CN115223857A - 一种金属硅化物合金的快速退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属硅化物合金的快速退火方法，该方法是采用非真空设计的退火设备对表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆进行快速退火处理，在快速退火处理之前往退火设备的退火腔体中通入氮气进行吹扫，去除退火腔体中残留的氧气。本发明中，在升温退火之前通过对快速退火工艺腔体进行氮气预吹扫，消除腔体内残余的氧气，营造一种惰性气体氛围，因而在利用该退火设备进行快速退火时，可以避免金属薄膜(如金属钛)在退火过程中被残余氧气氧化，不仅可以获得表面形貌完整的金属硅化物合金，有利于改善金属硅化物合金的界面态，而且可以增加金属硅化物合金和后续CT金属层的粘附性，有利于有效降低器件的导通电阻，提高器件良率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域，涉及一种金属硅化物合金的快速退火方法。
背景技术
快速退火技术是半导体制造技术中的一种退火方法，主要用于离子注入后元素激活退火和金属化合物的退火，能够在极短的时间内进行高温退火，热扩散小，效率高。在半导体器件制造工艺中，为了增加栅极多晶硅和接触层(CT层)金属的接触性，降低器件导通电阻，通常会在栅极多晶硅表面生长一层金属钛，然后经过快速退火使栅极多晶硅表面和金属钛形成金属硅化物合金，最后通过CT金属层的溅射完成CT和栅极的导通。与真空快速退火设备相比，采用非真空设计的退火设备，如型号为AG8108的快速退火炉具有更低的价格，这有利于降低生产成本，是现阶段最为常用的快速退火设备，然而，由于采用非真空设计，因而这些退火设备的工艺腔体中通常会残留有氧气，而这些氧气的存在会导致金属钛在快速退火的过程中发生氧化并转化成形成二氧化钛，从而不利于制备表面形貌完整的金属硅化物合金，而且所形成的二氧化钛容易导致后续CT金属层和钛硅合金接触时界面态异常、导通电阻异常增大等问题，不仅不利于提高器件性能，而且也会降低芯片良率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低廉、适应性好的金属硅化物合金的快速退火方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种金属硅化物合金的快速退火方法，采用非真空设计的退火设备对表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆进行快速退火处理，在快速退火处理之前往退火设备的退火腔体中通入氮气进行吹扫，去除退火腔体中残留的氧气。
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，所述氮气的通入流量≥8slm。
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，所述氮气的通入流量为8slm～16slm。
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，所述吹扫的时间≥30s
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，所述氮气的通入流量≥16slm。
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，所述吹扫的时间≤30s。
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，所述表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆的制备方法，包括以下步骤：
S1、在晶圆表面的二氧化硅层上沉积多晶硅层；
S2、对沉积有多晶硅层的晶圆进行退火处理；
S3、在步骤S2中经退火处理后的晶圆表面沉积金属薄膜，得到表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆。
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，采用物理气相沉积法沉积金属薄膜；所述金属薄膜为钛金属薄膜。
