專利名稱：半導體器件的制造方法和退火裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件的制造方法，特別是涉及在雜質的擴散和激活工序中所必要的熱處理。
作為形成淺的pn結、即在阱上形成淺的雜質擴散層(源/漏區(qū))的方法，一般在使用通過以低的加速能量進行離子注入并短時間化進行其后的退火處理(熱處理)而將擴散深度調整得較淺的方法。例如，作為短時間的退火處理方法，使用了采用鹵素燈的以秒為單位的短時間熱處理(RTA快速熱退火)。
但是，在要求微細化的同時，也要求pn結的深度的進一步變淺，要求形成不到20nm的極淺的結?，F(xiàn)在，作為p型雜質，主要使用了硼(B)，作為n型雜質，主要使用了磷(P)或砷(As)，但由于B、P或As這樣的雜質在硅(Si)襯底中的擴散系數(shù)比較大，故即使使用RTA，也難以形成不到20nm的深度極淺的pn結。
此外，在使用鹵素燈的情況下，難以將發(fā)光時間調整為幾百ms以下，在退火處理的短時間化方面存在限度。另一方面，如果為了抑制雜質擴散而降低退火溫度、即發(fā)光能量強度，則雜質的激活率大幅度地下降，雜質擴散層的電阻上升。因而，在采用了鹵素燈的RTA處理中，難以形成低電阻的且深度為20nm以下的淺的雜質擴散層。
最近，本發(fā)明的發(fā)明者等研究了采用使用氙(Xe)閃光燈的閃光燈退火法來代替使用現(xiàn)有的鹵素燈的RTA處理方法。Xe閃光燈是發(fā)出在從可見光區(qū)域至近紅外線區(qū)域的寬的范圍內具有發(fā)光波長的白色光、而且能進行數(shù)百μs～10ms這樣的極短時間的發(fā)光的光源。通過采用由該Xe閃光燈進行的閃光燈退火法，可進行在高溫下的瞬時退火，其結果，可使雜質激活而不伴隨以離子方式注入的雜質的擴散，可形成淺的且低電阻的pn結。
一般來說，在使用了多晶硅柵電極的MOS晶體管的制造工序中，為了使柵電極低電阻化，在半導體襯底中注入雜質離子時，同時在柵電極中也注入雜質離子，在退火工序中使半導體襯底中已被注入的雜質激活，同時通過使柵電極層中的雜質擴散到整個柵電極中并使之激活來謀求低電阻化。
在使用了Xe閃光燈的退火方法中，由于燈的發(fā)光時間極短，故可進行極短時間的退火處理，可激活半導體襯底中的雜質而不使之擴散，故可形成淺的源/漏區(qū)。但是，另一方面，由于退火時間極短，故柵電極內已被注入的雜質不能擴散到整個柵電極中，在柵電極中留下雜質擴散不充分的區(qū)域。該雜質擴散不充分的區(qū)域成為耗盡化的區(qū)域，引起電容的下降，結果導致晶體管的驅動力的下降。
這樣，雖然使用了Xe閃光燈的退火方法能形成具有低電阻的和淺的結的雜質擴散層(源/漏區(qū))，但由于在柵電極中留下耗盡層，故即使形成微細的晶體管，也不能得到伴隨微細化的高性能的晶體管特性。
本發(fā)明的半導體器件的制造方法的特征在于，具有下述工序在單晶的半導體襯底上形成柵絕緣膜的工序；在柵絕緣膜上形成由多晶導電膜構成的柵電極的工序；在柵電極中和與柵電極鄰接或離開的半導體襯底的表面層中注入雜質的工序；在主要使在柵電極中已被注入的雜質擴散、同時抑制在半導體襯底的表面層中已被注入的雜質的擴散的的溫度下進行熱處理的第1熱處理工序；以及在使半導體襯底中已被注入的雜質激活的溫度下與第1熱處理相比以高溫短時間進行熱處理的第2熱處理工序。
按照上述本發(fā)明的特征，由于利用在多晶的柵電極中與單晶的半導體襯底中相比雜質在較低的溫度下容易擴散的性質，首先利用第1熱處理工序抑制半導體襯底中的雜質擴散，故使柵電極中的雜質有選擇地擴散，使雜質擴散到整個柵電極中，防止因擴散不充分引起的柵電極底部的耗盡化。其次，利用第2熱處理工序的高溫短時間熱處理來激活半導體襯底中和柵電極中的雜質。由于在高溫短時間內進行該第2熱處理，故可激活雜質而幾乎不使其擴散。因而，對于在半導體襯底中形成的雜質擴散層來說，利用該二階段的熱處理可維持結深度為較淺的狀態(tài)。可制造具有更微細的、更淺的結的晶體管等的半導體器件而不伴有柵電極的耗盡化的問題。
