TWI546147B - 用於照射半導體材料之裝置及其用途 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種藉助於一雷射來照射一半導體材料表面之方法。另外，本發明係關於一種用於照射一半導體材料表面之雷射裝置。
對於諸如為了獲得再結晶而對非晶矽之熱退火及摻雜劑活化之應用而言，對半導體材料表面之雷射照射係熟知的。此技術藉由致能非常快速之熱處理及經加熱區域之淺的深度而提供優於習知熱製程之明顯優點。
因為雷射束光點之形狀及/或大小通常不適合於待照射之區域的形狀及/或大小，所以當前技術水準提供若干構件來使雷射成形，以使得具有特定大小及形狀之半導體材料層的一區域或此等分開的區域之一圖案可被照射。舉例而言，如US2003199176中所說明，一種眾所周知之技術為，使用一遮蔽罩來使雷射束光點成形。該遮蔽罩可具有複數個孔隙。
因為雷射光點大小歸因於照射製程所需要之高能量密度及傳統可用雷射源之低輸出能量而遠小於晶粒(亦稱為晶片或器件)之大小，所以使用習知遮蔽罩技術之第一缺點為，當必須照射整個晶粒或一晶粒內之大的圖案時，雷射光點必須橫越或掃描該晶粒或該圖案以完全照射該晶粒或該圖案。此情形可導致處理速度減小及生產成本增大。
第二缺點為，若雷射光點掃描或橫越該圖案，則可能歸因於雷射能量密度之波動而產生摻雜劑活化速率或深度之非均一性及表面品質之非均一性。
第三缺點為，在待照射之連續圖案(亦即，未分開的區域之圖案)之大小大於雷射束光點的情況下，連續雷射光點將在該圖案之某些部分處重疊，從而導致摻雜劑活化速率或深度之非均一性及表面品質之非均一性。
考慮到以上雷射照射製程之缺點，存在對根據本發明之雷射照射裝置的明確需要，作為第一目標，根據本發明之雷射照射裝置可提供在不橫越或掃描一圖案或一晶粒以完全照射該圖案或該晶粒的情況下處理半導體材料層之能力，該能力可導致處理速度增大及生產成本減小。
作為第二目標，本發明可提供一種裝置，該裝置之製程效能對雷射能量密度之波動的依賴性較小且因而達成關於摻雜劑活化速率或深度及表面品質之晶粒內均一性的增大。
作為第三目標，本發明可提供一種裝置，該裝置允許使用者按照待照射之區域的幾何形狀來控制及調整雷射束光點之形狀及/或大小，藉此增大生產速率及生產靈活性。
作為第四目標，本發明可提供一種裝置，該裝置允許減少重疊或甚至抑制重疊且因而允許關於摻雜劑活化速率或深度及表面品質之均一性的增大。
作為第五目標，本發明可顯著限制允許使雷射束光點之形狀及/或大小匹配於待照射之區域所需要的光學元件之數目，因此減小裝置之成本及大小。
本發明藉由以下操作來滿足以上目標：使用一主雷射束，該主雷射束係藉由一用於成形之構件而成形為複數個副雷射束，該用於成形之構件包含複數個孔隙，該複數個孔隙之形狀及/或大小對應於待照射之半導體材料層之一共同區域的形狀及/或大小；及使用一光學系統，該光學系統經調適而用於疊加該等副雷射束以照射該共同區域。
本發明係關於一種用於照射半導體材料之裝置，該裝置包含：
- 一產生一主雷射束之雷射；
- 一光學系統；
- 及一用於使該主雷射束成形之構件，該用於使該主雷射束成形之構件包含用於使該主雷射束成形為複數個副雷射束之複數個孔隙；
該裝置之特徵在於，該等個別孔隙之形狀及/或大小對應於待照射之半導體材料層之一共同區域的形狀及/或大小，且該光學系統經調適而用於疊加該等副雷射束以照射該共同區域。
另外，本發明係關於此裝置在半導體器件製造中之使用。
熟習此項技術者應理解，根據本發明，以下所描述之實施例僅為說明性的且不限制本發明之預期範疇。亦可考慮其他實施例。
