TWI737004B - 退火裝置及退火方法 - Google Patents

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Abstract

為了提供一種能夠推定退火時的熔融深度之退火裝置。 加熱部是將退火對象物的表面加熱而使表層部暫時熔融。藉由感測器檢測來自由加熱部加熱後之退火對象物的熱輻射光。處理部依據表示由感測器檢測出之熱輻射光的強度的時間變化之波形，推定退火對象物的退火結果。

Description

退火裝置及退火方法
本申請主張基於2018年12月3日申請之日本專利申請第2018-226435號的優先權。該日本申請的全部內容藉由參閱援用於本說明書中。 本發明係關於一種退火裝置及退火方法。
在絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的製造製程中，在離基板的背面深度1～3μm左右的深部區域形成緩衝層。因此，必須使被離子植入到深部區域之摻雜劑活化。專利文獻1中揭示一種雷射退火裝置，其適用於被植入到深部區域之摻雜劑的活化退火。又，使半導體晶圓的表層部熔融以使雜質活化之方法也是已知的。 (先前技術文獻) (專利文獻) [專利文獻1]日本特開2013-74019號公報
(發明所欲解決之問題) 半導體晶圓的深度方向的雜質的活化率的分布取決於活化退火時的熔融深度。為了判定退火程序是否良好，希望知道退火時的熔融深度。本發明的目的在於提供一種能夠推定退火時的熔融深度之退火裝置及退火方法。 (解決問題之技術手段) 依本發明的一觀點，提供一種退火裝置，係具有： 加熱部，將退火對象物的表面加熱而使表層部暫時熔融； 感測器，檢測來自由前述加熱部加熱之前述退火對象物的熱輻射光；及 處理部，依據表示由前述感測器檢測出之熱輻射光的強度的時間變化之波形，推定前述退火對象物的退火結果。 依本發明的另一觀點，提供一種退火方法，係將退火對象物表面的一部分加熱而使表層部熔融， 依據表示來自前述退火對象物的被加熱之部位的熱輻射光的強度的時間變化之波形，推定前述退火對象物的退火結果。 (發明之效果) 能夠由表示熱輻射光的強度的時間變化之波形求出熔融時間。加熱時的熔融深度取決於熔融時間。從而，能夠由熔融時間來推定熔融深度等的退火結果。
一邊參閱圖1～圖6，一邊對基於本願發明的實施例之退火裝置及退火方法進行說明。 圖1係基於實施例之退火裝置的概略圖。在腔室10內，由掃描機構12支承有保持台13。掃描機構12能夠接收來自處理部40的指令，使保持台13在水平面內移動。掃描機構12包括編碼器，處理部40從從編碼器讀取表示保持台13的當前位置之位置資訊。在保持台13上保持退火對象物30。保持台13係包括真空夾頭機構，將退火對象物30真空吸附而固定。退火對象物30，係例如將摻雜劑植入後之矽晶圓等的半導體晶圓。基於實施例之雷射退火裝置，例如進行摻雜劑的活化退火。 雷射光源20，係接受來自處理部40的指令，輸出退火用脈衝雷射束。作為雷射光源20，例如可以使用輸出綠色波長區域的脈衝雷射束之Nd：YAG雷射等的固體雷射。另外，綠色波長的光，係相當於第2諧波。從雷射光源20輸出之雷射束經過傳輸光學系統21、分光鏡22及透鏡23，透過設置於腔室10的頂板之雷射透射窗11入射到退火對象物30。分光鏡22，係使退火用脈衝雷射束透射。傳輸光學系統21，係例如包括光束均化器、透鏡及反射鏡等。藉由光束均化器和透鏡23將退火對象物30的表面上之光束點整形，使光束分布被勻化。 藉由使脈衝雷射束入射於退火對象物30，退火對象物30被局部加熱。