TW585941B - Method for preparing polycrystalline silicon structure - Google Patents

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585941 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _____B7_五、發明説明（I ) 本發明關於半導體基材上製備一種具有特定晶核尺寸 之多晶矽結構的方法。 在製備積體電路時，多晶矽結構通常是必須的，其尤 其是作爲電路元件之間的電性連接，或作爲電路元件 (如：電容器電極）本身。此時，多晶矽的結晶結構有重 要的特性，其可影響（例如）導電性、雜原之子擴散、結 構化成窄導電軌之可能性、粘度性等，詳細細節描述於 Widmann 、 Mader 、 Friedrich 等人之"Technologie hochintegrierter Schaltungen 丨’，第 3、8 章，Springer 1996 年出版，或 Wolf· Tauber 之 MSilicon Processing"第 1 卷， 第6章，Lattice出版社1 987出版。在半導體技術中， 一般僅有這些具有廣泛之恆定晶核尺寸或窄的晶核尺寸 分佈之多晶矽層是可使用的。 多晶矽層一般係藉由CVD方法，如前述Widmann等人 之文獻所述，而製成。平均晶核尺寸及晶核尺寸分佈能 藉由溫度預算（溫度及時間）予以控制，其中一般以硼、 磷、砷或類似物質所進行之摻雜也會對所得到之晶核尺 寸分佈有所影響。 經摻雜的多晶矽通常作爲單晶矽區的電性終端。此種 電性終端的一個例子是MOS-電晶體之源極或汲極區或 雙極性電晶體之射極、基極或集極。對此，單晶區主要 係由一個在矽基板中所產生之摻雜之矽區所構成。此構 成電性終端所用的多晶矽結構是由多晶矽層或由非晶 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 585941 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（> ) 形矽層（其在隨後之步驟中變成多晶化）所構成。 在接下來之熱步驟中，產生非晶或多晶矽結構之結晶 化或再結晶化。此時要注意：介於單晶矽區及矽結構之 間的界面大部份具有薄的氧化物或者另一方面其會受到 污染或品質較差。這樣會導致未受控制的（再）結晶化， 亦即，空間強烈波動的晶核尺寸。因此而產生的機械應 力能經由單晶矽中的結晶缺陷的形成（例如，錯位）而消 除。此結晶缺陷藉由例如增高的漏電流而使基板的電氣 特性惡化，因此存在此種危險，即，在基材中所配置的 元件或活性結構（例如電晶體、溝渠式電容器，p/n接面） 並不具有預定之電氣特性，而是開始時就已經具有缺陷 或還有中、長期性的品質損失。 此種接觸區的第一個例子是DRAM記憶體中的位元線 接觸區，其中記憶胞型式可以是任何一種（例如所謂的堆 疊式晶胞或或溝渠式晶胞）。其他的一個例子是此種晶胞 中之電容器接觸區，因而是此種介於記憶體電極與選擇 電晶體之間的接觸區，其中上述問題是由於結晶缺陷（尤 其在具有溝渠式電容器之記憶胞中）而產生，並且在由本 申請人在相同的申請日所提出的德國專利申請案（其標題 爲）· "Kontak zwischen einem monokristallinen Siliziumgebiet und einer polykristallinen Siliziumstruktur u nd Herstellverfahren fur einen solchen Kontakt" 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2l〇X297公釐） ----------0------、玎------yi (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 585941 A7 B7 五、發明説明（3 ) (“介於單晶矽區域與多晶矽結構間之接觸區以及此種接 觸區之製造方法”）中 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以及本申請人於1 998年2月25日所提出之美國專利申 請案號請No. 09/0 30 2 27中已詳細說明。 基於前述一般問題，本發明之目的在於提供一種製備 多晶矽結構之方法，其具有確定之晶核尺寸或確定之晶 核尺寸分佈。