(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーパント材を含む半導体ウエハの熱処理の方法であって，
レーザーアニールチェンバー内で，ウエハを融解することなく，ドーパント材を活性化させるために，1100℃から1410℃の範囲の温度で前記ウエハの表面を加熱する一つ以上のレーザーパルスからなるレーザーエネルギーを前記ウエハに照射する工程と，
急速熱処理チェンバー内で，結晶の損傷を修復するために，650℃から850℃の範囲の温度で前記ウエハを急速熱アニーリングする工程と，
を含み，
前記レーザーパルスの数と前記レーザーパルスのパルス幅の時間との積が，1から1,000ナノ秒の範囲にあり，
前記ウエハを急速熱アニーリングする工程は，前記レーザーエネルギーをウエハに照射する工程の前または後に実行される，
ところの方法。
【請求項２】
前記ウエハの急速熱アニーリング工程は，1以下から60秒の範囲の時間の間に行われる，請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ウエハは，308ナノメートルの波長をもつエキシマレーザーからのレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ウエハは，532ナノメートルの波長をもつレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ウエハは，1064ナノメートルの波長をもつレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ウエハは，190から1500ナノメートルの範囲の波長をもつレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ウエハは，複数個のレーザーパルスを含むレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ウエハは，1から10,000個のレーザーパルスからなるレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ウエハは，1から10,000ナノ秒の範囲のパルス幅を有するレーザーパルスからなるレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ウエハは，100から1000個のレーザーパルスからなるレーザーエネルギーの照射を受け，レーザーパルスのパルス幅は，10から100ナノ秒の範囲にある，請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ウエハは，一つ以上のレーザーパルスからなるレーザーエネルギーの照射を受け，それぞれは，20ナノ秒のパルス幅をもつ，請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ウエハは，0.50から0.58J/cm2の範囲のエネルギー密度，および308ナノメートルの波長をもつレーザーエネルギーの照射を受ける，請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ウエハの急速熱アニーリングの工程は，20秒間の持続時間をもつ，請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ウエハの急速熱アニーリングの工程は，700℃の温度にウエハを加熱することからなる，請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
さらに，前記ウエハにレーザーエネルギーを照射する工程の間，1以下から1,000ppmの範囲に，酸素濃度を制御する工程を含む，請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
さらに，前記ウエハを急速熱アニーリングする工程の間，1以下から1,000ppmの範囲に，酸素濃度を制御する工程を含む，請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本出願は，2000年3月17日に出願された米国仮出願第60/190,233号に基づくものであり，この仮出願は参考文献として組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明は，ドーパント材を含む半導体ウエハを熱処理する方法に関し，特に準融解アニーリングおよび低温急速熱アニーリングの使用により半導体ウエハにおいて極めて浅い接合を達成する方法に関する。
【０００３】
発明の背景
