激光退火装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种激光退火装置及方法，该退火装置包括：所述激光光源分系统，被所述主机控制，生成并输出激光；所述温度监测分系统，监测硅片表面所述激光照射位置处的温度，并反馈至所述主机；所述光学分系统，被所述主机控制，对所述激光光源分系统输出的激光进行整形和传输，得到光强均匀分布的光斑；所述空间光强调制分系统，被所述主机控制对所述光学分系统出射的激光进行调制，使入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，从而使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致，且该能量能够依据所监测的温度确定；所述主机依据所述温度监测分系统的反馈控制所述激光光源分系统、光学分系统和空间光强调制分系统。

【技术实现步骤摘要】
激光退火装置及方法
本专利技术涉及硅片加工领域，尤其涉及一种硅片光刻后的退火装置及方法。
技术介绍
在摩尔定律的推动下，芯片制造业在过去的数十年中经历了快速发展。这种持续的快速发展源自于芯片尺寸的持续缩小。与之相应地，这种更小的尺寸对芯片的加工制造工艺提出了越来越高的困难和挑战。传统的硅片快速热退火方式已经很难满足45nm及更高节点的要求。新的退火技术替代正在被大量研究。近年来由于激光应用技术的发展，激光退火技术已显示出良好的应用前景。激光退火相对传统退火，其热预算小，激活效率高，可以很大程度减小掺杂杂质的热扩散，并降低热应变。当硅片经过光刻工艺之后，表面的不同位置处会形成不同的纳米(nm)级几何结构以及材料属性，导致表面的不同位置处对入射激光能量的吸收不一致，从而导致激光退火后表面的温度分布均匀性变差，即所谓的图案效应。如图1所示，对于经过特定光刻工艺处理之后的硅片表面的结构示意图。可以看到，硅片表面有一系列黑色的方框所示的裸芯片构成。对于形成的裸芯片，在表面上具有纳米(nm)级空间尺度的一系列特定的空间结构，并且在内部深度处具有不同的材料成分，如图2所示。基于上述因素，根据电磁波理论，对于具有特定波长λ和入射角θ的入射光，硅片表面处的反射率Rθ，λ(x,y)是位置的函数，其中(x,y)表示待退火的硅片表面处的位置坐标。在激光退火过程中，对于上述的目标硅片，利用激光作为能量源，照射待处理硅片的表面，使得硅片达到规定的退火温度T0，实现目标退火。如上所述，由于反射率Rθ，λ(x,y)是位置的函数，因此导致给个位置处吸收的激光能量产生差异，进一步导致待处理硅片不同位置的的温度分布存在一定的范围△T，这种由于表面的反射率或者吸收率不同导致的温度差异，一般称之为“图案效应”。这种图案效应所导致的温度非均匀性，将产生差异性的掺杂粒子的扩散动力学行为，最终会对硅片内器件性能的一致性产生重要的影响。因此，在激光退火过程中，避免图案效应，使温度变化△T保持在一个可接受的范围内是一个重要的课题。还需指出：图1是经过光刻工艺后的，携带有裸芯片分布的硅片示意图，其中圆形的带有点状图案的部分表示硅片；长方形的带有栅形图案的部分表示裸芯片：图2为裸芯片的几何结构和材料属性示意图，左上图表示单个裸芯片，右上图表示硅片表面处裸芯片的周期性空间分布；右下方给出了沿硅片内部方向上，四种不同的材料属性，A表示全硅材料(Si)，B表示硅材料上面生长由多晶硅(P-Si)，C表示硅材料的上面生长由二氧化硅(SiO2)，其上面又覆盖有多晶硅(P-Si)，D表示硅材料的上面生长由二氧化硅(SiO2)。现有技术中，US2013/0196455A1是利用长波长CO2激光器，以布儒斯特角入射的方式，选择性地仅针对特定方向上的偏振光，使不同位置处的RBrewsterAngle，λ(x,y)差异降低，从而减轻图案效应。在这种方案中，存在如下问题：1、无法完全消除图案效应：一方面正交方向上的偏振光部分与待处理硅片表面相互作用时，仍然会被部分地吸收；另一方面，理论上的布儒斯特角只能无限逼近，而对于具有一定空间分布的光斑，必定在布儒斯特角附近具有一定分布，因此上述特定偏振方向上的入射光也存在图案效应；2、工艺适应性差，控制自由度低：对于复杂多变的硅片表面图案，无法采取相应的消图案效应措施。