在上述半導體器件的制造方法中，注入雜質的工序可具有在與柵電極鄰接的區(qū)域的半導體襯底的表面層中進行離子注入以形成第1雜質離子注入區(qū)的第1離子注入工序；以及在與柵電極離開的區(qū)域的半導體襯底的表面層中進行離子注入以形成比第1雜質離子注入區(qū)深的第2雜質離子注入區(qū)的第2離子注入工序。
此時，可在與柵電極鄰接的半導體襯底的表面層中形成更淺的雜質擴散區(qū)、即延伸區(qū)。因而，可抑制在制造更微細的晶體管的情況下發(fā)生的短溝道效應。
此外，在第1離子注入工序后至第2離子注入工序前具有與上述第2熱處理工序為同一條件的第3熱處理工序。
此時，在第1離子注入工序后進行的第3熱處理工序中，由于與第2熱處理工序同樣地進行高溫短時間熱處理，故可得到具有淺的結的延伸區(qū)。
作為上述多晶導電膜，可舉出多晶硅膜。
最好在退火溫度為600℃以上至950℃以下和根據溫度條件退火時間為1小時至5秒間的條件下進行上述第1熱處理工序。
此外，可使用紅外線燈或熱板來實施上述第1熱處理工序。在此，作為紅外線燈，可舉出鹵素燈。
希望上述第2熱處理工序的熱處理時間為100ms以下。此外，可使用能將照射時間調整為100ms以下的光源來實施上述第2熱處理工序。此外，關于該光源，希望使用照射能量密度為10～60J/cm2的光源。例如，作為該光源，可舉出Xe閃光燈。此外，Xe閃光燈的照射時間為10ms以下是更為理想的。此外，除了Xe閃光燈以外，也可使用受激準分子激光器或YAG激光器。
希望在比第1熱處理工序中的熱處理溫度低的溫度下預先對半導體襯底進行了預加熱的狀態(tài)下進行上述第2熱處理工序。
通過進行預加熱，可防止伴隨因短時間高溫熱處理導致的急劇的襯底溫度上升的對襯底的損傷的發(fā)生。
此外，希望上述預加熱的溫度為200～600℃。此外，可使用紅外線燈或熱板來實施上述預加熱。
可使用單一退火裝置且在同一室內連續(xù)地進行上述第1熱處理工序和第2熱處理工序。
此時，可省略因第1熱處理工序和第2熱處理工序之間的襯底的取出放入或前處理導致的工夫，不會因二階段的熱處理而犧牲生產率。
作為上述退火裝置，可使用具有下述部分的裝置密閉地容納襯底的室；在室內具備的、具有照射時間為100ms以下且照射能量密度為10～60J/cm2的光源的第1加熱源；以及由鹵素燈或熱板構成的第2加熱源。再有，希望上述第1加熱源是Xe閃光燈。
本發(fā)明的退火裝置的特征在于，具有密閉地容納襯底的室；在室內具備的、具有照射時間為100ms以下且照射能量密度為10～60J/cm2的光源的第1加熱源；以及由鹵素燈或熱板構成的第2加熱源。再有，希望上述第1加熱源是Xe閃光燈。
按照上述本發(fā)明的退火裝置，由于能在同一室內連續(xù)地進行由上述本發(fā)明的半導體器件的制造方法中的第1熱處理工序和第2熱處理工序構成的二階段熱處理，故可實施上述本發(fā)明的半導體器件的制造方法而不會犧牲生產率。
圖2是示出本發(fā)明的實施方案中的閃光燈退火工序中的溫度分布的圖。
圖3是示出本發(fā)明的實施方案中的預退火工序中的溫度分布的圖。
圖4是示出使用本發(fā)明的實施方案的二階段退火法制作的實施方案的MOS柵、只使用閃光燈退火法來代替二階段退火的比較例1和使用了現(xiàn)有的退火方法的比較例2的各MOS柵的柵電容與柵電壓的關系的圖。
圖5是示出使用本發(fā)明的實施方案的二階段退火法制作的實施方案的柵電極和只使用閃光燈退火法來代替二階段退火制作的比較例的柵電極的硼(B)的濃度分布的圖。
圖6是示出用本發(fā)明的實施方案的制造方法得到的源/漏的延伸區(qū)內的硼(B)的濃度分布的圖。
圖7是示出本發(fā)明的實施方案的預退火條件的圖。
圖8是示出本發(fā)明的另一實施方案的連續(xù)地進行預退火(第1熱處理)和閃光燈退火(第2熱處理)的情況下的溫度分布的圖。
圖9是示出在同一室內具備Xe閃光燈和鹵素燈的退火裝置的概略結構的圖。
(實施方案)

