CN115298802A - 进程监视器及进程监视方法 - Google Patents

Abstract

光检测仪分别检测来自退火中的半导体部件的辐射光的、彼此不同的多个波长区域的强度。处理装置根据由光检测仪检测到的多个波长区域的强度来求出因退火而改变的有关半导体部件的物理量。由此，能够在不损伤半导体部件的情况下测量因退火而改变的有关半导体部件的物理量。

Description

进程监视器及进程监视方法

技术领域

本发明涉及一种求出半导体部件的因退火而改变的物理量的进程监视器及进程监视方法。

背景技术

以往，作为掌握注入有掺杂剂并进行了活化退火的半导体晶片的活化状态的面内分布的方法的一例，进行了表面电阻的测定。根据表面电阻的面内分布可以评价掺杂剂的活化状态。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-81348号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

表面电阻的测定中通常使用四探针法。利用四探针法进行的表面电阻的测定在退火后利用与活化退火装置不同的装置进行。因此，表面电阻的测定成为脱机作业，因而费时费力。并且，必须使探针接触半导体晶片，因此半导体晶片会受到损伤。并且，为了判定退火结果的好坏，要求测定退火中的半导体晶片的温度。

本发明的目的在于提供一种能够在不损伤半导体部件的情况下测量因退火而改变的有关半导体部件的物理量的进程监视器及进程监视方法。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一观点，提供一种进程监视器，其具有：

光检测仪，分别检测出来自退火中的半导体部件的辐射光的、彼此不同的多个波长区域的强度；及

处理装置，根据由所述光检测仪检测到的多个波长区域的强度来求出因退火而改变的有关所述半导体部件的物理量。

根据本发明的另一观点，提供一种进程监视方法，其中，

对半导体部件进行退火，

分别测定来自退火中的所述半导体部件的辐射光的、彼此不同的多个波长区域的强度，

根据测定结果来求出因退火而改变的有关所述半导体部件的物理量。

发明效果

通过检测来自半导体部件的辐射光来求出因退火而改变的半导体部件的物理量，因此不会损伤半导体部件。而且，通过分别测定多个波长区域的辐射光的强度，能够提高物理量的测量精确度。

附图说明

图1是搭载有基于实施例的进程监视器的激光退火装置的概略图。

图2中(A)是表示光检测仪及配置于辐射光的路径上的光学零件的一结构例的概略图，图2中(B)是表示光检测仪及配置于辐射光的路径上的光学零件的另一结构例的概略图。

图3是表示从激光光源输出的脉冲激光束的脉冲及光检测仪的两个受光部的输出信号波形的一例的图表。

图4中(A)及(B)是表示使激光束入射于半导体晶片的情况下的深度方向上的温度分布的一例的图表。

图5中(A)～(D)是表示将脉冲激光束的脉冲宽度设为恒定并改变脉冲能量的情况下的深度方向上的温度分布的图表。

图6是将描绘了两个受光部的输出值的一例的分布图相对于脉冲能量进行了曲线拟合的图表。

图7是表示使用搭载有基于实施例的进程监视器的激光退火装置来对半导体晶片进行激光退火的步骤的流程图。

具体实施方式

参考图1～图7，对基于实施例的进程监视器及进程监视方法进行说明。

图1是搭载有基于实施例的进程监视器的激光退火装置的概略图。该激光退火装置包括激光光学系统10、腔室30、光检测仪20、处理装置40、存储装置41、输出装置42及输入装置43。进程监视器的功能通过光检测仪20及处理装置40等来实现。

激光光学系统10包括激光光源11、均匀化光学系统12及折返镜13。激光光源11输出红外区域的激光束。作为激光光源11，例如可以使用激发波长为808nm的激光二极管。均匀化光学系统12将从激光光源11输出过来的激光束的光束分布均匀化。折返镜13将通过了均匀化光学系统12的激光束朝向下方反射。

在腔室30的顶板上设置有使激光束透过的窗32，在腔室30内配置有工作台31。在工作台31上保持有退火对象物(即，半导体晶片35)。在半导体晶片35的表层部注入有掺杂剂。关于掺杂剂的注入，例如利用离子注入法来进行。在进行退火之前，该掺杂剂不会被活化。作为半导体晶片35，例如可以使用硅晶片。作为掺杂剂，例如可以使用磷(P)、砷(As)及硼(B)等。

