DE112010004232T5 - Laserannealingvorrichtung und Laserannealingverfahren - Google Patents

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Naoyuki Kobayashi
Kazuya Sano
Toshiaki Seino
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine wirkungsvolle Wärmebehandlung wie z. B. eine Aktivierungsbehandlung von Dotierstoffen auf einem Substrat wie z. B. einem dicken Siliziumwafer mit hoher Wärmekapazität durch Laserannealing bereit. Bereitgestellt ist eine Laserannealingvorrichtung zur Wärmebehandlung einer Oberfläche eines Substrats 30 mit: einer Pulsoszillationslaserquelle 10, die einen Pulslaser mit sanfter Anstiegszeit und langer Pulsbreite erzeugt, einer Dauerstrichlaserquelle 20, die einen Nahinfrarotlaser zur Unterstützung des Annealing erzeugt, optischen Systemen 12, 22 die die Strahlen 15, 25 der zwei Typen von Lasern jeweils so formen und führen dass die Oberfläche des Substrats 30 damit bestrahlt wird, und einer Bewegungsvorrichtung 3, die das Substrat 30 relativ zu den Laserstrahlen 15, 25 bewegt, um das Abtasten durch die kombinierte Bestrahlung mit den zwei Typen von Laserstrahlen zu ermöglichen. Mit dieser Vorrichtung kann eine tiefe Aktivierung von Dotierstoffen in einem dicken Halbleitersubstrat mit hoher Wärmekapazität durchgeführt werden, während eine ausreichende Lichtdurchdringungstiefe und eine thermische Diffusionslänge dafür sichergestellt sind.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserannealingvorrichtung und ein Laserannealingverfahren zur Verwendung bei der Aktivierung von Dotierstoffen, die in die Rückseite eines Leistungsvorrichtungs-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate) implantiert wurden, eine Behandlung zum Erholen von Kristallen durch Entfernen von Kristalldefekten in einer Waferoberflächenschicht und dergleichen.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Für den Leistungsvorrichtungs-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate) wird ein einzigartiger Rückwärtsprozess (Dünnwaferprozess) durchgeführt. Bei einer Wärmebehandlung, die nach einem Oberflächenprozess durchgeführt wird, bei dem die rückwärtige Seite eines Wafers dünn geschliffen wird, wobei dort ionenimplantierte Dotierstoffe aktiviert werden, wird ein Halbleitersubstrat mit Laserstrahlen bestrahlt, um seine Oberfläche zu erwärmen, und die Wärmebehandlung wird mittels dieses Temperaturanstiegs durchgeführt.
  • Bei einer solchen Wärmebehandlung ist es vorzuziehen, das Substrat bis zu einer bestimmten Tiefenposition desselben wirkungsvoll zu erwärmen, um die Aktivierung zu verbessern. Derzeit verwendete Laser können jedoch die Aktivierung nicht hinreichend durchführen, weil eine Lichtdurchdringungstiefe und eine Erwärmungszeit durch den Laser aufgrund ihrer kurzen Anstiegszeit und ihrer geringen Pulsbreite (Halbwertsbreite des Pulses) kurz sind. Vorgeschlagen wurden daher ein Aktivierungsverfahren, bei dem eine scheinbare Pulsbreite durch eine kontinuierliche Bestrahlung mit einer Mehrzahl von Pulsen ausgedehnt wird, und ein Zweifachwellenlängenlaseraktivierungsverfahren, bei denen Laser mit unterschiedlicher Wellenlänge kombiniert werden, um die Lichtdurchdringungstiefe auszudehnen.
  • Es wird beispielsweise eine Aktivierungstechnik vorgeschlagen zum Betreiben von CW-Lasern (continuous wave = Dauerstrich) mit zwei Wellenlängen, d. h. einer kurzen Wellenlänge und einer langen Wellenlänge, so dass jeweils eine flache ionenimplantierte Schicht und eine tiefe ionenimplantierte Schicht aktiviert werden (siehe Patentliteratur 1).
  • In dieser Technik wird dieselbe Substratoberfläche gleichzeitig mit einer LD vom CW-Typ (Wellenlänge ≤ 900 nm) und einem harmonischen Laser aus einem YAG-Laser vom CW-Typ (Wellenlänge ≥ 370 nm) bestrahlt, und die Bestrahlungszeit (festgelegt in Abhängigkeit von der Strahlabtastrate und der Strahlgröße) jedes Laserstrahls wird gesteuert, um dadurch die Temperaturverteilung in der Tiefenrichtung zu steuern, wodurch eine tiefe Aktivierung erzielt wird. Ein flacher Abschnitt einer mit einem Dotierstoff implantierten Schicht wird durch einen Festkörperlaser mit einer kurzen Wellenlänge aktiviert, und einer tiefer Abschnitt davon wird durch einen Halbleiterlaser aktiviert.
  • Eine Technik zum Aktivieren einer flach implantierten Dotierungsschicht in einem geschmolzenen Zustand und einer tief implantierten Dotierungsschicht in einem nicht-geschmolzenen Zustand unter Verwendung einer Doppelpulslaserannealingvorrichtung wird ebenfalls vorgeschlagen (s. Nichtpatentliteraturen 1, 2).
  • Bei der Doppelpulslaserannealingvorrichtung gemäß dieser Technik werden zum Aktivieren eines tiefen pn-Übergangs zwei grüne Pulslaser verwendet, und eine Verzögerungszeit zwischen den zwei Pulslasern mit kurzen Pulsen im Bereich von 100 ns ist bereitgestellt, um die Pulsbreite in vorgetäuschter Weise zu verlängern, wodurch Annealingzeit gewonnen wird. Eine flach implantierte Bor-Schicht und eine tief implantierte Phosphor-Schicht werden gemeinsam aktiviert durch Optimieren der Verzögerungszeit. Dabei wird ein hohes Aktivierungsverhältnis mit einer Aktivierungstiefe gewonnen, die 1,8 μm erreicht. Diese Aktivierung des pn-Übergangs ist ein schrittweiser Prozess von der festen Phase in die flüssige Phase, wobei die tief implantierte Phosphor-Schicht zunächst in einem festen Phasenzustand von den Kristallen erholt wird und die flach implantierte Bor-Schicht dann epitaktisch in der flüssigen Phase aufgewachsen wird mit der erholten Phosphor-Schicht als Keimkristall.
  • Weiter wird auch eine Technik zum Aktivieren einer durch Ionenimplantation gebildeten amorphen Schicht in einem geschmolzenen Zustand durch Kombinieren von Zweifachwellenlängenlasern (s. Nichtpatentliteratur 3).
  • Diese Technik ist ein Schmelzaktivierungsverfahren, bei dem Zweifachwellenlängenlaser mit einer Infrarotwellenlänge von 1.060 nm (Pulsbreite 40 ns) und einer grünen Wellenlänge von 530 nm (Pulsbreite 30 ns) gleichzeitig abgestrahlt werden, wodurch eine Oberfläche einer amorphen Schicht (48 nm), die mit As-Ionen implantiert ist (30 keV, E+15/cm2) zuerst durch den Pulslaser grüner Wellenlänge flach geschmolzen wird, um eine Absorption der Infrarotwellenlänge zu verbessern, und die gesamte amorphe Schicht dann durch den Pulslaser mit Infrarotwellenlänge geschmolzen wird. Der grüne Pulslaser spielt eine triggerartige Rolle für die Lichtabsorption des Infrarotpulslasers.
