微腔室激光加工系统及使用局部化的工艺气体气氛的方法与流程

本公开涉及半导体衬底的激光加工，且特别涉及微腔室激光加工系统和使用局部化的工艺气体气氛的方法。

本文中提及的任何出版物或专利文献的全部公开内容可通过引用并入，包含：US2014/0151344，其标题为“Movable microchamber with gas curtain”，并且以下将其称为`344公开本，以及美国专利号5,997,963，其标题为“Microchamber”，并且以下将其称为`963专利。

背景技术：

在半导体制造技术中所使用的常规工艺腔室系统相对大且为静止的，且需填充比对于在半导体衬底上进行特别的工艺步骤实际所必要的多得多的反应物或气体。此外，一些气体物质为腐蚀性的而其它物质为有毒性的，因此优选使用最小量的这样的气体。

为此，已经开发了如公开于`344公开本及`963专利中的微腔室系统。该微腔室系统具有相对小体积的腔室(“微腔室”)而密封工艺气体于微腔室中，以用于加工。`963专利使用气帘来将微腔室密封免于外界环境，同时还允许半导体衬底相对于该微腔室移动，而对半导体衬底的表面进行激光加工。

在一些实例中，对于进行半导体衬底的激光加工，需要将氮纳入膜堆叠层(例如高k值的介电膜)中，例如用作晶体管器件中的栅极介电层，以取代常规的二氧化硅介电层。在常规的二氧化硅(SiO₂)栅极中，纳入氮来形成氮氧化物层增加了有效介电常数且作为抗掺杂剂扩散的阻挡。

氮氧化物膜的形成需要在氮以其单原子形式(N)而不是N₂(其相 对地难以离解)的存在下进行热退火。氮除了N₂外的一种来源是氨(NH₃)，其相对地容易离解而得到单原子N。令人遗憾的是，氨是有害的并且因而需要在加工的过程中被容纳。在这方面，会优选能在微腔室中激光工艺实际进行的局部化区域中容纳氨和类似工艺气体，同时工艺气体泄漏至周围环境的量低于特别的工艺气体可允许的百万分率(parts-per-million)的安全阈值。

技术实现要素：

本公开的一个方面是用于加工衬底的表面的微腔室系统。所述微腔室系统包含：顶部构件，具有至少一个光接入零件(optical-access feature)，对该至少一个光接入零件定尺寸以容纳激光束，该激光束在该衬底的该表面处形成激光线；可移动的平台组件，与该顶部构件间隔且相对于该顶部构件移动以限定腔室，该腔室具有中央区域和周边区域，该可移动的平台组件包含支撑该衬底的夹具；工艺气体供应器，容纳工艺气体且经由至少一个工艺气体管道可操作地连接至该腔室的该中央区域；帘气体(curtain-gas)供应器，容纳帘气体且经由至少一个帘气体管道可操作地连接至该腔室的该周边区域；和真空系统，通过至少一个真空管道可操作地连接至该腔室，该至少一个真空管道径向地位于该至少一个工艺气体管道与该至少一个帘气体管道之间，使得当该工艺气体和该帘气体分别流入该腔室的该中央区域和该周边区域时，局部化的工艺气体气氛在该腔室的该中央区域中形成，且该帘气体的气帘在该腔室的该周边区域中形成。

本公开的另一个方面是如前述的微腔室系统，进一步包含激光源，该激光源形成该激光束，其中该激光源可操作地布置于该腔室外，并且相对于该光接入零件。

本公开的另一个方面是如前述的微腔室系统，其中该帘气体由选自下列气体所组成的群组中的一种或多种气体所组成：氮、氩、氦和氖。

本公开的另一个方面是如前述的微腔室系统，其中该工艺气体是 选自下列气体所组成的群组中的一种或多种气体：NH₃、N₂O、NO₂和H₂/N₂组合物。

本公开的另一个方面是如前述的微腔室系统，其中该工艺气体由氨和水蒸气组成。

本公开的另一个方面是如前述的微腔室系统，其中该至少一个帘气体管道包含帘气体管道的径向布置的阵列，该帘气体管道贯穿该顶部构件，其中该至少一个真空管道包含真空管道的径向布置的阵列，该真空管道贯穿该顶部构件，且其中真空管道的该径向布置的阵列与帘气体管道的该径向布置的阵列同轴且位于帘气体管道的该径向布置的阵列中。

