JP2019047039A - レーザアニール装置及びシート抵抗算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シート抵抗の測定の手間を軽減し、非接触でシート抵抗を測定することが可能なレーザアニール装置を提供する。【解決手段】半導体ウエハがステージに保持される。ステージに保持された半導体ウエハに、レーザ光学系からレーザビームが入射される。ステージに保持された半導体ウエハからの熱放射光が赤外線検出器に入射する。赤外線検出器は、熱放射光の強度に応じた信号を出力する。処理装置が、赤外線検出器の出力値に基づいて、レーザビームによってアニールされた半導体ウエハのシート抵抗を算出し、シート抵抗の算出値を出力装置に出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザアニール装置及びシート抵抗算出装置に関する。

従来、ドーパントが注入され、活性化アニールされた半導体ウエハの活性化状態の面内分布を把握する方法の一例として、シート抵抗の測定が行われている。シート抵抗の面内分布からドーパントの活性化状態を評価することができる。

特開２００７−８１３４８号公報

シート抵抗の測定には、一般に四探針法が用いられる。四探針法によるシート抵抗の測定は、アニール後に、活性化アニール装置とは別の装置で行われる。このため、シート抵抗の測定はオフライン作業となり、手間が掛かる。また、半導体ウエハに探針を接触させなければならないため、半導体ウエハがダメージを受ける。

本発明の目的は、シート抵抗の測定の手間を軽減し、非接触でシート抵抗を測定することが可能なレーザアニール装置を提供することである。本発明の他の目的は、非接触でシート抵抗を算出することが可能なシート抵抗算出装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
半導体ウエハを保持するステージと、
前記ステージに保持された半導体ウエハにレーザビームを入射させるレーザ光学系と、
前記ステージに保持された半導体ウエハからの熱放射光が入射し、熱放射光の強度に応じた信号を出力する赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の出力値に基づいて、前記レーザビームによってアニールされた半導体ウエハのシート抵抗を算出し、シート抵抗の算出値を出力装置に出力する処理装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
アニール対象の半導体ウエハからの熱放射光が入射し、熱放射光の強度に応じた信号を出力する赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の出力値が入力され、入力された出力値に基づいて半導体ウエハのシート抵抗を算出し、シート抵抗の算出値を出力する処理装置を有するシート抵抗算出装置が提供される。

半導体ウエハのシート抵抗を、インラインで、かつ非接触で測定することが可能である。

図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図２は、レーザ光源から出力されるパルスレーザビームの概略波形、及び赤外線検出器の出力値の波形の一例を示すグラフである。 図３は、赤外線検出器の出力とシート抵抗との関係を示す関係データの模式図である。 図４は、実施例によるレーザアニール装置を用いて半導体ウエハのアニールを行う手順を示すフローチャートである。 図５Ａは、実施例による方法で算出したシート抵抗の面内分布を示す図であり、図５Ｂは、従来の四探針法で求めたシート抵抗の面内分布を示す図であり、図５Ｃは、図５Ａに示したシート抵抗の分布に、四探針法で測定して得られたシート抵抗の等高線を重ねて表した図である。

図１〜図５Ｃを参照して、実施例によるレーザアニール装置について説明する。
図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。実施例によるレーザアニール装置は、レーザ光学系１０、チャンバ３０、赤外線検出器２０、処理装置４０、記憶装置４１、出力装置４２、及び入力装置４３を含む。

レーザ光学系１０は、レーザ光源１１、均一化光学系１２、及び折り返しミラー１３を含む。レーザ光源１１は、赤外域のレーザビームを出力する。レーザ光源１１として、例えば発振波長８０８ｎｍのレーザダイオードを用いることができる。均一化光学系１２は、レーザ光源１１から出力されたレーザビームのビームプロファイルを均一化する。折り返しミラー１３は、均一化光学系１２を通過したレーザビームを下方に向けて反射する。

チャンバ３０の天板にレーザビームを透過させるウィンドウ３２が設けられており、チャンバ３０内にステージ３１が配置されている。ステージ３１の上に、アニール対象物である半導体ウエハ３５が保持される。半導体ウエハ３５の表層部にドーパントが注入されている。ドーパントの注入には、例えばイオン注入法が用いられる。アニール前においては、このドーパントは活性化されていない。半導体ウエハ３５として、例えばシリコンウエハを用いることができる。ドーパントとして、例えばリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）等を用いることができる。

レーザ光学系１０から出力されたレーザビームが、ダイクロイックミラー２５及びウィンドウ３２を透過して、ステージ３１に保持された半導体ウエハ３５に入射する。レーザビームの経路に、必要に応じてミラー、レンズ等を配置してもよい。半導体ウエハ３５の表面におけるレーザビームのビームスポットは、例えば長さ約３〜５ｍｍ、幅約０．１〜０．３ｍｍの長尺形状である。ステージ３１は、半導体ウエハ３５を、その表面に平行な二次元方向に移動させる。半導体ウエハ３５の表面をビームスポットの幅方向に走査することにより、半導体ウエハ３５の上面のほぼ全域をレーザアニールすることができる。

レーザビームが半導体ウエハ３５に入射すると、入射位置の表層部が加熱されることにより、ドーパントが活性化される。加熱された部分から熱放射光が放射される。半導体ウエハ３５から放射された熱放射光の一部は、ダイクロイックミラー２５で反射されて赤外線検出器２０に入射する。ダイクロイックミラー２５は、例えば１μｍより短い波長域の光を透過させ、１μｍより長い波長域の光を反射する。半導体ウエハ３５から赤外線検出器２０までの熱放射光の経路に、必要に応じてレンズ、光学フィルタ等を配置してもよい。実施例では、２μｍ〜２．８μｍの波長域の熱放射光が赤外線検出器２０に入射するように光学フィルタを挿入した。

赤外線検出器２０は、赤外の波長域に感度を持ち、入射する熱放射光の強度に応じた大きさの信号（電圧）を出力する。赤外線検出器２０の出力信号（出力電圧）が処理装置４０に入力される。処理装置４０は、レーザ光源１１を制御することにより、レーザ光源１１からパルスレーザビームを出力させる。さらに、処理装置４０はステージ３１を制御することにより、半導体ウエハ３５を二次元方向に移動させることにより、主走査及び副走査を繰り返す。

処理装置４０は、パルスレーザビームの各ショットに同期して、赤外線検出器２０から出力された信号の大きさ（出力値）を取得する。さらに、取得された出力値を、半導体ウエハ３５の面内の位置と関連付けて記憶装置４１に記憶させる。一例として、パルスレーザビームの１ショットごとに、熱放射光の強度の時間変化に対応して出力値の時間波形が得られる。記憶装置４１に蓄積される出力値は、例えば、パルスレーザビームの１ショットごとの時間波形のピーク値、または時間波形の積分値である。

レーザアニール装置の動作を指令するための種々のコマンドやデータが、入力装置４３を通して処理装置４０に入力される。処理装置４０は、シート抵抗の算出結果を出力装置４２に出力する。

図２は、レーザ光源１１から出力されるパルスレーザビームの概略波形、及び赤外線検出器２０の出力信号波形の一例を示すグラフである。時刻ｔ１においてレーザパルスが立ち上がると、半導体ウエハ３５の表層部の温度上昇に対応して赤外線検出器２０の出力値が徐々に上昇する。時刻ｔ２においてレーザパルスが立ち下がると、半導体ウエハ３５の表層部の温度低下に対応して赤外線検出器２０の出力値が徐々に低下する。時刻ｔ１からｔ２までのレーザパルスによる赤外線検出器２０の出力のピーク値Ｖｐまたは時間波形の積分値Ｖｉが、記憶装置４１に蓄積される。

図３は、赤外線検出器２０の出力とシート抵抗との関係を示す関係データ４５をグラフ形式で示した模式図である。この関係データ４５は、半導体ウエハ３５の種別ごとに準備されている。処理装置４０（図１）は、この関係データ４５を用いて赤外線検出器２０の出力値からシート抵抗を算出する。例えば、レーザ照射によって半導体ウエハ３５の表層部からの熱放射光の強度が大きくなる。すなわち、アニール温度が高くなるに従って熱放射光の強度が大きくなり、その結果赤外線検出器２０の出力値も大きくなる。このため、赤外線検出器２０の出力値が大きくなるにしたがって、シート抵抗は低下する傾向を示す。

