JP2011114052A - 半導体基板の製造方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の不純物を活性化させる際に、表面に荒れを生じさせることなく効果的に不純物の活性化を行うことを可能にする。
【解決手段】半導体基板の、不純物を含む表層部に、波長３９０ｎｍ以下の高調波レーザビームを照射し、前記不純物を活性化させるので、波長４００〜６５０ｎｍの光吸収係数よりも大きな吸収係数を持つレーザ光を使用して半導体基板の表面を集中的に加熱することができ、半導体基板の１００ｎｍよりも浅い領域に導入した不純物を効率よく活性化できる。また、波長３９０ｎｍ以下の固体レーザ発振器を使用することで、エキシマレーザと同様の紫外域の波長のレーザを、固体レーザならではの６〜１２ｋＨｚの高い繰返し周波数、高いパルス間安定性で照射することができ、高いスループットで安定した品質の半導体基板を製造できる。
【選択図】なし

Description

この発明は、半導体基板の製造方法およびレーザアニール装置に関し、特に半導体基板に注入した不純物をレーザ照射によって活性化させる方法、及び不純物の活性化アニールに適したレーザアニール装置に関する。

半導体基板に不純物を注入し、可視領域の固体レーザ、例えば波長５３２ｎｍの全固体励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を照射することにより、注入された不純物を活性化させる技術が知られている。以下、従来の活性化方法について説明する。
従来、この種の製造方法及び装置としては、特許文献１に「半導体装置の製造方法及びレーザアニーリング装置」で提案されているものがある。この発明によれば、半導体基板の表層部にイオンを注入してアモルファス化させ、アモルファス化された領域に不純物を注入する。半導体基板の表面温度が、半導体基板の表層部を構成するアモルファス半導体の融点を超えない条件で、半導体基板の表面に波長４００〜６５０ｎｍのパルスレーザビームを入射させて、注入された不純物を活性化させている。

また、この種の製造方法及び装置としては、その他に、特許文献２で「半導体装置の製造方法」で提案されているものがある。この発明によれば、半導体材料からなる基板の深さ１００ｎｍよりも浅い表層部に不純物を添加し、レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射された波長４００〜６５０ｎｍ、エネルギー密度１．３Ｊ／ｃｍ^２以上のレーザビーム（赤外）またはその高調波ビーム（可視）を基板に照射し、半導体基板の裏面を融点以上に加熱して不純物を活性化させている。

特開２００４−１５２８８８号公報 特開２００４−３６３１６８号公報

従来技術として特許文献１で提案されている方法では、半導体基板であるシリコンの表面をアモルファス化させることで、シリコンの光の吸収係数をシリコンの結晶化状態よりも大きくして、４００〜６５０ｎｍの波長の光を吸収しやすくしている。しかし、この従来技術では複数回のパルスレーザ照射でアモルファスシリコンの融点を超えない条件で結晶化を行おうとしているが、この波長領域では光の吸収係数は温度が上昇すると大きくなる。したがって元々吸収係数の小さいこの波長領域では温度変化による吸収係数の変化が大きい。そのため、アモルファスシリコンの融点を超えないようなエネルギーで照射した場合、少しでもエネルギーが大きいと、アモルファスシリコンの温度が高くなった結果、吸収係数が大きくなり、溶融しやすいという問題がある。また、少しでもエネルギーが小さいと、アモルファスシリコンの結晶化が進行して結晶シリコンに近づくが、シリコンが結晶化すると、図３に示すように、この波長域では吸収係数が小さくなり、単位体積当たりの吸収熱量が小さくなるため、アモルファスシリコンの融点を超えない照射条件では温度が上がらなくなり、活性化が進まないという問題がある。そのため、安定してシリコンを溶融させずに活性化を行う方法が求められている。

また、従来技術である特許文献２で提案されている方法では、レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射された波長４００〜６５０ｎｍ、エネルギー密度１．３Ｊ／ｃｍ^２以上のレーザビーム（赤外）またはその高調波ビーム（可視）を半導体基板に照射して不純物を活性化させているが、この波長領域では結晶化シリコンおよびアモルファスシリコンの吸収係数が小さいために、１．３Ｊ／ｃｍ^２以上のエネルギー密度が必要である。なお、かつ大きなエネルギー密度が照射されることで、大きな体積でシリコンの溶融が起こり、溶融したシリコンが結晶化する際に表面に凹凸が形成され、表面が荒れてしまうという課題がある。図６にこのような条件でシリコン基板を照射した際に形成された凹凸形状のＳＰＭ像を示す。この例では、照射面全体に最大２５ｎｍ程度の凹凸が形成されている。このような表面の凹凸は、半導体としての特性に悪影響を与えるものであり、特性改善のために表面を研削するなどの対策が必要になる。そのため、より表面荒れの少ない活性化方法が求められていた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、レーザ照射によって半導体基板の浅い表層部を活性化し、なおかつ表面荒れの少ない半導体基板の製造方法と、そのような処理が可能な活性化装置を提供すること目的としている。

すなわち、本発明の半導体基板の製造方法のうち、第１の本発明は、半導体基板の、不純物を含む表層部に、波長３９０ｎｍ以下の高調波レーザビームを照射し、前記不純物を活性化させることを特徴とする。

本発明によれば、シリコンに対する光の吸収係数が高い波長の高調波レーザビームを比較的低いエネルギー密度で照射して半導体基板の表層部を加熱でき、表面荒れを招くことなく半導体基板に含まれる不純物を活性化させることができる。そして、得られた半導体基板は表面が平坦になっており、半導体特性も優れたものとなる。

上記表層部としては、半導体基板の表面から１００ｎｍより浅い領域を示すことができる。この表層部に、好適には、レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射された高調波レーザビームを照射する。該高調波レーザビームとしては、第三高調波のレーザビームが好適である。固体レーザの第三高調波のレーザビームとして３５５ｎｍ前後の波長を用いることができ、この波長帯ではアモルファスシリコンよりも結晶化シリコンの吸収係数が高いため、単結晶シリコンの表面を確実かつ効率的に活性化できるという効果がある。

該表層物が単結晶シリコンであると、図３に示すように、波長３９０ｎｍ以下のレーザビームを効率よく吸収することができ、従来用いられているアモルファスシリコンの５００ｎｍ付近の吸収よりも高い吸収状態で処理することができ、単結晶シリコンの表面を効率的に活性化できるという効果を有する。
アモルファスシリコンは、図３に同様に示すように、波長３９０ｎｍ以下では単結晶シリコンに比べて吸収係数が低い。上記レーザビーム照射に先立っては、半導体基板の表層部に不純物を導入する工程が実施される。この工程に際し、表層部が非晶質化されないように配慮をして単結晶シリコンの状態で該工程を完了することが望ましい。これによりアモルファス状態と結晶化状態の光吸収状態の変化を考慮せずに安定して活性化できるというメリットがある。なお、不純物導入工程で表層部を非晶質化させないためにはアモルファス化が起こる臨界ドーズ量以下にとどめる必要がある。

上記高調波レーザビームは、半導体基板の表層部への照射に際し、前記表層部表面におけるパルスエネルギー密度を１３００ｍＪ／ｃｍ^２よりも小さくして、表層部を効果的に加熱して不純物を活性化することができる。これにより表層部に与える総熱量を小さくすることで、溶融するシリコンの体積を小さく抑え、または表層部を溶融しないようにすることができ、ひいては半導体基板の表面荒れを小さくすることが出来ると言う優れた効果を有する。

上記高調波レーザブームの照射においては、前記表層部の温度が、該表層部を形成する材料の融点付近になるように前記レーザビームのパルスを表層部の同一位置に複数回照射することができる。該パルスの複数回照射は、複数のレーザ発振器から照射されるパルスレーザビームのタイミングをずらして照射することで実行することができる。なお、パルスレーザの繰り返し周波数にしたがって、パルスをオーバラップして照射することも可能であり、本発明としてはオーバーラップ率が限定されるものではない。

