CN110216370B - 激光退火方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了激光退火方法和系统。该方法包括：由控制单元发出脉冲信号；控制激光发生装置，以产生激光光束；激光光束通过光学模块以线斑的形式投射到晶圆表面；控制载片装置沿着线斑的第一宽度方向以第一速度进行匀速移动，以对晶圆进行第一扫描；在第一扫描的终点，控制载片装置沿着第一步进方向运动至第二扫描的起点；从第二扫描的起点沿着线斑的第二宽度方向以第二速度进行匀速移动，以对晶圆进行第二扫描；在第二扫描的终点，控制载片装置沿着第二步进方向运动至第三扫描的起点；在第三扫描的起点，依次重复第一扫描、第一步进、第二扫描、第二步进中的一步或多步，直至完全扫描整片晶圆。该方法具有激活均匀性好和激活效率高的优点。

Description

激光退火方法和系统
技术领域
本发明涉及一种激光退火方法，具体涉及一种通过精确控制载片台的步进和激光脉冲时序来实现可控激光退火的方法。
背景技术
在进行半导体芯片制造时，会对某些器件的晶圆背面进行离子注入工艺。此步骤会对晶格造成严重的损伤，所掺杂的杂质离子未能位于正确的晶格位置，因此并不具备有效的电活性，此时需要再对材料进行加热处理，以修复晶格损伤，同时激活杂质电活性，这种加热处理工艺即为退火。
传统使用的退火工艺，包括炉管退火、闪光灯退火(FLA，Flash LampAnnealing)、尖峰退火(Spike Annealing)等，由于退火温度低、退火时间长等缺点，并不能很好地激活杂质，而且易于造成不必要的杂质再扩散。随着器件尺寸的逐渐缩小，这种杂质分布再扩散所带来的缺陷也愈来愈成为需要解决的问题。
激光脉冲退火，是指利用脉冲信号的激光输出对材料进行退火处理的工艺方法。由于瞬时温度高、作用时间短、热预算低等的优势，激光脉冲退火能够很好地满足高效激活的工艺要求，成为扩散的关键工艺之一。尤其是，对于新一代绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件，因采用电场中止(Field Stop)技术，可以将衬底研磨得很薄来降低通态损耗。
通常的晶圆厚度在100～200μm，更先进的设计甚至要求使用70μm以下的超薄片，在这种薄片/超薄片上进行背面退火时，为保证器件正面的铝不会因为高温熔化，要求工艺温度必须控制在450℃以内，采用激光退火能够将退火时间控制在微秒量级，从而保证晶圆正面的有效控温，这种情况下激光脉冲退火几乎是获得高退火性能的唯一方案。
而由于激光线斑尺寸的限制，如果要对整个晶圆背面进行退火，就必须使激光的线斑与晶圆之间产生相对运动，随着时间的推移，激光一方面沿着线斑宽度方向扫描，一方面沿着长度方向步进，直至其移动痕迹覆盖整个晶圆背面。由于工艺性能的要求，对于任何激光的扫描方式来说，都不允许出现有漏空(未扫描到的地方)或者激活不均匀的地方。对于现代的集成电路多晶体管器件而言，即使出现很小的退火异常区域，都会导致同一晶圆上不同芯片的器件性能不一致，由此造成激光退火工艺的失效。
现有的技术方案并不对步进后的线斑位置进行精准的控制，即并不对激光脉冲的时序与片台的运动之间的关系作精准的控制，这在一定程度上带来对工艺性能方面的不可控，尤其是存在退火均匀性不佳和激活效率较低的问题。
发明内容
为此，本发明提供了一种激光退火方法，通过精准控制激光退火的时序和步进方向，在提高激活效率的同时，显著提高退火的均匀性，从而改善器件性能的均一性。
