TW201409577A - 非熔化薄晶圓雷射退火方法 - Google Patents

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Abstract

一種對一薄半導體晶圓的退火方法。所述方法允許對一薄半導體晶圓的一側進行高溫退火而不會損害或過度加熱那些位在晶圓另一側或者嵌入晶圓中的熱敏感電子裝置特徵。退火過程是在低於晶圓的熔點的溫度下進行，因此在退火過程中不會發生摻質重新分布的情況。本方法可用於活化摻質或用於形成歐姆接觸。

Description

非熔化薄晶圓雷射退火方法
本發明係關於一種在積體電路結構形成時對半導體材料執行的雷射退火，且特別是關於對薄半導體晶圓之非熔化雷射退火方法。
雷射退火(LTA)在半導體製程中有各種不同的應用，包含在形成主動微電路例如電晶體以及相關形式之半導體特徵時，對形成於半導體晶圓中之裝置(結構)的選定區域進行摻質活化。
雷射退火的其中一個形式使用來自一光束之一掃描線影像以加熱晶圓表面至一溫度(退火溫度)並持續足夠長的時間以活化半導體結構(例如源極和汲極區域)中的摻質，但也足夠短以避免實質的摻質擴散。晶圓表面處在退火溫度的時間取決於線影像的功率密度，以及取決於線影像寬度除以線影像的掃描速度(掃描速度)。線影像停留在晶圓表面一特定點的總時間稱之為駐留時間。
為了某些半導體裝置應用，有需要對晶圓的其中一側加熱，同時保持晶圓另一側的溫度必須低於一臨界溫度。一個例子是電源裝置，其中背側的摻質活化以及接 觸係在前側的裝置製造完成之後才實施。另一例子是薄基板太陽能電池，其中前側需要有一高傳導性射極以改善太陽能效率，且其可藉由摻雜與退火來完成。第三個例子是背側影像感測器，其中一場光閘(field-stop)層典型地係由高摻雜且高活化層所組成，場光閘層係用在背側以抑制暗電流。
在所有範例中，需要利用熱退火來活化摻質或者在晶圓的一側形成接觸。晶圓厚度係在數個或數百微米之範圍間(亦即μm)，其係明顯地薄於標準8吋到12吋矽晶圓之725微米至775微米間的厚度。典型的摻質活化需要高於大約1000℃的退火溫度。然而，晶圓的最大溫度以及熱預算必須被限制以避免造成任何潛在材料整體性以及接面摻質分布的劣化。
例如，如果在雷射退火之前，金屬就已經存在於晶圓的第一側上，第一側的最大溫度必須保持低於金屬的熔點，以便能在相反側(第二側)進行退火時第一側的金屬能夠維持良好的整體物理特性。
傳統快速熱退火(RTA)具有秒級的一退火時間，其係對應於具有數毫米之熱擴散長度LD之矽而言。此長度明顯大於典型的晶圓厚度，也就是說晶圓兩側在快速熱退火時，都會經歷近似的尖峰退火溫度。因此，快速熱退火不適合薄晶圓的應用。
傳統用在此種薄晶圓應用的雷射退火方法包含使用一脈衝熔化雷射，其具有數十奈秒至數百奈米之脈 衝長度。對於矽來說，其對應之熱擴散長度係在大約1微米的等級，其明顯小於大多數晶圓的厚度。脈衝熔化雷射的一個優點是它可以局部加熱晶圓的一側至一非常高的溫度(包含高於矽的熔點)，其幾乎不會有熱穿透到另一側。因此，它可以應用在薄至數微米的矽晶圓。
然而，在脈衝熔化退火之奈秒時間框架下，摻質活化僅能在熔化的狀態下達成。在熔化的過程中，摻質可以快速地擴散與重新分布而具有更像箱型的曲線。這種特性在某些應用上是可能是優勢，然而對於那些精確的摻雜曲線需要被維持住的案例中，這種特性可能是我們所不想要的。特別是，多個接面的熔化可能會導致相反極性的摻質相互混合而減低了接面的性能。脈衝熔化退火方法的另一個限制是熱穿透的深度。因為短的熱擴散長度，很難有效地對深度大於0.5微米的接面進行退火。此外，其也很難透過退火來消除比熔化深度更遠處的摻雜缺陷，因為使用奈秒等級的脈衝往往是熱預算非常低。
因此，有需要提出一種對薄半導體晶圓退貨的方法，其令晶圓之其中一側可以進行有效的非熔化摻質活化，同時又不會對晶圓的另一側造成有害的加熱效應。
本發明係關於一種對一薄半導體晶圓的退火方法，其使得高溫退火可以在薄半導體晶圓的一側被執行，同時又不會損害或過度加熱位在晶圓另一側(或者嵌入晶圓中)的熱敏感特徵或裝置。尖峰溫度係低於晶圓的熔點 所以在退火過程中不會發生明顯的摻質重新分布的情況。本方法可以應用在活化摻質或形成歐姆接觸。