從退火對象物30的被加熱之部位輻射之熱輻射光透過雷射透射窗11，經過透鏡23而被分光鏡22反射，進而，經過透鏡24而入射於感測器25。分光鏡22，係反射波長約為900nm以上的波長區域的熱輻射光。感測器25，係測定特定的波長區域的熱輻射光的強度。 依普朗克定律，來自黑體的熱輻射光的光譜與黑體的溫度在理論上相關聯。來自實際物體的熱輻射光的光譜，能夠依據該物體的輻射率和溫度而求出。例如，來自作為實際物體之退火對象物30的熱輻射光的光譜，取決於退火對象物30的溫度而發生變化。因此，由感測器25測定之波長區域的熱輻射光的強度，亦取決於退火對象物30的溫度而發生變化。基於感測器25之熱輻射光的測定結果，係以為電壓值的形式輸入到處理部40。
透鏡23及透鏡24，係使退火對象物30的表面成像於感測器25的受光面上。藉此，測定從與感測器25的受光面具有共軛關係之退火對象物30的表面的區域所輻射之熱輻射光的強度。成為測定對象之表面區域設定成，例如包含於雷射束的光束點的內部。
處理部40控制掃描機構12，使保持於保持台13之退火對象物30在水平面內的二維方向移動。進而，依據保持台13的當前位置資訊來控制雷射光源20，使脈衝雷射束從雷射光源20輸出。若一邊使退火對象物30移動一邊輸出脈衝雷射束，則在退火對象物30的表面內之加熱部位會移動。
進而，處理部40，係與從雷射光源20之輸出之脈衝雷射束的每次照射(shot)同步，在每次照射脈衝雷射束時，從感測器25的檢測結果取得表示熱輻射光的強度的時間變化之波形(以下，稱為“熱輻射光的強度的波形”)。所取得之熱輻射光的強度的波形，係與退火對象物30的面內的位置相關聯地被儲存於儲存裝置41。
在本實施例中，使1個雷射脈衝(第1脈衝)入射，在經過極短的延遲時間之後使下一個雷射脈衝(第2脈衝)入射，將這樣的處理設為1次照射，並重複進行複數次照射。第2脈衝的入射，係在由第1脈衝的入射引起之發熱的影響仍殘留之期間進行。如此，將組合2個雷射脈衝而進行1次照射之退火，在本說明書中稱為“雙脈衝退火”。藉由採用雙脈衝退火的方法，在使用難以任意調整脈衝寬度之雷射振盪器之情況下，可取得與實質上將脈衝寬度拉長相等之效果。
處理部40將退火對象物30的表面內之熱輻射光的強度分布的資訊，以圖像、圖表或數值的形式輸出到輸出裝置42。輸出裝置42，係包含有顯示圖像之顯示部。
圖2係將在脈衝雷射束的1次照射中觀測到之熱輻射光的波形的一例，與雷射脈衝的時序圖重疊示出之圖表。橫軸表示經過時間，縱軸表示感測器25的輸出電壓。感測器25的輸出電壓的時間變化，係能夠視為退火對象物30的溫度的時間變化。
藉由第1脈衝LP1的入射，退火對象物30的溫度上升，並出現峰值P1。在該時點，退火對象物30的表面溫度達到熔點。由於表面溫度達到熔點，因此在退火對象物30的表面開始熔融。緊接峰值P1之後之大致平坦之部分B1，係示出藉由第1脈衝LP1的入射所輸入之能量以熔解熱的形式被消耗之期間。藉由使所輸入之能量以熔解熱的形式被消耗，向深度方向讓熔融進展。該期間亦繼續進行第1脈衝LP1的入射，因此溫度緩慢地上升。若第1脈衝LP1的入射結束，則溫度開始下降，開始固化。
此後，藉由第2脈衝LP2的入射，退火對象物30的溫度再度上升，並出現峰值P2。此時，使退火對象物30的表面再熔融。此後，熔融沿著深度方向進展。在第2脈衝LP2入射期間，感測器25(圖1)的輸出電壓上升之後，開始下降。
