JP2013232639A - アニーリングの非均一性を低減したレーザーアニーリング走査方法 - Google Patents

アニーリングの非均一性を低減したレーザーアニーリング走査方法 Download PDF

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Abstract

【課題】製造中の半導体デバイス構造におけるアニーリングの非均一性を低減させるレーザーアニーリング走査方法を提供する。
【解決手段】レーザービームのテールが半導体デバイス構造を離間するケガキ線の内側にのみ存在するようにアニーリングレーザービームの長さを規定する工程を含む。隣接する走査パスセグメントからのアニーリングレーザービームテール同士は、ケガキ線内で重なり合わせるか、あるいは、重なり合わせないことができる。アニーリングレーザービームの走査方向に直行する長さは、テール部が半導体デバイス構造内に位置しないようにアニーリングレーザービームが設定されているとともに、複数の半導体デバイス構造を同時に走査するように選択し得る。
【選択図】図1A

Description

本発明は、半導体デバイスを構成する半導体製造に用いられるアニーリングに広く関係しており、具体的には、アニーリングの非均一性を低減するようにして走査アニーリングレーザービームを利用するレーザーアニーリングに関する。
走査アニーリングレーザービームを用いたレーザーアニーリングは、高度な半導体デバイス製造に理想的な、超低熱量、高いドーパント活性化、および、スーパーステップ接合を呈する。このため、最小形状が45nmより小さいほとんどの論理デバイス、32nmより小さい多くのメモリーデバイスは、現在、ソースドレインの活性化、メタル−シリコン合金形成、欠陥アニーリング等を含むいくつかの製造ステップの1つにおけるレーザープロセスのフォームを使用する。
米国特許第6,365,476号明細書 米国特許第6,366,308号明細書 米国特許第6,531,681号明細書 米国特許第6,747,245号明細書 米国特許第7,494,942号明細書 米国特許第7,932,139号明細書 米国特許第8,014,427号明細書 米国特許第8,026,519号明細書
これら半導体製造用途のすべてにおいて、走査アニーリングレーザービームの幅は、形成される半導体デバイス構造を支持する半導体ウエハの幅よりも十分に小さい。結果として、半導体デバイス構造をアニールする際に、このビームで当該ウエハ上を走査および「スティッチ」する必要が生じている。
残念なことに、当該スティッチのための重複領域にある製造中の半導体デバイス構造は、当該ビームの中央に位置するデバイスがなされるようには正確にアニールされない可能性がある。これは、当該重複領域にあるデバイスがアニーリングビームのテール(tail)にあり、また、当該アニーリングビームの中央に位置する領域と同様の温度でアニールされないおそれがあるからである。
加えて、当該重複領域にある半導体デバイス構造は互いに隣接するアニールビームの走査により「テールビーム」を二度受ける。結果として、ウエハを横断する半導体デバイス構造のアニーリングの均一性が悪化するおそれがある。
本発明の一局面は、半導体ウエハに支持された半導体デバイス構造のアニーリング方法である。この方法は、ウエハ表面を有する半導体ウエハを用意する工程を含んでおり、当該半導体ウエハは、走査方向に直交する幅WDを有し、かつ、走査方向に直交する幅WSを有するケガキ線によって離間された半導体デバイス構造を備えている。この方法は、また、n・WD+(n-1)・WS<L<n・WD+(n+1)・WS[nは整数]の関係を満たすアニーリングレーザービームの長さLを規定する工程を含んでいる。当該アニーリングレーザービームは、その中央部分において実質的に均一な強度となっており、また、向かい合うテール同士の強度が中央部分に比べて実質的に低くなっている。この方法は、また、近接する走査パスセグメントにおけるアニーリングレーザービームのテールがケガキ線の内側にのみ存在し、かつ、中央部分が少なくともn個の半導体デバイス上を通過するように近接する走査パスセグメントを有する走査パス上の半導体デバイス構造をアニーリングレーザービームで走査する工程を含んでいる。
本発明の他の局面は、隣接する走査パスセグメントに対応するアニーリングレーザービームのテールがケガキ線内で重なり合うように長さLが選択される、上述した方法である。
