JP2014132640A - 半導体ウェハのレーザーアニールの二重ループ制御 - Google Patents

半導体ウェハのレーザーアニールの二重ループ制御 Download PDF

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Abstract

【課題】二重ループ制御を利用して半導体をレーザーアニール処理するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】第１制御ループは、第１周波数で動作し、レーザーの出力を制御すると共に１／ｆノイズをも制御する。また、第２制御ループは、レーザーの出力量を制御すると共に、第１周波数よりも低い第２周波数で動作する。第２制御ループは、１または複数のダイの寸法の領域においてウェハの熱放射線を測定する。その結果、測定アニール温度が決定される際に、ダイ内放射率変動が平均化される。測定アニール温度およびアニール温度設定点は、第２制御ループ用の制御信号を生成するために用いられる。
【選択図】図１

Description

本開示は、概して半導体のレーザーアニールに関し、特に半導体レーザーアニールの二重ループ制御に関する。
レーザーアニール（レーザースパイクアニールやレーザー熱処理ともいう）は、トランジスタ等の能動型の超小型回路を形成する際に半導体ウェハに形成されるデバイス（構造）の所定領域で不純物を活性化する場合など、半導体製造の様々な用途に利用されている。
レーザーアニールの一形態では、走査レーザー光線（「レーザーアニール光線」または「アニールレーザー光線」）を利用して、半導体構造（例えば、ソース領域及びドレイン領域）の不純物の活性化には十分に長い時間であるが、実質的な不純物の拡散を防止するために短い時間、半導体ウェハの表面を所定温度（アニール温度）まで加熱する。ウェハ表面がアニール温度になる時間は、レーザーアニール光線の出力密度および露光時間によって決定される。露光時間は、走査方向に沿うレーザーアニール光線の幅を、レーザーアニール光線を走査する速度（走査速度）で除して得られる。
典型的な半導体プロセス要件として必要となるアニール温度は、４００℃から１３００℃である。そして、このときの温度均一性は±３℃である。このような温度均一性を実現するためには、レーザーアニール光線は、走査方向と交差する方向において、ほとんどの状況で強度変動が±５％未満となる比較的均一な強度を有する必要がある。
米国特許第６，３６６，３０８号明細書 米国特許第６，７４７，２４５号明細書 米国特許第７，１５４，０６６号明細書 米国特許第７，３９９，９４５号明細書 米国特許第７，４９４，９４２号明細書 米国特許第７，５１４，３０５号明細書 米国特許第７，６１２，３７２号明細書 米国特許第８，０１４，４２７号明細書 米国特許第８，０２６，５１９号明細書 米国特許公開公報第２０１０／００８４７４４号公報 米国特許公開公報第２０１２／０１００６４０号公報
しかしながら、レーザーアニール光線が空間的にかなり均一である場合であっても、アニール温度が規定の許容範囲内で均一となっているかを確認するために、レーザーへのフィードバックが必要となる。真の温度変化による放射変動と局所的な放射率変動とをシステムが区別することができなくなると、パターン化されたウェハ上での局所的な放射率変動が温度測定誤差の原因となり得る。ほとんどの論理デバイスウェハでは、パターン化領域の厚みおよび組成は、バルクシリコンからのパターン放射率の変動が比較的小さくなる程度とされる。
他のタイプのデバイスウェハでは、放射率変動は、十分なものとなり得る。例えば、メモリーウェハは、厚い金属線を有する。また、ある論理ウェハには、パターン化領域が、比較的厚い金属ケイ化物（例えば、ケイ化ニッケル）を有するケイ化ステップが含まれる。これらの両ケースでは、放射変動による熱放射変動が大きい。したがって、レーザーアニール光線がそのようなウェハを走査する場合、パターン誘導放射変動の振幅や時間周波数は、温度制御システムが不安定になり得る程度になる。
放射スパイクに影響される温度制御システムを再調整することによって、レーザー出力を、温度変動ではなく放射率変動に応じて調整することができるであろう。その結果、レーザーアニールシステムは、開ループ（定レーザー出力）状態でケイ化やメモリーウェハを処理しなければならない。しかし、開ループ状態では、レーザー出力密度変動および／または局所基板温度変動のような非補償的な影響により、レーザーアニールの温度均一化性能が制限される。
これは、最大安全アニール温度を同様に制限する。アニール温度は、半導体ウェハの損傷限界温度以下に保たれる必要がある。開ループ処理下においてアニール温度のバラツキが大きいと、アニール温度分布の両極を損傷限界以下に維持するために平均アニール温度を低下させる必要がある。これは、高アニール温度（損傷限界以下）によって優れた処理結果がもたらさせる場合（スパイクアニール処理分野のほとんどの場合）、妥協的なものとなる。
本開示の一局面は、ダイのアレイを支持する表面を有するウェハをレーザーアニールする方法である。この方法には、レーザーからのレーザーアニール光線をダイのアレイ上で走査することが含まれる。ここで、レーザーは、レーザーノイズを有し、レーザーアニール光線の出力量を制御するように調節可能である。また、この方法には、第１制御ループによってレーザーアニール光線の出力量を測定して制御することが含まれる。第１制御ループは、出力量を測定し、第１周波数ｆ１で動作してレーザーのレーザーノイズを制御する。さらに、この方法には、第２制御ループによってレーザーアニール光線の出力量を制御することが含まれる。第２制御ループは、ウェハからの熱放射線を測定することによって第２周波数ｆ２で動作する。ここで、ｆ２はｆ１よりも小さい。また、このように制御することには、少なくとも１つのダイにおいて熱放射線を平均化し、対応する平均測定温度をそれから決定し、その平均測定温度およびアニール温度設定点を利用してレーザーアニール光線の出力量を制御するようにレーザーを調節することが含まれる。
