JP5661009B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、パルスレーザビームをシリコン基板に照射して不純物の活性化アニールを行う半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a silicon substrate is irradiated with a pulsed laser beam to perform impurity activation annealing.
シリコン基板に注入した不純物の活性化アニールに、YAGレーザ等の固体レーザの第二高調波、エキシマレーザ等の高出力パルスレーザを用いる技術が知られている。これらのレーザ発振器から出力されるパルスレーザのパルス幅は、高々数百nsである。このように短いパルス幅のパルスレーザビームを用い、活性化に必要なパルスエネルギを確保しようとすると、ピークエネルギを高くしなければならない。ピークエネルギが高くなると、表面近傍の温度が短時間に上昇するため、1μm以上の深い領域の不純物の活性化を行うことが困難である。また、これらのパルスレーザビームの波長は紫外域または530nmよりも短い可視域である。この波長域のレーザビームは、シリコンに吸収され易いため、シリコン基板への侵入の深さは1μm以下である。このため、1μmよりも深い領域の不純物の活性化を行うのに不利である。 A technique using a high-power pulsed laser such as a second harmonic of a solid-state laser such as a YAG laser or an excimer laser is known for activation annealing of impurities implanted into a silicon substrate. The pulse width of the pulse laser output from these laser oscillators is several hundred ns at most. If a pulse laser beam having such a short pulse width is used to secure the pulse energy necessary for activation, the peak energy must be increased. When the peak energy increases, the temperature in the vicinity of the surface rises in a short time, so that it is difficult to activate impurities in a deep region of 1 μm or more. Moreover, the wavelength of these pulsed laser beams is an ultraviolet region or a visible region shorter than 530 nm. Since the laser beam in this wavelength band is easily absorbed by silicon, the depth of penetration into the silicon substrate is 1 μm or less. For this reason, it is disadvantageous for activating impurities in a region deeper than 1 μm.
波長690nm〜900nmのレーサビームを用い、シリコン基板への照射時間を10μs〜100μsとして、深い領域の活性化を行う技術が知られている(特許文献1)。YAGレーザの第二高調波を用い、パルス幅を250ns〜1200nsとするとともに、パルスの立ち上がりの緩やかなレーザパルスを用いることにより、2μm以上の深い領域の不純物の活性化を行う技術が知られている(特許文献2)。さらに、アニールをアシストする近赤外レーザを併用することにより、2μm以上の深さの領域の不純物の活性化を行う技術が知られている(特許文献3)。 A technique is known in which a deep region is activated by using a laser beam having a wavelength of 690 nm to 900 nm and setting the irradiation time of the silicon substrate to 10 μs to 100 μs (Patent Document 1). A technique is known in which impurities of a deep region of 2 μm or more are activated by using a second harmonic of a YAG laser, a pulse width of 250 ns to 1200 ns, and using a laser pulse with a slow pulse rise. (Patent Document 2). Furthermore, a technique for activating impurities in a region having a depth of 2 μm or more by using a near infrared laser that assists annealing is known (Patent Document 3).
特許文献1に記載されたように、ビーム幅50μmの連続発振レーザを用い、照射時間を10μsとするためには、シリコン基板を保持したステージの移動速度を5m/sにしなければならない。このような高速でステージを移動させることは困難である。
As described in
特許文献2、3に記載されたレーザアニール技術で、2μm以上の深い領域の活性化を行うことができるが、活性化率をより高める技術が望まれている。
Although the laser annealing technique described in
本発明の一観点によると、
不純物が注入されたシリコン基板の表面に、波長690nm〜950nm、パルス幅10μs〜30μs、パルスの繰り返し周波数0.5kHz〜2.5kHzのパルスレーザビームを入射させながら、前記シリコン基板の表面上で、パルスレーザビームのビーム断面を重複率50%〜80%で移動させ、前記シリコン基板の表面が溶融しないパワー密度の条件で、かつ厚さ525μmのシリコン基板に照射を行った場合に、反対側の表面の最高到達温度が115℃以下となる条件で、少なくとも深さ2.5μmまでの不純物を活性化させる活性化アニールを行う半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
While a pulse laser beam having a wavelength of 690 nm to 950 nm, a pulse width of 10 μs to 30 μs, and a pulse repetition frequency of 0.5 kHz to 2.5 kHz is incident on the surface of the silicon substrate into which impurities are implanted, If the cross section of the pulse laser beam is moved at an overlap rate of 50% to 80% and the silicon substrate surface is irradiated with a power density that does not melt the surface of the silicon substrate and the thickness is 525 μm, the opposite is true. Provided is a method of manufacturing a semiconductor device that performs activation annealing for activating impurities up to a depth of at least 2.5 μm under the condition that the highest temperature on the side surface is 115 ° C. or lower.
この条件でレーザアニールを行うことにより、2μm以上の深い領域の不純物の活性化率を高めることができる。 By performing laser annealing under these conditions, the activation rate of impurities in a deep region of 2 μm or more can be increased.
