JP2016134542A - レーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉縞の発生を抑制し、均質なアニールを行うことが可能なレーザアニール装置を提供する。【解決手段】レーザ光源から出力されたパルスレーザビームの経路上に、パルスレーザビームのビーム断面を矩形に整形する第１のアパーチャが配置されている。ステージが加工対象物を保持する。第１のアパーチャの透過領域が、結像光学系によって加工対象物の表面に結像される。第１のアパーチャから加工対象物までのパルスレーザビームの経路上に、矩形の透過領域を有する第２のアパーチャが配置されている。第２のアパーチャの透過領域が、第１のアパーチャで回折した０次以外の１つの高次回折光によって形成される環状の明部の内側の縁を含み、外側の縁よりも内側に配置されることにより、明部の一部分が遮光されている。【選択図】図１

Description

本発明は、アパーチャを透過したレーザビームをアニール対象物に入射させてレーザアニールを行うレーザアニール装置に関する。

半導体パワーデバイス用の半導体材料として、シリコンよりも広いエネルギバンドギャップを有するＳｉＣが注目されている。ＳｉＣを用いたショットキバリアダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ等のパワー半導体デバイスが実用化されている。ＳｉＣは、Ｓｉに比べて欠陥の少ないウエハを作製することが困難である。このため、ＳｉＣウエハの上に形成された欠陥の少ないエピタキシャル層が、ドリフト層として利用される。エピタキシャル層の厚さは、必要とされる耐圧に合わせて設定される。ドリフト層としてＳｉＣを用いる場合には、Ｓｉを用いる場合に比べて、約１／１０の厚さで同等の耐圧を確保することができる。例えば、厚さ１０μｍのＳｉＣからなるエピタキシャル層により、厚さ１００μｍのＳｉウエハと同程度の耐圧を確保することができる。

ショットキバリアダイオードにおいては、エピタキシャル層の表面にアノード電極が形成される。スイッチング素子においては、エピタキシャル層の表面にスイッチング機能を有する素子構造が形成される。エピタキシャル層の下地となっているＳｉＣウエハは、エピタキシャル層の支持基板としての役割を持つ。通電ロスを低減するために、ＳｉＣウエハを薄くすることが好ましい。エピタキシャル層の表面に素子構造を形成する前に、ＳｉＣウエハを薄くすると、プロセス中の破損や反りにより、素子構造を形成することが困難になる。従って、エピタキシャル層の表面に素子構造を形成した後、ＳｉＣウエハを削って薄くすることが好ましい。

薄くされたＳｉＣウエハの裏側の表面に、オーミック電極が形成される。オーミック電極の形成時にレーザアニールを適用すると、電気炉でアニールする場合に比べて、表側の表面に形成されている素子構造への熱影響を軽減することができる。オーミック電極として、ニッケルシリサイド等の金属シリサイドが用いられる。

下記の特許文献１に、紫外域のパルスレーザビームを用いたレーザアニールにより、オーミック電極を形成する方法が開示されている。紫外域のパルスレーザとして、固体レーザの第３高調波、エキシマレーザ等が用いられる。

特開２０１４−１２３５８９号公報

均質なアニールを行うために、加工面におけるビームプロファイルを均一化することが好ましい。ところが、紫外域のレーザ光は、アパーチャを通過するときに回折されることにより、加工面において干渉縞が発生する。この干渉縞が、均質なアニールの妨げになる場合がある。

本発明の目的は、干渉縞の発生を抑制し、均質なアニールを行うことが可能な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、
パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザビームの経路上に配置され、前記パルスレーザビームのビーム断面を矩形に整形する第１のアパーチャと、
加工対象物を保持するステージと、
前記第１のアパーチャの透過領域を前記加工対象物の表面に結像させる結像光学系と、
前記第１のアパーチャから前記加工対象物までの前記パルスレーザビームの経路上に配置され、矩形の透過領域を有する第２のアパーチャと
を有し、
前記第２のアパーチャの透過領域が、前記第１のアパーチャで回折した０次以外の１つの高次回折光によって形成される環状の明部の内側の縁を含み、外側の縁よりも内側に配置されることにより、前記明部の一部分が遮光されているレーザアニール装置が提供される。

