TW201624571A - 具超短停留時間之雷射退火系統及方法 - Google Patents

具超短停留時間之雷射退火系統及方法 Download PDF

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Abstract

具有超短停留時間之雷射退火系統及方法被揭露。該方法包含以預熱線影像局部地預熱半導體晶圓，接著相對於該預熱線影像迅速地掃描退火影像，以定義出具有在 10 ns 至 500 ns 之範圍間之停留時間之一掃描重疊區域。如此之超短停留時間非常有利於執行產品晶圓表面或次表面之熔化退火，因為此超短停留時間能防止元件之半導體結構發生重熔（reflow）。

Description

具超短停留時間之雷射退火系統及方法
本發明所揭露係關於退火處理，其用於製造積體電路和記憶體元件之半導體製程中，並且尤其關係到具有超短停留時間之雷射退火系統及方法。
本發明中所引述之任一與全部參考文件均因被參照而併入，包含有：美國專利號 8,309,474； 美國專利號 8,546,805；美國專利號 8,865,603；和美國專利申請序列號 14/497,006。
傳統的奈秒脈衝式雷射熔化退火（「傳統的熔化雷射退火」）提供了對先進積體電路（IC）晶片製造而言相當理想的超低熱預算、高摻質活化力及超陡峭接面。然而實務上，因為大量來自 IC 晶片中之光學與熱學之性質在空間中之變化所造成的溫度非均勻性，前述類型的退火非常難以實施於圖案化半導體晶圓上。這些不良效應在所屬技術領域中被稱為「圖案密度效應」。
美國專利號 8,309,474 描述一技術係利用一混合式熔化/非熔化之裝置，且以第一掃描雷射光束均勻地預熱基板至接近熔化之情況。第二雷射係發射一具有光脈衝之光束，然後以一段短時間將退火區域溫度提升至熔化溫度，該短時間可使熔化區域能迅速再結晶。此方法之一優點為脈衝式雷射與圖案化基板間之相互作用所造成之溫度非均勻性顯著地被減輕。然而，此方法之缺點係來自脈衝間重複性之需求及脈衝式雷射影像均勻性之限制，並且此方法需要一相當長、在 100 微秒至 20 毫秒之範圍間之停留時間，因此更為加劇上述之問題。
美國專利號 8,865,603 描述一退火系統，其中一掃描連續波（CW）雷射光束用於執行背側雷射加工，其停留時間係在 1 微秒至 100 微秒之範圍間。此方法之優點是，光束穩定性遠大於 1％，而於半導體晶圓上光束之均勻性是由已充分了解之高斯分佈所定義。可惜的是，該方法所要求之功率及停留時間均太大，而無法使熔化之基板得以快速地再結晶。
本發明係揭露以 10 ns至 500 ns 或 25 ns至 250 ns之範圍間之超短停留時間退火一半導體晶圓之雷射退火系統及方法。所述之雷射退火系統係利用二雷射光束 –即預熱雷射光束與掃描雷射光束 ，分別形成預熱線影像與個退火影像，並共同定義出重疊區域。退火影像之長維度 L2係沿預熱線影像之短維度 W1 之方向。設定長維度 L2 甚大於短維度 W1 （例如，大 2 至 4 倍之間），可使校正預熱線影像與退火影像之位置變得非常容易。預熱雷射光束為一操作於紅外線之連續波（CW）光束，而掃描雷射光束若非連續波（CW）光束，即為準連續波（QCW）光束。掃描雷射光束於半導體晶圓之表面上相對於預熱線影像足夠快速地掃描，使停留時間在前面提及之範圍內。這些超短停留時間有利於執行產品晶圓之熔化退火，因其能防止元件之半導體結構發生重熔（reflow）。在一示例中，掃描雷射光束之連續波（CW）與準連續波（QCW）之特性能避免與脈衝式雷射退火系統有關之脈衝間均勻性之問題，因脈衝式雷射退火系統僅用一個或數個光脈衝來執行退火。此外，因準連續波雷射光束沒有光束整形的需要，因此可避免不良之斑點效應。
本發明所揭露之一概念係一種退火半導體晶圓之方法，該半導體晶圓具有圖案化之表面，圖案化之表面具有晶圓表面/次表面溫度 TS 與表面/次表面熔化溫度 TM 。該方法包含：使用預熱雷射光束形成預熱線影像於圖案化之表面上，預熱線影像被設置以加熱一部分之圖案化之表面至預退火溫度TPA ，預退火溫度TPA 係在（0.5）• TM ≤ TPA ≤（0.9）• TM 之範圍間，其中預熱線影像具有長度 L1 及寬度 W1，長度 L1係在 5mm 至 20mm 之範圍間；使用掃描雷射光束形成退火影像於半導體晶圓之表面上，使退火影像重疊於一部分之預熱線影像以定義掃描重疊區域，退火影像具有長度 L2 與寬度 W2，長度 L2 在 100 微米至 500 微米之範圍間，寬度 W2 在 10 微米至 50 微米之範圍間，其中該長度 L2 ≥ 2∙W1，且長度 L1 與 L2 係以正交方向被量測；及相對於預熱線影像掃描退火影像，使掃描重疊區域具有停留時間 τD ，其在 10 ns ≤ τD ≤ 500 ns 之範圍間，且於掃描重疊區域內局部地將晶圓表面/次表面溫度 TS 從預退火溫度 TPA 升高至表面/次表面熔化溫度 TM 。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中停留時間 τD 係在 25 ns ≤ τD ≤  250 ns之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法更包含藉由操作退火雷射於準連續波（QCW）之方式以形成掃描雷射光束，準連續波（QCW）方式係產生複數光脈衝，其中掃描重疊區域所通過之半導體晶圓之表面上之每一點接收至少五個光脈衝。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中準連續波之方式具有100MHz 或更大之重複率。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中掃描雷射光束之形成係藉由將初始雷射光束從退火雷射導向至旋轉多面鏡。