(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板へレーザー光をパルス状に照射することにより、前記半導体基板へ前記レーザー光が照射された際における前記半導体基板表面の温度上昇に基づく急速溶融現象と、前記半導体基板表面への前記レーザー光の照射が停止された際における前記半導体基板表面の温度低下による再結晶化現象とを利用して、前記半導体基板が急速溶融された際に不純物を前記半導体に混入し、前記半導体基板が再結晶化される際に混入された前記不純物を前記半導体中に閉じこめるようにして、前記半導体基板に対してドーピング層を形成する半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、
半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を照射した直後に、所定の遅延時間をもってそれより弱い照射強度のレーザー光を照射し、前記照射強度の強いレーザー光と前記照射強度の弱いレーザー光との照射を１セットとして、所定の時間間隔を開けて必要なドーピング層の深さに応じて前記１セットを所定の回数繰り返す
ことを特徴とする半導体基板中へのドーピング層の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、
前記１セットのレーザー光の中で、前記照射強度の強いレーザー光により前記半導体基板表面を急速溶融し、前記急速溶融によって生じた前記半導体基板表面におけるレーザー光照射領域の表面あれを、前記照射強度の弱いレーザー光の照射によって新たな表面あれを生成することなしに溶融して、前記半導体基板表面の平坦化および結晶性の向上を図る
ことを特徴とする半導体基板中へのドーピング層の形成方法。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、
前記１セットのレーザー光の照射を行う際に、前記半導体基板を所定の温度に加熱しておくこと
を特徴とする半導体基板中へのドーピング層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板中へのドーピング層の形成方法に関し、さらに詳細には、半導体基板中へ比較的深いドーピング層を形成する際に用いて好適な半導体基板中へのドーピング層の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体デバイスであるＣＭＯＳ  ＬＳＩや感度可変受光素子においては、電気的に素子間を分離するために、ドーピング層によりウェル（ｗｅｌｌ：井戸）構造を形成する必要がある。
【０００３】
ここで、ウェル構造とは、ｎ型半導体基板中にドーピング層として形成された、大きさ数十μｍ角、深さ数μｍ、キャリア濃度１０17ｃｍ-3程度のｐ型領域（このｐ型領域を「ｐウェル」と称する。）、あるいは、ｐ型半導体基板中にドーピング層として形成された、大きさ数十μｍ角、深さ数μｍ、キャリア濃度１０17ｃｍ-3程度のｎ型領域（このｎ型領域を「ｎウェル」と称する。）である。これらｐウェルとｎウェルとは、構成する半導体デバイスの種類に応じて使い分けられるものである。
【０００４】
従来、上記したようなウェル構造を半導体基板中に形成するためのドーピング層の形成方法としては、半導体基板を不純物（ドナー）ガス中に配置して熱処理を行い気相ドーピングによりウェル構造を形成したり、あるいは半導体基板上に不純物を塗布して熱処理を行い固相ドーピングによりウェル構造を形成したりする熱拡散法や、不純物をイオン注入により半導体基板上に打ち込んだ後に電気炉アニールなどの熱処理を行いウェル構造を形成したりする方法などが行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の半導体基板中へのドーピング層の形成方法においては、いずれの方法を用いても、ウェル構造の領域を数十μｍ角に限定するために、フォトリソグラフィ・プロセス行って、ＳｉＯ2などにより半導体基板上のウェル構造とする領域以外をマスクする必要があった。
【０００６】
即ち、上記した従来の半導体基板中へのドーピング層の形成方法においては、半導体基板上のウェル構造の領域以外をマスクする工程が必要となるため、作業工程が煩雑化するという問題点があった。
【０００７】
また、従来の半導体基板中へのドーピング層の形成方法において、ウェル構造として深さ数μｍ程度の深いドーピング層を得るためには、半導体基板を長時間（例えば、１６時間〜１７時間）高温で熱処理することが必要となり、作業時間が長時間に及ぶという問題点があるとともに、半導体基板を長時間高温で熱処理するために半導体基板の横方向拡散が生じるという問題点もあった。
【０００８】
本発明は、従来の技術の有するこのような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体基板中へドーピング層としてウェル構造を形成するなどの際に、半導体基板上の所定の領域をマスクする必要性を排除して作業工程の簡素化を図り、しかも作業時間を著しく短縮化でき、さらには半導体基板の横方向拡散が生じることのないようにした半導体基板中へのドーピング層の形成方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における半導体基板中へのドーピング層の形成方法は、半導体基板へレーザー光をパルス状に照射することにより、半導体基板へレーザー光が照射された際における半導体基板表面の温度上昇に基づく急速溶融現象と、半導体基板表面へのレーザー光の照射が停止された際における半導体基板表面の温度低下による再結晶化現象とを利用して、半導体基板が急速溶融された際に不純物を半導体に混入し、半導体基板が再結晶化される際に混入された不純物を半導体中に閉じこめるようにして、半導体基板に対して深い（例えば、深さ数μｍ程度）ドーピング層を高速で形成するようにしたものである。
【００１０】
この際に、半導体基板表面におけるレーザー光照射領域の表面あれの発生を防ぐために、半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を照射した直後に、所定の遅延時間をもってそれより弱い照射強度のレーザー光を照射し、こうした照射強度の強いレーザー光と照射強度の弱いレーザー光との照射を１セットとして、半導体基板の経常的な温度上昇を防止し、急速冷却現象を緩和するため所定の時間間隔を開けて半導体基板の温度低下を図りながら、必要なドーピング層の深さに応じて上記１セットを所定の回数繰り返すようにしたものである。
【００１１】
ここで、照射強度の強いレーザー光と照射強度の弱いレーザー光との１セットのレーザー光の照射による半導体基板への作用を検討すると、照射強度の強いレーザー光により半導体基板表面が急速溶融されることになり、この急速溶融によって生じた半導体基板表面におけるレーザー光照射領域の表面あれが、照射強度の弱いレーザー光の照射によって新たな表面あれを生成することなしに溶融され、半導体基板表面の平坦化が図られるものである。
【００１２】
また、照射強度の強いレーザー光照射後に生じる急速冷却・再固化の過程で生じる熱歪みを、照射強度の弱いレーザー光の照射によって緩和し、結晶性の向上を図るものである。
【００１３】
なお、レーザー光を半導体基板に照射する際に、半導体基板を加熱しておくことにより、高速により深いドーピング層を形成することができる。
【００１４】
また、半導体基板の温度は、当該半導体基板にレーザー光が照射された際においても、当該半導体の沸点以下に保持されるようにすることが望ましい。
【００１５】
さらに、半導体基板に照射するレーザーとしては、種々のレーザーを用いることが可能であるが、一般に、短波長かつ短パルス幅のレーザー光を用いた場合には、上記１セットの照射によって得られるドーピング層の深さは浅く、長波長かつ長パルス幅のレーザー光を用いた場合には、上記１セットの照射によって得られるドーピング層の深さは深くなる傾向がある。
【００１６】
また、レーザー光の照射強度を増大すれば、得られるドーピング層の深さは深くなる。
【００１７】
【実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法の実施の形態を説明するものとする。
【００１８】
図１には、本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法の一つの実施の形態を行うための装置の概略構成図が示されている。
【００１９】
図１において、符号１０は、ドーピング層を形成しようとする半導体基板たる試料である。試料１０としては、ｎ型ドーパント（ドナー）としてＡｓを予めドーズ１×１０15ｃｍ-2、加速電圧１５０ｋｅＶでＳｉ基板にイオン注入したものを用いた。
