TWI446473B - 翹曲減少及／或應變受控制之基板加工技術 - Google Patents

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Description

翹曲減少及/或應變受控制之基板加工技術 發明領域
本發明大體而言與用於加工基板(例如半導體晶圓)之表面的系統與方法有關。本發明尤其是有關於沿著已選定的方向角掃描一光束以減少基板翹曲及/或控制基板應力與應變之這樣的系統及方法。
發明背景
微電子電路及其他微結構特徵是透過微影技術形成在一基板上。典型地，微影工具與製程遭設計以使基板成像，諸如具有一實質上或完全平坦晶圓表面形貌的未受應變半導體晶圓。儘管未加工的半導體晶圓最初可能未受應變，但隨後的晶圓加工可使之翹曲或使該等晶圓不可控制地應變。
一般地，翹曲的基板諸如半導體晶圓會伴隨著出現浪費工具操作時間，增加晶圓加工成本，及降低整體加工效率的情形。例如，該微影加工的穩健性一般地，至少部份地，取決於當將遭成像的該表面的形貌偏離一理想形貌時，該光刻系統實現聚焦的能力。當該基板表面的翹曲或不平坦度超出一系統的焦點深度之範圍時，藉由該系統在該基板上成像至該光阻層上的一光罩圖案至少在該基板上的某些區域將失焦。在隨後的加工中，這可導致瑕疵且導致缺陷電路或微結構。所關心的一個主要的“瑕疵”是達到 所欲的關鍵尺寸(CD)，就該特徵的大小與形狀而言。簡而言之，一基板表面與該等微影工具與製程之聚焦平面之過大的偏差代表與所欲的特徵尺寸及解析度的偏差來源。
使用附有因其他原因的不可接受應變或翹曲問題之製程也是不期望的。例如，用於半導體晶圓的微影製程之效率，通常部份地取決於加工中的一晶圓與在該微影製程之光學曝光中所使用的一光罩之對準。加工中的一晶圓與該光罩之未對準是不期望的，且可能在當以一種不可控的方式引入晶圓應變時發生。當未對準超出了容許範圍，由此而生的電路可能會有缺陷，由此引起性能不佳甚至該電路失敗。簡而言之，在一系列的晶圓層所積累的不可控的應力或應變可導致對準問題，該等對準問題導致有缺陷微電子元件的形成，諸如用於負通道或正通道金氧半導體的電晶體(NMOS與PMOS)之形成。
同調及非同調雷射技術可用以執行熱處理基於半導體的微電子裝置，諸如處理器、記憶體及其他需要熱處理的積體電路(IC)。例如，電晶體的該源極/汲極部份可透過將一矽晶圓基板之區域曝光至包含硼、磷或砷原子的靜電加速摻雜劑而形成。植入後，該等間隙摻雜劑處於電氣非活化態且需活性化。活性化可透過將該基板整體或部份加熱至一特定加工溫度，且持續一段足夠該晶格將該等雜質原子併入其結構中的時間。典型地，雷射技術用以快速加熱該晶圓至該半導體熔點附近的溫度以併入在可取代晶格位置的摻雜劑，且該晶圓迅速冷卻以冷凍在適當位置的該等 摻雜劑。
使用一快速加熱循環在該等接面區域活化該等摻雜劑原子，以避免在該摻雜劑原子分佈中的任何顯著變化。因此，實質上由該植入製程而不是由該隨後的加熱定義的一理想的盒狀摻雜劑輪廓遭產生。用以描述基於雷射的熱處理技術之示範性的術語包括雷射熱處理(LTP)、雷射熱退火(LTA)與雷射尖峰退火(LSA)。在一些實例中，這些術語可互換地使用。
涉及雷射及/或雷射二極體的雷射加工技術典型地涉及將一雷射光束形成一長、薄影像，其接著在將遭加熱的一表面上快速地掃描，例如，一半導體晶圓的上表面。例如，LTP可使用一連續的或脈衝的，高能量CO2雷射光束，其在本質上是同調的。該CO2雷射光束在該晶圓表面逐線掃描，所以該表面之所有區域在該加熱光束之至少一次掃描經過上遭曝光。類似地，可使用一雷射二極體線陣以產生用於在該晶圓表面掃描的一非同調光束。
在該光束經過該晶圓之表面上的一特定位置的該段時間裡，該位置遭升高至一退火溫度。例如，在一晶圓表面以一固定速度100mm/s逐線掃描一100-μm寬光束可導致該加熱循環之一1毫秒的暫留時間。在此加熱循環期間的一典型的最高溫度約為針對矽晶圓的1350℃。在需要將該晶圓表面提升到該最高溫度的該暫留時間內，加熱在該表面區域之下僅僅約為100微米至200微米的一層。一旦該雷射光束過去後，該毫米厚的晶圓的主體幾乎以該表面被加熱時 一樣快地冷卻該表面。有關基於雷射的處理設備與方法之額外的資訊可在Talwar等人的美國專利第6,747,245號案與美國專利申請案公開案第2004/0188396號案、2004/0173585號案、2005/0067384號案、與2005/0103998號案中找到。
晶圓翹曲與應變是在該半導體晶圓製程中的一習知的現象。例如，以上所述的植入製程趨於在半導體晶圓中產生應力。類似地，與該晶圓表面加熱相關聯的溫度梯度也趨於在晶圓中引起應力。如在Conway等人的美國專利第6,865,308號案中所觀察的，具有在相對高溫度遭沉積與退火的層之矽晶圓趨於變翹曲。在極端的實例中，在一特定的子製程之後該晶圓本身變得如此翹曲，以致該晶圓不能完全穩固到隨後子製程的步進機夾頭中。
基於雷射的半導體晶圓製程，如以下所述，可能導致非所欲的應變與晶圓翹曲。例如，雷射尖峰退火技術已經廣泛地應用在目前的半導體工業中用於接面退火以到達完美的裝置性能。在這些應用方面，一般地所欲的是較高的退火溫度，因為，如在第1圖中所說明的，較高的退火溫度趨於產生改進的裝置性能。然而，已經觀察到，使用掃描雷射光束所加工的晶圓趨於變翹曲。在一些實例中，在LSA處理期間所產生的晶圓翹曲可能超出諸如涉及微影的那些IC製造程序所需的嚴格容限。特定地，第2圖顯示了晶圓翹曲一般地隨較高LSA溫度而增加。
