非熔化薄晶片激光退火方法
【專利摘要】公開了一種對薄半導(dǎo)體晶片的退火方法。所述方法允許對薄半導(dǎo)體晶片的一側(cè)進(jìn)行高溫退火而不會損害或過度加熱那些位于晶片另一側(cè)或者嵌入在晶片中的熱敏感電子器件特征。退火是在低于晶片的熔點的溫度下進(jìn)行，因此在退火過程中不會發(fā)生顯著的摻雜重新分布的情況。本方法可用于激活摻雜或用于形成歐姆接觸。
【專利說明】非熔化薄晶片激光退火方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于一種在形成集成電路結(jié)構(gòu)時對半導(dǎo)體材料執(zhí)行的激光退火，且特別是關(guān)于對薄半導(dǎo)體晶片執(zhí)行非熔化激光退火的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光退火(LTA)在半導(dǎo)體制造中有各種不同的應(yīng)用，包含在形成有源微電路(例如晶體管以及相關(guān)形式的半導(dǎo)體特征)時，對形成于半導(dǎo)體晶片中的器件(結(jié)構(gòu))的選定區(qū)域進(jìn)行摻雜激活。
[0003]激光退火的其中一個形式使用來自光束的掃描線圖像以加熱晶片表面至某一溫度(退火溫度)持續(xù)足以激活半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(例如源極和漏極區(qū)域)中的摻雜的時間長度，但也足夠短以避免實質(zhì)性的摻雜擴散。晶片表面處在退火溫度的時間取決于線圖像的功率密度，以及取決于線圖像寬度除以線圖像被掃描的速度(掃描速度)。線圖像停留在晶片表面某一點的時間稱為駐留時間。
[0004]對于某些半導(dǎo)體器件應(yīng)用，有需要對晶片的其中一側(cè)加熱，同時保持晶片另一側(cè)的溫度低于特定臨界溫度。一個例子是功率器件，其中背側(cè)的摻雜激活以及接觸在前側(cè)器件制造完成之后才實施。另一例子是薄基板太陽能電池，其中前側(cè)需要有高傳導(dǎo)性發(fā)射極以提高電池效率，且其可通過摻雜與退火來完成。第三個例子是背側(cè)圖像傳感器，其中場阻光層典型地由高摻雜且激活的層所組成，場阻光層用在背側(cè)以抑制暗電流。
[0005]在所有的范例中，需要利用熱退火來激活摻雜或者在晶片的一側(cè)上形成接觸。所涉及的基板厚度在數(shù)個或數(shù)百微米的范圍內(nèi)(也即μ m)，其明顯地薄于標(biāo)準(zhǔn)的8英寸到12英寸硅晶片的厚度(即，725微米至775微米之間)。典型的摻雜激活需要高于大約1000°C的退火溫度。然而，基板另一側(cè)的最大溫度和熱預(yù)算必須被限制以避免造成與之相關(guān)的任何潛在材料整體性以及接合摻雜分布的劣化。
[0006]例如，如果在激光熱退火之前，金屬就已經(jīng)存在于晶片的第一側(cè)上，則第一側(cè)的最大溫度必須保持低于金屬的熔點，以便能在相反側(cè)(第二側(cè))退火時維持良好的物理整體性。
[0007]傳統(tǒng)快速熱退火(RTA)具有秒級的退火時間，其對應(yīng)于具有數(shù)毫米的熱擴散長度Ld的硅而言。此長度明顯大于典型的晶片厚度，也就是說晶片兩側(cè)在快速熱退火時，都會經(jīng)歷近似的峰值退火溫度。因此，快速熱退火不適合這種薄晶片應(yīng)用。
[0008]這種薄晶片應(yīng)用的傳統(tǒng)激光退火方法包含使用脈沖熔化激光，其具有數(shù)十納秒至數(shù)百納秒的脈沖長度。對于硅來說，其對應(yīng)的熱擴散長度在大約I微米的等級，其明顯小于大多數(shù)晶片的厚度。脈沖熔化退火的一個優(yōu)點是它可以局部加熱晶片的一側(cè)至非常高的溫度(包含高于硅的熔點溫度)，而幾乎不會有熱穿透到另一側(cè)。因此，它可以應(yīng)用在薄至數(shù)個微米的娃晶片。
[0009]然而，在脈沖熔化退火相關(guān)的納秒時間框中，摻雜激活僅能在熔化的狀態(tài)下達(dá)成。在熔化的過程中，摻雜可以快速地擴散與重新分布而具有更像箱型的曲線。這種特性在某些應(yīng)用上可能是優(yōu)勢的，然而對于那些需要維持住精確的摻雜曲線的案例中，這種特性可能不是期望的。特別是，多個結(jié)的熔化可能會導(dǎo)致相反極性的摻雜相互混合而減低了結(jié)的性能。脈沖熔化退火方法的另一個限制是熱穿透的深度。因為短的熱擴散長度，很難有效地對深度大于0.5微米的結(jié)進(jìn)行退火。此外，該方法也很難透過退火來消除超出熔化深度處的注入缺陷，這是因為使用納秒等級的脈沖往往是熱預(yù)算非常低。
[0010]因此，有需要提出一種對薄半導(dǎo)體晶片退火的方法，其令晶片的一側(cè)可以進(jìn)行有效的非熔化摻雜激活，同時又不會對晶片的另一側(cè)造成有害的加熱效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明關(guān)于一種對薄半導(dǎo)體晶片的退火方法，其使得高溫退火可以在薄半導(dǎo)體晶片的一側(cè)被執(zhí)行，同時又不會損害或過度加熱位在晶片另一側(cè)(或者嵌入晶片中)的熱敏感特征或器件。峰值溫度低于晶片的熔點所以在退火過程中不會發(fā)生明顯的摻雜重新分布的情況。本方法可以應(yīng)用在激活摻雜或形成歐姆接觸。
[0012]本發(fā)明的一方面是一種對具有背側(cè)的半導(dǎo)體產(chǎn)品晶片進(jìn)行退火的方法，所述背側(cè)具有退火區(qū)域，所述產(chǎn)品晶片具有電子器件特征，所述電子器件特征與所述背側(cè)相隔距離d，所述電子器件特征在超過臨界溫度Tc時會被損壞。所述方法包括:以退火激光束掃描過所述背側(cè)，以通過將所述退火區(qū)域帶到退火溫度Ta來退火所述退火區(qū)域，所述退火溫度Ta小于所述半導(dǎo)體產(chǎn)品晶片的熔化溫度TM。所述掃描步驟具有與其相關(guān)的熱擴散長度Ld，而且還包含以駐留時間來執(zhí)行所述掃描步驟以使熱擴散長度Ld滿足LD〈d，且其中所述電子器件特征被維持低于所述臨界溫度T。。
[0013]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述退火區(qū)域是離子注入層或接觸層。
[0014]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述駐留時間在3微秒至200微秒的范圍內(nèi)。
[0015]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述電子器件特征包含金屬，且其中所述臨界溫度Tc在約600°C至約900°C的范圍內(nèi)。
[0016]本發(fā)明的另一方面是上述方法，還包括通過接合器件晶片與載體晶片來形成所述半導(dǎo)體產(chǎn)品晶片，其中所述器件晶片包含所述電子器件特征。
[0017]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述退火激光束具有光學(xué)吸收長度小于薄晶片厚度的紅外波長或可見波長。
[0018]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述電子器件特征包含CMOS器件層。
[0019]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述電子器件特征包含半導(dǎo)體功率器件層。
[0020]本發(fā)明的另一方面是上述方法，還包括對所述背側(cè)的相同部分執(zhí)行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描以時間間隔τ來間隔，且其中I毫秒≤τ≤10秒。
[0021]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述多次掃描的次數(shù)小于等于10。
[0022]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中5微米≤d ≤ 150微米。
[0023]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中10微米SdS 20微米，所述電子器件特征以鋁制成，且其中所述駐留時間在約3微秒至約20微秒之間。
[0024]本發(fā)明的另一方面是，其中5微米≤ d ≤ 150微米，所述電子器件特征以銅制成，且駐留時間td在約15微秒至約100微秒的范圍內(nèi)。
[0025]本發(fā)明的另一方面是一種對產(chǎn)品晶片進(jìn)行退火的方法。所述方法包括:通過在具有背側(cè)和厚度在5微米至150微米之間的器件晶片的前側(cè)上形成保護結(jié)構(gòu)來形成產(chǎn)品晶片，其中所述前側(cè)包含電子器件特征，所述電子器件在被加熱超過臨界溫度T。時會被損壞。所述方法包括在所述器件晶片的背側(cè)中或背側(cè)上形成退火區(qū)域；以及以退火激光束掃描過所述背側(cè)以對所述退火區(qū)域執(zhí)行非熔化退火，其中所述掃描步驟以駐留時間來執(zhí)行，所述駐留時間定義熱擴散長度Ld且LD〈d，其中所述電子器件特征被維持在低于臨界溫度T。的溫度。
[0026] 本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述退火區(qū)域是形成在所述背側(cè)內(nèi)的離子注入摻雜層或形成在所述背側(cè)上的接觸層。
[0027]本發(fā)明的另一方面是上述方法，還包括對所述背側(cè)的相同部分執(zhí)行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描以時間間隔τ來間隔，且其中1毫秒≤τ≤10秒。
[0028]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述多次掃描的次數(shù)小于等于10。
[0029]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述保護結(jié)構(gòu)包含載體晶片。
[0030]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述保護結(jié)構(gòu)由單個保護層構(gòu)成。
[0031]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述電子器件特征包含金屬與CMOS層中的至少一個。
[0032]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述電子器件特征包含半導(dǎo)體功率器件層。
[0033]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述駐留時間td在3微秒至200微秒的范圍內(nèi)。
[0034]本發(fā)明的另一方面是上述方法，還包括將所述駐留時間選擇為小于最大駐留時間tdm，所述最大駐留時間由tdm=ClVDrff定義,其中Drff為所述器件晶片的有效熱擴散率。
[0035]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中所述退火激光束具有光學(xué)吸收長度小于薄晶片厚度的紅外波長或可見波長。
[0036]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中10微米SdS 20微米，所述電子器件特征以鋁制成，且其中所述駐留時間td在約3微秒至約20微秒之間。
[0037]本發(fā)明的另一方面是上述方法，其中10微米SdS 20微米，所述電子器件特征以銅制成，且其中所述駐留時間td在約15微秒至約100微秒之間。
[0038]所有本發(fā)明引用的文件通過引用而并入。
[0039]所提出的權(quán)利要求書被并入至本發(fā)明的詳細(xì)描述內(nèi)且構(gòu)成本發(fā)明的詳細(xì)描述的一部分。
[0040]在本發(fā)明中，d用來表示距離或厚度，這兩個概念是密切相關(guān)的，因而對所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者而言是容易理解的。在某些情況下，距離d為晶片厚度，而在更大多數(shù)的情況下，距離d是從晶片的背側(cè)至電子器件特征測量的距離，其可以與晶片厚度相同。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1A至圖1C為示例產(chǎn)品晶片的不同視角的示意圖，所述晶片通過本發(fā)明的激光退火系統(tǒng)和方法進(jìn)行退火；
[0042]圖2A至圖2D不出了四個不同的不例廣品晶片的側(cè)視圖，各自包含不例廣品晶片的剖面放大圖；
[0043]圖3為示例的激光退火裝置的示意圖，適用于實現(xiàn)本發(fā)明的退火方法；[0044]圖4為溫度(V)對時間的曲線圖，其顯示四個不同退火方法的工藝窗口，包含本發(fā)明所述的退火方法；
[0045]圖5為溫度對進(jìn)入薄硅晶片深度的曲線圖，并且比較四種退火技術(shù)的沿產(chǎn)品晶片的深度溫度曲線；
[0046]圖6A與圖6B分別為硼濃度(cm_3)對深度(nm)的曲線圖，與(圖6B)本發(fā)明的非熔化退火方法相比，說明了熔化退火工藝如何導(dǎo)致實質(zhì)的摻雜擴散以及摻雜曲線中的實質(zhì)改變(圖6A);
[0047]圖7為溫度對時間的曲線圖，其顯示在產(chǎn)品晶片背側(cè)某點和電子器件特征所在位置的示例溫度曲線；
[0048]圖8繪示了具有厚度dl與d2的兩個產(chǎn)品晶片的溫度Tb對駐留時間td的曲線圖，其中駐留時間td需要低于最大駐留時間tdm以確保TB〈T。；
[0049]圖9為駐留時間td對晶片厚度d的曲線圖，其不出了在給定基板厚度的情況下的駐留時間的限制，其以曲線圖中的陰影區(qū)域表示；
[0050]圖10為溫度對時間的曲線圖，其示出在執(zhí)行多(N)次退火激光束的掃描時，晶片上特定點的一系列N個典型溫度曲線；
[0051]圖1lA為漏電流(任意單位，a.u.)對退火掃描次數(shù)的曲線圖，其示出了漏電流隨著掃描次數(shù)減少，指出隨著多次/連續(xù)的退火掃描而增加的缺陷退火；以及
[0052]圖1lB為片電對退火掃描次數(shù)的曲線圖，其示出了片電阻如何隨著掃描次數(shù)增加而減少，其表明被強化的摻雜激活。
【具體實施方式】
[0053]現(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的實施例，隨附圖式說明所述實施例的實例。在可能時，貫穿所述圖式使用相同參考數(shù)字及符號來指代相同或相似部分。
[0054]某個特定類型的半導(dǎo)體器件的制造方法，例如圖像傳感器以及高功率器件等，包含使用相對薄的半導(dǎo)體晶片。圖1A為示例的產(chǎn)品晶片10的側(cè)視圖，其具有定義上表面22的上側(cè)21，以及定義背面24的背側(cè)23。圖1A的產(chǎn)品晶片可以被視為上下顛倒的，因為圖中的“上表面”21朝下。
[0055]圖1B示出了示例產(chǎn)品晶片10的形成，其通過器件晶片IOa以及載體晶片IOb接合而成。器件晶片IOa具有前側(cè)12a，電子器件特征34形成于前側(cè)中，因此也可以稱為器件偵U。此外器件晶片IOa還具有背側(cè)14a，其與前側(cè)(器件側(cè))12a相反。載體晶片IOb具有前側(cè)12b，氧化層15形成在前側(cè)12b上。所形成的晶片10在此指稱為產(chǎn)品晶片，其通過使器件晶片IOa的器件側(cè)12a接合載體晶片IOb的前側(cè)12b而成。氧化物層15a作為接合層，其將兩個晶片IOa與IOb接合在一起。因此，載體晶片IOb的前側(cè)12b也稱為接合側(cè)。示例的器件晶片IOa形成自娃基板。
[0056]產(chǎn)品晶片10示出于圖1C中。于此，器件晶片IOa自背側(cè)14a向下研磨以將器件晶片IOa的厚度自大約750微米減少至大約5微米至150微米之間的厚度d，如圖1C的放大插圖所示。氧化層15以及載體晶片IOb在上側(cè)21上定義保護結(jié)構(gòu)，以用于保護電子器件特征34，在此處嵌入在產(chǎn)品晶片10中。
[0057]圖2A近似于圖1C且包含插圖，該插圖顯示產(chǎn)品晶片10的示例CMOS器件結(jié)構(gòu)30的較詳細(xì)的放大截面圖。示例CMOS器件結(jié)構(gòu)30為CMOS傳感器的形式。具有氧化層15(典型地數(shù)個微米厚)的載體晶片IOb支撐器件晶片10a，其包含熱敏感電子器件特征34。于此，術(shù)語“熱敏感”指的是電子器件特征34如果被加熱到超過臨界溫度T。，那么就會損壞。
[0058]示例的熱敏感電子器件特征34包含金屬化組件，如圖2A所示，其與相鄰的CMOS器件層40相接觸。接著，CMOS器件層40被厚度為d的薄化的器件晶片IOa所支撐，厚度d在5微米至50微米的范圍內(nèi)。在另一示例的功率器件中，厚度d在30微米至50微米的范圍內(nèi)。
[0059]在一個范例中，需要被激光退火的薄的離子注入層44形成在薄化的器件晶片IOa中相鄰于其背側(cè)14a，其定義了表面24。離子注入層44包含用來形成結(jié)、減少漏電流或降低接觸阻抗的摻雜。適用于硅的示例摻雜為砷、磷、硼、銦、銻等。為了修復(fù)注入損害以及激活摻雜，熱退火是需要的。此工藝稱為背側(cè)結(jié)激活。
[0060]圖2B近似于圖2A，其包含接觸層54，位于離子注入層44上。接觸層54的退火導(dǎo)致硅基板與接觸層54之間的合金反應(yīng)，而形成歐姆接觸，其稱為背側(cè)接觸退火。接觸層54典型地由薄膜金屬堆疊所構(gòu)成。用來形成接觸層54的示例金屬包含11、附、&)、131、(:11、AiuPt等。接觸層54的激光退火可以被用來形成金屬硅化物以及降低接觸層54的接觸阻抗。
[0061]接觸層54的退火也可以幫助激活接觸層54下方的摻雜的離子注入層44。然而在這種情況下的最大退火溫度可能受限于硅化物的劣化或者金屬薄膜堆疊的損傷，因而摻雜激活可能不如圖2A配置的產(chǎn)品晶片10那樣優(yōu)化。替代方案是施加激光退火兩次(接觸層54沉積前與沉積后)以單獨優(yōu)化摻雜激活以及接觸的形成。
[0062]圖2C近似于圖2A，不同之處在于產(chǎn)品晶片10并非通過將器件晶片IOa與載體晶片IOb接合而成。而是，為器件晶片IOa提供了保護層19，保護層19覆蓋相鄰于器件晶片IOa的前側(cè)12a以形成產(chǎn)品晶片10的上側(cè)21。圖2D與圖2C相同，不同之處在于其包含近似于圖2B所示的接觸層54。例如，當(dāng)以卡盤110 (見圖3)支撐產(chǎn)品晶片10時，為了避免損害電子器件特征34，使用了保護層19。示例的保護層19包含二氧化硅以及氮化物。因此，在一個范例中，保護結(jié)構(gòu)17由保護層19構(gòu)成。
[0063]在示例的CMOS器件結(jié)構(gòu)30中，器件晶片IOa的電子器件特征34位于與器件晶片IOa的背側(cè)14a相隔5微米至150微米的距離處，器件晶片IOa的背側(cè)14a通常沒有被圖案化。因此，在范例中，器件晶片IOa的背側(cè)14a定義平坦且沒有被圖案化的產(chǎn)品晶片10的背面24，使其可作為良好的退火表面。
[0064]圖2A至圖2D均顯示了退火激光束80，其掃過產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23，以實現(xiàn)本發(fā)明的非熔化激光退火。產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23包含退火區(qū)域，例如離子注入層44或接觸層54，而熱敏感電子器件特征34則是位于與器件晶片IOa的背側(cè)14a相隔距離d處。退火區(qū)域需要以不會損害位于距離d外的熱敏感電子器件特征的方式來退火，其中d在5微米至150微米的范圍內(nèi)。
[0065]圖3示出了示例的激光退火系統(tǒng)100，其可用來執(zhí)行本發(fā)明的非熔化激光退火。示例的激光退火系統(tǒng)100可被用來實現(xiàn)申請?zhí)枮?1/658086，名稱為“Laser annealingsystems and methods with ultra-short dwell times” 的美國臨時專利申請公開的非溶化激光退火方法。請參照圖3，激光退火系統(tǒng)100包含掃描激光系統(tǒng)150以及支撐產(chǎn)品晶片10的卡盤110。在一個例子中，卡盤110被冷卻。在另一個例子中，卡盤110是可移動的。
