專利名稱:離子注入半導(dǎo)體瞬時(shí)退火設(shè)備的制作方法
本發(fā)明屬于集成電路和半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的工藝設(shè)備。
自從六十年代初開(kāi)始采用離子注入作為新的半導(dǎo)體摻雜工藝以來(lái)，為了消除注入引起的半導(dǎo)體晶體操作和電激活注入離子，一直采用常規(guī)長(zhǎng)時(shí)間熱退火，退火時(shí)間一般為30分以上(北京市輻射中心，北京師范大學(xué)低能核物理研究所離子注入研究室編著的“離子注入原理與技術(shù)”，1982年由北京出版社出版)。但隨著超大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展，不僅要求PN結(jié)結(jié)深越來(lái)越淺(至今已達(dá)0.2微米)，而且要求在淺結(jié)條件下薄層電阻盡可能小，也即要求在高劑量(超過(guò)固溶度值)注入條件下能有更高的電激活率。常規(guī)長(zhǎng)時(shí)間熱退火一般結(jié)深大于0.4微米，而且在高劑量注入條件下注入離子電激活率低，因此不可能滿足超大規(guī)模集成技術(shù)發(fā)展的需要。因此1975年以來(lái)國(guó)內(nèi)外科技工作者提出多種激光退火技術(shù)，它能很好解決上述兩個(gè)問(wèn)題。但因設(shè)備昂貴、技術(shù)復(fù)雜和生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，至今很難用于工業(yè)生產(chǎn)。1983年美國(guó)Varian公司試生產(chǎn)一種真空瞬時(shí)紅外輻照退火設(shè)備，型號(hào)為IA-200〔見(jiàn)“國(guó)際半導(dǎo)體”Semiconductor International，December，69(1983)〕，該設(shè)備的退火腔是金屬系統(tǒng)，退火腔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖示于附圖1，用工業(yè)交流電加熱開(kāi)槽石墨板(4)，在硅片(2)和石墨板之間用多層鉭板構(gòu)成的快門(3)隔開(kāi)，硅片受輻照時(shí)間由快門打開(kāi)的時(shí)間決定，(1)(5)均是防止熱能損失用的鉭反射板，退火時(shí)只監(jiān)測(cè)石墨板的溫度，不能直接測(cè)量硅片溫度。該設(shè)備由機(jī)械傳動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)將硅片送至(1)的片架上進(jìn)行退火。這種瞬時(shí)退火設(shè)備雖然比常規(guī)長(zhǎng)時(shí)間熱退火方法有更高的電激活率，但在高劑量注入條件下還沒(méi)有達(dá)到完全電激活〔如6×1015cm-2的注砷硅，退火后電激活率只有約85%，見(jiàn)“應(yīng)用物理通訊”Appl.Phys.Lett.39，604(1981)〕。而且該設(shè)備不能用于離子注入化合物半導(dǎo)體，因在真空條件下退火，化合物半導(dǎo)體容易熱分解。瞬時(shí)退火技術(shù)的關(guān)鍵是退火時(shí)間要短，因此要求半導(dǎo)體薄片的升溫速率越快越好。IA-200型是在真空條件下退火，只能由高溫石墨輻射能加熱半導(dǎo)體片，因此升溫慢，一般要十秒以上才能達(dá)到1000℃以上。
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種新的瞬時(shí)退火設(shè)備，使其升溫速度更快、注入離子電激活率更高、操作更簡(jiǎn)便和生產(chǎn)效率更高，而且要能適用于化合物半導(dǎo)體退火。
本發(fā)明由機(jī)械傳動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)、雙色紅外無(wú)接觸式測(cè)溫儀、高頻加熱爐、充保護(hù)氣裝置和石英退火腔等五部份組成。整個(gè)退火過(guò)程在充保護(hù)氣條件下進(jìn)行。
