CN113345806B - 一种SiC基半导体的激光退火方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种SiC基半导体的激光退火方法，包括：确定SiC基底上的金属膜的相关参数，所述金属膜的相关参数至少包括金属类型、金属膜厚度；根据金属膜的相关参数确定激光参数，所述激光参数至少包括功率密度、脉宽；按照确定的激光参数，采用半导体激光器产生对应的脉冲激光对SiC基半导体进行退火处理。本申请采用半导体激光器实现SiC基半导体欧姆接触激光退火，可以取代成本较高的固体激光器，在成本上具备巨大优势；半导体激光的功率密度和脉宽容易调节，可以针对不同金属类型、不同膜厚的工况调节激光参数，进行欧姆接触激光退火；半导体激光器较低的功率密度，可以对更厚的金属膜进行激光退火，满足更广泛的工艺应用范围。
Description
技术领域
本申请涉及半导体行业激光退火技术领域，具体涉及一种SiC基半导体的激光退火方法。
背景技术
作为功率器件用的半导体材料，带隙比Si更宽的SiC现在得到越来越多的应用，SiC具有高热导率、高击穿电场等优越物理特性，然而由于成本较高、制造工艺上的困难限制了SiC器件的广泛应用，其中制造的难点之一就是欧姆接触的形成。
欧姆接触，半导体与金属接触时，多会形成势垒层，但当半导体掺杂浓度很高时，电子可借隧道效应穿过势垒，从而形成低阻值的欧姆接触。欧姆接触对半导体器件非常重要，形成良好的欧姆接触有利于电流的输入和输出，对不同半导体材料常选择不同配方的合金作欧姆接触材料。
由于SiC是宽禁带半导体材料，在其背面基底上直接沉积金属，金属-SiC界面会建立起肖特基势垒，形成肖特基接触，这样会阻止电荷从金属流向SiC。因而需要对金属-SiC进行退火，使金属和SiC在一定温度下发生反应，生成硅化物，降低肖特基势垒，使金属和SiC形成欧姆接触，让其比接触电阻尽可能降低，比接触电阻越低，器件在工作过程中的发热和功损越低。
相关技术中，绝大多数都是采用固体激光器进行此类退火，包括355nm、527nm、532nm激光器，这些技术方案需要的固体激光器研发与维护成本较高。此外，由于固体激光器一般脉宽较短，都在纳秒级别，且由于不同激光器脉宽产生的机理不同，固体激光器的脉宽一般很难调节；所以固体激光器的脉冲瞬时功率密度Pi很高(一般达到1～100MW/cm2)，脉宽PW较短(一般在10～1000ns)，造成固体激光器所形成的从金属表面到金属-SiC交界面温度梯度过于陡峭，使得即便金属表面的温度Ts已经接近于金属的熔化温度Tm(如Ni熔点为1726K)的情况下，金属-SiC交界面的温度Tc仍然偏低，Ts与Tc的温度差ΔT偏大。
ΔT越大，代表在极限工艺条件下，Tc可能达到的温度就越低，且金属-SiC交界面在反应温度Tr以上持续时间td很短，这限制了设备的工艺拓展空间和更广的应用范围。如图1所示，是在使用波长355nm激光器，光斑形貌为直径75μm的圆形平顶，能量密度为1.1J/cm2，金属材料为Ni，薄厚为100nm，SiC厚度为80μm的条件下的温度场实验曲线。在接近于金属熔化的条件下，此时ΔT＝250.1K，所以即便金属表面到达Ni的熔化临界温度1726K，Ni-SiC界面的最高温度也只能在1476K左右，且在硅化反应温度Tr以上持续的时间也比较短，在15.5ns左右。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种SiC基半导体的激光退火方法。
根据本申请的实施例，提供一种SiC基半导体的激光退火方法，包括：
确定SiC基底上的金属膜的相关参数，所述金属膜的相关参数至少包括金属类型、金属膜厚度；
根据金属膜的相关参数确定激光参数，所述激光参数至少包括功率密度、脉宽；
按照确定的激光参数，采用半导体激光器产生对应的脉冲激光对SiC基半导体进行退火处理。
进一步地，所述根据金属膜的相关参数确定激光参数，包括：
