专利名称：半导体晶片的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，更具体地，涉及一种半导体晶片的制造方法。
背景技术：
在半导体制造中，作为基础材料的半导体晶片会受到各种污染，例如金属杂质等。 这些污染会在由晶片制成的芯片中造成缺陷，从而致使芯片无法通过电学测试，并因此降低芯片的产率以及相应地导致芯片制造成本升高。金属由于其化学性质活泼，从而易形成阳离子。这种阳离子会导致各种问题，如泄漏电流增加、少数载流子寿命减小等。此外，由于其性质活泼，金属离子可以在电学测试和运输后很长一段时间内沿着器件移动，弓丨起器件在使用期间失效。有鉴于此，需要提供一种新颖的半导体晶片制造方法，可以用来净化半导体晶片， 特别是其中的金属杂质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体晶片的制造方法，可以消除或者至少部分消除晶片中的杂质，特别是其中的金属杂质。根据本发明的一个方面，提供了一种半导体晶片的制造方法，包括加热，使金属材料溶解到晶片中的半导体材料中，从而产生半导体-金属化合物；以及冷却，使所产生的半导体-金属化合物逆熔化，而形成金属半导体混合物。利用该配置，半导体-金属化合物由于逆熔化而形成液滴，并进一步通过例如固-液偏析，将晶片中包含的各种金属元素(杂质)提取到液体部分，从而可以制造出高纯度的半导体晶片。优选地，半导体材料可以包括硅，金属材料可以包括铜、镍和铁。因此，本发明可以容易地应用到常规半导体工艺中。进一步，可以加热至1000°c以上且低于硅的熔点；可以冷却至900°C以下。金属材料可以通过各种方式来提供。例如，金属材料可以由形成于晶片上方的金属层提供。可选地，金属材料可以由在晶片中形成的沟槽中填充的金属层来提供，或者金属材料可以由在晶片上方设置的硬掩膜中形成的沟槽中填充的金属层来提供。沟槽的位置可以对应于晶片中将要形成的浅沟槽隔离的位置。可选地，金属材料可以通过离子注入而提供给晶片。注入位置可以对应于晶片中将要形成的浅沟槽隔离的位置。优选地，在冷却之后，该方法还可以包括去除金属半导体混合物以及晶片中沿晶片表面的一部分。这样，就留下了高纯度的晶片。优选地，去除晶片中从平衡线至晶片表面的一部分，其中所述平衡线上方的金属元素浓度大于晶片主体部分中的金属元素浓度。优选地，金属材料溶解到晶片中的半导体材料中达到过饱和状态。本发明可以适用于各种晶片，例如绝缘体上硅晶片、体硅晶片、GaN晶片或GaAs晶片。根据本发明的实施例，通过利用半导体(如Si)-金属(如Cu、Ni和狗等)的化合物的逆熔化现象，吸走晶片中的杂质特别是金属杂质如01、附、狗等，从而可以制造出高纯度的半导体晶片。根据本发明的方法简单易行，可以容易地结合到半导体制造工艺中。进一步，根据本发明制造的晶片有助于改善芯片的产率，并因此降低制造成本。
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和有点将更为清楚，在附图中图1 5示出了根据本发明第一实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图；图6 11示出了根据本发明第二实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图；图12 16示出了根据本发明第三实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图；以及图17 21示出了根据本发明第四实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图。
具体实施例方式以下，通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。本发明基于如下的发现一些半导体-金属化合物会出现所谓的“逆熔化”现象， 艮口，在冷却时出现从固相到液相的转变。这种半导体例如硅(Si)和/或锗(Ge)等，这种金属包括铜(Cu)、镍(Ni)和/或铁(Fe)等。例如，在Si(熔点约为1414°C)中引入Cu、 Ni和!^e而形成的化合物在冷却(例如，冷却至约900°C以下)时，发生逆熔化，从而在其中出现液滴。当由于逆熔化而出现液滴时，Si中溶解的其他金属杂质倾向于移向液体部分中 (固-液偏析)。换言之，在Si块内部产生的小液滴充当了吸取杂质的“真空吸尘器”。以下，将参照附图描述根据本发明各种实施例的半导体晶片制造方法。在以下实施例中，半导体材料以半导体工艺中最常见的Si为例；另外，所使用的金属材料包括Cu、Ni 和狗。但是需要指出的是，本发明并不局限于此。例如，半导体材料可以包括Ge、GaN、GaAS 等；金属材料不必同时包含Cu、Ni和！^，而是可以包括其中的一部分，或者可以包括其他可以与半导体材料一起出现逆熔化现象的金属材料(例如许多3d过渡金属)。
