CN106158608A - 一种具有能量补偿的激光退火装置及退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有能量补偿的激光退火装置，包括控制系统、载片台，红外激光器和脉冲激光器，所述红外激光器发出红外激光采用布儒斯特角对硅片进行预热，所述脉冲激光器发出脉冲激光，采用布儒斯特角对所述硅片进行退火；所述红外激光和所述脉冲激光二者能量可调可叠加。本发明还公开了一种激光退火方法。本发明提供的具有能量补偿的激光退火装置，采用布儒斯特角对硅片进行退火，温度驻留时间在微秒量级，驻留时间短，可降低离子热扩散；不需要对工件台预热，热预算较小，避免带来热应变，减小热应力变形，减小对套刻精度的影响。红外激光和脉冲激光二者能量可调可叠加，可以避免图案效应问题，简化了机械结构，节约成本。

Description

一种具有能量补偿的激光退火装置及退火方法

技术领域

本发明涉及一种具有能量补偿的激光退火装置及退火方法。

背景技术

过去数十年，电子器件制造遵循摩尔定律，经历了快速发展，减小集成电路尺寸是维持这一趋势的源动力，而随着制造尺寸的缩小，带来了制造工艺技术上的困难和挑战。在互补金属氧化物半导体晶体管的形成过程中，热处理一直起着关键的作用，特别是对于超浅结激活以及硅化物形成等关键过程来讲，更是至关重要。传统的快速退火已经很难满足45nm及更高节点的要求，新的退火技术替代快速热退火正在被大量研究，如闪光灯退火、激光尖峰退火、低温固相外延等。其中，激光退火技术已显示出良好的应用前景。

激光退火方法相对传统退火方法，其热预算小，激活效率高，可以很大程度减小热扩散，并降低热应变。目前Ultratech公司采用波长10.6μm的CO₂激光器P偏振布儒斯特角入射晶圆，其退火时间在几百微秒，属于亚毫秒量级，目前主要运用于28～45nm左右节点，该方案虽然能够一定程度上减少图案效应，但是由于是亚毫秒退火，在28nm以上节点，其基本能够满足扩散要求；但是到28nm以下节点，扩散要求在2nm左右，毫秒退火已经很难满足该要求。另外，由于毫秒量级退火的退火时间较长，退火温度驻留时间在亚毫秒量级，驻留时间长，容易造成热扩散，造成硅片整体热变形较大。此外，还需要对工件台预热来提高热吸收，其整体热预算较大，从而带来热应变，容易造成应力变形，影响后续套刻精度。

发明内容

本发明提供一种具有能量补偿的激光退火装置及退火方法，以解决以上技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有能量补偿的激光退火装置，包括控制系统和载片台，还包括红外激光器和脉冲激光器，所述红外激光器发出红外激光采用布儒斯特角对硅片进行预热，所述脉冲激光器发出脉冲激光采用布儒斯特角对所述硅片进行退火；所述红外激光和所述脉冲激光二者能量可调可叠加。

作为优选，所述红外激光器发出的红外激光是脉冲激光或者连续激光。

作为优选，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括红外光学系统，用于对所述红外激光进行光学系统整形聚焦。

作为优选，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括绿光光学系统，用于对所述脉冲激光进行光学系统整形聚焦。

作为优选，所述控制系统包括同步控制系统、红外激光器控制系统、绿光激光控制系统和载片台控制系统，所述同步控制系统依次给红外激光器控制系统、脉冲激光控制系统和载片台控制系统发射信号；

所述载片台控制系统用于接收同步控制系统信号，控制所述载片台带动硅片移动，对所述硅片退火；

所述红外激光控制系统用于接收同步控制系统信号，控制所述红外激光器发出红外激光；

所述绿光激光控制系统用于接收同步控制系统信号，控制所述脉冲激光器发出脉冲激光。

作为优选，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括第一能量监控系统和第二能量监控系统，所述第一能量监控系统用于监测所述红外激光器的能量的稳定性，所述第二能量监控系统用于监测所述脉冲激光器的能量的稳定性。

作为优选，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括第一分光镜和第二分光镜，所述第一分光镜用于将所述红外激光器发出红外激光分光至所述第一能量监控系统和所述红外光学系统；所述第二分光镜用于将所述脉冲激光器发出脉冲激光分光至所述第二能量监控系统和所述绿光光学系统。

