CN101256938A - 吸收层备选及应用技术 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了利用具有增强的并且稳定的热吸收系数的碳的吸收层，以及生产该类吸收层的经济方法。本发明的一个实施方式提供了一种用于处理衬底的方法，所述方法包含在在所述衬底的上表面沉积吸收层，其中所述衬底保持在第一温度，在热处理腔室中退火所述衬底，其中将所述衬底加热到第二温度，并且所述第二温度高于所述第一温度，并从所述衬底上移除所述吸收层。

Description

吸收层备选及应用技术
技术领域
本发明的实施方式涉及集成电路的制造。更具体地，本发明的实施方式涉及用于在衬底上沉积层及随后退火该衬底的工艺。
背景技术
集成电路制造中的一些工艺需要相当高的温度处理步骤用于在诸如含硅衬底的半导体衬底上沉积层，或退火已经在半导体衬底上沉积的层。例如，在诸如硼、磷或砷的掺杂离子注入到半导体衬底之后，通常退火衬底以修复衬底在掺杂工艺中遭到破坏的晶体结构，并且激活掺杂物。
在退火步骤中，优选地，快速加热并冷却衬底以最小化衬底暴露到高温中的时间，高温将使得衬底经历不必要的扩散及损坏。退火步骤可以通过快速热处理(RTP)、动态表面退火(DSA)或在分层式烘炉中加热来进行。RTP工艺加热整个衬底的厚度并且可以使得衬底的温度以每秒约200到400℃的速度上升。DSA方法使用电磁辐射扫描衬底，仅加热和退火衬底的上表面。可以将衬底的顶层加热到1100℃到约1410℃之间，并在1毫秒的时间冷却到周围环境温度。同时提供给分层式熔炉的热量通常以约每分钟5-15℃的速率提高衬底的温度。因此RTP和DSA比分层式熔炉加热更符合。
由于衬底上的图案，横跨衬底表面的不均匀加热通常经过RTP、DSA或其它传统衬底加热工艺。由于当今集成电路通常包括多个横跨衬底的表面以不同密度放置以及具有不同尺寸、形状和材料的器件，横跨衬底表面的不同区域，衬底表面能够具有不同的热吸收属性。例如，其上具有较低密度器件的衬底的第一区域加热快于其上具有比第一区域的器件密度高的衬底的第二区域。横跨衬底表面的不同区域变化的反射率也使得衬底表面的不均匀加热成为挑战。
吸收层通常用于横跨构图的衬底表面提供不均匀的反射率和/或热吸收系数。一种技术的吸收层可以是通过低温化学气相沉积(CVD)沉积的无定形碳层。然而，这种无定形碳层存在问题。例如，如果在低温下形成无定形碳层，在退火工艺期间，当温度增加时，该无定形碳层的属性通常会改变。因此，对于更快速热处理工艺可以增加无定形层的光吸收系数。
因此，仍然需要改进的吸收层及形成改进的吸收层的方法以在退火工艺期间横跨衬底表面获得均匀的热量。
发明内容
本发明通常提供利用具有增强的以及稳定的热吸收系数的碳基材料的吸收层，以及生产该类吸收层的经济方法。
本发明的一个实施方式提供一种衬底处理方法，其包含在衬底的上表面上沉积吸收层，其中，该衬底保持在第一温度下，在热工艺腔室退火该衬底，其中将衬底加热到第二温度，并且第二温度高于第一温度，以及从该衬底上移除吸收层。
本发明的另一实施方式提供一种衬底退火方法，其包含低温下在衬底上沉积吸收层，该温度低于退火温度，其中，吸收层包括耐高于退火温度的高温的碳，将至少部分衬底快速加热到退火温度，并从衬底上移除吸收层。
然而本发明的另一实施方式提供吸收层用于处理含有高温碳的衬底。
附图说明
因此为了更详细地理解本发明的以上所述特征，将参照附图中示出的实施方式对以上简要所述的本发明进行更具体描述。然而，应该注意，附图中只示出了本发明典型的实施方式，因此不能认为是对本发明范围的限定，本发明可以有其他等效的实施方式。
图1示意性示出了根据本发明快速热处理系统的示例。
图2示意性示出了根据本发明动态表面退火系统的示例。
图3A-3F示意性示出了根据本发明实施方式的衬底处理顺序。
图4示意性示出了用于本发明的吸收层应用的示例性涂料器。
具体实施方式
本发明为在热退火工艺中使用的改进吸收层提供材料备选，以及应用该改进吸收层的方法。具体地，本发明的吸收层包括高温材料，该高温材料以比退火温度低的温度施加到衬底上。
热退火装置
