JP2012069748A

JP2012069748A - レーザアニール方法及びレーザアニール装置

Info

Publication number: JP2012069748A
Application number: JP2010213400A
Authority: JP
Inventors: Susumu Sakuragi; 進櫻木
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】高スループット、低コストでレーザアニールを行う。
【解決手段】（ａ）ＳｉＣ層と、ＳｉＣ層上に形成された吸収層とを備えるアニール対象物を準備する。（ｂ）アニール対象物の吸収層にレーザビームを照射し、吸収層に吸収されるレーザビームのエネルギによって吸収層を発熱させ、吸収層で発生した熱によって、ＳｉＣ層を加熱する。
【選択図】図２

Description

本発明は、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）基板に添加された不純物を活性化させるレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。

ｎ型６Ｈ−ＳｉＣにアルミニウムイオン（Ａｌ^＋）を注入した試料に、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザのレーザパルスを１回照射することにより行うレーザアニール方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。レーザアニールにより、注入イオンによる照射損傷（ＳｉＣ結晶の結晶性の劣化）を回復させるとともに、注入したＡｌ^＋を活性化させ、ｐ型ＳｉＣ層を形成する。照射されるレーザパルスのパルス幅は１μｓ以下、１パルスあたりのエネルギ密度は０．２Ｊ／ｃｍ^２〜１．５Ｊ／ｃｍ^２である。

この技術においては、ワイドギャップ半導体材料であるＳｉＣのバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有するレーザ光が照射される。また、ＳｉＣに吸収のある、短い波長域のレーザを用いることが前提となっている。しかしＫｒＦエキシマレーザはガスレーザであり、その運用にはガス交換などで多大な労力とコストを要する。更に、ガスレーザは、出力の安定性に劣り歩留まりの面でも問題を有している。加えて、装置のフットプリントが大きい。

シリコン基板のレーザアニールにおいては、固体レーザ、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）や３倍高調波（波長３５５ｎｍ）が用いられる。しかしＳｉＣは２倍高調波を吸収しないため、ＳｉＣ基板のアニールには、３倍高調波を用いる必要がある。３倍高調波を使用する場合、現在市販されているレーザの出力が小さく、十分なスループットが得られないという問題が生じる。

特開２０００−２７７４４８号公報

本発明の目的は、高スループット、低コストのレーザアニールを実現可能なレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することである。

本発明の一観点によると、（ａ）ＳｉＣ層と、該ＳｉＣ層上に形成された吸収層とを備えるアニール対象物を準備する工程と、（ｂ）前記アニール対象物の前記吸収層にレーザビームを照射し、前記吸収層に吸収されるレーザビームのエネルギによって前記吸収層を発熱させ、前記吸収層で発生した熱によって、前記ＳｉＣ層を加熱する工程とを有するレーザアニール方法が提供される。

本発明の他の観点によると、レーザビームを出射する光源と、ＳｉＣ層と、該ＳｉＣ層上に形成された吸収層とを備えるアニール対象物を保持するステージと、前記光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持されたアニール対象物の前記吸収層に伝搬する伝搬光学系とを有し、前記伝搬光学系によって、前記アニール対象物に伝搬されたレーザビームは、前記吸収層に吸収されて、前記吸収層を発熱させ、前記吸収層で発生させた熱によって、前記ＳｉＣ層を加熱するレーザアニール装置が提供される。

本発明によれば、高スループット、低コストのレーザアニールを実現可能なレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することができる。

実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。（Ａ）〜（Ｃ）は基板４０の作製方法を示す概略的な断面図である。グラファイト構造のカーボン、結晶シリコン、アモルファスシリコン、及び６Ｈ−ＳｉＣに対する、波長２４８ｎｍ、３５５ｎｍ、４００ｎｍ、４９６ｎｍ、５３２ｎｍ、８０８ｎｍ、及び１０６９ｎｍの光の消衰係数（ｋ）及び垂直入射の場合の侵入長をまとめた表である。基板４０の他の例を示す概略的な断面図である。

図１は、実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。実施例によるレーザアニール装置は、パルスレーザビーム５０を出射するレーザ光源１０、アニール対象物である基板４０を２次元方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動可能に保持するＸＹステージ３０、及びレーザ光源１０を出射したパルスレーザビーム５０をＸＹステージ３０に保持された基板４０に伝搬する伝搬光学系２０を含んで構成される。

レーザ光源１０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器及び非線形光学結晶を含み、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）であるパルスレーザビーム５０を出射する。パルスレーザビーム５０のパルス幅は、たとえば１５０ｎｓである。パルスレーザビーム５０は、伝搬光学系２０を経由し、たとえば長さ方向（長軸方向）３ｍｍ、幅方向（短軸方向）０．２５ｍｍの矩形状の入射領域を形成して、ＸＹステージ３０上に載置された基板４０に入射する。

伝搬光学系２０は、レンズアレイ２０ａ、２０ｂ、及び集光レンズ２０ｃを含んで構成される。レンズアレイ２０ａ、２０ｂは、それぞれ矩形状ビームの長軸方向、短軸方向について、ビーム断面を整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づける。レンズ２０ｃは、矩形状ビームを基板４０上に集光する。

ＸＹステージ３０を駆動し、矩形状ビームの短軸方向、たとえばＸ方向に基板４０を移動させながら、ビーム幅の８０％をオーバーラップさせて照射を繰り返し、基板４０の端部まで照射したところで、長軸方向、たとえばＹ方向に、ビーム入射領域が８０％オーバーラップするように基板４０を移動させる。そして次にＸ負方向に基板４０を移動させながら、８０％のオーバーラップ率でレーザ照射を行い、基板４０の他方の端部に達したところで、基板４０をＹ方向にオーバーラップ率が８０％となるように移動させる。このステージ動作を繰り返して基板４０の表面全体にパルスレーザビーム５０を重複照射する。基板４０へのパルスレーザビーム５０の照射は、大気雰囲気で行われる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は基板４０の作製方法を示す概略的な断面図である。

図２（Ａ）を参照する。たとえばｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板４０ａを準備し、たとえば表層部に不純物としてＡｌ^＋をイオン注入する。

図２（Ｂ）を参照する。Ａｌ^＋が添加されたＳｉＣ基板４０ａの表面上に、たとえばグラファイト構造のカーボン膜４０ｂを形成する。カーボン膜４０ｂは、グラファイトターゲットを用いたスパッタ法で形成することができる。化学気相成長(chemical vapor deposition; CVD)法を用いて形成してもよい。カーボン膜４０ｂの厚さは、たとえば７０ｎｍである。

図２（Ｃ）を参照する。カーボン膜４０ｂ表面上に、たとえばスパッタ法またはＣＶＤ法により、シリコン膜４０ｃを厚さ３０ｎｍ〜５０ｎｍ、一例として５０ｎｍに形成する。シリコン膜４０ｃは、たとえばアモルファスシリコン膜である。結晶シリコン膜とすることもできる。こうしてＳｉＣ層（ＳｉＣ基板４０ａ）上に、順にカーボン膜４０ｂ、シリコン膜４０ｃが形成された基板４０が作製される。

基板４０は、たとえば４００℃に予熱された後、ＸＹステージ３０上に載置され、パルスレーザビーム５０が、基板４０のシリコン膜４０ｃ上に照射される。パルスレーザビーム５０は、ＳｉＣのバンドギャップエネルギ未満のエネルギを有するレーザ光である。パルスレーザビーム５０のエネルギ密度は、たとえばシリコン膜４０ｃが溶融し、２０００Ｋ以上の温度となるように調整される。

図３は、グラファイト構造のカーボン、結晶シリコン、アモルファスシリコン、及び６Ｈ−ＳｉＣに対する、波長２４８ｎｍ、３５５ｎｍ、４００ｎｍ、４９６ｎｍ、５３２ｎｍ、８０８ｎｍ、及び１０６９ｎｍの光の消衰係数（ｋ）及び垂直入射の場合の侵入長をまとめた表である。本図を参照して、カーボン膜４０ｂ、シリコン膜４０ｃの膜厚及び機能について説明する。なお侵入長は、光の波長をλとしたとき、λ／４πｋで計算される。

本表からわかるように、結晶シリコンに対する、波長５３２ｎｍの波長の光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波）の侵入長は約１μｍである。このため厚さ５０ｎｍのシリコン膜４０ｃにおけるパルスレーザビーム５０の吸収率は高くはない。

これに対し、グラファイト構造のカーボンに対する、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の侵入長は約３０ｎｍである。このためシリコン膜４０ｃを透過し、カーボン膜４０ｂに入射するパルスレーザビーム５０の９割程度が、厚さ７０ｎｍのカーボン膜４０ｂで吸収される。シリコン膜４０ｃ及びカーボン膜４０ｂにおいて、基板４０に照射されるパルスレーザビーム５０の約９割以上が吸収される。

