用於半導體襯底摻雜劑活化的rtp尖峰退火的製作方法

2023-04-23 18:21:26

專利名稱：用於半導體襯底摻雜劑活化的rtp尖峰退火的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造方法。
背景技術：
非本徵半導體依靠摻雜劑來提供所需要的載流子密度。包括兩個主要步驟摻雜 劑注入和摻雜劑活化。在傳統的CMOS製造中，離子束將摻雜劑注入到晶片中，但是它們還 沒有處於提供所需要的載流子密度的位置。摻雜劑只能在被活化或置於晶格中的矽位置時 才能提供載流子。在注入之後，傳統上使用高溫退火步驟來活化摻雜劑離子並修正由注入 引起的晶格損壞。如果使用均溫退火工藝，則活化溫度可能超過IOO(TC。
快速熱處理(RTP)尖峰退火已經替代了用於摻雜劑活化的體矽熱均溫退火。RTP 尖峰退火提供了在高溫下(> 1000°C)的快速表面退火(第二層)以使得摻雜劑的電活化 率最大化，同時具有較低的擴散。 然而，具有特定熱輻射波長的傳統RTP尖峰退火由於對於不同材料的熱吸收不 同，所以要承受構圖負載效應。包括多個具有不同反射率的表面材料的晶片加熱不均勻。具 有低反射率的區域的加熱小於具有高反射率的區域，幹擾了摻雜區域中的摻雜劑活化的一 致性。 需要改進的摻雜劑活化方法。

發明內容
在一些實施例中提供了一種方法，包括提供半導體襯底，其具有形成在其上或其 中的多個構圖。構圖中至少一些包括摻雜區域。襯底具有多個表面區域，包括構圖和非構 圖區域，其對於近紅外波長的光分別具有不同的反射率。在襯底上使用遠紅外光進行快速 熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活化步驟。 在一些實施例中提供了一種方法，包括提供半導體襯底，其具有形成在其上或其 中的多個有源器件構圖。有源器件構圖中至少一些包括有源器件構圖和非構圖區域，其對 於近紅外波長的光分別具有不同的反射率。確定在近紅外波長的不同反射率中的最大值和 在近紅外波長的不同反射率中的最小值之間的第一差值。確定第二紅外波長，對於第二紅 外波長的光的不同反射率中的最大值和對於第二紅外波長的光的不同反射率中的最小值 之間的第二差值基本小於在近紅外波長的第一差值。在襯底上使用提供第二波長的光的第 二光源進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活化步驟。 在一些實施例中提供了一種用於處理晶片的設備，包括腔室，其中具有夾盤用於 支持半導體襯底，所述半導體襯底具有形成在其上或其中的多個構圖。構圖中的至少一部 分包括摻雜區域。襯底具有多個表面區域，包括構圖和非構圖區域，其對於近紅外波長的光 分別具有不同的反射率。光源配置為將遠紅外光直射到襯底上。控制器控制加熱以在襯底 上進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜活化步驟。


圖1為半導體晶片表面上的不同材料的反射率的示意圖； 圖2為材料在不同波長的反射率之間的最大差值的示意圖； 圖3為示例性的設備的原理圖； 圖4為進行摻雜活化的方法的流程圖； 圖5為設備的變體的示意圖； 圖6為對於不同材料的熱輻射率對比RTP光波長的示意圖； 圖7為對於幾個RTP光波長孤立區和密集區之間的溫度差值的示意圖。
具體實施例方式
示例性的實施例的描述用於結合附圖進行理解，附圖作為全部說明書的一部分。
以下描述了實施例，其中RTP尖峰退火處理用於摻雜劑活化。局部溫度波動將影響摻雜劑的性能。 用於摻雜劑活化的傳統的RTP尖峰退火使用波長為大約0. 5 m(可見-青)到大約0. 9 ii m(近紅外)之間的光源來進行，例如，使用滷鴇燈。 圖1示出了一些典型的半導體晶片表面材料對於具有波長為大約0. 5 m的可見(青)光的表面反射率的柱狀圖，包括矽(0D)，多晶矽(Poly)，氮化物(SW)，和淺溝槽隔離(STI)。這些材料之間的最大差值為SW的最大反射率(0. 9)和STI區域的最小反射率(0. 15)之間的差值AM = 0. 75。對於該波長的給定的光量，SW反射的每單位面積的熱量為該量的大約90X，STI反射的熱量大約為該量的15%。假設基本上沒有被反射的所有的光都被表面層或表面的相鄰層吸收了 (沒有傳遞)，則SW區域吸收了該量的大約10% ， STI區域吸收了該量的大約85%。如果暴露在相同光強度中的兩種材料的反射率之間的差值高，那麼被這些材料吸收的熱量之間的差值也高。材料的溫度增加正比於提供到該材料上的熱量。因此，在熱RTP過程中，局部溫度變化與周圍構圖設計的反射率的差值相關聯。
