具改良温度表现的双光束雷射退火的制造方法与工艺

本发明关于用于半导体制造以形成集成电路的退火，特别是关于使用具有不同波长之双激光束以改善退火制程之温度表现的半导体晶圆的雷射退火。

背景技术：
传统奈秒雷射退火,例如雷射尖峰退火（LSA）已被广泛用于先进IC芯片制造，因其提供一超低热预算、高掺质活化以及超陡峭接面。在图案化晶圆上实施此种形式的退火的一个关键挑战在于潜在的大量晶圆内部温度不均匀性，其因IC芯片特征造成光学性质和热力学性质的空间变异所引起。此种负面效应称之为“图案密度效应”或简称为“图案效应”。在LSA的一个范例中，一红外光雷射导引具有一P-偏振且以接近或等于布鲁斯特角（Brewsterangle）之入射角入射至晶圆表面之一单一激光束，以最小化反射以及因此而引起的任何晶圆内温度不均匀性。红外光波长可减少源自于图案之光学干涉效应，因其具有相较于膜厚（例如1微米或更小的级数）之相对长的波长（例如10.6微米）。入射的布鲁斯特角已知为一表面之最大吸收角，且可最小化因为IC芯片特征，包含用于IC芯片制造过程中之各种不同的薄膜迭层，所引起的光线吸收。此种单光束处理在很多IC芯片以及电路布局上可以作用的非常良好。然而，对某些IC芯片特征以及对于包含大特征之布局来说，因为具有不同光学性质之两相邻区域之间的边界处的光学绕射所造成的温度超越（temperatureovershoot）已被观察到。其减少了可用来活化相邻区域中之掺质的最大退火温度。图1为具有晶圆体9以及晶圆表面12之先前技术硅晶圆10的剖面放大示意图。图1之晶圆10包含一特征，其为形成于晶圆体9内且相邻于晶圆表面12之氧化物区域（例，氧化物隔离垫）16。氧化物区域特征16在晶圆体9内定义一氧化物-硅接口17，且构成一例式的晶圆结构或特征。图2为标准化强度对距离x（μm）的曲线图，所述距离自界面17起算。该曲线图显示图1中晶圆10剖面，在根据先前技术之单激光束退火下的仿真光学强度分布。所述模拟使用波长为10.6μm，以接近或等于硅基板之布鲁斯特角θB(i.e.,θ≈θB≈75o)入射之P-偏振二氧化碳激光束LB（参照图1）。图2之强度曲线显示出十分强的强度波动出现在邻接于界面17之晶圆体9内。此种波动的周期性与激光束LB的入射角有关，且典型地为波长的一小部分。因为热扩散，晶圆部分内之相对应的温度分布比强度分布平滑，毫秒雷射退火之典型的热扩散长度为100μm。然而，在界面17的温度仍旧高于晶圆体9其他地方的温度。此种温度差异称之为边缘温度超越ΔTedge。此温度超越可能导致接近晶圆10之特征16处的边缘损伤。

技术实现要素：
本发明之概念包含使用分具不同波长之双激光束以执行雷射退火之系统与方法。本发明之其他概念使用具有相同波长但不同配置之双激光束，例如至少其中一者具有不同偏振，不同入射角以及不同入射平面。所述系统与方法改善在退火过程中的晶圆表面的温度不均匀性。对于退火温度因会产生滑动而受限的晶圆，本发明所述之双光束退火系统与方法可用以增加其不会导致滑动之最大退火温度。在半导体晶圆上之量测指出，晶圆表面反射率可能以晶圆表面位置与雷射波长、偏振、入射角以及入射平面方位等所构成之函数而巨大地改变。此处所记载之双波长退火处理在某些情况下可以明显补偿反射率差异且因而改善退火温度不均匀性，即使在个别IC芯片中。使用本系统与方法以改善芯片内部温度不均匀性（相较于传统单光束退火处理），当退火中的晶圆具有以在红外光波长下会导致高表面反射率之材料所形成之装置时特别有用。在此种情况，二激光束的强度比可以优化或可以以晶圆表面位置之函数来调整以达到最小光学吸收对比，进而使退火温度均匀性获得改善。因此，本发明之概念包含结合第一激光束与第二激光束以在集成电路制造中执行半导体晶圆之雷射退火之系统与方法。第一激光束为P-偏振之红外光激光束，其以等于或接近硅之布鲁斯特角（约75度）入射晶圆表面，第一激光束为一预热激光束，其加热晶圆表面至典型地约摄氏数百度内之一中间温度或者是目标尖峰退火温度。