处理外延片的方法和装置以及检测外延片的方法与流程

1.本技术总体涉及半导体领域，更具体地，本技术涉及一种处理外延片的方法和装置，以及一种检测外延片的方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的飞速发展，人们对集成电路中的硅片的质量提出了更高的要求。总体来说，人们期望硅片的晶格缺陷越小越好，从而能够尽可能地降低杂质含量对半导体器件造成的损害。事实上，硅片中的晶格会产生许多缺陷，体微缺陷(bulk micro defect，bmd)是一种与硅片中的氧沉淀相关的缺陷。体微缺陷是直拉硅中最重要的缺陷，作为硅片对芯片影响的关键参数，体微缺陷将会影响芯片的最终良率。体微缺陷可能是任何缺陷，包括氧沉淀、空隙、夹杂物、滑移线等。体微缺陷具有多重作用。一方面，它具有本征吸杂、增强硅片机械强度的优点；另一方面，如果体微缺陷数量过多、尺寸过大，又会导致硅片的弯曲翘曲。因此，在实际应用中，需要合理地控制好体微缺陷密度。


技术实现要素：

3.本技术的实施例提供了一种处理外延片的方法和装置，以及一种检测外延片的方法，旨在至少部分地能够克服现有技术中存在的上述和/或其他潜在的问题。
4.在本技术的第一方面，提供了一种处理外延片的衬底的方法。该方法包括：在第一工艺下，对该衬底进行退火达第一时间，以控制该衬底的体微缺陷密度，以及在第二工艺下，使该衬底生长出外延层，其中该第二工艺的温度高于该第一工艺的温度。
5.利用本技术的实施例，通过低温退火可以使体微缺陷形核长大，避免小尺寸体微缺陷直接在外延高温生长过程中被消除，这样有助于控制体微缺陷密度的均匀性。
6.在一种实现方式中，该衬底包括晶锭或者硅片。利用这种方式，可以对多种方式的衬底的体微缺陷密度进行改进。
7.在一种实现方式中，该第一工艺的退火温度选自700℃至900℃的范围。利用这种方式，通过在合适的温度下进行退火，可以使体微缺陷密度达到期望的范围。
8.在一种实现方式中，该第一时间选自3小时至8小时的范围。利用这种方式，可以确保得到期望要求的体微缺陷密度。
9.在一种实现方式中，该第一工艺的退火在包括纯ar2、纯h2和纯n2中的一种或多种的环境中进行。利用这种方式，第一工艺可以在成本可控的环境下进行。
10.在一种实现方式中，该第一工艺的退火在立式退火炉中进行，并且该第二工艺在外延设备中进行。利用这种方式，可以使退火过程中的金属污染被最大程度地降低。同时，为了避免退火过程中加热外延片面内温度不均匀的问题，可以调整外延片的承载基座的升降速率，或增加升降承载基座的过程中温度稳定的步骤，或者调整退火时升降温速率，从而避免温度陡然上升或下降。
11.在本技术的第二方面，提供了一种处理外延片的方法。该外延片包括衬底和外延
层，该方法包括：在第一时间内对该外延片进行退火，该退火的温度为第一温度，在第二时间内对该外延片进行退火，该退火的温度为高于该第一温度的第二温度，其中该第一温度、该第二温度、该第一时间和该第二时间基于调节函数来确定，该调节函数指示退火的该温度和时间的关联性。利用这种方式，通过调节函数，可以使外延片适配不同的工艺过程。
12.在一种实现方式中，该第一温度、该第二温度、该第一时间和该第二时间基于热预算值进行调节，该热预算值根据工艺温度和时间的积分并通过该调节函数来确定。利用这种方式，通过对热预算值的补偿，可以使外延片适配不同的工艺过程。
13.在一种实现方式中，该方法还包括：在该退火步骤之前，获取该外延片的第一体微缺陷密度；以及在该退火步骤之后，获取该外延片的第二体微缺陷密度。利用这种方式，可以检测外延片的体微缺陷密度的变化。
14.在一种实现方式中，该第一温度选自500℃至900℃的范围。在一种实现方式中，该第二温度选自900℃至1200℃的范围。利用这种方式，可以确保外延片先在低温下后在高温下退火，从而有助于提升外延片的体微缺陷密度。
15.在一种实现方式中，该调节包括：确定第一热预算值，该第一热预算值表示该外延片进行体微缺陷生长的理想热预算值；确定第二热预算值，该第二热预算值是根据该外延片的在衬底制造厂生产过程中热处理工艺来确定的；以及基于该第一热预算值和该第二热预算值，确定该第一时间、该第二时间、该第一温度和该第二温度。利用这种方式，通过对工艺时间和温度的灵活调节，实现对热预算值的补偿，这样有利于使硅片发挥更好的性能。
