一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法。


背景技术：

2.毫秒激光脉冲退火(msec,lsa)被多家cmos制造设备所采用，应用于掺杂剂活化、栅极可靠性。该工艺采用10khz的快速高温计测量晶圆片表面温度，抑制了表面温度的大差异性。众所周知，为了激活掺杂原子和修复离子注入引起的损伤，往往需要在高温下进行退火。与此同时，退火工艺的热预算必须很小，以减小激活过程中掺杂原子在硅器件中的瞬时增强扩散效应(transient-enhance diffusion,ted)，进而保护突变结的结构，从而有效地控制短沟道效应。随着超浅结工艺的发展，纳秒(nla)激光退火在扩大激光退火应用空间方面具有很大潜力。
3.超浅结工艺过程在lsa(laser spike anneal)设备上进行。激光退火由于作用时间非常短(微秒量级)，且便于调节，可把ted效应减至最小程度，这对于结深控制以及避免不必要的结扩散是非常有利的，可以具有最低的电阻。采用lsa可以制造出更高性能的器件，具有更高的驱动电流，更低的漏电流。
4.然而，由于超高速高温计的选择有限，以及与布图有关的光学和热特性导致的温度大变化率，对缩短退火时间带来了一些挑战，包括确定和控制晶圆表面温度。正如大家所知晓地，由于掺杂剂在1200℃或更低温度下的亚熔体纳米级活化效率低且不可靠，因此需要更准确的方法来监测较低能量密度(energy density,ed)下的nla过程。入射能量密度是一个工具参数，独立于衬底，对建立和控制激光退火过程是有用的，它在晶圆平面上的精确测量就需要一种合适的校准技术。
5.寻求一种精准度、可靠性强的校准晶圆片正面入射能量密度的方法已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
6.故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法。


技术实现要素：

7.本发明是针对现有技术中，传统的lsa中超高速高温计的选择有限，以及与布图有关的光学和热特性导致的温度大变化率，对缩短退火时间带来了一些挑战，且由于掺杂剂在1200℃或更低温度下的亚熔体纳米级活化效率低且不可靠，需要更准确的方法来监测较低能量密度(energy density,ed)下的nla过程等缺陷提供一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法。
8.为实现本发明之目的，本发明提供一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法，所述校准晶圆片正面入射能量密度的方法，包括：
9.执行步骤s1：提供未掺杂的晶圆片c-si(100)，采用不同能量密度的激光对所述未
掺杂的晶圆片进行激光退火，未经校准的能量密度(ed)通过具有激光功率探测器的激光功率反馈回路控制，提供在任意单位的入射能量密度的测量；
10.执行步骤s2：在激光退火工艺中，通过原子力显微镜(afm)对所述晶圆片进行表面粗糙度测试，获得所述晶圆片之表面熔化开始时的阈值变化点，以及在所述阈值变化点时所对应的实际入射能量密度；
11.执行步骤s3：根据所获得的任意单位入射能量密度和在所述阈值变化点时所对应的实际入射能量密度，对所述晶圆片正面入射能量密度进行校准。
12.可选地，所述阈值变化点时所对应的实际入射能量密度，通过以下公式(1)、(2)、(3)计算获得，
13.所述实际入射能量密度ed与激光强度i函数关系如下，
14.ed＝it
p
ꢀꢀꢀ
(1)
15.其中，t
p
为正方形激光脉冲的宽度，宽度为最大宽度的一半；
16.假设未掺杂的晶圆片c-si(100)表面温升δt与吸收的热流h成正比，h又取决于入射激光强度i，
17.h＝i
×
(1-r)
ꢀꢀꢀ
(2)
18.式中，r为晶圆在激光波长处的反射率，对于空白硅晶圆片，利用一维热扩散方程的解析解和表列的纯硅之热光学性质，可以精确的计算其表面温升δt，
[0019][0020]
式中，k为硅的导热系数，α为硅的扩散系数，t
p
为激光脉冲持续时间，称之为热扩散长度。
[0021]
可选地，激光退火(nla)激光脉冲下，保持预热激光步长和晶圆片底座温度恒定，使得所述晶圆片表面基底温度约为550℃。
[0022]
可选地，采用激光电压设定值进行入射能量密度表征。
[0023]
