形成多晶硅的方法

形成多晶硅的方法
【专利摘要】本发明涉及一种在半导体衬底上形成多晶硅的方法，其包括：在半导体衬底上设置非晶硅，将所述非晶硅的至少一区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，在将所述区域暴露于所述第二激光束期间，不发生所述激光束相对于所述区域的位移。此外，本发明涉及该方法的用于制造大晶粒多晶硅的用途。特别地，本发明涉及该方法的用于制造纵向晶粒多晶硅的用途。此外，本发明涉及该方法的用于制造传感器、MEMS、NEMS、非易失性存储器、易失性存储器、NAND闪存、DRAM、多晶Si接触及互连的用途。
【专利说明】
形成多晶硅的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种在半导体衬底上形成多晶硅的方法，以及该方法的用于制造大晶粒多晶娃的用途。
【背景技术】
[0002]大晶粒多晶硅的形成成为日益增多的半导体器件所需要的。
[0003 ]大晶粒多晶硅可借助诸如炉内退火，例如快速热退火(RTA)或快速热处理(RTP)的标准高热预算(thermal budget)技术而获得。
[0004]然而，一个普遍的问题显然是，在大多数情况下该热预算被限制在低于700°C，这使得用标准退火技术从非晶硅层形成大晶粒多晶硅是非常困难的。
[0005]为了克服上述问题，已知为低热预算工艺的激光退火被提出来作为用于低热预算多晶硅形成的最有希望的解决方案。
[0006]然而，用于使多晶硅再结晶的常规激光退火技术不容许大于几百纳米的粒径的形成，并且由于载流子迀移率与其中的平均粒径成比例，所产生的激光退火后的多晶硅显示出平均的或低的载流子迀移率。
[0007]如US7029996所描述的一种用于形成低热预算大晶粒的特殊技术，与连续横向固化(sequential lateral solidificat1n)方法一起使用激光退火。此方法明显只产生横向晶粒(lateral grain)，即在平行于衬底表面区域的方向上延伸的晶粒，且通常限于无图案化的多晶硅表面。
[0008]此外，本领域的技术人员将认知到，适于诱发横向固化的连续进行衬底(或激光)横向位移所需的设备是昂贵且复杂的。

【发明内容】

[0009]鉴于上述，本发明的一个目的为提供一种形成大晶粒多晶硅的方法，其具有降低的设备成本与复杂性。
[0010]本发明的又一个目的为提供一种形成大晶粒多晶硅的方法，其与现有技术相比较具有增加的生产量。
[0011]本发明的又一个目的为提供一种形成具有足够粒径的大晶粒多晶硅，同时被暴露于有限热预算的方法。
[0012]本发明的另一个目的为提供一种形成大晶粒多晶硅的方法，其容许在图案化的多晶硅层中形成大晶粒。
[0013]本发明的再一个特定目的为提供一种形成大晶粒多晶硅的方法，其容许形成大纵向晶粒(vertical grain)，即在垂直于衬底表面区域的方向上延伸的晶粒。
[0014]本发明涉及一种在半导体衬底上形成多晶硅的方法，其包括:
[0015]-在半导体衬底上设置非晶硅，
[0016]-将所述非晶硅的至少一区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，在将所述区域暴露于所述第二激光束期间，不发生激光束相对于所述区域的位移。
[0018]此外，本发明涉及该方法的用于制造大晶粒多晶硅的用途。
[0019]特别地，本发明涉及该方法的用于制造纵向晶粒多晶硅的用途。
[0020 ]此外，本发明涉及该方法的用于制造传感器、MEMS、NEMS、非易失性存储器、易失性存储器、NAND闪存、DRAM、多晶S i接触(contact)以及互连的用途。
【附图说明】
[0021]图1示例出根据本发明的方法的实施例。
【具体实施方式】
[0022]作为根据本发明的第一实施例，提供了一种在半导体衬底上形成多晶硅的方法，其包括:
[0023]-在半导体衬底上设置非晶硅，
[0024]-将非晶硅的至少一区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，在将该区域暴露于第二激光束期间，不发生激光束相对于该区域的位移。
[0026]在本发明上下文中，将该区域暴露于第二激光束，而在暴露该区域期间，不发生第二激光束相对于该区域的位移，这被理解为，将该区域暴露于第二激光束，而在该光束照射该区域时没有使该光束或衬底移位或移动。
[0027]鉴于连续横向固化技术需要专门设备来制造适合诱发横向固化的连续横向位移，本发明一个明显的好处在于，不再需要具有这种设备而同样获得具有粒径至少100纳米，或至少I微米，或甚至至少数微米的大晶粒多晶硅。