圖1(a)～圖1(f)是示出本發(fā)明的實施方案的半導體器件的制造方法的工序圖。在此，將在LOGIC電路或存儲器區(qū)域中形成的微細的p型MOS晶體管的制造工序作為例子來說明。
本實施方案中的制造方法的主要的特征是用預退火工序(第1熱處理工序)和閃光燈退火工序(第2熱處理工序)這二階段來進行為形成源/漏區(qū)而進行的離子注入工序后的退火處理。以下，一邊參照附圖，一邊具體地說明該制造方法。
首先，如圖1(a)中所示，按照通常的p型MOS晶體管的制造方法，為了劃定有源區(qū)而在n型單晶、或p型單晶的表面區(qū)域中并在摻了n型雜質的硅(Si)襯底1中形成元件隔離區(qū)2。如圖示那樣，最好將該元件隔離區(qū)2作成STI(淺槽隔離)區(qū)。通過在硅襯底1中形成槽、用SiO2膜等的絕緣膜填埋該槽并使表面平坦化可得到STI結構。其后，形成約不到3nm的薄的絕緣膜、例如SiO2膜作為柵絕緣膜3，進而在柵絕緣膜3上形成厚度約為175nm的多晶硅膜，利用有選擇的刻蝕形成由多晶硅膜構成的柵電極4。
其次，如圖1(b)中所示，為了形成源/漏的延伸區(qū)，將柵電極4用作離子注入掩模，在硅襯底1的表面層中注入硼(B+)離子。離子注入的條件例如定為加速能量為0.2keV、劑量為1×1015cm-2。利用該離子注入，在與柵電極4鄰接的硅襯底1的表面層中形成淺的雜質離子注入區(qū)5。
其次，為了激活該雜質離子注入區(qū)5中的雜質離子而進行退火處理。該退火處理可以是現(xiàn)有的使用了鹵素燈的RTA處理，但最好進行使用了氙(Xe)閃光燈的高溫短時間的閃光燈退火處理。再有，在與后述的源/漏區(qū)形成用的第2熱處理工序條件同樣的條件下進行該閃光燈退火處理。
圖2是示出該閃光燈退火處理條件的曲線圖。如該圖中所示，在閃光燈退火處理中，在預先使用熱板或其它的加熱器將硅襯底1加熱到約400℃的溫度后，以極短的時間、例如約1ms對硅襯底1的整個面照射Xe閃光燈的光。此時，將Xe閃光燈的照射能量密度定為例如約35J/cm2。利用該短時間的Xe閃光燈的照射，使硅襯底1的表面達到充分地激活以離子方式注入的雜質元素的溫度、例如1100℃以上。
在使用了Xe閃光燈的閃光燈退火處理中，由于進行比現(xiàn)有的使用鹵素燈的RTA更短的極短時間的退火處理，故在能恢復雜質離子注入區(qū)的結晶缺陷并激活所注入的雜質離子的同時，已被注入的雜質離子在深度方向上幾乎不擴散。其結果，如圖1(c)中所示，形成深度約為10nm的極淺的且低電阻的延伸區(qū)6。
再有，在進行使用鹵素燈的RTA來代替閃光燈退火處理的情況下，希望襯底溫度為800℃以下、加熱時間約為10秒。利用該RTA，在不使雜質擴散到襯底深處的情況下激活雜質元素，同時也可使雜質離子注入區(qū)5的結晶缺陷得以恢復，形成源/漏的延伸區(qū)6。
其次，如圖1(d)中所示，在柵電極4的側壁上形成多層結構的側壁襯墊。使用CVD法依次淀積氮化硅膜(SiN膜)7和氧化硅膜(SiO2膜)8，接著，通過利用RIE(反應離子刻蝕)法進行各向異性刻蝕，只在柵電極4的側壁上有選擇地留下SiN膜7和SiO2膜8，可得到該圖中示出的多層結構的側壁襯墊。
如圖1(e)中所示，將由柵電極4、SiN膜7和SiO2膜8構成的側壁襯墊用作離子注入掩模，再次注入作為p型雜質的B+離子。離子注入的條件例如定為加速能量為5keV、劑量為3×1015cm-2。利用該離子注入，在與柵電極4的端部離開的硅襯底1的表面層中形成深的雜質離子注入區(qū)9。此時，在由多晶硅構成的柵電極4中也注入相當?shù)牧康碾s質離子B+。
其次，為了謀求雜質離子注入區(qū)9的激活和在柵電極中已注入的離子的擴散而進行退火處理。在此，在本實施方案中，與以往不同，用第1熱處理工序和第2熱處理工序這二階段來進行該退火處理。
首先，利用使用了鹵素燈的RTA進行第1熱處理(預退火)。在圖3中示出退火條件。如該圖中所示，作為退火條件，例如將襯底溫度定為900℃，將退火時間定為20秒。