然而，與半導體基板諸如矽晶圓相關聯的應變並不是在所有的半導體加工方面造成問題。例如，應變工程近來 遭廣泛地用以提升在矽晶圓中的電晶體性能。特定地，已經觀察到，可透過將應變與某些晶體及/或電晶體方向對準來改進目前的流程。
因此，需要尋找減輕因涉及增加加工溫度之改進的雷射加工技術而引起的晶圓翹曲問題之解決方法。此外，在該技藝中有機會透過提供以一受控方式影響晶圓應變的一裝置，使用雷射處理技術來生產改進的微電子裝置。
發明概要
在一第一實施例中，本發明提供了一種用於加工一基板之一表面的系統。該系統包括一輻射源，例如，一CO2雷射、一平台、一基板定位裝置、與一控制器。該輻射源適用於發射適於加工該基板表面的一光子束。該平台適用於支撐及相對該光束平移該基板。該基板定位裝置用於相對該光束旋轉地定位該基板。該控制器可操作地遭耦接至該輻射源、該平台，及/或該基板定位裝置，用以在該平台與該光束之間提供相對掃描運動。因此，該光束可沿著一第一路徑以一第一方向角在該基板表面平移地掃描，接著沿著一第二路徑以一第二方向角在該基板表面平移掃描。典型地，該光束以第一及第二方向角在實質上整個基板表面平移地掃描。
可取捨地，可提供一中繼器以引導該光束以至少45°的一入射角或實質上與該基板表面的光束之該Rrewster角相同的角度朝向該表面基板。在一些實例中，該中繼器用以 在該基板表面形成一細長的影像。這樣的一影像可具有在該光束與該平台之間橫貫該相對平移掃描運動的一縱向軸定向性。
在一些實例中，該基板定位裝置適用於將該基板從該第一方向角改變至該第二方向角而無須將該基板從該平台上移動。可選擇地，可從該平台上移動該基板來將該基板從該第一方向角改變至該第二方向角。無論如何，該第一與第二方向角相差約90°。
在另一實施例中，本發明提供一種用於加工一基板之一表面的方法。該方法涉及產生適於加工該基板表面的一光子束，沿著一第一路徑以一第一方向角在該基板表面平移地掃描該光束，及沿著一第二路徑以一第二方向角在該基板表面平移地掃描該光束。對半導體晶圓退火應用而言，該光子束一次可照射不超過該基板表面的5%且用於以每秒至少1000℃的一速率加熱該基板表面的一遭照射的部份。
可透過以該第一與第二方向角在實質上該整個基板表面上平移地掃描該光束來加工該基板。當用該第一與第二方向角以實質上相同的速率掃描該光束時，該已加工的表面可相對一次整體加工的一表面及/或相對以一單一方向角掃描的一表面顯示出減少的表面翹曲。
典型地，當各自地從該第一與該第二方向角觀看時，該等第一與第二路徑實質上是彼此相同的。因此，該等第一與第二路徑的每一個可覆蓋實質上該整個基板表面。可 選擇地，該等第一及第二路徑可以不同。在一些實例中，第一及第二路徑中的一條路徑可覆蓋實質上該整個基板表面，當另一路徑僅覆蓋該基板表面的一已選定部份時。
該等第一與第二路徑的每一個可包括多個平行片段。該等片段可以是直線的及/或彎曲的，且可相互間隔一預定的距離放置，以此沿著該平行片段的該等遭照射的部份重疊。依據該光束的該強度輪廓選定該預定距離。該強度輪廓可具有一峰值強度區域且選定該預定的距離以使該峰值強度區域不會重疊。
在又一實施例中，本發明提供用於加工一基板以產生一所欲的表面外形的一種方法。透過以下方法生產該基板：該方法始於具有擁有一最初表面外形輪廓的一表面之一基板。該方法可涉及產生適於加工該基板表面的一光子束及沿著一第一路徑以一第一方向角在該基板表面平移地掃描該光束。因此，該最初的表面外形遭轉換成一中間的表面外形。然後，沿著一第二路徑以一第二方向角在該基板表面掃描該光束。該中間表面外形然後遭轉換成該所欲的表面外形。
在又一實施例中，本發明提供了一種用於使具有擁有不適於隨後加工之一外形的一表面之一基板重新成形。一光子束沿著一選定的路徑與一選定的方向角在該基板表面掃描該光束以影響熱處理。因此，該表面以一種有效的將該不合適的表面外形轉化成適於隨後加工的一外形之方式遭重新成形。
在又一實施例中，提供了一種用於在一半導體基板上改進一微電子電路之性能的方法。該方法涉及產生一光子束，且該光子束適於產生具有適於熱處理該基板表面的形狀及/或強度輪廓的一影像。以一有效的以相對無表面應力的載子移動在該微電子電路中提高載子移動的一方式產生一表面應力的一方向角在該基板表面上平移地掃描該影像。該方向角可遭選定以改進包括PMOS及/或NMOS電晶體之電路的性能。
圖式簡單說明
第1圖是繪製了與在使用雷射掃描的退火溫度的一範圍上，相對於一基線的nMOSFET驅動電流增益百分比的一圖。
第2圖是繪製了在使用雷射掃描的退火溫度之一範圍上的裝置晶圓翹曲的一圖，顯示了翹曲隨該退火溫度的增加而增加。
第3圖是一示意性的側視圖，說明具有一上表面的基板的一示範性的雷射熱處理幾何。
第4圖是一基板表面與其上具有多個線性片段的一示範性的影像掃描路徑的平面圖。
第5圖是一基板表面與具有一弓形片段的一影像掃描路徑的一平面圖。
第6圖是在實質上一整個基板表面上橫貫的一線性影像之一示範性掃描路徑的一平面圖，其中該掃描路徑包括多個平行的弓形掃描路徑片段，其等是透過將該線性影像 帶離或帶進該基板表面的過渡片段來相互耦接。
