CN105719958B - 具有超短停留时间的激光退火系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有超短停留时间的激光退火系统及方法。该方法包括利用预加热线图像来局部地预加热半导体晶片,然后相对于预加热线图像快速地扫描退火图像以定义具有停留时间在10ns到500ns范围内的扫描重叠区域。这些超短停留时间对于执行产品晶片的表面熔化退火或者次表面熔化退火是有用的,因为它们防止设备结构回流。
Description
技术领域
本申请要求2014年12月17日提交的美国临时专利申请No.62/092,925的优先权,该申请在此处通过引用并入。
本公开大体涉及退火,所述退火在半导体制造中使用以制造集成电路和内存设备,并且尤其涉及具有超短停留时间的激光退火系统及方法。
本发明中所引述的任一与全部参考文件均通过参考并入,包含有:美国专利No.8,309,474;美国专利No.8,546,805;美国专利No.8,865,603;和美国专利申请No.14/497,006。
背景技术
传统的纳秒脉冲式激光熔化退火(“传统的熔化激光退火”)提供了对先进的集成电路(IC)芯片制造而言理想的超低热预算、高掺杂剂活化及超陡峭结(super abruptjunction)。然而实际上,因为来自IC芯片中的光学与热学性质在空间中的变化所造成的大量的温度不均匀性,前述类型的退火难以实施在图案化的半导体晶片上。这些不良效应在所属技术领域中被称为“图案密度效应”。
美国专利No.8,309,474描述一种技术,在该技术中利用混合式熔化或非熔化的装置,用第一扫描激光束均匀地预热基板至接近熔化的状态。然后使用发射具有光脉冲的光束的第二激光将退火区域温度提升至熔化温度达较短时间,这可使熔化区域能迅速再结晶。此方法的优点为脉冲式激光与图案化基板间的相互作用所造成的温度非均匀性显著地被减轻。然而,此方法的缺点是来自脉冲间重复性的需求及脉冲式激光图像均匀性的限制,并且此方法需要相对较长、在100微秒至20毫秒的范围间的停留时间,因此更为加剧上述的问题。
美国专利No.8,865,603描述一种退火系统,其中扫描连续波(CW)激光束用于执行背侧激光加工,其停留时间是在1微秒至100微秒的范围间。此方法的优点是,光束稳定性远好于1%,而在半导体晶片处的光束均匀性是由已充分了解的高斯分布所定义。可惜的是,该方法所要求的功率及停留时间均太大,而无法使熔化的基板得以快速地再结晶。
发明内容
本发明是公开以10ns至500ns或25ns至250ns的范围间的超短停留时间退火半导体晶片的激光退火系统及方法。所述的激光退火系统是利用两种激光束-即预热激光束与扫描激光束,分别形成预热线图像与退火图像,并共同定义重叠区域。退火图像的长维度L2是沿预热线图像的短维度W1的方向。设定长维度L2本质上大于短维度W1(例如,2至4倍之间),可使校正预热线图像与退火图像变得相对容易。预热激光束为操作于红外线的连续波(CW)光束,而扫描激光束为连续波(CW)光束,或准连续波(QCW)光束。扫描激光束在半导体晶片的表面上相对于预热线图像足够快速地扫描,使停留时间在前面提及的范围内。这些超短停留时间有利于执行产品晶片的熔化退火,因其能防止设备结构发生回流(reflow)。在示例中,扫描激光束的连续波(CW)与准连续波(QCW)的特性能避免与基于脉冲的激光退火系统有关的脉冲间均匀性的问题,该基于脉冲的激光退火系统仅用一个或数个光脉冲来执行退火。此外,因准连续波激光束没有本质上的光束整形(beam shaping)的需要,因此可避免不良的斑点效应。
本发明所公开的一个方面是一种退火半导体晶片的方法,该半导体晶片具有图案化的表面,该图案化的表面具有晶片表面或次表面温度TS与表面或次表面熔化温度TM。该方法包含:使用预热激光束形成预热线图像于图案化的表面上,预热线图像被设置以加热一部分的图案化的表面至预退火温度TPA,预退火温度TPA是在(0.5)·TM≤TPA≤(0.9)·TM的范围间,其中预热线图像具有长度L1及宽度W1,长度L1是在5mm至20mm的范围间;使用扫描激光束形成退火图像于半导体晶片的表面上,使退火图像重叠于一部分的预热线图像以定义扫描重叠区域,退火图像具有长度L2与宽度W2,长度L2在100微米至500微米的范围间,宽度W2在10微米至50微米的范围间,其中该长度L2≥2·W1,且长度L1与L2是以正交方向被测量;且其中退火激光系统包括扫描光学系统,该扫描光学系统相对于所述预热线图像扫描退火图像,使得扫描重叠区域具有停留时间τD,该停留时间τD在10ns≤τD≤500ns的范围间,且在扫描重叠区域内局部地将晶片表面或次表面温度TS从预退火温度TPA升高至表面或次表面熔化温度TM。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中停留时间τD是在25ns≤τD≤250ns的范围间。