專利名稱：硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置和方法
硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置和方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)范圍，特別涉及在半導(dǎo)體晶圓片進行激光退火過程中 引入多梯度溫度場的一種硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體制造過程中，為了調(diào)節(jié)硅片表面局部區(qū)域的導(dǎo)電特性，廣泛采用離子注 入技術(shù)，對硅片表面的特定區(qū)域進行雜質(zhì)摻雜。離子注入之后，由于所摻雜雜質(zhì)原子處于硅 晶格中缺陷的狀態(tài)，一般需要進行退火的處理，一方面消除摻雜對于半導(dǎo)體材料晶格造成 的損傷，另一方面能夠有效地激活摻雜雜質(zhì)。
傳統(tǒng)的退火采用熱作用的方式進行，例如將待退火的硅片放置于高溫爐管中的常 規(guī)熱退火方式。熱退火工藝的一項缺點在于雜質(zhì)在高溫下的再擴散；為了限制摻雜雜質(zhì)的 再擴散，一般會采用限制熱作用時間的退火技術(shù)；圖1列出了幾種常見的快速熱退火的實 現(xiàn)方案，分別是短時間的快速熱退火1，更短作用時間的熱沖擊退火2，激光脈沖退火3，和 進行輔助性加熱的激光退火4。不同的快速退火技術(shù)，在硅片中造成的溫度分布是不同的， 其中快速熱退火1和熱沖擊退火2，在硅片中造成比較均勻的溫度分布5，激光脈沖退火3 可在硅片中造成溫度分布6，特點為，表面很淺的局部溫度很高，但離開表面進入到硅片深 處，則溫度維持在比較低的水平，熱輔助激光退火4，在硅片中造成溫度分布7，與溫度分布 6相比較而言，硅片內(nèi)部的溫度并不是太低，因而改善了硅片整體的溫度梯度狀況。比較上 述幾種退火可以看出，過高的溫度差所帶來的主要的問題，是它能夠破壞硅片表面的形貌， 使得硅片表面出現(xiàn)微小的裂紋、表面微觀的起伏/不平整等。
與本發(fā)明申請有關(guān)的另一項技術(shù)背景內(nèi)容，涉及到半導(dǎo)體材料對于退火激光的光 吸收特性；該特性不僅會影響“激光-半導(dǎo)體材料作用的模式”，也會進一步導(dǎo)致激光器、退 火裝置光路、機械部件等方面的不同方案選擇，以及工藝效果的不同，所以需要在此提及。
圖2描繪出了典型半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)曲線。由圖2可見，當(dāng)入射光波長小 于紅外吸收限9時，存在較大的吸收。對于硅材料來說，紅外吸收限在1. Iym波長附近，對 應(yīng)于載流子從價帶向?qū)У能S遷。在波長10 μ m附近的遠紅外區(qū)域，也存在一個吸收峰，它 對應(yīng)于光學(xué)支聲子的吸收。
隨著半導(dǎo)體電子器件尺寸的不斷縮小，器件的有源區(qū)域逐漸地更靠近于硅片的淺 表面或者極淺表面，對于這樣的器件的退火處理，要求在摻雜雜質(zhì)有效激活的同時，盡可能 地降低熱效應(yīng)的影響，盡可能地減小摻雜雜質(zhì)在熱驅(qū)動下的擴散和再分布，因此希望采用 激光退火技術(shù)3或者熱輔助的激光退火技術(shù)4，并在硅片中造成曲線6或者曲線7那樣的溫 度分布，也就是令激光能量在硅片的淺表面處就被完全吸收，在激光輻照到硅片表面的短 時間內(nèi)，熱量和高溫區(qū)僅限制在硅片的淺表面，有效地退火和激活摻雜雜質(zhì)。至于硅片表面 以下的更深處，并不希望從入射的激光束中吸取能量，因為此處無摻雜雜質(zhì)，不需要退火的 處理。