16.在一种实现方式中，基于该第一热预算值和该第二热预算值包括：确定该第一热预算值和该第二热预算值的差值。
17.在本技术的第三方面，提供了一种处理外延片的装置。该装置用于执行根据本技术的第二方面的方法。
18.在本技术的第四方面，提供了一种检测外延片的方法，该外延片使用根据本技术的第二方面的方法来处理，该方法包括：在该处理之前，获取该外延片的第一体微缺陷密度；使用根据本技术的第二方面的方法来处理该外延片；以及在该处理之后，获取该外延片的第二体微缺陷密度。
19.本技术的以上和其它方面在下面多个实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
20.结合附图并参考以下详细说明，本技术各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标注表示相同或相似的元素。附图并不一定按比例绘制，其中：
21.图1示出了本技术实施例的外延片的结构示意图；
22.图2示出了根据本技术的实施例的处理外延片的一种方法；
23.图3示出了根据本技术的实施例的外延片与现有的外延片的体微缺陷密度的对比步骤；
24.图4示出了利用图3中的对比步骤得到的结果；
25.图5示出了根据本技术的实施例的处理外延片的另一种方法；
26.图6示出了根据本技术的实施例的热预算值的示意性曲线；以及
27.图7示出了利用热预算值来对外延片进行退火预处理的步骤。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本技术的实施例。虽然附图中显示了本技术的某些实施例，然而应当理解的是，本技术可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本技术。应当理解的是，本技术的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本技术的保护范围。
29.在本技术的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
30.如上文所述，硅片中的体微缺陷密度需要被控制在合理的范围内。在现有的方案中，不同厂家的硅片体微缺陷密度分布也存在差异，不同节点的制程，不同厂家的制程也都存在差异。硅片和不同的制程之间也需要匹配，这样才能发挥出硅片本身的最佳性能。
31.外延片是一种在衬底上通过外延处理得到的结构，外延片可以被广泛用于诸如各种进行逻辑计算的器件上。在一种现有的方案中，硅的外延是在1150℃的常压环境中进行，这一温度下形核尺寸较小的氧析出物会被消灭，硅片在长晶后体微缺陷的形核尺寸分布范围较大，在这种情况下直接进行外延，从而不利于体微缺陷的稳定。
32.至少为了解决上面提到的各种问题，本技术的实施例提供了处理外延片的方法。下面结合图1至图7来描述根据本技术的实施例。首先参考图1，图1示出了本技术实施例的外延片100的结构示意图。如图所示，该外延片100包括衬底110以及从该衬底110向外延伸的外延层120。
33.下面参见图2，其示出了根据本技术的实施例的处理外延片100的一种方法200。该方法200大体上包括两个工艺。如图2所示，在框202，在第一工艺下，对外延片100的衬底110进行低温退火达一定的时间。在此过程中，衬底110的体微缺陷密度得以控制。体微缺陷密度可以被增加到根据期望的工艺节点所要求的范围内。
34.继续参考图2，在框204，在第二工艺下，使衬底110生长出外延层120，并且该第二工艺的温度是高于第一工艺的温度的。利用这种方式，通过在外延之前的低温退火，在低温中氧析出物大量形核，已经形核的部分氧析出物会不断长大，直至达到后续外延工艺无法消融的临界尺寸，接着外延过程中低于临界尺寸的形核会消融，高于临界尺寸的氧析出物会形成稳定的体微缺陷，从而增加了体微缺陷密度的均匀性。
35.在一些实施例中，第一工艺可以是退火工艺。在一些实施例中，这样的退火工艺是在完成拉晶的晶锭上进行的。在另一些实施例中，这样的退火工艺也可以是在切割、磨平和抛光之后并在生长外延层之前的衬底硅片上进行的。也就是说，衬底110既可以是晶锭，也可以是硅片，其具体形式不受限制。以此方式，可以将本技术的实施例扩展至不同类型的衬底110和对应的外延片100。在一些实施例中，退火工艺的退火温度可以选自700℃至900℃的范围。通过在硅片中掺氮，可以增加异质形核中心，硅片在冷却过程中会形成不同尺寸的氧析出物，小于临界尺寸的形核再外延过程中或者器件过程中消除。氧析出物通常700～900℃中会有微小的形核，再900～1100℃中长大的速率最快，在高于1100℃温度下小尺寸
