JP5203348B2

JP5203348B2 - 半導体基板の製造方法および半導体基板製造装置

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Publication number: JP5203348B2
Application number: JP2009295898A
Authority: JP
Inventors: 俊明清野; 直之小林; 一也佐野
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: WO2011077851A1; JP2011138806A

Description

この発明は、裏面照射型の固体撮像素子などの半導体基板の製造に際し、イオン注入などによって半導体に注入された不純物を活性化させる半導体基板の製造方法および半導体基板製造装置に関するものである。

裏面照射型の固体撮像素子などの半導体基板では、ｐ型やｎ型の不純物をイオン注入などによって半導体に注入した後、レーザを照射して前記不純物の活性化を行っている（例えば特許文献１参照）。この方法によれば、比較的低温、かつ比較的少ない熱量で不純物の活性化を行うことができ、半導体基板に対する熱影響を小さくしたままで不純物を効果的に活性化できるという利点を有している。

特開２００８−６６４１０号公報

しかし、上記背景技術に掲載された方法によってレーザアニールする際に、充分に活性化するためのエネルギー密度でレーザを照射するとレーザを走査する間隔（送りピッチ）で半導体の表面が大きく荒れるという問題がある。一方、エネルギー密度を下げると当然に十分な活性化がなされない。
上記表面の荒れは、特に、可視光の波長に近い間隔で規則的に現れると、その規則性によって特定の波長で干渉が発生するため、撮像素子へ入射する光強度分布が不均一になるというおそれがある。また、表面荒れが不規則であっても、表面荒れの存在する場所と存在しない場所では、わずかに光の反射率が異なるため、撮像素子に入射する光強度分布にムラができるおそれもある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、不純物の活性化が十分になされるとともに照射後の照射面全面を一様な状態にすることができる半導体基板の製造方法および半導体基板製造装置を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の半導体基板の製造方法のうち、第１の本発明は、半導体にパルス状のレーザを走査しつつ照射して半導体に注入された不純物を活性化する半導体基板の製造方法において、
前記不純物が活性化され、レーザ照射による前記半導体のシート抵抗がエネルギー密度の変化に対し略一定になる領域にある第１のエネルギー密度によって前記半導体に第１のレーザを照射して、前記半導体を相対的に深く溶融させて前記不純物の活性化を行った後、前記第１のエネルギー密度よりも低くレーザ照射による前記半導体のシート抵抗がエネルギー密度の増加に伴って減少する領域にある第２のエネルギー密度によって前記半導体の前記第１のレーザが照射された照射面上に第２のレーザを照射して、前記半導体を相対的に浅く溶融させて第２のレーザの照射面を面方向への再結晶化を生じさせて前記第１のレーザ照射によって形成された部分的な荒れを有する表面状態を面方向に一様に荒れた表面状態に変えることを特徴とする。半導体は固体撮像素子とするものが好適である。

第２の本発明は、前記第１の本発明において、前記第１のエネルギー密度は、前記第１のレーザの照射によって前記活性化が十分になされるとともに前記半導体表面に部分的に大きな荒れが生ずるエネルギー密度であり、前記第２のエネルギー密度は、前記第２のレーザの単独照射によっては、前記不純物の活性化が不十分であるとともに前記半導体表面が略一様な表面粗さとなるエネルギー密度であることを特徴とする。

第３の本発明は、前記第１または第２の本発明において、前記第１のエネルギー密度は、前記第１のレーザ照射によって前記半導体がビーム照射面中央で深いところから表面に再結晶化が進む完全溶融域にあり、前記第２のエネルギー密度は、前記第２のレーザ照射によって前記半導体がビーム照射面で横方向に再結晶化が進む部分溶融域にあることを特徴とする。

本発明によれば、第１のエネルギー密度を有する第１のレーザ照射によって、半導体の不純物が十分に活性化される。ただし、その際に、半導体表面に部分的で大きな荒れが生じる。この大きな荒れは、照射面全体の荒れに対し、通常は数倍の荒さを有している。この半導体表面に対し、第１のエネルギー密度よりも小さな第２のエネルギー密度で第２のレーザ照射を行うことで、前記の部分的な荒れが緩和され、照射面全体を一様で不規則かつ小さな荒れが生じている状態にすることができる。この小さな荒れは、撮像素子へ入射する光強度分布を不均一にすることはなく、良質の撮像素子を得ることができる。

なお、半導体の不純物が充分に活性化されているか否かは、基板表面のシート抵抗を計測することで知ることができる。図２は、レーザの照射エネルギー密度とレーザ照射後のシート抵抗の関係を示すものである。図２に示すようにエネルギー密度が上昇するとシート抵抗が小さくなり、レーザの照射エネルギー密度が、あるエネルギー密度より大きくなる（この図では１．１Ｊ／ｃｍ^２以上）と、シート抵抗はほぼ一定になる。ここで、このシート抵抗が一定になる領域を、「完全溶融域」と呼ぶ。
この完全溶融域での表面形状は、図３（ｃ）（ｄ）に示すように部分的に表面が不規則に荒れている。これはレーザ照射時に基板が完全溶融すると、ビーム端では再結晶化がビーム端より横方向に進むためであると考えられる。一方、ビーム中央では再結晶化が基板の深いところから表面へ（垂直方向へ）と進むので、表面がほとんど荒れない。完全溶融域より低いエネルギー密度では、図３（ｂ）に示すように、全体が不規則に荒れる領域があり、これを「部分溶融域」と呼ぶ。部分溶融域では溶融深さが相対的に浅いので再結晶化は横方向になり全体が荒れるものと考えられる。さらに低いエネルギー密度では、図３（ａ）に示すように、溶融しないので表面が荒れない。この領域を「固相成長域」と呼ぶ。

半導体の不純物を充分に活性化するためには完全溶融域でレーザアニールする必要があり、このとき表面は部分的に不規則または規則的に荒れる。また基板全面で活性化が均一に行われ、製造工程において安定に活性化を行うためには完全溶融での活性化が望ましい。その後、部分溶融域でレーザアニールすることで、前記したように部分的な荒れが緩和される。上記固相成長域のエネルギー密度では、第１のレーザによって生じた部分的な大きな荒れを緩和することが難しく、したがって、第２のエネルギー密度は、部分溶融域が得られるものとするのが望ましい。

第４の本発明は、前記第１〜第３の本発明において、前記第１のエネルギー密度は、前記第１のレーザ照射によって該レーザの走査間隔毎に、前記半導体表面に部分的な荒れが生じるものであることを特徴とする。

前記したようにレーザビームのプロファイルでは、平坦域の両側にエネルギー密度が傾斜して減少する領域があり、この領域によって、レーザの走査間隔毎に規則的な荒れが生じる。この荒れは、第２のレーザ照射によって緩和されることになる。

第５の本発明は、前記第１〜第４の本発明において、前記第１のレーザ照射の走査方向と、前記第２のレーザ照射の走査方向とを逆にすることを特徴とする。

走査方向を反転する際に、第１のレーザ照射と第２のレーザ照射とを切り替えることで、効率よく処理を行うことが可能になる。
レーザアニールはステージを動かして、ステージ上の基板全面を照射する方法が一般的である。また、ステージ上の基板の交換はロボットで行うため、１箇所で行うのが一般的である。すなわち基板をステージに設置後、ステージを一方向に定速で移動しレーザ光を照射した後、ステージを基板交換位置へ戻す必要がある。この戻す工程で、前記第２のエネルギー密度による第２のレーザ照射を行うことで、生産性を低下させることなく本発明の方法を実施することができる。

参考となる半導体基板製造装置は、半導体に注入された不純物を活性化する第１のエネルギー密度で前記半導体に照射して、前記半導体を相対的に深く溶融させるべく第１のレーザを出力するレーザ光源と、前記第１のエネルギー密度よりも低い第２のエネルギー密度で前記半導体の前記第１のレーザ照射後の照射面上に照射して、前記半導体を相対的に浅く溶融させて面方向への再結晶化を生じさせて前記第１のレーザ照射によって形成された部分的な表面の荒れを緩和して面方向に一様な荒れ状態にするべく第２のレーザを出力するレーザ光源と、前記第１のレーザおよび第２のレーザを所定のビーム形状に整形して前記半導体に導く光学系と、前記半導体を設置して少なくとも一軸方向に移動させるステージとを備えることを特徴とする。
他の半導体基板製造装置は、前記ステージの移動を制御する制御部を備え、
該制御部は、前記第１のレーザを前記半導体に照射する際に前記ステージを第１の方向に移動させ、該第１の方向でレーザ照射が終了すると、前記第２のレーザを前記半導体に照射する際に前記ステージを前記第１の方向と逆方向の第２の方向に移動させる制御を行うことを特徴とする。

