[发明专利]脉冲序列退火方法和设备

说明书

本申请为2008年11月10日递交的申请号为200810175468.9并且发明名称为“脉冲序列退火方法和设备”的分案申请，在此引用其全部内容作为参考。

技术领域

本发明的实施例总的来说涉及一种半导体器件的制造方法。更具体地，本发明涉及一种热处理衬底的方法。

背景技术

半导体器件的市场继续遵循着摩尔定律的轨迹前进。当前45纳米（nm）的器件几何图形计划缩小到20nm或以下，以满足将来性能的需求。对于要实现的这种按比例缩小，掺杂的源和漏接点的制造工艺必须集中在单个原子在很小晶格内的位置和移动。例如，一些将来的器件设计期待由少于100个原子组成的沟道区。针对这种苛刻的需求，需要在几个原子半径内控制掺杂剂原子的放置。

当前掺杂剂原子的放置是通过将掺杂剂注入到硅衬底的源和漏区以及然后退火该衬底的工艺来控制的。掺杂剂可用来增强硅基质中的导电性，以引起对晶体结构的损伤，或者控制层之间的扩散。例如硼（B）、磷（P）、砷（As）、钴（Co）、铟（In）和锑（Sb）的原子可用来增强导电性。硅（Si）、锗（Ge）和氩（Ar）可用来引起晶体损伤。对于扩散控制，通常使用碳（C）、氟（F）和氮（N）。在退火期间，一般将衬底加热到高温，以便在衬底中定义的多个IC器件中发生各种化学和物理反应。退火处理从先前制造的非晶的衬底区域再创建一些结晶结构，并且通过将其它原子合并到衬底的晶格中来“激活”掺杂剂。使晶格有序和激活掺杂剂会降低掺杂区的电阻率。热处理，例如退火，包括将相对大量的热能在很短的时间内引到衬底上，之后快速地冷却该衬底以结束该热处理。已经被广泛使用一定时间的热处理的例子，包括快速热处理（RTP）和脉冲（尖峰）退火。虽然被广泛使用，但是这种处理并不理想，因为它们使晶片温度的变化倾斜（ramp）太小，且使该晶片暴露在升高的温度时间太长。随着增加的晶片尺寸、增加的开关速度和/或降低的特征尺寸，这些问题变得更严重。

通常，常规的热处理在根据预定热制法的控制条件下加热该衬底。这些热制法基本包括：半导体衬底的目标温度；温度改变速率，即，温度上升和下降速度；和热处理系统保持在特定温度下的时间。例如，热制法要求该衬底从室温加热到1200℃或更大的峰值温度，并且要求每个峰值温度附近的处理时间范围直到60秒或更大。

退火掺杂衬底的所有处理的目标是在衬底内产生足够的原子运动，使掺杂剂原子占据晶格位置，并使硅原子重新安排自己进入结晶模式，不让掺杂剂原子广泛地扩散过该衬底。这种宽扩散通过降低掺杂剂的浓度和使它们传播到更大的衬底区域中，降低了掺杂区的电气性能。为了实现这些目的，温度斜率，无论上升和下降，都优选要高。换句话说，希望能够在尽可能短的时间内将衬底温度从低温调节到高温，反之亦然。当前退火工艺通常能够保持大约3-4nm/十进制（decade）（10％改变）的浓度陡峭度。然而，当结深度缩小到小于100埃时，所关心的是未来的陡峭度小于2nm/十进制。

对高温度斜率的需要，致使开发快速热处理（RTP），与常规熔炉的5-15℃/分钟相比，其典型的温度倾斜上升速率范围从200至400℃/s。典型的倾斜下降速率在80-150℃/s的范围内。虽然IC器件仅存在于衬底几微米的顶部上，但是RTP能加热整个衬底。这限制了能够多快地加热和冷却该衬底。而且，一旦整个衬底处在升高的温度上，热量会仅消耗在周围的空间或结构中。结果，当今技术发展水平的RTP系统会努力实现400℃/s的倾斜上升速率和150℃/s的斜坡下降速率。

脉冲和尖峰退火已经用来进一步加速温度倾斜。在单个脉冲中非常短的时间内能量被提供到衬底的一个部分上。然而，为了提供足够的能量导致基本退火，需要很大的能量密度。例如，脉冲退火需要将提供到衬底上的能量密度在约2J/cm²以上。在单个持续时间短的脉冲中提供足够的能量来充分退火该衬底，经常会造成其表面的重大损伤。而且，向衬底提供非常短的脉冲能量会导致不均匀的问题。此外，需要激活掺杂剂的能量与安排晶格需要的能量可能非常不同。最终，即使用脉冲和尖峰退火，缩小器件尺寸也会导致结区域上杂质的过扩散。