CN103920994B - 一种激光脉冲退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光脉冲退火方法，通过在激光脉冲退火设备反应腔内设置一个可同时放置多个晶圆的圆盘，并在退火处理过程中使圆盘进行自转和直线移动，使圆盘上各晶圆放置凹槽内的晶圆在圆盘的连续自转和直线往复移动带动下，依次循环地经过激光照射点接受激光的均匀照射，实现对晶圆的批量退火处理。本发明在保证了与传统只能进行单片晶圆退火处理的激光脉冲退火设备一样的退火效果的同时，显著提高了退火效率，可以很好地与高端先进制程中对退火的品质和效率的工艺需求相适应。

Description

一种激光脉冲退火方法
技术领域
本发明涉及一种半导体加工用激光脉冲退火设备，更具体地，涉及一种可对半导体晶圆进行批量退火的激光脉冲退火设备及使用该设备的退火方法。
背景技术
在半导体集成电路的制造中，根据不同的工艺制程，例如包括(但不限于)化学汽相沉积、氧化或氮化、离子注入退火、以及掺杂活化等，往往需要对晶圆进行多步退火热处理，使晶体的损伤得到修复，并消除位错。目前，这些热处理可在例如通常的立式炉设备中进行。尽管这些热处理的工艺需求时间可能相对较短，但是常规的诸如立式炉设备的加热速率和冷却速率都相对较慢。在这些热处理进行时的升温过程中的较长时间，显著地增大了热处理所需的热预算，而针对先进集成电路中的精细特征和薄层却需要减小热预算。目前，已经开始大量运用快速热处理(RTP)设备，以提高加热和冷却速率，并由此显著减小了热预算。
随着半导体器件设计规则的不断缩小，需要更好地控制超浅结和突变结以及更高的杂质掺杂浓度。并且，新材料使得工艺对热预算的要求变得更加苛刻。这需要退火设备能够提供更短的退火时间和更加精确的温度控制。
对于具有超浅结和突变结(其两者都需要精密的热控制)的先进器件而言，RTP退火的加热和冷却速率也正变得不足。RTP是将整个晶圆加热到需求的处理温度。而上述这些先进器件，仅晶圆表面处上部数个微米内的材料需要热处理。而且，RTP的覆盖热辐射模式，需要通过辐射和传导热传输两者将整个晶圆从退火温度冷却。因此，随着晶圆的冷却，其辐射冷却的效率也降低了。
现在，已经发展了激光脉冲退火(LSA)来显著提高加热和冷却速率。一种通常的LSA设备的工作原理可以通过图1来介绍。图1是现有技术的一种激光脉冲退火设备反应腔的结构示意图。如图所示，激光脉冲退火设备反应腔的腔体1内设有晶圆进出窗口5和保护气体的出气口2，被处理的晶圆4以单片方式垂直进入腔体1进行退火处理。激光辐射的脉冲能量聚焦在晶圆4的局部微小区域处，形成激光照射点3，激光脉冲的总能量足以迅速将照射面积的表面加热到高温。然后，激光脉冲在晶圆局部产生的少量热能迅速扩散到未受热的晶圆下部中，从而能够较大地提高照射表面区域的冷却速率。大功率激光器(图略)能够以每秒数百个脉冲的重复速率发出脉冲，脉冲激光束在晶圆的表面上以步进和重复的模式移动(如图中虚线箭头所示)，从而对整个晶圆表面进行退火热处理。
业界已经证明，LSA作为具有突破意义的新技术，对于先进的结工程，可以实现无扩散的结。采用LSA可以制造出更高性能的器件，实现具有更高的驱动电流，更低的漏电流。