本發明之一概念係一種對具有一背側之一半導體產品晶圓進行退火的方法，半導體產品晶圓的背側具有一退火區域，半導體產品晶圓具有複數電子裝置特徵，該些電子裝置特徵與半導體產品晶圓的背側相隔一距離d。該些電子裝置在被加熱至超過一臨界溫度TC時將會損壞。所述方法包含以一退火雷射光束掃描半導體產品晶圓的背側，以退火所述退火區域，並將所述退火區域加熱到一退火溫度TA，所述退火溫度TA小於半導體產品晶圓的熔點TM。在上述掃描步驟中涉及一熱擴散長度LD，而且更包含以一駐留時間來執行所述掃描步驟以使熱擴散長度LD滿足LD<d，且該些電子裝置特徵的溫度係被維持在低於臨界溫度TC。
本發明之其中一概念係在上述方法中，退火區域係選自一離子佈植層與一接觸層的其中之一。
本發明之其中一概念係在上述方法中，駐留時間係在3微秒至200微秒之範圍間。
本發明之其中一概念係在上述方法中，該些電子裝置特徵包含金屬，且臨界溫度係在實質上600℃至900℃之範圍間。
本發明之其中一概念係在上述方法中，更包含藉由面對面接合一裝置晶圓與一載體晶圓來形成半導體產品晶圓，其中裝置晶圓包含該些電子裝置特徵。
本發明之其中一概念係在上述方法中，該退火 雷射光束具有一波長，該波長選自一可見光波長與一紅外線波長的其中之一，該波長具有小於該半導體產品晶圓之厚度之一光學吸收長度。
本發明之其中一概念係在上述方法中，該些電子裝置特徵包含一CMOS裝置層。
本發明之其中一概念係在上述方法中，該些電子裝置特徵包含一半導體電源裝置層。
本發明之其中一概念係在上述方法中，更包含對該背側之相同部位執行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描係以一時間間隔τ來區隔，且1毫秒τ10秒。
本發明之其中一概念係在前段所述方法中，該多次掃描的次數係小於等於10。
本發明之其中一概念係在上述方法中，5微米d150微米。
本發明之其中一概念係在上述方法中，10微米d20微米，該些電子裝置特徵係以鋁製成，且該駐留時間實質上係在3微秒至20微秒之範圍間。
本發明之其中一概念係在上述方法中，5微米d150微米，該些電子裝置特徵係以銅製成，且該駐留時間實質上係在15微秒至100微秒之範圍間。
本發明之另一概念係一種對一產品晶圓進行退火的方法。所述包含形成一產品晶圓，其係藉由在具有一背側之一裝置晶圓之一前側形成一保護結構所形成。所述裝置晶圓的厚度係在5微米至150微米之範圍間，該前側包含複數電子裝 置特徵，該些電子裝置在被加熱至超過一臨界溫度TC時將會損壞。所述方法包含形成一退火區域於該裝置晶圓之該背側。所述方法還包含於該背側掃描一退火雷射光束以對該退火區域執行非熔化退火，此掃描步驟係以一駐留時間來執行，所述駐留時間定義一熱擴散長度LD且LD<d，所述電子裝置特徵的溫度係被維持在低於臨界溫度TC。
本發明之其中一概念係在上述方法中，退火區域係選自一離子佈植層與一接觸層的其中之一，其中離子佈植層形成於背側中，接觸層則是形成於背側上。
本發明之其中一概念係在上述方法中，更包含對該背側之相同部位執行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描係以一時間間隔τ來區隔，且1毫秒τ10秒。
本發明之其中一概念係在前段所述方法中，該多次掃描的次數係小於等於10。
本發明之其中一概念係在上述方法中，保護結構包含一載體晶圓。
本發明之其中一概念係在上述方法中，保護結構係由單一保護層所構成。
本發明之其中一概念係在上述方法中，該些電子裝置特徵至少包含一金屬或一CMOS層。
本發明之其中一概念係在上述方法中，該些電子裝置特徵包含一半導體電源裝置層。
本發明之其中一概念係在上述方法中，駐留時間td係在3微秒至200微秒之範圍間。
本發明之其中一概念係在上述方法中，所述駐留時間小於一最大駐留時間tdm，該最大駐留時間係由tdm=d2/Deff所定義，其中係為該裝置晶圓之有效熱擴散率。
本發明之其中一概念係在上述方法中，退火雷射光束具有一波長，所述波長選自一可見光波長與一紅外線波長的其中之一，該波長具有小於該半導體產品晶圓之厚度之一光學吸收長度。
本發明之其中一概念係在上述方法中，10微米d20微米，該些電子裝置特徵係以鋁製成，且該駐留時間實質上係在3微秒至20微秒之範圍間。
本發明之其中一概念係在上述方法中，10微米d20微米，該些電子裝置特徵係以銅製成，且該駐留時間實質上係在15微秒至100微秒之範圍間。
