CN112435920B - 一种长波长激光退火方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长波长激光退火方法及装置，属于半导体行业激光退火技术领域。激光退火方法，利用脉冲信号的激光输出对晶圆进行退火处理，所述长波长激光退火方法中的激光具体为，采用长波长的半导体激光光源；以长度为1‑10mm，宽度为30‑500um的光斑尺寸为实际应用光斑尺寸；退火时的功率密度P范围为200‑5000kW/cm2。退火装置包括***控制单元、激光器、光学***、载片台、卡盘。本发明的方案可以取代现在普遍使用的固体激光器，极大地降低研发及生产成本，并且可针对半导体器件生产中的不同器件类型、不同深度杂质分布的需求，提供一种满足各种退火需求的工艺匹配解决方案。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种长波长激光退火方法及装置，属于半导体行业激光退火技术领域。
背景技术
在进行半导体芯片制造时，会对某些器件的晶圆背面进行离子注入工艺，此步骤会对晶格造成严重的损伤，所掺杂的杂质离子未能位于正确的晶格位置，因此并不具备有效的电活性，此时需要再对材料进行加热处理，以修复晶格损伤，同时激活杂质电活性，这种加热处理工艺即为退火。
传统使用的退火工艺，包括炉管退火、闪光灯退火(FLA，Flash Lamp Annealing)、尖峰退火(SpikeAnnealing)等，由于退火温度低、退火时间长等缺点，并不能很好地激活杂质，而且易于造成不必要的杂质再扩散，随着器件尺寸的逐渐缩小，这种杂质分布再扩散所带来的缺陷也愈来愈成为需要解决的问题。
激光脉冲退火，是指利用脉冲信号的激光输出对材料进行退火处理的工艺方法。由于瞬时温度高、作用时间短、热预算低等的优势，激光脉冲退火能够很好地满足高效激活的工艺要求。尤其是，对于新一代IGBT器件，因采用电场中止(FieldStop)技术，可以将衬底研磨得很薄来降低通态损耗，通常的晶圆厚度在100-200μm，更先进的设计甚至要求使用70μm以下的超薄片，在这种薄片/超薄片上进行背面退火时，为保证器件正面的铝不会因为高温熔化，要求工艺温度必须控制在450℃以内，采用激光退火能够将退火时间控制在微秒量级，从而保证晶圆正面的有效控温，这种情况下激光脉冲退火几乎是获得高退火性能的唯一方案。
而由于激光线斑尺寸的限制，如果要对整个晶圆背面进行退火，就必须使激光的线斑与晶圆之间产生相对运动，随着时间的推移，激光一方面沿着线斑宽度方向扫描，一方面沿着长度方向步进，直至其移动痕迹覆盖整个晶圆背面。由于工艺性能的要求，对于任何激光的扫描方式来说，都不允许出现有漏空(未扫描到的地方)或者激活不均匀的地方，对于现代的集成电路多晶体管器件而言，即使出现很小的退火异常区域，都会导致同一晶圆上不同芯片的器件性能不一致，由此造成激光退火工艺的失效。
激光脉冲退火所采用的设备***，其核心模块主要为：
(1)用于退火的和光路传输的光学***；
(2)用于承载晶圆的卡盘；
(3)用于带动卡盘和晶圆运动的载片台；
由激光器输出的原始光束，经特定的精密光学***进行整形后，将整形好的线斑通过镜头投射到晶圆表面，由载片台带动卡盘和晶圆进行步进和逐行扫描运动，直至扫完整片晶圆，从而实现对整片晶圆的激光退火。
现有的技术方案中，大部分采用固体激光器或者固体激光器与半导体激光器配合使用的方式，此技术方案，需要的固体激光器研发与维护成本较高，且大部分固体激光器波长较短，难以对晶圆的更深处进行加温，需辅助半导体长波长激光器使用，这对光路设计和***稳定性提出了很高的要求，也进一步使得设备的成本投入较大。
发明内容
因此，本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种采用单一波长半导体激光器的激光退火***和退火方法及装置，通过调节激光参数对表面进行热处理，对退火温度场的控制，实现完全固相激活、微熔化激活以及大深度熔化激活的退火效果，由于多种退火效果可以在一台设备上实现，可极大程度的减少生产成本。
