CN102163540B - 用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于半导体制造设备范围的涉及半导体超浅结制造中的一种用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置。该加热加热片台扫描装置采用A加热片台、B加热片台和C加热片台连接成品字型加热片台，旋转托盘放置在该品字型加热片台上，该加热片台扫描装置可以沿X和Y方向做匀速或步进式移动，当对C加热片台上的圆片实现激光退火扫描时，A、B加热片台上的圆片被预加热。从而减少了圆片达到热平衡状态的等待时间。圆片是通过一个可旋转的托盘依次在A、B、C三个加热片台上逆时针切换，减少了圆片转移过程中的温度分布变化，提高了设备利用率。

Description

用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置

技术领域

本发明属于半导体制造设备范围，特别涉及半导体超浅结制造中的一种用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置。

背景技术

当今的半导体行业是在国际上吸纳资金、技术和人才最多的行业之一，整个行业的发展也是日新月异。随着以集成电路和大容量存储器为代表的半导体器件工艺节点从65nm，45nm进入到32nm及以下，其要求重掺杂的、超浅的MOS器件源漏扩展区的器件结构，即在工艺上要制作出超浅结(Ultra-Shallow Junction，简称USJ)。此时超浅结的方块电阻为810-900Ω/sq，结深为9-10nm，结的陡度为1.8-2.0nm/decade。

为了满足在200-300mm圆片上制作出32nm及以下各代器件对超浅PN结的要求，除了要在杂质掺杂技术上采取新的技术措施之外，在杂质激活的退火环节，需要对传统的基于灯光的快速热退火(RTA)方法做出变更。当前较为认可的超浅结退火工艺是波长为深紫外的激光退火技术。

采用深紫外激光退火技术所制造出的超浅、陡峭的PN结，能够满足32nm及其以下工艺节点集成电路制造的需求。这是因为，首先深紫外激光波长短，对物质直接作用的深度浅，只对超浅的表面区域产生影响；其次，由于退火激光是脉冲式工作，激光脉冲约在几十纳秒量级，退火采用对圆片扫描或场步进方式，因此总的退火作用时间很短暂，使得退火阶段杂质的纵向再扩散几乎为零；高的杂质激活率可以得到更低的的方块电阻。

需要指出的是，本发明所称的深紫外激光退火，专门是指用于超浅结制作的激光退火技术，其在物质作用机理上有别于现有的激光退火技术。目前，国际上针对超浅结制作的激光退火设备及配套工艺技术，还处于实验研究阶段。

由于目前用于超浅结退火的深紫外激光器单脉冲能量较低，无法对直径200-300mm的整个圆片同时退火，所以只能采取线扫描或场步进的方式来实现退火。同时需要对衬底材料进行加热。这样不仅可以将激光退火的能量密度阈值降低至350mJ/cm²的量级，同时还可以减轻由于采用高强度激光退火在衬底上产生的热应力的影响。

直径200-300mm的圆片上可以制作的超大规模集成电路芯片成百上千，每个芯片上的晶体管数量也达到了百万甚至上亿。如此巨大数量的晶体管或电路，要保证其相应的参数相同，对加工工艺的一致性就提出了很高的要求。激光退火工艺的一致性要求加热加热片台上圆片的温度在激光退火过程中时时处处相同，但由于圆片材料的热容量和热导率的关系，圆片加热时温度的建立和达到热平衡都需要一定的时间，这样势必造成一个等待时间，降低了退火设备的效率(产能)。

基于以上原因，为了减小加热过程中的等待时间，本发明提出了一种ABC三片式加热片台扫描装置的激光退火设备方案。具体地说，就是利用三片式加热片台，圆片在A加热片台上进行装卸片和预加热，转移至B加热片台上继续进行预加热，在C加热片台上进行激光退火，这一过程循环进行，三个加热片台上都有一个圆片，通过一个可以旋转的托盘实现圆片在三个加热片台上的转移，从而减少了激光退火过程中的等待时间，以及圆片在转移过程中的温度变化，提高了工艺一致性和设备产能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置及方法。

