CN103632938A - 非熔化薄晶片激光退火方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种对薄半导体晶片的退火方法。所述方法允许对薄半导体晶片的一侧进行高温退火而不会损害或过度加热那些位于晶片另一侧或者嵌入在晶片中的热敏感电子器件特征。退火是在低于晶片的熔点的温度下进行，因此在退火过程中不会发生显著的掺杂重新分布的情况。本方法可用于激活掺杂或用于形成欧姆接触。

Description

非熔化薄晶片激光退火方法
技术领域
本发明关于一种在形成集成电路结构时对半导体材料执行的激光退火，且特别是关于对薄半导体晶片执行非熔化激光退火的方法。
背景技术
激光退火（LTA）在半导体制造中有各种不同的应用，包含在形成有源微电路（例如晶体管以及相关形式的半导体特征）时，对形成于半导体晶片中的器件（结构）的选定区域进行掺杂激活。
激光退火的其中一个形式使用来自光束的扫描线图像以加热晶片表面至某一温度（退火温度）持续足以激活半导体结构（例如源极和漏极区域）中的掺杂的时间长度，但也足够短以避免实质性的掺杂扩散。晶片表面处在退火温度的时间取决于线图像的功率密度，以及取决于线图像宽度除以线图像被扫描的速度（扫描速度）。线图像停留在晶片表面某一点的时间称为驻留时间。
对于某些半导体器件应用，有需要对晶片的其中一侧加热，同时保持晶片另一侧的温度低于特定临界温度。一个例子是功率器件，其中背侧的掺杂激活以及接触在前侧器件制造完成之后才实施。另一例子是薄基板太阳能电池，其中前侧需要有高传导性发射极以提高电池效率，且其可通过掺杂与退火来完成。第三个例子是背侧图像传感器，其中场阻光层典型地由高掺杂且激活的层所组成，场阻光层用在背侧以抑制暗电流。
在所有的范例中，需要利用热退火来激活掺杂或者在晶片的一侧上形成接触。所涉及的基板厚度在数个或数百微米的范围内（也即μm），其明显地薄于标准的8英寸到12英寸硅晶片的厚度（即，725微米至775微米之间）。典型的掺杂激活需要高于大约1000℃的退火温度。然而，基板另一侧的最大温度和热预算必须被限制以避免造成与之相关的任何潜在材料整体性以及接合掺杂分布的劣化。
例如，如果在激光热退火之前，金属就已经存在于晶片的第一侧上，则第一侧的最大温度必须保持低于金属的熔点，以便能在相反侧（第二侧）退火时维持良好的物理整体性。
传统快速热退火（RTA）具有秒级的退火时间，其对应于具有数毫米的热扩散长度LD的硅而言。此长度明显大于典型的晶片厚度，也就是说晶片两侧在快速热退火时，都会经历近似的峰值退火温度。因此，快速热退火不适合这种薄晶片应用。
这种薄晶片应用的传统激光退火方法包含使用脉冲熔化激光，其具有数十纳秒至数百纳秒的脉冲长度。对于硅来说，其对应的热扩散长度在大约1微米的等级，其明显小于大多数晶片的厚度。脉冲熔化退火的一个优点是它可以局部加热晶片的一侧至非常高的温度（包含高于硅的熔点温度），而几乎不会有热穿透到另一侧。因此，它可以应用在薄至数个微米的硅晶片。
然而，在脉冲熔化退火相关的纳秒时间框中，掺杂激活仅能在熔化的状态下达成。在熔化的过程中，掺杂可以快速地扩散与重新分布而具有更像箱型的曲线。这种特性在某些应用上可能是优势的，然而对于那些需要维持住精确的掺杂曲线的案例中，这种特性可能不是期望的。特别是，多个结的熔化可能会导致相反极性的掺杂相互混合而减低了结的性能。脉冲熔化退火方法的另一个限制是热穿透的深度。因为短的热扩散长度，很难有效地对深度大于0.5微米的结进行退火。此外，该方法也很难透过退火来消除超出熔化深度处的注入缺陷，这是因为使用纳秒等级的脉冲往往是热预算非常低。
因此，有需要提出一种对薄半导体晶片退火的方法，其令晶片的一侧可以进行有效的非熔化掺杂激活，同时又不会对晶片的另一侧造成有害的加热效应。
发明内容
本发明关于一种对薄半导体晶片的退火方法，其使得高温退火可以在薄半导体晶片的一侧被执行，同时又不会损害或过度加热位在晶片另一侧（或者嵌入晶片中）的热敏感特征或器件。峰值温度低于晶片的熔点所以在退火过程中不会发生明显的掺杂重新分布的情况。本方法可以应用在激活掺杂或形成欧姆接触。