一般來說，如果比較注入到多晶材料中的雜質與注入到單晶材料中的雜質，則注入到多晶材料中的雜質在較低的溫度下容易擴散。這是因為，在多晶材料中存在雜質容易擴散的結晶粒界。根據該雜質擴散的特性，如上述預退火溫度條件那樣，定為多晶柵電極中的雜質擴散而單晶半導體襯底中的雜質的擴散被抑制的溫度條件。注入到由多晶硅構成的柵電極4中的B按照濃度梯度在深度方向上擴散，到達厚度約為175nm的柵電極4的整個層中，但注入到作為單晶的硅襯底1中的B幾乎不擴散，停留在離子注入區(qū)9內。這樣，在只促進柵電極4中的B的擴散的同時，對于已經形成的延伸區(qū)6的雜質B來說，可維持淺的結深度而不擴散。
接著，使用Xe閃光燈，進行第2熱處理。該第2熱處理、即雜質擴散區(qū)的激活用的閃光燈退火條件，可使用與前面為了形成延伸區(qū)6而進行的閃光燈退火條件大致同樣的條件。如圖2中所示，在預先將襯底加熱到例如約400℃的溫度的狀態(tài)下，在整個襯底的面上照射Xe閃光燈的光。照射時間、照射能量密度例如定為1ms、35J/cm2，瞬間地使襯底表面層的溫度為被注入的雜質離子的區(qū)域的結晶缺陷恢復、注入離子激活時的襯底到達溫度、即1100℃以上。
利用該閃光燈退火，如圖1(f)中所示，在離子已注入的雜質被激活的同時，雜質離子注入區(qū)9的結晶缺陷得以恢復，可得到離開柵電極4的端部的深的源/漏區(qū)10。此外，由于是極短時間的退火處理，故可抑制延伸區(qū)6的雜質的擴散，可將結深度維持得較淺。
其后的工序雖然未圖示，但按照一般的MOS晶體管的制造方法，例如利用常壓CVD法，在成膜溫度為400℃下，在整個面上形成SiO2膜作為層間絕緣膜。其后，在層間絕緣膜上開出接觸孔，分別對于源/漏區(qū)10和柵電極4形成必要的引出布線。
這樣，在本實施方案的半導體器件的制造方法中，由于在源/漏區(qū)的形成中使用的退火處理工序具有在抑制注入到單晶的硅襯底1中的雜質的擴散的同時能促進注入到由多晶硅構成的柵電極4中的雜質的擴散的溫度條件下進行預退火的工序(第1熱處理工序)和在能激活注入到單晶的硅襯底1中的雜質的條件下進行極短時間的閃光燈退火的工序(第2熱處理工序)，故可兼顧晶體管的特性的改善和20nm以下的極淺的結的形成。
(研究1)
為了研究使用本實施方案的制造方法得到的柵電極的特性，使用與上述的實施方案中示出的制造方法相同的條件，制作具有圖4(a)中示出的結構的MOS電容器(以下稱為實施例的電容器)，測定了其C-V特性。此外，作為第1比較例，不進行預退火(第1熱處理工序)，只進行閃光燈退火(第2熱處理工序)，關于其它的條件，使用與實施方案的制造方法相同的條件，制作了同樣的MOS電容器(以下稱為比較例1的電容器)。此外，作為第2比較例，在作為現(xiàn)有方法的1015℃、10秒的條件下只進行RTA，在其它的條件與實施例相同的條件下制作了MOS電容器(以下稱為比較例2的電容器)。測定各MOS電容器的C-V特性，在圖4(b)中示出結果。
在實施例的MOS電容器中，在柵電壓為2.5V、頻率為100kHz下得到了柵電容為6×10-7F/cm2。該值與由只進行了使用鹵素燈的RTA處理的比較例2(現(xiàn)有例)得到的MOS電容器的柵電容值相等，此外，C-V特性也大體一致。與此不同，在只進行了閃光燈退火的比較例1的情況下，在相同的柵電壓、相同的頻率的條件下，MOS電容器的柵電容約為2.6×10-7F/cm2。
在只進行了閃光燈退火的比較例1的MOS電容器中，柵電容下降了，是與從外觀上看將柵電極下的絕緣膜形成得較厚同樣的結果。即，在只使用Xe閃光燈退火的情況下，可認為由于退火處理時間極短，故作為柵電極中的雜質的B未擴散到柵電極的深部，在柵電極的底部遺留了雜質濃度不充分的區(qū)域，形成了耗盡層。在柵電極的全部厚度為175nm的情況下，從柵電容值計算出的該耗盡層的厚度約為23nm。
根據該結果，確認了利用為形成本實施方案的源/漏區(qū)而進行的預退火工序(第1熱處理工序)來進行柵電極中的雜質的擴散，可防止耗盡層的發(fā)生。
