[發明專利]一種長波長激光退火方法及裝置

在審

• 申請號: 202011220515.4
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112435920A
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 蔣一鳴;陳靜;王紀軍
• 申請（專利權）人: 北京華卓精科科技股份有限公司
• 主分類號: H01L21/268
• 分類號: H01L21/268;H01L21/324
• 代理公司: 北京頭頭知識產權代理有限公司 11729
• 代理人: 劉鋒

本發明公開了一種長波長激光退火方法及裝置，屬于半導體行業激光退火技術領域。激光退火方法，利用脈沖信號的激光輸出對晶圓進行退火處理，所述長波長激光退火方法中的激光具體為，采用長波長的半導體激光光源；以長度為1?10mm，寬度為30?500um的光斑尺寸為實際應用光斑尺寸；退火時的功率密度P范圍為200?5000kW/cm²。退火裝置包括系統控制單元、激光器、光學系統、載片臺、卡盤。本發明的方案可以取代現在普遍使用的固體激光器，極大地降低研發及生產成本，并且可針對半導體器件生產中的不同器件類型、不同深度雜質分布的需求，提供一種滿足各種退火需求的工藝匹配解決方案。

技術領域

本發明具體涉及一種長波長激光退火方法及裝置，屬于半導體行業激光退火技術領域。

背景技術

在進行半導體芯片制造時，會對某些器件的晶圓背面進行離子注入工藝，此步驟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，因此并不具備有效的電活性，此時需要再對材料進行加熱處理，以修復晶格損傷，同時激活雜質電活性，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 Lamp Annealing)、尖峰退火(SpikeAnnealing)等，由于退火溫度低、退火時間長等缺點，并不能很好地激活雜質，而且易于造成不必要的雜質再擴散，隨著器件尺寸的逐漸縮小，這種雜質分布再擴散所帶來的缺陷也愈來愈成為需要解決的問題。

激光脈沖退火，是指利用脈沖信號的激光輸出對材料進行退火處理的工藝方法。由于瞬時溫度高、作用時間短、熱預算低等的優勢，激光脈沖退火能夠很好地滿足高效激活的工藝要求。尤其是，對于新一代IGBT器件，因采用電場中止(FieldStop)技術，可以將襯底研磨得很薄來降低通態損耗，通常的晶圓厚度在100-200μm，更先進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，要求工藝溫度必須控制在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，這種情況下激光脈沖退火幾乎是獲得高退火性能的唯一方案。

而由于激光線斑尺寸的限制，如果要對整個晶圓背面進行退火，就必須使激光的線斑與晶圓之間產生相對運動，隨著時間的推移，激光一方面沿著線斑寬度方向掃描，一方面沿著長度方向步進，直至其移動痕跡覆蓋整個晶圓背面。由于工藝性能的要求，對于任何激光的掃描方式來說，都不允許出現有漏空(未掃描到的地方)或者激活不均勻的地方，對于現代的集成電路多晶體管器件而言，即使出現很小的退火異常區域，都會導致同一晶圓上不同芯片的器件性能不一致，由此造成激光退火工藝的失效。

激光脈沖退火所采用的設備系統，其核心模塊主要為：

(1)用于退火的和光路傳輸的光學系統；

(2)用于承載晶圓的卡盤；

(3)用于帶動卡盤和晶圓運動的載片臺；

由激光器輸出的原始光束，經特定的精密光學系統進行整形后，將整形好的線斑通過鏡頭投射到晶圓表面，由載片臺帶動卡盤和晶圓進行步進和逐行掃描運動，直至掃完整片晶圓，從而實現對整片晶圓的激光退火。

現有的技術方案中，大部分采用固體激光器或者固體激光器與半導體激光器配合使用的方式，此技術方案，需要的固體激光器研發與維護成本較高，且大部分固體激光器波長較短，難以對晶圓的更深處進行加溫，需輔助半導體長波長激光器使用，這對光路設計和系統穩定性提出了很高的要求，也進一步使得設備的成本投入較大。

發明內容

因此，本發明針對現有技術中存在的不足，提出一種采用單一波長半導體激光器的激光退火系統和退火方法及裝置，通過調節激光參數對表面進行熱處理，對退火溫度場的控制，實現完全固相激活、微熔化激活以及大深度熔化激活的退火效果，由于多種退火效果可以在一臺設備上實現，可極大程度的減少生產成本。