JP7257402B2 - パターン化された半導体デバイスのレーザ照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、パターン化された半導体デバイスをアニールして、半導体デバイスの残りの構造に影響を与えることなく、選択された構造（または層）のセットの電気的または構造的特性を局所的に変更する方法に関する。

より具体的には、本発明は、ゲートなどの半導体デバイスの他の構造に影響を与えることなく、選択された構造、特に半導体デバイスのフィン状構造のレーザ照射、典型的にはＵＶレーザビームの方法に関する。

たとえば１０ｎｍ半導体技術では、デバイス構造は非常に壊れやすい。たとえば、卓越したフィン状構造は、製造プロセスのさまざまな工程で構造的な損傷を受けやすくなる。さらに、いくつかの工程では、ゲート、通常は低温材料（金属やポリシリコンなど）で作られたフィン構造に垂直な壊れやすい層のセットもある。アニーリングの特定のケースでは、フィンの損傷、ゲートの損傷、ゲート領域での種（species）の拡散、フィン領域での過剰な種の拡散などの望ましくない副作用なく、特にフィン領域で非常に高い温度に到達する必要がある。従来、その解決策は、ミリ秒のアニーリングやサブマイクロ秒レーザアニーリングなどの短いタイムスケールプロセスを使用することであった。ただし、これらの場合、加熱箇所が十分に制御されておらず、ミリ秒アニーリングの場合のウェハ全厚から、短波長（たとえば、ＵＶ）のサブマイクロ秒アニーリングの場合のマイクロメートルスケールまで、熱拡散長によってのみ制限される。後者の場合、埋め込み層に影響を与えずに表面層を選択的にアニーリングできるが、パターン化された構造上の熱の位置は制御されない。つまり、表面層のすべての構造が制御されない方法で加熱される。

本発明の目的は、所定の層（例えば、フィンのベース構造）で選択的に熱を発生させ、別の層（例えば、突き出たフィンおよびゲート領域）では発生させないようにすることである。生成された熱は、このターゲット領域から拡散し、望まない副作用が最小限に抑えられる。

上記の問題に対する既知の解決策は、望まない領域で光を反射し、必要な領域で光を吸収または透過するように、さまざまな光学特性を持つ反射防止コーティングおよび／または吸収体層を使用することである。

したがって、ヘルナンデスらによる、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂ１１４－１１５（２００４）１０５－１０８の記事「Ｌａｓｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ－ｓｈａｌｌｏｗ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ」では、光学的コーティングでゲートのソース／ドレイン領域を覆ってレーザ熱処理のための電磁拡散を最適化することを開示する。光学的コーティングは、ゲート上部でのレーザ光の反射を最大化する。

しかしながら、上記に開示された解決策はいくつかの欠点を有する。まず、プロセスにいくつかの工程が追加されるため、コストと歩留まりに影響する。第二に、このコーティングアプローチは、導波路のような電磁結合効果（回折および干渉）により、レーザ波長の範囲内にある典型的な寸法の構造の場合、効率がはるかに低くなる。

米国特許第７７８６０２４号は、ドープされたナノワイヤに偏光レーザビームを適用することを含む、半導体ナノワイヤのアニーリング方法を開示している。

このレーザビームの偏光は、適用されたレーザビームの放射のナノワイヤによる吸収を変更するように構成され得る。

例えば、レーザビームは、円偏光、軸に実質的に平行な方向、または軸に実質的に垂直な方向に偏光されて、吸収を修正することができる。

一態様では、偏光レーザアニーリングは、半導体ナノワイヤおよび基板に損傷を引き起こすことなく、半導体ナノワイヤをアニーリングする方法で実行することができる。

別の態様では、偏光レーザアニーリングは、特定のナノワイヤを溶融または切除するように実行されてもよい。例えば、レーザビームの偏光に対して実質的に垂直に整列したナノワイヤを保持する一方で、レーザビームの偏光に対して平行といった他の整列を有するナノワイヤを溶融またはアブレーションしてもよい。

しかしながら、米国特許第７７８６０２４号は、フィン状構造の別の層（突き出た領域）ではなく、所与の層（例えば、ベース領域）で選択的に熱を発生させることに対処していない。

