JPS5815943B2 - アニ−リング処理制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体のアニーリングプロセスにおける制御装
置に関する。

近年半導体材料の作成プロモス及びデバイスへの加工プ
ロセスには、様々の新しい方法及び技術が導入されてい
る。

半導体へのイオン注入法はその一つで、当業者には十分
周和の技術である。

半導体にイオンを打込むと、イオンが打込まれた領域及
び表面領域の半導体の構造は、著しく乱されることが知
られている。

イオンを注入する前の半導体が単結晶である場合、イオ
ン注入後、半導体の表面領域は無定形又は多結晶になっ
ている。

また、半導体中に注入された不純物イオンも、単に半導
体中に導入されただけではドナあるいはアクセプタなど
電気的に活性なキャリアとしての動きをしない。

そこで、イオン注入により生じた損傷を回復させ、かつ
注入した不純物を電気的に活性なものとするため、いわ
ゆるアニーリングが行われる。

半導体のアニーリングは従来電気炉の中などで熱を加え
ること腎より行われていたが、最近レーザビームを半導
体に照射することにより行ういわゆるレーザアニーリン
グ法が開発された。

レーザビーム以外に電子ビームを用いたアニーリング方
法も開発されている。

一方、安価な太陽電池などの開発に関連し、金属、ガラ
スなど各種基板の上に、シリコンＳｉｋはじめとする各
種無定形半導体を形成する研究が盛んに行われている。

この場合にも無定形半導体の特性改善や結晶化の目的で
、イオン注入の場合と同様の方法でアニーリングが行わ
れる。

これら半導体のアニーリング工程において、損傷を回復
させかつ注入された不純物を活性化するためには、一定
のエネルギーを半導体材料に与える必要があるが、あま
り過剰のエネルギーを加えすぎると、かえって結晶構造
を乱すばかりでなく、材料又はデバイスの加工プロセス
上も不利である。

従ってアニーリングを適切な段階で停止させることが極
めて重要な事項となる。

この時、アニーリングと同時に半導体の結晶構造の乱れ
あるいは不純物の活性化の程度換言すればアニーリング
の進行状況をモニタできれば、アニーリングを適切な段
階で停止させることができる。

ところが従来アニーリングの進行状況を知るには、ホー
ル効果を利用してキャリア濃度を測定する等の方法しか
なく、アニーリング処理中に非接触、非破壊で且つ短時
間にその進行状況を杷握することは不可能であった。

従ってアニーリングを適切な段階で停止させることので
きる様な制御装置は従来存在し得なかった。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、半導体に
レーザ光を照射した時発生するラマン散乱光が、半導体
の構造的な乱れや半導体中のキャリア濃度など各種特性
に関する情報を含んでおり、アニーリングの進行の程度
によりラマン散乱光の強度、半値幅などが変化すること
を見出したことに基づいている。

即ち本発明者は第１図に示す様なラマン効果モニタを兼
ね、たレーザアニーリング装置を用い、アニーリング過
程におけるラマンスペクトルの変化を調べた。

ラマン効果は市販のレーザラマン分光光度計１（日本電
子株式会社製ＪＲ８−４００Ｔ）を使用して測定し、測
定結果はレコーダ２又は陰極線管表示装置３によって表
示される。

１個のアルゴンレーザ発振器４を半導体試料５のアニー
リング及びラマン効果測定の両方の目的に使用した。

アルゴンレーザの波長は５１４５Ａと４８８ＯＡに変え
ることができ、最大出力は２Ｗ８度で十分である。

レーザのビーム径は５０μｍ以下から数１０ｍｍまで変
化させることができる。

第２図はＧａＡｓ単結晶の１００面にレーザ光を照射し
た場合に得られるラマンスペクトルで、波数約２９２Ｃ
ｍ−１に一つのピークＰ１が観測される。

このピークはＧａＡｓのＬＯフォノンによるものである
ことが知られており、比較的完全性の高いＧａＡｓ単結
晶の１００面からは、ＬＯフォノンによるもののみがラ
マン光として観測され、その波数はＧａＡｓ単結晶に固
有のものである。