(第一实施例)图1 5示出了根据本发明第一实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图。如图1所示，在第一实施例中，以准备好的晶片1001开始。即，该晶片已经经历了各种处理如浅沟槽隔离(STI)形成等，并因此可以在其上进一步制作各种半导体器件。晶片1001可以包括各种类型，如绝缘体上半导体(SOI)晶片、体硅晶片、GaN晶片、GaAs晶片寸。接下来，如图2所示，在晶片1001的表面上形成金属层1002，该金属层1002包括 Cu、Ni和狗。例如，金属层1002可以包括采用多靶溅射而形成的Cu、Ni和！^的金属混合物，或者也可以包括通过逐层溅射而形成的金属叠层。然后，将图2所示的结构加热到足够高的温度(例如，IOOO0C以上)，以使金属层 1002中的金属(Cu、Ni和Fe)能够溶解进入下方的晶片1001中的半导体材料(Si)中。在此，加热的温度应低于硅的熔点(约1414°C)，以避免硅本身也发生熔化。图3中示出了该过程，其中的箭头示出了金属元素向晶片1001中的溶解。因此，在晶片1001靠近表面的一部分1001'中形成了 Si、Cu、Ni和狗的化合物。在此，优选地，金属层1002中金属的量使得晶片1001中溶解达到过饱和状态。也就说，在硅中溶解的金属数量超出稳定条件下通常所能溶解的量。随后，如图4所示，将整个结构逐渐冷却，例如冷却到900°C以下，从而将出现上述逆熔化现象。具体地，例如当冷却至900°C以下时，晶片1001中含Si、Cu、Ni、狗化合物由于逆熔化而出现液滴，从而部分1001'从固体转变为固体和液体的浆状混合物。如图4(b) 中箭头所示，其下方晶片中的杂质(金属元素)将被吸入液体部分中，从而使晶片得到了提纯。当然，尽管大部分杂质被吸走，但是可能仍然存在一定的杂质分布。图4(b)中虚线1003示出了一条“平衡线”在该线上方的金属元素浓度大于晶片主体部分中的金属元素浓度。该平衡线例如可以现场测定，或者可以预先根据多次测试而得到统计值。最后，如图5所示，去除金属层1002，并去除含Si、Cu、Ni、i^e化合物以及吸收有金属元素的部分1001'。优选地，还沿着平衡线1003去除晶片1001靠近表面的部分。这种去除例如可以通过干法刻蚀、化学机械抛光(CMP)等方式来实现。最终得到了图5所示的晶片1001，该晶片1001中的大部分杂质由于上述逆熔化过程而被吸走，从而得到了提纯。(第二实施例)图6 11示出了根据本发明第二实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图。如图6所示，在第二实施例中，以晶片2001开始。在图6中还示出了在晶片2001 上形成了两层硬掩膜2002和2003。例如，第一硬掩膜层2002可以包括氧化硅，第二硬掩膜层2003可以包括氮化硅。接下来，如图7所示，通过硬掩膜2002和2003，蚀刻出沟槽2004。这样的刻蚀可以通过各种方式来实现，如干法刻蚀。在晶片2001内沟槽的深度(图7(b)中箭头所示)可以在IOnm至IOOOnm之间改变。由于刻蚀工艺的限制，沟槽的侧面通常为竖直，且略有倾斜。然后，如图8所示，在沟槽2004内填充金属层2005，该金属层2005包括Cu、Ni和 Fe。这种填充例如可以通过淀积来实现。然后，将图8所示的结构加热到足够高的温度(例如，IOOO0C以上)，以使金属层 2005中的金属元素(Cu、Ni和1 )能够溶解进入晶片2001中的硅中。在此，加热的温度应低于硅的熔点(约1414°C)，以避免硅本身也发生熔化。图9中示出了该过程，其中的箭头示出了金属元素向晶片2001中的溶解。因此，在沟槽2004周围的晶片部分中形成了 Si、 Cu、Ni和Fe的化合物。在此，优选地，金属层2005的量使得晶片2001中溶解达到过饱和状态。也就说，
