CN102099898A - 保护半导体免受脉冲激光处理损害的薄牺牲掩膜 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及保护半导体产品或材料免受脉冲激光辐射不利影响的系统和方法。在一些实施方案中，单次激光处理操作后失效的薄牺牲保护掩膜层施加于所述要被激光处理的产品或材料的表面。所述薄保护掩膜层反射，吸收，或者以其他方式保护所述薄保护掩膜层下面的所述产品或材料免受所述激光能量的损害。
Description
技术领域
下述公开涉及使用掩膜以保护半导体产品电路和元件免受激光的影响，所述激光包括掺杂所述半导体时使用的脉冲激光。
背景技术
半导体器件、组件以及元件，包括光学的和光探测的各个种类，开始逐渐进入家庭、实验室、商业、工业、科学、医疗、通讯以及军事用途的越来越广阔的范围。使用光探测半导体的应用可从导弹防御延伸至儿童玩具。基本的P-N结和PIN二极管已经被调适和扩展来使得基于半导体的光电二极管、光电探测器、光电导体、电荷耦合器件、光电倍增器等等能够实现，鉴于这些器件中的很多种都可以探测光子的活动，在本发明中将这些器件统称为光探测半导体器件。
光探测半导体器件都有的通性是它们受到与电磁辐射的相互作用的影响并对该相互作用做出响应。在可被光探测半导体器件探测到的电磁辐射中，有些处于可见的波长范围内(大约400纳米到700纳米)。其他器件可探测到不可见的红外波长(长于约700纳米)。有时认为红外光谱包括所述光谱的近红外部分，包括大约700纳米至1300纳米的波长；所述光谱的中红外部分，包括大约1300纳米至3微米的波长；以及所述光谱的深红外(或称热红外)部分，包括大于约3微米直至约30微米的波长。除非另外标注，在本发明中总体上将这些部分统称为电磁光谱的“红外”部分。
给定的器件对于其与电磁辐射相互作用的响应受到多种制造以及物理因素的影响，包括：器件的尺寸，几何结构，材料组成，它的半导体纯度(或其不纯度)；如果被掺杂，所用掺杂剂的类型，所述掺杂剂的浓度，所述半导体的表面处理。另外，制造以及环境因素影响器件的所述响应，例如环境温度，与所述器件相互作用的所述电磁辐射的波长以及强度。此外，其中放置有所述光探测半导体器件的系统(例如电路)可以被设计来对所述器件的两端施加电偏置，所述电偏置作用于所述器件并影响能够从所述系统得到的电输出。因此，总体上可以将光探测器件视为与所述器件相互作用的辐射的具体波长或量值的探测器，并且可以基于所述探测到的辐射被调适来提供功能，以用于采用所述光探测半导体器件的更高水平的系统。
用于处理半导体材料以提高其性能的一种技术已经使使一些或全部半导体处于脉冲激光之下，例如在有掺杂剂存在的情况下，可以获得特别的掺杂特征。但是，一些情况下，所述半导体或半导体衬底含有可被所述激光辐射破坏的元素。现有光学掩膜由介质堆叠构成，所述介质堆叠反射激光的作用与光刻掩膜相似。这种类型的掩膜昂贵，而且，由于通常是位于所述衬底之上的介质堆叠反射器的制造复杂性，掩膜设计也无法快速变化。这个问题在大产量下尤显突出。
在激光以及其他可破坏所述衬底或所述衬底上或内的所述电路元件的辐射环境中，对于半导体衬底的低成本、多功能的保护方式的需求依然存在。
发明内容
本公开涉及薄保护掩膜层，所述薄保护掩膜层提供这样的能力，即用以精细且准确地保护在所述薄保护掩膜层下的材料和结构的区(area)免受高强度短持续时间的脉冲激光的损害。
在一个实施方案中，本公开提供了一种处理半导体产品的方法，包括在所述半导体产品的表面的至少第一区形成保护掩膜层；对所述半导体产品以及所述保护掩膜层施加脉冲激光源；以及从所述半导体产品的所述表面移除所述保护掩膜层。所述掩膜为一次性的牺牲掩膜，在所述产品单次激光过程处理后废弃或销毁。
