JPH0963974A - 半導体基板中へのドーピング層の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体基板中へドーピング層としてウェル構造
を形成するなどの際に、半導体基板上の所定の領域をマ
スクする必要性を排除して作業工程の簡素化を図り、し
かも作業時間を著しく短縮化でき、さらには半導体基板
の横方向拡散が生じることのないようにする。 【解決手段】半導体基板に対して照射強度の強いレーザ
ー光を照射した直後に、所定の遅延時間をもってそれよ
り弱い照射強度のレーザー光を照射し、照射強度の強い
レーザー光と照射強度の弱いレーザー光との照射を１セ
ットとして、所定の時間間隔を開けて必要なドーピング
層の深さに応じて上記１セットを所定の回数繰り返すよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板中への
ドーピング層の形成方法に関し、さらに詳細には、半導
体基板中へ比較的深いドーピング層を形成する際に用い
て好適な半導体基板中へのドーピング層の形成方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体デバイスであるＣＭＯＳ
ＬＳＩや感度可変受光素子においては、電気的に素子
間を分離するために、ドーピング層によりウェル（ｗｅ
ｌｌ：井戸）構造を形成する必要がある。

【０００３】ここで、ウェル構造とは、ｎ型半導体基板
中にドーピング層として形成された、大きさ数十μｍ
角、深さ数μｍ、キャリア濃度１０¹⁷ｃｍ^-3程度のｐ型
領域（このｐ型領域を「ｐウェル」と称する。）、ある
いは、ｐ型半導体基板中にドーピング層として形成され
た、大きさ数十μｍ角、深さ数μｍ、キャリア濃度１０
¹⁷ｃｍ^-3程度のｎ型領域（このｎ型領域を「ｎウェル」
と称する。）である。これらｐウェルとｎウェルとは、
構成する半導体デバイスの種類に応じて使い分けられる
ものである。

【０００４】従来、上記したようなウェル構造を半導体
基板中に形成するためのドーピング層の形成方法として
は、半導体基板を不純物（ドナー）ガス中に配置して熱
処理を行い気相ドーピングによりウェル構造を形成した
り、あるいは半導体基板上に不純物を塗布して熱処理を
行い固相ドーピングによりウェル構造を形成したりする
熱拡散法や、不純物をイオン注入により半導体基板上に
打ち込んだ後に電気炉アニールなどの熱処理を行いウェ
ル構造を形成したりする方法などが行われていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の半導体基板中へのドーピング層の形成方法にお
いては、いずれの方法を用いても、ウェル構造の領域を
数十μｍ角に限定するために、フォトリソグラフィ・プ
ロセス行って、ＳｉＯ₂などにより半導体基板上のウェ
ル構造とする領域以外をマスクする必要があった。

【０００６】即ち、上記した従来の半導体基板中へのド
ーピング層の形成方法においては、半導体基板上のウェ
ル構造の領域以外をマスクする工程が必要となるため、
作業工程が煩雑化するという問題点があった。

【０００７】また、従来の半導体基板中へのドーピング
層の形成方法において、ウェル構造として深さ数μｍ程
度の深いドーピング層を得るためには、半導体基板を長
時間（例えば、１６時間〜１７時間）高温で熱処理する
ことが必要となり、作業時間が長時間に及ぶという問題
点があるとともに、半導体基板を長時間高温で熱処理す
るために半導体基板の横方向拡散が生じるという問題点
もあった。

【０００８】本発明は、従来の技術の有するこのような
種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、半導体基板中へドーピング層としてウェ
ル構造を形成するなどの際に、半導体基板上の所定の領
域をマスクする必要性を排除して作業工程の簡素化を図
り、しかも作業時間を著しく短縮化でき、さらには半導
体基板の横方向拡散が生じることのないようにした半導
体基板中へのドーピング層の形成方法を提供しようとす
るものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における半導体基板中へのドーピング層の形
成方法は、半導体基板へレーザー光をパルス状に照射す
ることにより、半導体基板へレーザー光が照射された際
における半導体基板表面の温度上昇に基づく急速溶融現
象と、半導体基板表面へのレーザー光の照射が停止され
た際における半導体基板表面の温度低下による再結晶化
現象とを利用して、半導体基板が急速溶融された際に不
純物を半導体に混入し、半導体基板が再結晶化される際
に混入された不純物を半導体中に閉じこめるようにし
て、半導体基板に対して深い（例えば、深さ数μｍ程
度）ドーピング層を高速で形成するようにしたものであ
る。

