用于缺陷退火与掺杂物活化的高效率线形成光学系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本公开涉及名为“高效率线形成光学系统和方法”的美国临时专利申请N0.62/030，391，在此通过引用将其并入。
[0002]本申请要求2014年11月24日提交的美国临时专利申请N0.62/083，537的，在此通过引用将其并入。
[0003]本公开涉及用于形成线图像的光学系统，且特别是涉及用于缺陷退火与掺杂物活化的高效率线形成光学系统及方法。
[0004]本文所提及的任何出版物或专利文件的全部公开通过引用被并入，包括以下:美国专利Νο.8,014,427;美国2012/0111838;美国2007/0072400;美国专利Νο.7,148,159;美国专利N0.8，546，805;美国专利N0.8，865，603;美国专利N0.8,309,474 ；和美国专利申请N0.14/497,006 ο
【背景技术】
[0005]许多应用需要使用由高功率激光束形成的均匀线图像。一种这样的应用为激光热处理(laser thermal processing;LTP)，在本技术领域中也被称作激光尖峰退火(laserspike annealing；LSA)，或简称激光退火(laser annealing)。其用于半导体制造中，在形成有源微电路组件如晶体管时，来活化半导体晶片的选择区域中的掺杂物。
[0006]—种类型的激光退火使用由激光束形成的扫描线图像，以加热半导体晶片表面至某一温度(“退火温度”)，并持续一段时间，此时间够长以活化掺杂物，但也够短以降低掺杂物扩散。该半导体晶片的表面处于所述退火温度的时间取决于线图像的功率密度，以及线图像宽度与线图像被扫描的速度(“扫描速度”)的比值。
[0007]—种用于激光退火应用的高功率激光为CO2激光。使用CO2激光执行激光退火的传统方法，包括将光束映射至一对叶片边缘上，然后光束中继(relay)穿过其中而至图像平面并形成线图像。叶片边缘被定位使其仅能透射高斯激光束的狭窄中心部分(例如，10%)，该狭窄中心部分强度相对均匀，其所产生的线图像沿着线图像的长度方向也会相对均匀。
[0008]可惜的是，仅使用激光束的狭窄中心部分意味着其余90%的光束被舍弃，是一种非常无效率地使用高强度激光束的方法。另一方面，传统的作法是允许较大部分的高斯光束通过，然而却会造成沿其长度方向线图像的不均匀，这是因为高斯光束的强度会随离光束中心愈远而大幅下降。
[0009]此外，在一些应用中最好能同时执行缺陷退火和尖峰退火。就此，0)2激光束会与较宽的激光束(通常是由二极管激光产生的)结合使用。较宽的激光束通常以比CO2光束更长的时间，将周围区域的温度提高到中间温度，其中CO2光束常以约I毫秒或更少的时间使表面升温至“尖峰温度”1300°C。通常，较宽的激光束需数毫秒(例如，从2毫秒至20毫秒的范围)来将所述区域加热至700°C与1200°C之间的中间温度。利用二极管激光将基板加热至此温度和时间范围，其所须的总功率是很大的，通常为数千瓦(killowatts)。要整合此二种激光束通常非常具有挑战性。在传统系统中，CO2激光束与二极管激光束是无法共线的，这是因为二者所用传送激光束至半导体晶片所需要的光学组件非常不同。
[0010]另外，在设计激光退火工具时，重要的限制是避免激光束入射至半导体晶片的侧壁。激光束以布鲁斯特角(Brewster，s AngIe)入射至半导体晶片的表面，对娃而言是约70°C。以此入射角，在半导体晶片侧边的功率密度比半导体晶片表面的功率密度大超过三倍，这会损害半导体晶片，甚至造成断裂。美国专利N0.8，071，908已显示，一个锯齿形边缘可以保护以CO2激光束入射的半导体晶片的侧壁。然而，额外的(二极管)激光也需要避免半导体晶片的侧壁，因为二极管激光提供很大的功率，通常如3千瓦。从几何上来看，若设计该边缘以针对从一个方向入射的C02激光以及以与CO2激光相差为90度的方向入射的二极管激光来保护晶片，事实上这会是造成过度限制的问题。因此，若利用如此高功率的二极管激光，却没有实施较昂贵和/或耗时的步骤来避免半导体晶片的损坏或断裂，其会是非常不实际的。
[0011]上述方法的另一个缺点是来自「图案效应」。图案效应是指由于半导体晶片上的图案而产生的温度不均勾度。该图案是指所形成组件和互联(interconnect1n)的尺寸特征。当入射激光的波长较短时(即，较靠近可见波长)，图案效应就更为显著，因为图案效应源于雷利散射(Raleigh scattering)，其会以组件特征或图案大小(δ)与波长(λ)的比例上升到四次方(例如(S/λ)4)而成比例变化。
【发明内容】