在出現峰值P2之後，感測器25的輸出電壓上升之理由，可以考慮以下兩點。第1點，退火對象物30的表面熔 融而成為液體，藉此，與固體時相比，溫度變得更高，輻射光的強度變得更強。第2點，在由感測器25檢測輻射光的強度之觀測對象區域中，已熔融之部分的面積擴大，藉此，由感測器25觀測之輻射光的強度增強。基於上述兩點理由，感測器25的輸出電壓上升。
感測器25的輸出電壓下降期間，係意味著表面附近的熱傳遞到深部區域、以及表面附近的溫度因來自表面的散熱而下降。
若第2脈衝LP2的入射結束，則溫度繼續下降，從深部區域朝向淺部區域讓固化進展。溫度逐漸下降時出現之峰值P3，應是因為當固化進展至表面時，因從液相向固相的相變而產生之發熱以暫時之溫度上升的形式被觀察到。因此，從峰值P2至峰值P3的經過時間相當於基於第2脈衝LP2的入射之熔融時間。
圖3係表示熔融時間與熔融深度的關係的一例之圖表。熔融時間與熔融深度的關係，能夠藉由實際進行將評價用試樣退火之評價實驗而求出。以下，對評價實驗的一例進行說明。
使脈衝雷射束入射到將作為摻雜劑之硼離子植入後之矽等的半導體晶圓而進行退火。在藉由退火而熔融後之區域中，摻雜劑在液體中擴散，藉此，摻雜劑濃度在深度方向上成為大致恆定。在比熔融後之區域和未熔融之區域的界面更深的區域，隨著變深，摻雜劑濃度急劇下降。因此，藉由測定半導體晶圓的深度方向的摻雜劑的濃度分 布，能夠決定熔融深度。深度方向的摻雜劑濃度分布，例如能夠藉由二次離子質譜法(SIMS)而測定。退火中之熔融時間，能夠從圖2所示之感測器25的輸出電壓的時間波形求出。
將實際進行評價實驗而求出之熔融時間與熔融深度的關係示於圖3中。評價實驗，係在脈衝能量密度為2.2J/cm2、1.8J/cm2及1.4J/cm2的三種條件下進行。圖3中由圓圈符號來表示實際的測定結果，又示出其近似曲線。隨著熔融時間變長，熔融深度加深。圖3中所示出之熔融時間與熔融深度的關係，係事先被儲存於儲存裝置41中。
圖4係基於實施例之退火方法的流程圖。
在使退火對象物30保持於保持台13之後，處理部40控制雷射光源20，開始脈衝雷射束的輸出。此外，控制掃描機構12，以使保持於保持台13之退火對象物30開始移動(步驟S1)。藉此，開始退火對象物30的表面的基於脈衝雷射束之掃描。
處理部40，係從感測器25讀取熱輻射光的強度的測定值，使讀取結果與脈衝雷射束的入射位置相關聯地儲存於儲存裝置41中(步驟S2)。直至退火對象物30的表面的整個區域被脈衝雷射束掃描為止，執行步驟S2(步驟S3)。在退火對象物30的表面的整個區域被脈衝雷射束掃描之後，處理部40結束來自雷射光源20的脈衝雷射束的輸出。此外，結束基於掃描機構12之保持台13的移動(步驟S4)。
接著，處理部40讀取儲存於儲存裝置41之熱輻射光的強度的測定值，依據熱輻射光的強度的波形來推定退火結果(步驟S5)。具體而言，依據熱輻射光的強度的波形的特徵形狀，計算熔融時間。例如，檢測圖2所示之波形的峰值P2及峰值P3，計算從峰值P2至峰值P3的經過時間，亦即基於第2脈衝之熔融時間。此後，依據所計算出之熔融時間、以及圖3所示出之熔融時間與熔融深度的關係，推定退火對象物30的表面內的每個位置的熔融深度。 在推定退火結果之後，處理部40將推定結果輸出到輸出裝置42。例如，將退火對象物30的表面內之熔融深度分布以顏色區分之圖像形式來顯示。 圖5係表示顯示於輸出裝置42之圖像的一例之圖。退火對象物30的表面，係按照熔融深度實施顏色區分而顯示於顯示畫面上。 接著，對本實施例的優異之效果進行說明。 在本實施例中，不須在退火處理之後用其他裝置來進行薄片電阻的測定、擴展電阻的測定，便能夠推定退火處理時暫時熔融之部分的熔融深度分布。操作者能夠藉由查看顯示於輸出裝置42之資訊，判定退火處理是否正常。 