根據本發明之第一實施例，提供一種用於照射半導體材料之裝置，該裝置包含：
- 一產生一主雷射束之雷射；
- 一光學系統；
- 及一用於使該主雷射束成形之構件，該用於使該主雷射束成形之構件包含用於使該主雷射束成形為複數個副雷射束之複數個孔隙；
該裝置之特徵在於，該等個別孔隙之形狀及/或大小對應於待照射之半導體材料層之一共同區域的形狀及/或大小，且該光學系統經調適而用於疊加該等副雷射束以照射該共同區域。
藉由使用一主雷射束(該主雷射束係藉由一用於成形之構件而成形為複數個副雷射束，該用於成形之構件包含複數個孔隙，該複數個孔隙之形狀及/或大小對應於待照射之半導體材料層之共同區域的形狀及/或大小)，及藉由使用一光學系統(該光學系統經調適而用於疊加該等副雷射束以照射該共同區域)，該裝置提供在不橫越或掃描一圖案或整個晶粒以完全照射該圖案或該整個晶粒的情況下處理半導體材料層之能力，該能力可導致處理速度增大及成產成本減小。
另一優點可為，該裝置之製程效能對雷射能量密度之波動的依賴性較小，因為該裝置可一次性照射整個圖案或晶粒。此外，藉由使用一用於疊加副射束之光學系統，可改良入射於待照射之區域上的能量密度之均一性。因而，達成關於摻雜劑活化速率或深度及表面品質之晶粒內均一性的增大。
根據本發明之一裝置的又一優點可為，因為孔隙之大小及/或形狀對應於待照射之區域，所以不再需要連續之雷射光點，該情形導致重疊之減少且因而導致關於摻雜劑活化速率或深度及表面品質之均一性的增大。
另外，如熟習此項技術者將認識到，與習知系統相比，根據本發明之裝置顯著限制允許使射束光點之形狀及/或大小匹配於待照射之區域所需要的光學元件之數目，因此減小裝置之成本及大小。
該複數個孔隙(亦稱為「遮罩」)可為製造有複數個孔隙之實心板，或可為以任何形式(較佳以陣列之形式)安裝於框架中之孔隙的總成。本質上，一個此類孔隙於是為主雷射束之一部分所通過且界定副射束光點之形狀及大小的孔或開口。
該複數個孔隙的孔隙數目可為至少兩個直至M×N個，其中M及N可為2直至30、5直至20，且優先為10。
或者，該複數個孔隙可為鏡面或透鏡，該鏡面或透鏡包含一部分反射塗層，該部分反射塗層具有由一較低透射率區所圍繞的複數個較高透射率區(亦即，孔隙)。另外，藉由調整較高透射率區的透明度，可改變待照射之區域上的照射強度。
在根據本發明之一實施例中，提供一種用於照射半導體材料之裝置，其中該複數個孔隙中之每一者的形狀及大小使得該等副雷射束之光點形狀及光點大小匹配待照射之區域的形狀及大小。根據本發明之一裝置可包含一用於用具有不同形狀或大小之另外複數個孔隙來替換該複數個孔隙之構件。藉由修改孔隙形狀及大小，副射束光點之大小及形狀可大體上完全匹配於選定區域之大小及形狀。該用於替換之構件可包含一總成，該總成能夠儲存多個遮罩且能夠準確並自動地將所儲備之遮罩中之任一者定位於主雷射束路徑中。
在本發明之一較佳實施例中，待照射之區域可對應於至少一完整晶粒。可藉由一個雷射脈衝來處理該完整晶粒。又，該晶粒可接收多個雷射脈衝，所有該等雷射脈衝皆覆蓋該完整晶粒。另外，待照射之區域可對應於多個晶粒。照射一或多個完整晶粒可顯著有助於晶粒上之均勻照射能量分佈之增加且有助於減少重疊效應，從而導致製程均一性增大。
在根據本發明之一實施例中，且如圖1中所說明，該光學系統可包含一微透鏡陣列(ML2)及一球面透鏡(FL)。將藉由複數個孔隙使主雷射束成形為副雷射束，隨後將藉由該微透鏡陣列(ML2)及該球面透鏡來疊加該等副雷射束。該球面透鏡界定待照射之區域上之影像的放大率。較佳地，複數個孔隙(M)中之每一孔隙可大體上完全與ML2之一微透鏡對應，其中每一微透鏡在無限平面中形成相應孔隙之影像(IM)。與習知系統相比，因為僅需要一個微透鏡陣列及一球面透鏡，所以光學元件之數目小得多。