本公开的另一个方面是激光加工衬底的表面的方法，该衬底可移动地支撑在微腔室系统的腔室中。该方法包含：提供工艺气体至该腔室的中央区域，该中央区域包含该衬底的该表面；提供帘气体至该腔室的周边区域，该周边区域包含该衬底的该表面；提供真空至该腔室的区域，该区域介于该腔室的该中央区域与该周边区域之间，其中该真空移除工艺气体和帘气体，由此邻近于该腔室的该中央区域中的该衬底的该表面且邻近于该腔室的该周边区域中的该帘气体的气帘形成局部化的工艺气体气氛；和采用形成激光线的激光束穿过该局部化的工艺气体气氛照射该衬底的该表面，以在该衬底的该表面上执行激光工艺。

本公开的另一个方面是如前述的方法，进一步包含：相对于该激光束移动该衬底，使得该激光线在该衬底的该表面上方扫描。

本公开的另一个方面是如前述的方法，其中该工艺气体包含氨。

本公开的另一个方面是如前述的方法，其中其中该工艺气体由氨和水蒸气组成。

本公开的另一个方面是如前述的方法，其中该工艺气体是基于氮的，且其中该激光工艺在该衬底的该表面上形成基于氮化物的氧化物膜。

本公开的另一个方面是如前述的方法，其中该工艺气体选自下列 气体所组成的群组：NH₃、N₂O、NO₂和H₂/N₂混合物。

本公开的另一个方面系如前述的方法，其中该帘气体由选自下列气体所组成的群组中的一种或多种气体所组成：氮、氩、氦和氖。

将在下列的详细说明中提出额外的特征和优点，且本领域技术人员将自该描述而易于得知部分特征和优点，或通过实践如所撰写的其说明书和权利要求书以及附图中所述的实施方案来认知部分特征和优点。应了解的是，以上的一般描述和下列的详细说明两者仅是示例性的，且旨在提供用于了解权利要求的属性和特性的概述或框架。

附图说明

包括附图以提供进一步的理解，并将其结合至本说明书中并构成说明书的一部分。附图描述了一种或多种实施方案，并与详细说明一起用于解释各种不同实施方案的原理和操作。如此，将根据下文结合附图的详细说明而更加全面地理解本公开，其中：

图1为根据本公开的包含喷嘴系统的微腔室系统的示例性实施方案的示意性横截面图(在X-Z平面中)；

图2为显示示例性光接入零件的微腔室系统的自顶向下视图(如在X-Y平面中看到的)；

图3为微腔室系统取自X-Z平面中的横截面视图；

图4为图3的微腔室系统的横截面的特写图，其显示本公开的喷嘴系统且还显示工艺腔室的中央区域中由喷嘴系统形成的局部化的工艺气体气氛；

图5为在衬底的表面上形成的激光线的自顶向下视图，并显示激光线移动(扫描)方向(箭号SD)，其由晶片移动方向(箭号WD)所限定；

图6为不具有顶部构件的微腔室系统的特写的自顶向下视图，显示在由在工艺腔室的周边区域中形成的气帘所围绕的工艺腔室的中央区域中形成的局部化的工艺气体气氛；和

图7为具有通过根据本文公开的系统及方法在局部化的工艺气体 气氛中执行激光加工而在衬底的表面上形成的膜的衬底的侧视特写图。

详细说明

现请参考本公开的各个不同的实施方案，在附图中说明了其实施例。只要可能，在所有图式中相同或相似的标记数字和符号用于意指相同或相似的部件。图式并非按比例绘示，且本领域技术人员将理解图式已经被简化以说明本公开的重要方面。