石英退火腔的結(jié)構(gòu)示意圖示于附圖2，包括矩形石英管(6)、石英導(dǎo)軌(12)、石英片架(11)、石英托盤(9)、石墨板(8)高頻線圈(7)和石英桿(17)。矩形石英管(6)內(nèi)充有保護(hù)氣(可用高純氮?dú)饣蚋呒兊獨(dú)浠旌蠚?，高頻線圈(7)加熱高純石墨板(8)，石墨板尺寸比半導(dǎo)體片略大一些，石墨板安放在石英盤(9)上。雙色紅外無(wú)接觸式測(cè)溫儀的檢測(cè)器安裝在石英管上方，通過(guò)線圈間的縫隙測(cè)量石墨板溫度，測(cè)溫儀上直接顯示被測(cè)溫度。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)石英桿將裝有半導(dǎo)體片(10)的石英片架(11)沿石英導(dǎo)軌(12)推至石墨板上方(半導(dǎo)體片不直接與石墨板接觸)，此時(shí)測(cè)溫儀測(cè)得半導(dǎo)體片的實(shí)際溫度，半導(dǎo)體片在石墨板上方停留時(shí)間(也即升溫和退火時(shí)間的總和)由時(shí)間控制器控制，一般為十秒以內(nèi)，退火后機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)快速(約10厘米/秒)將石英片架拉出退火區(qū)。
本發(fā)明除了用于離子注入半導(dǎo)體退火外，還能用于①絕緣層上多晶硅(SOI)再結(jié)晶，只要將石墨加熱器改變一下形狀，使SOI形成細(xì)條狀熔區(qū)，當(dāng)形成熔區(qū)后將石英片架緩慢(一般為0.1厘米/秒)拉出石墨加熱區(qū)則可完成再結(jié)晶。②磷硅玻璃(PSG)回流，集成電路制造工藝的這一工序?qū)嶋H上是和離子注入瞬時(shí)退火工序同時(shí)完成。③難熔金屬(如鉭、鈦、鉬、鎢、鉑等)硅化物的形成，只要將硅片溫度升至共晶溫度，熱處理時(shí)間仍只需幾秒。④淺PN結(jié)的歐姆結(jié)制備，將硅片溫度嚴(yán)格控制在共晶溫度，時(shí)間盡可能短。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.樣品升溫快，樣品從室溫升至1000℃，本發(fā)明只需3秒，而IA-200型至少要十秒。
2.設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和生產(chǎn)效率高(每小時(shí)可處理60片以上)。
3.本發(fā)明退火后半導(dǎo)體片既不發(fā)生翹曲，又不發(fā)生晶體滑移。
4.本發(fā)明采用石英退火腔，不僅僅容易清洗，而且在高溫時(shí)比金屬系統(tǒng)能更好地避免重金屬離子沾污。
5.本發(fā)明的電激活率高和注入離子再擴(kuò)散小，如1016cm-2砷注入硅退火后能達(dá)到完全電激活，退火后注入分布加寬不大于0.1微米，因此符合超大規(guī)模集成電路制造要求。本發(fā)明與超大規(guī)模集成技術(shù)的其它工藝能很好相容，現(xiàn)已能制出1μm柵長(zhǎng)的MOS晶體管。
6.本發(fā)明特別適用于化合物半導(dǎo)體(如砷化鎵)的退火，因?yàn)楸景l(fā)明采用保護(hù)氣，退火時(shí)砷化鎵不易熱分解。
7.本發(fā)明除用于退火外，還能用于SOI再結(jié)晶、PSG回流、硅化物形成和淺歐姆結(jié)制備。
附圖1是美國(guó)Varian公司生產(chǎn)的IA-200型瞬時(shí)紅外輻照退火設(shè)備的金屬退火腔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖，(1)、(5)是鉭反射板，(2)是硅片，(3)是鉭快門，(4)是開(kāi)槽石墨板，(4)上的二個(gè)小箭頭表示通電流。(3)中的箭頭表示快門開(kāi)關(guān)的移動(dòng)方向。
附圖2是本發(fā)明石英退火腔的結(jié)構(gòu)示意圖，(6)是矩形石英管，(7)是高頻線圈，(8)是石墨板，(9)是石英盤，(10)是半導(dǎo)體片，(11)是石英片架，(12)是石英導(dǎo)軌，保證石英片架能在其上平穩(wěn)地來(lái)回移動(dòng)。
