JP5467238B2 - 半導体の熱処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は被処理材料を加熱処理する方法であり、特に半導体材料およびデバイスを短時間に効率よく熱処理する方法に関する。
バイポーラトランジスタ、絶縁ゲート形電界効果トランジスタ（MOS型トランジスタ）をはじめとする各種半導体素子、半導体集積回路等の半導体デバイスの製造において、例えば、半導体の結晶欠陥の修復、導入不純物の活性化、非晶質材料からの結晶への相変化などにおいて、熱処理が多く行なわれる。
特に絶縁体または絶縁膜上に形成される薄膜トランジスタにとって、その結晶化技術は重要である。従来の薄膜結晶化技術としては、電気炉を用いて６００℃〜１０００℃の高温で２時間〜２０時間加熱する方法が知られている。（例えば特許文献1参照）。
或いは、パルスレーザを用いて半導体薄膜を短時間溶融して固化結晶化する技術、および半導体表面に生じるリッジを抑制しながらレーザアニールを行なう技術が知られている。（例えば特許文献２参照）。
これらの結晶化技術は、大面積にわたって良質の多結晶シリコン膜を形成するのに用いられている方法である。
特開２００１−２１０６３１号公報 特開２００４−３１１６１５号公報
しかしながら、例えば特許文献１に開示の技術等にあっては、高温長時間の加熱を必要とし、エネルギー消費が大きく、製造時間も長くコストがかかるという問題がある。
一方、例えば特許文献２に記載の技術のように半導体レーザ光を使用するという方法では、シリコン薄膜半導体表面での光反射によるエネルギー損失が大きいという問題がある。
さらに、先行技術として、カーボン層またはカーボンを含む層からなる光吸収による発熱層とし、この層をパルス的な光照射により加熱することにより、間接的にシリコン膜を加熱する方法が提案されている。しかし、この先行技術においては、上記の問題を解決する有力な手段ではあるが、極端に短時間のパルス光照射の場合、断熱的な反応により、アブレーションと呼ばれる、カーボンを含有する薄膜破壊により、却って熱伝達に支障をきたす場合がある。
本発明の目的は、半導体もしくは半導体デバイスに対する瞬間的な熱処理を可能にし、また光エネルギーの損失の問題の改善を図ることができる熱処理方法を提供することである。
上記の目的を達するために、請求の範囲第１項の発明は、光エネルギーの吸収によって発熱するカーボン層または、カーボンを含む層を直接または厚さ５ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して半導体材料を熱処理する方法において、用いる光源が波長６００ｎｍ〜２μｍの範囲の半導体レーザ光であり、この半導体レーザ光をカーボン層またはカーボンを含む層からなる発熱層に連続的に照射し掃引することにより、発熱層の同一箇所が連続的に１００ｎｓ〜１００ｍｓの時間にわたって光照射されるとともに、上記半導体レーザ光が該掃引照射する箇所に一部重なりを持つように繰り返し掃引照射し、半導体材料に熱処理を行うことを特徴とする。
また請求の範囲第１項の発明は、ビーム掃引エリアの掃引方向の折り返し点を含む減速領域を覆う遮光マスクを用いて半導体レーザ光の発熱層への照射を遮断して半導体材料に熱処理を行うことを特徴とする。
また請求の範囲第２項の発明は、微粒子状のカーボンを分散した溶液を半導体材料上パターン塗布し、パターニングされた発熱層を形成し、半導体材料の一部の領域のみに熱処理を行うことを特徴とする。
また請求の範囲第３項の発明は、複数のビームからなる半導体レーザ光がビーム掃引方向と同一方向に配列されるとともに、これら複数のビームの光強度を異ならしめ、同一箇所を逐次異なる強度のレーザビームで照射することを特徴とすることを特徴とする。
また請求の範囲第４項の発明は、先に照射するビームの強度は後に照射するビームの強度よりも弱いことを特徴とする。
また請求の範囲第５項の発明は、レーザ光を照射する時に、光エネルギーを吸収して発熱する発熱層の表面に不活性ガスを吹き付けることを特徴とする。