イオン注入は伝導率を変化させるドーパント材を半導体ウエハ内に導入するための標準的な技術である。在来のイオン注入装置において，所望のドーパント材がイオンソース内でイオン化され，該イオンは予め定められたエネルギーのイオンビームを形成するために加速され，そして該イオンビームはウエハの表面に向けられる。付勢されたビーム内のイオンは半導体材料のバルク内に侵入し，半導体材料の結晶格子内に埋め込まれる。イオン注入に続き，半導体ウエハは，ドーパント材を活性化し，イオン注入により生じた結晶の損傷を修復するためにアニールされる。アニーリングは，所定の時間および温度プロトコルにしたがって，半導体ウエハを熱処理することに関するものである。
【０００４】
半導体業界では，デバイスをより小さく，より高速にする傾向にある。特に，半導体デバイスにおいて，特徴的なものの横方向の寸法および深さの両方が減少してきている。半導体デバイスについて，1,000オングストローム以下の接合深さが要求され，いずれ200オングストローム程度かそれ以下の接合深さが要求されよう。
【０００５】
ドーパント材の注入深さは，半導体ウエハに注入されるイオンのエネルギーにより決定される。浅い接合は低注入エネルギーで得られる。しかし，注入されたドーパント材を活性化するために使用されるアニーリング処理により，ドーパント材が，半導体ウエハの注入領域から拡散する。この拡散により，接合深さはアニーリングにより増加する。アニーリングにより生じる接合深さの増加の影響を緩和するために，注入エネルギーは減少し，その結果所望の接合深さがアニーリング後に得られる。このアプローチは，極めて薄い接合の場合以外は満足する結果をもたらす。アニーリングの間に生じるドーパント材の拡散のために，注入エネルギーを減少させることにより得られる接合深さが限界に達している。
【０００６】
ドーパント材の活性化を達成する一方で，ドーパント材の拡散を制限するアニーリング処理を開発するためにいろいろな研究がなされている。急速熱アニーリングまたはスパイクアニーリングが典型的に，最小の熱拡散が望ましいときに，利用されている。急速熱アニーリングは典型的に，1から30秒の間，950℃から1100℃の温度にウエハを加熱することに関するが，スパイクアニーリングは0.1秒より短いアニーリングに関する。制御された低濃度の酸素が，PCT公報WO99/39381に記載されているように，熱拡散を最小にするために，窒素雰囲気に添加される。アニーリングのパラメータの慎重な選択にもかかわらず，急速熱アニール，およびスパイクアニールにより，ドーパント材は，熱拡散，過渡的な強化拡散，酸素強化拡散およびドーパント強化拡散（すなわち，ホウ素強化拡散またはリン強化拡散）により拡散する。低濃度の酸素が窒素雰囲気に添加され，極めて低いエネルギー注入が実施されても，熱拡散は依然として生じる。
【０００７】
他のアニーリング技術はレーザーアニーリングで，これは，たとえば，Talwar等による1999年6月1日に発行された米国特許第5,908,607号，Talwar等による1999年9月1日に発行された米国特許第5,956,603号に記載されている。ウエハの表面層が非結晶化され，ドーパント材は非結晶化された表面層に注入される。非結晶化された表面層はつぎに，非結晶化された表面層を融解するのに十分なレーザーエネルギーで照射され，これにより，ドーパント材は融解シリコン領域にわって分配される。従前のデバイス処理とレーザーアニーリングプロセスとの統合は，比較的複雑である。シリコンまたはゲルマニウム前非結晶化注入はポリシリコンゲートの融解を避けるために必要であり，反射防止金属膜の付着もまた必要である。
【０００８】
BF2+イオン注入および一つのパルス照射のエキシマレーザーによる浅い接合形成技術が，Tsukamoto等による，“Ultrashallow Junctions Formed by Excimer Laser Annealing”（日本応用物学会誌，1992年，第31巻，Pt. 2， No. 6A，pp. 659-662）に記載されている。
【０００９】
Kirkpatrickにより，1979年4月24日に発行された米国特許第4,151,008号は，半導体デバイスの選択された領域を，パルス化されたレーザーまたはフラッシュランプからの，持続時間が短い光のパルスで熱処理することを開示する。開示の処理は，光エネルギー密度が非常に低いために融解が生じないときに，高いシート抵抗を生ずる。
【００１０】
半導体ウエハをアニーリングする既知の従来技術のすべては，ドーパント材の受け入れがたいレベルの拡散，高いシート抵抗，過度の複雑さなどの欠点を一つ以上の欠点をもつ。したがって，所望のドーパント材の分布およびシート抵抗を達成し，結晶の損傷を修復し，拡散を最小にし，製造処理に過度な複雑性を導入しない，半導体ウエハをアニーリングする改良された方法の必要性がある。
【００１１】
発明の要約
本発明の態様にしたがって，ドーパント材を含む半導体ウエハを熱処理する方法が提供される。ドーパント材は，イオン注入，プラズマドーピングまたは他の適当なデポジション技術により，ウエハに注入または付着される。本方法は，ウエハを融解することなくドーパント材を活性化するのに十分なレーザーエネルギーをウエハに照射し，結晶の損傷を修復するために，比較的低温度でウエハを急速熱アニーリングする工程を含む。
