CN105206518A - 以环境氧的局部控制对半导体晶片进行激光退火的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了以环境氧的局部控制对半导体晶片进行激光退火的方法。具体地，公开了使用混合气体来局部控制环境氧气以降低在激光退火期间的氧化量的半导体晶片激光退火。混合气体包含氢气与惰性缓冲气体，例如氮气。在半导体晶片的表面上的退火位置附近的氧气与混合气体的局部加热产生了在其中氧气与氢气发生燃烧而产生水蒸气的局部区域。该燃烧反应降低在局部区域内的氧气浓度，由此局部降低环境氧气的量，这进而在退火工艺期间降低半导体晶片的表面的氧化速率。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请号62/016,134根据35U.S.C119的优先权，通过引用将其并入本文。
领域
本公开涉及激光退火，且特别是涉及以环境氧的局部控制进行激光退火的方法。
通过引用将本文中所提及的任何公开或公告的专利文件的全部公开内容并入，包括美国专利第5,997,963号、第6,747,245号、第7,098,155号、第7,157,660号、第7,763,828号、第8,309,474号与第9,029,809号。
背景
在半导体制造中使用激光退火(还可称为激光尖峰退火、激光热退火或激光热处理等)用于各种应用，包含在形成有源微电路例如晶体管以及相关类型的半导体特征时用于活化在半导体晶片中形成的装置(结构)的选择区域中的掺杂剂。
激光退火过程通常是在真空下的操作室(或反应室)内进行，例如美国专利第5,997,963号以及第9,029,809号所讨论的微室。采用真空的一个原因是为了降低存在于被处理的半导体晶片的表面的氧气量，因为氧气是高度反应性的且会氧化半导体晶片的表面。这在与激光退火相关联的高温下尤其如此，因为较高的温度增加氧化速率。
在通常的真空条件下，可将操作室内部的氧气浓度降低至约百万分之50份(ppm)(体积)。进一步降低氧气浓度是有问题的，且需要昂贵的设备(例如更强的真空泵)以及对操作室的大量改变。
因此，需要降低被激光退火的半导体晶片的表面的氧气量的低成本且简单的方式，其超越使用常规的基于真空的方法可实现的。
概述
本公开的一个方面是对具有表面的半导体晶片进行激光退火的方法。该方法包含：在操作室的内部设置半导体晶片；将该操作室的内部抽真空，以使操作室的内部包含位于初始O2浓度的O2；在操作室中引入混合气体，该混合气体包含H2与缓冲气体；以及引导激光束通过操作室的内部以入射到半导体晶片的表面上的退火位置，由此退火半导体晶片的表面并还导致退火位置周围的局部区域内的O2与混合气体中的H2的局部加热，且局部区域内的O2与H2发发生燃烧而产生H2O蒸气，由此与该初始O2浓度相比降低了该局部区域内的O2浓度。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，混合气体优选地包含5体积％的H2与95体积％的N2。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该局部区域优选地由燃烧温度TC所定义，该燃烧温度TC在从100℃至500℃的范围内。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该操作室优选地包含微室。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该方法优选地还包含相对于激光束移动半导体晶片，以使退火位置相对于半导体晶片的表面移动，但退火位置相对于其在操作室的内部的初始位置维持固定。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，初始O2浓度优选地是大于等于50ppm(体积)。该局部区域内的O2浓度优选地是小于等于10ppm(体积)。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该半导体晶片优选地具有熔化温度TM。优选地在退火温度TA下对半导体晶片的表面进行退火，其中TA<TM。
