(57)【要約】【課題】  レーザ照射による結晶へのダメージを小さくすることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  半導体基板の表層部に不純物を注入する。半導体基板の表面におけるビーム断面が一方向に長い形状を有するパルスレーザビームを半導体基板に入射させ、パルスレーザビームの入射位置がビーム断面の短軸方向に移動し、かつ、既にパルスレーザビームの照射された領域とパルスレーザビームの入射領域とが部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置を移動させながら、複数ショットの照射を行い、注入された前記不純物を活性化させる。【選択図】  図２
2008306211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、
前記半導体基板の表面におけるビーム断面が一方向に長い形状を有するパルスレーザビームを前記半導体基板に入射させ、パルスレーザビームの入射位置がビーム断面の短軸方向に移動し、かつ、既にパルスレーザビームの照射された領域とパルスレーザビームの入射領域とが部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置を移動させながら、複数ショットの照射を行い、注入された前記不純物を活性化させる工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記不純物を注入する工程の前に、さらに、半導体基板の表層部の、不純物の注入されるべき領域にイオンを注入してアモルファス化させる工程を含む請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体基板の少なくとも表層部がシリコンで形成されており、前記パルスレーザビームの波長が、４００〜６５０ｎｍである請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体基板の表面に、格子状のスクライブラインが画定されており、前記半導体基板の表面におけるビーム断面の長軸方向が、第１のスクライブラインと平行であり、ビーム断面の両端が、前記第１のスクライブラインと交差する２本の第２のスクライブライン上を移動するように、パルスレーザビームを入射させる請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
表面に、格子状のスクライブラインが画定された半導体基板を保持し、基板の表面に平行な２次元方向に該半導体基板を移動させることが可能なステージと、
前記ステージに保持された半導体基板の表面におけるビーム断面が、一方向に長い形状を有するように、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを整形し、該半導体基板に入射させる断面整形光学系と、
前記ステージに保持された半導体基板の第１のスクライブラインが前記ビーム断面の長軸方向と平行になり、前記半導体基板がビーム断面の短軸方向に移動するように前記ステージを制御する制御装置と
を有するレーザアニーリング装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記ビーム断面の両端が、前記第１のスクライブラインと交差する２本の第２のスクライブライン上を移動するように、前記ステージを制御する請求項５に記載のレーザアニーリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びレーザアニーリング装置に関し、特に半導体基板に注入した不純物をレーザ照射によって活性化させる方法、及び不純物の活性化アニールに適したレーザアニーリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に不純物を注入し、紫外領域のエキシマレーザ、例えば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザや波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを照射することにより、注入された不純物を活性化させる技術が知られている。以下、従来の活性化方法について説明する。
【０００３】
まず、シリコン基板の表層部にゲルマニウム（Ｇｅ）をドープして、シリコン基板の表層部をアモルファス化させる。その後、所望の不純物イオンを注入する。表層部をアモルファス化しておくことにより、不純物イオンのチャネリング現象を防止することができる。
【０００４】
半導体基板表面にエキシマレーザを照射し、融点の低いアモルファス部分を溶融させ、再結晶化させる。これにより、注入された不純物が活性化する。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−６９１４９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００１／００３９０６３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／００８６５０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の方法では、アモルファス部分を溶融させ、その後再結晶化させるときの熱履歴が、半導体結晶にダメージを与える。また、紫外波長域におけるシリコンの光吸収係数が大きいため、レーザビームのエネルギがシリコン基板の極薄い領域（厚さ１０ｎｍ程度の領域）で吸収されてしまう。深い領域は、表層部からの熱伝導によって加熱されるため、厚さ方向に関して温度が均一になりにくい。
【０００７】
さらに、エキシマレーザは、通常、パルスエネルギの揺らぎが７％程度あるため、ショットごとに活性化率が変動してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、レーザ照射による結晶へのダメージを小さくすることが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によると、
半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、