[0066]掃描激光系統(tǒng)150包含激光器151,激光器151沿著第一軸Al朝向掃描鏡162的方向產(chǎn)生初始激光束80’，掃描鏡162可操作地連接于鏡驅(qū)動器164。掃描激光系統(tǒng)150包含聚焦鏡166，其沿第二軸A2的方向配置，第二軸A2基本上與第一軸Al垂直。第二軸A2與第一軸Al交會于掃描鏡162處，且與產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23以大體上的直角相交。聚焦鏡166具有數(shù)值光圈NA。在一個例子中，激光器151產(chǎn)生紅外線光，因而退火激光束80包含紅外波長。
[0067]在另一個例子中，激光器151產(chǎn)生可見光80’，因而退火激光束80包含可見波長。光80’的可見波長對于非常薄的基板來說是優(yōu)選的(例如d〈30微米)，這是因為具有較短的光學(xué)吸收深度。一般而言，光學(xué)吸收深度小于薄晶片的厚度是期望的。
[0068]準(zhǔn)直透鏡168被示出為相鄰于激光器151，且接受與準(zhǔn)直來自激光器151的發(fā)散的激光光線80’。準(zhǔn)直后的激光光線80’被掃描鏡162反射至聚焦鏡166，聚焦鏡166聚焦準(zhǔn)直后的激光光線80’以形成聚焦后的退火激光束80。聚焦后的退火激光束80隨后在廣品晶片10的背側(cè)23上形成線圖像82。掃描鏡162的移動致使退火激光束80以及線圖像82快速地移動過產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23，如箭頭AR2所指。在一個例子中，退火激光束80包含可見波長。
[0069]從產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23至聚焦鏡166的距離為DW。示例的DW值為大約I米，示例的NA值為約0.15。鏡驅(qū)動器164用以驅(qū)動掃描鏡162，例如快速地旋轉(zhuǎn)掃描鏡162通過選擇角度范圍，使退火激光束80以及線圖像82可以掃過圖3中所示的相對應(yīng)的選擇角度徂圍9。在Iv例子中，角度徂圍9被選擇以使線圖像82可以在廣品晶片10的最覽部分處掃過產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23從一個邊緣到相對邊緣。
[0070]在一個例子中，退火激光束80簡單地從一側(cè)掃到另一側(cè)，而在各掃描之間，產(chǎn)品晶片10沿著交叉掃描的方向移動(例如通過移動卡盤110，如箭頭AR3所指)，因此在每一次掃描中，線圖像82曝光(照射)產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23的不同部分，或者至少在相鄰掃描中至少覆蓋產(chǎn)品晶片10的某些新的部分(也即相鄰掃描可以有某些重疊)。一般來說，如果需要，卡盤110可以沿三個維度移動且也可以相對于任何方向轉(zhuǎn)動。在一個例子中，退火激光束80掃描產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23的至少一部份。
[0071]退火溫度由激光功率及退火時間所控制。退火時間由駐留時間所定義，其為激光束(或線圖像)寬度與掃描速度的比值。典型激光束寬度在數(shù)微米至幾百微米的范圍中，典型的掃描速度在0.1至5m/sec的范圍中。
[0072]產(chǎn)品晶片10的退火條件是產(chǎn)品晶片10的器件側(cè)12a必須維持在相對低溫，特別是低于臨界溫度T。，臨界溫度與電子器件特征34相關(guān)聯(lián)。超過臨界溫度Tc時，電子器件特征34將被損傷。因此，退火方法在電子器件特征34保持在低于臨界溫度T。下執(zhí)行，以保護器件最終的功能。器件側(cè)12a的最大溫度由特定電子器件特征34所決定。對于用在電子器件特征34 (例如互連)的金屬，以銅而言臨界溫度Tc大約為900°C，以鋁而言臨界溫度Tc大約600°C。對于包含娃化物的器件來說，臨界溫度T。也會受限于娃化物材料的熱穩(wěn)定性。
[0073]在器件側(cè)12a形成的電子器件特征34需要保持低于臨界溫度T。的限制導(dǎo)致激光熱退火的時間必須足夠短，以使器件表面不會過熱。其暗示了熱退火時間(駐留時間)必須使得相對應(yīng)的熱擴散長度Ld小于器件晶片IOa的厚度d (也即LD〈d)。
[0074]圖4為溫度(°C)對時間的曲線圖，其示出了不同退火技術(shù)下的溫度-時間工藝窗口。圖4包含四種不同的窗口，分別以A到D標(biāo)示。傳統(tǒng)快速熱工藝(RTA)以窗口 A表示，其在時間等級為秒至分鐘以及溫度可達(dá)1，200°C的范圍中操作。毫秒激光以及閃光燈退火方法以窗口 B表示，且具有數(shù)百微秒至數(shù)十毫秒的退火時間且溫度恰好小于硅熔點Tm=1，412°C。脈沖激光融化工藝以窗口 D表示，其在時間等級為10納秒至I微秒以及峰值溫度高于硅熔點Tm的條件下操作。
[0075]在圖4中，窗口 C與本發(fā)明的短駐留時間、亞熔化激光退火方法有關(guān)，其在數(shù)微秒至數(shù)百微秒的退火時間范圍中操作，且操作的溫度低于硅熔點TM。因此，圖4示出了熱退火溫度-時間工藝空間的短駐留時間和亞熔化激光熱退火窗口 C是如何與其他類型的傳統(tǒng)退火的工藝窗口相區(qū)分。不例的窗口 C的退火時間范圍是3微秒至200微秒。
