专利名称：电阻率测量用外延晶片的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及分析用外延晶片的制备工艺，特别是涉及用于电容-电压测量的p-型或n-型外延半导体晶片表面的制备工艺。
适用于制造集成电路的半导体晶片是通过从单晶硅锭切割薄晶片来制造的。切割之后，对晶片进行研磨处理，使其具有均匀的厚度。然后腐蚀晶片去除损伤，制造平滑表面。传统的晶片整形工艺中的最终工序是抛光工序，制成至少在晶片一面为高反射和无损伤的表面。在这种抛光表面上制造电器件。
通过外延淀积可以提高由硅晶片制造的电器件的性能。外延淀积是在结晶衬底上生长薄结晶层的工艺。例如，可以在重掺杂硅衬底晶片上生长轻掺杂硅外延层。这种结构可以在中等电流下获得高的器件工作速度。外延的其他优点包括对掺杂剂浓度分布的精确控制和杂质自由度。
把衬底晶片放入外延反应器，然后把载体气体引入反应器，例如氢气、多种硅基化合物之一，包括SiCl4、SiHCl3或SiH2Cl3，由此淀积外延层。一旦达到了要求的操作条件，硅基化合物与氢气载体气体之间的反应产生盐酸和纯硅，结果发生硅淀积。产生的硅被淀积在衬底晶片表面。持续淀积直至外延层生长到要求的厚度。
完成外延层淀积之后，在晶片的预定器件区域或其附近，评价晶片的某些典型性能。外延层性能，例如掺杂剂浓度分布、电阻率、斜率、平面区域等是表示层质量的因素。这些外延层性能大多数是通过电容-电压(“CV”)技术测量的，该技术首先涉及制备肖特基二极管。
肖特基二极管的制备涉及利用与待测材料表面接触的两个触点，形成电路。一般，肖特基二极管包括用外延层侧上的液态汞柱和非外延侧上的金属片例如钢片与硅晶片接触。可以采用传统的仪器和方法形成这些接触，包括“前侧下(front side down)”方法(例如MSI仪器，由MSI市售的)，和“后侧下(back side down)”方法(例如SSM仪器，由Solid State Measurement市售的)。
电容-电压测量是通过连续改变施加于晶片表面的电位来进行的。实验表明，待测晶片表面状态可以强烈影响用于CV测量的肖特基二极管的性能。这种影响主要是起因于如下因素，晶片存在的多数载流子可能流过或迁移穿过二极管的汞-硅界面形成的结。结果，可能损害测量的可靠性。为了防止发生这种迁移，结必须保持在整流状态。一般，通过采用已有技术的方式对晶片化学处理，实现这种整流状态(例如可见ASTM Recommendation F1392)。
采用的化学处理方法取决于待处理晶片的类型。例如，对于n-型晶片，化学处理一般包括在晶片表面上形成或生长薄氧化层。氧化层生长一般是通过在含氧化剂的溶液中浸渍晶片几分钟来实现的，氧化剂例如是硝酸、热过氧化氢或臭氧水。然后在去离子水中清洗晶片约10分钟，在氮气气氛中离心干燥。
对于p-型晶片，化学处理一般包括在HF浓溶液中处理晶片约30秒，或者在稀释HF溶液中处理晶片约5分钟(例如10份水中含1份HF的溶液)。然后用去离子水清洗晶片约10分钟，在氮气气氛中离心干燥。
这些制备n-型或p-型外延晶片表面的现行方法存在几种原因的问题。第一，使用强酸溶液给生产环境造成安全危害，加热这种溶液所产生的蒸汽对周围设备有害。第二，由于这些方法耗时，所以生产率降低，主要是由于这些是“湿法作业”方法，在能够进行下一步处理之前需要干燥晶片。第三，处理这种溶液获得足够的表面制备需要昂贵的设备。最后，在制备n-型晶片的情形，消耗大量的氢氟酸，明显增加了工艺花费。
从上述来看，仍旧需要一种制备n-型或p-型晶片表面的有效和成本经济的方法，以便能够获得精确可靠的CV测量。按连续方式精确有效地监视外延反应器性能的能力，对于外延晶片的生产是关键的，因为如果生产的晶片具有不可接受的掺杂剂浓度分布，外延反应器可以进行调节，防止再产生这种不可接受的晶片。