在管芯內或管芯之間，非均勻加熱由於構圖負載可能導致非均勻的摻雜劑活化。管芯間效應更有可能發生在多目標晶片(MPW)中，如臺灣積體電路製造股份有限公司的"CYBERSHUTTLE"TM器件原型業務，其包括在單個晶片上的多類型的管芯。不同的管芯，具有彼此不同的構圖密度，可能吸收彼此不同的熱量。 輻射能量的吸收依賴於材料的反射率和吸收率物理特性。發明人確定，對於半導
體集成電路中常用的材料，在與典型的集成電路製造中使用的屬性具有相似屬性的不同的
材料中，具有較長波長的光的反射率差值和輻射率(吸收率)差值小於較短的波長。發明
人確定，使用較長輻射波長進行RTP尖峰退火可以改善構圖負載效應。 圖2示出了對於具有相同表面材料(氧化物，Poly， SW和STI)的晶片，如上參考
圖l所述，不同表面材料之間的最大反射率差值的柱狀圖。這些材料對於不同波長的光具
有不同的反射率。對于波長為大約0.5ym的青(可見)光，最大反射率差值為0.75，如上
參考圖1所述。對于波長為0.9iim的近紅外光，四種材料(氧化物，Poly，SW和STI)中的
任意兩個之間的最大反射率差值為0. 47。對于波長為大約1. 5 i！ m的短波紅外光，四種材料
(氧化物，Poly， SW和STI)中的任意兩個之間的最大反射率差值為0. 31。 因此，發明人確定，對於典型的集成電路材料，最大反射率差值在光的波長增大時
5會減小。從而，不同的光源可以用於RTP尖峰退火，其產生的最大反射率差值A皿基本小於使用波長為大約0. 9 m的近紅外光。 在一些實施例中，使用具有l.Oiim或更長的波長的光源。在一些實施例中，使用具有1. 5 y m或更長的波長的光源。在一些實施例中，使用中波紅外光源(2. 5 ii m到8 y m)。
在一些實施例中，光源為具有長熱輻射波長的遠紅外光。遠紅外光能夠使半導體襯底表面的不同材料的反射率之間的反射率差值最小化，造成基本小於近紅外光的反射率差值。 圖3示出了用於處理晶片的示例性設備300的結構圖。該設備包括腔室300，其中具有夾盤312用於支持半導體襯底310。襯底310具有多個形成在其上或其中的構圖。構圖中的至少一些包括摻雜區域。襯底310具有多個表面區域，其對於近紅外波長的光分別具有不同的反射率。 遠紅外雷射器302配置為將遠紅外光直射到襯底上。在一些實施例中，遠紅外激
光器302選自p型鍺雷射器、量子級聯雷射器、自由電子雷射器和飛秒鈦寶石鎖模雷射器
(Femtosecond Ti :sapphire mode-locked laser)中的一個。在一些實施例中，雷射器302
選自法布裡-珀羅雷射器、分布反饋雷射器和外腔量子級聯雷射器中的一個。 控制器320控制雷射器302在襯底上進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活
化步驟。控制器320選擇啟動RTP尖峰退火步驟的時間，並包括計時器來在進行RTP尖峰
退火的適合的光量被傳遞後結束RTP尖峰退火。例如，在一個實施例中，RTP尖峰退火在
