CN106409733B - 激光退火装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的激光退火装置及方法，包括激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面；样品位移系统，用于盛放所述样品，并调整所述样品的位置。通过选择合适的激光波长可以使得有效加热深度位于样品表面以下数纳米至微米之间，提高了杂质的有效激活率，修复了器件在离子注入过程中带来的损伤，从而降低样品材料的方块电阻以及器件功耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种激光退火装置及方法。
背景技术
进入21世纪以来，人类社会的发展对微电子器件的密度、性能及多功能性的要求越来越高，虽然目前主流工艺节点已经进入14nm，但是器件尺寸缩小的难度越来越大，成本也越来越高，因此“后摩尔定律”取代摩尔定律成为微电子产业今后发展的驱动力。“后摩尔定律”不再单纯地追求器件二维尺寸的缩小，而是转向三维设计、集成与制备的方向发展，主要表现在以下两个方面：第一，通过引入新材料、集成现有硅工艺、向器件的垂直方向进行开发提高器件性能；第二，开发TSV(Through Silicon Via，三维集成工艺)等增加芯片密度、拓展芯片功能、提高芯片性能。因此微电子制造工艺的核心之一“热退火技术”也面临新的问题和挑战。
在对硅基半导体器件的表面进行杂质掺杂时，所掺杂杂质原子经常处于硅晶格中缺陷的状态，因而一般需要进行热退火。传统退火技术，即使温度高达1000℃时，仍不能彻底消除结晶缺陷，而且易造成掺杂杂质扩散。如降低退火温度则杂质的有效激活率较低，只有不到1％。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：
传统快速热退火杂质激活效率低，而且加工过程中的高温环境容易对器件正面的结构造成破坏，加工完成后器件样片翘曲增大造成了碎片几率的提高。
发明内容
本发明提供的激光退火装置及方法，通过选择合适的激光波长可以使得有效加热深度位于样品表面以下数纳米至微米之间，提高了杂质的有效激活率，修复了器件在离子注入过程中带来的损伤，从而降低样品材料的方块电阻以及器件功耗。
第一方面，本发明提供一种激光退火装置，包括：
激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；
光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面；
样品位移系统，用于盛放所述样品，并调整所述样品的位置。
可选地，所述光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为矩形平顶光斑或方形平顶光斑。
可选地，所述光学系统包括衍射光学元件和透镜，所述衍射光学元件用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，所述透镜用于将所述线形平顶光斑发射到样品表面。
可选地，所述透镜包括柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜。
可选地，所述装置还包括扩束准直系统和反射镜，
所述扩束准直系统，用于将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；
所述反射镜，用于改变所述平行光源方向，使所述光源射入所述衍射光学元件。
可选地，所述装置还包括孔径光阑，所述孔径光阑用于当所述激光器发射的激光的M2因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统形成的平行光源的中间部分，其中所述门限值为1.3；
所述反射镜，还用于改变所述孔径光阑截取的平行光源中间部分的方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。
可选地，所述激光器包括固体激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器。
可选地，所述矩形平顶光斑的长边方向能量分布为平顶分布，短边方向能量分布为高斯分布；所述方形平顶光斑的长边和短边方向能量分布均为平顶分布。
第二方面，本发明提供一种激光退火方法，包括：
激光器发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；
光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面，所述样品位于样品位移系统。
可选地，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑包括：所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为矩形平顶光斑或方形平顶光斑。
可选地，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面包括：衍射光学元件将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面。
可选地，所述透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面包括：柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面。
可选地，在所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑之前，还包括：
扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；
反射镜改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。
