一种深阱退火方法
【专利摘要】本发明提供一种深阱退火方法，通过将少量氧气和大量惰性气体比如氧气和纯氮气的混合气体通入工艺腔来对硅衬底的有源区进行退火处理，解决了传统深阱热退火工艺中用纯氮气作为反应气体而在硅衬底的晶格损伤处易形成Si3N4粒子缺陷的问题，从而消除了硅衬底由于深阱工艺造成的晶格损伤缺陷；同时还消除了传统深阱热退火工艺中形成气态氧化硅所造成的有源区缺陷；此外，少量氧气的加入还可以使硅衬底表面生成SiO2薄膜而释放一些应力，从而有效减小硅衬底在热处理中翘曲的程度，由此，采用本发明的深阱退火方法，可以消除有源区的缺陷，提高产品良率。
【专利说明】一种深阱退火方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种针对有源区的深阱退火方法。
【背景技术】
[0002]在CMOS半导体器件制造流程中，硅衬底上做有源器件的区域叫做有源区，也即是有些阱区，采用STI等隔离技术，隔离开的区域。有源区主要针对MOS电路而言，不同掺杂可形成N或P型有源区。
[0003]以P型有源区为例，请参阅图1-3。图1为传统的深阱热退火工艺采用的反应腔的结构示意图，其中箭头表示气体流向，图2为传统的深N阱离子注入工艺所采用的硅衬底截面结构示意图，图3为传统的深N阱离子注入工艺完成后所对应的硅衬底截面结构示意图。图2中，I表不深N讲,fif头表不注入尚子方向。图3中，I表不深N讲,2表不P型讲。为了隔离P型阱和硅衬底，抑制部分P型阱的漏电和防止硅衬底噪声对器件的影响，深N型阱工艺被引入进来，也就是在P型阱的外围的更深处通过超高能量的掺杂形成更深的一个N型阱，称为深N型阱。由于深N型阱工艺需要高能量的离子注入，在P型有源区会形成特别多的晶格损伤。同理，对于N型有源区也存在相同的问题。
[0004]为了消除这些晶格损伤并激活阱区掺杂的元素，通常在干法和湿法去胶之后，会立即进行深阱退火工艺，请参阅图4，图4为传统的深N阱退火工艺所对应的硅衬底的截面结构示意图。传统的深 阱退火工艺为纯氮气快速热退火或纯氮气炉管热退火。经过后续一系列的工艺过程之后，在双栅(Dual Gate)蚀刻之后，在有源区会产生一些损伤缺陷。
[0005]这是由于如果在传统的深阱退火工艺中只有氮气，而深阱退火工艺又必须为高温工艺，由于晶格损伤的地方晶向多样，所以Si原子的密度也有大有小，这样在Si原子密度较大的地方N2和Si就容易在有损伤的局部反应生成Si3N4，成为粒子状缺陷，附着在衬底的表面，且不易清除。在后续工艺中在这种缺陷存在的地方就生长不成连续的膜，最终在双栅蚀刻后见到这种被放大的缺陷，即所说的有源区的损伤缺陷。请参阅图5和图6，图5为传统的深阱退火工艺后栅极结构被蚀刻后的硅衬底的截面结构示意图，图6为Si3N4粒子缺陷在后续制程中形成的带有损伤缺陷的形貌的扫描电镜图片，图6中，虚线框内表示缺陷区域，可看到在缺陷区域没有形成连续的膜。在图5中，所形成的有源区中的黑色斑区为损伤缺陷，这里的黑色斑区位于有源区表面，位于黑色斑区上方的氧化膜形成凹陷。
[0006]传统深阱退火工艺中，高温条件下，Si3N4颗粒形成的反应式为:
[0007]
3Si +2N2』^Si3N4 (颗粒)
[0008]另一方面，在高温条件下，Si与硅衬底本身的SiO2也会发生反应生成气态的氧化硅，造成有源区的缺陷。反应式如下:
[0009]
Si+SiO2 I 2SiO (气态)[0010]此外，由于深阱工艺中离子注入过程不可避免地会在硅衬底中产生应力，在高温热退火过程中，这些应力将导致硅衬底发生翘曲。
[0011]传统深阱退火工艺造成上述有源区的缺陷将直接影响到器件的工作性能，甚至导致器件不能正常工作。随着器件尺寸进一步缩小，有源区的缺陷对良率的影响越来越明显。因此，急需改进现有深阱退火工艺，从而减小有源区的缺陷，提高器件的性能。
【发明内容】
