JP2012156390A - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギ効率でレーザアニールを行う方法及び装置を提供する。
【解決手段】（ａ）不純物がイオン注入により添加されたＳｉＣ基板を準備する。（ｂ）ＳｉＣ基板に、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ発振器から出射された反射率の低い９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビームを照射して、ＳｉＣ基板に添加された不純物を活性化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＳｉＣ基板に添加された不純物を活性化させるレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。

ＳｉＣ基板など、ワイドギャップ半導体のレーザアニールには、バンドギャップよりも高いエネルギをもつ、波長の短いレーザが用いられている。

アルミニウムイオンを注入した６Ｈ−ＳｉＣ基板に、波長２４８ｎｍのＫｒＦレーザを用い、パルス幅１μｓ以下、１パルスあたりのエネルギ密度０．２Ｊ／ｃｍ^２〜１．５Ｊ／ｃｍ^２のレーザパルスを照射してアニールを行う方法が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。また、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザを用いたイオン注入層の活性化方法も公開されている（たとえば、特許文献２参照）。いずれの文献記載のレーザアニール方法においても、ワイドギャップ半導体のバンドギャップ以上のエネルギをもつレーザ光が照射される。

更に、ＳｉＣショットバリアダイオードの製造方法において、波長２４８ｎｍのＫｒＦレーザ、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザ、波長４８８ｎｍのＡｒイオンレーザを用いて、注入不純物を活性化させる方法が知られている（たとえば、特許文献３参照）。

しかしこれらのレーザは、単位出力当たりのコストが高く、その結果、アニールに要するコストが上昇するという問題があった。

安価で高出力のビームが得られる炭酸ガスレーザを用いたレーザアニールも行われている（たとえば、特許文献４参照）。しかしながら、特許文献４記載のレーザアニール方法においては、反射率を低減する反射率調整膜が必要であり、これがコスト増を招く要因となる。

絶縁性基板上に成膜された非晶質ＳｉＣ薄膜や多結晶ＳｉＣ薄膜に、炭酸ガスレーザを照射して結晶化や活性化を行う方法の発明も公知である（たとえば、特許文献５参照）。特許文献５に記載されているのは、表示装置（ディスプレイ）を製造するための半導体膜の製造方法であり、バルクのＳｉＣ基板の活性化についての言及はない。また、使用される炭酸ガスレーザの波長は、１０．６４μｍである。

特開２０００−２７７４４８号公報 特開２００２−２８９５５０号公報 特開２００４−３３５８１５号公報 特開２００８−１５３４４２号公報 特開２００９−８１３８３号公報

本発明の目的は、高エネルギ効率でレーザアニールが可能なレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することである。

本発明の一観点によると、（ａ）不純物が添加されたＳｉＣ基板を準備する工程と、（ｂ）前記ＳｉＣ基板に、炭酸ガスレーザから出射された９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビームを照射して、前記ＳｉＣ基板に添加された不純物を活性化させる工程とを有するレーザアニール方法が提供される。

また、本発明の他の観点によると、（ａ）表面にメタル膜を形成し、該メタル膜上にシリコン膜を形成したＳｉＣ基板を準備する工程と、（ｂ）前記ＳｉＣ基板に、炭酸ガスレーザから出射された９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビームを照射して、前記ＳｉＣ基板の表面にシリサイドを形成することにより、前記ＳｉＣ基板との間でオーミック接合を得る工程とを有するレーザアニール方法が提供される。

更に、本発明の他の観点によると、９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビームを出射可能な炭酸ガスレーザと、ＳｉＣ基板を保持するステージと、前記炭酸ガスレーザを出射したレーザビームを、前記ステージに保持されたＳｉＣ基板に伝搬する伝搬光学系とを有するレーザアニール装置が提供される。

本発明によれば、高エネルギ効率でレーザアニールが可能なレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することができる。

実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。 波長８μｍ〜１２μｍの垂直入射光の、ＳｉＣに対する侵入長と反射率を示すグラフである。

