本公開涉及半導(dǎo)體襯底的激光加工，且特別涉及微腔室激光加工系統(tǒng)和使用局部化的工藝氣體氣氛的方法。

本文中提及的任何出版物或?qū)＠墨I的全部公開內(nèi)容可通過引用并入，包含：US2014/0151344，其標(biāo)題為“Movable microchamber with gas curtain”，并且以下將其稱為`344公開本，以及美國專利號5,997,963，其標(biāo)題為“Microchamber”，并且以下將其稱為`963專利。

背景技術(shù)：

在半導(dǎo)體制造技術(shù)中所使用的常規(guī)工藝腔室系統(tǒng)相對大且為靜止的，且需填充比對于在半導(dǎo)體襯底上進行特別的工藝步驟實際所必要的多得多的反應(yīng)物或氣體。此外，一些氣體物質(zhì)為腐蝕性的而其它物質(zhì)為有毒性的，因此優(yōu)選使用最小量的這樣的氣體。

為此，已經(jīng)開發(fā)了如公開于`344公開本及`963專利中的微腔室系統(tǒng)。該微腔室系統(tǒng)具有相對小體積的腔室(“微腔室”)而密封工藝氣體于微腔室中，以用于加工。`963專利使用氣簾來將微腔室密封免于外界環(huán)境，同時還允許半導(dǎo)體襯底相對于該微腔室移動，而對半導(dǎo)體襯底的表面進行激光加工。

在一些實例中，對于進行半導(dǎo)體襯底的激光加工，需要將氮納入膜堆疊層(例如高k值的介電膜)中，例如用作晶體管器件中的柵極介電層，以取代常規(guī)的二氧化硅介電層。在常規(guī)的二氧化硅(SiO₂)柵極中，納入氮來形成氮氧化物層增加了有效介電常數(shù)且作為抗摻雜劑擴散的阻擋。

氮氧化物膜的形成需要在氮以其單原子形式(N)而不是N₂(其相 對地難以離解)的存在下進行熱退火。氮除了N₂外的一種來源是氨(NH₃)，其相對地容易離解而得到單原子N。令人遺憾的是，氨是有害的并且因而需要在加工的過程中被容納。在這方面，會優(yōu)選能在微腔室中激光工藝實際進行的局部化區(qū)域中容納氨和類似工藝氣體，同時工藝氣體泄漏至周圍環(huán)境的量低于特別的工藝氣體可允許的百萬分率(parts-per-million)的安全閾值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開的一個方面是用于加工襯底的表面的微腔室系統(tǒng)。所述微腔室系統(tǒng)包含：頂部構(gòu)件，具有至少一個光接入零件(optical-access feature)，對該至少一個光接入零件定尺寸以容納激光束，該激光束在該襯底的該表面處形成激光線；可移動的平臺組件，與該頂部構(gòu)件間隔且相對于該頂部構(gòu)件移動以限定腔室，該腔室具有中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域，該可移動的平臺組件包含支撐該襯底的夾具；工藝氣體供應(yīng)器，容納工藝氣體且經(jīng)由至少一個工藝氣體管道可操作地連接至該腔室的該中央?yún)^(qū)域；簾氣體(curtain-gas)供應(yīng)器，容納簾氣體且經(jīng)由至少一個簾氣體管道可操作地連接至該腔室的該周邊區(qū)域；和真空系統(tǒng)，通過至少一個真空管道可操作地連接至該腔室，該至少一個真空管道徑向地位于該至少一個工藝氣體管道與該至少一個簾氣體管道之間，使得當(dāng)該工藝氣體和該簾氣體分別流入該腔室的該中央?yún)^(qū)域和該周邊區(qū)域時，局部化的工藝氣體氣氛在該腔室的該中央?yún)^(qū)域中形成，且該簾氣體的氣簾在該腔室的該周邊區(qū)域中形成。

