專利名稱：：一種用于n型硅外延片電阻率測量前的表面熱處理工藝的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種N型外延片表面熱處理方法，是電容電壓(C-V法)測量外延片電阻率前的預處理工藝。通過本工藝使得影響測量精度和重復性的表面態得以消除，使得c-v電阻率測量儀測量更加準確、快捷。
背景技術：
：隨著集成電力技術的飛速發展，硅外延技術在集成電路制造中越來越重要。硅外延技術是通過化學氣象沉積等方法在硅襯底上沉積一層厚度、電阻率均勻可控的硅單晶層。其中外延層厚度和電阻率是外延工藝控制中的兩個關鍵因素。外延層電阻率的測量可以通過四探針法、擴展電阻法、以及MOSC-V法(金屬-氧化物-半導體結構電容電壓法)獲得，其中MOSC-V法在外延生產中最為普遍使用。MOSC-V法是利用硅片的MOS結構(金屬_氧化物_半導體)，在外加電壓下產生充電放電的電容特性，以及電容特性和摻雜濃度分布的關聯關系進行測試。在測試時通過外加電壓和相應電容變化關系推算出測試摻雜濃度的深度分布。目前使用的MOSC-V法電阻率測試儀主要有汞C-V法和無接觸C-V法，這兩種方法都需要對測試外延片做表面處理，使得表面生成一層不超過40A的均勻氧化層。但是經過外延生長硅片，由于外延生長中氫氣氣氛的保護作用，氫原子和懸掛鍵占據了硅片的整個表面。經過不同時間的放置后，表面吸附的氫原子會被環境中的氧替代會生成一層氧化膜，但是氧化膜和懸掛鍵分布在整個硅片表面分布并不均勻。外延片表面懸掛鍵、自然氧化層厚度都會影響測量的電阻率值。其中懸掛鍵會隨著在外加電壓的變化呈現受主態或者施主態，影響獲得的電容值。硅片表面的氧化層的厚度、致密性也會影響C-V曲線。因此N型外延片測量前的表面處理是必須的。通用的表面處理工藝是濕法處理，在半導體行業內通用的清洗機都可以完成本處理，具體處理步驟為1.在10:1的HF溶液中浸泡10秒，以去除表面的自然氧化層。2.在去離子水中清洗10分鐘。3.在90°C的雙氧水中浸泡10分鐘。4.在去離子水中清洗10分鐘后干燥。這種傳統的處理方法一般會受到清洗機性能、干燥工藝和硅片直徑的限制，因為處理的中可能帶來顆粒沾污和干燥不完全的問題。特別是對于大直徑硅片，特別需要高性能的清洗機以保證處理后表面的質量。測試位置的顆粒沾污會影響測量的精度，換可能導致無接觸c-v測量探頭的擊穿。使用無接觸c-v法測量時，探頭和硅片表面距離只有幾個微米，表面顆粒可能將探頭和硅片短路，而導致探頭擊穿。處理后硅片表面干燥的工藝也至關重要，沒有干燥好的硅片表面會出現類似顆粒的水漬，也會影響測量的效果。因此有必要提出一種新的處理方法來處理硅片表面，以滿足c-v法測量的要求。
發明內容本發明目的是提供一種用于N型硅外延片電阻率測量前的表面熱處理工藝，該工藝可以降低N型硅外延片表面界面態密度，獲得致密均勻分布的表面自然氧化層，在使用C-V電阻測試方法測試外延片時，得到更準確的結果。為達到上述發明采用以下技術方案(1)、將硅片裝入爐腔；(2)、以氮氣置換系統，抽真空；(3)、加熱升溫至400-600°C;(4)、恒溫，通入氮氣、氧氣和水蒸氣，該水蒸汽以氮氣為載氣；在恒溫過程中引入紫外線光，使得氣氛中的氧氣生成化學活性很強的臭氧(5)、降溫。所述的升溫速度是10-30°C/s。恒溫過程中氮氣和氧氣的流量比為6:1到12:1。恒溫的時間是5-10分鐘。所述的降溫速度是10-30°C/s，降溫到80-40°C。