(57)【要約】【課題】シート抵抗の変動を小さくすることが可能なレーザアニール方法を提供する。【解決手段】半導体材料からなる基板の、深さ１００ｎｍよりも浅い表層部に、不純物を添加する。レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射されたレーザビームまたはその高調波ビームを基板に照射し、不純物を活性化させる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体材料からなる基板の、深さ１００ｎｍよりも浅い表層部に、不純物を添加する工程と、
（ｂ）レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射されたレーザビームまたはその高調波ビームを、前記基板に照射し、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】
前記工程（ｂ）において、可視または赤外の波長域のレーザビームを前記基板に照射する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ａ）が、単結晶半導体材料からなる基板の表層部を非晶質化する工程を含む請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記非晶質化する工程において、非晶質化された層の厚さが５ｎｍよりも厚く、３０ｎｍ以下になるように非晶質化を行う請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記全固体レーザ発振器のレーザ媒質が、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、及びＣｒ：Ｎｄ：ＧＳＧＧからなる群より選択された１つの媒質である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記基板がシリコンで形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）において、波長４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下のレーザビームを前記基板に照射する請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｂ）において、前記全固体レーザ発振器からパルスレーザビームを出射させ、前記基板表面におけるパルスエネルギ密度を１３００ｍＪ／ｃｍ２よりも大きくする請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）において、前記基板の表層部の温度が、該表層部を形成する材料の融点以上になるように前記レーザビームを照射する請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｂ）において、前記基板表面におけるレーザビームのビーム断面が一方向に長い形状を有し、レーザビームの入射位置を、ビーム断面の長手方向と交差する方向に移動させる請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｂ）が、前記基板表面におけるレーザビームの強度を、ビーム断面の長手方向またはそれに直交する方向に関して均一に近づける工程を含む請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記基板の表面に、相互に平行な複数のスクライブラインが画定されており、該基板表面におけるビーム断面の長手方向の長さが、前記スクライブラインの間隔以上である請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記基板の表面に、相互に平行で等間隔に配置されたスクライブラインが画定されており、該基板表面におけるビーム断面の長手方向の両端において、該ビーム断面内の最大強度の９０％となる位置から１０％となる位置までの強度傾斜部が、前記スクライブライン内に位置するように、前記レーザビームを照射する請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｂ）において、不活性ガス雰囲気中で、前記基板にレーザビームの照射を行う請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記不活性ガスが、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスからなる群より選択された少なくとも１つのガスを含む請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｂ）が、前記基板にレーザビームを照射する前に、前記基板からの脱水素処理を行う請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記脱水素処理が、前記基板の加熱、前記基板へのレーザビームの照射、及び前記基板への電磁波の照射からなる群より選択された少なくとも１つの処理を含む請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
（ａ）半導体材料からなる基板の表層部を、プラズマドーピングを用いて非晶質させる工程と、
（ｂ）前記基板の、深さ１００ｎｍよりも浅い表層部に、不純物を添加する工程と、
