双波长热流激光退火的制作方法

专利名称：双波长热流激光退火的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体衬底的处理。具体而言，本发明涉及半导体 衬底的激光热处理，其中线光束在衬底上扫描。
背景技术：
长期以来，半导体集成电路的制造需要对硅晶片或者其他半导体晶片进行多步热处理。晶片需要升高到60(TC或以上的温度以使处理热活化。 这样的处理可以包括(但不限于)化学汽相沉积，硅化、氧化或氮化、注 入退火(implant anneal)、以及掺杂活化等。这些处理中的-一些可能需要 超过IOO(TC、 120(TC或者甚至135(TC以上的温度，其后者相对接近硅的 熔点1416°C。最初，这样的热处理在包含许多晶片(其支撑在支架中)的炉中进 行。将电能供应到炉壁中的电阻加热器元件，以将它们加热到接近期望处 理温度的温度。晶片最终达到与炉壁基本相等的温度。在升高的温度下进 行了期望时间长度的热处理之后，不再将电能供应到电阻加热器，使得壁 逐渐冷却，晶片也逐渐冷却。尽管需求热处理时间可能相对较短，但是加 热速率和冷却速率两者都相对较慢，在大约15r/min的量级。这些升高温 度过程中的较长时间显著地增大了热处理所需的热预算。在先迸集成电路 中的精细特征和薄层需要减小热预算。己经发展了快速热处理(RTP)以提高冷却和加热速率。RTP室通常 包含指向单个晶片的大量高强度卤素灯。这些灯可以快速地转换到其最高 灯丝温度，以在对室本身较少加热的情况下迅速地加热晶片。当灯关闭 时，灯的处于最高温度的部分包括了相对小的质量，其可以迅速冷却。 RTP室壁未被加热到非常高的温度。结果，晶片能够以合理的较高冷却速 率辐射冷却。典型的RTP加热速率是约250°C/s，典型的RTP冷却速率是
约90°C/s，由此显著减小了热预算。在一种所谓脉冲退火(spike annealing)的技术中，在最高温度时基本上没有保温时间(soak time)。 取而代之的是，上升之后紧接着下降。在大多数状况下，变化速率应该最但是，对于具有超窄特征和浅且陡峭结点(其两者都需要精密的热控 制)的先进器件而言，RTP乃至脉冲退火的冷却和加热速率正变得不足。 炉和RTP室两者都将整个晶片加热到需求处理温度。事实上，仅晶片表面 处上部数个微米内的材料需要热处理。而且，RTP的覆盖热辐射模式需要 通过辐射和传导热传输两者将整个晶片从退火温度冷却。随着晶片冷却， 辐射冷却的效率降低。已经发展了脉冲激光热处理来显著提高加热和冷却速率。激光辐射的 短(约20ns)脉冲聚焦在晶片的减小面积处，该晶片理想地与20mm乘 30mm的邻域中光步进机的扫描场(optical stepper field)具有相同尺寸。 激光脉冲的总能量足以迅速将照射面积的表面加热到高温。此后，浅激光 脉冲产生的少量热迅速扩散到未受热的晶片下部中，从而较大地提高照射 表面区域的冷却速率。数种大功率激光器能够以每秒数百个脉冲的重复速 率发出脉冲。激光器在晶片的表面上以步进和重复的模式移动，并在邻域 中发出脉冲以类似地对整个晶片表面进行热处理。但是，脉冲激光热处理存在不均匀的问题，其部分是由于在图案化表 面上短时间的密集辐射脉冲。扫描和脉冲需要仔细地对准，并且辐射分布 和横向热扩散模式都不是固定的。辐射脉冲较短，使得吸收上的任何差异 都将导致温度的巨大差异。该结构的一部分可能熔化而一微米开外的其他 部分可能刚刚受热。为了解决此问题，已经发展了新的一系列激光热处理 设备，其中具有较长尺寸和较短尺寸的连续波(CW)激光辐射的窄线光 束沿着该较短尺寸(即，垂直于线)的方向扫描晶片。线宽足够小，并且 扫描速度足够高，使得辐射的扫描线在表面处产生非常短的热脉冲，其此 后竖直向下迅速地扩散到衬底内并水平地迅速扩散到低温表面区域。该处 理可以称为热流退火。这三种退火可以在热力学术语方面进行区别。RTP和热退火是等温处
