CN103862169B - 激光退火设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了对晶片热图进行补偿的激光退火设备及其方法。一种激光退火设备包括：由多个泵浦激光源组成的泵浦激光源阵列，每个泵浦激光源各自发射泵浦激光；发射退火激光的退火激光源；以及可调掩模片。可调掩模片在经过泵浦激光照射后受激，变得透射退火激光的至少一部分。由此，通过将热图转换为可调掩模片对退火激光的透射率并最终转换为每个泵浦激光源的功率，实现热图补偿的激光退火。在一个优选实施例中，泵浦激光源阵列、退火激光源和可调掩模片同轴布置，并且可调掩模片旋转经过间隔一定角度固定布置的泵浦激光源阵列和退火激光源的照射，由此实现对整幅热图甚至整个晶片进行连续补偿的激光退火。

Description

激光退火设备和方法
技术领域
本发明涉及集成电路（IC）制造领域，尤其涉及激光退火。
背景技术
近年来，随着半导体技术的发展，IC的特征尺寸已进入纳米时代，这也向IC制造技术提出新的挑战。在为解决这一挑战而提出的众多技术中，尤为值得关注的是包括MOS器件的超浅结形成及掺杂的超浅结工艺。
由于超浅结工艺的退火要求尽可能小的掺杂扩散和尽可能高的激活率，因此引入了可控度高且处理时间短（例如，10-9秒量级可控）的激光退火技术。
图1示出了一种已知的激光退火设备100对晶片190进行退火的过程。激光退火设备100包括激光源120和带有狭缝的遮光板150，并且可选地包括容纳上述激光源120和遮光板150的圆筒160。在退火期间，来自激光源120的光束穿过具有狭缝（在图1中沿x方向延伸）的遮光板照射晶片190，并且激光源120本身沿着与狭缝方向垂直的方向（图1中的y方向）运动。因此，来自激光源120的光束在一定的时间段内覆盖一定的晶片面积（例如，图1中的180），从而对晶片进行退火。
由于晶片表面器件构造的不同，使得晶片表面导热和散热能力不同。在图1中具体示出了这种由构造不同引起的热分布，即在一定面积内的热图180。因此，若使用图1的设备100进行退火，则无法对上述晶片表面的热图180做出补偿，从而导致非理想的退火效果（例如，非期望的掺杂扩散和/或过低的激活率）。
为了对热图进行补偿，一种方法是将激光源发出的光束聚焦成一定大小的焦斑，以逐焦斑扫描的方式（即，在x方向上逐焦斑地照射完一行之后，再照射下一行）对晶片进行退火，但这样会因为退火方式从逐行变更为逐点而使得退火时间大为增加。
为了对热图进行补偿，另一种方法是为不同的热图配备不同的掩模板。但由于IC制造过程中需要对晶片进行相当次数的退火，每次退火之后的热图都可能变化，因此需要配备大量的掩模板，而且需要在每次退火之后更换相应的掩模板。这是耗时耗力且容易出错的。
因此，本领域需要一种能够对热图做出补偿的高效且经济的***。
发明内容
因此，本发明提出了一种激光退火设备和方法以实现对热图进行补偿的激光退火。
本发明在已有的退火激光之外引入了泵浦激光源阵列和可调掩模片，其中可调掩模片在由泵浦激光照射后受激，从而对退火激光呈现出与热图分布相对应的透射率，由此实现对热图进行补偿的激光退火。
由于本发明使用可调掩模片代替为每次退火而不同地配备的大量不可调掩模片，因此能够在不影响效率且不大幅复杂度的情况下对热图进行补偿的激光退火。另外，由于退火激光需要极高的功率，而本发明通过引入可调掩模片和功率要小的多的多个泵浦激光器避免了直接使用多个退火激光，因此本发明能够在消耗能源仅略为增加的情况下实现热图补偿的激光退火。
