具有超短停留时间的激光退火系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本申请要求2014年12月17日提交的美国临时专利申请N0.62/092，925的优先权，该申请在此处通过引用并入。
[0002]本公开大体涉及退火，所述退火在半导体制造中使用以制造集成电路和内存设备，并且尤其涉及具有超短停留时间的激光退火系统及方法。
[0003]本发明中所引述的任一与全部参考文件均通过参考并入，包含有:美国专利N0.8，309，474;美国专利N0.8，546，805 ;美国专利N0.8,865,603；和美国专利申请N0.14/497，
006。
【背景技术】
[0004]传统的纳秒脉冲式激光熔化退火(“传统的熔化激光退火”)提供了对先进的集成电路(IC)芯片制造而言理想的超低热预算、高掺杂剂活化及超陆峭结(super abruptjunct1n)。然而实际上，因为来自IC芯片中的光学与热学性质在空间中的变化所造成的大量的温度不均匀性，前述类型的退火难以实施在图案化的半导体晶片上。这些不良效应在所属技术领域中被称为“图案密度效应”。
[0005]美国专利N0.8,309,474描述一种技术，在该技术中利用混合式熔化或非熔化的装置，用第一扫描激光束均匀地预热基板至接近熔化的状态。然后使用发射具有光脉冲的光束的第二激光将退火区域温度提升至熔化温度达较短时间，这可使熔化区域能迅速再结晶。此方法的优点为脉冲式激光与图案化基板间的相互作用所造成的温度非均匀性显著地被减轻。然而，此方法的缺点是来自脉冲间重复性的需求及脉冲式激光图像均匀性的限制，并且此方法需要相对较长、在100微秒至20毫秒的范围间的停留时间，因此更为加剧上述的问题。
[0006]美国专利N0.8，865，603描述一种退火系统，其中扫描连续波(CW)激光束用于执行背侧激光加工，其停留时间是在I微秒至100微秒的范围间。此方法的优点是，光束稳定性远好于1%，而在半导体晶片处的光束均匀性是由已充分了解的高斯分布所定义。可惜的是，该方法所要求的功率及停留时间均太大，而无法使熔化的基板得以快速地再结晶。
【发明内容】
[0007]本发明是公开以1ns至500ns或25ns至250ns的范围间的超短停留时间退火半导体晶片的激光退火系统及方法。所述的激光退火系统是利用两种激光束-即预热激光束与扫描激光束，分别形成预热线图像与退火图像，并共同定义重叠区域。退火图像的长维度L2是沿预热线图像的短维度Wl的方向。设定长维度L2本质上大于短维度Wl(例如，2至4倍之间)，可使校正预热线图像与退火图像变得相对容易。预热激光束为操作于红外线的连续波(CW)光束，而扫描激光束为连续波(CW)光束，或准连续波(QCW)光束。扫描激光束在半导体晶片的表面上相对于预热线图像足够快速地扫描，使停留时间在前面提及的范围内。这些超短停留时间有利于执行产品晶片的熔化退火，因其能防止设备结构发生回流(reflow)。在示例中，扫描激光束的连续波(CW)与准连续波(QCW)的特性能避免与基于脉冲的激光退火系统有关的脉冲间均匀性的问题，该基于脉冲的激光退火系统仅用一个或数个光脉冲来执行退火。此外，因准连续波激光束没有本质上的光束整形(beam shaping)的需要，因此可避免不良的斑点效应。
[0008]本发明所公开的一个方面是一种退火半导体晶片的方法，该半导体晶片具有图案化的表面，该图案化的表面具有晶片表面或次表面温度Ts与表面或次表面熔化温度Tm。该方法包含:使用预热激光束形成预热线图像于图案化的表面上，预热线图像被设置以加热一部分的图案化的表面至预退火温度Τρα，预退火温度Tpa是在(0.5).Τμ<Τρα< (0.9).Tm的范围间，其中预热线图像具有长度LI及宽度Wl，长度LI是在5mm至20mm的范围间；使用扫描激光束形成退火图像于半导体晶片的表面上，使退火图像重叠于一部分的预热线图像以定义扫描重叠区域，退火图像具有长度L2与宽度W2，长度L2在100微米至500微米的范围间，宽度W2在10微米至50微米的范围间，其中该长度L2 2 2.Wl，且长度LI与L2是以正交方向被测量;且其中退火激光系统包括扫描光学系统，该扫描光学系统相对于所述预热线图像扫描退火图像，使得扫描重叠区域具有停留时间td，该停留时间Td在1ns < Td < 500ns的范围间，且在扫描重叠区域内局部地将晶片表面或次表面温度Ts从预退火温度Tpa升高至表面或次表面熔化温度Tm。
