JP2007507897A - 低濃度ドープシリコン基板のレーザー熱アニール - Google Patents
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Abstract
Description
図1Aは、本発明のLTA装置8の一実施形態をアニールされる基板10とともに示す断面図である。基板10は、上面12と、「ドープされていない(undoped)」、厳密に言うと、通常は非常に浅い領域のみに非常に高いドープレベルを含む非常に小さな接合領域またはデバイスよりも低濃度でドープされた本体(バルク)領域16を有する。参照文字Nは、基板の上面12に対する法線を示す。一実施形態では、基板10はシリコンウエハである。
図2は、波長10.6μmの放射線に対するシリコン基板の吸収長LA(μm)(縦軸)と基板温度TS(℃)のプロットである。また、プロットには、基板温度TSの関数としての滞在時間200μsでの拡散距離LD(μm)も含まれる。吸収長LAは、アニール放射線ビーム20の強度を1/e減衰させるために必要な厚みである。熱拡散距離LDは、瞬間的な表面温度の上昇が所定の滞在時間後に材料中に伝播する深さである。LA及びLDは、600℃以下の温度TSでは60μm以下のほぼ同じ値を有する。
図1Aを再び参照すると、一実施形態では、チャック28は熱伝導性であり、コントローラー32に接続され、コントローラー32によって制御される電源52に接続された加熱要素50を含む。熱絶縁層53がチャック28の底部と側面を取り囲み、ステージが不必要に加熱され、チャックから熱が失われることを防いでいる。
図1Bを参照すると、別の実施形態では、装置8は、基板10とチャック28、または基板、チャック、ステージMSを取り囲む大きさを有する内部領域82を備えた加熱エンクロージャ80(例えば、オーブン)を含む。エンクロージャ80は、電源52に接続された追加の加熱要素50を(好ましくはチャック28に含まれている加熱要素に加えて)含む。電源52はコントローラー32に接続されている。一実施形態では、エンクロージャ80は、アニール放射線ビーム20を基板10の表面12に到達させる窓または開口84を含む。図1Aに関連して上述した熱絶縁層53が、好ましくはチャック28の側面と底部に設けられ、チャックからステージへの不必要な熱の損失を防いでいる。
図1Cを参照すると、別の実施形態では、装置8は、光軸A2に沿って設けられた予熱放射線源142とリレーレンズ143とを有する予熱光学リレー系140を含む。予熱放射線源142は、リレーレンズ145に照射される放射線147を放射し、リレーレンズ145からの予熱放射線ビーム150は、アニール放射線ビームによって加熱される直前に基板を予熱するために使用される。放射線147は、シリコンによって100μm以下の深さで容易に(実質的に)吸収される波長を有する。一実施形態では、予熱放射線源142は、0.8μm(800nm)または0.78μm(780nm)の波長を有する予熱放射線147を放射するレーザーダイオードアレイである。リレーレンズ143の実施形態を以下に説明する。予熱放射線源142とリレーレンズ143とは、図1Aに示し、図1Cでは説明を簡略化するために省略されているモニターM1,M2およびステージ駆動部29とともにコントローラー32に動作的に接続されている。
図5は、放射線の入射パワーPI(W/cm)の関数としての、高濃度ドープされたシリコン基板に10.6μmの放射線を照射することによって形成された最高基板温度TMAX(℃)のプロットである。このデータを導出するために、2次元有限要素シミュレーションプログラムを使用した。シミュレーションでは、無限に長いアニール放射線ビームを想定した。従って、ビームパワーはW/cm2ではなくW/cmで測定される。また、シミュレーションでは、アニール放射線ビーム20が120μmの全幅半値(FWHM)を有するガウス形ビームプロファイルを有し、基板の上面12を600mm/秒の速度で走査され、200μsの滞在時間(dwell time)を生じるものと想定した。ここで、「滞在時間」は、アニール放射線ビーム20によって形成された像30が基板の表面12の特定のポイント上にある時間の長さである。この場合、プロットは、入射パワーPIと最高基板温度TMAXの間のほぼ直線的な関係を示している。この2次元モデルは無限に長いアニール放射線ビーム20を想定しているため、線像30の端部におけるさらなるエネルギー損失は全くなかった。有限ビーム長ではビームの端部において追加の熱損矢が生じ、従って所与の入射パワーレベルPIに対する最高温度は低くなる。
