CN103268856A - 具改良温度表现的双光束雷射退火 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具改良温度表现的双光束雷射退火。一种可在雷射退火制程中减少晶圆表面温度变异的雷射退火系统与方法。所述系统与方法包含对晶圆表面以第一和第二激光束退火，其分别作为预热以及退火激光束且分别具有第一与第二强度。预热激光束使晶元表面温度趋近于退火温度，而退火激光束则将晶圆表面温度带至退火温度。在预热波长以及退火波长之下使用晶圆表面的反射率地图（reflectivity map）可确保良好的退火温度一致性。

Description

具改良温度表现的双光束雷射退火
技术领域
本发明关于用于半导体制造以形成集成电路的退火，特别是关于使用具有不同波长之双激光束以改善退火制程之温度表现的半导体晶圆的雷射退火。 
背景技术
传统奈秒雷射退火,例如雷射尖峰退火（LSA）已被广泛用于先进IC芯片制造，因其提供一超低热预算、高掺质活化以及超陡峭接面。在图案化晶圆上实施此种形式的退火的一个关键挑战在于潜在的大量晶圆内部温度不均匀性，其因IC芯片特征造成光学性质和热力学性质的空间变异所引起。此种负面效应称之为“图案密度效应”或简称为“图案效应”。 
在LSA的一个范例中，一红外光雷射导引具有一P-偏振且以接近或等于布鲁斯特角（Brewster angle）之入射角入射至晶圆表面之一单一激光束，以最小化反射以及因此而引起的任何晶圆内温度不均匀性。红外光波长可减少源自于图案之光学干涉效应，因其具有相较于膜厚（例如1微米或更小的级数）之相对长的波长（例如10.6微米）。入射的布鲁斯特角已知为一表面之最大吸收角，且可最小化因为IC芯片特征，包含用于IC芯片制造过程中之各种不同的薄膜迭层，所引起的光线吸收。 
此种单光束处理在很多IC芯片以及电路布局上可以作用的非常良好。然而，对某些IC芯片特征以及对于包含大特征之布局来说，因为具有不同光学性质之两相邻区域之间的边界处的光学绕射所造成的温度超越（temperature overshoot）已被观察到。其减少了可用来活化相邻区域中之掺质的最大退火温度。 
图1为具有晶圆体9以及晶圆表面12之先前技术硅晶圆10的剖面放大示意图。图1之晶圆10包含一特征，其为形成于晶圆体9内且相邻于晶圆表面12之氧化物区域（例，氧化物隔离垫）16。氧化物区域特征16在晶圆体9内定义一氧化物-硅接口17，且构成一例式的晶圆结构或特征。图2为标准化强度对距离x（μm）的曲线图，所述距离自界面17起算。该曲线图显示图1中晶圆10剖面，在根据先前技术之单激光束退火下的仿真光学强度分布。所述模拟使用波长为10.6μm，以接近或等于硅基板之布鲁斯特角θB(i.e.,θ≈θB≈75o)入射之P-偏振二氧化碳激光束LB（参照图1）。图2之强度曲线显示出十分强的强度波动出现在邻接于界面17之晶圆体9内。此种波动的周期性与激光束LB的入射角有关，且典型地为波长的一小部分。 
因为热扩散，晶圆部分内之相对应的温度分布比强度分布平滑，毫秒雷射退火之典型的热扩散长度为100μm。然而，在界面17的温度仍旧高于晶圆体9其他地方的温度。此种温度差异称之为边缘温度超越ΔTedge。此温度超越可能导致接近晶圆10之特征16处的边缘损伤。 
发明内容
本发明之概念包含使用分具不同波长之双激光束以执行雷射退火之系统与方法。本发明之其他概念使用具有相同波长但不同配置之双激光束，例如至少其中一者具有不同偏振，不同入射角以及不同入射平面。所述系统与方法改善在退火过程中的晶圆表面的温度不均匀性。对于退火温度因会产生滑动而受限的晶圆，本发明所述之双光束退火系统与方法可用以增加其不会导致滑动之最大退火温度。 
在半导体晶圆上之量测指出，晶圆表面反射率可能以晶圆表面位置与雷射波长、偏振、入射角以及入射平面方位等所构成之函数而巨大地改变。此处所记载之双波长退火处理在某些情况下可以明显补偿反射率差异且因而改善退火温度不均匀性，即使在个别IC芯片中。 
使用本系统与方法以改善芯片内部温度不均匀性（相较于传统单 光束退火处理），当退火中的晶圆具有以在红外光波长下会导致高表面反射率之材料所形成之装置时特别有用。在此种情况，二激光束的强度比可以优化或可以以晶圆表面位置之函数来调整以达到最小光学吸收对比，进而使退火温度均匀性获得改善。 
