CN100349263C - 埋入物质的线性聚焦激光退火 - Google Patents
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Abstract
一种方法，其包括把一种物质引入一个包含半导体材料的衬底，并将线性聚焦的电磁辐射平移跨过所述衬底的表面，电磁辐射足以热影响所述物质。一种装置，其包括一个电磁辐射源；一个台架，该台架的尺寸适合在处理腔内安放半导体衬底；一个放置在所述电磁辐射源和所述台架之间的光学元件，其把来自所述电磁辐射源的辐射聚焦成线，该线的长度由放置在所述台架上的衬底的直径确定；以及一个连接到所述电磁辐射源的控制器，其包含机器可读的程序指令，所述程序指令使得所述控制器能够控制衬底暴露给所述辐射的深度。
Description
技术领域
本申请涉及利用辐射线扫描衬底的热处理。
背景技术
集成电路(IC)市场不断要求更大的存储能力、更快的开关速度和更小的形体尺寸。该行业为满足这些要求而已经采取的主要步骤之一是从在大熔炉里批量处理衬底例如晶片(如硅晶片)转变为在小的处理腔里的单个衬底处理。
在单个衬底处理过程中，衬底通常被加热到高温，以便在该晶片中所界定的多个IC器件中能够发生各种化学和物理反应。特别关心的是，IC器件的良好的电性能要求注入区域被退火。通常，退火把先前被制成非晶体的半导体衬底区域再制造成结晶度更高的结构，并通过把它们的原子结合进所述衬底的晶格中来激活搀杂剂。热处理(例如退火)要求在短时间内向衬底提供相对大量的热能，然后快速冷却衬底以结束热处理。目前使用的热处理的例子包括快速热处理(RTP)和脉冲(尖峰)退火。虽然这些工艺被广泛应用，但目前的技术并不理想。它倾向于过于缓慢地升高衬底的温度，从而使衬底暴露在高温下的时间过长。这些问题随着衬底尺寸的增大、开关速度的提高和/或形体尺寸的减小，变得越来越严重。
通常，这些热处理根据预定的热制法(thermal recipe)在受控条件下加热衬底。这些热制法基本包括：半导体衬底必须被加热达到的温度；温度的变化速率，也就是温度的上升速率和下降速率；以及热处理系统保持在特定温度的时间。例如，热制法(recipe)可能要求衬底从室温被加热到1200℃或更高，在每个特殊温度的处理时间达到60秒或更长。
此外，为了满足某些目标(例如最少的扩散)，必须限制半导体衬底承受高温的时间量。为了实现这一点，温度变化速率(包括上升和下降)最好都高。换句话说，最好能够在尽可能短的时间里将衬底温度从低温调整到高温，反之亦然。
对高的温度变化率(ramp rate)的需求造成了快速热处理(RTP)的发展，其中典型的温度上升速率(ramp-up rate)的范围为200～400℃/秒(℃/s)，而传统炉子的对应范围为5～15℃/分钟。典型的下降速率(ramp-down rate)范围为80～150℃/s。RTP的一个缺点是其加热整个衬底，即使电路器件只占半导体衬底(例如硅晶片)的顶部几个微米也是如此。这就限制了加热和冷却衬底的速率。而且，一旦整个衬底处于升高的温度下，热就只能耗散到环境空间或结构内。因此，当前的RTP系统只能努力达到400℃/s的上升速率和150℃/s的下降速率。
一种似乎有望提高IC器件开关速度并可能同时保持类似的形体尺寸的技术是绝缘半导体(Semiconductor on Insulator，SOI)技术。一种SOI技术包括把氧物质注入半导体衬底中，并对该衬底进行退火处理以在衬底内在从几百埃()到几千埃的深度形成一个绝缘层，并在该绝缘体层上建立一个单晶半导体区域，在该绝缘体层下建立一个整块的(bulk)半导体衬底。在该绝缘体层之上的单晶层可被用于在其中和其上形成器件。通常，可以制造这些器件而不需要通常伴随传统的电路器件处理的所有必需的注入(例如不需要井注入)。因此，器件的开关速度倾向于更快，且诸如漏电流这样的限制倾向于减少。
以上描述的SOI工艺一般需要RTP步骤以形成绝缘体层。如上所述，氧物质被注入且执行热退火以通过称为Otswald(奥特斯沃德)熟化工艺形成绝缘体层。这种SOI形成工艺的一个问题是使用传统的RTP处理，退火时间倾向于太长，以至于商业上不可行。
发明内容
本发明描述了一种方法。在一个实施例中，所述方法包括将一种物质(例如氧物质)引入一个包含半导体材料的衬底，并将线性聚焦的电磁辐射平移跨过所述衬底的表面。所述电磁辐射足以热影响所述物质，例如热影响氧物质以在所述衬底内形成氧化物(例如，二氧化硅SiO2)层。通过使用聚焦的电磁辐射(例如从一个激光源获得的辐射)可比传统的RTP处理更快地形成半导体材料中的绝缘体层。电磁辐射能够在任何指定时刻加热衬底的一小部分表面，因此实现了非常短的退火时间。通过使用能够把衬底的温度升高到接近于但不超过衬底材料的熔点的辐射，例如可快速均匀地形成绝缘体层。
本发明还描述了一种装置，其包括一个电磁辐射源和一个台架，该台架的尺寸适合在处理腔内安放半导体衬底。一个光学元件被放置在所述电磁辐射源和所述台架之间，以把来自所述电磁辐射源的辐射聚焦成一条线，该线的长度由放置在所述台架上的衬底的直径确定。一个控制器可连接到所述电磁辐射源。所述控制器包括机器可读的程序指令，所述程序指令使得所述控制器能够控制衬底暴露于所述辐射的深度。因此，在诸如SOI工艺这样的工艺中，氧物质被注入到半导体衬底，所述装置的控制器能够控制电磁辐射源，以通常的线性方式加热衬底仅到形成绝缘体层所必需的深度。由于不像传统的RTP工艺那样加热整个衬底，所以可以比传统的RTP工艺更快地进行退火以形成绝缘体层。
附图说明
根据以下的详细描述、所附的权利要求和附图，本发明的特征、方面和优点将变得更加明显，其中：
图1是被暴露给氧注入的部分半导体衬底的横截面示意图。
图2显示的是图1的衬底在注入氧物质之后的衬底。
图3显示的是图2的衬底在形成绝缘体(例如氧化物)层之后的衬底。
图4是用于对半导体衬底进行热处理的装置的横截面示意图。
图5是图4中所示的衬底和台架的顶视图。
图6是根据本发明另一个实施例的、用于对半导体衬底进行热处理的另一种装置的横截面示意图。
图7是衬底热处理方法的流程图。
图8是在热处理过程中，衬底上和通过衬底的一个固定点的温度图。
具体实施方式
图1-图3说明了形成绝缘半导体(SOI)结构的过程，该结构可被用于，例如由此制造集成电路(IC)芯片。图1显示了部分半导体衬底，例如一个硅晶片，其具有约200毫米(mm)或300mm的代表性直径和1000微米或更少(例如750微米)的代表性厚度。图1显示了一种氧物质(如氧气(O2))被引入(注入)衬底100中，例如以氧离子(O+)的形式。根据一种SOI工艺，进入半导体衬底的氧注入，在衬底内遵循一般的氧原子高斯分布。典型地，氧物质倾向于初始形成SiOx，其中x是0～2。参考图2，这些SiOx分子倾向于成群(由标识数字110表示)，且当遭受最好是1200℃或更高温度的热退火时，通过称为Otswald熟化的工艺形成SiO2绝缘体层。
图3说明图2在退火之后的结构。图3显示了衬底100，其包括形成在衬底100中约为200埃()到3000深度处(典型地，约为衬底中100到1500深度处)的绝缘体层120，这一般取决于在绝缘体层120之上的单晶体层上所制造的器件是部分耗尽(PD)器件还是全耗尽(FD)器件。覆盖绝缘体层120的是半导体(例如硅)材料的单晶体层130。在绝缘体层120之下的是整块衬底100。一旦形成，有源和无源器件，例如晶体管、电阻器、电容器等等可形成在单晶体层130中。对于FD SOI，硅单晶体层130典型地从200变化到400(例如200)，SiO2绝缘体层120从200变化到800(例如400)。对于PD SOI，硅单晶体层130典型地从500变化到1500(例如1000)，SiO2绝缘体层120从1000变化到3000(例如2000)。
图4是用于对半导体衬底进行热处理，以形成图3所示SOI结构(例如，以对图2的结构100进行热退火)的装置的侧视图。在普通拥有转让的2002年4月18日提交的、题为“Thermal Flux Processing byScanning”的美国专利申请10/126419号中和2002年7月23日提交的、题为“Thermal Flux Deposition by Scanning”的美国专利申请10/202119号中描述了类似的装置，这两个申请在此通过引用并入本文。如上所述，一种热处理是退火，而退火将在其余附图中进行描述。参考图4，装置200包括连续波电磁辐射源202，被配置在其上接收半导体衬底214的台架216和放置在电磁辐射源202和台架216之间的光学元件220。装置200可进一步包括处理腔205，其尺寸适合安放台架216和衬底214以及可选地，光学元件220和电磁辐射源202。
电磁辐射源202能够发射电磁辐射的连续波或射线，例如光(如激光)。通过连续波，意味着辐射源能够连续发射辐射，即不是一种冲击的、脉冲的或闪耀的光。与例如在现有技术的激光退火中所使用的激光不同，一个合适的连续波电磁辐射源能够在预计用来进行热处理的时间内连续发射辐射。在一个实施例中，电磁辐射源202能够连续发射辐射至少15秒。
此外，在一个实施例中，连续波电磁辐射在衬底表面或其附近被吸收。对于硅衬底(例如图1-图3中的衬底100)，连续波电磁辐射的波长优选为190纳米(nm)至950nm之间(例如808nm)。
在一个实施例中，电磁辐射源202包括多个激光二极管，其中每个二极管在相同的波长产生均匀的空间相干光。在另一个实施例中，激光二极管的功率范围为0.5千瓦(kW)到50kW(例如大约5kW)。合适的激光二极管是由Spectra-Physics of California或Cutting EdgeOptronics，Inc.of St.Charles，Missouri制造的。一种这样的合适激光二极管是Spectra Physics的MONSOON多条模块(multi-bar module，MBM)，其提供每个激光二极管40-480瓦的连续波功率。在一个实施例中，电磁辐射源202被电连接到控制器226。控制器226可包括机器可读的程序指令(指令逻辑)，用于控制电磁辐射源202的强度。
在图4所示的实施例中，光学元件220包括一个或多个准直器206，其使来自电磁辐射源202的辐射204平行于衬底214的表面224的垂直方向(如图所示)。然后，平行辐射208被至少一个透镜210聚焦成在半导体衬底214的上表面224的辐射线222。光学元件220可被电连接到控制器226。控制器226可能包括机器可读的程序指令(指令逻辑)，用于使平行辐射228聚焦成所需的线长度(例如，跨越整个衬底214直径)和线宽度(例如3μm到500μm)。
透镜210是一个透镜或者透镜组，其能够把辐射聚焦成线。在一个实施例中，透镜210是一个柱面透镜。或者，透镜210可以是一个或多个凹透镜、凸透镜、平面镜、凹面镜、凸面镜、折射透镜、衍射透镜、菲涅耳透镜、渐变折射率透镜(gradient index lenses)等等。
台架216是在平移期间能够牢固地固定衬底214的平台，如下所述。在一个实施例中，台架216包括一个夹持衬底的机械装置，例如某种摩擦系统、重力系统、机械系统或者电气系统。用于夹持的合适的机械装置的例子包括机械夹、静电或真空夹盘等等。
装置200还包括平移机械装置218，其被配置以使台架216和辐射线222相对彼此平移。在一个实施例中，平移机械装置218被连接到台架216以相对于电磁辐射源202和/或光学元件220移动台架216。在另一个实施例中，平移机械装置218被连接到电磁辐射源202和/或光学元件220以相对于台架216移动电磁辐射源202和/或光学元件220。在另一个实施例中，平移机械装置218既移动电磁辐射源202和/或光学元件220，也移动台架216。可以使用任何合适的平移机械装置，例如传送带系统、托架系统和齿轮系统等等。
在一个实施例中，平移机械装置218还被电连接到控制器216，以控制台架216和辐射线222相对于彼此移动的扫描速度。此外，台架216和辐射线222相对于彼此的平移典型地沿着垂直辐射线222和平行衬底214的上表面224的路径(如图所示)。在一个实施例中，平移机械装置218以恒定的速度移动。典型地，对于35微米宽的线，这个恒定速度大约是2厘米每秒(cm/s)。在另一个实施例中，台架216和辐射线222相对于彼此的平移不一定是彼此垂直的路径，只要成角度的辐射在台架216上能够被线性聚焦即可。控制器226可包括机器可读的程序指令(指令逻辑)，用于相对彼此平移台架216和/或电磁辐射源202，以使辐射线222沿着穿过衬底214的整个表面的路径移动。在另一个实施例中，机器可读的程序指令包括指令逻辑以调整制法的扫描速度或辐射强度，以达到必需反应的合适深度。根据SOI工艺，其中使用电磁辐射的热处理的一个目标是在衬底表面之下形成绝缘体层，指令逻辑根据特定工艺(例如FDSOI或PDSOI)的制法也可调整平移机械装置218的扫描速度或电磁辐射源202的强度。
图5是图4所示衬底和台架的顶视图。在一个实施例中，衬底214是直径为200mm或300mm的圆形晶片，其厚度约为750微米。而且，在一个实施例中，辐射线222的长度至少延伸穿过衬底214的整个直径或宽度。辐射线222的宽度228约为3微米到500微米之间。在一个实施例中，辐射线222的宽度228约为35微米。这个宽度是在最大辐射强度的一半测量的(即所谓的半峰值全宽(FWHM))。在所说明的实施例中，辐射线的长度比其宽度长。在一个实施例中，辐射线222线性地在半导体衬底214上往返移动，以便不论在什么时候该线都保持和一条固定线或者弦252平行。在另一个实施例中，连续波电磁辐射线没有延伸跨越半导体衬底的整个宽度。相反，这条线延伸跨越半导体衬底的部分宽度。在这个实施例中，连续波电磁辐射线可能扫描穿过衬底表面超过一次。
辐射线222的一个功率密度在10kW/cm2和200kW/cm2之间，其标称范围接近60kW/cm2。在这些功率密度下不容易实现辐射整个衬底表面，但具有这样强度的辐射线能够扫描穿过衬底。例如，一个实验中，使用具有70kW/cm2的峰值功率密度的400微米宽辐射线，以100cm/s进行扫描，将硅衬底的表面加热到约1170℃，其升温和降温的速率超过每秒四百万度。
图6是用于对衬底进行热处理的另一个装置的侧视图。这个实施例示出了该装置光学部分的另一种配置。在这一实施例中，装置300包括透镜210的光学装置320和一个或多个辐射导向器，如一个或多个光纤308和棱镜306。也可使用其他辐射导向器如波导、镜子或漫射器(diffuser)。在这一实施例中，台架216、衬底224和可选光学装置320的某个部分(包括整个部分)，及电磁辐射源202可包含在处理器205内。
参考图6，来自电磁辐射源202的辐射被导向到棱镜306，该棱镜再将辐射重新导向到一个或多个光纤308。辐射通过光纤308而被传输到透镜210，在此，它被聚焦成辐射线222。
可以理解，前述的光学装置220(图4)或320(图6)的许多种不同组合可用于传输和聚焦来自连续波电磁辐射源的辐射，使之成为辐射线。而且，可利用激光二极管的线性阵列作为辐射源。此外，可以使用任何产生均匀辐射分布的合适装置，如辐射漫射器。
图7是作为SOI工艺一部分的对半导体衬底214进行热处理的方法的流程图。参考图7和流程图400，氧物质(例如O2)被引进(例如注入)半导体衬底中(块410)。可在与用于后续退火的装置相同或不同的环境(例如处理腔)中完成氧物质的引入。在将氧物质引入衬底214之后，衬底214可选地被加热到一个基本温度，该温度足以在利用电磁辐射源的后续退火期间抑制衬底的热应力(块420)。代表性的基本温度对于硅晶片是大约600到700℃。如上描述的关于图4和图6的装置在块402中提供。此后将参考在图4中标识的组件。然后在块404，控制器226确定辐射线222和衬底214相对于彼此移动的扫描速度。该确定是基于，例如处理衬底的热制法、衬底的特性、电磁辐射源202的功率、辐射线的宽度、在辐射线处的功率密度等进行的。在SOI工艺中的硅晶片上，例如，在一个实施例中，合适的热制法需要将衬底214加热到一个温度，但一般不超过硅的熔点(例如大约1410℃或更高)，以形成绝缘体层(例如图3中的绝缘体层120)。
在块406，电磁辐射源202发射连续波辐射204。在一个实施例中，这个辐射204在步骤408被准直成平行辐射束208。平行辐射束208在块410被聚焦成辐射线222。在块412，通过平移机械装置218(图5)使台架216和辐射线222按照预定的扫描速率或速度彼此相对平移。这种平移是沿着垂直于辐射线222并平行于衬底的上表面的路径进行的，以使辐射线222在半导体衬底214的整个表面上往返移动。在一个实施例中，平移机械装置218以约2cm/s的速度在衬底的上表面上扫描辐射源以及光学装置。
图8是根据上面参照图7所述方法执行热处理的过程中，在衬底上和穿过衬底的固定点，温度与时间和深度的关系曲线500。温度轴502指示出在该固定点的温度介于0到1400℃之间。轴504指示出在该固定点从上表面224到衬底214(图4)内的深度。轴506指示出扫描开始后在某点的以秒为单位的时间。上述固定点被假设位于508。
参考图4和图8，随着辐射线222扫描跨过衬底214的上表面224，该辐射线使衬底上的一条线或者说一条弦受到其产生的热量的影响。在辐射线222到达固定点508之前，在固定点508处的温度，包括在该固定点位于上表面处的温度和穿过衬底的横截面处的温度，在这个例子中是环境温度或某个预定的基准温度(例如600℃到700℃)，如标识数字516所示。随着辐射线222到达508处的所述固定点，在衬底214上表面处的温度几乎同时升温至1200℃(在这个例子中)，如标识数字510所示。同时，衬底起到散热器的作用，导致远离该表面的温度急剧降低，如标识数字512所示。例如，在距离上表面的这个点0.04cm处，温度约为200℃。因此加热效应通常只局限在上表面。这是极为有利的，因为通常只是衬底214的表面224(图4)的附近区域需要热处理。根据SOI工艺，1000到3000(10-9cm)足够接近所述表面，以至于这个深度大约接收由辐射线222产生的峰值热量。辐射线222的辐射强度以及在固定点508的停留时间通常决定了在该点处的热量生成。
随着辐射线经过并离开固定点，温度快速下降，如标识数字514所示。同样，这通常是因为衬底214起到散热器作用，将上表面的热量扩散到该冷却衬底的其余部分。把热传输到大块衬底中有助于均质的(homogenous)热暴露，因为热量有足够的时间从局部强吸收的器件区域扩散到较低吸收的器件区域。此外，图案密度的效果可和RTP相比。但是，与利用RTP的热扩散深度是几百微米的衬底厚度相反，该时间数值范围却短得足以使热传输的扩散深度被限制为几微米，因此极大减少了总的需求功率。大块衬底未被怎么加热，因此为温度下降提供了理想的散热器。
在前面的详细描述中，本发明是参考其特定实施例描述的。在一个实施例中，描述了SOI工艺，例如把物质(氧)引入衬底，并将线性聚焦电磁辐射平移跨过衬底，其足以对氧物质产生热影响并在衬底中形成绝缘层。然而明显的是，在不偏离权利要求所述的本发明更广的精神和范围的情况下，可进行各种修改和改变。例如，除了氧之外的物质可被引入衬底和被热影响。因此，说明书和附图是说明性的而不是限制性的。
Claims (15)
1.一种影响衬底中物质的方法，包括：
把一种物质引入一个包含半导体材料的衬底中；和
将线性聚焦的电磁辐射连续地平移跨过所述衬底的表面，所述电磁辐射足以热影响所述物质，其中将所述电磁辐射从一个电磁辐射源聚焦，从而以线性形式延伸跨过所述衬底的直径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述物质包括氧。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述半导体材料包括硅，并且所述电磁辐射足以把部分衬底的温度升高到1410℃或更高，但小于硅的熔点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述的部分衬底包括距离所述衬底的表面小于3000埃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在平移电磁辐射之前，所述方法包括加热所述衬底到一个温度，该温度足以抑制归因于电磁辐射平移的应力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述线性聚焦的电磁辐射具有小于500微米的线宽。
7.一种形成氧化膜的方法，包括：
把一种氧物质引入一个半导体衬底中；和
通过以聚焦线的形式连续地平移电磁辐射跨过所述衬底的表面，在所述衬底中形成氧化膜，其中所述聚焦线延伸跨过所述衬底的直径。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述衬底包括硅，并且所述电磁辐射足以把部分衬底的温度升高到1410℃或更高，但小于硅的熔点。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述的部分衬底包括距离所述衬底的表面小于1000纳米。
10.根据权利要求7所述的方法，其中在平移电磁辐射之前，所述方法包括加热所述衬底到一个温度，该温度足以抑制归因于电磁辐射平移的应力。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述线性聚焦的电磁辐射具有小于500微米的线宽。
12.一种用于将电磁辐射传输到半导体衬底中的装置，包括：
一个电磁辐射源，其能够发射电磁辐射的连续波或射线；
一个台架，其尺寸适合在处理腔内安放一个半导体衬底；
一个光学元件，其放置在所述电磁辐射源和所述台架之间，把来自所述电磁辐射源的辐射聚焦成线，该线的长度延伸跨过放置在所述台架上的衬底的直径；和
一个连接到所述电磁辐射源的控制器，其包括机器可读的程序指令，所述程序指令使所述控制器控制衬底暴露给所述辐射的深度。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述控制器包括机器可读的程序指令以控制来自所述电磁辐射源的辐射输出。
14.根据权利要求12所述的装置，进一步包括一个连接到所述电磁辐射源和所述台架之一的平移器，所述控制器包括机器可读的程序指令以平移所述台架和所述电磁辐射源之一，以使所述辐射平移跨过所述台架。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述辐射在衬底的一个深度能够产生热能，所述衬底放置在发生反应所必需的所述台架上。
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