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,所述方法还包含通过以准连续波(QCW)的操作模式来操作退火激光以形成扫描激光束,准连续波(QCW)的操作模式是产生光脉冲,其中扫描重叠区域所通过的半导体晶片的表面上的每一点接收至少五个光脉冲。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中准连续波的操作方式具有100MHz或更大的重复率。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中通过将初始激光束从退火激光导向至旋转多面镜来形成扫描激光束。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中预热激光束具有红外线波长,且扫描激光束具有可见波长。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中可见光波长为532nm,且是通过倍频红外线光纤激光而形成。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,所述方法还包含于扫描重叠区域内测量半导体晶片的表面的温度,且利用所测量到的半导体晶片的表面的温度控制预热激光束与退火激光束的至少其中一个的光功率量。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中测量半导体晶片的表面的温度包含从扫描重叠区域测量辐射率。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中半导体晶片包含硅(Si)与锗(Ge),且锗位在硅层之下。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,所述方法还包含:a)使用扫描光学系统,沿退火扫描方向而从起始位置至完成位置扫描该激光图像,起始位置位于预热线图像的近端,完成位置位于预热线图像的远端;b)当退火图像抵达完成位置时,关闭扫描激光束;c)移动预热线图像至半导体晶片的表面的新位置;d)当退火图像能被导向至起始位置时,重新开启扫描激光束;及重复动作a)至动作d)以在半导体晶片的整体表面上扫描扫描重叠区域。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中动作c)包含以预热扫描方向连续地移动预热线图像,预热扫描方向是正交于退火扫描方向。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中关闭扫描激光束包含以声光调制器遮挡扫描激光束。
本发明所公开的另一方面是如上所述的方法,其中预热线图像加热半导体晶片的表面或次表面至(0.6)·TM≤TPA≤(0.8)·TM范围间的预退火温度TPA。
本发明所公开的另一方面是一种用于退火具有图案化的表面的半导体晶片的系统,图案化的表面具有晶片表面或次表面温度TS与表面或次表面熔化温度TM,该系统包含:形成预热激光束的预热激光系统,预热激光束于图案化表面上形成预热线图像,预热线图像被设置以加热一部分的图案化的表面至预退火温度TPA,预退火温度TPA是在(0.5)·TM≤TPA≤(0.9)·TM的范围间,其中预热线图像具有长方向与窄方向,预热线图像沿长方向具有在5mm至20mm的范围间的长度L1,沿窄方向具有宽度W1;形成扫描激光束的退火激光系统,扫描激光束于半导体晶片的表面上形成退火图像,使退火图像重叠于一部分的预热线图像以定义扫描重叠区域,退火图像具有长方向与窄方向,退火图像沿长方向具有在100微米至200微米的范围间的长度L2,沿窄方向具有在10微米至25微米的范围间的宽度W2,其中长度L2≥2.W1,且其中长度L1与L2是以正交方向被测量;及其中退火激光系统包含扫描光学系统,扫描光学系统相对于预热线图像扫描退火图像,使扫描重叠区域具有10ns≤τD≤500ns范围间的停留时间τD,且于扫描重叠区域内局部地将晶片表面或次表面温度TS从预退火温度TPA升高至表面或次表面熔化温度TM。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中停留时间τD是在25ns≤τD≤250ns的范围间。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中退火激光系统包含以准连续波(QCW)操作模式操作的退火激光,使扫描激光束包含光脉冲,其中扫描重叠区域所通过的半导体晶片的表面上的每一点接收至少五个光脉冲。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中准连续波方式具有100MHz或更大的频率。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中退火激光系统包含退火激光器,退火激光器产生初始激光束,且扫描光学系统包含旋转多面镜,旋转多面镜接收初始激光束并形成扫描激光束。