(57)【要約】【課題】半導体ウエハ上に電子及び／又は光学デバイスを製造するための処理を効果的に行う光線を提供及び制御する方法を提供する。【解決手段】半導体材料及びデバイスを、集束された又は平行化された光線で改質する方法を提供する。光線は、表面下における材料の性質を改変するために、基板上に導かれる。集束された光線は、波長の選択及び深さに応じた基板の光学的性質に起因して、選択された深さで出力密度及び光線エネルギーの吸収が最大となる。その結果、処理作用は、好ましい制限された範囲の深さで行われる。例えば、硬化、アニーリング、インプラント活性化、選択的溶融、堆積及び化学反応などの処理作用が、集束されたビームスポットの付近の光線密度によって制限された範囲で達成される。波長は、選ばれた処理作用に適切となるように選択される。光線は、処理作用を選択的に提供するために、基板の表面全体に走査される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料及びデバイスを処理する方法であって、
選択された１つ以上の波長及び出力を有する、１つ以上の光線を生成するステップと、
前記１つ以上の光線を、半導体基板材料の表面下の選択された深さに導くステップと、
前記１つ以上の光線を、前記半導体基板の表面全体に走査するステップと、
前記半導体基板を、前記選択された深さで変性させるステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線は、単一の光線であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線の１つ以上は、レーザービームであることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線の１つ以上は、インコヒーレント光線であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線は、レーザー及びインコヒーレント光源の組み合わせであることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記選択された波長は、約２００ナノメータ〜１２マイクロメータの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記選択された波長は、選択された深さでの吸収によって、前記半導体材料の変性を最適化するように選択され、
前記選択された深さは、深さの範囲を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線は、約１ミリワット〜１００キロワットの範囲の出力で連続的であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線は、約１マイクロジュール〜１ジュールの範囲のプレパルスエネルギーを有するパルスビームであることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記導くステップは、前記選択された深さで、前記光線の集束された回折限界点を形成することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記変性は、局所的アニーリング、インプラント活性化、ドーパント拡散制御、欠陥エンジニアリング、応力エンジニアリング、歪エンジニアリング、局所的化学反応、硬化、清浄、灰化、材料除去、及び／又は材料改質から成る群より選択された深さが制御された処理を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線の前記波長は、単一の波長であることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
前記光線の前記波長は、１つ以上の波長を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
和及び／又は差のエネルギー成分を有する光子を生成すべく前記波長が非線形的に混合されるように前記波長を選択し、
前記生成された光子の波長に関連する深さで選択された処理を行うようにしたことを特徴とする方法。
【請求項１５】
半導体を処理する方法であって、
半導体基板を提供するステップと、
前記半導体基板内の所望の深さで光密度が最大となるように、光線の性質を選択するステップと、
前記光線を、前記半導体基板に導くステップと、
前記半導体基板を、前記所望の深さで処理するステップとを含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記所望の深さで前記光線を集束させるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
前記集束は、少なくとも１つのレンズを用いて行うことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、
前記性質は、出力及び波長を含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、
前記処理は、局所的アニーリング、インプラント活性化、ドーパント拡散制御、欠陥エンジニアリング、応力エンジニアリング、歪エンジニアリング、局所的化学反応、硬化、清浄、灰化、材料除去、及び／又は材料改質から成る群より選択された深さが制御された処理を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、