另一个方面是在对具有表面的半导体晶片进行退火期间降低退火位置周围的局部区域内的氧气的方法。该方法包含：在操作室中引入氢气与缓冲气体的混合气体，该操作室包含半导体晶片与位于初始浓度的氧气；以及激光退火半导体晶片的表面，由此导致退火位置周围的局部区域内的氧气与混合气体中的氢气的局部加热，且局部区域内的氧气与氢气发生燃烧而产生水蒸气，由此与该氧气的初始浓度相比降低了该局部区域内的氧气浓度。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，混合气体优选地包含5体积％的氢气与95体积％的氮气。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该局部区域优选地由燃烧温度TC所定义，该燃烧温度TC在从100℃至500℃的范围内。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该操作室优选地包含微室。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该操作室优选地具有低于大气压力的压力。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该方法优选地还包含相对于激光束移动半导体晶片，以使退火位置相对于半导体晶片的表面移动，但退火位置相对于其在操作室的内部的初始位置维持固定。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该氧气的初始浓度优选地是大于等于50ppm(体积)。该局部区域内的氧气浓度优选地是小于等于10ppm(体积)。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该半导体晶片优选地具有熔化温度TM。优选地在退火温度TA下对半导体晶片的表面进行退火，其中TA<TM。
本发明的另一个方面是对具有表面的半导体晶片进行激光退火的方法。该方法包含：在操作室的内部设置该半导体晶片，该操作室的内部包含位于初始O2浓度的O2；在该操作室中引入混合气体，该混合气体包含H2与缓冲气体；以及引导激光束通过该操作室的内部以入射到该半导体晶片的该表面上的退火位置，由此退火该半导体晶片的该表面并还导致该退火位置周围的局部区域内的该O2与该混合气体中的该H2的局部加热，且该局部区域内的O2与H2发生燃烧以产生H2O蒸气，由此与该初始O2浓度相比降低了该局部区域内的O2浓度。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该方法优选地还包含在操作室的内部设置半导体晶片后抽真空。初始O2浓度是由抽真空后残留于操作室内的残留O2量(浓度)所定义。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，初始O2浓度优选地是大于等于50ppm(体积)。该局部区域内的O2浓度优选地是小于等于10ppm(体积)。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，该操作室优选地包含微室。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，混合气体优选地由5体积％的氢气与95体积％的氮气组成。
另外的特征和优点将在接下来的详细描述中得到阐明，并且部分地对于本领域技术人员从该描述可为容易清楚的或通过实践在撰写的说明书及其权利要求书以及附图中描述的实施方案而认识到。要理解的是前面的一般描述和以下的详细描述仅为示例性的，并且旨在提供理解权利要求的属性和特性的概述或框架。
附图简要说明
包括附图以提供进一步的理解，并且将附图纳入本申请文件并构成本申请文件的一部分。附图说明了一个或多个实施方案，并且连同详细描述一起起到解释各个实施方案的原理和操作的作用。因此，结合附图由以下详细描述将更加全面地理解本公开，其中：
图1A为本文中公开的适用于进行退火与环境氧气(O2)的局部控制方法的操作室系统的示例性实施方案的横截面(在X-Z平面中)示意图。
图1B为图1A中的操作室系统的一些主要部件的分解图。
图1C为图1A的操作室系统的俯视图(在X-Y平面中)，线1-1表示图1A所采用的横截面。