[0012]为了克服上述问题，本发明旨在提供一种针对有源区的深阱退火方法，从而减小有源区的缺陷，提高器件性能。
[0013]本发明提供一种深阱退火方法，包括向工艺腔中通入反应气体和加热硅衬底，其所述反应气体由氧气和惰性气体组成，其中，所述氧气与所述惰性气体的比例不大于20%。
[0014]优选地，所述氧气与所述惰性气体的比例不大于13%。
[0015]优选地，所述氧气的流量为1-2.6SLM。
[0016]优选地,所述惰性气体为纯氮气。
[0017]优选地，所述惰性气体为氮气和氩气的混合气体。
[0018]优选地，所采用的升温速率为75_220°C /sec。
[0019]优选地，所采用的反应温度为1000-1200°C。
[0020]优选地，所采用的反应时间为5_60sec。
[0021]优选地，所述工艺腔为快速热退火工艺腔或炉管退火工艺腔。
[0022]优选地，采用所述快速热退火工艺腔进行所述深阱退火方法包括:采用脉冲激光快速退火、离子束快速退火、连续波激光快速退火或非相干宽带光源快速退火。
[0023]本发明的深阱退火方法，通过将少量氧气和大量惰性气体比如纯氮气、或氮气与氩气的混合气体通入工艺腔来对硅衬底进行退火处理，解决了传统深阱热退火工艺中用纯氮气作为反应气体而在硅衬底的晶格损伤处易形成Si3N4粒子缺陷的问题，从而消除了硅衬底由于深阱工艺造成的晶格损伤；同时，少量氧气可以抑制硅衬底和二氧化硅形成气态氧化硅的反应，从而消除了传统深阱热退火工艺中形成气态氧化硅所造成的有源区缺陷；此外，少量氧气的加入还可以使硅衬底表面生成SiO2薄膜而释放一些应力，从而有效减小硅衬底在热处理中翘曲的程度，由此，采用本发明的深阱退火方法，可以消除有源区的缺陷，提闻广品良率。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为传统的深阱热退火工艺采用的反应腔的结构示意图，其中箭头表示气体流向
[0025]图2为传统的深N阱离子注入工艺所采用的硅衬底截面结构示意图
[0026]图3为传统的深N阱离子注入工艺完成后所对应的硅衬底截面结构示意图
[0027]图4为传统的深N阱退火工艺所对应的硅衬底的截面结构示意图
[0028]图5为传统的深阱退火工艺后双栅结构被蚀刻后的硅衬底的结构示意图
[0029]图6为Si3N4粒子缺陷在后续制程中形成的带有损伤缺陷的形貌的扫描电镜图片
[0030]图7为本发明的一个较佳实施例的深阱退火方法的流程示意图【具体实施方式】
[0031]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0032]如前所述，在传统的深阱退火工艺中，采用纯氮气在高温条件下对硅衬底进行退火处理，容易在硅衬底中形成的晶格损伤的部位反应生成Si3N4，成为粒子状缺陷，附着在衬底的表面，且不易清除。在后续工艺中在这种缺陷存在的地方就生长不成连续的膜，从而造成有源区的损伤缺陷；而且，在高温环境中，硅原子与硅衬底中的二氧化硅容易形成气态氧化硅，从而进一步造成有源区缺陷。因此，本发明对传统深阱退火工艺进行了改进，将原有采用纯氮气作为反应气体改为少量氧气与大量惰性气体的混合气体，比如，可以采用氧气和氮气的混合气体，还可以采用氧气、氮气和其他惰性气体的混合气体，比如氧气、氮气和氩气等。
[0033]传统的深阱退火工艺采用快速热退火工艺或炉管热退火工艺分别在其对应的工艺腔中进行，本发明的深阱退火方法亦可以在传统深阱退火工艺的工艺腔中进行，比如在快速热退火工艺腔中或炉管热退火工艺腔中进行。
[0034]在本发明的一个较佳实施例中，在炉管热退火工艺腔中进行，因炉管热退火时间较长，可以更完全地消除晶格损伤缺陷，从而降低有源区缺陷。
[0035]在本发明的另一个较佳实施例中，采用快速热退火工艺腔进行的深阱退火方法包括:采用脉冲激光快速退火、离子束快速退火、连续波激光快速退火或非相干宽带光源快速退火。