所述在所述表面的至少第一区形成保护掩膜层的步骤包括在一些实施方案中在所述表面的所述第一区上蒸镀(evaporating)保护膜材料，或者在其他实施方案中在所述表面的所述第一区上溅射保护膜材料，或它们的组合。
一些实施方案包括确定图形(在该图形上形成所述保护掩膜层)以及将所述保护掩膜层施加到由所述图形确定的所述第一区的步骤。所述图形可由光刻选定，或者可用剥离(lift-off)或裁切(cutout)技术施加所述图形。
在一些实施方案中，所述保护掩膜性膜保护所述位于所述保护掩膜性膜下的结构和制品免受短持续时间(例如飞秒或皮秒)的脉冲激光的损害。在其他实施方案中，所述脉冲激光具有足够的强度或能量导致所述被辐射材料或产品在未被保护掩膜层覆盖的区域的化学或结构改性。
在另外实施方案中，第二保护掩膜层施加于所述表面的至少第二区，有时施加于不同的空间区，所述空间区可与或可不与所述第一区重叠或相一致。
在一些实施方案中，所述保护掩膜层包括薄金属层，如铝或金或钛，或所述金属的组合或合金。至于薄(thin)，通常需要参照所使用的半导体工艺，并且例如，在CMOS工艺中，所述薄金属层可薄于约10微米，而在一些实施例中甚至薄于约1微米。另外，所述保护层可包括半导体或聚合物材料。一些实施方案提供保护掩膜层，所述保护掩膜层包括光学透明保护掩膜层。
另外，本发明的实施方案包括在对所述半导体产品施加所述脉冲激光的同时对所述半导体产品施加掺杂剂材料。
本发明中再另外的实施方案涉及制品，所述制品包括半导体基层，所述半导体基层包括所述半导体基层(base layer)的表面；所述表面的第一区，所述表面的第一区由施加到所述表面的第一区的薄牺牲保护掩膜层覆盖；所述表面的第二区，所述表面的第二区未被所述薄保护掩膜层覆盖；在所述表面的所述第二区内的所述表面的第一部分，所述第一部分在微结构上或材料上被短持续时间的脉冲激光改变；以及所述表面的所述第一区内所述表面的第二部分，所述第二部分基本上未被所述短持续时间的脉冲激光所改变。
在其他实施方案中，所述制品具有未被所述掩膜层覆盖并且暴露于脉冲激光下的区域，所述被暴露区域具有预先决定的尺寸和形状。
在再另外实施方案中，所述制品包括邻近(proximal to)所述半导体基层的所述表面的部分，所述部分被掺杂剂掺杂。
附图说明
图1说明半导体产品或材料的示例性剖视图，所述半导体产品或材料包括施加于所述半导体产品或材料的区的保护掩膜，并且所述半导体产品或材料经受脉冲激光；
图2说明对半导体产品以及材料的保护和处理过程的示例性高级描述；
图3说明准备接受激光处理的示例性半导体产品，所述半导体产品具有一个或更多个牺牲保护掩膜层；
图4说明图3所述产品，图中激光源以恰当的波长和强度水平以及激光脉冲频率辐射所述产品；
图5说明所述产品接受图4所述激光处理之后，其中所述牺牲层被耗尽、用完或退化，但是未必完全地如此；以及
图6说明所述保护掩膜层的所述残余物以及所述刻蚀终止层被移除后的所述产品。
具体实施方式
如上所述，各种产业中的很多应用会受益于新的、重新设计的以及更多功能的光探测器件，例如更灵敏的光探测半导体器件以及可在此前未知的领域中运行的光探测半导体器件。这些器件以及采用了所述器件的系统可开拓出所述器件以及采用了所述器件的系统新的应用、用途以及市场前景。
使用激光增强光探测半导体组件的系统的一些实施方案包括感测以及提供对光子辐射(光亮)的实质性电响应的那些实施方案，所述光子辐射可在所述电磁谱的可见部分上也可在所述电磁谱的可见部分以外。这些实施方案使用单个探测器装置探测所述可见以及不可见(例如红外)辐射，而不是对所述可见以及所述不可见辐射中的每一个使用分别的探测器，并且无论在日间还是夜间(低光)条件下均可使得例如同一探测器成像或照像能够实现。