在根據本發明之一實施例中，且如圖2中所說明，該光學系統可另外包含第二微透鏡陣列(ML1)。因此，在此情況下，該光學系統包含兩個微透鏡陣列(ML1及ML2)及一球面透鏡(FL)。將藉由複數個孔隙協同ML1使主雷射束成形為副雷射束，隨後將由ML2及該球面透鏡(FL)來疊加該等副雷射束。較佳地，複數個孔隙(M)中之每一孔隙可大體上完全與ML1之一微透鏡對應，其中每一微透鏡在無限平面中形成相應孔隙之影像(IM)。
如圖3中所說明，後一實施例具有以下額外優點：其可藉由使得ML2可相對於ML1移動(所謂的「最小變焦」)而提供影像大小與待照射之區域的精細匹配及按照待照射之區域調整影像大小。圖4展示以此方式可達成之放大率之範圍的實例。
根據本發明之裝置的光學系統實際上充當一射束均勻化器。藉由在光學系統前面提供複數個孔隙，使雷射束成形且接著使其均勻化。與將遮罩定位成接近於晶圓之遮蔽罩方法相比，此情形提供關於影像之銳度的顯著優點。此外，非常接近之位置可包括污染半導體材料基板的風險。
或者，且如圖5中所說明，複數個孔隙(M)可位於雷射(L)之輸出鏡面的內表面處。在此情況下，該複數個孔隙可為安裝成儘可能接近於輸出鏡面之內表面之孔隙的總成。一種較簡單且較佳的建構方式為，在輸出鏡面的內表面上提供一部分反射塗層，該部分反射塗層具有由該輸出鏡面之內表面上的一較低透射率區所圍繞的複數個較高透射率區(亦即，孔隙)。後一方法提供一用於使主雷射束成形而無能量損失(由於該成形發生於雷射內部)之構件。
在根據本發明之一較佳實施例中，該複數個孔隙可為一M×N孔隙陣列。此M×N孔隙陣列較佳地對應於射束均勻化器之一或多個M×N微透鏡陣列。
如圖6中所說明，該等孔徑自身可展示一圖案。除了所有個別孔隙之形狀及/或大小對應於待照射之半導體材料層之共同區域的形狀及/或大小之事實以外，此等孔隙中之至少一者亦可展示較低及較高透射率區之一圖案。該孔隙之較高透射率區甚至可由副孔隙之一圖案形成。
如一些應用中所需要，藉由應用展示較低及較高透射率區之該圖案的孔隙，受控式非均一照射可為有可能的，從而允許在一個照射脈衝中處理具有若干子區域之一區域的能力，該等子區域具有不同照射要求(例如，針對不同活化摻雜劑百分比之不同熱預算)。該受控式非均一照射亦可用來補償由先前製程步驟產生之非均一性。
該雷射可為波長、能量及脈衝持續時間係針對製程予以調適之任何雷射。較佳地，該雷射可為準分子雷射，更佳地，該雷射可為氯化氙準分子雷射。
該雷射之波長可在低於600 nm之範圍中，在190 nm至480 nm之範圍中(歸因於矽在彼等波長處之高能量吸收)，且較佳為308 nm。
雷射能量可在5焦耳至25焦耳之範圍中。為了達成此等能量，通常將雷射放電量最佳化為10 cm(電極間的間距)×7至10 cm(放電寬度)×100至200 cm(放電長度)。
脈衝持續時間對應於介於快速加熱(為了減少摻雜劑之擴散)與相對較慢冷卻(為了減少缺陷之形成)之間的最佳值，且可在100 ns至1000 ns之範圍中，較佳在100 ns與300 ns之間。
在本發明之一實施例中，該雷射可經調適以產生具有在0.5 J/cm2與10 J/cm2之間的能量密度之預計雷射束。