本開示の他の局面は、上述の方法である。ここで、第１周波数ｆ１は１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内であり、第２周波数ｆ２は１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲内である。
本開示の他の局面は、上述の方法である。ここで、ｆ１は、ｆ２の約１００倍である。
本開示の他の局面は、上述の方法である。ここで、レーザーアニール光線の出力量を測定することには、レーザーアニール光線の一部を光検出システムに向かって転向させることが含まれる。
本開示の他の局面は、上述の方法である。ここで、レーザーアニール光線の一部を転向させることには、本来ならばレーザーアニール光線が反射される反射面上に形成される回折格子を利用してレーザーアニール光線の一部を回折させることが含まれる。
本開示の他の局面は、上述の方法である。ここで、ウェハは偏光角を有し、ウェハからの熱放射線の測定は、この偏光角で行われる。
本開示の他の局面は、上述の方法である。ここで、ウェハは、論理ウェハまたはメモリーウェハである。
本開示の他の局面は、上述の方法である。ここで、第１および第２制御ループは、互いに連結された第１および第２ＰＩＤ制御器をそれぞれ使用する。
本開示の他の局面は上述の方法である。ここで、レーザーアニール光線によってウェハが４００℃から１３５０℃の範囲内のアニール温度にまで加熱される。
本開示の他の局面は、それぞれに放射率変動を有する複数のダイを支持する表面を有するウェハによって支持されるダイをアニールするためのレーザーアニールシステムである。レーザーアニールシステムは、チャックおよび可動ステージを含む。チャックは、ウェハを支持する。可動ステージは、チャックを支持し、チャックおよびウェハを移動させるように構成される。また、レーザーアニールシステムは、レーザーを有する。レーザーは、初期レーザー光線を発する。また、レーザーは、調整可能な出力および１／ｆのノイズを有する。さらに、レーザーアニールシステムは、光学システムを含む。光学システムは、初期レーザー光線を受光してそれからレーザーアニール光線を形成し、レーザーアニール光線の一部を光検出システムに案内する。光検出システムは、それに応じて検出信号を生成する。光学システムは、ウェハの動きによってレーザーアニール光線がウェハの表面に入射してウェハの表面を走査し、ウェハをアニール温度まで加熱するように配置される。また、レーザーアニールシステムは、熱放射検出システムを含む。熱放射検出システムは、ウェハの表面に対して配置され、レーザーアニール光線によって生じる熱放射線を受け、その受けた熱放射線を１または複数のダイの領域において平均化するように構成されている。熱放射検出システムは、それに応じて熱放射信号を生成する。また、レーザーアニールシステムは、第１制御ループを有する。第１制御ループは、検出信号を受信して１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内の第１周波数ｆ１で出力を調整し、１／ｆノイズを低減するようにレーザーを制御するように構成されている。さらに、レーザーアニールシステムは、第２制御ループを有する。第２制御ループは、熱放射信号を受信して１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲内の第２周波数ｆ２で出力を調整し、アニール温度の変動を低減するようにレーザーを制御するように構成されている。
本開示の他の局面は、上述のレーザーアニールシステムである。ここで、アニール温度は、４００℃から１３５０℃の範囲内である。
本開示の他の局面は、上述のレーザーアニールシステムである。ここで、熱放射信号は、スパイクを低減あるいは消失するようにフィルター処理される。
本開示の他の局面は、上述のレーザーアニールシステムである。ここで、第１および第２制御ループは、互いに連結された第１および第２ＰＩＤ制御器をそれぞれ含む。
本開示の他の局面は、上述のレーザーアニールシステムである。ここで、ウェハは、論理ウェハまたはメモリーウェハである。
本開示の他の局面は、レーザーアニールシステムのための二重ループ制御システムである。レーザーアニールシステムは、１／ｆノイズを有するレーザーからのレーザーアニール光線を使用すると共に、それぞれ放射率変動を有する複数のダイを有するウェハをアニールするための制御可能な出力を使用する。二重ループ制御システムは、第１および第２制御ループを有する。第１制御ループは、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内の第１周波数ｆ１で動作し、レーザー出力を制御して１／ｆレーザーノイズを低減するように構成されている。第２制御ループは、１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲内の第２周波数ｆ２で動作し、１または複数のダイの領域においてウェハから生じる熱放射線を測定する。熱放射線は、レーザーアニール光線がウェハをアニール温度まで加熱することによって発生する。第２制御ループは、測定熱放射線から測定ウェハ温度を決定して測定温度信号を生成するように構成される。そして、測定温度信号は、アニール温度設定点と共に、アニール温度の変動を最小化するようにレーザー出力を制御するように使用される。
本開示の他の局面は、上述の二重ループ制御システムである。ここで、第２制御ループは、熱放射検出システムを含む。熱放射検出システムは、１または複数のダイ内の熱放射線を測定し、１または複数のダイのその領域のダイ内測定を平均化する。