因此，本发明的目的在于，提供一种对其表面上具有n-型或p-型外延层的硅晶片性能进行评价的改进方法；提供一种待评价晶片表面不被弄湿的方法；提供一种用于电容-电压测量的n-型或p-型外延晶片的制备方法，可以提高安全性、有效性和成本效益。
概括地讲，本发明提供一种对其表面上具有n-型或p-型外延层的硅晶片进行评价的方法。在第一实施例中，在有氧条件下使晶片暴露在紫外线中，由此在n-型外延晶片上形成氧化层。然后对晶片进行电容-电压测量，评价外延层的性能。
本发明还提供一种对其表面上具有n-型外延层的硅晶片表面性能进行评价的方法。通过用紫外线照射含氧气氛，形成臭氧和原子氧，紫外线的波长约为185nm和254nm。n-型外延晶片暴露在臭氧和原子氧中，以在晶片表面形成氧化硅层。然后对晶片进行电容-电压测量，评价外延层的性能。
本发明还提供一种对其表面上具有n-型外延层的硅晶片表面性能进行评价的方法。该方法包括在有氧条件下把晶片暴露于紫外线中，在外延层上部形成氧化硅层，紫外线的波长约为185nm和254nm。然后通过制备肖特基二极管评价表面性能，其中形成氧化硅与汞之间的第一接触、和金属与晶片非外延侧之间的第二接触。
本发明在第二实施例中还提供一种对其表面上具有p-型外延层的硅晶片进行评价的方法。该方法包括将晶片放入处理室。惰性载体气体通过含氢氟酸水溶液的酸阱起泡，使载体气体富集氢氟酸蒸汽，形成包含载体气体和氢氟酸的气态混合物。把气态混合物输送到处理室，与晶片表面接触以溶解氧化硅层。然后对晶片进行电容-电压测量，评价外延层的性能。
以下将部分指出并明了本发明的其他目的和特征。
图1是不同n-型外延硅晶片的接触角变化与处理时间的曲线图，晶片表面生长有实施例1所述的氧化层。
图2展示了如实施例2所述的三种不同p-型外延硅晶片的频率分散曲线。
图3是展示如实施例2所述的两种不同p-型外延硅晶片的肖特基二极管击穿电压结果的曲线。
根据本发明的方法，制备n-型或p-型外延单晶硅晶片，用于通过电容-电压(CV)测量来评价外延层性能。应该知道，这里所用的术语“p-型”是指空穴为主要载流子的半导体。同样，术语“n-型”是指电子为主要载流子的半导体。
外延层性能一般包括掺杂剂浓度分布、电阻率、斜率和平面区域，所有这些均代表层的质量。这些外延层性能大多数是采用制备了肖特基二极管的电容-电压(“CV”)技术测量的。在本发明的第一实施例中，通过在晶片表面上生长氧化层来制备用于评价的n-型外延晶片。在本发明的第二实施例中，通过从晶片表面溶解氧化层来制备用于评价的p-型外延晶片。
在第一实施例中，通过在含氧气氛中把晶片暴露在紫外线(UV)下以使晶片表面氧化，制备用于电容-电压(CV)测量的n-型外延晶片。无需任何特殊的理论即可确信，在暴露于UV光的条件下，通过吸收波长约为185nm的UV光，氧(O2)反应生成臭氧(O3)和原子氧(O)。一旦形成了臭氧，则通过吸收波长约为254nm的UV光，进一步分解形成额外的原子氧。产生的原子氧起到特别强的氧化剂的作用。原子氧和臭氧两者可以与晶片表面上的硅反应以形成氧化层。
在n-型晶片表面上形成氧化层的速率至少部分是晶片表面与UV光源之间距离的函数，该速率随该距离的减小而提高。无需任何特殊的理论即可确信，这主要是由于初始形成氧基团，与原子氧或臭氧相比其更易于反应。如果UV光源与晶片表面的距离最小，则基团的电子可能在激发能级保持足以与晶片表面反应的时间，这与反应生成臭氧或者衰减到较低能级形成原子氧的情况不同。结果，一般使晶片表面放置在距UV光源约在1mm-10mm的位置，约在2mm-5mm更好。