前記半導体基板の表面におけるビーム断面が一方向に長い形状を有するパルスレーザビームを前記半導体基板に入射させ、パルスレーザビームの入射位置がビーム断面の短軸方向に移動し、かつ、既にパルスレーザビームの照射された領域とパルスレーザビームの入射領域とが部分的に重なるように、パルスレーザビームの入射位置を移動させながら、複数ショットの照射を行い、注入された前記不純物を活性化させる工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、
パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
表面に、格子状のスクライブラインが画定された半導体基板を保持し、基板の表面に平行な２次元方向に該半導体基板を移動させることが可能なステージと、
前記ステージに保持された半導体基板の表面におけるビーム断面が、一方向に長い形状を有するように、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを整形し、該半導体基板に入射させる断面整形光学系と、
前記ステージに保持された半導体基板の第１のスクライブラインが前記ビーム断面の長軸方向と平行になり、前記半導体基板がビーム断面の短軸方向に移動するように前記ステージを制御する制御装置と
を有するレーザアニーリング装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
ビーム断面が長尺のビームを用いることにより、アニーリング効果の面内均一性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に、本発明の実施例で使用されるレーザアニーリング装置の概略図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、レーザ光源７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ６０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
【００１３】
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【００１４】
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００１５】
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。レーザ光源７１から出力されたパルスレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にするとともに、その長軸方向に関する強度を均一にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板に入射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００１６】
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
【００１７】
図２を参照して、本発明の実施例によるレーザアニーリング方法について説明する。
【００１８】
図２（Ａ）に示すように、アニーリング対象であるシリコン基板１の表面上にレジスト膜２を形成し、露光及び現像を行うことにより、レジスト膜２に開口を形成する。
【００１９】
図２（Ｂ）に示すように、レジスト膜２をマスクとし、開口２ａを通してシリコン基板１の表層部にゲルマニウムイオンを注入する。これにより、開口２ａに対応する領域の表層部がアモルファス化され、アモルファス領域３が形成される。なお、アモルファス化される領域は、例えばＭＯＳＦＥＴのソース及びドレイン領域等である。ソース及びドレイン領域をアモルファス化させる場合には、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極をマスクとして、ソース及びドレイン領域となる領域にゲルマニウムイオンを注入する。
【００２０】
注入するイオンはゲルマニウムに限らず、他のＶＩ族元素のイオンを用いることも可能である。
【００２１】
図２（Ｃ）に示すように、レジスト膜２をマスクとして、シリコン基板１の表層部に不純物を注入する。不純物は、例えば周知のボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等である。これにより、不純物注入領域４が形成される。その後、レジスト膜２を除去する。
【００２２】
図２（Ｄ）に示すように、図１に示したレーザアニーリング装置のステージ４４にシリコン基板１を保持し、基板表面にレーザビーム５を入射させる。レーザビーム５は、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波であり、その波長は５２７ｎｍである。
【００２３】
図２（Ｅ）に示すように、基板表面上のビーム入射領域６は、一方向に長い直線状の形状を有する。例えば、ビーム入射領域６の幅は０．１ｍｍ、長さは１７ｍｍ、レーザビーム５のパルス幅は１１０ｎｓである。基板表面における１パルスあたりのエネルギ密度は、基板の表層部が溶融しない程度の大きさであり、一例として７００〜８００ｍＪ／ｃｍ２である。ビーム入射位置を、ビーム入射領域６の短軸方向に移動させながら、基板全面にレーザビーム５を照射する。このとき、レーザビーム５の入射領域が、前回のショットにおけるビーム入射領域と部分的に重なるように、ビーム入射位置を移動させる。
【００２４】
レーザビーム５の１パルスあたりのエネルギ密度は、基板表面の温度がアモルファスシリコンの融点（１１４７℃）を超えないように調節されている。レーザビーム５の照射によって基板表面が加熱され、固相成長が生じ、アモルファス領域が再結晶化されるとともに、不純物注入領域４内の不純物が活性化する。
【００２５】
図３に、シリコン基板１とビーム入射領域との位置関係、及び両者の相対位置を調節する装置のブロック図を示す。シリコン基板１の表面に、格子状のスクライブライン１０Ｘ及び１０Ｙが画定されている。スクライブライン１０Ｘの各々は、図の横方向に延在し、スクライブライン１０Ｙの各々は、図の縦方向に延在する。格子状のスクライブライン１０Ｘ及び１０Ｙによって複数のチップ１１が画定される。
【００２６】
位置センサ４５が、ステージ４４に保持されたシリコン基板１の面内の並進方向及び回転方向の位置を検出する。位置検出結果が制御装置４６に入力される。制御装置４６は、ビーム入射領域６ａの長軸方向がスクライブライン１０Ｙに平行になり、かつ、その両端が、相互に隣り合う２本のスクライブライン１０Ｘ上に位置するように、ＸＹステージ４４を駆動する。なお、ビーム入射領域６ａの長さは、図１に示したホモジナイザ７２により、２本のスクライブライン１０Ｘの間隔と等しくなるように予め調節されている。パルスレーザビームを照射しながら、ビーム入射領域６ａの両端がスクライブライン１０Ｘ上を移動するように、シリコン基板１を移動させる。
【００２７】
なお、ビーム入射領域の長さを、スクライブライン１０Ｘの間隔の整数倍にしてもよい。例えば、スクライブライン１０Ｘの間隔の２倍の長さのビーム入射領域６ｂを、その両端が共にスクライブライン１０Ｘ上を移動するようにしてもよい。
【００２８】
上記実施例では、基板の表層部を溶融させないため、基板に加わる熱負荷が軽減され、熱履歴に起因する結晶性の劣化を防止することができる。
【００２９】
また、上記実施例では、直線状のビーム入射領域を、部分的に重ねながらその短軸方向に移動させている。基板表面におけるビーム断面が正方形のレーザビームを用いて、ビーム入射位置を、正方形の１つの辺に平行な方向に移動させる場合には、移動方向に平行な辺に対応する部分で、アニーリング効果が不均一になりやすい。上記実施例では、ビーム入射領域６ａ及び６ｂの両端が、スクライブライン１０Ｘ上を移動するため、アニーリング効果の不均一になる位置が、ちょうどスクライブライン１０Ｘに一致する。このため、チップ１１内においては、アニーリング効果を均一にすることが可能になる。
【００３０】
次に、レーザビームの波長の好ましい範囲について説明する。
【００３１】
図４に、アモルファスシリコンと単結晶シリコンとの光吸収係数の波長依存性を示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は吸収係数を単位「×１０７ｃｍ−１」で表す。図中の黒丸及び白丸は、それぞれ単結晶シリコンの吸収係数及びアモルファスシリコンの吸収係数を示す。
【００３２】
波長が約３４０ｎｍ以上の領域で、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも大きいことがわかる。単結晶シリコンの吸収係数よりもアモルファスシリコンの吸収係数の方が大きな波長域の光を使用することにより、図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示したアモルファス領域３を優先的に加熱することができる。単結晶シリコン領域の加熱が抑制されるため、不純物が単結晶シリコン領域内に拡散しにくくなり、浅いＰＮ接合を形成することが容易になる。
【００３３】
また、波長４００ｎｍ以上の領域におけるアモルファスシリコンの吸収係数は、紫外域における吸収係数に比べて小さい。このため、波長４００ｎｍ以上の光は、アモルファスシリコン領域内の深い位置まで到達しやすい。紫外域のレーザビームを用いる場合には、基板の表面の極浅い領域のみが加熱され、熱伝導によって深い領域が間接的に加熱される。これに対し、波長４００ｎｍ以上のレーザビームを用いると、深い領域もレーザビームのエネルギによって直接加熱される。このため、厚さ方向に関する温度分布を均一に近づけることが可能になる。これにより、厚さ方向に関して、不純物の活性化率を均一に近づけることができる。
【００３４】
波長が長くなり過ぎると、アモルファスシリコンの吸収係数が小さくなるため、効率的に加熱することが困難になる。従って、シリコン基板のアニーリング用のレーザビームの波長を４００〜６５０ｎｍとすることが好ましい。なお、この波長域のレーザビームは、シリコン基板の比較的深い領域まで到達するため、電力用半導体装置の深いＰＮ接合を形成するためのレーザアニールにも適している。
【００３５】
波長４００〜６５０ｎｍのパルスレーザの例として、上記Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波の他に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの２倍高調波等が挙げられる。これらのレーザ媒質をレーザダイオードで励起する全固体レーザは、パルスエネルギの揺らぎがエキシマレーザに比べて小さいという特徴を有する。このため、レーザ光源として全固体レーザを使用することにより、アニーリング効果の面内均一性を高めることができる。
【００３６】
以上説明したように、半導体基板の表層部を、その融点を超えない温度まで加熱して、不純物を活性化させることにより、半導体基板の受ける熱履歴の影響を軽減することができる。半導体基板の表面におけるビーム断面が一方向に長い形状になるようにレーザビームを整形し、ビーム断面の短軸方向にビーム入射位置を移動させることにより、基板を均一にアニールすることが可能になる。また、シリコン基板の表層部をアモルファス化させておき、波長４００〜６５０ｎｍのレーザビームを用いることにより、アモルファス化した部分を優先的に加熱することができる。これにより、単結晶領域への不純物の拡散を抑制することができる。
【００３７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例によるレーザアニーリング方法で使用するアニーリング装置の概略平面図である。
【図２】本発明の実施例によるレーザアニーリング方法を説明するためのアニール対象基板の平面図である。
【図３】本発明の実施例による方法でアニールされる半導体基板とレーザビームの入射位置との相対位置関係を示す平面図、及び半導体基板とビーム入射領域との位置制御装置のブロック図である。
【図４】単結晶シリコンとアモルファスシリコンとの吸収係数の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１  シリコン基板
２  レジスト膜
２ａ  開口
３  アモルファス領域
４  不純物注入領域
５  レーザビーム
６、６ａ、６ｂ  レーザビーム入射領域
１０Ｘ、１０Ｙ  スクライブライン
１１  チップ
３８  石英窓
４０  処理チャンバ
４４  ステージ
４５  位置センサ
４６  制御装置
６０  直動機構
６３、６５  結合部材
６４  リニアガイド機構
６６  リニアモータ
６７  ベローズ
７１  レーザ光源
７２  ホモジナイザ
７６  アッテネータ
８２  搬送チャンバ
８３、８４  搬出入チャンバ
８５、８６、８７  ゲートバルブ
８８  ＣＣＤカメラ
８９  ビデオモニタ
９１、９２、９３  真空ポンプ
９４  搬送用ロボット
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008306211.tif 000005
【図４】
2008306211.tif 000006