图2为图1A的操作室系统的简化图，其说明了示例性的退火方法，该方法包含使用混合气体来进行环境氧气的局部控制的局部区域的形成。
图3A为在引入混合气体后操作室的内部的半导体晶片的表面的特写视图，其显示出在激光退火前混合气体与氧气通常如何均匀地分布在半导体晶片的表面。
图3B为在激光退火过程期间围绕于半导体晶片的表面的退火位置并形成的局部区域的特写视图，其中由于该局部区域的氧气量(浓度)下降，该局部区域内的氧气浓度低于操作室内部的其它部分内的氧气浓度。
详细描述
现在详细参考本公开的各个实施方案，在附图中说明了实施方案的实例。只要可能时，相同或相似的附图标记和符号在整个附图中用于意指相同或相似的部分。附图不必是按比例的，并且本领域技术人员将意识到将附图简化以说明本公开的关键方面的地方。
以下所提出的权利要求被并入本详细描述中并构成本详细描述的一部分。
通过引用将本文中所提及的任何公开或公告的专利文件的全部公开内容并入。
卡式坐标显示于一些图中作为参考用，且并非意在限制方向或方位。
在以下描述中，与操作室内部相关的术语“抽真空”或“排空的”是指将操作室内部的压力降低至低于操作室外的环境压力或大气压力，且并不必意味从操作室内部移除(排空)所有原子。本文中公开的示例性方法包含将操作室的内部抽真空或以其它方式排空操作室，其中在操作室的内部留下初始浓度COX的氧气。在该上下文中，术语“初始浓度”用于表明以该浓度开始并且以与初始浓度COX相比降低的浓度结束来进行操作室中的氧气含量的局部控制的方法。
在本文中，词语“工艺”与“方法”可相互替代使用。
短语“环境氧气的局部控制”应理解为指相较于氧气的初始量(浓度)局部减少了氧气量(浓度)。
操作室系统
图1A为适用于进行本文中公开的方法的操作室系统(“系统”)10的示例性实施方案的横截面示意图(在X-Z平面中)。图1B为图1A的系统10的一些主要部件的分解图。图1C为图1A的系统10的俯视图(在X-Y平面中)，线1-1表示图1A所采用的横截面。图1A至图1C源自344号公开专利，且描述称为“微室”的操作室类型。
系统10具有沿着Z方向的Z-中心线CZ以及沿着X方向的X-中心线CX。系统10位于周围环境8中，该周围环境8可包含至少一种反应性气体，例如氧气。该周围环境8还可包含非反应性气体例如氖气、氩气，或稳定气体例如氮气。
系统10包含顶部构件20，顶部构件20具有上表面22、下表面24与外缘26。在一个实例中，顶部构件20通常形状为矩形且具有平行的上表面22与下表面24。在一个实例中，如下更详细地描述的，冷却顶部构件20。在一个实例中，顶部构件20包含至少一个光入口特征30，其允许至少一个激光束40穿过顶部构件20。在一个实例中，该至少一个光入口特征30包含一个或多个通孔(throughopening)，而在另一个实例中，光入口特征30可包含至少一个窗口。
系统10还包含卡具60，卡具60具有上表面62、下表面64与外缘66。卡具60通常形状为柱状，中心对准Z-中心线CZ，且上表面62邻近且平行于顶部构件20的下表面24。如下所述，卡具60(以及因此中心线CZ)在系统10的操作中移动。卡具60的上表面62与顶部构件20的下表面24是以距离D1相隔，其中距离D1在50微米至1毫米的范围内，且因而定义出具有距离D1的操作室内部(“内部”)70。在一个实例中，半导体衬底(“晶片”)50的上表面52与顶部构件20的下表面24定义内部70与距离D1。
将卡具60的上表面62配置成支撑晶片50，晶片50具有上表面52、下表面54与外缘56。在一个实例中，晶片50是硅晶片。晶片50可为已经历加工以产生出半导体器件且正进一步被激光束40所加工的产品晶片。在图1C的俯视图中，晶片50是以虚线的圆圈来表示。在一个实例中，将卡具60加热，且在进一步的实例中将卡具60配置成加热晶片50至最高至约400℃的晶片温度TW。在一个实例中，该至少一个激光束40包含一道或多道退火激光束，即可对晶片50进行退火工艺(例如掺杂剂扩散)的一道或多道激光束。
系统10还包含隔热层80，其具有上表面82、下表面84与外缘86。紧邻于卡具60的下表面64设置隔热层80，以使隔热层80与其热连通。在一些实例中，隔热层80由玻璃、陶瓷材料制成，或者为间隙。在一个实例中，隔热层80的上表面82与卡具60的下表面64紧密接触。