環状の明部の一部分を遮光することにより、干渉縞の発生を抑制し、均質なアニールを行なうことが可能になる。

図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図２Ａは、コリメートレンズでコリメートされた後のパルスレーザビームのビーム断面を示す概略図であり、図２Ｂは、第２のアパーチャの透過領域と、明部との位置関係を示す概略図である。 図３Ａは、基板の位置に配置したポリイミド板にパルスレーザビームを入射させた後のポリイミド板の表面写真をスケッチした図であり、図３Ｂは、図３Ａの一点鎖線３Ｂ−３Ｂにおける深さの分布の実測結果を示すグラフであり、図３Ｃは、第２のアパーチャを取り外してポリイミド板にレーザ照射を行って形成した凹部の深さの分布を示すグラフである。 図４は、基板の表面におけるパルスレーザビームの入射領域の平面図、及び入射領域の移動の履歴を示す図である。 図５は、第２のアパーチャの透過領域と、明部との位置関係の他の例を示す概略図である。 図６Ａは、第１のアパーチャの透過領域の寸法と、第２のアパーチャの透過領域の寸法との関係を示す図表であり、図６Ｂは、実施例の他の構成例による第１のアパーチャの透過領域及び第２のアパーチャの透過領域の平面図である。 図７Ａ〜図７Ｄは、実施例によるレーザアニール装置を使用して製造される半導体素子の製造途中段階における断面図である。 図７Ｅ〜図７Ｆは、実施例によるレーザアニール装置を使用して製造される半導体素子の製造途中段階における断面図である。

図１に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源２０が紫外域のパルスレーザビームを出力する。レーザ光源２０には、例えば第３高調波を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器が用いられる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波の波長は約３５５ｎｍである。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器に代えて、他の固体レーザ発振器、例えばＮｄ：ＹＬＦレーザ発振器、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ発振器等を用いることができる。

レーザ光源２０から出力されたパルスレーザビームが、パワー調整器２２、第１のアパーチャ２５、結像光学系２６を経由して、加工対象物である基板１８に入射する。結像光学系２６は、コリメートレンズ２６１及び対物レンズ２６２を含む。コリメートレンズ２６１と対物レンズ２６２との間のパルスレーザビームの経路上に、第２のアパーチャ２７及び折り返しミラー２８が配置されている。

パワー調整器２２は、半波長板２２１、ビームスプリッタ２２２、四分の一波長板２２３、及びビームダンパ２２４、２２５を含む。半波長板２２１の速軸方向を変化させることにより、ビームスプリッタ２２２に対するｐ波成分とｓ波成分との比を変化させることができる。ｓ波成分は、ビームスプリッタ２２２で反射されてビームダンパ２２４に入射する。ｐ波成分は、ビームスプリッタ２２２を直進し、四分の一波長板２２３で円偏光に変換された後、第１のアパーチャ２５に入射する。半波長板２２１の速軸方向を変化させることにより、パワー調整器２２を透過後のパルスレーザビームのパワーを調整することができる。第１のアパーチャ２５に入射するパルスレーザビームはガウシアンビームである。

第１のアパーチャ２５は、矩形の透過領域を有し、パルスレーザビームのビーム断面を矩形に整形する。本実施例においては、透過領域が正方形である。透過領域の中心点は、第１のアパーチャ２５に入射するパルスレーザビームのビーム断面の中心点に一致する。第１のアパーチャ２５の透過領域が、ガウシアンビームの中心及び中心近傍の領域に配置されているため、第１のアパーチャ２５の透過領域内のビームプロファイルは、均一に近いと考えることができる。

第１のアパーチャ２５を透過したパルスレーザビームがコリメートレンズ２６１でコリメートされる。コリメートされたパルスレーザビームが、第２のアパーチャ２７に入射する。

