JP5885208B2 - レーザーエネルギーにより半導体材料表面を照射する方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザーにより半導体材料表面を照射する方法に関する。さらに本発明は半導体材料表面を照射するレーザー装置に関する。

半導体材料表面のレーザー照射は、再結晶化とドーパント活性化を得るためのアモルファスシリコンの熱アニール等のアプリケーションでよく知られている。この技術は、非常に速い熱処理と加熱領域の浅い深さとを可能にすることにより、従来の加熱方法に優る大きな利点を提供する。

レーザービームスポットの形状および／またはサイズは通常、照射対象領域の形状および／またはサイズに適合しないので、最先端技術は、特定の寸法と形状を有する半導体材料層の領域あるいはこのような分離領域のパターンが照射されるように、レーザーを成形するための多くの手段を提供する。例えば、米国特許出願公開第２００３１９９１７６号明細書に示されるような一般に知られた技術は、レーザービームスポットを成形するためのシャドウマスクを使用している。このようなシャドウマスクは複数の開口部を有してもよい。

レーザースポットサイズは、照射処理に必要な高エネルギー密度と従来から入手可能なレーザー源の低出力エネルギーとのためにダイ（チップまたはデバイスとも呼ばれる）のサイズよりはるかに小さいので、従来のシャドウマスク技術を使用することの第１の欠点は、ダイ全体または１つのダイ内の大きなパターンが照射されなければならないときに、レーザースポットがダイまたはパターンを完全に照射するためにそれを跨ぐまたは走査しなければならないことである。これは処理速度の低下と生産コストの上昇とを招く場合がある。

第２の欠点は、レーザースポットがパターンを走査するか跨いだ場合、ドーパント活性化速度または深さおよび表面品質の非均一性がレーザーエネルギー密度の変動のために発生し得るということである。

第３の欠点は、照射される連続的パターン（すなわち非分離領域のパターン）のサイズがレーザービームスポットより大きい場合、連続的レーザースポットはパターンのいくつかの部分で重なり、ドーパント活性化速度または深さおよび表面品質の非均一性が引き起こされることである。

上記レーザー照射処理の欠点を考慮すると、第１の目的として、パターンまたはダイを完全に照射するためにそれを跨ぐことも走査することもなく半導体材料層を処理する能力を提供し、これにより処理速度の増加と生産コストの低下をもたらすことができる本発明によるレーザー照射装置の明らかに必要である。

第２の目的として、本発明は、その処理性能がレーザーエネルギー密度の変動にそれほど左右されない装置を提供し、その結果として、ドーパント活性化速度または深さおよび表面品質に関するダイ均一性の向上を実現することができる。

第３の目的として、本発明は、ユーザがレーザービームスポットの形状および／またはサイズを照射対象領域の幾何形状に制御し調整できるようする装置を提供し、これにより生産速度および生産柔軟性を増加することができる。

第４の目的として、本発明は、重なりの低減またはさらには抑制をも可能にして、その結果、ドーパント活性化速度または深さおよび表面品質に関する均一性を向上させる装置を提供することができる。

第５の目的として、本発明は、ビームスポットの形状および／またはサイズの照射対象領域に対する整合を可能にするのに必要な光学素子の数を著しく制限し、これにより装置のコストとサイズを低減することができる。

本発明は、その形状および／またはサイズが照射対象半導体材料層の共通領域の形状および／またはサイズに対応する複数の開口部を含む成形手段により複数の二次レーザービームに成形される一次レーザービームを使用することにより、および前記共通領域を照射するために二次レーザービームを重ね合わせるのに適合している光学系を使用することにより、上記目的を達成する。

本発明は半導体材料を照射するための装置についてである。本装置は、
− 一次レーザービームを生成するレーザーと、
− 光学系と、
− 一次レーザービームを複数の二次レーザービームに成形するための複数の開口部を含む一次レーザービーム成形手段と、
を含み、個々の開口部の形状および／またはサイズは照射対象半導体材料層の共通領域の形状および／またはサイズに対応し、光学系は前記共通領域を照射するために二次レーザービームを重ね合わせるのに適合していることを特徴とする。

さらに、本発明は半導体デバイス製造におけるこのような装置の使用についてである。

図１は、本発明による装置の実施形態を示す。 図２は、本発明による装置の別の実施形態を示す。 図３は、本発明による所謂「ミニズーム」を示す。 図４は、本発明による「ミニズーム」による正確な焦点の可能性を示す。 図５は、本発明による装置の別の実施形態を示す。 図６は、複数の開口部の変形形態を示す。

当業者らは、以下の実施形態が本発明による単なる例示であり、本発明の意図した範囲を制限しない、ということを理解するだろう。他の実施形態も考えられうる。

本発明の第１の実施形態によると、半導体材料を照射するための装置が提供される。本装置は、
− 一次レーザービームを生成するレーザーと、
− 光学系と、
− 一次レーザービームを複数の二次レーザービームに成形するための複数の開口部を含む一次レーザービーム成形手段と、
を含み、個々の開口部の形状および／またはサイズは照射対象半導体材料層の共通領域の形状および／またはサイズに対応し、光学系は、前記共通領域を照射するために二次レーザービームを重ね合わせるのに適合していることを特徴とする。

形状および／またはサイズが照射対象半導体材料層の共通領域の形状および／またはサイズに対応する複数の開口部を含む成形手段により複数の二次レーザービームに成形される一次レーザービームを使用することにより、そして前記共通領域を照射するために二次レーザービームを重ね合わせるのに適合している光学系を使用することにより、本装置は、パターンまたはダイ全体を完全に照射するためにそれを跨ぐまたは走査することなく半導体材料層を処理する能力を提供し、これにより処理速度の増加と生産コストの低下をもたらすことができる。

別の利点は、このような装置の処理性能はワンショットで全パターンまたはダイを照射することができるのでレーザーエネルギー密度の変動にそれほど左右されないことであると考えられる。また、二次ビームを重ね合わせるための光学系を使用することにより、照射対象領域上に入射するエネルギー密度の均一性を改善することができる。その結果、ドーパント活性化速度または深さおよび表面品質に関するダイ均一性の向上が達成される。

本発明による装置のさらに別の利点は、開口部のサイズおよび／または形状が照射対象領域に対応するので、連続的レーザースポットがもはや必要とされないことであると考えられ、これにより重なりの減少、およびその結果としてドーパント活性化速度または深さおよび表面品質に関する均一性の向上がもたらされる。

さらに、当業者らが認識するように、本発明による装置は、従来システムに比較して、ビームスポットの形状および／またはサイズを照射対象領域に整合させるのに必要な光学素子の数を著しく制限し、これにより装置のコストおよびサイズが低減する。

複数の開口部（「マスク」とも呼ばれる）は複数の開口部が作製された固体板であってもよいし、あるいは任意の形式（好ましくはアレイの形式）でフレームに搭載される開口部のアッセンブリであってもよい。要するに、１つのこのような開口部はこのとき、一次レーザービームの一部が通過し二次ビームスポットの形状とサイズを画定する穴または裂け目である。

複数の開口部の数は、少なくとも２から最大Ｍ×Ｎまでであってよい。ここでＭとＮは、２から最大３０まで、５から最大２０まで、優先的には１０であってよい。

あるいは、複数の開口部は、低透過率領域により囲まれた複数の高透過率領域を有する部分的に反射性の被覆を含むミラーまたはレンズ（すなわち開口部）であってよい。さらに、高透過率領域の透過率を調整することにより、照射対象領域上の照射強度を変えることができる。

本発明による一実施形態では、半導体材料を照射するための装置が提供され、複数の開口部のそれぞれの形状とサイズは、二次レーザービームのスポット形状とスポットサイズが照射対象領域の形状とサイズと整合するようになっている。本発明による装置は、複数の開口部を異なる形状またはサイズの別の複数の開口部で置換する手段を含んでもよい。開口部の形状とサイズを変更することにより、二次ビームスポットのサイズと形状を、選択された領域のサイズと形状にほぼ正確に整合させることができる。このような置換手段は、複数のマスクを格納することができかつ格納されたマスクの任意のものを一次レーザービーム経路内に正確にかつ自動的に位置決めするアッセンブリを含んでもよい。

本発明の好ましい実施形態では、照射対象領域は少なくとも１つの全ダイに対応してもよい。全ダイは１つのレーザーパルスにより処理されてもよい。また、ダイは、そのすべてが全ダイをカバーする複数のレーザーパルスを受信することができてもよい。さらに、照射対象領域は複数のダイに対応してもよい。１つまたは複数の全ダイを照射することは、ダイ全体にわたる照射エネルギー分布の均一性の向上と重なり影響の低減とに著しく貢献し、処理の均一性が向上することになる。

