JP3669384B2 - Method for forming a doping layer in a semiconductor substrate - Google Patents

Method for forming a doping layer in a semiconductor substrate Download PDF

Info

Publication number
JP3669384B2
JP3669384B2 JP23618595A JP23618595A JP3669384B2 JP 3669384 B2 JP3669384 B2 JP 3669384B2 JP 23618595 A JP23618595 A JP 23618595A JP 23618595 A JP23618595 A JP 23618595A JP 3669384 B2 JP3669384 B2 JP 3669384B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor substrate
doping layer
irradiation
laser beam
irradiation intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP23618595A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0963974A (en
Inventor
幸次 杉岡
浩一 豊田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Original Assignee
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RIKEN Institute of Physical and Chemical Research filed Critical RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority to JP23618595A priority Critical patent/JP3669384B2/en
Publication of JPH0963974A publication Critical patent/JPH0963974A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3669384B2 publication Critical patent/JP3669384B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板中へのドーピング層の形成方法に関し、さらに詳細には、半導体基板中へ比較的深いドーピング層を形成する際に用いて好適な半導体基板中へのドーピング層の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体デバイスであるCMOS LSIや感度可変受光素子においては、電気的に素子間を分離するために、ドーピング層によりウェル(well:井戸)構造を形成する必要がある。
【0003】
ここで、ウェル構造とは、n型半導体基板中にドーピング層として形成された、大きさ数十μm角、深さ数μm、キャリア濃度1017cm-3程度のp型領域(このp型領域を「pウェル」と称する。)、あるいは、p型半導体基板中にドーピング層として形成された、大きさ数十μm角、深さ数μm、キャリア濃度1017cm-3程度のn型領域(このn型領域を「nウェル」と称する。)である。これらpウェルとnウェルとは、構成する半導体デバイスの種類に応じて使い分けられるものである。
【0004】
従来、上記したようなウェル構造を半導体基板中に形成するためのドーピング層の形成方法としては、半導体基板を不純物(ドナー)ガス中に配置して熱処理を行い気相ドーピングによりウェル構造を形成したり、あるいは半導体基板上に不純物を塗布して熱処理を行い固相ドーピングによりウェル構造を形成したりする熱拡散法や、不純物をイオン注入により半導体基板上に打ち込んだ後に電気炉アニールなどの熱処理を行いウェル構造を形成したりする方法などが行われていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の半導体基板中へのドーピング層の形成方法においては、いずれの方法を用いても、ウェル構造の領域を数十μm角に限定するために、フォトリソグラフィ・プロセス行って、SiO2などにより半導体基板上のウェル構造とする領域以外をマスクする必要があった。
【0006】
即ち、上記した従来の半導体基板中へのドーピング層の形成方法においては、半導体基板上のウェル構造の領域以外をマスクする工程が必要となるため、作業工程が煩雑化するという問題点があった。
【0007】
また、従来の半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、ウェル構造として深さ数μm程度の深いドーピング層を得るためには、半導体基板を長時間(例えば、16時間〜17時間)高温で熱処理することが必要となり、作業時間が長時間に及ぶという問題点があるとともに、半導体基板を長時間高温で熱処理するために半導体基板の横方向拡散が生じるという問題点もあった。
【0008】
本発明は、従来の技術の有するこのような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体基板中へドーピング層としてウェル構造を形成するなどの際に、半導体基板上の所定の領域をマスクする必要性を排除して作業工程の簡素化を図り、しかも作業時間を著しく短縮化でき、さらには半導体基板の横方向拡散が生じることのないようにした半導体基板中へのドーピング層の形成方法を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における半導体基板中へのドーピング層の形成方法は、半導体基板へレーザー光をパルス状に照射することにより、半導体基板へレーザー光が照射された際における半導体基板表面の温度上昇に基づく急速溶融現象と、半導体基板表面へのレーザー光の照射が停止された際における半導体基板表面の温度低下による再結晶化現象とを利用して、半導体基板が急速溶融された際に不純物を半導体に混入し、半導体基板が再結晶化される際に混入された不純物を半導体中に閉じこめるようにして、半導体基板に対して深い(例えば、深さ数μm程度)ドーピング層を高速で形成するようにしたものである。
【0010】
この際に、半導体基板表面におけるレーザー光照射領域の表面あれの発生を防ぐために、半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を照射した直後に、所定の遅延時間をもってそれより弱い照射強度のレーザー光を照射し、こうした照射強度の強いレーザー光と照射強度の弱いレーザー光との照射を1セットとして、半導体基板の経常的な温度上昇を防止し、急速冷却現象を緩和するため所定の時間間隔を開けて半導体基板の温度低下を図りながら、必要なドーピング層の深さに応じて上記1セットを所定の回数繰り返すようにしたものである。
【0011】
ここで、照射強度の強いレーザー光と照射強度の弱いレーザー光との1セットのレーザー光の照射による半導体基板への作用を検討すると、照射強度の強いレーザー光により半導体基板表面が急速溶融されることになり、この急速溶融によって生じた半導体基板表面におけるレーザー光照射領域の表面あれが、照射強度の弱いレーザー光の照射によって新たな表面あれを生成することなしに溶融され、半導体基板表面の平坦化が図られるものである。
【0012】
また、照射強度の強いレーザー光照射後に生じる急速冷却・再固化の過程で生じる熱歪みを、照射強度の弱いレーザー光の照射によって緩和し、結晶性の向上を図るものである。
【0013】
なお、レーザー光を半導体基板に照射する際に、半導体基板を加熱しておくことにより、高速により深いドーピング層を形成することができる。
【0014】
また、半導体基板の温度は、当該半導体基板にレーザー光が照射された際においても、当該半導体の沸点以下に保持されるようにすることが望ましい。
【0015】
さらに、半導体基板に照射するレーザーとしては、種々のレーザーを用いることが可能であるが、一般に、短波長かつ短パルス幅のレーザー光を用いた場合には、上記1セットの照射によって得られるドーピング層の深さは浅く、長波長かつ長パルス幅のレーザー光を用いた場合には、上記1セットの照射によって得られるドーピング層の深さは深くなる傾向がある。
【0016】
また、レーザー光の照射強度を増大すれば、得られるドーピング層の深さは深くなる。
【0017】
【実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法の実施の形態を説明するものとする。
【0018】
図1には、本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法の一つの実施の形態を行うための装置の概略構成図が示されている。
【0019】
図1において、符号10は、ドーピング層を形成しようとする半導体基板たる試料である。試料10としては、n型ドーパント(ドナー)としてAsを予めドーズ1×1015cm-2、加速電圧150keVでSi基板にイオン注入したものを用いた。
【0020】
こうした試料10は、チャンバー12内においてカーボン・サセプター14により支持されている。
【0021】
チャンバー12はバルブ14、16を備えており、バルブ14を介して種々のガスを吸気してチャンバー12内に導入することができるようになされているとともに、バルブ16を介してチャンバー12内のガスを排気することができるようになされていて、チャンバー12内を真空状態にすることができる。また、チャンバー12の上面は開口されていて、開口部にはシール18を介して石英ガラス板20が載置されている。
【0022】
さらに、チャンバー12内には、試料10を支持したカーボン・サセプター14の底面に対して光を照射し、カーボン・サセプター14を介して試料10を加熱するためのハロゲン・ランプ22が設けられている。
【0023】
図1に示す装置おいては、石英ガラス板20を介してチャンバー12内の試料10に照射するレーザー光のレーザー源としては、パルス発生器24により照射する遅延時間を制御されたKrFエキシマ・レーザー(KrF Excimer
Laser)26、28を用いている。
【0024】
一方のKrFエキシマ・レーザー26は、パルス幅34ns、照射強度2.4J/cm2のレーザー光を照射するように制御され、他方のKrFエキシマ・レーザー28は、パルス幅23ns、照射強度0.5J/cm2のレーザー光を照射するように制御されている。
【0025】
これらKrFエキシマ・レーザー26、28から出射されたレーザー光は、シリンドリカル・レンズ30、32を介して全反射鏡34、36により反射され、レンズ38、40により集光されて、石英ガラス板20を介してチャンバー12内の試料10に照射されるようになされている。
【0026】
なお、KrFエキシマ・レーザー26、28から出射されたレーザー光の光路上にはシャッター42が設けられていて、KrFエキシマ・レーザー26から出射されたレーザー光とKrFエキシマ・レーザー28から出射されたレーザー光とを選択的に試料10へ照射できるように構成されている。
【0027】
ここで、一般にエキシマ・レーザーから出射されるレーザー光は、紫外域の短波長、短パルスのレーザー光であるので、物質への吸収係数が大きく、熱作用時間が短いため、半導体基板中におよそ100nm以下のごく浅いドーピング層を形成する際への応用が期待されている。即ち、半導体デバイスで必要とされるドーピング層は、ウェル構造を除いてはおよそ100nm以下のごく浅いドーピング層でよいため、ウェル構造を除くおよそ100nm以下のごく浅いドーピング層を形成するための半導体デバイスの製造技術として、エキシマ・レーザーの利用が期待されている。
【0028】
ところで、半導体基板中にエキシマ・レーザーを用いてより深いドーピング層を形成するためには、レーザー光照射による半導体基板上の溶融深さを増加するために、レーザー光の照射強度を大きくしなければならない。
【0029】
しかしながら、半導体基板上へのレーザー光の照射強度を大きくすると、それによって半導体基板の表面温度が上昇しすぎ、多大な欠陥や表面あれが発生してしまうため、せいぜい500nm程度の深さのドーピング層しか実現できなかった。
【0030】
そこで、出願人は、レーザー光照射中に半導体基板を加熱し、半導体基板の表面温度の温度勾配をなだらかにすることを試みた。
【0031】
例えば、図2に示すように、レーザー光照射中の半導体基板の表面温度が室温(R.T.)である場合には、ドーピング層の深さはたかだか350nm程度であるが、半導体基板へのレーザー光照射中に当該半導体基板を加熱すると、ドーピング層の深さをより深くすることができた。
【0032】
即ち、図2に示すように、半導体基板へのレーザー光照射中に当該半導体基板を500゜Cに加熱すると、650nm程度の深さのドーピング層を形成することができ、半導体基板へのレーザー光照射中に当該半導体基板を700゜Cに加熱すると、容易に1μm以上の深さのドーピング層を形成することができた。
【0033】
この図2に示す結果を得た実験のレーザー光照射条件は、図3(a)に示すように、1パルス当たりのレーザー光照射強度2.4J/cm2、パルス数20パルス、レーザー・パルスの繰り返し周波数1Hzである。従って、処理時間は20秒となり、非常に短時間である。
【0034】
なお、このように所定の周期で同一のパルス幅、照射強度のレーザー光を照射する方法を、本明細書においては、「シングル・パルス照射法」と称す。
【0035】
また、試料としては、図1に示す試料10と同様に、n型ドーパント(ドナー)としてAsを予めドーズ1×1015cm-2、加速電圧150keVでSi基板にイオン注入したものを用いた。
【0036】
なお、ドーパント源としてガスや固体ソースを用いることができるのは勿論であり、ドーパント源としてガスを用いた場合には、ガス雰囲気中でレーザー光を照射するようにし、ドーパント源として固体を用いた場合には、半導体基板上に固体ドーパント源を堆積あるいは塗布したものにレーザー光を照射するようにすればよい。
【0037】
上記したように、レーザー光の照射中に半導体基板を加熱することにより、室温でレーザー光を照射するよりも、より深いドーピング層を容易に形成することができ、結晶性および表面状態も大幅に改善されるという実験結果を得たが、レーザー光照射中に半導体基板を加熱してより深いドーピング層を得た場合の表面状態を示す図4から判るように、まだ若干の表面あれが残っていた。
【0038】
また、レーザー光照射中に半導体基板を加熱してより深いドーピング層を得た場合の結晶性も、チャネリング・ラザフォード後方散乱法(C−RBS)のΧminによって評価した結果6.55%程度であり、半導体デバイスへの応用には十分な値とはいえなかった。
【0039】
そこで、出願人は、上記したようなシングル・パルス照射法を改良し、図1に示すような装置を用いて、半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を照射した直後に、それより弱い照射強度のレーザー光を照射し、こうした照射強度の強いレーザー光と照射強度の弱いレーザー光との照射を1セットとして、半導体基板の経常的な温度上昇を防止するため所定の時間間隔を開けて半導体基板の温度低下を図りながら、必要なドーピング層の深さに応じて上記1セットを所定の回数繰り返す、本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法を開発したものである。
【0040】
なお、以下においては、この本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法を、本明細書においては、「ダブル・パルス照射法」と称し、照射強度の強いレーザー光を「第1パルス」と称し、照射強度の弱いレーザー光を「第2パルス」と称す。
【0041】
即ち、図1の装置によりダブル・パルス照射法を行うには、具体的にはKrFエキシマ・レーザー26から出射されるパルス幅34ns、照射強度2.4J/cm2のレーザー光(第1パルス)を試料10に照射し、パルス発生器24によって信号を与えることにより30ns〜640nsの遅延時間の後に、KrFエキシマ・レーザー28から出射されるパルス幅23ns、照射強度0.5J/cm2のレーザー光を試料10に照射する。この工程を1セットとして、繰り返し周期1Hzで20回(20セット)繰り返す(図3(b)参照)。
【0042】
こうした実験の結果、試料10の表面状態は、図5示すように、大幅に改善された。なお、半導体基板の表面状態は、上記1セットにおいて、第1パルスが照射されてから第2パルスが照射されるまでの遅延時間に影響されず、30ns〜640nsのいずれの遅延時間においても、ほぼ同様な形状が得られた。
【0043】
また、ドーピング層の深さに関しても、このダブル・パルス照射法においては、実質的に上記したシングル・パルス照射法と同様に、パルス幅34ns、照射強度2.4J/cm2のレーザー光を試料10に対して繰り返し周期1Hzで20パルス照射することになるので、図2に示すと同様に、ハロゲン・ランプ22により加熱される試料10の温度に応じて1μm以上の深さを達成できる。
【0044】
さらに、図6には、結晶性の指標であるΧminの遅延時間依存性が示されている。このように、30ns〜640nsの遅延時間をおいた第1パルスと第2パルスとの連続照射により、Χminは改善されるが、特に、遅延時間150nsにおいて大きい改善が得られ、4.60%というほぼ満足できる値が得られた。
【0045】
以上のように、ダブル・パルス照射法によって、表面形態および結晶性のすぐれた1μm以上の深いドーピング層を高速に短時間で形成することができるようになる。
【0046】
半導体基板に照射するレーザーとしては、KrFエキシマ・レーザーの他に種々のレーザーを用いることが可能であるが、いずれにしてもレーザー光を用いるので集光性に優れ、照射領域のみをドーピング層として形成できるので、フォトリソグラフィプロセスにより半導体基板表面にマスクをすることなく、所望のパターンにドーピング層を形成することができる。
【0047】
また、エキシマ・レーザーのような短波長かつ短パルス幅のレーザーを用いた場合には、半導体基板に浅いドーピング層を形成することは容易であるので、ダブル・パルス照射法においても上記したようにエキシマ・レーザーを用いると、一貫プロセスで同一基板内に深いドーピング層と浅いドーピング層とを形成でき、CMOS LSIや感度可変受光素子などの半導体デバイスを製造することができるようになる。
【0048】
なお、ダブル・パルス照射法において、第1パルスの照射強度を強く、第2パルスの照射強度を弱くするが、第2パルスの照射強度は第1パルスの照射強度の約数分の1程度が望ましい。
【0049】
また、レーザー光を照射した際に半導体基板の温度が沸点を超えると基板表面があれるので、第1パルスならびに第2パルスの照射によって、半導体基板の温度が沸点を超えないようにすることが望ましい。
【0050】
さらに、1セットの繰り返し周期は1Hzに限られるものではないが、1セット中の第1パルスおよび第2パルスの照射によって上昇した半導体基板の温度が、元の温度に戻る程度の時間間隔を開けることが望ましい。
【0051】
また、ダブル・パルス照射法においても半導体基板を加熱したが、加熱しなくてもよいことは勿論である。
【0052】
さらに、ダブル・パルス照射法においても、ドーパント源としてガスや固体ソースを用いることができるのは勿論であり、ドーパント源としてガスを用いた場合には、半導体基板をガス雰囲気中においてダブル・パルス照射法を行えばよく、ドーパント源として固体を用いた場合には、半導体基板上に固体ドーパント源を堆積または塗布したものに対してダブル・パルス照射法を行えばよいものであって、半導体基板への不純物の導入は適宜の方法を用いることができる。
【0053】
さらにまた、図1に示す装置においては、第1パルスと第2パルスとを生成するためのレーザーをそれぞれ設けたが、これに限られることなしに、単一のレーザーを制御して、第1パルスと第2パルスとを生成するようにしてもよいことは勿論である。
【0054】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、半導体基板中へドーピング層としてウェル構造を形成するなどの際に、半導体基板上の所定の領域をマスクする必要がないので作業工程の簡素化を図ることができ、しかも作業時間を著しく短縮化することができ、さらには半導体基板の横方向拡散が生じることはないという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法の一つの実施の形態を行うための装置の概略構成図である。
【図2】シングル・パルス照射法によるドーピング層の深さの半導体基板温度依存性を示すグラフである。
【図3】レーザー光照射の繰り返し周期を示す説明図であり、(a)はシングル・パルス照射法の場合を示し、(b)はダブル・パルス照射法の場合を示している。
【図4】シングル・パルス照射法を行った場合の半導体基板の表面あれの状態を示す拡大図である。
【図5】ダブル・パルス照射法を行った場合の半導体基板の表面あれの状態を示す拡大図である。
【図6】ダブル・パルス照射法を行った場合の結晶性の指標であるΧminの遅延時間依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
10 試料
12 チャンバー
14、16 バルブ
18 シール
20 石英ガラス板
22 ハロゲン・ランプ
24 パルス発生器
26、28 KrFエキシマ・レーザー
30、32 シリンドリカル・レンズ
34、36 全反射鏡
38、40 レンズ
42 シャッター
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a doping layer in a semiconductor substrate, and more particularly, to a method for forming a doping layer in a semiconductor substrate suitable for use in forming a relatively deep doping layer in a semiconductor substrate. .
[0002]
[Prior art]
In general, in a CMOS LSI or a sensitivity variable light receiving element which is a semiconductor device, it is necessary to form a well structure with a doping layer in order to electrically isolate the elements.
[0003]