  • ZITATLISTE
  • PATENTLITERATUR
    • Patentliteratur: WO 2007/015388 A
  • NICHTPATENTLITERATUR
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
  • Wie in der Patentliteratur 1 gezeigt, ermöglicht eine Kombination von CW-Lasern großer Wellenlänge einen wirkungsvollen Gebrauch der Durchdringungstiefe von Licht großer Wellenlänge. Jedoch ist beispielsweise bei der Bestrahlung mit einem 805 nm-Laser die Lichtdurchdringungstiefe Lα bei Raumtemperatur (300°K) 10,7 μm und bei 1.000°K 2,1 μm, und sie ist reduziert. Auch durch eine solche Laserbestrahlung großer Wellenlänge wird es, wenn sie von einem schnellen Temperaturanstieg begleitet ist, schwierig, eine Aktivierungstemperatur bis zu einem beabsichtigten Tiefenbereich sicherzustellen.
  • Wenn die Pulsbreite scheinbar verlängert ist durch Bereitstellen einer Verzögerungszeit zwischen zwei Pulslasern, wie es in den Nichtpatentliteraturen 1 und 2 gezeigt ist, ist eine starke Verringerung der Lichtdurchdringungstiefe unvermeidbar, da die Lichtabsorption durch ein Phonon entsprechend dem steilen Anstieg der Substratoberflächentemperatur stark ansteigt. So ist beispielsweise bei der Bestrahlung mit einem grünen 515 nm-Laser die Lichtdurchdringungstiefe Lα bei Raumtemperatur (300°K) 0,79 μm und bei 1.000°K 0,16 μm, und sie ist durch den Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf 1.000°K stark verringert auf etwa 1/5. Wenn die Oberfläche teilweise geschmolzen wird, wird die Lichtdurchdringungstiefe extrem verringert auf 8 nm, und das Laserlicht wird daran gehindert, tief durchzudringen, was einen Bestrahlungsverlust bewirkt, da aufgrund des Schmelzens der Oberfläche der Reflexionswert stark von 36% auf 72% ansteigt. Daher verhindert das Erreichen des Schmelzpunkts in einer kurzen Zeit durch einen schnellen Temperatureinstieg das Sicherstellen einer Aktivierungstemperatur bis zu einem beabsichtigten Tiefenbereich.
  • Weiter kann die Lichtdurchdringungstiefe ausgedehnt werden durch Ausdehnen der Wellenlänge des abgestrahlten Lasers, wie es in der Nichtpatentliteratur 3 gezeigt ist. Andererseits ist beispielsweise bei einer Bestrahlung mit einem 805 nm-Laser die Lichtdurchdringungstiefe Lα bei Raumtemperatur (300°K) 10,7 μm und bei 1.000°K 2,1 μm, und sie ist entsprechend dem Anstieg der Substratoberflächentemperatur ähnlich wie in dem Fall des grünen Lasers stark verringert auf etwa 1/5. Von dem Gesichtspunkt der Lichtdurchdringungstiefe aus ist jedoch eine große Wellenlänge vorteilhafter für die Aktivierung eines tiefen Bereichs als eine kurze Wellenlänge. Wenn die Aktivierung in einem geschmolzenen Zustand durchgeführt wird, ist jedoch die Verringerung der Zeit bis zum Schmelzpunkt durch einen schnellen Temperaturanstieg ebenfalls nachteilhaft für das Sicherstellen der Aktivierungstemperatur in dem tiefen Bereich aufgrund der extrem verringerten Lichtdurchdringungstiefe von 8 nm und des Verlusts von Strahlungsenergie durch den starken Anstieg des Reflexionsgrads.
  • Weiter haben die vorliegenden Erfinder bestätigt, dass bei der Verwendung von Pulslasern ein beträchtlicher Unterschied in der Aktivierungstiefe zwischen einem dicken Siliziumwafer (z. B. 725 μm) und einem dünnen Siliziumwafer (z. B. 150 μm) gezeigt ist, die verschiedene Wärmekapazitäten haben. Bei dem dicken Siliziumwafer (z. B. 725 μm) mit großer Wärmekapazität kann aufgrund einer unzureichenden Aktivierungstemperatur eine tiefe Aktivierung, die beispielsweise 2 μm überschreitet, nicht erzielt werden.
  • Für die Aktivierung der Rückseite des Leistungsvorrichtungs-IGBT mit geringem Wärmeaufwand (niedriger Temperatur) ist es wichtig, eine Lichtdurchdringungstiefe und eine Wärmediffusionslänge sicherzustellen, die einen beabsichtigten Aktivierungsbereich abdecken können, unabhängig von der Wärmekapazität des Substrats, und die verwandte Technik kann darauf keine hinreichende Antwort geben.
  • Die vorliegende Erfindung wird somit in den Kontext der o. g. Umstände erzielt und hat als Aufgabe das Bereitstellen einer Laserannealingvorrichtung und eines Laserannealingverfahrens, die in der Lage sind, effizient eine Wärmebehandlung wie z. B. eine Aktivierungsbehandlung von Dotierstoffen durchzuführen, während eine hinreichende Lichtdurchdringungstiefe und Wärmediffusionslänge dafür auch in einem dicken Siliziumwafer mit großer Wärmekapazität sichergestellt sind.
  • MITTEL ZUM LÖSEN DER ERFINDUNG
  • Eine Laserannealingvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Laserannealingvorrichtung zur Wärmebehandlung einer Substratfläche mit: einer Pulsoszillationslaserquelle, die einen Pulslaser mit sanfter Anstiegszeit und langer Pulsbreite erzeugt, einer Dauerstrich-Laserquelle, die einen Nahinfrarotlaser zur Unterstützung des Annealing erzeugt, einem optischen System, das jeden Strahl der zwei Typen von Lasern so formt und führt, dass die Substratoberfläche in kombinierter Weise bestrahlt wird, und einer Bewegungsvorrichtung, die das Substrat relativ zu den Laserstrahlen bewegt, um ein Abtasten durch die Bestrahlung mit den zwei Typen von Laserstrahlen zu ermöglichen.
  • Ein Laserannealingverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Laserannealingverfahren zur Wärmebehandlung einer Substratoberfläche mit: wiederholtem überlappendem Bestrahlen des Substrats mit einem Pulslaserstrahl mit sanfter Anstiegszeit und langer Pulsbreite, der von einer Pulsoszillationslaserquelle erzeugt und geformt wird, und auch Bestrahlen des wiederholt überlappend bestrahlten Substrats mit einem Nahinfrarotlaserstrahl, der von einer Dauerstrich-Laserquelle erzeugt und geformt wird, in einer kombinierten Weise, und Durchführen einer Wärmebehandlung des Substrats während des Abtastens durch die Laserstrahlen, wobei vorzugsweise ein Temperaturanstieg auf der nicht-bestrahlten Seite des Substrats unterdrückt wird.
  • In der vorliegenden Erfindung wird eine Annealing-behandlung durchgeführt durch kombiniertes Bestrahlen der Substratoberfläche mit dem Pulslaserstrahl mit sanfter Anstiegszeit und langer Pulsbreite, der von der Pulsoszillationslaserquelle erzeugt und geformt wird, und dem Nahinfrarotlaserstrahl, der von der Dauerstrich-Laserquelle erzeugt und geformt wird. Da der Nahinfrarotlaser das Annealing unterstützt, um eine hinreichende Wärmediffusion in der Tiefenrichtung sicherzustellen, kann eine Wärmebehandlung als Aktivierungsbehandlung von Dotierstoffen effizient auch auf einem dicken Siliziumwafer mit einer großen Wärmekapazität oder dergleichen durchgeführt werden.
