CN112119486A - 使用晶片亮度来监测激光退火工艺和激光退火工具 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于监测半导体晶片的激光退火的方法。在退火后，捕获晶片的许多区域的图像。这些区域的表面亮度由计算机进行测量，并且确定这些表面亮度测量的统计量，诸如它们的平均值和它们的标准差。使用退火的晶片的表面亮度与电阻之间的相关性，表面亮度统计量可以用来确定退火工艺是否产生了符合最终用户规格的晶片。在制造以及定期或之后维护两者期间，表面亮度统计量还可以用于监测退火工具。

Description

使用晶片亮度来监测激光退火工艺和激光退火工具
技术领域
本发明涉及半导体晶片的激光退火，更具体地，涉及监测激光退火的晶片的质量。
背景技术
半导体晶片的退火是晶片制造中的步骤。退火用于激活掺杂剂材料，从而改变晶片的电性能。过去已使用炉退火或快速热退火进行退火。然而，半导体晶片退火的另一方法是通过激光退火。
在激光退火中，使用XY扫描仪将激光束引导到晶片表面的各个部分。激光束扫过晶片表面的小部分(被称为块)(在IPG Photonics Corporation的IX-6100TM工具的情况下，约25mm×25mm正方形)，暂时停留在表面上的许多点中的每一个点处以便加热该点。在对晶片表面上的每个点进行加热之后，XY扫描仪将激光束引导到下一点以进行退火。然后，将晶片放置在其上的载物台相对于XY扫描仪移动，并且激光束扫过晶片表面的新的部分。
工艺相机的焦点固定在激光的相同焦点上，并且允许载物台竖直移动，使得工艺相机的焦点以及因此激光的焦点位于晶片的表面上。
激光束在晶片表面的每个点上的瞬时停留使该表面具有退火图案。SiC晶片(W1、W2、W3和W4)的示例退火图案在图1中示出。每对竖直对准的照片示出了针对不同晶片的退火图案，每对中的上部照片示出了相应晶片上的块的中心处的退火图案，并且下部照片示出了相应晶片上的块的边缘处的退火图案。晶片之间的退火图案不均匀，跨每个晶片的表面的退火图案也不均匀，这可能是由于在这种情况下退火工艺缺乏稳定性。然而，缺乏均匀性对于观察者而言可能是不明显的。
针对特定的晶片配方(指定了期望的晶片电性能，并且通常由使用晶片的客户提供)，晶片的制造商在每个点上设置激光功率、激光焦点和激光停留时间(在本文中被统称为退火工艺属性)。在退火工艺之后，通过人眼在视觉上检查晶片的表面。晶片上的退火图案的均匀性指示晶片的电性能的均匀性。由于实际上仅使用整个晶片的一部分，因此表面的均匀性的视觉图(visual gauge)也可以用于选择具有更高均匀性的部分。晶片之间的退火图案的均匀性也可以用于判断晶片之间的电性能的均匀性。
客户的RSD(on)测量提供了晶片的电性能，并且晶片制造商可以使用该反馈来改变退火工艺属性以便获得期望的电性能。然而，可能需要数周才能获得该反馈。
此外，人眼的视觉检查不允许客观评估晶片的退火图案的均匀性。以这种方式评价退火图案最多提供对退火工艺的定性评估。
最后，使用人眼的视觉检查很慢。检查晶片的典型的超过四千张2000μm×2000μm图像是不切实际的，更不用说针对全部晶片检查大量的图像了，并且几乎不可能在工艺变化影响产品质量之前识别出该工艺变化(例如，退火工艺中的不稳定性)。
需要一种在激光退火之后检查半导体晶片的方法，该方法提供对晶片的退火图案的客观且自动的评估并根据退火图案来确定晶片的电性能。与通过视觉检查和依靠客户反馈而允许的对退火工艺属性的改变相比，这种方法将允许晶片制造商在短得多的时间内改变退火工艺属性(实际上是改变退火工具本身)。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于监测半导体晶片的激光退火工艺的方法。使用激光对晶片进行激光退火。确保照明条件处于预定条件。测量晶片的多个表面亮度，每次测量在晶片的不同部分进行。确定测量的表面亮度的亮度统计量。亮度统计量用于确定晶片是否表现出期望的电特性。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于监测激光退火工具的方法。对裸Si晶片的多个部分进行退火，每个部分处于不同的焦点偏移。测量每个部分的表面亮度，从而将每个焦点偏移与测量的表面亮度之一相关联。确定与表面亮度的最小值相关联的焦点偏移。如果该焦点偏移不为零，则将工具中的激光的焦点调整等于焦点偏移的量。