上述的金属硅化物合金的快速退火方法，进一步改进的，所述退火设备是型号为AG8108的快速退火炉。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)针对现有非真空设计的退火设备中存在的因工艺腔体中残留有氧气而导致难以形成金属硅化物合金等缺陷，本发明创造性地提供了一种金属硅化物合金的快速退火方法，采用非真空设计的退火设备对表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆进行快速退火处理，同时，在快速退火处理之前往退火设备的退火腔体中通入氮气进行吹扫，去除退火腔体中残留的氧气。本发明中，在升温退火之前通过对快速退火工艺腔体进行氮气预吹扫，消除腔体内残余的氧气，营造一种惰性气体氛围，因而在利用该退火设备进行快速退火时，可以避免金属薄膜(如金属钛)在退火过程中被残余氧气氧化，不仅可以获得表面形貌完整的金属硅化物合金，有利于改善金属硅化物合金的界面态，而且可以增加金属硅化物合金和后续CT金属层的粘附性，有利于有效降低器件的导通电阻，提高器件良率，降低生产成本。
(2)本发明中，通过优化氮气的通入流量以及吹扫时间，可以更加彻底的去除退火腔体中的氧气，从而在利用退火腔体进行快速退火时，能够完全避免晶圆表明下形成氧化物，进而能够更加显著的降低器件的导通电阻，由此更有利于进一步提高器件良率并获得性能优异的器件。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中经快速退火处理后的晶圆表面膜层分布结构示意图。
图2为本发明实施例1中快速退火处理工艺的流程示意图。
图3为现有常规快速退火处理工艺的流程示意图。
图4为现有常规快速退火处理工艺(不进行氮气预吹扫)处理后晶圆表面的显微形貌图。
图5为现有常规快速退火处理工艺(通入少量氧气)处理后晶圆表面的显微形貌图。
图6为本发明实施例1中快速退火处理工艺处理后晶圆表面的显微形貌图。
图7为本发明实施例1中不同条件下快速退火处理工艺处理后晶圆的导通电阻对照图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售；所采用的设备和制备工艺若无特别说明均为常规设备和常规工艺。
实施例1
一种金属硅化物合金的快速退火方法，采用非真空设计的退火设备(型号为AG8108的快速退火炉)对表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆进行快速退火处理，包括以下步骤：
S1、将表面形成有二氧化硅层的晶圆送入到低压炉管中，在晶圆表面的二氧化硅层上沉积多晶硅层。
S2、将沉积有多晶硅层的晶圆送入到常压高温炉管中，对沉积有多晶硅层的晶圆进行退火处理。
S3、利用物理气相沉积(PVD)设备在步骤S2中经退火处理后的晶圆表面沉积钛金属薄膜，得到表面形成有多晶硅和钛金属薄膜的晶圆。
S4、将表面形成有多晶硅和钛金属薄膜的晶圆送入到退火设备(型号为AG8108的快速退火炉)的退火腔体中，按照流量为10slm，往退火腔体中通入氮气进行吹扫90s，去除退火腔体内的氧气。
S5、在退火设备中，对表面形成有多晶硅和钛金属薄膜的晶圆进行快速退火处理，其中退火处理后晶圆表面金属硅氧化物合金为TiSi2，其表面氧化情况，如表1所示。
步骤S5中，如图1所示，经快速退火处理后的晶圆表面膜层分布如图1所示。
步骤S5中，如图2所示，本发明采用的快速退火处理工艺，包括五个阶段：Pre-purge(预吹扫)、Ramp(升温)、Transition(转换)、Steady State(恒温)、Cooldown(降温)。如图3所示，常规的快速退火处理工艺，包括四个阶段：Ramp(升温)、Transition(转换)、Steady State(恒温)、Cooldown(降温)。
同时，本实施例中还考察了不同条件下对晶圆表面金属硅化物合金的影响，结果如表1所示，除预吹扫条件不同外，其他条件与实施例1相同。
表1不同条件对晶圆表面金属硅化物合金的影响
表1中，*表示晶圆表面氧化物的相对数量，*越多则表示表面氧化物的数量越多。
如图4所示，常规退火处理工艺，在快速退火过程中不进行氮气预吹扫，快速退火后晶圆表面出现了少量黑点，少量金属钛被氧化。
如图5所示，对照组中，在快速退火过程中通入少量氧气，退火后表面出现了大量黑点，金属钛氧化严重。
如图6所示，实施例1，经过氮气吹扫后晶圆表面没有出现黑点，说明金属钛没有被氧化，这是因为在晶圆退火前通入大量的氮气进入腔体中，利用氮气将腔体中残留的氧气吹扫干净，为后续退火提供一个惰性气体环境，避免金属钛被氧化。
本实施例中，还考察了其他不同吹扫条件对晶圆表面氧化效果的影响，如表2所示，除吹扫条件不同外，其他条件与实施例1相同。
表2不同吹扫条件对晶圆表面氧化效果的影响
表2中，*表示晶圆表面氧化物的相对数量，*越多则表示表面氧化物的数量越多。
由表2可知：当氮气吹扫时间固定为30s时，随着氮气流量的增加，退火后晶圆表面黑点数量减少，其中氮气流量增加至8slm之前，黑点数量变化不明显，表明此时氮气还不足以将腔体内的空气吹扫干净。随着氮气流量增加到12slm，晶圆表面黑点数量明显降低，增加至20slm时，晶圆表面黑点完全消失，继续增大氮气流量，退火后晶圆表面不再出现黑点。当保持氮气流量8slm不变时，在吹扫时间增加至45s之前，黑点数量变化不明显，吹扫60s时黑点数量明显减少，吹扫75s黑点完全消失。同时由表2可知，进一步探究了O2吹扫的影响，结果表明：只要通入氧气，晶圆表面黑点数量就大幅度增加，表明只要腔体内存在氧气，退火时晶圆表面就会被氧化，形成黑色氧化物，影响器件性能。
