JP2008537334A - ２波長熱流束レーザアニール - Google Patents

Abstract

第１のレーザソース（４０）、例えば、１０．６μｍで放出するＣＯ_２レーザが、ラインビーム（４８）としてシリコンウェーハ（２０）上に集束され、第２のレーザソース（２６）、例えば、８０８ｎｍで放出するＧａＡｓレーザバーが、該ラインビームを取り囲むより大きなビーム（３４）として該ウェーハ上に集束される熱処理装置及び方法。該２つのビームは、該ラインビームの狭い寸法方向に同期して走査され（２４、２２）、該より大きなビームによって活性化されたときに、該ラインビームから狭い加熱パルスを生じさせる。ＧａＡｓ放射のエネルギは、シリコンバンドギャップエネルギよりも大きく、自由キャリアを生じさせる。ＣＯ_２放射のエネルギは、シリコンバンドギャップエネルギよりも小さいため、シリコンは、そうでなければ該放射に対して透過性であるが、長い波長の放射は、自由キャリアによって吸収される。
【選択図】 図５

Description

発明の分野

本発明は、一般的に、半導体基板の熱処理に関する。具体的には、本発明は、ラインビームが、基板全域にわたって走査される、半導体基板のレーザ熱処理に関する。

半導体集積回路の製造は、長い間、シリコンウェーハ又は他の半導体ウェーハを熱処理する多くのステップを必要としてきた。ウェーハは、６００℃を優に上回る温度まで上昇させて、プロセスを熱的に活性化させる必要がある。このようなプロセスは、限定するものではないが、特に、化学気相堆積、シリサイド化、酸化又は窒化、注入アニール及びドーパント活性化を含むことができる。これらのプロセスのうちの幾つかは、１０００℃、１２００℃、あるいは、シリコンの融点１４１６℃に比較的近い１３５０℃を上回る温度を必要とする可能性がある。

このような熱処理は、もともとは、固定物内に支持された多数のウェーハを典型的には含有する炉内で行われていた。電力が、炉壁内の抵抗性加熱素子に印加されて、該加熱素子が、所望の処理温度に近い温度まで加熱される。ウェーハは、最終的には、該炉壁の温度と実質的に等しい温度になると推測される。昇温された温度における所望時間の熱処理の後は、抵抗ヒータには電力は印加されず、その結果、該壁は徐々に冷却され、ウェーハも同様に冷却される。加熱速度及び冷却速度は共に比較的遅く、所要の熱処理時間を比較的短くすることができたとしても、約１５℃／分である。昇温時の、このような長い期間は、熱処理に必要な熱量をかなり増加させる。進化した集積回路における微細な形状構成及び薄い層は、熱量を低減することを必要とする。

急速加熱処理（ＲＴＰ）は、冷却速度及び加熱速度を向上させるように開発されてきた。ＲＴＰチャンバは、典型的には、単一のウェーハに方向付けられた非常に多くの高輝度ハロゲンランプを含有する。該ランプは、その最高フィラメント温度にすぐに達して、該チャンバ自体はあまり加熱することなく、該ウェーハをすぐに加熱することができる。該ランプが消されると、該ランプの最高温度の部分は、比較的小さな塊を構築し、そこはすぐに冷却することができる。該ＲＴＰチャンバの壁は、非常に高い温度まで加熱されない。その結果として、該ウェーハは、適度な高冷却速度で放射冷却することができる。典型的なＲＴＰ加熱速度は、約２５０℃／秒であり、典型的なＲＴＰ冷却速度は、約９０℃／／秒であり、それによって、熱量が劇的に低減される。スパイクアニーリングと呼ばれる技術においては、最高温度において、本質的にソーク時間がない。その代わりに、温度上昇のすぐ後に温度下降が続く。多くの場合において、このランプレートは、最大化すべきである。

しかし、ＲＴＰ及びスパイクアニーリングの冷却速度及び加熱速度は、共に緻密な熱制御を必要とする、超狭小の形状構成及び浅い階段接合を有する進化したデバイスにとっては、不十分になってきている。炉及びＲＴＰチャンバは共に、ウェーハ全体を、所要の処理温度に加熱する。実際には、ウェーハ表面の上部数ミクロン内の材料のみが、熱処理を必要とする。さらに、ＲＴＰの全体的な熱照射パターンは、放射熱伝達及び伝導性熱伝達の両方による、ウェーハ全体のアニーリング温度からの冷却を要する。放射冷却は、該ウェーハが冷却されるにつれて、効果が小さくなる。

パルスレーザ熱処理は、加熱速度及び冷却速度を劇的に向上させるように開発されてきた。短パルス（約２０ｎｓ）のレーザ放射の焦点は、理想的には、２０ｍｍ×３０ｍｍ程度の光学ステッパフィールドと同じサイズの、該ウェーハの縮小されたエリアに合わせられる。該レーザパルスの総エネルギは、該照射エリアの表面を急速に高温まで加熱するのに十分である。その後、浅いレーザパルスによって生成された小容量の熱は、該ウェーハの加熱されていない下方部分へすぐに拡散し、それにより、照射された表面領域の冷却速度を大幅に向上させる。何種類かの高出力レーザは、秒当たり何百パルスという反復速度でパルス化することができる。該レーザは、ウェーハの表面上をステップアンドリピートパターンで移動され、隣接するエリアでパルス化されて、該ウェーハ表面の全体を同様に熱的に処理する。

