WO2016068741A1 - Способ лазерного легирования и устройство для его реализации - Google Patents

Способ лазерного легирования и устройство для его реализации Download PDF

Info

Publication number
WO2016068741A1
WO2016068741A1 PCT/RU2014/000821 RU2014000821W WO2016068741A1 WO 2016068741 A1 WO2016068741 A1 WO 2016068741A1 RU 2014000821 W RU2014000821 W RU 2014000821W WO 2016068741 A1 WO2016068741 A1 WO 2016068741A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
source
laser
radiation
pulse
semiconductor material
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000821
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Ильич ХУДЫШ
Виктор Александрович САБЛИН
Виктор Николаевич ЩЕЛУШКИН
Сергей Иванович ХИЛОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Солэкс-С"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Солэкс-С" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Солэкс-С"
Priority to PCT/RU2014/000821 priority Critical patent/WO2016068741A1/ru
Publication of WO2016068741A1 publication Critical patent/WO2016068741A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/34—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies not provided for in groups H01L21/0405, H01L21/0445, H01L21/06, H01L21/16 and H01L21/18 with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/42—Bombardment with radiation
    • H01L21/423—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/428—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation

Definitions

  • the invention relates to the manufacturing technology of semiconductor devices, including solar photovoltaic cells.
  • the process of doping impurities is widely used in the manufacture of a wide class of semiconductor devices.
  • the greatest difficulty during the alloying process is represented by solar cells due to the presence on the surface of the wafer texture and the need for simultaneous and uniform doping of the entire area of the wafer, which reaches 240 cm 2 .
  • the thermal diffusion method (patent US5242859, publication date Jan. 19, 1994) is widely used in the production of solar cells.
  • the essence of the method is to place a heated semiconductor wafer in the region of a gaseous medium containing the necessary dopant in its composition. At a sufficient temperature, the diffusion coefficient is sufficient to introduce an impurity into the semiconductor.
  • the depth distribution of the impurity in the surface layer is vague due to the inertia of the thermal processes in the reactor, which makes it impossible to obtain sharp p- ⁇ transitions.
  • Diffusion processes are based on the use of harmful gaseous media that require further disposal of their residues.
  • the ion implantation method (patent US 8552404, publication date Oct. 8, 2013) is mainly used in the manufacture of semiconductor microcircuits.
  • the essence of the method lies in the direction of the ion beam, consisting of the ions of the desired alloying material and formed in an ion source onto the surface of a semiconductor material. Due to the high speed, ions accelerated at voltages up to several tens of kilovolts are introduced into the semiconductor material. By controlling the energy of ions and the dose of radiation, it is possible to obtain doping regions with given parameters in concentration and depth.
  • the method of laser alloying has been eliminated from almost all of the above drawbacks (patent US 2011/0185971 A1, publication date August 4, 2011).
  • the essence of the method is to illuminate the treated surface with laser radiation with a certain energy density and wavelength when accessing the surface of the dopant atoms to the treated surface.
  • the atoms of the dopant can be located both in the gas medium in which the material to be processed is placed and on the surface of the material in the film, which is the source of the dopant.
  • the emphasis is on melting the surface to a certain depth. Melting is carried out in a pulsed mode so that each pulse falls on the solid (recrystallized) phase.
  • Processing is carried out by concentrated laser radiation by the method of scanning the surface with a laser beam, since it is not possible to create a large area with the existing laser powers to create the energy density necessary for diffusion (on the order of 1 J / cm 2 ) on a large surface.
  • a large overlap of the areas treated by neighboring laser pulses is required. This leads to a long cycle of processing the plate.
  • the prior art is known to US patent N28652974, published February 18, 2014, "Methods and systems for preheating a semiconductor material for laser annealing and laser diffusion in a gas medium.”
  • the solution presents a system with a fiber laser, which includes processing a semiconductor material by pre-heating the substrate with a laser and subsequent laser annealing and laser doping in a gas medium.
  • the radiation of a long-wavelength fiber laser with a Gaussian or similar profile is directed to the plate in the form of a plane beam of rays.
  • the wavelength is greater than 1 ⁇ m and a Yb doped fiber laser is used.
  • the process is carried out in a suitable environment, which may include gas impurities.
  • the process provides a temperature gradient that occurs during processing, which does not exceed the value leading to plate destruction, and also reduces the amount of laser radiation required to achieve controlled melting, recrystallization, and surface cooling.
  • the application discloses a solution that is a method of manufacturing a semiconductor device, including the formation of a gate dielectric film from a material with a high dielectric constant greater than that of a silicon dioxide film, the formation of a gate electrode containing metal above the gate dielectric film, and the formation of extended regions due to doping impurities in the substrate using the shutter electrode as a mask and annealing the impurity-doped substrate using a flashlight or laser.
  • doping includes the first step, illumination of the substrate with a light pulse with a pre-selected peak intensity, and the second step, illumination of the substrate, radiation with a peak intensity lower than that used in the first step.
  • the first laser source e.g., C0 2
  • a second laser source emitting at 808 nm, for example, GaAs laser
  • the radiation energy of GaAs exceeds the band gap of silicon and creates free carriers.
  • the radiation energy of ⁇ 0 2 is less than the band gap; therefore, silicon is transparent for it, but long-wave radiation is absorbed by free carriers.
  • the prior art US patent N28309474 published November 13, 2012, "Ultrafast laser annealing with the reduction of defects in the topology of circuit structures in the manufacture of integrated circuits.”
  • This solution is chosen as a prototype, and it discloses systems and methods for performing ultrafast laser annealing, in which defects are reduced in the manufacture of integrated circuits.
  • the method includes scanning at least one first laser beam over the surface of the substrate with the topology of the circuit structure.
  • the first laser beam is configured to heat a surface with the topology of the circuit structure to a non-melting temperature T not melting, which may be, for example, 400 ° C less than the melting temperature T PL avl.
  • the method also includes scanning at least one second laser beam on the surface of the substrate with the topology of the circuit structure relative to the first laser beam. At least one second laser beam pulsates, and is configured to heat a surface with the topology of the circuit structure to a melting point to which the first laser beam cannot heat.
  • the radiation of the first and second sources are not consistent in time, which does not allow for a high gradient of concentration change at a given depth, and increases the duration of the technological cycle during alloying
  • a. include a first source for illuminating a semiconductor material; b. receive, using the measurement module, data on the optical parameters of the semiconductor material and send the data to the data processing and control module;
  • a control signal is generated at a time when the data on the optical parameters is above or below critical values
  • d include using the control signal the second source and after the formation of the pulse
  • the method can be implemented in such a way that when measuring the optical parameters of the semiconductor material, a laser probe radiation source is used.
