JP2006344909A - レーザ照射装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルスレーザを用いたアニール方法を発展させ、欠陥の発生を抑制することが可能なアニールに用いられるレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】 第１及び第２のパルスレーザ光源が、それぞれ第１及び第２のパルスレーザビームを出射する。ステージが、アニール対象物を保持する。伝搬光学系が、第１及び第２のパルスレーザビームを共通の経路に沿って伝搬させ、ステージに保持されたアニール対象物に入射させる。第１及び第２のパルスレーザビームの入射位置が、アニール対象物の表面上を移動するように、移動機構が、第１及び第２のパルスレーザビームの伝搬経路及びアニール対象物の少なくとも一方を他方に対して移動させる。第１のパルスレーザ光源が、第１の周波数で発振し、第２のパルスレーザ光源が、第１の周波数の２倍以上の整数倍の第２の周波数で発振するように、制御装置が、第１及び第２のパルスレーザ光源を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ照射装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に半導体基板に注入した不純物を活性化させるためのアニールに適したレーザ照射装置、及び活性化アニール工程を含む半導体装置の製造方法に関する。

下記の非特許文献１に、ＭＯＳＦＥＴのエクステンション領域等に適用される極浅い接合を形成するための種々のアニール技術が開示されている。レーザを用いたアニール技術として、レーザスパイクアニール（ＬＳＡ）及びレーザサーマルプロセス（ＬＴＰ）が紹介されている。

ＬＳＡでは、光源として連続発振（ＣＷ）レーザを用いる。加熱時間はμｓ〜ｍｓのオーダであり、加熱温度はシリコンの融点以下であるため、シリコン基板の表面は溶融しない。ビーム断面が直線状のレーザビームを照射して基板表面を局所的に加熱し、そのビームを走査することにより、基板全面の熱処理を行う。

ＬＴＰでは、光源としてパルスレーザを用いる。例えば、波長２４８ｎｍや３０８ｎｍのエキシマレーザや、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ等が用いられる。加熱時間はｎｓオーダであり、加熱温度は１３５０℃以上である。シリコンの融点よりも高い温度まで加熱して表層部を局所的に溶融させる。溶融したシリコン内の不純物の拡散速度は、固体シリコン内の拡散速度よりも数桁高い。このため、不純物は、溶融したシリコン中にほぼ均一に分散される。これによって、不純物の拡散領域を極めて浅くできる。

シリコン基板の表面を溶融させると、その後再結晶化させるときの熱履歴が、半導体結晶にダメージを与える。ＬＳＡでは、基板表面を溶融させることなく活性化を行うため、半導体結晶が受けるダメージは少ない。ところが、ＬＴＰに比べて加熱時間が長いため、不純物が深い領域まで拡散してしまう。

下記の特許文献１に、パルスレーザを用い、かつ基板表面を溶融させることなく、極浅い接合を形成する方法が開示されている。この方法では、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやＮｄ：ＹＡＧレーザ等の２倍高調波が用いられる。この方法では、ＣＷレーザを用いるＬＳＡに比べて加熱時間が短いため、不純物の拡散を抑制することができる。このため、より浅い接合を形成することが可能になる。

特許文献２に、パルスレーザビームを入射させて、基板の表層部を溶融させることなく不純物を活性化させ、その後、低温急速熱処理を行って結晶の損傷を修復する方法が開示されている。同一の領域に入射させるパルスレーザビームの好適なパルス数は１００〜１０００個であり、パルス幅は１０〜１００ｎｓであると説明されている（段落２５）。パルス間隔については説明されていない。
日経マイクロデバイセズ ２００４年１１月号 第５０〜５７頁、「２０年ぶりにアニール技術を刷新 光源置き換え、極浅接合を形成」