图1示出了热退火工艺(RTP)系统10的示例，该系统包括根据在此描述的实施方式的用于退火磁盘型半导体衬底12的工艺腔室14。工艺腔室14经过水冷却石英窗口18通过加热灯组件16快速加热。衬底12的外围边缘由支撑结构20支撑，该支撑结构随意地(未示出)可以以约240rpm(每分钟的转数)的速率旋转。在衬底12之下是镀镍铝反射板组件22，该组件具有面向衬底12后侧的反射涂层以增强衬底12的有效辐射率。反射板组件22安装在水冷却底板23上。可以通过提高水冷底板23的冷却能力以及通过降反射板组件22设置到水冷底板23附近来增强衬底12的冷却。此外，可以增强光学涂层，以在加热灯组件16不工作的时候吸收辐射能量。在反射板组件22和衬底12的后侧之间是反射腔15。
在退火工艺期间，将用于退火环境的气体通过环境气体输入30引入到工艺腔室14。环境气体流过衬底12的上表面，并且与加热的衬底12反应。剩余的环境气体，以及任何反应副产物，经过环境气体输出32通过泵送系统34从工艺腔室14中抽出。其它的净化气体可以通过连接到过滤器86的输入46引入到工艺腔室14。
图2示意性示出了用于以下描述的DSA工艺的示例的激光装置200。激光装置200包括连续波电磁辐射模块201、设置为在其上接收衬底214的平台216，以及平移装置218。连续波电磁辐射模块201包括连续波电磁辐射元202以及设置在连续波电磁辐射源202和平台216之间的聚焦光学器件220。
优选地，聚焦光学器件220包括一个或多个瞄准仪206，以从连续波电磁辐射源202将辐射线204校准到基本平行的光束208。随后，该校准的辐射线204通过至少一个透镜210在衬底214的上表面224聚焦到一条辐射线222。
透镜210可以是任何适合的透镜，或系列透镜，能够将辐射线聚焦到一条线。在优选的实施方式中，透镜210柱面透镜。可选地，透镜210可以是一个或多个凹透镜、凸透镜、平面镜、凹面镜、凸面镜、反射镜、衍射镜、非涅尔镜、梯度折射镜等。
平台216是能够在平移期间安全地把持衬底214的任何平台或卡盘，如下面说明。在优选的实施方式中，平台216包括用于抓住衬底的装置，诸如摩擦的、重力的、机械的或电气系统。用于夹紧的适合的装置的实例包括机械夹具、静电或真空卡盘等。
激光装置200还包括设置为使平台216和辐射线222相对于彼此平移的平移装置218。平移装置218可以连接到平台216以相对于连续波电磁辐射源202和/或聚焦光学器件220移动平台216。可选地，平移装置218可以连接到连续波电磁辐射源202和/或聚焦光学器件220以相对于平台216移动连续波电磁辐射源202和/或聚焦光学器件220。平移装置218也可以移动连续波电磁辐射源202和/或聚焦光学器件220，以及平台216。可以使用任何合适的平移装置，诸如输送系统、货架以及齿轮系统等。
平移装置218优选地连接到控制器226以控制扫描速度，即平台216和辐射线222彼此相对移动的速度。另外，平台216和辐射线222相对于彼此的平移优选地沿垂直于辐射线222的路径并且平行于衬底214的上表面224。在优选的实施方式中，平移装置218以恒定速度移动。优选地，对于35微米宽的线，该恒定速度约为2cm/s。在另一实施方式中，平台216和辐射线222相对于彼此的平移不沿垂直于辐射线222的路径。
热退火工艺
图3A-3F示例性示出了根据本发明实施方式的衬底工艺顺序。提供包含硅的衬底300，如图3A所示。根据传统的方法，场氧化层302、栅电介质304以及栅极306沉积并构图在衬底300上，以在衬底300上形成栅源区303和漏源区305，如图3B所示。随后掺杂离子注入到衬底300以形成栅源308和栅漏310，如图3C所示。
根据本发明的实施方式，吸收层312沉积在衬底300上，如图3D所示。设置吸收层312以横跨衬底300提供均匀的热吸收系数，不考虑场氧化层302、栅极306、栅源308以及栅漏310之间的差异。在一个实施方式中，吸收层312包括碳。吸收层312中的碳提高了整个光吸收系数。在一个实施方式中，吸收层312包括高温碳，诸如例如炭黑以及石墨炭黑。吸收层312中的高温碳的属性在随后的退火工艺中保持稳定。在一个实施方式中，衬底300保持较低的温度，诸如在约450℃以下，同时沉积吸收层312。诸如旋压、烟熏火焰、物理气象沉积、电泳沉积以及静电沉积的不同方法可用于沉积吸收层312。以下将详细描述这些方法。
