用雷射能照射半導體材料表面的方法和設備的製作方法

2023-06-18 21:44:31

專利名稱：用雷射能照射半導體材料表面的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用雷射器照射半導體材料表面的方法。本發明還涉及用於照射半導體材料表面的雷射設備。
背景技術：
半導體材料表面的雷射照射因為其應用而眾所周知，所述應用例如非晶矽的加溫退火使其再次結晶，和摻雜劑激活。與傳統的加熱過程相比，此技術通過實現非常快速的加熱處理和加熱區域的淺深度，而具有顯著的優勢。對於半導體應用的傳統雷射照射過程的普遍問題是，由於熱處理所需的高能量密度和傳統地可得到的雷射源的低輸出能量，因而雷射斑點的尺寸遠小於模具的尺寸，此模具也被稱為晶片或者器件。結果是，為了覆蓋整個模具，雷射斑點必須跨過或者掃描此模具，這導致了很多劣勢。正如 Current 禾口 Borland (Technologies New Metrology for Annealing of USJ and Thin Films,16th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors-RTP2008)所描述的和

圖1、圖2所圖示的，第一個劣勢在於，如果雷射斑點(b)掃描或者跨過模具(a)，則連續的雷射斑點將會在此模具的一些部分 (c)上交疊，導致在摻雜劑激活率或深度的不均勻和在表面質量的不均勻。另一個劣勢是，如果在相同的表面區域上需要多個雷射脈衝，則為了平均在處理表面區域的每一個點上的多個雷射脈衝，這些雷射點以非常高的交疊性掃描或者跨過表面，造成有限的生產率和周期性的不均勻性，通常所說的波紋模式(moiW-patterns)。另一個普遍問題是，不同類型應用的模具通常具有不同的尺寸，此外在一些應用中，只有部分模具必須被照射。技術人員普遍知曉，為了能夠用有限的交疊性處理不同模具尺寸的模具和模具的不同部分，束光斑藉助於多種具有不同尺寸的遮光板(mask)來被定形。由於因此所導致的在每次需要其他尺寸時遮光板必須被改變和調整，使得製造的靈活性受到了嚴重的限制並且停機時間可能會是顯著的。在為了克服上述缺陷所做的嘗試中，WO 01/61407 (Hawryluk等人)描述了一種雷射照射設備，其運用可變的孔闌來限定暴露區域的尺寸。然而，根據Hawryluk等人的觀點，一個明顯的缺陷是，所需要的用以得到滿意的均勻性的雷射光源需要是具有多於1000個空間模的固狀雷射器，這不是當前商業上可以得到的雷射源。另外一個制定束光斑尺寸的例子是US 2006/0176920，其中Park等人描述了一種包括強度模式調整單元的雷射照射設備，該強度模式調整單元具有通過區域、半通過區域和阻斷區域，以通過調整雷射束的長度來變化地調整帶狀雷射束的強度。考慮到上述雷射照射過程的缺陷，對根據本發明的雷射照射方法和設備有一個明確地需求，作為第一個目標，本發明可以提供處理半導體材料層以在模具內和在晶片內得到可接受的均勻性的能力，同時保持可接受的生產率和製造靈活性。作為第二個目標，本發明可以提供交疊效應和衰減區的減少。
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作為另外一個目標，本發明可以提供在材料層表面上產生具有可變圖像形狀的束的能力。作為另外一個目標，本發明可以提供使雷射能向熱能的轉換達到最大化和在低溫下照射的能力。本發明通過使雷射束的光斑尺寸可變地匹配選擇區域的尺寸，來實現上述目標。發明概述本發明涉及一種照射半導體材料的方法，其包括-選擇半導體材料層表面的區域，此區域具有區域尺寸；用具有束光斑尺寸的準分子雷射器照射半導體材料層表面的區域；-並且調節束光斑尺寸；其特徵在於，調節束光斑尺寸包括使束光斑尺寸可變地匹配選擇區域的尺寸。