專利名稱：具有缺陷祛除區(qū)的半導(dǎo)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有缺陷祛除區(qū)(DZ)的半導(dǎo)體，特別是在這種具有外形對準(zhǔn)的缺陷祛除區(qū)的半導(dǎo)體中形成的電子器件。
如工藝中所知，現(xiàn)在Czochralski-grown(CZ)硅襯底被用來制造半導(dǎo)體器件。這些CZ-grown硅襯底一般有25-35ppma(個(gè)每百萬原子)的氧氣，全部是填隙的，即位于硅晶格點(diǎn)之間。這種氧含量是在一種與工藝有關(guān)的方式中由于使用石英工件(如Czochralski拉單晶用的坩鍋)而被引入到半導(dǎo)體材料的。此含氧量總的來說是人們想要的，因?yàn)樗鼮榫Ц裰械碾s質(zhì)提供了晶格缺陷成核中心。作為集中殘留雜質(zhì)的一個(gè)結(jié)果，這些成核中心產(chǎn)生一種名為“內(nèi)部收氣”的純化效果。但是，這種含氧量只在半導(dǎo)體晶片內(nèi)部才有用。在晶片表面區(qū)域，也就是形成電子器件的區(qū)域，這些氧氣中心造成相當(dāng)?shù)臄_動。特別是，作為用以形成器件的處理步驟，即外延、摻雜，氧化和熱處理的結(jié)果，這些氧氣中心有加速形成并最終引起應(yīng)力的趨勢，反過來導(dǎo)致電子器件的失效。所以最好使用有幾個(gè)μm厚的氧氣耗盡表面區(qū)(即缺陷祛除區(qū))的晶片。產(chǎn)生缺陷祛除區(qū)的方法早已為人所知。例如，在惰性氣體環(huán)境下將硅片在爐中(如溫度在1000℃-1200℃之間)熱處理(即煺火)，可使氧氣擴(kuò)散到表面外。經(jīng)過1000℃約5小時(shí)的一段時(shí)間，只靠將氧氣擴(kuò)散出去可得到的缺陷祛除區(qū)層厚度大于10μm(Huber，D；Reffle，J.Solid State Techn.26(8)，1983，page183)。其他產(chǎn)生缺陷祛除區(qū)的方法中包括采用外延層。在兩種情況下(即熱煺火和外延層)，DZ基本上平行于硅晶片的表面。與DZ相鄰的是有缺陷、含氧、內(nèi)部有由氧產(chǎn)生的收氣點(diǎn)的區(qū)域。DZ必須足夠深以至于后來形成的電子器件不會延伸到缺陷區(qū)。另一方面，DZ又應(yīng)該盡可能淺以使內(nèi)部收氣點(diǎn)離電子器件足夠近從而提供足夠的收氣效率給晶體缺陷，如氧氣沉淀、位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、粘污，如金屬鐵、銅、鎳、鉻等，這些都有可能存在于器件區(qū)。
如工藝中所知，一種在半導(dǎo)體中形成的電子器件是動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)。有一種DRAM用溝道電容器儲存電荷。為降低器件表面尺寸從而與疊片電容器相比提高集成密度，溝道電容器在硅晶片表面垂直形成。一個(gè)典型的溝道電容器可以有7-8μm深。為了避免器件性能下降或者器件完全失敗，接近包含晶體管和溝道電容器的晶片表面的整個(gè)區(qū)域必須完全沒有前面提到的晶體缺陷。
如工藝中所知，以目前用以形成平行于晶片表面的DZ的技術(shù)，氧氣沉淀速率在晶片內(nèi)并不是完全一致的。局部的DZ深度對于同一晶片的不同點(diǎn)及不同晶片是按統(tǒng)計(jì)分布的。特別地，接近晶片邊緣處的初始氧氣濃度一般高于接近晶片中心的。例如，如果選擇DZ深度為10μm以容納一個(gè)8μm的溝槽電容器，在晶片的某些位置，尤其是接近晶片邊緣的位置，DZ將很有可能小于8μm。這將在溝道結(jié)構(gòu)的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)過程中產(chǎn)生尖峰，或者在溝道附近形成導(dǎo)致電極介質(zhì)(即作為溝道襯里和被置于溝道中的用來形成電容的一個(gè)電極或板的摻雜多晶硅和被用來形成電容第二個(gè)電極的溝道的電介質(zhì)襯里分開的硅襯底的摻雜區(qū)二者之間的電介質(zhì))質(zhì)量下降的缺陷。如果缺陷，例如氧沉淀和位錯(cuò)環(huán)，離充電的溝道電容器太近，可以產(chǎn)生電荷泄漏，導(dǎo)致DRAM單元中的溝道電容的記憶時(shí)間顯著的下降。
