形成多晶硅的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種在半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅的方法，其包括：在半導(dǎo)體襯底上設(shè)置非晶硅，將所述非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束，所述方法的特征在于，在將所述區(qū)域暴露于所述第二激光束期間，不發(fā)生所述激光束相對(duì)于所述區(qū)域的位移。此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造大晶粒多晶硅的用途。特別地，本發(fā)明涉及該方法的用于制造縱向晶粒多晶硅的用途。此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲(chǔ)器、易失性存儲(chǔ)器、NAND閃存、DRAM、多晶Si接觸及互連的用途。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
形成多晶硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種在半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅的方法，以及該方法的用于制造大晶粒多晶娃的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]大晶粒多晶硅的形成成為日益增多的半導(dǎo)體器件所需要的。
[0003 ]大晶粒多晶硅可借助諸如爐內(nèi)退火，例如快速熱退火(RTA)或快速熱處理(RTP)的標(biāo)準(zhǔn)高熱預(yù)算(thermal budget)技術(shù)而獲得。
[0004]然而，一個(gè)普遍的問(wèn)題顯然是，在大多數(shù)情況下該熱預(yù)算被限制在低于700°C，這使得用標(biāo)準(zhǔn)退火技術(shù)從非晶硅層形成大晶粒多晶硅是非常困難的。
[0005]為了克服上述問(wèn)題，已知為低熱預(yù)算工藝的激光退火被提出來(lái)作為用于低熱預(yù)算多晶硅形成的最有希望的解決方案。
[0006]然而，用于使多晶硅再結(jié)晶的常規(guī)激光退火技術(shù)不容許大于幾百納米的粒徑的形成，并且由于載流子迀移率與其中的平均粒徑成比例，所產(chǎn)生的激光退火后的多晶硅顯示出平均的或低的載流子迀移率。
[0007]如US7029996所描述的一種用于形成低熱預(yù)算大晶粒的特殊技術(shù)，與連續(xù)橫向固化(sequential lateral solidificat1n)方法一起使用激光退火。此方法明顯只產(chǎn)生橫向晶粒(lateral grain)，即在平行于襯底表面區(qū)域的方向上延伸的晶粒，且通常限于無(wú)圖案化的多晶硅表面。
[0008]此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)知到，適于誘發(fā)橫向固化的連續(xù)進(jìn)行襯底(或激光)橫向位移所需的設(shè)備是昂貴且復(fù)雜的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于上述，本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其具有降低的設(shè)備成本與復(fù)雜性。
[0010]本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有增加的生產(chǎn)量。
[0011]本發(fā)明的又一個(gè)目的為提供一種形成具有足夠粒徑的大晶粒多晶硅，同時(shí)被暴露于有限熱預(yù)算的方法。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其容許在圖案化的多晶硅層中形成大晶粒。
[0013]本發(fā)明的再一個(gè)特定目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其容許形成大縱向晶粒(vertical grain)，即在垂直于襯底表面區(qū)域的方向上延伸的晶粒。
[0014]本發(fā)明涉及一種在半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅的方法，其包括:
[0015]-在半導(dǎo)體襯底上設(shè)置非晶硅，
[0016]-將所述非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束，
[0017]所述方法的特征在于，在將所述區(qū)域暴露于所述第二激光束期間，不發(fā)生激光束相對(duì)于所述區(qū)域的位移。
