TWI752484B - 雷射退火方法及雷射控制裝置 - Google Patents
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Abstract
[課題] 提供一種能夠抑制半導體晶圓的非照射面的溫度上升並且高效地對照射面進行加熱之雷射退火方法。
[解決手段] 週期性地使雷射脈衝入射於半導體晶圓而進行退火。此時，使下一週期的雷射脈衝入射於處於由緊前的雷射脈衝入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置。
Description
本發明有關雷射退火方法及雷射控制裝置。
本申請案係主張基於2019年6月7日申請之日本專利申請第2019-107012號的優先權。該日本申請案的全部內容係藉由參閱而援用於本說明書中。
為了進行摻雜有雜質之矽晶圓等半導體晶圓的再結晶化及活性化，需要對半導體晶圓進行加熱(退火)。絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)等的製造步驟中，存在如下步驟：在半導體晶圓的一個面(非照射面)形成電路元件之後，在另一個面(照射面)摻雜雜質而進行退火。此時，為了保護已形成之電路元件，期待抑制非照射面的溫度上升。
為了充分加熱照射面並且抑制非照射面的溫度上升，使用對照射面照射雷射光之雷射退火(例如，專利文獻1等)。作為退火用雷射振盪器，使用連續振盪(CW)雷射或Q開關雷射和準分子雷射等脈衝雷射。專利文獻1中揭示了一種雷射退火技術，係使用雷射二極體激發全固體脈衝雷射振盪器。
[先前技術文獻]
[專利文獻1] 日本特開2011-114052號公報
[發明所欲解決之問題]
若半導體晶圓的厚度變薄，則用以抑制半導體晶圓的非照射面的溫度上升並且充分提高照射面的溫度之雷射照射條件變得更加嚴峻。本發明的目的為，提供一種能夠抑制半導體晶圓的非照射面的溫度上升並且高效地對照射面進行加熱之雷射退火方法及雷射控制裝置。
[解決問題之技術手段]
依本發明的一觀點，
提供一種雷射退火方法，係週期性地使雷射脈衝入射於半導體晶圓而進行退火之方法，係使下一週期的雷射脈衝入射於處於由緊前的雷射脈衝入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置。
依本發明的另一觀點，
提供一種雷射控制裝置，係控制使脈衝雷射光束入射於退火對象的半導體晶圓之脈衝雷射振盪器，係以雷射脈衝的重複頻率成為15kHz以上之方式控制前述脈衝雷射振盪器。
[發明之效果]
能夠有效地利用入射於半導體晶圓之雷射脈衝的能量。藉此，能夠減少投入於半導體晶圓之能量的量，其結果，能夠抑制非照射面的溫度上升。若雷射脈衝的重複頻率成為15kHz以上，則容易有效地利用雷射脈衝的能量。
參閱圖1至圖5的圖式對基於實施例之雷射退火方法及雷射退火裝置進行說明。
圖1係基於實施例之雷射退火裝置的概略圖。基於實施例之雷射退火裝置包括雷射振盪器10、雷射控制裝置30、傳送光學系統40及腔室50。保持台53由掃描機構52支撐於腔室50內。掃描機構52接收來自雷射控制裝置30的指令，而能夠使保持台53在水平面內移動。作為退火對象物之半導體晶圓60保持於保持台53上。從雷射振盪器10輸出之脈衝雷射光束經由傳送光學系統40，透射設置於腔室50的頂板之雷射透射窗51，入射於半導體晶圓60。基於本實施例之雷射退火裝置例如進行摻雜於半導體晶圓60中之摻雜劑的活性化退火。半導體晶圓60例如為矽晶圓。
