CN103117212B - 用于复杂结构半导体器件的激光退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于半导体制造工艺范围的涉及一种用于复杂结构半导体器件的激光退火方法。该激光退火方法采用倾斜入射方式，在实施激光退火时，激光束与晶圆的法线方向之间呈现一个夹角，激光束的束斑作用在晶圆上的三维器件结构上，晶圆的运动方向与激光束在晶圆上的投影所形成的直线段平行。针对三维器件结构和倾斜离子注入工艺制备的器件进行退火。通过激光倾斜辐照，可以使复杂结构半导体器件的正面和侧面的浅表面层得到相同的激光表面退火处理，也可以沿着倾斜离子注入的方向透过离子注入窗口将杂质激活，得到特殊的杂质分布的器件结构。利用激光倾斜入射的投影效应，进行选择性退火，即被照射区域退火，而未被照射的盲区不退火。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造工艺范围，特别涉及一种用于复杂结构半导体器件的激光退火方法。
背景技术
半导体行业的迅猛发展推进着技术不断地进步，各种新技术从研发到实施的周期也越来越短，在这背后是对领先占有潜在市场的渴望和强大的资金支持。以集成电路和大容量存储器为代表的半导体器件工艺节点不断缩小，更多的三维结构器件的涌现，使得新的工艺技术同原来的平面工艺在一些关键点上有了很大的不同，比如多达十层以上的铜互连工艺，与五六层的钨塞加铝互联工艺就已经有了天壤之别，前者有效地降低了电路延迟和一部分功耗。新技术能否广泛采用并生存下来的关键，取决于市场的规模和所生产产品的性价比。
激光以连续或者脉冲的方式，将较大的光子能量作用在物体上，使物体被照射的区域发生物理、化学变化。激光可以通过调节波长、能量、脉冲宽度、重复频率等方式达到不同工艺要求的目的。以此方式用于半导体前道工艺中的有激光退火和激光再结晶等。目前，激光再结晶技术用来进行平板显示中薄膜晶体管(TFT)制作的研究，激光退火技术正在逐步地渗透到半导体器件和32nm 以下工艺节点的集成电路的工艺领域，比如半导体功率器件IGBT背面PN结等的制作工艺中，需要采用激光退火工艺激活离子注入的杂质；32nm 以下工艺节点的集成电路也要采用深紫外的激光退火来将注入的离子激活，形成超浅结。因为激光的波长越短，激光直接作用到物质内部的深度将越浅，再辅之以超短的脉冲宽度，其产生的影响便被局限在物质超浅的表面，应用此原理便可以进行超浅结的激光退火。
当半导体器件的特征尺寸不断缩小，缩小到20-30纳米以下时，一种新的趋势正在形成，就是出现了具有三维结构的器件，比如FinFET器件（鳍式场效晶体管）。FinFET使得半导体前道工艺由单纯的平面工艺过度到平面 + 三维工艺。另外，一些新型的传感器，虽然元器件的尺寸不是很小，但也呈现三维的结构。这也将使得基于表面特性的半导体传感器工艺要能够处理三维结构的表面。
采用倾斜入射激光扫描方式，可以对三维结构的器件进行三维的表面退火处理。这样，垂直于晶圆平面的侧壁结构上，无论是由台阶还是由沟槽形成的侧壁，也能得到如同平面工艺激光扫描退火一样的浅表面激光退火处理。
另外，倾斜入射激光扫描方式可以对倾斜离子注入的晶圆退火处理。为了提高器件性能，用倾斜离子注入的方式，可以得到特殊的杂质分布形式。由于晶圆的正面有硬掩膜或者是器件部分结构作屏蔽，离子注入是从注入窗口处将离子注入到半导体内部的。采用倾斜入射激光扫描方式沿着离子注入的方向，从所开的窗口对晶圆内部进行退火处理，可将倾斜离子注入的杂质激活。
需要指出的是，本发明所称的倾斜入射激光退火方法，专门是指用于三维结构的元器件和倾斜离子注入这类复杂结构的半导体器件激光退火方法。与现有的平面工艺中的激光退火方法不同，后者虽然也会与平面的法线方向有一个倾斜角度，但那个角度较小，是为了防止入射光沿原光路反射回系统，造成系统出现问题。而倾斜入射的激光光束与加工晶圆平面法线的夹角为1°至60°之间，加工晶圆平面的运动方向，被设计成与激光束在晶圆上的投影所形成的直线段平行，其左右和上下的偏差被控制在±5°之内。
