[发明专利]使用低温沉积含碳硬掩膜的半导体基材制程

说明书

技术领域

本发明是关于使用低温沉积含碳硬掩膜的半导体基材制程。

背景技术

形成在晶态半导体晶片上的高速积体电路具有许多超浅半导体接面，其是藉由将掺杂物离子植入源极及漏极区域的方式形成。植入的掺杂物并由高温退火步骤活化，使大量的植入原子于晶态半导体晶格中具可替换性。前述后离子植入退火步骤是使用高效能的灯具作快速热处理(RapidThermal Process，RTP)来完成，以将整个晶片体积加热至非常高温一段短暂的时间(例如，上升速率每秒约摄氏100-200度，且最初下降率每秒摄氏50-100度)。加热时间必须够短，以避免掺杂物于半导体晶片的掺杂位置的热引生扩散劣化经掺杂的接面。此快速热处理方法对于先前后离子植入退火技术(需于炉中长时间加热晶片)而言是一种相当显著的进步。使用灯具的快速热处理相当有效的原因在于，热源(即灯炉)的反应时间比起退火步骤中的灯炉(具相当慢的加热器反应时间)为短。故快速热处理方法的高温、短加热时间便有利于活化植入掺杂物，同时最小化热引生的扩散。

另有一种改良的退火方式，是藉由利用高效能闪光灯的闪光灯(flashlamp)退火处理，以将整个晶片的表面(仅有表面部分)加热至非常高温一段短暂的时间，例如几毫秒。加热时间必须够短，以避免掺杂物于半导体晶片的掺杂位置的热引生扩散劣化经掺杂的接面。此闪光方法对于快速热处理步骤而言是一种相当显著的进步，因晶片的主体可作为一个散热片(heatsink)并快速冷却热的晶片表面。使用闪光灯的高速退火较具效力的原因在于，可将加热局限在晶片表面；反之快速热处理退火步骤会让晶片整个体积加热至几乎与退火温度相同。短时间处于闪灯方法的高温下可将热引生扩散的影响降至最低。然而，一般却难以将整个晶片均匀加热。晶片内若有越大的热度不均匀，会造成明显的机械应力并导致晶片破损，且将使用闪光灯的退火的最高操作温度限制在摄氏约1150度。闪光灯退火期间的表面温度可由闪光灯的强度及闪动时间来决定，然其却难以重复地对一晶片与下一晶片进行控制。

快速热处理的问题之一在于，当元件尺寸缩减至65纳米(nm)或以下时，快速热处理或闪光加热虽仅有些微的热扩散，然而尽管快速热处理或闪光加热的时间很短暂，但对元件尺寸而言却是相当明显。另一问题在于所植入的掺杂物的活化程度会受限于快速热处理或闪光处理的最大温度。于快速热处理制程中将整个晶片体积加热至最大温度以上(亦即，摄氏1100度)会在晶片中形成机械应力，在绝大多数情况下会致使晶格缺陷及晶片破损。将晶片温度限制在一最大程度(例如，摄氏1100度)虽可避免前述破损，但也不幸的限制了已活化(亦即，于半导体晶态晶格中呈可替换状态)的植入(掺杂)原子的比例。抑制掺杂物的活化程度会限制薄层导电率，并阻碍元件速度。此问题在元件尺寸缩减至65纳米以下时(例如，低至45纳米)会更为明显。

为了使掺杂物活化高于快速热处理或闪光退火所能达到的程度，现已引入激光退火取代快速热处理。现已使用的一种激光为二氧化碳激光(CO₂laser)，其具有10.6微米的发散波长。此种激光可产生窄的柱形束(cylindrical beam)，其必须光栅扫瞄(raster-scanned)在整个晶片表面上。为了减少10.6微米时的表面反射，激光束是固定在相对于晶片表面呈锐角处。由于二氧化碳激光波长所对应的光能低于硅的能隙，硅必须预热以让自由载子填满导电带，以便藉由自由载子的吸收来吸收10.6微米的光子。然而主要的问题在于10.6微米激光波长的吸收取决于图案(pattern-dependent)，因为其会受到掺杂物的影响(除了其他因素，其可判定局部自由载子密度)，而使得晶片表面无法均匀受热。同样的，晶片上的导体或金属特征在10.6微米的激光波长时会有高度反射，使得此制程可能无法用于有导电性薄膜特征存在的情况中。

后植入退火步骤是以短波长脉冲激光进行(短波长所对应的光能量大于硅的能隙)。虽然表面加热相当快且浅，但此种脉冲激光会使半导体晶体触及熔点，因此加热必须限制在极浅的深度，因而降低此方法的适用性。一般而言，受热区域的深度并不会延伸到超浅接面的深度以下(约200埃)。