一种用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置，其特征在于，A加热片台2、B加热片台3和C加热片台4连接成品字型加热片台，旋转托盘5放置在该品字型加热片台上；品字型加热片台通过托盘旋转传动轴17固定在X1电动平移台14上台面上，X1电动平移台14下台面与X方向平移台10固定，X1电动平移台驱动电机11固定在X方向平移台10一端；R1电动旋转机构15分别与托盘旋转传动轴17和驱动电机16连接；Y方向Y1电动平移台6和Y方向Y2电动平移台8分别通过Y1电动平移台滑轨12和Y2电动平移台滑轨13固定在X方向平移台10下面两端；Y1电动平移台驱动电机7固定在Y方向Y1电动平移台6一端、Y2电动平移台驱动电机9固定在Y方向Y2电动平移台8一端；深紫外脉冲激光光束扫描定位中心点1位于C加热片台附近。

所述旋转托盘5与所述A加热片台2、B加热片台3和C加热片台4成品字型连接的形状相同。

所述旋转托盘上设置圆片的定位槽18，槽内有三个顶针的通孔19。

所述A加热片台2、B加热片台3和C加热片台4的外部结构均为正六边形。

所述A加热片台2、B加热片台3和C加热片台4的中间均有以等边三角形布置的三根顶针孔，将所加工的圆片顶起，便于机械手卸片与装片。

一种三片式加热片台扫描装置的深紫外激光退火方法，其特征在于，激光束固定不动，采用A、B、C三片式加热片台扫描装置，通过扫描装置在X-Y两个方向的移动，对所加工的整个圆片实施深紫外激光退火工艺，以激活离子注入的杂质，消除注入损伤，得到超浅的pn结，A加热片台为装卸片加热片台，A加热片台是预加热片台；B加热片台也是预加热片台；C加热片台是用于激光退火的工作加热片台，只有品字型加热片台上的圆片移动到C加热片台上时，才能在进行加热的同时，深紫外脉冲激光光束对圆片进行扫描；其中品字型加热片台的各加热片台的加热温度为300～500℃，温度偏差小于±1℃；圆片在品字型加热片台上的切换是通过加热片台上的旋转托盘进行的，旋转托盘上有定位定位槽，可以放置三片圆片，加工过程中由计算机控制旋转托盘的移动，圆片在按工序转移至A、B、C三个位置时，圆片通过加热片台上的三个通孔让顶针顶起，实现卸片装片的操作；在C加热片台上进行激光退火的同时，在A、B加热片台上进行预加热，当C加热片台上的圆片完成激光退火后，旋转托盘旋转120°，A、B、C加热片台上的三个圆片由旋转托盘带动，依次换位，激光退火后的圆片由C加热片台转移至A加热片台，圆片被机械手取下放在冷板上冷却，A加热片台上放上新的圆片并开始进行预加热，原来在A加热片台上的圆片转移至B加热加热片台，继续进行预加热，原来在B加热片台上的圆片转移至C加热片台，开始进行激光退火，如此循环往复；旋转托盘的旋转是由加热片台下面的固定在X1电动平移台上的R1电动旋转机构带动托盘旋转的传动轴实现的。

所述X1、Y1和Y2电动平移台的行程须略大于所加工圆片直径，当激光束为一点光源或者一条线时，X1电动平移台做匀速直线移动；，Y方向上，平行排列的Y1和Y2电动平移台同步进行步进式移动，以此完成对圆片的扫描；如果激光束为一个经过匀化后的矩形光场，X方向和Y方向都做步进移动。