用于生产具有这些新的和先进性能的半导体器件的技术有时采用利用脉冲(例如皮秒和飞秒脉冲)激光并且例如在有掺杂剂存在时的半导体的辐射。所述得到的材料有时被称为“黑硅”，并在多项专利申请中被本发明的发明人和受让人所描述。本公开尤其针对使用直接或基本上直接施加于所述半导体衬底上的薄保护掩膜性膜。所述薄膜掩膜是稳固的(Robust)且相容于大规模半导体处理技术。所述薄膜掩膜能够以高精度使得所述入射激光的空间限制能够达到小的面积。施加所述薄膜以及将所述薄膜并入已有的半导体加工操作中不昂贵。在一些情况下，本薄膜被设计来承受非常短脉冲的激光处理(例如皮秒或飞秒脉冲激光)但不会承受较长的激光脉冲(纳秒脉冲激光)。但是，本发明的实质不只限于皮秒或飞秒脉冲激光，还包括其他脉冲激光系统，取决于所述激光、膜、半导体以及它们整体使用环境的其他设计参数。
在一些方面，本高强度短脉冲激光的非线性吸收允许薄膜的设计提供上述以及其他特征。由于与线性吸收的情况相比，非线性吸收情况下的能量沉积较多，因此与线性吸收相比，非线性吸收在材料的较小深度发生。因此，在非线性吸收时，较浅的吸收层足够保护所述较浅吸收层下方的所述半导体材料以及组件免受所述激光的损害。另外，非线性吸收允许在固体材料中的波长吸收，所述固体材料在另外情况下(在线性吸收领域中)对相同的波长是透明的。
本发明的实施方案包括保护材料薄膜，所述材料薄膜包括金属保护膜。在具体的实施方案中，所述薄保护金属膜可包括铝膜。在更具体的实施方案中，所述薄保护金属铝膜的厚度可大约为1微米(μm)。
图1说明半导体产品或材料的示例性剖视图，所述半导体产品或材料包括施加于所述半导体产品或材料的区的保护掩膜，并且所述半导体产品或材料经受脉冲激光。半导体衬底100(例如硅或基于硅的衬底)包括表面，在所述表面上施加本发明所描述的保护薄层掩膜110。高强度脉冲激光束或光120入射于所述产品或器件上，致使保护掩膜110的表面区受到所述激光120的作用。例如，保护掩膜110内某一深度的区域140受到所述激光120的作用。
同样，所述半导体衬底100的所述表面上某一深度的区域130受到所述激光120的作用。如本发明所描述，衬底100的所述区130的所述形状和尺寸可根据所述保护掩膜110的所述形状和尺寸设计以及构建。
所述薄保护膜掩膜140可包括光学透明或不透明的材料，所述材料包括聚合物。在一些优选实施方案中，所述材料是在光学上不透明的。例如，聚酰亚胺或光致抗蚀剂材料可置于下方的要被保护来免受脉冲激光辐射的所述半导体器件或电路或组件上。在所述激光辐射之后，上述薄保护掩膜中的一些或全部可使用半导体处理技术移除。实施例包括化学移除(蚀刻)所述基于聚合物的掩膜，例如光致抗蚀剂剥去处理步骤；剥离或金属掩膜的化学或物理刻蚀；以及半导体掩膜的化学或物理刻蚀。
一些薄保护掩膜膜可包括反射性能，所述反射性能有效地阻挡所述脉冲激光进入或穿过所述保护膜。由于所述入射激光基本上只作用于所述保护金属膜的顶部或表面部分，因此在某些条件下，所述即时薄膜可提供保护。所述保护膜的所述顶部或表面部分可被所述激光熔化或烧蚀，但所述保护膜下方的材料或组件基本上保持完好或未受到所述入射激光作用。因此所述激光的破坏作用被所述薄保护膜有效地阻挡。
上述技术中的一些或全部提供准确地和精密地施加掩膜层的能力，以保护下方的所述材料和结构免受高强度短持续时间的脉冲激光处理的损害。所述薄保护膜可通过蒸镀方法或溅射来施加。对于施加(或不施加)所述薄膜的所述区的界定，可使用光刻或剥离或接触切除技术。