根据金属膜的相关参数，获取不同激光参数所对应的温度场变化曲线；
根据预设的判定指标，从多个不同的温度场变化曲线中确定最优的激光参数。
进一步地，所述获取不同激光参数所对应的温度场变化曲线，包括：
选取多组不同的激光参数；
在金属膜的相关参数相同的情况下，分别根据每一组激光参数进行实验，确定每一组激光参数所对应的温度场变化曲线。
进一步地，所述选取多组不同的激光参数，包括：
功率密度的选取范围是1000～20000kW/cm2，脉宽的选取范围是0～30μs；
在选取范围内任意选取多个不同数值的功率密度和脉宽的组合。
进一步地，所述预设的判定指标包括如下项中的至少一项：温度差ΔT、持续时间td；
所述温度差ΔT是金属表面的温度Ts与金属-SiC交界面的温度Tc之间的温度差，所述持续时间td是金属-SiC交界面的温度Tc在反应温度以上的持续时间。
进一步地，所述最优的激光参数满足如下条件：
在金属表面温度Ts接近但低于金属熔点的情况下，温度差ΔT最小；和/或，
持续时间td最长。
进一步地，所述半导体激光器产生的脉冲激光为单一波长的脉冲激光。
进一步地，所述脉冲激光的波长范围为760～850nm，脉冲频率为0～20kHz。
进一步地，所述对SiC基半导体进行退火处理，包括：
将脉冲激光的束斑由原始光斑整形为矩形平顶光斑或圆形平顶光斑；
将整形后的光斑投射到SiC基半导体晶圆表面；
载片台带动卡盘和晶圆进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆。
进一步地，所述金属膜为一种金属的单层金属膜，或多种金属的多层金属膜。
本申请的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
本申请采用半导体激光器实现SiC基半导体欧姆接触激光退火，可以取代成本较高的固体激光器，在成本上具备巨大优势；半导体激光的功率密度和脉宽容易调节，可以针对不同金属类型、不同膜厚的工况调节激光参数，进行欧姆接触激光退火；半导体激光器较低的功率密度，可以对更厚的金属膜进行激光退火，满足更广泛的工艺应用范围。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是波长355nm固体激光器温度场实验的温度场示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种SiC基半导体的激光退火方法的流程图。
图3是激光退火系统的结构示意图。
图4(a)是矩形平顶光斑示意图。
图4(b)是圆形平顶光斑示意图。
图5是激光脉冲输出时序示意图。
图6是单层金属膜激光退火示意图。
图7是多层金属膜激光退火示意图。
图8是实施例1的温度场示意图。
图9是实施例2的温度场示意图。
图10是实施例3的温度场示意图。
图11是实施例4的温度场示意图。
图12是脉宽和热预算随功率密度变化曲线。
图13是ΔT随功率密度变化曲线。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和系统的例子。
图2是根据一示例性实施例示出的一种SiC基半导体的激光退火方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：
确定SiC基底上的金属膜的相关参数，所述金属膜的相关参数至少包括金属类型、金属膜厚度；
根据金属膜的相关参数确定激光参数，所述激光参数至少包括功率密度、脉宽；
按照确定的激光参数，采用半导体激光器产生对应的脉冲激光对SiC基半导体进行退火处理。
本申请采用半导体激光器实现SiC基半导体欧姆接触激光退火，可以取代成本较高的固体激光器，在成本上具备巨大优势；半导体激光的功率密度和脉宽容易调节，可以针对不同金属类型、不同膜厚的工况调节激光参数，进行欧姆接触激光退火；半导体激光器较低的功率密度，可以对更厚的金属膜进行激光退火，满足更广泛的工艺应用范围。