しかし、パルスレーザ熱処理は、パターン化された表面に対する短く、強力な放射パルスからある程度生じる均一性の問題を呈する。走査とパルスは、注意深く位置合わせする必要があり、放射プロファイル及び横方向熱拡散パターンは共に平坦ではない。該放射パルスは短いため、少しの吸収の差が、大きな温度差を生じることになる。構造の一部が溶解する可能性がある一方で、別の部分では、ミクロンアウェイがわずかに加熱される。この問題に対処するため、長い寸法及び短い寸法を有する、連続波（ＣＷ）レーザ放射から構成される狭ラインビームが、ウェーハ上で、該短い寸法に沿った方向に、すなわち、該ラインと垂直に走査される、新たな種類のレーザ熱処理機器が開発されている。ライン幅は十分に小さく、走査速度は十分に高速であるため、放射の走査ラインは、表面において、非常に短い熱パルスを発生させ、これは、その後、基板内の垂直方向下方に、及びより低温の表面領域に水平にすぐに拡散する。該プロセスは、熱流束アニーリングと呼んでもよい。

３種類のアニーリングを、熱力学的に区別することができる。ＲＴＰ及び熱アニーリングは、ウェーハの全ての領域が、所与の時間において、本質的に同じ温度である等温プロセスである。パルスレーザアニーリングは、断熱的である。放射パルスは、熱がかなり拡散し得る前に終了する。熱流束アニーリングは、等温ＲＴＰプロセスよりも速いが、断熱的パルスプロセスよりは遅い。熱は、従来の電子材料中で、５〜１００μｍの熱拡散長、すなわち、集積回路パターニングの規模の何らかの熱的均一化を可能にする長さを有する。

Ｍａｒｋｌｅら（以後、Ｍａｒｋｌｅ）は、米国特許第６，５３１，６８１号において、このようなリニア走査熱処理システムの反射光学部品バージョンを開示している。Ｊｅｎｎｉｎｇｓら（以後、Ｊｅｎｎｉｎｇｓ）は、米国特許出願公開第２００３／０１９６９９６号において、反射光学部品バージョンを開示しているが、ＭａｒｋｌｅとＪｅｎｎｉｎｇｓの間には、他のかなりの違いがある。幾つかの実施形態において、Ｊｅｎｎｉｎｇｓの熱装置は、１００μｍ未満のビームライン幅を用いて、１０^６℃／秒のランプレートを実現することができる。

しかし、Ｍａｒｋｌｅ及びＪｅｎｎｉｎｇｓは共に、レーザ放射を発生させるために、ビームの長手方向に沿って並んだレーザダイオードバーを好ましく用いている。それらのレーザダイオードバーは、典型的には、ＧａＡｓ又は同様の半導体材料で構成されており、光電子チップの同じ層内に形成された多数のダイオードレーザで構成されている。Ｍａｒｋｌｅによって好ましく使用されたＧａＡｓレーザバーは、シリコンに良好に結合する約８０８ｎｍの波長で、近赤外線放射を放出する。図１のエネルギバンド図に示すように、ほとんどの半導体のような半伝導性シリコンは、Ｅ_ｖよりも低いエネルギを伴う電子状態の価電子帯１０と、Ｅ_ｃよりも高いエネルギにおける電子状態の伝導帯１２とを有する。シリコンはそうではないが、効果はほぼ同じである直接遷移半導体においては、エネルギＥ_ｇのバンドギャップ１４が、価電子帯１０と伝導帯１２を分離している。アンドープシリコンにおいては、バンドギャップ１４には、電子状態は存在しない。シリコンの場合、Ｅ_ｇ＝１．１２ｅＶであり、これは、周知の光子の式
Ｅ＝ｈｃ／λ’
に従って、１１１０ｎｍの光波長λ_ｇに相当し、ここで、ｈはプランク定数であり、ｃは光の速度である。シリコン等の間接遷移半導体における絶対零度において、価電子帯１０は完全に満たされており、価電子帯１２は完全に空である。

このような半導体を通過する光子エネルギＥ_ｐを有する光は、その光子エネルギが、バンドギャップ
Ｅ_ｐ≧Ｅ_ｇ
である場合にのみ、電子と相互に作用することになり、その結果、光子は、自由キャリアである価電子帯１０内の電子を伝導帯１２に励起し得る。該電子が一旦、該伝導帯に入ると、すぐに半導体本体を熱運動化及び加熱する。