所述深紫外激光，激光的波长为193nm～350nm，脉冲激光束的单脉冲能量为0.2J～1.5J，脉宽在10～1000ns，重复频率10～1000Hz。

所述被加工圆片是指半导体硅片或其他形式的含有半导体材料薄膜的圆片，为SOI、SGOI和GOI中一种。

所述激光退火工艺中，一个圆片总的预加热时间T_total为C加热片台上两圆片的激光退火时间2×T_annealing加上激光退火完成后在A加热片台上的两次卸片和装片时间2×(T_unload+T_load)，以及加热片台由激光退火完成时的终点位置回到起点位置时间2×T_return以及A、B、C加热片台的切换的时间2×t_switch，即T_total＝2×(T_annealing+T_unload+T_load+T_return+T_switch)(1)

当预加热的圆片达到热平衡的等待时间T_waiting小于等于总的预加热时间T_total时，将不存在额外的设备等待状态；如果达到热平衡的等待时间T_waiting大于总的预加热时间T_total，设备需要额外的等待时间T_w，等待圆片达到热平衡：

$T_w=\frac{1}{3}\×(T_{\mathrm{waiting}}-T_{\mathrm{total}})---\left(2\right)$

但由于圆片提前进入到预加热状态，使设备的等待时间得到缩短。

本发明的有益效果是采用ABC三片式加热片台扫描装置对所加工的圆片实施深紫外激光退火工艺，当C加热片台上对圆片进行激光退火的同时，在A、B两个加热片台上对圆片进行预加热，总体延长了预加热时间，从而减少了为使圆片达到工艺所要求衬底温度热平衡状态时的等待时间，提高了设备利用率。同时，三片式加热片台减少了激光退火过程中设备的等待时间；

附图说明

附图中给出了各种情况下加热片台扫描装置的主视图和俯视图，及放大图和示意图，为使图示简洁明了，略去了机械手、与加热片台相连的电缆和控温用的液体管路。

图1为三片式加热片台扫描装置示意图。

图2，为图1的侧面图。

图3为托盘旋转的示意图。

图4-1为激光退火时ABC三片式加热片台的初始位置示意图，a为俯视图，b.为侧面图。

图4-2为当Y方向的总步进数为奇数次时，ABC三片式加热片台上的圆片完成激光退火时的位置示意图，带阴影的为进行激光退火圆片；a为俯视图，b.为侧面图。

图4-3为当Y方向的总步进数为偶数次时，ABC三片式加热片台上的圆片完成激光退火时的位置示意图，带阴影为已经进行过激光退火的圆片；a为俯视图，b.为侧面图。

具体实施方式

本发明提供一种用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置及方法。下面结合具体实施例和附图对本发明予以进一步说明。

图1、图2所示为三片式加热片台扫描装置示意图。图中，A加热片台2、B加热片台3和C加热片台4连接成品字型加热片台，旋转托盘5放置在该品字型加热片台上；品字型加热片台通过托盘旋转传动轴17固定在X1电动平移台14上台面上，X1电动平移台14下台面与X方向平移台10固定，X1电动平移台驱动电机11固定在X方向平移台10一端；R1电动旋转机构15分别与托盘旋转传动轴17和驱动电机16连接；Y方向Y1电动平移台6和Y方向Y2电动平移台8分别通过Y1电动平移台滑轨12和Y2电动平移台滑轨13固定在X方向平移台10下面两端；Y1电动平移台驱动电机7固定在Y方向Y1电动平移台6一端、Y2电动平移台驱动电机9固定在Y方向Y2电动平移台8一端；深紫外脉冲激光光束扫描定位中心点1位于C加热片台附近。下面例举实施例说明深紫外激光退火设备中的三片式加热片台扫描装置的工作原理。