根据本发明的一个方面，提供一种激光退火方法，包括以下步骤：
由控制单元发出脉冲信号；
控制激光发生装置，以产生激光光束；
激光光束通过光学模块以线斑的形式投射到晶圆表面；
控制载片装置沿着线斑的第一宽度方向以第一速度进行匀速移动，以对承载于所述载片装置上的晶圆进行第一扫描；
在所述第一扫描的终点，控制所述载片装置沿着第一步进方向运动至第二扫描的起点；
从所述第二扫描的起点沿着线斑的第二宽度方向以第二速度进行匀速移动，以对所述晶圆进行第二扫描；
在所述第二扫描的终点，控制所述载片装置沿着第二步进方向运动至第三扫描的起点；
在第三扫描的起点，依次重复第一扫描、第一步进、第二扫描、第二步进中的一步或多步，直至完全扫描整片晶圆；
其中，所述第一宽度方向与所述第二宽度方向相反。
优选地，所述第一步进方向分解为沿长度方向的偏移量S11＝c1*L线斑，沿第一宽度方向的偏移量S12＝c2*D，其中，L线斑为线斑的长度，D为相邻两个线斑之间的偏移量，c1和c2独立地为0.2～0.8。
所述第二步进方向分解为沿长度方向的偏移量S21＝c3*L线斑，沿第一宽度方向的偏移量S22＝c4*D，其中，L线斑为线斑的长度，D为相邻两个线斑之间的偏移量，c3和c4独立地为0.2～0.8。
所述偏移量D＝V*T1，其中，V为激光扫描速度，T1为相邻两个激光脉冲之间的空闲时间。
优选地，第一速度和第二速度大小相同。
所述线斑的光强在长度方向为平顶分布，在宽度方向为高斯分布。
所述线斑的光强在长度方向为平顶分布，在宽度方向也为平顶分布。
根据本发明的另一个方面，提供一种激光退火系统，包括：激光发生装置、载片装置，以及控制激光发生装置和载片装置的控制单元。
优选地，所述控制单元为脉冲发生器。
根据本发明的激光退火方法和系统具有以下有益效果：
通过精确控制每一行扫描完步进后的线斑坐标，控制激光退火的激光时序，从而实现一方面，在提高激活效率的同时能够显著提高退火的均匀性，大幅度改善器件性能的均一性；另一方面，由于步进精准可控，可以适当提高扫描速度，从而提高产率；所以本发明的激光退火方法既可以实现退火工艺性能的稳定可靠，也同时提升了产率。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了现有技术的激光脉冲退火系统的核心组成模块示意图；
图2示意性示出了激光扫描退火工艺原理；
图3为根据本发明的精准控制步进的激光退火系统组成示意图；
图4a和图4b分别为根据本发明的激光退火方法的激光线斑光强分布示意图；
图5为根据本发明的激光退火方法的激光脉冲输出时序示意图；
图6为根据本发明的激光退火方法中激光退火相对运动方式示意图；
图7为根据本发明的激光退火方法精准控制激光退火步进的效果示意图；
图8为根据实施例1和对比例1的激光退火后晶圆的全片薄层电阻测试图。
附图标记说明：1控制单元；2激光发生装置；3光学模块；4出射光束；5晶圆；6卡盘；7载片装置。
具体实施方式
图1示出了现有技术中常规的激光脉冲退火所采用的设备系统，其核心模块主要包括：
(1)用于产生退火用激光光束的激光器；
(2)用于激光光束光斑整形和光路传输的光学模块；
(3)用于承载晶圆的卡盘；
(4)用于带动卡盘和晶圆运动的载片台。
如图1所示，由激光器输出的原始光束，经特定的精密光学模块进行整形后，将整形好的线斑通过镜头投射到晶圆表面，由载片台带动卡盘和晶圆进行步进和逐行扫描运动(参见图2)，直至扫描完整片晶圆，从而实现对整片晶圆的激光退火。
