半导体层激光退火的方法技术

一种用于恢复经受结构损伤的硅之类的淀积半导体薄膜晶性的激光退火方法，所述方法包括通过用波长为４００ｎｍ或更短和脉宽为５０ｎｓｅｃ或更窄的脉冲式激光束照射在薄膜的表面上激活半导体的步骤，其中，所述淀积薄膜被涂敷透明薄膜，如氧化硅之类的薄膜，其厚度为３至３００ｎｍ，所采用的入射到所述涂层的激光束的能量密度为Ｅ（ＭＪ／ｃｍ↑［２］），并满足关系式：ｌｏｇ↓［１０］Ｎ≤－０．０２（Ｅ－３５０），其中Ｎ是脉冲式激光束的发射数目。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适于用在半导体器件成批生产中的、高生产率条件下能实现均匀退火的、高可靠的激光退火方法。更具体地说，本专利技术提供一种其晶性由于在诸如离子照射(ion irradiation)、离子注入和离子掺杂等工艺中受到损伤而严重地劣化的淀积薄膜的激光退火方法。如今，对降低制造半导体器件中的加工温度的方法正广泛地进行研究。对低温加工方法如此积极地研究的原因部分地归因于在例如玻璃制造的绝缘衬底上制备半导体器件所提出的要求。激光退火技术被认为是有前途的主要低温加工方法。但是，激光退火的条件尚未确定，因为传统的激光退火方法是各自独立地在不同条件下进行的，这些条件取决于在每个方法中独立地选择的装置和涂敷条件。这就使得许多人错误地认为，激光退火技术不能给出可靠和一致得足以使该方法实际可行的结果。因此，本专利技术的目的在于首次建立能给出高度再现的结果的激光退火方法的条件。在制造半导体器件的方法中，淀积薄膜极大地受到诸如离子照射、离子注入和离子掺杂等工艺过程的损伤，并由此在晶性方面遭到破坏，从而产生远非所说的半导体的非晶相或类似态。所以，为了将激光退火用于激活这种被损伤的薄膜，本专利技术人对如何使激光退火的条件最佳化进行了深入的研究。在该研究期间已发现，最佳条件的变化不仅受激光束的能量控制的影响，而且还受薄膜中所含有的杂质以及所加激光束的脉冲发射的次数的影响。采用本专利技术的方法激活的淀积薄膜是那些含有作为主要成份的周期表的Ⅳ族元素，例如硅、锗、硅和锗的合金，或Ⅳ族元素的化合物如碳化硅的淀积薄膜。所淀积的薄膜的厚度为100至10000。考虑到光传输，已完全确认，采用处于短波长范围的特别是400nm或更短波长的激光束能很好地实现这种薄膜的激光退火。本专利技术的方法包括以下步骤将具有400nm或更短波长和50nsec或更窄脉宽的激光脉冲照射到薄膜上，该薄膜含有从碳、硅、锗、锡和铅所构成的组中选出的Ⅳ族元素以及掺入其中的杂质离子。其中在所说激光脉冲到达所述含有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为3至300nm的透明薄膜，所述激光脉冲的每一个的能量密度E以mJ/cm2为单位和所述激光脉冲数N满足关系式log10N≤-0.02(E-350)。从由KrF激发物激光器、ArF激发物激光器、XeCl激发物激光器和XeF激发物激光器构成的组中选出的一种激光器发射激光脉冲。杂质离子的掺入是采用离子照射、离子注入和离子掺杂等工艺实现的。含有Ⅳ族元素的薄膜形成在绝缘衬底上，并且该绝缘衬底在照射步骤期间被保持在室温至500℃的温度。业已确认，采用具有足够高至激活的能量密度的激光束能降低薄层电阻。在含有作为杂质的磷的薄膜的情况下，这种趋势必然能观察到。然而，在含有作为杂质的硼的薄膜中，该薄膜由于这种高能量密度的激光的照射而受到损伤。此外，脉冲发射数的增加减少了激光退火薄膜的特性的波动被认为是理所当然的事。