傳送光學系統40例如包括光束均勻器、透鏡、反射鏡等。光束均勻器及透鏡對半導體晶圓60的表面上的光束點進行整形，並且使光束輪廓均勻。
接著，對雷射振盪器10的構成進行說明。作為雷射振盪器10，使用光纖雷射振盪器。摻雜有雷射活性介質之增益光纖11的一端連接有輸入側光纖12，另一端連接有輸出側光纖15。輸入側光纖12上形成有高反射率型光纖布拉格光柵（Fiber bragg grating）13，輸出側光纖15上形成有低反射率型光纖布拉格光柵16。由高反射率型光纖布拉格光柵13和低反射率型光纖布拉格光柵16構成光共振器。
從雷射二極體20輸出之激發光通過輸入側光纖12導入至增益光纖11。摻雜於增益光纖11中之雷射活性介質被激發光激發。在雷射活性介質過渡到低能量狀態時發生受激發射，產生雷射光。在增益光纖11中產生之雷射光通過輸出側光纖15入射於波長轉換元件22。由波長轉換元件22進行波長轉換之雷射光束經由傳送光學系統40入射於半導體晶圓60。增益光纖11輸出例如紅外區域的雷射光，波長轉換元件22將紅外區域的雷射光轉換為綠色的波長區域的雷射光。
驅動器21依據來自雷射控制裝置30的指令驅動雷射二極體20。從雷射控制裝置30接收之指令包括指定從雷射二極體20輸出之雷射脈衝的重複頻率之資訊。驅動器21以由雷射控制裝置30指令之雷射脈衝的重複頻率從雷射二極體輸出激發用雷射光。其結果，由雷射振盪器10按指令之重複頻率輸出雷射脈衝。
雷射控制裝置30包括操作員操作之控制台31。操作員操作控制台31輸入指定雷射脈衝的重複頻率之資訊。雷射控制裝置30向驅動器21提供指定所輸入之雷射脈衝的重複頻率之資訊。
依據本申請案發明人的研究，發現作為用於雷射退火之雷射光，與CW雷射相比，脈衝雷射為較佳。接著，從雷射光入射於半導體晶圓60時的溫度變化的觀點考慮，對作為用於雷射退火之雷射光，與CW雷射相比，脈衝雷射為較佳之理由進行說明。為了方便起見，對均勻的功率密度P的雷射脈衝入射於半導體晶圓60之情況進行說明。
半導體晶圓60的表面(照射面)的表面溫度T能夠由下式表示。
[數式1]
在此，t為從加熱開始的經過時間，C為半導體晶圓60的比熱，ρ為半導體晶圓60的密度，λ為半導體晶圓60的導熱率。例如，表面溫度T的單位為“K”，功率密度P的單位為“W/cm2
”，經過時間t的單位為“秒”，比熱C的單位為“J/g·K”，密度ρ的單位為“g/cm3
”，導熱率λ的單位為“W/cm·K”。
在加熱開始(雷射脈衝的上升時點)至經過經過時間t0
之期間施加於半導體晶圓60之能量密度E能夠由下式表示。
[數式2]
能量密度E的單位例如為“J/cm2
”。
從式(1)可知，為了使從加熱開始的經過時間為t0
的時點的半導體晶圓60的表面溫度達到Ta，需要滿足以下條件。
[數式3]
若從式(2)和式(3)刪除經過時間t0
，則可獲得下式。
[數式4]
為了在使表面溫度上升至Ta這一條件下抑制半導體晶圓60的背面的溫度上升而進行高效的退火，減小投入於半導體晶圓60之能量密度E為較佳。式(4)的右邊的括號內的參數為常數，因此可知為了減小能量密度E，只要增加功率密度P即可。實際使用所需之功率密度的等級為數MW/cm2
以上。
為了以CW雷射實現數MW/cm2
以上的功率密度，例如不得不將數十W左右的功率的雷射光束的光束點減小至1×103
