TWI729598B - 用於熱處理基板的方法和關聯的系統 - Google Patents

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Abstract

一種用脈衝光束(13)熱處理具有表面區域(5)和掩埋區域(6)的基板(4)之方法，該基板呈現初始溫度-深度分佈以及該表面區域呈現初始表面溫度(T0)，包括以下步驟： b) 用初步脈衝(25)照射該表面區域，以便其產生熱量的量以及達到預定的初步表面溫度(T25 )， c) 在時間間隔(Δt)之後，用後續脈衝(27)照射該表面區域，以便其達到預定的後續表面溫度(T27 )， 根據該發明，確定該時間間隔，使得該表面區域達到預定的中間表面溫度(Ti)，使得在該時間間隔期間，該熱量的量在該基板內向下擴散到預定的深度，以便該基板呈現預定的中間溫度-深度分佈。

Description

用於熱處理基板的方法和關聯的系統
本發明係有關半導體材料的熱處理。 更準確地說，本發明係有關一種用脈衝光束對基板進行熱處理的方法。 本發明還有關一種用於利用脈衝光束對基板進行熱處理的系統。
在半導體製造製程中，形成在基板的表面上的裝置和掩埋在該表面下的裝置可能非常脆弱並且對溫度動力靈敏。 為了在製造製程的熱處理階段不損壞裝置，對基板的溫度的變化進行完美控制至關重要。 諸如雷射退火之類的現代熱處理技術在熔融溫度下的時間可能非常短，即在次微秒的時間範圍內，並且可以非常淺的熱量穿透到基板中。然而，即使熱量源是有限的且受時間控制的，退火動力也總是難以控制的。 特別是在奈秒雷射技術中，使基板的表面區域經受到奈秒雷射脈衝的影響，脈衝期間的退火動力是表面區域的熱激發與藉由熱擴散進入基板的掩埋區域而引起的弛豫之間的競爭現象。 例如，當使具有高導熱率的材料經受奈秒雷射退火時，在脈衝期間的熱擴散可能很重要。表面溫度的溫度斜坡上升將是緩慢的，並且退火將深入穿透到基板的掩埋區域中。 在相反的情況下，當將熱絕緣體材料暴露於奈秒雷射時，可以忽略脈衝期間的熱擴散，從而獲得局部的深度加熱並非常快速地提高表面溫度。 再者，通常必須在給定溫度下對表面區域進行退火，而掩埋在基板中的區域必須在另一個給定溫度下進行退火，或者不應進行退火。 在雷射處置中，由於相互依賴的雷射參數和材料/裝置的熱特性之間的間接結果，傳統上很難控制溫度的變化和熱量的擴散。在次微秒系統(例如奈秒脈衝雷射)中，控制甚至更加困難，在這種系統中，脈衝持續時間和重複頻率通常是固定的、或者不靈活，並且受雷射源限制。 需要一種在熱處理期間中改善溫度控制的方法。
在此背景下，本發明提供了一種用脈衝光束熱處理基板的方法，該基板具有表面區域和掩埋區域，該基板的基板溫度呈現初始溫度-深度分佈以及該表面區域的表面溫度處於初始表面溫度，包括以下步驟： b) 用該脈衝光束的初步脈衝照射該表面區域，該初步脈衝從而提供能量的初步量到該表面區域，以便該表面區域產生熱量的初步量以及該表面溫度達到預定的初步表面溫度， c) 在時間間隔之後，用該脈衝光束的後續脈衝照射該基板的該表面區域，該後續脈衝從而提供能量的後續量到該表面區域，以便該表面區域產生熱量的後續量以及該表面溫度達到預定的後續表面溫度， 根據該方法，確定該時間間隔，使得在該時間間隔期間該表面溫度達到預定的中間表面溫度，所述預定的中間表面溫度大於該初始表面溫度，使得在該時間間隔期間，該熱量的初步量在該掩埋區域中向下擴散到該基板的預定的深度，以便該基板溫度呈現預定的中間溫度-深度分佈。 該方法允許精確控制表面區域的表面溫度的變化和基板的溫度-深度分佈，即基板的溫度動力。 由於脈衝的累積作用，該方法允許表面溫度隨時間逐漸升高。實際上，該時間間隔使得表面溫度沒有足夠的時間返回兩個脈衝之間的初始溫度。因此，由表面區域產生的後續熱量被添加到尚未擴散到掩埋區域中的熱量中，並且後續脈衝之後的表面溫度高於初步脈衝之後的表面溫度。 這是有利的，因為可以根據基板材料以及在基板內和基板上形成的裝置來調整表面區域的溫度斜坡(temperature ramp)，即溫度隨時間的變化率。例如，可以使靈敏的裝置和基板經受溫和的溫度斜坡，而可以使更堅固的裝置和基板經受較陡的溫度斜坡。 該方法還允許控制掩埋區域的溫度分佈的變化。與提供更多能量的脈衝相比，對於提供較少能量的脈衝，擴散到掩埋區域中的該熱量的量較低，並且掩埋區域將達到較低的溫度。儘管如此，由於累積效應，仍可以達到目標表面溫度。 這是有利的，因為該方法因此可以適於處理熱導體和熱絕緣體。 該方法還允許使基板經受目標溫度-深度分佈，其被調適於特定電子結構(諸如FINFET或IGBT)的熱處理。 根據本發明之方法的另一個有利的和非限制性的特徵包含：重複該步驟b)之用該初步脈衝照射該表面區域以及該步驟c)之用該後續脈衝照射該表面區域直到該表面溫度達到目標溫度以及該基板溫度呈現目標溫度-深度分佈。 