CN106653781B - 半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件的制造方法，通过在退火再结晶工艺中，将电磁波波长范围从可见光波段扩展到了红外光波段，在注入杂质的原子半径大于半导体衬底元素的原子半径时，在传统的退火工艺基础上，本发明所增加的红外波段的退火工艺效力可以抵达硅片表面以下更深的区域，从而提高了衬底的再结晶恢复能力，可有效减少深掺杂区域的晶格位错，抑制金属杂质向半导体衬底的扩散，能够有效消除白色像素缺陷问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体生产工艺，更具体地，涉及制造图像传感器时的注入和退火工艺。
背景技术
本发明与图像传感器生产中的离子注入和退火再结晶工艺相关。
传统的，在图像传感器的集成电路制造工艺中，通常采用离子注入和退火热处理工艺形成图像传感器器件中的特定杂质分布，其要求具有电活性的高掺杂结。
一般的，使用各种离子源进行离子注入，并使用传统方法完成后续退火激活工艺形成杂质层。在传统的退火再结晶工艺中，一般采用可见光波段的电磁波进行照射。在这种工艺条件下，通常会出现白色像素缺陷问题，且暗电流偏大，导致图像出现较多噪点，使得芯片的成品率偏低。尤其在低光照情况下进行图像采集时，由于感光度不足通常会施加比较高的增益，从而噪点也被同步放大，使得画面效果更差。
已知产生白色像素缺陷问题的主要原因，是由于杂质元素（例如P）的原子半径同半导体衬底材料（例如Si）的原子半径不一致所导致的晶格位错，以及处于晶格间隙的金属（Metal）杂质离子的沾污，如图4a～图4c所示。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种半导体器件的制造方法，以消除白色像素缺陷问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种半导体器件的制造方法，包括：对半导体衬底进行单次离子注入，所注入杂质的原子半径大于半导体衬底材料的原子半径；然后使用电磁波对半导体衬底进行数次退火再结晶工艺，每次使用不同波长的电磁波，所使用的电磁波包括可见光和红外光波段。
优选地，所述半导体衬底材料为硅，所注入杂质的种类为砷、锑、铝、镓或铟。
优选地，所使用的电磁波的波长范围为350～2500纳米。
优选地，所使用的电磁波的发射源包括激光、氙气灯、氙气汞灯、氙气闪光灯或LED灯。
优选地，通过定义离子注入区域，并进行单次离子注入和数次退火再结晶工艺，在所述半导体衬底中形成光电二极管，并继续通过在所述半导体衬底上制备栅极和多层介质层，以及制备接触孔和形成金属硅化物、金属布线工程、层间介质层及平坦化过程，从而制备出所需的半导体器件。
一种半导体器件的制造方法，包括：对半导体衬底进行多次离子注入，每次的注入深度不同，所注入杂质的原子半径大于半导体衬底材料的原子半径；然后使用电磁波对半导体衬底进行数次退火再结晶工艺，每次使用不同波长的电磁波，所使用的电磁波包括可见光和红外光波段。
优选地，所述半导体衬底材料为硅，所注入杂质的种类为砷、锑、铝、镓或铟。
优选地，所使用的电磁波的波长范围为350～2500纳米。
优选地，所使用的电磁波的发射源包括激光、氙气灯、氙气汞灯、氙气闪光灯或LED灯。
优选地，通过定义离子注入区域，并进行多次离子注入和数次退火再结晶工艺，在所述半导体衬底中形成光电二极管，并继续通过在所述半导体衬底上制备栅极和多层介质层，以及制备接触孔和形成金属硅化物、金属布线工程、层间介质层及平坦化过程，从而制备出所需的半导体器件。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在采用的退火再结晶工艺中，大幅展宽了所使用的退火工艺中电磁波的波长范围，将电磁波的波长范围从可见光波段扩展到了红外光波段；对于注入杂质的原子半径大于半导体衬底元素的原子半径的情况，使用本发明的工艺方法进行退火再结晶工艺时，在传统的退火工艺基础上，增加的红外波段的退火工艺效力可以抵达硅片表面以下更深的区域，从而提高了衬底的再结晶恢复能力，可有效减少深掺杂区域的晶格位错，抑制金属杂质向半导体衬底的扩散。本发明起到了如下显而易见的效果：
1）大幅减少了金属离子向半导体衬底扩散的能力，抑制了金属污染，能够降低由此导致的白色像素缺陷水平，减少图像的噪点。
2）较少的位错，可降低光电二极管的暗电流，提高图像传感器的信噪比，得到更好的画面效果。
3）更佳的再结晶恢复能力，可以带来感光灵敏度的提升。
附图说明
图1a～图1f为本发明实施例一的工艺流程示意图；
图2a～图2f为本发明实施例二的工艺流程示意图；
图3为本发明的退火再结晶过程中的衬底晶格恢复及金属离子移动示意图；
图4a～图4c为传统的退火再结晶过程中的衬底晶格恢复及金属离子移动示意图。
图中1.半导体衬底，2.二氧化硅，3.光刻胶，4.注入离子，5.注入后的二氧化硅，6.离子掺杂层，7.发光设备，8.电磁波，9.绝缘层，10.杂质层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
实施例一
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1a～图1f，图1a～图1f为本发明实施例一的工艺流程示意图。如图1a～图1f所示，本发明的一种半导体器件的制造方法，包括以下步骤：
1）对半导体衬底进行常规的RCA清洗之后，在衬底表面形成二氧化硅薄膜。
如图1a所示，在本实施例中，可使用衬底电阻率为80～100Ω·cm 、晶向为（100）的N型半导体外延片，比如外延硅片作为半导体衬底1。本发明不限于此。首先对半导体衬底1进行常规的RCA清洗，清洗溶液可为SC1和HF，以及SC2。然后可通过湿法氧化在衬底表面形成一层二氧化硅2，厚度例如为200Å；氧化的条件例如可为950摄氏度，工艺时间18分钟。本发明对氧化的具体工艺条件不作限制。
2）光刻定义离子掺杂区。
如图1b所示，在半导体衬底上涂布光刻胶后，可采用步进式光刻机进行光刻和显影，形成图形化的光刻胶3，通过光刻工艺，在半导体衬底上定义出离子掺杂（注入）区；光刻胶厚度例如为0.8μm。本发明对光刻胶厚度不作限制。
3）进行离子注入掺杂。
如图1c所示，以光刻胶3为掩模，对半导体衬底进行离子注入掺杂。
在本实施例中，当半导体衬底材料是硅时，注入离子4的元素种类可为砷、锑、铝、镓或铟，例如为带两个正电荷的砷离子。所注入杂质的原子半径大于半导体衬底材料的原子半径。离子注入的剂量例如为5.5E12cm-2，能量例如为340keV。本发明对离子注入的具体工艺条件不作限制。进行离子注入时，可采用等离子体流枪来防止因离子注入而导致的电荷积累问题。
如图1d所示，通过离子注入，在定义的离子掺杂（注入）区，即没有光刻胶阻挡的注入后的二氧化硅5层下方的衬底区域，形成离子掺杂层6。与此同时，由于离子注入工艺本身会引入金属杂质，如钨、钼、铁、镍、锰等等，这些金属离子一般会留在注入后的二氧化硅5层或硅衬底1中。在随后的采用传统工艺的高温退火热处理工艺中，金属离子会向半导体衬底扩散，从而出现白色像素缺陷等问题，造成图像传感器的成像质量较差。
4）去胶。
完成离子注入之后，需要将光刻胶去除。一般的，可通过等离子体氧气对光刻胶进行灰化处理，去除光刻胶，再通过硫酸双氧水溶液和去离子水进一步去除残余胶和清洗。
5）进行退火再结晶工艺。
如图1e所示，在本实施例中，可通过如下方式进行退火工艺：
在热处理之前，先对半导体衬底进行预清洗，顺序例如为45摄氏度下8分钟的SC1溶液清洗，20秒的稀释氢氟酸清洗，以及80摄氏度下8分钟的SC2溶液清洗，最后进行IPA蒸气干燥。本发明对预清洗的具体工艺条件不作限制。
完成预清洗之后，进行退火工艺。本发明提出了使用电磁波对半导体衬底进行退火再结晶工艺，所使用的电磁波包括可见光和红外光波段。例如所使用的电磁波的波长范围可为350～2500纳米。进行退火工艺时，所使用的电磁波的发射源（即发光设备）可包括激光、氙气灯、氙气汞灯、氙气闪光灯或LED灯。例如，具体的电磁波加热发光设备7可采用氙气灯，它具有发出包括可见光和红外光波段不同波长电磁波8的功能。
在本实施例中，使用了5种不同波长的电磁波进行退火工艺。具体的退火工艺步骤如下：
首先将半导体衬底加热到400摄氏度。接着，把半导体衬底转移到工艺腔中，在1050摄氏度的氮气氛围下，进行光照能量为22J/cm2的照射，持续1.2毫秒，光源包括了350nm、530nm、650nm、1200nm、2500nm共五种不同波长的电磁波，其涵盖了从可见光到红外光的波段范围。即每次采用该五种不同波长的电磁波中的一种，对半导体衬底实施了五次退火再结晶工艺。本发明对退火再结晶的具体工艺条件不作限制。
完成上述的退火再结晶热处理工艺步骤之后，在工艺设备的冷却台上对半导体硅片进行降温。
通过上述工艺，在定义的离子掺杂区形成了电激活的杂质层10，该杂质层10即为需要形成的光电二极管器件，而注入后的二氧化硅5层也成为了所需的绝缘层9，如图1f所示。
6）在半导体衬底上进一步制备栅极和多层介质层，之后还可以包括制备接触孔和形成金属硅化物、金属布线工程、层间介质层及平坦化过程，从而制备出所需要的半导体器件，例如CMOS图像传感器。本发明不限于此。
实施例二
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2a～图2f，图2a～图2f为本发明实施例二的工艺流程示意图。如图2a～图2f所示，本发明的一种半导体器件的制造方法，包括以下步骤：
1）对半导体衬底进行常规的RCA清洗之后，在衬底表面形成二氧化硅薄膜。
如图2a所示，在本实施例中，同样可使用衬底电阻率为80～100Ω·cm 、晶向为（100）的N型半导体外延片，比如外延硅片作为半导体衬底1。本发明不限于此。首先对半导体衬底1进行常规的RCA清洗，清洗溶液可为SC1和HF，以及SC2。然后可通过湿法氧化在衬底表面形成一层二氧化硅2，厚度例如为180Å；氧化的条件例如可为950摄氏度，工艺时间15分钟。本发明对氧化的具体工艺条件不作限制。
2）光刻定义离子掺杂区。
如图2b所示，在半导体衬底上涂布光刻胶后，可采用步进式光刻机进行光刻和显影，形成图形化的光刻胶3，通过光刻工艺，在半导体衬底上定义出离子掺杂（注入）区；光刻胶厚度例如为7μm。本发明对光刻胶厚度不作限制。
3）进行离子注入掺杂。
如图2c所示，以光刻胶3为掩模，对半导体衬底进行离子注入掺杂。
在本实施例中，当半导体衬底材料是硅时，注入离子4的元素种类可为砷、锑、铝、镓或铟，例如为带正电荷的砷离子。所注入杂质的原子半径大于半导体衬底材料的原子半径。并且，采用对半导体衬底进行多次离子注入的方式，达到每次形成不同的注入深度的效果。
在本实施例中，采用了6步连续的离子注入，并采用等离子体流枪来防止因离子注入导致的电荷积累。具体的离子注入的条件分别是（按注入剂量、能量和注入杂质离子排列）：
第1步：3.2E12cm-2，4.1MeV，As+++；
第2步：2.7E12cm-2，3.7MeV，As+++；
第3步：2.1E12cm-2，2.9MeV，As+++；
第4步：1.5E12cm-2，2.5MeV，As+++；
第5步：9.0E11cm-2，1.75MeV，As+++；
第6步：8.0E11cm-2，1.1MeV，As++。
本发明对离子注入的具体工艺条件不作限制。
如图2d所示，通过离子注入，在定义的离子掺杂（注入）区，即没有光刻胶阻挡的注入后的二氧化硅5层下方的衬底区域，形成离子掺杂层6。与单次离子注入不同的是，在该离子掺杂层中，通过多步连续的离子注入，其掺杂浓度由深到浅逐渐减小。与此同时，由于离子注入工艺本身会引入金属杂质，如钨、钼、铁、镍、锰等等，这些金属离子一般会留在注入后的二氧化硅5层或硅衬底1中。在随后的采用传统工艺的高温退火热处理工艺中，金属离子会向半导体衬底扩散，从而出现白色像素缺陷等问题，造成图像传感器的成像质量较差。
4）去胶。
完成离子注入之后，需要将光刻胶去除。一般的，可通过等离子体氧气对光刻胶进行灰化处理，去除光刻胶，再通过硫酸双氧水溶液和去离子水进一步去除残余胶和清洗。
5）进行退火再结晶工艺。
如图2e所示，在本实施例中，可通过如下方式进行退火工艺：
在热处理之前，先对半导体衬底进行预清洗，顺序例如为45摄氏度下8分钟的SC1溶液清洗，20秒的稀释氢氟酸清洗，以及80摄氏度下8分钟的SC2溶液清洗，最后进行IPA蒸气干燥。本发明对预清洗的具体工艺条件不作限制。
完成预清洗之后，进行退火工艺。本发明提出了使用电磁波对半导体衬底进行退火再结晶工艺，所使用的电磁波包括可见光和红外光波段。例如所使用的电磁波的波长范围可为350～2500纳米。进行退火工艺时，所使用的电磁波的发射源（即发光设备）可包括激光、氙气灯、氙气汞灯、氙气闪光灯或LED灯。例如，具体的电磁波加热发光设备7可采用氙气灯，它具有发出包括可见光和红外光波段不同波长电磁波8的功能。
在本实施例中，使用了5种不同波长的电磁波进行退火工艺。具体的退火工艺步骤如下：
首先将半导体衬底加热到400摄氏度。接着，把半导体衬底转移到工艺腔中，在1050摄氏度的氮气氛围下，进行光照能量为22J/cm2的照射，持续1.2毫秒，光源包括了350nm、530nm、650nm、1200nm、2500nm共五种不同波长的电磁波，其涵盖了从可见光到红外光的波段范围。即每次采用该五种不同波长的电磁波中的一种，对半导体衬底实施了五次退火再结晶工艺。本发明对退火再结晶的具体工艺条件不作限制。
完成上述的退火再结晶热处理工艺步骤之后，在工艺设备的冷却台上对半导体硅片进行降温。
通过上述工艺，在定义的离子掺杂区形成了电激活的杂质层10，该杂质层10即为需要形成的光电二极管器件，而注入后的二氧化硅5层也成为了所需的绝缘层9，如图2f所示。
