸发排出，且不影响硅片的品质。

需要指出的是，还可以选择其他适当的还原性气体，例如一氧化碳(co)，在本发明实施例中，对于具体的还原性气体的选择不作限制。

阶段b用于表示第一步退火。具体而言，在还原性气体的等离子态气氛下，对硅片进行第一步退火，所述第一步退火的过程中，退火温度从起始温度上升至第一预设温度。

在具体实施中，所述还原性气体的等离子态气氛为包含有基于还原性气体产生的等离子体的气氛。

所述还原性气体的等离子态气氛的形成步骤可以包括：基于所述还原性气体产生等离子体，然后向所述退火设备内通入惰性气体以及所述等离子体，以形成所述还原性气体的等离子态气氛，其中，所述还原性气体的等离子态气氛为包含有惰性气体与所述等离子体的混合物的气氛；或者，基于所述还原性气体产生等离子体，然后向所述退火设备内通入所述所述等离子体，并排出所述退火设备内的惰性气体，以形成所述还原性气体的等离子态气氛，其中，所述还原性气体的等离子态气氛为仅包含有所述等离子体的气氛。

具体地，可以在阶段a通入惰性气体的基础上，继续向退火设备内通入还原性气体的等离子体，以形成包含有惰性气体与所述等离子体的混合物的气氛；还可以在阶段a通入惰性气体的基础上，向所述退火设备内通入还原性气体的等离子体，并排出惰性气体，以形成仅包含有所述等离子体的气氛。

其中，排出惰性气体的步骤可以采用气泵排出，以达到较快地置换退火设备内的气体的效果。

进一步地，所述第一预设温度(即为图3中b点对应的退火温度)可以为850℃至1200℃。

阶段c用于表示第二步退火。具体而言，在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，所述第二步退火的过程中，退火温度保持为所述第一预设温度。

具体地，晶体原生粒子缺陷(也即空洞型微缺陷)的内壁被氧化后形成氧化薄膜，在还原气氛中能够更好地被还原分解为间隙氧而扩散到硅片外面；在超出一定的温度时，硅片表面的原子会自发地从能量高的地方扩散到能量低的地方，即从表面的“凸起”流动到表面的“凹坑”中去，使表面变得平整，降低表面的微粗糙度，进而由于间隙硅原子填充至晶体原生粒子缺陷导致的空洞中，使得晶体原生粒子缺陷减少甚至消失。

在具体实施中，所述第一预设温度不应当设置的过低，否则难以使氧化薄膜被还原分解；所述第一预设温度不应当设置的过高，否则会影响硅片品质，进而影响形成的半导体器件。

作为一个非限制性的例子，所述第一预设温度(即为图3中b点以及c点对应的退火温度)可以为850℃至1200℃。优选地，所述第一预设温度可以为1050℃至1150℃。

需要指出的是，在本发明实施例中，由于包含有基于还原性气体产生的等离子体的还原性气体的等离子态气氛具有更强的还原性，有助于在更低的还原温度、更短的还原时长下实现更好的还原效果，因此所述第一预设温度可以设置的较低，从而降低生产成本，提高生产效率。

在具体实施中，所述第二步退火的退火时长不应当设置的过短，否则难以使氧化薄膜被还原分解；所述第二步退火的退火时长不应当设置的过长，否则会影响硅片品质，进而影响形成的半导体器件。

作为一个非限制性的例子，所述第二步退火的退火时长可以设置为20分钟至90分钟。优选地，所述第二步退火的退火时长可以设置为40分钟至60分钟。

需要指出的是，在本发明实施例中，由于包含有基于还原性气体产生的等离子体的还原性气体的等离子态气氛具有更强的还原性，有助于在更低的还原温度、更短的还原时长下实现更好的还原效果，因此所述第二步退火的退火时长可以设置的较短，从而降低生产成本，提高生产效率。

在本发明实施例中，通过在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，所述第二步退火的过程中，退火温度保持为所述第一预设温度，不仅可以对硅片表面的氧化层进行还原反应，还可以对硅片内部一定深度的空洞内的氧化薄膜进行还原反应，从而可以更有效地减少所述硅片内的空洞型微缺陷，以及对硅片内的晶格缺陷进行更有效的修复。

进一步地，在c点处，所述硅片的制备方法还包括向所述退火设备内通入惰性气体，并排出所述退火设备内的所述等离子体，以形成惰性气氛的步骤。

在本发明实施例中，在对所述硅片进行第三步退火之前，还包括形成惰性气氛的步骤，可以避免在后续取出硅片时，由于还原性气体遇到空气中的氧发生爆炸或产生危险气体(例如co2或高温水汽)，对操作人员的人身安全产生影响，从而有助于提高生产安全性。

