CN104681419A - 用于激光加热和离子注入的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于激光加热和离子注入的装置和方法。处理包括：将衬底暴露于离子束，并且同时地或者在离子注入之后立刻使用激光来使表面退火。另外，可以利用激光器以在离子注入之前预热衬底。激光器将衬底加热到不导致抗蚀剂层被损伤的温度。通过利用激光器以从顶表面加热衬底，抗蚀剂不受损，从而允许使用光致抗蚀剂材料。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，特别涉及用于激光加热和离子注入的方法和装置。
背景技术
离子注入是用于将改变导电率的杂质引入到诸如晶体管的硅器件中的标准技术。希望的杂质材料在离子源中被离子化，离子被加速以形成规定能量的离子束，并且离子束被引向工件的表面。束中的高能(energetic)离子穿透到工件材料的块体中，并且嵌入工件材料的晶格中，以形成希望的导电率的区域。在互补MOSFET(CMOS)技术中，一般将对其上已通过光刻抗蚀剂保护某些区域的半导体晶片执行离子注入处理。使用该标准技术，只有将接收离子注入的区域是不被光刻抗蚀剂覆盖的区域。
众所周知，离子注入的处理在FinFET器件的情况下导致一些非晶化损伤。工业中所使用的常规解决方案是所谓的热注入解决方案，其中，在常规的离子注入期间典型地在400℃加热卡盘(chuck)。当前对FinFET掺杂利用热注入，不会通过非晶化来损伤Fin。该手段的主要缺点在于光刻抗蚀剂可能不与400℃温度相容。工业中使用的抗蚀剂一般能够耐受直至200℃的温度。当经受更高温度的烘焙时，基于有机的抗蚀剂只是熔融或蒸发，从而在晶片上留下某种有机污染。对于具有范围在1秒和几分钟之间的退火时间的热卡盘退火或基于灯的退火，这是较大的关注。发明人已确定，当使用激光退火处理时，抗蚀剂可耐受高得多的温度。使用激光退火在1ms的典型时间量级(timescale)期间使晶片达到直至约400C的温度。
发明内容
发明人已提出在同时进行退火时执行离子注入的新颖手段。用于注入到衬底中的装置包括用于产生注入到衬底中的离子束的离子注入器。激光器适于在离子注入之前、与离子注入同时地或者在离子注入之后立即地使衬底退火。通过紧密接近执行离子注入的时间用激光加热衬底的表面，可以避免非晶化。激光对于约1毫秒的时间段将衬底的表面加热到400℃或400℃以上的温度。发明人已注意到，激光加热衬底的表面不对抗蚀剂层导致与在200℃以上加热整个衬底的常规方法可能导致的损伤相同的损伤。常规方法可包括基于灯的退火和热板(hot plate)退火。常规方法加热整个衬底，并且加热持续的时间段比激光退火的时间段长。
当激光器在离子注入器之后时，激光可被聚焦在离子束之后约500μm或更少。在一个实施例中，使用第二激光器来预热衬底。在另一实施例中，加热元件用于预热衬底。预热可到约200℃。
在另一实施例中，激光在离子束之前以将表面预热到约400℃的温度。激光可被聚焦在离子束之前约500μm或更少。另外，与前面实施例那样，可以使用第二激光器来预热衬底。在另一实施例中，加热元件用于预热衬底。预热可到约200℃。
处理可包括在衬底上形成半导体元件和将所述半导体元件暴露于离子束的步骤。在离子注入之后立即将衬底暴露于激光束，以将暴露于离子束的区域加热到400℃的温度并且使半导体元件退火。该方法可包括将衬底预热到200℃的温度的步骤。
在另一实施例中，处理可包括在衬底上形成半导体元件的步骤。衬底然后暴露于激光束，以将半导体元件加热到约400℃的预定温度以上。在加热衬底之后立即将衬底暴露于离子束。衬底可被预热到200℃的温度。