本公開的另一個方面是如前述的微腔室系統(tǒng)，進一步包含激光源，該激光源形成該激光束，其中該激光源可操作地布置于該腔室外，并且相對于該光接入零件。

本公開的另一個方面是如前述的微腔室系統(tǒng)，其中該簾氣體由選自下列氣體所組成的群組中的一種或多種氣體所組成：氮、氬、氦和氖。

本公開的另一個方面是如前述的微腔室系統(tǒng)，其中該工藝氣體是 選自下列氣體所組成的群組中的一種或多種氣體：NH₃、N₂O、NO₂和H₂/N₂組合物。

本公開的另一個方面是如前述的微腔室系統(tǒng)，其中該工藝氣體由氨和水蒸氣組成。

本公開的另一個方面是如前述的微腔室系統(tǒng)，其中該至少一個簾氣體管道包含簾氣體管道的徑向布置的陣列，該簾氣體管道貫穿該頂部構(gòu)件，其中該至少一個真空管道包含真空管道的徑向布置的陣列，該真空管道貫穿該頂部構(gòu)件，且其中真空管道的該徑向布置的陣列與簾氣體管道的該徑向布置的陣列同軸且位于簾氣體管道的該徑向布置的陣列中。

本公開的另一個方面是激光加工襯底的表面的方法，該襯底可移動地支撐在微腔室系統(tǒng)的腔室中。該方法包含：提供工藝氣體至該腔室的中央?yún)^(qū)域，該中央?yún)^(qū)域包含該襯底的該表面；提供簾氣體至該腔室的周邊區(qū)域，該周邊區(qū)域包含該襯底的該表面；提供真空至該腔室的區(qū)域，該區(qū)域介于該腔室的該中央?yún)^(qū)域與該周邊區(qū)域之間，其中該真空移除工藝氣體和簾氣體，由此鄰近于該腔室的該中央?yún)^(qū)域中的該襯底的該表面且鄰近于該腔室的該周邊區(qū)域中的該簾氣體的氣簾形成局部化的工藝氣體氣氛；和采用形成激光線的激光束穿過該局部化的工藝氣體氣氛照射該襯底的該表面，以在該襯底的該表面上執(zhí)行激光工藝。

本公開的另一個方面是如前述的方法，進一步包含：相對于該激光束移動該襯底，使得該激光線在該襯底的該表面上方掃描。

本公開的另一個方面是如前述的方法，其中該工藝氣體包含氨。

本公開的另一個方面是如前述的方法，其中其中該工藝氣體由氨和水蒸氣組成。

本公開的另一個方面是如前述的方法，其中該工藝氣體是基于氮的，且其中該激光工藝在該襯底的該表面上形成基于氮化物的氧化物膜。

本公開的另一個方面是如前述的方法，其中該工藝氣體選自下列 氣體所組成的群組：NH₃、N₂O、NO₂和H₂/N₂混合物。

本公開的另一個方面系如前述的方法，其中該簾氣體由選自下列氣體所組成的群組中的一種或多種氣體所組成：氮、氬、氦和氖。

將在下列的詳細(xì)說明中提出額外的特征和優(yōu)點，且本領(lǐng)域技術(shù)人員將自該描述而易于得知部分特征和優(yōu)點，或通過實踐如所撰寫的其說明書和權(quán)利要求書以及附圖中所述的實施方案來認(rèn)知部分特征和優(yōu)點。應(yīng)了解的是，以上的一般描述和下列的詳細(xì)說明兩者僅是示例性的，且旨在提供用于了解權(quán)利要求的屬性和特性的概述或框架。

附圖說明

包括附圖以提供進一步的理解，并將其結(jié)合至本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖描述了一種或多種實施方案，并與詳細(xì)說明一起用于解釋各種不同實施方案的原理和操作。如此，將根據(jù)下文結(jié)合附圖的詳細(xì)說明而更加全面地理解本公開，其中：