本発明の他の局面は、隣接する走査パスセグメントに対応するアニーリングレーザービームのテールがケガキ線内にあり、当該ケガキ線内で重なり合わないように長さLが選択される、上述した方法である。
本発明の他の局面は、半導体デバイス構造が複数のダイを含み、ケガキ線がこれらダイの間にある、上述した方法である。
本発明の他の局面は、半導体デバイス構造が集積回路(IC)チップをそれぞれ含む複数のダイを備えており、また、ケガキ線が当該ICチップの間および当該ダイの間にある、上述した方法である。
本発明の他の局面は、半導体ウエハに支持された半導体デバイス構造のレーザーアニーリング方法である。この方法は、半導体デバイス構造がケガキ線によって離間されるように半導体ウエハを用意する工程を含んでいる。この方法は、また、実質的に均一な強度の中央部分と、当該中央部分に比べて強度が実質的に低減した、互いに対向するテール部分とを有するアニーリングレーザービームを規定する工程を含んでいる。この方法は、また、両テール部分が全体的にケガキ線内に存在するとともに、中央部分が1以上の半導体デバイス構造の全体をカバーするように、半導体ウエハおよび半導体デバイス構造上をレーザービームで走査する工程を含んでいる。
本発明の他の局面は、隣接する走査パスセグメントを有する走査パスでの走査を実施する工程をさらに含み、また、隣接する走査パスセグメントに対応するアニーリングレーザービームのテールがケガキ線内で重なり合う、上述した方法である。
本発明の他の局面は、隣接する走査パスセグメントを有する走査パスでの走査を実施する工程をさらに含み、また、隣接する走査パスセグメントに対応するアニーリングレーザービームのテールがケガキ線内で重なり合わない、上述した方法である。
本発明の他の局面は、ケガキ線の走査方向に直交する幅が50ミクロンから75ミクロンの範囲にある、上述した方法である。
本発明の他の局面は、半導体デバイス構造が走査方向に直交する幅WDを有しており、ケガキ線が走査方向に直交する幅WSを有しており、さらに、アニーリングレーザービームが下記の式(nは整数)を満足する長さLを有している、上述した方法である。
n・WD+(n-1)・WS<L<n・WD+(n+1)・WS
本開示のさらなる特徴および利点は、下記の詳細な説明(発明を実施するための形態)に明記されている。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。
上記の背景技術等に関する記載及び下記の詳細な説明に関する記載は、特許請求の範囲に記載されている本開示の本質および特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。添付図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本開示の様々な実施形態を図示するものであり、本明細書の記載とともに、本開示の原則および実施を説明するための一助となる。
特許請求の範囲の記載は、本明細書の一部であり、具体的には、後述する詳細な説明に組み込まれる。
ダイのアレイを有するウエハの実施例についての平面図である。各ダイは、4つのICチップを有している。互いに隣接するダイや隣接するICチップはケガキ線によって離間されている。隣接する走査パスについて説明するため、アニーリングレーザービームの例がウエハ上に示されている。 図1Aと同様、アニーリングレーザービームのテールをケガキ線内に配置するアニーリングレーザービームの全走査パスの例を示す図である。 一例に係るアニーリングレーザービームの概略等強度曲線を示す図である。 図2Aの概略等強度曲線を長手方向に切断した断面図であり、アニーリングレーザービームの中央部分およびテール部分を示している。 2つの隣接する走査パスセグメントでICチップ上を走査するアニーリングレーザービームを示す、ウエハの平面図である。 強度プロファイルとしてのアニーリングレーザービームを示すウエハの横断面図であり、隣接する走査パスセグメントの互いに重なり合うテールは、ケガキ線内で重なり合っている。 2つのICチップを同時にカバーする一例のアニーリングレーザービームに沿った、ウエハ表面上にある数個のICチップについての拡大平面図であり、アニーリングレーザービームのテールがどのようにしてICチップの両側にあるケガキ線に照射されるかを示している。 図5と同様に、2つの隣接する走査パスセグメントの図5のアニーリングレーザービームを示しており、テールがケガキ線内にちょうど接触するように選択されたアニールレーザービームの長さの一例を示している。 図6と同様に、隣接する走査パスセグメントにおけるアニールレーザービームのテールがケガキ線内にあり、かつ、当該ケガキ線内で重なり合わないように選択された長さLを有するアニールレーザービームを示している。