再者，按照目前的技術(shù)為了在CZ晶片上用高溫外擴(kuò)散方法形成DZ需要相對大的熱預(yù)算(即高的溫度和長的煺火時(shí)間)。例如，對于一個(gè)有30ppma初始填隙氧濃度的CZ晶片，形成一深約為10μm的DZ需要在1150℃約一小時(shí)的熱處理，而形成一深約20μm的DZ至少需要大約4-5小時(shí)。并且，因?yàn)樘钕堆鯕鉂舛葐握{(diào)隨著距表面的深度增加，氧氣微沉淀的數(shù)量也隨著深度增加，此氧氣微沉淀如果太靠近如晶體管或電容器這樣的電子器件，也會降低器件的性能。換句話說，DZ的質(zhì)量隨著距晶片表面的深度的增加而降低。
DZ最初幾個(gè)微米的質(zhì)量主要是為了形成DZ而進(jìn)行的熱處理過程中表面情況的結(jié)果。在氫氣中煺火或者在惰性氣體環(huán)境下煺火(要更長的煺火時(shí)間)可以使晶片表面的氧濃度低于1ppma。一種典型的處理是在純氫中在1200℃煺火一小時(shí)，產(chǎn)生一約20μm深的DZ；然而，這種處理的花費(fèi)相對太高了。一種與距表面深度無關(guān)的形成高質(zhì)量DZ的方法是在DZ硅表面生長硅的外延層，如在一p型硅襯底上生長一p-型外延層，或者在一n型硅襯底上生長一n-型外延層。在外延層里，總氧濃度一般低于2ppma，與之對照，未煺火的CZ硅襯底一般為30ppma。因?yàn)橹圃焱庋訉雍穸却笥?-3μm的晶片造價(jià)昂貴，這種晶片很少用于器件生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的CZ晶片相比，生產(chǎn)有2-3μm厚外延層的晶片的額外花費(fèi)仍然相當(dāng)高。在這種情況下，在器件生長過程中來自CZ襯底的氧仍會擴(kuò)散進(jìn)外延層中，從而靠近晶片表面的DZ的質(zhì)量不會明顯好于，比如，氫氣煺火的晶片。再者，外延層越厚，收氣點(diǎn)離開器件有源區(qū)越遠(yuǎn)。就是說，最好外延層中的吸氣點(diǎn)正好位于形成有源器件的有源區(qū)的下面。外延層越厚，吸氣點(diǎn)離開有源區(qū)越遠(yuǎn)。厚的外延層也使位錯(cuò)傳播更容易，這將導(dǎo)致減低產(chǎn)率，如果外延層太厚的話。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種處理半導(dǎo)體襯底以在其內(nèi)形成缺陷祛除區(qū)的方法。該方法包括提供了與其表面相鄰的一襯底區(qū)域內(nèi)有氧含量的半導(dǎo)體襯底。在襯底表面形成溝道，其側(cè)壁穿過含氧區(qū)，其底部終止于含氧區(qū)。形成溝道后，溝道的側(cè)壁和底部被處理以減少在與這些側(cè)壁和底部相鄰的區(qū)域內(nèi)的氧含量并在溝道的側(cè)壁和底部附近形成缺陷祛除區(qū)。