所欠缺的是，目前业界使用的如前述例举的LSA机台都是单片晶圆作业，一次只能对一片晶圆进行退火，效率相对比较低下。随着半导体集成电路制造产业的进步，以及半导体器件设计规则的不断缩小，需要退火设备能够提供更短的退火时间和更加精确的温度控制以显著减小热预算。经济的发展，人力成本和用地成本的上升，使得设计一种高效的LSA设备，显得越来越有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述因单片晶圆退火处理带来的效率低下、难以满足对热预算日益苛刻的需求的缺陷，提供一种采用新型激光脉冲退火设备、可对半导体晶圆进行批量退火的激光脉冲退火方法，通过将激光脉冲退火设备反应腔内设置的晶圆固定装置由只能放置单片晶圆的形式，改变设计成一个圆盘形式，环绕圆盘圆周设有若干晶圆放置凹槽，并且，圆盘可进行自转和直线移动，使各晶圆放置凹槽内的晶圆在圆盘的连续自转和直线往复移动带动下，可依次循环经过激光照射点接受激光的均匀照射，实现对晶圆的批量退火处理。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种激光脉冲退火方法，使用激光脉冲退火设备对晶圆进行批量退火处理，所述激光脉冲退火设备包括所述退火设备的反应腔内设置的晶圆固定装置，所述退火设备的激光发射器所发射的脉冲激光束射向所述晶圆固定装置的表面形成激光照射点，所述晶圆固定装置包括一圆盘，在所述圆盘面对所述激光发射器的一面环绕所述圆盘圆周设有若干晶圆放置凹槽，每个所述凹槽内可固定放置一个晶圆，所述激光发射器所发射的脉冲激光束射向所述圆盘的表面形成所述激光照射点，所述圆盘连接驱动装置，所述驱动装置可带动所述圆盘在所述反应腔内作围绕所述圆盘中心的自转及沿所述圆盘中心与所述激光照射点连线方向的平面直线往复移动，所述激光脉冲退火方法包括以下步骤：
步骤一：设备开机，先向所述反应腔通入一定流量的惰性气体，然后根据所述晶圆固定装置的所述圆盘上的所述凹槽数量，将相应数量的晶圆装在所述凹槽内，每个所述凹槽内固定放置一个晶圆；
步骤二：打开所述激光发射器，并在开始退火前，先发射脉冲激光束射向所述圆盘表面设有的温度传感器，在所述温度传感器处形成所述激光照射点，待温度达到设定值后稳定一段时间，以保证在激光脉冲稳定前，激光束不会接触晶圆；
步骤三：打开所述驱动装置，先启动所述圆盘自转，待转速达到设定值并稳定在匀速状态后，再启动所述圆盘开始以一定速度、一定移动区间沿所述圆盘中心与所述激光照射点连线方向进行平面直线往复移动；所述激光发射器按照制程要求开始对晶圆照射加热退火，各所述凹槽内的所述晶圆在所述圆盘的连续自转和直线往复移动带动下，依次循环经过所述激光照射点进行激光脉冲退火处理；
步骤四：根据制程要求完成退火处理后，关闭激光发射器，停止对晶圆照射加热，启动所述圆盘开始作远离所述激光照射点的直线移动，并在晶圆离开所述激光照射点后停止移动；同时，增大通入的惰性气体流量，以帮助晶圆降温；
步骤五：待晶圆温度降低至目标温度以下后，停止所述圆盘的转动，结束退火处理制程并取出晶圆。
进一步地，在上述方法的步骤一中，通入的所述惰性气体包括N2、He或Ar的其中之一，或其混合气体。
进一步地，步骤一中，所述惰性气体的通入流量为10～30升/分钟。
进一步地，步骤二中，所述激光发射器所发射的脉冲激光束的照射角度为60～120度。
进一步地，步骤二中，所述激光发射器所发射的脉冲激光束的照射角度为90度。
进一步地，步骤二中，当所述温度传感器的温度达到400℃后稳定0.5～1.5分钟。
进一步地，步骤三中，当所述圆盘的自转速度达到1200转/分钟并稳定在匀速状态后，再启动所述圆盘开始以100～300毫米/秒的速度、在320毫米的移动区间内，沿所述圆盘中心与所述激光照射点连线方向进行平面直线往复移动。
进一步地，步骤四中，将通入的惰性气体流量增大至50～100升/分钟，以帮助晶圆尽快降温。