可选地，采用硅衬底在1300℃下亚熔体硼掺杂活化进行入射能量密度的周期监测。
[0024]
可选地，在1200℃或以下使用非晶掺杂硅层的外延再生长进行工具和工艺匹配，允许匹配在能量密度的1％范围内。
[0025]
可选地，所述非晶掺杂硅层的外延再生长选择40nm磷掺杂的外延生长层p-c-si(100)晶片。
[0026]
综上所述，本发明建立了一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法，利用原子力显微镜(afm)测量的晶圆表面粗糙度在晶圆表面熔化开始时的突然阈值变化来校准入射激光脉冲能量密度，以建立一个校准曲线；对硅衬底在1300℃下亚熔体硼掺杂活化进行入射ed周期监测；在1200℃或以下使用非晶掺杂硅磷层的外延再生长进行工具和工艺匹配，并且匹配在能量密度的1％范围内。
附图说明
[0027]
图1所示为本发明校准晶圆片正面入射能量密度的方法之流程图；
[0028]
图2所示为afm和视觉检测熔体的测试图；
[0029]
图3(a)～3(c)所示为不同激光电压设定值下的afm图谱；
[0030]
图4所示为空白晶圆进行硼掺杂后的rs-ed图谱；
[0031]
图5所示为非晶掺杂硅层的外延再生长的rs-ed图谱；
[0032]
图6所示为注入
31
p进行了深度约9nm的非晶化示意图；
[0033]
图7所示为入射能量密度校准后的rs-ed图谱；
[0034]
图8所示为入射能量密度校准后的非晶化示意图。
具体实施方式
[0035]
为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
[0036]
请参阅图1，图1所示为本发明校准晶圆片正面入射能量密度的方法之流程图。所述校准晶圆片正面入射能量密度的方法，包括：
[0037]
执行步骤s1：提供未掺杂的晶圆片c-si(100)，采用不同能量密度的激光对所述未掺杂的晶圆片进行激光退火，未经校准的能量密度(ed)通过具有激光功率探测器的激光功率反馈回路控制，提供在任意单位的入射能量密度的测量；
[0038]
执行步骤s2：在激光退火工艺中，通过原子力显微镜(afm)对所述晶圆片进行表面粗糙度测试，获得所述晶圆片之表面熔化开始时的阈值变化点，以及在所述阈值变化点时所对应的实际入射能量密度；
[0039]
执行步骤s3：根据所获得的任意单位入射能量密度和在所述阈值变化点时所对应的实际入射能量密度，对所述晶圆片正面入射能量密度进行校准。
[0040]
作为本领域技术人员，容易理解地，在纳秒激光退火(nla)激光脉冲下，保持预热激光步长和晶圆片底座温度恒定，使得所述晶圆片表面基底温度约为550℃，采用不同能量密度的激光对所述未掺杂的晶圆片进行激光退火，未经校准的能量密度(ed)通过具有激光功率探测器的激光功率反馈回路控制，提供在任意单位的入射能量密度的测量。非限制性地，例如采用激光电压设定值进行入射能量密度表征。
[0041]
本发明中，所述实际入射能量密度ed与激光强度i函数关系如下，
[0042]
ed＝it
p
ꢀꢀꢀ
(1)
[0043]
其中，t
p
为正方形激光脉冲的宽度，宽度为最大宽度的一半。
[0044]
假设未掺杂的晶圆片c-si(100)表面温升δt与吸收的热流h成正比，h又取决于入射激光强度i，
[0045]
h＝i
×
(1-r)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0046]
式中，r为晶圆在激光波长处的反射率，对于空白硅晶圆片，利用一维热扩散方程的解析解和表列的纯硅之热光学性质，可以精确的计算其表面温升δt，
[0047][0048]
式中，k为硅的导热系数，α为硅的扩散系数，t
p
为激光脉冲持续时间。称之为热扩散长度。
[0049]
利用所述方程(1)、(2)、(3)，便可获得所述入射能量密度ed与所述晶圆片之表面温升值δt的函数关系。
[0050]
显然地，本发明中，利用原子力显微镜(afm)测量的晶圆表面粗糙度在晶圆表面熔化开始时的阈值变化点所对应的实际入射能量密度来校准入射激光脉冲的能量密度，以建立一个校准曲线。采用硅衬底在1300℃下亚熔体硼掺杂活化进行入射能量密度的周期监测。在1200℃或以下使用非晶掺杂硅层的外延再生长进行工具和工艺匹配，允许匹配在能量密度的1％范围内。
[0051]
