CN102668039A - 激光退火装置及激光退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光退火装置及激光退火方法，通过激光退火，能够有效地对热容量较大的厚硅晶片等基板进行杂质激活处理等热处理。该激光退火装置（1）对基板（30）的表面进行热处理，包括：脉冲振荡激光光源（10），该脉冲振荡激光光源（10）产生上升时间缓慢且脉宽较长的脉冲激光；连续振荡激光光源（20），该连续振荡激光光源（20）产生对退火进行辅助的近红外激光；光学系统（12、22），该光学系统（12、22）对所述2种激光的光束（15、25）分别进行整形并引导至所述基板（30）的表面进行照射；以及移动装置（3），该移动装置（3）使所述基板（30）和所述激光束（15、25）进行相对移动，使得所述2种激光束的复合照射能够进行扫描，从而能够充分确保光入侵长度和热扩散长度，对于热容量较大的厚半导体基板中的杂质能够进行深度激活。

Description

激光退火装置及激光退火方法
技术领域
本发明涉及激光退火装置及激光退火方法，用于对离子注入到功率器件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管）背面的杂质进行激活、或消除晶片表层内的结晶缺陷以恢复结晶的处理等。
背景技术
对于功率器件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管），有单独进行的背面工序（薄晶片工艺）。在进行了表面工序之后、将晶片的背面磨削得较薄并进行离子注入从而激活其中杂质的热处理过程中，是对半导体基板照射激光以对表面进行加热，使其升温来进行热处理。
在上述这种热处理中，为了能够很好地进行激活，希望能有效地加热至基板一定程度的深度位置。但是，由于以往使用的激光的上升时间较短且脉宽（脉冲的半高宽）较窄，因此光入侵长度和加热时间较短，从而难以充分地激活。对此，提出了通过连续照射多个脉冲来增大所呈现的脉宽以进行激活的方法、以及通过将不同波长的激光加以组合来加深光入侵长度的利用双波长激光进行激活的方法。
例如，提出了利用双波长激光即短波长和长波长的CW（连续振荡）激光来激活较浅的离子注入层和较深的离子注入层的激活技术（参考专利文献1）。
在这一技术中，向同一基板面同时照射CW型激光二极管（波长≤900nm）和CW型YAG激光器的高次谐波激光（波长≥370nm），并控制各激光束的照射时间（取决于激光束扫描速度和激光束尺寸），从而控制深度方向的温度分布，以实现较深的激活。杂质注入层中较浅的部分由短波长的固体激光进行激活，较深的部分则由半导体激光进行激活。
另外，还提出了通过使用双脉冲激光退火装置，在熔融状态下对较浅的注入杂质层进行激活，而在非熔融状态下对较深的注入杂质层进行激活的技术（参考非专利文献1、2）。
这种技术所涉及的双脉冲激光退火装置使用2台绿光脉冲激光器来激活较深处的pn结，并在具有100ns左右的较短脉宽的两个激光脉冲之间设置延迟时间，从而虚拟地延长脉宽来增加退火时间。通过设置最佳的上述延迟时间，对较浅的硼注入层和较深的磷注入层一起进行激活。激活深度能够达到1.8μm，从而实现高激活率。这种pn结的激活工艺先是在固相状态下使较深的磷注入层恢复结晶，然后恢复了结晶的磷层就变成晶种，使较浅的硼注入层进行液相外延生长，从而阶段性地从固相向液相发展。
另外，还提出了将两个波长的激光加以组合，在熔融状态下对经离子注入而形成的非晶层进行激活的技术（参考非专利文献3）。
这种技术是一种熔融激活方法，通过同时照射红外波长1060nm（脉宽为40ns）和绿光波长530nm（脉宽为30ns）这两个波长的激光，先用绿光波长的脉冲激光使注入了As离子（30keV，E+15/cm2）的非晶层（48nm）的表面发生较浅的熔融，以提高之后对红外波长的吸收，并利用红外波长的脉冲激光使整个非晶层发生熔融。绿光脉冲激光承担了红外脉冲激光的光吸收触发器的角色。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2007/015388号公报
非专利文献