注意，原子氧对于硅晶片是特别好的氧化剂。结果，一般调节UV光源使其在与优化原子氧产生成比例的所需波长发光。一般，UV光源在约185nm的波长发射约50％的UV能量，在约254nm波长发射约50％的能量。但是，较佳地，约65％的UV能量在约185nm的波长发射，而约35％的UV能量在约254nm的波长发射。
通过含氧气氛的UV照射，n-型外延晶片一般将在形成的原子氧和臭氧中暴露约30秒-60秒。但是，晶片暴露的持续时间，最好是足以产生获得精确可靠CV测量所能接受的氧化层即可。在这方面应注意，晶片可以暴露更长时间。但是，确信更长时间的暴露并不必需，可以简化过程缩短工艺时间。
本发明的方法可以采用已有技术的任何UV光源，能够在所需波长发射UV光，均匀地越过晶片的整个表面。但是，最好采用输出约为20000毫瓦/cm2的低压汞栅极灯(Jelight Company Inc.市售)。
可以在任何温度实施本发明的方法，只要通过含氧气氛的UV照射能够形成可接受的氧化层即可。但是，最好在约20℃-25℃范围的室温实施该方法。
最好采用紫外线氧化设备(“UVO设备”)实施本发明的第一实施例，该设备是由Jelight Company,Inc.市售的(位于Irvine,CA；型号#144A)。优选UVP设备的原因是几乎无需改变即可用于在n-型硅晶片表面形成氧化层，其具有的多种特点有利于第一实施例。例如，两个联锁装置，一个位于初始晶片入口，第二个位于UV照射室，用于防止操作者在晶片处理过程中暴露于UV能量。此外，该设备使用空气作为处理气体，因此只有操作所需的设备才供电和抽真空，这样可以在取出晶片之前从反应室中清除臭氧。最后，虽然该设备一般设计成处理仅一个晶片，但是采用传统的改进方法，使该设备能够同时处理多个晶片，从而提高生产率。
在本发明方法的第二实施例中，通过把晶片暴露在富集氢氟酸(HF)蒸汽的载体气体中，从晶片表面溶解氧化层，实现用于电容-电压(CV)测量的p-型外延晶片的制备。在这方面应注意，理论上晶片离开外延反应室之后，p-型晶片表面上不应存在氧化层。但是，如果p-型晶片不是立即进行CV测量，则形成自然氧化层(即离开外延反应室之后，晶片仅暴露在空气中存在的氧中所形成氧化层)。而且，已经发现，即使从反应室取出晶片之后立即测试，也不可能确定晶片的某些或全部性能。在这种情况下，根据本发明处理的晶片有利于CV测量的精确度和可靠性的改进。
根据此第二实施例，把p-型外延晶片放入具有可控环境和适用于暴露在HF蒸汽的制备材料的处理室中。最好首先用惰性非氧化气体例如氮气清吹该处理室，清除可能存在的任何氧化剂。一般，采用流量范围约在每小时50-150标准立方英尺(SCFH)的氮气清吹反应室。流量范围最好在约90-110SCFH。可以根据反应室的尺寸和清吹立方英尺改变氮气清吹持续时间。一般持续约5-10秒的清吹。但是，清吹最好仅持续足以去除任何可能存在的氧化剂和其他杂质的时间。
通过使氮气经过或“起泡”含HF水溶液的酸阱，使一般是氮气的载体气体富集HF蒸汽。随着气泡经过酸性溶液，HF蒸汽被夹带在气流中，形成包括HF和载体气体的气态混合物。于是HF蒸汽被气体输送进入处理室。
经过酸阱的载体气体流速一般在约50-150SCFH。流速最好在约90-110SCFH。在这方面应注意，如果流速过大，HF蒸汽将浓缩，在处理室内部可能形成HF液滴。如果这些液滴接触晶片表面，则将对设备以及整个方法有害，因此应予避免。
酸性溶液一般具有至少约40％的HF按重量计算浓度。HF按重量计算浓度范围最好在约40％-50％。按安全关系和设备设计以及材料可允许的条件确定HF溶液浓度更好。但是，应注意采用HF按重量计算浓度小于约40％的溶液可以成功地实施该方法。但是，随着溶液变得更为稀释，从晶片表面溶解氧化层的速率将降低，因此需要更长的暴露时间。此外，溶液可能变得如此稀释，以致于不能有效地获得HF蒸汽。