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何有效处理图案效应。为了解决这一技术问题，本专利技术提供了一种激光退火装置，包括主机、激光光源分系统、光学分系统、空间光强调制分系统以及温度监测分系统，所述激光光源分系统，被所述主机控制，生成并输出激光；所述温度监测分系统，监测硅片表面所述激光照射位置处的温度，并反馈至所述主机；所述光学分系统，被所述主机控制，对所述激光光源分系统输出的激光进行整形和传输，得到光强均匀分布的光斑；所述空间光强调制分系统，被所述主机控制对所述光学分系统出射的激光进行调制，使得入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，从而使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致，且该能量能够依据所监测的温度确定；所述主机依据所述温度监测分系统的反馈控制所述激光光源分系统、光学分系统和空间光强调制分系统。可选的，所述激光光源分系统包括一个或者多个激光器，各个激光器被所述主机独立控制。可选的，所述光学分系统包括：光斑探测机构，对所述激光光源分系统输出的激光进行能量及相应的光斑位置的测量并反馈至主机；能量衰减机构，被所述主机控制，依据所述光斑探测机构的测量结果，对所述激光光源分系统输出的激光的能量进行控制；扩束准直机构，被所述主机控制，对所述能量衰减机构控制后的激光进行光斑形状的控制；以及匀光机构，被所述主机控制对形状被控制后的激光光斑进行整形，进而得到均匀的光斑。可选的，所述空间光强调制分系统包括空间光强调制器和装载所述空间光强调制器的调制器装载台，其中：所述空间光强调制器，被所述主机控制，将经所述光学分系统后出射的均匀的光斑透射或反射至所述硅片表面。可选的，经所述空间光强调制器后出射的激光的透光率Tθ,λ(x,y)与所述硅片表面的反射率Rθ,λ(x,y)相适应，满足以下关系：其中，所述激光的透光率Tθ,λ(x,y)指从所述空间光强调制器出射的激光与入射至所述空间光强调制器的激光之比，λ为入射光的波长，θ为入射光的入射角，(x,y)表示所述硅片表面处的位置坐标。可选的，退火时所述空间光强调制器和所述硅片均被离散为若干空间格点，所述空间光强调制器上相邻空间格点所对应的反射率进行取值所允许的最大距离max(△x,△y)需满足：其中，所述△x为所述硅片上相邻空间格点沿X向的距离，所述△y为所述硅片上相邻空间格点沿Y向的距离，所述为特征热扩散长度，满足D为热扩散率，τ为所述硅片表面处一点所经历的曝光时间。可选的，所述主机包括控制所述激光光源分系统的激光光源控制分系统、控制所述光学分系统的光学控制分系统和控制所述空间光强调制分系统的空间光强调制控制分系统。可选的，所述的基于反射率分布改善退火均匀性的退火装置还包括硅片载片台，所述硅片装载于所述硅片载片台，且被所述主机控制驱动所述硅片进行水平移动，从而使得光斑能够遍及所述硅片表面。可选的，所述硅片载片台通过硅片载片台控制分系统被所述主机控制。可选的，所述硅片载片台还能够被所述主机控制驱动所述硅片进行竖向移动，以满足焦深需求。可选的，所述空间光强调制分系统还包括空间光强调制成像单元，对经过所述空间光强调制器调制后的光斑进行缩小或放大。可选的，所述的激光退火装置还包括振镜扫描分系统，控制所述光斑相对所述硅片运动，使得所述光斑能够遍及所述硅片表面。本专利技术还提供了一种激光退火方法，包括以下步骤：步骤1、以拟采用的退火波长和激光入射至硅片表面的入射角，对具有表面图案的硅片进行退火，测量出所述硅片表面的反射率；步骤2、制作空间光强调制器，使经过所述空间光调制器调制后的激光入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致；步骤3、将一具有相同表面图案的硅片上载至工件台；步骤4、控制所述工件台运动，使经过所述空间光强调制器后的光斑遍及整个硅片表面，完成所述硅片的退本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光退火装置，其特征在于：包括主机、激光光源分系统、光学分系统、空间光强调制分系统以及温度监测分系统，其中：所述激光光源分系统，被所述主机控制，生成并输出激光；所