CN102157375B - 双波长热流激光退火 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双波长热流激光退火。本发明公开了一种热处理设备和方法，其中第一激光源(40)，例如以10.6μm发射的CO2激光器，作为线光源(48)聚焦到硅晶片(20)上，并且第二激光源(26)，例如以808nm发射的GaAs激光器棒作为围绕线光束的更大光束(34)聚焦到晶片上。两个光束在线光源的窄方向上同步扫描，以产生在通过更大光束进行活化时由线光束产生窄加热脉冲。GaAs辐射的能级大于硅带隙能级，并产生了自由载流子。CO2辐射的能级小于硅带隙能级，因此硅对此是透明的，但是长波长辐射被自由载流子吸收。

Description

双波长热流激光退火
本申请是申请号为200680012575.9、申请日为2006年3月30日，发明名称为“双波长热流激光退火”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般地涉及半导体衬底的处理。具体而言，本发明涉及半导体衬底的激光热处理，其中线光束在衬底上扫描。
背景技术
长期以来，半导体集成电路的制造需要对硅晶片或者其他半导体晶片进行多步热处理。晶片需要升高到600℃或以上的温度以使处理热活化。这样的处理可以包括(但不限于)化学汽相沉积，硅化、氧化或氮化、注入退火(implant anneal)、以及掺杂活化等。这些处理中的一些可能需要超过1000℃、1200℃或者甚至1350℃以上的温度，其后者相对接近硅的熔点1416℃。
最初，这样的热处理在包含许多晶片(其支撑在支架中)的炉中进行。将电能供应到炉壁中的电阻加热器元件，以将它们加热到接近期望处理温度的温度。晶片最终达到与炉壁基本相等的温度。在升高的温度下进行了期望时间长度的热处理之后，不再将电能供应到电阻加热器，使得壁逐渐冷却，晶片也逐渐冷却。尽管需求热处理时间可能相对较短，但是加热速率和冷却速率两者都相对较慢，在大约15℃/min的量级。这些升高温度过程中的较长时间显著地增大了热处理所需的热预算。在先进集成电路中的精细特征和薄层需要减小热预算。
已经发展了快速热处理(RTP)以提高冷却和加热速率。RTP室通常包含指向单个晶片的大量高强度卤素灯。这些灯可以快速地转换到其最高灯丝温度，以在对室本身较少加热的情况下迅速地加热晶片。当灯关闭时，灯的处于最高温度的部分包括了相对小的质量，其可以迅速冷却。RTP室壁未被加热到非常高的温度。结果，晶片能够以合理的较高冷却速率辐射冷却。典型的RTP加热速率是约250℃/s，典型的RTP冷却速率是约90℃/s，由此显著减小了热预算。在一种所谓脉冲退火(spikeannealing)的技术中，在最高温度时基本上没有保温时间(soak time)。取而代之的是，上升之后紧接着下降。在大多数状况下，变化速率应该最大化。
但是，对于具有超窄特征和浅且陡峭结点(其两者都需要精密的热控制)的先进器件而言，RTP乃至脉冲退火的冷却和加热速率正变得不足。炉和RTP室两者都将整个晶片加热到需求处理温度。事实上，仅晶片表面处上部数个微米内的材料需要热处理。而且，RTP的覆盖热辐射模式需要通过辐射和传导热传输两者将整个晶片从退火温度冷却。随着晶片冷却，辐射冷却的效率降低。
已经发展了脉冲激光热处理来显著提高加热和冷却速率。激光辐射的短(约20ns)脉冲聚焦在晶片的减小面积处，该晶片理想地与20mm乘30mm的邻域中光步进机的扫描场(optical stepper field)具有相同尺寸。激光脉冲的总能量足以迅速将照射面积的表面加热到高温。此后，浅激光脉冲产生的少量热迅速扩散到未受热的晶片下部中，从而较大地提高照射表面区域的冷却速率。数种大功率激光器能够以每秒数百个脉冲的重复速率发出脉冲。激光器在晶片的表面上以步进和重复的模式移动，并在邻域中发出脉冲以类似地对整个晶片表面进行热处理。
