(57)【要約】ウェハ内に形成されたプロセス領域の放射線アニール時に半導体ウェハ全体で温度分布を均一化するための装置と方法を開示する。方法は、ウェハの上面にシリコン層を形成し、シリコン層によって実質的に吸収される波長を有する１又は複数の放射線パルスをシリコン層に照射することを含む。シリコン層は１又は複数の放射線パルスを均一に吸収し、吸収した放射線からの熱をウェハ全体においてプロセス領域に移動させる。
2007525844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と内部に形成されたプロセス領域とを有するシリコンウェハをアニールするための方法であって、
シリコン層を前記ウエハ表面に直接形成し、前記プロセス領域を被覆すること、
前記シリコン層によって吸収される波長を有する１又は複数の放射線パルスを前記シリコン層に照射すること、
を含み、
前記１又は複数の放射線パルスのそれぞれが、前記ウェハ上面の温度を前記プロセス領域を活性化させる臨界温度に上昇させるために十分なエネルギーを有する方法。
【請求項２】
請求項１において、
フラッシュランプによって、前記１又は複数の放射線パルスを生成することを含む方法。
【請求項３】
請求項１において、
パルスレーザーによって、前記１又は複数の放射線パルスを生成することを含む方法。
【請求項４】
請求項１において、
前記１又は複数の放射線パルスは、前記シリコン層によって実質的に吸収されない波長を含み、
前記実質的に吸収されない波長の大部分または全てをフィルターによって除去することを含む方法。
【請求項５】
請求項１において、
前記臨界温度は、約１１００℃から約１４００℃の範囲である方法。
【請求項６】
請求項１において、
前記シリコン層は、３００オングストロームから約２０，０００オングストロームの厚みを有する方法。
【請求項７】
請求項１において、
前記シリコン層が非晶質となるように前記シリコン層を形成する方法。
【請求項８】
請求項１において、
前記シリコン層が結晶質となるように前記シリコン層を形成する方法。
【請求項９】
上面と内部に形成されたドープ領域とを有するシリコンウェハを用意すること、
シリコン層を前記ウエハ表面に直接形成し、前記ドープ領域を被覆すること、
フラッシュランプからの単一の放射線パルスを前記シリコン層に照射すること、
を含み、
前記放射線は、６００ｎｍ未満の波長を有し、
前記放射線パルスは、約５Ｊ／ｃｍ２から１００Ｊ／ｃｍ２のエネルギー量を前記シリコン層の表面に供給する方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記照射後に、前記シリコン層を除去することを含む方法。
【請求項１１】
アニール放射線の照射時に、内部に形成されたプロセス領域を有する半導体ウェハの上面全体で均一な温度を達成するための装置であって、
前記ウエハの上面に直接形成され、前記プロセス領域を被覆するシリコン層を含み、
前記シリコン層は、前記アニール放射線の相当量を吸収し、前記プロセス領域の温度を臨界温度まで均一に上昇させるために前記吸収した放射線からの熱を前記プロセス領域に伝達する装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記シリコン層は、非晶質である装置。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記シリコン層は、結晶質である装置。
【請求項１４】
請求項１１において、
前記シリコン層は、約３００オングストロームから約２０，０００オングストロームの厚みを有する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体処理に関し、特に、半導体基板をフォトアニールする際に温度均一性を向上させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路（ＩＣ）等の高性能の半導体装置を製造するために、製造プロセスはアニール処理を通常含む。アニール処理では、最終的なデバイス（トランジスタ等）を形成する過程で半導体ウェハ内のドーパントを活性化させる。あるアニール技術では、短波長の強い放射線パルスを半導体ウェハに照射する。本明細書では、この処理を「フォトアニール（ｐｈｏｔｏ−ａｎｎｅａｌｉｎｇ）」と呼ぶ。アニール放射線パルスが短い持続時間を有することによって、非常に低いシート抵抗と非常に浅い接合を有するトランジスタを製造することができ、最適なデバイス性能が得られる。
【０００３】