从激光光学系统10输出的激光束透过分光镜25及窗32而入射于保持在工作台31上的半导体晶片35。根据需要，在激光束的路径上还可以配置反射镜、透镜等。半导体晶片35的表面上的激光束的光束点具有沿一个方向长的长条形状，例如，长度为约3mm～5mm、宽度为约0.1mm～0.3mm。通过使激光束入射于半导体晶片35，在光束点的位置，半导体晶片35的表层部被加热。处理装置40控制工作台31以使半导体晶片35沿平行于其表面的两个方向移动。通过使光束点在半导体晶片35的表面上沿其宽度方向进行扫描且沿长度方向进行副扫描，能够对半导体晶片35上表面的几乎整个区域进行激光退火。

若激光束入射于半导体晶片35，则入射位置的表层部被加热，掺杂剂被活化。从被加热的部分放射出辐射光。从半导体晶片35放射出的辐射光的一部分被分光镜25反射而入射于光检测仪20。分光镜25例如使比1μm短的波长区域的光透过，使比1μm长的波长区域的光反射。根据需要，在从半导体晶片35至光检测仪20为止的辐射光的路径上还可以配置透镜、光学滤波器等。关于光检测仪20及辐射光的路径上的光学零件，将在后面参考图2中(A)及(B)进行说明。

处理装置40与脉冲激光束的每次照射同步地获取从光检测仪20输出的检测信号。而且，将所获取的检测信号的大小(输出值)与半导体晶片35的面内位置建立对应关联后存储于存储装置41。作为一例，可以对应于脉冲激光束的每次照射而获得与辐射光的强度的经时变化相对应的输出值的时间波形。存储于存储装置41中的输出值例如是脉冲激光束的每次照射的时间波形的峰值。

用于指示进程监视器及激光退火装置的动作的各种命令或数据通过输入装置43输入于处理装置40。处理装置40将基于进程监视器的监视结果输出至输出装置42。

图2中(A)是表示光检测仪20及配置于辐射光的路径上的光学零件的一结构例的概略图。从与入射于半导体晶片35的表面的脉冲激光束的光束点37相对应的区域放射出辐射光。放射出的辐射光通过两片透镜26后入射于光检测仪20。例如，两片透镜26中的一个配置于分光镜25(图1)与半导体晶片35之间，另一个则配置于分光镜25与光检测仪20之间。两片透镜26构成成像光学系统，该成像光学系统使半导体晶片35的表面上的光束点37在配置有光检测仪20的位置成像。即，半导体晶片35的表面与光检测仪20的受光面具有物面与像面的关系。

光检测仪20包括分别检测辐射光的强度的两个受光部21。两个受光部21在光束点37的像38的长度方向上位于不同的位置。两个受光部21分别包括峰值灵敏度波长互不相同的光传感器22。各光传感器22对红外波长区域具有灵敏度，并且输出与所入射的辐射光的强度相对应的大小的信号(电压)。从两个光传感器22输出的信号输入于处理装置40。

图2中(B)是表示光检测仪20及配置于辐射光的路径的光学零件的另一结构例的概略图。在图2中(A)所示的结构例中，两个受光部21分别包括峰值灵敏度波长互不相同的光传感器22。相对于此，在图2中(B)所示的结构例中，两个受光部21分别包括光谱灵敏度特性相同的光传感器22及通过波长区域互不相同的带通滤波器23。透过了带通滤波器23的辐射光入射于光传感器22。因此，两个受光部21的峰值灵敏度波长变得不同。

图3是表示从激光光源11输出的脉冲激光束的脉冲及光检测仪20的两个受光部21的输出信号波形的一例的图表。若在时刻t1激光脉冲上升，则对应于半导体晶片35的表层部的温度上升，受光部21的输出值会渐渐上升。若在时刻t2激光脉冲下降，则对应于半导体晶片35的表层部的温度下降，受光部21的输出值会渐渐下降。基于时刻t1至t2的激光脉冲的受光部21的输出峰值强度Vp与受光部21相对应地存储于存储装置41。通常，该峰值强度Vp在两个受光部21之间不同。

接着，参考图4中(A)～图5中(D)，对本实施例的优异效果进行说明。

图4中(A)及(B)是表示使激光束入射于半导体晶片35的情况下的激光脉冲下降时刻的深度方向上的温度分布的一例的图表。图4中(A)及(B)的图表中的横轴表示距半导体晶片35表面的深度，纵轴表示温度。图4中(A)及(B)中的实线及虚线分别表示使脉冲能量相同但脉冲宽度相对更长的激光脉冲及相对更短的激光脉冲入射时的温度分布。