可选地，在所述扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大之前，还包括：当所述激光器发射的激光的M2因子超过门限值时，孔径光阑截取所述平行光源的中间部分其中所述门限值为1.3，
所述孔径光阑截取的平行光源中间部分经所述反射镜改变方向，射入所述衍射光学元件。
可选地，所述激光器包括固体激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器。
可选地，所述矩形平顶光斑的长边方向能量分布为平顶分布，短边方向能量分布为高斯分布；所述方形平顶光斑的长边和短边方向能量分布均为平顶分布。
本发明实施例提供的激光退火装置及方法，包括激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为线形或方形平顶光斑后，发射到样品表面；样品位移系统，用于盛放所述样品，并调整所述样品的位置。通过选择合适的激光波长可以使得有效加热深度位于样品表面以下数纳米至微米之间，提高了杂质的有效激活率，修复了器件在离子注入过程中带来的损伤，从而降低样品材料的方块电阻以及器件功耗。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的激光退火装置的示意图；
图2为本发明一实施例提供的激光退火装置中衍射光学元件刻蚀区域的工艺流程图；
图3为本发明另一实施例提供的激光退火装置的示意图；
图4为以1064nm波长的激光器作为光源，以刻蚀区域为方形的衍射光学元件和平凸透镜或双凸透镜的组合，形成的方形平顶光斑的能量分布模拟图；
图5为图4中所述方形平顶光斑截面模拟图；
图6为以355nm波长的激光器作为光源，以刻蚀区域为方形的衍射光学元件和平凸透镜或双凸透镜的组合，形成的方形平顶光斑的能量分布模拟图；
图7为图6中所述方形平顶光斑截面模拟图；
图8为以532nm波长的激光器作为光源，以刻蚀区域为矩形的衍射光学元件和柱面聚焦透镜的组合，形成的矩形平顶光斑的能量分布实测图；
图9为图8中所述矩形平顶光斑的长边方向和短边方向的局部放大图；
图10使用本发明提供的激光退火装置对样品退火后，样品的方块电阻与样品到柱面聚焦透镜焦点距离的关系；
图11为本发明一实施例提供的激光退火方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种激光退火装置，如图1所示，所述装置包括：激光器11，光学系统12，及样品位移系统13，其中，
所述激光器11，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源。
可选地，所述激光器包括固体激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器，所述激光器的波长为266nm、355nm、515nm、527nm、532nm或者1064nm，脉宽范围为纳秒级，功率范围为瓦级，激光光束空间模式TEM00模。通过选择合适的激光波长可以使得加热深度位于样品表面以下数纳米至数微米，提高杂质的有效激活率。
所述光学系统12，用于将所述激光器11发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面，其中，所述光学系统12包括衍射光学元件121和透镜122，所述衍射光学元件包括但不限于光束整形镜。所述衍射光学元件用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，所述透镜用于将所述线形平顶光斑发射到样品表面。
其中，所述线形平顶光斑包括但不限于矩形平顶光斑或方形平顶光斑。所述透镜包括但不限于柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜。
具体地，为了确定所述线形平顶光斑的尺寸及能量分布，需要基于夫琅禾费衍射理论及菲涅耳衍射公式来设计所述衍射光学元件刻蚀区域的尺寸。根据夫琅禾费理论，设定初始入射球面波表述公式为其中T0为经过凸透镜后入射波的位相变化，根据菲涅耳公式，衍射屏后的复振幅分布可以表示成为
若衍射光学元件表面的相位调制结构(即衍射光学元件的刻蚀区域)为正方形，正方形边长为a且刻蚀深度h为则凸透镜焦点处的光强分布为其中，对以上公式取最大值，则有关系因此在焦点处，基于刻蚀区域为方形的衍射光学元件和平凸透镜或双凸透镜的组合，可以形成的方形平顶光斑。
平顶光斑的尺寸A由凸透镜焦距f、波长λ以及衍射光学元件表面按照π相位刻蚀出的正方形区域的边长a共同决定。
可见，基于某一给定波长，为了得到所需的光斑尺寸，应该选择合适的聚焦镜倍率以及刻蚀区域尺寸。一旦刻蚀区域尺寸确定后，为了最大程度提高光利用效率并保证衍射整形效果，入射到衍射光学元件表面的光斑直径略大于刻蚀区域尺寸即可。以上是基于所述衍射光学元件的刻蚀区域为正方形以及聚焦镜为凸透镜情形。因此，本发明提供的激光退火装置经光学系统整形后的光斑为线形光斑，可以将所述衍射光学元件的刻蚀区域作为线条形状，并将聚焦镜更换为柱面聚焦透镜。总的来说，通过调节所述衍射光学元件的刻蚀区域形状和透镜的种类，即可调节所述光学系统整形后的平顶光斑形状。
具体地，所述衍射光学元件刻蚀区域的工艺流程图如图2所示。
S01、清洗衬底并涂胶。衬底材料为熔融石英、玻璃或蓝宝石，衬底厚度为1mm-5mm，衬底直径为1英寸-4英寸，对所述衬底进行无机或有机清洗。
S02、对所述衬底进行光刻，在衬底表面形成与所需刻蚀区域相同的光刻胶图形。
S03、基于干法刻蚀工艺将光刻胶图形转移到所述衬底表面，并去掉残余的光刻胶。
所述样品位移系统13，用于盛放所述样品，并调整所述样品的位置。
其中，所述样品位移系统包括放置样品的夹持台131和位移平台132，所述夹持台131能够对4寸-12寸大小的样品进行真空吸附固定，所述位移平台132够进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动，横轴和竖轴的移动使得所述激光能够扫描样品表面或者选取样品表面上的固定位置扫描。纵轴的作用是调节样品到所述柱面聚焦透镜焦平面的距离。同理，为调节样品到所述柱面聚焦透镜焦平面的距离，所述衍射光学元件或所述柱面聚焦透镜也可以进行纵轴方向的移动。
