JPS5840332B2 - 半導体のアニ−リング処理における制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体のアニーリングプロセスに訃ける制御方
法に関する。

近年半導体材料の作成プロセス及びデバイスへの加工プ
ロセスには、様々の新しい方法及び技術が導入されてい
る。

半導体へのイオン注入法はその一つで、当業者には十分
周知の技術である。

半導体にイオンを打込むと、イオンが打込捷れた領域及
び表面領域の半導体の構造は、著しく乱されることが知
られている。

イオンを注入する前の半導体が単結晶である場合、イオ
ン注入後、半導体の表面領域は無定形又は多結晶になっ
ている。

また、半導体中に注入された不純物イオンも、単に半導
体中に導入されただけではドナあるいはアクセプタなど
電気的に活性なキャリアとしての働きをしない。

そこで、イオン注入により生じた損傷を回復させ、かつ
注入した不純物を電気的に活性なものとするため、いわ
ゆるアニーリングが行われる。

半導体のアニーリングは従来電気炉の中などで熱を加え
ることにより行われていたが、最近レーザビームを半導
体に照射することにより行ういわゆるレーザアニーリン
グ法が開発された。

レーザビーム以外に電子ビームを用いたアニーリング方
法も開発されている。

これら半導体のアニーリング工程にかいて、損傷を回復
させかつ注入された不純物を活性化するためには、一定
のエネルギーを半導体材料に与える必要があるが、あ捷
り過剰のエネルギーを加えすき゛ると、かえって結晶構
造を乱すばかりでなく、材料又はデバイスの加工プロセ
ス上も不利である。

従って、アニーリングと同時あるいはアニーリングを一
時中断した短時間の間に、更にあるいはアニーリング終
了後半導体の結晶構造の乱れあるいは不純物の活性化の
程度を評価する方法があれば、アニーリングを適切な段
階で停止させることができる。

一方、安価な太陽電池などの開発に関連し、金属、ガラ
スなど各種基板の上に、シリコン（Ｓｉ）をはじめとす
る各種無定形半導体を形成する研究が盛んに行われてい
る。

この場合にも無定形半導体の特性改善や結晶化の目的で
、イオン注入の場合と同様の方法でアニーリングが行わ
れる。

しかも、アニーリング中に半導体の結晶性などに関する
情報を得ることがきわめて望ましいことは、イオン注入
法の場合と全く同様である。

本発明は半導体のラマン効果を利用し、半導体のアニー
リングプロセスにかける半導体の緒特性をモニタし、ア
ニーリングプロセスを制御する方法に関するものであり
、特にイオン注入量（イオンドーズ量）の多い半導体の
アニーリングに用いて好適な制御方法に関する。

本発明は半導体にレーザ光を照射した時発生するラマン
散乱光が、半導体の構造的な乱れや半導体中のキャリア
濃度など各種特性に関する情報を含んでおり、半導体の
アニールの程度により、ラマン散乱光の波長（波数）、
強度、半値幅などが変化することを見出したことに基い
ている。

本発明に関し、図面を参照しながら詳細に説明する。

第１図はＧａＡｓ単結晶の（Ｚｏｏ）面にレーザ光を照
射した場合に得られるラマンスペクトルで、波数的２９
２ｃｍ” に１つのピークＰ１が観測される。

このピークはＧａＡｓのＬＯフォノンによるものである
ことが知られてかり、比較的完全性の高いＧａ Ａ ｓ
単結晶の（１００）面からは、ＬＯフォノンによるもの
のみがラマン光として観測され、その波数はＧａＡｓ単
結晶に固有のものである。

第２図は本発明の実施例に用いたラマン効果モニタを兼
ねたレーザアニーリング装置の構成を示す。

ラマン効果は市販のレーザラマン分光光度計１（日本電
子株式会社製 ＪＲ３−４００Ｔ）を使用して測定し、
測定結果はレコーダ２又は陰極線管表示装置３によって
表示される。

１閏のアルゴンレーザ発振器４を半導体試料５のアニー
リング及びレーザラマン効果測定の両方の目的に使用し
た。

アルゴンレーザの波長は５１４５人又は４８８０人に変
えることができ、最大出力は２Ｗである。

レーザのビーム径は５０μｍ以下から数１０ｍｍｔで変
化させることができる。

第３図は半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の表面に比較的高いド
ーズ量（２Ｘ １０１３／ｃｎ’ｆ ）のＳｉイオンを
注入した試料について上述したレーザアニーリング装置
を用いてアニーリングを行う過程でのラマンスペクトル
の変化を示す。

具体的にはレーザ出力２Ｗでアニーリングを行い、その
途中でレーザ出力を５００ｍＷに減少させてアニーリン
グを実質的に停止させた状態で波数掃引を行ってラマン
スペクトルを測定した。

