CN103839790B - 激光退火装置及退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光退火装置及退火方法。将激光源发出的光分成主激光和调制激光阵列，调制激光阵列领先主激光不同的时间间隔到达掩膜上，在掩膜的不同位置处不同程度地拓宽掩膜的能带隙，使得主激光能够按照不同的透过率透射掩膜，且吸收光阑吸收所述调制激光阵列并使得透射后的主激光无损耗出射，从而能够针对晶圆的不同表面形成不同强度的退火激光，实现精确的退火效果。

Description

激光退火装置及退火方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种激光退火装置及退火方法。

背景技术

众所周知，在半导体制造过程中，对于掺杂的物质需要进行激活，对衬底进行退火就是较为实际的方法。传统方法主要是采用特定的炉管进行退火。

随着集成电路工艺不断的进步，尤其是发展到45nm、28nm等技术节点，对器件的源漏区等的要求也就越来越高，传统的退火方法已经不能够满足需要，于是激光退火就应运而生。

激光退火由于其高能量、短作用时间的特点，能够有效的保证掺杂物质被激活的同时减少扩散乃至无扩散，那么就能够获得高质量的结构。但是，目前的激光退火设备虽然能够满足这一点，却有着其他缺陷。这是由于晶圆的不同区域结构不同，故受热的程度也是不同的，那么对于同一激光而言，由于激光的高强度，必然会导致某些区域会受到过多的热量，从而引起较大的热应力，这是生产过程中所不想面对的。

为了解决上述问题，业内在进行激光退火的同时，对衬底材料进行预加热，来减轻热应力的影响，也由此引发了多种设计。然而，对衬底材料进行预加热显然是增加了实际操作的繁琐度，且也存在例如热隔离和高温下的对准等新的问题。

基于上述情况，能否改善现有的激光退火技术，依然是个值得探究的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光退火装置及退火方法，以解决现有技术中激光退火效果不佳的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光退火装置，包括：

激光源、分束器、倍频元件、塞孔阵、多个光程调节台、多个透镜、掩膜、吸收光阑和出射光阑；

其中，所述激光源发出的光束经分束器后形成主激光和调制激光；所述调制激光经过所述倍频元件和塞孔阵后形成调制激光阵列；所述调制激光阵列和主激光经所述多个光程调节台调整光程差后透射多个透镜并先后到达至掩膜上并透射；所述吸收光阑吸收所述调制激光阵列并使得透射后的主激光无损耗出射至出射光阑。

可选的，对于所述的激光退火装置，还包括两个主反射镜，第一主反射镜使得调制激光被反射进入所述倍频元件，第二主反射镜调整主激光光路使其经透镜后正入射至所述掩膜。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述主激光在掩膜上形成的光斑覆盖所述调制激光阵列在掩膜上形成的光斑。

可选的，对于所述的激光退火装置，还包括陷波滤波器和光束扩展器，所述陷波滤波器和光束扩展器依次位于倍频元件和塞孔阵之间。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述倍频元件为非线性光学倍频元件。

可选的，对于所述的激光退火装置，还包括控制器，所述控制器控制所述多个光程调节台调整光程差。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述主激光的光子能量和调制激光阵列的光子能量皆大于所述掩膜的能带隙。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述主激光的光子能量比所述掩膜的能带隙大0.1eV~0.25eV。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述调制激光阵列的光子能量比所述掩膜的能带隙大1.5eV~3.5eV。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述调制激光阵列到达至掩膜皆有时间差。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述时间差的范围为0.1ns~500ns。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述主激光比所述调制激光阵列到达至掩膜迟0.1ns~500ns。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述掩膜掺杂有三、五族元素。

本发明提供一种利用如上所述的激光退火装置进行激光退火的方法，包括：

提供待退火晶圆；

依据所述待退火晶圆的结构通过所述光程调节台调整光程差；

激发激光源，扫描所述待退火晶圆并实时调整光程差。

与现有技术相比，在本发明提供的激光退火装置及退火方法中，将激光源出的光分成主激光和调制激光阵列，调制激光阵列领先主激光不同的时间间隔到达掩膜上，在掩膜的不同位置处不同程度地拓宽掩膜的能带隙，使得主激光能够按照不同的透过率透射掩膜，且吸收光阑吸收所述调制激光阵列并使得透射后的主激光无损耗出射，从而能够针对晶圆的不同表面形成不同强度的退火激光，实现精确的退火效果。

附图说明

图1为本发明实施例的激光退火装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的激光退火装置中的光程调节台的结构示意图；

图3为本发明实施例的激光退火装置的塞孔阵的结构示意图；

图4为本发明实施例的激光退火装置的能带原理图；

图5为本发明实施例的激光退火装置进行退火处理的示意图；

图6为本发明实施例的激光退火装置进行退火处理的时晶圆上扫描光斑的能量分布图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的激光退火装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明实施例的核心思想是，充分利用光子对掩膜能带隙的影响，有目的的利用不同频率的激光，使得激光在掩膜的不同位置处不同程度地拓宽能带隙，从而使得低频激光能够透过，且通过调节光程差，能够精确控制低频激光的透过率，如此便可得到不同能量的扫描激光。

请参考图1，本发明提供的激光退火装置，用于高效的完成激光退火过程，主要包括如下结构：

激光源1、分束器2、倍频元件6、塞孔阵9、多个光程调节台10、多个透镜12、掩膜13、吸收光阑14和出射光阑15；

其中，所述激光源1例如可以为红外激光器，发出的光束经分束器2后形成主激光3和调制激光4两路；调制激光4被第一主反射镜51反射，到达倍频元件6，所述倍频元件6可以为非线性光学倍频元件，经倍频元件6的调制，所述调制激光4的频率变大，例如可以为激光源1发出的光束的2倍，也即是主激光3的2倍。

所述调制激光4出射倍频元件6后，依次经过陷波滤波器（NotchFilter）7和光束扩展器（BeamExpander）8，实现滤波并对调制激光4进行扩展，从而照射到塞孔阵（StopperApertureArray）9上。请参考图2所示的扩展后的调制激光照射到塞孔阵9上的情况，所述塞孔阵9具有多个通孔91，扩展后的调制激光照射在塞孔阵9上形成的光斑81覆盖着多个通孔91，从而由一束激光分为多束，形成调制激光阵列，包括激光束l1~ln（n为大于等于2的正整数，下同）。所述调制激光阵列的束量要参考待处理晶圆进行决定，从而在光束扩展器8处形成具有相应尺寸的扩展后的调制激光。

请继续参考图1，调制激光阵列入射到多个光程调节台11（标记为M1~Mn），即激光束l1~ln分别入射到M1~Mn，经过控制器10的调控，获得不同的光程差（本发明实施例的光程指的是从分束镜2到掩膜13的光程）。接着调制激光阵列入射多个透镜12，透射后照射在掩膜13上。

控制器10还对位于主激光3光路上的另一个光程调节台11（标记为M0）进行控制，使得主激光3的光程最大，主激光3经过第二主反射镜52后，到达另一个透镜12，并垂直入射掩膜13。所述掩膜13的能带隙小于激光源1发出的光束所具有的能量。所述主激光3在掩膜13上形成的光斑覆盖所述调制激光阵列在掩膜13上形成的光斑。

请参考图3所示的光程调节台11的结构图，包括两组透镜组，第一透镜组111为可以移动的，第二透镜组112则是固定在光路上。具体的，所述第一透镜组111固定于可移动装置上，可移动装置通过信号线113与控制器连通，从而在接收到控制器的信号后，通过移动第一透镜组111与第二透镜组112的相对位置来改变光程，从而使得主激光和调制激光阵列的光程差各不相同。

通过光程调节台11改变光程差后，所述激光束l1~ln到达掩膜13相对于主激光3都要早，具体相差时间记为t1～tn，t1~tn的值在0.1ns~500ns之间，可以相同，也可以不同，所述激光束l1~ln之间到达掩膜13也具有时间差，例如可以是0.1ns~500ns，这由需要的最终光强来决定。

调制激光阵列和主激光先后到达掩膜13后，将会产生一系列的能量变动。具体的，请参考图4所示的原理图。掩膜具有能带隙Eg，Eg的大小由掩膜本身决定，所述掩膜可以掺杂有三、五族元素，例如是掺杂三、五族化合物的二氧化硅，所述三、五族的化合物可以为砷化镓、磷化铟、砷化铟、铟铝磷等。主激光的光子具有能量E1，所述主激光的光子能量E1比所述掩膜的能带隙Eg大0.1eV~0.25eV。调制激光阵列的光子具有能量E2，所述调制激光阵列的光子能量E2比所述掩膜的能带隙大1.5eV~3.5eV。则当调制激光阵列入射到掩膜上后，电子和空穴被激发，从而使得能带隙Eg变大，且将具有微秒级别的持续时间，即1~9μs。由于调制激光阵列的激光束l1~ln可能先后到达掩膜，故在激光束的排列方向上带隙宽度将会不同，但能带隙Eg依然大于主激光的光子所具有的能量E1，从而使得主激光能够透过，且带隙的不同宽度将使得主激光具有不同的透过率。如此在通过后形成的扫描激光边具有不同的强度分布。

