[发明专利]双光源的激光退火装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造设备和技术范围，特别涉及一种双光源的激光退火装置和方法。

背景技术

随着器件尺寸不断缩小，在45nm，32nm等技术节点，乃至更小尺寸时，如何形成一个先进的晶体管源漏区的超浅结(Ultra-Shallow Junction)，成为一项至关重要的技术性的挑战。为了满足12″圆片45nm纳米及以下各代器件对超浅PN结制作的需求，传统的以条形或球形灯作为光源的灯光快速热退火(RTA)必须做出改变。例如，已经进行过一定研究的(Spike Annealing)工艺技术。而大量的研究表明，在纳米级CMOS器件中，超浅和低电阻率的结对抑制短沟道效应和获得更好的器件性能起着越来越重要的作用。由于热扩散和固溶度的限制，传统的灯光快速热退火(RTA)，即使是采用尖峰退火技术也很难满足65nm节点的要求。

在此种背景下，人们提出采用激光脉冲退火(Laser Spike Annealing)的方法，来获得退火阶段注入杂质粒子的零扩散、超固溶度的表面载流子浓度、和超浅、陡峭的PN结。据报道，美国的Ultratech公司已经能够提供商用的激光退火装置。当前主流的激光退火，采用类似于步进式光刻机的工作方式，一次一场地进行圆片表面的短脉冲激光作用退火。

由于激光退火采用高强度的激光，对圆片表面进行瞬时的作用，会在衬底材料的表面附近引起较大的热应力，对于加工质量产生不良的影响，所以人们也采用对衬底材料预加热的形式，来减轻热应力的影响。对衬底材料的加热，是从圆片背面进行的，是对圆片整片的加热。

本发明采用双束光源，其中一束为短脉冲激光，进行常规的激光退火处理；另一光源用于加热衬底，该光束从正面加热衬底圆片，除了能够减轻热应力外，也会带来更好的激光退火效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种双光源的激光退火装置和退火方法。

所述的双光源激光退火装置，含两个光源，一个是激光光源，用于退火和形成超浅结；另一个为长波长光源，用于辅助性的加热。

光学镜头系统，放置在激光器出射光光路上，完成对激光光束的整形、匀束、聚焦；

承片台，放置在光学镜头系统的下方，携带衬底圆片做步进移动。

所述辅助加热光源，采用光束斜入射的形式作用于衬底圆片的表面，对衬底表面进行预加热。

所述衬底圆片载于承片台上，随承片台在纵、横两个方向上按场步进，每次移动一个曝光场的位置。

所述双光源的激光退火方法，具体步骤如下：

1)将衬底圆片载于承片台上；

2)调整光学镜头系统，改变激光束的束斑大小，使之正好等于一个或若干个芯片的面积，在这种情况下，一个束斑的面积，就代表了一个曝光场；

3)承片台步进，进入到某一曝光场位置；

4)调整辅助加热光源，使光束斜入射到衬底圆片的表面，打开快门对衬底圆片表面进行辅助性的预加热，加热需要退火部位的圆片表面，以及附近大于一个曝光场的圆片表面。加热的温度控制在200～600℃；在硅片表面温度达到用户设定值之前暂不打开退火激光束快门；

5)硅片表面预加热达到温度设定要求后，打开退火激光束快门，激光束正入射到圆片表面，对圆片进行短脉冲退火，控制激光辐射的能量密度在250～700mJ/cm²，以保证激活注入杂质和修复晶格损伤；

6)当激光作用能量密度达到设定值(250～700mJ/cm²，用户设定)后，退火激光快门关闭；承片台移动进入到下一个曝光场位置；

7)打开退火激光束快门，激光束正入射到圆片表面，对圆片当前的这个曝光场进行短脉冲退火；然后承片台继续移动至下一位置，由脉冲激光退火；如此直至所有的圆片表面都完成退火。在整个过程期间，辅助性的加热光束始终照射硅片表面，对硅片进行预加热。对于硅片注入杂质的退火，由两束光源共同、同时作用完成。

所述辅助加热光源为选用长波长红外激光。

本发明的有益效果是，硅对于光线的吸收，在紫外、深紫外区以载流子吸收为主，在红外、远红外区(波长10μm附近)也有一个吸收峰，以高频声子的共振吸收为主。通过高频声子吸收，一方面可以起到预加热硅片表面，减小热应力(主要是在横向)的作用；在另一方面，由于在衬底材料中预先准备了大量的声子，将有助于载流子能量的迟豫，因而晶格升温及圆片退火的过程可以在更短时间内完成，得到更浅的超浅结。由于晶格的预加热，激光退火所需的激光能量密度也将有所降低。

附图说明

图1为双光源激光退火装置示意图。