第7圖是第6圖的該掃描路徑的一近視圖，顯示了連接至在該基板之邊緣附近的一翻轉掃描路徑片段的兩個過渡掃描路徑片段。
第8圖顯示了在使用類似於第4圖所顯示的一掃描路徑進行LSA加工之後的該典型的“弓狀”晶圓形貌。
第9A與9B圖，共同地作為第9圖，描繪了與使用兩個相同的且旋轉偏移的掃描路徑的一兩步驟掃描處理相關聯的掃描路徑。第9A圖描繪了該第一掃描路徑。該9B圖描繪了該第二掃描路徑。
第10A與10B圖，共同地作為第10圖，描繪了與使用不同的掃描路徑的一個兩步驟掃描處理相關聯的掃描路徑。第10A圖描繪了第一掃描路徑。第10B圖描繪了該第二掃描路徑。
第11A與11B圖，共同地作為第11圖，顯示了遭執行以相對於實質上相同硼植入矽晶圓將一個兩步驟LSA處理與一單步驟LSA處理相比較的一實驗之結果。第11A圖顯示了該單步驟LSA處理的典型的不對稱翹曲行為。第11B圖顯示了該兩步驟LSA處理的典型的較對稱翹曲行為。
第12A與12B圖，共同地作為第12圖，顯示了遭執行以相對於實質上相同的SiGe將一兩步驟LSA處理與一單步驟LSA處理相比較之一實驗的結果。第12A圖顯示了該單步驟LSA處理的典型的不對稱翹曲行為。第12B圖顯示了該兩步驟LSA處理的典型的較對稱翹曲行為。
第13圖是描繪在縱向及橫向的光束方向上之已量測的表面曲度對峰值雷射退火溫度的一圖。
第14A-14C圖，共同地作為第14圖，示意性地說明在相對於電晶體通道方向的該雷射光束影像之間可能的各種方向關係。第14A圖顯示了具有一平行於該縱向電晶體通道方向的一縱軸之一光束影像。第14B圖顯示了具有垂直於該縱向電晶體通道方向的一縱軸之一光束影像。第14C圖顯示了具有相對於該縱向電晶體通道方向的接近45°的一方向角θ的一縱軸之一光束影像。
該等圖式企圖說明可由該技藝中具有通常知識者所理解及適當地執行的本發明的各個層面。為強調及/或呈現之清晰性可誇大該等圖式的某些特徵，故而該等圖式未依比例繪製。
較佳實施例之詳細說明 定義及概觀
在詳細描述本發明之前，應該理解的是，除非特別說明，否則本發明並不限定於特定的基板、雷射、或材料，所有的這些可改變。還應理解的是，在此使用的該術語是僅為描述特定實施例之目的，且不企圖作為限定。
應該注意到，如在此說明書與該等後附的申請專利範圍中所使用的，該單數形式“一(a)”、“一(an)”及“該(the)”包括單數與複數參考，除非上下文有明確指出。因此，例如，所提及的“一光束”包括多個光束以及一單一光束，所提及 的“一波長”包括一範圍的或多個波長以及一單一波長等。
在描述及主張本發明中，將依據以下的定義使用以下的術語。
使用該等術語“布魯斯特角(Brewster’s angle)”或“布魯斯特角(Brewster angle)”來指在一輻射光束與一表面之間的入射角，該角度對應於該光束之該P偏振成分的最小反射率或接近最小的反射率。在一諸如矽晶圓的物件之表面的薄膜，可阻止其在任何角度呈現零反射率。然而，如果該等薄膜在本質上是電介質，則一般地對P偏振輻射將有最小反射之一角度。因此，對於由堆疊在一基板上的各種不同的薄膜形成的一反射表面，在此使用的布魯斯特角可視為一有效的布魯斯特角，或P偏振輻射的該反射率處於一最小值的該角度。最小反射之此角度典型地與該基板材料的該布魯斯特角之角度一致或接近該基板材料的該布魯斯特角之角度。
有關一影像或一光束的術語“強度輪廓”，指的是沿著一個或多個維度所積分的輻射強度之分佈。例如，一影像可具有一有用的部份及一非有用的部份。一影像之該有用部份典型地具有在其長度值某部份的一“不變的”或固定的已積分強度輪廓。換言之，遍及該影像之有用部份的該掃描方向中所積分的強度輪廓可以是實質上固定的。因此，藉由具有一不變的強度輪廓之一影像的一有用的部份所掃描的一基板表面區域之上的一點可加熱至相同的溫度。然而，該非有用部份的強度或強度輪廓可能與該有用部份的 強度或強度輪廓不同。因此，即使該有用部份本身可呈現一固定的強度輪廓，但該影像作為一整體可具有一整體的“非不變”強度輪廓。
一相關的問題是，該術語一影像或一光束的“峰值強度區域”指的是沿著在該光束寬度上呈現該最高積分強度的該光束長度之區域。典型地，一影像的該有用部份的整體將呈現非常接近該峰值積分強度的一積分強度。
另一相關的問題是，如在“一影像之能量利用”中的術語“能量利用”指的是，對產生一所欲的效果有用的該影像之部份相關聯的能量相對於在該影像中的總光束能量的比例。例如，在一退火應用中，一影像之該有用部份可能僅僅是該光束的一部份，其為該最大或峰值光束強度的一個百分比或兩個百分比。在此實例中，該有用部份呈現一實質上均勻的強度。對該影像輪廓形狀的一個小修改可在能量使用上產生一大變化。
使用該術語“半導體”指的是具有大於絕緣體而小於良好導體的電氣導電性之各種固態物質，且其可用作電腦晶片與其他電子裝置的基本材料。半導體包括元素諸如矽與鍺及化合物諸如碳化矽、磷化鋁、砷化鎵、銻化銦。除非有特別說明，否則半導體包括元素半導體與化合物半導體以及應變半導體，例如，在拉力或壓力下的半導體之任何一個或一組合。適於本發明使用的示範性的非直接能隙半導體包括Si、Ge、SiC。適於本發明使用的直接能隙半導體包括，例如，GaAs、GaN、與InP。
