雙波長熱流雷射退火的製作方法

2023-07-22 12:52:41

專利名稱：雙波長熱流雷射退火的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及半導體襯底的處理。具體而言，本發明涉及半導體襯底的雷射熱處理，其中線光束在襯底上掃描。
背景技術：
長期以來，半導體集成電路的製造需要對矽晶片或者其他半導體晶片進行多步熱處理。晶片需要升高到600°C或以上的溫度以使處理熱活化。這樣的處理可以包括(但不限於)化學汽相沉積，矽化、氧化或氮化、注入退火(implant anneal)、以及摻雜活化等。這些處理中的一些可能需要超過1000°C、120(TC或者甚至1350°C以上的溫度，其後者相對接近矽的熔點1416°C。最初，這樣的熱處理在包含許多晶片(其支撐在支架中)的爐中進行。將電能供應到爐壁中的電阻加熱器元件，以將它們加熱到接近期望處理溫度的溫度。晶片最終達到與爐壁基本相等的溫度。在升高的溫度下進行了期望時間長度的熱處理之後，不再將電能供應到電阻加熱器，使得壁逐漸冷卻，晶片也逐漸冷卻。儘管需求熱處理時間可能相對較短，但是加熱速率和冷卻速率兩者都相對較慢，在大約15°C /min的量級。這些升高溫度過程中的較長時間顯著地增大了熱處理所需的熱預算。在先進集成電路中的精細特徵和薄層需要減小熱預算。已經發展了快速熱處理(RTP)以提高冷卻和加熱速率。RTP室通常包含指向單個晶片的大量高強度滷素燈。這些燈可以快速地轉換到其最高燈絲溫度，以在對室本身較少加熱的情況下迅速地加熱晶片。當燈關閉時，燈的處於最高溫度的部分包括了相對小的質量，其可以迅速冷卻。RTP室壁未被加熱到非常高的溫度。結果，晶片能夠以合理的較高冷卻速率輻射冷卻。典型的RTP加熱速率是約250°C /s，典型的RTP冷卻速率是約90°C /s, 由此顯著減小了熱預算。在一種所謂脈衝退火(spikearmealing)的技術中，在最高溫度時基本上沒有保溫時間(soak time)。取而代之的是，上升之後緊接著下降。在大多數狀況下，變化速率應該最大化。但是，對於具有超窄特徵和淺且陡峭結點(其兩者都需要精密的熱控制)的先進器件而言，RTP乃至脈衝退火的冷卻和加熱速率正變得不足。爐和RTP室兩者都將整個晶片加熱到需求處理溫度。事實上，僅晶片表面處上部數個微米內的材料需要熱處理。而且， RTP的覆蓋熱輻射模式需要通過輻射和傳導熱傳輸兩者將整個晶片從退火溫度冷卻。隨著晶片冷卻，輻射冷卻的效率降低。已經發展了脈衝雷射熱處理來顯著提高加熱和冷卻速率。雷射輻射的短(約 20ns)脈衝聚焦在晶片的減小面積處，該晶片理想地與20mm乘30mm的鄰域中光步進機的掃描場(optical stepper field)具有相同尺寸。雷射脈衝的總能量足以迅速將照射面積的表面加熱到高溫。此後，淺雷射脈衝產生的少量熱迅速擴散到未受熱的晶片下部中，從而較大地提高照射表面區域的冷卻速率。數種大功率雷射器能夠以每秒數百個脈衝的重複速率發出脈衝。雷射器在晶片的表面上以步進和重複的模式移動，並在鄰域中發出脈衝以類似地對整個晶片表面進行熱處理。但是，脈衝雷射熱處理存在不均勻的問題，其部分是由於在圖案化表面上短時間的密集輻射脈衝。掃描和脈衝需要仔細地對準，並且輻射分布和橫向熱擴散模式都不是固定的。輻射脈衝較短，使得吸收上的任何差異都將導致溫度的巨大差異。該結構的一部分可能熔化而一微米開外的其他部分可能剛剛受熱。為了解決此問題，已經發展了新的一系列雷射熱處理設備，其中具有較長尺寸和較短尺寸的連續波(CW)雷射輻射的窄線光束沿著該較短尺寸(即，垂直於線)的方向掃描晶片。