CN102844144A - 用于通过激光能量照射半导体材料表面的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对半导体材料进行照射的装置，该装置包括：一个激光器，该激光器产生一个主激光束；一个光学系统；以及一种用于为该主激光束确定形状的装置，该确定形状的装置包括多个孔径，这些孔径用于将该主激光束的形状确定为多个次级激光束；其特征在于，这些单独的孔径的形状和/或大小对应于一个有待照射的半导体材料层的一个公共区域的形状和/或大小，并且其特征在于该光学系统被适配成用于叠加这些次级激光束以便对所述公共区域进行照射。另外，本发明涉及此类装置在制造半导体器件中的用途。

Description

用于通过激光能量照射半导体材料表面的方法及装置
发明领域
本发明涉及一种借助激光器对半导体材料表面进行照射的方法。进一步地，本发明涉及一种用于对半导体材料表面进行照射的激光器装置。
发明背景
对于诸如非晶硅的热退火以便得到再结晶以及掺杂物活化的应用而言，半导体材料表面的激光照射是众所周知的。通过能够进行非常快速的热处理和浅的加热区域深度，这种技术提供了优于传统性加热处理的显著优点。
因为激光光点的形状和/或大小通常与有待照射的区域的形状和/或大小不相配，现有技术提供了几种手段来用于将激光的形状确定为使得半导体材料层的具有特定的大小及形状的一个区域或者多个此类分离开的区域的一个图案能够接受照射。例如，如US2003199176中所说明的一种广为人知的技术利用阴影掩模来为该激光光点确定形状。此类阴影掩模可具有多个孔径。
因为该激光光点的大小是远小于一个管芯（也称为芯片或器件）的大小，这是由于该照射过程所要求的高能量密度以及传统上可获得的激光源的低能量输出，所以使用传统的阴影掩模技术的第一个缺点是：当必需对一个完整的管芯或者一个管芯内的较大图案进行照射时，激光光点不得不跨过或者扫描该管芯或该图案以便对其完全地进行照射。这可能会导致处理速度下降以及生产成本增加。
第二个缺点是：如果激光光点扫描或者跨过该图案，由于激光能量密度的变化而可能会在掺杂物活化率或深度及在表面质量中产生不均匀性。
第三个缺点是：如果有待照射的连续图案（即一个未分离区域的图案）的大小大于该激光光点，多个顺序的激光光点将在该图案的某些部分处重叠，从而造成在掺杂物活化率或深度以及在表面质量中的不均匀性。
考虑到上述激光照射过程的这些缺点，对于根据本发明的激光照射装置存在一种明确的需要，作为第一目的，该装置可提供对半导体材料层进行处理的能力而无需跨过或者扫描在一个图案或一个管芯以便将其完全照射，这会导致提高的处理速度以及降低的生产成本。
作为第二个目的，本发明可提供一种装置，该装置的处理性能是较少地取决于激光能量密度的波动并且其结果是就掺杂物活化率或深度以及表面质量而言实现了提高的管芯内均匀性。
作为第三个目的，本发明可提供一种装置，该装置允许使用者将该激光束光点的形状和/或大小控制和调节到有待照射的区域的几何形状上，由此提高了生产率以及生产的灵活性。
作为第四个目的，本发明可提供一种装置，该装置允许减少或者甚至抑制重叠并且其结果是就掺杂物活化率或深度以及表面质量而言提高了均匀性。
作为第五个目的，本发明可显著地限制为了允许使光束点的形状和/或大小与有待照射的区域相匹配所要求的光学元件的数量，因此降低了该装置的成本和大小。
本发明通过使用一个主激光束并且通过使用一个光学系统实现了上述目的，通过一个用于确定形状的装置将该主激光束的形状确定成多个次级激光束，该确定形状的装置包括多个孔径，这些孔径的形状和/或大小对应于有待照射的半导体材料层的一个公共区域的形状和/或大小，并且该光学系统被适配成用于叠加这些次级激光束以便对所述公共区域进行照射。发明概述
本发明是针对用于对半导体材料进行照射的装置，该装置包括：
一个激光器，该激光器产生一个主激光束；
一个光学系统；
以及一个用于为该主激光束确定形状的装置，该确定形状的装置包括多个孔径，这些孔径用于将该主激光束的形状确定成多个次级激光束；
