專利名稱：用于通過激光能量照射半導體材料表面的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及憑借激光照射半導體材料表面的方法。此外，其涉及用于照射半導體材料表面的激光設備。
背景技術：
半導體材料表面的激光照射被熟知用于例如非晶硅的加溫退火以獲得再結晶化和/或摻雜劑活化的應用。該技術通過實現非常快速的熱處理以及淺深度加熱區域來提供超越傳統加熱過程的顯著優勢。激光照射過程的普遍問題是很難以控制高準確度，因為其取決于若干可變參數， 例如在要被處理的半導體材料中的變化、在激光束能量中的變化、散射等。例如，在一些傳統激光照射過程中，激光的輸出能量被控制，但因此該類型的控制未解決激光和要被處理的半導體材料表面之間的能量損失、在半導體材料本身中的變化、和在激光脈沖波形中的變化。這些變化導致在不同的處理的表面區域之間的不一致性以及不一致的和不可靠的電子設備性能。為試圖解決以上問題，激光照射方法被描述，其中所述過程在半導體材料表面的電平被監控。例如，US 2004/0023418描述了退火方法，其中在要被處理的材料表面上的激光前脈沖的反射率被測量以及被放入反饋電路以控制照射源的振幅。在前脈沖監控之上的明顯的缺點是其不像照射過程的實時控制一樣有效。此外， 前脈沖為時間消耗的以及因此非成本有效的。其它示例為激光照射方法，其中材料表面的溫度被實時地監控。溫度監控的缺點是，它是一種假如照射過程使用小于一毫秒的激光脈沖則難以達到滿意的準確度的技術。為試圖解決后者的困難，US 2005/0199596描述了結晶化裝置，其中熔化和結晶過程被實時地監控，這通過觀察在幾百個納秒以及更少的范圍內的時間段由所處理的材料區域反射的光。處理的區域的反射的改變被放大和成像以及能夠被用于反饋。以上方法的明顯的缺點為激光照射過程通過圖像被觀察和測量，其使以微秒或納秒為量級的時間分辨的測量是不可能的。在現有技術狀態中的另外的問題為在激光照射過程中使用的光束尺寸直徑為非常小的以及因此難以探測。考慮以上激光照射過程的缺點，本發明的第一目標為提供激光照射方法和設備， 其具有在半導體材料表面的水平上的準確的實時監控，導致在不同的處理的表面區域之間的一致性以及在電子設備性能中的一致性和可靠性。本發明的另外的目標是提供成本有效的以及更少時間消耗的激光照射的方法和設備。本發明的另一個目標是提供激光照射的方法和設備，其在非常短的激光脈沖照射的情況下被調節用于實時監控。同樣為本發明的目標是提供激光照射的方法和設備，其被調節用于容易地使用反饋電路中的監控結果，導致照射過程的有效的穩定性。本發明通過確定半導體層的區域的熔化深度來達到以上目標。
發明內容
本發明針對用于照射半導體材料的方法，其包括-以具有激光照射參數的第一激光器照射半導體材料層表面的區域，以熔化至少部分區域；-以及通過調節照射參數控制照射過程；其特征在于方法還包括確定熔化的區域部分的深度。此外，本發明針對用于照射半導體材料的設備，其包括-第一激光器，其用于照射半導體層表面的區域以熔化至少部分區域，所述激光具有激光照射參數；-以及控制器，其用于通過調節激光照射參數控制照射過程；其特征在于該設備還包括用于確定熔化的區域部分的深度的裝置。附圖簡述
圖1說明了依照本發明的方法的實施方式。圖2A說明了依照本發明的方法的優選的實施方式。圖2B說明了依照本發明的方法的另一個優選的實施方式。圖3說明了熔化時間和熔化的區域部分的深度之間的聯系。圖4說明了依照本發明的設備的實施方式。圖5說明了依照本發明的設備的另外的實施方式。圖6示出了熔化時間作為能量密度的函數的圖表。