在另一实施例中，处理可包括在衬底上形成半导体元件的步骤。衬底的区域同时暴露于激光束和离子束，其中，激光束将所述半导体元件的该区段(section)加热到约400℃的预定温度。
附图说明
图1示出用于防止离子注入期间的非晶化的装置的现有技术实施例的侧视图。
图2示出离子注入***的现有技术实施例。
图3示出包含离子源室的离子注入器的现有技术框图。
图4示出激光退火***的现有技术实施例。
图5示出本发明的实施例，其中，在离子束之后激光束使表面退火。
图6示出本发明的实施例，其中，在暴露于离子束之前激光束使表面退火。
图7示出本发明的实施例，其中，与暴露于离子束同时地，激光束使表面退火。
图8示出用于使半导体元件暴露于离子束并且立刻跟着有激光束的方法。
图9示出用于使半导体元件暴露于激光束并且立刻跟着有离子束的方法。
图10示出用于在施加离子注入处理时用激光同时加热元件的方法。
具体实施方式
参照图，图1示出用于防止离子束沉积期间的非晶化的装置的现有技术实施例的侧视图。硅器件100包括含硅的衬底130。在一个实施例中，衬底130包含可在硅衬底110上生长的埋入氧化物层120。埋入氧化物层120是可选的；在硅衬底110上具有埋入氧化物层120的器件常被称为SOI(绝缘体上硅)器件。当不存在埋入氧化物层120时，衬底130可被称为块体(bulk)衬底器件。衬底130可具有在硅衬底110或埋入氧化物层120上生长的多个硅元件155。硅元件155可以是例如如本实施例中所示为FinFET的MOSFET晶体管，该FinFET是用半导体鳍(fin)155制成的FET晶体管。虽然在衬底130上仅示出两个鳍155，但真实世界的应用将涉及存在许多百万的鳍155。
一旦FinFET 155已被限定，则添加抗蚀剂层170以防止在衬底130的区域上注入杂质。出于将改变导电率的杂质引入到FinFET 155中的目的，离子束190被用于将杂质注入到FinFET 155中。在离子沉积期间，鳍155中的半导体晶体可受损，诸如变为非晶。非晶化阈值是鳍非晶化的点，该阈值依赖于离子注入剂量、离子注入速率(即，每单位表面和每单位时间被注入的离子数)、以及被注入的半导体区域(在这种情况下是半导体鳍)的温度。为了防止损伤和或修复损伤，一种常用的现有技术方法是给硅器件100提供加热元件165。加热元件165均匀地使硅晶片100加热到约400℃。一旦硅晶片100已被加热到400℃或400℃以上，则注入就不再是抗蚀剂相容的。光刻抗蚀剂一般用于CMOS技术中以保护一些区域免于接收离子注入。例如，将希望保护n型MOSFET源极和漏极区域免于接收p型(例如，硼)掺杂剂。示例的抗蚀剂材料可包含由DOW出售的UVIIHS。虽然可以使用该抗蚀剂，但也可使用本领域技术人员已知的其它抗蚀剂。抗蚀剂的提供商包括TOK、Sumika Electronic Materials、JSR、Dow和Shin-etsu Chemical。抗蚀剂170可以是可耐受直至200C的温度的常用工业抗蚀剂。当经受更高温度的烘焙时，基于有机的抗蚀剂170可能熔融或蒸发，从而在晶片上留下某种有机污染。另外，通过使硅器件100暴露于太高的温度和或达延长的时间段，可能导致有害的效果。这些效果可包括表面氧化、物种(species)扩散和金属栅极稳定性。