圖1為根據(jù)本公開的包含噴嘴系統(tǒng)的微腔室系統(tǒng)的示例性實施方案的示意性橫截面圖(在X-Z平面中)；

圖2為顯示示例性光接入零件的微腔室系統(tǒng)的自頂向下視圖(如在X-Y平面中看到的)；

圖3為微腔室系統(tǒng)取自X-Z平面中的橫截面視圖；

圖4為圖3的微腔室系統(tǒng)的橫截面的特寫圖，其顯示本公開的噴嘴系統(tǒng)且還顯示工藝腔室的中央?yún)^(qū)域中由噴嘴系統(tǒng)形成的局部化的工藝氣體氣氛；

圖5為在襯底的表面上形成的激光線的自頂向下視圖，并顯示激光線移動(掃描)方向(箭號SD)，其由晶片移動方向(箭號WD)所限定；

圖6為不具有頂部構(gòu)件的微腔室系統(tǒng)的特寫的自頂向下視圖，顯示在由在工藝腔室的周邊區(qū)域中形成的氣簾所圍繞的工藝腔室的中央?yún)^(qū)域中形成的局部化的工藝氣體氣氛；和

圖7為具有通過根據(jù)本文公開的系統(tǒng)及方法在局部化的工藝氣體 氣氛中執(zhí)行激光加工而在襯底的表面上形成的膜的襯底的側(cè)視特寫圖。

詳細(xì)說明

現(xiàn)請參考本公開的各個不同的實施方案，在附圖中說明了其實施例。只要可能，在所有圖式中相同或相似的標(biāo)記數(shù)字和符號用于意指相同或相似的部件。圖式并非按比例繪示，且本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解圖式已經(jīng)被簡化以說明本公開的重要方面。

以下所提出的權(quán)利要求被納入并構(gòu)成該詳細(xì)說明的一部分。

在一些圖式中為了參考而示出卡式坐標(biāo)，其并不旨在關(guān)于方向或取向進行限制。

圖1為微腔室系統(tǒng)(“系統(tǒng)”)10的示例性實施方案的示意性橫截面圖(在X-Z平面中)，而圖2為系統(tǒng)10的自頂向下視圖(如在X-Y平面中看到的)。圖3和4為如在X-Z平面中看到的系統(tǒng)10的實例的更詳細(xì)的橫截面圖。系統(tǒng)10具有在Z方向延伸的Z中心線CZ。系統(tǒng)10位于可包含空氣或至少一種反應(yīng)性氣體例如氧的周圍環(huán)境8。其還可包含非反應(yīng)性氣體(例如氖或氬)或穩(wěn)定的氣體(例如氮)。

系統(tǒng)10包含頂部構(gòu)件20，頂部構(gòu)件20具有充氣室21，充氣室21具有上表面22、下表面24和外緣26。頂部構(gòu)件20沿著Z中心線CZ包含或支撐工藝上部結(jié)構(gòu)(process superstructure)28于上表面22上的充氣室21上，上部結(jié)構(gòu)28支撐各種氣體管線以及如下所述的一個或多個光接入零件。在一個實例中，充氣室21的形狀通常為矩形或圓柱形，具有平行的上表面22和下表面24。

在一個實例中，采用冷卻系統(tǒng)(未示出)冷卻頂部構(gòu)件20。在一個實例中，頂部構(gòu)件20包含至少一個光接入零件30，其允許源自激光源42的至少一個激光束40通過頂部構(gòu)件20。在一個實例中，至少一個光接入零件30包含直線通道或孔。在一個實例中，光接入零件30可包含至少一個窗(window)以防止腔室70與周圍環(huán)境8之間的氣體交換。在例如圖4所示的一個實例中，光接入零件30通過充氣室21和工藝上部結(jié)構(gòu)28兩者且包含顯著傳送激光束40的窗31。

