JP2015115401A - レーザアニール方法およびレーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板または基板上の膜を所望の深さまで、または所望の内部領域を昇温させることが可能なレーザアニール方法等を提供する。【解決手段】レーザ光を照射して前記半導体基板または前記半導体基板上の膜の熱処理を行うレーザアニール方法であって、ランバートビアの法則に従うレーザ光強度の変化を上回るように、前記半導体基板または前記膜と集光光学系との相対距離および整形光学系でのレーザ光のビーム径の調整の少なくとも一方を制御することにより、前記半導体基板または前記膜に対して透過性を有するレーザ光を前記半導体基板または前記膜の所望の位置に集光させ温度分布を制御する。【選択図】図１

Description

この発明は半導体装置の製造方法に関し、特に半導体製造時の熱処理を行うレーザアニール方法等に関するものである。

半導体装置の製造工程においては、半導体基板の所望の深さまでを熱処理する場合がある。例えば、下記特許文献１では電力のスイッチングに用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)の製造方法が開示されている。これによると、導電性のシリコン基板のおもて面には、ベース領域、エミッタ領域等の拡散領域、エミッタ電極、ゲート電極等の電極、ゲート絶縁体、層間絶縁膜等の絶縁膜が形成され、裏面にはフィールドストップ層、コレクタ層等の拡散領域が形成される。ここで、裏面のフィールドストップ層やコレクタ層はイオン注入等によって不純物原子がドープされ、ドープされた領域を一定温度以上に昇温する熱処理が必要である。

しかし、基板のおもて面には、上述の拡散領域や電極、絶縁膜が形成されており、基板のおもて面が昇温されるとその機能が失われるため、裏面の熱処理は局所加熱することが必要である。そこで、例えば特許文献２ではレーザをシリコン表面に照射することで、表層のみを温度上昇させるレーザアニール(焼きなまし)法を提案している。しかし、ＩＧＢＴでは裏面の拡散領域の厚みによってその特性が変わり、一般には厚みが大きいほど、耐圧特性が大きくなる。そこで、下記特許文献３では２つの波長の異なるレーザを用いることで、所望の深さまで、所望の温度に昇温させることができるとしている。

特開２００３−０５９８５６号公報 特開２０１３−０７４２４６号公報 特許第４１１７０２０号公報

上述のとおり、ＩＧＢＴでは拡散領域の厚みが大きくなるほど、その特性が向上する。しかし、表面からレーザを照射すると、表層のみが昇温するため、一定深さ以上に昇温させることが難しい。また、下記特許文献３のように減衰長の大きい波長のレーザを使用することで、レーザのエネルギーを内部に届けることができるため、ある程度の深さまで昇温することができる。しかし、照射面の表面でのエネルギーが最も大きいというレーザの特性上、表層の温度が最も高くなる。表面が融点に達すると、表面の結晶構造や形状が乱れるため、半導体としての電気特性が大きく変化し、半導体製品として使えなくなる。このため、たとえ減衰長の大きいレーザを使用したとしても表面が融点に達するという条件に律束(制約)され一定深さ以上に昇温することができない。また、２つの波長の異なる光源が必要であり、装置が複雑になる。

この発明は上記の課題を解決するためのもので、常温では基板に対して透過性を示す１つのレーザ光を基板内部に集光させ、非線形な温度上昇現象を利用することで、基板または基板上の膜を所望の深さまで、または所望の内部領域を昇温させることが可能なレーザアニール方法等を提供することを目的とする。

この発明は、レーザ光を照射して前記半導体基板または前記半導体基板上の膜の熱処理を行うレーザアニール方法であって、ランバートビアの法則に従うレーザ光強度の変化を上回るように、前記半導体基板または前記膜と集光光学系との相対距離および整形光学系でのレーザ光のビーム径の調整の少なくとも一方を制御することにより、前記半導体基板または前記膜に対して透過性を有するレーザ光を前記半導体基板または前記膜の所望の位置に集光させ温度分布を制御することを特徴とするレーザアニール方法等にある。

この発明では、基板または基板上の膜を所望の深さまで、または内部の所望の領域を、昇温させることが可能なレーザアニール方法等を提供することができる。

この発明によるレーザアニール方法を実施するレーザアニール装置の構成の一例を概略的に示す図である。 この発明の実施の形態２におけるレーザアニール方法を説明するための半導体基板の基板断面の模式図である。 この発明の実施の形態３におけるレーザアニール方法を説明するための半導体基板の基板断面の部分的模式図である。 この発明の実施の形態４におけるレーザアニール方法を説明するための指向性集光形態の模式図である。 レーザ光のシリコンに対する減衰長(侵入深さ)の温度依存性を示す図である。

