JP4843225B2 - 低濃度ドープされたシリコン基板のレーザ熱アニール - Google Patents
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Description
図1Aは、アニールされる基板10とともに、本発明のLTA装置8の一実施形態断面図である。基板10は、上面12と、本体(バルク)領域16とを有する。本体(バルク)領域16は、「ドープされていない」、あるいは厳密に言えば、通常は非常に浅い領域のみに非常に高いドーピングレベルを含む非常に小さな接合領域またはデバイスよりも低濃度でドープされている。参照文字Nは、基板の上面12に対する法線を示す。一実施形態では、基板10はシリコンウエハである。
図2は、波長10.6μmの放射線に対するシリコン基板の吸収長LA(μm)(縦軸)対基板温度Ts(℃)のプロットである。また、プロットには、基板温度Tsの関数としての滞在時間200μsでの拡散距離LD(μm)も含まれる。吸収長LAは、アニール放射線ビーム20の強度を1/eに減衰させるために要する厚さである。熱拡散距離LDは、瞬間的な表面温度の上昇が所定の滞在時間後に材料中に伝播するであろう深さである。LAおよびLDは、600℃以下の温度Tsでは60μm以下のほぼ同じ値を有する。
図1Aを再び参照すると、一実施形態では、チャック28は熱伝導性であり、かつ、加熱素子50を含む。この加熱素子50は、コントローラ32に接続され、コントローラ32によって制御される電源52に接続されている。熱絶縁層53はチャック28の底部と側面を取り囲み、ステージが不必要に加熱されること、ならびにチャックから熱が損失することを防いでいる。
図1Bを参照すると、別の実施形態では、装置8は、加熱エンクロージャ80(例えば、オーブン)を含む。この加熱エンクロージャ80は、基板10およびチャック28の両方、あるいは基板、チャック、およびステージMSを取り囲むのに十分な大きさを有する内部領域82を備える。エンクロージャ80は、電源52に接続された付加的な加熱素子50を(好ましくはチャック28に含まれている加熱素子に加えて)含む。電源52はコントローラ32に接続されている。一実施形態では、エンクロージャ80は、アニール放射線ビーム20を基板10の表面12に到達させる窓または開口84を含む。図1Aに関連して上述した熱絶縁層53が、好ましくはチャック28の側面および底部に設けられ、チャックからステージへの不必要な熱の損失を防いでいる。
図1Cを参照すると、別の実施形態では、装置8は、予熱光学リレー系140を含み、予熱光学リレー系140は、光軸A2に沿って設けられた予熱放射線源142およびリレーレンズ143を有する。予熱放射線源142は、リレーレンズ143に照射される放射線147を発し、リレーレンズ143からの予熱放射線ビーム150は、アニール放射線ビームによって加熱される直前に基板を予熱するために使用される。放射線147は、シリコンによって100μm以下の深さで容易に(実質的に)吸収される波長を有する。一実施形態では、予熱放射線源142は、0.8μm(800nm)または0.78μm(780nm)の波長を有する予熱放射線147を発するレーザーダイオードアレイである。リレーレンズ143の実施形態を以下に説明する。予熱放射線源142およびリレーレンズ143は、図1Aに示すように(図1Cでは説明を簡略化するために省略されている)、モニタM1,M2およびステージ駆動部29とともにコントローラ32に動作的に接続されている。
図5は、放射線の入射パワーP1(W/cm)の関数としての、高濃度ドープされたシリコン基板に波長10.6μmの放射線を照射することによって形成された最高基板温度TMAX(℃)のプロットである。このデータを導出するために、2次元有限要素シミュレーションプログラムを使用した。シミュレーションでは、無限に長いアニール放射線ビームを想定した。したがって、ビームパワーはW/cm2ではなくW/cmで測定される。また、シミュレーションでは、アニール放射線ビーム20が120μmの全幅半値(FWHM)を有するガウス形ビームプロファイルを有し、アニール放射線ビーム20が基板の上面12を600mm/秒の速度で走査し、200μsの滞在時間(dwell time)を生じるものと想定した。ここで、「滞在時間」は、アニール放射線ビーム20によって形成された像30が基板の表面12の特定のポイントの上方にある時間の長さである。この場合、プロットは、入射パワーP1と最高基板温度TMAXとの間のほぼ直線的な関係を示している。この2次元モデルは、アニール放射線ビーム20が無限に長いことを想定しているため、線像30の端部におけるさらなるエネルギー損失は全くなかった。有限ビーム長ではビームの端部において追加の熱損矢が生じ、したがって、所与の入射パワーレベルP1に対する最高温度は低くなる。
実際には、アニール放射線ビーム20の基板10への効率的な結合を達成するのに必要な予熱放射線ビーム150の最小パワーを決定することは簡単である。一実施形態では、吸収性の基板をアニールするために十分なパワーレベルに設定されたアニール放射線ビーム20を使用する場合、室温ではアニール放射線ビーム20の波長を実質的に吸収しない基板に、予熱放射線ビーム150およびアニール放射線ビーム20を照射する。予熱放射線ビーム150のパワーレベルは、基板内でアニール温度が検出されるまで増加させる。これは、例えば、図1Aに示される温度モニタM2で基板温度を測定することによって行なうことができる。
図8Aおよび図8Bは、光学リレー系140および基板10の一実施形態の模式的な断面図である。図8AはY−Z平面の図であり、図8BはX−Z平面の図である。図8Aおよび図8Bにおいて、リレーはページに収まるように2つの部分に分割され、表面S13,S14を有するレンズ素子が双方の部分に示されている。
