用于降低激光退火中的光束不稳定性的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及激光退火，且尤其涉及用于减小激光退火中的光束不稳定性的系统和方法。
[0002]在本文中提到的任何出版物或专利文献的完整公开通过引用来并入，包括美国专利 N0.6747245、7098155、7157660、7763828、8014427、8026519、8309474、8501638、8546805、8691598 和美国专利公开 N0.2013/0330844。
【背景技术】
[0003]在半导体制造中，激光退火(也称为激光尖峰退火、激光热退火、激光热处理等)被用于多种应用，包括在形成诸如晶体管和相关类型的半导体特征的有源微电路时，激活半导体晶片中形成的器件(结构)的选定区域中的掺杂物。
[0004]—种激光退火涉及形成线形强度分布曲线(line-shaped intensity profile),通过移动线图像、移动半导体晶片或这两种运动的组合，在半导体晶片上方扫描该强度分布曲线。沿垂直于该线图像的长轴的“扫描方向”来扫描该线图像。线图像的强度在沿扫描方向(即线图像的短轴)上的一些空间变化是可以容忍的，因为在线图像在半导体晶片上方移动时，不均匀性被平衡了。另一方面，需要严格控制强度分布曲线在线图像的“交叉扫描”方向上的空间变化以在线图像的扫描路径上实现一致的退火结果。
[0005]定义线图像长度的一种方式涉及使光通过由相对的刀口(opposing knife edge)所界定的光圈。然后由中继光学系统将通过该光圈的光成像到半导体晶片。在这种类型的线成像光学系统中，已经发现，线图像的强度分布曲线在长轴方向上会发生随时间的变化。在很多情况下，该变化表示为强度分布曲线中的“倾斜”(即，斜率变化)，且随着时间的推移，这种倾斜可能会偏移，其中曲线斜率随时间改变，甚至改变符号(例如，斜率可能从正变成负)。这种类型的光束分布曲线的不稳定性也被称为“光束摇摆”。这种现象可能会降低激光退火工艺的均匀性。
【发明内容】
[0006]本公开的一方面是一种在对半导体晶片的表面进行激光退火期间形成线图像的方法。该方法包括:利用光束重定向元件引导调节激光束通过光圈中的开口 ；通过将所述光圈成像在所述半导体晶片的所述表面上，来在所述半导体晶片的所述表面上形成线图像，由此局部加热所述半导体晶片的所述表面，以形成退火温度分布；探测来自所述半导体晶片的局部加热表面的热发射；根据所探测的热发射来确定所述退火温度分布；根据所述退火温度分布来确定包括斜率的时变量的线图像强度分布曲线；以及调节所述光束重定向元件以重定向所述调节激光束，以减小或消除所述线图像强度分布曲线中的斜率的时变量。
[0007]本公开的另一个方面是如上所述的方法，调节所述光束重定向元件优选包括旋转
Ho
[0008]本公开的另一个方面是如上所述的方法，所俘获的热发射优选包括从下波长Xl=450nm到上波长Au= 850nm的波长范围内或从下波长λ L= 900nm到上波长λ υ =1200nm的波长范围内黑体发射强度的积分测量值。
[0009]本公开的另一个方面是如上所述的方法，所述退火温度分布优选包括在8000C^ Τα^Ξ 1400°C范围中的退火温度Ta。
[0010]本公开的另一个方面是如上所述的方法，所述半导体晶片优选由硅制成。
[0011]本公开的另一个方面是如上所述的方法，所述调节激光束优选具有10.6微米或2微米的波长。
[0012]本公开的另一个方面是如上所述的方法，所述光圈优选为刀口光圈。且将所述光圈成像在所述表面上优选包括利用1:1中继系统对刀口光圈成像。
[0013]本公开的另一个方面是如上所述的方法，优选利用相对于所述半导体晶片的表面可操作布置的热发射探测器来执行探测所述热发射。该方法优选还包括相对于所述线图像移动所述半导体晶片，从而使所述线图像在所述半导体晶片的表面上方扫描，但相对于热发射探测器保持不动。
[0014]本公开的另一个方面是如上所述的方法，优选以高达500Hz的频率来执行所述光束重定向元件的调节。
