[发明专利]用于氘气回收的方法和设备

说明书

公开了一种用于从高压退火处理系统回收退火气体的新的方法、系统和设备。根据实施例，仅在使用稀有气体(例如氘气时)，来自高压退火处理系统的排出气体才被引导到气体回收系统中。退火气体从高压退火处理系统中使用的其他气体中分离，随后被加压、过滤和纯化，之后被传递到大容量储存分配单元。在一个实施例中，回收的气体随后再次被提供给高压退火处理系统以对晶片进行退火。

技术领域

本发明总体涉及半导体制造工艺。更特别地，本发明涉及在半导体制造的高压退火处理期间使用稀有气体(例如氘气)的方法及设备。

背景技术

在半导体制造过程期间，例如，在氧化处理、氮化处理、硅化处理、离子注入处理和化学气相沉积处理期间或之后，要在半导体晶片上执行各种不同的热处理，以在半导体晶片上形成集成电路。

用于有效地制造集成电路的关键性决定因素不仅包括处理温度，还包括处理时间和用于特定应用或处理的特定气体或气体混合物的浓度。这三个因素通常被认为是决定处理效率的独立变量。例如，在保持气体浓度不变的同时提高处理温度，将改善处理效率。类似地，在相同的温度下增加气体浓度，会改善处理效率。应注意的是，半导体晶片或更准确地说是集成电路暴露于过量的热，这通常会以不可逆转和累积的方式降低集成电路的品质。这部分地是因为晶片上注入的各种载流子和离子的扩散，扩散的速率通常是随着温度超线性地增加。每个集成电路在整个制造过程期间具有总的热暴露容许极限，该容许极限在相关技术中被称为电路的热预算。

由于工艺和器件结构接近纳米级，所以有限的热预算要求需要更高的处理气体浓度。在包含双原子氢气的合成气体中使晶片退火(通常在制造之后、但在封装或其他包装步骤之前)已广泛用于修复在半导体制造过程期间因各种处理引起的损坏以及用于在现有技术中被称为氢气钝化的烧结处理。退火气体或合成气体通常混合约2％至10％的氢气(H₂)，其余为例如氮气(N₂)的惰性气体。

然而，最近许多研究者指出，纯(100％)的氘气退火改善器件的特性和性能，例如热载流子可靠性、晶体管寿命以及不饱合键和不期望的电荷载流子的减少。器件寿命的改善增加了器件的跨导(速度性能)。由于器件的技术和结构向尖端的所谓“纳米技术”发展，新的高压应用技术需要使用其他气体，例如氟气(F₂)、氨气(NH₃)和氯气(Cl₂)，而这些气体可能有很高的活性或毒性。合成气体(局部压力)退火和/或纯的H₂或D₂退火通常在450℃以上的温度范围进行，并且更高的温度倾向于得到更好的性能。但是，当器件等级达到28nm或以下时，首次金属化之后有限的热预算需要400℃或以下的退火温度，因此潜在地降低氢气退火对半导体器件性能的益处。

作为替代，氢气或氘气高压退火能够得到优良的性能和改进。特别地，高K栅极电介质器件的氢气和/或氘气退火在电荷减少、不饱和键减少和跨导增加方面显示出了显著的性能改善。该发现已在例如美国专利No.6,913,961和美国专利No.6,833,306中公开。该改善对于用于下几代半导体器件工艺的使用高K栅极电介质的集成电路器件的制造工艺而言具有非常重要的意义。

高压退火、特别是在氢气(H₂)或氘气(D₂)环境下的高压退火能够改善半导体器件的性能。该发现已在例如美国专利No.8,481,123中公开。在题目为“Method For HighPressure Gas Annealing”的这篇专利中，公开了用于在高压环境下对硅基底晶片进行退火的各种实施例。如在该专利中公开的，在高压退火处理中，在各种退火处理中使用高压氢气或高压氘气，所述退火处理例如是高K栅极电介质处理退火、金属化后烧结退火和合成气体退火。使用高压气体可以显著改善器件性能。例如，可以增加器件的寿命及其跨导，并且可以减少不饱和键的数量。高压气体退火的主要优点之一在于，器件性能的这些改善可以在给定的温度和/或给定的处理时间下利用降低的热预算成本而实现，这是对于先进器件技术的基本要求。