  • Als o. g. Pulslaser können geeigneterweise grüne Laser verwendet werden, und als Pulslaseroszillator können beispielsweise zweite Harmonische eines LD-erregten Yb:YAG-Lasers verwendet werden.
  • Der Pulslaser in der vorliegenden Erfindung wird zu dem Substrat abgestrahlt, während er verglichen mit allgemeinen Pulslasern einen Pulsverlauf mit sanfter Anstiegszeit aufweist. Konkret wird vorzugsweise ein Pulslaser zu dem Substrat abgestrahlt, der einen Pulsverlauf aufweist mit einer Anstiegszeit des Pulsverlaufs von 10% der Maximalintensität auf 90% von 160 ns oder mehr. In weiter bevorzugter Weise beträgt die Anstiegszeit 180 ns oder mehr, in noch weiter bevorzugter Weise 300 ns oder mehr.
  • Ein solcher Pulslaser mit sanftem Anstieg kann, wenn er auf das Substrat abgestrahlt wird, einen steilen Temperaturanstieg des Substrats in einer frühen Stufe der Bestrahlung verhindern und eine starke Verringerung der Lichtdurchdringungstiefe verringern, die mit diesem Temperaturanstieg verbunden ist.
  • Auch wenn in der vorliegenden Erfindung die Laserquelle zum Ausgeben des Laserpuls mit sanftem Anstieg nicht auf eine bestimmte eingeschränkt ist, können solche, die, wie oben beschrieben mit zweiten Harmonischen von LD-erregten Yb-YAG-Lasern versehen sind, als bevorzugtes Beispiel angegeben werden.
  • Der oben genannte Laserpuls muss nicht nur eine sanfte Anstiegszeit aufweisen, sondern auch eine große Pulsbreite. Konkret wird vorzugsweise ein Laserpuls auf das Substrat abgestrahlt, der einen Pulsverlauf mit einer Halbwertsbreite von 600 ns oder mehr aufweist, in weiter bevorzugter Weise 1.000 ns oder mehr.
  • Eine thermische Diffusionslänge entsprechend der Lichtdurchdringungstiefe kann sichergestellt werden durch Steuern (Erweitern) der Pulsbreite des Pulslasers, wodurch ein Prozess mit geringem Wärmeaufwand (Niedrigtemperaturaktivierungsbehandlung) oder dergleichen wirkungsvoll erzielt werden kann.
  • Der Nahinfrarotlaser, der durch die Dauerstrich-Laserquelle erzeugt wird, kann beispielsweise eine Wellenlänge von 650–1.100 nm haben. Vorzugsweise ist die Wellenlänge 680–825 nm. In dem o. g. Wellenlängenband kann eine größere Lichtdurchdringungstiefe als die bei dem o. g. Pulslaser erzielt werden aufgrund zufriedenstellender Lichtabsorption durch Silizium, das ein im allgemeinen für das Substrat verwendetes Material ist. Als Ergebnis wird das Substrat bis zu dem tiefen Bereich hin vorgeheizt, und die unterstützende Wirkung wird wirkungsvoll erzielt.
  • Der oben erwähnte Nahinfrarotlaser kann teilweise einen Unterbrechungsabschnitt enthalten, in dem die Leistungsdichte minimiert ist, außer denen mit Dauerstrich, die durch die Dauerstrich-Laserquelle erzeugt werden. Der Unterbrechungsabschnitt tritt vorzugsweise mit derselben Periode wie der Puls des Pulslasers auf. Der Unterbrechungsabschnitt kann außer einer Leistungsdichte, die kleiner als in einem kontinuierlichen Abschnitt ist, auch eine Leistungsdichte von null haben. Der Unterbrechungsabschnitt wirkt zum Einstellen eines Erwärmungswerts, der dem Substrat gegeben wird, um dadurch zu verhindern, dass das gesamte Substrat übermäßig erwärmt wird. Der Unterbrechungsabschnitt ist vorzugsweise auf 50% oder weniger bezogen auf eine Periode des Pulslasers eingestellt. Der Unterbrechungsabschnitt kann mittels einer Stromsteuerung des Halbleiterlasers oder dergleichen bereitgestellt werden.
  • Die Hilfstemperatur durch den Nahinfrarotlaser wird vorzugsweise so eingestellt, dass sie einen Materialschmelzpunkt der Substratoberfläche nicht überschreitet. Die Einstellung kann beispielsweise durch Steuern der Leistungsdichte des Nahinfrarotlasers und der Abtastrate durchgeführt werden.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Ableitung von Wärme gemäßigt (minimiert) durch die o. g. kombinierte Bestrahlung mit dem Pulslaserstrahl und dem Nahinfrarotlaserstrahl zum Erhöhen der Aktivierungstemperatur, wodurch die Wärmebehandlung des Substrats durchgeführt werden kann, während der Temperaturanstieg auf der nicht-bestrahlten Seite des Substrats verringert wird.
  • Der Zeitablauf der Bestrahlung wird vorzugsweise gesteuert durch Bereitstellen einer Verzögerungszeit dergestalt, dass das Substrat mit dem Pulslaserstrahl bestrahlt werden kann, wenn die Substratoberflächentemperatur nach der Bestrahlung mit dem Nahinfrarotlaser einen stationären Zustand erreicht. Die Temperaturunterstützung kann wirkungsvoll verwendet werden durch Bestrahlen der Substratoberfläche mit dem Pulslaserstrahl, nachdem die Substratoberflächentemperatur durch die Bestrahlung mit dem Nahinfrarotlaserstrahl den stationären Zustand erreicht.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Beziehung zwischen der Bestrahlungsposition des Pulslaserstrahls und der Bestrahlungsposition des Nahinfrarotlasers nie auf eine spezifische eingeschränkt, solange die das Annealing unterstützende Tätigkeit des Nahinfrarotlasers sichergestellt werden kann. Daher können der Nahinfrarotlaserstrahl und der Pulslaserstrahl so abgestrahlt werden, dass sich die jeweiligen Bestrahlungsflächen auf der Substratoberfläche teilweise oder ganz überlappen, oder jeder der Strahlen kann mit einer Positionslücke abgestrahlt werden ohne Überlappung der beiden.
  • Die Bestrahlungsfläche kann als Fläche auf der Substratoberfläche angegeben werden, in der die Energiedichte des Pulslaserstrahls oder die Leistungsdichte des Nahinfrarotlaserstrahls beispielsweise 90% oder mehr ist.
  • Zum wirkungsvollen Entwickeln der Unterstützungstätigkeit ist jedoch die Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls vorzugsweise größer eingestellt als die Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls, und die Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls ist in weiter bevorzugter Weise so eingestellt, dass sie die Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls bedeckt. Zum Erzielen einer Tätigkeit wie der Vorheizung ist es vorzuziehen, dass ein Teil oder die gesamte Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls zumindest auf einer Abtastrichtungsseite jenseits der Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls liegt, und zum Erzielen einer Tätigkeit wie eines Nachheizens oder dergleichen ist es weiter vorzuziehen, dass die Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls sich auf der in der Abtastrichtung entgegengesetzt liegenden Seite über die Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls hinaus erstreckt. Die Positionsbeziehung der Bestrahlungsfläche zwischen beiden Laserstrahlen ist vorzugsweise symmetrisch zu einer Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung. Dementsprechend kann dieselbe Beziehung erzielt werden, wenn die Abtastrichtung umgekehrt wird.