会被消除。通过将退火工艺的退火温度设置在700℃至900℃的范围，可以避免小尺寸的体微缺陷在外延高温生长过程中被直接地消除。
36.在一些实施例中，这样的低温退火可以在立式退火炉中进行，从而能够避免在退火过程中引入金属污染，以使得成品免受杂质的影响，成品的纯度得以保障。
37.在另一些实施例中，可以调整外延片100的承载基座的升降速率，或增加升降承载基座的过程中温度稳定的步骤，或者调整退火时升降温速率，从而避免温度陡然上升或下降，这样可以避免退火过程中加热外延片面内温度不均匀。
38.在一些实施例中，退火工艺所持续时间可以选自3小时至8小时的范围。这样能够确保得到符合期望要求的均匀的体微缺陷密度。需要说明的是，这里的时间的范围仅仅是示意性的，而非限制性的。
39.在一些实施例中，第一工艺的退火可以在一定的工作气体中进行。工作气体可以确保退火发生在非真空的环境中。在进一步的实施例中，这样的工作气体包括纯ar2、纯h2和纯n2中的一种或多种。需要说明的是，退火的所发生的环境可以是纯ar2、纯h2或者纯n2，也可以是这些气体的任何组合。
40.在一些实施例中，第二工艺可以在外延设备中进行。在一些实施例中，外延工艺可以在以下的化学反应环境中进行：
41.sihcl3+h2→
si+3hcl
42.可以理解的是，这里的化学反应式仅仅是一种可行的情况。在其他的设计需求下，还可能存在其他的化学反应环境。具体的化学反应环境不受到本公开的实施例的限制。
43.在一些实施例中，第二工艺的温度可以选自900℃至1200℃的范围。在进一步的实施例中，第二工艺的温度可以是1100℃。应该理解的是，这里列举的温度的数值仅仅是示意性的，而非限制性的。基于其他的反应环境和工艺需要，可以设置不同的温度及温度范围，具体的数值不受到本技术的实施例的限制。
44.下面参照图3和图4来描述根据本技术的实施例的外延片100与现有的外延片的体微缺陷密度的对比步骤和对比结果。
45.如图3所示，将以相同方式获得的姊妹外延片分成a组和b组，其中a组经过清洗之后，不经过退火而直接进入外延工艺，在外延之后经过再次清洗，随后对外延片的体微缺陷密度进行检测。b组与a组的区别在于在外延之前经过了上文所介绍的退火工艺，其他步骤均与a组相同。
46.两组得到的检测结果在图4中示出。图中左侧表示a组的结果，右侧表示b组的结果。图中的圆孔表示原生氧析出物。如箭头402所示，在a组的检测过程中，外延片没有经过退火步骤，直接使其外延生长出外延层。可以看到，在经过外延工艺之后，低于一定临界尺寸的形核会消融，高于临界尺寸的氧析出物会形成稳定的体微缺陷。
47.下面结合图4描述b组的结果，如箭头404所示，b组的外延片经过上文描述的低温退火处理之后，体微缺陷形核长大，即图中相应位置的体微缺陷形核的尺寸增加，其结果是尺寸较小的析出物会长大到临界尺寸以上。随后，如箭头406所示，在经过外延工艺之后，相比于a组的结果可以清晰地发现，b组的外延片的体微缺陷密度更加稳定和均匀。
48.下面参见图5，其示出了根据本技术的实施例的处理外延片100的一种方法500。
49.如图5所示，在框502，在第一时间内对外延片100进行退火，退火的温度为第一温
度。随后，在框504，在第二时间内对外延片100进行退火，退火的温度为高于第一温度的第二温度，其中第一温度、第二温度、第一时间和第二时间是基于一定的调节函数来确定的，其中调节函数可以用来指示退火的温度和时间之间的关联性。
50.根据本公开的实施例，先在低温环境下随后在高温下对外延片100进行退火，可以使外延片100发挥出较好的性能。
51.在一些实施例中，第一温度、第二温度、第一时间和第二时间可以基于热预算值(thermal budget)进行调节，该热预算值是根据工艺温度和时间的积分并通过调节函数来确定的。
52.下面结合图6来描述本技术的实施例的热预算值的示意性曲线。如图6中的曲线所示，横轴表示工艺所持续的时间，纵轴表示工艺的温度。基于该工艺的温度和时间，可以通过积分运算得到相应的热预算值。该热预算值在图6中被表示为曲线下方由阴影部分表示的面积。