結(jié)合圖2半導(dǎo)體材料的吸收特性可見，本發(fā)明針對小尺寸半導(dǎo)體器件中的淺結(jié)和超淺結(jié)進行退火處理，具體地說，源漏或其他PN結(jié)的結(jié)深均要小于lOOnm，這樣條件下的激 光退火處理，需要利用到波長小于半導(dǎo)體材料紅外吸收限的短波長、高能量的激光光束，因 為只有這樣的光束作用，才能夠提供較大的吸收系數(shù)，使得激光能量能夠在圓片的極淺表 面處被完全吸收。具體而言，本發(fā)明所涉及的激光波長均小于1. 1 μ m，根據(jù)具體器件中PN 結(jié)的結(jié)深，可選擇可見光波段，紫外、深紫外波段的激光光束等。
在一些傳統(tǒng)的激光退火方案中，采用二氧化碳連續(xù)波激光器作為主退火作用的激 光，波長在10. 6μπι附近的中、遠紅外波段。由于考慮吸收機制，吸收效率，退火或者熱處理 作用的目標(biāo)及最終的工藝效果，本發(fā)明與采用到二氧化碳激光器的技術(shù)均存在著較大的差 異，因此本發(fā)明的內(nèi)容將不會與此類傳統(tǒng)技術(shù)相沖突。
本發(fā)明申請，與激光退火有關(guān)，并且著重于處理和進一步改善硅片作為一個整體 的片內(nèi)的溫度梯度分布，使得在硅片的極淺表面處相對于硅片內(nèi)部不存在過高的溫度差， 從而可以改善退火的效果。本發(fā)明所說的激光退火，除了在激光波長方面有一定的范圍限 定之外，在激光光束方面，專指光束截面或者束斑為矩形的激光，對于矩形的激光光斑內(nèi)， 要求光場分布均勻。本發(fā)明所說明的內(nèi)容，不與已有的采用線形光束的激光退火技術(shù)相沖 突。所說的矩形束斑，系指矩形形狀，寬長比大于1/7，一般而言，至少是矩形的長度要與硅 片上分布的芯片尺寸相當(dāng)，在厘米量級。所說的線形光束，舉例來說，長度在幾毫米量級或 更長，寬度在1毫米以下，至少是寬度值，遠遠小于芯片的尺寸。
鑒于當(dāng)前主流的硅片尺寸為200毫米，300毫米，將來還可能會更大，但退火的激 光光束，特別是本發(fā)明所涉及的紫外、深紫外光束，由于擴束很困難，目前技術(shù)還無法做到 形成大光場，光束的束斑很難覆蓋整個的硅片，所以激光對于硅片的退火，只能是一個局 部、一個局部地進行，采用掃描或者步進的方式。
普通的激光退火技術(shù)3，采用高強度的激光，對圓片表面進行瞬時的作用，這將會 在襯底材料表面處引起較大的熱應(yīng)力，對于加工質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響，所以人們也采用對 襯底材料預(yù)加熱的熱輔助激光退火4，來減輕熱應(yīng)力的影響。對襯底材料進行輔助性加熱， 一般采用電爐加熱的方式，從圓片的背面進行，對圓片整片進行加熱。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置和方法，該激光退 火的裝置在光學(xué)處理系統(tǒng)14的兩邊分別水平放置退火激光源13和全反射鏡，襯底圓片16 載于承片臺15上，全反射鏡將經(jīng)過光學(xué)處理系統(tǒng)14處理形成大束斑的退火激光束19反射 后，垂直入射到承片臺15上面的襯底圓片16之上，另外采用一個輔助性加熱的光源20產(chǎn) 生輔助性加熱光束17斜入射到襯底圓片16的表面，載片臺15內(nèi)部裝置的加熱源18用于 形成晶圓片本底溫度區(qū)域，載片臺15內(nèi)部安裝用于形成晶圓片本底溫度區(qū)域的輔助加熱 源18以及裝置自動化運行的計算機控制系統(tǒng)；其特征在于，由退火激光束19、斜入射到襯 底圓片16表面的輔助性加熱光束17和載片臺15內(nèi)部安裝的輔助加熱源18在半導(dǎo)體晶圓 片激光退火過程中形成多梯度溫度場；
所述的退火激光光源13，波長至少在材料的紅外吸收限以內(nèi)，對于超淺結(jié)制作，波 長限定為在400nm以下；
所述的光束處理系統(tǒng)14，主要的功能是將激光器13出射的光束進行擴束、對光束整形、光場均勻化，最終得到作用于半導(dǎo)體晶圓片16表面之上的大束斑的退火激光光束 19 ；
所述的半導(dǎo)體晶圓片16，放置于載片臺15之上，并且隨載片臺15相對于退火激光 束19進行掃描或者步進方式的移動。
所述的多梯度溫度場為在半導(dǎo)體晶圓片中造成3個不同溫度區(qū)域，這三個溫度區(qū) 域分別由不同的能量源提供升溫?zé)崃?，其中退火激光光?9用于形成硅片淺表面處的高 溫區(qū)域10，輔助加熱光束17用于形成包含高溫區(qū)域10在內(nèi)的次高溫區(qū)域11，載片臺15內(nèi) 部安裝的輔助加熱源18用于形成晶圓片本底溫度區(qū)域12 ；隨著晶圓片相對于退火激光束 19的掃描或者步進式的移動，激光束19和輔助加熱光束17將移動通過晶圓片的整個表面， 因此高溫區(qū)域10和次高溫區(qū)域11，在不同的時間是處于晶圓片表面不同的局部位置的。
所述的退火激光束19，其作用在于對晶圓片摻雜雜質(zhì)進行退火，即便是不附加其 他輔助性的措施，該光束也能夠獨立完成退火的作用。
所述的輔助加熱光束17為普通光源或激光光束，對于半導(dǎo)體材料晶圓片的透入 深度大于退火激光光束19，并且具備一定的功率，能夠在掃描通過晶圓片表面特定區(qū)域的 短時間內(nèi)，令該區(qū)域獲得一定量的溫度提升。
所述的輔助加熱光束17和輔助加熱源18，分擔(dān)和協(xié)同地完成總的輔助加熱溫升 目標(biāo)。
所述退火激光光源19和輔助加熱光源17，采取但不限于退火激光束正入射、輔助 加熱光束斜入射到晶圓片表面的方式。
所述片內(nèi)多溫度場的激光退火方法能夠減小晶圓片所承受的熱梯度應(yīng)力，具有更 好的退火效果，該方法的具體步驟如下
1)將襯底圓片16載于承片臺15上，被加熱源18所加熱；
2)調(diào)整輔助加熱光束17，使光束斜入射到襯底圓片的表面，總的輔助加熱量是要 令晶圓片表面的局部區(qū)域11的溫度控制在200 600°C ；總的升溫量，由輔助加熱光束17 和加熱源18分擔(dān)，例如輔助加熱光束造成200°C的升溫，而加熱源18造成250°C的升溫，二 者共同造成450°C的升溫；
3)調(diào)整光束處理系統(tǒng)，改變激光束19的矩形束斑的大小，使其長度等于或略大于 一個或若干個芯片的面積，而寬度至少取為長度的1/7 ；
4)承片臺15在退火激光19所形成矩形束斑的寬度方向上掃描，如果矩形束斑的 寬度剛好能夠覆蓋一個或若干個芯片寬度，則片臺15取步進的方式移動；
5)無論是掃描方式還是步進方式的移動，平均而言，單位面積的晶圓片，其實現(xiàn)良 好退火的激光輻照劑量在250 700mJ/cm2范圍內(nèi)，因而可根據(jù)工藝上對于劑量的要求，又 根據(jù)光場均勻化處理后退火激光束19的功率密度，確定片臺15的掃描或者步進移動的速 度；在另一方面，根據(jù)片臺15平均的移動速度，又根據(jù)輔助加熱升溫的需求，對于輔助加熱 光束的加熱能力要求是要在10-200毫秒內(nèi)，造成晶圓片表面200°C的升溫；
