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CN102169816B - 一种超浅结深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置 - Google Patents

一种超浅结深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于半导体器件制作工艺的深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置。在被加工的圆片上方加一个屏蔽电极，该屏蔽电极位于承载片台和被加工的圆片的上方，与被加工圆片表面平行，电极中心有一个小孔可使深紫外激光透过，电极相对于激光光束静止不动，该激光退火设备由深紫外激光器来提供脉冲激光束，激光束经过扩束、匀束、边沿处理的光路，并通过屏蔽电极上的小孔投射到一个可以进行X-Y平面二维精确定位和移动的承载片台上，对放置于平台上的被加工圆片进行激光退火。屏蔽电极相对于激光束静止不动，承载片台可以进行二维的匀速或步进式移动。承载片台接地，屏蔽电极相对于片台和圆片为负电位，这样可以有效地抑制由于深紫外激光照射而产生的外光电效应现象，防止在退火过程中由于电子逃逸出圆片所造成的器件损伤。

Description

一种超浅结深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置
技术领域
本发明属于半导体制造设备范围，特别涉及用于半导体制造中的一种深紫外激光退火设备的屏蔽电极装置。
背景技术
当以CMOS集成电路和大容量存储器为代表的半导体器件特征尺寸不断缩小，工艺节点进入到32nm及22nm时，要求制作出具有重掺杂的、超浅的MOS器件源漏扩展区的器件结构，也就是在工艺上提出了制作超浅结(Ultra-ShallowJunction，简称USJ)的要求。为了满足在300mm圆片上制作32nm纳米及以下各代器件对超浅PN结的要求，除了要在杂质掺杂技术上采取新的技术措施之外，在杂质激活的退火环节，需要对传统的基于灯光的快速热退火(RTA)方法做出变更。当前较为认可的超浅结退火工艺是波长为深紫外的激光退火技术。
采用深紫外激光退火技术的好处在于：
1)深紫外激光波长短，对物质直接作用的深度浅，只对超浅的表面区域产生影响；
2)由于退火激光是脉冲式工作，激光脉冲约在几十纳秒量级，退火采用对圆片扫描或场步进方式，因此总的退火作用时间很短暂，可以将退火阶段杂质的再扩散控制在接近于零扩散的水平；
3)可获得超固溶度的杂质掺杂溶度，降低超浅PN结源漏扩展区的电阻，改善源漏电极的欧姆接触。
采用深紫外激光退火技术所制造出的超浅、陡峭的PN结，能够满足32nm及其以下工艺节点集成电路制造的需求。
需要指出的是，目前市场上存在的激光退火设备或者激光退火技术，其水平只能针对结深在几百nm以上的PN结进行加工。采用传统意义上的激光退火技术，从退火作用的机理和模式上看都完全不适合32nm技术节点，不能用于超浅结的制作。所以本发明所称的深紫外激光退火，专门是指用于超浅结制作的激光退火技术。目前国际上针对超浅结制作的激光退火设备及配套工艺技术，还处于实验研究阶段。
对于超浅结激光退火，由于当前可用激光器的单脉冲能量较低，无法实现整个圆片同时退火，所以只能采取线扫描或场步进的方式来实现整个衬底圆片的退火。同时需要对衬底材料进行加热，这样不仅可以减轻由于采用高强度激光退火在衬底上产生的热应力的影响，同时将激光退火的能量密度阈值降低至350mJ/cm2的量级。
在深紫外激光的照射下，会产生一种被称作外光电效应的现象，即衬底材料上的电子由于在短波长的深紫外激光的照射得到能量逃逸出被加工圆片的表面，破坏了材料原有的电中性，使得器件在制作过程中就有可能会存在缺陷，影响器件的良率和可靠性。
外光电效应是指物质吸收光子能量发射出自由电子的过程，由此产生的电子称作光电子，它与入射光的波长相关，也就是和光的频率相关。不同的物质都有一个红限频率v0，只有当入射光的频率v高于被照射物质的红限频率v0时，即v＞v0时，才能够使得物质中的电子吸收光子能量逃离物质表面，否则即使光强再大也不会发生电子逃逸的外光电效应；另外，光电子的初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。
基于以上原理，为了减小这种在器件制作过程中产生的缺陷，本发明提出了一种在被加工的圆片表面上方加一个相对圆片为负电位的电极的方案。具体地说，就是利用在所加工圆片上方放置一个具有负电位的屏蔽电极，来抑制电子从圆片中逸出，确保在激光退火工艺实施过程中不致损伤器件。
发明内容
本发明的目的是提供用于半导体器件制作工艺的一种深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置，其特征在于，在被加工的圆片上方加一个屏蔽电极，该屏蔽电极位于承载片台和被加工的圆片的上方，与被加工圆片表面平行，电极中心有一个小孔可使深紫外激光透过，电极相对于激光光束静止不动，与被加工圆片的间距在1～10mm的范围，该电极相对于承载片台和被加工的圆片为负电位，所施加的反向偏压为5～100V；可以有效地抑制由于深紫外激光退火所产生电子逃逸的外光电效应，保证器件不会因为采用深紫外激光退火而损伤。
所述的深紫外激光器其波长为193nm～350nm，脉冲激光束的单脉冲能量为200mJ～1.5J，脉宽在10～1000ns，重复频率10～1000Hz。
所述的承载片台是一个可以做二维精确定位与移动的带有加热装置的平台，该平台可以沿X-Y方向做匀速或步进运动，以此来实现激光束对整个圆片的均匀退火，片台对衬底圆片进行加热的温度范围为300～550℃。
所述屏蔽电极的小孔，当深紫外激光退火设备采用小圆形光斑，线扫描的方式对被加工的圆片进行退火时，小孔为一个尺寸略大于激光光斑的圆孔；当深紫外激光退火设备采用线束，通过面扫描的方式对被加工的圆片进行退火时，小孔为一个尺寸略大于激光光斑的矩形狭缝；当深紫外激光退火设备采用场步进的方式对被加工的圆片进行退火时，小孔为一个尺寸略大于激光光斑的矩形孔。
所述的被加工圆片是指在半导体硅片或其他形式的含有半导体材料薄膜的圆片，比如SOI，SGOI，GOI(此处，S指Si材料，G指Ge材料，O是英文on的字头，I是英文Insulator的字头)。
本发明的有益效果是在被加工的圆片上方加一个屏蔽电极，该电极相对于激光束静止不动，相对于承载片台和圆片为负压，可以有效的阻止深紫外激光对圆片的照射所产生的外光电效应给器件带来的损伤。
附图说明
图1为深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置示意图，图中，1-是产生深紫外脉冲激光的激光器；2-激光束，3-是用来对激光束进行扩束、匀束、边沿处理的光路，4-屏蔽电极；5-屏蔽电极上的小孔，6-可以进行X-Y二维精确定位和移动，并可以加热圆片的承载片台，7-被加工圆片。
图2为屏蔽电极上小孔示意图，其中
a，当采用线扫描时，屏蔽电极上小孔为圆形，4-屏蔽电极，5.1-屏蔽电极上的圆孔，6-承载片台，7-被加工圆片。
b，当激光束为一线束，采用面扫描方式时，屏蔽电极上小孔为一矩形狭缝，4-屏蔽电极，5.2-屏蔽电极上的矩形狭缝，6-承载片台，7-被加工圆片。
c，当激光束为一矩形，采用场步进方式进行退火时，屏蔽电极上小孔为一矩形孔，4-屏蔽电极，5.3-屏蔽电极上的矩形孔，6-承载片台，7-被加工圆片。
具体实施方式
本发明提供一种用于半导体器件制作工艺的深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置，下面结合具体实施例对本发明予以进一步说明。
图1所示为深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置示意图，在被加工的圆片上方加一个屏蔽电极4，该屏蔽电极位于承载片台6和被加工的圆片7的上方，与被加工圆片表面平行，屏蔽电极4中心有一个小孔5.可使深紫外激光器1产生的激光光束2透过，屏蔽电极4相对于激光光束2静止不动，在激光器1与屏蔽电极4之间设置用来对激光束进行扩束、匀束、边沿处理的光路3，屏蔽电极4与被加工圆片7的间距在1～10mm的范围。屏蔽电极4相对于承载片台6和被加工的圆片7为负电位，所施加的反向偏压为5～100V；可以有效地抑制由于深紫外激光退火所产生电子逃逸的外光电效应，保证器件不会因为采用深紫外激光退火而损伤。
实施例一
采用线扫描时，屏蔽电极上小孔为圆形(如图2a所示)，屏蔽电极装置的结构和应用：
1)激光束2为一个小圆形光斑，扩束、匀束、边沿处理后光斑直径0.5mm，屏蔽电极4上有圆孔5.1，圆孔5.1直径1.0mm，可使激光束2透过；
2)屏蔽电极4平行于圆片7，与圆片的间距4mm；
3)屏蔽电极4相对于承载片台6和圆片7为负电位，电压为5-25V；
4)承载片台6带动圆片7相对于激光束2运动，其沿Y轴做往复匀速运动，沿X轴做步间距为0.2mm/step的步进运动。
实施例二
采用面扫描方式时，激光束为一线束，屏蔽电极上小孔为一矩形狭缝(如图2b所示)，屏蔽电极装置结构和应用方式包括：
1)激光束2为一个线束，光斑尺寸为0.5x10.0mm，屏蔽电极4上有矩形狭缝5.2，矩形狭缝5.2的尺寸为1.0x11.0mm，可使激光束2透过；
2)屏蔽电极4平行于圆片7，与圆片的间距6mm；
3)屏蔽电极4相对于承载片台6和圆片7为负电位，电压为5-30V；
4)承载片台6带动圆片7相对于激光束2运动，其沿Y轴做往复匀速运动，沿X轴做步间距为8.0mm/step的步进运动。
实施例三
采用场步进方式进行退火时，激光束为一矩形束，屏蔽电极上小孔为一矩形孔(如图2c所示)，屏蔽电极装置，其结构和应用方式包括：
1)激光束2为矩形光束，光束尺寸为8.0x12.0mm，屏蔽电极4上有矩形孔5.3，矩形孔5.3尺寸为9.0x13.0mm，可使激光束2透过；
2)屏蔽电极4平行于圆片7，与圆片的间距8mm；
3)屏蔽电极4相对于承载片台6和圆片7为负电位，电压为10-60V；
4)承载片台6带动圆片7相对于激光束2运动，其沿X轴和Y轴均做场步进运动，沿X轴做步间距为7.9mm/step的步进运动，沿Y轴做步间距为11.9mm/step的步进运动。

Claims (5)

1.一种深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置，其特征在于，在被加工的圆片上方加一个屏蔽电极，该屏蔽电极位于承载片台和被加工的圆片的上方，与被加工圆片表面平行，电极中心有一个小孔可使深紫外激光透过，电极相对于激光光束静止不动，与被加工圆片的间距在1～10mm的范围，该电极相对于承载片台和被加工的圆片为负电位，所施加的反向偏压为5～100V；可以有效地抑制由于深紫外激光退火所产生电子逃逸的外光电效应，保证器件不会因为采用深紫外激光退火而损伤。
2.根据权利要求1所述深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置，其特征在于，所述深紫外激光的波长为193nm～350nm，脉冲激光束的单脉冲能量为200mJ～1.5J，脉宽在10～1000ns，重复频率10～1000Hz。
3.根据权利要求1所述深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置，其特征在于，所述的承载片台是一个可以做二维精确定位与移动的带有加热装置的平台，该平台可以沿X-Y方向做匀速或步进运动，以此来实现激光束对整个圆片的均匀退火，片台对衬底圆片进行加热的温度范围为300～550℃。
4.根据权利要求1所述深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置，其特征在于，所述屏蔽电极的小孔，当深紫外激光退火设备采用小圆形光斑，线扫描的方式对被加工的圆片进行退火时，小孔为一个尺寸略大于激光光斑的圆孔；当深紫外激光退火设备采用线束，通过面扫描的方式对被加工的圆片进行退火时，小孔为一个尺寸略大于激光光斑的矩形狭缝；当深紫外激光退火设备采用场步进的方式对被加工的圆片进行退火时，小孔为一个尺寸略大于激光光斑的矩形孔。
5.根据权利要求1所述深紫外激光退火设备中的屏蔽电极装置，其特征在于，所述被加工圆片是指含有半导体材料的SOI，SGOI或GOI圆片，此处，S指Si材料，G指Ge材料，O是英文on的字头，I是英文Insulator的字头。
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