形成多晶硅的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在半導體襯底上形成多晶硅的方法，其包括：在半導體襯底上設(shè)置非晶硅，將所述非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束，所述方法的特征在于，在將所述區(qū)域暴露于所述第二激光束期間，不發(fā)生所述激光束相對于所述區(qū)域的位移。此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造大晶粒多晶硅的用途。特別地，本發(fā)明涉及該方法的用于制造縱向晶粒多晶硅的用途。此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲器、易失性存儲器、NAND閃存、DRAM、多晶Si接觸及互連的用途。
【專利說明】
形成多晶硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種在半導體襯底上形成多晶硅的方法，以及該方法的用于制造大晶粒多晶娃的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]大晶粒多晶硅的形成成為日益增多的半導體器件所需要的。
[0003 ]大晶粒多晶硅可借助諸如爐內(nèi)退火，例如快速熱退火(RTA)或快速熱處理(RTP)的標準高熱預算(thermal budget)技術(shù)而獲得。
[0004]然而，一個普遍的問題顯然是，在大多數(shù)情況下該熱預算被限制在低于700°C，這使得用標準退火技術(shù)從非晶硅層形成大晶粒多晶硅是非常困難的。
[0005]為了克服上述問題，已知為低熱預算工藝的激光退火被提出來作為用于低熱預算多晶硅形成的最有希望的解決方案。
[0006]然而，用于使多晶硅再結(jié)晶的常規(guī)激光退火技術(shù)不容許大于幾百納米的粒徑的形成，并且由于載流子迀移率與其中的平均粒徑成比例，所產(chǎn)生的激光退火后的多晶硅顯示出平均的或低的載流子迀移率。
[0007]如US7029996所描述的一種用于形成低熱預算大晶粒的特殊技術(shù)，與連續(xù)橫向固化(sequential lateral solidificat1n)方法一起使用激光退火。此方法明顯只產(chǎn)生橫向晶粒(lateral grain)，即在平行于襯底表面區(qū)域的方向上延伸的晶粒，且通常限于無圖案化的多晶硅表面。
[0008]此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認知到，適于誘發(fā)橫向固化的連續(xù)進行襯底(或激光)橫向位移所需的設(shè)備是昂貴且復雜的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于上述，本發(fā)明的一個目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其具有降低的設(shè)備成本與復雜性。
[0010]本發(fā)明的又一個目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有增加的生產(chǎn)量。
[0011]本發(fā)明的又一個目的為提供一種形成具有足夠粒徑的大晶粒多晶硅，同時被暴露于有限熱預算的方法。
[0012]本發(fā)明的另一個目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其容許在圖案化的多晶硅層中形成大晶粒。
[0013]本發(fā)明的再一個特定目的為提供一種形成大晶粒多晶硅的方法，其容許形成大縱向晶粒(vertical grain)，即在垂直于襯底表面區(qū)域的方向上延伸的晶粒。
[0014]本發(fā)明涉及一種在半導體襯底上形成多晶硅的方法，其包括:
[0015]-在半導體襯底上設(shè)置非晶硅，
[0016]-將所述非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束，
[0017]所述方法的特征在于，在將所述區(qū)域暴露于所述第二激光束期間，不發(fā)生激光束相對于所述區(qū)域的位移。
[0018]此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造大晶粒多晶硅的用途。
[0019]特別地，本發(fā)明涉及該方法的用于制造縱向晶粒多晶硅的用途。
[0020 ]此外，本發(fā)明涉及該方法的用于制造傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲器、易失性存儲器、NAND閃存、DRAM、多晶S i接觸(contact)以及互連的用途。
【附圖說明】
[0021]圖1示例出根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例。
【具體實施方式】
[0022]作為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，提供了一種在半導體襯底上形成多晶硅的方法，其包括:
[0023]-在半導體襯底上設(shè)置非晶硅，
[0024]-將非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束，
[0025]所述方法的特征在于，在將該區(qū)域暴露于第二激光束期間，不發(fā)生激光束相對于該區(qū)域的位移。
[0026]在本發(fā)明上下文中，將該區(qū)域暴露于第二激光束，而在暴露該區(qū)域期間，不發(fā)生第二激光束相對于該區(qū)域的位移，這被理解為，將該區(qū)域暴露于第二激光束，而在該光束照射該區(qū)域時沒有使該光束或襯底移位或移動。