  • the method can be implemented in such a way that the transmission and / or scattering and / or reflection and / or absorption are measured as optical parameters of the semiconductor material.
  • the method can be implemented in such a way that the radiation from the first source is a pulse lasting from 1 microsecond to 20 milliseconds, and from the second laser source is a pulse lasting up to 150 nanoseconds.
  • the method can be implemented in such a way that the pulse energy density from the first source is higher than the pulse energy density from the second source.
  • the method can be implemented in such a way that pulses of radiation from the first and second sources at the time of application with high uniformity of energy density illuminate simultaneously part or all of the surface of the semiconductor wafer.
  • the method can be implemented in such a way that the first source is incoherent.
  • the method can be implemented in such a way that the first source is coherent.
  • the method can be implemented in such a way that the first source is not monochromatic.
  • the method can be implemented in such a way that the first source is monochromatic.
  • the method can be implemented in such a way that the sources operate in the same spectral range.
  • the method can be implemented in such a way that the sources operate in different spectral ranges.
  • the method can be implemented in such a way that a silicon or germanium plate or gallium arsenide is used as a semiconductor material.
  • the method can be implemented in such a way that the semiconductor wafer contains a texture on the surface.
  • the method can be implemented in such a way that a film containing at least boron or phosphorus is deposited on the surface of the plate.
  • a system can be used that includes at least a first optical radiation source, a second laser radiation source, a module for measuring the optical parameters of a semiconductor material, a data processing and control module.
  • the system may comprise a laser probe radiation source, and the measurement module may include a sensor or sensors for measuring the scattering and / or reflection of the probe radiation from the surface of the semiconductor material, and / or a sensor for measuring transmission and / or absorption of the probe radiation.
  • the system can be designed so that the radiation from the first source is a pulse lasting from 1 microsecond to 20 milliseconds, and from the second laser source is a pulse lasting up to 150 nanoseconds.
  • the system can be designed so that the energy density of the pulse from the first source is much higher than the energy density of the pulse from the second source.
  • the system may contain at least one module for converting radiation from the first source, the second source and probing laser radiation to ensure at the time of application of a high uniformity of energy density when illuminating part or all of the surface of a semiconductor material.
  • the system may be designed such that the first source is incoherent.
  • the system may be designed such that the first source is coherent.
  • the system can be designed in such a way that the first source is not monochromatic.
  • the system can be designed such that the first source is monochromatic.
  • the system can be designed so that the sources operate in the same spectral range.
  • the system can be designed so that the sources operate in different spectral ranges.
  • the result of the described method on the device is a semiconductor wafer doped with an impurity in the surface layer of the material.
  • the change in the concentration gradient of the dopant at a given depth in the ⁇ 50 nm layer of a semiconductor wafer made is two to three orders of magnitude.
  • the impurity concentration gradient can be 2-3 orders of magnitude at a surface phosphorus concentration of up to 5 ⁇ 10 21 at / cm 3 , boron - 10 21 at / cm 3 .
  • FIG. 1 A diagram of a laser alloying system is shown and the following basic elements are indicated:
  • pos. 2 the source of the first radiation (micro- or millisecond duration), pos. 3 - source of the second laser radiation (nanosecond duration), pos. 4 - a source of laser probe radiation,
  • pos. 9 a sensor for measuring the optical parameters of the material at the characteristic wavelengths of the probe radiation (transmission, absorption), pos. 10 - data processing and control module,
  • pos. 12 is a device for interrupting optical radiation (shutter),
  • a method of laser doping of an impurity into the surface of a semiconductor wafer which is as follows.
  • the surface or surface area of the semiconductor wafer in particular of silicon with p-type conductivity or with ⁇ -type conductivity
  • the selected dopant boron or phosphorus
  • This impulse is preparatory and the energy density (J / cm 2 ) is chosen so that the plate material acquires properties close to the beginning of the melting process.
  • the pulse duration from the first source is selected so as not to cause thermal diffusion in the material of the semiconductor wafer, i.e. so that doping does not start.
  • the process of doping occurs at the moment of supply of monochromatic coherent laser radiation from a second source.
  • the second radiation source operates in the nanosecond or smaller range (up to 150 nanoseconds) and illuminates the same portion of the wafer surface as the first pulse during exposure to the pulse of the first source.
  • the energy density of the second source is selected in such a way that when the radiation is applied from both sources in the semiconductor wafer, the process of impurity doping begins.
  • the energy density of the pulse of the second source can be significantly lower than the energy density required in the case of doping with laser radiation only, and be less than 0.2 J / cm 2 .
  • the pulse energy density from the first source is much higher than the pulse energy density from the second source, and the radiation pulses from the first and second sources are synchronized, and at the time of application they with high uniformity of the energy density over the surface illuminate at the same time part or all of the surface of the semiconductor wafer. It should be noted that it is not determining whether the first source is coherent or incoherent, monochromatic or nonmonochromatic, whether it works in the same spectral range as the second, or not.
  • the phase state transition time is very short and amounts to several tens of nanoseconds.
  • a measurement module 11 in the installation, including sensors for measuring the optical parameters of the surface (scattering, reflection) 8, and / or a sensor for measuring the optical parameters of the material at the characteristic wavelengths of the probe radiation (transmission, absorption) 9, as well as the source of the probe laser radiation 4.
  • the optical information module may be a dichroic mirror or gluing prisms, or an interference-coated plate
  • the optical information module may be a dichroic mirror or gluing prisms, or an interference-coated plate
  • Part of this radiation reflected from the plate 1 is fed to a sensor 8 connected to a module 11, in which the reflection coefficient and scattering coefficient are calculated.
  • the probe radiation transmitted through the plate is supplied to a sensor 9 connected to a module 11, in which the transmission coefficient and absorption coefficient are calculated.
  • the results of these measurements and calculations are submitted to the data processing and control module 10 (controller), in which the received measurement results are analyzed from module 11 and a control signal is generated (an electric pulse with the amplitude, duration, delay necessary to turn on the laser source 3).
  • the control signal (or clock pulse) from the module 10 turns on the nanosecond laser 3 and turns off the radiation source 2, and after the completion of the laser pulse 3, the module 10 turns on the shutter 12, which blocks the optical radiation incident on the plate.
  • the parameters of the laser probe radiation from module 4 do not coincide with the parameters of the main laser radiation from module 2 and 3 in terms of power, operation mode and wavelength.
  • the impurity concentration gradient can be 2-3 orders of magnitude at a surface concentration of phosphorus up to 5x10 21 at / cm 3 , boron - 10 21 at / cm 3 .