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中退火激光系统包含可操作地连接至调制器驱动器的调制器,其中调制器设置于初始激光束中;当退火图像完成扫描时,调制器遮挡初始激光束,而当退火图像开始另一扫描时,调制器传送初始激光束。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中退火激光器包含具有倍频晶体的红外线泵激光纤激光器,且扫描激光束具有532nm的波长。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中预热激光束具有红外线波长。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,所述系统还包含测量来自扫描光学区域的热放射的热放射探测器系统。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中半导体晶片是由块支撑,块继而由可移动晶片载台所支撑,其中退火图像沿退火方向扫描,且可移动晶片载台沿预热扫描方向移动以扫描预热线图像,预热扫描方向是正交于退火方向。
本发明所公开的另一方面是如上所述的系统,其中该预热线图像加热该半导体晶片的表面或次表面至(0.6)·TM≤TPA≤(0.8)·TM的范围间。
本公开的额外的特征及优点会在以下实施方式中给出,且本领域技术人员通过阅读说明书能清楚这其中的一部分,或者通过实施在本文所描述的实施例(包括这之后的具体实施方式、权利要求以及附图)来认识。权利要求构成了本说明书的一部分,因此在这里通过引用并入到说明书中。
应理解的是,以上一般说明及以下的具体实施方式是提供用于了解本公开所要求保护的本质和特征的框架与架构。附图被包含以提供对本公开的进一步了解,附图被并入本说明书并且成为本说明书的一部分。附图示出了本公开的各种实施例,而且和说明书一起来解释本公开的原理和操作。以下所提出的权利要求构成本说明书的一部分,并且尤其被并入到以下所提出的具体实施方式中。
附图说明
图1为根据本公开的示例超快速激光退火系统的示意图;
图2A为晶片的截面图,该截面图示出示例晶体管半导体结构,其中源极区和漏极区可为含掺杂物的硅(Si)或含掺杂物的硅锗(SiGe),并可以利用表面熔化处理被退火;
图2B为晶片的截面图,该截面图示出示例半导体结构,其中退火需要次表面熔化处理;
图3为形成在晶片表面上的预热线图像与退火图像的俯视特写图,其示出的是二个图像的相对尺寸与扫描方向,以及定义熔化退火处理的停留时间的扫描重叠区域;
图4为退火激光系统的示例的示意侧视图,该退火激光系统具有多面的扫描镜及F-θ(F-theta)扫描配置(configuration);
图5为类似于图3的特写图,以附图说明退火图像与扫描重叠区域相对于预热线图像的扫描动作;及
图6为晶片的俯视图,以附图说明以预热线图像与退火图像扫描晶片表面的示例方法。
具体实施方式
现在详细参考本公开的各个实施例,其示例将于随附附图中予以说明。无论何时,在所有附图中相同或相似的附图标记及符号指的是相同或相似部件。附图并非按原比例绘制,且所属技术领域的技术人员将能认识到附图在何处被简化以图式说明本公开的关键方面。在部分附图中,直角坐标基于参考的目的而被提供,并非旨在对本文所描述的系统和方法的特定方向和方位提供限制。以下所提出的权利要求被并入并构成实施方式的一部分。
在以下的讨论中,“晶片”一词是“半导体晶片”的简写,例如用于集成电路设备制造的半导体晶片。示例的晶片为硅晶片。
本公开的方面涉及执行激光退火,其中晶片表面局部地熔化或晶片次表面局部地熔化。在示例中,晶片表面是由覆盖在具有较低熔化温度的材料层上(例如,锗(Ge)或硅锗(SiGe))的薄硅层来组成的,晶片表面维持固态,而次表面材料却可熔化。因此,本发明所述的熔化处理是适用于任一情况:不论是晶片表面熔化,或是晶片表面维持固态而在晶片表面之下的少量材料熔化。后一个熔化处理在本文中被称为“次表面熔化处理”,其中熔化温度TM是指次表面材料的熔化温度。晶片表面温度TS基本上对应于晶片次表面温度(即,在晶片表面正下方的温度),故该温度在次表面熔化处理中也被称为晶片次表面温度。
准连续波激光退火系统
图1为根据本公开的示例准连续波(QCW)激光退火系统(“系统”)100的示意图。系统100包含晶片载台120,该晶片载台120可操作地支撑具有上表面132的块130。晶片载台120可操作地连接至载台控制器124,且经由载台控制器124的操作,晶片载台120被设置可在X-Y平面移动,也可选择性地在Z方向移动。块130的上表面132被设置可操作地支撑晶片10,该晶片具有基板11、表面12,及位于紧接表面12下方的次表面13,例如,该次表面的深度约至数十微米左右(见图2A与图2B)。表面12包含图案,该图案由通常与制造集成电路(IC)芯片的不同阶段有关的半导体结构所定义。