53.基于图6所示的方案，由于不同的工艺过程存在不同的热预算值，通过额外的低温退火和高温退火的工艺，能够补偿加工工艺中的热预算值不足的问题，从而使得到的外延100片更好地适配不同的工艺过程。
54.在一些实施例中，方法500还可以包括：在退火步骤之前和之后，分别获取外延片100的体微缺陷密度。以此方式，可以确定外延片100的体微缺陷密度的变化。
55.下面参照图7来描述利用热预算值来对外延片100进行退火预处理的详细步骤700。在框702，确定第一热预算值tb1，该第一热预算值tb1表示外延片100进行体微缺陷生长的理想热预算值。在框704，确定第二热预算值tb2，该第二热预算值tb2是根据外延片100的处理工艺来确定的实际热预算值。在一些实施例中，这样的处理工艺可以是集成电路工艺。
56.继续参考图7，在框706，基于第一热预算值tb1以及第二热预算值tb2，来确定低温退火和高温退火的补偿值。在进一步的实施例中，基于第一热预算值tb1和第二热预算值tb2之间的差值，通过积分运算，可以得到额外的低温退火和高温退火的补偿值。这样的补偿值实际上表示需要对处理工艺进行热预算补偿的值。
57.在框708，对外延片100施加该补偿值的退火预处理。通过这种方式，实现对第一温度、第二温度、第一时间和第二时间的调节。在实际的工艺过程中，该补偿可以通过延长工艺时间或者增加工艺温度来实现。举例来说，如果保持工艺时间不变，则可以通过提高低温退火或者高温退火的温度来实现对热预算值的补偿。再如，若保持退火的温度不变，则可以通过延长低温退火或者高温退火的时间来实现对热预算值的补偿。在一些实施例中，还可以通过对退火的温度与退火的时间的综合调节来实现上述补偿。
58.在一些实施例中，第一温度可以选自500℃至900℃的范围。在另一些实施例中，第二温度可以选自900℃至1200℃的范围。应该理解的是，这里列举的温度的数值仅仅是示意性的，而非限制性的。基于其他的反应环境和工艺需要，可以设置不同的温度及温度范围，具体的数值不受到本技术的实施例的限制。
59.在一些实施例中，在上述每个步骤之前都可以存在清洁步骤，以便避免环境对工艺效果的污染。
60.在本技术的另一方面，提供了一种处理外延片100的装置。该装置可以包括多个退
火子部件，用来实施上文描述的方法的步骤。退火子部件可以用来在第一时间内对该外延片100进行退火，该退火的温度为第一温度。退火子部件还可以用来在第二时间内对该外延片100进行退火，该退火的温度为比该第一温度更高的第二温度。
61.在另一些实施例中，装置可以包括退火子部件和外延子部件。退火子部件可以用来在第一工艺下，对外延片100的衬底110进行退火达第一时间，以控制该衬底110的体微缺陷密度。外延子部件可以用来在第二工艺下，使该衬底110生长出外延层120，其中该第二工艺的温度高于该第一工艺的温度。
62.需要说明的是，上文描述的本技术的实施例的其他步骤也可以适用于这里描述的装置中。出于简洁的目的，这些步骤的细节在此不做赘述。
63.在本技术的第四方面，提供了一种检测外延片100的方法，该外延片100使用根据本技术实施例中的方法来处理，该检测方法包括：在处理之前，获取外延片100的第一体微缺陷密度；使用根据本技术实施例中来处理外延片100；以及在处理之后，获取外延片100的第二体微缺陷密度，从而检测出外延片100的体微缺陷密度的变化。
64.需要说明的是，上文描述的本技术的实施例的其他步骤也可以适用于这里描述的检测方法中。出于简洁的目的，这些步骤的细节在此不做赘述。
65.相比于现有的常规拉晶控制的方案或者在切割、磨平和抛光后直接生长出外延层的方案，根据本技术的实施例通过先低温退火随后进行高温外延生长，从而实现对体微缺陷密度的改进，工艺更加简单和成本更低。对于已经具有外延层120的外延片100，为了使硅片特性和不同芯片制造厂制造不同工艺的匹配，通过先低温退火随后高温处理进行热预算补偿，从而使体微缺陷密度得以进一步控制，以更有效的发挥外延片100的性能。
66.尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

技术特征：