実際には、アニール放射線ビーム20の基板10への効率的な結合を達成するために必要な予熱放射線ビーム150の最小パワーを決定することは簡単である。一実施形態では、吸収性基板をアニールするために十分なパワーレベルに設定されたアニール放射線ビームを使用する場合、室温ではアニール放射線ビーム20の波長を実質的に吸収しない基板に予熱放射線ビーム150とアニール放射線ビーム20を照射する。予熱放射線ビーム150のパワーレベルは、基板内でアニール温度が検出されるまで増加させる。これは、例えば、図1Aに示される温度モニターM2で基板温度を測定することによって行うことができる。
図8A及び図8Bは、光学リレー系140の一実施形態と基板10の断面図である。図8AはY−Z平面の図であり、図8BはX−Z平面の図である。図8A及び図8Bにおいて、リレーはページに収まるように2つの部分に分割され、表面S13,S14を有するレンズ素子が双方の部分に示されている。
上述したように、一実施形態では、予熱放射線ビーム150によって形成される像160は基板10上を走査される。また、アニール放射線ビーム20によって形成される像30も、予熱放射線ビームによって予熱された基板の部分に入射するように基板上を走査される。
Claims (35)
- 表面を有する基板のレーザー熱アニールを行うための装置であって、
室温で前記基板に実質的に吸収されない波長を有する連続したアニール放射線を生成することができるレーザーと、
前記アニール放射線を受け、前記基板の表面上で走査される第1の像を前記基板の前記表面において形成するアニール放射線ビームを形成するアニール光学系と、
前記基板の少なくとも一部を、前記一部に入射した前記アニール放射線ビームが走査時に前記一部において前記基板の前記表面近傍で実質的に吸収されるように、臨界温度に加熱するための加熱装置と、
を含むことを特徴とする装置。 - 請求項1において、
前記アニール放射線ビームが1μmよりも長い波長を有する装置。 - 請求項1において、
前記基板が、前記アニール放射線ビームと相対的に前記基板を移動させることによって前記走査を行う可動ステージによって支持される装置。 - 請求項1において、
前記アニール放射線が10.6μmの波長を有する装置。 - 請求項1において、
前記基板がドープされていないシリコンまたは低濃度ドープされたシリコンである装置。 - 請求項1において、
前記アニール放射線によって形成される前記第1の像が線像である装置。 - 請求項1において、
前記加熱装置が、前記基板を支持し、前記基板を前記臨界温度に加熱する加熱チャックを含む装置。 - 請求項7において、
前記加熱装置が、前記基板から放射された熱を前記基板に対して反射する熱シールドをさらに含む装置。 - 請求項1において、
前記加熱装置が、前記基板を取り囲み、前記基板を前記臨界温度に加熱する加熱エンクロージャをさらに含む装置。 - 請求項1において、
前記加熱装置が、
予熱放射線を放射する予熱放射線源と、
前記予熱放射線を受け、前記基板において第2の像を形成する予熱放射線ビームを形成するリレーレンズと、
を含み、
前記第2の像が、前記基板の前記表面上で走査され、前記走査された第1の像の前方または前記走査された第1の像と部分的に重なる前記基板の部分を予熱し、
前記予熱放射線が、室温で前記基板に実質的に吸収される波長を有する装置。 - 請求項10において、
前記第2の像が線像である装置。 - 請求項10において、
前記予熱放射線ビームが780nmまたは800nmの波長を有する装置。 - 請求項10において、
前記リレーレンズが、前記予熱放射線ビームが法線入射で前記基板に入射するように配置され、
偏光子と、
1/4波長板と、
をさらに含み、
前記偏光子と前記1/4波長板が前記予熱放射線ビーム内に配置され、前記基板によって反射され、前記予熱放射線源に戻る予熱放射線の量を減少させる装置。 - 請求項10において、
偏光子とファラデー回転子が前記予熱放射線ビーム内に配置され、予熱放射線ビームが前記予熱放射線源に戻ることを実質的に防ぐ装置。 - 請求項10において、
前記予熱放射線源がレーザーダイオードのアレイであり、
前記リレーレンズがアナモルフィックであって、前記基板における前記レーザーダイオードのアレイの線像として前記第2の像を形成する装置。 - 請求項10において、
前記リレーレンズが、前記第2の像の焦点を維持するために調節することができる要素を含む装置。 - 請求項1において、