p-型外延晶片暴露在HF富集气体的持续时间，是所用HF溶液浓度和待去除氧化层厚度的函数。一般，对于HF按重量计算浓度范围在约40％-50％的溶液，和厚度范围在约2埃-50埃的自然氧化层，暴露时间将是约20-25秒。但是，当溶液浓度变得更大或更小时，暴露时间分别可以减少或增多。此外，对于一定浓度的溶液，当氧化层厚度增大或减小时，暴露时间也可以分别增多或减少。
HF富集气体进入处理室并且经过晶片表面之后，可以通过排气管离开处理室。当晶片已在气体中暴露要求的时间长度时，最好用惰性载体气体清吹处理室。这种最终的清吹工序最好持续约20-30秒，并按安全防护进行，以便防止操作者接触任何HF蒸汽或可能留下的残余物。结果，应注意当处理室的尺寸或体积增大时，清吹时间也增加。
应注意暴露时间增加时，HF蒸汽可能成为“废弃的”，即蒸汽可能被与晶片表面的氧化层的反应完全消耗了。于是，在优选实施例中，如果晶片准备暴露的时间多于约25秒，则处理室应有较短时间的清吹用于去除废弃的HF蒸汽。按此方式，在处理室内引入新鲜的HF蒸汽，由此提高工艺效率。这种中间清吹最好持续约10秒，并且在每25秒的HF暴露之后进行。这样，根据HF暴露的持续时间，可能需要一次以上的中间清吹工序。例如，如果HF处理持续约50秒，则在约25秒之后进行中间清吹工序，当HF处理结束时进行最终的清吹工序。
应注意第二实施例的方法可以根据要求进行选择，可以仅处理晶片的前侧，即外延侧。相对于晶片浸入溶液的传统技术，该方法由于缩短了时间而具有优点。但是，如果仅处理晶片一侧，最好使用CV测量的“后侧下”方法，原因是由于金属接触的尺寸，该方法对晶片后侧存在氧化层较不敏感。结果，例如寄生电容和串联电阻等问题不会对CV测量有不利影响。
最好采用FUMER干式HF设备实施第二实施例的方法，该设备是SEZ市售的(位于奥地利Villach)。优选FUMER是因为在制造者规定的标准工作条件下，一般几乎无需改变即可使用，用于从p-型外延晶片表面溶解氧化层。
第二实施例的方法可以同时对多个晶片进行处理，提高工艺生产率。处理的晶片准确数量取决于晶片托盘的尺寸和处理室的尺寸，以及待处理晶片的直径。
应注意，对于具有电阻率小于约3欧姆-cm的外延层的p-型外延晶片，可以用UV对p-型晶片处理约2-5秒。这是为了改善测量的精确度。无需任何特殊的理论即可确信，这种薄氧化层有助于去除晶片表面上存在的有机残留物和其他沾染物。生长氧化层时，最好根据本发明的第一实施例的方法处理晶片。因此，最好在含氧气氛中把p-型晶片放在UV灯下，通过暴露在产生的所得臭氧和原子氧中约2-5秒之间，使该表面氧化。
采用传统方法评价根据第一实施例制备的晶片，确定晶片表面上存在的氧化层。例如，常常采用接触角测量来检测氧化层的存在，并且其依据的原理是氧终结的晶片表面是亲水的。接触角测量涉及测量水滴与晶片表面接触时所产生角度。氧化层生长在晶片表面时，表面的疏水性降低，接触角变小。
本发明的实施例提供一种获得精确CV测量的方式，这是通过一种改进工艺制备n-型和p-型外延晶片表面，其方式是通过形成肖特基二极管，使结保持在整流状态。本发明可在干法环境进行晶片表面的制备，与传统的湿法台方法相比更为有效，并且产生成本更为经济的制造和评价外延晶片的方法。正如以下实例所示，采用传统的“后侧下”和“前侧下”CV测量方法和仪器(例如分别是SSM仪器和MSI仪器)，评价根据本发明制备的晶片，发现质量优于采用标准的“湿法台”方法制备的晶片。
通过以下实例介绍本发明，这些实例仅是示例性的，并不意味着限制本发明的范围或者其实施的方式。