在一个实施例中，监测用于引导激光束的振镜的对准。对晶片上的多个块进行激光退火。测量晶片的多个部分中的每一个的表面亮度。关于块内的各部分的测量的表面亮度，确定每个块的亮度统计量。如果没有块的亮度统计量指示该块显示出期望的特性，则调整振镜中的镜以使激光束对称地扫掠。
晶片的表面亮度的测量允许对退火的晶片的性能进行客观的量化，并且允许快速地进行量化。退火的晶片的表面亮度与电阻是相关的，因此可以快速且客观地评估退火的晶片的质量。表面亮度的测量和量化还允许客观且快速地监测激光退火工具，从而可以允许相对于对退火的晶片的视觉检查而快速调整工具(如果需要)。甚至可以使用裸测试晶片，并且可以在制造过程之外快速地对激光退火工具进行客观且定量的评估，从而允许快速地调整工具(如果需要)。
附图说明
通过参考附图对优选实施例的以下详细描述，本发明实施例的特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1示出了在激光退火之后不同晶片的各部分的示例照片；
图2示出了根据本发明的一个实施例的用于监测半导体晶片的退火的装置；
图3示出了在激光退火的晶片上的许多区域的电阻与亮度的示例曲线图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的用于监测半导体晶片的激光退火的质量的方法的流程图；
图5示出了根据本发明的一个实施例的图4的评估步骤的细节的流程图；
图6示出了根据本发明的一个实施例的图5的调整步骤的细节的流程图；以及
图7示出了针对若干激光功率，表面亮度作为焦点偏移的函数的示例图。
注意，在附图中，相似的特征带有相似的标记。
具体实施方式
参考图2，示出了根据本发明的一个实施例的用于监测半导体晶片的退火的装置。半导体晶片10放置在载物台12上。载物台12可以在XY平面内水平移动，并且在Z方向上竖直移动。振镜(galvanometer)14将固定焦距的激光束16引向晶片10的表面，并且可以使用XY镜使激光束转向。固定焦距的工艺相机18在激光束16射到晶片10的表面的位置观察晶片10的表面。检查相机20可以相对于振镜14和载物台12移动，并且用于检查晶片10的表面上的各个点。包括未退火的Si晶片的辅助目标22被附接到载物台12。
广泛地，使用激光对晶片进行退火。确保照明条件处于预定条件。测量多个表面亮度，每次表面亮度测量在晶片的不同部分进行。确定这些测量的亮度统计量，并且使用这些亮度统计量来确定退火的晶片是否表现出期望的电特性。
如图1的示例照片中所示，激光退火使晶片表面改变视觉特性。晶片的表面亮度与晶片的RSD(on)之间证明存在良好线性的相关性。这在图3中看出，图3示出了针对激光退火的晶片上的许多区域的电阻与亮度的示例曲线图。亮度以灰度单位进行表示。可以看出，表面的较亮区域通常与较低电阻相关。
当制造半导体晶片时，客户通常会提供列出晶片的期望电阻的规格，例如15+/-2mOhm。使用针对正在制造的晶片的类型的电阻与表面亮度之间的相关性，表面亮度的测量可以指示晶片的电阻率。更重要的是，客户所指定的容差限值可以被转换为由晶片制造商可测量的亮度容差。此外，如果可以在不需要人视觉评估晶片表面的情况下执行表面亮度测量，则可以快速且客观地确定晶片的电阻。幸运的是，晶片制造工具通常提供使用宏和检查相机来测量表面亮度的能力。例如，IX-6100TM的操作软件包括<视觉基本统计>(<VisionBasic Statistic>)宏，该<视觉基本统计>宏提供了由图像相机成像的若干区域的平均测量亮度以及测量亮度的标准差。
参考图4，示出了根据本发明一个实施例的监测半导体晶片的激光退火的质量的方法的流程图。在步骤30，确定晶片的期望特性。这些特性根据通常由晶片的客户提供的期望的电阻和电阻容差以及针对正在制造的晶片的类型的亮度与电阻之间的相关性进行确定。基于样本晶片的测量的电阻和测量的表面亮度，可以提前很长时间确定该相关性。晶片的期望特性为目标亮度和亮度容差的形式。