状態は、シリコンが、熱エネルギが電子を価電子帯１０から伝導帯１２へ励起して、価電子帯１０のホール（空き電子状態）を離れて、伝導帯１２内に電子を残し、そのどちらも自由キャリアである、高温に加熱されたときに変化する。より低いエネルギの光子は、価電子を、価電子帯１０内のホールに励起することができ、又は、伝導電子を、伝導帯１２内の一般的に空状態に熱的に励起することができる。しかし、この効果は、約８００℃を下回り一般的に小さい。別の効果は、半導体が、バンドギャップ内であるが、伝導帯１２に近い電子状態を発生させるｎ型ドーパントによって、又は、価電子帯１０に近いホール状態１８を発生させるｐ型ドーパントによってドープされた場合に生じる。これらのドーパント状態は、適度の温度において、電子状態１６を伝導帯１２に、又はホール状態を価電子帯１０に励起する（これは、価電子をホール状態１８に励起すると代替的に視覚化することができる）のに十分であるため、半導体の動作にとって重要である。より低いエネルギの光子は、そのように励起されたドーパント状態と相互に作用することができる。例えば、入射放射の吸収を生じるバンド内遷移は、価電子帯１０内又は伝導帯１２内の２つの自由キャリア状態間で起きる可能性がある。しかし、この効果によって提供される吸収は、約１０^１８ｃｍ^−３のドーピングレベルを下回り比較的小さく、半導体デバイスにおける平均的ドーピングレベルよりもはるかに高い。どのような場合でも、レーザ吸収は、自由キャリア間のバンド内吸収を伴う状態と同様に、温度、及び照射エリアのドーピングレベルに決定的に依存すべきではない。レーザ加熱の場合、温度及びドーピングレベルが、それに対して深刻な影響を有する自由キャリアを必要とするバンド内吸収に頼るよりも、バンド内遷移に頼ることが好ましい。

そのため、シリコンを急速に加熱するレーザ放射は、ＧａＡｓダイオードレーザによって容易に提供される実質的に１１１０ｎｍ未満の波長を有しなくてはならない。しかし、ダイオードレーザには、幾つかの欠点がある。レーザバーは、その出力を、その長さ方向に沿って均一なビームにする際に問題を生じる。レーザバーからの放射は、間にギャップを伴って該バーの長さ方向に沿って離間された多数のダイオードレーザから別々に出力される。すなわち、レーザ源における線形均一性は良好ではなく、ホモジナイザによって改善する必要がある。ホモジナイザのための技術が利用可能であるが、それを高輝度ビームに適用すると、エンジニアリング及び作動上の問題が呈される。さらなる問題は、８０８ｎｍにおけるレーザバー放射が、シリコンにおいて、例えば、インプラント硬化及びドーパント活性化を必要とする浅いソース及びドレインインプラント等の、アニーリングを必要とするシリコン層の深さよりも大きい可能性のある約８００ｎｍの吸収深さを有するということである。

Ｔａｌｗａｒら（以後、Ｔａｌｗａｒ）の米国特許第６，７４７，２４５号は、二酸化炭素（ＣＯ_２）レーザからの放射を用いて、レーザ熱処理のためのラインビームを発生させることを提案している。ＣＯ_２レーザは、ダイオードレーザ（４０〜５０％）よりも低い効率（１０〜１５％）を有するが、良好に視準が合わされた（非発散性）一般的に円形のビームをより容易に発生させることができる。しかし、本発明者らは、約１０．６μｍの波長を有するＣＯ_２放射は、１０．６μｍの波長が、１．１１μｍのシリコンバンドギャップ波長よりもかなり大きいため、レーザ放射の唯一のソースとして効果的でないと考える。その結果として、非ドープ又は低温のシリコンは、ＣＯ_２放射に対して実質的に透過的であり、ＣＯ_２放射は、シリコンウェーハに、すなわち、事実上、進化したマイクロプロセッサの処理に所望されるその浅い表面領域内に有効に吸収されない。Ｍａｒｋｌｅによって開示されてはいないが、ＣＯ_２放射の吸収は、シリコンを、非常に高い温度に加熱することにより、又は高濃度ドーピングに頼ることにより、あるいはこれらの組合せによって、高めることができる。しかし、その加熱装置は、レーザ熱処理装置を複雑にし、ドーピングレベルを、半導体製造において自由に制御することができず、また、部分的に現像された集積回路に対して変えることができない。

Ｂｏｙｄら（以後、Ｂｏｙｄ）は、「Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．５５，ｎｏ．８（１９８４年４月１５日、３０６１〜３０６３頁）において、２波長熱処理技術を開示している。Ｂｏｙｄは、１０．６μｍ放射の量子エネルギが、シリコンバンドギャップよりも２桁小さいことを強調している。その結果として、シリコンは、ＣＯ_２放射に対して、本質的に透過的である。高濃度ドープシリコンの場合でも、吸収係数は、１００ｃｍ^−１未満であり、表面レーザ熱処理にとっては小さすぎる値である。その代わりに、Ｂｏｙｄは、シリコンを予め加熱すること、又は、より好ましくは、バンドギャップよりも大きなエネルギを有するＣＷアルゴンレーザからの５００ｎｍ放射で該シリコンを照射して、該シリコンにおける自由キャリア密度を増加させ、ＣＯ_２放射の吸収を促進することを提案している。Ｂｏｙｄは、そのビームの空間的広がりに対処しておらず、不十分な空間定義、すなわち、進化したレーザ熱処理にとって重要な問題を認めている。

