包括生成和退火辐射引起晶体缺陷的制造半导体器件方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]照射在单晶半导体衬底上的粒子束生成辐射引起的晶体缺陷。利用非掺杂杂质原子(例如氢和/或氧)修饰的辐射引起的晶体缺陷作为掺杂中心可以是有效的。例如，在质子注入之后在270和470°C之间的温度下使硅晶体退火可以形成静止且稳定的与氢相关的施主。期望扩大用于辐射引起的掺杂中心的可能的应用范围并改善用于使用包含非掺杂原子的粒子束形成掺杂区域的方法的效率。
【发明内容】
[0002]根据一个实施例，一种制造半导体器件的方法包括在半导体衬底中诱导生成辅助晶体缺陷。然后在高于分解温度的温度下对半导体衬底预退火，在所述分解温度下辅助晶体缺陷转变成缺陷复合体。然后主要注入粒子被注入半导体衬底中，其中注入主要注入粒子诱导生成辐射引起的主要晶体缺陷。
[0003]根据另一实施例，半导体器件包括具有平行的第一和第二表面的半导体本体。半导体本体包含与氢相关的施主。垂直于第一表面的与氢相关的施主的浓度分布曲线在至第一表面第一距离处包括至少1E15 cm_3的最大值，并且在第一表面和该第一距离之间的间隔的至少60%上没有落在1E14 cm_3以下。
[0004]本领域技术人员在阅读了以下详细描述以及查看了附图之后将认识到附加的特征和优点。
【附图说明】
[0005]附图被包括用以提供对本发明的进一步理解并且被并入该说明书中和构成该说明书的一部分。这些图示出本发明的实施例并且与描述一起用来解释本发明的原理。将容易领会本发明的其它实施例和预期的优点，因为参考以下详细描述它们将变得更好理解。
[0006]图1A是用于示出在注入辅助注入粒子之后根据实施例的制造半导体器件的方法的半导体衬底的一部分的示意截面图。
[0007]图1B是在对半导体衬底预退火之后图1A的所述半导体衬底部分的示意截面图。
[0008]图1C是在注入主要注入粒子之后图1B的所述半导体衬底部分的示意截面图。
[0009]图1D是在后退火之后图1C的所述半导体衬底部分的示意截面图。
[0010]图2A是根据另一实施例的具有包括与粒子相关的掺杂剂的注入层的半导体器件的一部分的示意截面图。
[0011]图2B是示出图2A的半导体器件中的与粒子相关的掺杂剂的垂直浓度分布曲线的示意图。
[0012]图3A是示出根据另一实施例的制造半导体器件的方法的简化流程图。
[0013]图3B是示出根据另一实施例的制造半导体器件的包括后退火的另一方法的简化
流程图。【具体实施方式】
[0014]在下面的详细描述中，参考附图，这些附图构成了该详细描述的一部分，并且在这些附图中借助图示示出了其中可以实践本发明的特定实施例。应当理解可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下做出结构或逻辑改变。例如针对一个实施例示出或描述的特征可以用在其它实施例上或者结合其它实施例使用以产生另外的实施例。本发明旨在包括这种修改和变化。使用特定语言来描述实例，其不应当被理解为限制所附权利要求的范围。附图没有按比例并且仅用于说明的目的。为清楚起见，相同的元件在不同图中已经由对应的参考标记来标明，如果没有另外说明的话。
[0015]图1A-1D示出半导体衬底500中的与粒子相关的掺杂剂的形成，其中与粒子相关的掺杂剂的生成包括通过以主要注入工艺注入主要注入粒子211来诱导生成主要晶体缺陷。
[0016]半导体衬底500可以是半导体晶片，例如娃晶片、SOI (绝缘体上娃)晶片(诸如SOG(玻璃上硅)晶片)或另一单晶半导体材料的衬底，所述另一单晶半导体材料例如是碳化硅SiC、砷化镓GaAs、氮化镓GaN或另一 AmBv半导体、锗Ge或硅锗晶体SiGe0根据一个实施例，半导体衬底500是通过切克劳斯基(Czochralski)工艺获得的硅晶片，例如m:Cz (磁性切克劳斯基)硅晶片，其中氧含量从1E17 cm—3 (例如至少2E17 cm—3)到4E17 cm—3。
[0017]半导体衬底500可以具有第一表面1la和与第一表面1la平行的第二表面102a。在下面，第一表面1la的法线定义垂直方向，并且与第一表面1la平行的方向是横向方向。半导体衬底500可以包括非掺杂杂质原子，例如填隙氧原子。
[0018]在半导体衬底500中，例如通过生成过剩的晶体空位的表面工艺诱导生成辅助晶体缺陷。例如，半导体衬底500可以经受在包含氮的大气中在大于1000°C的温度下以及在最大温度和800°C之间的温度范围内以大于20°C/min的冷却速率和在800°C与500°C之间的温度范围内以大于5°C/min的冷却速率的快速热退火。
[0019]根据图1A中所示的实施例，辅助晶体缺陷是由辅助注入工艺诱导的辐射引起的缺陷。包含辅助注入粒子211 (诸如电子、中子、质子或例如氦离子的轻离子)的第一注入束210入射到第一表面1la上。根据一个实施例，注入束210包含处于至少2 MeV (例如至少4 MeV)的加速度能量并且处于在从5E13到1E15 cnT2或从1E14到5E14 cm (例如约4E14 cm—2)的范围内的注入剂量的质子。辅助注入粒子211横穿半导体衬底500的在第一表面1la和第一粒子范围prl之间的第一横断层(traversed layer) 501，并且诱导在第一横断层501中的辐射引起的辅助晶体缺陷212的形成。