図１は、実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。実施例によるレーザアニール装置は、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ発振器１０、アッテネータ１１、テレスコープ１２、ホモジナイザ１３、折り返しミラー１４、イメージングレンズ１５、ステージ２０、及び制御装置３０を含んで構成される。

ＣＯ_２レーザ発振器１０は、制御装置３０からの制御信号に応じて、９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長、たとえば波長１０．２μｍのレーザビーム４０を出射する。レーザビーム４０は、一例としてパルス幅１００μｓのパルスレーザビームである。

パルスレーザビーム４０は、入射するレーザビームの光強度を減衰率可変に減衰して出射するアッテネータ１１で光強度を減衰され、テレスコープ１２を通過してホモジナイザ１３に入射する。ホモジナイザ１３は入射するレーザビームを分割し、重ね合わせることにより、加工面（レーザ照射面）におけるパルスレーザビーム４０の形状を、たとえば矩形状に整形するとともに、面内における光強度を均一化する。

ホモジナイザ１３を出射したパルスレーザビーム４０は、折り返しミラー１４で反射され、イメージングレンズ１５で集光されて、たとえばＸＹステージであるステージ２０に、２次元方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動可能に保持されたＳｉＣ基板５０に入射する。パルスレーザビーム４０は、ＳｉＣ基板５０上において、たとえば長軸方向（Ｘ軸方向）の長さが３ｍｍ、短軸方向（Ｙ軸方向）の長さが０．２５ｍｍの矩形状の入射領域を形成する。

制御装置３０は、ＣＯ_２レーザ発振器１０からのレーザビーム４０の出射を制御する。また、ステージ２０の動作を制御することで、ステージ２０に保持されたＳｉＣ基板５０上におけるレーザビーム４０の入射位置を制御する。

ＳｉＣ基板５０は、４Ｈ−ＳｉＣ基板に、不純物、たとえばＡｌが５００℃でイオン注入された半導体基板である。レーザビームの照射により、注入された不純物を活性化させるレーザアニールが行われる。

ＳｉＣ基板５０表面における矩形状ビーム入射領域の短軸方向（Ｙ軸方向）にＳｉＣ基板５０を移動させることにより、ビーム入射領域の長軸方向（Ｘ軸方向）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。パルスレーザビーム４０をＳｉＣ基板５０の端部まで照射したところで、ＳｉＣ基板５０を、ビーム入射領域の長軸方向（Ｘ軸方向）にずらす。その後、ＳｉＣ基板５０上のＹ軸方向にビーム入射領域を移動させて、帯状の領域をアニールする処理を繰り返すことにより、ＳｉＣ基板５０の表面全体をアニールすることができる。アニールにおいて、パルスレーザビーム４０は、たとえば８０％の重複率でＳｉＣ基板５０に照射される。

アニールに際しては、たとえばアッテネータ１１の減衰率を調整し、Ａｌが注入された層が１８００Ｋ以上の温度に加熱されるように、ＳｉＣ基板５０表面におけるパルスレーザビーム４０のエネルギ密度を調節する。

図２は、波長８μｍ〜１２μｍの垂直入射光の、ＳｉＣに対する侵入長と反射率を示すグラフである。グラフの横軸は、光の波長を単位「μｍ」で表し、縦軸は、侵入長及び反射率を、それぞれ単位「μｍ」、「％」で表す。黒三角を結んだ曲線で、光の波長と侵入長との関係を示し、黒四角を結んだ曲線で、光の波長と反射率との関係を示す。なお、本グラフは、本願発明者が、Edward D. Palik 編集の“Handbook of Optical Constants of Solids”に記載された光学定数をもとに作成したものである。

