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半導体用語集

レーザドーピング

英語表記：laser doping

レーザドーピングは、半導体中への不純物の注入および電気的活性化を、レーザ光の照射によって同時に行い、nあるいはp型層を形成する技術である。レーザは、Nd:YAG、CO₂、ルビー、アレキサンドライトなどが使用されたが、最近ではほとんどの場合エキシマレーザである。エキシマレーザは紫外域の短波長・短パルス光を発するため、半導体基板への侵入深さが小さく熱作用時間も短いため、ごく浅いドーピング層の形成に適している。ドーパント源は、ガス、液体、固体のいずれも利用できるが、プロセスの簡便性およびドーパント種の選択の自由度の大きさからガスを用いるケースが多い。ガスを用いたレーザドーピングは、GILD (Gas Immersion LaserDoping） と呼ばれる。
基板は、Si、GaAs、InPなど多様なものが試みられており、ガスも所望のドーパント種によって多様なものが用いられるが、水素化物が用いられることが多い。
エキシマレーザを用いたGILDの機構を説明する。まず所望のドーパント種を含む反応ガス雰囲気中に半導体基板を保持する。この基板表面にガス分子が物理吸着する。続いて基板に対して垂直にエキシマレーザ光を照射する。前述のようにエキシマレーザ光の侵入深さはごく浅いため、基板表面のごく浅い領域でレーザエネルギーは吸収され基板は急加熱される。この加熱によって表面に吸着しているガス分子は熱分解され（ガスがレーザ光に対して吸収を持つ場合は気相分解も含まれる）、同時に基板面のごく浅い領域が溶融される。この溶融層に分解された不純物が拡散するが、レーザパルス照射終了後直ちに基板内部より溶融層の再結品化が生じるため、不純物拡散層は溶融層のみに限定される。
イオン注入法などの従来のドーピング法と比較して、GILDの利点は、（1）ごく浅いドーピング層（100nm以下）が形成可能、（2）固溶限界以上の不純物を添加できるとともに非常に大きなキャリア濃度を発生させることが可能、（3）シングルステップブロセス（ポストアニールが不要）でプロセス時間が短い、（4）レジストレスで直接バターン化が可能といった点である。
特に微細バターン加工を行う時、プロセスの非線形性を発現することができる。つまり溶融した領域にしか不純物は拡散しないため、レーザ光照射線幅より細い加工が可能である。たとえばųmの照射線幅で照射した場合、レーザフルエンスの減少に伴ってドーピング線幅は減少し、最小で0.3ųmが実現された。
一方、レーザドーピングでは半導体表面を溶融するため、レーザアニーリングと同様レーザ光照射損傷が問題となっている。これがレーザドーピングが実用化されない一番大きな原因と考えられる。そこで近年新しい手法としてダブルパルス照射法が開発された。これは二つの異なるパルス幅のエキシマレーザ光を100ns程度の遅延時間を持たせて照射する方法であり、これによって溶融層の表面形態および結晶性が大幅に改善された。
また最近、エキシマレーザドーピングによってZnSe に高濃度のp型層を形成することに成功した。青色発光
材料として期待されるGaNあるいは前述のZnSe などのII-VI族化合物半導体は、一般的に通常の手法では高濃度のp型層を形成するのが非常に困難である。エキシマレーザドーピングは、これを解決するのに非常に魅力的な手法である。

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