【００２０】
こうした試料１０は、チャンバー１２内においてカーボン・サセプター１４により支持されている。
【００２１】
チャンバー１２はバルブ１４、１６を備えており、バルブ１４を介して種々のガスを吸気してチャンバー１２内に導入することができるようになされているとともに、バルブ１６を介してチャンバー１２内のガスを排気することができるようになされていて、チャンバー１２内を真空状態にすることができる。また、チャンバー１２の上面は開口されていて、開口部にはシール１８を介して石英ガラス板２０が載置されている。
【００２２】
さらに、チャンバー１２内には、試料１０を支持したカーボン・サセプター１４の底面に対して光を照射し、カーボン・サセプター１４を介して試料１０を加熱するためのハロゲン・ランプ２２が設けられている。
【００２３】
図１に示す装置おいては、石英ガラス板２０を介してチャンバー１２内の試料１０に照射するレーザー光のレーザー源としては、パルス発生器２４により照射する遅延時間を制御されたＫｒＦエキシマ・レーザー（ＫｒＦ  Ｅｘｃｉｍｅｒ
Ｌａｓｅｒ）２６、２８を用いている。
【００２４】
一方のＫｒＦエキシマ・レーザー２６は、パルス幅３４ｎｓ、照射強度２．４Ｊ／ｃｍ2のレーザー光を照射するように制御され、他方のＫｒＦエキシマ・レーザー２８は、パルス幅２３ｎｓ、照射強度０．５Ｊ／ｃｍ2のレーザー光を照射するように制御されている。
【００２５】
これらＫｒＦエキシマ・レーザー２６、２８から出射されたレーザー光は、シリンドリカル・レンズ３０、３２を介して全反射鏡３４、３６により反射され、レンズ３８、４０により集光されて、石英ガラス板２０を介してチャンバー１２内の試料１０に照射されるようになされている。
【００２６】
なお、ＫｒＦエキシマ・レーザー２６、２８から出射されたレーザー光の光路上にはシャッター４２が設けられていて、ＫｒＦエキシマ・レーザー２６から出射されたレーザー光とＫｒＦエキシマ・レーザー２８から出射されたレーザー光とを選択的に試料１０へ照射できるように構成されている。
【００２７】
ここで、一般にエキシマ・レーザーから出射されるレーザー光は、紫外域の短波長、短パルスのレーザー光であるので、物質への吸収係数が大きく、熱作用時間が短いため、半導体基板中におよそ１００ｎｍ以下のごく浅いドーピング層を形成する際への応用が期待されている。即ち、半導体デバイスで必要とされるドーピング層は、ウェル構造を除いてはおよそ１００ｎｍ以下のごく浅いドーピング層でよいため、ウェル構造を除くおよそ１００ｎｍ以下のごく浅いドーピング層を形成するための半導体デバイスの製造技術として、エキシマ・レーザーの利用が期待されている。
【００２８】
ところで、半導体基板中にエキシマ・レーザーを用いてより深いドーピング層を形成するためには、レーザー光照射による半導体基板上の溶融深さを増加するために、レーザー光の照射強度を大きくしなければならない。
【００２９】
しかしながら、半導体基板上へのレーザー光の照射強度を大きくすると、それによって半導体基板の表面温度が上昇しすぎ、多大な欠陥や表面あれが発生してしまうため、せいぜい５００ｎｍ程度の深さのドーピング層しか実現できなかった。
【００３０】
そこで、出願人は、レーザー光照射中に半導体基板を加熱し、半導体基板の表面温度の温度勾配をなだらかにすることを試みた。
【００３１】
例えば、図２に示すように、レーザー光照射中の半導体基板の表面温度が室温（Ｒ．Ｔ．）である場合には、ドーピング層の深さはたかだか３５０ｎｍ程度であるが、半導体基板へのレーザー光照射中に当該半導体基板を加熱すると、ドーピング層の深さをより深くすることができた。
【００３２】
即ち、図２に示すように、半導体基板へのレーザー光照射中に当該半導体基板を５００゜Ｃに加熱すると、６５０ｎｍ程度の深さのドーピング層を形成することができ、半導体基板へのレーザー光照射中に当該半導体基板を７００゜Ｃに加熱すると、容易に１μｍ以上の深さのドーピング層を形成することができた。
【００３３】
この図２に示す結果を得た実験のレーザー光照射条件は、図３（ａ）に示すように、１パルス当たりのレーザー光照射強度２．４Ｊ／ｃｍ2、パルス数２０パルス、レーザー・パルスの繰り返し周波数１Ｈｚである。従って、処理時間は２０秒となり、非常に短時間である。
【００３４】