線寬足夠小，並且掃描速度足夠高，使得輻射的掃描線在表面處產生非常短的熱脈衝，其此後豎直向下迅速地擴散到襯底內並水平地迅速擴散到低溫表面區域。該處理可以稱為熱流退火。這三種退火可以在熱力學術語方面進行區別。RTP和熱退火是等溫處理，其中在給定的時間晶片的每個區域都處於基本相同的溫度。脈衝雷射退火是絕熱的。在任何熱能夠明顯擴散之前輻射脈衝已經結束。熱流退火快於等溫RTP處理但慢於絕熱脈衝處理。在常規電子材料中，加熱具有在5和100 μ m之間的熱擴散長度，該長度在集成電路圖案的尺度上允許一定的熱均勻。Markle等人(此後稱為Markle)在美國專利6，531，681中公開了這種線掃描熱處理系統的反射光學器件描述。Jennings等人(此後稱為Jennings)在美國公開申請 2003/0196996中公開了折射光學器件描述，不過在Markle和Jennings之間還存在其他實質差別。在一些實施例中，Jennings熱設備可以用小於100 μ m的光束線寬實現106°C /s的變化速率。但是，Markle和Jennings兩者都優選使用沿著光束的長度方向排列的雷射二極體棒，以產生雷射輻射。這些雷射二極體棒通常由GaAs或類似的半導體材料構成，並由形成在光電晶片的同一層中的大量二極體雷射器組成。Markle優選的GaAs雷射器棒以約 808nm的波長發射近紅外輻射，其良好地耦合到矽內。如圖1的能帶圖所示，類似於大多數半導體的半導體矽具有能級低於Ev的電子狀態的價帶10、和能級高於E。的電子狀態的導帶12。在直接帶隙半導體(矽不是直接帶隙半導體但是效果大體相同)中，能級&的帶隙 14將價帶和導帶10、12分離。在未摻雜的矽中，沒有電子狀態存在於帶隙14中。對於矽， Eg = 1. 1&V，其根據以下公知的光子方程對應於IllOnm的光波長其中h是普朗克常數，c是光速。在諸如矽之類的間接帶隙半導體中處於絕對零度的溫度時，價帶10完全填充而導帶12完全是空的。經過這種半導體的具有&的光子能級的光將僅在其光子能級大於或等於帶隙的情況下才與電子互相作用，Ep ^ Eg因此光子可以將價帶10中的電子激發到導帶12，在導帶12中電子是自由載流子。 一旦電子處於導帶中，電子迅速地熱化並加熱半導體主體。
當矽被加熱到高溫(在該高溫下，熱能將電子從價帶10激發到導帶12而將空穴 (空電子狀態)留在價帶10中並將電子留在導帶12中(其兩者均為自由載流子))時，狀況發生了改變。低能級的光子可以將價帶電子激發成價帶10中的空穴，或者可以將導帶電子熱激發成導帶12內大體空的狀態。但是，這種效果通常在約800°C以下時較小。當半導體被摻雜時產生了其他效果，對於η型摻雜物，產生了在帶隙內但接近導帶12的電子狀態 16，或者對於ρ型摻雜物，產生了接近價帶10的空穴狀態18。這些摻雜狀態對於半導體的工作是重要的，這是因為在中等的溫度它們足以將電子狀態16激發到導帶12中或將空穴狀態激發到價帶10中(其也可以可選地被形象化為將價帶電子激發為空穴狀態18)。低能級的光子可以與這種激發的摻雜物狀態互相作用。例如，導致入射輻射吸收的帶內躍遷可能在價帶10內或在導帶12內發生在兩個自由載流子狀態之間。但是，由此效果帶來的吸收在約IO18CnT3的摻雜度(其遠高於半導體器件中的平均摻雜度)以下時相對較小。在任何情況下，雷射吸收不會嚴格地取決於溫度和輻射區域的摻雜度，如同在自由載流子之間帶內吸收的狀況。優選地，依靠帶內躍遷來用於雷射加熱，而不是依靠涉及自由載流子(溫度和摻雜度對此具有較大影響)的帶內吸收。