專利名稱：用于通過激光能量照射半導(dǎo)體材料表面的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助激光器對半導(dǎo)體材料表面進(jìn)行照射的方法。進(jìn)ー步地，本發(fā)明涉及ー種用于對半導(dǎo)體材料表面進(jìn)行照射的激光器裝置。
背景技術(shù)：
對于諸如非晶硅的熱退火以便得到再結(jié)晶以及摻雜物活化的應(yīng)用而言，半導(dǎo)體材料表面的激光照射是眾所周知的。通過能夠進(jìn)行非常快速的熱處理和淺的加熱區(qū)域深度，這種技術(shù)提供了優(yōu)于傳統(tǒng)性加熱處理的顯著優(yōu)點。因為激光光點的形狀和/或大小通常與有待照射的區(qū)域的形狀和/或大小不相配，現(xiàn)有技術(shù)提供了幾種手段來用于將激光的形狀確定為使得半導(dǎo)體材料層的具有特定的大小及形狀的ー個區(qū)域或者多個此類分離開的區(qū)域的ー個圖案能夠接受照射。例如，如 US2003199176中所說明的一種廣為人知的技術(shù)利用陰影掩模來為該激光光點確定形狀。此類陰影掩?？删哂卸鄠€孔徑。因為該激光光點的大小是遠(yuǎn)小于ー個管芯(也稱為芯片或器件)的大小，這是由于該照射過程所要求的高能量密度以及傳統(tǒng)上可獲得的激光源的低能量輸出，所以使用傳統(tǒng)的陰影掩模技術(shù)的第一個缺點是當(dāng)必需對ー個完整的管芯或者一個管芯內(nèi)的較大圖案進(jìn)行照射時，激光光點不得不跨過或者掃描該管芯或該圖案以便對其完全地進(jìn)行照射。這可能會導(dǎo)致處理速度下降以及生產(chǎn)成本増加。第二個缺點是如果激光光點掃描或者跨過該圖案，由于激光能量密度的變化而可能會在摻雜物活化率或深度及在表面質(zhì)量中產(chǎn)生不均勻性。第三個缺點是如果有待照射的連續(xù)圖案(即ー個未分離區(qū)域的圖案)的大小大于該激光光點，多個順序的激光光點將在該圖案的某些部分處重疊，從而造成在摻雜物活化率或深度以及在表面質(zhì)量中的不均勻性?？紤]到上述激光照射過程的這些缺點，對于根據(jù)本發(fā)明的激光照射裝置存在ー種明確的需要，作為第一目的，該裝置可提供對半導(dǎo)體材料層進(jìn)行處理的能力而無需跨過或者掃描在一個圖案或一個管芯以便將其完全照射，這會導(dǎo)致提高的處理速度以及降低的生產(chǎn)成本。作為第二個目的，本發(fā)明可提供ー種裝置，該裝置的處理性能是較少地取決于激光能量密度的波動并且其結(jié)果是就摻雜物活化率或深度以及表面質(zhì)量而言實現(xiàn)了提高的管芯內(nèi)均勻性。作為第三個目的，本發(fā)明可提供ー種裝置，該裝置允許使用者將該激光束光點的形狀和/或大小控制和調(diào)節(jié)到有待照射的區(qū)域的幾何形狀上，由此提高了生產(chǎn)率以及生產(chǎn)的靈活性。作為第四個目的，本發(fā)明可提供ー種裝置，該裝置允許減少或者甚至抑制重疊并且其結(jié)果是就摻雜物活化率或深度以及表面質(zhì)量而言提高了均勻性。作為第五個目的，本發(fā)明可顯著地限制為了允許使光束點的形狀和/或大小與有待照射的區(qū)域相匹配所要求的光學(xué)元件的數(shù)量，因此降低了該裝置的成本和大小。
本發(fā)明通過使用一個主激光束并且通過使用ー個光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了上述目的，通過ー個用于確定形狀的裝置將該主激光束的形狀確定成多個次級激光束，該確定形狀的裝置包括多個孔徑，這些孔徑的形狀和/或大小對應(yīng)于有待照射的半導(dǎo)體材料層的ー個公共區(qū)域的形狀和/或大小，并且該光學(xué)系統(tǒng)被適配成用于疊加這些次級激光束以便對所述公共區(qū)域進(jìn)行照射。發(fā)明概述本發(fā)明是針對用于對半導(dǎo)體材料進(jìn)行照射的裝置，該裝置包括一個激光器，該激光器產(chǎn)生ー個主激光束；ー個光學(xué)系統(tǒng)；以及ー個用于為該主激光束確定形狀的裝置，該確定形狀的裝置包括多個孔徑，這些孔徑用于將該主激光束的形狀確定成多個次級激光束；