第二激光束可以是红外光，可见光或一UV激光束。第二激光束可以具有与第一激光束相同的波长，但必须具有不同的配置。所谓不同的配置例如不同的偏振、不同的入射角与不同的入射面等至少其中一者。如果第二激光束具有明显不同于第一激光束之波长，则其可具有实质相同的光束配置，也就是说可以位在相同的入射平面以极具有相同或接近的入射角。当然，第二激光束仍然可以具有与第一激光束不同的波长以及不同的配置。第二激光束可以自接近垂直于晶圆表面或与晶圆表面夹一大角度，例如布鲁斯特角θB或更大，等入射晶圆表面的任一处。第二激光束用以加热晶圆表面至一退火温度TA，在一范例中，其仅稍低于晶圆的熔化温度。在一范例中，第二激光束增晶圆表面温度在200°C与800°C之间。第一激光束与第二激光束个别地在晶圆表面形成第一线影像与第二线影像。在一范例中，第一线影像包围第二线影像，亦即第二线影像落在第一线影像之中。第一线影像与第二线影像同步地移过晶圆表面。所述移动可以藉由移动晶圆、移动线影像或藉由上述二者移动方式的结合。本发明之第二概念为结合双激光束以改善前述退火温度均匀性之方法，且更包含根据在预热波长及退火波长下的反射率地图来对晶圆表面的一部分执行退火。因此，本方法包含量测晶圆表面至少一部分的个别对于预热波长λ1与退火波长λ2的反射率，以获得第一反射率地图与第二反射率地图。然后，使用第一与第二反射率地图，所述方法也包含使用第一雷射光强度I1与第二雷射光强度I2对晶圆表面退火，其相较于使用单一雷射光退火可减少晶圆表面温度变异。在一实施例中，第一激光束强度I1以及第二激光束强度I2随着晶圆表面位置所构成之函数，以相较于仅使用单一激光束可减少或者最小化晶圆表面温度变异的手段而改变。本发明之第三观念定义二激光束的强度I1与I2以减少或缓和大特征附近的边缘损伤或者晶圆表面的滑动。在一范例中，第二激光束的强度I2透过对测试晶圆于第二强度之范围中执行实验来选择，并且建立与减少或最小化边缘损伤之一总量或一滑动产生温度阈值相链接之第二强度。边缘损伤的总量或者测试晶圆的滑动产生藉由检测来决定，例如藉由光学显微镜检测。本发明额外的特色和优点会进一步详述如后，其系所属技术领域中具有通常知识者根据以下详细说明、申请专利范围及所附图式所能容易理解或者是藉由实施本说明书的技术内容而能得知。虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神所作些许之更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。以下所提出的申请专利范围构成说明书的一部分，特别是构成以下提出的详细说明的一部分。附图说明图1为先前技术硅晶圆的剖面放大示意图，其包含形成于一晶圆体内且相邻于一晶圆表面之一氧化物区域，且显示一扫描退火激光束穿过晶圆表面；图2为标准化强度对距离之曲线图，所述距离系自图1之氧化物-硅接口处深入晶圆体内的长度，图中绘示了根据先前技术之雷射退火过程中之晶圆体局部内的仿真雷射光学强度分布，同时也显示了可能造成在氧化物区域边缘处的晶圆边缘损伤的边缘温度超越ΔTEDGE；图3为本发明一例示雷射退火系统之示意图；图4A为一例示雷射退火系统或一例示晶圆反射率量测系统之正视图，绘示了预热激光束（第一激光束-源系统）与退火激光束（第二激光束-源系统）之不同配置；图4B为根据图4A之一示意图，其绘示预热激光束之第一入射平面与退火激光束之第二入射平面，分别被定义为X-Z平面与Y-Z平面。