本發明提供一種低溫熱處理工藝，通過在氮氣、氧氣、水汽的混合氣氛下處理硅片表面獲得致密的自然氧化膜，同時降低表面懸掛鍵、氫鍵的密度。本發明需要的熱處理爐類似與半導體行業通常使用的快速熱處理爐。其硅片傳輸設計、氣體流量控制設計、冷卻水設計、加熱控制設計、尾氣設計和單片處理設計等與一般快速退火爐類似。專利使用的爐子就是在快速熱處理爐上改造的，主要是使用了可以透過紫外光的石英玻璃腔體，以及增加了紫外燈管。N型熱處理工藝處理后的硅片不僅可以通過無接觸C-V測試，而且可以在汞C-V上測試，且在氣氛中加入了水汽。其具體特點為1、爐腔為石英玻璃制造。同時材質上選擇能同時穿透紫外線(波長150nm-290nm)和紅外光的石英玻璃。2、在石英爐腔外安裝紅外加熱燈和紫外燈。在加熱時光波透過爐腔對硅片直接加熱，伴隨有紫外線進入爐腔。當紫外線照射在爐腔內和氧氣反應生產臭氧，可以加速表面氧化膜的生成。3、單獨的一路管路可以通入水汽。水汽是在鼓泡器內經過氮氣氣化后，由有氮氣攜帶通入。相對通用的"濕法處理"工藝，本發明具有以下優點1、耗時較短，由于電阻率的測量一般在外延工藝的調試前期，和外延工藝日常生產的質量控制，過長的表面處理時間會導致獲取電阻率信息的滯后。2、本工藝處理的目的只是將自然氧化層致密化，同時消除表面的懸掛鍵。經過本工藝處理的硅外延片，在環境中放置超過6小時后，其熱處理效應自然消除，表面狀態和處理前相差無幾。因此本工藝處理后使用的有效期為6小時。經過本專利處理后的硅片表面基本不會增加顆粒。3、本工藝不受硅片表面的原始狀態的限制，經過本工藝處理的硅片表面氧化層的性能基本一致。4、本工藝適用與所有直徑的硅片，只要有合適的熱處理爐即可。圖la為退火過程中的加溫曲線圖lb為氣體流量曲線圖2為鼓泡器結構圖具體實施例方式整個退火過程需要氮氣保護，當硅片被載入爐腔后，需要氮氣置換和抽真空，將爐腔內的空氣置換。完成氣體置換后以10-30°C/s升溫速度升溫到400-60(TC恒溫，恒溫過程中需要通入氮氣、氧氣和水汽。恒溫過程中氮氣和氧氣的流量比為6:1到12:l，這里氮氣的比例包含攜帶水汽的氮氣含量。在恒溫過程中，紫外燈開啟，入射到爐腔的紫外線和氣氛中的氧氣反應生成臭氧。臭氧可以加速表面自然氧化膜的生成和致密化。恒溫一定時間后，以10-30°C/s降溫速度降溫到8(TC。恒溫時間和氣氛中氮氧比例主要取決與恒溫溫度，60(TC的恒溫溫度一般采用5分鐘的恒溫時間，而40(TC的恒溫時間約10分鐘。氮氧比例同樣取決與恒溫溫度，高溫下要降低氧氣的比例，低溫下要增加氧氣的比例。圖2為鼓泡器結構圖，由于水不易揮發，因此鼓泡器的結構比較簡單。氣氛中通入水汽的量主要由五個參數決定氮氣的管路的管徑、氮氣流量和氮氣壓力、及鼓泡器內純水的溫度。在工藝中使用5mm的氮氣管路，在60psi的壓力下，以3slm的流量通入鼓泡器。由于鼓泡器放置在超凈間(超凈間內溫度很穩定，一般在20-26°C內)，因此鼓泡器不需要相關恒溫措施。同時為保持氮氣和氧氣的比例，要考慮用去氣化純水的氮氣的量。在恒溫過程中，通入水汽后，氣氛中的水蒸汽可以有效的消除N型外延片表面的電荷密度，而事實上N型表面也更容易吸附環境中的電荷。在恒溫過程中恒溫一定時間后，以10-30°C/s降溫速度降溫到80°C。恒溫時間和氣氛中氮氧比例主要取決與恒溫溫度，60(TC的恒溫溫度一般采用5分鐘的恒溫時間，而40(TC的恒溫時間約IO分鐘。氮氧比例同樣取決與恒溫溫度，高溫下要降低氧氣的比例，低溫下要增加氧氣的比例。