一方、６Ｈ−ＳｉＣに対するＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の侵入長は４ｍｍを超える。表中に記載してはいないが、４Ｈ−ＳｉＣに対する侵入長も大きな違いはない。６Ｈ−ＳｉＣのバンドギャップエネルギが２．９３ｅＶ、４Ｈ−ＳｉＣのそれが３．２６ｅＶであるため、４Ｈ−ＳｉＣの方がＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波をより吸収しにくい。

本表から波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波はＳｉＣに吸収されにくい波長のレーザビームであるといえる。また、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の侵入長と比較したとき、波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波の侵入長は３桁の相違がある一方で、波長４００ｎｍの光の侵入長は１桁の相違しかない。また、波長４９６ｎｍの光の侵入長は３ｍｍを超える。これらのことから、たとえば波長４００ｎｍ以上のレーザビームは、ＳｉＣに吸収されにくい波長のレーザビームであるといえるであろう。

基板４０に照射されるパルスレーザビーム５０の多くは、ＳｉＣ基板４０ａに到達する前に、シリコン膜４０ｃ及びカーボン膜４０ｂで吸収される。また、ＳｉＣ基板４０ａに達した一部も、ＳｉＣ基板４０ａにおいては多くは吸収されない。殊に、不純物がイオン注入されたＳｉＣ基板４０ａの表層部では、パルスレーザビーム５０はほとんど吸収されない。

シリコン膜４０ｃ及びカーボン膜４０ｂで吸収されるパルスレーザビーム５０のエネルギによって、基板４０のレーザアニールが行われる。シリコン膜４０ｃとカーボン膜４０ｂで生じた熱は、ＳｉＣ基板４０ａに伝熱し、ＳｉＣ基板４０ａの温度を上昇させる。不純物が添加されたＳｉＣ基板４０ａの表層部は、たとえば１８００Ｋ以上に加熱され、不純物が活性化される。

基板４０（ＳｉＣ基板４０ａ）に添加された不純物の活性化が終了した後、カーボン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃは、たとえばフッ素ガス、酸素ガスを含むプラズマ処理により除去される。機械研磨や化学機械研磨(chemical mechanical polishing; CMP)等の方法を用いて除去することもできる。

シリコン膜４０ｃ及びカーボン膜４０ｂは、これら２層で基板４０に照射されるパルスレーザビーム５０を十分に吸収する厚さ、たとえばパルスレーザビーム５０の８０％以上を吸収する厚さに形成されることが望ましい。このためたとえばシリコン膜４０ｃ、カーボン膜４０ｂの少なくとも一方は、照射するレーザビームの侵入長よりも厚い膜厚、好ましくは侵入長の２倍以上４倍未満の膜厚を有する。

たとえばカーボン膜４０ｂを、照射するレーザビームの侵入長の２倍以上４倍未満、好ましい一例として３倍程度の膜厚に形成すればよい。カーボン膜４０ｂの膜厚を侵入長の２倍以上とすることで、カーボン膜４０ｂへの入射光の８５％を超えるエネルギを吸収させることができる。カーボン膜４０ｂの膜厚をたとえば１００ｎｍとした場合、カーボン膜４０ｂに入射する光の９５％を超えるエネルギを吸収させることが可能である。成膜コストやアニール後に膜を除去するコストの増加、及びスループット低下の観点から、膜厚は４倍未満とすることが好ましいであろう。

なお、前述のように、結晶シリコンに対するＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の侵入長は約１μｍである。このため、たとえばシリコン膜４０ｃでパルスレーザビーム５０の８５％を吸収させるためには、２μｍ程度の膜厚が必要となる。シリコン膜４０ｃをパルスレーザビーム５０の主たる吸収層として用いることも可能であるが、成膜工程やアニール後の膜除去工程を考慮すると、カーボン膜４０ｂが主たる吸収層となるように、カーボン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃの膜厚を決定することが望ましい。

結晶シリコンの代わりに、アモルファスシリコンの膜を使うことで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の侵入長は４７ｎｍとなり、１００ｎｍ程度の膜厚で、パルスレーザビーム５０の８５％を吸収させることができると考えられる。しかしアモルファスシリコンは、レーザ照射によって結晶化されてしまうため、重複照射を行う場合は、結晶シリコンとして扱う必要がある。