所述即时保护层为薄的事实提供了一些于CMOS处理流程环境中使用的优势，所述掩膜的厚度与CMOS处理相容并且足够薄从而不会导致小面积器件上的光学效应(衍射问题)，例如薄于大约10微米或甚至1微米。另外，由于所述薄膜掩膜的明确限定的图形，侧向(lateral)特征尺寸可被控制和缩小。衍射效应以及阴影效应得到减少以使所述预期的掩膜区的模糊或几何或空间形变很少或不发生。在一些实施方案中，侧向尺寸可能在1微米(μm)的级别上，甚至可能更加精确，这取决于所述激光的波长，掩膜厚度以及其他因素。
在一个具体实施方案中，单层金属薄膜保护掩膜(例如铝、铜、金、铬、钛、钨或其他适宜金属)施加于半导体产品或晶片。所述薄膜可通过溅射或蒸镀来施加。在一个实施方案中，所述薄膜保护掩膜的厚度被形成至大约2微米(μm)。所述膜被施加于半导体器件或晶片材料的所述表面，所述表面将面对或经受激光处理步骤。所述薄保护膜的适当定尺寸和图形化被完成，以适当地掩蔽被保护的区或留出不被保护的区。所述半导体器件或材料经受脉冲激光辐射处理(例如皮秒或飞秒激光脉冲)。在所述激光处理后，但是未必立即在所述激光处理后，使用半导体处理技术移除所述薄膜。以上描述的步骤之前、之后或以上描述的步骤之间，可以包括其他的步骤。因此，在一些实施方案中，所述保护掩膜层在对所述半导体产品的单次(一次)激光处理操作或步骤之后失效，并且无法在激光处理期间被重新使用来掩膜另一(第二)产品。
参见图2，为表明对半导体产品以及材料的保护和处理过程的示例性高级描述。在步骤200中，如本发明所描述的薄保护层施加于要保护的半导体产品或材料的选定区域。在步骤210中，在其上具有所述保护薄膜的所述产品或材料被施加于所述产品或材料的一个或多个区域的高强度短持续时间的脉冲激光辐射。所述保护膜(例如，通过反射，传导，吸收)掩蔽所述产品或材料的所述被施加所述保护膜的区域。在步骤220中，所述产品或材料的所述激光处理一旦完成，所述保护薄膜层即可被除去。
在其他实施方案中，基本上可以施加如上给出的过程，但是使用了金属的合金和/或半导体的组合。在一个实施例中，钛/铝或铬/金合金可以被使用。在另一个实施例中，硅化物可以被用作薄保护膜。
还可采用聚合物膜来界定或保护半导体产品或器件的某些区域。可以用作此目的的材料的实施例包括光致抗蚀剂、聚酰亚胺、氮化硅等等。这些材料可以基本上对可见光透明，并且在线性条件下也许不是最理想的激光吸收材料。但是，在高强度短持续时间的脉冲激光辐射下，其中所述吸收为非线性的，这些材料可作为有效的屏障并且在激光基本上穿透所述层到达下方的所述半导体产品或器件之前吸收所述激光的能量。因此，保护掩膜可包括一个或多个聚合物膜层、光致抗蚀剂层或聚酰亚胺层或氮化硅层，或它们的组合。
在再另外的实施方案中，必要时可施加多层薄膜以提供希望达到的效果。所述多层薄膜可施加于所述半导体产品或器件的所述表面上相同或不同的空间区。例如，具有第一厚度的薄金属膜可以被施加为第一层。第二金属的第二层可以施加于所述第一层的顶上。第三合金的第三层可施加于所述前两层的顶上。非金属(例如半导体材料或聚合物材料)的第三层可以施加于所述其他三层。显然，旨在说明，任何或所有的情况和组合是可能的并且在本发明范围内。
在一些情况下，使用薄保护膜是有利的，所述薄保护膜包括本身具有牺牲性的材料。也就是说，作为所述激光脉冲的结果，所述薄保护掩膜材料经历了转变，在一些实施例中所述转变可为销毁、移除、烧蚀、熔化、气化，或改变所述保护膜掩膜。这样的牺牲掩膜材料的实施例可包括硅本身。这种硅可为无定形、结晶、微晶或多晶的硅。
所述薄膜保护掩膜可包括这样的材料或由这样的材料构成，即这样的材料具有足够的热导率来协助移除来自所述激光源的热量，以保护所述薄膜保护下方的材料或产品在选定的被保护区免受热破坏。在一个实施例中，金属薄保护掩膜用以从下方的硅产品或材料将所述激光的能量传导和反射出去。