測定面は（１００）面である。

第３図よりアニーリング前（ｉ）からアニーリング期間
１・２ｍ１ｉ）、２ｆｆｌｉｉｉ）とアニーリングを積
重ねる毎にＬＯフォノンによるラマンバンドのピークｐ
１（波数２９２ｃｍ’）の強度が増すと共に、同じ＜Ｌ
Ｏフォノンによるラマンバンドのバンド巾（具体的に例
えばＰｌの半値巾）が狭くなることがわかる。

しかし更にアニーリングを継続すると、ピークＰ１ の
強度が減少すると共にバンド巾が再び広くなり、しかも
波数２７２ｃｍ−１付近に新しいピークＰ２が発生する
。

第４図、第５図、第６図はその時のアニーリング期間と
夫々Ｐ、のピーク強度、Ｐｌの半値巾Ｐ２ のピーク強
度との関係を示す図である。

そしてホール効果を利用した電気的なキャリア濃度測定
により、第４図、第５図に釦ける期間Ｔ１の変化はキャ
リア濃度に変化のない単に結晶構造の修復段階に過き゛
ず、期間Ｔ２ にかける第４図、第５図、第６図の変化
は、イオン注入された半導体中の不純物がドナ又はアク
セプタとして電気的に活性になり、半導体中のキャリア
が増大したために生じるプラズモンの影響によることが
確認された。

即ちピークＰ２ は半導体中のプラズモンによるもので
あり、該プラズモンの増大により期間Ｔ２ に釦いてピ
ークＰ、の強度が減少し、半値巾が増加する。

従ってラマンスペクトル中（ＸＩ）ピークＰ１ の半値
巾（バンド巾）の再度の増大、（２）ピークＰ、の強度
の再度の減少、（３）プラズモンモードのピークＰ２の
強度の増大の３種の情報ともキャリア濃度と対応するの
で、上記３種の情報のいずれか１つ又は２つ又は全部を
観測することにより、半導体中に注入した不純物が所望
の電気的働きを示すようになったことを判定することが
でき、その時点でアニーリングを中止することができる
。

特にバンド巾は分光装置の光学系の定数（例えばスリッ
ト巾等）を変えなければ分光装置の信号処理系の利得等
が変動しても原理的に不変であるので、予め測定する半
導体についてキャリア濃度とバンド巾の関係を求めてお
けば、バンド巾からキャリア濃度を知ることができる。

バンド巾以外の上言改２）、（３）の情報でもキャリア
濃度を知ることができることは言う捷でもない。

第７図は２ Ｘ １０１４／ｅＴＡのＳｉをイオン注入
した半絶縁性ＧａＡｓについてのプラズモンモードのピ
ーク強度とホール効果を利用して測定したその時のキャ
リア濃度との関係を示す図である。

そして別の新しい試料についてレーザアニーリングを行
いながらプラズモンモードのピーク強度をモニタし、ピ
ーク強度が第７図に釦ける１、０即ちキャリア濃度にし
てＩ Ｘ １０１９／ｃｒＡに到達した時点でアニーリ
ングを中止し、ホール効果を利用してキャリア濃度を測
定したところ、キャリア濃度は９．５ Ｘ １０１８／
−であり、第７図の関係を用いてプラズモンモードのピ
ーク強度からキャリア濃度を知ることができることが立
証された。

しかもピーク強度をモニタする方法は分光器を固定して
使えるため波数掃引が必要なバンド巾のモニタに比べ測
定は殆んど瞬間的に行われ、従ってアニーリングを行い
ながらキャリア濃度を正確にモニタすることができる。

第９図は上述した考え方に基づき、所望のキャリア濃度
が与えられた半導体を自動的に作成することのできるレ
ーザアニーリング装置の一例を示す。

同図に釦いてＳｌ、Ｓ２・・・・・・は処理を受けるイ
オン注入済の半導体基板であり、該基板は移動ベルト６
上に載置されている。

７はアニーリング専用パルスレーザ発振器、８は検査専
用のレーザ発振器である。

発振器８からの検査用レーザ光照射により半導体表面層
から発生したラマン光はラマン分光光度計９に導入され
る。

該分光光度計９から得られたスペクトル信号は上記半導
体Ｓ１、Ｓ２、・・・・・・に固有のフォノンによるラ
マンバンドのバンド巾例えば半値巾を検出する半値巾検
出器１０、同じくフォノンによるラマンバンドのピーク
強度を検出するピーク検出器１１及びプラズモンによる
ラマンバンドのピーク強度を検出するピーク検出器１２
へ供給される。

コンピュータ１３は該検出器１０．１１，１２０出力信
号に基づいて前記発振器７及び分光光度計９を制（財）
する。

上述の如き構成にち−いて、コンピュータ１３は発振器
７を作動させて基板Ｓ２ヘアニーリング用レーザ光を照
射してアニーリングを行うと共に、所定期間毎に発振器
７を停止させ、そのたびに分光光度計９の波数掃引を行
いラマンスペクトル信号を得る。