随后，根据本发明实施方式，退火衬底300，如图3E所示。退火工艺可以根据工艺需求通过DSA或RTP来进行。通常，用于DSA工艺的吸收层312相对薄，而用于RTP工艺的吸收层312相对厚。
随后，从衬底300上移除吸收层312，如图3F所示。在一个实施方式中，可以通过将诸如臭氧或在远程等离子源产生的氧等离子体的氧化剂提供到退火腔来移除吸收层312。在一个实施方式中，可以在较低温度下，诸如低于约450℃的温度利用氧化剂移除吸收层312。低温氧化剂可以包括臭氧和低温氧等离子体。在一个实施方式中，可以利用超声源移除吸收层312。在另一实施方式中，可以利用超声源接着使用诸如过氧化氢(H2O2)的液体氧化剂来移除吸收层312。
当图3A-3F在衬底上仅示出了一个栅极器件，应该理解，在此所描述的层通常形成于衬底上，该衬底包括多个不同尺寸、形状、材料的器件，并且横跨衬底表面以变化的密度设置。通常认为，在衬底退火期间，即使改变横跨衬底表面的器件的表面状况，层促进了横跨衬底表面的均匀受热。
吸收层备选
通常，吸收层，诸如图3D中的吸收层312设置为横跨衬底提供增强的并且均匀的光吸收系数，尤其是构图的衬底，从而在诸如退火的热处理步骤中，可以快速并且均匀地加热衬底。在本发明的一个实施方式中，吸收层的热属性在含有吸收层沉积以及沉积步骤之后的热处理步骤的工艺步骤中保持稳定。在一个实施方式中，吸收层包括诸如炭黑、石墨炭黑、高温材料、富勒烯或改良的富勒烯的高温材料。由于诸如炭黑或石墨炭黑的高温材料可以经受住高温，本发明的吸收层作为衬底在热处理的加热和冷却中保持稳定。
用于吸收层的炭黑
无定形碳可以通过在惰性环境中加热诸如石油焦炭、油以及煤沥青的碳化先驱物来获得。炭黑可以从诸如烟熏火焰的燃料浓焰利用冷却的衬底采集。炭黑在尺寸上是精细的。在吸收层中使用炭黑有几个优点。
首先，在工艺技术吸收层状态中，炭黑的光吸收系数比通过低温等离子体化学气相沉积的无定形碳层高。
第二，在半导体工艺中，炭黑可以以自然形式发现并可以在远高于热处理温度的温度生产，该热处理温度低于450℃。因此，诸如热吸收系数的属性在热处理期间保持稳定。在低温等离子体化学气相沉积中形成的本技术吸收层的热吸收系数随着处理期间层的加热而增加。具有炭黑的吸收层从而使得热处理容易控制。
第三，在非高真空的情况下使用该方法，炭黑较小的颗粒尺寸能够使得吸收层足够薄。炭黑通常具有小于50nm的颗粒尺寸。如下面所述，炭黑可以通过旋转方法沉积在衬底表面以产生吸收层的薄膜。
用于吸收层的石墨炭黑
石墨炭黑是用于本发明的吸收层的另一备选。可以通过在惰性环境下将某种碳化先驱物加热到2800℃以上2个小时，产生石墨炭黑。石墨炭黑具有石墨结构，该结构可以是离散层平面。
与炭黑相比较，石墨炭黑经过高温，这对于DSA工艺是需要的，因为在DSA期间，衬底可以加热到1100℃到约1410℃。
用于吸收层的研磨石墨
精细的研磨石墨可以是用于吸收层的另一备选。石墨是结合为六角形结构的多层碳原子。不同层的碳原子通过范德华力连接到一起。精细的研磨石墨层具有约十分之一微米的颗粒尺寸。精细的研磨石墨可以悬浮在悬浮剂中并且施加到衬底上以形成吸收层。
Figure A20081000637800091
为商业上可以得到的悬浮在水中的精细研磨石墨，可以直接用于形成吸收层。
用于吸收层的富勒烯
在本发明的实施方式中，吸收层包括富勒烯或改进的富勒烯。富勒烯是碳的奇特(exotic)晶体结构。富勒烯具有典型结构，在排列在表面由20个六角形和13个五角形的球形结构中包含60个碳原子。富勒烯的变异可以被溶解或悬浮并施加到衬底以形成具有高热吸收系数和稳定热属性的吸收层。
另外，本发明的吸收层可以包括炭黑、石墨炭黑、富勒烯、改进的富勒烯的其中之一以及几者的组合。
吸收层的应用方法
根据本发明实施方式的吸收层可以通过各种方法施加到衬底。
旋转应用
在本发明的一个实施方式中，本发明的吸收层可以通过旋转的方法施加到衬底，类似于在半导体衬底上光刻胶的应用。旋转应用可以在大气压下执行。与吸收层的CVD应用相比，旋转应用更便宜并且快速，因此，增加了所有者的成本。
在本发明的一个实施方式中，诸如炭黑、石墨炭黑、富勒烯或改进的富勒烯的用于吸收层的材料首先悬浮在悬浮剂中以形成悬浮物。悬浮剂可以是任何相容剂，其在诸如约100℃和约150℃的低温下是可移除的。在一个实施方式中，悬浮剂是醇基的，例如聚乙烯醇。随后，悬浮物落入旋转的衬底以形成一层悬浮物。吸收层可以形成于移除的悬浮剂上面。