[0020]在辅助注入工艺之后，半导体衬底500包含在横断层501中的辅助晶体缺陷212以及在第一注入层511中的辅助注入粒子211。辅助晶体缺陷212的垂直浓度分布曲线212v在第一横断层501的在第一表面1la和第一注入层511之间的部分中大致恒定，可以在第一注入层511内具有浅峰值，并且可以从第二粒子范围prl内的浅峰值下降。辅助注入粒子211的垂直浓度分布曲线21 Iv大致为高斯分布，并且在由辅助注入粒子211的加速度能量确定的第一注入距离dl处具有最大值。
[0021]继续进行到图1B，半导体衬底500在大于辅助晶体缺陷212的分解温度TD的第一退火温度Tl下被预退火。辅助晶体缺陷212可以包括核心复合体(core complexes)，其在分解辅助晶体缺陷212之后可以转变(例如凝聚)为包含空位和氧VnOm的高阶晶体缺陷复合体219，由此可选地在某种程度上并入包含在半导体衬底500中的氢原子。晶体缺陷复合体219可以是电惰性的，即它们作为施主或受主不是有效的。氢原子可以使缺陷复合体稳定。对于硅衬底，第一退火温度Tl是至少500°C，例如至少510°C或至少550°C。
[0022]氢原子可以是本征杂质或可以由先前的质子注入引入。假如第一注入束210不包含质子，则氢原子可以例如通过在辅助注入工艺之前、期间或之后来自氢等离子体源的内扩散被引入到半导体衬底中。
[0023]图1B示出了晶体缺陷复合体219，其可以是电惰性的并且其可以对存在于半导体衬底500中的氢原子除气。晶体缺陷复合体219可以提供比被先前注入的质子占据的更多的除气位置。游离氢原子的浓度低于预退火之前并且可以低于第一注入工艺之前。预退火可以将图1A的辅助晶体缺陷212的至少一部分或者大致将它们全部转换成晶体缺陷复合体219。预退火可以持续至少一个小时或者至少三个小时，例如至少五个小时，并且提高了下面的掺杂工艺的效率。
[0024]在图1C中所示的主要注入工艺中，第二注入束220照射半导体衬底500的第一表面101a。第二注入束220包括主要注入质子221。第二注入距离d2可以对应于图1A中的第一注入束210的第一注入距离dl，或者可以小于第一注入距离dl。
[0025]根据其它实施例，注入的主要注入质子221的垂直杂质浓度分布曲线221v在第二注入距离d2处具有最大值，该第二注入距离可以大于或小于图1A中的第一注入距离dl。在被注入的主要注入质子221横穿的第二横断层502中，主要注入质子221诱导生成辐射引起的主要晶体缺陷222。以不同注入能量和/或注入剂量的另外的注入可以跟随。
[0026]图1C示出集中在第二注入层512中的主要注入质子221，在第一表面1la和第二粒子范围pr2之间的第二横断层502中的辐射引起的主要晶体缺陷222，以及可选地通过可能在第一注入工艺期间引入的氢原子来稳定的晶体缺陷复合体219。
[0027]在低于分解温度TD的第二退火温度T2下的后退火形成在静止且稳定的辐射引起的和与空位相关的主要晶体缺陷222处局部化的与粒子相关的掺杂剂229，如图1D中所示。
[0028]与粒子相关的掺杂剂229可以是各种种类的与氢相关的施主，例如与氢相关的双施主(HDD)、与氢相关的浅施主(SHD)等等。对于硅衬底，第二退火温度在300°C和510°C之间，例如在400° C和500° C之间。根据一个实施例，第二退火温度在470° C和495° C之间并且退火持续至少三个小时，例如至少五个小时。
[0029]与氢相关的施主229主要被形成在第二注入距离d2周围的地带中，在此所注入的主要注入质子的浓度具有最大值。在第二注入层512中，主要注入质子的浓度高于第二辐射引起的与空位相关的主要晶体缺陷222的浓度。在第二注入地带512中的与粒子相关的掺杂剂229的形成主要由辐射引起的与空位相关的主要晶体缺陷222的数目给出。在质子注入的情况下，相比于氢原子可以被消耗用于形成与氢相关的施主，更多的氢原子在第二注入层512中是可用的。
[0030]在半导体衬底500中的高浓度的剩余游离氢可能以与氢相关的施主229的形成效率为代价来促进电惰性的晶体缺陷复合体的形成，使得剩余的氢抵消与氢相关的施主的形成。例如，剩余的氢可以促进与氢相关的施主转变成附加的电惰性的缺陷复合体或者可以诱导和与氢相关的施主的形成竞争的另一工艺。
[0031]代替地，包括生成辅助晶体缺陷并在分解温度TD以上对它们回火的预处理生成晶体缺陷复合体219，所述晶体缺陷复合体对游离氢原子中的一些除气并减少剩余的氢含量或者甚至形成附加的充当施主的与空位氢相关的复合体。
[0032]因此，晶体缺陷复合体219的存在提高了在后退火期间与氢相关的施主的形成效率。结果，较低的总注入剂量足以形成包含非掺杂原子的η型层。另外，可以比在没有预处理的情况下实现更高浓度的与粒子相关的掺杂剂。
[0033]缺陷复