本開示の他の局面は、上述の二重ループ制御システムである。ここで、第１制御ループは、光検出システムを含む。光検出システムは、光線転向素子によって生成されるレーザーアニール光線の一部を受光する。また、光検出システムは、それに応じて、レーザーアニール光線の出力量を示す検出信号を生成する。第１制御ループは、第１ＰＩＤ制御器を含む。第１ＰＩＤ制御器は、第２制御ループからの第２制御信号と共にその検出信号を受信し、それに応じて第１制御信号を生成し、その第１制御信号をレーザーに送信する。
本開示の他の局面は、上述の二重ループ制御システムである。ここで、第２制御ループは、第２ＰＩＤ制御器を含む。第２ＰＩＤ制御器は、測定温度信号およびアニール温度設定点信号を受信し、それに応じて第２制御信号を生成する。
本開示の他の局面は、上述の二重ループ制御システムである。ここで、第２制御ループは、放射対温度（Ｅ／Ｔ）論理回路を含む。Ｅ／Ｔ論理回路は、測定熱放射線から測定ウェハ温度を算出する。
本開示の他の局面は、上述の二重ループ制御システムである。ここで、第２制御ループは、ローパスフィルターを含む。ローパスフィルターは、測定温度信号が第２ＰＩＤ制御器に入力される前に、Ｅ／Ｔ論理回路からの測定温度信号をフィルターする。
本発明のさらなる特徴及び利点は、下記の詳細な説明（発明を実施するための形態）に明記されている。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。
上記の背景技術に関する記載及び下記の本発明の詳細な説明に関する記載は、特許請求の範囲に記載されているように、本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。
特許請求の範囲に記載した内容は、本明細書に援用されるとともに、本明細書の一部を構成する。
添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施形態を図示するものであり、本明細書の記載とともに、本発明の原則及び実施を説明する一助となる。ある図面では、参考のために直交座標系が描かれているが、これは特定の方向および配置方向を限定するものではない。
レーザーアニールシステムの一例の回路図である。本図では、半導体ウェハのレーザーアニールを実施する際に用いられるレーザーアニールシステム用の二重ループ制御システムの一実施形態が示されている。 ウェハ表面上を走査するレーザーアニール光線によって形成されるライン像を示すウェハの一例の平面図である。本図には、ウェハ表面上に形成されるダイのアレイを有するウェハを示す差込図が含まれる。
ここで、本発明の実施形態を詳細に参照する。なお、添付の図面に、実施形態の一例を図示する。図中、同一または同様の部分を参照する為、可能な限り同一または同様の参照番号及び符号を使用する。
図１は、レーザーアニールシステム１０の一例の回路図である。本図では、レーザーアニールシステム１０用の二重ループ制御構成の一実施形態が示されている。参照の為、直交座標系をここに併記する。レーザーアニールシステム１０の一例は、例えば、米国特許第７，６１２，３７２号明細書、第７，１５４，０６６号明細書および第６，７４７，２４５号明細書ならびに米国特許公開公報第２０１０／００８４７４４号公報および米国特許公開公報第２０１２／０１００６４０号公報に記載されている。これら全ての明細書および公報は、ここに参照によって組み込まれる。
レーザーアニールシステム１０は、レーザー２０を含む。レーザー２０は、Ｘ方向に延びる光学軸Ａ１に沿って初期レーザー光線２２を発する。レーザー２０は、例えば、１０．６μｍの通常アニール波長λＡの光を発するＣＯ２レーザーである。また、レーザー２０は、１または複数のダイオードレーザーから構成されていてもよいし、１または複数のダイオードレーザーを含んでいてもよい。
また、レーザーアニールシステム１０は、光学システム３０を含む。光学システム３０は、光学軸Ａ１においてレーザー２０の下流側に配設されている。光学システム３０は、初期レーザー光線を受光してそれからレーザーアニール光線２４を生成するように構成されている。光学システム３０は、例えば、複数のレンズ、複数のミラー、複数の開口、複数のフィルター、複数の能動光学要素（例えば、可変減衰器等）、これらの組み合わせを含んでもよい。光学システム３０は、例えば、米国特許第８，０２６，５１９号明細書、米国特許第８，０１４，４２７号明細書、米国特許第７，５１４，３０５号明細書、米国特許第７，４９４，９４２号明細書、米国特許第７，３９９，９４５号明細書および米国特許第６，３６６，３０８号明細書に開示される。これら全ての明細書は、ここに参照によって組み込まれる。また、光学システム３０は、前出の米国特許公開公報第２０１２／０１００６４０号公報にも開示されている。
レーザーアニールシステム１０の一代替実施形態では、例えば、半導体ウェハを予備加熱することによってアニール処理を増進するために、第２レーザーおよび第２レーザー光線（図示せず）が使用される。
また、光学軸Ａ１における光学システム３０の下流側には、ミラーのような光線転向素子３４が配設される。光線転向素子３４は、表面３６を有する。表面３６は、アニール波長λＡの光を実質的に反転向射する。これは、例えば、銅から光線転向素子３４を作製しその表面３６に金コーティングを施すことによって達成される。例えば、光線転向素子３４は、光学システム３０の一部であるが、説明および考察の便宜のため、本例では別々に示されている。