前記基板を支持するチャックと、
前記チャックを支持する可動ステージと、
前記可動ステージに動作的に接続され、前記ステージを選択的に移動させて前記基板を選択的に移動させることによって、前記走査を行うステージ駆動部と、
をさらに含む装置。 - 基板をレーザー熱アニールする方法であって、
室温で前記基板に実質的に吸収されない波長を有するレーザーからのアニール放射線ビームを供給すること、
加熱部分で前記アニール放射線ビームが前記基板の表面近傍で実質的に吸収されるように前記基板の少なくとも一部を臨界温度に加熱すること、
前記基板の前記加熱部分上において前記アニール放射線ビームを走査することによって自己持続アニール条件を開始させること、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項18において、
前記基板は、ドープされていないシリコン基板または低濃度ドープされたシリコン基板である方法。 - 請求項18において、
前記加熱することは、前記基板を支持する加熱チャックを介して前記基板に熱を供給することを含む方法。 - 請求項20において、
前記基板から放射された熱を前記基板に対して反射することを含む方法。 - 請求項18において、
前記加熱することは、前記基板を取り囲む加熱エンクロージャを介して前記基板に熱を供給することを含む方法。 - 請求項18において、
前記加熱することは、室温で前記基板に実質的に吸収される波長を有する予熱放射線ビームを前記基板の前記一部に照射することを含む方法。 - 請求項23において、
前記予熱放射線ビームは、780nmまたは800nmの波長を有する方法。 - 請求項23において、
ダイオードレーザーのアレイを使用して前記予熱放射線ビームを発生させることを含む方法。 - 請求項23において、
前記アニール放射線ビームが前記基板において第1の像を形成し、前記予熱放射線ビームが前記基板において前記第1の像の前方または前記第1の像と部分的に重なる位置に第2の像を形成し、前記第1及び第2の像を基板上で走査する方法。 - 請求項26において、
前記第2の像を走査時に前記第1の像の前方または前記第1の像と部分的に重なる位置に維持する方法。 - 請求項18において、
前記アニール放射線ビームが1μmよりも長い波長を有する方法。 - 請求項28において、
前記アニール放射線ビームが10.6μmの波長を有する方法。 - 請求項23において、
i)自己持続アニール条件を開始させるために前記予熱放射線ビームによって生成される臨界温度及びii)前記自己持続アニール条件を開始させるために必要な前記予熱放射線ビームにおける最小パワーの少なくとも一方を、1組の試験基板に選択された強度を有する対応する1組のアニール放射線ビーム及び1組の予熱放射線ビームを照射することによって経験的に決定することを含む方法。 - 請求項18において、
前記臨界温度が360℃以上である方法。 - 請求項26において、
前記走査を、ラスタパターン、牛耕式パターン、スパイラルパターンを含むパターン群から選択されるパターンで行う方法。 - 請求項26において、
前記走査を、前記基板を支持するチャックを支持する可動基板ステージを選択的に移動させることによって行う方法。 - 請求項23において、
前記予熱放射線ビームがパワーレベルを有し、
前記パワーレベルを、吸収性基板をアニールするために十分なパワーを有するアニール放射線ビームの下で前記基板を走査し、
前記基板の表面上でアニール温度に達するまで前記予熱放射線ビームのパワーレべルを上昇させ、
少なくとも到達した前記アニール温度をもたらすパワーレベルに前記パワーレベルを設定することによって設定する方法。 - 温度を有する基板をレーザー熱アニールする方法であって、
室温で前記基板に実質的に吸収されない波長を有するレーザーからのアニール放射線ビームを供給すること、
室温で前記基板に実質的に吸収される波長を有する走査予熱放射線ビームを前記基板の一部に照射し、加熱部分で前記アニール放射線ビームが前記基板の表面近傍で実質的に吸収されるように前記基板の前記温度を臨界温度に上昇させること、
前記予熱放射線ビームの後方または前記予熱放射線ビームと部分的に重なる位置において前記アニール放射線ビームを走査することによって自己持続アニール条件を開始させること、
を含むこと特徴とする方法。
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