專利名稱：一種用于半導體制造的激光退火設備及退火工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體制造設備范圍，特別涉及一種用于半導體制造的激光退火
設備及退火工藝。
背景技術：
隨著器件尺寸不斷縮小，在集成電路制造45nm， 32nm等技術節點，要求制 作出超淺的MOS器件源漏區，也就是提出了超淺結(Ultra-Shallow Junction) 的要求。為了滿足12〃圓片45nm納米及以下各代器件對超淺PN結制作的需求， 除了要在超淺的雜質摻雜技術上采取一定的技術措施之外，在退火以及激活所摻 雜質的環節，需要對傳統的、主要是基于燈光的快速熱退火(RTA)方法作出變 更。當前較為認可的超淺結退火技術為激光退火。
采用激光脈沖退火(Laser Spike Annealing)的好處在于，由于退火激光 是脈沖式作用的，激光脈沖約在幾十納秒量級，因此總的退火作用時間非常短暫， 可以將退火階段注入雜質粒子的再擴散控制在接近于是零擴散的水平，同時可獲 得超固溶度的表面載流子濃度。采用激光退火技術所制造獲得的超淺、陡峭的PN 結，是能夠滿足45nm、 32nm集成電路制造的需求的。
需要指出的是，當前市場上確實存在激光退火設備或者激光退火的技術，但 是與傳統設備或者技術相對應的是結深在幾百nm的PN結，采用傳統意義上的激 光退火技術，從退火作用的機理和模式上看都完全不適合32nm技術節點，不適 合于超淺結的制作。所以本發明所稱的激光退火，專門是指的用于超淺結制作的 技術。而說到專門針對超淺結制作的激光退火設備及配套工藝技術，則目前國際 上還處在起步的階段。
對于超淺結激光退火，由于當前可用激光器的單脈沖能量較低，無法實現整 個晶圓片同時退火，所以只能是采取一次退火晶圓片上一個局部面積(稱作一個 場)的方式，通過一歩歩的逐場退火的方式，實現整個圓片的退火。
由于激光退火采用高強度的激光，對圓片表面進行瞬時的作用，會在襯底材料的表面附近引起較大的熱應力，對于加工質量產生不良的影響，所以人們在進 行激光退火的同時，需要對襯底材料進行預加熱，來減輕熱應力的影響。對襯底 材料的加熱，主要的方式是從圓片背面加熱，對圓片的整片進行。
如果不采用襯底預加熱，則激光退火的能量密度閾值在600mJ/cm2左右；當 采用襯底預加熱，加熱溫度一般在300 55(TC范圍，則不僅減輕了熱應力梯度， 也同時將激光退火的能量密度閾值降低至350mJ/cm2的量級。使用襯底預加熱技 術，盡管有技術上必要的理由和種種好處，但是也帶來了設備實現上的困難。按 照當前激光退火裝置的主要形式，主要的難點集中于片臺的實現上 一方面，片 臺要具備較高溫度下控溫加熱的能力；在另一方面，在圓片被加熱至較高溫度同 時，還要能夠以很高的位置控制精度執行步進，以使圓片上的各個曝光場都能夠 得到曝光退火。同時以很高精度實現上述兩種要求在技術處理上是比較困難的， 與此同時還有必然需要處理的熱隔離問題，圓片處于較高溫度下的對準問題等。
為了降低預加熱激光退火設備的實現難度，同時也與已存在的設備整機結構 形式相區別開，本發明提出，采用襯底加熱與圓片步進相隔離的整機實現方案。 具體地說， 一方面使用片臺從圓片背面對圓片實施整片預加熱，但是片臺固定不 動；在另一方面，逐場步進的動作采用光束按曝光場步進的方式來進行。也就是 片臺只負責加熱，而光束以較高精度執行步進，共同完成對整個圓片的退火。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于半導體制造的激光退火設備及退火工藝，其特 征在于，所述半導體制造的激光退火設備是以提供脈沖激光束4的準分子激光器 1，具有激光光束的擴束、勻束、邊沿處理的光路2， 二維精確移動平臺固定在帶 隔振的機架結構3中部，片臺10固定在二維精確移動平臺下方，預加熱控溫臺9 設置在片臺10的中部；在二維精確移動平臺上安裝Y平臺11， X平臺12裝置于 Y平臺ll之上，安裝X、Y鏡面，以及整機自動控制系統構成能實現超淺結制造 半導體的激光退火設備。