图5A为一例示之形成于晶圆表面上的理想化预热及退火线影像俯视示意图；图5B与图5C为例示之预热线影像与退火线影像沿Y方向（图5B）与X方向（图5C）之强度曲线示意图；图5D绘示晶圆表面温度TS（°C）对时间（毫秒）的曲线图，也显示预热与退火激光束所产生之一典型晶圆表面温度曲线；图5E为一例示晶圆之俯视图，其包含一放大插图绘示包含IC芯片之晶圆表面之一例示区域RW，也包含一第二放大插图绘示IC芯片内之一例示晶圆特征（氧化物区域）；图6A与图6B系一例示晶圆表面之一部分之二维（x,y）灰阶反射率地图，其在预热波长λ1(图6A)以及退火波长λ2(图6B)下量测；图7A与图7B系分别根据图6A与图6B之反射率R对位置x（mm）（即一维反射率地图）的曲线图，其沿着白色虚线A-A’所绘制；图8A与图8B类似于图6A与图7A，显示了二维（x,y）反射率地图以及反射率对位置的曲线图（即一维反射率地图），其沿着根据10.6微米之红外线预热波长以及0.85微米（850nm）之退火波长之组合之一中心线所绘制；图9为一直方图，其比较了测试晶圆在三种不同布局区域下，使用传统单光束退火（白色长条）以及本发明之双光束雷射退火系统与方法（黑色长条）所观测出之边缘损伤阈值温度TDT；及图10为使用传统退火以及本发明之双光束雷射退火系统与方法所量测出之滑动阈值温度曲线图。具体实施方式兹以不同实施例与图式详细地说明本发明。各图式中，相同或相似的标号用以指相同或相似的组件。图式并非必然按照真正比例绘制，所属技术领域中具有通常知识者当可轻易理解图式仅在说明发明的关键概念。在某些图中，直角坐标轴系提供以作为参考之用，并非用以限制本发明所述之系统与方法于一特定方位。以下所提出之申请专利范围构成本说明书的一部分。在以下讨论中，“半导体基板”以及“晶圆”系同义字而可互换。类似的，“半导体晶圆表面”以及“晶圆表面”也是同义字而可互换，“晶圆表面”一词系为“半导体晶圆表面”一词的简写。例如在集成电路装置制造中，“晶圆”一词系“半导体晶圆”一词的简写。一例示的晶圆为硅晶圆。图3为本发明之一例示雷射退火系统（后称系统）100之示意图。图4A为一例示系统之正视图。图4A中的系统100也可以是晶圆反射率量测系统100RM，如下所讨论。请参照图3，系统100包含晶圆平台120，其可操作地支撑具有一上表面132之一载台130。晶圆平台120系设置以于X-Y平面移动以及可选择地于Z方向移动。载台之上表面132系设置以可操作地支撑一晶圆10，晶圆10具有一晶圆体9以及一平面11。平面11可操作地支撑一图案化晶圆表面12。晶圆表面12可具有任何与制造IC芯片或IC芯片特征之各个制程阶段有关的图案（例如，见以下会介绍与讨论之图5E中的晶圆特征16）。在一实施例中，载台130被加热以致于晶圆10可以被预热。晶圆平台120可操作地连接于一平台控制器124，且载台130可操作地连接于一载台控制器134。请参照图3与图4A，系统100也包含一第一光束源系统150，其在一例示例中被设置以产生具有一第一波长λ1之一第一光束168。在一实施例中，第一光束168为具有一第一强度I1之一激光束，且被用以预热晶圆表面12，其将晶圆表面温度TS加热至500°C至1100°C之范围中，上述温度低于约为1300°C之晶圆退火温度TA。在另一实施例中，系统100构成或者是被用作为一反射率量测系统100RM，且第一光束168系窄频光，位在用以退火之红外线处理波长的中心，且被用以量测如下所述之在第一波长λ1下之晶圆表面12之一第一反射率R1(x,y)。如以下所述，一开始系先导向雷射退火，接着才是反射率量测。为了方便，之后的第一光束源系统150均称为预热雷射系统150，且第一光束168也称为预热激光束168。一例示预热雷射系统150包含一预热雷射160以及一预热光学系统166，预热光学系统166定义一第一光轴A1。预热雷射160可包含一二极管雷射或二氧化碳雷射，例如一连续波（continuous-wave,CW）P-偏振10.6微米之二氧化碳雷射。轴A1可以被导向以使预热激光束168以一入射角θ1入射晶圆表面12，入射角θ1系在接近垂直（0度）至一大倾斜入射角，例如硅之布鲁斯特角，或者更大。在一实施例中，第一光轴A1具有实质上等于硅之布鲁斯特角之一角度θ1，因此前述来自于非均匀光吸收之图案密度效应被减少或最小化。