6)以上控制或參數(shù)調(diào)整的過程，均通過計算機自動控制系統(tǒng)操作執(zhí)行。
本發(fā)明的有益效果是，通過不同能量源的配置使用，在硅片內(nèi)部引入多個溫度場， 使得溫度的變化逐級遞減，變化相對和緩，因而能夠更為有效地降低因溫度分布不均勻而 引起的熱應(yīng)力對于激光退火工藝效果的影響。由于在輔助性加熱環(huán)節(jié)采用了多個熱源協(xié)同作用，極大降低了其中任一加熱源的加熱負擔(dān)，不僅加熱源的設(shè)計與實現(xiàn)更為便捷，整機 的結(jié)構(gòu)組成中也省去了若干熱與非熱部件的隔離與保護環(huán)節(jié)，技術(shù)上可以做到更加穩(wěn)定可 靠。采用多熱源輔助加熱，同時還能夠帶來更多工藝過程控制的靈活性。


圖1為幾種現(xiàn)有的，半導(dǎo)體晶圓片快速熱處理技術(shù)中，熱源升溫曲線和圓片內(nèi)溫 度分布的情況示意圖。
圖2為典型半導(dǎo)體材料的光吸收曲線示意圖。
圖3是在半導(dǎo)體晶圓片中引入多個不同溫度分布區(qū)域的情況示意圖。
圖4是多溫度場激光退火裝置的示意圖。
圖中，
1是快速熱退火熱源溫度隨時間變化的示意；2是熱沖擊退火熱源溫度隨時間變 化的示意；3是激光退火中，等效的熱源溫度隨時間變化的示意；4是熱輔助激光退火中，等 效的熱源溫度隨時間變化的示意；5是快速熱退火和熱沖擊退火作用下，晶圓片內(nèi)部溫度 分布的情況；6是激光退火作用下，晶圓片內(nèi)部溫度分布的情況；7是熱輔助激光退火作用 下，晶圓片內(nèi)部溫度分布的情況；8是波長在遠紅外波段的聲子吸收峰；9是波長在紅外吸 收限以內(nèi)，載流子跨能帶躍遷而引起吸收系數(shù)極大增加的情況；10是由退火激光造成的圓 片表面局部的高溫區(qū)域；11是含區(qū)域10在內(nèi)的，由輔助加熱光束造成的圓片內(nèi)部的次高溫 區(qū)域；12是由襯底加熱源造成的晶圓片本底溫度區(qū)域；13是退火激光源；14是退火激光的 光束處理系統(tǒng)；15是可移動載片臺；16是半導(dǎo)體晶圓片；17是輔助加熱光束；18是輔助加 熱的襯底熱源；19是經(jīng)過擴束、整形、勻束處理后的退火激光光束；20是產(chǎn)生輔助加熱光束 的光源。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種在片內(nèi)引入多梯度溫度場的激光退火裝置和退火方法。下面結(jié)合 附圖予以進一步說明。激光退火裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。在圖4中，退火激光源13出 射的激光束，經(jīng)過光學(xué)處理系統(tǒng)14的擴束，勻束，邊沿整形的處理，形成矩形束斑的退火激 光束19，經(jīng)放置在光路上的全反射鏡反射后，垂直入射到承片臺15上面的襯底圓片16之 上，對襯底圓片進行退火的處理。襯底圓片16隨承片臺15在縱、橫兩個方向上進行掃描，因 而整個襯底圓片都可以被激光光束的作用所覆蓋，完成所要求的激光退火。在圖4中，另外 采用一個輔助性加熱的光源20，所產(chǎn)生輔助性加熱光束17斜入射到襯底圓片16的表面，輔 助加熱光束的束斑面積大于退火激光束束斑，退火激光束波長為150nm 400nm，并將后者 包含在內(nèi)部。