根據本發明之方法的另一個有利的和非限制性的特徵包含：該基板的該掩埋區域包括植入有具有預定的摻雜物元素濃度深度分佈的摻雜物元素的區域，以及其中，該目標溫度-深度分佈被調適以活化該植入區域的該摻雜物元素。 根據本發明之方法的其他有利和非限制性特徵包含： - 該植入區域位於距表面區域大於500奈米的深度處且具有小於50微米的厚度， - 該摻雜物元素被調適以在該植入區域中產生單極載子的一種類型， - 該摻雜物元素被調適以在該植入區域中產生單極載子的兩種類型， - 該基板是半導體材料，選自包括以下各項的群組：矽、碳化矽、矽鍺、鍺、氮化鎵、砷化鎵、鑽石。 根據本發明之方法的另一個有利的和非限制性的特徵包含：初步脈衝和後續脈衝中的每一個具有等於或小於1奈秒的持續時間。這是有利的，因為小於1奈秒的脈衝將在脈衝期間產生快速的溫度增加而沒有明顯的擴散，因此可以精確控制表面峰值溫度。 根據本發明的方法之另一有利且非限制性的特徵包含：脈衝光束具有等於或小於532奈米的波長。這是有利的，因為波長等於或小於532奈米的光比波長大於532 nm的光更好地被基板吸收。因此，由脈衝提供的能量被限制在基板的淺區域，並且 根據本發明的方法的其他有利和非限制性特徵包含： - 初步脈衝和後續脈衝之間的時間間隔等於或小於25奈秒， - 脈衝光束的波長等於或小於532奈米， - 對於每個脈衝，脈衝光束的能量密度大於每平方公分1毫焦耳， - 該方法進一步包括步驟a)之為了達到該預定的初步表面溫度、該預定的中間表面溫度和該預定的後續溫度-深度分佈，確定相對於該脈衝光束的參數的值，其中，該相對於該脈衝光束的參數是選自包括以下各項的群組：該時間間隔、脈衝光束的能量密度、該脈衝光束在該表面區域上所形成的光斑的形狀， - 該方法進一步包括步驟d)之在該表面區域上方掃描該脈衝光束以及其中，在步驟a)的期間，相對於該脈衝光束的該參數的群組進一步包括該脈衝光束的掃描速度， - 藉由該初步脈衝傳遞的該能量的初步量與藉由該後續脈衝傳遞的該能量的後續量不同， - 藉由該初步脈衝和後續脈衝中的每一個各自傳遞的該能量的量小於該表面區域達到該基板的該表面區域的熔化溫度所需的能量的量， - 目標溫度是表面區域的熔融溫度。 本發明還有關一種用於用脈衝光束熱處理基板的系統，該基板具有表面區域和掩埋區域，該基板的基板溫度呈現初始溫度-深度分佈以及該表面區域的表面溫度處於初始表面溫度，所述系統包括： - 光源，其被調適以發射光束， - 束控制系統，其被組態以從發射的該光束產生該脈衝光束，所述系統被調適以產生初步脈衝和後續脈衝， - 該脈衝光束的所述初步脈衝照射該基板的該表面區域，該初步脈衝從而提供能量的初步量到所述表面區域，以便該表面區域產生熱量的初步量以及該表面溫度達到預定的初步表面溫度， - 在時間間隔之後，該脈衝光束的所述後續脈衝照射該基板的該表面區域，該後續脈衝從而提供能量的後續量到所述表面區域，以便所述表面區域產生熱量的後續量以及該表面溫度達到預定的後續表面溫度。 根據本發明，在所述時間間隔之後，該系統被調適以產生所述後續脈衝，所述時間間隔被確定使得在該時間間隔期間，該表面溫度達到預定的中間表面溫度，所述預定的中間表面溫度大於該初始表面溫度，使得在該時間間隔期間，該熱量的初步量在該掩埋區域內向下擴散到該基板的預定的深度，以便該基板溫度呈現預定的中間溫度-深度分佈。 根據本發明的方法的其他有利和非限制性特徵包含： - 該系統被組態以重複該用該初步脈衝照射該表面區域以及該用該後續脈衝照射該表面區域直到該表面溫度達到目標溫度以及該基板溫度呈現目標溫度-深度分佈， - 該基板的該掩埋區域包括植入有具有預定的摻雜物元素濃度深度分佈的摻雜物元素的區域，以及其中，該目標溫度-深度分佈被調適以活化該植入區域的該摻雜物元素， - 該初步脈衝和後續脈衝中的每一個具有等於或小於1奈秒的持續時間， - 脈衝光束的波長等於或小於532奈米， - 初步脈衝和後續脈衝之間的時間間隔等於或小於25奈秒， - 脈衝光束的能量密度大於每平方公分1毫焦耳， - 光束控制系統被組態以為了達到該預定的初步表面溫度、該預定的中間表面溫度和該預定的後續溫度-深度分佈，確定相對於該脈衝光束的參數的值，其中，該相對於該脈衝光束的參數是選自包括以下各項的群組：該時間間隔、脈衝光束的能量密度、該脈衝光束在該表面區域上所形成的光斑的形狀。
圖1表示用於熱處理基板4的系統1。 基板4由半導體材料製成。基板4包括例如Si(矽)材料或SiGe(矽-鍺)材料。 諸如電晶體，電阻器及其金屬互連體的電子裝置形成在基板4的表面區域5上。 表面區域5具有表面熔融溫度Tm。表面熔體溫度Tm取決於基板材料以及在表面區域5上形成的電子裝置。 在表面區域5的下方，基板4呈現掩埋區域6。掩埋區域6還可以包括電子裝置的掩埋層41。每個掩埋層41具有沿第一軸(0z)測量到的深度Dl。第一軸(0z)垂直於表面區域5，第一軸(0z)的原點0位於表面區域5上。第一軸(0z)朝向半導體材料3的塊體。每個掩埋層41具有各自的熔融溫度Tblm。 掩埋區域6呈現溫度-深度分佈8。溫度-深度分佈8對應於溫度隨掩埋區域6的深度的變化。 系統1包括光源7和束控制系統9。 光源7發射光束11，例如雷射束11。光源7例如是發射波長等於或小於1.06微米的短波長雷射。光源7較佳地是發射波長等於或小於532奈米的雷射。光源7較佳地是發射波長等於或小於355奈米的紫外線雷射。 光源7較佳地是脈衝雷射，較佳地以非常高的重複率，例如大於40兆赫茲工作的擬連續波雷射。 束控制系統9接收並修改發射的光束11，以生產被調適以熱處理基板4的脈衝光束13。 束控制系統9藉由控制相對於脈衝光束13的參數來控制表面區域5的表面溫度的變化和掩埋區域6的溫度-深度分佈的變化。相對於脈衝光束13的參數包含：脈衝光束的能量密度Ed、脈衝的持續時間tp 、脈衝頻率、脈衝之間的時間間隔Δt(等於脈衝頻率的倒數)、對於脈衝光束的總曝光時間、在熱處理期間的脈衝的數量。 為此，束控制系統9包括諸如腔、透鏡、衰減器15、反射鏡17、束整形器19、束掃描器21和控制單元23之類的組件。 例如，束控制系統9藉由使發射的光束11穿過包括例如衰減板的衰減器15並且藉由改變衰減器的透射來控制脈衝能量密度Ed。替代地或另外，束控制系統9藉由改變光源7的內部參數，例如光源7的激升功率(pumping power)，來控制脈衝能量Ed密度。 例如，束控制系統9利用調適的組件來控制脈衝光束13的頻率。例如，可以藉由以期望的頻率從外部控制光源7的振盪器來調節脈衝光束13的頻率。可替代地，可以藉由使用電光模組來控制脈衝光束13的頻率，該電光模組例如是使脈衝列中的特定脈衝偏轉的「脈衝撿出器(pulse picker)」。 例如，由於束整形器19，束控制系統9控制由脈衝光束13在表面區域5上所形成的光斑20的形狀和大小。 例如，由於束掃描器21，束控制系統9控制在熱處理期間由表面區域5接收的脈衝的數量。確定掃描速度以便用期望的脈衝的數量照射表面區域5。在表面區域5上任何照射點處累積的脈衝等於光斑大小乘以脈衝光束13的頻率除以掃描速度。 束控制系統9包括控制單元23。控制單元23包括例如微處理器和記憶體。控制單元23的記憶體儲存電腦程式，該電腦程式調適以施行由微處理器執行時對基板4進行熱處理的方法。再者，控制單元23被組態以向束控制系統9的其他組件15、17、19、21以及向光源7發送指令，以相對於脈衝光束13控制參數。 圖2說明了脈衝光束13的一些參數。脈衝光束13包括脈衝列24。在此，脈衝列24包括六個脈衝25、27，也稱為六個週期。 脈衝光束13的單脈衝25、27的持續時間tp 例如等於或小於100奈秒。單脈衝25、27的持續時間tp 較佳地等於或小於10奈秒。單脈衝25、27的持續時間tp 較佳地等於或小於1奈秒。 單脈衝25、27的能量密度Ed 在每平方公分1微焦耳和每平方公分30毫焦耳之間。 在圖2中可見，脈衝雷射束13具有兩個能量狀態：「開啟狀態」，其中脈衝25、27傳遞的能量不同於零；以及「關閉狀態」，其中脈衝25、27傳遞的能量等於零。 初步脈衝25和後續脈衝27之間的時間間隔Δt的持續時間等於或小於1毫秒。在初步脈衝25和後續脈衝27之間的時間間隔Δt的持續時間較佳地等於或小於1微秒。初步脈衝25和後續脈衝27之間的時間間隔Δt的持續時間較佳地等於或小於1奈秒。換句話說，脈衝光束13的頻率在10兆赫茲至1吉赫茲的範圍內。 包含脈衝之間的總時間的表面區域5的總曝光時間等於或小於1毫秒。表面區域5的總曝光時間較佳地等於或小於10微秒。 藉由控制時間間隔Δt、脈衝光束能量密度Ed、脈衝光束頻率、掃描速度和光束形狀，系統1實現了對處理條件的完全控制。 在圖2中，第一曲線29表示表面區域5的表面溫度Ts隨時間的變化。在圖2中可見，表面溫度Ts具有週期性。當表面溫度已經從一個溫度極限值循環到連續的相同溫度極限值時，例如在兩個連續的最小值或兩個連續的最大值之間，就完成了溫度循環。 當表面區域5被初步脈衝25照射時，表面溫度Ts達到預定的初步表面溫度T25 。當不照射表面區域5時，表面溫度達到預定的中間表面溫度Ti 。 這裡，當表面區域5不被照射時，表面溫度Ts降低，因此預定的初步表面溫度T25 是最大溫度。 由於在該實施例中，表面區域5由六個脈衝的脈衝列24照射，因此第一曲線29表現出6個溫度循環。 在後續脈衝27期間，表面溫度Ts達到預定的後續表面溫度T27 。 圖2還說明了表面溫度的包絡，該包絡的上部包絡部分31經過脈衝之後達到的最高溫度，而下部包絡部分33經過脈衝之後達到的最低溫度。 圖2還說明了溫度斜坡35，換句話說，溫度隨時間的變化率。基於相對於脈衝光束13的參數確定溫度斜坡35。 在實施例中，光源7包括擬連續波雷射(QCW)，諸如來自同調(Coherent)的帕拉丁(Paladin)雷射模型。 帕拉丁雷射的發射波長為355 nm。 單脈衝的脈衝持續時間tp 為15皮秒。 帕拉丁雷射具有等於80 MHz的固定脈衝頻率，換句話說，脈衝之間的時間間隔Δt的持續時間為12.5奈秒。 帕拉丁雷射的功率為16W。發射的束的每個脈衝能量為0.2微焦耳。 束控制系統9將脈衝光束13整形為大約30微米的高斯光斑，以便達到每平方公分28微焦耳的能量密度Ed 。 掃描速度例如是每秒1米。對於在80 MHz頻率下30微米的光斑大小，處理時間為30微秒，對應於2400個脈衝。 在其他實施例中，光源7包括另一具有可調頻率的擬連續波雷射。這種具有可調頻率的雷射提供了修改脈衝之間的時間間隔的可能性。 參照圖3，用脈衝光束13熱處理基板4的方法包括階段a)，該階段a)確定相對於脈衝光束13的參數的值。相對於脈衝光束的參數選自包括以下各項的群組：兩個脈衝25、27之間的時間間隔Δt的持續時間、脈衝25、27的能量密度Ed、在表面區域5上方的脈衝光束的掃描速度、脈衝光束形狀、脈衝持續時間tp 、脈衝25、27的數量。 藉由每個脈衝25、27傳遞的該能量的量小於該表面區域5達到該表面區域5的熔化溫度Tm所需的能量的量。 基於至少一個熱處理參數來確定相對於脈衝光束13的參數的值。熱處理參數選自包括以下各項的群組：目標表面溫度、預定的初步表面溫度、預定的後續表面溫度T27 、預定的溫度斜坡、預定溫度及/或高於預定的溫度的時間、基板4的預定的溫度-深度分佈8、預定的深度。 預定的深度是一個深度，在該深度之下，基板4的溫度不應超過給定溫度，以便不損壞掩埋在基板4中更深的裝置。給定溫度為例如400℃。 圖4是在熱製程期間之區域3的溫度隨時間變化的曲線圖。 圖4表示對應於表面區域5的表面溫度變化的第二溫度曲線37。圖4表示第三溫度曲線39，其對應於位於基板4內深度D41 處的掩埋層41的另一溫度的變化。在此，層的深度D41 例如約為1微米。 在熱處理開始時，基板4具有初始溫度-深度分佈，並且表面區域5的表面溫度Ts處於初始表面溫度T0。例如，基板4處於室溫。 在步驟b)期間，脈衝光束13的初步脈衝25照射表面區域5。由此，初步脈衝25提供能量E25 的初步量到表面區域5，由表面區域5局部地產生熱量，並且表面溫度Ts達到預定的初步表面溫度T25 。局部加熱(也稱為熱化階段)發生的時間快於1x10-10 秒。 在脈衝光束13的該「開啟狀態」期間，表面溫度Ts增加並且達到預定的初步表面溫度T25 ，例如大約240℃。 脈衝光束13然後處於「關閉狀態」。在對應於兩個脈衝之間的時間間隔Δt的「關閉狀態」期間，表面區域5未被脈衝光束13照射。結果，表面溫度Ts降低並達到預定的中間表面溫度Ti。 在步驟a)中確定時間間隔Δt的持續時間，使得表面區域5僅部分弛豫。表面區域5與時間間隔Δt成比例地弛豫。換句話說，表面溫度Ts不會回到初始值T0。換句話說，預定的中間表面溫度Ti大於初始值T0。 再者，在時間間隔Δt期間，隨著表面區域5所產生的熱量擴散到掩埋區域6中，掩埋層37的另一個溫度升高。在步驟a)期間，確定相對於脈衝光束13的參數的值，以使產生的熱量的初步量向下擴散至預定的擴散深度，並獲得基板4的預定的溫度-深度分佈。 在步驟c)期間，後續脈衝27在時間間隔Δt之後照射表面區域5。由此，後續脈衝27提供能量E27 的後續量到表面區域5。表面區域5產生熱量的後續量，並且表面溫度Ts達到預定的後續表面溫度T27 。然後觀察到累積效果：由於預定的中間表面溫度Ti 大於初始表面溫度T0 ，因此預定的後續表面溫度T27 大於預定的初步表面溫度T25 。在該實施例中，所有脈衝25、27提供能量的相同量。 重複步驟b)之用初步脈衝25照射表面區域5以及步驟c)之用後續脈衝27照射表面區域5直到表面區域5的表面溫度Ts達到目標表面溫度以及基板溫度達到目標溫度-深度分佈。 選用地，如果待熱處理的表面區域5大於光斑20，則在步驟d)期間在表面區域5上掃描脈衝光束13。在這種情況下，表面區域5的第一部分被初步脈衝25照射，表面區域5的第二部分被後續脈衝27照射。 在圖4中，觀察到對應於41個脈衝的41個週期。可見，表面溫度Ts呈現週期性變化，其中表面溫度在表面溫度最大值與表面溫度最小值之間快速變化，「開啟狀態」期間達到的表面溫度最大值(對應於初步和後續溫度)，「關閉狀態」期間達到的表面溫度最小值。 相反，掩埋層41的第三溫度曲線39具有平滑的分佈。掩埋層41不受溫度的週期性變化的影響。 圖5a和5b說明了可以用本發明的熱處理進行處理的結構的實施例。 圖5a和5b說明了矽FINFET結構43。鰭45以距離d(例如等於50奈米)分開。 在圖5a中，脈衝雷射束13處於「開啟狀態」，脈衝光束13的脈衝照射表面區域5。 脈衝光束13不嚴格限於區域表面5。脈衝光束13穿透幾奈米，進入FINFET結構43。例如，對於紫外線雷射，脈衝光束穿透1奈米進入鍺材料，穿透3奈米進入矽鍺材料，並且穿透7奈米進入矽材料。例如，對於紫外線雷射，普通半導體的脈衝光束最多可以穿透10奈米。例如，對於紫外線雷射，脈衝光束最多可穿透200奈米，進入金屬和其他寬間隙材料，例如碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)。 FINFET結構43從脈衝接收能量的一定量，並且FINFET結構43的複數區47經歷局部加熱(熱化)。 在圖5b中，脈衝雷射束13處於「關閉狀態」，表面區域5沒有被照射。熱量在FINFET結構43中擴散到區域47之外。箭頭49指出熱量擴散的方向。 圖6是在FINFET結構43的各個深度處的溫度變化的曲線圖。 在此實施例中，FINFET結構43的矽表面區域5的溫度應經歷漸進退火，直至或在目標溫度(等於熔融溫度(此處為1415℃))之上。基板4具有在表面區域5之下10微米深度處的掩埋層，為了避免損壞，不應在500℃以上對其進行退火。 確定相對於脈衝光束13的參數值以符合上述熱要求。確定以下參數值滿足溫度要求： - 脈衝持續時間=0.9奈秒； - 時間間隔=10奈秒， - 重複率=100百萬赫茲 - 每脈衝能量=10毫焦耳/平方公分 - 峰值溫度=272.98℃ 在使基板4經受熱處理之後，表面溫度大於1420℃，換句話說，大於熔融溫度。溫度下的時間為7.4微秒。 在圖6中，第四溫度曲線51對應於表面溫度的較高包絡部分，第五溫度曲線53對應於表面溫度的較低包絡部分。在5微秒的熱處理之後，第四溫度曲線51已經達到目標溫度。 第六溫度曲線55對應於在1微米深度的層的溫度變化。第七溫度曲線57對應於在2微米深度處的層的溫度變化。第八溫度曲線59對應於在5微米深度的層的溫度變化。第九溫度曲線61對應於在10微米深度處的層的溫度變化。 在圖6中，可見溫度隨深度而降低。 還可見，在5微秒的熱處理之後，以10微米深度掩埋的層的溫度達到約420℃，這低於期望的500℃。 圖7說明了相對於脈衝光束13利用不同參數值獲得的不同表面溫度動力。 藉由用第十脈衝列65照射表面區域3，獲得第十溫度曲線63。第十溫度曲線63對應於具有平滑的溫度斜坡並且深度相對均勻的長時間熱處理。用第十脈衝列65實現的熱處理類似於典型的平衡退火，也稱為毫秒快速熱退火(RTP)。 藉由用第十一個脈衝列69照射表面區域3獲得第十一個溫度曲線67。與第十脈衝列65的脈衝相比，第十一脈衝列69的脈衝向表面區域5提供更高的能量。用第十一脈衝列69實現的熱處理類似於經典步驟並重複奈秒製程。 藉由用第十二脈衝列73照射表面區域5來獲得第十二溫度曲線71。用第十二脈衝列73實現的熱處理是具有重要的選擇性和高峰值溫度的中間解決方案，但是該熱處理的溫度斜坡不如傳統脈衝雷射處理的溫度斜坡陡，因此不那麼積極並且具有更少的可能會損壞表面區域5上的裝置以及掩埋在基板4中的裝置。 圖8a、8b、8c說明了藉由控制由脈衝列的每個脈衝傳遞的能量來控制表面包絡的附加能力。 圖8a說明了表現出標準表面溫度斜坡上升的第十三溫度曲線75。在該實施例中，使表面區域5經受到第十三脈衝列77，其具有相等能量的脈衝並且在脈衝列的末端具有不受控制的冷卻。 圖8b說明了第十四溫度曲線79，該曲線表現出標準溫度斜坡上升，隨後藉由第十四脈衝列81的每個脈衝能量對應減少而獲得的給定溫度下穩定包絡。 圖8c說明了第十五溫度曲線83，其顯示出標準溫度斜坡上升，隨後藉由逐漸減小由第十五脈衝列85的每個脈衝提供的能量而獲得的受控冷卻。 根據另一實施例，相對於脈衝光束13的參數的其他組合是可用的，例如，可以在熱處理期間改變時間間隔Δt和每個脈衝傳遞的能量。 根據另一實施例，該方法可以應用於基板4，該基板4的掩埋區域包括植入有具有預定的摻雜物元素濃度-深度分佈的摻雜物元素的區域87。在這種情況下，重複步驟b)之用初步脈衝25照射表面區域5以及步驟c)之用後續脈衝27照射表面區域5直到該基板溫度呈現目標溫度-深度分佈。目標溫度-深度分佈被調適以活化植入區域87的摻雜物元素。 例如，該方法可以應用於深接面裝置的形成，例如矽絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。 為了製造矽lGBT裝置，藉由用摻雜物元素轟擊矽基板的表面區域(此處為背面)，將摻雜物元素植入到矽基板中。例如，基板的植入區域可以具有每平方公分大於1x1013 原子的摻雜物元素濃度。 