因此，用於迅速加熱矽的雷射輻射應該具有顯著小於IllOnm的波長，這容易由 GaAs 二極體雷射器提供。但是，二極體雷射器具有一些缺點。雷射器棒在將其輸出聚焦為沿其長度的均勻光束時會產生問題。來自雷射器棒的輻射分別從沿著棒的長度的多個二極體雷射器輸出，多個二極體雷射器間隔有間隙。即，雷射源的線均勻性不好，且需要通過均化器來改善。用於均化器的技術是可獲取的，但是將其應用於高強度光束帶來了工程化和操作上的問題。另一個問題是，808nm的雷射棒輻射在矽中具有約SOOnm的吸收深度，這可能大於需要退火的矽層的深度，例如需要注入固化和摻雜激活的淺的源極和漏極注入物。在美國專利6，747，245中，Talwar等人(此後稱為Talwar)建議使用來自二氧化碳(CO2)雷射器的輻射來產生用於雷射熱處理的線光束。雖然CO2雷射器具有比二極體雷射器(40至50%)低的效率(10至15%)，但是它們能夠更容易低產生良好準直(無發散) 並且大體圓形的光束。但是，我們認為具有約10. 6 μ m波長的(X)2輻射作為雷射輻射的單一源是不足的，因為10. 6 μ m波長遠大於1. 11 μ m的矽帶隙波長。結果，未摻雜或低溫矽對於 CO2輻射實質上是透明的，並且(X)2輻射在矽晶片中(差不多在先進微處理所期望的淺表面區域中)未被有效吸收。雖然Markle未公開，但是可以通過將矽加熱到非常高的溫度或者通過依靠較大程度的摻雜或者通過其兩者的結合，來增強(X)2輻射的吸收。但是，加熱設備使雷射熱處理設備複雜化，並且在半導體製造中不能自由地控制摻雜度，而摻雜度沿著部分先進的集成電路變化。Boyd 等人(此後稱為 Boyd)在 1984 年 4 月 15 日的 Journal of AppliedPhysics 第 55 卷第 8 期 3061-3063 頁的「Absorption of infrared radiation insilicon」中公開了一種雙波長熱處理技術。Boyd強調10. 6μπι的量子能比矽帶隙小兩個量級。結果，矽對於CO2輻射實質上是透明的。即使對於較大程度摻雜的矽，吸收率小於lOOcm—1，該值對於表面雷射熱處理而言太小。取而代之的是，Boyd提出了對矽預加熱或者更優選地用來自CW氬雷射器的500nm輻射(其具有大於帶隙的能級)來照射矽，以提高矽中自由載流子密度，並促進(X)2輻射的吸收。Boyd沒有解決其光束的空間範圍的問題，並且承認了較差的空間界定，認為這對於先進雷射熱處理而言是重要的。

發明內容
具體用於對形成在晶片上的半導體集成電路進行熱處理的熱處理設備包括以短波長(例如小於1.0 μ m)發射的第一雷射源和以長波長(例如大於1.2 μ m，優選地大於 5 μ m，最優選地約10.6 μ m波長的CO2雷射輻射)發射的第二雷射源。來自第二源的加熱光束被映射為晶片上相對窄的線光束，其例如具有不大於0. Imm的寬度和至少Imm的長度。 來自第一源的活化光束被映射為晶片上相對大的光束，其圍繞來自第二源的線光束。通過晶片的移動或者光學器件的移動，兩個光束在線光束的窄尺寸方向上同步掃描。本發明的另一個方面包括聲光調製器，其能夠用於去除用於使垂直於物理掃描方向的窄光束掃描以產生線輻射模式的光束中的不均勻或者光斑。加熱光束可以有效地以距法線約40°的角度照射樣品。本發明的另一個方面包括用於形成均勻線光束的光學器件。一軸光管可以用於此目的。CXD陣列可以對被照射的附近進行熱成像。可以選擇活化光的波長以控制對襯底的加熱深度。