实施例一

用于半导体器件制作工艺的深紫外激光退火设备中的三片式加热片台扫描装置在前述的T_total大于T_waiting时，无需额外的等待时间，其加工步骤如下：

1.ABC三个加热片台的温度为300℃；

2.A加热片台上三个顶针穿过托盘圆片定位槽的通孔19将已激光退火的圆片顶起，机械手将该圆片取走，放置在冷板上冷却；

3.机械手将待激光退火的圆片放在A加热片台上的三个顶针上，三个顶针下落将圆片置于托盘的定位槽内，圆片进行预加热，此时的位置，如图4-1所示；

4.激光束对C加热加热片台上的圆片进行退火加工，此时A、B加热片台上的圆片在被预加热；

5.在激光退火过程中，当Y方向的步进数为奇数次时，激光束对C加热片台上的圆片进行退火加工的终点位置如图4-2所示，而当Y方向的步进数为偶数次时，终点位置如图4-3所示；

6.激光退火完成后，加热片台回到初始位置，如图4-1所示；

7.同时，A加热加热片台上的圆片由托盘逆时针旋转转移至B加热加热片台上，继续进行预加热，B加热片台上的圆片被转移至C加热片台，C加热片台上的圆片被转移至A加热片台；

8.在A加热片台上执行步骤2、3的操作。

实施例二

用于半导体器件制作工艺的深紫外激光退火设备中的加热加热片台扫描装置在前述的T_total小于T_waiting时，需要一个额外的增加等待时间T_w，其加工步骤包括：

1.A、B、C三个加热片台的温度为400℃；

2.A加热片台上三个顶针穿过托盘圆片定位槽的通孔将已激光退火的圆片顶起，机械手将该圆片取走，放置在冷板上冷却；

3.机械手将待激光退火的圆片放在A加热片台上的三个顶针上，三个顶针下落将圆片置于托盘的定位槽内，圆片进行预加热，此时的位置，如图4-1所示；

4.C加热片台上的圆片在等待T_w后圆片处于热平衡状态(400℃)，开始进行激光退火，此时A、B加热片台上的圆片在被预加热；

5.在执行激光退火操作时，若Y方向的总步进数为奇数次时，激光束对C加热片台上的圆片进行退火加工的终点位置如图4-2所示，而当Y方向的步进数为偶数次时，终点位置如图4-3所示；

6.激光退火完成后，加热片台回到初始位置，如图4-1所示；

7.同时，A加热片台上的圆片由托盘逆时针旋转转移至B加热片台上，继续进行预加热，B加热片台上的圆片被转移至C加热片台，C加热片台上的圆片被转移至A加热片台；

8.在A加热片台上执行步骤2、3的操作。

Claims (10)

1.一种用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置，其特征在于，A加热片台(2)、B加热片台(3)和C加热片台(4)连接成品字型加热片台，旋转托盘(5)放置在该品字型加热片台上；品字型加热片台通过托盘旋转传动轴(17)固定在X1电动平移台(14)上台面上，X1电动平移台(14)下台面与X方向平移台(10)固定，X1电动平移台驱动电机(11)固定在X方向平移台(10)一端；R1电动旋转机构(15)分别与托盘旋转传动轴(17)和驱动电机(16)连接；Y方向Y1电动平移台(6)和Y方向Y2电动平移台(8)分别通过Y1电动平移台滑轨(12)和Y2电动平移台滑轨(13)固定在X方向平移台(10)下面两端；Y1电动平移台驱动电机(7)固定在Y方向Y1电动平移台(6)一端、Y2电动平移台驱动电机(9)固定在Y方向Y2电动平移台(8)一端；深紫外脉冲激光光束扫描定位中心点(1)位于C加热片台附近。

2.根据权利要求1所述用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置，其特征在于，所述旋转托盘(5)与所述A加热片台(2)、B加热片台(3)和C加热片台(4)成品字型连接的形状相同。

3.根据权利要求1所述用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置，其特征在于，所述旋转托盘上设置圆片的定位槽(18)槽内有三个顶针的通孔(19)。

4.根据权利要求1所述用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置，其特征在于，所述A加热片台(2)、B加热片台(3)和C加热片台(4)的外部结构均为正六边形。

5.根据权利要求1所述用于深紫外激光退火的三片式加热片台扫描装置，其特征在于，所述A加热片台(2)、B加热片台(3)和C加热片台(4)的中间均有以等边三角形布置的三根顶针孔(19)，将所加工的圆片顶起，便于机械手卸片与装片。