[0027]鑒于連續(xù)橫向固化技術(shù)需要專門設(shè)備來制造適合誘發(fā)橫向固化的連續(xù)橫向位移，本發(fā)明一個明顯的好處在于，不再需要具有這種設(shè)備而同樣獲得具有粒徑至少100納米，或至少I微米，或甚至至少數(shù)微米的大晶粒多晶硅。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的方法的另一好處在于，其容許形成均勻微晶硅晶粒。
[0029]此外，根據(jù)本發(fā)明的方法容許在圖案化層中形成大晶粒。由于大晶粒的形成沒有涉及位移，使得準確的局部形成，甚至是在硅表面上非常特定的位置處的準確的局部形成成為可能。
[0030]此外，一個重要的優(yōu)點是根據(jù)本發(fā)明的方法容許形成在垂直于襯底表面區(qū)域的方向上延伸的晶粒。連續(xù)橫向固化技術(shù)不具有在垂直于襯底表面區(qū)域的方向上獲得50或100納米以上的粒徑的能力，而本發(fā)明可在該方向上獲得至少50或100納米，或至少I微米，或甚至至少數(shù)微米的粒徑。
[0031]在根據(jù)本發(fā)明一個實施例中，提供了一種方法，其中由第二激光束產(chǎn)生的熔融深度小于由第一激光束產(chǎn)生的熔融深度。不受任何理論的限制，認為由暴露于第一激光束而形成的(相對小的)多晶硅晶粒通過暴露于熔融深度比第一激光束小的第二激光束而部分熔融。該(相對小的)多晶硅晶粒的非熔融部分充當大晶粒多晶硅的生長及固化的晶種(seed) ο
[0032]在一個特定實施例中，如圖1所示，暴露于第一激光束(步驟I)之后，在暴露于第二激光束(步驟2)后可接著暴露于一個或多個其他激光退火步驟(步驟3或更多)，在各個激光退火步驟期間，不發(fā)生激光束相對于該要被退火的區(qū)域的位移，并且其中熔融深度被保持在與第二激光束所產(chǎn)生的熔融深度相同的深度。這可導致增加大晶粒的尺寸以及均勻性。
[0033]然而，通過將要被退火的區(qū)域暴露于一連串激光退火步驟，在每個激光退火步驟中不發(fā)生激光束相對于該要被退火的區(qū)域的位移，并且其中以比前面的步驟小的熔融深度進行每個后來的步驟，可以進一步增強多晶硅晶粒在垂直方向上的延伸。
[0034]在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，可以通過使用能量密度比第一激光束低的第二激光束來實現(xiàn)使第二激光束所產(chǎn)生的熔融深度小于第一激光束所產(chǎn)生的熔融深度。為了實現(xiàn)不同的能量密度，可以使用任何已知用于調(diào)節(jié)表面區(qū)域上能量密度的技術(shù)。例如，可調(diào)節(jié)激光束能量、可調(diào)節(jié)波長、或可使用光學系統(tǒng)中的修改處理(modificat1n)，例如濾波器或光罩。
[0035]作為通過使用不同能量密度來實現(xiàn)不同熔融深度的替代，也可使用不同脈沖持續(xù)時間，或不同能量密度與不同脈沖持續(xù)時間的組合。
[0036]在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，也如圖1所示，可將非晶硅設(shè)置在絕緣體層的頂上，從而在硅材料與絕緣體材料之間界定出界面，并且第一激光束所產(chǎn)生的熔融深度可足以將非晶硅熔融直到硅-絕緣體界面(步驟I)?？梢酝ㄟ^使第一激光束產(chǎn)生足以將非晶硅熔融直到硅-絕緣體界面的能量密度來實現(xiàn)獲得直到硅-絕緣體界面的熔融深度。然后，由暴露于第一激光束而形成的(相對小的)多晶硅晶粒通過暴露于熔融深度比第一激光束小的第二激光束(步驟2)而部分熔融。該(相對小的)多晶硅晶粒的非熔融部分充當大晶粒多晶硅的生長及固化的晶種。其后可接著進行一個或更多個其他激光退火步驟(步驟3或更多)。
[0037]第二激光束(步驟2)所產(chǎn)生的熔融深度小于第一激光束所產(chǎn)生的熔融深度。
[0038]在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，所使用的激光能量密度可在0.0lJ/cm2與lOJ/cm2之間。第一激光束的能量密度與第二激光束的能量密度之間的差可小于0.5J/cm2，或小于
0.2J/cm2，或小于0.1J/cm2。
[0039]可在任何其中大晶粒多晶娃須在沒有多晶娃晶種層存在下而形成的情形中，例如在大晶粒多晶硅須從沉積在絕緣體上的非晶硅層形成的情況下，使用本發(fā)明。
[0040]第一激光束和第二激光束可由具有不同激光參數(shù)的不同的激光源產(chǎn)生，或優(yōu)選地由適合以不同激光退火參數(shù)操作的單一激光源產(chǎn)生。相較于多個激光源方法，使用單一激光源需要較不復雜的設(shè)備并限制了成本。
[0041]所使用的激光源可以是任何使其波長、能量及脈沖持續(xù)時間適合于該處理的激光源，例如固態(tài)激光、二極管激光、光纖激光、UV激光或準分子激光。優(yōu)選地，激光源可為準分子激光，更優(yōu)選地為氯化氙準分子激光。
[0042]一個或多個激光源的波長可在10nm至900nm、190nm至600nm、190nm至550nm，或優(yōu)選地190nm至480nm的范圍內(nèi)，這是由于硅在這些波長下的高能量吸收。暴露于第一激光束以及暴露于第二激光束可在不同波長下完成，每個波長適應于所需熔融深度(或能量密度)。