所有本發明引用的文件均被納為參考文獻。
所提出的申請專利範圍係被併入至本發明之詳細描述內且構成本發明之詳細描述之一部分。
在本發明中，符號d係用來表示距離或厚度，這兩個概念係接近的，因而對所屬技術領域中具有通常知識者而言是容易理解的。在某些情況下，距離d係為晶圓厚度，而在更大多數的情況下，距離d係至晶圓的背側至電子裝置特徵的距離，其可以是和晶圓厚度相同的。
10‧‧‧產品晶圓
10a‧‧‧裝置晶圓
10b‧‧‧載體晶圓
12a‧‧‧前側/裝置側
14a‧‧‧背側
15‧‧‧氧化層
17‧‧‧保護結構
19‧‧‧保護層
21‧‧‧上側
22‧‧‧上表面
23‧‧‧背側
24‧‧‧背面
30‧‧‧CMOS裝置結構
34‧‧‧電子裝置特徵
40‧‧‧CMOS裝置層
44‧‧‧離子佈植層
54‧‧‧接觸層
80‧‧‧退火雷射光束
80’‧‧‧初始雷射光束
82‧‧‧線影像
100‧‧‧雷射退火系統
110‧‧‧晶圓載台
150‧‧‧掃描雷射系統
151‧‧‧雷射
162‧‧‧掃描鏡
164‧‧‧鏡驅動器
166‧‧‧聚焦鏡
168‧‧‧準直透鏡
A1‧‧‧第一軸
A2‧‧‧第二軸
A3‧‧‧第三軸
AR1‧‧‧箭頭
AR2‧‧‧箭頭
d‧‧‧晶圓厚度
LD‧‧‧熱擴散長度
NA‧‧‧數值光圈
TA‧‧‧退火溫度
TAP‧‧‧尖峰退火溫度
TB‧‧‧底面溫度
TC‧‧‧臨界溫度
td‧‧‧駐留時間
第1A圖至第1C圖係為一例示產品晶圓之不同視角之示意圖，所述晶圓係藉由本發明之雷射退火方法進行退火；第2A圖至第2D圖係四個不同例示產品晶圓之側視圖，個別包含例示產品晶圓之剖面放大圖；第3圖為一例示的雷射退火裝置的示意圖，適用於實現本發明之退火方法；第4圖為溫度(℃)對時間的曲線圖，其顯示四個不同退火方法的製程窗口，包含本發明所述的退火方法；第5圖為溫度對薄矽晶圓深度的曲線圖，並且比較四種退火技術之下，沿產品晶圓之深度的溫度曲線；第6A圖與第6B圖分別為硼濃度(cm-3)對深度(nm)的曲線圖，其說明熔化退火製程係如何導致實質的摻質擴散以及摻質曲線(第6A圖)之一實質改變，相較於本發明之非熔化退火方法的曲線則是顯示於第6B圖；第7圖係為溫度對時間的曲線圖，其顯示在產品晶圓背側之電子裝置特徵所在處之例示溫度曲線；第8圖繪示了具有厚度d1與d2之二產品晶圓之溫度TB對駐留時間td的曲線圖，其中駐留時間td必須低於最大駐留時間t dm以確保TB<TC；第9圖係為駐留時間td對晶圓厚度d的曲線圖，其繪示在給定基板厚度的情況下之駐留時間的限制，其以曲線 圖中的陰影區域表示；第10圖為溫度對時間的曲線圖，其繪示在執行多(N)次退火雷射光束之掃描時，晶圓表面特定點之一系列N個典型溫度曲線；第11A圖為漏電流(任意單位，a.u.)對退火掃描次數的曲線圖，其繪示了漏電流隨著掃描次數增加而減少，指出隨著多次/成功的退火掃描而增加的缺陷退火；第11B圖為片電阻RS(ohm/sq.)對退火掃描次數的曲線圖，其繪示了片電阻如何隨著掃描次數增加而減少，其代表被強化的摻質活化。
現在詳細參考本發明之目前較佳實施例，該等實施例之實例說明於隨附圖式中。在可能時，貫穿該等圖式使用相同參考數字及符號來指代相同或相似部分。申請專利範圍被併入至此詳細描述內且構成此詳細描述之部分。
某特定形式之半導體裝置的製造方法，例如影像感測器以及高功率裝置等，包含使用相當薄的半導體晶圓。第1A圖係為一例示的產品晶圓10，其具有定義一上表面22之一上側21，以及定義一背面24之一背側23。第1A圖之產品晶圓可以被視為上下顛倒的，因為圖中的「上表面」21係朝下的。
第1B圖繪示了一例示產品晶圓10的形成方式，其係藉由一裝置晶圓10a以及一載體晶圓10b面對面接合而成。裝置晶圓10a具有一前側12a，具有裝置形成於其中，也可以稱之為裝置側。此外裝置晶圓10a還具有一背側14a，其相反於前側(裝置側)12a。載體晶圓10b具有一前側12b，其形成有一氧化層15。所形成的晶圓10在此係指稱為產品晶圓，其藉由使裝置晶圓10a之裝置面12a面向載體晶圓10b之前側12b貼合而成。氧化物層15a係作為接合層，其將二晶圓10a與10b接合在一起。因此，載體晶圓10b之前側12b也稱之為接合側。例示的裝置晶圓10a係形成自一矽基板。