理，其中在给定的时间晶片的每个区域都处于基本相同的温度。脉冲激光 退火是绝热的。在任何热能够明显扩散之前辐射脉冲已经结束。热流退火 快于等温RTP处理但慢于绝热脉冲处理。在常规电子材料中，加热具有在5和100/xm之间的热扩散长度，该长度在集成电路图案的尺度上允许一定 的热均匀。Markle等人(此后称为Markle)在美国专利6,531,681中公开了这种 线扫描热处理系统的反射光学器件描述。Jennings等人(此后称为 Jennings)在美国公开申请2003/0196996中公开了折射光学器件描述，不 过在Markle和Jennings之间还存在其他实质差别。在一些实施例中， Jennings热设备可以用小于100/mi的光束线宽实现106°C/s的变化速率。但是，Markle禾P Jennings两者都优选使用沿着光束的长度方向排列的 激光二极管棒，以产生激光辐射。这些激光二极管棒通常由GaAs或类似 的半导体材料构成，并由形成在光电芯片的同一层中的大量二极管激光器 组成。Markle优选的GaAs激光器棒以约808nm的波长发射近红外辐射， 其良好地耦合到硅内。如图1的能带图所示，类似于大多数半导体的半导 体硅具有能级低于Ev的电子状态的价带10、和能级高于Ee的电子状态的 导带12。在直接带隙半导体(硅不是直接带隙半导体但是效果大体相同) 中，能级Eg的带隙14将价带和导带10、 12分离。在未掺杂的硅中，没有 电子状态存在于带隙14中。对于硅，Eg二1.12eV，其根据以下公知的光子 方程对应于11 lOnm的光波长￡丄，;i其中h是普朗克常数，c是光速。在诸如硅之类的间接带隙半导体中处于绝对零度的温度时，价带IO完全填充而导带12完全是空的。经过这种半导体的具有Ep的光子能级的光将仅在其光子能级大于或等 于带隙的情况下才与电子互相作用，Ep〉Eg因此光子可以将价带IO中的电子激发到导带12，在导带12中电子是自由 载流子。 一旦电子处于导带中，电子迅速地热化并加热半导体主体。当硅被加热到高温(在该高温下，热能将电子从价带10激发到导带12而将空穴(空电子状态)留在价带IO中并将电子留在导带12中(其两 者均为自由载流子))时，状况发生了改变。低能级的光子可以将价带电子激发成价带10中的空穴，或者可以将导带电子热激发成导带12内大体 空的状态。但是，这种效果通常在约80(TC以下时较小。当半导体被掺杂 时产生了其他效果，对于n型掺杂物，产生了在带隙内但接近导带12的 电子状态16，或者对于p型掺杂物，产生了接近价带10的空穴状态18。 这些掺杂状态对于半导体的工作是重要的，这是因为在中等的温度它们足 以将电子状态16激发到导带12中或将空穴状态激发到价带10中(其也可 以可选地被形象化为将价带电子激发为空穴状态18)。低能级的光子可以 与这种激发的掺杂物状态互相作用。例如，导致入射辐射吸收的带内跃迁 可能在价带10内或在导带12内发生在两个自由载流子状态之间。但是， 由此效果带来的吸收在约10l8cm—3的掺杂度(其远高于半导体器件中的平 均掺杂度)以下时相对较小。在任何情况下，激光吸收不会严格地取决于 温度和辐射区域的掺杂度，如同在自由载流子之间带内吸收的状况。优选 地，依靠带内跃迁来用于激光加热，而不是依靠涉及自由载流子(温度和 掺杂度对此具有较大影响)的带内吸收。因此，用于迅速加热硅的激光辐射应该具有显著小于1110nm的波 长，这容易由GaAs 二极管激光器提供。但是，二极管激光器具有-一些缺 点。激光器棒在将其输出聚焦为沿其长度的均匀光束时会产生问题。来自 激光器棒的辐射分别从沿着棒的长度的多个二极管激光器输出，多个二极 管激光器间隔有间隙。