结合上述数据可知，在晶圆进行快速退火之前，往工艺腔体通入一定量的氮气进行吹扫(综合吹扫效果和设备工作效率考虑，氮气流量至少8slm，吹扫时间至少30s)，可有效消除腔体内的氧气，避免金属钛在后续退火过程中被氧化。
本实施例中，进一步研究了传统退火工艺和优化后退火工艺对器件性能的影响
为了更加直观的研究优化工艺的效果，分别设置了四种不同的退火条件，在其他工艺步骤完全相同且同批次进行的前提下，测试器件的导通电阻(RDON)，其结果如图7所示。
a：10slm+60s N2 pre-purge，即按照流量为10slm通入氮气吹扫60s，其他条件与实施例1相同。
b：8slm+60s N2 pre-purge，即按照流量为8slm通入氮气吹扫60s，其他条件与实施例1相同。
c：传统退火条件(无N2吹扫)。
d：1slm+20s O2 pre-purge。
由图7可知，在a退火条件下：整片晶圆上所以器件的导通电阻(RDON)平均值为20.02欧姆，且分布集中；在b退火条件下：整片晶圆上所以器件的RDON平均值为20.12欧姆，且分布较集中；在c退火条件下：整片晶圆上所以器件的RDON平均值为27.50欧姆，且分布较离散；在d退火条件下：整片晶圆上所以器件的RDON平均值为60.81欧姆，且分布非常离散。因此，退火前氮气的预吹扫可以明显降低器件的导通电阻，有利于提高器件良率。
由上述结果可知，本发明快速退火方法中，在升温退火之前通过对快速退火工艺腔体进行氮气预吹扫，消除腔体内残余的氧气，营造一种惰性气体氛围，因而在利用该退火设备进行快速退火时，可以避免金属薄膜(如金属钛)在退火过程中被残余氧气氧化，不仅可以获得表面形貌完整的金属硅化物合金，有利于改善金属硅化物合金的界面态，而且可以增加金属硅化物合金和后续CT金属层的粘附性，有利于有效降低器件的导通电阻，提高器件良率，降低生产成本。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种金属硅化物合金的快速退火方法，采用非真空设计的退火设备对表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆进行快速退火处理，其特征在于，在快速退火处理之前往退火设备的退火腔体中通入氮气进行吹扫，去除退火腔体中残留的氧气。
2.根据权利要求1所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，所述氮气的通入流量≥8slm。
3.根据权利要求2所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，所述氮气的通入流量为8slm～16slm。
4.根据权利要求3所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，所述吹扫的时间≥30s 。
5.根据权利要求2所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，所述氮气的通入流量≥16slm。
6.根据权利要求5所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，所述吹扫的时间≤30s。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，所述表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆的制备方法，包括以下步骤：
S1、在晶圆表面的二氧化硅层上沉积多晶硅层；
S2、对沉积有多晶硅层的晶圆进行退火处理；
S3、在步骤S2中经退火处理后的晶圆表面沉积金属薄膜，得到表面形成有多晶硅和金属薄膜的晶圆。
8.根据权利要求7所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，步骤S3中，采用物理气相沉积法沉积金属薄膜；所述金属薄膜为钛金属薄膜。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的金属硅化物合金的快速退火方法，其特征在于，所述退火设备是型号为AG8108的快速退火炉。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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