非专利文献1：Toshio Kudo and Naoki Wakabayashi、“PN JunctionFormation for High-Performance Insulated Gate BipolarTransistors(IGBT)Double-Pulsed Green Laser Anneal ing Technique”、Mater Res.Soc.Symp.Proc．、Material research Society、Vol912、2006（Toshio Kudo，Naoki Wakabayashi，《用于形成高性能绝缘栅双极晶体管（IGBT）的PN结的双脉冲绿光激光退火技术》，材料研究学会期刊，材料研究学会，第912卷，2006）
非专利文献2：工藤利雄著、“ダブルパルス制御方式の固体レ一ザアニ一ル技術”、ハイパワ一トランジスタ一の裏面活性化プロセスヘの応用、レ一ザ加工学会誌、vol．14、No．1、2007年5月（工藤利雄著，《双脉冲控制方式的固体激光退火技术》，在大功率晶体管的背面激活工艺上的应用，激光加工学会杂志，14卷1号，2007年5月）
非专利文献3：D.H.Auston and J.A.Golovchenko、“Dual-wavelengthlaser annealing”、Appl.Phys.Lett.、34、(1979)558（D.H.Auston，J.A.Golovchenko，《双波长激光退火》，应用物理学快报，34，（1979）558）
发明内容
本发明要解决的技术问题
如专利文献1所示，通过与波长较长的CW激光组合，能够有效地利用长波长的光入侵长度。然而，在例如波长为805nm的激光照射下，室温（300°K）下的光入侵长度Lα＝10.7μm，1000°K下Lα＝2.1μm，即越靠近熔点，光入侵长度越短。长波长激光的照射也会伴随急剧的温度上升，从而难以确保至目标即较深区域的激活温度。
另外，如非专利文献1、2所示，即使对2个脉冲激光设置延迟时间来虚拟地增大脉宽，但随着基板表面温度的急剧上升，因声子导致的光吸收将急剧增大，从而无法避免光入侵长度急剧减小。例如，在照射波长为515nm的绿光激光的情况下，室温（300°K）下的光入侵长度Lα＝0.79μm，1000°K下Lα＝0.16μm，即随着温度从室温上升到1000°K，光入侵长度骤减至约1/5。尤其是在表面发生熔融的情况下，光入侵长度为8nm，非常浅，而且表面熔融使得反射率从36％骤增至72％，因此，会阻止激光入侵到较深的部位，导致照射能量的损失。因此，急剧的温度上升会在短时间内达到熔点，这将无法确保至目标即较深区域的激活温度。
此外，如非专利文献3所示，通过增大照射激光的波长，能够增大光入侵长度。然而，在例如波长为805nm的激光照射下，室温（300°K）下的光入侵长度Lα＝10.7μm，1000°K下Lα＝2.1μm，这与绿光激光的情况相同，随着基板表面温度的上升，光入侵长度骤减至约1/5。但是，从光入侵长度考虑，相比于短波长，长波长更有利于对较深的区域进行激活。然而，在熔融状态下进行激活时，由于光入侵长度为8nm，非常浅，而且反射率的骤增会导致照射能量的损失，因此，如果温度急剧上升而在很短的时间内达到熔点，则非常不利于确保至较深区域的激活温度。
进一步地，本申请的发明人确认了在使用脉冲激光的情况下，热容量不同的厚硅晶片（例如725μm）与薄硅晶片（例如150μm）的激活深度存在显著区别。即，热容量较大的厚硅晶片（例如725μm）的激活温度不足，从而无法实现例如超过2μm的深度激活。
在对功率器件IGBT的背面进行低热预算（low thermal budget）（低温）激活时，无论基板的热容量为多大，确保覆盖目标即激活区域的光入侵长度和热扩散长度都十分重要，而现有技术却无法充分地做到这一点。
本发明是基于上述情况完成的，其目的在于提供一种激光退火装置及激光退火方法，对于热容量较大的厚硅晶片也能确保足够的光入侵长度和热扩散长度，从而能够有效地进行杂质激活处理等热处理。
用于解决技术问题的技术方案
即，本发明的激光退火装置是对基板表面进行热处理的激光退火装置，其特征在于，包括：脉冲振荡激光光源，该脉冲振荡激光光源产生上升时间缓慢且脉宽较长的脉冲激光；连续振荡激光光源，该连续振荡激光光源产生对退火进行辅助的近红外激光；光学系统，该光学系统对所述2种激光的光束分别进行整形并引导至所述基板表面以进行复合照射；以及移动装置，该移动装置使所述基板和所述激光束进行相对移动，使得所述2种激光束照射能够进行扫描。