[0076]圖5為溫度對進(jìn)入薄硅晶片的深度的曲線圖，并且比較四種退火技術(shù)的穿過薄硅晶片的深度溫度曲線。晶片厚度d在5微米至200微米的范圍中。對于RTA(曲線A)，通過整個基板的溫度是保持平坦的，這是因為長的退火時間所導(dǎo)致的較大的熱擴散長度Ld (也即 LD?d)。
[0077]對于毫秒激光或閃光燈退火方法(曲線B)，溫度隨著深入晶片的深度d衰減。但是減少速率太慢，因而晶片另一側(cè)的溫度仍可能超過損害閾值溫度Tc(也即LD>d)。
[0078]對于納秒脈沖熔化激光退火(曲線D)，在曝光表面附近溫度下降的非?？欤虼藳]有熱穿透到晶片的另一側(cè)。然而，熱穿透太淺，以至于無法對深度超過半個微米的結(jié)進(jìn)行退火(也即LD〈〈d)。
[0079]對于本發(fā)明的短駐留時間和亞熔化激光退火(曲線C)，溫度下降的速度足夠快以保持晶片的沒被曝光一側(cè)是冷的，同時熱穿透又夠大到足以對深結(jié)進(jìn)行退火(也即LD〈d)。
[0080]圖6A與圖6B分別為硼濃度(cm_3)對進(jìn)入摻雜硼的晶片的深度(nm)的曲線圖。圖6A包含兩個曲線:曲線CO顯示沒有退火(也即預(yù)退火)的情況下的摻雜重新分布，而曲線CM顯示在激光熔化退火之后的摻雜重新分布。結(jié)的曲線由熔化深度決定。熔化退火曲線CM顯示箱型的摻雜重新分布曲線，這是因為當(dāng)硅處于液態(tài)時，發(fā)生快速摻雜擴散。擴散終止于液態(tài)固態(tài)邊界，造成陡峭的箱型曲線。此種方法的一個優(yōu)點是其提供較大量的摻雜激活以及較低的電阻。然而，缺點是其導(dǎo)致?lián)诫s在熔化區(qū)域內(nèi)的重新分布，因而無法被應(yīng)用在那些精確的摻雜曲線需要被維持住的情況中，或者是那些不希望交混不同摻雜的多結(jié)的情況中。此外，摻雜激活受限于熔化區(qū)域，因而熔化區(qū)域以外的摻雜無法被有效的激活。
[0081]圖6B包含代表根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行的短駐留時間、非熔化激光退火方法的曲線CS與曲線CO。從圖6B可以觀察到由于短駐留時間非熔化激光退火因而沒有發(fā)生實質(zhì)上的摻雜重新分布。這是因為當(dāng)硅晶片保持固態(tài)時，摻雜擴散以非常慢的速率進(jìn)行。此外，深結(jié)也因為增加的熱擴散長度而可以被激活。
[0082]圖7為溫度對時間的曲線圖，其顯示與短駐留時間、非熔化激光退火有關(guān)的典型時間溫度曲線。對于硅的摻雜激活，產(chǎn)品晶片10的上表面22的典型峰值退火溫度1\在950°C至1，350°C的范圍內(nèi)，如CA曲線所示。駐留時間被選擇以確保在(埋入的)電子器件特征34所在位置的最大底部溫度Tb被保持低于損害閾值溫度(臨界溫度)Tc以下，如曲線CB所示。對于金屬硅化物接觸的應(yīng)用來說，可以使用較低的退火溫度Ta，例如600°C至1, 000°C
[0083]圖8示出了具有厚度dl與d2的兩個晶片的底部溫度Tb對駐留時間td的曲線圖，其中dl〈d2。對于給定的晶片厚度，駐留時間td需要低于臨界或最大駐留時間tdm以確保ΤΒ〈Τ。。最大駐留時間I^dm取決于晶片厚度。晶片愈薄，所需的駐留時間愈短。對于與晶片厚度dl相關(guān)聯(lián)的曲線，最大駐留時間被顯不為tdml,對于與晶片厚度d2相關(guān)聯(lián)的曲線，最大駐留時間被顯示為tdm2。
[0084]圖9為根據(jù)仿真的駐留時間對晶片厚度d的曲線圖。其關(guān)系大致遵循平方定律，事實是熱擴散長度與時間的平方根成比例。曲線中的陰影區(qū)域?qū)?yīng)于器件損害將會發(fā)生的td-d工藝窗口區(qū)域。仿真顯示了對于晶片厚度d等于40微米的情況，小于約70微秒的駐留時間、是需要的——假設(shè)臨界溫度Tc受限于鋁金屬受損害。同樣地，對于晶片厚度d等于20微米的情況，駐留時間td需要小于大約20微秒。
[0085]在d在10微米至20微米的范圍內(nèi)的范例中，鋁電子器件特征34的示例駐留時間在約3微秒至約20微秒的范圍內(nèi)。銅電子器件特征34則是在大約15微秒至100微秒之間。
[0086]對于最小逼近階，最大駐留時間tdm可以以下式估計:
[0087]tdm=η d2/deff
[0088]其中d為晶片厚度，Deff為基板薄膜堆疊的有效熱擴散率，η為損害溫度的函數(shù)且通常階(order)為I。在鋁金屬損害為限制參數(shù)的示例實施例中，最大駐留時間可以由下式估計tdm=d2/Drff，且駐留時間td被選擇為小于該近似駐留時間。在銅金屬損害為限制參數(shù)的情況中，最大駐留時間tdm可以寬松得多，典型乘以5。
[0089]結(jié)退火的其中一個關(guān)鍵要求為損害移除能力，其與退火工藝的總熱預(yù)算有關(guān)。一般而言，熱預(yù)算愈大，損害移除能力愈佳。然而，本發(fā)明的短駐留時間亞熔化激光退火可避免過度加熱電子器件特征34，減少的駐留時間也導(dǎo)致較小的熱預(yù)算，其可與缺陷退火互相折衷。
[0090]因此，示例退火方法包含多次掃描產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23的相同區(qū)域，或者增加相鄰掃描的線圖像82的重疊部分，以使產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23上的每一點被掃描多次。