一些实施例中，所述半导体激光器产生的脉冲激光为单一波长的脉冲激光。更加具体地，所述脉冲激光的波长为808nm，脉冲频率为0～20kHz。
相较于短波长(200nm～560nm)固体激光而言，本申请的方案使用长波长(760nm～850nm)半导体激光，可以利用长波长激光瞬时功率密度相对较低、脉宽相对较长的特点，从而实现从金属表面到金属-SiC交界面温度梯度更加缓和。即在金属表面处于接近熔化状态(表面温度接近金属熔化温度Tm)时金属-SiC交界面温度Tc可以更高；又由于长波长半导体激光较长的脉宽，可以使金属-SiC交界面在反应温度Tr以上的持续时间td更长，使金属和SiC的反应更充分，比接触电阻更低，从而降低器件工作过程中的发热和损耗。所以，本申请方案通过调节半导体激光的功率密度和脉宽，可以针对不同金属类型、不同膜厚的工况，进行欧姆接触激光退火。
本申请的方案是一种采用单一长波长半导体激光器的激光退火方法，可以取代现在普遍使用的固体激光器，极大地降低研发及生产成本，并且可针对SiC器件生产中的不同金属类型、不同膜厚的欧姆接触退火，提供一种满足各种退火需求的工艺匹配解决方案。
在以SiC为基底的半导体材料上沉积一种金属膜(Ni/Ti/W/Mo/Cr/Ag/Al)，对金属膜照射波长为760～850nm范围内的脉冲激光束，使得SiC基底与金属膜的界面发生硅化反应，从而形成金属硅化膜，形成金属膜和SiC之间的欧姆接触，通过调节激光参数控制温度场，既使金属膜表面不发生熔化，又使金属膜与SiC交界面温度尽可能高，在反应温度以上持续更长的时间。
为进一步详述本申请的技术方案，首先介绍本申请方案所采用的单一波长半导体激光器的激光退火系统，该系统结构如图3所示：所述激光退火系统由系统控制单元1对激光器2的总体时序以及与载片台7同步运动进行控制，系统控制单元1为脉冲发生器的形式。
激光光束4经过光学系统3以整形光斑的形式投射到晶圆5表面，载片台7带动卡盘6和晶圆5进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆，完成激光退火整个工艺过程。
在空间分布上，光学系统3完成由光源原始光束至目标线斑的光束变换、匀化、合成及投影功能，根据产率设计和工艺性能的需要，把束斑由原始光斑整形为特定形貌的整形光斑，光斑的光强(I0)分布主要有两种形式，如图4所示：(1)矩形平顶光斑；(2)圆形平顶光斑，光斑的投影面积为S。
在时间分布上，激光脉冲是以重复频率f进行能量输出，输出信号如图5所示，纵坐标为功率P(W)，一个脉冲周期时间为T(T＝1/f)，单个脉冲脉宽为PW，PW的范围为0～T，当PW＝T时，此时激光为连续光输出。激光整形后的功率密度为PD(kW/cm2)，PD＝P/S；在实际应用中，优选f为0～20kHz，PD为1000～20000kW/cm2。
如图6和图7，示出了欧姆接触激光退火工艺过程。如图6所示，在SiC基底上沉积一种金属膜(Ni/Ti/W/Mo/Cr/Ag/Al)激光退火的示意图，M1为一种金属膜(Ni/Ti/W/Mo/Cr/Ag/Al)，Ms为SiC基底，S1为M1的表面，S2为M1-Ms交界面，在实施激光退火的全过程中，需保证S1不发生熔化(S1温度低于金属熔点)，S2的温度Tc高于M1与Ms反应温度Tr，且交界面S2的温度Tc越高，在反应温度Tr以上的持续时间td越长，反应越充分。
如图7所示，在SiC基底上按照从下往上的顺序沉积多种金属膜(Ni/Ti/W/Mo/Cr/Ag/Al)激光退火的示意图，M1、M2，……为多种金属膜，Ms为SiC基底，S1为最后沉积的金属膜表面，S2为M1-Ms交界面，在实施激光退火的全过程中，需保证S1不发生熔化(S1温度低于金属熔点)，S2的温度高于金属与SiC反应温度Tr，且交界面S2的温度Tc越高，在反应温度Tr以上的持续时间td越长，反应越充分。
一些实施例中，所述根据金属膜的相关参数确定激光参数，包括：