発明の概要

ウェーハ上に形成された半導体集積回路の熱処理に特に有用な熱処理装置は、例えば、１．０μｍ未満の短い波長で放出する第１のレーザソースと、例えば、１．２μｍより多い、好ましくは、５μｍより多い、最も好ましくは、１０．６μｍに近い波長のＣＯ_２レーザ放射の長い波長で放出する第２のレーザソースとを含む。該第２のソースからの加熱ビームは、例えば、わずか０．１ｍｍの幅と、少なくとも１ｍｍの長さを有する比較的に狭いラインビームでウェーハ上に投影される。該第１の活性化ビームは、該第２のソースからのラインビームを取り囲む比較的に大きなビームでウェーハ上に投影される。これら２つのビームは、該ウェーハのムーブメント又は該光学部品のムーブメントのいずれかによって、同期して、該ラインビームの狭い寸法の方向に走査される。

本発明の別の態様は、光ビームの不均一性又はスペックルを除去するのに、又は、物理的走査方向と垂直に狭ビームを走査して、ラインパターンの放射を生じさせるのに用いることができる音響光学変調器を含む。

加熱ビームは、約４０°のオフノーマルでサンプルを有効に放射することができる。

本発明の別の態様は、均質のラインビームを形成するのに用いられる光学部品を含む。１軸ライトパイプをこの目的のために用いることができる。

ＣＣＤアレイは、照射される付近を熱的に撮像することができる。

活性化光の波長は、基板を加熱する深さを制御するように選択することができる。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明の一実施形態の単純化した描写が、図２の立面図に概略的に図示されている。ウェーハ２０又は他の基板は、システムコントローラ２４の制御下で、１又は２方向にモータ駆動されるステージ２２上に保持される。ＧａＡｓレーザバー等の短波長レーザ２６は、約１．１１μｍのシリコンバンドギャップ波長よりも短い波長で、可視又は近可視連続波（ＣＷ）ビーム２８を放出する。ＧａＡｓレーザ２６の場合、放出波長は、典型的には、約８１０ｎｍであり、これは、赤外線であると特徴付けることができる。第１の光学部品３０は、ビーム２８を集束し、及び該ビーム２８を成形し、リフレクタ３２は、ビーム２８をウェーハ２０の方へ方向を変え、図３の平面図にも図示されている比較的幅広の活性化ビーム３４にする。活性化ビーム３４は、ウェーハの法線に対して、小さい角度、例えば、１５°傾斜させて、ＧａＡｓレーザ２６へ戻る反射を防ぐことができる。このような反射する放射は、ダイオードレーザの寿命を短くする可能性がある。長波長レーザ４０、好ましくは、ＣＯ_２レーザは、１．１１μｍのシリコンバンドギャップ波長よりも長い波長で、赤外線ＣＷビーム４２を放出する。好ましいＣＯ_２レーザの場合、放出波長は、約１０．６μｍである。第２の光学部品４４は、ＣＯ_２ビーム４２を集束し、好ましくは、該ビームを成形し、第２のリフレクタ４６は、ＣＯ_２ビーム４２を比較的狭い加熱ビーム４８にして反射する。好ましくは、ＣＯ_２加熱ビーム４８は、加熱ビーム４８とウェーハ２０の結合を最大化するために、ウェーハの法線に対して、シリコンの場合、約７２°であるブルースター角で傾斜される。ブルースター角での入射は、ウェーハ２０内の屈折ビームと、何らかの反射ビームとの間には、９０°の角度があるということから生じる反射放射がないため、ｐ偏光放射、すなわち、ウェーハ２０の表面に沿って偏光した放射の場合、最も有効である。そのため、ｓ偏光は、有利には、ＣＯ_２ビーム１８中のｐ偏光より抑制される。しかし、実験では、ウェーハの法線から４０°（±１０°）に中心がある２０°円錐状放射が、ブルースター角に中心がある円錐によって実現される２．０％にほぼ近い多数のパターンに対して約３．５％の吸収変動性をもたらすことを示している。

図３に示すように、長波長（ＣＯ_２）加熱ビーム４８は、より大きな、短波長（可視）活性化ビーム３４内に位置され、好ましくは、該活性化ビーム上に中心がある。ビーム３４、４８は共に、ステージ２２が、レーザ２６、４０と、光学要素３０、３２、４４、４６を備える光源５０に対して、ウェーハ２０を移動させる際に、ウェーハ２０を横切って同期走査される。この同期は、活性化ビーム３４が、加熱ビーム４８内にある限り、正確である必要はないことは理解されよう。アクチュエータ５２が、コントローラ２４からの信号に従って、ウェーハ１０の表面に平行な１方向又は２方向に、光源５０の全て又は一部を動かす間、ウェーハ１０が静止保持されることが、代替的に可能である。

ウェーハ２０上でのビーム形状は、赤外線加熱ビーム４８及び可視活性化ビーム３４の両方の場合に、実質的に矩形又は少なくとも扁平な楕円形である。図示されているビーム形状は、概略的であり、また、該ビームは、実際には、図示された形状を超えて伸びる限定された尾部を有するため、中心強度のある一部の割合を示すことは理解されよう。さらに、赤外線ビーム４８は、ビーム３４、４８が共に、ウェーハ２０に対して同時に動かされるため、好ましくは、ほぼ、より大きな可視ビーム３４上に中心がある。