  • Die Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls hat nämlich vorzugsweise eine Größe, dass sie sich über die gesamte Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls hinaus erstreckt. Durch Sicherstellen einer breiteren Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls als die Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls kann ein seitliches Ableiten von wärme in dem Substrat gemäßigt werden, was zu einem Ansteigen der Aktivierungstemperatur führt.
  • In dem obigen Fall muss die Größe (Querschnittsgröße) des Nahinfrarotlaserstrahls größer sein als die Größe (Querschnittsgröße) des Pulslaserstrahls. In diesem Fall beträgt die Strahlgröße des Nahinfrarotlasers vorzugsweise zumindest die Strahlgröße des Pulslasers plus die maximale Wärmediffusionslänge (300°K). Die maximale Strahlgröße des Nahinfrarotstrahls kann festgelegt werden abhängig davon, ob die Hilfstemperatur, die durch die Leistungsdichte und die Abtastrate des Substrats bestimmt wird, für die tiefe Aktivierung hinreichend ist oder nicht. Die Hilfstemperatur muss so eingestellt werden, dass sie an der Substratoberfläche wie oben beschrieben niedriger ist als der Schmelzpunkt eines Materials (im allgemeinen Silizium).
  • Die oben beschriebene Pulslaserstrahlbestrahlung und Nahinfrarotlaserstrahlbestrahlung werden vorzugsweise um dieselbe Zeit herum auf dem Substrat durchgeführt. Daher können die beiden Strahlen gleichzeitig zu einer vorbestimmten Position des Substrats abgestrahlt werden, oder sie können mit einem Zeitunterschied zu der vorbestimmten Position auf dem Substrat abgestrahlt werden. Wenn eine Zeitverschiebung bereitgestellt ist, wird die Zeitverschiebung so eingestellt, dass die Unterstützungstätigkeit durch den Nahinfrarotlaserstrahl bei der Pulslaserstrahlbestrahlung wirkungsvoll gewonnen werden kann. Wenn nämlich die Zeitverschiebung übermäßig groß eingestellt ist, kann die Unterstützungstätigkeit durch den Nahinfrarotlaserstrahl bei der Pulslaserstrahlbestrahlung nicht hinreichend erzielt werden. Die o. g. Bestrahlung mit einer Zeitverschiebung, während die Unterstützungstätigkeit bewahrt bleibt, ist auch in der o. g. Bestrahlung um dieselbe Zeit herum enthalten.
  • Die o. g. Strahlgröße oder Beziehung der Bestrahlungsposition kann durch ein optisches System eingestellt werden. Das optische System enthält optische Materialien wie z. B. einen Homogenisierer, eine Linse und einen Spiegel, um ein Formen oder Ablenken eines Laserstrahls oder dergleichen durchzuführen.
  • In der vorliegenden Erfindung kann der Temperaturanstieg der nicht-bestrahlten Oberfläche, die der laserbestrahlten Oberfläche gegenüber liegt, durch Minimieren des Temperaturgradienten verringert werden. In diesem Fall ist der Temperaturanstieg der nicht-bestrahlten Substratoberfläche, die der laserbestrahlten Oberfläche gegenüber liegt, vorzugsweise auf 200°C oder weniger verringert, weiter vorzugsweise auf 100°C oder weniger.
  • VORTEILE DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung hat die folgenden Wirkungen:
    • (1) Durch Aufbringen eines Nahinfrarotlaserstrahls als Temperaturunterstützung für einen Pulslaserstrahl können Dotierstoffe, die in ein dickes Siliziumsubstrat mit großer Wärmekapazität ionenimplantiert wurden, hinreichend bis zu einer tiefen Position aktiviert werden.
    • (2) Durch Aufbringen des Nahinfrarotlaserstrahls als Temperaturunterstützung für den Pulslaserstrahl kann die thermische Last des Pulslasers verringert werden und die für die Aktivierung erforderliche Energiedichte kann verringert werden zum Erweitern der Strahllänge, und eine große Abtastgeschwindigkeit der Bestrahlung kann somit sichergestellt sein. Daher kann der Durchsatz verbessert sein.
    • (3) Da ein Vorheizen bis zu einem tiefen Bereich durchgeführt werden kann, kann potentiell eine tiefe Aktivierung über 3 μm hinaus erzielt werden.
    • (4) Eine Unterrolle als Temperaturunterstützung wird dem Nahinfrarotlaser zugeordnet, während der Pulslaser in eine Hauptrolle bei der Wärmebehandlung versetzt wird, wodurch der Temperaturanstieg auf der nicht-bestrahlten Seite des Substrats auf etwa 200°C oder weniger verringert werden kann. Ein Unterbrechungsabschnitt kann in einem Teil des Nahinfrarotlasers bereitgestellt sein, wodurch der Temperaturanstieg auf der nicht-bestrahlten Seite des Substrats weiter verbessert sein kann.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Laserannealingvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 sind schematische Ansichten, die eine Bestrahlungsfläche eines Pulslaserstrahls und eine Bestrahlungsfläche eines Nahinfrarotlaserstrahls zeigen.
  • 3 sind schematische Ansichten, die ein Beispiel für einen Querschnittsaufbau eines Leistungsvorrichtungs-IGBT zeigen, der ein Beispiel für ein Bestrahlungsobjekt ist.
  • 4 ist ein Musterdiagramm vom Laserpulsverläufen der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Falls mit gegensätzlichen Anstiegszeiten.
  • 5 ist eine Ansicht, die Pulsverläufe von LD-erregten Festkörperlasern zeigt.
  • 6 ist eine Ansicht, die zeitliche Änderungen der Substrattemperatur durch Bestrahlen mit einem steil ansteigenden Pulslaser und durch Bestrahlen mit einem langsam ansteigenden Pulslaser zeigt.
  • 7 ist eine Ansicht, die Wirkungen der Anstiegszeit in dem Pulsverlauf auf die durchschnittliche Pulsdurchdringungstiefe zeigt.
  • 8 ist eine Ansicht, die Zeitabläufe der Bestrahlung mit einem Nahinfrarotlaserstrahl und einem Pulslaserstrahl zeigt.
  • 9 ist eine Ansicht, die ein Abwandlungsbeispiel für Zeitabläufe der Bestrahlung mit einem Nahinfrarotlaserstrahl und einem Pulslaserstrahls zeigt.
  • 10 sind Musterdiagramme, die thermische Diffusionen in der Substrattiefenrichtung durch Laserstrahlbestrahlung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und in einem Vergleichsbeispiel zeigen.
  • 11 ist eine schematische Ansicht, die Bestrahlungsflächen eines Nahinfrarotlaserstrahls und eines Pulslaserstrahls auf einem Bereich in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 12 ist eine Ansicht, die Profile der Trägerkonzentrationsverteilung in der Tiefenrichtung durch Bestrahlen mit kombinierten Laserstrahlen in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 13 ist eine Ansicht, die Profile der Trägerkonzentrationsverteilung in der Tiefenrichtung durch Bestrahlen mit einem einzelnen Laserstrahl in einem Vergleichsbeispiel zeigt.
  • AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
  • Eine Laserannealingvorrichtung 1 enthält, wie in 1 gezeigt, eine Behandlungskammer 2, eine Bewegungsvorrichtung 3, die in X-Y-Richtung beweglich ist und innerhalb der Behandlungskammer 2 angeordnet ist, und eine Basis 4, die an einem oberen Abschnitt der Bewegungsvorrichtung 3 angeordnet ist. Ein Behandlungsobjektpositionierungstisch 5 ist auf der Basis 4 bereitgestellt. Ein Halbleitersubstrat 30 wird bei der Laserannealingbehandlung auf dem Behandlungsobjektanbringungstisch angebracht. Die Bewegungsvorrichtung 3 wird durch einen nicht gezeigten Motor oder dergleichen angetrieben.
