TWI497572B - Laser annealing method and laser annealing device - Google Patents
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Description
本申請主張基於2011年2月9日申請之日本專利申請第2011-025980號之優先權。其申請之全部內容藉由參考援用於本說明書中。
本發明有關一種照射雷射束來使添加於半導體基板之雜質活性化之雷射退火方法及雷射退火裝置。
已公開有如下發明，亦即藉由離子注入將雜質導入至半導體基板，並照射雷射束來使被導入之雜質活性化，從而形成電極層及場終止層之半導體裝置及其製造方法(例如參考專利文獻1)。專利文獻1記載的技術中，製作半導體元件的表面結構之後，使基板變薄。之後，對背面進行離子注入，並照射脈衝雷射束。脈衝雷射束的照射在照射複數個雷射脈衝之時刻設置600ns以下的時間差來進行。詳細而言，將劑量設為1E+14/cm2
以下，以便場終止層的峰值濃度成為5E+18/cm3
以下，並且例如將磷離子從矽基板的背面側離子注入到n-型基板的場終止層形成預定區域。接著，將劑量設為5E+16/cm2
以下，以便p+型集電極層及n+型陰極層的峰值濃度成為1E+21/cm3
以下，並例如將硼離子及磷離子分別從n-型基板的背面側離子注入到p+型集電極層形成預定區域及n+型陰極層形成預定區域。
已知這種以高濃度注入有離子之n+型陰極層等中，矽基板的晶體性被破壞，導致非晶化。專利文獻1記載的半導體裝置的製造方法中，注入至雷射照射面(基板背面)起超過1μm深度之較深部份之雜質藉由雷射束的照射而進行基於固相擴散之缺陷恢復和活性化，因此無法確保充份的溫度上昇及加熱時間，有時導致活性化不充份。若為了充份進行較深部份的活性化而提高所照射之雷射束的能量密度，則熔融深度變深，注入雜質的深度分佈發生變化而無法得到如設計的特性，或者發生基板表面的皸裂變得嚴重等不良情況。
公開有以矽晶圓不熔融之範圍的能量密度照射脈衝雷射束來進行雷射退火之技術(例如參考專利文獻2)。該方法中，以高濃度離子注入雜質，使非晶化之區域的晶體性完全恢復，無法使注入雜質活性化。
專利文獻1：日本特開2010-171057號公報
專利文獻2：日本特開2009-032858號公報
本發明之目的為，提供一種可實現高品質退火之雷射退火方法及雷射退火裝置。
依本發明的一個觀點，提供一種雷射退火方法，該雷射退火方法具有：(a)準備於表層部的相對較深之區域以相對較低之濃度添加有雜質並於相對較淺之區域以相對較高之濃度添加有雜質之半導體基板之製程；及(b)對前述半導體基板照射雷射束，使前述半導體基板熔融至比該高濃度雜質的添加區域更深之位置，從而使前述添加於相對較淺之區域之高濃度雜質活性化，並使前述半導體基板不熔融至前述低濃度雜質的添加區域，從而使前述添加於相對較深之區域之低濃度雜質活性化之製程。
另外，依本發明的另一觀點，提供一種雷射退火裝置，該雷射退火裝置具有：第1雷射光源，射出脈衝寬度相對較短之第1脈衝雷射束；第2雷射光源，射出脈衝寬度相對較長之第2脈衝雷射束；載物台，保持於表層部的相對較深之區域以相對較低之濃度添加有雜質且於相對較淺之區域以相對較高之濃度添加有雜質之半導體基板；及傳播光學系統，其能夠將從前述第1雷射光源射出之第1脈衝雷射束及從前述第2雷射光源射出之第2脈衝雷射束傳播至保持於前述載物台之半導體基板上的同一區域，包含將前述第1脈衝雷射束和前述第2脈衝雷射束重疊於同一光軸上之射束重疊器，該傳播光學系統能夠按使前述半導體基板熔融至比前述高濃度雜質的添加區域更深之位置之能量密度傳播前述第1脈衝雷射束，並且，按使前述半導體基板不熔融至前述低濃度雜質的添加區域之能量密度傳播前述第2脈衝雷射束。
另外，以相對較高之濃度添加有雜質之區域有時會非晶化。
依本發明，能夠提供一種可實現高品質退火之雷射退火方法及雷射退火裝置。
