(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン付き表面および溶融温度を有する半導体基板のアニーリング方法であって、
前記溶融温度から４００℃以内にある非溶融温度Ｔnonmeltまで前記パターン付き表面を加熱する少なくとも一つの第１レーザービームで前記パターン付き表面を走査し、
パルス状であり、かつ、前記非溶融温度から前記溶融温度まで前記パターン付き表面を加熱する、前記第１レーザービームと関連する少なくとも一つの第２レーザービームで前記パターン付き表面を走査し、
最小非溶融温度Ｔnonmeltが、下記の関係に基づいて決定される、
方法。
0005602787.tif 000008
ここで、ΔＴは基板表面温度ムラの許容量であり、ΔＴmeltは従来の溶融レーザーアニーリングによるパターン密度効果に起因する基板表面温度ムラであり、Ｔmeltは前記基板の溶融温度であり、Ｔsubは当初の基板表面温度である。
【請求項２】
前記第１レーザービームで走査して、前記溶融温度よりも約５０℃から約４００℃低い非溶融温度まで前記パターン付き表面を加熱する工程を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも一つの第１レーザービームは、前記パターン付き表面において少なくとも一つの非溶融ラインイメージを形成し、
前記少なくとも一つの第２レーザービームは、前記パターン付き表面において少なくとも一つの溶融ラインイメージを形成し、
前記パターン付き表面において、前記少なくとも一つの溶融ラインイメージは、前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージと部分的に重なり合っている、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージおよび前記少なくとも一つの溶融ラインイメージの一方は、前記パターン付き表面における領域の寸法に対応した長さに形成されている、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも一つの第１レーザービームおよび前記少なくとも一つの第２レーザービームは、複数のＩＣチップの間における隙間内で重なり合うように走査を行う、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージは、前記少なくとも一つの第１レーザービームで前記パターン付き表面を走査することによる、前記パターン付き表面の最大非溶融温度に対応するピーク温度軸に関連付けされており、
前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージおよび前記少なくとも一つの溶融ラインイメージによる走査は、前記少なくとも一つの溶融ラインイメージが実質的に前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージの前記ピーク温度軸に沿って形成されるようにして実行される、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージおよび前記少なくとも一つの溶融ラインイメージによる前記走査は、前記少なくとも一つの第１レーザービームによって走査される前記パターン付き表面における各点が前記少なくとも一つの第２レーザービームからの少なくとも一つの光パルスを受けるように実行される、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも一つの第１レーザービームは、走査中における、前記パターン付き表面上での１００マイクロ秒から２０ミリ秒の間の滞留時間を有している、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも一つの第１レーザービームはＣＯ2レーザーを用いて生成される、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの第１レーザービームは、実質的にブルースター角で前記パターン付き表面に入射する、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの第１レーザービームおよび少なくとも一つの第２レーザービームは、前記パターン付き表面付近のガス状のドーパントプレカーサを伴って走査を行う、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記走査は、二つの第１レーザービームおよび一つの第２レーザービームを用いて実施される、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
吸収層および反射防止層の内の少なくとも一方が前記パターン付き表面上に配設されている、請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記パターン付き表面はドーパントプロファイルを含んでおり、前記ドーパントプロファイルは、ａ）前記少なくとも一つの第１レーザービームおよびｂ）前記少なくとも一つの第２レーザービームの少なくとも一方を調整することによって調整される、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
パターン付き表面および溶融温度を有する半導体基板のレーザーアニーリングに用いられるシステムであって、
前記溶融温度から約４００℃内にある非溶融温度Ｔnonmeltまで前記パターン付き表面を加熱する少なくとも一つの第１レーザービームを生成するとともに、前記少なくとも一つの第１レーザービームで前記パターン付き表面を走査する第１レーザーシステムと、
パルス状で、かつ、前記非溶融温度から前記溶融温度まで前記パターン付き表面を加熱する少なくとも一つの第２レーザービームを生成するとともに、前記第１レーザービームに関連して前記少なくとも一つの第２レーザービームで前記パターン付き表面を走査する第２レーザーシステムとを備え、
最小非溶融温度Ｔnonmeltが、下記の関係に基づいて決定される、
システム。
0005602787.tif 000009
ここで、ΔＴは基板表面温度ムラの許容量であり、ΔＴmeltは従来の溶融レーザーアニーリングによるパターン密度効果に起因する基板表面温度ムラであり、Ｔmeltは前記基板の溶融温度であり、Ｔsubは当初の基板表面温度である。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの第１レーザービームは、前記パターン付き表面における少なくとも一つの非溶融ラインイメージを形成し、
前記第２レーザービームは、前記パターン付き表面における少なくとも一つの溶融ラインイメージを形成し、
前記第１レーザーシステムおよび前記第２レーザーシステムは、前記少なくとも一つの溶融ラインイメージおよび前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージを前記パターン付き表面において少なくとも部分的に重複させる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージは、前記少なくとも一つの第１レーザービームによる前記パターン付き表面の走査に起因する前記パターン付き表面の最大非溶融に対応するピーク温度軸に関連し、かつ、
前記第１レーザーシステムおよび前記第２レーザーシステムは、前記少なくとも一つの溶融ラインイメージが、実質的に前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージの前記ピーク温度軸に沿って形成されるように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも一つの第１レーザービームを生成するＣＯ2レーザーをさらに含んでいる、請求項１５から１７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１レーザーシステムは、前記少なくとも一つの第１レーザービームが前記パターン付き表面に対して実質的にブルースター角で入射するように構成されている、請求項１５から１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項２０】
ガス状のドーパントプレカーサを前記パターン付き表面付近で使用可能にするチャンバーをさらに有する、請求項１５から１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項２１】
パターン付き表面および所定の溶融温度Ｔmeltを有する基板のレーザーアニーリング方法であって、
前記パターン付き表面における温度ムラΔＴを選択し、
下記の関係から最小非溶融温度Ｔnonmeltを決定し、
0005602787.tif 000010
ここで、ΔＴmeltは、従来の一つのビームによる溶融レーザーアニーリングによるパターン密度効果に起因するパターン付き表面温度ムラであり、また、Ｔsubは、前記パターン付き表面の当初温度である。
少なくとも一つの第１レーザービームで走査して前記パターン付き表面を前記最小非溶融温度Ｔnonmeltから前記溶融温度よりも約５０℃低い温度の範囲の非溶融温度まで加熱し、前記第１レーザービームに関連する少なくとも一つの第２パルス状レーザービームで走査して前記基板溶融温度Ｔmeltまで前記パターン付き表面を加熱するレーザーアニーリングを実施する方法。
【請求項２２】
前記少なくとも一つの第１レーザービームはＣＯ2レーザーである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも一つの第１レーザービームは、前記パターン付き表面に対してブルースター角あるいはそれに近い角度で向けられている、請求項２１または請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの第１レーザービームは偏光されている、請求項２１から２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも一つの第２レーザービームは繰返し率が１ｋＨｚ以上である、請求項２１から２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの第２レーザービームは、エキシマレーザー、ダイオード励起の固体レーザー、Ｑスイッチレーザー、および周波数変換レーザーのうちの一つを用いて生成される、請求項２１から２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも一つの第２レーザービームは、２０Ｗから５００Ｗの出力で提供される、請求項２１から２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記走査は、二つの第１レーザービームと一つの第２レーザービームとで実施される、請求項２１から２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも一つの第１レーザービームおよび前記少なくとも一つの第２レーザービームは、前記パターン付き表面の近傍のガス状ドーパントプレカーサを伴って走査を行う、請求項２１から２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
前記パターン付き表面において、前記少なくとも一つの第１レーザービームで少なくとも一つの非溶融ラインイメージが形成されるとともに、前記少なくとも一つの第２レーザービームで少なくとも一つの溶融ラインイメージが形成され、
前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージおよび前記少なくとも一つの溶融ラインイメージの一方が前記パターン付き表面における領域の寸法に対応した長さを有している、請求項２１から２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも一つの非溶融ラインイメージおよび前記少なくとも一つの溶融ラインイメージは、前記パターン付き表面上における複数のＩＣチップの隙間において互いに重なるようにして走査をする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
吸収層および反射防止層の内、少なくとも一方が前記パターン付き表面上に配設されている請求項２１から３１のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
前記パターン付き表面は、前記少なくとも一つの第１レーザービームおよび前記少なくとも一つの第２レーザービームの内、少なくとも一方を調整することによって調整されるドーパントプロファイルを有している、請求項２１から３２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、半導体製造において集積回路を形成する際に用いられるアニーリングに関し、とりわけ、集積回路の形成においてパターン密度効果を低減させる超高速レーザーアニーリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のナノ秒パルスレーザー溶融アニーリング（従来の溶融レーザーアニーリング）は、高度な集積回路（ＩＣ）チップ製造に理想的な、超低熱量、高ドーパント活性、および極めて高いステップ接合を有するといわれている。しかしながら、実際には、ＩＣチップの光学的および熱的な特性の空間変動に起因する温度不均一性により、このタイプのアニーリングを回路パターン付きウエハに適用して実施するのは難しい。この温度不均一性は、当技術分野において「パターン密度効果」と呼ばれる。
【０００３】
吸収層あるいは位相スイッチ層を用いることによってパターン密度効果を軽減することができる。この吸収層は、光学的吸収均一性を大いに向上させることができるが、不均一な熱的特性によるパターン密度効果によって、プロセスウィンドウは依然として制限される。とりわけ、ナノ秒パルス持続時間に関係する短い熱拡散長さ（〜１μｍ）は、製造中のＩＣチップの材料特性における空間変動を平均化するのに十分ではない。
【０００４】
例えば、図１には、回路パターン付き基板表面１２を支持する表面１１を有するシリコン基板（ウエハ）１０の一部の概略断面が示されており、当該パターン付き表面には、従来の溶融レーザーアニーリングが施されている。パターン付き基板表面１２は、基板表面１１に形成された第１のポリゲートＧ１、および基板表面１１に形成されたフィールド酸化膜領域１６の表面に形成された第２のポリゲートＧ２を有している。これら２つのポリゲートＧ１およびＧ２を覆う吸収キャップ層２０が形成されている。従来のレーザーアニーリングビーム３０は、矢印３１の方向にウエハ１０を走査するとともに、２つのポリゲートＧ１およびＧ２を加熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，９０８，３０７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，８８８，８８８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，８４９，０４３号明細書