根据金属膜的相关参数，获取不同激光参数所对应的温度场变化曲线；
根据预设的判定指标，从多个不同的温度场变化曲线中确定最优的激光参数。
一些实施例中，所述获取不同激光参数所对应的温度场变化曲线，包括：
选取多组不同的激光参数；
在金属膜的相关参数相同的情况下，分别根据每一组激光参数进行实验，确定每一组激光参数所对应的温度场变化曲线。
一些实施例中，所述选取多组不同的激光参数，包括：
功率密度的选取范围是1000～20000kW/cm2，脉宽的选取范围是0～30μs；
在选取范围内任意选取多个不同数值的功率密度和脉宽的组合。
进一步地，所述预设的判定指标包括如下项中的至少一项：温度差ΔT、持续时间td。
一些实施例中，所述最优的激光参数为满足如下条件的激光参数：
在金属表面温度Ts接近但低于金属熔点的情况下，温度差ΔT最小；和/或，持续时间td最长。
下面结合具体的实施例，对本申请的方案进行拓展说明，但本发明不限于此。
考虑到实际激光器功率、产率和市场成熟度，优选808nm波长的半导体激光光源；优选频率在0～20kHz，优选PW在0～30μs，优选功率密度PD为1000～20000kW/cm2，可针对不同金属膜类型和厚度采取激光退火，金属膜类型不限于Ni/Ti/W/Mo/Cr/Ag/Al，不限金属膜的层数，不限定金属膜厚度。进行实验的SiC晶圆厚度为80μm，沉积金属为Ni，金属膜厚度为100nm，光斑形貌为100μm×100μm的方形光斑，选取四组功率密度PD参数PD1、PD2、PD3、PD4，功率密度单位为kW/cm2，其中PD1＜PD2＜PD3＜PD4；分别进行以下四个实验。
实施例1
采用808nm激光器，功率密度为PD1，当脉宽宽度为17000ns时，实验的温度场如图8所示，表面最高温Ts达1701.5K，表面未发生熔化，Ni-SiC界面最高温Tc达1687K，Ts与Tc的温度差ΔT＝14.5K，在反应温度Tr以上持续的时间td＝12960ns，在一个脉冲结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温。
实施例2
采用808nm激光器，功率密度为PD2，当脉宽宽度为3900ns时，实验的温度场如图9所示，表面最高温Ts达1687.4K，表面未发生熔化，Ni-SiC界面最高温Tc达1664.3K，Ts与Tc的温度差ΔT＝23.1K，在反应温度Tr以上持续的时间td＝2740ns，在一个脉冲结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温。
实施例3
采用808nm激光器，功率密度为PD3，当脉宽宽度为1800ns时，实验的温度场如图10所示，表面最高温Ts达1723.7K，表面未发生熔化，Ni-SiC界面最高温Tc达1689.2K，Ts与Tc的温度差ΔT＝34.5K，在反应温度Tr以上持续的时间td＝1360ns，在一个脉冲结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温。
实施例4
采用808nm激光器，功率密度为PD4，当脉宽宽度为800ns时，实验的温度场如图11所示，表面最高温Ts达1704.9K，表面未发生熔化，Ni-SiC界面最高温Tc达1655.1K，Ts与Tc的温度差ΔT＝49.8K，在反应温度Tr以上持续的时间td＝590ns，在一个脉冲结束后，开始降温，根据时序关系，直到下一个脉冲到来，表面开始再次升温，按时间周期T升温与降温。
以上四组实验，在表面温度接近但低于金属Ni熔点的情况下，所需要的脉宽PW时长和热预算Tb如图12所示，随着功率密度PD的增加，所需要的脉宽PW时长呈现降低的趋势，所需要的热预算Tb也呈现降低的趋势，优选功率密度PD范围1000～20000kW/cm2。