光線転向素子３４は、第２光学軸Ａ２を規定する。第２光学軸Ａ２は半導体ウェハ（「ウェハ」）４０に向かっている。ウェハ４０は、上面（「表面」）４２を有する。表面４２は、面法線Ｎを有する。ウェハ４０は、チャック５０（例えば、加熱チャック）によって支持されている。また、チャック５０は、可動ウェハステージ５２によって支持されている。可動ウェハステージ５２は、ステージ駆動機構５４によって駆動される。第２光学軸Ａ２は、ウェハ４０の表面４２上で面法線Ｎに対して入射角度θ２を規定する。レーザーアニール光線２４は、第２光学軸Ａ２を下ってウェハ４０の表面４２に交差する。ウェハ４０は、全ウェハ温度ＴＷを有する。この全ウェハ温度ＴＷは、例えば、加熱チャック５０によって決定される。また、この全ウェハ温度ＴＷは、例えば、少なくとも室温よりも高い。
例えば、レーザーアニール光線２４がウェハ４０の表面４２に交差すると、レーザー光線ラインまたは「ライン像」２４Ｌが規定される。レーザー光線ラインまたは「ライン像」２４Ｌは、ウェハ４０の表面４２を走査する。ステージ駆動機構５４を操作して可動ウェハステージ５２を動作させることによって、または、レーザーアニール光線２４を走査させるように光線転向素子３４を調整することによって、または、これらの２つの動作を組み合わせることによって、ライン像２４Ｌを走査させることができる。
上述の通り、典型的な半導体プロセス要件として必要となるアニール温度ＴＡは、４００℃から１３００℃である。そして、このときの温度均一性は±３℃である。このような温度均一性を実現するためには、レーザーアニール光線２４は、走査方向と交差する方向において、ほとんどの状況で強度変動が±５％未満となる比較的均一な強度を有する必要がある。
例えば、レーザースパイクアニールの最大温度は、アニールされる物質の融点の少なくとも約２５℃以下の温度である。シリコン系デバイスの場合、シリコンの融点は１４１３℃であり、最大温度は、例えば、約１３８８℃であろう。
ゲルマニウムに富んだシリコンの場合、その合金の融点は、合金中のゲルマニウムの割合に依存する。ゲルマニウムが３０％含まれている場合、その融点は、約１２２５℃である。このため、レーザーアニールの最大温度は、例えば、約２５℃低い、すなわち約１２００℃であろう。
サファイアデバイスの窒化ガリウムの場合、窒化ガリウムの融点は、２５００℃以上である。しかし、サファイア基板の融点が２０４０℃以下である。したがって、サファイア基板の融点、例えば最大アニール温度約２０１５℃によって非融解アニール処理が制限される。
図２は、ウェハ４０の一例の平面図である。本図には、拡大差込図が含まれている。拡大差込図には、カーフ領域４６によって分割される各ダイ４４のアレイを支持するウェハ４０の表面４２が示されている。複数のダイ４４は、１または複数の集積回路（ＩＣ）チップが形成される領域である。各ＩＣチップは、半導体デバイスおよび半導体デバイス構造（図示せず）を備えている。例えば、ウェハ４０は、論理ＩＣチップを作製するために用いられる論理ウェハである。また、別の例では、ウェハ４０は、メモリーＩＣチップを作製するために用いられるメモリーウェハである。
上述の通り、複数のダイ４４内の半導体デバイスおよび半導体デバイス構造は、異なる放射率特性を有する。任意のダイ４４内でアニール温度ＴＡを測定しようとした場合、この特性によって、アニール処理中におけるアニール温度ＴＡが誤って見積もられるおそれがある。例えば、上述の通り、メモリーウェハは、厚い金属線を有する。また、論理ウェハには、パターン化領域が、比較的厚い金属ケイ化物（例えば、ケイ化ニッケル）層を有するケイ化ステップが含まれ得る。金属線または金属ケイ化物は、下部のシリコンよりもかなり低い放射率を有する。
図２には、複数のダイ４４の行付近をカバーするように、ウェハ４０の表面４２上で前後に走査されるライン像２４Ｌが示されている。この走査は、矢印ＡＲ１およびＡＲ２で示されている。これらの矢印ＡＲ１およびＡＲ２は、ライン像２４Ｌの隣接走査路ＳＰ１およびＳＰ２に対応している。ウェハ４０の表面４２をライン像２４Ｌが横断するように走査させるためには、ライン像２４Ｌを固定化した状態で可動ウェハステージ５２を使用してウェハ４０の表面４２を走査するか、光学システム３０または光線転向素子３４の一部として適切な走査光学素子を用いることによって、固定化されたウェハ４０の表面４２上でライン像２４Ｌを横断させるように走査するかすればよい。延いては、これら２つの方法を組み合わせてもよい。
例えば、光線転向素子３４の表面３６は、レーザーアニール光線２４の比較的小さな一部分２４Ｐを光学軸Ａ３に沿って屈折させるように構成される。例えば、これは、光線転向素子３４の表面３６に、弱い（例えば、浅く溝を掘った）回折格子３６Ｇを形成することによって達成される。光検出システム６０は、光学軸Ａ３に沿って配設されており、レーザーアニール光線２４の一部を受光し、それに応じて測定出力を示す検出信号ＳＤを生成するように配置されている。例えば、レーザーアニール光線２４の一部２４Ｐの出力量は、レーザーアニール光線２４の出力の僅か数パーセントである。設計または校正によって、レーザーアニール光線２４の一部２４Ｐの出力量は、レーザーアニール光線２４の既知の割合となる。このため、レーザーアニール光線２４の一部２４Ｐを測定することによって、レーザーアニール光線２４の光学的出力量の測定を行うことができる。
光検出システム６０は、レーザー（アニール）波長λＡでレーザーアニール光線２４の一部２４Ｐを検出するために選択される。レーザー２０がＣＯ２レーザーである場合、光検出システム６０は、例えば、冷却ＨｇＣｄＴｅ検出器を含む。かかる場合、レーザーアニール光線２４の一部２４Ｐは、実質的に単色的になる。このため、光検出システム６０は、他の波長の光を検出しないように構成される狭帯域光学フィルター６１を含み得る。狭帯域光学フィルター６１は、冷却して背景熱放射を低減するようにしてもよい。