在脉冲能量相同时，脉冲宽度越短，峰值功率越大。因此，脉冲宽度短时的最表面(深度为零的位置)的温度TS高于脉冲宽度长时的最表面的温度TL。若脉冲宽度变长，则激光脉冲入射期间传递至深度方向的热量变大。相反地，若脉冲宽度变短，则激光脉冲入射期间传递至深度方向的热量变小。与脉冲宽度无关地，距表面的深度越深，温度越下降，但是，脉冲宽度越短，传递至深度方向的热量越小，因此温度的下降程度在脉冲宽度短时更大。因此，在比某一深度Da更深的区域，脉冲宽度长时的温度高于脉冲宽度短时的温度。

从最表面放射出的辐射光不会被半导体晶片35吸收而到达光检测仪20。相对于此，从深区域放射出的辐射光的一部分在到达光检测仪20之前被半导体晶片35自身吸收。吸收量取决于半导体晶片35的吸收系数。该吸收系数取决于波长。吸收系数大的波长区域的辐射光难以从半导体晶片35的深区域放射至外部。

在以下说明中，简化辐射光的吸收现象从而假设其中一个受光部21检测出从比深度D1更浅的区域放射出的辐射光，另一个受光部21检测出从比深度D2(D2＜D1)更浅的区域放射出的辐射光。

如图4中(A)所示，其中一个受光部21的检测值对应于比深度D1更浅的区域的标有阴影线的部分的面积而改变。如图4中(B)所示，另一个受光部21的检测值对应于比深度D2更浅的区域的标有阴影线的部分的面积而改变。

在图4中(A)所示的例子中，在深度比Da更浅的区域，脉冲宽度短时的温度分布的面积大于脉冲宽度长时的温度分布的面积，其差为A。但在深度为Da至D1为止的区域，脉冲宽度长时的温度分布的面积大于脉冲宽度短时的温度分布的面积，其差为B。若面积A与面积B相等，则脉冲宽度长时的温度分布的图表的面积S11与脉冲宽度短时的温度分布的图表的面积S12几乎相等。因此，仅凭检测来自深度比D1更浅的区域的辐射光的受光部21的检测值，无法区分图4中(A)的实线的温度分布与虚线的温度分布。因此，难以精确地求出半导体晶片35的最表面的最高到达温度。

相对于此，在图4中(B)所示的例子中，深度为Da至D2为止的区域，脉冲宽度长时的温度分布的面积大于脉冲宽度短时的温度分布的面积，其差为C。面积C小于面积A。因此，脉冲宽度长时的温度分布的图表的面积S21小于脉冲宽度短时的温度分布的图表的面积S22。由于面积S21与面积S22不同，因此根据检测来自深度比D2更浅的区域的辐射光的受光部21的检测值，能够区分图4中(B)的实线的温度分布与虚线的温度分布。

通过像本实施例那样利用两个受光部21分别测定不同波长区域的辐射光的强度，能够更准确地测量深度方向上的温度分布不同时的半导体晶片35的最表面的温度。

图5中(A)～(D)是表示将脉冲激光束的脉冲宽度设为恒定并改变脉冲能量的情况下的深度方向上的温度分布的图表。图5中(A)～(D)的图表中的横轴表示距半导体晶片35表面的深度，纵轴表示温度。

图5中(A)及(B)表示在半导体晶片35的最表面的温度不超过熔点的脉冲能量E1、E2(E1＜E2)的条件下照射1次脉冲激光束时的温度分布。最表面的温度最高，随着变深而温度下降。若脉冲能量从E1变大至E2，则半导体晶片35的各深度处的温度会上升，但温度分布的形状几乎保持不变。

从检测来自深度比D1更浅的区域的辐射光的受光部21输出的信号的峰值强度Vp(图3)在脉冲能量E1的情况下成为相当于面积S11(图5中(A))的大小，在脉冲能量E2的情况下成为相当于面积S11(图5中(A))与增量ΔS11(图5中(A))之和的大小。从检测来自深度比D2更浅的区域的辐射光的受光部21输出的信号的峰值强度Vp(图3)在脉冲能量E1的情况下成为相当于面积S21(图5中(B))的大小，在脉冲能量E2的情况下成为相当于面积S21(图5中(B))与增量ΔS21(图5中(B))之和的大小。

图5中(C)及(D)表示在半导体晶片35的最表面的温度成为熔点以上的脉冲能量E3、E4(E3＜E4)的条件下照射1次脉冲激光束时的温度分布。在脉冲能量为E3的条件下，半导体晶片35的最表面的温度达到熔点。在脉冲能量为E4的条件下，半导体晶片35的表层部熔融。若半导体晶片35的表层部开始熔融，则最表面的温度几乎固定在熔点。因此，在脉冲能量为E3时和E4时，最表面的温度几乎相同。未熔融的深区域的温度会随着脉冲能量的增大而上升，因此脉冲能量为E4时的温度高于脉冲能量为E3时的温度。

从检测来自深度比D1更浅的区域的辐射光的受光部21输出的信号的峰值强度Vp(图3)在脉冲能量E3的情况下成为相当于面积S11(图5中(C))的大小，在脉冲能量E4的情况下成为相当于面积S11(图5中(C))与增量ΔS11(图5中(C))之和的大小。从检测来自深度比D2更浅的区域的辐射光的受光部21输出的信号的峰值强度Vp(图3)在脉冲能量E3的情况下成为相当于面积S21(图5中(D))的大小，在脉冲能量E4的情况下成为相当于面积S21(图5中(D))与增量ΔS21(图5中(D))之和的大小。另外，在此，由于进行了简化，因而不考虑来自熔融状态的半导体的辐射率与来自固体状态的半导体的辐射率之间的差异。

若半导体晶片35的最表面开始熔融，则即使加大脉冲能量，最表面的温度也几乎不会上升，因此增量ΔS11与面积S11之比例(图5中(C))及增量ΔS21与面积S21之比例(图5中(D))会变得小于未熔融时的比例(图5中(A)及(B))。即，受光部21的输出值的变化相对于脉冲能量的增加量的斜率趋缓。可以认为，该斜率开始趋缓时的脉冲能量是开始熔融的能量条件。为了在不让半导体晶片35熔融的条件下以尽量高的温度进行退火，需要精确地寻得该开始熔融的能量条件。

图6是将描绘了两个受光部21的输出值的分布图相对于脉冲能量进行了曲线拟合的图表。分别用粗曲线D1及细曲线D2来表示检测来自深度比D1及D2更浅的区域的辐射光的受光部21的检测值。

在图6所示的分布图中，设为在脉冲能量为E1的条件下开始熔融。在开始熔融的条件的附近，图表的斜率开始变化，但未出现明显的转折点。因此，根据一个受光部21的测定结果难以精确地寻得开始熔融的条件。

在开始熔融之后，增量ΔS11(图5中(C))及ΔS21(图5中(D))与面积S11(图5中(C))及S21(图5中(D))之比分别小于开始熔融之前的增量ΔS11(图5中(A))及ΔS21(图5中(B))与面积S11(图5中(A))及S21(图5中(B))之比。因此，若脉冲能量超过E1，则图表的斜率会趋缓。然而，增量ΔS21与面积S21之比变小的程度大于增量ΔS11与面积S11之比变小的程度。这是因为：比深度D2更浅的区域的温度上升被抑制。因此，在图6所示的图表中，在脉冲能量超过了E1的时刻，图表的斜率趋缓的程度在曲线D2大于曲线D1。

由于在曲线D1与曲线D2之间斜率趋缓的程度不同，因此通过对比改变了脉冲能量时的两个受光部21的输出值的变化，能够更精确地确定满足开始熔融的条件的脉冲能量及此时的受光部21的输出值。例如，根据相对于脉冲能量显示为曲线D1的值与显示为曲线D2的值之差与脉冲能量之间的关系，能够更精确地确定熔融开始时刻的脉冲能量E1。

为了提高满足熔融开始条件的脉冲能量及此时的受光部21的输出值的确定精确度，优选加大两个受光部21在峰值灵敏度波长上的半导体晶片35的吸收系数之差。例如，优选将两个受光部21的峰值灵敏度波长设定为满足大吸收系数为小吸收系数的两倍以上的条件。

在半导体晶片35为硅时，为了读取最表面的温度信息，优选将其中一个受光部21的峰值灵敏度波长设定为对硅来说不透明的波长，例如为1μm以下。例如，优选设定为波长400nm以上且800nm以下的可见光的波长区域或波长900nm左右的近红外线的波长区域。

图7是表示使用搭载有基于实施例的进程监视器的激光退火装置来对半导体晶片35进行激光退火的步骤的流程图。

首先，使注入有掺杂剂的半导体晶片35(图1)保持于工作台31上(图1)(步骤S1)。该步骤通过机械手臂等进行。工作台31例如使用真空卡盘固定半导体晶片35。

在将半导体晶片35保持于工作台31上之后，开始激光光源11的脉冲激光束的输出及工作台31的移动(步骤S2)。在利用脉冲激光束对半导体晶片35进行扫描的过程中，用光检测仪20来测定来自半导体晶片35的辐射光的强度(步骤S3)。例如，处理装置40获取光检测仪20的输出值。

处理装置40将入射有激光束的半导体晶片35的面内的位置与光检测仪20的输出值建立对应关联后保存于存储装置41(步骤S4)。重复步骤S3及步骤S4的处理，直至半导体晶片35的表面的几乎整个区域被退火(步骤S5)。

