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PGILD・レーザードーピングとは

THEME 03 トランジスタ形成 · イオン注入・熱処理Projected Gas Immersion Laser Doping
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PGILD・レーザードーピング（Projected Gas Immersion Laser Doping）とは、ウェーハ表面へドーパントガスを流し、エキシマレーザーでガスを光化学分解すると同時に照射部を局所溶融して不純物を導入する工程です。 イオン注入がイオンを加速して打ち込むのに対し、この方法は不純物をガスで供給し、熱をレーザーで表層にだけ与えます。溶けた層は下地の結晶から固まり直し、イオン注入と違って欠陥の生成が抑えられ、活性化のアニールを省けるとされています。その代わり、照射の均一性と表面の状態に結果が強く左右されます。

1回のパルスで、ガスを分解し、表層を溶かし、固め直す

Section titled “1回のパルスで、ガスを分解し、表層を溶かし、固め直す”
ドーピングの3段階
1 ガスを流す2 パルス照射3 固まり直すドーパントガス表面の吸着層レーザー溶融層ドープ層下地の結晶
ガスを流して表面に吸着させ、レーザーパルスでガスを分解しながら照射部の表層を溶かします。溶けた層は下地の結晶との境界から固まり、ドープ層が残ります。

PGILDの装置は、ウェーハ表面にドーパントガスを流してエキシマレーザーを照射し、光化学反応でガスを分解すると同時に照射部分を局部的に溶かして、そこへ不純物を入れます1。光はガスを分解する役と、表層を溶かす熱源の役を同時に担います。

溶ける深さと固まる速さが、ドーパントの入り方を決めます。パリ・サクレー大学のC2Nは、パルスレーザー誘起エピタキシー（PLIE）で、約25 nsのレーザーパルスがシリコン表面を5〜500 nmの厚さで一時的に溶かし、溶融部で種類の異なる原子が素早く混ざるとしています2。続く結晶化は毎秒数mの速さで下地の結晶との境界から始まり、安定な材料になります。ナノ秒のレーザーで熱を表層に閉じ込めるやり方は、先端ロジックのレーザーアニールでも使われています。

イオン注入と違い、欠陥を抑えて活性化アニールを省ける

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イオン注入との違い
イオン注入PGILD加速したイオン注入損傷が残る活性化アニールが要るガス＋レーザー固め直した表層アニール不要
イオン注入と異なり、PGILDでは欠陥の生成が抑えられ、活性化のためのアニールが要らないとされています。

SEAJは、イオン注入と異なり欠陥の生成が抑制され、活性化のためのアニール処理が不要になるとしています1。結晶欠陥の回復に充てる熱処理を、ドーピングとは別に組まずに済む方式です。C2Nも、表面へ入れるエネルギーがごく小さいので、下地の材料構造を傷めずに処理できるとしています2。

浅い領域を局所的に処理できる一方で、周囲の構造へ与える熱と、必要な濃度・深さを両立させる必要があります。

ドーパントは照射の前にも最中にも入れられ、表面の結合で取り込みが変わる

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ドーパント源を表面へ供給し、レーザー照射で表層へ取り込むのが基本の順序です。C2Nは、新しい原子種をレーザー処理の前に堆積や注入で入れておくことも、処理中に表面をガス雰囲気や化学吸着層にさらして入れることもできるとしています2。ガスを流しながら照射するのがPGILDで、同じ溶融と再結晶を、あらかじめ置いた原子にも使えます。表面の溶融や再結晶を利用する方式では、照射と固化が分布を決めます。

表面の状態は、取り込みの量そのものを動かします。化学吸着で表面の化学結合を前もって変えておくと、エネルギーの釣り合いと、表面に付いた原子が離れるか取り込まれるかを調整できると、C2Nはしています。管理する条件は、ガス組成、吸着、レーザーのエネルギー、照射位置と回数です。

処理後は、取り込んだ量と電気的に働く量を分けて確かめる

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処理後は、ドーズ、深さ分布、面内均一性、結晶損傷、電気特性を確認します。供給した不純物量と、電気的に働く不純物量は同じではありません。照射のエネルギーと時間、表面状態、その後の熱処理を結果と対応付け、浅さと必要濃度の両方を管理します。

溶融と再結晶は、ひずみや発光の制御にも使われる

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C2Nは、GILDによるひずみの作り込みで、シリコンのナノブリッジの共振周波数が最大40倍に高まり、人為的に加えたひずみは4 GPaに達するとしています2。示されている例は幅120 nmのナノブリッジです。同じグループは、バルクのゲルマニウムとGeOIにGILDでリンをドープし、室温での発光スペクトルを測っています。不純物を入れる工程が、材料の機械的・光学的な性質を変える道具にもなっています。

よくある質問（FAQ）

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PGILD・レーザードーピングは何をする工程ですか？

ウェーハ表面へドーパントガスを流し、エキシマレーザーでガスを光化学分解すると同時に照射部を局所溶融して不純物を導入する工程です。イオンを加速して打ち込むイオン注入と違って欠陥の生成が抑えられ、活性化のためのアニールが不要になるとされています。

どの段階で行いますか？

ドーパント源を表面へ供給し、レーザー照射で表層へ取り込みます。ドーパントはガスや化学吸着層として照射中に与えるほか、照射前に堆積や注入で入れておくこともでき、溶けた層が下地の結晶から固まり直すときに分布が決まります。

どこを管理しますか？

ガス組成、吸着、レーザーのエネルギー、照射位置と回数を管理します。表面の化学結合は取り込みと脱離の釣り合いを変えるので、表面状態も条件の一部です。取り込んだ不純物の量と、電気的に働く量は区別して測ります。

比較・違いを学ぶ

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関連用語

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出典

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2件を表示
  1. 1
    SEAJ 半導体製造装置用語集seaj.or.jp ・ 2026年10月12日閲覧 ab
  2. 2
    Université Paris-Saclay C2N：Laser dopingepla.c2n.universite-paris-saclay.fr abcd