根據(jù)這種方法，溝道的側(cè)壁和底部被施以氧含量降低處理，從而形成直接與這些側(cè)壁和底部相鄰的缺陷祛除區(qū)，從而產(chǎn)生一外形對準(zhǔn)的DZ(即DZ遵從溝道的輪廓)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，所述降低步驟包括加熱襯底以減低區(qū)域內(nèi)的氧含量。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，提供了一種處理半導(dǎo)體襯底以在其內(nèi)形成缺陷祛除區(qū)的方法。該方法包括提供在其表面置有一外延層的半導(dǎo)體襯底，這個(gè)襯底在與其相鄰表面的區(qū)域含有氧。在襯底表面形成一溝道。形成溝道后，在該區(qū)域內(nèi)的氧含量被減少。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，提供了一種處理半導(dǎo)體以在其內(nèi)形成缺陷祛除區(qū)的方法。該方法包括提供在與其表面相鄰的一個(gè)襯底區(qū)域內(nèi)有氧含量的半導(dǎo)體襯底。氧含量在該區(qū)域的第一部分內(nèi)被減少，此該區(qū)域的第一部分與襯底相鄰。溝道形成之后，在溝道底部下面區(qū)域的一部分內(nèi)的氧含量被減少。
參閱附圖和下面詳細(xì)的說明，本發(fā)明的這些以及其他特點(diǎn)將更容易看清楚。附圖包括

圖1A至1C是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，一個(gè)在其內(nèi)具有氧含量的半導(dǎo)體襯底在其制造從而形成周圍有祛除區(qū)的溝道的不同階段的剖面圖1D是根據(jù)本發(fā)明可以用來形成祛除區(qū)的工藝的溫度-時(shí)間曲線；圖2是有溝道電容的DRAM單元的剖面圖，此單元在電容周圍有一祛除區(qū)，此區(qū)域根據(jù)本發(fā)明形成；圖3A至3C是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，一個(gè)在其內(nèi)具有氧含量的半導(dǎo)體襯底在其制造從而形成周圍有祛除區(qū)的溝道的不同階段的剖面圖；圖4A至4C是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，一個(gè)在其內(nèi)具有氧含量的半導(dǎo)體襯底在其制造從而形成周圍有祛除區(qū)的溝道的不同階段的剖面圖。
圖1A顯示了半導(dǎo)體襯底10，此處是Czochralski-grown硅晶片形成的硅襯底。要指出的是，襯底10在與該襯底上表面相鄰的襯底的區(qū)域內(nèi)有一氧濃度。
接著，如圖1B所示，采用任何傳統(tǒng)的光刻和溝道刻蝕方法，溝道14被刻蝕進(jìn)襯底10的上表面。要指出的是溝道14有穿過含氧區(qū)的側(cè)壁18和終止于含氧區(qū)的底部20。在此，溝道14的底部20位于距襯底10的上表面16為7-8μm的深度。
特別地，采用傳統(tǒng)方法，二氧化硅(填充氧化物)層19在硅襯底10的表面之上形成。然后填充氮化硅層21在二氧化硅層19之上形成。硬掩膜(如BSG或TEOS)，沒有畫出，被淀積在氮化硅層之上。防反射敷層(ARC)，沒有畫出，在硬掩膜之上形成。光刻膠，沒有畫出，施于ARC之上并光刻制版，在溝道14要被刻蝕的地方形成窗口。然后溝道被刻蝕進(jìn)硬掩膜，然后光刻膠被剝離。刻蝕過的硬掩膜被用作使溝道14刻蝕進(jìn)硅10的掩膜。接著用濕法刻蝕將硬掩膜剝離。得到的結(jié)構(gòu)如圖1B所示。
接著，即溝道14形成以后，該溝道被處理以形成缺陷祛除區(qū)22和缺陷區(qū)24來提供內(nèi)部收氣。就是說，溝道14的側(cè)壁18和底部20被處理以減少與側(cè)壁18和底部20相鄰的DZ區(qū)22中的氧含量，并且如圖1C指出的，DZ22與溝道14的側(cè)壁18和底部20相鄰，缺陷區(qū)24與DZ22相鄰。就是說，DZ22位于溝道14的側(cè)壁18和底部20附近。以這種方法，對溝道14的側(cè)壁18和底部20進(jìn)行祛除氧氣處理以形成直接與此側(cè)壁18和底部20相鄰的祛除區(qū)(DZ)22由此產(chǎn)生外形對準(zhǔn)的DZ22(即DZ22遵從溝道的輪廓)。
