CN101459057B - 一种用于半导体制造的激光退火设备及退火工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于半导体制造设备范围的一种用于半导体激光退火设备及退火工艺。该激光退火设备，由准分子激光源，激光光束的扩束、匀束、边沿处理等的光路，二维精确移动平台，预加热控温片台，以及整机自动控制系统构成。其中退火激光源采用先进的大功率准分子脉冲激光。激光器出射激光经扩束、整形、匀束、边沿处理后，经过镜面系统反射，最终照射到待退火晶圆片表面的退火场。本发明对预加热和逐场步进技术要求实行优化，实现更加容易。由于采用逐场步进式退火，带来更加均匀的场内、场间退火效果。能够方便地对光束处理系统和精确移动机构进行冷却保温，有利于提高退火光束质量和退火效果的重复性、均匀性。

Description

一种用于半导体制造的激光退火设备及退火工艺

技术领域

本发明属于半导体制造设备范围，特别涉及一种用于半导体制造的激光退火设备及退火工艺。

背景技术

随着器件尺寸不断缩小，在集成电路制造45nm，32nm等技术节点，要求制作出超浅的MOS器件源漏区，也就是提出了超浅结(Ultra-Shallow Junction)的要求。为了满足12″圆片45nm纳米及以下各代器件对超浅PN结制作的需求，除了要在超浅的杂质掺杂技术上采取一定的技术措施之外，在退火以及激活所掺杂质的环节，需要对传统的、主要是基于灯光的快速热退火(RTA)方法作出变更。当前较为认可的超浅结退火技术为激光退火。

采用激光脉冲退火(Laser Spike Annealing)的好处在于，由于退火激光是脉冲式作用的，激光脉冲约在几十纳秒量级，因此总的退火作用时间非常短暂，可以将退火阶段注入杂质粒子的再扩散控制在接近于是零扩散的水平，同时可获得超固溶度的表面载流子浓度。采用激光退火技术所制造获得的超浅、陡峭的PN结，是能够满足45nm、32nm集成电路制造的需求的。

需要指出的是，当前市场上确实存在激光退火设备或者激光退火的技术，但是与传统设备或者技术相对应的是结深在几百nm的PN结，采用传统意义上的激光退火技术，从退火作用的机理和模式上看都完全不适合32nm技术节点，不适合于超浅结的制作。所以本发明所称的激光退火，专门是指的用于超浅结制作的技术。而说到专门针对超浅结制作的激光退火设备及配套工艺技术，则目前国际上还处在起步的阶段。

对于超浅结激光退火，由于当前可用激光器的单脉冲能量较低，无法实现整个晶圆片同时退火，所以只能是采取一次退火晶圆片上一个局部面积(称作一个场)的方式，通过一步步的逐场退火的方式，实现整个圆片的退火。

由于激光退火采用高强度的激光，对圆片表面进行瞬时的作用，会在衬底材料的表面附近引起较大的热应力，对于加工质量产生不良的影响，所以人们在进行激光退火的同时，需要对衬底材料进行预加热，来减轻热应力的影响。对衬底材料的加热，主要的方式是从圆片背面加热，对圆片的整片进行。

如果不采用衬底预加热，则激光退火的能量密度阈值在600mJ/cm²左右；当采用衬底预加热，加热温度一般在300～550℃范围，则不仅减轻了热应力梯度，也同时将激光退火的能量密度阈值降低至350mJ/cm²的量级。使用衬底预加热技术，尽管有技术上必要的理由和种种好处，但是也带来了设备实现上的困难。按照当前激光退火装置的主要形式，主要的难点集中于片台的实现上：一方面，片台要具备较高温度下控温加热的能力；在另一方面，在圆片被加热至较高温度同时，还要能够以很高的位置控制精度执行步进，以使圆片上的各个曝光场都能够得到曝光退火。同时以很高精度实现上述两种要求在技术处理上是比较困难的，与此同时还有必然需要处理的热隔离问题，圆片处于较高温度下的对准问题等。

为了降低预加热激光退火设备的实现难度，同时也与已存在的设备整机结构形式相区别开，本发明提出，采用衬底加热与圆片步进相隔离的整机实现方案。具体地说，一方面使用片台从圆片背面对圆片实施整片预加热，但是片台固定不动；在另一方面，逐场步进的动作采用光束按曝光场步进的方式来进行。也就是片台只负责加热，而光束以较高精度执行步进，共同完成对整个圆片的退火。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于半导体制造的激光退火设备及退火工艺，其特征在于，所述半导体制造的激光退火设备是以提供脉冲激光束4的准分子激光器1，具有激光光束的扩束、匀束、边沿处理的光路2，二维精确移动平台固定在带隔振的机架结构3中部，片台10固定在二维精确移动平台下方，预加热控温台9设置在片台10的中部；在二维精确移动平台上安装Y平台11，X平台12装置于Y平台11之上，安装X、Y镜面，以及整机自动控制系统构成能实现超浅结制造半导体的激光退火设备。