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных фотоэлектрических элементов. Сущность изобретения заключается в способе лазерного легирования примеси в поверхностный слой полупроводникового материала, заключающийся в одновременном воздействии двух импульсов оптических излучений от источников одинаковых или разных диапазонов длин волн. Плотность энергии излучения первого источника выбирается недостаточной для начала процесса легирования примеси, а плотность энергии второго лазерного источника достаточной для начала процесса легирования примеси при освещении поверхности материала излучением от первого источника. Техническим результатом изобретения является снижение длительности технологического цикла при проведении легирования, а также получение полупроводниковой пластины с высокой поверхностной концентрацией легирующей примеси и высоким градиентом изменения концентрации на заданной глубине за счет обработки каждым импульсом лазерного излучения большой поверхности пластины.

Description

СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных фотоэлектрических элементов.
Уровень техники
Процесс легирования примесей широко используется при производстве широкого класса полупроводниковых приборов.
В серийном производстве полупроводниковых приборов сегодня, в основном, используются методы термической диффузии и ионной имплантации.
Из существующих полупроводниковых приборов наибольшую сложность при проведении процесса легирования представляют солнечные элементы из-за наличия на поверхности пластины текстуры и необходимости одновременного и равномерного легирования всей площади пластины, которая достигает 240 см2.
Метод термической диффузии (патент US5242859, дата публикации 19 янв. 1994) широко применяется при производстве солнечных элементов. Суть метода заключается в помещении нагретой полупроводниковой пластины в область газовой среды, содержащей необходимую легирующую примесь в своем составе. При достаточной температуре коэффициент диффузии оказывается достаточным для внедрения примеси в полупроводник.
Недостатки:
1. Большие энергозатраты, которые в основном идут на разогрев и поддержание температуры в печи, а не на собственно легирование.
2. Большая длительность технологического цикла проведения диффузии из-за инерционности тепловых процессов в реакторе.
3. Распределение примеси в приповерхностном слое по глубине получается расплывчатым из-за инерционности тепловых процессов в реакторе, что не дает возможность получать резкие p-η переходы.
4. Невозможность получения высоких концентраций легирующих примесей, близких к коэффициенту растворимости примесей в полупроводниковом материале пластины.
5. Процессы диффузии построены на использовании вредных газообразных сред, требующих дальнейшей утилизации их остатков.
6. Невозможность получения на одной пластине "р-п", "р+" слоев из за сложности защиты одной из поверхностей от проникновения диффузанта, в первую очередь при проведении диффузии бора.
Метод ионной имплантации (патент US 8552404, Дата публикации 8 окт. 2013) используется, в основном, в производстве полупроводниковых микросхем. Суть метода заключается в направлении ионного пучка, состоящего из ионов нужного легирующего материала и сформированного в ионном источнике, на поверхность полупроводникового материала. За счет высокой скорости ионы, ускоренные при напряжении до нескольких десятков киловольт, внедряются в материал полупроводника. Управляя энергией ионов и дозой облучения можно получать области легирования с заданными параметрами по концентрации и глубине.
Недостатки
1. Повреждения кристаллической структуры поверхности полупроводниковой пластины, для устранения которых требуется дополнительная операция отжига.
2. Размытие профиля диффузии по объему.
3. Наличие вакуумной системы, что существенно удорожает процесс диффузии.
4. Недолговечность источников ионов легирующих примесей.
Практически от всех указанных выше недостатков избавлен метод лазерного легирования (патент US 2011/0185971 А1 , дата публикации 4 августа 2011). Суть метода заключается в освещении обрабатываемой поверхности лазерным излучением с определенной плотностю энергии и длиной волны при доступе к обрабатываемой поверхности атомов легирующей примеси. Атомы легирующей примеси могут находиться как в газовой среде, в которую помещен обрабатываемый материал, так и на поверхности материала в составе пленки, которая является источником легирующей примеси. В одном случае упор делается на расплавление поверхности на определенную глубину. Плавку ведут в импульсном режиме так, что каждый импульс приходится на твердую (рекристаллизованную) фазу. В этом случае из-за существенной разницы в коэффициенте диффузии в твердом и жидком материале полупроводника диффузия легирующей примеси идет только в жидкой фазе. Повторяя процесс плавки добиваются заданных параметров диффузии (профилей) (X. Жанг, Ж. Р. Хо, СП. Григоропоулос, Создание приповерхностного переход р+ типа в кремнии при помощи легирования эксимерным лазером: перспективы нагрева и массопереноса, опубликовано 1996 г., DOI: 10.1016/0017-9310(96)00043-9). В другом случае утверждается, что расплавления поверхности не происходит, но управление такими параметрами диффузии как глубина и концентрация легирующих примесей также оказывается на высоком уровне с соблюдением требований по скорости обработки. Достоинствами метода лазерной диффузии является вариативность обработки поверхности - некоторые участки подвергаются меньшей обработке или не обрабатываться вовсе.
Недостатки