【００１０】この際に、半導体基板表面におけるレーザ
ー光照射領域の表面あれの発生を防ぐために、半導体基
板に対して照射強度の強いレーザー光を照射した直後
に、所定の遅延時間をもってそれより弱い照射強度のレ
ーザー光を照射し、こうした照射強度の強いレーザー光
と照射強度の弱いレーザー光との照射を１セットとし
て、半導体基板の経常的な温度上昇を防止し、急速冷却
現象を緩和するため所定の時間間隔を開けて半導体基板
の温度低下を図りながら、必要なドーピング層の深さに
応じて上記１セットを所定の回数繰り返すようにしたも
のである。

【００１１】ここで、照射強度の強いレーザー光と照射
強度の弱いレーザー光との１セットのレーザー光の照射
による半導体基板への作用を検討すると、照射強度の強
いレーザー光により半導体基板表面が急速溶融されるこ
とになり、この急速溶融によって生じた半導体基板表面
におけるレーザー光照射領域の表面あれが、照射強度の
弱いレーザー光の照射によって新たな表面あれを生成す
ることなしに溶融され、半導体基板表面の平坦化が図ら
れるものである。

【００１２】また、照射強度の強いレーザー光照射後に
生じる急速冷却・再固化の過程で生じる熱歪みを、照射
強度の弱いレーザー光の照射によって緩和し、結晶性の
向上を図るものである。

【００１３】なお、レーザー光を半導体基板に照射する
際に、半導体基板を加熱しておくことにより、高速によ
り深いドーピング層を形成することができる。

【００１４】また、半導体基板の温度は、当該半導体基
板にレーザー光が照射された際においても、当該半導体
の沸点以下に保持されるようにすることが望ましい。

【００１５】さらに、半導体基板に照射するレーザーと
しては、種々のレーザーを用いることが可能であるが、
一般に、短波長かつ短パルス幅のレーザー光を用いた場
合には、上記１セットの照射によって得られるドーピン
グ層の深さは浅く、長波長かつ長パルス幅のレーザー光
を用いた場合には、上記１セットの照射によって得られ
るドーピング層の深さは深くなる傾向がある。

【００１６】また、レーザー光の照射強度を増大すれ
ば、得られるドーピング層の深さは深くなる。

【００１７】

【実施の形態】以下、添付の図面を参照しながら、本発
明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法の実
施の形態を説明するものとする。

【００１８】図１には、本発明による半導体基板中への
ドーピング層の形成方法の一つの実施の形態を行うため
の装置の概略構成図が示されている。

【００１９】図１において、符号１０は、ドーピング層
を形成しようとする半導体基板たる試料である。試料１
０としては、ｎ型ドーパント（ドナー）としてＡｓを予
めドーズ１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速電圧１５０ｋｅＶでＳ
ｉ基板にイオン注入したものを用いた。

【００２０】こうした試料１０は、チャンバー１２内に
おいてカーボン・サセプター１４により支持されてい
る。

【００２１】チャンバー１２はバルブ１４、１６を備え
ており、バルブ１４を介して種々のガスを吸気してチャ
ンバー１２内に導入することができるようになされてい
るとともに、バルブ１６を介してチャンバー１２内のガ
スを排気することができるようになされていて、チャン
バー１２内を真空状態にすることができる。また、チャ
ンバー１２の上面は開口されていて、開口部にはシール
１８を介して石英ガラス板２０が載置されている。

【００２２】さらに、チャンバー１２内には、試料１０
を支持したカーボン・サセプター１４の底面に対して光
を照射し、カーボン・サセプター１４を介して試料１０
を加熱するためのハロゲン・ランプ２２が設けられてい
る。

【００２３】図１に示す装置おいては、石英ガラス板２
０を介してチャンバー１２内の試料１０に照射するレー
ザー光のレーザー源としては、パルス発生器２４により
照射する遅延時間を制御されたＫｒＦエキシマ・レーザ
ー（ＫｒＦ ＥｘｃｉｍｅｒＬａｓｅｒ）２６、２８を
用いている。

【００２４】一方のＫｒＦエキシマ・レーザー２６は、
パルス幅３４ｎｓ、照射強度２．４Ｊ／ｃｍ²のレーザ
ー光を照射するように制御され、他方のＫｒＦエキシマ
・レーザー２８は、パルス幅２３ｎｓ、照射強度０．５
Ｊ／ｃｍ²のレーザー光を照射するように制御されてい
る。

