TW201411728A - 半導體裝置之製造方法及退火方法 - Google Patents

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Abstract

具有將雜質擴散層形成區域非晶化之工序(工序1)、將雜質朝半導體基板中的雜質擴散層形成區域摻雜之工序(工序2)、於摻雜雜質後之半導體基板施以包含使用加熱燈之燈退火及照射微波之微波退火的退火處理來將雜質活性化之工序(工序3)。藉由工序3，除了將雜質活性化外，會進行再結晶化、以及結晶缺陷之修復。工序1非為必要。

Description

半導體裝置之製造方法及退火方法
本發明係關於一種在半導體基板摻雜雜質後進行活性化退火來形成雜質擴散層之半導體裝置之製造方法及退火方法。
半導體製造程序中，有在將雜質植入半導體基板後進行雜質活性化退火而形成雜質擴散層之工序。自以往，雜質之活性化處理便係以燈退火來進行1000℃以上之高溫短時間的熱處理。
最近，隨著半導體元件設計規則之微細化，便需要有抑制雜質之熱擴散的退火技術，而檢討在更低溫下之退火技術。又，已知有使用固相磊晶(Solid Phase Epitaxy：SPE)來作為抑制雜質擴散之技術。在將SPE適用於雜質活性化退火的情況，係將雜質摻雜區域非晶化，在該區域進行雜質摻雜後，藉由進行低溫之退火來進行再結晶化與雜質活性化(例如，專利文獻1)。
【先前技術文獻】
專利文獻1：日本特開2011-35371號公報
然而，低溫下的退火技術中，具有無法充分修復雜質摻雜時所產生之缺陷的問題點。尤其是在非晶化區域進行雜質摻雜後進行SPE時，首先非晶化區域之終端部會殘留有較多的結晶缺陷。如此般殘留有缺陷時，會成為元件動作時之漏電流原因。
從而，本發明之目的在於提供一種即便將雜質摻雜至半導體基板後之雜質活性化退火為低溫，仍可充分地修復結晶缺陷之半導體裝置之製造方法及退火方法。
亦即，依本發明第1觀點，係提供一種半導體之製造方法，係具有：將雜質朝半導體基板中的雜質擴散層形成區域摻雜；以及於該半導體基板施以包含使用加熱燈之燈退火及照射微波之微波退火的退火處理來將雜質活性化。
較佳地，上述第1觀點中，該退火處理係在300~600℃範圍之溫度下進行。又，較佳地，用以將該雜質活性化之退火處理係在進行燈退火後，進行微波退火。
再者，較佳地，將該雜質摻雜前，進一步具有將該雜質擴散層形成區域非晶化；在用以將該雜質活性化之退火處理時將非晶化後之該雜質擴散層形成區域再結晶化。
本發明第2觀點中，係提供一種在將雜質朝半導體基板中之雜質擴散層形成區域摻雜後，進行用以將雜質活性化之退火處理之退火方法，其係進行使用加熱燈之燈退火及照射微波之微波退火兩者。
1‧‧‧處理容器
1a‧‧‧微波導入埠
2‧‧‧載置銷
50‧‧‧微波供給部
52‧‧‧導波道
53‧‧‧磁控管
60‧‧‧電源部
100‧‧‧微波退火裝置
101‧‧‧處理容器
102‧‧‧載置台
140‧‧‧燈單元
142‧‧‧加熱燈
200‧‧‧燈退火裝置
W‧‧‧半導體晶圓
圖1係顯示本發明一實施形態相關之半導體裝置之製造方法之流程圖。
圖2係顯示用於微波退火之微波退火裝置之範例的概略剖視圖。
圖3係顯示用於燈退火之燈退火裝置之範例的概略剖視圖。
圖4係顯示在進行預非晶化及離子植入後，進行各種退火之試料的加熱溫度及片電阻的關係之圖式。
圖5係顯示在進行預非晶化及離子植入後，進行退火前之試料、以1000℃進行脈衝退火後之試料、分別以600℃單獨進行燈退火、微波退火之試料、併用以600℃進行燈退火及微波退火之試料的CL波譜圖。
圖6係顯示在進行預非晶化及離子植入後，以1000℃進行脈衝退火後之試料、分別以600℃單獨進行燈退火、微波退火之試料、以600℃進行燈退火後再以600℃進行微波退火之試料的CL波譜之W+W’強度的圖式。
圖7為進行預非晶化及離子植入後之試料、之後以600℃進行10分鐘之燈退火的試料、以600℃進行10分鐘之微波退火的試料、以600℃進行5分鐘燈退火後再以600℃進行5分鐘的微波退火之試料的剖面TEM照片。