  • Eine Pulsoszillationslaserquelle 10, die mit der zweiten Harmonischen eines LD-erregten Yb:YAG-Lasers versehen ist, ist außerhalb der Behandlungskammer 2 angebracht. Ein Pulslaserstrahl 15, der von der Pulsoszillationslaserquelle 10 ausgegeben wird, wird von einem Dämpfungsglied 11 wie erforderlich in seiner Energiedichte eingestellt, durch ein optisches System 12, das durch eine Linse, einen Reflexionsspiegel, einen Homogenisierer und dergleichen gebildet ist, einer Strahlformung oder Ablenkung unterworfen und zu dem Halbleitersubstrat 30 in der Behandlungskammer 2 hin abgestrahlt.
  • Der von der Pulsoszillationsquelle 10 ausgegebene Pulslaserstrahl 15 hat einen Pulssignalverlauf mit einer sanften Anstiegszeit, vorzugsweise einen Pulsverlauf mit einer Anstiegszeit (die Zeit, in der der Pulssignalverlauf von 10% der Maximalintensität auf 90% ansteigt) von 160 ns oder mehr und eine Halbwertsbreite von 200 ns oder mehr. Dieser Laserstrahl ist vorzugsweise auf eine Energiedichte eingestellt zum Halten einer Dotierungsschicht in einem nicht-geschmolzenen Zustand, so dass, wenn das Halbleitersubstrat 30 damit bestrahlt wird, die Temperatur einer Oberflächenschicht auf eine hohe Temperatur im Bereich des Schmelzpunkts erhöht werden kann, oder ein Zustand, in dem nur die Oberflächenschicht geschmolzen ist, kann gewonnen werden. Der Pulslaserstrahl 15 ist beispielsweise wie oben beschrieben durch das optische System 12 in eine Linienstrahlform geformt.
  • Eine Dauerstrich-Laserquelle 20, die aus einer LD-Laserquelle gebildet ist, die einen Nahinfrarotlaser erzeugt, ist außerhalb der Behandlungskammer 2 angebracht. Ein von der Dauerstrich-Laserquelle 20 ausgegebener Nahinfrarotlaserstrahl 25 wird durch ein Dämpfungsglied 21 wie erforderlich in der Leistungsdichte eingestellt, durch ein optisches System 22, das aus einer Linse, einem Reflexionsspiegel, einem Homogenisierer und dergleichen gebildet ist, einer Strahlformung oder Ablenkung unterworfen und zu dem Halbleitersubstrat 30 in der Behandlungskammer 2 hin abgestrahlt. Dieser Laserstrahl ist auf eine Leistungsdichte eingestellt, dass, wenn das Halbleitersubstrat 30 bestrahlt und abgetastet wird, das Halbleitersubstrat 30 nicht den Schmelzpunkt erreicht. Der Nahinfrarotlaserstrahl 25 ist beispielsweise durch das optische System 22, wie oben beschrieben, in eine Linienstrahlform geformt, und dessen Größe ist so eingestellt, dass sie größer ist als die Größe des Pulslaserstrahls 15.
  • Wie in 2(a) gezeigt, ist eine Bestrahlungsfläche 25a bei der Bestrahlung des Halbleitersubstrats 30 mit dem Nahinfrarotlaserstrahl 25 durch die optischen System 12, 22 so eingestellt, dass sie eine Größe hat zum Bedecken einer Bestrahlungsfläche 15a bei der Bestrahlung des Halbleitersubstrats 30 mit dem Pulslaserstrahl 15 und auch, um sich über die gesamte Fläche des Pulslaserstrahls 15 hinaus zu erstrecken.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Position der Bestrahlungsfläche jedes Laserstrahls nicht auf das Obige eingeschränkt. 2(b), 2(c), 2(d) zeigen Abwandlungsbeispiele der Position der Bestrahlungsfläche. In 2(b) hat die Bestrahlungsfläche 25a in der Längsrichtung und der Abtastrichtung eine größere Größe als die Bestrahlungsfläche 15a. In 2(c) ist die Bestrahlungsfläche 25a auf der Seite der Abtastrichtung der Bestrahlungsfläche 15a angeordnet, ohne die Bestrahlungsfläche 15a zu bedecken oder ohne Überlappen der beiden, und die Kanten der benachbarten Bestrahlungsflächen sind in Kontakt miteinander. In 2(d) ist die Bestrahlungsfläche 25a von der Bestrahlungsfläche 15a getrennt, ohne die Bestrahlungsfläche 15a zu überdecken oder ohne Überlappen der beiden. Beide werden jedoch benachbart zueinander auf dem Substrat abgestrahlt.
  • In 2(e), die einen Bestrahlungszustand außerhalb der vorliegenden Erfindung zeigt, wird das Halbleitersubstrat 30 nur mit dem Pulslaserstrahl 15 bestrahlt und über die Bestrahlungsfläche 15a behandelt.
  • 3(a) zeigt einen Querschnittsaufbau eines Beispiels für einen IGBT vom FS-Typ, der als Behandlungsobjekt in der vorliegenden Erfindung genommen werden kann. Ein mit Bor implantierter p-Basisbereich 33 ist an der Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats 30 gebildet, und ein mit Phosphor implantierter n+-Emitterbereich 34 ist in einem Teil der Oberflächenseite des p-Basisbereichs 33 gebildet. Eine mit Bor implantierte p+-Kollektorschicht 32 ist auf einer Oberflächenschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 30 gebildet. Eine mit Phosphor implantierte n+-Pufferschicht 31 ist in einem Bereich tiefer als die Kollektorschicht 32 so gebildet, dass sie in Kontakt mit der Kollektorschicht 32 ist, und ein n–-Substrat 35 ist auf der Innenseite davon angeordnet. In der Zeichnung ist mit 36 eine Kollektorelektrode bezeichnet, 37 ist eine Emitterelektrode, 38 ist eine Gateoxidschicht und 39 ist eine Gateelektrode.
  • Die oben genannten Halbleiterdotierungsschichten werden aktiviert durch die wiederholte überlappende Bestrahlung mit dem Pulslaserstrahl 15 und dem Nahinfrarotlaserstrahl 25 um dieselbe Zeit von der Rückseite aus vor dem Bilden der Kollektorelektrode 36, wie es in 3(b) gezeigt ist, wodurch die Dotierungsschichten über eine Dicke von 2 μm oder mehr aktiviert werden. Ein Überlappungsverhältnis des Pulslaserstrahls 15 kann wie erforderlich geeignet gewählt werden. In diesem Fall wird die Bewegungsgeschwindigkeit der Basis 4 durch die Bewegungsvorrichtung 3 gesteuert, wodurch der Pulslaserstrahl 15 und der Nahinfrarotlaserstrahl 25 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit das Halbleitersubstrat 30 abtasten können.
  • Es wird nun beschrieben, wie die vorliegende Erfindung die Aktivierung eines beabsichtigten tiefen Bereichs erzielen kann, während sie die aus der Wellenlänge des Pulslasers herrührende Lichtdurchdringungstiefe wirkungsvoll nutzt.
