TW559909B - Disclosed is a method for forming a semiconductor device and an apparatus for forming the same - Google Patents
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Description
559909 五、發明說明(l) 【發明之背景】 發明之領域 本發明係關於半導體裝置之製造方法及製造裝置。 習知技術 近來’隨著IC(Integrated Circuit,積體電路)之高 積體化及高密度化之要求,電路元件之微縮化成為重要課 喊。特別是,於M0S(Metal-Oxide Semiconductor)電晶體 中’當微縮達到〇 · 1 # m左右以上時,短通道效果變得明 顯’而產生閾值電壓下降或關閉特性之劣化等問題。將分 別構成源極及汲極區之雜質擴散層形成較淺,可有效地防 止M0S之短通道效果。 雜質擴散層之形成一般係由以下二製程所構成:離子 植入製程’將離子化之雜質植入基板表面區域;回火势 程,將植入雜質之基板表面區域加熱,以恢復因離子植入 所造成之格子缺陷’,並使植入之雜質收納於結晶格子位 置,而使其電性活化。在此,淺雜質擴散層之形成係於離 子植入製程中,藉由降低植入能量而將雜質植入而進行。 於離子植入製程後之回火製程中,係使用從燈、= 等光源對離子植入之基板進行照射,而急速加熱至10^ ^ 左右咼溫之急速熱處理法。於急速熱處理法(RTa)中, 選擇地僅加熱基板表面,故可進行於秒左右之J7 加熱,而可達成1 0秒左右之短時間處理。 南速 發明欲解決之課題 然而,即使使用RTA進行高溫、短時間之回火時,亦
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五、發明說明(2) 無法完全抑制雜質 如此之雜質擴散為 5〇nm左右之極淺時 深處之雜質量則無 擴散。若雜質植入層 容許範圍。然而,例 ,則藉由加熱而擴散 法忽視。 達到某種深度,則 如,植入層深度為 至較植入層深度更 此係由於即使於使用RTA時,基板會被加熱至如上述 ^ =淺深度以上之深度。亦即,藉由加熱,使得較植入層 更深處之矽結晶被激發,而使雜質移動(擴散)至使結晶 中 t此,藉由雜質擴散並活化,而使實質擴散深度增大 至有思義之程度,使得如無法防止短通道效果等,而造成 Μ 〇 S之信賴性下降。 … 如上所述,為了形成極淺雜質擴散層,必須僅選擇地 對基板表面之極淺區域之矽結晶進行加熱(激發)。然而, 以往並無如此之技術。 有鑑於上述實情,本發明係關於高信賴性之半導體裝 置之製造方法及製、造裝置。 又’本發明係關於可高信賴地形成極淺擴散層之半導 體裝置之製造方法及製造裝置。 此外,本發明並關於可選擇地激發基板表面矽結晶之 半導體裝置之製造方法及製造裝置。 【發明概要】 為了達成上述目的,本發明之第1觀點之半導體裝置 之製造方法,其包含: 電漿產生步驟,從具有複數個開縫之平面天線構件 對預定氣體照射預定頻率之微波,而產生電漿;及
559909 五、發明說明(3) " -- 擴散層形成步驟,將所產生之電漿中之活性種,照射 至事先已摻雜雜質之基板,冑該雜質活化,而形成雜質擴 散層。 上述構成中,該擴散層形成步驟最好於將該基板加熱 至預定溫度之同時,照射該活性種。 , 上述構成中,例如,該基板之該雜質係由該基板表面 摻雜至5 0 n m之深度, 而該擴散層形成步驟將該雜質活化,而形成從該基板 表面起50nm以下之深度之雜質擴散層。 上述構成中’該氣體可為如氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe) 之任一個,或此等之組合。 上述構成中,該氣體亦可更含有氫α2)。 上述構成中,該氣體亦可更含有氧(〇2)。 為了達成上述目的,本發明之第2觀點之半導體裝置 之製造裝置,其‘備: 反應室; 氣體供應部,將預定氣體供應至該反應室; 平面天線,介著預定之導波路徑接收微波,從複數個 開縫輕射遠微波; 基板保持部,與該平面天線對向配置,將事先摻雜有 雜質之被處理基板於施加預定偏壓電壓狀態下載置,同時 加熱該被處理基板; 減壓排氣部,將該反應室内之壓力維持為預定範圍; 及
559909 五、發明說明(4 控制機搆,將由該氣體供應部供應至該反應室内之該 氣體,藉由來自該平面天線之微波而加以電漿化,並將該 電漿中之活性種照射至載置於該基板保持部之該被處理基 板, 其特徵為: ’ 該控制機構藉由該基板保持部將預定之偏壓電壓施加 至被處理基板,藉由該活性種激發該被處理基板之表面, 將摻雜於該被處理基板之該雜質活化,而形成雜質擴散 層0 【較佳實施例之詳細說明】 以下參考圖式,說明本發明之實施形態之半導體裝置 之製造方法及製造裝置。
依據本發明之實施形態之半導體裝置之製造方法,例 如製造p通道型之M0SFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect T^anSlst〇r)。圖i係顯示使用本實施形態之半導體裝置之 製造方法所製造之p通道M〇s(以下,稱為pM〇s)u之構造。 閑極=:二,成隱11係由鳴12, -基為 氧切膜、IS;形板12。閘極絕緣膜13係由 介電常數膜之層積膜箄二谌/朕,及此寺與氧化鈕等高 積朕4所構成。閘極絕緣膜1 3之厚度如設
__ 立為S0I(Sl 11 con 〇n Insulator)基板。
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導入電極1曰4層,於,絕緣膜13上。閘極電極14係由 *貝之稷日日矽、鋁等所構成。閘極電極14之厚度如設 為 〇· //Π1 〜0.3 //111( 1 0 0 0 又〜3 0 0 0 Α)。 為 2 〜5nm(20 A 〜50 A ) 〇 ^ /區1 6。源極區1 5及汲極區1 6係於n型之矽基板 中導入P型雜質而形成之p型雜質擴散區域。 、乃朽ί=區!^及及極區16分別連接至未圖示之源極電極及 及極包極。^對間極電極14施加預定電壓(閘極電壓)時, 於石夕基板12之表面區域形成反向層,亦即通道⑽)。於對 $ =極及没極電極施加預定電壓時,介著通道⑽),使 電流流於源極區1 5及汲極區丨6間。 i 4在ί,形成源極區1 5及汲極區1 6之雜質擴散層分別於 土板之深度(厚度)方向,以如低於2nm〜5〇nm (2〇Α〜5〇〇 Α)之深度極淺地私成。上述極淺之雜質擴散層係藉由使 用p f=ΐ (例如,硼)之離子植入、電漿摻雜等之離子植 ^(雜質導入)及其後之回火處理而形成。回火處理係使用 後述之輻射線狀槽縫天線(Radial Line slot Antenna, RLSA)之微波電漿而形成。 其次’參考圖示說明本發明之實施形態之半導體裝置 (PM0S11)之製造方法。 圖2係為用於製造半導體裝置之製造裝置1〇〇之構成。 如圖2所示,製造裝置! 00係由晶盒站1〇1及處理站ι〇2 所構成。
559909 五、發明說明(6) 晶盒站1 0 1具備晶盒台丨〇 3及搬送室i 〇 4。晶盒台丨〇 3上 載置可收容預定片數之半導體晶圓(以下,晶圓w)之晶盒 C。於晶盒台1 〇 3上載置收容未處理之晶圓w之晶盒c,並將 收容處理後之晶圓W之晶盒c從晶盒台1〇3搬出。 於搬送室104上配置1對載入手臂1〇5、1〇6。載入丰臂 I 〇 5、1 0 6除了將收容於晶盒c之晶圓界搬入處理站丨〇 2侧 外’並從處理站1 〇 2側搬出處理後之晶圓w,而收容於晶盒 C °搬送室1 〇 4之内部藉由乾淨空氣之下吹而保持乾淨。 處理站102包含:真空平台107 ;2基部之載入鎖定單 凡1 〇 8、1 〇 9 ; 2基部之摻雜單元丨丨0、丨u ;及2基部之回火 單元11 2、11 3。 於略成六角形之真空平台1〇7周圍,各單元介著閘極 閥而連結或自由遮斷地連接著。亦即,處理站丨〇 2構成叢 生型系統。真空平台丨〇7具備排氣機構,可減壓至預定之 真空狀態。又,藉、由閘極閥而隔絕之各單元分別具備排氣 機構’而可於其内部形成與真空平台丨〇 7獨立之環境。 於真空平台107之中央,設置一對搬送手臂114、 II 5 ’以進行各單元間之晶圓w搬送。 載入鎖定單元1 0 8、1 0 9連結或自由遮斷地連接於晶盒 站101之搬送室1〇4。載入鎖定單元1〇8、109之功能為對處 理站102之晶圓搬入用埠及晶圓搬出用埠。載入手臂105、 1 0 6將收容於晶盒台1 0 3上之晶盒C之晶圓W搬入載入鎖定單 元108、1〇9内。又,載入手臂105、106從載入鎖定單元 108、109搬出處理後之晶圓w,並收容於晶盒c。
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換雜單元110、111係由_ 電漿摻雜裝置等所構成。於摻量離〗子植入裝置、 板1 2 (晶圓W )選擇性導入p型雜質 1中,對矽基 雜所道, y I亦隹貝,而形成雜質植入層。 雜貝導入係如以閘極電極i 4作A 行。雜新增 仏i4作马遮罩而自整合地進 /、貝V入如以1 X 1 〜5 x J 〇15 旦 : 〜5ί1ΐΊτη("9η9 r·^。、 <穋雜里、及如 2nm A〜500A)之擴散深度進行。型 硼(B)、銦(In)等。 又适仃P型‘貝可使用如 :火早兀112、113係為輻射線狀槽縫天線(Radial Line Slot Antenna,RLSA)型之電漿處理裝置。回火單元 11 2、11 3使用微波能量產生處理氣體之電漿,藉由此電 漿’而對摻雜後之矽基板丨2表面進行回火。 ,3/系為回火單元丨丨2、丨丨3之剖面結構。如圖3所示, 回火單元112、113具備略成圓筒形之反應室。反應室 2 0 1由鋁等所構成。 〜 於反應室2 0 1內部之中央,配置作為被處理體之晶圓w 之載置台202。於載置台202中,内藏有未圖示之溫調部, 藉由溫調部’將晶圓W加熱至預定溫度,如室溫〜6 〇 〇。〇。 又’載置台202具有用以施加預定電壓之電路,藉由 此電路,將用以加速電漿中之離子之偏壓電壓(例如, - 50V〜0V左右’隶好為一 20V〜0V)施加於晶圓w。 於反應室2 0 1之側壁上之與載置台2 〇 2之頂面約為相同 高度處’設置搬入出口 203。搬入出口 203藉著閘極閥204 與真空平台107相連接。於閘極閥2 〇4打開時,介著搬入出 口 2 0 3進行晶圓W之搬出/入。
第13頁 559909 五、發明說明(8) 排氣管205之一端連接於反應室201之底部,而另一端 則連接至真空幫浦等之排氣裝置2〇6。藉由排氣裝置2 06 等’處理時之反應室201内部成為4〇Pa〜0.13kPa(30mTorr 〜1 Torr) 於反應室2 0 1之側部上方設置氣體供應管2 〇 7。氣#體供 應管20 7連接至氬(Ar)氣體源2 0 8及氮(N2)氣體源20 9。氣 體供應管2 0 7沿著反應室2 0 1侧壁之圓周方向,而均等地配 置如1 6處。藉由如此配置,使從氣體供應管2 〇 7所供應之 氣體均等地供應至載置台2 〇 2上之晶圓W上方。 於反應室2 0 1之上部設置開口 2 1 0。於開口 2 1 0内側設 置窗2 11。窗2 11由通透性材料,如石英、s i 〇2系之玻璃、
Si3N4、NaCl、KC1、LiF、CaF2、BaF2、Al2〇3、A1N、MgO 等 無機物、或聚乙烯、聚酯、聚碳酸酯、醋酸纖維素、聚丙 烤、聚氣乙浠、聚偏二氯乙烯、聚苯乙浠、聚醯胺及聚酉藍 亞胺等有機物之薄、膜、薄片所構成。 於窗2 11上,例如,輻射線狀槽縫天線(以下稱 RLSA)212。於RLSA212上,設置連接至高頻電源部213之導 波路徑2 1 4。導波路徑21 4包含··扁平之圓形導波管21 5, 其下端連接至RLSA212 ;圓筒型導波管216,其一端連接至 圓形導波管2 1 5之頂面;同軸導波變換器21 7,連接至圓筒 型導波管216之頂面;及矩形導波管218,一端成直角地連 接至同軸導波變換器21 7側面,而另一端連接至高頻電源 部213。RLSA212及導波路徑214係由銅板所構成。 於圓筒型導波管2 1 6内部配置同軸導波管2 1 9。同轴導
559909 五、發明說明(9) 波管2 1 9係由由導電性材料所槿 端連接於RLSA212之頂面約中央ί之軸構件所形成,其一 地連接至圓筒型導波管216頂面^,而另一端則成同軸狀 圖4係為RLSA212之頂視圖。4 面上具有設於同心圓上之複:個 【:2:2 a::成:形之貫通之溝,並配設成鄰接槽縫2i2: 破此相互直父而成略為τ文字。槽縫2i2a之長度或排列間 搞係對應&錢電源部213所產生 < 高頻;皮長而決定。 咼頻電源部213如以50(^〜51^之輸出產生2 45(;|12之 微波、。從高頻電源部2 1 3所產生之微波以矩形模式傳送於 矩形導波管218内。此外’微波以同轴導波變換器217從矩 形模式變換成圓形模式,而以圓形模式傳送至圓筒型導波 管216。微波更以由圓形導波管215所擴大之狀態傳送,並 由RLSA2 1 2之槽缝2 1 2a輻射出。所輻射之微波透過窗2丨1而 導入至反應室2 0 1 反應室201内設定為預定之真空壓力,並從氣體供應 管207將Ar及N2之混合氣體以如Ar/N2 = 2 0 0 0 (sccm) ·· 20 0 (seem)之比例供應至反應室201内。在此,流量比亦可 為Ar/N2=2000 : 20 、 1000/100 。 藉由透過窗211之微波,使高頻能量傳達至反應室2 〇 1 内之混合氣體,而產生高頻電漿。此時,因微波從 RLSA212之多數槽縫212a輻射,故產生高密度之電漿。在 此,使用RLSA212所形成之電漿中之活性種舉具有0. 7〜 2eV左右之電子溫度。如此,藉由RLSA212可產生活性較安
第15頁 五、發明說明(10) 穩之電漿活性種。 藉由對所產生之高资 面之回火。亦即,所產*二電漿之曝露,而進行晶圓W表 與晶圓W表面之矽原 生電滎中之活性種,特別是Ar離子 面之矽原子。所給盥妾<觸曰並衝撞,而將能量給予基板表 深處之矽原子傳達了笋:,從矽基板1 2表面之矽原子往更 度之矽原子(結晶)。㈢〇此之能量傳達,而激發預定深 於雜質植入層中亦间接&立& 恭 σΓ m 5樣地產生梦結晶之激發。藉由激 晶化)。葬分,可你扯 夂亂之矽結日日產生再排列(再結 士 3 植入層之格子缺陷減少或消失。 %* ’與結晶格子之再排 之雜皙i+ 〈丹排列冋柃,於猎由摻雜而導入 <亦隹貝(β等)中,未配置於 a 於έ士曰坆2 /姐 頂疋之、、,口日日格子位置者亦收納 二、、=曰曰。子位置,.而作為摻雜物被活化。藉此,可得 ::具備所希望電氣特性之雜質擴散層(源極區15及汲極心 區 1 6 ) 〇 在此’如上所述,使用RLSA所產生之電漿活性種具有 較低能量。因此,可避免對矽基板丨2表面之損傷。又\、藉 由活性種而賦予矽結晶之能量於傳達過程中之石夕結晶之= 排列荨消耗,故不會從表面傳達至大於預定深度處之石夕原 子。 ’、 藉此,藉由適當地調節電漿之產生條件,選擇性地數 發植入層之深度(5onm左右)之矽原子,同時產生具有不合 激發大於此深度之原子左右能量之活性種,而可抑制大二 植入層之深度中之雜質之擴散。
第16頁 559909 五、發明說明(11)
之半導體裝置之製造 以下 方法。 參考圖2說明本實施形態 容預定片數之晶圓w之晶盒^置於晶盒台 及η Λ H P上,於矽基板1 2上層積形成閘極絕緣膜1 3 =閘^極14。載入手臂105、1〇6從晶盒c取出晶_,而 1入載入鎖定單元1〇8、1〇9。 搬入後,將載入鎖定單元108、109之内部設為氣密, 而成為接近真空平台107内部之壓力。其後,載入鎖定單 元1 0 8、1 〇 9對真空平台側打開。接著,搬送手臂丨14、1玉$ 從載入鎖定單元1〇8、1〇9搬出晶圓w。 挑L送手臂11 4、11 5將晶圓W搬入摻雜單元11 〇、1 u。 搬入後,關閉閘極閥,將摻雜單元丨丨〇,J丨丨内設為預定壓 力。其後,以閘極電極1 4作為遮罩,對晶圓w進行自整合 之雜質導入。藉此,於閘極電極丨4之附近形成源極區丨5及 汲極區1 6。於摻雜結束後,將摻雜單元丨丨〇、丨丨丨内設為原 來之壓力,而打開閘極閥。搬送手臂丨丨4、;[丨5將處理後之 晶圓W搬出。 接著,將晶圓W搬入回火單元丨1 2、11 3内。搬入後, 關閉閘極闊,將回火單元11 2、11 3内設為預定壓力。於回 火單元112、113中,對晶圓w進行藉由RLSA電漿之回火處 理。藉此,可抑制雜質之擴散,於使雜質擴散層之深度維 持為極淺之狀態下,使晶圓W之表面區域穩定化。於回火 處理結束後,將回火單元11 2、11 3内設為原來之壓力,打 開閘極閥。搬送手臂11 4、11 5將處理後之晶圓W搬出。
559909 五、發明說明(12) 回火處理後之晶圓W搬送入載入鎖定單元1 〇 8、丨〇 9 内。其後’晶圓W隨著與對載入鎖定單元108、1〇9之搬入 時之相反製程,而收容於晶盒74。將預定片數之處理後晶 圓W之晶盒C從半導體製造裝置1 〇 0搬出。接著,對於處理 後之晶圓W,進行絕緣膜之形成、問極/及極電極之形成處 理。如此,完成PM0S1 1之製程。 如上所述’於本發明之實施形態中,將使用r L g a 2 1 2 而產生之電漿活性種,與矽基板1 2表面相接觸,而對雜質 擴散層進行回火。所產生之活性種之能量不會對石夕基板丄2 表面造成損傷,且為可選擇性地僅激發較雜質擴散層之深 度僅稍深程度之矽原子之能量。 如上所述,以使用R L S A電漿之雜質擴散層之回火,可 從基板表面選擇性地僅激發預定深度之;ε夕結晶,可抑制雜 質之擴散。因此,於極淺之雜質擴散層中,亦可將其深度 維持為淺,可得到防止短通道效果而高信賴性之p Μ 〇 S1 1。 本發明並不限於上述實施形態之說明,可任意進行其 應用及變形等。 於上述實施形態中,雖以PM0S為例加以說明,但亦可 為η通道型之M0S。此時,摻雜物若使用η型雜質,如砷、 燐、銻等,則可極淺地形成η型之雜質擴散層。又,亦可 為MIS(Metal Insulator Semiconductor)FET ,或 C Μ 0 S (C 〇 m p 1 e m e n t a r y Μ 0 S) F E T 等。 於上述實施形態中,半導體製造裝置1 0 0分別具備2個 摻雜單元1 1 0、1 1 1 ,及電漿回火單元1 1 2、1 1 3。然而,構
第18頁 559909 五、發明說明(13) 成半導體製造裝置100之單元數及配置可為任意。 於上述實施形態中,在回火單元112、113中之回火處 理,係使用Ar與N2之混合氣體。然而,亦可單獨或混合使 用氪(Kr)、氙(Xe)等以取代Ar。 又,亦可使用〇2取代n2。又,亦可添加馬、〇2等:特別 疋,於添加H2 %,從H2所產生之η自由基與s i之懸空鍵相結 合,使所形成之矽氧化膜穩定而提升膜質。 發明效果 、、 依據本發明,可提供高信賴性之半導體裝置之製造方 法及製造裝置。 t
第19頁 559909
[圖l ] 依本發明之實施形態之半導體裝置之f造方法所 之半導體裝置之剖面圖。 、 [圖2] 之製造裝置之 依本發明之實施形態之半導體 圖。 ^ [圖3] 回火單元之構造圖 依本發明之實施形態之 [圖4] 圖 依本發明 之實施形態之平面天線構件(RLSA)之構造 11 12 13 14 15 16 100 101 【符號說明】 102 103 104 105 pMOS 矽基板 閘極絕緣膜 閘極電極 源極區 汲極區 製造裝置 晶盒站 處理站 晶盒台 搬送室
載入手臂
559909 圖式簡單說明 106 載入手背 107 真空平台 108 載入鎖定單元 109 載入鎖定單元 110 、 111 摻雜單元 112 、 113 回火單元 201 反應室 202 載置台 203 搬入出口 204 閘極閥 205 排氣管 206 排氣裝置 207 氣體供應管 208 氬(A r )氣體源 209 氮(N2)氣體源 210 開口 211 窗 212 輻射線狀槽縫天 212a 槽縫 213 南頻電源部 214 導波路徑 215 圓形導波管 216 圓筒型導波管 217 同軸導波變換器
第21頁 559909 圖式簡單說明 218 矩形導波管 219 同軸導波管 第22頁
Claims (1)
- 559909 六、申請專利範圍 1. 一種半導體裝置之製造方法,其包含: 電漿產生步驟,從具有複數個開缝之平面天線構件, 對預定氣體照射預定頻率之微波,而產生電漿;及 擴散層形成步驟,將所產生之電漿中之活性種,照射 至事先已摻雜雜質之基板,使該雜質活化,而形成雜質擴 散層。 2 ·如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法, 其中,該擴散層形成步驟係於將該基板加熱至預定溫度之 同時,照射該活性種。 3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方 法,其中,該基板係於由其表面起至5 0nm之深度受摻雜以 該雜質, 而該擴散層形成步驟將該雜質活化,而形成從該基板 表面起50nm以下之深度之雜質擴散層。 4. 如申請專利' 範圍第1或2項之半導體裝置之製造方 法,其中,該氣體為氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)之任一個, 或此等之組合。 5. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法, 其中,該氣體更含有氫(H2)。 6. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法, 其中,該氣體更含有氧(02)。 7. —種半導體裝置之製造裝置,其具備: 反應室; 氣體供應部,將預定氣體供應至該反應室;第23頁 559909平面天線’介著預定之導波路徑接收微波,從複數個 開縫輻射該微波; 基板保持部,與該平面天線對向配置,將事先推雜有 雜質之被處理基板於施加預定偏壓電壓狀態下予以載置, 同時加熱該被處理基板; ’ 減壓排氣部,將該反應室内之壓力維持為預定範圍· 及 ' , 控制機構,將由該氣體供應部供應至該反應室内之該 氣體’藉由來自該平面天線之微波而加以電漿化,並將該 電漿中之活性種照射至載置於該基板保持部之該被處理基 板, 其特徵為: 該控制機構藉,由該基板保持部將預定之偏壓電壓施加 至被處理基板,藉由該活性種激發該被處理基板之表面, 將摻雜於該被處理基板之該雜質活化,而形成雜質擴散 層0第24頁
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