JP2018160641A - 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】ＳｉＣウエハに注入されたドーパントを活性化させることが可能なレーザアニール方法を提供する。【解決手段】活性化されていないドーパントが注入された炭化ケイ素からなるウエハの表面に金属からなる吸収膜が形成されたアニール対象物を準備する。吸収膜にレーザビームを入射させてドーパントを活性化させる。アニール対象物の表面におけるレーザビームのパワー密度は、吸収膜とウエハとの間でシリサイド反応を生じさせ、形成された金属シリサイド膜を蒸発させることができる大きさである。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。
炭化ケイ素（ＳｉＣ）へのｐ型導電性の付与は、ｐ型ドーパントであるアルミニウムをイオン注入したＳｉＣウエハにカーボン膜を成膜した後、誘導加熱炉で熱処理を行うことにより行われる。誘導加熱炉への入力パワーを大きくすると熱処理温度自体を高くすることは可能である。ところが、炉全体を加熱する必要があるため、ＳｉＣウエハ以外の部分、例えばサセプタ等の加熱に要するエネルギの無駄が発生する。また、アニール終了後、ＳｉＣウエハを室温まで冷却するために長い時間が必要とされる。さらに、高温の熱処理によって炉を構成する材料が損耗してしまう。
これらの課題を解消するために、ＳｉＣウエハの加熱方法としてレーザアニールが提案されている（特許文献１）。このレーザアニール方法では、ＳｉＣウエハのイオン注入層の表面にレーザ吸収膜（カーボン膜）を形成した後、レーザアニールを行う。ＳｉＣでは吸収できない波長のレーザ光をレーザ吸収膜で吸収することにより、ＳｉＣウエハを加熱することができる。
特開２０１４−１４６７５７号公報
特許文献１に開示されたレーザアニール方法では、ＳｉＣウエハに注入されたドーパントを十分活性化させることが困難であることがわかった。本発明の目的は、ＳｉＣウエハに注入されたドーパントを活性化させることが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、
活性化されていないドーパントが注入された炭化ケイ素からなるウエハの表面に金属からなる吸収膜が形成されたアニール対象物を準備する工程と、
前記吸収膜にレーザビームを入射させて前記ドーパントを活性化させる工程と
を有し、
前記アニール対象物の表面における前記レーザビームのパワー密度は、前記吸収膜と前記ウエハとの間でシリサイド反応を生じさせ、形成された金属シリサイド膜を蒸発させることができる大きさであ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、
活性化されていないドーパントが注入された炭化ケイ素からなるウエハの表面に吸収膜が形成されたアニール対象物を保持する保持機構と、
前記保持機構に保持された前記アニール対象物にレーザビームを入射させるレーザ光源と、
前記アニール対象物の表面における前記レーザビームのパワー密度は、前記吸収膜と前記ウエハとの間でシリサイド反応を生じさせ、形成された金属シリサイドを蒸発させることができる大きさになるように前記レーザ光源を制御する制御装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。
シリサイド反応を生じさせ、形成された金属シリサイド膜を蒸発させる期間に、ウエハを加熱することができる。加熱されたウエハは、レーザエネルギを吸収しやすい。このため、ドーパントを活性化させるのに十分な温度までウエハを加熱することが可能になる。
図１Ａ〜図１Ｄは、レーザアニール前及びレーザアニール中におけるＳｉＣウエハの断面図である。 図２は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図３は、ＳｉＣの吸収長（吸収係数の逆数）の波長依存性を示すグラフである。 図４Ａは、ドーパントイオンを注入した状態のＳｉＣウエハの断面模式図であり、図４Ｂは、金属シリサイド膜が蒸発した状態のＳｉＣウエハの断面模式図である。 図５は、イオン注入を行ったＳｉＣウエハのキャリア濃度プロファイルを示すグラフである。 図６は、吸収膜を形成したＳｉＣウエハに照射したレーザビーム（図１Ｂ〜図１Ｄ）のＳｉＣウエハの表面におけるパワー密度と、ラマン分光分析による７７５ｃｍ−１の位置の信号強度との関係を示すグラフである。 図７は、レーザアニール後のＳｉＣウエハの断面の極性像を示す図である。 図８は、他の実施例によるレーザアニール装置の概略図である。
図１Ａ〜図１Ｄを参照して、実施例によるレーザアニール方法について説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、レーザアニール前及びレーザアニール中におけるＳｉＣウエハの断面図である。
図１Ａに示すように、表層部にドーパント注入層１１が形成されたＳｉＣウエハ１０と、その表面に形成された吸収膜１２とを含むアニール対象物１を準備する。ＳｉＣウエハ１０はｎ型導電性を有し、ドーパント注入層１１にはｐ型導電性を付与するドーパント、例えばアルミニウム（Ａｌ）が注入されている。吸収膜１２には、単結晶シリコンの融点よりも高い融点を持ち、シリサイドを形成する金属、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）等を用いることができる。