如下所述，系统10还包含冷却装置90，将该冷却装置90配置成热管理由卡具60所产生的热，以及入射到晶片50上的激光束40所产生的热。示例性的冷却装置90包含上表面92、下表面94与外缘96。冷却装置90任选地包含由支撑表面100与内壁102所定义的凹部98。将凹部98配置成容纳隔热层80与卡具60，以使隔热层80由支撑表面100所支撑。
在一个实例中，冷却装置90的内壁102、隔热层80的外缘86与卡具60的外缘66定义间隙G1。在进一步的实例中，冷却装置90包含一个或多个气流通道104，其提供从支撑表面100至下表面94的气体流动路径，使得进入间隙G1的内部70中的气体202可经由冷却装置90的下表面94流出内部70。隔热层80还可为空气间隙。
系统10还包含可移动的载台120，其具有上表面122与下表面124。系统10还包含邻近冷却装置90的外缘96设置的环状构件150，且连接至反射水冷式裙(awater-cooledreflectiveskirt)(未示出)，其围绕卡具组件68且随其移动。环状构件150具有本体151且包含上表面152、下表面154、内表面155与外缘156。卡具60、绝热层80与冷却装置90的组合构成卡具组件68。卡具组件68、可移动的载台120与环状构件150的组合构成可移动的载台组件128。顶部构件20相对于可移动的载台组件128为固定的。可移动的载台组件128具有外周缘129，其在一个实例中是部分地由环状构件150的外缘156所定义。
可移动的载台120在上表面122上支撑冷却装置90。可移动的载台120可操作地连接至定位器126，将该定位器126配置成使可移动的载台120移动且于需要时定位可移动的载台120，同时还追踪可移动的载台120相对于参考位置的位置。以允许可移动的载台120在X-Y平面中移动的方式，可移动的载台120由具有上表面132的台板130可操作地支撑。
顶部构件20的下表面24、环状构件150的外缘156与台板130的上表面132定义气帘区域158。
在一个实例中，将可移动的载台120与卡具60整合以形成单部件式或双部件式可移动的夹具，其可操作地连接至定位器126。顶部构件20在X方向上具有足够长度给卡具60相对于顶部构件20移动，因此，激光束40可暴露晶片50的整个上表面52。
系统10还包含至少一种气体供应统200与供应冷却剂252的至少一种冷却剂供应系统250。在一个实例中，将第一气体供应系统200配置成提供气体202给内部70，而将另一气体供应系统200配置成提供气体202给环状构件150。在一个示例性的实施方案中，不同的气体供应系统200供应不同的气体202，而在另一个示例性的实施方案中，不同的气体供应系统200供应相同的气体202。将环状构件150配置成控制进入周边间隙G3以形成气帘(未示出)的气体202的流动。周边间隙G3具有宽度或尺寸WG3。
在另一个实施方案中，单气体供应系统200用以提供气体202给内部70与环状构件150。示例性的气体202可包含一种或多种惰性气体，例如氖气、氩气、氦气与氮气。在一个实例中，气体202由一种或多种惰性气体组成。在另一个实例中，气体202包含选择量的至少一种反应性气体，例如氧气。如下所述，气体202可包含混合气体或由混合气体所组成，该混合气体包含氢气与氮气。
如美国专利第9,029,809号所述，系统10还包含控制单元300，该控制单元300可操作地连接至气体供应系统200与冷却剂供应统250，且将该控制单元300配置成控制气体供应系统200与冷却剂供应统250的操作，以产生气帘。系统10还包含真空系统260，其例如经由包含具有宽度WG2的间隙G2的至少一个气流通道104气动连接至内部70。真空系统260可用以在内部70中形成真空。
在激光退火期间的环境氧的局部控制
图2为图1的系统10的简化图，其显示如本文中公开的退火工艺与局部控制环境氧的工艺的实例。图3A为在用激光束40退火前和在将混合气体202引入内部70后内部70的部分与晶片50的上表面52的特写视图。混合气体202显示与氧气205混合。图3B为激光束40在退火位置55退火晶片50的上表面52的特写视图。