第２のアパーチャ２７は、矩形の透過領域を有する。透過領域の中心点が、パルスレーザビームのビーム断面の中心点に一致する。第２のアパーチャ２７を透過したパルスレーザビームが、折り返しミラー２８で下方に向けて反射され、対物レンズ２６２によって収束される。コリメートレンズ２６１及び対物レンズ２６２からなる結像光学系２６は、第１のアパーチャ２５の透過領域を基板１８の表面（加工面）に結像させる。

基板１８で反射したパルスレーザビームの反射光は、入射経路を逆に辿り、四分の一波長板２２３で直線偏光に変換される。直線偏光に変換された反射光は、ビームスプリッタ２２２で反射されてビームダンパ２２５に入射する。

基板１８は、ステージ３０に保持されている。ステージ３０は、移動機構３１を介して基台３２に支持されている。移動機構３１は、パルスレーザビームの経路に対して、ステージ３０を基板１８の表面に平行な２方向に移動させることができる。

制御装置４０が、レーザ光源２０からのパルスレーザビームの出力タイミング、半波長板２２１の速軸の方向、及び移動機構３１によるステージ３０の移動を制御する。ステージ３０を移動させる代わりに、ステージ３０に対してパルスレーザビームの経路を移動させてもよい。すなわち、基板１８の表面においてパルスレーザビームの入射領域が移動するように、パルスレーザビームの経路及びステージ３０の一方を他方に対して移動させればよい。

図２Ａに、コリメートレンズ２６１（図１）でコリメートされた後のパルスレーザビームのビーム断面を示す。第１のアパーチャ２５による０次回折光、１次回折光、及び２次回折光が、それぞれ明部５０、５１、及び５２を形成する。図２Ａにおいて、明部５０、５１、５２に相対的に疎な間隔のハッチングが付されている。暗部に、相対的に密なハッチングが付されている。

０次回折光による明部５０は、ビーム断面の中心に位置し、第１のアパーチャ２５の透過領域の形状を反映したほぼ正方形の平面形状を有する。１次回折光による明部５１は、明部５０を内包する正方形の外周線に沿う環状の形状を有する。２次回折光による明部５２は、１次回折光による明部５１を内包する正方形の外周線に沿う環状の形状を有する。図２Ａには、０次〜２次回折光による明部５０、５１、５２を示しているが、３次以上の高次回折光による明部が観察される場合もある。

図２Ｂに、第２のアパーチャ２７の透過領域２７１と、明部５０、５１、５２との位置関係を示す。第２のアパーチャ２７の透過領域２７１は、１次回折光による明部５１の内側の縁を含み、外側の縁よりも内側に配置されている。このため、明部５１を通過するパルスレーザビームの一部の成分が透過領域２７１を透過し、他の成分が第２のアパーチャ２７によって遮光される。２次回折光による明部５２通過する全ての成分が、第２のアパーチャ２７によって遮光される。

図３Ａに、基板１８（図１）の位置に配置したポリイミド板にパルスレーザビームを入射させた後のポリイミド板の表面写真をスケッチした図を示す。ポリイミド板がアブレーションされることにより、凹部５５が形成されている。凹部５５は、第１のアパーチャ２５の透過領域の形状を反映して、正方形の角を丸くした平面形状を有する。相対的に密なハッチングが付された領域は、傾斜した側面に相当し、相対的に疎なハッチングが付された領域は、ほぼ平坦な底面に相当する。

図３Ｂに、図３Ａの一点鎖線３Ｂ−３Ｂにおける深さの分布の実測結果を示す。横軸は位置を表し、縦軸は深さを表す。図３Ａの相対的に密なハッチングが付された領域に相当する部分が、図３Ｂにおいて斜面になっていることがわかる。相対的に疎なハッチングが付された領域は、ほぼ平坦であることがわかる。

比較のために、図３Ｃに、第２のアパーチャ２７（図１）を取り外してポリイミド板にレーザ照射を行って形成した凹部の深さの分布を示す。凹部の底面が波打っていることがわかる。これは、第１のアパーチャ２５で回折された回折光同士が干渉することにより、基板１８（図１）の表面に干渉縞が生じたためである。

