CN103835000A

CN103835000A - 一种高温改善多晶硅表面粗糙度的方法

Info

Publication number: CN103835000A
Application number: CN201210473619.5A
Authority: CN
Inventors: 成鑫华; 高杏
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明公开了一种改善多晶硅表面粗糙度的方法，包含如下步骤：1）在介质层或单晶硅上生长高温多晶硅；2）利用超快退火工艺，使多晶硅熔融，并再结晶。本发明利用超快退火工艺，传送一定量的能量至硅片表面以熔融某些预期多晶硅区域，进行再结晶。重新结晶后的多晶硅粒趋向单晶转变，其表面趋向于更平坦，从而改善多晶硅表面粗糙度，保证了工艺的流畅性，提高了器件的特性。本发明可以很好的解决外延生长后多晶硅区域表面粗糙严重的问题。

Description

一种高温改善多晶硅表面粗糙度的方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路中半导体工艺方法，具体涉及一种高温改善多晶硅表面粗糙度的方法。

背景技术

平面光波导功率分路器（PLC Optical Power Splitter）：通过半导体工艺制作光分路器件，光分路的功能在芯片内实现，芯片两端通过封装耦合输入输出的光纤阵列实现和光纤的链接。PLC工艺具有：一、对波长不敏感；二、分光均匀性较好；三、可以拉制1X32路以上分光器件，且分光路数越多单位成本越便宜；四、器件体积较小等优势，市场前景广阔。

在实际生产过程中，由于PLC器件耦合器部分要求不同深度台阶式结构，典型的总深度可达13微米。图5所示的为使用上表层硅厚度为3微米的SOI衬底，其余厚度使用外延补充的典型PLC结构剖面示意图。该结构功能受深度影响明显，单纯使用单一刻蚀或化学气相沉积工艺无法得到满足要求的结构。因此，可以采用化学气相沉积法（如外延）与刻蚀相结合的工艺，通过逐层刻蚀、淀积等工艺形成不同功能器件区后，再经由沉积工艺将单晶硅厚度补充到13微米。这样，一方面降低了整体刻蚀13微米的难度，另一方面，保证了器件的性能。在此工艺中，硅单晶区域生长外延硅单晶15，非硅单晶区域生长外延多晶硅16（如图3所示）。由于需要保证硅单晶外延的生长质量，采用了1100摄氏度的高温度，这就无可避免的增加了多晶硅的晶粒（grain size）大小，造成多晶硅表面粗糙度严重，从而对后续光刻以及刻蚀工艺造成影响。如光刻对位标记（Alignment mark）畸变甚至完全消失，造成硅片在流片过程中，对位失准；由于多晶硅的表面粗糙度严重，导致在后续刻蚀过程中，沟槽底部凹凸严重等。这些工艺问题对器件结构有着至关重要的影响，严重者，甚至导致器件失效。因此，如何改善多晶硅表面的粗糙度就成为了工艺的关键。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种高温改善多晶硅表面粗糙度的方法，利用超快退火技术，解决外延生长后多晶硅区域表面粗糙严重的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种改善多晶硅表面粗糙度的方法，包含如下步骤：

1）在介质层或单晶硅上生长高温多晶硅；

2）利用超快退火工艺，使多晶硅熔融，并再结晶。

在步骤1）之前包括如下步骤：在硅单晶衬底上通过氧化或淀积的方式生长介质层，并在500摄氏度到800摄氏度下，在该介质层上淀积一层低温多晶硅子晶层，该多晶硅子晶层用于在后续步骤1）生长高温多晶硅工艺中，在多晶硅子晶层上面能够生长出外延多晶硅。

步骤1）中，所述多晶硅通过化学气相淀积或炉管工艺方式进行生长。所述化学气相沉积的工艺参数范围为：压力为0.01托～760托，温度为500～1300摄氏度，硅源为硅烷或二氯二氢烷或三氯氢烷，流量为10毫升/分钟～10升/分钟。所述炉管的工艺参数范围为：温度为500摄氏度～700摄氏度，压力为100毫托～800毫托，硅烷流量为1升/分钟～3升/分钟。所述介质层为二氧化硅、氮化硅、低温多晶硅、SiGe单晶或SiGe多晶。