以上四组实验，在表面温度接近但低于金属Ni熔点的情况下，表面温度Ts与Tc的温度差ΔT如图13所示，相比于355nm固体激光器ΔT＝250.1K，td＝15.5ns，采用808nm半导体激光器的ΔT更小，td更长，意味着金属-SiC界面温度Tc可以更高，硅化反应的时间更长，更有利于金属硅化反应的进行。随着功率密度PD的增加ΔT也变大，当金属膜较厚时，ΔT随功率密度PD的变化也越明显，根据不同的金属膜厚，选择调节不同的功率密度PD和脉宽PW，使ΔT尽可能小，进而让金属-SiC界面温度Tc尽可能高，使金属的硅化反应更充分，比接触电阻更低。
本申请采用上述技术方案，具有如下的有益效果：
(1)因为808nm半导体激光器可以实现SiC基半导体欧姆接触激光退火，可以取代成本较高的355nm、527nm、532nm等固体激光器，在成本上具备巨大优势；
(2)因为808nm半导体激光器的脉宽调节机制的不同，可以实现缓和的温度场，使界面层温度更高，在反应温度以上持续的时间更长，可以实现更好的退火效果；
(3)因为808nm半导体激光器较低的功率密度，可以对更厚的金属膜进行激光退火，满足更广泛的工艺应用范围。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种SiC基半导体的激光退火方法，其特征在于，包括：
确定SiC基底上的金属膜的相关参数，所述金属膜的相关参数至少包括金属类型、金属膜厚度；
根据金属膜的相关参数确定激光参数，所述激光参数至少包括功率密度、脉宽；
按照确定的激光参数，采用半导体激光器产生对应的脉冲激光对SiC基半导体进行退火处理；
所述根据金属膜的相关参数确定激光参数，包括：根据金属膜的相关参数，获取不同激光参数所对应的温度场变化曲线；根据预设的判定指标，从多个不同的温度场变化曲线中确定最优的激光参数；
所述预设的判定指标包括如下项中的至少一项：温度差ΔT、持续时间td；所述温度差ΔT是金属表面的温度Ts与金属-SiC交界面的温度Tc之间的温度差，所述持续时间td是金属-SiC交界面的温度Tc在反应温度以上的持续时间；
所述最优的激光参数满足如下条件：在金属表面温度Ts接近但低于金属熔点的情况下，温度差ΔT最小；和/或，持续时间td最长。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取不同激光参数所对应的温度场变化曲线，包括：
选取多组不同的激光参数；
在金属膜的相关参数相同的情况下，分别根据每一组激光参数进行实验，确定每一组激光参数所对应的温度场变化曲线。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述选取多组不同的激光参数，包括：
功率密度的选取范围是1000～20000kW/cm2，脉宽的选取范围是0～30μs；
在选取范围内任意选取多个不同数值的功率密度和脉宽的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体激光器产生的脉冲激光为单一波长的脉冲激光。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光的波长范围为760～850nm，脉冲频率为0～20kHz。
6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述对SiC基半导体进行退火处理，包括：
将脉冲激光的束斑由原始光斑整形为矩形平顶光斑或圆形平顶光斑；
将整形后的光斑投射到SiC基半导体晶圆表面；
载片台带动卡盘和晶圆进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆。
7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述金属膜为一种金属的单层金属膜，或多种金属的多层金属膜。
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