波長が１０．２μｍ以下の光の反射率は、約１０％以下と小さい。また、波長が１０．３μｍの光の反射率は約３０％である。しかし波長が１０．４μｍの光の反射率は約８０％であり、波長１０．３μｍを境として、それを超えると反射率は著しく上昇するということができるであろう。高反射率の波長の光をＳｉＣ基板に照射してレーザアニールを行うと、不純物が活性化する温度までＳｉＣ基板を加熱するのに、必要なエネルギが大きくなるため、高出力のレーザ光源が要求される。また、投入エネルギの多くが無駄になるため、ランニングコストが増大する。更に、ＳｉＣ基板表面で反射された光が、レーザアニール装置に悪影響を及ぼす可能性もある。図２に示すグラフによると、ＣＯ_２レーザで最も発振効率が高く、一般的に用いられる波長１０．６μｍの光は、ＳｉＣによる反射率が約９０％と高く、レーザアニールに利用するには好ましくないことがわかる。

実施例によるレーザアニール装置のＣＯ_２レーザ発振器１０は、９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビーム、たとえば波長１０．２μｍのレーザビームを出射可能なレーザ光源である。ＣＯ_２レーザ発振器からは、波長１０．６μｍの光以外にも、オプティクスを変えることで、９．３μｍ、９．６μｍ、１０．２μｍ等の波長の光を取り出すことができることが知られている。

ＳｉＣ基板に照射するレーザビームの波長を、反射率の低い１０．３μｍ以下とすることで、低出力のレーザ光源を用い、低コスト、高エネルギ効率で、装置への悪影響の可能性の小さいレーザアニールを行うことができる。９μｍ〜１０．３μｍの範囲内でも特に、反射率が５％弱と低く、侵入長が約１２μｍの、波長１０．２μｍのＣＯ_２レーザを用いるのが、最も効果的であろう。

ＳｉＣの深さを考慮して侵入長が適するものとなるように、ＣＯ_２レーザの波長を選択することもできる。たとえばＳｉＣ基板表面の温度を上昇させたい場合には、侵入長が浅く、かつ反射率が低い１０μｍ〜１０．３μｍの波長のＣＯ_２レーザを用いるのがよいであろう。

図１に示す実施例によるレーザアニール装置を用いて行うレーザアニールにおいては、ＣＯ_２レーザ発振器１０からパルスレーザビーム４０を出射し、ホモジナイザ１３で、ＳｉＣ基板５０上におけるビーム入射領域を矩形状に整形するとともに、ビーム入射領域内における光強度分布を均一化した。ＣＯ_２レーザ発振器１０から連続波のレーザビームを出射してアニールを行ってもよいし、ホモジナイザ１３を用いず、ビーム形状が円形、ビームプロファイルがガウシアン型のレーザビームをＳｉＣ基板５０に照射してアニールを行うことも可能である。

たとえば、４Ｈ−ＳｉＣ基板に不純物としてリン（Ｐ）をイオン注入した後、波長９．４μｍの連続波のＣＯ_２レーザを照射する。波長９．４μｍの光は、図２に示すように、ＳｉＣに対する侵入長が６０μｍ〜７０μｍと深く、ＳｉＣ基板表面の温度が上昇しにくいので、ＳｉＣ基板を一例として４００℃に予熱した状態でレーザ照射を行うことが望ましい。予熱により、光の吸収率が高くなって、基板表面で吸収されるＣＯ_２レーザのエネルギが増加し、ＳｉＣ基板の表面温度が上昇する。ＳｉＣ基板に入射させるレーザビームは、たとえば直径が２００μｍの円形状で、ガウシアン型のビームプロファイルを有するレーザビームである。レーザビームを照射しながら、ＳｉＣ基板をステージで、たとえば３００ｍｍ／ｓの速度で移動させて、基板全面のアニールを行う。円形状のレーザビームの入射領域の中心部と端部とでは、レーザビームの照射時間が異なるため、たとえばビームの走査方向と直交する方向（送り方向）の重複率を８０％として、次のラインにビームを照射することが好ましい。不純物がイオン注入された層が１８００Ｋ以上に加熱され、不純物が活性化される。