所述脉冲激光束的单脉冲能量为500mJ～1.5J，波长位于193nm～308nm区间，脉宽在几十纳秒量级，重复频率10～1000Hz。

所述准分子激光器1出射脉冲激光束4经扩束、整形后，束斑面积扩至0.2cm×0.2cm～3.5cm×3.5cm，根据产品芯片的面积可调；经过匀束后，有效退火束斑内的光强均匀性得到提升，至不均匀度≤5％；又由边沿处理系统，将束斑边缘不均匀的部分控制在10μm以内；在实际退火时，光束边缘不均匀的部分，是落在划片槽之内的，因此不影响正式电路元器件的退火效果。

所述预加热控温台9从背面对放置于片台10之上的晶圆片5实施均匀加热，控温范围为300～600℃；预加热控温台9的加热部分通过隔热材料8与片台10实施热隔离；在晶圆片5上方配置隔离罩7，隔离罩7内部抽真空或通入工艺气体；在隔离罩7顶部是对准分子激光透明的窗6，允许退火激光透过并辐照晶圆片上的某个退火场；在片台10可带动晶圆片做适度旋转，以补偿晶圆片初始放置位置相对于激光束运动方向的旋转偏差。

所述X平台12相对于Y平台可做左右向精确运动，Y镜面13装在Y平台11上，X镜面14固定在X平台12上，用于对准的光学元件15安装于二维精确移动平台上；脉冲激光束4经镜面反射后入射至X镜面14上，再次反射后，脉冲激光束4成为方向向下行进的光束，用于对晶圆片表面逐场退火。Y平台11可做前后向运动，由于X、Y镜面随二维精确移动平台运动，因而实现光束在晶圆片表面的选区退火。

所述整机自动控制系统，控制激光器开放/切断快门的动作，以及二维平台在退火阶段的移动，需要取得对激光触发脉冲的同步；而加热控温则是连续性的，无需同步；该整机自动控制系统协调激光器，光束处理系统，片台，二维精确移动平台各自的动作状态，使得整机协同工作，共同完成超浅结激光退火的工艺过程。

所述激光退火工艺步骤如下：

1)片台10上热隔离罩7升起；

2)晶圆片5经过预对准后，由机械手将其送入退火所在的片台位置的上方；

3)片台顶针升起，接过晶圆片5；机械手退出；

4)片台顶针下降，晶圆片5落下并被固定在预加热控温台9上；热隔离罩7下降；

5)待晶圆片5预加热温度稳定后，通过用于对准的光学元件15、二维移动平台的Y平台11，和X平台12执行晶圆片5的对准和补偿圆片预对准及进片过程中所造成的剩余硅片旋转量；

6)根据对准结果以及激光束和对准光束之间距离量，计算退火激光束所必需到达的退火位置阵列；

7)退火激光束束斑调至与产品芯片相同的面积。所述产品芯片为产品单芯片(或者由几个芯片构成的阵列)占据2.0cm×2.0cm的面积，则退火激光束的束斑也调至略大于2.0cm×2.0cm，以覆盖一个(或几个)产品芯片的面积，对范围内的芯片实施退火。整机自动控制系统控制二维精确移动平台，使退火激光束束斑行进至退火场位置；打开快门，执行一至多个芯片的脉冲激光退火；

8)关闭退火激光快门，光束行进至下一个退火场，如此重复，直至晶圆片整个表面执行完激光退火；

9)片台上热隔离罩7升起；片台顶针升起，托起晶圆片；机械手进入接片的位置，顶针落下，机械手接过晶圆片，并将晶圆片送至冷却片台，最终进入收片盒；

10)机械手将另一片待退火的晶圆片，送入片台；如此重复，直至所有晶圆片均被退火。

本发明的有益效果是实现超浅结激光退火的两项技术要求，也就是预加热和分场步进式的退火作用，是由片台和光束移动机构分别完成的，因此可以针对技术要求分别实行优化，在具体的设备实现上，也更加容易。退火作用如果采用光束相对于晶圆片做扫描运动的形式，则在微观层面将带来退火作用的不均匀性，因此逐场步进式的退火，相对于扫描方式，能够得到更好的超浅结退火效果；最后作为设备重要组成部分的悬吊式的光束步进移动机构，由于与高温片台在空间上相隔离，将能够方便地实现冷却保温，有利于提高退火光束质量和退火效果的重复性、均匀性。