6）在半导体衬底上进一步制备栅极和多层介质层，之后还可以包括制备接触孔和形成金属硅化物、金属布线工程、层间介质层及平坦化过程，从而制备出所需要的半导体器件，例如CMOS图像传感器。本发明不限于此。
下面结合图3和图4a～图4c，对本发明上述实施例中方法的优点作进一步的阐述。
如图4a～图4c所示，传统的工艺方法由于退火再结晶效果的局限性，会导致半导体衬底表面存在较多的晶格缺陷，从而使得金属离子可以较容易地扩散到衬底中，带来白色像素缺陷等问题。
和传统的仅有可见光波段的退火工艺相比，本发明在进行退火时额外采用的红外波段电磁波能量，可以抵达衬底硅片表面以下更深的位置，使得衬底深处的在离子注入过程中损伤的硅晶格结构可以更好地修复，且杂质离子（例如As）能处于硅（Si）晶格阵列位置上，从而被有效电激活。本发明更佳的再结晶恢复效果可以带来更少的晶格位错，一方面使得二氧化硅介质层中的金属元素（Metal）不易向硅衬底中扩散，另一方面也将硅衬底中感光区域（光电二极管）的金属元素驱逐出硅表面而不会留在半导体硅的晶格位置上。这样，如图3所示，在光电二极管感光区域将产生更少的晶格位错以及更少的金属离子沾污，可以有效降低像素单元的白色像素缺陷和暗电流，从而得到更好的图像质量。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：对半导体衬底进行单次离子注入，所注入杂质的原子半径大于半导体衬底材料的原子半径；然后使用电磁波对半导体衬底进行数次退火再结晶工艺，每次使用不同波长的电磁波，所使用的电磁波包括可见光和红外光波段；其中，采用红外光波段电磁波能量修复衬底深处的在离子注入过程中损伤的晶格结构，并使杂质离子处于晶格阵列位置上，以抑制金属污染。
2.根据权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底材料为硅，所注入杂质的种类为砷、锑、铝、镓或铟。
3.根据权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所使用的电磁波的波长范围为350～2500纳米。
4.根据权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所使用的电磁波的发射源包括激光、氙气灯、氙气汞灯、氙气闪光灯或LED灯。
5.根据权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，通过定义离子注入区域，并进行单次离子注入和数次退火再结晶工艺，在所述半导体衬底中形成光电二极管，并继续通过在所述半导体衬底上制备栅极和多层介质层，以及制备接触孔和形成金属硅化物、金属布线工程、层间介质层及平坦化过程，从而制备出所需的半导体器件。
6.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：对半导体衬底进行多次离子注入，每次的注入深度不同，所注入杂质的原子半径大于半导体衬底材料的原子半径；然后使用电磁波对半导体衬底进行数次退火再结晶工艺，每次使用不同波长的电磁波，所使用的电磁波包括可见光和红外光波段；其中，采用红外光波段电磁波能量修复衬底深处的在离子注入过程中损伤的晶格结构，并使杂质离子处于晶格阵列位置上，以抑制金属污染。
7.根据权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底材料为硅，所注入杂质的种类为砷、锑、铝、镓或铟。
8.根据权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所使用的电磁波的波长范围为350～2500纳米。
9.根据权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所使用的电磁波的发射源包括激光、氙气灯、氙气汞灯、氙气闪光灯或LED灯。
10.根据权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，通过定义离子注入区域，并进行多次离子注入和数次退火再结晶工艺，在所述半导体衬底中形成光电二极管，并继续通过在所述半导体衬底上制备栅极和多层介质层，以及制备接触孔和形成金属硅化物、金属布线工程、层间介质层及平坦化过程，从而制备出所需的半导体器件。
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