產品晶圓10係繪示於第1C圖中。於此，裝置 晶圓10a係自背側14a向下研磨以將裝置晶圓10a之厚度自大約750微米減少至實質上5微米至150微米之間，如第1C圖之放大插圖所示。氧化層15以及載體晶圓10b在上側21定義一保護結構，以作為保護電子裝置特徵34之用，在此處係嵌入產品晶圓10中。
第2A圖近似於第1C圖且包含一插圖，該插圖顯示產品晶圓10之一例示CMOS裝置結構30之較詳細的放大圖。例示CMOS裝置結構30係為一CMOS感測器。具有氧化層15(典型地係數個微米厚)之載體晶圓10b支撐裝置晶圓10a，其包含熱敏感電子裝置特徵34。於此，熱敏感指的是熱敏感電子裝置特徵34如果被加熱到超過臨界溫度TC，那麼就會損壞。
一例示的熱敏感電子裝置特徵34包含金屬化元件，如第2A圖所示，其係與一相鄰CMOS裝置層40相接觸。CMOS裝置層40被厚度為d之薄化的裝置晶圓10a所支撐，d係在實質上5微米至50微米之範圍間。在另一例示的電源裝置中，厚度d係在實質上30微米至50微米之範圍間。
在一範例中，需要被雷射退火之一薄離子佈植層44係形成在薄化的裝置晶圓10a中且相鄰於背側14a，其定義了表面24。離子佈植層44包含用來形成接面、減少漏電流或降低接觸阻抗的摻質。適用於矽之例示的摻質為砷、磷、硼、銦、銻等。為了修復佈植損害以及活化摻質，熱退火是需要的。此製程係稱為背側接面活化。
第2B圖近似於第2A圖，其包含一接觸層54，位在離子佈植層44上。接觸層54的退火導致矽基板與接觸層54之間的合金反應，而形成一歐姆接觸，其稱之為背側接觸退火。接觸層54典型地由薄膜金屬堆所構成。用來形成接觸層54之例示金屬包含Ti、Ni、Co、W、Al、Cu、Au、Pt等。接觸層54的雷射退火可以被用來形成一金屬矽化物以及降低接觸層54的接觸阻抗。
接觸層54的退火也可以幫助活化被接觸層54下方之被摻雜的離子佈植層44。然而在這個範例中的最大退火溫度可能受限於矽化物的劣化或者金屬薄膜堆的損害，因而如第2A圖配置之產品晶圓10，其摻質活化無法最佳化。一替代方案是施加雷射退火兩次(接觸層54沉積前與沉積後)以分別最佳化摻質活化以及接觸的形成。
第2C圖近似於第2A圖，除了產品晶圓10並非藉由將裝置晶圓10a與載體晶圓10b面對面接合而成。於此，一保護層19覆蓋相鄰於裝置晶圓10a之前側12a之電子裝置結構34以形成產品晶圓10之上側21。第2D圖與第2C圖相同，除了其包含近似於第2B圖所示之接觸層54以外。例如，當以晶圓載台110(見第3圖)承載產品晶圓10時，為了避免損害電子裝置特徵34，保護層19係被使用。例示的保護層包含二氧化矽以及氮化物。因此，在一範例中，保護結構17係由保護層19所構成。
在一例示CMOS裝置結構30中，裝置晶圓10a之電子裝置特徵34係位在與裝置晶圓10a之背側14a相隔 實質上5微米至150微米之距離處，裝置晶圓10a之背側14a通常沒有被圖案化。因此，在一範例中，裝置晶圓10a之背側14a定義一平坦且沒有被圖案化產品晶圓10之背面24，使其可作為良好的退火表面。
第2A圖至第2D圖個別顯示一退火雷射光束80，其被掃過產品晶圓10之整個背側23，以實現本發明揭露書之非熔化雷射退火。產品晶圓10之背側23包含一退火區域，例如離子佈植層44或接觸層54，而熱敏感電子裝置特徵34則是位在與裝置晶圓10a之背側14a相隔一距離處。退火區域必須以不會損害位在一距離d外之熱敏感電子裝置特徵之方式來退火，其中d係在5微米至150微米之範圍間。
第3圖繪示了一例示的雷射退火系統100，其可用來執行本發明揭露書所述之非熔化退火。例示的雷射退火系統100可被用來實現申請號為61/658086，名稱為具超短駐留時間之雷射退火系統與方法之美國臨時申請案所揭露之非熔化雷射退火方法。請參照第3圖，雷射退火系統包含一掃描雷射系統150以及承載了產品晶圓10之一晶圓載台110。在一範例中，晶圓載台110係被冷卻。同樣在一範例中，晶圓載台110係可移動的。
掃描雷射系統150包含一雷射151，雷射151沿著第一軸A1朝向一掃描鏡162的方向產生一初始雷射光束80，，掃描鏡162係可操作地連接於一鏡驅動器164。掃描雷射系統150包含一聚焦鏡166，其係沿第二軸A2的 方向配置，第二軸A2大約與第一軸A1垂直。第二軸A2與第一軸A1交會於掃描鏡162處，且與產品晶圓10之背側23實質上以一直角交會。聚焦鏡166具有一數值光圈NA。在一範例中，雷射151產生紅外線光，因而退火雷射光束80包含一紅外線波長。