为了更直观的揭露本发明之技术方案，凸显本发明之有益效果，现结合具体实施方式，对所述校准晶圆片正面入射能量密度的方法和原理进行阐述。在具体实施方式中，所述晶圆表面熔化开始时的阈值变化点、实际入射能量密度等仅为列举，不应视为对本发明技术方案的限制。
[0052]
作为本领域技术人员，容易理解地，通过观察晶圆表面熔化开始时的阈值变化点，并使用方程(1)、(2)、(3)，可反算入射能量密度，进而完成对入射能量密度的校准。所述校准方法的准确性在很大程度上依赖于精确的晶圆表面熔化开始时的阈值变化点。通常地，熔融可以用快速表面反射法观察，但是所述快速表面反射法在确定熔化开始时存在误差，这是由于必须达到有限的熔液层厚度才能引起晶圆片表面反射率的可检测变化。故，为了将上述误差最小化，本发明使用光学和原子力显微镜(afm)测量工艺后表面粗糙度的变化来检测未掺杂晶圆片c-si(100)的熔化。
[0053]
作为具体实施方式，在纳秒激光退火(nla)激光脉冲下，保持预热激光步长和晶圆片底座温度恒定，使得所述晶圆片表面基底温度在550℃左右，采用不同能量密度的激光对所述未掺杂的晶圆片进行激光退火，未经校准的能量密度(ed)通过具有激光功率探测器的激光功率反馈回路控制，提供在任意单位的入射能量密度的测量。非限制性地，例如采用激光电压设定值进行入射能量密度表征。
[0054]
请参阅图2、图3(a)～3(c)，图2所示为afm和视觉检测熔体的测试图。图3(a)～3(c)所示分别为为不同激光电压1.74v、1.75v、1.79v设定值下的afm图谱。在nla激光设定点为1.79v时，视觉上检测到晶圆表面粗糙度的突然但微妙的变化，并标记为未掺杂晶圆片c-si(100)熔体的开始。作为灵敏度更高的原子力显微镜(afm)测量显示表面粗糙度在1.75v稍早的时候发生突变，进而缩小了确定熔体开始的误差。
[0055]
请参阅图4，图4所示为空白晶圆进行硼掺杂后的rs-ed图谱。本发明中，采用空白晶圆进行硼掺杂，再绘制rs-ed曲线，可以看出rs在约205mj/cm2后不再降低，便表明晶圆表面开始发生熔化，该能量密度低于未掺碳硅熔体阈值能量密度。上述变化表明使用未掺杂c-si进行熔体校准的重要性，因为植入和损坏的si层可能会抑制si熔点和/或增加表面反射率。在约190mj/cm2(1300℃)处的亚熔体区域，方块电阻rs具有足够的线性和灵敏度，因此可用于描述晶片内部(wiw)和晶片与晶片之间(wtw)入射能量密度的周期监测。
[0056]
请参阅图5、图6，图5所示为非晶掺杂硅层的外延再生长的rs-ed图谱。图6所示为注入
31
p进行了深度约9nm的非晶化示意图。由于掺杂剂在1200℃或更低温度下的亚熔体纳米级活化效率低且不可靠，因此需要更准确的方法来监测较低能量密度下的nla过程。在本发明中，将非晶掺杂硅层的外延再生长用来对低能量密度的监测。即，选择40nm磷掺杂的外延生长层p-c-si(100)晶片，采用rs和椭圆偏振测量方法来评估非晶层的再结晶。在约150mj/cm2的温度下，非晶层发生了完全的再生长，表面温度上升的预期温度为575℃，并通过注入
31
p进行了深度约9nm的非晶化，绘制了rs-ed曲线，并在pm后进行二次检查。
[0057]
请参阅图7、图8，图7所示为入射能量密度校准后的rs-ed图谱。图8所示为入射能量密度校准后的非晶化示意图。由图可知，使用上述方法进行能量密度校准后再进行二次校验，可以发现薄膜硅晶片的入射光和表面峰值温度都被成功地校准和控制。
[0058]
显然地，本发明建立了一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法，利用原子力显微镜(afm)测量的晶圆表面粗糙度在晶圆表面熔化开始时的突然阈值变化来校准入射激光脉冲能量密度，以建立一个校准曲线；对硅衬底在1300℃下亚熔体硼掺杂活化进行入射ed周期监测；在1200℃或以下使用非晶掺杂硅磷层的外延再生长进行工具和工艺匹配，并且匹配在能量密度的1％范围内。
[0059]
综上所述，本发明建立了一种校准晶圆片正面入射能量密度的方法，利用原子力显微镜(afm)测量的晶圆表面粗糙度在晶圆表面熔化开始时的突然阈值变化来校准入射激光脉冲能量密度，以建立一个校准曲线；对硅衬底在1300℃下亚熔体硼掺杂活化进行入射ed周期监测；在1200℃或以下使用非晶掺杂硅磷层的外延再生长进行工具和工艺匹配，并且匹配在能量密度的1％范围内。
[0060]
本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。