最初に、この発明の要点を説明する。一般に物質への光照射を行うと波長によって侵入深さ(吸収係数)が異なる。侵入深さとは光の強度が表面での強度の１／ｅになる距離である。シリコンに対する侵入長も同様で例えば、ＫｒＦエキシマレーザは波長が２４８ｎｍであるが、この波長における単結晶シリコンに対する侵入深さは１０ｎｍであり、極表層で吸収が行われることがわかる。反対にＹＡＧレーザの基本波は１０６４ｎｍで減衰長は約２００μｍとなり、半導体基板が１００μｍ程度が主流であることを考えると、ＹＡＧレーザの基本波はほぼ透過するといえる。ここで、レーザを物質に照射したときのレーザ強度の深さ方向の分布は指数関数に従って減衰していき、ランバートビアの法則と呼ばれる。物質表面におけるビームの強度をＩ_０、深さ方向をｚ、減衰長さをｄとすると深さｚにおけるビーム強度Ｉは次の式(１)で表される。

Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ(−ｚ／ｄ) (１)

この減衰の程度を表したものが減衰長さである。

このように、レーザを照射する対象物を固定すると、レーザの波長によって、減衰長が決まる。このため、レーザの波長が決まると深さ方向の温度分布が決定されるため、所望の深さの領域を所望の温度に昇温させることは不可能である。

ここで、基板に対して透過性を示す波長(侵入深さの長い波長)の光では、物質内部に集光することができる。このとき、物質内部でのビームの強度はランバートビアの法則に従う減衰と、集光による強度の増加の積によって決まる。集光による強度の増加は物質表面におけるビーム径をｒ_０、深さｚの位置におけるビーム径をｒ_ｚとすると、集光による強度の増分ｋ_ｒは次の式(２)

ｋ_ｒ＝(ｒ_０／ｒ_ｚ)^２ (２)

で表せる。

以上から深さｚにおけるランバードビアの法則に従う減衰と集光による強度の増加は次の式(３)で表せる。

Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ(−ｚ／ｄ)×(ｒ_０／ｒ_ｚ)^２ (３)

式(３)より、ｅｘｐ(−ｚ／ｄ)＜(ｒ_０／ｒ_ｚ)^２となるように集光することができれば、深さｚにおけるビーム強度Ｉは表面でのビーム強度Ｉ_０よりも大きくなることがわかる。つまり、ランバートビアの法則に従うビーム強度の減衰以上に、ビーム強度を向上させることができ、物質内部で温度上昇を起こすことができる。

ここで図５に波長１０６４ｎｍのレーザ光のシリコンに対する減衰長(侵入深さ)の温度依存性を示す。このように、シリコンは温度の上昇とともに減衰長(侵入深さ)が短くなっており、吸収が大きくなる。今回、この特性を生かすと、シリコン内部にレーザを集光させ、一度温度が上昇した領域は加速度的に温度上昇を起こさせることができることがわかった。この現象を利用することにより、物質内部の吸収率が上昇するため、効率よく温度上昇を起こさせることができる。さらに透過後のレーザエネルギーが小さくなるため、例えば半導体基板のように透過したレーザの先に電子部品等が存在しても電子部品へのダメージを与えることなく所望の領域を昇温させることができる。この現象はビームの集光度、強度、照射時間を制御することで温度上昇が生じる範囲、上昇温度を制御することができる。

さらに、集光位置の制御によって温度上昇の起点となる位置を制御することができる。これら、ビームの照射条件(集光度、強度、照射時間)、照射位置を制御することでシリコン内部の所望の領域を所望の温度に上昇させることができる。

以下、この発明によるレーザアニール方法等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明によるレーザアニール方法を実施するレーザアニール装置の構成の一例を概略的に示す図である。レーザアニール装置は主に、レーザ発振器１、整形光学系３、反射光学系４、集光光学系５および駆動系６により構成され、レーザ光２を半導体基板(未加工の半導体材料基板を含む)７または同基板上の膜に照射し、例えば熱処理を行う。
レーザ発振器１で発生されたレーザ光２は、整形光学系３によって形状が整形され、反射光学系４によって反射されて半導体基板７の方向へ照射方向が変えられ、集光光学系５によって集光され、そしてステージ１０上の半導体基板７に照射される。このとき、集光点は半導体基板７の内部になるように照射する。

