[发明专利]激光退火装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种激光退火装置及方法。

背景技术

进入21世纪以来，人类社会的发展对微电子器件的密度、性能及多功能性的要求越来越高，虽然目前主流工艺节点已经进入14nm，但是器件尺寸缩小的难度越来越大，成本也越来越高，因此“后摩尔定律”取代摩尔定律成为微电子产业今后发展的驱动力。“后摩尔定律”不再单纯地追求器件二维尺寸的缩小，而是转向三维设计、集成与制备的方向发展，主要表现在以下两个方面：第一，通过引入新材料、集成现有硅工艺、向器件的垂直方向进行开发提高器件性能；第二，开发TSV(Through Silicon Via，三维集成工艺)等增加芯片密度、拓展芯片功能、提高芯片性能。因此微电子制造工艺的核心之一“热退火技术”也面临新的问题和挑战。

在对硅基半导体器件的表面进行杂质掺杂时，所掺杂杂质原子经常处于硅晶格中缺陷的状态，因而一般需要进行热退火。传统退火技术，即使温度高达1000℃时，仍不能彻底消除结晶缺陷，而且易造成掺杂杂质扩散。如降低退火温度则杂质的有效激活率较低，只有不到1％。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

传统快速热退火杂质激活效率低，而且加工过程中的高温环境容易对器件正面的结构造成破坏，加工完成后器件样片翘曲增大造成了碎片几率的提高。

发明内容

本发明提供的激光退火装置及方法，通过选择合适的激光波长可以使得有效加热深度位于样品表面以下数纳米至微米之间，提高了杂质的有效激活率，修复了器件在离子注入过程中带来的损伤，从而降低样品材料的方块电阻以及器件功耗。

第一方面，本发明提供一种激光退火装置，包括：

激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；

光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面；

样品位移系统，用于盛放所述样品，并调整所述样品的位置。

可选地，所述光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为矩形平顶光斑或方形平顶光斑。

可选地，所述光学系统包括衍射光学元件和透镜，所述衍射光学元件用于将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，所述透镜用于将所述线形平顶光斑发射到样品表面。

可选地，所述透镜包括柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜。

可选地，所述装置还包括扩束准直系统和反射镜，

所述扩束准直系统，用于将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；

所述反射镜，用于改变所述平行光源方向，使所述光源射入所述衍射光学元件。

可选地，所述装置还包括孔径光阑，所述孔径光阑用于当所述激光器发射的激光的M²因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统形成的平行光源的中间部分，其中所述门限值为1.3；

所述反射镜，还用于改变所述孔径光阑截取的平行光源中间部分的方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。

可选地，所述激光器包括固体激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器。

可选地，所述矩形平顶光斑的长边方向能量分布为平顶分布，短边方向能量分布为高斯分布；所述方形平顶光斑的长边和短边方向能量分布均为平顶分布。

第二方面，本发明提供一种激光退火方法，包括：

激光器发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；

光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面，所述样品位于样品位移系统。

可选地，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑包括：所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为矩形平顶光斑或方形平顶光斑。

可选地，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑后，发射到样品表面包括：衍射光学元件将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑，透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面。

可选地，所述透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面包括：柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜将所述线形平顶光斑发射到样品表面。

可选地，在所述光学系统将所述激光器发射的激光整形为线形平顶光斑之前，还包括：

扩束准直系统将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；

反射镜改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。