在另一範例中，雷射151產生可見的光線80’，因而退火雷射光束包含一可見光波長。可見的光線80’之可見光波長對於非常薄的基板來說是較佳的(例如d<30微米)，因為具有較短的光學吸收深度。一般而言，光學吸收深度小於薄晶圓的厚度是我們比較想要的。
準直透鏡168係相鄰於雷射151，且接受與準直來自雷射151之發散的雷射光線80’。準直後的雷射光線80’係被掃描鏡162反射至聚焦鏡166，聚焦鏡166聚焦準直後的雷射光線80’以形成聚焦後的退火雷射光束80。聚焦後的退火雷射光束80嗣後在產品晶圓10之背側23形成一線影像82。掃描鏡162的移動致使退火雷射光束80以及線影像快速地移動過產品晶圓10之背側23，如箭頭AR2所指。在一範例中，退火雷射光束80包含一可見光波長。
從產品晶圓10之背側23至聚焦鏡166的距離為DW。一例示的DW值為大約1公尺，一例示的NA值為0.15。鏡驅動器164用以驅動掃描鏡162，例如快速地旋轉掃描鏡162一選擇角度範圍，使退火雷射光束80以及線影像可以掃過第3圖中一相對應的角度範圍θ。在一範例中，角度範圍係被選擇以使線影像82可以從產品晶圓 10的一個邊緣到產品晶圓10之最寬相對邊緣之間，掃過產品晶圓10的背側。
在一範例中，退火雷射光束80單純從一側掃到另一側，而在相鄰掃描之間，產品晶圓10係沿著垂直於掃描的方向移動(例如藉由移動晶圓載台110，如箭頭AR3所指)，因此在每一次掃描中，線影像82係照射產品晶圓10之背側的不同部分，或者至少在相鄰掃描間，線影像82會覆蓋產品晶圓的某些新的部分(亦即相鄰掃描可以有某部分的重疊)。一般來說，如果需要，晶圓載台110可以沿三個維度移動且也可以相對於任何方向轉動。在一範例中，退火雷射光束80掃描產品晶圓10之背側23的至少一部份。
退火溫度係由雷射功率及退火時間所控制。退火時間係由駐留時間所定義，其係為雷射光束(或線影像)寬度與掃描速度的比值。典型雷射光寬度係在數微米至幾百釐米之範圍中，典型的掃描速度係在0.1至5m/sec之範圍中。
產品晶圓10的退火條件係諸如產品晶圓之裝置側12a必須維持在一相當的低溫，特別是低於一臨界溫度TC，臨界溫度係其取決於電子裝置特徵34。因此，退火方法係在電子裝置特徵34保持在低於臨界溫度TC下執行，以保護最終的裝置功能。裝置側12a的最大溫度係由特定電子裝置特徵34所決定。對於用在電子裝置特徵34(例如互連，interconnect)之金屬，以銅而言臨界溫度TC大約 為900℃，以鋁而言臨界溫度TC大約600℃。對於包含矽化物之裝置來說，臨界溫度TC也會受限於矽化物材料的熱穩定度。
在裝置側12a的電子裝置特徵34必須保持低於臨界溫度TC之限制導致雷射熱退火的時間必須夠短，以使裝置面不會過熱。其暗示了熱退火時間(駐留時間)必須讓相對應的熱擴散長度LD小於裝置晶圓10a的厚度d(亦即LD<d)。
第4圖係為溫度(℃)對時間的曲線圖，其繪示了不同退火技術下之溫度-時間製程窗口。第4圖包含四種不同的窗口，分別以A到D標示。傳統快速熱製程(RTA)係以窗口A表示，其在時間等級為秒至分鐘以及溫度可達1,200℃的範圍中操作。毫秒雷射以及閃燈退火方法係以窗口B表示，且具有數百毫秒至數十微秒之退火時間且溫度恰好小於矽熔點TM=1,412℃。脈衝雷射融化製程係以窗口D表示，其在時間等級為10奈秒至1微秒以及尖峰溫度高於矽熔點TM的條件下操作。
在第4圖中，窗口C係與本發明所揭露之短駐留時間、次熔化雷射退火方法有關，其在數微秒至數百微秒的退火時間範圍中操作，且操作的溫度低於矽熔點TM。因此，第4圖繪示了短駐留時間且次熔化雷射熱退火窗口C是如何與其他傳統退火的製程窗口相區隔。一例示之窗口C之退火時間係在3微秒至200微秒之範圍中。
第5圖係為溫度對薄矽晶圓深度的曲線圖，並 且比較四種退火技術之下，沿產品晶圓之深度的溫度曲線。晶圓厚度d係在5微米至200微米之範圍中。對於RTA(曲線A)，整個基板的溫度是保持平坦的，因為長的退火時間所導致之較大的熱擴散長度LD(亦即LD>>d)。
對於微秒雷射或閃燈退火方法(曲線B)，溫度隨著深入晶圓的深度d衰減。但是減少的比率太慢，因而晶圓另一側的溫度仍可能超過損害發生的門檻溫度TC(亦即LD>d)。
對於奈秒脈衝熔化雷射退火(曲線D)，在照射表面附近的溫度下降的非常快，因此沒有熱穿透到晶圓的另一側。然而，熱穿透太淺以至於無法對接面之深度超過半個微米地方進行退火(亦即LD<d)。
對於本發明所揭露之短駐留時間且次熔化熱退火，溫度下降的速度快到足以保持沒被照射的晶圓的另一側夠冷，同時熱穿透又夠大到足以對深接面進行退火(亦即LD<d)。
第6A圖與第6B圖係分別為硼濃度(cm-3)對摻雜硼之晶圓深度(nm)的曲線圖。第6A圖包含兩個曲線：曲線C0顯示尚未退火(亦即預退火)的情況下的摻質重新分布，曲線CM顯示在雷射熔化退火之後的摻質重新分布。接面的曲線係取決於熔化深度。熔化退火曲線CM顯示一箱型的摻質重新分布曲線，這是因為當矽成為液態時，快速摻質擴散發生。擴散終止於固液介面，造成陡峭的箱型曲線。此種處理方式的其中一個優點係其提供一較大量的 摻質活化以及較低的電阻。然而，缺點是其導致摻質在熔化區域的重新分布，因而無法被應用在那些精確的摻雜曲線需要被維持住的案例中，或者是那些不希望交混不同摻質之多接面的案例中。此外，摻質活化也受限於熔化區域，因而熔化區域以外的摻質無法被有效的活化。
第6B圖包含曲線C0與曲線CS，曲線CS係代表本發明所述之短駐留時間且非熔化雷射退火方法。從第6B圖可以觀察到在短駐留時間且非熔化雷射退火之下，沒有發生實質上的摻質重新分布。這是因為當矽保持固態時，摻質擴散係以非常慢的速率進行。此外，深接面也因為增加的熱擴散長度而可以被活化。
第7圖係為溫度對時間的曲線圖，其顯示一典型的時間相關的溫度曲線，其與短駐留時間且非熔化雷射退火有關。對於矽的摻質活化，產品晶圓10之上表面22的典型尖峰退火溫度TA係在950℃至1,350℃之範圍間，如CA曲線所示。駐留時間係被選擇以確保在(埋入的)電子裝置特徵34所在位置之最大底面溫度TB係被保持在低於損害門檻溫度(臨界溫度)TC以下，如曲線CB所示。對於金屬矽化物接觸的應用來說，較低的退火溫度TA可以被使用，例如600℃至1,000℃。
第8圖繪示了具有厚度d1與d2之二產品晶圓之底部溫度TB對駐留時間td的曲線圖，其中d1<d2。對於一給定的晶圓厚度，駐留時間td必須低於最大駐留時間t dm以確保TB<TC。最大駐留時間tdm取決於晶圓厚度。晶圓愈薄，所 需的駐留時間愈短。對於晶圓厚度d1之曲線，最大駐留時間係被顯示為tdm1，對於晶圓厚度d2之曲線，最大駐留時間係被顯示為tdm2。
第9圖係為根據模擬所得之駐留時間td對晶圓厚度d的曲線圖。其關係大致遵循平方律，其熱擴散長度係與時間的平方根成比例。曲線中的陰影區域對應於裝致損害將會發生的td-d製程窗口。模擬顯示了對於晶圓厚度d等於40微米的情況來說，小於70微秒之駐留時間td是必須的，假設臨界溫度係受限於鋁金屬受損害的溫度。同樣地，對於晶圓厚度等於20微米的情況來說，駐留時間必須小於大約20微秒。
在d在10微米至20微米之範圍間之範例中，一例示的鋁電子裝置特徵的駐留時間係在3微秒至20微秒之範圍間。銅電子裝置特徵34則是在大約15微秒至100微秒之間。
最低級數(lowest order)的估算，最大駐留時間可以以下式估計： 其中d為晶圓厚度，Deff為基板薄膜堆之有效熱擴散率，其中η為損害溫度的函數，且通常級數(order)為1。在一鋁金屬損害為限制參數之實施例中，最大駐留時間可以由下式估計tdm=d2/Deff，且駐留時間td係被選擇小於所估計出的駐留時間。在銅金屬損害為限制參數之實施例中，最大駐留時間可以較寬鬆，典型的參數值為5。
接面退火的的其中一個關鍵要求為損害移除能力(damage removal capability)，其與退火製程的總熱預算有關。一般而言，熱預算愈大，損害移除能力愈佳。然而，本發明所揭露之短駐留時間且次熔化雷射退火可避免過度加熱電子裝置特徵34，減少的駐留時間也導致較小的熱預算，其可與缺陷退火互相折衷。
因此，一例示退火方法包含多次掃描產品晶圓10之背側23的相同區域，或者增加相鄰掃描之線影像82的重疊部分，以使產品晶圓之背側23的每一點被掃描多次。
第10圖為溫度對時間的曲線圖，其繪示在執行多(N)次退火雷射光束之掃描時，產品晶圓10之背側23之特定點之典型溫度曲線，其經歷了多次(N次)退火雷射光束80的掃描。二次成功掃描之間的時間間隔τ應足夠長以使第一次掃描的餘熱可以在第二次掃描開始前完全散去。一例示的散熱時間τ的範圍係1毫秒τ10秒，，而在更受限的範例中係在數個毫秒至數百毫秒之範圍間。
