[发明专利]非熔化薄晶片激光退火方法

说明书

技术领域

本发明关于一种在形成集成电路结构时对半导体材料执行的激光退火，且特别是关于对薄半导体晶片执行非熔化激光退火的方法。

背景技术

激光退火（LTA）在半导体制造中有各种不同的应用，包含在形成有源微电路（例如晶体管以及相关形式的半导体特征）时，对形成于半导体晶片中的器件（结构）的选定区域进行掺杂激活。

激光退火的其中一个形式使用来自光束的扫描线图像以加热晶片表面至某一温度（退火温度）持续足以激活半导体结构（例如源极和漏极区域）中的掺杂的时间长度，但也足够短以避免实质性的掺杂扩散。晶片表面处在退火温度的时间取决于线图像的功率密度，以及取决于线图像宽度除以线图像被扫描的速度（扫描速度）。线图像停留在晶片表面某一点的时间称为驻留时间。

对于某些半导体器件应用，有需要对晶片的其中一侧加热，同时保持晶片另一侧的温度低于特定临界温度。一个例子是功率器件，其中背侧的掺杂激活以及接触在前侧器件制造完成之后才实施。另一例子是薄基板太阳能电池，其中前侧需要有高传导性发射极以提高电池效率，且其可通过掺杂与退火来完成。第三个例子是背侧图像传感器，其中场阻光层典型地由高掺杂且激活的层所组成，场阻光层用在背侧以抑制暗电流。

在所有的范例中，需要利用热退火来激活掺杂或者在晶片的一侧上形成接触。所涉及的基板厚度在数个或数百微米的范围内（也即μm），其明显地薄于标准的8英寸到12英寸硅晶片的厚度（即，725微米至775微米之间）。典型的掺杂激活需要高于大约1000℃的退火温度。然而，基板另一侧的最大温度和热预算必须被限制以避免造成与之相关的任何潜在材料整体性以及接合掺杂分布的劣化。

例如，如果在激光热退火之前，金属就已经存在于晶片的第一侧上，则第一侧的最大温度必须保持低于金属的熔点，以便能在相反侧（第二侧）退火时维持良好的物理整体性。

传统快速热退火（RTA）具有秒级的退火时间，其对应于具有数毫米的热扩散长度L_D的硅而言。此长度明显大于典型的晶片厚度，也就是说晶片两侧在快速热退火时，都会经历近似的峰值退火温度。因此，快速热退火不适合这种薄晶片应用。

这种薄晶片应用的传统激光退火方法包含使用脉冲熔化激光，其具有数十纳秒至数百纳秒的脉冲长度。对于硅来说，其对应的热扩散长度在大约1微米的等级，其明显小于大多数晶片的厚度。脉冲熔化退火的一个优点是它可以局部加热晶片的一侧至非常高的温度（包含高于硅的熔点温度），而几乎不会有热穿透到另一侧。因此，它可以应用在薄至数个微米的硅晶片。

然而，在脉冲熔化退火相关的纳秒时间框中，掺杂激活仅能在熔化的状态下达成。在熔化的过程中，掺杂可以快速地扩散与重新分布而具有更像箱型的曲线。这种特性在某些应用上可能是优势的，然而对于那些需要维持住精确的掺杂曲线的案例中，这种特性可能不是期望的。特别是，多个结的熔化可能会导致相反极性的掺杂相互混合而减低了结的性能。脉冲熔化退火方法的另一个限制是热穿透的深度。因为短的热扩散长度，很难有效地对深度大于0.5微米的结进行退火。此外，该方法也很难透过退火来消除超出熔化深度处的注入缺陷，这是因为使用纳秒等级的脉冲往往是热预算非常低。

因此，有需要提出一种对薄半导体晶片退火的方法，其令晶片的一侧可以进行有效的非熔化掺杂激活，同时又不会对晶片的另一侧造成有害的加热效应。

发明内容

本发明关于一种对薄半导体晶片的退火方法，其使得高温退火可以在薄半导体晶片的一侧被执行，同时又不会损害或过度加热位在晶片另一侧（或者嵌入晶片中）的热敏感特征或器件。峰值温度低于晶片的熔点所以在退火过程中不会发生明显的掺杂重新分布的情况。本方法可以应用在激活掺杂或形成欧姆接触。

本发明的一方面是一种对具有背侧的半导体产品晶片进行退火的方法，所述背侧具有退火区域，所述产品晶片具有电子器件特征，所述电子器件特征与所述背侧相隔距离d，所述电子器件特征在超过临界温度T_C时会被损坏。所述方法包括：以退火激光束扫描过所述背侧，以通过将所述退火区域带到退火温度T_A来退火所述退火区域，所述退火温度T_A小于所述半导体产品晶片的熔化温度T_M。所述扫描步骤具有与其相关的热扩散长度L_D，而且还包含以驻留时间来执行所述扫描步骤以使热扩散长度L_D满足L_D<d，且其中所述电子器件特征被维持低于所述临界温度T_C。