μm2
左右的面積。從技術方面而言，這並不容易。
脈衝雷射的峰值功率由將每1脈衝的能量(以下，稱為脈衝能量。)除以脈衝寬度而得之值定義。再者，脈衝雷射的平均功率由脈衝能量和脈衝的重複頻率的積定義。式(4)的功率密度P相當於將峰值功率除以光束點的面積而得之值。
通常用於退火之Q開關雷射和準分子雷射的脈衝能量為數十mJ的等級，脈衝寬度為100ns左右。因此，峰值功率成為數百kW的等級。如此，與CW振盪雷射的功率相比，能夠實現足夠大的峰值功率。因此，可知作為用以增加功率密度P而進行退火之雷射光源，脈衝雷射比CW振盪雷射更適合。
接著，對雷射脈衝照射後的半導體晶圓60的冷卻過程進行說明。若由t表示從雷射脈衝的上升時點的經過時間，由t0
表示脈衝寬度，由Ta表示雷射脈衝下降時點(經過時間t=t0
)的表面溫度，則半導體晶圓60的表面溫度T由下式表示。
[數式5]
通常用於半導體晶圓的退火之脈衝雷射的雷射脈衝的重複頻率為kHz的等級，因此雷射脈衝的時間間隔成為ms的等級。若將用於退火之脈衝雷射的脈衝寬度t0
設為Q開關雷射和準分子雷射的一般脈衝寬度亦即100ns，將某一雷射脈衝的上升至下一週期的雷射脈衝的上升為止的時間間隔設為1ms，則在緊前的雷射脈衝入射之後，下一週期的雷射脈衝上升之時點的半導體晶圓60的表面溫度Tn
由下式近似。
[數式6]
從式(6)可知，在雷射脈衝入射時，因緊前的雷射脈衝入射而上升之溫度降低至與緊前的雷射脈衝入射之前的溫度幾乎相同的溫度。
圖2係顯示出使1發雷射脈衝入射於矽晶圓時的表面溫度的時間變化的計算值之圖表。橫軸中，由單位“ns”表示從雷射脈衝的上升時點的經過時間t，左縱軸中，由單位“℃”表示半導體晶圓60的表面溫度T，右縱軸中，由單位“MW/cm2
”表示雷射光的功率密度。圖表中的虛線顯示出雷射脈衝的功率密度的時間變化，實線顯示出半導體晶圓60的表面溫度T的時間變化。雷射脈衝的脈衝寬度為t0
，峰值功率密度為5MW/cm2
。
在雷射脈衝入射之期間(0≤t≤t0
)，表面溫度T依據式(1)上升。從雷射脈衝的上升時點經過相當於脈衝寬度t0
之時間之時點(t=t0
)的表面溫度T等於最高到達溫度Ta。在雷射脈衝下降之後(t≥t0
)，表面溫度T依據式(5)降低。
接著，參閱圖3A及圖3B對實際進行活性化退火時的半導體晶圓60的表面溫度的時間變化進行說明。在進行活性化退火時，週期性地、亦即以恆定的週期使雷射脈衝入射於半導體晶圓60的表面，而移動雷射光束的光束點，藉此進行所期望的區域的退火。光束點的移動速度以當前的雷射脈衝的光束點與緊前的雷射脈衝的光束點部分重疊之方式設定。
圖3A係顯示出半導體晶圓60的表面上的光束點BS的移動狀況之圖。圖3A顯示出入射於特定的點P之第1個至第3個為止的雷射脈衝LP1
、LP2
、LP3
的光束點BS1
、BS2
、BS3
。各光束點BS具有在一方向(在圖3A中為縱向)上長的形狀。在進行退火期間，使光束點BS在與長度方向正交之寬度方向上相對於半導體晶圓60移動。光束點BS在緊前的雷射脈衝的入射時點至下一雷射脈衝入射之時點為止的1週期期間移動之距離例如為光束點BS的寬度的1/3。亦即，重疊率為約67%。
此時，若關注半導體晶圓60的表面的1個點P，則點P包括在3個光束點BS1
、BS2
及BS3
內。亦即，在進行退火期間，3個雷射脈衝LP1
、LP2
、LP3
將入射於1個點P。3個雷射脈衝LP1