但是，这是不确切的，因为已经发现，由于增加发射数目使微观波动增强，涂层的结构劣化了。这可解释为是由于重复加到薄膜上的激光束照射引起的涂层内的晶核生长所致。结果，在涂层内出现粒状大小在0.1至1μm尺寸范围内的分布，而该涂层以前是由均匀尺寸晶粒所组成的。当采用高能激光照射时，此现象尤其明显。业已发现，所淀积薄膜(即半导体薄膜)必须涂敷(覆盖)3至300nm厚的光传输涂层，而不暴露在大气中。从传输光束的观点看，该光传输涂层优先选用氧化硅或氮化硅制造。最好采用主要含有氧化硅的材料，因为通常它也可用作栅绝缘材料。无需说明，此光传输薄膜可以掺磷或硼，以钝化可移动离子。如果含有Ⅳ族元素的薄膜未涂敷这种光传输涂层，将会发生均匀性以加速方式被破坏的现象。还已发现，在上述条件下并且又满足以下关系式时1og10N≤A(E-B)采用脉冲式激光束能获得更为光滑(均匀)的涂层，这里E(mJ/cm2)是所照射的每一激光脉冲的能量密度，N(发射数)是脉冲式激光的射数目。A和B的值取决于掺入涂层中的杂质。当磷作为杂质存在时，选A为-0.02，B为350，当采用硼作为杂质时，选A为-0.02，B为300。采用透明的衬底替代透明的薄膜能得到相似的结果。也就是说，按照本专利技术的激光加工方法包括以下步骤将杂质掺入在透明衬底上形成的半导体薄膜中；并且将波长为400nm或更短和脉宽为50nsec或更窄的激光脉冲穿过所述透明衬底照射至所述半导体薄膜上；其中，单位为mJ/cm2的所述激光脉冲的每一个的能量密度E和所述激光脉冲的数目N满足关系式1og10N≤-0.02(E-350)。图7(A)示出掺入步骤，图7(B)示出照射步骤。参照数字71代表透明衬底，72代表半导体薄膜。以下是附图的简要说明。附图说明图1是用于本专利技术的实施例中的激光退火装置的原理图；图2是按照本专利技术的一个施例由激光退火所获得的硅薄膜(掺磷，N型)的薄层电阻与所加的激光能量密度之间在改变脉冲发射的重复次数时的关系图；图3是按照本专利技术的一个实施例由激光退火所获得的硅薄膜(掺磷和硼，P型)的薄层电阻与所加的激光能量密度之间在改变脉冲发射的重复次数时的关系图；图4是在本专利技术的一个实施例中获得的硅薄膜的结构与所加的激光能量量密度以及脉冲发射的复次数之间的关系图；图5为用于本专利技术的实施例中的激光退火装置的光学系统的原理图；图6示出按照本专利技术的激光退火方法；和图7示出按照本专利技术的另一种激光退火方法。下面参考非限制性实例，以更详细的方式描述本专利技术，不过，应当指出，不能将本专利技术解释成限于该实例。在此实例中，将杂质掺入由Ⅳ族元素组成的薄膜中，以使其具有N型和P型导电的一种，将另一种杂质用掩模掺入该薄膜的一部分中，使所述部分具有N型和P型导电的其余一种。在图1中，原理性地示出了用于本实施的激光退火装置。激光束在发生器2中产生，在通过全反射镜5和6之后，在放大器3中被放大，并在通过全反射镜7和8之后被引入光学系统4。初始激光束具有约3×2cm2的矩形束面积，但借助光学系统4被加工成长光束，其长约为10至30cm，宽约0.1至1cm。通过此光学系统的激光的最大能量密度为1000mJ/单发射。光学系统4中的光路示于图5中。入射于光学系统4上的激光通过柱形凹透镜A、柱形凸透镜B、水平方向设置蝇眼透镜C和垂直方向设置的蝇眼透镜D。依靠蝇眼透镜C和D，激光从初始的高斯分布变成矩形分布。接着，激光通过柱形凸透镜E和F，并在反射镜G(图1中反射镜9)上被反射，最后通过柱形透镜H聚焦在样品上。