[发明专利]直流或交流电场辅助退火

说明书

本申请是2000年3月29日提交的名为“DC Electric FieldAssisted Anneal”的美国专利申请09/538,309号的后续申请，该申请可供本文参考。

本发明涉及到用来控制半导体衬底中的掺杂物扩散的一种方法和装置。

随着半导体器件结构尺寸的缩小，为了控制日益缩小的结构必须采取越来越精密的控制。越来越小的结构的位置和尺寸需要有精密的控制才能保证精确的布局。在尺寸很小的情况下，错位和/或结构尺寸的微小误差都会产生废品或次品器件。半导体器件的制造工艺需要提高精度以产生理想的结构。

快速热处理被广泛地用于在半导体衬底中扩散掺杂物。在快速热处理过程中，用一个诸如灯或是加热板的辐射源将工件快速加热到指定温度。然后用辐射源将工件保持在这一温度。再按照一定的控制程序用辐射源使工件快速冷却。在这种典型工艺的每一个步骤中(利用一个检测工件的红外线辐射的高温计或是热电偶)检测晶片温度并且提供温度的反馈控制。当工件升温到足够的温度时，开始在工件内扩散某种物质。进而，扩散的速度主要是工件温度的函数。另外，扩散的范围是温度值和这一温度上的时间的因数。因此，如果工件是一个半导体晶片，而热处理是用来执行掺杂物退火的快速热处理，为了在半导体晶片上的各个位置实现掺杂物原子的均匀扩散，必须对晶片温度进行精确的控制。

按照先进的绝缘体加硅片技术需要比3℃3-西格马温度控制更好地控制掺杂物的扩散。然而，因为现有技术的快速热处理设备的限制，目前只能达到5-6℃3-西格马温度控制。许多因素对温度控制问题都有影响。这其中包括舱室气流，舱室门和机械手，晶片定位中心，以及灯加热速度慢的限制。

关于舱室气流，由于加工气体分布在晶片上存在热梯度。在快速热处理设备中引入一种(反应或是惰性的)加工气体。快速热处理设备不是一个热均衡系统(仅有工件及其支撑结构被加热)。因此，进入的气体是冷的，但是气体在通过晶片时被进入，再从舱室中排出。这种因素会产生温度梯度，靠近气体入口处温度较低，而靠近舱室的气体出口处温度较高。当晶片被放入舱室时，这种梯度就会反映在晶片上。为了缓解这种影响而旋转晶片。然而，在采用旋转晶片的现有技术的系统中，尽管缓解了梯度的影响，仍然遗留下一个特殊问题，那就是晶片旋转的温度脉动周期在固定的高温计的信号中非常明显。由于缺少对灯区的控制，无法降低这种脉动，因而在晶片边沿上会产生局部的热点和冷点。这些热点和冷点会直接导致芯片不能满足性能指标。

另外，舱室门和晶片保持设备也会在晶片上造成热梯度。与上述的情况类似，因为在加工舱室中必须有一个门，并且需要将机械手通过舱门插入工件，在舱门处对舱室内部有冷却的影响。来自输送舱室的冷气或是室温空气会使门的区域冷却；机械手的端部零件具有散热作用，也会使门的区域冷却。因此就会产生热点和冷点，从而导致芯片不能满足性能指标。

在现有技术的目前状态下，快速热处理设备用一个(完全边沿接触的)套环支撑着晶片。如果支撑“边沿环”内的晶片中心不能精确到0.010-0.015英寸以内，就会在晶片边沿上产生热点和冷点。采用晶片旋转来校正不均匀的受热，达到一种准稳定状态，晶片的任何充分的扰动都会使晶片向心加速直至其脱离中心。因此就会由于晶片定位而产生热点和冷点。同样会导致芯片不能满足性能指标。

关于灯加热旋转速度的限制，因为W-卤素灯都装有包含气体的外罩，外罩会储存大量的热量。储存的热量会衰减进入灯内的高频信号。另外，随着舱室旋转速度按照热处理设备设计转速(200mm工具的转速是90RPM；300mm工具的转速可达150到300RPM)的增加，越来越难以通过对灯的控制来衰减与温度波动有关的旋转。

目前状态下的快速热处理技术在掺杂物扩散和热积聚匹配上存在限制。关于扩散的限制，许多技术是采用大量和肤浅的掺杂物注入并随之退火来实现激励和扩散，获得一种浅薄均匀的掺杂物剖面图。由于扩散范围的要求，需要使用高温的分批处理炉。然而，随着晶片尺寸的增大，这些现有技术有一个特殊的问题，因为用高温分批处理炉生产晶片产量下降。这样就需要有一种能够从整体上提高扩散速度的手段来实现单一晶片的快速热处理退火。