[發明專利]激光熱處理裝置及激光熱處理方法

在審

• 申請號: 201910188307.1
• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN109686686A
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 陳靜;蔣一鳴;李紅;陳威;李震;朱津泉;侯曉弈;孫金召
• 申請（專利權）人: 北京華卓精科科技股份有限公司
• 主分類號: H01L21/67
• 分類號: H01L21/67;H01L21/324
• 代理公司: 北京薈英捷創知識產權代理事務所(普通合伙) 11726
• 代理人: 王璐

本發明提供一種激光熱處理或退火裝置及激光熱處理或退火方法，能夠有效地對晶圓進行雜質激活處理等熱處理。包括：三個激光器，三個激光器各自具有激光控制器；還包括系統控制單元，系統控制單元進行三個激光脈沖的總體時序控制以及與運動臺的同步時序控制，系統控制單元為脈沖發生器的形式。該激光熱處理或退火裝置實現多光束疊加、時序可控，能夠實現波長、能量、脈沖作用時間、脈沖作用時序等多個參數的調節，可以實現在同一套裝置能夠兼容處理較深和較淺熱處理或退火工藝加工，在保證獲得優異熱處理或退火性能的同時可以大幅提高工藝加工效率，降低工藝處理成本。

技術領域

本發明涉及半導體行業激光熱處理或退火技術領域，具體涉及一種激光熱處理或退火系統及其熱處理或退火方法，可針對功率半導體器件生產中不同深度的熱處理或退火需求，如用于對離子注入到功率器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵雙極晶體管)背面的雜質進行激活、或消除晶圓表層內的結晶缺陷以恢復結晶的處理等，提供一種高性能的工藝匹配解決方案，在大幅提高激活效率和晶格質量、增大熱處理或退火深度的同時能夠降低系統熱預算、提高產率且有效避免薄片工藝加工中的碎片問題。

背景技術

術語解釋：1)激活效率：激光退火工藝加工后，能夠激活的雜質離子濃度占總摻雜雜質離子濃度的百分比。2)脈寬：激光脈沖的寬度，一般用于衡量激光作用時間。

功率器件在進行芯片制造時，在晶圓背面進行的離子注入工藝會對晶格造成嚴重的損傷，所摻雜的雜質離子未能位于正確的晶格位置，因此此時并不具備有效的電活性，需要再對材料進行加熱處理，用于修復晶格損傷并激活電活性，這種加熱處理工藝即為退火。傳統使用的退火工藝，包括爐管退火、閃光燈退火(FLA，Flash LampAnnealing)等，由于退火溫度低、時間長等缺點，并不能很好地激活雜質，且易于造成不必要的額外擴散，隨著器件尺寸的逐漸縮小，這種額外擴散所帶來的缺陷也愈來愈成為需要解決的問題。

激光退火，由于瞬時溫度高、作用時間短、熱預算低等優勢，能夠很好地滿足高效激活的工藝要求，已經逐漸成為擴散的關鍵工藝之一。尤其是，對于新一代IGBT器件，因采用電場中止(FieldStop)技術，可以將晶圓(襯底、基板)研磨得很薄來降低通態損耗，通常的晶圓厚度在100-200μm，高端的設計甚至要求使用70μm以下的超薄片，在這種薄片/超薄片上進行背面退火時，為保證器件正面的鋁不會因為高溫熔化，要求正面溫度必須控制在450℃以內，采用激光退火能夠將退火時間控制在微秒量級，從而保證晶圓正面的有效控溫；另外，該類型器件在晶圓背面涉及到N+和P+兩層摻雜激活，摻雜深度甚至可以達到3μm以上，這種情況下激光退火幾乎是獲得高退火性能的唯一方案。

上述激光退火方法中，較常見的方法為由綠光波段的激光對晶圓進行加熱處理，在具體實施形式上可能由一個綠光激光源進行退火加工，或由兩個相同波長的綠光激光源通過脈沖相對延遲輸出進行退火加工。然而，由于材料對單一波長激光的吸收限制，當僅有綠光照射晶圓時，激光的吸收深度范圍保持在較淺的水平(1μm以內)，而且隨著表面溫度的逐漸上升激光的吸收也會逐漸減弱，例如當波長為515nm的綠光照射晶圓時，室溫(300°K)下激光的吸收深度為0.79μm，隨著表面溫度逐漸上升至1000°K，激光吸收深度減至約0.16μm，尤其是當表面發生熔融時，激光的吸收深度驟減至8nm，因此采用單綠光進行退火的方法在激光的吸收模式上十分受限，尤其是面向較深的退火需求，難以突破吸收深度限制達到有效、充分激活的效果。