第1圖係表示基於實施例之雷射退火裝置之概要圖。基於實施例之雷射退火裝置包含雷射光源10、20、衰減器11、21、望遠鏡12、22、均化器13、23、反射鏡14、分色鏡15、成像透鏡16、載物台30及控制裝置40而構成。
雷射光源10包含固體雷射(例如Nd：YAG雷射或Nd：YLF雷射)及非線形光學晶體，按照來自控制裝置40的觸發信號射出Nd：YAG雷射的第2高次諧波(波長532nm)或Nd：YLF雷射的第2高次諧波(波長527nm)，亦即脈衝雷射束10a。脈衝雷射束10a藉由衰減率可變地衰減入射之雷射束的光強度並射出之衰減器11衰減光強度，並通過望遠鏡12入射至均化器13。均化器13藉由分割入射之雷射束並進行重疊，將加工面(雷射照射面)之脈衝雷射束10a的形狀例如整形為矩形，並且使面內之光強度均勻化。
從均化器13射出之雷射束10a被反射鏡14反射，透過分色鏡15並被成像透鏡16聚光，入射至可向2維方向(X軸方向及Y軸方向)移動地保持於例如作為XY載物台之載物台30之矽晶圓50。
雷射光源20例如包含半導體雷射(laser diode；LD)，從控制裝置40接受脈衝狀電力(電流)並射出波長例如為915nm的脈衝雷射束20a。脈衝雷射束20a被衰減器21衰減率可變地衰減光強度，經由望遠鏡22入射至均化器23。均化器23將加工面之脈衝雷射束20a的形狀例如整形為矩形，並且使面內之光強度均勻化。
從均化器23射出之雷射束20a被分色鏡15反射之後被成像透鏡16聚光，入射至保持於載物台30之矽晶圓50。
分色鏡15係將脈衝雷射束10a及20a重疊於同一光軸上之射束重疊器。兩個脈衝雷射束10a、20a形成例如長軸方向(X軸方向)的長度為4mm、短軸方向(Y軸方向)的長度為0.25mm的矩形入射區域，並入射至矽晶圓50上的同一區域。
控制裝置40控制脈衝雷射束10a從固體雷射10的射出及脈衝雷射束20a從半導體雷射20的射出。並且，藉由控制載物台30的動作，控制脈衝雷射束10a、20a在保持於載物台30之矽晶圓50上之入射位置。
脈衝雷射束10a的脈衝寬度相對較短，脈衝雷射束20a的脈衝寬度相對較長。脈衝雷射束20a的脈衝寬度例如為脈衝雷射束10a的脈衝寬度的20倍以上。另外，例如能夠以從控制裝置40向半導體雷射20的脈衝狀電力的供給時間控制脈衝雷射束20a的脈衝寬度。
矽晶圓50係添加有雜質之半導體基板。對於距矽晶圓50的雷射照射面相對較深之區域，例如深度超過1μm之區域以相對較低之濃度離子注入雜質。並且，對於相對較淺之區域，例如深度在1μm以下的區域以相對較高之濃度離子注入雜質。另外，當以高濃度添加之雜質為磷(P)時，以高濃度添加磷(P)之區域中，例如矽會非晶化。
矽晶圓50例如用於絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor；IGBT)的製造。矽晶圓50的厚度例如為100μm。於矽晶圓50的表面側的表層部劃定有IGBT的發射極區域及柵極區域。另外，於背側的表層部劃定有p型雜質、基於例如硼(B)的注入之集電極區域及n型雜質、基於例如磷(P)的注入之場終止區域。
第2圖中示出矽晶圓50的雜質深度分佈的一例。圖表的橫軸藉由直線刻度以單位“μm”表示距矽晶圓50的背側表面之深度。圖表的縱軸藉由對數刻度以單位“atoms/cc”表示被添加之雜質的濃度。
硼(B)的濃度成為峰值之位置為距背側表面0.3μm之深度。另外，磷(P)的濃度成為峰值之位置為距背側表面1.8μm之深度。而且，磷(P)的注入深度的尾部從背側表面遍及3μm。
脈衝雷射束10a、20a照射於矽晶圓50的背側表面。藉由脈衝雷射束10a、20a的照射，進行注入至集電極區域(距雷射照射面相對較淺之區域)之雜質(B)及注入至場終止區域(距雷射照射面相對較深之區域)之雜質(P)的活性化退火。另外，在IGBT的製造中使用之矽晶圓50中，退火時表面側表層部變成高溫為不佳。