アニールを行うためにレーザーを使用する場合、フォトアニール処理は「レーザー熱処理（ｌａｓｅｒ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＬＴＰ）」または「レーザー熱アニール（ｌａｓｅｒ  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＬＴＡ）」と呼ばれる。半導体の製造に適用されるＬＴＡの方法の１つでは、短波長パルスレーザーを使用してトランジスタのソースとドレインを熱アニールし、注入されたドーパントを活性化させる。適切な条件下、すなわち、接合材料の溶融後に急速な固化が生じると、固溶限を超える活性化ドーパントレべルを有するソース・ドレイン接合を形成することができる。これによって、より高速で、より駆動電流の高いトランジスタを製造することができる。このＬＴＰ技術は米国特許第５，９５６，６０３号に開示されている。米国特許第５，９５６，６０３号の開示は、この参照によって本明細書の開示に含まれる。
【０００４】
半導体基板をフォトアニールするための別の技術では、フラッシュランプを使用して放射線パルスを生成する。例えば、「半導体装置のパルス光処理を含む方法（Ｍｅｔｈｏｄ  Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）」と題する米国特許第４，１５１，００８号は、パルスレーザーまたはフラッシュランプによって半導体装置の選択領域を熱処理するための持続時間の短い光パルスを生成する方法を開示している。光パルスは半導体装置に向けて照射され、処理対象の装置の選択された表面領域を照射する。吸収された光パルスからのエネルギーは、選択領域の温度を迅速で効果的なアニール、焼結またはその他の熱処理の閾値処理温度よりも瞬間的に上昇させる。光パルスの特性は、フラッシュの近傍（基板の上面であって、フィールドのエッジから１００ミクロン以内）の表面領域のみが高温となるように選択される。半導体装置の残りの部分は不必要または望ましくない高温には曝されず、加熱領域を迅速に冷却するように機能する。
【０００５】
しかし、この技術の欠点は、固溶限を超えるドーパント濃度を達成することができないことである。また、この技術には、アニール工程の前に半導体基板の内部と上面に形成されたトランジスタと関連構造体との反射率特性の違いによって温度が非均一となるという問題がある。
【０００６】
最新のＩＣは様々なデバイス配列と材料を含み、半導体ウェハ内に形成された構造は異なる反射率を有する。各デバイスの均一な性能を達成するためには、全てのデバイスを実質的に同一の温度に加熱（アニール）する必要がある。そのため、回路内の各デバイス（トランジスタ等）の反射率の許容されるばらつきが制限され、回路全体でのデバイス密度の空間的なばらつきも制限される。高い頻度の反射率の空間的なばらつきは熱伝導によって均一化される傾向にあるが、低い頻度のばらつきによってアニール温度の同様なばらつきが生じる。例えば基板を溶融させずにドーパントを活性化させるプロセス（非溶融プロセス）などのある種の半導体プロセスでは、半導体基板の表面の温度を非常に均一に維持し（＜±１０℃）、シリコンの融点よりも低く保持しなければならない（接合が非晶質化されていない場合）。
【０００７】
米国特許第６，６３５，５８８号（‘５８８特許）と米国特許第６，４９５，３９０号（‘３９０特許）は、放射線パルスによる露光からワークピース（ウェハ）のプロセス領域に伝達される熱の量を制御するための技術をそれぞれ開示している。‘５８８特許は熱誘発相切替層を使用し、‘３９０特許は熱誘発反射率層を使用している。相切替層は、吸収層と相転移を起こす材料の層とを含む積層膜である。吸収層と相転移層はシリコンウエハ上に成膜される。吸収層は放射線を吸収し、吸収した放射線を熱に転換する。
【０００８】
相転移層は吸収層の上方または下方に成膜することができ、下層の所望の最高温度を僅かに超える相転移温度を有するように選択される。相切替層は、熱絶縁層や、相切替層が機能を果たした後に相切替層の剥離を容易にするための層などのその他の層を含むことができる。状況によって、複数の層を複数の機能を有する単一の層に組み合わせることができる。相切替層とデバイスのプロセス領域は近接しているため、相切替層とプロセス領域は常に非常に近い温度を有する。相変化の高い潜熱によって、相転移温度（Ｔｐ）に達した後は相切替層の温度が一定に保持される。相転移材料の一部または全てが放射線パルスによって第２の相に転換されるように放射線の照射量を適切に制限すれば、プロセス領域の最高温度を厳密に管理することができると考えられる。