图2A为晶片10的截面图,示出示例晶体管半导体结构14。晶体管半导体结构14包含源极区16S及漏极区16D、薄栅极氧化物层17及高介电系数金属栅极堆栈18。用于高介电系数金属栅极堆栈18的示例材料为氧化铪(HfO)。源极区16S及漏极区16D可为被掺杂的硅(Si)或被掺杂的硅锗(SiGe),并可被本发明所公开的表面熔化处理退火。高介电系数金属栅极堆栈18具有高于Si或SiGe源极区16S及漏极区16D的熔化温度的熔化温度。
图2B为示例晶片10的截面图,示出示例半导体结构14,其中退火处理涉及次表面熔化处理。半导体结构14基于美国专利No.8,138,579的图5,该美国专利的名称为“Structures and methods of forming SiGe and SiGeC buried layer for SOI/SiGetechnology”。半导体结构14包含隐埋氧化物(BOX)层22、硅膜层24、可选择的硅膜缓冲层26,硅锗或硅锗碳膜层28,第一硅外延层30,第二硅外延层34及绝缘结构36。
晶片10具有熔化温度TM,该熔化温度TM基于形成于该晶片10中的各种半导体结构14,随该晶片10上的位置而改变。对于(纯)硅晶片10,TM=1414℃。掺杂的硅的熔化温度TM会稍低于纯硅的熔化温度。在其他如图2B所示的示例中,晶片10包含由硅和锗组合而构成的半导体结构14。锗具有熔化温度TM=938℃。包含硅和锗二者的半导体具有的熔化温度TM为此二种材料的熔化温度的加权平均。晶片10也具有晶片表面温度(或晶片次表面温度)TS,如上所述该晶片次表面温度也指次表面熔化处理时的次表面温度。
在图2B的示例半导体结构14中,硅锗或硅锗碳膜层28可以是被掺杂的硅,其须被退火以活化其中的掺杂物。因为硅锗或硅锗碳膜层28位于具较高熔化温度的第一硅外延层30的下,所以用于图2B的半导体结构14的退火处理为次表面熔化处理。
在示例中,块130被加热以致晶片10可被预热。晶片载台120可操作地连接至载台控制器124。
系统100也包含被设置以产生预热激光束168的预热激光系统150。预热激光束168通过提高该晶片表面的温度(或晶片次表面的温度)TS至小于熔化温度TM的预退火温度TPA而用于预热该晶片10的表面12。
预热激光系统150包含预热激光器160及线形成光学系统166。预热激光器160可包含二极管激光、光纤激光或CO2激光,例如连续波(CW)水平极化(p-polarized)的10.6微米的CO2激光。在示例中,线形成光学系统166被设置,使预热激光束168以接近直角的入射角或以大斜角的入射角入射至晶片10的表面12。在示例的实施例中,预热激光束168的入射角实质上等于晶片10的表面12的布鲁斯特角(Brewster’s angle),以致由非均匀的光学吸收所导致的不良图案密度效应可被降低,甚至到最低。
线形成光学系统166被设置以从预热激光器160接收初始激光束162,并从初始激光束162在晶片10的表面12上形成预热线图像170,如第3图所示。预热线图像170具有近端172、远端174及相对的侧边173。预热线图像170具有从近端172延伸至远端174的长方向(维度),且具有长度L1。预热线图像170也具有宽度为W1的窄方向(维度),该窄方向是在相对的侧边173之间测量的距离。在示例中,长度L1在5毫米至20毫米的范围间,而另一示例的长度L1则是在7毫米至12毫米的范围间。并且在示例中,宽度W1是在50微米至200微米的范围间,而另一示例的宽度W1则为150微米。
预热线图像170相对于晶片10的表面12沿y方向移动,如箭头AR1所指示。此方向被称为预热扫描方向。晶片10的表面12与预热线图像170相关的部分代表晶片10的表面12的局部预热的部分,其中晶片表面温度TS被升高至预退火温度TPA。
在示例的实施例中,预热激光束168在扫描方向(即y方向)上具有高斯强度分布,而在长(跨扫描)方向(即x方向)则具有顶部相对平坦的强度分布。预热激光束168的宽度W1可在高斯强度分布1/e2强度值处或在高斯强度分布的半峰全宽值(FWHM)处来定义。
再次参照图1,该系统100也包含被设置以产生扫描激光束268的退火激光系统250,扫描激光束268形成退火图像270于晶片10的表面12上,如第3图所示。退火激光系统250包含发射初始激光束262的退火激光器260,可操作地连接至调制器驱动器264的调制器263,以及接收初始激光束262并产生扫描激光束268的扫描光学系统266。在示例中,调制器263为声光调制器(AOM),该声光调制器(AOM)用于选择地并交替地遮挡与通过初始激光束262,以控制退火图像270的扫描。
线形成光学系统166及扫描光学系统266可各自包含透镜、反射镜、光圈、滤镜、有源光学组件(例如,可变衰减器等)及其组合。在示例中,线形成光学系统166及扫描光学系统266之一或二者均可被配置以执行光束调节,例如,一致化其各自的初始激光束162与262,且/或为初始激光束162与262提供所选择的截面形状。适用于执行此种光束调节的示例光学系统166与示例光学系统266是公开于美国专利No.7,514,305,7,494,942,7,399,945及6,366,308之中。在示例中,来自退火激光器260的初始激光束262具有高质量(例如,基本上为高斯分布),使用时无需(在某些情况下,完全不用)本质上的光束调节。
图4为示例扫描光学系统266的示意图,该示例扫描光学系统266包含准直透镜261、多面镜267及聚焦透镜269。多面镜267可操作地连接至反射镜驱动器272,并被反射镜驱动器272驱动而旋转。在示例中,多面镜267具有47个侧面,且以每分钟约17000转的速度(RPM)旋转,使得退火图像270相对于预热线图像170的扫描是高速的而能得到超短的停留时间,如以下所讨论。在示例中,扫描光学系统266具有F-θ(F-theta)的配置。
在示例中,退火激光器260为红外线二极管泵激IR激光器,该红外线二极管泵激IR激光器利用将红外线波长转换至可见波长(例如,从1.064μm转换至532nm)的频率转换组件(例如,倍频晶体)。在示例中,来自退火激光器260的初始激光束262为准连续波(QCW)光束,或严格来说,是发射出光脉冲的激光器,然而这些光脉冲彼此非常靠近以致输出的激光束如同连续波(CW)光束。
在示例中,退火激光器260以准连续波操作模式操作于高频率(例如,100MHz或更大,或者是150MHz或更大),即以此速率启动或关闭退火激光器260。相较于连续波操作模式,准连续波操作模式能提供较高的峰值功率。而该较高的峰值功率继而可使用退火激光器260的单通设置(single-pass arrangement)以简单方式来产生二次谐波,相对地,以连续波操作模式操作时需要共振腔。在示例中,初始激光束262非常接近真正高斯分布,具有约1.2的M2值。退火激光器260的输出功率约为500W,且由于与扫描光学系统266有关的光损耗相对较小,使得在示例中扫描激光束268具有大约500W的光功率。扫描激光束268的高功率提供了本文所公开的退火方法所需的超短停留时间。
扫描激光束268及与之相关的退火图像270是用于向由预热线图像170(并且可选的加热块130)所定义的晶片10的表面12的预热部分加热,使得晶片表面温度TS从预退火温度TPA局部地上升到熔化温度TM,因此导致晶片10的表面12或者次表面13局部地熔化。
退火图像270重叠预热线图像170的一部分,且在本文中重叠区域被称为“扫描重叠区域”SOR。退火图像270具有长度为L2的长维度及宽度为W2的窄维度。退火图像270在x方向及y方向上均具有本质上的高斯强度分布。退火图像270的长维度定位于预热线图像170的短维度方向。在示例中,长度L2是在100微米至500微米的范围间,且宽度W2是在10微米至50微米的范围间,其中示例宽度在15微米至20微米的范围间,或甚至在16微米至18微米的范围间。退火图像270的扫描方向AR2是垂直(正交)于其长维度方向。扫描方向AR2被称为“退火扫描方向”,且正交于“预热扫描方向”AR1。退火图像270的宽度W2定义该扫描重叠区域SOR于扫描方向AR2上的宽度。
在示例中,长度L2被设定为本质上大于宽度W1(例如,在2倍至4倍之间),使得退火图像270的端部延伸出预热线图像170的相对的侧边173,如第3图所示。这使得对齐预热线图像170与退火图像270从而定义扫描重叠区域SOR变得非常容易。此配置是利用退火图像270的中央、高强度部分以向晶片10的表面12上由预热线图像170所定义的局部预热部分进行加热,而将晶片表面温度TS升高至熔化温度TM。
预热激光束168及扫描激光束268具有各自的波长,分别为λ1与λ2,在一个示例中,这两种波长均能在所选择的条件下加热晶片10。在示例中,波长λ1是10.64μm,且波长λ2是532nm。
系统100也包含热放射探测器系统180,被设置与配置以测量从晶片10的表面12所发出的热放射辐射182的量,如下所述,并产生电热放射信号SE。在示例中,热放射探测器系统180测量晶片10的表面12的辐射率ε,而电热放射信号SE代表所测量的辐射率ε。在示例中,热放射探测器系统180利用扫描光学系统266的至少一部分,使热放射探测器系统180可追踪退火图像270,进而追踪由退火图像270所定义的扫描重叠区域SOR。
在示例的实施例中,热放射探测器系统180及扫描光学系统266具有各自且互相重叠的光路区段OPE与OPS。此配置使热放射探测器系统180得以从扫描重叠区域SOR的位置收集热放射辐射182,即使当退火图像270于晶片10的表面12上扫描时。
在另一示例的实施例中,系统100包含高温计280,该高温计280测量晶片10的表面12的在扫描重叠区域SOR处的局部晶片表面温度TS,并对应地产生温度信号ST。
在另一示例中,系统100包含被设置以接收反射光268R的探测器290,该反射光268R代表扫描激光束268的反射自晶片10的表面12的一部分。在示例中,当晶片10的表面12在扫描重叠区域SOR熔化时,反射光268R的量会增加(参照第3图)。探测器290产生反射光信号SR,该反射光信号SR反映了其所检测到的反射光268R的量。