其特征在于这些单独的孔径的形状和/或大小对应于一个有待照射的半导体材料层的一个公共区域的形状和/或大小，并且其特征在于该光学系统被适配成用于叠加这些次级激光束以便对所述公共区域进行照射。
另外，本发明是针对此类装置在制造半导体器件中的用途。
附图简要说明
图1展示了根据本发明的装置的一个实施方案。
图2展示了根据本发明的装置的另一个实施方案。
图3展示了根据本发明的一种所谓的“迷你-变焦头”。
图4展示了根据本发明通过一个“迷你-变焦头”进行精准聚焦的可能性。
图5展示了根据本发明的装置的一个替代实施方案。
图6展示了该多个孔径的一种改变。
发明描述
本领域的普通技术人员应理解以下说明的这些实施方案根据本发明仅是解释性的而并非限制本发明的预期范围。也可以考虑其他的实施方案。根据本发明的一个第一实施方案，在此提供了一种用于对半导体材料进行照射的装置，该装置包括：
一个激光器，该激光器产生了一个主激光束；
一个光学系统；
以及一个用于为该主激光束确定形状的装置，该确定形状的装置包括多个孔径，这些孔径用于将该主激光束的形状确定成多个次级激光束；
其特征在于这些单独的孔径的形状和/或大小对应于一个有待照射的半导体材料层的一个公共区域的形状和/或大小，并且其特征在于该光学系统被适配成用于叠加这些次级激光束以便对所述公共区域进行照射。
通过利用一个主激光束，该主激光束由一个用于确定形状的装置将其形状确定为多个次级激光束，该用于确定形状的装置包括多个孔径，这些孔径的形状和/或大小对应于有待照射的半导体材料层的公共区域的形状和/或大小口，并且通过使用一种被适配为用于叠加这些次级激光束从而对所述公共区域进行照射的光学系统，该装置提供了对半导体材料层进行处理而不需要跨过或者扫描需一个图案或整个管芯从而对其完全照射的能力，这会提高处理速度并且降低生产成本。
另一个优势是这种装置的处理性能更少地依赖激光能量密度的波动，这是因为它一次就可以照射全部的图案或者管芯。另外，通过使用光学系统来叠加次级激光束，可以提高入射到有待照射的区域的能量密度的均匀性。因此就掺杂物活化率或深度及表面质量而言，提高了均匀性。
根据本发明的装置的另外一个优点是：由于这些孔径的大小和/形状有待照射的区域是对应的，不再需要连续的激光点，这就减少了重叠，因此就掺杂活化率或深度及表面质量而言提高了均匀性。
此外，本领域的普通技术人员将认识到和传统的系统相比根据本发明的装置极大地限制了将激光束光点的形状和/或大小与有待照射的区域的形状和/或大小相匹配所需要的光学元件的数量，因此降低了该装置的成本和大小。
该多个孔径（也称作“掩模”）可以是一个产生有很多孔径的固定板，或者它也可以是以任何形式安装在框架内的孔径的组合，优选地是以阵列的形式。实质上，一个这样的孔径是一个小孔或者一个缝隙，主激光束的一部分穿过这个缝隙，并且这种孔径限定了次级激光束点的形状和大小。
该多个孔径的孔径数量可以从至少两个到MxN个，其中M和N分别可以从2到30、从5到20，并且优选地是10。
作为替代方案，该多个孔径可以是一个包括部分反射涂层组成的反射镜或者透镜，该部分反射涂层具有由一个较低透射率区域所围绕的多个较高透射率区域，即孔径。除此之外，通过调整较高透射率区域的透明度，我们可以改变有待照射的区域的照射强度。
在根据本发明的一个实施方案中，提供了一种用来对半导体材料进行照射的装置，其中该多个孔径各自的形状和大小是使得这些次级激光束的光点形状和光点大小与有待照射的区域的形状和大小相匹配。根据本发明的装置可以包括一种用具有不同形状和大小的多个孔径对另外多个孔径进行替换的装置。通过改变孔径的形状和大小，次级激光束点的大小和形状可以基本上与所选区域的大小和形状完全匹配。用于替换的这种装置可以包括一个组件，该组件用于存储多个掩模并且精确而自动地在主激光束路径中对任意所存储的掩模进行定位。