  • In 4 sind die Pulssignalverläufe von Pulslasern in einem herkömmlichen Fall und in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Musterdiagramm gezeigt. Die Anstiegszeit des Pulssignalverlaufs von 10% der Maximalintensität auf 90% ist als tA definiert, und die Abfallzeit von 90% der Maximalintensität auf 10% ist als tB definiert. Der herkömmliche Pulslaser hat einen asymmetrischen Pulssignalverlauf mit einer kurzen Anstiegszeit tA2 und einer langen Abfallzeit tB2. Im Gegensatz dazu hat der Pulslaser in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen asymmetrischen Pulssignalverlauf, der dem herkömmlichen entgegengesetzt ist und eine lange Anstiegszeit tA1 und vorzugsweise eine kurze Abfallzeit tB1 aufweist. Im Vergleich der Anstiegszeit ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Anstiegszeit viel größer ist als in dem herkömmlichen Fall.
  • 5 zeigt konkret die Pulse von zweiten Harmonischen von LD-erregten Festkörperlasern in einem herkömmlichen Fall und in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem herkömmlichen Fall hat der Pulsverlauf eine Anstiegszeit von 42 ns und eine Abfallzeit von 120 ns relativ zu einer Pulsbreite (Halbwertsbreite) von 83 ns.
  • Der Pulsverlauf in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat eine Anstiegszeit von 308 ns und eine Abfallzeit von 92 ns relativ zu einer Pulsbreite (Halbwertsbreite) von 1.200 ns.
  • Der Pulslaser in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat verglichen mit dem in dem herkömmlichen Fall offensichtlich eine sanfte Anstiegszeit und eine lange Pulsdauer.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als Grad der Asymmetrie des Pulsverlaufs die Symmetrie des Pulsverlaufs oder ein Wert als Indikator genommen werden, der durch Dividieren der Anstiegszeit durch die Abfallzeit gewonnen wird. Eine Symmetrie von Pulsverläufen kleiner als 1 bedeutet einen steilen Anstieg und einen langsamen Abfall, während eine Symmetrie von größer als 1 einen langsamen Anstieg und einen steilen Abfall bedeutet. Bei den zweiten Harmonischen von Nd:YLF oder Nd:YAG des herkömmlichen Falls ist die Symmetrie des Pulsverlaufs kleiner als 1. Bei der zweiten Harmonischen des Yb:YAG in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Symmetrie des Pulsverlaufs größer als 2.
  • 6 ist ein Musterdiagramm des Fortschreitens des Waferoberflächentemperaturanstiegs beim Bestrahlen eines Siliziumwafers, d. h. eines Substrats, unter Verwendung der oben genannten Pulslaser. Als Anzeige der Anstiegszeit des Pulsverlaufs der Pulslaser kann die Zeit von der Raumtemperatur aus bis zum Schmelzen eingeführt werden. Bei Verwenden des herkömmlichen Pulslasers steigt die Substrattemperatur stark an und erreicht früh den Schmelzpunkt, während bei Verwendung des Pulslasers einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Anstieg der Substrattemperatur langsam ist und die Zeit bis zum Schmelzpunkt ebenfalls erweitert ist. Bei der Wärmebehandlung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Behandlung durchgeführt werden, ohne dass die Substratoberfläche den Schmelzpunkt erreicht, oder das Schmelzen kann in der Mitte der Behandlung bewirkt werden. Auch in dem Fall, in dem das Schmelzen bewirkt wird, kann die Zeit bis zum Schmelzen verlängert sein, und eine hinreichende Durchdringungstiefe des Laserstrahls kann sichergestellt sein.
  • 7 ist ein Musterdiagramm von Temperaturänderungen der Lichtdurchdringungstiefe in einen Siliziumwafer bei einem herkömmlichen Pulslaser und dem Pulslaser in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Lichtdurchdringungstiefe Lα ist definiert als Inverse des linearen Absorptionskoeffizienten α. Der lineare Absorptionskoeffizient des Siliziumwafers ist abhängig von der Temperatur durch die Gleichung (1) dargestellt. α(T) = α0exp(T/TR) (1) wobei α0 und TR beides Konstanten sind, die von der Wellenlänge abhängen (s. Referenzliteratur 1).
  • Gleichung (1) stimmt in einem Temperaturbereich von 300°K ≤ T ≤ 1.000°K und einem Wellenlängenbereich von λ < 410 nm zufriedenstellend mit den experimentellen Ergebnissen überein. In der Zeichnung stellt Lα(TRM) eine Lichtdurchdringungstiefe bei Raumtemperatur dar, und Lα(Tm) stellt eine Lichtdurchdringungstiefe beim Schmelzpunkt dar.
  • (REFERENZLITERATUR 1)
    • Autoren: G. E. Jellison and F. A. Modine Literaturtitel: Optical functions of silicon between 1.7 and 4.7 eV at elevated temperature Veröffentlichungszeitschrift: Phys. Rev. 327, S. 7466 Veröffentlichungsdatum: 1983
  • Zum Untersuchen der Wirkungen der Anstiegszeit des Lichtverlaufs auf die Lichtdurchdringungstiefe wird ein Zeitdurchschnitt der Lichtdurchdringungstiefe eingeführt. In 7 sind Zeitdurchschnitte Lα1 und Lα2 der Durchdringungstiefe bei der Bestrahlung durch Pulslaser mit gegensätzlichen Anstiegszeiten eines herkömmlichen Falls und einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Zeitdurchschnitt *Lα der Lichtdurchdringungstiefe kann aus jedem in der Zeichnung gezeigten Rechteck berechnet werden, das Rechteck hat dieselbe Fläche wie die, die durch Integrieren der Kurve Lα·t über die Zeit 0 – t1 oder 0 – t2 gewonnen wird. Wenn die Anstiegszeit wie bei dem Pulslaser der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verlängert ist, wird die aus der Kurve Lα·t berechnete Fläche vergrößert, und die durchschnittliche Lichtdurchdringungstiefe steigt verglichen mit dem herkömmlichen Fall mit der kurzen Anstiegszeit. Daher kann eine tiefe Aktivierung wirkungsvoller durchgeführt werden, wenn die Pulsverlaufsanstiegszeit des Pulslasers größer ist.
  • In 8 ist der Zeitverlauf der Bestrahlung mit dem Nahinfrarotlaser gezeigt, der um dieselbe Zeit wie die Bestrahlung mit dem o. g. Pulslaser durchgeführt wird.
  • Auf einer Substratoberfläche, die mit dem Nahinfrarotlaser bestrahlt wird, steigt die Temperatur direkt nach der Bestrahlung allmählich an und geht in einen stationären Zustand über. Bei der Bestrahlung mit dem Pulslaser andererseits steigt die Temperatur entsprechend dem Puls extrem schnell an und fällt entsprechend dem Puls ebenso extrem schnell ab. Die Bestrahlung mit dem Pulslaser wird vorzugsweise durchgeführt, nachdem die Substratoberflächentemperatur durch die Bestrahlung mit dem Nahinfrarotlaser den stationären Zustand erreicht hat. Als Zeitablauf für die Bestrahlung wird beispielsweise vorläufig eine Verzögerungszeit eingestellt, und der Pulslaser wird mit einer Zeitverschiebung entsprechend der Verzögerungszeit nach der Bestrahlung mit dem Nahinfrarotlaserstrahl abgestrahlt. Andererseits kann der Zeitablauf der Bestrahlung geändert werden durch Abtasten mit den kombinierten Laserstrahlen mit einer Positionslücke, so dass die jeweiligen Bestrahlungsflächen sich nicht überlappen.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Nahinfrarotlaser teilweise einen Unterbrechungsabschnitt enthalten, wie es in 9 gezeigt ist, ohne auf Dauerstrich eingeschränkt zu sein.