所述脈沖激光束的單脈沖能量為500mJ 1.5J，波長位于193nm 308nm區
6間，脈寬在幾十納秒量級，重復頻率10 1000Hz。
所述準分子激光器1出射脈沖激光束4經擴束、整形后，束斑面積擴至0. 2cm X0.2cm 3.5cmX3.5cm，根據產品芯片的面積可調；經過勻束后，有效退火束 斑內的光強均勻性得到提升，至不均勻度《5%;又由邊沿處理系統，將束斑邊緣 不均勻的部分控制在10iirn以內；在實際退火時，光束邊緣不均勻的部分，是落 在劃片槽之內的，因此不影響正式電路元器件的退火效果。
所述預加熱控溫臺9從背面對放置于片臺10之上的晶圓片5實施均勻加熱， 控溫范圍為300 60(TC;預加熱控溫臺9的加熱部分通過隔熱材料8與片臺10 實施熱隔離；在晶圓片5上方配置隔離罩7，隔離罩7內部抽真空或通入工藝氣 體；在隔離罩7頂部是對準分子激光透明的窗6，允許退火激光透過并輻照晶圓 片上的某個退火場；在片臺10可帶動晶圓片做適度旋轉，以補償晶圓片初始放 置位置相對于激光束運動方向的旋轉偏差。
所述X平臺12相對于Y平臺可做左右向精確運動，Y鏡面13裝在Y平臺11 上，X鏡面14固定在X平臺12上，用于對準的光學元件15安裝于二維精確移動 平臺上；脈沖激光束4經鏡面反射后入射至X鏡面14上，再次反射后，脈沖激 光束4成為方向向下行進的光束，用于對晶圓片表面逐場退火。Y平臺11可做前 后向運動，由于X、 Y鏡面隨二維精確移動平臺運動，因而實現光束在晶圓片表 面的選區退火。
所述整機自動運行系統，控制激光器開放/切斷快門的動作，以及二維平臺 在退火階段的移動，需要取得對激光觸發脈沖的同步；而加熱控溫則是連續性的， 無需同步；該整機自動運行系統協調激光器，光束處理系統，片臺，二維精確移 動平臺各自的動作狀態，使得整機協同工作，共同完成超淺結激光退火的工藝過程。
所述激光退火工藝步驟如下
1) 片臺10上熱隔離罩7升起；
2) 晶圓片5經過預對準后，由機械手將其送入退火所在的片臺位置的上方；3) 片臺頂針升起，接過晶圓片5;機械手退出；
4) 片臺頂針下降，晶圓片5落下并被固定在預加熱控溫臺9上；熱隔離罩7 下降；
5) 待晶圓片5預加熱溫度穩定后，通過用于對準的光學元件15、 二維移動 平臺的Y平臺11，和X平臺12執行晶圓片5的對準和補償圓片預對準及進片過 程中所造成的剩余硅片旋轉量；
6) 根據對準結果以及激光束和對準光束之間距離量，計算退火激光束所必 需到達的退火位置陣列；
7) 退火激光束束斑調至與產品芯片相同的面積。例如，產品單芯片(或者 由幾個芯片構成的陣列)占據2.0cmX2.0cm的面積，則退火激光束的束斑也調 至略大于2.0cmX2.0cm，以覆蓋一個(或幾個)產品芯片的面積，對范圍內的芯 片實施退火。整機自動運行系統控制二維精確移動平臺，使退火激光束束斑行進 至退火場位置；打開快門，執行一至多個芯片的脈沖激光退火；
8) 關閉退火激光快門，光束行進至下一個退火場，如此重復，直至晶圓片 整個表面執行完激光退火；