为了提高杂质激活的均匀性，现有技术的解决方案通常是通过降低线斑宽度方向的扫描速度和降低长度方向的步进距离来改善退火的均匀性，这种方式提高了在线斑宽度和长度方向的重叠率，但是随之带来产率的急剧下降。
上述现有技术的方案不对步进后的线斑位置进行精准的控制，即并不对激光脉冲的时序与片台的运动之间的关系做精准的控制，这会使得工艺性能不可控，尤其是会导致退火均匀性不佳和激活效率较低的问题。
针对上述问题，根据本发明提供一种激光退火系统，采用精确步进算法对步进运动进行控制，其结构如图3所示，该系统包括：控制单元1、激光发生装置2、光学模块3、卡盘6和载片装置7。
具体地，在上述激光退火系统中，由控制单元1对激光发生装置2的总体时序以及载片装置7的同步运动进行控制。优选地，控制单元1为脉冲发生器的形式。载片装置7优选为载片台。
激光发生装置2发出激光光束4，经过光学模块3以线斑的形式投射到通过卡盘6承载到载片装置7上的晶圆5表面。载片装置7带动卡盘6和晶圆5进行来回扫描及步进运动，最终使激光光束覆盖整张晶圆，控制单元1对激光光束的时序和载片装置7的扫描和步进运动进行控制，完成晶圆的整个激光退火工艺过程。
具体地，在空间分布上，光学模块3完成由原始激光光束至目标线斑的光束变换、匀化、合成及投影功能。例如，把束斑由原始的圆形光斑整形为长方形线斑，在长度(Length)方向上较为均匀、宽度(Width)方向上尺寸较窄。线斑的光强(I0)分布主要有两种形式：(1)长度方向为平顶分布，宽度方向为高斯分布，如图4a所示；(2)长度方向为第一平顶分布，宽度方向为第二平顶分布，如图4b所示。
在时间分布上，激光脉冲是以重复频率f进行能量输出，输出信号如图5所示，一个脉冲周期时间为T(T＝1/f)，两个脉冲之间的空闲时间为T1，在激光沿宽度方向扫描时，扫描速度为匀速V，当激光脉冲沿着宽度方向扫描时，对于相邻两个脉冲线斑的投影位置而言，第二个脉冲作用的位置相对于第一个脉冲的位置沿宽度方向偏移距离为D，D＝V*T1。
根据本发明还提供一种激光退火方法，包括以下步骤：
由控制单元发出脉冲信号；
控制激光发生装置，以产生激光光束；
激光光束通过光学模块以线斑的形式投射到晶圆表面；
控制载片装置沿着线斑的第一宽度方向以第一速度进行匀速移动，以对承载于载片装置上的晶圆进行第一扫描；
在第一扫描的终点，控制载片装置沿着第一步进方向运动至第二扫描的起点；
从第二扫描的起点沿着线斑的第二宽度方向以第二速度进行匀速移动，以对晶圆进行第二扫描；
在第二扫描的终点，控制载片装置沿着第二步进方向运动至第三扫描的起点；
在第三扫描的起点，依次重复第一扫描、第一步进、第二扫描、第二步进中的一步或多步，直至完全扫描整片晶圆；
其中，第一宽度方向与第二宽度方向相反。
上述第一步进方向分解为沿长度方向的偏移量S11＝c1*L线斑，沿第一宽度方向的偏移量S12＝c2*D，其中，L线斑为线斑的长度，D为相邻两个线斑之间的偏移量，c1和c2独立地为0.2～0.8，优选0.3～0.7，更优选0.5。
上述第二步进方向分解为沿长度方向的偏移量S21＝c3*L线斑，沿第一宽度方向的偏移量S22＝c4*D，其中，L线斑为线斑的长度，D为相邻两个线斑之间的偏移量，c3和c4独立地为0.2～0.8，优选0.3～0.7，更优选0.5。
上述偏移量D＝V*T1，其中，V为激光扫描速度，T1为相邻两个激光脉冲之间的空闲时间。
上述第一速度和第二速度大小可相同或不同。