また、シート抵抗は、半導体ウエハ３５に注入されているドーパントの種類や濃度、半導体ウエハ３５の厚さ等に依存する。このため、半導体ウエハ３５の種別（製品種別）ごとに関係データ４５を準備している。この関係データ４５は、実際の製品と同一の構造を持つ評価用の半導体ウエハを種々のフルエンスのレーザビームを用いてレーザアニールし、シート抵抗を測定することにより得ることができる。

図４は、実施例によるレーザアニール装置を用いて半導体ウエハ３５のレーザアニールを行う手順を示すフローチャートである。

まず、ドーパントがイオン注入された半導体ウエハ３５（図１）をステージ３１（図１）に保持させる（ステップＳ１）。この手順は、例えばロボットアーム等により行われる。ステージ３１は、例えば真空チャックにより半導体ウエハ３５を固定する。製造ラインを流れる半導体ウエハ３５の種別は、予め記憶装置４１に記憶されている。なお、処理装置４０は、半導体ウエハ３５に記録された識別マーク等を読み取って半導体ウエハ３５の種別を取得するようにしてもよい。

半導体ウエハ３５をステージ３１に保持させた後、レーザ光源１１からのパルスレーザビームの出力及びステージ３１の移動を開始する（ステップＳ２）。パルスレーザビームによる半導体ウエハ３５の走査中に、半導体ウエハ３５からの熱放射光の強度を赤外線検出器２０で測定する（ステップＳ３）。例えば、処理装置４０が、赤外線検出器２０の出力値を取得する。

処理装置４０は、レーザビームが入射している半導体ウエハ３５の面内の位置と、赤外線検出器２０の出力値とを関連付けて、記憶装置４１に保存する（ステップＳ４）。ステップＳ３及びステップＳ４の処理を、半導体ウエハ３５の表面のほぼ全域がアニールされるまで繰り返す（ステップＳ５）。

半導体ウエハ３５の表面のほぼ全域のアニールが終了すると、処理装置４０は赤外線検出器２０の出力値に基づいて半導体ウエハ３５のシート抵抗を算出する（ステップＳ６）。例えば、処理装置４は、赤外線検出器２０の出力値と、図３に示した関連データとを用いてシート抵抗を算出ことができる。その後、処理装置４０は、シート抵抗の算出値を、半導体ウエハ３５の面内の位置と関連付けて出力装置４２（図１）に出力する。例えば、半導体ウエハ３５の面内におけるシート抵抗の分布を図形として表示させるとよい。

図５Ａは、実施例によるレーザアニール装置を用いて算出したシート抵抗の面内分布を示す図であり、図５Ｂは、図５Ａと同一のサンプルについて、従来の四探針法で求めたシート抵抗の面内分布を示す図である。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、シート抵抗の大きさが灰色の濃淡で表されている。図５Ａに示した測定結果では、パルスレーザビームの主走査方向と平行な縞模様が表れている。縞模様の１本の帯状領域に着目すると、走査方向の上流側のシート抵抗が下流側のシート抵抗より高くなる傾向を示す。縞模様の周期は、パルスレーザビームの１回の副走査における移動距離に相当する。四探針法では、半導体ウエハ３５の面内の１２１点のシート抵抗を測定した。

図５Ｃは、図５Ａに示したシート抵抗の分布に、四探針法で測定して得られたシート抵抗の等値線を重ねて表した図である。実施例による方法で求められたシート抵抗の分布と、四探針法で測定されたシート抵抗の分布とが相関を持っていることがわかる。この結果から、実施例によるレーザアニール装置でシート抵抗を算出する方法は、四探針法でシート抵抗を測定する方法の代替手段として採用することが可能であることがわかる。

次に、上記実施例によるレーザアニール装置の持つ優れた効果について説明する。
実施例によるレーザアニール装置においては、レーザアニール中にシート抵抗を算出する基礎となる情報（赤外線検出器２０の出力値）が取得される。このため、レーザアニール後にオフラインでシート抵抗を測定することなく、シート抵抗を求めることができる。