9) 片臺上熱隔離罩7升起；片臺頂針升起，托起晶圓片；機械手進入接片 的位置，頂針落下，機械手接過晶圓片，并將晶圓片送至冷卻片臺，最終進入收 片_Sl ;
10) 機械手將另一片待退火的晶圓片，送入片臺；如此重復，直至所有晶圓 片均被退火。
本發明的有益效果是實現超淺結激光退火的兩項技術要求，也就是預加熱和 分場步進式的退火作用，是由片臺和光束移動機構分別完成的，因此可以針對技 術要求分別實行優化，在具體的設備實現上，也更加容易。退火作用如果采用光 束相對于晶圓片做掃描運動的形式，則在微觀層面將帶來退火作用的不均勻性， 因此逐場步進式的退火，相對于掃描方式，能夠得到更好的超淺結退火效果；最 后作為設備重要組成部分的懸吊式的光束步進移動機構，由于與高溫片臺在空間上相隔離，將能夠方便地實現冷卻保溫，有利于提高退火光束質量和退火效果的 重復性、均勻性。
圖1為激光退火設備的整機結構示意圖。
圖2為激光退火設備的預加熱控溫片臺的示意圖。 圖3為激光退火設備的二維精確運動平臺的示意圖。
圖中，1-是產生脈沖激光的激光器；2-是用來對激光束進行擴束、勻束、邊 沿處理的光路；3-是帶隔振的機架結構，二維精確移動的平臺，和退火晶圓片的 預加熱承片臺，都是固定在機架上的；4-是起退火作用的短脈沖激光束，可由二 維精確運動平臺帶動，對晶圓片的表面進行選區退火，且可用快門控制其通、斷； 5-是固定于片臺上的晶圓片；6-是隔離罩頂部的對退火激光的透明窗；7-是熱隔 離罩；8-隔熱材料；9-是片臺中心部分襯底背面的預加熱控溫臺；10-是片臺， ll-是Y平臺，可作精確的前后運動；12-是X平臺，可作精確的左右運動；13-是Y反射鏡面；14-是X反射鏡面；15-是用于對準的光學元件15。圖3中只是示 意地畫出了對準部件中的X反射鏡面。
具體實施例方式
本發明提供提供一種用于半導體激光退火設備及退火工藝。下面結合附圖對 本發明予以說明。
所述的超淺結激光退火設備的整機結構如圖1所示。該設備以準分子激光器 提供準分子脈沖激光源，設備其他的部件，包括具有激光光束的擴束、勻束、邊 沿處理的光路，二維精確移動平臺，預加熱控溫片臺，以及整機自動控制系統， 共同構成能實現超淺結半導體激光退火設備。所有這些部件或設備子系統，均是 基于當前現有的常規的技術實現，本發明所強調的是將這些部件或設備子系統整 合起來形成超淺結激光退火設備的整機設計方案。具體地說
1)退火激光源采用單脈沖能量處于500mJ 1.5J區間，波長位于193nm 308nm區間，脈寬在幾十納秒量級，重復頻率10 1000Hz的準分子脈沖激光器。2) 準分子激光器出射激光經擴束、整形后，束斑面積擴至Q.2cmX0.2cm 3.5cmX3.5cm (視具體產品芯片的面積可調)；經過勻束后，有效退火束斑內的 光強均勻性得到提升，至不均勻度《5%;又由邊沿處理系統，將束斑邊緣不均勻 的部分控制在10wm以內。在實際退火時，光束邊緣不均勻的部分，將落在劃片 槽之內，不影響正式電路元器件的退火效果。
3) 經過上述的光束處理，光束質量經調整已可適用于超淺結激光退火的目的。
4) 被退火的晶圓片放置于片臺之上。片臺的結構示意如附圖2所示。片臺 特征為，可從背面對圓片5實施均勻加熱，控溫范圍為300 600'C;加熱部分通 過隔熱材料8與片臺的其余部分10實施熱隔離；在晶圓片上方配置隔離罩7，隔
離罩的主要作用是用作熱隔離，內部可以抽真空，以及通入工藝氣體；在隔離罩
頂部是對準分子激光透明的窗6,允許退火激光透過并輻照晶圓片上的某個退火 場；片臺可帶動晶圓片做適度旋轉，以補償晶圓片初始放置位置相對于激光束運 動方向的旋轉偏差。