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中預熱雷射光束具有紅外線波長，且掃描雷射光束具有可見波長。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中可見光波長為532 nm，且係藉由倍頻紅外線光纖雷射而形成。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法更包含於掃描重疊區域內測量半導體晶圓之表面之溫度，且利用所測量到之半導體晶圓之表面之溫度控制預熱雷射光束與退火雷射光束之至少其中一者之光功率量。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中於測量半導體晶圓之表面之溫度的步驟中包含從掃描重疊區域測量放射率。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中半導體晶圓包含矽(Si) 與鍺 (Ge)，且鍺位在一矽層之下。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法更包含： a) 使用掃描光學系統，沿退火掃描方向而從起始位置至完成位置掃描該雷射影像，起始位置位於預熱線影像之近端，完成位置位於預熱線影像之遠端； b) 當退火影像抵達完成位置時，關閉掃描雷射光束；c) 移動預熱線影像至半導體晶圓之表面之新位置； d) 當退火影像能被導向至起始位置時，重新啟動掃描雷射光束；及重覆動作  a) 至動作 d) 以掃描重疊區域於半導體晶圓之整體表面。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中動作 c) 包含於預熱掃描方向連續地移動預熱線影像，預熱掃描方向係正交於退火掃描方向。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中於關閉掃描雷射光束之步驟中更包含以聲光調變器遮擋掃描雷射光束。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中預熱線影像加熱半導體晶圓之表面/次表面至在（0.6）• TM ≤ TPA ≤（0.8）• TM 之範圍間之預退火溫度TPA 。
本發明所揭露之另一概念是一種用於退火具有圖案化之表面之半導體晶圓之系統，圖案化之表面具有晶圓表面/次表面溫度 TS 與表面/次表面熔化溫度 TM ，該系統包含：預熱雷射系統，形成預熱雷射光束，預熱雷射光束於圖案化表面形成預熱線影像，預熱線影像被設置以加熱一部分之圖案化之表面至預退火溫度TPA ，預退火溫度TPA 係在（0.5）• TM ≤ TPA ≤（0.9）• TM 之範圍間，其中預熱線影像具有長方向與窄方向，預熱線影像沿長方向具有在 5mm 至 20mm 之範圍間之長度 L1， 沿窄方向具有寬度 W1；退火雷射系統，形成一掃描雷射光束，掃描雷射光束於半導體晶圓之表面上形成退火影像，使退火影像重疊於一部分之預熱線影像以定義掃描重疊區域，退火影像具有長方向與窄方向，退火影像沿長方向具有在 100 微米至 200 微米之範圍間之長度 L2，沿窄方向具有在10微米至25微米之範圍間之寬度 W2，其中長度 L2 ≥ 2∙W1，且長度 L1與L2係以正交方向被量測；及其中退火雷射系統包含掃描光學系統，掃描光學系統相對於預熱線影像掃描退火影像，使掃描重疊區域具有在10 ns ≤ τD ≤ 500 ns之範圍間停留時間 τD ，且於掃描重疊區域內局部地將晶圓表面/次表面溫度 TS 從預退火溫度 TPA 升高至表面/次表面熔化溫度TM 。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中停留時間 τD 係在25 ns ≤ τD ≤ 250 ns之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中退火雷射系統包含操作於準連續波（QCW）方式之退火雷射，使掃描雷射光束包含複數光脈衝，其中掃描重疊區域所通過之半導體晶圓之表面上之每一點接收至少五個光脈衝。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中準連續波方式具有100 MHz 或更大之頻率。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中退火雷射系統包含雷射退火，退火雷射產生初始雷射光束，且掃描光學系統包含旋轉多面鏡，旋轉多面鏡接收初始雷射光束並形成掃描雷射光束。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中退火雷射系統包含調變器，可操作地連接至調變器驅動器，調變器設置於初始雷射光束之路徑上；當退火影像完成掃描時，調變器遮擋初始雷射光束，而當退火影像開始另一掃描時，調變器傳送初始雷射光束。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中退火雷射包含具有倍頻晶體之紅外線激發光纖雷射，且掃描雷射光束具有 532 nm 之波長。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中預熱雷射光束具有紅外線波長。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統更包含熱放射檢測器系統，測量來自掃描光學區域之熱放射。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中半導體晶圓係由晶圓座支撐，晶圓座係依次由可移動晶圓載台所支撐，退火影像沿退火方向掃描，且可移動晶圓載台沿預熱掃描方向移動以掃描預熱線影像，預熱掃描方向係正交於退火方向。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中該預熱線影像加熱該半導體晶圓之表面/次表面至在（0.6）• TM ≤ TPA ≤（0.8）• TM 之範圍間。