特開２００４−１５２８８８号公報 特表２００３−５２８４６２号公報

本発明の目的は、パルスレーザを用いたアニール方法を発展させ、欠陥の発生を抑制することが可能なアニールに用いられるレーザ照射装置、及び半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、第１及び第２のパルスレーザビームをそれぞれ出射する第１及び第２のパルスレーザ光源と、アニール対象物を保持するステージと、前記第１及び第２のパルスレーザビームを共通の経路に沿って伝搬させ、前記ステージに保持されたアニール対象物に入射させる伝搬光学系と、前記第１及び第２のパルスレーザビームの入射位置が、前記アニール対象物の表面上を移動するように、前記第１及び第２のパルスレーザビームの伝搬経路及び前記アニール対象物の少なくとも一方を他方に対して移動させる移動機構と、前記第１のパルスレーザ光源が、第１の周波数で発振し、前記第２のパルスレーザ光源が、前記第１の周波数の２倍以上の整数倍の第２の周波数で発振するように前記第１及び第２のパルスレーザ光源を制御する制御装置とを有するレーザ照射装置が提供される。

本発明の他の観点によると、（ａ）半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、（ｂ）前記不純物の注入された領域に、第１のパルス周波数を有する第１のパルスレーザビームと、第２のパルス周波数を有する第２のパルスレーザビームとを、共通の経路に沿って伝搬させ、前記半導体基板の表面に入射させながら、該第１及び第２のパルスレーザビームの入射位置を前記半導体基板の表面内で移動させることにより、前記不純物を活性化させる工程とを有し、前記第２のパルス周波数は、前記第１のパルス周波数の２倍以上の整数倍である半導体装置の製造方法が提供される。

第１のパルスレーザビームに、よりパルス周波数の高い第２のパルスレーザビームを重畳させることにより、アニール対象物の加熱速度及び冷却速度を遅くすることができる。

図１に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。プロセスチャンバ１０内にＸＹステージ１１が収容され、ＸＹステージ１１に、アニール対象であるシリコン基板１が載置されている。シリコン基板１の上方に、レーザビームを透過させる窓１３が取り付けられている。プロセスチャンバ１０内は、窒素雰囲気にすることができる。

第１のパルスレーザ光源２１から出射された第１のパルスレーザビームが、可変減衰器２３を通過し、折り返しミラー２６で反射されて偏光ビームスプリッタ２７に入射する。第２のパルスレーザ光源２２から出射された第２のパルスレーザビームが、可変減衰器２４及び１／２波長板２５を通過して、偏光ビームスプリッタ２７に入射する。第１及び第２のパルスレーザ光源２１及び２２は、波長５２７ｎｍの第２高調波を出射するＮｄ：ＹＬＦレーザである。なお、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの他に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザの第２高調波を出射するパルスレーザ光源を用いてもよい。その他、種々のパルスレーザ光源を用いることができる。

第１のパルスレーザ光源２１から出射された第１のパルスレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２７に対してＳ偏光となるように調整されている。第２のパルスレーザ光源２２から出射された第２のパルスレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２７に対してＰ偏光になるように調整されている。

偏光ビームスプリッタ２７は、入射する第１及び第２のパルスレーザビームを、共通の経路に沿って伝搬させる。共通の経路を伝搬する第１及び第２のパルスレーザビームは、高速シャッタ２８、ビームエキスパンダ２９、ホモジナイザ３０、折り返しミラー３１、マスク３２、集光レンズ３３、及びプロセスチャンバ１０に設けられた窓１３を経由して、シリコン基板１に入射する。

ビームエキスパンダ２９は、パルスレーザビームのビーム径を拡大する。ホモジナイザ３０は、マスク３２の配置された位置におけるビーム断面が、一方向に長い直線状になり、かつ長尺方向に関する強度が均一になるように、第１及び第２のパルスレーザビームを整形する。マスク３２は、その位置におけるビーム断面の不要部分を遮蔽する。集光レンズ３３は、マスク３２の位置におけるビーム断面を、シリコン基板１の表面に結像させる。結像倍率は、例えば１倍である。

制御装置４０が、第１及び第２のパルスレーザ光源２１及び２２のパルス周波数を制御する。さらに、両者の発振のタイミングを制御することにより、第１のパルスレーザ光源２１から出射された第１のパルスレーザビームの１つのレーザパルスがシリコン基板１に入射してから、第２のパルスレーザ光源２２から出射された第２のパルスレーザビームの次のレーザパルスがシリコン基板１に入射するまでの遅延時間を所望の値に設定することができる。さらに、制御装置４０は、高速シャッタ２８、及びＸＹステージ１１を制御する。