[0091]圖10為溫度對時間的曲線圖，其示出將經(jīng)歷多次(N)退火激光束的掃描期間的產(chǎn)品晶片10的背側(cè)23上的特定點的典型溫度曲線。兩次連續(xù)掃描之間的時間間隔τ應(yīng)該對于第一次掃描的余熱足夠長，以使可以在第二次掃描開始前完全散去。示例的散熱時間τ的范圍為11毫秒< τ < 10秒，，而在更受限的范例中在數(shù)個毫秒至數(shù)百毫秒的范圍內(nèi)。
[0092]圖1lA示出了所測量的結(jié)漏電流(任意單位，a.u.)對退火激光束80的掃描次數(shù)的曲線圖。泄露是結(jié)耗盡區(qū)域的缺陷等級的度量。當(dāng)掃描次數(shù)增加時，結(jié)泄露減少，其表明缺陷退火的改善。
[0093]使用多次亞熔化激光掃描所增加的一個優(yōu)點是強化的摻雜激活等級。這可以從圖1IB看出，圖1IB為所測量的片電阻Rs (ohm/sq.)對退火激光束80的掃描次數(shù)的曲線圖。觀察到片電阻隨著掃描次數(shù)增加而減少，其表明強化的摻雜激活。
[0094]注意到，單次長駐留時間亞熔化退火也可以提供良好的激活，且具有改善的缺陷移除能力。然而，長的熱擴散長度Ld可能導(dǎo)致電子器件特征34的損害。相較于單次掃描，使用多次短駐留時間掃描可提供增加的熱預(yù)算，同時維持熱擴散長度Ld小于晶片厚度d。在多次短駐留時間掃描方法的范例中，掃描的次數(shù)為10或者更少。
[0095]原則上，在亞熔化制度中可以使用納秒脈沖激光退火，并且使用多次脈沖以改善摻雜激活。然而，因為與每次激光脈沖相關(guān)的極短的退火持續(xù)時間，將會需要大量的脈沖，也即大約100到1000個脈沖之間。此種方法相對較慢，導(dǎo)致在大量生產(chǎn)環(huán)境下要實施是有問題的。此外，納秒脈沖激光退火的熱穿透深度也被限制到大約I微米(由個體的脈沖持續(xù)時間來決定)，而與所使用的脈沖數(shù)量無關(guān)，因此該方法在激活深結(jié)是沒有效率的。
[0096]其他因素也可能影響電流器件特征34的溫度，因素包含卡盤110的溫度以及晶片至載臺的熱接觸阻抗。一般而言，卡盤溫度或熱接觸阻抗愈低，電子器件特征34的溫度就愈低，因而駐留時間就可能愈長或者是上側(cè)的退火溫度就可能愈高。
[0097]也就是說，如果卡盤溫度太低，產(chǎn)品晶片10的上側(cè)21與背側(cè)23之間的大溫差可能導(dǎo)致高熱應(yīng)力。此種情況是不期望的，因為其可能導(dǎo)致滑動的產(chǎn)生和晶片翹曲或者甚至晶片破裂。示例的卡盤110被設(shè)置有加熱與冷卻功能，因而卡盤溫度可以被優(yōu)化以平衡電子器件特征34所需的低應(yīng)力以及特征所需的低溫。為了有效的鉗制晶片前側(cè)的溫度，產(chǎn)品晶片10與卡盤10之間良好的熱接觸是期望的。其可以通過使用真空或靜電手段來達(dá)成。為了改善散熱能力，具有高熱導(dǎo)率的材料可以被用在卡盤110上?？ūP110的示例材料為鋁與碳化硅。
[0098]雖然本發(fā)明的短駐留時間非熔化退火方法非常適合于對薄晶片來進(jìn)行退火，但是方法也可以用于需要表面退火的場合，以及用于熱敏感的電子器件特征34被嵌在(埋置在)距離背側(cè)23 (也即產(chǎn)品晶片10的退火激光束入射的一側(cè))距離d的場合。在退火方法的一個例子中，多次亞熔化激光掃描可被用來強化摻雜激活或者改善缺陷退火而不至于損害熱敏感的電子器件特征34。
[0099]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員很清楚的是，可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下對本公開做出各種變化和變型。因此，如果這些變化和變型來自于所附的權(quán)利要求書及其等同物，那么本公開也覆蓋了這些變化和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種對具有背側(cè)的半導(dǎo)體產(chǎn)品晶片進(jìn)行退火的方法，所述背側(cè)具有退火區(qū)域，所述產(chǎn)品晶片具有電子器件特征，所述電子器件特征與所述背側(cè)相隔距離d，所述電子器件特征在超過臨界溫度T。時會被損壞，所述方法包括: 以退火激光束掃描過所述背側(cè)，以通過將所述退火區(qū)域帶到退火溫度Ta來退火所述退火區(qū)域，所述退火溫度Ta小于所述半導(dǎo)體產(chǎn)品晶片的熔化溫度Tm ;以及 其中所述掃描步驟具有與其相關(guān)的熱擴散長度Ld,而且還包含以駐留時間來執(zhí)行所述掃描步驟以使熱擴散長度Ld滿足LD〈d，且其中所述電子器件特征被維持低于所述臨界溫度Tc。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述退火區(qū)域是離子注入層或接觸層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述駐留時間在3微秒至200微秒的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電子器件特征包含金屬，且其中所述臨界溫度Tc在約600°C至約900°C的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過接合器件晶片與載體晶片來形成所述半導(dǎo)體產(chǎn)品晶片，其中所述器件晶片包含所述電子器件特征。