額外之特徵及優點會於以下實施方式中提出，且基本上對此技術領域具有通常知識者，即能自該描述輕易了解，或藉由實施描述於本說明書、以下之實施方式、申請專利範圍以及隨附圖式中之實施例亦能有所認知。申請專利範圍構成本說明書之一部分，並由此被結合到實施方式中作為參考。
應理解的是，以上之一般說明及以下之實施方式是為瞭解所述申請專利範圍之本質與特徵所提供之概述與架構。附圖被包含以提供進一步理解本發明內容，且被併入並構成本說明書之一部分。附圖說明本發明之各種實施例，並且與實施方式一起用於解釋本發明之原理與操作。以下所提出之申請專利範圍構成本說明書之一部分，且被併入以下所提出之實施方式。
現在詳細參考本發明之各個不同的實施例，其示例將於隨附圖式中予以說明。無論何時，在所有圖式中相同或相似元件符號及標記係用以意指相同或相似部件。圖式並非按原比例繪製，且所屬技術領域中具有通常知識者將能認知為說明本發明之重要概念而圖式被簡化之處。 在部分圖式中，直角坐標基於參考之目的而被提供，並非作為限制本文所述系統及方法於特定的方向或方位。以下所提出的申請專利範圍被併入並構成實施方式的一部分。
在以下的討論中，「晶圓」一詞係「半導體晶圓」之簡寫，例如用於積體電路元件製造之半導體晶圓。一示例之晶圓為矽晶圓。
本發明所揭露之概念係針對執行雷射退火，其中不論是晶圓表面局部地熔化或晶圓次表面局部地熔化。在一示例中，晶圓表面係由一薄矽層覆於一層較低熔化溫度之材料上(例如，鍺 (Ge) 或矽鍺 ( SiGe))，晶圓表面維持固態，而次表面材料卻可熔化。因此，本發明所述之熔化製程係適用於任一情況：不論是晶圓表面熔化，或是晶圓表面維持固態而於晶圓表面下之一小量材料熔化。前述熔化製程之後者在本文中被稱為「次表面熔化製程」，其中熔化溫度 TM 係指次表面材料之熔化溫度，而晶圓表面溫度 TS 係對應於晶圓次表面溫度（即，於晶圓表面正下方之溫度），故該溫度在次表面熔化製程中也被稱為晶圓次表面溫度。
準 連續波 (QCW) 雷射退火系統
第1圖為根據本發明所揭露之一示例準連續波 (QCW) 雷射退火系統（簡稱「系統」）100之示意圖。系統 100包含晶圓載台 120，其可操作地支撐具有上表面132之晶圓座130。晶圓載台120可操作地連接至載台控制器124，且經由載台控制器124之操作，晶圓載台120被設置可於X-Y平面上移動，也可選擇性地在Z方向上移動。晶圓座130之上表面132被設置可操作地支撐晶圓10，該晶圓具有基板11、表面12，及位於緊接表面12下方之次表面13，例如，該次表面之深度約至數十微米左右（見第 2A圖與第 2B圖）。表面12包含圖案，係由半導體結構所定義，通常與製造積體電路 (IC) 晶片之不同階段有關。
第 2A圖為晶圓10之橫截面圖，顯示一示例之電晶體之半導體結構14。電晶體之半導體結構14包含源極區 16S及汲極區 16D、薄閘極氧化層17及高介電係數金屬柵極堆疊18。用於高介電係數金屬柵極堆疊 18之示例材料為氧化鉿( HfO)。源極區 16S及汲極區 16D可為含摻質之矽 (Si) 或含摻質之矽鍺 (SiGe)，並可被本發明所揭露之表面熔化製程退火。高介電係數金屬柵極堆疊 18具有熔化溫度，係高於以Si或SiGe構成之源極區 16S及汲極區 16D之熔化溫度。
第 2B圖為晶圓10之橫截面圖，顯示一示例之半導體結構14，其退火製程與次表面熔化製程有關。半導體結構14係根據美國專利號8,138,579,之第 5圖，其專利名稱為「於SOI / SiGe技術中形成矽鍺及矽鍺碳掩埋層之結構與方法」(“Structures and methods of forming SiGe and SiGeC buried layer for SOI/SiGe technology”)。半導體結構 14包含埋藏氧化物（BOX）層 22、矽薄膜層 24、可選擇之矽薄膜緩衝層 26， 矽鍺或矽鍺碳薄膜層 28，第一矽磊晶層 30，第二矽磊晶層 34及絕緣結構 36。
晶圓10具有熔化溫度 TM ，基於各種形成於該晶圓 10之半導體結構 14，熔化溫度會隨於該晶圓10之位置而改變。對於（純）矽晶圓10，TM = 1414 °C。含摻質之矽之熔化溫度 TM 會稍低於純矽之熔化溫度 TM 。在其他如第 2B圖所示之示例中，晶圓 10係包含由矽和鍺組合而構成之半導體結構 14。鍺具有熔化溫度 TM = 938 °C。包含矽和鍺二者之半導體具有之熔化溫度TM 為此二種材料之熔化溫度之加權平均。晶圓10亦具有晶圓表面溫度（或晶圓次表面溫度） TS ，如上所述於次表面熔化製程時即指次表面溫度。
在第 2B圖之示例半導體結構14，矽鍺或矽鍺碳薄膜層28可以是含摻質之矽，其須被退火以活化其中之摻質。因為矽鍺或矽鍺碳薄膜層 28位於具較高熔化溫度之第一矽磊晶層30之下，所以用於第 2B圖之半導體結構14之退火製程為次表面熔化製程。
在一示例中，晶圓座130被加熱以致晶圓 10 可被預熱。晶圓載台120可操作地連接至載台控制器124。
系統100亦包含被設置以產生預熱雷射光束168之預熱雷射系統150。預熱雷射光束168藉由提高該晶圓表面之溫度（或晶圓次表面之溫度）TS 至小於熔化溫度TM 之預退火溫度TPA 而用於預熱該晶圓10之表面12。