在一較佳實施例中，該雷射可為經調適以產生大於60 cm2、大於80 cm2、較佳為100 cm2之大面積輸出射束的準分子雷射，該大面積輸出射束具有通常為1 cm2至10 cm2的一預計射束光點，該預計射束光點具有在0.5 J/cm2與10 J/cm2之間的能量密度。
根據本發明之一裝置可進一步包含用於在XYZ方向上對準副射束光點與複數個區域之構件。
藉由使用相機顯現半導體材料層上之射束光點、量測射束光點之大小及調整放大率，可執行進一步調整。
根據本發明之一裝置可進一步包含一圖案辨識系統。該圖案辨識系統可包含一相機，該相機以機械方式連接至一用於固持半導體材料之台且定位於材料層表面上方。在特定實施例中，可處理來自相機之影像以定位已在半導體材料上蝕刻之若干(通常為3個)對準標記。該等對準標記提供該半導體材料在裝置之座標系統中之精確位置。
該半導體材料層可為適合於半導體應用之任何材料，諸如但不限於，無摻雜矽、摻雜矽、植入矽、結晶矽、非晶矽、矽鍺、氮化鍺、III-V族化合物半導體(諸如氮化鎵、碳化矽)及其類似者。
根據本發明之裝置可用於製造半導體材料或器件，諸如但不限於，CMOS影像感測器、3D記憶體、CMOS邏輯器件及光電電池。
FL．．．球面透鏡
IM．．．影像
L．．．雷射
M．．．孔隙
ML1．．．第二微透鏡陣列
ML2．．．微透鏡陣列
圖1說明根據本發明之一裝置之一實施例。
圖2說明根據本發明之一裝置之另一實施例。
圖3說明根據本發明之所謂的「最小變焦」。
圖4說明藉助於根據本發明之「最小變焦」進行準確聚焦的可能性。
圖5說明根據本發明之一裝置之一替代實施例。
圖6說明複數個孔隙之修改。
FL．．．球面透鏡
IM．．．影像
L．．．雷射
M．．．孔隙
ML2．．．微透鏡陣列
Claims (11)
- 一種用於照射半導體材料之裝置，其包含：準分子雷射，產生主雷射束；用於使該主雷射束成形之構件，包含複數個孔隙，用於使該主雷射束成形為複數個副雷射束；光學系統，包含一陣列的微透鏡(ML2)，其中該微透鏡的每一者對應於複數個該孔隙的每一者，及一球面透鏡，該光學系統適於疊加該副雷射束以照射待照射之半導體材料層之共同區域；該裝置之特徵在於：該陣列的該微透鏡(ML2)中之該微透鏡具有相同的光學功率，每一該微透鏡在無限平面中形成相應的該孔隙之影像(IM)；且該等個別孔隙之形狀及/或大小藉由該光學系統通過成像而對應於該共同區域。
- 如請求項1之裝置，其中該等孔隙之該形狀及大小使得該等副雷射束之光點形狀及光點大小匹配待照射之該共同區域的該形狀及大小。
- 如請求項1或2之裝置，其中該光學系統另外包含一第二微透鏡陣列(ML1)，該等微透鏡中之每一者對應於該複數個孔隙中之一者。
- 如請求項1或2之裝置，其中該雷射包含一輸出鏡 面，且其中該複數個孔隙位於該輸出鏡面之內表面處。
- 如請求項4之裝置，其中該複數個孔隙包含一部分反射塗層，該部分反射塗層具有由一較低透射率區圍繞之複數個較高透射率區。
- 如請求項1或2之裝置，其中該複數個孔隙為一M×N孔隙陣列。
- 如請求項1或2之裝置，其中該等孔隙中之至少一者展示一圖案。
- 如請求項1或2之裝置，其中該雷射為經調適以產生具有在0.5J/cm2與10J/cm2之間的一能量密度之一預計雷射束的一準分子雷射。
- 如請求項1或2之裝置，其中待照射之該區域對應於至少一完整晶粒。
- 如請求項1或2之裝置，其進一步包含用於在XYZ方向上對準該副射束光點與待照射之該區域之構件。
- 一種將如請求項1至10中任一項之裝置用於半導體器件製造的用途。
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