如果在柵電極的底部遺留耗盡層，則不僅使晶體管的驅動力下降，而且產生不能發(fā)揮作為原來的晶體管的功能的情況。作為防止柵電極的耗盡化的方法，有在退火前進行的離子注入工序中為了更深地注入雜質離子而提高加速能量的方法，但此時由于同時進行注入到硅襯底1的表面層中的雜質的深度方向和橫方向的擴散，故誘發(fā)短溝道效應的可能性較高。此外，由于雜質侵入到柵絕緣膜中的緣故，使晶體管的閾值電壓發(fā)生變動。在這一點上，如果采用由上述的本實施方案中示出的預退火(第1熱處理)和Xe閃光燈退火(第2熱處理)構成的二階段退火方法，則在第1熱處理中主要只促進多晶柵電極中的雜質的擴散，在第2熱處理中可激活各雜質而對源/漏區(qū)和延伸區(qū)的深度幾乎沒有影響，因此，可抑制短溝道效應的發(fā)生。
(研究2)其次，為了研究退火條件與柵電極中的雜質B的擴散狀態(tài)的關系，測定了用上述的實施方案的制造條件制作的實施例的MOS晶體管與用只改變了退火處理條件的條件制作的比較例的MOS晶體管的各MOS晶體管中的柵電極中的雜質(B)的深度方向的濃度分布。該比較例的MOS晶體管的制造方法中使用了不進行預退火(第1熱處理工序)、只進行閃光燈退火(第2熱處理工序)、其它的條件與用實施方案的制造方法制作的實施例的MOS晶體管相同的條件。
圖5是示出測定了實施例與比較例的各晶體管中的柵電極的雜質硼(B)的深度方向的濃度分布的曲線圖。如該曲線圖中所示，在實施例的晶體管的柵電極中，B在整個柵電極中在深度方向上大致均勻地分布，確認了可得到約1020cm-3的高的雜質濃度。另一方面，在比較例的晶體管的柵電極中，在淺的區(qū)域中顯示出高的雜質濃度，但越往深處B濃度就越減少，B朝向深的區(qū)域的擴散是不充分的，在B濃度為1019cm-3以下的區(qū)域中，預期產生了耗盡化。
(研究3)圖6是示出了利用實施方案的制造方法得到的源/漏的延伸區(qū)6內的作為雜質的B的濃度分布的圖。濃度為1018cm-3的深度、即實質的結深度約為14nm，擴散層電阻為770Ω/℃?？纱_認能形成淺的且低電阻的雜質擴散層。根據該結果，可確認利用本實施方案的二階段退火法可將延伸區(qū)6的結深度維持為20nm以下。
再有，為了在不使用閃光燈退火而只使用鹵素燈的RTA的情況下抑制柵電極的耗盡化且使雜質擴散層的電阻為所希望的電阻值，必須在1000℃以上的退火溫度下進行10秒以上的加熱。在該退火條件下，由于延伸區(qū)和源/漏區(qū)的雜質朝向周圍擴散，不能維持淺的結，故引起短溝道效應，喪失作為晶體管的功能。
(其它的實施方案)在上述的實施方案中，說明了使用多晶硅電極作為柵電極的例子，但為了降低柵電極與布線間的接觸電阻，在采用使柵電極表層部分硅化的結構的情況下，為了形成源/漏區(qū)，也可采用上述的二階段退火法。
通常，在這樣的硅化層的形成中，在柵電極的表層和源/漏區(qū)的表層部分上以濺射方式對鈷(Co)、鈦(Ti)或鎳(Ni)進行成膜，以與場絕緣膜自對準的方式進行硅化來形成Co自對準硅化物、Ti自對準硅化物、Ni自對準硅化物結構等。再有，希望硅化物層的厚度約為30nm。這是因為，如果硅化物層變厚或實質上的多晶硅柵電極的厚度變薄，則未變成硅化物的上述鈷等的3d遷移金屬原子由于在Si或SiO2中的擴散系數(shù)較大，故從柵電極朝向柵絕緣膜擴散，從柵電極朝向硅襯底的漏泄電流增大了。但是，如果打算抑制上述現(xiàn)象而將硅化物層的厚度設定為比30nm薄，則接觸電阻上升，晶體管的驅動力下降了。因而，柵電極的厚度至少必須為100nm以上。其厚度最好為150nm以上。
此外，在上述本實施方案中，說明了制作多晶硅柵電極的情況，但不限于多晶硅，在半導體襯底由單晶構成、柵電極由多晶構成的情況下，可有效地應用上述的二階段退火法。
在上述實施方案中，將二階段退火工序中的預退火(第1熱處理)條件設定為900℃、20秒，但預退火條件不限定于此。在圖7中示出預退火條件的例子。多晶硅柵電極的厚度約為175nm，預退火前的離子注入工序的條件為該圖中的斜線部中示出的條件即可，在該斜線部中，在以加速能量為0.2keV、劑量為1×1015cm-2注入作為雜質的B離子的情況下，如該圖中所示，可抑制多晶硅柵電極內的耗盡化，而且可將已形成的源/漏的延伸區(qū)的結深度維持為20nm以下。