本发明的一方面是一种对具有背侧的半导体产品晶片进行退火的方法，所述背侧具有退火区域，所述产品晶片具有电子器件特征，所述电子器件特征与所述背侧相隔距离d，所述电子器件特征在超过临界温度TC时会被损坏。所述方法包括：以退火激光束扫描过所述背侧，以通过将所述退火区域带到退火温度TA来退火所述退火区域，所述退火温度TA小于所述半导体产品晶片的熔化温度TM。所述扫描步骤具有与其相关的热扩散长度LD，而且还包含以驻留时间来执行所述扫描步骤以使热扩散长度LD满足LD<d，且其中所述电子器件特征被维持低于所述临界温度TC。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述退火区域是离子注入层或接触层。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述驻留时间在3微秒至200微秒的范围内。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述电子器件特征包含金属，且其中所述临界温度Tc在约600℃至约900℃的范围内。
本发明的另一方面是上述方法，还包括通过接合器件晶片与载体晶片来形成所述半导体产品晶片，其中所述器件晶片包含所述电子器件特征。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述退火激光束具有光学吸收长度小于薄晶片厚度的红外波长或可见波长。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述电子器件特征包含CMOS器件层。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述电子器件特征包含半导体功率器件层。
本发明的另一方面是上述方法，还包括对所述背侧的相同部分执行多次扫描，其中在时间上相邻的扫描以时间间隔τ来间隔，且其中1毫秒≤τ≤10秒。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述多次扫描的次数小于等于10。
本发明的另一方面是上述方法，其中5微米≤d≤150微米。
本发明的另一方面是上述方法，其中10微米≤d≤20微米，所述电子器件特征以铝制成，且其中所述驻留时间在约3微秒至约20微秒之间。
本发明的另一方面是，其中5微米≤d≤150微米，所述电子器件特征以铜制成，且驻留时间td在约15微秒至约100微秒的范围内。
本发明的另一方面是一种对产品晶片进行退火的方法。所述方法包括：通过在具有背侧和厚度在5微米至150微米之间的器件晶片的前侧上形成保护结构来形成产品晶片，其中所述前侧包含电子器件特征，所述电子器件在被加热超过临界温度TC时会被损坏。所述方法包括在所述器件晶片的背侧中或背侧上形成退火区域；以及以退火激光束扫描过所述背侧以对所述退火区域执行非熔化退火，其中所述扫描步骤以驻留时间来执行，所述驻留时间定义热扩散长度LD且LD<d，其中所述电子器件特征被维持在低于临界温度TC的温度。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述退火区域是形成在所述背侧内的离子注入掺杂层或形成在所述背侧上的接触层。
本发明的另一方面是上述方法，还包括对所述背侧的相同部分执行多次扫描，其中在时间上相邻的扫描以时间间隔τ来间隔，且其中1毫秒≤τ≤10秒。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述多次扫描的次数小于等于10。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述保护结构包含载体晶片。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述保护结构由单个保护层构成。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述电子器件特征包含金属与CMOS层中的至少一个。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述电子器件特征包含半导体功率器件层。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述驻留时间td在3微秒至200微秒的范围内。