系統(tǒng)10還包含下部構(gòu)件60，下部構(gòu)件60限定或支撐夾具61，或 者下部構(gòu)件60圍繞夾具61。夾具61具有上表面62、下表面64和外緣66。夾具61的形狀通常為圓柱形且以Z中心線CZ為中心，并且具有的上表面62鄰近且平行于充氣室21的下表面24。夾具61的上表面62與充氣室21的下表面24間隔從50微米至2mm的范圍內(nèi)的距離D1，由此限定具有高度D1的腔室70。通過舉例，在圖1中顯示夾具61為下部構(gòu)件60的一部分。在例如圖3中所示的其它實例中，夾具61可為分離的裝置，并且下部構(gòu)件60形成圍繞圓柱形夾具61的環(huán)狀構(gòu)件或裙?fàn)钗?skirt)。箭號AR、AL指出下部構(gòu)件60和夾具61可在x方向上一起移動，分別到右邊(+x方向)和到左邊(-x方向)。

夾具61的上表面62經(jīng)配置以支撐半導(dǎo)體襯底(“襯底”)50，襯底50具有上表面52、下表面54和外緣56。在一個實例中，襯底50為硅晶片。襯底50可為已歷經(jīng)加工以產(chǎn)生半導(dǎo)體器件并且可進一步通過激光束40進行加工的產(chǎn)品晶片。在一個實例中，夾具61可被加熱，并且在進一步的實例中，夾具61經(jīng)配置以加熱襯底50至最高達(dá)約400℃的(晶片)溫度T_w。在一個實例中，至少一個激光束40包含一個或多個工藝激光束，即可在襯底50中進行激光工藝以形成例如膜300(例如如下所記載與圖7相關(guān)的基于氮的介電膜)的一個或多個激光束。

在一個實例中，夾具61和下表面60經(jīng)由可移動的平臺120的移動而為可移動的(參照圖3)，可移動的平臺120支撐下部構(gòu)件60和夾具61?？梢苿拥钠脚_120可操作地連接至定位器126，此定位器126經(jīng)配置以引起可移動的平臺120移動和如果需要時將可移動的平臺120定位，同時還追蹤可移動的平臺120相對于參考位置的位置。下部構(gòu)件60、夾具61和可移動的平臺120的組合限定平臺組件130。

在一個實例中，可移動的平臺120和夾具61被集成以形成單組件件或雙組件可移動夾具中的任一者，其可操作地連接至定位器126。頂部構(gòu)件20在X方向上足夠長以用于夾具61相對于頂部構(gòu)件20移動，使得激光束40可通過掃描襯底50的上表面52上方由激光束40形成的激光線44來曝光襯底50的整個上表面52。在一個實例中，激光線 44為靜止的并且通過在激光線44之下移動襯底50來執(zhí)行掃描。圖5為在襯底50的上表面52上形成的示例性激光線44的自頂向下視圖。當(dāng)襯底50在晶片方向WD上移動時，激光線44在掃描方向SD上在襯底50的上表面52上方掃描。

再次參照圖1、3和4，系統(tǒng)10還包含工藝氣體供應(yīng)器200。工藝氣體供應(yīng)器200經(jīng)由一或多個頂部工藝氣體管道204T來提供工藝氣體202至腔室70的中央?yún)^(qū)域70C，一個或多個頂部工藝氣體管道204T貫穿頂部構(gòu)件20。在一個實例中，工藝氣體202是基于氮的?；诘墓に嚉怏w的實例包含氨(NH₃)、NO₂、N₂O和H₂/N₂混合物(例如，4％的H₂)，而簾氣體212的實例可由一種或多種惰性氣體所組成，例如氖、氬、氦及氮。在一個實例中，本文公開的系統(tǒng)和方法能夠使用H₂/N₂氣體混合物，其中H₂的濃度大于4％，因為如下所述的使用和良好容納如此少量的工藝氣體。

系統(tǒng)10還包含第一簾氣體供應(yīng)器210，第一簾氣體供應(yīng)器210經(jīng)由一個或多個頂部簾氣體管道214T提供簾氣體212(圖3)至腔室70而至周邊區(qū)域70P，一個或多個頂部簾氣體管道214T貫穿頂部構(gòu)件20。簾氣體212的實例包含氮、氬、氦和氖中的一者或多者。

