JP2012069748A - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents
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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
【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/cm2〜1.5J/cm2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。
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。
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SiO2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
30 XYステージ
40 基板
40a SiC基板
40b カーボン膜
40c シリコン膜
50 レーザビーム
20 伝搬光学系
20a、20b レンズアレイ
20c 集光レンズ
30 XYステージ
40 基板
40a SiC基板
40b カーボン膜
40c シリコン膜
50 レーザビーム
Claims (16)
- (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。
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