本发明的另一方面是上述方法，还包括将所述驻留时间选择为小于最大驻留时间tdm，所述最大驻留时间由tdm=d2/Deff定义，其中Deff为所述器件晶片的有效热扩散率。
本发明的另一方面是上述方法，其中所述退火激光束具有光学吸收长度小于薄晶片厚度的红外波长或可见波长。
本发明的另一方面是上述方法，其中10微米≤d≤20微米，所述电子器件特征以铝制成，且其中所述驻留时间td在约3微秒至约20微秒之间。
本发明的另一方面是上述方法，其中10微米≤d≤20微米，所述电子器件特征以铜制成，且其中所述驻留时间td在约15微秒至约100微秒之间。
所有本发明引用的文件通过引用而并入。
所提出的权利要求书被并入至本发明的详细描述内且构成本发明的详细描述的一部分。
在本发明中，d用来表示距离或厚度，这两个概念是密切相关的，因而对所属技术领域中具有通常知识者而言是容易理解的。在某些情况下，距离d为晶片厚度，而在更大多数的情况下，距离d是从晶片的背侧至电子器件特征测量的距离，其可以与晶片厚度相同。
附图说明
图1A至图1C为示例产品晶片的不同视角的示意图，所述晶片通过本发明的激光退火系统和方法进行退火；
图2A至图2D示出了四个不同的示例产品晶片的侧视图，各自包含示例产品晶片的剖面放大图；
图3为示例的激光退火装置的示意图，适用于实现本发明的退火方法；
图4为温度(℃)对时间的曲线图，其显示四个不同退火方法的工艺窗口，包含本发明所述的退火方法；
图5为温度对进入薄硅晶片深度的曲线图，并且比较四种退火技术的沿产品晶片的深度温度曲线；
图6A与图6B分别为硼浓度(cm–3)对深度(nm)的曲线图，与（图6B）本发明的非熔化退火方法相比，说明了熔化退火工艺如何导致实质的掺杂扩散以及掺杂曲线中的实质改变(图6A)；
图7为温度对时间的曲线图，其显示在产品晶片背侧某点和电子器件特征所在位置的示例温度曲线；
图8绘示了具有厚度d1与d2的两个产品晶片的温度TB对驻留时间td的曲线图，其中驻留时间td需要低于最大驻留时间tdm以确保TB<TC；
图9为驻留时间td对晶片厚度d的曲线图，其示出了在给定基板厚度的情况下的驻留时间的限制，其以曲线图中的阴影区域表示；
图10为温度对时间的曲线图，其示出在执行多（N）次退火激光束的扫描时，晶片上特定点的一系列N个典型温度曲线；
图11A为漏电流（任意单位,a.u.）对退火扫描次数的曲线图，其示出了漏电流随着扫描次数减少，指出随着多次/连续的退火扫描而增加的缺陷退火；以及
图11B为片电阻RS(ohm/sq.)对退火扫描次数的曲线图，其示出了片电阻如何随着扫描次数增加而减少，其表明被强化的掺杂激活。
具体实施方式
现在详细参考本发明的实施例，随附图式说明所述实施例的实例。在可能时，贯穿所述图式使用相同参考数字及符号来指代相同或相似部分。
某个特定类型的半导体器件的制造方法，例如图像传感器以及高功率器件等，包含使用相对薄的半导体晶片。图1A为示例的产品晶片10的侧视图，其具有定义上表面22的上侧21，以及定义背面24的背侧23。图1A的产品晶片可以被视为上下颠倒的，因为图中的“上表面”21朝下。
图1B示出了示例产品晶片10的形成，其通过器件晶片10a以及载体晶片10b接合而成。器件晶片10a具有前侧12a，电子器件特征34形成于前侧中，因此也可以称为器件侧。此外器件晶片10a还具有背侧14a，其与前侧（器件侧）12a相反。载体晶片10b具有前侧12b，氧化层15形成在前侧12b上。所形成的晶片10在此指称为产品晶片，其通过使器件晶片10a的器件侧12a接合载体晶片10b的前侧12b而成。氧化物层15a作为接合层，其将两个晶片10a与10b接合在一起。因此，载体晶片10b的前侧12b也称为接合侧。示例的器件晶片10a形成自硅基板。