実施例によるレーザアニール装置は、たとえばＳｉＣ半導体の表面に電極を形成するためのシリサイドを形成する用途にも利用することができる。通常このようなシリサイドは、ＳｉＣの表面に成膜したＮｉなどのメタル膜に、レーザビームを照射し加熱して形成する。しかし実施例によるレーザアニール装置のＣＯ_２レーザ発振器１０から出射される波長域のレーザビーム４０は、メタル膜に対して比較的高い反射率を示す。たとえばＮｉであれば、反射率は９８％以上である。このため、レーザビーム４０のエネルギのほとんどはメタル膜で反射され、シリサイドの形成がうまくいかない。そこで、ＳｉＣ上のメタル膜表面にシリサイドの材料であるシリコン膜を成膜し、メタル−シリコンの複層膜を形成して、複層膜にＣＯ_２レーザを照射する。こうすることにより、照射面におけるレーザビーム４０の反射率は大きく低下し、たとえば高エネルギ効率でシリサイドが形成される。

一例として、以下のようなシリサイド形成が可能である。４Ｈ−ＳｉＣ基板表面にメタル層としてＮｉを１００ｎｍの厚さに成膜し、Ｎｉ層の上に厚さ２５ｎｍのＳｉ膜を形成した基板を準備する。この基板のＳｉ膜上に、ＣＯ_２レーザ発振器から出射された波長９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長、たとえば波長１０．２μｍのパルスレーザビーム４０を照射する。たとえばパルス幅が２０μｓのパルスレーザビーム４０を、長軸方向の長さが３ｍｍ、短軸方向の長さが０．２５ｍｍの矩形状の入射領域を形成して、Ｓｉ膜上に入射させる。実施例によるレーザアニール方法と同様に、パルスレーザビーム４０を、たとえば８０％の重複率でＳｉ膜に照射することで、Ｎｉをシリサイド化させ、ＳｉＣ基板との間でオーミック接合を得ることができる。なお、レーザビーム４０の照射にあたっては、アッテネータ１１の減衰率を調整して、Ｎｉ層が約１０００℃となるように、レーザビーム４０のエネルギ密度を調節する。

なお、Ｎｉに限らず、シリサイドを形成する他の金属を用いてメタル層を形成することができる。また、メタル層、Ｓｉ層の厚さは、求められる特性に応じて適宜調整される。

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。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

たとえばショットキーバリアダイオードやＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワーデバイスの製造に用いることができる。ＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体にイオン注入された、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどの不純物を活性化させるレーザアニールに適用可能である。

１０ ＣＯ_２レーザ発振器
１１ アッテネータ
１２ テレスコープ
１３ ホモジナイザ
１４ 折り返しミラー
１５ イメージングレンズ
２０ ステージ
３０ 制御装置
４０ レーザビーム
５０ ＳｉＣ基板

Claims (5)

1. （ａ）不純物が添加されたＳｉＣ基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記ＳｉＣ基板に、炭酸ガスレーザから出射された９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビームを照射して、前記ＳｉＣ基板に添加された不純物を活性化させる工程と
   を有するレーザアニール方法。
2. 前記工程（ｂ）において、前記炭酸ガスレーザから出射され、ＳｉＣ基板に照射されるレーザビームの波長が１０．２μｍである請求項１に記載のレーザアニール方法。
3. （ａ）表面にメタル膜を形成し、該メタル膜上にシリコン膜を形成したＳｉＣ基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記ＳｉＣ基板に、炭酸ガスレーザから出射された９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビームを照射して、前記ＳｉＣ基板の表面にシリサイドを形成することにより、前記ＳｉＣ基板との間でオーミック接合を得る工程と
   を有するレーザアニール方法。
4. ９μｍ〜１０．３μｍの範囲内のいずれかの波長のレーザビームを出射可能な炭酸ガスレーザと、
   ＳｉＣ基板を保持するステージと、
   前記炭酸ガスレーザを出射したレーザビームを、前記ステージに保持されたＳｉＣ基板に伝搬する伝搬光学系と
   を有するレーザアニール装置。
5. 前記炭酸ガスレーザは、波長１０．２μｍのレーザビームを出射する請求項４に記載のレーザアニール装置。