Here, the well structure means a p-type region formed as a doping layer in an n-type semiconductor substrate and having a size of several tens of μm square, a depth of several μm, and a carrier concentration of about 10 17 cm −3 (this p-type region). Is referred to as a “p-well”) or an n-type region formed as a doping layer in a p-type semiconductor substrate and having a size of several tens of μm square, a depth of several μm, and a carrier concentration of about 10 17 cm −3 ( This n-type region is referred to as “n-well”). These p-well and n-well are selectively used according to the type of semiconductor device to be configured.
[0004]
Conventionally, as a method for forming a doping layer for forming a well structure as described above in a semiconductor substrate, the semiconductor substrate is placed in an impurity (donor) gas and heat treatment is performed to form the well structure by vapor phase doping. Alternatively, a thermal diffusion method in which impurities are applied to a semiconductor substrate and heat treatment is performed to form a well structure by solid-phase doping, or heat treatment such as electric furnace annealing is performed after the impurities are implanted into the semiconductor substrate by ion implantation. A method of forming a well structure has been performed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in any of the conventional methods for forming a doping layer in a semiconductor substrate described above, in order to limit the region of the well structure to several tens of μm square, a photolithography process is performed to form SiO 2. It was necessary to mask the area other than the well structure on the semiconductor substrate by 2 or the like.
[0006]
That is, the conventional method for forming a doping layer in a semiconductor substrate requires a step of masking a region other than the well structure region on the semiconductor substrate, which has a problem that the work process becomes complicated. .
[0007]
Further, in a conventional method for forming a doping layer in a semiconductor substrate, in order to obtain a deep doping layer having a depth of about several μm as a well structure, the semiconductor substrate is kept at a high temperature for a long time (for example, 16 hours to 17 hours). In addition to the problem that the heat treatment is required and the operation time is long, the semiconductor substrate is heat-treated at a high temperature for a long time, so that the semiconductor substrate is laterally diffused.
[0008]
The present invention has been made in view of such various problems of the prior art, and the object of the present invention is to form a semiconductor structure when a well structure is formed as a doping layer in a semiconductor substrate. A semiconductor substrate that eliminates the need to mask a predetermined area on the substrate, simplifies the work process, significantly shortens the work time, and does not cause lateral diffusion of the semiconductor substrate. An object of the present invention is to provide a method for forming a doping layer therein.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for forming a doping layer in a semiconductor substrate according to the present invention includes: irradiating a semiconductor substrate with laser light in a pulsed manner; The semiconductor substrate was rapidly melted by utilizing the rapid melting phenomenon based on the temperature rise of the surface and the recrystallization phenomenon due to the temperature drop of the semiconductor substrate surface when the irradiation of the laser beam on the surface of the semiconductor substrate was stopped. Impurities are mixed into the semiconductor when the semiconductor substrate is recrystallized so that the impurities mixed into the semiconductor are confined in the semiconductor so that a deep doping layer (for example, a depth of several μm) is formed with respect to the semiconductor substrate. It is formed at high speed.
[0010]
At this time, in order to prevent the occurrence of surface irregularities in the laser beam irradiation area on the semiconductor substrate surface, immediately after irradiating the semiconductor substrate with a laser beam having a high irradiation intensity, a laser having a lower irradiation intensity with a predetermined delay time. In order to prevent the rapid cooling phenomenon and to prevent the rapid temperature rise of the semiconductor substrate by irradiating light, one set of irradiation with such laser light with high irradiation intensity and laser light with low irradiation intensity. The above-mentioned one set is repeated a predetermined number of times according to the required depth of the doping layer while lowering the temperature of the semiconductor substrate.
[0011]
Here, when examining the effect on the semiconductor substrate by irradiating a set of laser beams of a laser beam having a high irradiation intensity and a laser beam having a low irradiation intensity, the surface of the semiconductor substrate is rapidly melted by the laser beam having a high irradiation intensity. Therefore, the surface roughness of the laser beam irradiation region on the surface of the semiconductor substrate caused by this rapid melting is melted without generating new surface roughness by irradiation of the laser beam with low irradiation intensity, and the surface of the semiconductor substrate surface is flattened. Can be achieved.
[0012]
In addition, the thermal strain generated in the process of rapid cooling / resolidification after irradiation with a laser beam having a high irradiation intensity is alleviated by irradiation with a laser beam having a low irradiation intensity, thereby improving crystallinity.
[0013]
When the semiconductor substrate is irradiated with laser light, the semiconductor substrate is heated to form a deep doping layer at a high speed.
[0014]
Further, it is desirable that the temperature of the semiconductor substrate be kept below the boiling point of the semiconductor even when the semiconductor substrate is irradiated with laser light.
[0015]
Furthermore, various lasers can be used as the laser for irradiating the semiconductor substrate. In general, when laser light having a short wavelength and a short pulse width is used, doping obtained by the one set of irradiation is performed. When the laser beam having a long wavelength and a long pulse width is used, the depth of the doping layer obtained by the one set of irradiation tends to be deep.
[0016]
Further, when the irradiation intensity of laser light is increased, the depth of the obtained doping layer becomes deeper.
[0017]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of a method for forming a doping layer in a semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0018]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an apparatus for carrying out one embodiment of a method for forming a doping layer in a semiconductor substrate according to the present invention.
[0019]
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a sample which is a semiconductor substrate on which a doping layer is to be formed. As the sample 10, as an n-type dopant (donor), As was previously ion-implanted into a Si substrate at a dose of 1 × 10 15 cm −2 and an acceleration voltage of 150 keV.
[0020]
Such a sample 10 is supported in a chamber 12 by a carbon susceptor 14.
[0021]
The chamber 12 includes valves 14 and 16. Various gases can be sucked through the valve 14 and introduced into the chamber 12, and the gas in the chamber 12 can be introduced through the valve 16. The chamber 12 can be evacuated. The upper surface of the chamber 12 is opened, and a quartz glass plate 20 is placed in the opening via a seal 18.
[0022]
Further, in the chamber 12, a halogen lamp 22 is provided for irradiating light to the bottom surface of the carbon susceptor 14 that supports the sample 10 and heating the sample 10 via the carbon susceptor 14. .
[0023]
In the apparatus shown in FIG. 1, as a laser source of laser light irradiated to the sample 10 in the chamber 12 through the quartz glass plate 20, a KrF excimer laser whose delay time is controlled by a pulse generator 24 is controlled. (KrF Excimer
Laser) 26 and 28 are used.
[0024]
One KrF excimer laser 26 is controlled to emit a laser beam having a pulse width of 34 ns and an irradiation intensity of 2.4 J / cm 2 , and the other KrF excimer laser 28 has a pulse width of 23 ns and an irradiation intensity of 0.5 J. It is controlled to irradiate with / cm 2 of laser light.
[0025]
The laser beams emitted from the KrF excimer lasers 26 and 28 are reflected by the total reflection mirrors 34 and 36 through the cylindrical lenses 30 and 32, and are collected by the lenses 38 and 40. The sample 10 in the chamber 12 is irradiated through.
[0026]
A shutter 42 is provided on the optical path of the laser light emitted from the KrF excimer lasers 26 and 28, and the laser light emitted from the KrF excimer laser 26 and the laser emitted from the KrF excimer laser 28 are provided. The sample 10 can be selectively irradiated with light.
[0027]
Here, generally, the laser light emitted from the excimer laser is a laser beam having a short wavelength in the ultraviolet region and a short pulse, so the absorption coefficient to the substance is large and the heat action time is short. Application to the formation of a very shallow doping layer of 100 nm or less is expected. That is, since the doping layer required in the semiconductor device may be a very shallow doping layer of about 100 nm or less except for the well structure, the semiconductor device for forming a very shallow doping layer of about 100 nm or less excluding the well structure Excimer laser is expected to be used as a manufacturing technology.
[0028]
By the way, in order to form a deeper doping layer using an excimer laser in a semiconductor substrate, the laser beam irradiation intensity must be increased in order to increase the melting depth on the semiconductor substrate by laser beam irradiation. Don't be.
[0029]
However, when the irradiation intensity of the laser beam on the semiconductor substrate is increased, the surface temperature of the semiconductor substrate is excessively increased, and a large number of defects and surface roughness are generated. Therefore, a doping layer having a depth of about 500 nm at most. But it was only possible.
[0030]