以下，便參照添附圖式來就本發明實施形態加以詳細說明。
圖1係顯示本發明一實施形態相關之半導體裝置之製造方法之流程圖。
首先，係將半導體晶圓(半導體基板)之雜質擴散層形成區域非晶化(工序1)。雜質擴散層之典型範例可例舉MOS型半導體裝置之源極電極及汲極電極。
藉由如此般將雜質擴散層形成區域非晶化，便可提高植入深度之控制性，又，由於不存結晶粒界，故可容易進行下一工序之雜質摻雜，即便之後的退火處理為低溫進行仍可雜質活性化及再結晶化(SPE)。
為了將雜質擴散層形成區域非晶化，便例如將Ge離子植入。此時的條件係採用為例如植入能量：10~100keV；植入摻雜量：1×1014~5×1015ions/cm2範圍。亦可取代Ge而使用Ar或Kr等。
接著，於非晶化後之雜質擴散層形成區域摻雜雜質(工序2)。雜質的摻雜可藉由通常的離子植入來進行。雜質可為n型雜質或p型雜質，n型雜質舉例有P、As，p型雜質舉例有B。
藉由離子植入來摻雜雜質時之條件，以B為例時，係例如植入能量為1~100 keV，植入摻雜量為1×1015~5×1015ions/cm2範圍。
接著，在導入雜質後之半導體晶圓(半導體基板)進行包含燈退火及微波退火之退火處理(工序3)。藉由此退火處理，來進行雜質之活性化、再結晶化、及結晶缺陷之修復。
微波退火係藉由將微波照射至半導體晶圓而加熱半導體晶圓來加以進行。又，燈退火係藉由使用加熱燈(例如鹵素燈或氙氣燈)而加熱半導體晶圓來加以進行。
用於微波退火之微波退火裝置之範例則參照圖2來加以說明。
微波退火裝置100具有收納為被處理基板之半導體晶圓(半導體基板)W之處理容器(applicator)1。處理容器1內係以從處理容器內1之底部所設置之升降板3朝上方突出之方式設有在其中載置半導體晶圓W之複數(例如3根(僅圖示2根))載置銷2，升降板3之底部周緣部係以貫穿處理容器1底部而朝下方延伸之方式組裝有升降棒4。升降棒4係以貫穿升降機構5內之方式加以組裝，藉由升降機構5沿著引導構件7升降，則升降棒4、升降板3、載置銷2便會升降，伴隨於此，升降銷2所載置之半導體晶圓W亦會加以升降。引導構件7下端部係於對應升降機構5之位置組裝有支撐板8。處理容器1底部係形成有供升降棒4插穿之插穿孔4a，在處理容器1底部之插穿孔4a周圍部分與升降機構5上面之間係設有伸縮管6a。另一方面，升降機構5下面之升降棒4周圍部分與支撐板8之間係設有伸縮管6b。
處理容器1之側壁上部係形成有氣體導入埠11，從氣體供給部12將形 成處理時氛圍的氣體透過配管13由此氣體導入埠11導入至處理容器1內。配管13係設有流量控制閥15。形成此般氛圍之氣體可使用Ar氣體或N2氣體等非活性氣體。
處理容器1內之中，於半導體晶圓W之支撐位置下方係配置有對應半導體晶圓W而成為圓板狀之冷卻構件20。冷卻構件20內部係形成有氣體流道21，氣體流道21係透過冷卻氣體配管22而被供給有冷卻氣體。冷卻構件20上面係由氣體流道21延伸而開口有氣體噴出孔23，流通於氣體流道21之冷卻氣體會經由氣體噴出孔23朝半導體晶圓W之內面噴出，來將半導體晶圓W加以冷卻。冷卻氣體配管22係從氣體供給部12所延伸之配管13分歧而插入至處理容器1內部，供給用以形成處理時氛圍之氣體來作為冷卻氣體。冷卻氣體配管22係設有流量控制閥25。另外，冷卻構件20與處理容器1之內面之間係設有緩衝板27。
處理容器1底部係設有排氣埠31，此排氣埠31係連接有排氣配管32。排氣配管32係設有用以將處理容器1內排氣之乾式泵(DP)33，排氣配管32從處理容器1到乾式泵33之間係組裝有開閉閥34及用以控制處理容器1內壓力之自動壓力控制閥(APC)35。藉此，處理容器1內便會被維持在適於微波退火處理之既定壓力。處理容器1內之壓力係被保持在照射微波時不會產生電漿之壓力，例如大氣壓附近之既定壓力。
另外，雖未圖示，處理容器1側壁係藉由閘閥設有用以將半導體晶圓搬出入之可開閉的搬出入口。
另一方面，上述載置銷2為了防止半導體晶圓W之位移，係形成有真空吸附用之吸附孔2a。然後，升降板3係形成有空間3a，升降棒4係形成有孔4b，支撐板8係形成有8a，孔8a係連接有配管36。配管36係連接至排氣配管32，藉由使乾式泵33作動，透過配管36、孔8a、伸縮管6b內部、孔4b、空間3a、吸附孔2a來將半導體晶圓W吸附，以將半導體晶圓W吸附於載置銷2上。配管36係組裝有閥37。
半導體晶圓W之內面側係設有用以測量半導體晶圓W溫度之輻射溫度計(PYRO SENSOR)41。圖中雖係設有3個輻射溫度計41，但其數量能適當加以設定。
處理容器1之頂壁係設有4個(僅圖示出2個)微波導入埠1a，該等4個 微波導入埠1a係分別從微波供給部50被供給有微波。微波供給部50係具有連接至微波導入埠1a之導波道52、以及設於導波道52之微波導入埠1a側的相反側端部而用以產生例如5.8GHz頻率之微波的磁控管53。從磁控管53朝導波道52之微波的導入係透過發射器(launcher)53a來加以進行。導播道52係設有用以將反射微波分離之絕緣器54、以及用以整合阻抗之調諧器55。磁控管53係由電源部60而被加以供電。導波道52與微波導入埠1a之間係設有介電體構件56。處理容器1內之半導體晶圓W的上方位置係設有為了防止駐波形成而攪拌氛圍之旋轉攪拌板(stirrer)57。另外，亦可取代設置旋轉攪拌板57而設置將半導體晶圓W加以旋轉之機構來防止駐波形成。依此般微波退火裝置100，便可藉由從微波供給部50將微波照射至半導體晶圓W來效率良好地加熱。
接著，就用於燈退火之燈退火裝置範例，參照圖3加以說明。
燈退火裝置200係具有收納為被處理基板之半導體晶圓(半導體基板)W之處理容器101。處理容器101係設有在其中載置半導體晶圓W之載置台102，半導體晶圓W係載置在載置台102之表面所設置之載置銷102a上。載置台102係被支撐在支撐構件103，支撐構件103係貫穿處理容器101底部所形成之孔101a而被支撐在其下方所設置之升降板14。升降板14係藉由升降機構105而可升降。處理容器101與升降板104之間係設有伸縮管106。
處理容器101側壁係形成有氣體導入埠111，從氣體供給部112將形成處理時氛圍的氣體透過配管113由此氣體導入埠111導入至處理容器101內。形成此般氛圍之氣體可使用Ar氣體或N2氣體等非活性氣體。處理容器101底部係設有排氣埠121，此排氣埠121係連接有排氣配管122。排氣配管122係設有用以將處理容器101內排氣之包含乾式泵或閥類之排氣裝置123。如此般藉由將既定氣體供給至處理容器101內並藉由排氣裝置加以排氣，便會將處裡容器101內維持在適於燈加熱之氛圍。
處理容器101側壁係設有溫度測量機構130。溫度測量機構130係具有參照光照射部131、及輻射溫度測量部132。參照光照射部131係具有照射用以測量輻射溫度的參照光之參照光源133、為了將參照光源133之參照光導入至處理容器101而設於處理容器101側壁之導入埠134、以及設於導入 埠134之石英玻璃窗135。另一方面，輻射溫度測量部132係具有用以測量半導體晶圓W的輻射溫度之2偏光輻射溫度計136、設於處理容器101側壁之導入埠134的對向位置之射出埠137、以及設於射出埠137之石英玻璃窗138。2偏光輻射溫度計136會接收從參照光圓133經導入埠134而在半導體晶圓W反射之參照光、及從半導體晶圓W所輻射之熱輻射光，並基於該等來量測半導體晶圓W之溫度。
另外，雖未圖示，處理容器101側壁係藉由閘閥設有用以將半導體晶圓搬出入之可開閉的搬出入口。
處理容器101上部係以對向於載置台102上的半導體晶圓W之方式設有燈單元140。燈單元140係具有燈箱141及配置於其中之複數加熱燈142。加熱燈142可使用鹵素燈或氙氣燈。
燈單元140與處理容器101之間係藉由2片透明板151,152及設於其間之濾水膜153而被加以區隔。濾水膜153會吸收加熱燈142之光成分中的紅外光的一部分而加以去除，使得加熱燈142之光波長與溫度測量機構130所使用之光波長不會干擾。
依此般燈退火裝置200，便可藉由加熱燈142將半導體晶圓W以0.01秒以下的極短時間加熱至必要溫度。
以往，係僅以1000℃以上之燈加熱來進行退火處理。但是，這樣會使得擴散層變廣，而無法對應於半導體元件之微細化要求。因此，便要求有更低溫之退火處理。
在600℃以下進行低溫退火處理的情況，無論燈退火或微波退火均可單獨地進行充分的雜質活性化。但是，已知該等單獨的低溫退火則結晶缺陷的修復會不充足。
相對於此，確認了藉由以燈退火及微波退火兩者來進行退火處理，則即便在低溫的處理中，仍可獲得充分的結晶缺陷修復效果。尤其是，首先進行燈退火再進行微波退火，可更加提高結晶缺陷修復效果。其理由雖尚不清楚，但應該是先藉由燈退火進行再結晶後，藉由微波退火會使得微波容易作用至結晶缺陷部分之故。
燈退火及微波退火之溫度較佳為300~600℃。該等在低於300℃時，雜質活性化及結晶缺陷修復會不充分，另一方面，超過600℃時，雜質擴散區 域的抑制性會降低。該等的時間較佳為1~100min。又，微波退火時的微波頻率可使用1~100GHz範圍，該等中以2.54GHz、5.8GHz較佳。又，微波輸出依存於被加熱之物體體積，為了加熱至如上述般之300~600℃，在5.8GHz之微波需要有10~36W/cm3之功率密度，在300mm晶圓需要有600~2000W之功率。
接著，就確認燈退火及微波退火所構成之退火處理的效果之實驗結果加以說明。
首先，關於雜質活性化，藉由以四探針片電阻測量來測量擴散層的電阻值以進行評估。在此，係假定為MOS型電晶體之源極及汲極中之雜質摻雜，對單晶n型Si晶圓進行用以預非晶化之Ge離子植入(植入能量：30keV、植入摻雜量：5×1014ions/cm2)後，進行B的離子植入(植入能量：3keV、植入摻雜量：3×1015ions/cm2)。對此試料，在氮氛圍下，於400℃、500℃、600℃中，就僅以鹵素燈退火(RTA)進行5min、10min者、以波長5.8GHz之微波退火(MIT)進行5min、10min者、進行5min之鹵素燈退火後進行5min微波退火者、以及進行5min之微波退火後進行5min鹵素燈退火者，為了掌握雜質活性化而藉由四探針片電阻測量來測量擴散層的電阻值。其結果顯示於圖4。如圖4所示，任一退火處理中，在相同溫度下均顯示了相同電阻值，確認了相同的雜質活性化。
接著，以上述條件在Ge離子植入的預非晶化後進行B的離子植入，進一步地，在氮氛圍下進行退火處理來製作試料。就退火處理係以鹵素燈以1000℃進行脈衝退火之試料(試料A)、以600℃進行10分鐘的鹵素燈退火之試料(試料B)、以600℃進行10分鐘的微波退火(5.8GHz)之試料(試料C)、以600℃進行5分鐘的鹵素燈退火後再以600℃進行5分鐘的微波退火之試料(試料D)、以600℃進行5分鐘的微波退火後再以600℃進行5分鐘的鹵素燈退火之試料(試料E)，進行用以掌握雜質活性化之擴散層電阻值測量(四探針片電阻測量)、以及用以掌握結晶缺陷之陰極發光測量(CL測量)。
電阻值測量的結果顯示於以下表1。如表1所示，任一試料均顯示出相同的片電阻，確認了即便為以往高溫之脈衝退火者、以600℃單獨進行之燈退火、微波退火者、進行該等兩者，對雜質活性化之效果均未有所改變。
【表1】
CL測量之結果顯示於圖5。圖5係顯示CL波譜之圖式，除了上述試料A~E之外，亦顯示了退火前之試料。CL是電子線激發之發光現象，藉此，可簡單地掌握結晶缺陷。圖5中，以CL所觀察之主要發光線(波峰)加以顯示，則TO為TO聲子(phonon)關聯之束縛激發因子的發光線，X為歸屬於晶格間Si複合中心所導致發光之發光線，W(1212nm附近)為歸屬於晶格間Si叢集所導致發光之發光線，W’(1228nm附近)為稀有氣體相關之W波峰偏移的發光線。因此，晶格間Si叢集所導致之發光便能掌握為W+W’。
在無缺陷之Si結晶的情況，在圖5所示之波長區域中，會成為完全無法見到TO以外之結晶缺陷所對應之波峰的波譜。這因如此，由此圖可謂進行鹵素燈之1000℃的脈衝退火的試料A形成有幾乎沒有缺陷的結晶。另一方面，以600℃進行燈退火之試料B、以600℃進行微波退火之試料C則波譜強度整體性提高，顯示結晶缺陷之波峰亦清楚地呈現。相對於此，在600℃中併用了燈退火及微波退火之試料D及E雖波譜強度均較試料A要高，但與試料B及C相較則波譜強度顯著降低，確認了藉由進行燈退火及微波退火之兩者會提高結晶缺陷的修復效果。又，將試料D及試料E加以比較，確認了在進行燈退火後進行微波退火之試料D的波譜強度較低，而藉由進行燈退火再進行微波退火，結晶缺陷之修復效果會更加提高。
接著，就上述試料A~D，由CL波譜求得顯示典型結晶缺陷之上述W+W’的強度。其結果顯示於圖6。如圖6所示，確認了以600℃進行燈退火後再進行微波退火之試料D，W+W’的波峰稍有高度，較以600℃進行燈退火之試料B及以600℃進行微波退火之試料C的結晶缺陷要為減少，藉由以600℃進行5min之燈退火及微波退火，會較相當於相同熱預算之單獨燈退火及單獨微波退火要為極度地提高修復效果。
接著，顯示以穿透式電子顯微鏡(TEM)來觀察結晶缺陷之結果。在此， 係就進行Ge離子植入後進行預非晶化，之後再剛進行完B離子植入之試料、之後以600℃進行10min之燈退火之試料、以600℃進行10min之微波退火之試料、以600℃進行5min之燈退火後再以600℃進行5min之微波退火之試料，進行TEM觀察。該等試料之剖面TEM照片顯示於圖7。如此圖所示，在低溫燈退火及低溫微波退火觀察到對應於結晶缺陷之模樣，相對於此，低溫進行燈退火後進行低溫之微波退火者則幾乎未出現對應於結晶缺陷之模樣，確認了低溫進行燈退火後進行低溫之微波退火會獲得較高的結晶缺陷修復效果。
如上述，依本發明實施形態，將在半導體基板之雜質擴散層形成區域摻雜雜質後用以活性化雜質之退火處理為藉由包含使用加熱燈之燈退火及照射微波之微波退火者，則即便為低溫的退火處理，仍可獲得雜質活性化效果及高結晶缺陷修復效果。
另外，本發明未限定於上述實施形態，在本發明之思想範圍內可有各種變形。例如，進行燈退火及微波退火之裝置並不限定於上述實施形態所例示之微波退火裝置及燈退火裝置。
又，上述實施形態中，雖顯示了將雜質擴散層形成區域預先非晶化，在雜質摻雜後，藉由退火來將雜質活性化並同時進行再結晶化之範例，但非晶化並非必要。
再者，雖以矽晶圓(基板)作為半導體晶圓(基板)之範例加以說明，但不限於此，亦可為SiC等之化合物半導體晶圓(基板)。

Claims (7)

  1. 一種半導體之製造方法，係具有：將雜質朝半導體基板中的雜質擴散層形成區域摻雜；以及於該半導體基板施以包含使用加熱燈之燈退火及照射微波之微波退火的退火處理來將雜質活性化。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體之製造方法，其中該退火處理係在300~600℃範圍之溫度下進行。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體之製造方法，其中用以將該雜質活性化之退火處理係在進行燈退火後，進行微波退火。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體之製造方法，其中將該雜質摻雜前，進一步具有將該雜質擴散層形成區域非晶化；在用以將該雜質活性化之退火處理時將非晶化後之該雜質擴散層形成區域再結晶化。
  5. 一種退火方法，係在將雜質朝半導體基板中之雜質擴散層形成區域摻雜後，進行用以將雜質活性化之退火處理之退火方法，其係進行使用加熱燈之燈退火及照射微波之微波退火兩者。
  6. 如申請專利範圍第5項之退火方法，其係在300~600℃範圍之溫度下進行。
  7. 如申請專利範圍第5項之退火方法，其係在進行燈退火後，進行微波退火。
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