預熱雷射系統150包含預熱雷射160及線形成光學系統166。預熱雷射160可包含二極體雷射、光纖雷射或 CO2 雷射，例如連續波（CW）水平極化 (p-polarized)  之 10.6微米之 CO2 雷射。在一示例中，線形成光學系統166被設置，使預熱雷射光束168以一接近直角之入射角或以一大斜角之入射角入射至晶圓10之表面12。在一示例之實施例中，預熱雷射光束168相對於晶圓10之表面12之入射角實質上等於布魯斯特角 (Brewster’s angle)，以致由非均勻之光學吸收所導致之不良圖案密度效應可被降低，甚至到最低。
線形成光學系統 166被設置以從預熱雷射 160接收初始雷射光束 162，並從初始雷射光束形成預熱線影像 170於晶圓10之表面12，如第 3圖所示。 預熱線影像170具有近端 172、遠端 173及相對之側邊 173。預熱線影像170具有從近端 172延伸至遠端 174之長方向（維度），且具有長度L1。預熱線影像170亦具有寬度為 W1 之窄方向（維度），該寬度係測量相對之側邊173之距離。在一示例中，長度 L1係在 5毫米至 20毫米之範圍間，而另一示例之長度  L1則是在 7毫米至 12毫米之範圍間。並且在一示例中，寬度 W1 係在 50 至 200 微米之範圍間，而另一示例之寬度 W1 則為150微米。
預熱線影像 170係相對於晶圓 10之表面 12沿y方向移動，如箭頭AR1所指示；此方向被稱為預熱掃描方向。晶圓 10之表面 12與預熱線影像170相關之部分係代表晶圓 10之表面 12之局部預熱之部分，其中之晶圓表面溫度 TS 被升高至預退火溫度TPA 。
在一示例之實施例中，預熱雷射光束 168在其掃描方向（即y方向）上具有高斯強度分佈，而在其長（跨掃描）方向（即x方向）則具有頂部非常平坦之強度分佈。預熱雷射光束 168之寬度 W1可由高斯強度分佈於1/e2 之強度值或由高斯強度分佈之半峰全寬值（FWHM）來定義。
再次參照第 1 圖，該系統 100 亦包含退火雷射系統250，被設置以產生掃描雷射光束 268，掃描雷射光束 268 形成退火影像 270 於晶圓 10 之表面 12上，如第 3圖所示。退火雷射系統 250 包含退火雷射 260，發射初始雷射光束 262，可操作地連接至調變器驅動器264之調變器 263，及掃描光學系統 266，其接收該初始雷射光束 262並產生該掃描雷射光束 268。在一示例中，調變器263為一聲光調變器（AOM），係用於選擇地並交替地遮擋與通過初始雷射光束 262，以控制退火影像 270之掃描。
線形成光學系統 166及掃描光學系統266可包含各自之透鏡、反射鏡、光圈、濾鏡、主動光學元件（例如，可變衰減器等）及上述元件間之組合。在一示例中，線形成光學系統 166及掃描光學系統266之一或二者均可被設置以執行光束調節，例如，一致化其各自之初始雷射光束 162 與 262，且/或為初始雷射光束 162 與 262 提供所選擇之橫截面形狀。適用於執行此種光束調節之示例光學系統 166 與示例光學系統 266 係揭露於美國專利號 7,514,305, 7,494,942, 7,399,945及6,366,308之中。在一示例中，從雷射退火260所出之初始雷射光束 262 具有高品質（例如，是高斯分佈的），使用時無需（在某些情況下，完全不用）光束調節。
第 4 圖為一示例掃描光學系統 266 之示意圖，其包含準直透鏡 261、多面鏡 267 及聚焦透鏡 269。多面鏡267可操作地連接至反射鏡驅動器 272，並被其驅動而旋轉。在一示例中，多面鏡 267 具有 47 個側面，且以每分鐘約17000轉之速度（RPM）旋轉，使得退火影像 270 之掃描相對於預熱線影像 170 是高速的而能產生超短之停留時間，如以下所討論。在一示例中，掃描光學系統 266 具有 F-θ (F-theta)之組態。
在一示例中，退火雷射 260 為紅外線二極體激發 IR 雷射，係利用頻率轉換元件（例如，倍頻晶體）將紅外線波長轉換至可見波長，例如，從1.064 μm 轉換至 532 nm。在一示例中，由退火雷射 260 所發射之初始雷射光束 262 為一準連續波 (QCW) 光束，或嚴格來說，是發射出光脈衝，然而這些光脈衝彼此非常靠近以致輸出之雷射光束如同一連續波 (CW) 光束。
在一示例中，退火雷射器 260 以準連續波操作模式操作於一高頻率（例如， 100MHz 或更大，或者是 150MHz 或更大），即藉由以此速率啟動或關閉退火雷射 260。相較於連續波操作模式，準連續波操作模式能提供較高之峰值功率。而較高之峰值功率則可使退火雷射器 260 以一簡單方式並利用一單通設置產生二次諧波，相對地，操作於連續波操作模式時仍需一共振腔。在一示例中，初始雷射光束 262 非常接近一真正高斯分佈，具有約 1.2 之 M2 值。退火雷射 260 之輸出功率約為 500 W，且由於與掃描光學系統 266 有關之光損耗非常小，使得一示例掃描雷射光束 268 具有大約 500 W 之光功率。掃描雷射光束 268 之高功率提供了本文所揭露之退火方法所需之超短停留時間。
掃描雷射光束 268 及與之相關之退火影像 270 係用於加熱於晶圓 10 之表面 12 由預熱線影像 170 所定義之預熱部分，（亦可選擇性地加熱晶圓座 130），使晶圓表面溫度 TS 可局部地從預退火溫度 TPA 升高至熔化溫度 TM ，進而使晶圓 10 之表面 12 /次表面13能局部地熔化。
退火影像 270 重疊於預熱線影像 170 之一部分，且於本文中重疊區域被稱為「掃描重疊區域」SOR。退火影像 270 具有長度為 L2之長維度及寬度為 W2 之窄維度。退火影像 270 在 x 方向及 y 方向上均具有高斯強度分佈。退火影像 270 之長維度定位於預熱線影像 170 之短維度方向。在一示例中，長度 L2 係在 100 微米至 500 微米之範圍間，且寬度 W2 係在 10 微米至 50 微米之範圍間，而另一示例寬度係在 15 微米至 20 微米之範圍間，或甚至在 16 微米至 18 微米之範圍間。退火影像 270 之掃描方向 AR2 係垂直（正交）於其長維度方向。掃描方向 AR2 被稱為「退火掃描方向」，係正交於「預熱掃描方向」AR1。退火影像 270 之寬度 W2 定義該掃描重疊區域 SOR 於掃描方向 AR2 上之寬度。