Therefore, the applicant tried to smooth the temperature gradient of the surface temperature of the semiconductor substrate by heating the semiconductor substrate during laser light irradiation.
[0031]
For example, as shown in FIG. 2, when the surface temperature of the semiconductor substrate during laser light irradiation is room temperature (RT), the depth of the doping layer is at most about 350 nm. When the semiconductor substrate was heated during laser light irradiation, the doping layer depth could be increased.
[0032]
That is, as shown in FIG. 2, when the semiconductor substrate is heated to 500 ° C. during irradiation of the semiconductor substrate with a laser beam, a doping layer having a depth of about 650 nm can be formed. When the semiconductor substrate was heated to 700 ° C. during irradiation, a doping layer having a depth of 1 μm or more could be easily formed.
[0033]
As shown in FIG. 3A, the laser light irradiation conditions of the experiment that obtained the results shown in FIG. 2 were as follows: laser light irradiation intensity per pulse: 2.4 J / cm 2 , number of pulses: 20 pulses, laser pulse The repetition frequency is 1 Hz. Accordingly, the processing time is 20 seconds, which is a very short time.
[0034]
Note that a method of irradiating laser light having the same pulse width and irradiation intensity in a predetermined cycle is referred to as “single pulse irradiation method” in this specification.
[0035]
Also, as the sample, as in the sample 10 shown in FIG. 1, As was used as an n-type dopant (donor) in which As was previously ion-implanted into the Si substrate at a dose of 1 × 10 15 cm −2 and an acceleration voltage of 150 keV.
[0036]
Of course, a gas or a solid source can be used as a dopant source. When a gas is used as a dopant source, laser light is irradiated in a gas atmosphere, and a solid is used as a dopant source. In such a case, the laser beam may be irradiated onto a semiconductor substrate deposited or coated with a solid dopant source.
[0037]
As described above, by heating the semiconductor substrate during laser light irradiation, a deeper doping layer can be easily formed than when laser light is irradiated at room temperature, and crystallinity and surface state are greatly improved. Although the experimental result was obtained, some surface roughness still remains as can be seen from FIG. 4 showing the surface state when the semiconductor substrate is heated to obtain a deeper doping layer during laser light irradiation. It was.
[0038]
Further, the crystallinity of the case to obtain a deeper doping layer by heating the semiconductor substrate during laser irradiation also channeling Rutherford backscattering spectrometry (C-RBS) of Χ results about 6.55% as assessed by min Yes, it was not enough for application to semiconductor devices.
[0039]
Therefore, the applicant has improved the single pulse irradiation method as described above, and using an apparatus as shown in FIG. 1, the semiconductor substrate is irradiated with a laser beam having a high irradiation intensity, and is weaker than that. Irradiate laser light of irradiation intensity, and set the irradiation of laser light with such high irradiation intensity and laser light with low irradiation intensity as a set, with a predetermined time interval to prevent the temperature rise of the semiconductor substrate. The present invention has developed a method for forming a doping layer in a semiconductor substrate according to the present invention, in which the above one set is repeated a predetermined number of times in accordance with the required depth of the doping layer while the temperature of the semiconductor substrate is lowered.
[0040]
In the following, this method for forming a doping layer in a semiconductor substrate according to the present invention is referred to as a “double pulse irradiation method” in this specification, and a laser beam having a high irradiation intensity is referred to as a “first pulse”. The laser beam having a low irradiation intensity is referred to as “second pulse”.
[0041]
That is, in order to perform the double pulse irradiation method using the apparatus of FIG. 1, specifically, a laser beam (first pulse) having a pulse width of 34 ns and an irradiation intensity of 2.4 J / cm 2 emitted from the KrF excimer laser 26. Is applied to the sample 10 and a signal is given by the pulse generator 24. After a delay time of 30 ns to 640 ns, a laser beam having a pulse width of 23 ns and an irradiation intensity of 0.5 J / cm 2 emitted from the KrF excimer laser 28 is irradiated. Is applied to the sample 10. This process is set as one set and repeated 20 times (20 sets) at a repetition period of 1 Hz (see FIG. 3B).
[0042]
As a result of these experiments, the surface state of the sample 10 was greatly improved as shown in FIG. Note that the surface state of the semiconductor substrate is not affected by the delay time from the irradiation of the first pulse to the irradiation of the second pulse in the one set, and is almost equal in any delay time of 30 ns to 640 ns. A similar shape was obtained.
[0043]