第１のレーザを出力するレーザ光源と、第２のレーザを出力するレーザ光源とは、異なるレーザ光源によって構成してもよいが、同一のレーザ光源で構成するのが望ましい。
同一のレーザ光源を用いることで装置コストを増大させることなく本発明方法を実現できる。エネルギー密度は、レーザの出力を調整するエネルギー調整手段により行うことができる。エネルギー調整手段は、レーザ光源の出力を調整するものであってもよく、また、レーザ光源から出力されたレーザの出力を調整するものであってもよい。該エネルギー調整手段としては、既知のものを用いることができる。

また、他の半導体基板製造装置は、前記エネルギー調整手段と、前記ステージの移動を制御する制御部を備え、
該制御部は、前記エネルギー調整手段の出力調整および前記ステージの移動を制御し、前記ステージを第１の方向に移動させる際に前記エネルギー調整手段によって第１のエネルギー密度が得られるように前記レーザの出力を調整し、前記ステージを前記第１の方向と逆方向の第２の方向に移動させる際に、該移動に連動して、前記エネルギー調整手段によって前記第１のエネルギー密度よりも低い第２のエネルギー密度が得られるように前記レーザの出力を調整する制御を行うことを特徴とする。
上記装置によれば、ステージの往復動に連動させてエネルギー調整手段の出力調整を行うことで、効率よく本発明方法を実施することができる。

以上、説明したように、本発明の半導体基板の製造方法によれば、半導体にパルス状のレーザを走査しつつ照射して半導体に注入された不純物を活性化する半導体基板の製造方法において、前記不純物が活性化され、レーザ照射による前記半導体のシート抵抗がエネルギー密度の変化に対し略一定になる領域にある第１のエネルギー密度によって前記半導体に第１のレーザを照射して、前記半導体を相対的に深く溶融させて前記不純物の活性化を行った後、前記第１のエネルギー密度よりも低くレーザ照射による前記半導体のシート抵抗がエネルギー密度の増加に伴って減少する領域にある第２のエネルギー密度によって前記半導体の前記第１のレーザが照射された照射面上に第２のレーザを照射して、前記半導体を相対的に浅く溶融させて第２のレーザの照射面を面方向への再結晶化を生じさせて前記第１のレーザ照射によって形成された部分的な荒れを有する表面状態を面方向に一様に荒れた表面状態に変えるので、第１のレーザ照射でレーザアニールすることによって充分な活性化を安定して行い、かつ、第２のレーザ照射でレーザアニールすることで、第１のレーザ照射で生じた不規則または規則的な表面荒れを一様な荒れにすることができる。

さらにこの発明によれば、完全溶融領域でレーザアニールすることで十分に活性化を行っているので、不純物の活性化率を高くすることができ、なおかつレーザ照射面全体のシート抵抗および活性化率が均一な撮像素子を製造可能である。なおかつ、さらに部分溶融領域でレーザアニールを行うことにより、不規則な表面荒れを一様に全体に製作している。このため、不規則な荒れは可視光の波長領域の整数倍および整数分の一になるような規則的な構造を有していないので、撮像素子の表面に入射する可視光を干渉させることなく撮像素子に入射させることができる。さらに、この不規則な荒れが基板全体に一様に製作されているので、撮像素子に入射する光強度分布にムラがない撮像素子が製造可能である。

本発明の一実施形態の製造方法に用いる半導体基板製造装置（レーザアニール装置）の概略図である。従来法におけるエネルギー密度とシート抵抗の関係図である。従来法によって、各エネルギー密度のレーザ照射を行った際の半導体基板の表面形状（ＳＰＭ像）を示す図面代用写真である。従来法における半導体基板位置に対するシート抵抗の分布図である。本発明の実施例（２Ｓｃａｎ）および従来法（１Ｓｃａｎ）におけるエネルギー密度とシート抵抗の関係を示す図である。本発明の実施例によって作製した基板の表面形状（ＳＰＭ像）の図面代用写真である。

以下、この発明の一実施形態を添付図に基づいて説明する。
図１に本発明を実施する装置の構成を示す。
半導体基板製造装置に相当するレーザアニール装置１００は、エキシマレーザを出力するレーザ光源１０１を備えている。レーザ光源１０１の出力先には、レーザ１０２の出力を調整するアッテネータ１０３が備えられている。アッテネータ１０３は、例えばレーザの透過率を調整することでレーザの出力調整を行うことができ、本発明のエネルギー調整手段に相当する。また、アッテネータ１０３は、制御装置１１５に制御可能に接続されている。制御装置１１５は、レーザアニール装置１００全体を制御するものであり、ＣＰＵとこれを動作させるプログラム、該プログラムを格納するＲＯＭ、ワークエリアなどに用いられるＲＡＭ、装置の動作パラメータなどを格納した不揮発メモリなどによって構成されている。