进一步地，步骤五中，待晶圆温度降低至50℃以下后，停止所述圆盘的转动，结束退火处理制程并取出晶圆。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在激光脉冲退火设备反应腔内设置一个可同时放置多个晶圆的圆盘，并在退火处理过程中使圆盘进行自转和直线移动，使圆盘上各晶圆放置凹槽内的晶圆在圆盘的连续自转和直线往复移动带动下，依次循环地经过激光照射点接受激光的均匀照射，实现对晶圆的批量退火处理。因此，本发明在保证了与传统只能进行单片晶圆退火处理的LSA一样的退火效果的同时，显著提高了退火效率，可以很好地与高端先进制程中对退火的品质和效率的工艺需求相适应。
附图说明
图1是现有技术的一种激光脉冲退火设备反应腔的结构示意图；
图2是本发明一种激光脉冲退火方法中使用的设备反应腔的正视结构示意图；
图3是本发明一种激光脉冲退火方法中使用的设备反应腔的侧视结构示意图；
图4是图2中圆盘的工作状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
在本实施例中，首先对本发明一种激光脉冲退火方法中使用的设备的结构进行详细介绍。请参阅图2，图2是本发明一种激光脉冲退火方法中使用的设备反应腔的正视结构示意图。如图所示，本发明在激光脉冲退火设备的反应腔6内以垂直状态设置一个用于放置晶圆的圆盘7。圆盘7面对设备的激光发射器(图略)的一面环绕圆盘7的圆周均匀设有13个晶圆放置凹槽8，每个凹槽内可固定放置一个300mm的晶圆。凹槽8可以采用卡口或卡盘的方式来固定晶圆。激光发射器所发射的脉冲激光束以90度的照射角射向圆盘表面的预定部位，形成激光照射点10。这个预定部位是设在圆盘面对激光发射器一面的上端二个凹槽之间的温度传感器9。温度传感器9与圆盘7中心的连线处于垂直状态。
请参阅图3，图3是本发明一种激光脉冲退火方法中使用的设备反应腔的侧视结构示意图。如图所示，反应腔6内的圆盘7连接到反应腔6外的驱动装置。驱动装置包括一转动电机12和一直线电机15，转动电机12通过转轴11与圆盘7的中心连接。当启动转动电机12时，电机12连接的转轴11可带动另一端连接的圆盘7转动。直线电机15通过传动杆14与转动电机12的底座13连接，传动杆14的设置方向与圆盘7的平面直线往复移动方向相一致。当启动直线电机15时，传动杆14可带动转动电机12及与其连接的圆盘7一起进行直线往复移动，实现在圆盘7自转的同时可进行直线移动的复合运动状态。转动电机12的额定转速为1200转/分钟，直线电机15传动杆14的移动速度为100～300毫米/秒，以与激光脉冲退火短暂的处理时间相匹配。直线电机15的传动杆14的移动区间设定为0～320毫米，因此，圆盘的上下移动区间也是0～320毫米。这个移动的区间可以根据晶圆的尺寸大小进行调整。
请参阅图4，图4是图2中圆盘的工作状态示意图。如图4中右侧的旋转箭头和左侧的上下箭头所示，图3中的驱动装置可带动本图中的圆盘7在反应腔6内作围绕圆盘7中心的自转及沿圆盘7中心与激光照射点10连线方向的平面直线往复移动。13个凹槽8内放置的晶圆在圆盘7的连续自转和直线往复移动带动下，依次循环经过激光照射点10进行退火处理。这样，可使圆盘7上放置的各个晶圆，在圆盘7自转时依次通过激光照射点10，每个晶圆上以圆盘7中心为圆心、以圆盘7中心至激光照射点10的距离为半径的转动圆弧区域可以逐点扫描形式接受激光照射；并在圆盘7进行直线移动时，变换激光照射点在晶圆上扫描的转动圆弧区域，从而使每个晶圆的全部表面都能受到激光的均匀照射。因此，通过本发明设计的可同时放置多个晶圆的圆盘7，可以实现一次对多个晶圆进行批量退火处理，有效改变了现有技术只能一次处理一片晶圆的低效状况。