5) 激光束入射到X、 Y鏡面上，而X、 Y鏡面是分別安裝于二維精確移動平 臺上的X平臺、Y平臺上，并隨二維精確移動平臺運動，因而可以實現光束在晶 圓片表面的選區退火。二維精確移動平臺具體的結構示意如圖3所示。脈沖激光 束4首先入射至Y鏡面13上，經鏡面反射后入射至X鏡面14上，再次反射后， 成為方向向下行進的光束，用于對晶圓片表面逐場退火。Y平臺11可做前后向運 動，而X平臺12裝置于Y平臺11之上并相對于Y平臺可做左右向精確運動，由 此形成光束束斑在晶圓片表面的步進。步進動作期間，由自動控制系統發出指令， 令激光光束快門關閉因而切斷退火激光。用于對準的光學元件15也是安裝于二 維精確移動平臺上的，并且對準光束按照退火激光束的同樣原理，由二維平臺帶 動，在晶圓片表面搜尋對準標記。
6) '整機在自動控制系統操控下運行。通過自控系統，協調激光器，光束處 理系統，片臺，和二維精確移動平臺各自的動作狀態，使得整機協同工作，共同完成超淺結激光退火的工藝過程。
所述超淺結激光退火的工藝過程，具體的步驟如下
1) 片臺熱隔離罩7升起；
2) 晶圓片5經過預對準后，由機械手將其送入退火所在的片臺位置的上方;
3) 片臺頂針升起，接過晶圓片；機械手退出；
4) 片臺頂針下降，晶圓片落下并被固定在預加熱器9上；熱隔離罩下降；
5) 晶圓片預加熱溫度穩定后，通過對準機構及二維移動平臺的X平臺12裝 置于Y平臺11上，執行晶圓片的對準；執行片臺旋轉以補償圓片預對準及進片 過程中所造成的剩余硅片旋轉量；
6) 根據對準結果以及激光束和對準光束之間距離量，計算退火激光束所必 需到達的退火位置陣列；
7) 退火激光束束斑調至適當的面積，整機自動運行系統控制二維精確移動 平臺，使退火激光束束斑行進至退火場位置；打開快門，執行一至多個芯片的脈 沖激光退火；
8) 關閉退火激光快門，光束行進至下一個退火場，如此重復，直至晶圓片 整個表面執行完激光退火；
9) 片臺熱隔離罩7升起；片臺頂針升起，托起晶圓片；機械手進入接片的 位置，頂針落下，機械手接過晶圓片，并將晶圓片送至冷卻片臺，最終進入收片 盒；
10) 機械手將另一片待退火的晶圓片，送入片臺；如此重復，直至所有晶圓 片均被退火。
權利要求
1. 一種用于半導體制造的激光退火設備，其特征在于，所述激光退火設備以準分子激光器提供準分子脈沖激光源，包括具有激光光束的擴束、勻束、邊沿處理的光路，二維精確移動平臺，預加熱控溫片臺，以及整機自動控制系統構成能實現超淺結半導體激光退火設備。所述準分子脈沖激光源的單脈沖能量為500mJ～1.5J，波長位于193nm～308nm區間，脈寬在幾十納秒量級，重復頻率10～1000Hz。所述準分子激光器出射激光經擴束、整形后，束斑面積擴至0.2cm×0.2cm～3.5cm×3.5cm(視具體產品芯片的面積可調)；經過勻束后，有效退火束斑內的光強均勻性得到提升，至不均勻度≤5％；又由邊沿處理系統，將束斑邊緣不均勻的部分控制在10μm以內。在實際退火時，光束邊緣不均勻的部分，是落在劃片槽之內的，因此不影響正式電路元器件的退火效果。所述預加熱控溫片臺，從背面對放置于片臺之上晶圓片實施均勻加熱，控溫范圍為300～600℃；加熱部分通過隔熱材料與片臺的其余部分實施熱隔離；在晶圓片上方配置隔離罩，隔離罩內部可以抽真空或通入工藝氣體；在隔離罩頂部是對準分子激光透明的窗，允許退火激光透過并輻照晶圓片上的某個退火場；片臺可帶動晶圓片做適度旋轉，以補償晶圓片初始放置位置相對于激光束運動方向的旋轉偏差。所述二維精確移動平臺上安裝X、Y鏡面，激光束入射到X、Y鏡面上，X、Y鏡面隨二維精確移動平臺運動，因而實現光束在晶圓片表面的選區退火。所述整機自動運行系統，控制激光器開放/切斷快門的動作，以及二維平臺在退火階段的移動，需要取得對激光觸發脈沖的同步；而加熱控溫則是連續性的，無需同步；該整機自動運行系統協調激光器，光束處理系統，片臺，二維精確移動平臺各自的動作狀態，使得整機協同工作，共同完成超淺結激光退火的工藝過程。