另外，本发明的激光退火方法是对基板表面进行热处理的激光退火方法，其特征在于，对所述基板重复照射由脉冲振荡激光光源产生并经过整形的上升时间缓慢且脉宽较长的脉冲激光束，并且重复照射由连续振荡激光光源产生并经过整形的近红外激光束，由此对所述基板进行复合照射，并使这些激光束进行扫描，同时最好抑制该基板的非照射侧的温度上升，以此来对该基板进行热处理。
本申请的发明中，对基板表面照射由脉冲振荡激光光源产生并经过整形的上升时间缓慢且脉宽较长的脉冲激光束、和由连续振荡激光光源产生并经过整形的近红外激光束，即对基板表面进行复合照射，由此来进行退火处理。近红外激光能够对退火进行辅助，使深度方向上充分地进行热扩散，即使是热容量较大的厚硅晶片等，也能有效地进行杂质激活处理等热处理。
所述脉冲激光适合使用绿光激光，而作为脉冲激光振荡器，则可以使用例如激光二极管激励Yb:YAG激光器的二次谐波。
另外，本发明中的脉冲激光具有上升时间比一般脉冲激光要慢的脉冲波形而照射到基板上。具体而言，可以举出例如具有从脉冲波形的最大强度的10％达到90％的上升时间在160ns以上的脉冲波形而照射到所述基板上的优选例。该上升时间在180ns以上更佳，在300nm以上则更好。
上升缓慢的脉冲激光在照射到基板上时，能够抑制照射初期的基板温度急剧上升，从而缓和光入侵长度因该温度上升而骤减的情况。
本发明中，对于输出上升缓慢的脉冲激光的激光光源并没有特别限定，但如上所述，优选例为使用激光二极管激励Yb:YAG激光器的二次谐波的激光光源。
上述激光脉冲不仅上升时间要缓慢，其脉宽也要长。具体而言，具有半高宽在600ns以上的脉冲波形而照射到基板上的较佳，半高宽在1000ns以上的更好。
通过控制（增大）脉冲激光的脉宽，能够确保与光入侵长度相匹配的热扩散长度，能够有效地实现低热预算工艺（低温激活处理）等。
另外，近红外激光是由连续振荡激光光源产生的，其波长可以为例如650～1100nm。优选的是680～825nm的波长。在上述波长范围内，基板所用的一般材料即硅的光吸收较好，能够得到比上述脉冲激光更深的光入侵长度。从而能够将基板预加热至较深的区域，有效地起到辅助作用。
上述近红外激光除了是由连续振荡激光光源产生且波形具有连续性的激光以外，也可以是有一部分为功率密度极小的不连续部分的激光。该不连续部分优选以与脉冲激光的脉冲周期相同的周期出现。不连续部分的功率密度要小于连续部分，功率密度也可以为零。不连续部分能够对带给基板的热量进行调整，防止整块基板被过度加热。而且，优选将不连续部分设定为占脉冲激光的一个周期的50％以下。不连续部分能够通过半导体激光的电流控制等方法来进行设置。
另外，优选将近红外激光所产生的辅助温度调整至不超过基板表面上的材料熔点。该调整例如可通过控制近红外激光的功率密度和所述扫描速度来进行。
本发明中，通过所述脉冲激光束和近红外激光束的复合照射，能够缓和（减小）热量逃散，增大激活温度，并能抑制基板的非照射侧的温度上升，从而对基板进行热处理。
此外，优选设置延迟时间来控制照射时序，使得能够在照射了近红外激光之后在基板表面温度达到了稳定状态时照射脉冲激光束。通过照射近红外激光束使基板表面温度达到稳定状态后再照射脉冲激光束，能够有效地进行温度辅助。
本发明中，只要能够利用近红外激光获得退火辅助作用即可，对于脉冲激光束的照射位置与近红外激光的照射位置之间的关系没有特别限定。因此，近红外激光束和脉冲激光束的照射区域可以在基板表面上局部或全部重叠地进行照射，或者也可以是所述各光束互不重叠地错开位置进行照射。
此外，照射区域可以表示为基板表面上脉冲激光束的能量密度或近红外激光束的能量密度为例如90％以上的区域。
其中，为了有效地发挥辅助作用，优选使近红外激光束的照射区域大于所述脉冲激光束的照射区域，若所述近红外激光束的照射区域覆盖所述脉冲激光束的照射区域则更佳。此外，为了得到预加热的作用，优选使近红外激光束的照射区域的局部或全部至少在扫描方向一侧超过所述脉冲激光束的照射区域，进一步地，为了得到后加热的作用等，使近红外激光束的照射区域在扫描方向相反侧超过所述脉冲激光束的照射区域则更佳。此外，2个激光束的照射区域之间的位置关系优选为相对于和扫描方向正交的方向对称。从而，在扫描方向反转时，能够得到相同的位置关系。
