JP2010541273A

JP2010541273A - 光束によるウェハの加熱方法

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Publication number: JP2010541273A
Application number: JP2010527502A
Authority: JP
Inventors: ミシェル、ブリュエ
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP5518717B2; EP2193540A2; KR101162444B1; US8324530B2; FR2921752A1; FR2921752B1; CN101855709A; EP2193540B1; WO2009050381A2; CN101855709B; KR20100085943A; WO2009050381A3; US20100288741A1

Abstract

本発明は、少なくとも一つの加熱すべき層(2)と副層(4)とを備えるウェハ(1)を、少なくとも一つの光束パルスの影響下で、加熱する方法であって、
前記加熱すべき層の温度が低温範囲(PBT)にある限り、前記加熱すべき層(2)による前記光束の吸収係数が低く、前記加熱すべき層の温度が、高温範囲(PHT)に入った時、前記吸収係数が大きく増加するように光束(7)、加熱すべき層(2)を選択する工程と、前記選択された波長における前記光束の前記吸収係数が、前記低温範囲(PBT)で高く、前記副層が前記光束にさらされた時に、前記温度が前記高温範囲(PHT)に入るように副層(4)を選択する工程と、前記光束(7)を前記ウェハ(1)に照射する工程を備える、方法に関する。

Description

発明の分野

本発明は、材料処理の全般的な技術分野、特に材料、特に半導体、特にシリコンの薄層、挿入物、シートまたはストリップの分野に関する。

より詳しくは、本発明は、光束により熱処理を部品に施す分野に関する。

現状技術水準では、光束を使用して熱処理を施す知識および方法が公知であり、そこでは、光束が部品の外側表面上および／または外側表面の近傍に吸収され、処理すべき部品の、光束を受け取る外側表面および／または外側表面の近傍から、より深い区域への熱拡散により、より深い部分の加熱が行われる。

これらの先行技術の方法は、処理すべき材料が光束に対して本来吸収性であるか、または例えば極めて高い出力レベルを使用して、光束と部品の材料の直接相互作用により吸収性が付与されるように、使用する光束を選択することを特徴とする。

光束の使用は、表面層を、マイクロ秒未満〜数十マイクロ秒間の非常に短い時間で加熱したい場合に、特に有利であることが分かっている。

しかし、加熱される厚さは、一般的に時間の平方根に従って部品の外側表面から進行するので、部品の深い部分を加熱することは極めて困難であり、コストがかかり、深さが増加するにつれて、益々困難でコストがかかるようになる。

さらに、部品中で得られる熱的プロファイルは、一般的に外側表面でピークを示し、材料内において前記外側表面から低下するので、表面温度が、その方法の範囲内にある材料の最高温度、例えばその材料の融点または蒸発点もしくは分解点より高くならないように制限する必要がある。この制限により、光束の出力が穏やかになり、時間が長くなるので、コストが高くなる。

さらに、国際公開第WO 03/075329号は、前層を介して光束で吸収性の副層(sub-layer)を加熱し、副層中で発生した熱が拡散により前層を、副層で到達した温度より低い温度で加熱することを提案している。

本発明は、少なくとも一つの加熱すべき層と、前記加熱すべき層に少なくとも局所的に隣接した副層とを備えるウェハを、少なくとも局所的に、少なくとも一つの光束パルスの影響下で、加熱する方法に関する。

本発明の方法は、
光束を選択する工程であって、
−波長が、前記加熱すべき層の温度が低温範囲にある限り、前記加熱すべき層による前記光束の吸収係数が低く、前記加熱すべき層の温度が前記低温範囲のほぼ上に位置する高温範囲に入った時、前記吸収係数が大きく増加するような波長であり、
−前記パルスの強度および持続時間が、前記副層の非存在下において、前記加熱すべき層の温度が前記低温範囲内に留まるような強度および持続時間である工程と、
副層を選択する工程であって、
−前記選択された波長における前記光束の前記吸収係数が、前記低温範囲で高く、
−前記副層が前記光束にさらされた時に、前記温度が前記高温範囲に入る工程と、
前記光束を前記ウェハに、少なくとも局所的に、前記加熱すべき層における前記副層と反対側の面を介して照射する工程と
を備える。

本発明によれば、下記の機構が作用する。

第一段階では、光束が副層を、その初期温度から、少なくとも前記高温範囲にある温度に加熱する。

第二段階では、副層が、熱拡散により、加熱すべき層に隣接した部分を前記高温範囲にある温度に加熱する。

第三段階では、この隣接した部分が吸収性になり、加熱すべき層中で、温度が前記高温範囲にある吸収性熱フロントを発生させ、熱フロントの前方熱拡散と、前記加熱すべき層のまだ吸収性にはなっていない残りの部分を介して前記熱フロントに到達する前記光束による熱エネルギー供給との組合せまたは二重効果の下で、前記吸収性熱フロントが、前記前面に向かって進行する。

本発明によれば、前記低温範囲および前記高温範囲は、温度の関数としての吸収係数の挙動遷移閾値(behaviour transition threshold)により分離することができる。

本発明では、温度の関数としての吸収係数の前記挙動遷移閾値は、ある温度範囲に及んでもいてもよい。

本発明では、加熱すべき層は、低ドープされたシリコンでもよい。

本発明では、加熱すべき層は、半導体材料でもよい。

本発明では、前記低温範囲は、ドーピングが固有ではない範囲に実質的に対応してもよく、前記高温範囲は、ドーピングが固有である範囲に実質的に対応してもよい。

本発明では、加熱すべき層は窒化ガリウムでもよい。

本発明では、副層は非晶質シリコンでもよい。

本発明では、副層は高ドープされたシリコンでもよい。

本発明では、加熱すべき層は窒化ガリウムでもよく、副層はシリコンである。

本発明では、光束はレーザーにより発生させてもよい。

本発明は、図面により示される非制限的な例として記載される熱処理方法を研究することにより、より明確に理解される。
図1は、ウェハおよび関連する装置の断面を示す。図2は、深さをX軸、温度をY軸として、図1のウェハに適用された本発明の機構を示す。図3は、別のウェハの断面を示す。図4は、図3のウェハに適用された本発明の機構を示す。図5は、図3のウェハに適用された本発明の機構を示す。図6は、別のウェハの実施態様を断面で示す。図7は、別のウェハの実施態様を断面で示す。図8は、図7のウェハに適用された本発明の機構を示す。図9は、図8に関する本発明の機構の使用例を示す。

図1は、前表面3を有する層2と、層2の裏表面5に隣接する副層4とを備えるウェハ1を表す。

層2の前表面5の反対側には、前表面5に向けて光束7パルスP発生装置6が設置されている。

別の実施態様では、ウェハ1は、副層4の裏面に隣接した裏層8を備え、基板を形成してもよい。

層2および光束7は、下記の特徴を有するように相互の関係で選択される。

光束7の波長は、前記層2の温度Tが低温範囲PBTにある間は層2による前記光束の吸収係数が低く、層2の温度Tが前記低温範囲PBTのほぼ上に位置する高温範囲PHTに入った時、吸収係数が大きく増加するような波長である。

光束7により供給されるパルスの強度および持続時間は、副層4の非存在下において、層2の温度が前記低温範囲PBT内に留まるような強度および持続時間である。

副層4および光束7は、下記の特徴を有するように、相互の関係で選択される。

前記波長における光束7の副層4による吸収係数は、前記低温範囲PBTで高い。

副層4の温度は、少なくとも層2に隣接するその厚さで、前記副層4が前記光束7にさらされた時に、高温範囲PHTに入る。

低温範囲PBTにある初期温度におけるウェハ1で、その前面3を介して光束7をウェハ1に照射する。次いで、図2に示す温度上昇が起こる。

ここに示す例においては、低温範囲PBTの上限LSTは、高温範囲PHTの下限LITより低いと考えられる。低温範囲PBTおよび高温範囲PHTは、ある遷移温度範囲(transition temperature range)全体にわたる温度の関数としての吸収係数の挙動遷移閾値STCにより分離される。

その機構は下記の通りである。

第一段階で、光束7は、温度が高温範囲PHTに到達せずに、層2を通過し、全体的に副層4に到達すると、前記副層4を、その初期温度から少なくとも高温範囲PHTに位置する温度に加熱する。温度曲線9が得られる。

第二段階で、副層4は、一時的な熱源を形成し、熱拡散により、層2の隣接部分を高温範囲PHTに位置する温度ATに加熱する。

第三段階で、この隣接部分は、これによって吸収性になり、加熱すべき層2の中で全体的に、温度FTが高温範囲PHTに、好ましくは温度ATより上に位置する吸収性熱フロント10を発生させる。全体的に発生するこの吸収性熱フロント10は、フロント10の前方熱拡散と、加熱すべき層2のまだ吸収性にはなっていない残りの部分を介してこの熱フロント10に到達する光束7による熱エネルギー供給との組合せ効果の下で、前面3に向かって進行する。

光束7が停止すると、熱フロント10の進行が、前面3に到達していなくても、前記伝搬様式により、層2中でほぼ直ちに停止する。従って、熱フロント10の進行は、専ら熱拡散の影響により支配される。

特定の一定光束7条件下では、層2の加熱は、熱光束の持続時間と実質的に直線的な関係で、厚さ全体で起こる。

上記3段階の上記の連続は、これらの段階が時間と共に連続的に起こることを意味している。しかし、この連続性の説明は、これらの段階が時間の経過により部分的に重なり合うことを排除するものではない。

実施態様の例
光束7は、3.75^＊1.E6 W/cm2の光束で6マイクロ秒間持続するＣＯ2レーザーパルスでよい。

層2を形成する透明材料は、1.E15/cm3の領域にあるレベルにドープされたシリコンでもよく、初期は常温で放置されてもよい。

これらの条件下で、シリコンの吸収は、数cm-1の領域にあり、シリコンの温度が約270℃に達しない間は低く、実質的に一定のままである。ほぼこの温度から、固有キャリア濃度が1^＊E15cm-2より大きくなる(S.M. SZE,による「半導体デバイスの物理学(Physics of Semiconductor Devices)」、第2版、ISBN 0-07-062735-5と題する文献、John Wiley and Sons、20頁-図12および26頁-図16参照)。

従って、低温範囲PBTは、約270℃に等しい低温限界LITよりかなり下に位置する温度範囲であるのに対し、高温範囲PHTは、実質的に約270℃より上に位置する範囲である。上記の文献に従って、低温範囲PBTは、キャリアの非固有飽和および／またはゲル範囲にあり、高温範囲PHTは、固有範囲に位置する。

副層4を形成する吸収材料は、1.E19/cm3の領域にある濃度にドープされたシリコンでよく、初期は常温で置き、同じ数百cm-1の吸収係数を与える。

層2の厚さは、約90μmでもよく、副層4の厚さは約10μmでもよい。

副層4は、エピタキシーまたは堆積もしくはイオン注入により形成されてもよい。

ウェハ1を得るための第一の例では、1^＊E15cm-3にドープされた厚さが100μmのシリコン基板を、標準シリコンスライスを薄くすることにより製造する。面の一方を介して、ホウ素イオン注入を約1^＊E16cm2の線量で行い、ドーピング深度約10ミクロンとなるようにアニールを温度約1000℃〜1100℃で2時間行い、副層4を形成し、残りの厚さが90μmの層2を形成する。注入に使用しなかった面は、それを介して光束7を照射する面3を形成する。

ウェハ1を得るための第二の例では、標準的なシリコン基板上に、アンチモンで1^＊E/19cm3にドープされた厚さ10ミクロンのシリコンのエピタキシーを行い、副層4を形成する。次いで、10ミクロンエピタキシーの上に、1^＊E15/cm3にドープされた厚さ90ミクロンのシリコンのエピタキシーを行い、層2を形成する。

追加的な例として、副層4の吸収性材料は、ＣＯ2レーザーを使用する場合、非晶質シリコン層、イオン注入により完全または部分的に非晶質化された層もしくは酸化ケイ素ＳｉＯ2の層でもよい。

副層4を備えず、層2だけからなる部品を意図し、上に規定する光束を照射する場合、材料の温度増加は30℃未満であることが観察される。この結果は、先行技術に属するいわゆる有限差法を使用して熱伝導方程式を解析するシミュレーションから得られる。

この結果は、下記の簡単な式を適用することによっても得られる。
−低温範囲PBT上の吸収係数の最大値Alphamaxの識別
−次いで、到達した最高温度Tmaxの指標は、Tmax＝Phi^＊tau^＊alphamax/Cpにより与えられ、
式中、Cpは、熱容量であり、Phiは光束であり、Tauは光束持続時間であり、Cpは体積熱であり、
Phiが3.75^＊1.E6W/cm2に等しい場合、tau --- 6^＊1.E6S-alphamaxに等しく、--- 2cm-1 - Cpに等しく、--- 1.4J/cm3に等しい。

従って、単層2が到達する最高温度Tmaxの指標は、32℃に等しいことが分かる。

これらの条件下で、層2の温度は非常に低いままであり、低温範囲PBT内にあることが分かる。

しかし、副層4の存在下では、厚さが大きい透明材料を、60μmの領域にある厚さに対して1650Kまで加熱することができる。この結果は、先行技術に属するいわゆる有限差法を使用して熱伝導方程式を解析するシミュレーションから得られる。

応用例
例1
図3に示すように、ドープされていない無配向(disoriented)粒子多結晶シリコン基板から出発し、面の一方を、マイクロエレクトロニクスで使用される従来技術を使用して酸化し、ドープされていない無配向粒子多結晶シリコン層2およびシリコン酸化物副層4を備えるウェハ1を得る。

このようにして、常温で、層2は、ＣＯ2レーザーにより発生した光束に対して実質的に透明になり、副層4はそのような光束に対して吸収性になる。

次いで、図4に示すように、そのような光束の照射を、パルス形態で、層2の前面3を介して、例えば一または複数の区域で局所的に適用する。

この適用により、副層4の予備加熱の影響下で、上記の機構により、光束の照射区域にほぼ対応する区域11上にある層2を加熱することにより、液化が起こり、前記液化区域11は、層2の裏面5または前記裏面5のすぐ近くから出発し、熱フロント11aが前進し、例えば前面3に到達する。

図5に示すように、光束の照射が終了した後、区域11の冷却フロント12aが前面3から起こる。このフロント12aは、後方に、裏面5に進行し、シリコンが多結晶シリコンに再結晶することにより、再固化する区域12を形成する。温度勾配のために再結晶化は、層2の厚さに対して実質的に直角に配向した潜在的に大きな粒子を発生させる。

層2全体を、スカベンジング(scavenging)により処理してもよい。

そのような区域は、優れた電気的特性を示し、光起電力電池の製造に有利である。

例2
図6に示すように、ドープされていない単結晶シリコン基板から出発し、バッキング8を形成し、マイクロエレクトロニクスで使用する従来技術を使用し、前記基板の面8aを、約1E20/cm-3のn型の表面ドーピングにより、局所的区域4aを形成し、前記局所的区域4aからなる吸収性副層4を得る。例えば、各区域4aは、正方形であり、厚さが約2ミクロン、側部が約50ミクロンであり、区域4a同士の間の間隔は約25ミクロンである。

次いで、図7に示すように、ドープされていないシリコンのエピタキシーを、面8aに行い、層2を形成する。

次いで、図8に示すように、前面3に対して、赤外出力光線または光束7(例えばイッテルビウムドープされたファイバーパワーレーザー)を照射して、20ジュール/cm2表面積を数百ナノ秒間で堆積させる。これによって、上記のように、副層4の区域4aと前面3との間に位置する層2の区域2aを、層2の他の部分を加熱せずに、少なくとも局所的に加熱する。次いで、この差別的加熱を使用し、加熱された区域2aを処理してもよい。

例えば、図9に示すように、酸素および／または水蒸気を含むチャンバー12中で、図8に関して上に説明した加熱を行うことができる。酸素の存在および層2の区域2aにおける温度上昇により、層2の前面3上に、深い区域4aの最上部に自己整合したシリコン酸化物区域13が形成される。

Claims

少なくとも一つの加熱すべき層(2)と前記加熱すべき層に少なくとも局所的に隣接した副層(4)とを備えるウェハ(1)を、少なくとも局所的に、少なくとも一つの光束パルスの影響下で、加熱する方法であって、
光束(7)を選択する工程であって、
−波長が、前記加熱すべき層(2)の温度が低温範囲(PBT)にある限り、前記加熱すべき層による前記光束の吸収係数が低く、前記加熱すべき層の温度が、前記低温範囲のほぼ上に位置する高温範囲(PHT)に入った時、前記吸収係数が大きく増加するような波長であり、
−前記パルスの強度および持続時間が、前記副層の非存在下において、前記加熱すべき層の温度が前記低温範囲内に留まるような強度および持続時間である工程と、
副層(4)を選択する工程であって、
−前記選択された波長における前記光束の前記吸収係数が、前記低温範囲(PBT)で高く、
−前記副層が前記光束にさらされた時に、前記温度が前記高温範囲(PHT)に入る工程と、
前記光束(7)を前記ウェハ(1)に、少なくとも局所的に、前記加熱すべき層(2)における前記副層(4)と反対側の面(3)を介して照射する工程と
を備え、
これにより、第一段階では、前記光束(7)が前記副層(4)を、前記副層の初期温度から、少なくとも前記高温範囲(PHT)にある温度に加熱し、第二段階では、前記副層(4)が、熱拡散により、前記加熱すべき層(2)に隣接した部分を前記高温範囲(PHT)にある温度に加熱し、第三段階では、前記隣接した部分が吸収性になり、前記加熱すべき層(2)中で、前記温度が前記高温範囲(PHT)にある吸収性熱フロント(10)を発生させ、前記熱フロント(10)の前方熱拡散と、前記加熱すべき層(2)のまだ吸収性にはなっていない残りの部分を介して前記熱フロントに到達する前記光束(7)による熱エネルギー供給との組合せまたは二重効果の下で、前記吸収性熱フロント(10)が前記前面(3)に向かって進行するようにした、方法。
前記低温範囲(PBT)および前記高温範囲(PHT)を、前記温度の関数としての前記吸収係数の挙動遷移閾値により分離することができる、請求項１に記載の方法。
前記温度の関数としての前記吸収係数の前記挙動遷移閾値(STC)が、ある温度範囲に及ぶ、請求項２に記載の方法。
前記加熱すべき層(2)が、低ドープされたシリコンである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
前記加熱すべき層(2)が、半導体材料である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
前記低温範囲(PBT)が、前記ドーピングが固有ではない範囲に実質的に対応し、前記高温範囲(PHT)が、前記ドーピングが固有である範囲に実質的に対応する、請求項５に記載の方法。
前記加熱すべき層(2)が窒化ガリウムである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
前記副層(4)が非晶質シリコンである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
前記副層(4)が高ドープされたシリコンである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
前記加熱すべき層(2)が窒化ガリウムであり、前記副層がシリコンである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
前記光束がレーザーにより発生する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。