また、レーザーアニールシステム１０は、熱放射検出システム８０を含む。熱放射検出システム８０は、光学軸Ａ４上に存在する。光学軸Ａ４は、ウェハ４０の表面４２上で面法線Ｎに対して角度θ４を規定している。例えば、光学軸Ａ４は、ウェハ４０の表面４２で第２光学軸Ａ２と交差している。例えば、角度θ４は、ウェハ４０の偏光角に等しい。シリコンの偏光角は、約７５°である。
熱放射検出システム８０は、レーザーアニール処理中にウェハ４０の表面４２によって放出される熱放射線８２を測定し、それに応じて、測定熱放射Ｅを示す電気放射信号ＳＥを生成するように構成されている。熱放射検出システム８０は、測定熱放射Ｅから測定温度ＴＭを計算する方法と共に、前出の米国特許公開公報第２０１２／０１００６４０号公報に記載されている。
また、レーザーアニールシステム１０は、制御装置１００を含む。制御装置１００は、レーザー２０、ステージ駆動機構５４、光検出システム６０および熱放射検出システム８０に操作可能に接続されている。制御装置１００は、多数の論理制御部品を有するが、１または複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡｓ）や、プロセッサ装置、メモリー装置、フィルター、フィードバック制御装置等の当業者に公知のプログラム可能な又は非プログラム式の他の電子部品を利用して構成することができる。制御装置１００は、（例えば、１または複数のプログラム可能な部品のコンピュータ読取可能な媒体に具現化される命令を介して）ここで記載される二重ループ制御方法を実行するように構成される。
制御装置１００は、第１フィードバック制御装置１１２−１を含む。第１フィードバック制御装置１１２−１は、一例として示され、この後、第１ＰＩＤ制御装置と称される。第１ＰＩＤ制御装置１１２−１は、入力端（「入力」）１１３および出力端（「出力」）１１４を有する。光検出システム６０は入力１１３に電気的に接続されており、レーザー２０は出力１１４に電気的に接続されている。
また、制御装置１００は、放射対温度論理装置（Ｅ／Ｔ論理回路）１２０を含む。Ｅ／Ｔ論理回路１２０は、熱放射検出システム８０に電気的に接続されている。Ｅ／Ｔ論理回路１２０は、測定電気放射信号ＳＥを受信して、測定熱放射Ｅを測定温度ＴＭに変換し、対応する測定温度信号ＳＴＭを出力するように構成されている。測定温度信号ＳＴＭは、測定電気放射信号ＳＥから計算され、平均測定温度を示す。平均化は、熱放射検出システム８０および測定電気放射信号ＳＥの帯域幅によって決定される時間で行われる。
測定電気放射信号ＳＥは、通常、ダイ放射率変動による複数のスパイクを含む。これらのスパイクは、抑制されなければ、測定温度信号ＳＴＭ中に現れる。したがって、一実施形態では、Ｅ／Ｔ論理回路１２０は、ローパスフィルター（ＬＰＦ）１３０に電気的に接続される。ＬＰＦ１３０は、測定温度信号ＳＴＭをローパスフィルター処理して、ローパスフィルター済み（フィルター済み）測定温度信号ＳＴＭを生成する。例えば、ＬＰＦ１３０は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）のようなシングルプロセス装置から生成される。シングルプロセス装置は、ローパスフィルター処理を実行すると共に、移動平均やスパイク抑制アルゴリズムを実行する。
また、制御装置１００は、第２フィードバック制御装置１１２−２を含む。また、第２フィードバック制御装置１１２−２は、一例として示され、この後、第２ＰＩＤ制御装置と称される。ＬＰＤ１３０は、第２ＰＩＤ制御装置１１２−２の入力１１３に電気的に接続される。アニール温度設定点信号ＳＴＳＥＴに具現化されるアニール温度設定点も、第２ＰＩＤ制御装置１１２−２の入力１１３に入力される。設定点は、アニール処理の設定点アニール温度ＴＡＳを規定する。
第２ＰＩＤ制御装置１１２-２の出力は、第１ＰＩＤ制御装置１１２−１の入力１１３に電気的に接続される。第２ＰＩＤ制御装置１１２−２は、アニール温度ＴＡの実質的な均一性、すなわちできるだけ設定点アニール温度ＴＡＳに近い温度を維持するのに必要な量のレーザー出力に対応する第２制御信号ＳＣ２を出力する。第２制御信号ＳＣ２および光検出システム６０からの検出信号ＳＤは、第１ＰＩＤ制御装置１１２−１に入力される。第１ＰＩＤ制御装置１１２−１は、第２制御信号ＳＣ２および検出信号ＳＤを処理して、レーザー２０に第１制御信号ＳＣ１を出力する。第１制御信号ＳＣ１は、レーザー２０に対して、所定量の出力を供給したり、レーザーアニール光線２４が所定量の出力を有するようにその出力を調整したりするように命令するものである。
レーザーアニールシステム１０は、図１においてＬ１およびＬ２として概略的に示されるように２つの連結された制御システムから構成されている。第１制御ループＬ１は、第１周波数ｆ１で動作し、レーザー２０、光検出システム６０および第１ＰＩＤ制御装置１１２−１によって規定されている。第２制御ループＬ２は、第２周波数ｆ２で動作し、熱放射検出システム８０、Ｅ／Ｔ論理回路１２０、ＬＰＦ１３０および第２ＰＩＤ制御装置１１２−２によって規定されている。なお、ｆ２は、ｆ１よりも小さい。２つの制御ループＬ１およびＬ２は、第１ＰＩＤ制御装置１１２−１で連結されている。
レーザーアニールシステム１０には、いくつかのノイズ源が存在する。ノイズ源は、アニール温度ＴＡを一定（均一）に維持するために制御されなければならない。１つのノイズ源は、レーザー２０の出力生来のノイズであって、固有の１／ｆ分布を有する。他のノイズ源は、レーザーアニールシステム１０そのもの内でシステム的影響から生じる。このタイプのノイズの一例は、加熱チャック５０の非均質性によるウェハ温度ＴＷ全体の変動である。他の例は、レーザーアニール光線２４に対するウェハ４０の面外の動きや、可動ウェハステージ５２の欠陥又は設計公差によるレーザーアニール光線２４の出力密度の変動である。この変動は、走査中にライン像２４Ｌの出力密度の変動要因となる。