即，优选使近红外激光束的照射区域超出脉冲激光束的整个照射区域。通过使近红外激光束的照射区域大于脉冲激光束的照射区域，能够缓和基板横向上的热量逃散，从而有助于增大激活温度。
在上述情况下，近红外激光束的尺寸（截面尺寸）必须大于脉冲激光束的尺寸（截面尺寸）。此时，近红外激光的光束尺寸优选至少是脉冲激光的光束尺寸＋最大热扩散长度（300°K）。近红外激光的最大光束尺寸取决于由功率密度和基板扫描速度所决定的辅助温度是否足以进行深度激活。其中，如上文所述，辅助温度必须低于基板表面材料（通常为硅）的熔点。
另外，优选使所述脉冲激光束的照射和近红外激光束的照射同时期在基板上进行。因而，2个激光束可以同时照射到基板的规定位置上，或者也可以使2个激光束有时间差地照射到基板的规定位置上。在有时间差的情况下，这样设定时间差，使得脉冲激光束的照射能够有效地得到近红外激光束的辅助作用。即，若时间差太大，则脉冲激光束的照射就无法充分获得近红外激光束的辅助作用。在维持辅助作用的基础上具有上述时间差的照射也包含在上述同时期的照射内。
此外，上述的光束的尺寸、照射位置等关系可以通过光学系统来调整。光学系统具备均匀器、透镜、反射镜等光学材料等，对激光束进行整形、偏转等。
另外，在本发明中，通过减小温度斜率，能够抑制激光照射面相反侧的非照射面的温度上升。此时，优选将与激光照射面相对的非照射基板面的温度上升抑制在200℃以下，抑制在100℃以下则更佳。
发明效果
本发明具有以下效果。
1）通过将脉冲激光束与进行温度辅助的近红外激光束组合，能够充分地激活热容量较大的厚硅基板中较深位置处的离子注入杂质。
2）通过将脉冲激光束与进行温度辅助的近红外激光束组合，能够减轻脉冲激光的热负荷，降低激活所需的能量密度，增加光束长度，从而能够增大照射的扫描速度，因此能够改善处理量。
3）由于能够预加热至较深的区域，因此有可能实现超过3μm的深度激活。
4）热处理主要由脉冲激光进行，近红外激光则进行温度辅助来起到次要作用，从而能够将基板非照射侧的温度上升抑制在例如200℃以下。此外，通过在近红外激光的局部设置不连续部分，能够进一步改善基板非照射侧的温度上升。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的激光退火装置的简图。
图2是表示本发明在基板表面上的脉冲激光束照射区域和近红外激光束照射区域的简图。
图3是表示本发明的一例照射对象即功率器件IGBT的剖面结构的一个示例的简图。
图4是本发明与已有例的激光脉冲波形的上升沿对照示意图。
图5是表示本发明的激光二极管激励固体激光器的脉冲波形的图。
图6是表示本发明的上升急剧的脉冲激光照射和上升缓慢的脉冲激光照射所引起的基板温度随时间变化的图。
图7是表示本发明的脉冲波形的上升时间对平均光入侵长度的效应的图。
图8是表示本发明的近红外激光束和脉冲激光束的照射时序的图。
图9是表示本发明的近红外激光束和脉冲激光束的照射时序的变形例的图。
图10是表示本发明与参考例的激光束照射引起的基板深度方向上的热扩散的示意图。
图11是表示本发明实施例的近红外激光束和脉冲激光束在基板上的照射区域的简图。
图12是表示本发明实施例的复合激光束照射引起的深度方向载流子浓度分布曲线的图。
图13是表示比较例的单一脉冲激光束照射引起的深度方向载流子浓度分布曲线的图。
具体实施方式
下面，对本发明的一实施方式进行说明。
如图1所示，激光退火装置1具有处理室2，该处理室2内设有能够沿X-Y方向移动的移动装置3，在该移动装置3的上部设有基台4。在基台4上设置有被处理物体配置台5。在进行激光退火处理时，将半导体基板30设置在该被处理物体配置台5上。移动装置3由未图示的电动机等进行驱动。
在处理室2的外部，设有使用激光二极管激励Yb:YAG激光器的二次谐波的脉冲振荡激光光源10。从脉冲振荡激光光源10输出的脉冲激光束15根据需要经衰减器11调整其能量密度，并经过由透镜、反射镜、均匀器等构成的光学系统12进行光束整形、偏转等，然后照射到处理室2内的半导体基板30上。