レーザ発振器１、整形光学系３、反射光学系４、集光光学系５および駆動系６は制御部であるそれぞれ、発振器制御装置１ａ、整形制御装置３ａ、反射制御装置４ａ、集光制御装置５ａ、駆動系制御装置６ａを有し、さらにこれらの制御装置１ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａがレーザアニール装置全体の制御を行うレーザアニール制御装置９に接続されている。レーザアニール制御装置９は例えば入力部(図示省略)からのオペレータの入力または予め設定された指令に従い、内蔵するプログラムに従って各制御装置１ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａに出力する制御指令を演算して出力する。各制御装置１ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａは制御指令に従い制御を行う。レーザアニール制御装置９および各制御装置の１ａ，３ａ，４ａ，５ａ，６ａはレーザアニール制御部を構成する。

なお、熱処理すなわちアニール処理時、半導体基板７にレーザ光２を走査(スキャン)して照射するが、レーザ光２の走査は、駆動系６により半導体基板７を載せたステージ１０を駆動させて行われるが、相対変化させればよく、例えば反射光学系４の角度を変えて行うことも可能である。

(集光点の位置)
半導体基板７におけるレーザ光２の集光点の位置は、半導体基板７と集光光学系５の相対距離を変化させることで調整できるように、集光光学系５は集光制御装置５ａに、半導体基板７は半導体基板７を載せたステージ１０の位置(３次元)を変える駆動系６が駆動系制御装置６ａに制御される。整形光学系３はレーザ光２のビームの径を広げる、またはビームの分布強度を均一化する。整形制御装置３ａによりこの整形光学系３でレーザ光２のビーム径を広げることで集光点を変化させることもできる。集光点の深さ方向の位置を制御することで、熱処理領域の位置を決めることができる。例えばレーザ光の集光点における集光径は波長×３〜２０倍程度にまで絞られ、１０６４ｎｍの波長では、５μｍ程度になる。集光深さは半導体基板7の表面から１０μｍ程度で、半導体基板７の表面におけるビーム径は２５μｍ程度となり、非線形な温度上昇を起こすｅｘｐ(−ｚ／ｄ)＜(ｒ_０／ｒ_ｚ)^２を満たす。

(レーザ光の照射タイミング、照射時間、照射強度)
また、レーザ光２はレーザ発振器１において発振器制御装置１ａによってレーザ光の照射タイミング、照射時間、および照射強度が制御されている。

(半導体基板の位置、移動速度)
さらに半導体基板７はステージ１０上にあり、駆動系制御装置６ａの制御によって駆動系６により半導体基板７の位置、移動速度が制御される。

(パワー密度、ビーム径、集光角度)
侵入深さの温度依存性を利用した非線形な温度上昇を発生させるには、集光点での単位時間当たりのエネルギー密度であるパワー密度(Ｗ／ｃｍ^２)が所定値以上である必要がある。
パワー密度は、集光点でのビーム径、レーザ光出力で決定され、例えばビーム径は５μｍ、レーザ光出力は１００Ｗであり、パワー密度は１．２７×１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。パワー密度は１×１０^７Ｗ／ｃｍ^２以上が望ましい。
集光点でのビーム径は、レーザ光の波長と集光光学系５の集光角度で決定される。
集光角度は、光学系(整形光学系３、反射光学系４、集光光学系５)の選択によって変更することが可能で、例えば集光角度には４５°程度を採用する。
また、照射強度と時間軸のパラメーターである照射時間、移動速度によって上温する領域の大きさが決定される。

以上のことから、
・レーザ光の照射タイミング、照射時間、照射強度、
・半導体基板の移動速度、および
・集光位置(集光点の位置)
を制御し、適切な集光角度、例えば４５°、を持つ集光光学系５を選択したレーザアニール装置を構成することによって所望の深さ、所望の領域を所望の温度まで熱処理を行うことができる。

実施の形態２．
この実施の形態では、実施の形態１の図１の装置を用いてＩＧＢＴ等の半導体装置のレーザアニール処理を行う。図２にはこの発明の実施の形態２におけるレーザアニール方法を説明するための、半導体基板裏面を上にした基板断面の模式図を示す。図２に示すように一般的なＩＧＢＴの基板表面には、ゲート絶縁膜１２およびゲート電極１３、エミッタ拡散領域１４、チャンネル拡散領域１５、エミッタ電極１６が形成されている。

