TW584918B - Method of generating defects in a lattice structure of a semiconductor material - Google Patents

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五、發明說明（1·) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 584918 Α7 _____ Β7 本發明係關於一種在半導體材料受熱處理時，其晶格結 輪内產生缺陷之方法。 習知在處理半導體材料時，將半導體材料加以熱處理/ 以影響半導體材料内異質原子之掺雜分佈。 此可參見例如 W· Lerch et al·; Mat· Res. Soc· Symp. Proc· (1998) ’ Band 525 ’ 第 237-255 頁，及 D· F· Downey et ali· Mat. Res· Soc· Symp· Proc. (1998)，Band 525，第 263-2Ή 頁，其 中以一含氧之程序氣體，在固定之熱負荷下，影響硼在半導 體材料内之摻雜分佈。含氧之程序氣體造成矽半導體材料氧 化’造成原晶格間原子(在晶格結點間之矽原子)之過飽合， 其濃度影響硼之擴散行為，因而也影響掺雜分佈。 基本而言，以上述之方法只會影響摻雜分佈，其異質原 子主要疋以所渭之踢出機制（Kick_〇ut-Mechanismus)到達 晶格結點。在此機制中，先前在晶格間範圍之異質原子回到 晶格結點上，而矽-(或一般而言，晶格）原子則被從其晶 格結點趕至晶格間。 另外習知之，在半導體材料内形成晶格缺陷之異質原子 ’其摻雜分佈可藉熱處理時之溫度曲線而改變，此舉常會在 半導體材料内產生極大熱負荷，以獲得所希望之分佈。其中 潛藏的危險是，半導體可能因熱處理而受到傷害，除此之外 ’熱處理所須之能源消耗非常大。 從上述之技術現況出發，本發明之任務是提供一新方法 ，其以簡單及經濟方式準確的控制在半導體材料内之晶格缺 陷。 本紙張尺度適用中賴家標準（CNS)A4規格⑽χ 297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

584918 A7 B7 發明說明（2·) 依本發明，本任務藉一種在半導體材料受熱處理時，其 晶格結構内產生缺陷之方法加以解決，其中，缺陷濃度及/ 或缺陷分佈，依程序氣體環境加以控制。上述之方法可控制 半導體材料在其受熱處理時，半導體材料晶格結構内缺陷濃 度及/或缺陷分饰，且是在主要是固定之熱預算（溫度_時間 ，線^積分）下。如此，可在最可能小之熱負荷下，以程序 氣肢環境控制缺陷濃度及/或缺陷分佈。此缺陷濃度及/或缺 陷分佈又再影響半導體材料内異質原子之濃度及擴散特性。 、、依^偏好之發明實施形式，所產生之缺陷是晶格缺陷 (空穴）。藉由晶格缺陷之產生，異質原子可不受上述踢出機 制=制’到達晶格位置。雜大之異子，例如坤或錄 尤其疋有利，這些異質原子主要只是藉由充填晶格缺陷 穴)而到達半導體之晶格位置。 在另-發明實淑彡式中，缺陷是在晶格結剩上之半導 原子u結點間又再支持另一機制，藉此機制異質 原子可到達晶格位置上。 f半賴麵細產生之_，财最好在G至約麵 —ngst_)間。因而缺陷也是位於植人異質原子範圍， 精之大大影響異質原子之分佈及濃度。 »藉式中’控制程序氣體之組成 精田矛序㈣ϋ成，可赠職 此程序氣體可由為多種氣= 氣趙成份在-作為載氣之— (210 X 297 公釐） -6 - 本紙張尺度剌+闕家辟（CNS)A4 584918