产品晶片10示出于图1C中。于此，器件晶片10a自背侧14a向下研磨以将器件晶片10a的厚度自大约750微米减少至大约5微米至150微米之间的厚度d，如图1C的放大插图所示。氧化层15以及载体晶片10b在上侧21上定义保护结构，以用于保护电子器件特征34，在此处嵌入在产品晶片10中。
图2A近似于图1C且包含插图，该插图显示产品晶片10的示例CMOS器件结构30的较详细的放大截面图。示例CMOS器件结构30为CMOS传感器的形式。具有氧化层15（典型地数个微米厚）的载体晶片10b支撑器件晶片10a，其包含热敏感电子器件特征34。于此，术语“热敏感”指的是电子器件特征34如果被加热到超过临界温度TC，那么就会损坏。
示例的热敏感电子器件特征34包含金属化组件，如图2A所示，其与相邻的CMOS器件层40相接触。接着，CMOS器件层40被厚度为d的薄化的器件晶片10a所支撑，厚度d在5微米至50微米的范围内。在另一示例的功率器件中，厚度d在30微米至50微米的范围内。
在一个范例中，需要被激光退火的薄的离子注入层44形成在薄化的器件晶片10a中相邻于其背侧14a，其定义了表面24。离子注入层44包含用来形成结、减少漏电流或降低接触阻抗的掺杂。适用于硅的示例掺杂为砷、磷、硼、铟、锑等。为了修复注入损害以及激活掺杂，热退火是需要的。此工艺称为背侧结激活。
图2B近似于图2A，其包含接触层54，位于离子注入层44上。接触层54的退火导致硅基板与接触层54之间的合金反应，而形成欧姆接触，其称为背侧接触退火。接触层54典型地由薄膜金属堆叠所构成。用来形成接触层54的示例金属包含Ti、Ni、Co、W、Al、Cu、Au、Pt等。接触层54的激光退火可以被用来形成金属硅化物以及降低接触层54的接触阻抗。
接触层54的退火也可以帮助激活接触层54下方的掺杂的离子注入层44。然而在这种情况下的最大退火温度可能受限于硅化物的劣化或者金属薄膜堆叠的损伤，因而掺杂激活可能不如图2A配置的产品晶片10那样优化。替代方案是施加激光退火两次（接触层54沉积前与沉积后）以单独优化掺杂激活以及接触的形成。
图2C近似于图2A，不同之处在于产品晶片10并非通过将器件晶片10a与载体晶片10b接合而成。而是，为器件晶片10a提供了保护层19，保护层19覆盖相邻于器件晶片10a的前侧12a以形成产品晶片10的上侧21。图2D与图2C相同，不同之处在于其包含近似于图2B所示的接触层54。例如，当以卡盘110（见图3）支撑产品晶片10时，为了避免损害电子器件特征34，使用了保护层19。示例的保护层19包含二氧化硅以及氮化物。因此，在一个范例中，保护结构17由保护层19构成。
在示例的CMOS器件结构30中，器件晶片10a的电子器件特征34位于与器件晶片10a的背侧14a相隔5微米至150微米的距离处，器件晶片10a的背侧14a通常没有被图案化。因此，在范例中，器件晶片10a的背侧14a定义平坦且没有被图案化的产品晶片10的背面24，使其可作为良好的退火表面。
图2A至图2D均显示了退火激光束80，其扫过产品晶片10的背侧23，以实现本发明的非熔化激光退火。产品晶片10的背侧23包含退火区域，例如离子注入层44或接触层54，而热敏感电子器件特征34则是位于与器件晶片10a的背侧14a相隔距离d处。退火区域需要以不会损害位于距离d外的热敏感电子器件特征的方式来退火，其中d在5微米至150微米的范围内。
图3示出了示例的激光退火系统100，其可用来执行本发明的非熔化激光退火。示例的激光退火系统100可被用来实现申请号为61/658086，名称为“Laser annealing systems and methods withultra-short dwell times”的美国临时专利申请公开的非熔化激光退火方法。请参照图3，激光退火系统100包含扫描激光系统150以及支撑产品晶片10的卡盘110。在一个例子中，卡盘110被冷却。在另一个例子中，卡盘110是可移动的。