脉冲振荡激光光源10输出的脉冲激光束15具有上升时间缓慢的脉冲波形，优选使其具有上升时间（从脉冲波形的最大强度的10％达到90％的时间）为160ns以上且半高宽在200ns以上的脉冲波形。优选将该激光束调整至如下的能量密度：在该激光束照射到半导体基板30上时杂质层能够维持非熔融状态、且能够使表层为熔点附近的高温的能量密度，或者是只有表层为熔融状态的能量密度。如上所述，该脉冲激光束15被光学系统12整形成例如直线束形状。
另外，在处理室2的外部，设有由产生近红外激光的激光二极管激光光源构成的连续振荡激光光源20。从连续振荡激光光源20输出的近红外激光束25根据需要经衰减器21调整其能量密度，并经过由透镜、反射镜、均匀器等构成的光学系统22进行光束整形、偏转等，然后照射到处理室2内的半导体基板30上。该激光束的功率密度被调整成在照射到半导体基板30上并进行扫描时半导体基板30不会达到熔点的功率密度。如上所述，该近红外激光束25被光学系统22整形成例如直线束形状，其尺寸被调整至大于所述脉冲激光束15的尺寸。
如图2(a)所示，利用所述光学系统12、22进行调整，使得近红外激光束25照射到半导体基板30上时的照射区域25a覆盖脉冲激光束15照射到半导体基板30上时的照射区域15a，并且使照射区域25a的大小超过整个照射区域15a。
但是，本发明中，各激光束的照射区域的位置并不限于上述情况。图2(b)、(c)、(d)示出了照射区域位置的变形例。图2(b)中，在长度方向和扫描方向上，照射区域25a的大小都超过照射区域15a。图2(c)中，照射区域25a并不覆盖照射区域15a，两者不重叠，照射区域25a位于照射区域15a的扫描方向一侧，且相邻的照射区域的端部边缘彼此相接触。图2(d)中，照射区域25a并不覆盖照射区域15a，两者不重叠且彼此分离。但是，两者在基板上以彼此靠近的方式照射。
此外，图2(e)中示出本发明以外的照射状态，表示对半导体基板30只照射脉冲激光束15，从而利用照射区域15a来对半导体基板30进行处理的状态。
图3(a)表示本发明中能够成为处理对象的FS型IGBT的剖面结构的一个示例。半导体基板30的表面侧形成有注入了硼的p型基区33，并在p型基区33的表面侧的局部形成有注入了磷的n+型发射区34。在半导体基板30的背面侧的表层形成有注入了硼的p+型集电层32。在比集电层32更深的区域中，形成有与集电层32相接的注入了磷的n+型缓冲层31，并在缓冲层31的内侧设有n-型基板35。图中，36是集电极，37是发射极，38是栅极氧化膜，39是栅极。
如图3(b)所示，在形成集电极36之前，从背面侧对上述半导体杂质层重复照射脉冲激光束15，并且在同时期内照射近红外激光束25，从而激活2μm以上厚度范围内的杂质层。脉冲激光束15的重复率（重叠率）可根据需要适当地选择。此时，通过利用移动装置3控制基台4的移动速度，能够使脉冲激光束15和近红外激光束25以规定的速度在半导体基板30上进行扫描。
下面，对本发明如何有效地利用脉冲激光波长所带来的光入侵长度以实现对目标即较深区域的激活进行说明。
图4中示意性地示出了以往与本发明的脉冲激光的脉冲波形。将从脉冲波形的最大强度的10％上升到90％的上升时间定义为上升时间tA，将从最大强度的90%下降到10％的下降时间定义为下降时间tB。以往的脉冲激光具有上升时间tA2较短而下降时间tB2较长的非对称脉冲波形。而本发明的脉冲激光则具有上升时间tA1较长且适当地使下降时间tB1较短的、与以往相反的非对称脉冲波形。若对上升时间进行比较，则本发明的上升时间要比已有例的上升时间长得多。
图5中示出已有例和本发明的激光二极管激励固体激光器的二次谐波的脉冲波形的具体例子。已有例中，对于脉宽（半高宽）83ns，上升时间为42ns，下降时间为120ns。
本发明例中，对于脉宽（半高宽）1200ns，上升时间为308ns，下降时间为92ns。
与已有例相比，本发明例的脉冲激光的上升时间明显更慢且脉宽更长。
另外，本发明中，对于脉冲波形的非对称程度，可以将上升时间除以下降时间得到的脉冲波形对称度的值为基准。当脉冲波形对称度小于1时，上升急剧而下降缓慢，而当脉冲波形对称度大于1时，则上升缓慢而下降急剧。已有例的Nd:YLF、Nd:YAG的二次谐波的脉冲波形对称度均小于1。而本发明的Yb:YAG的二次谐波的脉冲波形对称度大于2。
