防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置及方法，装置包括杯体和施压结构，施压结构用于将晶圆夹持于杯体内并对晶圆施加不小于1.96N的压力，施压结构与杯体的熔点均为1600℃以上，施压结构与杯体的材料均为惰性材料。采用本申请的退火装置，在进行高温热退火的时候，两个晶圆之间存在的微小空气泡在高温下发生膨胀时，能够通过施压结构与杯体对两个晶圆的夹持力将膨胀的气泡挤出，同时还可减弱样品高温下翘曲导致的表面分离，杯体的设计能够有效阻挡在高温热退火的时候，退火炉体中的杂质向晶圆样品扩散，以缓解高温热退火下，炉体的杂质对晶圆样品材料的污染问题，从而提高材料的结晶质量和产品良率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置及方法


[0001]本专利技术涉及半导体集成电路制造
，尤其涉及一种防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置及方法。

技术介绍

[0002]退火工艺是现代半导体工艺的重要一环，常用于金属电极合金、界面钝化、掺杂激活、重结晶和晶体固相反应等。退火是指将半导体材料放置于高温环境中进行热处理，以改变半导体表面或者整体的特性。在新一代宽禁带半导体，特别是氮化铝(AlN)材料的制备中，高温热退火工艺是提高AlN材料结晶质量的重要手段之一。由于AlN共价键键能大，熔点高(2750℃)，无法通过拉单晶的方法制备出低位错密度的AlN衬底。当前的AlN单晶材料普遍采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或者物理气相传输法(PVT)生长于蓝宝石、碳化硅等异质衬底上。而生长于异质衬底的AlN材料受限于巨大的晶格失配与热失配，普遍具有着高达108‑
109cm
‑2的位错密度，严重影响其进一步的应用。
[0003]为进一步提高AlN材料的结晶质量，人们发展出了高温热退火处理技术，即将制备得到的AlN晶圆放置于高温退火炉中，将温度升至1600℃以上，使得AlN晶格发生重新排列、位错产生滑移，从而达到降低材料位错密度的目的。由于退火温度高，AlN材料表面在高温下会发生分解，退火后材料表面急剧劣化，严重影响材料性能。
[0004]针对这一问题，现有技术采用往腔体内通入保护气体氮气，以减弱AlN材料在高温下的表面分解。但是，由于AlN外延层与蓝宝石衬底之间存在较大的热失配，高温下晶圆会发生明显的翘曲，使得常温下紧贴的样品表面发生分离而暴露于环境中，暴露部分在高温下会出现严重的表面分解现象，严重影响了产品的良率，而且还会使得碳、氧等杂质更容易并入，降低材料的整体性能。另一方面，炉体内的污染也是AlN材料高温热退火处理当前面临的问题。当前炉体采用的石墨、钨合金或硅钼材料均会对AlN材料造成污染。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足之处，本专利技术提供了一种防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置。其能够有效解决AlN材料在高温热退火下由于空气泡和样品翘曲而导致的表面分解和杂质并入问题，提高AlN材料的结晶质量和产品良率。本专利技术的退火装置主要用于AlN材料的高温热退火处理，但不仅限于AlN材料，还可应用于铝镓氮(AlGaN)、氮化硼(BN)、氧化镓(GaO)和金刚石等新一代半导体材料。
[0006]根据本申请的一方面，提供了一种防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，包括杯体和施压结构，施压结构用于将正面相对覆盖的两个晶圆夹持于杯体内，施压结构与杯体的熔点均为1600℃以上，施压结构与杯体的材料均为惰性材料。
[0007]采用本申请的退火装置，在进行高温热退火的时候，两个晶圆之间存在的微小空气泡在高温下发生膨胀时，能够通过施压结构与杯体对两个晶圆的夹持力将膨胀的气泡挤出，同时还可减弱样品高温下翘曲导致的表面分离，杯体的设计能够有效阻挡在高温热退
火的时候，退火炉体中的杂质向晶圆样品扩散，以缓解高温热退火下，炉体的杂质对晶圆样品材料的污染问题，从而能够有效提高材料的结晶质量和产品良率。
[0008]在一些实施方式中，施压结构与杯体之间设有一个在夹持晶圆时用于使杯体外部的保护气体与杯体内部的晶圆接触的通道。
[0009]由此，可以通过这样设置，使得在高温热退火的时候通入的保护气体能够顺利流通至晶圆的周围，以减弱晶圆在高温下的表面分解。
[0010]在一些实施方式中，通道可以包括在施压结构与杯体之间设有的第一间隔。
[0011]由此，可以通过这样设置，使得施压结构与杯体之间保持有一定的间隔，从而能够通过对装置通入保护气体以进一步减弱晶圆在高温下的表面分解，进一步提高材料的结晶质量和产品良率。
[0012]在一些实施方式中，施压结构可以包括施压部和顶盖，顶盖设置为能够完全覆盖杯体的杯口，施压部设置在顶盖的底部。
[0013]由此，可以通过设置顶盖，以进一步阻挡退火炉体中的杂质向晶圆样品扩散，从而缓解高温热退火下，炉体的杂质对晶圆样品材料的污染问题。