请继续参阅图2。各凹槽8内放置的晶圆的中心至圆盘7中心的距离是相等的，这样，圆盘7上所有的晶圆可以以接近同步的方式进行退火处理。在圆盘7面对激光发射器一面的顶部二个凹槽之间的圆盘表面设有温度传感器9，温度传感器9与圆盘7中心的距离大于各凹槽内放置的晶圆的外接圆的半径、小于各凹槽内放置的晶圆的内切圆的半径与圆盘7的直线移动区间距离之和。也就是说，温度传感器9的高度位置应介于各晶圆的外接圆半径之外、各晶圆的内切圆半径再加上320毫米以内的位置。温度传感器9用于探测激光照射产生的温度，设于非晶圆放置区域，以便在退火开始前，先探测激光照射产生的温度是否符合制程要求，避免此时激光直接照射在晶圆上，防止废片。并且，温度传感器9与圆盘7中心的距离要大于各凹槽内放置的晶圆的外接圆的半径、小于各凹槽内放置的晶圆的内切圆的半径与圆盘7的直线移动区间距离(320毫米)之和，是因为激光照射点是固定的，这样的位置及距离设计，可以保证在退火过程中，所有300mm晶圆的全部表面都能够接受到激光的均匀照射。
下面对本发明在使用上述的激光脉冲退火设备时的退火方法进行详细介绍。
本发明的退火方法可以对晶圆进行批量退火处理，包括以下步骤：
步骤一：设备开机，先向反应腔6通入流量为10～30升/分钟的N2，也可以是He或Ar，或它们的混合气体作为保护气体，并具有冷却作用；然后，根据圆盘7上的13个凹槽8的数量，将13个300mm晶圆装在凹槽内，每个凹槽内固定放置一个晶圆；
步骤二：打开激光发射器，并在开始退火前，先发射脉冲激光束射向圆盘7表面设有的温度传感器9，在温度传感器9处形成激光照射点10，待温度达到400℃后再稳定1分钟，以保证在激光脉冲稳定前，激光束不会接触晶圆；
步骤三：打开驱动装置，先启动圆盘7的自转，待转速达到1200转/分钟并稳定在匀速状态后，再启动圆盘7开始以100～300毫米/秒的速度、在320毫米的移动区间内，沿圆盘7的中心与激光照射点10的连线方向进行平面直线往复移动；激光发射器按照制程要求，以90度照射角射向圆盘7，开始对晶圆照射加热退火，各凹槽8内的晶圆在圆盘7的连续自转和直线往复移动带动下，依次循环经过激光照射点10进行激光脉冲退火处理；
步骤四：根据制程要求完成退火处理后，关闭激光发射器，停止对晶圆照射加热，启动圆盘7开始作远离激光照射点10的直线移动，并在晶圆离开激光照射点10后的移动极限位置停止移动；同时，增大通入的惰性气体流量至50～100升/分钟，以帮助晶圆快速降温；
步骤五：待晶圆温度降低至50℃目标温度以下后，停止圆盘7的转动，结束退火处理制程并取出晶圆。
经过上述对本发明的激光脉冲退火设备及退火方法的介绍可知，本发明通过在激光脉冲退火设备反应腔内设置一个可同时放置多个晶圆的圆盘，并在退火处理过程中使圆盘进行自转和直线移动，使圆盘上各晶圆放置凹槽内的晶圆在圆盘的连续自转和直线往复移动带动下，依次循环地经过激光照射点接受激光的均匀照射，从而实现了对晶圆的批量退火处理。因此，本发明在保证了与传统LSA一样的退火效果的同时，显著提高了退火效率，可以很好地与高端先进制程中对退火的品质和效率的工艺需求相适应。
需要说明的是，上述实施例中的圆盘也可以根据设备反应腔的布局，按水平方向或倾斜方向设置；圆盘上凹槽的数量可以根据需要设置在4～13个之间，当然地，也可以超出这个范围设置；激光发射器所发射的脉冲激光束的照射角度范围在60～120度，甚至在加大激光发射器的功率的情况下，可以扩大照射角的范围，也可以达到照射温度所需要的能量。这些都并不影响本发明的正常实现。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光脉冲退火方法，使用激光脉冲退火设备对晶圆进行批量退火处理，其特征在于，所述激光脉冲退火设备包括所述退火设备的反应腔内设置的晶圆固定装置，所述退火设备的激光发射器所发射的脉冲激光束射向所述晶圆固定装置的表面形成激光照射点，所述晶圆固定装置包括一圆盘，在所述圆盘面对所述激光发射器的一面环绕所述圆盘圆周设有若干晶圆放置凹槽，每个所述凹槽内可固定放置一个晶圆，所述激光发射器所发射的脉冲激光束射向所述圆盘的表面形成所述激光照射点，所述圆盘连接驱动装置，所述驱动装置可带动所述圆盘在所述反应腔内作围绕所述圆盘中心的自转及沿所述圆盘中心与所述激光照射点连线方向的平面直线往复移动，所述激光脉冲退火方法包括以下步骤：