（ｃ）前記基板の少なくとも表層部を加熱し、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１９】
前記工程（ｃ）において、レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射されたレーザビームまたはその高調波ビームを、前記基板に照射し、前記不純物を活性化させる請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に半導体材料からなる基板に添加された不純物をレーザビームの照射によって活性化させる工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲート長が５０ｎｍ以下のＭＯＳＦＥＴを量産するために、低抵抗で、かつショートチャネル効果を改善した極浅いｐｎ接合を形成する技術の実現が求められている。この技術の実現のために、半導体、特にシリコン中に不純物を導入する方法、及び導入された不純物を電気的に活性化する方法の技術革新が期待されている。
【０００３】
現在、量産工程で用いられている不純物の活性化処理においては、ラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）が主流である。ＲＴＡにおいては、不純物原子の拡散と活性化率とがトレードオフの関係にある。すなわち、不純物の拡散を抑制して接合の深さを浅くしようとすると、活性化率を高くできない。一方、活性化率を高くしようとすると、不純物の拡散が進んで接合が深くなってしまう。このため、ＲＴＡを採用する場合には、ゲート長が５０ｎｍ以下のＭＯＳＦＥＴを、満足する性能を維持しつつ量産することが困難である。
【０００４】
不純物の拡散を抑制し、かつ活性化率を高める方法として、レーザアニールが注目されている。
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に、不純物が注入されたシリコン基板を、エキシマレーザでアニールする方法が開示されている。エキシマレーザを用いてアニールする技術は、その他に「ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈ．  Ｄｉｇｅｓｔ，  ｐ．９３１  （１９９９）」、「ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈ．  Ｄｉｇｅｓｔ，  ｐ．５０９  （１９９９）」、「Ｓｙｍｐ．  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈ．，  ｐ．１３８  （２００２）」、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  Ｓｙｍｐ．  Ｐｒｏｃ．，  ２０００−９，  ９５（２０００）」、「Ｓｙｍｐ．  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈ．  Ｄｉｇｅｓｔ，  ｐ．６９  （２００１）」、「Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｂｓｔｒａｃｔｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２００２，  ｐ．２７−３０」、「Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｂｓｔｒａｃｔｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２００２，  ｐ．３１−３４」、「Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｂｓｔｒａｃｔｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２００２，  ｐ．３５−３６」、「応用物理学会シリコンテクノロジー研究会Ｎｏ．３９，  ｐ．２３  （２００２）」等に報告されている。
【０００６】
「応用物理学会シリコンテクノロジー研究会Ｎｏ．３９，  ｐ．２３  （２００２）」によると、エキシマレーザは紫外域のパルスレーザであるため、シリコンに照射されたエキシマレーザのエネルギは、約１０ｎｍの極表層部のみに、約１０ｎｓの短時間で吸収される。このため、不純物の拡散を防止し、極浅いｐｎ接合を形成することが可能になる。
【０００７】
「Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｂｓｔｒａｃｔｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２００２，  ｐ．３１−３４」に開示されたレーザアニール方法について説明する。
【０００８】
（１００）結晶面を主面とするｎ型シリコンウエハに、加速エネルギ０．５ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１４ｃｍ−２の条件でボロンがイオン注入される。なお、加速エネルギ５ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ｃｍ−２の条件でゲルマニウムがイオン注入される。このイオン注入により、シリコンウエハの表層部が非晶質化される。非晶質化された層の厚さは約１２ｎｍである。
【０００９】