ここで、本開示の様々な実施形態を詳細に参照する。実施形態の一例を図面に示す。図中、同一または同様の部分を参照する際、可能な限り同一または同様の参照番号及び符号を使用する。図面には決まった縮尺が無く、当業者であれば、これら図面は本開示の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。いくつかの図面において、参考のために直交座標系が描かれているが、これは特定の方向および当該システムや方法の配置方向を限定するものではない。
本明細書における全ての参照文献は本明細書に組み込まれる。
以下の説明において、「ウエハ」の語は集積回路デバイスの製造に使用されるような「半導体ウエハ」の短縮形である。典型的なウエハは、シリコンウエハである。本発明の方法が低減しようとするアニーリングの非均一性は、アニーリングレーザービームの量(強度)が互いに異なることによってウエハの異なる部分に生じる温度の非均一性である。アニーリング温度が異なることにより、処理される半導体デバイス構造の性能がそれに応じて異なる結果となり得る。例えば、アニーリング温度が異なることにより、ドープ源やトランジスタのドレイン領域のドーパント活性化が異なる結果となり得る。
図1Aは、表面12を有する半導体ウエハ10の一例についての平面図である。当該ウエハ10は、製造時において互いに離間された複数の半導体デバイス構造(「デバイス構造」)を支持する。これらデバイス構造16は、以下に説明するように、通常、走査方向に直交する(つまり、アニーリングレーザービーム100の走査方向に直交する方向に測定された)幅WDを有している。
実施例のデバイス構造16は、それぞれ1以上の集積回路(IC)チップ30を有する複数のダイ20を備えている。各ICチップ30は同様に1以上の半導体デバイス(トランジスタ等)40を備えている。これらのことは、図1の下部にある拡大図に最もよく表されている。ここで、ダイ20、ICチップ30、および半導体デバイス40は、それぞれ完全な意味でのダイ、ICチップ、および半導体デバイスになる途中の製造段階にあるものと理解される。これら実施例に係るデバイス構造16の製造プロセスには、レーザーアニーリングが含まれている。デバイス構造16は、実施例に限定されない形でダイ20およびICチップ30と関連して本明細書に記載される。
上述したように、互いに隣接するデバイス構造16は、ウエハ10の事後処理を容易にするため、互いに離間している。図1Aに示す実施例において、任意のダイ20内にある複数のICチップ30は、互いに離間しており、また、ウエハ10上における複数のダイ20もまた互いに離間している。隣り合うデバイス構造16の間の空間、すなわち、ICチップ30の間、および、隣接するダイ20の間に、ケガキ線50が規定される。このケガキ線50は、各ケガキ線50の位置に応じて変化し得る幅WSを有している。例えば、隣接する複数のICチップ30の間のケガキ線50は、隣接する複数のダイ20の間のケガキ線50よりも狭くなり得る。このケガキ線50は、ICチップ30を単一化するのと同じく、ダイ20を単一化する(つまり、複数のダイ20を個別に分離する=ダイシング)のに使用される。この単一化は、通常、切断プロセス(例えば、精密鋸切断)において実施される。典型的なケガキ線50の走査方向に直交する幅WSは、約50ミクロンから75ミクロンの範囲にある。
図1Aは、また、走査パスSCでウエハ表面12上を走査するアニーリングレーザービーム100の実施例を示す。アニーリングレーザービーム100の走査の方向が矢印AR1、AR2によってそれぞれ示されている、2つの隣接する走査パスセグメントSC1、SC2を有する場合が、当該走査パスSCの実施例として示されている。図1Bには、図1Aと同様、隣り合う走査パスセグメントSC1、SC2の例に沿って、アニーリングレーザービーム100のための走査パスSC全体の実施例が示されている。見やすさのため、走査パスセグメントSC1に関連するアニーリングレーザービーム100は実線で示されており、その一方で、走査パスセグメントSC2に関連する同じアニーリングレーザービーム100は点線で示されている。一例において、ウエハ10は、走査パスSCを規定するため、アニーリングレーザービーム100に対応して動かされる。別の実施例では、走査パスSCを規定するために、ウエハ10およびアニーリングレーザービーム100の少なくとも一方が動かされる。