圖.1所示為退火過程中的加溫曲線和氣體流量曲線。熱處理的目的是將硅片表面的氫鍵和懸掛鍵去除，獲得穩定厚度一致的氧化薄層。氣氛中的氧氣在紫外光的作用下生成更具有活性的臭氧，在臭氧和氧氣的共同作用下，硅片表面被氧原子吸附，形成薄層Si(^。在實際應用中，需要控制自然氧化膜的厚度和均勻性，過厚的氧化膜也或導致測量結果的偏離。經過處理的外延片表面氧化層厚度為10-35A，可以通過橢偏儀來測試自然氧化膜的厚度和均勻性。在實際生產中，只要設定好恒溫溫度、恒溫時間和氮氧比例即可保證獲得可重復的表面自然氧化層厚度，和均勻性。實施例1取三片電阻率不同的N型外延片，在一級潔凈環境中放置6小時后，使用無接觸c-v法測量外延片的電阻率并記錄。將這些外延片做表面處理后再次測量電阻率。表面處理的工藝為升溫速率15°C/s，恒溫溫度為500°C，恒溫時間為6分鐘，降溫速率為30°C/s。在恒溫開始時通入IO:1的氧氣，降溫時氮氣的流量為20slm。電阻率測量位置為硅片中心位置(0，0)，和半徑l/2處4點(0，75)、(0，-75)(75，0)，(-75，0)。對比表.1中處理前后的測試結果，可以發現處理前的測試結果偏差較大，特別是半徑1/2的四個點的測試結果，理論上這幾個點的測試結果應該非常相近。而處理后的測試結果相對更為接近，能夠體現實際的測量值。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權利要求一種用于N型硅外延片電阻率測量前的表面熱處理工藝，其特征在于它包括以下步驟(1)、將硅片裝入爐腔；(2)、以氮氣置換系統，抽真空；(3)、加熱升溫至400-600℃；(4)、恒溫，通入氮氣、氧氣和水蒸氣，該水蒸汽以氮氣為載氣；在恒溫過程中引入紫外線光，使得氣氛中的氧氣生成臭氧，促進表面自然氧化膜的生成。(5)、降溫。2.根據權利要求1所述的一種N型硅單晶外延片表面熱處理工藝，其特征在于所述的升溫速度是10-30°C/s。3.根據權利要求1或2所述的一種N型硅單晶外延片表面熱處理工藝，其特征在于恒溫過程中氮氣和氧氣的流量比為6:1到12:1。4.根據權利要求1或2或3所述的一種N型硅單晶外延片表面熱處理工藝，其特征在于恒溫的時間是5-10分鐘。5.根據權利要求1或2或3或4所述的一種N型硅單晶外延片表面熱處理工藝，其特征在于所述的降溫速度是10-30°C/s，降溫到80-40°C。全文摘要一種用于N型硅外延片電阻率測量前的表面熱處理工藝，它包括以下步驟(1)將硅片裝入爐腔；(2)以氮氣置換系統，抽真空；(3)加熱升溫至400-600℃；(4)恒溫，通入氮氣、氧氣和水蒸氣，該水蒸汽以氮氣為載氣；在恒溫過程中引入紫外線光，使得氣氛中的氧氣生成臭氧，促進表面自然氧化膜的生成；(5)降溫。本發明的優點是耗時較短，由于電阻率的測量一般在外延工藝的調試前期，和外延工藝日常生產的質量控制，過長的表面處理時間會導致獲取電阻率信息的滯后，本工藝處理的目的只是將自然氧化層致密化，同時消除表面的懸掛鍵。經過本工藝處理的硅外延片，在環境中放置超過6小時后，其熱處理效應自然消除，經過本專利處理后的硅片表面基本不會增加顆粒，本工藝不受硅片表面的原始狀態的限制。文檔編號H01L21/02GK101728262SQ200910241668公開日2010年6月9日申請日期2009年11月30日優先權日2009年11月30日發明者何自強,馮泉林,常青,庫黎明,葛鐘,閆志瑞,陳海濱申請人:北京有色金屬研究總院;有研半導體材料股份有限公司