因此，本发明之概念包含结合第一激光束与第二激光束以在集成电路制造中执行半导体晶圆之雷射退火之系统与方法。第一激光束为P-偏振之红外光激光束，其以等于或接近硅之布鲁斯特角（约75度）入射晶圆表面，第一激光束为一预热激光束，其加热晶圆表面至典型地约摄氏数百度内之一中间温度或者是目标尖峰退火温度。第二激光束可以是红外光，可见光或一UV激光束。第二激光束可以具有与第一激光束相同的波长，但必须具有不同的配置。所谓不同的配置例如不同的偏振、不同的入射角与不同的入射面等至少其中一者。如果第二激光束具有明显不同于第一激光束之波长，则其可具有实质相同的光束配置，也就是说可以位在相同的入射平面以极具有相同或接近的入射角。当然，第二激光束仍然可以具有与第一激光束不同的波长以及不同的配置。第二激光束可以自接近垂直于晶圆表面或与晶圆表面夹一大角度，例如布鲁斯特角θB或更大，等入射晶圆表面的任一处。第二激光束用以加热晶圆表面至一退火温度TA，在一范例中，其仅稍低于晶圆的熔化温度。在一范例中，第二激光束增晶圆表面温度在200°C与800°C之间。第一激光束与第二激光束个别地在晶圆表面形成第一线影像与第二线影像。在一范例中，第一线影像包围第二线影像，亦即第二线影像落在第一线影像之中。第一线影像与第二线影像同步地移过晶圆表面。所述移动可以藉由移动晶圆、移动线影像或藉由上述二者移动方式的结合。 
本发明之第二概念为结合双激光束以改善前述退火温度均匀性之方法，且更包含根据在预热波长及退火波长下的反射率地图来对晶圆表面的一部分执行退火。因此，本方法包含量测晶圆表面至少一部分的个别对于预热波长λ1与退火波长λ2的反射率，以获得第一反射率地图与第二反射率地图。然后，使用第一与第二反射率地图，所述 方法也包含使用第一雷射光强度I1与第二雷射光强度I2对晶圆表面退火，其相较于使用单一雷射光退火可减少晶圆表面温度变异。在一实施例中，第一激光束强度I1以及第二激光束强度I2随着晶圆表面位置所构成之函数，以相较于仅使用单一激光束可减少或者最小化晶圆表面温度变异的手段而改变。 
本发明之第三观念定义二激光束的强度I1与I2以减少或缓和大特征附近的边缘损伤或者晶圆表面的滑动。在一范例中，第二激光束的强度I2透过对测试晶圆于第二强度之范围中执行实验来选择，并且建立与减少或最小化边缘损伤之一总量或一滑动产生温度阈值相链接之第二强度。边缘损伤的总量或者测试晶圆的滑动产生藉由检测来决定，例如藉由光学显微镜检测。 
本发明额外的特色和优点会进一步详述如后，其系所属技术领域中具有通常知识者根据以下详细说明、申请专利范围及所附图式所能容易理解或者是藉由实施本说明书的技术内容而能得知。 
虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神所作些许之更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。 
以下所提出的申请专利范围构成说明书的一部分，特别是构成以下提出的详细说明的一部分。 
附图说明
图1为先前技术硅晶圆的剖面放大示意图，其包含形成于一晶圆体内且相邻于一晶圆表面之一氧化物区域，且显示一扫描退火激光束穿过晶圆表面； 
图2为标准化强度对距离之曲线图，所述距离系自图1之氧化物-硅接口处深入晶圆体内的长度，图中绘示了根据先前技术之雷射退火过程中之晶圆体局部内的仿真雷射光学强度分布，同时也显示了可能造成在氧化物区域边缘处的晶圆边缘损伤的边缘温度超越ΔTEDGE； 
图3为本发明一例示雷射退火系统之示意图； 
图4A为一例示雷射退火系统或一例示晶圆反射率量测系统之正视图，绘示了预热激光束（第一激光束-源系统）与退火激光束（第二激光束-源系统）之不同配置； 
图4B为根据图4A之一示意图，其绘示预热激光束之第一入射平面与退火激光束之第二入射平面，分别被定义为X-Z平面与Y-Z平面。 
图5A为一例示之形成于晶圆表面上的理想化预热及退火线影像俯视示意图； 
图5B与图5C为例示之预热线影像与退火线影像沿Y方向（图5B）与X方向（图5C）之强度曲线示意图； 
图5D绘示晶圆表面温度TS（°C）对时间（毫秒）的曲线图，也显示预热与退火激光束所产生之一典型晶圆表面温度曲线； 
图5E为一例示晶圆之俯视图，其包含一放大插图绘示包含IC芯片之晶圆表面之一例示区域RW，也包含一第二放大插图绘示IC芯片内之一例示晶圆特征（氧化物区域）； 
图6A与图6B系一例示晶圆表面之一部分之二维（x,y）灰阶反射率地图，其在预热波长λ1(图6A)以及退火波长λ2(图6B)下量测； 
图7A与图7B系分别根据图6A与图6B之反射率R对位置x（mm）（即一维反射率地图）的曲线图，其沿着白色虚线A-A’所绘制； 
图8A与图8B类似于图6A与图7A，显示了二维（x,y）反射率地图以及反射率对位置的曲线图（即一维反射率地图），其沿着根据10.6微米之红外线预热波长以及0.85微米（850nm）之退火波长之组合之一中心线所绘制； 
图9为一直方图，其比较了测试晶圆在三种不同布局区域下，使用传统单光束退火（白色长条）以及本发明之双光束雷射退火系统与方法（黑色长条）所观测出之边缘损伤阈值温度TDT；及 
图10为使用传统退火以及本发明之双光束雷射退火系统与方法所量测出之滑动阈值温度曲线图。 
具体实施方式
兹以不同实施例与图式详细地说明本发明。各图式中，相同或相似的标号用以指相同或相似的组件。图式并非必然按照真正比例绘制，所属技术领域中具有通常知识者当可轻易理解图式仅在说明发明的关键概念。在某些图中，直角坐标轴系提供以作为参考之用，并非用以限制本发明所述之系统与方法于一特定方位。以下所提出之申请专利范围构成本说明书的一部分。 
在以下讨论中，“半导体基板”以及“晶圆”系同义字而可互换。类似的，“半导体晶圆表面”以及“晶圆表面”也是同义字而可互换，“晶圆表面”一词系为“半导体晶圆表面”一词的简写。例如在集成电路装置制造中，“晶圆”一词系“半导体晶圆”一词的简写。一例示的晶圆为硅晶圆。 
图3为本发明之一例示雷射退火系统（后称系统）100之示意图。图4A为一例示系统之正视图。图4A中的系统100也可以是晶圆反射率量测系统100RM，如下所讨论。 
请参照图3，系统100包含晶圆平台120，其可操作地支撑具有一上表面132之一载台130。晶圆平台120系设置以于X-Y平面移动以及可选择地于Z方向移动。载台之上表面132系设置以可操作地支撑一晶圆10，晶圆10具有一晶圆体9以及一平面11。平面11可操作地支撑一图案化晶圆表面12。晶圆表面12可具有任何与制造IC芯片或IC芯片特征之各个制程阶段有关的图案（例如，见以下会介绍与讨论之图5E中的晶圆特征16）。 
在一实施例中，载台130被加热以致于晶圆10可以被预热。晶圆平台120可操作地连接于一平台控制器124，且载台130可操作地连接于一载台控制器134。 
请参照图3与图4A，系统100也包含一第一光束源系统150，其在一例示例中被设置以产生具有一第一波长λ1之一第一光束168。在一实施例中，第一光束168为具有一第一强度I1之一激光束，且被用 以预热晶圆表面12，其将晶圆表面温度TS加热至500°C至1100°C之范围中，上述温度低于约为1300°C之晶圆退火温度TA。 
在另一实施例中，系统100构成或者是被用作为一反射率量测系统100RM，且第一光束168系窄频光，位在用以退火之红外线处理波长的中心，且被用以量测如下所述之在第一波长λ1下之晶圆表面12之一第一反射率R1(x,y)。如以下所述，一开始系先导向雷射退火，接着才是反射率量测。为了方便，之后的第一光束源系统150均称为预热雷射系统150，且第一光束168也称为预热激光束168。 
一例示预热雷射系统150包含一预热雷射160以及一预热光学系统166，预热光学系统166定义一第一光轴A1。预热雷射160可包含一二极管雷射或二氧化碳雷射，例如一连续波（continuous-wave,CW）P-偏振10.6微米之二氧化碳雷射。轴A1可以被导向以使预热激光束168以一入射角θ1入射晶圆表面12，入射角θ1系在接近垂直（0度）至一大倾斜入射角，例如硅之布鲁斯特角，或者更大。在一实施例中，第一光轴A1具有实质上等于硅之布鲁斯特角之一角度θ1，因此前述来自于非均匀光吸收之图案密度效应被减少或最小化。 
预热光学系统166用以接收一初始预热激光束162，其由预热激光束168所形成。预热激光束168一般沿着第一（预热）光轴A1传播且在晶圆表面12上形成一第一（预热）线影像170。 
图5A为一例示之形成于晶圆表面12上的理想化预热线影像170之俯视示意图。图5B与图5C为例示之预热线影像沿Y方向（图5B）与X方向（图5C）之强度曲线170P示意图。强度曲线170P对应于在晶圆表面12之预热激光束168，且例如藉由强度高于一特定阈值强度ITH来定义预热线影像170。预热线影像170系显示为沿垂直于扫描方向（X方向）之长方向（Y方向）上具有一中心线或轴C1。如图5A之大箭头所指，预热线影像170以一速度VS在X方向上扫描。 
预热激光束168典型地在扫描方向上具有一高斯强度曲线，且在长度方向上（交叉于扫描方向）具有一相对平坦的轮廓。预热激光束168（用以形成预热线影像170）之一例示光束宽度W1（定义为高斯 曲线之半强度全宽（FWHM））约在0.05mm至2mm之范围中。预热激光束168（用以形成预热线影像170）之一例示光束长度L1典型地在大约5mm至大约20mm之范围中。在一实施例中，预热激光束168的扫描及其相对应的预热线影像170具有一相关联的热扩散长度（距离）深入晶圆10内约30微米至约500微米之范围中。 
请再次参照图3与图4A，系统100也包含一第二光束源系统250，其产生一第二光束268。在一实施例中，第二光束268为具有强度为I2之一第二激光束，且用以对晶圆表面12上被预热激光束168（及可选择地被加热晶圆载台130）所预热的部分进一步加热，因而晶圆表面温度TS局部地上升且尖峰触及退火温度TA，在一范例中，退火温度恰好低于晶圆的熔点TMELT。第二光束268在以下的部分也称为退火激光束268。 
图5D绘示了在晶圆表面12上之一给定位置的晶圆表面温度TS（°C）对时间（毫秒）的曲线图，且显示了当光束经过该位置时，预热激光束168及退火激光束268所产生之典型晶圆表面温度曲线。温度T0为对晶圆表面12施加预热激光束168或退火激光束268前之基本晶圆表面温度。TPH为预热激光束168所产生之预热晶圆表面温度，ΔTS为退火激光束268所造成之从预热晶圆表面温度TPH至退火温度TA的表面温度增加量。图5D中的曲线图的数据根据在扫描方向上宽于退火激光束268之预热激光束168。这用以在退火激光束进一步加热晶圆表面至一退火温度TA前，预热晶圆至一中间（预热）温度。 
在另一实施例中，第二光束268为窄频光束，位在用以第二光束268之一处理（第二）波长λ2的中心，且被用以量测如下所述之在第二波长λ2下之晶圆表面12之一第二反射率R2(x,y)。如以下所述，一开始系先导向雷射退火，第二光束源系统250于后亦称之为退火雷射系统250且至少一第二光束268称之为退火激光束268，除非有特别注记。 
在一范例中，退火雷射系统250包含退火雷射260，其产生初始退火激光束262。第二光束268之第二波长λ2称之为退火波长，且可 以是任何波长，其可再晶圆表面12被预热后加热晶圆表面12。例示退火波长包含红外线、可见光或紫外光波长。 
退火雷射系统250也包含一退火光学系统266，退火光学系统266沿一第二（退火）光轴A2，可操作地相对于退火雷射260而设置。一例示退火光学系统266包含一光束塑形光学系统266A，一折镜FM1、一可调光圈267、一投射光学系统266B以及选择性的另一折镜FM2。退火光学系统266系设置以接收来自于退火雷射260之初始退火激光束262并且进而形成退火激光束268。退火激光束268在晶圆表面12形成相对于预热线影像170之一第二（退火）线影像270，因而使前述退火发生。在一实施例中，第二（退火）光轴A2具有相对于晶圆表面12之一入射角θ2，其等于或接近硅的布鲁斯特角，虽然任何合理的入射角均可使用于第二光轴A2。 
在一实施例中，退火激光束268的强度I2被选择以升高晶圆表面12的温度200°C至800°C，其取决于预热温度TPH。在一实施例中，强度I2系将晶圆表面温度自预热晶圆表面温度TPH升高至退火温度TA，退火温度TA之其中一例示情况恰好低于硅的熔点。 
图5A也包含例示之形成于晶圆表面12上之相对于预热线影像170之理想化退火线影像270的俯视示意图。图5B与图5C也包含退火激光束268之例示强度曲线270P于X方向与Y方向之剖面的强度曲线示意图。强度曲线图270P定义退火线影像270，例如，藉由强度高于阈值强度ITH。退火线影像270在Y方向上具有一长度L2，以及在X方向上具有一宽度W2。 
图5E为一例示晶圆10之俯视图，其包含一放大插图绘示晶圆表面12之一例示区域RW。例示区预RW包含多个IC芯片15，其以一间隔13，例如切片区域或者用来形成IC芯片切割之用的切割道，而彼此间隔设置。例示晶圆特征16也显示于一机体电路芯片内。例示晶圆特征16为IC芯片15内部的金属化线路，金属化线路沿Y方向。 
沿扫描方向之强度曲线270P典型地具有一高斯分布型态。在一实施例中，退火线影像270的宽度W2由呈高斯分布之强度曲线图 270P之Y方向剖面之FWHM来定义。典型的宽度W2在50微米至500微米之范围中。在一实施例中，退火线影像270的长度L2实质上相同于预热线影像170的长度L1。 
请再参照图3至图4A，系统100包含一第一光侦测器280，其相对晶圆表面12而设置，以侦测反射自晶圆表面之一反射激光束168R。第一光侦侧器280产生一电子讯号SD1代表所侦侧到之反射激光束168R的强度。在一例示光侦侧器中，包含被冷却（例如热电致冷或液态氮致冷）之红外线侦测器。 
系统100也包含一第二光侦侧器290，设置以侦测来自晶圆表面反射或散射之光束268RS。在一实施例中，第二光侦侧器290包含一体成型球体292，以及包含可操作地连接至一体成型球体292且与一体成型球体292内部光学联络之光学二极管294。第二光侦侧器290产生一电子讯号SD2代表所侦测到之反射及散射光束268RS之强度。需注意的是，若一短波长退火雷射260被用来产生退火激光束268，来自图案化晶圆表面12的退火激光束268的总散射量可能相当高。因此，在一实施例中，一体成型球体292被用来控制反射与散射的激光束268RS。 
系统100更包含一系统控制器300电性连接于平台控制器124、载台控制器134、预热雷射160、退火雷射260、可调整光圈267、以及第一与第二光侦侧器280与290。在一实施例中，系统控制器300包含一计算机或类似机器，其可用于（藉由指令，例如内建于计算机可读取或机器可读取之软件）使控制器控制系统100之不同组件的操作。系统控制器300包含一处理器单元（处理器）302以及一内存单元（内存）304。一例示的控制器300为或者包含一计算机，所述计算机具有一处理器以及包含一操作系统，例如Microsoft WINDOWS或LINUX。 
在一实施例中，处理器302为或者包含任何处理器或任何装置可以执行一系列的软件指令，且非限制地包含一般或特殊用途的微处理器、有限状态机、控制器、计算机、中央处理单元（CPU）、现场可编 程辑门阵列（FPGA）或数字信号处理器。在一例示例中，处理器为一Intel XEON或PENTIUM处理器，或一AMD TURION，或其他由AMD公司、Intel公司或其他半导体处理器制造商所生产之此一系列的处理器。 
内存304可操作地连接于处理器302。如同在此所使用的，内存一词指任何处理器可读取的媒介，包含但不限于RAM、ROM、EPROM、PROM、EEPROM，磁盘，软盘，硬盘，CD-ROM，DVD或类似装置等，可于其中储存可被处理器所执行之一系列的指令。在一实施例中，系统控制器300包含一磁盘驱动器306，用以搭配于一可移除之处理器可读取的媒介308，例如CD-ROM、DVD、随身碟或其他类似的储存媒介。 
本处所指的雷射退火方法可在不同实施例中被包含机器可读取指令（例如计算机程序及/或软件模块）之一机器可读取媒介（例如内存304）所执行，以使系统控制器300藉由控制系统100的操作来执行此处所述的退火方法。在一实施例中，计算机程序由处理器302从内存304中执行。 
计算机程序及/或软件模块可包含多个模块或对象以执行本发明之不同的方法，且控制系统100以及反射率量测系统100RM中不同组件的操作与功能。用来编码的计算机程序语言形式范围可从程序式编码型式语言到面向对象语言。档案或对象不需一对一地对应于模块或所述方法步骤。此外，方法与系统可包含软件、硬件以及固件的组合。固件可以下载至处理器302中以执行本发明所述之不同实施例。 
改良表面温度均匀性 
本发明使用双光束雷射退火系统与方法的其中一优点系改良晶圆表面12的温度均匀性，其藉由减轻前述的负面图案密度效应，负面图案密度效应具体来说造成晶圆表面的反射率变异。如上所述，对某些装置例如内存芯片而言，晶圆表面12可能包含在长波长下具有高反射率以及短波长下具有较低反射率之材料以及特征16，所谓长波长关连于预热激光束168，短波长关连于退火激光束268。因此，预热激光 束168以及退火激光束268可被用来减少光学吸收对比，因而在退火过程中提供较均匀的温度分布。 
本发明之方法的实施例包含根据晶圆表面12之至少一部份的反射率性质来个别地选择预热激光束168以及退火激光束268的强度I1及I2，以达到改善晶圆10之退火温度均匀性。在一实施例中，强度I1及I2的选择以最大地减少在退火过程中晶圆表面的温度变异为目的来完成。 
在一实施例中，比值RI=I1/I2被用作为优化退火过程以在退火过程中于晶圆表面12上达成一减少的或最小化的温度变异。在一实施例中，强度I1及I2在扫瞄过程当中，根据晶圆表面12之至少一部分之第一与第二反射率地图来改变。在一实施例中，所述改变至少在退火线影像268P的尺度范围内被实现，因此退火线影像的强度在其长度之内并没有改变。一般来说，强度I1及/或I2之任何改变的频率，在预热波长λ1以及退火波长λ2之下，是缓慢地相较于晶圆表面反射率的空间频率来改变。 
在另一实施例中，强度I1及I2保持不变，且代表为了在退火过程中减少或最小化晶圆表面温度变异，于特定反射率地图下的最佳强度选择。最佳选择方法之一实施例绘示于如下所述之图8A与图8B。 
晶圆表面12之至少一部分之反射率可以透过上述使用预热激光束168以及退火激光束268之系统100来量测。更一般地说，晶圆表面12之至少一部分的反射率可以透过使用第一及第二光束168与268（无论是雷射或者是非雷射）之反射率量测系统100RM来量测，第一及第二光束之波长相同于用来对晶圆退火之预热及退火波长λ1及λ2。以下所讨论藉由例示的方式说明使用预热及退火激光束168及268的方式来量测晶圆表面12的反射率。用来建立在预热及退火波长λ1及λ2下之晶圆表面12之至少一部分的第一及第二反射率地图的典型雷射功率不需要与退火功率一样高，且可以在毫瓦的等级内。 
请参照图4B，在一实施例中，预热激光束168以及退火激光束268个别地位在第一及第二入射平面IP1以及IP2，第一及第二入射平 面彼此相互垂直。特别是，第一入射平面IP1被定义在X-Z平面，第二入射平面IP2被定义在Y-Z平面。反射的第一光束168R沿一反射路径被第一光侦测器268所侦测。反射以及散射激光束268RS被第二光侦测器290所收集。系统控制器300控制晶圆平台120在晶圆表面12之一定义区域实施X-Y扫描，在一范例中涵盖了一整个IC芯片15。个别来自光侦测器280以及290之侦测器讯号SD1以及SD2以（x,y）晶圆轴的函数的方式产生，且被提供至系统控制器300。藉由知道第一光束168以及第二光束268的强度I1及I2，以及藉由量测个别反射第一光束168R以及反射与散射激光束268RS之反射强度I1’及I2’，在晶圆表面12上之一给定x-y位置的反射率可以被例如处理器302来决定。 
因此，反射率数据自晶圆表面12被收集而成为x-y轴的函数，进而产生晶圆表面12之至少一部分之反射率地图R1(x,y)及R2(x,y)。在一实施例中，在第一与第二光束168及268之波长下具有高反射率之一校正晶圆，例如涂覆金属之硅晶圆，被用以校正反射率量测。如上所述，晶圆表面12之反射率比对可以在一真正的LSA退火系统或在一分离的度量系统例如量测系统100RM来实现。 
图6A与图6B为反射率等高线图，其代表一例示晶圆表面12之一部分之二维（x,y）灰阶反射率地图，所述反射率地图在预热波长λ1(图6A)以及退火波长λ2(图6B)下量测。图7A与图7B分别根据图6A与图6B之等高线图，沿着线A-A’所绘制之位置的函数的反射率曲线图。在预热波长λ1下之较低的反射率区域，显示在退火波长λ2下有较高的反射率，其指出所述二波长的结合可以部分补偿晶圆表面12之反射率变异。 
图8A与图8B类似于图6A与图7A，其显示当第一及第二光束168与268被使用时之反射率地图及插图。二激光束强度I1及I2之比值RI被选择以给予最均匀的吸收。本申请案中，第一及第二光束168及268在晶圆表面12上具有类似尺寸是好的，如此一来每道雷射的退火时间便不会差异太大。 
在一实施例中，最佳的强度比值RI=I1/I2以最小化退火过程中芯片内部温度分布不均匀性来决定。其可以根据以下的晶圆表面温度方程式来评估： 
TS(x,y)=s1·A1(x,y)·I1+s2·A2(x,y)·I2
变量s1以及s2代表晶圆表面温度对吸收强度的灵敏度的系数。这些系数可以透过对未图案化硅晶圆退火，并监测温度而成为所吸收雷射强度的函数。 
参数A1及A2从所量测之反射率地图R1及R2，再藉由以下关系式所计算出之吸收分布： 
A1(x,y)=1–R1(x,y) 
A2(x,y)=1–R2(x,y), 
其中，R1及R2为根据前述方法所量测之反射率地图。当一体成型球体292被使用时，所量测的反射率地图也包含散射分布。 
在上述实施例中，具有不同于第一光束168之波长的第二光束268被用以产生一吸收分布，以部分补偿与第一光束相关连的吸收差异。因为光学吸收也会随着相对于晶圆表面12上之特征16（例如IC芯片电路布局）之入射平面的入射角、偏振以及方位而改变，第二光束268可用来改善吸收均匀性且因而改善退火温度均匀性。第二光束268具有a)相同波长以及不同入射角、偏振以及入射平面方位等之至少一或多个，或者具有b)不同的波长以及相同或不同的方位，可以被用来改善吸收均匀性以及因而改善退火温度均匀性。 
在一实施例中，考虑晶圆表面12具有IC芯片15，其布局具有特征16，特征16具有x方向与y方向的金属栅栏。具有栅栏线平行于入射平面（假设为p-偏振）之特征16相较于具有栅栏线垂直于入射平面的情况，具有较高的反射率。在这种情况下，第二光束268可以具有与第一光束168相同的波长、入射角以及偏振，但是其入射平面必须是与第一光束的入射平面正交。 
个别的第一光束168的强度以及第二光束268的强度也可被优化以减少边缘温度超越以及改善边缘损伤的阈值。图9为直方图，其比 较了测试晶圆上三个不同布局区域A、B与C的边缘损伤阈值温度TDT(°C)，其分别使用单光束退火（白长条）以及本发明所述之双光束退火系统与方法（黑长条）。相较于先前技术所使用的单光束退火方法，双光束退火系统及方法提供大约40°C的边缘损伤阈值温度TDT的改善（亦即图中所示的ΔTDT≈40°C）。 
使用本发明所述之双光束雷射退火系统与方法来预热晶圆表面12之一个额外优点是较少的升温速率以及较少的热梯度，其可用以减少硅基板10的滑动产生。图10为滑动阈值温度Tslip(°C)对预热激光束168的温度TPH，其中也包含了如“none”所示之没有使用预热激光束的情况的温度。雷射退火实验在布植有硼（布植量：2x1015cm-2；能量：5keV）之纯硅晶圆上执行。滑动阈值藉由光学显微镜检测来决定。相较于”none”的范例（亦即先前技术之单光束退火），因为增加了预热温度，所以明显的滑动阈值温度Tslip的改善可被观察到。 
退火方法 
一旦晶圆10之第一与第二晶圆表面反射率地图R1(x,y)及R2(x,y)如上所述般被建立起来，在此所揭露之方法包含使用系统100对晶圆退火，其藉由根据第一与第二晶圆表面反射率地图选择预热及退火激光束强度I1及I2来对晶圆退火，因而退火制程的不均匀性在相较于先前技术之单光束退火的情况下是被减少的。 
因此，请再参照图3以及其中的系统100，在一实施例中，系统控制器300发送一第一控制讯号S1至预热雷射160。预热雷射160因而产生初始预热激光束162。此初始预热激光束162被预热光学系统166所接收，因而形成强度为I1之预热激光束168。预热激光束168一般沿着第一光轴A1传播，且形成预热线影像170于晶圆表面12上。 
系统控制器300也传送一第二控制讯号S2至退火雷射260，退火雷射260因而产生初始退火激光束262。此初始退火激光束262被退火光学系统266所接收，因而形成具有强度为I2之退火激光束268。退火激光束268形成相对于预热线影像170之退火线影像270，因而前述局部晶圆表面退火发生。 