作为优选，在步进方向上，所述红外激光的光斑大于或者等于所述脉冲激光的光斑；在扫描方向上，所述红外激光的光斑与所述脉冲激光的光斑中心重合。

与现有技术相比，本发明提供的具有能量补偿的激光退火装置，设置红外激光器，发出红外激光对所述硅片预热；设置脉冲激光器，发出短波长的脉冲激光采用布儒斯特角对硅片进行退火，温度驻留时间在微秒量级，驻留时间短，可降低离子热扩散；不需要对工件台预热，热预算较小，避免带来热应变，减小热应力变形，减小对套刻精度的影响。所述红外激光器和所述脉冲激光器二者能量可调可叠加，退火时，红外激光和脉冲激光均采用布儒斯特角进行入射，通过设定红外激光和脉冲激光的能量比，将红外激光和脉冲激光相互补偿，可以避免图案效应问题。另外，相比现有技术，本发明提供的具有能量补偿的激光退火装置不需要增加额外的预热盘，简化了具有能量补偿的激光退火装置的机械结构，节约成本。

为了解决上述技术问题，本发明还公开了一种采用上述具有能量补偿的激光退火装置的退火方法，包括以下步骤：

步骤一：所述红外激光器发出红外激光，以布儒斯特角入射到所述硅片面，对所述硅片预热；

步骤二：所述脉冲激光器发出脉冲激光，以布儒斯特角入射到硅片面，所述载片台带动所述硅片扫描退火。

作为优选，所述步骤一包括对所述红外激光进行整形聚焦的步骤。

作为优选，所述步骤二包括对所述脉冲激光进行整形聚焦的步骤。

作为优选，所述步骤一中采用第一能量监控系统监测所述红外激光器的能量的稳定性。

作为优选，所述步骤二中采用第二能量监控系统监测所述脉冲激光器的能量的稳定性。

作为优选，在步进方向上，所述红外激光的光斑大于或者等于所述脉冲激光的光斑；在扫描方向上，所述红外激光的光斑与所述脉冲激光的光斑中心重合。

作为优选，步骤一中采用所述红外激光器对所述硅片预热的时间是毫秒量级。

作为优选，步骤一中采用红外激光器对所述硅片预热的温度是600～900度。

作为优选，步骤二中所述脉冲激光为绿波激光，脉冲激光脉宽时间小于1微秒。

作为优选，步骤二中所述脉冲激光波长范围在500～550nm之间。

作为优选，步骤一中所述红外激光波长范围在790～980nm之间。

与现有技术相比，本发明提供的激光退火方法，采用红外激光对硅片进行预热，并采用短波长的脉冲激光激光退火，温度驻留时间在微秒量级，驻留时间短，可降低离子热扩散；不需要对工件台预热，热预算较小，避免带来热应变，减小热应力变形，减小对套刻精度的影响。红外激光和脉冲激光均采用布儒斯特角进行入射，所述红外激光和所述脉冲激光二者能量可调可叠加，可以降低图案效应的影响。

附图说明

图1是本发明的一具体实施例的具有能量补偿的激光退火装置系统框图；

图2是扫描方向光斑示意图；

图3是退火时间示意图；

图4是527nm的激光在三种不同硅片上的反射率与入射角的关系曲线图；

图5是808nm的激光在三种不同硅片上的反射率与入射角的关系曲线图；

图6为热扩散效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，一种具有能量补偿的激光退火装置，包括载片台201，用于承载硅片50，带动硅片50扫描退火，还包括

红外激光器303，用于发出红外激光，红外激光采用布儒斯特角对硅片50进行预热，所述红外激光是可以使脉冲激光，也可以是连续激光。

红外光学系统304，用于对所述红外激光进行光学系统整形聚焦，聚焦后的红外激光入射到所述硅片50表面；

脉冲激光器403，用于发出脉冲激光，脉冲激光采用布儒斯特角对所述硅片50进行退火；

所述红外激光和所述脉冲激光二者能量可调可叠加；

绿光光学系统404，用于对所述脉冲激光进行光学系统整形聚焦，聚焦后的脉冲激光入射到所述硅片50表面；

控制系统，用于控制所述载片台201、所述红外激光器303和所述脉冲激光器403的工作。

所述控制系统包括同步控制系统10、红外激光器控制系统30、绿光激光控制系统40和载片台控制系统20，所述同步控制系统10依次给红外激光器控制系统30、绿光激光控制系统40和载片台控制系统20发射信号。