他のノイズ源は、放射率「ノイズ」である。このノイズは、変動する放射率値を有する任意のダイ４４内の領域を通過するレーザーアニール光線２４によって生じる。このタイプのノイズは、放射フィードバックシステムにおいて補償されない。測定温度信号ＳＴＭに対する電気放射信号ＳＥの対話を修正することが可能なリアルタイムで局所的な放射率の測定がないためである。この放射率「ノイズ」は、ダイ４４内の構造（例えば、金属線やパッド）の物理的間隔や可動ウェハステージ５２の速度によって決定される特性周波数を有する。これは、放射表面の未測定（および非補償の）物理的特性（放射率）に起因する測定信号の変化から生じるという意味で「ノイズ」となる。
放射率がなければ、局所的なアニールライン像２４Ｌからの放射フィードバックに基づくシングル制御ループは、アニール温度ＴＡを実質的に一定に保つようにレーザー２０およびシステムのエラー源の制御を管理することができる。そのようなシステムは、補償されるエラーがレーザー２０またはシステムそのものから生じるかに関わらず、ウェハ４０において必要な出力密度を維持することができる。
しかしながら、温度測定そのものが放射率の局所的変動によって誤った場合、そのようなループは、放射率の変動に起因する放射信号レベルの変化による誤ったアニール温度ＴＡに対してシステムを駆動するであろう。
したがって、レーザーアニールシステム１０は、二重ループ制御を採用する。二重ループ制御では、第１および第２制御ループＬ１およびＬ２が使用される。第１および第２制御ループＬ１およびＬ２は、共同して、ノイズの主源を管理する。例えば、放射率「ノイズ」に対する上述の感度を除去したり、著しく低減したりする。
第１制御ループＬ１は、光検出システム６０でレーザーアニール光線２４の一部２４Ｐを検出し、対応する検出信号ＳＤを第１ＰＩＤ制御装置１１２−１の入力１１３に送信することによって、レーザーアニール光線２４の出力量を制御するように動作する。また、第１ＰＩＤ制御装置１１２−１は、第２制御ループＬ２から第２制御信号ＳＣ２を受信する。第１制御ループＬ１は、第２制御ループＬ２の第２周波数ｆ２よりも高い周波数ｆ１で動作する。第１制御ループＬ１は、（１／ｆロールオフで）数百Ｈｚにおよぶレーザーノイズを抑制するのに十分な第１周波数ｆ１で動作する。例えば、第１周波数ｆ１は、約１ｋＨｚから約１００ＫＨｚの範囲内である。
第２制御ループＬ２は、ｆ１よりも小さい第２周波数ｆ２で動作し、ウェハ４０からの放射を検査する。測定温度信号ＳＴＭをローパスフィルタリングすることによって、フィルター済み測定温度信号ＳＴＭＦが生成される。このフィルター済み測定温度信号ＳＴＭＦは、ウェハ４０上のダイ−スケール次元に広がる空間平均値（走査ステージに起因する対応）に対応する時間平均値当たりの平均放射／温度である。この平均化によって、放射率変動に起因する信号スパイクの悪影響が低減または削減される。このように、温度計算は、平均放射率に基づいている。ここで、「平均」は、比較的長距離（すなわち、ダイスケール）に取って代わられる。また、Ｅ／Ｔ論理回路１２０の論理は、フィルター済み測定温度信号ＳＴＭＦに対する電気放射信号ＳＥの放射関連変動の影響を抑制するように設計された数値フィルタリング、スパイク検出論理または他のアルゴリズムによって電気放射信号ＳＥの放射率関連変動の抑制を促進するために用いられる。
そして、第２制御ループＬ２は、（第１周波数ｆ１に対して）低周波数の誤差成分を制御し、補正する。この誤差成分は、主に、上述のシステムエラーが原因である。これらのシステムエラーは、ダイスケールよりも大きな空間的周期を有し、（走査速度によって決定される）低周波数で（その時間領域で）自ずと現れる。第２制御ループＬ２は、第１ＰＩＤ制御装置１１２−１において第１制御ループＬ１の使用可能な設定点を更新する。例えば、第２制御ループＬ２の第２周波数ｆ２は、約１Ｈｚから約１００Ｈｚの範囲内である。
レーザー１／ｆノイズに比べると、放射率変動に起因する信号成分は、典型的にはスペクトル成分に、より調波している。信号変動を生成する表面構造が、自ずとおおよそ明確に定義された空間的周期で構成されているからである。これは、ステージ速度や構造の物理的間隔によって決定されるおおよそ明確に定義された時間領域周波数応答をもたらす。
したがって、第２制御ループＬ２は、ライン像２４Ｌが走査される箇所においてウェハ４０の表面４２から生じる測定熱放射Ｅを測定する。例えば、熱放射検出システム８０は、Ｙ方向（すなわち走査方向に直交する方向）が少なくともダイ４４の寸法であり且つＸ方向（すなわち走査方向）が少なくともライン像２４Ｌの幅と同じである視野を有する。他の例では、視野は、Ｙ方向にダイ４４の寸法まで広がる必要がない。例えば、ダイ４４がＹ方向に１ｃｍ程度であり、視野がＹ方向に数ミリメートルであってもよい。例えば、熱放射検出システム８０は、光ファイバー（図示せず）の直線配列を含む。
１または複数のダイ４４におけるレーザーアニール光線２４の走査中に時間平均化を行うことによって、熱放射測定（その後のアニール温度測定）の空間的平均化が得られる。したがって、所定領域において平均化されたアニール温度を測定するために、測定熱放射Ｅが測定される。このアニール温度は、ライン像２４Ｌの速度、例えば、可動ウェハステージ５２の速度に基づいたサンプル時間に変換される。例えば、熱放射検出システム８０は、約８０ＫＨｚのリフレッシュ速度を有する。そして、このリフレッシュ速度は、４倍で平均され、有効リフレッシュ速度を約２０ｋＨｚにまで低下させる。
例えば、放射／温度が平均化される所定領域は、ダイ４４の寸法以上である。このため、第２制御ループＬ２は、ダイよりも大きい温度変化に応答する。このような温度変化は、例えば、加熱チャック５０からの熱の変動、種々の機械ドリフト，レーザー効率／出力ドリフトおよび低周波数１／ｆレーザー出力変動によって引き起こされるであろうレーザー出力密度の変動によって生じ得る。第２制御ループＬ２は、実質的に第１周波数ｆ１よりも遅い第２周波数ｆ２で動作する。ここで、ｆ１は、ｆ２の５倍超であり、第２周波数ｆ２は、例えば、約１０Ｈｚである。例えば、ｆ１は、ｆ２の約１００倍である。