在一示例中，長度 L2 係設定為甚大於寬度 W1（例如，大 2 至 4 倍之間），使得退火影像 270 之二端部延伸出預熱線影像 170 之相對之側邊173 ，如第 3圖所示。 這使得要校正預熱線影像 170 與退火影像 270 之位置以定義掃描重疊區域 SOR 變得非常容易。此設置係利用退火影像 270 之中央、高強度部分加熱至晶圓 10 之表面 12 上由預熱線影像 170 所定義之局部地預熱部分，而將晶圓表面溫度 TS 升高至熔化溫度 TM 。
預熱雷射光束 168 及掃描雷射光束 268 具有各自之波長，分別為 λ1 與 λ2，在一示例中，此二波長均能在所選擇之條件下加熱晶圓 10。在一示例中，波長 λ1 是 10.64 μm，且波長 λ2 是 532 nm。
系統 100 亦包含熱放射檢測器系統 180，被設置與配置以測量從晶圓 10 之表面 12 所發出之熱放射輻射 182 之量，如下所述，並產生熱放射電信號 SE。在一示例中，熱放射檢測器系統 180 測量晶圓 10 之表面 12 之放射率 ε，而熱放射電信號 SE 反映了所測量之放射率 ε。在一示例中，熱放射檢測器系統 180 利用掃描光學系統 266 之至少一部分，使熱放射檢測器系統 180 可追踪退火影像 270 ，進而由退火影像 270 所定義之掃描重疊區域SOR。
在一示例之實施例中，熱放射檢測器系統 180 及掃描光學系統 266 具有各自且互相重疊之光路區段 OPE 與OPS 。此配置使熱放射檢測器系統 180得以從掃描重疊區域 SOR 之位置收集熱放射輻射 182，即使當退火影像 270 於晶圓 10 之表面 12 上掃描時。
在另一示例之實施例中，系統 100 包含高溫計 280，係測量於掃描重疊區域 SOR晶圓 10 之表面 12 之局部晶圓表面溫度 TS ，並對應地產生一溫度信號 ST。
在另一示例中，系統 100 包含檢測器 290，設置以接收反射光 268R，反射光268R代表掃描雷射光束 268 自晶圓 10 之表面 12 反射之一部分。在一示例中，當晶圓 10 之表面 12 於掃描重疊區域 SOR 熔化時，反射光 268R之量會增加（參照第3圖）。檢測器 290 產生一反射光信號SR，反映了所檢測到之反射光 268R 之量。
在一示例之實施例中，系統 100 進一步包含控制器 300。在一示例之實施例中，控制器 300 是一電腦或包含一電腦，例如個人電腦或工作站。控制器 300 較佳地是包含任一之若干商業可得的微控制器，合適之匯流排架構以連接處理器至記憶裝置，例如硬碟機及各合適之輸入及輸出裝置（分別如，鍵盤及顯示器）。控制器 300 可藉由收錄於非暫態電腦可讀取之媒介上（例如，記憶體、處理​​器或二者）之指令（軟體）而受程式控制，使控制器 300 得以執行系統 100 之各種功能以完成晶圓 10 之退火。
控制器 300 可操作地連接至預熱雷射系統 150 與雷射退火系統 250，並控制雷射系統 150 與雷射系統 250 之操作。控制器 300 電性連接至調變器  263，且以控制信號 SM 控制調變器 263 之操作。在一示例中，控制器 300 包含數個數位信號處理器（DSP）（圖未示）以控制於預熱雷射系統 150 與退火雷射系統 250 中之掃描功能。控制器 300 亦可操作地連接於熱放射檢測器系統 180 及掃描光學系統 266，且設置以接收並處理熱放射電信號SE。控制器 300 亦可操作地連接至高溫計 280，且設置以接收並處理如下所述之溫度信號 ST。控制器 300 亦可操作地連接至檢測器 290，且設置以接收並處理反射光信號 SR。
在系統100之操作之一示例中，控制器 300 發送第一控制信號 S1 至預熱雷射 160，預熱雷射對應第一控制信號而產生初始雷射光束 162。初始雷射光束 162 被線形成光學系統 166 接收，線形成光學系統 166 從初始雷射光束 16 形成預熱雷射光束 168，預熱雷射光束 168通常沿第一光軸 A1 行進並於晶圓 10 之表面 12 形成預熱線影像 170。
控制器 300 亦發送第二控制信號 S2 至退火雷射 260，退火雷射對應第二控制信號產生初始雷射光束 262。初始雷射光束 262 被掃描光學系統 266接收，而此掃描光學系統被控制信號SS控制以形成掃描雷射光束 268，而此掃描雷射光束 268 又於晶圓 10 之表面 12 形成退火影像 270。
控制器 300 亦發送第三控制信號 S3 至載台控制器 124以控制晶圓載台 120 之移動，使晶圓 10 得以相對於預熱線影像 170 及退火影像 270 移動（掃描）。在一示例中，晶圓座 130 可預熱晶圓，控制器 300 亦可發送另一控制信號（圖未示）至晶圓座控制器 134 以啟動晶圓預熱之程序。通常晶圓座預熱之範圍係從室溫（25 °C）至 400 °C。
在一示例中，控制器 300 亦從高溫計 280 接收溫度信號 ST，並利用溫度信號 ST 以控制預熱雷射光束 168 與掃描雷射光束 268 其中之一或二者之強度。
第 5圖為類似於第 3圖之特寫圖，以圖式說明退火影像 270 及掃描重疊區域 SOR 相對於預熱線影像 170 之掃描動作。退火影像 270 被顯示於各個不同之位置，係對應於掃描過程中之不同時間。掃描光學系統 266 被設置於預熱線影像 170 上沿x方向掃描或橫掃退火影像 270，自預熱線影像 170 之近端 172 之起始位置 PS至預熱線影像 170 之遠端 174 之完成位置 PF。相較於預熱線影像 170 之移動，退火影像 270 之掃描速度是足夠快速的，使得於退火影像 270 之掃描期間預熱線影像 170 基本上是靜止不動的。