本發明還涉及一種照射半導體材料的設備，其包括-準分子雷射器，用於照射半導體層表面的選擇區域，此雷射器具有針對具有區域尺寸的選擇區域的雷射束光斑尺寸；-和調節雷射束光斑尺寸的裝置；其特徵在於，調節雷射束光斑尺寸的裝置適用於使雷射束光斑尺寸可變地匹配選擇區域的尺寸。附圖簡述圖1圖示了一種現有技術方法。圖2圖示了另外一種現有技術方法。圖3圖示了根據本發明的一種方法。圖4圖示了根據本發明的在完整的模具上方的一種優選的照射能量分布。圖5圖示了可變孔。圖6圖示了具有可變圖像放大倍率的光學系統。發明詳述本領域技術人員會理解，下述實施方案僅是根據本發明的例證性實施方案，並且不限制本發明所設定的範圍。其他的實施方案也可以被考慮。根據本發明的第一種實施方案，提出了一種照射半導體材料的方法，其包括-選擇半導體材料層表面的區域，該區域具有區域尺寸；-用具有束光斑尺寸的準分子雷射器照射半導體材料層表面的此區域；-並且調節束光斑的尺寸；其特徵在於，調節束光斑尺寸包括使束光斑尺寸可變地匹配選擇區域的尺寸。通過束光斑尺寸可變地匹配選擇區域的尺寸，使此方法由於交疊效應和衰減區的減少而可以提供能接受的在模具和晶片內的均勻性。而且，通過在材料層表面上產生具有可變形狀和尺寸的束光斑的能力，此方法可以提供能接受的生產率和製造靈活性。此半導體材料層可以是任何適合半導體應用的材料，所述應用例如但不局限於 非摻雜矽，摻雜矽，注入矽，晶體矽，非晶矽，鍺矽，氮化鍺，以及III-V化合物半導體例如氮化鎵、碳化矽和其他類似物。在根據本發明的一種實施方案中，使束光斑尺寸匹配可以通過改變被成像在材料層表面上的可變孔的尺寸和形狀來實現。本質上，這種孔是這樣的洞或者開口，該洞或者開口被雷射束穿過並且限定了在選擇區域上的束光斑的形狀和尺寸。通過機械地改變此可變孔，束光斑的尺寸和/或者形狀可以匹配於選擇區域的尺寸和/或者形狀。這種可變孔可以配備有位置能夠被不同地調節的葉片，如圖5所圖示。依據所需的束光斑精確度，可能需要對孔微調，以校正不精確性和使光斑尺寸與選擇區域準確地匹配。此微調可以通過用相機觀察材料層表面上的束光斑、測量光斑尺寸以及調節孔的開口尺寸和形狀來實現。如果孔配備有葉片，這些葉片的位置可以被微整，以達到具有所需精確度的目標光斑尺寸。在根據本發明或者與可變孔相結合的替代性實施方案中，匹配束光斑尺寸可以通過具有可變圖像放大倍率的光學系統來實現。這種光學系統適用於在晶片上產生孔的可變放大倍率的圖像。而且根據本發明，此方法可以包括將束光斑與選擇區域在XYZ方向上對齊。在本發明的且如圖3所圖示的優選實施方案中，選擇區域可以是至少一個完整的模具。該完整的模具可以由一個雷射脈衝處理。此模具也可以接收全部都覆蓋住整個模具的多個雷射脈衝。進一步如圖3所圖示，選擇區域可以覆蓋多個模具。圖4中表明，照射一個或者多個完整的模具可以顯著地有助於提高在模具(e)上方的均勻照射能量分布和有助於減小交疊效應(c)，從而提高了過程的均勻性。根據本發明的方法還可以包括在使束光斑尺寸匹配於選擇區域的尺寸之前使雷射束均勻。使雷射束均勻會明顯地有助於提高過程的均勻性。根據本發明，還提供一種照射半導體材料的設備，其包括-準分子雷射器，用來照射半導體層表面的選擇區域，此雷射器具有針對具有區域尺寸的選擇區域的雷射束光斑尺寸；-和用來調節雷射束光斑尺寸的裝置；其特徵在於，用於調節雷射束光斑尺寸的裝置適應於使雷射束光斑尺寸可變地匹配於選擇區域的尺寸。此準分子雷射器可以是任何其波長、能量和脈衝寬度與過程相適合的準分子雷射器，優選氯化氙準分子雷射器。由於矽在下述這些波長處的高能量吸收，此準分子雷射器的波長可以在190nm到 480nm的範圍內，且優選308nm。雷射能可以在5焦耳到25焦耳範圍內。