步骤2）中，所述超快退火工艺的退火温度为900摄氏度到1417摄氏度，优选为1300摄氏度到1417摄氏度。

步骤2）中，所述超快退火工艺按如下步骤进行：首先，在0.1微秒到10毫秒内将多晶硅区域加热到退火温度；然后，保持多晶硅区域处于退火温度范围内0.1微秒至80毫秒进行超快退火；最后，在0.1微秒到100毫秒内将多晶硅区域从峰值退火温度冷却到500摄氏度以下。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明公布了一种通过高温改善多晶硅表面粗糙度的方法。利用超快退火方法，传送一定量的能量至硅片表面以熔融某些预期多晶硅区域，进行再结晶。重新结晶后的多晶硅粒趋向单晶转变，其表面趋向于更平坦，从而改善多晶硅表面粗糙度，保证了工艺的流畅性，提高了器件的特性。本发明可以很好的解决外延生长后多晶硅区域表面粗糙严重的问题。

附图说明

图1-图3是本发明实施例的流程剖面示意图；其中，图1是本发明实施例步骤1完成后的剖面示意图，图2是本发明实施例步骤2完成后的剖面示意图，图3是本发明实施例步骤3完成后的剖面示意图。

图4是本发明实施例中高温退火前后的多晶硅区域表面情况SEM tilt（扫描式电子显微镜，放大倍率100K）对比示意图；其中，图4（A）是本发明是实施例的步骤3高温外延生长后（即高温退火之前）的多晶硅区域表面情况SEM tilt图；图4（B）是本发明是实施例的步骤4高温退火后的多晶硅区域表面情况SEM tilt图。

图5是现有的PLC器件的剖面结构示意图。

图中附图标记说明如下：

11为硅单晶衬底，12为SiO₂介质层，13为多晶硅子晶层，14为硅单晶生长窗口，15为外延硅单晶，16为外延多晶硅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明公布了一种改善半导体高温多晶硅表面粗糙度的方法。利用超快退火技术，以便将所述高温多晶硅材料优选地暴露于这样的温度相对短的时常，所述温度为重结晶温度或高于重结晶温度但却低于所述材料的熔点。以该方式，传送一定量的能量至硅片表面以熔融硅片的某些预期多晶硅区域，进行再结晶。重新结晶后的多晶硅粒趋向单晶转变，其表面趋向于更平坦，从而改善多晶硅表面粗糙度。

下述为本发明可应用的一个实施例，本发明涵盖但不仅指该实施例所属方法。

1.采用常规半导体工艺，在硅单晶衬底11上通过氧化或淀积的方式生长SiO₂介质层12（介质层可为二氧化硅、氮化硅、低温多晶硅、SiGe单晶或SiGe多晶等，本实施例采用SiO₂介质层），并在SiO₂介质层上,在500摄氏度到800摄氏度下，淀积一层低温多晶硅子晶层13，如图1所示。此多晶硅子晶层13的主要作用是，保证在后续的高温外延工艺中，在多晶硅子晶层13上面能够生长出外延多晶硅16（见图3）。

2.通过光刻，刻蚀工艺刻蚀SiO₂介质层12及多晶硅子晶层13，开出硅单晶生长窗口14，如图2所示。

3.利用高温外延工艺，在硅单晶生长窗口14处生长外延硅单晶15，在多晶硅窗口处（即在多晶硅子晶层13上）生长外延多晶硅16，外延多晶硅16可通过化学气相淀积或炉管工艺方式进行生长，如图3所示。化学气相沉积的工艺参数范围为：压力为0.01托～760托，温度为500～1300摄氏度，硅源为硅烷（SiH₄）或二氯二氢烷（SiH₂Cl₂）或三氯氢烷（SiHCl₃），流量为10毫升/分钟到10升/分钟；炉管的工艺参数范围为：温度为500摄氏度到700摄氏度，压力为100毫托到800毫托，硅烷流量为1升/分钟到3升/分钟。