在一示例中，掃描重疊區域 SOR 之停留時間 τD 係在 10 ns  ≤ τD ≤ 500 ns 之範圍間，而在另一示例中係在 25 ns  ≤ τD ≤ 250 ns 之範圍間。寬度 W2 = 15 μm 及停留時間為 25 ns 時，退火影像 270 及因此之掃描重疊區域SOR之掃描速度為 vS = W2/τD = 600 m/s。停留時間 τD 為 250 ns 時，掃描速度為 vS = 60 m/s。停留時間 τD 為500 ns 時，掃描速度為vS = 30 m/s。停留時間τD 為10 ns 時，掃描速度為1500 m/s。以如第3圖所示之掃描光學系統 266，這些掃描速度均是可達到的。
一當退火影像 270 到達預熱線影像 170 之遠端 174 時，掃描雷射光束 268 與相應之退火影像 270 會被關閉，關閉方法係藉由啟動調變器 263 使其遮擋初始雷射光束 262 之傳送。當掃描雷射光束 268 是「關閉」時，預熱線影像 170 被允許可在 y 方向移動，使晶圓 10 之表面 12 之下一被預熱部分可被掃描。在一示例中，預熱線影像 170 之移動也可以是連續的，例如，藉由連續地移動晶圓載台 120。一當預熱線影像 170 就其適當位置時，該掃描雷射光束 268 被重新啟動，藉由將調變器 263 設為傳送模式，此時掃描光學系統 266 可將掃描雷射光束 268 及相應之退火影像 270 導向至置於新位置之預熱線影像 170 之起始位置 PS。接著，於置於新位置之預熱線影像 170 上，執行退火影像 270 之掃描。第 6圖為晶圓 10 之俯視圖，以圖式說明一示例之方法，係藉由重複上述之掃描方法，以掃描重疊區域 SOR 掃描晶圓 10 之整體表面12（例如，至少在圖案化之部分）之方法。
如上所述，在一示例中，退火雷射 260 係操作於准連續波操作模式。一示例之雷射退火 260 之操作頻率為 f = 100 MHz或更大，或者是f = 150 MHz或更大。頻率 f = 150 MHz 致使雷射退火 260 每秒產生 150 x106 個光脈衝。掃描雷射光束 268 之掃描速度為 vS = 150 m/s  時，其可轉換成每單位距離之脈衝率Rp =f /vS = 1脈衝（P）於每一μm之退火影像 270 行進之距離，即 1 p/μm。停留時間 τD 為以退火影像 270 及掃描重疊區域 SOR 之寬度 W2 通過晶圓 10 上之一給定點所用之時間。因此，以一退火影像 270來看，其具有寬度 W2= 15 μm且以 vS = 150 m/s 移動於晶圓 10 之表面 12 之一給定點，則此點將會受到若干個脈衝： Np = RP ∙W2 = (1p/μm)∙(15 μm) = 15 個脈衝。若掃描速度為 600 m/s 且寬度 W2= 20μm 時，每單位距離之脈衝率 Rp =f /vS = 0.5p/μm，則脈衝數為NP = RP ∙W2 = (0.5p/μm)∙(20μm) = 10個脈衝。
在一示例中，於晶圓 10 之表面 12 上被掃描重疊區域 SOR 掃描過之每一點會從掃描雷射光束268於停留時間 τD 所持續之時間受到至少五個光脈衝，較佳地是至少八個光脈衝，而再更好地是至少十個光脈衝。脈衝之頻率足夠地快（例如，快於 100 ns），使得於與晶圓10之表面12（或次表面13）相關聯之給定點並於該給定點受到脈衝照射期間不會發生再結晶。
在一示例中，熔化退火製程是由系統 100 所執行，使預退火溫度 TPA 係在 (0.5)∙TM ≤ TPA ≤ (0.9)∙TM 之範圍間，在另一示例中，預退火溫度 TPA 係在 (0.6)∙TM ≤ TPA ≤ (0.8)∙TM 之範圍間，而在另一示例中，預退火溫度 TPA 係在 (0.6)∙TM ≤ TPA ≤ (0.7)∙TM 之範圍間。如上所述，熔化溫度 TM 視其應用可指表面熔化溫度亦或次表面熔化溫度。
於掃描過程中，熱放射檢測器系統 180 可用於監控自掃描重疊區域 SO R發出之熱放射輻射 182。熱放射檢測器系統 180 產生熱放射電信號 SE，其反映被檢測到之熱放射，並發送此熱放射電信號 SE 至控制器 300。控制器 300 接收熱放射電信號 SE，並使用熱放射電信號 SE 產生回授迴路，以控制至少預熱雷射系統 150 及退火雷射系統 250 之其中之一所產生之功率量，進而控制於至少預熱雷射光束 168 及掃描雷射光束 268 之其中之一之雷射功率，使得晶圓表面溫度 TS 保持恆定。熱放射輻射 182 之檢測可利用一快速光檢測器完成，使得​​相應之熱放射電信號 SE 事實上是立即可用於閉迴路控制的。
為能準確地控制晶圓 10 之表面 12 之晶圓表面溫度 TS ，在執行此退火方法時，須能精確地測量該溫度。藉由測量放射率 e 以測量晶圓表面溫度 TS 且適用於本發明之系統及方法係記載於美國專利號 2012/0100640。當掃描重疊區域 SOR 於晶圓 10 之表面 12 上掃描時，放射率 e 可在逐點基礎上被計算出。接著，利用被計算出之放射率 e 獲得晶圓表面溫度 TS 之局部測量值，而此值較不會受到由晶圓10之表面12上任意圖案所造成發射率變化之影響。此方法進而能為掃描雷射光束 268 之功率量提供閉迴路控制。反射光 268R 之測量值亦作為提供系統 100 回授之方法，藉以控制預熱雷射光束 168 及掃描雷射光束 268 之其中之一或二之光功率量。
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，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‧‧‧半導體晶圓（或簡稱「晶圓」）
11‧‧‧基板
12‧‧‧表面
13‧‧‧次表面
14‧‧‧(電晶體之) 半導體結構
16D‧‧‧汲極區
16S‧‧‧源極區
17‧‧‧閘極氧化層
18‧‧‧高介電係數金屬閘極堆疊 (high-K metal gate stack)
22‧‧‧埋藏氧化物（BOX）層
24‧‧‧矽薄膜層
26‧‧‧矽薄膜緩衝層
28‧‧‧矽鍺或矽鍺碳薄膜層
30‧‧‧第一矽磊晶層
34‧‧‧第二矽磊晶層
36‧‧‧絕緣結構
100‧‧‧準連續波（QCW）雷射退火系統（簡稱「系統」）
120‧‧‧晶圓載台
124‧‧‧載台控制器
130‧‧‧晶圓座
132‧‧‧上表面
134‧‧‧晶圓座控制器
150‧‧‧預熱雷射系統
160‧‧‧預熱雷射
162‧‧‧初始雷射光束
166‧‧‧線形成光學系統
168‧‧‧預熱雷射光束
170‧‧‧預熱線影像
172‧‧‧近端
173‧‧‧側邊
174‧‧‧遠端
180‧‧‧熱放射檢測器系統
182‧‧‧熱放射輻射
250‧‧‧退火雷射系統
260‧‧‧退火雷射
261‧‧‧準直透鏡
262‧‧‧初始雷射光束
263‧‧‧聲光調變器
264‧‧‧調變器驅動器
266‧‧‧掃描光學系統
267‧‧‧多面鏡
268‧‧‧掃描雷射光束
268R ‧‧‧反射光
269‧‧‧聚焦透鏡
270‧‧‧退火影像
272‧‧‧反射鏡驅動器
280‧‧‧高溫計
290‧‧‧檢測器
300‧‧‧控制器
A1‧‧‧第一光軸
AR1‧‧‧箭頭 (「預熱掃描方向」)
AR2‧‧‧箭頭 (「退火掃描方向」)
L1‧‧‧長度
L2‧‧‧長度
OPE‧‧‧光路區段
OPS‧‧‧光路區段
PF‧‧‧完成位置
PS‧‧‧起始位置
S1‧‧‧第一控制信號
S2‧‧‧第二控制信號
S3‧‧‧第三控制信號
SE ‧‧‧熱放射電信號
SM‧‧‧調變器控制信號
SR‧‧‧反射光信號
SS‧‧‧控制信號
ST‧‧‧溫度信號
SOR‧‧‧掃描重疊區域
W1‧‧‧寬度
W2‧‧‧寬度
[第 1 圖] 為根據本發明之示例之超快速雷射退火系統之示意圖； [第 2A 圖] 為一晶圓之橫截面圖，並顯示一示例電晶體之半導體結構，於其中源極區和汲極區可為含摻質之矽 (Si) 或含摻質之矽鍺 (SiGe)，並可以表面熔化製程被退火； [第 2B 圖] 為一晶圓之橫截面圖，並顯示出一示例之半導體結構，於其中退火需要次表面熔化製程； [第 3 圖] 為形成於晶圓表面之預熱線影像與退火影像之俯視特寫圖，其顯示的是二影像之相對尺寸與掃描方向，及定義熔化退火製程之停留時間的掃描重疊區域； [第 4 圖] 為一示例退火雷射系統之示意側視圖，該系統具有多面之掃描鏡及 F-θ (F-theta) 掃描組態； [第 5 圖] 為類似於第 3 圖之特寫圖，以圖式說明退火影像與掃描重疊區域相對於預熱線影像之掃描動作；及 [第 6 圖]為一晶圓之俯視圖，以圖式說明以預熱線影像與退火影像掃描晶圓表面之一示例方法。
10‧‧‧半導體晶圓(或簡稱「晶圓」)
12‧‧‧表面
100‧‧‧準連續波(QCW)雷射退火系統(簡稱「系統」)
120‧‧‧晶圓載台
124‧‧‧載台控制器
130‧‧‧晶圓座
132‧‧‧上表面
134‧‧‧晶圓座控制器
150‧‧‧預熱雷射系統
160‧‧‧預熱雷射
162‧‧‧初始雷射光束
166‧‧‧線形成光學系統
168‧‧‧預熱雷射光束
170‧‧‧預熱線影像
180‧‧‧熱放射檢測器系統
182‧‧‧熱放射輻射
250‧‧‧退火雷射系統
260‧‧‧退火雷射
262‧‧‧初始雷射光束
263‧‧‧聲光調變器
266‧‧‧掃描光學系統
268‧‧‧掃描雷射光束
268R‧‧‧反射光
270‧‧‧退火影像
280‧‧‧高溫計
290‧‧‧檢測器
300‧‧‧控制器
OPE‧‧‧光路區段
OPS‧‧‧光路區段
S1‧‧‧第一控制信號
S2‧‧‧第二控制信號
S3‧‧‧第三控制信號
SE‧‧‧熱放射電信號
SM‧‧‧調變器控制信號
SR‧‧‧反射光信號
SS‧‧‧控制信號
ST‧‧‧溫度信號

Claims (25)

  1. 一種在一半導體晶圓執行退火之方法，該半導體晶圓具有圖案化之一表面，圖案化之該表面具有一晶圓表面/次表面溫度 TS 與一表面/次表面熔化溫度TM ，該方法包含： 使用一預熱雷射光束形成一預熱線影像於圖案化之該表面上，該預熱線影像被設置以加熱一部分之圖案化之該表面至一預退火溫度TPA ，該預退火溫度TPA 係在（0.5）• TM ≤ TPA ≤（0.9）• TM 之範圍間，其中該預熱線影像具有一長度 L1 及一寬度 W1，該長度L1係在 5mm 至 20mm 之範圍間； 使用一掃描雷射光束形成一退火影像於該半導體晶圓之該表面上，使該退火影像重疊於一部分之該預熱線影像以定義一掃描重疊區域，該退火影像具有一長度 L2與一寬度W2，該長度L2在 100 微米至 500 微米之範圍間，該寬度W2在 10 微米至 50 微米之範圍間，其中該長度 L2 ≥ 2∙W1，且該長度 L1 與該長度 L2 係以正交方向被量測；及 相對於該預熱線影像掃描該退火影像，使該掃描重疊區域具有一停留時間 τD ，該停留時間 τD 在10 ns ≤ τD ≤ 500 ns之範圍間，且於該掃描重疊區域內局部地將該晶圓表面/次表面溫度 TS 從該預退火溫度 TPA 升高至該表面/次表面熔化溫度 TM 。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該停留時間 τD 係在 25 ns ≤ τD ≤  250 ns之範圍間。
  3. 如請求項1所述之方法，更包含藉由操作一退火雷射於一準連續波（QCW）之方式以形成該掃描雷射光束，該準連續波方式係產生複數光脈衝，其中該掃描重疊區域所通過之該半導體晶圓之該表面上之每一點接收至少五個光脈衝。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該準連續波（QCW）之操作模式具有100MHz 或更高之一重複率。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該掃描雷射光束之形成係藉由將一初始雷射光束從一退火雷射導向至一旋轉多面鏡。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該預熱雷射光束具有一紅外線波長，且該掃描雷射光束具有一可見波長。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該可見波長為532 nm，且係藉由倍頻一紅外線光纖雷射而形成。
  8. 如請求項1所述之方法，更包含於該掃描重疊區域內測量該半導體晶圓之該表面之溫度，且利用所測量到之該半導體晶圓之該表面之溫度控制該預熱雷射光束與退火雷射光束之至少其中一者之光功率量。
  9. 如請求項8所述之方法，其中於測量該半導體晶圓之該表面之溫度的步驟中包含從該掃描重疊區域測量一放射率。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該半導體晶圓包含矽(Si) 與鍺 (Ge)，且鍺位在一矽層之下。
  11. 如請求項1所述之方法，更包含： a)      使用一掃描光學系統，沿一退火掃描方向而從一起始位置至一完成位置掃描該雷射影像，該起始位置位於該預熱線影像之一近端，該完成位置位於該預熱線影像之一遠端； b)     當該退火影像抵達該完成位置時，關閉該掃描雷射光束； c)      移動該預熱線影像至該半導體晶圓之表面之一新位置； d)     當該退火影像可被導向至該起始位置時，重新啟動該掃描雷射光束；及 重覆動作  a) 至動作 d) ，以該掃描重疊區域掃描該半導體晶圓之該該整體表面。
  12. 如請求項11所述之方法，其中動作 c) 包含於一預熱掃描方向連續地移動該預熱線影像，該預熱掃描方向係正交於該退火掃描方向。
  13. 如請求項11所述之方法，其中於關閉該掃描雷射光束之步驟中更包含以一聲光調變器遮擋該掃描雷射光束。
  14. 如請求項 11 所述之方法，其中該預熱線影像加熱該半導體晶圓之表面/次表面至在（0.6）• TM ≤ TPA ≤（0.8）• TM 之範圍間之該預退火溫度TPA 。
  15. 一種用於退火具有圖案化之一表面之一半導體晶圓之系統，圖案化之該表面具有一晶圓表面/次表面溫度 TS 與一表面/次表面熔化溫度 TM ，該系統包含： 一預熱雷射系統，形成一預熱雷射光束，該預熱雷射光束於該圖案化表面形成一預熱線影像，該預熱線影像被設置以加熱一部分之圖案化之該表面至一預退火溫度TPA ，該預退火溫度TPA 係在（0.5）• TM ≤ TPA ≤（0.9）• TM 之範圍間，其中該預熱線影像具有一長方向與一窄方向，該預熱線影像沿該長方向具有在 5mm 至 20mm 之範圍間之一長度 L1， 沿該窄方向具有一寬度 W1； 一退火雷射系統，形成一掃描雷射光束，該掃描雷射光束於該半導體晶圓之該表面上形成一退火影像，使該退火影像重疊於一部分之該預熱線影像以定義一掃描重疊區域，該退火影像具有一長方向與一窄方向，該退火影像沿該長方向具有在  100  微米至  200 微米之範圍間之一長度 L2，沿該窄方向具有在10微米至25微米之範圍間之一寬度 W2，其中該長度 L2 ≥ 2∙W1，且該長度 L1與該長度L2係以正交方向被量測；及 其中該退火雷射系統包含一掃描光學系統，該掃描光學系統相對於該預熱線影像掃描該退火影像，使該掃描重疊區域具有一停留時間 τD ，該停留時間 τD 在10 ns ≤ τD ≤ 500 ns之範圍間，且於該掃描重疊區域內局部地將該晶圓表面/次表面溫度 TS 從該預退火溫度 TPA 升高至該表面/次表面熔化溫度TM 。
  16. 如請求項15所述之系統，其中該停留時間 τD 係在25 ns ≤ τD ≤ 250 ns之範圍間。
  17. 如請求項15所述之系統，其中該退火雷射系統包含操作於一準連續波（QCW）方式之一退火雷射，使得該掃描雷射光束包含複數光脈衝，其中該掃描重疊區域所通過之該半導體晶圓之該表面上之每一點接收至少五個光脈衝。
  18. 如請求項17所述之系統，其中該準連續波方式具有100 MHz 或更大之一頻率。
  19. 如請求項15所述之系統，其中該退火雷射系統包含一雷射退火，該退火雷射產生一初始雷射光束，且該掃描光學系統包含一旋轉多面鏡，該旋轉多面鏡接收該初始雷射光束並形成該掃描雷射光束。
  20. 如請求項19所述之系統，其中該退火雷射系統包含一調變器，可操作地連接至一調變器驅動器，該調變器設置於該初始雷射光束之路徑上；當該退火影像完成掃描時，該調變器遮擋該初始雷射光束，而當該退火影像開始另一掃描時，該調變器傳送該初始雷射光束。
  21. 如請求項17所述之系統，其中該退火雷射包含具有一倍頻晶體之一紅外線激發光纖雷射，且該掃描雷射光束具有 532 nm 之一波長。
  22. 如請求項21所述之系統，其中該預熱雷射光束具有一紅外線波長。
  23. 如請求項15所述之系統，更包含一熱放射檢測器系統，測量來自該掃描光學區域之一熱放射。
  24. 如請求項15所述之系統，其中該半導體晶圓係由一晶圓座支撐，該晶圓座係依次由一可移動晶圓載台所支撐，該退火影像沿一退火方向掃描，且該可移動晶圓載台沿一預熱掃描方向移動以掃描該預熱線影像，該預熱掃描方向係正交於該退火方向。
  25. 如請求項15所述之系統，其中該預熱線影像加熱該半導體晶圓之表面/次表面至在 （0.6）• TM ≤ TPA ≤（0.8）• TM 之範圍間之該預退火溫度TPA 。
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