JP2006344909A - レーザ照射装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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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
【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」
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」
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:YVO4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(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3×1014cm−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1×1015cm−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1×1018cm−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/cm2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/cm2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/cm2以上1.2J/cm2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/cm2以上0.6J/cm2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:YVO4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。
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:YVO4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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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/cm2以上1.2J/cm2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/cm2以上0.6J/cm2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。
- 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。
- (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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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/cm2以上1.2J/cm2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/cm2以上0.6J/cm2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。
- 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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