CN103021801B - 掺氧半绝缘多晶硅膜及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件领域技术，尤其涉及掺氧半绝缘多晶硅及其制作方法，该方法包括：按照第一流量比向放置有硅片的反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在硅片上反应，持续反应达到第一反应时间长度后，生成具有第一含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层；按照第二流量比向反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在第一掺氧半绝缘多晶硅层上反应，持续反应达到第二反应时间长度后，生成具有第二含氧量的第二掺氧半绝缘多晶硅层；其中，第二含氧量大于第一含氧量。使用本发明实施例提供的掺氧半绝缘多晶硅及其制作方法，通过改进工艺流程，控制反应物的流量比，生成不同含氧量的掺氧半绝缘多晶硅层，进而既保证了器件耐压特性，又避免出现“铝印”现象。

Description

掺氧半绝缘多晶硅膜及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域技术，尤其涉及处掺氧半绝缘多晶硅膜及其制作方法。
背景技术
掺氧半绝缘多晶硅(SIPOS)薄膜呈半绝缘性和电中性，与传统的SiO2膜相比，有以下优点：1、与SiO2中含有的固定正电荷不同，SIPOS膜呈电中性，本身无固定电荷，不会影响硅衬底表面载流子的重新分布，既可作为P型衬底钝化膜，也可作为N型衬底钝化膜。2、SIPOS膜的电阻率介于多晶硅(～3E6Ohm-cm)和SiO2(>1E16Ohm-cm)之间，为1E8～1E10Ohm-cm，具体的数值由其氧含量决定，故载流子可在其内部运动，注入的热电子不能长时间存在于SIPOS膜中，所以无载流子存储效应。3、因为SIPOS膜主要结构是多晶硅，在晶粒间界处有大量俘获陷阱(密度为1E17～1E18/cm3)，这些陷阱既可以俘获电子，也可以俘获空穴，又可以俘获带电粒子，从而使器件特性稳定可靠。
正是由于掺氧半绝缘多晶硅的这些性质，用掺氧半绝缘多晶硅钝化硅衬底时，因掺氧半绝缘多晶硅的半绝缘性和Si-SIPOS界面无高位能的势垒，可以允许有外加电场或离子沾污在硅表面感生的可动离子进入掺氧半绝缘多晶硅中，这样在硅表面不能形成反型层或堆积层，从根本上改善了硅衬底的表面效应。而且，掺氧半绝缘多晶硅膜中含有15～35％的氧原子，使表面产生电流的表面态密度大大降低，故SIPOS-Si之间的界面态密度将显著减少，进而减小了反向电流中的界面态产生电流分量。
此外，与SiO2对雪崩击穿后热载流子长期储存效应不同，掺氧半绝缘多晶硅半绝缘，凡进入掺氧半绝缘多晶硅中的电荷不能长期储存，故由雪崩击穿产生的热载流子也不会长期停留在掺氧半绝缘多晶硅中，故消除了由SiO2钝化产生的击穿电压蠕动，提高了器件的稳定性和可靠性。
根据文献报道和实际的大量的工艺实验结果，掺氧半绝缘多晶硅膜中氧含量是20％左右时，器件可以有较好的耐压及漏电特性。但是，使用该含氧量时，在随后的铝布线工艺中，晶片表面会出现“铝印”。该“铝印”是指掺氧半绝缘多晶硅薄膜上的铝，在425度合金后，铝原子沿掺氧半绝缘多晶硅中的晶粒间界向铝条两边扩散。严重时会造成电路内部微短路。这一点不仅使表观质量变差，同时也是造成器件功能失效和可靠性降低原因之一。
发明内容
本发明实施例提供了一种掺氧半绝缘多晶硅及其制作方法，可以既保证了器件耐压特性，又避免了出现铝印现象。
本发明实施例提供了一种掺氧半绝缘多晶硅膜的制作方法，该方法包括：
按照第一流量比向放置有硅片的反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在硅片上反应，持续反应达到第一反应时间长度后，生成具有第一含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层；
按照第二流量比向反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在所述第一掺氧半绝缘多晶硅层上反应，持续反应达到第二反应时间长度后，生成具有第二含氧量的第二掺氧半绝缘多晶硅层；
其中，所述第二含氧量大于所述第一含氧量，生成第一掺氧半绝缘多晶硅层的第一反应时间长度大于生成第二掺氧半绝缘多晶硅层的第二反应时间长度。
较佳的，所述第一流量比为0.24时，所述第一含氧量为21％。
较佳的，所述第二流量比为0.4时，所述第二含氧量为45％。
较佳的，所述生成第一掺氧半绝缘多晶硅层的第一反应时间长度为70分钟，所述生成第二掺氧半绝缘多晶硅层的第二反应时间长度为13分钟。
较佳的，生成第一掺氧半绝缘多晶硅层和第二掺氧半绝缘多晶硅层的反应温度均为650摄氏度，反应压力为200毫托。