圖1是半導體中電子能帶和光躍遷的示意圖。圖2是本發明的雙波長雷射退火設備的示意性正視圖。圖3是入射在正被雷射退火的晶片上的加熱光束和活化光束的形狀的俯視圖。圖4是本發明可以應用的矽結構的剖視圖。圖5是包括更多光學元件的圖2的退火設備的正交視圖。圖6是入射在晶片上的兩個光束的放大正交視圖。圖7是本發明的另一個實施例的光學器件的正交視圖。
具體實施例方式在圖2的正視圖中示意性地示出了本發明一個實施例的簡化表示。晶片20或其他襯底被保持在工作檯22上，工作檯22是在系統控制器M的控制下在一個或兩個方向上由馬達驅動的。諸如GaAs雷射器棒之類的短波長雷射器沈發射波長短於約1. 11 μ m的矽帶隙波長的可視或近可視連續波(CW)光束觀。對於GaAs雷射器沈，發射波長通常是約 810nm，其特徵為紅色。第一光學器件30聚焦並成形光束觀，反射器32將光束觀以相對寬的活化光束34朝向晶片20重導向，其也在圖3的俯視圖中示出。活化光束34可以以相對於晶片法線一定的角度(例如，15° )傾斜，以防止反射回到GaAs雷射器26。這樣反射的輻射可能縮短二極體雷射器的壽命。長波長雷射器40 (優選為CO2雷射器)發射波長大於 1. Hum的矽帶隙波長的紅外CW光束42。對於優選的CO2雷射器，發射波長是約10. 6 μ m。 第二光學器件44聚焦並優選地成形(X)2光束42，第二反射器46將(X)2光束42反射為相對窄的加熱光束48。優選地，CO2光束48相對於晶片法線以布儒斯特角(對於矽而言是約 72° )傾斜，以最大地將加熱光束48耦合到晶片20中。以布儒斯特角入射對於ρ極化輻射 (即，沿著晶片20的表面極化的輻射)是最有效的，因為不存在由於晶片20中的折射光束與任何反射光束之間90°角的事實而導致的反射輻射。因此，在CO2光束18中s極化光被有利地抑制超過P極化光。但是，實驗表明對於許多圖案，在距晶片法線40° (士 10° )處對中的20°輻射錐導致約3. 5%的吸收變化，這與在布儒斯特角處對中的錐實現的2. 0% 幾乎一樣良好。如圖3所示，長波長(CO2)加熱光束48位於更大的短波長(可視)活化光束34 內，並優選地對中在其上。隨著工作檯22使晶片20相對於包括雷射器沈、40和光學元件 30、32、44、46的光源50移動，光束34、48兩者同步掃描過晶片20。應該理解，同步不需要精確，只要活化光束34保持在加熱光束48內即可。可選地，可以使晶片10保持靜止，而致動器52根據來自控制器M的信號使光源50的全部或部分在平行於晶片10的一個或兩個方向上移動。對於紅外加熱光束48和可視活化光束34兩者，在晶片20上的光束形狀都是大體矩形或者至少很大程度上是橢圓。應該理解，所圖示的光束形狀是示意性的，並表示中心強度的一小部分，因為實際上的光束具有延伸超出圖示形狀的有限尾部。因此，當兩個光束 34,48相對於晶片20同時移動時，紅外光束48優選地近似對中在更大的可視光束34上。 通常的效果是，在矽中被急劇減弱的更大的可視光束34在接近晶片表面的某些大區域中產生自由載流子。其否則不被未照射的矽吸收的更小的紅外光束48與由可視光束34產生的自由載流子互相作用，並且其長波長輻射被有效地吸收並轉換為熱，從而迅速地升高紅外光束48的區域中的溫度。主要由小的紅外光束48的尺寸來確定溫度變化速率和掃描速度，而更大的可視光束34應該包圍小的紅外光束48。小的加熱光束48在掃描方向上的寬度部分地確定溫度變化速率並在大多數應用中被最小化。小的加熱光束48的垂直於掃描方向的長度應該足夠大，以延伸過相當大部分的晶片，從而在一次經過中使相當大部分退火。通常， 線光束的長度至少是其寬度的十倍。最優地，長度等於或略超過晶片直徑。但是，對於商業可行的應用，該長度可以是在微米的量級。