2. —種用于半導體激光退火設備的退火工藝，其特征在于，所述激光退火工藝步驟如下1) 片臺熱隔離罩(7)升起；2) 晶圓片(5)經過預對準后，由機械手將其送入退火所在的片臺位置的上方；3) 片臺頂針升起，接過晶圓片(5);機械手退出；4) 片臺頂針下降，晶圓片(5)落下并被固定在預加熱器(9)上；熱隔離罩(7)下降；隔離罩內部抽真空或通入工藝氣體；在隔離罩頂部是對準分子激 光透明的窗(6)，允許退火激光透過并輻照晶圓片上的某個退火場；5) 待晶圓片(5)預加熱溫度穩定后，通過對準機構及二維移動平臺的Y平 臺(11)和X平臺(12)執行晶圓片(5)的對準，和補償圓片預對準及進片過 程中所造成的剩余硅片旋轉量；6) 根據對準結果以及激光束和對準光束之間距離量，計算退火激光束所必 需到達的退火位置陣列；7) 退火激光束束斑調至與產品芯片相同的面積。例如，產品單芯片(或者 由幾個芯片構成的陣列)占據2.0cmX2.0cm的面積，則退火激光束的束斑也調 至略大于2.0craX2.0cm，以覆蓋一個(或幾個)產品芯片的面積，對范圍內的芯 片實施退火。整機自動運行系統控制二維精確移動平臺，使退火激光束束斑行進 至退火場位置；打開快門，執行一至多個芯片的脈沖激光退火；8) 關閉退火激光快門，光束行進至下一個退火場，如此重復，直至晶圓片 整個表面執行完激光退火；9) 片臺熱隔離罩(7)升起；片臺頂針升起，托起晶圓片；機械手進入接片的位置，頂針落下，機械手接過晶圓片，并將晶圓片送至冷卻片臺，最終進入收片盒510) 機械手將另一片待退火的晶圓片，送入片臺；如此重復，直至所有晶圓 片均被退火。
3.根據權利要求1所述用于半導體激光退火的設備，其特征在于，退火所用 的準分子激光器，也可以選用重復頻率大于10kHz (10kHz 50kHz)的脈沖激光器。在這種情況下，保持設備的所有其他部件不變，僅需將退火作用的模式變化 為掃描式退火，也就是說退火激光光束的束斑在移動平臺的帶動下，勻速地掃描 通過圓片表面待退火的面積，仍然能夠完成激光退火，獲得良好的雜質激活效果。 以此處所描述之掃描式的退火，為本發明"激光退火設備及相應退火工藝技術"的擴展性選項。
全文摘要
本發明公開了屬于半導體制造設備范圍的一種用于半導體激光退火設備及退火工藝。該激光退火設備，由準分子激光源，激光光束的擴束、勻束、邊沿處理等的光路，二維精確移動平臺，預加熱控溫片臺，以及整機自動控制系統構成。其中退火激光源采用先進的大功率準分子脈沖激光。激光器出射激光經擴束、整形、勻束、邊沿處理后，經過鏡面系統反射，最終照射到待退火晶圓片表面的退火場。本發明對預加熱和逐場步進技術要求實行優化，實現更加容易。由于采用逐場步進式退火，帶來更加均勻的場內、場間退火效果。能夠方便地對光束處理系統和精確移動機構進行冷卻保溫，有利于提高退火光束質量和退火效果的重復性、均勻性。
文檔編號H01L21/00GK101459057SQ20081024110
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者嚴利人, 朋 劉, 劉志弘, 衛 周, 竇維治 申請人:清華大學