CN102386057B - 一种降低半导体衬底表面磷浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种降低半导体表面磷浓度的方法，包括：对半导体衬底进行清洗、烘干；将所述半导体衬底表面暴露于氢气流量为F≥3000cm³/min的氛围中，保持时间T≥20分钟。由于氢原子更容易与该半导体表面的悬挂键结合，通过减少碰撞降低半导体表面磷原子的浓度。从效果上看，氢原子的存在修饰半导体衬底表面的悬挂键状况，阻碍了磷原子与悬挂键的结合。该方法成本较低，实现方便，解决在硅片暴露于含有磷原子的空气中导致MOS晶体管氧化层相关电学参数漂移，甚至器件性能降低的问题。

Description

一种降低半导体衬底表面磷浓度的方法

技术领域

本发明涉及微电子工艺流程，具体涉及一种减少氧化炉磷浓度的方法。

背景技术

在MOS晶体管制作工艺中，磷原子是一种重要离子注入源。如制作MOS晶体管p区时，一般需要注入磷改变衬底的掺杂浓度，以改变其载流子的类型。由于载流子的多寡与MOS器件的性能密切相关，因此磷原子的浓度会对器件的性能，特别是器件的电学参数造成很大影响。

在氧化膜生产过程中，需制作的衬底片先会被传送到氧化炉机台运输柜内(Carrier Stocker)。由于其运输柜与超净间大气相连通，而超净间中仅常规过滤大气中的微尘粒子，因此机台中的半导体器件无可避免的会接触到超净间中的空气。若空气中含有磷原子，则容易导致磷原子附到晶圆的衬底表面，甚至扩散到衬底中，从而对器件产生不良影响。

上述情况在制作MOS晶体管的栅氧化层过程中尤为重要。监测情况表明，若未经过任何防护处理，放置于闸极氧化机台(Gate Oxide Tool)的硅片在磷原子浓度达到一定程度的空气氛围中闲置一段时间后(如24小时)，则会导致磷原子吸附在硅片表面，并对器件可靠性造成影响。究其原因在于硅片表面存在硅的悬挂键，一旦空气中含有自由移动的磷原子，则容易与硅的悬挂键结合，导致磷原子被吸附在硅片表面。在后续工艺过程中，若继续经过加温或者其他工艺手段，可能会导致磷原子进一步扩散进入硅片衬底。

对于与表面工艺要求极其苛刻的MOS晶体管工艺来说，磷原子在半导体表面或衬底的存在，将对氧化层相关的电学参数造成影响，如产生沟道漂移，NMOS变快，PMOS变慢，导致后续工艺过程测试不准确，甚至MOS晶体管器件可靠性降低。

目前降低半导体衬底表面的磷浓度的方法主要有两种。第一是在工艺过程中尽可能的减少半导体衬底在含有磷原子空气中暴露的时间。但由于该方法在实际操作中，半导体衬底暴露在空气中的时间往往不好控制，容易造成半导体衬底在空气中暴露的时间过长，对器件性能不利。第二种方法是在氧化炉机台进风口安装除磷的过滤器，避免磷原子进入氧化炉机台内。此种方法价格昂贵，对机台的安装有一定的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种降低半导体表面磷浓度的方法，该方法成本较低，实现方便，解决在硅片暴露于含有磷原子的空气中导致MOS晶体管氧化层相关电学参数漂移，甚至器件性能降低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种降低半导体表面磷浓度的方法，包括：对半导体衬底进行清洗、烘干；将所述半导体衬底表面暴露于氢气流量为F≥3000cm³/min的氛围中，保持时间T≥20分钟。

作为一种优选的方案，所述半导体衬底为硅衬底。

作为一种优选的方案，对半导体衬底进行清洗、烘干后，所述半导体衬底表面存在悬挂键，即存在未饱和的离子键。

作为一种优选的方案，所述清洗操作是指清洗衬底表面的半导体工艺过程中常规的杂质。

作为一种优选的方案，所述半导体衬底清洗、烘干后置于氧化炉机台。

作为一种优选的方案，所述氢气流量F，3000cm³/min≤F≤5000cm³/min。

作为一种优选的方案，所述保持时间T，20分钟≤T≤60分钟。

由于半导体表面例如硅片表面容易形成悬挂键，由于悬挂键处于激活状态，容易与空气中的其他粒子，如磷原子结合，导致衬底表面磷浓度增加，当磷原子浓度超过一定程度时，如超过安全范围10¹¹atom/cm²时，对半导体器件性能将造成明显的影响，例如对于MOS晶体管工艺来说，超过上述浓度的磷原子在半导体衬底表面的存在，将对氧化层相关的电学参数造成影响，降低MOS晶体管器件的可靠性。