、LP2
、LP3
的脈衝能量相同。
圖3B係顯示出點P的位置上的表面溫度的時間變化之圖表。橫軸表示經過時間，縱軸表示點P的位置上的表面溫度。在雷射脈衝LP1
、LP2
、LP3
入射之期間，表面溫度上升，在未入射之期間，表面溫度降低。將雷射脈衝LP1
即將入射之前的點P處的表面溫度表示為T0
，將由雷射脈衝LP1
入射達到之最高到達溫度表示為Ta1
。
在實施例中，使下一週期的雷射脈衝LP2入射於處於由緊前的雷射脈衝LP1入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置(點P的位置)。亦即，在表面溫度降低至雷射脈衝LP1入射之前的表面溫度T0之前，使下一雷射脈衝LP2入射於點P的位置。將雷射脈衝LP2即將入射之前的點P位置的表面溫度表示為T1。雷射脈衝LP2的入射時點的表面溫度T1高於雷射脈衝LP1的入射時點的表面溫度T1，因此由雷射脈衝LP2所致的最高到達溫度Ta2高於由緊前的雷射脈衝LP1所致的最高到達溫度Ta1。因此，第3發雷射脈衝LP3即將入射之前的點P位置的表面溫度T2高於表面溫度T1。因此，由第3發雷射脈衝LP3所致的最高到達溫度Ta3高於最高到達溫度Ta2。
將由雷射脈衝入射引起之表面溫度的上升幅度表示為△Tu，將下一週期的雷射脈衝入射為止的表面溫度的降低幅度表示為△Td。由下式定義溫度保持率Tr。
圖4係顯示出脈衝的重複頻率與溫度保持率Tr之間的關係的計算結果之圖表。橫軸中，由單位“kHz”表示脈衝的重複頻率，縱軸中，由單位“%”表示溫度保持率Tr。圖4的圖表中的實線及虛線分別顯示出脈衝寬度為
10ns時及脈衝寬度為100ns時的計算結果。
在脈衝寬度恆定的條件下，隨著脈衝的重複頻率提高，溫度保持率Tr亦提高。在脈衝的重複頻率恆定的條件下，脈衝寬度越長，溫度保持率Tr越高。此為，脈衝的重複頻率越提高或脈衝寬度越變長，雷射脈衝下降之後下一雷射脈衝上升為止的非照射時間的間隔越變短，表面溫度的降低幅度△Td越進一步減小之故。
接著，對上述實施例的優異之效果進行說明。
在實施例中，使下一週期的雷射脈衝入射於處於由緊前的雷射脈衝入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置。例如，如圖3B所示，使第2發雷射脈衝LP2入射於處於由第1發雷射脈衝LP1入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置(點P的位置)。此外，使第3發雷射脈衝LP3入射於處於由第2發雷射脈衝LP2入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置(點P的位置)。因此，藉由緊前的雷射脈衝投入之能量的一部分重疊於藉由雷射脈衝投入於半導體晶圓之能量，對半導體晶圓進行加熱。如此，藉由多個雷射脈衝投入於半導體晶圓之能量重疊，藉此可獲得與1個雷射脈衝的脈衝能量實質上提高之情況相同程度的熱效應，能夠有效地利用雷射能量。
又，能夠減小將半導體晶圓加熱至目標溫度所需之脈衝能量。作為一例，對以由第3發雷射脈衝LP3達到之最高到達溫度Ta3為加熱的目標值之情況進行說明。在雷射脈衝的重複頻率低至無法獲得藉由雷射脈衝投入之能量重疊之效果的程度之情況下(例如在為1kHz左右之情況下)，不得不以1發雷射脈衝將半導體晶圓的表面加熱至目標值。亦即，不得不將第1發雷射脈衝LP1
