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CN111916347B - 一种用于soi片的磷扩散掺杂方法 - Google Patents

一种用于soi片的磷扩散掺杂方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，包括在所述SOI片的表面生长一层氧化层；对所述氧化层进行光刻和刻蚀，形成扩散阻挡层；对所述SOI片进行液态磷扩散掺杂；去除所述SOI片表面上的磷硅玻璃和扩散阻挡层；清洗SOI片表面，并在该SOI片表面淀积二氧化硅保护层；对SOI片表面进行推结工艺得到液态磷的扩散深度；去除SOI片表面的二氧化硅保护层；采用液态磷源POCl3在SOI片上进行液态磷扩散掺杂，能够获得较高的掺杂浓度，并且可以有效降低掺杂过程中SOI片表面形成的磷硅玻璃的厚度，避免顶层硅出现龟裂的现象，同时扩散掺杂后对SOI片的表面进行推结工艺处理，使得掺杂后的SOI片具有较高的掺杂浓度和扩散深度。

Description

一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法
技术领域
本发明涉及半导体制造掺杂方法技术领域，特别是涉及一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法。
背景技术
光子集成一般是在SOI片上进行器件的制作，其制作工艺需要在顶层硅上进行区域性的磷掺杂，并且要求具有较高掺杂浓度和掺杂深度。常规的大束流注入仅能满足较高的掺杂浓度，不能满足较高的掺杂深度；而高能注入又仅能满足较高的掺杂深度，不能满足较高的掺杂浓度；因此，实际工艺中常采用固态磷扩散的方法来进行工艺制作。
常规的SOI片上的固态磷扩散掺杂结构示意图如图1所示。常规的磷扩散掺杂工艺制作流程为在SOI片上生长氧化层后进行扩散阻挡层制作。通过固态磷源对目标区域进行磷扩散掺杂，为获得高的掺杂浓度和扩散深度，磷扩散掺杂需要经过高温度和长时间，在扩散扩散掺杂区域会形成较厚的磷硅玻璃，厚度约240nm，完成磷扩散掺杂后去除磷硅玻璃和去除扩散阻挡层。
常规的工艺制作流程，由于固态磷源片的成分主要为P2O5，其氧元素含量高使得形成的磷硅玻璃较厚，进而产生较大的应力，同时，由于SOI片顶层硅较薄，机械强度较小，较厚的磷硅玻璃会使顶层硅产生较大的形变，在去除磷硅玻璃和扩散阻挡层后顶层硅常常会出现龟裂现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够减小磷硅玻璃厚度从而降低应力，避免顶层硅发生龟裂的用于SOI片的磷扩散掺杂方法。
为解决上述问题，本发明提供一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：提供一SOI片，并对该SOI片的表面进行清洗，得到待处理的SOI片；
步骤S2：在所述SOI片的表面生长一层氧化层；
步骤S3：对所述氧化层进行光刻和刻蚀，形成扩散阻挡层；
步骤S4：对所述SOI片进行液态磷扩散掺杂；
步骤S5：去除所述SOI片表面上的磷硅玻璃和扩散阻挡层；
步骤S6：清洗SOI片表面，并在该SOI片表面淀积二氧化硅保护层；
步骤S7：对SOI片表面进行推结工艺得到液态磷的扩散深度；
步骤S8：去除SOI片表面的二氧化硅保护层。
进一步的，所述待处理的SOI片的顶层硅厚度为0.5μm～4μm。
进一步的，在所述步骤S3中，扩散阻挡层的材料为SiO2，且该扩散阻挡层的厚度为200nm～400nm。
进一步的，在所述步骤S4中，进行液态磷扩散掺杂所采用的液态磷源为POCl3。
进一步的，在所述步骤S4中，液态磷的掺杂温度为800℃～1050℃，掺杂时间为10min～60min。
进一步的，在所述步骤S6中，淀积的二氧化硅保护层的厚度为150nm～300nm。
进一步的，在所述步骤S7中，所述推结工艺的推结温度为950℃～1100℃，推结时间为30min～100min。
进一步的，在所述步骤S5和步骤S8中，去除磷硅玻璃、扩散阻挡层和二氧化硅保护层所采用的腐蚀液为BOE腐蚀液。
本发明的有益效果：采用液态磷源POCl3在SOI片上进行液态磷扩散掺杂，其氧含量相对较少，能够获得较高的掺杂浓度，并且可以有效降低掺杂过程中SOI片表面形成的磷硅玻璃的厚度，进而减小顶层硅上的应力，避免顶层硅出现龟裂的现象；通过在SOI片表面制作扩散阻挡层，能够阻挡液态磷向非扩散掺杂区域扩散，以便于实现区域性的磷扩散掺杂；另外，在SOI表面淀积二氧化硅保护层并进行高温推结工艺处理，使得在获得较高的掺杂浓度的同时还能够获得较高的扩散深度。
附图说明
图1为采用固态磷扩散掺杂的结构示意图。
图2为本发明一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法的较佳的实施方式的流程图。
图3为本发明进行液态磷扩散掺杂的结构示意图。
图4为基于本发明的磷扩散掺杂的杂质浓度和扩散深度示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图2-3所示，本发明一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法的较佳的实施方式具体包括以下步骤：
步骤S1：提供一SOI片，并对该SOI片的表面进行清洗，去除SOI片表面的各种杂质，得到待处理的SOI片。
具体的，所述待处理的SOI片的顶层硅厚度为0.5μm～4μm；在清洗过程中，首先用硫酸溶液去除SOI片表面的油污，然后用HF溶液去除SOI片表面的自然氧化层，再用氨水溶液去除SOI片表面的颗粒杂质，最后用HCl去除SOI片表面的金属杂质，以得到表面洁净的待处理SOI片。在本实施方式中，所述待处理的SOI片的顶层硅厚度为3μm。