輔助光源20的光束，波長較退火激光束長，因而透入深度更深一些，在上百微 米的范圍，輔助加熱光源所產(chǎn)生的次高溫區(qū)域11將退火激光束所產(chǎn)生的高溫區(qū)域10包含 在內(nèi)部。三個不同的熱源所造成的片內(nèi)的多溫度區(qū)域分布，如圖3所示；其中對應(yīng)于最高溫 度的區(qū)域10，處在硅片的極淺表面處，是由退火激光束造成的；對應(yīng)于次高溫度的區(qū)域11， 完全包圍著激光退火的作用區(qū)域10，可采用加熱光束造成；對于輔助加熱光束的加熱能力 要求是要在10-200毫秒內(nèi)，造成晶圓片表面200°C的升溫；而晶圓片襯底的本底溫度區(qū)12， 由載片臺15內(nèi)部安裝的輔助加熱源18(電阻性加熱爐等熱源)從硅片背面對硅片進行均勻的加熱造成。
上述用于形成次高溫度區(qū)11的光束加熱源，可以是激光束，也可以是普通光源； 上述多梯度溫度場，系指硅片內(nèi)存在3個或3個以上的溫度區(qū)域。
具體的退火過程，舉例說明如下
1)載片臺置于初始位置，該初始位置位于退火激光束19和輔助加熱光束17的光 束路徑之外；
2)將襯底圓片16放置于承片臺15上；
3)調(diào)整襯底加熱源的加熱功率，對襯底圓片進行預(yù)熱，例如襯底圓片的本底溫度 為 200 °C ；
4)調(diào)節(jié)輔助加熱光源20的功率，準(zhǔn)備用于對襯底圓片表面的某處進行快速加熱， 例如所造成的局部溫升為250°C ；
5)承片臺15移動至退火激光束19和加熱光束17的光束路徑附近，并且開始執(zhí)行 掃描，令得襯底圓片的整個表面，都逐漸隨著片臺的掃描動作而接受光束的輻照作用；
6)承片臺的掃描速度，根據(jù)激光輻射的劑量要求，例如平均值處在250 700mJ/ cm2之間，而計算出來，并且用于片臺的運行控制。令ν表示承片臺的掃描速度，退火激光束 的功率密度為I，單位是mW/cm2，工藝中要求的退火激光劑量為D，單位為mj/cm2，退火束斑 的寬度為L，單位為cm，則掃描速度服從下式所定義的關(guān)系
V= (I XL)/D (cm/s)
舉例來說，如果通過實驗，確定對于某項特定的應(yīng)用，激光退火的劑量要求為 500mJ/cm2,當(dāng)退火束斑的寬度為0. 2cm，退火激光束的功率密度是25W/cm2時，掃描速度根 據(jù)上式求出為10cm/s。
7)圓片完成掃描退火后，承片臺退至初始位置，可換上另一片圓片，繼續(xù)進行后續(xù) 晶圓片的激光退火。
本發(fā)明相對于已有技術(shù)的有益效果在于
(1)硅片內(nèi)存在多個溫度場分布，使得溫度變化逐級遞減，變化相對和緩，因而能 夠更有效地降低因溫度分布不均勻而引起的熱應(yīng)力對于激光退火的影響。
(2)激光退火是用很強的激光能量，作用到硅片淺表面的局部面積上，瞬間的能量 投送造成的溫升，在極端情況下可達1000攝氏度以上。此時如果硅片整體的溫度水平處在 室溫，或者相對較低的200 300攝氏度的范圍，則熱應(yīng)力將會對已加工硅片的表面形貌造 成損傷。由于這個原因，為了保護硅片表面的形貌，需要引入輔助性加熱措施來減小溫度梯 度，并且輔助加熱所提供的溫升還要相當(dāng)?shù)卮蟆?br> 如果采用單一熱源的輔助性加熱，通過輔助加熱令硅片整體的溫度處在400攝氏 度或更高水平之上，則實現(xiàn)高溫片臺的材料方面，以及防止高溫片臺向加工設(shè)備四周的強 烈的熱擴散方面，都會面臨技術(shù)上很難處理的問題。前述背景技術(shù)也提到，由于光束相對于 硅片尺寸很小，對于硅片的退火只能是一個局部一個局部地進行，因此如果載片臺進行掃 描或者步進，則如何在較高溫度的前提下，還要保證片臺的掃描或者步進的運行精度，也成 為一項難題。