1. Обработку ведут концентрированным лазерным излучением методом сканирования поверхности лазерным лучом, так как создать необходимую для проведения диффузии плотность энергии (порядка 1 Дж/см2) на большой поверхности при существующих мощностях лазеров и обработать большую площадь не возможно. 2. Для обеспечения высокой равномерности поверхностной концентрации легирующей примеси (интегральный показатель качества неравномерности диффузии - поверхностное сопротивление по всей поверхности пластины не должно отличаться более чем на 7%) требуется большое перекрытие областей, обработанных соседними импульсами лазерного излучения. Это приводит к длительному циклу обработки пластины.
Из уровня техники известен патент США N28652974, опубликованный 18 февраля 2014, «Методы и системы предварительного нагрева полупроводникового материала для лазерного отжига и лазерной диффузии в газовой среде». В решении представлена система с волоконным лазером, которая включает обработку полупроводникового материала путем предварительного нагрева подложки с помощью лазера и последующего лазерного отжига и лазерного легирования в газовой среде. При этом излучение волоконного лазера большой длины волны с Гауссовым или подобным профилем направляется на пластину в виде плоского пучка лучей. Предпочтительно, чтобы длина волны была больше 1 мкм и использовался волоконный лазер, легированный Yb. Процесс проводят в подходящей окружающей среде, которая может включать в себя примеси в газовом состоянии. Процесс обеспечивает температурный градиент, возникающий в процессе обработки, который не превышает значение, приводящее к разрушению пластины, а также уменьшает количества лазерного излучения, необходимого для достижения контролируемого плавления, перекристаллизации и охлаждения поверхности.
Из уровня техники известна заявка на выдачу патента США N220090311840, опубликованная 17 декабря 2012 года «Метод производства полупроводниковых устройств». В заявке раскрыто решение, которое представляет собой метод производства полупроводникового устройства, включающий формирование плёнки подзатворного диэлектрика из материала с высокой диэлектрической проницаемостью большей, чем у плёнки из диоксида кремния, формирование электрода затвора, содержащего металл над плёнкой подзатворного диэлектрика, формирование протяжённых областей за счёт легирования примесей в подложку, используя электрод затвора в качестве маски и отжиг подложки, легированной примесями, с помощью ламповой вспышки или лазера. При этом легирование включает в себя первый шаг, освещение подложки световым импульсом с предварительно подобранной пиковой интенсивностью, и второй шаг, освещение подложки излучение с пиковой интенсивностью, меньшей, чем использовалась на первом шаге.
Из уровня техники известна заявка на выдачу патента США N220090311880, опубликованная 10 августа 2010 года «Метод отжига с использованием двух длин волн непрерывного лазерного излучения». В заявке раскрыто решение, представляющее
з собой устройства и методы термообработки, в которых первый лазерный источник, например, С02, излучающий на 10,6 мкм, фокусируется на кремниевую подложку в виде линии и второй лазерный источник, например, GaAs лазер, излучающий на 808 нм, фокусируется на подложку в виде большего по размерам пучка, окружая линию от первого источника. Два пучка лучей синхронно сканируют в направлении более узкого размера линии от первого источника и создают узкий нагревающий импульс от пучка лучей в виде линии, который активизируется с помощью большего пучка. При этом энергия излучения GaAs превышает ширину запрещённой зоны кремния и создаёт свободные носители. Энергия излучения С02 меньше ширины запрещённой зоны, поэтому кремний для него прозрачен, но длинноволновое излучение поглощается свободными носителями.
Из уровня техники известен патент США N28309474, опубликованный 13 ноября 2012 года, «Сверхбыстрый лазерный отжиг с уменьшением дефектов топологии схемных структур при производстве интегральных схем». Данное решение выбирается в качестве прототипа, и в нём раскрыты системы и методы выполнения сверхбыстрого лазерного отжига, при которых снижаются дефекты при изготовлении интегральных схем. При этом способ включает в себя сканирование, по меньшей мере, одним первым лазерным лучом по поверхности подложки с топологией схемной структуры. Первый лазерный луч выполнен с возможностью нагревать поверхность с топологией схемной структуры до температуры не плавления Тнеплавл, которая может быть, например, на 400 °С меньше температуры плавления ТПЛавл- Способ также включает в себя сканирование, по меньшей мере, одним вторым лазерным лучом по поверхности подложки с топологией схемной структуры относительно первого лазерного луча. По меньшей мере, один второй лазерный луч пульсирует, и выполнен с возможностью нагрева поверхности с топологией схемной структуры до температуры плавления, до которой не может нагреть первый лазерный луч.
Во всех перечисленных решениях излучения первого и второго источников не согласованы во времени, что не позволяет обеспечить высокий градиент изменения концентрации на заданной глубине, и повышает длительность технологического цикла при проведении легирования
Техническая задача
Получение полупроводниковой пластины с высокой поверхностной концентрацией легирующей примеси и высоким градиентом изменения концентрации на заданной глубине и снижение длительности технологического цикла при проведении легирования. Технический результат совпадает с технической задачей.
Решение Для решения поставленной задачи предлагается использовать способ лазерного легирования в поверхностный слой полупроводникового материала с помощью, по крайней мере, первого источника оптического излучения, второго источника импульса лазерного излучения, модуля измерения, модуля обработки данных и управления, включающий следующие фазы:
a. включают первый источник для освещения полупроводникового материала; b. получают при помощи модуля измерения данные оптических параметров полупроводникового материала и направляют данные в модуль обработки данных и управления;
c. формируют при помощи модуля обработки данных и управления управляющий сигнал в момент времени, когда данные об оптических параметрах выше или ниже критических значений;
d включают при помощи управляющего сигнала второй источник и после формирования импульса
е. прерывают оптическое излучение, поступающее на поверхность полупроводникового материала.
Способ может быть реализован таким образом, что при измерении оптических параметров полупроводникового материала используют источник лазерного зондирующего излучения.
Способ может быть реализован таким образом, что в качестве оптических параметров полупроводникового материала измеряют пропускание и/или рассеяние и/или отражение и/или поглощение.
Способ может быть реализован таким образом, что излучение от первого источника представляет собой импульс длительностью от 1 микросекунды до 20 миллисекунд, а от второго лазерного источника представляет собой импульс длительностью до 150 наносекунд.
Способ может быть реализован таким образом, что плотность энергии импульса от первого источника выше плотности энергии импульса от второго источника.
Способ может быть реализован таким образом, что импульсы излучений от первого и второго источников в момент наложения с высокой равномерностью плотности энергии освещают одновременно часть или всю поверхность полупроводниковой пластины.
Способ может быть реализован таким образом, что первый источник является некогерентным.
Способ может быть реализован таким образом, что первый источник является когерентным. Способ может быть реализован таким образом, что первый источник не является монохроматическим.
Способ может быть реализован таким образом, что первый источник является монохроматическим.
Способ может быть реализован таким образом, что источники работают в одном спектральном диапазоне.
Способ может быть реализован таким образом, что источники работают в разных спектральных диапазонах.
Способ может быть реализован таким образом, что в качестве полупроводникового материала используется пластина из кремния или германия или арсенида галлия.
Способ может быть реализован таким образом, что полупроводниковая пластина содержит на поверхности текстуру.
Способ может быть реализован таким образом, что на поверхность пластины нанесена пленка, содержащая, по крайней мере, бор или фосфор.
Для реализации описанного способа может быть использована система, включающая, по меньшей мере, первый источник оптического излучения, второй источник лазерного излучения, модуль измерения оптических параметров полупроводникового материала, модуль обработки данных и управления.
Система может содержать источник лазерного зондирующего излучения, а модуль измерения может включать датчик или датчики для измерения рассеяния и/или отражения зондирующего излучения от поверхности полупроводникового материала, и/или датчик для измерения пропускания и/или поглощения зондирующего излучения.
Система может быть выполнена таким образом, что излучение от первого источника представляет собой импульс длительностью от 1 микросекунды до 20 миллисекунд, а от второго лазерного источника представляет собой импульс длительностью до 150 наносекунд.
Система может быть выполнена таким образом, что плотность энергии импульса от первого источника значительно выше плотности энергии импульса от второго источника.
Система может содержать, по крайней мере, один модуль сведения излучений от первого источника, второго источника и зондирующее лазерное излучение для обеспечения в момент наложения высокой равномерности плотности энергии при освещении части или всей поверхности полупроводникового материала.
Система может быть выполнена таким образом, что первый источник является некогерентным. Система может быть выполнена таким образом, что первый источник является когерентным.
Система может быть выполнена таким образом, что первый источник не является монохроматическим.
Система может быть выполнена таким образом, что первый источник является монохроматическим.
Система может быть выполнена таким образом, что источники работают в одном спектральном диапазоне.
Система может быть выполнена таким образом, что источники работают в разных спектральных диапазонах.
Результатом выполнения описанного способа на устройстве является полупроводниковая пластина, легированная примесью в поверхностный слой материала.
При этом у изготовленной полупроводниковой пластины изменение градиента концентрации легирующей примеси на заданной глубине в слое ±50 нм составляет два - три порядка. На глубине порядка 200 нм и области легирования ± 50 нм градиент концентрации примеси может составлять 2-3 порядка при поверхностной концентрации фосфора до 5·1021 ат/см3,бора - 1021 ат/см3.
Чертежи
На фиг. изображена схема системы лазерного легирования и обозначены следующие основные элементы:
поз. 1 - обрабатываемая полупроводниковая пластина,
поз. 2 - источник первого излучения (микро- или миллисекундной длительности), поз. 3 - источник второго лазерного излучения (наносекундной длительности), поз. 4 - источник лазерного зондирующего излучения,
поз. 5, 6, 7 - модуль оптического сведения,
поз. 8 - датчик измерения оптических параметров поверхности (рассеяние, отражение),
поз. 9 - датчик измерения оптических параметров материала на характеристических длинах волн зондирующего излучения (пропускание, поглощение), поз. 10 - модуль обработки данных и управления,
поз. 11 - модуль измерения.
поз. 12 - устройство прерывания оптического излучения (затвор),
Детальное описание