但是，脉冲激光热处理存在不均匀的问题，其部分是由于在图案化表面上短时间的密集辐射脉冲。扫描和脉冲需要仔细地对准，并且辐射分布和横向热扩散模式都不是固定的。辐射脉冲较短，使得吸收上的任何差异都将导致温度的巨大差异。该结构的一部分可能熔化而一微米开外的其他部分可能刚刚受热。为了解决此问题，已经发展了新的一系列激光热处理设备，其中具有较长尺寸和较短尺寸的连续波(CW)激光辐射的窄线光束沿着该较短尺寸(即，垂直于线)的方向扫描晶片。线宽足够小，并且扫描速度足够高，使得辐射的扫描线在表面处产生非常短的热脉冲，其此后竖直向下迅速地扩散到衬底内并水平地迅速扩散到低温表面区域。该处理可以称为热流退火。
这三种退火可以在热力学术语方面进行区别。RTP和热退火是等温处理，其中在给定的时间晶片的每个区域都处于基本相同的温度。脉冲激光退火是绝热的。在任何热能够明显扩散之前辐射脉冲已经结束。热流退火快于等温RTP处理但慢于绝热脉冲处理。在常规电子材料中，加热具有在5和100μm之间的热扩散长度，该长度在集成电路图案的尺度上允许一定的热均匀。
Markle等人(此后称为Markle)在美国专利6,531,681中公开了这种线扫描热处理系统的反射光学器件描述。Jennings等人(此后称为Jennings)在美国公开申请2003/0196996中公开了折射光学器件描述，不过在Markle和Jennings之间还存在其他实质差别。在一些实施例中，Jennings热设备可以用小于100μm的光束线宽实现106℃/s的变化速率。
但是，Markle和Jennings两者都优选使用沿着光束的长度方向排列的激光二极管棒，以产生激光辐射。这些激光二极管棒通常由GaAs或类似的半导体材料构成，并由形成在光电芯片的同一层中的大量二极管激光器组成。Markle优选的GaAs激光器棒以约808nm的波长发射近红外辐射，其良好地耦合到硅内。如图1的能带图所示，类似于大多数半导体的半导体硅具有能级低于Ev的电子状态的价带10、和能级高于Ec的电子状态的导带12。在直接带隙半导体(硅不是直接带隙半导体但是效果大体相同)中，能级Eg的带隙14将价带和导带10、12分离。在未掺杂的硅中，没有电子状态存在于带隙14中。对于硅，Eg＝1.12eV，其根据以下公知的光子方程对应于1110nm的光波长
E = hc λ ,
其中h是普朗克常数，c是光速。在诸如硅之类的间接带隙半导体中处于绝对零度的温度时，价带10完全填充而导带12完全是空的。
经过这种半导体的具有Ep的光子能级的光将仅在其光子能级大于或等于带隙的情况下才与电子互相作用，
Ep≥Eg
因此光子可以将价带10中的电子激发到导带12，在导带12中电子是自由载流子。一旦电子处于导带中，电子迅速地热化并加热半导体主体。
当硅被加热到高温(在该高温下，热能将电子从价带10激发到导带12而将空穴(空电子状态)留在价带10中并将电子留在导带12中(其两者均为自由载流子))时，状况发生了改变。低能级的光子可以将价带电子激发成价带10中的空穴，或者可以将导带电子热激发成导带12内大体空的状态。但是，这种效果通常在约800℃以下时较小。当半导体被掺杂时产生了其他效果，对于n型掺杂物，产生了在带隙内但接近导带12的电子状态16，或者对于p型掺杂物，产生了接近价带10的空穴状态18。这些掺杂状态对于半导体的工作是重要的，这是因为在中等的温度它们足以将电子状态16激发到导带12中或将空穴状态激发到价带10中(其也可以可选地被形象化为将价带电子激发为空穴状态18)。低能级的光子可以与这种激发的掺杂物状态互相作用。例如，导致入射辐射吸收的带内跃迁可能在价带10内或在导带12内发生在两个自由载流子状态之间。但是，由此效果带来的吸收在约1018cm-3的掺杂度(其远高于半导体器件中的平均掺杂度)以下时相对较小。在任何情况下，激光吸收不会严格地取决于温度和辐射区域的掺杂度，如同在自由载流子之间带内吸收的状况。优选地，依靠带内跃迁来用于激光加热，而不是依靠涉及自由载流子(温度和掺杂度对此具有较大影响)的带内吸收。
因此，用于迅速加热硅的激光辐射应该具有显著小于1110nm的波长，这容易由GaAs二极管激光器提供。但是，二极管激光器具有一些缺点。激光器棒在将其输出聚焦为沿其长度的均匀光束时会产生问题。来自激光器棒的辐射分别从沿着棒的长度的多个二极管激光器输出，多个二极管激光器间隔有间隙。即，激光源的线均匀性不好，且需要通过均化器来改善。用于均化器的技术是可获取的，但是将其应用于高强度光束带来了工程化和操作上的问题。另一个问题是，808nm的激光棒辐射在硅中具有约800nm的吸收深度，这可能大于需要退火的硅层的深度，例如需要注入固化和掺杂激活的浅的源极和漏极注入物。
在美国专利6,747,245中，Talwar等人(此后称为Talwar)建议使用来自二氧化碳(CO2)激光器的辐射来产生用于激光热处理的线光束。虽然CO2激光器具有比二极管激光器(40至50％)低的效率(10至15％)，但是它们能够更容易低产生良好准直(无发散)并且大体圆形的光束。但是，我们认为具有约10.6μm波长的CO2辐射作为激光辐射的单一源是不足的，因为10.6μm波长远大于1.11μm的硅带隙波长。结果，未掺杂或低温硅对于CO2辐射实质上是透明的，并且CO2辐射在硅晶片中(差不多在先进微处理所期望的浅表面区域中)未被有效吸收。虽然Markle未公开，但是可以通过将硅加热到非常高的温度或者通过依靠较大程度的掺杂或者通过其两者的结合，来增强CO2辐射的吸收。但是，加热设备使激光热处理设备复杂化，并且在半导体制造中不能自由地控制掺杂度，而掺杂度沿着部分先进的集成电路变化。
Boyd等人(此后称为Boyd)在1984年4月15日的Journal of AppliedPhysics第55卷第8期3061-3063页的“Absorption of infrared radiation insilicon”中公开了一种双波长热处理技术。Boyd强调10.6μm的量子能比硅带隙小两个量级。结果，硅对于CO2辐射实质上是透明的。即使对于较大程度掺杂的硅，吸收率小于100cm-1，该值对于表面激光热处理而言太小。取而代之的是，Boyd提出了对硅预加热或者更优选地用来自CW氩激光器的500nm辐射(其具有大于带隙的能级)来照射硅，以提高硅中自由载流子密度，并促进CO2辐射的吸收。Boyd没有解决其光束的空间范围的问题，并且承认了较差的空间界定，认为这对于先进激光热处理而言是重要的。
发明内容
具体用于对形成在晶片上的半导体集成电路进行热处理的热处理设备包括以短波长(例如小于1.0μm)发射的第一激光源和以长波长(例如大于1.2μm，优选地大于5μm，最优选地约10.6μm波长的CO2激光辐射)发射的第二激光源。来自第二源的加热光束被映射为晶片上相对窄的线光束，其例如具有不大于0.1mm的宽度和至少1mm的长度。来自第一源的活化光束被映射为晶片上相对大的光束，其围绕来自第二源的线光束。通过晶片的移动或者光学器件的移动，两个光束在线光束的窄尺寸方向上同步扫描。
本发明的另一个方面包括声光调制器，其能够用于去除用于使垂直于物理扫描方向的窄光束扫描以产生线辐射模式的光束中的不均匀或者光斑。
加热光束可以有效地以距法线约40°的角度照射样品。
本发明的另一个方面包括用于形成均匀线光束的光学器件。一轴光管可以用于此目的。
CCD阵列可以对被照射的附近进行热成像。
可以选择活化光的波长以控制对衬底的加热深度。
附图说明
图1是半导体中电子能带和光跃迁的示意图。
图2是本发明的双波长激光退火设备的示意性正视图。
图3是入射在正被激光退火的晶片上的加热光束和活化光束的形状的俯视图。
图4是本发明可以应用的硅结构的剖视图。
图5是包括更多光学元件的图2的退火设备的正交视图。
图6是入射在晶片上的两个光束的放大正交视图。
图7是本发明的另一个实施例的光学器件的正交视图。
具体实施方式