シリコン基板１の表面におけるビーム断面の長尺方向と直交する方向にシリコン基板１を移動させることにより、ビーム断面の長尺方向の長さを幅とする帯状の領域をアニールすることができる。シリコン基板１を、ビーム断面の長尺方向にずらして帯状の領域をアニールする処理を繰り返すことにより、シリコン基板１の全面をアニールすることができる。

次に、図２及び図３を参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
図２（Ａ）に示すように、アニール対象であるシリコン基板１の表面上に、レジスト膜２を形成し、露光及び現像を行うことにより、レジスト膜２に開口２ａを形成する。

図２（Ｂ）に示すように、レジスト膜２をマスクとし、開口２ａを通してシリコン基板１の表層部に、加速エネルギ３ｋｅＶ、ドーズ量３×１０^１４ｃｍ^−２の条件でゲルマニウム（Ｇｅ）イオンを注入する。これにより、深さ８ｎｍまでの表層部がアモルファス化され、アモルファス領域３が形成される。なお、アモルファス化される領域は、例えばＭＯＳＦＥＴのソース及びドレインのエクステンション領域である。ソース及びドレインのエクステンション領域をアモルファス化させる場合には、ゲート電極がマスクとして作用する。注入するイオンは、Ｇｅに限らず、他のＩＶ族元素のイオンでもよい。

図２（Ｃ）に示すように、レジスト膜２をマスクとして、シリコン基板１の表層部に、加速エネルギ０．２ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１５ｃｍ^−２の条件でボロン（Ｂ）を注入する。注入の深さは、約８ｎｍである。ここで、「注入の深さ」は、注入した不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３になる位置の深さと定義した。ボロンを注入した後、レジスト膜２を除去する。

図２（Ｄ）に示すように、図１に示したレーザアニール装置を用いて、シリコン基板１に直線状のビーム断面を有する第１及び第２のパルスレーザビーム５を入射させる。図２（Ｅ）に示すように、第１及び第２のパルスレーザビームの１つのレーザパルスのビーム入射領域６は、例えば長さ１７ｍｍ、幅０．１ｍｍの長尺形状である。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に、第１のパルスレーザ光源２１から出射した第１のパルスレーザビームＰ１、及び第２のパルスレーザ光源２２から出射した第２のパルスレーザビームＰ２のタイミングチャートを示す。実施例では、第１のパルスレーザビームＰ１のパルス周波数を１ｋＨｚ（周期ｔ１は１ｍｓ）とし、第２のパルスレーザビームＰ２のパルス周波数を５ｋＨｚ（周期ｔ２は０．２ｍｓ）とした。

第１のパルスレーザビームＰ１及び第２のパルスレーザビームＰ２のパルス幅は１００〜１１０ｎｓである。第１のパルスレーザビームＰ１の１つのレーザパルスが、シリコン基板１に入射した後、第２のパルスレーザビームＰ２の次のレーザパルスが入射するまでの遅延時間ｔｄを３００ｎｓとした。第２のパルスレーザビームＰ２のパルス周波数が、第１のパルスレーザビームＰ１のパルス周波数の整数倍、実施例の場合には５倍であるため、第１のパルスレーザビームＰ１のいずれのレーザパルスに着目しても、第２のパルスレーザビームＰ２の次のレーザパルスが入射するまでの遅延時間ｔｄは３００ｎｓになる。

第１のパルスレーザビームＰ１の１周期ｔ１の間にシリコン基板１が移動する距離は１０μｍであり、長尺ビーム断面の幅は０．１ｍｍである。このとき、長尺ビーム断面の面積をＳｔ、ある周期に照射される領域と次の周期に照射される領域とが重なる部分の面積をＳｏとすると、Ｓｏ／Ｓｔ（オーバラップ率）が９０％になる。

シリコン基板１の表面における第１のパルスレーザビームＰ１のパルスエネルギ密度を９００ｍＪ／ｃｍ^２とし、第２のパルスレーザビームＰ２のパルスエネルギ密度を４００ｍＪ／ｃｍ^２とした。第１のパルスレーザビームＰ１のパルスエネルギ密度は、シリコン基板１のアモルファス化された表層部を溶融させないが、固相拡散させることにより不純物を活性化させることができる大きさである。第２のパルスレーザビームＰ２のパルスエネルギ密度は、それのみではアモルファス領域の不純物を固相拡散させることができない程度の大きさである。典型的には、第１のパルスレーザビームＰ１のパルスエネルギ密度を０．６Ｊ／ｃｍ^２以上１．２Ｊ／ｃｍ^２以下とすることが好ましく、第２のパルスレーザビームＰ２のパルスエネルギ密度を０．３Ｊ／ｃｍ^２以上０．６Ｊ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。

