激光在半导体技术应用中的进展

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的重要工艺之一 ! 它可以从气态或固态掺杂源引入所需的杂 质 " 或者激活离子注入的杂质并使之再分布 ! 当前 "!" 工艺水 平已进入纳米时代 "纳米尺度给 !" 制造技术提出了严峻的挑 战 " 在这些挑战中 " 金属 # 氧化物 # 半导体场效应晶体管 #$%&’(
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输出耦合镜
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同左
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强空冷
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. 引言
激光 具 有 优 异 的 特 性 ! 如 单 色 性 " 准 直 性 和 相 干 性 以 及 能量分布集中并可调等 ! 使其在与半导体技术的结合上独树 一帜 # 半导体技术中 !主要是利用激光的热效应和光效应 $ 前 者包 括 激 光 掺 杂 % 退 火 " 薄 膜沉 积 " 引 发 固 相 反 应 等 ! 后 者 主 要指激光光刻等 $ 激光掺杂比普通掺杂 & 如离子注入 ’ 的工艺 时 间 短 ! 结 深 精 确 可 控 ! 是 形 成 集 成 电 路 &<L ’ 纳 米 超 浅 结 的 可选手段 $ 激光退火比常规退火的杂质激活率高 ! 且不增加 结深 ! 缺点是均匀性差 $ 激光沉积薄膜的速率快 ! 可制备各类
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激光退火是利用激光热效应而不引发化学反应的一种 热处理手段 % 它是指激光束照射固态半导体表面 " 材料吸收
科技导报 ;KKL #;M !M "
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综述文章 !A0B%05/ "
较高 密 度 光 子 的 能 量 ! 发 生 相 变 ! 相 变 的 一 般 顺 序 是 固 态 ! 液态 ! 固态 ! 相变的结果是把非晶态材料转化为多晶或单晶 态 " 激光退火最初用来消除离子注入后材料的损伤 !""#" 退火时 间为 "$ %& ’ 量 级 可 控 !"(#! 可 以 通 过 调 节 脉 冲 宽 度 或 重 复 频 率 等方法实现 " 激光退火常用的激光器有连续波激光器和脉冲 准分子激光器 " 后者的波长在 ")*+*)" ,- 之间 ! 光子能量 高 !适合的半导体材料更广 " 如果激光功率密度超过某个阈值 ! 材料熔化为液态 " 熔 化深度主要取决于激光的能量密度和作用时间 " 在熔化过程 中 !一 方 面 !杂 质 激 活 并 再 分 布 #另 一 方 面 !晶 粒 在 再 结 晶 过 程中长大 ! 薄膜的结晶度得以提高 ! 这就是激光退火结晶 " 一 般情况下 ! 激光能量密度越高 ! 晶粒平均尺寸越大 ! 载流子迁 移率相应越高 " 当薄膜接近全部熔化时 ! 晶粒最大 " 但过高的 能量密度反而使迁移率下降 " 激光波长越长 ! 激光穿入薄膜 越深 ! 晶化效果越好 " 近年来 ! 准分子激光退火 $./0 % 受到广 泛的关注 & 人们发现 !./0 晶化的多晶硅薄膜具有晶粒大 ’ 空 间选择性好 ’ 掺杂效率高 ’ 缺陷密度低和电学特性好等优点 ! 是获得综合性能优异的半导体薄膜的较好选择 ! 这对于薄膜 晶体管 (121 %性能的提升是十分关键的 & 激光 退 火 引 发 的 相 变 ! 除 与 激 光 自 身 参 数 有 关 外 ! 还 同 衬底有关 & 这里以硅为例说明 ! 单晶硅衬底上的非晶硅薄膜 ! 由于两者的晶格常数相同 ! 在足够长时间的连续波激光照射 下 ! 非晶硅薄膜的声子吸收光子能量 ! 但薄膜不熔化 ! 借助于 界面原子自扩散和重排而发生固相外延 ! 如图 ( 所示 &
薄膜 $ 激光引发固相反应作为一个较新的课题 ! 有许多问题 需要研究 $ 激光的一些参数 ! 如中心波长 % 能量密度 % 脉冲宽度 和重复频率等 ! 对上述工艺有直接的影响 $
<L 特征尺寸的不断缩小对光刻技术的要求越来越高 $ 光学
光刻的光源主要有波长为 =>? +0 的 @/A 和 BCD +0 的 E/A 准 分子激光 $ 除光源外 !成像透镜 %光刻胶 %掩膜版以及步进扫描等 技术的发展 !使光刻极限已推进到 CM +0 以下 $ 如英特尔 >F +0 工艺NB=OO 采用了波长为 BCD +0 的 E/A 光刻技术 $ 业界认为 !
BCD +0 E/A 浸没式光刻机将是 OF +0 和 >F +0 工 艺 的 主 流 光
刻设备 !甚至可延伸至 D= +0 工艺 $ 实际上 ! 激光在半导体技 术中的应用远不止这些 ! 还有诸如激光微细加工等 ! 限于篇 幅 ! 将在正文中略作探讨 ! 在此不赘述 $
/ 激光在半导体技术中的主要应用
图! 不同退火方式下硼深度分布的二次离子质谱图 "#$%#&
’()* ! +,-./ -012(3,4 12 5 678,0 8(22,0,7. 977,93(7) :178(.(174 "#$%#&
& 激光掺杂也存在一些缺点 " 如均匀性较差 " 工艺不够成熟 "
结的横向扩展以及图形畸变等 %
!*; 激光退火
作者简介 " 王光伟 ! 天津市河西区柳林东天津工程师范大学电子工程系 ! 副教授 !T:0$’&‘ 1$5’,DB6$+3a,’+$7(*0
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科技导报 2..4 #2D %D &
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综述文章 !@,I(,J4 "
表!
美国大通公司 <=#> 和 %?@$A 系列 BC; 激光器主要性能参数
A9D3, ! E,F -,0210G97:, -909G,.,04 12 394,0 -0186:,8 DF 5()#.17, 12 ./, H7(.,8 #.9.,4
产品型号 性能指标 连续输出功率 @.Q 光束面积 @..> 光腰直径 @.. 光腰位置 全发散角 @.3’, 功率稳定度 @R 波长 @’. 最少谱线数 上升时间 @’8 下降时间 @’8 电源电压 @S " E" 电源电流 @.J 冷却要求 工作温度 @! 外形尺寸 @..
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综述文章 %E)FG)+# &
Байду номын сангаас
王光伟
天津工程师范大学电子工程系 ! 天津 DMM===
简要概述了激光在半导体技术中的主要应用 ! 这些应用大致涵盖激光掺杂 " 激光退火 " 激光沉积薄膜 " 激光引发固相反应和 激光光刻等几方面 ! 激光光刻中 # 选取 234 56 7%8 #09: 56 ;%8 和 0<= 56 82 准分子激光光刻着重进行了探讨 ! 分析了这些激光 工艺的现状 " 特点和最新进展 # 并对存在的问题和发展趋势作了研究 ! 激光掺杂 $ 激光退火 $ 激光沉积薄膜 $ 激光固相反应 $ 激光光刻
!"# $%%&’($)’*+, *- &$,./ ’+ ,.0’(*+12()*/ ).("+*&*34 $/. /.5’.6.1 ’+ )"’, %$%./7 !".4 ’+(&21. &$,./ 1*%’+38 &9,./ $++.$&’+38 &$,./ 1.%*,’)’+3 -’&08 ,*&’1:%"$,. /.$()’*+ ’+12(.1 ;4 &$,./ $+1 &$,./ %"*)*&’)"*3/$%"7 <+ &$,./ %"*)*&’)"*3/$%"8 =>? +0 @/A8 BCD +0 E/A 9+1 BFG +0 A= .H(’0./ &$,./ %"*)*&’)"*3/$%" ).("+’I2., $/. ("*,.+ $, .H$0%&.,7 !". (2//.+) ,)$)2,8 ).("+*&*3’($& ("$/$()./’,)’(, $+1 &$).,) %/*3/.,,., *- )".,. &$,./ ).("+’I2., $/. $+$&4J.17 E+1 ,*0. /.&9).1 %/*;&.0, 9+1 1.5.&*%0.+) )/.+1 *- &9,./ ).("+’I2., 9/. 1’,(2,,.17 &9,./ 1*%’+3K &$,./ $++.$&’+3K &$,./ 1.%*,’)’+3 -’&0K ,*&’1 %"$,. /.$()’*+ ’+12(.1 ;4 &$,./K &$,./ %"*)*&’)"*3/$%"4
010 激光掺杂
激光掺杂 &P$,./ 1*%’+3’ 技 术 起 始 于 =M 世 纪 GM 年 代 ! 在 随后 DM 多年里 !不同类型的激光掺杂技术相继出现 QBR$ 掺杂过 程中 ! 激光瞬间熔化材料 ! 杂质在液相快速扩散 ! 避免了离子 注入掺杂所固有的沟道 % 电离 % 瞬时增强扩散 &STU ’ 和衬底损 伤等不良效应 ! 且能与激光退火及激光光刻结合在一起进行 $
)*+,% -%.+/01,2/&03 4+%(, 566%/& 73’18+8&03 " $)-457$ 器 件 超
浅结形成以及掺杂技术尤为值得关注 % 在 9: 1. 和 ;: 1. 工 艺 代 " 结 深 要 分 别 控 制 在 <= 1. 和 <> 1. 以 下 " 相 应 的 扩 展 电阻不能超过 =9? !@! 和 ABC !@! ! 符合器件要求的超浅结 要求厚度薄 & 杂质浓度高且轮廓分布陡峭以及结电阻低等 " 用常规的 !" 制造技术几乎是无法做到的 ! 因此 "应该积极探 索适合制作超浅结的新技术 ! 在众多选择中 " 激光掺杂蕴涵 着巨大的潜力 ! 它具有光束能量密度精确可控 " 处理时间短 ’ 纳秒或微秒量级 $" 掺杂浓度高 " 杂质激活率高 " 经有选择性 的亚熔或熔化 # 重结晶过程能提升薄膜质量 ’ 如多晶薄膜的 晶粒内几乎无缺陷等 $" 不会对衬底造成热损伤 " 以及良好的 通用性和可重复性等特点 ! 超浅结工艺中 " 理想的掺杂目标是最大的杂质激活率和 最小的扩散 ’尤其是横向扩散 $! 众所周知 " 对硼 ’D$掺杂的硅 进行热退火 " 由于硼原子与硅间隙原子的相互作用而导致硼 的瞬态增强扩散 ’75E$FAG! 激光退火由于作用时间非常短 ’<C#H 8 量级 $"且便于调节 " 可把 75E 效应减至最小程度 FHG" 这对于结 深控制以及避免不必要的结扩展是非常有利的 ! 超浅结激光 掺杂的优点与不足 (" 选区熔化 "可控制结的范围 " 与炉退火 相比 " 形成的结更为陡峭 % 激光的束斑大小可以调节 " 能量按 一定函数分布 " 可大致确定熔化的表面积 % 图 < 给出了各种 退火方式下硅中硼的 深 度 分 布 F<CG" 激 光 掺 杂 比 热掺 杂 能 获 得 更为陡峭的杂质深度分布 % # 杂质的激活量可超过其在硅中 的固溶度几个数量级 " 在不同晶向存在杂质的分凝 % 杂质在 硅中的激活量超过它的平衡固溶度是基于硅在极短时间内 的熔化和冷却是非平衡过程 % 杂质在液态硅中的扩散系数比 在固态中增大几个数量级 " 可以在极短时间内完成杂质的分 布 " 并且杂质的激活率接近 <CCI% $ ! 区和 " 区的结深可独 立控制 "衬底无须热处理 " 工艺简单 " 可移植性好 % % 可以同 其 他 一 些 先 进 的 掺 杂 工 艺 相 结 合 " 如 原 子 层 掺 杂 ’JKE $ 等 %
收稿日期 " =MMG:BB:MC 基金项目 " 天津市高校科技发展基金项目 #=MMOMOMF$
近十余年的研究表明 ! 该掺杂技术能实现盒状的超浅结 &V*H:
,"9%#W XYZ ’! 结深可控制在几十纳米 Q=:D[$ 激光掺杂常采用波
长可调谐的各类激光器 ! 波长范围从红外到紫外 ! 表 B 给出了 美国大通公司的可调谐 L\= 激光器的主要性能指标 $ 在这些 指标中 ! 对掺杂有较大影响的有波长 % 输出功率 % 光束面积和 作用时间等 $ 利用 投 射 气 体 浸 没 激 光 掺 杂 &N:]<PU ’ 技 术 已 经 实 现 了 超浅结 &XYZ ’ 的高掺杂 Q=:G[! 文献 Q=[ 描述了 ]<PU 制备超浅结的 基本工艺步骤 $ 激光掺杂是形成场效应晶体管 &ATS ’源 % 漏区
强空冷
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强空冷或水冷
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同左
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同左
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