(57)【要約】【課題】液体浸漬レーザースパイクアニールの方法及び装置を提供する。【解決手段】半導体ウェハをレーザーアニーリングするための方法及び装置は、少なくともウェハの一部が液体に浸漬されるように液体槽中に半導体ウェハを設置することを具備する。レーザー光は、アニーリングの目的で表面を加熱するために液体を通してそしてウェハの表面へと導かれる。周囲の物質（シリコン基板、シリコン酸化膜、金属シリサイド、等）の熱容量よりも実質的に大きな熱容量を有する液体を選択することによって、液体は、アニーリングの熱を拡散させるために主たるヒートシンクとして機能する。周囲の物質の熱容量の違いの結果として冷却の間に生じる温度ばらつきは、最小にされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように該半導体ウェハを液体槽中に設置することと、
アニーリングのために前記ウェハの表面を加熱するために前記液体を通してそして前記表面上へとレーザー光を導くこと、それによって熱は前記ウェハの前記表面から前記液体へと伝達されることと
を具備することを特徴とする半導体ウェハのレーザーアニーリング方法。
【請求項２】
前記液体は水であることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
前記水の深さは、約５ｍｍから約１５ｍｍであることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項４】
レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の下方に発せられるように位置を決められることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項５】
レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の上方に発せられるように位置を決められることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項６】
前記ウェハは、動かずに保持され、そしてレーザー光の光源は、前記ウェハに対して相対的に移動することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項７】
レーザー光の光源は、動かずに保持され、そして前記ウェハは、前記レーザー光の光源に対して相対的に移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ウェハ及びレーザー光の光源の両者は、互いに相対的に移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザー光は、約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の出力を有することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１０】
前記レーザー光は、約５００ｎｍから約５０００ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１１】
半導体ウェハの少なくとも一部が水中に浸漬されるように該半導体ウェハを水槽中に設置することと、
前記ウェハの表面を少なくとも約１０００℃に加熱するために前記水を通してそして前記表面上へと約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の出力を有するレーザー光を導くこと、それによって熱は前記ウェハの前記表面から前記水へと伝達されることと
を具備することを特徴とする半導体ウェハ表面のレーザーアニーリング方法。
【請求項１２】
レーザー光の光源は、レーザー光が前記水槽中の前記水の表面の下方に発せられるように位置を決められることを特徴とする請求項１１の方法。
【請求項１３】
半導体ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように該半導体ウェハを収納することに適した液体槽と、
アニーリングのために前記ウェハの表面を加熱するために前記液体を通してそして前記表面上へとレーザー光を射出することに適したレーザー光の光源と
を具備することを特徴とする半導体ウェハ表面のレーザーアニーリング装置。
【請求項１４】
前記レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の下方に発せられるように位置を決められることを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１５】
前記レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の上方に発せられるように位置を決められることを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１６】