系統(tǒng)10還包含真空系統(tǒng)220，真空系統(tǒng)220經(jīng)由貫穿頂部構(gòu)件20的頂部真空管道224T與腔室70連通。系統(tǒng)10還可包含額外的簾氣體供應(yīng)器210，額外的簾氣體供應(yīng)器210經(jīng)由貫穿下部構(gòu)件60的一個或多個下部簾氣體管道214B提供簾氣體212至腔室70而至腔室70的周邊區(qū)域70P，且一個或多個下部簾氣體管道214B位于自頂部簾氣體管道214T徑向往外。系統(tǒng)10還可包含第二真空系統(tǒng)220，第二真空系統(tǒng)220經(jīng)由下部真空管道224B與腔室70連通，下部真空管道224B貫穿下部構(gòu)件60或者以其它方式形成于下部構(gòu)件60中，并且下部真空管道224B位于頂部簾氣體管道214T與下部簾氣體管道214B之間的徑向距離處。在一個實例中，系統(tǒng)10僅使用一個簾氣體供應(yīng)器210和一個真空系統(tǒng)220，其可操作地連接至頂部簾氣體管道214T和下部簾氣體管道214B以及頂部真空管道224T和下部真空管道224B。

在一個實例中，上述的一些或所有的管道由通過頂部構(gòu)件20或下部構(gòu)件60中的任一者的一個或多個通道所限定，且可由位于夾具61與下部構(gòu)件60之間的一個或多個空間或間隙所限定。在一個實例中，頂部簾氣體管道214T和下部簾氣體管道214B以及頂部真空管道224T和下部真空管道224B各自由徑向布置的管道的陣列所構(gòu)成，如圖6所示(介紹及討論如下)。工藝氣體供應(yīng)器200和頂部工藝氣體管道204T、簾氣體供應(yīng)器210和頂部簾氣體管道214T及下部簾氣體管道214B以及真空系統(tǒng)220和頂部真空管道224T及下部真空管道224B限定用于系統(tǒng)10的噴嘴系統(tǒng)230。

腔室70的周邊區(qū)域70P中的簾氣體212的流動與使用頂部真空管道224T施加真空的作用組合，形成了由簾氣體212組成的氣簾216，并且氣簾216圍繞中央?yún)^(qū)域70C。經(jīng)過下部簾氣體管道214B的簾氣體212的流動以及經(jīng)過下部真空管道224B的真空的施加，通過產(chǎn)生簾氣體212的向內(nèi)和向外兩者的流動而用于進一步限定氣簾216。

同時，工藝氣體202經(jīng)由一個或多個頂部工藝氣體管道204T注入腔室70的中央?yún)^(qū)域70C中，于是工藝氣體202徑向地朝外散布直至其遭遇氣簾216的最內(nèi)部位置。在簾氣體212的注入處與注入工藝氣體202的中央?yún)^(qū)域70C之間施加的真空的作用，連通周邊區(qū)域70P中的氣簾216，用于在過量的工藝氣體202可徑向地向外散布入周邊區(qū)域70P中之前將其從腔室70中抽離。

使用噴嘴系統(tǒng)230的以上工藝限定腔室70的中央?yún)^(qū)域70C中的工藝氣體202的局部化的工藝氣體氣氛202A，其中發(fā)生襯底50的上表面52的激光加工。局部化的工藝氣體氣氛202A具有的壓力基于工藝氣體供應(yīng)器200將工藝氣體202以多快的速度和多大的量供給到腔室70的中央?yún)^(qū)域70C中。

圖6為不具有頂部構(gòu)件20的系統(tǒng)10的自頂向下視圖，顯示圍繞氣簾216的局部化的工藝氣體氣氛202A的形成。圖6顯示在襯底50的上表面52上形成的示例性激光線44，其在工藝氣體202的存在下進行襯底50的上表面52的激光加工有關(guān)的局部化的工藝氣體氣氛 202A中。在圖6中還顯示頂部構(gòu)件20的頂部真空管道224T和頂部簾氣體管道214T的示例性配置。在該示例性配置中，頂部真空管道224T和頂部簾氣體管道214T徑向布置且同軸，且頂部真空管道224T徑向地位于頂部簾氣體管道214T中。

