CN110211985A - 半导体衬底的修复方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体衬底的修复方法，包括：提供半导体衬底；使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理，以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构。本发明方案可以有效地钝化界面，修复晶圆表面缺陷，有效降低暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体衬底的修复方法。
背景技术
图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
在传统的前照式(Front-side Illumination，FSI)CIS技术中，光子需要到达光电二极管需要穿过绝缘层及金属层，在此期间，部分光子会被绝缘层及金属层反射弹回空气中，导致图像传感器灵敏度的降低。
具体地，在现有的制造工艺中，可以先在半导体衬底内形成逻辑器件、像素器件以及在半导体衬底的表面形成金属互连结构，然后在所述金属互连结构的表面形成网格状的格栅(Grid)，在所述格栅之间的网格内形成滤色镜(Color Filter)矩阵等。然而在FSI-CIS中，所述金属互连结构位于像素器件中的光电二极管(Photo Diode，PD)上方，容易遮挡入射光，导致形成的光生载流子减少。
在背照式(Back-side Illumination，BSI)CIS中，由于光直接照射在衬底背面，从而避免了金属层对其阻碍，量子效率得到了大大提升。
具体地，在现有的制造工艺中，先在半导体衬底内及表面形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构，然后采用承载晶圆与所述半导体衬底的正面键合，进而对半导体衬底自背面进行减薄(Thinning)从而在半导体衬底的背面形成CIS的后续工艺，例如在所述像素器件的半导体衬底背面形成网格状的格栅，在所述格栅之间的网格内形成多种滤色镜等，在滤色镜的表面形成透镜结构等。
然而在现有技术中，对半导体衬底的背面进行减薄后，容易对硅基底造成破坏，产生表面缺陷，从而会俘获电子和空穴在缺陷能级上进行复合，产生暗电流和白像素等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种半导体衬底的修复方法，可以有效地钝化界面，修复晶圆表面缺陷，有效降低暗电流。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种半导体衬底的修复方法，包括：提供半导体衬底；使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理，以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构。
可选的，所述含有氯元素的氧化性混合气体为三氯乙烯以及氧气的混合气体。
可选的，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理包括：在预设温度，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理。
可选的，所述预设温度为500摄氏度至1000摄氏度。
可选的，所述含有氯元素的氧化性混合气体为氯气及氧气的混合性气体。
可选的，所述半导体衬底的表面具有刻蚀沟槽；其中，所述氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面以及所述刻蚀沟槽的侧壁进行氧化，并生成硅氯叁键结构。
可选的，所述刻蚀沟槽用于形成浅槽隔离结构。
可选的，在使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理之前，所述的半导体衬底的修复方法还包括：对所述半导体衬底进行减薄。
可选的，所述半导体衬底包含有：器件晶圆，所述器件晶圆内具有逻辑器件以及像素器件；承载晶圆，所述承载晶圆与所述器件晶圆的正面键合；其中，所述半导体衬底的表面为所述器件晶圆的背面。
可选的，所述半导体衬底选自：半导体硅衬底以及表面具有硅外延层的半导体衬底。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，通过使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理，可以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构，从而可以有效地钝化界面，修复晶圆表面缺陷，有效降低暗电流。
进一步，所述含有氯元素的氧化性混合气体为三氯乙烯以及氧气的混合气体。采用本发明实施例的方案，通过采用O2以及CHCCl3对硅表面进行处理，可以在反应后产生Cl2和HCl，进而Cl离子可以与Si悬挂键反应生成硅氯叁键结构，即Si≡Cl键。
进一步，在预设温度向所述半导体衬底的表面输入含有氯元素的氧化性混合气体，有助于提高O2以及CHCCl3产生Cl2和HCl的反应量，从而使得更多的Cl离子可以与Si悬挂键反应生成硅氯叁键结构。
附图说明
图1是本发明实施例中一种半导体衬底的修复方法的流程图；
图2至图3是本发明实施例中一种半导体衬底的修复方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图；
图4至图6是本发明实施例中另一种半导体衬底的修复方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
在现有的BSI CIS的制造工艺中，先在半导体衬底内及表面形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构，然后采用承载晶圆与所述半导体衬底的正面键合，进而对半导体衬底自背面进行减薄从而在半导体衬底的背面形成CIS的后续工艺。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，对半导体衬底的背面进行减薄后，在不做任何预处理的情况下，容易对硅基底造成破坏，产生表面缺陷，从而会俘获电子和空穴在缺陷能级上进行复合，产生暗电流和白像素等问题。
在本发明实施例中，提供半导体衬底；使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理，以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构。采用上述方案，通过对所述半导体衬底的表面进行预处理，可以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构，从而可以有效地钝化界面，修复晶圆表面缺陷，有效降低暗电流。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图1，图1是本发明实施例中一种半导体衬底的修复方法的流程图。所述修复方法可以包括步骤S11至步骤S12：
步骤S11：提供半导体衬底；
步骤S12：使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理，以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构。
下面结合图2至图3对上述各个步骤进行说明。
图2至图3是本发明实施例中一种半导体衬底的修复方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图2，提供半导体衬底100与承载晶圆110，所述半导体衬底100的正面经由键合层102与所述承载晶圆110的正面进行键合，然后自所述半导体衬底100的背面，对所述半导体衬底100进行减薄。
进一步地，所述半导体衬底100可以选自：半导体硅衬底以及表面具有硅外延层的半导体衬底。
在具体实施中，所述半导体衬底100可以为硅衬底，或者所述半导体衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的材料，当所述半导体衬底应用于图像传感器时，所述半导体衬底100还可以为适当的应用于图像传感器的材料。
进一步地，所述半导体衬底100还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。优选地，所述半导体衬底100可以为轻掺杂的半导体衬底，且掺杂类型与漏区相反。具体地，可以通过向所述半导体衬底100进行离子注入，实现深阱掺杂(Deep Well Implant)。
需要指出的是，在具体实施中，往往需要对半导体衬底100的表面进行减薄(Thinning)，其中一个重要应用即存在于BSI CIS的形成工艺中。
进一步地，所述半导体衬底100可以包含有：器件晶圆，所述器件晶圆内具有逻辑器件以及像素器件；承载晶圆，所述承载晶圆与所述器件晶圆的正面键合；其中，所述半导体衬底100的表面为所述器件晶圆的背面。
具体地，所述器件晶圆内可以具有多个逻辑器件以及像素器件，其中，所述逻辑器件可以包括栅极结构以及源漏掺杂区等晶体管的器件，所述像素器件可以包括光电二极管(Photo Diode，PD)以及像素电路，其中，所述像素电路可以包括形成选择晶体管(SelectTransistor)、重置晶体管(Reset Transistor)以及源随晶体管(Source FollowerTransistor)等各种适当的晶体管的器件，例如可以包括传输栅极(Transfer Gate，TG)以及浮置扩散区(Floating Diffusion，FD)。需要指出的是，在本发明实施例中，对于具体的逻辑器件以及像素电路的组成不作限制。
需要指出的是，所述半导体衬底100还可以包括位于所述半导体衬底100的内部以及表面的结构，例如栅极结构、金属互连结构，并不限于所述半导体衬底100的表面以内的部分。
进一步地，所述半导体衬底100的表面可以覆盖有介质层102，以对所述半导体衬底100进行保护。
具体地，所述介质层102可以选自：氧化硅与氮化硅的堆叠层、氧化硅层以及氮化硅层。
其中，所述氧化硅例如可以为SiO2，所述氮化硅例如可以为Si3N4。
进一步地，所述半导体衬底100的正面可以与所述承载晶圆110的正面键合。
在具体实施中，可以在承载晶圆110的正面也沉积一层介质层，例如氧化硅层。然后通过对氧化硅层进行激活，在界面处生成硅羟基键(Si-O-H)的结构，在后续进行退火的过程中，两片晶圆之间形成Si-O-Si键，并通过Si-O-Si键固定在一起。
需要指出的是，还可以采用其他适当的方式对所述半导体衬底100的正面可以与所述承载晶圆110的正面进行键合，本发明实施例对此不做具体限制。
进一步地，对所述半导体衬底100进行减薄。如图2示出的BSI CIS中，可以自所述半导体衬底100的背面，对所述半导体衬底100进行减薄。
需要指出的是，在减薄工艺中，容易对半导体衬底100的背面造成破坏，产生表面缺陷，从而会俘获电子和空穴在缺陷能级上进行复合，产生暗电流和白像素等问题。
参照图2，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底100的表面进行预处理，以使所述半导体衬底100的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键(Si≡Cl)结构。
需要指出的是，当所述半导体衬底100的材料选自其他适当的材料，例如锗材料时，本发明实施例的方案也可使用，例如所述半导体衬底100的表面可以被所述氧化性混合气体氧化生成锗氯叁键(Ge≡Cl)结构。
具体地，所述含有氯元素的氧化性混合气体可以为氯气(Cl2)及氧气的混合性气体或者其他适当的含氯气体及氧气的混合性气体。
优选地，所述含有氯元素的氧化性混合气体可以为三氯乙烯(CHCCl3)以及氧气(O2)的混合气体。
在本发明实施例中，通过采用O2以及CHCCl3对硅表面进行处理，可以在反应后产生Cl2和HCl，进而Cl离子可以与Si悬挂键反应生成硅氯叁键结构，即Si≡Cl键。
具体地，反应化学式可以示意为：
Cl2C＝CHCl+O2→Cl2+HCl+CO2+H2O；
进一步地，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理的步骤可以包括：在预设温度，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底100的表面进行预处理。
在本发明实施例中，通过在预设温度向所述半导体衬底100的表面输入含有氯元素的氧化性混合气体，有助于提高O2以及CHCCl3产生Cl2和HCl的反应量，从而使得更多的Cl离子可以与Si悬挂键反应生成硅氯叁键结构。
需要指出的是，所述预设温度不应当过高，以免对半导体衬底100内的半导体器件产生损害，所述预设温度也不应当过低，以免生成的硅氯叁键结构过少，导致氧化效果有限。
作为一个非限制性的例子，所述预设温度可以为500摄氏度至1000摄氏度。优选地，所述预设温度可以为800摄氏度。
在本发明实施例中，通过使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理，可以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构，从而可以有效地钝化界面，修复晶圆表面缺陷，有效降低暗电流。
图4至图6是本发明实施例中另一种半导体衬底的修复方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图4，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200的表面具有刻蚀沟槽241。