[0018]此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造大晶粒多晶硅的用途。
[0019]特別地，本發(fā)明涉及該方法的用于制造縱向晶粒多晶硅的用途。
[0020 ]此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲(chǔ)器、易失性存儲(chǔ)器、NAND閃存、DRAM、多晶S i接觸(contact)以及互連的用途。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1示例出根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0022]作為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，提供了一種在半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅的方法，其包括:
[0023]-在半導(dǎo)體襯底上設(shè)置非晶硅，
[0024]-將非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束，
[0025]所述方法的特征在于，在將該區(qū)域暴露于第二激光束期間，不發(fā)生激光束相對(duì)于該區(qū)域的位移。
[0026]在本發(fā)明上下文中，將該區(qū)域暴露于第二激光束，而在暴露該區(qū)域期間，不發(fā)生第二激光束相對(duì)于該區(qū)域的位移，這被理解為，將該區(qū)域暴露于第二激光束，而在該光束照射該區(qū)域時(shí)沒(méi)有使該光束或襯底移位或移動(dòng)。
[0027]鑒于連續(xù)橫向固化技術(shù)需要專(zhuān)門(mén)設(shè)備來(lái)制造適合誘發(fā)橫向固化的連續(xù)橫向位移，本發(fā)明一個(gè)明顯的好處在于，不再需要具有這種設(shè)備而同樣獲得具有粒徑至少100納米，或至少I(mǎi)微米，或甚至至少數(shù)微米的大晶粒多晶硅。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的方法的另一好處在于，其容許形成均勻微晶硅晶粒。
[0029]此外，根據(jù)本發(fā)明的方法容許在圖案化層中形成大晶粒。由于大晶粒的形成沒(méi)有涉及位移，使得準(zhǔn)確的局部形成，甚至是在硅表面上非常特定的位置處的準(zhǔn)確的局部形成成為可能。
[0030]此外，一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)本發(fā)明的方法容許形成在垂直于襯底表面區(qū)域的方向上延伸的晶粒。連續(xù)橫向固化技術(shù)不具有在垂直于襯底表面區(qū)域的方向上獲得50或100納米以上的粒徑的能力，而本發(fā)明可在該方向上獲得至少50或100納米，或至少I(mǎi)微米，或甚至至少數(shù)微米的粒徑。
[0031]在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種方法，其中由第二激光束產(chǎn)生的熔融深度小于由第一激光束產(chǎn)生的熔融深度。不受任何理論的限制，認(rèn)為由暴露于第一激光束而形成的(相對(duì)小的)多晶硅晶粒通過(guò)暴露于熔融深度比第一激光束小的第二激光束而部分熔融。該(相對(duì)小的)多晶硅晶粒的非熔融部分充當(dāng)大晶粒多晶硅的生長(zhǎng)及固化的晶種(seed) ο
[0032]在一個(gè)特定實(shí)施例中，如圖1所示，暴露于第一激光束(步驟I)之后，在暴露于第二激光束(步驟2)后可接著暴露于一個(gè)或多個(gè)其他激光退火步驟(步驟3或更多)，在各個(gè)激光退火步驟期間，不發(fā)生激光束相對(duì)于該要被退火的區(qū)域的位移，并且其中熔融深度被保持在與第二激光束所產(chǎn)生的熔融深度相同的深度。這可導(dǎo)致增加大晶粒的尺寸以及均勻性。
[0033]然而，通過(guò)將要被退火的區(qū)域暴露于一連串激光退火步驟，在每個(gè)激光退火步驟中不發(fā)生激光束相對(duì)于該要被退火的區(qū)域的位移，并且其中以比前面的步驟小的熔融深度進(jìn)行每個(gè)后來(lái)的步驟，可以進(jìn)一步增強(qiáng)多晶硅晶粒在垂直方向上的延伸。
[0034]在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)使用能量密度比第一激光束低的第二激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)使第二激光束所產(chǎn)生的熔融深度小于第一激光束所產(chǎn)生的熔融深度。為了實(shí)現(xiàn)不同的能量密度，可以使用任何已知用于調(diào)節(jié)表面區(qū)域上能量密度的技術(shù)。例如，可調(diào)節(jié)激光束能量、可調(diào)節(jié)波長(zhǎng)、或可使用光學(xué)系統(tǒng)中的修改處理(modificat1n)，例如濾波器或光罩。
