CN103515224A - 多晶硅在离子注入后的快速退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多晶硅在离子注入后的快速热退火（RapidThermalAnneal，RTA）方法，属于半导体多晶硅的制备技术领域。该方法用于将晶圆上的多晶硅在离子注入掺杂后进行掺杂激活以获得预定电阻范围内的多晶硅层，其中，在快速热退火的过程中，在向所述晶圆所处的快速热退火装置的腔室内通入氮气的同时，通入氧气以改善所述晶圆上的多晶硅的电阻的均匀性。该RTA方法所制备形成的多晶硅层的电阻均匀性好，成品率高并且制造成本低。

Description

多晶硅在离子注入后的快速退火方法
技术领域
本发明属于半导体多晶硅的制备技术领域，涉及多晶硅在离子注入后的快速热退火（Rapid Thermal Anneal，RTA）方法。
  背景技术
在芯片制造领域，半导体多晶硅被广泛应用，例如，用来形成多晶硅栅电极，或者用来形成特定阻值的电阻。通常地，芯片中所应用的半导体多晶硅的制备过程一般包括以下步骤：（1）沉积形成未掺杂的多晶硅层（此时电阻大，不适合用作导体）；（2）通过离子注入（Ion implantation，IMP）方法实现对多晶硅掺杂；（3）快速热退火以激活多晶硅掺杂。
通常地，在以上快速热退火过程中，通入成本相对较低的N2作为保护气体。申请人发现，采用这种传统的RTA工艺对多晶硅掺杂激活时，容易导致晶圆上的多晶硅的电阻分布不均匀。图1所示为采用现有技术的RTA工艺所制得多晶硅的电阻分布情况。在图1所示实例中，分布在晶圆上的多晶硅经过RTA后，其电阻值分布非常不均匀，除了小部分多晶硅的电阻符合目标范围值（目标电阻范围：150-200Ω/□）要求外，其他均超出该目标范围值。因此，RTA工艺后多晶硅电阻均匀性差的问题，明显将导致良率大大下降。
为避免这种RTA后电阻均匀性差的问题，可以采用炉管退火等退火方法来替代RTA实现掺杂激活。但是，采用其他退火方法容易影响多晶硅之外部分的掺杂分布，例如，采用炉管退火来对多晶硅退火时，会对前端结构中的掺杂产生影响，从而影响MOS器件等的性能参数。这也是多晶硅的制备过程中基本选择采用RTA来实现掺杂激活的原因，因此，其他退火方法实际可行性较差。
发明内容
本发明的目的在于，提高多晶硅在RTA处理后的电阻均匀性。
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供一种快速热退火方法，用于将晶圆上的多晶硅在离子注入掺杂后进行掺杂激活以获得预定电阻范围内的多晶硅层，其中，在快速热退火的过程中，在向所述晶圆所处的快速热退火装置的腔室内通入氮气的同时，通入氧气以改善所述晶圆上的多晶硅的电阻的均匀性。
优选地，所述氮气与所述氧气的流量比范围可以为2:1至4000:1。
进一步，优选地，所述氮气与所述氧气的流量比大致为4000:1。
优选地，所述快速热退火的温度大于或等于900℃。
本发明的技术效果是，通过在通入氮气进行退火时、通入一定量的氧气，可以改善多晶硅RTA的电阻均匀性，从而使多晶硅容易达到预定电阻范围内，大大提供多晶硅的产品质量和良率，降低生产成本。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1是采用现有技术的RTA工艺所制得多晶硅的电阻分布情况。
图2是包含多晶硅层的晶圆在快速热退火炉中的进行快速热退火的示意图。
图3是按照本发明一实施例的RTA方法在快速热退火炉中的进行快速热退火的示意图。
图4是分别采用表一和表二所示RTA方法所得到的晶圆上的多晶硅的电阻分布示意图，其中（a）为按照表一所示RTA方法所得到的晶圆上的多晶硅的电阻分布示意图，（b）为按照表二所示RTA方法所得到的晶圆上的多晶硅的电阻分布示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
基于以上多晶硅的电阻不均匀的问题，如背景技术中所描述，申请人首先找出了问题的原因是由于RTA过程所导致，进一步，申请人通过各种实验和探索，发现了在RTA过程中导致多晶硅的电阻不均匀的主要原因。
通常地，多晶硅在离子注入后的RTA过程是在相应的快速热退火装置中完成，例如，在快速热退火炉中完成。图2所示为包含多晶硅层的晶圆在快速热退火炉中的进行快速热退火的示意图。申请人应用以下表一的现有RTA工艺参数进行RTA过程，并且，在退火过程中，如图2所示，将晶圆的定位凹口（notch）21对准快速热退火装置100的炉口放置（炉口是晶圆的进出口），晶圆在其腔室中进行快速热退火。