藉由使矽晶圓50向矽晶圓50表面之矩形射束入射區域的短軸方向(Y軸方向)移動，能夠對將射束入射區域的長軸方向(X軸方向)的長度作為寬度之帶狀區域進行退火。於將脈衝雷射束10a、20a照射至矽晶圓50的端部時，將矽晶圓50向射束入射區域的長軸方向(X軸方向)挪動。之後，藉由使射束入射區域向矽晶圓50上的Y軸方向移動並反覆對帶狀區域進行退火之處理，能夠對矽晶圓50的整個背側表面進行退火。退火期間，脈衝雷射束10a、20a例如以50%以上的重複率照射於矽晶圓50。
藉由脈衝寬度相對較長之脈衝雷射束20a對以相對較低之濃度添加於相對較深之區域，例如深度超過1μm之區域之雜質(P)進行活性化(非熔融退火)。藉由脈衝寬度相對較短之脈衝雷射束10a對以相對較高之濃度添加於相對較淺之區域，例如深度在1μm以下之區域之雜質(B)進行活性化(熔融退火)。脈衝雷射束10a按使矽熔融至比以高濃度進行雜質的離子注入之區域更深之位置之能量密度照射於矽晶圓50。藉由脈衝雷射束10a的照射，脈衝雷射束10a入射位置的矽晶圓50熔融，以高濃度注入有雜質(B)之區域藉由液相外延成長，在恢復晶體缺陷之過程中進行充份的雜質(B)活性化。
參考第3圖及第4圖，對以相對較低之濃度添加於相對較深之區域之雜質基於脈衝雷射束20a的照射之活性化進行說明。
第3圖係表示以矽晶圓50的背側表面(雷射照射面)達到熔點(約1690K)之條件照射脈衝雷射束20a時的距離矽晶圓50的背側表面3μm深度的位置的最高到達溫度及距離100μm深度的位置(表面側表面)的最高到達溫度與脈衝雷射束20a的脈衝寬度的關係之圖表。圖表的橫軸以單位“μs”表示脈衝雷射束20a的脈衝寬度，縱軸以單位“K”表示深度為3μm及100μm的位置的最高到達溫度。曲線a表示脈衝雷射束20a的脈衝寬度與深度為3μm的位置的最高到達溫度的關係，曲線b表示脈衝雷射束20a的脈衝寬度與深度為100μm的位置的最高到達溫度的關係。
若參考曲線a，則當脈衝寬度不到5μs時，3μm深度的溫度上昇並不充份。因此，就不到5μs的脈衝寬度而言，添加於超過3μm的深度之雜質並未充份活性化，故為不佳。若參考曲線b，則脈衝雷射束20a的脈衝寬度越長較深區域的溫度越上昇，有利於雜質的活性化，但在矽晶圓50的表面側表面(雷射非照射面)的溫度上昇這一點並不為佳，例如超過100μs之脈衝寬度可能為不佳。因此從半導體雷射20射出之波長為915nm的脈衝雷射束20a的脈衝寬度為5μs～100μs為較佳。從曲線a、b可知，設為3μm深度的溫度上昇充份且100μm深度的溫度上昇並不顯著之40μs以下的脈衝寬度可能為更佳。
另外，在實施例中，利用可低廉地得到高輸出之波長為915nm的半導體雷射作為雷射光源20，但例如能夠使用輸出在常溫下對於矽之侵入長度為30μm左右之波長為950nm以下的雷射束之除半導體雷射以外的其他雷射。
第4圖係表示將脈衝寬度設為20μs、照射面之功率密度設為420kW/cm2
並將脈衝雷射束20a照射在以2MeV的能量、3E+13/cm2
的劑量離子注入磷(P)之矽晶圓上來進行之退火的結果之圖表。圖表的橫軸藉由直線刻度以單位“μm”表示距雷射照射面之深度。圖表的縱軸藉由對數刻度例如以單位“ions/cm3
”表示雜質及載體的濃度。曲線a表示雜質的深度分佈，曲線b表示載體的深度分佈。
可知，藉由上述條件的脈衝雷射束20a的照射，能夠使約70%的以相對較低之濃度添加於相對較深之區域之磷(P)活性化。
參考第5圖～第8圖，對以相對較高之濃度添加於相對較淺之區域之雜質基於脈衝雷射束10a的照射之活性化進行說明。
脈衝雷射束10a的脈衝寬度例如為30ns～250ns。在實施例中，利用Nd：YAG雷射或Nd：YLF雷射的第2高次諧波作為脈衝寬度相對較短之脈衝雷射束10a，但能夠較佳地使用Nd：YAG雷射或Nd：YLF雷射的基本波、其他Q開關固體雷射的基本波或第2高次諧波。而且，能夠使用CO2