熱處理時，最好在半導體晶圓上生成一 si3N4薄膜，厚度在 0及約40埃間。 在一特別偏好之發明實施形式中，NH3之濃度約在5〇〇 至10000 ppm間。NH3之濃度最好在2500至5000 ppm間。 為避免傷害晶圓，在熱處理時最好將半導體晶圓之熱負 %降至取低。在此微小之熱負荷下，缺陷最好藉由程序氣體 環境加以控制。 在一特別偏好之發明實施形式中，藉由缺陷之濃度及/ 或分体，控制半導體材料内異質原子之濃度及/或分佈。異 質原子最好由下述族群中選出：硼、磷、坤、銻、及銦，或 上述之組合亦可。 在一發明實施形式中，上述之方法最好用於已摻雜之半 導體上，如此，在熱處理之同時，異質原子之濃度及/或分 怖可由缺陷濃度及/或分佈，也就是空穴及/或原晶格間原子 加以控制。 在本發明之另外一實施形式中，本方法用於未摻雜之半 導體。如此，半導體材料為隨後之、有目的之半導體材料摻 雜進行準備，因而直接影響隨後之半導體處理程序。 以下藉圖式，以偏好之發明實施例更進一步說明本發明 ，各圖所顯示之内容如下： 圖一氧化物_氮化物薄膜厚度與NH3濃度之關係，在 氬氣環境内，覆蓋有自然氧化物之矽晶圓； 圖二在摻雜之矽半導體内異質原子殘留量與NH3濃 度之示意百分比關係圖，在一熱處理系統内，設 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙诋人厌迥用丫圈國家標準(CNS)A4規格（210x297公釐f 584918 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（5·) 定之溫度·_程贿件，轉導體 νη3濃度關係圖； ％®-、 圖三在-預設之溫度-時間熱處理條件下， 材料植入砰，在-惰性氣體内不同之鹏^ 下’砷深入晶圓表面之深度與_3濃度 ， 圖四在-預設之溫度-時間熱處理條件下，半導體薄 膜電阻與在氬氣内ΝΗ3濃度之關係； 把 圖五在石夕半導體晶圓内坤原子濃度，在不同之程序組 成條件下，與絲表面深人深度之關係，溫度_ 時間條件相同。 圖-顯示覆蓋有自縣化物切半導體晶圓在氬氣環 境内氧化物-氧化物薄膜厚度與顺3濃度之關係，晶圓受例 如1000T、10秒之熱處理。在圖一之熱處理中，氬氣做為 NH3成份之惰性載氣。熱處理包括：將半導體晶圓加熱至例 如1100T，維持10秒。氧化物_氮化物薄膜在此熱處理過程 中形成。氮化物薄膜在較小或較大之溫度也會形成，程序時 間亦沒有確定。 從圖一可看出：在熱處理完後之Six〇yNz薄膜，當NH3 濃度非常小時（在〇至1 ppm範圍），或在真空關係下（例 如10_6 torr)較原來自然之氧化物薄膜厚度為小，從圖一中 可看出，約為13埃。這原因是，在此NH3濃度依溫度及可 能之氣體污染（例如〇2)而定，珍晶圓上產生侵蚀。但這 並不是一定會出現。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

584918 A7 五、發明說明（7·) 結果’其薄膜電阻Rs增大，並在特定情況下，造成整個半 導體（晶圓）不堪使用。藉由加入一或多種包含氮氣之程序 氣體成份’在半導體表面形成一氮化物，其成為異質原子擴 散之障礙。當此包含氮氣之程序氣體成份(或者成份)之濃度 增加’異質原子擴散出去之可能性即被壓制。 在較面之NH3濃度，停留在半導體晶圓内之異質原子 亦增加，並在濃度約2500ppm時到達最大值。這是因為包 含氮之程序氣體成份在半導體表面形成氮化物，其形成異質 原子之擴散障礙。 例如，在一惰性氣體内例如氬氣，為約；2500至 10000 ppm時，當溫度-時間程序從9〇〇〇c至115〇τ，時間 例如10秒’在一掺雜梦半導體晶圓（例如摻入砷或銻），異 質原子之”擴散出去”幾乎完全被抑制住。此是藉由秘爪 或S^N4層，厚度約10至16埃而做到（見圖一）。對極薄 ^pn介面，此點非常有利，因在此處，異質原子，，擴散出去 "後，會造歧未滅定義之pn介面具有未定狀高薄膜電 阻。 經 圖三顯示以坤摻雜之辨導體，在預定之、以同樣熱預 I 輕彳读處理後，在餘内不同之_濃度下，神之分饰 | 與進入晶圓表面深度之關係。此圖極具代表性，各實施之基 產 本條件相同。 I ^ _為G ppm時之料，抑卩辦料在純氬或惰 | ^虱肢下進行，與其他之分佈相比，非常缺乏異質原子。這 I 是由於上述在圖二中所述，由砰(異質)原子之，，擴散出去，，所 ΐ紙張尺度適用宁國國家標準（CNS)A4規袼（21〇 x 公f --— _ -11 -