可选地，如图3所示，所述装置还包括扩束准直系统14、反射镜15和孔径光阑16，
所述扩束准直系统，用于将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源，其中，所述激光束腰的大小在3mm-20mm的范围内；
所述反射镜，用于改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件；
其中，反射镜可以根据装置的设置需求或者实验所需光斑的入射角度需求自行调节放置位置或放置角度。
其中，所述线形平顶光斑的尺寸可以按照不同样品的尺寸可以调节，所述线形平顶光斑的长边长度由所述激光光源的直径和所述扩束准直镜的倍率决定，所述线形平顶光斑的短边长度由所述激光光源经过所述扩束准直系统后发出的光斑直径及所述透镜的焦距决定，所述衍射光学元件表面的刻蚀尺寸由所述线形平顶光斑的短边长度决定，且略小于光斑长度。
所述孔径光阑16用于当所述激光器发射的激光的M2因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统形成的平行光源的中间部分，其中所述门限值为1.3；
所述反射镜，还用于改变所述孔径光阑截取的平行光源中间部分的方向，使所述平行光源垂直射入所述衍射光学元件。
可选地，所述矩形平顶光斑的长边方向能量分布为平顶分布，短边方向能量分布为高斯分布；所述方形平顶光斑的长边和短边方向能量分布均为平顶分布。按照本发明提供的激光退火装置，所述衍射光学元件的刻蚀区域为矩形，且与所述柱面聚焦透镜组合为所述光学系统时，整形后的线形平顶光斑为矩形；当衍射光学元件的刻蚀区域为方形时，且与平凸透镜或双凸透镜组合为光学系统时，整形后的线形平顶光斑为方形平顶光斑。由此可见，本发明提供的激光退火装置，按照不同的衍射光学元件刻蚀区域的形状和不同类型的透镜进行组合，得到的线形平顶光斑包括但不限于矩形平顶光斑或方形平顶光斑。
针对本发明提供的激光退火装置，以1064nm波长的激光器作为光源，以刻蚀区域为方形的衍射光学元件和平凸透镜或双凸透镜的组合，形成的方形平顶光斑的能量分布模拟图如图4所示，图5为图4中所述方形平顶光斑截面模拟图；
以355nm波长的激光器作为光源，以刻蚀区域为方形的衍射光学元件和平凸透镜或双凸透镜的组合，形成的方形平顶光斑的能量分布模拟图如图6所示，图7为图6中所述方形平顶光斑截面模拟图；
以532nm波长的激光器作为光源，以刻蚀区域为矩形的衍射光学元件和柱面聚焦透镜的组合，形成的矩形平顶光斑的能量分布实测图如图8所示：图8中能量分布实测图的短边方向光斑宽度为10um，而光束质量分析仪分辨率5um，受此限制不能准确体现短边方向的高斯分布能量特性；图8中能量分布实测图的长边方向为平顶分布。图9为图8中所述矩形平顶光斑的长边方向和短边方向的局部放大图。
图10为使用本发明提供的激光退火装置对样品退火后，样品的方块电阻与样品到所述柱面聚焦透镜焦点距离的关系，这里使用的是焦距为35mm的平凸柱面聚焦透镜。横坐标为样品到平凸柱面聚焦透镜焦点的距离，纵坐标为激活以后的方块电阻阻值，可以在一定程度上反应激活效率。通过图10可以看出，当样品到平凸柱面聚焦透镜的焦点距离较大时，方块电阻阻值较高，表明样品的杂质有效激活率较低。随着样品到焦点的距离减小，样品的方块电阻随之减小并达到最小值，表明样品的杂质已经被完全激活，之后随着样品到焦点的距离继续减小，方块电阻随之增加。方块电阻为最小值时，样品到焦点的距离范围在100um左右，这一数值远远大于硅片表面的起伏以及硅片减薄工艺加工的容差，这也保证了处理结果的均匀性和可重复性。本发明可以用于提高硅基CMOS图像传感器浅结结深和硅基IGBT的杂质有效激活率，但不限于此。
本发明实施例提供的激光退火装置，包括激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面；样品位移系统，用于盛放所述样品，并调整所述样品的位置。通过选择合适的激光波长可以使得有效加热深度位于样品表面以下数纳米至微米之间，提高了杂质的有效激活率，修复了器件在离子注入过程中带来的损伤，从而降低样品材料的方块电阻以及器件功耗。
本发明实施例还提供一种激光退火方法，如图11所示，所述方法包括：
S11、激光器发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；
S12、光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面，所述样品位于样品位移系统。
本发明实施例提供的激光退火方法，包括激光器发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面，所述样品位于样品位移系统。通过选择合适的激光波长可以使得有效加热深度位于样品表面以下数纳米至微米之间，提高了杂质的有效激活率，修复了器件在离子注入过程中带来的损伤，从而降低样品材料的方块电阻以及器件功耗。
可选地，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑包括：所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为矩形平顶光斑或方形平顶光斑。
可选地，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面包括：衍射光学元件将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面。
可选地，所述透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面包括：柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面。