系统控制器300也发送一第三控制讯号S3至平台控制器124以相对于预热及退火线影像170及270移动（扫描）。在一实施例中，载台130提供晶圆预热，系统控制器300也可以传送一第四控制讯号S4至载台控制器134以启动晶圆预热制程。系统控制器300可选择地传送一第五控制讯号S5至可调整光圈267以可选择地设定退火线影像270的长度L2以及宽度W2。如上所述，在一范例中，预热及退火强度I1及I2于晶圆退火过程中保持常数。于另一范例中，在预热及退火激光束168及268之扫描中，至少一预热强度以及一退火强度是会改变的，前述预热及退火激光束168及268系根据储存于系统控制器300中的第一及第二反射率地图R1(x,y)及R2(x,y)。在一范例中，预热强度I1以及退火强度I2的调致，至少其中一者系根据各反射率地图R1(x,y)及R2(x,y)的反射率量测的平均值。 
预热线影像170的驻留时间tD藉由线影像宽度W1对扫描速率VS的比值来给定。在一范例中，驻留时间在100微秒至20毫秒之范围中100μs≤tD≤20ms。 
在上述讨论中，第一激光束168具有一长波长，实质上被导向在入射的布鲁斯特角上，且被用为预热光束。而第二激光束则具有一较短的波长或者是近似的波长但具有相同配置，且被用作为退火激光束。本发明其他实施例包含使用长波长雷射光光束作为退火激光束以及短波长激光束作为预热光束。 
本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神所作些许之更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。 
【符号说明】 
9       晶圆体 
10      晶圆 
11      平面 
12      晶圆表面 
13      间隔 
15      IC芯片 
16      晶圆特征 
100     雷射退火系统 
100RM   晶圆反射率量测系统 
120     晶圆平台 
124     平台控制器 
130     载台 
134     载台控制器 
132     上表面 
150     第一光束源系统/预热雷射系统 
160     预热雷射 
162     预热激光束 
166     预热光学系统 
168     第一光束/预热激光束 
168R    反射激光束 
170     第一线影像/预热线影像 
170P    强度曲线 
250     第二光束源系统/退火雷射系统 
260     退火雷射 
262     退火激光束 
266     退火光学系统 
266A    光束塑形光学系统 
266B    投射光学系统 
267     可调整光圈 
268     第二光束/退火激光束 
268RS   反射或散射之光束 
270     第二线影像/退火线影像 
270P    强度曲线图 
280     第一光侦测器 
290     第二光侦测器 
292     一体成型球体 
294     光学二极管 
300     系统控制器 
302     处理器单元 
304     内存单元 
306     磁盘驱动器 
308     媒介 
A1      第一光轴/预热光轴 
A2      第二光轴/退火光轴 
FM1     折镜 
FM2     折镜 
IP1     第一入射平面 
IP2     第二入射平面 
RW      例示区域 
SD1     电子讯号 
SD2     电子讯号 
θ1      第一光轴之入射角 
θ2      第二光轴之入射角 
λ1      第一波长/预热波长 
λ2      第二波长/退火波长。 

Claims (26)

1.一种对具有图案化表面与熔点的半导体基板的退火方法，包括：
量测该图案化表面的一部分，在个别第一波长与第二波长之下的第一反射率地图与第二反射率地图；
使用该第一反射率地图与该第二反射率地图以个别定义具有该第一波长的第一激光束的第一强度以及具有该第二波长的第二激光束的第二强度，于该半导体基板的退火制程中，相较于仅使用该第一激光束或该第二激光束来对该图案化表面的该部分退火，当以该第一激光束与该第二激光束照射该图案化表面的该部分时将减少表面温度变异的总量；及
使用具有该第一强度的该第一激光束与具有该第二强度的该第二激光束个别地照射该图案化表面的该部分，以在不熔化该半导体基板的情况下对该半导体基板退火。
2.如权利要求1所述的方法，更包含：
配置该第一激光束与该第二激光束，以个别地对应于第一入射平面与第二入射平面。
3.如权利要求2所述的方法，更包含相对于该图案化表面的该部分扫描该第一激光束与该第二激光束。
4.如权利要求3所述的方法，更包含：
该第一强度足以预热该图案化表面的该部分至预热温度，该预热温度该熔点且低于退火温度，该退火温度低于该熔点；及
该第二强度足以将该图案化表面自该预热温度加热至该退火温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中该第一波长为红外光，该第二波长不同于该第一波长。