在图2的正视图中示意性地示出了本发明一个实施例的简化表示。晶片20或其他衬底被保持在工作台22上，工作台22是在系统控制器24的控制下在一个或两个方向上由马达驱动的。诸如GaAs激光器棒之类的短波长激光器26发射波长短于约1.11μm的硅带隙波长的可视或近可视连续波(CW)光束28。对于GaAs激光器26，发射波长通常是约810nm，其特征为红色。第一光学器件30聚焦并成形光束28，反射器32将光束28以相对宽的活化光束34朝向晶片20重导向，其也在图3的俯视图中示出。活化光束34可以以相对于晶片法线一定的角度(例如，15°)倾斜，以防止反射回到GaAs激光器26。这样反射的辐射可能缩短二极管激光器的寿命。长波长激光器40(优选为CO2激光器)发射波长大于1.11μm的硅带隙波长的红外CW光束42。对于优选的CO2激光器，发射波长是约10.6μm。第二光学器件44聚焦并优选地成形CO2光束42，第二反射器46将CO2光束42反射为相对窄的加热光束48。优选地，CO2光束48相对于晶片法线以布儒斯特角(对于硅而言是约72°)倾斜，以最大地将加热光束48耦合到晶片20中。以布儒斯特角入射对于p极化辐射(即，沿着晶片20的表面极化的辐射)是最有效的，因为不存在由于晶片20中的折射光束与任何反射光束之间90°角的事实而导致的反射辐射。因此，在CO2光束18中s极化光被有利地抑制超过p极化光。但是，实验表明对于许多图案，在距晶片法线40°(±10°)处对中的20°辐射锥导致约3.5％的吸收变化，这与在布儒斯特角处对中的锥实现的2.0％几乎一样良好。
如图3所示，长波长(CO2)加热光束48位于更大的短波长(可视)活化光束34内，并优选地对中在其上。随着工作台22使晶片20相对于包括激光器26、40和光学元件30、32、44、46的光源50移动，光束34、48两者同步扫描过晶片20。应该理解，同步不需要精确，只要活化光束34保持在加热光束48内即可。可选地，可以使晶片10保持静止，而致动器52根据来自控制器24的信号使光源50的全部或部分在平行于晶片10的一个或两个方向上移动。
对于红外加热光束48和可视活化光束34两者，在晶片20上的光束形状都是大体矩形或者至少很大程度上是椭圆。应该理解，所图示的光束形状是示意性的，并表示中心强度的一小部分，因为实际上的光束具有延伸超出图示形状的有限尾部。因此，当两个光束34、48相对于晶片20同时移动时，红外光束48优选地近似对中在更大的可视光束34上。
通常的效果是，在硅中被急剧减弱的更大的可视光束34在接近晶片表面的某些大区域中产生自由载流子。其否则不被未照射的硅吸收的更小的红外光束48与由可视光束34产生的自由载流子互相作用，并且其长波长辐射被有效地吸收并转换为热，从而迅速地升高红外光束48的区域中的温度。
主要由小的红外光束48的尺寸来确定温度变化速率和扫描速度，而更大的可视光束34应该包围小的红外光束48。小的加热光束48在扫描方向上的宽度部分地确定温度变化速率并在大多数应用中被最小化。小的加热光束48的垂直于扫描方向的长度应该足够大，以延伸过相当大部分的晶片，从而在一次经过中使相当大部分退火。通常，线光束的长度至少是其宽度的十倍。最优地，长度等于或略超过晶片直径。但是，对于商业可行的应用，该长度可以是在微米的量级。在晶片上的小的加热光束48的示例尺寸是0.1mm×0.1mm，不过也可以使用其他尺寸。更小的宽度通常是更理想的，例如，小于500μm或者小于175μm。更大的活化光束34可以比加热光束48大例如1mm，使得在一组示例尺寸中，可以在扫描方向上延伸约1mm，而在垂直方向上延伸数毫米。
双波长产生的结果是，更多的红外吸收集中在吸收了可视辐射的表面区域中。表面区域的深度远小于CO2辐射自身得到的吸收深度。可视辐射在硅中的室温衰减深度在可视光谱中随着波长的减小而迅速减小，例如，对于800nm辐射是约10μm的吸收深度，对于600nm辐射是约3μm，而对于500nm是约1μm。因此，为了仅在非常接近晶片表面处产生自由载流子，以将热限定成接近表面，更短的活化波长是有利的。于是，对于一些应用，更短的活化波长是理想的，例如来自双频率Nd:YAG激光器的532nm辐射，其特征为绿色。
虽然可以对Markle或Jennings的用于具有更短波长的单光束照射的设备进行修改，但是其难以用这些更短波长获得大功率，尤其是对于二极管激光器。相反，利用双光束，短波长辐射仅用于产生自由载流子并因此活化对长波长辐射的吸收，从而不需要大功率。