具體實施例方式本領域技術人員將明白以下描述的實施方式依照本發明僅為說明性的，且不限制發明的預期的范圍。其它實施方式也可被考慮。根據本發明的第一實施方式，用于照射半導體材料的方法被提供，其包括-以具有激光照射參數的第一激光器照射半導體材料層表面的區域以熔化至少部分區域；-以及通過調節照射參數控制照射過程；其特征在于該方法還包括確定熔化的區域部分的深度。通過確定熔化的區域部分的深度，激光照射過程在半導體材料表面的電平上實時地準確地被監控，導致在不同的處理的表面區域之間的一致性以及在電子設備性能中的一致性。半導體材料層可為適合半導體應用的任何材料，例如，但不限制為未摻雜的硅、摻雜的硅、植入的硅、晶體硅、非晶硅、硅鍺、氮化鍺、III-V族混合半導體，例如，氮化鎵、碳化硅，以及諸如此類。依照本發明，激光照射方法被提供，其中照射過程可通過調節照射參數被控制，其基于與目標深度比較熔化的區域部分的確定的深度。目標深度可被經驗地確定，或通過基于要求的設備性能建模來確定。如在圖1中說明的，通過與目標深度比較熔化的區域部分的確定的深度，監控結果可容易地被使用在反饋電路中，造成照射過程的有效的穩定性。此外，很顯然地，有效的穩定性可引起激光照射過程，其根據過程一致性、成本效益以及時間消耗被改進。第一激光器可為任何脈沖激光，其波長、輸出能量和脈沖持續時間使得照射的區域能夠被熔化。這類激光器可為例如氯化氙準分子激光器。第一激光器的激光照射參數被調節以熔化材料以及達到要求的能量密度。第一激光器的能量典型地可為10焦耳，光束尺寸直徑為大約4cm2以達到大約2. 5焦耳/cm2)。第一激光器的脈沖持續時間典型地可在大約IOOns到大約200ns的范圍，其可以是在快速溫度傾斜上升以達到熔化但足夠緩慢以限制由于爆發性沸騰導致的不期望的缺陷生成之間的折衷。調節激光照射參數可通過調整激光的輸出能量進行。例如，假如第一激光器為準分子激光器，應用于氣體放電的電壓可被改變。通過調節激光的照射參數，熔化區域部分的深度被影響，從而直接影響再凝固之后的該區域部分的質量。例如，通過調節激光的照射參數，晶體大小以及在再凝固的區域部分的缺陷的數量可被控制。依照本發明，確定熔化的區域部分的深度可包括在照射期間測量被照射的表面的熔化時間。在本發明的背景下，熔化時間被定義為熔化階段的持續時間，也就是，在照射的區域部分在此期間被熔化的時間段。熔化階段的持續時間可通過測量當至少部分照射的區域熔化相比于再凝固的折射率的改變來確定。圖2A和圖2B說明了依照本發明的兩種方法，其包括反饋電路，其中熔化的區域部分的深度通過測量在照射期間的被照射的表面的熔化時間來確定。圖2A描述了反饋回路，熔化的區域部分的熔化深度和目標深度之間的差被用作輸入以調節第一激光器電壓。如果第一激光器能量超過規格則警報被生成，其表明在過程中或設備性能中的嚴重偏差。圖2B描述了反饋回路，第一激光器脈沖能量通過調節第一激光器電壓被控制。在熔化的區域部分的熔化深度和目標深度之間的差被使用作為輸入，如果其超過規格則生成警報，表明在過程中或設備性能中的嚴重偏差。在依照本發明的另外的方法中，前饋控制步驟可被使用，其中，在要被照射的表面區域的全部處理之前，熔化的區域部分的深度被確定以及被特征化為第一激光器的脈沖持續時間和電壓的函數，以使在全部處理期間，熔化的區域部分的深度可被控制為期望值或