なお、このように所定の周期で同一のパルス幅、照射強度のレーザー光を照射する方法を、本明細書においては、「シングル・パルス照射法」と称す。
【００３５】
また、試料としては、図１に示す試料１０と同様に、ｎ型ドーパント（ドナー）としてＡｓを予めドーズ１×１０15ｃｍ-2、加速電圧１５０ｋｅＶでＳｉ基板にイオン注入したものを用いた。
【００３６】
なお、ドーパント源としてガスや固体ソースを用いることができるのは勿論であり、ドーパント源としてガスを用いた場合には、ガス雰囲気中でレーザー光を照射するようにし、ドーパント源として固体を用いた場合には、半導体基板上に固体ドーパント源を堆積あるいは塗布したものにレーザー光を照射するようにすればよい。
【００３７】
上記したように、レーザー光の照射中に半導体基板を加熱することにより、室温でレーザー光を照射するよりも、より深いドーピング層を容易に形成することができ、結晶性および表面状態も大幅に改善されるという実験結果を得たが、レーザー光照射中に半導体基板を加熱してより深いドーピング層を得た場合の表面状態を示す図４から判るように、まだ若干の表面あれが残っていた。
【００３８】
また、レーザー光照射中に半導体基板を加熱してより深いドーピング層を得た場合の結晶性も、チャネリング・ラザフォード後方散乱法（Ｃ−ＲＢＳ）のΧminによって評価した結果６．５５％程度であり、半導体デバイスへの応用には十分な値とはいえなかった。
【００３９】
そこで、出願人は、上記したようなシングル・パルス照射法を改良し、図１に示すような装置を用いて、半導体基板に対して照射強度の強いレーザー光を照射した直後に、それより弱い照射強度のレーザー光を照射し、こうした照射強度の強いレーザー光と照射強度の弱いレーザー光との照射を１セットとして、半導体基板の経常的な温度上昇を防止するため所定の時間間隔を開けて半導体基板の温度低下を図りながら、必要なドーピング層の深さに応じて上記１セットを所定の回数繰り返す、本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法を開発したものである。
【００４０】
なお、以下においては、この本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法を、本明細書においては、「ダブル・パルス照射法」と称し、照射強度の強いレーザー光を「第１パルス」と称し、照射強度の弱いレーザー光を「第２パルス」と称す。
【００４１】
即ち、図１の装置によりダブル・パルス照射法を行うには、具体的にはＫｒＦエキシマ・レーザー２６から出射されるパルス幅３４ｎｓ、照射強度２．４Ｊ／ｃｍ2のレーザー光（第１パルス）を試料１０に照射し、パルス発生器２４によって信号を与えることにより３０ｎｓ〜６４０ｎｓの遅延時間の後に、ＫｒＦエキシマ・レーザー２８から出射されるパルス幅２３ｎｓ、照射強度０．５Ｊ／ｃｍ2のレーザー光を試料１０に照射する。この工程を１セットとして、繰り返し周期１Ｈｚで２０回（２０セット）繰り返す（図３（ｂ）参照）。
【００４２】
こうした実験の結果、試料１０の表面状態は、図５示すように、大幅に改善された。なお、半導体基板の表面状態は、上記１セットにおいて、第１パルスが照射されてから第２パルスが照射されるまでの遅延時間に影響されず、３０ｎｓ〜６４０ｎｓのいずれの遅延時間においても、ほぼ同様な形状が得られた。
【００４３】
また、ドーピング層の深さに関しても、このダブル・パルス照射法においては、実質的に上記したシングル・パルス照射法と同様に、パルス幅３４ｎｓ、照射強度２．４Ｊ／ｃｍ2のレーザー光を試料１０に対して繰り返し周期１Ｈｚで２０パルス照射することになるので、図２に示すと同様に、ハロゲン・ランプ２２により加熱される試料１０の温度に応じて１μｍ以上の深さを達成できる。
【００４４】
さらに、図６には、結晶性の指標であるΧminの遅延時間依存性が示されている。このように、３０ｎｓ〜６４０ｎｓの遅延時間をおいた第１パルスと第２パルスとの連続照射により、Χminは改善されるが、特に、遅延時間１５０ｎｓにおいて大きい改善が得られ、４．６０％というほぼ満足できる値が得られた。
【００４５】
以上のように、ダブル・パルス照射法によって、表面形態および結晶性のすぐれた１μｍ以上の深いドーピング層を高速に短時間で形成することができるようになる。
【００４６】
