CN104599944A - 用于使半导体结构退火的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于使半导体结构退火的系统和方法。例如，提供半导体结构。提供能够增加半导体结构对微波辐射的吸收的能量转换材料。在能量转换材料和半导体结构之间提供热反射器，热发射器能够反射来自半导体结构的热辐射。将微波辐射应用于能量转换材料和半导体结构以使用于制造半导体器件的半导体结构退火。

Description

用于使半导体结构退火的系统和方法

技术领域

本专利文件中描述的技术通常涉及半导体材料，更具体地，涉及半导体材料的加工。

背景技术

通常通过多种工艺制造现代半导体器件。例如，可以掺杂(例如，将期望的杂质添加至衬底内)用于制造器件的半导体衬底以形成结。在衬底上可以制造半导体器件之前，通常电活化引入至衬底内的掺杂剂。掺杂剂的活化通常包括将掺杂剂原子/分子从间隙位置转移至衬底的晶格结构的晶格格位内。可以使用诸如快速热退火(RTA)和激光退火的不同的退火技术来活化掺杂剂。

在特定情况下，半导体器件的制造工艺涉及微波辐射，微波辐射通常包括波长介于1m至1mm的范围内(对应于介于0.3GHz和300GHz之间的频率)的电磁波。当将微波辐射应用于包括电偶极子的特定材料(例如，介电材料)时，偶极子响应于微波辐射的变化的电场而改变它们的方位，并且从而该材料可以吸收微波辐射以产生热量。可以使用复介电常数(ε(ω)*)来测量材料对微波辐射的电场的响应，ε(ω)*取决于电场的频率：

ε(ω)^*＝ε(ω)′-iε(ω)″＝ε₀(ε_r(ω)′-iε_r(ω)″)   (1)

其中，ω表示电场的频率，ε(ω)ˊ表示复介电常数(即，介电常数)的实部，并且ε(ω)〞表示电介质损耗系数。此外，ε₀表示真空介电常数，ε_r(ω)ˊ表示相对介电常数，并且ε_r(ω)〞表示相对电介质损耗系数。

使用损耗角正切(tanδ)可以表征材料是否可以吸收微波辐射，tanδ：

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}{\mathrm{\μ}}^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}^{\′}{\mathrm{\μ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}{\mathrm{\μ}}^{\′}+{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}{\mathrm{\μ}}^{\′\′}}---\left(2\right)$

其中，μˊ表示材料的磁导率的实部，并且μ〞表示磁损耗系数。假设可以忽略磁损耗(即，μ〞＝0)，则材料的损耗角正切表述如下：

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}=\frac{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′\′}}{{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}}---\left(3\right)$

具有低损耗角正切(例如，tanδ＜0.01)的材料允许微波在具有非常小的吸收的情况下穿过。具有极高损耗角正切(例如，tanδ＞10)的材料在具有非常小的吸收的情况下反射微波。具有中等损耗角正切(例如，10≥tanδ≥0.01)的材料可以吸收微波辐射。

发明内容

根据在此描述的教导，提供了用于使半导体结构退火的系统和方法。例如，提供了半导体结构。提供了能够增强半导体结构对微波辐射的吸收的能量转换材料。在能量转换材料和半导体结构之间提供了热反射器，热反射器能够反射来自半导体结构的热辐射。将微波辐射应用于能量转换材料和半导体结构以使用于制造半导体器件的半导体结构退火。

在一个实施例中，用于退火半导体结构的系统包括能量转换材料、热反射器和微波辐射源。能量转换材料配置为增强半导体结构对微波辐射的吸收。热反射器配置为反射来自半导体结构的热辐射，热反射器设置在能量转换材料和半导体结构之间。微波辐射源配置为将微波辐射应用于能量转换材料和半导体结构以使用于制造半导体器件的半导体结构退火。