步骤一：设备开机，先向所述反应腔通入一定流量的惰性气体，然后根据所述晶圆固定装置的所述圆盘上的所述凹槽数量，将相应数量的晶圆装在所述凹槽内，每个所述凹槽内固定放置一个晶圆；
步骤二：打开所述激光发射器，并在开始退火前，先发射脉冲激光束射向所述圆盘表面设有的温度传感器，在所述温度传感器处形成所述激光照射点，待温度达到设定值后稳定一段时间，以保证在激光脉冲稳定前，激光束不会接触晶圆；
步骤三：打开所述驱动装置，先启动所述圆盘自转，待转速达到设定值并稳定在匀速状态后，再启动所述圆盘开始以一定速度、一定移动区间沿所述圆盘中心与所述激光照射点连线方向进行平面直线往复移动；所述激光发射器按照制程要求开始对晶圆照射加热退火，各所述凹槽内的所述晶圆在所述圆盘的连续自转和直线往复移动带动下，依次循环经过所述激光照射点进行激光脉冲退火处理；
步骤四：根据制程要求完成退火处理后，关闭激光发射器，停止对晶圆照射加热，启动所述圆盘开始作远离所述激光照射点的直线移动，并在晶圆离开所述激光照射点后停止移动；同时，增大通入的惰性气体流量，以帮助晶圆降温；
步骤五：待晶圆温度降低至目标温度以下后，停止所述圆盘的转动，结束退火处理制程并取出晶圆。
2.如权利要求1所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤一中，通入的所述惰性气体包括N2、He或Ar的其中之一，或其混合气体。
3.如权利要求1或2所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤一中，所述惰性气体的通入流量为10～30升/分钟。
4.如权利要求1所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤二中，所述激光发射器所发射的脉冲激光束的照射角度为60～120度。
5.如权利要求1所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤二中，所述激光发射器所发射的脉冲激光束的照射角度为90度。
6.如权利要求1所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤二中，当所述温度传感器的温度达到400℃后稳定0.5～1.5分钟。
7.如权利要求1所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤三中，当所述圆盘的自转速度达到1200转/分钟并稳定在匀速状态后，再启动所述圆盘开始以100～300毫米/秒的速度、在320毫米的移动区间内，沿所述圆盘中心与所述激光照射点连线方向进行平面直线往复移动。
8.如权利要求1所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤四中，将通入的惰性气体流量增大至50～100升/分钟，以帮助晶圆尽快降温。
9.如权利要求1所述的激光脉冲退火方法，其特征在于，步骤五中，待晶圆温度降低至50℃以下后，停止所述圆盘的转动，结束退火处理制程并取出晶圆。
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