前記波長は、約２００ナノメータ〜１２マイクロメータの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法であって、
前記光線は、約１ミリワット〜１００キロワットの範囲の出力で連続的であることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１８に記載の方法であって、
前記光線は、約１マイクロジュール〜１ジュールの範囲のプレパルスエネルギーを有するパルスビームであることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１５に記載の方法であって、
前記半導体基板内の所望の深さで光密度が最大となるように、第２の光線の性質を選択するステップと、
前記第２の光線を前記半導体基板に導くステップとをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、
前記２つの光線は、前記半導体基板内の同一位置で交差することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１５に記載の方法であって、
前記選択は、前記半導体基板の性質、前記所望の深さ、及び処理の種類に基づいていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、集束光線による半導体基板の選択的深さでの処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
集束光線は、例えばシリコンなどの半導体ウエハの穿孔、スクライビング及び切削の用途に利用される。また、集束光線は、例えばプリント配線基板や製品ラベルなどの非半導体材料のマーキング及びスクライビングの用途にも利用される。マイクロ電気機械システム（Micro-electromechanical systems：ＭＥＭＳ）デバイスは、チャネル、ポケット及びスルーホールを形成するためのレーザー装置であり、レーザースポットの大きさは５μｍ以下、位置決め分解能は１μｍである。チャネル及びポケットは、前記デバイスの動作を可能にする。前記処理の全ては、光線の焦点における非常に局部的な領域で、材料の温度を急激に上昇させることにより行われる。
【０００３】
しかし、上述した用途の全ては、ある程度破壊的であり、一般に、材料を除去することを目的とした出力密度の集束光線を利用している。シルコン並びに関連する半導体及び電子材料では、前記用途は、一般に、物理的な結果（例えばダイシング、穿孔、マーキングなど）を得るためのものである。
【０００４】
したがって、半導体ウエハ上に電子及び／又は光学デバイスを製造するための処理を効果的に行う光線を提供及び制御することが求められている。さらに、前記処理が行われる深さを制御することが求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
半導体材料及びデバイスを集束光線で処理する方法及びシステムを提供する。特に、本発明の一実施形態に係る半導体材料の処理方法は、選択された波長及び選択された最大出力を有する光線を提供するステップを含む。前記光線は、離散時間パルス幅を有するパルスを提供するために調整される。前記光線は、前記半導体材料の表面に集束される。各レーザーパルスの全エネルギーは、選択された値となるように制御される。光線又はレーザービームのパラメータを制御することにより、半導体材料の加熱又は他の処理を選択された深さで行うことができる。光線は、プログラムされたパターンで、半導体材料の表面全体に走査される。デバイスの製造は、半導体材料の表面で、材料の電子的及び／又は光学的性質及び特性を改質することにより達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明に係る選択的深さでの処理システム（selective depth processing system）１００における、光線伝播深さと光線密度との関係を示している。システム１００は、図２を参照しつつ後述するシステム２００よりも焦点距離が長い。図１（Ａ）を参照して、平行光線１１０は、レンズ１２０によって基板１６０の表面下の選択された深さ１３０に集束される。平行光線１１０の密度は、深さ１３０で、実質的に最大値に達する。平行光線１１０は、深さ１３０より先は、発散光線１４０になる。発散光線１４０の密度は、光線が進行するに従って減少する。
【０００７】
図１（Ｂ）は、光線１１０、１４０の位置（レンズ１２０や基板１６０に関連する位置）と密度との関係を表わしている。この例に見られるように、光線１１０は、レンズ１２０に至るまでは、一定の口径及び光密度１１５を有する。レンズ１２０は、単一のレンズである、又は複数のレンズから成るレンズ系である。レンズ１２０は、光線１１０を、基板１６０における選択された深さ１３０に集束させる。そして、光線１１０の密度は、選択された深さ１３０で最大値１３５に達する。
【０００８】
光線伝搬状態の４つの例が、基板１６０内での光線伝播及び処理作用の結果を示している。ケースＡは、基板１６０が実質的に透明な場合（すなわち、光吸収が実質的に無い場合）における、光線の基板１６０内への伝播深さと、光線のエネルギー密度１４２との関係を示す。光線の伝播深さと光密度１４２との関係は、レンズ１２０の焦点特性に起因する発散光線１４０の空間分散と、基板１６０（及び基板に含まれる全ての層）の屈折率（実質的に実数及び正数である。すなわち、吸収されない）とによって厳密に測定される。基板材料は透明で非吸収性なので、光線と基板１６０との間では、何らかの処理作用を引き起こすことが予想される熱過熱及び光相互効果は実質的に生じない。