藉由使參考光入射於退火對象物30的表面，並檢測其反射光的強度，亦能夠求出熔融時間。相對於利用參考光和反射光的方法，在本實施例中，係檢測在通常的退火處理中從退火對象物30輻射之熱輻射光的強度，因此不須配置使參考光入射於退火對象物30之光學系統，便能夠推定熔融深度。 接著，對上述實施例的各種變形例進行說明。 在上述實施例中，在步驟S4中，在對退火對象物30之退火處理結束之後，在步驟S5中，依據熱輻射光的波形來推定退火結果。每當雷射脈衝的入射時，如果在步驟S2結束熱輻射光的強度的測定的話，就能夠對雷射脈衝所入射之區域進行推定退火結果之處理。從而，在進行退火之期間，可以並行地執行將退火已結束之區域的退火結果進行推定之處理。 在上述實施例中，雖然運用雙脈衝退火的方法，但是不一定要運用該方法。例如，可以藉由使1個雷射脈衝入射而完成1次照射。該情況下，在圖2所示出之熱輻射光的強度的波形中，不會出現與熔融開始對應之峰值P1和峰值P2該2個峰值，而僅出現1個峰值。該情況下，只要將相當於熔融開始之1個峰值至與完全固化對應之峰值P3的時間視為熔融時間即可。又，在欲進一步拉長有效之脈衝寬度之情況下，可以使3個以上的雷射脈衝設置極短時間的延遲時間而入射於退火對象物30。 在上述實施例中，圖1所示之雷射光源20、傳輸光學系統21及透鏡23，係具有作為加熱退火對象物30之加熱部的功能。在上述實施例中，作為退火用脈衝雷射束而使用了綠色波長區域者，但是亦可使用能夠使退火對象物30的表層部熔融之其他波長區域的脈衝雷射束。又，可以使用其他能量束，來代替用以加熱的脈衝雷射束。如此，可以使用除雷射光源以外的具有加熱功能之裝置作為加熱部。 又，在上述實施例中，處理部40，係推定退火結果，並使該推定結果輸出到輸出裝置42。處理部40，係可以具有如下功能：進行退火結果(熔融深度)的推定，進一步依據熔融深度的推定結果來判定退火處理是否良好。例如，在熔融深度超出容許範圍之情況下，處理部40判定為退火處理不良，在熔融深度落在容許範圍內之情況下，判定為退火結果良好。此外，在退火結果良好的情況下，處理部40，係可以進行使退火處理後的退火對象物30進入到下一個程序之處理，在判定為退火結果不良之情況下，可以從輸出裝置42發出警報，以通知操作者產生不良。 接著，參閱圖6A及圖6B，對基於其他實施例之退火裝置及退火方法進行說明。以下，對與參閱圖1～圖5已說明之基於實施例之退火裝置及退火方法相同的構成，省略進行說明。 在參閱圖1～圖5所說明之實施例中，檢測熱輻射光的強度的波形的特徵形狀，依據該形狀來計算熔融時間。相對於此，在本實施例中，依據熱輻射光的強度的波形的面積，來計算熔融時間。參閱圖6A及圖6B，對依據熱輻射光的強度的波形計算熔融時間之方法進行說明。 在每1個脈衝的能量密度(脈衝能量密度)不同之複數個條件下，實際進行退火處理，求出熔融時間和波形的面積。 圖6A係表示實際上所測定出之熱輻射光的強度的波形之圖表。橫軸係由單位“ns”來表示經過時間，縱軸係由單位“mV”來表示感測器25(圖1)的輸出電壓。亦即，圖6所示出之圖表的縱軸，係表示熱輻射光的強度。圖表中的細實線e1、虛線e2及粗實線e3，係分別表示在脈衝能量密度為1.4J/cm2 、1.8J/cm2 、2.2J/cm2 的條件下進行了退火時的熱輻射光的強度的波形。 圖6B係表示從圖6A所示之波形求出之熔融時間與熱輻射光的強度的波形的面積的關係之圖表。橫軸係由單位“ns”來表示熔融時間，縱軸係由單位“nWb”來表示波形的面積。在此，作為波形的面積，採用了從因第1脈衝的入射而使波形從基準位準上升之時點起至因第2脈衝的入射結束而使波形返回到基準位準為止之期間的面積。可知，熔融時間t和波形的面積S，係具有大致線性的關係。從圖6B中所示出之圖表導出以下近似公式。 【數式1】