以下所提出的权利要求被纳入并构成该详细说明的一部分。

在一些图式中为了参考而示出卡式坐标，其并不旨在关于方向或取向进行限制。

图1为微腔室系统(“系统”)10的示例性实施方案的示意性横截面图(在X-Z平面中)，而图2为系统10的自顶向下视图(如在X-Y平面中看到的)。图3和4为如在X-Z平面中看到的系统10的实例的更详细的横截面图。系统10具有在Z方向延伸的Z中心线CZ。系统10位于可包含空气或至少一种反应性气体例如氧的周围环境8。其还可包含非反应性气体(例如氖或氩)或稳定的气体(例如氮)。

系统10包含顶部构件20，顶部构件20具有充气室21，充气室21具有上表面22、下表面24和外缘26。顶部构件20沿着Z中心线CZ包含或支撑工艺上部结构(process superstructure)28于上表面22上的充气室21上，上部结构28支撑各种气体管线以及如下所述的一个或多个光接入零件。在一个实例中，充气室21的形状通常为矩形或圆柱形，具有平行的上表面22和下表面24。

在一个实例中，采用冷却系统(未示出)冷却顶部构件20。在一个实例中，顶部构件20包含至少一个光接入零件30，其允许源自激光源42的至少一个激光束40通过顶部构件20。在一个实例中，至少一个光接入零件30包含直线通道或孔。在一个实例中，光接入零件30可包含至少一个窗(window)以防止腔室70与周围环境8之间的气体交换。在例如图4所示的一个实例中，光接入零件30通过充气室21和工艺上部结构28两者且包含显著传送激光束40的窗31。

系统10还包含下部构件60，下部构件60限定或支撑夹具61，或 者下部构件60围绕夹具61。夹具61具有上表面62、下表面64和外缘66。夹具61的形状通常为圆柱形且以Z中心线CZ为中心，并且具有的上表面62邻近且平行于充气室21的下表面24。夹具61的上表面62与充气室21的下表面24间隔从50微米至2mm的范围内的距离D1，由此限定具有高度D1的腔室70。通过举例，在图1中显示夹具61为下部构件60的一部分。在例如图3中所示的其它实例中，夹具61可为分离的装置，并且下部构件60形成围绕圆柱形夹具61的环状构件或裙状物(skirt)。箭号AR、AL指出下部构件60和夹具61可在x方向上一起移动，分别到右边(+x方向)和到左边(-x方向)。

夹具61的上表面62经配置以支撑半导体衬底(“衬底”)50，衬底50具有上表面52、下表面54和外缘56。在一个实例中，衬底50为硅晶片。衬底50可为已历经加工以产生半导体器件并且可进一步通过激光束40进行加工的产品晶片。在一个实例中，夹具61可被加热，并且在进一步的实例中，夹具61经配置以加热衬底50至最高达约400℃的(晶片)温度T_w。在一个实例中，至少一个激光束40包含一个或多个工艺激光束，即可在衬底50中进行激光工艺以形成例如膜300(例如如下所记载与图7相关的基于氮的介电膜)的一个或多个激光束。

在一个实例中，夹具61和下表面60经由可移动的平台120的移动而为可移动的(参照图3)，可移动的平台120支撑下部构件60和夹具61。可移动的平台120可操作地连接至定位器126，此定位器126经配置以引起可移动的平台120移动和如果需要时将可移动的平台120定位，同时还追踪可移动的平台120相对于参考位置的位置。下部构件60、夹具61和可移动的平台120的组合限定平台组件130。

在一个实例中，可移动的平台120和夹具61被集成以形成单组件件或双组件可移动夹具中的任一者，其可操作地连接至定位器126。顶部构件20在X方向上足够长以用于夹具61相对于顶部构件20移动，使得激光束40可通过扫描衬底50的上表面52上方由激光束40形成的激光线44来曝光衬底50的整个上表面52。在一个实例中，激光线 44为静止的并且通过在激光线44之下移动衬底50来执行扫描。图5为在衬底50的上表面52上形成的示例性激光线44的自顶向下视图。当衬底50在晶片方向WD上移动时，激光线44在扫描方向SD上在衬底50的上表面52上方扫描。