本发明实施例提供了一种掺氧半绝缘多晶硅及其制作方法，用于按照第一流量比向放置有硅片的反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在硅片上反应，持续反应达到第一反应时间长度后，生成具有第一含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层；按照第二流量比持续充入一氧化氮和硅烷，在所述第一掺氧半绝缘多晶硅层上反应，持续反应达到第二反应时间长度后，生成具有第二含氧量的第二掺氧半绝缘多晶硅层；其中，所述第二含氧量大于所述第一含氧量。
使用本发明实施例提供的掺氧半绝缘多晶硅及其制作方法，通过改进工艺流程，控制一氧化氮和硅烷的流量比，生成不同含氧量的掺氧半绝缘多晶硅层，进而既保证了器件耐压特性，又避免了出现铝印现象。同时，还可以通过控制反应时间来控制掺氧半绝缘多晶硅层的厚度。
附图说明
图1为本发明实施例中掺氧半绝缘多晶硅膜的制作方法流程示意图；
图2为本发明另一实施例中掺氧半绝缘多晶硅膜的制作方法流程示意图；
图3为本发明实施例中掺氧半绝缘多晶硅膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合各个附图对本发明实施例技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细地阐述。
为了解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种掺氧半绝缘多晶硅膜的制作方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101、按照第一流量比向放置有硅片的反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在硅片上反应，持续反应达到第一反应时间长度后，生成具有第一含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层；
步骤102、按照第二流量比向反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在第一掺氧半绝缘多晶硅层上反应，持续反应达到第二反应时间长度后，生成具有第二含氧量的第二掺氧半绝缘多晶硅层；其中，第二含氧量大于第一含氧量。
具体的，制作掺氧半绝缘多晶硅膜前，可以先对硅片进行清洗，如使用硫酸和双氧水清洗10分钟，氨水和双氧水清洗5分钟，盐酸和双氧水清洗8分钟，然后再进行槽式浸泡清洗，最后使用稀HF漂洗10秒钟。
清洗完成后，将硅片放置在反应炉中，并将温度调节到650摄氏度左右。然后，按照第一流量比向放置有硅片的反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在硅片上反应，持续反应达到第一反应时间长度后，生成具有第一含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层。同时，排出一氧化氮和硅烷的气态反应生成物。
此外，反应压力为200毫托,当反应炉内气压产生变化时，控制反应炉内气压的设备自动调节排气量大小，以保持反应炉内气压达到设定压力值。通过上述一氧化氮和硅烷的反应，可以在硅片上生成具有一定含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层，其化学反应原理公式为：
SiH4+N2O→SixOy+N2+2H2
其中SixOy为硅和硅的氧化物的复合体。
该第一掺氧半绝缘多晶硅层的含氧量由第一流量比决定，例如，当第一流量比为0.24左右时，第一掺氧半绝缘多晶硅层的含氧量在21％左右。根据文献报道和实际的大量的工艺实验结果，掺氧半绝缘多晶硅膜中氧含量是20％左右时，器件可以有较好的耐压及漏电特性。同时，还可以通过控制反应时间来控制该第一掺氧半绝缘多晶硅层的厚度，例如，控制反应时间在70分钟左右时，该第一掺氧半绝缘多晶硅层的厚度可以达到3500埃左右。
由于掺氧半绝缘多晶硅膜的含氧量过低时，表面出现铝印现象。对此，本发明实施例提供的掺氧半绝缘多晶硅膜的制作方法，在制作完成上述第一掺氧半绝缘多晶硅层后，通过改变气体反应流量比，制作另一层含氧量较高的掺氧半绝缘多晶硅层。具体的，保持反应温度和反应压力不变，即生成第一掺氧半绝缘多晶硅层和第二掺氧半绝缘多晶硅层的反应温度均为650摄氏度，反应压力为200毫托。按照第二流量比向反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在掺氧半绝缘多晶硅层上反应，持续反应达到第二反应时间长度后，生成具有第二含氧量的第二掺氧半绝缘多晶硅层，该第二含氧量大于上述第一含氧量，例如，当第二流量比为0.4左右时，第二掺氧半绝缘多晶硅层的含氧量在45％左右。此时含氧量较高，可以避免出现铝印现象。同时，排出一氧化氮和硅烷的气态反应生成物。
可以通过控制反应时间来控制该第二掺氧半绝缘多晶硅层的厚度，如生成第一掺氧半绝缘多晶硅层的第一反应时间长度可以大于生成第二掺氧半绝缘多晶硅层的第二反应时间长度，以便在生成较薄的第二掺氧半绝缘多晶硅层，例如控制反应时间在13分钟左右时，该第二掺氧半绝缘多晶硅层的厚度可以达到2000埃左右。
上述第一流量比和第二流量比可以决定相应的掺氧半绝缘多晶硅层中的含氧量，一般情况下，该第一流量比和第二流量比均为一氧化氮流量和硅烷流量之比，其值越高，生成的掺氧半绝缘多晶硅层中的含氧量越高。其中，该一氧化氮流量和硅烷流量之比可以根据实际情况进行设定。