根据一个实施例，公开了一种激光退火设备，包括：由多个泵浦激光源构成的泵浦激光源阵列，每个泵浦激光源各自发射泵浦激光；发射退火激光的退火激光源；及可调掩模片，所述可调掩模片在经过泵浦激光照射后变得透射所述退火激光的至少一部分。
在一个优选实施例中，所述可调掩模片的带隙能为Eg；所述泵浦激光的带隙能为Ea并且远大于Eg；并且所述退火激光的带隙能为Eb并且略大于Eg，由此在没有使用泵浦激光照射可调掩模片的情况下，所述可调掩模片基本不透过所述退火激光。
在一个优选实施例中，Ea远大于Eg指的是Ea是Eg的1.5倍以上；并且Eb略大于Eg指的是Eb比Eg大80-100meV。
在一个优选实施例中，泵浦激光源阵列中每个泵浦激光源的发射功率是根据可调掩模片的期望透射率分布而调整的，所述期望透射率分布根据如下各项算出：预先测得的待退火晶片的热图；Eg；和Eb。
在一个优选实施例中，所述可调掩模片以一定速度绕其旋转轴旋转；所述泵浦激光源阵列中的所述多个泵浦激光源沿着所述旋转轴的第一径向布置，并且所述退火激光源位于与所述泵浦激光源阵列相隔一定角度的所述旋转轴的第二径向上；及所述泵浦激光源阵列和所述退火激光源各自关于所述旋转轴固定并且在轴向上与所述可调掩模片相隔一定距离放置。
在一个优选实施例中，所述速度是可调的，并且所述角度是可调的，使得泵浦激光源阵列中每个泵浦激光源的发射功率至少根据如下各项算出：所述速度；所述角度；以及Ea。
在一个优选实施例中，所述激光退火设备还包括：具有狭缝的遮光板，透射经过可调掩模片的退火激光通过该狭缝进行退火。
在一个优选实施例中，所述可调掩模片由硅制成，并且所述退火激光的波长约为600nm。
在一个优选实施例中，所述激光退火设备还包括：多个扩束透镜，位于所述泵浦激光源阵列的各泵浦激光源和所述可调掩模片之间，以及所述退火激光源和所述可调掩模片之间，用于将由各激光源发射的激光扩展至期望的光束大小。
根据另一个实施例，还包括了一种用于对晶片进行激光退火的方法，包括：用由多个泵浦激光源构成的泵浦激光源阵列发射的泵浦激光照射可调掩模片；用退火激光源发射的退火激光照射所述可调掩模片；其中，所述可调掩模片在经过泵浦激光照射后变得透射所述退火激光的至少一部分。
在一个优选实施例中，所述可调掩模片以一定速度绕其旋转轴旋转；所述泵浦激光源阵列沿着所述旋转轴的第一径向布置所述多个泵浦激光源，并且所述退火激光源位于与所述泵浦激光源阵列相隔一定角度的所述旋转轴的第二径向上；及所述泵浦激光源阵列和所述退火激光源各自关于所述旋转轴固定并且在轴向上与所述可调掩模片相隔一定距离放置。
在一个优选实施例中，所述可调掩模片由硅制成，并且所述退火激光的波长约为600nm。
在一个优选实施例中，透射经过可调掩模片的退火激光通过狭缝进行退火。
在一个优选实施例中，所述方法还包括：在泵浦激光和退火激光照射所述可调掩模片之前对所述泵浦激光和所述退火激光进行扩束，以将激光扩展至期望的大小。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
图1示出了一种根据现有技术的激光退火设备。
图2例示了根据本发明一个实施例的激光退火设备。
图3例示了根据本发明一个实施例的激光退火设备中的各部件带隙能的关系图。
图4例示了根据本发明一个实施例的激光退火设备的基本原理。
图5例示了根据本发明一个实施例的激光功率和透射率之间的对应关系。
图6例示了根据本发明一个实施例的激光退火设备进行热图补偿退火的过程。
具体实施方式
本公开的优选实施例在各附图中例示，在各图中，类似标号用于指代相似和相应部分。
