[其他]离子注入半导体瞬时退火设备

说明书

本发明属于集成电路和半导体器件制造技术的工艺设备。

自从六十年代初开始采用离子注入作为新的半导体掺杂工艺以来，为了消除注入引起的半导体晶体损伤和电激活注入离子，一直采用常规长时间热退火，退火时间一般为30分以上（北京市辐射中心，北京师范大学低能核物理研究所离子注入研究室编著的“离子注入原理与技术”，1982年由北京出版社出版）。但随着超大规模集成电路迅速发展，不仅要求PN结结深越来越浅（至今已达0.2微米），而且要求在浅结条件下薄层电阻尽可能小，也即要求在高剂量（超过固溶度值）注入条件下能有更高的电激活率。常规长时间热退火一般结深大于0.4微米，而且在高剂量注入条件下注入离子电激活率低，因此不可能满足超大规模集成技术发展的需要。现有的半导体工艺设备也有用高频加热石墨块的办法来加热硅片的装置，如用作晶体外延的半导体卧式外延设备，此设备由高频炉、高频线圈、石墨块、红外测温仪、充气装置和机械传动装置等组成，这种高频感应加热的石墨既是热源又是半导体片的载体，也就是说，半导体片与石墨一起升温、降温，因此它不可能实现对半导体片的快速退火，也不能解决上述两个问题。1975年以来国内外科技工作者提出多种激光退火技术，它能很好解决上述两个问题。但因设备昂贵、技术复杂和生产效率低等问题，至今很难用于工业生产。1983年美国Varian公司试生产一种真空瞬时红外辐照退火设备，型号为IA-200〔见“国际半导体”SemiconductorInterna-tional，December，69（1983）〕，该设备的退火腔是金属系统，退火腔内部的结构示意图如附图1，用工业交流电加热开槽石墨板（4），在硅片（2）和石墨板之间用多层钽板构成的快门（3）隔开，硅片受辐射时间由快门打开的时间决定，（1）（5）均是防止热能损失用的钽反射板，退火时只监测石墨板的温度，不能直接测量硅片温度。该设备由机械传动和控制机构将硅片送至（1）的片架上进行退火，这种瞬时退火设备虽然比常规长时间热退火方法有更高的电激活率，但在高剂量注入条件下还没有达到完全电激活〔如6×1015cm2]]>的注砷硅，退火后电激活率只有约85%，见“应用物理通讯”Appl.phys.Lett39，604（1981）〕。而且该设备不能用于离子注入化合物半导体，因在真空条件下退火，化合物半导体容易热分解。瞬时退火技术的关键是退火时间要短，因此要求半导体薄片的升温速率越快越好。IA-200型是在真空条件下退火，只能由高温石墨辐射能加热半导体片，因此升温慢，一般要十秒以上才能达到1000℃以上。

本发明的目的在于设计一种新的瞬时退火设备，使其升温速度更快、注入离子电激活率更高、结构简单操作更简便和生产效率更高，而且要能适用于化合物半导体退火。

本发明由高频加热炉、双色红外无接触式测温仪、充保护气装置、机械传动和控制装置和石英退火腔构成，石英退火腔包括矩形石英管和固定于管内的石墨板、石英导轨以及可以在导轨上滑动的石英片架、推动石英片架的石英杆。石墨板和石英退火腔外的高频线圈组成了红外辐射光源;石英导轨和石英片架、石英杆构成半导体片的传动系统，可使半导体片快速推至石墨板上方和拉出退火区，以达到瞬时退火之目的。整个退火过程是在充气条件下进行的。

石英退火腔的结构示意图如附图2，矩形石英管（6）、石英导轨（12）、石英片架（11）、石英托盘（9）、石墨板（8）高频线圈（7）和石英杆（17），矩形石英管（6）内充有保护气（可用高纯氮气或高纯氮氢混合气），高频线圈（7）加热高纯石墨板（8），石墨板尺寸比半导体片略大一些，石墨板固定在退火腔内的石英盘（9）上，石墨板是作为红外辐射源对半导体片进行加热的。双色红外无接触式测温仪的检测器安装在石英管上方，通过线圈间的缝隙测量石墨板温度，测温仪上直接显示被测温度。机械传动系统通过石英杆将装有半导体片（10）的石英片架（11）沿石英导轨（12）推至石墨板上方（半导体片不直接与石墨板接触），此时测温仪测得半导体片的实际温度。同时不难看出，腔内的保护气体既防止了在退火过程中石墨和半导体片的氧化，又是热传导和热对流的媒介，对半导体片的加热起了加速作用，改善了半导体片加热的均匀性。半导体片在石墨板上方停留时间（也即升温和退火时间的总和）由时间控制器控制，一般为十秒以内，退火后机械传动系统快速（约10厘米/秒）将石英片架拉出退火区。