图2示出离子注入***的现有技术实施例。图2示出用于离子束190注入的***。离子源195向衬底130的顶表面12提供离子束190。衬底130被紧固于如所示的那样沿水平方向移动的可移动卡盘(未示出)。以这种方式，离子束跨晶片130的表面扫描。离子束190跨衬底130和诸如包含但不限于finfet的场效应晶体管的结构扫描。在该具体情况下，离子束相对于晶片的法线轴具有特定的角度。但是，本发明不限于特定角度，并且本发明的有用性覆盖宽的角度范围。当离子束190跨衬底扫描时，不被抗蚀剂层(图1的170)保护的区域将被注入离子。为了校正损伤，添加加热元件165。加热元件165可将衬底130加热到400℃。如较早讨论的那样，发明人已注意到该温度可使抗蚀剂(图1的170)劣化或者损伤。可在美国专利8461553中找到离子束注入设备的例子。在现有技术的离子实施中，在热注入处理期间使用由可耐受400C温度的绝缘体层(诸如氧化硅、氮化硅、氮化钛或这些材料的组合)构成的硬掩模。但是，使用硬掩模可产生诸如去除硬掩模可导致损伤的附加问题。而使用光致抗蚀剂材料不具有同样的风险。
图3是包含离子源室320的离子注入器315的框图。电源321向被配置为产生特定物种的离子的源室320供给需要的能量。产生的离子通过一系列的电极314从源被提取，并且被形成为穿过质量分析仪磁体316的束301。为了通过质量分辨狭缝317的最大透射，质量分析仪被配置有特定的磁场，使得只有具有希望的质量电荷比的离子能够行进通过分析仪。希望的物种的离子从质量狭缝317通过减速段(stage)318到达校正器磁体319。校正器磁体319被通电，以根据施加的磁场的强度和方向使离子小束(beamlet)偏转，从而提供向位于支撑体(例如，台板)302上的衬底(图1中的130)瞄准的带状束。在一些实施例中，可在校正器磁体319与支撑体302之间设置第二减速段322。离子在它们与衬底中的电子和核碰撞时损失能量，并且基于加速能量而停留在衬底内的希望深度处。掩模(未示出)可在容纳台板302的处理室中被设置在衬底(图1中的130)附近。
图4示出激光退火***的现有技术实施例。衬底10利用激光20和150被退火。衬底130具有上表面12和体(块体)区域16。附图标记N表示衬底上表面12的法线。在示例的实施例中，衬底10是硅晶片。激光热退火(LTA)装置8包括具有沿光轴A1布置的退火辐射源26和LTA透镜27的LTA光学***25。透镜27接收来自退火辐射源26的连续(即，非脉冲)退火辐射18，并且产生在衬底表面12处形成图像30(例如，线图像)的连续退火辐射束20。退火辐射束20以相对于表面法线N和光轴A1测量的入射角度θ20入射上表面12。
箭头22表示退火辐射束20相对于衬底表面12的示例运动方向。衬底10被夹盘28支撑，该夹盘28又被可移动台架支撑，以相对于退火辐射束20或某一其它基准以选择的速度和方向移动。夹盘28的扫描移动由箭头22′表示。
装置8可包括具有沿光轴A2布置的预热辐射源142和中继透镜143的预热光学中继***140。预热辐射源142是发射被施加到中继透镜145的辐射147的装置。因此，预热辐射束150被用于恰好(just)在衬底被退火辐射束加热之前预热衬底。辐射147具有易于(基本上)被100μm或更少的硅吸收的波长。在示例的实施例中，预热辐射源142是发射具有0.8μm(800nm)或0.78μm(780nm)的波长的预热辐射147的激光二极管阵列。以下描述中继透镜143的示例实施例。预热辐射源142和中继透镜143与控制器32可操作地连接。
在操作时，预热辐射源142发射被中继透镜143接收的辐射147。中继透镜143产生在衬底表面12处形成图像165(例如，线图像)的预热辐射束150。预热辐射束150以相对于衬底表面法线N测量的入射角度θ150入射衬底表面12。
在一个示例实施例中，通过退火辐射束20形成的图像30和通过预热辐射束150形成的图像160并排位于衬底表面12上。由此，预热辐射束150用于局部预热衬底130的恰好在被退火辐射束20照射的部分之前的部分或区域。箭头22′示出衬底10的移动(例如，经由可移动卡盘28)，该衬底10在示例实施例中在固定的辐射束20和150(或者等同地，固定的图像30和160)下移动以实现这些束(或图像)的扫描。