在此情形下，一個較好的技術(shù)方案選擇就是要采用本發(fā)明所提出的多梯度溫度場 方案了。此時，在片臺加熱和光束加熱之間可以進行溫升量的平衡折衷，例如，總溫升量如果需要是500攝氏度，那么片臺可以負責(zé)200攝氏度的溫升，而加熱光束可以負責(zé)剩下300 攝氏度的溫升。片臺加熱的溫升是全局性的，但因為溫升的總量被控制住，在實現(xiàn)難度上， 包括選擇熱穩(wěn)定性的材料，提供熱屏蔽保護等，都要容易許多。輔助性加熱光束的加熱僅限 于硅片表面某個局部，此時對熱量擴散的屏蔽并不是主要的問題，以現(xiàn)有技術(shù)能力同樣是 方便實現(xiàn)的。
(3)在另一方面，如果仍舊使用單一的輔助加熱源，但是將加熱源換成局部性加熱 的光源，那么相對于這種僅僅采用光束做輔助性加熱的技術(shù)來說，本發(fā)明方案亦存在明顯 的優(yōu)點。前述背景技術(shù)提到，為了減少摻雜雜質(zhì)在退火處理期間的再擴散分布，當(dāng)前的主要 的技術(shù)趨勢，都是要減少退火作用的時間，以使摻雜雜質(zhì)沒有時間來進行深度的擴散，例如 圖1所描繪的快速退火，沖擊退火，激光脈沖退火等等。這就表明，采用激光進行硅片退火 時，退火激光光束相對于硅片是做較快速的掃描或者步進式移動的，不可能作用很長的時 間。當(dāng)光束從硅片上甲處移向片上乙處時，如果要預(yù)先令乙處的溫度能夠在短時間內(nèi)迅速 地上升至所設(shè)定的預(yù)加熱溫度，就要求有足夠大能量隨加熱光束在短時間內(nèi)投送硅片的表 面，這實際上極大地增加了輔助加熱光源的實現(xiàn)難度。
但是對于本發(fā)明，由于采用多溫度場的方案，硅片背面的加熱源分擔(dān)了一部分的 加熱量，相應(yīng)地，對加熱光束的要求就降低了很多，加熱光束只需要負責(zé)少量的溫升即可。
綜上所述，本發(fā)明所提出多梯度溫度場的方案，可更好地減輕熱應(yīng)力對于硅片的 影響，對于輔助性加熱部件，熱隔離部件等的要求降低，也能夠增加工藝過程控制的靈活 性，技術(shù)上更加穩(wěn)定可靠，易于實現(xiàn)，設(shè)備成本降低。
權(quán)利要求
1.一種硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，該激光退火裝置由在光學(xué)處理系統(tǒng) (14)的兩邊分別水平放置退火激光源(1 和全反射鏡，襯底圓片(16)載于承片臺(15) 上，全反射鏡將經(jīng)過光學(xué)處理系統(tǒng)(14)處理形成大束斑的退火激光束(19)反射后，垂直入 射到承片臺(1 上面的襯底圓片(16)之上，另外采用一個輔助性加熱的光源00)產(chǎn)生輔 助性加熱光束(17)斜入射到襯底圓片(16)的表面，載片臺(15)內(nèi)部裝置的加熱源(18) 用于形成晶圓片本底溫度區(qū)域，載片臺(15)內(nèi)部安裝用于形成晶圓片本底溫度區(qū)域的輔 助加熱源(18)以及裝置自動化運行的計算機控制系統(tǒng)；其特征在于，由退火激光束(19)、 斜入射到襯底圓片(16)表面的輔助性加熱光束(17)和載片臺(15)內(nèi)部安裝的輔助加熱 源(18)在半導(dǎo)體晶圓片激光退火過程中形成多梯度溫度場；所述的退火激光光源(13)，波長至少在材料的紅外吸收限以內(nèi)，對于超淺結(jié)制作，波長 限定為在400nm以下；所述的光束處理系統(tǒng)(14)，主要的功能是將激光器(13)出射的光束進行擴束、對光束 