JP5853333B2 - レーザードーピング方法及びレーザードーピング装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の照射により不純物をシリコン基板内にドーピングするレーザードーピング方法に関し、特に、不純物の飛散を抑止すると共に効率のよいドーピングを実施しようとするレーザードーピング方法及びレーザードーピング装置に係るものである。

従来のこの種のレーザードーピング方法は、ドーパントを含む液体を、ドーピングを行う半導体の表面に塗布してから、該半導体の表面にレーザ光を照射することでドーパントを該半導体に添加するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１５８５６４号公報

しかし、このような従来のレーザードーピング方法においては、半導体の表面に塗布されたドーパントである不純物の層側からレーザ光を照射するものであったので、大きなレーザエネルギーによって不純物が飛散してしまい、不純物のドーピングができなかったり、ドーピング効率が悪くなったりするという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、不純物の飛散を抑止すると共に効率のよいドーピングを実施しようとするレーザードーピング方法及びレーザードーピング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるレーザードーピング方法は、シリコン基板の一面に不純物を接触させた状態で、前記シリコン基板の他面側からシリコン基板を透過する赤外レーザ光を照射する第１段階と、前記赤外レーザ光を前記シリコン基板と前記不純物との界面領域に集光させて前記シリコン基板を加熱する第２段階と、前記不純物を前記シリコン基板内にドーピングする第３段階と、を行なうものである。

このような構成により、シリコン基板の一面に不純物を接触させた状態で、シリコン基板の他面側からシリコン基板を透過する赤外レーザ光を照射し、赤外レーザ光をシリコン基板と不純物との界面領域に集光させてシリコン基板を加熱し、不純物をシリコン基板内にドーピングする。

また、前記不純物を挟んで前記シリコン基板とは反対側に可視光を透過する透明基板を設けたものである。これにより、不純物を挟んでシリコン基板とは反対側に設けた可視光を透過する透明基板により、不純物の飛散をより抑止する。

さらに、前記１段階は、シリコン基板に対する吸収率が最も高い波長帯の赤外レーザ光を照射した後、シリコン基板に対する透過率の最も高い波長帯の赤外レーザ光を照射するものである。これにより、シリコン基板の上記他面側から赤外レーザ光を照射する際に、シリコン基板に対する吸収率が最も高い波長帯の赤外レーザ光を照射し、その後、シリコン基板に対する透過率の最も高い波長帯の赤外レーザ光を照射する。

さらにまた、前記３段階は、前記透明基板側から該透明基板を透過して前記不純物に可視光波長帯のレーザ光を照射するものである。これにより、シリコン基板の上記他面側から赤外レーザ光を照射した後、透明基板側から該透明基板を透過して不純物に可視光波長帯のレーザ光を照射する。

また、本発明によるレーザードーピング装置は、シリコン基板の一面に不純物を接触させた状態で、前記シリコン基板の他面側からシリコン基板を透過する赤外レーザ光を照射して、前記不純物を前記シリコン基板内にドーピングするレーザードーピング装置であって、可視光を透過する透明基板からなり、上面に前記不純物を介在させた状態で前記シリコン基板を保持するステージと、前記ステージに対向して設けられ、前記赤外レーザ光を前記シリコン基板と前記不純物との界面領域に集光させる集光手段と、前記赤外レーザ光を前記集光手段に照射するレーザ光学系と、を備えたものである。

このような構成により、可視光を透過する透明基板からなるステージにより、その上面に不純物を介在させた状態でシリコン基板を保持し、レーザ光学系によりシリコン基板を透過する赤外レーザ光をステージに対向して設けられた集光手段に照射し、集光手段によりシリコン基板の不純物に接触した面とは反対側の他面側から赤外レーザ光を照射してシリコン基板と不純物との界面領域に集光させ、不純物をシリコン基板内にドーピングする。

さらに、前記ステージには、前記シリコン基板に予め設定されたドーピング位置に対応して前記赤外レーザ光の照射目標位置となる基準マークが形成されており、さらに、前記ステージの下方に設けられ、前記ステージを透過して前記基準マークを撮影する撮像手段と、前記撮像手段により撮影して検出された前記基準マークの位置情報に基づいて前記集光手段と前記ステージとを相対的に平行移動し、前記集光手段と前記シリコン基板との位置合わせをするアライメント機構と、を備えたものである。これにより、撮像手段によりステージを透過して、シリコン基板に予め設定されたドーピング位置に対応してステージに設けられた赤外レーザ光の照射目標位置となる基準マークを撮影し、検出された基準マークの位置情報に基づいてアライメント機構により集光手段とステージとを相対的に平行移動して集光手段とシリコン基板との位置合わせをする。

請求項１に係るレーザードーピング方法の発明によれば、シリコン基板を透過させてシリコン基板と不純物との境界領域に赤外レーザ光を集光するようにしているので、不純物の飛散を抑止することができる。また、先にシリコン基板側を加熱し、その後不純物を加熱することができるので、効率のよいドーピングを行なうことができる。

また、請求項２に係る発明によれば、不純物の飛散をより抑止することができる。したがって、不純物のドーピングをより効率よく行なうことができる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、シリコン基板をより効率よく加熱して不純物のドーピングを行なうことができる。

さらにまた、請求項４に係る発明によれば、可視光レーザ光の波長を適宜選択してドーピング深さを制御することができる。

そして、請求項５に係る発明によれば、透明基板に設けた基準マークを検出してシリコン基板に対する赤外レーザ光の照射位置を調整することができ、シリコン基板に予め設定されたドーピング領域に対するドーピングの位置精度を向上することができる。

また、請求項６に係るレーザードーピング装置の発明によれば、シリコン基板を透過させてシリコン基板と不純物との境界領域に赤外レーザ光を集光するようにしているので、不純物の飛散を抑止することができる。また、先にシリコン基板側を加熱し、その後不純物を加熱することができるので、効率のよいドーピングを行なうことができる。

さらに、請求項７に係る発明によれば、ステージに設けた基準マークを検出してシリコン基板に対する赤外レーザ光の照射位置を調整することができ、シリコン基板に予め設定されたドーピング領域に対するドーピングの位置精度を向上することができる。

本発明によるレーザードーピング装置の第１の実施形態を示す正面図である。 可視光を透過するステージを示す平面図である。 上記第１の実施形態によるレーザードーピング方法を説明するフローチャートである。 本発明によるレーザードーピング装置の第２の実施形態を示す正面図である。 上記第２の実施形態において使用するマイクロレンズアレイを示す底面図である。 上記第２の実施形態によるレーザードーピング方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるレーザードーピング装置の第１の実施形態を示す正面図である。このレーザードーピング装置は、シリコン基板の一面に不純物を接触させた状態で、シリコン基板の他面側からシリコン基板を透過する赤外レーザ光を照射して、不純物をシリコン基板内にドーピングするもので、ステージ１と、レーザ光学系２と、集光手段３と、撮像手段４と、アライメント機構５とからなる。

上記ステージ１は、上面に不純物６を介在させた状態でシリコン基板７を保持するものであり、可視光を透過する透明な、例えばガラス基板からなっている。また、上記ステージ１は、図２に示すように、その上面にシリコン基板７に予め設定されたドーピング位置に対応して赤外レーザ光Ｌの照射目標位置となる複数の基準マーク８が形成されており、後述のアライメント機構５に対して着脱可能となっている。

上記ステージ１の上方には、レーザ光学系２が設けられている。このレーザ光学系２は、赤外レーザ光Ｌを後述の集光手段３に照射させるもので、シリコン基板７に対する透過率の高い、例えば波長が約１．５μｍ〜約６μｍの赤外レーザ光を放射するＣｒＴｍＨｏ−ＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザのレーザ光源９と、該レーザ光源９から放射された赤外レーザ光Ｌを集光手段３まで導く、レーザビームエキスパンダを含む導光部材１０とを備えて構成されている。

上記ステージ１とレーザ光学系２との間には、ステージ１の上面に対向して集光手段３が設けられている。この集光手段３は、赤外レーザ光Ｌをシリコン基板７と不純物６との界面領域に集光させるものであり、集光レンズである。

上記ステージ１の下方には、撮像手段４が設けられている。この撮像手段４は、ステージ１を透過して赤外レーザ光Ｌの照射目標位置となる上記基準マーク８を撮影するもので、２次元カメラであり、集光手段３の光軸に撮像中心を合致させて設けられている。

上記ステージ１をＸＹ平面内を２次元方向に駆動可能にアライメント機構５が設けられている。このアライメント機構５は、撮像手段４により撮影して検出されたステージ１の基準マーク８の位置情報に基づいてステージ１をＸＹ方向に移動させて、シリコン基板７のドーピング領域を集光手段３の光軸に合致させるように位置合わせをするものである。

次に、このように構成されたレーザードーピング装置を使用して行うレーザードーピング方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップＳ１においては、可視光に対して透明なステージ１上に不純物６を介在させた状態でシリコン基板７を位置決めして保持する。

ステップＳ２においては、集光手段３による赤外レーザ光Ｌの照射位置にシリコン基板７のドーピング領域を位置付ける。この場合、先ず、アライメント機構５を駆動してステージ１をＸＹ面内を平行移動し、ステージ１に予め設けられた例えば図２における左上端の基準マーク８ａをステージ１の下方に設けられた撮像手段４の視野内に位置付ける。続いて、撮像手段４により、上記基準マーク８ａを撮影してその中心位置を検出し、該中心位置と、例えば撮像手段４の撮像中心との間の位置ずれ量を補正するようにアライメント機構５により、ステージ１をＸＹ方向に微動する。これにより、集光手段３とシリコン基板７との位置合わせが完了する。

ステップＳ３においては、レーザ光源９をパルス発振し、集光手段３を介して赤外レーザ光Ｌをシリコン基板７の不純物６とは反対側の面７ａに照射する。この場合、赤外レーザ光Ｌの強度は、シリコン基板７が溶解されない程度に設定される。

ステップＳ４においては、赤外レーザ光Ｌを面７ａ側からシリコン基板７を透過させてシリコン基板７と不純物６との界面領域に集光する。これにより、先ず、シリコン基板７が上記赤外レーザ光Ｌの一部を吸収して発熱する。

ステップＳ５においては、シリコン基板７の熱によって不純物６が加熱され、不純物６がシリコン基板７内にドーピングする。

ステップＳ６においては、シリコン基板７に予め設定された複数のドーピング領域に対する不純物６のドーピングを全て終了したか否かを判定する。ここで、まだ終了しておらず、“ＮＯ”判定となるとステップＳ２に戻って、次のドーピング領域が集光手段３に対して位置付けられる。この動作は、上述と同様にして、アライメント機構５を駆動してステージ１をＸＹ面内を平行移動し、ステージ１に設けられた例えば図２における左上端の基準マーク８ａの右隣の基準マーク８ｂをステージ１の下方に設けられた撮像手段４の視野内に位置付ける。続いて、撮像手段４により、上記基準マーク８ｂを撮影してその中心位置を検出し、該中心位置と、例えば撮像手段４の撮像中心との間の位置ずれ量を補正するようにアライメント機構５により、ステージ１をＸＹ方向に微動する。

以降、ステップＳ６において、全てのドーピング領域に対するドーピングが終了して、“ＹＥＳ”判定となるまで、ステップＳ２〜Ｓ６が繰り返し実行される。

なお、上記第１の実施形態においては、集光手段３が１つの集光レンズである場合について説明したが、本発明はこれに限られず、集光手段３は、シリコン基板７に予め設定された複数のドーピング領域に対応して複数のマイクロレンズを設けたマイクロレンズアレイであってもよい。この場合、上記複数のマイクロレンズのうち、一定距離はなれたいずれか２つのマイクロレンズの光軸に撮像中心を合致させて２つの撮像手段４を設け、ステージ１には、上記２つのマイクロレンズに対応して２つの基準マーク８を形成するとよい。これにより、２つの撮像手段４によりステージ１の基準マーク８を撮影して該２つの基準マーク８を夫々２つの撮像手段４の視野中心に位置付けた後、赤外レーザ光Ｌを照射すれば、シリコン基板７に予め設定された複数のドーピング領域に対して１回のドーピング動作により、不純物６をドーピングすることができる。

また、上記第１の実施形態においては、ステージ１側を移動して集光手段３とシリコン基板７との位置合わせをする場合について説明したが、集光手段３側を移動してもよい。

図４は、本発明によるドーピング装置の第２の実施形態を示す正面図である。このドーピング装置は、シリコン基板７の一面に不純物６を接触させた状態で、シリコン基板７を一定方向に一定速度で移動しながら、シリコン基板７の他面側からシリコン基板７を透過する赤外レーザ光Ｌを照射して、不純物６をシリコン基板７内にドーピングするものであり、搬送手段１１と、レーザ光学系２と、集光手段３と、撮像手段４と、アライメント機構５とからなる。

上記搬送手段１１は、可視光を透過する透明な、例えばガラス基板からなるステージ１の上面に不純物６を介在させた状態でシリコン基板７を保持するもので、図示省略の移動機構により図４に示す矢印Ａ方向に一定速度でステージ１を移動するようになっている。また、ステージ１の一面には、図２に示すように、シリコン基板７に予め設定された複数のドーピング領域に対応して赤外レーザ光Ｌの照射目標となる複数の基準マーク８が形成されている。なお、ステージ１は、移動機構に対して着脱可能となっている。

上記搬送手段１１の上方には、前述と同様のレーザ光学系２が設けられており、シリコン基板７に対する透過率の高い、例えば波長が約１．５μｍ〜約６μｍの赤外レーザ光Ｌを放射するＣｒＴｍＨｏ−ＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザのレーザ光源９と、該レーザ光源９から放射された赤外レーザ光Ｌを後述のマイクロレンズアレイ１２まで導く、レーザビームエキスパンダを含む導光部材１０とを備えて構成されている。

上記搬送手段１１とレーザ光学系２との間には、ステージ１の上面に対向して集光手段としてのマイクロレンズアレイ１２が設けられている。このマイクロレンズアレイ１２は、赤外レーザ光Ｌをシリコン基板７と不純物６との界面領域に集光させるものであり、図５に示すように、矢印Ａで示すシリコン基板７の搬送方向（以下「基板搬送方向」という）と交差する方向に、シリコン基板７に予め設定された同方向の複数のドーピング領域に対応して複数のマイクロレンズ１３を少なくとも１列に設けたものである。

上記搬送手段１１のステージ１の下方には、上記マイクロレンズアレイ１２による赤外レーザ光Ｌの照射位置に対して、基板搬送方向手前側に一定距離はなれた位置を撮影可能に撮像手段４が設けられている。この撮像手段４は、ステージ１に形成された上記基準マーク８を撮影するもので、ステージ１の上面に平行な面内にて基板搬送方向と交差する方向に複数の受光エレメントを一直線に並べて受光面としたラインカメラであり、受光面の基板搬送方向に平行な中心線がマイクロレンズアレイ１２のいずれかの１つのマイクロレンズ１３の中心と合致するように配設されている。

上記マイクロレンズアレイ１２を駆動可能にアライメント機構５が設けられている。このアライメント機構５は、撮像手段４により撮影して検出されたステージ１の基準マーク８の位置情報に基づいてマイクロレンズアレイ１２を基板搬送方向と交差する方向に移動させて、マイクロレンズアレイ１２の複数のマイクロレンズ１３とシリコン基板７の複数のドーピング領域との位置合わせをするものである。

次に、このように構成されたレーザードーピング装置を使用して行うレーザードーピング方法について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップＳ１１においては、可視光に対して透明なステージ１上に不純物６を介在させた状態でシリコン基板７を位置決めして載置する。

ステップＳ１２においては、ステージ１を図４に示す矢印Ａ方向に一定速度で移動を開始する。

ステップＳ１３においては、レーザ光照射位置に対して基板搬送方向手前側の位置で撮像手段４によりステージ１の下側からステージ１に予め設けられた例えば図２に示す基準マーク８のうち、基板搬送方向先頭側の複数の基準マーク８を撮影し、これを処理して複数の基準マーク８の基板搬送方向と交差する方向の位置を検出する。そして、該複数の基準マーク８の位置にて、予め選択された基準マーク８の位置と撮像手段４の撮影中心との間の水平距離を算出した後、アライメント機構５を駆動して上記水平距離が予め設定して保存された目標値と合致するように、マイクロレンズアレイ１２を基板搬送方向と交差する方向に移動し、マイクロレンズアレイ１２とシリコン基板７との位置合わせをする。

ステップＳ１４においては、上記基板搬送方向先頭側の複数の基準マーク８を検出してからシリコン基板７が移動する距離を監視し、シリコン基板７が所定距離移動して上記基板搬送方向先頭側の複数の基準マーク８がマイクロレンズアレイ１２の各マイクロレンズ１３の真下に到達すると、レーザ光源９がパルス発振し、赤外レーザ光Ｌが放射される。

ステップＳ１５においては、レーザ光源９から放射された赤外レーザ光Ｌは、マイクロレンズアレイ１２を介してシリコン基板７の不純物６とは反対側の面７ａに照射し、シリコン基板７を透過してシリコン基板７と不純物６との界面領域に集光する。これにより、先ず、シリコン基板７が上記赤外レーザ光Ｌの一部を吸収して発熱する。

ステップＳ１６においては、シリコン基板７の熱によって不純物６が加熱され、不純物６がシリコン基板７内にドーピングする。

ステップＳ１７においては、シリコン基板７に予め設定された複数のドーピング領域に対する不純物６のドーピングが全て終了したか否かを判定する。ここで、まだ終了しておらず、“ＮＯ”判定となるとステップＳ１４に戻り、ステップＳ１７において“ＹＥＳ”判定となるまで、ステップＳ１４〜Ｓ１７が繰り返し実行される。これにより、シリコン基板７が上記基準マーク８の基板搬送方向における配列ピッチと同距離だけ移動する毎にレーザ光源９がパルス発振し、後続のドーピング領域に対するドーピングが実行される。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、シリコン基板７を透過する赤外レーザ光Ｌを使用してドーピングする場合について説明したが、本発明はこれに限られず、シリコン基板７に対する吸収率が最も高い波長帯、例えば１．２μｍ近傍の赤外レーザ光Ｌを照射した後、シリコン基板７に対する透過率の最も高い波長帯、例えば約１．５μｍ〜約６μｍの赤外レーザ光Ｌを集光手段３を介して照射してもよい。または、シリコン基板７の不純物６に接触した面とは反対側の面にシリコン基板７を透過する赤外レーザ光Ｌを照射すると共に、ステージ１の下側からステージ１を透過して不純物６に可視光波長帯、例えば３０８ｎｍ又は８００ｎｍのレーザ光を別の集光手段を介して照射してもよい。

１…ステージ（透明基板）
２…レーザ光学系
３…集光手段
４…撮像手段
５…アライメント機構
６…不純物
７…シリコン基板
８，８ａ，８ｂ…基準マーク
１２…マイクロレンズアレイ（集光手段）
Ｌ…赤外レーザ光

Claims (7)

1. シリコン基板の一面に不純物を接触させた状態で、前記シリコン基板の他面側からシリコン基板を透過する赤外レーザ光を照射する第１段階と、
   前記赤外レーザ光を前記シリコン基板と前記不純物との界面領域に集光させて前記シリコン基板を加熱する第２段階と、
   前記不純物を前記シリコン基板内にドーピングする第３段階と、
   を行なうことを特徴とするレーザードーピング方法。
2. 前記不純物を挟んで前記シリコン基板とは反対側に可視光を透過する透明基板を設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザードーピング方法。
3. 前記１段階は、シリコン基板に対する吸収率が最も高い波長帯の赤外レーザ光を照射した後、シリコン基板に対する透過率の最も高い波長帯の赤外レーザ光を照射することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザードーピング方法。
4. 前記３段階は、前記透明基板側から該透明基板を透過して前記不純物に可視光波長帯のレーザ光を照射することを特徴とする請求項２記載のレーザードーピング方法。
5. 前記透明基板には、前記赤外レーザ光の照射目標位置となる基準マークが形成されており、
   前記基準マークを前記透明基板側から検出し、その位置情報に基づいて前記シリコン基板に対する前記赤外レーザ光の照射位置を調整する、
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザードーピング方法。
6. シリコン基板の一面に不純物を接触させた状態で、前記シリコン基板の他面側からシリコン基板を透過する赤外レーザ光を照射して、前記不純物を前記シリコン基板内にドーピングするレーザードーピング装置であって、
   可視光を透過する透明基板からなり、上面に前記不純物を介在させた状態で前記シリコン基板を保持するステージと、
   前記ステージに対向して設けられ、前記赤外レーザ光を前記シリコン基板と前記不純物との界面領域に集光させる集光手段と、
   前記赤外レーザ光を前記集光手段に照射するレーザ光学系と、
   を備えたことを特徴とするレーザードーピング装置。
7. 前記ステージには、前記シリコン基板に予め設定されたドーピング位置に対応して前記赤外レーザ光の照射目標位置となる基準マークが形成されており、
   さらに、
   前記ステージの下方に設けられ、前記ステージを透過して前記基準マークを撮影する撮像手段と、
   前記撮像手段により撮影して検出された前記基準マークの位置情報に基づいて前記集光手段と前記ステージとを相対的に平行移動し、前記集光手段と前記シリコン基板との位置合わせをするアライメント機構と、
   を備えたことを特徴とする請求項６記載のレーザードーピング装置。

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