アッテネータ１０３で出力調整されたレーザ１０２の透過先には、レーザ１０２をラインビーム状のレーザ１０５に整形する整形光学系１０４が設けられており、該整形光学系１０４の出射先に、試料台１０６が位置する。
試料台１０６は、ステージ１１０に設置されており、該ステージ１１０は、少なくとも水平方向一軸で往復移動が可能になっている。該ステージ１１０は、前記した制御装置１１５に制御可能に接続されている。
また、上記レーザアニール装置１００では、搬送ロボット１１１およびカセット１１２を備えており、カセット１１２には半導体基板１０７が収容されている。

次に、上記レーザアニール装置１００の動作について説明する。
カセット１１２に収容され、不純物が注入された半導体基板１０７を搬送ロボット１１１によって取り出し、試料台１０６上に載置する。
レーザ光源１０１からは波長３０８ｎｍ、発振周波数３００Ｈｚのパルス状のレーザ１０２が発振される。該レーザ１０２は、アッテネータ１０３を透過して所望の出力に調整され、整形光学系１０４において長軸×短軸＝２００ｍｍ×０．２ｍｍのラインビーム状のレーザ１０５に整形される。該レーザ１０５は、図１（ｂ）に示すように、試料台１０６に設置した半導体基板１０７に照射される。
制御装置１１５は、不揮発メモリに格納された動作パラメータに基づいてアッテネータ１０３を制御し、所望のエネルギー密度で半導体基板１０７に照射されるようにレーザの出力が調整される。この際のエネルギー密度は、半導体基板１０７に注入された不純物が十分に活性化されるものに設定されており、本発明の第１のエネルギー密度に相当する。この際のレーザ照射は、本発明の第１のレーザ照射に相当する。

試料台１０６が設置されているステージ１１０は、制御装置１１５によって移動が制御され、レーザ照射時に、ラインビームの短軸１０８方向に送り速度３０ｍｍ／秒の等速で移動する。この結果、基板１箇所に２回ラインビーム状のレーザ１０５が第１のレーザ照射として照射される。
上記工程では、半導体の不純物が十分に活性化されるエネルギー密度でレーザが照射されており、半導体基板１０７全体が全溶融域となり、不純物の活性化が十分になされる。また、この際には、パルスレーザの走査間隔で規則的に荒れが生じている。

制御装置１１５では、一走査方向におけるステージ１１０の移動および第１のレーザ照射が終了すると、ステージ１１０の移動を逆方向に反転させるとともに、不揮発メモリに格納された動作パラメータに基づいてアッテネータ１０３を制御し、所望のエネルギー密度で半導体基板１０７に照射されるようにレーザの出力が調整される。すなわち、前記第１のレーザ照射の際よりも光透過率を下げ、第１のエネルギー密度より低い第２のエネルギー密度でレーザ１０５が半導体基板１０７に照射されるように調整する。この際のレーザ照射は、本発明の第２のレーザ照射に相当する。反転走査時のステージ１１０の送り速度は、前記走査時と同速度とすることができる。このときの第２のエネルギー密度は、単独では不純物を活性化するには不十分なものではあるが、半導体基板１０７の照射面上を半溶融域にして第１のレーザ照射によって生じた不規則な荒れを緩和して照射面全面を一様な荒れ状態にできるものとする。
反転走査を完了すると、活性化が行われた半導体基板１０７は、搬送ロボット１１１によって取り出し、新たな処理対象となる半導体基板１０７をカセット１１２内から搬送して試料台１０６に設置することで、上記工程を効率よく繰り返すことができる。

次に、上記実施形態の装置を使って実施した活性化の例を以下に示す。
ここでは、例えばＰ型の不純物として５×１０^１４／ｃｍ^２でＢを５ｋｅＶでイオン注入した８インチのＳｉ基板を使い活性化試験を行った。Ｐ型の不純物としては、ＢまたはＢＦ_２などを用いることも可能であり、Ｎ型の不純物を用いることも可能である。また、本発明はイオン注入する不純物の濃度に影響を受けないため、任意の不純物濃度で実施することができる。
実際の裏面照射型の撮像素子に使われる基板は、表面に支持基板があり、その支持基板の裏面に薄いＳｉ層が接着されている。この裏面側の薄いＳｉ層の裏面側にＰ型不純物のイオン注入がなされ、Ｓｉ層表面側に配線層又は電極層と絶縁膜が形成され、Ｓｉ層の裏面側からレーザ照射が行われるが、半導体領域の活性化試験の確認には、これらの層が形成されていない基板で充分である。したがって、本実施例では、Ｓｉ層表面側に配線等が形成されていないＳｉ基板について評価を行った。
本実施例では、ビームの長軸と短軸半値幅で定義したエネルギー密度を用い、エネルギー密度を０．６〜１．３Ｊ／ｃｍ^２として前記Ｓｉ基板にレーザを照射し、シート抵抗を計測したところ図２の結果を得た。このときの０．９、１．０、１．１、１．２Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度における表面形状の計測結果を、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope：ＳＰＭ）により測定し、その結果を図３に示した。また、該エネルギー密度における半導体基板上の位置によるシート抵抗の分布を図４に示した。