該等術語“實質的”與“實質上地”以其一般意義而遭使用，且指的是在重要度、值、度、數量、範圍等相當的方面。例如，該術語“實質上呈高斯形狀”指的是顯著地與一高斯機率分佈曲線之形狀相對應的一形狀。然而，“實質上呈高斯”的一形狀也可呈現一非高斯曲線的一些特徵，例如，該曲線也可包括一非高斯成分。
類似地，一“實質上均勻”的強度輪廓將包含一相對平坦部份，在此該強度未偏離該輪廓之峰值強度超過幾個百分比。較佳地，該強度偏離少於約2%。最佳地，該強度偏離不超過約1%或不超過約0.8%。該術語“實質上”之其他的使用涉及一類似的定義。
在此使用的該術語“基板”指的是具有遭期望用於加工之表面的任何材料。該基板可以多種形式的任何一種被建構出，例如，包含一晶片陣列的一半導體晶圓等。
如上所略為提及的，本發明一般地遭指示用於熱加工一基板表面的設備與方法。一掃描的光子束用於將該表面迅速加熱至一高退火溫度，以改進在該基板表面形成的裝置之性能。特別的是，本發明利用特定雷射方向角與掃描路徑來加工該表面，藉此以不會導致不利基板翹曲的方式來達到其快速退火。
一示範性的雷射退火系統
為說明本發明之新穎及非明顯的層面，第3圖示意性地描繪了一熱處理設備10，其用於依據本發明退火及/或熱處理一基板的一個或多個已選定表面區域。LTP系統10包括一 可移動的基板平台20，其具有支撐一半導體基板30的一上表面22，該半導體基板30具有一上表面P與在其上一表面法線N。基板平台20可操作地耦接至控制器50。基板平台20用以在控制器50的操作之下在該X-Y平面移動，以此該基板可相對於由輻射源110所提供的從該輻射所產生的該影像而被掃描。該平台20還可受控地使該基板30圍繞一軸Z旋轉，該軸Z相對於該X-Y平面正交延伸。因此，該平台20在該X-Y平面可受控地固定或改變該基板30的方向。
可選擇地，該半導體基板30可具有一概呈圓形的上表面P與一表面法線N。基板30包括一側壁32，透過基板邊緣33接合至限定該上表面P的該中央部份Pc的一狹窄環狀周邊部份Pp。接合部Pi定義該上表面P之該中央部份Pc與該周邊部份Pp之間的邊界。在一些實例中，該中央部份代表該基板當生產諸如積體電路的半導體裝置時，期望有完全的產量的區域，而該周邊部份代表一邊緣除外區域，為基板中不期望產量且有時沒有裝置或部份位於此處的一部份。在這樣一實例中，該中央部份可被認為佔據實質上整個基板表面。
該平台可包括不同的元件以執行不同的功能。例如，一對準系統可予以提供以將該基板相對於該表面法線以一可改變的方向角放置在該平台上。在這樣一實例中，當該對準系統控制該基板方向時，該平台可獨立地控制該基板移動。
該輻射源110可操作地遭耦接至控制器50，且一中繼器 120用以將由該輻射源產生的輻射分程傳遞至該基板以在其表面形成一影像。在一示範性的實施例中，輻射源110是以光束112的形式發射一波長λH~10.6μm(熱波長)之輻射的一CO2雷射。可選擇地，適用於本發明使用的該輻射可包括LED或雷射二極體輻射以及，例如，具有約為0.8μm波長的輻射。可選擇地，可使用多個輻射源。如所顯示的，該雷射110產生由一中繼器120所接收的一輸入光束112，該中繼器用以將該輸入光束轉化成在該基板上形成一影像150的一輸出光束。
可取捨地，可操作該光束的該強度輪廓，以使該影像強度的一部份固定約為用於平穩加熱與高能量利用的其峰值強度。例如，該中繼器120可將該輸入光束112轉化成輸出光束140。該中繼器可以一種方式遭構建以提供所欲的同調光束成形，以此該輸出光束在其一實質的部份呈現一不變的強度輪廓。簡言之，該中繼器120與該輻射源110結合可穩定該輸出光束的該方向性、強度輪廓及相位輪廓以產生一穩定可靠的雷射退火系統。
光束140沿著光軸A運動，該光軸A與一基板表面法線N成一角度θ。典型地，不期望使一雷射光束在一基板上以法線入射角成像，因為任何反射光線當其返回該雷射空腔時，可能引起不穩定。以一入射角θ而不是法線入射角來提供光軸A的另一原因是，可透過入射角與偏振化方向之明智選擇來將光束140有效地耦接至該基板30，例如，使入射角等於該基板的布魯斯特角與使用P偏振輻射。無論如何，當 維持或改變該入射角時，該平台可用以透過該光束位置掃描該基板。類似地，該平台可用以控制、固定或改變相對於該光束的該基板之方向角。
光束140在基板表面P處形成影像150。在一示範性的實施例中，影像150是一細長影像，諸如一直線影像，具有在152處表示的其縱長的邊界，且遭定位在包含該入射束軸與該表面法線(N)的一平面之內。具有一實質上高斯強度輪廓之影像的縱長邊界可代表用於熱處理的影像之部份。因此，相對於該基板表面的該光束之入射角(θ)可在此平面上遭量測。表面入射角θ可以是，例如該基板的(有效)布魯斯特角。
該控制器可受規劃以在該平台與該光束之間提供相對移動。視該所欲的處理參數而定，該控制器可提供不同類型的相對移動。因此，該影像150可在不同的路徑上遭掃描，例如，如以下將詳細討論的，在該基板表面以加熱該基板表面的至少一部份。這樣的掃描可以一種有效的在一預定暫留時間D，例如，不到1毫秒之內，達到一所欲的溫度之方式而遭執行。典型地，可在與該影像之縱軸正交的一方向上執行掃描，儘管這不是一強硬的要求。也可執行非正交及非平行的掃描。