図１Ｂに示すように、ＳｉＣウエハ１０上の吸収膜１２（図１Ａ）にレーザビーム１５を入射させる。これによりシリサイド反応が生じ、金属シリサイド膜１３が形成される。吸収膜１２はシリサイド化されることによりほぼ消失する。シリサイド反応中に、ＳｉＣウエハ１０のドーパント注入層１１が加熱される。
図１Ｃに示すように、レーザビーム１５の入射を継続し、金属シリサイド膜１３（図１Ｂ）を蒸発させる。このとき、ＳｉＣウエハ１０のドーパント注入層１１がさらに加熱される。
図１Ｄに示すように、レーザビーム１５の入射をさらに継続し、ドーパント注入層１１をさらに加熱する。これにより、ドーパント注入層１１内のドーパントが活性化する。
次に、図２を参照して実施例によるレーザアニール装置について説明する。
図２は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。チャンバ２０内に保持機構２１が収容されている。保持機構２１はアニール対象物１（図１Ａ〜図１Ｄ）を保持する。ガス導入口２５からチャンバ２０内に不活性ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）が導入される。ガス排気口２６からチャンバ２０内のガスが排気される。チャンバ２０の壁にレーザ導入窓２３が取り付けられている。レーザ導入窓２３を通してチャンバ２０内に導入されたレーザビームが、アニール対象物１に入射する。
レーザ光源３０がアニール用のレーザビームを出力する。レーザ光源３０には、例えば波長８００ｎｍのレーザビームを出力するレーザダイオードを用いることができる。レーザ光源３０から出力されたレーザビームは光ファイバ３１に導入され、光ファイバ３１の出力端から出力される。光ファイバ３１の出力端におけるレーザビームのパワーの最大値は、例えば６０Ｗである。光ファイバ３１の出力端から出力されたレーザビームは、集光光学系３２により集光され、レーザ導入窓２３を通過してチャンバ２０内のアニール対象物１に入射する。
光ファイバ３１の出力端では、レーザビームのビーム断面内のビームプロファイルはほぼ均一化されている。このため、アニール対象物１の表面におけるレーザビームのビームスポットのプロファイルもほぼ均一化される。集光光学系３２の倍率を変化させることにより、アニール対象物１の表面におけるビームスポットの大きさを変化させることができる。ビームスポットの大きさを変化させることにより、レーザビームのパワー密度を変化させることが可能である。また、レーザ光源３０の出力を変化させることによっても、アニール対象物１の表面におけるパワー密度を変化させることができる。
制御装置３５がレーザ光源３０を制御する。オペレータが入力装置３６を操作することにより、制御装置３５に種々のコマンド、レーザアニール条件等を入力する。制御装置３５は、出力装置３７からオペレータに通知すべき種々の情報を出力させる。
［熱処理温度］
次に、ＳｉＣ内のドーパントを活性化させるために必要となる熱処理温度について説明する。
レーザアニールにおいても、従来の誘導加熱炉を用いたアニール時の熱処理温度及び熱処理時間と同程度のアニール条件に設定すれば、従来と同程度の活性化を行うことができる。ただし、レーザアニールの特徴である局所加熱を生かすためには熱処理温度を高くし、熱処理時間を短くすることが好ましい。
従来の誘導加熱炉を用いたアニールでの熱処理温度は１６００℃以上１８００℃以下の範囲内であり、熱処理時間は５分以上３０分以下の範囲内である。レーザアニールにおいて熱処理時間をこれより短くするためには、熱処理温度をさらに高める必要がある。高温でアニールを行うことから、チャンバ２０（図２）内は不活性ガス雰囲気、例えばＡｒ雰囲気とすることが好ましい。
［拡散距離］
次に、ＳｉＣ内のドーパントを活性化させるために必要となる拡散距離について説明する。
イオン注入されたドーパント、例えばＡｌを活性化させるには、ドーパントを結晶格子の位置まで移動（拡散）させなければならない。この時の拡散距離Ｌは、熱処理温度Ｔ、熱処理時間ｔを用いて以下の式で表すことができる。

ここで、Ｄ（Ｔ）は以下の式で定義される。

Ｄ０は拡散係数、ＥＡは活性化エネルギ、ｋはボルツマン定数である。ＳｉＣ中のＡｌの拡散係数Ｄ０は１．３×１０−８ｍ２／ｓ、活性化エネルギＥＡは２．３９４ｅＶである。
誘導加熱炉を用いた従来のアニール条件の範囲で熱処理温度の下限値は１６００℃、熱処理時間の下限値は５分である。このときの拡散距離Ｌは１３．６ｎｍになる。誘導加熱炉を用いた従来のアニール条件の範囲で熱処理温度の上限値は１８００℃、熱処理時間の上限値は３０分である。このときの拡散距離Ｌは６７．５ｎｍになる。４回周期六方晶系炭化ケイ素（４Ｈ−ＳｉＣ）のａ軸方向の格子間隔は０．３ｎｍであり、ｃ軸方向の格子間隔は１．０ｎｍである。ＳｉＣ中のドーパントを活性化させるためには、格子間隔に比べて１０倍以上長い拡散距離となる条件でアニールを行わなければならないことがわかる。
［レーザによるＳｉＣの直接加熱］
次に、図３を参照して、ＳｉＣ内のドーパントを活性化させるためにレーザ照射によってＳｉＣウエハを直接加熱する方法について考察する。