前記ウェハは、前記液体槽に対して相対的に動かず、そして前記レーザー光の光源は、前記液体槽に対して相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１７】
前記レーザー光の光源は、動かず、そして前記ウェハは、前記レーザー光の光源に対して相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１８】
前記ウェハ及び前記レーザー光の光源の両者は、互いに相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１９】
前記レーザー光の光源は、約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の出力を有することを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項２０】
前記液体槽は、前記液体を循環させるための機構を備えることを特徴とする請求項１３の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体ウェハの製造中のレーザースパイクアニーリングの間に、アニーリングのための熱的エネルギーは、非常に短い時間間隔、典型的に数ナノ秒から数ミリ秒、のあいだウェハの表面にレーザー光を照射することによって与えられる。レーザー光からの熱エネルギーは、アニーリングのためにウェハ表面の温度を上昇させる。レーザー光の照射に続いて、ウェハ表面は、下地基板に熱エネルギーを拡散させることによって時間の比較的短い期間で冷却する。
【０００２】
いくつかの技術が、レーザースパイクアニーリングの間に一様な加熱を実現するための取り組みの中で開発されてきている。１つの技術では、光アーク膜（light arc film）が、ウェハ中に存在するＳｉ、ＳｉＯ２及び／又は他の物質の間の光吸収係数の違いを相殺するために使用される。別の１つの技術では、＞１０μｍの波長を有するＣＯ２レーザー光のような非常に長波長のレーザー光が、レーザー光吸収のパターン密度効果を減少させるために役立っている。
【０００３】
図１Ａに示されたように、半導体ウェハは、典型的には表面の下方に１より多くの種類の物質、例えば、シリコン基板と酸化膜を有する。一般に、これらの異なる物質は、異なる熱容量（熱伝導率）を有する。例えば、シリコンは、シリコン酸化膜の熱容量よりも大きな熱容量を有する。  図１Ｂに図示されたように、異なる熱容量を有する物質が存在するときに、熱はウェハ表面から下地物質に異なる速度で伝達し、表面がレーザーアニーリングに引き続いて冷却されるにつれてウェハ表面全体にわたる不均一な温度に導く。現在のレーザーアニーリング技術は、下地基板物質の異なる熱容量の結果としての温度ばらつきを考慮していない。
【０００４】
レーザースパイクアニーリングの間に一様な加熱を実現するための技術改善に対する必要性が残されている。表面がレーザー光の照射に直ぐ引き続いて冷却されるにつれて不均一な温度に導くことがある物質の熱容量の違いを考慮する技術を開発することが、特に望まれるはずである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１態様は、半導体ウェハをレーザーアニーリングする方法に向けられている。本方法は、ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように半導体ウェハを液体槽中に設置することを具備する。レーザー光は、アニーリングのために表面を加熱するように液体を通りそしてウェハの表面上へと導かれる。熱は、ウェハの表面から液体へと散逸する。本発明の別の１つの態様によれば、半導体ウェハをレーザーアニーリングする装置は、ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように半導体ウェハを収納することに適した液体槽を具備する。レーザー光の光源は、アニーリングのためにウェハの表面を加熱するように液体を通してそしてウェハの表面上へとレーザー光を射出することに適している。
【０００６】
レーザー光によりアニールされる表面の近くに液体を供給することによって、アニーリングの間に生成された熱は、液体中へと散逸する。１つの実施形態では、液体は、相対的に大きな熱容量を有しかつ相対的に大きな蒸発熱を有するもの、例えば、水が選択される。液体の熱容量が周囲の物質（シリコン基板、シリコン酸化膜、誘電体材料、等）のそれよりも実質的に大きいので、液体は、アニーリングの熱を拡散させるための主たるヒートシンクとして機能する。このようにして、周囲の物質の熱容量の違いの結果として冷却の間に生じる温度ばらつきは、最小にされることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、一例としてのみ与えられそして添付された図面に図示された本発明の実施形態を参照してさらに詳細にここに記述される。
