通过激光退火和快速加温退火形成超浅结的方法技术

这项发明专利技术提供用来对包含搀杂材料的半导体晶片进行热处理的方法。在不使晶片熔化的情况下用足以激活搀杂材料激光能量照射晶片。除此之外，在比较低的温度下完成晶片的快速加温退火，以便修复结晶损伤。搀杂活动是在没有可测量的扩散的情况下实现的。快速的低温退火将这样修复结晶损伤，以致器件具有良好的迁移率和低的漏电流。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关的申请这份申请享受于2000年3月17日申请的临时专利申请第60/190,233号的权益，该申请通过在此引证而全部被并入本文。本专利技术的
这项专利技术涉及对包含搀杂材料的半导体晶片进行热处理的方法，更具体地说，涉及用来通过使用亚熔融态(sub-melt)的激光退火和低温的快速加温退火在半导体晶片中获得超浅结的方法。本专利技术的现有技术离子注入是用来把改变导电率的搀杂材料引入半导体晶片的标准技术。在传统的离子注入系统中，所需要的搀杂材料在离子源中被离子化，离子被加速成具有规定的能量的离子束，而且将离子束引向晶片的表面。离子束中的高能离子渗入半导体材料并且被镶嵌到半导体材料的晶格之中。继离子注入之后，半导体晶片被退火以便激活搀杂材料和修复离子注入所引起的结晶损伤。退火包括依照规定的时间和温度对半导体晶片进行热处理。在半导体工业中众所周知的趋势是向体积比较小、速度比较高的器件发展。具体地说，在半导体器件中特征的横向尺寸和深度两者都被减小。半导体器件的技术状态要求结的深度小于1,000埃，而且最后可能要求结的深度在200埃或更小的数量级上。搀杂材料的植入深度是由被植入半导体晶片的离子的能量决定的。浅结是在低植入能量的情况下获得的。然而，用来激活被植入的搀杂材料的退火程序引起搀杂材料从半导体晶片的植入区域向外扩散。由于这种扩散作用，结的深度因退火而增加。为了抵消退火所产生的结的深度的增加，植入能量可能被减少，以致所需要的结的深度是在退火之后获得的。这种途径提供令人满意的结果，但是超浅结的情况除外。关于能够通过减少植入能量获得的结的深度的限制是由于搀杂材料在退火期间发生的扩散而实现的。为了开发在激活搀杂材料的同时限制搀杂材料的扩散的退火程序，已经做了大量的工作。快速加温退火或峰值退火(spikeannealing)通常被利用。快速加温退火通常包括在1到30秒的时间里将晶片加热到950℃到1100℃的温度，然而峰值退火可能涉及退火时间少于0.1秒。如同在PCT出版物WO 99/39381中描述的那样，为了将热扩散减少到最低限度，可以将受到控制的低浓度的氧气添加到氮气环境中。尽管小心地选择退火参数，快速加温退火和峰值退火仍然引起搀杂材料凭借热扩散、瞬时增强型扩散、氧化增强型扩散和搀杂增强型扩散(即，硼增强型扩散或磷增强型扩散)。即使在把低浓度的氧气添加到氮气环境中和实施超低能量植入的时候，热扩散仍然发生。另一种已知的退火技术是激光退火，如同在1999年6月1日授权给Talwar等人的美国专利第5,908,307号和1999年9月21日授权给Talwar等人的美国专利第5,956,603号中举例描述的那样。晶片的表面层被非晶形化，而且搀杂材料被植入非晶形化的表面层。然后，非晶形化的表面层被足以使非晶形化的表面层熔融的激光能量照射，从而使搀杂材料遍布在熔融硅的区域中。激光退火与传统的器件处理程序的整合是比较复杂的。为了避免多晶硅的门电路被熔融，预先植入非晶形的硅或锗是需要的，而且沉积消反射的金属膜也是必需的。凭借BF2+离子植入和采用单一脉冲照射的受激准分子激光器退火形成浅结的技术是H.Tsukamoto等人在“凭借受激准分子激光器退火形成的超浅结Ultrashallow Junction Formed byExcimer Laser Annealing(Japanese Journal of Applied Physics，vol.31，Pt.2，No.6A，1992，pp.659-662)”中描述的。如果激光能量密度太低以致不能引起熔融，所揭示的程序将产生高薄膜电阻。1979年4月24日授权给Kirkpatrick的美国专利第4,151,008号揭示了用来自脉冲激光器或闪光灯的持续时间短暂的光脉冲对半导体器件的某些选定的区域进行热处理。如果光的能量密度太低以致不能引起熔融，所揭示的处理程序产生高薄膜电阻。所有已知的用来完成半导体晶片退火的现有技术都具有一个以上的缺点，包括但不限于无法接受的搀杂材料的扩散水平、高薄膜电阻和过度的复杂性。因此，需要有一种用于半导体晶片退火的改进方法，该方法将实现所需要的搀杂物分布和薄膜电阻，将修复结晶损伤，将扩散减少到最低限度，而且不将过度的复杂性引入制造过程。优选的是，用激光能量照射晶片的步骤足以将晶片加热到在大约1100℃到1410℃范围内的温度，而且晶片的快速加温退火的步骤足以在不足1秒到60秒的时间范围内将晶片加热到在大约650℃到850℃范围内的温度。被植入的晶片优选被波长在大约190到1500纳米范围内的激光能量照射。在一个实施方案中，被植入的晶片被波长为308纳米的激光能量照射。