实例
n型外延晶片的UV氧化对三组n-型外延单晶硅晶片进行本发明第一实施例的方法，每个晶片具有疏水表面。按不同方式制备每组晶片；即，按不同方式在每组晶片生长外延层。第一组n-型外延晶片使用外加材料外延反应室制备。第二组晶片使用ASM外延反应室制备。最后，第三组晶片使用外加材料反应室制备，但是从反应室取出晶片之后，用氢氟酸处理晶片，溶解存在的氧化层，保证表面的氢终结(即晶片表面没有自然氧化层)。
采用传统的UVO设备(Jelight Company市售，model#44)，每组的晶片定位在晶片托盘，使得UV灯与晶片表面的距离约是10mm。UVO设备的UV灯供电，产生波长在约185nm和约254nm的UV光，两种光的比例分别是65％和35％。环境气体用作含氧气氛。
每组晶片的一个到下一个增加暴露时间，考察氧化层的形成与暴露时间的关系。使用椭圆仪分析这些晶片，评价晶片厚度的变化，利用接触角评价晶片表面的亲水性。参见图1，把接触角标绘成暴露时间的函数。如图1可见，随着暴露时间的增加接触角下降，表明生成了氧化层。应注意，对于接触角给出的每个数据点，是在对每个晶片表面上的不同位置所进行的9次测量结果平均之后确定的。这是为了保证结果对整个晶片表面有代表性。
如上所述，当晶片表面上形成氧化层时(即表面变成更为亲水时)，接触角减小。正如从上述曲线可见，经过本工艺的晶片的接触角在前60秒的暴露期间呈现下降。
应注意，大约30秒暴露之后获得的接触角约等于采用传统“湿法台”方法所获得的。在这方面应注意，这种湿法台方法形成这种氧化层一般需要3分钟以上，然后在进行CV测量之前需要另外的时间清洗和干燥晶片。结果，本发明大幅度减少了处理时间。
实例2采用HF蒸汽溶解氧化层把p-型外延硅晶片放入FUMER干式HF设备，这是SEZ(位于Villach，奥地利)市售的。首先用流速约为100SCFH的氮气对处理室清吹约5秒。
然后在具有约40％的氢氟酸(HF)按重量计算浓度的水溶液中，按约100SCFH的流量通过氮气气流或者“起泡”。氮气富集HF蒸汽，然后把这种富集HF的气流引向处理室，并且通过晶片表面。
晶片暴露在HF富集气约20秒，在此期间HF蒸汽溶解晶片表面存在的自然氧化层。完成处理之后，处理室通入约20秒的氮气气流，清吹处理室残留的HF蒸汽。
采用由SDI市售的(型号＃CMS4020)传统的SPV工具的表面电荷选择，确定处理后的晶片的频率分散和阻挡层高度，与已采用标准“湿法台”HF溶液方法处理表面的另一个p-型外延硅晶片对比。
频率分散曲线是在激光斩波频率在10-40000Hz范围变化时通过测量表面电荷获得的。此曲线的形状用于评价晶片表面存在的沾染物，也能够用于评价晶片表面上的外延层质量。
该曲线一般包括两个不同部分或段。第一部分通常是达到中间频率范围(即约10-50Hz的范围)的平坦部分，然后开始下降。第二部分通常是大斜率的下降曲线，该斜率大于曲线的后一部分(即从约500Hz开始的部分)。在曲线后一部分存在大斜率，一般是在约500-5000Hz以上的范围，这通常与“慢状态”的存在相关，这表明晶片表面是不能接受的。
参见图2，其中标绘了在两个表面处理后的晶片以及第三个未处理的晶片上获得的频率分散曲线。
从这些结果可见，HF蒸汽处理开始类似于湿法台HF方法。但是，采用湿法台工艺制备的晶片，与本发明方法处理的晶片相比，在曲线的后一部分(即约2000-40000Hz范围的部分)具有的斜率更为明显。于是，采用本发明方法制备的晶片表面是高质量的。
参见图3，对两个表面处理后的晶片再次评价肖特基二极管的击穿电压。已有技术中公知，对应于高质量整流结的值越高，晶片表面的质量就越高。