半導体基板に照射するレーザーとしては、ＫｒＦエキシマ・レーザーの他に種々のレーザーを用いることが可能であるが、いずれにしてもレーザー光を用いるので集光性に優れ、照射領域のみをドーピング層として形成できるので、フォトリソグラフィプロセスにより半導体基板表面にマスクをすることなく、所望のパターンにドーピング層を形成することができる。
【００４７】
また、エキシマ・レーザーのような短波長かつ短パルス幅のレーザーを用いた場合には、半導体基板に浅いドーピング層を形成することは容易であるので、ダブル・パルス照射法においても上記したようにエキシマ・レーザーを用いると、一貫プロセスで同一基板内に深いドーピング層と浅いドーピング層とを形成でき、ＣＭＯＳ  ＬＳＩや感度可変受光素子などの半導体デバイスを製造することができるようになる。
【００４８】
なお、ダブル・パルス照射法において、第１パルスの照射強度を強く、第２パルスの照射強度を弱くするが、第２パルスの照射強度は第１パルスの照射強度の約数分の１程度が望ましい。
【００４９】
また、レーザー光を照射した際に半導体基板の温度が沸点を超えると基板表面があれるので、第１パルスならびに第２パルスの照射によって、半導体基板の温度が沸点を超えないようにすることが望ましい。
【００５０】
さらに、１セットの繰り返し周期は１Ｈｚに限られるものではないが、１セット中の第１パルスおよび第２パルスの照射によって上昇した半導体基板の温度が、元の温度に戻る程度の時間間隔を開けることが望ましい。
【００５１】
また、ダブル・パルス照射法においても半導体基板を加熱したが、加熱しなくてもよいことは勿論である。
【００５２】
さらに、ダブル・パルス照射法においても、ドーパント源としてガスや固体ソースを用いることができるのは勿論であり、ドーパント源としてガスを用いた場合には、半導体基板をガス雰囲気中においてダブル・パルス照射法を行えばよく、ドーパント源として固体を用いた場合には、半導体基板上に固体ドーパント源を堆積または塗布したものに対してダブル・パルス照射法を行えばよいものであって、半導体基板への不純物の導入は適宜の方法を用いることができる。
【００５３】
さらにまた、図１に示す装置においては、第１パルスと第２パルスとを生成するためのレーザーをそれぞれ設けたが、これに限られることなしに、単一のレーザーを制御して、第１パルスと第２パルスとを生成するようにしてもよいことは勿論である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、半導体基板中へドーピング層としてウェル構造を形成するなどの際に、半導体基板上の所定の領域をマスクする必要がないので作業工程の簡素化を図ることができ、しかも作業時間を著しく短縮化することができ、さらには半導体基板の横方向拡散が生じることはないという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体基板中へのドーピング層の形成方法の一つの実施の形態を行うための装置の概略構成図である。
【図２】シングル・パルス照射法によるドーピング層の深さの半導体基板温度依存性を示すグラフである。
【図３】レーザー光照射の繰り返し周期を示す説明図であり、（ａ）はシングル・パルス照射法の場合を示し、（ｂ）はダブル・パルス照射法の場合を示している。
【図４】シングル・パルス照射法を行った場合の半導体基板の表面あれの状態を示す拡大図である。
【図５】ダブル・パルス照射法を行った場合の半導体基板の表面あれの状態を示す拡大図である。
【図６】ダブル・パルス照射法を行った場合の結晶性の指標であるΧminの遅延時間依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０            試料
１２            チャンバー
１４、１６      バルブ
１８            シール
２０            石英ガラス板
２２            ハロゲン・ランプ
２４            パルス発生器
２６、２８      ＫｒＦエキシマ・レーザー
３０、３２      シリンドリカル・レンズ
３４、３６      全反射鏡
３８、４０      レンズ
４２            シャッター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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