附圖3是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖，(6)是矩形石英管，(7)是高頻線圈，(13)是雙色紅外無(wú)接觸式測(cè)溫儀的檢測(cè)器，(14)是高頻爐，(15)是高純保護(hù)氣瓶，(16)是氣體流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥門，(17)是石英桿，(18)是開(kāi)扁孔的管蓋，(19)是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和時(shí)間控制機(jī)構(gòu)，(20)是細(xì)鋼絲，(21)是石英桿固定架，(22)是主動(dòng)輪，(23)是從動(dòng)輪。
本發(fā)明的一種實(shí)施方案見(jiàn)總體結(jié)構(gòu)示意圖(附圖3)，其中石英退火腔(如附圖2所示)是本發(fā)明的關(guān)鍵部件，全部由高純石英加工而成，矩形石英管的一端制成如附圖3中6的右端形狀，便于通氣，其另一端要磨平，便于和由聚四氟乙烯制成的石英管蓋(18)密封。高頻線圈(7)是銅管退火后繞制而成的，管內(nèi)通水冷卻，線圈總長(zhǎng)度比石墨板大約十厘米，高頻爐是15KW，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)(19)是由直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速箱帶動(dòng)主動(dòng)輪(22)使細(xì)鋼絲作往返運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向由電動(dòng)機(jī)的電流方向決定。在鋼絲上裝一個(gè)石英桿(17)固定架(21)，這樣，鋼絲能帶動(dòng)石英桿作左右運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止均由控制器控制，時(shí)間控制精度到0.1秒。
權(quán)利要求
1.一種離子注入半導(dǎo)體瞬時(shí)退火設(shè)備，由機(jī)械傳動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)組成，其特征是還包括雙色紅外無(wú)接觸式測(cè)溫儀、高頻爐、充氣保護(hù)裝置和石英退火腔。
2.按權(quán)利1所述的退火設(shè)備，其特征在于石英退火腔，包括矩形石英管(16)、石英導(dǎo)軌(12)、石英片架(11)、石英托盤(9)、石墨板(8)、高頻線圈(7)和石英桿(17)。
3.按權(quán)利1或2所述的退火設(shè)備，其特征是可用于絕緣層上多晶硅(SOI)的再結(jié)晶，只要將石墨加熱器改變一下形狀，使SOI形成細(xì)條狀熔區(qū)，當(dāng)形成熔區(qū)后將石英片架緩慢拉出石墨加熱區(qū)則可完成再結(jié)晶。
4.按權(quán)利1或2所述的退火設(shè)備，其特征是可用于磷硅玻璃(PSG)回流，集成電路制造工藝的這一工序?qū)嶋H上是和離子注入瞬時(shí)退火工序同時(shí)完成。
5.按權(quán)利1或2所述的退火設(shè)備，其特征是可用于形成難熔金屬硅化物和制備淺結(jié)的歐姆結(jié)，只需將硅片溫度升至共晶溫度，熱處理時(shí)間仍只需幾秒。
專利摘要
本發(fā)明為離子注入半導(dǎo)體瞬時(shí)退火設(shè)備，屬于集成電路和半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的工藝設(shè)備。本發(fā)明的特征是采用高頻加熱石墨板和石英退火腔以及充保護(hù)氣。本發(fā)明升溫快、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和生產(chǎn)效率高(每小時(shí)六十片以上)。退火后電激活率高，注入離子再擴(kuò)散小。本發(fā)明既合適于制作1μm短溝超大規(guī)模集成電路和淺pn結(jié)(結(jié)深為0.2μm)器件，又適合于離子注入化合物半導(dǎo)體退火。本發(fā)明還能用于絕緣層上多晶硅再結(jié)晶、磷硅玻璃回流、難熔金屬硅化物形成和淺pn結(jié)的歐姆結(jié)制作。
文檔編號(hào)H01L21/324GK85100131SQ85100131
公開(kāi)日1986年7月23日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者錢佩信, 侯東彥, 陳必賢, 馬騰閣, 林惠旺, 李志堅(jiān) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan