TWI271791B - Use of sub-melt laser annealing and low temperature rapid thermal annealing to form ultrashallow junctions in semiconductor wafers - Google Patents
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1271791 、 A7 —- __B7___ 五、發明說明（I ) 相關申請案參照 本申請案係主張臨時申請案案號60/190,233之利益’ 其申請日爲西元2000年3月17日，且該申請案在此倂入 作爲參考。 發明之領域 本發明係有關一種用於含有摻雜材質之半導體晶圓之 熱處理方法，尤其是指一種可藉由以熔心雷射退火及低溫 快速熱退火而達成在半導體晶圓中形成超淺接面之方法。 發明背景 離子植入係一種可將改變導電型態之摻雜材質植入半 導體晶圓之標準技術。於傳統之離子植入系統中，一個待 欲植入之摻雜材質先在離子源中被離子化，後再被加速形 成一具有預定能量之離子束，最後再被導引至晶圓之表面 。該具有能量之離子束穿透半導體材質之本體且被埋床在 該半導體材質之結晶格子中。接下來，該半導體晶圓需進 行一道退火步驟以活化被植入之摻雜材料和修復因離子植 入造成之結晶損傷。該退火步驟乃牽涉依據預定之退火時 間和溫度協定之半導體晶圓的熱處理。 目前在半導體業界要求將元件做得愈小，速度愈快乃 是眾所周知之趨勢。尤其是，在該半導體元件橫側面大小 和植入深度二者都一直縮減。最先進之半導體元件要求接 面深度小於1000埃（Aangstroms)且可能最終會要求接面 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格do X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝---- 訂---------' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制 衣 1271791 A7 ___B7____ 五、發明說明（> ) 深度在200埃級數或更小。 該摻雜材質植入之深度係由植入該半導體晶圓之離子 能量來決定。淺接面係用低植入能量而達成。但是’用來 活化該被植入之摻雜材質的退火製程將造成該摻雑材質從 半導體晶圓中之植入區擴散。由於此種擴散之結果，接面 深度因退火而增加。爲了降低因退火造成接面深度增加之 效應，吾人可減少離子能量，使得在退火後獲得所需要之 接面深度。這種改進除了在超滲接面之特例外’基本上可 提供一滿意之結果。但是藉由降低離子能量以減少接面深 度之技術仍具有一極限，此乃因在退火之同時該摻雜材質 無可避免還是會擴散。 在仍保持可活化該摻雜材質狀態下，已嘗試各種努力 來發展可限制該摻雜材質擴散之退火製程。當要求最小量 熱擴散時，一種快速熱退火或尖峰式退火常被典型地使甩 到。快速熱退火基本上包含將該晶圓加熱至950°C至1100 工且時間爲1至30秒，而尖峰退火可能牽涉到小於0.1秒 之退火時間。在PCT公告號W099/39381專利案中揭露一 種方法將可控制低濃度之氧氣可加入氮氣環境中以達到最 小熱擴散之效果。不管如何地選擇退火參數，快速熱退火 或尖峰熱退火仍會造成該摻雜材質之熱擴散、加強型暫能 擴散、氧化加強型擴散及摻雜加強型擴散（即例如硼雜質 或磷雜質本身就會加強性擴散）。甚至，當低濃度的氧氣 被加入氮氣環境中且使用非常低能量的植入被進行時，該 熱擴散仍發生。 4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
n I ·ϋ n 1· ϋ )OJ· ft— IBP 11 n ϋ ϋ I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚) 一~^ ：~· 麵 1271791 A7 B7 五、發明說明（々） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如同在美國專利號5,908,307 (於1999年6月1日發給 Talwar等人）和美國專利號5,956,603 (於1999年9月21 曰發給Talwar等人）中所揭露，另外一種已知的退火技術 是雷射退火。一晶圓之表面被形成一非晶圓且一摻雜材質 被植入該非晶表面層。之後，該非晶表面層以足夠的雷射 能量加以照射致使其熔化，此時可將該摻雜材質被分佈在 該整個熔化之矽區域。將雷射退火製程與傳統元件製程整 合在一起是非常複雜的。矽或鍺之非晶化前植入是需要的 ，以避免使多晶矽閘極熔化，且沈積一抗反射金屬層亦是 需要的。 在曰本的應用物理期刊，第31卷，pt2 , 6A號，1992 年中第659-662頁作者H.Tsukamoto等人論文名稱“以激態 分子（excimer)雷射退火形成超淺接面”中揭露一種藉由 BF/離子植入及單脈衝雷射退火以達成淺接面之技術。上 述揭露的製程如果雷射能量密度太低以致無法熔化將導致 高片電阻（Sheet resistance)。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在美國專利號4，151，008 (於1979年發給Kirk pathck 中揭露一種可在半導體元件上選擇性地以脈衝雷射或閃光 燈泡作短期間加以熱處理。假如光能量密度太低而無法產 生熔化，則該揭露的製程亦產生高片電阻。 截至目前習知之半導體晶圓熱退火皆會產一至多項缺 點，這些缺點包含（但不限於）無法接受之摻雜材質擴散 程度、高片電阻及過度的製程複雜度。因此，有必要提出 一種改良之半導體晶圓退火方法以達到吾人要求之所需之 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1271791 經齊部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4) 摻雜材質之分佈及片電阻，且同時g亥方法亦修復結晶受損 將擴散最小化及亦不造成製造過程上之過度的複雜度。， 發明槪要 依據本發明之第一方面，係提供一種用於將含有摻雜 材質之半導體晶圓熱處理之方法。該摻雜材質可藉離子植 入法、電漿沈積或任何其他適當沈積技術將其植入或沈積 在該半導體晶圓內。本方法包含以足夠雷射能量活化該摻 雜材質但不使該晶圓熔化及藉由在相對低溫下將該晶圓快 速熱退火以修復結晶受損等步驟。 最好是該以雷射能量照射該晶圓之步驟係足以加熱該 晶圓至溫度在大約1100°C到14HTC間的範圍內，且該晶圓 之快速熱退火步驟係將該晶圓加熱至大約650°C至850°C間 的範圍內並爲期少於1到60秒。 較佳係，該被植入之晶圓係以波長在大約190至1500 納米（nanometer)間之雷射能量照射。在本發明之一實施 例中，該被植入之晶圓係被具有波長308納米之雷射能量 照射。其他適當雷射光波長包括532及1064納米。用於照 射晶圓之雷射能量可包含一個或多個雷射脈衝。該晶圓可 被含有100至1000個雷射脈衝之雷射能量加以照射且該雷 射脈衝之脈衝寬度可在10至100納秒之間。將雷射脈衝數 與脈衝寬度之乘積後可在1至1000微秒（microsecond)之 間。在本發明之一實施例中，係採用具有脈衝寬度大約爲 20納秒之多重雷射脈衝。 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]0 X 297公釐） ϋ mm·*— ϋ n n n I ϋ n ϋ · ϋ« l d ϋ n ϋ n 一 0, n mm— I ϋ n ϋ I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1271791 A7 ____B7__ 五、發明說明（< ) 本發明雷射退火步驟可在含有氧氣之氮氣環境中完成 ，其中氧氣濃度係於晶圓之雷射照射期間控制在少於百萬 分之一至百萬分之一仟間。快速熱退火步驟係在含有氧氣 之氮氣環境中完成，其中氧氣濃度係晶圓之快速熱退火期 間控制在少於百萬分之一至百萬分之一仟間。 依據本發明之第二方面，係提供一種用在半導體晶圓 內形成一被雜質摻雜之區域的方法。該方法包含下述步驟 ，先植入一摻雜材質進入一半導體晶圓、再以足夠雷射能 量照射該晶圓以活化該摻雜材質且不使晶圓熔化、及再藉 將該被植入之晶圓加以在相對低溫下快速熱退火而修復結 晶受損。 本發明所提供之方法可達到活化摻雜材質且不致產生 大量擴散之目的。快速熱退火可修復由於摻雜材質植入時 造成之結晶受損，所以本發明之元件具有良好遷移率（ mobility)及低漏電流。藉由消除矽熔化將可避免該摻雜材 質在整個熔化區域內分佈。 圖式簡單說明 爲了能更進一步了解本發明，在此將包含下面附圖說 明以供參考，其中： 圖1爲一簡化和部份剖面之一半導體晶圓； 圖2爲依據本發明之製程實施例之流程圖； 圖3爲用於各種製程之硼濃度（厚子數/立方厘米）: 在不同深度（單位埃）之分佈圖，其中亦包含本發明製程 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------II--I · I I---1 I ^ ·11111 111^¾ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1271791 A7 ___B7 __ 五、發明說明（b ) 之一實施例。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 詳細說明 圖1爲一高度簡化之半導體晶圓10之部份剖面圖。藉 由離子植入可在該半導體晶圓10內形成所需要導電型態之 區域和接面。我們知道實際半導體元件係包含在一個複雜 組構內具有多個植入區域並且也知道圖1之半導體元件10 僅係爲了易於說明。一摻雜材質之離子束12被導向該晶圓 10以產生一植入區域14。該植入區域14之深度係由數個 因素來決定，其中包含離子束12中離子之能量和質量。基 本上該植入區域14之界面乃由植入光罩16所定義出。該 晶圓然後做退火以活化該摻雜材料及修復由於離子植入時 造成之結晶受損。 經濟部智慧財I局員工消費合作社印製 習知技術退火製程將造成該摻雜材質擴散形成一雜質 區域20且該雜質區域20比植入區域14來得大且深。該雜 質區域20係以一接面深度Xj來特性化，且該接面深度爲 該晶圓10退火後雜質區域20垂直該晶圓10表面之深度。 在製程超淺接面之目的之一是將擴散最小化並藉此限制該 接面深度X」。 已發現到在退火後的雜質區域20之接面深度Xj比起 習知製程可藉一新穎熱處理方法加以減少，而該新穎熱處 理方法係包括次熔化雷射退火倂用低溫快速熱退火以形成 超淺摻雜區且達到最小熱擴散和不會使晶圓之表面矽熔化 。上述製程可被用來形成超淺及低片電阻之接面且同時形 8 本紙張尺玉適用一中國—1Ϊ家標準(石^六4規格—(21〇 χ 297公釐） 一~ - · '一― 1271791 A7 B7 五、發明說明（ι| ) 秒。曲線74代表一如上述方法硼離子植入後之矽晶圓且經 由溫度7〇°C爲期20秒之快速熱退火。該晶圓經由測其片電 阻爲3500歐姆/平方。曲線76代表一如上述方法硼離子 植入後之矽晶圓且經由一低於矽熔點下之含有1〇〇個雷射 脈衝波長爲308納米之雷射退火及再經一溫度700°C時間 20秒之快速熱退火。 曲線76淸楚顯現了並未發生大量擴散且產生一 360歐 姆/平方之片匣阻。在曲線76中在該晶圓在硼濃度爲3E 18/立方厘米時之深度爲372埃。經由對比發現曲線74所 代表之矽晶圓存在一非常高之片匣阻，其顯示出該摻雜材 質並沒有被活化。曲線72代表一被尖峰退火之矽晶圓，它 具有摻雜材質之大量擴散以致造成接面深度爲561埃。由 圖3很容易看出曲線70，74及76幾乎重疊。 在此所述之熱處理技術藉由僅將該晶圓曝露在非常高 溫且時間爲微秒內，因而比起傳統高溫快速熱退火不論爲 期短時間或是尖峰退火均獲得改良，並藉此將摻雜材質熱 擴散予以最小化。爲了形成暈圏的運用，意即該硼元素可 代替銦元素做爲摻雜材質，雖然銦元素是目前因其具有低 擴散而被使用但其不是較佳選擇，此乃因銦材質具有腐蝕 性會導致離子源生命期的降低。另一上述揭露技術的運用 係形成一具有較快速熱退火更陡峭接面之源極/汲極延展 面。由上述揭露技術形成之源極/汲極延展面之接面陡峭 度和離子植入後分佈之陡峭度相同。 本發明藉由可消除矽熔化而將傳統雷射退火加以改良 13 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝---- 訂-------- 瘦齊即智慧財轰局員工消費合作社印制衣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
Claims (1)
- 六、申請專利範圍 ' 1. 一種用以處理含有一摻雜材質之半導體晶圓的方法 ，係包括下列步驟： 〆 在一雷射退火腔中以雷射能量照射該晶圚，其中該雷 射能量係以足夠活化該摻雜材質且不使該晶圓熔化，該雷 射能量包含一或多個雷射脈衝’其將晶圓之表面層加熱至 1100°C至14.1〇°C的溫度範圍內，其中雷射脈衝數量乘以雷 射脈衝的脈衝寬度之乘積係在於1微秒至1000微秒的範圍 內；及 在一快速熱處理腔中將該晶圓在相對低溫下予以快速 熱退火該晶圓以修復結晶受損，其中該晶圓之快速熱退火 步驟係在以雷射能量照射該晶圓之步驟之前或是之後實施 〇 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法’其中該晶圚之 快速熱退火之步驟係足夠使該晶圓加熱到溫度大約在650°C 到850°C，間且時間在1秒到60秒間。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法’其中該晶圓係 以一具有波長308納米之激化分子雷射之雷射能量加以照 射。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法’其中該晶圓係 以具有波長532納米之雷射能量加以照射。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶圓係 以具有波長1064納米之雷射能量加以照射。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶圓係 以具有波長190納米到1500納米間之雷射能量加以照射。 ----------------------:1 哀—·……1T...............-線 I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 國家標準（CNS)A4規格（2】0 X 297公笈） 1271791 Ay B8 CS D8 月4日修正 六、申請專利範圍 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶圓係 以包含複數個雷射脈衝之雷射能量加以照射:。 8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶圓係 以包含1到10000個雷射脈衝之雷射能量加以照射。 9. 如申請專利範圍第1項所述之方法_，其中該晶圓係 以包含具有脈衝寬度在1納秒到10000納秒間之雷射脈衝 之雷射能量加以照射。 10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶圓係 以包含100到1000個雷射脈衝且該雷射脈衝之脈衝寬度是 在10納秒到100納秒之間之雷射能量加以照射。 11·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶圓係 以包含一或多個具有脈衝寬度20納秒之雷射脈衝之雷射能 量加以照射。 12·如申請專利範圍第1項所述之方法.，其中該晶圓係 以具有能量密度在0.50到0.58 J/cm2之間且波長爲308納 米之雷射能量加以照射。 13.·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶圓之 快速熱退火步驟之工作期間爲20秒。 14·如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該晶圓 之快速熱退火步驟包含加熱該晶圓到溫度爲大約700°C。 15·如申請專利範圍第1項所述之方法，係更進一步包 含在以雷射能量照射該晶圓步驟中控制該氧氣濃度在百萬 分之1到百萬分之1000之步驟。 16·如申請專利範圍第1項所述之方法.，係更進一步包 ]6 ------------------------..........ΐτ..............線， (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國固家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐)六、申請專利範圍 含在快速熱退火該晶圓之步驟中控制該氧氣濃度在百萬分 之1到百萬分之1000之步驟。 17. 如申請專利範圍第1項之方法，係包括下列步驟： 植入一摻雜材質於該半導體晶圓內。 18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該植入 一摻雜材質於該半導體晶圓內之步驟包含植入硼。 19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該植入 一摻雜材質於該半導體晶圓內之步驟係包含所植入之材質 係選自由硼、銦、砷及磷元素組成的一群組中。 (請先閱讀背面之注意事項/V寫本頁) 裝 '1T 線 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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