图6中示出了使用上述脉冲激光来照射基板即硅晶片时晶片表面温度的上升过程的示意图。可以导入从室温达到熔融的时间来作为脉冲激光的脉冲波形上升时间的基准。以往的脉冲激光会使基板温度急剧上升而很快就达到熔点，而本申请发明的脉冲激光则会使基板温度延迟上升，达到熔点所需的时间也得以延长。本申请发明的热处理也可以是使基板表面不达到熔点的处理，还可以是在处理过程中发生熔融的处理。即使是在发生熔融的情况下，也能够延长到发生熔融的时间，从而能够充分确保激光的入侵长度。
接着，图7是以往与本发明的脉冲激光在硅晶片中的光入侵长度随温度变化的示意图。光入侵长度Lα被定义为线吸收系数α的倒数。硅晶片的线吸收系数与温度有关，由下式（1）表示。
α(T)＝α0exp(T／TR)(1)
其中，αo、TR是与波长有关的常数（参考文献1）。
（1）式在温度区域300K≤T≤1000K及波长范围λ＜410nm内与实验结果很好地保持一致。图中，Lα(TRM)表示室温下的光入侵长度，Lα(Tm)表示熔点下的光入侵长度。
（参考文献1）
作者名：G.E.Jellison，F.A.Modine
论文名称：Optical functions of silicon between 1.7and 4.7eV atelevated temperature（高温下1.7～4.7eV的硅的光学函数）
刊登杂志：Phys.Rev.B27，p7466
出版年代：1983
为了研究脉冲波形上升时间对光入侵长度的影响，导入光入侵长度的时间平均。图7中，将以往与本发明的脉冲激光的上升时间相对照，示出了照射以往和本发明的脉冲激光时的入侵长度的时间平均Lα1和Lα2。在时间0～t1、0～t2内对Lα-t曲线进行积分，可根据图中所示的与之同面积的长方形计算出光入侵长度的时间平均*Lα。若像本发明的脉冲激光那样使上升时间变长，则由Lα-t曲线计算出的面积变大，从而与上升时间较短的已有例相比，平均光入侵长度变深。因而，延长脉冲激光的脉冲波形上升时间能更有效地实现深度激活。
图8中示出与上述脉冲激光在同时期内照射的近红外激光的照射时序。
照射了近红外激光的基板表面的温度在照射之后立即逐步上升，然后达到稳定状态。另一方面，脉冲激光利用脉冲使温度在极短的时间内上升，或利用脉冲使温度在极短的时间内下降。在照射脉冲激光时，希望是在照射了近红外激光而使基板表面温度达到稳定状态后再照射脉冲激光。照射时序通过例如预先设定延迟时间来实现，在照射了近红外激光束之后，按照延迟时间延迟照射脉冲激光。或者，例如也可以通过使复合激光束错开位置进行扫描而使照射区域不重叠，来改变照射时序。
此外，本发明中，近红外激光也可以不是具有连续波形的激光，如图9所示，也可以是局部具有不连续部分的激光。
该不连续部分优选以与脉冲激光的脉冲周期相同的周期出现。
图10(a)中示出了在对半导体基板照射上述脉冲激光和近红外激光束时在深度方向上的热扩散的示意图。
半导体基板30具有硼注入区域32和磷注入区域31，通过照射光入侵长度比上述脉冲激光要大的近红外激光束，在半导体基板30的较深位置处形成温度辅助区域。例如，波长为808nm的近红外激光束能够在深度方向上实现10μm左右的光入侵长度。若在此状态下照射脉冲激光束，则会在深度方向（Z轴方向）上引起热量流动。此时的温度辅助区域的热梯度变小，其结果使热量逃散减小，从而能够对半导体基板的更深处进行有效地加热。此时，通过调整脉冲激光的能量密度和近红外激光的能量密度、扫描速度等，能够抑制半导体基板的非照射侧的温度上升，并在非熔融的状态下或只有表面熔融的状态下激活杂质。
此外，图10(b)中示出了对半导体基板30只照射脉冲激光的状态。该例中，面方向及深度方向上的温度梯度较大，热量逃散较大。因此，深度方向的加热效果受限，对于热容量较大的厚半导体基板，难以激活较深位置处的杂质。
实施例1
下面，说明本发明的实施例。
作为绿光脉冲激光，使用激光二极管激励固体激光器（DPSS）的二次谐波，而脉冲振荡激光光源则使用激光二极管激励Yb:YAG激光器。从该激光光源输出并照射到半导体基板上的脉冲激光束（波长为515nm）的脉宽为1200ns，上升时间为308ns，下降时间为92ns，能量密度为8J/cm2，脉冲频率为10kHz，从正上方重复照射所述基板。