上記実施例のように、第２のアパーチャ２７を配置して明部５１（図２Ｂ）の外周側の一部分を遮光することにより、干渉の影響を軽減することができる。図３Ｂに示した実測結果は、明部５１を通過するパルスレーザビームのエネルギの約５０％の成分を遮光する条件で得られたものである。明部５１を通過するパルスレーザビームの光エネルギの３０％以上７０％以下の光エネルギを遮光することにより、干渉縞の影響を軽減することが可能である。

図４に、基板１８（図１）の表面におけるパルスレーザビームの入射領域３５の平面図、及び入射領域３５の移動の履歴を示す。第１のアパーチャ２５の透過領域の像が、入射領域３５に相当する。この像に、第１のアパーチャ２５の透過領域の形状が反映されることにより、入射領域３５は正方形の角が丸くなった平面形状を有する。入射領域３５の大きさは、パルスレーザビームのパワーに応じて、最適なパワー密度が得られるように調整される。

基板１８（図１）を移動させながらパルスレーザビームを入射させることにより、パルスレーザビームの入射領域３５が、基板１８の表面上で主走査方向３７（幅方向）及び副走査方向３８（長さ方向）に移動する。あるショットの入射領域３５１と、主走査方向３７に移動した次のショットの入射領域３５２との重複率（主走査方向３７に関する重複率）は、例えば５０％〜９９％である。あるショットの入射領域３５３と、副走査方向３８に移動した次のショットの入射領域３５４との重複率（副走査方向３８に関する重複率）は、例えば５０％〜９９％である。主走査と副走査とを繰り返すことにより、基板１８のアニール対象領域の全域が走査される。

主走査方向３７は、基板１８の表面に形成された第１のアパーチャの像の１つの辺に平行であり、副走査方向３８は、他の辺に平行である。制御装置４０が移動機構３１を制御することにより、入射領域３５が主走査方向３７及び副走査方向３８に移動する。主走査方向３７及び副走査方向３８に関する入射領域３５の重複率を５０％にすると、基板１８のアニール対象領域の全域を１回走査する工程で、基板１８の表面の同一箇所に入射するパルスレーザビームのショット数が４回になる。重複率を６６％にすると、基板１８のアニール対象領域の全域を１回走査する工程で、基板１８の表面の同一箇所に入射するパルスレーザビームのショット数が９回になる。

このように、入射領域３５の平面形状をほぼ矩形にし、主走査方向３７及び副走査方向３８を、入射領域３５の辺に平行にすることにより、アニール対象領域の全域に亘って、入射するパルスレーザビームのショット数を同一にすることができる。その結果、均一なレーザアニールを行うことが可能になる。これに対し、入射領域３５が円形である場合には、アニール対象領域の全域に亘って、入射するパルスレーザビームのショット数を同一にすることはできない。

図５に、第２のアパーチャ２７の透過領域２７１と、明部５０、５１、５２との位置関係の他の例を示す。図２Ａでは、１次回折光による明部５１の一部分が第２のアパーチャ２７により遮光されていた。図５に示した例では、２次回折光による明部５２の一部分が第２のアパーチャ２７により遮光されている。この場合、第２のアパーチャ２７の透過領域は、２次回折光による明部５２の内側の縁を含み、外側の縁よりも内側に配置される。さらに、３次以上の高次の回折光による明部の一部分が遮光されるようにしてもよい。

このように、実施例においては、第２のアパーチャ２７の透過領域２７１が、０次以外の１つの高次回折光によって形成される環状の明部５１、５２の内側の縁を含み、外側の縁よりも内側に配置されることにより、明部５１、５２の一部分が遮光される。これにより、基板１８（図１）の表面における干渉縞の発生を抑制することができる。