図1に、実施例による半導体装置の製造方法で用いられるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源11がドライバ10によって駆動される。レーザ光源11には、例えば発振波長690〜950nmのレーザダイオードが用いられる。本実施例においては、レーザ光源11として、発振波長800nmのレーザダイオードを用いた。アニール中に、レーザ光源11は連続発振させておく。
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser annealing apparatus used in a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment. The laser light source 11 is driven by the
レーザ光源11から出射されたレーザビームが、半波長板12に入射する。半波長板12は、その遅相軸の向きを変化させることにより、レーザビームの偏光方向を変化させる。半波長板12を透過したレーザビームが、音響光学素子13に入射する。音響光学素子13は、制御装置25から制御を受けることにより、レーザビームを直進させるか、または進行方向を変化させる。進行方向が変化したレーザビームは、ビームダンパ14に入射する。
A laser beam emitted from the laser light source 11 enters the half-wave plate 12. The half-wave plate 12 changes the polarization direction of the laser beam by changing the direction of the slow axis. The laser beam that has passed through the half-wave plate 12 enters the acoustooptic device 13. The acoustooptic device 13 is controlled by the control device 25 to move the laser beam straight or change the traveling direction. The laser beam whose traveling direction has changed enters the
音響光学素子13を直進したレーザビームは、ホモジナイザ15を透過した後、ビームスプリッタ16に入射する。ビームスプリッタ16は、入射したレーザビームの一部の成分を、ビームダンパ17に向けて反射させ、残りの成分を直進させる。ビームスプリッタ16を直進する成分の比率は、半波長板12の遅相軸の向きを変えて偏光方向を変化させることにより、制御することができる。
The laser beam that has traveled straight through the acoustooptic device 13 passes through the homogenizer 15 and then enters the beam splitter 16. The beam splitter 16 reflects some components of the incident laser beam toward the
ビームスプリッタ16を透過したレーザビームが、1/4波長板19及び集光レンズ20を透過して、アニール対象であるシリコン基板30に入射する。シリコン基板30は、可動ステージ21に保持されている。ホモジナイザ15と集光レンズ20とにより、シリコン基板30の表面におけるビーム断面が、長尺形状にされるとともに、長軸及びそれに直交する方向(幅方向)に関する光強度が均一化される。可動ステージ21は、シリコン基板30を、ビーム断面の幅方向に移動させる。
The laser beam that has passed through the beam splitter 16 passes through the quarter-wave plate 19 and the condenser lens 20 and enters the
シリコン基板30の表面で反射した反射光が、集光レンズ20及び1/4波長板19を透過して、ビームスプリッタ16に入射する。1/4波長板19を2回透過することにより、偏光方向が90°変化する。このため、反射光は、ビームスプリッタ16で反射され、ビームダンパ18に入射する。
The reflected light reflected by the surface of the
音響光学素子13によって、レーザビームを直進させる期間と、レーザビームをビームダンパ14に入射させる期間とを、交互に繰り返すことにより、連続発振のレーザビームから、パルスレーザビームを生成することができる。音響光学素子13を制御することにより、パルスレーザビームのパルス幅及びパルスの繰り返し周波数(以下、単に「周波数」という。)を制御することができる。
The acoustooptic device 13 can generate a pulse laser beam from a continuous oscillation laser beam by alternately repeating a period in which the laser beam goes straight and a period in which the laser beam is incident on the
図2に、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の断面図を示す。IGBTは、n型のシリコン基板30の一方の面にエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面にコレクタを形成することで作製される。エミッタとゲートを形成する面の構造は、一般的なMOSFETの作製工程と同様の工程で作製される。たとえば、図2に示すように、シリコン基板30の表面に、p型のベース領域33、n型のエミッタ領域34、ゲート電極35、ゲート絶縁膜36、エミッタ電極37が配置される。ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができる。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as an example of a semiconductor device manufactured by the method according to the embodiment. The IGBT is manufactured by forming an emitter and a gate on one surface of an n-
シリコン基板30の反対側の面に、p型のコレクタ層39が形成されている。必要に応じて、コレクタ層39とシリコン基板30との間に、n型のバッファ層38を形成してもよい。コレクタ層39及びバッファ層38は、それぞれ不純物としてボロン及びリンをイオン注入により注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。この活性化アニールに、図1に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極40が、活性化アニールの後に、コレクタ層39の表面に形成される。
A p-
図3Aに、実施例による半導体装置の製造方法で採用されるレーザアニールのタイミングチャートを示す。パルス幅PWのレーザパルスが、周波数f、すなわち周期1/fで、シリコン基板30に照射される。このレーザパルスは、連続発振するレーザビームから、音響光学素子13(図1)により切り出されたものであるため、その波形は矩形に近い。なお、レーザ光源11をドライバ10によりパルス発振させ、音響光学素子13とビームダンパ14とを省略してもよい。
FIG. 3A shows a timing chart of laser annealing employed in the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment. A laser pulse having a pulse width PW is applied to the
アニール時のシリコン基板30には、図2に示した表側の素子構造が既に形成されており、裏側に、バッファ層38及びコレクタ層39の不純物が注入されている。この段階では、注入された不純物は、活性化されていない。
The element structure on the front side shown in FIG. 2 is already formed in the
図3Bに、シリコン基板30(図1)のレーザ照射面におけるビーム断面23を示す。ビーム断面23は、一方向に長い長尺形状を有する。ホモジナイザ15(図1)により光強度分布が均一化されているため、長尺方向及び幅方向に関する光強度分布は、ほぼトップフラット形状を有する。
FIG. 3B shows a
長尺方向の長さをLとし、ビーム幅をWtとする。パルスレーザビームの照射は、シリコン基板30を、ビーム断面23の幅方向に移動させながら行われる。シリコン基板30を移動させることにより、パルスレーザビームがシリコン基板30の表面を走査する。パルスレーザビームを、ビーム幅方向に走査することにより、1つの辺の長さが、ビーム断面の長さLと等しい長方形の領域をアニールすることができる。
The length in the longitudinal direction is L, and the beam width is Wt. Irradiation with the pulse laser beam is performed while moving the
1つのレーザパルスのビーム断面(図3Bにおいて実線で示されている。)と、次に入射するレーザパルスのビーム断面(図3Bにおいて破線で示されている。)との重複する領域の幅をWoとする。重複率を、Wo/Wtと定義する。シリコン基板30の移動速度をVとすると、Wt−Wo=V/fと表される。このため、パルスの繰り返し周波数f、ビーム幅Wt、及びステージの移動速度Vにより、重複率が決定される。実施例においては、ビーム幅Wtを240μmとした。
The width of the overlapping region between the beam cross section of one laser pulse (shown by a solid line in FIG. 3B) and the beam cross section of the next incident laser pulse (shown by a broken line in FIG. 3B). Let Wo. The overlap rate is defined as Wo / Wt. When the moving speed of the
シリコン基板30(図1)にボロン(B)及びリン(P)を注入し、種々のレーザ照射条件で活性化アニールを行った。以下、この評価実験について説明する。 Boron (B) and phosphorus (P) were implanted into the silicon substrate 30 (FIG. 1), and activation annealing was performed under various laser irradiation conditions. Hereinafter, this evaluation experiment will be described.
一般的に、IGBTに用いられるシリコン基板30(図2)の厚さは、100μm程度である。シリコン基板30の背面(コレクタ層39が形成された表面)にレーザビームを入射させたときに、表側の表面(エミッタ領域34等が形成された表面)の温度が高くなりすぎると、既に形成されている素子構造が損傷を受ける。シリコン基板30の背面におけるパワー密度を徐々に高くし、表側の素子構造が損傷を受け始める直前の照射条件を求めた。損傷を受け始める直前の照射条件と同一の条件で、厚さ525μmのシリコン基板の背面にレーザ照射を行ったところ、表側の表面の最高到達温度が115℃であった。この結果から、IGBTの活性化アニールを行う際に、厚さ525μmのシリコン基板にレーザ照射を行ったときの、反対側の表面の最高到達温度が115℃以下の条件(この条件を、「非損傷条件」という。)でレーザ照射を行うことが好ましいと考えられる。
Generally, the thickness of the silicon substrate 30 (FIG. 2) used for the IGBT is about 100 μm. When the laser beam is incident on the back surface of the silicon substrate 30 (the surface on which the
厚さ525μmのシリコン基板に種々の条件でレーザ照射を行い、反対側の表面の最高到達温度及び不純物の活性化率を測定した。シリコン基板の表面の最高到達温度の測定には、アセイ工業株式会社製のWAX示温インクを用いた。シリコン基板のレーザ照射面とは反対側の表面にWAX示温インクを塗布しておき、レーザ照射後のインクの透明度の変化により、最高到達温度を知ることができる。 Laser irradiation was performed on a silicon substrate having a thickness of 525 μm under various conditions, and the highest temperature reached on the opposite surface and the activation rate of impurities were measured. For measurement of the maximum temperature reached on the surface of the silicon substrate, WAX temperature ink manufactured by Asei Industry Co., Ltd. was used. The WAX temperature indicating ink is applied to the surface opposite to the laser irradiation surface of the silicon substrate, and the maximum temperature reached can be known from the change in the transparency of the ink after the laser irradiation.
図4Aに、周波数fを0.5kHzとし、パルス幅PW、パワー密度PD、及び重複率を異ならせてレーザ照射を行ったときの、シリコン基板のレーザ照射面とは反対側の表面(以下、「非照射面」という。)の最高到達温度及び不純物の活性化率を測定した結果を示す。パルス幅PWは、10μs、15μs、20μs、25μs、及び30μsの条件から選択した。重複率は、50%、67%、及び80%の条件から選択した。パワー密度は、シリコン基板のレーザ照射面が溶融しない条件(以下、「非溶融条件」という。)を満たすパワー密度の上限値に近い値とした。この照射条件でレーザ照射を行うと、レーザ照射面の温度の最高到達温度が、シリコンの融点とほぼ等しくなる。ただし、融解熱に相当するエネルギがシリコン基板に与えられないため、基板表面の溶融は生じない。 In FIG. 4A, the surface of the silicon substrate opposite to the laser irradiation surface when the frequency f is 0.5 kHz and the laser irradiation is performed with the pulse width PW, the power density PD, and the overlapping ratio being different (hereinafter, referred to as the following) It shows the result of measuring the maximum temperature reached and the activation rate of impurities. The pulse width PW was selected from the conditions of 10 μs, 15 μs, 20 μs, 25 μs, and 30 μs. The overlap rate was selected from the conditions of 50%, 67%, and 80%. The power density was set to a value close to the upper limit of the power density that satisfies the condition that the laser irradiation surface of the silicon substrate does not melt (hereinafter referred to as “non-melting condition”). When laser irradiation is performed under this irradiation condition, the maximum temperature reached on the laser irradiation surface becomes substantially equal to the melting point of silicon. However, since the energy corresponding to the heat of fusion is not applied to the silicon substrate, the substrate surface does not melt.