在本发明的一个优选实施方案中，有待照射的区域可以对应至少一个完整的管芯。这个完整的管芯可以由一个激光脉冲处理。并且，这个管芯可以接收多个激光脉冲，这些激光脉冲都覆盖整个管芯。进一步地，有待照射的区域可以对应多个管芯。照射一个或者多个完整的管芯会显著地提高照射能量在管芯上的均匀分布，并且减少重叠效应，从而增加工艺均匀性。
在根据本发明的一个实施方案中并且如图1所示，光学系统可以包括一个微透镜阵列（ML2）和一个球面透镜（FL）。主激光束的形状将被该多个孔径确定为多个次级激光束，这些次级激光束将会被该微透镜阵列（ML2）和该球面透镜叠盖。球面透镜限定了有待照射的区域上图像的放大倍数。优选地，该多个孔径（M）各自可以基本上极为精确地和ML2的一个微透镜相对应，其中每一个微透镜在无限平面中形成了对应的孔径的图像。由于只需要一个微透镜阵列和一个球面透镜，光学元件的数量比传统的系统要少得多。
在根据本发明的一个实施方案中并且如图2所示，该光学系统可以另外包括一个第二微透镜阵列（ML1）。因此，在这种情况下，该光学系统包括两个微透镜阵列（ML1以及ML2）以及一个球面透镜（FL）。该主激光束的形状将由该多个孔径以及ML1确定为多个次级激光束，这些次级激光束随后将有ML2以及球面透镜（FL）叠加。优选地，该多个孔径（M）中的每一个孔径可以与ML1的一个微透镜大体上准确地对应，其中每个微透镜在无限平面上形成相应的孔径的图像。
如图3所示，后一实施方案具有另外的优势：可以通过使ML2相对于ML1（所谓的“迷你-变焦头”）可移动而为有待照射的区域提供图像大小的精细匹配和调整。图4示出了可以用这种方式实现的放大范围的一个例子。
根据本发明的装置的光学系统实际上起光束均匀器的作用。通过在光学系统的正前方提供该多个孔径，可以确定激光束的形状并且然后将其均匀化。与将掩模靠近晶片放置的阴影掩模方法相比，这提供了关于图像清晰度的显著优势。而且，非常靠进的放置可能包括该半导体材料衬底受污染的风险。
可替代地并且如图5所示，该多个孔径（M）可以被放置在激光器（L）的输出反射镜的内表面处。在这种情况下，该多个孔径可以是一组安放在尽可能地靠近输出反射镜的内表面处的孔径。一个更容易以及更优选的构造的方法是在输出反射镜的内表面上提供一个部分反射涂层，该部分反射涂层具有由一个较低透射率区域所围绕的多个较高透射率区域，即这些孔径。因为确定形状发生在激光器内部，该较低透射率区域提供了用于为该主激光束确定形状而没有能量损失的方法。
在根据本发明的一个优选实施方案中，该多个孔径可以是一个MxN孔径阵列.这个MxN孔径阵列优选地对应一个或多个MxN光束均匀器微透镜阵列。
如图6所示，这些孔径本身可以显示一个图案。除了所有的单独的孔径的形状和/或大小对应一个有待照射的半导体材料层的一个公共区域的形状和/或大小的这个事实之外，这些孔径中的至少一个可以显示更低以及更高透射率区域的一个图案。这类孔径的更高透射率区域甚至可以由次级孔径的一个图案形成。
正如一些应用所要求的，通过应用显示这类更低以及更高透射率区域的图案的孔径，能够在一个照射脉冲中处理具有不同照射要求（例如用于不同的激活的掺杂物百分比的不同的热预算）的多个子区域的一个区域的受控非均匀照射是可能的。这类受控非均匀照射也可以被用于补偿前面的处理步骤产生的非均匀性。
该激光器可以是波长、能量以及脉冲持续时间是适合该过程的任何激光器。优选地，该激光器可以是一个准分子层，更优选地是一个氯化氙准分子激光器。
由于在这些波长处硅的高能量吸收率，该激光器的波长可以是在低于600nm的范围内，在190nm至480nm的范围内，并且更优选的是308nm。
激光能量可以是在5焦耳至25焦耳的范围内。为了实现这些能量，激光放电体积被优化至典型地10cm（电极之间的间距）×7至10cm（放电宽度）×100至200cm（放电长度）。
脉冲持续时间对应在快速加热以减少掺杂物扩散以及相对地慢速冷却以减少瑕疵的形成之间的一个最佳效果，并且脉冲持续时间可以是在100ns至1000ns范围内，优选地在100ns以及300ns之间。