図３は、ＳｉＣの吸収長（吸収係数の逆数）の波長依存性を示すグラフである。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は吸収長を単位「μｍ」で表す。波長３５０ｎｍにおいて吸収長が約１０μｍである。レーザビームの波長が３５０ｎｍより長くなると、ＳｉＣウエハのドーパント注入層１１はほとんどレーザエネルギを吸収しない。従って、ＳｉＣウエハを直接加熱してドーパントの活性化を行うには、波長が３５０ｎｍより短いレーザビームを用いることが好ましい。
ところが、波長３５０ｎｍより短い紫外波長域で、かつ高出力が得られるレーザ光源は、基本的にパルス発振であり、そのパルス幅は１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲内である。この範囲で最も長いパルス幅である１００ｎｓの加熱時間でレーザアニールを行う場合、ＳｉＣの昇華温度２５４５℃の熱処理温度でも拡散距離Ｌは活性化に必要とされる拡散距離よりも４桁程度小さくなってしまう。この４桁の差を埋めるためには、パルスレーザビームを１万ショットまたはそれ以上照射しなければならない。従って、紫外波長域のパルスレーザビームを用いてＳｉＣを直接加熱してドーパントを活性化させる方法は、現実的とはいえない。
［ＳｉＣの予熱の併用］
次に、レーザアニールを行う際に、ＳｉＣウエハを予熱しておく方法について考察する。ＳｉＣウエハの温度が高くなると、格子振動が大きくなりＳｉＣの各原子を結合する共有結合が影響を受ける。これにより、室温時のエネルギバンドギャップよりも低い光子エネルギの光でもＳｉＣに吸収されるようになる。４Ｈ−ＳｉＣ結晶の室温時のエネルギバンドギャップは３．２６ｅＶである。４Ｈ−ＳｉＣ結晶に一般的な緑色（光子エネルギ約２．３ｅＶ）や近赤外（光子エネルギ約１．５ｅＶ）の光を吸収させるには、かなりの予熱が必要になることがわかる。このため、ＳｉＣウエハを高温に予熱するための加熱装置が必要になり、アニール装置の構成が大きな制約を受けることになる。
このように、レーザ照射前にＳｉＣウエハを予熱しておくことにより、レーザエネルギをＳｉＣウエハに直接吸収させる方法も、現実的であるとはいえない。
［レーザを吸収する吸収膜］
レーザ照射によってＳｉＣウエハを直接加熱してドーパントの活性化を行う方法、及び予熱を併用して直接加熱する方法が現実的ではないことがわかった。その他の方法として、レーザエネルギを吸収する吸収膜１２（図１Ａ）をＳｉＣウエハ１０に形成し、吸収膜１２をレーザ照射によって加熱することにより、間接的にドーパント注入層１１を加熱する方法が活性化アニールの候補として挙げられる。
吸収膜１２の材料として、ＳｉＣ内に混入してもＳｉＣの電気的特性に悪影響を及ぼさないものを用いることが好ましい。例えば、ドーパントとして用いたＡｌを吸収膜として使用することが好ましい。ところが、レーザ光に対するＡｌの反射率が高いため、Ａｌは吸収膜に適さない。さらに、Ａｌは融点が低いことから、レーザアニール時の熱処理温度も低くならざるを得ない。このため、Ａｌは、レーザアニールのような短時間加熱に用いる吸収膜には適さない。
ＳｉＣに対してオーミック電極として使用できる材料であり、かつ融点の高いＴｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ等が吸収膜の材料の候補として挙げられる。これらの金属は、シリサイド層の構成材料に用いることが可能であり、熱処理中に、吸収膜を構成するこれらの金属のごく一部がＳｉＣウエハ内に混入したとしても、悪影響は小さく対策も取りやすい。これらの候補の中でレーザ光の反射率が低い金属として、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂが挙げられる。これらの金属をＳｉＣウエハの表面に形成してレーザアニールを行うと、Ｓｉと反応してシリサイド層を形成する。これらの金属は、シリサイド反応後に余ってしまうＣとも化合物を形成する。このため、シリサイド反応後にＣが単独で浮遊することを抑制する効果も得られる。
［実施例の優れた効果］
次に、図４を参照して、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、アニール対象物１（図１Ａ）が吸収膜１２を含む。吸収膜１２は、レーザアニールに用いられるレーザビームの波長域、例えば８００ｎｍの波長域の光に対して、ＳｉＣウエハ１０よりも高い吸収係数を持つ。このため、レーザエネルギを効率的に吸収することができる。
吸収膜１２として金属膜を用いているため、レーザ照射時のＳｉＣウエハ１０の破損を抑制する効果が得られる。
レーザビーム１５（図１Ｂ）を照射すると、吸収膜１２（図１Ａ）とＳｉＣウエハ１０のＳｉとがシリサイド反応することにより、吸収膜１２の構成元素とＳｉとの金属間化合物である金属シリサイド膜１３（図１Ｂ）が形成される。金属シリサイド膜１３の形成によってＳｉＣウエハ１０内のＳｉ原子が消費されるため、金属シリサイド膜１３の近傍ではＳｉ原子が不足し、Ｃリッチの状態になる。Ｓｉ原子が不足すると、サイトコンペティション効果により、ドーパントであるＡｌ原子がＳｉ原子の格子位置に入り易くなる。その結果、ドーパントの活性化が生じ易くなるという効果が得られる。