図３に示すように、０．９Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度でレーザを照射すると、Ｓｉ基板の表面はほとんど平滑で、１．０Ｊ／ｃｍ^２では不規則に全面が一様に荒れ、１．１，１．２Ｊ／ｃｍ^２で部分的に不規則な表面荒れ形状を形成した。また、図２に示すように、１．１Ｊ／ｃｍ^２以上のエネルギー密度では、シート抵抗が十分に低く、エネルギー密度の相違によるシート抵抗の変化は小さく、略一定の値を示している。また、図４に示すように、１．１Ｊ／ｃｍ^２以上のエネルギー密度では、半導体基板の位置に拘わらず、安定したシート抵抗を示しているが、０．９、１．０Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度では、半導体基板の位置によってシート抵抗にばらつきが生じていた。これは、工程中にレーザのエネルギー密度が変動すると、その変動がシート抵抗の変動として出現するためである。したがって、この例では、第１のレーザ照射においては、シート抵抗が略一定になる１．１Ｊ／ｃｍ^２以上のエネルギー密度とするのが望ましいことが分かる。

次に、１．２Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度のレーザ照射によって不純物を活性化した基板に、０．９５、１．０、１．０５Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度でレーザを照射し、シート抵抗と表面形状（ＳＰＭによる）を測定した。その結果を図５、６に示す。図５に示すように、シート抵抗は１．２Ｊ／ｃｍ^２の１回目の照射で低くなったままであり、図６に示すように表面が不規則に全面一様に荒れたＳｉ基板が得られた。この基板で作製した固体撮像素子では、照射ピッチのムラのない高品質なものが得られる。

１００レーザアニール装置
１０１レーザ光源
１０６試料台
１０７半導体基板
１１０ステージ
１１５制御装置

Claims

固体撮像素子とする半導体にパルス状のレーザを走査しつつ照射して半導体に注入された不純物を活性化する半導体基板の製造方法において、
前記不純物が活性化され、レーザ照射による前記半導体のシート抵抗がエネルギー密度の変化に対し略一定になる領域にある第１のエネルギー密度によって前記半導体に第１のレーザを照射して、前記半導体を相対的に深く溶融させて前記不純物の活性化を行った後、前記第１のエネルギー密度よりも低くレーザ照射による前記半導体のシート抵抗がエネルギー密度の増加に伴って減少する領域にある第２のエネルギー密度によって前記半導体の前記第１のレーザが照射された照射面上に第２のレーザを照射して、前記半導体を相対的に浅く溶融させて第２のレーザの照射面を面方向への再結晶化を生じさせて前記第１のレーザ照射によって形成された部分的な荒れを有する表面状態を面方向に一様に荒れた表面状態に変えることを特徴とする半導体基板の製造方法。
前記第１のエネルギー密度は、前記第１のレーザの照射によって前記活性化が十分になされるとともに前記半導体表面に部分的に大きな荒れが生ずるエネルギー密度であり、前記第２のエネルギー密度は、前記第２のレーザの単独照射によっては、前記不純物の活性化が不十分であるとともに前記半導体表面が略一様な表面粗さとなるエネルギー密度であることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記第１のエネルギー密度は、前記第１のレーザ照射によって前記半導体がビーム照射面中央で深いところから表面に再結晶化が進む完全溶融域にあり、前記第２のエネルギー密度は、前記第２のレーザ照射によって前記半導体がビーム照射面で横方向に再結晶化が進む部分溶融域にあることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板の製造方法。
前記第１のエネルギー密度は、前記第１のレーザ照射によって該レーザの走査間隔毎に、前記半導体表面に部分的な荒れが生じるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
前記第１のレーザ照射の走査方向と、前記第２のレーザ照射の走査方向とを逆にすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。