其中，排出等离子体的步骤可以采用气泵排出，以达到较快地置换退火设备内的气体的效果。

阶段d用于表示第三步退火。具体而言，对所述硅片进行第三步退火，在所述第三步退火过程中，退火温度从所述第一预设温度下降至第二预设温度。

具体地，所述第二预设温度(即为图3中d点对应的退火温度)可以为400℃至700℃。优选地，所述第二预设温度可以为500℃至600℃。

在本发明实施例中，通过进行第三步退火，可以降低退火设备内的温度，从而在后续取出硅片时，降低由于高温对操作人员产生的危险，从而提高生产安全性。

在本发明实施例中，通过在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，所述第二步退火的过程中，退火温度保持为所述第一预设温度，不仅可以对硅片表面的氧化层进行还原反应，还可以对硅片内部一定深度的空洞内的氧化薄膜进行还原反应，从而可以有效地减少所述硅片内的空洞型微缺陷，以及对硅片内的晶格缺陷进行更有效的修复，从而减小硅片表面的雾都值，提高硅片的品质。进一步地，相比于仅包含有还原性气体的还原气氛，由于包含有基于还原性气体产生的等离子体的还原性气体的等离子态气氛具有更强的还原性，有助于在更低的还原温度、更短的还原时长下实现更好的还原效果，从而有助于降低生产成本，提高生产效率。更进一步地，不需要增加多余的工序，在降低生产成本的同时提高生产效率，适合规模化批量生产。

参照图4，图4是本发明实施例中另一种退火温度随退火时长变化的曲线图。

图4示出的阶段b中，也即第一步退火可以包括多个退火阶段，如阶段b1以及阶段b2，在后的退火阶段的升温速度小于在先的退火阶段的升温速度，也即阶段b2的升温曲线的斜率低于阶段b1的升温曲线的斜率。

具体地，可以采用第一升温速度对所述退火设备进行升温至中间温度(即图4中e点对应的退火温度)，然后采用第二升温速度对所述退火设备进行升温至所述第一预设温度(即为图4中b点对应的退火温度)，其中，所述第一升温速度大于所述第二升温速度。

在具体实施中，升温速度越慢，硅片边缘和中心的温度越接近，还原性气体和氧化层以及氧化薄膜的化学反应进行的也越均匀，硅片边缘(waferedge)和硅片中心(wafercenter)的电阻一致性也越好，有助于提高硅片的品质。

作为一个非限制性的例子，可以设置所述第一升温速度为4℃/min至6℃/min，优选为5℃/min；可以设置所述第二升温速度为2℃/min至4℃/min，优选为3℃/min。

在本发明实施例中，所述第一步退火包括多个退火阶段，在后的退火阶段的升温速度小于在先的退火阶段的升温速度，可以通过在低温区提高升温速度，以尽快达到预设温度，在高温区降低升温速度，以提高硅片边缘与硅片中心的温度一致性，从而提高在硅片边缘与硅片中心的还原反应的一致性。

在具体实施中，有关阶段a、阶段c以及阶段d的更多详细内容请参照图3中的阶段a、阶段c以及阶段d的描述进行执行，此处不再赘述。

参照图5，图5是本发明实施例中一种硅片从表面至内部不同深度对应的电阻率曲线图。

如图所示，硅片在采用本发明实施例的制备方法之后，距硅片表面的距离由近至远，电阻率具有较好的一致性，且距硅片表面较近的区域，其电阻率高于现有技术中的硅片，从而使得绝缘性较好，有助于提高后续形成的源漏掺杂区的品质。

需要指出的是，所述曲线图采用容-电压法(c-v法)对退火后硅片进行测试，在具体实施中，还可以采用扩展电阻法(srp法)测试退火后硅片不同深度，以得到电阻率曲线图。

参照图6，图6是本发明实施例中一种硅片的制备装置的结构示意图。

所述硅片的制备装置可以包括：等离子体生成设备120，用于基于还原性气体产生等离子体；退火设备，所述退火设备可以包括：退火腔室100；晶圆基座110，所述晶圆基座110位于所述退火腔室100内，且用于放置晶圆；等离子体输入管路122，用于向所述退火腔室100内输入所述等离子体。

其中，所述等离子体生成设备120可以为外置设备，其产生的等离子体通过所述等离子体输入管路122传输至所述退火腔室100，以在所述退火腔室100内形成还原性气体的等离子态气氛。

进一步地，所述的硅片的制备装置还可以包括：惰性气体输入管路132，用于向所述退火腔室100内输入惰性气体；气体输出管路142，用于从所述退火腔室100内输出所述等离子体和/或所述惰性气体；泵体150，所述泵体150可以与所述气体输出管路142连接，用于从所述退火腔室100内抽取出所述等离子体和/或所述惰性气体。

其中，所述泵体150可以为冷泵或机械泵。

在本发明实施中，通过设置泵体150，有助于更好地从所述退火腔室100内抽取出所述等离子体和/或所述惰性气体，以提高所述退火腔室100内物质的纯净度。

在本发明实施例中，通过设置所述硅片的制备装置，可以实现在还原性气体的等离子态气氛下，对所述硅片进行第二步退火，从而对硅片内部一定深度的空洞内的氧化薄膜进行还原反应，从而可以有效地减少所述硅片内的空洞型微缺陷，以及对硅片内的晶格缺陷进行更有效的修复，从而减小硅片表面的雾都值，提高硅片的品质。

关于该硅片的制备装置的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图2至图5示出的关于硅片的制备方法的相关描述，此处不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。