1000-1200°C內進行1到10秒。 圖4示出了示例性的方法的流程圖。 在步驟400，提供了半導體襯底，其具有形成在其上或其中的多個有源器件構圖。有源器件構圖中的至少一些包括摻雜區域。在一些實施例中，摻雜區域選自硼、磷、砷和BF2中的至少一個。也可以使用其他適合的摻雜劑。 襯底具有多個表面區域，其對於近紅外波長的光分別具有不同的反射率，如氧化物、裸矽、多晶矽、氮化物或STI。在一些情況下，對於近紅外波長(如，大約0.9iim)的反射率中的最大值和反射率中的最小值之間的差值大約為0. 47。 在步驟402，確定對於近紅外波長的不同反射率中的最大值和對於近紅外波長的不同反射率中的最小值之間的第一差值。 在步驟404，確定第二紅外波長。在第二紅外波長，對於第二紅外波長的光的不同反射率中的最大值和對於第二紅外波長的光的不同反射率中的最小值之間的第二差值基本小於在近紅外波長的第一差值。例如，如果第二波長選擇為1. 5 ii m，那麼第二差值為對於1. 5 ii m光的反射率中的最大值和對於1. 5 ii m光的反射率中的最小值之間的差值。如圖2所示，在1. 5 ii m，第二差值將為0. 31，第二差值比第一差值(對於0. 9 ii m的近紅外光的反射率差值)小大約0. 16或更多。 在步驟406，在襯底310上使用第二光源302發射第二波長的光進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活化步驟。 在一些實施例中，使用遠紅外雷射器320進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活化步驟406。 在一些情況下，對於遠紅外雷射器的光，不同反射率中的最大值和不同反射率中的最小值之間的差值為0. 31或更小。 在上述的實施例中，雷射器為遠紅外雷射器。在另一個系統500中，如圖5所示，腔室500具有熱輻射濾光器530添加到光源502上，光源502發射寬頻率範圍的光。濾光器530從發射光506中透過遠紅外光507，消除其他不需要的光(如可見光和近紅外光)。光源502可以為任何發射基本具有遠紅外組分光譜的光源(並不限制為遠紅外雷射器)。因為光506中的一些被濾光器530反射或吸收了，所以光源502發射的光506具有比以上參考圖3所述的光源302更大的強度，以補償透過的光的強度的減小。圖5的其他元件(控制器520，光元件504和夾盤512)可以與圖3示出的相關元件(控制器320、光304和夾盤512)相同或相似。 圖6和圖7提供了具有不同波長的光用於不同材料的RTP尖峰退火的仿真數據。在圖6中，對Si， Si02和Si^4進行仿真。 一般地，輻射率的差值較小，當波長為6iim或更大時輻射率的變化較小。因為密集區比孤立區具有較少的裸矽，所以在密集和孤立區的溫度進行比較時，由材料輻射率的差值導致的溫度差值是最明顯的。圖7示出了波長對於密集和孤立區之間的溫度差值的影響。溫度差值落在lym到8ym的範圍。如仿真所示，可以觀察到較低的溫度差值在4 ii m至lj 9 ii m，最小的溫度差值在8 y m。 使用較長波長的光進行退火比較短的波長能夠更好的改進構圖負載效應(PLE)。使用較長波長的光能夠使孤立和密集區的溫度差值較小。 基於仿真，較高的材料輻射率將引起較好的PLE。適宜的RTA燈波長為8 y m(材料
輻射率最高)。 圖6和圖7示出了分析根據從孤立到密集區多個材料在多個波長上的輻射率數據和溫度數據的方法。本領域技術人員能夠很容易將該方法應用於表面具有其他材料，或具有不同構圖密度的晶片。 對於RTP尖峰退火使用相對較長的波長能夠潛在的使由熱輻射吸收差值造成的構圖負載效應最小化。 儘管以上已經根據示例性的實施例描述了本發明，但是並不限於此。當然，附加的權利要求應當寬泛的解釋，包括本領域技術人員在不脫離本發明的界限和等同範圍的情況下做出的本發明的其他變體和實施例。
權利要求