在晶片上的小的加熱光束48的示例尺寸是 0. ImmXO. 1mm，不過也可以使用其他尺寸。更小的寬度通常是更理想的，例如，小於500 μ m 或者小於175 μ m。更大的活化光束34可以比加熱光束48大例如1mm，使得在一組示例尺寸中，可以在掃描方向上延伸約1mm，而在垂直方向上延伸數毫米。雙波長產生的結果是，更多的紅外吸收集中在吸收了可視輻射的表面區域中。表面區域的深度遠小於(X)2輻射自身得到的吸收深度。可視輻射在矽中的室溫衰減深度在可視光譜中隨著波長的減小而迅速減小，例如，對於SOOnm輻射是約10 μ m的吸收深度，對於 600nm輻射是約3 μ m,而對於500nm是約1 μ m。因此，為了僅在非常接近晶片表面處產生自由載流子，以將熱限定成接近表面，更短的活化波長是有利的。於是，對於一些應用，更短的活化波長是理想的，例如來自雙頻率Nd: YAG雷射器的532nm輻射，其特徵為綠色。雖然可以對Markle或Jennings的用於具有更短波長的單光束照射的設備進行修改，但是其難以用這些更短波長獲得大功率，尤其是對於二極體雷射器。相反，利用雙光束， 短波長輻射僅用於產生自由載流子並因此活化對長波長輻射的吸收，從而不需要大功率。優選地，紅外吸收由已經通過短波長雷射器在晶片表面處產生的自由載流子決定。這有效地使10. 6微米輻射具有與更短波長相同的吸收長度。還優選地，更短波長的輻射產生基本相同數量的自由載流子，使得即使當光幹涉效應減少了更短波長到晶片中的透射，紅外吸收仍然是飽和的。對於目前在半導體工業中使用的某些膜疊層而言，光幹涉效應能夠使進入晶片的功率減少高達80%。這需要當更短波長雷射器的功率的僅20%實際進入晶片時，紅外自由載流子吸收效應也達到飽和。更短波長雷射器的功率強度必須至少是飽和值的五倍，但是其還必須不能太高以可觀地促進對襯底的直接加熱。利用本發明，可以使更短波長輻射的功率強度更適於確保紅外吸收，但其遠小於(X)2雷射器的功率強度。因此，更短波長不會促進對晶片的加熱，並以此不會劣化加熱的均勻性。此效果是有利的，因為對於更短波長的容許功率存在更大的變化量。雖然可以使用各種工作參數，但是舉例說明以下示例值。0)2雷射器可以具有100W 的總光輸出功率，其在聚焦和光束成形之後以約150kW/cm2的光功率密度照射晶片。相反， 可視雷射器以1至2W的光輸出功率進行工作。入射在晶片上的(X)2光束可以具有50 μ m的寬度和100 μ m至Imm的長度。利用這樣短的線寬，CO2光束需要以蜿蜒模式掃描以覆蓋整個晶片。雖然本發明不受限制，但是紅色活化光束比綠色更優選，以對具有如圖4的剖視圖所示的近表面結構的一些類型的先進集成電路進行處理。具有需要退火的薄表面注入層62的矽晶片60覆蓋有具有約50nm厚度的無定形矽層64。例如來自Nd:YAG雷射器的入射在頂表面上的綠色活化輻射66被無定形矽層64吸收，而由於無定形材料中的無序狀態使得所產生的自由載流子迅速地再結合。較高的再結合速率極大地減少了自由載流子濃度，並因此極大地減少了由自由載流子對10. 6 μ m輻射的吸收。結果，這些區域表現了對於 10. 6 μ m光的非常長的吸收長度，並且在這些區域中襯底未被有效加熱。結果，直接加熱集中在無定形層64中，因此是低效的。相反，例如來自GaAs雷射器棒的紅色活化輻射66僅被部分吸收在無定形層64中，大量剩餘部分被吸收在矽60的頂部數微米中，在該處自由載流子的壽命較長，從而確保了對10. 6 μ mC02輻射的強烈吸收。因此可以理解，可以通過選擇活化光的波長來控制在晶片內熱處理的深度。