JP6732371B2 - レーザアニール装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウエハの浅い領域と深い領域とにそれぞれ注入されているドーパントの活性化アニールを行うレーザアニール装置に関する。

シリコンウエハにドーパントをイオン注入し、その後レーザアニールを行うことにより、ドーパントの活性化が行われる。相対的に浅い領域に注入されたドーパントと、相対的に深い領域に注入されたドーパントとを活性化するために、パルス幅が相対的に長いパルスレーザビームと、パルス幅が相対的に短いパルスレーザビームとを用いてアニールを行う技術が下記の特許文献１、２に開示されている。

特開２０１２−１６４９２１号公報 特開２０１４−３６１１０号公報

本願発明者の種々の評価実験の結果、パルス幅が相対的に長いパルスレーザビームと、パルス幅が相対的に短いパルスレーザビームとのレーザ照射条件を最適化しても、浅い領域のドーパントの活性化率を高めることが困難であることが判明した。浅い領域のドーパントの活性化率が低い場合、浅い領域において、活性化したドーパントの濃度を目標とする濃度にするために、ドーズ量を変えて評価実験を繰り返すことにより、実際のドーズ量の値を絞りこまなければならない。

本発明の目的は、相対的に浅い領域に注入されているドーパントの活性化率を考慮して実際のドーズ量を決定することができるレーザアニール装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたパルスレーザビームが入射する位置に、ドーパントが注入されたシリコンウエハを保持するステージと、
前記レーザ光源を制御する制御装置と、
前記制御装置にデータを入力する入力装置と、
前記制御装置の処理結果を出力する出力装置と
を有し、
前記制御装置に、相対的に浅い第１の層のドーパントとしてのボロンのドーズ量と相対的に深い第２の層のドーパントとしてのリンまたはヒ素のドーズ量との比と、前記第１の層のドーパントの活性化率を考慮した実効ドーズ量と前記第２の層のドーズ量との比との対応関係が記憶されており、
前記制御装置は、作製すべき半導体素子の特性から求められる前記第１の層のドーパントの実効ドーズ量、及び前記第２の層のドーパントのドーズ量が、前記入力装置を通して入力されると、前記対応関係に基づいて、前記第１の層の実際のドーズ量を求め、求められたドーズ量を前記出力装置に出力するレーザアニール装置が提供される。

出力装置に出力されたドーズ量から、相対的に浅い領域に注入されるドーパントの活性化率を考慮した実際のドーズ量を容易に決定することができる。

図１は、実施例による活性化アニール方法に用いられるレーザアニール装置の概略図である。 図２Ａは、実施例による方法を用いて製造される半導体装置の例として示される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図であり、図２Ｂは、レーザアニールを行う段階のシリコンウエハの断面図である。 図３Ａは、シリコンウエハに入射するレーザパルス波形の概略を示すグラフであり、図３Ｂは、シリコンウエハの第２の面におけるレーザパルスの入射領域の平面図である。 図４は、相対的に深い第２の層の第２のドーパントのドーズ量に対する相対的に浅い第１の層の第２のドーパントのドーズ量の比（以下、「ドーズ量比」という。）と、アニール後の第１の層の第１のドーパントの活性化率との関係を示すグラフである。 図５は、ドーズ量比と、第１のドーパントの活性化率と、実効ドーズ量比との関係を示すグラフである。

図１に、実施例による活性化アニール方法に用いられるレーザアニール装置の概略図を示す。このレーザアニール装置には、レーザ光源として、レーザダイオード２１と固体レーザ発振器３１とが装備されている。レーザダイオード２１が、例えば波長８０８ｎｍの準連続発振（ＱＣＷ）の第１のパルスレーザビームを出力する。なお、波長８００ｎｍ以上９５０ｎｍ以下のパルスレーザビームを出力するレーザダイオードを用いてもよい。固体レーザ発振器３１が、緑色の波長域の第２のパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器３１には、例えば第２高調波を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等が用いられる。

レーザダイオード２１から出力された第１のパルスレーザビーム及び固体レーザ発振器３１から出力された第２のパルスレーザビームが、伝搬光学系２７を経由して、アニールの対象のシリコンウエハ５０に入射する。