摻雜物元素藉由產生單極載子來改變基板的電性質。受子類型的摻雜物元素會產生正單極載子。施子類型的摻雜物元素產生負單極載子。 圖9表示包括植入區域87的基板4。在該實施例中，向植入區域87植入單摻雜物，這裡為磷(Ph)。磷摻雜物元素被調適以產生單極載子的一種類型。 圖9表示在基板4中的磷的預定的植入分佈89，作為基板深度的函數，換句話說，基板4的預定的摻雜物元素濃度-深度分佈89。 使用介於700keV和2 MeV之間的植入能量來獲得深度達到1微米至5微米之間的深植入分佈。 植入區域87例如位於基板的掩埋區域中，距表面區域5深於500奈米的深度。植入區域87具有例如等於或小於500奈米的厚度。 在該實施例中，為了活化在低至2微米的深度處植入的磷摻雜物，低至2微米的植入區域87的溫度應大於或等於活化溫度Ta。活化溫度Ta例如大於或等於700℃。然而，為了避免損壞，不能在高於400℃的溫度下加熱與基板4的植入面相對向的面的溫度。較佳地，相對向面不應在高於100℃的溫度下加熱。 在圖9中，活化溫度Ta由水平虛線90表示。基板4中具有高於活化溫度Ta的溫度的區域被活化。基板4中具有低於活化溫度Ta的溫度的區域未被活化。 圖9還顯示了基板4的一系列溫度-深度分佈91、93、95、97、99、101、103、105。當使基板4經受本發明的方法時，獲得溫度-深度分佈91-105中的每一個。每個溫度-深度曲線91-105對應於相對於脈衝光束的參數值的不同組合。在該實施例中，用能量密度和脈衝的數量的不同組合獲得每個溫度-深度分佈91–105。 例如，溫度-深度分佈91對應於比其他溫度-深度分佈93-105具有更高能量密度和脈衝的更少數量的脈衝序列。可見，與其他溫度-深度分布93-105相比，在淺深度處基板4的溫度更高，並且在較深深度處，基板4的溫度下降至比其他溫度-深度分佈93-105更低的溫度。 當使表面區域5經受具有高能量密度和低脈衝數的脈衝序列時，所產生的熱量被限制在表面區域附近，這就是為什麼基板接近表面區域5的溫度高而基板接近更深的深度處的溫度低的原因。 溫度-深度分佈105對應於一個脈衝序列，比起其他溫度-深度分佈91-103，該序列具有更低的能量密度和更高數量的脈衝。可見，與其他溫度-深度分佈91-103相比，接近表面附近和最深深度處的溫度變化很小。 當使表面區域5經受低能量密度和高脈衝數的脈衝序列時，熱量更深地散發到基板中，這就是為什麼基板接近表面區域5的溫度和基板在最深深度處的溫度相近的原因。 最陡的溫度-深度分佈91和最平坦的溫度深度分佈103之間的溫度-深度分佈93-103對應於參數值相對於脈衝光束的其他不同組合，其中，比起較平坦的分佈，較陡的分佈具有較高的能量密度和較少的脈衝數。 從圖9可以看出，並非每個溫度-深度分佈都被調適以活化深度下至2微米處的摻雜物元素。在此，僅調適溫度-深度分佈99-105，因為基板在2微米深度處的溫度高於活化溫度Ta。因此，可以從任何溫度-深度分佈99-105中選擇適合於活化磷摻雜物元素的目標溫度-深度分佈。 例如，藉由用小於1奈秒的500個脈衝照射表面區域來獲得溫度-深度分佈99-105中的一個，每個脈衝的能量密度為每平方公分19毫焦耳，時間間隔Δt為12奈秒。 例如，藉由用小於1奈秒的1000個脈衝照射表面區域來獲得溫度-深度分佈99-105中的另一個，每個脈衝的能量密度為每平方公分15毫焦耳，時間間隔Δt為12奈秒。在該第二能量分佈實施例中，隨著擴散時間的增加，可以看到更深的影響。 圖10說明了另一實施例，其中向基板4植入兩種類型的摻雜物元素。這裡，兩種類型的摻雜物元素包括磷和硼。在矽基板中，硼摻雜物元素充當受子。換句話說，硼摻雜物元素被調適以產生單極載子的另一種類型，更確切地說是電洞(hole)。 因此，在該實施例中，基板被植入有被調適以產生單極載子的兩種類型的摻雜物元素。 例如，如先前實施例中那樣植入磷原子。硼原子被植入例如1到100千電子伏特之間的能量。 圖10說明了與圖9相同的曲線。此外，圖10還說明了在基板4中的硼的植入分佈(107)，作為基板深度的函數，換句話說，基板4的另一摻雜物元素濃度-深度分佈107。 不同的溫度-深度分佈91–105可以用於選擇目標溫度-深度分佈，因此可以選擇脈衝的能量密度和數量的組合來活化植入到基板4中的摻雜物元素。 該方法可以應用於由選自包括下列各項的群組的半導體材料製成的基板：碳化矽、矽鍺、鍺、氮化鎵、砷化鎵、鑽石。 根據該應用，從包括下列各項的群組中選擇摻雜物元素：硼、磷、砷、鋁、鎵、銦、鉈、銻和鉍。
1:系統 4:基板 5:表面區域 6:掩埋區域 7:光源 8:溫度-深度分佈 9:束控制系統 11:光束 13:脈衝光束 15:衰減器 17:反射鏡 19:束整形器 20:光斑 21:束掃描器 23:控制單元 24:脈衝列 25:脈衝列 27:脈衝列 29:曲線 31:包絡部分 33:包絡部分 35:溫度斜坡 37:溫度曲線 39:溫度曲線 41:掩埋層 43:FINFET結構 45:鰭 47:區 49:箭頭 51:溫度曲線 53:溫度曲線 55:溫度曲線 57:溫度曲線 59:溫度曲線 61:溫度曲線 63:溫度曲線 65:脈衝列 67:溫度曲線 69:脈衝列 71:溫度曲線 73:脈衝列 75:溫度曲線 77:脈衝列 79:溫度曲線 81:脈衝列 83:溫度曲線 85:脈衝列 87:區域 89:摻雜物元素濃度深度分佈 90:水平虛線 91:溫度-深度分佈 93:溫度-深度分佈 95:溫度-深度分佈 97:溫度-深度分佈 99:溫度-深度分佈 101:溫度-深度分佈 103:溫度-深度分佈 105:溫度-深度分佈 107:摻雜物元素濃度深度分佈 a):步驟 b):步驟 c):步驟 d):步驟 Dl:深度 T27:表面溫度 T25:表面溫度 Ti:表面溫度 T0:表面溫度 tp:持續時間 Δt:時間間隔 Ed:能量密度 D41:深度 d:距離
給出此描述僅是出於非限制性的說明性目的，並且當參考圖式時將更好地理解，其中： -[圖1]是根據本發明之一種用於熱處理基板的區域的系統的示意圖， -[圖2]是根據本發明之表面溫度隨使基板的表面區域經受熱處理的時間變化的曲線圖， -[圖3]是根據本發明之一種用於熱處理基板的區域的方法的步驟的示意圖， -[圖4]是根據本發明之使基板經受熱處理的不同深度處，溫度隨時間變化的曲線圖， -[圖5a和5b]是根據本發明之使半導體結構經受熱處理的示意圖， -[圖6]是在根據本發明之使圖5a和5b的半導體結構經受熱處理的不同深度處，溫度隨時間變化的曲線圖， -[圖7]是藉由使基板經受具有不同能量和頻率的多個脈衝列而獲得的多個表面溫度動力的圖， -[圖8a至8c]說明了溫度曲線，這些曲線表現出標準的表面溫度斜坡和對應的脈衝列， -[圖9]是使基板的深度經受相對於脈衝束的參數的不同組合，溫度隨基板深度的函數變化的曲線圖，以及植入有摻雜物元素的單種類之基板的摻雜物植入分佈的曲線圖， -[圖10]是使基板的深度經受相對於脈衝束的參數的不同組合，溫度隨基板深度的函數變化的曲線圖，以及植入有類摻雜物元素的兩種類的基板的摻雜物植入分佈的曲線圖。
4:基板
5:表面區域
6:掩埋區域
13:脈衝光束
37:溫度曲線
39:溫度曲線
41:掩埋層
T0:表面溫度
T25:表面溫度
T27:表面溫度
D41:深度

Claims (24)

  1. 一種用脈衝光束(13)熱處理基板(4)的方法，該基板(4)具有表面區域(5)和掩埋區域(6)，該基板(4)的基板溫度呈現初始溫度-深度分佈以及該表面區域(5)的表面溫度(Ts)處於初始表面溫度(T0)，包括以下步驟： b) 用該脈衝光束(13)的初步脈衝(25)照射該表面區域(5)，該初步脈衝(25)從而提供能量的初步量到該表面區域(5)，以便該表面區域(5)產生熱量的初步量以及該表面溫度(Ts)達到預定的初步表面溫度(T25 )， c) 在時間間隔(Δt)之後，用該脈衝光束(13)的後續脈衝(27)照射該基板(4)的該表面區域(5)，該後續脈衝(27)從而提供能量的後續量到該表面區域(5)，以便該表面區域(5)產生熱量的後續量以及該表面溫度(Ts)達到預定的後續表面溫度(T27 )，其特徵在於確定該時間間隔(Δt)，使得在該時間間隔(Δt)期間，該表面溫度(Ts)達到預定的中間表面溫度(Ti)，所述預定的中間表面溫度(Ti)大於該初始表面溫度(T0)，使得 在所述時間間隔期間，所述熱量的初步量在該掩埋區域(6)中向下擴散到該基板(4)的預定的深度，以便該基板溫度呈現預定的中間溫度-深度分佈。
  2. 如請求項1之方法，其中，重複該步驟b)之用該初步脈衝(25)照射該表面區域(5)以及該步驟c)之用該後續脈衝(27)照射該表面區域(5)直到該表面溫度(Ts)達到目標表面溫度以及該基板溫度呈現目標溫度-深度分佈。
  3. 如請求項2之方法，其中，該基板(4)的該掩埋區域(6)包括植入有具有預定的摻雜物元素濃度深度分佈(89、107)的摻雜物元素的區域(87)，以及其中，該目標溫度-深度分佈被調適以活化該植入區域(87)的該摻雜物元素。
  4. 如請求項3之方法，其中，該植入區域(87)位於距表面區域(5)大於500奈米的深度處且具有小於50微米的厚度。
  5. 如請求項3之方法，其中，該摻雜物元素被調適以在該植入區域(87)中產生單極載子的一種類型。
  6. 如請求項3之方法，其中，該摻雜物元素被調適以在該植入區域(87)中產生單極載子的兩種類型。
  7. 如請求項1之方法，其中，該基板(4)是半導體材料，選自包括以下各項的群組：碳化矽、矽鍺、鍺、氮化鎵、砷化鎵、鑽石。