本発明による一実施形態では、そして図１に示すように、光学系はマイクロレンズアレイ（ＭＬ２）と球面レンズ（ＦＬ）とを含んでもよい。一次レーザービームは、複数の開口部により二次レーザービームに成形され、二次レーザービームはその後マイクロレンズアレイ（ＭＬ２）と球面レンズにより重ね合わせられる。球面レンズは照射対象領域上の像の倍率を規定する。好ましくは、複数の開口部（Ｍ）のそれぞれは、ＭＬ２の１つのマイクロレンズにほぼ正確に対応してもよく、各マイクロレンズは対応する開口部の像（ＩＭ）を無限平面内に形成する。１つのマイクロレンズアレイと球面レンズだけが必要とされるので、光学素子の数は従来システムに比較してはるかに少ない。

本発明による一実施形態では、そして図２に示すように、光学系は第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬ１）をさらに含んでもよい。したがって、この場合、光学系は２つのマイクロレンズアレイ（ＭＬ１とＭＬ２）と球面レンズ（ＦＬ）を含む。一次レーザービームは、ＭＬ１と連携して複数の開口部により二次レーザービームに成形され、二次レーザービームはその後ＭＬ２と球面レンズ（ＦＬ）により重ね合わせられる。好ましくは、複数の開口部（Ｍ）のそれぞれはＭＬ１の１つのマイクロレンズにほぼ正確に対応してもよく、各マイクロレンズは対応する開口部の像を無限平面に形成する。

図３に示すように、後者の実施形態は、ＭＬ１に対しＭＬ２を可動にすること（所謂「ミニズーム」）により照射対象領域に像サイズの微整合と微調整を実現することができるという追加の利点を有する。図４に、このようにして実現することができる倍率の範囲の例を示す。

本発明による装置の光学系は、実際にはビームホモジナイザ（ｂｅａｍ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ）として機能する。複数の開口部を光学系の前列に設けることにより、レーザービームは成形され、次に均質化される。これは、マスクがウェーハ近くに配置される場合のシャドウマスク手法に比較して、像の鮮鋭度に関し大きな利点を提供する。さらに、非常に近い位置は半導体材料基板の汚染の危険性をはらむ場合もある。

あるいは、そして図５に示すように、複数の開口部（Ｍ）はレーザー（Ｌ）の出力ミラーの内面に位置してもよい。この場合、複数の開口部は、出力ミラーの内面のできるだけ近くに搭載される開口部のアッセンブリであってもよい。より簡単でかつ好ましい構築方法は、出力ミラーの内面上の低透過率領域により囲まれた複数の高透過率領域（すなわち開口部）を有する出力ミラーの内面上に部分的に反射性の被覆を設けることである。後者は、成形がレーザー内で起こるのでエネルギーロスの無い一次レーザービームを成形する手段を提供する。

本発明による好ましい実施形態では、複数の開口部はＭ×Ｎの開口部アレイであってよい。このＭ×Ｎ開口部アレイは、ビームホモジナイザの１つまたは複数のＭ×Ｎマイクロレンズアレイに対応することが好ましい。

図６に示すように、開口部自体がパターンを示してもよい。すべての個別開口部の形状および／またはサイズが照射対象半導体材料層の共通領域の形状および／またはサイズに対応するということ以外に、これらの開口部の少なくとも１つが低透過率領域と高透過率領域のパターンを示してもよい。このような開口部の高透過率領域は二次開口部のパターンにより形成されてもよい。

いくつかアプリケーションにおいて必要とされるように、このようなパターンの低透過率領域と高透過率領域を示す開口部を適用することにより、１回の照射パルスで、異なる照射要件（例えば、異なる活性ドーパント率に対して異なる熱予算）のサブ領域を有する領域を処理する能力を可能にする制御された非均一照射が可能となる場合もある。このような制御された非均一照射はまた、前の処理工程により生成された非均一性を補償するために使用されてもよい。

レーザーは、その波長、エネルギーおよびパルス持続時間が処理に適合された任意のレーザーであってよい。好ましくは、レーザーはエキシマ層、より好適には塩化キセノンエキシマレーザーであってよい。

レーザーの波長は、６００ｎｍ未満の範囲、これらの波長におけるシリコンの高エネルギー吸収のため１９０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲、好ましくは３０８ｎｍであってよい。

