使用加热源组合的脉冲式处理半导体加热方法技术

一种用于处理对象的方法，所述对象具有包括第一和第二表面的相反主表面，所述方法包括以下步骤：　使用加热装置在背景加热模式期间以可控制的方式将热施加给对象，由此选择性地加热对象以至少通常地在整个对象上产生第一温度；　通过使第一表面经历能量的至少第一脉冲以将对象的第一表面加热至比第一温度大的第二温度在脉冲式加热模式下使用加热装置来加热对象的第一表面；　在施加所述第一脉冲之后的冷却间隔期间允许所述第一表面冷却，由此允许对象的第一表面降至第二温度以下并且至少在有限的程度上热均衡；以及　在所述冷却间隔之后，将能量的第二脉冲施加给对象的第一表面以再热第一表面。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2003年3月19日，申请号为03807259.9 (国际 申请号PCT/US2003/008623)，专利技术名称为"使用加热源组合的脉冲式 处理半导体加热方法"的专利申请的分案申请。相关申请本文字要求来自提交于2002年3月29日的U.S.临时专利申请序列号 60/368,863的优先权，其在此被全部引入作为参考。
本文字涉及用于组合背景加热源以短、高强度脉冲来热处理半导体 晶片的方法和系统，所述加热源是诸如钨卤灯或弧光灯，但并不局限于 此。
技术介绍
为制作电器件，如微处理器和其它计算机芯片，诸如硅晶片的半导 体晶片经历离子注入过程，其将杂质原子或掺杂剂引入到晶片的器件侧 的表面区中。离子注入过程损坏了晶片表面区的晶格结构，从而在间隙 位置中留下了所注入的掺杂剂原子，它们在间隙位置处是电惰性的。为 了使掺杂剂原子移动到格子中的替代位置中以使它们是电活性的，并且 修复在离子注入期间发生的对晶格结构的损坏，晶片器件侧的表面区通 过将其加热到高温而退火。被指向退火的三种类型的半导体晶片加热方法在本领域是巳知的 绝热——其中能量由脉冲能量源(如激光、离子束、电子束)提供10x10-9到100xl0一秒的很短持续时间。这种高强度、短持续时间能量 将半导体的表面熔化大约一到二微米的深度。热通量——其中能量被提供5 x 10—6到2 x 10—2秒。热通量加热产生在晶片表面以下的大大多于二微米处扩展的显著温度梯度，但并不使任 何事物在晶片的整个厚度上接近于均匀加热。等温——其中能量被施加1到ioo秒以使晶片的温度在任何给定区在其整个厚度上基本上是均匀的。见例如U.S.专利4,649,261的第3栏第 65行到第4列第13行。不幸的是，通过使用现有技术，退火半导体晶片的器件侧所需的高 温可产生不理想的效果。例如，掺杂剂原子在高温下以高得多的速率扩 散到硅晶片中，而大多数扩散发生在与激活掺杂剂所需的高退火温度接 近的温度处。随着对半导体晶片性能要求的增加和器件尺寸的减小，有 必要产生日益浅且突然限定的结。传统快速热处理(RTP)系统已经以近乎等温的方式来加热半导体 晶片，从而使整个晶片被加热到高温。在快速热退火过程中，所需目标 是以很高速率加热晶片，但以尽可能短的时间将晶片保持在所需峰值温 度处。加热之后是尽可能快的冷却。这允许所需退火发生而伺时使不理 想的侧效应最小，如使晶片体(bulk)内的过度掺杂剂扩散最小。对于 快速热退火，加热通常是通过激励在晶片器件侧上面放置的钨卤灯的阵 列。加热速率受半导体晶片的热质量的限制。因此，必须施加很大的灯 功率以达到所需峰值加热温度。在导致加热上升过程中的很大的功率急 变。另外，灯丝的热质量限制了辐射加热可被关闭得多快，并由此可延 长在峰值温度处或附近所花费的时间。用于典型钨卤灯的时间常数是相 对长的，大约是0.3秒。因此，在电源已被切断之后，所述丝仍保持是 热的并且继续照射晶片。非常大的部分的掺杂剂扩散发生在退火循环的最高温度范围内。较 低的退火温度导致对掺杂剂的明显小的激活并因此导致晶片的较高片电 阻，其超过用于高级处理器件的电流和/或将来可接受的片电阻限制。因 此，较低的退火温度并不解决掺杂剂扩散问题。由于器件生产领域的现有技术水平已移向具有逐渐减小的结深度的 器件，己有以下伴随的感觉可使用用于处理半导体晶片的脉冲式加热 方法和系统来增强热处理。20世纪80年代后期的至少一个途径包含低 温背景加热级，之后是脉冲式退火级。低温背景加热级典型地包含用钨卤灯将晶片加热到中间范围的温度，如例如600°C，之后通过诸如400 ps 的很短持续时间的来自闪光灯的脉冲将温度快速增加到1100°C。晶片被 允许通过辐射来冷却。