多晶矽結構適合作爲單晶矽區之終端，而 不會發生上述之問題。結晶結構在經歷可能之後繼的溫 度負荷時不會大大地改變或劣化。 該目的係由具申請專利範圍第1項特徵的方法予以完 成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明所使用之摻雜材料，其選自氧、氧/氮混合物、 氧/氮化合物、其他含氧混合物或化合物，這些材料摻雜 至非單晶之初級（primary)砂結構，其中摻雜材料的濃度 (尤其是氧）係經由選擇而使摻雜材料的溶解度極限（limit) 被超過（所謂之摻雜材料也可稱爲含氧之摻雜材料）。藉 此，在後繼之加熱步驟時，在初級矽結構中使摻雜材料 析出，同時初級矽結構藉結晶或再結晶而轉變成多晶之 第二（secondary)矽結構。此時，摻雜材料之析出只允許 第二矽結構中晶核生長至一特定之尺寸。此晶核尺寸係 由摻雜材料析出物之密度（亦即平均距離）所決定。此摻 雜材料析出物在一定程度（guasi)上具有籠蔽（cage)效應。 摻雜材料析出物之密度愈大，在矽結構中最大及平均多

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 585941 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（斗） 晶矽晶核尺寸愈小。摻雜材料析出物之平均數（亦即密度） 可藉由摻雜材料過飽和（摻雜材料濃度除以溶解度濃度） 以及熱預算（傾斜速率（ramp rate)，保持溫度（hold-temperature))而在後繼熱處理時予以控制。其它材料， 如As、P、Sb、N、B之Co摻雜也能延緩（As，P)此種含 氧之析出或加速其析出㈣。 若本發明所製成之多晶矽結構用作單晶矽區之終端， 則可避免在單晶矽內形成結晶缺陷，這起因於矽結構中 .未受控制之（再）結晶不會發生。同時，多晶矽結構及單 晶矽區之間的接面（junction)阻抗較低。 氧特別適合作爲摻雜材料，因爲氧之低溶解性而使析 出物特別容易形成。因而不需較高之摻雜。矽結構或矽 區之導電性不會大大地下降。氧析出物係以SiOx形式存 在，其中χβ 2。 摻雜材料析出物之密度約1015〜1019cnT3。 可使用之摻雜方法特別是離子植入、電漿摻雜或電漿 浸入離子植入（PIII)。這些方法對本項技術人士而言係常 見的且更詳細地解釋於（例如）USP 5,354,3 8 1以及 4,93 7,205。在電漿摻雜時，劑量能特別良好地受到控制。 可進行此種摻雜，使矽結構中之摻雜材料均句地分佈， 即，基本上所有之摻雜材料濃度都相同（其超過溶解度極 限）。另一方面，在矽區或矽結構的預定區中能產生摻雜 材料-最大値，例如在接觸區附近或在預定之深度中可 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

585941 五、發明說明（6) 種摻雜可藉由（例如）垂直離子植入予以完成。如果此種 植入可與其餘半導體電路相容（c Q m p a t i b 1 e )，則此種植 入係整面性實行。此時，植入參數係經過選擇，使多晶 矽結構4中之摻雜材料濃度超過溶解度極限。如果是氧 摻雜物，則摻雜材料在初級矽結構中之濃度較佳爲1 〇17 至1021cm·3，尤其係1018至l〇2()cm·3。例如在300nm厚之 多晶矽層時可選用3至5 X 1 0 13 cm '2之劑量以及約5 k e V 之能量。 第 2 圖：接著進行溫度步驟，例如30分鐘，900〜 1 000°C，藉此，摻雜材料析出物6 (在此爲SiOx析出物） 在多晶矽結構4中形成。如前文所述，這樣可限制矽結 構中之晶核生長（籠蔽（c a g e )作用），在第二多晶矽中可 得到窄的晶核尺寸分佈。可防止摻雜區2中及基材1中 (第2圖）結晶缺陷之擴大。 摻雜也能由其他方法完成，例如，氧電漿摻雜（時間： 1 0秒，能源1 k e V，在給定之層厚時）。 若不進行均勻性之摻雜，則可在預定位置上產生局部 性之最大摻雜度之材料，這例如可藉由傾斜植入而達 成。另外亦可產生最大預定深度之矽結構。如果（例如圖 式所示）應產生一種至下層基材之接觸區’則此種方式特 別有利，此種最大摻雜度之材料位於基材表面附近中° 爲此，首先只在基材表面產生一薄的S i結構作爲初級矽 結構，這例如可藉由沈積30ηπι厚之非晶形矽層而達成° 585941 五、發明說明（7) 此種層被摻雜，然後施加所需殘餘厚度之矽，並進行溫 度步驟。 第3圖：在本實施例中，初級矽結構施加在2個部 分結構4 a及4b中，其中首先施加未摻雜之非晶形之單_ 或多砂層4a且接著施加高摻雜之非晶形之單-或多矽層 4 b於基材上。