请继续参考图1，调制激光阵列在透过掩膜13后，被吸收光阑14吸收，而主激光3则无损耗通过吸收光阑14到达出射光阑，从而获得了强度分布满足需求的扫描激光。

本发明实施例提供一种利用如上所述的激光退火装置进行激光退火的方法，请参考图5，首先，提供待退火晶圆16；接着，依据所述待退火晶圆16的表面结构或实际需求，通过所述光程调节台11调整光程差；接着，激发激光源1，则光束经过分束镜后形成两路，进而被各个光学器件调控，获得具有不同强度分布的扫描激光，扫描所述待退火晶圆16并通过控制器10控制光程调节台11实时调整光程差。

图中给出的是一种可行的扫描方式，采用较窄的扫描光斑17，图示方法适合表面结构复杂，差异较大的晶圆。也可以通过例如获得较多的激光束，采用较长的掩膜，来获得较长的扫描光斑，则可实现沿晶圆直径方向的扫描。

请参考图6，以扫描光斑a→b方向为横坐标（考虑到实际意义，图中仅示出从光斑的a点到b点的情况），各点对应的强度为纵坐标，可得到扫描光斑在a→b方向的强度分布图，由图中可以直观的看到，各点的强度基本不同，因此能够较佳的完成退火操作。

上述实施例提供的激光退火装置及退火方法中，将激光源发出的光分成主激光和调制激光阵列，调制激光阵列领先主激光不同的时间间隔到达掩膜上，在掩膜的不同位置处不同程度地拓宽掩膜的能带隙，使得主激光能够按照不同的透过率透射掩膜，且吸收光阑吸收所述调制激光阵列并使得透射后的主激光无损耗出射，从而能够针对晶圆的不同表面形成不同强度的退火激光，实现精确的退火效果。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种激光退火装置，其特征在于，包括：

激光源、分束器、倍频元件、塞孔阵、多个光程调节台、多个透镜、掩膜、吸收光阑和出射光阑；

其中，所述激光源发出的光束经分束器后形成主激光和调制激光；所述调制激光经过所述倍频元件和塞孔阵后形成调制激光阵列；所述调制激光阵列和主激光经所述多个光程调节台调整光程差后透射多个透镜并先后到达至掩膜上并透射；所述主激光的光子能量和调制激光阵列的光子能量皆大于所述掩膜的能带隙，当调制激光阵列入射到掩膜上后，电子和空穴被激发，所述能带隙变大，大于主激光的光子能量，从而使得所述主激光透过；所述吸收光阑吸收所述调制激光阵列并使得透射后的主激光无损耗出射至出射光阑。

2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，还包括两个主反射镜，第一主反射镜使得调制激光被反射进入所述倍频元件，第二主反射镜调整主激光光路使其经透镜后正入射至所述掩膜。

3.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述主激光在掩膜上形成的光斑覆盖所述调制激光阵列在掩膜上形成的光斑。

4.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，还包括陷波滤波器和光束扩展器，所述陷波滤波器和光束扩展器依次位于倍频元件和塞孔阵之间。

5.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述倍频元件为非线性光学倍频元件。

6.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器控制所述多个光程调节台调整光程差。

7.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述主激光的光子能量比所述掩膜的能带隙大0.1eV～0.25eV。

8.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述调制激光阵列的光子能量比所述掩膜的能带隙大1.5eV～3.5eV。

9.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述调制激光阵列到达至掩膜皆有时间差。

10.如权利要求9所述的激光退火装置，其特征在于，所述时间差的范围为0.1ns～500ns。

11.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述主激光比所述调制激光阵列到达至掩膜迟0.1ns～500ns。

12.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述掩膜掺杂有三、五族元素。

13.一种利用如权利要求1～12中任一项所述的激光退火装置进行激光退火的方法，其特征在于，包括：

提供待退火晶圆；

依据所述待退火晶圆的结构通过所述光程调节台调整光程差；

激发激光源，扫描所述待退火晶圆并实时调整光程差。