一組期望值。熔化的區域部分的深度基于第一激光器和半導體層表面區域的已知特性以及第一激光器熔化時間被確定。因此，熔化時間、第一激光器的脈沖波形、以及半導體層表面區域的光學特性和熱學特性可被放入熱學建模工具中，以確定熔化深度。這可通過實時計算進行或通過使用聯系熔化時間到熔化深度以及在處理之前被定義的查找表格來進行，如在圖3中說明的。作為通過測量熔化時間來確定熔化的區域部分的深度的替代法，熔化的區域部分的深度可通過使用時間解析的干涉法或同樣的橢圓光度法被確定。在依照本發明的優選的實施方式中，用于照射半導體材料的方法被提供，其中測量被照射的表面的折射率的改變可包括測量在照射期間的被照射的表面的反射率，或可包括橢圓對稱的測量。測量反射率可包括反射強度測量。通過以反射測量來確定熔化的區域部分的深度，激光照射方法可被用于實時監控，甚至在非常短的激光脈沖照射的情況下。依照本發明，實施方式被提供，其中測量反射率可包括在照射的表面上檢測來自第一激光器的反射。為測量由被照射的表面區域反射的、來自第一激光器器的照射的部分， 關于表面的第一激光器入射角應為非零。反射檢測器可放置以使其能夠監控該反射。反射率的改變可通過減去第一激光器的反射光束和入射光束的規范化信號來測量。在依照本發明的可選實施方式中，測量反射率可包括在照射的表面上檢測來自第二激光器的反射。第二激光器可為任何連續的激光，其波長使得當被照射的區域部分從固態改變為熔化狀態以及相反的改變時反射率顯著地改變。優選地，第二激光器可以是在可見光譜的紅色區域發射的連續激光器，例如，發射紅光的連續激光二極管。第二激光器被指向要被處理的表面，以使其光束在由第一激光器照射的被照射的區域內在表面上反射。為改進反射測量的信號噪音比，一系列的反射檢測可被執行以及被用于確定熔化時間。根據本發明的另一個實施方式提供用于照射半導體材料的方法，其中控制照射過程可包括檢測第一激光器的脈沖波形。還依照本發明，用于照射半導體材料的設備被提供，其包括-第一激光器，其用于照射半導體層表面的區域以熔化至少部分區域，所述激光器具有激光照射參數；-以及控制器，其用于通過調節激光照射參數控制照射過程；其特征在于所述設備還包括用于確定熔化的區域部分的深度的裝置。在根據本發明的實施方式中，用于照射半導體材料的設備被提供，其中控制器可適于通過調節照射參數來控制照射過程，其基于熔化的區域部分的被確定的深度與目標深度的比較。依照本發明，用于確定熔化的區域部分的深度的裝置可包括用于在照射期間測量被照射的表面的熔化時間的裝置。用于測量熔化時間的裝置可包括用于在照射期間測量被照射的表面的折射率的改變的裝置。作為用于測量熔化時間的裝置的替代物，時間解析的干涉儀或橢圓率計也可被使用。在依照本發明的優選的實施方式中，用于測量被照射的表面的反射率的改變的裝置可包括用于在照射期間測量被照射的表面的反射率的裝置，或適于執行橢圓偏光測量的裝置。用于測量反射率的裝置可適于執行反射強度測量。還依照本發明以及如在圖4中說明的，用于照射半導體材料(e)的設備被提供，其中用于測量被照射的表面(d)的反射率的裝置可包括反射檢測器(C)。反射檢測器可為例如硅光電二極管以及被放置成監控第一激光器(a)或第二激光器(b)的反射光束，如以上所描述的。在依照本發明的另外的實施方式中，用于測量被照射的表面的反射率的裝置可包括第二激光器陣列和反射檢測器陣列。如果其中不同的熔化帶以相同的時間但以半導體材
6料中的不同的深度傳播，如通常發生在例如再結晶的非晶硅中，這類第二激光器陣列和反射檢測器陣列可提供關于熔化的深度的均勻性的信息或可幫助更安全地解析熔化深度。在根據本發明的另一個實施方式中以及如在圖5中說明的，用于照射半導體材料的設備被提供，其中控制器可包括用于測量第一激光器(a)的脈沖波形的脈沖波形檢測器 (g)。脈沖波形檢測器可例如是硅光電二極管。測量脈沖波形可通過檢測穿過反光鏡(f)