表一  现有RTA工艺参数
Figure 2012102196900100002DEST_PATH_IMAGE001
对多片晶圆重复以上RTA过程后发现，可以测试得到类似图1所示的电阻分布结果，即仅定位凹口21附近的电阻正常，其他部分（相对远离炉口的晶圆部分）的电阻较高，未落入目标阻率范围内。这种规律性（电阻分布的位置相关性）现象引发申请人发现，可能是由于炉口密封效果不佳导致炉口附近的晶圆部分电阻较低。申请人进一步研究发现，在RTA的退火（anneal）过程中采用N2作为保护气体，而在退火高温过程中，N2可能会与多晶硅薄膜反应导致电阻异常偏高。
据此，申请人创造性地提出了一种针对在离子注入后的多晶硅的RTA方法，即在RTA过程中同时还通入一定量的氧气（O2）。
图3所示为按照本发明一实施例的RTA方法在快速热退火炉中的进行快速热退火的示意图。结合图3所示，在该实施例中，使用以下表二所示的RTA工艺参数进行RTA过程。
表二  本发明一实例的RTA工艺参数
Figure 746746DEST_PATH_IMAGE002
如图3和表二所示，在退火（anneal）过程中，RTA装置的腔室内被同时通入N2和O2，在该实例中，N2的流量为4slm（Standar Litre per Minute，标况下升每分钟），O2的流量为1sccm（Standar Cubic Centimeter per Minute，标况下毫升每分钟），二者的流量比大致为1000。需要理解的是，N2与O2的流量比并不限于本发明公开的实例，例如，通过腔室的N2与O2的流量比可以大于或等于2:1且小于或等于4000:1（例如，1：1）。 O2在退火的过程中，多晶硅与O2的少许氧化反应可能抑制N2与多晶硅反应，进而避免多晶硅在RTA过程中的电阻上升，从而避免了电阻不均匀的情况发生。需要理解的是，在该RTA过程中，多晶硅与少许O2之间的氧化反应比较少，其基本不会影响多晶硅的电阻，也不会影响多晶硅的性能。
在该实施例的RTA过程中，退火的温度优选地设置在900℃以上，在900℃以上时，同时通入少许的O2在改善多晶硅的电阻均匀性方面效果更显著。
图4所示为分别采用表一和表二所示RTA方法所得到的晶圆上的多晶硅的电阻分布示意图，其中（a）为按照表一所示RTA方法所得到的晶圆上的多晶硅的电阻分布示意图，（b）为按照表二所示RTA方法所得到的晶圆上的多晶硅的电阻分布示意图。其中，图4（a）也基本反应了所示结果，即多晶硅的电阻分布不均匀，在炉口附近的电阻（RS）在140Ω/□，而在离炉口较远的地方，电阻达到400Ω/□左右。图4（b）所示的多晶硅在通入少许氧气后，电阻分布均匀且大致在140Ω/□左右，符合预定的电阻范围值要求。
因此，该实施例中揭示的RTA方法中，采用增加通入一定流量的氧气的方法解决了晶圆上的多晶硅在RTA处理后的电阻不均匀的问题，提高了产品质量和良率，大大节省芯片的生产成本。
需要理解的是，在本领域技术中，在对多晶硅的RTA的过程中，通常是避免通入氧气到腔室中，以避免多晶硅被氧化；而在本发明中，利用电阻分布与炉口的位置相关性的启发，采用一定量的氧气来改善晶圆上的多晶硅的电阻的均匀性，这是本领域技术人员在本发明揭示之前所预料不到的。
进一步，本发明提供的RTA过程中，可以适用于各种类型的快速热退火装置，也适用于各种的离子注入掺杂工艺条件后的RTA处理，离子注入前的未掺杂的多晶硅层的具体制备方法过程等也不受本发明限制。
以上例子主要说明了本发明的多晶硅快速热退火方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (4)

1.一种快速热退火方法，用于将晶圆上的多晶硅在离子注入掺杂后进行掺杂激活以获得预定电阻范围内的多晶硅层，其特征在于，在快速热退火的过程中，在向所述晶圆所处的快速热退火装置的腔室内通入氮气的同时，通入氧气以改善所述晶圆上的多晶硅的电阻的均匀性。
2. 如权利要求1所述的快速热退火方法，其特征在于，所述氮气与所述氧气的流量比范围为2:1至4000:1。
3. 如权利要求2所述的快速热退火方法，其特征在于，所述氮气与所述氧气的流量比大致为4000:1。
4. 如权利要求1或2所述的快速热退火方法，其特征在于，所述快速热退火的温度大于或等于900℃。
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