【０００９】
ケースＢは、基板材料の吸収性が高い場合における、光線の基板１６０内への伝播深さと、光線のエネルギー密度１４８との関係を示す。Ｂの関係は、基板に含まれる複数の層の組み合わせが、光線１１０の選択された波長に対して複雑な屈折率を有し（すなわち、実数及び虚数成分を有し）波長に依存する屈折率が複雑となる結果として生じる。当業者であれば、屈折率の虚数成分が大きくなれば、吸収の割合が大きくなることを理解できるであろう。この場合、光エネルギーは、比較的短い浸透深さで、基板に急速に吸収される。そのため、発散光線１４０の光線密度１４８は、透過深さが深くなるにつれて急激に減少する。また、吸収により生じた熱加熱に起因する処理作用が、狭い浸透範囲（実質的に集束点１３０に対応する深さの付近で）で選択的に発生する。
【００１０】
ケースＣは、ケースＢの場合よりも若干長い波長が選択された結果である、基板材料の吸収性がケースＡとケースＢとの中間になった場合における、光線の基板１６０内への伝播深さと、光線のエネルギー密度１４６との関係を示す。この場合、光線密度１４６は、浸透深さが深くなるにつれてケースＢよりも緩やかに減少する。また、光線は、基板１６０内にケースＢよりも深く浸透する。そのため、次の２つの効果が生じる。（１）吸収はケースＢよりも若干少ないので、加熱効果はより緩やかに生じる。そのため、より長い処理時間が必要になる。（２）光密度はより緩やかに減少するので、エネルギー密度は浸透深さが深くなっても比較的高い状態に保たれる。そのため、処理作用は、基板１６０のより深い位置で生じ得る。
【００１１】
ケースＤは、ケースＢ及びＣよりも比較的長い波長が選択された結果である、基板１６０に含まれる複数の層の吸収率が比較的低い場合における、光線の基板１６０内への伝播深さと、光線のエネルギー密度１４４との関係を示す。この場合、光密度１４４は、ケースＢ及びＣよりも緩やかに減少する。また、光線は、基板１６０内にケースＢ及びＣよりも深く浸透する。
【００１２】
吸収効果が伝播距離に応じて指数関数的に減少することは周知なので、ケースＢ、Ｃ及びＤにおける光密度の減少割合は、ケースＡ（吸収が無く、光密度の減少が、レンズの焦点特性に起因する光線の空間分散のみに関係する場合）における光密度の減少割合よりも常に大きい。
【００１３】
光線の口径が同一の光学系における焦点での回折限界点の大きさは、焦点距離が長い場合は焦点距離の短い場合よりも大きいことは当該技術分野では周知である。したがって、光線の口径が同一の光学系では、焦点での光線の出力及びエネルギー密度は、焦点距離が長い場合は焦点距離が短い場合よりも低い密度となる。つまり、焦点での光線の出力及びエネルギー密度は、焦点距離が短い方がより高くなる。さらに、焦点距離が短い場合は、より大きな発散光線を発生させるので、熱的又は光学的に誘起される処理作用が生じる深さの範囲は、焦点距離が長い場合よりも制限される。
【００１４】
図２は、図１の場合よりも焦点距離が短い場合の光密度の効果を示す。図２（Ａ）は、レンズ２２０の焦点距離がレンズ１２０の焦点距離よりも短いこと以外は、図１（Ａ）と同一の特徴及び構成要素を含む。光線１１０と実質的に同一である光線２１０は、図１の場合よりも短い距離で回折限界焦点２３０に集束し、発散光線２４０となる。さらに、ここでは光線１１０及び２１０によって規定される光線の口径が同一である場合は、一般に、回折限界点の大きさは焦点距離が短いほど小さくなる。図２に示すように、光線密度１１５と実質的に同一である光線密度２１５は焦点２３０に集束される。焦点２３０での光線密度は、図１の場合よりも高くなる。さらに、焦点距離が短くなると、焦点２３０より先の発散光線２４０の光線密度は、浸透深さが深くなるにつれてより急激に減少する。そのため、ケースＡ、Ｂ、Ｃ及びＤの全ての場合において、光線密度２４２、２４８、２４４及び２４６のそれぞれは、図１の場合よりも短い侵入深さで急激に減少する。したがって、これらの場合では、処理作用が生じる深さの範囲は、図１の場合よりも制限される。
【００１５】
図３は、本発明に係る選択的深さでの処理の２つの実施形態を示す。図３（Ａ）は、図１（Ａ）と実質的に同一な「Ａ」形態を示す。図３（Ｂ）は、複数の光線を提供するための２つ以上の光源を備える形態を示す。例えば、複数の光源から提供された光線３１０ａ及び３２０ｂのそれぞれは、レンズ３２０ａ及び３２０ｂによって集束され、基板１６０の選択された深さにある共通焦点３３０に、或いは、基板１６０内の異なる深さ及び／又は位置にある別個の焦点（両方とも図示せず）に、回折限界点を形成する。レンズ３２０ａ及び３２０ｂのそれぞれは、単一のレンズである、又は複数のレンズから成るレンズ系である。
【００１６】
光線３１０ａ及び３２０ｂのそれぞれは、選択された波長、及び強度が選択された用途のために十分であるインコヒーレント光源、選択された波長及び強度のレーザー、又は、インコヒーレント光源及びレーザーの組み合わせから提供される。また、光線３１０ａ及び３２０ｂは、図３（Ｂ）に示した数よりも多くの数の、両タイプの光源から提供することができる。
【００１７】