ＳｉＣウエハ１０にドーパントをイオン注入する際には、高速に加速したドーパントイオンをＳｉＣウエハ１０の表面から注入する。ＳｉＣウエハ１０内にドーパントイオンが入ると、ＳｉＣウエハ１０内の多数の原子と相互作用し合い減速する。速度が低下すると、ドーパントイオンがＳｉＣウエハ１０内のＳｉ原子やＣ原子に衝突する。これにより、ＳｉＣウエハ１０内のある深さ範囲の領域にドーパントイオンを注入することができる。ドーパントイオンの密度がピークを示す深さの近傍において、結晶欠陥が増加し、結晶性が悪化する。
ＳｉＣウエハ１０の表面の極近傍では、ドーパントイオンのエネルギが高すぎるため衝突断面積が小さく、ドーパントイオンがＳｉ原子やＣ原子に衝突する確率が低い。このため、ＳｉＣウエハ１０の表面の極近傍では、イオン注入によって発生する結晶欠陥や歪が非常に少ない。
図４Ａは、ドーパントイオンを注入した状態のＳｉＣウエハ１０の断面模式図である。ドーパント注入層１１よりも浅い極表層部１４の結晶欠陥密度は、結晶性が悪化したドーパント注入層１１の結晶欠陥密度より低い。この状態で活性化アニールを行うと、結晶性の悪いドーパント注入層１１の上下の結晶性の高い領域からドーパント注入層１１の内部に向かって結晶性の回復が起こる。結晶成長は成長方向に特異性を持つため、上下の界面から内側に向かって結晶成長して結晶性が回復した場合、上下から成長した結晶同士が接触する界面で結晶学的に連続することはない。すなわち、下から上方に向かって成長した結晶と上から下方に向かって成長した結晶との界面に、大量の結晶欠陥が残留することになる。
上記実施例では、図４Ａに示した極表層部１４に相当する領域に金属シリサイド膜１３（図１Ｂ）が形成される。この金属シリサイド膜１３は、図１Ｃに示した工程で蒸発してしまう。
図４Ｂは、金属シリサイド膜１３が蒸発した状態のＳｉＣウエハ１０の断面模式図である。実施例においては、金属シリサイド膜１３が蒸発しているため、ドーパント注入層１１に、上から下方に向かう結晶成長は生じない。このため、活性化アニール後に結晶性が回復したドーパント注入層１１内の結晶欠陥の増大を抑制することができる。さらに、結晶成長方向または結晶性回復方向を一方向に限定することができるため、熱負荷がより小さな条件で活性化を行うことが可能になる。
ＳｉＣは大気圧下で液相を持たないため、結晶性の高い極表層部１４（図４Ａ）の処理は重要である。例えば、結晶性の高い極表層部１４が発生しない程度の低エネルギでイオン注入を行う方法、イオン注入後に極表層部１４を除去する処理を追加する方法等により、結晶欠陥の増大を抑制することも可能である。上記実施例では、このような方法を採用することなく、結晶欠陥の増大を抑制することができる。
［レーザアニールによる結晶性回復の評価実験］
次に、図５及び図６を参照して、ＳｉＣウエハ１０内のドーパントの活性化を行った評価実験の結果について説明する。
評価実験では、アニール対象物１のＳｉＣウエハ１０として、表層部にエピタキシャル成長膜が形成されたｎ型導電性の４Ｈ−ＳｉＣウエハを用いた。ＳｉＣウエハの構成は下記のとおりである。
口径：直径１００ｍｍ
厚さ：３５０μｍ
オフ角度：４度
エピタキシャル成長膜の厚さ：５μｍ
エピタキシャル成長膜のｎ型ドーパント濃度：１×１０１５ｃｍ−３以下
ドーパントのイオン注入条件は下記のとおりである。
イオン種：Ａｌ＋
加速エネルギ：３５０ｋｅＶ
ドーズ量：４×１０１４ｃｍ−２
注入時ウエハ温度：５００℃
図５は、上記条件でイオン注入を行ったＳｉＣウエハ１０のキャリア濃度プロファイルを示すグラフである。横軸は深さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はキャリア濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。深さ４００ｎｍにおいて、キャリア濃度が最大値を示しており、キャリアのピーク濃度が１×１０１９ｃｍ−３を上回るようにドーズ量を設定した。
次に、活性化アニールの評価方法について説明する。活性化の評価を行うには、ドーパント原子であるＡｌ原子がＳｉ原子と置き換わったことを検証する必要があるが、キャリア濃度や極性の分析ではＳｉ原子と置換したＡｌ原子に関する情報しか得られないため、活性化していないＡｌ原子の状況を推測することができず、プロセスの解明には向かない。従って、イオン注入によって生じた結晶欠陥の回復度合い（結晶性の高さ）に基づいて活性化プロセスの評価を行うこととする。
結晶性の評価にはラマン分光分析を用いた。純粋な単結晶は原子が周期的に配列している。これらの原子は、ある一定の振動準位で振動している。エネルギバンドギャップよりも低い光子エネルギのレーザ光を４Ｈ−ＳｉＣウエハに照射すると、ある確率で価電子帯の電子が光子エネルギを吸収する。光子エネルギがエネルギバンドギャップより小さい、光子エネルギを吸収した電子は仮想準位に励起されるが、直ちに価電子帯に戻る。光子エネルギは４Ｈ−ＳｉＣ結晶に吸収されていないため、電子が元の準位に戻るときに、エネルギ保存の法則により、入射した光子のエネルギと同一のエネルギを持つ光子が放出される（この現象はレイリー散乱と呼ばれる。）。
