[发明专利]激光退火装置及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及硅片加工领域，尤其涉及一种硅片光刻后的退火装置及方法。

背景技术

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R_θ，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R_θ，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 R_{BrewsterAngle，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：