具体地，可以在所述半导体衬底200的表面形成图形化的掩膜层261，以所述图形化的掩膜层261为掩膜，对所述半导体衬底200进行刻蚀，以形成所述刻蚀沟槽241。
其中，所述半导体衬底200的更多详细内容请参照图2中的半导体衬底100的描述，此处不再赘述。
进一步地，所述刻蚀沟槽241可以用于形成浅槽隔离结构(Shallow TrenchIsolation，STI)。
在本发明实施例中，由于STI具有较大深度，对台阶覆盖率的要求较高，因此在形成STI的过程中，采用本发明实施例的方法进行预处理，修复刻蚀沟槽241的内壁，有助于更好地形成STI。
需要指出的是，所述刻蚀沟槽241还可以用于形成其他适当的半导体器件的一部分。
需要指出的是，在刻蚀工艺中，容易对半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁造成破坏，产生表面缺陷，从而会俘获电子和空穴在缺陷能级上进行复合，产生暗电流和白像素等问题。
参照图5，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁进行预处理。
进一步地，在预设温度，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁进行预处理的步骤可以包括：在预设温度，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁进行预处理。
具体地，所述含有氯元素的氧化性混合气体可以为氯气(Cl2)及氧气的混合性气体或者其他适当的含氯气体及氧气的混合性气体。
优选地，所述含有氯元素的氧化性混合气体可以为三氯乙烯(CHCCl3)以及氧气(O2)的混合气体。
在本发明实施例中，通过采用O2以及CHCCl3对硅表面进行处理，可以在反应后产生Cl2和HCl，进而Cl离子可以与Si悬挂键反应生成硅氯叁键结构，即Si≡Cl键。
具体地，反应化学式可以示意为：
Cl2C＝CHCl+O2→Cl2+HCl+CO2+H2O；
进一步地，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理的步骤可以包括：在预设温度，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁进行预处理。
在本发明实施例中，通过在预设温度向所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁输入含有氯元素的氧化性混合气体，有助于提高O2以及CHCCl3产生Cl2和HCl的反应量，从而使得更多的Cl离子可以与Si悬挂键反应生成硅氯叁键结构。
需要指出的是，所述预设温度不应当过高，以免对半导体衬底100内的半导体器件产生损害，所述预设温度也不应当过低，以免生成的硅氯叁键结构过少，导致氧化效果有限。
作为一个非限制性的例子，所述预设温度可以为500摄氏度至1000摄氏度。优选地，所述预设温度可以为800摄氏度。
参照图6，所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键(Si≡Cl)结构。
需要指出的是，当所述半导体衬底200的材料选自其他适当的材料，例如锗材料时，本发明实施例的方案也可使用，例如所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁可以被所述氧化性混合气体氧化生成锗氯叁键(Ge≡Cl)结构。
在本发明实施例中，通过使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁进行预处理，可以使所述半导体衬底200的表面以及所述刻蚀沟槽241的侧壁被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构，从而可以有效地钝化界面，修复晶圆表面缺陷，有效降低暗电流。
在具体实施中，有关图4至图6示出的半导体衬底的修复方法的更多详细内容请参照图2至图3示出的半导体衬底的修复方法的描述进行执行，此处不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种半导体衬底的修复方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理，以使所述半导体衬底的表面被所述氧化性混合气体氧化生成硅氯叁键结构。
2.根据权利要求1所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，所述含有氯元素的氧化性混合气体为三氯乙烯以及氧气的混合气体。
3.根据权利要求2所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理包括：
在预设温度，使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理。
4.根据权利要求3所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，
所述预设温度为500摄氏度至1000摄氏度。
5.根据权利要求1所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，
所述含有氯元素的氧化性混合气体为氯气及氧气的混合性气体。
6.根据权利要求1所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，
所述半导体衬底的表面具有刻蚀沟槽；
其中，所述氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面以及所述刻蚀沟槽的侧壁进行氧化，并生成硅氯叁键结构。
7.根据权利要求6所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，
所述刻蚀沟槽用于形成浅槽隔离结构。
8.根据权利要求1所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，在使用含有氯元素的氧化性混合气体对所述半导体衬底的表面进行预处理之前，还包括：
对所述半导体衬底进行减薄。
9.根据权利要求8所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，所述半导体衬底包含有：
器件晶圆，所述器件晶圆内具有逻辑器件以及像素器件；
承载晶圆，所述承载晶圆与所述器件晶圆的正面键合；
其中，所述半导体衬底的表面为所述器件晶圆的背面。
10.根据权利要求1所述的半导体衬底的修复方法，其特征在于，所述半导体衬底选自：半导体硅衬底以及表面具有硅外延层的半导体衬底。
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