用激光束照射半導體層的激光加工裝置的制作方法

專利名稱：用激光束照射半導體層的激光加工裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適于用在半導體器件成批生產批生產中的、高生產率條件下能實現均勻退火的、高可靠的激光退火方法。更具體地說，本發明提供一種其晶性由于在諸如離子照射(ion irradiation)、離子注入和離子摻雜等工藝中受到損傷而嚴重地劣化的淀積薄膜的激光退火方法。
背景技術：
如今，對降低制造半導體器件中的加工溫度的方法正廣泛地進行研究。對低溫加工方法如此積極地研究的原因部分地歸因于在例如玻璃制造的絕緣襯底上制備半導體器件所提出的要求。激光退火技術被認為是有前途的主要低溫加工方法。
但是，激光退火的條件尚未確定，因為傳統的激光退火方法是各自獨立地在不同條件下進行的，這些條件取決于在每個方法中獨立地選擇的裝置和涂敷條件。這就使得許多人錯誤地認為，激光退火技術不能給出可靠和一致得足以使該方法實際可行的結果。因此，本發明的目的在于首次建立能給出高度再現的結果的激光退火方法的條件。

發明內容
在制造半導體器件的方法中，淀積薄膜極大地受到諸如離子照射、離子注入和離子摻雜等工藝過程的損傷，并由此在晶性方面遭到破壞，從而產生遠非所說的半導體的非晶相或類似態。所以，為了將激光退火用于激活這種被損傷的薄膜，本發明人對如何使激光退火的條件最佳化進行了深入的研究。在該研究期間已發現，最佳條件的變化不僅受激光束的能量控制的影響，而且還受薄膜中所含有的雜質以及所加激光束的脈沖發射的次數的影響。
采用本發明的方法激活的淀積薄膜是那些含有作為主要成份的周期表的IV族元素，例如硅、鍺、硅和鍺的合金，或IV族元素的化合物如碳化硅的淀積薄膜。所淀積的薄膜的厚度為100 10000。考慮到光傳輸，已完全確認，采用處于短波長范圍的特別是400nm或更短波長的激光束能很好地實現這種薄膜的激光退火。
本發明的方法包括以下步驟將具有400nm或更短波長和50nsec或更窄脈寬的激光脈沖照射到薄膜上，該薄膜含有從碳、硅、鍺、錫和鉛所構成的組中選出的IV族元素以及摻入其中的雜質離子。
其中在所說激光脈沖到達所述含有IV族元素的薄膜的路程中，在所述含有IV族元素的薄膜上形成厚度為3至300nm的透明薄膜，所述激光脈沖的每一個的能量密度E以mJ/cm2為單位和所述激光脈沖數N滿足關系式log10N≤-0.02(E-350)。
從由KrF激發物激光器、ArF激發物激光器、XeCl激發物激光器和XeF激發物激光器構成的組中選出的一種激光器發射激光脈沖。雜質離子的摻入是采用離子照射、離子注入和離子摻雜等工藝實現的。含有IV族元素的薄膜形成在絕緣襯底上，并且該絕緣襯底在照射步驟期間被保持在室溫至500℃的溫度。
業已確認，采用具有足夠高至激活的能量密度的激光束能降低薄層電阻。在含有作為雜質的磷的薄膜的情況下，這種趨勢必然能觀察到。然而，在含有作為雜質的硼的薄膜中，該薄膜由于這種高能量密度的激光的照射而受到損傷。此外，脈沖發射數的增加減少了激光退火薄膜的特性的波動被認為是理所當然的事。但是，這是不確切的，因為已經發現，由于增加發射數目使微觀波動增強，涂層的結構劣化了。
這可解釋為是由于重復加到薄膜上的激光束照射引起的涂層內的晶核生長所致。結果，在涂層內出現粒狀大小在0.1至1μm尺寸范圍內的分布，而該涂層以前是由均勻尺寸的晶粒所組成的。當采用高能激光照射時，此現象尤其明顯。
業已發現，所淀積的薄膜(即半導體薄膜)必須涂敷(覆蓋)3至300nm厚的光傳輸涂層，而不能暴露在大氣中。從傳輸光束的觀點看，該光傳輸涂層優選用氧化硅或氮化硅制造。最好采用主要含有氧化硅的材料，因為通常它也可用作柵絕緣材料。無需說明，此光傳輸薄膜可以摻磷或硼，以鈍化可移動離子。如果含有IV族元素的薄膜未涂敷這種光傳輸涂層，將會發生均勻性以加速方式被破壞的現象。
還已發現，在上述條件下并且又滿足以下關系式時log10N≤A(E-B)采用脈沖式激光束能獲得更為光滑(均勻)的涂層，這里E(mJ/cm2)是所照射的每一激光脈沖的能量密度，N(發射數)是脈沖式激光的發射數目。A和B的值取決于摻入涂層中的雜質。當磷作為雜質存在時，選A為-0.02，B為350，當采用硼作為雜質時，選A為-0.02，B為300。