如上所述，进一步降低内部70内的氧气205的初始浓度COX以进一步减少在晶片50的上表面52可发生的氧化量是所需的。虽然这可在整个内部70内实现，但实际上仅需降低发生激光退火的退火位置55的氧气浓度。
因此，在本文中公开的方法的一个实例中，以氢气与惰性缓冲气体例如5体积％的氢气(H2)与95体积％的氮气(N2)的混合物所组成的混合气体202的形式将气体202提供至内部70。还通过真空系统260的作用将内部70排空，且内部70因此包含具有初始浓度或背景浓度COX的氧气205，该初始浓度或背景浓度COX在一个实例中低至约50ppm。如图3A所示，当混合气体202被引入内部70时，混合气体202快速散布(扩散)至整个内部70(包含快速散布至紧邻于晶片50的上表面52的区域)，并与氧气205混合。
可在退火工艺前或退火工艺期间经由气体供应系统200的操作来完成将混合气体202注射到内部70，其中当通过移动卡具60而使晶片50相对于激光束40移动时，将激光束40入射到晶片50的上表面52上并且扫描，如箭头AR所示。在一个实例中，混合气体202在内部70内的分压在约1毫托至约1000托的范围内。在一个实例中，内部70内的压力少于760托，即少于1个大气压力。
在如图3B所示的退火工艺的实例期间，激光束40在退火位置55加热晶片50的上表面52至退火温度TA，退火温度TA接近或超过晶片熔化温度TM，对于硅而言，名义上TM＝1,414℃。对于非熔化激光退火而言，使晶片50的上表面52的退火温度TA在熔化温度TM的400℃内。对于熔化退火而言，TA≥TM。注意的是，当扫描晶片50(即相对于激光束40移动)时，退火位置55相对于晶片50的上表面52“移动”，但相对于其在内部70内的初始位置维持固定。
在退火位置55用激光束40加热晶片50的上表面52还起到局部加热在内部70内的混合气体202与氧气205(尤其是在退火位置55的附近)的作用。混合气体温度TFG在内部70内的空间变化通常对应于混合气体202与退火位置55的接近，即越靠近退火位置55，混合气体温度TFG越大。在此注意的是，混合气体202的量是远大于氧气205的量(初始浓度COX)，以使内部70内的“气体”温度基本上是由混合气体202所定义。
图2、图3A与图3B分别显示出与在退火位置55局部加热晶片50的上表面52相关联的混合气体温度TFG的燃烧温度等温线TC。燃烧温度等温线TC表示在给定腔室压力的内部70内发生下列燃烧反应的燃烧温度：
2H2+O2→2H2O蒸气式1
燃烧温度等温线TC定义局部区域RG，其包含名义上中心位于退火位置55的内部70的半球状部分。在局部区域RG内，混合气体202具有混合气体温度TFG≥TC，因而表示在内部70内发生式1的燃烧反应的体积。
式1的燃烧反应用以将氧气205的浓度从存在于内部70中但在局部区域RG外的初始浓度或背景浓度COX降低至局部区域RG内的较低浓度(值)C’OX。这在图3B中得到示意性地说明，其中在局部区域RG外的氧气205的初始浓度COX大于在局部区域RG内的浓度C’OX(即COX>C’OX)。
混合气体202因而用以局部控制(降低)在局部区域RG内的氧气205的量。该控制经由式1的燃烧反应而发生，其涉及使氧分子(O2)分解成O原子，然后将O原子与来自混合气体202的两个氢原子(2H)结合以形成H2O(水)蒸气。该局部工艺发生在局部区域RG内且降低可发生在退火期间的晶片50的上表面52的氧化量。在一个实例中，在局部区域RG内的氧气205的浓度C’OX是C’OX≤10ppm。
在一个示例性实施方案中，在如上所述的内部70的分压的范围内，燃烧温度大约是TC＝600℃。假设基本上半圆形的局部区域RG通常以退火位置55为中心，对于TC＝600℃局部区域RG的半径rG可为大约rG＝1微米至10毫米。混合气体202的氢原子的浓度、在内部70内的氢原子的扩散速率、在内部70内的氧气205的初始浓度COX以及式1的燃烧反应的速率均使得可以以与起始的氧气浓度或初始的氧气浓度COX相比降低在局部区域RG内的氧气浓度至C’OX的方式引发和保持式1的燃烧反应。
本领域技术人员将清楚可对如本文中所描述的公开内容的优选实施方案做出各种改变而不脱离在所附权利要求中定义的公开内容的精神或范围。因此，本公开内容覆盖改变和变化，只要它们在所附权利要求及其等价物的范围内。