没有用于控制使用脉冲加热的过程(其简单地在 等温退火的结束时激发闪光灯)的可重复性的技术，也没有提供从晶片 到晶片的可重复性。而且，对于针对可重复性的过程控制，采用了对背 景加热的简单、恒温控制。见例如J.R. Logan等，"Recrystallisation of amorphous silicon film by rapid isothermal and transient annealing", Semiconductor Sci. Tehc. 3, 437 (1988);以及J丄.Altrip等，"High temperature millisecond annealing of arsenic implanted silicon", Solid-State Electronics 33, 659 (1990)。亦值得注意的是，尽管这两个参考都利用了 在脉冲暴露期间对背景加热的简单、恒温控制，Logan的参考仍被进一 步局限于说明对这种控制的实施，其中经历处理的基片的温度仅被间接 地监视。就是说，正被处理的基片由支持基片来支持。支持基片的温度 被监视，而不是实际上正经历处理的基片。不幸的是，这种安排潜在地 通过引入对实际上正被处理的对象的温度的不确定性而进一步加重了有 关恒温控制的问题。在可替换的实施例中，U.S.专利4, 649,261和4,698,486公开了用于 通过组合等温加热和热通量加热来加热半导体晶片的方法(例如图11)。 整个晶片用诸如连续波灯通过等温加热而加热到第一中间温度。然后， 晶片的前侧通过热通量(脉冲式装置，如高功率脉冲式灯阵列)来加热。加热方法在晶片和加热源被保持在积分光管或万花筒内的同时被实施， 所述积分光管或万花筒具有将辐射能量反射和再次反射向晶片的反射性 内表面。所述专利未描述多脉冲加热模式，并且没有提供技术来控制通 过多重脉冲来加热或从晶片到晶片的可重复性。应提出的是，不管其被感觉到的优点，如由现有技术所实施的脉冲 模式加热仅已遇到有限的成功，这是因为伴随其使用的某些困难尚未被 适当地解决，如将在以下被进一步描述的。U.S.专利4,504,323讨论了一种退火方法，其中半导体晶片在炉内被 预热至400。C，然后在800 (isec的脉冲期间被暴露于来自闪光放电灯阵 列的辐射。预热温度在所需退火温度以下，并且不发生掺杂剂扩散。该 专利未公开多脉冲加热模式，并且没有提供技术来控制通过多重脉冲来 加热或从晶片到晶片的可重复性。U.S.专利4,615,765公开了使用激光或粒子束源的热处理。该专利聚 焦于用于将功率从激光选择性地递送到半导体晶片的特定区以加热所需 区而不加热其它区的方法。该方法基于定制两个区的吸收质量以导致来 自具有预定脉冲能量、脉冲持续时间和脉冲间隔的脉冲的不同温升。没 有提供技术来控制通过多重脉冲来加热或从晶片到晶片的可重复性。U.S.专利5,841,110提供了 RTP领域内的一种较近期的途径。具体而 言，系统参数在谱积分反射率的单独的基础上被调节。而且，该参考至 少由于以下原因而在某种程度上与本专利技术不相关该参考不包括用于使 用脉冲式源的直接讲述。尽管该系统是有效的并且提供了当时存在的现 有技术之上的明显改进，应提出的是本专利技术提供了仍进一步的优点，如 将要看到的。脉冲式加热期间半导体晶片表面处的温度可受几个因素的影响，包 括(a)背景温度分布；(b)脉冲能量类型、形状和持续本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理对象的方法，所述对象具有包括第一和第二表面的相反主表面，所述方法包括以下步骤：　使用加热装置在背景加热模式期间以可控制的方式将热施加给对象，由此选择性地加热对象以至少通常地在整个对象上产生第一温度；　通过使第一表面经历能量的至少第一脉冲以将对象的第一表面加热至比第一温度大的第二温度在脉冲式加热模式下使用加热装置来加热对象的第一表面；　在施加所述第一脉冲之后的冷却间隔期间允许所述第一表面冷却，由此允许对象的第一表面降至第二温度以下并且至少在有限的程度上热均衡；以及在所述冷却间隔之后，将能量的第二脉冲施加给对象的第一表面以再热第一表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·J·蒂曼斯，纳拉辛哈·阿查里雅，
申请(专利权)人：马特森技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US