具有超短停留時間的激光退火系統及方法
【技術領域】
[0001 ]本申請要求2014年12月17日提交的美國臨時專利申請N0.62/092，925的優先權，該申請在此處通過引用并入。
[0002]本公開大體涉及退火，所述退火在半導體制造中使用以制造集成電路和內存設備，并且尤其涉及具有超短停留時間的激光退火系統及方法。
[0003]本發明中所引述的任一與全部參考文件均通過參考并入，包含有:美國專利N0.8，309，474;美國專利N0.8，546，805 ;美國專利N0.8,865,603；和美國專利申請N0.14/497，
006。
【背景技術】
[0004]傳統的納秒脈沖式激光熔化退火(“傳統的熔化激光退火”)提供了對先進的集成電路(IC)芯片制造而言理想的超低熱預算、高摻雜劑活化及超陸峭結(super abruptjunct1n)。然而實際上，因為來自IC芯片中的光學與熱學性質在空間中的變化所造成的大量的溫度不均勻性，前述類型的退火難以實施在圖案化的半導體晶片上。這些不良效應在所屬技術領域中被稱為“圖案密度效應”。
[0005]美國專利N0.8,309,474描述一種技術，在該技術中利用混合式熔化或非熔化的裝置，用第一掃描激光束均勻地預熱基板至接近熔化的狀態。然后使用發射具有光脈沖的光束的第二激光將退火區域溫度提升至熔化溫度達較短時間，這可使熔化區域能迅速再結晶。此方法的優點為脈沖式激光與圖案化基板間的相互作用所造成的溫度非均勻性顯著地被減輕。然而，此方法的缺點是來自脈沖間重復性的需求及脈沖式激光圖像均勻性的限制，并且此方法需要相對較長、在100微秒至20毫秒的范圍間的停留時間，因此更為加劇上述的問題。
[0006]美國專利N0.8，865，603描述一種退火系統，其中掃描連續波(CW)激光束用于執行背側激光加工，其停留時間是在I微秒至100微秒的范圍間。此方法的優點是，光束穩定性遠好于1%，而在半導體晶片處的光束均勻性是由已充分了解的高斯分布所定義。可惜的是，該方法所要求的功率及停留時間均太大，而無法使熔化的基板得以快速地再結晶。
【發明內容】
[0007]本發明是公開以1ns至500ns或25ns至250ns的范圍間的超短停留時間退火半導體晶片的激光退火系統及方法。所述的激光退火系統是利用兩種激光束-即預熱激光束與掃描激光束，分別形成預熱線圖像與退火圖像，并共同定義重疊區域。退火圖像的長維度L2是沿預熱線圖像的短維度Wl的方向。設定長維度L2本質上大于短維度Wl(例如，2至4倍之間)，可使校正預熱線圖像與退火圖像變得相對容易。預熱激光束為操作于紅外線的連續波(CW)光束，而掃描激光束為連續波(CW)光束，或準連續波(QCW)光束。掃描激光束在半導體晶片的表面上相對于預熱線圖像足夠快速地掃描，使停留時間在前面提及的范圍內。這些超短停留時間有利于執行產品晶片的熔化退火，因其能防止設備結構發生回流(reflow)。在示例中，掃描激光束的連續波(CW)與準連續波(QCW)的特性能避免與基于脈沖的激光退火系統有關的脈沖間均勻性的問題，該基于脈沖的激光退火系統僅用一個或數個光脈沖來執行退火。此外，因準連續波激光束沒有本質上的光束整形(beam shaping)的需要，因此可避免不良的斑點效應。
[0008]本發明所公開的一個方面是一種退火半導體晶片的方法，該半導體晶片具有圖案化的表面，該圖案化的表面具有晶片表面或次表面溫度Ts與表面或次表面熔化溫度Tm。該方法包含:使用預熱激光束形成預熱線圖像于圖案化的表面上，預熱線圖像被設置以加熱一部分的圖案化的表面至預退火溫度Τρα，預退火溫度Tpa是在(0.5).Τμ<Τρα< (0.9).Tm的范圍間，其中預熱線圖像具有長度LI及寬度Wl，長度LI是在5mm至20mm的范圍間；使用掃描激光束形成退火圖像于半導體晶片的表面上，使退火圖像重疊于一部分的預熱線圖像以定義掃描重疊區域，退火圖像具有長度L2與寬度W2，長度L2在100微米至500微米的范圍間，寬度W2在10微米至50微米的范圍間，其中該長度L2 2 2.Wl，且長度LI與L2是以正交方向被測量;且其中退火激光系統包括掃描光學系統，該掃描光學系統相對于所述預熱線圖像掃描退火圖像，使得掃描重疊區域具有停留時間td，該停留時間Td在1ns < Td < 500ns的范圍間，且在掃描重疊區域內局部地將晶片表面或次表面溫度Ts從預退火溫度Tpa升高至表面或次表面熔化溫度Tm。