第11A圖繪示了所量測的接面漏電流(任意單位，a.u.)對退火雷射光束80之掃描次數的曲線圖。漏電流係接面耗盡區域(depletion region)之缺陷等級的量測。當掃描次數增加時，接面漏電流減少，其指出缺陷退火所造成的改善。
使用多次次熔化雷射掃描所增加之一優點係強化的摻質活化等級。其可以由第11B圖看出，第11B圖為所量測之片電阻RS(ohm/sq.)對退火雷射光束之掃描次 數的曲線圖。片電阻隨著掃描次數增加而減少，其指出摻質活化被強化了。
須注意的是，單一次長駐留時間次熔化雷射也可以提供良好的活化，且具有改善的缺陷移除能力。然而，長的熱擴散長度LD可能導致電子裝置特徵34的損害。相較於單一次掃描，使用多次短駐留時間掃描可提供一增加的熱預算，而維持一熱擴散長度LD小於晶圓厚度d。在一多次短駐留時間掃描處理的範例中，掃描的次數為10或者更少。
原則上，我們可以使用奈秒脈衝雷射退火於次熔化雷射中，並且使用多次脈衝以改善摻質活化。然而，因為每次雷射脈衝之極短的退火持續時間，將會需要大量的脈衝，亦即大約100到1000個脈衝之間。此種處理方法十分慢，導致在量產環境下要實施有所困難。此外，奈秒脈衝雷射退火之熱穿透深度也受限於大約1微米(由個別的脈衝持續時間來決定)，無論所使用的脈衝數量，因此本方法在活化深接面是沒有效率的。
其他因素也可能衝擊電流裝置特徵34，包含晶圓載台110的溫度，以及晶圓至載台的熱接觸阻抗。一般而言，晶圓載台溫度或熱接觸阻抗愈低，電子裝置特徵34之溫度就愈低，因而駐留時間就可能愈長或者是上側的退火溫度就可能愈高。
也就是說，如果晶圓載台溫度太低，產品晶圓10之上側21與背側23之間的大溫差可能導致高熱應力。此種情況是我們不希望看見的，因為他可能導致滑動的產生或者晶圓 翹曲或者甚至晶圓破裂。一例示的晶圓載台110係設置以具有加熱與冷卻功能，因而晶圓載台溫度可以被最佳化以平衡電子裝置特徵34所需的低應力以及其所需的低溫。為了有效的控制晶圓前側的溫度，產品晶圓10與晶圓載台110之間良好的熱接觸是我們想要的。其可以藉由使用真空或靜電手段來達成。為了改善散熱能力，具有高熱導率的材料可以被用在晶圓載台110上。晶圓載台110之例示材料係為鋁與碳化矽。
雖然本發明所揭露之短駐留時間且非熔化退火方法非常適合於對薄晶圓來進行退火，本方法也可以用在需要表面退火之結構，或者是用在熱敏感電子裝置特徵34被嵌在距離背側23一距離d之結構，亦即退火雷射光束入射產品晶圓10之側。在退火方法之一範例中，多次的次熔化雷射掃描可被用來強化摻質活化或者改善缺陷退火而不至於損害熱敏感裝置特徵34。
本發明的技術內容已經以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧產品晶圓
10a‧‧‧裝置晶圓
10b‧‧‧載體晶圓
12a‧‧‧前側/裝置側
14a‧‧‧背側
15‧‧‧氧化層
17‧‧‧保護結構
21‧‧‧上側
22‧‧‧上表面
23‧‧‧背側
24‧‧‧背面
30‧‧‧CMOS裝置結構
34‧‧‧電子裝置特徵
40‧‧‧CMOS裝置層
44‧‧‧離子佈植層
80‧‧‧退火雷射光束
82‧‧‧線影像
d‧‧‧晶圓厚度

Claims (26)

  1. 一種對具有一背側之一半導體產品晶圓進行退火的方法，該背側具有一退火區域，該半導體產品晶圓具有複數電子裝置特徵，該些電子裝置特徵與該背側相隔一距離d，該些電子裝置在被加熱至超過一臨界溫度TC時將會損壞，該方法包含：以一退火雷射光束掃描該背側以退火該退火區域，並將退火區域加熱到一退火溫度TA，該退火溫度TA小於該半導體產品晶圓的熔點TM；所述掃描步驟涉及一熱擴散長度LD，而且更包含以一駐留時間來執行所述掃描步驟以使該熱擴散長度LD滿足LD<d，且該些電子裝置特徵的溫度係被維持在低於臨界溫度TC。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該退火區域係選自一離子佈植層與一接觸層的其中之一。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該駐留時間係在3微秒至200微秒之範圍間。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該些電子裝置特徵包含金屬，且該臨界溫度係在實質上600℃至900℃之範圍間。