次に、伝搬光学系２７の構成及び作用について説明する。レーザダイオード２１から出力された第１のパルスレーザビームが、アッテネータ２２、ビームエキスパンダ２３、ホモジナイザ２４を経由し、ダイクロイックミラー２５で反射され、その後、集光レンズ２６を経由して、シリコンウエハ５０に入射する。

固体レーザ発振器３１から出力された第２のパルスレーザビームが、アッテネータ３２、ビームエキスパンダ３３、ホモジナイザ３４、ベンディングミラー３５を経由し、ダイクロイックミラー２５を透過し、その後集光レンズ２６を経由して、シリコンウエハ５０に入射する。

ビームエキスパンダ２３、３３は、それぞれ入射した第１のパルスレーザビーム及び第２のパルスレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。ホモジナイザ２４、３４及び集光レンズ２６は、シリコンウエハ５０の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一化する。レーザダイオード２１から出力された第１のパルスレーザビームと、固体レーザ発振器３１から出力された第２のパルスレーザビームとは、シリコンウエハ５０の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。

シリコンウエハ５０はステージ４１に保持されている。シリコンウエハ５０の表面に平行な面をＸＹ面とし、シリコンウエハ５０の表面の法線方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を定義する。ステージ４１は、制御装置２０からの制御を受けて、シリコンウエハ５０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。制御装置２０は、レーザダイオード２１及び固体レーザ発振器３１を制御する。

入力装置４５を通して、制御装置２０に種々のデータ、指令等が入力される。制御装置２０は、出力装置４６に、データ処理結果を出力する。

図２Ａに、実施例による方法を用いて製造される半導体素子の例として、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型のシリコンウエハ５０の一方の面（以下、「第１の面」という。）５０Ｔにエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面（以下、「第２の面」という。）５０Ｂ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。例えば、図２Ａに示すように、シリコンウエハ５０の第１の面５０Ｔの表層部に、ｐ型のベース領域５１、ｎ型のエミッタ領域５２、ゲート電極５３、ゲート絶縁膜５４、エミッタ電極５５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。

シリコンウエハ５０の第２の面５０Ｂの表層部に、ｐ型のコレクタ層５７及び低濃度のｎ型のバッファ層５６が形成されている。バッファ層５６は、コレクタ層５７よりも深い領域に配置される。コレクタ層５７及びバッファ層５６は、それぞれｐ型の第１のドーパント及びｎ型の第２のドーパントをイオン注入して活性化することにより形成される。第１のドーパントとして、例えばボロン（Ｂ）が用いられ、第２のドーパントとして、例えばリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等が用いられる。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５８が、活性化アニールの後に、コレクタ層５７の表面に形成される。

第２の面５０Ｂからコレクタ層５７とバッファ層５６との界面までの深さは、例えば約０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内である。第２の面からバッファ層５６の最も深い位置までの深さは、例えば１μｍ〜５μｍの範囲内である。

図２Ｂに、レーザアニールを行う段階のシリコンウエハ５０の断面図を示す。シリコンウエハ５０の第２の面５０Ｂの表層部の第１の層５７ａに、第１のドーパントがイオン注入されている。第１の層５７ａより深い第２の層５６ａに、第２のドーパントがイオン注入されている。第１の層５７ａ内の第１のドーパント、及び第２の層５６ａ内の第２のドーパントは、この時点では活性化されていない。第１の層５７ａの第１のドーパントのドーズ量は、第２の層５６ａの第２のドーパントのドーズ量より高い。

第２のドーパント（例えばＰまたはＡｓ）はシリコンより重く、第１のドーパント（例えばＢ）はシリコンより軽い。ここで、「重い」及び「軽い」は、それぞれ「質量数が大きい」及び「質量数が軽い」ことを意味する。シリコンより重いイオンをドーパントとして注入すると、注入されたイオンは、主としてシリコンウエハを構成するシリコン原子と衝突（核的衝突）することによって、イオンの飛程のほぼ全域に亘って格子欠陥が発生する。これに対し、シリコンより軽いイオンをドーパントとして注入すると、注入されたイオンは、主として電子と衝突（電子的衝突）する。その結果、注入されたイオンの運動エネルギが失われて停止する位置の近傍、言い換えるとドーパント濃度が極大値を示す深さの近傍に格子欠陥が生じる。

図２Ｂに示した例では、第２のドーパントの注入によって、シリコンウエハ５０の第２の面５０Ｂから第２の層５６ａの最深部までのほぼ全域に格子欠陥が生じる。第１のドーパントの注入によって、第１の層５７ａの最深部近傍に格子欠陥が生じる。シリコンウエハ５０の第１の面５０Ｔには、図２Ａに示した素子構造が形成されている。

図３Ａに、シリコンウエハ５０（図２Ｂ）に入射するレーザパルス波形の概略を示す。図３Ａでは、パルス波形を長方形で表しているが、実際のパルス波形は、パルスの立ち上がり、減衰、及び立ち下がり等の部分を含む。図３Ａに示されたパルス波形の出力タイミングは、制御装置２０（図１）がレーザダイオード２１及び固体レーザ発振器３１を制御することにより決定される。

時刻ｔ１に、レーザダイオード２１からの第１のレーザパルスＬＰ１が立ち上がる。時刻ｔ１の後の時刻ｔ２に、固体レーザ発振器３１からの第２のレーザパルスＬＰ２立ち上がる。第１のレーザパルスＬＰ１と第２のレーザパルスＬＰ２とが入射する領域は、ほぼ重なる。第２のレーザパルスＬＰ２のピークパワーは、第１のレーザパルスＬＰ１のピークパワーより高く、第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１より短い。時刻ｔ３で、第２のレーザパルスＬＰ２が立ち下がる。その後、時刻ｔ４で、第１のレーザパルスＬＰ１が立ち下がる。

図３Ａに示した第１のレーザパルスＬＰ１と第２のレーザパルスＬＰ２の、時間軸上の相対位置関係は一例であり、その他の相対位置関係としてもよい。例えば、第２のレーザパルスＬＰ２の立上り時点を、第１のレーザパルスＬＰ１の立ち上がり時点（時刻ｔ１）に一致させてもよいし、第１のレーザパルスＬＰ１の立ち下がり時点（時刻ｔ４）に一致させてもよい。さらに、第１のレーザパルスＬＰ１が立ち下がった後に、第２のレーザパルスＬＰ２を立ち上げてもよい。

第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１は、例えば１０μｓ以上である。第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、例えば１μｓ以下である。一例として、パルス幅ＰＷ１が１０μｓ〜３０μｓの範囲内であり、パルス幅ＰＷ２が１００ｎｓ〜２００ｎｓの範囲内である。第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２を、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の１／１０以下とすることが好ましい。

図３Ｂに、シリコンウエハ５０（図２Ｂ）の第２の面５０Ｂにおけるレーザパルスの入射領域の平面図を示す。第１のレーザパルスＬＰ１（図３Ａ）及び第２のレーザパルスＬＰ２（図３Ａ）は、シリコンウエハ５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）において、Ｘ方向に長い同一のビーム入射領域４０に入射する。例えば、ビーム入射領域４０の好適な長さＬ及び幅Ｗｔは、それぞれ２ｍｍ〜４ｍｍ及び２００μｍ〜４００μｍである。

アニール中は、シリコンウエハ５０（図２Ｂ）をＹ方向に移動させながら、第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２（図３Ａ）を、一定の繰り返し周波数でシリコンウエハ５０に入射させる。第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２の繰り返し周波数の１周期の間にシリコンウエハ５０が移動する距離をＷｏで表す。時間軸上で隣り合う２つの第１のレーザパルスＬＰ１のビーム入射領域４０は、相互に部分的に重なる。両者の重複率Ｗｏ／Ｗｔは、例えば５０％である。

図３Ａでは、第１のパルスレーザビームと第２のパルスレーザビームとを同時に出力させながらアニールを行う例を示したが、その他に、レーザダイオード２１から出力される第１のパルスレーザビームでシリコンウエハ５０の全域のアニールを行い、その後、固体レーザ発振器３１から出力される第２のパルスレーザビームでシリコンウエハ５０の全域のアニールを行なってもよい。逆に、固体レーザ発振器３１から出力される第２のパルスレーザビームでシリコンウエハ５０の全域のアニールを行い、その後、レーザダイオード２１から出力される第１のパルスレーザビームでシリコンウエハ５０の全域のアニールを行なってもよい。

相対的にパルス幅の短い第２のパルスレーザビームによって、主として相対的に浅い第１の層５７ａ（図２Ｂ）の第１のドーパントが活性化される。相対的にパルス幅の長い第１のパルスレーザビームによって、主として相対的に深い第２の層５６ａ（図２Ｂ）の第２のドーパントが活性化される。

図４に、相対的に深い第２の層５６ａ（図２Ｂ）の第２のドーパントのドーズ量Ｄ２と相対的に浅い第１の層５７ａ（図２Ｂ）の第１のドーパントのドーズ量Ｄ１との比（以下、「ドーズ量比」という。）と、第１のドーパントの活性化率Ａｒとの関係を示す。図４の横軸はドーズ量比Ｄ１／Ｄ２を対数目盛りで表し、縦軸は第１のドーパントの活性化率Ａｒを単位「％」で表す。図４では、第１のパルスレーザビームと第２のパルスレーザビームとのパルスエネルギ密度、入射タイミング、パルス幅等の種々のアニール条件を変えて評価実験を行なった結果を示している。この評価実験においては、図１に示したレーザダイオード２１からの第１のパルスレーザビームと、固体レーザ発振器３１からの第２のパルスレーザビームとをシリコンウエハ５０に入射させた。

図４の評価実験の結果から、ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２が大きくなるに従って、第１のドーパントの活性化率Ａｒが高くなっていることがわかる。ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２が１のとき、第１のドーパントの活性化率Ａｒは１０％〜３０％程度である。ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２が１のとき、５０％以上の活性化率を得ることは困難であることがわかる。

ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２が１０以上になると、第１のパルスレーザビームによるアニール条件を好適な条件に設定することにより、第１のドーパントの活性化率Ａｒを５０％以上にすることが可能になる。以下、ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２と第１のドーパントの活性化率Ａｒとの関係について考察する。

活性化アニール前のシリコンウエハ中の格子欠陥は、活性化アニール時におけるドーパントの活性化を妨げる。実施例においては、相対的に浅い第１の層５７ａ（図２Ｂ）には、第１の層５７ａに第１のドーパントを注入する時に発生した格子欠陥のみならず、第２の層５６ａに第２のドーパントを注入する時に発生した格子欠陥も発生している。このため、第１の層５７ａの格子欠陥密度は、第１のドーパントのみを注入した場合よりも高くなる。その結果、第１の層５７ａ内の第１のドーパントの活性化率Ａｒの向上が妨げられる。

第１の層５７ａ内の格子欠陥密度に対して第１のドーパントの濃度を高くすると、第１のドーパントの活性化率が高くなることが予測される。図４に示した評価実験の結果は、この予測が正しいことを示唆している。

実際の半導体プロセスにおいては、ドーパントの活性化率を５０％以上にすることが望まれる。図４に示した評価実験の結果からわかるように、第１の層５７ａの第１のドーパントの活性化率Ａｒを５０％以上にするために、第１のドーパントのドーズ量Ｄ１を第２のドーパントのドーズ量Ｄ２の１０倍以上にすることが好ましい。

次に、図５を参照して、第１の層５７ａのドーズ量Ｄ１を決定する方法について説明する。
図５に、ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２と、第１のドーパントの活性化率Ａｒと、実効ドーズ量比との関係を示す。横軸はドーズ量比Ｄ１／Ｄ２を表し、左縦軸は第１のドーパントの活性化率Ａｒを単位「％」で表し、左縦軸は実効ドーズ量比を単位「％」で表す。図５の細い実線が第１のドーパントの活性化率Ａｒを示す、太い実線が、実効ドーズ量比を示す。

ここで、実効ドーズ量比は、（Ａｒ×Ｄ１）／Ｄ２と定義される。すなわち、実効ドーズ量比は、実際に注入された第１のドーパントのうち活性化される第１のドーパントに対応したドーズ量と、第２のドーパントのドーズ量Ｄ２との比である。ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２と実効ドーズ量比（Ａｒ×Ｄ１）／Ｄ２との対応関係が、予め制御装置２０に記憶されている。

半導体プロセスにおいては、作製する半導体素子に求められる特性から、ドーパントのドーズ量が決定される。ところが、実際に注入したドーパントの一部分しか活性化されない場合には、目標とする特性が得られない。目標とする特性が得られるまで、ドーズ量を変えて評価試験を繰り返すことにより、最終的なドーズ量を決定することができる。このため、評価試験に時間及びコストを要する。

実施例においては、まず、半導体素子に求められる特性から、第１のドーパントの活性化率Ａｒを考慮した実効ドーズ量Ａｒ×Ｄ１と第２のドーパントのドーズ量Ｄ２とを決定する。オペレータは、決定された実効ドーズ量Ａｒ×Ｄ１とドーズ量Ｄ２とを、入力装置４５（図１）を通して制御装置２０に入力する。

制御装置２０は、入力された実効ドーズ量Ａｒ×Ｄ１とドーズ量Ｄ２とから実効ドーズ量比（Ａｒ×Ｄ１）／Ｄ２を算出する。この算出結果を、実効ドーズ量比とドーズ量比との対応関係に適用することにより、ドーズ量比Ｄ１／Ｄ２を求める。入力されたドーズ量Ｄ２と、求められたドーズ量比Ｄ１／Ｄ２とから、ドーズ量Ｄ１が算出される。算出されたドーズ量Ｄ１を出力装置４６に出力する。オペレータは、出力されたドーズ量Ｄ１を、実際のイオン注入で注入すべきドーズ量とすればよい。

上記実施例では、予測される活性化率を考慮して第１のドーパントのドーズ量Ｄ１が決定されるため、所望の特性を得るための評価実験の繰り返し回数を削減することができる。

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。

２０ 制御装置
２１ レーザダイオード
２２ アッテネータ
２３ ビームエキスパンダ
２４ ホモジナイザ
２５ ダイクロイックミラー
２６ 集光レンズ
２７ 伝搬光学系
３１ 固体レーザ発振器
３２ アッテネータ
３３ ビームエキスパンダ
３４ ホモジナイザ
３５ ベンディングミラー
４０ ビーム入射領域
４１ ステージ
４５ 入力装置
４６ 出力装置
５０ シリコンウエハ
５０Ｔ 第１の面
５０Ｂ 第２の面
５１ ｐ型のベース領域
５２ ｎ型のエミッタ領域
５３ ゲート電極
５４ ゲート絶縁膜
５５ エミッタ電極
５６ バッファ層
５６ａ 第２の層
５７ コレクタ層
５７ａ 第１の層
５８ コレクタ電極

Claims (1)

1. パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたパルスレーザビームが入射する位置に、ドーパントが注入されたシリコンウエハを保持するステージと、
   前記レーザ光源を制御する制御装置と、
   前記制御装置にデータを入力する入力装置と、
   前記制御装置の処理結果を出力する出力装置と
   を有し、
   前記制御装置に、相対的に浅い第１の層のドーパントとしてのボロンのドーズ量と相対的に深い第２の層のドーパントとしてのリンまたはヒ素のドーズ量との比と、前記第１の層のドーパントの活性化率を考慮した実効ドーズ量と前記第２の層のドーズ量との比との対応関係が記憶されており、
   前記制御装置は、作製すべき半導体素子の特性から求められる前記第１の層のドーパントの実効ドーズ量、及び前記第２の層のドーパントのドーズ量が、前記入力装置を通して入力されると、前記対応関係に基づいて、前記第１の層の実際のドーズ量を求め、求められたドーズ量を前記出力装置に出力するレーザアニール装置。
   

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