[0035]作為通過(guò)使用不同能量密度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同熔融深度的替代，也可使用不同脈沖持續(xù)時(shí)間，或不同能量密度與不同脈沖持續(xù)時(shí)間的組合。
[0036]在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中，也如圖1所示，可將非晶硅設(shè)置在絕緣體層的頂上，從而在硅材料與絕緣體材料之間界定出界面，并且第一激光束所產(chǎn)生的熔融深度可足以將非晶硅熔融直到硅-絕緣體界面(步驟I)?？梢酝ㄟ^(guò)使第一激光束產(chǎn)生足以將非晶硅熔融直到硅-絕緣體界面的能量密度來(lái)實(shí)現(xiàn)獲得直到硅-絕緣體界面的熔融深度。然后，由暴露于第一激光束而形成的(相對(duì)小的)多晶硅晶粒通過(guò)暴露于熔融深度比第一激光束小的第二激光束(步驟2)而部分熔融。該(相對(duì)小的)多晶硅晶粒的非熔融部分充當(dāng)大晶粒多晶硅的生長(zhǎng)及固化的晶種。其后可接著進(jìn)行一個(gè)或更多個(gè)其他激光退火步驟(步驟3或更多)。
[0037]第二激光束(步驟2)所產(chǎn)生的熔融深度小于第一激光束所產(chǎn)生的熔融深度。
[0038]在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所使用的激光能量密度可在0.0lJ/cm2與lOJ/cm2之間。第一激光束的能量密度與第二激光束的能量密度之間的差可小于0.5J/cm2，或小于
0.2J/cm2，或小于0.1J/cm2。
[0039]可在任何其中大晶粒多晶娃須在沒(méi)有多晶娃晶種層存在下而形成的情形中，例如在大晶粒多晶硅須從沉積在絕緣體上的非晶硅層形成的情況下，使用本發(fā)明。
[0040]第一激光束和第二激光束可由具有不同激光參數(shù)的不同的激光源產(chǎn)生，或優(yōu)選地由適合以不同激光退火參數(shù)操作的單一激光源產(chǎn)生。相較于多個(gè)激光源方法，使用單一激光源需要較不復(fù)雜的設(shè)備并限制了成本。
[0041]所使用的激光源可以是任何使其波長(zhǎng)、能量及脈沖持續(xù)時(shí)間適合于該處理的激光源，例如固態(tài)激光、二極管激光、光纖激光、UV激光或準(zhǔn)分子激光。優(yōu)選地，激光源可為準(zhǔn)分子激光，更優(yōu)選地為氯化氙準(zhǔn)分子激光。
[0042]一個(gè)或多個(gè)激光源的波長(zhǎng)可在10nm至900nm、190nm至600nm、190nm至550nm，或優(yōu)選地190nm至480nm的范圍內(nèi)，這是由于硅在這些波長(zhǎng)下的高能量吸收。暴露于第一激光束以及暴露于第二激光束可在不同波長(zhǎng)下完成，每個(gè)波長(zhǎng)適應(yīng)于所需熔融深度(或能量密度)。
[0043]在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可在約Ins與1ms之間，例如在約Ins與Ims之間，優(yōu)選地在Ins與250ns之間的范圍內(nèi)使用脈沖持續(xù)時(shí)間。暴露于第一激光束及暴露于第二激光束可以以不同脈沖持續(xù)時(shí)間完成，每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間適應(yīng)于所需熔融深度。
[0044]在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，暴露于第一激光束和暴露于第二激光束可各自只包括一個(gè)單一激光脈沖。
[0045]—個(gè)或多個(gè)激光源的激光束能量可在I焦耳至25焦耳的范圍內(nèi)，這容許在直至整個(gè)管芯(die)或甚至整個(gè)晶片的區(qū)域內(nèi)獲得所需熔融深度。為了達(dá)到這些能量，將激光放電容積優(yōu)化為典型地1cm(電極間距離)X7-10cm(放電寬度)X100-200cm(放電長(zhǎng)度)。明顯地，與連續(xù)橫向固化相比較，結(jié)合不需要橫向位移來(lái)獲得大晶粒的事實(shí)，以一次照射將大至整個(gè)晶片的區(qū)域退火的能力就生產(chǎn)量而言可為一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)。