其特征在于這些単獨的孔徑的形狀和/或大小對應(yīng)于一個有待照射的半導(dǎo)體材料層的ー個公共區(qū)域的形狀和/或大小，并且其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)被適配成用于疊加這些次級激光束以便對所述公共區(qū)域進(jìn)行照射。另外，本發(fā)明是針對此類裝置在制造半導(dǎo)體器件中的用途。附圖
簡要說明圖I展示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個實施方案。圖2展示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的另ー個實施方案。圖3展示了根據(jù)本發(fā)明的一種所謂的“迷你-變焦頭”。圖4展示了根據(jù)本發(fā)明通過ー個“迷你-變焦頭”進(jìn)行精準(zhǔn)聚焦的可能性。圖5展示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個替代實施方案。圖6展示了該多個孔徑的ー種改變。發(fā)明描述本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解以下說明的這些實施方案根據(jù)本發(fā)明僅是解釋性的而并非限制本發(fā)明的預(yù)期范圍。也可以考慮其他的實施方案。根據(jù)本發(fā)明的ー個第一實施方案，在此提供了一種用于對半導(dǎo)體材料進(jìn)行照射的裝置，該裝置包括一個激光器，該激光器產(chǎn)生了一個主激光束；ー個光學(xué)系統(tǒng)；以及ー個用于為該主激光束確定形狀的裝置，該確定形狀的裝置包括多個孔徑，這些孔徑用于將該主激光束的形狀確定成多個次級激光束；其特征在于這些単獨的孔徑的形狀和/或大小對應(yīng)于一個有待照射的半導(dǎo)體材料層的ー個公共區(qū)域的形狀和/或大小，并且其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)被適配成用于疊加這些次級激光束以便對所述公共區(qū)域進(jìn)行照射。通過利用一個主激光束，該主激光束由ー個用于確定形狀的裝置將其形狀確定為多個次級激光束，該用于確定形狀的裝置包括多個孔徑，這些孔徑的形狀和/或大小對應(yīng)于有待照射的半導(dǎo)體材料層的公共區(qū)域的形狀和/或大小ロ，并且通過使用ー種被適配為用于疊加這些次級激光束從而對所述公共區(qū)域進(jìn)行照射的光學(xué)系統(tǒng)，該裝置提供了對半導(dǎo)體材料層進(jìn)行處理而不需要跨過或者掃描需一個圖案或整個管芯從而對其完全照射的能力，這會提高處理速度并且降低生產(chǎn)成本。另ー個優(yōu)勢是這種裝置的處理性能更少地依賴激光能量密度的波動，這是因為它一次就可以照射全部的圖案或者管芯。另外，通過使用光學(xué)系統(tǒng)來疊加次級激光束，可以提高入射到有待照射的區(qū)域的能量密度的均勻性。因此就摻雜物活化率或深度及表面質(zhì)量而目，提聞了均勻性。根據(jù)本發(fā)明的裝置的另外ー個優(yōu)點是由于這些孔徑的大小和/形狀有待照射的區(qū)域是對應(yīng)的，不再需要連續(xù)的激光點，這就減少了重疊，因此就摻雜活化率或深度及表面質(zhì)量而言提高了均勻性。此外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到和傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比根據(jù)本發(fā)明的裝置極大地限制了將激光束光點的形狀和/或大小與有待照射的區(qū)域的形狀和/或大小相匹配所需要的光學(xué)元件的數(shù)量，因此降低了該裝置的成本和大小。該多個孔徑(也稱作“掩?！?可以是ー個產(chǎn)生有很多孔徑的固定板，或者它也可以是以任何形式安裝在框架內(nèi)的孔徑的組合，優(yōu)選地是以陣列的形式。實質(zhì)上，ー個這樣的孔 徑是ー個小孔或者ー個縫隙，主激光束的一部分穿過這個縫隙，并且這種孔徑限定了次級激光束點的形狀和大小。該多個孔徑的孔徑數(shù)量可以從至少兩個到MxN個，其中M和N分別可以從2到30、從5到20，并且優(yōu)選地是10。