[发明专利]具有超短停留时间的激光退火系统及方法

说明书

本发明公开了具有超短停留时间的激光退火系统及方法。该方法包括利用预加热线图像来局部地预加热半导体晶片，然后相对于预加热线图像快速地扫描退火图像以定义具有停留时间在10ns到500ns范围内的扫描重叠区域。这些超短停留时间对于执行产品晶片的表面熔化退火或者次表面熔化退火是有用的，因为它们防止设备结构回流。

技术领域

本申请要求2014年12月17日提交的美国临时专利申请No.62/092,925的优先权，该申请在此处通过引用并入。

本公开大体涉及退火，所述退火在半导体制造中使用以制造集成电路和内存设备，并且尤其涉及具有超短停留时间的激光退火系统及方法。

本发明中所引述的任一与全部参考文件均通过参考并入，包含有：美国专利No.8,309,474；美国专利No.8,546,805；美国专利No.8,865,603；和美国专利申请No.14/497,006。

背景技术

传统的纳秒脉冲式激光熔化退火(“传统的熔化激光退火”)提供了对先进的集成电路(IC)芯片制造而言理想的超低热预算、高掺杂剂活化及超陡峭结(super abruptjunction)。然而实际上，因为来自IC芯片中的光学与热学性质在空间中的变化所造成的大量的温度不均匀性，前述类型的退火难以实施在图案化的半导体晶片上。这些不良效应在所属技术领域中被称为“图案密度效应”。

美国专利No.8,309,474描述一种技术，在该技术中利用混合式熔化或非熔化的装置，用第一扫描激光束均匀地预热基板至接近熔化的状态。然后使用发射具有光脉冲的光束的第二激光将退火区域温度提升至熔化温度达较短时间，这可使熔化区域能迅速再结晶。此方法的优点为脉冲式激光与图案化基板间的相互作用所造成的温度非均匀性显著地被减轻。然而，此方法的缺点是来自脉冲间重复性的需求及脉冲式激光图像均匀性的限制，并且此方法需要相对较长、在100微秒至20毫秒的范围间的停留时间，因此更为加剧上述的问题。

美国专利No.8,865,603描述一种退火系统，其中扫描连续波(CW)激光束用于执行背侧激光加工，其停留时间是在1微秒至100微秒的范围间。此方法的优点是，光束稳定性远好于1％，而在半导体晶片处的光束均匀性是由已充分了解的高斯分布所定义。可惜的是，该方法所要求的功率及停留时间均太大，而无法使熔化的基板得以快速地再结晶。

发明内容

本发明是公开以10ns至500ns或25ns至250ns的范围间的超短停留时间退火半导体晶片的激光退火系统及方法。所述的激光退火系统是利用两种激光束-即预热激光束与扫描激光束，分别形成预热线图像与退火图像，并共同定义重叠区域。退火图像的长维度L2是沿预热线图像的短维度W1的方向。设定长维度L2本质上大于短维度W1(例如，2至4倍之间)，可使校正预热线图像与退火图像变得相对容易。预热激光束为操作于红外线的连续波(CW)光束，而扫描激光束为连续波(CW)光束，或准连续波(QCW)光束。扫描激光束在半导体晶片的表面上相对于预热线图像足够快速地扫描，使停留时间在前面提及的范围内。这些超短停留时间有利于执行产品晶片的熔化退火，因其能防止设备结构发生回流(reflow)。在示例中，扫描激光束的连续波(CW)与准连续波(QCW)的特性能避免与基于脉冲的激光退火系统有关的脉冲间均匀性的问题，该基于脉冲的激光退火系统仅用一个或数个光脉冲来执行退火。此外，因准连续波激光束没有本质上的光束整形(beam shaping)的需要，因此可避免不良的斑点效应。