In addition, regarding the depth of the doping layer, in this double pulse irradiation method, a laser beam having a pulse width of 34 ns and an irradiation intensity of 2.4 J / cm 2 is substantially the same as in the single pulse irradiation method described above. Since 20 pulses are irradiated at a repetition period of 1 Hz to 10, a depth of 1 μm or more can be achieved according to the temperature of the sample 10 heated by the halogen lamp 22 as shown in FIG.
[0044]
Further, in FIG. 6, the delay time dependency of the chi min which is an index of crystallinity is shown. In this way, the continuous irradiation of the first pulse and the second pulse with a delay time of 30 ns to 640 ns improves the 、 min . In particular, a large improvement is obtained at the delay time of 150 ns, and 4.60% The almost satisfactory value was obtained.
[0045]
As described above, by the double pulse irradiation method, a deep doping layer having a surface morphology and crystallinity of 1 μm or more can be formed at high speed in a short time.
[0046]
As a laser for irradiating a semiconductor substrate, various lasers can be used in addition to a KrF excimer laser, but in any case, laser light is used, so that light condensing is excellent and only the irradiated region is used as a doping layer. Since it can be formed, the doping layer can be formed in a desired pattern without masking the surface of the semiconductor substrate by a photolithography process.
[0047]
In addition, when a short wavelength and short pulse width laser such as an excimer laser is used, it is easy to form a shallow doping layer on a semiconductor substrate. When an excimer laser is used, a deep doping layer and a shallow doping layer can be formed in the same substrate by an integrated process, and a semiconductor device such as a CMOS LSI or a variable sensitivity light receiving element can be manufactured.
[0048]
In the double-pulse irradiation method, the irradiation intensity of the first pulse is increased and the irradiation intensity of the second pulse is decreased, but the irradiation intensity of the second pulse is about a fraction of the irradiation intensity of the first pulse. desirable.
[0049]
In addition, when the temperature of the semiconductor substrate exceeds the boiling point when the laser beam is irradiated, the surface of the substrate is removed. Therefore, the temperature of the semiconductor substrate may be prevented from exceeding the boiling point by irradiation with the first pulse and the second pulse. desirable.
[0050]
Further, the repetition cycle of one set is not limited to 1 Hz, but a time interval is set such that the temperature of the semiconductor substrate raised by irradiation of the first pulse and the second pulse in the set returns to the original temperature. It is desirable.
[0051]
Further, although the semiconductor substrate is heated also in the double pulse irradiation method, it is needless to say that heating is not necessary.
[0052]
Furthermore, in the double pulse irradiation method, it is of course possible to use a gas or a solid source as the dopant source. When a gas is used as the dopant source, the semiconductor substrate is subjected to double pulse irradiation in a gas atmosphere. When a solid is used as a dopant source, a double pulse irradiation method may be performed on a semiconductor substrate deposited or coated on a semiconductor substrate. An appropriate method can be used to introduce the impurities.
[0053]
Furthermore, in the apparatus shown in FIG. 1, lasers for generating the first pulse and the second pulse are provided, but the present invention is not limited to this. Of course, the pulse and the second pulse may be generated.
[0054]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it is not necessary to mask a predetermined region on the semiconductor substrate when a well structure is formed as a doping layer in the semiconductor substrate. In addition, the working time can be remarkably shortened, and further, there is an excellent effect that the lateral diffusion of the semiconductor substrate does not occur.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for carrying out an embodiment of a method for forming a doping layer in a semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the semiconductor substrate temperature dependence of the depth of a doping layer by a single pulse irradiation method.
FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams showing a repetition period of laser light irradiation, where FIG. 3A shows the case of a single pulse irradiation method, and FIG. 3B shows the case of a double pulse irradiation method.
FIG. 4 is an enlarged view showing the state of the surface of the semiconductor substrate when a single pulse irradiation method is performed.
FIG. 5 is an enlarged view showing the state of the surface of the semiconductor substrate when the double pulse irradiation method is performed.
6 is a graph showing the delay time dependency of the crystallinity of an indicator chi min in the case of performing double pulse irradiation.
[Explanation of symbols]
10 Sample 12 Chamber 14, 16 Valve 18 Seal 20 Quartz glass plate 22 Halogen lamp 24 Pulse generator 26, 28 KrF excimer laser 30, 32 Cylindrical lens 34, 36 Total reflection mirror 38, 40 Lens 42 Shutter