この時検出器１０からは前述したピークＰ□の半値巾を
示す信号が、検出器１１からは同じくピークＰ１の強度
を示す信号が、検出器１２からはプラズモンによるピー
クＰ、の強度を示す信号が夫々得られる。

そしてコンピュータ１３はＰｌの半値巾、Ｐｌのピーク
強度、Ｐ２のピーク強度をモニタし、期間Ｔ２ に卦い
てそれらの値のいずれか１つ又は２つ又は全部が予め定
められたキャリア濃度に対応した値となった時に処理完
了と判断し、発振器７を停止させる。

この様にして基板Ｓ２のキャリア濃度が所定の値となり
アニーリングが終了したならば、ベルト３を移動させて
次の基板をレーザ光照射位置へ配置し、再び同様の処理
が行われる。

尚検査時のアニーリング処理の中断はバンド巾のモニタ
を行わない時には不要であることは先に述べた通りであ
る。

ところで本発明に釦いて注意しなければならないのは、
半導体中のプラズモンの効果がラマンスペクトルの変化
として現れるのは、半導体中のキャリア濃度が約Ｉ Ｘ
１０１７／−以上の場合に限られる点である。

従ってキャリア濃度がこれより低くなるような低ドーズ
量（具体的には例えば２Ｘ１０１２／ｃｍｔ以下）のイ
オン注入試料の場合にはプラズモンによるピーク及びバ
ンド巾の変化は起らないので、上述した様な本発明によ
るキャリア濃度のモニタはできない。

又、更に注意しなければならないのは、過度のアニーリ
ングによって結晶構造が破壊されはじめると、第４図、
第５図に示される様に期間Ｔ３に卦いて期間Ｔ２ と同
様のピークの減少及びバンド巾の増大が現れる点である
。

しかしながらこの期間Ｔ３に釦ける変化は以下の様にし
てプラズモンの影響による期間Ｔ２ にかける変化と区
別することができる。

即ち、低イオンドーズ量のイオン注入試料に釦いては上
述した様にプラズモンによるピークの減少及びバンド巾
の増大は現れないが、結晶構造の破壊によるピークの減
少及びバンド巾の増大は高ドーズ量のイオン注入試料と
同様に現れる。

第８図にピークの減少のみを示す。従って予め低ドーズ
量のイオン注入試料を用いて結晶構造の破壊が始捷る時
刻を測定してかけば、それ以前のピークの減少及びバン
ド巾の増大がプラズモンによる影響であると判断するこ
とができる。

以上詳述した如く本発明によれば、ラマン効果を利用す
ることにより半導体のキャリア濃度を任意の値に設定す
る様にアニーリングプロセスヲ制御することができる。

尚上述した第２図及び第９図の装置ではアニーリングに
レーザ光を用いたが、これに限らずアニーリングをレー
ザを使用しない他の方式のアニーリング装置で行っても
よいことは言う寸でもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はＧａＡｓ単結晶（１００）面のラマンスペクト
ルを示す図、第２図はラマン効果モニタを兼ねたレーザ
アニーリング装置の構成を示す図、第３図はアニーリン
グ過程にち・けるラマンスペクトルの変化を示す図、第
４図、第５図、第６図はアニーリング過程に釦けるＰｌ
の強度Ｐ１ の半値巾、Ｐ２の強度の変化を示す図、
第７図はＰ２の強度とキャリア濃度の関係を示す図、第
８図は低イオンドーズ量のイオン注入試料についてのア
ニーリング過程にかけるＰｌ の強度変化を示す図、第
９図は自動化されたレーザアニーリング装置の一例を示
す構成図である。 １．９・・・・・・レーザラマン分光光度計、４，７゜
８・・・・・・レーザ発振器、５・・・・・・試料、１
０・・・・・・半値巾検出器、１１，１２・・・・・・
ピーク検出器、１３・・・・・・コンピュータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アニーリング処理過程にある半導体表面にレーザ光
   を照射し、それによって生じるラマン光を分光光度計に
   導入し、該ラマン光のスペクトル中の上記半導体に固有
   のフォノンに対応するラマンバンドのバンド巾、該ラマ
   ンバンドのピーク強度又は該半導体中のプラズモンによ
   るラマンバントのピーク強度を検出し、該プラズモンに
   よるラマンバンドのピーク強度が所定値に達した時又は
   該プラズモンによるラマンバンドが存在する期間Ｔ２
   に釦いて前記半導体に固有のフォノンに対応するラマン
   バンドのバンド巾又はピーク強度が所定値に達した時に
   アニーリング処理を停止するようにしたことを特徴とす
   る半導体のアニーリング処理にふ・ける制御方法。 ２ 前記アニーリング処理はレーザ光源からのアニーリ
   ング用レーザ光によって行われる特許請求の範囲第１項
   記載の制御方法。 ３ レーザ光源はアニーリング用レーザ光源とラマン分
   光用レーザ光源を兼ねることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の制御方法。