再次参照图1、3和4，系统10还包含工艺气体供应器200。工艺气体供应器200经由一或多个顶部工艺气体管道204T来提供工艺气体202至腔室70的中央区域70C，一个或多个顶部工艺气体管道204T贯穿顶部构件20。在一个实例中，工艺气体202是基于氮的。基于氮的工艺气体的实例包含氨(NH₃)、NO₂、N₂O和H₂/N₂混合物(例如，4％的H₂)，而帘气体212的实例可由一种或多种惰性气体所组成，例如氖、氩、氦及氮。在一个实例中，本文公开的系统和方法能够使用H₂/N₂气体混合物，其中H₂的浓度大于4％，因为如下所述的使用和良好容纳如此少量的工艺气体。

系统10还包含第一帘气体供应器210，第一帘气体供应器210经由一个或多个顶部帘气体管道214T提供帘气体212(图3)至腔室70而至周边区域70P，一个或多个顶部帘气体管道214T贯穿顶部构件20。帘气体212的实例包含氮、氩、氦和氖中的一者或多者。

系统10还包含真空系统220，真空系统220经由贯穿顶部构件20的顶部真空管道224T与腔室70连通。系统10还可包含额外的帘气体供应器210，额外的帘气体供应器210经由贯穿下部构件60的一个或多个下部帘气体管道214B提供帘气体212至腔室70而至腔室70的周边区域70P，且一个或多个下部帘气体管道214B位于自顶部帘气体管道214T径向往外。系统10还可包含第二真空系统220，第二真空系统220经由下部真空管道224B与腔室70连通，下部真空管道224B贯穿下部构件60或者以其它方式形成于下部构件60中，并且下部真空管道224B位于顶部帘气体管道214T与下部帘气体管道214B之间的径向距离处。在一个实例中，系统10仅使用一个帘气体供应器210和一个真空系统220，其可操作地连接至顶部帘气体管道214T和下部帘气体管道214B以及顶部真空管道224T和下部真空管道224B。

在一个实例中，上述的一些或所有的管道由通过顶部构件20或下部构件60中的任一者的一个或多个通道所限定，且可由位于夹具61与下部构件60之间的一个或多个空间或间隙所限定。在一个实例中，顶部帘气体管道214T和下部帘气体管道214B以及顶部真空管道224T和下部真空管道224B各自由径向布置的管道的阵列所构成，如图6所示(介绍及讨论如下)。工艺气体供应器200和顶部工艺气体管道204T、帘气体供应器210和顶部帘气体管道214T及下部帘气体管道214B以及真空系统220和顶部真空管道224T及下部真空管道224B限定用于系统10的喷嘴系统230。

腔室70的周边区域70P中的帘气体212的流动与使用顶部真空管道224T施加真空的作用组合，形成了由帘气体212组成的气帘216，并且气帘216围绕中央区域70C。经过下部帘气体管道214B的帘气体212的流动以及经过下部真空管道224B的真空的施加，通过产生帘气体212的向内和向外两者的流动而用于进一步限定气帘216。

同时，工艺气体202经由一个或多个顶部工艺气体管道204T注入腔室70的中央区域70C中，于是工艺气体202径向地朝外散布直至其遭遇气帘216的最内部位置。在帘气体212的注入处与注入工艺气体202的中央区域70C之间施加的真空的作用，连通周边区域70P中的气帘216，用于在过量的工艺气体202可径向地向外散布入周边区域70P中之前将其从腔室70中抽离。

使用喷嘴系统230的以上工艺限定腔室70的中央区域70C中的工艺气体202的局部化的工艺气体气氛202A，其中发生衬底50的上表面52的激光加工。局部化的工艺气体气氛202A具有的压力基于工艺气体供应器200将工艺气体202以多快的速度和多大的量供给到腔室70的中央区域70C中。