即，激光源的线均匀性不好，且需要通过均化器来 改善。用于均化器的技术是可获取的，但是将其应用于高强度光束带来了 工程化和操作上的问题。另一个问题是，808nm的激光棒辐射在硅中具有 约800nm的吸收深度，这可能大于需要退火的硅层的深度，例如需要注入 固化和掺杂激活的浅的源极和漏极注入物。在美国专利6,747,245中，Talwar等人(此后称为Talwar)建议使用 来自二氧化碳(co2)激光器的辐射来产生用于激光热处理的线光束。虽 然C02激光器具有比二极管激光器(40至50%)低的效率(10至15 %)，但是它们能够更容易低产生良好准直(无发散)并且大体圆形的光
束。但是，我们认为具有约10.6/mi波长的C02辐射作为激光辐射的单一 源是不足的，因为10. 6/mi波长远大于Lll/mi的硅带隙波长。结果，未掺杂或低温硅对于C02辐射实质上是透明的，并且C02辐射在硅晶片中(差不多在先进微处理所期望的浅表面区域中)未被有效吸收。虽然Markle未 公开，但是可以通过将硅加热到非常高的温度或者通过依靠较大程度的掺 杂或者通过其两者的结合，来增强C02辐射的吸收。但是，加热设备使激 光热处理设备复杂化，并且在半导体制造中不能自由地控制掺杂度，而掺 杂度沿着部分先进的集成电路变化。Boyd等人(此后称为Boyd)在1984年4月15日的Journal of Applied Physics第55巻第8期3061-3063页的"Absorption of infrared radiation in silicon"中公开了一种双波长热处理技术。Boyd强调10.6/xm的量子能比 硅带隙小两个量级。结果，硅对于C02辐射实质上是透明的。即使对于较 大程度掺杂的硅，吸收率小于100cm—\该值对于表面激光热处理而言太 小。取而代之的是，Boyd提出了对硅预加热或者更优选地用来自CW氩 激光器的500nm辐射(其具有大于带隙的能级)来照射硅，以提高硅中自 由载流子密度，并促进C02辐射的吸收。Boyd没有解决其光束的空间范 围的问题，并且承认了较差的空间界定，认为这对于先进激光热处理而言 是重要的。发明内容具体用于对形成在晶片上的半导体集成电路进行热处理的热处理设备 包括以短波长(例如小于l.OMm)发射的第一激光源和以长波长(例如大 于1.2/rni,优选地大于5 /mi，最优选地约10.6 /xm波长的032激光辐射)发射的第二激光源。来自第二源的加热光束被映射为晶片上相对窄的线光 束，其例如具有不大于0.1mm的宽度和至少1mm的长度。来自第一源的活化光束被映射为晶片上相对大的光束，其围绕来自第二源的线光束。通 过晶片的移动或者光学器件的移动，两个光束在线光束的窄尺寸方向上同 步扫描。本发明的另一个方面包括声光调制器，其能够用于去除用于使垂直于
物理扫描方向的窄光束扫描以产生线辐射模式的光束中的不均匀或者光 斑。加热光束可以有效地以距法线约40°的角度照射样品。 本发明的另一个方面包括用于形成均匀线光束的光学器件。 一轴光管 可以用于此目的。CCD阵列可以对被照射的附近进行热成像。 可以选择活化光的波长以控制对衬底的加热深度。


图1是半导体中电子能带和光跃迁的示意图。 图2是本发明的双波长激光退火设备的示意性正视图。 图3是入射在正被激光退火的晶片上的加热光束和活化光束的形状的 俯视图。图4是本发明可以应用的硅结构的剖视图。图5是包括更多光学元件的图2的退火设备的正交视图。图6是入射在晶片上的两个光束的放大正交视图。图7是本发明的另一个实施例的光学器件的正交视图。
具体实施方式