また、実施例によるレーザアニール装置を用いると、半導体ウエハ３５に探針等を接触させることなくシート抵抗を算出することができる。このため、探針等の接触によるダメージを半導体ウエハ３５に与えることなく、シート抵抗を算出することができる。

四探針法でシート抵抗を測定する場合の空間分解能は探針間距離に依存する。例えば、両端の探針の間の距離は３ｍｍ程度である。この探針間距離よりも高い空間分解能でシート抵抗を求めることは困難である。これに対し、本実施例による方法では、レーザビームのビームスポットの大きさ程度まで空間分解能を高めることができる。

四探針法で測定できるシート抵抗は、半導体ウエハ３５の表面から深さ約０．１μｍ程度の極浅い表層部分のものである。これに対し、実施例では、より深い領域、例えば深さ２〜３μｍの領域から放射された熱放射光も、半導体ウエハ３５を透過して赤外線検出器２０で検出することができる。このため、実施例による方法で深さ２〜３μｍまでを考慮したシート抵抗を推定することが可能になる。

次に、実施例の種々の変形例について説明する。上記実施例では、半導体ウエハ３５としてシリコンを用いたが、他の半導体材料からなるウエハを用いることも可能である。また、上記実施例では、半導体ウエハ３５の種別ごとに、赤外線検出器２０の出力とシート抵抗との関係を示す関係データ４５（図３）を準備した。その他に、半導体ウエハ３５の材料、厚さ、ドーパントの種類、ドーズ量、注入深さ等の各種パラメータごとに、関係データ４５を準備してもよい。

上記実施例では、シート抵抗を算出する機能を備えたレーザアニール装置について説明した。上記実施例によるレーザアニール装置から、処理装置４０、記憶装置４１及び出力装置４２の、シート抵抗算出に関わる機能、及び赤外線検出器２０を取り出してシート抵抗算出装置として実現することも可能である。

上述の実施例は例示であり、実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。さらに、本発明は上述の実施例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。

１０ レーザ光学系
１１ レーザ光源
１２ 均一化光学系
１３ 折り返しミラー
２０ 赤外線検出器
２５ ダイクロイックミラー
３０ チャンバ
３１ ステージ
３２ ウィンドウ
３５ 半導体ウエハ
４０ 処理装置
４１ 記憶装置
４２ 出力装置
４３ 入力装置
４５ 関係データ

Claims (5)

1. 半導体ウエハを保持するステージと、
   前記ステージに保持された半導体ウエハにレーザビームを入射させるレーザ光学系と、
   前記ステージに保持された半導体ウエハからの熱放射光が入射し、熱放射光の強度に応じた信号を出力する赤外線検出器と、
   前記赤外線検出器の出力値に基づいて、前記レーザビームによってアニールされた半導体ウエハのシート抵抗を算出し、シート抵抗の算出値を出力装置に出力する処理装置と
   を有するレーザアニール装置。
2. 前記赤外線検出器に、半導体ウエハの、前記レーザビームが入射している位置からの熱放射光が入射し、
   前記処理装置は、熱放射光が放射された半導体ウエハの面内の位置と、シート抵抗の算出値とを関連付けて前記出力装置に出力する請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. さらに、アニール対象の半導体ウエハの種別ごとに、前記赤外線検出器の出力値とシート抵抗との関係を示す関係データを記憶している記憶装置を有し、
   前記処理装置は、前記ステージに保持されている半導体ウエハの種別に応じた前記関係データを用いてシート抵抗を算出する請求項１または２に記載のレーザアニール装置。
4. アニール対象の半導体ウエハからの熱放射光が入射し、熱放射光の強度に応じた信号を出力する赤外線検出器と、
   前記赤外線検出器の出力値が入力され、入力された出力値に基づいて半導体ウエハのシート抵抗を算出し、シート抵抗の算出値を出力する処理装置を有するシート抵抗算出装置。
5. さらに、アニール対象の半導体ウエハの種別ごとに、前記赤外線検出器の出力値とシート抵抗との関係を示す関係データを記憶している記憶装置を有し、
   前記処理装置は、熱放射光が検出された半導体ウエハの種別に応じた前記関係データを用いてシート抵抗を算出する請求項４に記載のシート抵抗算出装置。