为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种使半导体结构退火的方法，所述方法包括：提供半导体结构；提供能够增加所述半导体结构对微波辐射的吸收的能量转换材料；在所述能量转换材料和所述半导体结构之间提供热反射器，所述热发射器能够反射来自所述半导体结构的热辐射；以及将微波辐射应用于所述能量转换材料和所述半导体结构以使用于制造半导体器件的所述半导体结构退火。

在上述方法中，其中，所述热反射器包括半导体晶圆。

在上述方法中，其中，所述热辐射包括红外辐射。

在上述方法中，其中，所述热辐射包括红外辐射，其中，所述热反射器对红外辐射具有大于95％的反射率。

在上述方法中，其中，所述热反射器对所述微波辐射为大约可透射的。

在上述方法中，其中，所述能量转换材料能够增大与所述半导体结构相关联的电场强度。

在上述方法中，其中，所述能量转换材料能够增大与所述半导体结构相关联的电场强度，其中，所述能量转换材料响应于所述微波辐射而增大所述电场强度以通过界面极化进一步活化掺杂剂。

在上述方法中，其中，所述能量转换材料能够增大与所述半导体结构相关联的电场强度，其中：所述半导体结构包括一个或多个掺杂剂团簇；以及所述半导体结构对所述微波辐射的吸收响应于增大的所述电场强度而增加以使所述掺杂剂团簇消散。

在上述方法中，其中，所述热反射器设置在离所述半导体结构一定距离处。

在上述方法中，其中，所述热反射器设置在离所述半导体结构一定距离处，其中，调整所述距离以改进所述热发射器对来自所述半导体结构的热辐射的反射。

在上述方法中，其中，所述热反射器设置在离所述能量转换材料一定距离处。

在上述方法中，其中，在所述能量转换材料上形成所述热反射器。

在上述方法中，其中，所述能量转换材料包括硼掺杂的硅锗、磷化硅、钛、镍、氮化硅、二氧化硅、碳化硅、n型掺杂硅或铝帽碳化硅。

在上述方法中，还包括：提供第二能量转换材料，从而使得所述半导体结构设置在所述热反射器和所述第二能量转换材料之间，所述第二能量转换材料能够增加所述半导体结构对微波辐射的吸收。

在上述方法中，其中，所述微波辐射的频率在约2GHz至约10GHz的范围内。

在上述方法中，其中，所述能量转换材料的损耗角正切在约0.01至约2的范围内。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于使半导体结构退火的系统，包括：能量转换材料，配置为增加半导体结构对微波辐射的吸收；热反射器，配置为反射来自所述半导体结构的热辐射，所述热反射器设置在所述能量转换材料和所述半导体结构之间；以及微波辐射源，配置为将微波辐射应用于所述能量转换材料和所述半导体结构以使用于制造半导体器件的所述半导体结构退火。

在上述系统中，其中，所述热辐射包括红外辐射。

在上述系统中，其中，所述热反射器包括半导体晶圆。

在上述系统中，其中，所述热反射器对所述微波辐射为大约可透射的。

附图说明

图1示出了使用微波辐射使半导体结构退火的一个示例图。

图2示出了使用微波辐射使半导体结构退火的另一个示例图。

图3示出了使用微波辐射使半导体结构退火的又一个示例图。

图4示出了使用微波辐射使半导体结构退火的另一个示例图。

图5示出了一个示例图，该示例图示出使用微波辐射使半导体结构退火的系统。

图6示出了一个示例图，该示例图示出使用微波辐射使半导体结构退火的流程图。

具体实施方式

传统的退火技术通常具有一些缺陷。例如，用于制造器件的衬底通常包括多个器件图案(例如，通过沉积、光刻和/或蚀刻)。这些不同的图案通常与导致不同的热发射率的不同的厚度和材料类型相对应。在退火工艺(例如，RTA)期间，衬底上的不同区域通常吸收和发射不同量的热量，这导致衬底上的局部温度非均匀性。此外，光源(例如，用于RTA的灯或用于激光退火的激光)的光子不能穿透到衬底的表面区域之外，这通常导致衬底在不同深度的不均匀加热。

图1示出了使用微波辐射使半导体结构退火的示例图。如图1所示，将微波辐射应用于能量转换材料102和半导体结构104以使半导体结构104退火(例如，用于活化掺杂剂)。热反射器106设置在能量转换材料102和半导体结构104之间以在退火工艺期间将热辐射反射回到半导体结构104。微波辐射深深地穿透到半导体结构104内并且导致半导体结构104的体积热。

具体地，具有较小损耗角正切的半导体结构104不能有效地吸收微波辐射。具有较大的损耗角正切(例如，在约0.01至约2的范围内)的能量转换材料102更有效地吸收微波辐射，相应地，与能量转换材料102相关联的温度迅速地增加。一方面，由能量转换材料102产生的热量可以增大半导体结构104的温度(例如，通过传导或辐射)。在升高的温度下，半导体结构104和微波辐射之间的相互作用增强。另一方面，能量转换材料102增大了半导体结构104上方的电场强度(例如，半导体结构104的温度被提高至400℃至700℃)。例如，在增大的电场强度下，电场通过界面极化与半导体结构104内的缺陷发生相互作用以进一步活化掺杂剂。

在退火工艺期间，半导体结构104发射热辐射(例如，红外辐射)。加热的热反射器106将这种热辐射反射回到半导体结构104，从而使得由半导体结构104产生的热辐射保存在热反射器106和半导体结构104之间(例如，以降低局部温度非均匀性)。可以调整热反射器106和半导体结构104之间的距离(例如，d1)以确保反射回来自半导体结构104的大部分热辐射。在特定实施例中，将热反射器106放置在形成于半导体结构104上的器件图案的顶部上。例如，热反射器106对微波辐射是大约可透射的，而对热辐射(例如，红外辐射)是不传导的。作为一个实例，热反射器106相对于红外辐射具有大于95％的反射率。在一些实施例中，热反射器106包括含有掺杂剂以提供额外的自由载流子的半导体晶圆(例如，空白硅晶圆)。在特定实施例中，热反射器106包括不含掺杂剂的半导体晶圆(例如，空白硅晶圆)。

例如，半导体结构104包括结，结具有在升高的温度下(例如，在约300℃至约600℃的范围内)通过外延生长在衬底上形成的大量掺杂剂。应用微波辐射以使半导体结构104退火来活化掺杂剂。能量转换材料102增强了半导体结构104上方的电场强度。半导体结构104在增大的电场强度下吸收更多的微波辐射。通过界面极化在电场和半导体结构104中的缺陷之间发生越来越多的相互作用。例如，聚集在缺陷的边界处的正电荷和/或负电荷可以导致缺陷最终消失以进一步活化掺杂剂。一旦在半导体结构104上方的电场强度超过阈值，则界面极化最终破坏掺杂剂和半导体结构104中的间隙位置之间的接合，从而活化掺杂剂。可以调整能量转换材料102和半导体结构104之间的距离(例如，d2)以改进掺杂剂的活化。例如，掺杂剂包括磷、磷基分子、锗、氦、硼、硼基分子或其他材料。

在一些实施例中，应用于能量转换材料102的微波辐射的频率在约2GHz至约10GHz的范围内。例如，能量转换材料102包括硼掺杂的硅锗、磷化硅、钛、镍、氮化硅、二氧化硅、碳化硅、n型掺杂硅、铝帽碳化硅或其他材料。能量转换材料102可以具有比半导体结构104更大的尺寸，从而电场强度在半导体结构104上方可以是大约均匀的。在特定实施例中，将半导体结构104的温度保持在约300℃至约600℃的范围内以降低掺杂剂扩散。例如，对能量转换材料102和半导体结构104应用微波辐射一段时间(在约40秒至约300秒的范围内)。

图2示出了使用微波辐射使半导体结构退火的另一个示例图。如图2所示，将微波辐射应用于能量转换材料202和半导体结构204以使半导体结构204退火(例如，用于活化掺杂剂)。热反射器206形成在能量转换材料202上并且设置在半导体结构204的顶部上以在退火工艺期间将热辐射反射回到半导体结构204。例如，通过外延生长(例如，沉积)在能量转换材料202上形成热反射器206。作为一个实例，能量转换材料202能够响应于应用的微波辐射产生热辐射并且增大半导体结构204上方的电场强度。

在退火工艺期间，热反射器206将由半导体结构204发射的热辐射反射回到半导体结构204，从而使这种热辐射保存在热反射器206和半导体结构204之间(例如，以降低局部温度非均匀性)。例如，热反射器206(例如，空白硅晶圆)对微波辐射是大约可透射的而对热辐射(例如，红外辐射)是不传导的。

图3示出了使用微波辐射使半导体结构退火的又一个示例图。如图3所示，将微波辐射应用于两个能量转换材料302和308以及半导体结构304以使半导体结构304退火(例如，用于活化掺杂剂)。热反射器306设置在能量转换材料302和半导体结构304之间以在退火工艺期间将热辐射反射回到半导体结构304。

例如，能量转换材料302和308具有相同的损耗角正切或不同的损耗角正切。作为一个实例，能量转换材料302和半导体结构304之间的距离(例如，d1)与能量转换材料308和半导体结构304之间的距离(例如，d2)相同或不同。如图4所示，在一些实施例中，通过外延生长(例如，沉积)在能量转换材料302上形成热反射器306。

图5示出了一个示例图，该示例图示出使用微波辐射使半导体结构退火的系统。如图5所示，壳502包括微波端口504，通过微波端口504可以将微波辐射引入至壳502内。在退火工艺期间，将由微波辐射源512产生的微波辐射应用于能量转换材料506和半导体结构510以使半导体结构510退火(例如，用于活化掺杂剂)。热反射器508设置在能量转换材料506和半导体结构510之间以将热辐射反射回到半导体结构510。例如，壳502由金属材料制成。作为一个实例，通过热源(例如，Ar灯、氙灯或卤钨灯)将能量转换材料506预加热至预定温度(例如，在约300℃至约600℃的范围内)。

在一些实施例中，将额外的能量转换材料放置在壳502内，从而使半导体结构510设置在热反射器508和额外的能量转换材料之间。在特定实施例中，通过外延生长在能量转换材料506上形成热反射器508。

图6示出了一个示例图，该示例图示出使用微波辐射使半导体结构退火的流程图。在步骤602中，提供半导体结构。例如，该半导体结构包括多种掺杂剂。在步骤604中，提供能够增加半导体结构对微波辐射的吸收的能量转换材料。例如，能量转换材料能够增大与半导体结构相关联的电场强度。作为一个实例，能量转换材料包括硼掺杂的硅锗、磷化硅、钛、镍、氮化硅、二氧化硅、碳化硅或其他材料。

在步骤606中，在能量转换材料和半导体结构之间设置热反射器。热反射器能够反射来自半导体结构的热辐射。例如，热反射器包括空白硅晶圆。热辐射包括红外辐射。在一些实施例中，热反射器相对于红外辐射具有大于95％的反射率，并且对微波辐射是大约可透射的。

在步骤608中，将微波辐射应用于能量转换材料和半导体结构以使半导体结构退火(例如，用于活化掺杂剂)。例如，能量转换材料响应于微波辐射而增大电场强度，从而影响在半导体结构中形成的偶极子和形成的偶极子的运动。形成的偶极子与半导体结构中的掺杂剂相关。作为一个实例，半导体结构对微波辐射的吸收响应于增大的电场强度而增加，以使包括在半导体结构中的某些掺杂剂团簇消散(dissolve)。

该书面描述使用实例来公开本发明的实施例(包括最佳方式)，并且也使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明的各个实施例。本发明的专利性范围可以包括本领域普通技术人员想到的其他实例。相关领域普通技术人员将能够认识到，在没有一个或多个具体细节或利用其他替代和/或额外的方法、材料或部件的情况下可以实践各个实施例。此外，本领域普通技术人员将意识到图中示出的多个部件的多种等同组合和替代。