图5示出本发明的实施例，其中，激光束在离子束之后使表面退火。离子源195向衬底130的顶表面12提供离子束190。衬底130被紧固于如所示的那样沿水平方向22移动的可移动卡盘(未示出)。以这种方式，离子束跨晶片130的表面12扫描。离子束190跨衬底130和诸如包含但不限于finfet的场效应晶体管(图1的155)的结构扫描。当离子束190跨衬底扫描时，不被抗蚀剂层(图1的170)保护的区域将被注入离子。紧跟着离子束，在一个实施例中在离子束的500μm内，激光20聚焦于表面12上以使衬底130退火。激光20将对于约1毫秒的时段将表面加热到约400℃的温度。激光20可以是具有880nm的波长的InGaAs激光。通过使得从离子注入的时间在短时间段内发生激光退火，发明人已识别以下的益处。发明人已确定，在完成离子束注入时，通过立刻执行激光退火，由非晶化导致的损伤被最小化。虽然当前的实施例利用通过InGaAs激光获得的880nm的波长，但可以利用另外的激光，诸如具有308nm的波长的受激准分子(Xl-Cl)激光、具有532nm的波长的Nd-YAG激光、或具有10.6μm的波长的CO2激光。激光20可以是脉冲的或者连续的。
作为替代方案，可以添加加热元件165以将晶片预热到低于200℃的温度。以这种方式，激光20不需要使用那么多的能量来执行退火处理。作为另外的替代方案，可以如图4描述的那样利用预热激光150。发明人已发现，激光20独自足以在不损伤抗蚀剂的情况下将包含鳍的晶片表面加热直至400C量级的温度。
图6示出本发明的实施例，其中，在暴露于离子束之前激光束使表面退火。离子源195向衬底130的顶表面12提供离子束190。衬底130被紧固于如所示的那样沿水平方向22移动的可移动卡盘(未示出)。以这种方式，离子束跨晶片130的表面12扫描。离子束190跨衬底130和诸如包含但不限于finfet的场效应晶体管(图1的155)的结构扫描。当离子束190跨衬底扫描时，不被抗蚀剂层(图1的170)保护的区域将被注入离子。紧接在离子束之前，在一个实施例中在离子束的500μm内，激光20聚焦于表面12上以使衬底130退火。激光20可以是具有880nm的波长的InGaAs激光。通过在提供离子注入190之前用激光20预热表面，发明人已注意到晶片的表面将达到约400℃的温度，这将减小对半导体鳍导致的损伤。
图7示出本发明的实施例，其中，与暴露于离子束同时地，激光束使表面退火。离子源195向衬底130的顶表面12提供离子束190。衬底130被紧固于如所示的那样沿水平方向22移动的可移动卡盘(未示出)。以这种方式，离子束跨晶片130的表面12扫描。离子束190跨衬底130和诸如包含但不限于finfet的场效应晶体管(图1的155)的结构扫描。当离子束190跨衬底扫描时，不被抗蚀剂层(图1的170)保护的区域将被注入离子。同时地，激光20在表面12上聚焦在与离子束190相同的位置处以使衬底130退火。通过同时使表面12上的一位置退火和提供离子注入190，发明人已注意到晶片的表面将达到约400℃的温度，这将减小对半导体鳍导致的损伤。
图8示出用于将半导体元件暴露于离子束并且立刻跟着有激光束的方法。处理中的第一步骤810可以是在衬底上形成半导体元件。接下来是将半导体元件暴露于离子束以将杂质沉积于元件中的步骤820。附加步骤830用激光使半导体元件退火。可利用如图5中教导的结构执行图8的方法。