整形、光場均勻化，最終得到作用于半導(dǎo)體晶圓片(16)表面之上的大束斑的退火激光光束 (19)；所述的半導(dǎo)體晶圓片(16)，放置于載片臺(15)之上，并且隨載片臺(15)相對于退火激 光束(19)進行掃描或者步進方式的移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，其特征在于，所述的多 梯度溫度場為在半導(dǎo)體晶圓片中造成3個不同溫度區(qū)域，這三個溫度區(qū)域分別由不同的能 量源提供升溫?zé)崃?，其中退火激光光?19)用于形成硅片淺表面處的高溫區(qū)域(10)，輔助 加熱光束(17)用于形成包含高溫區(qū)域(10)在內(nèi)的次高溫區(qū)域(11)，載片臺(15)內(nèi)部安 裝的輔助加熱源(18)用于形成晶圓片本底溫度區(qū)域(12)；隨著晶圓片相對于退火激光束 (19)的掃描或者步進式的移動，激光束(19)和輔助加熱光束(17)將移動通過晶圓片的整 個表面，因此高溫區(qū)域(10)和次高溫區(qū)域(11)，在不同的時間是處于晶圓片表面不同的局 部位置的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，其特征在于，所述退火 激光束(19)，其作用在于對晶圓片摻雜雜質(zhì)進行退火，即便是不附加其他輔助性的措施，該 光束也能夠獨立完成退火的作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，其特征在于，所述輔助 加熱光束(17)為普通光源或激光光束，對于半導(dǎo)體材料晶圓片的透入深度大于退火激光 光束(19)，并且具備一定的功率，能夠在掃描通過晶圓片表面特定區(qū)域的短時間內(nèi)，令該區(qū) 域獲得一定量的溫度提升；在所述的輔助加熱光束(17)和輔助加熱源(18)之間，分擔(dān)和協(xié) 同完成總的輔助加熱溫升目標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，其特征在于，所述退火 激光光源(19)和輔助加熱光源(17)，采取但不限于退火激光束正入射、輔助加熱光束斜入 射到晶圓片表面的方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，其特征在于，當(dāng)采用光 束作為輔助加熱源時，光束為單色光或多色光合成的；或采用激光；當(dāng)采用激光束進行輔 助性加熱時，輔助加熱光束的束斑包含退火激光的束斑，并且二者同時在晶圓片表面移動； 輔助加熱的激光束，波長要大于退火激光束的波長，這是因為要求輔助加熱透入半導(dǎo)體晶圓片的深度要大于退火光束作用深度的緣故。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，其特征在于，所述襯底 圓片載于承片臺上，隨承片臺在縱、橫兩個方向上進行掃描或者步進移動，因而退火激光光 束能夠作用到退火晶圓片的整個表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置，其特征在于，所述退火 激光的光束處理系統(tǒng)，對于退火激光進行擴束，勻束，整形的處理，使得輻照到半導(dǎo)體晶圓 片表面的激光光束束斑為矩形，矩形的長、寬值在幾毫米至幾厘米量級。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置的激光退火方法，其特征 在于，承片臺的掃描速度，根據(jù)激光輻射的劑量要求而計算出來，并用于片臺的運行控制， 令ν表示承片臺的掃描速度，退火激光束的功率密度為I，單位是mW/cm2，工藝中要求的退 火的激光劑量為D，單位為mj/cm2，退火束斑的寬度為L，單位為cm，則掃描速度服從下式所 定義的關(guān)系V= (I XL)/D (cm/s)。