述温度监测分系统，监测硅片表面所述激光照射位置处的温度，并反馈至所述主机；所述光学分系统，被所述主机控制，对所述激光光源分系统输出的激光进行整形和传输，得到光强均匀分布的光斑；所述空间光强调制分系统，被所述主机控制对所述光学分系统出射的激光进行调制，使入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，从而使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致，且该能量能够依据所监测的温度确定；所述主机依据所述温度监测分系统的反馈控制所述激光光源分系统、光学分系统和空间光强调制分系统。

【技术特征摘要】
1.一种激光退火装置，其特征在于：包括主机、激光光源分系统、光学分系统、空间光强调制分系统以及温度监测分系统，其中：所述激光光源分系统，被所述主机控制，生成并输出激光；所述温度监测分系统，监测硅片表面所述激光照射位置处的温度，并反馈至所述主机；所述光学分系统，被所述主机控制，对所述激光光源分系统输出的激光进行整形和传输，得到光强均匀分布的光斑；所述空间光强调制分系统，被所述主机控制对所述光学分系统出射的激光进行调制，使入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，从而使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致，且该能量能够依据所监测的温度确定；所述主机依据所述温度监测分系统的反馈控制所述激光光源分系统、光学分系统和空间光强调制分系统。2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：所述激光光源分系统包括一个或者多个激光器，各个激光器被所述主机独立控制。3.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：所述光学分系统包括：光斑探测机构，对所述激光光源分系统输出的激光进行能量及相应的光斑位置的测量并反馈至主机；能量衰减机构，被所述主机控制，依据所述光斑探测机构的测量结果，对所述激光光源分系统输出的激光的能量进行控制；扩束准直机构，被所述主机控制，对所述能量衰减机构控制后的激光进行光斑形状的控制；以及匀光机构，被所述主机控制对形状被控制后的激光光斑进行整形，进而得到均匀的光斑。4.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：所述空间光强调制分系统包括空间光强调制器和装载所述空间光强调制器的调制器装载台，其中：所述空间光强调制器，被所述主机控制，将经所述光学分系统后出射的均匀的光斑透射或反射至所述硅片表面。5.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于，经所述空间光强调制器后出射的激光的透光率Tθ,λ(x,y)与所述硅片表面的反射率Rθ,λ(x,y)相适应，满足以下关系：其中，所述激光的透光率Tθ,λ(x,y)指从所述空间光强调制器出射的激光与入射至所述空间光强调制器的激光之比，λ为入射光的波长，θ为入射光的入射角，(x,y)表示所述硅片表面处的位置坐标。6.如权利要求4或5所述的激光退火装置，其特征在于，退火时所述空间光强调制器和所述硅片均被离散为若干空间格点，所述空间光强调制器上相邻空间格点所对应的反射率进行取值所允许的最大距离max(△x,△y)需满足：max(△x,△y)≤(0.1～1)*l；其中，所述△x为所述硅片上相邻空间格点沿X向的距离，所述△y为所述硅片上相邻空间格点沿Y向的距离，所述l为特征热扩散长度，满足D为热扩散率，τ为所述硅片表面处一点所经历的曝光时间。7.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：所述主机包括控制所述激光光源...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔国栋，马明英，朱树存，孙刚，
申请(专利权)人：上海微电子装备集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31