的最高到達溫度Ta1
提高至加熱的目標值。
相對於此，在實施例中，即使在第1發雷射脈衝LP1
的最高到達溫度Ta1
低於加熱的目標值之情況下，亦能夠使第3發雷射脈衝LP3
的最高到達溫度Ta3
成為加熱的目標值以上。因此，能夠降低雷射脈衝LP1
、LP2
、LP3
各自的脈衝能量。
藉由減小每個雷射脈衝的脈衝能量，投入於半導體晶圓之能量的總量減少。降低投入能量總量有助於抑制半導體晶圓的非照射面的溫度上升。因此，能夠在可抑制半導體晶圓的非照射面的溫度上升之條件下進行退火。
能夠抑制半導體晶圓的非照射面的溫度上升，因此半導體晶圓的厚度、能夠使用之材料等的限制得到緩和。
以往，在實質上未保留緊前的雷射脈衝的熱影響之狀態下，使下一週期的雷射脈衝入射。例如，如式(6)所示，在溫度保持率Tr為0.5%以下的條件下進行了退火。為了充分獲得使下一週期的雷射脈衝入射於處於由緊前的雷射脈衝入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置之效果，在溫度保持率Tr為1%以上的條件下進行退火為較佳。亦即，在降低相當於由緊前的雷射脈衝入射引起之半導體晶圓的表面溫度的上升幅度的99%之溫度幅度之時點之前，使下一週期的雷射脈衝入射為較佳。為了輕易地滿足該條件，脈衝的重複頻率設為15kHz以上為較佳。藉由如上所述設定緊前的雷射脈衝的入射至使下一週期的雷射脈衝入射為止的時間或脈衝的重複頻率，與以往的方法相比，可充分獲得抑制半導體晶圓的非照射面的溫度上升之效果。
接著，參閱圖5對改變脈衝的重複頻率而實際上進行矽晶圓的退火之評估實驗的結果進行說明。
圖5係顯示出用於退火之脈衝雷射光束的相對脈衝能量密度與矽晶圓的相對熔化深度之間的關係之圖表。橫軸中，由任意單位表示相對脈衝能量密度，縱軸中，由任意單位表示相對熔化深度。
圖表中的圓形記號顯示出脈衝的重複頻率為1kHz時的實驗結果，三角形記號顯示出脈衝的重複頻率為150kHz時的實驗結果。脈衝的重複頻率為1kHz時的評估實驗中，使用了全固體雷射的2倍高諧波(波長532nm)，並將脈衝寬度設為100ns。脈衝的重複頻率為150kHz時的評估實驗中，使用了光纖雷射的2倍高諧波(波長530nm)，並將脈衝寬度設為10ns。使兩者的脈衝雷射光束的平均功率幾乎相同。兩者的退火時的重疊率皆設為67%。
隨著脈衝能量密度增加，熔化深度變深。又，可知若提高脈衝的重複頻率，則獲得相同的熔化深度所需之脈衝能量密度降低。換言之，若脈衝能量密度相同，則即使平均功率恆定，越提高脈衝的重複頻率，熔化深度越變深。此為，越提高脈衝的重複頻率，越能夠有效地利用雷射光所具備之能量之故。
從有效地利用雷射光所具備之能量之觀點考慮，在降低相當於由緊前的雷射脈衝入射引起之半導體晶圓的表面溫度的上升幅度的95%之溫度幅度之時點之前，使下一週期的雷射脈衝入射為較佳。又，為了容易滿足該條件，將脈衝的重複頻率設為100kHz以上為較佳。藉由如上所述設定緊前的雷射脈衝的入射至使下一週期的雷射脈衝入射為止的時間或脈衝的重複頻率，與以往的方法相比，可充分獲得有效地利用雷射光所具備之能量之效果。
接著，對上述實施例的變形例進行說明。
在上述實施例中，將光纖雷射振盪器用作雷射振盪器，但亦可以使用能夠輕易地實現15kHz以上的脈衝的重複頻率之其他脈衝雷射振盪器、例如鎖模雷射振盪器等。