上述したように、一実施形態では、予熱放射線ビーム150によって形成される像160は基板10上を走査される。また、アニール放射線ビーム20によって形成される像30も、予熱放射線ビームによって予熱された基板の部分に入射するように基板上を走査される。
Claims (10)
- 表面を有するシリコン基板に室温で実質的に吸収されないレーザアニール放射線ビームを用いて前記基板のレーザ熱アニールを行なうために、前記基板を予熱する装置であって、
室温で前記基板に実質的に吸収される予熱放射線を発する予熱放射線源と、
前記予熱放射線を受けて、ブルースター角またはその近傍で前記基板に入射して該基板に第1の走査像を形成する予熱放射線ビームを形成するように構成されたリレーレンズと、
前記基板から反射された予熱放射線を受け、かつ、前記反射された前記予熱放射線をリサイクル放射線ビームとして前記基板上の前記第1の走査像に向けるように配置されたリサイクル光学系と、
を含み、
前記基板の表面の上方で前記第1の走査像を走査して、前記基板の対応部分を予熱し、
前記基板の対応部分は、続いて第2の走査像の前方に存在するか又は前記第2の走査像と部分的に重なり、
前記第2の走査像は、前記レーザアニール放射線ビームによって、前記基板の予熱された部分に形成され、
前記予熱放射線ビーム及び前記レーザアニール放射線ビームが、前記レーザアニール放射線ビームが前記基板に実質的に吸収され始める前記基板の臨界温度以上に予熱される前記基板の対応部分を有する前記基板の表面に関して走査され、
前記予熱放射線ビームは、前記基板の対応部分を前記臨界温度以上に予熱し、
前記レーザアニール放射線ビームは、前記予熱放射線ビームによって前記臨界温度以上に予熱された前記基板の対応部分に関して走査され、
前記予熱放射線ビームは、前記レーザアニール放射線ビームの波長よりも短い波長を有し、かつ、前記基板に対して、前記基板表面の構造による熱吸収のばらつきを最小化する角度で入射し、
前記予熱放射線ビーム及び前記リサイクル放射線ビームは、前記基板の表面の同じ部分に照射され、かつ、p偏光されている、装置。 - 請求項1において、
前記リサイクル光学系は、集光/集束レンズと、コーナーキューブ反射体とを含む、装置。 - 請求項2において、
前記リサイクル放射線ビームは入射角を有し、
前記リサイクル光学系は光軸を有し、
前記コーナーキューブ反射体は、前記光軸に対して変位して、前記リサイクル放射線ビームの入射角と前記予熱放射線ビームの入射角とを少なくとも部分的に分離させる、装置。 - 請求項1において、
前記リサイクル光学系は、テレセントリックリレー及び回折格子を含む、装置。 - 請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記基板は、1×1016原子/cm3以下のドーパント濃度を有し、
前記レーザアニール放射線ビームは、CO2レーザ放射線ビームである、装置。 - シリコン基板に室温で実質的に吸収されないレーザアニール放射線ビームを用いて、前記基板のレーザ熱アニールを行なうために、前記基板の表面を予熱する方法であって、
室温で前記基板に実質的に吸収され、前記レーザアニール放射線ビームの波長より短い波長を有し、かつ、前記基板に対してブルースター角とその近傍で該基板の表面に入射する予熱放射線ビームを前記基板の部分に照射して該基板の部分を予熱すること、
前記基板の部分によって反射された予熱放射線を受けること、
受けた前記予熱放射線をリサイクル放射線ビームとして前記基板上の第1の走査像に向け返すこと、及び、
前記基板の表面の上方の前記第1の走査像を走査して、前記基板の対応部分を予熱すること、
を含み、
前記基板の対応部分は、続いて走査される第2の走査像の前方に存在するか又は前記第2の走査像と部分的に重なり、
前記第2の走査像は、前記レーザアニール放射線ビームによって、前記基板の予熱された部分に形成され、
前記予熱放射線ビーム及び前記レーザアニール放射線ビームが、前記レーザアニール放射線ビームが前記基板に実質的に吸収され始める前記基板の臨界温度以上に予熱される前記基板の対応部分を有する前記基板の表面に関して走査され、
前記予熱放射線ビームは、前記基板の対応部分を前記臨界温度以上に予熱し、
前記レーザアニール放射線ビームは、前記予熱放射線ビームによって前記臨界温度以上に予熱された前記基板の対応部分に関して走査され、
前記予熱放射線ビーム、及び、前記基板の一部に向け返された前記予熱放射線は、該基板の表面の同じ部分に照射され、かつ、p偏光されている、方法。 - 請求項6において、
前記基板は、1×1016原子/cm3以下のドーパント濃度を有し、
前記レーザアニール放射線ビームは、CO2レーザ放射線ビームである、方法。 - 請求項6または7において、
前記受けた予熱放射線を前記基板の一部に向け返すことは、該受けた予熱放射線をコーナーキューブ反射体によって反射させることを含む、方法。 - 請求項6または7において、
前記受けた予熱放射線を前記基板の一部に向け返すことは、前記受けた予熱放射線をルーフミラー及び円柱ミラーによって反射させることを含む、方法。 - 請求項6または7において、
前記受けた予熱放射線を前記基板の一部に向け返すことは、前記受けた予熱放射線に対して傾けられた回折格子によって、前記受けた予熱放射線を回折させて、前記基板に向け返される予熱放射線を前記基板の表面上に集束させることを含む、方法。
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