专利名称：激光退火装置及激光退火方法
技术领域：
本发明涉及一种激光退火装置及激光退火方法。
背景技术：
半导体晶片，特别是硅晶片的热处理中，一般应用利用电炉的加热及快速热退火(RTA)等。应用RTA时的加热时间为毫秒级。近年来，加热时间短于Iu s的激光尖峰退火的应用也在推进中。加热时间短于I U s的激光尖峰退火中，由于加热时间较短，半导 体晶片的厚度方向上的温度梯度变得陡峭。因此，很难将较深区域加热成所希望的温度而不使半导体晶片的表面温度过度上升。另一方面，RTA中，由于加热时间较长，因此导致半导体晶片整体的温度上升。由于半导体晶片的温度上升，有时会产生半导体晶片的翘曲、滑动(断层)等。通常，能够应用于半导体退火的高输出脉冲激光的脉冲宽度短于I U s或在数百U S以上。专利文献1:日本特开2006-351659号公报专利文献2 :日本特开2011-60868号公报专利文献3 :日本特开2011-119297号公报一般的脉冲波形从起振开始时刻开始急剧上升，达到峰值后缓慢降低。在功率达到峰值的时刻，退火对象物的表面被急剧加热而成为高温。由于达到峰值的时间为一瞬间，因此很难对退火对象物的较深区域进行充分的加热。
发明内容
根据本发明的一种观点，提供如下一种激光退火装置，该激光退火装置具有激光二极管，当输入脉冲电流时，射出激光脉冲；光学系统，将从所述激光二极管射出的激光束导光至退火对象物；及驱动器，向所述激光二极管供给具有顶部平坦的时间波形且脉冲宽度为I U s IOOu s的脉冲电流。根据本发明的另一种观点，提供如下一种激光退火方法，该方法具有在第I表面上形成有含有杂质扩散区域的元件结构的硅晶片的与所述第I表面相反的一侧的第2表面，离子注入掺杂剂的工序；及注入所述掺杂剂后，以所述硅晶片的表面上的功率密度为250kW/cm2 750kW/cm2的条件，向所述娃晶片的所述第2表面照射波长690nm 950nm、脉冲宽度10 y s 100 U S、时间波形为顶部平坦的脉冲激光束，并使所述掺杂剂活性化的工序。发明效果通过使脉冲电流的时间波形顶部平坦，即使在较低的峰值功率密度下，也能够进行充分的退火。加热时间虽依赖于脉冲电流的脉冲宽度，但几乎不依赖于激光束的射束截面的形状。因此，能够高精确度地控制加热时间。
图1是基于实施例的激光退火装置的概要图。图2是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的截面图。图3中，图3A是表示基于实施例的激光退火方法中使用的脉冲激光束的时间波形的一例的图，图3B是退火对象物上的射束截面的俯视图。图4是表示向基于实施例的激光退火装置的激光二极管供给的脉冲电流的波形与射出的激光脉冲的波形的测定结果的曲线图。图5中，图5A是表示模拟实验中使用的顶部平坦型的激光脉冲的波形与一般的激光脉冲的波形的曲线图，图5B是表示顶部平坦型的激光脉冲及一般的激光脉冲入射后，硅 晶片的深度0 ii m、深度3 ii m及深度5 u m的位置的温度变化的曲线图。图6是表示在基于实施例的激光退火方法中进行杂质的活性化退火后的试料的电子浓度、空穴浓度、磷浓度及硼浓度的测定结果的曲线图。图7中，图7A是按射束截面内的宽度方向的每一位置表示向硅晶片照射射束截面内的空间轮廓为顶部平坦形状的激光束时的温度变化的模拟实验结果的曲线图，图7B是按射束截面内的宽度方向的每一位置表不向娃晶片照射射束截面内的空间轮廓为高斯分布的激光束时的温度变化的模拟实验结果的曲线图。图中10_驱动器，IOA-电容器，IOB-脉冲波形整形电路，11-直流电源，12-激光光源，13-半波长板，15-均化器，16-分束器，17,18-射束阻尼器，19-1/4波长板，20-聚光透镜，21-可动工作台，23-射束截面，30-硅晶片，33-基极区，34-发射区，35-栅电极，36-栅极绝缘膜，37-发射电极，38-缓冲层，39-集电极层，40-集电极。