一種方法，包括提供半導體襯底，其具有多個形成在其上或其中的構圖，所述構圖中至少一些包括摻雜區域，所述襯底具有多個表面區域，包括構圖和非構圖區域，其對於近紅外波長的光分別具有不同的反射率；以及在襯底上使用遠紅外光進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活化步驟。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中對於所述遠紅外光的所述不同反射率中的最大值 和所述不同反射率中的最小值之間的差值大約為0. 31或更小。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中在所述近紅外波長的所述不同反射率中的最大值 和所述不同反射率中的最小值之間的差值大約為0. 47。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述多個表面區域選自矽、多晶矽、氧化矽和氮化 矽中的至少兩個，其中所述摻雜區域選自硼、磷、砷和BF2中的至少一個。
5. —種方法，包括提供半導體襯底，其具有形成在其上或其中的多個有源器件構圖，所述有源器件構圖 中的至少一些包括摻雜區域，所述襯底具有多個表面區域，包括所述有源器件構圖和非構 圖區域，其對於近紅外波長的光分別具有不同的反射率；確定在所述近紅外波長的所述不同反射率中的最大值和在所述近紅外波長的所述不 同反射率中的最小值之間的第一差值；確定第二紅外波長，使得對於所述第二紅外波長的光的不同反射率中的最大值和對於 所述第二紅外波長的光的不同反射率中的最小值之間的第二差值基本小於在所述近紅外 波長的所述第一差值；以及在所述襯底上使用提供所述第二波長的光的第二光源進行快速熱處理(RTP)尖峰退 火摻雜劑活化步驟。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中所述第二光源發射遠紅外光。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中所述第二差值比所述第一差值大約小0. 44或更多。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中所述第二差值大約為0. 31或更小。
9. 根據權利要求5所述的方法，其中所述第二差值比所述第一差值大約小0. 16。
10. 根據權利要求5所述的方法，其中所述多個表面區域選自矽、多晶矽、氧化矽和氮 化矽中的至少兩個，其中所述摻雜區域選自硼、磷、砷和BF2中的至少一個。
11. 根據權利要求5所述的方法，其中所述進行RTP尖峰退火步驟包括過濾由所述光源 提供的光。
12. —種用於處理晶片的設備，包括腔室，其中具有夾盤用於保持半導體襯底，所述半導體襯底具有多個形成在其上或其 中的構圖，所述構圖中至少一些包括摻雜區域，所述襯底具有多個表面區域，包括構圖和非 構圖區域，其對於近紅外波長的光分別具有不同的反射率；光源，其配置為將遠紅外光直射到所述襯底上；以及控制器，其控制雷射器在所述襯底上進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活化。
13. 根據權利要求12所述的設備，其中所述光源選自法布裡-珀羅雷射器、分布反饋激 光器和外腔量子級聯雷射器中的一個。
14. 根據權利要求12所述的設備，還包括濾光器以使所述遠紅外光通過到所述襯底 上，以及過濾小於所述遠紅外光波長的光組分。
15. 根據權利要求12所述的設備，其中所述光源選自p型鍺雷射器、量子級聯雷射器、 自由電子雷射器和飛秒鈦寶石鎖模雷射器中的一個。
全文摘要
本發明提供了一種具有多個有源器件構圖的半導體襯底。有源器件構圖中至少一些包括摻雜區域。襯底具有多個表面區域，包括有源器件構圖和非構圖區域，其對於近紅外波長的光分別具有不同的反射率。確定在近紅外波長的最大反射率和在近紅外波長的最小反射率之間的第一差值。確定第二紅外波長，對於它的最大反射率和最小反射率之間的第二差值基本小於在近紅外波長的第一差值。在襯底上使用提供第二波長的光的第二光源進行快速熱處理(RTP)尖峰退火摻雜劑活化步驟。
文檔編號H01L21/00GK101789365SQ200910162398
公開日2010年7月28日 申請日期2009年8月13日 優先權日2009年1月27日
發明者楊宗儒, 楊棋銘, 林金明 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司