レーザ照射面を溶融させることなく、シリコン基板30をほぼ融点まで加熱することにより、レーザ照射面の表層部の不純物の活性化率を高めることができる。パルス幅PWが10μs以上という長い条件で、かつレーザ照射面が溶融し始める条件でレーザ照射を行うと、全面が一様に溶融せず、溶融した領域と溶融しない領域とが斑模様に分布してしまう。全面が一様に溶融する程度までパワー密度を高めると、非照射面の温度上昇が顕著になる。すなわち、パルス幅PWが10μs以上という長い条件の下では、照射面を溶融させ、かつ非照射面の素子構造に損傷を与えないという条件を見出すことが困難である。従って、非溶融条件でレーザ照射を行うことが好ましい。
By heating the
図4Aに示した表の各欄の上段に、シリコン基板の非照射面の最高到達温度を示し、下段に、リンの活性化率を示す。活性化率のカッコ付き表記は、実際に試料を測定して得られた値ではなく、非照射面の最高到達温度がより低い照射条件の試料の測定結果から、活性化率がカッコ付き数値以上になると予想されることを意味する。例えば、重複率50%、パルス幅15μsの条件で作製した試料において、非照射面の最高到達温度が80℃、活性化率が100%であり、パルス幅20μs〜30μsで作製した試料の非照射面の最高到達温度が80℃以上になっていることから、これらの試料の活性化率は、ほぼ100%になると予想される。 The highest level of the non-irradiated surface of the silicon substrate is shown in the upper part of each column of the table shown in FIG. 4A, and the activation rate of phosphorus is shown in the lower part. The notation of the activation rate in parentheses is not the value obtained by actually measuring the sample, but the activation rate is greater than the parenthesized value based on the measurement result of the sample under irradiation conditions where the maximum reached temperature of the non-irradiated surface is lower It is expected to become. For example, in a sample manufactured under conditions of an overlap rate of 50% and a pulse width of 15 μs, the maximum temperature reached on the non-irradiated surface is 80 ° C., the activation rate is 100%, and the sample manufactured with a pulse width of 20 μs to 30 μs is not irradiated. Since the maximum surface temperature is 80 ° C. or higher, the activation rate of these samples is expected to be almost 100%.
図4B及び図4Cに、それぞれ周波数fを1.0kHz及び2.5kHzとしたときの、非照射面の最高到達温度と活性化率との測定結果を示す。 4B and 4C show the measurement results of the maximum temperature reached and the activation rate of the non-irradiated surface when the frequency f is 1.0 kHz and 2.5 kHz, respectively.
図5に、評価に用いた試料の深さ方向の不純物濃度分布及びキャリア濃度分布の測定結果を示す。横軸は深さを単位「μm」で表し、縦軸は濃度を単位「cm−3」で表す。ボロンの注入は、加速エネルギ40keV、ドーズ量1×1015cm−2の条件で行い。リンの注入は、加速エネルギ700keV、ドーズ量1×1013cm−2の条件で行った。破線B0及び破線P0は、それぞれ注入直後のボロン濃度及びリン濃度を示す。細い実線p1は、パルス幅15μs、重複率50%、周波数0.5kHzの条件でレーザ照射を行った試料S1、破線p2は、パルス幅15μs、重複率67%、周波数0.5kHzの条件でレーザ照射を行った試料S2、太い実線p3は、パルス幅25μs、重複率67%、周波数0.5kHzの条件でレーザ照射を行った試料S3の正孔濃度を示す。細い実線nは、試料S1、S2、S3の電子濃度を示す。3つの試料の電子濃度分布は、ほぼ重なっているため、1本の細い実線で示している。 FIG. 5 shows the measurement results of the impurity concentration distribution and the carrier concentration distribution in the depth direction of the sample used for the evaluation. The horizontal axis represents depth in units of “μm”, and the vertical axis represents concentration in units of “cm −3 ”. Boron is implanted under the conditions of an acceleration energy of 40 keV and a dose of 1 × 10 15 cm −2 . The implantation of phosphorus was performed under the conditions of an acceleration energy of 700 keV and a dose of 1 × 10 13 cm −2 . A broken line B0 and a broken line P0 indicate the boron concentration and the phosphorus concentration immediately after the injection, respectively. The thin solid line p1 is a sample S1 irradiated with laser under the conditions of a pulse width of 15 μs, an overlap rate of 50%, and a frequency of 0.5 kHz. The irradiated sample S2 and the thick solid line p3 indicate the hole concentration of the sample S3 irradiated with laser under the conditions of a pulse width of 25 μs, an overlap rate of 67%, and a frequency of 0.5 kHz. A thin solid line n indicates the electron concentration of the samples S1, S2, and S3. Since the electron concentration distributions of the three samples are almost overlapped, they are indicated by one thin solid line.
シリコン基板の表面が溶融していないため、表層部の電子濃度分布が、注入直後のボロン濃度分布を反映した形状になっている。また、深さ2.5μmまでのリンが、ほとんど100%活性化していることがわかる。 Since the surface of the silicon substrate is not melted, the electron concentration distribution in the surface layer portion has a shape reflecting the boron concentration distribution immediately after implantation. It can also be seen that phosphorus up to a depth of 2.5 μm is almost 100% activated.
図4Aに戻って説明を続ける。重複率が80%の時に、パルス幅PWが10μs〜15μsの範囲内で、非損傷条件でアニールを行うことができる。パルス幅PWが20μs〜30μsの範囲内では、照射面を融点近傍まで加熱すると、非照射面の最高到達温度が115℃以上になってしまう。このため、非損傷条件を満たすことができない。 Returning to FIG. 4A, the description will be continued. When the overlap rate is 80%, annealing can be performed under non-damage conditions within a range of pulse width PW of 10 μs to 15 μs. When the pulse width PW is within a range of 20 μs to 30 μs, when the irradiated surface is heated to the vicinity of the melting point, the maximum temperature reached on the non-irradiated surface becomes 115 ° C. or higher. For this reason, the non-damage condition cannot be satisfied.