4.高温退火工艺改善多晶硅表面的粗糙度。如图4（A）所示，当高温外延生长后，外延多晶硅16表面极为粗糙。如图4（B）所示，当高温退火后，多晶硅表面粗糙度有明显改善，相比图4（A），图4（B）显示的多晶硅表面趋向于更平坦，从而改善了多晶硅表面粗糙度。利用本发明提到的超快退火方式对指定区域进行不同条件超快退火，超快退火的温度范围控制在900摄氏度到1417摄氏度，最优选的超快退火温度范围约为1300摄氏度到1417摄氏度（硅的熔解温度）。本发明高温退火工艺按如下步骤进行：首先，在约0.1微秒到10毫秒内将所述区域加热到所述退火温度（即900摄氏度到1417摄氏度）；然后，保持所述区域处于所述退火温度范围内约0.1微秒至80毫秒进行超快退火；最后，在约0.1微秒到100毫秒内将所述区域从峰值退火温度冷却到约500摄氏度以下。可以使用任何合适的方法提供超快退火的能量，只要该方法能够获得上述退火参数。作为本发明的实施例之一，以相关光辐射的形式传递能量（即，激光辐照或激光退火）。可以以脉冲或连续波（CW）模式控制激光源。可以成形并极化激光束以更均匀地加热衬底。发射激光的介质可以为产生不同波长的辐照的不同类型（例如，气体激光器、固体激光器、染料激光器、二极管激光器）。本发明不受限于激光器的类型、其操作模式、其波长、辅助的能量耦合结构的使用、激光束形状、其极化状态，使用的相关源的数目、在多个相关源之间的其相干或不相干、和/或激光退火方法的其他参数，只要可以根据上述的时间和温度参数值可以加热高温多晶硅区域使其表面粗糙度能够得到改善即可。还能以非相干辐照（灯辐照）的形式传递用于超快退火的能量。这样的退火成为“闪光退火”。在另一个选择中，可以通过超热气体喷射（即，喷射退火或气炬退火）来提供超快退火的能量。同样，向衬底耦合能量的确切的方法对本发明并不是很重要，只要根据上述的时间和温度参数值可以加热高温多晶硅区域达到退火的效果即可。

在高温退火后，AFM（Atomic Force Microscope，即原子力显微镜）数据显示多晶硅表面有明显改善，Ra（表面光洁度）数值优化近百倍，如表一所示。

表一激光退火后AFM测试结果

Claims

1.一种改善多晶硅表面粗糙度的方法，其特征在于，包含如下步骤：

1）在介质层或单晶硅上生长高温多晶硅；

2）利用超快退火工艺，使多晶硅熔融，并再结晶。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1）之前包括如下步骤：在硅单晶衬底上通过氧化或淀积的方式生长介质层，并在500摄氏度到800摄氏度下，在该介质层上淀积一层低温多晶硅子晶层，该多晶硅子晶层用于在后续步骤1）生长高温多晶硅工艺中，在多晶硅子晶层上面能够生长出外延多晶硅。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述多晶硅通过化学气相淀积或炉管工艺方式进行生长。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述化学气相沉积的工艺参数范围为：压力为0.01托～760托，温度为500～1300摄氏度，硅源为硅烷或二氯二氢烷或三氯氢烷，流量为10毫升/分钟～10升/分钟。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述炉管的工艺参数范围为：温度为500摄氏度～700摄氏度，压力为100毫托～800毫托，硅烷流量为1升/分钟～3升/分钟。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述介质层为二氧化硅、氮化硅、低温多晶硅、SiGe单晶或SiGe多晶。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述超快退火工艺的退火温度为900摄氏度到1417摄氏度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述超快退火工艺的退火温度为1300摄氏度到1417摄氏度。

9.如权利要求1或7或8所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述超快退火工艺按如下步骤进行：首先，在0.1微秒到10毫秒内将多晶硅区域加热到退火温度；然后，保持多晶硅区域处于退火温度范围内0.1微秒至80毫秒进行超快退火；最后，在0.1微秒到100毫秒内将多晶硅区域从峰值退火温度冷却到500摄氏度以下。