再次说明，本公开不限于在所述相同的空间区施加所述保护掩膜层。然而，实际上，第一层可施加于所述半导体产品或器件的所述表面上的第一区域，之后，第二层(由相同或另一种保护膜材料构成)可施加于所述半导体产品或器件的所述表面上的第二区域。所述第一和第二保护膜层的覆盖区域可根据需要重叠或完全不重叠。
使用了激光增强光探测半导体组件的系统的其他实施方案包括采用阵列、网格、群集或多个独立的有组织的激光增强光探测半导体器件的实施方案，所述实施方案用作探测、成像、断层扫描等目的。这些实施方案采用若干单独的激光增强半导体探测器元件(如下所述)，以来自所述成组的、网格化的、有组织的独立探测器元件的图像、照片或视频输出，所述成组的、网格化的、有组织的独立探测器元件是可寻址的，从而，例如，形成二维输出。
用于以相同的探测器或探测器分组探测可见和不可见光两者的系统的一个说明性实施方案包括被设计来在探测可见以及不可见光中使用的、采用单个探测器件的光探测系统。所述系统探测并且响应于在一波长范围上的光。例如，所述系统响应波长范围从大约一较短的波长极限(短于约400纳米)延伸至大约一较长的波长极限(长于约700纳米)的光。这样，所述探测器系统基本上响应所述电磁光谱的可见部分内以及所述电磁光谱的可见部分以外的光。
以下讨论进一步说明达到本发明所叙述的优点的优选系统和方法。
图3说明准备用于激光处理的示例性半导体产品300，所述半导体产品300具有一个或多个牺牲保护掩膜层。半导体产品300包括例如为硅或基于硅的衬底310。所述产品或衬底的一部分被标为要被前述的激光辐射的部分315。由于只有部分315被辐射，所述产品的其他部分，包括电路或组件320，被保护掩膜层330和340保护。层330可以为一旦完成自身功能即可被除去的二氧化硅或氮化硅刻蚀终止层或钝化层。层340为牺牲保护层，所述牺牲保护层提供对于所述脉冲激光的高非线性吸收，以保护所述牺牲保护层下方的物件。层340在所述激光处理过程后耗尽并且不可被重新使用。
图4说明以上图3中描述的设置，其中激光源以激光400的适当波长和强度水平以及脉冲频率辐射所述产品，以导致所述半导体产品在暴露于所述激光400并且未被保护薄掩膜层340保护的区域415上的所述有利改性。保护牺牲掩膜层340在所述激光辐射过程中，由于吸收以及暴露于所述激光400而被退化(degraded)。
图5说明在图4所述的激光处理后的所述产品。此处所述牺牲层340被耗尽、用完或退化，但未必完全如此。激光修饰后的区域515现在完全形成。由于所述保护掩膜层340的遮蔽，无论电路和组件320还是衬底310均未受到不利影响。
图6说明所述保护掩膜层的所述残余物以及所述刻蚀终止层被移除后的所述产物。最终产品包括所述具有所述电路或其他组件320以及激光处理后的部分515的衬底310。当然，额外的处理和层以及过程可加到以上描述的顺序事件期间或之后。
应该意识到，所述系统或其探测器元件的响应作为波长的函数未必是一致的。也就是说，表征所述光探测半导体的所述敏感度、输出水平或其他特征的响应曲线可被定义和测量。可以使用硬件或软件或它们结合来实施修正，以使在作为波长的函数的所述响应中的变化的影响可以被修正、补偿或在必要时以其他方式被考量。
众多其他实施方案、对本公开的修改和扩展意图由所附的权利要求书所主张的范围所覆盖。这包括对阅读了本公开并且理解了本发明提供的本发明概念和说明性实施方案的本领域的技术人员来说是明显的实现细节和特征。
Claims (28)
1.一种处理半导体产品的方法，包括：
在所述半导体产品的表面的至少第一区形成牺牲保护掩膜层；