在图2的正视图中示意性地示出了本发明-一个实施例的简化表示。晶 片20或其他衬底被保持在工作台22上，工作台22是在系统控制器24的 控制下在一个或两个方向上由马达驱动的。诸如GaAs激光器棒之类的短 波长激光器26发射波长短于约1.11/xm的硅带隙波长的可视或近可视连续 波(CW)光束28。对于GaAs激光器26，发射波长通常是约810nm，其 特征为红色。第一光学器件30聚焦并成形光束28，反射器32将光束28 以相对宽的活化光束34朝向晶片20重导向，其也在图3的俯视图中示 出。活化光束34可以以相对于晶片法线一定的角度(例如，15° )倾 斜，以防止反射回到GaAs激光器26。这样反射的辐射可能縮短二极管激 光器的寿命。长波长激光器40 (优选为C02激光器)发射波长大于 1.11/mi的硅带隙波长的红外CW光束42。对于优选的C02激光器，发射 波长是约10.6^m。第二光学器件44聚焦并优选地成形C02光束42，第二 反射器46将C02光束42反射为相对窄的加热光束48。优选地，(302光束 48相对于晶片法线以布儒斯特角(对于硅而言是约72。)倾斜，以最大 地将加热光束48耦合到晶片20中。以布儒斯特角入射对于p极化辐射 (即，沿着晶片20的表面极化的辐射)是最有效的，因为不存在由于晶 片20中的折射光束与任何反射光束之间90°角的事实而导致的反射辐 射。因此，在C02光束18中s极化光被有利地抑制超过p极化光。但是， 实验表明对于许多图案，在距晶片法线40° (±10。)处对中的20°辐 射锥导致约3.5%的吸收变化，这与在布儒斯特角处对中的锥实现的2.0% 几乎一样良好。如图3所示，长波长(C02)加热光束48位于更大的短波长(可视) 活化光束34内，并优选地对中在其上。随着工作台22使晶片20相对于包 括激光器26、 40和光学元件30、 32、 44、 46的光源50移动，光束34、 48两者同步扫描过晶片20。应该理解，同步不需要精确，只要活化光朿 34保持在加热光束48内即可。可选地，可以使晶片10保持静止，而致动 器52根据来自控制器24的信号使光源50的全部或部分在平行于晶片10 的一个或两个方向上移动。对于红外加热光束48和可视活化光束34两者，在晶片20上的光束形 状都是大体矩形或者至少很大程度上是椭圆。应该理解，所图示的光束形 状是示意性的，并表示中心强度的一小部分，因为实际上的光束具有延伸 超出图示形状的有限尾部。因此，当两个光束34、 48相对于晶片20同时 移动时，红外光束48优选地近似对中在更大的可视光束34上。通常的效果是，在硅中被急剧减弱的更大的可视光束34在接近晶片 表面的某些大区域中产生自由载流子。其否则不被未照射的硅吸收的更小 的红外光束48与由可视光束34产生的自由载流子互相作用，并且其长波 长辐射被有效地吸收并转换为热，从而迅速地升高红外光束48的区域中 的温度。主要由小的红外光束48的尺寸来确定温度变化速率和扫描速度，而
更大的可视光束34应该包围小的红外光束48。小的加热光束48在扫描方向上的宽度部分地确定温度变化速率并在大多数应用中被最小化。小的加热光束48的垂直于扫描方向的长度应该足够大，以延伸过相当大部分的 晶片，从而在一次经过中使相当大部分退火。通常，线光束的长度至少是 其宽度的十倍。最优地，长度等于或略超过晶片直径。但是，对于商业可 行的应用，该长度可以是在微米的量级。在晶片上的小的加热光束48的 示例尺寸是O.lmmXO.lmm,不过也可以使用其他尺寸。更小的宽度通常 是更理想的，例如，小于500/mi或者小于175/xm。更大的活化光束34可 以比加热光束48大例如lmm，使得在一组示例尺寸中，可以在扫描方向 上延伸约lmm，而在垂直方向上延伸数毫米。双波长产生的结果是，更多的红外吸收集中在吸收了可视辐射的表面 区域中。表面区域的深度远小于C02辐射自身得到的吸收深度。可视辐射 在硅中的室温衰减深度在可视光谱中随着波长的减小而迅速减小，例如， 对于800nm辐射是约10/mi的吸收深度，对于600nm辐射是约3/xm，而对 于500nm是约1/xm。因此，为了仅在非常接近晶片表面处产生自由载流 子，以将热限定成接近表面，更短的活化波长是有利的。于是，对于一些 应用，更短的活化波长是理想的，例如来自双频率Nd:YAG激光器的 532nm辐射，其特征为绿色。虽然可以对Markle或Jennings的用于具有更短波长的单光束照射的设 备进行修改，但是其难以用这些更短波长获得大功率，尤其是对于二极管 激光器。相反，利用双光束，短波长辐射仅用于产生自由载流子并因此活 化对长波长辐射的吸收，从而不需要大功率。优选地，红外吸收由已经通过短波长激光器在晶片表面处产生的自由 载流子决定。这有效地使10.6微米辐射具有与更短波长相同的吸收长度。 还优选地，更短波长的辐射产生基本相同数量的自由载流子，使得即使当 光干涉效应减少了更短波长到晶片中的透射，红外吸收仍然是饱和的。对 于目前在半导体工业中使用的某些膜叠层而言，光干涉效应能够使进入晶 片的功率减少高达80%。这需要当更短波长激光器的功率的仅20%实际 进入晶片时，红外自由载流子吸收效应也达到饱和。更短波长激光器的功
率强度必须至少是饱和值的五倍，但是其还必须不能太高以可观地促进对 衬底的直接加热。利用本发明，可以使更短波长辐射的功率强度更适于确 保红外吸收，但其远小于C02激光器的功率强度。因此，更短波长不会促 进对晶片的加热，并以此不会劣化加热的均匀性。此效果是有利的，因为 对于更短波长的容许功率存在更大的变化量。虽然可以使用各种工作参数，但是举例说明以下示例值。C02激光器 可以具有ioow的总光输出功率，其在聚焦和光束成形之后以约 150kW/cn^的光功率密度照射晶片。相反，可视激光器以1至2W的光输 出功率进行工作。入射在晶片上的C02光束可以具有50ym的宽度和 100/rni至lmm的长度。利用这样短的线宽，(302光束需要以蜿蜒模式扫描 以覆盖整个晶片。虽然本发明不受限制，但是红色活化光束比绿色更优选，以对具有如 图4的剖视图所示的近表面结构的一些类型的先进集成电路进行处理。具 有需要退火的薄表面注入层62的硅晶片60覆盖有具有约50nm厚度的无 定形硅层64。例如来自Nd:YAG激光器的入射在顶表面上的绿色活化辐射 66被无定形硅层64吸收，而由于无定形材料中的无序状态使得所产生的 自由载流子迅速地再结合。较高的再结合速率极大地减少了自由载流子浓 度，并因此极大地减少了由自由载流子对10.6/mi辐射的吸收。结果，这 些区域表现了对于10.6/mi光的非常长的吸收长度，并且在这些区域中衬 底未被有效加热。结果，直接加热集中在无定形层64中，因此是低效 的。相反，例如来自GaAs激光器棒的红色活化辐射66仅被部分吸收在无 定形层64中，大量剩余部分被吸收在硅60的顶部数微米中，在该处自由 载流子的寿命较长，从而确保了对10.6/xmC02辐射的强烈吸收。因此可以 理解，可以通过选择活化光的波长来控制在晶片内热处理的深度。较短的 波长被更靠近表面处吸收，因此促进了该处的退火，而较长的波长在更深 处被吸收，并将热退火延伸到这些深度。对于在先进器件中使用的超浅掺 杂注入物进行退火而言，浅的加热区域是特别重要的。图2所示的光学器件是极为简化的。图5中图示了更完整的一组光学 器件，不过多个其他光学元件将单独描述。图6示出了光束区域的放大
图。从GaAs激光器26发出的活化光束的光学器件相对简单。包括两个透 镜70、 72的中继光学器件产生了来自激光器棒的不同GaAs二极管激光器 的子光束的所期望的叠置。如果自由载流子是饱和的，则不需要完全均 匀。额外的自由载流子不能将红外吸收提高到100%以上。倾斜的干涉镜 74使红色GaAs激光器26的810nm辐射偏转以接近法线的角度入射在晶 片20。但是，干涉镜74具体在相反方向上使表示晶片温度的更长红外辐 射经过到达高温计76，其可以是单个检测器或CCD (电荷耦合器件)阵 列。在后者的情况下，可以获得幅射线周围的热图像。物镜78将红色光 束28聚焦到晶片20上作为活化光束34。如所图示的，聚焦的活化光束 34具有由GaAs激光器棒中的二极管激光器的线性阵列得到的大体矩形形 状。相同的物镜78将从晶片20的被扫描的区域以大角度(例如，15°半 锥角)发射的更长波长的光进行准直。反射器74对更长的波长相对可透 射，并使得准直红外光束经过。另一个物镜80将红外光束聚焦在高温计 76上，从而允许实时监视晶片20上达到的最高温度。高温计76的波长可 以从0.96禾n 2.5/mi之间的波长选择，1.55/mi是优选的波长。用于制造透 镜的玻璃在这些波长通常吸收10.6/mi辐射，并因此有效地将其滤除。在 10.6/mi的任何C02辐射将需要散射到高温计76中。因为散射与波长成反 比，所以高温计76对于C02辐射不敏感。C02激光器40的输出经过将在下文更详细描述的光学器件，其包括1 轴光管82， 1轴光管82包括两个平行的反射器84、 86，其沿着快光轴排 列，而间隔小间隙，并且其沿着光束轴延伸并在横向上沿着慢光轴延伸 的。快光轴表示晶片上的加热光束的光轴，线沿着其迅速扫描，即线光束 的短尺寸方向。慢光轴表示横向光轴，光束沿着其索引为蜿蜒扫描的步骤 之间离散的位移，即，线光束的长尺寸方向。引入到光路中的任何反射器 使得快光轴和慢光轴因此而重定向。光管82通过将相干光斑伸展约200X 的倍数、通过类似地提高光束均匀性、并通过沿着光轴展平光束形状，来 使得光束沿着慢(长)光轴均匀化。变形光学器件88，即沿着快光轴和慢 光轴具有不同焦距的透镜系统，允许沿着快光轴的衍射限制聚焦，但不会 这样沿着慢光轴限制线光束长度。反射器90被定向以将C02光束48引导
为以布儒斯特角(其对于硅为与法线成72° )入射在晶片20上，以当光束具有p线性极化(即，在晶片20的平面内垂直于光束极化方向的光束 极化)时将CO2光束48最大地耦合到晶片20中。图7中图示了相关实施例。声光调制器(AOD) 94接收来自C02激 光器42的光输出光束48。 AOD 94包括例如在一端接合有超声换能器的锗 晶体和吸收器。RF信号以20士5MHz的振荡信号来电驱动换能器，以调 制锗的密度并根据驱动频率建立将约80%的入射光从入射方向衍射例如约 5°的干涉光栅。驱动频率还可以在lMHz到10MHz的频带变化，以改变 衍射角，并从而沿着慢光轴使光束在约1°的范围内偏转和颤动，S卩，使 光束角度或空间地扫描。AOD扫描将激光束中的相干光斑和干涉条纹伸展 约200X的倍数，并还使光束沿着慢光轴均匀化。在另一个变化方案中，可以在一些应用中将小的单个光束输入到 AOD 94中，并使用AOD 94使该小光束沿着慢光轴在加热光束48的整个 长度上扫描。第一 45°相延迟镜98反射光束并将其从线极化转换为圆极化。第二 45°相延迟镜IOO反射光束并将其从圆极化转为线极化，但在两个镜98、 100之间具有90。的净旋转。圆柱透镜102与激光器圆柱透镜结合用作光 束扩展器。co2光束接着进入具有沿慢光轴分离并沿着光束轴延伸的两个平行反 射器84、 86的1轴光管82。声光偏转器94使光束在约20mrad (约1° ) 的角范围上沿经过光管间隙的方向(即，从两个反射器84、 86的右侧到 左侧)扫描。扫描光束接着进入变形光学器件88，其第一透镜是圆柱透镜 并用作光束扩展器的一部分。两个转向镜90、 92反射光束以产生总体更 紧凑的设计。最终的变形成像透镜94、 96产生具有良好受控长度和较窄 宽度的最终线光束。在此实施例中，用于高温计76的透镜78、 80产生了接近晶片法线对 准并与来自GaAs 二极管激光源26的活化光束34 (其被设置为例如偏离 法线30°的一定程度倾斜的角)分离的热监视光束。成像透镜108对在相 当大的活化光束上的GaAs光束进行最终聚焦。
虽然以上实施例利用了约10.6^m的C02辐射，但是也可以使用用于加热辐射的其他波长。它们应该具有小于硅带隙能级的光子能级，即，波长大于约1.2/xm。通常，加热波长大于约5pm。已经讨论了两个具体的用 于活化辐射的波长。其他波长在半导体二极管激光器中是容易获得的，并 可以选择其它波长以控制热处理的深度。但是，通常，活化辐射的光子能 级需要大于硅带隙能级，S卩，波长小于约1.0/mi。虽然本发明的描述己经假定衬底是硅晶片，但是本发明不受此限制。 本发明可以有利地应用于SOI (绝缘体上硅)晶片或者在绝缘体或衬底上 形成有薄硅层的其他衬底。在对于活化和加热波长相对于半导体带隙进行 合适修改的情况下，本发明可以应用于其他半导体材料。即，加热波长大 于半导体带隙波长，且活化波长小于半导体带隙波长。
权利要求
1.一种热处理系统，包括工作台，其被构造为在其上容纳被热处理的衬底；具有至少1.2μm的波长的红外辐射的第一光束的第一源；第一光学器件，其用于引导所述第一光束，以形成入射在所述衬底上的所述红外辐射的狭长第一光束，所述狭长第一光束具有沿着第一光轴延伸的第一尺寸和大于所述第一尺寸的第二尺寸，所述第二尺寸沿着垂直于所述第一光轴的第二光轴延伸；具有小于1μm的波长的低波长辐射的第二光束的第二源；第二光学器件，其用于聚焦所述第二光束，以形成在所述衬底上的所述低波长辐射的入射第二光束，所述入射第二光束围绕并包围所述狭长第一光束；和移动机构，使得所述狭长第一光束和所述入射第二光束每个相对于所述工作台沿着所述第一光轴扫描，使得所述入射第二光束继续包围所述狭长第一光束。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二源包括激光器。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中所述第一源包括032激光器。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中所述第二源包括至少一个二极管 激光器。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中所述至少一个二极管激光器包括 至少一个GaAs 二极管激光器。
6. 根据权利要求4所述的系统，其中所述至少一个GaAs 二极管激光 器包括具有多个二极管激光器的激光器棒。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述第一光学器件 包括电控的光偏转器，其使所述第一光束在其入射在所述衬底上时沿着所 述第二光轴重复地扫描。
8. 根据权利要求6所述的系统，其中所述光偏转器包括声光调制器。
9. 根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述第一光学器件 包括沿着所述第一光束的相对侧延伸的两个平行反射器。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述第一光学器件包括电控的 光偏转器，其布置在所述第一源和所述平行反射器之间，并使所述第一光 束在其入射在所述衬底上时沿着所述第二光轴重复地扫描。
11. 根据权利要求io所述的系统，其中所述光偏转器包括声光调制器。