--------訂---------線. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 584918 B7 五、發明說明（8·) 造成。此類缺乏異質原子，造成薄膜電阻大大的增加，如圖 四所示。在®四中’顯示出半導體薄膜電阻在不同之溫度下 ，，程序時間各為10秒時，與νη3濃度之關係。從圖四可明 顯看出，薄膜電阻在約10000ppmNH3時電阻變小至一飽和 值，此絕對值主要是由溫度_時間程序條件所決定。若所選 的溫度越咼，薄膜電阻越小。此時，最好將熱預算最小化， 也就疋將晶圓以最可能高之溫度處理，並儘可能將程序時間 縮小。常見的程序溫度在800。(：至l2〇〇cC間，常見的程序 時間在約0·5秒至360秒間。 圖二顯示，在純氬氣内處理摻入梦半導體時，神之濃度 及深入深度均最小，因而有較高之Rs值。當NHs濃度增高 ，在半導體晶圓内坤之濃度及坤原子之深入深度均增高。 圖三顯示，在一預定之溫度-時間程序中，異質原子之 分佈及深入深度可單獨由選擇至少一包含氮之程序氣體成 份之濃度而決定。此時，在最小，但仍容許之半導體熱負荷 下，異質原子之分佈在一極大範圍内只藉由程序氣體之組成 而加以調整。此時，薄膜電阻可在約為1〇之因子範圍内變 化’而且以同樣方式，異質原子之深入深度可在約為2之因 子範圍内變化。 圖四顯示以坤掺入之矽半導體晶圓，在不同之熱處理溫 度下，各處理10秒時間，薄膜電阻與在氬載氣内NH3濃度 之關係。從圖中可以看出，當NH3濃度增加，薄膜電阻即 降低。且當濃度在約2500-5000 ppm NH3以上時，出現飽和 或薄膜電阻之最低極限值，在此之後，即使再增加NH3濃 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 584918 -------Β7 __ 五、發明說明（1〇·) 之廂形輪廓。藉由在表面上生成原缺陷（空穴，原晶格 了點間原子），可將掺雜材料分佈（電子特性不具活性性） ’轉化為具電子活枉性之掺雜材料分佈，此分伟深入深度最 小，且濃度最大（所謂之廂形輪廓）。 整體而1，藉由含氧及/或含氮氣體，不論晶圓是否為 外質糁雜（植入，GPD，藉從半導體上之薄膜擴散出而擴散 接雜進人半導勒），絲經轉，均可任意機缺陷之濃 度（原晶，間原子空穴），而且是在熱處理之影響下。 ^以上藉一些實施例說明了本發明，但本發明並不侷限於 每些特殊之例子，尤其是進行本方法時，程序氣體不一定要 包含惰性載氣。本方法也可在低壓條件下進行 ，此時，程序 氧隨;辰度可藉壓力而調整。另外，此發明不限制於使用 或NsO做為程序氣體成份，程序氣體成份其他的例子包括 例如NO ’氏〇 (水蒸汽）。使用h2〇時，可更為降低熱預 算k成較少之OED (氧化增強之擴散，oxidation enhanced diffusion)。本方法也可用於未摻雜之半導體，用以將半導體 為下一處理，例如掺雜進行準備。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 另一本發明方法之應用例是使用於硼及/或磷及/或銻及 /或銦（或一般而言，受體/施體），以含氧及/或含氮氣體影 響擴散特性（分佈）及例如調整廂形分佈。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14-

Claims (1)

1. 場918

   第89108337號專利案申請專利範園修正本 丄.一種在料體材料晶格結構内產生缺陷之方法，在熱處 理時’缺陷或是缺陷濃度及/或缺陷分触—程序氣體環 境加以控制，JL在半導赚面錢—SiANz薄膜，厚 度在0至20埃間。 2·根據中請專纖㈣1猶述之方法，其雜為，祕 是晶格缺陷(空穴）。 3·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，缺陷 ： 是原晶格結點間（原晶格間原子）上之半導體_基板原子 〇 4·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，程序 氣體之組成受到控制。 5·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，程序 氣體或程序氣體成份之濃度受到控制。 6·根據申請專利範圍第丨項所述之方法，其特徵為，程序 氣體之分壓受到控制。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為’程序 氣體有一含氮之氣體。 8·根據申請專利範圍第7項所述之方法，其特徵為，程序 氣體具NH3。 9·根據申請專利範圍第7項所述之方法，其特徵為’程序 氣體具N2。 1〇·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特歡為’程序 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15 - 584918 A8 ?8s D8 六、申請專利範圍 氣體不含氧氣。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本買) 11. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，程序 氣體具一含氧之成份。 12. 根據申請專利範圍第11項所述之方法，其特徵為，含氧 之成份具N20、NO及/或H20。 13. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，熱處 理之溫度對時間曲線受到控制。 14. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，程序 氣體包含氬氣。 15. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，在熱 處理之前，將半導體表面上之自然Si02薄膜除去。 16. 根據申請專利範圍第15項所述之方法，其特徵為，在半 導體晶圓上生成一 Si3N4薄膜，厚度在0至40埃間。 17·根據申請專利範圍第7項所述之方法，其特徵為，NH3 之濃度在〇至10000 ppm間。 18·根據申請專利範圍第17項所述之方法，其特徵為，NH3 之濃度在2500至5000 ppm間。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 19·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，半導 體晶圓之熱負荷被降至最低。 20·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，藉由 缺陷之分佈，控制半導體材料内異質原子之分佈。 21.根據申請專利範圍第20項所述之方法，其特徵為，異質 原子至少是下列族群之一元素：硼、磷、砷、銻及銦。 22·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，此方 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） 584918 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 法應用於異質摻雜之半導體。 23·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，此方 法應用於要摻雜之半導體。 24·根據申請專利範圍第23項所述之方法，其特徵為，半導 體被摻雜。 25·根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，半導 體藉氣相摻雜、植入及/或從一與此半導體接觸之薄膜擴 散出而摻雜進入半導體内。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） • 17-