[發明專利]一種用于N型硅外延片電阻率測量前的表面熱處理工藝

有效

• 申請號: 200910241668.4
• 申請日: 2009-11-30
• 公開（公告）號: CN101728262A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: 馮泉林;何自強;閆志瑞;庫黎明;陳海濱;葛鐘;常青
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院;有研半導體材料股份有限公司
• 主分類號: H01L21/324
• 分類號: H01L21/324
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 郭佩蘭

技術領域

本發明涉及一種N型外延片表面熱處理方法，是電容電壓(C-V法)測量外延片電阻率前的預處理工藝。通過本工藝使得影響測量精度和重復性的表面態得以消除，使得C-V電阻率測量儀測量更加準確、快捷。

背景技術

隨著集成電力技術的飛速發展，硅外延技術在集成電路制造中越來越重要。硅外延技術是通過化學氣象沉積等方法在硅襯底上沉積一層厚度、電阻率均勻可控的硅單晶層。其中外延層厚度和電阻率是外延工藝控制中的兩個關鍵因素。外延層電阻率的測量可以通過四探針法、擴展電阻法、以及MOS?C-V法(金屬-氧化物-半導體結構電容電壓法)獲得，其中MOS?C-V法在外延生產中最為普遍使用。MOS?C-V法是利用硅片的MOS結構(金屬-氧化物-半導體)，在外加電壓下產生充電放電的電容特性，以及電容特性和摻雜濃度分布的關聯關系進行測試。在測試時通過外加電壓和相應電容變化關系推算出測試摻雜濃度的深度分布。

目前使用的MOS?C-V法電阻率測試儀主要有：汞C-V法和無接觸C-V法，這兩種方法都需要對測試外延片做表面處理，使得表面生成一層不超過的均勻氧化層。但是經過外延生長硅片，由于外延生長中氫氣氣氛的保護作用，氫原子和懸掛鍵占據了硅片的整個表面。經過不同時間的放置后，表面吸附的氫原子會被環境中的氧替代會生成一層氧化膜，但是氧化膜和懸掛鍵分布在整個硅片表面分布并不均勻。外延片表面懸掛鍵、自然氧化層厚度都會影響測量的電阻率值。其中懸掛鍵會隨著在外加電壓的變化呈現受主態或者施主態，影響獲得的電容值。硅片表面的氧化層的厚度、致密性也會影響C-V曲線。因此N型外延片測量前的表面處理是必須的。

通用的表面處理工藝是濕法處理，在半導體行業內通用的清洗機都可以完成本處理，具體處理步驟為：

1.在10∶1的HF溶液中浸泡10秒，以去除表面的自然氧化層。

2.在去離子水中清洗10分鐘。

3.在90℃的雙氧水中浸泡10分鐘。

4.在去離子水中清洗10分鐘后干燥。

這種傳統的處理方法一般會受到清洗機性能、干燥工藝和硅片直徑的限制，因為處理的中可能帶來顆粒沾污和干燥不完全的問題。特別是對于大直徑硅片，特別需要高性能的清洗機以保證處理后表面的質量。測試位置的顆粒沾污會影響測量的精度，換可能導致無接觸C-V測量探頭的擊穿。使用無接觸C-V法測量時，探頭和硅片表面距離只有幾個微米，表面顆粒可能將探頭和硅片短路，而導致探頭擊穿。處理后硅片表面干燥的工藝也至關重要，沒有干燥好的硅片表面會出現類似顆粒的水漬，也會影響測量的效果。因此有必要提出一種新的處理方法來處理硅片表面，以滿足C-V法測量的要求。

發明內容

本發明目的是提供一種用于N型硅外延片電阻率測量前的表面熱處理工藝，該工藝可以降低N型硅外延片表面界面態密度，獲得致密均勻分布的表面自然氧化層，在使用C-V電阻測試方法測試外延片時，得到更準確的結果。

為達到上述發明采用以下技術方案：

(1)、將硅片裝入爐腔；

(2)、以氮氣置換系統，抽真空；

(3)、加熱升溫至400-600℃；

(4)、恒溫，通入氮氣、氧氣和水蒸氣，該水蒸汽以氮氣為載氣；在恒溫過程中引入紫外線光，使得氣氛中的氧氣生成化學活性很強的臭氧

(5)、降溫。

所述的升溫速度是10-30℃/s。

恒溫過程中氮氣和氧氣的流量比為6∶1到12∶1。

恒溫的時間是5-10分鐘。

所述的降溫速度是10-30℃/s，降溫到80-40℃。

本發明提供一種低溫熱處理工藝，通過在氮氣、氧氣、水汽的混合氣氛下處理硅片表面獲得致密的自然氧化膜，同時降低表面懸掛鍵、氫鍵的密度。

本發明需要的熱處理爐類似與半導體行業通常使用的快速熱處理爐。其硅片傳輸設計、氣體流量控制設計、冷卻水設計、加熱控制設計、尾氣設計和單片處理設計等與一般快速退火爐類似。

專利使用的爐子就是在快速熱處理爐上改造的，主要是使用了可以透過紫外光的石英玻璃腔體，以及增加了紫外燈管。

N型熱處理工藝處理后的硅片不僅可以通過無接觸C-V測試，而且可以在汞C-V上測試，且在氣氛中加入了水汽。

其具體特點為：

1、爐腔為石英玻璃制造。同時材質上選擇能同時穿透紫外線(波長150nm-290nm)和紅外光的石英玻璃。

2、在石英爐腔外安裝紅外加熱燈和紫外燈。在加熱時光波透過爐腔對硅片直接加熱，伴隨有紫外線進入爐腔。當紫外線照射在爐腔內和氧氣反應生產臭氧，可以加速表面氧化膜的生成。