このシリコンウエハに、波長２４８ｎｍのエキシマレーザを１回照射する。エキシマレーザのパルス幅は、１０ｎｓ、３３ｎｓ、３８ｎｓ、５５ｎｓ、及び６２ｎｓから選択され、シリコンウエハ表面におけるパルスエネルギ密度は、４００〜９２１ｍＪ／ｃｍ２の範囲から選択される。レーザ照射後、試料の表層部の不純物分布が二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により評価され、さらにシート抵抗が測定されている。
【００１０】
パルス幅とパルスエネルギ密度との組み合わせが、（１０ｎｓ、５００ｍＪ／ｃｍ２）、（１０ｎｓ、６００ｍＪ／ｃｍ２）、（３３ｎｓ、７００ｍＪ／ｃｍ２）、（３８ｎｓ、７００ｍＪ／ｃｍ２）、（３８ｎｓ、８００ｍＪ／ｃｍ２）、（５５ｎｓ、８００ｍＪ／ｃｍ２）、及び（５５ｎｓ、９００ｍＪ／ｃｍ２）、のときに、ｐｎ接合の深さが３０ｎｍ以下になり、かつシート抵抗が１０００Ω／□以下になっている。なお、接合の深さは、ボロン濃度が１×１０１８ｃｍ−３となる深さで定義される。
【００１１】
図１０に、パルス幅を３８ｎｓにしてアニールした試料の深さ方向のボロン濃度分布を示す。なお、ボロン濃度分布は、ＳＩＭＳにより測定されている。横軸は深さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はボロン濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。各曲線に付された数値は、レーザアニールで用いたパルスレーザの試料表面におけるパルスエネルギ密度を示す。
【００１２】
ボロン濃度が１×１０１８ｃｍ−３となる位置を接合の深さと定義すると、パルスエネルギ密度が７００ｍＪ／ｃｍ２のときに、接合深さが約１７ｎｍになることがわかる。このときのシート抵抗は約４５０Ω／□になる。また、パルスエネルギ密度を８００ｍＪ／ｃｍ２にすると、接合深さが約２６ｎｍになり、シート抵抗は約４００Ω／□になる。
【００１３】
パルスエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ２のときには、接合深さが、レーザアニールを行わない場合とほとんど同じである。このときのシート抵抗については記載されておらず、ボロンはほとんど活性化されていないと推測される。
【００１４】
特許文献３に開示されたレーザアニール技術について説明する。特許文献３に開示された発明は、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極中の不純物濃度が、ゲート絶縁膜に近づくに従って低くなることを特徴としており、ゲート電極中の不純物をレーザアニールによって活性化させる工程が開示されている。
【００１５】
まず、シリコン基板の表面上にゲート絶縁膜を形成し、その上にボロンがドープされたＳｉＧｅ層とノンドープのＳｉ層とを、スパッタリングにより積層する。加速エネルギ７ｋｅＶ、ドーズ量４×１０１５ｃｍ−２の条件で、ボロンをイオン注入する。その後、照射エネルギ密度５００ｍＪ／ｃｍ２の条件でエキシマレーザを、２チップ一括ショットのシングルショットで照射する。照射エネルギ密度２２０ｍＪ／ｃｍ２の条件で２ショットの照射を行ってもよい。このレーザアニールにより、ＳｉＧｅ層が結晶化され、低抵抗化される。
【００１６】
レーザアニールに用いる紫外線のパルス光には、エキシマレーザ光または全固体レーザ光を用いることができると記載されている。Ｎｄ：ＹＡＧ等の一般的な全固体レーザの基本波の波長は、約１０００ｎｍである。このため、ここで言及されている全固体レーザ光は、基本波の３倍またはそれよりも高次の高調波を意味すると考えられる。
【００１７】
ボロンのイオン注入における加速エネルギが７ｋｅＶであることから、ボロン濃度が１×１０１８ｃｍ−３になる深さは１００ｎｍ以上であると考えられる。深さが１００ｎｍ以下の極浅い接合を形成する技術については、開示されていない。
【００１８】
非特許文献１及び非特許文献２に、波長５３２ｎｍのレーザビームを用いてレーザアニールを行う技術が開示されている。
【００１９】
図１１に、非特許文献１及び非特許文献２に開示されている接合深さとパルスエネルギ密度との関係を示す。横軸はパルスエネルギ密度を単位「ｍＪ／ｃｍ２」で表し、縦軸は接合深さを単位「ｎｍ」で表す。パルスエネルギ密度が３５０〜４６０ｍＪ／ｃｍ２の範囲で、接合深さが約２６ｎｍに保たれており、この範囲でパルスエネルギ密度がばらついても、接合深さの変動が小さいことがわかる。
【００２０】
【特許文献１】
特表２００１−５０９３１６号公報
【特許文献２】
特表２００２−５２４８４６号公報
【特許文献３】
特開平１１−３３０４６３号公報
【非特許文献１】
Ｒ．  Ｍｕｒｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｎ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｅｃｉｅｓ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｉｎ  Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  Ｐｒｅ−ａｍｏｒｐｈｉｚｅｄ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｕｌｔｒａ−Ｓｈａｌｌｏｗ  Ａｂｒｕｐｔ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，  ”２０００  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ”，  （ＵＳ）  ＩＥＥＥ，  ２０００年９月１７〜２２日，  ｐ．１８２−１８５