【００１２】
好適には，レーザーエネルギーをウエハに照射する工程は，約1100℃から1410度の範囲の温度に，ウエハを加熱するのに十分であり，ウエハを急速熱アニーリングする工程は，時間を1秒以下から60秒の範囲で，温度を約650℃から850℃の範囲に，ウエハを加熱するのに十分である。
【００１３】
注入されたウエハは好適に，約190から1500ナノメートルの範囲の波長をもつレーザーエネルギーの照射を受ける。一実施例において，注入されたウエハは308ナノメートルの波長をもつレーザーエネルギーの照射を受ける。他の適切なレーザー波長は，532ナノメートルおよび1064ナノメートルを含む。ウエハに照射するために使用されるレーザーエネルギーは一つ以上のレーザーパルスを含むことができる。ウエハは，100から1,000個のレーザーパルスからなるレーザーエネルギーの照射を受け，レーザーパルスのパルス幅は10から100ナノメートルの範囲であってもよい。レーザーパルスの数とレーザーパルスのパルス幅との積は，1から1,000マイクロ秒の範囲にあってもよい。一実施例において，約20ナノ秒のパルス幅をそれぞれが有する多数のレーザーパルスが使用される。
【００１４】
レーザーアニール工程は，窒素の中に酸素を含む雰囲気で実施されてもよく，ここで酸素濃度は，ウエハのレーザー照射の間，1以下から1,000ppm（parts per million）の範囲に制御される。急速熱アニーリング工程は，窒素の中に酸素を含む雰囲気で実施されてもよく，ここで酸素の濃度は，ウエハの急速アニーリングの間，1以下から1,000ppm（parts per million）の範囲に制御される。
【００１５】
本発明の第二の態様にしたがって，半導体ウエハにドープされた領域を形成する方法が提供される。本方法は，ドーパント材を半導体ウエハに注入すること，注入されたウエハに，ウエハを融解することなくドーパント材を活性化するために必要なレーザーエネルギーを照射すること，さらに結晶の損傷を修復するために，比較的低温度で，注入されたウエハを急速熱アニーリングすることを含む。
【００１６】
本発明の方法は測定可能な拡散のない，ドーパント活性化を達成する。急速熱アニールは，ドーパント材の注入による結晶の損傷を修復し，その結果デバイスは良好な移動性をもち，漏れ電流が低くなる。シリコンの融解をなくすことにより，融解領域にわたるドーパントの分布を避けることができる。
【００１７】
本発明のよりよい理解のために，図面が添付される。
【００１８】
詳細な説明
図１において，半導体ウエハ10に非常に単純化した部分断面図が示されている。所望の伝導性をもつ領域および接合がイオン注入により半導体ウエハ10に形成され得る。実際の半導体デバイスが複雑な形状で，多数の注入領域をもち，図１の半導体デバイス10が図示のためのものであることは理解されたい。ドーパント材のイオンビーム12がウエハ10に向けられ，注入領域14が形成される。注入領域14の深さは，イオンビーム12にイオンのエネルギーおよび質量を含む多数の因子により決定される。注入領域14の境界は典型的に，注入マスク16により画成される。ウエハはつぎに，ドーパント材を活性化し，イオン注入により生じた結晶の損傷を修復するためにアニールされる。
【００１９】
従来のアニーリング処理では，ドーパント材が，注入領域14よりも広くかつ深い不純物領域20に拡散する。不純物領域20は接合深さXj（アニーリング後ウエハ10に垂直な方向の不純物領域20の深さ）により特徴つけられる。極めて浅い接合をつくる際の一つの目的が拡散を最小にし，これにより接合深さXjが制限される。
【００２０】
アニーリング後の，不純物領域20の接合深さXjが，熱拡散が最小で，融解のない，極めて浅くドープされた領域を形成するために，低温の急速熱アニーリングと組み合わされた準融解レーザーアニーリングを含む，新規な熱処理方法を利用することにより従来技術の処理と比較して，減少することが見出された。これらの処理は，極めて浅い，低シート抵抗接合を形成し，より深い不純物領域（イオン注入後の熱拡散が望ましくない）を形成するために使用できる。
【００２１】
本発明にしたがった処理の実施例が図２のフローチャートに示されている。半導体ウエハ，典型的にシリコンウエハに工程50において，ドーパント材が注入される。好適なドーパント材は，限定的ではないが，ホウ素，インジウム，ヒ素，およびリンを含む。一例において，ホウ素は極めて低いエネルギー，すなわち1keV以下のエネルギーで注入される。ドーパント材は，在来のイオン注入システム，プラズマドーピングシステムまたは半導体ウエハに所望の深さで，ドーパント材を付着し，注入することのできる他のシステムを使用して，シリコンウエハに注入される。
【００２２】
工程52において，ドーパント材を含むウエハは，レーザーアニール工程において，レーザーエネルギーの照射を受ける。レーザーエネルギーは，ウエハを融解することなく，ドーパント材を活性化するのに十分である。ウエハは制御された雰囲気をもつレーザーアニールチェンバーに配置され，所望のパラメータを含むレーザーエネルギーで照射される。レーザーアニールのパラメータは，シリコンまたは他のウエハ材を融解することなく，非常に迅速に，好適に，約1100℃から1411℃の範囲の高ウエハ温度を達成するために選択される。シリコンは融解することがないことから，レーザーアニール工程は，“準融解”レーザーアニーリングと定義される。レーザーアニール工程はドーパントの活性を達成する。適切なレーザーアニールパラメータの例が以下で記述される。
【００２３】
レーザーアニール工程52は好適に，約190から1500ナノメートルの波長範囲のパルス化されたレーザーエネルギーを利用する。一つの望ましいレーザーが308ナノメートルの出力波長をもつエキシマレーザーである。他の適切な波長は，532ナノメートルおよび1064ナノメートルを含む。好適に，レーザーエネルギーは，シリコンまたは他の基板材を約1マイクロメートルの深さまで加熱する。ポリシリコンのような構造は，誘電体によりバルクシリコンから断熱されている。レーザーエネルギーがバルクシリコンの深い層にわたって吸収されると，薄いポリシリコン層はエネルギーをほとんど吸収しない。上記範囲のより長い波長の使用がポリシリコンゲートの不所望な融解を防止することが分かった。
【００２４】
ウエハに照射するために使用されるレーザーエネルギーは，ウエハの表面層を急速に，好適には約10マイクロ秒以下で，シリコンが融解しない，約1100℃から1410℃の範囲の温度に加熱するように選択される。従来から知られているように，シリコンは1410℃で融解する。レーザーエネルギー密度は好適に，シリコンを融解することなく，ドープ材の活性を達成するために，20ナノ秒のパルス幅をもち，波長が308ナノメートルの，単位平方センチ当たり0.50から0.58ジュール（J/cm2）の範囲である。
【００２５】
一つ以上のレーザーパルスが好適に，ウエハに照射するために使用される。パルスの数は，1から10,000個の範囲でよく，パルス幅は約1から10,000ナノ秒の範囲でよい。レーザーパルスの数とパルス幅との積は好適に，1から1,000マイクロ秒の範囲である。さらに好適には，パルスの数は100から1,000個の範囲で，パルス幅は10から100ナノ秒の範囲である。適切なレーザーアニールの一例では，100個のパルス（それぞれは20ナノ秒のパルス幅をもつ）が半導体ウエハの特定の領域をレーザーアニールするために使用される。
【００２６】
一実施例において，レーザーアニール工程52は在来のレーザーアニーリング（ここでは，ウエハの非結晶化された層が融解する）のために使用された装置を修正することで達成できる。レーザーアニーリングシステムのパラメータは，上述したように，準融解レーザーアニーリングを実行するために修正される。一つの適切な装置は，Verdant Technologies社からの入手可能なモデルLA-100（上述した準融解レーザーアニーリングを達成するために修正できるもの）である。
【００２７】
断面積に依存して，ウエハに照射するために利用されるレーザービームは，ウ全ウエハ面積またはウエハの全面積よりも小さいサブ面積に渡ることができる。一例では，レーザービームは，ウエハ表面で，10ミリメートル×10ミリメートルの断面積をもつ。レーザービームがウエハのサブ面積に渡るとき，ウエハは，ウエハの全面積に渡るために，レーザービームに関して段階的に進むように，または走査されてもよい。したがって，たとえば，ウエハの第一のサブ面積が100個のレーザーパルス（それぞれは，20ナノ秒のパルス幅をもつ）の照射を受け，つぎにレーザービームに対してウエハは移動し，または段階的に進み，第二のサブ面積が100個のレーザーパルス（それぞれは，20ナノ秒のパルス幅をもつ）の照射を受ける。この段階的に進む工程は，全ウエハ面積が照射されるまで，繰り返される。レーザービームが全ウエハ面積を覆うために十分大きいとき，一度に一連のレーザーパルスがレーザーパルス工程を実施するために，使用できる。他のアプローチでは，ウエハは一つ以上のパルス後に，僅かに段階的に進み，または連続して走査され，その結果全ウエハ面積は，所望のレベルのレーザーエネルギーを受ける。他のアプローチでは，ウエハが固定的に保持され，レーザービームを全ウエハ表面に照射するために，固定したウエハに対し，偏向または移動させられる。
【００２８】
工程54では，ウエハは，低温の急速熱アニール工程において加熱される。ウエハは，制御された雰囲気をもつ急速熱処理チェンバーに配置され，所定のパラメータにしたがって加熱される。低温急速熱アニールは好適に，1秒以下から60秒の範囲の時間，約650℃から850℃の温度範囲にある。低温急速熱アニールは，注入による結晶の損傷を修復し，その結果半導体デバイスは良好な移動性をもち，漏れ電流も低くなるが，ドーパント材の顕著な拡散はない。一例において，ウエハは，低温急速熱アニール工程で，20秒の間，700℃に加熱される。半導体ウエハ用の急速熱アニール装置が市販され，入手可能である。一つの適切な装置が，STEAG-AST社から入手可能なモデルAST-3000である。
【００２９】
レーザーアニール52に続く低温急速熱アニール工程54は図２に示されている。これに代えて，低温急速熱アニール工程54はレーザーアニール工程52の前に実行されてもよい。
【００３０】
レーザーアニール工程52は制御された雰囲気，好適には，大気圧の窒素中に酸素を含むものを有する閉鎖チェンバーにおいて実施される。好適に，レーザーアニールチェンバー中の酸素は，レーザーアニール工程52の間，1以下から1,000ppmの範囲に，制御される。低温急速熱アニール工程54も制御された雰囲気，好適には，大気圧の窒素中に酸素を含むものを有する閉鎖チェンバーにおいて実施される。好適な実施例では，熱処理チェンバー中の酸素は，低温急速熱アニール工程54の間，1以下から1,000ppmの範囲に，制御される。
【００３１】
本発明の熱処理の利点は図３のホウ素ドーパントの特性について示されている。図３に示されたドーパント特性は，二次イオン質量分析計（SIMS）により得られた。図３において，単位立方センチ当たりのホウ素原子の濃度が，いろいろに異なる条件に対して，ウエハ表面からの深さ（オングストローム）の関数でグラフ化されている。この場合，シリコンウエハが，エネルギーが1keVで，ドーズ量が9E14/cm2（表記9E14/cm2は平方センチ当たり9×1014個の原子の注入ドーズ量を示す）のホウ素（B+）で注入された。
【００３２】
図３において，曲線70が，上記のようにホウ素が注入されているが，アニールはされていないシリコンウエハを示す。曲線72が上記のようにホウ素が注入されているが，1050℃の温度で0.2秒の時間，スパイクアニールされたシリコンウエハを示す。曲線74が上記のようにホウ素が注入されているが，20秒の時間，700℃で急速熱アニールされたシリコンウエハを示す。このウエハの測定されたシート抵抗は3500オーム・パー・スクエアである。曲線76は上記のようにホウ素が注入されているが，波長が308ナノメートルで，100個のレーザーパルスでもって，融解の閾値より低くして，レーザーアニールされ，次に，20秒の時間，700℃で急速熱アニールされたシリコンウエハを示す。
【００３３】
曲線76は明らかに，測定可能な拡散が生じてないが，360オームパースクエアのシート抵抗が依然として生じたことを示す。曲線76により示された，ウエハ中の，3E18/cm3の密度をもつ接合深さは372オングストロームである。対照的に，曲線74により示されたウエハは非常に高いシート抵抗を呈し，ドーパント材が活性化されていないことを示す。曲線72により示され，スパイクアニールされたウエハは，ドーパント材の重大な拡散を呈し，接合深さが561オングストロームになっている。図３において，曲線70，74および76が非常に重なり合っていることが分かるであろう。
【００３４】
ここで記述した熱処理技術は，数秒間，ウエハを非常に高い温度に曝すことのみにより，従来高温急速熱アニーリングを，非常に短い間またはスパイクアニールの間，改良し，これにより，ドーパント材の熱拡散が最小化される。ハロー形成の場合，このことは，インジウム（現在，低拡散のために使用されているが，そのソース材が腐食性のものであり，イオンソースの寿命を短くする）に代え，ホウ素が，ドーパント材として，使用される。開示のプロセスの他の応用例は，急速熱アニーリングにより形成されたものより急激な，ソース/ドレインの拡張部の形成である。
【００３５】
本発明はまた，シリコンの融解をなくすことにより，従来のレーザーアニーリングを改良する。このことは，デバイス処理流れの中への本処理の統合をより容易にし，融解した領域にわたってドーパントの再分配を防止する。
【００３６】
本発明の好適実施例が開示され，説明されてきたが，当業者には，特許請求の範囲により画成される本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更，修正がなし得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は，半導体ウエハの簡単化された部分断面図である。
【図２】  図２は，本発明の処理の実施例を示す流れ図である。
【図３】  図３は，本発明の処理の実施例を含む，種々の処理に対し，オングストロームの深さの関数となる，一立方センチメートル中のホウ素原子の濃度のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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