  5. 如請求項1所述之方法，更包含藉由面對面接合一裝置晶圓與一載體晶圓來形成該半導體產品晶圓，其中該裝置晶圓包含該些電子裝置特徵。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該退火雷射光束具有一波長，該波長選自一可見光波長與一紅外線波長的其中之一，該波 長具有小於該半導體產品晶圓之厚度之一光學吸收長度。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該些電子裝置特徵包含一CMOS裝置層。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該些電子裝置特徵包含一半導體電源裝置層。
  9. 如請求項1所述之方法，更包含對該背側之相同部位執行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描係以一時間間隔τ來區隔，且1毫秒τ10秒。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該多次掃描的次數係小於等於10。
  11. 如請求項1所述之方法，其中5微米d150微米。
  12. 如請求項1所述之方法，其中10微米d20微米，該些電子裝置特徵係以鋁製成，且該駐留時間實質上係在3微秒至20微秒之範圍間。
  13. 如請求項1所述之方法，其中10微米d20微米，該些電子裝置特徵係以銅製成，且該駐留時間實質上係在15微秒至100微秒之範圍間。
  14. 一種對一產品晶圓進行退火的方法，包含：形成一產品晶圓，其係藉由在具有一背側之一裝置晶圓之一前側形成一保護結構所形成，該裝置晶圓的厚度係在5微米至150微米之範圍間，該前側包含複數電子裝置特徵，該些電子裝置在被加熱至超過一臨界溫度TC時將會損壞；形成一退火區域於該裝置晶圓之該背側；及於該背側掃描一退火雷射光束以對該退火區域執行非 熔化退火，此掃描步驟係以一駐留時間來執行，該駐留時間定義一熱擴散長度LD且LD<d，該些電子裝置特徵的溫度係被維持在低於臨界溫度TC。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該退火區域係選自一離子佈植層與一接觸層的其中之一，該離子佈植層係形成於該背側中，該接觸層則是形成於該背側上。
  16. 如請求項14所述之方法，更包含對該背側之相同部位執行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描係以一時間間隔τ來區隔，且1毫秒τ10秒。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該多次掃描的次數係小於等於10。
  18. 如請求項14所述之方法，其中該保護結構包含一載體晶圓。
  19. 如請求項14所述之方法，其中該保護結構係由單一保護層所構成。
  20. 如請求項14所述之方法，其中該些電子裝置特徵至少包含一金屬與一CMOS層二者的其中之一。
  21. 如請求項14所述之方法，其中該些電子裝置特徵包含一半導體電源裝置層。
  22. 如請求項14所述之方法，其中該駐留時間係在3微秒至200微秒之範圍間。
  23. 如請求項14所述之方法，更包含使該駐留時間小於一最大駐留時間tdm，該最大駐留時間係由tdm=d2/Deff所定義，其中係為該裝置晶圓之有效熱擴散率。
  24. 如請求項14所述之方法，其中該退火雷射光束具有一波長，該波長選自一可見光波長與一紅外線波長的其中之一，該波長具有小於該半導體產品晶圓之厚度之一光學吸收長度。
  25. 如請求項14所述之方法，其中10微米d20微米，該些電子裝置特徵係以鋁製成，且該駐留時間實質上係在3微秒至20微秒之範圍間。
  26. 如請求項14所述之方法，其中10微米d20微米，該些電子裝置特徵係以銅製成，且該駐留時間實質上係在15微秒至100微秒之範圍間。
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