JP2012522646A - レーザエネルギによって半導体材料表面を照射する方法および装置 - Google Patents

レーザエネルギによって半導体材料表面を照射する方法および装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、半導体材料を照射する方法に関し、半導体材料層表面の領域（ａ）を選択するステップであって、当該領域（ａ）が領域サイズを有するステップと、ビームスポットサイズ（ｂ）を有するエキシマレーザで半導体材料層表面の領域（ａ）を照射するステップと、ビームスポットサイズ（ｂ）を調整するステップとを具え、ビームスポットサイズ（ｂ）を調整するステップがビームスポットサイズ（ｂ）を選択領域サイズ（ａ）に一致させるステップを含む。さらに本発明は、半導体材料を照射する装置に関し、半導体層表面の選択領域（ａ）を照射するエキシマレーザであって、選択領域（ａ）が有する領域サイズに一致させるレーザビームスポットサイズ（ｂ）を有するエキシマレーザと、レーザビームスポットサイズを調整する手段とを具え、レーザビームスポットサイズ（ｂ）を調整する手段がレーザビームスポットサイズ（ｂ）を選択領域サイズ（ａ）に可変的に一致させるよう適合されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザによって半導体材料表面を照射する方法に関する。さらに、本発明は半導体材料表面を照射するレーザ装置に関する。
半導体材料表面のレーザ照射は、再結晶化を得るアモルファスシリコンの熱アニールやドーパント活性化などのアプリケーションで周知である。この技術は、非常に高速の加熱処理と加熱領域の浅い深度とを可能にすることによって、従来の加熱処理を超える著しい利点を提供している。
半導体アプリケーションの従来のレーザ照射処理の一般的な問題は、熱プロセスに必要な高いエネルギ密度と、伝統的に利用可能なレーザ源の低出力なエネルギとによるものであり、レーザスポットサイズはチップあるいはデバイスと呼ばれるダイのサイズより遙かに小さい。結果として、レーザスポットはダイ上をステップするか、もしくは走査してダイ全体をカバーなければならず、幾つかの欠点をもたらしている。
Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ Ｂｏｒｌａｎｄ（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｎｅｗ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｏｆ ＵＳＪ ａｎｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ，１６ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ−ＲＴＰ２００８）に記載するように、かつ図１および図２に示すように、第１の欠点は、レーザスポット（ｂ）がダイ（ａ）を走査するか、もしくはこの上をステップする場合、連続するレーザスポットがダイの一部の部分（ｃ）で重なり、ドーパント活性化の速度もしくは深度と表面の質とに不均一性を導くということである。
別の欠点は、同じ表面領域に多重レーザパルスが必要である場合、処理面領域の各点の多重レーザパルスを平均するために、レーザスポットが非常に高い重なりで表面を走査するかもしくはこの上をステップし、これにより生産速度を制限し、周期的な不均一性、いわゆるモアレパターンをもたらすということである。
別の一般的な問題は、異なる種類のアプリケーションのダイが通常異なるサイズを有するということであり、さらに一部のアプリケーションではダイの一部だけを照射しなければならないということである。限られた重なりで異なるダイサイズまたはダイの一部を処理することができるように、異なるサイズの様々なマスクによってビームスポットが形成される。結果的に別のサイズを必要とする毎にマスクを変更し調整しなければならないので、生産柔軟性が著しく制限され、ダウンタイムが顕著になる場合がある。