中的一個的光泄漏來進行，該反光鏡將來自第一激光器的光束指引到要被照射的表面區域 ⑷。還在根據本發明的另一個實施方式中，控制器可包括用于衰減第一激光器的可變的衰減器。這類可變的衰減器可由光學平板形成，其關于第一激光器光束的角度能夠被調整，以改變入射在被照射的表面區域的光束能量。本發明的方法和設備可被用于制造半導體材料，例如，基底或設備。所述方法和裝置可被應用于例如以下項-非晶體半導體材料的再結晶-修復例如由植入造成的晶體損壞或缺陷-摻雜劑活化見示例1-受控制的兩倍植入激活見示例2-檢測不一致的半導體材料當保持相同的照射參數時的熔化時間或熔化深度的轉變可表明材料的轉變或半導體層的材料質量。-在激光退火步驟之前檢測不一致的過程熔化時間的轉變或熔化深度的轉變可被用作在激光照射期間的被動的監控，其可幫助在激光退火之前控制過程的質量。例如，如果氧化層或另外的層在要被熔化的表面的頂部出現以及當保持熔化深度相同時傾向于熔化時間轉變，則所述層的一致性可被控制以及如果期望則可獲得警報。示例1 熔化時間確定處理激光器為高能量氯化氙準分子激光器，其在308nm發射。其照射的區域在2 和km2之間的矩形表面，以及在照射的區域上的能量密度在2到6焦耳/cm2之間。所述參數被選擇從而實現在晶片上的被照射的區域的熔化。診斷激光器是在632nm的光譜的紅色區域中連續發射的激光二極管，其在計劃照射的區域內的位置處在晶片上被引導。離開晶片的表面的激光光束的反射由檢測器捕獲， 例如，硅光電二極管。由于處理激光器照射晶片，來自檢測器的信號由數據獲取卡(示波器或等同物) 數字化，以及數字化的信號由控制系統讀取。由于硅的反射率的改變，當硅熔化時信號增加，以及當其固化時信號減少。控制系統計算熔化時間作為數字化信號的“在半最大值的全寬度”。計算的熔化時間由控制系統記錄以及使每個激光發射對用戶是可用的。過程優化第一步是建立對應于由用戶要求的處理性能的熔化深度。這能夠通過在改變激光能量密度時照射植入的測試晶片以及監控熔化時間來進行。作為結果，任何人能夠繪制如在圖6中說明的作為能量密度函數的熔化時間。在測試晶片的照射之后，通常為表面電阻系數的期望輸出被測量，使用戶能夠實現識別對應于目標熔化深度和目標能量的期望的操作點。另外的可能的期望的輸出可為摻雜劑擴散，其精確地遵循熔化深度范圍以及能夠由SIMS(次級離子質譜分析法)測量。過程監控以及控制在激光設備的長期操作期間，處理激光的輸出能量通過調整被傳遞到氣體放電的電壓被保持等于目標能量。由控制系統記錄的熔化時間被監控以及通過多次發射被平均以最小化其變化。如果在測量的熔化深度和在過程優化期間建立的目標值之間的差大于預先確定的閾值(例如，+/-5% )，則控制系統生成警報，該警報能夠觸發過程的再優化。示例 2 對于一些應用，兩個種類的摻雜劑以不同的深度被植入到硅中。典型的示例為 IGBT設備(絕緣柵雙極型晶體管)，其中硼被植入在表面附近以造成集電極層P，以及磷被更深地植入以造成η+緩沖層。現在的發明能夠通過相同的激光發射實現兩個種類的受控激活，因為其使控制熔化深度變為可能以使液態/固態接觸面在兩個植入的種類之間轉換。在該情況下，硼層將在液態階段被退火，提供所要求的高激活率。以相同的激光脈沖，由于熱擴散到材料的深度中，當停留在固態階段時，磷層也將被退火。在硼-磷接觸面控制熔化深度對避免兩個種類的混合是重要的，由于在液態硅中的高擴散系數這的確會發生在液態階段。應了解，當液態階段由于在硅中的摻雜劑的高擴散而在一個激光發射中能夠實現完整的活化時，在固態階段的活化為要求“熱預算”(也就是，在某個溫度的某個時間)的累積的過程。因此，取決于要被活化的磷原子的密度，當一直控制在兩種摻雜劑之間的接觸面的熔化深度時，應用多個發射到相同的區域可能是有利的。在該情況下，在磷(固態階段)中的活化將通過每個激光發射被增加，而硼的活化將僅被保持在單個發射之后獲得的水平。也可以考慮組合熔化深度在兩個摻雜劑種類之間的接觸面的如此能量的一個激光發射和在用于完成磷活化的熔化閾值之下的能量的后來的激光發射。