したがって、本発明は、サブ波長フィン状構造の周期的アレイを具えるパターン化された半導体デバイスのレーザ照射方法を提供するものであり、すべてのフィン状構造は、前記半導体デバイスのベース面から直立し、前記ベース面に対向する前記周期的アレイの上面を規定し、各フィン状構造は、
前記ベース面に平行な第１の方向に沿った幅であって、レーザ波長のオーダーであるか、それよりも小さい幅と、
前記ベース面に平行かつ前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿った長さであって、前記幅より少なくとも３倍、好ましくは５倍、より好ましくは１０倍大きい長さと、
前記ベース面に垂直な第３の方向に沿った高さとを有し、
前記レーザ照射方法は、
レーザモジュールによってＵＶパルスレーザビームを生成するステップと、
前記フィン状構造の周期的アレイの上面の少なくとも一部に前記レーザビームを照射するステップとを含み、前記方法は、前記第３の方向に沿って各フィン状構造に局所的に結合されたレーザビームのエネルギー量を選択的に制御するように、制御された偏光状態を前記レーザビームに与えるステップを含む。

好ましくは、前記レーザビームに与えられる制御された偏光状態は、各フィン状構造内の前記第３の方向に沿った振幅および／または方向における熱拡散の勾配をさらに制御するように決定される。

好ましい実施形態では、前記レーザビームに与えられる制御された偏光状態は、前記フィン状構造の周期的アレイのピッチに従って決定される。このピッチは典型的には、ＵＶレーザビームの波長より低い（＜３５５ｎｍ）。通常、フィン状構造のピッチ（フィンからフィンの周期）は、１０～３００ｎｍ、好ましくは４０～２７５ｎｍの範囲である。

前記レーザビームに与えられる制御された偏光状態は、直線、円形、楕円形、非偏光、またはそれらの組み合わせであり得る。

前記レーザビームは、通常、前記周期的アレイの上面に垂直に照射される。

前記レーザビームに与えられる制御された偏光状態は、前記第１の方向に沿った第１の偏光および／または前記第２の方向に沿った第２の偏光を含む。

前記パルスＵＶレーザビームは、３５５ｎｍ以下、好ましくは３０８ｎｍの波長を有し、パルス持続時間は、典型的には２００ｎｓ未満であり、一般に２０～２００ｎｓの範囲である。

好ましい実施形態では、半導体デバイスを照射する前に、均質なレーザフルエンスでレーザビームが均質化される。

一般に、前記周期的アレイの上面でのレーザビームのフルエンスは、１平方メートルあたり１ジュールを超える。

本発明の方法はまた、半導体デバイス全体のサイズと形状に一致する照射領域を形成するように、レーザビームを成形するステップを含み得る。

前記レーザモジュールは、典型的には、エキシマレーザモジュール、好ましくは塩化キセノンレーザモジュールである。

以降の説明は、添付の図面を参照して行われる。
図１は、本発明に係るフィン状構造を有し、フィン状構造の長さ（第１の方向）に沿って全横電気モード（ＴＥモード）で、およびフィン状構造の長さ全体、つまりフィン状構造の幅（第２方向）に沿って全横磁気モード（ＴＭモード）でレーザ光を照射された電界効果トランジスタデバイスの三次元概略図である。 図２は、本発明のフィン状構造のシミュレーションされた二次元断面図である。 図３は、異なる偏光のパルスＵＶレーザビームで照射されたときの図２のシミュレートされたフィン状構造における熱分布（Ｗ／ｍ３）の表現である。 図４は、周期的アレイのピッチの関数として、およびＵＶパルスレーザビームの異なる偏光状態のフィン状構造の上部から下部（基板との界面）への熱勾配のグラフである。曲線Ａは１００％ＴＥモード、曲線Ｂは５０％ＴＥモード＋５０％ＴＭモード、曲線Ｃは３５％ＴＥモード＋６５％ＴＭモード、曲線Ｄは１００％ＴＭモードである。 図５は、偏光のＴＥモード分率（％）の関数としてのフィン状構造の上部から下部（基板との界面）への熱勾配のグラフである。 図６は、異なる偏光についてのフィン状構造の中央の温度プロファイルのグラフである。温度は、アニーリングプロセス中に到達する最高温度である。 図７は、レーザビームの偏光制御を有するレーザモジュールの実施形態の概略図である。 図８は、レーザビームの偏光制御を有するレーザモジュールの別の実施形態の概略図である。

本発明による方法は、すべてのアクティブなフィン状構造がパターニング要件のために所与の方向に配向されたサブ１０ｎｍノード技術の特異性を利用する。

周期的構造の密なアレイでは、偏光に対する構造体の向きに応じて、偏光レーザ光を選択的に透過または反射できる。

吸収が非常に高い材料（シリコンのＵＶ波長の場合、吸収長が＜１０ｎｍ、または吸収係数が＞１０^６ｃｍ^－１）を考慮すると、すべての光は通常のアクティブ層またはその一部の厚さの範囲内で吸収される。したがって、発熱はそのような層に限定される。

十分に短いパルス持続時間（＜２００ｎｓ）のパルスレーザを考えると、この熱の拡散は、空間における層の典型的な寸法に抑制することができる。

図１に示すように、１６ｎｍノードテクノロジーを表す典型的なシリコンフィン状構造１が、波長３０８ｎｍ、パルス持続時間１６０ｎｓのＵＶレーザ光のパルスレーザによって照射される。

より具体的には、図１は、基板２（典型的にはシリコン基板）の上面から立ち上がるフィン状構造１を有する電界効果トランジスタを示す。また、基板２の上面にはゲート３が形成されている。

図２は、本発明によるフィン状構造１のシミュレーションされた断面概略図である。図２に示されるように、フィン状構造１は、基板２から垂直に延在し、非埋設部分１ａ（フィン上部）と、埋設部分１ｂ（フィン底部）を具える。

フィン上部１ａの高さは通常２０～６０ｎｍの範囲で、典型的には約４０ｎｍであり、フィン上部の幅は通常５～２０ｎｍの範囲で、典型的には約５ｎｍである。

フィン下部１ｂの高さは、通常、３０～１００ｎｍの範囲で、典型的には約６０ｎｍであり、フィン下部１ｂの幅（基板との界面）は、１０～８０ｎｍの範囲で、典型的には約２０ｎｍである。

フィン状構造のピッチは、一般に、１０～３００ｎｍの範囲であり、例えば４５ｎｍ、１３５ｎｍ、２７０ｎｍである。図２のフィン状構造のピッチは４５ｎｍである。

レーザ光と構造体の電磁相互作用は、有限要素計算を用いてシミュレーションされる。

短い（４５ｎｍ）および長い（１３５、２７０ｎｍ）のフィンからフィンの周期（またはピッチ）が考慮される。

完全な横方向の磁気の場合（ＴＭ、光がフィンの最長寸法に垂直に偏光されている場合）、フィン下部の角部と基板との界面でカップリング（coupling）が発生する。このカップリングの大部分は、フィン／基板界面の丸みを帯びた下部コーナーで発生することに留意されたい。

完全な横方向の電気の場合（ＴＥ、光がフィンの最長寸法に平行に偏光されている場合）、カップリングは本質的にフィン領域で発生する。波長に近い大きなピッチ値（ここでは２７０ｎｍ）の基板では、いくつかの追加の結合が見られる。

偏光解消の場合（５０％ＴＥ＋５０％ＴＭ）、カップリングへの最も強い寄与は、上部フィン領域のＴＥモードからである。ピッチが長い場合、分布はより均一（フィン対基板）となるが、支配的なカップリングは常にフィンの上部領域にある。

熱の観点からは、偏光を介して最大温度分布を制御することができる。ＴＭモードを使用すると、フィンの上部から下部への温度差はほとんど無視できる（＜２０℃）。一方、１００％ＴＥ偏光モードを使用すると、約３７５℃の熱勾配が得られ、最も高温の領域はフィン上部である。

したがって、熱拡散ダイナミクスも偏光によって制御される。純粋なＴＭモードでは、熱が基板／フィン界面からフィン上部に向かって拡散するため、フィン領域の温度が非常に均一になる。

偏光解消モード（例えば、５０％ＴＥ）および全ＴＥの場合、熱は上から下に拡散するため、より強い勾配となり、これは偏光制御によって制御され得る。

アクティブなフィン状構造１に平行に走る金属ゲート３を具えた図１のデバイスの具体例において、そのような偏光制御を使用して、純粋なＴＥモードを用いてフィン状構造１に局所的に熱を発生させることができる。ゲート３はこの方向に垂直に配向されているため、ＴＥモードのみが認識され、レーザ光によって（拡散によって）間接的にのみ加熱される。

ゲートが存在せず、フィン下部１ｂが低温材料である場合（つまり、フィン上部１ａよりも損傷温度または有効温度が低い、例えばＳｉＧｅ対Ｓｉ）、純粋なＴＭモードを使用して、フィン下部１ｂを選択的に加熱するか、逆に、ＴＥモードを使用して、加熱を少なくすることができる。

したがって、図３を参照すると、光の偏光を制御することにより、フィン上部１ａまたはフィン下部１ｂのいずれかで、特に基板２との界面および／またはその近くで、高および低カップリングが得られることがわかる。

図４、５、および６は、フィン状構造のピッチが異なるパルスＵＶレーザビームの異なる偏光を使用して、図２のフィン状構造内で加熱がどのように制御されるかを示す。

図７は、レーザビームの偏光を制御するレーザの実施形態の概略図である。

３０８ｎｍで発光する塩化キセノンエキシマレーザは：
エキシマゲイン生成器１と、
反射率が４～６０％（典型的には２５％）の部分反射プレート２と、反射率が～１００％の高反射プレート３との２つの平面ミラーで構成されたゲインジェネレータ両端の光共振器と；
ゲイン生成器とミラー２、３との間にそれぞれ配置された２つの偏光プレート４および５とを具える。これらのプレートは、一方の偏光（例えば、透過率（ＴＭ）≧７０％）が他方よりも高くなる（例えば、透過率（ＴＥ）≦２０％）ようにコーティングされている。

２つの共振器ミラー２と３の間で光が振動しているため、ＴＭ偏光のプレート４と５の透過率が大きくなると、結果として生じるレーザパルスは、ＴＭに沿ってほぼ直線的に偏光される。

偏光純度（つまり、レーザビームが完全な直線偏光にどれだけ近いか）は、望まない偏光（この場合はＴＥ）のためのプレート４および５の正確な透過率と、共振器内の光の平均往復回数（これ自体は、利得持続時間および出力ミラー２の反射率に依存する）に依存する。たとえば、出力ミラー２の反射率を増やすと、往復回数が増え、偏光の選択性が向上する（ただし、総出力エネルギーが犠牲になる）。

次に、レーザビームは、ミラー６およびビーム伝達レンズ７によって伝送され、マイクロレンズアレイ８によって均質化され、レンズ系９によって投影されて、半導体１０の表面上に均一な照明領域を形成する。さらに、光学系のレーザエネルギーと倍率を選択して、半導体デバイスのサイズと形状に一致する照明領域を形成できる。

レーザの偏光は、前の章で説明した特定のアニーリング要件に対応するために、いくつかの方法で調整することができる：
・主に線形のＴＭ偏光ビームを選択するには：ＴＥとＴＭの透過率の差が最大になるプレート４と５を挿入する；
・主に線形のＴＥ偏光ビームを選択するには：プレート４および５をレーザビーム軸を中心に９０°回転させる（線形ＴＭから線形ＴＥ構成に切り替える別の簡単な方法は、半島大基盤を９０°回転させて、支配的な直線偏光に対してフィン状構造の方向を変更する）；
・５０／５０偏光比（つまり、「非偏光ビーム」）を選択するには、通常のエキシマレーザがそのような偏光状態を自然に示すため、プレート４と５を取り外す。
・非偏光状態（５０／５０）と完全な線形状態（ＴＥまたはＴＭ）の中間の偏光比を選択するには、プレート４と５の入射角を変更するか、ＴＥとＴＭの透過率を最適化したプレートを選択する（ＴＭとＴＥ間の最大の差をターゲットにするのに対して）。

図８は、レーザビームの偏光を制御するレーザの別の実施形態の概略図である。

ウェハに入射するレーザビームの偏光状態を制御するための１つの代替案は、レーザエネルギーが偏光プロセスで失われないように、レーザ共振器１の後でそれを行うことである。

これを実現する１つの方法を図８に示す。この場合、偏光子４は偏光成分ｓとｐを２つの異なるサブビームに分離し、半波（λ／２）プレート５はサブビームの一方（図８の例ではｐ）の偏光を回転でき、これにより同じ偏光（図８の例ではｓ）の２つのサブビームになる。

次に、２つのサブビームを光学系で再結合することができる。これを行う１つの便利な方法は、ビームホモジナイザー８を利用することである。これにより、ウェハ１０に入射する完全に偏光されたビーム（ｓまたはｐ）がもたらされる。

１００％ｓまたは１００％ｐの極端なケース間で制御される偏光状態の場合、半波プレート４を可変減衰器で置き換えて、ビームホモジナイザー８で結合される比率ｓとｐを制御できる。

Claims (15)

1. サブ波長のフィン状構造の周期的アレイを具えるパターン化された半導体デバイスのレーザ照射方法において、すべてのフィン状構造は、前記半導体デバイスのベース面から直立し、前記ベース面に対向する前記周期的アレイの上面を規定し、各フィン状構造は、
   前記ベース面に平行な第１の方向に沿った幅であって、レーザ波長のオーダーであるか、それよりも小さい幅と、
   前記ベース面に平行かつ前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿った長さであって、前記幅より少なくとも３倍大きい長さと、
   前記ベース面に垂直な第３の方向に沿った高さとを有し、
   前記レーザ照射方法は、
   レーザモジュールによってＵＶパルスレーザビームを生成するステップと、
   前記フィン状構造の周期的アレイの上面の少なくとも一部に前記ＵＶパルスレーザビームを照射するステップとを含み、
   前記方法がさらに、前記第３の方向に沿って各フィン状構造に局所的に結合されたＵＶパルスレーザビームのエネルギー量を選択的に制御するように、制御された偏光状態を前記ＵＶパルスレーザビームに与えるステップを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームに与えられる制御された偏光状態は、各フィン状構造内の前記第３の方向に沿った振幅および／または方向における熱拡散の勾配を制御するように決定されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームに与えられる制御された偏光状態は、前記フィン状構造の周期的アレイのピッチに従って決定されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームに与えられる制御された偏光状態は、前記周期的アレイの上面への前記ＵＶパルスレーザビームの入射角に基づいて決定されることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームに与えられる制御された偏光状態は、直線、円形、楕円形、非偏光、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームは、前記周期的アレイの上面に垂直に照射され、前記ＵＶパルスレーザビームに与えられる制御された偏光状態は、前記第１の方向に沿った第１の偏光を含むことを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームは、前記周期的アレイの上面に垂直に照射され、前記ＵＶパルスレーザビームに与えられる制御された偏光状態は、前記第２の方向に沿った第２の偏光を含むことを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記制御された偏光状態を与えるステップは、前記レーザモジュールのレーザキャビティに少なくとも１つの偏光素子を挿入するステップを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載のレーザ照射方法において、
   第１の偏光プレートが、前記レーザキャビティ内の、レーザ増幅器とレーザモジュールのほぼ完全なミラーとの間に挿入され、
   第２の偏光プレートが、前記レーザキャビティ内の、前記レーザ増幅器と前記レーザモジュールの出力ミラーとの間の、前記レーザ増幅器に対して前記第１の偏光プレートと反対側に挿入され、
   前記制御された偏光状態を与えるステップがさらに、前記レーザキャビティの波長で、前記キャビティ内で振動する２つの直交する偏光モードに関して前記第１の偏光プレートおよび前記第２の偏光プレートの透過特性を調整することをさらに含むことを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のレーザ照射方法において、均一なレーザフルエンスで前記半導体デバイスを照射するために、照射前に前記ＵＶパルスレーザビームを均質化するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のレーザ照射方法において、半導体デバイス全体のサイズおよび／または形状と一致する照射領域を形成するように前記ＵＶパルスレーザビームを成形するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームが２００ナノ秒未満のパルス持続時間を有することを特徴とする方法。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記ＵＶパルスレーザビームが、３５５ナノメートル未満、好ましくは３０８ｎｍのＵＶ波長を有することを特徴とする方法。
14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記レーザモジュールが、エキシマレーザモジュール、好ましくは塩化キセノンレーザモジュールであることを特徴とする方法。
15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載のレーザ照射方法において、前記周期的アレイの上面における前記ＵＶパルスレーザビームのフルエンスは、１平方メートルあたり１ジュールより大きいことを特徴とする方法。

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