シリコン膜４０ｃは、たとえばカーボン膜４０ｂが酸化して消耗することを防止する。たとえば図４に示す、ＳｉＣ基板４０ａ上にカーボン膜４０ｂが形成されただけの基板を基板４０として用い、パルスレーザビーム５０を基板４０のカーボン膜４０ｂ上に照射してレーザアニールを行うことも可能である。しかしその場合、カーボン膜４０ｂは高温の大気中では酸素と反応するため、パルスレーザビーム５０を、たとえば不活性ガス雰囲気で照射することが望ましい。これに対し、カーボン膜４０ｂ上にシリコン膜４０ｃが形成された基板４０の場合、シリコン膜４０ｃ表面に形成されるＳｉＯ_２膜のため、大気中でも安定したアニールが実現可能である。

またシリコン膜４０ｃは、溶融する際に融解潜熱を吸収するので、多くの熱量を蓄えることができる。熱量が蓄えられたシリコン膜４０ｃは、レーザ照射が終わった後も熱源として作用し、長時間にわたりＳｉＣ基板４０ａの活性化対象部（不純物添加領域）を加熱する。このため、活性化を進展させる役割を果たすことも期待される。

カーボン膜４０ｂ上にシリコン膜４０ｃを形成することによって、高スループット、低コストでのレーザアニールを実現することが可能である。

なお、カーボン膜４０ｂとシリコン膜４０ｃとは、ともにＳｉＣの構成元素（Ｓｉ及びＣ）で形成される膜である。したがって、成膜時やレーザ照射時等にＳｉＣ基板４０ａに余計な不純物が混入しにくく、ＳｉＣ基板４０ａの半導体特性に対する影響を少なくすることが可能である。

実施例によるレーザアニール方法は、ＳｉＣのバンドギャップエネルギ未満のエネルギを有する、ＳｉＣに吸収されにくい波長のレーザビームを用い、ＳｉＣ層上にレーザビームの多くを吸収する吸収層を形成して、吸収層上にレーザビームを照射して行うレーザアニール方法である。ＳｉＣのバンドギャップエネルギ未満のエネルギのレーザビームを使用するため、レーザ光源の出力を大きくできる。このため高スループット、低コストでレーザアニールを行うことが可能である。実施例によるレーザアニール方法には、たとえば波長が４００ｎｍ〜１．１μｍの、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等の固体レーザの基本波や２倍高調波、及び半導体レーザから出射されるレーザビーム等を好適に使用することができる。固体レーザや半導体レーザは、たとえばガスレーザに比べ、装置の維持や管理が容易であるため、この点からも高スループット、低コストのレーザアニールを実現可能である。

他の実施例として、たとえばレーザ光源１０に、波長８０８ｎｍのレーザビームを出射する半導体レーザを用い、パルス幅３０μｓのパルスレーザビーム５０を、長軸方向４ｍｍ、短軸方向０．２ｍｍの矩形状に整形して、基板に入射させることができる。基板には、たとえば表層部にＡｌ^＋をイオン注入したｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板４０ａ上に、厚さ１００ｎｍのカーボン膜４０ｂ、及び厚さ５０ｎｍのシリコン膜４０ｃをこの順に成膜した基板４０を用いる。基板４０は予熱せず、常温でパルスレーザビーム５０を、長軸方向、短軸方向の双方に９０％のオーバーラップ率で照射する。

図３に示すように、結晶シリコンに対する波長８０８ｎｍの光の侵入長は約１０μｍである。このため、厚さ５０ｎｍのシリコン膜４０ｃではパルスレーザビーム５０はほとんど吸収されない。一方、グラファイト構造のカーボンに対する波長８０８ｎｍの光の侵入長は約３５ｎｍである。このため、厚さ１００ｎｍのカーボン膜４０ｂにおいて、カーボン膜４０ｂに入射するパルスレーザビーム５０の９０％超が吸収される。カーボン膜４０ｂで吸収されたエネルギはカーボン膜４０ｂの温度を上昇させ、これに隣接するＳｉＣ基板４０ａ及びシリコン膜４０ｃを加熱する。シリコン膜４０ｃの温度が上昇すると、シリコン膜４０ｃにおける光の吸収係数が増加するため、シリコン膜４０ｃの温度が更に上昇する。レーザ照射面（シリコン膜４０ｃ表面）上におけるパルスレーザビーム５０のエネルギ密度は、たとえば最終的にシリコン膜４０ｃの最表面が溶融し、２０００Ｋ以上の温度となるように調整される。高温となったカーボン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃは、ＳｉＣ基板４０ａに熱を供給し、ＳｉＣ基板４０ａの温度を上昇させる。ＳｉＣ基板４０ａの不純物がイオン注入された領域の温度は、たとえば１８００Ｋ以上となり、不純物が活性化される。