倾斜入射的激光光束由于光线投影的原因，可能会在扫描退火过程中，出现部分区域为阴影区现象。如果要克服这种情形带来的问题，可以将晶圆旋转180度，再进行一次扫描。此时，上表面的平坦区域进行了两次扫描退火。
也可以利用这种投影现象，进行选择性退火，即将不需要退火的部分设计成阴影区，光束可以照射到的部分为退火区。
基于以上原因，为了实现对三维器件的表面进行退火处理，以及对倾斜离子注入的杂质进行激活，本发明提出了一种用于复杂结构半导体器件的激光退火方法——激光倾斜入射退火方法。具体地说，有别于传统的晶圆激光退火，激光倾斜入射退火首先其入射光束与晶圆的法线方向形成一个1°至60°度角；其次，扫描过程中，晶圆的运动方向与激光束在晶圆上投影所形成的直线段平行。
发明内容
本发明的目的是提出了一种用于复杂结构半导体器件的激光退火方法，在实施激光退火时，经过整形、汇聚后的激光束4投射到被加工晶圆1上，其特征在于，在晶圆1上以倾斜离子注入角度10离子注入工艺制备器件3，激光束4与晶圆1的法线方向5之间呈现一个夹角6，该夹角6的角度与倾斜离子注入角度10相同，在实施激光退火时，激光束4沿着倾斜离子注入角度10通过覆盖在器件3表面的硬掩膜11的窗口12，使得光子通过这个窗口作用到晶圆1中，进行退火处理，形成退火作用区13；退火过程中，硬掩膜11用来阻止离子注入，将激光束屏蔽或反射，保护了其下面的结构14不受影响，使器件3被硬掩膜11屏蔽的部分不受影响；所述器件3是指为了针对器件具体特性的杂质分布，以一定倾斜角度实施离子注入所形成的器件结构。
所述倾斜离子注入角度10是离子注入的方向与晶圆表面法线方向5所形成的夹角，在对这类晶圆退火时，激光束4的倾斜角度6与倾斜离子注入角度10相同。
所述退火作用区13是指激光束通过注入窗口12对晶圆进行退火处理，注入窗口12下面存在受到激光束4照射的明亮区15，即发生激光照射及退火现象的区域和在晶圆表面上会存在一个未被照射到的阴影区16，即指在激光束4倾斜辐照时始终都不会被激光照射到的区域，即未退火区。
所述器件的上表面可以额外设置硬掩膜遮挡，利用这一遮挡，实施选择性激光退火，或者在第一次退火后将晶圆旋转180o，再进行第二次退火，在这样的两次退火过程中，利用器件结构上表面处的硬掩膜，起到控制上表面激光作用量的效果。
引入硬掩膜的另一种有益效果为，由于倾斜入射的退火往往存在阴影效应，阴影区无法有效退火，为了对第一次退火时的阴影区进行退火处理，需要将晶圆旋转180o，进行第二次退火，用第二次退火对第一次退火所作用不到的区域实施有效的工艺处理。然而两次激光退火的工艺方案也有它的问题，那就是在两次退火的过程中，如果器件结构的上表面15不做适当的遮蔽，则上表面15将始终处于激光作用区（即明亮区），受到两次退火作用。如果对工艺做严格要求，要求器件结构的上表面和侧面都要进行激光处理，并且必须接受相同的激光作用量，那么此时就可以采用硬掩膜了。具体做法为，制作硬掩膜，在执行第一次激光退火，然后移除硬掩膜，执行第二次的激光退火；利用这一遮挡效果可以实施选择性的激光退火。
本发明的有益效果是通过激光倾斜辐照，可以使复杂结构半导体器件的正面和侧面的浅表面层得到相同的激光表面退火处理；可以对倾斜离子注入的器件进行退火处理，依靠硬掩膜或器件结构的保护，使未注入区域不受激光退火的影响；激光倾斜辐照，利用晶圆表面结构的遮挡，可以用来实施选择性激光表面退火。
附图说明
附图中给出了激光在复杂器件结构进行退火的示意图，为使图示简洁明了，只显示了单一结构和细条形激光光斑的情形，略去了完整晶圆、激光光路、片台等。
图1为针对倾斜式离子注入的激光退火示意图。
图2激光倾斜入射退火所构成的阴影效应示意图。
具体实施方式
本发明提供一种用于复杂结构半导体器件的激光退火方法。下面结合具体实施例和附图对本发明予以进一步说明。
图1为针对倾斜式离子注入的激光退火示意图。图中激光束4的倾斜角度6与倾斜离子注入角度10是相同的，硬掩膜11也可以是已经做在晶圆1上的器件结构，其也可以起到屏蔽离子注入的作用，离子注入与其后的激光退火都是经过注入窗口12对晶圆表面实施的。
图2激光倾斜入射退火所构成的阴影效应示意图。激光束4倾斜辐照时能够被激光照射到的区域为明亮区15，未被照射到的区域为阴影区16。