【０００９】
‘３９０特許の反射率切替層は、反射率層が一定の反射率変化温度において非反射状態から反射状態に遷移することを除いては同様に作用する。反射状態は、切替層とプロセス領域による熱のさらなる吸収を強く抑制する。
【００１０】
‘５８８特許と‘３９０特許の発明はＬＴＰ時にプロセス領域の最高温度を制御するために有効だが、吸収層とある温度で変化する活性層を使用することが必要である。溶融アニール処理の場合には、非常に良好に作用する材料の組み合わせがある。しかし、非溶融アニールでは、相転移層に望ましい材料があるとしても少なく、アニール工程のために基板に追加的に設け、基板から除去する層の数を最小とすることが非常に望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、半導体ウェハに供給される熱の量を制御するより簡単で費用効果の高い方法を提供し、フォトアニール時の温度均一性を改善することが望ましい。特に、層の数を減少させ、層の材料をシリコン半導体の製造で通常採用される材料に制限することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様は、上面と内部に形成されたプロセス領域とを有するシリコンウェハをアニールするための方法である。方法は、シリコン層をウエハ表面に直接形成し、プロセス領域を被覆することを含む。また、方法は、１又は複数の放射線パルスをシリコン層に照射することを含む。放射線はシリコン層によって吸収される波長を有する。また、１又は複数の放射線パルスは、ウェハ上面の温度をプロセス領域を活性化させる臨界温度に上昇させるために十分なエネルギーをそれぞれ有する。
【００１３】
本発明の第２の態様は、アニール放射線の照射時に、内部に形成されたプロセス領域を有する半導体ウェハの上面全体で均一な温度を達成するための装置である。装置は、ウエハの上面に直接形成され、プロセス領域を被覆するシリコン層を含む。シリコン層は、アニール放射線の相当量を吸収し、プロセス領域の温度を臨界温度まで均一に上昇させるために吸収した放射線からの熱をプロセス領域に伝達する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図面に示す構成要素は例示のみを目的とするものであり、縮尺に必ずしも制限されるものではない。ある構成要素の縮尺を誇張し、その他の構成要素を最小化している場合もある。図面は、当業者が理解し、適切に実施することができる本発明の様々な実施態様を例示することを意図するものである。
【００１５】
トランジスタ等の半導体装置の製造方法の一部として半導体ウェハを処理する場合における本発明の装置と方法の基本概念を図１及び図２に示す。
【００１６】
図１には、上面１２を有する半導体（シリコン）ウェハ（「ウェハ」）１０が示されている。ウェハ１０は、内部に形成された１又は複数のプロセス領域（「領域」）２０を含む。図１では、説明のために領域２０の大きさを誇張して示している。各領域２０は、一実施形態ではウエハ表面１２によって定められる上面２２を有する。通常、領域２０はウェハ上面１２またはその近傍に形成されている。
【００１７】
一実施形態では、領域２０はイオン注入、酸化、ポリシリコン成膜によって形成される。通常は、ドープされた結晶シリコン接合領域と、接合領域を分離するために形成された酸化物トレンチと、電気的配線となるドープされたポリシリコン層とを含む膜が形成される。なお、非溶融アニール処理では、溶融プロセスとは異なり、接合領域の非晶質化は必ずしも必要ではない。
【００１８】
領域２０の接合に注入されたドーパント１４（図２）は、８００〜１１００℃の温度において数時間から数分間のアニール時間で活性化させることができる。ただし、非常に浅い最先端の接合の場合には、１１００℃以上（例えば約１２００℃〜約１４００℃）のアニール温度と１ミリ秒以下のアニール時間が必要である。このような短いアニール時間によってドーパントの拡散を仮想的に停止させ、非常に浅い接合と非常に急峻な接合ドーパントプロファイルを形成することができる。
【００１９】
以下に述べるように、領域２０は、半導体装置を形成するための製造方法の一部としてアニールされる。例えば、領域２０はトランジスタのソースとドレインを形成することができ、あるいはシリサイド領域であってもよい。一実施形態では、領域２０は、アニール前は活性化されていないドーパント１４が注入されたシリコンを含む。
【００２０】