第１のパルスレーザビームＰ１のレーザパルスが入射した後、遅延時間ｔｄ経過後に第２のパルスレーザビームＰ２のレーザパルスが入射するため、第１のパルスレーザビームＰ１が入射した部分の冷却速度を遅くすることができる。また、第１のパルスレーザビームＰ１の次のレーザパルスが入射されるまでの期間に、第２のパルスレーザビームＰ２のレーザパルスが断続的に入射するため、シリコン基板１の表層部が予熱される。

このように、第１のパルスレーザビームＰ１に第２のパルスレーザビームＰ２を重畳させることにより、急速加熱及び急速冷却に起因する欠陥の発生を抑制することができる。
シリコン基板１の表層部の不純物を固相拡散させるために、第１のパルスレーザビームＰ１には、第２のパルスレーザビームＰ２に比べて高いパルスエネルギ密度が必要とされる。一般に、パルス周波数を高くすると、パルスエネルギは低下する。現在、工業的に使用されているＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等の固体レーザを用いて、シリコン基板１の表層部のアモルファス領域を固相成長させるのに十分なパルスエネルギ密度を確保するために、第１のパルスレーザビームＰ１のパルス周波数を１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下とすることが好ましい。

第２のパルスレーザビームＰ２のパルス周波数は、第１のパルスレーザビームＰ１のパルス周波数の２倍以上の整数倍とすることが好ましい。すなわち、第１のパルスレーザビームＰ２のパルス周波数は、２ｋＨｚ以上とすることが好ましい。ただし、パルス周波数を高くしすぎると、徐冷及び予熱の十分な効果を得るパルスエネルギ密度を確保することが困難になる。従って、第２のパルスレーザビームＰ２のパルス周波数を２０ｋＨｚ以下とすることが好ましい。

アモルファス領域における光吸収係数が、シリコンの単結晶領域における光吸収係数よりも大きい場合には、レーザビームがアモルファス領域で優先的に吸収される。このため、単結晶領域の温度上昇を抑制しつつ、アモルファス領域で不純物の固相拡散を生じさせることができる。アモルファス領域で優先的にレーザビームを吸収させるために、第１及び第２のパルスレーザビームの波長を４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下とすることが好ましい。

第１のパルスレーザビームＰ１の１つのレーザパルスの入射から第２のパルスレーザビームＰ２の次のレーザパルスの入射までの遅延時間ｔｄが短すぎるか、または長すぎると、徐冷の効果が小さくなる。有意な徐冷効果を得るために、遅延時間ｔｄを１００ｎｓ以上９００ｎｓ以下にすることが好ましい。または、遅延時間を、第１のパルスレーザビームＰ１のパルス幅（半値全幅）以上にすることが好ましい。

固体レーザは、エキシマレーザ等のガスレーザに比べて、パルスエネルギの安定性が高い。このため、ガスレーザよりも固体レーザを用いることが好ましい。特に、好適な波長を持つのは、固体レーザの第２高調波である。パルス幅を短くすると、ピーク強度が強くなりすぎ、かつ加熱時間が短くなりすぎる。逆に、パルス幅を長くしすぎると、ピーク強度が低下してしまう。パルス幅の好ましい範囲は、１００ｎｓ〜３００ｎｓである。

上記実施例では、シリコン基板にボロンをイオン注入する場合を説明したが、ボロン以外の不純物（ドーパント）を注入する場合にも、上記実施例によるレーザアニール方法を適用することが可能である。また、上記実施例では、シリコン基板を用いたが、シリコン以外の半導体からなる基板を用いる場合にも、上記実施例によるレーザアニール方法を適用することが可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれら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。

実施例によるレーザ照射装置の概略図である。 実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中におけるシリコン基板の断面図及び平面図である。 実施例による半導体装置の製造方法で照射される第１及び第２のパルスレーザビームのタイミングチャートである。