对所述半导体产品以及所述保护掩膜层施加脉冲激光源；以及
从所述半导体产品的所述表面移除所述保护掩膜层。
2.如权利要求1所述的方法，所述在所述表面的至少第一区形成保护掩膜层的步骤包括在所述表面的所述第一区上沉积保护膜材料。
3.如权利要求1所述的方法，所述在所述表面的至少第一区形成保护掩膜层的步骤包括在所述表面的所述第一区上溅射保护膜材料。
4.如权利要求1所述的方法，所述在所述表面的至少第一区形成保护掩膜层的步骤包括确定图形，在该图形上形成所述保护掩膜层；以及将所述保护掩膜层施加到由所述图形确定的所述第一区。
5.如权利要求1所述的方法，所述施加所述脉冲激光的步骤包括施加短持续时间的脉冲激光。
6.如权利要求5所述的方法，所述施加所述短持续时间的脉冲激光的步骤包括施加基本上为飞秒脉冲持续时间的激光。
7.如权利要求5所述的方法，所述施加所述短持续时间的脉冲激光的步骤包括施加基本上为皮秒脉冲持续时间的激光。
8.如权利要求1所述的方法，还包括对至少第二区施加第二保护掩膜层。
9.如权利要求8所述的方法，施加所述第二保护掩膜层的步骤包括对具有与所述第一区不同的空间覆盖范围的区施加所述第二保护掩膜。
10.如权利要求1所述的方法，所述形成所述保护掩膜层的步骤包括形成薄金属层。
11.如权利要求10所述的方法，所述形成所述薄金属层的步骤包括形成薄铝层。
12.如权利要求1所述的方法，所述形成所述保护掩膜层的步骤包括形成薄金属合金保护层。
13.如权利要求1所述的方法，所述形成所述保护掩膜层的步骤包括形成薄半导体保护层。
14.如权利要求1所述的方法，所述形成所述保护掩膜层的步骤包括形成薄聚合物保护层。
15.如权利要求1所述的方法，所述牺牲保护掩膜层在对所述半导体产品的单次激光处理操作后失效，并且不可用于掩蔽其他半导体产品。
16.如权利要求1所述的方法，还包括进行光刻，以在所述第一区形成所述保护掩膜层。
17.如权利要求1所述的方法，所述形成所述保护掩膜层的步骤包括形成多个层，一层在另一层上，但是每层未必约束于所述半导体产品的所述表面的相同区。
18.如权利要求1所述的方法，所述处理半导体产品的方法包括处理硅衬底的方法。
19.如权利要求1所述的方法，施加所述激光的步骤包括施加高能脉冲激光，从而导致所述半导体产品在未被所述保护掩膜层覆盖的区域的材料改性。
20.如权利要求1所述的方法，还包括对所述半导体产品施加所述脉冲激光的同时对所述半导体产品施加掺杂剂材料。
21.一种制品，包括：
半导体基层，所述半导体基层包括所述半导体基层的表面；
所述表面的第一区，所述表面的第一区由施加到所述表面的第一区的薄牺牲保护掩膜层覆盖；
所述表面的第二区，所述表面的第二区未被所述薄保护掩膜层覆盖；
所述表面的所述第二区包括邻近所述表面的区域，所述区域被短持续时间的脉冲激光所改变；以及
所述表面的所述第一区包括邻近所述表面的区域，所述区域基本上未被所述短持续时间的脉冲激光改变区域。
22.如权利要求21所述的制品，所述第一区包括预先决定的尺寸和形状。
23.如权利要求21所述的制品，还包括邻近所述半导体基层的所述表面的区域，所述区域被掺杂剂掺杂。
24.如权利要求21所述的制品，所述薄牺牲保护掩膜层包括薄金属层。
25.如权利要求24所述的制品，所述薄金属层包括薄铝层。
26.如权利要求21所述的制品，所述薄牺牲保护掩膜层包括薄金属合金层。
27.如权利要求21所述的制品，所述薄牺牲保护掩膜层包括薄半导体保护层。
28.如权利要求21所述的制品，所述薄牺牲保护掩膜层包括薄聚合物保护层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110615 |