一种改善半导体器件激光退火效果的方法及系统与流程

1.本发明涉及激光退火技术领域，更具体的是涉及一种改善半导体器件激光退火效果的方法及系统。


背景技术：

2.当前，集成电路特征尺寸不断缩小，涉及到的材料种类也越来越多，所使用的器件结构也越来越复杂。传统的热处理方式如炉管退火、快速热处理技术均为“整体退火方式”，即样片整体位于加热环境中，因此样片所有区域温度与退火环境温度相同。整体退火方式在当前面临着诸多问题，主要包括：(一)整体退火易对低熔点材料造成热损伤；(二)整体退火易造成材料的层内扩散；(三)整体退火易造成材料的层间扩散；(四)整体退火易引入引力，导致材料出现起皮、翘曲甚至衬底破碎等现象。
3.为了解决以上问题，人们开发了激光退火工艺，所谓激光退火工艺，是指使用合适波长、合适脉宽、合适形状及尺寸、合适能量密度的激光光束照射材料表面，材料吸收激光能量吸收后温度升高达到退火目的，可以看出，与传统退火方式相比，激光退火方式具有与传统热退火方式不同，激光退火方式具有“空间区域选择性强-仅激光光斑照射区域退火”、“升降温速度快-温度上升下降梯度可达1e12℃/s”、“退火时间短-退火时间为激光脉宽时间”、“工艺灵活性好”、“热扩散更小”、“热预算更低”等优势，因此成为当前集成电路领域重要的快速热退火方式。
4.另一方面，激光退火用于半导体器件时，也会带来一些问题，实际半导体器件中存在着不同尺寸、不同材料的结构，这些不同的结构对激光的吸收不同、激光的损伤阈值也不同，因此在同一个激光光斑作用下，会出现有的区域退火效果不够、另外一些区域退火效果剧烈出现损伤的情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决现有技术中同一个激光光斑作用下，会出现有的区域退火效果不够、另外一些区域退火效果剧烈出现损伤的问题，本发明提供一种改善半导体器件激光退火效果的方法及系统。
6.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
7.第一方面，一种改善半导体器件激光退火效果的方法，包括以下步骤：
8.确定需要增强吸收或反射的区域，用于将半导体器件表面分为不同区域，所述不同区域包括需要反射增强区域和需要吸收增强区域；
9.实现需要增强吸收或反射的区域，所述反射增强薄膜由一层大面积制备的低折射率材料与其上方图形化制备的高折射率材料组成，二者组合表现为增强反射效果。其它区域内大面积制备的低折射率材料与下方材料共同作用表现为减小反射即吸收增强效果。所述薄膜的厚度均为为激光波长的四分之一。
10.发射模块，用于通过激光器发射激光，配合光学系统形成所述激光退火需要的光
源，所述激光对反射区域或/和吸收区域进行照射。
11.进一步的，所述激光对反射区域或/和吸收区域进行照射之前还包括：通过光学系统将激光整形聚焦为圆形平顶光束或正方形平顶光束或线形平顶光斑后，发射到半导体器件表面。
12.进一步的，所述通过光学系统将激光整形聚焦为圆形平顶光束或正方形平顶光束或线形平顶光斑后，发射到半导体器件表面之前还包括：通过扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源，通过反射镜改变所述平行光源的方向。
13.优选的，所述光学系统包括整形元件和聚焦系统。
14.优选的，所述聚焦系统包括平凸透镜、双凸透镜和柱面镜。
15.进一步的，所述激光对反射区域或/和吸收区域进行照射时，通过位移系统控制半导体器件移动。
16.优选的，所述位移系统位于真空腔室内。
17.第二方面，一种改善半导体器件激光退火效果的系统，包括：
18.确定需要增强吸收或反射的区域，用于将半导体器件表面分为不同区域，所述不同区域包括需要反射增强区域和需要吸收增强区域；
19.实现需要增强吸收或反射的区域，所述反射增强薄膜由一层大面积制备的低折射率材料与其上方图形化制备的高折射率材料组成，二者组合表现为增强反射效果。其它区域内大面积制备的低折射率材料与下方材料共同作用表现为减小反射即吸收增强效果。所述薄膜的光学厚度均为为激光波长的四分之一。
20.发射模块，用于通过激光器发射激光，形成所述激光退火需要的光源，所述激光对反射区域或/和吸收区域进行照射。
21.进一步的，还包括整形模块，用于通过光学系统将激光整形聚焦为圆形平顶光束或正方形平顶光束或线形平顶光斑后，发射到半导体器件表面；
22.扩束准直模块，用于通过扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源，通过反射镜改变所述平行光源的方向。
23.本发明的有益效果如下：
24.本发明根据半导体器件不同区域对激光退火的不同要求，具体说来，有的区域希望增强反射减小吸收避免激光损伤，有的区域希望减小反射增加吸收。实现需要增强吸收或反射的区域，所述反射增强薄膜由一层大面积制备的低折射率材料与其上方图形化制备的高折射率材料组成，二者组合表现为增强反射效果。其它区域内大面积制备的低折射率材料与下方材料共同作用表现为减小反射即吸收增强效果。所述薄膜的光学厚度均为为激光波长的四分之一。
25.通过激光器发射激光，形成所述激光退火需要的光源，所述激光对半导体器件表面进行照射。本发明中通过上述技术方案在同一个激光光斑作用下，通过表面反射率调控实现不同区域对其对应的最优激光退火效果的要求。
附图说明
26.图1为本发明一种改善半导体器件激光退火效果的方法的流程图；
27.图2为本发明一种改善半导体器件激光退火效果的装置；
28.图3为本发明未覆盖反射薄膜和吸收薄膜时半导体器件的结构图；
29.图4为本发明覆盖反射薄膜和吸收薄膜时半导体器件的结构图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.为了解决同一个激光光斑作用下，会出现有的区域退火效果不够、另外一些区域退火效果剧烈出现损伤这一问题，本发明提出在需要的区域制备不同折射率薄膜组合从而调控特定区域表面对激光的反射和吸收，达到改善激光退火效果、避免不必要激光退火损伤的目的。
32.具体的，如图1所示，第一方面，一种改善半导体器件激光退火效果的方法，包括以下步骤：
33.将半导体器件表面分为不同区域，不同区域包括需要增强反射区域和需要增强吸收区域。首先在半导体器件表面覆盖一层低折射率材料薄膜，其光学厚度为激光退火所使用激光波长的四分之一波长，其折射率比表面之前材料的折射率要小。而后在需要增加反射、减小吸收的区域上方再图形化制备一层材料，该材料折射率大于之前大面积覆盖的材料，该材料光学厚度也是激光波长的四分之一波长对应厚度，通过这种方法可以调控表面不同区域的反射率从而调控对激光的吸收。
34.增强吸收薄膜和增强反射薄膜所采用的材料搭配主要由折射率决定，选择原则为n
104
《n
102
,n
103
,n
105
，物理厚度分别为λ/4n
104
、λ/4n
105
，光学厚度为激光波长的四分之一本技术材料的物理参数以及调控效果如表1所示。
35.表1.材料的物理参数以及调控效果
[0036][0037]
通过激光器发射激光，配合光学系统形成激光退火需要的光斑，对采用本发明的半导体样片进行照射。其中，激光器为固体激光器、光纤激光器、碟片激光器及半导体激光器中的一种或多种组合，激光器包括在脉宽上可以是皮秒、纳秒、微秒以及连续。
[0038]
具体的，反射增强薄膜由一层大面积制备的低折射率材料与其上方图形化制备的高折射率材料组成，二者组合表现为增强反射效果。其它区域内大面积制备的低折射率材料与下方材料共同作用表现为减小反射即吸收增强效果。所述薄膜的厚度均为为激光波长的四分之一。
[0039]
进一步的，激光对反射区域或/和吸收区域进行照射之前还包括：通过光学系统将激光整形聚焦为圆形平顶光束或正方形平顶光束或线形平顶光斑后，发射到半导体器件表
面。
[0040]
进一步的，通过光学系统将激光整形聚焦为圆形平顶光束或正方形平顶光束或线形平顶光斑后，发射到半导体器件表面之前还包括：通过扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源，通过反射镜改变所述平行光源的方向，使所述平行光源射入光学系统中，孔径光阑用于滤掉扩束准直后光斑边缘的杂光。
[0041]
优选的，光学系统包括整形元件和聚焦系统，整形元件包括但不限于光束整形镜，整形元件和聚焦系统用于将激光器发射的激光整形为平顶光斑发射到样品表面，整形元件或聚焦系统可以进行纵轴方向的移动。
[0042]
优选的，聚焦系统包括平凸透镜、双凸透镜和柱面镜，具体的，实现圆形平顶光束的光束聚焦系统所使用的透镜包括：平凸透镜、双凸透镜及其它可实现聚焦功能的光学元件或元件组合；实现正方形平顶光束的光束聚焦系统所使用的透镜包括：平凸透镜、双凸透镜及其它可实现聚焦功能的光学元件或元件组合；实现一维平顶光束的光束聚焦系统所使用的透镜包括：平凸透镜、双凸透镜、柱面镜及其它可实现聚焦功能的光学元件或元件组合。
[0043]
进一步的，激光对反射区域或/和吸收区域进行照射时，通过位移系统控制半导体器件移动，激光束腰的大小在3mm-20mm的范围内，位移系统用于放置样品并调整样品的位置，位移系统包括放置样品的真空吸片台、位移平台，位移平台够进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动，横轴和竖轴的移动使得所述激光能够扫描样品表面或者选取样品表面上的固定位置扫描，纵轴的作用是调节样品到柱面聚焦透镜焦平面的距离，同理，为调节样品到柱面聚焦透镜焦平面的距离，光学元件或聚焦透镜也可以进行纵轴方向的移动；真空吸片台能样品进行真空吸附固定，位移平台够进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动，位移系统设置于真空和/或惰性气体环境中，同轴惰性气体吹扫装置可取代真空腔室，为激光照射区域提供局部惰性气体环境用来防止退火过程的氧污染。
[0044]
优选的，位移系统位于真空腔室内，由低真空泵组和高真空泵组组成的真空泵组在真空腔室内产生高真空，保证合金反应不受氧元素影响，此外真空腔室还可配有氮气、氩气、氧气等气体，以满足不同工艺的要求。
[0045]
通过将半导体器件表面分反射区域和吸收区域，首先在半导体器件表面覆盖一层低折射率材料薄膜，其厚度为激光退火所使用激光波长的四分之一波长，其折射率比表面之前材料的折射率要小。而后在需要增加反射、减小吸收的区域上方再图形化制备一层材料，该材料折射率大于之前大面积覆盖的材料，该材料厚度也是激光波长的四分之一波长对应厚度，通过这种方法可以调控表面不同区域的反射率从而调控对激光的吸收。
[0046]
第二方面，如图2所示，一种改善半导体器件激光退火效果的系统，包括：
[0047]
所述系统包括激光器11、光学系统12和位移系统13；所述激光器11发射的激光满足上述方法中半导体退火激光的选择；
[0048]
激光器11发射激光进入到光学系统12中，然后由光学系统12入射到位移系统13中，对位移系统13中的晶圆进行处理；位移系统13控制晶圆实现xy方向的交叉移动。
[0049]
所述激光器11用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源，所述激光器11包括固体激光器11、光纤激光器11、碟片激光器11及半导体激光器11中的一种或多种组合；
[0050]
所述光学系统12用于将所述激光器11发射的激光整形为圆形平顶、方形平顶或者
线形平顶光斑后，发射到样品表面；
[0051]
所述光学系统12包括光学整形元件121和聚焦系统122，所述光学整形元件121包括但不限于光束整形镜；所述光学整形元件121和聚焦镜用于将所述激光器11发射的激光整形为平顶光斑发射到样品表面。
[0052]
所述光学整形元件121或所述聚焦系统122可以进行纵轴方向的移动；用于调节样品到所述柱面聚焦系统122焦平面的距离；
[0053]
所述位移系统13用于放置样品并调整样品的位置，所述位移系统13包括放置样品的真空吸片台131131、位移平台132132；所述真空吸片台131131能够对4寸-12寸大小的样品进行真空吸附固定，所述位移平台132132够进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动；
[0054]
位移平台132的横轴和竖轴的移动使得所述激光能够扫描样品表面或者选取样品表面上的固定位置扫描；位移平台132的纵轴的作用是调节样品到所述柱面聚焦系统122焦平面的距离。
[0055]
所述位移系统13设置于真空和/或惰性气体环境中；
[0056]
在其他实施例中，所述位移系统13设置于真空腔室中，所述真空腔室包括低真空泵组和高真空泵组，通过低真空泵组和高真空泵组在真空腔室中产生高真空环境，保证合金反应不受氧元素影响。
[0057]
在其他实施例中，真空腔室还可配有氮气、氩气、氧气等气体，以满足不同工艺的要求；
[0058]
在其他实施例中，所述位移系统13设置与同轴惰性气体吹扫装置中，同轴惰性气体吹扫装置为激光照射区域提供局部惰性气体环境用来防止退火过程的氧污染。
[0059]
所述光学系统12包括平顶整形元件和聚焦系统122，负责将激光器11发射的激光整形成圆形平顶光束、正方形平顶光束、线形平顶光束中的一种。
[0060]
实现圆形平顶光束或正方形平顶光束的光束聚焦系统122所使用的透镜包括：平凸透镜、双凸透镜及其它可实现聚焦功能的光学元件或元件组合。
[0061]
实现一维平顶光束的光束聚焦系统122所使用的透镜包括：平凸透镜、双凸透镜、柱面镜及其它可实现聚焦功能的光学元件或元件组合。
[0062]
在所述光学系统12将所述激光器11发射的激光整形为圆形平顶光束、正方形平顶光斑或线形平顶光斑之前，还包括：扩束准直系统14、孔径光阑15和反射镜16，所述扩束准直系统14将激光器11发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；反射镜16改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入光学系统12中；所述孔径光阑15用于滤掉扩束准直后光斑边缘的杂光。
[0063]
其中，所述方形平顶光斑的尺寸可以按照不同样品的尺寸可以调节，所述方形平顶光斑的大小由所述激光光源经过所述扩束准直系统14后发出的光斑直径及所述透镜的焦距决定。
[0064]
所述激光束腰的大小在3mm-20mm的范围内；所述反射镜16还用于改变所述孔径光阑15截取的平行光源中间部分的方向，使所述平行光源垂直射入所述光学整形元件121。
[0065]
总的来讲，本发明的核心要点基于以下几个事实：1.材料与激光的相互作用可分为三个部分，即吸收(adsorption)、反射(reflection)和透射(transmission)，三者百分比相加等于100％；2.三者中吸收的大小决定了材料对激光能量的吸收程度，也就决定了退火
温度，吸收等于1减去反射减去透射，反射由材料与其上下方材料的折射率及厚度共同决定(菲涅尔定律)，透射则由材料厚度决定；3.实际使用中，材料的厚度往往由器件及工艺要求决定，不易更改，因此通过材料厚度变化调控吸收效果首先，而通过更改“材料与其上下方材料的折射率及厚度”则可以有效调控反射率，从而调控吸收，这在工艺上更容易实现(光学增反膜或增透膜技术)；4.半导体器件中最常用的几种材料折射率差异较大，可以起到良好的反射率调控效果，比如硅的折射率为-3.88163@632.8nm，二氧化硅的折射率为-1.45704@632.8nm，氮化硅的折射率为-2.02252@632.8nm、氧化铝的折射率为-1.77@632.8nm。
[0066]
基于这些事实，通过以上几种材料的排列组合，每种材料的光学厚度设定为1/4波长，即实际厚度为λ/4n(n为材料折射率)，即可实现增反或增透效果，配合图形化工艺，即可实现有的区域增反、有的区域增透，从而更好的匹配工艺要求并实现更好的工艺效果。
[0067]
具体说来，如图3所示，半导体器件包括衬底材料101、两种不同材料及其图形化区域102/103、在102/103上方根据本发明制备图形化薄膜104/105，未采用本发明所述方法之前，半导体器件表面存在着不同的图形化区域，组成这些图形化区域的材料具有不同的折射率，因此当激光直接照射时，不同区域对光的反射、吸收特性仅与材料本身相关，也就是说，一旦器件结构确定并制备完成，它对激光的反射、吸收特性就决定了，进行退火工艺时，有的区域对激光吸收强、有的区域对激光吸收弱，因此吸收强的区域温度更高也就更容易发生损伤，另一方面，吸收弱的区域温度更低有可能无法达到所需的退火温度。
[0068]
如图4所示，采用本发明后，根据工艺要求，采用半导体图形化工艺，在特定区域制备特定厚度的图形化薄膜，这些薄膜与半导体器件本身的薄膜组合，形成特定的增反、增透效果，对于吸收较强易出现损伤的区域，采用本发明的技术实现增反，从而减小激光的吸收降低退火温度减小并避免损伤；对于吸收较弱的区域，采用本发明的技术实现增透，从而增加激光的吸收提高退火温度。