12. —种热处理系统，包括工作台，其被构造为在其上容纳被热处理的衬底； 具有第一波长的光辐射的第一光束的第一源；第一光学器件，其用于引导所述第一光束，以形成入射在所述衬底上表面上的第一入射光束；具有小于所述第一波长的第二波长的光辐射的第二光束的第二源； 第二光学器件，其用于聚焦所述第二光束，以形成入射在所述衬底的所述表面上的第二入射光束，所述第二入射光束围绕所述第一入射光束；和移动机构，使得所述第一和第二入射光束绕所述衬底的所述表而扫 描，使得所述第一入射光束保持被所述第二入射光束围绕。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中被处理的半导体材料的带隙波 长处于所述第一和第二波长之间。
14. 根据权利要求12所述的系统，其中所述第一源包括C02激光器。
15. 根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其中所述第一入射 光束包括狭长光束，所述狭长光束沿着第一光轴具有较短尺寸，并且所述 移动机构使所述第一和第二入射光束沿着所述第一光轴扫描。
16. 根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其中所述移动机构 使所述工作台以两维模式移动。
17. 根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其中所述移动机构 使所述第一和第二光学器件的至少一部分移动。
18. —种对包括具有带隙能级的半导体的衬底进行热处理的方法，包 括以下步骤 将具有大于所述带隙能级的第一光子能级的电磁辐射的第一源的输出 作为狭长第一光束引导到所述衬底上，所述狭长第一光束沿着第一光轴的 第一尺寸显著小于沿着第二光轴的第二尺寸，其中所述第一光轴垂直于所 述第二光轴；将具有小于所述带隙能级的第二光子能级的电磁辐射的第二源的输出 作为第二光束引导到所述衬底上，所述第二光束围绕所述第一光束；以及使所述第一和第二光束一起沿着所述第一光轴扫描，使得所述第二光 束继续围绕所述第一光束。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述第一尺寸不大于0.5mm， 且所述第二尺寸至少是lmm。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中所述第一源是C02激光器，且 所述第二源是一个或多个二极管激光器。
21. 根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中选择所述第二 波长，以控制在所述衬底中的加热深度。
22. 根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述衬底包括 硅衬底。
23. 根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述第二光束 的光功率强度足够高，使得所述第二光子能级的辐射能够使所述衬底的吸 收饱和。
全文摘要
本发明公开了一种热处理设备和方法，其中第一激光源(40)，例如以10.6μm发射的CO₂激光器，作为线光源(48)聚焦到硅晶片(20)上，并且第二激光源(26)，例如以808nm发射的GaAs激光器棒作为围绕线光束的更大光束(34)聚焦到晶片上。两个光束在线光源的窄方向上同步扫描，以产生在通过更大光束进行活化时由线光束产生窄加热脉冲。GaAs辐射的能级大于硅带隙能级，并产生了自由载流子。CO₂辐射的能级小于硅带隙能级，因此硅对此是透明的，但是长波长辐射被自由载流子吸收。
文档编号H01L21/428GK101160646SQ200680012575
公开日2008年4月9日 申请日期2006年3月30日 优先权日2005年4月13日
发明者亚伦·亨特, 布鲁斯·亚当斯, 海凡·朗, 约瑟夫·迈克尔·拉尼什, 维杰·帕里哈尔, 迪安·詹宁斯, 阿比拉什·玛雨尔, 马克·亚姆 申请人:应用材料公司