优选地，红外吸收由已经通过短波长激光器在晶片表面处产生的自由载流子决定。这有效地使10.6微米辐射具有与更短波长相同的吸收长度。还优选地，更短波长的辐射产生基本相同数量的自由载流子，使得即使当光干涉效应减少了更短波长到晶片中的透射，红外吸收仍然是饱和的。对于目前在半导体工业中使用的某些膜叠层而言，光干涉效应能够使进入晶片的功率减少高达80％。这需要当更短波长激光器的功率的仅20％实际进入晶片时，红外自由载流子吸收效应也达到饱和。更短波长激光器的功率强度必须至少是饱和值的五倍，但是其还必须不能太高以可观地促进对衬底的直接加热。利用本发明，可以使更短波长辐射的功率强度更适于确保红外吸收，但其远小于CO2激光器的功率强度。因此，更短波长不会促进对晶片的加热，并以此不会劣化加热的均匀性。此效果是有利的，因为对于更短波长的容许功率存在更大的变化量。
虽然可以使用各种工作参数，但是举例说明以下示例值。CO2激光器可以具有100W的总光输出功率，其在聚焦和光束成形之后以约150kW/cm2的光功率密度照射晶片。相反，可视激光器以1至2W的光输出功率进行工作。入射在晶片上的CO2光束可以具有50μm的宽度和100μm至1mm的长度。利用这样短的线宽，CO2光束需要以蜿蜒模式扫描以覆盖整个晶片。
虽然本发明不受限制，但是红色活化光束比绿色更优选，以对具有如图4的剖视图所示的近表面结构的一些类型的先进集成电路进行处理。具有需要退火的薄表面注入层62的硅晶片60覆盖有具有约50nm厚度的无定形硅层64。例如来自Nd:YAG激光器的入射在顶表面上的绿色活化辐射66被无定形硅层64吸收，而由于无定形材料中的无序状态使得所产生的自由载流子迅速地再结合。较高的再结合速率极大地减少了自由载流子浓度，并因此极大地减少了由自由载流子对10.6μm辐射的吸收。结果，这些区域表现了对于10.6μm光的非常长的吸收长度，并且在这些区域中衬底未被有效加热。结果，直接加热集中在无定形层64中，因此是低效的。相反，例如来自GaAs激光器棒的红色活化辐射66仅被部分吸收在无定形层64中，大量剩余部分被吸收在硅60的顶部数微米中，在该处自由载流子的寿命较长，从而确保了对10.6μmCO2辐射的强烈吸收。因此可以理解，可以通过选择活化光的波长来控制在晶片内热处理的深度。较短的波长被更靠近表面处吸收，因此促进了该处的退火，而较长的波长在更深处被吸收，并将热退火延伸到这些深度。对于在先进器件中使用的超浅掺杂注入物进行退火而言，浅的加热区域是特别重要的。
图2所示的光学器件是极为简化的。图5中图示了更完整的一组光学器件，不过多个其他光学元件将单独描述。图6示出了光束区域的放大图。从GaAs激光器26发出的活化光束的光学器件相对简单。包括两个透镜70、72的中继光学器件产生了来自激光器棒的不同GaAs二极管激光器的子光束的所期望的叠置。如果自由载流子是饱和的，则不需要完全均匀。额外的自由载流子不能将红外吸收提高到100％以上。倾斜的干涉镜74使红色GaAs激光器26的810nm辐射偏转以接近法线的角度入射在晶片20。但是，干涉镜74具体在相反方向上使表示晶片温度的更长红外辐射经过到达高温计76，其可以是单个检测器或CCD(电荷耦合器件)阵列。在后者的情况下，可以获得幅射线周围的热图像。物镜78将红色光束28聚焦到晶片20上作为活化光束34。如所图示的，聚焦的活化光束34具有由GaAs激光器棒中的二极管激光器的线性阵列得到的大体矩形形状。相同的物镜78将从晶片20的被扫描的区域以大角度(例如，15°半锥角)发射的更长波长的光进行准直。反射器74对更长的波长相对可透射，并使得准直红外光束经过。另一个物镜80将红外光束聚焦在高温计76上，从而允许实时监视晶片20上达到的最高温度。高温计76的波长可以从0.96和2.5μm之间的波长选择，1.55μm是优选的波长。用于制造透镜的玻璃在这些波长通常吸收10.6μm辐射，并因此有效地将其滤除。在10.6μm的任何CO2辐射将需要散射到高温计76中。因为散射与波长成反比，所以高温计76对于CO2辐射不敏感。