[0028]根据本发明的方法的另一好处在于，其容许形成均匀微晶硅晶粒。
[0029]此外，根据本发明的方法容许在图案化层中形成大晶粒。由于大晶粒的形成没有涉及位移，使得准确的局部形成，甚至是在硅表面上非常特定的位置处的准确的局部形成成为可能。
[0030]此外，一个重要的优点是根据本发明的方法容许形成在垂直于衬底表面区域的方向上延伸的晶粒。连续横向固化技术不具有在垂直于衬底表面区域的方向上获得50或100纳米以上的粒径的能力，而本发明可在该方向上获得至少50或100纳米，或至少I微米，或甚至至少数微米的粒径。
[0031]在根据本发明一个实施例中，提供了一种方法，其中由第二激光束产生的熔融深度小于由第一激光束产生的熔融深度。不受任何理论的限制，认为由暴露于第一激光束而形成的(相对小的)多晶硅晶粒通过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。该(相对小的)多晶硅晶粒的非熔融部分充当大晶粒多晶硅的生长及固化的晶种(seed) ο
[0032]在一个特定实施例中，如图1所示，暴露于第一激光束(步骤I)之后，在暴露于第二激光束(步骤2)后可接着暴露于一个或多个其他激光退火步骤(步骤3或更多)，在各个激光退火步骤期间，不发生激光束相对于该要被退火的区域的位移，并且其中熔融深度被保持在与第二激光束所产生的熔融深度相同的深度。这可导致增加大晶粒的尺寸以及均匀性。
[0033]然而，通过将要被退火的区域暴露于一连串激光退火步骤，在每个激光退火步骤中不发生激光束相对于该要被退火的区域的位移，并且其中以比前面的步骤小的熔融深度进行每个后来的步骤，可以进一步增强多晶硅晶粒在垂直方向上的延伸。
[0034]在根据本发明的一个实施例中，可以通过使用能量密度比第一激光束低的第二激光束来实现使第二激光束所产生的熔融深度小于第一激光束所产生的熔融深度。为了实现不同的能量密度，可以使用任何已知用于调节表面区域上能量密度的技术。例如，可调节激光束能量、可调节波长、或可使用光学系统中的修改处理(modificat1n)，例如滤波器或光罩。
[0035]作为通过使用不同能量密度来实现不同熔融深度的替代，也可使用不同脉冲持续时间，或不同能量密度与不同脉冲持续时间的组合。
[0036]在根据本发明的另一实施例中，也如图1所示，可将非晶硅设置在绝缘体层的顶上，从而在硅材料与绝缘体材料之间界定出界面，并且第一激光束所产生的熔融深度可足以将非晶硅熔融直到硅-绝缘体界面(步骤I)。可以通过使第一激光束产生足以将非晶硅熔融直到硅-绝缘体界面的能量密度来实现获得直到硅-绝缘体界面的熔融深度。然后，由暴露于第一激光束而形成的(相对小的)多晶硅晶粒通过暴露于熔融深度比第一激光束小的第二激光束(步骤2)而部分熔融。该(相对小的)多晶硅晶粒的非熔融部分充当大晶粒多晶硅的生长及固化的晶种。其后可接着进行一个或更多个其他激光退火步骤(步骤3或更多)。
[0037]第二激光束(步骤2)所产生的熔融深度小于第一激光束所产生的熔融深度。
[0038]在根据本发明的一个实施例中，所使用的激光能量密度可在0.0lJ/cm2与lOJ/cm2之间。第一激光束的能量密度与第二激光束的能量密度之间的差可小于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须在没有多晶娃晶种层存在下而形成的情形中，例如在大晶粒多晶硅须从沉积在绝缘体上的非晶硅层形成的情况下，使用本发明。
[0040]第一激光束和第二激光束可由具有不同激光参数的不同的激光源产生，或优选地由适合以不同激光退火参数操作的单一激光源产生。相较于多个激光源方法，使用单一激光源需要较不复杂的设备并限制了成本。
[0041]所使用的激光源可以是任何使其波长、能量及脉冲持续时间适合于该处理的激光源，例如固态激光、二极管激光、光纤激光、UV激光或准分子激光。优选地，激光源可为准分子激光，更优选地为氯化氙准分子激光。
[0042]一个或多个激光源的波长可在10nm至900nm、190nm至600nm、190nm至550nm，或优选地190nm至480nm的范围内，这是由于硅在这些波长下的高能量吸收。暴露于第一激光束以及暴露于第二激光束可在不同波长下完成，每个波长适应于所需熔融深度(或能量密度)。
[0043]在根据本发明的一个实施例中，可在约Ins与1ms之间，例如在约Ins与Ims之间，优选地在Ins与250ns之间的范围内使用脉冲持续时间。暴露于第一激光束及暴露于第二激光束可以以不同脉冲持续时间完成，每个脉冲持续时间适应于所需熔融深度。