在各附图中，由标示的“x”方向和“y”方向限定晶片所在平面或与该平面平行的平面，其中“y”方向是扫描通过晶片时退火设备本身的移动方向，“x”方向是照射到晶片上的激光的分布方向。在激光设备由于晶片本身形状限制而需要转向的情况下（例如，图1中的箭头195所示），x方向和y方向可以互换。另外，标示的方向“z”是与晶片所在平面垂直的方向。
图2例示了根据本发明一个实施例的具体激光退火设备200。图示的激光退火设备200包括泵浦激光源阵列210、退火激光源220和可调掩模片230。泵浦激光源阵列210包括多个泵浦激光源，每个泵浦激光源的功率分别可调，以发射泵浦激光。
在图2的具体实施例中，泵浦激光源阵列210、退火激光源220和可调掩模片230同轴布置，其中该轴在图中示出为z方向的轴A。更具体地，泵浦激光源阵列210的多个泵浦激光源等间隔的沿着轴A的第一径向布置，退火激光源220位于与泵浦激光源阵列210相隔一定角度（例如，图2中示出为α）的轴A的第二径向上，而可调掩模片230（在z方向上）位于泵浦激光源阵列210和退火激光源220的下方相隔一定距离，并且在操作时接收泵浦激光源阵列210和退火激光源220的照射。虽然图中示出了沿径向等间隔布置的7个泵浦激光源，但是这仅是示例性的。可以使用比7个更多或更少的激光源，由此实现对晶片热分布的更为精确或更为粗略的补偿。虽然泵浦激光源阵列210中的多个泵浦激光源在图2中示出为平行于可调掩模片230的表面沿直线布置，但是本领域技术人员应该明了，例如考虑到泵浦激光源所占的空间，也可以在z方向上高度不一的布置各泵浦激光源，只要保持照射在可调掩模片上的泵浦激光呈直线即可。
在操作中，泵浦激光源阵列210和退火激光源220各自关于轴A固定，而位于上述激光源下方的可调掩模片230则以一定速度绕轴A旋转。由此，可调掩模片230的沿着径向分布的狭长区域S1在经泵浦激光源阵列210照射之后受激。在旋转经过相应角度α之后，该受激部分（图2中示出为S1'）再由退火激光源220照射。通过适当选择泵浦激光源阵列210中各泵浦激光源以及退火激光源220的波长以及可调掩模片230的材料，可以使得可调掩模片230在被泵浦激光照射之前不透退火激光，而在被泵浦激光照射之后呈现出针对退火激光的、与热图相对应的透射率，由此实现对热图进行补偿的激光退火。在随后的描述中，将参考图3详细描述可调掩模片230由泵浦激光激励并由此透射退火激光的原理，并将参考图4详细描述同轴布置的设备200的操作。
现参考图3，说明使用可调掩模片调制激光功率的原理。
已知物质的透光性由其自身的带隙能与所述光的带隙能之间的关系决定。极端情况下，如果物质A的带隙能为零，则该物质A吸收所有波长（波长与带隙能成比例）的光。如果物质B的带隙能大于照射其上的光B'的带隙能，则该物质透过光B'。相反地，如果物质C的带隙能小于照射其上的光C'的带隙能，则该物质不透所述光C'。由于光C'的带隙能要大于物质C的带隙能，因此照射在物质C上的光C'的每一个光子将激发一对电子-空穴对，由此，使得经光C'照射的物质C的带隙能增大，并且增大的程度与照射其上的光C'的能量有关。换句话说，如果光C'的照射时间固定，则可以通过光C'的功率调整物质C的带隙能。
图3例示了根据本发明一个实施例的激光退火设备中的各部件带隙能的关系图，其中可调掩模片的带隙能为Eg，泵浦激光的带隙能为Ea，而退火激光的带隙能为Eb。如图所示，Ea远大于Eg，而Eb略大于Eg。根据上述原理可知，由于Ea和Eb都比Eg要大，因此在通常情况下，可调掩模片对泵浦激光和退火激光两者都是不透明的。