此二個部分之層能由（例如）CVD方法來施 加。如在第1個實施例中所述，須進行溫度步驟。 第4圖圖示摻雜材料濃度D對深度y之關係 (dependency)。 第5圖：在溫度處理後，在部分層4 a、4 b中形成此 摻雜材料析出物，其厚度在高摻雜之部分層4 b中係大於 4a中者。在高摻雜之部分層4b中所可達成的晶核尺寸因 此小於4 a中者。 部分層能如此地安排，使高摻雜者位於低摻雜者之下 方。 經由本發明，也能製成晶核尺寸明確之多晶矽層而不 接觸單晶基材。可全面地沈積多晶矽層，以氧而超越溶 解度極限來摻雜，然後結構化成導電軌或其他結構。 在許多情況下，多晶矽結構另外經由已知方法而以N-或P導電型之摻雜材料予以摻雜，以達成所要之導電 性。此額外之摻雜較佳係在沈積時以當場方法（i η - s i t Lime t hod)予 以完成 。由 於多晶 矽層之 （再）結 晶亦受 摻雜所 影響’則本發明之摻雜及溫度處理須依此而校準。 585941 五、發明說明（8) 圖式之簡單說明 第1 _ 2圖係具有單晶矽區之半導體基材之橫斷面圖， 其中示出本發明的一個實施例； 第3-5圖係具有單晶矽區之半導體基材之橫斷面圖，其 中示出本發明另一實施例，其中第4圖示出所得之摻雜材 料曲線（p r 〇 f i 1 e )。 參考符號說明 1.....矽基材 2 .. ...經摻雜單 晶 區 η ...隔離區 4 .. ...多晶ί夕結 構 4a. ____部分層（ 較 低 摻 雜 的） 4b . ....部分層（ 較 高 摻 雜 的） 5.. ...摻雜 6 .. ...摻雜材料 析 出 物 D··· ..摻雜材料濃度 Y... ..深度 -10

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第87 1 20678號「製備多晶矽結構的方法」專利案 (9 2年9月修正）. 六申請專利範圍： 1. 一種在基材上製備具有經界定之晶核尺寸之多晶矽 結構之方法，其包括以下之步驟： -在基材上形成非晶形或多晶形之初級矽結構 ； -以含氧之摻雜材料來摻雜此初級矽結構，使該摻 雜材料濃度係超過其在初級矽結構中之溶解度極 限； -實施熱處理，以使摻雜材料析出物，依預定之密 度而於矽結構中形成；並進行此初級矽結構之結 晶化或再結晶化；而且藉由所摻雜材料析出物之 密度而發展出具有預定平均/最大晶核粒徑之第二 矽結構；其中在初級矽結構內產生1〇”至10u cm · 3之摻雜材料濃度；其中在溫度處理時矽結構加熱 至 700 至 1100°C。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在初級矽結構 內產生1018至102Gcni·3之摻雜材料濃度。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在溫度處理時 矽結構加熱至900至1 000°C。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在第二矽結構 中摻雜材料析出物之密度係1015至10I9cm·3。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中爲產生η或p 585941 六、申請專利範圍 導電性，矽結構額外地以η或p導電型摻雜材料 予以摻雜。 6.如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，# 中矽結構係在空間中均勻地被摻雜。 7·如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，其 中矽結構係在空間中不均勻地被摻雜。 8·如申請專利範圍第7項之方法，其中矽結構 之_ 定的深度中形成最大摻雜之材料分佈。 9·如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，其中 石夕結構是鄰接於單晶砂區而產生，且此砂結構是作 爲矽區之電性終端。 10·如申請專利範圍第丨至5項中任一項之方法，其中 含有氧之摻雜材料是由氧、氧-氮-混合物或氧-氮_ 化合物所構成。 如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，其中 該摻雜材料析出物由SiOx(X〜2)所構成。 U如申請專利範圍第丨至5項中任一項之方法，其係 藉由初級矽結構之摻雜使摻雜材料濃度超過該氧之 溶解度極限。