為了將硅襯底中的延伸區(qū)內的雜質(B)的結深度抑制為不到20nm，最好希望退火溫度為950℃以下。必要的預退火時間依賴于退火溫度條件。例如，在退火溫度為800℃時，預退火時間為12分鐘，在退火溫度為850℃時，預退火時間為3分鐘，如果退火溫度為900℃則只要預退火時間為40秒以下連續(xù)加熱，也可將硅襯底中的延伸區(qū)內的雜質(B)的結深度抑制為20nm以下，同時注入到多晶硅柵電極中的雜質擴散到柵電極底部，可抑制耗盡化。
再有，雖然將多晶硅柵電極的厚度定為175nm，但也可以是100nm～200nm，最好根據膜厚來使預退火時間可變，在柵電極層的厚度更薄的情況下，希望進一步縮短預退火時間。
此外，在本實施方案中，在預先進行了將襯底加熱到400℃的預加熱的基礎上，將閃光燈退火(第2熱處理)的Xe閃光燈的照射能量密度定為35J/cm2，將照射時間定為1ms，但不限定于該條件。雖然照射時間只要為100ms以下就是能實用的，但為了抑制雜質的擴散，希望盡可能縮短照射時間，最好為10ms以下。在照射時間為1ms的情況下，可在200～550℃的范圍內變更預加熱溫度，可在10～60J/cm2的范圍內變更照射能量密度。
如果照射能量密度超過60J/cm2，則由于伴隨過剩且急劇的照射能量的熱應力的增加的緣故，滑移或裂紋等的損傷進入到硅襯底內。預加熱具有能抑制必要的閃光燈的照射能量密度、抑制伴隨急劇的溫度上升的對襯底的熱應力的發(fā)生的效果。此外，如果打算只用閃光燈來加熱硅襯底表面，則對燈投入的能量變大，縮短了燈的壽命。于是，預加熱也具有抑制必要的燈的照射能量密度、延長燈壽命的效果。
為了以高濃度來激活雜質而使燈的照射能量為60J/cm2以下，希望預加熱溫度為200℃以上。
另一方面，如果使預加熱溫度比550℃高，則由于閃光燈的點亮的緣故，總的能量變得過剩，由于閃光燈熄滅后余熱的緣故，硅襯底的溫度維持為高溫，繼續(xù)產生雜質的擴散，故難以得到淺結的狀態(tài)。此外，如果使預加熱溫度過高，則由于襯底變脆，容易受到損傷，故為了防止襯底的損傷，希望預加熱溫度處于適度的溫度范圍。因而，希望預加熱溫度為200～550℃。
預加熱裝置是能將襯底加熱到200～550℃的裝置即可，除了由鹵素燈進行的燈加熱外，也可使用由熱板等進行的加熱器加熱。
此外，作為實施方案的閃光燈退火的光源，使用了Xe閃光燈，但所使用的燈的種類不限定于此。只要是能供給必要的照射能量而且能將發(fā)光時間調整為極短時間的光源即可。希望發(fā)光時間、即照射時間能調整為100ms以下，較為理想的是能調整為10ms以下，更為理想的是能調整為幾ms以下。例如，也可使用以脈沖方式振蕩的受激準分子激光器或YAG激光器等的激光器。再有，由于Xe閃光燈在從硅單晶襯底顯示出高的吸收率的可見光區(qū)域至近紅外線區(qū)域內具有發(fā)光波長，故能高效地進行襯底加熱，但在使用其它的光源的情況下，如果使用具有硅單晶襯底顯示出高的吸收率的不到1100nm的波長的光源，則也可提高照射能量的利用效率。
在上述的本實施方案二階段退火法中，使用具備鹵素燈的第1退火裝置和具備Xe閃光燈的第2退火裝置分布獨立地進行預退火(第1熱處理)和閃光燈退火(第2熱處理)，但如果使用在同一室內具備預退火用的加熱源和閃光燈退火用的加熱源的退火裝置，則可使用一臺退火裝置連續(xù)地進行二階段退火。
圖8是示出連續(xù)地進行預退火和閃光燈退火的情況下的溫度分布的例子的圖。如該圖中所示，在例如以加熱溫度900℃、加熱時間20秒進行了預退火(第1熱處理)后，連續(xù)地進行閃光燈退火(第2熱處理)。即，在使襯底溫度下降到預加熱溫度例如400℃并使溫度為恒定的情況下，在1ms的時間內點亮Xe閃光燈。
在使用一臺退火裝置連續(xù)地進行二階段退火的情況下，由于在中途沒有必要使襯底溫度下降到室溫、省略了從反應室取出放入襯底的工夫，故可提高生產率，同時可免除裝置空間或生產設備的浪費。