扫描激光系统150包含激光器151，激光器151沿着第一轴A1朝向扫描镜162的方向产生初始激光束80’，扫描镜162可操作地连接于镜驱动器164。扫描激光系统150包含聚焦镜166，其沿第二轴A2的方向配置，第二轴A2基本上与第一轴A1垂直。第二轴A2与第一轴A1交会于扫描镜162处，且与产品晶片10的背侧23以大体上的直角相交。聚焦镜166具有数值光圈NA。在一个例子中，激光器151产生红外线光，因而退火激光束80包含红外波长。
在另一个例子中，激光器151产生可见光80’，因而退火激光束80包含可见波长。光80’的可见波长对于非常薄的基板来说是优选的（例如d<30微米），这是因为具有较短的光学吸收深度。一般而言，光学吸收深度小于薄晶片的厚度是期望的。
准直透镜168被示出为相邻于激光器151，且接受与准直来自激光器151的发散的激光光线80’。准直后的激光光线80’被扫描镜162反射至聚焦镜166，聚焦镜166聚焦准直后的激光光线80’以形成聚焦后的退火激光束80。聚焦后的退火激光束80随后在产品晶片10的背侧23上形成线图像82。扫描镜162的移动致使退火激光束80以及线图像82快速地移动过产品晶片10的背侧23，如箭头AR2所指。在一个例子中，退火激光束80包含可见波长。
从产品晶片10的背侧23至聚焦镜166的距离为DW。示例的DW值为大约1米，示例的NA值为约0.15。镜驱动器164用以驱动扫描镜162，例如快速地旋转扫描镜162通过选择角度范围，使退火激光束80以及线图像82可以扫过图3中所示的相对应的选择角度范围θ。在一个例子中，角度范围θ被选择以使线图像82可以在产品晶片10的最宽部分处扫过产品晶片10的背侧23从一个边缘到相对边缘。
在一个例子中，退火激光束80简单地从一侧扫到另一侧，而在各扫描之间，产品晶片10沿着交叉扫描的方向移动（例如通过移动卡盘110，如箭头AR3所指），因此在每一次扫描中，线图像82曝光（照射）产品晶片10的背侧23的不同部分，或者至少在相邻扫描中至少覆盖产品晶片10的某些新的部分（也即相邻扫描可以有某些重叠）。一般来说，如果需要，卡盘110可以沿三个维度移动且也可以相对于任何方向转动。在一个例子中，退火激光束80扫描产品晶片10的背侧23的至少一部份。
退火温度由激光功率及退火时间所控制。退火时间由驻留时间所定义，其为激光束（或线图像）宽度与扫描速度的比值。典型激光束宽度在数微米至几百微米的范围中，典型的扫描速度在0.1至5m/sec的范围中。
产品晶片10的退火条件是产品晶片10的器件侧12a必须维持在相对低温，特别是低于临界温度TC，临界温度与电子器件特征34相关联。超过临界温度Tc时，电子器件特征34将被损伤。因此，退火方法在电子器件特征34保持在低于临界温度TC下执行，以保护器件最终的功能。器件侧12a的最大温度由特定电子器件特征34所决定。对于用在电子器件特征34（例如互连）的金属，以铜而言临界温度TC大约为900℃，以铝而言临界温度TC大约600℃。对于包含硅化物的器件来说，临界温度TC也会受限于硅化物材料的热稳定性。
在器件侧12a形成的电子器件特征34需要保持低于临界温度TC的限制导致激光热退火的时间必须足够短，以使器件表面不会过热。其暗示了热退火时间（驻留时间）必须使得相对应的热扩散长度LD小于器件晶片10a的厚度d（也即LD<d）。
图4为温度(℃)对时间的曲线图，其示出了不同退火技术下的温度-时间工艺窗口。图4包含四种不同的窗口，分别以A到D标示。传统快速热工艺（RTA）以窗口A表示，其在时间等级为秒至分钟以及温度可达1,200℃的范围中操作。毫秒激光以及闪光灯退火方法以窗口B表示，且具有数百微秒至数十毫秒的退火时间且温度恰好小于硅熔点TM=1,412℃。脉冲激光融化工艺以窗口D表示，其在时间等级为10纳秒至1微秒以及峰值温度高于硅熔点TM的条件下操作。
在图4中，窗口C与本发明的短驻留时间、亚熔化激光退火方法有关，其在数微秒至数百微秒的退火时间范围中操作，且操作的温度低于硅熔点TM。因此，图4示出了热退火温度-时间工艺空间的短驻留时间和亚熔化激光热退火窗口C是如何与其他类型的传统退火的工艺窗口相区分。示例的窗口C的退火时间范围是3微秒至200微秒。
图5为温度对进入薄硅晶片的深度的曲线图，并且比较四种退火技术的穿过薄硅晶片的深度温度曲线。晶片厚度d在5微米至200微米的范围中。对于RTA（曲线A），通过整个基板的温度是保持平坦的，这是因为长的退火时间所导致的较大的热扩散长度LD（也即LD>>d）。
对于毫秒激光或闪光灯退火方法（曲线B），温度随着深入晶片的深度d衰减。但是减少速率太慢，因而晶片另一侧的温度仍可能超过损害阈值温度TC(也即LD>d)。
对于纳秒脉冲熔化激光退火（曲线D），在曝光表面附近温度下降的非常快，因此没有热穿透到晶片的另一侧。然而，热穿透太浅，以至于无法对深度超过半个微米的结进行退火（也即LD<<d）。
对于本发明的短驻留时间和亚熔化激光退火（曲线C），温度下降的速度足够快以保持晶片的没被曝光一侧是冷的，同时热穿透又够大到足以对深结进行退火(也即LD<d)。
图6A与图6B分别为硼浓度(cm–3)对进入掺杂硼的晶片的深度(nm)的曲线图。图6A包含两个曲线：曲线C0显示没有退火（也即预退火）的情况下的掺杂重新分布，而曲线CM显示在激光熔化退火之后的掺杂重新分布。结的曲线由熔化深度决定。熔化退火曲线CM显示箱型的掺杂重新分布曲线，这是因为当硅处于液态时，发生快速掺杂扩散。扩散终止于液态固态边界，造成陡峭的箱型曲线。此种方法的一个优点是其提供较大量的掺杂激活以及较低的电阻。然而，缺点是其导致掺杂在熔化区域内的重新分布，因而无法被应用在那些精确的掺杂曲线需要被维持住的情况中，或者是那些不希望交混不同掺杂的多结的情况中。此外，掺杂激活受限于熔化区域，因而熔化区域以外的掺杂无法被有效的激活。
图6B包含代表根据本发明执行的短驻留时间、非熔化激光退火方法的曲线CS与曲线C0。从图6B可以观察到由于短驻留时间非熔化激光退火因而没有发生实质上的掺杂重新分布。这是因为当硅晶片保持固态时，掺杂扩散以非常慢的速率进行。此外，深结也因为增加的热扩散长度而可以被激活。
图7为温度对时间的曲线图，其显示与短驻留时间、非熔化激光退火有关的典型时间温度曲线。对于硅的掺杂激活，产品晶片10的上表面22的典型峰值退火温度TA在950℃至1,350℃的范围内，如CA曲线所示。驻留时间被选择以确保在（埋入的）电子器件特征34所在位置的最大底部温度TB被保持低于损害阈值温度（临界温度）TC以下，如曲线CB所示。对于金属硅化物接触的应用来说，可以使用较低的退火温度TA，例如600℃至1,000℃。
图8示出了具有厚度d1与d2的两个晶片的底部温度TB对驻留时间td的曲线图，其中d1<d2。对于给定的晶片厚度，驻留时间td需要低于临界或最大驻留时间tdm以确保TB<TC。最大驻留时间tdm取决于晶片厚度。晶片愈薄，所需的驻留时间愈短。对于与晶片厚度d1相关联的曲线，最大驻留时间被显示为tdm1，对于与晶片厚度d2相关联的曲线，最大驻留时间被显示为tdm2。
图9为根据仿真的驻留时间对晶片厚度d的曲线图。其关系大致遵循平方定律，事实是热扩散长度与时间的平方根成比例。曲线中的阴影区域对应于器件损害将会发生的td-d工艺窗口区域。仿真显示了对于晶片厚度d等于40微米的情况，小于约70微秒的驻留时间td是需要的——假设临界温度Tc受限于铝金属受损害。同样地，对于晶片厚度d等于20微米的情况，驻留时间td需要小于大约20微秒。
在d在10微米至20微米的范围内的范例中，铝电子器件特征34的示例驻留时间在约3微秒至约20微秒的范围内。铜电子器件特征34则是在大约15微秒至100微秒之间。
对于最小逼近阶，最大驻留时间tdm可以以下式估计：
tdm≈η·d2/Deff
其中d为晶片厚度，Deff为基板薄膜堆叠的有效热扩散率，η为损害温度的函数且通常阶（order）为1。在铝金属损害为限制参数的示例实施例中，最大驻留时间可以由下式估计tdm=d2/Deff，且驻留时间td被选择为小于该近似驻留时间。在铜金属损害为限制参数的情况中，最大驻留时间tdm可以宽松得多，典型乘以5。
结退火的其中一个关键要求为损害移除能力，其与退火工艺的总热预算有关。一般而言，热预算愈大，损害移除能力愈佳。然而，本发明的短驻留时间亚熔化激光退火可避免过度加热电子器件特征34，减少的驻留时间也导致较小的热预算，其可与缺陷退火互相折衷。