采用透明的襯底替代透明的薄膜能得到相似的結果。也就是說，按照本發明的激光加工方法包括以下步驟將雜質摻入在透明襯底上形成的半導體薄膜中；并且將波長為400nm或更短和脈寬為50nsec或更窄的激光脈沖穿過所述透明襯底照射至所述半導體薄膜上；其中，單位為mJ/cm2的所述激光脈沖的每一個的能量密度E和所述激光脈沖的數目N滿足關系式log10N≤-0.02(E-350)。
圖7(A)示出摻入步驟，圖7(B)示出照射步驟。參照數字71代表透明襯底，72代表半導體薄膜。


圖1是用于本發明的實施例中的激光退火裝置的原理圖；圖2是按照本發明的一個實施例由激光退火所獲得的硅薄膜(摻磷，N型)的薄層電阻與所加的激光能量密度之間在改變脈沖發射的重復次數時的關系圖；圖3是按照本發明的一個實施例由激光退火所獲得的硅薄膜(摻磷和硼，p型)的薄層電阻與所加的激光能量密度之間在改變脈沖發射的重復次數時的關系圖；圖4是在本發明的一個實施例中獲得的硅薄膜的結構與所加的激光能量密度以及脈沖發射的重復次數之間的關系圖；圖5為用于本發明的實施例中的激光退火裝置的光學系統的原理圖；
圖6示出按照本發明的激光退火方法；和圖7示出按照本發明的另一種激光退火方法。
具體實施例方式
下面參考非限制性實例，以更詳細的方式描述本發明，不過，應當指出，不能將本發明解釋成限于該實例。
在此實例中，將雜質摻入由IV族元素組成的薄膜中，以使其具有N型和P型導電的一種，將另一種雜質用掩膜摻入該薄膜的一部分中，使所述部分具有N型和P型導電的其余一種。在圖1中，原理性地示出了用于本實施的激光退火裝置。激光束在發生器2中產生，在通過全反射鏡5和6之后，在放大器3中被放大，并在通過全反射鏡7和8之后被引入光學系統4。初始激光束具有約3×2cm2的矩形束面積，但借助光學系統4被加工成長光束，其長約為10至30cm，寬約0.1至1cm。通過此光學系統的激光的最大能量密度為1000mJ/單發射。
光學系統4中的光路示于圖5中。入射于光學系統4上的激光通過柱形凹透鏡A、柱形凸透鏡B、水平方向設置的蠅眼透鏡C和垂直方向設置的蠅眼透鏡D。依靠蠅眼透鏡C和D，激光從初始的高斯分布變成矩形分布。接著，激光通過柱形凸透鏡E和F，并在反射鏡G(圖1中反射鏡9)上被反射，最后通過柱形透鏡H聚焦在樣品上。
在此實例中，圖5所示的距離X1和X2是固定的，而虛焦點I(由蠅眼透鏡的彎曲表面之間的差所產生)和反射鏡G之間的距離X3、距離X4和X5是變化的，以便調節放大率M和焦距F。即M＝(X3+X4)/X51/F＝1/(X3+X4)+1/X5。
在此實例中，光路的總長度X6為約1.3m。
如以上所述，初始光束被改進成長形光束，以改善其加工性能。更準確地說，在離開光學系統之后，通過全反射鏡9照射在樣品11上的矩形光束與樣品的寬度相比有更大的寬度，因此，樣品僅需沿一個方向運動。所以，裝載樣品的平臺和驅動裝置10可以做成簡單的結構，因此其維修工作能容易地完成。此外，在安裝樣品時調整工作也能大大地被簡化。
另一方面，若采用方形橫截面的光束，則由單個光束覆蓋整個襯底將是不可能的。于是，樣品應沿兩個方向作兩維運動。在此情況下，平臺的驅動裝置將變得復雜，同時調整也必須按二維的方式進行，這就帶來許多的困難。特別是以手工方式進行調整時，此工序要耗費相當多的時間，從而大大地降低了整個工藝過程的生產率。此外，這些裝置必須安裝在象抗振工作臺之類的穩固的工作臺1上。
用在本實例中的詳品是不同型號的玻璃襯底(例如，康寧(Corning)#7059玻璃襯底)，其長度為100mm，寬度為100-300mm。在此加工方法中采用能發射248nm波長和50nsec或更窄脈寬的光的KrF激光器。
用等離子加速CVD(化學汽相淀積)工藝在玻璃襯底61上淀積100nm厚的非晶硅薄膜。所得到的薄膜在600℃下退火48小時，以獲得結晶薄膜，并且所得到的薄膜被構圖，以形成島形部分62和63(圖6(A))。進一步，用濺射法在上面淀積70nm厚的氧化硅薄膜(光傳輸涂層)64，并且襯底的整個表面用磷摻雜。在此步驟中采用通常所說的離子摻雜工藝(圖6(B))，使用磷化氫(PH3)作為等離子源和80KV的加速電壓。然后，將襯底的一部分65掩蓋住，用離子摻雜工藝注入硼(圖6(C))。在此步驟中采用乙胡烷(B2H6)作等離子源并在65KV電壓下加速。更準確地說，通過光傳輸涂層，磷被注入(摻入)到所掩蓋的部分，從而獲得了具有N型導電的部分，而磷和硼通過光傳輸涂層被注入(摻入)到未掩蓋的部分，結果形成具有P型導電的部分。