CO2激光器40的输出经过将在下文更详细描述的光学器件，其包括1轴光管82，1轴光管82包括两个平行的反射器84、86，其沿着快光轴排列，而间隔小间隙，并且其沿着光束轴延伸并在横向上沿着慢光轴延伸的。快光轴表示晶片上的加热光束的光轴，线沿着其迅速扫描，即线光束的短尺寸方向。慢光轴表示横向光轴，光束沿着其索引为蜿蜒扫描的步骤之间离散的位移，即，线光束的长尺寸方向。引入到光路中的任何反射器使得快光轴和慢光轴因此而重定向。光管82通过将相干光斑伸展约200×的倍数、通过类似地提高光束均匀性、并通过沿着光轴展平光束形状，来使得光束沿着慢(长)光轴均匀化。变形光学器件88，即沿着快光轴和慢光轴具有不同焦距的透镜系统，允许沿着快光轴的衍射限制聚焦，但不会这样沿着慢光轴限制线光束长度。反射器90被定向以将CO2光束48引导为以布儒斯特角(其对于硅为与法线成72°)入射在晶片20上，以当光束具有p线性极化(即，在晶片20的平面内垂直于光束极化方向的光束极化)时将CO2光束48最大地耦合到晶片20中。
图7中图示了相关实施例。声光调制器(AOD)94接收来自CO2激光器42的光输出光束48。AOD 94包括例如在一端接合有超声换能器的锗晶体和吸收器。RF信号以20±5MHz的振荡信号来电驱动换能器，以调制锗的密度并根据驱动频率建立将约80％的入射光从入射方向衍射例如约5°的干涉光栅。驱动频率还可以在1MHz到10MHz的频带变化，以改变衍射角，并从而沿着慢光轴使光束在约1°的范围内偏转和颤动，即，使光束角度或空间地扫描。AOD扫描将激光束中的相干光斑和干涉条纹伸展约200×的倍数，并还使光束沿着慢光轴均匀化。
在另一个变化方案中，可以在一些应用中将小的单个光束输入到AOD 94中，并使用AOD 94使该小光束沿着慢光轴在加热光束48的整个长度上扫描。
第一45°相延迟镜98反射光束并将其从线极化转换为圆极化。第二45°相延迟镜100反射光束并将其从圆极化转为线极化，但在两个镜98、100之间具有90°的净旋转。圆柱透镜102与激光器圆柱透镜结合用作光束扩展器。
CO2光束接着进入具有沿慢光轴分离并沿着光束轴延伸的两个平行反射器84、86的1轴光管82。声光偏转器94使光束在约20mrad(约1°)的角范围上沿经过光管间隙的方向(即，从两个反射器84、86的右侧到左侧)扫描。扫描光束接着进入变形光学器件88，其第一透镜是圆柱透镜并用作光束扩展器的一部分。两个转向镜90、92反射光束以产生总体更紧凑的设计。最终的变形成像透镜94、96产生具有良好受控长度和较窄宽度的最终线光束。
在此实施例中，用于高温计76的透镜78、80产生了接近晶片法线对准并与来自GaAs二极管激光源26的活化光束34(其被设置为例如偏离法线30°的一定程度倾斜的角)分离的热监视光束。成像透镜108对在相当大的活化光束上的GaAs光束进行最终聚焦。
虽然以上实施例利用了约10.6μm的CO2辐射，但是也可以使用用于加热辐射的其他波长。它们应该具有小于硅带隙能级的光子能级，即，波长大于约1.2μm。通常，加热波长大于约5μm。已经讨论了两个具体的用于活化辐射的波长。其他波长在半导体二极管激光器中是容易获得的，并可以选择其它波长以控制热处理的深度。但是，通常，活化辐射的光子能级需要大于硅带隙能级，即，波长小于约1.0μm。
虽然本发明的描述已经假定衬底是硅晶片，但是本发明不受此限制。本发明可以有利地应用于SOI(绝缘体上硅)晶片或者在绝缘体或衬底上形成有薄硅层的其他衬底。在对于活化和加热波长相对于半导体带隙进行合适修改的情况下，本发明可以应用于其他半导体材料。即，加热波长大于半导体带隙波长，且活化波长小于半导体带隙波长。

Claims (15)

1.一种对包括具有带隙能级且包括硅的半导体层的衬底进行热处理的方法，包括以下步骤：
将大于所述带隙能级的第一光子能级的连续波电磁辐射的第一源的输出作为入射第一光束引导到所述半导体层的顶表面上，其中所述入射第一光束在所述半导体层中产生半导体自由载流子；