然而，若先使用泵浦激光照射可调掩模片，则由于Ea远大于Eg，使得可调掩模片受激，使得可调掩模片的带隙能因激发而增大。因为Eb仅略大于Eg，由此受激后的可调掩模片就可透射退火激光的至少一部分。可以根据晶片的热图调节泵浦激光源阵列中的多个泵浦激光源的发射功率，以控制可调掩模片对退火激光的透射率，由此得到能够对晶片热图进行补偿的透过可调掩模片的退火激光的功率分布。
另外，受激可调掩模片在经过一段时间后，会自行恢复到未受激状态，例如归因于与环境的热平衡。由于可以每次仅照射可调掩模片的一部分，因此使得该可调掩模片的其他部分有足够的时间得以恢复。由此，在对晶片上各热图的退火过程中，可以仅重复使用例如一张的可调掩模片一个优选实施例中，Ea远大于Eg指的是Ea是Eg的1.5倍以上。在一个优选实施例中，Eb略大于Eg指的是Eb比Eg大80-100meV。在一个优选实施例中，可调掩模片由硅制成，因此带隙能Eg为约1.11eV，可以选择使用约600nm、带隙能Eb为约1.2eV的退火激光。虽然如上在优选实施例中给出了Eg、Ea和Eb的具体值，但是本领域普通技术人员应该理解也可以使用其他的材料、波长和相对关系。
现将参考图4具体描述包括同轴布置的泵浦激光源阵列210、退火激光源220和可调掩模片230的激光退火***200的操作。如图4(a)所示，在T=t0时，泵浦激光源阵列210的多个泵浦激光源发出的泵浦激光照射可调掩模片的S1部分，此时没有激光例如透过狭缝照射晶片。由于可调掩模片230沿箭头所示方向旋转，因此如图4(b)所示，在T=t1时，可调掩模片的S1部分旋转到退火激光源220所在的径向（经旋转的S1部分在图4(b)中被标示为S1'）并由退火激光源220照射。此时，由于S1部分在经由泵浦激光照射后对于退火激光具有特定的透射率分布，因此由单个退火激光源220所发出的退火激光在透过S1'部分之后呈现出经调制的特定的功率分布。该经调制的退火激光随后透过狭缝照射晶片，从而对晶片的热图进行补偿。
图5例示了根据本发明一个实施例的激光源功率和透射率之间的对应关系。具体地，图5(a)对应于根据晶片的热图调节的泵浦激光源阵列中的多个泵浦激光源的发射功率分布，其中x轴表示多个泵浦激光源的布置方向，并且图中的每个点例如对应于相应的一个泵浦激光源的功率，即在图4中，t0时刻照射到S1上的泵浦激光功率。图5(b)对应于可调掩模片对退火激光的透射率分布，其中x轴表示激光照射方向，并且图中的每个点例如对应于可调掩模片上的一个焦斑区域在由相应的泵浦激光源发射的泵浦激光照射后对退火激光的透射率，即在图4中，t0时刻之后，经泵浦激光照射的S1的透射率分布。图5(c)对应于透过可调掩模片的退火激光的功率分布，其中x轴表示激光照射的晶片的方向，并且图中的每个点例如对应于晶片的一个相应点状区域接收到的退火激光的功率，即在图4中，t1时刻由退火激光源发出的退火激光在透过S1’部分之后的功率。经透射的退火激光照射晶片，从而在对晶片的热分布进行补偿的同时对晶片进行退火。
图6例示了根据本发明一个实施例的激光退火设备进行热图补偿退火的过程。在实际操作中，通常是预先测得待退火晶片表面的热图。在选定可调掩模片的材料（例如，硅）以确定其带隙能Eg（例如，1.11eV）之后，可以相应地选择退火激光的波长（例如，600nm）以确定其带隙能Eb（例如，1.2eV）。由此，根据预先测得的待退火晶片的热图（如图6所示的热图280）、可调掩模片的带隙能Eg以及退火激光的带隙能Eb，逐行（例如，图6所示的扫描行）计算可调掩模片的期望透射率分布，并根据计算出的期望透射率分布，逐行调整泵浦激光源阵列210中每个泵浦激光源的发射功率。
