JP5690828B2 - パルストレインアニール法を使用する薄膜の固相再結晶化の方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、半導体デバイスを製造する方法に関係する。より詳しくは、本発明は、基板を熱的に処理する方法に向けられている。

集積回路（ＩＣ）市場は、より大きなメモリ容量、より速いスイッチング速度、およびより小さなフィーチャサイズを絶えず要求している。産業がこれらの要求に対処するために取っている主要なステップのうちの１つが、大きな炉の中でのシリコンウエハのバッチ式処理から小さなチャンバ中での枚葉式ウエハ処理へと変更することである。かかる枚葉式ウエハ処理中には、様々な化学的反応および物理的反応がウエハ中に画定された複数のＩＣデバイスに起き得るように、通常、ウエハを高温に加熱する。

集積回路を、シリコンウエハなどのバルク半導体基板およびシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板の一方または両方に対して製造することができる。ＳＯＩ基板を形成する一方法は、絶縁体上に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させることを含む。エピタキシャルシリコン単結晶ウエハは、その優れた特性のために、単体半導体、バイポーラＩＣ等の製造用のウエハとして広く長い間使用されてきている。エピタキシャルシリコン単結晶ウエハは、その優れたソフトエラー特性およびラッチアップ特性のためにマイクロプロセッサユニットまたはフラッシュメモリデバイス用に、やはり広く使用されている。残念ながら、エピタキシャル成長したシリコンは、転位および積層欠陥などの結晶欠陥を形成しがちであり、結晶欠陥は、結果として得られる製造されたデバイス内部のまたはこれらの間の望ましくないリークをもたらすことがある。これに加えて、エピタキシャル成長技術は、基板〜被覆層のごく近い格子マッチングを必要とするので、非常に遅い成長速度を有し、それゆえ、スループットを著しく低下させ、高い動作コストをもたらす。

それゆえ、基板を覆うように高品質単結晶層を効率的に形成するために使用することができる改善された方法に対する必要性が存在する。

本発明の実施形態は、エネルギーの一連の連続したパルスである電磁エネルギーを使用して、薄膜の固相再結晶化の方法を提供することができる。より具体的には、本発明の実施形態は、基板を覆うように堆積した層の相変態の方法であって、基板を覆うように絶縁層を堆積させるステップと、絶縁層の所望の区域内に第１の相構造である第１の材料を有するシード領域を形成するステップと、シード領域および絶縁層の少なくとも一部を覆うように第２の相構造を有する第１の材料の層を堆積させるステップと、第１の材料の層を、シードとしてシード領域を使用して再結晶化させかつ第２の相構造から下のシード領域と同じグレイン構造および結晶配向を有する第１の相構造に変換させるのに十分な期間にわたって、第１の材料の層が堆積されているシード領域の表面の方へ、電磁エネルギーの複数のパルスを向けるステップとを含む。

本発明の実施形態は、基板を覆う結晶性層のエピタキシャル成長の方法であって、基板を覆うように第１の絶縁層を堆積させるステップと、第１の絶縁層中に結晶性の状態にある第１の材料を有する第１のシード領域を形成するステップと、第１のシード領域および第１の絶縁層の少なくとも一部を覆うようにアモルファス状態にある第１の材料の第１の層を堆積させるステップと、第１の材料の第１の層を覆うように第２の絶縁層を堆積させるステップと、第２の絶縁層中に結晶性の状態にある第１の材料を有する第２のシード領域を形成するステップと、第２のシード領域および第２の絶縁層の少なくとも一部を覆うようにアモルファス状態にある第１の材料の第２の層を堆積させるステップと、第１の材料の第１の層を、シードとして第１のシード領域を使用して再結晶化させかつアモルファス状態から、下にある第１のシード領域と同じグレイン構造および結晶配向を有する結晶性の状態に変換させるのに十分な期間にわたって、第１の材料の第１の層が堆積されている第１のシード領域の表面の方へ、第１の電磁エネルギーの複数のパルスを向けるステップと、第１の材料の第２の層を、シードとして第２のシード領域を使用して再結晶化させかつアモルファス状態から下の第２のシード領域と同じグレイン構造および結晶配向を有する結晶性の状態に変換させるのに十分な期間にわたって、第１の材料の第２の層が堆積されている第２のシード領域の表面の方へ、第１の電磁エネルギーとは異なる波長およびパルスの数を有する第２の電磁エネルギーを向けるステップとを含む方法をやはり提供する。

本発明の実施形態は、基板を覆う単結晶シリコン層のエピタキシャル成長の方法であって、基板の表面を覆うように絶縁層を堆積させるステップと、絶縁層の所望の区域内にビアを形成するステップであって、ビアが単結晶シリコン材料で埋められる、形成するステップと、ビアおよび絶縁層の少なくとも一部を覆うようにアモルファスシリコン層を堆積させるステップと、アモルファスシリコン層が下の単結晶シリコン材料と同じグレイン構造および結晶配向を有するように再結晶化させるために、シードとしてビア内の単結晶シリコン材料を使用して、アモルファスシリコン層をエピタキシャル再成長させるためにアモルファスシリコン層がその上方に位置するビアの表面の方へ電磁エネルギーの複数のパルスを向けるステップとを含む方法をさらに提供する。

したがって、本発明の上に記述した特徴を詳細に理解することが可能な方式で、上に簡潔に要約されている本発明のより詳しい説明を、その一部が添付した図面に示されている実施形態を参照することによって知ることができる。しかしながら、添付した図面が本発明の典型的な実施形態だけを示し、本発明が他の同様に有効な実施形態を許容することができるので、それゆえ、本発明の範囲を限定するようには見なされないことに留意すべきである。

本明細書における実施形態中で説明される基板の画定された領域上に大量のエネルギーを投射するように適したレーザアニール装置の模式的等角図である。 本明細書において説明する実施形態による図１Ａに示したレーザアニール装置の模式図である。 Ａ〜Ｃは、熱コントラストの改善およびアニール処理結果の改善を実現するために、エネルギー源からアニール領域へ供給されるエネルギーのパルスの様々な特質が時間に応じて調節される様々な実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態によるプロセスを示す流れ図である。 Ａ〜Ｇは、図３に示したプロセスの様々なステージにおける基板の模式的断面図である。 アモルファス層の下方に形成された絶縁体層全面にわたって間隔を空けて配置されている１つまたは複数の結晶性のシード領域を示す基板の上面図である。 本発明の別の一実施形態によるプロセスを示す流れ図である。 図６に示したプロセスの様々なステージにおける基板の模式的断面図である。 図６に示したプロセスの様々なステージにおける基板の模式的断面図である。

理解を容易にするために、可能である場合には、複数の図に共通な同一の要素を示すために、同一の参照番号を使用している。一実施形態の要素および特徴を、さらなる記述がなくとも別の実施形態において利益をもたらすように組み込むことができることが、予想される。

本発明は、一般に、電磁エネルギーの複数のパルスを使用する薄膜の固相再結晶化の方法を提供する。一実施形態では、アモルファス層を再結晶化させるために、アモルファス層がその上に堆積されている結晶性のシード領域またはシード層にエネルギーの複数のパルスを供給することによって全体の基板表面または基板の表面の選択された領域をアニールするために、本発明の方法を使用することができ、その結果、再結晶化したアモルファス層が、下の結晶性のシード領域またはシード層のものと同じグレイン構造および結晶配向を有する。後で論じるように、アニールプロセスは、一般に、シードとして実質的に純粋で規則正しい結晶である下の領域を使用してアモルファス層の制御した結晶化を誘起させるために、エネルギーの一連の連続したパルスで十分なエネルギーを供給することを含み、その結果、結晶またはグレインの新たな配列を有する単結晶層がアモルファス層全体にわたって進行的に形成される。

図１Ａは、本発明を実行するために使用することができる本発明の一実施形態の等角図を示す。一実施形態では、エネルギー源２０は、アニール領域１２内のある所望の領域を優先的にアニールするために、基板１０の定められた領域、またはアニール領域１２上にある量のエネルギーを投射するように適合している。一実施形態では、図１Ａに示したように、アニール領域１２などの基板の１つまたは複数の定められた領域だけが、任意の所与の時間においてエネルギー源２０由来の放射光に曝される。本発明の一態様では、基板１０の１つの領域が、基板の所望の領域を優先的にアニールさせるために、エネルギー源２０から供給される所望の量のエネルギーに連続して曝される。一例では、電磁放射線源の出力に対して基板を動かすことによって（例えば、従来型のＸ−Ｙステージ、精密ステージ）および／または基板に対して放射線源の出力を移動させることによって、基板の表面上の区域が次々に露光される。典型的には、別の精密ステージ（図示せず）の一部である場合がある１つまたは複数の従来型の電気アクチュエータ１７（例えば、リニアモータ、送りねじ、およびサーボモータ）が、基板１０の動きおよび位置を制御するために使用される。基板１０を支持し、位置決めするために使用することができる従来型の精密ステージ、および熱交換装置１５を、Ｒｏｈｎｅｒｔ Ｐａｒｋ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＰａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入することができる。別の一実施形態では、基板１０の全部の表面が、まとめて連続して露光される（例えば、アニール領域１２のすべてが連続して露光される）。

図１Ａに示した一態様では、アニール領域１２およびそこへ供給される放射光を、基板の表面上に形成されているダイ１３（例えば、４０個の「ダイ」が図１に示されている）、または半導体デバイス（例えば、メモリチップ）のサイズに一致する大きさにする。一態様では、アニール領域１２の境界が、各ダイ１３の境界を画定する「カーフ」ラインまたは「スクライブ」ライン１０Ａ内に納まるように位置合わせされ、大きさを決められる。一実施形態では、アニールプロセスを実行する前に、基板の表面上に典型的に見つけられるアライメントマーク、およびアニール領域１２をダイ１３に的確に位置合わせすることができるように別の従来技術を使用して、基板を、エネルギー源２０の出力に位置合わせする。アニール領域がスクライブラインまたはカーフラインなどのダイ１３間の自然に発生する使用しないスペース／境界内だけで重なるように、アニール領域１２を連続して配置することは、デバイスが基板上に形成される区域内でエネルギーを重ねることの必要性を減少させ、したがって、重なっているアニール領域間のプロセス結果の変動を減少させる。それゆえ、連続して配置されたアニール領域１２間に供給されるエネルギーの何らかの重なりを最小にすることができるので、基板の重要な領域を処理するためにエネルギー源２０から供給されるエネルギーへの露出の変動量に起因するプロセス変動の量を、最小にする。一例では、連続して配置されたアニール領域１２の各々は、サイズが約２２ｍｍかける約３３ｍｍ（例えば、７２６平方ミリメートル（ｍｍ^２）の面積）である長方形領域である。一態様では、基板の表面上に形成された連続して配置されたアニール領域１２の各々の面積は、約４ｍｍ^２（例えば、２ｍｍ×２ｍｍ）〜約１０００ｍｍ^２（例えば、２５ｍｍ×４０ｍｍ）である。アニール領域１２のサイズが、処理構成の必要性によって調節可能であることが、予想される。下記にさらに論じるように、一実施形態では、アニール領域１２のサイズを、絶縁層中にまたは絶縁層の前面上に形成された結晶性のシード領域のサイズに一致するように調節することができる。一例では、アニール領域１２を、約３０ｎｍ^２〜約６０ｎｍ^２の表面積を有するシード領域を処理するように調節する。一例では、シード領域は、絶縁層の全面にわたってまたはエッジに配列された多数のシード領域を含むことができる。

アニール領域１２のエッジの形状を、本明細書において説明するように本発明の範囲から変わることなく、任意の形状とすることができるはずであることに留意すべきである。一般に、アニール領域１２のすべての部分におけるアニールプロセスが一様であるように、アニール領域１２全面にわたって一様な単位時間当たりのエネルギー密度（例えば、ワット／ｍｍ^２−秒）を有するエネルギーのパルスを供給することが望ましい。例えば、約５％よりも小さなアニール領域１２全面にわたる一様性を有するエネルギーのパルスを供給することが望ましく、ここでは、一様性を、標準偏差を平均値で割り算することによって測定する。

エネルギー源２０は、一般的に、基板表面のある所望の領域を優先的にアニールするために電磁エネルギーを供給するように適合している。電磁エネルギーの典型的な供給源は、光放射線源（例えば、レーザまたはフラッシュランプ）、電子ビーム源、イオンビーム源、および／またはマイクロ波エネルギー源を含むが、これらに限定されない。一態様では、基板１０は、所望の期間にわたって１つまたは複数の適切な波長で放射光を放出するレーザ由来のエネルギーの複数のパルスに曝される。一態様では、アニール領域１２全面にわたって供給されるエネルギーの量および／またはパルスの周期が終わるまでに供給されるエネルギーの量を、基板表面上に堆積されている領域または特定の層（例えば、本発明の一実施形態ではアモルファスシリコン層）を溶融させない、またはほとんど溶融させないが、結晶性のシード領域の表面から進行的にアモルファス層４１０のエピタキシャル再成長を促進させるために十分なエネルギーを供給するように最適化するように、エネルギー源２０由来の複数のパルスのエネルギーが、調整される。それゆえ、アニールした領域の下部の結晶性のシード領域のかなりの部分が、活性化され、アモルファス層の全体に伝搬し、これによってシード領域の上方に堆積されたアモルファス層を再結晶化させる。このようにして、各パルスは、乱れているアニール領域の底部近くに規則正しい結晶の数格子面のエピタキシャル成長という結果をもたらすマイクロアニールサイクルを完結する。一方で、アニール領域１２全面にわたって供給されるエネルギーの量が、同時に１つの格子面から、または格子面の小さなグループからアモルファス層内の損傷のうちのかなりの量を除去することが可能であるように、エネルギー源２０からのエネルギーの複数のパルスを、制御できるように調節することができる。

一実施形態では、放射光のかなりの部分が、基板１０上に配置された層によって吸収されるように、エネルギー源２０の波長を調節する。シリコン含有層上に実行されるアニールプロセスに関して、例えば、放射光の波長を、約８００ｎｍよりも短くすることができ、遠紫外線（ＵＶ）、赤外線（ＩＲ）または別の望ましい波長で供給することができる。一実施形態では、エネルギー源２０は、約５００ｎｍ〜約１１マイクロメートルの波長の放射光を供給するように適合している、レーザなどの強い光源である。別の一実施形態では、エネルギー源２０を、タングステンハロゲンランプ、またはキセノン放電ランプ、アルゴン放電ランプ、もしくはクリプトン放電ランプなどの複数の放射光放出ランプを主とするフラッシュランプとすることができる。かかるケースでは、パルスを管理するために、シャッタを使用することができる（下記に論じられる）。すべてのケースにおいて、アニールプロセスにおいて使用されるエネルギーパルスは、一般に、約１ｎ秒〜約１０ｍ秒のオーダーなどの比較的短時間にわたって生じる。

図１Ｂは、図１Ａの装置の模式的側面図である。電源１０２は、エネルギー源２０に連結される。一実施形態では、エネルギー源２０は、上に説明したものなどの光源とすることができるエネルギージェネレータ１０４、および光アセンブリ１０８を備える。エネルギージェネレータ１０４は、エネルギーを生成し、光アセンブリ１０８へとエネルギーを向けるように構成され、光アセンブリは順に、基板１０への供給のために望まれるようにエネルギーを整形する。光アセンブリ１０８は、一般的に、アニール領域１２へエネルギーの一様なカラムを供給する目的で、エネルギージェネレータ１０４によって生成されたエネルギーを焦点に集め、偏光させ、偏光を戻し、フィルタ処理し、コヒーレンシを調節するように構成されているレンズ、フィルタ、鏡、等を含む。光アセンブリ１０８の一例が、２００７年７月３１日に出願した米国特許出願第１１／８８８，４３３号（代理人整理番号第ＡＰＰＭ／０１１２５１号、名称「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＡＮＤ ＢＥＡＭ ＨＯＭＯＧＥＮＩＺＡＴＩＯＮ」）中に詳細にさらに開示されており、その全体が引用によって本明細書中に組み込まれている。

エネルギーのパルスを供給するために、エネルギージェネレータ１０４は、単一波長でまたは同時に２つの波長で光を放出するように構成することができるパルス化したレーザを含有することができる。一実施形態では、エネルギージェネレータ１０４は、レーザヘッドに異なるレーザ周波数で光を放出させる１つまたは複数の内部周波数変換器を具備するＮｄ：ＹＡＧレーザを含むことができる。あるいは、エネルギージェネレータ１０４を、同時に３つ以上の波長を放出するように構成することができ、またはさらなる代替例または追加例では、波長可変出力を提供するように構成することができる。一例では、エネルギージェネレータ１０４中で使用されるレーザヘッドは、例えば、１ナノ秒〜１秒の範囲のパルス持続時間を具備する短く強いパルスを放出するようにＱ−スイッチ処理される。

パルス化したレーザを実現するために、一実施形態では、装置はスイッチ１０６を含有することができる。スイッチ１０６を、１μ秒以下で開くまたは閉じることが可能な高速シャッタとすることができる。あるいは、スイッチ１０６を、しきい値強度の光がその上に当たったときに１μ秒未満のうちに透明になる不透明結晶などの光スイッチとすることができる。ある実施形態では、光スイッチを、１ｎ秒未満のうちに状態を変化させるように構成することができる。光スイッチは、基板の方へ向けられた電磁エネルギーの連続ビームを遮ることによってパルスを生成する。スイッチを、コントローラ２１によって動作させ、エネルギージェネレータ１０４の出口域に連結されるまたはしっかりと留められるように、エネルギージェネレータ１０４の外部に設置することができる、またはスイッチを、エネルギージェネレータ１０４の内部に設置することができる。一代替実施形態では、エネルギージェネレータを電気的手段によって切り替えることができる。コントローラ２１を、必要に応じて電源１０２をオンおよびオフに切り替えるように構成することができる、またはキャパシタが電源１０２によって充電され、コントローラ２１によってエネルギーを与えられる回路によってエネルギージェネレータ１０４へと放電するように、キャパシタ１１０を設けることができる。キャパシタによる電気的なスイッチングは、キャパシタ１１０によって供給される電気がある電力しきい値よりも下に低下するときに、エネルギージェネレータ１０４がエネルギーを発生することを停止するという理由で、自己スイッチングの一方法である。キャパシタ１１０が電源１０２によって再充電されると、キャパシタは、次に、エネルギーのもう１つのパルスを発生させるためにエネルギージェネレータ１０４へと放電することができる。ある実施形態では、電気スイッチを、１ｎ秒未満のうちに電力をオンまたはオフにスイッチするように構成することができる。

一実施形態では、図１に示したように、熱交換装置１５の基板支持表面１６と熱コンタクトするように基板１０の表面を設置することによって、熱処理中に基板の温度を制御することが望ましい場合がある。熱交換装置１５は、一般に、アニールプロセスの前にまたはプロセス中に基板を加熱するおよび／または冷却するように適合している。この構成では、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能な従来型の基板ヒータなどの熱交換装置１５を、基板のアニールした領域の処理後特性を改善させるために使用することができる。一般的には、基板１０を、熱交換装置１５を含有する処理チャンバ（図示せず）の閉じられた処理環境（図示せず）内に設置する。処理中に基板がその中に存在する処理環境を、真空にする場合がある、または所望のプロセスに適したガスを含有する場合がある。例えば、本発明の実施形態を、ある種のガスをチャンバへ供給することを必要とする堆積プロセスまたは注入プロセスにおいて使用することができる。ガスを、堆積プロセス用の前駆体などの反応性、または従来型の熱プロセスにおいて一般に使用される不活性ガスなどの非反応性とすることができる。

一実施形態では、必要とされる増加アニールエネルギーが最小になるように、アニールプロセスを実行する前に基板を前加熱することができ、これは、基板の急速加熱および急速冷却に起因して誘起される何らかの応力を低下させることができ、やはり基板のアニールした区域内の欠陥密度をおそらく最小にすることができる。図１Ａに示した一態様では、熱交換装置１５は、基板支持表面１６上に配置された基板を加熱するように適合した抵抗加熱要素１５Ａおよび温度コントローラ１５Ｃを含有する。温度コントローラ１５Ｃは、コントローラ２１と通信する。一態様では、約２０℃〜約７５０℃の温度に基板を前加熱することが望ましい場合がある。基板がシリコン含有材料から形成される一態様では、約２０℃〜約５００℃の温度に基板を前加熱することが望ましい場合がある。

別の一実施形態では、アニールプロセス中に基板に加えられるエネルギーに起因する何らかの相互拡散を減少させるために、処理中に基板を冷却することが望ましい場合がある。基板を徐々に溶融させる必要があるプロセスでは、その後の冷却が、再成長速度を増加させることがあり、処理中に様々な領域のアモルファス化を増加させることができる。１つの構成では、熱交換装置１５は、基板支持表面１６上に配置された基板を冷却するように適合した１つまたは複数の流体チャネル１５Ｂおよび低温冷却装置１５Ｄを含有する。一態様では、コントローラ２１と通信する従来型の低温冷却装置１５Ｄは、１つまたは複数の流体チャネル１５Ｂを介して冷却流体を供給するように適合している。一態様では、約−２４０℃〜約２０℃の温度に基板を冷却することが望ましい場合がある。

コントローラ２１（図１Ａ）は、一般的に、本明細書において説明する熱処理技術の制御および自動化を容易にするように設計されており、中央処理ユニット（ＣＰＵ）（図示せず）、メモリ（図示せず）、およびサポート回路（またはＩ／Ｏ）（図示せず）を含むことができる。ＣＰＵを、様々なプロセスおよびハードウェア（例えば、従来型の電磁放射線検出器、モータ、レーザハードウェア）を制御するための工業的設定の際に使用し、プロセス（例えば、基板温度、基板支持体温度、パルス化したレーザ由来のエネルギーの量、検出器信号）をモニタするコンピュータプロセッサのいずれかの形式のうちの１つとすることができる。メモリ（図示せず）を、ＣＰＵに接続し、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピディスク、ハードディスク、またはその場所のまたは離れた場所の任意の別の形式のディジタル記憶装置などの、容易に入手可能なメモリのうちの１つまたは複数とすることができる。ソフトウェア命令およびデータを、コード化することができ、ＣＰＵを命令するためにメモリ内に記憶することができる。サポート回路（図示せず）を、従来の方式でプロセッサをサポートするためにＣＰＵにやはり接続する。サポート回路は、従来型のキャッシュ、電力供給装置、クロック回路、入力／出力回路、サブシステム、等を含むことができる。コントローラによって読み取り可能なプログラム（またはコンピュータ命令）は、どのタスクが基板上で実行可能であるかを決定する。好ましくは、プログラムは、コントローラによって読み取り可能なソフトウェアであり、基板位置、各電磁パルスにおいて供給されるエネルギーの量、１つまたは複数の電磁パルスのタイミング、各パルスについての時間に応じた強度および波長、基板の様々な領域の温度、およびこれらの任意の組み合わせをモニタし、制御するためのコードを含む。

上に記したように、エネルギー源２０は、一般的に、基板１０のある所望の領域を優先的に溶融させるために電磁エネルギーを供給するように適合している。電磁エネルギーの典型的な供給源は、光放射線源、電子ビーム源、イオンビーム源、および／またはマイクロ波エネルギー源を含むが、これらに限定されない。本発明の一実施形態では、エネルギー源２０は、溶融点まで基板の所望の領域を選択的に加熱するために、レーザなどの光放射線を供給するように適合している。一態様では、基板１０は、１つまたは複数の適切な波長で放射光を放出するレーザ由来のエネルギーのパルスに曝され、放出された放射光は、ある所望の領域の優先的な溶融を増進させるために所望のエネルギー密度（Ｗ／ｃｍ^２）および／またはパルス持続時間を有する。シリコン含有基板上に実行されるレーザアニールプロセスに関して、放射光の波長は、典型的には約８００ｎｍよりも短い。いずれのケースにおいても、アニールプロセスは、一般に、約１秒以下のオーダーなどの比較的短時間にわたり基板の所与の領域上に行われる。アニールプロセスにおいて使用される所望の波長およびパルスプロファイルを、基板の材料特性を考慮してレーザアニールプロセスの光モデリングおよび熱モデリングに基づいて決定することができる。

図２Ａ〜図２Ｃは、エネルギー源２０からアニール領域１２（図１）へ供給されるエネルギーのパルスの様々な特質が、改善された熱コントラストおよびアニールプロセス結果を実現するために時間に応じて調節される、様々な実施形態を示す。一実施形態では、時間に応じてレーザパルスの形状を変えること、および／または溶融するように意図された基板の領域への熱入力を高め、他の領域への熱入力を最少にするために供給するエネルギーの波長を変えることが望ましい。一態様では、基板へ供給するエネルギーを変えることが、やはり望ましい場合がある。

図２Ａは、台形の形状をした電磁放射光のパルス（例えば、パルス２０１）をグラフに示す。このケースでは、パルス２０１の２つの異なるセグメント（例えば、２０２および２０４）では、供給されるエネルギーが時間に応じて変化する。図２Ａは、時間に対するエネルギーが直線的な様式で変化するパルス２０１プロファイル、または形状を示すが、パルスにおいて供給されるエネルギーの時間変化が、例えば、二次形状の曲線、三次形状の曲線、または四次形状の曲線を有することがあるので、これが本発明の範囲について限定するようには意図されていない。別の一態様では、時間に応じてパルスにおいて供給されるエネルギーのプロファイルまたは形状を、二次曲線、三次曲線、または指数関数形状曲線とすることができる。別の一実施形態では、所望のアニール結果を実現するために処理中に異なる形状を有するパルス（例えば、矩形変調パルスおよび三角形変調パルス、正弦変調パルスおよび矩形変調パルス、矩形変調パルス、三角形変調パルスおよび正弦変調パルス、等）を使用することが有利である場合がある。

図２Ａに示したような一実施形態では、セグメント２０２の勾配、パルス２０１の形状、セグメント２０３の形状、ある電力レベルのところの時間（例えば、エネルギーレベルＥ_１のところのセグメント２０３）、セグメント２０４の勾配、および／またはセグメント２０４の形状を、アニールプロセスを制御するために調節する。粒子およびプロセス結果変動性の懸念のために処理中にアニールした領域内の材料を蒸発させることが、一般的には望ましくないことに留意すべきである。それゆえ、アニールする領域を過加熱せず、材料を蒸発させずに目標温度までアニールする領域の温度を急速に持ち上げるためにエネルギーのパルスの形状を調節することが望ましい。一実施形態では、図２Ｃに示したように、目標温度までアニール領域を急速に持ち上げ、次に、アニール領域内の材料の蒸発を防止しながら、所望の期間（例えば、ｔ_１）にわたりその温度で材料を保持するために使用する複数のセグメント（すなわち、セグメント２０２、２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ、および２０４）を有するように、パルス２０１の形状を調節することができる。サイズ、溶融深さ、およびアニール領域内に含有される材料が変わるので、パルスセグメントの各々の時間の長さ、セグメントの形状、および持続時間を、同様に変えることができる。

一実施形態では、基板表面上の領域の温度を容易に制御することができるように、電磁放射光の２つ以上のパルスが、時間を変えて基板のある領域へ供給される。図２Ｂは、基板の表面上のある領域を選択的に加熱するために、時間を離して、または期間（ｔ）内に変わっていく距離に供給する２つのパルス２０１Ａおよび２０１Ｂのプロットをグラフに示す。この構成では、連続したパルス間の期間（ｔ）を調節することによって、基板表面上の領域が到達するピーク温度を、容易に制御することができる。例えば、パルス間の期間（ｔ）、または周波数を減少させることによって、第１のパルス２０１Ａにおいて供給される熱は、第２のパルス２０１Ｂが供給される前に消失するためにはわずかな時間しかなく、これは、基板中で実現されるピーク温度を、パルス間の期間が長くなるときよりも高くさせる。このようにして期間を調節することによって、エネルギーおよび温度を、容易に制御することができる。一態様では、各パルスがそれだけでは、基板を目標温度に到達させるために十分なエネルギーを含有しないが、パルスの組み合わせがアニール領域１２を目標温度に到達させることを確実にすることが、望ましい場合がある。２つ以上のパルスなどの複数のパルスを供給するこのプロセスは、エネルギーの単一パルスを供給することに対して基板材料によって経験される熱ショックを軽減する傾向がある。熱ショックは、基板の損傷に導くことがあり、基板上に実行される後続の処理ステップ中に欠陥を作る粒子を発生させることがある。

図３は、本発明の一実施形態によるプロセス３００を示す流れ図である。図４Ａ〜図４Ｇは、図３に示したプロセス３００の様々なステージにおける基板の模式的断面図を示す。ステップ３０２では、図４Ａに示したように、絶縁層４０２を基板４００の前面４０４上に形成する。基板は、その中に配置されたトランジスタなどの半導体デバイスを有することも、そうでないこともある。一実施形態では、絶縁層４０２は、酸化物または窒化物などの誘電体層である。一実施形態では、絶縁層は、シリコン含有基板の前面上に形成された酸化ケイ素層である。炉アニールプロセス、高速熱酸化プロセスなどの従来型の熱酸化プロセス、常圧ＣＶＤプロセスもしくは低圧ＣＶＤプロセス、プラズマＣＶＤプロセス、ＰＶＤプロセス、原子層堆積（ＡＬＤ）、蒸発技術、またはスプレイオン、スピンオン、ロールオンを使用した塗布、スクリーン印刷、または別の類似のタイプの堆積プロセスを使用して、絶縁層を形成することができる。一実施形態では、絶縁層は、厚さが約５０Å〜約３，０００Åである二酸化ケイ素層である。絶縁層の考察が、本明細書において説明する発明の範囲を限定するようには意図されていないことが、予想される。二酸化ケイ素、炭化ケイ素（ＳｉＣ_ｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、酸素窒化ケイ素および／またはＳｉＯｘＣｙなどの炭素ドープした酸化ケイ素、例えば、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａに所在するＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＢＬＡＣＫ ＤＩＡＭＯＮＤ（登録商標）低誘電率誘電体、等、などの任意の他の誘電体材料を、処理構成の必要性によってやはり使用することができる。

一般的に、本明細書中で使用される用語「基板」は、ある生来の電気導電性能力を有する任意の材料または電気を伝導するための能力を与えられるように変形することができる材料から形成することができる対象物を呼ぶ。典型的な基板材料は、シリコン（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）などの半導体、ならびに半導電性特性を示す他の化合物を含むが、これらに限定されない。かかる半導体化合物は、一般に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物およびＩＩ−ＶＩ族化合物を含む。代表的なＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、および窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むが、これらに限定されない。一般に、用語「半導体基板」は、バルク半導体基板、ならびにその上に配置された堆積された層を有する基板を含む。この目的を達成するために、本発明の方法によって処理されたある半導体基板中の堆積された層は、ホモエピタキシャル（例えば、シリコン上のシリコン）成長またはヘテロエピタキシャル（例えば、シリコン上のＧａＡｓ）成長のいずれかによって形成される。例えば、本発明の方法を、ヘテロエピタキシャル法によって形成したガリウムヒ素および窒化ガリウム基板を使用することができる。同様に、絶縁性基板上に形成した比較的薄い結晶シリコン層（例えば、シリコン・オン・インシュレータ［ＳＯＩ］基板）上に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの集積デバイスを形成するために、発明した方法をやはり適用することができる。図面には示していないが、基板表面が、トランジスタ接合、ビア、コンタクト、配線、または任意の別のインターコネクトファセット、例えば、垂直または水平インターコネクトなどの機能を含有することができることが、予想される。「基板表面」は、本明細書中で使用するように、膜堆積をその上に実行する任意の基板表面を呼ぶ。例えば、基板表面は、前に論じたような絶縁層を含むことができる。

ステップ３０４では、ビアまたはスルーホールが、絶縁層４０２の所望の場所に形成される。一実施形態では、図４Ｂに示したように、所望の厚さｄ_１を具備する開口部４０６を実現し、基板４００の上側表面の一部を露出させるまで、湿式エッチタイププロセスまたはドライエッチタイププロセスなどの選択的材料除去プロセスを使用して、絶縁層４０２を選択的にエッチする。一実施形態では、開口部４０６の厚さｄ_１は、約５０オングストローム（Å）〜約１，０００オングストローム（Å）である。一実施形態では、フォトレジストパターンを絶縁層４０２上に形成した後で、エッチングマスクとしてフォトレジストパターンを使用して、開口部４０６を形成することができる。開口部４０６が下の基板４００中へと延びることがある、または開口部４０６内に埋められる結晶性のシード材料が、電磁放射光の一連の連続したパルスから十分なエネルギーを受けるときに、後続のステップにおいて上方に後で堆積されるアモルファス層の結晶化をトリガするために十分である限り、示したように基板４００の上側表面の一部を露出させずに、示したような厚さｄ_１よりも薄い厚さを有する場合があることが、予想される。

ステップ３０６では、図４Ｃに示したように、構造が結晶性系の材料を有する結晶性のシード層４０８を、絶縁層４０２上および開口部４０６内に堆積する。一実施形態では、結晶性のシード層４０８は、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）、または別の類似のプロセスなどの従来型の堆積プロセスを使用して形成される。その後で、ステップ３０８では、基板４００の前面４０４が、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを使用して平坦化され、これによって、図４Ｄに示したように、結晶性のシード材料で埋められた開口部４０６を得る。あるいは、気相エピタキシプロセス、液相エピタキシプロセス、またはモレキュラビームエピタキシプロセス、等などの選択エピタキシャル成長プロセスによって、結晶性のシード層４０８を形成することができる。かかるケースでは、結晶性のシード層４０８は、実質的に単結晶の無欠陥層を実現するために、開口部４０６を介して露出した基板の表面から一般に成長する。一実施形態では、結晶性のシード層４０８は、絶縁層４０２の厚さ（すなわち、ｄ_１）と実質的に同じ厚さを有する。いずれのケースでも、開口部４０６は、絶縁層４０２の厚さと実質的に同じ厚さである結晶性のシード材料で埋められ、結晶性のシード領域４０８を作り出す。電磁放射光の一連の連続したパルス（例えば、下記に論じるような、パルストレインアニーリング（Ｐｕｌｓｅ Ｔｒａｉｎ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ））プロセスから十分なエネルギーを受けるときに、結晶性のシード領域４０８は、一般に結晶化源を提供するシードとして働き、シード領域上に堆積されるアモルファス層４１０のエピタキシャル再成長が、そこから始まり、アモルファス層の表面全面にわたって広がる横方向などのすべての方向にそこから遠くへ伝搬し、これによって基板表面上に結晶性の相である所望の材料層を形成する。

一実施形態では、結晶性のシード領域４０８は、所望の表面積を有するカラムの形態である。一実施形態では、結晶性のシード領域４０８の表面積は、約３０ｎｍ^２〜約６０ｎｍ^２である。一例では、結晶性のシード領域４０８の表面積は、約５０ｎｍ^２である。別の一実施形態では、結晶性のシード領域４０８の表面積は、約７２６ｍｍ^２〜約１０００ｍｍ^２である。図４Ｃにおいて１つだけの開口部４０６が絶縁層４０２中に存在するが、ある実施形態では、開口部中を埋める結晶性のシード材料を有する１つよりも多くの開口部４０６を有することが有利である場合がある。一実施形態では、１つまたは複数の結晶性のシード領域４０８が、絶縁層４０２のエッジ区域に設置される。別の一実施形態では、１つまたは複数の結晶性のシード領域４０８が、絶縁層４０２全面にわたって間隔を空けて設置される。図５は、アモルファス層４１０の下方に形成された絶縁層４０２全面にわたって間隔を空けて設置されている１つまたは複数の結晶性のシード領域４０８を図示する基板４００の上面図である。前に述べたようなパルストレインアニールプロセスを用いて処理するときに、結晶性のシード領域４０８の配列が、結晶性のシード領域４０８および絶縁層４０２上に堆積されるアモルファス層の固相再結晶化の全体的な速度に利益をもたらす限り、結晶性のシード領域４０８の形態が、説明したように特定の形態または形状に限定するようには意図されていないことが、予想される。例えば、結晶性のシード領域４０８を、量子ドット、ドットの所望のパターン、または任意の事前に定めた形状の形態にすることができる。あるいは、結晶性のシード材料を、絶縁層４０２の上方に設置される層の形態で存在させることができる。かかるケースでは、結晶性のシード層は、約５０オングストローム（Å）〜約１，０００オングストローム（Å）の適切な厚さ、または処理構成の必要性によって任意の所望の厚さを有することができる。

一実施形態では、結晶性のシード領域４０８は、単結晶シリコンを含有する場合がある。別の一実施形態では、結晶性のシード領域４０８は、単結晶ゲルマニウムを含有する場合がある。あるいは、結晶性のシード領域４０８は、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ合金および半導電性特性を示す他の化合物を含有する場合がある。かかる半導体化合物は、一般に、ドープされているかまたはドープされていないいずれかのＩＩＩ−Ｖ族化合物またはＩＩ−ＶＩ族化合物を含む。適したＩＶ族元素または化合物の例は、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、および炭化ケイ素を含む。適したＩＩＩ−Ｖ化合物の例は、ガリウムアンチモン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ガリウムリン、アルミニウムアンチモン、アルミニウムヒ素、窒化アルミニウム、アルミニウムリン、インジウムアンチモン、インジウムヒ素、窒化インジウム、インジウムリン、およびこれらの三元系化合物または四元系化合物を含む。適したＩＩ−ＶＩ化合物の例は、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、およびこれらの三元系化合物または四元系化合物を含む。あるいは、一実施形態では、結晶性のシード領域４０８は、ＩＩ−ＶＩ族もしくはＩＩＩ−Ｖ族由来の二元系化合物、ＩＩ−ＶＩ族もしくはＩＩＩ−Ｖ族由来の三元系化合物、ＩＩ−ＶＩ族もしくはＩＩＩ−Ｖ族由来の四元系化合物、またはこれらの混合物もしくは組み合わせを含有することができる。応用例に応じて、下記に論じるように、絶縁層４０２および結晶性のシード領域４０８の上方に後で形成されるアモルファス層用の磁気媒体源として働くように、結晶性のシード領域４０８は、金属、非金属、または鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、これらの合金などの磁性材料を含有することができる。

ステップ３１０では、アモルファス層４１０を、基板４００の前面４０４上に堆積し、結晶性のシード領域４０８および絶縁層４０２の少なくとも一部をカバーする。一態様では、アモルファス層４１０を、図４Ｅに示したように、結晶性のシード領域４０８の上側表面および絶縁層４０２全面にわたって堆積する。一実施形態では、アモルファス層４１０は、結晶性のシード領域４０８内に形成された材料と一般にうまく合うアモルファス材料を含有することができる。例えば、結晶性のシード領域４０８がゲルマニウム材料を含有するときには、アモルファス層４１０をアモルファスゲルマニウム層とすることができる。あるいは、結晶性のシード領域４０８がシリコン材料を含有するときには、アモルファス層４１０をアモルファスシリコン層とすることができる。

アモルファス層４１０を、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、またはホットワイア化学気相堆積（ＨＷＣＶＤ）もしくは原子層堆積（ＡＬＤ）などの他の同様なタイプの堆積プロセスなどの従来型の堆積プロセスを使用して形成することができる。アモルファス層４１０は、比較的薄い厚さ、または任意の所望の厚さを有することができる。一実施形態では、形成されるアモルファス層４１０の厚さは、約５０オングストローム（Å）〜約１，０００オングストローム（Å）である。一実施形態では、形成されるアモルファス層４１０の厚さは、約２００オングストローム（Å）である。

ステップ３１２では、電磁放射光の複数のパルス４１２を使用するアニールプロセスまたはパルストレインアニーリングプロセスが、基板４００の前面４０４の領域にまたは同時に基板の全体の前面４０４に遂行される。マイクロアニールレーザパルスのトレイン由来のエネルギーは、単結晶表面から進行的にアモルファス層４１０の数モノレイヤエピタキシャル再成長を進展させ、これによってアモルファス層４１０を再結晶化させる。パルストレインアニーリングプロセスは、ここでは図１Ａおよび図１Ｂに関連して説明し示した装置によって一般に実行され、これは電磁放射光の複数の同一のパルスが基板に供給されることを可能にし、各パルスが数ミクロンの深さの基板または所望の深さにある基板表面の数原子層を、１ミリ秒（ｍ秒）以下のうちに、シリコン基板に対しては約１３００℃などの溶融点近くの温度まで加熱し、次に影響を受けた格子層が制御された前加熱温度近くの低い温度まで戻るように、与えられたエネルギーが結晶格子内で完全に消失することを可能にする１つのマイクロアニールプロセスを実現する。前加熱温度は、基板が第１のパルスの供給の直前に維持される温度を呼び、約４００℃〜約８００℃とすることができる。各マイクロアニールサイクルでは、結晶格子に結合していない原子が、原子半径の数分の１だけ動く。格子へ結合されている原子は、供給されるパルスから十分なエネルギーを受け取らないという理由で一般的には動かない。このように、各マイクロアニールサイクルは、個々の格子間原子を所望の格子位置へと動かす。格子間原子が格子位置を埋めるので、格子位置に位置していない他の格子間原子は、結晶格子内で望ましい位置を見つけるまで基板を通り拡散する。このようにして、パルストレインアニーリング（以降「ＰＴＡ」）を、結晶格子内で格子間原子の原子位置を制御するために使用することができる。ＰＴＡは、したがって、原子的な長さのスケールで半導体デバイス内での原子の移動を制御するために使用することができるプロセスである。

一実施形態では、上に論じ図４Ｆに示したように、電磁放射光の複数のパルス４１２を使用するアニールプロセスまたはパルストレインアニーリングプロセスは、基板の少なくとも一部の上でマイクロアニールプロセスを実行するように構成された各パルスを、所望の期間にわたって形成された結晶性のシード領域４０８の表面（すなわち、結晶性のシード領域４０８とアモルファス層４１０との間の界面）へ供給する。電磁エネルギーの典型的な供給源は、光放射線源、電子ビーム源、および／またはマイクロ波エネルギー源を含むが、これらに限定されない。

一実施形態では、エネルギー放出は、短持続時間パルスの形態をとり、各パルスが持続時間で約１ナノ秒（ｎ秒）〜約１秒の範囲である。一実施形態では、パルスは、約１０ｎ秒〜約２０ｍ秒の持続時間を有する場合がある。一実施形態では、各パルスは、一般に、約１０ミリワット（ｍＷ）〜１０Ｗなどの少なくとも１０ｍＷの出力レベルで約０．２Ｊ／ｃｍ^２〜約１００Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を供給する。一実施形態では、例えば、各パルスによって供給されるエネルギー密度は、約０．５Ｊ／ｃｍ^２である。パルス用に使用する光の波長は、基板の結晶格子内で原子の最適な動きを生じさせるように選択され、アモルファス層４１０のエピタキシャル再成長を促進させる。本発明のある実施形態では、エネルギーのパルスが、赤外スペクトル内である波長で供給される。別の実施形態は、ＵＶスペクトル内の光、または様々なスペクトルの波長を組み合わせた光のパルスを使用する。パルス用に使用する光のエネルギーまたは波長を、結晶性のシード領域４０８の深さ、およびアモルファス層４１０の厚さまたは材料に応じて変えることができる。一実施形態では、アモルファス層４１０が、アモルファスシリコンを含有するときには、例えば、光は、約１，４１０℃より高い温度を生成することが可能なエネルギーを有することができる、というのは、アモルファスシリコンがこの温度で溶融することがあるためである。

上に記したように、複数のパルスを、アモルファス層４１０のエピタキシャル再成長を促進させるために使用する。１０から１００，０００までの番号を付けた複数のパルスを、ほぼ単一格子面またはほぼ１原子距離から、多数の格子面または多数の原子距離までの範囲の原子の動きを引き起こさせるために使用することができる。一実施形態では、約３０パルス〜約１００，０００パルスなどの少なくとも３０パルスが、アモルファス層４１０をアニールし、再結晶化するために使用される。別の一実施形態では、約５０パルス〜約１００，０００パルスなどの少なくとも５０パルスが、アモルファス層４１０をアニールし、再結晶化するために使用される。別の一実施形態では、約７０パルス〜約１００，０００パルスなどの少なくとも７０パルスが、アモルファス層４１０をアニールし、再結晶化するために使用される。別の一実施形態では、約１００パルス〜約１００，０００パルスなどの少なくとも１００パルスが、アモルファス層４１０をアニールし、再結晶化するために使用される。別の一実施形態では、約５０，０００パルスなどの約１０，０００パルス〜約７０，０００パルスのパルスが、アモルファス層４１０をアニールし、再結晶化するために使用される。上に論じたように、各パルスは、完全なマイクロアニールサイクルを実現する。パルスエネルギーが基板内で完全に消失することを可能にすることは、次のパルスを与える前に動きを凍結させる。このようにしてパルスの数を調節することは、アモルファス層の結晶格子内での原子の再配列の制御を可能にする。

理論によって束縛されないことを意図して、基板表面に当たる各パルスが、基板４００を通って伝搬する振動を結晶格子内に生成するであろうと考えている。パルス間の間隔が、個々のパルスによって供給される熱が消失するために必要な時間よりも短い場合には、熱が格子内に蓄積され、格子の温度が上昇する。しかしながら、供給されるパルス間の間隔が十分に長い場合には、各パルスの加算的な効果が、基板内の温度を上昇させず、したがって、各パルスの熱効果が、結晶性のシード領域４０８が位置する区域に、または基板の表面の直下の区域、例えば、パルス持続時間および強度に応じて表面の下方の約１００オングストローム以上までの区域に局在化するであろう。それゆえ、基板を、その融点より低い温度であるが格子原子の再配列を可能にし、アモルファス層の再結晶化を可能にするために十分に高い温度まで加熱する。一実施形態では、基板の表面へ約０．２Ｊ／ｃｍ^２〜約１００Ｊ／ｃｍ^２のエネルギーを供給するパルスによって結晶格子に与えられる振動エネルギーは、熱として消失し、パルスの終端に続く約１マイクロ秒内に放射して消えることができる。本明細書において説明した半導体基板上にレーザアニールプロセスを実行するために必要なエネルギーの量が、極めて大きい場合があることが、予想される。例えば、エネルギー源から供給されるエネルギーのドーズを、８ナノ秒（ｎｓ）〜１０ナノ秒のパルス持続時間にわたって約１ジュール〜約１０ジュールとすることができ、これは、アニール領域へ各パルスにおいて約１００ＭＷ〜約１，２５０ＭＷの平均総合出力を供給することに等しい。アニール領域が約４ｍｍ^２〜約１０００ｍｍ^２の面積を有する場合には、平均エネルギー密度は、約０．１ＭＷ／ｍｍ^２〜約３１３ＭＷ／ｍｍ^２になるであろう。各パルスについて同じエネルギーを供給することが好ましいが、ある実施形態では、例えば、所望のパターンでランピングアップするまたはランピングダウンするなどの所定の方策にしたがって変化するエネルギーでパルスを供給することが有利である場合がある。

電磁放射光の強度および波長を、結晶性のシード領域の深さおよび望まれる動きの量に応じて調整することができることが、予想される。使用するエネルギーの波長を、一般に、マイクロ波、例えば、約３ｃｍから、可視波長を経て、遠紫外線、例えば、１５０ナノメートル（ｎｍ）までの範囲とすることができる。約３００ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲の波長を、例えば、約８００ｎｍよりも短い波長などの、レーザ応用において使用することができる。レーザアニールプロセスの有効性が、アニールしようとする材料による、エネルギー源から供給されるエネルギーの透過、吸収、および反射に依存するので、供給されるエネルギーの波長（λ）または複数の波長を、基板内の所望の深さまでエネルギーの所望量を供給するように調節することができる。それゆえ、アモルファス層４１０が薄いほど、電磁放射光のより短い波長が、アモルファス層４１０へ侵入するために必要である。このようにして、深さ選択的な方法でアモルファス層をエピタキシャル再成長させることが可能である。

上に説明したパルストレインアニーリングプロセスは、電磁放射光の複数の同一のパルスを供給することによって、アモルファス層４１０内の原子の動きを原子レベルで制御することを可能にし、各パルスが、完全なマイクロアニールサイクルを実行する。ステップ３１４では、結晶性のシード領域４０８の表面へ供給されるまたは表面によって吸収される電磁放射光の各パルスは、結晶性のシード領域４０８の表面のところの原子または近くにある原子へエネルギーを与え、アモルファス層４１０のエピタキシャル再成長が、そこから始まり、アモルファス層の表面全面にわたって広がる横方向などのすべての方向へそこから遠くへ伝搬し、その結果、図４Ｇに示したように、アモルファス層４１０が進行的に再結晶化し、下の結晶性のシード領域４０８と同じグレイン構造および結晶配向を有する。

結晶性の相であるシード領域がここでは説明されているが、本発明の概念が、多結晶などの異なる相であるシード領域に対してもやはり適用可能であることが、予想される。開口部４０６が多結晶性のシード材料で埋められている一実施形態では、電磁放射光の一連の連続したパルス（例えば、上に説明したようなＰＴＡプロセス）から十分なエネルギーを受けるときには、多結晶性のシード領域は、結晶化源を与え、シード多結晶成長が、そこから始まり、その上方に堆積したアモルファス層の全体にそこから遠くへ伝搬し、これによって基板表面上に多結晶性の相の所望の材料層を形成する。

図６は、本発明の別の一実施形態によるプロセス６００を示す流れ図である。図７Ａ〜図７Ｌは、図６に示したプロセス６００の様々なステージにおける基板の模式的断面図を示す。ステップ６０２からステップ６１０に説明した処理ステップが、上に論じたステップ３０２からステップ３１０に関連して実行した（１つまたは複数の）プロセスと同様であるので、個々の処理ステップをここでは再び議論しない。

ステップ６１２では、第２の絶縁層７０２を、アモルファス層４１０を覆うように形成する。第２の絶縁層７０２は、絶縁層４０２と同様の誘電性材料を含有することができる。ステップ６１２において実行される堆積プロセスおよびステップは、一般的に、上に説明したステップ３０２に関連して実行した（１つまたは複数の）プロセスと同じである。第２の絶縁層７０２は、処理構成の必要性に応じて、絶縁層４０２と同じ厚さを有することもそうでないこともある。

ステップ６１４では、図７Ｇに示したように、所望の厚さｄ_２を具備する開口部７０６を実現し、アモルファス層４１０の上側表面の一部を露出させるまで、ステップ３０４に関連して実行した（１つまたは複数の）プロセスと一般的に同じである選択的材料除去プロセスを使用して、第２の絶縁層７０２を選択的にエッチする。一実施形態では、開口部７０６の厚さｄ_２は、約５０オングストローム（Å）〜約１，０００オングストローム（Å）である。開口部７０６が、示したようにアモルファス層４１０の上側表面の一部を露出させずに厚さｄ_２よりも薄い厚さを有することがあることが、予想される。

ステップ６１６では、図７Ｈに示したように、結晶性系の材料を有する構造である第２の結晶性のシード層７０８を、第２の絶縁層７０２上および開口部７０６内に堆積する。ステップ６１６において実行される第２の結晶性のシード層７０８の形成は、上に論じたステップ３０６に関連して実行した（１つまたは複数の）プロセスと一般に同じである。その後で、ステップ６１８では、基板４００の前面４０４が、ＣＭＰプロセスまたは類似のプロセスを使用して平坦化され、その結果、図７Ｉに示したように、結晶性のシード材料で埋められた開口部７０６が得られる。あるいは、第２の結晶性のシード層７０８を、ステップ３０６に関連して上に論じたような選択エピタキシャル成長プロセスによって形成することができる。一実施形態では、第２の結晶性のシード層７０８（図７Ｉ）は、第２の絶縁層７０２の厚さ（すなわち、ｄ_２）と実質的に同じ厚さを有することができる。いずれの方法でも、開口部７０６は、第２の絶縁層７０２の厚さと実質的に同じ厚さである結晶性のシード材料で埋められ、第２の結晶性のシード領域７０８を作り出す。

一実施形態では、第２の結晶性のシード領域７０８は、カラム、層、量子ドット、またはステップ３０８に関連して上に説明したような類似の条件（例えば、表面積または厚さ）を有する任意の所望のパターンのドットもしくは形状の形態である。同様に、電磁放射光の一連の連続したパルス（例えば、前に説明したような、パルストレインアニールプロセス）から十分なエネルギーを受けるときには、第２の結晶性のシード領域７０８上に堆積される第２のアモルファス層の固相再結晶化の速度を増加させるように、図５に示したような１つよりも多くの領域を有することが、第２の結晶性のシード領域７０８にとって有利である場合がある。

処理構成の必要性によって、一実施形態では、第２の結晶性のシード領域７０８は、結晶性のシード領域４０８のものと同様な材料または化合物を含有することができる。例えば、結晶性のシード領域４０８がシリコン材料を含有するときには、第２の結晶性のシード領域７０８は、ゲルマニウム材料を含有することができる、または逆も同様である。一実施形態では、第２の結晶性のシード領域７０８は、結晶性のシード領域４０８のものとは異なる材料または化合物を含有することができる。一実施形態では、第２の結晶性のシード領域７０８は、単結晶シリコンを含有することができる。別の一実施形態では、第２の結晶性のシード領域７０８は、単結晶ゲルマニウムを含有することができる。あるいは、第２の結晶性のシード領域７０８は、シリコン−ゲルマニウムを含有することができる。さらに別の一実施形態では、第２の結晶性のシード領域７０８は、例として前に説明した、基本的にドープされているかまたはドープされていないいずれかのＩＶ族元素もしくは化合物、ＩＩＩ−Ｖ化合物、またはＩＩ−ＶＩ化合物を含むことができるまたは構成されることがある。第２の絶縁層７０２および第２の結晶性のシード領域７０８上に形成されるアモルファス層用の磁気媒体源として機能するように、第２の結晶性のシード領域７０８が、金属、非金属、または鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびこれらの合金などの磁性材料を含有する場合がある。

ステップ６２０では、第２のアモルファス層７１０を、基板４００の前面４０４を覆うように堆積し、第２の結晶性のシード領域７０８および第２の絶縁層７０２の少なくとも一部をカバーする。一態様では、第２のアモルファス層７１０を、図７Ｊに示したように、第２の結晶性のシード領域７０８の上側表面および第２の絶縁層７０２全面にわたって堆積する。一実施形態では、第２のアモルファス層７１０は、第２の結晶性のシード領域７０８内に形成される材料と一般にうまく合うアモルファス材料を含有することができる。例えば、第２の結晶性のシード領域７０８がゲルマニウム材料を含有するときには、第２のアモルファス層７１０をアモルファスゲルマニウム層とすることができる。あるいは、第２の結晶性のシード領域７０８がシリコン材料を含有するときには、第２のアモルファス層７１０をアモルファスシリコン層とすることができる。

図７Ｊに示した実施形態では、第２のアモルファス層７１０および第２の結晶性のシード領域７０８が、構造の高いレベルに形成され、一方で、アモルファス層４１０および結晶性のシード領域４０８が、構造の低いレベルに形成される。一実施形態では、第２のアモルファス層７１０および第２の結晶性のシード領域７０８は、一般的に平行であり、アモルファス層４１０および結晶性のシード領域４０８と向かい合う。第２の結晶性のシード領域７０８および結晶性のシード領域４０８が、カラム、ドット、または任意の所望の形状の形態であるケースでは、構造の上から見たときに、第２の結晶性のシード領域７０８が、結晶性のシード領域４０８と位置合わせされる場合も位置合わせされない場合もある。ここには示されていないが、応用例に応じて、基板４００の下方に形成したおよび／または第２の絶縁層７０２とアモルファス層４１０との間に形成した、トランジスタなどの別の半導体デバイスがある場合があることが、予想される。

第２のアモルファス層７１０を、ステップ３１０に関連して実行した（１つまたは複数の）プロセスと一般に同じである堆積プロセスを使用して形成することができる。一実施形態では、第２のアモルファス層７１０は、比較的薄い厚さまたは所望の厚さを有することがある。一実施形態では、形成したアモルファス層７１０の厚さは、約５０オングストローム（Å）〜約１，０００オングストローム（Å）である。一実施形態では、第２のアモルファス層７１０の厚さは、約２００オングストローム（Å）である。しかしながら、様々な厚さを、処理構成の必要性によって堆積することができる。

ステップ６２２では、電磁エネルギーの複数のパルス７１１を使用するアニールプロセス、またはパルストレインアニーリングを、基板４００の前面４０４の領域に、または同時に基板の前面４０４全体に遂行する。ここで説明するパルストレインアニーリングプロセスを、ステップ３１２に関連して実行した（１つまたは複数の）プロセスと一般に同じである方式で遂行する。しかしながら、レーザアニールプロセスの有効性が、アニールしようとする材料によるエネルギー源から供給されるエネルギーの透過、吸収および反射に依存するので、供給するエネルギーの波長（λ）または複数の波長を、基板内の所望の深さまで所望の量のエネルギーを供給するように調整することが可能である。光の各フォトンによって供給されるエネルギーの量が、波長に応じて変化する（Ｅ＝ｈｃ／λ）ので、したがって、波長が短いほど、光の各フォトンによって供給されるエネルギーが大きいことに留意すべきである。あるケースでは、シリコンなどのある種の材料は、厚さおよび波長により変化する吸収端を有し、これが基板材料によって吸収される波長を制限する。それゆえ、基板が作られる材料の厚さおよびタイプに応じて、放出される放射光の（１つまたは複数の）波長を変えることができ、基板の露光される領域の損傷を最少にし、一様な加熱を促進させるために基板への所望のエネルギー伝達を実現することができる。このようにして、図７Ｊに示した実施形態のような、結晶性のシード層およびアモルファス層の複数の層を使用するときには、目標とする層の下の（１つまたは複数の）層を溶融させずに基板内の所望の深さまで所望の量のエネルギーを供給するために、材料の厚さおよびタイプに応じて、電磁放射光の複数のパルスのエネルギーまたは波長を調節することができる。

複数の層を利用する一実施形態、例えば図７Ｊに示した構造では、電磁エネルギーの一連の連続したパルス７１１は、約１０６４ｎｍよりも短い波長でエネルギーを供給するように適合しているか、または結晶性のシード領域４０８の表面によって吸収されて、結晶性のシード領域４０８の表面にある原子または結晶性のシード領域４０８の表面の近くにある原子へエネルギーを与える。そこから、結晶性のシード領域の上に堆積されたアモルファス層４１０のエピタキシャル再成長が始まって、アモルファス層４１０の表面全面にわたって横方向などのすべての方向にそこから遠くへ伝搬する。アニールすることの目的は、アモルファス層４１０が進行的に再結晶化し、下の結晶性のシード領域４０８と同じグレイン構造および結晶配向を有するように、シードとして結晶性のシード領域４０８を使用して、結晶格子内の正常の位置にアモルファス層４１０の全体にわたって原子を再整列させることである。変換されたシリコン層は、ステップ６２２において説明され、図７Ｋに示された参照番号４１０’として符号を付けられる。その後で、電磁放射光の一連の連続したパルス７１１は、約８００ｎｍよりも短い波長でエネルギーを供給するように適合している、または第２の結晶性のシード領域７０８の表面によって吸収され、シード結晶成長が、そこから始まり、第２のアモルファス層７１０の表面全面にわたる横方向などのすべての方向へそこから遠くへ伝搬し、これによって第２のアモルファス層７１０を再結晶化させる。変換されたシリコン層は、ステップ６２４において説明され図７Ｌに示された参照番号７１０’として符号を付けられる。一実施形態では、エネルギー源から供給する電磁エネルギーの波長は、第２の結晶性のシード領域７０８に対して約５３２ｎｍである。さらに別の一例では、エネルギー源から供給する電磁エネルギーの波長は、第２の結晶性のシード領域７０８に対して約２１６ｎｍまたは約１９３ｎｍである。本発明の一態様では、Ｑ−スイッチ処理した、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウムドープしたイットリウムアルミニウムガーネット）レーザは、約２６６ｎｍ〜約１０６４ｎｍの波長でエネルギーを供給するように適合している。タイミング、持続時間、パルスのプロファイル（例えば、時間に対するエネルギー）およびパルスの数は、上に論じたステップ３１２に関連して実行したものと同様であるので、これらのパラメータを処理構成の必要性によって調節することができる。例えば、結晶性のシード領域の深さおよび望まれる動きの量に応じて、結晶性のシード領域４０８への電磁エネルギーを、約３０パルス〜約１０，０００パルスで印加するが、一方で第２の結晶性のシード領域７０８への電磁エネルギーを、約１０，０００パルス〜約１００，０００パルスで印加する、または逆も同様である。

本発明が、説明したような２つの結晶性のシード領域および２つのアモルファス層に限定されないことが、予想される。エネルギーパルスのプロファイルを変えることによって深さ選択的な方法でアモルファス層を再成長させることが可能であるので、任意の数の層を採用することができる。構造が複数の層（例えば、２つ以上の結晶性のシード領域およびアモルファス層）を有するケースでは、前に再結晶化されているアモルファス層が、これに隣接するがまだ再結晶化されていないアモルファス層に対する新たな結晶性のシード源になることができ、これによって、再結晶化プロセスの総合的な速度を増加させる。

本明細書において説明した本発明の基本的な範囲から逸脱せずに、１つまたは複数のステップを、追加し、削除しおよび／または配列し直すことができるので、図４および図７に示したステップの数および順序が、本明細書において説明した本発明の範囲について限定するようには意図されていないことが、やはり予想される。例えば、図７Ｊおよび図７Ｋに示した実施形態では、例えば、約２６６ｎｍ〜約５３２ｎｍのより短い波長でエネルギーの一連の連続したパルスを、第２の結晶性のシード領域７０８の表面に最初に供給することができ、その後で、例えば、約８００ｎｍ〜約１０６４ｎｍのより長い波長でエネルギーの一連の連続したパルスを、結晶性のシード領域４０８の表面に次に供給する。あるいは、第１のアモルファス層４１０を、第２の絶縁層７０２の堆積の前にパルストレインアニーリングプロセスを用いて処理することができ、その結果、第２の絶縁層７０２および第２の結晶性のシード領域７０８が、再結晶化されている第１のアモルファス層４１０上に形成される。それに加えて、結晶性のシード領域が位置する場所に、電磁エネルギーが供給されるように図示されているが、ある実施形態では、電磁エネルギーを、基板の全体の前面を実質的にカバーするような方式で供給することができる。

上記は本発明の実施形態に向けられているが、本発明の別の実施形態およびさらなる実施形態を、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに考案することができ、本発明の範囲は、下記の特許請求の範囲によって決められる。

Claims (6)

1. 基板を覆う結晶性層のエピタキシャル成長の方法であって、
   基板を覆うように第１の絶縁層を堆積させるステップと、
   前記第１の絶縁層中に、結晶性の状態にある第１の材料を有する第１のシード領域を形成するステップと、
   前記第１のシード領域および前記第１の絶縁層の少なくとも一部の上にアモルファス状態にある第１の材料の第１の層を堆積させるステップと、
   前記第１の材料の第１の層を覆うように第２の絶縁層を堆積させるステップと、
   前記第２の絶縁層中に、結晶性の状態にある第１の材料を有する第２のシード領域を形成するステップと、
   前記第２のシード領域および前記第２の絶縁層の少なくとも一部の上にアモルファス状態にある第１の材料の第２の層を堆積させるステップと、
   シードとして前記第１のシード領域を使用して、前記第１の材料の第１の層を再結晶化させ、かつアモルファス状態から下にある前記第１のシード領域と同じグレイン構造および結晶配向を有する結晶性の状態へと変換させるのに十分な期間にわたって、前記第１の材料の第１の層が堆積されている前記第１のシード領域の表面の方へ、第１の電磁エネルギーの複数のパルスを向けるステップと、
   シードとして前記第２のシード領域を使用して、前記第１の材料の第２の層を再結晶化させ、かつアモルファス状態から前記下にある第２のシード領域と同じグレイン構造および結晶配向を有する結晶性の状態へと変換させるのに十分な期間にわたって、前記第１の材料の第２の層が堆積されている前記第２のシード領域の表面の方へ、前記第１の電磁エネルギーとは異なる波長およびパルスの数を有する第２の電磁エネルギーを向けるステップと
   を含む方法。
2. 前記第１の材料が、シリコン、ゲルマニウム、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ合金、ＩＩＩ−Ｖ族もしくはＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＩ−ＶＩ族もしくはＩＩＩ−Ｖ族由来の二元系化合物、ＩＩ−ＶＩ族もしくはＩＩＩ−Ｖ族由来の三元系化合物、ＩＩ−ＶＩ族もしくはＩＩＩ−Ｖ族由来の四元系化合物、またはこれらの混合物もしくは組み合わせから構成される群から選択される、ドープされたまたはドープされていない半導体材料または化合物を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の材料が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびこれらの合金から構成される群から選択される磁気媒体をさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の層が、前記第１の材料の第１の層とは異なる半導体材料または化合物を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記シード領域が、約５０Å〜約１，０００Åの厚さを有する、層、カラム、ドット、または所定の形状の形態である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１のシード領域および前記第２のシード領域が、それぞれ、前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層の全面にわたってまたはエッジに配列された多数のシード領域を含む、請求項１に記載の方法。

Images