例えば、第２制御ループＬ２は、基板温度および／または出力密度におけるおおよそダイサイズで且つウェハ直径寸法以下の変化をもたらす放射／温度における比較的低周波数変化に対してフィードバックすることを目的としている。第２周波数ｆ２が第１周波数ｆ１に近すぎると、第２制御ループＬ２は、放射率の局所変化、例えば、一つのダイ４４内における放射率変化による放射の小さな変化に基づいて、レーザーアニール光線２４の出力量を調整するように試みるであろう。そのような小規模の放射率変化が無視され、レーザーアニール光線２４の出力量が比較的広範な平均化放射率（例えば、一つのダイサイズ領域、複数のダイサイズ領域等）に基づいて調整されると、アニール処理が改善されるということが見出されている。
熱放射検出システム８０は、１または複数の検出器８１を含み得る。この検出器８１は、多波長で動作する多色高温測定用の多重検出器を含む。１または複数の検出器８１は、設定点アニール温度ＴＡＳにおける熱放射線８２に関連する光子束や、任意のレーザーアニール光線形状に対して合理的な信号−ノイズ比（ＳＮＲ）を得ることができるように十分な検出能を有するのが好ましい。例えば、熱放射検出システム８０は、帯域制限波長領域で動作する。帯域制限波長領域では、帯域結合熱放射が、設定点アニール温度ＴＡＳに関する温度の変化に良好な感度を有する。
例えば、レーザーアニール接合の場合、アニール温度ＴＡは、１１００℃から１２５０℃の範囲内である。熱放射線の適切な波長範囲は５００ｎｍから９００ｎｍである。これらの波長では、光電子増倍管またはシリコン系フォトダイオードを、検出器として利用することができる。接触アニールでは、アニール温度ＴＡが、より低く、８００℃から１０００℃の範囲内である。１μｍから２μｍ領域のより長波長側の検出器、例えば、ＩｎＧａＡｓ検出器のようなものが適切である。
第１および第２制御ループＬ１およびＬ２が物理的に連結され、レーザー出力を調整するように機能すると、前出の制御ループ周波数ｆ１およびｆ２の差は、２つの制御ループＬ１およびＬ２を機能的に分割するように機能する。このため、各制御ループＬ１およびＬ２は、独立して安定的に動作することができる。その結果、一つの制御ループは、他の制御ループを不安定にさせることがない。
本開示のレーザーアニールに対する二重ループ制御方法は、ウェハ対ウェハ（ＷＴＷ）方法およびウェハ内ウェハ（ＷＩＷ）方法に基づく複合方法と考えることができる。第２制御ループＬ２は、ＷＩＷ様フィードバックを提供するが、１または複数のダイ４４の放射を平均化するように比較的「遅い」周波数ｆ２で動作する。一方、第１制御ループＬ１は、「速く」、レーザー２０において、望まない出力変動、望まないアニール温度変動の原因となる対応の１／ｆノイズを補償する。
当業者には明白であるが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明に対して様々な修正及び変更を加えることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲内において本発明の修正及び変更を包含する。

Claims (21)

  1. レーザーノイズを有すると共にレーザーアニール光線の出力量を制御するように調節可能であるレーザーで、ダイのアレイを支持する表面を有するウェハをアニールする方法であって、
    前記レーザーからの前記レーザーアニール光線を前記ダイのアレイ上で走査することと、
    前記出力量を測定し、第１周波数ｆ１で動作して前記レーザーの前記レーザーノイズを制御する第１制御ループによって前記レーザーアニール光線の出力量を測定して制御することと、
    前記ウェハからの熱放射線を測定することによって前記ｆ１よりも小さい第２周波数ｆ２で動作する第２制御ループにより前記レーザーアニール光線の出力量を制御することと、
    を備え、
    前記レーザーアニール光線の出力量を制御することには、少なくとも１つのダイにおいて前記熱放射線を平均化し、対応する平均測定温度をそれから決定し、前記平均測定温度およびアニール温度設定点を利用して前記レーザーアニール光線の前記出力量を制御するように前記レーザーを調節することが含まれる
    方法。
  2. 前記第１周波数ｆ１は、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内であり、
    前記第２周波数ｆ２は、１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲内である
    請求項１に記載の方法。
  3. ｆ１は、ｆ２の約１００倍である
    請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記レーザーアニール光線の前記出力量を測定することには、前記レーザーアニール光線の一部を光検出システムに向かって屈折させることが含まれる
    請求項１から３のいずれかに記載の方法。
  5. 前記レーザーアニール光線の一部を転向させることには、本来ならば前記レーザーアニール光線が反射される反射面上に形成される回折格子を利用して前記レーザーアニール光線の一部を回折させることが含まれる
    請求項４に記載の方法。
  6. 前記ウェハは偏光角を有し、
    前記ウェハからの前記熱放射線の測定は、前記偏光角で行われる
    請求項１から５のいずれかに記載の方法。
  7. 前記ウェハは、論理ウェハまたはメモリーウェハである