一般的効果は、シリコン内で急激に減衰する大きい方の可視ビーム３４が、該ウェーハ表面に一般的に近い、やや大きな領域内に自由キャリアを生成するということである。そうでなければ照射されないシリコンによって吸収されない小さい方の赤外線ビーム４８は、可視ビーム３４によって生成された自由キャリアと相互に作用し、その長波長放射は、有効に吸収されて熱に変換され、それによって、赤外線ビーム４８のエリア内の温度をすぐに上昇させる。

温度のランプレート及び走査速度は、主として、小さな赤外線ビーム４８のサイズによって決まり、一方、大きい方の可視ビーム３４は、小さい赤外線ビーム４８を包囲しなければならない。走査方向における小さい加熱ビーム４８の幅は、該温度ランプレートをある程度決め、ほとんどの用途において、最小化される。走査方向に垂直な、小さい加熱ビーム４８の長さは、該ウェーハのかなりの割合を超えて伸びるように、及びそれによって１回の通過で、かなりの割合をアニールするように十分に大きくなければならない。典型的には、該ラインビームの長さは、少なくとも、その幅の１０倍である。最適には、該長さは、該ウェーハの直径に等しいか、又は、該直径をわずかに超える。しかし、工業的に実現可能な用途の場合、該長さは、ミリメータ程度とすることができる。該ウェーハ上の小さい加熱ビーム４８の例示的サイズは、０．１ｍｍ×１ｍｍであるが、他のサイズを用いてもよい。より小さな幅、例えば、５００μｍ未満又は１７５μｍ未満が、一般的により望ましい。大きい方の活性化ビーム３４は、寸法の例示的なセットにおいて、走査方向に約１ｍｍ、及び垂直方向に数ミリメートル伸びるように、例えば、１ｍｍだけ加熱ビーム４８よりも大きくすることができる。

これらの２波長は、可視放射が吸収される表面領域に、より多くの赤外線吸収が集中するという結果を発生させる。該表面領域の深さは、ＣＯ_２放射単独の吸収長よりもかなり小さい。シリコン中の可視放射の室温減衰深さは、可視スペクトルにおいて、波長が低下するのにつれて急激に低下し、例えば、８００ｎｍの場合、約１０μｍ、６００ｎｍの場合、３μｍ、及び５００ｎｍの場合、約１μｍになる。従って、該ウェーハ表面に非常に近い部分のみに自由キャリアを生成して、加熱を該表面近くに限定するのには、より短い活性化波長が有利である。そのため、幾つかの用途の場合、緑色として特徴付けることができる周波数逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの５３２ｎｍ放射等のより短い活性化波長が望ましい。

より短い波長を有する単一のビーム照射のためのＭａｒｋｌｅ又はＪｅｎｎｉｎｇｓの装置を部分的に変更することが可能であるが、それらのより短い波長を用いて、特にダイオードレーザから高出力を得ることは難しい。対照的に、２重ビームの場合、短波長放射は、自由キャリアを生成し、それによって長波長放射の吸収を活性化することのみに用いられ、それによって高出力化する必要がない。

赤外線吸収は、より短い波長のレーザによって該ウェーハの表面に生成されている自由キャリアによって支配されることが好ましい。このことは、１０．６ミクロン放射に、より短い波長のレーザと同じ吸収長を有効に与える。また、より短い波長の放射は、光学干渉効果が、該ウェーハ内への該より短い波長の透過を低減する場合でも、赤外線吸収が飽和するように、相当な数の自由キャリアを生じさせる。光学干渉効果は、今日、半導体産業において用いられている特定の膜積層体の場合、該ウェーハに許容される出力を８０％も低減することができる。このことは、より短い波長のレーザの出力の２０％のみが、該ウェーハ内を実際に伝播した場合に、赤外線自由キャリア吸収効果が飽和することを必要とする。より短い波長のレーザの出力密度は、この飽和値の少なくとも５倍でなければならないが、基板の直接加熱にはっきり寄与するほど高くすべきでもない。本発明の場合、より短い波長の放射の出力密度は、飽和した赤外線吸収を確実にするのに十分すぎるのにもかかわらず、ＣＯ_２レーザの出力密度よりもかなり小さくすることが可能である。そのため、該より短い波長は、ウェーハの加熱に寄与せず、その後、加熱の均一性を低下させない。この効果は、より短い波長に対して、許容出力の大きな変動性があるため、有利である。

様々な作動パラメータを用いることができるが、次の例示的な値は事例的である。ＣＯ_２レーザは、１００Ｗの総光出力を有することができ、該レーザは、焦点調節及びビーム成形の後、約１５０ｋＷ／ｃｍ^２の光出力密度でウェーハを照射する。対照的に、可視光レーザは、１〜２Ｗの光出力を有すると効果的である。ウェーハに当たるＣＯ_２ビームは、５０μｍの幅と、１００μｍ〜１ｍｍの長さとを有することができる。これらの短いライン幅の場合、該ＣＯ_２ビームは、蛇行パターンで走査して、ウェーハ全体をカバーする必要がある。

本発明は、そのように限定されるものではないが、赤色活性化ビームは、図４の断面図に図示された表面付近に構造を有するある種の進化した集積回路を処理するのに、緑色よりも好ましい。アニールを要する薄い表面注入層６２を有するシリコンウェーハ６０は、約５０ｎｍの厚さを有する非晶質シリコン層６４で被覆されている。上面に入射する、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの緑色活性化放射６６は、非晶質シリコン層６４によって吸収されるが、生成された自由キャリアは、該非晶質材料における無秩序状態のため、すぐに再結合する。この高速の再結合は、自由キャリアの濃度、ならびに該自由キャリアによる１０．６μｍ放射の吸収を大幅に低下させる。その結果として、それらの領域は、１０．６μｍ光に対して非常に長い吸収長を明白に示し、基板は、それらの領域においては、有効に加熱されない。その結果として、直接加熱は非晶質層６４に集中し、有効ではない。対照的に、例えば、ＧａＡｓレーザバーからの赤色活性化放射６６は、非晶質層６４に部分的に吸収されるだけであり、残りの大部分は、シリコン６０の上部数ミクロンに吸収され、この場合、自由キャリアの寿命は長く、それによって、１０．６μｍＣＯ_２放射の強力な吸収を確実にする。従って、ウェーハ内での熱処理の深さを、該活性化光の波長を選択することによって制御することができることが正しく認識されよう。より短い波長は、該表面付近で吸収され、そのため、そこをアニーリングするのを促進し、一方で、より長い波長は、より深く吸収され、該深さに対する熱アニーリングを伸ばす。浅い加熱領域は、進化したデバイスに用いられる超浅ドーパントインプラントをアニールするのに特に重要である。

図２に図示した光学部品は非常に単純化されている。光学部品の、より完全なセットを図５に図示するが、他の幾つかの光学要素は、別に説明する。ビームエリアの拡大を図６に示す。ＧａＡｓレーザ２６から発する活性化ビームの光学部品は、比較的単純である。２つのレンズ７０、７２を含むリレー光学部品は、該レーザバーの異なるＧａＡｓダイオードレーザからのサブビームの望ましいオーバーラップを発生させる。自由キャリアが飽和している場合には、完全な均質化は必要ない。追加的な自由キャリアは、赤外線吸収を１００％より多くには増加させることができない。傾斜干渉ミラー７４は、赤色ＧａＡｓレーザ２６の８１０ｎｍ放射を偏向させて、略垂直にウェーハ２０に当てる。しかし、干渉ミラー７４は、特に、逆方向において、ウェーハ温度を示すより長い赤外線放射を高温計７６へ通過させ、該高温計は、単一の検出器又はＣＣＤ（電荷結合素子）アレイとすることができる。後者の場合、放射ライン付近の熱イメージが利用可能である。対物レンズ７８は、赤色ビーム２８を活性化ビーム３４としてウェーハ２０上に集束させる。図示するように、集束した活性化ビーム３４は、該ＧａＡｓレーザバーにおけるダイオードレーザの線形アレイから生じる一般的に矩形形状を有する。同じ対物レンズ７８は、走査されるウェーハ２０のエリアからの、大きい角度、例えば、１５°の円錐半角を超えて放出されたより長い波長の光を平衡にする。リフレクタ７４は、該より長い波長において比較的透過性であり、該平衡にされた赤外ビームを通過させる。別の対物レンズ８０は、該赤外ビームを高温計７６に集束させ、それによって、ウェーハ２０での最大温度のリアルタイムモニタリングを可能にする。高温計７６の波長は、１．５５μｍの好ましい波長を有する、０．９６〜２．５μｍの波長から選択することができる。それらの波長においてレンズを作成するのに用いられるガラスは、典型的には、１０．６μｍの放射を吸収し、それによって、該波長の放射を有効に除去する。１０．６μｍにおけるどのようなＣＯ_２放射も、高温計７６内に散乱する必要はなくなる。散乱は、波長に逆比例するため、高温計７６は、ＣＯ_２放射に対して敏感ではない。

ＣＯ_２レーザ４０の出力は、後により詳細に説明する、速軸に沿って位置合わせされ、及びビーム軸に沿って、かつ遅軸に沿って横断方向に伸びる小さなギャップによって分離されている２つの平行リフレクタ８４、８６を含む１軸ライトパイプ８２を含む光学部品を通過する。該速軸は、該ラインが、それに沿ってすぐに走査される、該ウェーハに対する加熱ビームの軸、すなわち、該ラインビームの短い方の寸法を指す。該遅軸は、該ビームが、それに沿って、蛇行走査のステップ間の別個の移動で指標付けられる主軸、すなわち、該ラインビームの長手方向の寸法を指す。該光路内に導入されるどのようなリフレクタも、それに応じて該速軸及び遅軸を再設定させる。ライトパイプ８２は、コヒーレンススペックルを２００倍広げることにより、ビーム均一性を同様に改善することにより、及び該軸に沿ってビーム形状を平らにすることにより、該ビームを該遅軸（長軸）に沿って均一化させる。アナモフィック光学部品８８、すなわち、該速軸及び遅軸に沿って異なる焦点距離を有するレンズ系は、速軸に沿った回折が限定された焦点調節を可能にするが、該遅軸に沿ってラインビーム長を限定はしない。リフレクタ９０は、該ビームが、ｐ直線偏光、すなわち、ウェーハ２０の平面内でのビーム偏光方向に垂直なビーム偏光を有する場合に、ＣＯ_２ビーム４８のウェーハ２０内への結合を最大化するため、シリコンの場合、法線から約７２°であるブルースター角でウェーハ２０に当たるようにＣＯ_２ビーム４８を方向付けるために正しい位置に配向される。

関連する実施形態を図７に図示する。音響光学偏向器（ＡＯＤ）９４は、ＣＯ_２レーザ４２から光出力ビーム４８を受光する。ＡＯＤ９４は、例えば、一端部に固着された超音波トランスデューサと、アブソーバとを有するゲルマニウム結晶を含む。ＲＦ信号は、２０ＭＨｚ±５ＭＨｚの振動信号で該トランスデューサを電気的に駆動し、該ゲルマニウムの密度を変調させ、該駆動周波数に依存して入射方向から例えば約５°だけ、入射光の約８０％を回折する干渉格子を設定する。該駆動周波数はさらに、回折角度を変化させて、約１°の範囲を超えて遅軸に沿って該ビームを偏向し、ディザするために、すなわち、該ビームを角度的又は空間的に走査するために、１０ＭＨｚ帯域にわたって１ＭＨｚで変化される。該ＡＯＤの走査は、該レーザビームにおけるコヒーレンススペックル及び干渉縞を約２００倍に広げ、さらに該遅軸に沿って該ビームを均一化する。

別の変形例においては、幾つかの用途において、小さな単一ビームをＡＯＤ９４に入力して、ＡＯＤ９４を用いて該小ビームを、該遅軸に沿って加熱ビーム４８の全長にわたって走査することが可能である。

第１の４５°位相遅延ミラー９８は、該ビームを反射して、直線偏光から円偏光に変換する。第２の４５°位相遅延ミラー１００は、該ビームを反射して、２つのミラー９８、１００間の最終的な回転が９０°の状態で、円偏光から直線偏光に変換する。円柱レンズ１０２は、後方の円柱レンズと共にビーム拡大器として機能する。

その後、ＣＯ_２ビームは、遅軸に沿って分離され、かつビーム軸に沿って伸びる２つの平行リフレクタ８４、８６を有する１軸ライトパイプ８２に入る。音響光学偏向器９４は、該ビームを該ライトパイプのギャップを横切る方向に、すなわち、約２０ｍｒａｄ（約１°）の角度範囲で、２つのリフレクタ８４、８６の右から左へ走査する。その後、走査されたビームは、アナモフィック光学部品８８に入り、該光学部品の第１のレンズは円筒形であり、該ビーム拡大器の一部として機能する。２つの反射鏡９０、９２は、該ビームを反射して、よりコンパクトな全体的デザインを発生させる。最終的なアナモフィック結像レンズ９４、９６は、よく制御された長さ及び狭い幅を有する最終ラインビームを発生させる。

本実施形態において、高温計７６のためのレンズ７８、８０は、ウェーハの法線に近づけて位置合わせされ、ＧａＡｓダイオードレーザソース２６からの活性化ビーム３４と分離された熱モニタリングビームを生じさせ、該活性化ビームは、少しの斜角、例えば、３０°オフノーマルで設定されている。結像レンズ１０８は、ＧａＡｓビームの適正に大きな活性化ビームへの最終的な集束を実行する。

上記の実施形態は、約１０．６μｍでのＣＯ_２放射を利用したが、加熱放射のために他の波長を用いてもよい。それらの波長は、シリコンバンドギャップエネルギよりも小さい光子エネルギ、すなわち、約１．２μｍより大きい波長を有しなければならない。典型的には、加熱波長は、約５μｍより大きい。活性化放射に対しては、２つの特定の波長について論じてきた。半導体ダイオードレーザにおいては、他の波長も容易に使用可能であり、熱処理の深さを制御するように選択することができる。しかし、一般的に、該活性化放射の光子エネルギは、シリコンバンドギャップエネルギより大きい、すなわち、約１．０μｍ未満の波長である必要がある。

本発明の説明は、基板がシリコンウェーハであることを想定しているが、本発明は、そのように限定されるものではない。本発明は、有利には、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェーハ、又は、薄いシリコン層が絶縁層又は基板上に形成された他の基板に適用される。半導体バンドギャップに対する活性化波長及び加熱波長のための適切な修飾を用いて、本発明を他の半導体材料にも適用することができる。すなわち加熱波長は、半導体バンドギャップ波長よりも大きく、活性化波長は、半導体バンドギャップ波長よりも小さい。

半導体における電子エネルギバンド及び光学遷移の概略図である。 本発明の２波長レーザアニーリング装置の実施形態の概略立面図である。 レーザアニールされるウェーハに当たる加熱ビーム及び活性化ビームの輪郭の平面図である。 本発明を適用することができるシリコン構造の断面図である。 より多くの光学要素を含む図２のアニーリング装置の正投影図である。 ウェーハに当たる２つのビームの分解正投影図である。 本発明の別の実施形態の光学部品の正投影図である。

符号の説明

２０…ウェーハ、２６…ＧａＡｓ赤色レーザ、２８…ＣＷビーム、３４…活性化ビーム、４０…ＣＯ_２レーザ、４８…加熱ビーム、７６…高温計、８２…ライトパイプ。

Claims (23)

1. 基板を上部に受け容れて熱的に処理するように構成されたステージと、
   少なくとも１．２μｍの波長を有する赤外線放射の第１のビームの第１のソースと、
   前記基板に入射する、前記赤外線放射の細長い第１のビームを形成するように、前記第１のビームを方向付ける第１の光学部品であって、前記細長い第１のビームが、第１の軸に沿って伸びる第１の寸法と、前記第１の軸に直角な第２の軸に沿って伸びる、前記第１の寸法よりも大きい第２の寸法とを有する、前記第１の光学部品と、
   １μｍより小さい波長を有するより低い波長の放射の第２のビームの第２のソースと、
   前記細長い第１のビームを取り囲み、包囲し、前記より低い波長の放射の入射第２のビームを前記基板上に形成するように、前記第２のビームを集束させる第２の光学部品と、
   前記入射第２のビームが、前記細長い第１のビームを包囲し続けるように、各々が、前記ステージに対して前記第１の軸に沿った状態で、前記細長い第１のビーム及び前記入射第２のビームを走査する変換機構と、
   を備える熱処理システム。
2. 前記第１のソース及び第２のソースがレーザを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のソースがＣＯ_２レーザを備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記第２のソースが、少なくとも１つのダイオードレーザを備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つのダイオードレーザが、少なくとも１つのＧａＡｓダイオードレーザを備える、請求項４に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つのＧａＡｓダイオードレーザが、多数のダイオードレーザを含むレーザバーを備える、請求項４に記載のシステム。
7. 前記第１の光学部品が、前記第１のビームを、前記基板上に入射する際に、前記第２の軸に沿って繰り返し走査する、電気的に制御される光学偏向器を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記光学偏向器が音響光学変調器を備える、請求項６に記載のシステム。
9. 前記第１の光学部品が、前記第１のビームの対向側に沿って伸びる２つの平行リフレクタを備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記第１の光学部品が、前記第１のビームを、前記基板上に入射する際に前記第２の軸に沿って繰り返し走査する、前記第１のソースと前記平行リフレクタとの間に配置された電気的に制御される光学偏向器を備える、請求項９に記載のシステム。
11. 前記光学偏向器が、音響光学変調器を備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 基板を上部に受け容れて熱的に処理するように構成されたステージと、
    第１の波長を有する光学放射の第１のビームの第１のソースと、
    前記基板の表面に入射する第１の入射ビームを形成するように、前記第１のビームを方向付ける第１の光学部品と、
    前記第１の波長よりも小さい第２の波長を有する光学放射の第２のビームの第２のソースと、
    前記第１のビームを取り囲む、前記入射第２のビームを前記基板の前記表面に入射形成するように、前記第２のビームを集束させる第２の光学部品と、
    前記第１の入射ビームが、前記第２の入射ビームによって取り囲まれたままになるように、前記基板の前記表面を動き回って前記第１及び第２の入射ビームを走査する変換機構と、
    を備える熱処理システム。
13. 処理される半導体材料のバンドギャップ波長が、前記第１の波長と第２の波長との間にある、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１のソースがＣＯ_２レーザを備える、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記第１の入射ビームが、第１の軸に沿ったより短い寸法を有する細長いビームを備え、前記変換機構が、前記第１及び第２の入射ビームを前記第１の軸に沿って走査する、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記変換機構が、２次元パターンで前記ステージを移動させる、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記変換機構が、前記第１及び第２の光学部品の少なくとも一部を動かす、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
18. バンドギャップエネルギを有する半導体を備える基板を熱的に処理する方法であって、
    前記バンドギャップエネルギより大きい第１の光子エネルギを有する電磁放射の第１のソースの出力を、直交する第２の軸に沿った第２の寸法よりかなり小さい第１の軸に沿った第１の寸法を有する細長い第１のビームとして、前記基板上に方向付けるステップと、
    前記バンドギャップエネルギよりも小さい第２の光子エネルギを有する電磁放射の第２のソースの出力を、前記第１のビームを取り囲む第２のビームとして、前記基板上に方向付けるステップと、
    前記第２のビームが前記第１のビームを包囲し続けるように、前記第１及び第２のビームを前記第１の軸に沿って一緒に走査するステップと、
    を備える方法。
19. 前記第１の寸法が０．５ｍｍ以下であり、前記第２の寸法が少なくとも１ｍｍである、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１のソースがＣＯ_２レーザであり、前記第２のソースが１つ以上のダイオードレーザである、請求項１８に記載の方法。
21. 前記第２の波長が、前記基板中の加熱の深さを制御するように選択される、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記基板がシリコン基板を備える、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記第２のビームの光出力密度が、前記第２の光子エネルギの放射が、前記基板の吸収を飽和させるのに十分に高い、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。

Images