其后，在改變能量密度和脈沖發射的數目的同時，將激光束照射到島形部分(半導體薄膜)上，以實現激光激活。對薄層電阻相應地進行測量，并通過光學顯微鏡觀察構成涂層的晶體的結構。在圖2至4中概括了得到的結果。
圖2示出了用磷離子摻雜的硅薄膜的薄層電阻在改變脈沖發射的重復數時與激光束的能量密度的關系圖。在2×1015cm-2的劑量下，將磷摻到硅薄膜中。采用在200mJ/cm2或更小的能量密度下運行的激光器，為激活薄層需要大量的發射數目，還會產生約10kΩ/sq·的高薄層電阻的不良結果。但是，采用具有200mJ/cm2或更高的能量密度的激光束，在1至10次發射的激光器運行條件下就可實現充分的激活。
圖3示出在4×1015cm-2劑量下激光激活由硼離子摻雜的硅薄膜的結果。在此情況下，采用200mJ/cm2或更小的能量密度，只能進行不充分的激活，對于充分的激活而言，需要大的脈沖發射數目。采用運行在200至300mJ/cm2的能量密度的激光束，通過1至10次發射就得到足夠低的薄層電阻。但是，從另一方面來說，采用運行在300mJ/cm2或更高的能量密度下的激光器，薄層電阻反而會增大。特別是，與采用200mJ/cm2或更低的激光束能量密度激活的情形相反，隨著增加脈沖發射的重復次數，薄層電阻會增加。這個現象可解釋成是由于薄膜的均勻性破壞使晶粒邊界生長所造成的，而薄膜均勻性的破壞是因為采用太多發射數的激光照射所致。
在實際工藝中，激光退火同時用于P型和N型區，如圖6(D)所示。這就意味著以350mJ/cm2的能量密度照射的激光束充分地激活N型區，但同時損害了P型區的性能。因此，在根據本實例的工藝中，激光優選工作在200至300mJ/cm2的能量密度范圍內，最好在250至300mJ/cm2的范圍內。脈沖重復數最好在1至100個脈沖的范圍內。
如以上所述的那樣，淀積薄膜的結構顯著地受到激光退火的影響。事實上，如圖4所示，脈沖發射的數目能夠與激光束能量密度和薄膜結構相聯系。在圖4中，用語“退火脈沖”是指激光束脈沖發射的數目。圖中的實心圓代表在摻磷的硅上觀察到表面結構變化的點，而空心圓代表在摻硼的硅上的相同情況。圖的右側上部區域相應于表面上出現不良結構(粗糙表面)的情況，而圖的左側下部區域相應于表面上出現良好結構(平滑表面)的情況。從該結果可以看出，摻磷的硅對激光照射具有強的耐性。因此，在不損傷表面結構的情況下進行激光退火的條件可以理解成是滿足關系式log10N≤A(E-B)這里，E(mJ/cm2)是所照射的激光束的能量密度，N(發射數)是脈沖式激光器的發射的數目。在磷作為雜質被摻入時，A和B的值是A＝-0.02，B＝350，而當硼作為雜質被摻入時，A＝-0.02，B＝300。
當淀積薄膜的結構受到相當大的損傷時，此特征值由于硅性能局部出現嚴重下降而呈現大的分散(Scattering)。事實上，在有缺陷的結構(粗糙表面)的硅薄膜上，觀察到薄層電阻的分散高達20％或更多。通過滿足以上的條件并將激光能量密度設定為適當的值，能夠消除這種分散。
例如，當激光能量密度設定為250mJ/cm2時，脈沖式激光束以10次或更低的頻率發射。如果能量密度提到高280mJ/cm2，激光束最好以1至3次的頻率發射。通過在這種條件下激光退火，薄層電阻的變化可控制在10％或更小的范圍內。
根據本發明，通過如前面所述的那樣設定激光退火的最佳條件，獲得了具有低的性能變化的高可靠半導體薄膜。因此可以看出，根據本發明的加工方法對半導體工業是有益的。
雖然參照特定實施例詳細地描述了本發明，但很明顯，對本領域的技術人員來說，在不脫離本發明的構思和范圍的情況下，可進行各種變換和修改。
權利要求
1.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟在玻璃襯底上布置多個半導體島；將離子摻雜質注入半導體島；將在一個方向拉長的脈沖式準分子激光光束對準所述玻璃襯底；以和所述脈沖式準分子激光光束的拉長方向正交的方向移動所述玻璃襯底，由此利用所述脈沖式準分子激光光束照射所述半導體島。