本发明提供的一种降低半导体表面磷浓度的方法，该方法通过将半导体衬底置于氢气氛围，即使磷原子已经吸附在原来的半导体表面，但氢原子更容易与该半导体表面的悬挂键结合，降低半导体表面磷原子的浓度。从效果上看，氢原子的存在修饰半导体衬底表面缺陷，阻碍了磷原子与悬挂键的结合。因此本发明提供的一种降低半导体表面磷浓度的方法，减少磷原子对半导体器件的不良影响，提高器件的性能。

具体实施方式

在本实施例中主要描述针对半导体衬底表面进行降低磷浓度的方法。该半导体衬底为硅衬底，其表面存在未饱和的悬挂键。在本实施例中，半导体衬底的要求不限于硅衬底，可以为其他非硅衬底，只要半导体衬底表面存在未饱和的悬挂键，并且能够跟氢原子结合，便可满足本实施例中半导体衬底的要求。

本实施例降低半导体衬底表面磷浓度的方法首先对硅衬底进行常规清洗，该常规清洗是指微电子工艺中进行的用氨水，硫酸，盐酸，氟化氢，去离子水等去除硅片衬底上的杂质，上述选用的氨水，硫酸，盐酸，氟化氢，去离子水等物质以不损坏衬底为准。清洗完毕后，将硅片取出烘干，烘干的时间以去除硅片上残留的水分为准。

清洗完毕后，将该硅片表面暴露于氢气流量为F≥3000cm³/min的氛围中，保持时间T≥20分钟。上述硅片氢气处理过程中优选的氢气流量是3000cm³/min≤F≤5000cm³/min，优选的保持时间为20分钟≤T≤60分钟。

经过上述处理之后的硅片，即使暴露于含有磷原子浓度较高的空气中，该硅片表面也可以起到降低硅片表面磷原子浓度的作用，并且至少保持硅片表面在24小时内均处于磷浓度的10¹¹atom/cm²安全范围之内。因此经过氢气处理的硅片即使在工艺过程中暴露于含有磷原子的空气，也能降低硅片表面磷原子的浓度，使得硅片表面磷原子浓度在较长的一段时间内保持在安全范围以内，最大限度的减少磷原子对硅片以及后续器件结构的影响。

为进一步的显示本发明所提出的降低硅片表面的优点，本实施例通过硅片表面磷浓度对比实验进行分析，本实验的步骤如下：

第一，将氧化炉机台中的空气流量固定在14.8cm³/min；

第二，取两片编号分别为01和02的新硅片，表面有自然生长的氧化层，进行常规清洗，将硅片表面的各种杂质去除；

第三，编号01的硅片表面通入氢气，保持的时间为20分钟，编号02的硅片没有经过任何处理；

第四，将编号01和02的硅片均放入氧化炉机台中，置于含有磷原子的空气中；

第五，24小时后对两硅片的表面磷浓度进行测试，得到如表1的结果。

表1  硅片磷浓度变化的对比情况

	编号01硅片	编号02硅片
			放置时间(小时)	24	24
结果(atom/cm2)	4.68×1010	1.79×1012

从表1的实验结果可以看出，经过氢气氛围处理的01号硅片表面磷浓度为4.68×10¹⁰atom/cm²，在磷浓度安全范围10¹¹atom/cm²之内。而没有经过氢气处理直接暴露在含磷空气中的02号硅片，其表面磷浓度1.79×10¹²atom/cm²则远远超过安全范围10¹¹atom/cm²，这种结果将对器件性能造成不良影响。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (5)

1.一种降低半导体表面磷浓度的方法，其特征在于，包括：

对半导体衬底进行清洗、烘干，对所述半导体衬底进行清洗、烘干后，所述半导体衬底表面存在悬挂键，即存在未饱和的离子键；

将所述半导体衬底表面暴露于氢气流量为F≥3000cm³/min的氛围中，保持时间T，20分钟≤T≤60分钟。

2.根据权利要求1所述的降低半导体表面磷浓度的方法，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底。

3.根据权利要求1或2所述的降低半导体表面磷浓度的方法，其特征在于，所述半导体衬底清洗、烘干后置于氧化炉机台内。

4.根据权利要求1或2所述的降低半导体表面磷浓度的方法，其特征在于，所述清洗操作是指清洗所述半导体衬底表面的半导体工艺过程中常规的杂质。

5.根据权利要求1或2所述的降低半导体表面磷浓度的方法，其特征在于，所述氢气流量F，3000cm³/min≤F≤5000cm³/min。