在上述實施例中，藉由在半導體晶圓60的表面上移動光束點，進行了所期望的區域的退火，但亦可以相對於半導體晶圓固定光束點的位置而使所需發射數量的雷射脈衝入射。在欲使由多個雷射脈衝入射達到之半導體晶圓的最高到達溫度相同之情況下，只要使第2發雷射脈衝的脈衝能量低於第1發雷射脈衝的脈衝能量即可。由第1發雷射脈衝入射引起之熱影響會在第2發雷射脈衝的入射時點殘留，因此即使降低第2發雷射脈衝的脈衝能量，亦能夠加熱至與由第1發雷射脈衝達到之最高到達溫度相同程度的溫度。
上述實施例為例示，本發明並非受上述實施例的限制者。例如，相關技術人員理應能夠進行各種變更、改良、組合等。
10:雷射振盪器
11:增益光纖
12:輸入側光纖
13:光纖布拉格光柵
15:輸出側光纖
16:光纖布拉格光柵
20:雷射二極體
21:驅動器
22:波長轉換元件
30:雷射控制裝置
31:控制台
40:傳送光學系統
50:腔室
51:雷射透射窗
52:掃描機構
53:保持台
60:半導體晶圓
[圖1]係基於實施例之雷射退火裝置的概略圖。
[圖2]係顯示出使1個雷射脈衝入射於矽晶圓時的表面溫度的時間變化的計算值之圖表。
[圖3A]係顯示出半導體晶圓60的表面上的光束點的移動狀況之圖，[圖3B]係顯示出點P的位置的表面溫度的時間變化之圖表。
[圖4]係顯示出脈衝的重複頻率與溫度保持率Tr之間的關係的計算結果之圖表。
[圖5]係顯示出用於退火之脈衝雷射光束的相對脈衝能量密度與矽晶圓的相對熔化深度之間的關係之圖表。
BS:光束點
BS1:光束點
BS2:光束點
BS3:光束點
LP1:第1發雷射脈衝
LP2:第2發雷射脈衝
LP3:第3發雷射脈衝
P:點
T0:經過時間
T1:經過時間
T2:經過時間
Ta1:最高到達溫度
Ta2:最高到達溫度
Ta3:最高到達溫度
△Td:表面溫度的降低幅度
△Tu:表面溫度的上升幅度
Claims (8)
- 一種雷射退火方法，係週期性地使雷射脈衝入射於半導體晶圓而進行退火之方法，係使下一週期的雷射脈衝入射於處於由緊前的雷射脈衝入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置。
- 如請求項1所述之雷射退火方法，其中，在降低相當於由緊前的雷射脈衝入射引起之前述半導體晶圓的表面溫度的上升幅度的99%之溫度幅度之時點之前，使下一週期的雷射脈衝入射。
- 如請求項2所述之雷射退火方法，其中，在降低相當於由緊前的雷射脈衝入射引起之前述半導體晶圓的表面溫度的上升幅度的95%之溫度幅度之時點之前，使下一週期的雷射脈衝入射。
- 如請求項1至請求項3之任一項所述之雷射退火方法，其中，前述雷射脈衝的重複頻率為15kHz以上。
- 如請求項4所述之雷射退火方法，其中，前述雷射脈衝的重複頻率為100kHz以上。
- 一種雷射控制裝置，係控制使脈衝雷射光束入射於退火對象的半導體晶圓之脈衝雷射振盪器，係使下一週期的雷射脈衝入射於處於由緊前的雷射脈衝入射引起之溫度上升後的冷卻過程中之位置的方式，且以雷射脈衝的重複頻率成為15kHz以上之方式控制前述脈衝雷射振盪器。
- 如請求項6所述之雷射控制裝置，係以前述雷射脈衝的重複頻率成為100kHz以上之方式控制前述脈衝雷射振盪器。
- 如請求項6或請求項7所述之雷射控制裝置，其中，前述脈衝雷射振盪器為光纖雷射振盪器或鎖模雷射振盪器。
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