根据本发明的一个具体实施方式，所提供的扫描方式如图6所示，载片装置7带动卡盘6和晶圆5做相对运动。通过对激光脉冲时序和载片台运动的精准控制，进行激光退火时相对运动的方式示例如下：
(1)从第一个脉冲的线斑PA1开始，载片装置7以速度V沿着宽度方向(Width)匀速运动，进行Line A1扫描至Line A1扫描的终点，相邻两个脉冲线斑之间的偏移量为D；
(2)Line A1最后一个脉冲线斑PA2到Line B1第一个脉冲线斑PB1的步进为Step1；
(3)载片装置7以Step1的步进进行运动，Step1分解为长度方向(Length)的偏移量为c1*L线斑，宽度方向的偏移量为c2*D，c1与c2的取值范围为0.3～0.7；
(4)从Line B1的第一个脉冲线斑PB1开始，载片装置7以速度V沿着宽度方向匀速运动，其扫描方向与Line A1扫描方向相反，相邻两个脉冲线斑之间的偏移量为D；
(5)Line B1最后一个脉冲线斑PB2到Line A2第一个脉冲线斑PA3的步进为Step2；
(6)载片装置7以Step2的步进进行运动，Step2分解为长度方向的偏移量为c3*L线斑，宽度方向的偏移量为c4*D，c3与c4的取值范围为0.3～0.7；
(7)从Line A2的第一个脉冲线斑PA3开始，载片装置7以速度V沿着宽度方向匀速运动，其扫描方向与Line A1扫描方向一致，相邻两个脉冲线斑之间的偏移量为D；
(8)Line A2最后一个脉冲线斑PA4到Line B2第一个脉冲线斑PB3的步进为Step1；
(9)载片装置7以Step1的步进进行运动，Step1分解为长度方向的偏移量为c1*L线斑，宽度方向的偏移量为c2*D，c1与c2的取值范围为0.3～～0.7；
(10)从Line B2的第一个脉冲线斑PB3开始，载片装置7以速度V沿着宽度方向匀速运动，其扫描方向与Line B1扫描方向一致，相邻两个脉冲线斑之间的偏移量为D；
(11)从Line B2最后一个脉冲线斑PB4开始，重复步骤(5)～(10)，直至激光线斑扫描痕迹覆盖整片晶圆，即完成退火扫描工艺。
根据本发明的激光退火方法通过对激光脉冲的时序和载片台步进的精准控制，作用效果如图7所示，Line A1沿宽度方向两个高斯分布的线斑之间的“空隙”大部分被相反方向扫描的Line B1的线斑所填补(这里取c1＝0.5，c2＝0.5，c3＝0.5，c4＝0.5)。如此控制，一方面既实现了激活的均匀性，使激活效率在精确控制下大幅度提高；另一方面，由于精准的控制，使得扫描速度可以升高，使D值增大从而增大产率，让下一行精准的步进补偿造成的扫描“空隙”，在满足激活效率的同时也实现了高产率。
以下将通过实施例进一步说明本发明，但本发明不限于此。
实施例
实施例1
8英寸的晶圆经过硼离子注入(注入条件：100Kev，5E14，T7)，进入退火工艺。控制单元发出脉冲信号，控制激光发生器发出激光光束。激光光束经过光学模块以长方形线斑投射到晶圆表面。线斑尺寸为：长度L线斑＝4mm，宽度W线斑＝0.03mm，线斑的光强在长度方向为平顶分布，在宽度方向为高斯分布，频率为10kHz(T＝100μs)，脉宽为600ns(T1＝T-600ns＝99.4μs)，能量密度为3.5J/cm2。