雷射等能夠以30ns～250ns的脈衝寬度射出雷射脈衝之雷射光源。脈衝寬度短於30ns時，雷射脈衝的峰值強度變得過高，可能產生半導體材料(矽)或注入雜質引起磨蝕或者蒸發而組成改變等問題。脈衝寬度超過250ns時，使矽晶圓熔融至所希望的深度所需之能量密度變高，因此需縮小射束尺寸(入射區域的尺寸)，進而通過量下降。
第5圖係表示為了將Nd：YAG雷射的第2高次諧波亦即脈衝雷射束10a照射於矽晶圓上並得到0.3μm的熔融深度所需之能量密度之圖表。圖表的橫軸以單位“ns”表示脈衝雷射束10a的脈衝寬度，縱軸以單位“J/cm2
”表示熔融至距雷射照射面0.3μm深度的位置所需之能量密度。
脈衝雷射束10a的脈衝寬度為30ns時，對距雷射照射面0.3μm的深度進行熔融所需之能量密度為1.8J/cm2
。對距雷射照射面0.3μm的深度進行熔融所需之能量密度隨著脈衝寬度的增加而增大，當脈衝寬度為250ns時，變成3.4J/cm2
。
第6圖係以100keV的能量、2E+15/cm2
的劑量離子注入雜質磷(P)之矽晶圓的截面TEM(transmission electron microscope)像。於本圖中表示截面TEM像之矽晶圓與第2圖中表示雜質深度分佈之矽晶圓50不同，於相對較淺之區域(從矽晶圓表面至約0.2μm深度為止之區域)以相對較高之濃度注入有雜質磷。可知注入有磷(P)之區域的局部中矽晶體產生非晶化。另外，非晶化區域在本圖所示之TEM像中顯示為白色。
第7圖係對第6圖所示之矽晶圓照射脈衝寬度相對較短之雷射脈衝來進行退火之後的矽晶圓的截面TEM像。設定500ns的延遲時間將2發脈衝寬度為130ns、脈衝能量密度為1.6J/cm2
的Nd：YLF雷射的第2高次諧波照射於矽晶圓，熔融矽晶圓的表層部。可以發現曾為非晶化狀態之區域的晶體性藉由退火恢復至在TEM像中觀察不到缺陷之程度之樣子。可以認為，藉由照射脈衝寬度相對較短之雷射，非晶區域及包含較多缺陷之層熔融，晶體從無缺陷之固液界面藉由外延成長而成長，因此可得到缺陷極少之晶體結構。
第8圖係對第6圖所示之矽晶圓照射脈衝寬度相對較長之雷射脈衝來進行退火之後的矽晶圓的截面TEM像。將半導體雷射(波長808nm)以不使矽晶圓熔融之條件(脈衝寬度40μs、功率密度300kW/cm2
)照射於矽晶圓。可以確認到，在基於脈衝寬度相對較長之雷射照射之非熔融退火中，晶體從非晶化之區域的上下成長，形成非晶狀態或殘留晶體缺陷之結構。
從第6圖～第8圖所示之TEM像可知，以相對較高之濃度添加有雜質之相對較淺之區域藉由利用脈衝寬度相對較短之雷射脈衝之熔融退火恢復良好的晶體結構。
參考第9圖(A)～(C)，對基於第1實施例之雷射退火方法進行說明。基於第1實施例之雷射退火方法能夠利用基於實施例之雷射退火裝置並在控制裝置40的控制下實施。
首先，準備如下矽晶圓50，亦即於雷射照射面表層部中相對較深之區域，例如深度超過1μm之區域以相對較低之濃度添加有雜質，於相對較淺之區域，例如深度在1μm以下之區域以相對較高之濃度添加有雜質之矽晶圓。如下製作在基於第1實施例之雷射退火方法中使用之矽晶圓50。於矽晶圓上以700keV的能量、1E+14/cm2
的劑量離子注入雜質磷(P)之後，於晶圓表面形成抗蝕劑，並於未形成有抗蝕劑之區域以20keV的能量、1E+15/cm2
的劑量離子注入硼(B)。去除抗蝕劑之後，再次形成抗蝕劑，於除了硼的注入區域以外之區域以50keV的能量、2E+15/cm2
的劑量離子注入磷。於矽晶圓50的表層部中相對較深之區域以相對較低之濃度添加有磷，於相對較淺之區域以相對較高之濃度添加有硼。
另外，將於相對較淺之區域以相對較高之濃度離子注入有磷之矽晶圓作為退火對象而非矽晶圓50時，例如在磷的注入區域的至少一部份中，矽產生非晶化。
於如此製作之矽晶圓50上的同一區域，以分色鏡15將來自固體雷射10的脈衝雷射束10a(脈衝寬度相對較短之脈衝雷射束)和來自半導體雷射20的脈衝雷射束20a(脈衝寬度相對較長之脈衝雷射束)重疊於同一光軸上並照射，進行使添加於矽晶圓50之磷和硼活性化之雷射退火。