[0015]本公开的另一个方面是一种激光退火系统，用于对半导体晶片的表面进行退火，并减小或本质上消除在所述半导体晶片的所述表面形成的线图像中的光束不稳定性，所述激光退火系统沿光轴依次包括:发射激光束的激光系统；接收所述激光束并形成调节激光束的光束调节系统；配置成接收并响应于控制信号选择性地重定向所述调节激光束的光束重定向元件；界定开口的光圈，取决于由所述光束重定向元件对所述调节激光束的重定向，所述调节激光束的不同部分通过所述开口 ；可操作地布置于所述光圈和所述半导体晶片之间的中继系统，所述中继系统被配置成将所述光圈成像在所述半导体晶片的所述表面处，以形成线图像，其中所述线图像局部加热所述半导体晶片的所述表面以形成退火温度分布；热发射探测器，所述热发射探测器被布置成探测来自所述半导体晶片的局部加热表面的热发射，并产生表示所述热发射的热发射信号；以及可操作地连接到所述光束重定向元件和所述热发射探测器的控制器，所述控制器被配置成接收所述热发射信号并从其计算具有时变斜率的线图像强度，并向所述光束重定向元件提供所述控制信号，以使得所述光束重定向元件相对于所述光圈重定向所述调节激光束以减小或本质上消除所述线图像强度的时变斜率。
[0016]本公开的另一个方面是如上所述的激光退火系统，所述热发射探测器优选包括CMOS探测器、InGaAs探测器或光电倍增管。
[0017]本公开的另一个方面是如上所述的激光退火系统，所探测的热发射优选包括从下波长XL= 450nm到上波长λ850nm的波长范围内黑体发射强度的积分测量值或从下波长\= 900nm到上波长λ υ= 1200nm的波长范围内黑体发射强度的积分测量值。
[0018]本公开的另一个方面是如上所述的激光退火系统，所述激光系统优选包括工作于10.6微米或2微米波长处的激光器。
[0019]本公开的另一个方面是一种减小在半导体晶片的表面的激光退火期间形成的线图像的强度分布曲线的时变变化的方法。该方法包括:a)将调节激光束定向到光束重定向元件，使得所述调节激光束通过由光圈界定的开口山)通过将所述光圈成像在所述半导体晶片的所述表面上，来在所述半导体晶片的所述表面上形成线图像，由此局部加热所述半导体晶片的所述表面，以形成时变的退火温度分布；c)在一定波长带上探测来自所述半导体晶片的局部加热表面的时变的积分热发射；d)根据所探测到的时变积分热发射来确定时变退火温度分布；e)根据所述时变退火温度分布来确定所述线图像强度分布曲线的时变变化；以及f)调节所述光束重定向元件以相对于所述光圈中的开口重定向所述调节激光束，以减小或消除所述线图像强度分布曲线中的时变变化。
[0020]本公开的另一个方面是如上所述的方法，优选在控制器中执行动作d)和e)，所述控制器包括包含在计算机可读介质中的指令，所述指令使得所述控制器计算所述时变退火温度分布和所述线图像强度分布曲线的时变变化。所述控制器优选向所述光束重定向元件发送控制信号以发起动作f)。
[0021]本公开的另一个方面是如上所述的方法，光束重定向元件优选包括镜。调节光束重定向元件优选包括在+/-1度之间的旋转角Θ范围内旋转镜。
[0022]本公开的另一个方面是如上所述的方法，所述时变变化优选包括所述线图像强度分布曲线的时变斜率。
[0023]本公开的另一个方面是如上所述的方法，所述光圈优选是由相对的可调节刀口来界定的。
[0024]本公开的另一个方面是一种激光退火系统，用于对半导体晶片的表面进行退火，减小或本质上消除在所述半导体晶片的所述表面处所形成的线图像中的光束不稳定性，所述激光退火系统沿光轴依次包括:发射激光束的激光系统；接收所述激光束并形成调节激光束的光束调节系统；配置成接收并响应于控制信号选择性地重定向所述调节激光束的光束重定向元件；界定开口的刀口光圈，取决于由所述光束重定向元件对所述调节激光束的重定向，所述调节激光束的不同部分通过所述开口 ；可操作地布置于所述刀口光圈和所述半导体晶片之间的中继系统，所述中继系统被配置成将所述刀口光圈成像在所述半导体晶片的所述表面处，以形成线图像，其中所述线图像局部加热所述半导体晶片的所述表面以形成退火温度分布；热发射探测器，所述热发射探测器被布置成探测来自所述半导体晶片的局部加热表面的热发射，并产生表示所述热发射的热发射信号；以及可操作地连接到所述光束重定向元件和所述热发射探测器的控制器，所述控制器被配置成接收所述热发射信号并从其计算具有时变变化的线图像强度，并向所述光束重定向元件提供所述控制信号，以使得所述光束重定向元件相对于所述刀口光圈重定向所述调节激光束以减小或本质上消除所述线图像强度的时变变化。
[0025]本公开的另一个方面是如上所述的激光退火系统，所述时变变化优选包括所述线图像强度的斜率变化。
[0026]额外的特征和优点在以下的【具体实施方式】中得以阐述，并将部分地由本领域技术人员从说明书中容易地了解或通过如书面描述及其权利要求以及附图中所述那样通过实践实施例而加以认识。应理解，以上一般说明和以下【具体实施方式】都仅仅是示范性的，意在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特性。
【附图说明】
[0027]包括附图以提供进一步的理解且将附图并入本说明书中并构成其一部分。附图示出了一个或多个实施例，并与【具体实施方式】一起用于解释各实施例的