因此，示例退火方法包含多次扫描产品晶片10的背侧23的相同区域，或者增加相邻扫描的线图像82的重叠部分，以使产品晶片10的背侧23上的每一点被扫描多次。
图10为温度对时间的曲线图，其示出将经历多次（N）退火激光束的扫描期间的产品晶片10的背侧23上的特定点的典型温度曲线。两次连续扫描之间的时间间隔τ应该对于第一次扫描的余热足够长，以使可以在第二次扫描开始前完全散去。示例的散热时间τ的范围为1毫秒≤τ≤10秒,，而在更受限的范例中在数个毫秒至数百毫秒的范围内。
图11A示出了所测量的结漏电流（任意单位,a.u.）对退火激光束80的扫描次数的曲线图。泄露是结耗尽区域的缺陷等级的度量。当扫描次数增加时，结泄露减少，其表明缺陷退火的改善。
使用多次亚熔化激光扫描所增加的一个优点是强化的掺杂激活等级。这可以从图11B看出，图11B为所测量的片电阻RS(ohm/sq.)对退火激光束80的扫描次数的曲线图。观察到片电阻随着扫描次数增加而减少，其表明强化的掺杂激活。
注意到，单次长驻留时间亚熔化退火也可以提供良好的激活，且具有改善的缺陷移除能力。然而，长的热扩散长度LD可能导致电子器件特征34的损害。相较于单次扫描，使用多次短驻留时间扫描可提供增加的热预算，同时维持热扩散长度LD小于晶片厚度d。在多次短驻留时间扫描方法的范例中，扫描的次数为10或者更少。
原则上，在亚熔化制度中可以使用纳秒脉冲激光退火，并且使用多次脉冲以改善掺杂激活。然而，因为与每次激光脉冲相关的极短的退火持续时间，将会需要大量的脉冲，也即大约100到1000个脉冲之间。此种方法相对较慢，导致在大量生产环境下要实施是有问题的。此外，纳秒脉冲激光退火的热穿透深度也被限制到大约1微米（由个体的脉冲持续时间来决定），而与所使用的脉冲数量无关，因此该方法在激活深结是没有效率的。
其他因素也可能影响电流器件特征34的温度，因素包含卡盘110的温度以及晶片至载台的热接触阻抗。一般而言，卡盘温度或热接触阻抗愈低，电子器件特征34的温度就愈低，因而驻留时间就可能愈长或者是上侧的退火温度就可能愈高。
也就是说，如果卡盘温度太低，产品晶片10的上侧21与背侧23之间的大温差可能导致高热应力。此种情况是不期望的，因为其可能导致滑动的产生和晶片翘曲或者甚至晶片破裂。示例的卡盘110被设置有加热与冷却功能，因而卡盘温度可以被优化以平衡电子器件特征34所需的低应力以及特征所需的低温。为了有效的钳制晶片前侧的温度，产品晶片10与卡盘10之间良好的热接触是期望的。其可以通过使用真空或静电手段来达成。为了改善散热能力，具有高热导率的材料可以被用在卡盘110上。卡盘110的示例材料为铝与碳化硅。
虽然本发明的短驻留时间非熔化退火方法非常适合于对薄晶片来进行退火，但是方法也可以用于需要表面退火的场合，以及用于热敏感的电子器件特征34被嵌在（埋置在）距离背侧23（也即产品晶片10的退火激光束入射的一侧）距离d的场合。在退火方法的一个例子中，多次亚熔化激光扫描可被用来强化掺杂激活或者改善缺陷退火而不至于损害热敏感的电子器件特征34。
对于本领域技术人员很清楚的是，可以在不背离本发明精神和范围的情况下对本公开做出各种变化和变型。因此，如果这些变化和变型来自于所附的权利要求书及其等同物，那么本公开也覆盖了这些变化和变型。

Claims (26)

1.一种对具有背侧的半导体产品晶片进行退火的方法，所述背侧具有退火区域，所述产品晶片具有电子器件特征，所述电子器件特征与所述背侧相隔距离d，所述电子器件特征在超过临界温度TC时会被损坏，所述方法包括：
以退火激光束扫描过所述背侧，以通过将所述退火区域带到退火温度TA来退火所述退火区域，所述退火温度TA小于所述半导体产品晶片的熔化温度TM；以及
其中所述扫描步骤具有与其相关的热扩散长度LD，而且还包含以驻留时间来执行所述扫描步骤以使热扩散长度LD满足LD<d，且其中所述电子器件特征被维持低于所述临界温度TC。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述退火区域是离子注入层或接触层。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述驻留时间在3微秒至200微秒的范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述电子器件特征包含金属，且其中所述临界温度Tc在约600℃至约900℃的范围内。