相较于短波长(200nm-560nm)固体激光而言，使用长波长(780nm-1064nm)半导体激光，可以利用长波长激光更深的吸收深度，对较深深度的区域进行直接加热，例如，以515nm激光为例，在室温(300K)时，其吸收深度Lα为0.79um，在1000K时，其吸收深度Lα骤降至0.16um，在1400K时，其吸收深度Lα为0.12um，在1600K时，其吸收深度Lα为0.08um；在波长808nm的激光作用时，室温(300K)下的吸收深度Lα为10.7um，温度升高至1000K，其吸收深度依然为2.1um，在1400K时，其吸收深度Lα为0.47um，在1600K时，其吸收深度Lα为0.32um。所以通过调节半导体激光的功率密度和脉宽，可以控制其吸收深度的变化，以此控制加工过程中晶圆深度方向的温度梯度，一方面可以实现较缓的温度梯度，以满足更深度的固态激活；一方面可以用较低的热预算实现较陡的温度梯度，以满足表面一定程度的熔化需要。
具体的技术方案为：
一种长波长激光退火方法，利用脉冲信号的激光输出对晶圆进行退火处理，所述长波长激光退火方法中的激光具体为，采用长波长的半导体激光光源；以长度为1-10mm，宽度为30-500um的光斑尺寸为实际应用光斑尺寸；退火时的功率密度P范围为200-5000kW/cm2；借此，利用长波长激光同时实现固相激活、微熔化激活以及大深度熔化激活的退火效果。
优选地，所述方法具体为：***控制单元对激光器的总体时序以及激光器与载片台同步运动进行控制，***控制单元为脉冲发生器的形式；
激光器产生的激光光束经过光学***以线斑的形式投射到晶圆表面，载片台带动卡盘和晶圆进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆，完成激光退火整个工艺过程。
优选地，所述方法中在空间分布上，光学***完成由光源原始光束至目标线斑的光束变换、匀化、合成及投影功能，把束斑由原始的圆形光斑整形为在长度方向上较为均匀、宽度方向上尺寸较窄的线斑。
优选地，所述方法中线斑的光强分布主要有两种形式：第一种形式为长度方向平顶分布，宽度方向高斯分布；第二种形式为长度方向平顶分布，宽度方向平顶分布。
优选地，所述方法中在时间分布上，激光脉冲是以重复频率f进行能量输出。
优选地，所述方法中半导体激光光源的波长为808-1064nm。该波长具有较强的穿透性，可以用于对更深层的杂质离子进行激活，且在波长区间内，硅(晶圆)的光吸收系数变化不大(最大仅约0.1左右)，因此在退火时波长变化对硅片其他性能的影响可以忽略。
另一方面，本发明提供的长波长激光退火装置，所述装置包括***控制单元、激光器、光学***、载片台、卡盘，所述***控制单元为脉冲发生器的形式，***控制单元用于对激光器的总体时序以及激光器与载片台同步运动进行控制，载片台用于带动卡盘上的晶圆进行来回扫描及步进运动。
本发明的有益效果在于：本发明的长波长激光退火方法及装置与现有技术相比，具有以下优点：
1)因为单一长波长激光可实现完全固相激活、微熔化激活以及大深度熔化激活的退火效果，多种退火效果可以在一台设备上实现，可极大程度的减少生产成本；
2)因为只采用单一波长激光器，简化了设备光路设计和控制程序，使设备工艺稳定性更高；
3)采用价格相对较低的半导体激光器，可取代市面上价格昂贵的固体激光器，采购与维护成本大为降低；
4)本发明，由于激光***的简化，对电控和软件的要求也降低，可以提高退火过程中整体***的稳定性。
附图说明
图1为激光退火***示意图；
图2a长度方向平顶分布，宽度方向高斯分布线斑示意图；
图2b长度方向平顶分布，宽度方向平顶分布线斑示意图；
图3为激光脉冲输出时序示意图；
图4为FS-IGBT器件结构示意图；
图5为RC-IGBT器件结构示意图；
图6为实施例2对应的温度场；
图7为实施例3对应的温度场；
图8为实施例4对应的温度场；
图9为实施例5对应的温度场；
图10为实施例6对应的温度场；
图11为实施例7对应的温度场；
图12为实施例8对应的温度场；
图13为实施例9对应的温度场；
图14为热预算Tb1晶圆温度梯度图；
图15为热预算Tb2晶圆温度梯度图；
图16为表面熔化热预算图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
实施例1
本发明提供的单一波长半导体激光器的激光退火***和退火方法，其***结构如图1所示：
上述激光预热退火***由***控制单元1对激光器2的总体时序以及激光器2与载片台7同步运动进行控制，***控制单元1为脉冲发生器的形式。
激光光束4经过光学***3以线斑的形式投射到晶圆5表面，载片台7带动卡盘6和晶圆5进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆，完成激光退火整个工艺过程。
在空间分布上，光学***3完成由光源原始光束至目标线斑的光束变换、匀化、合成及投影功能，把束斑由原始的圆形光斑整形为在长度(Length)方向上较为均匀、宽度(Width)方向上尺寸较窄的线斑，线斑的光强(I0)分布主要有两种形式，如图2a及图2b所示：(1)长度方向平顶分布，宽度方向高斯分布；(2)长度方向平顶分布，宽度方向平顶分布；
在时间分布上，激光脉冲是以重复频率f进行能量输出，输出信号如图3所示，纵坐标为功率密度P(W),一个脉冲周期时间为T(T＝1/f)，单个脉冲脉宽为PW，PW的范围为0-T，当PW＝T时，此时激光为连续光输出。在实际应用中，优选f为0-20kHz。
FS-IGBT以及RC-IGBT器件结构如图4和图5所示，两种IGBT的结构均需对注入浓度较低注入较深的N-stop层和注入浓度较高注入较浅的集电极区进行退火，对于注入较深的N-stop层，其退火深度最大可达10um，由于其浓度较低，满足1100K以上的温度，可实现杂质激活；对于注入较浅的集电极区域，其退火深度一般在2um以内，由于其浓度较高，特别是体浓度接近1E20atoms/cm3时，实现完全的固态激活比较困难，需要部分区域温度超过硅晶圆熔点1685K，使集电极区注入范围内部分熔化或完全熔化以完成激活。
考虑实际激光器功率和产率的需要，优选808nm波长的半导体激光光源；优选长度Length为1-10mm，宽度Width为30-1000um的光斑尺寸为实际应用光斑尺寸；模拟实验的光斑尺寸选定为Length＝4mm，Width＝120um(高斯分布)，模拟实验的晶圆厚度为100um，选取4组功率密度参数P1、P2、P3、P4(P1＜P2＜P3＜P4)，单位为kW/cm2；2组热预算参数Tb1，Tb2(Tb1＜Tb2)，单位为J/cm2，进行以下8个模拟实验。
实施例2
采用808nm激光器，功率密度P1，总热预算为Tb1，脉冲时间PW1＝Tb1/P1，模拟实验晶圆温度场1如图6，在一个脉冲作用后，表面最高温达1300K,未发生熔化，1100K以上低浓度N-stop的激活深度达到4um，在脉冲PW1结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
实施例3
采用808nm激光器，功率密度P1，总热预算Tb2，脉冲时间PW2＝Tb2/P1，模拟实验晶圆温度场2如图7，在一个脉冲作用后，表面最高温达1500K,未发生熔化，1100K以上低浓度N-stop的激活深度达到7.7um，在脉冲PW2结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
实施例4
采用808nm激光器，功率密度P2，总热预算Tb1，脉冲时间PW3＝Tb1/P2,模拟实验晶圆温度场3如图8，在一个脉冲作用后，表面最高温达1690K,超过熔化转变温度1685K,表面发生微熔化，熔化深度为0.1um，1100K以上低浓度N-stop的激活深度达到7um，在脉冲PW3结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
实施例5
采用808nm激光器，功率密度P2，总热预算Tb2，脉冲时间PW4＝Tb2/P2，模拟实验晶圆温度场4如图9，在一个脉冲作用后，表面最高温达1700K,超过熔化转变温度1685K,表面发生熔化，熔化深度为0.5um，1100K以上低浓度N-stop的激活深度超过8um，达到9um，在脉冲PW4结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
实施例6
采用808nm激光器，功率密度P3，总热预算Tb1，脉冲时间PW5＝Tb1/P3，模拟实验晶圆温度场5如图10，在一个脉冲作用后，表面最高温达1740K,超过熔化转变温度1685K,表面发生熔化，熔化深度为1um，1100K以上低浓度N-stop的激活深度为6.4um，在脉冲PW5结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
实施例7
采用808nm激光器，功率密度P3，总热预算Tb2，脉冲时间PW6＝Tb2/P3，模拟实验晶圆温度场6如图11，在一个脉冲作用后，表面最高温达1820K,超过熔化转变温度1685K,表面发生熔化，熔化深度为2.8um，1100K以上低浓度N-stop的激活深度为8.2um，在脉冲PW6结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
实施例8
采用808nm激光器，功率密度P4，总热预算Tb1，脉冲时间PW7＝Tb1/P4，模拟实验晶圆温度场7如图12，在一个脉冲作用后，表面最高温达1980K,超过熔化转变温度1685K,表面发生熔化，熔化深度为3um，1100K以上低浓度N-stop的激活深度为6.9um，在脉冲PW7结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
实施例9
采用808nm激光器，功率密度P4，总热预算Tb2，脉冲时间PW8＝Tb2/P4，模拟实验晶圆温度场8如图13，在一个脉冲作用后，表面最高温达2140K,超过熔化转变温度1685K,表面发生熔化，熔化深度为4.8um，1100K以上低浓度N-stop的激活深度为9um，在脉冲PW8结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温；
以上8组模拟实验，在相同热预算的情况下，当脉冲加载完毕时，沿晶圆退火面(100um)到下表面(0um)的温度梯度如图14和图15所示，在相同的热预算下，功率密度P越高，在10um杂质注入区间的浅表面积聚的热量越多(有助于N-stop更充分激活)，在比10um更深的区间扩散的热量越少，因此高的半导体激光功率密度P，不管在熔化还是N-stop激活，更具优势。
以上8组模拟实验，在表面刚好熔化时所需要的热预算Tbm如图16和表1所示，功率密度P越大，熔化所需时间t越短，表面熔化所需热预算越低，可以很明显的看到Tbm2＞Tbm3＞Tbm4。低的熔化热预算对于需要熔化的浅表面重掺杂(体浓度＞1E20 atms/cm3)具有重要意义，对于薄片和超薄片晶圆而言，越低的热预算完成熔化，由热积累导致的碎片风险越低。
表1表面熔化热预算表
基于模拟实验，半导体长波长激光器可以完成深度轻掺杂的激活，也可以完成浅表面重掺杂激活，基于实验数据，优选808-1064nm波长的半导体激光光源；优选长度Length为1-10mm，宽度Width为30-500um的光斑尺寸为实际应用光斑尺寸；优选功率密度P范围为200-5000kW/cm2。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种长波长激光退火方法，利用脉冲信号的激光输出对晶圆进行退火处理，其特征在于，所述长波长激光退火方法中的激光具体为：采用长波长的半导体激光光源；以长度为1-10mm，宽度为30-500um的光斑尺寸为实际应用的光斑尺寸；退火时的功率密度P范围为200-5000kW/cm2；借此，利用长波长激光同时实现固相激活、微熔化激活以及大深度熔化激活的退火效果；所述长波长激光退火方法所使用的装置仅具有一个红外光激光器，其激光波长为808-1064nm。
2.如权利要求1所述的长波长激光退火方法，其特征在于，所述方法具体为：***控制单元对激光器的总体时序以及激光器与载片台同步运动进行控制，***控制单元为脉冲发生器的形式；
激光器产生的激光光束经过光学***以线斑的形式投射到晶圆表面，载片台带动卡盘和晶圆进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆，完成激光退火整个工艺过程。
3.如权利要求2所述的长波长激光退火方法，其特征在于，所述方法中在空间分布上，光学***完成由光源原始光束至目标线斑的光束变换、匀化、合成及投影功能，把束斑由原始的圆形光斑整形为在长度方向上较为均匀、宽度方向上尺寸较窄的线斑。
4.如权利要求3所述的长波长激光退火方法，其特征在于，所述方法中线斑的光强分布主要有两种形式：第一种形式为长度方向平顶分布，宽度方向高斯分布；第二种形式为长度方向平顶分布，宽度方向平顶分布。
5.如权利要求2所述的长波长激光退火方法，其特征在于，所述方法中在时间分布上，激光脉冲是以重复频率f进行能量输出。
6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述的长波长激光退火方法的长波长激光退火装置，其特征在于，所述装置由***控制单元、一个红外光激光器、光学***、载片台和卡盘所组成，所述***控制单元为脉冲发生器的形式，***控制单元用于对激光器的总体时序以及激光器与载片台同步运动进行控制，载片台用于带动卡盘上的晶圆进行来回扫描及步进运动。
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