Для решения поставленной задачи предлагается использовать способ лазерного легирования примеси в поверхность полупроводниковой пластины, который заключается в следующем. Поверхность или участок поверхности полупроводниковой пластины (в частности из кремния с проводимостью р-типа или с проводимостью η-типа), на которой сформирована пленка, содержащая выбранную легирующую примесь (бор или фосфор), облучают импульсом когерентного или некогерентного излучения видимого диапазона с длительностью от 1 микросекунды до 20 миллисекунд от первого источника. Этот импульс является подготовительным и плотность энергии (Дж/см2) выбирают таким образом, чтобы материал пластины приобрел свойства, близкие к началу процесса плавления. Длительность импульса от первого источника выбирается таким образом, чтобы не вызывать термическую диффузию в материале полупроводниковой пластины, т.е. чтобы не началось легирование. Процесс легирования (диффузии) происходит в момент подачи монохроматического когерентного лазерного излучения от второго источника. Второй источник излучения работает в наносекундном или меньшем диапазоне (до 150 наносекунд) и освещает тот же участок поверхности пластины, что и первый импульс, во время воздействия импульса первого источника. Плотность энергии второго источника подбирается таким образом, что при наложении излучения от обоих источников в полупроводниковой пластине начинает идти процесс легирования примеси. При этом плотность энергии импульса второго источника может быть существенно ниже плотности энергии, необходимой в случае проведения легирования только лазерным излучением, и составлять менее 0,2 Дж/см2. В частности, плотность энергии импульса от первого источника значительно выше плотности энергии импульса от второго источника, а импульсы излучений от первого и второго источников синхронизированы, и в момент наложения они с высокой равномерностью плотности энергии по поверхности освещают одновременно часть или всю поверхность полупроводниковой пластины. Стоит отметить, что не является определяющим, является ли первый источник когерентным или некогерентным, монохроматическим или немонохроматическим, работает ли он в том же спектральном диапазоне, что и второй, или нет.
При легировании полупроводниковой пластины с использованием двух импульсов излучения: первого, подготовительного, и второго, запускающего легирование, - очень важно определить момент подачи второго импульса. Момент включения этого импульса должен соответствовать такому состоянию пластины, когда в ней начинаются фазовые переходы от твердого состояния к расплаву на поверхности, но, собственно, расплав ещё не произошел. Подача наносекундного импульса как ранее этого момента, так и позднее, когда уже произошел расплав поверхности, ухудшает качество параметров легирования. При этом время перехода фазового состояния очень короткое и составляет несколько десятков наносекунд. Поэтому в установке помимо двух основных источников излучения (2 и 3) необходимо использовать модуль измерения 11 , включающий датчики измерения оптических параметров поверхности (рассеяние, отражение) 8, и/или датчик измерения оптических параметров материала на характеристических длинах волн зондирующего излучения (пропускание, поглощение) 9, а также источник зондирующего лазерного излучения 4.
Во время работы источника излучения 2 лазерное излучение от зонда 4 через модули оптического сведения 6 и 7 (модуль оптического сведения может представлять собой дихроичное зеркало или склейку призм, или пластину с интерференционным покрытием) поступает на пластину. Часть этого излучения, отраженного от пластины 1, поступает на датчик 8, подключённый к модулю 11 , в котором осуществляется вычисление коэффициента отражения и коэффициента рассеяния. Прошедшее через пластину зондирующее излучение поступает на датчик 9, подключённый к модулю 11 , в котором осуществляется вычисление коэффициента пропускания и коэффициента поглощения. Результаты этих измерений и вычислений подаются на модуль обработки данных и управления 10 (контроллер), в котором происходит анализ поступивших результатов измерений с модуля 11 и формируется управляющий сигнал (электрический импульс с амплитудой, длительностью, задержкой, необходимыми для включения лазерного источника 3). Управляющий сигнал (или синхронизирующий импульс) от модуля 10 включает наносекундный лазер 3 и отключает источник излучения 2, а после завершения импульса лазера 3 модуль 10 включает затвор 12, который перекрывает оптическое излучение, попадающее на пластину. В предлагаемом варианте параметры лазерного зондирующего излучения от модуля 4 не совпадают с параметрами основного лазерного излучения от модуля 2и 3 по мощности, режиму работы и длине волн.
В разработанной макетной установке используются два типа датчиков наблюдения за результатом воздействия оптического излучения на параметры материала 8 и 9. Но возможно использование только одного датчика для определения момента включения лазерного импульса от второго источника.
В результате использования описанного способа и устройства можно получить полупроводниковую пластину с внедренной на определенную глубину легирующей примесью с высоким градиентом концентрации примеси. На глубине порядка 200 нм и области легирования ± 50 нм градиент концентрации примеси может составлять 2-3 порядка при поверхностной концентрации фосфора до 5x1021 ат/см3,бора - 1021 ат/см3.
Из приведенного выше описания специалист в данной области техники может легко узнать основные особенности настоящего изобретения и, не отклоняясь от сущности и объема, произвести различные изменения и модификации изобретения для адаптации его к различным прикладным задачам и условиям. Поэтому другие варианты осуществления также входят в объем настоящего изобретения