在本发明的一个实施方案中，该激光器可以是被适配成用于产生一个具有在0.5到10J/cm2之间的能量密度的投射激光束。
在一个优选实施方案中，激光器可以是一个准分子激光器，其被适配成用于产生大于60cm2、大于80cm2、优选地100cm2的一个大面积输出光束，具有一个具有在0.5到10J/cm2之间的能量密度的典型地从1至10cm2的投射光束光点。
根据本发明的一个装置可以进一步包括用于在XYZ方向上将次级光束光点与该多个区域进行对准的装置。
通过使用照相机将半导体材料层上的光束光点形象化、测量其大小并且调整其放大倍数，可以执行进一步的调整。
根据本发明的一个装置可以进一步包括一个图案识别系统。这种图案识别系统可以包括一个照相机，该照相机机械地连接到用于支持该半导体材料的一个平台上并且被放置在材料层表面的上方。在一个具体实施方案中，可以对来自照相机的图像进行处理以便定位已经被蚀刻在半导体材料上的若干（典型地3个）对准标记。这些对准标记提供了在装置的坐标系统中的半导体材料的精确位置。
半导体材料可以是适合半导体应用例如但不限于无掺杂硅、掺杂硅、注入硅、晶体硅、非晶硅、锗硅、氮化锗、III-V复合半导体像氮化镓、碳化硅以及类似物的任何材料。
根据本发明的装置可以用于制作半导体材料或器件，例如但不限于CMOS图像传感器、3D存储器、CMOS逻辑器件以及光伏电池。

Claims (12)

1.一种用于对半导体材料进行照射的装置，该照射装置包括：
一个激光器，该激光器产生一个主激光束；
一个光学系统；
以及一种用于为该主激光束确定形状的装置，该确定形状的装置包括多个孔径，这些孔径用于将该主激光束的形状确定成多个次级激光束；
其特征在于这些单独的孔径的形状和/或大小对应于一个有待照射的半导体材料层的一个公共区域的形状和/或大小，并且其特征在于该光学系统被适配成用于叠加这些次级激光束以便对所述公共区域进行照射。
2.根据权利要求1所述的装置，其中这些孔径的形状和大小是使得这些次级激光束的光点形状和光点大小与所述有待照射的区域的形状和大小相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中该光学系统包括一个微透镜阵列（ML2）以及一个球面透镜，其中这些微透镜中的每一个对应于该多个孔径之一。
4.根据权利要求3所述的装置，其中该光学系统另外还包括一个第二微透镜阵列（ML1），其中这些微透镜中的每一个对应于该多个孔径之一。
5.根据权利要求1至4所述的装置，其中该激光器包括一个输出反射镜，并且其中该多个孔径被定位在该输出反射镜的内表面上。
6.根据权利要求5所述的装置，其中该多个孔径包括一个部分反射性涂层，该部分反射性涂层具有多个较高透射率区域，这些较高透射率区域被一个较低透射率区域所围绕。
7.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中该多个孔径是一个MxN孔径阵列。
8.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中这些孔径中的至少一个显示了一种图案。
9.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中该激光器是一个准分子激光器，该准分子激光器被适配成用于产生一个投射的激光束，该投射的激光束具有的能量密度在0.5J/cm2到10J/cm2之间。
10.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中该有待照射的区域对应于至少一个完整的管芯。
11.根据以上权利要求中任一项所述的装置，进一步包括用于使该次级激光束光点在XYZ方向上与该有待照射的区域对准的装置。
12.根据以上权利要求中任一项所述的装置在制造半导体器件中的用途。
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