  • Der Unterbrechungsabschnitt ist vorzugsweise mit derselben Periode wie der Puls des Laserstrahls ausgebildet.
  • Ein Musterdiagramm der Wärmediffusion in der Tiefenrichtung beim Bestrahlen eines Halbleitersubstrats mit dem oben genannten Pulslaser und Nahinfrarotlaserstrahl ist in 10(a) gezeigt.
  • Ein Halbleitersubstrat 30 enthält einen mit Bor implantierten Bereich 32 und einen mit Phosphor implantierten Bereich 31, und ein Temperaturhilfsbereich ist bis zu einer tiefen Position des Halbleitersubstrats 30 gebildet durch Bestrahlen mit dem Nahinfrarotlaserstrahl, der eine größere Lichtdurchdringungstiefe aufweist als der Pulslaser. Beispielsweise kann ein Nahinfrarotlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 808 nm eine Lichtdurchdringungstiefe von etwa 10 μm in der Tiefenrichtung ergeben. Wenn das Halbleitersubstrat in diesem Zustand mit dem Pulslaser bestrahlt wird, wird ein Wärmefluss in die Tiefenrichtung (Z-Achsen-Richtung) erzeugt. Der Temperaturhilfsbereich minimiert den Wärmegradienten, und demzufolge ist der Abfluss von Wärme minimiert, um ein wirkungsvolles Erwärmen des Halbleitersubstrats bis zu einem tiefen Abschnitt zu ermöglichen. In diesem Fall kann die Aktivierung von Dotierstoffen in einem nicht-geschmolzenen Zustand oder in einem Zustand, in dem nur die Oberfläche geschmolzen ist, unter Verringerung des Temperaturanstiegs auf der Nichtbestrahlungsseite des Halbleitersubstrats durch Einstellen der Energiedichte des Pulslasers, der Leistungsdichte des Nahinfrarotlasers oder der Abtastrate durchgeführt werden.
  • 10(b) zeigt einen Zustand, in dem das Halbleitersubstrat 30 nur mit dem Pulslaser bestrahlt wird. In diesem Fall sind die Temperaturgradienten in der Oberflächenrichtung und der Tiefenrichtung groß, und die Abfuhr der Wärme ist erhöht. Daher ist der Erwärmungseffekt in der Tiefenrichtung begrenzt, und die Aktivierung von Dotierstoffen bis zu einer tiefen Position kann auf einem dicken Halbleitersubstrat mit großer Wärmekapazität kaum durchgeführt werden.
  • BEISPIEL 1
  • Es wird nun ein Beispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Als grüner Pulslaser wurden zweite Harmonische eines LD-erregten Festkörperlasers (DPSS) verwendet, und als Pulsoszillationslaserquelle wurde ein LD-erregter Yb:YAG verwendet. Ein Pulslaserstrahl (Wellenlänge 515 nm), der von der Laserquelle ausgegeben und zu einem Halbleitersubstrat hin abgestrahlt wurde, wurde so eingestellt, dass er eine Pulsbreite von 1.200 ns, eine Anstiegszeit von 308 ns, eine Abfallzeit von 92 ns, eine Energiedichte von 8 J/cm2 und eine Pulsfrequenz von 10 kHz aufwies, und das Substrat wurde damit wiederholt direkt von oben überlappend bestrahlt.
  • Andererseits wurde das Substrat kontinuierlich mit einem Nahinfrarotlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 808 nm bestrahlt, der von einer Dauerstrich-Laserquelle erzeugt wurde, mit einer Leistungsdichte von 11,3 kw/cm2 und einem Winkel von 45° zu dem Substrat. Diese Strahlen wurden um dieselbe Zeit herum zu dem Halbleitersubstrat abgestrahlt und durch optische Systeme jeweils so geformt, dass die Größe (kurze Achse 400 μm, lange Achse 560 μm) des Nahinfrarotlaserstrahls größer war als die Größe (kurze Achse 36 μm, lange Achse 300 μm) des Pulslaserstrahls, und so, dass die Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls eine elliptische Strahlfläche auf dem Halbleitersubstrat aufwies, während die Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls eine schlanke elliptische Strahlform aufwies mit einer Größe, so dass der Nahinfrarotlaserstrahl die gesamte Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls bedeckte und sich über sie hinaus erstreckte. Jedes der optischen Systeme enthält eine Langachsenzylinderlinse, eine Kurzachsenzylinderlinse, eine sphärische Linse, einen Reflexionsspiegel und dergleichen und kann die Größen der kurzen Achse und der langen Achse des Strahls durch den Aufbau der zylindrischen Linsen einstellen.
  • Als Halbleitersubstrat wurde ein Siliziumsubstrat mit 725 μm Dicke verwendet, und das Substrat wurde auf dem Behandlungsobjektanbringungstisch auf der Basis angebracht und mit einer Rate von 80 nm/s durch die Bewegungsvorrichtung abgetastet.
  • 11 zeigt jeweils Bestrahlungsflächen 15a, 25a des Pulslaserstrahls 15 und des Nahinfrarotpulslasers 25 auf dem Halbleitersubstrat 30. Die Bestrahlungsfläche 25a hat eine Größe, so dass sie die gesamte Bestrahlungsfläche 15a bedeckt und sich über sie hinaus erstreckt.
  • Das Halbleitersubstrat wurde durch die Bestrahlung mit beiden Laserstrahlen wärmebehandelt, und die Tiefenverteilung der Dotierungskonzentration durch SIMS-Analyse in dem Halbleitersubstrat vor der Wärmebehandlung wurde verglichen mit der Tiefenverteilung der Trägerkonzentration durch SRP-Analyse in dem Halbleitersubstrat nach der Wärmebehandlung, um die Aktivierungstiefe auszuwerten, und die Ergebnisse sind in 12 gezeigt.
  • Wie sich aus 12 ergibt, konnte bei dem Halbleitersubstrat, das der Bestrahlung eines Beispiels der vorliegenden Erfindung unterworfen war, die Aktivierungsbehandlung wirkungsvoll bis zu einer Tiefe über 2 μm hinaus durchgeführt werden trotz seiner Dicke, die so groß wie 725 μm war.
  • Ein Halbleitersubstrat von 150 μm Dicke wurde mit beiden Laserstrahlen unter denselben Bestrahlungsbedingungen wie oben bestrahlt, und die Temperatur auf seiner nicht-bestrahlten Seite wurde gemessen. Als Ergebnis war die Messtemperatur 200°C oder weniger, und es wird aus diesem Ergebnis abgeschätzt, dass die Temperatur auf der nicht-bestrahlten Seite des Halbleitersubstrats mit 725 μm Dicke, das eine große Wärmekapazität aufweist, in dem oben genannten Testbeispiel ebenfalls 200°C oder weniger ist.
  • Andererseits wurde als Vergleichsbeispiel unter Verwendung lediglich desselben Pulslasers wie oben ohne den Nahinfrarotlaser eine Wärmebehandlung an Halbleitersubstraten mit 150 μm Dicke und 725 μm Dicke durchgeführt durch wiederholtes überlappendes Abstrahlen des Pulslasers direkt von oben. Die Tiefenverteilungen der Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats vor der Behandlung durch SIMS und die Tiefenverteilungen der Trägerkonzentration der Halbleitersubstrate nach der Wärmebehandlung durch SRP wurden gemessen, und ihre Ergebnisse sind in 13 gezeigt.