在硅中溶解的金属数量超出稳定条件下通常所能溶解的量。随后，如图10所示，将整个结构逐渐冷却，例如冷却到900°C以下，从而将出现上述逆熔化现象。具体地，例如当冷却至900°C以下时，晶片2001中含Si、Cu、Ni, Fe化合物的部分从固体转变为固体和液体的浆状混合物。如图10(b)中箭头所示，晶片中的杂质将被吸入液体部分中，从而使晶片得到了提纯。最后，如图11所示，去除硬掩膜层2002、2003，金属层2005。这种去除例如可以通过干法刻蚀、CMP等方式来实现。优选地，还沿着平衡线去除晶片靠近表面的一部分。例如，可以通过热氧化，将晶片中平衡线以上的部分氧化为氧化物，然后再通过刻蚀等方式去除氧化物。最终得到了图11所示的晶片2001，该晶片2001中的大部分杂质由于上述逆熔化过程而被吸走，从而得到了提纯。根据该实施例的工艺还可以与STI工艺相结合。具体地，该晶片2001中形成有沟槽2006。例如，可以通过向沟槽2006中填充绝缘材料(如氧化硅)，来形成STI。(第三实施例)图12 16示出了根据本发明第三实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图。如图12所示，在第三实施例中，同第二实施例中一样，以晶片3001开始。同样，在晶片3001上还形成了两层硬掩膜3002和3003。例如，第一硬掩膜层3002可以包括氧化硅，第二硬掩膜层3003可以包括氮化硅。接下来，如图13所示，在第一和第二硬掩膜层3002和3003中形成开口 3004。例如，开口 3004可以形成在与将要形成的STI相对应的位置处。在此，与第二实施例中不同， 开口 3004可以不延伸进入晶片3001中。在本实施例中，可以通过离子注入的方式，来向晶片3001中引入金属Cu、Ni和Fe，如图13(b)中的箭头所示，从而在晶片3001中形成包含 Cu, Ni, Fe的部分3005。可以通过控制离子注入的能量，来控制金属注入的深度。然后，将图13所示的结构加热到足够高的温度(例如，大于1000°C )，以使部分 3005中的金属元素(Cu、Ni和Fe)能够溶解进入硅中。在此，加热的温度应低于硅的熔点 (约1414°C )，以避免硅本身也发生熔化。图14中示出了该过程，其中的箭头示出了金属元素向硅中的溶解。因此，在部分3005周围的晶片3001中形成了 Si、Cu、Ni和！^的化合物。在此，优选地，金属的量使得晶片3001中溶解达到过饱和状态。也就说，在硅中溶解的金属数量超出稳定条件下通常所能溶解的量。随后，如图15所示，将整个结构逐渐冷却，例如冷却到900°C以下，从而将出现上述逆熔化现象。具体地，例如当冷却至900°C以下时，晶片3001中含Si、Cu、Ni, Fe化合物的部分从固体转变为固体和液体的浆状混合物。如图15(b)中箭头所示，晶片中的杂质将被吸入液体部分中，从而使晶片得到了提纯。最后，如图16所示，去除硬掩膜层3002、3003，由于离子注入而形成的部分3005。 这种去除例如可以通过干法刻蚀、CMP等方式来实现。优选地，还沿着平衡线去除晶片靠近表面的一部分。例如，可以通过热氧化，将晶片中平衡线以上的部分氧化为氧化物，然后再通过刻蚀等方式去除氧化物。最终得到了图16所示的晶片3001，该晶片3001中的大部分杂质由于上述逆熔化过程而被吸走，从而得到了提纯。此外，该晶片3001中还形成有沟槽3006。例如，可以通过向沟槽3006中填充绝缘材料(如氧化硅)，来形成STI。(第四实施例)图17 21示出了根据本发明第四实施例的晶片制造方法中各阶段得到的示意结构图，其中各图中的(a)部分示出了俯视图，(b)部分示出了沿(a)中A-A'线的截面图。如图17所示，在第四实施例中，同第三实施例中一样，以晶片4001开始。同样，在晶片4001上还形成了两层硬掩膜4002和4003。例如，第一硬掩膜层4002可以包括氧化硅，第二硬掩膜层4003可以包括氮化硅。接下来，如图18所示，在第一和第二硬掩膜层4002和4003中形成开口。例如，开口可以形成在与将要形成的STI相对应的位置处。在此，与第二实施例中不同，开口可以不延伸进入晶片4001中。以金属层4004来填充开口，该金属层4004包括Cu、Ni和狗。这种填充例如可以通过淀积来实现。然后，将图18所示的结构加热到足够高的温度(例如，大于1000°C )，以使金属 4004中的金属元素(Cu、Ni和Fe)能够溶解进入晶片4001中的硅中。在此，加热的温度应低于硅的熔点(约1414°C)，以避免硅本身也发生熔化。图19中示出了该过程，其中的箭头示出了金属元素向晶片中的溶解。因此，在靠近金属4004的晶片部分4005中形成了 Si、 Cu、Ni和Fe的化合物。在此，优选地，金属的量使得晶片4001中溶解达到过饱和状态。也就说，在硅中溶解的金属数量超出稳定条件下通常所能溶解的量。随后，如图20所示，将整个结构逐渐冷却，例如冷却到900°C以下，从而将出现上述逆熔化现象。