[0009]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中停留時間Td是在25nsStd <250ns的范圍間。
[0010]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，所述方法還包含通過以準連續波(QCW)的操作模式來操作退火激光以形成掃描激光束，準連續波(QCW)的操作模式是產生光脈沖，其中掃描重疊區域所通過的半導體晶片的表面上的每一點接收至少五個光脈沖。
[0011]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中準連續波的操作方式具有10MHz或更大的重復率。
[0012]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中通過將初始激光束從退火激光導向至旋轉多面鏡來形成掃描激光束。
[0013]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中預熱激光束具有紅外線波長，且掃描激光束具有可見波長。
[0014]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中可見光波長為532nm，且是通過倍頻紅外線光纖激光而形成。
[0015]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，所述方法還包含于掃描重疊區域內測量半導體晶片的表面的溫度，且利用所測量到的半導體晶片的表面的溫度控制預熱激光束與退火激光束的至少其中一個的光功率量。
[0016]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中測量半導體晶片的表面的溫度包含從掃描重疊區域測量輻射率。
[0017]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中半導體晶片包含硅(Si)與鍺(Ge)，且鍺位在硅層之下。
[0018]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，所述方法還包含: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激光圖像，起始位置位于預熱線圖像的近端，完成位置位于預熱線圖像的遠端;b)當退火圖像抵達完成位置時，關閉掃描激光束;C)移動預熱線圖像至半導體晶片的表面的新位置;d)當退火圖像能被導向至起始位置時，重新開啟掃描激光束;及重復動作a)至動作d)以在半導體晶片的整體表面上掃描掃描重疊區域。
[0019]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中動作c)包含以預熱掃描方向連續地移動預熱線圖像，預熱掃描方向是正交于退火掃描方向。
[0020]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中關閉掃描激光束包含以聲光調制器遮擋掃描激光束。
[0021]本發明所公開的另一方面是如上所述的方法，其中預熱線圖像加熱半導體晶片的表面或次表面至(0.6).Tm< Tpa< (0.8).Tm范圍間的預退火溫度TPA。
[0022]本發明所公開的另一方面是一種用于退火具有圖案化的表面的半導體晶片的系統，圖案化的表面具有晶片表面或次表面溫度Ts與表面或次表面熔化溫度Tm，該系統包含:形成預熱激光束的預熱激光系統，預熱激光束于圖案化表面上形成預熱線圖像，預熱線圖像被設置以加熱一部分的圖案化的表面至預退火溫度Τρα，預退火溫度Tpa是在(0.5).Tm <ΤΡΑ< (0.9).Tm的范圍間，其中預熱線圖像具有長方向與窄方向，預熱線圖像沿長方向具有在5mm至20mm的范圍間的長度LI，沿窄方向具有寬度Wl;形成掃描激光束的退火激光系統，掃描激光束于半導體晶片的表面上形成退火圖像，使退火圖像重疊于一部分的預熱線圖像以定義掃描重疊區域，退火圖像具有長方向與窄方向，退火圖像沿長方向具有在100微米至200微米的范圍間的長度L2，沿窄方向具有在10微米至25微米的范圍間的寬度W2，其中長度L22 2 -Wl，且其中長度LI與L2是以正交方向被測量;及其中退火激光系統包含掃描光學系統，掃描光學系統相對于預