图6为不具有顶部构件20的系统10的自顶向下视图，显示围绕气帘216的局部化的工艺气体气氛202A的形成。图6显示在衬底50的上表面52上形成的示例性激光线44，其在工艺气体202的存在下进行衬底50的上表面52的激光加工有关的局部化的工艺气体气氛 202A中。在图6中还显示顶部构件20的顶部真空管道224T和顶部帘气体管道214T的示例性配置。在该示例性配置中，顶部真空管道224T和顶部帘气体管道214T径向布置且同轴，且顶部真空管道224T径向地位于顶部帘气体管道214T中。

在一个实例中通过相对于充气室21移动平台组件130来进行衬底50的上表面52的激光加工，使得激光线44在衬底50的上表面52上方扫描，同时在局部化的工艺气体气氛202A中照射衬底50的上表面52。

图7为在工艺气体202的存在下经由激光加工而具有在衬底50的上表面52上形成的膜300的衬底50的侧视特写图。在一个实例中，工艺气体202包含氨，其离解为N原子和H原子。N原子随后用于激光工艺，以形成基于氮化物的膜300。在一个实例中，工艺气体202包含氨和水蒸气(H₂O)或由氨和水蒸气组成，水蒸气提供氧以在衬底50的上表面52上形成基于氮化物的氧化膜300。

值得注意的是，工艺气体202流入腔室70的中央区域70C中接着经由位于从更中央的顶部工艺气体管道204T径向向外的顶部真空管道224T流出腔室70。工艺气体202的这种流动起到用工艺气体202补充局部化的工艺气体气氛202A的作用。顶部真空管道224T的位置限定局部化的工艺气体气氛202A的尺寸(即，径向范围)。

值得注意的是，在一个实例中，帘气体216执行两个主要的功能。第一功能为显著地容纳工艺气体202在腔室70的中央区域70C中以限定局部化的工艺气体气氛202A，在局部化的工艺气体气氛202A中可在工艺气体202的存在下对衬底50的上表面52进行激光加工。第二主要的功能为防止形成局部化的工艺气体气氛202A的大量工艺气体202径向地朝外溢散而穿过腔室70的周边区域70P并且随后到达周围环境8。在一个实例中，形成气帘216，使得任何成功溢散至周围环境8中的工艺气体202的浓度低于安全阈值量或安全阈值浓度，例如，不超过以百万分率(ppm)可测量的痕量的工艺气体202。在使用氨作为工艺气体202的一个实例中，安全阈值量或安全阈值浓度可为35 ppm的OSHA允许暴露上限(permission exposure limit；PEL)或25ppm的NIOSH推荐暴露上限(recommended exposure limit；REL)的任一者。

本公开的一个方面是激光加工衬底50的上表面52的方法，衬底50可操作地支撑在系统10的腔室70中。所述方法包含提供工艺空气202至腔室70的中央区域70C，其中中央区域70C包含衬底50的上表面52。所述方法还包含提供帘气体212至腔室70的周边区域70P，其中周边区域70P还包含衬底50的上表面52。所述方法还包含提供真空至腔室70的区域(即于其中形成真空)，此区域介于腔室70的中央区域70C与周边区域70P之间。真空将工艺气体202和帘气体212移除，由此邻近于腔室70的中央区域70C中的衬底50的上表面52且邻近于腔室70的周边区域70P中的帘气体212的气帘216形成局部化的工艺气体气氛202A。所述方法进一步包含采用形成激光线44的激光束40穿过局部化的工艺气体气氛202A照射衬底50的上表面52，以在衬底50的上表面52上执行激光工艺。在一个实例中，工艺气体202基于氮，且激光工艺在衬底50的上表面52上形成基于氮化物的氧化物膜300。

对于本领域技术人员来说将明显的是，可以在不背离如在所附权利要求中限定的本公开的精神或范围的情况下做出对于本文描述的本公开的优选实施方案的各种不同的改变。因此，本公开覆盖改变和变化，只要它们落入所附权利要求及其等价物的范围内。