可以不详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊本发明的各个实施例的各方面。图中示出的各个实施例为说明性实例代表并且不必按比例绘制。在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式结合特定的部件、结构、材料或特征。本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符，并且这种重复是为了简化和清楚的目的，并且其本身不指示所论述的多个实施例和/或结构之间的关系。在其他实施例中，可以包括多个额外的层和/或结构和/或可以省略描述的部件。可以以最有助于理解本发明的方式将各个操作依次描述为多个不连续的操作。然而，描述的顺序不应当解释为暗示这些顺序必须为顺序依赖的，具体地，不必按照示出的顺序来实施这些操作，在此描述的操作可以以与描述的实施例不同的顺序，连续地或并行地实施。可以实施和/或描述各个额外的操作。在额外的实施例中可以省略这些操作。

该书面描述和以下权利要求可以包括诸如顶部、上、上方等的术语，这些术语仅用于描述的目的并且不应该解释为限制本发明。可以以多种位置和方位来制造、使用或运输在此描述的器件或物品的实施例。例如，指定相对垂直位置的术语可以指衬底或集成电路的器件侧(或有源表面)是衬底的顶面的情况；衬底实际上可以在任何方位，从而衬底的“顶”侧在标准地面参照系中可以低于“底”侧，并且仍然可以落在术语“顶部”的含义内。除非另有明确声明，否则如在此(包括权利要求中)使用的术语“上”或“上方”可以不必表明第二层/结构“上”或“上方的第一层/结构直接位于第二层/结构“上”或“上方并且直接与第二层/结构直接接触；在第一层/结构和第二层/结构之间可以存在一个或多个第三层/结构。在此(包括权利要求中)使用的术语“衬底”可以指包括一种或多种导电材料的任何结构，导电材料包括但不限于块状半导体材料(诸如半导体晶圆(单独的半导体晶圆或在其上包括其他材料的组件))和半导体材料层(单独的半导体材料层或包括其他材料的组件)。在此(包括权利要求中)使用的术语“半导体结构”可以指浅沟槽隔离部件、多晶硅栅极、轻掺杂漏极区、掺杂阱、接触件、通孔、金属线或将形成在半导体衬底上的其他类型的电路图案或部件。此外，在此(包括权利要求中)使用的术语“半导体结构”可以指各种半导体器件，包括晶体管、电容器、二极管和遵守半导体物理学和/或量子力学的其他电子器件。

Claims (10)

1.一种使半导体结构退火的方法，所述方法包括：

提供半导体结构；

提供能够增加所述半导体结构对微波辐射的吸收的能量转换材料；

在所述能量转换材料和所述半导体结构之间提供热反射器，所述热发射器能够反射来自所述半导体结构的热辐射；以及

将微波辐射应用于所述能量转换材料和所述半导体结构以使用于制造半导体器件的所述半导体结构退火。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热反射器包括半导体晶圆。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热辐射包括红外辐射。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述热反射器对红外辐射具有大于95％的反射率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热反射器对所述微波辐射为大约可透射的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能量转换材料能够增大与所述半导体结构相关联的电场强度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述能量转换材料响应于所述微波辐射而增大所述电场强度以通过界面极化进一步活化掺杂剂。

8.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述半导体结构包括一个或多个掺杂剂团簇；以及

所述半导体结构对所述微波辐射的吸收响应于增大的所述电场强度而增加以使所述掺杂剂团簇消散。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热反射器设置在离所述半导体结构一定距离处。

10.一种用于使半导体结构退火的系统，包括：

能量转换材料，配置为增加半导体结构对微波辐射的吸收；

热反射器，配置为反射来自所述半导体结构的热辐射，所述热反射器设置在所述能量转换材料和所述半导体结构之间；以及

微波辐射源，配置为将微波辐射应用于所述能量转换材料和所述半导体结构以使用于制造半导体器件的所述半导体结构退火。