图9示出用于将半导体元件暴露于激光束并且立刻跟着有离子束的方法。处理中的第一步骤910可以是在衬底上形成半导体元件。接下来步骤920可以是将元件暴露于激光以预热元件。接下来是将半导体元件暴露于离子束以将杂质沉积于元件中的步骤。可利用如图6中教导的结构执行图9的方法。
图10示出用于在施加离子注入时用激光同时加热元件的方法。处理中的第一步骤1010可以是在衬底上形成半导体元件。接下来是将半导体元件暴露于离子束以将杂质沉积于元件中的步骤1020。同时地，激光聚焦于与离子束相同的位置，以同时用激光使半导体元件退火。可利用如图7中教导的结构执行图10的方法。
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能要素的相应的结构、材料、动作和等同物意在包括用于与被具体要求权利的其它被要求权利的要素组合执行功能的任何结构、材料或动作。出于说明和描述的目的给出了本发明的描述，但其并不意在是详尽的或者限于被公开的形式的发明。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变动对本领域普通技术人员而言将是明显的。实施例被选择和描述，以便最好地解释本发明的原理和实际应用并且以便使得本领域其它普通技术人员能够理解本发明，因为具有各种修改的各种实施例都适于所设想的特定用途。
Claims (20)
1.一种装置，包括：
离子注入器，用于产生适于注入衬底的离子束；以及
激光器，适于使衬底退火，
其中，激光器适于在离子注入器注入衬底的区域之后的预定时间段内加热所述区域。
2.根据权利要求1的装置，其中，激光器将衬底加热到约400℃的温度。
3.根据权利要求1的装置，其中，激光器被聚焦在离子束之后约500μm。
4.根据权利要求1的装置，还包括用于预热衬底的第二激光器。
5.根据权利要求1的装置，还包括用于预热衬底的加热元件。
6.一种装置，包括：
离子注入器，用于产生适于注入衬底的离子束；以及
激光器，适于使衬底退火，
其中，激光器适于在离子注入器注入衬底的区域之前加热所述区域。
7.根据权利要求6的装置，其中，激光器将衬底加热到400℃或400℃以上的温度。
8.根据权利要求6的装置，其中，激光器被聚焦在离子束之前约500μm。
9.根据权利要求6的装置，还包括用于预热衬底的第二激光器。
10.根据权利要求6的装置，还包括用于预热衬底的加热元件。
11.一种装置，包括：
离子注入器，用于产生适于注入衬底的离子束；以及
激光器，适于使衬底退火，
其中，激光器适于在离子注入器注入衬底的区域时对所述区域同时进行加热。
12.根据权利要求11的装置，其中，激光器将衬底加热到400℃或400℃以上的温度。
13.根据权利要求11的装置，还包括用于预热衬底的第二激光器。
14.根据权利要求11的装置，还包括用于预热衬底的加热元件。
15.一种方法，包括以下步骤：
在衬底上形成半导体元件；
将所述半导体元件暴露于离子束；
立刻将所述半导体元件暴露于激光束，以加热暴露于离子束的区域并且使半导体元件退火。
16.根据权利要求15的方法，还包括预热衬底的步骤。
17.一种方法，包括以下步骤：
在衬底上形成半导体元件；
将所述半导体元件暴露于激光束，以将半导体元件加热到预定温度以上；
在半导体元件处于所述预定温度以上的同时，立刻将所述半导体元件暴露于离子束。
18.根据权利要求17的方法，还包括预热衬底的步骤。
19.一种方法，包括以下步骤：
在衬底上形成半导体元件；以及
将半导体元件的区段同时暴露于激光束和离子束，其中，激光束将所述半导体元件的所述区段加热到预定温度。
20.根据权利要求19的方法，还包括预热衬底的步骤。
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