JP5252505B2 - レーザアニール装置 - Google Patents
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Description
このような熱処理では、活性化が良好になされるように、基板のある程度の深さ位置まで効果的に加熱されるのが望ましい。しかし、従来用いられているレーザは、パルス幅(パルスの半値幅)が狭いため、加熱時間が短く、十分な活性化を行うことが難しい。そのため、複数のパルスを連続して照射し、見かけ上のパルス幅を広げて活性化する方法が提案されている。
この技術では、CW型LD(波長≦900nm)とCW型YAGレーザの高調波レーザ(波長≧370nm)を同じ基板面に同時照射し、各レーザビームの照射時間(ビーム走査速度とビームサイズで決まる)を制御することで深さ方向の温度分布を制御して3μmレベルの深い活性化を実現している。不純物注入層の浅い部分は短い波長の固体レーザで活性化し、深い部分は半導体レーザで活性化する。裏面は融点以下に、表面は200℃以下にした非溶融活性化である。
この技術に係るダブルパルスレーザアニール装置は、深いpn接合を活性化するために2台のグリーンパルスレーザを使って、100nsレベルの短いパルス幅を持つ2つのレーザパルスの間に遅延時間を設けて、擬似的にパルス幅を長くしてアニール時間を稼いでいる。その遅延時間を最適化することで、浅いボロンの注入層と深いリンの注入層を一括して活性化する。活性化深さは1.8μmに達しており、高い活性化率が得られている。このpn接合の活性化プロセスは、先ずは深いリン注入層が固相状態で結晶回復して、次に結晶回復したリン層が種結晶となり浅いボロン注入層が液相エピタキシャル成長して、固相から液相へと段階的に進められる。
この技術は、赤外波長1060nm(パルス幅40ns)とグリーン波長530nm(パルス幅30ns)の2波長のレーザを同時に照射して、先ずグリーン波長のパルスレーザでAsイオン(30keV、E+15/cm2)を注入したアモルファス層(48nm)の表面を浅く溶融し、次に赤外波長の吸収を高めて、赤外波長のパルスレーザでアモルファス層全体を溶融する溶融活性化方法である。グリーンパルスレーザは赤外パルスレーザの光吸収のトリガー的な役割を担っている。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、光侵入長と熱拡散長を十分に確保して、不純物の活性化処理などの熱処理を効果的に行うことができるレーザアニール装置を提供することを目的とする。
前記レーザパルスは、前記レーザパルスが前記基板表面に照射された際に前記基板が非溶融で処理層が非溶解状態を維持し、または表層のみが溶融して前記表層を除く処理層が非溶解状態を維持するように照射されることを特徴とする。
本発明としては、立ち上がりが緩やかなレーザパルスを出力するレーザ光源が特定のものに限定されるものではないが、例えば、LD励起Yb:YAGレーザの第二高調波を搭載するものを好適例として示すことができる。
パルスレーザのパルス幅をコントロールする(長くする)ことで、光侵入長に見合った熱拡散長を確保できlow thermal budgetプロセス(低温活性化処理)などを有効に実現できる。
1)レーザパルスの立ち上がり時間を緩やかにすることで、照射するパルスレーザの時間平均の光侵入長を長くでき、従来問題となっていた照射初期の温度上昇に伴う光侵入長の急減を緩和できる。そのためパルスレーザの波長に起因する光侵入長を確保でき、目標とする深い領域(例えば2μm以上)まで活性化が可能となる。
2)溶融および非溶融の活性化プロセスを問わず何れのプロセスでも深い活性化に効果を発揮する。
3)如何なる波長のパルスレーザによる深い活性化にも効果を発揮する。
4)パルスレーザのパルス幅をコントロールすることで、光侵入長に見合った熱拡散長を確保できlow thermal budgetプロセスを実現できる。
5)イオン注入量が増大して光吸収が大きくなり、深い活性化が難しくなる場合にも本発明の効果を発揮できる。
レーザアニール装置1は、図1に示すように、処理室2を備えており、該処理室2内にX−Y方向に移動可能な移動装置3を備え、その上部に基台4を備えている。基台4上には、被処理体配置台5が設けられている。レーザアニール処理時には、該被処理体配置台5上に半導体基板20が設置される。なお、移動装置3は、図示しないモータなどによって駆動される。
表層のみが溶融する状態とは、活性化が必要な領域までが溶融するものではなく、レーザ光の照射時期後半に表層のみが部分的に溶融する状態であり、それまでに、レーザ光は基板に侵入して深さ領域まで効果的に加熱している。