上記欠点を克服するために、国際公開第０１／６１４０７号（Ｈａｗｒｙｌｕｋら）は照射野のサイズを規定するために可変絞りを用いるレーザ照射装置を記載している。
しかしながら、明らかな欠点は、Ｈａｗｒｙｌｕｋらによれば、十分な均一性を得るのに必要なレーザ光源は１０００を超える空間モードを具えた固体レーザであることが必要であり、これは現在商業上利用可能なレーザ源ではない。
ビームスポットをサイズ調整した別の実施例は米国特許出願公開第２００６／０１７６９２０号であり、ここでＰａｒｋらは、透過、半透過、および遮断領域を有する強度パターン調節装置を具え、帯状のレーザビームの強度をその長さを調節することによって可変的に調節するレーザー照射装置を記載している。
上記レーザ照射処理の欠点を考慮すると、本発明に係るレーザ照射方法と装置が明らかに必要であり、これは第１の目的として、半導体材料層を処理してダイおよびウェハ内で許容可能な均一性を得る機能を提供する一方、許容可能な生産速度と生産柔軟性を維持することができる。
第２の目的として、本発明は重なりの影響と減衰領域の低減を提供することができる。
別の目的として、本発明は材料層表面に柔軟な画像形状でビームを生成する機能を提供することができる。
別の目的として、本発明はより低い温度で照射し、レーザエネルギの熱への変換を最大化する機能を提供することができる。
本発明は、レーザビームスポットサイズを選択領域サイズに可変的に一致させることによって上記目的を満たす。
本発明は、半導体材料を照射する方法に向けられており、
− 半導体材料層表面の領域を選択するステップであって、当該領域が領域サイズを有するステップと、
− ビームスポットサイズを有するエキシマレーザで半導体材料層表面の領域を照射するステップと、−ビームスポットサイズを調整するステップとを含み、
ビームスポットサイズを調整するステップがビームスポットサイズを選択領域サイズに可変的に一致させるステップを含む。
さらに本発明は、半導体材料を照射する装置に向けられており、
− 半導体層表面の選択領域を照射するエキシマレーザであって、選択領域が有する領域サイズに一致させるレーザビームスポットサイズを有するエキシマレーザと、
− レーザビームスポットサイズを調整する手段とを具え、
レーザビームスポットサイズを調整する手段がレーザビームスポットサイズを選択領域サイズに可変的に一致させるよう適合されている。
図１は、先行技術の方法を示す。 図２は、別の先行技術の方法を示す。 図３は、本発明に係る方法を示す。 図４は、本発明に係る好適なダイ全体にわたる照射エネルギ分布を示す。 図５は、可変絞りを示す。 図６は、可変画像倍率を有する光学系を示す。
後述する実施形態は本発明に係る単なる例示であり、本発明の意図した範囲を限定しないことを当業者は理解する。他の実施形態を考慮することもできる。
本発明の第１の実施形態によれば、半導体材料を照射する方法は、
− 半導体材料層表面の領域を選択するステップであって、当該領域が領域サイズを有するステップと、
− ビームスポットサイズを有するエキシマレーザで半導体材料層表面の領域を照射するステップと、
− ビームスポットサイズを調整するステップとを含み、
ビームスポットサイズを調整するステップがビームスポットサイズを選択領域サイズに可変的に一致させるステップを含む。
この方法は、ビームスポットサイズを選択領域サイズに可変的に一致させることによって、重なりの影響と減衰領域を低減することにより、ダイとウェハに許容可能な均一性を提供することができる。さらに、この方法は、材料層表面に柔軟な形状およびサイズでビームスポットを生成する機能によって、許容可能な生産速度と生産柔軟性を提供することができる。
半導体材料層は、限定されないが、非ドープシリコン、ドープシリコン、注入シリコン、結晶シリコン、アモルファスシリコン、シリコンゲルマニウム、窒化ゲルマニウム、窒化ガリウムや炭化ケイ素などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体といった半導体アプリケーションに適した任意の材料にすることができる。
本発明に係る実施形態では、ビームスポットサイズを一致させるステップが可変絞りのサイズと形状を変更することによって行われ、その画像が材料層表面に形成される。実質的に、この絞りは穴あるいは開口であり、これを介してレーザービームが通り、これが選択領域にビームスポットの形状とサイズを規定する。この可変絞りを機械的に変更することによって、ビームスポットのサイズおよび／または形状を選択領域のサイズおよび／または形状に一致させることができる。この可変絞りにはブレードを装備させることができ、図５に示すように、この位置を可変的に調整することができる。
必要なビームスポットの精度に依存して、誤りを訂正し、選択領域にスポットサイズを正確に一致させるのに絞りの微調整が必要になるであろう。この微調整は、カメラを用いて材料層表面のビームスポットを視覚化し、スポットサイズを測定し、絞りの開口サイズと形状を調整することによって行うことができる。ブレードを装備した開口部の場合には、ブレード位置を微調整して要求精度で標的スポットサイズに達することができる。
本発明に係る代替実施形態あるいは可変絞りとの組み合わせでは、ビームスポットサイズを一致させるステップが可変画像倍率を有する光学系によって行われる。可変倍率でウェハに絞りの画像を生成するのに、このような光学系が適している。
さらに本発明によれば、この方法は、ビームスポットをＸＹＺ方向で選択領域に対して位置合わせするステップを具えることができる。
本発明の好適な実施形態では、図３に示すように、選択領域は少なくとも１つのダイ全体とすることができる。１つのレーザパルスによってダイ全体を処理することができる。さらに、ダイは多重レーザパルスを受けることができ、全てダイ全体をカバーする。
さらに図３に示すように、選択領域は複数のダイをカバーすることができる。図では、１以上のダイ全体への照射が顕著にダイ（ｅ）の均一な照射エネルギ分布を増加し、重なりの影響（ｃ）を低減し、処理の均一性を向上することができる。
本発明に係る方法はさらに、ビームスポットサイズを選択領域サイズに一致させる前にレーザビームを均質化するステップを含む。レーザビームの均質化が処理の均一性を明らかに向上する。
さらに本発明によれば、半導体材料を照射する装置は、
半導体層表面の選択領域を照射するエキシマレーザであって、選択領域が有する領域サイズに一致させるレーザビームスポットサイズを有するエキシマレーザと、
レーザビームスポットサイズを調整する手段とを具え、
レーザビームスポットサイズを調整する手段がレーザビームスポットサイズを選択領域サイズに可変的に一致させるよう適合されている。
エキシマレーザは、その波長、エネルギおよびパルス幅がこの処理に適した任意のエキシマレーザ、好ましくは塩化キセノンエキシマレーザにすることができる。
エキシマレーザの波長は、その波長でシリコンの高いエネルギ吸収により１９０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲、好ましくは３０８ｎｍにすることができる。
レーザエネルギは、５ジュール〜２５ジュールの範囲にすることができる。これらのエネルギを得るために、レーザ放電の量は通常１０ｃｍ（電極間隔）×７〜１０ｃｍ（放電幅）×１００〜２００ｃｍ（放電距離）に最適化される。
パルス幅は、ドーパントの拡散を低減する高速な加熱と、欠陥の形成を低減する相対的に緩やかな冷却との間の最適条件に対応しており、１００ナノ秒〜１０００ナノ秒の範囲、好ましくは１００ナノ秒〜３００ナノ秒の間にすることができる。
好適な実施形態では、８０ｃｍ２超、好ましくは１００ｃｍ２の広面積出力ビームを生成するようエキシマレーザを適合することができる。
別の好適な実施形態では、１〜１０Ｊ／ｃｍ２の間のエネルギ密度でレーザビームを生成するようエキシマレーザを適合することができる。
本発明によれば、レーザビームスポットサイズを一致させる手段は可変絞りを具えることができる。可変絞りは、ビームスポットサイズおよび／または形状を規定するだけでなく、高解像度画像システムによってこの絞りの結像を介した鋭い画像端（図４のｆ）を顕著に得て、これにより減衰領域と重なりの影響を低減することができる。
あるいは本発明によれば、レーザビームスポットサイズを一致させる手段が可変画像倍率を有する光学系を具えている。図６に示す光学系では、第１のレンズあるいは第１の群のレンズ（対物レンズ、第１の群）と、第２のレンズレンズあるいは第２の群のレンズ（対物レンズ、第２の群）との間の距離がシステムの倍率（通常は４×〜８×）を調整する遅延線によって調整可能である。
可変画像倍率を有する光学系は可変絞りに用いてもよいし、もしくは可変絞りとの組み合わせで用いてもよい。
本発明の実施形態では、選択領域のビームスポットサイズは矩形形状で１〜４．５ｃｍ２に調整することができる。
本発明に係る装置はさらに、ビームスポットをＸＹＺ方向で選択領域に位置合わせする手段を具えている。
好ましくは、非常に正確で、複雑で、高価な焦点に沿った位置調整の必要性をなくすために、焦点深度をできるだけ深く、好ましくは１００マイクロメートル超にすることができる。
面を離れた反射光が光学系に戻って入射しないために、選択領域のレーザービームの入射角は半導体材料層に垂直な面に対して所定の角度（通常は５°）にすることができる。
本発明に係る装置はさらに、ビームホモジナイザを具えることができ、レーザビームスポットサイズを調整する手段の前に配置される。
本発明に係る装置はさらに、パターン認識システムを具えることができる。このようなパターン認識システムは、半導体材料を保持するステージに機械的に連結し、当該材料層表面より上に配置したカメラを具えることができる。特定の実施形態では、カメラからの画像を処理し、半導体材料にエッチングした幾つか（通常は３つ）の位置合わせマークを検出することができる。位置合わせマークは、装置の座標系で半導体材料の正確な位置を提供する。
本発明に係る装置を用いて、半導体材料または限定されないがＣＭＯＳ画像センサや３Ｄメモリなどのデバイスを作製することができる。
ＣＭＯＳ画像センサに関しては、背面を照らしたＣＭＯＳ画像センサであって、デバイスの背面で光が集められる一方、正面で読出／電荷収集が行われるセンサに本発明の方法および装置が非常に有用である。背面の照明は、背面のドーパント活性化に非常に良好な均一性の活性化速度と深度を要求する。さらに、全てのセンサの画質を維持するため、活性化プロセスが非常に高品質の面を維持しなければならない。本発明の方法および装置を用いることによって、１つのパルスによって１以上のセンサ全体の背面を照射することが可能であり、これにより重なって走査もしくはステップせず、必要なセンサ均一性を得ることができる。
本発明に係る方法の実施例
ステップ０：ビームスポットに対してウェハを装填し、概略的にウェハを配置する。
ステップ１：照射パラメータの選択
照射パラメータは、
− 特定のウェハ基板（例えば２Ｊ／ｃｍ２）に必要なエネルギー密度と、
− ウェハ（例えば１８×１２ｍｍ）の処理領域の寸法（ＸＷ×ＹＷ）と、
− 基準位置に対するウェハの照射すべきダイの座標（（Ｘｉ，Ｙｉ）ｉ＝１〜Ｎ、Ｎは照射するダイの数）とに基づいて選択される。
ステップ２：システム倍率の調整
− 光学系の倍率（Ｇ）を演算し、ウェハの所望の寸法（ＸＷ×ＹＷ）に最も近いウェハスポットサイズを生成する一方で、絞りのブレードを全開放位置（Ｘ開口＝９６ｍｍ，Ｙ開口＝７６ｍｍ）にする。この実施例では、Ｇ＝Ｘ開口／ＸＷ＝９６／１８＝５，３３である。
− 遅延線の位置は（前の較正によって測定した）プリセット位置に調整され、所望の倍率に対応し、９６／５．３３×７２／５．３３＝１８×１３．５ｍｍのウェハスポットサイズをもたらす。対物レンズ群の焦点の微調整も必要である。
ステップ３：マスク寸法の調整
− 絞りブレードの位置を調整して必要なビームサイズを得る。この実施例では、２つの垂直ブレード（Ｘの調整）が開放位置に残り、２つの水平ブレードはＹ＝１２ｍｍに到達するように調整され、名目上１８×１２ｍｍのウェハスポットサイズをもたらす。
− 絞りブレードの位置を微調整する。