作為替代方案，該多個孔徑可以是ー個包括部分反射涂層組成的反射鏡或者透鏡，該部分反射涂層具有由一個較低透射率區(qū)域所圍繞的多個較高透射率區(qū)域，即孔徑。除此之外，通過調(diào)整較高透射率區(qū)域的透明度，我們可以改變有待照射的區(qū)域的照射強(qiáng)度。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案中，提供了一種用來對半導(dǎo)體材料進(jìn)行照射的裝置，其中該多個孔徑各自的形狀和大小是使得這些次級激光束的光點形狀和光點大小與有待照射的區(qū)域的形狀和大小相匹配。根據(jù)本發(fā)明的裝置可以包括ー種用具有不同形狀和大小的多個孔徑對另外多個孔徑進(jìn)行替換的裝置。通過改變孔徑的形狀和大小，次級激光束點的大小和形狀可以基本上與所選區(qū)域的大小和形狀完全匹配。用于替換的這種裝置可以包括ー個組件，該組件用于存儲多個掩模并且精確而自動地在主激光束路徑中對任意所存儲的掩模進(jìn)行定位。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，有待照射的區(qū)域可以對應(yīng)至少ー個完整的管芯。這個完整的管芯可以由ー個激光脈沖處理。并且，這個管芯可以接收多個激光脈沖，這些激光脈沖都覆蓋整個管芯。進(jìn)ー步地，有待照射的區(qū)域可以對應(yīng)多個管芯。照射ー個或者多個完整的管芯會顯著地提高照射能量在管芯上的均勻分布，并且減少重疊效應(yīng)，從而增加工藝均勻性。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案中并且如圖I所不，光學(xué)系統(tǒng)可以包括ー個微透鏡陣列(ML2)和ー個球面透鏡(FL)。主激光束的形狀將被該多個孔徑確定為多個次級激光束，這些次級激光束將會被該微透鏡陣列(ML2)和該球面透鏡疊蓋。球面透鏡限定了有待照射的區(qū)域上圖像的放大倍數(shù)。優(yōu)選地，該多個孔徑(M)各自可以基本上極為精確地和ML2的ー個微透鏡相對應(yīng)，其中每ー個微透鏡在無限平面中形成了對應(yīng)的孔徑的圖像。由于只需要一個微透鏡陣列和ー個球面透鏡，光學(xué)元件的數(shù)量比傳統(tǒng)的系統(tǒng)要少得多。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案中并且如圖2所示，該光學(xué)系統(tǒng)可以另外包括ー個第二微透鏡陣列(ML1)。因此，在這種情況下，該光學(xué)系統(tǒng)包括兩個微透鏡陣列(MLl以及ML2)以及ー個球面透鏡(FL)。該主激光束的形狀將由該多個孔徑以及MLl確定為多個次級激光束，這些次級激光束隨后將有ML2以及球面透鏡(FL)疊加。優(yōu)選地，該多個孔徑(M)中的每ー個孔徑可以與MLl的ー個微透鏡大體上準(zhǔn)確地對應(yīng)，其中每個微透鏡在無限平面上形成相應(yīng)的孔徑的圖像。如圖3所示，后一實施方案具有另外的優(yōu)勢可以通過使ML2相對于MLl (所謂的“迷你-變焦頭”)可移動而為有待照射的區(qū)域提供圖像大小的精細(xì)匹配和調(diào)整。圖4示出了可以用這種方式實現(xiàn)的放大范圍的ー個例子。根據(jù)本發(fā)明的裝置的光學(xué)系統(tǒng)實際上起光束均勻器的作用。通過在光學(xué)系統(tǒng)的正前方提供該多個孔徑，可以確定激光束的形狀并且然后將其均勻化。與將掩模靠近晶片放置的陰影掩模方法相比，這提供了關(guān)于圖像清晰度的顯著優(yōu)勢。而且，非?？窟M(jìn)的放置可能包括該半導(dǎo)體材料襯底受污染的風(fēng)險?？商娲夭⑶胰鐖D5所示，該多個孔徑(M)可以被放置在激光器(L)的輸出反射鏡的內(nèi)表面處。在這種情況下，該多個孔徑可以是ー組安放在盡可能地靠近輸出反射鏡的內(nèi)表面處的孔徑。ー個更容易以及更優(yōu)選的構(gòu)造的方法是在輸出反射鏡的內(nèi)表面上提供一個部分反射涂層，該部分反射涂層具有由一個較低透射率區(qū)域所圍繞的多個較高透射率區(qū) 域，即這些孔徑。