較短的波長被更靠近表面處吸收，因此促進了該處的退火，而較長的波長在更深處被吸收，並將熱退火延伸到這些深度。對於在先進器件中使用的超淺摻雜注入物進行退火而言，淺的加熱區域是特別重要的。圖2所示的光學器件是極為簡化的。圖5中圖示了更完整的一組光學器件，不過多個其他光學元件將單獨描述。圖6示出了光束區域的放大圖。從GaAs雷射器沈發出的活化光束的光學器件相對簡單。包括兩個透鏡70、72的中繼光學器件產生了來自雷射器棒的不同GaAs 二極體雷射器的子光束的所期望的疊置。如果自由載流子是飽和的，則不需要完全均勻。額外的自由載流子不能將紅外吸收提高到100%以上。傾斜的幹涉鏡74使紅色 GaAs雷射器沈的SlOnm輻射偏轉以接近法線的角度入射在晶片20。但是，幹涉鏡74具體在相反方向上使表示晶片溫度的更長紅外輻射經過到達高溫計76，其可以是單個檢測器或 CCD(電荷耦合器件)陣列。在後者的情況下，可以獲得幅射線周圍的熱圖像。物鏡78將紅色光束觀聚焦到晶片20上作為活化光束34。如所圖示的，聚焦的活化光束34具有由 GaAs雷射器棒中的二極體雷射器的線性陣列得到的大體矩形形狀。相同的物鏡78將從晶片20的被掃描的區域以大角度(例如，15°半錐角)發射的更長波長的光進行準直。反射器74對更長的波長相對可透射，並使得準直紅外光束經過。另一個物鏡80將紅外光束聚焦在高溫計76上，從而允許實時監視晶片20上達到的最高溫度。高溫計76的波長可以從 0. 96和2. 5 μ m之間的波長選擇，1. 55 μ m是優選的波長。用於製造透鏡的玻璃在這些波長通常吸收10. 6 μ m輻射，並因此有效地將其濾除。在10. 6 μ m的任何(X)2輻射將需要散射到高溫計76中。因為散射與波長成反比，所以高溫計76對於(X)2輻射不敏感。CO2雷射器40的輸出經過將在下文更詳細描述的光學器件，其包括1軸光管82， 1軸光管82包括兩個平行的反射器84、86，其沿著快光軸排列，而間隔小間隙，並且其沿著光束軸延伸並在橫向上沿著慢光軸延伸的。快光軸表示晶片上的加熱光束的光軸，線沿著其迅速掃描，即線光束的短尺寸方向。慢光軸表示橫向光軸，光束沿著其索引為蜿蜒掃描的步驟之間離散的位移，即，線光束的長尺寸方向。引入到光路中的任何反射器使得快光軸和慢光軸因此而重定向。光管82通過將相干光斑伸展約200X的倍數、通過類似地提高光束均勻性、並通過沿著光軸展平光束形狀，來使得光束沿著慢(長)光軸均勻化。變形光學器件88，即沿著快光軸和慢光軸具有不同焦距的透鏡系統，允許沿著快光軸的衍射限制聚焦， 但不會這樣沿著慢光軸限制線光束長度。反射器90被定向以將CO2光束48引導為以布儒斯特角(其對於矽為與法線成72° )入射在晶片20上，以當光束具有ρ線性極化(即，在晶片20的平面內垂直於光束極化方向的光束極化)時將CO2光束48最大地耦合到晶片20 中。圖7中圖示了相關實施例。聲光調製器(AOD) 94接收來自CO2雷射器42的光輸出光束48。A0D 94包括例如在一端接合有超聲換能器的鍺晶體和吸收器。RF信號以20士5MHz 的振蕩信號來電驅動換能器，以調製鍺的密度並根據驅動頻率建立將約80%的入射光從入射方向衍射例如約5°的幹涉光柵。驅動頻率還可以在IMHz到IOMHz的頻帶變化，以改變衍射角，並從而沿著慢光軸使光束在約1°的範圍內偏轉和顫動，即，使光束角度或空間地掃描。AOD掃描將雷射束中的相干光斑和幹涉條紋伸展約200 X的倍數，並還使光束沿著慢光軸均勻化。在另一個變化方案中，可以在一些應用中將小的單個光束輸入到AOD 94中，並使用AOD 94使該小光束沿著慢光軸在加熱光束48的整個長度上掃描。