ステップ４：処理すべきウェハに対するレーザスポットの位置決め
− パターン認識ステップは、ウェハステージ座標系に対するウェハの３つの位置合わせマークの正確な位置を検出する。
− ウェハステージはレーザスポットの位置を当該処理すべき第１のダイの位置に重ねるよう移動する。
ステップ５：照射
− 必要なエネルギ密度で第１のダイをレーザ照射する。レーザ充電電圧を調節し、ビーム経路の可変減衰器を用いることによって照射エネルギが制御される。
− ウェハステージが次のダイの位置（Ｘｉ，Ｙｉ）に移動する。
− 照射とウェハステージの移動は、当該処理すべき全てのダイが照射されるまで繰り返される。

Claims (14)

  1. 半導体材料を照射する方法において、
    半導体材料層表面の領域を選択するステップであって、前記領域が領域サイズを有するステップと、
    ビームスポットサイズを有するエキシマレーザで前記半導体材料層表面の領域を照射するステップと、
    前記ビームスポットサイズを調整するステップとを含み、
    前記ビームスポットサイズを調整するステップが前記ビームスポットサイズを前記選択領域サイズに可変的に一致させるステップを含むことを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、前記ビームスポットサイズを一致させるステップが可変絞りのサイズと形状を変更することによって行われ、その画像が前記材料層表面に形成されることを特徴とする方法。
  3. 請求項１に記載の方法において、前記ビームスポットサイズを一致させるステップが可変画像倍率を有する光学系の倍率を変更することによって行われることを特徴とする方法。
  4. 請求項１または３に記載の方法がさらに、前記ビームスポットをＸＹＺ方向で前記選択領域に位置合わせするステップを含むことを特徴とする方法。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の方法において、前記選択領域が少なくとも１つのダイ全体であることを特徴とする方法。
  6. 請求項１または５に記載の方法がさらに、前記ビームスポットサイズを前記選択領域サイズに一致させる前に前記レーザビームを均質化するステップを含むことを特徴とする方法。
  7. 半導体材料を照射する装置において、
    半導体材料層表面の選択領域を照射するエキシマレーザであって、前記選択領域が有する領域サイズに一致させるレーザビームスポットサイズを有するエキシマレーザと、
    前記レーザビームスポットサイズを調整する手段とを具え、
    前記レーザビームスポットサイズを調整する手段が前記レーザビームスポットサイズを前記選択領域サイズに可変的に一致させるよう適合されていることを特徴とする装置。
  8. 請求項７に記載の装置において、前記エキシマレーザが１〜１０Ｊ／ｃｍ２のエネルギ密度でレーザビームを生成するよう適合されていることを特徴とする装置。
  9. 請求項７または８に記載の装置において、前記レーザビームスポットサイズに一致させる手段が可変絞りを具え、その画像が前記材料層表面に形成されることを特徴とする装置。
  10. 請求項７〜９の何れか１項に記載の装置において、前記レーザビームスポットサイズを一致させる手段が可変画像倍率を有する光学系を具えることを特徴とする装置。
  11. 請求項７〜１０の何れか１項に記載の装置がさらに、前記ビームスポットをＸＹＺ方向で前記選択領域に位置合わせする手段を具えることを特徴とする装置。
  12. 請求項７〜１１の何れか１項に記載の装置において、前記ビームスポットサイズが少なくとも１つのダイ全体に一致することを特徴とする装置。
  13. 請求項７〜１２の何れか１項に記載の装置がさらに、ビームホモジナイザを具え、前記レーザビームスポットサイズを調整する手段の前に配置されていることを特徴とする装置。
  14. 半導体材料を作製するための請求項７〜１３の何れか１項に記載の装置の使用。
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