基板裏面はシリコン基板１７の裏面を研磨し、基板厚を所望の厚み、例えば１００μｍとする。基板の裏面よりフィールドストップ層１８となる深さにリン(Ｐ)をイオン注入し、コレクタ拡散層１９となる深さにボロン(Ｂ)をイオン注入する。イオン注入されたフィールドストップ層１８の深さは、例えば５μｍである。イオン注入条件は、フィールドストップ層１８の目標とする深さに応じて決められる。

このイオン注入がなされた領域に実施の形態１で示した装置を用いて熱処理を行う。熱処理は、フィールドストップ層１８およびコレクタ拡散層１９の不純物イオンを活性化させるため、少なくともフィールドストップ層１８の深さまで行うことが好ましい。またイオン注入した不純物を活性化させるために、フィールドストップ層１８およびコレクタ拡散層１９の深さ方向全体に渡り１０００℃(１２７３Ｋ)以上となることが求められる。また、シリコン基板１７の深さ方向全体に渡り、シリコンの融点である１４２０℃(１６９３Ｋ)以下であることが求められる。さらに、シリコン基板１７おもて面は、表面に形成された動作層２０が例えば熱応力や高温により劣化しないため３００℃(５７３Ｋ)以下であることが求められる。

そこで、熱拡散係数を用いて簡単にレーザ照射時の温度上昇範囲を求める。熱拡散係数κはｃ：シリコンの比熱、ρ：シリコンの密度、Ｔ：温度、λ：シリコンの熱伝導率として以下の式(４)で表せる。

κ＝λ／(ｃ×ρ) (４)

この熱拡散係数にレーザの照射時間ｔを乗じて、平方根をとると、レーザ照射による上昇温度深さｄを見積もることができる。すなわち下記の式(５)のようになる。

ｄ＝(κ×ｔ)^１／２ (５)

ここで下記に示すシリコンの物性値、例えば
λ＝１．４８Ｗ／ｃｍＫ
ρ＝２．３３ｇ／ｃｍ^３
ｃ＝０．７０７Ｗ／ｃｍＫ
を代入すると、
ｔ＝１μｓのときにｄ＝１０μｍ、ｔ＝１０ｎｓのときにｄ＝１μｍ、となる。このようにビームの照射時間を制御することにより、上昇温度深さを制御することができる。以上から、例えばフィールドストップ層１８の深さが５μｍであればレーザ光の照射時間を１０ｎｓ〜１μｓ程度にする必要がある。

続いて厚み１００μｍのシリコン基板にフィールドストップ層１８の５μｍの処理を目指し、例えば１０６４ｎｍのレーザ光を照射したとき、室温の侵入長は１．３ｍｍと大きいため１００μｍ透過したときのレーザ光の強度は元の強度の９２．４％の強度を維持する。このため、シリコン基板１７の表面側の動作層２０に十分なエネルギーを持ったレーザ光が照射され、動作層２０が熱ダメージを受ける。ところが、減衰長の温度依存性を考慮すると活性化温度である１０００℃付近ではおおよそ常温の１０００分の１の減衰長となる。この場合、１０６４ｎｍのレーザ光を照射すると侵入長は１．３μｍとなり、深さ５μｍ、温度１０００℃の熱処理領域を透過すると元のエネルギーのわずか２％になる。このため、動作層２０への熱ダメージを大幅に抑えることができる。

以上のように実施の形態２によるＩＧＢＴ基板等のアニール処理では実施の形態１で述べた非線形な温度上昇を生じさせると、シリコン基板表面の動作層に熱的ダメージを与えることなく、所望の深さ、所望の領域を所望の温度まで熱処理を行うことができる。

実施の形態３．
この実施の形態では、実施の形態２において、集光点をシリコン基板表面から３μｍ以上の深さの位置にし、活性化温度以上となる熱処理領域を完全に表面より内部に形成する。一般に熱処理条件は１０００℃以上と言われているが、上昇温度によって活性化率や、ＩＧＢＴとしての特性が異なり、その条件は不純物の種類によって異なる。このため、図４のように例えば比較的深い領域(３μｍ〜１０μｍ)にリン(ｐ)をイオン注入し(リン(ｐ)注入層２１)、比較的浅い領域(５μ〜表面)にボロン(Ｂ)を注入(ボロン(Ｂ)注入層２２)したシリコン基板１７に対し、まず、Ｐ層の活性化のために集光点を深さ５〜１０μｍに定め、Ｐ層を所望の温度に昇温させる。このとき、レーザ光の透過性により、表面側のＢ層での温度上昇はほとんど起きない。つづいて、Ｂ層の活性化を狙い集光点を深さ２．５μｍ〜５μｍに定め、Ｂ層を所望の温度に昇温させる。以上の照射により、各層の熱処理は完全に独立しており、各々の層に対して適切な熱処理を実施することができる。これにより、各々の層を適切な温度、適切な領域で熱処理を行うことができる。