重複率を67%に設定すると、パルス幅PWが10μs〜25μsの範囲内で、照射面を融点近傍まで加熱し、かつ非照射面の最高到達温度を115℃未満にすることが可能である。すなわち、非損傷条件でアニールを行うことができる。 When the overlap rate is set to 67%, it is possible to heat the irradiated surface to near the melting point within the range of the pulse width PW of 10 μs to 25 μs and to make the maximum temperature of the non-irradiated surface less than 115 ° C. That is, annealing can be performed under non-damage conditions.
重複率を50%に設定したとき、パルス幅PWが10μs〜30μsの範囲内において、非損傷条件を満たすことができる。 When the overlap rate is set to 50%, the non-damage condition can be satisfied when the pulse width PW is in the range of 10 μs to 30 μs.
図4Bに示すように、周波数fが1.0kHzの場合には、重複率を80%にすると、非損傷条件でアニールを行うことができない。重複率を67%に設定したとき、パルス幅を10μsに設定すると、非損傷条件を満たすことができる。重複率を50%に設定すると、パルス幅が10μs〜20μsの範囲内で、非損傷条件を満たすことができる。 As shown in FIG. 4B, when the frequency f is 1.0 kHz, annealing cannot be performed under non-damage conditions when the overlap rate is 80%. When the overlap rate is set to 67%, the non-damage condition can be satisfied by setting the pulse width to 10 μs. When the overlap rate is set to 50%, the non-damage condition can be satisfied within the range of the pulse width of 10 μs to 20 μs.
図4Cに示すように、周波数fが2.5kHzの場合には、重複率が67%〜80%の範囲内で、非損傷条件を満たすことができない。重複率を50%に設定すると、パルス幅を10μs〜15μsの範囲内で、非損傷条件を満たすことができる。なお、周波数fを3kHzにすると、重複率が50%でも非照射面の最高到達温度が115℃を超えた。この実験結果から、非損傷条件を満たすための周波数fの上限は3kHzであると考えられる。 As shown in FIG. 4C, when the frequency f is 2.5 kHz, the non-damage condition cannot be satisfied when the overlap rate is in the range of 67% to 80%. When the overlap rate is set to 50%, the non-damage condition can be satisfied within the pulse width of 10 μs to 15 μs. When the frequency f was 3 kHz, the maximum temperature reached on the non-irradiated surface exceeded 115 ° C. even when the overlap rate was 50%. From this experimental result, it is considered that the upper limit of the frequency f for satisfying the non-damage condition is 3 kHz.
図4A〜図4Cに示した非溶融かつ非損傷条件で作製した試料のいずれにおいても、94%以上の高い活性化率が得られている。 In any of the samples prepared under the non-melting and non-damaging conditions shown in FIGS. 4A to 4C, a high activation rate of 94% or more is obtained.
非溶融かつ非損傷条件であっても、パワー密度が低すぎると、活性化率が低下してしまう。次に、活性化率を高く維持するための条件について説明する。 Even under non-melting and non-damaging conditions, if the power density is too low, the activation rate is lowered. Next, conditions for maintaining a high activation rate will be described.
図6に、異なるパワー密度でレーザ照射を行った2つの試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布の測定結果を示す。横軸は、深さを単位「μm」で表し、縦軸は、濃度を単位「cm−3」で表す。パルス幅PWを15μsとし、周波数fを0.5kHzとし、重複率を67%とした。図6の細い実線n1及び太い実線p1は、それぞれパワー密度445kW/cm2の条件で作製した試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布を示す。細い破線n2及び太い破線p2は、それぞれパワー密度410kW/cm2の条件で作製した試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布を示す。 FIG. 6 shows the measurement results of the electron concentration distribution and hole concentration distribution of two samples irradiated with laser at different power densities. The horizontal axis represents depth in units of “μm”, and the vertical axis represents concentration in units of “cm −3 ”. The pulse width PW was 15 μs, the frequency f was 0.5 kHz, and the overlap rate was 67%. A thin solid line n1 and a thick solid line p1 in FIG. 6 indicate an electron concentration distribution and a hole concentration distribution of a sample manufactured under the condition of a power density of 445 kW / cm 2 , respectively. A thin broken line n2 and a thick broken line p2 indicate an electron concentration distribution and a hole concentration distribution of a sample manufactured under the condition of a power density of 410 kW / cm 2 , respectively.
パワー密度445kW/cm2の条件で作製した試料においては、ほぼ100%の活性化率が得られている。これに対し、パワー密度410kW/cm2の条件で作製した試料においては、活性化率が不十分であることがわかる。発明者らの種々の評価実験によると、パワー密度が、非溶融条件の上限値の92%以上であれば、十分な活性化率が得られると考えられる。 In the sample manufactured under the condition of a power density of 445 kW / cm 2 , an activation rate of almost 100% is obtained. On the other hand, it can be seen that the activation rate is insufficient in the sample manufactured under the condition of a power density of 410 kW / cm 2 . According to the inventors' various evaluation experiments, it is considered that a sufficient activation rate can be obtained if the power density is 92% or more of the upper limit value of the non-melting condition.