還可包括一裝置以提供所達到的最高溫度之該均勻性的回授。各種溫度量測裝置與方法可用於本發明。例如，可使用一偵測器陣列對該表面上的發射輻射分佈進行快照，或多個快照可用以以該光束影像之長度的位置為函數 推導出最大溫度的映射。可取捨地，也可使用用以量測在該基板上的該光束之該強度輪廓之一裝置。
可取捨地，可使用一即時溫度量測系統。一示範性的溫度量測系統在於2006年11月16日公佈的名稱為“Methods and Apparatus for Remote Temperature Measurement of a Specular Surface”美國專利申請案公開案第2006/0255017號案中遭描述。這樣的溫度量測系統可用以提供輸入至該控制器以此可能透過調整該輻射源、該中繼器與該掃描速度來做適當的校正。
掃描路徑
如以上所略微提及的，在第3圖中所示的該系統可用以在一基板表面以多種不同的方式來定址多種加工問題來掃描一雷射影像。第4圖描繪了當輻射基板表面P時，當在該等光束片段之間提供相對移動時，由影像150所行進的一示範性的掃描路徑160之一平面圖。如所顯示的，該來回的交替或“X-Y“掃描路徑可包括沿著Y方向的多個平行直線掃描片段162。該等片段162與相鄰的片段以一片段到片段距離S均勻地相隔。在第4圖中還顯示了路徑160允許影像150來加工實質上整個基板表面P。
可選擇地，如在Grek等人的美國專利第7,238,915號案中所討論的，具有直線或弓狀掃描路徑片段的掃描路徑可遭使用以，例如，避免邊緣損傷。例如，第5圖以平面圖描繪了以由直線影像150所橫貫的一單一掃描路徑160上由輻射光束140所輻射的基板表面P。在第5圖中，掃描路徑160 始於位置160A的表面P且沿著一線性片段162A經過漸進的位置160B(位於基板邊緣33)、160C、160D。直線影像150沿著在與基板邊緣33平行的一弓狀掃描路徑片段162B之後的掃描路徑160繼續。片段162B包括位置160E與160F。在位置160F處，弓狀片段162B連接至線性片段162C。因此，沿著掃描路徑160繼續，直線影像150橫越出表面位置160G。
第6圖以平面圖的形式描繪了包括多個平行彎曲片段的一示範性的來回交替掃描路徑。如所顯示的。掃描路徑160包括將直線影像150首先帶至與基板30接觸的一最初直線掃描路徑片段162I。一旦影像150完全落入基板表面P，該線性掃描路徑片段162I過渡至邊界Pi之曲線之後的多個弓狀掃描路徑片段162C的第一個。鄰接的弓狀掃描路徑片段162C具有以一預定的距離遭橫向放置的一相似的形狀。典型地，該預定的距離與直線影像150的該長度與強度輪廓有關。此外，弓狀片段162C每一個可具有與該基板半徑減去該周邊區域Pp之寬度相等的一半徑。
弓狀掃描路徑片段162C遭連接至過渡掃描路徑162T，在此該影像離開與回到該基板。鄰接的過渡掃描路徑片段162T透過翻轉片段162R而遭連接。第7圖是在該基板邊緣33附近的掃描路徑160之一部份的近視圖，說明了由一翻轉片段162R所連接的兩個過渡片段。翻轉片段162R遭定位遠離該基板邊緣且離開表面P，如此影像150當該掃描速度實質上改變時，在鄰接掃描片段之間該過渡期間不會落在該基板表面上。該翻轉片段162R須足夠長，如此該平台速度可 遭反向且在該直線影像再次接觸該基板邊緣之前提升至所需的速度。
對任何掃描路徑而言，該控制器50可遭規劃以透過控制信號移動平台20來使基板30跟隨掃描路徑160。因此，實質上該整個基板表面P是使用輻射光束20進行熱處理的。此程序需要，除了別的以外，在平台20的該X與Y掃描軸中協調的行動以產生一適當的掃描路徑。
表面翹曲
如上所討論，一般地需要較高的退火溫度，因為較高的退火溫度趨於產生改進的裝置性能。然而，已經觀察到，使用掃描雷射光束加工的晶圓趨於變翹曲且該翹曲一般地隨LSA溫度升高而增加。現在已經發現，翹曲行為可視掃描路徑以及與熱處理相關聯的其他參數而不同。
例如，已經觀察到，對晶圓使用類似於第4圖中所描繪的一交替掃描路徑的LSA處理，趨於使晶圓以在第8圖中所示的方式彎曲。如所顯示的，在Y方向上的翹曲遠大於在X方向上的翹曲，導致一“類似洋芋片”輪廓。即，第8圖顯示了趨於優先地在該晶圓上所掃描的該影像之該縱向上彎曲。如所顯示的，在縱向上的彎曲大於在橫向上之彎曲的5倍。
表面翹曲是有問題的，因為積體電路製造加工典型地在用於退火製程的晶圓翹曲上需要嚴格的容限。對300mm直徑的矽晶圓而言，典型地，該容限在其直徑上約為5μm的等級或更少。因此，非對稱的翹曲特別有問題，因為在 一個方向上過大的翹曲可使一晶圓變得不適於隨後的加工，即使在另一方向上的該晶圓翹曲符合該加工容限。
已經發現，可透過一多步驟加工減少該非對稱翹曲，其中沿著一第一路徑以一第一方向角在該基板表面平移地掃描一光束，之後是沿著一第二路徑以一第二方向角之平移光束掃描。例如，LSA系統可用於以全光束長度之一步進大小執行一兩步驟晶圓退火加工。該加工涉及首先在一晶圓表面沿著一第一掃描路徑平移地掃描一光束。因此，該晶圓表面遭非對稱地翹曲。然後，在沿著一第二掃描路徑在該表面再次掃描該光束之前，旋轉該晶圓90度。當從該光束的透視圖觀察時，當該等掃描路徑可能相同之時，由於該晶圓的旋轉，該等掃描路徑遭旋轉地彼此偏移90°。在該第二掃描之後，該表面整體的翹曲以及該翹曲之非對稱性可予以減少。