アニーリングレーザービーム100を用いたレーザーアニーリングを実施するためのシステムの実施例は、米国特許第6,365,476号、第6,366,308号、第6,531,681号、第6,747,245号、第7,494,942号、第7,932,139号、第8,014,427号、および、第8,026,519号に記載されている。
ウエハ10の直径W10は、通常、300mmであり、これは通常のアニーリングレーザービーム100の長さLよりも十分に大きい。ダイ20の幅WD20は、通常、20−35mmの範囲にある。一方、ICチップ30の幅WD30は、通常、5−35mmの範囲にある。
ICチップ30の性能を最適化するため、各ICチップ30内における全ての半導体デバイス40(接点、トランジスタ等)が似たように動作することが望ましい。同様に、任意のダイ20内における全てのICチップ30、また、異なるダイ20に構成されたICチップ30に似たような動作をさせるのが好適である。この目的を達成するため、本発明の一局面は、ICチップ30内やダイ20内ではなく、どちらかと言えばケガキ線50内でアニーリングレーザービーム100のスティッチを実施する工程を含んでいる。
図2Aは、アニーリングレーザービーム100の概略等強度曲線を示しており、図2Bは、この等強度曲線をアニーリングレーザービーム100の長手方向に沿って切断した断面図である。アニーリングレーザービーム100は、ウエハ表面12上にライン像を形成する。このため、本明細書で使用される「アニーリングレーザービーム」の語は、ウエハ表面12上に形成された「ライン像」をも意味する。
アニーリングレーザービーム100は、当該アニーリングレーザービーム100の強度が実質的に均一な中央部分102と、中央部分102における最大値から最小強度106(実質的にゼロ強度)まで当該強度が滑らかにあるいは急激に(ただしステップ関数的ではなく)変化する、互いに向かい合ったテール部分104(「テール」)を有している。このため、これらテール104は、中央部分102に比べて、実質的に低減された強度を有している。
中央部分102は、強度しきい値ITHで規定されるとともに、アニーリングレーザービーム100の長さLを規定する。アニーリングレーザービーム100の幅Dに対する長さLの典型的なアスペクト比は、10:1から1000:1の範囲にある。
図3は、走査パスSCの実施例として、隣接する2つの走査パスセグメントSC1、SC2でICチップ30上を走査するアニーリングレーザービーム100を示す、ウエハ10の平面図であり、当該走査パスセグメントSC1、SC2の方向はそれぞれ矢印AR1、AR2で示されている。アニーリングレーザービーム100の走査は、隣接する走査パスセグメントSC1、SC2に対するアニーリングレーザービーム100のテール104に対応する水平方向の破線によって示されるように、当該アニールレーザービーム100のテール104がウエハ10の「テール領域」120に位置するようにして実施される。一例において、アニーリングレーザービーム100の隣接する走査パスセグメントSC1、SC2のテール104は、テール領域120にて重なり合う。図3の差込図は、テール領域120がどのようにして隣接するICチップ30から離間する水平方向のケガキ線50内に位置しているかを示す。テール104の重なりは「110」で示されている。
図4は、ウエハ10の横断面図であり、強度プロファイルとしてのアニーリングレーザービーム100を示しており、隣接する走査パスセグメントSC1、SC2(それぞれ、実線および破線のアニーリングレーザービーム)の重なり合うテール104は、ケガキ線50内にあるテール領域120に重なり部110を有する。当該プロセスはn走査パスの分だけウエハ10上で繰り返される。n走査パスに関わる全てのテール領域120は、実質的に対応するケガキ線50内に位置する。
テール領域120およびテール重なり部110は、アニーリングレーザービーム110の走査パスSCにおける、隣接する走査パスセグメントSC1、SC2のスティッチの一例を表している。アニーリングレーザービーム100の長さLをICチップ30の幅WD30あるいはダイ20の幅WD20に合わせることにより、テール領域120がケガキ線50内に入るのを確実にすることができる。ウエハ10上におけるICチップ30、ダイ20、およびケガキ線50の配置に基づく長さLの設定例については以下に述べる。