有關高濃度雜質的活性化，使矽晶圓50熔融至比高濃度雜質的添加區域更深之位置來進行。有關低濃度雜質，使矽晶圓50不熔融至低濃度雜質的添加區域來使之活性化。
第9圖(A)係表示脈衝雷射束10a、20a的光強度的時間波形之圖表。圖表的橫軸以單位“μs”表示以脈衝雷射束20a的射出時刻作為基準之經過時間。縱軸表示雷射束10a、20a的光強度。基於第1實施例之雷射退火方法中，從半導體雷射20射出脈衝寬度為15μs的脈衝雷射束20a，以衰減器21調整衰減率，並使其以400kW/cm2
的功率密度入射於矽晶圓50上。並且，開始向矽晶圓50照射脈衝雷射束20a之後，在經過14μs之時刻，從固體雷射10射出脈衝寬度為150ns的Nd：YLF雷射的第2高次諧波，亦即脈衝雷射束10a，以衰減器11調整衰減率，並使其以0.7J/cm2
的能量密度入射於矽晶圓50上。
第9圖(B)係表示矽晶圓50的溫度變化之模擬結果。圖表的橫軸以單位“μs”表示以脈衝雷射束20a的射出時刻為基準之經過時間。縱軸以單位“K”表示矽晶圓50的溫度。曲線a表示矽晶圓50的雷射照射面的表面溫度。曲線b～f分別表示距雷射照射面之深度為1μm～5μm之位置的溫度變化。曲線g表示距雷射照射面之深度為100μm之位置(厚度100μm的矽晶圓50的雷射非照射面)的溫度變化。
藉由脈衝雷射束20a照射於矽晶圓50，晶圓50被加熱，開始照射並經過14μs後，雷射照射面的溫度達到接近矽的熔點之1660K。但是在該時刻矽並未熔融。對該狀態的矽晶圓50照射脈衝雷射束10a。藉由脈衝雷射束10a的照射，矽晶圓50的溫度到達矽的熔點。
第9圖(C)係表示矽晶圓50的熔融深度之圖表。圖表的橫軸以單位“μs”表示以脈衝雷射束20a的射出時刻為基準之經過時間，縱軸以單位“μm”表示矽晶圓50的距雷射照射面之熔融深度。可知，在脈衝雷射束20a的照射中未熔融的矽晶圓50藉由脈衝雷射束10a的照射熔融至距雷射照射面約0.3μm的深度。
若矽晶圓50的溫度下降，則包含離子注入有雜質(B)之已熔融之矽外延成長，藉此於相對較淺之區域進行晶體缺陷的恢復和雜質(B)的活性化。
另一方面，以相對較低之濃度添加於相對較深之區域，例如深度超過1μm的區域之雜質(P)在固相狀態下被加熱，取入矽的晶格位置而被活性化。例如從第9圖(B)的曲線b～f所示之溫度履歷可推斷，注入至相對較深之區域之磷能夠藉由脈衝雷射束20a的能量活性化。
參考第10圖(A)～(C)，對基於第2實施例之雷射退火方法進行說明。基於第2實施例之雷射退火方法在向矽晶圓50添加雜質之態樣及向矽晶圓50照射脈衝雷射束10a、20a之態樣方面，與第1實施例不同。
如下製作在基於第2實施例之雷射退火方法中使用之矽晶圓50。於矽晶圓上以700keV的能量、1E+14/cm2
的劑量離子注入雜質磷(P)之後，於晶圓表面形成抗蝕劑，於未形成有抗蝕劑之區域以40keV的能量、1E+15/cm2
的劑量離子注入硼(B)。去除抗蝕劑之後，再次形成抗蝕劑，於除了硼的注入區域以外的區域以100keV的能量、2E+15/cm2
的劑量離子注入磷。
在基於第2實施例之雷射退火方法中當做退火對象之矽晶圓50的雷射照射面表層部中，亦於相對較深之區域以相對較低之濃度添加有磷，於相對較淺之區域以相對較高之濃度添加有硼。
第10圖(A)係表示基於第2實施例之脈衝雷射束10a、20a的光強度的時間波形之圖表。圖表的橫軸及縱軸所指的含義與第9圖(A)中的內容相同。在基於第2實施例之雷射退火方法中，從半導體雷射20射出脈衝寬度5μs的脈衝雷射束20a，以衰減器21調整衰減率，並使其以700kW/cm2
的功率密度入射於矽晶圓50上。另外，開始向矽晶圓50照射脈衝雷射束20a之後，在經過4.8μs之時刻，從固體雷射10射出脈衝寬度80ns的Nd：YAG雷射的基本波(波長1064nm)，亦即脈衝雷射束10a，以衰減器11調整衰減率，並使其以0.7J/cm2
的能量密度入射於矽晶圓50上。
第10圖(B)係表示矽晶圓50的溫度變化之模擬結果。圖表的兩個軸及曲線a～g所指的含義與第9圖(B)的內容相同。
藉由脈衝雷射束20a照射於矽晶圓50，晶圓50被加熱，開始照射並經過4.8μs之後，雷射照射面的表面溫度達到矽的熔點附近，但是矽並未熔融。在該狀態的矽晶圓50照射脈衝雷射束10a。藉由脈衝雷射束10a的照射，矽晶圓50的溫度到達矽的熔點。
第10圖(C)係表示矽晶圓50的熔融深度之圖表。圖表的兩個軸所指的含義與第9圖(C)的內容相同。於脈衝雷射束20a的照射中未熔融的矽晶圓50藉由脈衝雷射束10a的照射熔融至距雷射照射面約0.3μm的深度。
矽晶圓50的溫度下降。包含離子注入有雜質(B)之已熔融之矽外延成長，從而於相對較淺之區域進行晶體缺陷的恢復和雜質(B)的活性化。
另外，以相對較低之濃度添加於相對較深之區域，例如深度超過1μm之區域之雜質(P)在固相狀態下被加熱，取入矽的晶格位置而被活性化。
參考第11圖(A)～(C)對基於第3實施例之雷射退火方法進行說明。基於第3實施例之雷射退火方法在向矽晶圓50照射脈衝雷射束10a、20a之態樣方面與第1實施例不同。向矽晶圓50添加雜質之態樣與第1實施例相同。
第11圖(A)係表示第3實施例之脈衝雷射束10a、20a的光強度的時間波形之圖表。圖表的橫軸及縱軸所指的含義與第9圖(A)的內容相同。基於第3實施例之雷射退火方法中，連續進行脈衝雷射束20a從半導體雷射20的射出和脈衝雷射束10a從固體雷射10的射出。
從半導體雷射20射出脈衝寬度15μs的脈衝雷射束20a，以衰減器21調整衰減率，並使其以340kW/cm2
的功率密度入射於矽晶圓50上。另外，從固體雷射10射出脈衝寬度150ns的Nd：YLF雷射的第2高次諧波，亦即脈衝雷射束10a，以衰減器11調整衰減率，並使其以2.7J/cm2
的能量密度入射於矽晶圓50上。
第11圖(B)係表示矽晶圓50的溫度變化之模擬結果。圖表的兩個軸及曲線a～g所指的含義與第9圖(B)的內容相同。藉由脈衝雷射束10a的照射，矽晶圓50的表面溫度到達矽的熔點。結束脈衝雷射束10a的入射之後，雷射照射面附近的溫度暫時下降。矽晶圓50的溫度藉由脈衝雷射束20a的照射而上昇。
第11圖(C)係表示矽晶圓50的熔融深度之圖表。圖表的兩個軸所指的含義與第9圖(C)的內容相同。矽晶圓50藉由脈衝雷射束10a的照射熔融至距雷射照射面約0.3μm的深度。
在脈衝雷射束10a的照射中熔融之矽晶圓50的溫度下降，包含離子注入有雜質(B)之已熔融之矽外延成長，藉此於相對較淺之區域進行晶體缺陷的恢復和雜質(B)的活性化。
以相對較低之濃度添加於相對較深之區域，例如深度超過1μm之區域之雜質(P)藉由脈衝寬度15μs的脈衝雷射束20a的照射，在固相狀態下被加熱，取入矽的晶格位置而被活性化。
藉由基於第3實施例之雷射退火方法，能夠得到與基於第1實施例之雷射退火方法相同的退火效果。但是，基於第1實施例之雷射退火方法中，在表面藉由脈衝雷射束20a的照射達到接近矽的熔點之溫度之狀態下，照射脈衝雷射束10a，將矽晶圓50熔融至約0.3μm的深度(熔融高濃度注入層)，與此相對，於第3實施例中，對常溫的矽晶圓50照射脈衝雷射束10a，將矽晶圓50熔融至約0.3μm的深度，因此對脈衝雷射束10a要求較高的能量密度，例如約4倍的能量密度。因此為了實施基於第3實施例之雷射退火方法，需準備高輸出的光源作為雷射光源10或者縮小射束尺寸(入射區域的尺寸)來提高照射於矽晶圓50之脈衝雷射束10a的能量密度，有可能產生成本增大或通過量降低的問題。藉此，可推斷能夠藉由利用第1實施例來進一步較佳地進行雷射退火。在照射脈衝寬度相對較長之脈衝雷射束20a並將矽晶圓50加熱至表面溫度成為矽的熔點附近之狀態下，入射脈衝寬度相對較短之脈衝雷射束10a來熔融表面，藉此能夠縮小脈衝雷射束10a的能量密度。