附图说明

图1为激光退火设备的整机结构示意图。

图2为激光退火设备的预加热控温片台的示意图。

图3为激光退火设备的二维精确运动平台的示意图。

图中，1-是产生脉冲激光的激光器；2-是用来对激光束进行扩束、匀束、边沿处理的光路；3-是带隔振的机架结构，二维精确移动的平台，和退火晶圆片的预加热承片台，都是固定在机架上的；4-是起退火作用的短脉冲激光束，可由二维精确运动平台带动，对晶圆片的表面进行选区退火，且可用快门控制其通、断；5-是固定于片台上的晶圆片；6-是隔离罩顶部的对退火激光的透明窗；7-是热隔离罩；8-隔热材料；9-是片台中心部分衬底背面的预加热控温台；10-是片台，11-是Y平台，可作精确的前后运动；12-是X平台，可作精确的左右运动；13-是Y反射镜面；14-是X反射镜面；15-是用于对准的光学元件15。图3中只是示意地画出了对准部件中的X反射镜面。

具体实施方式

本发明提供提供一种用于半导体激光退火设备及退火工艺。下面结合附图对本发明予以说明。

所述的超浅结激光退火设备的整机结构如图1所示。该设备以准分子激光器提供准分子脉冲激光源，设备其他的部件，包括具有激光光束的扩束、匀束、边沿处理的光路，二维精确移动平台，预加热控温片台，以及整机自动控制系统，共同构成能实现超浅结半导体激光退火设备。所有这些部件或设备子系统，均是基于当前现有的常规的技术实现，本发明所强调的是将这些部件或设备子系统整合起来形成超浅结激光退火设备的整机设计方案。具体地说：

1)退火激光源采用单脉冲能量处于500mJ～1.5J区间，波长位于193nm～308nm区间，脉宽在几十纳秒量级，重复频率10～1000Hz的准分子脉冲激光器。

2)准分子激光器出射激光经扩束、整形后，束斑面积扩至0.2cm×0.2cm～3.5cm×3.5cm(视具体产品芯片的面积可调)；经过匀束后，有效退火束斑内的光强均匀性得到提升，至不均匀度≤5％；又由边沿处理系统，将束斑边缘不均匀的部分控制在10μm以内。在实际退火时，光束边缘不均匀的部分，将落在划片槽之内，不影响正式电路元器件的退火效果。

3)经过上述的光束处理，光束质量经调整已可适用于超浅结激光退火的目的。

4)被退火的晶圆片放置于片台之上。片台的结构示意如附图2所示。片台特征为，可从背面对圆片5实施均匀加热，控温范围为300～600℃；加热部分通过隔热材料8与片台的其余部分10实施热隔离；在晶圆片上方配置隔离罩7，隔离罩的主要作用是用作热隔离，内部可以抽真空，以及通入工艺气体；在隔离罩顶部是对准分子激光透明的窗6，允许退火激光透过并辐照晶圆片上的某个退火场；片台可带动晶圆片做适度旋转，以补偿晶圆片初始放置位置相对于激光束运动方向的旋转偏差。

5)激光束入射到X、Y镜面上，而X、Y镜面是分别安装于二维精确移动平台上的X平台、Y平台上，并随二维精确移动平台运动，因而可以实现光束在晶圆片表面的选区退火。二维精确移动平台具体的结构示意如图3所示。脉冲激光束4首先入射至Y镜面13上，经镜面反射后入射至X镜面14上，再次反射后，成为方向向下行进的光束，用于对晶圆片表面逐场退火。Y平台11可做前后向运动，而X平台12装置于Y平台11之上并相对于Y平台可做左右向精确运动，由此形成光束束斑在晶圆片表面的步进。步进动作期间，由自动控制系统发出指令，令激光光束快门关闭因而切断退火激光。用于对准的光学元件15也是安装于二维精确移动平台上的，并且对准光束按照退火激光束的同样原理，由二维平台带动，在晶圆片表面搜寻对准标记。

6)整机在自动控制系统操控下运行。通过自控系统，协调激光器，光束处理系统，片台，和二维精确移动平台各自的动作状态，使得整机协同工作，共同完成超浅结激光退火的工艺过程。

所述超浅结激光退火的工艺过程，具体的步骤如下：

1)片台热隔离罩7升起；

2)晶圆片5经过预对准后，由机械手将其送入退火所在的片台位置的上方；

3)片台顶针升起，接过晶圆片；机械手退出；

4)片台顶针下降，晶圆片落下并被固定在预加热器9上；热隔离罩下降；

5)晶圆片预加热温度稳定后，通过对准机构及二维移动平台的X平台12装置于Y平台11上，执行晶圆片的对准；执行片台旋转以补偿圆片预对准及进片过程中所造成的剩余硅片旋转量；