ケガキ線50は、テスト半導体デバイス40(通常はトランジスタ)に付けられることがあるので、ダイ20内にあるICチップ30の性能は、ケガキ線50内のレーザーアニーリングの質に依存しない。このことは、ケガキ線50が前述のテスト半導体デバイス40に付けられることがあるとしても同じである。
図5は、アニーリングレーザービーム100の実施例における、ウエハ表面12上の複数のICチップ30についての拡大平面図である。一例において、アニーリングレーザービーム100は、アニーリングレーザービーム100で走査される際、テール104がケガキ線50内にあるとともに、ICチップ30内にはないような長さLを有している。このため、図5に示すアニーリングレーザービーム100の長さL内にn個のICチップ30を収めるため(nは整数1、2、3…である)、長さLは下記の式で規定される。
n・WD30+(n-1)・WS<L<n・WD30+(n+1)・WS (式1)
長さL内にn個のダイ20を収めるための類似する関係式は下記の通りである。
n・WD20+(n-1)・WS<L<n・WD20+(n+1)・WS (式2)
ここで、幅WSのケガキ線50は隣接する複数のダイ20を分離する。
デバイス構造16の幅WDに基づいて規定されるLについての一般的な関係は下記の通りであることに留意すべきである。
n・WD +(n-1)・WS < L < n・WD +(n+1)・WS (式3)
図6は、アニーリングレーザービーム100が2つのICチップ30(つまり、n=2)を同時にカバー(走査)できるような長さLを有している実施例を示している。図6において、両テール部分104がケガキ線50のほぼ中央に位置するように、長さL≒2・(WD30+WS)となっている。
このため、本発明の一局面は、アニーリングレーザービーム100のテール104が走査されるデバイス構造16の上端あるいは下端に隣接するケガキ線50内にあるように上記数式うちの1つによって規定された長さLを有するようにアニーリングレーザービーム100の長さLを選択する工程を有している。図6に示す実施例において、アニーリングレーザービーム100のテール104同士はケガキ線50内で接触することに留意すべきである。デバイス構造16(図6に示されたもの。図6ではICチップ30)の非均一アニールを引き起こす結果となるおそれがあることから、テール104がケガキ線50内にない場合、この条件は成立しない。
図7は、図6と同様、長さL≒2・WD30+WSであり、両テール部分104がそれぞれのケガキ線50内に向かう方向に約1/4延出しており、隣接する走査パスセグメントSC1、SC2についての両テール部分104は関連するケガキ線50内において重複しないようになっている実施例を示している。このため、図6および7は、アニーリングレーザービーム100の隣接する走査パスセグメントSC1、SC2のスティッチは、テール104がケガキ線50内に位置する限り、テール104の重なりがない場合も含む例を示している。走査されるデバイス構造16の非均一アニールを引き起こす結果となるおそれがあることから、テール104がケガキ線50内にない場合、この条件は成立しない。
図6、7の実施例は、ダイ20およびICチップ30の両方に適用され、また、図示によるICチップ30との関係において表される。
本明細書に開示されるレーザーアニーリング方法は、シングルビーム・レーザーアニーリングシステム、および、複数本ビーム・レーザーアニーリングシステムの両方に使用することができる。このようなシステムにおけるレーザービームの一方あるいは両方は、上記式1、式2、あるいは式3によるシングル(あるいは複数の)ダイと同様、シングル(あるいは複数の)チップの幅に合わせて調節することができる。
アニーリングレーザービーム100のテール104が対応するケガキ線50内にあるように上述したアニーリングレーザービーム100の長さLを調節し、かつ、走査パスSCを配置することは、機能性デバイス構造16(例えば、ICチップ30)で計測されるレーザーアニーリングの全体温度非均一性の低減に用いられ得る。アニーリングプロセスにおける温度非均一性が重要でない場合、(アニーリングプロセスの温度非均一性に関する)アニーリングレーザービーム100の強度不均一性はケガキ線50に限定される。結果としての非均一性はケガキ線50に集中することから、本発明のいくつかの実施例において、隣接する走査パスセグメントSC1、SC2に対するアニーリングレーザービーム100のスティッチは、アニーリングレーザービーム100のテール104の重なり110を含む必要がない。