図7に、周波数fを0.5kHzに設定したときに、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値を示す。横軸は、パルス幅を単位「μs」で表し、縦軸は、パワー密度を単位「kW/cm2」で表す。横軸及び縦軸とも、対数目盛である。パルス幅10μs以上の領域にプロットした丸記号は、実際にレーザビーム照射を行って得られた値であり、パルス幅5μsにプロットした丸記号は、シミュレーションにより求めた値である。 FIG. 7 shows the upper limit value of the power density that satisfies the non-melting condition when the frequency f is set to 0.5 kHz. The horizontal axis represents the pulse width in the unit “μs”, and the vertical axis represents the power density in the unit “kW / cm 2 ”. Both the horizontal and vertical axes are logarithmic scales. A circle symbol plotted in a region having a pulse width of 10 μs or more is a value obtained by actually performing laser beam irradiation, and a circle symbol plotted in a pulse width of 5 μs is a value obtained by simulation.
丸記号を連ねる実線よりも左下の領域のパワー密度PD及びパルス幅PWが、非溶融条件を満たす。非溶融条件を数式で表すと、
PD≦−45+1950×PW−1/2・・・(1)
となる。ここで、PWは、パルス幅を単位「μs」で表した値であり、PDは、パワー密度を単位「kW/cm2」で表した値である。
The power density PD and the pulse width PW in the lower left region from the solid line connecting the circle symbols satisfy the non-melting condition. When the non-melting condition is expressed by a mathematical formula,
PD ≦ −45 + 1950 × PW− 1 / 2 (1)
It becomes. Here, PW is a value representing the pulse width in the unit “μs”, and PD is a value representing the power density in the unit “kW / cm 2 ”.
パルス幅PW及びパワー密度PDを、上記不等式(1)を満たす値にすると、照射面は溶融しない。ところが、パワー密度が低くなりすぎると、活性化率が低下してしまう。図6に示した評価実験の結果から、パワー密度は、不等式(1)の右辺の値の92%以上にすることが好ましい。この条件を不等式で表すと、
PD≧0.92×(−45+1950×PW−1/2)・・・(2)
となる。
When the pulse width PW and the power density PD are set to values that satisfy the inequality (1), the irradiated surface does not melt. However, if the power density becomes too low, the activation rate decreases. From the result of the evaluation experiment shown in FIG. 6, the power density is preferably 92% or more of the value on the right side of inequality (1). Expressing this condition as an inequality,
PD ≧ 0.92 × (−45 + 1950 × PW −1/2 ) (2)
It becomes.
図7において、パワー密度の上限値の92%の値を、破線で示す。照射面を溶融させず、かつ十分な活性化率を実現するために、パワー密度PD及びパルス幅PWを、図7に示したグラフの実線と破線との間の領域から選択することが好ましい。 In FIG. 7, a value of 92% of the upper limit value of the power density is indicated by a broken line. In order to achieve a sufficient activation rate without melting the irradiated surface, it is preferable to select the power density PD and the pulse width PW from the region between the solid line and the broken line in the graph shown in FIG.
図8に、周波数fを1.0kHzに設定したときに、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値を示す。横軸は、パルス幅を単位「μs」で表し、縦軸は、パワー密度を単位「kW/cm2」で表す。横軸及び縦軸とも、対数目盛である。パルス幅10μs以上の領域にプロットした丸記号は、実際にレーザビーム照射を行って得られた値であり、パルス幅5μsにプロットした丸記号は、シミュレーションにより求めた値である。 FIG. 8 shows the upper limit value of the power density that satisfies the non-melting condition when the frequency f is set to 1.0 kHz. The horizontal axis represents the pulse width in the unit “μs”, and the vertical axis represents the power density in the unit “kW / cm 2 ”. Both the horizontal and vertical axes are logarithmic scales. A circle symbol plotted in a region having a pulse width of 10 μs or more is a value obtained by actually performing laser beam irradiation, and a circle symbol plotted in a pulse width of 5 μs is a value obtained by simulation.
丸記号を連ねる実線よりも左下の領域のパワー密度PD及びパルス幅PWが、非溶融条件を満たす。非溶融条件を数式で表すと、
PD≦−65+1950×PW−1/2・・・(3)
となる。ここで、PWは、パルス幅を単位「μs」で表した値であり、PDは、パワー密度を単位「kW/cm2」で表した値である。
The power density PD and the pulse width PW in the lower left region from the solid line connecting the circle symbols satisfy the non-melting condition. When the non-melting condition is expressed by a mathematical formula,
PD ≦ −65 + 1950 × PW− 1 / 2 (3)
It becomes. Here, PW is a value representing the pulse width in the unit “μs”, and PD is a value representing the power density in the unit “kW / cm 2 ”.
十分な活性化率を実現するために、パワー密度は、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値の92%以上にすることが好ましい。この条件を不等式で表すと、
PD≧0.92×(−65+1950×PW−1/2)・・・(4)
となる。
In order to realize a sufficient activation rate, the power density is preferably 92% or more of the upper limit value of the power density that satisfies the non-melting condition. Expressing this condition as an inequality,
PD ≧ 0.92 × (−65 + 1950 × PW −1/2 ) (4)
It becomes.