其它适当的激光波长包括532纳米和1064纳米。用来照射晶片的激光能量可以包括一个或多个激光脉冲。晶片可以被包括100到1,000个激光脉冲的激光能量照射，而激光脉冲的脉冲宽度可以在10到100纳秒范围内。激光脉冲的次数与激光脉冲的脉冲宽度的乘积可以在1到1,000微秒的范围内。在一个实施方案中，使用的是脉冲宽度个个都大约为20纳秒的多个激光脉冲。激光退火步骤可以在氮气中包含氧的环境中进行，其中氧的浓度在激光照射晶片期间被控制在不足1ppm到1,000ppm的范围内。快速加温退火步骤可以在氮气中包含氧气的环境中进行，其中氧的浓度在晶片的快速加温退火期间被控制在不足1ppm到1,000ppm的范围内。依照本专利技术的第二方面，提供一种在半导体晶片中形成搀杂区域的方法。该方法包含将搀杂材料植入半导体晶片的步骤、在不引起晶片熔融的情况下用足以激活搀杂材料5的激光能量照射被植入的晶片的步骤、以及在比较低的温度下对被植入的晶片进行快速加温退火以便修复结晶的损伤的步骤。本专利技术的方法在没有可测量的扩散的情况下实现了搀杂物的激活。快速加温退火将这样修复来自搀杂材料的植入的结晶损伤，以致器件具有良好的迁移率和低的漏电流。通过消除硅的熔融，遍及熔融区域的搀杂物分布得以避免。本专利技术的详细说明半导体晶片10的非常简化的局部剖视图是在附图说明图1中展示的。导电率符合需要的结和区域可以通过离子注入在半导体晶片10中形成。人们将会理解真实的半导体器件包括多重结构复杂的植入区域，而且图1所示的半导体器件10仅仅是为了说明的目的而被展示的。搀杂材料的离子束12对准晶片10，从而产生植入区域14。植入区域14的深度是由许多因素决定的，包括在离子束12中离子的能量和质量。植入区域14的边界通常是由植入掩膜16定义的。然后，晶片被退火以便激活搀杂材料和修复离子注入所引起的结晶损伤。现有技术的退火程序引起搀杂材料向比植入区域14更大和更深的杂质区域20扩散。杂质区域20是以结的深度Xj为特色的，该深度在退火之后对晶片10的表面是杂质区域20的法向深度。制造超浅结的目标之一是将扩散减少到子最低限度并借此限制结的深度Xj。业已发现，退火之后杂质区域20的结深度Xj与现有技术的程序相比可以凭借利用包括为了在最小的热扩散和没有熔融的情况下形成超浅的搀杂区域而与低温快速加温退火合并的亚熔融态的激光退火的新奇的热处理方法而被减少。该程序可以用来形成低薄膜电阻的超浅结和形成在离子注入之后不希望有热扩散的比较深的杂质区域。依照本专利技术的程序的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来对包含搀杂材料的半导体晶片进行热处理的方法，该方法包括下述步骤： 在不使晶片熔化的情况下用足以激活搀杂材料激光能量照射晶片；以及 在比较低的温度下对晶片进行快速加温退火以便修复结晶的损伤。

【技术特征摘要】
US 2000-8-11 09/638,410;US 2000-3-17 60/190,2331.一种用来对包含搀杂材料的半导体晶片进行热处理的方法，该方法包括下述步骤在不使晶片熔化的情况下用足以激活搀杂材料激光能量照射晶片；以及在比较低的温度下对晶片进行快速加温退火以便修复结晶的损伤。2.根据权利要求1的方法，其中用激光能量照射晶片的步骤足以将晶片加热到在大约1100℃到1410℃范围内的温度。3.根据权利要求1的方法，其中晶片的快速加温退火步骤足以在不足1秒到60秒的时间范围内将晶片加热到在大约650℃到850℃范围内的温度。4.根据权利要求1的方法，其中晶片是用来自受激准分子激光器的波长为308纳米的激光能量照射的。5.根据权利要求1的方法，其中晶片是用具有532纳米波长的激光能量照射的。6.根据权利要求1的方法，其中晶片是用具有1064纳米波长的激光能量照射的。7.根据权利要求1的方法，其中晶片是用波长在大约190到1500纳米范围内的激光能量照射的。8.根据权利要求1的方法，其中晶片是用包括众多激光脉冲的激光能量照射的。9.根据权利要求1的方法，其中晶片是用包括1到10,000个激光脉冲的激光能量照射的。10.根据权利要求1的方法，其中晶片是用包括脉冲宽度在大约1到10,000纳秒范围内的激光脉冲的激光能量照射的。11.根据权利要求1的方法，其中晶片是用100到1000个激光脉冲组成的激光能量照射的，而且激光脉冲的脉冲宽度在10到100纳秒范围内。12.根据权利要求1的方法，其中晶片是用一个以上激光脉冲组成的激光能量照射的，其中激光脉冲的次数乘以激光脉冲的脉冲宽度的乘积在1到1,000微秒范围。13.根据权利要求1的方法，其中晶片是用一个以上个个都具有大约20纳秒的脉冲宽度的激光脉冲组成的激光能量照射的。14.根据权利要求1的方法，其中硅晶片是...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏珊B费尔奇，索米特塔尔沃，丹尼尔F当尼，卡罗尔M格拉扎斯，
申请(专利权)人：瓦里安半导体设备联合公司，超科技斯泰珀公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]