しかし、ある確率で振動準位分だけ高いエネルギ準位に電子が遷移することがある。この準位は振動準位に当たり、この電子が元の準位に戻るとき、エネルギ保存の法則から、振動準位に相当するエネルギだけ低い光子エネルギを持つ光子が放出される。この現象は、ストークラマンと呼ばれる。この光子エネルギに由来する波長の変化はラマンシフトと呼ばれる。
４Ｈ−ＳｉＣ結晶においては、７７５ｃｍ−１と７９７ｃｍ−１の位置にラマンシフトによる散乱光強度のピークが現れる。本評価実験においては、７９７ｃｍ−１の位置に現れた信号強度が低かったため、７７５ｃｍ−２の位置に現れた信号強度に基づいて４Ｈ−ＳｉＣ結晶の結晶性を評価することとした。
結晶性の悪い単結晶では原子配列の周期性が低いため、振動準位の純度が低い。結晶性の悪い４Ｈ−ＳｉＣ結晶ほど７７５ｃｍ−１に相当するエネルギ以外の振動準位が多くなるため、７７５ｃｍ−１の位置の信号強度が低くなる。この現象を利用し、ラマン分光分析によって７７５ｃｍ−１の位置の信号強度を測定することにより、結晶性の評価を行うことができる。
図６は、吸収膜１２を形成したアニール対象物１に照射したレーザビーム１５（図１Ｂ〜図１Ｄ）のアニール対象物１の表面におけるパワー密度と、７７５ｃｍ−１の位置における信号強度（以下、ラマン強度という。）との関係を示すグラフである。横軸はアニール対象物１の表面におけるレーザビーム１５のパワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表し、縦軸はラマン強度の任意単位で表す。図６のグラフ中の三角形、ひし形、及び円形の記号は、それぞれレーザ照射時間を２秒、１０秒、及び２０秒としたときの測定結果を示す。吸収膜１２として厚さ１００ｎｍのＷ膜を用いた。
イオン注入を行う前のベアウエハのラマン強度Ｒ０は８２００カウントであった。このラマン強度Ｒ０が、レーザアニールにより結晶が回復したＳｉＣウエハ１０のラマン強度の目標値となる。Ａｌをイオン注入した後、レーザアニールを行う前のＳｉＣウエハ１０のラマン強度Ｒ１は２９００カウントであった。
パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲では、パワー密度を高めてもラマン強度はほぼ一定の大きさに留まっている。結晶性の回復度合いは、熱処理温度と熱処理時間とで決まる。本評価実験では、熱処理時間を２秒、１０秒、または２０秒に設定している。拡散係数Ｄが熱処理温度に依存するため、拡散距離は熱処理温度が高くなるに従って長くなるはずである。パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲で結晶性の回復が進まないのは、熱処理温度が高まっていないことが要因と考えられる。
パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２の位置で、ラマン強度が階段状に大きくなっていることがわかる。ただし、パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２以上２３ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲でも、ラマン強度はほぼ一定に留まっており、結晶性の回復が見られない。これも、熱処理温度が十分高まっていないことが要因と考えられる。
評価実験においては、パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２を上回るとＷからなる吸収膜１２がシリサイド反応を起こし、金属シリサイド膜１３（図１Ｂ）が形成された。パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２以下の条件では、吸収膜１２に吸収されたレーザエネルギがＷとＳｉとのシリサイド反応に必要な潜熱として消費されるため、ＳｉＣウエハ１０の温度の上昇が抑制されていると考えられる。このため、パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲では、パワー密度を高めても、熱処理時間を長くしても、ラマン強度はほぼ一定であり、結晶性の回復はほとんど生じていない。
パワー密度が２３ｋＷ／ｃｍ２以上になると、金属シリサイド膜１３（図１Ｂ）が蒸発し始める。パワー密度が１７ｋＷ／ｃｍ２以上２３ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲では、金属シリサイド膜１３に投入されたレーザエネルギが、金属シリサイド膜１３の蒸発潜熱として消費される。このため、１７ｋＷ／ｃｍ２以上２３ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲内でパワー密度を高くしても、ＳｉＣウエハ１０の十分な温度上昇が得られないと考えられる。
金属シリサイド膜１３が蒸発して消失するまでの期間（図１Ｂから図１Ｃまでの期間）に、ドーパント注入層１１が加熱されて温度が上昇する。例えば、金属シリサイド膜１３とドーパント注入層１１との界面の温度は、タングステンシリサイドの沸点近傍まで上昇すると考えられる。