在另一实施方式中，可以在旋转衬底上形成并分配用于吸收层的胶体溶液，诸如炭黑、石墨炭黑、富勒烯或改进的富勒烯，以形成胶体溶液涂层。吸收层可以在低于退火的温度下通过硫化(curing)胶体溶液来形成。
图4示例性示出了适用于吸收层的旋转应用的涂料器400。该涂料器400包括可控的加压工艺腔室412，其通过设置上部414和下部416来形成。上部414密封到底部416，例如通过O-环418。密封的工艺腔室412为改进的工艺均匀性提供可控的环境。
衬底420支撑在卡盘422的夹具表面424上的工艺腔室412中。卡盘422连接到回转马达以旋转衬底420。在旋转涂料步骤中，衬底420可以旋转到10,000rpm。该rmp的设置取决于多个工艺参数，诸如工艺腔室412的压强以及施加涂料的类型。
下部416的垂直位置可由一个或多个气缸484控制。为了从工艺腔室412插入或移走衬底420，气缸484降低下部416以允许机械手488接入。
喷头组件430形成于上部414，用于将溶剂蒸汽引入到工艺腔室412。由喷头组件430引入到工艺腔室412的溶剂蒸汽可以被排气系统438排空。通过控制具有蒸汽传送系统以及排气系统的溶剂蒸汽压强，涂料中的溶剂的蒸发速率是可控的，从而控制硫化速率。
涂料的均匀层，诸如悬浮物或吸收层材料的胶体溶液，通过分配系统440溅射到衬底420上。分配系统440包括能转动的分配手442。分配头450位于分配手442的端部。分配头450装有喷嘴。涂料源454可以连接到以可控的流速和压强提供涂料的泵。
烟熏火焰应用
本发明的一个实施方式中，可以使用烟熏火焰沉积含有炭黑的吸收层。在本发明的一个实施方式中，可以通过带状燃烧器(ribbon burner)使用富乙炔气体触发烟熏火焰以及通过衬底扫描来沉积吸收层。
碳PVD应用
在本发明的一个实施方式中，可以通过物理气相沉积工艺(PVD)形成吸收层。在一个实施方式中，物理气相沉积工艺包括在低压PVD系统触发碳弧以蒸发碳，并在衬底上浓缩待处理的碳蒸气。浓缩的碳蒸气形成吸收层。通过PVD形成的吸收层通常包括无定形碳。
电泳沉积应用
在本发明的一个实施方式中，可以使用电泳沉积来形成吸收层。在电泳沉积期间，用于吸收层的备选，诸如炭黑、石墨炭黑或富勒烯，悬浮在液体媒介中。电场(电泳)施加到液体媒介。当导电表面与液体媒介接触时，用于吸收层的备选可以沉积在衬底的导电表面。
静电沉积应用
在本发明的一个实施方式中，可以使用静电沉积形成吸收层。在本发明的一个实施方式中，可以通过粉末涂料沉积吸收层。在粉末涂料期间，炭黑或石墨炭黑的粉末通过静电枪朝着电接地的衬底表面喷射。
在一个实施方式中，在退火工艺期间保持在吸收层上的静电力。静电力可以防止吸收层中的颗粒剥落，同时快速加热和冷却使得快速修复表面扩张梯度垂直于衬底表面。在一个实施方式中，可以通过在静电卡盘上沉积衬底并且在热退火工艺期间保持衬底夹紧来将静电力施加到吸收层。静电力对于DSA尤其有利，其中在垂直方向上温度梯度相对大。
应该注意到，只要是通过辐射来均匀加热构图衬底，就可以应用本发明的吸收层。当辐射加热透明衬底和具有低吸收系数的衬底时，也可应用所述吸收层。
虽然前述涉及本发明的实施方式，但在不偏离本发明的基本范围内可设计其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围由以下权利要求书确定。

Claims (22)

1、一种用于处理衬底的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述衬底的上表面沉积吸收层，其中所述衬底保持在第一温度下；
在热处理腔室退火所述衬底，其中将所述衬底加热到第二温度，并且所述第二温度高于所述第一温度；以及
从所述衬底上移除所述吸收层。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸收层包括无定形碳、炭黑、石墨炭黑、精细研磨的石墨、富勒烯、改进的富勒烯或几者的组合。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括：
在悬浮剂中悬浮无定形碳、炭黑、石墨炭黑、精细研磨的石墨、富勒烯、改进的富勒烯中的一种或几者的组合以形成悬浮物；以及