1.一种处理外延片的衬底的方法，所述方法包括：在第一工艺下，对所述衬底进行退火达第一时间，以控制所述衬底的体微缺陷密度，以及在第二工艺下，使所述衬底生长出外延层，其中所述第二工艺的温度高于所述第一工艺的温度。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括晶锭或者硅片。3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述第一工艺的退火温度选自700℃至900℃的范围。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述第一时间选自3小时至8小时的范围。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一工艺的所述退火在包括纯ar2、纯h2和纯n2中的一种或多种的环境中进行。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述第一工艺的所述退火在立式退火炉中进行，并且所述第二工艺在外延设备中进行。7.一种处理外延片的方法，所述外延片包括衬底和外延层，所述方法包括：在第一时间内对所述外延片进行退火，所述退火的温度为第一温度；以及在第二时间内对所述外延片进行退火，所述退火的温度为高于所述第一温度的第二温度，其中所述第一温度、所述第二温度、所述第一时间和所述第二时间基于调节函数来确定，所述调节函数指示所述退火的所述温度和时间的关联性。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一温度、所述第二温度、所述第一时间和所述第二时间基于热预算值进行调节，所述热预算值根据工艺温度和时间的积分并通过所述调节函数来确定。9.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，还包括：在所述退火步骤之前，获取所述外延片的第一体微缺陷密度；以及在所述退火步骤之后，获取所述外延片的第二体微缺陷密度。10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中所述第一温度选自500℃至900℃的范围。11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中所述第二温度选自900℃至1200℃的范围。12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中所述调节包括：确定第一热预算值，所述第一热预算值表示所述外延片进行体微缺陷生长的理想热预算值；确定第二热预算值，所述第二热预算值是根据所述外延片的处理工艺来确定的；基于所述第一热预算值和所述第二热预算值，确定所述第一时间、所述第二时间、所述第一温度和所述第二温度。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述基于所述第一热预算值和所述第二热预算值包括：确定所述第一热预算值和所述第二热预算值的差值。14.一种处理外延片的装置，用于执行根据权利要求7至13中任一项所述的方法。15.一种检测外延片的方法，所述外延片使用根据权利要求7至13中任一项所述的方法
来处理，所述方法包括：在所述处理之前，获取所述外延片的第一体微缺陷密度；使用根据权利要求7至13中任一项所述的方法来处理所述外延片；以及在所述处理之后，获取所述外延片的第二体微缺陷密度。

技术总结
本申请的实施例提供处理外延片的方法和装置以及检测外延片的方法。该外延片包括衬底和外延层。该方法包括：在第一工艺下，对外延片衬底进行退火达第一时间，以控制该衬底的体微缺陷密度。方法还包括：在第二工艺下，使衬底生长外延层，第二工艺的温度高于第一工艺的温度。此外，处理外延片的另一种方法包括：在第一时间内对该外延片进行退火，退火的温度为第一温度，在第二时间内对该外延片进行退火，退火的温度为高于该第一温度的第二温度，第一温度、第二温度、第一时间和第二时间基于调节函数来确定，该调节函数指示退火的该温度和时间的关联性。利用本申请的实施例，可以调节体微缺陷密度和均匀性。缺陷密度和均匀性。缺陷密度和均匀性。


技术研发人员：王晓 于源源 温雅楠 汪军
受保护的技术使用者：华为技术有限公司
技术研发日：2022.02.15
技术公布日：2023/8/28