図9に、周波数fと、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値との関係を示す。周波数fが1.0kHz〜3.0kHzの間では、非溶融条件を満たすパワー密度PDの上限値はほぼ一定である。なお、パルス幅が5μs〜30μsの範囲内でも、非溶融条件を満たすパワー密度PDの上限値はほぼ一定である。従って、周波数fが1.0kHz〜3.0kHzの間において、不等式(3)が非溶融条件となり、不等式(4)が、十分な活性化率を実現する条件となる。 FIG. 9 shows the relationship between the frequency f and the upper limit value of the power density that satisfies the non-melting condition. When the frequency f is between 1.0 kHz and 3.0 kHz, the upper limit value of the power density PD that satisfies the non-melting condition is substantially constant. Note that the upper limit value of the power density PD satisfying the non-melting condition is substantially constant even when the pulse width is in the range of 5 μs to 30 μs. Therefore, when the frequency f is between 1.0 kHz and 3.0 kHz, the inequality (3) is a non-melting condition, and the inequality (4) is a condition for realizing a sufficient activation rate.
周波数fが0.5kHzのとき、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値は、周波数fが1.0kHz〜3.0kHzのときの上限値よりも約20kW/cm2〜40kW/cm2程度高い。具体的には、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値の差は、パルス幅が15μsのとき約40kW/cm2であり、パルス幅が20μs〜30μsのとき約20kW/cm2である。なお、パルス幅が10μsの条件では、装置構成上、非溶融条件の上限値を測定できなかった。周波数fが0.5kHz〜1.0kHzの範囲で、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値がほぼ線型に変化すると考えると、上記不等式(1)を周波数fで一般化すると、
20μs≦PW≦30μsのとき、
PD≦−45+1950×PW−1/2−40×(f−0.5)・・・(5a)、
10μs≦PW<20μsのとき、
PD≦−25+1950×PW−1/2−80×(f−0.5)・・・(5b)
が導出される。ここで、fは、周波数を単位「kHz」で表示した値である。
When the frequency f is 0.5 kHz, the upper limit of the non-molten condition is satisfied power density, the frequency f of about 20kW / cm 2 ~40kW / cm 2 degrees higher than the upper limit value when the 1.0kHz~3.0kHz . Specifically, the difference between the upper limit values of the power density satisfying the non-melting condition is about 40 kW / cm 2 when the pulse width is 15 μs, and is about 20 kW / cm 2 when the pulse width is 20 μs to 30 μs. Under the conditions where the pulse width was 10 μs, the upper limit value of the non-melting condition could not be measured due to the apparatus configuration. Considering that the upper limit value of the power density satisfying the non-melting condition changes almost linearly in the frequency f range of 0.5 kHz to 1.0 kHz, the above inequality (1) is generalized by the frequency f.
When 20 μs ≦ PW ≦ 30 μs,
PD ≦ −45 + 1950 × PW −1/2 −40 × (f−0.5) (5a),
When 10 μs ≦ PW <20 μs,
PD ≦ −25 + 1950 × PW− 1 / 2−80 × (f−0.5) (5b)
Is derived. Here, f is a value indicating the frequency in the unit “kHz”.
同様に、上記不等式(2)から、
20μs≦PW≦30μsのとき、
PD≧0.92×(−45+1950×PW−1/2−40×(f−0.5))
・・・(6a)、
10μs≦PW<20μsのとき、
PD≧0.92×(−25+1950×PW−1/2−80×(f−0.5))
・・・(6b)、
が導出される。
Similarly, from inequality (2) above,
When 20 μs ≦ PW ≦ 30 μs,
PD ≧ 0.92 × (−45 + 1950 × PW− 1 / 2−40 × (f−0.5))
... (6a),
When 10 μs ≦ PW <20 μs,
PD ≧ 0.92 × (−25 + 1950 × PW− 1 / 2−80 × (f−0.5))
... (6b),
Is derived.
図4Aに示した実験結果から、周波数fが0.5kHzのとき、パルス幅30μs以下の領域において、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値で、かつ非損傷条件を満たすレーザ照射を行うことができる。 From the experimental results shown in FIG. 4A, when the frequency f is 0.5 kHz, laser irradiation with the upper limit of the power density satisfying the non-melting condition and satisfying the non-damaging condition can be performed in a region having a pulse width of 30 μs or less. it can.
図4Bに示した実験結果から、周波数fが1.0kHzのとき、パルス幅を25μs以上に設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値では、非損傷条件を満たすことができない。従って、パルス幅を5μs〜20μsの範囲内とすることが好ましい。 From the experimental results shown in FIG. 4B, when the frequency f is 1.0 kHz and the pulse width is set to 25 μs or more, the non-damage condition cannot be satisfied with the upper limit value of the power density that satisfies the non-melting condition. Therefore, it is preferable to set the pulse width within the range of 5 μs to 20 μs.
図4Cに示した実験結果から、周波数fが2.5kHzのとき、パルス幅を20μs以上に設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値では、非損傷条件を満たすことができない。従って、パルス幅を5μs〜15μsの範囲内とすることが好ましい。 From the experimental results shown in FIG. 4C, when the pulse width is set to 20 μs or more when the frequency f is 2.5 kHz, the non-damage condition cannot be satisfied with the upper limit value of the power density that satisfies the non-melting condition. Therefore, it is preferable to set the pulse width within the range of 5 μs to 15 μs.