特別地，此處采用分層式烘爐、傳統(tǒng)或者最好是快速熱處理，在氫氣或氮?dú)饣驓鍤猸h(huán)境下，對襯底10加熱以產(chǎn)生約3-5μm的DZ22，溫度為1000℃，時(shí)間為30分鐘，溫度上升速率例如為每分鐘70℃。另一個(gè)例子采用典型的快速熱處理(RTP)過程，如在氬氣，氫氣或氮?dú)猸h(huán)境下，在1100℃-1200℃加熱2分鐘。任何其他產(chǎn)生DZ22的方法都可采用。在任一情況下，要指出的是因?yàn)闇系?4的側(cè)壁18和底部20是直接暴露于熱處理的，所以DZ22是沿著(即相鄰于)側(cè)壁18和底部22形成的，從而提供了如下好處(1)由于形成DZ22的工藝的更低的熱預(yù)算導(dǎo)致造價(jià)降低，即更短的煺火時(shí)間，更低溫度和與晶片10相比形成溝道14增加的表面區(qū)域。(2)外形對準(zhǔn)的DZ22和因此即使在溝道14的底部也高質(zhì)量的無缺陷區(qū)DZ22；更好的節(jié)點(diǎn)介質(zhì)可靠性，減低了從溝道14的電荷泄漏(這對薄節(jié)點(diǎn)介質(zhì)(＜5nm厚)尤為重要)；刻蝕溝道后的煺火既移走了來自于刻蝕的粘污和損傷也將氧擴(kuò)散掉導(dǎo)致消除了在將要形成節(jié)點(diǎn)介質(zhì)的溝道表面的與氧有關(guān)的微缺陷；并且，(3)更有效的內(nèi)部收氣，因?yàn)槭諝恻c(diǎn)離有源器件(如晶體管)更近(但仍有足夠的距離)；并且，特別是更好的柵氧化完整度。
如上面指出的，采用分層式烘爐、傳統(tǒng)熱處理或者最好是快速熱處理，在氫氣或氮?dú)饣驓鍤猸h(huán)境下，對襯底10加熱可以形成約3-5μm的DZ22，溫度為1000℃，時(shí)間為30分鐘，溫度上升速率例如為每分鐘70℃。此DZ22形成之后，沉淀成核和生長煺火可在同一爐中進(jìn)行。于是，參見圖1D，給出了溫度-時(shí)間曲線。就是說，DZ22形成之后，可進(jìn)行兩步或多步煺火，先是氧在較低溫度如低于800℃成核，然后在更高溫度如1000℃增長氧沉淀。
首先，以每分鐘50℃的速率升爐溫至1000℃形成DZ22。維持1000℃溫度30分鐘。然后對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧沉淀成核處理。特別地，爐溫接著降至550℃維持60分鐘，然后以每分鐘5-10℃的速率升至700℃。接著進(jìn)行沉淀生長處理，爐溫以每分鐘5-10℃的速率從700℃升至1000℃并維持1-5小時(shí)。任選地，沉淀可以在后面的淀積和煺火/氧化過程中或者氮化過程中自動形成。
然后該結(jié)構(gòu)以任何傳統(tǒng)方式處理以形成溝道電容器DRAM單元，例如，在圖2中DZ22和缺陷區(qū)24之間的點(diǎn)線26所指的邊界所示。
現(xiàn)在參見圖3A，在此提供了如同在圖1A中所示的襯底10的CZ襯底10。但是，此處襯底10有一在上表面16之上形成的外延層30。在此外延層30的厚度為0.5-3μm，其包含小于1ppma的氧，因而提供了高質(zhì)量的淺DZ(即優(yōu)異的柵氧化完整度)。
接著，如圖3B所示，采用與圖1A-1C相聯(lián)系的任何傳統(tǒng)光刻處理方法，溝道14被刻蝕穿過外延層30進(jìn)入到襯底10的上表面16。要指出的是溝道14再次有穿過含氧區(qū)的側(cè)壁18和終止于含氧區(qū)的底部20。在此，又一次溝道14的底部20位于距襯底10的上表面16為7-8μm的深度。