因為確定形狀發(fā)生在激光器內(nèi)部，該較低透射率區(qū)域提供了用于為該主激光束確定形狀而沒有能量損失的方法。在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，該多個孔徑可以是ー個MxN孔徑陣列.這個MxN孔徑陣列優(yōu)選地對應(yīng)ー個或多個MxN光束均勻器微透鏡陣列。如圖6所示，這些孔徑本身可以顯示ー個圖案。除了所有的単獨的孔徑的形狀和/或大小對應(yīng)ー個有待照射的半導(dǎo)體材料層的ー個公共區(qū)域的形狀和/或大小的這個事實之外，這些孔徑中的至少ー個可以顯示更低以及更高透射率區(qū)域的ー個圖案。這類孔徑的更高透射率區(qū)域甚至可以由次級孔徑的一個圖案形成。正如一些應(yīng)用所要求的，通過應(yīng)用顯示這類更低以及更高透射率區(qū)域的圖案的孔徑，能夠在ー個照射脈沖中處理具有不同照射要求(例如用于不同的激活的摻雜物百分比的不同的熱預(yù)算)的多個子區(qū)域的ー個區(qū)域的受控非均勻照射是可能的。這類受控非均勻照射也可以被用于補(bǔ)償前面的處理步驟產(chǎn)生的非均勻性。該激光器可以是波長、能量以及脈沖持續(xù)時間是適合該過程的任何激光器。優(yōu)選地，該激光器可以是ー個準(zhǔn)分子層，更優(yōu)選地是ー個氯化氙準(zhǔn)分子激光器。由于在這些波長處硅的高能量吸收率，該激光器的波長可以是在低于600nm的范圍內(nèi)，在190nm至480nm的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選的是308nm。激光能量可以是在5焦耳至25焦耳的范圍內(nèi)。為了實現(xiàn)這些能量，激光放電體積被優(yōu)化至典型地IOcm (電極之間的間距)X7至IOcm (放電寬度)XlOO至200cm (放電長度)。脈沖持續(xù)時間對應(yīng)在快速加熱以減少摻雜物擴(kuò)散以及相對地慢速冷卻以減少瑕疵的形成之間的ー個最佳效果，并且脈沖持續(xù)時間可以是在IOOns至IOOOns范圍內(nèi)，優(yōu)選地在IOOns以及300ns之間。在本發(fā)明的一個實施方案中，該激光器可以是被適配成用于產(chǎn)生ー個具有在O. 5到10J/cm2之間的能量密度的投射激光束。在一個優(yōu)選實施方案中，激光器可以是ー個準(zhǔn)分子激光器，其被適配成用于產(chǎn)生大于60cm2、大于80cm2、優(yōu)選地IOOcm2的一個大面積輸出光束,具有一個具有在O. 5到IOJ/cm2之間的能量密度的典型地從I至IOcm2的投射光束光點。根據(jù)本發(fā)明的ー個裝置可以進(jìn)一歩包括用于在XYZ方向上將次級光束光點與該多個區(qū)域進(jìn)行對準(zhǔn)的裝置。通過使用照相機(jī)將半導(dǎo)體材料層上的光束光點形象化、測量其大小并且調(diào)整其放大倍數(shù)，可以執(zhí)行進(jìn)ー步的調(diào)整。根據(jù)本發(fā)明的ー個裝置可以進(jìn)一歩包括ー個圖案識別系統(tǒng)。這種圖案識別系統(tǒng)可以包括一個照相機(jī)，該照相機(jī)機(jī)械地連接到用于支持該半導(dǎo)體材料的一個平臺上并且被放置在材料層表面的上方。在ー個具體實施方案中，可以對來自照相機(jī)的圖像進(jìn)行處理以便定位已經(jīng)被蝕刻在半導(dǎo)體材料上的若干(典型地3個)對準(zhǔn)標(biāo)記。這些對準(zhǔn)標(biāo)記提供了在裝置的坐標(biāo)系統(tǒng)中的半導(dǎo)體材料的精確位置。半導(dǎo)體材料可以是適合半導(dǎo)體應(yīng)用例如但不限于無摻雜硅、摻雜硅、注入硅、晶體 硅、非晶硅、鍺硅、氮化鍺、III-V復(fù)合半導(dǎo)體像氮化鎵、碳化硅以及類似物的任何材料。根據(jù)本發(fā)明的裝置可以用于制作半導(dǎo)體材料或器件，例如但不限于CMOS圖像傳感器、3D存儲器、CMOS邏輯器件以及光伏電池。
權(quán)利要求