周波数fを低くすると、ウエハ1枚のアニールに要する時間が長くなる。アニールに要する時間を短くする(言い換えると、スループットを高める)という観点から、周波数fは高くすることが好ましい。ただし、周波数fを高くすると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値において、非損傷条件を満たすことができるパルス幅PW及び重複率の範囲が狭まってしまう。 If the frequency f is lowered, the time required for annealing one wafer becomes longer. From the viewpoint of shortening the time required for annealing (in other words, increasing the throughput), it is preferable to increase the frequency f. However, when the frequency f is increased, the range of the pulse width PW and the overlapping rate that can satisfy the non-damage condition is narrowed in the upper limit value of the power density that satisfies the non-melting condition.
重複率が低くなると、特に深い領域における活性化率が、面内で一様にならない場合がある。2μm〜3μm程度の深い領域でも、活性化率を面内で一様にするために、重複率は40%以上にすることが好ましい。重複率を高くすれば、活性化率の面内の一様性は高まる。図4A〜図4Cに示したように、周波数fが0.5kHzであれば、重複率を50%〜80%の範囲内に設定することができる。これに対し、周波数fを2.5kHzに設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度PDの上限値で、かつ重複率67%以上の範囲では、非損傷条件を満たすことができない。 When the overlap rate is low, the activation rate particularly in a deep region may not be uniform in the plane. Even in a deep region of about 2 μm to 3 μm, in order to make the activation rate uniform in the plane, the overlap rate is preferably 40% or more. If the overlap rate is increased, the in-plane uniformity of the activation rate increases. As shown in FIGS. 4A to 4C, if the frequency f is 0.5 kHz, the overlapping rate can be set within a range of 50% to 80%. On the other hand, when the frequency f is set to 2.5 kHz, the non-damage condition cannot be satisfied when the upper limit value of the power density PD satisfying the non-melting condition and the overlapping ratio is 67% or more.
活性化深さが2μm〜3μmより浅い場合には、重複率またはパルス幅をより小さい値に設定することが可能である。図4に示したように、重複率またはパルス幅が小さくなると、非照射面の最高到達温度は低くなる傾向を示す。従って、この場合には、周波数fを2.5kHzより高くすることが可能である。また、この結果を元に、パワー密度PDとパルス幅PWとの関係式を求めることが可能であることは当業者に自明であろう。 When the activation depth is shallower than 2 μm to 3 μm, the overlap rate or the pulse width can be set to a smaller value. As shown in FIG. 4, when the overlapping rate or the pulse width is small, the maximum temperature reached on the non-irradiated surface tends to be low. Therefore, in this case, the frequency f can be made higher than 2.5 kHz. It will be obvious to those skilled in the art that a relational expression between the power density PD and the pulse width PW can be obtained based on this result.
周波数f、重複率、パワー密度PD、パルス幅PWとして、非溶融かつ非損傷条件で、さらに十分な活性化率を実現することができる範囲から選択することが好ましい。さらに、アニール時間、活性化率の面内ばらつき等の観点から、さらに好ましい値を抽出すればよい。 The frequency f, the overlapping rate, the power density PD, and the pulse width PW are preferably selected from a range in which a further sufficient activation rate can be realized under non-melting and non-damaging conditions. Furthermore, a more preferable value may be extracted from the viewpoint of annealing time, in-plane variation in activation rate, and the like.
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。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
10 ドライバ
11 レーザ光源
12 半波長板
13 音響光学素子
14 ビームダンパ
15 ホモジナイザ
16 ビームスプリッタ
17、18 ビームダンパ
19 1/4波長板
20 集光レンズ
21 可動ステージ
23 ビーム断面
25 制御装置
30 シリコン基板
33 ベース領域
34 エミッタ領域
35 ゲート電極
36 ゲート絶縁膜
37 エミッタ電極
38 バッファ層
39 コレクタ層
40 コレクタ電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
20≦PW≦30のとき、
PD≦−45+1950×PW−1/2−40×(f−0.5)、かつ、
PD≧0.92×(−45+1950×PW−1/2−40×(f−0.5))、
10≦PW≦20のとき、
PD≦−25+1950×PW−1/2−80×(f−0.5)、かつ、
PD≧0.92×(−25+1950×PW−1/2−80×(f−0.5))
を満たす条件で、前記パルスレーザビームを前記シリコン基板の表面に照射する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 When the pulse width is PW (μs), the power density threshold upper limit value is PD (kW / cm 2 ), and the pulse repetition frequency is f (kHz), it is within the range of 0.5 ≦ f ≦ 1.0. ,
When 20 ≦ PW ≦ 30,
PD ≦ −45 + 1950 × PW −1/2 −40 × (f−0.5), and
PD ≧ 0.92 × (−45 + 1950 × PW− 1 / 2−40 × (f−0.5)),
When 10 ≦ PW ≦ 20,
PD ≦ −25 + 1950 × PW −1/2 −80 × (f−0.5), and
PD ≧ 0.92 × (−25 + 1950 × PW− 1 / 2−80 × (f−0.5))
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the surface of the silicon substrate is irradiated with the pulse laser beam under a condition that satisfies the following conditions.
PD≦−65+1950×PW−1/2、かつ
PD≧0.92×(−65+1950×PW−1/2)
を満たす条件で、前記パルスレーザビームを前記シリコン基板の表面に照射する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
When the pulse width is PW (μs), the power density threshold upper limit value is PD (kW / cm 2 ), and the pulse repetition frequency is f (kHz), the range is 1.0 ≦ f ≦ 2.5. ,
PD ≦ −65 + 1950 × PW −1/2 and PD ≧ 0.92 × (−65 + 1950 × PW −1/2 )
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the surface of the silicon substrate is irradiated with the pulse laser beam under a condition that satisfies the following conditions.
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