上記複数回照射では、熱伝導と最表層のみ溶融させることができる。この場合、複数回照射による熱伝導と最表層のみの溶融によって、前記不純物を活性化させるので、ワンパルスにおける半導体基板表面の温度上昇を小さくし、半導体基板に与える熱量を小さくすることで表面の溶融深さを最小限にし、レーザ照射後の半導体基板の表面荒れを最小限に抑えて活性化することができるという大変優れた効果がある。
また、半導体基板の表面荒れとして、最大高低差として６ｎｍ以下が挙げられる。

また、上記複数回照射では、熱伝導のみで表層部が溶融しないようにして前記不純物を活性化させることができる。この場合、レーザ照射前の半導体基板と同一の表面状態のままで活性化することができるという大変優れた効果がある。

なお、上記パルスレーザビームは、表層部表面のレーザビーム断面において一方向に長い形状を有し、該レーザビームの入射位置を、ビーム断面の長手方向と交差する方向に移動させるものとすることができる。これにより均一な処理状態かつ高いスループットで生産可能という効果がある。

上記方法は、波長３９０ｎｍ以下のパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、半導体基板を保持し、該半導体基板の表面に平行な２次元方向に該半導体基板を移動させることが可能なステージと、前記ステージに保持された前記半導体基板の表面に照射された前記パルスレーザビーム断面が、一方向に長い形状を有するように、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを整形し、該半導体基板に入射させる光学系と、前記ステージに保持された前記半導体基板が前記パルスレーザビーム断面の短軸方向に移動するように前記ステージの移動を制御する制御装置とを有し、前記パルスレーザによって前記半導体基板に導入された不純物を活性化することが可能なレーザアニール装置により達成することができる。これにより、表面荒れの小さい高品質な半導体基板を製造出来るという効果を有する。

以上説明したように、本発明の半導体基板の製造方法によれば、半導体基板の、不純物を含む表層部に、波長３９０ｎｍ以下の高調波レーザビームを照射し、前記不純物を活性化させるので、波長４００〜６５０ｎｍの光吸収係数よりも大きな吸収係数を持つレーザ光を使用することで、半導体基板の表面を集中的に加熱することができ、半導体基板の深さ１００ｎｍよりも浅い領域に導入した不純物を、効率よく活性化できる優れた効果がある。
また、波長３９０ｎｍ以下のレーザダイオード励起型全固体レーザ発振器を使用することで、エキシマレーザと同様の紫外域の波長のレーザを、固体レーザならではの６〜１２ｋＨｚの高い繰返し周波数、高いパルス間安定性で照射することができ、高いスループットで安定した品質の半導体基板を製造できるという効果を有する。

本発明の一実施形態のレーザアニール装置を示す概略図である。 同じく、半導体基板に対するパルスレーザビームの照射状態を示す図である。 単結晶シリコンおよびアモルファスシリコンにおけるビーム波長に対する吸収係数の関係を示すグラフである。 同じく、実施例における照射エネルギー密度とシート抵抗の関係を示す図である。 同じく、実施例における半導体基板の表面性状を示すＳＰＭ像（図面代用写真）である。 従来のレーザアニールによって生じる半導体基板の表面性状を示すＳＰＭ像（図面代用写真）である。

以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のレーザアニール装置１を示すものであり、以下に説明する。
レーザアニール装置１は、レーザ光を半導体基板２０に照射して処理する処理室２を備えており、該処理室２は、室内雰囲気を窒素または真空にしてレーザ照射を行うことにより、シリコン半導体基板２０の不純物層を活性化するものである。半導体基板２０は、１００ｎｍよりも浅い領域の表層部２１に適宜の不純物が導入されている。不純物の導入方法は本発明としては特に限定をされるものではないが、表層部が非晶質化されることなく単結晶シリコンの状態が維持されるように、例えばＢ（ボロン）を１０ｋｅＶのエネルギーで、１×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量の範囲でイオン注入することが望ましい。

該処理室２内には、半導体基板２０が載置されるステージ３を備えており、該ステージ３は、少なくとも半導体基板２０の表面に沿った水平方向（Ｘ−Ｙ方向）での２次元移動が可能になっている。なお、さらに高さ方向での移動が可能になっているものであってもよい。処理室２上部壁には外部からレーザ光を導入するレーザ光導入窓４が設けられている。