圖9是示出具備預退火用加熱源和閃光燈退火用加熱源的的退火裝置的概略結構的圖。在上方具備Xe閃光燈13、在下方具備鹵素燈14，在其間具備放置襯底12的襯底臺11。在預退火(第1熱處理)中只使用下方的鹵素燈14，在閃光燈退火(第2熱處理)中使用鹵素燈14和Xe閃光燈13，用鹵素燈14進行襯底12的預加熱，同時用Xe閃光燈進行閃光燈退火。再有，在分別用多條棒狀的燈組構成鹵素燈14和Xe閃光燈13的情況下，最好配置成鹵素燈14的燈配置方向與Xe閃光燈13彼此交叉。
再有，也可使用與襯底臺為一體型的熱板來代替鹵素燈14。此外，也可使用能進行極短時間的脈沖發(fā)光的受激準分子激光器或YAG激光器來代替Xe閃光燈。
如以上所說明的那樣，按照本實施方案的半導體器件的制造方法，在能形成低電阻的且淺的雜質擴散層的基礎上，可抑制柵電極的耗盡化，可高精度地控制雜質的分布。此外，如果使用圖9中示出的退火裝置，則由于不發(fā)生工序數(shù)的增加，故能以低成本且容易地制造與微細化對應的高性能的MOS晶體管而不降低生產率。
以上按本實施方案說明了本發(fā)明的內容，但專業(yè)人員明白可進一步作各種變形或改變。例如，在本實施方案中，使用了B作為p型雜質，但也可代之以使用能成為受主的其它的III族元素。此外，在上述的例子中，說明了p型MOS晶體管，但即使對于導電型相反的n型MOS晶體管，也可同樣地應用上述的半導體制造方法。此時，為了形成源/漏區(qū)，注入能成為施主的磷(P)或砷(As)等的離子作為雜質離子即可。
如上所述，按照本發(fā)明的半導體器件的制造方法的特征，在能形成低電阻的且淺的雜質擴散層的基礎上，可充分地激活柵電極的雜質區(qū)，可抑制柵電極的耗盡化等，可高精度地控制雜質的分布。因而，可制造具有與微細化對應的淺結的高性能的MOS晶體管。
此外，按照本發(fā)明的退火裝置的特征，由于能在同一室內連續(xù)地進行上述本發(fā)明的半導體器件的制造方法中的二階段退火工序，故能以低成本且容易地制造與微細化對應的高性能的MOS晶體管而不降低生產率。
權利要求
1.一種半導體器件的制造方法，其特征在于，具有下述工序在單晶的半導體襯底上形成柵絕緣膜的工序；在上述柵絕緣膜上形成由多晶導電膜構成的柵電極的工序；在上述柵電極中和與上述柵電極鄰接或離開的上述半導體襯底的表面層中注入雜質的工序；在主要使在上述柵電極中已被注入的雜質擴散、并且抑制在上述半導體襯底的表面層中已被注入的雜質的擴散的的溫度下進行熱處理的第1熱處理工序；以及在使上述半導體襯底中已被注入的雜質激活的溫度下與上述第1熱處理相比以高溫短時間進行熱處理的第2熱處理工序。
2.如權利要求1中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述注入雜質的工序具有在與上述柵電極鄰接的區(qū)域的半導體襯底的表面層中進行離子注入以形成第1雜質離子注入區(qū)的第1離子注入工序；以及在與上述柵電極離開的區(qū)域的半導體襯底的表面層中進行離子注入以形成比上述第1雜質離子注入區(qū)深的第2雜質離子注入區(qū)的第2離子注入工序。
3.如權利要求2中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于進而，在上述第1離子注入工序后至上述第2離子注入工序前具有與上述第2熱處理工序為同一條件的第3熱處理工序。
4.如權利要求1中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述多晶導電膜是多晶硅膜。
5.如權利要求1中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于在退火溫度為600℃～950℃和根據溫度條件退火時間為1小時～5秒間的條件下進行上述第1熱處理工序。
6.如權利要求1中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于使用紅外線燈或熱板來實施上述第1熱處理工序。