なお、アモルファスシリコンに対する波長８０８ｎｍの光の侵入長は約５００ｎｍであるため、シリコン膜４０ｃがアモルファス構造であれば、シリコン膜４０ｃにおいてパルスレーザビーム５０のある程度の吸収が見込まれる。しかし、たとえば９０％のオーバーラップ率で重複照射を行う場合、パルスレーザビーム５０が照射される領域のシリコン膜４０ｃの９０％は結晶化されていると考えられるので、シリコン膜４０ｃにおいてはパルスレーザビーム５０の吸収はほとんど生じない。

ＳｉＣ基板４０ａに添加された不純物の活性化が終了した後、カーボン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃは除去される。

他の実施例によっても、高スループット、低コストのレーザアニールを実現することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

たとえば、実施例においては、カーボン膜４０ｂとして、グラファイト構造のカーボン膜を用いた。アモルファス状のカーボン膜やダイヤモンドライクカーボン(diamond like carbon; DLC)膜を使用することもできる。ただし、グラファイト構造のカーボン膜は、ＳｉＣのバンドギャップエネルギよりも低いエネルギの光の吸収率が高いため、より好ましく用いることができる。

また、実施例においては、不純物としてＡｌをイオン注入したＳｉＣ基板のレーザアニールを行ったが、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等を不純物として添加することができる。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

たとえばショットキーバリアダイオードやＭＯＳＦＥＴ(metal oxide semiconductor field effect transistor)等のパワーデバイス製造工程におけるＳｉＣ基板のレーザアニールに用いることができる。

また、ＳｉＣ基板に添加された不純物を活性化させる活性化アニールだけでなく、ＳｉＣ基板の結晶化や、ＳｉＣ基板の結晶性を回復させる再結晶化のためのアニールにも利用することができる。

１０レーザ光源
２０伝搬光学系
２０ａ、２０ｂレンズアレイ
２０ｃ集光レンズ
３０ＸＹステージ
４０基板
４０ａＳｉＣ基板
４０ｂカーボン膜
４０ｃシリコン膜
５０レーザビーム

Claims

（ａ）ＳｉＣ層と、該ＳｉＣ層上に形成された吸収層とを備えるアニール対象物を準備する工程と、
（ｂ）前記アニール対象物の前記吸収層にレーザビームを照射し、前記吸収層に吸収されるレーザビームのエネルギによって前記吸収層を発熱させ、前記吸収層で発生した熱によって、前記ＳｉＣ層を加熱する工程と
を有するレーザアニール方法。
前記吸収層は、該吸収層に照射されたレーザビームのエネルギの８０％以上を吸収する請求項１に記載のレーザアニール方法。
前記吸収層はカーボン層を含む請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
前記カーボン層はグラファイト構造を有する請求項３に記載のレーザアニール方法。
前記カーボン層は、前記工程（ｂ）で、前記吸収層に照射されるレーザビームの侵入長の２倍以上４倍未満の厚さを有する請求項３または４に記載のレーザアニール方法。
前記吸収層は、前記カーボン層と、前記カーボン層上に形成される層を含む請求項３〜５のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
前記酸化防止層はシリコン層である請求項６に記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）で照射するレーザビームの波長は、４００ｎｍ〜１．１μｍである請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
レーザビームを出射する光源と、
ＳｉＣ層と、該ＳｉＣ層上に形成された吸収層とを備えるアニール対象物を保持するステージと、
前記光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持されたアニール対象物の前記吸収層に伝搬する伝搬光学系と
を有し、
前記伝搬光学系によって、前記アニール対象物に伝搬されたレーザビームは、前記吸収層に吸収されて、前記吸収層を発熱させ、前記吸収層で発生させた熱によって、前記ＳｉＣ層を加熱するレーザアニール装置。
前記吸収層は、該吸収層に照射されたレーザビームのエネルギの８０％以上を吸収する請求項９に記載のレーザアニール装置。
前記吸収層はカーボン層を含む請求項９または１０に記載のレーザアニール装置。
前記カーボン層はグラファイト構造を有する請求項１１に記載のレーザアニール装置。
前記カーボン層は、前記伝搬光学系により前記吸収層に伝搬されるレーザビームの侵入長の２倍以上４倍未満の厚さを有する請求項１１または１２に記載のレーザアニール装置。
前記吸収層は、前記カーボン層と、前記カーボン層上に形成される層を含む請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
前記酸化防止層はシリコン層である請求項１４に記載のレーザアニール装置。
前記光源は、４００ｎｍ〜１．１μｍの波長のレーザビームを出射する請求項９〜１５のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。