[0044]在根据本发明的一个实施例中，暴露于第一激光束和暴露于第二激光束可各自只包括一个单一激光脉冲。
[0045]—个或多个激光源的激光束能量可在I焦耳至25焦耳的范围内，这容许在直至整个管芯(die)或甚至整个晶片的区域内获得所需熔融深度。为了达到这些能量，将激光放电容积优化为典型地1cm(电极间距离)X7-10cm(放电宽度)X100-200cm(放电长度)。明显地，与连续横向固化相比较，结合不需要横向位移来获得大晶粒的事实，以一次照射将大至整个晶片的区域退火的能力就生产量而言可为一个非常重要的优势。
[0046]在根据本发明的一个实施例中，在被暴露于激光退火时，半导体衬底可不被加热且处于环境温度中，优选地为室温。与现有技术中将半导体衬底置于加热卡盘(chuck)上以降低固化速度并增加晶粒生长的方法形成对照，根据本发明的方法不需加热半导体衬底。因此，退火区域被暴露于的热预算仅由激光束能量本身产生，因此其可被准确控制并尽可能多地被限制。
[0047]就生产量而言，使用其中将衬底的多个区域先暴露于第一激光束并且然后将该多个区域中的每一个暴露于第二激光束(或暴露于一个或多个其他激光退火步骤)的方法可以是有利的，而不是先由第一激光束随后由第二激光束对每个要被退火的区域连续退火。
[0048]在一个特定实施例中，非晶硅层在大表面区域上被暴露于第一准分子激光束。选择用于此第一激光束(ED1)的能量密度以使该硅层充分熔融并再结晶直到掩埋绝缘体界面。在此第一退火步骤之后，如先前所提到的，形成了具有小的平均晶粒的多晶硅。然后，使用第二准分子激光束对相同的区域退火。与第一激光束相比较，使用用于此第二激光束的较低的能量密度(ED1-△ ED)以显著减小熔融深度。由第一准分子激光束形成的在硅/绝缘体界面处的微晶硅晶粒未完全熔融且用作垂直再结晶及固化的晶种。其结果是硅晶粒能从大的并且规则的晶种界面垂直生长，并且能同时在大表面区域上形成微米级(micrometric)石圭晶粒。
[0049]由于根据本发明的方法一般而言对产生大晶粒多晶硅、特别是纵向大晶粒多晶硅非常有用，其可有助于传感器、MEMS、NEMS、非易失性存储器、易失性存储器、NAND闪存、DRAM,多晶Si接触及互连的成本有效以及器件性能提高。
【主权项】
1.一种在半导体衬底上形成多晶硅的方法，其包括: -在半导体衬底上设置非晶硅； -将所述非晶硅的至少一区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，在将所述区域暴露于所述第二激光束期间，不发生所述激光束相对于所述区域的位移。2.根据权利要求1所述的方法，其中由所述第二激光束产生的熔融深度小于由所述第一激光束产生的熔融深度。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中由所述第二激光束产生的能量密度低于由所述第一激光束产生的能量密度。4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述非晶硅被设置在绝缘体层的顶上，从而界定出界面，并且其中由所述第一激光束产生的能量密度足以将所述非晶硅熔融直到非晶娃-绝缘体界面。5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一和第二激光束由相同激光源产生。6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中在激光退火期间，将所述半导体衬底保持在室温。7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述衬底的多个区域先被暴露于所述第一激光束，并且其中所述多个区域中的每个区域随后被暴露于所述第二激光束。8.根据以上权利要求中任一项所述的方法的用途，用于制造大晶粒多晶硅。9.根据权利要求1至6所述的方法的用途，用于制造纵向晶粒多晶硅。10.根据权利要求1至6所述的方法的用途，用于制造传感器、MEMS、NEMS、非易失性存储器、易失性存储器、NAND闪存、DRAM、多晶S i接触及互连。
【文档编号】H01L21/20GK106030759SQ201580005519
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年1月22日
【发明人】F·马扎穆托
【申请人】欧洲激光系统和解决方案公司