在步骤32，对晶片进行激光退火。激光退火工艺具有若干属性，包括激光功率、激光焦点、振镜对准和激光停留时间(“退火工艺属性”)。
退火的晶片的表面亮度将取决于表面被观察的照明条件。实际照明条件可能会随时间改变。在步骤34，确保照明条件处于预定条件。辅助目标是针对特定照明的已知表面亮度的裸Si晶片。为了确保照明条件的稳定性，对辅助目标进行照明并测量其表面亮度。如果测量的辅助目标的表面亮度与预期表面亮度相差超过阈值量，则改变照明条件。重复该过程，直到测量的辅助目标的表面亮度在预期表面亮度的阈值量内。
在步骤36，对退火工艺的成功和退火工具的功能进行评估。在图4中描绘了该步骤的宽泛子步骤，但是下面针对图5更详细地描述了该步骤。在步骤38，选择另一晶片以进行退火，但是当然可以代替地停止退火工艺。
参考图5，示出了根据本发明的一个实施例的对退火工艺以及退火工具的功能进行评估的步骤36的细节。在步骤40，测量多个表面亮度。晶片的多个区域中的每一个区域的图像由检查相机来捕获。这是通过在XY平面内的图案中快速移动载物台而完成的。图像捕获率和视野尺寸是灵活的，可以对其修改。在图像捕获之间的步长为4167μm以及捕获时间为0.4ms下，可以在15秒内完全对25mm×25mm的退火块进行成像。每个图像的亮度由计算机系统进行量化，从而能够客观测量表面亮度。
在步骤41，确定捕获到的图像的亮度统计量。给定大量图像，使用计算机系统。通过自动确定亮度统计量，可以快速且客观地确定这些统计量。亮度统计量至少包括每个块的测量的亮度的平均值和每个块的测量的亮度的标准差。亮度统计量还至少包括整个晶片上的测量的亮度的平均值和整个晶片上的测量的亮度的标准差。
由于晶片的表面亮度与电阻之间的相关性，晶片的表面亮度可以用于确定退火的晶片是否表现出期望的特性，即是否满足电阻要求。在步骤42，确定亮度统计量是否指示退火的晶片表现出期望的特性并且因此是可接受的。如果测量的亮度指示电阻在第一限值(被称为报废限值)内，则退火的晶片是可以接受的。这通过测量的整个晶片的亮度的平均值在目标亮度的亮度容差内以及测量的整个晶片的亮度的标准差小于阈值来进行指示。如果是这种情况，则可以在步骤44确定晶片是可接受的。备选地，在确定退火的晶片是否可接受时也可以使用其他亮度统计量，例如所有退火块的最大亮度和所有退火块的最小亮度在目标亮度的亮度容差内。
如果在步骤42亮度统计量指示晶片是不可接受的，则在步骤48，拒绝晶片。
制造工艺还具有关于电阻或表面亮度的第二限值(给定表面亮度与电阻之间的大致线性关系)。第二限值被称为控制限值。大体上，控制限值用于确定是否需要调整退火工艺中使用的工具，即使晶片是可接受的。如果因为测量的亮度指示电阻在制造工艺的报废限值内而使晶片被接受，则在步骤46考虑控制限值。考虑测量的多个块的表面亮度。这些块各自包含许多区域，但是每个块仅是整个晶片的一部分。如果发现具有可接受的亮度统计量的任何块，则认为退火工艺成功，并且在步骤38，退火工艺进行到下一晶片。可接受的亮度统计量与上面针对整个晶片所描述的亮度统计量相似，但是仅考虑了块中的每一个上的亮度测量。换言之，如果测量的特定块的亮度的平均值在目标亮度的亮度容差内，并且该块上的测量的亮度的标准差小于阈值，则该块被认为是可接受的。
如果在步骤46未找到具有可接受的亮度统计量的块，则在步骤50，调整振镜、激光焦点和/或激光功率，如下面参考图6所描述的。然后在步骤38，选择新的晶片进行退火。
参考图6，示出了根据本发明的一个实施例的调整振镜、激光焦点和/或激光功率的步骤50的流程图。
晶片不满足控制限值的一种可能原因是振镜中的XY镜未正确对准。这将导致块上的不对称退火图案。在步骤61，确保振镜的镜正确对准，以便使激光束对称地扫过块。如果它们未正确对准，则对它们进行调整。
晶片不满足控制限值的另一个可能原因是，所有块的表面亮度要么太暗要么太亮。这可能是由于激光功率偏离其标称值而引起的，例如因为过热或老化。在步骤62，如果由于过热而导致激光功率与其标称值不同，则允许对激光进行冷却。在步骤64，必要时还调整激光功率，以使其恢复到其标称值。
所有块的表面亮度太亮也可能是由于激光相对于晶片表面没有聚焦。在步骤66，用测试晶片替换初始晶片，该初始晶片仍被接受运送到最终用户。测试晶片是裸Si晶片。在步骤68，测试激光的焦点。通过将焦点偏移设置在值的范围内，并且针对每个值对晶片的不同部分进行退火，来完成该操作。测量每个部分的表面亮度，从而将每个焦点偏移值与测量的表面亮度相关联。确定与表面亮度中的最小表面亮度相关联的焦点偏移。如果该焦点偏移不为零，则在步骤70，通过该焦点偏移来调整焦点。这可以通过移动激光或移动载物台来完成。
在图7中示出了示例。在图7中，当预期将激光聚焦在晶片表面时，将焦点设置为比焦点的值低1700μm。对裸Si晶片的25mm×25mm块的一部分进行退火。振镜将激光重新引导到晶片的不同部分，将焦点升高100μm，并且对晶片的新的部分进行退火。重复该过程，直到激光焦点比其预期高1800μm。测量每个部分的平均表面亮度，并且针对与该部分相对应的焦点偏移对其进行绘制。针对不同的激光功率重复该过程。最小平均表面亮度发生在激光聚焦在表面的偏移处。在图7中所示的示例中，这发生在激光偏移为0处，指示激光已正确地聚焦在晶片表面。另一方面，例如，如果在-200μm的焦点偏移处出现了最小亮度，则激光将在距其预期聚焦位置200μm聚焦。相应地调整激光。
如上面参考步骤66和68所描述的，激光焦点的测试也可以与晶片的制造分开执行。使用裸Si测试晶片，可以定期(例如，每周)或在之后机器维护中对激光焦点的测试进行监测。实际上，振镜对准和激光功率的测试也可以与使用裸Si测试晶片的晶片制造分开进行。这允许在制造过程之外客观且定量地监测激光退火工具，并在必要时进行调整。
与表面亮度测量和评估有关的方法步骤的逻辑可以作为指令以计算机处理器可执行的形式存储在非暂时性计算机可读存储介质上。步骤的逻辑还可以作为指令存储在处理器可访问的存储器中，使得在由处理器读取和执行时，它们使处理器执行步骤。处理器可以由通用处理器、网络处理器、数字信号处理器、ASIC或多个这样的设备实现。
所呈现的实施例仅是示例性的，并且本领域技术人员将理解的是，可以在不脱离本发明精神的情况下对上述实施例进行变型。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (17)

1.一种监测半导体晶片的激光退火的方法，包括：
使用激光对所述晶片进行激光退火；
确保照明条件处于预定条件；
测量所述晶片的多个表面亮度，每次测量在所述晶片的不同部分进行；
确定测量的表面亮度的亮度统计量；以及
使用所述亮度统计量来确定所述晶片是否表现出期望的电特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述亮度统计量包括：确定整个晶片上的平均表面亮度是否在目标亮度的亮度容差内以及测量的整个晶片的亮度的标准差是否小于阈值，如果是，则确定所述晶片表现出期望的电特性。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
如果所述晶片表现出期望的电特性，则确定所述亮度统计量是否指示已超过控制限值，如果是，则调整用于引导所述激光的振镜、所述激光的功率和所述激光的焦点中的至少一项。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述亮度统计量是否指示已超过控制限值包括：
针对所述晶片的表面上的多个块中的每一个分别确定亮度统计量；以及
如果没有块的亮度统计量指示所述块表现出期望的电特性，则确定已超过所述控制限值。
5.根据权利要求3所述的方法，包括：确保所述振镜中的镜被对准，以使来自所述激光的光束对称地扫掠。
6.根据权利要求3所述的方法，包括：确保所述激光的功率处于标称值。
7.根据权利要求3所述的方法，包括：
用裸Si晶片来替换所述晶片；
以不同的焦点偏移对所述Si晶片的多个部分中的每一个进行激光退火；
测量每个部分的表面亮度，从而将每个焦点偏移与测量的表面亮度之一相关联；
确定与所述表面亮度中的最小表面亮度相关联的焦点偏移；以及
如果与所述表面亮度中的最小表面亮度相关联的所述焦点偏移不为零，则将所述焦点调整等于该焦点偏移的量。
8.根据权利要求3所述的方法，包括：