另一方面，连续振荡激光光源所产生的波长为808nm的近红外激光束的功率密度为11.3kW/cm2·秒，以45度的角度连续照射到所述基板上。这些光束在同时期内照射到半导体基板上，通过光学系统的整形，使近红外激光束的尺寸（短轴为400μm，长轴为560μm）大于脉冲激光束的尺寸（短轴为36μm，长轴为300μm），并在半导体基板上，使近红外激光束的照射区域为椭圆光束，使脉冲激光束的照射区域为细长的椭圆光束，并使近红外激光束的大小覆盖并超过脉冲激光束的整个照射区域。此外，光学系统包括长轴柱面透镜、短轴柱面透镜、球面透镜、反射镜等，利用柱面透镜的结构能够设定光束的短轴、长轴尺寸。
半导体基板为厚725μm的硅基板，设置在基台上的被处理物体配置台上，利用移动装置以80mm/s的速度进行扫描。
图11中示出了上述脉冲激光束15和近红外脉冲激光25在半导体基板30上的照射区域15a、25a。照射区域25a覆盖整个照射区域15a，且其尺寸超出照射区域15a。
照射上述2个激光束来对半导体基板进行热处理，并对热处理前的半导体基板经SIMS分析得到的杂质浓度在深度方向上的分布、以及热处理后的半导体基板经SRP分析得到的载流子浓度在深度方向上的分布进行比较，对激活深度进行评价，其结果如图12所示。
由图12可知，按照本发明进行了照射的半导体基板尽管具有725μm的厚度，但能够有效地激活至超过2μm的深度。
此外，在与上述相同的照射条件下，对厚度为150μm的半导体基板照射所述2个激光束，并测定非照射侧的温度。其结果是测定温度在200℃以下，根据该结果，可以推测上述实验例中，热容量较大的厚725μm的半导体基板的非照射侧温度也在200℃以下。
另一方面，作为比较例，使用与上述相同的脉冲激光，但不使用近红外激光，对厚度为150μm和厚度为725μm的半导体基板从正上方重复照射脉冲激光来进行热处理。并对处理前的半导体基板经SIMS得到的杂质浓度在深度方向上的分布、以及热处理后的半导体基板经SRP得到的载流子浓度在深度方向上的分布进行测定，其结果如图13所示。
在该例中，由图可知，厚度为150μm的半导体基板能够实现超过2μm的深度激活，但热容量较大的厚硅晶片（725μm）的激活温度不足，无法实现超过2μm的深度激活。
标号说明
1激光退火装置
2处理室
3移动装置
4基台
5被处理物体配置台
10脉冲振荡激光光源
11衰减器
12光学系统
15脉冲激光束
15a照射区域
20连续振荡激光光源
21衰减器
22光学系统
25近红外激光束
25a  照射区域
30半导体基板

Claims (20)

1.一种激光退火装置，对基板表面进行热处理，其特征在于，包括：
脉冲振荡激光光源，该脉冲振荡激光光源产生上升时间缓慢且脉宽较长的脉冲激光；连续振荡激光光源，该连续振荡激光光源产生对退火进行辅助的近红外激光；光学系统，该光学系统对所述2种激光的光束分别进行整形并引导至所述基板表面以进行复合照射；以及移动装置，该移动装置使所述基板和所述激光束进行相对移动，使得所述2种激光束照射能够进行扫描。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，
所述脉冲激光束具有上升时间（从脉冲波形的最大强度的10％达到90％的时间）在160ns以上的脉冲波形而照射到所述基板上。
3.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，
所述脉冲激光束具有半高宽在600ns以上的脉冲波形而照射到所述基板上。
4.如权利要求1-3中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，
所述光学系统在脉宽方向上对所述脉冲振荡激光光源所产生的脉宽较长的脉冲激光进行截止，将所述脉冲激光整形成所述上升时间比从所述截止位置的脉冲强度的90％达到10％所需的下降时间要长的非对称脉冲波形。
5.如权利要求1-4中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，