接著，即溝道14形成以后，該溝道被處理以形成缺陷祛除區(qū)22和缺陷區(qū)24來提供內(nèi)部收氣。就是說，溝道14的側(cè)壁18和底部20被處理以減少與側(cè)壁18和底部20相鄰的DZ區(qū)22中的氧含量，并且如圖3C指出的，DZ22與溝道14的側(cè)壁18和底部20相鄰，缺陷區(qū)24與DZ22相鄰(點(diǎn)線26指出了DZ22和區(qū)域24之間的邊界)。要指出的是在淀積外延層之前除去自然氧化物所需的高溫氫氣預(yù)處理會在CZ襯底10形成額外的DZ，并溶解小的氧沉淀，否則這些小的氧沉淀在后面的處理步驟中將增長并且可能在溝道刻蝕中引起尖峰。
現(xiàn)在參見圖4A，在此提供了如同在圖1A中所示的襯底10的CZ襯底10。然而，在此襯底10被加工以在沿著在其內(nèi)的上表面形成淺DZ32。例如，采用上升速率為每分鐘20℃-100℃，溫度為1000℃在氮?dú)饣蜓鯕庵徐栈?0分鐘。1000℃30分鐘或許也足以產(chǎn)生淺DZ32，但在氫氣或氫氣中煺火將導(dǎo)致在襯底10的表面16更低的氧含量和更好的柵氧化完整度。如果在氫氣或氬氣環(huán)境下進(jìn)行此第一次祛除煺火將在溝道刻蝕中避免尖峰形成方面有類似的效果，并且與采用外延層30(圖3A-3D)相比花費(fèi)明顯減少。再者，它消除了在硅外延層30和襯底10之間的界面處形成位錯(cuò)的危險(xiǎn)。
接著，如圖4B所示，采用與圖1A-1C相聯(lián)系的任何傳統(tǒng)光刻處理方法，溝道14被刻蝕穿過第一個(gè)淺DZ36進(jìn)入下面的襯底10的部分。要指出的是溝道14再次有穿過含氧區(qū)的側(cè)壁18和終止于含氧區(qū)的底部20。在此，又一次溝道14的底部20位于距襯底10的上表面16為7-8μm的深度。
接著，即溝道14形成以后，該溝道被處理以形成第二個(gè)缺陷祛除區(qū)22和缺陷區(qū)24來提供內(nèi)部收氣。就是說，溝道14的側(cè)壁18和底部20被處理以減少與側(cè)壁18和底部20相鄰的DZ區(qū)22中的氧含量，并且如圖4C指出的，DZ22與溝道14的側(cè)壁18和底部20相鄰，缺陷區(qū)24與DZ22相鄰，點(diǎn)線26指出了在它們之間的邊界。
要指出的是在形成溝道14之后進(jìn)行煺火的情況下，這些煺火也將移走來自于溝道刻蝕的損傷和粘污。因此，例如氫氣或氫氣這些環(huán)境氣體優(yōu)于例如氮?dú)饣蜓鯕膺@些環(huán)境氣體，后者不會移走自然氧化物和粘污。
其他實(shí)施方案包括在附加要求的精神和范圍之內(nèi)。例如，隨著在制造現(xiàn)代器件中繼續(xù)降低熱預(yù)算，熱處理步驟可能不足以為有效內(nèi)部收氣生長足夠數(shù)量的沉淀。所以，沉淀成核的步驟可以是先在550℃進(jìn)行1小時(shí)，然后在700℃進(jìn)行1小時(shí)。接著的生長步驟可在氮?dú)庵性?000℃進(jìn)行3小時(shí)。進(jìn)一步，采用可選擇的沉淀成核和生長，或者在后繼器件制造的熱處理過程中進(jìn)行沉淀的成核和生長，二者任選其一，在按照傳統(tǒng)加工完單元后，有外形對準(zhǔn)的祛除區(qū)的溝道電容器DRAM單元就制成了。
權(quán)利要求
1.一種處理在與其表面相鄰的一襯底區(qū)域內(nèi)有氧含量的半導(dǎo)體襯底的方法，包括在該襯底的表面形成溝道；及溝道形成之后，在該區(qū)域內(nèi)減低氧的含量。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，包括由加熱襯底以減少該區(qū)域內(nèi)的氧含量構(gòu)成的所述減少步驟。
3.權(quán)利要求2中所述的方法，其中，溝道形成步驟包括穿過該區(qū)域形成溝道，減少步驟包括在溝道的底部之下的區(qū)域內(nèi)減少氧含量。
4.權(quán)利要求3中所述的方法，包括由加熱襯底以減少在溝道的底部下面的區(qū)域內(nèi)的氧含量構(gòu)成的減少步驟。
5.權(quán)利要求1中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
6.權(quán)利要求2中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
7.權(quán)利要求3中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
8.權(quán)利要求4中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
9.權(quán)利要求1中所述的方法，另外包括在形成溝道之前在該區(qū)域的第一部分內(nèi)減少氧含量，此與襯底相鄰的區(qū)域的第一部分及在那里第一次提到的氧減少是在溝道底部下面區(qū)域的一部分之內(nèi)。
10.權(quán)利要求9中所述的方法，包括由加熱襯底以減少該區(qū)域內(nèi)的氧含量構(gòu)成的減少步驟。
11.權(quán)利要求10中所述的方法，其中，溝道形成步驟包括穿過該區(qū)域形成溝道，減少步驟包括在溝道的底部之下的區(qū)域內(nèi)減少氧氣含量。
12.權(quán)利要求11中所述的方法，包括由加熱襯底以減少在溝道的底部下面的區(qū)域內(nèi)的氧含量構(gòu)成的減少步驟。
13.權(quán)利要求9中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
14.權(quán)利要求10中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
15.權(quán)利要求11中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
16.權(quán)利要求12中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
17.一種處理半導(dǎo)體襯底以在其內(nèi)形成缺陷祛除區(qū)的方法，此方法包括提供在與其表面相鄰的一襯底區(qū)域內(nèi)有氧含量的半導(dǎo)體襯底；在襯底的表面形成溝道，溝道的側(cè)壁穿過含氧區(qū)，溝道的底部終止與含氧區(qū)；及在溝道形成之后，處理溝道的側(cè)壁和底部部分以減少與此側(cè)壁和底部相鄰的區(qū)域內(nèi)的氧含量。
18.權(quán)利要求17中所述的方法，包括由加熱襯底以減少該區(qū)域內(nèi)的氧含量構(gòu)成的所述減少步驟。
19.權(quán)利要求17中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
20.權(quán)利要求18中所述的方法，包括在形成溝道之前形成外延層。
21.權(quán)利要求17中所述的方法，另外包括在形成溝道之前在該區(qū)域的第一部分內(nèi)減少氧含量，此區(qū)域的第一部分與襯底相鄰及在那里第一次提到的氧減少是在溝道底部下面區(qū)域的一部分之內(nèi)。
全文摘要
一種處理半導(dǎo)體襯底以在其內(nèi)形成缺陷祛除區(qū)的方法。該方法包括提供在與其表面相鄰的一個(gè)襯底區(qū)域內(nèi)有氧含量的半導(dǎo)體襯底。溝道形成于該襯底的表面。溝道形成之后，在該區(qū)域內(nèi)減少氧的含量。
文檔編號H01L21/8242GK1239317SQ9910719
公開日1999年12月22日 申請日期1999年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月9日
發(fā)明者M·施雷姆斯 申請人:西門子公司