專利名稱：在經(jīng)脈沖激光照射而摻雜的材料上構(gòu)造平坦表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及通過輻射脈沖來處理襯底的方法，及通過該方法獲得的襯底， 并且更具體地涉及這種將摻雜物引入到襯底表面層的方法。
背景技術(shù)：
可以采用多種技術(shù)摻雜半導(dǎo)體襯底。例如，在有包含摻雜物的化合物的參與 下，可通過用飛秒輻射脈沖串輻射硅晶片，使晶體硅摻雜到大約的原子濃度。例如， 在晶片暴露于諸如SF6的硫施主時(shí)，用飛秒輻射脈沖串照射該晶片，可使硅晶片摻雜大約
原子濃度的硫。獲得的摻雜硅能夠表現(xiàn)出多個(gè)被高度期望的光電性能。例如，其能 夠表現(xiàn)出對(duì)波長(zhǎng)大于約IlOOnm的輻射的顯著吸收。實(shí)際上，這種摻雜的硅可被用于制造 能很好地在紅外中使用的硅光電二極管。然而，用于制造這種摻雜的公知技術(shù)也引起了對(duì)硅晶片無法忽視的損傷。例 如，它們可導(dǎo)致在硅表面上形成峰和脊的準(zhǔn)周期陣列。這種表面結(jié)構(gòu)使摻雜的晶片難于 在多種應(yīng)用中使用。例如，在制造光電探測(cè)器時(shí)，它們能夠使許多傳統(tǒng)的測(cè)量及處理技 術(shù)，以及制造方法在實(shí)施上很困難。因此，需要一種用于襯底的輻射處理的改進(jìn)方法，并且尤其是對(duì)摻雜襯底的改 進(jìn)方法。還需要一種表現(xiàn)出改善的表面形貌的摻雜襯底。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用于處理襯底(例如半導(dǎo)體襯底)的方法，該方 法包括，在襯底表面部分與摻雜劑接觸時(shí)，采用多個(gè)短輻射脈沖照射該襯底表面的至少 一部分。將脈沖選定為在襯底表面處具有大于熔化注量閾值(為了引起襯底熔化所需的 輻射脈沖的最低注量)且小于燒蝕注量閾值(為了引起襯底燒蝕所需的輻射脈沖的最低 注量)，該注量的值根據(jù)不同的材料和激光參數(shù)(例如中心波長(zhǎng)、脈沖持續(xù)時(shí)間等)而變 化。如下面進(jìn)一步的討論，一定量的摻雜物可以以該方式加入到襯底中，同時(shí)保證襯底 表面的粗糙度大大小于所施加輻射脈沖的波長(zhǎng)。
脈沖的持續(xù)時(shí)間例如在約100飛秒到幾十或幾百納秒(例如20納秒)的范圍內(nèi)， 或在約100飛秒到約1皮秒的范圍內(nèi)，例如在約100飛秒到約500飛秒的范圍內(nèi)，盡管如 此，也可以采用其他脈沖寬度。脈沖能量例如可以在約100微焦耳到約10毫焦耳的范圍 內(nèi)，盡管如此，也可以采用其他脈沖能量。選擇脈沖能量和斑點(diǎn)尺寸以便在表面處獲得期望的輻照注量。在相關(guān)的方面中，摻雜化合物可以是任何氣體、液體或固體。一些這樣的摻雜 化合物的例子包括SF6、N2> Cl2>空氣、水、酒精、H2S、Sb、Se、Te、P,此非窮舉。在另一方面，公開了一種向襯底(例如半導(dǎo)體襯底)中引入摻雜物的方法，該方 法包括使襯底表面的至少一部分暴露于具有摻雜成分的材料。采用多個(gè)瞬時(shí)短激光脈沖 照射表面部分，以便使所述摻雜物加入到襯底的表面層中。配置激光脈沖使得照射后所 照射的襯底表面的均方根粗糙度比所施加的輻射波長(zhǎng)(例如脈沖的中心波長(zhǎng))的約1/8更 小，及優(yōu)選地比約1/32更小，并且更優(yōu)選地比約1/50更小。在另一方面，本發(fā)明提供一種通過以下方式將摻雜物加入到襯底中的方法將 襯底表面的至少一部分暴露于摻雜劑，以及施加多個(gè)短輻射脈沖到該表面部分的多個(gè)位 置，以便引起襯底的表面層的熔化，而不引起燒蝕，從而使一定量所述摻雜物例如以密 度在約IO13cm 3到約IO21cm 3的范圍內(nèi)，或在約IO14cm 3到約IO21cm 3的范圍內(nèi)，或在約 IO15cm 3到約IO21cm 3的范圍內(nèi)加入到表面層中。在相關(guān)的方面中，在上述方法中，選定每一脈沖的注量和脈沖在表面上的分 布，以便在施加脈沖后，表面部分的均方根粗糙度小于約$，其中λ為該激光脈沖的中 心波長(zhǎng)。在另一方面，本發(fā)明提供一種襯底(例如半導(dǎo)體襯底)，其包括含有摻雜物的 表面層，其中該表面層的頂面的均方根粗糙度(RMS)小于約200納米(nm)，或小于 約lOOnm，或小于約50nm，或優(yōu)選小于約20nm，或小于約10nm，例如在約IOnm到約 20nm的范圍內(nèi)。在一些情況下，RMS粗糙度可以大于約Inm但是小于約10nm。在一些 情況下，表面層中摻雜物密度可以在約IO13cm 3到約IO21cm 3的范圍內(nèi)，或在約IO14cm 3 到約IO21cm 3的范圍內(nèi)，或在約IO15cm 3到約IO21cm 3的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，表面 表現(xiàn)出高度的鏡面反射。例如，大部分被表面反射的光經(jīng)歷了鏡面反射(例如反射光的 至少約80%或至少約90% )。例如，襯底可以是包括硫摻雜層的具有平坦頂表面的硅晶片。再一方面，公開了一種處理襯底(例如半導(dǎo)體襯底)的方法，該方法包括施加多 個(gè)脈沖到襯底表面的不同位置，其中選定脈沖的注量和空間分布以便產(chǎn)生均方根粗糙度
小于約g的表面結(jié)構(gòu)，其中λ為該激光脈沖的中心波長(zhǎng)，例如對(duì)于SOOnm的中心波長(zhǎng)，
在約5nm到約15nm的范圍內(nèi)。對(duì)本發(fā)明各個(gè)方面的進(jìn)一步理解可以通過參照相關(guān)附圖，從以下具體描述中得 至IJ，下面將進(jìn)行簡(jiǎn)單討論。



圖IA示意性描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的激光脈沖在襯底表面上的示例性 分布；圖IB示意性描述了根據(jù)常規(guī)的通過向襯底施加輻射脈沖來處理襯底的方法中該 激光脈沖在襯底表面上的示例性分布；
圖2A示意性描述了被施加于襯底上的空間相鄰的兩個(gè)脈沖；圖2B示意性描述了被施加于襯底上的空間相鄰的兩個(gè)脈沖，其中兩個(gè)脈沖產(chǎn)生 了重疊的熔化區(qū)，并且每一個(gè)單獨(dú)脈沖引起燒蝕；圖2C示意性描述了被施加于襯底上的空間相鄰的兩個(gè)脈沖，其中脈沖產(chǎn)生了重 疊的燒蝕和熔化區(qū)；圖2D示意性描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的被施加于襯底上的部分重疊的空間相 鄰的兩個(gè)脈沖，其中每一脈沖的峰值注量在熔化注量閾值和燒蝕注量閾值之間；圖3示意性描述了適于執(zhí)行本發(fā)明的襯底處理方法的裝置；圖4A和圖4B示意性描述了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的通過相對(duì)于脈沖激光束移 動(dòng)襯底的方法的示例性實(shí)現(xiàn)方式中在襯底上的脈沖沉積；圖5示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法的示例性實(shí)現(xiàn)方式中，施加于硅襯底 的沿兩個(gè)空間維度之一的相鄰脈沖的重疊；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例所處理的硅襯底的SEM圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例所處理的硅襯底的TEM圖；以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例所處理的實(shí)驗(yàn)性硅樣品的歸一化吸收比。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明總地涉及通過以下方式處理襯底(例如半導(dǎo)體襯底)的方法當(dāng)襯底表 面與摻雜物接觸時(shí)，向該襯底表面施加輻射脈沖，從而產(chǎn)生從該表面頂部延伸到該襯底 一定深度的摻雜的層，同時(shí)保證該頂表面具有明顯小于所施加的輻射的波長(zhǎng)的粗糙度。 例如，在一些實(shí)施例中，均方根(RMS)粗糙度(在所處理表面上高度變化量的均方根) 可以小于約200nm，或優(yōu)選小于約lOOnm，或小于約50nm，或小于約20nm，或小于約 IOnm,例如在約IOnm到約20nm的范圍內(nèi)。換言之，本發(fā)明的處理方法允許經(jīng)輻射(激 光)處理產(chǎn)生的摻雜的襯底具有平坦表面。此處使用的術(shù)語(yǔ)“平坦表面”指的是RMS 粗糙度表現(xiàn)出小于約200nm，或小于約lOOnm，或小于約50nm，或優(yōu)選小于約20nm，例 如在約IOnm到約20nm的范圍內(nèi)，或大于約Inm且小于約IOnm的表面。在一些實(shí)施 例中，本發(fā)明的激光處理方法包括當(dāng)襯底表面與摻雜物相接觸(或更普遍地與具有摻雜 成分的材料相接觸)時(shí)，以在表面處具有足夠高以致引起熔化的注量向襯底表面施加短 輻射脈沖，但該注量小于燒蝕所需的注量閾值。可以通過這樣的方式(例如通過相對(duì)于 輻射脈沖來移動(dòng)表面)來處理表面的各個(gè)部分，從而在襯底的頂部平坦表面下產(chǎn)生宏觀 摻雜層。如下面的進(jìn)一步討論，在一些情況下，輻射脈沖分布在表面上以使每一處理的 表面區(qū)域被熔化，但不被燒蝕。盡管本發(fā)明討論的各種特征與摻雜襯底有關(guān)，但本發(fā)明 關(guān)于輻射脈沖的注量的教導(dǎo)還可以被用于處理沒有摻雜的襯底。進(jìn)一步地，盡管討論的 許多實(shí)施例和半導(dǎo)體襯底有關(guān)，但還可以將本發(fā)明的教導(dǎo)應(yīng)用到其他類型襯底，例如玻 璃、金屬、合金或有機(jī)化合物。
在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于處理襯底(例如，諸如硅的半導(dǎo)體襯底)的示例性方 法中，包括采用一個(gè)或多個(gè)短輻射脈沖照射襯底表面的一個(gè)或多個(gè)部分。此處使用的詞 語(yǔ)“短輻射脈沖”指的是持續(xù)時(shí)間在約10飛秒(1飛秒定義為10_15秒)到約幾百納秒(1 納秒定義為10_9秒)的范圍內(nèi)的電磁輻射脈沖，例如約10飛秒到約1皮秒的范圍內(nèi)，或約100飛秒到約500飛秒的范圍內(nèi)。在很多實(shí)施例中，當(dāng)表面(或至少暴露于輻射的那 部分)與摻雜劑(例如具有摻雜成分的材料)接觸時(shí)，實(shí)施表面輻射，以便將一定量的摻 雜物加入到襯底的表面層(例如厚度在約IOnm到約lOOOnm，例如在約IOnm到約500nm 范圍內(nèi)的表面層)中。這樣的材料可以是液體、氣體或固體。作為舉例，在一些情況 下，在表面與SF6接觸時(shí)對(duì)該表面進(jìn)行照射，以在頂表面層加入一定量的硫，而在其他一 些情況下，在表面與諸如水或酒精的液體或固體接觸時(shí)，對(duì)該表面進(jìn)行照射。在很多情況下，選定在襯底表面處的每一輻射脈沖的注量(在此用F表示)具有 的最大(峰)值超過熔化注量閾值(引起熔化所需的最低注量)但小于燒蝕注量閾值(引 起燒蝕所需的最低注量)，其中襯底表面處的注量被定義為每單位面積的輻射能量。換言 之，控制每一輻射脈沖的能量及其在襯底表面上的斑點(diǎn)大小，以保證輻射脈沖所施加的 每一表面部分暴露于激光輻射，該激光輻射的注量超過熔化閾值但仍低于燒蝕閾值。在 很多實(shí)施例中，這種對(duì)輻照注量的要求需要在整個(gè)照射過程期間保持。在其他情況下， 至少約60%，或70%，或80%，或優(yōu)選90%的施加到襯底的脈沖具有這樣的注量。術(shù)語(yǔ)“熔化”和“燒蝕”是本領(lǐng)域中公知的。在任何需要進(jìn)一步解釋的程度 上，“熔化” 一般指的是例如通過用加熱提高物質(zhì)的內(nèi)部能量導(dǎo)致物質(zhì)從固相到液相的 相變過程，而“燒蝕” 一般指的是通過汽化、切削或其他腐蝕性工藝將材料從襯底表面 移除。為了從數(shù)理上說明對(duì)輻照注量的上述需要，將函數(shù)(Fpeak(x，y))定義為指示任 一表面點(diǎn)(X，y)所暴露的輻射脈沖的最大輻照注量，其中(Fpeak(x，y))滿足以下關(guān)系Fmelt < Fpeak (X，y) < Fablatlon 公式(1)其中，F(xiàn)mdt表示用于熔化暴露于輻射中的襯底部分的輻照注量閾值，以及Fablatirai 表示使暴露于輻射的襯底部分燒蝕的輻照注量閾值。判斷以上關(guān)于輻照注量的要求的另一種方式是如下分段定義
O 如果。江力< ^ft.力=1 如果 Fmelt < Fpeak(Xiy) < Fablaiion 公式(2)
2 如果巧Woft。 <。U力其中，在很多實(shí)施例中，襯底表面上的脈沖分布為使得在所有被輻射的點(diǎn)處 U(x, y) = 1。例如，U(x，y) = 2的點(diǎn)(x，y)將被燒蝕，這是不期望的，同時(shí)U(x， y) = O的任一點(diǎn)(X，y)不會(huì)被熔化，這也不是期望的。對(duì)于給定的材料，燒蝕和/或熔化的輻照注量閾值可以取決于所施加的輻射的 波長(zhǎng)以及所施加的輻射脈沖的持續(xù)時(shí)間。因此，對(duì)與熔化和燒蝕閾值相關(guān)的所施加輻射 的注量的上述要求，如例如在公式(1)和(2)中所具體化的，適用于給定的輻射波長(zhǎng)和 脈沖寬度。作為舉例，在本發(fā)明的實(shí)施例中，將具有約SOOnm中心波長(zhǎng)的IOOfs輻射脈 沖施加于襯底表面(例如硅)，通過將具有約800nm中心波長(zhǎng)的IOOfs輻射脈沖施加于襯 底，來選定每一脈沖的峰值注量大于引起襯底熔化所需的注量。進(jìn)一步地，通過將具有 約SOOnm中心波長(zhǎng)的IOOfs輻射脈沖施加于襯底，來選定每一脈沖的峰值注量小于燒蝕襯 底所需的注量。應(yīng)該理解，材料的熔化和/或燒蝕注量 閾值的確定可能包括測(cè)量不確定度。因 此，在很多情況下，當(dāng)判斷輻射脈沖的注量是否滿足以上關(guān)系時(shí)，應(yīng)該將這樣的測(cè)量不確定度考慮在內(nèi)。在一些實(shí)施例中，可以將多個(gè)輻射脈沖施加到襯底的不同位置(點(diǎn))并且分布在 表面的宏觀面積上以便處理整個(gè)區(qū)域。在一些情況中，將脈沖的峰值注量以及在空間上 鄰近的脈沖之間的重疊選定為使每一被處理的襯底位置熔化，但不燒蝕。在一些實(shí)施例中，施加到每一表面點(diǎn)(位置)的輻射脈沖數(shù)可以從1個(gè)變化到大約幾千個(gè)，例如其可以 在約10個(gè)到約200個(gè)脈沖的范圍內(nèi)。如以上所提到，當(dāng)表面與摻雜物(例如具有摻雜成 分的材料)接觸時(shí)執(zhí)行這樣的表面輻射可以使一定量的摻雜物加入到襯底中。為了保證 大體均勻摻雜，在很多實(shí)施例中，將在表面不同位置處所沉積的總能量的變化最小化， 例如通過適當(dāng)選定脈沖的形狀和將脈沖分布到表面上的方式。作為舉例，在一些情況中，脈沖被空間分布到表面上以形成“靶點(diǎn)”的方形或 三角形點(diǎn)陣(對(duì)應(yīng)于激光斑點(diǎn)的中心的點(diǎn)陣)。例如，圖IA示意性描述了方形柵格10 (盡 管在一些情況中更期望為三角形柵格，但為了簡(jiǎn)化此處示意為矩形柵格)，方形柵格表示 襯底表面上的點(diǎn)，激光脈沖的中心射到表面的這些點(diǎn)處。在該柵格10中，介于空間上鄰 近的脈沖的中心點(diǎn)間的某一個(gè)維度上的距離(例如水平維度上的(I1)基本上類似于介于這 些脈沖中心點(diǎn)間的另一個(gè)維度上的距離(例如垂直維度上的d2)。換言之，在該情況下Ci1 =d2。根據(jù)這種矩形圖案的表面脈沖分布顯著區(qū)別于為了構(gòu)建襯底表面的常規(guī)脈沖分 布圖案。上述常規(guī)圖案通常被設(shè)計(jì)為最高效地將輻射束光柵化(raster)在表面上。例如， 圖IB示意性描繪了這種靶點(diǎn)的常規(guī)圖案12，其中輻射脈沖彼此間的空間距離在一個(gè)維度 上比另一維度上的明顯更近。例如，在該情況中，屯>>(12，且一般Ci1M2在約10到約 100的范圍內(nèi)。參考圖2A至圖2D，為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的突出方面，將一個(gè)示例性實(shí)施例 中的兩個(gè)空間上鄰近的輻射脈沖的注量以及位置與在用于處理(例如構(gòu)筑和/或摻雜)襯 底表面的常規(guī)方法中的兩個(gè)鄰近脈沖的注量以及位置進(jìn)行比較。圖2A簡(jiǎn)單示意出與兩個(gè) 鄰近脈沖相關(guān)的多個(gè)所關(guān)心的參數(shù)，例如dmdt(與脈沖相關(guān)的熔化區(qū)的線性空間范圍)， dabl(與脈沖相關(guān)的燒蝕區(qū)的線性空間范圍)，CipulJ介于脈沖中心之間的距離)。圖2B示意性示出兩個(gè)脈沖，其每一個(gè)均具有比燒蝕閾值注量更大的峰值注量。 這些脈沖具有重疊的熔化區(qū)，但燒蝕區(qū)是分開的(非重疊)。圖2C示意性示出每一個(gè)均 具有比燒蝕閾值注量更大的峰值注量的兩個(gè)脈沖，它們彼此被布置為具有重疊的熔化和 燒蝕區(qū)。很多常規(guī)激光處理技術(shù)沿著樣品表面的一個(gè)維度采用圖2B所示的注量和脈沖 分布，并且沿著表面的另一個(gè)維度(例如相垂直的維度)采用圖2C所示的注量和脈沖分 布。相比之下，圖2D示出了在本發(fā)明用于處理(例如摻雜)襯底的實(shí)施例中所采用的注 量和脈沖分布，其中每一脈沖的峰值注量位于引起熔化所需的注量和引起燒蝕所需的注 量之間的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，將脈沖分布為使相鄰脈沖以這樣的方式重疊使遭受激光 處理的每一表面區(qū)域熔化但不燒蝕。圖2D所描述的條件可以施加在χ和y維度上。如下面進(jìn)一步描述，本發(fā)明用于處理襯底(例如半導(dǎo)體襯底)的方法能夠獲 得具有摻雜的表面層的襯底，其表面的均方根粗糙度表現(xiàn)出小于約200nm，或小于約 IOOnm,或小于約50nm，或小于約20nm，或小于約10nm，例如，大約大于的范圍從約 IOnm到約20nm。在一些情況中，表面可以包括大于約Inm且小于約IOnm的均方根粗糙度。換言之，頂面可以為平坦的，并且還可以具有從頂面延伸到襯底一定深度的摻雜 的表面層。在一些情況中，摻雜的表面層的厚度例如可以在約IOnm到約IOOOnm的范圍 內(nèi)，或在約IOnm到約500nm的范圍內(nèi)。另外，加入到這樣的表面層中的摻雜物的濃度 根據(jù)所采用的條件而變化，例如從約IO15cm 3到約IO21cm 3。根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)所形成的這種襯底可以具有多種應(yīng)用。例如，它們可以應(yīng)用在 光電探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體激光器、CCD、發(fā)光二極管或任何其他光電設(shè)備。例 如，下面的例子顯示出可以將本發(fā)明用于產(chǎn)生具有表面層的平坦硅襯底，在該表面層中 摻雜有相當(dāng)大量的硫。相對(duì)于未處理過的硅這種摻雜的平坦硅表現(xiàn)出在紅外吸收上的顯 著增強(qiáng)。因此，其被應(yīng)用在光電探測(cè)器中時(shí)，不僅可以探測(cè)到可見光輻射，，還可以探 測(cè)到紅外輻射。圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的用于執(zhí)行襯底處理的示例性裝置14。裝置14 包括樣品處理腔16，其中設(shè)置有平移臺(tái)18。可以將處于處理期間的樣品固定到該平移 臺(tái)。再生放大式的飛秒鈦藍(lán)寶石激光系統(tǒng)(未示出)以IkHz的重復(fù)率提供大約IOOfs 激光脈沖，該脈沖具有SOOnm的中心波長(zhǎng)。可以用光闌20將重復(fù)率調(diào)整為不同值。聚 焦透鏡22接收激光脈沖并引導(dǎo)其穿過分束器24，到達(dá)腔的輻射透射窗26(例如石英窗) 上。輻射能量的一部分從分束器反射到CCD 28上，用于測(cè)量斑點(diǎn)尺寸。通過移動(dòng)透鏡 可以改變樣品處脈沖的斑點(diǎn)尺寸(例如斑點(diǎn)尺寸直徑從約10微米到約1000微米)。通 過激光器系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的能量例如可以高達(dá)約2.5毫焦耳。該脈沖的能量例如可以通 過使用一個(gè)或多個(gè)中性密度濾光片，或半波片和偏光鏡調(diào)節(jié)到所期望的范圍內(nèi)?？梢杂?樣品處脈沖能量和/或斑點(diǎn)尺寸的變化將樣品處的輻照注量調(diào)節(jié)到選定的值。從摻雜物 源11將摻雜化合物引入到真空腔中，以便當(dāng)表面受到脈沖輻射的照射時(shí)該樣品表面暴露 于摻雜化合物中。關(guān)于適合用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以在題為“硅基 可見及近紅外光電設(shè)備(Silicon-Based Visible and Near-Infrared Optoelectric Device) ” 的美 國(guó)專利No.7057256中找到，上述專利通過引用包含在本發(fā)明當(dāng)中。盡管以上討論的實(shí)施例和摻雜襯底有關(guān)，但本發(fā)明的教導(dǎo)，例如將施加于襯底 表面的激光脈沖重疊的多種方式可以更普遍地用于處理多種激光處理應(yīng)用中的多種襯 底。一些這樣的激光處理應(yīng)用的例子包括但不限于，脈沖激光退火、脈沖激光熔化和再 結(jié)晶。例如，可以采用多個(gè)短輻射脈沖照射襯底表面(例如半導(dǎo)體襯底)，其中至少一些 脈沖，在一些實(shí)施例中是每一個(gè)脈沖，在襯底表面處的注量大于熔化注量閾值且小于燒 蝕注量閾值。在一個(gè)應(yīng)用中，襯底熔化隨后再凝固，以提供襯底的退火。提供下面的例子來進(jìn)一步闡明本發(fā)明的多個(gè)方面。例子僅用于說明目的，其并不一定旨在表明通過實(shí)施本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的最佳結(jié)果。例子制備采用磷摻雜的η型硅晶片(111)，電阻率P = 800 900 Ω-cm。在丙酮、 甲醇、異丙酮和去離子水中利用超聲清洗硅表面。在5%的HF中浸沾60秒以移除任何 自然氧化物。然后將晶片暴露在來自鈦藍(lán)寶石的再生放大式激光器系統(tǒng)中的800nm、100飛 秒的激光脈沖串下。來自該激光器系統(tǒng)的脈沖串具有IkHz的重復(fù)率。用于處理(摻雜)晶片的飛秒激光器的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在以上圖3中已描述。將硅晶片放置到真空腔內(nèi)。將該腔抽真空至< 10_3托，再回充500托的SF6 (用于硫摻雜)。采 用機(jī)械光闌20將IkHz的脈沖串重復(fù)率降低到頻率f= 11Hz。在χ方向上以速度ν(在 該情況中約每秒60毫米)將硅晶片在激光束的前方平移，得到的激光脈沖間χ間距為d =v/f(在該情況下約58微米)。當(dāng)行進(jìn)一段距離后(例如在該情況下約3cm)，樣品隨 后在y方向上步進(jìn)相同的距離d，并隨后在χ軸的反方向上平移。通過重復(fù)這個(gè)過程，將 脈沖分布到硅晶片表面的延伸區(qū)域上的方形柵格上(參見圖4A和圖4B)。
激光束被聚焦到硅晶片的表面上形成斑點(diǎn)尺寸W，其中w指的是在光束最大強(qiáng) 度的一半處的光束寬度；該尺寸可以用CCD照相機(jī)來測(cè)量，并且可以用于計(jì)算注量。 通常，注量是一種用來定義激光誘導(dǎo)的相變的重要閾值的物理量。通過用脈沖的能量除 以脈沖強(qiáng)度超過最大值Ι/e的面積計(jì)算平均注量。對(duì)于具有高斯強(qiáng)度分布的脈沖，以這 種方式計(jì)算的平均注量的便利特性是，平均注量具有與峰值注量相同的值。對(duì)于飛秒激 光脈沖，硅的熔化注量閾值為約1.5kJ/m2，并且其燒蝕注量閾值為約3kJ/m2。為了滿足 以上所述的用于產(chǎn)生平坦表面的要求，選定平均注量為2kJ/m2。脈沖尺寸的寬度W = 250 μ m ；脈沖在χ和y方向上均間隔58 μ m(采用掃描光柵速度ν = 640 μ m/s以及脈沖 重復(fù)率為f= IlHz來實(shí)現(xiàn))。圖5示意性示出這種參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)于以上結(jié)合本發(fā)明的示 例性實(shí)施例在圖2D中所示的脈沖注量類型以及布置。經(jīng)激光處理后，樣品保留了原樣品的高拋光外表。在掃描電子顯微鏡的仔細(xì)觀 察沒有顯示出可看到的粗糙，盡管有一些較小的表面高度變化(圖6)。另外，截面亮場(chǎng) TEM圖像說明，產(chǎn)生了從表面延伸出約50nm的界限清晰的激光改變區(qū)域，如圖7所示。 TEM圖像中的差別可以歸因于由于熔化和再凝固而產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)上的變化，該觀察結(jié) 果可通過選區(qū)衍射以及更高倍放大的TEM觀察來證實(shí)。為了說明，圖8示出了實(shí)驗(yàn)性平坦處理的硅樣品的一些光學(xué)性質(zhì)觀察到在光 波長(zhǎng)約IlOOnm以上(λ > IlOOnm)紅外吸收增強(qiáng)。具體地說，該經(jīng)過處理的實(shí)驗(yàn)性樣 品相對(duì)于未處理的晶體硅表現(xiàn)出紅外吸收的顯著提高。這種在紅外吸收上的提高表明在 處理過的樣品的頂表面層中具有高含量的硫摻雜。處理過的實(shí)驗(yàn)性樣品所表現(xiàn)出的在紅 外吸收上的增強(qiáng)小于通過一些常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生的激光摻雜的硅所表現(xiàn)的在紅外吸收上的增 強(qiáng)。這是由于相對(duì)于通過常規(guī)技術(shù)所形成的各個(gè)層(例如厚度為約200nm的層)，加入 有硫的實(shí)驗(yàn)性樣品中的頂表面層較薄(例如厚度為約40nm的層)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下可以對(duì)以上實(shí)施 例做各種變化。
權(quán)利要求
1.一種處理襯底的方法，包括當(dāng)襯底的表面部分暴露于摻雜材料時(shí)，采用多個(gè)短輻射脈沖照射該襯底表面的至少 一部分，所述脈沖在該襯底表面處具有大于熔化注量閾值且小于燒蝕注量閾值的注量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，摻雜材料包括任何氣體、液體或固體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輻射脈沖的持續(xù)時(shí)間在約100飛秒到約幾十 納秒的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底包括任何半導(dǎo)體、玻璃、金屬、合金或 有機(jī)化合物。
5.—種處理襯底的方法，包括放置襯底表面使其與具有摻雜成分的材料接觸；以及采用一個(gè)或多個(gè)短激光脈沖照射所述襯底表面的多個(gè)表面區(qū)域，以使每一激光脈沖 在該襯底表面處具有大于熔化注量閾值且小于燒蝕注量閾值的注量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述具有摻雜成分的材料包含SF6。
7.—種向襯底中引入摻雜物的方法，包括放置襯底表面的至少一部分與具有摻雜成分的材料接觸；以及 采用多個(gè)短激光脈沖照射所述表面部分，以便使所述摻雜成分加入到該襯底的表面 層中；其中配置所述短激光脈沖，以使經(jīng)過照射步驟后，該照射后的襯底表面的均方根粗 糙度比所述脈沖的中心波長(zhǎng)的約1/30更小。
8.—種引入摻雜物到襯底中的方法，包括 放置襯底表面的至少一部分與摻雜材料接觸；施加多個(gè)短輻射脈沖到所述表面部分的多個(gè)位置，以便引起該襯底表面層的熔化， 而不引起燒蝕，從而使一定量的所述摻雜物加入到所述表面層中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括選擇每一脈沖的注量和該脈沖在該表面上的分 布，使得在施加脈沖后，所述表面部分的均方根粗糙度比所述脈沖的中心波長(zhǎng)的約1/30更小。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述加入的摻雜物的密度在約IO13cm3到約 IO21Cm 3的范圍內(nèi)。
11.一種襯底，包括 含有摻雜物的表面層，所述表面層的頂面的均方根(RMS)粗糙度小于約50納米。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的襯底，其中所述RMS粗糙度在約IOnm到約20nm的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的襯底，其中所述RMS粗糙度大于約Inm小于約lOnm。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的襯底，其中所述摻雜的表面層的厚度在約IOnm到約 IOOOnm的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的襯底，其中所述摻雜的表面層的厚度在約IOnm到約 500nm的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的襯底，其中所述襯底包括任何半導(dǎo)體、玻璃、金屬、合金或有機(jī)化合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的襯底，其中所述摻雜物的濃度在約IO13cm3到約IO21cm 3 的范圍內(nèi)。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法生產(chǎn)的襯底。
19.一種處理襯底的方法，包括采用多個(gè)短輻射脈沖照射襯底表面的至少一部分，所述脈沖在該襯底表面處具有大 于熔化注量閾值且小于燒蝕注量閾值的注量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中選定在該襯底表面上的該脈沖的空間分布，以便提供均方根粗糙度小于約
21.—種用于處理襯底的裝置，包括 用于產(chǎn)生脈沖電磁輻射的輻射源，以及耦合于該源用來將所述脈沖引導(dǎo)到襯底表面的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述脈沖在該表面提供大于熔化注量閾值并小于燒蝕注量閾值的輻照注量。
全文摘要
公開了一種用于處理襯底(例如半導(dǎo)體襯底)的方法和裝置，包括在襯底表面部分暴露于摻雜劑中時(shí)采用多個(gè)短輻射脈沖照射該襯底表面的至少一部分。將脈沖選定為在襯底表面處具有大于熔化注量閾值(為了引起襯底熔化所需的輻射脈沖的最低注量)且小于燒蝕注量閾值(為了引起襯底燒蝕所需的輻射脈沖的最低注量)的注量。一定量的摻雜物可以以該方式加入到襯底中，同時(shí)保證襯底表面的粗糙度遠(yuǎn)小于所施加輻射脈沖的波長(zhǎng)。
文檔編號(hào)H01L21/265GK102017088SQ200980103740
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者E·瑪祖, M·溫克勒 申請(qǐng)人:哈佛大學(xué)校長(zhǎng)及研究員協(xié)會(huì)