将小于所述带隙能级的第二光子能级的连续波电磁辐射的第二源的输出作为狭长入射第二光束引导到所述半导体层的所述顶表面上，其中，所述狭长入射第二光束沿着第一方向的第一尺寸显著小于其沿着第二方向的第二尺寸，所述第一方向与所述第二方向垂直，其中所述狭长入射第二光束与所述自由载流子互相作用从而加热所述半导体层的由所述入射第一光束照射的部分；和
使所述狭长入射第二光束沿着所述第一方向扫描的第一步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述入射第一光束沿着所述第二方向扫描的第二步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一扫描步骤将所述狭长入射第二光束保持在所述入射第一光束的区域内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述入射第一光束相对于所述狭长入射第二光束基本没有对加热所述衬底做出贡献。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二源包括CO2激光器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一源包括至少一个二极管激光器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述入射第一光束沿着所述第一方向的第三尺寸大于所述第一尺寸。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述带隙能级约1.12eV。
9.一种对包括具有带隙能级且包括硅的半导体层的衬底进行热处理的方法，包括以下步骤：
第一步骤，将大于所述带隙能级的第一光子能级的连续波电磁辐射的第一源的输出作为第一入射光束引导到所述半导体层的顶表面上；
第二步骤，将小于所述带隙能级的第二光子能级的连续波电磁辐射的第二源的输出作为狭长第二入射光束引导到所述顶表面上，其中，所述狭长第二入射光束沿着第一方向的第一尺寸显著小于其沿着第二方向的第二尺寸，所述第一方向与所述第二方向垂直；
第三步骤，使所述狭长第二入射光束沿着所述第一方向扫描；
从而，在所述第一和第二步骤过程中，所述半导体层的同时被所述第一光子能级和所述第二光子能级的辐射所照射的部分保持半导体特性，并且被所述第二光子能级的辐射加热至所述半导体层的由所述第一光子能级所确定的深度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第三步骤附加的使所述第一入射光束沿着所述第一方向扫描。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二源包括CO2激光器。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述带隙能级约1.12eV。
13.一种热处理设备，其包括：
至少一个二极管激光器，其产生具有小于1100nm的波长的连续波第一输出；
第一光学器件，其将所述第一输出作为第一入射光束引导到衬底的表面，所述第一入射光束具有沿着第一方向的第一尺寸；
CO2激光器，其产生连续波第二输出；
第二光学器件，其用于将所述第二输出作为第二入射光束引导到所述衬底上，所述第二入射光束具有沿着与所述第一方向垂直的第二方向的第二尺寸和沿着所述第一方向的第三尺寸，所述第三尺寸显著小于所述第二尺寸并且小于所述第一尺寸，其中所述衬底的一部分同时被所述第一和第二入射光束照射并且保持半导体特性。
14.根据权利要求13所述的设备，还包括用于使所述第一入射光束沿着所述第一方向扫描的装置。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少一个二极管激光器包括GaAs二极管激光器。
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