参照图6，控制单元发出脉冲信号，控制以90mm/s的扫描速度，匀速从PA1向PA2进行Line A1扫描，载片台运动至PA2时，按照Step 1步进至PB1，作为进行Line B1扫描的起点；其中Step 1的长度方向分量＝0.5*4mm，宽度方向分量＝0.5*0.03mm。接着，以90mm/s的扫描速度，匀速从PB1向PB2进行Line B1扫描，载片台运动至PB2时，按照Step 2步进至PB2，作为进行Line A2扫描的起点；其中Step 2的长度方向分量＝0.5*4mm，宽度方向分量＝0.5*0.03mm。重复进行Line A1扫描、步进Step 1、Line B1扫描和步进Step 2，直至完全扫描整片晶圆，完成激光退火工艺。测定退火后晶圆的全片薄层电阻Rs，结果示于图8中。
对比例1
8英寸的晶圆经过硼离子注入(注入条件：100Kev，5E14，T7)，进入退火工艺。通过控制单元控制激光发生器发出激光光束。激光光束经过光学模块以长方形线斑投射到晶圆表面。线斑尺寸为：长度L线斑＝4mm，宽度W线斑＝0.03mm，线斑的光强在长度方向为平顶分布，在宽度方向为高斯分布，频率为10kHz(T＝100μs)，脉宽为600ns(T1＝T-600ns＝99.4μs)，能量密度为3.5J/cm2。
以90mm/s的速度匀速扫描，不对步进位置进行精确控制，直至完全扫描整片晶圆，完成激光退火工艺。测定退火后晶圆的全片薄层电阻Rs，结果示于图8中。
由图8的表格中所列数据可看出，通过特定的激光脉冲时序与精准控制步进相结合，激光退火后的晶圆全片薄层电阻Rs的1-σ均匀度(σ/AVG)为0.30％，相对于不进行精准控制步进条件下的0.93％，有了大幅度提升，对于最终的器件性能而言，其均一性也能得到极大改善。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种激光退火方法，其特征在于，包括以下步骤：
由控制单元发出脉冲信号；
控制激光发生装置，以产生激光光束；
激光光束通过光学模块以线斑的形式投射到晶圆表面；
控制载片装置沿着线斑的第一宽度方向以第一速度进行匀速移动，以对承载于所述载片装置上的晶圆进行第一扫描；
在所述第一扫描的终点，控制所述载片装置沿着第一步进方向运动至第二扫描的起点；
从所述第二扫描的起点沿着线斑的第二宽度方向以第二速度进行匀速移动，以对所述晶圆进行第二扫描；
在所述第二扫描的终点，控制所述载片装置沿着第二步进方向运动至第三扫描的起点；
所述第一步进方向分解为沿长度方向的偏移量S11＝c1*L线斑，沿第一宽度方向的偏移量S12＝c2*D，其中，L线斑为线斑的长度，D为相邻两个线斑之间的偏移量，c1和c2独立地为0.2～0.8；
所述第二步进方向分解为沿长度方向的偏移量S21，沿第一宽度方向的偏移量S22；在第三扫描的起点，依次重复第一扫描、第一步进、第二扫描、第二步进中的一步或多步，直至完全扫描整片晶圆；
其中，所述第一宽度方向与所述第二宽度方向相反。
2.根据权利要求1所述的激光退火方法，所述第二步进方向分解为沿长度方向的偏移量S21＝c3*L线斑，沿第一宽度方向的偏移量S22＝c4*D，其中，L线斑为线斑的长度，D为相邻两个线斑之间的偏移量，c3和c4独立地为0.2～0.8。
3.根据权利要求2所述的激光退火方法，所述偏移量D＝V*T1，其中，V为激光扫描速度，T1为相邻两个激光脉冲之间的空闲时间。
4.根据权利要求1所述的激光退火方法，第一速度和第二速度大小相同。
5.根据权利要求1所述的激光退火方法，所述线斑的光强在长度方向为平顶分布，在宽度方向为高斯分布。
6.根据权利要求1所述的激光退火方法，所述线斑的光强在长度方向为平顶分布，在宽度方向也为平顶分布。
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