[發(fā)明專利]脈沖序列退火方法和設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310092420.2
• 申請(qǐng)日: 2008-11-10
• 公開（公告）號(hào): CN103219264B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 斯蒂芬·莫法特;約瑟夫·邁克爾·拉內(nèi)什
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 應(yīng)用材料公司
• 主分類號(hào): H01L21/67
• 分類號(hào): H01L21/67;H01L21/268;H01L21/324
• 代理公司: 北京律誠同業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11006
• 代理人: 徐金國;鐘強(qiáng)

本申請(qǐng)為2008年11月10日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?00810175468.9并且發(fā)明名稱為“脈沖序列退火方法和設(shè)備”的分案申請(qǐng)，在此引用其全部內(nèi)容作為參考。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施例總的來說涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種熱處理襯底的方法。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體器件的市場(chǎng)繼續(xù)遵循著摩爾定律的軌跡前進(jìn)。當(dāng)前45納米（nm）的器件幾何圖形計(jì)劃縮小到20nm或以下，以滿足將來性能的需求。對(duì)于要實(shí)現(xiàn)的這種按比例縮小，摻雜的源和漏接點(diǎn)的制造工藝必須集中在單個(gè)原子在很小晶格內(nèi)的位置和移動(dòng)。例如，一些將來的器件設(shè)計(jì)期待由少于100個(gè)原子組成的溝道區(qū)。針對(duì)這種苛刻的需求，需要在幾個(gè)原子半徑內(nèi)控制摻雜劑原子的放置。

當(dāng)前摻雜劑原子的放置是通過將摻雜劑注入到硅襯底的源和漏區(qū)以及然后退火該襯底的工藝來控制的。摻雜劑可用來增強(qiáng)硅基質(zhì)中的導(dǎo)電性，以引起對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的損傷，或者控制層之間的擴(kuò)散。例如硼（B）、磷（P）、砷（As）、鈷（Co）、銦（In）和銻（Sb）的原子可用來增強(qiáng)導(dǎo)電性。硅（Si）、鍺（Ge）和氬（Ar）可用來引起晶體損傷。對(duì)于擴(kuò)散控制，通常使用碳（C）、氟（F）和氮（N）。在退火期間，一般將襯底加熱到高溫，以便在襯底中定義的多個(gè)IC器件中發(fā)生各種化學(xué)和物理反應(yīng)。退火處理從先前制造的非晶的襯底區(qū)域再創(chuàng)建一些結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并且通過將其它原子合并到襯底的晶格中來“激活”摻雜劑。使晶格有序和激活摻雜劑會(huì)降低摻雜區(qū)的電阻率。熱處理，例如退火，包括將相對(duì)大量的熱能在很短的時(shí)間內(nèi)引到襯底上，之后快速地冷卻該襯底以結(jié)束該熱處理。已經(jīng)被廣泛使用一定時(shí)間的熱處理的例子，包括快速熱處理（RTP）和脈沖（尖峰）退火。雖然被廣泛使用，但是這種處理并不理想，因?yàn)樗鼈兪咕瑴囟鹊淖兓瘍A斜（ramp）太小，且使該晶片暴露在升高的溫度時(shí)間太長。隨著增加的晶片尺寸、增加的開關(guān)速度和/或降低的特征尺寸，這些問題變得更嚴(yán)重。

通常，常規(guī)的熱處理在根據(jù)預(yù)定熱制法的控制條件下加熱該襯底。這些熱制法基本包括：半導(dǎo)體襯底的目標(biāo)溫度；溫度改變速率，即，溫度上升和下降速度；和熱處理系統(tǒng)保持在特定溫度下的時(shí)間。例如，熱制法要求該襯底從室溫加熱到1200℃或更大的峰值溫度，并且要求每個(gè)峰值溫度附近的處理時(shí)間范圍直到60秒或更大。

退火摻雜襯底的所有處理的目標(biāo)是在襯底內(nèi)產(chǎn)生足夠的原子運(yùn)動(dòng)，使摻雜劑原子占據(jù)晶格位置，并使硅原子重新安排自己進(jìn)入結(jié)晶模式，不讓摻雜劑原子廣泛地?cái)U(kuò)散過該襯底。這種寬擴(kuò)散通過降低摻雜劑的濃度和使它們傳播到更大的襯底區(qū)域中，降低了摻雜區(qū)的電氣性能。為了實(shí)現(xiàn)這些目的，溫度斜率，無論上升和下降，都優(yōu)選要高。換句話說，希望能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將襯底溫度從低溫調(diào)節(jié)到高溫，反之亦然。當(dāng)前退火工藝通常能夠保持大約3-4nm/十進(jìn)制（decade）（10％改變）的濃度陡峭度。然而，當(dāng)結(jié)深度縮小到小于100埃時(shí)，所關(guān)心的是未來的陡峭度小于2nm/十進(jìn)制。

對(duì)高溫度斜率的需要，致使開發(fā)快速熱處理（RTP），與常規(guī)熔爐的5-15℃/分鐘相比，其典型的溫度傾斜上升速率范圍從200至400℃/s。典型的傾斜下降速率在80-150℃/s的范圍內(nèi)。雖然IC器件僅存在于襯底幾微米的頂部上，但是RTP能加熱整個(gè)襯底。這限制了能夠多快地加熱和冷卻該襯底。而且，一旦整個(gè)襯底處在升高的溫度上，熱量會(huì)僅消耗在周圍的空間或結(jié)構(gòu)中。結(jié)果，當(dāng)今技術(shù)發(fā)展水平的RTP系統(tǒng)會(huì)努力實(shí)現(xiàn)400℃/s的傾斜上升速率和150℃/s的斜坡下降速率。

脈沖和尖峰退火已經(jīng)用來進(jìn)一步加速溫度傾斜。在單個(gè)脈沖中非常短的時(shí)間內(nèi)能量被提供到襯底的一個(gè)部分上。然而，為了提供足夠的能量導(dǎo)致基本退火，需要很大的能量密度。例如，脈沖退火需要將提供到襯底上的能量密度在約2J/cm²以上。在單個(gè)持續(xù)時(shí)間短的脈沖中提供足夠的能量來充分退火該襯底，經(jīng)常會(huì)造成其表面的重大損傷。而且，向襯底提供非常短的脈沖能量會(huì)導(dǎo)致不均勻的問題。此外，需要激活摻雜劑的能量與安排晶格需要的能量可能非常不同。最終，即使用脈沖和尖峰退火，縮小器件尺寸也會(huì)導(dǎo)致結(jié)區(qū)域上雜質(zhì)的過擴(kuò)散。