処理室２の外部には、レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器１０と該レーザ発振器１０から出力されるレーザビーム１２を処理室２内に導く光学系１１が配置されている。光学系１１は、レンズ群１１ａやミラー１１ｂなどにより構成され、該光学系１１は、レーザビーム１２の断面を長尺な形状に整形して、半導体基板２０への照射を可能にしている。また、レーザ発振器１０と光学系１１との間には、レーザビーム１２のエネルギー密度を調整する減衰器１０ａを備えている。レーザ発振器１２は、第三高調波のレーザビームを用いることにより、３５５ｎｍ前後の波長のレーザビームを取り出すことができ、６〜１２ｋＨｚの高い繰返し周波数、高いパルス間安定性を有している。

レーザアニール装置１は、前記ステージ３の移動など装置全体の制御が可能な制御部７を有しており、該制御部７は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラム、ＲＯＭ、ＲＡＭなど（いずれも図示しない）により構成される。該制御部７は、本発明の制御装置に相当する。

次に、上記レーザアニール装置の動作を説明する。
レーザ発振器１２からは第三高調波で波長３５５ｎｍ前後のレーザビームが６〜１２ｋＨｚの繰返し周波数で出射され、減衰器１０ａで、エネルギー密度が調整される。なお、エネルギー密度は、光学系１１を経て半導体基板２０の表層部２１に照射された際に、該表層部２１表面で一パルス当たり１３００ｍＪ／ｃｍ^２よりも小さくなるように調整される。

エネルギー調整がされたレーザビームは、光学系１１で断面形状において一方向に長い長尺な形状に整形され、レーザ光導入窓４を通して処理室２内に導入される。これにより、図２に示すように、半導体基板２０の表層部２１に、断面帯状で長尺とされたレーザビーム１２が照射される。該レーザビーム１２の照射に際しては、制御部７によってステージ３の移動が制御され、レーザビーム１２の断面形状において長い方向と交差する方向（短軸方向）にステージ３すなわち半導体基板２１を移動させて、レーザビーム１２を表層部２１の表面に沿って移動させる。これにより表層部２１は単結晶シリコンの融点付近にまで加熱され、熱伝導によってさらに深さ方向に熱が伝わる。この際には、最表層のみ溶融するか、表層部２１は溶融しないようにする。なお、最表層としては、数ｎｍが例示されるものであり、１０ｎｍ程度未満が挙げられる。

レーザビーム１２を上記のようにして走査した後、ステージ３を上記走査方向と直交する方向に移動させてレーザビーム１２の照射位置を変え、上記と同様にステージ３を移動させてレーザビーム１２の走査を行う。上記により、表層部２１の不純物は良好に活性化され、しかも表層部表面に荒れが生じることなく、平坦な表面が得られ、優れた半導体特性をもたらす。

なお、上記実施形態では、一つのレーザ発振器から出射されたパルスレーザビームを半導体基板に照射する例について説明をしたが、複数のレーザ発振器から出射された複数のパルスをタイミングをずらして表層部の同一箇所に照射してもよい。この場合、パルスの複数回照射によって前記表層部の温度が、該表層部を形成する材料の融点付近になるようにする。このパルスの複数回照射によって、熱伝導と最表層のみの溶融によって、前記不純物を活性化させるか、表層部を溶融させることなく、熱伝導によって前記不純物を活性化させる。これら作用が得られるように、パルスの複数回照射における照射間隔や照射回数などを適宜設定する。なお、最表層深さは、前記と同様に、数ｎｍが例示されるものであり、１０ｎｍ程度未満が挙げられる。

以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

以下に、本発明の一実施例を説明する。
本実施例におけるシリコン半導体基板では、上記表層部２１に導入する不純物としてＢ（ボロン）をイオン注入した。イオン注入は、１０ｋｅＶのエネルギー、１×１０^１５／ｃｍ^２のドーズ量で行った。
この基板に、波長３５５ｎｍ、発振周波数８ｋＨｚのレーザビームを短軸オーバーラップ率９０％として、エネルギー密度を変化させて照射した。
図４に照射エネルギー密度とシート抵抗の関係を示す。本試験結果では、０．９Ｊ／ｃｍ^２以上のエネルギー密度ではレーザ照射によってシリコン基板表層部が活性化され、シート抵抗の数値が下がりきっている。しかし、レーザ照射の加熱によるシリコン基板表層部の溶融で、図６に示したものと同様の凹凸が形成される。しかし、本試験結果では０．８Ｊ／ｃｍ^２前後では最表層のみ溶融しており、図５に示すように表面形状は極めてフラットであり、最大高低差は１．５ｎｍ以下である。このように最表面のみの溶融で表面荒れが少なく、なおかつ熱伝導によって不純物の活性化が起こるエネルギー密度としては、本試験では０．７〜０．９Ｊ／ｃｍ^２の範囲であった。また、最表層をまったく溶融させずに、レーザ光吸収による加熱と表層からの熱伝導のみで活性化が起こり、レーザ照射前の半導体基板と同一の表面形状のままで処理できるエネルギー密度としては、本試験では０．５〜０．８Ｊ／ｃｍ^２の範囲であった。範囲が重複している理由は、最表層のみの溶融が起きているか、判別が難しいためである。

１ レーザアニール装置
２ 処理室
３ ステージ
７ 制御部
１０ レーザ発振器
１０ａ 減衰器
１１ 光学系
１２ レーザビーム
２０ 半導体基板
２１ 表層部

Claims (14)

1. 半導体基板の、不純物を含む表層部に、波長３９０ｎｍ以下の高調波レーザビームを照射し、前記不純物を活性化させることを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 前記表層部が、半導体基板の表面から１００ｎｍより浅い領域であることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方法。
3. 前記高調波レーザビームがレーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板の製造方法。
4. 前記表層部が単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
5. 前記表層部に不純物を導入する工程を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
6. 前記不純物導入工程において、前記表層部を非晶質化しないことを特徴とする請求項５記載の半導体基板の製造方法。
7. 前記高調波レーザビームが第三高調波のレーザビームであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
8. 前記高調波レーザビームの照射に際し、前記表層部表面におけるパルスエネルギー密度を１３００ｍＪ／ｃｍ^２よりも小さくすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記高調波レーザビームの照射に際し、前記表層部の温度が、該表層部を形成する材料の融点付近になるように前記レーザビームのパルスを複数回照射し、該複数回照射による熱伝導と最表層のみの溶融によって、前記不純物を活性化させることを特徴とする請求項１〜８のにいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
10. 高調波レーザビームの照射によって前記不純物の活性を行った後の前記最表層の最大高低差が６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
11. 前記高調波レーザビームの照射に際し、前記表層部の温度が、該表層部を形成する材料の融点付近になるように前記レーザビームのパルスを複数回照射し、該複数回照射による熱伝導によって、表層部を溶融させることなく前記不純物を活性化させることを特徴とする請求項１〜８のにいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
12. 前記レーザビームの照射によって不純物が活性化された表層部の表面が、平坦であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
13. 前記高調波レーザビームが、前記表層部表面のレーザビーム断面において一方向に長い形状を有し、該レーザビームの入射位置を、レーザビーム断面の長手方向と交差する方向に前記半導体基板に対し相対的に移動させることを特徴とする請求項１〜１２いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
14. 波長３９０ｎｍ以下のパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、半導体基板を保持し、該半導体基板の表面に平行な２次元方向に該半導体基板を移動させることが可能なステージと、前記ステージに保持された前記半導体基板の表面に照射された前記パルスレーザビーム断面が、一方向に長い形状を有するように、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを整形し、該半導体基板に入射させる光学系と、前記ステージに保持された前記半導体基板が前記パルスレーザビーム断面の短軸方向に移動するように前記ステージの移動を制御する制御装置とを有し、前記パルスレーザによって前記半導体基板に導入された不純物を活性化することが可能なレーザアニール装置。