【非特許文献２】
Ｒ．  Ｍｕｒｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  Ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｂｏｒｏｎ，  Ａｒｓｅｎｉｃ，  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ，  ａｎｄ  Ａｎｔｉｍｏｎｙ  Ｕｌｔｒａ−Ｓｈａｌｌｏｗ  Ａｂｒｕｐｔ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，  ”２０００  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ”，  （ＵＳ）  ＩＥＥＥ，  ２０００年９月１７〜２２日，  ｐ．１５５−１５８
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に、非特許文献１及び非特許文献２に開示されているシート抵抗とパルスエネルギ密度との関係を示す。横軸はパルスエネルギ密度を単位「ｍＪ／ｃｍ２」で表し、縦軸はシート抵抗を単位「Ω／□」で表す。シート抵抗をＲｓ（Ω／□）、パルスエネルギ密度をＥ（ｍＪ／ｃｍ２）とすると、図１２に示したグラフは、
【００２２】
【数１】
Ｒｓ＝０．０９３８×Ｅ２−８９×Ｅ＋２１２５８  ・・・（１）
と近似される。式（１）から、パルスエネルギ密度が４３０ｍＪ／ｃｍ２を基準として１％変動したとき、シート抵抗の変動量は約１０．２％である。上記文献には、波長５３２ｎｍのパルスレーザ発振器のエネルギ安定性は±３％であると記載されている。パルスエネルギ密度が±３％変動すると、シート抵抗は±３０．６％変動する。シート抵抗の変動幅が大きいため、このレーザアニール方法を工業的な量産工程に導入することは困難である。
【００２３】
本発明の目的は、シート抵抗の変動を小さくすることが可能なレーザアニール方法を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、（ａ）半導体材料からなる基板の、深さ１００ｎｍよりも浅い表層部に、不純物を添加する工程と、（ｂ）レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器から出射されたレーザビームまたはその高調波ビームを、前記基板に照射し、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。
【００２５】
レーザダイオード励起型全固体レーザ発振器を用いることにより、エネルギ安定性を高め、アニール条件のばらつきを小さくすることができる。これにより、シート抵抗の変動を小さくすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の第１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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、その長軸方向及び短軸方向に関する強度を均一に近づける。すなわち、光強度分布をトップフラット形状にする。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。
【００３０】
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。
【００３１】
レーザ光源７１は、励起用光源として半導体レーザダイオードが用いられた全固体レーザ発振器と、波長変換素子とを含んで構成される。全固体レーザ発振器のレーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｃｒ：Ｎｄ：ＧＳＧＧ等が用いられる。レーザ光源７１から出射されるパルスレーザビームは、これらレーザ媒質で発振された基本波の第２高調波である。
【００３２】
次に、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。（１００）面を主面とするｎ型シリコン基板の表層部に、加速エネルギ６ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１４ｃｍ−２の条件でアルゴン（Ａｒ）イオンを注入する。これにより、シリコン基板１の表層部が非晶質化され、厚さ約２０ｎｍの非晶質層が形成される。
【００３３】
シリコン基板１の表層部に、プラズマドーピングによりボロンを注入する。このプラズマドーピングは、Ｂ２Ｈ６ガスをＨｅガスで希釈した混合ガスのプラズマを用い、バイアス電圧−１００Ｖの条件で行う。この条件でプラズマドーピングを行った場合、ボロンのドーズ量は４×１０１４ｃｍ−２、濃度が１×１０１８ｃｍ−３になる深さは８〜１０ｎｍであった。
【００３４】
図１に示したレーザアニーリング装置のステージ４４に、ボロンをドープしたシリコン基板を保持し、基板表面にレーザビームを入射させる。入射させるレーザビームは、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波であり、その波長は５２７ｎｍ、パルス幅は１１０ｎｓ、パルス周波数は１ｋＨｚである。基板表面におけるビーム断面のオーバラップ率が５０％になるように、ビーム断面の長手方向と直交する方向に基板を移動させた。
【００３５】
以下、本明細書中における「オーバラップ率」の定義について説明する。基板表面におけるビーム断面内の最大強度の９０％以上の強度を示す領域の幅Ｔをトップフラット幅と呼ぶこととする。レーザビームのある１ショットで照射された領域から次の１ショットで照射される領域までの移動距離Ｓを、ビームのステップ幅と呼ぶこととする。オーバラップ率は、（Ｔ−Ｓ）／Ｔ×１００［％］と定義される。
【００３６】
シリコン基板の表面におけるパルスエネルギ密度を、３００〜３９００ｍＪ／ｃｍ２の範囲で変化させた。処理チャンバ４０内は、窒素雰囲気とした。なお、窒素以外の不活性ガス、例えばアルゴンガスやヘリウムガスの雰囲気としてもよい。
【００３７】
基板表面におけるビーム断面の長手方向と直交する方向に関する強度分布のトップフラット率は約５０％である。ここで、トップフラット率は、トップフラット幅Ｔを、基板表面におけるビーム断面の端軸方向の強度分布の半値幅で除した値で定義される。均一なアニールを行うために、トップフラット率を５０％以上にすることが好ましい。
【００３８】
レーザアニール処理を行う前に、シリコン基板の脱水素処理を行うことが好ましい。脱水素処理は、基板表面へのレーザビームの照射、基板の加熱、電磁波の照射等により行うことができる。脱水素処理を行うことにより、基板表面の荒れを防止することができる。脱水素処理をレーザビームの照射で行う場合には、後の活性化アニールの時と同じ波長のレーザビームを使用し、基板表面におけるパルスエネルギ密度を５００ｍＪ／ｃｍ２〜１３００ｍＪ／ｃｍ２とする。この範囲パルスエネルギでは、シリコン基板の表層部は溶融せず、基板表面から水素が脱離する。
【００３９】
図２に、シリコン基板表面におけるパルスエネルギ密度とシート抵抗との関係を示す。横軸はパルスエネルギ密度を単位「ｍＪ／ｃｍ２」で表し、縦軸はシート抵抗を単位「Ω／□」で表す。図２の黒丸記号が、上記実施例による方法で作成した試料のシート抵抗を示す。白丸記号は、プラズマドーピング前に形成する非晶質層の厚さを５ｎｍにして作製した試料のシート抵抗を示す。厚さ５ｎｍの非晶質層は、アルゴンプラズマ照射により形成した。
【００４０】
上記実施例のように、非晶質層の厚さを２０ｎｍにした場合、パルスエネルギ密度が１３００ｍＪ／ｃｍ２未満の条件では、シート抵抗が１７０〜１８０Ω／□であり、レーザアニールを行う前のシート抵抗とほぼ同じであった。パルスエネルギ密度が１３００ｍＪ／ｃｍ２以下の場合、ボロンはほとんど活性化しないと考えられる。
【００４１】
パルスエネルギ密度が１３００〜１５００ｍＪ／ｃｍ２の範囲では、パルスエネルギ密度が増加するに従って、シート抵抗が１８０Ω／□から６００Ω／□まで増加した。この領域では、シリコン基板の表層部が溶融し、ボロンの活性化が生じるが、活性化したボロン濃度が、シリコン基板にドープされていたｎ型不純物を補償する濃度まで高くならず、ｎ型領域のシート抵抗が観測されていると考えられる。シリコン基板表面におけるパルスエネルギ密度を１３００ｍＪ／ｃｍ２よりも大きくすることにより、注入されたボロンを活性化させることができると考えられる。また、ボロンを活性化させるためには、シリコン基板の表層部の温度が、表層部を形成する材料の融点以上になるようにパルスエネルギ密度を設定することが好ましい。
【００４２】
パルスエネルギ密度が１５００ｍＪ／ｃｍ２以上の領域では、パルスエネルギ密度が増加するに従って、シート抵抗が６００Ω／□から２４０Ω／□まで減少した。この領域では、ボロンの活性化が進み、シリコン基板の表層部にｐ型層が形成され、パルスエネルギ密度が増加するに従って、ｐ型層のシート抵抗が減少したと考えられる。
【００４３】
非晶質層の厚さを５ｎｍにした場合、図２の白丸で示すように、上記実施例の場合と同様に、パルスエネルギ密度を増加させるに従って、シート抵抗が一旦増加して極大値を示し、その後減少する。ところが、シート抵抗の絶対値は、上記実施例の場合よりも高い。
【００４４】
図３に、上記実施例による方法により、パルスエネルギ密度１５００ｍＪ／ｃｍ２の条件で作製した試料の、深さ方向に関するボロン濃度分布を示す。横軸は深さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はボロン濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。なお、ボロン濃度はＳＩＭＳにより観測した。図３の点群ＡＬが、レーザアニール後のボロン濃度を示す。参考のために、レーザアニール前のボロン濃度を、点群ＢＬで示す。
【００４５】
ボロン濃度が１×１０１８ｃｍ−３の位置を接合深さと定義すると、レーザアニール後の接合深さは約２３ｎｍである。
【００４６】
今後、ＭＯＳＦＥＴのドレインのエクステンション部の接合深さを１３〜２２ｎｍ程度とし、シート抵抗を７７０Ω／□以下とすることが要求される。上述のように、パルスエネルギ密度を１５００ｍＪ／ｃｍ２とした場合、接合深さが約２３ｎｍになり、そのときのシート抵抗が６００Ω／□（図２参照）になる。このように、エクステンション部に要求される接合深さとシート抵抗が、ほぼ満足されていることが分かる。
【００４７】
このように、上記実施例による方法により、接合深さが３０ｎｍ以下の不純物拡散領域を形成することが可能になる。また、従来のＲＴＡでは１００ｎｍ以下の浅い接合を形成することは困難であったが、上記実施例による方法を適用することにより、１００ｎｍ以下の深さの接合を再現性よく形成することができる。
【００４８】
非晶質シリコンの融点は、単結晶シリコンの融点よりも低い。比較的低い温度で非晶質層を溶融させることにより、非晶質層の下の単結晶領域の温度上昇を抑制することができる。単結晶領域の温度を比較的低く維持することにより、深さ方向への不純物の拡散を抑制することができる。
【００４９】
図４に、非晶質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非晶質シリコンの吸収係数を示す。
【００５０】
波長が約３４０ｎｍ以上の領域で、非晶質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非晶質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、シリコン基板の表層部に形成された非晶質層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、浅い接合を形成することが容易になる。
【００５１】
また、波長４００ｎｍ以上の領域（可視及び赤外の波長域）における非晶質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、非晶質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。
【００５２】
波長が長くなり過ぎると、非晶質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。
【００５３】
図２の白丸で示したように、非晶質層の厚さを５ｎｍにした場合、厚さを２０ｎｍにした実施例の場合に比べてシート抵抗が高くなることがわかった。さらに、非晶質層の厚さを５ｎｍにすると、厚さを２０ｎｍにした実施例の場合よりも、ボロンがより深い領域まで拡散されることがわかった。非晶質層が薄すぎると、非晶質層で吸収しきれずに単結晶のシリコン基板まで到達し、単結晶のシリコン基板で吸収されるエネルギが大きくなったためと考えられる。
【００５４】
より浅い領域でレーザビームのエネルギを効率的に吸収するために、非晶質層の厚さを５ｎｍよりも厚くし、かつ３０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５５】
上記実施例では、アルゴンをイオン注入することにより、表面から２０ｎｍの深さまでの表層部の非晶質化を行ったが、シリコンの電気特性に影響を与えない他の元素、例えばゲルマニウムを注入して非晶質化を行うことも可能である。また、イオン注入以外に、プラズマドーピングにより非晶質化を行うことも可能である。特に、５〜１０ｎｍ程度の極浅い領域を非晶質化する場合に、プラズマドーピングが有効である。
【００５６】
図５に、実施例による方法で作製した試料のパルスエネルギ密度とシート抵抗との関係を示す。横軸はパルスエネルギ密度を単位「ｍＪ／ｃｍ２」で表し、縦軸はシート抵抗を単位「Ω／□」で表す。図５は、図２のパルスエネルギ密度が１５００〜２０００ｍＪ／ｃｍ２の範囲を抜粋したものである。この範囲では、パルスエネルギ密度の変動量に対するシート抵抗の変動量が小さい。
【００５７】
パルスエネルギ密度が１５００〜２０００ｍＪ／ｃｍ２の範囲内では、近似的に、測定点が直線Ｌ２に載ると考えられる。パルスエネルギ密度の変動量をΔＥ、シート抵抗の変動量をΔＲｓとすると、ΔＥが３００ｍＪ／ｃｍ２のとき、ΔＲｓは約１５０Ω／□になる。パルスエネルギ密度１５００ｍＪ／ｃｍ２を基準にすると、パルスエネルギ密度が１％変動した時に、シート抵抗は０．７５％変動すると見積もることができる。
【００５８】
上記実施例では、励起用光源として半導体レーザダイオードを用いた全固体レーザ発振器が使用される。このレーザ発振器は、高いエネルギ安定性を持ち、パルスエネルギの変動幅は±１％以下である。このため、パルスエネルギ密度が１５００〜２０００ｍＪ／ｃｍ２の範囲内でレーザアニールを行うと、シート抵抗の変動幅を±０．７５％以下にすることができる。
【００５９】
パルスエネルギ密度が１５００〜１８００ｍＪ／ｃｍ２の範囲内では、測定点が近似的に直線Ｌ１に載る。その傾きの絶対値は、直線Ｌ２の傾きの絶対値よりも小さい。パルスエネルギ密度が１５００〜１８００ｍＪ／ｃｍ２の範囲内でレーザアニールを行う場合には、パルスエネルギ密度が±１％変動した時のシート抵抗の変動量は±０．３％と見積もることも可能である。
【００６０】
上記考察から、試料表面におけるパルスエネルギ密度を１５００〜２０００ｍＪ／ｃｍ２とすることが好ましく、１５００〜１８００ｍＪ／ｃｍ２とすることがより好ましいことがわかる。
【００６１】
図６に、実施例による方法で作製した試料のパルスエネルギ密度と接合深さとの関係を示す。横軸はパルスエネルギ密度を単位「ｍＪ／ｃｍ２」で表し、縦軸は接合深さを単位「ｎｍ」で表す。パルスエネルギ密度が増加するに従って、接合深さが深くなる。パルスエネルギ密度１４００〜１８００ｍＪ／ｃｍ２の範囲では、パルスエネルギ密度の変動量４００ｍＪ／ｃｍ２に対して、接合深さの変動量が約２５ｎｍである。パルスエネルギ密度１５００ｍＪ／ｃｍ２を基準にすると、パルスエネルギ密度１％の変動に対して、接合深さが０．９３ｎｍ変動することになる。
【００６２】
上記実施例で用いられるレーザ光源のエネルギ安定性が±１％であるため、パルスエネルギ密度を１４００〜１８００ｍＪ／ｃｍ２の範囲内に設定する場合には、接合深さのばらつきを±０．９３ｎｍ以下にすることができる。この程度のばらつきは、工業的な量産を行うに際し、十分な品質安定性を確保できる水準である。
【００６３】
上記第１の実施例では、シリコン基板にオーバラップ率５０％でパルスレーザビームを照射した。次に、オーバラップ率９５％でパルスレーザビームを照射する第２の実施例について説明する。使用されるレーザアニーリング装置の基本構成は、図１に示したものと同一である。なお、図１のステージ４４は、２次元方向に移動可能なＸＹステージとされている。
【００６４】
図７を参照して、第２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。
【００６５】
図７（Ａ）に示すように、（１００）面を主面とするｎ型シリコン基板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。
【００６６】
図７（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の表層部にアルゴン（Ａｒ）イオンを注入する。イオン注入の条件は、第１の実施例の場合と同様である。これにより、開口２ａに対応する領域の表層部が非晶質化され、厚さ約２０ｎｍの非晶質領域３が形成される。なお、非晶質化される領域は、例えばＭＯＳＦＥＴのソース及びドレイン領域のエクステンション部等である。ソース及びドレイン領域のエクステンション部を非晶質化させる場合には、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極をマスクとしてシリコン基板１の表層部にアルゴンイオンを注入する。
【００６７】
図７（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、プラズマドーピングによりボロンを注入する。ドーピング条件は、第１の実施例の場合と同様である。
【００６８】
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。
【００６９】
図７（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、パルス幅は１１０ｎｓ、パルス周波数は１ｋＨｚである。基板表面におけるビーム断面のオーバラップ率が５０％になるように、ビーム断面の長手方向と直交する方向に基板を移動させた。シリコン基板１の表面におけるパルスエネルギ密度を、３００〜３９００ｍＪ／ｃｍ２の範囲で変化させた。処理チャンバ４０内は、窒素雰囲気とした。
【００７０】
図７（Ｅ）に示すように、基板表面上のビーム入射領域（基板表面におけるビーム断面）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、１４００〜２０００ｍＪ／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。前回のショットで照射された領域と、今回の照射のビーム断面との重なった領域の面積を、ビーム断面の面積で除した値をオーバラップ率と呼ぶ。
【００７１】
図８に、オーバラップ率とシート抵抗との関係を示す。横軸はオーバラップ率を単位「％」で表し、縦軸はシート抵抗を単位「Ω／□」で表す。なお、図８のデータを測定した試料は、シリコン基板の表層部を非晶質化しないで、プラズマドーピングを行ったものである。ボロンのドーズ量は２．５×１０１４ｃｍ−２とした。試料表面におけるパルスエネルギ密度は１５００ｍＪ／ｃｍ２にした。
【００７２】
オーバラップ率を７５％から９８％まで増加させると、シート抵抗は２０５０Ω／□から８４０Ω／□まで減少する。このことから、オーバラップ率を変化させることにより、シート抵抗を制御できることがわかる。シート抵抗は、ボロンの活性化率及び接合深さに依存する。すなわち、オーバラップ率を変化させることにより、活性化率と接合深さとの少なくとも一方を制御できることが分かる。
【００７３】
実際に、非晶質層の厚さを５ｎｍとし、パルスエネルギ密度を１５００ｍＪ／ｃｍ２として活性化アニールを行い、接合の深さを測定した。オーバラップ率が７５％及び９５％のときに、接合の深さはそれぞれ約６０ｎｍ及び９０ｎｍであった。このように、オーバラップ率を変えることにより、接合の深さを調整することができる。
【００７４】
図９（Ａ）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。
【００７５】
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、ビーム断面６ａの長手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内に位置するように、ＸＹステージ４４を駆動する。なお、基板表面におけるビーム断面６ａの長手方向の長さは、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の間隔よりも長く、かつ間隔にスクライブライン１０Ｘの幅の２倍を足した長さよりも短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、ビーム断面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。
【００７６】
なお、ビーム断面の長さを、スクライブライン１０Ｘのピッチの整数倍にしてもよい。例えば、スクライブライン１０Ｘのピッチの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。
【００７７】
また、基板表面におけるビーム断面の長さを、スクライブライン１０Ｘの間隔よりも長くすることにより、１つのチップを１方向に１回走査するのみで、チップ内の全域にレーザビームを照射することができる。
【００７８】
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。
【００７９】
図９（Ｂ）に、ビーム断面の長手方向の強度分布と、スクライブライン１０Ｘとの位置関係を示す。横軸は、ビーム断面の長手方向の位置を表し、縦軸は、強度を表す。長手方向の両端近傍において、端部に近づくに従って強度が徐々に低下している。ビーム断面内の最大強度の９０％となる位置から１０％となる位置までの領域Ａを、強度傾斜部と呼ぶこととする。この強度傾斜部Ａがスクライブライン１０Ｘ内に位置するように、レーザビームを照射することが好ましい。このように照射することにより、ビーム断面の両端がチップ１１内を通過しないようになる。ビーム断面の両端に起因するアニール効果の不均一さの発生を回避することができる。
【００８０】
上記実施例では、基板の表層部を非晶質化させたが、基板の内層部（表面からある深さに配置されたある厚さの層）を非晶質化させ、表層部の結晶状態を維持しておきてもよい。この場合、レーザビームを、内層部の非晶質層に優先的に吸収させ、内層部の活性化率を高めることができる。表層部の結晶層が溶融せず、内層部の非晶質層が溶融する条件で、レーザビームを照射することが好ましい。この方法は、例えば、不純物濃度分布が、表面からある深さの位置で最大値を示すような構造を作製する場合に有効である。
【００８１】
上記実施例では、シリコン基板の表層部に注入したボロンを、レーザアニールによって活性化させる場合を説明したが、注入する不純物はボロンに限定されない。例えば、砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等の不純物を活性化させることも可能である。また、不純物が注入される基板は、シリコンに限定されない。例えば、ＳｉＧｅ等の基板を用いることも可能である。
【００８２】
上記実施例では、半導体レーザダイオードを励起用光源として用いた全固体レーザ発振器をパルス発振させる場合を説明したが、連続発振させてもよい。連続発振したレーザビームを用いてレーザアニールを行う場合には、図７を参照して説明したように、レーザビームの入射位置を基板の表面内で移動させることにより、不純物の活性化を行うことができる。移動の速さを制御することにより、接合深さや活性化率を制御することができる。
【００８３】
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。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光源として半導体レーザダイオード励起の全固体レーザ発振器が用いられる。このレーザ発振器は、高いエネルギ安定性を有するため、アニール条件のばらつきを少なくすることができる。これにより、工業的な量産に適用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いられるレーザアニーリング装置の概略図である。
【図２】レーザアニールに用いられるレーザビームのパルスエネルギ密度とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【図３】レーザアニール前とレーザアニール後における深さ方向に関するボロン濃度分布を示すグラフである。
【図４】単結晶シリコンと非晶質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。
【図５】レーザアニールに用いられるレーザビームのパルスエネルギ密度とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】レーザアニールに用いられるレーザビームのパルスエネルギ密度と接合の深さとの関係を示すグラフである。
【図７】実施例によるレーザアニール方法を説明するための基板断面図及び平面図である。
【図８】オーバラップ率とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は、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り、（Ｂ）は、ビーム断面の長手方向の強度分布を示すグラフである。
【図１０】従来の方法でレーザアニールした試料のボロン濃度分布を示すグラフである。
【図１１】従来の方法でレーザアニールした試料の接合深さと、パルスエネルギ密度との関係を示すグラフである。
【図１２】従来の方法でレーザアニールした試料のシート抵抗と、パルスエネルギ密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  レジスト膜
２ａ  開口
３  非晶質領域
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】
2004363168.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004363168.tif 000011
【図１０】
2004363168.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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