Claims (20)
1.对具有表面的半导体晶片进行激光退火的方法，包含：
在操作室的内部设置该半导体晶片；
将该操作室的内部抽真空，以使该操作室的内部包含位于初始O2浓度的O2；
在该操作室中引入混合气体，该混合气体包含H2与缓冲气体；以及
引导激光束通过该操作室的内部以入射到该半导体晶片的该表面上的退火位置，由此退火该半导体晶片的该表面并且还导致该退火位置周围的局部区域内的该O2与该混合气体中的H2的局部加热，且该局部区域内的该O2与该H2发生燃烧而产生H2O蒸气，由此与该初始O2浓度相比降低了该局部区域内的O2浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其中该混合气体包含5体积％的H2与95体积％的N2。
3.如权利要求1所述的方法，其中该局部区域由燃烧温度TC所定义，该燃烧温度TC在从100℃至500℃的范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其中该操作室包含微室。
5.如权利要求1所述的方法，还包含：
相对于该激光束移动该半导体晶片，以使该退火位置相对于该半导体晶片的该表面移动，但该退火位置相对于其在该操作室的内部的初始位置保持固定。
6.如权利要求1所述的方法，其中该初始O2浓度大于等于50ppm(体积)，且其中该局部区域内的氧气浓度小于等于10ppm(体积)。
7.如权利要求1所述的方法，其中该半导体晶片具有熔化温度TM，其中在退火温度TA下对该半导体晶片的该表面进行退火，且其中TA<TM。
8.在对具有表面的半导体晶片进行退火期间降低退火位置周围的局部区域内的氧气的方法，该方法包含：
在操作室中引入氢气(H2)与缓冲气体的混合气体，该操作室包含该半导体晶片与位于初始浓度的该氧气(O2)；以及
激光退火该半导体晶片的该表面，由此导致该退火位置周围的局部区域内的该氧气与该混合气体中的该氢气的局部加热，且该局部区域内的该氧气与该氢气发生燃烧而产生水蒸气，由此与该氧气的初始浓度相比降低了该局部区域内的氧气浓度。
9.如权利要求8所述的方法，其中该混合气体包含5体积％的氢气与95体积％的氮气。
10.如权利要求8所述的方法，其中该局部区域由燃烧温度TC所定义，该燃烧温度TC在从100℃至500℃的范围内。
11.如权利要求8所述的方法，其中该操作室包含微室。
12.如权利要求8所述的方法，其中该操作室具有低于大气压力的压力。
13.如权利要求8所述的方法，还包含：
相对于激光束移动该半导体晶片，以使该退火位置相对于该半导体晶片的该表面移动，但该退火位置相对于其在该操作室的内部的初始位置保持固定。
14.如权利要求8所述的方法，其中该氧气的初始浓度大于等于50ppm(体积)，且其中该局部区域内的该氧气浓度小于等于10ppm(体积)。
15.如权利要求8所述的方法，其中该半导体晶片具有熔化温度TM，其中在退火温度TA下对该半导体晶片的该表面进行退火，且其中TA<TM。
16.对具有表面的半导体晶片进行激光退火的方法，包含：
在操作室的内部设置该半导体晶片，该操作室的内部包含位于初始O2浓度的O2；
在该操作室中引入混合气体，该混合气体包含H2与缓冲气体；以及
引导激光束通过该操作室的内部以入射到该半导体晶片的该表面上的退火位置，由此退火该半导体晶片的该表面并还导致该退火位置周围的局部区域内的该O2与该混合气体中的该H2的局部加热，且该局部区域内的该O2与该H2发生燃烧以产生H2O蒸气，由此与该初始O2浓度相比降低了该局部区域内的O2浓度。
17.如权利要求16所述的方法，还包含：
在该操作室的内部设置该半导体晶片后抽真空，且其中该初始O2浓度由抽真空后残留在该操作室内的残留O2量所定义。
18.如权利要求17所述的方法，其中该初始O2浓度大于等于50ppm(体积)，且其中该局部区域内的该O2浓度小于等于10ppm(体积)。
19.如权利要求16所述的方法，其中该操作室包含微室。
20.如权利要求16所述的方法，其中该混合气体由5体积％的氢气与95体积％的氮气组成。
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