[其他]離子注入半導體瞬時退火設備

無效

• 申請號: 85100131
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85100131B
• 公開（公告）日: 1987-02-25
• 發明（設計）人: 錢佩信;侯東彥;陳必賢;馬騰閣;林惠旺;李志堅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L21/324
• 分類號: H01L21/324
• 代理公司: 清華大學專利事務所
• 代理人: 廖元秋,胡蘭芝

本發明屬于集成電路和半導體器件制造技術的工藝設備。

自從六十年代初開始采用離子注入作為新的半導體摻雜工藝以來，為了消除注入引起的半導體晶體損傷和電激活注入離子，一直采用常規長時間熱退火，退火時間一般為30分以上（北京市輻射中心，北京師范大學低能核物理研究所離子注入研究室編著的“離子注入原理與技術”，1982年由北京出版社出版）。但隨著超大規模集成電路迅速發展，不僅要求PN結結深越來越淺（至今已達0.2微米），而且要求在淺結條件下薄層電阻盡可能小，也即要求在高劑量（超過固溶度值）注入條件下能有更高的電激活率。常規長時間熱退火一般結深大于0.4微米，而且在高劑量注入條件下注入離子電激活率低，因此不可能滿足超大規模集成技術發展的需要。現有的半導體工藝設備也有用高頻加熱石墨塊的辦法來加熱硅片的裝置，如用作晶體外延的半導體臥式外延設備，此設備由高頻爐、高頻線圈、石墨塊、紅外測溫儀、充氣裝置和機械傳動裝置等組成，這種高頻感應加熱的石墨既是熱源又是半導體片的載體，也就是說，半導體片與石墨一起升溫、降溫，因此它不可能實現對半導體片的快速退火，也不能解決上述兩個問題。1975年以來國內外科技工作者提出多種激光退火技術，它能很好解決上述兩個問題。但因設備昂貴、技術復雜和生產效率低等問題，至今很難用于工業生產。1983年美國Varian公司試生產一種真空瞬時紅外輻照退火設備，型號為IA-200〔見“國際半導體”SemiconductorInterna-tional，December，69（1983）〕，該設備的退火腔是金屬系統，退火腔內部的結構示意圖如附圖1，用工業交流電加熱開槽石墨板（4），在硅片（2）和石墨板之間用多層鉭板構成的快門（3）隔開，硅片受輻射時間由快門打開的時間決定，（1）（5）均是防止熱能損失用的鉭反射板，退火時只監測石墨板的溫度，不能直接測量硅片溫度。該設備由機械傳動和控制機構將硅片送至（1）的片架上進行退火，這種瞬時退火設備雖然比常規長時間熱退火方法有更高的電激活率，但在高劑量注入條件下還沒有達到完全電激活〔如6×1015cm2]]>的注砷硅，退火后電激活率只有約85%，見“應用物理通訊”Appl.phys.Lett39，604（1981）〕。而且該設備不能用于離子注入化合物半導體，因在真空條件下退火，化合物半導體容易熱分解。瞬時退火技術的關鍵是退火時間要短，因此要求半導體薄片的升溫速率越快越好。IA-200型是在真空條件下退火，只能由高溫石墨輻射能加熱半導體片，因此升溫慢，一般要十秒以上才能達到1000℃以上。

本發明的目的在于設計一種新的瞬時退火設備，使其升溫速度更快、注入離子電激活率更高、結構簡單操作更簡便和生產效率更高，而且要能適用于化合物半導體退火。

本發明由高頻加熱爐、雙色紅外無接觸式測溫儀、充保護氣裝置、機械傳動和控制裝置和石英退火腔構成，石英退火腔包括矩形石英管和固定于管內的石墨板、石英導軌以及可以在導軌上滑動的石英片架、推動石英片架的石英桿。石墨板和石英退火腔外的高頻線圈組成了紅外輻射光源;石英導軌和石英片架、石英桿構成半導體片的傳動系統，可使半導體片快速推至石墨板上方和拉出退火區，以達到瞬時退火之目的。整個退火過程是在充氣條件下進行的。

石英退火腔的結構示意圖如附圖2，矩形石英管（6）、石英導軌（12）、石英片架（11）、石英托盤（9）、石墨板（8）高頻線圈（7）和石英桿（17），矩形石英管（6）內充有保護氣（可用高純氮氣或高純氮氫混合氣），高頻線圈（7）加熱高純石墨板（8），石墨板尺寸比半導體片略大一些，石墨板固定在退火腔內的石英盤（9）上，石墨板是作為紅外輻射源對半導體片進行加熱的。雙色紅外無接觸式測溫儀的檢測器安裝在石英管上方，通過線圈間的縫隙測量石墨板溫度，測溫儀上直接顯示被測溫度。機械傳動系統通過石英桿將裝有半導體片（10）的石英片架（11）沿石英導軌（12）推至石墨板上方（半導體片不直接與石墨板接觸），此時測溫儀測得半導體片的實際溫度。同時不難看出，腔內的保護氣體既防止了在退火過程中石墨和半導體片的氧化，又是熱傳導和熱對流的媒介，對半導體片的加熱起了加速作用，改善了半導體片加熱的均勻性。半導體片在石墨板上方停留時間（也即升溫和退火時間的總和）由時間控制器控制，一般為十秒以內，退火后機械傳動系統快速（約10厘米/秒）將石英片架拉出退火區。