所述载片台控制系统20用于接收同步控制系统信号，控制所述载片台201带动硅片50移动，对所述硅片50退火。

所述红外激光器控制系统30用于接收同步控制系统信号，控制红外激光器303发出红外激光。

所述绿光激光控制系统40用于接收同步控制系统信号，控制脉冲激光器403出光。

所述具有能量补偿的激光退火装置还包括第一能量监控系统302和第二能量监控系统402，所述第一能量监控系统302用于监测所述红外激光器303的能量的稳定性，所述第二能量监控系统402用于监测所述脉冲激光器403的能量的稳定性。

所述具有能量补偿的激光退火装置还包括第一分光镜301和第二分光镜401，所述第一分光镜301用于将所述红外激光器303发出红外激光分光至所述第一能量监控系统302和所述红外光学系统304；所述第二分光镜401用于将所述脉冲激光器403发出脉冲激光分光至所述第二能量监控系统402和所述绿光光学系统404。本实施例中的第一分光镜301和第二分光镜401是99％分光镜，即所述第一分光镜301将红外激光的1％分光至所述第一能量监控系统302，99％分光至所述红外光学系统304；所述第二分光镜401将所述脉冲激光器403的1％分光至所述第二能量监控系统402，99％分光至所述脉冲激光器403。

请参考图2，在步进方向上，所述红外激光器303发出的红外激光的光斑大于或者等于所述脉冲激光器403发出的脉冲激光的光斑，这样可以使硅片50充分预热，提高预热效果。

在扫描方向上，所述红外激光器303发出的红外激光的光斑与所述脉冲激光器403发出的脉冲激光的光斑中心重合。

采用上述具有能量补偿的激光退火装置的退火方法，包括以下步骤：

步骤一：所述同步控制系统10依次给所述红外激光器控制系统30、所述绿光激光控制系统40和所述载片台控制系统20发射信号；

步骤二：所述红外激光控制系统30接收到同步控制系统发出的信号后，控制所述红外激光器303发出红外激光，所述红外激光经过所述红外光学系统304整形聚焦后，以布儒斯特角入射到所述硅片50面，对所述硅片50预热；

步骤三：所述绿光激光控制系统40接收到同步控制系统发出的信号后，控制所述脉冲激光器403发出脉冲激光，所述脉冲激光经过绿光光学系统404整形聚焦后，以布儒斯特角入射到硅片50面；

步骤四：所述载片台201接收到同步控制系统发出的信号后，带动硅片50扫描退火。

在步进方向上，所述红外激光器303发出的红外激光的光斑大于或者等于所述脉冲激光器403发出的脉冲激光的光斑；在扫描方向上，所述红外激光器303发出的红外激光的光斑与所述脉冲激光器403发出的脉冲激光的光斑中心重合。

步骤二中采用第一能量监控系统302监测所述红外激光器303的能量的稳定性；步骤三中采用第二能量监控系统402监测所述脉冲激光器403的能量的稳定性。

请参考图3，步骤二中采用所述红外激光器303对所述硅片50预热的时间t0是毫秒量级。步骤三中所述脉冲激光为脉冲激光，脉冲激光脉宽时间小于1微秒，即退火时间t1是微秒量级，温度驻留时间在微秒量级，驻留时间短，可降低离子热扩散。

请参考图3，步骤二中采用所述红外激光器303对所述硅片50预热的温度是600～900度。

步骤三中所述脉冲激光为绿波激光，波长范围在500～550nm之间。

步骤二中所述红外激光波长范围在790～980nm之间。

请参考图4和图5，图4是527nm的激光在三种不同硅片上的反射率与入射角的关系曲线图；图5是808nm的激光在三种不同硅片上的反射率与入射角的关系曲线图；这三种硅片分别是纯硅片(Bare Si wafer)，硅片+500nm氧化物(500nm oxide on Si)，硅片+500nm氧化物+120nm聚合物(120nm poly on oxide)。

入射角是布儒斯特角，不同材料的硅片50的之间的反射率差异最小，大约在5％左右。也即对于不同材料的硅片50的反射率，即使入射角是布儒斯特角，其反射率差异大约还存在5％的差别。红外激光和绿波激光二者能量可调可叠加，退火时，通过设定红外激光和绿波激光的能量比，将红外激光和绿波激光相互补偿。且在选择入射角度时，保证对于同一图案，对于绿波激光反射率较低，而对红外激光反射率较高；或者对绿波激光反射率较高，对于红外激光反射率较低，从而抵消反射率差异的影响，提高退火均匀性，避免图案效应问题。

请参考图6，绿波激光能量为1.2J/cm²时，没有热扩散；绿波激光能量为1.5J/cm²时，热扩散仅1.6nm；绿波激光能量为1.8J/cm²时，其热扩散是5nm左右。热扩散较小，避免硅片50热变形，减小对套刻精度的影响。

综上，本发明提供的具有能量补偿的激光退火装置，采用红外激光对硅片50进行预热，并采用短波长的绿波激光脉冲激光退火，温度驻留时间在微秒量级，驻留时间短，可降低离子热扩散；不需要对工件台预热，热预算较小，避免带来热应变，减小热应力变形，减小对套刻精度的影响。红外激光和绿波激光均采用布儒斯特角进行入射，可以降低图案效应的影响。另外，相比现有技术，本发明不需要增加额外的预热盘，简化了具有能量补偿的激光退火装置的机械结构，节约成本。

本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (19)

1.一种具有能量补偿的激光退火装置，包括控制系统和载片台，其特征在于，包括红外激光器和脉冲激光器，所述红外激光器发出红外激光采用布儒斯特角对硅片进行预热，所述脉冲激光器发出脉冲激光采用布儒斯特角对所述硅片进行退火；所述红外激光和所述脉冲激光二者能量可调可叠加。

2.如权利要求1所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，所述红外激光器发出的红外激光是脉冲激光或者连续激光。

3.如权利要求1所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括红外光学系统，用于对所述红外激光进行光学系统整形聚焦。

4.如权利要求1所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括脉冲激光光学系统，用于对所述脉冲激光进行光学系统整形聚焦。

5.如权利要求1所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，所述控制系统包括同步控制系统、红外激光器控制系统、脉冲激光控制系统和载片台控制系统，所述同步控制系统依次给红外激光器控制系统、脉冲激光控制系统和载片台控制系统发射信号；

所述载片台控制系统用于接收同步控制系统信号，控制所述载片台带动硅片移动，对所述硅片退火；

所述红外激光控制系统用于接收同步控制系统信号，控制所述红外激光器发出红外激光；

所述脉冲激光控制系统用于接收同步控制系统信号，控制所述脉冲激光器发出脉冲激光。

6.如权利要求1所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括第一能量监控系统和第二能量监控系统，所述第一能量监控系统用于监测所述红外激光器的能量的稳定性，所述第二能量监控系统用于监测所述脉冲激光器的能量的稳定性。

7.如权利要求6所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，所述具有能量补偿的激光退火装置还包括第一分光镜和第二分光镜，所述第一分光镜用于将所述红外激光器发出红外激光分光至所述第一能量监控系统；所述第二分光镜用于将所述脉冲激光器发出脉冲激光分光至所述第二能量监控系统。

8.如权利要求1所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，在步进方向上，所述红外激光的光斑大于或者等于所述脉冲激光的光斑；在扫描方向上，所述红外激光的光斑与所述脉冲激光的光斑中心重合。

9.采用如权利要求1至8任一项所述的具有能量补偿的激光退火装置的退火方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：所述红外激光器发出红外激光，以布儒斯特角入射到所述硅片面，对所述硅片预热；

步骤二：所述脉冲激光器发出脉冲激光，以布儒斯特角入射到硅片面，所述载片台带动所述硅片扫描退火。

10.如权利要求9所述的退火方法，其特征在于，所述步骤一包括对所述红外激光进行整形聚焦的步骤。

11.如权利要求9所述的退火方法，其特征在于，所述步骤二包括对所述脉冲激光进行整形聚焦的步骤。

12.如权利要求9所述的退火方法，其特征在于，所述步骤一中采用第一能量监控系统监测所述红外激光器的能量的稳定性。

13.如权利要求9所述的退火方法，其特征在于，所述步骤二中采用第二能量监控系统监测所述脉冲激光器的能量的稳定性。

14.如权利要求9所述的退火方法，其特征在于，在步进方向上，所述红外激光的光斑大于或者等于所述脉冲激光的光斑；在扫描方向上，所述红外激光的光斑与所述脉冲激光的光斑中心重合。

15.如权利要求9所述的退火方法，其特征在于，步骤一中采用所述红外激光器对所述硅片预热的时间是毫秒量级。

16.如权利要求9所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，步骤一中采用红外激光器对所述硅片预热的温度是600～900度。

17.如权利要求9所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，步骤二中所述脉冲激光为绿光激光，脉冲激光脉宽时间小于1微秒。

18.如权利要求9所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，步骤二中所述脉冲激光波长范围在500～550nm之间。

19.如权利要求9所述的具有能量补偿的激光退火装置，其特征在于，步骤一中所述红外激光波长范围在790～980nm之间。