[0046]在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在被暴露于激光退火時(shí)，半導(dǎo)體襯底可不被加熱且處于環(huán)境溫度中，優(yōu)選地為室溫。與現(xiàn)有技術(shù)中將半導(dǎo)體襯底置于加熱卡盤(pán)(chuck)上以降低固化速度并增加晶粒生長(zhǎng)的方法形成對(duì)照，根據(jù)本發(fā)明的方法不需加熱半導(dǎo)體襯底。因此，退火區(qū)域被暴露于的熱預(yù)算僅由激光束能量本身產(chǎn)生，因此其可被準(zhǔn)確控制并盡可能多地被限制。
[0047]就生產(chǎn)量而言，使用其中將襯底的多個(gè)區(qū)域先暴露于第一激光束并且然后將該多個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)暴露于第二激光束(或暴露于一個(gè)或多個(gè)其他激光退火步驟)的方法可以是有利的，而不是先由第一激光束隨后由第二激光束對(duì)每個(gè)要被退火的區(qū)域連續(xù)退火。
[0048]在一個(gè)特定實(shí)施例中，非晶硅層在大表面區(qū)域上被暴露于第一準(zhǔn)分子激光束。選擇用于此第一激光束(ED1)的能量密度以使該硅層充分熔融并再結(jié)晶直到掩埋絕緣體界面。在此第一退火步驟之后，如先前所提到的，形成了具有小的平均晶粒的多晶硅。然后，使用第二準(zhǔn)分子激光束對(duì)相同的區(qū)域退火。與第一激光束相比較，使用用于此第二激光束的較低的能量密度(ED1-△ ED)以顯著減小熔融深度。由第一準(zhǔn)分子激光束形成的在硅/絕緣體界面處的微晶硅晶粒未完全熔融且用作垂直再結(jié)晶及固化的晶種。其結(jié)果是硅晶粒能從大的并且規(guī)則的晶種界面垂直生長(zhǎng)，并且能同時(shí)在大表面區(qū)域上形成微米級(jí)(micrometric)石圭晶粒。
[0049]由于根據(jù)本發(fā)明的方法一般而言對(duì)產(chǎn)生大晶粒多晶硅、特別是縱向大晶粒多晶硅非常有用，其可有助于傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲(chǔ)器、易失性存儲(chǔ)器、NAND閃存、DRAM,多晶Si接觸及互連的成本有效以及器件性能提高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅的方法，其包括: -在半導(dǎo)體襯底上設(shè)置非晶硅； -將所述非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束， 所述方法的特征在于，在將所述區(qū)域暴露于所述第二激光束期間，不發(fā)生所述激光束相對(duì)于所述區(qū)域的位移。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中由所述第二激光束產(chǎn)生的熔融深度小于由所述第一激光束產(chǎn)生的熔融深度。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中由所述第二激光束產(chǎn)生的能量密度低于由所述第一激光束產(chǎn)生的能量密度。4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述非晶硅被設(shè)置在絕緣體層的頂上，從而界定出界面，并且其中由所述第一激光束產(chǎn)生的能量密度足以將所述非晶硅熔融直到非晶娃-絕緣體界面。5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一和第二激光束由相同激光源產(chǎn)生。6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在激光退火期間，將所述半導(dǎo)體襯底保持在室溫。7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述襯底的多個(gè)區(qū)域先被暴露于所述第一激光束，并且其中所述多個(gè)區(qū)域中的每個(gè)區(qū)域隨后被暴露于所述第二激光束。8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法的用途，用于制造大晶粒多晶硅。9.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的方法的用途，用于制造縱向晶粒多晶硅。10.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的方法的用途，用于制造傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲(chǔ)器、易失性存儲(chǔ)器、NAND閃存、DRAM、多晶S i接觸及互連。
【文檔編號(hào)】H01L21/20GK106030759SQ201580005519
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日
【發(fā)明人】F·馬扎穆托
【申請(qǐng)人】歐洲激光系統(tǒng)和解決方案公司