在示例的实施例中,系统100进一步包含控制器300。在示例的实施例中,控制器300是计算机或包含计算机,例如个人计算机或工作站。控制器300优选地包含以下的任何一个:多个商业可得的微控制器,连接处理器至存储器装置(例如硬盘驱动器)的合适的总线架构及合适的输入及输出装置(分别如,键盘及显示器)。控制器300可通过包括在非瞬态计算机可读介质(例如,内存、处理器或二者)中的指令(软件)而被编程,使控制器300得以执行系统100的各种功能以完成晶片10的退火。
控制器300可操作地连接至预热激光系统150与激光退火系统250,并控制预热激光系统150与退火激光系统250的操作。控制器300电性连接至调制器263,并且利用控制信号SM控制调制器263的操作。在示例中,控制器300包含数字信号处理器(DSP)(未示出)以控制预热激光系统150与退火激光系统250中的扫描功能。控制器300还可操作地连接于热放射探测器系统180及扫描光学系统266,且被配置以接收并处理电热放射信号SE。控制器300还可操作地连接至高温计280,且被配置以接收并处理如下所述的温度信号ST。控制器300还可操作地连接至探测器290,且被配置为接收并处理反射光信号SR。
在系统100的操作的示例中,控制器300发送第一控制信号S1至预热激光器160,预热激光响应该第一控制信号而产生初始激光束162。初始激光束162被线形成光学系统166接收,线形成光学系统166从初始激光束162形成预热激光束168,预热激光束168通常沿第一光轴A1行进并在晶片10的表面12形成预热线图像170。
控制器300还发送第二控制信号S2至退火激光器260,退火激光响应该第二控制信号而产生初始激光束262。初始激光束262被扫描光学系统266接收,而此扫描光学系统被控制信号SS控制以形成扫描激光束268,而此扫描激光束268继而在晶片10的表面12形成退火图像270。
控制器300还发送第三控制信号S3至载台控制器124以造成晶片载台120的被控移动,以使晶片10相对于预热线图像170及退火图像270移动(扫描)。在块130提供晶片预热的示例中,控制器300还可发送另一控制信号(未示出)至块控制器134以启动晶片预热处理。通常块预热的范围是从室温(25℃)至400℃。
在示例中,控制器300也从高温计280接收温度信号ST,并利用温度信号ST以控制预热激光束168与扫描激光束268之一或二者的强度。
第5图为类似于图3的特写图,以说明退火图像270及扫描重叠区域SOR相对于预热线图像170的扫描动作。退火图像270被示出位于不同位置处,该不同位置对应于扫描过程中的不同时间。扫描光学系统266被配置以沿x方向在预热线图像170上,自预热线图像170的近端172的起始位置PS至预热线图像170的远端174的完成位置PF,扫描或者横扫退火图像270。相较于预热线图像170的移动,退火图像270的扫描速度是足够快速的,使得在退火图像270的扫描期间预热线图像170基本上是静止不动的。
在一个示例中,扫描重叠区域SOR的停留时间τD在10ns≤τD≤500ns的范围间,而在另一示例中是在25ns≤τD≤250ns的范围间。对于宽度W2=15μm及停留时间为25ns,退火图像270及因此的扫描重叠区域SOR的扫描速度为vS=W2/τD=600m/s。对于停留时间τD为250ns,扫描速度为vS=60m/s。对于停留时间τD为500ns,扫描速度为vS=30m/s。对于停留时间τD为10ns,扫描速度为1500m/s。利用如第3图所示的扫描光学系统266,这些扫描速度均是可达到的。
一旦退火图像270到达预热线图像170的远端174时,扫描激光束268与相应的退火图像270会被关闭,关闭方法是通过激活调制器263从而遮挡初始激光束262的传送。当扫描激光束268是“关闭”时,预热线图像170被允许在y方向移动,使晶片10的表面12的下一被预热部分可被扫描。在示例中,预热线图像170的移动也可以是连续的,例如,通过连续地移动晶片载台120。当预热线图像170位于适当位置时,该扫描激光束268被重新启动,启动方式为通过将调制器263设为传送模式,此时扫描光学系统266能够将扫描激光束268及相应的退火图像270导向至置于新位置的预热线图像170的起始位置PS。接着,在置于新位置的预热线图像170上,执行退火图像270的扫描。图6为晶片10的俯视图,以说明利用扫描重叠区域SOR通过重复以上所述的扫描方法来扫描晶片10的基本上全部表面12的示例方法(例如,至少是图案化的部分)。