Claims

ФОРМУЛА
1. Способ лазерного легирования в поверхностный слой полупроводникового материала с помощью, по крайней мере, первого источника оптического излучения, второго источника импульса лазерного излучения, модуля измерения, модуля обработки данных и управления, включающий следующие фазы:
a. включают первый источник для освещения полупроводникового материала; b. получают при помощи модуля измерения данные оптических параметров полупроводникового материала и направляют данные в модуль обработки данных и управления;
c. формируют при помощи модуля обработки данных и управления управляющий сигнал в момент времени, когда данные об оптических параметрах выше или ниже критических значений;
d. включают при помощи управляющего сигнала второй источник и после формирования импульса
e. прерывают оптическое излучение, поступающее на поверхность полупроводникового материала.
2. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что при измерении оптических параметров полупроводникового материала используют источник лазерного зондирующего излучения.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве оптических параметров полупроводникового материала измеряют пропускание и/или рассеяние и/или отражение и/или поглощение.
4. Способ лазерного легирования по п. 3, отличающийся тем, что излучение от первого источника представляет собой импульс длительностью от 1 микросекунды до 20 миллисекунд, а от второго лазерного источника представляет собой импульс длительностью до 150 наносекунд.
5. Способ лазерного легирования по п. 4, отличающийся тем, что плотность энергии импульса от первого источника выше плотности энергии импульса от второго источника.
6. Способ лазерного легирования по п. 5, отличающийся тем, что импульсы излучений от первого и второго источников в момент наложения с высокой равномерностью плотности энергии освещают одновременно часть или всю поверхность полупроводниковой пластины.
7. Способ лазерного легирования пп. 1-6, отличающийся тем, что первый источник является некогерентным.
8. Способ лазерного легирования пп. 1-6, отличающийся тем, что первый источник является когерентным.
ю
9. Способ лазерного легирования по пп. 1-6, отличающийся тем, что первый источник не является монохроматическим.
10. Способ лазерного легирования по пп. 1-6, отличающийся тем, что первый источник является монохроматическим.
11. Способ лазерного легирования по пп. 1-6, отличающийся тем, что источники работают в одном спектральном диапазоне.
12. Способ лазерного легирования по пп. 1-6, отличающийся тем, что источники работают в разных спектральных диапазонах.
13. Способ лазерного легирования по пп. 1-6, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала используется пластина из кремния или германия или арсенида галлия.
14. Способ лазерного легирования по п. 13, отличающийся тем, что полупроводниковая пластина содержит на поверхности текстуру.
15. Способ лазерного легирования по п. 14, отличающийся тем, что на поверхность пластины нанесена пленка, содержащая, по крайней мере, бор или фосфор.
16. Система для реализации способа по п. 1 , включающая, по меньшей мере, первый источник оптического излучения, второй источник лазерного излучения, модуль измерения оптических параметров полупроводникового материала, модуль обработки данных и управления.
17. Система по п. 16, отличающаяся тем, что содержит источник лазерного зондирующего излучения, а модуль измерения включает датчик или датчики для измерения рассеяния и/или отражения зондирующего излучения от поверхности полупроводникового материала, и/или датчик для измерения пропускания и/или поглощения зондирующего излучения.
18. Система п. 17, отличающаяся тем, что излучение от первого источника представляет собой импульс длительностью от 1 микросекунды до 20 миллисекунд, а от второго лазерного источника представляет собой импульс длительностью до 150 наносекунд.
19. Система по п. 18, отличающаяся тем, что плотность энергии импульса от первого источника значительно выше плотности энергии импульса от второго источника.
20. Система по п. 19, отличающаяся тем, что содержит, по крайней мере, один модуль сведения излучений от первого источника, второго источника и зондирующее лазерное излучение для обеспечения в момент наложения высокой равномерности плотности энергии при освещении части или всей поверхности полупроводникового материала.
21. Система по пп. 16-20, отличающаяся тем, что первый источник является некогерентным.
22. Система по пп. 16-20, отличающаяся тем, что первый источник является когерентным.
23. Система по пп. 16-20, отличающаяся тем, что первый источник не является монохроматическим.
24. Система по пп. 16-20, отличающаяся тем, что первый источник является монохроматическим.
25. Система по пп. 16-20, отличающаяся тем, что источники работают в одном спектральном диапазоне.
26. Система по пп. 16-20, отличающаяся тем, что источники работают в разных спектральных диапазонах.
27. Полупроводниковая пластина, легированная примесью в поверхностный слой материала, полученная способом по пп. 1-6 на устройстве по пп. 16-20.
28. Полупроводниковая пластина по п. 27, отличающаяся тем, что изменение градиента концентрации легирующей примеси на заданной глубине в слое ±50 нм составляет два - три порядка.
PCT/RU2014/000821 2014-10-28 2014-10-28 Способ лазерного легирования и устройство для его реализации WO2016068741A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2014/000821 WO2016068741A1 (ru) 2014-10-28 2014-10-28 Способ лазерного легирования и устройство для его реализации