在所述衬底上表面分配所述悬浮物，同时旋转所述衬底以横跨所述衬底形成所述悬浮物的涂层；以及
从所述悬浮物的涂层移除悬浮剂。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括在所述衬底上表面电泳地沉积无定形碳、炭黑、石墨炭黑、精细研磨的石墨、富勒烯、改进的富勒烯中的一种或几者的组合。
5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括在所述衬底上表面静电地沉积无定形碳、炭黑、石墨炭黑、精细研磨的石墨、富勒烯、改进的富勒烯中的一种或几者的组合。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括利用物理气相沉积在所述衬底的上表面沉积无定形碳。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括横跨所述衬底上表面触发烟熏火焰。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，退火所述衬底包括利用快速热处理退火所述衬底。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，退火所述衬底包括利用动态表面退火来退火所述衬底。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，移除所述吸收层包括向所述热处理腔室提供氧化剂。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述氧化剂包括臭氧、或来自远程等离子源的氧等离子中的一种。
12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，移除所述吸收层包括利用超声源清洁所述衬底。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，移除所述吸收层还包括将液态氧化剂施加到所述衬底。
14、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，退火所述衬底包括通过热处理工艺、动态表面退火工艺、或所述热处理工艺和所述动态表面退火工艺的结合来加热所述衬底。
15、一种用于退火衬底的方法，其特征在于，该方法包含：
在低于退火温度的低温下在衬底上沉积吸收层，其中所述吸收层包括耐高于所述退火温度的高温的碳；
将至少部分衬底快速加热到所述退火温度；以及
从所述衬底移除所述吸收层。
16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述吸收层包含炭黑。
17、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述吸收层包含石墨炭黑。
18、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括：
在液态媒介中悬浮所述高温碳；
使用其中具有高温碳的液态媒介在所述衬底上形成涂层；以及
从所述衬底的涂层中移除所述液态媒介。
19、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括利用物理气相沉积来沉积无定形碳层。
20、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括在所述衬底上电泳地沉积高温碳层。
21、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，沉积所述吸收层包括在所述衬底上静电地沉积高温碳层。
22、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包含将静电力施加到所述衬底上，同时将至少部分衬底快速加热到所述退火温度。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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