第３図は半絶縁性のＧａＡｓ単結晶の表面に比較的少い
量具体的にはイオンドーズ量２×１Ｏ１２／ｃｍ２のＳ
ｉをイオン注入した試料を第１図の装置でレーザアニー
ルする過程でのラマンスペクトルピークの強度変化を示
す。

イオン注入及び測定を行った面は１００面である。

具体的には４８８０Ａのレーザ光を出力２Ｗで試料に照
射してレーザアニーリングを行い、それと同時に１００
面に特有のＬＯフォノンによるラマンバンドのピークＰ
１の波数２９２ｃｍ−１に分光光度計１を固定してピー
ク強度の変化を測定した。

第４図は同じ試料について上述したレーザアニーリング
装置を用いてアニーリングを行う過程でのＬＯフォノン
によるラマンバンドのバぐド幅の変化を示す。

具体的にはレーザ出力２Ｗでアニーリングを行いその途
中でピークＰ１の半値幅の測定を行ったが、測定時はレ
ーザ出力５００ｍＷに減少させてアニーリングを実質的
に停止させた状態で波数を掃引し、半値幅を求めた。

第３図及び第４図から、アニーリング開始後約２分まで
のＴ１の期間はピーク強度が増大すると共に半値幅は減
少し、イオン注入されたＧａＡｓの構造がより単結晶に
近づいていること、すなわちアニーリングが進行してい
ることがわかる。

それ以後約１０分までの期間Ｔ２はピーク強度、半値幅
とも略一定の値を示し、ＧａＡｓの構造が殆んど変化し
ていないことがわかる。

そしてその後の期間Ｔ３にはピーク強度は減少し、半値
幅は増大を始めるが、とのＴ３における変化は過度のア
ニーリングにより結晶構造が破壊され始めたことに起因
していることが確認された。

従って半導体をアニーリングすると共に該半導体に固有
のフォノンによるラマンバンドのピーク強度及び又はラ
マンバンドのバンド幅をモニタし、アニーリング時間に
対してピーク強度又はバンド幅が飽和したこと言い換え
れば略一定になったことを検出すれば、アニーリングが
完了したと判断することができる。

第３図及び第４図の例では２分強被のアニーリングを行
えば十分である。

上記はイオン注入した試料についての例であるが、その
他の半導体例えば無定形シリコンのアニーリングの場合
でも同様である。

金属基板上に高周波スパッタリング法などにより形成さ
れた無定形シリコン層を上記と同様に第１図の装置でレ
ーザアニーリングし、それに伴うラマンスペクトルの変
化を調べたところ、波数約５２０〜５３０ｃｍ−１の位
置に現われるシリコンＳｉ固有のフォノンによるラマン
スペクトルピークは第３図及び第４図と殆んど同形のピ
ーク強度変化及びバンド幅変化を示した。

即ちアニーリングが進行するに従いピーク強度は増大す
ると共にバンド幅は減少し、アニーリングが完了すると
略一定値となり、やがてアニーリング過剰になるとピー
ク強度は減少し、バンド幅も増大し始める。

従って無定形シリコンの場合でも該シリコンに固有のフ
ォノンによるラマンバンドのピーク強度及び又はバンド
幅をモニタし、それらの値が略一定になったことを検出
すれば、アニーリング完了を知ることができる。

ところで以上の検討により半導体に固有のフォノンによ
るラマンバンドのピーク強度又はバンド幅をモニタし、
それらの値が略一定になったことを検出することにより
アニーリングの完了時点を知ることができることが判明
したが、バンド幅の測定には分光光度計を掃引する必要
があり、これに数分の時間を要するためその都度アニー
リング処理を中断しなければモニタを行うことができな
い。

一方ピーク強度の測定は分光光度計を固定して行うこと
ができるが、ラマン散乱光が微弱なためノイズの影響に
よる変動を除くことができず、誤差を含むことは避けら
れない。

本発明は上記の点を考慮し、簡単な構成で処理を中断す
ることなくアニーリングの完了時点を正確に知り、アニ
ーリング処理を停止することのできる制御装置を提供す
るものである。

以下第５図に示す実施例に基つき本発明を詳説する。

第５図において１１は試料台１２上に載置されたイオン
注入済の半導体ウェハである。

該ウェハ１１には発振器１３から発生するアニーリング
用レーザ光り、が照射される。

１４はラマン観測用のレーザ発振器であち、該発振器１
４から発生するレーザ光Ｌ２は上記レーザ光Ｌ１の照射
点、即ちアニーリング処理を行っている部位の例えば中
心へ照射される。

レーザ光Ｌ２の照射により発生したラマン光Ｒは鏡１５
．スリット１６を介してダブルモノクロメータ１７へ入
射し、シフト波数に応じてスペクトルとして展開される
。

１８はスペクトル展開面に配置された３チヤンネルの微
弱光検出器であり、各チャンネルは光電子増倍管１９，
２０，２１．増幅器２２，２３゜２４及びホトンカウン
タ２５，２６．２７から構成される。

各チャンネルの出力は微分回路２８゜２９．３０及び判
別回路３１，３２，３３から構成される３チヤンネルの
変化停止検出回路３４へ送られる。

３５は該検出回路３４の各チャンネルから判別信号が同
時に発生した時に終了信号を発するＡＮＤ回路であり、
該終了信号は制御回路３６へ送られる。

該償御回路３６は終了信号に基づいて前記試料台１２を
移動させる移動機構３７へ歩進信号を送り、アニーリン
グ処理範囲を隣へ進める。

上述の如き構成において、モノクロメータの出力部には
第２図で示される様なスペクトルが展開されている。

そして検出器１８の３つの検出チャンネルは、ウェハを
構成する半導体に固有のフォノンに対応するラマンバン
ドのバンド幅内に配置されている。

具体的にはアニーリング開始前におけるラマンバンドの
スペクトル波形が第６図におけるＡで示されるとして、
ラマンバンドのピーク中心波数位置に増倍管２０（チャ
ンネル２）が配置され、Ａの半値幅該当位置に増倍管２
０を挾んで対称に増倍管１９（チャンネル１）及び増倍
管２１（チャンネル３）が配置されている。

ここでアニーリング処理を開始すると、第３図及び第４
図からもわかるように、波形は除々にピークが高まって
半値幅が減少して第６図においてＡ−）Ｂ→Ｃと変化し
、Ｔ２の期間に入ってＣの状態が維持される。

この時の各チャンネルの出力に着目すると、チャンネル
２はピーク中心位置に置かれているので第３図のＴ１か
らＴ２にかけての変化と同じになる。

チャンネル１，３への入射光は３１→ｂ、→ｃ１．Ｂ２
→ｂ２→ｃ２と夫々変化するので、その出力は第４図に
示す半値幅の変化にほぼ対応したものが得られる。

この様に半値幅の変化にほぼ対応した信号を、実際にモ
ノクロメータを掃引せずに得ることができること力体発
明の１つの特徴である。

上述の如くピークの強度変化を示す信号及び半値幅の変
化にほぼ対応した信号が得られれば、この２つの信号が
Ｔ１の期間に大きく変化した後Ｔ２の期間にはいって変
化が停止し一定の値になったことを検出することにより
、アニーリングの完了を知ることができる。

本実施例では信号を微分して変化率を求め、この変化率
が零になったことを検出するようにしている。

第１図ａ、ｂは各チャンネルの出力を微分した各微分回
路の出力を示し、ａが微分回路２９（チャンネル２）、
ｂが微分回路２８及び３０（チャンネル１及び３）の出
力である。

そして判別回路３１．３２，３３は各微分回路の出力が
零になる（即ち第３図及び第４図におけるＴ２の期間に
はいり、アニーリングが十分性われた）ことを監視して
おり、零になった時点で第１図ｃ、ｄに示す様な判別信
号を発生する。

Ｃが判別回路３２（チャンネル２）、ｄが判別回路３１
（チャンネル１）及び判別回路３３（チャンネル３）の
判別信号である。

従ってＭの回路３５により、３つの判別信号が揃った時
点で第７図ｅに示す様な終了信号を発生させれば、この
終了信号により現在レーザ光Ｌ１が照射されている部位
のアニーリングが終了したことを知ることができる。

そして制御回路３６は該終了信号が送られたならば、歩
進信号を発して移動機構へ送り、レーザ光Ｌ１の照射位
置を隣へずらし、その場所のアニーリング処理を新たに
開始する。