1.一種用于對半導(dǎo)體材料進(jìn)行照射的裝置，該照射裝置包括 一個激光器，該激光器產(chǎn)生ー個主激光束； ー個光學(xué)系統(tǒng)； 以及ー種用于為該主激光束確定形狀的裝置，該確定形狀的裝置包括多個孔徑，這些孔徑用于將該主激光束的形狀確定成多個次級激光束； 其特征在于這些単獨的孔徑的形狀和/或大小對應(yīng)于一個有待照射的半導(dǎo)體材料層的ー個公共區(qū)域的形狀和/或大小，并且其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)被適配成用于疊加這些次級激光束以便對所述公共區(qū)域進(jìn)行照射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中這些孔徑的形狀和大小是使得這些次級激光束的光點形狀和光點大小與所述有待照射的區(qū)域的形狀和大小相匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其中該光學(xué)系統(tǒng)包括一個微透鏡陣列(ML2)以及ー個球面透鏡，其中這些微透鏡中的每ー個對應(yīng)于該多個孔徑之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中該光學(xué)系統(tǒng)另外還包括ー個第二微透鏡陣列(MLl )，其中這些微透鏡中的每ー個對應(yīng)于該多個孔徑之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4所述的裝置，其中該激光器包括一個輸出反射鏡，并且其中該多個孔徑被定位在該輸出反射鏡的內(nèi)表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中該多個孔徑包括ー個部分反射性涂層，該部分反射性涂層具有多個較高透射率區(qū)域，這些較高透射率區(qū)域被一個較低透射率區(qū)域所圍繞。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中該多個孔徑是ー個MxN孔徑陣列。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中這些孔徑中的至少ー個顯示了ー種圖案。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中該激光器是ー個準(zhǔn)分子激光器，該準(zhǔn)分子激光器被適配成用于產(chǎn)生ー個投射的激光束，該投射的激光束具有的能量密度在O. 5J/cm2 到 10J/cm2 之間。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中該有待照射的區(qū)域?qū)?yīng)于至少ー個完整的管芯。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的裝置，進(jìn)ー步包括用于使該次級激光束光點在XYZ方向上與該有待照射的區(qū)域?qū)?zhǔn)的裝置。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的裝置在制造半導(dǎo)體器件中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對半導(dǎo)體材料進(jìn)行照射的裝置，該裝置包括一個激光器，該激光器產(chǎn)生一個主激光束；一個光學(xué)系統(tǒng)；以及一種用于為該主激光束確定形狀的裝置，該確定形狀的裝置包括多個孔徑，這些孔徑用于將該主激光束的形狀確定為多個次級激光束；其特征在于，這些單獨的孔徑的形狀和/或大小對應(yīng)于一個有待照射的半導(dǎo)體材料層的一個公共區(qū)域的形狀和/或大小，并且其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)被適配成用于疊加這些次級激光束以便對所述公共區(qū)域進(jìn)行照射。另外，本發(fā)明涉及此類裝置在制造半導(dǎo)體器件中的用途。
文檔編號H01L21/324GK102844144SQ201180019273
公開日2012年12月26日 申請日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者埃爾韋·貝斯奧塞勒, 布魯諾·戈達(dá)德, 西里爾·迪唐 申請人:愛克西可法國公司