符号の説明

１ シリコン基板
２ レジスト膜
３ アモルファス領域
４ 不純物注入領域
５ レーザビーム
６ ビーム入射領域
１０ プロセスチャンバ
１１ ＸＹステージ
１３ 窓
２１ 第１のパルスレーザ光源
２２ 第２のパルスレーザ光源
２３、２４ 可変減衰器
２５ １／２波長板
２６、３１ 折り返しミラー
２７ 偏光ビームスプリッタ
２８ 高速シャッタ
２９ ビームエキスパンダ
３０ ホモジナイザ
３２ マスク
３３ 集光レンズ
４０ 制御装置

Claims (12)

1. 第１及び第２のパルスレーザビームをそれぞれ出射する第１及び第２のパルスレーザ光源と、
   アニール対象物を保持するステージと、
   前記第１及び第２のパルスレーザビームを共通の経路に沿って伝搬させ、前記ステージに保持されたアニール対象物に入射させる伝搬光学系と、
   前記第１及び第２のパルスレーザビームの入射位置が、前記アニール対象物の表面上を移動するように、前記第１及び第２のパルスレーザビームの伝搬経路及び前記アニール対象物の少なくとも一方を他方に対して移動させる移動機構と、
   前記第１のパルスレーザ光源が、第１の周波数で発振し、前記第２のパルスレーザ光源が、前記第１の周波数の２倍以上の整数倍の第２の周波数で発振するように前記第１及び第２のパルスレーザ光源を制御する制御装置と
   を有するレーザ照射装置。
2. 前記第１のパルスレーザビームの１つのレーザパルスが前記アニール対象物に入射した後、前記第２のパルスレーザビームの次のレーザパルスが入射するまでの遅延時間が１００ｎｓ以上９００ｎｍ以下であるように、前記制御装置が前記第１及び第２のパルスレーザ光源を制御する請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記第１のパルスレーザビームのパルス周波数が１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下であり、前記第２のパルスレーザビームのパルス周波数が２ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下であるように、前記制御装置が前記第１及び第２のパルスレーザ光源を制御する請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
4. 前記第１及び第２のパルスレーザビームの波長が、４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ照射装置。
5. 前記アニール対象物の表面における前記第１のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度が０．６Ｊ／ｃｍ^２以上１．２Ｊ／ｃｍ^２以下であり、前記第２のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度が０．３Ｊ／ｃｍ^２以上０．６Ｊ／ｃｍ^２以下である請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
6. 前記第１のパルスレーザビームのパルス幅が１００ｎｓ以上３００ｎｓ以下である請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ照射装置。
7. （ａ）半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、
   （ｂ）前記不純物の注入された領域に、第１のパルス周波数を有する第１のパルスレーザビームと、第２のパルス周波数を有する第２のパルスレーザビームとを、共通の経路に沿って伝搬させ、前記半導体基板の表面に入射させながら、該第１及び第２のパルスレーザビームの入射位置を前記半導体基板の表面内で移動させることにより、前記不純物を活性化させる工程と
   を有し、
   前記第２のパルス周波数は、前記第１のパルス周波数の２倍以上の整数倍である半導体装置の製造方法。
8. 前記工程ｂにおいて、前記第１のパルスレーザビームの１つのレーザパルスが前記半導体基板の表面に入射した後、前記第２のパルスレーザビームの次のレーザパルスが入射するまでの遅延時間が１００ｎｓ以上９００ｎｓ以下になるように、前記第１及び第２のパルスレーザビームを入射させる請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１のパルスレーザビームのパルス周波数が１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下であり、前記第２のパルスレーザビームのパルス周波数が２ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下である請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記半導体基板の表層部がシリコンで形成されており、前記第１及び第２のパルスレーザビームの波長が、４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である請求項７〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記半導体基板の表面における前記第１のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度を０．６Ｊ／ｃｍ^２以上１．２Ｊ／ｃｍ^２以下にし、前記第２のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度を０．３Ｊ／ｃｍ^２以上０．６Ｊ／ｃｍ^２以下にする請求項７〜１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記第１のパルスレーザビームのパルス幅が１００ｎｓ以上３００ｎｓ以下である請求項７〜１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

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