[发明专利]硅片激光退火中多梯度温度场的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术范围，特别涉及在半导体晶圆片进行激光退火过程中引入多梯度温度场的一种硅片激光退火中多梯度温度场的装置和方法。

背景技术

在半导体制造过程中，为了调节硅片表面局部区域的导电特性，广泛采用离子注入技术，对硅片表面的特定区域进行杂质掺杂。离子注入之后，由于所掺杂杂质原子处于硅晶格中缺陷的状态，一般需要进行退火的处理，一方面消除掺杂对于半导体材料晶格造成的损伤，另一方面能够有效地激活掺杂杂质。

传统的退火采用热作用的方式进行，例如将待退火的硅片放置于高温炉管中的常规热退火方式。热退火工艺的一项缺点在于杂质在高温下的再扩散；为了限制掺杂杂质的再扩散，一般会采用限制热作用时间的退火技术；图1列出了几种常见的快速热退火的实现方案，分别是短时间的快速热退火1，更短作用时间的热冲击退火2，激光脉冲退火3，和进行辅助性加热的激光退火4。不同的快速退火技术，在硅片中造成的温度分布是不同的，其中快速热退火1和热冲击退火2，在硅片中造成比较均匀的温度分布5，激光脉冲退火3可在硅片中造成温度分布6，特点为，表面很浅的局部温度很高，但离开表面进入到硅片深处，则温度维持在比较低的水平，热辅助激光退火4，在硅片中造成温度分布7，与温度分布6相比较而言，硅片内部的温度并不是太低，因而改善了硅片整体的温度梯度状况。比较上述几种退火可以看出，过高的温度差所带来的主要的问题，是它能够破坏硅片表面的形貌，使得硅片表面出现微小的裂纹、表面微观的起伏/不平整等。

与本发明申请有关的另一项技术背景内容，涉及到半导体材料对于退火激光的光吸收特性；该特性不仅会影响“激光-半导体材料作用的模式”，也会进一步导致激光器、退火装置光路、机械部件等方面的不同方案选择，以及工艺效果的不同，所以需要在此提及。

图2描绘出了典型半导体材料的光吸收系数曲线。由图2可见，当入射光波长小于红外吸收限9时，存在较大的吸收。对于硅材料来说，红外吸收限在1.1μm波长附近，对应于载流子从价带向导带的跃迁。在波长10μm附近的远红外区域，也存在一个吸收峰，它对应于光学支声子的吸收。

随着半导体电子器件尺寸的不断缩小，器件的有源区域逐渐地更靠近于硅片的浅表面或者极浅表面，对于这样的器件的退火处理，要求在掺杂杂质有效激活的同时，尽可能地降低热效应的影响，尽可能地减小掺杂杂质在热驱动下的扩散和再分布，因此希望采用激光退火技术3或者热辅助的激光退火技术4，并在硅片中造成曲线6或者曲线7那样的温度分布，也就是令激光能量在硅片的浅表面处就被完全吸收，在激光辐照到硅片表面的短时间内，热量和高温区仅限制在硅片的浅表面，有效地退火和激活掺杂杂质。至于硅片表面以下的更深处，并不希望从入射的激光束中吸取能量，因为此处无掺杂杂质，不需要退火的处理。

结合图2半导体材料的吸收特性可见，本发明针对小尺寸半导体器件中的浅结和超浅结进行退火处理，具体地说，源漏或其他PN结的结深均要小于100nm，这样条件下的激光退火处理，需要利用到波长小于半导体材料红外吸收限的短波长、高能量的激光光束，因为只有这样的光束作用，才能够提供较大的吸收系数，使得激光能量能够在圆片的极浅表面处被完全吸收。具体而言，本发明所涉及的激光波长均小于1.1μm，根据具体器件中PN结的结深，可选择可见光波段，紫外、深紫外波段的激光光束等。

在一些传统的激光退火方案中，采用二氧化碳连续波激光器作为主退火作用的激光，波长在10.6μm附近的中、远红外波段。由于考虑吸收机制，吸收效率，退火或者热处理作用的目标及最终的工艺效果，本发明与采用到二氧化碳激光器的技术均存在着较大的差异，因此本发明的内容将不会与此类传统技术相冲突。

本发明申请，与激光退火有关，并且着重于处理和进一步改善硅片作为一个整体的片内的温度梯度分布，使得在硅片的极浅表面处相对于硅片内部不存在过高的温度差，从而可以改善退火的效果。本发明所说的激光退火，除了在激光波长方面有一定的范围限定之外，在激光光束方面，专指光束截面或者束斑为矩形的激光，对于矩形的激光光斑内，要求光场分布均匀。本发明所说明的内容，不与已有的采用线形光束的激光退火技术相冲突。所说的矩形束斑，系指矩形形状，宽长比大于1/7，一般而言，至少是矩形的长度要与硅片上分布的芯片尺寸相当，在厘米量级。所说的线形光束，举例来说，长度在几毫米量级或更长，宽度在1毫米以下，至少是宽度值，远远小于芯片的尺寸。