如上所述,在示例中,退火激光器260操作于准连续波操作模式。示例的退火激光器260的操作频率为f=100MHz或更大,或者是f=150MHz或更大。频率f=150MHz使得退火激光器260每秒产生150x106个光脉冲。对于扫描速度为vS=150m/s扫描激光束268,其可转换成每单位距离的脉冲率Rp=f/vS=对于退火图像270行进的每1μm距离存在1个脉冲(P),即1p/μm。停留时间τD为退火图像270的宽度W2及扫描重叠区域SOR通过晶片10上的给定点所用的时间。因此,对于具有宽度W2=15μm且以vS=150m/s在晶片10的表面12上的给定点上移动的退火图像270,此点将会经历若干个脉冲:Np=RP.W2=(1p/μm)·(15μm)=15个脉冲。对于扫描速度为600m/s且宽度W2=20μm,每单位距离的脉冲率Rp=f/vS=0.5p/μm,则脉冲数为NP=RP·W2=(0.5p/μm)·(20μm)=10个脉冲。
在示例中,晶片10的表面12上被扫描重叠区域SOR扫描过的每一点在停留时间τD期间会经受来自扫描激光束268的至少5个光脉冲,优选地是至少八个光脉冲,而更优选地是至少十个光脉冲。脉冲的频率足够快(例如,快于100ns),使得与晶片10的表面12(或次表面13)相关联的给定点处在该给定点受到脉冲照射期间不发生再结晶。
在示例中,熔化退火处理是由系统100所执行,使预退火温度TPA是在(0.5)·TM≤TPA≤(0.9)·TM的范围间,在另一示例中,预退火温度TPA是在(0.6)·TM≤TPA≤(0.8)·TM的范围间,而在另一示例中,预退火温度TPA是在(0.6)·TM≤TPA≤(0.7)·TM的范围间。如上所述,熔化温度TM视其应用可指表面熔化温度或次表面熔化温度。
在扫描过程中,热放射探测器系统180可用于监控来自扫描重叠区域SOR的热放射辐射182。热放射探测器系统180产生代表被检测到的电热放射信号SE,并将该电热放射信号SE发送至控制器300。控制器300接收电热放射信号SE,并使用电热放射信号SE产生反馈回路,该反馈回路控制由预热激光系统150及退火激光系统250的至少其中一个所产生的功率量,进而控制预热激光束168及扫描激光束268的至少其中之一的激光功率,使得晶片表面温度TS保持基本上恒定。热放射辐射182的检测可利用快速光探测器完成,使得对应的电热放射信号SE基本上能够立即用于闭合回路控制。
为了准确地控制晶片10的表面12的晶片表面温度TS,在执行此退火方法时,须能精确地测量该温度。通过测量辐射率ε以测量晶片表面温度TS且适用于本公开的系统及方法记载于美国专利No.2012/0100640。当扫描重叠区域SOR在晶片10的表面12上扫描时,辐射率ε可在逐点基础上被计算出。接着,利用被计算出的辐射率ε获得晶片表面温度TS的局部测量值,而此值对于由晶片10的表面12上存在的任意图案所导致发射率变化是不敏感的。此方法继而能为扫描激光束268的功率量提供闭合回路控制。反射光268R的测量值也作为提供系统100反馈的方法,以控制预热激光束168及扫描激光束268之一或二者的光功率量。
对于本领域技术人员来说,清楚的是:能够在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本公开做出各种修改和变化。因此,本公开覆盖本公开的修改和变化,只要该修改和变化落在所附权利要求及其等同物的范围之内。
Claims (25)
1.一种退火具有图案化表面的半导体晶片的方法,所述半导体晶片具有晶片表面温度或晶片次表面温度TS与表面熔化温度或次表面熔化温度TM,所述方法包含:
使用预热激光束在所述图案化表面上形成预热线图像,所述预热线图像被配置以加热所述图案化表面的一部分至(0.5)·TM≤TPA≤(0.9)·TM范围间的预退火温度TPA,其中所述预热线图像具有宽度W1和5mm至20mm范围间的长度L1;
使用扫描激光束在所述半导体晶片的所述表面上形成退火图像,使得所述退火图像重叠所述预热线图像的一部分以定义扫描重叠区域,所述退火图像具有100微米至500微米范围间的长度L2与10微米至50微米范围间的宽度W2,其中所述长度L2≥2·W1,且其中所述长度L1与所述长度L2以正交方向被测量;及
相对于所述预热线图像扫描所述退火图像,使得所述扫描重叠区域具有10ns<τD≤500ns范围间的停留时间τD,且在所述扫描重叠区域内局部地将所述晶片表面温度或晶片次表面温度TS从所述预退火温度TPA升高至所述表面熔化温度或次表面熔化温度TM。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述停留时间τD在25ns≤τD≤250ns的范围间。
3.根据权利要求1所述的方法,还包含以准连续波QCW操作模式来操作退火激光器以形成所述扫描激光束,所述准连续波操作模式产生光脉冲,其中所述扫描重叠区域所通过的所述半导体晶片的所述表面上的每一点接收至少五个光脉冲。
4.根据权利要求3所述的方法,其中所述准连续波QCW操作模式具有100MHz或更高的重复率。