具体地，例如当冷却至900°C以下时，晶片4001中含Si、Cu、Ni, Fe化合物的部分4005从固体转变为固体和液体的浆状混合物。如图20(b)中箭头所示，晶片中的杂质将被吸入液体部分中，从而使晶片得到了提纯。最后，如图21所示，去除硬掩膜层4002、4003，吸收了杂质的晶片部分4005。这种去除例如可以通过干法刻蚀、CMP等方式来实现。优选地，还沿着平衡线去除晶片靠近表面的一部分。例如，可以通过热氧化，将晶片中平衡线以上的部分氧化为氧化物，然后再通过刻蚀等方式去除氧化物。最终得到了图21所示的晶片4001，该晶片4001中的大部分杂质由于上述逆熔化过程而被吸走，从而得到了提纯。此外，该晶片4001中还形成有沟槽4006。例如，可以通过向沟槽4006中填充绝缘材料(如氧化硅)，来形成STI。根据本发明的实施例，通过加热(例如，加热到1000°C )以上，使得金属Cu、Ni和 Fe溶解到晶片中的Si中，从而产生Si、Cu、Ni和！^的化合物。随后，逐渐冷却(例如，冷却到900°C以下)，使得所产生的该化合物发生逆熔化，形成固体和液体的浆状混合物，并因此将晶片中的杂质吸收，从而净化了晶片。在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。尽管以上分别描述了各个实施例，但是并不意味着这些实施例中的有利特征不能结合使用。以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。 不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种半导体晶片的制造方法，包括加热，使金属材料溶解到晶片中的半导体材料中，从而产生半导体-金属化合物；以及冷却，使所产生的半导体-金属化合物逆熔化，而形成金属半导体混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中半导体材料包括硅，金属材料包括铜、镍和铁。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，金属材料由形成于晶片上方的金属层提供。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，金属材料由在晶片中形成的沟槽中填充的金属层来提供。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，金属材料通过离子注入而提供给晶片。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，金属材料由在晶片上方设置的硬掩膜中形成的沟槽中填充的金属层来提供。
7.根据权利要求4或6所述的方法，其中，所述沟槽的位置对应于晶片中将要形成的浅沟槽隔离的位置。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，注入位置对应于晶片中将要形成的浅沟槽隔离的位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在冷却之后，该方法还包括去除金属半导体混合物以及晶片中沿晶片表面的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，去除晶片中沿晶片表面的一部分包括 去除晶片中从平衡线至晶片表面的一部分，其中所述平衡线上方的金属元素浓度大于晶片主体部分中的金属元素浓度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，金属材料溶解到晶片中的半导体材料中达到过饱和状态。
12.根据权利要求2所述的方法，其中，加热至1000°C以上且低于硅的熔点。
13.根据权利要求2所述的方法，其中，冷却至900°C以下。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶片包括绝缘体上硅晶片、体硅晶片、GaN 晶片或GaAs晶片。
全文摘要
本申请公开了一种半导体晶片的制造方法，包括加热，使金属材料溶解到晶片中的半导体材料中，从而产生半导体-金属化合物；以及冷却，使所产生的半导体-金属化合物逆熔化，而形成金属半导体混合物。根据本发明的实施例，利于得到适用于半导体制造工艺的高纯度晶片。
文档编号H01L21/02GK102543671SQ20101059179
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者梁擎擎, 赵超, 钟汇才 申请人:中国科学院微电子研究所