步骤S2：在所述SOI片的表面生长一层氧化层。
具体的，采用热氧化法在所述SOI片的表面生长一层氧化层，以对SOI片起到保护、绝缘以及缓冲的作用。在本实施方式中，生长的氧化层的厚度为300nm。
步骤S3：对所述氧化层进行光刻和刻蚀，形成扩散阻挡层。
具体的，在所述氧化层上光刻出扩散掺杂窗口，在该扩散掺杂窗口向下刻蚀出扩散掺杂区域，然后再刻蚀去除光刻区域的氧化层，以在扩散掺杂区域的四周形成扩散阻挡层，该扩散阻挡层用于阻挡掺杂的磷原子向非扩散掺杂区域扩散，以实现顶层硅上区域性的磷掺杂。所述扩散阻挡层的材料为SiO2，且该扩散阻挡层的厚度为200nm～400nm。
步骤S4：对所述SOI片进行液态磷扩散掺杂。
具体的，液态磷扩散掺杂所采用的液态磷源为POCl3，掺杂温度为800℃～1050℃，掺杂时间为10min～60min，POCl3在高温的作用下与氧气反应分解成P2O5，P2O5进一步与硅反应生成SiO2和磷原子，并在SOI片的表面形成一层磷硅玻璃，磷原子则通过扩散窗口向硅中扩散，实现磷原子掺杂。
步骤S5：去除所述SOI片表面上的磷硅玻璃和扩散阻挡层。
具体的，采用BOE腐蚀液去除SOI片表面上的磷硅玻璃和扩散阻挡层。
步骤S6：清洗SOI片表面，并在该SOI片表面淀积二氧化硅保护层。
具体的，再次对SOI片进行清洗，以去除SOI片表面的杂质，然后在SOI片的表面淀积厚度为150nm～300nm的二氧化硅保护层。在本实施方式中，淀积的二氧化硅保护层的厚度为200nm。
步骤S7：对SOI片表面进行推结工艺得到液态磷的扩散深度。
具体的，采用推结工艺将SOI片表面的磷原子推入扩散掺杂区域，以增加扩散掺杂区域磷原子的扩散深度和扩散浓度，同时防止SOI片表面因掺杂浓度过高在其表面形成死层，所述推结工艺的推结温度为950℃～1100℃，推结时间为30min～100min。在本实施方式中，所述推结温度为1050℃，推结时间为60min。
步骤S8：去除SOI片表面的二氧化硅保护层。
具体的，采用BOE腐蚀液去除SOI片表面的二氧化硅保护层，完成SOI片上的磷掺杂。
如表1所示，给出了采用液态磷进行扩散掺杂时SOI片表面产生的磷硅玻璃的厚度及顶层硅上应力测试结果。
Figure BDA0002631990530000061
表1
由表1可以看出，当掺杂温度为975℃、掺杂时间为30min时，产生的磷硅玻璃厚度为95nm，顶层硅上的应力为30MPa；当掺杂温度为900℃、掺杂时间为25min时，产生的磷硅玻璃厚度为78nm，顶层硅上的应力为26MPa；较现有的固态磷扩散掺杂产生的磷硅玻璃厚度明显降低，顶层硅上的应力也大幅减小，能够有效避免顶层硅上出现龟裂现象。图4给出了本发明采用液态磷扩散掺杂时的杂质浓度和扩散深度的关系示意图，由此可以看出，采用本发明进行磷掺杂不仅能得到较高的掺杂浓度还可以得到较大的掺杂深度。基于此，采用本发明的方法进行磷扩散掺杂，在得到较高掺杂浓度、较大扩散深度的同时还能保证顶层硅上不出现龟裂现象，极大提高了SOI片的性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供一SOI片，并对该SOI片的表面进行清洗，得到待处理的SOI片；
步骤S2：在所述SOI片的表面生长一层氧化层；
步骤S3：对所述氧化层进行光刻和刻蚀，形成扩散阻挡层；
步骤S4：对所述SOI片进行液态磷扩散掺杂；
步骤S5：去除所述SOI片表面上的磷硅玻璃和扩散阻挡层；
步骤S6：清洗SOI片表面，并在该SOI片表面淀积二氧化硅保护层；
步骤S7：对SOI片表面进行推结工艺得到液态磷的扩散深度，其中，所述推结工艺将所述SOI片表面上掺杂的液态磷向下推结至所述扩散深度；
步骤S8：去除SOI片表面的二氧化硅保护层。
2.根据权利要求1所述的一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于：所述待处理的SOI片的顶层硅厚度为0.5μm~4μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于：在所述步骤S3中，扩散阻挡层的材料为SiO2，且该扩散阻挡层的厚度为200nm~400nm。
4.根据权利要求1所述的一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于：在所述步骤S4中，进行液态磷扩散掺杂所采用的液态磷源为POCl3。
5.根据权利要求1所述的一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于：在所述步骤S4中，液态磷的掺杂温度为800℃~1050℃，掺杂时间为10min~60min。
6.根据权利要求1所述的一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于：在所述步骤S6中，淀积的二氧化硅保护层的厚度为150nm~300nm。
7.根据权利要求1所述的一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于：在所述步骤S7中，所述推结工艺的推结温度为950℃~1100℃，推结时间为30min~100min。
8.根据权利要求1所述的一种用于SOI片的磷扩散掺杂方法，其特征在于：在所述步骤S5和步骤S8中，去除磷硅玻璃、扩散阻挡层和二氧化硅保护层所采用的腐蚀液为BOE腐蚀液。
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