上面４２を有するシリコン層４０が、ウエハ表面１２上に直接形成され、領域２０を覆っている。一実施形態では、シリコン層４０は約３００オングストロームから約２０，０００オングストロームの厚みを有する。シリコン層４０は、下層のプロセス層が見えないように均一で光学的に不透明な層を形成するために十分な厚みを有することが望ましい。不透明性を達成するために必要な厚みは露光波長スペクトルに依存する。ドープされていないか、低濃度ドープされたシリコンは室温において６００ｎｍよりも長い波長の放射線に対して比較的透明だが、６００ｎｍ未満の波長の放射線は効率的に吸収する。従って、シリコンコーティングの厚みを１ミクロン以下に制限すれば、使用できる波長は６００ｎｍよりも短くなる。
【００２１】
図３は、「固体の光学定数のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄｓ），Ｅｄｗａｒｄ  Ｄ．Ｐａｌｉｋ編，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，５５４頁に記載された波長の関数としてのシリコンの屈折率の実部と虚部のプロットである。図３は、非常に広範囲の波長におけるシリコンのｎ値およびｋ値（複素屈折率の実部と虚部）の変化を示している。吸収係数μは以下の関係から計算することができる。
μ＝４πｋ／λ
【００２２】
式中、λは波長である。
【００２３】
厚みδを介した透過率Ｔは以下のように与えられる。
Ｔ＝ｅ−μδ
【００２４】
一実施形態では、シリコン層４０は、ＰＶＤ、ＬＰＣＶＤまたはＰＥＣＶＤ技術を使用して形成される。シリコン層４０は、非晶質状態または多結晶状態で成膜することができる。一実施形態では、シリコン層４０はウェハ上面１２上に直接形成されている。ただし、薄い酸化物層をプロセス層とシリコン層との間に設け、シリコン吸収コーティングが機能を果たした後にコーティングの剥離を容易にすることができる。
【００２５】
シリコン層４０が非晶質シリコンである場合には、１１００℃〜１２００℃の最高温度で非晶質シリコンは多結晶シリコンコーティングに変化する。従って、非晶質シリコンコーティングは様々な方法で使用することができる。すなわち、非晶質シリコンコーティングは非晶質−結晶質転移温度よりもかなり低い温度で使用することができ、あるいは非晶質層が多結晶シリコンに変化する転移温度よりも高いアニール温度で使用することができ、シリコンの融点（１４１０℃）近傍の温度を生成する。
【００２６】
なお、シリコン層４０の融点は、領域２０に使用される典型的なアニール温度よりも高い。所望のアニール温度が高い（例えば、１１００℃〜１３５０℃）場合には、直接成膜された多結晶シリコンをシリコン層４０に使用して、非晶質−結晶質転移プロセスが所望のアニール温度の達成に干渉しないようにすることができる。
【００２７】
図１は、シリコン層４０に実質的に（または完全に）吸収される波長を有する放射線６６をウェハ１０とシリコン層４０に照射するように配置された放射線源６０をさらに含む。好ましい実施形態では、放射線源６０は６００ｎｍよりも短い波長の放射線６６を放射する。別の実施形態では、シリコン層４０によって実質的に吸収されない６００ｎｍよりも長い波長を除去するか実質的に減衰させるためにフィルター６８を使用する。
【００２８】
一実施形態では、放射線源６０はキセノンフラッシュランプなどのフラッシュランプである。一実施形態では、放射線フィルター６８が放射線源６０の前面に配置され、放射線フィルターは放射線６６の６００ｎｍよりも長い波長を有する部分の全てまたは大部分を除去する。
【００２９】
図４は、波長の関数としてのキセノンフラッシュランプの出力のプロットである。図４に示すように、放射線源６０としてフラッシュランプを使用する利点は、フラッシュランプが６００ｎｍよりも短い波長で比較的大きなスペクトルバンドを有し、有用なパルスあたりのエネルギーを大量に生成することである。上述したように、６００ｎｍよりも長い波長を除去するためにフィルター６８を使用することができる。本発明の一実施形態では、フラッシュランプは約５Ｊ／ｃｍ２から約１００Ｊ／ｃｍ２のエネルギー量を供給する。大型のフラッシュランプまたはフラッシュランプアレイは大面積（例えば半導体ウェハ全体）を照射することができ、最近では３００ｍｍの直径を有する。本発明の好ましい実施形態の１つでは、ウェハ１０全体をフラッシュランプまたはフラッシュランプアレイからの単一の放射線パルスでアニールする。フラッシュランプからの望ましくない波長を除去または減衰させるように放射線フィルター６８を使用することができる。
【００３０】
別の好ましい実施形態では、放射線源６０はシリコン層４０によって容易に吸収される波長を有するパルスレーザーであり、一回の照射で基板の一部のみを処理するために使用される。特に、放射線源６０はエキシマレーザーまたは周波数逓倍ＹＡＧレーザであってもよい。
【００３１】
本発明の方法は、放射線６６の１又は複数のパルスをシリコン層４０に照射してウェハ１０、具体的にはウェハ１０に形成された１又は複数の領域２０をフォトアニールすることを含む。シリコン層４０が設けられていない場合には、配線、ゲート（図示せず）などのウェハ上の構造を含む領域表面２２の異なる反射率のために、ウェハ１０は上面１２またはその近傍において均一に加熱されない。そのような構造は処理時にウェハ上に通常存在し、ウェハ上面における反射率の差を生じさせる。非均一な加熱によってアニールも非均一となり、機能しないまたは標準的に機能しないデバイスが形成されてしまう。
【００３２】
図２に示すように、シリコン層４０は放射線６６を吸収し、放射線６６を熱８２に転換する。次に、熱８２は上面１２におけるウェハ１０への熱拡散によってウェハ全体に伝わる。熱は、ウェハ上面１２と領域２０の温度をウェハ全体において均一に臨界温度（例えば、不活性ドーパント１４が活性化ドーパント１４＊に変化する温度）に上昇させる。一実施形態では、臨界温度は約１１００℃から約１４１０℃であり、別の実施形態では１２００℃から１４００℃である。
【００３３】
シリコン層４０はウエハ表面１２とは異なり均一な反射率と光吸収率を有するため、シリコン層４０は放射線６６によって均一に加熱される。
【００３４】
シリコン層４０はウェハと同じ膨張係数を有するため、シリコン層４０はウェハ１０のための吸収層として機能することができる。従って、高いアニール温度（例えば、１３５０℃またはシリコンの融点（１４１０℃）近傍）に加熱された場合にシリコン層４０とウェハ１０との間には応力差がないため、シリコン層４０とウェハ１０にクラックが発生することはない。
【００３５】
本発明の目的は、単一又は複数の放射線パルス６６によって、所定の温度よりも低い臨界温度に基板１０の上面１２を均一に加熱することにある。（活性化のために領域２０を溶融させない）非溶融プロセスでは、所定の温度は好ましくは領域の融点である。ただし、所定の温度は領域の活性化温度よりも高い温度であってもよい。（活性化のために領域２０を溶融させる）溶融プロセスでは、所定の温度は領域の融点と基板及びシリコン層の融点（通常は実施的に同一の温度）との間の温度であってもよい。
【００３６】
照射プロセスが完了すると、シリコン層４０を従来のエッチング技術によって除去する。一実施形態では、薄膜シリコン二酸化物コーティングを、エッチングストッパーとしてウェハとシリコンコーティングとの間に形成する。
【００３７】
以上の詳細な説明では、各種特徴を容易に理解できるように各種実施形態に分類した。本発明の多くの特徴及び利点は詳細な明細書から明らかであり、添付の請求項によって本発明の精神と範囲に従う上述した装置の特徴と利点を全て網羅することを意図するものである。また、当業者は多くの変形や変更に容易に想到するものと考えられるため、本発明を上述した構造や動作のみに限定することは望ましいものではない。従って、その他の実施形態も添付の請求項の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】処理対象領域と、ウエハ表面上に直接形成され、放射線パルスによって加熱された場合に温度均一性を向上させるシリコン層とを有する半導体ウェハの断面概略図である。
【図２】図１の半導体ウェハの拡大図であり、領域内のドーパントの活性化プロセスにおけるシリコン層による放射線の吸収とウェハとウェハ内に形成された領域への熱の移動を示す。
【図３】「固体の光学定数のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄｓ），Ｅｄｗａｒｄ  Ｄ．Ｐａｌｉｋ編，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，５５４頁に記載された波長の関数としてのシリコンの屈折率の実部と虚部のプロットである。
【図４】３９０ｔｏｒｒの圧力及び低い電気的負荷（５００Ｖに充電された１００マイクロファラドのキャパシタ）でのキセノンフラッシュランプの波長の関数としてのスペクトル放出のプロットである。
【図１】
2007525844.tif 000003
【図２】
2007525844.tif 000004
【図３】
2007525844.tif 000005
【図４】
2007525844.tif 000006
【国際調査報告】
2007525844.tif 000007