下面例举实施例说明复杂结构半导体器件的激光退火方法的原理。
实施例一
用于复杂结构半导体器件的激光退火方法可以使得采用倾斜离子注入工艺的器件得到特殊的激光退火处理，其加工步骤如下：
1. 将激光束调整到与离子注入的倾斜角相同的角度；
2. 将离子注入窗口的长度方向调整到与激光束在晶圆平面上的投影垂直；
3.承载晶圆的片台在初始位置沿x方向做直线匀速运动，x方向即晶圆的运动方向。由此形成了激光束斑在所要处理的器件结构上的相对运动，实施了激光扫描退火；
4.当x方向扫描结束后，片台在y方向做步进移动，移动距离为一个步长，一个步长等于该方向上有效的激光束光斑的尺寸，片台沿-x方向做直线匀速运动，实施激光扫描退火；
5.当-x方向扫描结束后，片台在y方向做步进移动，移动距离为一个步长，一个步长等于该方向上有效的激光束光斑的尺寸，重复步骤3和步骤4，如此反复，实施整个晶圆的激光扫描退火；
6.整个晶圆激光扫描退火完成后，片台旋转180o，重复步骤3、步骤4和步骤5，只是其中的y方向步进移动变成了-y方向步进移动，如此反复，实施整个晶圆的第二次激光扫描退火，至此扫描退火过程结束，片台返回到初始位置；
实施例二
用于复杂结构半导体器件的激光退火方法可以使得器件得到选择性表面激光退火处理，其加工步骤如下：
1. 将激光束调整到与离子注入的倾斜角相同的角度；
2. 将器件结构的侧壁表面调整到与激光束在晶圆平面上的投影垂直；
3.承载晶圆的片台在初始位置沿x方向做直线匀速运动，x方向即晶圆的运动方向。由此形成了激光束斑在所要处理的器件结构上的相对运动，实施了激光扫描退火；
4.当x方向扫描结束后，片台在y方向做步进移动，移动距离为一个步长，一个步长等于该方向上有效的激光束光斑的尺寸，片台沿-x方向做直线匀速运动，实施激光扫描退火；
5.当-x方向扫描结束后，片台在y方向步进移动，步长为该方向上有效的激光束光斑的尺寸，重复步骤3和步骤4，如此反复，实施整个晶圆的激光扫描退火至此扫描退火过程结束，片台返回到初始位置。
Claims (4)
1.一种用于复杂结构半导体器件的激光退火方法，在实施激光退火时，经过整形、汇聚后激光束(4)投射到被加工晶圆(1)上，其特征在于，在晶圆(1)上以倾斜离子注入角度(10)离子注入工艺制备器件(3)，激光束(4)与晶圆(1)的法线方向(5)之间呈现一个夹角(6)，该夹角(6)的角度与倾斜离子注入角度(10)相同，在实施激光退火时，激光束(4)沿着倾斜离子注入角度(10),通过覆盖在器件(3)表面的硬掩膜(11)的窗口(12)，使得光子通过这个窗口作用到晶圆(1)中，进行退火处理，形成退火作用区(13)；退火过程中，器件(3)被硬掩膜(11)屏蔽的部分不受影响；所述器件(3)是指为了针对器件具体特性的杂质分布，以一定倾斜角度实施离子注入所形成的器件结构。
2.根据权利要求1所述用于复杂结构半导体器件的激光退火方法，其特征在于，所述倾斜离子注入角度(10)是离子注入的方向与晶圆表面法线方向(5)所形成的夹角，在对这类晶圆退火时，激光束(4)与晶圆(1)的法线方向(5)之间呈现一个夹角(6)，该夹角与倾斜离子注入角度(10)相同。
3.根据权利要求1所述用于复杂结构半导体器件的激光退火方法，其特征在于，所述退火作用区(13)是指激光束通过注入窗口(12)对晶圆进行退火处理，注入窗口(12)下面存在受到激光束(4)照射的明亮区(15)，即发生激光照射及退火现象的区域和在晶圆表面上会存在一个未被照射到的阴影区(16)。
4.根据权利要求1所述用于复杂结构半导体器件的激光退火方法，其特征在于，所述在实施激光退火后将晶圆旋转180°，再进行第二次退火，在这样的两次退火过程中，利用器件结构上表面处的硬掩膜，起到控制上表面激光作用量的效果。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150708 Termination date: 20170915 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |