JP7244256B2 - レーザアニール装置、ウエハ保持装置及びレーザアニール方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウエハ保持装置及びレーザアニール方法に関する。

半導体ウエハに注入したドーパントをレーザアニールによって活性化させる技術が知られている（特許文献１）。半導体ウエハのレーザで照射される面（レーザ照射面）とは反対側の面（非照射面）に半導体素子が形成されている場合は、温度上昇による半導体素子の劣化を防止するために、表側の面の温度上昇を抑制することが好ましい。特許文献１に、冷却器の上に半導体ウエハを置いてレーザアニールを行うことにより、レーザ照射面とは反対側の面を冷却する技術が開示されている。

特開平７－２２６４０５号公報

半導体ウエハの非照射面の全面を冷却すると、反対側のレーザ照射面の温度も低下してしまう。レーザアニール時には、この温度の低下分を考慮してレーザ照射面の温度を目標温度まで上昇させなければならない。すなわち、非照射面を冷却したことにより、レーザ照射面の温度の上昇幅を大きくしなければならなくなる。レーザ照射面の温度の上昇幅が大きくなると、レーザ照射面の温度の上昇幅に応じて、非照射面の温度の上昇幅も大きくなる。このように、非照射面の冷却による熱影響がレーザ照射面まで及ぶことにより、非照射面を冷却する効果が減殺されてしまう。

本発明の目的は、ウエハの非照射面の温度調整を行うとともに、レーザ照射面への熱影響を低減させることが可能なレーザアニール装置、ウエハ保持装置及びレーザアニール方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームを入射させてレーザアニールを行う対象物であるウエハを吸着して保持するウエハ保持面と、
前記ウエハ保持面の面内方向に分布し、前記ウエハ保持面に保持されたウエハを冷却する複数の温度調整ユニットと、
前記ウエハ保持面に保持された前記ウエハにパルスレーザビームを入射させるレーザ光源と、
前記ウエハのレーザ照射面内でパルスレーザビームの入射位置を移動させる走査機構と、
前記複数の温度調整ユニットから選択した一部の温度調整ユニットを動作させ、前記ウエハ保持面に保持されている前記ウエハの一部分の温度を、前記ウエハの下面側から調整することにより、前記パルスレーザビームの入射箇所に対応する前記ウエハの一部分を冷却する制御装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
半導体層を含むウエハの一方の面であるレーザ照射面とは反対側の面をウエハ保持面に吸着して保持し、
前記ウエハ保持面に吸着して保持された前記ウエハの前記レーザ照射面にレーザビームを入射させ、前記レーザ照射面においてレーザビームの入射位置を移動させてアニールを行い、
前記アニールを行っている期間中に、前記ウエハの前記レーザ照射面とは反対側の非照射面の一部分の温度を、温度調整機構を制御して調整し、
前記温度を調整するときに、前記ウエハへのレーザビームの入射位置の移動に応じて、温度調整を行う対象となる位置が変化するように前記温度調整機構を制御するレーザアニール方法が提供される。

ウエハの下面（非照射面）側からウエハの一部分の温度調整を行っても、温度調整を行っていない部分ではウエハのレーザ照射面が温度調整の影響を受けにくい。温度調整を行うことが好ましい箇所についてのみ温度調整を行うことにより、他の箇所においてレーザ照射面への熱影響を低減させることができる。

図１は、実施例によるウエハ保持装置を備えたレーザアニール装置の概略図である。 図２Ａは、実施例によるウエハ保持装置及びウエハの概略平面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線２Ｂ－２Ｂにおける概略断面図である。 図３は、実施例によるレーザアニール方法のフローチャートである。 図４は、他の実施例によるウエハ保持装置の概略断面図である。 図５は、さらに他の実施例によるウエハ保持装置の概略断面図である。 図６は、さらに他の実施例によるウエハ保持装置の概略断面図である。

図１は、実施例によるウエハ保持装置を備えたレーザアニール装置の概略図である。チャンバ５０内に走査機構５２によってウエハ保持装置１０が支持されている。走査機構５２は、制御装置６３からの指令を受けて、ウエハ保持装置１０を水平面内で移動させることができる。走査機構５２はエンコーダを含み、ウエハ保持装置１０の現在位置を表す位置情報がエンコーダから制御装置６３に読み込まれる。

ウエハ保持装置１０の上面であるウエハ保持面１１に、アニール対象物である半導体層を含むウエハ８０が保持される。ウエハ保持装置１０のより詳細な構成については、後に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。ウエハ８０は、例えば、ドーパントが注入されたシリコンウエハ等の半導体ウエハである。このレーザアニール装置は、例えば半導体からなるウエハ８０に注入されたドーパントの活性化アニールを行う。その他に、ウエハ８０は、例えば、シリサイド反応する金属膜が表面に形成されたシリコンウエハである。この場合、レーザアニール装置は金属シリサイド膜の形成のためのアニールを行う。

レーザ光源６０が、制御装置６３からの指令を受けて、アニール用のパルスレーザビームを出力する。レーザ光源６０として、例えば発振波長約８００ｎｍのレーザダイオードが用いられる。レーザ光源６０から出力されたパルスレーザビームが伝送光学系６１、及びレンズ６２を経由し、チャンバ５０の天板に設けられたレーザ透過窓５１を透過して、ウエハ８０に入射する。ウエハ８０の一方の面であるパルスレーザビームが入射する面を「レーザ照射面」といい、その反対側の面を「非照射面」ということとする。伝送光学系６１は、例えばビームホモジナイザ、アパーチャ、レンズ、ミラー等を含む。ビームホモジナイザとレンズ６２とにより、ウエハ８０のレーザ照射面における照射領域が整形され、ビームプロファイルが均一化される。

制御装置６３は、走査機構５２を制御して、ウエハ保持装置１０を水平面内の二次元方向に移動させる。ウエハ保持装置１０が移動する２方向をｘ軸方向及びｙ軸方向とし、鉛直上向きの方向をｚ軸の正方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。制御装置６３は、さらに、ウエハ保持装置１０の現在位置情報に基づいて、レーザ光源６０を制御してレーザ光源６０からパルスレーザビームを出力させる。例えば、制御装置６３は、走査機構５２及びレーザ光源６０を制御して、ウエハ８０のレーザ照射面内においてパルスレーザビームの入射位置を主走査方向（ｙ軸方向）と副走査方向（ｘ軸方向）とに移動させる。主走査と副走査とを繰り返すことにより、ウエハ８０のレーザ照射面のほぼ全域をアニールすることができる。

図２Ａは、ウエハ保持装置１０の概略平面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線２Ｂ－２Ｂにおける概略断面図である。図２Ａにおいて、ウエハ保持装置１０に保持されたウエハ８０を破線で示す。ウエハ保持装置１０は、温度調整機構２０、及び冷却部２６を含む。温度調整機構２０は、ｘｙ面に平行な平面内に並べられた複数の温度調整ユニット２１を有する。本実施例では、温度調整ユニット２１としてペルチェ素子が用いられる。複数の温度調整ユニット２１の上面は１つの仮想平面に沿って配置されており、ウエハ８０を保持するウエハ保持面１１を構成する。複数の温度調整ユニット２１は、例えばｘ軸方向及びｙ軸方向を行方向及び列方向とする行列状に分布している。

温度調整ユニット２１のウエハ保持面とは反対側の下面に、冷却部２６が接している。冷却部２６は温度調整ユニット２１であるペルチェ素子の下面を冷却する。冷却部２６には、例えば空冷装置または液冷装置が用いられる。

複数の温度調整ユニット２１の間を通って複数の吸引経路２２が保持面に開口している。吸引経路２２の開口部２４は、例えば行列状に配置された複数の温度調整ユニット２１の格子点に対応する位置に設けられる。吸引経路２２は、例えば温度調整ユニット２１の側面に設けられた溝や、温度調整ユニット２１の隙間に配置された配管、冷却部２６を厚さ方向に貫通する配管等で構成される。吸引ポンプ２３が、ウエハ保持面１１に保持されたウエハ８０を、吸引経路２２を介して吸着する。吸引ポンプ２３及び吸引経路２２が、吸着機構を構成する。なお、複数の温度調整ユニット２１の隙間自体を吸引経路２２の一部として利用してもよい。このようにすることで、温度調整ユニット２１の側面に溝を設けたり、温度調整ユニット２１の間に配管を配置したりすることなく、吸引経路２２の一部を構成することができる。

制御装置６３は、複数の温度調整ユニット２１から選択した一部の温度調整ユニット２１を動作させる。動作中の温度調整ユニット２１がウエハ８０の下面を冷却する。また、温度調整ユニット２１に流す電流の向きを反転させると、ウエハ８０が加熱される。このように、ｘｙ面内においてウエハ８０の一部分のみを局所的に冷却または加熱することができる。

ウエハ８０にパルスレーザビームを入射させると、ウエハ８０のレーザ照射面にビームスポット６５（図２Ａ）が形成される。ビームスポット６５は、例えばｘ軸方向に長い長尺形状を有する。制御装置６３は走査機構５２を制御して、ｙ軸方向への主走査と、ｘ軸方向への副走査とを繰り返す。これにより、ウエハ８０のレーザ照射面の全域がアニールされる。

次に、図３を参照して本実施例によるウエハ保持装置１０を用いたレーザアニール方法について説明する。

図３は、本実施例によるレーザアニール方法のフローチャートである。まず、イオン注入されたアニール対象のウエハ８０をウエハ保持装置１０のウエハ保持面１１（図２Ｂ）に載せ、ウエハ８０を吸着する（ステップＳ１）。このとき、ウエハ８０のレーザ照射面を上方に向ける。

ウエハ８０を吸着した後、レーザ光源６０（図１）からのパルスレーザビームの出力、及び走査機構５２による走査を開始する（ステップＳ２）。さらに、レーザアニールを行っている期間中に、ウエハ８０へのパルスレーザビーム入力箇所に対応して、制御装置６３が温度調整機構２０を制御する（ステップＳ３）。例えば、平面視においてパルスレーザビームのビームスポット６５を内部に含む温度調整ユニット２１を動作させる。ビームスポット６５が、平面視において、動作中の温度調整ユニット２１の内側から外側に移動すると、この温度調整ユニット２１の動作を停止させるとともに、ビームスポット６５が新たに進入した領域の温度調整ユニット２１を動作させる。このように、ビームスポット６５の位置に応じて、ウエハ８０の面内において冷却させる位置を変化させる。

ウエハ８０のレーザ照射面の全域がアニールされるまで、パルスレーザビームによるレーザ照射面の走査と、温度調整機構２０の制御とを実行する（ステップＳ４）。ウエハ８０のレーザ照射面の全域がアニールされると、パルスレーザビームの出力を停止させ、走査機構５２による走査を停止させる（ステップＳ５）。その後、ウエハ保持装置１０からアニール後のウエハ８０を搬出する（ステップＳ６）。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、ウエハ８０のうち、パルスレーザビームの入射箇所に対応する一部分のみが局所的に冷却される。パルスレーザビームの入射とほぼ同時、または入射の直前に、ウエハ８０の非照射面の冷却を開始すると、ウエハ８０のレーザ照射面の過剰な冷却を抑制することができる。このため、アニールに必要とされるパルスレーザビームのフルエンスの増大を抑制することができる。その結果、ウエハ８０の非照射面を冷却する効果が減殺されることがない。さらに、ウエハ８０の全域を冷却する場合に比べて、ペルチェ素子である温度調整ユニット２１による電力消費量を削減することができる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、温度調整ユニット２１でウエハ８０の非照射面を冷却するが、温度調整ユニット２１に流す電流の向きを反転させて、ウエハ８０の非照射面を加熱してもよい。パルスレーザビームが入射される直前の領域を温度調整ユニット２１により予熱しておくことができる。予熱しておくことにより、アニールに必要なパルスレーザビームのフルエンスを低減させることができる。加熱する場合には、レーザビームの走査方向の前方に位置する一部の温度調整ユニット２１を動作させるとよい。これにより、十分な予熱効果を得るとともに、加熱に必要な電力消費量を削減することができる。

上記実施例では、複数の温度調整ユニット２１の上面にウエハ８０を直接接触させたが、温度調整ユニット２１の上面にコーティングを施してもよい。コーティングを施すことにより、ウエハ保持面の平坦性を高め、温度調整ユニット２１とウエハ８０との密着性を高めることができる。

レーザビームによる主走査と副走査とを繰り返すと、主走査の折り返し地点の直後にレーザビームが入射する領域において、直前の主走査による予熱効果によってウエハ８０の温度が上昇しやすい。温度が上昇しやすい領域を走査しているときの冷却効果を高めることにより、面内方向に関するアニールの均一性を高めることができる。冷却効果の増減は、温度調整ユニット２１に流す電流を増減させることにより行うことができる。このように、制御装置６３（図２Ｂ）は、走査の状況に応じて、温度調整ユニット２１に流す電流を増減させる機能を持つとよい。

次に、図４を参照して他の実施例によるウエハ保持装置１０について説明する。以下、図１～図２Ｂに示した実施例によるウエハ保持装置１０と共通の構成については説明を省略する。

図４は、本実施例によるウエハ保持装置１０の概略断面図である。図２Ｂに示したウエハ保持装置１０では、温度調整ユニット２１の上面がウエハ保持面１１を構成しており、温度調整ユニット２１にウエハ８０が直接接触している。これに対し、図４に示した実施例では、複数の温度調整ユニット２１の上にチャックテーブル２５が配置されている。チャックテーブル２５の上面がウエハ保持面１１として機能し、この上にウエハ８０が保持される。

チャックテーブル２５内に吸引経路２２が設けられており、吸引経路２２がウエハ保持面１１に開口する。吸引ポンプ２３がチャックテーブル２５の上に保持されたウエハ８０を、吸引経路２２を介して吸着する。複数の温度調整ユニット２１は、チャックテーブル２５の下面に熱的に結合している。温度調整ユニット２１を動作させると、チャックテーブル２５を介してウエハ８０が冷却される。

次に、図４に示した実施例の優れた効果について説明する。
図４に示した実施例では、温度調整ユニット２１の隙間に吸引経路２２を配置する必要がない。このため、温度調整ユニット２１をより密に配置することが可能になる。

ただし、図４に示した実施例では、温度調整ユニット２１とウエハ８０との間にチャックテーブル２５が介在するため、ウエハ８０の冷却時に、チャックテーブル２５を厚さ方向に熱が伝導する時間に相当する時間遅れが生ずる。このため、この時間遅れを考慮して、温度調整ユニット２１を動作せることが好ましい。また、チャックテーブル２５を横方向に熱が伝導するため、ウエハ８０の非照射面のうり１つの温度調整ユニット２１によって冷却される領域が広がる。ウエハ８０を冷却する際には、冷却効果が得られる領域の広がりを考慮して動作させる温度調整ユニット２１を選択するとよい。

チャックテーブル２５には、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。さらに、チャックテーブル２５には、熱膨張係数の小さい材料を用いることが好ましい。チャックテーブル２５に用いる好ましい材料として、例えばセラミックス、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、テフロンコート複合材料等が挙げられる。

次に、図５を参照してさらに他の実施例によるウエハ保持装置１０について説明する。以下、図４に示した実施例によるウエハ保持装置１０と共通の構成については説明を省略する。

図５は、本実施例によるウエハ保持装置１０の概略断面図である。チャックテーブル３０のウエハ保持面１１にウエハ８０が保持される。チャックテーブル３０内に、吸引経路２２及び複数の温度調整ユニット２１が設けられている。吸引経路２２は図４に示した実施例の場合と同様に、ウエハ保持面１１に開口しており、吸引ポンプ２３が吸引経路２２を介してウエハ保持面１１にウエハ８０を吸着する。

複数の温度調整ユニット２１がチャックテーブル３０内に設けられている。複数の温度調整ユニット２１は、それぞれ複数の熱媒体流路で構成される。ポンプ３２から吐出された熱媒体が、熱媒体流路である温度調整ユニット２１の各々を通り、熱交換器３３を経由した後、ポンプ３２に回収される。熱交換器３３は熱媒体を冷却する。ポンプ３２と、複数の温度調整ユニット２１とを接続する経路に、温度調整ユニット２１ごとに開閉弁３４が取り付けられている。制御装置６３が、複数の開閉弁３４の開閉の制御を行う。開閉弁３４を開くことにより、開かれた開閉弁３４に接続されている温度調整ユニット２１が動作する。チャックテーブル３０のうち動作している温度調整ユニット２１が配置されている箇所が局所的に冷却される。開閉弁３４の開度によって熱媒体の流量を調整することにより、温度調整ユニット２１の冷却能力を調整することができる。

制御装置６３は、冷却したい箇所の温度調整ユニット２１に対応する開閉弁３４を開くことにより、チャックテーブル３０の所望の箇所を局所的に冷却することができる。その結果、チャックテーブル３０に吸着されているウエハ８０の所望の領域を局所的に冷却することができる。複数の温度調整ユニット２１、ポンプ３２、熱交換器３３、及び開閉弁３４により、温度調整機構２０が構成される。

熱交換器３３が熱媒体を冷却する代わりに加熱することにより、チャックテーブル３０を局所的に加熱することができる。

図５に示した実施例においても、ウエハ８０の所望の箇所を局所的に冷却または加熱することができるため、図１～図２Ｂに示した実施例と同様の効果が得られる。

次に、図６を参照してさらに他の実施例によるウエハ保持装置１０について説明する。以下、図４に示した実施例によるウエハ保持装置１０と共通の構成については説明を省略する。

図６は、本実施例によるウエハ保持装置１０の概略断面図である。チャックテーブル２５の下に複数の温度調整ユニット２１が配置されている。複数の温度調整ユニット２１は、チャックテーブル２５に対して上下方向に移動可能に支持された昇降ブロックで構成される。複数の温度調整ユニット２１は、その下に共通に配置された冷却部材４３に熱的に結合している。制御装置６３が、温度調整ユニット２１の昇降動作を制御する。冷凍機４２が冷却部材４３を冷却する。

複数の温度調整ユニット２１は、冷凍機４２により冷却部材４３を介して冷却されている。温度調整ユニット２１が上昇するとチャックテーブル２５の下面に接触する。チャックテーブル２５のうち、温度調整ユニット２１が接触した箇所が局所的に冷却される。温度調整ユニット２１、冷却部材４３、及び冷凍機４２により、温度調整機構２０が構成される。冷凍機４２に代えてヒータを用いると、チャックテーブル２５を局所的に加熱することができる。

図６に示した実施例においても、ウエハ８０の所望の箇所を局所的に冷却または加熱することができるため、図１～図２Ｂに示した実施例と同様の効果が得られる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例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。

１０ ウエハ保持装置
１１ ウエハ保持面
２０ 温度調整機構
２１ 温度調整ユニット
２２ 吸引経路
２３ 吸引ポンプ
２４ 開口部
２５ チャックテーブル
２６ 冷却部
３０ チャックテーブル
３２ ポンプ
３３ 熱交換器
３４ 開閉弁
４２ 冷凍機
４３ 冷却部材
５０ チャンバ
５１ レーザ透過窓
５２ 走査機構
６０ レーザ光源
６１ 伝送光学系
６２ レンズ
６３ 制御装置
６５ ビームスポット
８０ ウエハ

Claims (4)

1. レーザビームを入射させてレーザアニールを行う対象物であるウエハを吸着して保持するウエハ保持面と、
   前記ウエハ保持面の面内方向に分布し、前記ウエハ保持面に保持されたウエハを冷却する複数の温度調整ユニットと、
   前記ウエハ保持面に保持された前記ウエハにパルスレーザビームを入射させるレーザ光源と、
   前記ウエハのレーザ照射面内でパルスレーザビームの入射位置を移動させる走査機構と、
   前記複数の温度調整ユニットから選択した一部の温度調整ユニットを動作させ、前記ウエハ保持面に保持されている前記ウエハの一部分の温度を、前記ウエハの下面側から調整することにより、前記パルスレーザビームの入射箇所に対応する前記ウエハの一部分を冷却する制御装置と
   を有するレーザアニール装置。
2. 複数の前記温度調整ユニットの各々はペルチェ素子を含む請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. レーザビームを入射させてレーザアニールを行う対象物であるウエハを吸着して保持するウエハ保持面と、
   前記ウエハ保持面に吸着して保持されている前記ウエハの一部分の温度を、前記ウエハの下面側から調整するとともに、温度調整を行う対象となる位置を、前記ウエハ保持面に保持されている前記ウエハの面内で変化させる温度調整機構と、
   前記ウエハ保持面に保持されている前記ウエハへのレーザビームの入射位置の移動に応じて温度調整を行う対象となる位置が変化するように、前記温度調整機構を制御する制御装置と
   を有するウエハ保持装置。
4. 半導体層を含むウエハの一方の面であるレーザ照射面とは反対側の面をウエハ保持面に吸着して保持し、
   前記ウエハ保持面に吸着して保持された前記ウエハの前記レーザ照射面にレーザビームを入射させ、前記レーザ照射面においてレーザビームの入射位置を移動させてアニールを行い、
   前記アニールを行っている期間中に、前記ウエハの前記レーザ照射面とは反対側の非照射面の一部分の温度を、温度調整機構を制御して調整し、
   前記温度を調整するときに、前記ウエハへのレーザビームの入射位置の移動に応じて、温度調整を行う対象となる位置が変化するように前記温度調整機構を制御するレーザアニール方法。
   

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