本発明の熱処理方法を用いることにより、低エネルギー消費にて、かつ短時間処理で、安定した加熱処理が実現できる。
この加熱処理により、非晶質半導体より結晶性半導体への相変化や、不純物の活性化、結晶性の回復、ｐｎ接合形成、ＭＯＳ型トランジスタなどにおける絶縁膜改質等が達成できることは言うまでもない。
本発明の基本構成を示す図である。 本発明において、光掃引のパターンの一例を示す図である。 本発明において、光掃引のパターンの一例を示す図である。 本発明において、複数のレーザビームを掃引する方法についての一例を示す図である。 本発明において、複数であり各々異なる出力を持つレーザビームを掃引する方法についての一例を示す図である。 本発明において、レーザ光の加速或いは減速領域にマスクを用いた場合の掃引パターンの一例を示す図である。 本発明において、パターニングされた光吸収層上にレーザ照射を行なう方法についての一例を示した図である。 本発明において、微粒子状の光吸収体を塗布した場合にレーザ照射をしたときの形態を示す図である。 本発明において、伝熱層として不純物含有層を用いた場合を示す図である。 本発明において、イオン注入不純物を活性化する形態の一例を示す図である。 本発明において、不活性ガスを光吸収層に吹き付けながらレーザ照射を行なう方法についての一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。
図1は、本発明の熱処理方法を実施する被熱処理体に関わる構成の一例の概略断面を表しており、以下本発明の熱処理法の実施形態について述べることにする。
この実施の形態においては、その被熱処理体１が、基体２例えばガラス基体上に被熱処理層３として例えばＳｉ半導体層が形成されており、さらにその上にカーボンを主体とする光吸収層（発熱層ともいう、以下同じ。）４が形成されている。光吸収層４と被熱処理層３の間には、厚さ５ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介することができるが、この図１には示していない。伝熱層は、光吸収層４と被熱処理層３が高温下で反応性の高くなる組み合わせの場合、バリア層として機能させることができる。
上記熱処理方法では、特に光吸収層４を構成するカーボン原子が高温になることにより被熱処理層３へと拡散することが好ましくないデバイスに応用した場合、被熱処理層３と光吸収層４との間に厚さ５ｎｍ以上の伝熱層を設けることにより、該拡散を十分抑制する効果を持つ場合がある。ただし、伝熱層を設けることにより伝熱効率が落ちる傾向になるので、不必要に伝熱層を厚くすることは好ましくない。本発明の場合、伝熱層の厚さが、１００μｍを超えると伝熱層としての役割を果たさない。被熱処理層への若干のカーボン拡散が許容される場合は、伝熱効率が重視されるために伝熱層を省くこともある。
この上から、半導体レーザ光５を照射、掃引する。照射時の雰囲気は、通常大気雰囲気でよい。半導体レーザ光は、基本的にＣＷ（連続発振）光のものが望ましい。特に波長６００ｎｍから２μｍの範囲の半導体レーザは、コンパクトで安価、さらにバースタックタイプなどのように多数の半導体レーザデバイスを集積化し、容易に極めてハイパワーの光出力を得ることができる。従って、従来市場に出現していたエキシマレーザの出力が高々１ｋW程度であったのに対し、基本的にはその１０倍〜１００倍程度の出力を持つ半導体レーザであり、これを用いて照射光源を構成することができる。このようなハイパワーの光源を用いることができれば、大面積の光ビームを形成することができる。或いは高速にビーム掃引することができるので、短時間の熱処理が可能になる。また半導体レーザは、印加する電流制御により、この電流値とほぼ線形関係の光出力が得られ、光出力の制御が非常に容易な半導体レーザ光源であるという特徴を持つ。ＣＷ発振型の半導体レーザであれば、電流波形によってはパルス的な光出力を得たりすることもできる。
図２および図３は、それぞれ光ビームの掃引方法の一例を示したものである。実線はビームの強度がピーク位置の軌跡を示している。半導体レーザ光は適当なビーム掃引機構により、照射位置をずらしながら、被熱処理部に加熱処理を施してゆくことになる。点線部は光強度を変調して出力を下げた軌跡部分である。勿論必要に応じて、点線部においても同様に光照射を行なってもかまわない。また、図２、図３において、掃引方向が変化するところでは照射時間が長くなるので、このような地点に至る前にはレーザビームの強度を制御して、弱めるようにすることが望ましい。
実際の半導体レーザ光は所定の光学系により集光したとしても、有限の大きさのビーム径を持っている。また普通ビーム内に強度分布があり、周辺部は中心部より光強度が低くなっている。ビーム掃引線の送りピッチはこのビーム径（幅）より小さくすることにより、即ち照射エリアをオーバーラップさせながらビーム掃引することにより、被加熱部への熱処理効果を均質化することができるようになる。
照射する半導体レーザ光は、光吸収層４の同一箇所に、一回の掃引につき連続的に１００ｎｓ以上、好ましくは１００ｎｓ〜１００ｍｓの時間照射することが好ましい。１００ｎｓより短いと、光吸収層のみが加熱されやすくなり、このため被熱処理層に十分な熱伝達を与えるべくレーザ光強度を上げると、光吸収層がアブレーションされやすくなるという不都合がある。１００ｍｓより長いと、熱拡散長が長くなり、レーザ光強度が弱い場合には被熱処理層が所定温度まで温度上昇がしなくなる。またレーザ光強度が十分強くて被熱処理層が所定温度まで温度上昇する場合、加熱をしたくないその他の領域まで被熱処理層部分に近い温度にまで加熱されるという不都合が生じる。
なお、ＣＷレーザのビーム掃引による短時間加熱は、ビーム掃引条件を適切に選ぶことにより、レーザ光の照射されていない隣接部への熱拡散効果のために、あまりに急激な加熱・冷却工程を避けることができるという点で、パルスレーザによる短時間加熱とは質的に異なるものといえる。特にエキシマレーザなどの１００ｎｓ未満のパルス幅のパルスレーザを用いて被熱処理層３を１４００℃以上に加熱しようとする場合は光吸収層４のアブレーションが起こりやすいという不都合が生じやすい。一方例えばガウシアン型の強度分布をもつＣＷレーザビームを掃引する場合、先行する強度の弱い裾野の部分から照射され、次に最高強度をもつ部分が照射され、次いで再び強度の弱い裾野の部分が照射される。即ち、１００ｎｓ〜１００ｍｓという短時間の範囲ながら、パルスレーザ照射と異なり、温度上昇、温度下降を容易に制御しやすいために、アブレーションなどの急加熱に伴う不都合が生じにくいという特徴がある。
一例としては、光吸収層４が、照射する半導体レーザ光５の波長において４０％の光吸収率を持つ場合、半導体レーザ光５のパワーを２０Ｗと一定値に制御し、ビーム径を４００μｍに絞ったとき、膜厚５０ｎｍのＳｉ膜は掃引速度３０ｃｍ／ｓ以下にてアモルファスより多結晶に相変化した。
半導体レーザ光５は、基体２が該半導体レーザ光の波長に対して透過性を有する材質であれば、基体２側より照射することにより、基体２および被熱処理層３を透過して光吸収層４のみで効率的にエネルギー吸収され、光吸収層４が発熱し、この熱により間接的に被熱処理層３を加熱処理することができる。
また、一旦、所定エリアを該ビーム掃引機構により、光照射を完了した後、再度同一エリアをビーム掃引し加熱処理を行なうこともできる。特に例えば光吸収層中に水素を含む場合は最初に、低パワー密度にてレーザ照射掃引して水素抜きを行なって後、Ｓｉ膜の結晶化に必要な高いパワー密度でのレーザ掃引を行なう方法をとることが望ましい場合がある。例えば、水素含有の光吸収層４に対して最初から高パワー密度の光照射を行なうと、光吸収層中の水素が急激に放出されるため、この衝撃によって光吸収層４を破壊する恐れがあるが、これでは効果的に被熱処理層３への熱伝達がなされないことが起こりうるからである。このような場合には、このビーム掃引の繰り返し回数は、２回のみならず、さらに多数回行なう必要がある。
図４は、先行する半導体レーザ光５１と後続の半導体レーザ光５２の２本の半導体レーザ光が、ビーム掃引方向に配列されていて、一回のビーム掃引で被熱処理層３に対しそれぞれ一回ずつ、計２回レーザ照射がなされる場合について、模式的に示したものである。図４Ａは、ビーム照射前、図４Ｂはビーム照射中、図４Ｃはビーム照射終了後をそれぞれ示す。半導体レーザ光５１と５２の各々のパワー密度は異なっていて、まず先行の半導体レーザ光５１のビーム照射により、光吸収層４を改質させる。例えば水素含有のカーボン膜の場合、比較的低エネルギーのビームを有する半導体レーザ光５１の照射により、水素が抜けて光吸収率が変化する。次に、後続の半導体レーザ光５２にてビームを照射する。後続の半導体レーザ光５２のビームの波長が、この光吸収率が変化した光吸収層による光吸収が大きくなる帯域に設定されている場合、後続のパワーの高い半導体レーザ光５２が効率的に、光吸収層４に吸収され、光吸収層は高温に加熱される。これにより高い効率で、被熱処理層３が加熱処理されることになる。図４Ａで被熱処理層３が非晶質シリコンの場合は、図４Ｃでは被熱処理層３は結晶シリコンとすることができる。
次に、先行する半導体レーザ光５１のレーザビームの強度を制御しながら掃引する例について図５を用いて説明する。図５に示すように半導体レーザ光５１のビームを照射位置により強度変調されるように制御し、後続の半導体レーザ光５２の強度を一定に保って、掃引した場合には、被熱処理層の所望の部分だけに効果的に熱処理を施すことができる。図５Ａに示すように、半導体レーザ光５１の強度を弱めて光吸収層４を掃引すれば、光吸収層４の光吸収率は変化がなく、このため半導体レーザ光５２のビーム照射によっても光吸収層４は温度が高温にならず、被熱処理層３の熱処理がなされない。次に図５Ｂに示す位置において半導体レーザ光５１の強度を強めれば、光吸収層４は部分的に変化して光吸収率が向上した光吸収層４１が形成される。次に図５Ｃに示すように、半導体レーザ光５１の強度を弱めるとともに、半導体レーザ光５２にて光吸収層４１を掃引すれば、光吸収層４１が半導体レーザ光５２の光を効率よく吸収して高温になり、そのため、被熱処理層３が非晶質シリコンである場合には、結晶シリコン３１として、所望の部分のみ結晶化を行なうことができる。レーザビームの本数は２本である必要はなく、その目的に応じて３本以上の複数本とすることも可能である。
複数本のレーザビームを具備する系においては、半導体レーザ光の配列が、必ずしもビーム掃引方向に平行である場合のみに限定されるわけではなく、例えばビーム掃引方向に垂直な配列も可能である。この場合、一回のビーム掃引でビーム本数倍の加熱処理部分の面積を得ることができ、加熱処理時間の短時間化に効果がある。
またこの変形例としては、例えば、半導体レーザ光がビーム掃引方向に対し垂直なライン状のビームとなるように、所定の光学系を用いることによりビーム整形させることもできる。例えば細長いかまぼこ状のレンズ（シリンドリカルレンズ）にライン状のビームを入力して整形することができるが、これ以外にもビーム整形の光学系を自由に選択できる。
特に、この場合、ビーム掃引方向のラインビームの幅を短くし、かつビーム掃引速度を上げることにより、ある照射位置においてレーザビームが照射されている時間を短時間化することができる。同一点におけるビーム照射時間が短くなると、基体側に熱が逃げる割合が低下して、エネルギー的に効率よい熱処理を達成することができる。
ただし、短時間加熱の場合は、例えば非晶質より多結晶へと相変化するＳｉの結晶粒径があまり成長せず、電気的特性が大結晶粒径Ｓｉ膜より電磁移動度などで劣る傾向が高い。逆に言えば、結晶化膜において異なる電気特性を持つ部位を所望の位置に作り分けるために、ビーム掃引速度を変化させる方法を採用することもできる。例えば、液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタアレイの場合、周辺ドライバー回路用の薄膜トランジスタは高電子移動度の結晶Ｓｉが必要であるので、この部位の熱処理時には、レーザビームを低速度で掃引する。また画素のスイッチングトランジスタのＳｉ膜の電子移動度は上げる必要がないので、半導体レーザ光の高速掃引を行なうことができる。このようにして、加熱処理に必要な工程時間を短縮化・最適化することができる。
ビーム掃引方向のラインビームの幅を狭くするには、適当な光学設計によりビームを１方向に集光させる方法があるが、それ以外に、半導体レーザ光源と被照射部表面の間に、スリット状の開口部を持つマスクを始めとする各種の空間変調フィルターを挿入する方法を採用してもよい。フィルターはスリット以外のタイプでもよく、レーザビームを適当な強度分布になるようにすると、この半導体レーザ光を掃引したときに、ある位置において照射される半導体レーザ光強度の時間変化を制御することができる。
また、半導体レーザ光としては、ビーム掃引エリアの一部を覆うような遮光マスクを介して発熱層に照射することもできる。例えば、図２または図３に示したレーザビームの掃引方向の折り返し点（掃引ラインのエッジ部）では、ビーム掃引機構の加速或いは減速領域に当る。そのため、図６に示すように、中心部の速度一定領域ａに比べ、加速または減速領域ｂで掃引速度が遅くなる。折り返し点Ｐでは掃引速度はゼロである。このため、この部分は不必要に高いエネルギー密度でレーザ光が照射されることになる。これを避けるために図６で示すように、掃引速度の加速または減速領域ｂ、すなわち掃引速度が変化する領域にレーザビームが照射されないようにするための遮光マスク１２を配置し、この状態で半導体レーザ光を照射することができる。
また、用途に応じてビーム速度一定領域ａの一部を選択的に遮光マスクで被覆して半導体レーザ光を照射することもできる。例えば、選択的に深いイオン注入を行った後の、活性化アニールなどの場合に適用することができる。
被熱処理層３における所望の箇所のみ熱処理を行なう方法としては、以上述べた方法以外にも次のような方法がある。図７はその一例を説明するものである。図７Ａに示すように、従来知られている方法により、被熱処理層３の上にパターニングされた光吸収層４１を得る。その後、半導体レーザ光５１により掃引して、図７Ｂに示すように光吸収層４１に接している部位の被熱処理層３１のみ熱処理を行う。ここで、被熱処理層３が非晶質Ｓｉ膜である場合は、光吸収層４１が接しているＳｉ膜の部位３１のみ結晶化する。光吸収層４１のパターニング方法は特に限定はない。例えば、光吸収層４１がカーボン膜である場合、カーボン成膜時に被熱処理層３上にハードマスクを置くことにより、該ハードマスクの開口部のみにカーボン成膜を施し、カーボン膜のパターン形成を行なうことができる。また被熱処理層３上の全面にカーボンを成膜したのちに、フォトリソグラフィーなどにより形成するマスクを介して酸素プラズマにてエッチングすることにより、所定のパターニングされたカーボン膜を得ることも可能である。
光吸収層４のパターニング方法としては、光吸収層形成のための原料が微粒子状のものを用いる方法を採用してもよい。光吸収層４の成膜化の方法は限定されない。例えば、図８Ａに示すように、光吸収層４としてカーボン微粒子を適当な溶液に分散させ、スピンコートにより、被熱処理層３上に膜状形成することができる。また微粒子カーボンを同様に適当な溶液に分散安定化させたものをインクとしたインクジェット法によるカーボン塗布であってもよい。インクジェットノズルの位置制御を行ないながらカーボン分散体を塗布するので、前述のカーボンのパターニングにおいて、特にマスクを用意する必要がないという利点がある。
微粒子または粉体状の原料を塗布して、光吸収層とする場合、エキシマレーザのような１００ｎｓ以下のパルス幅を持つ極短時間パルスレーザを照射すると、断熱的なアブレーション的な現象が生じ、容易に、カーボン粒子が剥落してしまい、被熱処理層に十分な熱伝達がなされない不具合が生じる。しかし、図８Ｂに示すように、本発明のごとく、連続発振の半導体レーザ光を用いる場合、レーザビームの出力、ビームの径、ビーム掃引速度を容易に制御できるので、照射時間を簡単にコントロールでき、微粒子状の光吸収層の剥落を抑制できる条件を容易に見出すことができ、従って意図した位置の被熱処理層３１の熱処理をほどこすことが可能になる。
半導体レーザ光の照射は図１に示したような基体側と反対側からの照射に限定されることはない。例えば、基体がガラス基板のように、照射光であるレーザの波長に対し透過性が高い場合、かつ被熱処理層の該光透過性が高ければ、基体側から半導体レーザ光を照射するのであってもよい。例えば、被熱処理層がＳｉ膜であり、本発明の加熱処理法により、Ｓｉ膜を結晶化し、この結晶化膜を用いて、薄膜トランジスタを作製することを考える。光吸収層がカーボン膜であり、さらに電気伝導性が極めて低い場合は、基体の直上にカーボン膜を形成し、その上に直接或いは所定膜厚の伝熱層を介し被熱処理層である非晶質Ｓｉ膜を形成するならば、本発明による加熱処理を施した後、カーボン膜をそのままＳｉのバックチャネル側に残した状態で、特に除去することなくトップゲート型の薄膜トランジスタを形成しても差し支えない。カーボンのエッチング工程を省くことができるというメリットが生じる。勿論、この場合でも、基体側でなく被熱処理層であるＳｉ膜側からレーザ照射を行なっても良い。薄膜トランジスタに用いられるＳｉ膜は膜厚５０ｎｍ程度で、半導体レーザ光に対する吸収をほとんど持たないからである。
図９は、本発明の被熱処理層３が半導体層であり、これに不純物ドーピングをするための一手法を説明するためのものである。図９Ａはビーム照射前、図９Ｂはビーム照射終了後をそれぞれ示す。この図で半導体層（被熱処理層３）がＳｉであり、伝熱層に相当する層がＰＳＧ（リン珪酸ガラス）またはＢＳＧ（硼珪酸ガラス）の不純物含有層６であれば、本熱処理により、効果的にＳｉ膜中にＰまたはＢが効果的に拡散し或いは、活性化されてＳｉ膜のｎ型化あるいはｐ型化という価電子制御ができるようになる。領域３２は、不純物ドーピングされたＳｉ膜である。光強度やビーム掃引条件の制御により不純物濃度のコントロールやドーピング深さの制御も容易である。不純物含有層６の厚さは、５ｎｍ〜１００μｍとすることができる。厚さが、５ｎｍより薄いとカーボン汚染を嫌うデバイスの場合にあって不純物含有層６を介して被熱処理層３にカーボンが拡散されるという不都合が生じ、１００μｍを超えると光吸収層にて発生した熱を被熱処理層３に十分に伝達できないという不都合が生じる。
半導体層、不純物含有層の材質はこれらに限定されるものではないことは言うまでもない。
被熱処理層が半導体層であり、これに不純物ドーピングする他の手法としては、イオン注入により行なう方法もある。図１０は、これを説明するための一例を示している。この図では、半導体層がＳｉであり、伝熱層に相当する層が、一般にスクリーン酸化膜７と呼ばれるＳｉＯ２である場合について示している。本例では、適当な不純物原子を含むガスをプラズマ分解によりイオン化し、このイオン種８を１００〜数百ｋＶの電圧印加により加速し該半導体層３に打ち込む（図１０Ａ参照）。例えば、ＢＦ３ガスであれば、ＢＦ２イオンに分解され、Ｂ原子が打ち込まれる。また、ＰＨ３であれば、ＰＨｘイオンとなり、Ｐ原子が打ち込まれる。
近年は、ＭＯＳトランジスタの微細化に伴い、イオン注入層の厚さを１０ｎｍ程度にまで抑える要求が出始めている。このために、加速電圧を１０ｋＶ以下の低電圧にし、かつ、５〜１０ｎｍ程度の厚さの該スクリーン酸化膜を設けることにより、イオン注入層を浅くする手法が試みられている。イオン注入を行なうと、高い加速電圧でイオン種を打ち込まれた半導体層は結晶が壊れ、かつ、不純物原子と半導体原子の結合が不十分なために、このままでは、電気的に低抵抗な層にはならない。そこで不純物活性化のための熱処理が必要である。この熱処理に本発明を適用することが出来る。
具体的一例としては、スクリーン酸化膜７を、ドーピング層へのカーボン拡散を抑制するための伝熱層として、そのまま残し、このスクリーン酸化膜を残した状態で、この上に光吸収層であるカーボン層を厚さ２００ｎｍ形成し、レーザ照射させた。レーザ照射条件としては、波長９４０ｎｍ、ビーム径１８０μｍ、ピークパワー密度８０ｋＷ／ｃｍ２のＣＷレーザ光を速度７ｃｍ／ｓでビーム掃引した。こののち、カーボン膜をエッチングし、さらにスクリーン酸化膜７を除去した。この条件では、イオン注入した不純物原子のほとんどが活性化（活性化率〜１００％）で、なおかつ、ＳＩＭＳ（secondary ion mass spectroscopy）による不純物の深さ方向の濃度分布測定を行なったところ、不純物原子濃度分布はレーザ照射前とほとんど変わることなく、拡散長は３ｎｍ以下に抑えられていたことがわかった。即ち、本発明の熱処理方法は、微細ＭＯＳデバイス向けの浅いソースドレイン接合形成のための不純物活性化アニールとして好適であることがわかった。
なお、イオン注入は、上記のような価電子制御を行なうためではなく、Ｓｉ基板に対して、ＧｅやＳｉあるいはＣ等の同じ１４族元素を打ち込む場合がある。例えば、ＭＯＳトランジスタにおいて、不純物拡散を抑制するために出来るだけ低温で活性化アニールを行なうことを目的とし、接合形成に先立つアモルファス化のためイオン注入することがある。また、ＭＯＳデバイスのゲートやチャネル部へのＧｅやＣの高濃度注入の場合は、母体のＳｉ結晶に格子ひずみを引き起こして、キャリアの移動度を増大させることを目的とすることがある。チャネル部の格子定数を増大させる方向に歪ませる場合は電子移動度を増大させ、格子定数を低下させる方向に歪ませる場合は、正孔移動度を増大させる効果を持つ。これらの目的のためにイオン注入を行なう場合も、結晶性回復のための熱処理を行なう必要が出てくる。本発明の熱処理方法は、この結晶性回復のための再結晶化アニールの目的で行なってもよい。
このように、本発明の熱処理方法は、イオン注入後の不純物の活性化、あるいはイオン注入後の半導体層の結晶性の回復など、いわゆるイオン注入後のポストアニール処理として適用することができる。
本発明の熱処理法によれば、エキシマレーザのような極短パルスレーザと違い、被熱処理層の加熱時間を長時間化することが容易である。例えば、被熱処理層が半導体であり、本加熱処理による溶融固化過程を経て、結晶化膜を得る場合、被熱処理層の冷却速度を制御しやすく、これにより結晶粒サイズの制御が容易になる。このとき、被熱処理体を半導体レーザ光とは別の手段によって温度制御することにより、付加的に被熱処理層の固化過程における冷却速度を制御できる。例えば１００℃〜３００℃程度の、ヒーターによる付加的な加熱を行なうことにより、さらに冷却速度を下げることができ、結晶粒を巨大化する効果を持つ。
一方、ビームの掃引速度を下げることにより、基体側に散逸する熱エネルギーの割合が高くなる傾向も生じ、特に基体に耐熱性のない材料を選ぶ必要がある場合は、本発明による熱処理により、基体側に熱ダメージを与える場合があるという不具合が生じる可能性も出てくる。このため基体を例えばペルチェ素子のような冷却体に接することにより、熱ダメージを抑制させる必要が生じることがある。
以上、半導体レーザ光源としては、ＣＷ半導体レーザを中心として説明したが、勿論これに限定されることはない。例えば、ＣＷ半導体レーザを励起光源としたＮｄ：ＹＡＧレーザを始めとする固体レーザでもよいし、またＣＷ半導体レーザを励起光源としたファイバーレーザでもよい。
ビーム掃引のための機構・方式も限定されることはない。
例えば、集光光学系と半導体レーザが一体化された光源ユニットを構成していてこれが、可動型ＸＹＺステージに搭載され、固定化された被熱処理体上にビーム掃引されるのでもよいし、光源であるレーザおよび比熱処理体は固定されていて、例えばガルバノミラーとｆθレンズから構成されるビーム掃引光学系により、被熱処理体上に半導体レーザ光が掃引照射される方法を採用してもよい。また、レーザは固定されているが、半導体レーザ光が導入される光ファイバーおよび集光光学系が可動型ＸＹＺステージに搭載されていて、固定された被熱処理体に掃引照射される方法でもよい。その逆に、光源ユニットは固定されているが、被熱処理体がＸＹステージに搭載されるのであってもよい。
なお、以上の本発明の実施形態の説明において、レーザ照射時の雰囲気を、大気中で行なってよい、としたが、特にこれに限定されるものではない。大気雰囲気でよいとしたのは、通常のカーボンの耐熱温度が３００℃以下とされるが、極めて短時間のレーザ照射の間に、空気中の酸素と該カーボンが化学反応により酸化されて膜減りが生じる影響がほとんどないためである。しかし、強力なレーザ光照射においては、それでもわずかなカーボン膜減少が光吸収率低下を引き起こすことがある。特に同一箇所を多重照射する場合は光吸収率の変化は望ましくない、と考えられる。この場合は、レーザ照射時の雰囲気制御が必要になる。一般には、被照射サンプルを適当な真空または不活性ガスを封入または常時流した状態のチャンバーに入れ、この状態で、石英窓などを介してレーザ照射を行なうことが多い。
また、図１１に示すように、大気開放状態ながらレーザ照射部近傍に不活性ガス供給部１１からの強力な不活性ガス９を吹き付けながらレーザ照射を行なってもよい。十分な流量の不活性ガス照射により、大気中の酸素ガス成分が不活性ガス９により置換され、光吸収層４であるカーボンの酸化反応を抑制することが出来る。不活性ガス９としては、Ｎ２ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスや或いはこれらの混合ガスを用いることができるが、これらに限定されるものではなく、カーボンの酸化を十分抑制する効果を持つものであればそれでよい。なお、図１１においては、被熱処理層３と光吸収層４の間に伝熱層１０が図示されている。被熱処理層３は所謂未処理の領域、領域３４は熱処理後の領域である。
 引用符号の説明
１・・・被熱処理体、２・・・基体、３，３１・・・被熱処理層、４，４１・・・光吸収層、３２・・・不純物ドーピングされたＳｉ膜、５，５１，５２・・・半導体レーザ光、６・・・不純物含有層、７・・・スクリーン酸化膜、８・・・イオン種、９・・・不活性ガス、１０・・・伝熱層、３４・・・熱処理後の領域、１１・・・ガス供給部。

Claims (5)

  1. 波長６００ｎｍ〜２μｍの範囲の半導体レーザ光を、光エネルギーの吸収によって発熱するカーボン層または、カーボンを含む層からなる発熱層に照射してこの発熱層を発熱さ、この発熱層と直接または厚さ５ｎｍ〜１００μｍの伝熱層を介して接する半導体材料を熱処理する方法において、
    前記半導体レーザ光を前記発熱層の同一箇所に、一回の掃引につき連続的に１００ｎｓ〜１００ｍｓの時間照射するとともに、
    前記半導体レーザ光が該掃引照射する箇所に一部重なりを持つように繰り返し掃引照射し、
    ビーム掃引エリアの掃引方向の折り返し点を含む減速領域を覆う遮光マスクを用いて前記半導体レーザ光の前記発熱層への照射を遮断し、前記半導体材料に前記半導体レーザ光の掃引照射を行う
    ことを特徴とする半導体の熱処理方法。
  2. 微粒子状のカーボンを分散した溶液を前記半導体材料上にパターン塗布し、パターニングされた前記発熱層を形成し、前記半導体材料の一部の領域のみに熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体の熱処理方法。
  3. 複数のビームからなる半導体レーザ光がビーム掃引方向と同一方向に配列されるとともに、これら複数のビームの光強度を異ならしめ、同一箇所を逐次異なる強度のレーザビームで照射することを特徴とする請求項１に記載の半導体の熱処理方法。
  4. 先に照射するビームの強度は後に照射するビームの強度よりも弱いことを特徴とする請求項３に記載の半導体の熱処理方法。
  5. 前記レーザ光を照射する時に、光エネルギーを吸収して発熱する前記発熱層の表面に不活性ガスを吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の半導体の熱処理方法。
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