パワー密度が２３ｋＷ／ｃｍ２以上になると、金属シリサイド膜１３が蒸発した後も、ドーパント注入層１１にレーザ照射が行われる（図１Ｄ）。金属シリサイド膜１３が蒸発した時点でドーパント注入層１１の温度が十分高い温度まで予熱されているため、ドーパント注入層１１はレーザエネルギを吸収することができる。このため、吸収膜１２及び金属シリサイド膜１３が消失した後も、ドーパント注入層１１がレーザエネルギを吸収し、さらに高温まで加熱される。その結果、パワー密度が２４ｋＷ／ｃｍ２以上の範囲では、パワー密度を大きくするに従って、ラマン強度が大きくなっている。すなわち、結晶性が回復している。
パワー密度が２３ｋＷ／ｃｍ２以下の範囲、すなわち、ドーパント注入層１１が結晶性を回復するのに十分な温度まで達していない範囲では、熱処理時間を２秒以上２０秒以下の範囲で変化させても、ラマン強度にほとんど変化はなかった。パワー密度が２４ｋＷ／ｃｍ２以上の範囲では、実際に結晶性の回復が進むため、熱処理時間を長くするに従って、ラマン強度は大きくなると推測される。
上述のように、ＳｉＣウエハ１０の表面に形成された金属シリサイド膜１３を蒸発させ、その後もレーザ照射を続けることにより、ドーパント注入層１１の結晶性を回復させることができる。
［レーザアニールによる活性化の評価実験］
結晶性を回復させることができる条件でレーザアニールを行ったサンプルについて、ドーパントの活性化の程度を評価した。以下、図７を参照して、その結果について説明する。上述の評価実験で用いたＡｌ注入済みのアニール対象物１に対して、パワー密度２６．２ｋＷ／ｃｍ２で１０秒間のレーザアニールを行った。
図７は、レーザアニール後のＳｉＣウエハ１０の断面の極性像を示す図である。横軸はＳｉＣウエハ１０の面内方向の位置を単位「μｍ」で表し、縦軸は深さ方向の位置を単位「μｍ」で表す。極性像は、走査型静電容量顕微鏡法で計測した。使用した走査型静電容量顕微鏡の感度限界は約１×１０１５ｃｍ−３である。図７の深さ９μｍより深い位置に現れている濃い領域Ａｎが、ｎ型導電性のｎ型ＳｉＣウエハに相当する。それよりも浅い領域が、エピタキシャル成長層に相当する。深さ３μｍよりやや浅い位置に現れているやや濃い領域Ａｐがドーパント注入層１１に相当する。この領域Ａｐは、走査型静電容量顕微鏡法で計測した結果、ｐ型導電性を示していることが確認された。その他の領域は、導電性を判定することができなかった。これは、エピタキシャル成長層のｎ型ドーパント濃度が１×１０１５ｃｍ−３以下であり、走査型静電容量顕微鏡の感度限界とほぼ等しいためである。なお、実際には、ｎ型の領域Ａｎは青色の多数のドットで示され、ｐ型の領域Ａｐはオレンジ色の多数のドットで示されている。導電性を判定することができない領域には、青色のドットとオレンジ色のドットとが混在している。
次に、ドーパントの活性化率について考察する。走査型静電容量顕微鏡法ではキャリア濃度を特定することができないため、走査型静電容量顕微鏡の感度、図５に示したドーパントプロファイル、及び図７に示したｐ型の領域Ａｐの厚さに基づいて活性化率を推測することとした。
エピタキシャル成長層の当初のｎ型キャリア濃度は最大で１×１０１５ｃｍ−３である。ｐ型の領域Ａｐは、ドーパントの活性化によってｎ型からｐ型に反転している。走査型静電容量顕微鏡の感度から、ｐ型の領域Ａｐのｐ型キャリア濃度は１×１０１５ｃｍ−３以上であることがわかる。従って、活性化したドーパント濃度は、２×１０１５ｃｍ−３以上であると考えられる。
また、ｐ型の領域Ａｐの厚さは、図７から約０．４μｍであることがわかる。図５に示したドーパントプロファイルから、ドーパント濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上の領域がｐ型に反転するとｐ型の領域の厚さが約０．４μｍになることがわかる。注入したドーパント濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上の領域内で、活性化したドーパント濃度が２×１０１５ｃｍ−３以上になっているため、活性化率は、約０．２％であると推定される。
従来の誘導加熱炉を用いた活性化アニールによる活性化率は約１％である。これと比較すると、結晶性回復の閾値をわずかに上回る程度のパワー密度でレーザアニールすることにより、十分高い活性化率が得られていると考えられる。
上述の評価実験から、以下の知見が得られる。
ＳｉＣウエハ１０の表面にシリサイド反応する金属からなる吸収膜１２を形成し、レーザアニールを行って金属シリサイド膜１３を形成し、さらに金属シリサイド膜１３を蒸発させることにより、ＳｉＣウエハ１０を十分予熱することができる。予熱されたＳｉＣウエハ１０にさらにレーザ照射を継続することにより、ドーパントを活性化させることができる。十分な予熱効果を得るためには、吸収膜として、融点の高い金属を用いることが好ましい。例えば、単結晶シリコンの融点より低い融点を持つ金属だと、十分な温度まで加熱されない状態でシリサイド膜が形成されてしまうため、十分な予熱を行うことが困難である。シリサイド膜形成時に十分な予熱を行うために、単結晶シリコンの融点よりも高い融点を持つ金属を用いることが好ましい。このような金属として、タングステン、モリブデン、チタン、ニオブ等が挙げられる。
金属シリサイド膜１３を蒸発させるためには、レーザビームのパワー密度をある閾値（第１閾値）以上に設定しなければならない。この第１閾値は、図６から約２３ｋＷ／ｃｍ２であることがわかる。この第１閾値以上のパワー密度のレーザビームを入射させることにより、ＳｉＣウエハ１０の結晶性を回復させることができる。ドーパントを活性化させるために、第１閾値以上のパワー密度でレーザアニールを行うことが好ましい。
十分な活性化率を得るためには、図７に示した評価実験結果から、パワー密度を２６ｋＷ／ｃｍ２以上にすることが好ましい。さらに、レーザビームの照射時間（ＳｉＣウエハ１０の表面の同一地点へのレーザビームの入射時間）は、１秒以上とすることが好ましく、２秒以上とすることがより好ましく、１０秒以上とすることがさらに好ましい。レーザビームの照射時間を長くすると、活性化率を高めることができる。
図２に示したレーザアニール装置を用いて活性化アニールを行う場合には、制御装置３５が活性化を生じさせる条件を満たすようにレーザ光源３０を制御するとよい。活性化を生じさせる第１の条件として、アニール対象物１（図１Ｂ）の表面におけるレーザビームのパワー密度が、吸収膜１２とＳｉＣウエハ１０との間でシリサイド反応を生じさせる大きさであることが挙げられる。第２の条件として、アニール対象物１（図１Ｂ）の表面におけるレーザビームのパワー密度が、形成された金属シリサイド膜１３（図１Ｂ）を蒸発させることができる大きさであることが挙げられる。
図５及び図６を参照して説明した結晶性回復の評価実験では、ＳｉＣウエハの厚さを３５０μｍとし、エピタキシャル成長膜の厚さを５μｍとした。また、図７を参照して説明した活性化の評価実験では、ＳｉＣウエハの厚さを３７５μｍとした。
次に、ＳｉＣウエハの厚さを限定しない場合のレーザビームのパワー密度の一般的な好ましい範囲について説明する。
ＳｉＣウエハにＩＧＢＴなどを形成する場合には、ウエハの裏側の表面にｐ型層が形成される。この場合は、電気的特性改善のためにウエハを研削して薄板化することがある。また、ＳｉＣエピタキシャルウエハの表側の表面にｐ型層を形成する場合は、逆にウエハの厚さが上記評価実験で用いたウエハの厚さより厚い場合もある。特に、ＳｉＣは絶縁破壊強度がＳｉより１０倍弱高いため、電気的特性の観点からＳｉＣウエハの厚さを、Ｓｉウエハを用いた場合と比べて非常に薄くすることが可能である。
レーザアニール時の熱処理温度に大きく影響する熱容量はＳｉＣウエハの厚さに依存するため、ＳｉＣウエハの厚さにより、結晶性回復や活性化に必要となるパワー密度は上下する。また、ウエハの大きさや形状も重要である。チップ状に分割されたＳｉＣウエハをレーザアニールする場合は、熱容量が分割前のＳｉＣウエハよりも小さいため結晶性回復や活性化に必要となるパワー密度は低下する。本明細書において、チップに分割されたＳｉＣチップも、ＳｉＣウエハと呼ぶこととする。
パワー密度はウエハ表面におけるレーザビームのパワーをビームスポットの面積で割った値であり、結晶回復とドーパント（例えばアルミニウム）の活性化で重要なパラメータである。ここで、それぞれ個々のパラメータに分解して検討する。ウエハの口径及び厚さが同じ条件である場合、アニール対象物の熱容量が一定であることからレーザビームのパワーが大きいほど、すなわち入熱量が大きいほど熱処理温度は高まりやすい。そして、パワーが大きければレーザビームのビームスポットも大きくすることが可能である。ビームスポットが大きくなると、周囲への熱拡散によるエネルギロスが少なくなるため、活性化に必要となるパワー密度は低下する。
これより、結晶性の回復やドーパントの活性化に最適なパワー密度はＳｉＣウエハの厚さ及び形状とレーザアニール装置の仕様にも影響される。パワー密度２６ｋＷ／ｃｍ２以上でドーパントが活性化した図７の評価実験は一例であり、ウエハの厚さが薄い場合やレーザビームのパワーが大きい場合は、より低いパワー密度でもドーパントが活性化し得る。
従って、レーザビームのパワー、ウエハの厚さ、ウエハの大きさ等を変化させると、ドーパントの活性化に要するパワー密度は、図７の評価実験で確認されたドーパントの活性化に要するパワー密度２６ｋＷ／ｃｍ２の半分程度まで小さくすることができると予想される。例えば、パワー密度の好ましい範囲は、１３ｋＷ／ｃｍ２以上になると予想される。
［実施例の変形例］
上記実施例では、レーザ光源として発振波長８００ｎｍのレーザダイオードを用いたが、その他の波長域の発振波長を持つレーザ光源を用いてもよい。レーザ光源として、吸収膜１２（図１Ａ）が吸収することができる波長域の発振波長を持つレーザ発振器を用いることが好ましい。また、上記実施例では、連続発振レーザビームを用いたが、金属シリサイド膜１３（図１Ｂ）を蒸発させることができるパワーを持つパルスレーザビームを用いてもよい。
レーザアニール中にＳｉＣウエハ１０の温度を高めるために、保持機構２１（図２）として、ＳｉＣウエハ１０から外部への熱伝達を阻害する構造を有するものを用いるとよい。例えば、ＳｉＣウエハ１０の底面の一部の領域のみに接触してＳｉＣウエハ１０を支持する剣山状の構造とするとよい。または、ＳｉＣウエハ１０を外周部近傍で保持して、内奥部を空中に支持する構造とするとよい。
上記実施例では、４Ｈ−ＳｉＣのウエハをアニール対象としたが、その他の結晶構造を持つＳｉＣ、例えば３Ｃ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ等をアニール対象としてもよい。また、上記実施例では、ｐ型ドーパントとしてＡｌを用いたが、その他のドーパント、例えばボロン（Ｂ）を用いてもよい。