6)根据对准结果以及激光束和对准光束之间距离量，计算退火激光束所必需到达的退火位置阵列；

7)退火激光束束斑调至适当的面积，整机自动控制系统控制二维精确移动平台，使退火激光束束斑行进至退火场位置；打开快门，执行一至多个芯片的脉冲激光退火；

8)关闭退火激光快门，光束行进至下一个退火场，如此重复，直至晶圆片整个表面执行完激光退火；

9)片台热隔离罩7升起；片台顶针升起，托起晶圆片；机械手进入接片的位置，顶针落下，机械手接过晶圆片，并将晶圆片送至冷却片台，最终进入收片盒；

10)机械手将另一片待退火的晶圆片，送入片台；如此重复，直至所有晶圆片均被退火。

Claims (2)

1.一种用于半导体制造的激光退火设备，其特征在于，所述激光退火设备以准分子激光器提供准分子脉冲激光源，包括具有激光光束的扩束、匀束、边沿处理的光路，二维精确移动平台，预加热控温片台，以及整机自动控制系统构成能实现超浅结半导体激光退火设备；

所述准分子脉冲激光源的单脉冲能量为500mJ～1.5J，波长位于193nm～308nm区间，脉宽在几十纳秒量级，重复频率10～1000Hz；或选用重复频率为10kHz～50kHz的脉冲激光器；

所述准分子激光器出射激光经扩束、整形后，束斑面积扩至0.2cm×0.2cm～3.5cm×3.5cm；经过匀束后，有效退火束斑内的光强均匀性得到提升，至不均匀度≤5％；又由边沿处理系统，将束斑边缘不均匀的部分控制在10μm以内；在实际退火时，束斑面积视具体产品芯片的面积可调，光束边缘不均匀的部分，是落在划片槽之内的，因此不影响正式电路元器件的退火效果；

所述预加热控温片台，从背面对放置于片台之上晶圆片实施均匀加热，控温范围为300～600℃；加热部分通过隔热材料与片台的其余部分实施热隔离；在晶圆片上方配置隔离罩，隔离罩内部可以抽真空或通入工艺气体；在隔离罩顶部是对准分子激光透明的窗，允许退火激光透过并辐照晶圆片上的某个退火场；片台可带动晶圆片做适度旋转，以补偿晶圆片初始放置位置相对于激光束运动方向的旋转偏差；

所述二维精确移动平台上安装X、Y镜面，激光束入射到X、Y镜面上，X、Y镜面随二维精确移动平台运动，因而实现光束在晶圆片表面的选区退火；

所述整机自动控制系统，控制激光器开放/切断快门的动作，以及二维平台在退火阶段的移动，需要取得对激光触发脉冲的同步；而加热控温则是连续性的，无需同步；该整机自动控制系统协调激光器，光束处理系统，片台，二维精确移动平台各自的动作状态，使得整机协同工作，共同完成超浅结激光退火的工艺过程。

2.一种用于半导体激光退火设备的退火工艺，其特征在于，所述激光退火工艺步骤如下：

1)片台热隔离罩(7)升起；

2)晶圆片(5)经过预对准后，由机械手将其送入退火所在的片台位置的上方；

3)片台顶针升起，接过晶圆片(5)；机械手退出；

4)片台顶针下降，晶圆片(5)落下并被固定在预加热器(9)上；热隔离罩(7)下降；隔离罩内部抽真空或通入工艺气体；在隔离罩顶部是对准分子激光透明的窗(6)，允许退火激光透过并辐照晶圆片上的某个退火场；

5)待晶圆片(5)预加热温度稳定后，通过对准机构及二维移动平台的Y平台(11)和X平台(12)执行晶圆片(5)的对准，和补偿圆片预对准及进片过程中所造成的剩余硅片旋转量；

6)根据对准结果以及激光束和对准光束之间距离量，计算退火激光束所必需到达的退火位置阵列；

7)退火激光束束斑调至与产品芯片相同的面积，所述产品芯片为产品单芯片或者由几个芯片构成的阵列，占据2.0cm×2.0cm的面积，则退火激光束的束斑也调至略大于2.0cm×2.0cm，以覆盖一个或几个产品芯片的面积，对范围内的芯片实施退火；整机自动控制系统控制二维精确移动平台，使退火激光束束斑行进至退火场位置；打开快门，执行一至多个芯片的脉冲激光退火；

8)关闭退火激光快门，光束行进至下一个退火场，如此重复，直至晶圆片整个表面执行完激光退火；

9)片台热隔离罩(7)升起；片台顶针升起，托起晶圆片；机械手进入接片的位置，顶针落下，机械手接过晶圆片，并将晶圆片送至冷却片台，最终进入收片盒；

10)机械手将另一片待退火的晶圆片，送入片台；如此重复，直至所有晶圆片均被退火。

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