[0043]在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，可在約Ins與1ms之間，例如在約Ins與Ims之間，優(yōu)選地在Ins與250ns之間的范圍內(nèi)使用脈沖持續(xù)時間。暴露于第一激光束及暴露于第二激光束可以以不同脈沖持續(xù)時間完成，每個脈沖持續(xù)時間適應于所需熔融深度。
[0044]在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，暴露于第一激光束和暴露于第二激光束可各自只包括一個單一激光脈沖。
[0045]—個或多個激光源的激光束能量可在I焦耳至25焦耳的范圍內(nèi)，這容許在直至整個管芯(die)或甚至整個晶片的區(qū)域內(nèi)獲得所需熔融深度。為了達到這些能量，將激光放電容積優(yōu)化為典型地1cm(電極間距離)X7-10cm(放電寬度)X100-200cm(放電長度)。明顯地，與連續(xù)橫向固化相比較，結(jié)合不需要橫向位移來獲得大晶粒的事實，以一次照射將大至整個晶片的區(qū)域退火的能力就生產(chǎn)量而言可為一個非常重要的優(yōu)勢。
[0046]在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，在被暴露于激光退火時，半導體襯底可不被加熱且處于環(huán)境溫度中，優(yōu)選地為室溫。與現(xiàn)有技術(shù)中將半導體襯底置于加熱卡盤(chuck)上以降低固化速度并增加晶粒生長的方法形成對照，根據(jù)本發(fā)明的方法不需加熱半導體襯底。因此，退火區(qū)域被暴露于的熱預算僅由激光束能量本身產(chǎn)生，因此其可被準確控制并盡可能多地被限制。
[0047]就生產(chǎn)量而言，使用其中將襯底的多個區(qū)域先暴露于第一激光束并且然后將該多個區(qū)域中的每一個暴露于第二激光束(或暴露于一個或多個其他激光退火步驟)的方法可以是有利的，而不是先由第一激光束隨后由第二激光束對每個要被退火的區(qū)域連續(xù)退火。
[0048]在一個特定實施例中，非晶硅層在大表面區(qū)域上被暴露于第一準分子激光束。選擇用于此第一激光束(ED1)的能量密度以使該硅層充分熔融并再結(jié)晶直到掩埋絕緣體界面。在此第一退火步驟之后，如先前所提到的，形成了具有小的平均晶粒的多晶硅。然后，使用第二準分子激光束對相同的區(qū)域退火。與第一激光束相比較，使用用于此第二激光束的較低的能量密度(ED1-△ ED)以顯著減小熔融深度。由第一準分子激光束形成的在硅/絕緣體界面處的微晶硅晶粒未完全熔融且用作垂直再結(jié)晶及固化的晶種。其結(jié)果是硅晶粒能從大的并且規(guī)則的晶種界面垂直生長，并且能同時在大表面區(qū)域上形成微米級(micrometric)石圭晶粒。
[0049]由于根據(jù)本發(fā)明的方法一般而言對產(chǎn)生大晶粒多晶硅、特別是縱向大晶粒多晶硅非常有用，其可有助于傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲器、易失性存儲器、NAND閃存、DRAM,多晶Si接觸及互連的成本有效以及器件性能提高。
【主權(quán)項】
1.一種在半導體襯底上形成多晶硅的方法，其包括: -在半導體襯底上設(shè)置非晶硅； -將所述非晶硅的至少一區(qū)域暴露于第一激光束以及第二激光束， 所述方法的特征在于，在將所述區(qū)域暴露于所述第二激光束期間，不發(fā)生所述激光束相對于所述區(qū)域的位移。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中由所述第二激光束產(chǎn)生的熔融深度小于由所述第一激光束產(chǎn)生的熔融深度。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中由所述第二激光束產(chǎn)生的能量密度低于由所述第一激光束產(chǎn)生的能量密度。4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述非晶硅被設(shè)置在絕緣體層的頂上，從而界定出界面，并且其中由所述第一激光束產(chǎn)生的能量密度足以將所述非晶硅熔融直到非晶娃-絕緣體界面。5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述第一和第二激光束由相同激光源產(chǎn)生。6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在激光退火期間，將所述半導體襯底保持在室溫。7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述襯底的多個區(qū)域先被暴露于所述第一激光束，并且其中所述多個區(qū)域中的每個區(qū)域隨后被暴露于所述第二激光束。8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的方法的用途，用于制造大晶粒多晶硅。9.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的方法的用途，用于制造縱向晶粒多晶硅。10.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的方法的用途，用于制造傳感器、MEMS、NEMS、非易失性存儲器、易失性存儲器、NAND閃存、DRAM、多晶S i接觸及互連。
【文檔編號】H01L21/20GK106030759SQ201580005519
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年1月22日
【發(fā)明人】F·馬扎穆托
【申請人】歐洲激光系統(tǒng)和解決方案公司