5.如权利要求1所述的方法，还包括通过接合器件晶片与载体晶片来形成所述半导体产品晶片，其中所述器件晶片包含所述电子器件特征。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述退火激光束具有光学吸收长度小于薄晶片厚度的红外波长或可见波长。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述电子器件特征包含CMOS器件层。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述电子器件特征包含半导体功率器件层。
9.如权利要求1所述的方法，还包括对所述背侧的相同部分执行多次扫描，其中在时间上相邻的扫描以时间间隔τ来间隔，且其中1毫秒≤τ≤10秒。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述多次扫描的次数小于等于10。
11.如权利要求1所述的方法，其中5微米≤d≤150微米。
12.如权利要求1所述的方法，其中10微米≤d≤20微米，所述电子器件特征以铝制成，且其中所述驻留时间在约3微秒至约20微秒之间。
13.如权利要求1所述的方法，其中10微米≤d≤20微米，所述电子器件特征以铜制成，且其中所述驻留时间td在约15微秒至约100微秒之间。
14.一种对产品晶片进行退火的方法，包括：
通过在具有背侧和厚度在5微米至150微米之间的器件晶片的前侧上形成保护结构来形成产品晶片，其中所述前侧包含电子器件特征，所述电子器件在被加热超过临界温度TC时会被损坏；
在所述器件晶片的背侧中或背侧上形成退火区域；以及
以退火激光束扫描过所述背侧以对所述退火区域执行非熔化退火，其中所述扫描步骤以驻留时间来执行，所述驻留时间定义热扩散长度LD且LD<d，其中所述电子器件特征被维持在低于临界温度TC的温度。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述退火区域是形成在所述背侧内的离子注入掺杂层或形成在所述背侧上的接触层。
16.如权利要求14所述的方法，还包括对所述背侧的相同部分执行多次扫描，其中在时间上相邻的扫描以时间间隔τ来间隔，且其中1毫秒≤τ≤10秒。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述多次扫描的次数小于等于10。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述保护结构包含载体晶片。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述保护结构由单个保护层构成。
20.如权利要求14所述的方法，其中所述电子器件特征包含金属与CMOS层中的至少一个。
21.如权利要求14所述的方法，其中所述电子器件特征包含半导体功率器件层。
22.如权利要求14所述的方法，其中所述驻留时间在3微秒至200微秒的范围内。
23.如权利要求14所述的方法，还包括将所述驻留时间选择为小于最大驻留时间tdm，所述最大驻留时间由tdm=d2/Deff定义，其中Deff为所述器件晶片的有效热扩散率。
24.如权利要求14所述的方法，其中所述退火激光束具有光学吸收长度小于薄晶片厚度的红外波长或可见波长。
25.如权利要求14所述的方法，其中10微米≤d≤20微米，所述电子器件特征以铝制成，且其中所述驻留时间td在约3微秒至约20微秒之间。
26.如权利要求14所述的方法，其中10微米≤d≤20微米，所述电子器件特征以铜制成，且其中所述驻留时间td在约15微秒至约100微秒之间。
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