Claims (3)

半導体基板へレーザー光をパルス状に照射することにより、前記半導体基板へ前記レーザー光が照射された際における前記半導体基板表面の温度上昇に基づく急速溶融現象と、前記半導体基板表面への前記レーザー光の照射が停止された際における前記半導体基板表面の温度低下による再結晶化現象とを利用して、前記半導体基板が急速溶融された際に不純物を前記半導体に混入し、前記半導体基板が再結晶化される際に混入された前記不純物を前記半導体中に閉じこめるようにして、前記半導体基板に対してドーピング層を形成する半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、
半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を照射した直後に、所定の遅延時間をもってそれより弱い照射強度のレーザー光を照射し、前記照射強度の強いレーザー光と前記照射強度の弱いレーザー光との照射を1セットとして、所定の時間間隔を開けて必要なドーピング層の深さに応じて前記1セットを所定の回数繰り返す
ことを特徴とする半導体基板中へのドーピング層の形成方法。
By irradiating the semiconductor substrate with laser light in a pulsed manner, a rapid melting phenomenon based on a temperature rise of the surface of the semiconductor substrate when the laser light is irradiated on the semiconductor substrate, and the laser light on the surface of the semiconductor substrate When the semiconductor substrate is rapidly melted, impurities are mixed into the semiconductor using the recrystallization phenomenon due to the temperature drop of the surface of the semiconductor substrate when irradiation of the semiconductor is stopped, and the semiconductor substrate is recrystallized. In the method for forming a doping layer in a semiconductor substrate, the impurity mixed when being formed is confined in the semiconductor, and a doping layer is formed on the semiconductor substrate.
Immediately after irradiating a semiconductor substrate with a laser beam having a high irradiation intensity, a laser beam having a lower irradiation intensity is irradiated with a predetermined delay time, and the laser beam having a higher irradiation intensity and the laser beam having a lower irradiation intensity are irradiated. The method of forming a doping layer in a semiconductor substrate is characterized in that the one set is repeated a predetermined number of times according to the required depth of the doping layer at a predetermined time interval with one irradiation as a set.
請求項1記載の半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、
前記1セットのレーザー光の中で、前記照射強度の強いレーザー光により前記半導体基板表面を急速溶融し、前記急速溶融によって生じた前記半導体基板表面におけるレーザー光照射領域の表面あれを、前記照射強度の弱いレーザー光の照射によって新たな表面あれを生成することなしに溶融して、前記半導体基板表面の平坦化および結晶性の向上を図る
ことを特徴とする半導体基板中へのドーピング層の形成方法。
In the formation method of the doping layer in the semiconductor substrate of Claim 1,
In the set of laser beams, the surface of the semiconductor substrate is rapidly melted by the laser beam having a high irradiation intensity, and the surface area of the laser beam irradiation region on the semiconductor substrate surface generated by the rapid melting is determined by the irradiation intensity. A method for forming a doping layer in a semiconductor substrate, wherein the surface of the semiconductor substrate is melted without generating new surface roughness by irradiation with a weak laser beam, and the surface of the semiconductor substrate is planarized and crystallinity is improved .
請求項1または2のいずれか1項に記載の半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、
前記1セットのレーザー光の照射を行う際に、前記半導体基板を所定の温度に加熱しておくこと
を特徴とする半導体基板中へのドーピング層の形成方法。
In the formation method of the doping layer in the semiconductor substrate of any one of Claim 1 or 2,
A method for forming a doping layer in a semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate is heated to a predetermined temperature when the one set of laser beams is irradiated.
JP23618595A 1995-08-22 1995-08-22 Method for forming a doping layer in a semiconductor substrate Expired - Fee Related JP3669384B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23618595A JP3669384B2 (en) 1995-08-22 1995-08-22 Method for forming a doping layer in a semiconductor substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23618595A JP3669384B2 (en) 1995-08-22 1995-08-22 Method for forming a doping layer in a semiconductor substrate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0963974A JPH0963974A (en) 1997-03-07
JP3669384B2 true JP3669384B2 (en) 2005-07-06

