[发明专利]具超短驻留时间之雷射退火系统及方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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。

本发明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T_AP。

基于本发明之第一发明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T_S。

基于本发明之第一发明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。

基于本发明之第一发明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T_S来控制次激光束之总功率。

基于本发明之第一发明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。