上述反应时间可以控制掺氧半绝缘多晶硅层的厚度，一般情况下，反应时间越长，掺氧半绝缘多晶硅层的厚度越大。因此，可以根据实际需要，通过控制反应时间的长短来制作一定厚度的掺氧半绝缘多晶硅层。
通过上述描述，可以看出，使用本发明实施例提供的掺氧半绝缘多晶硅的制作方法，通过改进工艺流程，控制一氧化氮和硅烷的流量比，生成不同含氧量的掺氧半绝缘多晶硅层，进而既保证了器件耐压特性，又避免了出现铝印现象。同时，还可以通过控制反应时间来控制掺氧半绝缘多晶硅层的厚度。
下面通过具体实施例对本发明实施例提供的掺氧半绝缘多晶硅的制作方法进行详细说明，如图2所示，包括以下步骤：
步骤201、对硅片进行清洗；使用硫酸和双氧水清洗10分钟，氨水和双氧水清洗5分钟，盐酸和双氧水清洗8分钟，然后再进行槽式浸泡清洗，最后使用稀HF漂洗10秒钟。
步骤202、将硅片放置在反应炉中，调节反应温度；
步骤203、按照一氧化氮流量和硅烷流量之比为0.24，持续向反应炉内充入并排出一氧化氮流量和硅烷；
步骤204、持续70分钟后，在硅片上生成含氧量为21％、3500埃厚度的第一掺氧半绝缘多晶硅层；
步骤205、按照一氧化氮流量和硅烷流量之比为0.4，持续向反应炉内充入并排出一氧化氮流量和硅烷；
步骤206、持续13分钟后，在第一掺氧半绝缘多晶硅层上生成含氧量为45％、2000埃厚度的第二掺氧半绝缘多晶硅层；
步骤207、取出完成的掺氧半绝缘多晶硅膜。
通过上述描述，可以看出，使用本发明实施例提供的掺氧半绝缘多晶硅的制作方法，通过改进工艺流程，控制一氧化氮和硅烷的流量比，生成不同含氧量的掺氧半绝缘多晶硅层，进而既保证了器件耐压特性，又避免了出现铝印现象。同时，还可以通过控制反应时间来控制掺氧半绝缘多晶硅层的厚度。
相应的，本发明实施例还提供了一种掺氧半绝缘多晶硅膜，如图3所示，包括：
位于硅片31上的具有第一含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层32；
位于第一掺氧半绝缘多晶硅层32上的、具有第二含氧量的第二掺氧半绝缘多晶硅层33；
其中，第二含氧量大于第一含氧量。
上述第一掺氧半绝缘多晶硅层32的厚度大于第二掺氧半绝缘多晶硅层33的厚度。较佳的，上述第一掺氧半绝缘多晶硅层的厚度为3500埃，第二掺氧半绝缘多晶硅层的厚度为2000埃。
上述第一含氧量和第二含氧量可以由制作时使用的气体反应流量比决定，例如第一气体反应流量比决定第一掺氧半绝缘多晶硅层32的第一含氧量；第二气体反应流量比决定第二掺氧半绝缘多晶硅层33的第二含氧量。一般情况下，该第一气体反应流量比和第二气体反应流量比均为一氧化氮流量和硅烷流量之比，其值越高，生成的掺氧半绝缘多晶硅层中的含氧量越高。一氧化氮流量和硅烷流量之比可以根据实际情况进行设定。
上述掺氧半绝缘多晶硅层的厚度可以由制作时使用的反应时间控制，一般情况下，反应时间越长，掺氧半绝缘多晶硅层的厚度越大。因此，可以根据实际需要，通过控制反应时间的长短来制作一定厚度的掺氧半绝缘多晶硅层。
通过上述描述，可以看出，使用本发明实施例提供的掺氧半绝缘多晶硅及其制作方法，通过改进工艺流程，控制一氧化氮和硅烷的流量比，生成不同含氧量的掺氧半绝缘多晶硅层，进而既保证了器件耐压特性，又避免了出现铝印现象。同时，还可以通过控制反应时间来控制掺氧半绝缘多晶硅层的厚度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种掺氧半绝缘多晶硅膜的制作方法，其特征在于，该方法包括：
按照第一流量比向放置有硅片的反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在硅片上反应，持续反应达到第一反应时间长度后，生成具有第一含氧量的第一掺氧半绝缘多晶硅层；
按照第二流量比向反应炉内持续充入一氧化氮和硅烷，在所述第一掺氧半绝缘多晶硅层上反应，持续反应达到第二反应时间长度后，生成具有第二含氧量的第二掺氧半绝缘多晶硅层；
其中，所述第二含氧量大于所述第一含氧量，生成第一掺氧半绝缘多晶硅层的第一反应时间长度大于生成第二掺氧半绝缘多晶硅层的第二反应时间长度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一流量比为0.24时，所述第一含氧量为21％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二流量比为0.4时，所述第二含氧量为45％。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成第一掺氧半绝缘多晶硅层的第一反应时间长度为70分钟，所述生成第二掺氧半绝缘多晶硅层的第二反应时间长度为13分钟。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生成第一掺氧半绝缘多晶硅层和第二掺氧半绝缘多晶硅层的反应温度均为650摄氏度，反应压力为200毫托。
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