Family

ID=16997041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23618595A Expired - Fee Related JP3669384B2 (en) 1995-08-22 1995-08-22 Method for forming a doping layer in a semiconductor substrate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3669384B2 (en)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001319891A (en) 2000-05-10 2001-11-16 Nec Corp Method and apparatus for processing thin film
JP2001326190A (en) * 2000-05-17 2001-11-22 Nec Corp Method and apparatus for processing thin film
JP4590880B2 (en) * 2003-06-24 2010-12-01 富士電機システムズ株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
DE102004030268B4 (en) * 2003-06-24 2013-02-21 Fuji Electric Co., Ltd Method for producing a semiconductor element
DE102004036220B4 (en) * 2004-07-26 2009-04-02 Jürgen H. Werner Method for laser doping of solids with a line-focused laser beam
JP4614747B2 (en) * 2004-11-30 2011-01-19 住友重機械工業株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
JP2008041868A (en) * 2006-08-04 2008-02-21 Sumitomo Heavy Ind Ltd Impurity activating method and laser irradiation apparatus
KR20120101087A (en) * 2009-11-24 2012-09-12 더 트러스티이스 오브 콜롬비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕 Systems and methods for non-periodic pulse sequential lateral solidification
JP5595152B2 (en) * 2010-07-14 2014-09-24 住友重機械工業株式会社 Laser annealing method
JP5307093B2 (en) * 2010-08-23 2013-10-02 株式会社日本製鋼所 Manufacturing method of semiconductor device
TWI633587B (en) 2011-09-01 2018-08-21 應用材料股份有限公司 Crystallization methods
WO2014136237A1 (en) 2013-03-07 2014-09-12 三菱電機株式会社 Laser annealing device, and method of producing semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0963974A (en) 1997-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100582484B1 (en) Gas immersion laser annealing method suitable for use in the fabrication of reduced-dimension integrated circuits
US4151008A (en) Method involving pulsed light processing of semiconductor devices
US4229232A (en) Method involving pulsed beam processing of metallic and dielectric materials
US7091114B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
US8679959B2 (en) High sensitivity photodetectors, imaging arrays, and high efficiency photovoltaic devices produced using ion implantation and femtosecond laser irradiation
JP3669384B2 (en) Method for forming a doping layer in a semiconductor substrate
KR100207938B1 (en) Annealed semiconductor device and annealing method
EP1264335A1 (en) Method of forming ultrashallow junctions by laser annealing and rapid thermal annealing
JP2005347704A (en) Heat treatment system, heat treatment method, and manufacturing method of semiconductor device
US4659422A (en) Process for producing monocrystalline layer on insulator
JP2005142344A (en) Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor manufacturing equipment
JP3190653B2 (en) Annealing method and annealing device
JPH02152226A (en) Manufacture of semiconductor device
JPH03266424A (en) Annealing process of semiconductor substrate
US6383902B1 (en) Method for producing a microelectronic semiconductor component
US5328855A (en) Formation of semiconductor diamond
JPS639371B2 (en)
JP4639563B2 (en) Silicon carbide semiconductor manufacturing equipment
KR100541052B1 (en) Laser annealing processes of a semiconductor material using a free carrier generation technique
Celler et al. Modification of silicon properties with lasers, electron beams, and incoherent light
JP2010541273A (en) Heating method of wafer by luminous flux
JPS6476737A (en) Manufacture of semiconductor integrated circuit device
JPH05206053A (en) Crystal damage remover
JPH0376129A (en) Manufacture of electronic device using boron nitride
KR100777198B1 (en) Wafer processing method, semiconductor device manufacturing method, and wafer processing apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20031201

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20040316

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050329

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050405

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080422

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090422

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100422

Year of fee payment: 5

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees