具超短驻留时间之雷射退火系统及方法技术方案

一种以超短驻留时间对一半导体晶圆执行退火之雷射退火系统及方法。雷射退火系统可包括一或二激光束，其至少部分重迭。其中一激光束系为一预热激光束且其他激光束系为退火激光束。退火激光束以足够快的速度扫描以使驻留时间介于大约1微秒至100微秒之间。所述超短驻留时间对于产品晶圆的退火是有用的，所述产品晶圆系形成自薄装置晶圆，因为他们避免装置晶圆之装置侧因退火过程中的加热而受损。

【技术实现步骤摘要】
具超短驻留时间之雷射退火系统及方法
本专利技术系关于一种在集成电路结构形成时对半导体材料执行的雷射退火，且特别是关于超短雷射退火之系统与方法，其具有相当高的温度均匀性。
技术介绍
有许多种不同的应用需要使用到具相对高均匀强度之一线影像。其中一种应用为雷射热制程（LTP），在本领域中也称为雷射尖峰退火（LSA），或只称”雷射退火”。雷射退火在半导体制程中有各种不同的应用，包含在形成主动微电路例如晶体管以及相关形式之半导体特征时，对形成于半导体晶圆中之装置（结构）的选定区域进行掺质活化。雷射退火的其中一个形式使用来自一光束之一扫描线影像以加热晶圆表面至一温度（退火温度）并持续足够长的时间以活化半导体结构（例如源极和汲极区域）中的掺质，但也足够短以避免实质的掺质扩散。晶圆表面处在退火温度的时间取决于线影像的功率密度，以及取决于线影像宽度除以线影像的扫描速度（扫描速度）。为了达到符合商用雷射退火系统之高晶圆产能，线影像应该尽可能地长，而且还兼具高功率密度。一线影像尺寸的例示范围系为长度（横越扫描方向）5厘米至100厘米以及宽度25微米至500微米（扫描方向），典型的尺寸系10厘米长100微米宽。为了达到均匀退火，沿着线影像长的强度曲线必须尽可能地均匀，而沿着线影像宽之非均匀性则会在扫描过程中平均化（average-out）。典型半导体制程对于退火温度的需求系在1000°C至1300°C之间，温度均匀性在±3°C以内。为了达到此温度均匀性的等级，由退火光束所形成之线影像在横越扫描方向上必须具有相当均匀的强度，其中大多数的情况是必须在±5%以内。典型地的半导体应用要求退火时间在0.1毫秒至10毫秒之间。为了符合这样的要求，一机械平台可以被用来沿着垂直于光束的长度方向移动晶圆。其具有100毫米/秒之平台速度以及100微米之短光束宽度，退火（驻留）时间为1毫秒。很不幸地，对于某些半导体装置的制造情况，退火温度以及退火时间受限于其他因素，例如晶圆厚度以及形成于晶圆上之半导体装置结构的种类。在这种情况之下，传统雷射退火系统所提供的退火（驻留）时间并不适合。
技术实现思路
以一超短驻留时间对一晶圆退火之雷射退火系统以及方法系在此被揭露。雷射退火系统可以包含一或多个光束，其至少部分地重迭。其中一激光束系为一预热激光束，其他的激光束系为退火激光束。退火激光束的扫描速度系足够快以使驻留时间落在约1微秒至100微秒之间。对形成自薄装置晶圆之产品晶圆的退火来说，超短驻留时间是有用的，因为他避免装置晶圆之装置侧在退火过程中因加热而受损。单激光束退火系统及方法之实施例也在此被揭露。本专利技术之第一概念系一超快速雷射退火系统，用以对具有一晶圆表面之一半导体晶圆执行退火。超快速雷射退火系统报含一主雷射系统以及一次雷射系统。主雷射系统以一第一波长形成一主影像于晶圆表面。主影像增加在第二波长之光的吸收量。次雷射系统以第二波长形成一次影像于晶圆表面。次影像至少部分地座落于主影像中。次雷射系统包含一扫描光学系统，扫描光学系统以实质上介于1毫秒至100毫秒之范围间的一驻留时间扫描次影像于晶圆表面。其使得晶圆表面达到实质上介于350°C与1250°C之间的一尖峰退火温度TAP。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，所述超快速雷射退火系统较佳地还包含一热辐射侦测器系统、一收集光学系统、一功率传感器及一控制器。热辐射侦测器系统可操作地设置以侦测来自位在次影像位置之晶圆表面之热辐射，并且产生一热发射电讯号。收集光学系统可操作地设置以收集来自次激光束的反射光并且产生一反射光电讯号，次激光束系反射自位在次影像位置之晶圆表面。功率传感器，设置以量测次激光束以及产生代表所述次激光束之一功率电讯号。控制器，可操作地连接于热辐射侦测器系统、收集光学系统、功率传感器以及次雷射系统。控制器设置以接收及处理热发射电讯号、功率电讯号以及反射光电讯号，并且决定在次影像位置上之一晶圆表面温度TS。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，超快速雷射退火系统之热辐射侦测器系统以及扫描光学系统较佳地系包含重迭的光学路径区段。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，超快速雷射退火系统之控制器较佳地系设置以根据所量测到之晶圆表面温度TS来控制次激光束之总功率。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，主影像与次影像较佳地产生一尖峰退火温度，所述尖峰退火温度在半导体晶圆表面上的变异量不超过±3°C。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，超快速雷射退火系统之扫描光学系统较佳地包含一扫描镜，扫描镜可操作地连接于一镜驱动器，其中镜驱动器可操作地连接于控制器且被控制器所控制。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，第一波长较佳地实质上系在300奈米至650奈米之范围间。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，第二波长较佳地实质上系在500奈米至10.6微米之范围间。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，超快速雷射退火系统之次雷射系统较佳地包含一纤维雷射，该纤维雷射具有实质上在50瓦至5000瓦之范围间之一输出功率。基于本专利技术之第一专利技术概念下之其中一实施例，半导体晶圆较佳地包含一装置晶圆，所述装置晶圆具有一厚度，所述厚度系选自：a)10微米至100微米之间及b)500微米至1000微米之间。本专利技术之一第二概念系为对具有一晶圆表面之一半导体晶圆执行退火的方法。所述方法包含在该晶圆表面上以一第一波长形成一主影像。主影像增加在一第二波长下之光吸收量。所述方法也包含在晶圆表面上以一第二波长形成一次影像。次影像系至少部分地座落于主影像中。所述方法也包含以实质上介于1毫秒至100毫秒之间的一驻留时间扫描次影像于晶圆表面，使晶圆表面达到实质上介于350°C与1250°C之范围间之一尖峰退火温度TAP。基于本专利技术之第二专利技术概念下之其中一实施例，第一波长较佳地实质上系在300奈米至650奈米之范围间。基于本专利技术之第二专利技术概念下之其中一实施例，第二波长较佳地实质上系在500奈米至10.6微米之范围间。基于本专利技术之第二专利技术概念下之其中一实施例，所述方法较佳地还包含量测位在被扫描之次影像之位置上之一晶圆表面温度TS。所述方法较佳地也还包含控制用以形成次影像之次激光束的总功率以保持尖峰退火温度的变异量于±3°C以内。基于本专利技术之第二专利技术概念下之其中一实施例，于量测晶圆表面温度TS之步骤中，较佳地还包含量测次影像激光束之总功率。于量测晶圆表面温度TS之步骤中，较佳地还包含量测来自被扫描之次影像之位置之一热发射量。于量测晶圆表面温度TS之步骤中，较佳地还包含量测来自次影像之位置之一反射光总量，反射光系来自于次激光束的反射。于量测晶圆表面温度TS之步骤中，较佳地还包含以取自一计算程序之一查找表来计算晶圆表面温度TS。本专利技术之一第三概念系一种超快速雷射退火系统，适用于对具有一退火表面之一半导体晶圆执行退火。超快速雷射退火系统包含一雷射以及一扫描光学系统。雷射产生一激光束，激光束具有实质上介于300奈米至650奈米之范围间之一退火波长。扫描光学系统接收激光束并且于退火表面扫描激光束而成为一扫描影像，扫描影像具有实质上介于1微秒至100微秒之范围间之一驻留时间，藉以使退火表面达到实质上介于350°C至1250°C之范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超快速雷射退火系统，适用于对具有一晶圆表面的一半导体晶圆进行退火，包括：一主雷射系统，以一第一波长形成主影像于该晶圆表面，其中该主影像增加在一第二波长之下的光吸收总量；及一次雷射系统，以该第二波长形成次影像于该晶圆表面，其中该次影像至少部分地座落于该主影像中；其中，该次雷射系统包含一扫描光学系统，该扫描光学系统以实质上介于1毫秒至100毫秒的范围间的一驻留时间扫描该次影像于该晶圆表面，藉以使该晶圆表面达到实质上介于350°C与1250°C之间的一尖峰退火温度TAP。

【技术特征摘要】
2012.06.11 US 61/658,0861.一种超快速雷射退火系统，适用于对具有一晶圆表面的一半导体晶圆进行退火，包括：一主雷射系统，以一第一波长形成主影像于该晶圆表面，其中该主影像增加在一第二波长之下的光吸收总量；及一次雷射系统，以该第二波长形成次影像于该晶圆表面，其中该次影像至少部分地座落于该主影像中；其中，该次雷射系统包含一扫描光学系统，该扫描光学系统以实质上介于1毫秒至100毫秒的范围间的一驻留时间扫描该次影像于该晶圆表面，藉以使该晶圆表面达到实质上介于350°C与1250°C之间的一尖峰退火温度TAP。2.如权利要求1所述的超快速雷射退火系统，还包含：一热辐射侦测器系统，可操作地设置以侦测来自位在次影像位置的晶圆表面的热辐射，并且产生一热发射电讯号；一收集光学系统，可操作地设置以收集来自次激光束的反射光并且产生一反射光电讯号，该次激光束系反射自位在次影像位置的该晶圆表面；一功率传感器，设置以量测该次激光束以及产生代表该次激光束的一功率电讯号；及一控制器，可操作地连接于该热辐射侦测器系统、该收集光学系统、该功率传感器以及该次雷射系统，该控制器设置以接收及处理该热发射电讯号、该功率电讯号以及该反射光电讯号，并且决定在次影像位置上的一晶圆表面温度TS。3.如权利要求2所述的超快速雷射退火系统，其中该热辐射侦测器系统以及该扫描光学系统包含重迭的光学路径区段。4.如权利要求2所述的超快速雷射退火系统，其中该控制器系设置以根据所量测到的晶圆表面温度TS来控制次激光束的总功率。5.如权利要求4所述的超快速雷射退火系统，其中该主影像与该次影像产生一尖峰退火温度，该尖峰退火温度在该半导体晶圆表面上的变异量不超过±3°C。6.如权利要求2所述的超快速雷射退火系统，其中该扫描光学系统包含一扫描镜，该扫描镜可操作地连接于一镜驱动器，其中该镜驱动器可操作地连接于该控制器且被该控制器所控制。7.如权利要求1所述的超快速雷射退火系统，其中该第一波长实质上系在300奈米至650奈米的范围间。8.如权利要求1所述的超快速雷射退火系统，其中该第二波长实质上系在500奈米至10.6微米的范围间。9.如权利要求1至8任一项所述的超快速雷射退火系统，其中该次雷射系统包含一纤维雷射，该纤维雷射具有实质上在50瓦至5000瓦的范围间的一输出功率。10.如权利要求1所述的超快速雷射退火系统，其中该半导体晶圆包含一装置晶圆，该装置晶圆具有一厚度，该厚度系选自：a)10微米至100微米之间及b)500微米至1000微米之间。11.一种对具有一晶圆表面的一半导体晶圆执行退火的方法，包含：在该晶圆表面上以一第一波长形成一主影像，其中该主影像增加在一第二波长下的光吸收量；在该晶圆表面上以一第二波长形成一次影像，其中该次影像至少部分地座落于该主影像中；以实质上介于1毫秒至100毫秒之间的一驻留时间扫描该次影像于...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·阿尼基特切夫，A·M·霍利鲁克，
申请(专利权)人：超科技公司，
类型：发明
国别省市：