正如从图3可见，采用HF蒸汽处理的晶片的击穿电压明显高于采用传统的湿法台方法处理的晶片。还可见对采用本发明方法处理的晶片的测量，与对传统处理的晶片的测量相比，明显更为可以再现。
从上述可见， 实现了本发明的几个目的。在不脱离本发明范围的条件下，上述工艺可以作出各种变化，上述说明所包含的所有内容均应解释为示例性的，没有限制含义。
权利要求
1．一种对其表面上具有n-型外延层的硅晶片进行评价的方法，该方法包括通过在含氧气氛中把晶片暴露于紫外线，氧化晶片表面；以及对氧化的晶片进行电容-电压测量以评价n-型外延层。
2．根据权利要求1的方法，其中，通过用紫外线照射含氧气氛，形成臭氧和原子氧。
3．根据权利要求2的方法，其中，紫外线的波长约为185nm和约为254nm。
4．根据权利要求1的方法，其中，对晶片进行所述电容-电压测量以评价n-型外延层的性能，性能选自基本上包含电阻率、掺杂剂浓度、斜率和平坦区域的组。
5．根据权利要求1的方法，其中，通过把晶片定位在距紫外线光源约2mm-5mm，使晶片暴露在臭氧和原子氧中。
6．根据权利要求1的方法，其中，紫外线光源在约185nm波长发射其能量的约65％，在约254nm波长发射其能量的约35％。
7．一种通过电容-电压测量对n-型外延硅晶片表面性能进行评价的方法，该晶片具有外延侧和非外延侧，该方法包括通过在有氧条件下把晶片暴露于紫外线而在晶片外延层上形成氧化层；以及通过形成氧化层与汞柱之间的第一接触、和金属与晶片非外延侧之间的第二接触，制备肖特基二极管。
8．根据权利要求7的方法，其中，通过用紫外线照射含氧气氛，形成臭氧和原子氧。
9．根据权利要求7的方法，其中，对晶片进行所述电容-电压测量以评价n-型外延层的性能，性能选自基本上包含电阻率、掺杂剂浓度、斜率和平坦区域的组。
10．根据权利要求7的方法，其中，通过把晶片定位在距紫外线光源约2mm-5mm，使晶片暴露在臭氧和原子氧中。
11．根据权利要求7的方法，其中，紫外线光源在约185nm波长发射其能量的约65％，在约254nm波长发射其能量的约35％。
12．一种对其表面上具有p-型外延层的硅晶片进行评价的方法，该晶片具有外延侧和非外延侧，该方法包括将晶片放入处理室；通过含氢氟酸水溶液的酸阱使惰性载体气体起泡，使载体气体富集氢氟酸蒸汽，形成包含载体气体和氢氟酸的气态混合物；把气态混合物输送到处理室，使晶片暴露于该混合物，氢氟酸溶解晶片表面存在的氧化层；以及对暴露晶片进行电容-电压测量以评价p-型外延层。
13．根据权利要求12的方法，其中，对晶片进行所述电容-电压测量以评价p-型外延晶片的性能，性能选自基本上包含电阻率、掺杂剂浓度、斜率和平坦区域的组。
14．根据权利要求12的方法，其中，仅溶解晶片外延侧表面上存在的氧化层。
15．根据权利要求12的方法，其中，晶片在气态混合物中暴露约20-30秒。
16．根据权利要求12的方法，其中，p-型外延晶片具有的电阻率小于约3欧姆*cm，其中从晶片表面溶解氧化层之后，在晶片进行电容-电压测量之前表面被再氧化。
全文摘要
本发明涉及对其表面上具有n－型或p－型外延层的硅晶片进行评价的方法,在第一实施例中,通过在有氧条件下把晶片暴露于紫外线,在n－型外延晶片表面上形成氧化层。然后对晶片进行电容－电压测量,评价外延层性能。在第二实施例中,通过在晶片表面上经过包含惰性载体气体和氢氟酸蒸汽的气态混合物,从p－型外延晶片表面溶解氧化层。然后对晶片进行电容－电压测量,评价外延层性能。
文档编号G01N27/00GK1302454SQ99806464
公开日2001年7月4日 申请日期1999年5月5日 优先权日1998年5月21日
发明者吉奥瓦尼·瓦卡里 申请人:Memc电子材料有限公司