第一 45°相延遲鏡98反射光束並將其從線極化轉換為圓極化。第二 45°相延遲鏡100反射光束並將其從圓極化轉為線極化，但在兩個鏡98、100之間具有90°的淨旋轉。 圓柱透鏡102與雷射器圓柱透鏡結合用作光束擴展器。CO2光束接著進入具有沿慢光軸分離並沿著光束軸延伸的兩個平行反射器84、86 的1軸光管82。聲光偏轉器94使光束在約20mrad(約1° )的角範圍上沿經過光管間隙的方向(即，從兩個反射器84、86的右側到左側)掃描。掃描光束接著進入變形光學器件 88，其第一透鏡是圓柱透鏡並用作光束擴展器的一部分。兩個轉向鏡90、92反射光束以產生總體更緊湊的設計。最終的變形成像透鏡94、96產生具有良好受控長度和較窄寬度的最終線光束。在此實施例中，用於高溫計76的透鏡78、80產生了接近晶片法線對準並與來自 GaAs 二極體雷射源沈的活化光束34(其被設置為例如偏離法線30°的一定程度傾斜的角)分離的熱監視光束。成像透鏡108對在相當大的活化光束上的GaAs光束進行最終聚
焦ο雖然以上實施例利用了約10. 6μπι的CO2輻射，但是也可以使用用於加熱輻射的其他波長。它們應該具有小於矽帶隙能級的光子能級，即，波長大於約1.2μπι。通常，加熱波長大於約5 μ m。已經討論了兩個具體的用於活化輻射的波長。其他波長在半導體二極體
10雷射器中是容易獲得的，並可以選擇其它波長以控制熱處理的深度。但是，通常，活化輻射的光子能級需要大於矽帶隙能級，即，波長小於約1. 0 μ m。 雖然本發明的描述已經假定襯底是矽晶片，但是本發明不受此限制。本發明可以有利地應用於SOI (絕緣體上矽)晶片或者在絕緣體或襯底上形成有薄矽層的其他襯底。在對於活化和加熱波長相對於半導體帶隙進行合適修改的情況下，本發明可以應用於其他半導體材料。即，加熱波長大於半導體帶隙波長，且活化波長小於半導體帶隙波長。
權利要求
1.一種對包括具有帶隙能級的半導體層的襯底進行熱處理的方法，包括以下步驟 將大於所述帶隙能級的第一光子能級的連續波電磁輻射的第一源的輸出作為入射第一光束引導到所述半導體層的頂表面上；將小於所述帶隙能級的第二光子能級的連續波電磁輻射的第二源的輸出作為狹長入射第二光束引導到所述頂表面上，其中，所述狹長入射第二光束沿著第一方向的第一尺寸顯著小於其沿著垂直第二方向的第二尺寸，從而所述狹長入射第二光束加熱所述半導體層的由所述入射第一光束照射的部分；和使所述狹長入射第二光束沿著所述第一方向掃描的第一步驟。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括使所述入射第一光束沿著所述垂直第二方向掃描的第二步驟。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述第一掃描步驟將所述狹長入射第二光束保持在所述入射第一光束的區域內。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述入射第一光束在所述半導體層中產生半導體自由載流子，所述狹長入射第二光束與所述自由載流子互相作用，從而加熱所述半導體層。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述入射第一光束相對於所述狹長入射第二光束基本沒有對加熱所述襯底做出貢獻。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第二源包括(X)2雷射器。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述第一源包括至少一個二極體雷射器。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述入射第一光束沿著所述第一方向的第三尺寸大於所述第一尺寸。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述半導體層包括矽，所述帶隙能級約1.12eV0