レーザーエネルギーは５ジュール〜２５ジュールの範囲にあってもよい。これらのエネルギーを達成するために、レーザー放電体積は、通常１０ｃｍ（相互電極間隔）×７〜１０ｃｍ（放電幅）×１００〜２００ｃｍ（放電長）に最適化される。

パルス持続時間は、ドーパントの拡散を低減するための高速加熱と欠陥の形成を低減するための比較的遅い冷却との間の最適条件に対応し、１００ｎｓ〜１０００ｎｓの範囲、好ましくは１００ｎｓ〜３００ｎｓであってよい。

本発明の一実施形態では、レーザーは０，５〜１０Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有する投射レーザービームを生成するのに適合していてもよい。

好ましい実施形態では、レーザーは、０，５〜１０Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有する通常１〜１０ｃｍ^２の投射ビームスポットを有する６０ｃｍ^２より大きな、あるいは８０ｃｍ^２（好ましくは１００ｃｍ^２）より大きな大面積出力ビームを生成するのに適合しているエキシマレーザーであってよい。

本発明による装置はさらに、ＸＹＺ方向において二次ビームスポットを複数の領域に位置合わせする手段を含んでもよい。

カメラを使用し、そのサイズを測定し、倍率を調整することにより半導体材料層上にビームスポットを視覚化することによりさらなる調整が行なわれてもよい。

本発明による装置はさらにパターン認識システムを含んでもよい。このようなパターン認識システムは、半導体材料を保持するためのステージに機械的にリンクされ材料層表面の上に配置されたカメラを含んでもよい。特定の実施形態では、カメラからの像は、半導体材料上にエッチングされたいくつかの（通常３つの）位置合わせマークを見つけるように処理されてもよい。位置合わせマークは、座標系内の半導体材料の正確な位置を装置に与える。

半導体材料層は、半導体アプリケーションに好適な任意の材料、例えば、限定するものではないが非ドープシリコン、ドープシリコン、注入シリコン、結晶シリコン、アモルファスシリコン、シリコンゲルマニウム、窒化ゲルマニウム、および窒化ガリウム、炭化ケイ素等のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体であってよい。

本発明による装置は、限定するものではないがＣＭＯＳ画像センサ、３Ｄメモリ、ＣＭＯＳロジックデバイス、および光電池等の半導体材料またはデバイスを作製するために使用されてもよい。

Claims (11)

1. 半導体材料を照射するための装置であって、
   − 一次レーザービームを生成するレーザーと、
   − 前記一次レーザービームを複数の二次レーザービームに成形するための成形手段と、
   − 同じ屈折力を有するマイクロレンズアレイ（ＭＬ２）と球面レンズとを具える光学系であって、照射対象の半導体材料層の共通領域を照射するために前記二次レーザービームを重ね合わせるように構成された光学系と、を含む装置において、
   − 前記一次レーザービームを成形するための成形手段が前記光学系の上流に配置された複数の開口部を含み、
   − 前記マイクロレンズアレイのそれぞれが前記複数の開口部の１つに対応し、
   − 個々の開口部の形状および／またはサイズは前記光学系による結像を介して前記共通領域の形状および／またはサイズに対応することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記開口部の形状とサイズは前記二次レーザービームのスポット形状とスポットサイズが前記照射対象の領域の形状とサイズと整合するようにされる、ことを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、前記光学系はそれぞれが前記複数の開口部の１つに対応する第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬ１）をさらに含む、ことを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の装置において、前記レーザーは出力ミラーを含み、前記複数の開口部は前記出力ミラーの内面に配置される、ことを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、前記出力ミラーの内面に部分的に反射性の被膜が設けられ、前記被膜が低透過率領域で囲まれた複数の高透過率領域を有し、前記高透過率領域が前記複数の開口部を形成する、ことを特徴とする装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の装置において、前記複数の開口部はＭ×Ｎの開口部アレイである、ことを特徴とする装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の装置において、前記開口部の少なくとも１つはあるパターンを示す、ことを特徴とする装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の装置において、前記レーザーは０，５〜１０Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有する投射レーザービームを生成するようにされたエキシマレーザーである、ことを特徴とする装置。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の装置において、前記照射対象の領域は少なくとも１つの全ダイに対応する、ことを特徴とする装置。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の装置において、ＸＹＺ方向において前記二次ビームスポットを前記照射対象の領域に位置合わせする手段をさらに含む、ことを特徴とする装置。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の装置の半導体デバイス製造における使用。

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