在图6具体例示的同轴布置中，可以让可调掩模片230以一定的速度v依次通过间隔一定角度α布置的泵浦激光源阵列210和退火激光源220，由此，对泵浦激光源阵列210中每个泵浦激光源的发射功率的计算还需计及所述速度v和角度α。在激光退火***以一定速度u沿y方向移动的同时，可调掩模片230以速度v持续旋转，从而使得可调掩模片230的相连的多个径向部分由泵浦激光源阵列210的泵浦激光源发出的泵浦激光照射受激（其中每个泵浦激光源的功率根据热图上对应点逐次改变），再由退火激光照射通，从而对整幅热图280进行补偿。为了对整幅热图280进行补偿，可调掩模片230旋转的总角度可以是任何大于零的角度，所述角度取决于热图在y方向的长度、激光退火***沿y方向移动的速度、缝隙宽度以及可调掩模片230本身的旋转速度等。可以为整片晶片上的各热图重复上述的补偿退火过程。
以上结合图2、4和6公开了本发明的同轴设置的设备和方法。由于引入了旋转的可调掩模片，使得掩模片的整片面积都可用于在受激后由退火激光进行的退火，从而给予了被照射部分充分的时间（可调掩模片旋转一周的时间）回复到可以经历下一次泵浦激光和退火激光照射的状态。由此，这一同轴设置确保了本发明该优选设备和方法的操作的可行性和连续性。在同轴布置的一个实施例中，泵浦激光源阵列中的多个泵浦激光源没有必要沿径向布置（例如，可以在z方向上高低不一的布置），只要各泵浦激光源发射的泵浦激光照射可调掩模片的径向区域即可。
在一个优选实施例中，设备200还可以包括具有狭缝的遮光板250，透射经过可调掩模片的退火激光通过该狭缝对晶片进行退火。在一个优选实施例中，设备200还可以包括容纳各部件的筒260。在一个优选实施例中，设备200还可以包括多个扩束透镜270，其位于泵浦激光源阵列的各泵浦激光源和可调掩模片之间以及退火激光源和可调掩模片之间，用于将由各激光源发射的激光扩展至期望的光束大小。
虽然在以上的优选实施例中公开了同轴布置，但是本发明不限于上述具体布置。只要使用来自多个泵浦激光源的泵浦激光照射可调掩模片以使所述可调掩模片受激，对随后照射在可调掩模片上的退火激光呈现特定的透射率，由此逐阵列地对晶片热图进行退火，就能够实现本发明的目的。在一个实施例中，还公开了使用在前所述的任一种激光退火设备对晶片进行激光退火的方法。该方法包括首先用由多个泵浦激光源构成的泵浦激光源阵列发射的泵浦激光照射可调掩模片，随后用退火激光源发射的退火激光照射可调掩模片。可调掩模片在经过泵浦激光照射后变得透射所述退火激光的至少一部分。
如上详细说明了包括泵浦激光源阵列、退火激光源和可调掩模片的激光退火设备，以及首先使用泵浦激光使可调掩模片受激，再使用退火激光照射通过受激掩模片从而在对热图进行补偿的情况下对晶片进行退火的方法。
本领域技术人员应当理解，可以对上述实施例可以各种修改而不背离本发明的范围，并且本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (18)

1.一种激光退火设备，包括：
由多个泵浦激光源构成的泵浦激光源阵列，每个泵浦激光源各自发射泵浦激光；
发射退火激光的退火激光源；以及
可调掩模片，所述可调掩模片在没有使用泵浦激光照射的情况下基本不透过所述退火激光，在经过泵浦激光照射后变得透射所述退火激光的至少一部分。
2.如权利要求1所述的设备，其中：
所述可调掩模片的带隙能为Eg；
所述泵浦激光的带隙能为Ea并且远大于Eg；并且
所述退火激光的带隙能为Eb并且略大于Eg。
3.如权利要求2所述的设备，其中：
Ea是Eg的1.5倍以上；并且
Eb比Eg大80-100meV。
4.如权利要求2所述的设备，其中：