所述光学系统使所述基板表面上所述近红外激光束和所述脉冲激光束的照射区域局部或全部重叠地进行照射，或者使所述各光束的照射区域互不重叠地错开位置进行照射。
6.如权利要求1-5中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，
所述光学系统使所述基板表面上所述近红外激光束的照射区域大于所述脉冲激光束的照射区域。
7.如权利要求5或6所述的激光退火装置，其特征在于，
所述光学系统使所述近红外激光束的照射区域的局部或全部至少在扫描方向一侧超出所述脉冲激光束的照射区域。
8.如权利要求1-7中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，
所述脉冲激光束及近红外激光束所具有的能量密度和功率密度使得在所述脉冲激光束及近红外激光束照射到所述基板上时，在所述基板的表层为非熔融的状态或只有表层熔融的状态下进行所述热处理。
9.如权利要求1-8中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，
通过控制所述近红外激光的功率密度和所述扫描速度，调整所述近红外激光束所产生的辅助温度，使其不超过所述基板表面上的材料熔点。
10.如权利要求1-9中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，
所述近红外激光束具有功率密度极小的不连续部分而照射到所述基板表面。
11.一种激光退火方法，对基板表面进行热处理，其特征在于，
对所述基板重复照射由脉冲振荡激光光源产生并经过整形的、上升时间缓慢且脉宽较长的脉冲激光束，并且重复照射由连续振荡激光光源产生并经过整形的近红外激光束，由此对所述基板进行复合照射，一边使这些激光束进行扫描，一边对该基板进行热处理。
12.如权利要求11所述的激光退火方法，其特征在于，
所述脉冲激光束具有上升时间（从脉冲波形的最大强度的10％达到90％的时间）在160ns以上的脉冲波形。
13.如权利要求11或12所述的激光退火方法，其特征在于，
所述脉冲激光束具有半高宽在600ns以上的脉冲波形。
14.如权利要求11-13中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，
对于所述脉冲激光束，在脉宽方向上对脉宽较长的脉冲进行截止，将所述脉冲激光束整形成所述上升时间比从所述截止位置的脉冲强度的90％达到10％所需的下降时间要长的非对称脉冲波形。
15.如权利要求11-14中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，
对所述基板照射所述各激光束，使得在所述基板表面上，所述近红外激光束和所述脉冲激光束的照射区域局部或全部重叠，或者使所述光束的照射区域不重叠而是错开位置。
16.如权利要求11-15中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，
对所述基板照射所述各激光，使得在所述基板表面上，所述近红外激光束的照射区域大于所述脉冲激光束的照射区域。
17.如权利要求15或16所述的激光退火方法，其特征在于，
在所述基板表面，使所述近红外激光束的照射区域的局部或全部至少在扫描方向一侧超出所述脉冲激光束的照射区域。
18.如权利要求11-17中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，
所述脉冲激光束及近红外激光束的照射使得所述基板保持表层为非熔融的状态或只有表层熔融的状态。
19.如权利要求11-18中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，
所述脉冲激光束及近红外激光束的照射将与激光照射面相对的基板背面侧的温度上升抑制在200℃以下。
20.如权利要求11-19中任一项所述的激光退火方法，其特征在于，
所述近红外激光束中设有功率密度极小的不连续部分，对带给所述基板的热量进行调整。
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