    請求項１から６のいずれかに記載の方法。
  8. 前記第１および第２制御ループは、互いに連結された第１および第２ＰＩＤ制御器をそれぞれ使用する
    請求項１から７のいずれかに記載の方法。
  9. 前記レーザーアニール光線によって前記ウェハが４００℃から１３５０℃の範囲内のアニール温度にまで加熱される
    請求項１から８のいずれかに記載の方法。
  10. それぞれに放射率変動を有する複数のダイを支持する表面を有するウェハによって支持される前記ダイをアニールするためのレーザーアニールシステムであって、
    前記ウェハを支持するチャックと、前記チャックを支持すると共に前記チャックおよび前記ウェハを移動させるように構成される可動ステージと、
    初期レーザー光線を発すると共に調整可能な出力および１／ｆのノイズを有するレーザーと、
    前記初期レーザー光線を受光してそれからレーザーアニール光線を形成し、前記レーザーアニール光線の一部を光検出システムに案内し、それに応じて検出信号を生成するように構成されると共に、前記ウェハの動きによって前記レーザーアニール光線が前記ウェハの表面に入射して前記ウェハの表面を走査し、前記ウェハをアニール温度まで加熱するように配置される光学システムと、
    前記ウェハの表面に対して配置され、前記レーザーアニール光線によって生じる熱放射線を受け、その受けた熱放射線を１または複数の前記ダイの領域において平均化し、それに応じて熱放射信号を生成するように構成されている熱放射検出システムと、
    前記検出信号を受信して１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内の第１周波数ｆ１で出力を調整し、１／ｆノイズを低減するように前記レーザーを制御するように構成されている第１制御ループと、
    前記熱放射信号を受信して１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲内の第２周波数ｆ２で前記出力を調整し、前記アニール温度の変動を低減するように前記レーザーを制御するように構成されている第２制御ループと
    を備える、レーザーアニールシステム。
  11. 前記アニール温度は、４００℃から１３５０℃の範囲内である
    請求項１０に記載のレーザーアニールシステム。
  12. 前記熱放射信号は、スパイクを低減あるいは消失するようにフィルター処理される
    請求項１０または１１に記載のレーザーアニールシステム。
  13. 前記第１および第２制御ループは、互いに連結される第１および第２ＰＩＤ制御器をそれぞれ含む
    請求項１０から１２のいずれかに記載のレーザーアニールシステム。
  14. 前記ウェハは、論理ウェハまたはメモリーウェハである
    請求項１０から１３のいずれかに記載の方法。
  15. １／ｆノイズを有するレーザーからのレーザーアニール光線を使用すると共に、それぞれ放射率変動を有する複数のダイを有するウェハをアニールするための制御可能な出力を使用するレーザーアニールシステム用の二重ループ制御システムであって、
    １ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内の第１周波数ｆ１で動作し、レーザー出力を制御して前記１／ｆレーザーノイズを低減するように構成される第１制御ループと、
    １Ｈｚから１００Ｈｚの範囲内の第２周波数ｆ２で動作し、１または複数のダイの領域においてウェハから生じる熱放射線を測定する第２制御ループと
    を備え、
    前記熱放射線は、前記ウェハをアニール温度まで加熱する前記レーザーアニール光線によって発生し、
    前記第２制御ループは、測定熱放射線から測定ウェハ温度を決定して測定温度信号を生成するように構成され、
    前記測定温度信号は、アニール温度設定点信号と共に、前記アニール温度の変動を最小化するように前記レーザー出力を制御するように使用される
    二重ループ制御システム。
  16. 前記第２制御ループは、１または複数のダイ内の前記熱放射線を測定し、１または複数の前記ダイのその領域の前記ダイ内測定を平均化する熱放射検出システムを含む
    請求項１５に記載の二重ループ制御システム。
  17. 前記第１制御ループは、光線転向素子によって生成される前記レーザーアニール光線の一部を受光する光検出システムを含み、
    前記光検出システムは、それに応じて、前記レーザーアニール光線の出力量を示す検出信号を生成し、
    第１制御ループは、前記第２制御ループからの第２制御信号と共に前記検出信号を受信し、それに応じて第１制御信号を生成し、前記第１制御信号を前記レーザーに送信する第１ＰＩＤ制御器を含む
    請求項１５または１６に記載の二重ループ制御システム。
  18. 前記第２制御ループは、前記測定温度信号および前記アニール温度設定点信号を受信し、それに応じて前記第２制御信号を生成する第２ＰＩＤ制御器を含む
    請求項１７に記載の二重ループ制御システム。
  19. 前記第２制御ループは、前記測定熱放射線から前記測定ウェハ温度を算出する放射対温度（Ｅ／Ｔ）論理回路を含む
    請求項１５から１７のいずれかに記載の二重ループ制御システム。
  20. 前記第２制御ループは、前記測定熱放射線から前記測定ウェハ温度を算出する放射対温度（Ｅ／Ｔ）論理回路を含む
    請求項１８に記載の二重ループ制御システム。
  21. 前記第２制御ループは、前記測定温度信号が前記第２ＰＩＤ制御器に入力される前に、前記Ｅ／Ｔ論理回路からの前記測定温度信号をフィルターするローパスフィルターを含む
    請求項２０に記載の二重ループ制御システム。

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