6.如权利要求1所述的方法，更包含：
该第一激光束于该图案化表面定义预热线影像；
该第二激光束于该图案化表面定义退火线影像；及
其中该退火线影像完全落在该预热线影像之内。
7.如权利要求6所述的方法，更包含提供该预热线影像以及至少一该退火线影像，使其具有一长度，该长度相同于该图案化表面的一区域的尺寸。
8.如权利要求1所述的方法，更包含于照射该图案化表面的该部分时，改变该第一强度与该第二强度的至少其中一者。
9.如权利要求1所述的方法，其中该图案化表面的该部分包含晶圆特征，且其中该第一强度与该第二强度更被定义以最小化下列至少其中一者i)与该晶圆特征相关联的边缘损坏及ii)晶圆滑动。
10.如权利要求1所述的方法，其中该第二激光束增加该半导体基板的晶圆表面温度至退火温度，其中该半导体基板的晶圆表面温度的增加总量在200°C至800°C的范围中。
11.如权利要求10所述的方法，其中该退火温度实质上为1300°C。
12.如权利要求1所述的方法，其中该第一激光束升高该半导体基板的表面温度至500°C至1100°C的范围中。
13.一种对具有一图案化表面与熔点的半导体基板的非熔化退火方法，包含：
于该图案化表面上扫描至少一第一激光束，该至少一第一激光束被设置在第一入射平面且具有第一波长以及可加热该图案化表面至一预热温度的第一强度，该预热温度低于该熔点且低于一退火温度；
于该图案化表面上相对于该第一激光束扫描至少第二激光束，该至少一第二激光束被设置在第二入射平面且具有第二波长以及可将该图案化表面自该预热温度加热至该退火温度的第二强度；及
选择该第一强度与该第二强度以达到该退火温度，同时最小化边缘损坏与滑动的至少其中一者。
14.如权利要求13所述的方法，其中该第一波长为红外光，该第二波长不同于该第一波长。
15.如权利要求13所述的方法，更包含：
该第一激光束于该图案化表面定义一预热线影像；
该第二激光束于该图案化表面定义一退火线影像；及
其中该退火线影像完全落在该预热线影像之内。
16.如权利要求15所述的方法，更包含提供一该预热线影像以及至少一该退火线影像，使其具有一长度，该长度相同于该图案化表面的一区域的尺寸。
17.如权利要求13所述的方法，更包含于该第一激光束与该第二激光束的扫描过程中，改变该第一强度与该第二强度的至少其中一者。
18.如权利要求13所述的方法，该第二激光束增加图案化表面的温度至该退火温度，其中该图案化表面的温度的增加总量在200°C至800°C的范围中
19.如权利要求18所述的方法，该退火温度实质上为1300°C。
20.如权利要求13所述的方法，其中该第一激光束升高该图案化表面的温度至500°C至1100°C的范围中。
21.一种对具有图案化表面与熔点的半导体基板的退火方法，包含：
量测该图案化表面的一部分，在个别第一波长与第二波长之下的第一反射率地图与第二反射率地图；
使用该第一反射率地图与该第二反射率地图以个别定义具有该第一波长的第一激光束的第一强度以及具有该第二波长的第二激光束的第二强度，其最小化表面温度变异的总量；及
使用具有该第一强度的该第一激光束与具有该第二强度的该第二激光束个别地照射该图案化表面的该部分以在不熔化该半导体基板的情况下对该半导体基板退火。
22.一种对具有图案化表面与退火温度的半导体基板进行雷射退火的系统，该图案化表面具有在个别第一波长以及第二波长下的第一反射率地图以及第二反射率地图，该退火温度低于该半导体基板的熔点，包含：
第一雷射系统，设置以产生具有该第一波长与第一强度的第一激光束，并于第一入射平面中以该第一激光束扫描该图案化表面，以加热该图案化表面至一预热温度；
第二雷射系统，设置以产生具有该第二波长与第二强度的第二激光束，并于第二入射平面中以该第二激光束扫描该图案化表面，该第二入射平面相对于该第一激光束的该第一入射平面，该第二激光束用以将该图案化表面自该预热温度加热至该退火温度；及
其中该第一强度与该第二强度根据该第一反射率地图与该第二反射率地图来选择，以在第一激光束与该第二激光束扫描时，相较于仅以该第二雷射光对该晶圆退火，减少表面温度变异的总量。
23.如权利要求22所述的系统，更包含：
该第一激光束于该图案化表面定义一预热线影像；
该第二激光束于该图案化表面定义一退火线影像；及
该第一雷射系统与该第二雷射系统被设置以令该退火线影像完全位在该预热线影像之内。
24.如权利要求22所述的系统，更包含一控制器，可操作地设置以在该第一激光束与该第二激光束扫描时，改变该第一强度与该第二强度的至少其中一者。
25.如权利要求22所述的系统，其中该第一波长为一红外光波长，该第二波长不同于该第一波长。
26.如权利要求22所述的系统，更包含该第二强度足以增加该图案化表面温度至该退火温度，其中该图案化表面温度增加的总量在200°C至800°C的范围中。
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