[0036]当然，为配合本发明采用氧气和惰性气体的混合气体，所采用的工艺腔可以有多个进气管路，用来连接不同的气体；工艺腔本身也可以有一个进气管路，将不同气体混合后通入该进气管路中等，本发明对此不作限制。
[0037]以下结合具体实施例和附图6对本发明的深阱退火方法作进一步详细说明。图6为本发明的一个较佳实施例的深阱退火方法的流程示意图。
[0038]请参阅图6，本发明的一个较佳实施例的深阱退火方法，包括:向工艺腔中通入反应气体和加热硅衬底；本发明中，反应气体由氧气和惰性气体组成。在本实施例中,采用的惰性气体为纯氮气。在本发明的另一个较佳实施例中，采用的惰性气体可以为氮气和氩气的混合气体。当然，本发明中，采用的惰性气体还可以为氮气、氩气和其它惰性气体。
[0039]具体的，在本实施例中，采用炉管热退火工艺腔，深阱退火方法包括以下步骤:
[0040]步骤SOl:在对硅衬底进行深阱工艺之后，向工艺腔中通入氧气和氮气；
[0041]这里，本领域的普通技术人员可以得知对硅衬底进行深阱工艺的具体过程，这里不再赘述；在通入氧气和氮气之前，亦可包括抽真空等确保深阱退火工艺气氛的工艺步骤，这也为本领域普通技术人员可以知晓的，在这里不再赘述；在本发明中，氧气与惰性气体的比例不大于20%，在本实施例中，氧气与惰性气体的比例不大于13%。这也是本发明对少量氧气的定义，氧气不宜过多，否则会违背深阱退火工艺的要求，在将硅衬底大量氧化而降低硅衬底及所形成器件的质量。由于本实施例采用氧气和氮气的混合气体，因此，氧气和氮气的比例不大于13%。[0042]需要说明的是，之所以在氮气中加入少量氧气，是由于氮气与硅的反应温度高，氧气与硅的反应温度低，所以，由于前述深阱工艺中离子注入导致的晶格损伤处的硅原子在相同条件下将优先地与氧气发生反应生成二氧化硅薄膜，具体反应式为:
【权利要求】
1.一种深阱退火方法，包括向工艺腔中通入反应气体和加热硅衬底，其特征在于，所述反应气体由氧气和惰性气体组成，其中，所述氧气与所述惰性气体的比例不大于20%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧气与所述惰性气体的比例不大于13%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧气的流量为1-2.6SLM。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为纯氮气。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气和氩气的混合气体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的升温速率为75-220°C/sec。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的反应温度为1000-1200°C。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的反应时间为5-60sec。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺腔为快速热退火工艺腔或炉管退火工艺腔。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，采用所述快速热退火工艺腔进行所述深阱退火方 法包括:采用脉冲激光快速退火、离子束快速退火、连续波激光快速退火或非相干宽带光源快速退火。
【文档编号】H01L21/324GK103903981SQ201410161259
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】温振平 申请人:上海华力微电子有限公司