【０００８】
本発明は、半導体ウェハのレーザースパイクアニーリングのための方法及び装置に向けられている。液体槽は、レーザー光の照射に引き続くウェハからの熱の散逸のためのヒートシンクとして機能する。液体は、下地物質（シリコン基板、シリコン酸化膜、誘電体材料、等）の熱容量よりも大きな熱容量を有する。このように、液体は、アニーリングの熱を拡散させるための主たるヒートシンクとして機能する。異なる速度での下地物質への熱拡散に起因するウェハ表面上の温度ばらつきは、図３に模式的に図示されたように、最小にされる。本発明は、それゆえレーザースパイクアニーリングの間に、特にレーザーアニーリングプロセスの冷却段階の間にさらに一様な温度を実現する可能性を有する。これは、異なる熱容量を有する複数の物質が存在する場合でさえ、結果としてウェハ表面がさらに一様にアニールされることになり得る。
【０００９】
下記の表１は、いくつかの一般的な半導体材料の熱容量と水のそれとを比較する。水が他の物質の各々よりも著しく大きな熱容量を有することは、明らかであろう。
【表１】
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【００１０】
図２を参照して、ウェハ全体又はウェハの一部が液体中に浸漬されるように、ウェハは、液体槽中に設置されることができる。１つの実施形態では、アニールされようとしているウェハ表面の少なくとも一部が、液体中に浸漬される。液体は、オプションとして流体循環機構、例えば、バッフル、ブレード、又はその他により循環される。液体を循環させることは、槽中で比較的一様な温度分布を維持するために役立ち、それはウェハから液体への熱伝達の効率を向上できる。
【００１１】
レーザー光の光源は、アニーリングの目的で熱を与えるために表面へレーザー光を射出する。図２は、レーザー光源、反射鏡、自己反射検出器、透過光検出器、及びオシロスコープを模式的に図示する。半導体ウェハのアニーリングのために適したレーザーシステムは、例えば、カリフォルニア州、サンタクララ市のアプライドマテリアルズ株式会社（ＡＭＡＴ）、及びウルトラテック（カリフォルニア州、サンノゼ市）から市販されている。
【００１２】
レーザー光の波長は、液体による吸収を避けるように又は最小にするように選択されることができる。約５μｍより長い波長を有する赤外光は、水により吸収される傾向がある。多くの場合、レーザー光の波長は、１μｍよりも短く、そして典型的に約５００ｎｍから約５０００ｎｍ、さらに通常は約５００ｎｍから約１０００ｎｍの範囲である。レーザーの出力は、代表的に約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の範囲である。
【００１３】
レーザーは、液体槽の外の場所から、例えば、液体の表面の上方から伝達されるように配置されることができる。あるいは、レーザーが液体の表面の下方から伝達されるように液体槽内に配置されることができる。液体の表面の下方にレーザーを配置することは、レーザー光が液体の外の場所から伝達される時に生じることがある光の屈折を避けるために望ましいことがある。
【００１４】
いくつかの異なる技術が、レーザー光でウェハの表面をスキャニングするために使用されることができる。例えば、レーザー光の光源は、相対的に静止して維持されることができ、一方でレーザー光がウェハの所望の表面をアニールするようにウェハは揺動される。あるいは、ウェハは、相対的に静止して維持されることができ、一方でレーザー光の光源がウェハ表面をスキャンするように揺動される。さらに別の代案は、ウェハとレーザー光の光源の両者を互いに相対的に揺動することであり、それは可能性としてより早いスキャニング速度を生み出すことができる。これらの代案のいずれかは、レーザー光が液体槽中の外部に発せられるように配置されたレーザーとの組み合わせで又はレーザー光が液体の表面の下方で発せられるようにレーザーが液体槽の内部に配置されるものとの組み合わせで選択されることができる。
【００１５】
液体槽それ自身は、静止して維持されることができる、又は代案として、ウェハとともに動くことができる。特に、レーザー光が液体の外部の光源から発せられるときに、液体表面において望ましくない光の屈折の一因になることがある水のさざ波を避けるために、液体槽を静止して維持することが、望まれることがある。ウェハを動かしつつ液体槽を静止させて維持することは、例えば、図４に図示されたようにウェハを反転させそしてそれを槽中に浸漬させることにより可能である。液体槽の内部の場所又は液体槽の（例えば、下方の）外部の場所のいずれかの場所からレーザー光を発するように、レーザーは配置されることが可能である。レーザーが液体槽の外部に配置されるとき、液体槽に使用する容器は、レーザー光の透過を可能にするために少なくとも１つの光学的に透明な表面を有するべきである。
【００１６】
液体槽中の液体の深さは、広い範囲にわたって変化できるが、多くの場合約１００ｎｍから約１５ｍｍの範囲であり、さらに通常は約５ｍｍから約１０ｍｍの範囲である。一般に、レーザー光に曝されるウェハの上に浅い液体深さが使用されるとき、液体の温度は、非常に大きく上昇するであろう。例えば、１００ｎｍの水の深さを使用するとき、水の温度は、ウェハがレーザー光に曝されるときに典型的に約２０℃だけ上昇する。１ｍｍの水の深さを用いると、水温は、典型的に約２℃だけ上昇する。１０ｍｍの水の深さを用いると、水温は、典型的にわずかに約０．２℃だけ上昇する。より深い液体の深さでさえも使用されることができるとはいえ、過剰な深さは、レーザー光の望ましくない熱的エネルギー損失に結果としてなることがある。
【００１７】
１つの実施形態では、液体は、比較的大きな比熱を有し、そしてレーザー光の透過性を過度に妨げない。水は、４．２Ｊ／Ｋ・ｇの比熱、及び２２５０Ｊ／ｇの蒸発熱を有する、それゆえヒートシンクとして非常に良く機能する。約５００ｎｍから５０００ｎｍの波長を有する赤外レーザー光は、少しも感知されるエネルギー損失なしに１０ｍｍの水を通して透過することが可能である。比較的大きな熱容量を有する流体の別の例は、一価アルコール、多価アルコール、その他を含む。
【００１８】
アニーリング温度及びアニーリング時間は、レーザー出力及びスキャン速度のようなパラメータを調節することによって調節されることが可能であり、当業者に明らかになるであろう。１Ｊ／ｃｍ２のレーザー出力そして２００μｍのレーザースポット幅を使用して、レーザー光は、約１００ｍｍ／ｓｅｃの速度でシリコンウェハ表面をスキャンできる。レーザー光は、一般的に数ミリ秒の間隔のあいだウェハ表面の温度を少なくとも１０００℃、多くの場合約１３００℃、に上昇させる。熱が液体にそしてこれより少ない量下地基板物質に散逸するにつれて、表面は急速に冷却する。
【００１９】
本発明の他の実施形態は、明細書及びここに開示された本発明の実施の考察から当業者に明らかになるであろう。本明細書及び開示された実施形態が例示としてのみ考慮され、本発明の真の範囲及び精神が添えられた特許請求の範囲によって示されることが、意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】図１Ａは、いくつかのポリシリコンゲートがシリコン基板上方の表面に配置され、そして別のポリシリコンゲートがシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）によって形成されたシリコン酸化膜の上方に配置されているウェハのレーザースパイクアニーリングを図示する。
【図１Ｂ】図１Ｂは、シリコン基板の熱容量がシリコン酸化膜のそれに対して相対的に大きいために冷却の間に結果として生じる不均一な温度の効果を図示する。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施形態にしたがって水の中に全体的に又は部分的に浸漬されているウェハのレーザーアニーリングを図示する。
【図３】図３は、本発明にしたがってウェハの表面から水の中への熱拡散を説明する。熱は、シリコン基板又はシリコン酸化膜へと拡散するよりも速い速度で水中へと拡散する。これは、水の中へと上の方向を指している大きな矢印と基板へと下の方向を指している小さな矢印により模式的に示されている。
【図４】図４は、本発明の代わりの実施形態を図示し、そこではウェハは静止した液体槽中で揺動され、一方でレーザー光源は液体槽の下からレーザー光を射出する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年11月8日(2007.11.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように該半導体ウェハを液体槽中に設置することと、
アニーリングのために前記ウェハの表面を加熱するために前記液体を通してそして前記表面上へとレーザー光を導くこと、それによって熱は前記ウェハの前記表面から前記液体へと伝達されることと
を具備することを特徴とする半導体ウェハのレーザーアニーリング方法。
【請求項２】
前記液体は水であり、前記水の深さは、約５ｍｍから約１５ｍｍであることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
半導体ウェハの少なくとも一部が水中に浸漬されるように該半導体ウェハを水槽中に設置することと、
前記ウェハの表面を少なくとも約１０００℃に加熱するために前記水を通してそして前記表面上へと約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の出力を有するレーザー光を導くこと、それによって熱は前記ウェハの前記表面から前記水へと伝達されることと
を具備することを特徴とする半導体ウェハ表面のレーザーアニーリング方法。
【請求項４】
レーザー光の光源は、レーザー光が前記水槽中の前記水の表面の下方に発せられるように位置を決められることを特徴とする請求項３の方法。
【請求項５】
半導体ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように該半導体ウェハを収納することに適した液体槽と、
アニーリングのために前記ウェハの表面を加熱するために前記液体を通してそして前記表面上へとレーザー光を射出することに適したレーザー光の光源と
を具備することを特徴とする半導体ウェハ表面のレーザーアニーリング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の他の実施形態は、明細書及びここに開示された本発明の実施の考察から当業者に明らかになるであろう。本明細書及び開示された実施形態が例示としてのみ考慮され、本発明の真の範囲及び精神が添えられた特許請求の範囲によって示されることが、意図されている。
以下に、本願発明の種々の観点に基づく発明を付記する。
［１］半導体ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように該半導体ウェハを液体槽中に設置することと、
アニーリングのために前記ウェハの表面を加熱するために前記液体を通してそして前記表面上へとレーザー光を導くこと、それによって熱は前記ウェハの前記表面から前記液体へと伝達されることと
を具備することを特徴とする半導体ウェハのレーザーアニーリング方法。
［２］前記液体は水であることを特徴とする［１］の方法。
［３］前記水の深さは、約５ｍｍから約１５ｍｍであることを特徴とする［２］の方法。
［４］レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の下方に発せられるように位置を決められることを特徴とする［１］の方法。
［５］レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の上方に発せられるように位置を決められることを特徴とする［１］の方法。
［６］前記ウェハは、動かずに保持され、そしてレーザー光の光源は、前記ウェハに対して相対的に移動することを特徴とする［１］の方法。
［７］レーザー光の光源は、動かずに保持され、そして前記ウェハは、前記レーザー光の光源に対して相対的に移動することを特徴とする［１］に記載の方法。
［８］前記ウェハ及びレーザー光の光源の両者は、互いに相対的に移動することを特徴とする［１］に記載の方法。
［９］前記レーザー光は、約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の出力を有することを特徴とする［１］の方法。
［１０］前記レーザー光は、約５００ｎｍから約５０００ｎｍの波長を有することを特徴とする［１］の方法。
［１１］半導体ウェハの少なくとも一部が水中に浸漬されるように該半導体ウェハを水槽中に設置することと、
前記ウェハの表面を少なくとも約１０００℃に加熱するために前記水を通してそして前記表面上へと約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の出力を有するレーザー光を導くこと、それによって熱は前記ウェハの前記表面から前記水へと伝達されることと
を具備することを特徴とする半導体ウェハ表面のレーザーアニーリング方法。
［１２］レーザー光の光源は、レーザー光が前記水槽中の前記水の表面の下方に発せられるように位置を決められることを特徴とする［１１］の方法。
［１３］半導体ウェハの少なくとも一部が液体中に浸漬されるように該半導体ウェハを収納することに適した液体槽と、
アニーリングのために前記ウェハの表面を加熱するために前記液体を通してそして前記表面上へとレーザー光を射出することに適したレーザー光の光源と
を具備することを特徴とする半導体ウェハ表面のレーザーアニーリング装置。
［１４］前記レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の下方に発せられるように位置を決められることを特徴とする［１３］の装置。
［１５］前記レーザー光の光源は、レーザー光が前記液体槽中の前記液体の表面の上方に発せられるように位置を決められることを特徴とする［１３］の装置。
［１６］前記ウェハは、前記液体槽に対して相対的に動かず、そして前記レーザー光の光源は、前記液体槽に対して相対的に移動可能であることを特徴とする［１３］の装置。
［１７］前記レーザー光の光源は、動かず、そして前記ウェハは、前記レーザー光の光源に対して相対的に移動可能であることを特徴とする［１３］の装置。
［１８］前記ウェハ及び前記レーザー光の光源の両者は、互いに相対的に移動可能であることを特徴とする［１３］の装置。
［１９］前記レーザー光の光源は、約１Ｊ／ｃｍ２から約２Ｊ／ｃｍ２の出力を有することを特徴とする［１３］の装置。
［２０］前記液体槽は、前記液体を循環させるための機構を備えることを特徴とする［１３］の装置。
【外国語明細書】
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