预热光学系统166用以接收一初始预热激光束162，其由预热激光束168所形成。预热激光束168一般沿着第一（预热）光轴A1传播且在晶圆表面12上形成一第一（预热）线影像170。图5A为一例示之形成于晶圆表面12上的理想化预热线影像170之俯视示意图。图5B与图5C为例示之预热线影像沿Y方向（图5B）与X方向（图5C）之强度曲线170P示意图。强度曲线170P对应于在晶圆表面12之预热激光束168，且例如藉由强度高于一特定阈值强度ITH来定义预热线影像170。预热线影像170系显示为沿垂直于扫描方向（X方向）之长方向（Y方向）上具有一中心线或轴C1。如图5A之大箭头所指，预热线影像170以一速度VS在X方向上扫描。预热激光束168典型地在扫描方向上具有一高斯强度曲线，且在长度方向上（交叉于扫描方向）具有一相对平坦的轮廓。预热激光束168（用以形成预热线影像170）之一例示光束宽度W1（定义为高斯曲线之半强度全宽（FWHM））约在0.05mm至2mm之范围中。预热激光束168（用以形成预热线影像170）之一例示光束长度L1典型地在大约5mm至大约20mm之范围中。在一实施例中，预热激光束168的扫描及其相对应的预热线影像170具有一相关联的热扩散长度（距离）深入晶圆10内约30微米至约500微米之范围中。请再次参照图3与图4A，系统100也包含一第二光束源系统250，其产生一第二光束268。在一实施例中，第二光束268为具有强度为I2之一第二激光束，且用以对晶圆表面12上被预热激光束168（及可选择地被加热晶圆载台130）所预热的部分进一步加热，因而晶圆表面温度TS局部地上升且尖峰触及退火温度TA，在一范例中，退火温度恰好低于晶圆的熔点TMELT。第二光束268在以下的部分也称为退火激光束268。图5D绘示了在晶圆表面12上之一给定位置的晶圆表面温度TS（°C）对时间（毫秒）的曲线图，且显示了当光束经过该位置时，预热激光束168及退火激光束268所产生之典型晶圆表面温度曲线。温度T0为对晶圆表面12施加预热激光束168或退火激光束268前之基本晶圆表面温度。TPH为预热激光束168所产生之预热晶圆表面温度，ΔTS为退火激光束268所造成之从预热晶圆表面温度TPH至退火温度TA的表面温度增加量。图5D中的曲线图的数据根据在扫描方向上宽于退火激光束268之预热激光束168。这用以在退火激光束进一步加热晶圆表面至一退火温度TA前，预热晶圆至一中间（预热）温度。在另一实施例中，第二光束268为窄频光束，位在用以第二光束268之一处理（第二）波长λ2的中心，且被用以量测如下所述之在第二波长λ2下之晶圆表面12之一第二反射率R2(x,y)。如以下所述，一开始系先导向雷射退火，第二光束源系统250于后亦称之为退火雷射系统250且至少一第二光束268称之为退火激光束268，除非有特别注记。在一范例中，退火雷射系统250包含退火雷射260，其产生初始退火激光束262。第二光束268之第二波长λ2称之为退火波长，且可以是任何波长，其可再晶圆表面12被预热后加热晶圆表面12。例示退火波长包含红外线、可见光或紫外光波长。退火雷射系统250也包含一退火光学系统266，退火光学系统266沿一第二（退火）光轴A2，可操作地相对于退火雷射260而设置。一例示退火光学系统266包含一光束塑形光学系统266A，一折镜FM1、一可调光圈267、一投射光学系统266B以及选择性的另一折镜FM2。退火光学系统266系设置以接收来自于退火雷射260之初始退火激光束262并且进而形成退火激光束268。退火激光束268在晶圆表面12形成相对于预热线影像170之一第二（退火）线影像270，因而使前述退火发生。在一实施例中，第二（退火）光轴A2具有相对于晶圆表面12之一入射角θ2，其等于或接近硅的布鲁斯特角，虽然任何合理的入射角均可使用于第二光轴A2。在一实施例中，退火激光束268的强度I2被选择以升高晶圆表面12的温度200°C至800...