[0014]在一些实施方式中，通道可以包括在施压结构与杯体之间设有的第一间隔和在顶盖与杯体的顶部之间设有的第二间隔。
[0015]由此，可以通过这样设置，使施压结构与杯体之间、顶盖与杯体之间都保持有一定的间隔，以有利于在通入保护气体的时候，保护气体进入至晶圆样品材料附近并包覆晶圆样品材料，从而提高保护气体的保护效果，进一步提高材料的结晶质量和产品良率。
[0016]在一些实施方式中，顶盖的边缘朝向杯体方向可以延伸有边盖。
[0017]由此，可以通过这样设置，通过边盖能够进一步地有效阻挡退火炉体中的杂质向晶圆样品扩散，进一步缓解高温热退火下，炉体的杂质对晶圆样品材料的污染问题。
[0018]在一些实施方式中，通道还可以包括在边盖与杯体之间设有的第三间隔。
[0019]由此，可以通过这样设置，使得边盖与杯体之间也同样设置有一定的间隔，能够有利于保护气体的进入，提高保护气体的保护效果。
[0020]在一些实施方式中，边盖的长度不小于第二间隔的间隔大小且不大于杯体高度。
[0021]由此，可以通过这样设置，进一步地加强边盖对退火炉体中的杂质向晶圆样品扩散的阻挡效果，缓解高温热退火下，炉体的杂质对晶圆样品材料的污染问题。
[0022]在一些实施方式中，施压结构包括施压部，施压部为压力块，压力块将晶圆夹持于杯体内侧的底部。
[0023]由此，可以通过这样设置，能够有效简化施压结构的复杂性，若施压结构包含有多种不同材料的零部件，则在进行高温热退火的时候有可能会对晶圆样品的结晶质量和产品良率造成影响。
[0024]在一些实施方式中，施压部为与顶盖、边盖一体成型的压力块，压力块将两个正面相对覆盖的晶圆夹持于杯体内侧的底部，压力块、顶盖、边盖以及杯体采用刚玉材料、钨金属材料、氮化硼材料和碳化硅材料中的一种或多种材料组合制成。
[0025]由此，可以通过一体成型的盖体
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压力块结构，能够有效简化施压结构的复杂性，同时采用具有优良的高温性质及机械强度的刚玉材料或钨金属材料制成的杯体与盖体
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压力块结构，能够保证装置的纯净性，同时也能够保证装置的使用稳定性，能够保证晶圆样品
的结晶质量和产品良率。
[0026]根据本申请的另一方面，提供了一种防止高温热退火下表面分解和杂质并入的方法，其采用上述的防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，包括
[0027]将横截面积不大于施压结构的施压面的面积的晶圆以两两正面相对覆盖为一组通过施压结构完全包覆地夹持在杯体内侧；
[0028]将保护装置放进退火炉中在1400℃
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2000℃下高温热退火处理1小时
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20小时，并通入保护气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，其特征在于：包括杯体和施压结构，所述施压结构用于将晶圆夹持于杯体内并对晶圆施加不小于1.96N的压力，所述施压结构与杯体的熔点均为1600℃以上，所述施压结构与杯体的材料均为惰性材料。2.根据权利要求1所述的防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，其特征在于：所述施压结构与杯体之间设有一个在夹持晶圆时用于使杯体外部的保护气体与杯体内部的晶圆接触的通道。3.根据权利要求2所述的防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，其特征在于：所述施压结构包括施压部，所述通道包括在所述施压部与杯体之间设有的第一间隔。4.根据权利要求2所述的防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，其特征在于：所述施压结构包括施压部和顶盖，所述施压部用于将晶圆夹持于杯体内，所述顶盖设置为能够完全覆盖杯体的杯口，所述施压部设置在所述顶盖的底部。5.根据权利要求4所述的防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，其特征在于：所述通道包括在所述施压部与杯体之间设有的第一间隔和在所述顶盖与杯体的顶部之间设有的第二间隔。6.根据权利要求5所述的防止高温热退火下表面分解和杂质并入的保护装置，其特征在于：所述顶盖的边缘朝向杯体方向延伸有边盖，通道还包括在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华龙，何晨光，贺龙飞，张康，赵维，陈志涛，
申请(专利权)人：广东省科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：