本発明例として、Yb:YAGレーザの第二高調波があり、図4に示すように、パルス幅1200nsに対して立ち上がり時間308nsと立ち下がり時間92nsを有するものが例示される。この他に、パルス幅301nsに対して立ち上がり時間182nsと立ち下がり時間85nsを有するものが例示され、さらに、パルス幅504nsに対して立ち上がり時間250nsと立ち下がり時間100nsを有するものが例示される。
従来のLD励起固体レーザの第二高調波パルスレーザの立ち上がり時間は50nsより小さく、他方、本発明例の立ち上がり時間は180nsより大きい。本発明例の立ち上がり時間は従来例に比べて最大で約1ケタ長い。
以下に、本発明の実施例を説明する。
レーザパルスとして、LD励起固体レーザ第二高調波を用い、レーザ光源には、Yb:YAG、Nd:YLFまたはNd:YAGを用いた。各レーザ光源から出力されるレーザパルスのパルス幅、立ち上がり時間、立ち下がり時間を表1に示すように調整し、照射した。Yb:YAGレーザの第二高調波は元々パルス幅の長い(2000ns以上)レーザパルスをEOスイッチで切り出して、立ち上がり時間が長く、立下り時間の短いパルスを形成した。Nd:YEFの第二高調波レーザに関しては発振信周波数を高めるとパルス幅を長くできる。
該基板における活性化深さは、SRPの深さプロファイル、すなわちキャリアの深さ濃度分布から決定する。例えばリンを注入したフィールドストップ層の底がどこまで深く分布しているかで見極める。その結果を表1に示した。
厚さ150μmの基板に対するパルス幅1200ns、立ち上がり時間308ns、立下り時間92nsの実照射結果を図7に示す。パルス幅1200ns、エネルギー密度(4.7J/cm2)が最も深く高い活性化ができている。ボロン層、リン層の活性化率は89%、62%であり、活性化深さは2.7umまで達している。活性化率はSIMSとSRPの深さプロファイルを積分してSRPのキャリア数をSIMSの不純物量で割って%表示したものである。1200nsより短い他のパルス幅の実施例はないのでパルス幅の限定には問題あるが、イノバベントの論文のデータ、325nsと600nsのパルス幅での溶融活性化を実施して活性化深さ〜1umを達成した。したがって、パルス幅は600nsより大きく取らざるを得ないため、パルス幅の範囲は好適には限定される。
2 処理室
3 移動装置
4 基台
5 被処理体配置台
10 レーザ光源
11 減衰器
12 光学系
15 レーザ光
20 半導体基板
Claims (6)
- 基板表面を熱処理するレーザアニール装置であって、
パルス波形の最大強度の10%から90%にまで到達する立ち上がり時間が160ns以上で、前記立ち上がり時間とパルス波形の最大強度の90%から10%にまで到達する立ち下がり時間との比が1より大きいレーザパルスを発生するレーザ光源と、前記レーザパルスのビーム整形をして前記基板への前記レーザパルスの照射を可能にする光学系と、前記基板と前記レーザパルスとを相対的に移動させて前記レーザパルス照射の走査を可能にする移動装置とを備え、
前記レーザパルスは、前記レーザパルスが前記基板表面に照射された際に前記基板が非溶融で処理層が非溶解状態を維持し、または表層のみが溶融して前記表層を除く処理層が非溶解状態を維持するように照射されることを特徴とするレーザアニール装置。 - 前記レーザパルスは、半値幅が600ns以上のパルス波形を有して前記基板に照射されるものであることを特徴とする請求項1に記載のレーザアニール装置。
- 前記レーザパルスは、前記基板に照射した際に前記基板の表層が非溶融または表層のみが溶融する状態で前記基板の熱処理が行われるエネルギ密度を有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装置。
- 前記レーザパルスのエネルギ密度を調整可能な手段を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザアニール装置。
- 前記レーザパルスは、長いパルスをカットして形成されたものであり、前記立ち上がり時間が前記カット位置のパルス強度の90%から10%にまで到達する立ち下がり時間より長い非対称のパルス波形を有して前記基板に照射されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のレーザアニール装置。
- 前記レーザ光源が、LD励起Yb:YAGレーザの第二高調波を搭載することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のレーザアニール装置。
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