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2014/000821 WO2016068741A1 (ru) 2014-10-28 2014-10-28 Способ лазерного легирования и устройство для его реализации

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016068741A1 true WO2016068741A1 (ru) 2016-05-06

Family

ID=55857906

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000821 WO2016068741A1 (ru) 2014-10-28 2014-10-28 Способ лазерного легирования и устройство для его реализации

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2016068741A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011124476A (ja) * 2009-12-14 2011-06-23 Sharp Corp レーザドーピング方法
JP2012146858A (ja) * 2011-01-13 2012-08-02 Sharp Corp レーザドーピング方法および該方法に基づいて製造された半導体基板
US8309474B1 (en) * 2011-06-07 2012-11-13 Ultratech, Inc. Ultrafast laser annealing with reduced pattern density effects in integrated circuit fabrication
RU2476955C2 (ru) * 2011-05-06 2013-02-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" Способ формирования легированных областей полупроводникового прибора

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011124476A (ja) * 2009-12-14 2011-06-23 Sharp Corp レーザドーピング方法
JP2012146858A (ja) * 2011-01-13 2012-08-02 Sharp Corp レーザドーピング方法および該方法に基づいて製造された半導体基板
RU2476955C2 (ru) * 2011-05-06 2013-02-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" Способ формирования легированных областей полупроводникового прибора
US8309474B1 (en) * 2011-06-07 2012-11-13 Ultratech, Inc. Ultrafast laser annealing with reduced pattern density effects in integrated circuit fabrication

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI497600B (zh) 用於積體電路製造之具有減少圖案密度效應的超快速雷射退火
EP1872397B1 (en) System and method for dual wavelength thermal flux laser annealing
US4439245A (en) Electromagnetic radiation annealing of semiconductor material
US6051483A (en) Formation of ultra-shallow semiconductor junction using microwave annealing
JP5105903B2 (ja) レーザアニール装置及びアニール方法
EP2210696A1 (en) Method and apparatus for irradiating a semiconductor material surface by laser energy
TWI549191B (zh) 管理基材退火的熱預算
JP5071961B2 (ja) レーザアニール装置、アニール方法、及び溶融深さ測定装置
CN105719958A (zh) 具有超短停留时间的激光退火系统及方法
US10121667B2 (en) Creation of hyperdoped semiconductors with concurrent high crystallinity and high sub-bandgap absorptance using nanosecond laser annealing
JP2008116269A (ja) 温度計測装置、及び温度算出方法
Sun et al. Laser annealing of silicon surface defects for photovoltaic applications
García et al. Analysis of wavelength influence on a-Si crystallization processes with nanosecond laser sources
JP4614747B2 (ja) 半導体装置の製造方法
Higashi et al. Crystallization of Si in millisecond time domain induced by thermal plasma jet irradiation
WO2016068741A1 (ru) Способ лазерного легирования и устройство для его реализации
Celler et al. Modification of silicon properties with lasers, electron beams, and incoherent light
RU2708935C1 (ru) Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной
Sher Intermediate band properties of femtosecond-laser hyperdoped silicon
García et al. Estimation of local crystallization of a-Si: H thin films by nanosecond pulsed laser irradiation through local temperature simulation
KR101309807B1 (ko) 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법
WO1980001121A1 (en) Dual wavelength laser annealing of materials
Gelpey et al. An overview of ms annealing for deep sub-micron activation
Mingareev et al. Direct infrared laser machining of semiconductors for electronics applications
Qiao Laser annealing on wafer

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14904800

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14904800

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1