実施の形態４．
熱処理の際にレーザ光２を走査して照射するが、この実施の形態は、実施の形態２において、集光光学系５を、走査の進行方向に対しては集光し、進行方向と直交する方向には集光されないシリンドリカルレンズに代表されるような指向的集光光学系として用いる形態である。例えば、図１の整形光学系３の調整と合わせて図４に示すような指向性集光形態２３および指向性ビームプロファイル２４を作成する。図４の矢印Ｓは走査の方向を示す。このとき、集光位置におけるパワー密度が実施の形態１での閾値(侵入深さ(吸収係数)の温度依存性を利用した非線形な温度上昇を発生させるのに必要なパワー密度)以上であれば、指向性ビームプロファイル２４の幅２５にわたって温度上昇が生じる。このように走査の進行方向と直交する方向に予め定められた所定の幅をもった領域を１度のレーザ走査で熱処理できることになる。これにより、同一領域を少ない走査回数で熱処理することが可能となる。

なお、上記各実施の形態で使用されるレーザ光２としては、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＢファイバレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等がある。またレーザ光の波長(すなわち半導体に対して透過性を示す波長)は、８００ｎｍ以上、特に８００ｎｍ以上１２００ｎｍ未満のものである。

この発明は、半導体材料基板を含む半導体基板のみならずこれらの基板上の膜の熱処理に適用可能であり同様な効果を奏する。

また、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むものである。

１ レーザ発振器、２ レーザ光、３ 整形光学系、３ａ 整形制御装置、４ 反射光学系、４ａ 反射制御装置、５ 集光光学系、５ａ 集光制御装置、６ 駆動系、６ａ 駆動系制御装置、７ 半導体基板、９ レーザアニール制御装置、１０ ステージ、１２ ゲート絶縁膜、１３ ゲート電極、１４ エミッタ拡散領域、１５ チャンネル拡散領域、１６ エミッタ電極、１７ シリコン基板、１８ フィールドストップ層、１９ コレクタ拡散層、２０ 動作層、２１ リン(ｐ)注入層、２２ ボロン(Ｂ)注入層、２３ 指向性集光形態、２４ 指向性ビームプロファイル、２５ 幅。

Claims (6)

1. レーザ光を照射して前記半導体基板または前記半導体基板上の膜の熱処理を行うレーザアニール方法であって、ランバートビアの法則に従うレーザ光強度の変化を上回るように、前記半導体基板または前記膜と集光光学系との相対距離および整形光学系でのレーザ光のビーム径の調整の少なくとも一方を制御することにより、前記半導体基板または前記膜に対して透過性を有するレーザ光を前記半導体基板または前記膜の所望の位置に集光させ温度分布を制御することを特徴とするレーザアニール方法。
2. 前記レーザ光を前記半導体基板または前記膜の内部に集光させ、表面より内部で熱処理領域が形成される基板内部の温度分布を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
3. 前記レーザ光を前記半導体基板上または前記膜上に走査して照射し、前記レーザ光を、走査の際の進行方向と直交する方向に予め定められた幅を有する集光形態のものとすることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
4. 前記レーザ光が、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＢファイバレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、半導体レーザのいずれか１つのレーザ光であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
5. 前記レーザ光が、半導体に対して透過性を示す波長８００ｎｍ以上１２００ｎｍ未満のレーザ光であることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
6. レーザアニール制御部の制御により、レーザ発振器で発生されたレーザ光を、整形光学系でビーム径を含む形状を整形し、反射光学系で反射して半導体基板または前記半導体基板上の膜の方向へ照射方向を変え、集光光学系で集光して、ステージ上の前記半導体基板または前記膜に照射するレーザアニール装置であって、前記レーザアニール制御部が、ランバートビアの法則に従うレーザ光強度の変化を上回るように、前記半導体基板または前記膜と前記集光光学系との相対距離および前記整形光学系でのレーザ光のビーム径の調整の少なくとも一方を制御することにより、前記半導体基板または前記膜に対して透過性を有するレーザ光を前記半導体基板または前記膜の所望の位置に集光させ温度分布を制御することを特徴とするレーザアニール装置。

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