図６Ａに、第１のアパーチャ２５（図１）の透過領域の寸法と、第２のアパーチャ２７（図１）の透過領域２７１の寸法との関係を示す。図６Ａに示した例では、パルスレーザビームの波長を３５５ｎｍとし、コリメートレンズ２６１の焦点距離を２５００ｍｍとした。

第１のアパーチャ２５の透過領域の一辺の長さが０．５ｍｍのとき、１次回折光及び２次回折光による明部５１、５２（図２Ａ）の外側の辺の長さは、それぞれ８．６６ｍｍ及び１２．９９ｍｍである。第１のアパーチャ２５の透過領域の一辺の長さが１ｍｍのとき、１次回折光及び２次回折光による明部５１、５２（図２Ａ）の外側の辺の長さは、それぞれ４．３３ｍｍ及び６．５０ｍｍである。

図２Ｂに示した例では、第１のアパーチャ２５の透過領域の一辺の長さが０．５ｍｍのとき、第２のアパーチャ２７の透過領域の一辺の長さを、８．６６ｍｍよりもやや短くすればよい。図５に示した例では、第１のアパーチャ２５の透過領域の一辺の長さが０．５ｍｍのとき、第２のアパーチャ２７の透過領域の一辺の長さを、１２．９９ｍｍよりもやや短くすればよい。

図６Ｂに、実施例の他の構成例による第１のアパーチャ２５の透過領域２５１及び第２のアパーチャ２７の透過領域２７１の平面図を示す。上述の実施例では、第１のアパーチャ２５の透過領域２５１及び第２のアパーチャ２７の透過領域２７１の平面形状が正方形であったが、図６Ｂに示した構成例では、第１のアパーチャ２５の透過領域２５１及び第２のアパーチャ２７の透過領域２７１の平面形状が長方形である。

第１のアパーチャ２５の透過領域２５１の横方向及び縦方向の長さが、それぞれ１ｍｍ及び０．５ｍｍである場合、１次回折光による明部５１の外側の縁の横方向及び縦方向の長さは、それぞれ４．３３ｍｍ及び８．６６ｍｍである。第２のアパーチャ２７の透過領域２７１の寸法を、明部５１の外側の縁の寸法よりもやや小さくすれば、明部５１を通過するパルスレーザビームの一部分を遮光することができる。このように、第１のアパーチャ２５の透過領域２５１が横長の長方形である場合、第２のアパーチャ２７の透過領域２７１は縦長の長方形になる。

次に、図７Ａ〜図７Ｆを参照して、実施例によるレーザアニール装置を用いて半導体素子を製造する方法の一例について説明する。以下の例では、ＳｉＣ基板を用いたショットキダイオードが製造される。

図７Ａに示すように、ｎ型炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる基板の表面にｎ型ＳｉＣをエピタキシャル成長させることにより、ＳｉＣからなる下地基板１０を形成する。下地基板１０には、例えば４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣを用いることができる。エピタキシャル層の表層部に、イオン注入によりｐ型のガードリング１１を形成する。ガードリング１１が形成された表面とは反対側の表面を「第１の表面」１０Ａといい、ガードリング１１が形成された表面を「第２の表面」１０Ｂということとする。図７Ｂに示すように、下地基板１０の第２の表面１０Ｂに、酸化シリコンからなる絶縁膜１２を形成する。絶縁膜１２には、ガードリング１１に囲まれた領域を露出させる開口が形成されている。

図７Ｃに示すように、絶縁膜１２に形成されている開口の底面に露出している下地基板１０の表面に、ショットキ電極１３を形成する。一例として、チタン膜を形成した後、熱処理を行うことにより、ショットキコンタクトが実現される。ショットキ電極１３の上に表面電極１４を形成する。表面電極１４には、例えばアルミニウムが用いられる。ガードリング１１、ショットキ電極１３、及び表面電極１４をまとめて、素子構造１５ということとする。

図７Ｄに示すように、下地基板１０を第１の表面１０Ａから研削することにより、下地基板１０を薄くする。図７Ｅに示すように、下地基板１０の第１の表面１０Ａに、金属膜１６を形成する。金属膜１６には、下地基板１０とシリサイド反応する金属、例えばニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）が用いられる。金属膜１６及び下地基板１０により、アニール対象の基板１８が構成される。ここまでの工程で、金属膜１６が形成された基板１８が準備される。

図７Ｆに示すように、金属膜１６（図７Ｅ）にパルスレーザビーム１９を照射することにより、レーザアニールを行う。パルスレーザビーム１９の波長は、金属膜１６で吸収され、下地基板１０を透過する波長域に含まれる。パルスレーザビーム１９のビームプロファイルはトップフラットである。このレーザアニールは、パルスレーザビーム１９の入射領域を金属膜１６の表面内で移動させながら（走査しながら）行われる。入射領域の重複率（オーバラップ率）は、例えば５０％〜９９％とする。このレーザアニールにより、金属膜１６（図７Ｅ）がシリサイド化され、金属シリサイド膜１７が形成される。

このレーザアニール工程で、上記実施例によるレーザアニール装置が用いられる。これにより、均一なレーザアニールを行うことが可能になる。

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

１０ 下地基板
１０Ａ 第１の表面
１０Ｂ 第２の表面
１１ ガードリング
１２ 絶縁膜
１３ ショットキ電極
１４ 表面電極
１５ 素子構造
１６ 金属膜
１７ 金属シリサイド膜
１８ 基板
１９ パルスレーザビーム
２０ レーザ光源
２２ パワー調整器
２５ 第１のアパーチャ
２６ 結像光学系
２７ 第２のアパーチャ
２８ 折り返しミラー
３０ ステージ
３１ 移動機構
３２ 基台
３５ 入射領域
３７ 主走査方向
３８ 副走査方向
４０ 制御装置
５０ ０次回折光による明部
５１ １次回折光による明部
５２ ２次回折光による明部
５５ 凹部
２２１ 半波長板
２２２ ビームスプリッタ
２２３ 四分の一波長板
２２４、２２５ ビームダンパ
２５１ 第１のアパーチャの透過領域
２６１ コリメートレンズ
２６２ 対物レンズ
２７１ 第２のアパーチャの透過領域
３５１、３５２、３５３、３５４ 入射領域

Claims (5)

1. パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザビームの経路上に配置され、前記パルスレーザビームのビーム断面を矩形に整形する第１のアパーチャと、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記第１のアパーチャの透過領域を前記加工対象物の表面に結像させる結像光学系と、
   前記第１のアパーチャから前記加工対象物までの前記パルスレーザビームの経路上に配置され、矩形の透過領域を有する第２のアパーチャと
   を有し、
   前記第２のアパーチャの透過領域が、前記第１のアパーチャで回折した０次以外の１つの高次回折光によって形成される環状の明部の内側の縁を含み、外側の縁よりも内側に配置されることにより、前記明部の一部分が遮光されているレーザアニール装置。
2. 一部分が遮光されている前記明部は、１次回折光または２次回折光によるものである請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. 前記明部を通過する前記パルスレーザビームの光エネルギのうち３０％以上７０％以下の光エネルギが前記第２のアパーチャによって遮光される請求項１または２に記載のレーザアニール装置。
4. 前記結像光学系は、
   前記第１のアパーチャを透過した前記パルスレーザビームをコリメートするコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズでコリメートされた前記パルスレーザビームを収束する対物レンズと
   を含み、
   前記第２のアパーチャは、前記コリメートレンズと前記対物レンズとの間の前記パルスレーザビームの経路上に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
5. さらに、
   前記加工対象物の表面において前記パルスレーザビームの入射領域が移動するように前記パルスレーザビームの経路及び前記ステージの一方を他方に対して移動させる移動機構と、
   前記レーザ光源及び前記移動機構を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記加工対象物の表面に形成される前記第１のアパーチャの矩形の像の１つの辺に平行な方向に前記加工対象物を移動させながら、前記レーザ光源から前記パルスレーザビームを出力することにより、レーザアニールを行う請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。

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