光線（特に平行光線）の口径（すなわち直径）が十分に小さく、強度がその用途のために十分である場合は、レンズ３２０を随意的に省略することができる。
【００１８】
光線３１０ａ及び３１０ｂの波長は、同一である、又は異なる。さらに、光線３１０ａ及び３１０ｂの口径（すなわち直径）は、同一である、又は異なる。光線３１０ａ及び３１０ｂの口径（すなわち直径）が異なる場合は、焦点３３０での回折限界点３３０の大きさが異なることとなる。光線３１０ａ及び３１０ｂの合計出力は、同一である又は異なる。光線３１０ａ及び３１０ｂは、基板１６０の上方に設けられた光学系の機械的移送手段、各光線を基板１６０上に導くガルバノミラー、処理ステージ上での基板１６０の移動／回転、又は上記の組み合わせによって基板１６０に伝達される。
【００１９】
波長の範囲は、約２００ナノメータ（すなわち紫外線）から約１２マイクロメータ（長波長赤外線）であり得る。光源は、十分な強度を有するインコヒーレント光源、又は高い単色レーザーである。前述のとおり、要求される用途に応じて、集束は随意的である。選択的深さでの処理のための光出力には、約１ミリワットから１００キロワットまでの範囲の連続（ＣＷ）光源を使用することができる。或いは、パルス毎のエネルギーが約１マイクロジュールから約１ジュールの範囲のパルス光源を使用することができる。
【００２０】
光源、波長、焦点距離、及び基板の表面又は表面の真下に結合する光線の様々な組み合わせは、様々な可能な用途を提供する。例示的な用途としては、例えば、欠陥エンジニアリング、不良アニーリング、硬化、圧力若しくは歪エンジニアリング若しくはアニーリング、局所的活性化及び局所的反応などの、材料処理用の局所的な加熱又は選択的深さでの加熱がある。波長、出力レベル、焦点深さ／位置が異なる複数の光線は、同時に異なる深さで複数のタイプの処理作用を提供する。光密度は所望の焦点深さ／位置で最大であり、焦点よりも浅い又は深い深さにおいて処理は依然として生じるがその処理は少ない出力であり広い領域に渡って生じることに留意されたい。
【００２１】
図４は、本発明に係る選択的深さでの処理の例示的な用途を示す。前処理ステップで、シリコン基板１６０に、所望する元素が高エネルギーまで静電的に加速されたイオン注入層が形成される。イオンは標的基板と衝突し、イオン運動エネルギーの手法及び拡散によって決定される深さの範囲に打ち込まれる。それぞれのイオンは、衝突時に、標的結晶内に多くの点欠陥（例えば空孔、格子間及び結晶転位の点欠陥）を作り出す。空孔の点欠陥は、原子によって専有されていない結晶格子点である。この場合、イオンが標的原子と衝突することにより、その結晶位置から離れるような、標的原子への大量のエネルギー移動が引き起こされる。この標的原子は、その後、固体内でそれ自体が発射体となり、さらなる連続的な衝突事象を引き起こす。格子間の点欠陥は、前記原子（又はその元のイオン）が固体で止まり、格子に留まるための空いている空間を見つけられなかった場合に生じる。これらの点欠陥は、移動し、互いに一団となり、転移及び他の欠陥となり得る。
【００２２】
イオン注入は、多くの場合は、標的の結晶構造に望ましく無い損傷を与えるので、多くの場合は、イオン注入処理の後に熱アニーリングが行われる。これは、損傷回復と見なすことができる。さらに、この損傷は、ＥＯＲ（end of range）損傷とも呼ばれ、衝突イオンの残余運動エネルギーによって決定される深さの範囲に渡って起こる傾向にある。そして、その速度が遅くなるにつれて、核衝突分散が増加するように、基板の表面下のある深さに、損傷した少なくとも部分的に非晶質である埋め込み層を作成する。選択的な深さの光学的処理は、そのような欠陥の除去に非常に効果的な方法である熱アニーリングに適用される。１つ以上の光線（例えば２つ又はそれ以上の光線）は、局所的な熱アニーリングを提供するために、そのような欠陥が主に蓄積される深さの部位に効果的に集束される。
【００２３】
他の用途では、ドーパント拡散は、深さに応じて、及び、基板領域上での制御された光線空間走査を介しての両方で選択的に制御される。他の用途では、局所的活性化又は化学反応が、同じ技術を使用して引き起こされる。
【００２４】
さらに、他の用途では、光線の強度が十分に高い場合に基板材料又は層における非線形光学効果が顕著となる、同一又は異なる波長の光源を使用し得る。それらの条件下では、多数の光子の混合が生じ、基板格子との相互反応により２つの入射光子が結合され、和及び／又は差のエネルギー成分の光子が生成され、それによって、光源からは直接得られない浸透深さ及び／又は吸収性を有する光子を提供する。
【００２５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更及び変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】焦点距離が長い場合の、浸透深さと光線密度との関係を示す図である。
【図２】焦点距離が短い場合の、浸透深さと光線密度との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る選択的深さでの処理の２つの実施形態を示す図であり、（Ａ）は単一の光源を使用した場合を示し、（Ｂ）は複数の光源を使用した場合を示す。
【図４】本発明に係る選択的深さでの処理の用途を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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