10.一種對包括具有帶隙能級的半導體層的襯底進行熱處理的方法，包括以下步驟 第一步驟，將大於所述帶隙能級的第一光子能級的連續波電磁輻射的第一源的輸出作為第一入射光束引導到所述半導體層的頂表面上；第二步驟，將小於所述帶隙能級的第二光子能級的連續波電磁輻射的第二源的輸出作為狹長第二入射光束引導到所述頂表面上，其中，所述狹長第二入射光束沿著第一方向的第一尺寸顯著小於其沿著垂直第二方向的第二尺寸；第三步驟，使所述狹長第二入射光束沿著所述第一方向掃描； 從而，在所述第一和第二步驟過程中，所述半導體層的同時被所述第一光子能級和所述第二光子能級的輻射所照射的部分保持半導體特性，並且被所述第二光子能級的輻射加熱至所述半導體層的由所述第一光子能級所確定的深度。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述第三步驟附加的使所述第一入射光束沿著所述第一方向掃描。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，所述第二源包括(X)2雷射器。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，所述半導體層包括矽，所述帶隙能級約 1. 12eVo
14.一種熱處理設備，其包括至少一個二極體雷射器，其產生具有小於IlOOnm的波長的連續波第一輸出；第一光學器件，其將所述第一輸出作為第一入射光束引導到襯底的表面，所述第一入射光束具有沿著第一方向的第一尺寸；CO2雷射器，其產生連續波第二輸出；第二光學器件，其用於將所述第二輸出作為第二入射光束引導到所述襯底上，所述第二入射光束具有沿著與所述第一方向垂直的第二方向的第二尺寸和沿著所述第一方向的第三尺寸，所述第三尺寸顯著小於所述第二尺寸並且小於所述第一尺寸，其中所述襯底的多個部分同時被所述第一和第二入射光束照射。
15.根據權利要求14所述的設備，還包括用於使所述第一入射光束沿著所述第一方向掃描的裝置。
16.根據權利要求14所述的設備，其中，所述至少一個二極體雷射器包括GaAs二極體 雷射器。
全文摘要
本發明涉及雙波長熱流雷射退火。本發明公開了一種熱處理設備和方法，其中第一雷射源(40)，例如以10.6μm發射的CO2雷射器，作為線光源(48)聚焦到矽晶片(20)上，並且第二雷射源(26)，例如以808nm發射的GaAs雷射器棒作為圍繞線光束的更大光束(34)聚焦到晶片上。兩個光束在線光源的窄方向上同步掃描，以產生在通過更大光束進行活化時由線光束產生窄加熱脈衝。GaAs輻射的能級大於矽帶隙能級，並產生了自由載流子。CO2輻射的能級小於矽帶隙能級，因此矽對此是透明的，但是長波長輻射被自由載流子吸收。
文檔編號H01L21/324GK102157375SQ201110073309
公開日2011年8月17日 申請日期2006年3月30日 優先權日2005年4月13日
發明者亞倫·亨特, 布魯斯·亞當斯, 海凡·朗, 約瑟夫·麥可·拉尼什, 維傑·帕裡哈爾, 迪安·詹寧斯, 阿比拉什·瑪雨爾, 馬克·亞姆 申請人:應用材料公司