Figure 02_image001
其中，S及t分別表示波形的面積及熔融時間。A及C係常數。 能夠由波形的面積S的計算結果、圖6B所示關係的圖表或式(1)來求出熔融時間t。若求出熔融時間t，則能夠依據圖3所示關係來求出熔融深度。 接著，對本實施例的優異之效果進行說明。 在本實施例中，不是檢測熱輻射光的強度的波形的特徵形狀，而是計算波形的面積，藉此能夠推定熔融深度。波形的面積的計算，例如能夠藉由將從感測器25(圖1)以既定的時間刻度所取得之輸出電壓值簡單地相加來進行。相對於此，為了檢測波形的特徵形狀，必須進行去除與波形重畳之雜訊之處理、微分運算、及比較判定處理等。從而，計算波形的面積之處理，與檢測波形的特徵形狀之處理相比可在短時間內完成。因此，若利用基於本實施例之方法，則每當結束退火對象物30的退火處理時，能夠實施全數在線(inline)檢查。 上述各實施例係例示，當然，不同之實施例中所示出之構成能夠部分替換或組合。對基於複數個實施例的相同構成之相同的作用效果，在各實施例中不逐一說明。此外，本發明並不受上述實施例的限制。例如，能夠進行各種變更、改進及組合等，這對本領域技術人員來講是顯而易見的。
10:腔室 11:雷射透射窗 12:掃描機構 13:保持台 20:雷射光源 21:傳輸光學系統 22:分光鏡 23、24:透鏡 25:感測器 30:退火對象物 40:處理部 41:儲存裝置 42:輸出裝置
圖1係基於實施例之退火裝置的概略圖。 圖2係表示在脈衝雷射束的1次照射中觀測到之熱輻射光的波形的一例之圖表。 圖3係表示熔融時間與熔融深度的關係之圖表。 圖4係基於實施例之退火方法的流程圖。 圖5係表示顯示於輸出裝置之圖形的一例之圖。 圖6A係表示實際上測定到之熱輻射光的強度的波形之圖表，圖6B係表示從圖6A中所示出之波形求出之熔融時間與熱輻射光的強度的波形的面積的關係之圖表。
10:腔室
11:雷射透射窗
12:掃描機構
13:保持台
20:雷射光源
21:傳輸光學系統
22:分光鏡
23、24:透鏡
25:感測器
30:退火對象物
40:處理部
41:儲存裝置
42:輸出裝置

Claims (4)

  1. 一種退火裝置，係具有：加熱部，將退火對象物的表面加熱而使表層部暫時熔融；感測器，檢測來自由前述加熱部加熱後之前述退火對象物的熱輻射光；及處理部，依據表示由前述感測器檢測出之熱輻射光的強度的時間變化之波形的面積，推定前述退火對象物的表層部的熔融深度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之退火裝置，其進一步具有顯示圖像之顯示部，前述加熱部，係在前述退火對象物的表面上使加熱部位移動，前述處理部，係使前述退火對象物的表面內的位置和所推定之熔融深度相關聯，並將熔融深度分布顯示於前述顯示部。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之退火裝置，其中，前述處理部，係依據由前述感測器檢測出之熱輻射光的強度，判定退火結果是否良好。
  4. 一種退火方法，係將退火對象物表面的一部分加熱而 使表層部熔融，依據表示來自前述退火對象物的被加熱之部位的熱輻射光的強度的時間變化之波形的面積，推定前述退火對象物的表層部的熔融深度。
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