尚上記実施例ではＧａＡｓ半導体の場合について述べた
が、その他の半導体では第３図及び第４図においてＴ１
が終了した時点でアニーリング処理を停止したのでは不
十分で、Ｔ２が終了しＴ、が始まった時点で処理を停止
した方が良いものも存在すること力体発明者の経験によ
りわかった。

従ってその様な場合も考慮すれば、判別回路３１゜３２
．３３は微分回路２８，２９，３０の出力が予め定めた
値になった時に判別信号を発する様な構造を持てば良い
。

即ちＧａＡｓの様にＴ１が終了した時点でアニーリング
を停止した方が良い半導体の場合では、上記予め定めた
値として零を選べば良くＴ３が終了した時点でアニーリ
ングを停止した方が良い他の半導体の場合では上記予め
定めた値として微分回路２８，２９．３０の出力がＴ２
に入って一旦零になった後、Ｔ２が終了して再び変化を
示す様になったことを判別するための適宜きスレツショ
ドレベル値を選ぶようにすれば良い。

父上記実施例ではピーク中心波数位置に１チヤンネルと
、それを挾んで対称に２チヤンネヤの計３チャンネルの
検出器を配置したが、対称配置された２チヤンネルのう
ち１チヤンネルを省略してモ差し支えなく、その位置も
ラマンバンドのバンド幅内であれば必ずしもアニーリン
グ前のスペクトルの半値幅該当位置に限らず、他の位置
に配置しても良い。

更に上記実施例では本発明をレーザアニーリング装置に
応用したが、それに限らすレーザを使用しない他の方式
のアニーリング装置に応用しても良いことは言うまでも
ない。

以上詳述した如く本発明によれば、半導体に固有のフォ
ノンに対応するラマンバンド幅内の中心波数位置以外の
位置に１つ以上の検出器を配置することにより、モノク
ロメータを掃引することなしに換言すればアニーリング
処理を中断することなしにラマンバンドのバンド幅の変
化に対応した信号を取出すことができ、更に該信号と中
心波数位置に配置された検出器から得られるラマンバン
ドのピーク強度の変化に対応した信号の２つの信号に基
づいてアニーリング完了と判断しているため、２つの信
号にノイズの影響による変動があっても正確にアニーリ
ング完了時点を知ることができる。

従って常に正確なアニーリング処理の制御を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はラマン効果モニタを兼ねたレーザアニーリング
装置の構成を示す図、第２図ばＧａＡｓ単結晶１００面
のラマンスペクトルを示す図、第３図、第４図はアニー
リング過程におけるＰｌの強度、Ｐ、の半値幅の変化を
示す図、第５図は本発明の一実施例の構成を示す図、第
６図及び第７図は実施例の動作を説明するための図であ
る。 １１：半導体ウェハ、１２：試料台、１３゜１４：レー
ザ発振器、１７：ダブルモノクロメータ、１８：微弱光
検出器、１９，２０．２１：光電子増倍管、２８，２９
，３０：微分回路、３１゜３２．３３：判別回路、３５
：ＡＮＤ回路、３６：制御回路、３７：移動機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アニーリング処理を受ける半導体にレーザ光を照射
   するためのレーザ光源と、レーザ光照射により生じるラ
   マン光が導入される分光器と、該分光器によって展開さ
   れたラマンスペクトル中の上記半導体に固有のフォノン
   に対応するラマンバンドのピーク中心位置に配置された
   第１の光検出器と、該ラマンバンドのバンド幅内のピー
   ク中心以外の位置に配置された第２の光検出器と、上記
   第１の光検出器の出力の変化の傾きを検出する第１の検
   出手段と、上記第２の光検出器の出力の変化の傾きを検
   出する第２の検出手段と、該第１の検出手段の出力が所
   定値になったことを判別する第１の判別手段と、上記第
   ２の検出手段の出力が所定値になったことを判別する第
   ２の判別手段と。 該第１及び第２の判別手段の出力に基づいてアニーリン
   グ処理を停止するための終了信号を発生する手段とを備
   えたことを特徴とするアニーリング処理制御装置。 ２ 前記第１及び第２の判別手段は前記第１及び第２の
   検出手段の出力が零になった時出力を発生する特許請求
   の範囲第１項記載の制御装置。