第1及第2實施例中，在結束脈衝寬度相對較長之脈衝雷射束20a的照射之前，將脈衝寬度相對較短之脈衝雷射束10a入射於矽晶圓50，但在剛結束脈衝雷射束20a的照射之後向矽晶圓50入射脈衝雷射束10a時，能量效率應該最高。但是，如基於第1～第3實施例之雷射退火方法般，兩個脈衝雷射束10a、20a的照射期間的一部份可以重複。另外，還能夠在兩個脈衝雷射束10a、20a的照射期間之間設置間隔。
另外，第1～第3實施例中，於脈衝雷射束10a、20a的入射區域中，使注入至相對較深之區域之相對較低濃度雜質活性化，並且進行注入至相對較淺之區域之相對較高濃度雜質的活性化，但是能夠在完全不同的時間進行這兩個雜質的活性化，後者的做法會降低能量效率。例如，能夠如下進行，亦即首先對整個矽晶圓50進行注入至相對較深之區域之相對較低濃度雜質的活性化，之後進行注入至相對較淺之區域之相對較高濃度雜質的活性化。此時，可先進行注入至相對較深之區域之相對較低濃度雜質的活性化，後進行注入至相對較淺之區域之相對較高濃度雜質的活性化，反之亦可。另外，無需利用基於實施例之雷射退火裝置。例如，能夠利用將半導體雷射作為光源之雷射退火裝置和將固體雷射作為光源之雷射退火裝置這2個雷射退火裝置，用前者使以相對較低之濃度注入至相對較深之區域之雜質活性化，用後者使以相對較高之濃度注入至相對較淺之區域之雜質活性化。使相對較深之區域和相對較淺之區域在不同時間活性化時，作為脈衝雷射束10a，利用在常溫下矽的吸收係數亦較大之Nd：YAG雷射、Nd：YLF雷射等Q開關固體雷射的第2高次諧波或來自波長比其更短之準分子雷射之射出光為較佳。
藉由基於實施例之雷射退火方法，能夠進行高品質雷射退火。
作為基於比較例之雷射退火方法，本申請發明人對以與第1及第3實施例相同之態樣添加雜質來製作之矽晶圓50照射脈衝寬度40μs、功率密度300kW/cm2
的脈衝雷射束20a，藉此進行了雷射退火。退火後的矽晶圓50的方塊電阻值下降，並確認到注入之雜質的活性化，但觀察晶圓截面時，發現殘留有較多晶體缺陷。
以上依實施例對本發明進行了說明，但本發明並不局限於這些。
例如，在實施例中，將於相對較深之區域以相對較低之濃度添加有磷且於相對較淺之區域以相對較高之濃度添加有硼之矽晶圓50作為退火對象物，但被添加之雜質不限於此。例如，還能夠將以於相對較深之區域以相對較低之濃度且於相對較淺之區域以相對較高之濃度的方式於雙方區域添加有磷之半導體基板作為退火對象物。如前所述，在這種半導體基板中，例如於相對較淺之磷注入區域的至少一部份，於半導體基板上產生非晶化。藉由基於實施例之雷射退火方法，例如包含矽產生非晶化之區域之相對較淺之區域藉由脈衝寬度相對較短之雷射脈衝的照射而被熔融，並藉由液相外延成長，在晶體缺陷恢復之過程中進行充份的雜質(P)活性化。相對較深之區域被照射脈衝寬度相對較長之雷射脈衝，藉由非熔融退火進行雜質(P)的充份的活性化。
如此，對於產生非晶化之區域和存在晶體缺陷之區域進行熔融退火，實現良好的晶體性。對於未非晶化之區域、無晶體缺陷之區域進行非熔融退火(固相退火)。例如，在IGBT的製造中使用之矽晶圓的雷射退火中，表面側表層部變得高溫為不佳，因此非熔融退火在能夠有助於實現良好的器件特性這一點上亦較佳。
另外，本領域技術人員應瞭解可進行各種變更、改良及組合等。
例如，能夠利用於半導體裝置的製造，IGTB為其一個例子。
10．．．固體雷射
10a．．．雷射束
11．．．衰減器
12．．．望遠鏡
13．．．均化器
14．．．反射鏡
15．．．分色鏡
16．．．成像透鏡
20．．．半導體雷射
20a．．．雷射束
21．．．衰減器
22．．．望遠鏡
23．．．均化器
30．．．載物台
40．．．控制裝置
50．．．矽晶圓
第1圖係表示基於實施例之雷射退火裝置之概要圖。
第2圖係表示矽晶圓50的雜質深度分佈的一例之圖表。
第3圖係表示以矽晶圓50的背側表面(雷射照射面)達到熔點(約1690K)之條件照射脈衝雷射束20a時的距離矽晶圓50的背側表面3μm深度的位置的最高到達溫度及距離100μm深度的位置(表面側表面)的最高到達溫度與脈衝雷射束20a的脈衝寬度的關係之圖表。