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述退火激光束具有光學(xué)吸收長度小于薄晶片厚度的紅外波長或可見波長。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電子器件特征包含CMOS器件層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電子器件特征包含半導(dǎo)體功率器件層。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對所述背側(cè)的相同部分執(zhí)行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描以時間間隔τ來間隔，且其中1毫秒≤τ≤10秒。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述多次掃描的次數(shù)小于等于10。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中5微米≤d ≤150微米。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中10微米≤d ≤ 20微米，所述電子器件特征以鋁制成，且其中所述駐留時間在約3微秒至約20微秒之間。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中10微米≤d ≤ 20微米，所述電子器件特征以銅制成，且其中所述駐留時間td在約15微秒至約100微秒之間。
14.一種對產(chǎn)品晶片進(jìn)行退火的方法，包括: 通過在具有背側(cè)和厚度在5微米至150微米之間的器件晶片的前側(cè)上形成保護結(jié)構(gòu)來形成產(chǎn)品晶片，其中所述前側(cè)包含電子器件特征，所述電子器件在被加熱超過臨界溫度T。時會被損壞； 在所述器件晶片的背側(cè)中或背側(cè)上形成退火區(qū)域；以及 以退火激光束掃描過所述背側(cè)以對所述退火區(qū)域執(zhí)行非熔化退火，其中所述掃描步驟以駐留時間來執(zhí)行，所述駐留時間定義熱擴散長度Ld且LD〈d，其中所述電子器件特征被維持在低于臨界溫度T。的溫度。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火區(qū)域是形成在所述背側(cè)內(nèi)的離子注入摻雜層或形成在所述背側(cè)上的接觸層。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括對所述背側(cè)的相同部分執(zhí)行多次掃描，其中在時間上相鄰的掃描以時間間隔τ來間隔，且其中1毫秒≤τ≤10秒。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述多次掃描的次數(shù)小于等于10。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述保護結(jié)構(gòu)包含載體晶片。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述保護結(jié)構(gòu)由單個保護層構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述電子器件特征包含金屬與CMOS層中的至少一個。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述電子器件特征包含半導(dǎo)體功率器件層。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述駐留時間在3微秒至200微秒的范圍內(nèi)。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括將所述駐留時間選擇為小于最大駐留時間tdm，所述最大駐留時間由tdm=d2/Drff定義，其中Drff為所述器件晶片的有效熱擴散率。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火激光束具有光學(xué)吸收長度小于薄晶片厚度的紅外波長或可見波長。
25.如權(quán)利要求14所述的方法，其中10微米<d<20微米，所述電子器件特征以鋁制成，且其中所述駐留時間td在約3微秒至約20微秒之間。
26.如權(quán)利要求14所述的方法，其中10微米<d<20微米，所述電子器件特征以銅制成，且其中所述駐留時間td在約15微秒至約100微秒之間。
【文檔編號】H01L21/268GK103632938SQ201310377092
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月27日
【發(fā)明者】王耘, A·M·霍里魯克, 王曉茹, 沈小華 申請人:超科技公司