【００２５】これらＫｒＦエキシマ・レーザー２６、２
８から出射されたレーザー光は、シリンドリカル・レン
ズ３０、３２を介して全反射鏡３４、３６により反射さ
れ、レンズ３８、４０により集光されて、石英ガラス板
２０を介してチャンバー１２内の試料１０に照射される
ようになされている。

【００２６】なお、ＫｒＦエキシマ・レーザー２６、２
８から出射されたレーザー光の光路上にはシャッター４
２が設けられていて、ＫｒＦエキシマ・レーザー２６か
ら出射されたレーザー光とＫｒＦエキシマ・レーザー２
８から出射されたレーザー光とを選択的に試料１０へ照
射できるように構成されている。

【００２７】ここで、一般にエキシマ・レーザーから出
射されるレーザー光は、紫外域の短波長、短パルスのレ
ーザー光であるので、物質への吸収係数が大きく、熱作
用時間が短いため、半導体基板中におよそ１００ｎｍ以
下のごく浅いドーピング層を形成する際への応用が期待
されている。即ち、半導体デバイスで必要とされるドー
ピング層は、ウェル構造を除いてはおよそ１００ｎｍ以
下のごく浅いドーピング層でよいため、ウェル構造を除
くおよそ１００ｎｍ以下のごく浅いドーピング層を形成
するための半導体デバイスの製造技術として、エキシマ
・レーザーの利用が期待されている。

【００２８】ところで、半導体基板中にエキシマ・レー
ザーを用いてより深いドーピング層を形成するために
は、レーザー光照射による半導体基板上の溶融深さを増
加するために、レーザー光の照射強度を大きくしなけれ
ばならない。

【００２９】しかしながら、半導体基板上へのレーザー
光の照射強度を大きくすると、それによって半導体基板
の表面温度が上昇しすぎ、多大な欠陥や表面あれが発生
してしまうため、せいぜい５００ｎｍ程度の深さのドー
ピング層しか実現できなかった。

【００３０】そこで、出願人は、レーザー光照射中に半
導体基板を加熱し、半導体基板の表面温度の温度勾配を
なだらかにすることを試みた。

【００３１】例えば、図２に示すように、レーザー光照
射中の半導体基板の表面温度が室温（Ｒ．Ｔ．）である
場合には、ドーピング層の深さはたかだか３５０ｎｍ程
度であるが、半導体基板へのレーザー光照射中に当該半
導体基板を加熱すると、ドーピング層の深さをより深く
することができた。

【００３２】即ち、図２に示すように、半導体基板への
レーザー光照射中に当該半導体基板を５００゜Ｃに加熱
すると、６５０ｎｍ程度の深さのドーピング層を形成す
ることができ、半導体基板へのレーザー光照射中に当該
半導体基板を７００゜Ｃに加熱すると、容易に１μｍ以
上の深さのドーピング層を形成することができた。

【００３３】この図２に示す結果を得た実験のレーザー
光照射条件は、図３（ａ）に示すように、１パルス当た
りのレーザー光照射強度２．４Ｊ／ｃｍ²、パルス数２
０パルス、レーザー・パルスの繰り返し周波数１Ｈｚで
ある。従って、処理時間は２０秒となり、非常に短時間
である。

【００３４】なお、このように所定の周期で同一のパル
ス幅、照射強度のレーザー光を照射する方法を、本明細
書においては、「シングル・パルス照射法」と称す。

【００３５】また、試料としては、図１に示す試料１０
と同様に、ｎ型ドーパント（ドナー）としてＡｓを予め
ドーズ１×１０¹⁵ｃｍ^-2、加速電圧１５０ｋｅＶでＳｉ
基板にイオン注入したものを用いた。

【００３６】なお、ドーパント源としてガスや固体ソー
スを用いることができるのは勿論であり、ドーパント源
としてガスを用いた場合には、ガス雰囲気中でレーザー
光を照射するようにし、ドーパント源として固体を用い
た場合には、半導体基板上に固体ドーパント源を堆積あ
るいは塗布したものにレーザー光を照射するようにすれ
ばよい。

【００３７】上記したように、レーザー光の照射中に半
導体基板を加熱することにより、室温でレーザー光を照
射するよりも、より深いドーピング層を容易に形成する
ことができ、結晶性および表面状態も大幅に改善される
という実験結果を得たが、レーザー光照射中に半導体基
板を加熱してより深いドーピング層を得た場合の表面状
態を示す図４から判るように、まだ若干の表面あれが残
っていた。

【００３８】また、レーザー光照射中に半導体基板を加
熱してより深いドーピング層を得た場合の結晶性も、チ
ャネリング・ラザフォード後方散乱法（Ｃ−ＲＢＳ）の
Χ_{mi n}によって評価した結果６．５５％程度であり、半
導体デバイスへの応用には十分な値とはいえなかった。