為了獲得這些能量，雷射放電體積被最優化為典型地IOcm(電極間距離)x7到IOcm(放電寬度)xlOO到200cm(放電長度)。脈衝寬度與在用於減少摻雜劑擴散的快速加熱和用於減少缺陷形成的相對地慢速冷卻之間的最適宜情況相符，並且可以在IOOns到1000ns的範圍內，優選在IOOns和 300ns之間。在優選的實施方案中，此準分子雷射器可以適應於產生大於80cm2、優選IOOcm2的大區域的輸出束。在另一個優選的實施方案中，此準分子雷射器可以適應於產生能量密度在lj/cm2 和lOJ/cm2之間的雷射束。根據本發明，用於使雷射束光斑尺寸匹配的裝置可以包括可變孔。此可變孔不但可以限定束光斑尺寸和/或者形狀，而且還可以通過該孔藉助於高解析度成像系統的成像來顯著地幫助獲得清晰的圖像邊緣(圖4，f)，從而減小了衰減區和交疊效應。替代地根據本發明，用於使雷射束光斑尺寸匹配的裝置包括具有可變圖像放大倍率的光學系統。在這種如圖6所圖示的光學系統中，第一透鏡或者第一組透鏡(物鏡，第一組)和第二透鏡或者第二組透鏡(物鏡，第二組)之間的距離可以由延遲線來調節，以調節此系統的放大倍率(一般地從4X到8X)。該具有可變圖像放大倍率的光學系統可以與或者不與可變孔組合地使用。在本發明的實施方案中，選擇區域上的束光斑尺寸可以在1到4，5cm2的長方形形狀內調節。根據本發明的設備，還可以包括用於將束光斑與選擇區域在CTZ方向上對齊的裝置。優選地，為了避免對於沿著焦距的非常精確、複雜和昂貴的位置調節的需要，焦距的深度可以儘可能的長，並且優選多於100微米。為了避免表面的反射光射回光學系統，在選擇區域上的雷射束的入射角可以相對於與半導體材料層正交的平面成一角度(通常5° )。根據本發明的設備，還可以包括被定位在用於調節雷射束光斑尺寸的裝置之前的光束均勻器。根據本發明的設備還可以包括模式識別系統。這種模式識別系統可以包括相機， 該相機與用於保持住半導體材料的平臺機械地相連，並且被位於材料層表面上方。在具體的實施方案中，來自相機的圖像可以被處理成用以定位多個(通常3個)已經被蝕刻在半導體材料上的對齊記號。此對齊記號提供了半導體材料在設備坐標系中的精確位置。根據本發明的設備可以被用於製造半導體材料或器件，例如但不局限於CMOS圖像傳感器和3D存儲器。關於CMOS圖像傳感器，本發明的方法和設備對於背面被照亮的CMOS圖像傳感器可能是非常有用的，其中在器件的背面上採集光，同時在前面進行讀出/電荷採集。背面照亮需要背面摻雜劑以良好均勻性的激活率和深度來激活。而且，此激活過程必須保持非常高的表面質量，以保持整個傳感器上方的圖像的質量。通過使用本發明的方法和設備，使得用一個脈衝來照射一個或者多個完整傳感器的背面可以成為可能，從而避免了交疊地掃描或者步進，並且獲得了所需的傳感器均勻性。根據本發明的方法的實施例步驟0 晶片相對於束光斑的加載和粗略定位步驟1 照射參數的選擇照射參數的選擇依據-具體的晶片襯底所要求的能量密度(例如，2J/cm2)-晶片上處理區域(XWxYW)的尺度(例如，18x12mm)-在晶片上待被照射的模具相對於參考位置的坐標((Xi，Yi)從i= 1到N，N是待被照射的模具的數量)。步驟2 系統放大倍率的調節-光學系統的放大倍率(G)的計算完成，這會在晶片上在最靠近晶片上的所需要尺度處(XWxYW)產生光斑尺寸，同時使孔葉片處於其完全打開的位置(Xopen = 96mm, Yopen =76mm)。在該實例中，G = Xopen/XW = 96/18 = 5，33。-延遲線的位置被調節至對應於所需要放大倍率的(由預先校準確定的)預調位置，使得在96/5，33x72/5, 33 = 18x13, 5mm的晶片上產生光斑尺寸。可能還需要對物鏡組的焦距微調。步驟3 遮光板尺度的調節-調節孔葉片的位置來獲得所需的束的尺寸。在此例子中，使兩個垂直葉片(調節 X)處於打開位置，並且兩個水平葉片被調節到Y = 12mm，使得晶片上的光斑尺寸額定地為 18x12mm。-孔葉片位置的微調整。步驟4 相對於待被處理晶片的雷射光斑定位-模式識別步驟將相對於晶片平臺坐標系統在晶片上定位3個對齊標記的精確位置。-晶片平臺被移動，以使雷射光斑的位置與待被處理的第一模具的位置交疊。步驟5:照射-雷射用所需的能量密度照射第一模具。通過調節雷射的充電電壓和在束路徑上運用可變衰減器來控制照射的能量。-晶片平臺被移動到下一個模具的位置(Xi，Yi)-重複照射和移動晶片平臺，直到所有待處理的模具都被照射。
權利要求
1.一種照射半導體材料的方法，包括-選擇半導體材料層表面的區域，所述區域具有區域尺寸；-用具有束光斑尺寸的準分子雷射器照射所述半導體材料層表面的所述區域；-並且調節所述束光斑尺寸；其特徵在於，調節所述束光斑尺寸包括使所述束光斑尺寸可變地匹配所選擇的區域的尺寸。
2.根據權利要求1所述的方法，其中使所述束光斑尺寸匹配是通過改變被成像在所述材料層表面上的可變孔的尺寸和形狀來完成的。
3.根據權利要求1所述的方法，其中使所述束光斑尺寸匹配是通過改變具有可變圖像放大倍率的光學系統的放大倍率來完成的。
4.根據權利要求1或3所述的方法，還包括將所述束光斑與所選擇的區域在XYZ方向上對齊。
5.根據權利要求1到4所述的方法，其中所選擇的區域是至少一個完整的模具。
6.根據權利要求1或5所述的方法，還包括在使所述束光斑尺寸匹配所選擇的區域的尺寸之前使雷射束均勻。
7.一種照射半導體材料的設備，包括-準分子雷射器，其用於照射半導體材料層表面的選擇區域，所述雷射器具有針對具有區域尺寸的所述選擇區域的雷射束光斑尺寸；-和用於調節所述雷射束光斑尺寸的裝置；其特徵在於，用於調節所述雷射束光斑尺寸的所述裝置適用於使所述雷射束光斑尺寸可變地匹配所述選擇區域的尺寸。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述準分子雷射器適用於產生具有在lj/cm2到 10J/cm2之間的能量密度的雷射束。
9.根據權利要求7到8所述的設備，其中用於使所述雷射束光斑尺寸匹配的所述裝置包括成像在所述材料層表面上的可變孔。
10.根據權利要求7到9所述的設備，其中用於使所述雷射束光斑尺寸匹配的所述裝置包括具有可變圖像放大倍率的光學系統。
11.根據權利要求7到10所述的設備，還包括用於使所述光斑與所述選擇區域在XYZ 方向上的對齊的裝置。
12.根據權利要求7到11所述的設備，其中所述光斑尺寸匹配至少一個完整的模具。
13.根據權利要求7到12所述的設備，還包括被定位在用於調節所述雷射束光斑尺寸的所述裝置之前的光束均勻器。
14.根據權利要求7-13所述的設備用於製備半導體材料的用途。
全文摘要
本發明涉及照射半導體材料的方法，其包括選擇半導體材料層表面的區域(a)，此區域(a)具有區域尺寸；用具有束光斑尺寸(b)的準分子雷射器照射半導體材料層表面的區域(a)；並且調節此束光斑尺寸(b)；其中調節束光斑尺寸(b)包括使束光斑尺寸(b)可變地匹配選擇區域的尺寸(a)。本發明還涉及照射半導體材料的設備，包括準分子雷射器，用於照射半導體層表面的選擇區域(a)；此雷射器具有針對具有區域尺寸的選擇區域(a)的雷射束光斑尺寸(b)；和用於調節雷射束光斑尺寸的裝置；其中用於調節雷射束光斑尺寸(b)的裝置適用於使雷射束光斑尺寸(b)可變地匹配選擇區域的尺寸(a)。
文檔編號H01L21/20GK102413986SQ201080018227
公開日2012年4月11日 申請日期2010年3月29日 優先權日2009年4月7日
發明者布魯諾·戈達德, 茱利安·溫特維尼, 西裡爾·迪唐, 馬克·布基亞 申請人:愛克西可法國公司