以上描述的該兩步驟晶圓退火製程之該等掃描路徑在第9圖中描繪出。如第9A圖所顯示，影像150行進的該第一掃描路徑160A包括在該晶圓上沿著Y方向的多個平行線性掃描片段162。該等片段162與附近的片段以一片段到片段距離S固定地相隔，該距離S與該影像150的長度相對應以允許該影像實質上加工整個晶圓表面。然後，如在第9B圖中所示，該晶圓遭旋轉90°，片段162沿著該X方向對準。此外，該晶圓由影像150所掃描。該第二掃描路徑160B實質上與在晶圓旋轉之前的該第一掃描路徑160A相同。
在一些實例中，多步驟晶圓退火加工可使用不同的掃 描路徑。可有利地使用不同的掃描路徑增加整個加工的速率。如在第10A圖中所示，LSA系統可用於執行一個兩步驟晶圓退火製程，類似於以上在該第一掃描步驟中所討論的，所執行的是沿著一第一掃描路徑在一晶圓表面平移地掃描該光束以允許該影像加工實質上該整個晶圓表面。然而，在將該晶圓旋轉90°之後，如在第10B圖中所示，僅僅掃描該晶圓之一邊緣部份以允許該第二步驟來減少由該第一步驟所引起的翹曲。
實驗結果顯示雷射引入的晶圓翹曲可透過使用本發明而減少。例如，執行一實驗以相對於實質上相同的硼植入矽晶圓，將一兩步驟LSA製程與一單步驟LSA製程相比較。兩個製程均包含在該晶圓表面使用以相同的掃描速率所掃描的光束。因此，兩製程的遭掃描區域達到一實質上相同的峰值溫度1350℃。此外，兩個製程使用相同的熱預算。在該單步驟LSA製程中，該片段到片段間的距離與該影像長度的一半相對應。相比之下，該兩步驟LSA製程包含旋轉地彼此偏離90°的兩條掃描路徑，其片段到片段間的距離與該影像長度相對應。
在第11圖中顯示了此實驗的結果。第11A圖顯示了該單步驟LSA製程之典型的非對稱翹曲行為。第11B圖顯示了該兩步驟LSA製程之典型的較對稱翹曲行為。與該單步驟製程及兩步驟製程相關聯的該晶圓翹曲遭各自地量測為50.5μm及19.6μm，明顯的是該兩步驟製程產生一較對稱的晶圓表面，且顯示出較該一步驟製程具有接近兩倍之改進。
除了改為以一較低峰值溫度1200℃之外，對SiGe晶圓重複該實驗。該等SiGe晶圓實驗的結果在第12圖中顯示。如第12A圖所顯示，該單步驟製程產生量測出為450μm的翹曲，而該兩步驟製程，如在第12B圖中所顯示，產生量測出為209μm的翹曲。此外，該兩步驟製程產生一較對稱的晶圓表面，且顯示出較該一步驟製程具有接近兩倍之改進。
然而多個因素可在雷射退火之過程中影響該晶圓翹曲，實驗資料趨向指示，在該基板表面上所形成的該影像的形狀與強度在基板應力上具有遠大於該掃描路徑之方向性的影響。類似地，實驗結果顯示也可透過依據該基板的結晶方向最佳化該雷射光束方向(長軸)減少該翹曲。例如，發現到，對具有晶膜生長SixGe1-x薄膜的一(100)矽基板而言，相較於<110>方向，如果使用與<100>結晶方向平行的一雷射光束進行退火，翹曲將較小。
因此，在另一實施例中，本發明提供一種用於加工一基板之一表面的方法，其涉及產生用於加工具有一預定結晶方向的一半導體基板之表面的一光子束。該光束遭指向以形成適於加工該表面的一細長影像。依據該預定的結晶方向所選定的一方向角在實質上整個基板表面平移地掃描該影像。該預定的結晶方向可遭選定以減少晶圓翹曲。
受控的熱引入應變
如以上所略為提及的，在一退火製程期間，雷射光束可產生導致晶圓翹曲的局部的應力與應變。如以上還略為提及的，工程應變近來已遭用於在半導體晶圓上提高微電 子電路的電晶體性能。因此，應該很明顯，一雷射光束的形狀、強度、及/或方向可依據晶圓結晶方向與電晶體佈局而遭最佳化，以此該引入應變可在載子傳輸方向上使載子移動性最大，且因此改進該電晶體之性能。
作為一範例，具有約為毫米至公分之長度與接近100微米之寬度的一細長雷射影像可在一矽晶圓之表面掃描以退火該晶圓。該峰值表面溫度在矽的熔點之下且典型地在約1000℃至約1411℃之間。晶圓上的一固定點遭該雷射影像曝光的該時間約為0.1毫秒至0.3毫秒。在此時間等級內，該熱擴散長度為約30微米至約200微米，此遠小於約725微米至約775微米之典型的晶圓厚度。因此只有一薄薄的上層遭有效地加熱。
模擬在以掃描雷射之下的一矽晶圓之一兩維溫度分佈之模型顯示了，橫向與縱向的加熱遭極大地局部化。該陡峭的溫度梯度引起不均勻的熱膨脹。當遭加熱時，由於較高的表面溫度，一表面將比其下的大量的矽膨脹得更大。這導致一壓縮表面應力。然而，冷卻之後，如果該扭曲的晶格不能完全恢復至其室溫平衡位置，殘餘的拉應力將變大。由於一雷射光束之該較大的縱橫比，該殘餘的拉應力在該短與長雷射方向上是不對稱的。
第13圖顯示了作為峰值退火溫度之一函數的一雷射退火晶圓之已量測的曲率。該曲率是由該殘餘的應力所驅動的。正曲率表示拉應力。在縱向影像方向上的應力遠大於在橫向影像方向上的應力。
應該注意到，因N型與P型矽壓阻係數的差異，NMOS與PMOS裝置之性能可以不同的方式進行最佳化。該壓阻係數也取決於電流如何依據該結晶方向與該單軸應力方向流動。對積體電路應用而言，典型地，電晶體使用與<100>或<110>結晶方向平行的通道(電流流動方向)而遭建立在(100)矽基板上。表格I列出了對各種通道方向與應力方向之組合而言，每1000MPa的拉應力，線性的汲極電流的增強之百分比。對<110>通道NMOS而言，期望在縱向與橫向上均有拉應力，而對<110>通道PMOS而言，期望在橫向上有拉應力而在縱向上有壓應力。
因此，鑒於矽之各向異性之壓阻屬性，雷射加熱技術以減少非對稱拉應力之適當的應用可用以最佳化該電晶體性能。例如，對在(100)矽基板上的一[100]通道NMOS而言，該縱向光束方向，如第14A圖中所顯示的，應該與在該掃描期間的該通道佈局平行。這產生了較大的有益的縱向拉應力而僅有很小的對NMOS而言不希望有的橫向拉應力。因為更小的壓阻係數，在PMOS上的該衝擊是極微的。
對在(100)基板上的一[100]通道佈局而言，該情形更加 複雜。為最大化該NMOS之性能，該縱向光束方向應該還與該NMOS通道方向平行。然而，為最大化該PMOS之性能，該縱向光束應該垂直於該PMOS通道方向。因此，理論上，人們可在相對於該PMOS通道方向之90°上佈局該NMOS通道方向，以在該相同的雷射掃描期間最大化N & PMOS之增益。無論如何，表格II概括了在(100)矽基板之電晶體性能上該雷射光束方向之影響。
然而，為了較佳的光影解析度，該等NMOS & PMOS通道通常沿著相同的方向設置。在此實例中，垂直於該通道方向對準縱向光束方向將最大化該PMOS增益而也改進NMOS。可選擇地，相對於該通道方向，可以一角度指向該光束。透過調節該角度，可調諧在NMOS & PMOS性能之間的折衷。還可能以不同的方向角使用多個退火掃描以實現所欲的應力分佈。例如，在一雷射退火掃描中，人們可以對準該縱向光束方向平行於該通道，且在一隨後的雷射退火掃描中垂直於該通道。這產生在該縱向與橫向通道方向上更加對稱的累積殘餘拉應力。因此，NMOS性能可在僅對PMOS產生小的影響之下而達到最佳化。
關於本發明的變動
對該技藝中具有通常知識者而言，將清楚本發明可以各種形式而遭實施。例如，高能CO2雷射可用於產生具有一實質上高斯強度輪廓的一影像，該影像，接著，在一基板的一表面上掃描以影響該基板表面的快速熱處理，例如，熔態或非熔態加工。這樣的能量水準可在1ms暫留時間內提供至少60J/cm2的曝光能量劑量。較長的暫留需要較高的能量。該CO2雷射的波長，λ，在紅外線區域為10.6μm，相對於該典型的晶圓特徵尺寸它是很大的，且因此隨著該光束在一圖樣化的矽晶圓上掃描其可均勻地遭吸收，結果是該晶圓上的每一個點遭升至非常接近相同的最大溫度。
此外，該平台可包括不同的元件以執行不同的功能。例如，可包括一對準系統以相對於該表面法線的一可改變的方向角來放置該平台上的基板。在這樣的一實例中，可獨立地控制該基板移動與對準。
對該技藝中具有通常知識者而言，本發明之額外的變動將是明顯的。在常規的實驗中，該技藝中具有通常知識者可發現本發明可遭併入現有的設備中。該技藝中所習知的輔助子系統可用以穩定相對於該中繼器該雷射光束的位置與寬度。該技藝中具有通常知識者將認識到關於使用強力雷射以實現本發明之優點，必須小心某些操作問題。
應該理解的是，儘管結合該等較佳特定實施例描述了本發明，然前述的描述企圖說明而不限定本發明之範圍。可適當地包含或不包含在此所討論的本發明之任何層面。 例如，可單獨使用或組合使用光束組合技術與光束成形技術。其他層面、優勢、及在本發明之範圍內的修改對本發明所屬之技藝中具有通常知識者而言是很明顯的。
在此所提到的所有的專利案及專利申請案在此以整體參考的形式遭併入與以上揭露內容相符的範圍中。
10‧‧‧熱處理設備
20‧‧‧基板平台
30‧‧‧基板
22‧‧‧上表面
32‧‧‧側壁
33‧‧‧基板邊緣
50‧‧‧控制器
110‧‧‧輻射源
112‧‧‧光束
120‧‧‧中繼器
140‧‧‧輸出光束
150‧‧‧影像
160‧‧‧掃描路徑
162‧‧‧直線掃描片段
160A‧‧‧線性片段
160B、160C、160D160E、160F、160G‧‧‧位置
162B、162C、162R、162T‧‧‧片段
162I‧‧‧直線掃描路徑片段
P‧‧‧上表面
Pi‧‧‧接合部
Pp‧‧‧周邊部份
Pc‧‧‧中央部份
A‧‧‧光軸
N‧‧‧法線
θ‧‧‧角度
S‧‧‧距離
第1圖是繪製了與在使用雷射掃描的退火溫度的一範圍上，相對於一基線的nMOSFET驅動電流增益百分比的一圖。
第2圖是繪製了在使用雷射掃描的退火溫度之一範圍上的裝置晶圓翹曲的一圖，顯示了翹曲隨該退火溫度的增加而增加。
第3圖是一示意性的側視圖，說明具有一上表面的基板的一示範性的雷射熱處理幾何。
第4圖是一基板表面與其上具有多個線性片段的一示範性的影像掃描路徑的平面圖。
第5圖是一基板表面與具有一弓形片段的一影像掃描路徑的一平面圖。
第6圖是在實質上一整個基板表面上橫貫的一線性影像之一示範性掃描路徑的一平面圖，其中該掃描路徑包括多個平行的弓形掃描路徑片段，其等是透過將該線性影像帶離或帶進該基板表面的過渡片段來相互耦接。
第7圖是第6圖的該掃描路徑的一近視圖，顯示了連接至在該基板之邊緣附近的一翻轉掃描路徑片段的兩個過渡 掃描路徑片段。
第8圖顯示了在使用類似於第4圖所顯示的一掃描路徑進行LSA加工之後的該典型的“弓狀”晶圓形貌。
第9A與9B圖，共同地作為第9圖，描繪了與使用兩個相同的且旋轉偏移的掃描路徑的一兩步驟掃描處理相關聯的掃描路徑。第9A圖描繪了該第一掃描路徑。該9B圖描繪了該第二掃描路徑。
第10A與10B圖，共同地作為第10圖，描繪了與使用不同的掃描路徑的一個兩步驟掃描處理相關聯的掃描路徑。第10A圖描繪了第一掃描路徑。第10B圖描繪了該第二掃描路徑。
第11A與11B圖，共同地作為第11圖，顯示了遭執行以相對於實質上相同硼植入矽晶圓將一個兩步驟LSA處理與一單步驟LSA處理相比較的一實驗之結果。第11A圖顯示了該單步驟LSA處理的典型的不對稱翹曲行為。第11B圖顯示了該兩步驟LSA處理的典型的較對稱翹曲行為。
第12A與12B圖，共同地作為第12圖，顯示了遭執行以相對於實質上相同的SiGe將一兩步驟LSA處理與一單步驟LSA處理相比較之一實驗的結果。第12A圖顯示了該單步驟LSA處理的典型的不對稱翹曲行為。第12B圖顯示了該兩步驟LSA處理的典型的較對稱翹曲行為。
第13圖是描繪在縱向及橫向的光束方向上之已量測的表面曲度對峰值雷射退火溫度的一圖。
第14A-14C圖，共同地作為第14圖，示意性地說明在相 對於電晶體通道方向的該雷射光束影像之間可能的各種方向關係。第14A圖顯示了具有一平行於該縱向電晶體通道方向的一縱軸之一光束影像。第14B圖顯示了具有垂直於該縱向電晶體通道方向的一縱軸之一光束影像。第14C圖顯示了具有相對於該縱向電晶體通道方向的接近45°的一方向角θ的一縱軸之一光束影像。
10‧‧‧熱處理設備
20‧‧‧基板平台
30‧‧‧基板
22‧‧‧上表面
32‧‧‧側壁
33‧‧‧基板邊緣
50‧‧‧控制器
110‧‧‧輻射源
112‧‧‧光束
120‧‧‧中繼器
140‧‧‧輸出光束
150‧‧‧影像
P‧‧‧上表面
S‧‧‧距離
Pi‧‧‧接合部
Pp‧‧‧周邊部份
Pc‧‧‧中央部份
A‧‧‧光軸
N‧‧‧法線
θ‧‧‧角度

Claims (18)

  1. 一種用於加工一基板之一表面的方法，其包含以下步驟：(a)產生適於加工該基板表面的一光子束；(b)在該基板表面沿著一第一路徑以一第一方向角平移地掃描該光束；及(c)在該基板表面沿著一第二路徑以一第二方向角平移地掃描該光束。
  2. 如請求項1項之方法，其中該光子束於一次照射中，不會超過該基板表面的5%。
  3. 如請求項1項之方法，其中該光子束有效地以每秒至少1000℃的一速率加熱該基板表面之一受照射部份。
  4. 如請求項1項之方法，其中步驟(b)與(c)遭執行以允許該光束在實質上該整個基板表面以第一與第二方向角平移地掃描。
  5. 如請求項1項之方法，其中該等第一與第二路徑，當各自地從該第一與第二方向角觀察時，實質上是彼此相同的。
  6. 如請求項5項之方法，其中該等第一與第二路徑的每一個包括多個平行的片段。
  7. 如請求項6項所述之方法，其中該等第一與第二路徑的每一個之該等平行的片段是線性的。
  8. 如請求項6項之方法，其中該等第一與第二路徑的每一個之該等平行的片段是彎曲的。
  9. 如請求項6項之方法，其中該等平行的片段彼此間以一預定的距離間隔開，藉此沿著該等平行片段的該等受照射的部分基板重疊。
  10. 如請求項9項之方法，其中該光束具有一強度輪廓，且依據該強度輪廓選定預定的距離。
  11. 如請求項10項所述之方法，其中該強度輪廓具有一峰值強度區域，而該預定的距離遭選定以使該等峰值強度區域不重疊。
  12. 如請求項1項之方法，其中步驟(b)與(c)以實質上相同的掃描速率執行。
  13. 如請求項1項之方法，其中步驟(b)與(c)中之一步驟遭執行，以允許該光束在實質上該整個基板表面平移地掃描，而步驟(b)與(c)中之另一步驟遭執行，以允許該光束僅在該基板表面的一選定部份掃描。
  14. 一種用於加工一基板以產生一所欲的基板表面外形的方法，其包含以下步驟：(a)提供具有擁有一初始表面外形輪廓之一表面的的一基板；(b)產生適於加工該基板表面的一光子束；(c)在該基板表面沿著一第一路徑以一第一方向角平移地掃描該光束，藉此將該初始表面外形轉化為中間表面外形；及(d)在該基板表面沿著一第二路徑以一第二方向角平移地掃描該光束，藉此將該中間表面外形轉換為該所 欲的表面外形。
  15. 一種用於將具有擁有不適於隨後加工之一外形的一表面的一基板重新塑形之方法，其包含以下步驟：(a)產生適於熱加工該基板表面的一光子束；及(b)在該基板表面沿著一已選定的路徑與一已選定的方向角平移地掃描該光束，以將該不適於隨後加工的表面外形轉為適於隨後加工的一表面外形之有效的方式將該表面重新塑形。
  16. 一種用於熱加工在其表面具有一微電子電路的一半導體基板的方法，其包含以下步驟：(a)產生一光子束，該光子束適用於產生適於熱加工該基板表面的一細長影像；及(b)在該基板表面以一方向角平移地掃描該影像，該方向角對以相對於無表面應力的該電路之載子運動增強在該微電子電路中的載子運動的方式有效地產生一表面應力。
  17. 如請求項16項之方法，其中該微電子電路包含一PMOS電晶體。
  18. 如請求項16項之方法，其中該微電子電路包含一NMOS電晶體。
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