[发明专利]激光热处理装置及激光热处理方法

说明书

本发明提供一种激光热处理或退火装置及激光热处理或退火方法，能够有效地对晶圆进行杂质激活处理等热处理。包括：三个激光器，三个激光器各自具有激光控制器；还包括系统控制单元，系统控制单元进行三个激光脉冲的总体时序控制以及与运动台的同步时序控制，系统控制单元为脉冲发生器的形式。该激光热处理或退火装置实现多光束叠加、时序可控，能够实现波长、能量、脉冲作用时间、脉冲作用时序等多个参数的调节，可以实现在同一套装置能够兼容处理较深和较浅热处理或退火工艺加工，在保证获得优异热处理或退火性能的同时可以大幅提高工艺加工效率，降低工艺处理成本。

技术领域

本发明涉及半导体行业激光热处理或退火技术领域，具体涉及一种激光热处理或退火系统及其热处理或退火方法，可针对功率半导体器件生产中不同深度的热处理或退火需求，如用于对离子注入到功率器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)背面的杂质进行激活、或消除晶圆表层内的结晶缺陷以恢复结晶的处理等，提供一种高性能的工艺匹配解决方案，在大幅提高激活效率和晶格质量、增大热处理或退火深度的同时能够降低系统热预算、提高产率且有效避免薄片工艺加工中的碎片问题。

背景技术

术语解释：1)激活效率：激光退火工艺加工后，能够激活的杂质离子浓度占总掺杂杂质离子浓度的百分比。2)脉宽：激光脉冲的宽度，一般用于衡量激光作用时间。

功率器件在进行芯片制造时，在晶圆背面进行的离子注入工艺会对晶格造成严重的损伤，所掺杂的杂质离子未能位于正确的晶格位置，因此此时并不具备有效的电活性，需要再对材料进行加热处理，用于修复晶格损伤并激活电活性，这种加热处理工艺即为退火。传统使用的退火工艺，包括炉管退火、闪光灯退火(FLA，Flash LampAnnealing)等，由于退火温度低、时间长等缺点，并不能很好地激活杂质，且易于造成不必要的额外扩散，随着器件尺寸的逐渐缩小，这种额外扩散所带来的缺陷也愈来愈成为需要解决的问题。

激光退火，由于瞬时温度高、作用时间短、热预算低等优势，能够很好地满足高效激活的工艺要求，已经逐渐成为扩散的关键工艺之一。尤其是，对于新一代IGBT器件，因采用电场中止(FieldStop)技术，可以将晶圆(衬底、基板)研磨得很薄来降低通态损耗，通常的晶圆厚度在100-200μm，高端的设计甚至要求使用70μm以下的超薄片，在这种薄片/超薄片上进行背面退火时，为保证器件正面的铝不会因为高温熔化，要求正面温度必须控制在450℃以内，采用激光退火能够将退火时间控制在微秒量级，从而保证晶圆正面的有效控温；另外，该类型器件在晶圆背面涉及到N+和P+两层掺杂激活，掺杂深度甚至可以达到3μm以上，这种情况下激光退火几乎是获得高退火性能的唯一方案。

上述激光退火方法中，较常见的方法为由绿光波段的激光对晶圆进行加热处理，在具体实施形式上可能由一个绿光激光源进行退火加工，或由两个相同波长的绿光激光源通过脉冲相对延迟输出进行退火加工。然而，由于材料对单一波长激光的吸收限制，当仅有绿光照射晶圆时，激光的吸收深度范围保持在较浅的水平(1μm以内)，而且随着表面温度的逐渐上升激光的吸收也会逐渐减弱，例如当波长为515nm的绿光照射晶圆时，室温(300°K)下激光的吸收深度为0.79μm，随着表面温度逐渐上升至1000°K，激光吸收深度减至约0.16μm，尤其是当表面发生熔融时，激光的吸收深度骤减至8nm，因此采用单绿光进行退火的方法在激光的吸收模式上十分受限，尤其是面向较深的退火需求，难以突破吸收深度限制达到有效、充分激活的效果。