上記実施例では、ＳｉＣウエハに注入したｐ型ドーパントを活性化させたが、上記実施例によるレーザアニール方法を用いてｎ型ドーパントを活性化させることも可能である。ｎ型ドーパントとして、窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）を用いることができる。
次に、図８を参照して、他の実施例によるレーザアニール装置について説明する。以下、図２に示したレーザアニール装置と共通の構成については説明を省略する。
図８は、本実施例によるレーザアニール装置の概略図である。本実施例によるレーザアニール装置は、図２に示したレーザアニール装置の光ファイバ３１に代えて、アッテネータ４１、ビームエキスパンダ４２、ホモジナイザ４３、ベンディングミラー４４を、及び集光光学系４５が用いられる。
アッテネータ４１はレーザビームを減衰させる。ビームエキスパンダ４２は、入射したレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。ホモジナイザ４３及び集光光学系４５は、ＳｉＣウエハ１０の表面におけるビーム断面を所定の形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一化する。
図８に示したレーザアニール装置を用いても、図２に示したレーザアニール装置と同様に、ＳｉＣウエハ１０のドーパントの活性化を行うことが可能である。
図１〜図８に示した実施例による方法で作製されたＳｉＣウエハは、ｐｉｎフォトダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、フリーホイールダイオード等に用いることができる。
上述の実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例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。
１ アニール対象物
１０ ＳｉＣウエハ
１１ ドーパント注入層
１２ 吸収膜
１３ 金属シリサイド膜
１４ 極表層部
１５ レーザビーム
２０ チャンバ
２１ 保持機構
２３ レーザ導入窓
２５ ガス導入口
２６ ガス排気口
３０ レーザ光源
３１ 光ファイバ
３２ 集光光学系
３５ 制御装置
３６ 入力装置
３７ 出力装置
４１ アッテネータ
４２ ビームエキスパンダ
４３ ホモジナイザ
４４ ベンディングミラー
４５ 集光光学系

Claims (10)

  1. 活性化されていないドーパントが注入された炭化ケイ素からなるウエハの表面に金属からなる吸収膜が形成されたアニール対象物を準備する工程と、
    前記吸収膜にレーザビームを入射させて前記ドーパントを活性化させる工程と
    を有し、
    前記アニール対象物の表面における前記レーザビームのパワー密度は、前記吸収膜と前記ウエハとの間でシリサイド反応を生じさせ、形成された金属シリサイド膜を蒸発させることができる大きさであるレーザアニール方法。
  2. 前記レーザビームのパワー密度は、前記ドーパントの注入で悪化した結晶性を回復させることができる大きさである請求項１に記載のレーザアニール方法。
  3. 前記アニール対象物の表面における前記レーザビームのパワー密度は２６ｋＷ／ｃｍ２以上である請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
  4. 前記アニール対象物の同一地点への前記レーザビームの照射時間は１秒以上である請求項２に記載のレーザアニール方法。
  5. 前記吸収膜の融点は単結晶シリコンの融点よりも高い請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
  6. 前記吸収膜は、タングステン、モリブデン、チタン、ニオブからなる群より選択された少なくとも１つの金属で形成されている請求項５に記載のレーザアニール方法。
  7. 前記ドーパントは、活性化することにより炭化ケイ素にｐ型導電性を付与する元素である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
  8. 活性化されていないドーパントが注入された炭化ケイ素からなるウエハの表面に吸収膜が形成されたアニール対象物を保持する保持機構と、
    前記保持機構に保持された前記アニール対象物にレーザビームを入射させるレーザ光源と、
    前記アニール対象物の表面における前記レーザビームのパワー密度は、前記吸収膜と前記ウエハとの間でシリサイド反応を生じさせ、形成された金属シリサイドを蒸発させることができる大きさになるように前記レーザ光源を制御する制御装置と
    を有するレーザアニール装置。
  9. さらに、
    前記保持機構に保持された前記アニール対象物を収容するチャンバと、
    前記チャンバ内に不活性ガスを導入するガス導入口と
    を有する請求項８に記載のレーザアニール装置。
  10. 前記保持機構は、前記アニール対象物から外部への熱伝達を阻害する構造を有する請求項８または９に記載のレーザアニール装置。
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