7.如權利要求6中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述紅外線燈是鹵素燈。
8.如權利要求1中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述第2熱處理工序的熱處理時間為100ms或以下。
9.如權利要求8中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于使用能將照射時間調整為100ms或以下的光源來實施上述第2熱處理工序。
10.如權利要求9中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述第2熱處理工序中使用照射能量密度為10～60J/cm2的光源。
11.如權利要求10中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述光源是Xe閃光燈。
12.如權利要求11中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述Xe閃光燈的照射時間為10ms或以下。
13.如權利要求10中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述光源是受激準分子激光器或YAG激光器。
14.如權利要求1中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于在以比上述第1熱處理工序中的熱處理溫度低的溫度預先對上述半導體襯底進行了預加熱的狀態(tài)下進行上述第2熱處理工序。
15.如權利要求14中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述預加熱的溫度為200～600℃。
16.如權利要求14中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于使用紅外線燈或熱板來實施上述預加熱。
17.如權利要求1～16的任一項中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于使用單一退火裝置且在同一室內連續(xù)地進行上述第1熱處理工序和上述第2熱處理工序。
18.如權利要求17中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述退火裝置具有密閉地容納襯底的室；在上述室內具備的、具有照射時間為100ms或以下且照射能量密度為10～60J/cm2的光源的第1加熱源；以及由鹵素燈或熱板構成的第2加熱源。
19.如權利要求18中所述的半導體器件的制造方法，其特征在于上述第1加熱源是Xe閃光燈。
20.一種退火裝置，其特征在于，具有密閉地容納襯底的室；在上述室內具備的、具有照射時間為100ms或以下且照射能量密度為10～60J/cm2的光源的第1加熱源；以及由鹵素燈或熱板構成的第2加熱源。
21.如權利要求20中所述的退火裝置，其特征在于上述第1加熱源是Xe閃光燈。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供防止因柵電極中的雜質擴散不充分引起的耗盡化且具有低電阻的和淺的雜質擴散層的MOS晶體管。解決方法是具有下述工序在單晶的半導體襯底上形成柵絕緣膜的工序；在柵絕緣膜上形成由多晶導電膜構成的柵電極的工序；在柵電極中和與柵電極鄰接或離開的半導體襯底的表面層中注入雜質的工序；在主要使在柵電極中已被注入的雜質擴散、同時抑制在半導體襯底的表面層中已被注入的雜質的擴散的溫度下進行熱處理的第1熱處理工序；以及在使半導體襯底中已被注入的雜質激活的溫度下與第1熱處理相比以高溫短時間進行熱處理的第2熱處理工序。
文檔編號H01L21/336GK1472780SQ0314608
公開日2004年2月4日 申請日期2003年7月21日 優(yōu)先權日2002年7月25日
發(fā)明者伊藤貴之, 須黑恭一, 一 申請人:株式會社東芝