  • In diesem Beispiel konnte, wie aus der Zeichnung hervorgeht, eine Tiefeaktivierung über 2 μm hinaus in dem Halbleitersubstrat 150 μm Dicke erzielt werden, aber nicht in dem dicken Siliziumwafer mit großer Wärmekapazität (725 μm) aufgrund einer unzureichenden Aktivierungstemperatur.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laserannealingvorrichtung
    2
    Behandlungskammer
    3
    Bewegungsvorrichtung
    4
    Basis
    5
    Behandlungsobjektanbringungstisch
    10
    Pulsoszillationslaserquelle
    11
    Dämpfungsglied
    12
    optisches System
    15
    Pulslaserstrahl
    15a
    Bestrahlungsfläche
    20
    Dauerstrichlaserquelle
    21
    Dämpfungsglied
    22
    optisches System
    25
    Nahinfrarotlaserstrahl
    25a
    Bestrahlungsfläche
    30
    Halbleitersubstrat

Claims (20)

  1. Laserannealingvorrichtung zur Wärmebehandlung einer Substratoberfläche mit: einer Pulsoszillationslaserquelle, die einen Pulslaser mit sanfter Anstiegszeit und langer Pulsbreite erzeugt, einer Dauerstrichlaserquelle, die einen Nahinfrarotlaser zur Unterstützung des Annealing erzeugt, einem optischen System zum Formen und Führen jedes Strahls der zwei Typen von Lasern so, dass die Substratoberfläche damit in Kombination bestrahlt wird, und einer Bewegungsvorrichtung, die das Substrat relativ zu den Laserstrahlen bewegt, zum Ermöglichen des Abtastens durch die Bestrahlung mit den zwei Typen von Laserstrahlen.
  2. Laserannealingvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Pulslaserstrahl, der zu dem Substrat hin abgestrahlt wird, einen Pulsverlauf aufweist mit einer Anstiegszeit (der Zeit, in der der Pulsverlauf von 10% der Maximalintensität auf 90% ansteigt) von 160 ns oder mehr.
  3. Laserannealingvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Pulslaserstrahl, der zu dem Substrat hin abgestrahlt wird, einen Pulsverlauf aufweist mit einer Halbwertsbreite von 600 ns oder mehr.
  4. Laserannealingvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das optische System aufgebaut ist zum Formen eines Pulslasers mit großer Pulsbreite, der durch die Pulsoszillationslaserquelle erzeugt wird, in einen asymmetrischen Pulsverlauf, bei dem die Anstiegszeit größer ist als eine Abfallzeit zum Abfallen von 90% der Pulsintensität an einer Schnittposition auf 10% durch Schneiden des Pulslasers in einer Pulsbreitenrichtung.
  5. Laserannealingvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optische System aufgebaut ist zum Abstrahlen des Nahinfrarotlaserstrahls und des Pulslaserstrahls dergestalt, dass die jeweiligen Bestrahlungsflächen der Laserstrahlen auf der Substratoberfläche sich teilweise oder ganz überlappen, oder zum Abstrahlen der Laserstrahlen mit einer Positionslücke ohne Überlappen der jeweiligen Bestrahlungsflächen.
  6. Laserannealingvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das optische System so aufgebaut ist, dass eine Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls auf der Substratoberfläche größer ist als eine Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls.
  7. Laserannealingvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der das optische System so aufgebaut ist, dass ein Teil oder die gesamte Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls zumindest auf einer Abtastrichtungsseite jenseits der Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls liegt.
  8. Laserannealingvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Pulslaserstrahl so eine Energiedichte hat und der Nahinfrarotlaserstrahl so eine Leistungsdichte hat, dass, wenn das Substrat damit bestrahlt wird, eine Wärmebehandlung durchgeführt wird ohne Schmelzen einer Oberflächenschicht des Substrats oder unter Schmelzen nur der Oberflächenschicht.
  9. Laserannealingvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eine Hilfstemperatur durch den Nahinfrarotlaserstrahl durch Steuern einer Leistungsdichte des Nahinfrarotlaserstrahls und der Abtastrate so eingestellt wird, dass sie einen Materialschmelzpunkt der Substratoberfläche nicht überschreitet.
  10. Laserannealingvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Nahinfrarotlaserstrahl, der zu der Substratoberfläche hin abgestrahlt wird, Unterbrechungsabschnitte enthält, in denen eine Leistungsdichte minimiert ist.
  11. Laserannealingverfahren zur Wärmebehandlung einer Substratoberfläche mit: wiederholtem überlappenden Bestrahlen des Substrats mit einem Pulslaserstrahl mit sanfter Anstiegszeit und langer Pulsbreite, der von einer Pulsoszillationslaserquelle erzeugt und geformt wird, und auch kombiniertes Bestrahlen des Substrats, das dem wiederholten überlappenden Bestrahlen unterworfen ist, mit einem Nahinfrarotlaserstrahl, der von einer Dauerstrichlaserquelle erzeugt und geformt wird, und Durchführen einer Wärmebehandlung des Substrats während des Abtastens durch die Laserstrahlen.
  12. Laserannealingverfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der Pulslaserstrahl einen Pulsverlauf aufweist mit einer Anstiegszeit (der Zeit, in der der Pulsverlauf von 10% der Maximalintensität auf 90% ansteigt) von 160 ns oder mehr.
  13. Laserannealingverfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem der Pulslaserstrahl einen Pulsverlauf aufweist mit einer Halbwertsbreite von 600 ns oder mehr.
  14. Laserannealingverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Pulslaserstrahl gewonnen wird durch Schneiden eines Pulses mit großer Pulsbreite in einer Pulsbreitenrichtung, um ihn dadurch in einen asymmetrischen Pulsverlauf zu formen, bei dem die Anstiegszeit größer ist als eine Abfallzeit von 90% der Pulsintensität an der Schnittposition auf 10%.
  15. Laserannealingverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem der Nahinfrarotlaserstrahl und der Pulslaserstrahl so zu dem Substrat abgestrahlt werden, dass die jeweiligen Bestrahlungsflächen sowohl des Nahinfrarotlaserstrahls als auch des Pulslaserstrahls auf der Substratoberfläche sich teilweise oder ganz überlappen, oder mit einer Positionslücke ohne Überlappen der jeweiligen Bestrahlungsflächen abgestrahlt werden.
  16. Laserannealingverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem der Nahinfrarotlaserstrahl und der Pulslaserstrahl so zu dem Substrat abgestrahlt werden, dass eine Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls auf der Substratoberfläche größer ist als eine Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls.
  17. Laserannealingverfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem ein Teil oder die gesamte Bestrahlungsfläche des Nahinfrarotlaserstrahls auf der Substratoberfläche zumindest auf einer Abtastrichtungsseite jenseits der Bestrahlungsfläche des Pulslaserstrahls liegt.
  18. Laserannealingverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem die Bestrahlung mit dem Pulslaserstrahl und dem Nahinfrarotlaserstrahl so durchgeführt wird, dass ein Zustand eingehalten wird, in dem eine Oberflächenschicht des Substrats nicht geschmolzen ist oder nur die Oberflächenschicht geschmolzen ist.
  19. Laserannealingverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem die Bestrahlung mit dem Pulslaserstrahl und dem Nahinfrarotlaserstrahl durchgeführt wird, während ein Temperaturanstieg auf der Rückseite des Substrats, die der Laserbestrahlungsfläche gegenüberliegt, auf 200°C oder weniger verringert wird.
  20. Laserannealingverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem der Nahinfrarotlaserstrahl einen Unterbrechungsabschnitt enthält, in dem eine Leistungsdichte minimiert ist, um eine an das Substrat abgegebene Wärmemenge zu verringern.
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