[0009]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中停留时间Td是在25nsStd <250ns的范围间。
[0010]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，所述方法还包含通过以准连续波(QCW)的操作模式来操作退火激光以形成扫描激光束，准连续波(QCW)的操作模式是产生光脉冲，其中扫描重叠区域所通过的半导体晶片的表面上的每一点接收至少五个光脉冲。
[0011]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中准连续波的操作方式具有10MHz或更大的重复率。
[0012]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中通过将初始激光束从退火激光导向至旋转多面镜来形成扫描激光束。
[0013]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中预热激光束具有红外线波长，且扫描激光束具有可见波长。
[0014]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中可见光波长为532nm，且是通过倍频红外线光纤激光而形成。
[0015]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，所述方法还包含于扫描重叠区域内测量半导体晶片的表面的温度，且利用所测量到的半导体晶片的表面的温度控制预热激光束与退火激光束的至少其中一个的光功率量。
[0016]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中测量半导体晶片的表面的温度包含从扫描重叠区域测量辐射率。
[0017]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中半导体晶片包含硅(Si)与锗(Ge)，且锗位在硅层之下。
[0018]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，所述方法还包含:a)使用扫描光学系统，沿退火扫描方向而从起始位置至完成位置扫描该激光图像，起始位置位于预热线图像的近端，完成位置位于预热线图像的远端;b)当退火图像抵达完成位置时，关闭扫描激光束;C)移动预热线图像至半导体晶片的表面的新位置;d)当退火图像能被导向至起始位置时，重新开启扫描激光束;及重复动作a)至动作d)以在半导体晶片的整体表面上扫描扫描重叠区域。
[0019]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中动作c)包含以预热扫描方向连续地移动预热线图像，预热扫描方向是正交于退火扫描方向。
[0020]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中关闭扫描激光束包含以声光调制器遮挡扫描激光束。
[0021]本发明所公开的另一方面是如上所述的方法，其中预热线图像加热半导体晶片的表面或次表面至(0.6).Tm< Tpa< (0.8).Tm范围间的预退火温度TPA。
[0022]本发明所公开的另一方面是一种用于退火具有图案化的表面的半导体晶片的系统，图案化的表面具有晶片表面或次表面温度Ts与表面或次表面熔化温度Tm，该系统包含:形成预热激光束的预热激光系统，预热激光束于图案化表面上形成预热线图像，预热线图像被设置以加热一部分的图案化的表面至预退火温度Τρα，预退火温度Tpa是在(0.5).Tm <ΤΡΑ< (0.9).Tm的范围间，其中预热线图像具有长方向与窄方向，预热线图像沿长方向具有在5mm至20mm的范围间的长度LI，沿窄方向具有宽度Wl;形成扫描激光束的退火激光系统，扫描激光束于半导体晶片的表面上形成退火图像，使退火图像重叠于一部分的预热线图像以定义扫描重叠区域，退火图像具有长方向与窄方向，退火图像沿长方向具有在100微米至200微米的范围间的长度L2，沿窄方向具有在10微米至25微米的范围间的宽度W2，其中长度L22 2 -Wl，且其中长度LI与L2是以正交方向被测量;及其中退火激光系统包含扫描光学系统，扫描光学系统相对于预