确保所述振镜中的镜被对准，以使来自所述激光的光束对称地扫掠；
确保所述激光的功率处于标称值；
用裸Si晶片来替换所述晶片；
以不同的焦点偏移对所述Si晶片的多个部分中的每一个进行激光退火；
测量每个部分的表面亮度，从而将每个焦点偏移与测量的表面亮度之一相关联；
确定与所述表面亮度中的最小表面亮度相关联的焦点偏移；以及
如果与所述表面亮度中的最小表面亮度相关联的所述焦点偏移不为零，则将所述焦点调整等于该焦点偏移的量。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
根据所述晶片的期望的电特性以及表面亮度与电阻之间的相关性来确定所述晶片的期望的表面亮度特性；
以及其中，确定所述晶片是否表现出期望的电特性包括：确定所述晶片是否表现出所述期望的表面亮度特性。
10.一种监测激光退火工具的方法，包括：
使用激光对裸Si晶片的多个部分中的每一个进行激光退火；
确保照明条件处于预定条件；
测量所述晶片的多个表面亮度，每次测量在所述晶片的不同部分进行；
确定测量的表面亮度的亮度统计量；以及
使用所述亮度统计量来确定所述激光退火工具是否需要调整。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对多个部分中的每一个进行激光退火包括：以不同的焦点偏移对所述部分中的至少一些部分中的每一个进行激光退火，并且所述方法还包括：
测量这些部分中的每一个的表面亮度，从而将每个焦点偏移与测量的表面亮度之一相关联；
确定与所述表面亮度中的最小表面亮度相关联的焦点偏移；以及
如果与所述表面亮度中的最小表面亮度相关联的所述焦点偏移不为零，则将所述焦点调整等于该焦点偏移的量。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
针对多个块中的每一个，确定所述块内的各部分的测量的表面亮度的亮度统计量；
确定任何块的亮度统计量是否指示所述块表现出期望的特性；以及
如果没有块的亮度统计量指示所述块表现出期望的特性，则调整振镜中的用于引导来自所述激光的光束的镜，使得所述镜被对准以使所述光束对称地扫掠。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，确定任何块的亮度统计量是否指示所述块表现出期望的特性包括：针对每个块，确定所述块上的平均表面亮度是否在目标亮度的亮度容差内以及测量的所述块的亮度的标准差是否小于阈值，如果是，则确定所述块表现出期望的特性。
14.一种包括指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由至少一个处理器读取时使所述至少一个处理器：
确定被激光退火的半导体晶片的测量的表面亮度的亮度统计量；以及
使用所述亮度统计量来确定所述晶片是否表现出期望的电特性。
15.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中，使用所述亮度统计量来确定所述晶片是否表现出期望的电特性的指令包括用于如下操作的指令：
确定整个晶片上的平均表面亮度是否在目标亮度的亮度容差内以及测量的整个晶片的亮度的标准差是否小于阈值，如果是，则确定所述晶片表现出期望的电特性。
16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，还包括如下指令，所述指令在由所述至少一个处理器读取时，使所述至少一个处理器使用表面亮度与电阻之间的相关性根据所述晶片的期望的电特性来确定所述晶片的期望的表面亮度特性。
17.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，还包括如下指令，所述指令在由所述至少一个处理器读取时使所述至少一个处理器：
针对所述晶片的表面上的多个块中的每一个分别确定亮度统计量；以及
如果没有块的亮度统计量指示所述块表现出期望的电特性，则确定需要调整用于对晶片进行退火以产生所述被激光退火的半导体晶片的工具。
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