可选地，在所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑之前，还包括：
扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；
反射镜改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。
可选地，在所述扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大之前，还包括：当所述激光器发射的激光的M2因子超过门限值时，孔径光阑截取所述平行光源的中间部分其中所述门限值为1.3，
所述孔径光阑截取的平行光源中间部分经所述反射镜改变方向，射入所述衍射光学元件。
可选地，所述激光器包括固体激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器。
可选地，所述线形平顶光斑的长边方向能量分布为平顶分布，短边方向能量分布为高斯分；所述方形平顶光斑的长边和短边方向能量分布均为平顶分布。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种激光退火装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；
光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面；
样品位移系统，用于盛放所述样品，并调整所述样品的位置；
所述光学系统包括衍射光学元件和透镜，所述衍射光学元件用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，所述透镜用于将所述线形平顶光斑发射到样品表面；其中，按照不同样品的尺寸通过调节所述衍射光学元件的刻蚀区域的尺寸来调节所述线形平顶光斑的尺寸。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为矩形平顶光斑或方形平顶光斑。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透镜包括柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括扩束准直系统和反射镜，
所述扩束准直系统，用于将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；
所述反射镜，用于改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括孔径光阑，用于当所述激光器发射的激光的M2因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统形成的平行光源的中间部分，其中所述门限值为1.3；
所述反射镜，还用于改变所述孔径光阑截取的平行光源中间部分的方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器包括固体激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述矩形平顶光斑的长边方向能量分布为平顶分布，短边方向能量分布为高斯分布；所述方形平顶光斑的长边和短边方向能量分布均为平顶分布。
8.一种激光退火方法，采用如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，包括：
激光器发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；
光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面，所述样品位于样品位移系统；
所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面包括：衍射光学元件将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面，其中，按照不同样品的尺寸通过调节所述衍射光学元件的刻蚀区域的尺寸来调节所述线形平顶光斑的尺寸。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑包括：所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为矩形平顶光斑或方形平顶光斑。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面包括：柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑之前，还包括：
扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；
反射镜改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大之前，还包括：当所述激光器发射的激光的M2因子超过门限值时，孔径光阑截取所述平行光源的中间部分其中所述门限值为1.3，
所述孔径光阑截取的平行光源中间部分经所述反射镜改变方向，射入所述衍射光学元件。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光器包括固体激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述矩形平顶光斑的长边方向能量分布为平顶分布，短边方向能量分布为高斯分布；所述方形平顶光斑的长边和短边方向能量分布均为平顶分布。
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