泵浦激光源阵列中每个泵浦激光源的发射功率是根据可调掩模片的期望透射率分布而调整的，所述期望透射率分布根据如下各项算出：
预先测得的待退火晶片的热图；
Eg；和
Eb。
5.如权利要求2所述的设备，其中：
所述可调掩模片以一定速度绕其旋转轴旋转；
所述泵浦激光源阵列中的所述多个泵浦激光源沿着所述旋转轴的第一径向布置，并且所述退火激光源位于与所述泵浦激光源阵列相隔一定角度的所述旋转轴的第二径向上；及
所述泵浦激光源阵列和所述退火激光源各自关于所述旋转轴固定并且在轴向上与所述可调掩模片相隔一定距离放置。
6.如权利要求5所述的设备，所述速度是可调的，并且所述角度是可调的，使得泵浦激光源阵列中每个泵浦激光源的发射功率至少根据如下各项算出：
预先测得的待退火晶片的热图；
Eg；
Eb；
所述速度；
所述角度；以及
Ea。
7.如权利要求1所述的设备，还包括：
具有狭缝的遮光板，透射经过可调掩模片的退火激光通过该狭缝进行退火。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述可调掩模片由硅制成，并且所述退火激光的波长为600nm。
9.如权利要求1所述的设备，还包括：
多个扩束透镜，位于所述泵浦激光源阵列的各泵浦激光源和所述可调掩模片之间，以及所述退火激光源和所述可调掩模片之间，用于将由各激光源发射的激光扩展至期望的光束大小。
10.一种用于对晶片进行激光退火的方法，包括：
用由多个泵浦激光源构成的泵浦激光源阵列发射的泵浦激光照射可调掩模片；
用退火激光源发射的退火激光照射所述可调掩模片；
其中，所述可调掩模片在经过泵浦激光照射后变得透射所述退火激光的至少一部分。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
所述可调掩模片的带隙能为Eg；
所述泵浦激光的带隙能为Ea并且远大于Eg；并且
所述退火激光的带隙能为Eb并且略大于Eg，由此在没有使用泵浦激光照射可调掩模片的情况下，所述可调掩模片基本不透过所述退火激光。
12.如权利要求11所述的方法，其中：
Ea是Eg的1.5倍以上；并且
Eb比Eg大80-100meV。
13.如权利要求11所述的方法，其中：
根据可调掩模片的期望透射率分布调整泵浦激光源阵列中每个泵浦激光源的发射功率，所述期望透射率分布根据如下各项算出：
预先测得的待退火晶片的热图；
Eg；以及
Eb。
14.如权利要求11所述的方法，其中：
所述可调掩模片以一定速度绕其旋转轴旋转；
所述泵浦激光源阵列沿着所述旋转轴的第一径向布置所述多个泵浦激光源，并且所述退火激光源位于与所述泵浦激光源阵列相隔一定角度的所述旋转轴的第二径向上；及
所述泵浦激光源阵列和所述退火激光源各自关于所述旋转轴固定并且在轴向上与所述可调掩模片相隔一定距离放置。
15.如权利要求14所述的方法，所述速度是可调的，并且所述角度是可调的，使得泵浦激光源阵列中每个泵浦激光源的发射功率至少根据如下各项算出：
预先测得的待退火晶片的热图；
Eg；
Eb；
所述速度；
所述角度；以及
Ea。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述可调掩模片由硅制成，并且所述退火激光的波长为600nm。
17.如权利要求10所述方法，其中透射经过可调掩模片的退火激光通过狭缝进行退火。
18.如权利要求10所述的方法，还包括：
在泵浦激光和退火激光照射所述可调掩模片之前对所述泵浦激光和所述退火激光进行扩束，以将激光扩展至期望的大小。
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