權利要求
1.一種用于照射半導體材料的方法，包括-利用具有激光照射參數的第一激光器照射半導體材料層表面的區域，以熔化所述區域的至少一部分；-以及通過調節所述照射參數來控制照射過程；其特征在于所述方法還包括確定熔化的區域部分的深度。
2.根據權利要求1所述的用于照射半導體材料的方法，其中所述照射過程通過基于將所述熔化的區域部分的所確定的深度與目標深度進行比較來調節所述照射參數而被控制。
3.根據權利要求1至2所述的用于照射半導體材料的方法，其中確定所述熔化的區域部分的所述深度包括在照射期間測量所述熔化的區域部分的熔化時間。
4.根據權利要求3所述的用于照射半導體材料的方法，其中測量所述熔化的區域部分的所述熔化時間包括在照射期間測量被照射的表面的折射率的改變。
5.根據權利要求4所述的用于照射半導體材料的方法，其中測量所述熔化的區域部分的所述熔化時間包括在照射期間測量所述被照射的表面的反射率。
6.根據權利要求5所述的用于照射半導體材料的方法，其中測量所述反射率包括檢測在所述被照射的表面上的來自所述第一激光器的反射。
7.根據權利要求5所述的用于照射半導體材料的方法，其中測量所述反射率包括檢測在所述被照射的表面上的來自第二激光器的反射。
8.一種用于照射半導體材料的設備，包括-第一激光器，其用于照射半導體層表面的區域，以熔化所述區域的至少一部分，所述激光器具有激光照射參數；-以及控制器，其用于通過調節所述激光照射參數來控制照射過程；其特征在于所述設備還包括用于確定熔化的區域部分的深度的裝置。
9.根據權利要求8所述的用于照射半導體材料的設備，其中所述控制器適于通過基于將所述熔化的區域部分的所確定的深度與目標深度進行比較以調節所述照射參數來控制所述照射過程。
10.根據權利要求8至9所述的用于照射半導體材料的設備，其中所述用于確定熔化的區域部分的深度的裝置包括用于在照射期間測量所述熔化的區域部分的熔化時間的裝置。
11.根據權利要求10所述的用于照射半導體材料的設備，其中所述用于測量所述熔化的區域部分的熔化時間的裝置包括用于在照射期間測量被照射的表面的折射率的改變的直O
12.根據權利要求11所述的用于照射半導體材料的設備，其中所述用于測量所述熔化的區域部分的熔化時間的裝置包括用于在照射期間測量所述被照射的表面的反射率的裝置。
13.根據權利要求12所述的用于照射半導體材料的設備，其中所述用于測量所述被照射的表面的反射率的裝置包括第二激光器。
14.一種根據權利要求8至13所述的設備的用途，用于制造半導體材料。
全文摘要
本發明涉及用于照射半導體材料的方法，其包括以具有激光照射參數的第一激光器照射半導體材料層表面的區域以熔化至少部分區域；以及通過調節照射參數控制照射過程；其特征在于所述方法還包括確定熔化的區域部分的深度。此外，本發明涉及用于照射半導體材料的設備，其包括第一激光器，其用于照射半導體層表面的區域以熔化至少部分區域，所述激光器具有激光照射參數；以及控制器，其用于通過調節激光照射參數控制照射過程；其特征在于所述設備還包括用于確定熔化的區域部分的深度的裝置。
文檔編號B23K26/03GK102307696SQ200980156319
公開日2012年1月4日 申請日期2009年12月21日 優先權日2009年1月26日
發明者茱利安·溫特維尼 申請人:愛克西可法國公司