第4圖係表示照射將脈衝寬度設為20μs、照射面之功率密度設為420kW/cm2
並將脈衝雷射束20a照射在以2MeV的能量、3E+13/cm2
的劑量離子注入磷(P)之矽晶圓上來進行之退火的結果之圖表。
第5圖係表示為了將Nd：YAG雷射的第2高次諧波亦即脈衝雷射束10a照射於矽晶圓上並得到0.3μm的熔融深度所需之能量密度之圖表。
第6圖係以100keV的能量、2E+15/cm2
的劑量離子注入雜質磷(P)之矽晶圓的截面TEM像。
第7圖係對第6圖所示之矽晶圓照射脈衝寬度相對較短之雷射脈衝來進行退火之後的矽晶圓的截面TEM像。
第8圖係對第6圖所示之矽晶圓照射脈衝寬度相對較長之雷射脈衝來進行退火之後的矽晶圓的截面TEM像。
第9圖(A)～(C)係說明基於第1實施例之雷射退火方法之圖表。
第10圖(A)～(C)係說明基於第2實施例之雷射退火方法之圖表。
第11圖(A)～(C)係說明基於第3實施例之雷射退火方法之圖表。
Claims (6)
- 一種雷射退火方法，其具有：(a)準備於表層部的相對較深之區域以相對較低之濃度添加有雜質且於相對較淺之區域以相對較高之濃度添加有雜質之半導體基板之製程；及(b)對前述半導體基板照射雷射束，使前述半導體基板熔融至比該高濃度雜質的添加區域更深之位置，從而使前述添加於相對較淺之區域之高濃度雜質活性化，並使前述半導體基板不熔融至前述低濃度雜質的添加區域，從而使前述添加於相對較深之區域之低濃度雜質活性化之製程；前述製程(b)中，對前述半導體基板照射脈衝寬度相對較短之脈衝雷射束，使照射位置的前述半導體基板熔融，從而使前述添加於相對較淺之區域之雜質活性化，對前述半導體基板照射脈衝寬度相對較長之脈衝雷射束，使前述添加於相對較深之區域之雜質活性化。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火方法，其中，在前述製程(a)中準備之半導體基板中，前述以相對較高之濃度添加雜質之區域的至少一部份非晶化。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火方法，其中，前述製程(b)中，對前述半導體基板照射脈衝寬度相對較長之脈衝雷射束，並在加熱至不熔融前述半導體基 板之溫度之狀態下，照射脈衝寬度相對較短之脈衝雷射束，使照射位置的前述半導體基板熔融，從而使前述添加於相對較淺之區域之雜質活性化。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之雷射退火方法，其中，前述製程(b)中，在不同時間進行前述添加至相對較淺之區域之雜質的活性化和前述添加至相對較深之區域之雜質的活性化。
- 一種雷射退火裝置，其具有：第1雷射光源，射出脈衝寬度相對較短之第1脈衝雷射束；第2雷射光源，射出脈衝寬度相對較長之第2脈衝雷射束；載物台，保持於表層部的相對較深之區域以相對較低之濃度添加有雜質且於相對較淺之區域以相對較高之濃度添加有雜質之半導體基板；及傳播光學系統，其能夠將從前述第1雷射光源射出之第1脈衝雷射束及從前述第2雷射光源射出之第2脈衝雷射束傳播至保持於前述載物台之半導體基板上的同一區域，包含將前述第1脈衝雷射束和前述第2脈衝雷射束重疊於同一光軸上之射束重疊器，該傳播光學系統能夠按使前述半導體基板熔融至比前述高濃度雜質的添加區域更深之位置之能量密度傳播前述第1脈衝雷射束，並且，按使前述半導體基板不熔融至前述低濃度雜質的添加區域之能 量密度傳播前述第2脈衝雷射束。
- 如申請專利範圍第5項所述之雷射退火裝置，其中，進一步包含控制裝置，前述控制裝置控制前述第1脈衝雷射束從前述第1雷射光源的射出及前述第2脈衝雷射束從前述第2雷射光源的射出，以便對前述半導體基板照射前述第2脈衝雷射束，並在加熱至不熔融前述半導體基板之溫度之狀態下，照射前述第1脈衝雷射束，從而使照射位置的前述半導體基板熔融。
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