6.一种三片式加热片台扫描装置的深紫外激光退火方法，其特征在于，激光束固定不动，采用A、B、C三片式加热片台扫描装置，通过扫描装置在X-Y两个方向的移动，对所加工的整个圆片实施深紫外激光退火工艺，以激活离子注入的杂质，消除注入损伤，得到超浅的pn结，A加热片台为装卸片加热片台，A加热片台是预加热片台；B加热片台也是预加热片台；C加热片台是用于激光退火的工作加热片台，只有品字型加热片台上的圆片移动到C加热片台上时，才能在进行加热的同时，深紫外脉冲激光光束对圆片进行扫描；其中品字型加热片台的各加热片台的加热温度为300～500℃，温度偏差小于±1℃；圆片在品字型加热片台上的切换是通过加热片台上的旋转托盘进行的，旋转托盘上有定位定位槽，可以放置三片圆片，加工过程中由计算机控制旋转托盘的移动，圆片在按工序转移至A、B、C三个位置时，圆片通过加热片台上的三个通孔让顶针顶起，实现卸片装片的操作；在C加热片台上进行激光退火的同时，在A、B加热片台上进行预加热，当C加热片台上的圆片完成激光退火后，旋转托盘旋转120°，A、B、C加热片台上的三个圆片由旋转托盘带动，依次换位，激光退火后的圆片由C加热片台转移至A加热片台，圆片被机械手取下放在冷板上冷却，A加热片台上放上新的圆片并开始进行预加热，原来在A加热片台上的圆片转移至B加热加热片台，继续进行预加热，原来在B加热片台上的圆片转移至C加热片台，开始进行激光退火，如此循环往复；旋转托盘的旋转是由加热片台下面的固定在X1电动平移台上的R1电动旋转机构带动托盘旋转的传动轴实现的。

7.根据权利要求6所述三片式加热片台扫描装置的深紫外激光退火方法，其特征在于，X1、Y1和Y2电动平移台的行程须略大于所加工圆片直径，当激光束为一点光源或者一条线时，X1电动平移台做匀速直线移动；在Y方向上，平行排列的Y1和Y2电动平移台同步进行步进式移动，以此完成对圆片的扫描；如果激光束为一个经过匀化后的矩形光场，X方向和Y方向都做步进移动。

8.根据权利要求6所述三片式加热片台扫描装置的深紫外激光退火方法，其特征在于，所述深紫外激光，激光的波长为193nm～350nm，脉冲激光束的单脉冲能量为0.2J～1.5J，脉宽在10～1000ns，重复频率10～1000Hz。

9.根据权利要求6所述三片式加热片台扫描装置的深紫外激光退火方法，其特征在于，所述圆片是指SOI、SGOI和GOI中一种半导体硅片。

10.根据权利要求6所述三片式加热片台扫描装置的深紫外激光退火方法，其特征在于，所述激光退火工艺中，一个圆片总的预加热时间T_total为C加热片台上两圆片的激光退火时间2×T_annealing加上激光退火完成后在A加热片台上的两次卸片和装片时间2×(T_unload+T_load)，以及加热片台由激光退火完成时的终点位置回到起点位置时间2×T_return以及A、B、C加热片台的切换的时间2×T_switch，即

T_total＝2×(T_annealing+T_unload+T_load+T_return+T_switch)      (1)

当预加热的圆片达到热平衡的等待时间T_waiting小于等于总的预加热时间T_total时，将不存在额外的设备等待状态；如果达到热平衡的等待时间T_waiting大于总的预加热时间T_total，设备需要额外的等待时间T_w，等待圆片达到热平衡：

$T_w=\frac{1}{3}\×(T_{\mathrm{waiting}}-T_{\mathrm{total}})---\left(2\right)$

但由于圆片提前进入到预加热状态，使设备的等待时间得到缩短。

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