在此实例中，图5所示的距离X1和X2是固定的，而虚焦点I(由蝇眼透镜的弯曲表面之间的差所产生)和反射镜G之间的距离X3、距离X4和X5是变化的，以便调节放大率M和焦距F。即M=(X3+X4)/X51/F=1/(X2+X4)+1/X5。在此实例中，光路的总长度X6为约1.3m。如以上所述，初始光束被改进成长形光束，以改善其加工性能。更准确地说，在离开光学系统之后，通过全反射镜9照射在样品11上的矩形光束与样品的宽度相比有更大的宽度，因此，样品仅需沿一个方向运动。所以，装载样品的平台和驱动装置10可以做成简单的结构，因此其维修工作能容易地完成。此外，在安装样品时调整工作也能大大地被简化。另一方面，若采用方形横截面的光束，则由单个光束覆盖整个衬底将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造具有半导体层的半导体器件的方法，包括下列步骤： 发射激光束，激光束的横截面具有一定的宽度和长度； 用横向“蝇眼”型透镜使所述激光束的能量沿横截面的宽度方向均匀分布； 用垂直“蝇眼”型透镜使所述激光束的能量沿横截面的长度方向均匀分布； 用第一圆柱形凹透镜使所述激光束在通过所述横向“蝇眼”型透镜之后只沿宽度方向聚光； 用第二圆柱形凸透镜使所述激光束在通过所述第一垂直“蝇眼”型透镜之后只沿长度方向聚光； 用第三圆柱凸透镜使激光束在通过所述第一和第二圆柱形凸透镜之后只沿所述宽度方向聚光；和 用通过所述第一、第二和第三圆柱形凸透镜之后的激光束照射半导体层； 其特征在于，所述第三圆柱形凸透镜远离所述第一圆柱形凸透镜一段大于所述第一圆柱形凸透镜焦距的距离配置； 用经所述第三圆柱形凸透镜聚光的聚光激光束扫描所述半导体层，具体作法是使所述半导体层沿横截面的宽度方向与所述聚光激光束相对运动。

【技术特征摘要】
JP 1993-6-26 193005/92;JP 1993-8-27 252295/921．一种制造具有半导体层的半导体器件的方法，包括下列步骤发射激光束，激光束的横截面具有一定的宽度和长度；用横向“蝇眼”型透镜使所述激光束的能量沿横截面的宽度方向均匀分布；用垂直“蝇眼”型透镜使所述激光束的能量沿横截面的长度方向均匀分布；用第一圆柱形凹透镜使所述激光束在通过所述横向“蝇眼”型透镜之后只沿宽度方向聚光；用第二圆柱形凸透镜使所述激光束在通过所述第一垂直“蝇眼”型透镜之后只沿长度方向聚光；用第三圆柱凸透镜使激光束在通过所述第一和第二圆柱形凸透镜之后只沿所述宽度方向聚光；和用通过所述第一、第二和第三圆柱形凸透镜之后的激光束照射半导体层；其特征在于，所述第三圆柱形凸透镜远离所述第一圆柱形凸透镜一段大于所述第一圆柱形凸透镜焦距的距离配置；用经所述第三圆柱形凸透镜聚光的聚光激光束扫描所述半导体层，具体作法是使所述半导体层沿横截面的宽度方向与所述聚光激光束相对运动。2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体层用所述经所述第三圆柱形凸透镜聚光的激光束加以韧化。3．一种制造半导体器件的方法，包括下列步骤发射横向截面为第一横截面的激光束；用横向“蝇眼”型透镜使所述激光束的能量密度沿横截面的宽度方向均化；用第一圆柱形凸透镜使激光束在通过横向“蝇眼”型透镜之后只沿宽度方向聚光；用第二圆柱形凸透镜使激光束在通过所述第一圆柱形凸透镜之后只沿宽度方向聚光；用已透过所述第二圆柱形凸透镜的激光束照射半导体层；其特征在于，所述第二圆柱形凸透镜远离所述第一圆柱形凸透镜一段大于所述第一圆柱形凸透镜焦距的距离配置；用激光束扫描所述半导体层，具体作法是使所述半导体层沿横截面的宽度方向与所述聚光激光束相对运动。4．一种制造半导体器件的方法，包括下列步骤发射具有第一横截面的激光束；用横向“蝇眼”型透镜使所述激光束的能量密度沿横截面的宽度方向均化；用第一圆柱形凸透镜使激光束通过横向“蝇眼”型透镜之后只沿宽度方向聚光；用第二圆柱形凸透镜使激光束通过所述第一圆柱形凸透镜之后只沿宽度方向聚光；用已透过所述第二圆柱形凸透镜的激光束照射半导体层；其特征在于，第二圆柱形凸透镜的焦距F满足下列条件1/F=1/(第一圆柱形凸透镜和第二圆柱形凸透镜的焦点之间的光路长度)+1/(第二圆柱形凸透镜与半导体层之间的光路长度)；用经所述第二圆柱形凸透镜聚光的聚光激光束扫描所述半导体层，具体作法是使所述半导体层沿横截面的宽度方向与所述第二圆柱形凸透镜相对运动。5．一种制造半导体器件的方法，包括下列步骤发射具有一垂直于传播方向的横截面的激光束；用横向“蝇眼”型透镜使所述激光束的能量沿横截面的宽度方向均匀分布；用第一圆柱形凸透镜使激光束通过横向“蝇眼”型透镜之后只沿宽度方向聚光；用第二圆柱形凸透镜使激光束通过第一圆柱形凸透镜之后只沿宽度方向聚光；用经所述第二圆柱形凸透镜聚光的激光束照射半导体层；其特征在于，放大率M满足下列关系M=(所述第一圆柱形凸透镜与第二圆柱形凸透镜的焦点之间的光路长度)/(第二圆柱形凸透镜与半导体层之间的光路长度)；用聚光激光束扫描所述半导体层，具体作法是使所述半导体层沿横截面的宽度方向与所述聚光激光束相对运动。6．一种制造具有半导体层的半导体器件的方法，包括下列步骤发射具有垂直于其传播方向的矩形横截面的激光束；用横向“蝇眼”型透镜改变所述激光束在横截面的宽度方向的能量分布；用第一圆柱形凸透镜使激光束通过所述横向“蝇眼”型透镜之后只沿宽方向聚光；用一面镜子将通过所述第一圆柱形凸透镜之后的所述激光束引向半导体层；用第二圆柱形凸透使所述激光束沿所述宽度方向聚光，所述第二圆柱形凸透镜位于所述镜子与所述半导体层之间的光路上；和用所述通过所述第二圆柱形凸透镜之后的激光束照射所述半导体层；其特征在于，所述第一圆柱形凸透镜的焦点与镜子之间的间距X3、镜子与所述第二圆柱形凸透镜之间的间距X4和所述第二圆柱形凸透镜与所述半导体层之间的间距X5满足下列条件M=(X3+X4)/X5；其中M为放大率；且1/F=(X3+X4)+1/X5；其中F为第二圆柱凸透镜的焦距。7．一种制造半导体器件的方法，包括下列步骤发射具有垂直于其传播方向的矩形横截面的激光束；用横向“蝇眼”透镜改变所述激光束在横截面的宽度方向的能量分布；用第一圆柱形凸透镜使激光束通过所述横向“蝇眼”型透镜之后只沿宽度方向聚光；用一面镜子将通过所述第一圆柱形凸透镜之后的所述激光束引向半导体层；用第二圆柱形凸透镜使所述激光束沿所述宽度方向聚光，所述第二圆柱形凸透镜位于所述镜子与所述半导体层之间的光路上；和用通过所述第二圆柱形凸透镜之后的所述激光束照射所述半导体层；其特征在于，所述第一圆柱形凸透镜的焦点与镜子之间的间距X3、镜子与所述第二圆柱形凸透镜之间的间距X4和所述第二圆柱形凸透镜与所述半导体层之间的间距X5满足下列条件M=(X3+X4)/X5；其中M为放大率；用聚光的激光束扫描所述半导体层，具体作法是使所述半导体沿横截面的宽度方向与所述聚光激光束相对运动。8．一...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，张宏勇，石原浩朗，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]