当業者には明白であるが、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、本開示に対して様々な修正および変更を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において本開示の修正および変更を包含する。

Claims (10)

  1. 半導体ウエハに支持された半導体デバイス構造のアニーリング方法であって、
    走査方向に直交する幅WDを有し、かつ、前記走査方向に直交する幅WSを有するケガキ線によって離間された半導体デバイス構造を備えているとともに、ウエハ表面を有する前記半導体ウエハを用意する工程、
    中央部分において実質的に均一な強度となっており、また、向かい合うテール同士の強度が前記中央部分に比べて実質的に低くなっているアニーリングレーザービームの長さLがn・WD+(n-1)・WS<L<n・WD+(n+1)・WS[nは整数]を満たすように前記長さLを規定する工程、および
    近接する走査パスセグメントにおける前記アニーリングレーザービームの前記テールがケガキ線の内側にのみ存在し、かつ、前記中央部分が少なくともn個の前記半導体デバイス上を通過するように、近接する前記走査パスセグメントを有する走査パス上の前記半導体デバイス構造を前記アニーリングレーザービームで走査する工程を含む、アニーリング方法。
  2. 隣接する前記走査パスセグメントに対応する前記アニーリングレーザービームの前記テールが前記ケガキ線内で重なり合うように前記長さLが選択される、請求項1に記載の方法。
  3. 隣接する前記走査パスセグメントに対応する前記アニーリングレーザービームの前記テールが前記ケガキ線内にあり、前記ケガキ線内で重なり合わないように前記長さLが選択される、請求項1に記載の方法。
  4. 前記半導体デバイス構造は、複数のダイを含み、前記ケガキ線が前記ダイの間にある、請求項1から3のいずれかに記載の方法。
  5. 前記半導体デバイス構造は集積回路(IC)チップをそれぞれ含む複数のダイを備えており、かつ、前記ケガキ線が前記ICチップの間および前記ダイの間にある、請求項1から4のいずれかに記載の方法。
  6. 半導体ウエハに支持された半導体デバイス構造のレーザーアニーリング方法であって、
    前記半導体デバイス構造がケガキ線によって離間されるように前記半導体ウエハを用意する工程、
    実質的に均一な強度の中央部分と、前記中央部分に比べて強度が実質的に低減した、互いに対向するテール部分とを有するアニーリングレーザービームを規定する工程、
    前記両テール部分が全体的に前記ケガキ線内に存在するとともに、前記中央部分が1以上の前記半導体デバイス構造の全体をカバーするように、前記半導体ウエハおよび前記半導体デバイス構造上を前記レーザービームで走査する工程を含む、レーザーアニーリング方法。
  7. 隣接する走査パスセグメントを有する走査パスで走査を実施する工程をさらに含み、かつ、
    隣接する前記走査パスセグメントに対応する前記アニーリングレーザービームの前記テールが前記ケガキ線内で重なり合う、請求項6に記載の方法。
  8. 隣接する走査パスセグメントを有する走査パスで走査を実施する工程をさらに含み、かつ、
    隣接する前記走査パスセグメントに対応する前記アニーリングレーザービームの前記テールが前記ケガキ線内で重なり合わない、請求項6に記載の方法。
  9. 前記ケガキ線の走査方向に直交する幅が50ミクロンから75ミクロンの範囲にある、請求項6から8のいずれかに記載の方法。
  10. 前記半導体デバイス構造が走査方向に直交する幅WDを有しており、
    前記ケガキ線が走査方向に直交する幅WSを有しており、さらに、
    前記アニーリングレーザービームが下記の式(nは整数)を満足する長さLを有している、請求項6から9のいずれかに記載の方法。
    n・WD+(n-1)・WS<L<n・WD+(n+1)・WS

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