  8. 如請求項2之方法，其中，該目標溫度為該表面區域(5)的熔融溫度(Tm)。
  9. 如請求項1之方法，進一步包括步驟a)之為了達到該預定的初步表面溫度(T25 )、該預定的中間表面溫度(Ti)和該預定的後續溫度-深度分佈，確定相對於該脈衝光束(13)的參數的值，其中，該相對於該脈衝光束(13)的參數是選自包括以下各項的群組：該時間間隔(Δt)、脈衝光束(13)的能量密度(Ed)、該脈衝光束(13)在該表面區域(5)上所形成的光斑(20)的形狀。
  10. 如請求項1之方法，進一步包括步驟d)之在該表面區域(5)上方掃描該脈衝光束(13)以及其中，在步驟a)的期間，相對於該脈衝光束的該參數的群組進一步包括該脈衝光束(13)的掃描速度。
  11. 如請求項1之方法，其中，藉由該初步脈衝(25)傳遞的該能量的初步量與藉由該後續脈衝(27)傳遞的該能量的後續量不同。
  12. 如請求項1之方法，其中，藉由該初步脈衝(25)和後續脈衝(27)中的每一個各自傳遞的該能量的量小於該表面區域(5)達到該基板(4)的該表面區域(5)的熔化溫度(Tm)所需的能量的量。
  13. 如請求項1之方法，其中，該初步脈衝(25)和該後續脈衝(27)中的每一個具有等於或小於1奈秒的持續時間。
  14. 如請求項1之方法，其中，該初步脈衝(25)和該後續脈衝(27)之間的該時間間隔(Δt)等於或小於25奈秒。
  15. 如請求項1之方法，其中，該脈衝光束(13)具有等於或小於532奈米的波長。
  16. 如請求項1之方法，其中，該脈衝光束(13)的該能量密度大於每平方公分1毫焦耳。
  17. 一種用於用脈衝光束(13)熱處理基板(4)的系統(1)，該基板(4)具有表面區域(5)和掩埋區域(6)，該基板(4)的基板溫度呈現初始溫度-深度分佈以及該表面區域(5)的表面溫度(Ts)處於初始表面溫度(T0)，所述系統(1)包括： - 光源(7)，其被調適以發射光束(11)， - 束控制系統(9)，其被組態以從發射的該光束(11)產生該脈衝光束(13)，所述系統被調適以產生初步脈衝(25)和後續脈衝(27)， - 該脈衝光束(13)的所述初步脈衝(25)照射該基板(4)的該表面區域(5)，該初步脈衝從而提供能量的初步量到所述表面區域(5)，以便該表面區域(5)產生熱量的初步量以及該表面溫度(Ts)達到預定的初步表面溫度(T25 )， - 在時間間隔(Δt)之後，該脈衝光束(13)的所述後續脈衝(27)照射該基板(4)的該表面區域(5)，該後續脈衝(27)從而提供能量的後續量到所述表面區域(5)，以便所述表面區域(5)產生熱量的後續量以及該表面溫度(Ts)達到預定的後續表面溫度(T27 )， 其特徵在於，在所述時間間隔(Δt)之後，所述系統被調適以產生所述後續脈衝(27)，所述時間間隔(Δt)被確定使得在該時間間隔(Δt)期間，該表面溫度(Ts)達到預定的中間表面溫度(Ti)，所述預定的中間表面溫度(Ti)大於該初始表面溫度(T0)， 使得在該時間間隔(Δt)期間，該熱量的初步量在該掩埋區域(6)內向下擴散到該基板(4)的預定的深度，以便該基板溫度呈現預定的中間溫度-深度分佈。
  18. 如請求項17之系統(1)，其中，該系統(1)被組態以重複該用該初步脈衝(25)照射該表面區域(5)以及該用該後續脈衝(27)照射該表面區域(5)直到該表面溫度(Ts)達到目標溫度以及該基板溫度呈現目標溫度-深度分佈。
  19. 如請求項18之系統，其中，該基板(4)的該掩埋區域(6)包括植入有具有預定的摻雜物元素濃度深度分佈的摻雜物元素的區域(87)，以及其中，該目標溫度-深度分佈被調適以活化該植入區域(87)的該摻雜物元素。
  20. 如請求項17之系統，其中，該初步脈衝(25)和該後續脈衝(27)中的每一個具有等於或小於1奈秒的持續時間(tp )。
  21. 如請求項17之系統，其中，該脈衝光束(13)具有等於或小於532奈米的波長。
  22. 如請求項17之系統，其中，該初步脈衝(25)和該後續脈衝(27)之間的該時間間隔(Δt)等於或小於25奈秒。
  23. 如請求項17之系統，其中，該脈衝光束(13)的該能量密度大於每平方公分1毫焦耳。
  24. 如請求項17之系統，其中，該束控制系統(9)被組態以為了達到該預定的初步表面溫度(T25 )、該預定的中間表面溫度(Ti)和該預定的後續溫度-深度分佈確定相對於該脈衝光束(13)的參數的值，其中，該相對於該脈衝光束(13)的參數是選自包括下列各項的群組：該時間間隔(Δt)、脈衝光束(13)的能量密度、該脈衝光束(13)在該表面區域(5)上所形成的光斑(20)的形狀。
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