【００３９】そこで、出願人は、上記したようなシング
ル・パルス照射法を改良し、図１に示すような装置を用
いて、半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を
照射した直後に、それより弱い照射強度のレーザー光を
照射し、こうした照射強度の強いレーザー光と照射強度
の弱いレーザー光との照射を１セットとして、半導体基
板の経常的な温度上昇を防止するため所定の時間間隔を
開けて半導体基板の温度低下を図りながら、必要なドー
ピング層の深さに応じて上記１セットを所定の回数繰り
返す、本発明による半導体基板中へのドーピング層の形
成方法を開発したものである。

【００４０】なお、以下においては、この本発明による
半導体基板中へのドーピング層の形成方法を、本明細書
においては、「ダブル・パルス照射法」と称し、照射強
度の強いレーザー光を「第１パルス」と称し、照射強度
の弱いレーザー光を「第２パルス」と称す。

【００４１】即ち、図１の装置によりダブル・パルス照
射法を行うには、具体的にはＫｒＦエキシマ・レーザー
２６から出射されるパルス幅３４ｎｓ、照射強度２．４
Ｊ／ｃｍ²のレーザー光（第１パルス）を試料１０に照
射し、パルス発生器２４によって信号を与えることによ
り３０ｎｓ〜６４０ｎｓの遅延時間の後に、ＫｒＦエキ
シマ・レーザー２８から出射されるパルス幅２３ｎｓ、
照射強度０．５Ｊ／ｃｍ²のレーザー光を試料１０に照
射する。この工程を１セットとして、繰り返し周期１Ｈ
ｚで２０回（２０セット）繰り返す（図３（ｂ）参
照）。

【００４２】こうした実験の結果、試料１０の表面状態
は、図５示すように、大幅に改善された。なお、半導体
基板の表面状態は、上記１セットにおいて、第１パルス
が照射されてから第２パルスが照射されるまでの遅延時
間に影響されず、３０ｎｓ〜６４０ｎｓのいずれの遅延
時間においても、ほぼ同様な形状が得られた。

【００４３】また、ドーピング層の深さに関しても、こ
のダブル・パルス照射法においては、実質的に上記した
シングル・パルス照射法と同様に、パルス幅３４ｎｓ、
照射強度２．４Ｊ／ｃｍ²のレーザー光を試料１０に対
して繰り返し周期１Ｈｚで２０パルス照射することにな
るので、図２に示すと同様に、ハロゲン・ランプ２２に
より加熱される試料１０の温度に応じて１μｍ以上の深
さを達成できる。

【００４４】さらに、図６には、結晶性の指標であるΧ
_minの遅延時間依存性が示されている。このように、３
０ｎｓ〜６４０ｎｓの遅延時間をおいた第１パルスと第
２パルスとの連続照射により、Χ_minは改善されるが、
特に、遅延時間１５０ｎｓにおいて大きい改善が得ら
れ、４．６０％というほぼ満足できる値が得られた。

【００４５】以上のように、ダブル・パルス照射法によ
って、表面形態および結晶性のすぐれた１μｍ以上の深
いドーピング層を高速に短時間で形成することができる
ようになる。

【００４６】半導体基板に照射するレーザーとしては、
ＫｒＦエキシマ・レーザーの他に種々のレーザーを用い
ることが可能であるが、いずれにしてもレーザー光を用
いるので集光性に優れ、照射領域のみをドーピング層と
して形成できるので、フォトリソグラフィプロセスによ
り半導体基板表面にマスクをすることなく、所望のパタ
ーンにドーピング層を形成することができる。

【００４７】また、エキシマ・レーザーのような短波長
かつ短パルス幅のレーザーを用いた場合には、半導体基
板に浅いドーピング層を形成することは容易であるの
で、ダブル・パルス照射法においても上記したようにエ
キシマ・レーザーを用いると、一貫プロセスで同一基板
内に深いドーピング層と浅いドーピング層とを形成で
き、ＣＭＯＳ ＬＳＩや感度可変受光素子などの半導体
デバイスを製造することができるようになる。

【００４８】なお、ダブル・パルス照射法において、第
１パルスの照射強度を強く、第２パルスの照射強度を弱
くするが、第２パルスの照射強度は第１パルスの照射強
度の約数分の１程度が望ましい。

【００４９】また、レーザー光を照射した際に半導体基
板の温度が沸点を超えると基板表面があれるので、第１
パルスならびに第２パルスの照射によって、半導体基板
の温度が沸点を超えないようにすることが望ましい。

【００５０】さらに、１セットの繰り返し周期は１Ｈｚ
に限られるものではないが、１セット中の第１パルスお
よび第２パルスの照射によって上昇した半導体基板の温
度が、元の温度に戻る程度の時間間隔を開けることが望
ましい。

【００５１】また、ダブル・パルス照射法においても半
導体基板を加熱したが、加熱しなくてもよいことは勿論
である。

【００５２】さらに、ダブル・パルス照射法において
も、ドーパント源としてガスや固体ソースを用いること
ができるのは勿論であり、ドーパント源としてガスを用
いた場合には、半導体基板をガス雰囲気中においてダブ
ル・パルス照射法を行えばよく、ドーパント源として固
体を用いた場合には、半導体基板上に固体ドーパント源
を堆積または塗布したものに対してダブル・パルス照射
法を行えばよいものであって、半導体基板への不純物の
導入は適宜の方法を用いることができる。

【００５３】さらにまた、図１に示す装置においては、
第１パルスと第２パルスとを生成するためのレーザーを
それぞれ設けたが、これに限られることなしに、単一の
レーザーを制御して、第１パルスと第２パルスとを生成
するようにしてもよいことは勿論である。

【００５４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、半導体基板中へドーピング層としてウェル
構造を形成するなどの際に、半導体基板上の所定の領域
をマスクする必要がないので作業工程の簡素化を図るこ
とができ、しかも作業時間を著しく短縮化することがで
き、さらには半導体基板の横方向拡散が生じることはな
いという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体基板中へのドーピング層の
形成方法の一つの実施の形態を行うための装置の概略構
成図である。

【図２】シングル・パルス照射法によるドーピング層の
深さの半導体基板温度依存性を示すグラフである。

【図３】レーザー光照射の繰り返し周期を示す説明図で
あり、（ａ）はシングル・パルス照射法の場合を示し、
（ｂ）はダブル・パルス照射法の場合を示している。

【図４】シングル・パルス照射法を行った場合の半導体
基板の表面あれの状態を示す拡大図である。

【図５】ダブル・パルス照射法を行った場合の半導体基
板の表面あれの状態を示す拡大図である。

【図６】ダブル・パルス照射法を行った場合の結晶性の
指標であるΧ_minの遅延時間依存性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０ 試料 １２ チャンバー １４、１６ バルブ １８ シール ２０ 石英ガラス板 ２２ ハロゲン・ランプ ２４ パルス発生器 ２６、２８ ＫｒＦエキシマ・レーザー ３０、３２ シリンドリカル・レンズ ３４、３６ 全反射鏡 ３８、４０ レンズ ４２ シャッター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板へレーザー光をパルス状に照
   射することにより、前記半導体基板へ前記レーザー光が
   照射された際における前記半導体基板表面の温度上昇に
   基づく急速溶融現象と、前記半導体基板表面への前記レ
   ーザー光の照射が停止された際における前記半導体基板
   表面の温度低下による再結晶化現象とを利用して、前記
   半導体基板が急速溶融された際に不純物を前記半導体に
   混入し、前記半導体基板が再結晶化される際に混入され
   た前記不純物を前記半導体中に閉じこめるようにして、
   前記半導体基板に対してドーピング層を形成する半導体
   基板中へのドーピング層の形成方法において、 半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を照射し
   た直後に、所定の遅延時間をもってそれより弱い照射強
   度のレーザー光を照射し、前記照射強度の強いレーザー
   光と前記照射強度の弱いレーザー光との照射を１セット
   として、所定の時間間隔を開けて必要なドーピング層の
   深さに応じて前記１セットを所定の回数繰り返すことを
   特徴とする半導体基板中へのドーピング層の形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体基板中へのドーピ
   ング層の形成方法において、 前記１セットのレーザー光の中で、前記照射強度の強い
   レーザー光により前記半導体基板表面を急速溶融し、前
   記急速溶融によって生じた前記半導体基板表面における
   レーザー光照射領域の表面あれを、前記照射強度の弱い
   レーザー光の照射によって新たな表面あれを生成するこ
   となしに溶融して、前記半導体基板表面の平坦化および
   結晶性の向上を図ることを特徴とする半導体基板中への
   ドーピング層の形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２のいずれか１項に記載
   の半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、 前記１セットのレーザー光の照射を行う際に、前記半導
   体基板を所定の温度に加熱しておくことを特徴とする半
   導体基板中へのドーピング層の形成方法。