10.一種采用權(quán)利要求1所述硅片激光退火中多梯度溫度場的裝置的激光退火方法， 其特征在于，片內(nèi)多溫度場的激光退火方法能夠減小晶圓片所承受的熱梯度應(yīng)力，具有更 好的退火效果，該方法的具體步驟如下1)將襯底圓片(16)載于承片臺(15)上，被加熱源(18)所加熱；2)調(diào)整輔助加熱光束(17)，使光束斜入射到襯底圓片的表面，總的輔助加熱量是要令 晶圓片表面的局部區(qū)域(11)的溫度控制在200 600°C;總的升溫量，由輔助加熱光束(17) 和加熱源(18)分擔(dān)，其中，當(dāng)輔助加熱光束造成200°C的升溫，而加熱源(18)造成250°C的 升溫，二者共同造成450°C的升溫；3)調(diào)整光束處理系統(tǒng)，改變激光束(19)的矩形束斑的大小，使其長度等于或略大于一 個或若干個芯片的面積，而寬度至少取為長度的1/7 ；4)承片臺(1 在退火激光(19)所形成矩形束斑的寬度方向上掃描，如果矩形束斑的 寬度剛好能夠覆蓋一個或若干個芯片寬度，則片臺(15)取步進的方式移動；臺移動至退火 激光束及加熱光束的光束路徑附近，并且開始執(zhí)行掃描，令得襯底圓片的整個表面，都逐漸 隨著片臺的掃描動作而接受光束的輻照作用；5)無論是掃描方式還是步進方式的移動，平均而言，單位面積的晶圓片，其實現(xiàn)良好退 火的激光輻照劑量在250 700mJ/cm2范圍內(nèi)，因而可根據(jù)工藝上對于劑量的要求，又根據(jù) 光場均勻化處理后退火激光束(19)的功率密度，確定片臺(1 的掃描或者步進移動的速 度；在另一方面，根據(jù)片臺(15)平均的移動速度，又根據(jù)輔助加熱升溫的需求，對于輔助加 熱光束的加熱能力要求是要在10-200毫秒內(nèi)，造成晶圓片表面200°C的升溫；6)以上控制或參數(shù)調(diào)整的過程，均通過計算機自動控制系統(tǒng)操作執(zhí)行；7)圓片完成掃描退火后，承片臺退至初始位置，可換上另一片圓片，繼續(xù)進行后續(xù)晶圓 片的激光退火。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于半導(dǎo)體制造設(shè)備和技術(shù)范圍的一種半導(dǎo)體晶圓片內(nèi)形成多梯度溫度場的激光退火裝置和方法。該裝置退火激光光源，退火激光光束處理系統(tǒng)，輔助性加熱的光源和帶輔助性加熱的可移動載片臺。加工方法是將待退火的圓片放置于承片臺上，退火激光光束進行掃描加熱；承片臺和輔助加熱光束同時作用到襯底圓片的表面，對襯底圓片表面進行預(yù)加熱，起緩沖作用的次高溫溫度場，從而引入片內(nèi)多梯度溫度場，這樣可以改善退火激光所造成的高溫和較大的熱應(yīng)力，對于退火效果及圓片表面形貌的不良影響。在另一方面，由于預(yù)加熱由多個熱源單元分擔(dān)和協(xié)同完成，每個單元各自的實現(xiàn)難度大幅降低，整機運行穩(wěn)定可靠，工藝操控更加靈活方便。
文檔編號H01L21/00GK102034684SQ20101051772
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者嚴(yán)利人, 劉志弘, 劉朋, 周衛(wèi), 竇維治 申請人:清華大學(xué)