[0012]本发明所公开的方面涉及以CO2激光执行缺陷退火的系统及方法，而其它方面包括额外使用可见波长的二极管激光(或称“可见光二极管激光”)以执行激光尖峰退火。对于和激光尖峰退火一起执行的缺陷退火，CO2激光是用于提供半导体晶片的表面温度上升的大部分(例如，至少至缺陷退火温度)，而可见光二极管激光则被用来提供额外的加热，以将局部温度提高至退火(即掺杂物活化)温度。在示例中，由二极管激光所提供的温度上升量愈小愈好。其所带来的好处是因为CO2激光的波长比可见光二极管激光的波长约长10倍到20倍。因此，使用CO2激光的不良图案效应远小于用可见光激光二极管。该方法包括使用CO2激光来为缺陷退火提供初始的、相对长持续时间的温度提高，然后以可见光二极管激光进行相对短时间的尖峰退火，即掺杂物活化。这需要由CO2激光提供到半导体晶片的功率必须相当的大，其范围从2000W至3000W(即2千瓦至3千瓦)，同时在可用光束长度(例如，从5mm至10mm的范围内)及光束宽度(例如，从25μπι到Imm的范围内)下，也具有可接受的强度均匀度(例如，在+/-5%的范围内)。值得注意的是，尽管原始的CO2激光束可能可以提供所需的功率，而其强度为高斯分布，其无法在可用光束长度下提供所需要的强度均匀度。
[0013]除了能减轻不良的图案效应，在本文所公开的系统和方法的另一优点为，在从可见波长光束入射至半导体晶片侧壁的功率密度也被减小(例如，可降到次千瓦值)，从而减少半导体晶片因边缘或侧壁被照射而造成半导体晶片损坏或断裂的风险。
[0014]本发明所公开的方面是在半导体晶片的缺陷退火温度Td处执行缺陷退火的方法，其中该半导体晶片具有包含图案的表面，其中该方法包括:由CO2激光形成具有标称10.6微米波长且至少在第一方向上具有高斯分布的第一强度分布的光束;在该第一方向通过至少50 %的光束以形成第一透射光;将第一透射光聚焦于中间焦平面处，以定义第二强度分布，该第二强度分布具有中央峰及紧邻中央峰的第一侧峰;在第一侧峰的每个内截断第二强度分布以定义第二透射光，第二透射光在半导体晶片的表面上形成具有介于2000W和3000W之间的光功率，且沿5毫米至100毫米范围内的第一线长度具有+/-5%内的强度均匀度的第一线图像;在半导体晶片的表面上扫描第一线图像，以局部地将半导体晶片的表面的温度提高至缺陷退火温度TD。
[0015]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中缺陷退火温度TD在650°CSTd
<1100°C的范围内。
[0016]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，还包括于尖峰退火温度Ta处执行尖峰退火，所述尖峰退火包含:使用具有可见波长的第二光束在半导体晶片的表面形成第二线图像，其中所述第二线图像至少部分重叠于所述第一线图像;及扫描第二线图像以局部地将半导体晶片的表面的温度从缺陷退火温度Td提高至尖峰退火温度Ta。
[0017]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中尖峰退火温度Ta在1150KTa
<1350°C的范围内。
[0018]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中第一线图像具有第一宽度，且第二线图像具有第二宽度，第二宽度在第一宽度的5%至25%的范围内。
[0019]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中第一宽度的范围是从25微米至I毫米。
[0020]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，还包括使用激光二极管光源以及与激光二极管光源可操作地相对设置的线形成光学组件以形成第二光束。
[0021 ]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中可见波长在500nm至100nm的范围内。
[0022]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中第二线图像具有在5mm至10mm的范围内的第二线长度，以及具有在+/-5%内的强度均匀度。
[0023]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中半导体晶片的表面的温度与尖峰退火温度Ta之间有源自于图案效应的差异，所述差异不超过60°C。
[0024]本发明所公开的另一个方面是一种执行半导体晶片的缺陷退火的系统，半导体晶片的表面具有图案，所述系统包含:CO2激光光源，发射具有标称10.6微米波长的初始光束；光束调节光学系统，接收所述初始光束，从而形成已调节光束，所述已调节光束至少在第一方向上具有高斯分布的第一强度分布;第一光圈装置，可操作地设置于物平面，定义第一狭缝光圈，第一狭缝光圈在第一方向上截断第一强度分布以定义至少由50%的已调节光束所构成的第一透射光；中继光学系统，定义物平面也定义中间焦平面，第二光圈装置可操作地设置于中间焦平面，中继光学系统在所述中间焦平面处定义第二强度分布，第二强度分布具有中央峰及紧邻中央峰的第一