若半导体晶片35的表面的几乎整个区域的退火结束，则处理装置40根据光检测仪20的输出值计算出半导体晶片35的最表面的到达温度(步骤S6)。例如，预先求出两个受光部21的输出值与半导体晶片35的最表面的到达温度之间的关系，并将其存储在存储装置41。处理装置40将半导体晶片35的最表面的到达温度的计算值与半导体晶片35的面内的位置建立对应关联后输出至输出装置42(图1)。例如，优选将半导体晶片35的面内的到达温度的分布以图形形式显示。

通过使用基于上述实施例的进程监视器，能够更精确地求出半导体晶片35的最表面的到达温度。由此，能够精确地判定半导体晶片35的最表面是否已被熔融。

接着，对上述实施例的变形例进行说明。

在上述实施例中，光检测仪20所包括的受光部21(图2中(A)及(B))的个数为两个，但也可以设定为光检测仪20包括三个以上的多个受光部21。通过配置峰值灵敏度波长互不相同的三个以上的受光部21，光检测仪20能够测定三个以上的多个波长区域的辐射光的强度。由此，能够提高满足熔融开始条件的脉冲能量及此时的受光部21的输出值的确定精确度。

在上述实施例中，根据光检测仪20的测定结果来求出半导体晶片35的最表面的到达温度，但也可以求出因退火而改变的有关半导体晶片35的其他物理量。例如，通过预先求出掺杂剂的活化率或表面电阻等与光检测仪20的测定结果之间的关系，能够根据光检测仪20的测定结果来求出这些物理量。

在上述实施例中，将半导体晶片作为了退火对象，但在将除了半导体晶片以外的半导体部件作为退火对象时，也能够使用基于实施例的进程监视器。并且，在上述实施例中，作为半导体晶片的退火方法，适用了激光退火，但也可以适用其他退火方法。例如，可以适用灯退火、炉退火等。另外，利用在深度方向上产生温度分布的方法进行退火时，通过使用基于上述实施例的进程监视器，能够获得尤其优异的效果。

上述实施例为示例，理所当然，可以对实施例及变形例中示出的结构的一部分进行代替或组合。实施例及变形例中的基于相同结构的相同的作用效果，不在实施例及变形例中逐一提及。而且，本发明并不只限于上述实施例。例如，可以进行各种变更、改进、组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

符号说明

10-激光光学系统，11-激光光源，12-均匀化光学系统，13-折返镜，20-光检测仪，21-受光部，22-光传感器，23-带通滤波器，25-分光镜，26-透镜，30-腔室，31-工作台，32-窗，35-半导体晶片，37-光束点，38-光束点的像，40-处理装置，41-存储装置，42-输出装置，43-输入装置。

Claims (7)

1.一种进程监视器，其特征在于，具有：

光检测仪，分别检测出来自退火中的半导体部件的辐射光的、彼此不同的多个波长区域的强度；及

处理装置，根据由所述光检测仪检测到的多个波长区域的强度来求出因退火而改变的有关所述半导体部件的物理量。

2.根据权利要求1所述的进程监视器，其特征在于，

所述光检测仪检测来自因激光束的入射而表层部被加热的所述半导体部件的辐射光，

所述处理装置求出所述半导体部件的最表面的到达温度作为因退火而改变的有关所述半导体部件的物理量。

3.根据权利要求2所述的进程监视器，其特征在于，

所述半导体部件的表面上的激光束的光束点具有沿一个方向长的长条形状，

所述光检测仪包括分别检测多个波长区域的辐射光的强度的多个受光部，

所述进程监视器还具有使所述半导体部件的表面成像的成像光学系统，

所述多个受光部在所述半导体部件的表面上的光束点的被所述成像光学系统成像的像的长度方向上配置于不同的位置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的进程监视器，其特征在于，

所述多个受光部包括峰值灵敏度波长互不相同的光传感器。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的进程监视器，其特征在于，

所述多个受光部分别包括光谱灵敏度特性相同的光传感器及通过波长区域互不相同的带通滤波器，透过所述带通滤波器的辐射光入射于所述光传感器。

6.一种进程监视方法，其特征在于，

对半导体部件进行退火，

分别测定来自退火中的所述半导体部件的辐射光的、彼此不同的多个波长区域的强度，

根据测定结果来求出因退火而改变的有关所述半导体部件的物理量。

7.根据权利要求6所述的进程监视方法，其特征在于，

所述半导体部件的退火通过使激光束入射于所述半导体部件来进行，

求出所述半导体部件的最表面的到达温度作为有关所述半导体部件的物理量。

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