2.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟用透明薄膜覆蓋半導體；經所述透明薄膜用離子摻入法將磷導入所述半導體；為激活所述半導體中的所述磷，用激光脈沖光束照射所述半導體，其中所述激光脈沖的波長為400nm或更短；其特征在于，所述每個激光脈沖的能量密度E以mJ/cm2為單位，且所述激光脈沖的脈沖數N滿足關系式log10N＜-0.02(E-350)，其中N不小于1并不大于10且所述能量密度E不小于200mJ/cm2。
3.權利要求2所述的方法，其特征在于，所述半導體是形成在襯底上的半導體薄膜。
4.權利要求2所述的方法，其特征在于，所述能量密度在200到300mJ/cm2的范圍內。
5.權利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光脈沖是準分子激光脈沖。
6.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟在襯底上覆蓋半導體；經所述透明薄膜用離子摻入法將硼導入所述半導體；為激活所述半導體中的所述硼，用激光脈沖光束照射所述半導體，其中所述激光脈沖的波長為400nm或更短；其特征在于，所述每個激光脈沖的能量密度E以mJ/m2為單位，且所述激光脈沖的脈沖數N滿足關系式log10N＜-0.02(E-350)，其中N不小于1并不大于10且所述能量密度E不小于200mJ/cm2。
7.權利要求6所述的方法，其特征在于，所述半導體是形成在襯底上的半導體薄膜。
8.權利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光脈沖是準分子激光脈沖。
9.權利要求6所述的方法，其特征在于，所述能量密度在200到300mJ/cm2的范圍內。
10.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟用離子摻入法將磷導入半導體；為激活所述半導體中的所述磷，用激光脈沖光束照射所述半導體，其中所述激光脈沖的波長為400nm或更短；其特征在于，所述每個激光脈沖的能量密度E以mJ/cm2為單位，且所述激光脈沖的脈沖數N滿足關系式log10N＜-0.02(E-350)，其中N不小于1并不大于10且所述能量密度E不小于200mJ/cm2。
11.權利要求2所述的方法，其特征在于，所述半導體是形成在襯底上的半導體薄膜。
12.權利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光脈沖是準分子激光脈沖。
13.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟用離子摻入法將硼導入半導體；為激活所述半導體中的所述硼，用激光脈沖光束照射所述半導體，其中所述激光脈沖的波長為400nm或更短；其特征在于，所述每個激光脈沖的能量密度E以mJ/cm2為單位，且所述激光脈沖的脈沖數N滿足關系式log10N＜-0.02(E-350)，其中N不小于1并不大于10且所述能量密度E不小于200mJ/cm2。
14.權利要求13所述的方法，其特征在于，所述半導體是形成在襯底上的半導體薄膜。
15.權利要求13所述的方法，其特征在于，所述激光脈沖是準分子激光脈沖。
全文摘要
一種用激光束照射半導體層的激光加工裝置，其特征在于，它包括一個激光器，用于發射具有截面的激光束；擴展器件，用于只在截面的長度方向擴展激光束，其中激光束在長度方向的光強分布同時為所述擴展器件所均勻化，所述擴展器件至少有一個柱面透鏡陣列和一個只在長度方向會聚激光束的凸透鏡；支撐器件，用于支撐用擴展過的激光束處理的襯底；移動器件，用于在擴展過的激光束截面的寬度方向移動所述襯底。
文檔編號H01L21/268GK1921069SQ20061010165
公開日2007年2月28日 申請日期1993年6月26日 優先權日1992年6月26日
發明者山崎舜平, 張宏勇, 石原浩朗 申請人:株式會社半導體能源研究所