在一個實例中通過相對于充氣室21移動平臺組件130來進行襯底50的上表面52的激光加工，使得激光線44在襯底50的上表面52上方掃描，同時在局部化的工藝氣體氣氛202A中照射襯底50的上表面52。

圖7為在工藝氣體202的存在下經(jīng)由激光加工而具有在襯底50的上表面52上形成的膜300的襯底50的側(cè)視特寫圖。在一個實例中，工藝氣體202包含氨，其離解為N原子和H原子。N原子隨后用于激光工藝，以形成基于氮化物的膜300。在一個實例中，工藝氣體202包含氨和水蒸氣(H₂O)或由氨和水蒸氣組成，水蒸氣提供氧以在襯底50的上表面52上形成基于氮化物的氧化膜300。

值得注意的是，工藝氣體202流入腔室70的中央?yún)^(qū)域70C中接著經(jīng)由位于從更中央的頂部工藝氣體管道204T徑向向外的頂部真空管道224T流出腔室70。工藝氣體202的這種流動起到用工藝氣體202補充局部化的工藝氣體氣氛202A的作用。頂部真空管道224T的位置限定局部化的工藝氣體氣氛202A的尺寸(即，徑向范圍)。

值得注意的是，在一個實例中，簾氣體216執(zhí)行兩個主要的功能。第一功能為顯著地容納工藝氣體202在腔室70的中央?yún)^(qū)域70C中以限定局部化的工藝氣體氣氛202A，在局部化的工藝氣體氣氛202A中可在工藝氣體202的存在下對襯底50的上表面52進行激光加工。第二主要的功能為防止形成局部化的工藝氣體氣氛202A的大量工藝氣體202徑向地朝外溢散而穿過腔室70的周邊區(qū)域70P并且隨后到達(dá)周圍環(huán)境8。在一個實例中，形成氣簾216，使得任何成功溢散至周圍環(huán)境8中的工藝氣體202的濃度低于安全閾值量或安全閾值濃度，例如，不超過以百萬分率(ppm)可測量的痕量的工藝氣體202。在使用氨作為工藝氣體202的一個實例中，安全閾值量或安全閾值濃度可為35 ppm的OSHA允許暴露上限(permission exposure limit；PEL)或25ppm的NIOSH推薦暴露上限(recommended exposure limit；REL)的任一者。

本公開的一個方面是激光加工襯底50的上表面52的方法，襯底50可操作地支撐在系統(tǒng)10的腔室70中。所述方法包含提供工藝空氣202至腔室70的中央?yún)^(qū)域70C，其中中央?yún)^(qū)域70C包含襯底50的上表面52。所述方法還包含提供簾氣體212至腔室70的周邊區(qū)域70P，其中周邊區(qū)域70P還包含襯底50的上表面52。所述方法還包含提供真空至腔室70的區(qū)域(即于其中形成真空)，此區(qū)域介于腔室70的中央?yún)^(qū)域70C與周邊區(qū)域70P之間。真空將工藝氣體202和簾氣體212移除，由此鄰近于腔室70的中央?yún)^(qū)域70C中的襯底50的上表面52且鄰近于腔室70的周邊區(qū)域70P中的簾氣體212的氣簾216形成局部化的工藝氣體氣氛202A。所述方法進一步包含采用形成激光線44的激光束40穿過局部化的工藝氣體氣氛202A照射襯底50的上表面52，以在襯底50的上表面52上執(zhí)行激光工藝。在一個實例中，工藝氣體202基于氮，且激光工藝在襯底50的上表面52上形成基于氮化物的氧化物膜300。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將明顯的是，可以在不背離如在所附權(quán)利要求中限定的本公開的精神或范圍的情況下做出對于本文描述的本公開的優(yōu)選實施方案的各種不同的改變。因此，本公開覆蓋改變和變化，只要它們落入所附權(quán)利要求及其等價物的范圍內(nèi)。