5.根据权利要求1所述的方法,其中通过将初始激光束从退火激光器导向至旋转多面镜来形成所述扫描激光束。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述预热激光束具有红外线波长,且所述扫描激光束具有可见波长。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述可见波长为532nm,且所述可见波长是通过倍频红外线光纤激光器而形成的。
8.根据权利要求1所述的方法,还包含测量所述扫描重叠区域内的所述半导体晶片的所述表面的温度,且利用所测量到的所述半导体晶片的所述表面的温度来控制所述预热激光束与退火激光束的至少其中一个的光功率量。
9.根据权利要求8所述的方法,其中测量所述半导体晶片的所述表面的温度包含从所述扫描重叠区域测量辐射率。
10.根据权利要求1所述的方法,其中所述半导体晶片包含硅与锗,且锗位在硅层之下。
11.根据权利要求1所述的方法,还包含:
a)使用扫描光学系统,沿退火扫描方向从位于所述预热线图像的远端的起始位置至位于所述预热线图像的近端的完成位置来扫描所述退火图像;
b)当所述退火图像抵达所述完成位置时,关闭所述扫描激光束;
c)移动所述预热线图像至所述半导体晶片的表面上的新位置;
d)当所述退火图像能够被导向至所述起始位置时,重新开启所述扫描激光束;及
重复动作a)至动作d),以在所述半导体晶片的基本上整个表面上扫描所述扫描重叠区域。
12.根据权利要求11所述的方法,其中动作c)包含在预热扫描方向上连续地移动所述预热线图像,所述预热扫描方向正交于所述退火扫描方向。
13.根据权利要求11所述的方法,其中关闭所述扫描激光束包含以声光调制器遮挡所述扫描激光束。
14.根据权利要求11所述的方法,其中所述预热线图像加热所述半导体晶片的表面或者次表面至(0.6)·TM≤TPA≤(0.8)·TM范围间的所述预退火温度TPA。
15.一种用于退火具有图案化表面的半导体晶片的系统,所述半导体晶片具有晶片表面温度或晶片次表面温度TS与表面熔化温度或次表面熔化温度TM,所述系统包含:
形成预热激光束的预热激光系统,所述预热激光束在所述图案化表面上形成预热线图像,所述预热线图像被配置以加热所述图案化表面的一部分至(0.5)·TM≤TPA≤(0.9)·TM范围间的预退火温度TPA,其中所述预热线图像具有长度L1的长方向与宽度W1的窄方向,长度L1的范围为5mm到20mm;
形成扫描激光束的退火激光系统,所述扫描激光束在所述半导体晶片的所述表面上形成退火图像,使得所述退火图像重叠所述预热线图像的一部分以定义扫描重叠区域,所述退火图像具有长度L2的长方向与宽度W2的窄方向,所述长度L2具有100微米至200微米的范围,所述宽度W2具有10微米至25微米的范围,其中所述长度L2≥2·W1,且其中所述长度L1与所述长度L2以正交方向被测量;及
其中所述退火激光系统包含扫描光学系统,所述扫描光学系统相对于所述预热线图像扫描所述退火图像,使得所述扫描重叠区域具有10ns≤τD≤500ns范围间的停留时间τD,且在所述扫描重叠区域内局部地将所述晶片表面温度或晶片次表面温度TS从所述预退火温度TPA升高至所述表面熔化温度或次表面熔化温度TM。
16.根据权利要求15所述的系统,其中所述停留时间τD在25ns≤τD≤250ns的范围间。
17.根据权利要求15所述的系统,其中所述退火激光系统包含以准连续波(QCW)操作模式操作的退火激光器,使得所述扫描激光束包含光脉冲,其中所述扫描重叠区域所通过的所述半导体晶片的所述表面上的每一点接收至少五个光脉冲。
18.根据权利要求17所述的系统,其中所述准连续波QCW操作模式具有100MHz或更大的频率。
19.根据权利要求15所述的系统,其中所述退火激光系统包含产生初始激光束的退火激光器,且其中所述扫描光学系统包含接收所述初始激光束并形成所述扫描激光束的旋转多面镜。
20.根据权利要求19所述的系统,其中所述退火激光系统包含可操作地连接至调制器驱动器的调制器,其中所述调制器被设置于所述初始激光束中,并且当所述退火图像完成其扫描时,所述调制器遮挡所述初始激光束,而当所述退火图像开始另一扫描时,所述调制器传送所述初始激光束。
21.根据权利要求17所述的系统,其中所述退火激光器包含具有倍频晶体的红外线泵激光纤激光器,且其中所述扫描激光束具有532nm的波长。
22.根据权利要求21所述的系统,其中所述预热激光束具有红外线波长。
23.根据权利要求15所述的系统,还包含热放射探测器系统,所述热放射探测器系统测量来自所述扫描重叠区域的热放射。
24.根据权利要求15所述的系统,其中所述半导体晶片是由块支撑的,所述块继而由可移动晶片载台支撑,其中所述退火图像沿退火方向扫描,且其中所述可移动晶片载台沿预热扫描方向移动以扫描所述预热线图像,所述预热扫描方向正交于所述退火方向。
25.根据权利要求15所述的系统,其中所述预热线图像加热所述半导体晶片的表面或次表面至(0.6)·TM≤TPA≤(0.8)·TM范围间的所述预退火温度TPA。
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