具体实施例方式图1中示出基于实施例的激光退火装置的概要图。激光光源12通过驱动器10而被驱动。激光光源12使用例如振荡波长为690nm 950nm的激光二极管。本实施例中，使用了振荡波长为SOOnm的激光二极管。激光光源12具有横长的多个发光点。多个发光点在其长边方向上配置成一列。各发光点的长轴方向与短轴方向的尺寸比例如为100 :1。发光点的长轴方向的尺寸与互相邻接的2个发光点的间隔几乎相等。换言之，发光点与非发光区域以等间隔交替排列。一般，长轴方向上的激光束的扩展角大于短轴方向上的激光束的扩展角。因此，很难将长轴方向上的射束截面限定为较小。当使用YAG激光等扩展角较小的激光束时，通过将射束截面限定为较小来提高功率密度。然而，当使用激光二极管时，由于很难将长轴方向上的射束截面限定为较小，因此很难通过限定射束截面来提高功率密度。以下说明的实施例中，与基于YAG激光等的激光退火相比，无需提高功率密度就能够进行充分的退火。驱动器10包括电容器IOA及脉冲波形整形电路10B。脉冲波形整形电路IOB进行电流波形的整形，以使来自电容器IOA的放电电流例如成为顶部平坦的脉冲电流。顶部平坦的脉冲电流供给于激光光源12。脉冲波形整形电路IOB例如能够使用功率MOSFET或IGBT等功率半导体元件和控制电路来构成。激光光源12通过从驱动器10供给脉冲电流来进行激光振荡，并射出激光脉冲。从激光光源12射出的激光束入射于半波长板13。半波长板13通过改变其慢轴的方向来改变激光束的偏振方向。透射半波长板13的激光束透射均化器15后，入射于分束器16。分束器16朝向射束阻尼器17反射入射来的激光束的一部分成分，并使剩余的成分直线前进。通过改变半波长板13的慢轴的方向来改变偏振方向，从而能够控制在分束器16中直线前进的成分比率。在分束器16中直线前进的激光束透射1/4波长板19及聚光透镜20，入射于作为退火对象的硅晶片30。硅晶片30保持于可动工作台21。通过均化器15和聚光透镜20，硅晶片30表面上的射束截面成为长条形状，并且在长轴及与该长轴正交的方向(宽度方向)上的光强度被均匀化(空间轮廓成为顶部平坦)。均化器15例如能够使用万花筒、光纤、阵列透镜及复眼透镜等。可动工作台21使硅晶片30在射束截面的宽度方向上移动。 在硅晶片30的表面反射的反射光透射聚光透镜20及1/4波长板19，入射于分束器16。通过透射1/4波长板19两次，偏振方向改变90°。因此，反射光被分束器16反射，并入射于射束阻尼器18。图2中，作为以基于实施例的方法制造的半导体装置的例子示出绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的截面图。IGBT通过在η型的硅基板30的一面形成发射极和栅极，另一面形成集电极来制作。形成发射极和栅极的面的结构以与一般的MOSFET的制作工序相同的工序制作。例如，如图2所示，在硅基板30的表面配置P型的基极区33、η型的发射极区34、栅电极35、栅极绝缘膜36及发射电极37。能够以栅极-发射极之间的电压进行电流的通断控制。在硅基板30的相反侧的面上形成有P型的集电极层39。根据需要，也可以在集电极层39与硅基板30之间形成η型的缓冲层38。例如通过离子注入分别将硼及磷作为杂质进行注入并通过进行活性化退火来形成集电极层39及缓冲层38。在该活性化退火中应用图1所示的激光退火装置。集电极40在活性化退火后形成于集电极层39的表面。图3Α中示出基于实施例的半导体装置的制造方法中使用的脉冲激光束的时序图。脉冲宽度PW的激光脉冲以频率f、即周期Ι/f照射于硅晶片30。在未射出该激光脉冲期间，从驱动器10向激光光源12 (图1)供给待机时电流，以从激光光源12放射不对硅晶片30产生影响的程度的较低强度的激光束或自然放出光。例如，将待机时电流的大小设为射出激光脉冲时的驱动电流的1%以下。与完全关闭激光二极管时相比，在未射出激光脉冲期间更能够延长激光二极管的寿命。退火时的硅晶片30上已形成有图2所示的表面侧的元件结构，背面侧离子注入有用于形成缓冲层38及集电极层39的杂质(掺杂剂)。在该阶段注入的掺杂剂未被活性化。图3B中示出硅晶片30 (图1)的激光照射面上的射束截面23。射束截面23具有在单方向上较长的长条形状。由于光强度分布在长边方向及宽度方向上已通过均化器15(图1)被均匀化，因此长边方向及宽度方向上的光强度分布具有大致顶部平坦形状。将长边方向的长度设为L，光束宽度设为Wt。一边使硅晶片30向射束截面23的宽度方向移动一边进行脉冲激光束的照射。通过使娃晶片30移动,娃晶片30的表面被脉冲激光束扫描。通过向光束宽度方向扫描脉冲激光束，能够对一边的长度与射束截面的长度L相等的长方形的区域进行退火。将I个激光脉冲的射束截面(图3B中以实线表示)与接着入射的激光脉冲的射束截面(图3B中以虚线表示)重叠的区域的宽度设为Wo。将重复率定义为Wo/Wt。若将硅晶片30的移动速度设为V，则Wt-Wo=V/f成立。因此，重复率由脉冲的重复频率f、光束宽度Wt及硅晶片30 (载置台)的移动速度V决定。实施例中，将光束宽度Wt设为240 μ m。图4中示出向激光光源12供给的脉冲电流的时间波形A与从激光光源12射出的脉冲激光的时间波形LI。横轴以单位“ μ s”表示经过时间，左纵轴以任意单位表示电流的大小，右纵轴以任意单位表示光强度。激光束的光强度通过由射束阻尼器截捕激光束并以光电二极管检测来自射束阻尼器的散射光来求得。可知从激光光源12射出的激光束的光强度易随电流的变化而变化。通过将 脉冲电流的波形设为顶部平坦，能够将从激光光源12射出的激光脉冲的波形也设为顶部平坦。在此，“顶部平坦”是指波形的顶部为能够近似直线的形状。直线近似是在被近似的部分的实际测定值收敛在平均值±10%的范围内的条件下进行的。当近似直线的部分的时间宽度相对于脉冲宽度之比较小时，很难判定是否为顶部平坦。若电流脉冲或激光脉冲的能够近似直线的部分的时间宽度长于时间波形的上升时间及下降时间中较短的一方，则能够称为“顶部平坦”。其中，“上升时间”设为从图3Α所示的待机状态开始，到上升至顶部平坦部分的平均强度的90%为止的时间。“下降时间”设为从降低至顶部平坦部分的平均强度的90%的时刻开始，到待机状态为止的时间。“脉冲宽度”是指脉冲波形的半值全幅宽。例如，若顶部平坦部分的时间宽度短于上升时间及下降时间，则也能够想到类似于三角波的时间波形。如上述，若顶部平坦部分的时间宽度长于时间波形的上升时间及下降时间中较短的一方，则能够与三角波区分。参考图5Α及图5Β，对为了确认将激光脉冲的时间波形设为顶部平坦的效果而进行的模拟实验进行说明。图5Α中示出用于模拟实验的激光脉冲的时间波形。横轴以单位“ μ s”表示从脉冲上升时刻开始的经过时间，纵轴以任意单位表示功率密度。对顶部平坦的时间波形WFl及从一般的脉冲激光振荡器射出的激光脉冲的时间波形WF2进行模拟实验。设2个时间波形WF1、时间波形WF2的脉冲能量及光束尺寸均相同。由于脉冲能量相同，因此图5Α的时间波形WFl的面积与时间波形WF2的面积相同。时间波形WFl的顶部平坦部分的时间宽度为10 μ S。时间波形WF2的脉冲宽度被调整为后述的图5Β所示的时间波形WF1、时间波形WF2的温度履历中表面达到熔点的时间相同。此时，顶部平坦的时间波形WFl的峰值功率成为一般激光脉冲的时间波形WF2的峰值功率的约50%。另外，时间波形WFl的激光脉冲的功率密度为550kW/cm2。将激光束的波长设为800nm，退火对象物设为硅晶片。图5B中示出激光脉冲入射后的深度O μ m、深度3 μ m及深度5 μ m的位置的温度变化的模拟实验结果。横轴以单位“μ s”表示经过时间，纵轴以单位“K”表示温度。图5Β中的实线及虚线分别表示入射时间波形WFl及时间波形WF2的激光脉冲时的温度变化。附加至IJ实线及虚线的数值以单位“ μ m”表示距硅晶片的表面的深度。深度Ομπι的温度变化的顶部几乎变得平坦是由于表面温度达到硅的熔点，被赋予硅晶片的激光能量作为熔解热而被消耗掉。可知若使激光脉冲的时间波形顶部平坦，则较深位置的最高到达温度变高。作为模拟实验的前提条件，使顶部平坦的时间波形WFl与一般激光脉冲的时间波形WF2的脉冲能量相同。从模拟实验的结果可知，即使脉冲能量密度相同，也能够通过使时间波形顶部平坦来更有效地提高较深区域的温度。换言之，若使激光脉冲的时间波形顶部平坦，则能够减少加热至某一恒定温度所需的脉冲能量。例如，在进行IGBT的集电极侧表面的活性化退火时，优选抑制相反侧表面的温度上升，以免形成于相反侧表面的扩散区域等的结构物受到损坏。用于IGBT的硅晶片的厚度例如为ΙΟΟμπι左右。若激光束照射于硅晶片，则热量从激光照射位置开始各向同性扩散。激光照射面的相反侧的背面温度几乎不受激光脉冲的时间波形的影响，而依赖于被投入的脉冲能量。由于通过使激光脉冲的时间波形设为顶部平坦，由此能够减少脉冲能量，因此能够抑制背面的温度上升。这样，欲抑制背面的温度上升时，使激光脉冲的时间波形形成为顶部平坦是有用的。如已说明，若使用激光二极管来作为激光光源12 (图1)，则很难通过将射束截面 限定为较小来提高功率密度。但是，若使脉冲的时间波形成为顶部平坦形状，则无需提高功率密度，就能够将距硅晶片的表面较深的内部区域加热至较高的温度。并且，从激光二极管的寿命方面来看，也优选将激光脉冲的峰值功率设定为较低。一般，激光二极管的输出与供给于激光二极管的电流量成比例，因此顶部平坦的时间波形依赖于从驱动器10供给至激光光源12的脉冲电流的波形。通过调整脉冲电流的波形，能够将具有顶部平坦的时间波形的激光脉冲的脉冲宽度(半值全幅宽)设定成所希望的值。若设脉冲宽度过长，则与以往的RTA的加热时间之间的有意义的差消失，导致半导体晶片的厚度方向的整个区域被加热。为仅对半导体晶片的表层部附近进行加热，优选将脉冲宽度设为100 μ s以下。若在脉冲能量密度恒定的条件下缩短脉冲宽度，则峰值功率密度变大，无法得到应用顶部平坦的时间波形的效果。为得到应用顶部平坦的时间波形的显著效果，优选将脉冲宽度设为I μ S以上。基于实施例的激光退火方法中的加热时间依赖于脉冲宽度，几乎不依赖于射束截面的形状或扫描速度。因此，能够高精确度地控制加热时间。向硅晶片30 (图1)注入硼(B)及磷(P)，在各种激光照射条件下进行活性化退火。以下，对该评价实验进行说明。图6中示出用于评价的试料的深度方向的杂质浓度分布及载流子浓度分布的测定结果。横轴以单位“ym”表示深度，纵轴以单位“Cm—3”表示浓度。硼的注入在加速能量40keV、剂量I X IO15CnT2的条件下进行。磷的注入在加速能量700keV、剂量I X IO13CnT2的条件下进行。虚线BO及虚线PO分别表示刚刚注入后的硼浓度及磷浓度。细实线pi表示在脉冲宽度15 μ S、重复率50%、频率O. 5kHz的条件下进行激光照射的试料SI的空穴浓度，虚线P2表示在脉冲宽度15 μ S、重复率67%、频率O. 5kHz的条件下进行激光照射的试料S2的空穴浓度，粗实线P3表示在脉冲宽度25 μ S、重复率67%、频率O. 5kHz的条件下进行激光照射的试料S3的空穴浓度。另外，脉冲能量密度与图5A的应用于模拟实验的脉冲能量密度相同。细实线η表示试料S1、试料S2及试料S3的电子浓度。3个试料的电子浓度分布大致重合，因此用I根细实线表示。由于硅基板的表面未熔融，因此表层部的电子浓度分布呈反映刚注入后的硼浓度分布的形状。并且，可知深度2. 5 μ m为止的磷几乎100%活性化。
在使被离子注入于硅晶片中的掺杂剂活性化的退火中，优选将脉冲宽度设为10 μ S 100 μ S，将功率密度设为 250kW/cm2 750kW/cm2。上述实施例中，使用了波长为800nm的激光二极管作为激光光源12，但也可以使用波长为690nm 950nm的激光二极管。顶部平坦的激光脉冲的上升部分对退火几乎不起作用。即，由于上升部分有能量损失，因此优选设为急剧上升。作为一例，优选将上升至激光脉冲波形的直线部分的平均强度的90%为止的时间设为2μ S以下。作为退火对象的半导体晶片的表面上形成与晶片的热膨胀系数不同的薄膜时，还有时会因温度的急剧上升而导致产生薄膜的剥离。当担忧薄膜的剥离时，优选通过加长脉冲的上升时间来避免温度的急剧上升。另一方面，激光脉冲的下降时间影响被加热的半导体晶片的冷却速度。冷却速度有时会影响退火效果。若加长下降时间，则能够减缓冷却速度。相反，若缩短下降时间，则能够加快冷却速度。为得到所希望的退火效果，优选按照退火的目的来控制激光脉冲的下降时间。激光脉冲的下降时间能够根据供给于激光光源12 (图1)的脉冲电流的时间波形进行调整。顶部平坦通常是指脉冲的上升部分与下降部分之间的区域的大小(激光脉冲时为光强度，电流脉冲时为电流的大小)几乎恒定。根据退火对象的材质或结构，也可以以适当的比例增加或减少顶部平坦区域中的激光脉冲的光强度。上述实施例中，对以有效地加热硅晶片的较深区域为目的时的激光脉冲的优选时间波形进行了说明。根据退火对象的材质或结构，也可以进行激光脉冲的上升时间、下降时间及顶部平坦部分的强度增减等的最优化。为使从激光光源12射出的激光脉冲顶部平坦，优选预先在电容器IOA中蓄积I脉冲的射出所需的电力。由此，能够向激光光源12稳定地供给射出I脉冲所需的电力。接着，参考图7Α及图7Β对激光束的空间轮廓进行说明。图7Α表示使用基于实施例的激光退火装置来进行激光退火时的硅晶片表面温度的时间变化的模拟实验结果。图7Β表示使用在射束截面的宽度方向上具有高斯分布的光束轮廓的激光束进行激光退火时的硅晶片表面温度的时间变化的模拟实验结果。横轴以单位“ μ s”表示从激光束的照射时刻开始的经过时间，纵轴以单位“K”表示温度。附加于各曲线上的数值以单位“ μ m”表示距图3B的射束截面23的宽度方向上的中心的距离X。在使激光束的空间轮廓形成为顶部平坦的实施例中，如图7A所示，可知距射束截面的宽度方向中心的距离为IOOym以下的区域的温度几乎相同。相对于此，如图7Β所示，以具有高斯分布的光束轮廓的激光束进行退火时，与图7Α所示的情况相比，温度几乎相同的区域较窄。因此，导致活化率在射束截面的宽度方向上产生偏差。为使活化率在硅晶片的面内均匀，优选使空间轮廓成为顶部平坦。根据以上实施例说明了本发明，但本发明不限于这些。例如，能够进行各种变更、改良及组合等，这对本领域技术人员来讲是显而易知的。本申请主张基于2011年9月27日申请的日本专利申请第2011-210590号的优先权。该申请的全部内容通过参照援用在本说明书中。
权利要求
1.一种激光退火装置，其中，具有 激光二极管，当输入脉冲电流时，射出激光脉冲； 光学系统，将从所述激光二极管射出的激光束导光至退火对象物；及驱动器，向所述激光二极管供给具有顶部平坦的时间波形且脉冲宽度为Iys 100 μ s的脉冲电流。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其中， 所述驱动器具有 电容器，蓄积从电源供给的电力 '及 脉冲波形整形电路，从所述电容器取出所述脉冲电流。
3.如权利要求2所述的激光退火装置，其中， 所述驱动器在向所述激光二极管供给所述脉冲电流之前，在所述电容器中蓄积比所述激光脉冲的一次输出所需的电力大的电力。
4.如权利要求1 3中任一项所述的激光退火装置，其中， 所述驱动器向所述激光二极管周期性地供给所述脉冲电流，且在未供给所述脉冲电流期间，预先向所述激光二极管供给所述脉冲电流的最大电流值的10%以下大小的电流。
5.如权利要求1 4中任一项所述的激光退火装置，其中， 所述脉冲电流的时间波形的顶部平坦部分的时间宽度长于上升时间及下降时间中较短的一方。
6.如权利要求1 5中任一项所述的激光退火装置,其中， 所述光学系统包含均化器，所述均化器使所述退火对象物表面上的射束截面成为长条形状，并且使与所述射束截面的长边方向及宽度方向相关的光强度分布成为顶部平坦形状。
7.一种激光退火方法，其中，包括 掺杂剂注入工序，向娃晶片的与第I表面相反的一侧的第2表面,离子注入掺杂剂,其中，所述硅晶片的所述第I表面上形成有含有杂质扩散区域的元件结构；及 掺杂剂活性化工序，在注入所述掺杂剂后，以所述硅晶片的表面上的功率密度为250kff/cm2 750kW/cm2的条件，向所述娃晶片的所述第2表面照射波长690nm 950nm、脉冲宽度10μ s 100 μ S、时间波形为顶部平坦的脉冲激光束，使所述掺杂剂活性化。
全文摘要
本发明提供一种激光退火装置及激光退火方法。一般的脉冲波形从振荡开始时刻开始急剧上升，显示出峰值后缓慢降低。在功率显示峰值的时刻，退火对象物的表面被急剧加热而成为高温。由于显示峰值的时间为一瞬间，因此很难对退火对象物的较深区域进行充分的加热。本发明的激光退火装置，当输入脉冲电流时，从激光二极管射出激光脉冲。光学系统将从激光二极管射出的激光束导光至退火对象物。驱动器向激光二极管供给具有顶部平坦的时间波形且脉冲宽度为1μs～100μs的脉冲电流。
文档编号B23K26/06GK103021826SQ20121036408
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月26日 优先权日2011年9月27日
发明者若林直木, 万雅史 申请人:住友重机械工业株式会社