【特許文献４】米国特許第５，３１６，９６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図２は、従来の溶融レーザーアニーリング処理のコンピュータシミュレーションによって算出された、回路パターン付きウエハ表面１２のポリゲートＧ１およびＧ２における最大表面温度ＴSM（Ｋ）の棒グラフである。図２によれば、キャップされたポリゲートＧ２は、その下側に設けられた熱伝導率の低いフィールド酸化膜領域１６のために、シリコンウエハに直接的に設けられたポリゲートＧ１と比較して、過度に熱せられていることが解る。図２の棒グラフは、パターン密度効果に起因する過熱が従来の溶融レーザーアニーリング処理よりも２００℃以上高いことを示している。位置スイッチ層を設けることにより、過熱領域において光の吸収の自己調節が働き、パターン密度効果の有る程度の軽減が可能となる。しかしながら、このような位相スイッチ層の使用は、実質的に、プロセスの煩雑さを招くとともに、コストアップの要因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面は、回路パターンが付された表面および或る溶融温度を有する半導体基板のアニーリング方法である。この方法では、少なくとも一つの第１レーザービームで当該パターン付き表面を走査し、この少なくとも一つの第１レーザービームで、パターン付き表面を当該溶融温度から約４００℃低い温度以内の非溶融温度Ｔnonmeltまで加熱する。さらにこの方法では、少なくとも一つの第２レーザービームでパターン付き表面を走査する工程を有している。少なくとも一つの第２レーザービームは、パルス状で、かつ、非溶融温度から溶融温度までパターン付き表面を加熱するようになっている。
【０００８】
本発明の他の側面は、パターン付き表面および或る溶融温度を有する半導体基板のレーザーアニーリングを行うシステムである。当該システムは、少なくとも一つの第１レーザービームを生成するとともに、この少なくとも一つの第１レーザービームでパターン付き表面の走査を行うものである。少なくとも一つの第１レーザービームは、溶融温度から約４００℃以内にある非溶融温度Ｔnonmeltまでパターン付き表面を加熱する。また、このシステムは、少なくとも一つの第２レーザービームを生成するとともに、第１レーザービームと関連して、この少なくとも一つの第２レーザービームで走査を行うものである。少なくとも一つの第２レーザービームは、パルス状（すなわち、光パルスから成っている）であり、かつ、非溶融温度から溶融温度までパターン付き表面を加熱するようになっている。
【０００９】
本発明のさらに別の側面は、パターン付き表面を有する半導体基板のレーザーアニーリング方法である。この方法は、パターン付き表面の許容できる温度ムラΔＴを選択する工程を含んでいる。この方法は、さらに、下記の関係による、最小非溶融温度Ｔnonmeltを決定する工程を含んでいる。
【数１】
0005602787.tif 000002
ここで、ΔＴmeltは、従来の１本のビームによる溶融レーザーアニーリングを用いた場合に生じるであろうパターン密度効果に起因するパターン付き表面温度ムラであり、Ｔmeltは、基板の溶融温度である。また、Ｔsubは、当初の基板表面温度である。この方法は、さらに、少なくとも一つの第１レーザービームで走査を行い、最小非溶融温度Ｔnonmeltおよび溶融温度よりも約５０℃低い温度から溶融温度までパターン付き表面を加熱するレーザーアニーリングを実施する工程を含んでいる。また、第１レーザービームと関連して、少なくとも一つの第２レーザービームで走査を行い、基板溶融温度Ｔmeltまでパターン付き表面を加熱する。
【００１０】
本発明の付加的な特徴および長所は、後述する詳細な説明に明記されている。また、それらの一部は、詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された実施形態を実施することによって認識される。
【００１１】
上記の背景技術に関する記載および下記の本発明の詳細な説明に関する記載は、特許請求の範囲に記載されているように、本発明の本質および特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施形態を図示するものであり、本明細書の記載とともに、本発明の原則および実施を説明する一助となる。特許請求の範囲は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、ＩＣチップの形成プロセスにおける、シリコンウエハの例の概略断面図であり、当該ウエハのアニーリングには、従来の溶融レーザーアニーリングが用いられている。
【図２】図２は、図１に示すシリコンウエハの第１ポリゲートＧ１および第２ポリゲートＧ２における最大表面温度ＴSM（Ｋ）を示す棒グラフである。図２によれば、キャップされたポリゲートＧ２は、その下側に設けられた熱伝導率の低いフィールド酸化膜領域１６のために、シリコンウエハに直接的に設けられたポリゲートＧ１と比較して、過度に熱せられていることが解る。
【図３】図３は、本発明が適用された超高速レーザーアニーリングシステムの例を示す概略フローである。
【図４Ａ】図４Ａは、ウエハ表面に形成された、理想的な溶融および非溶融ラインイメージの構成例を示す概略平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、溶融および非溶融ラインイメージの長さ方向の断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、溶融および非溶融ラインイメージの幅方向の断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、ウエハの一例の平面図であり、ウエハ表面におけるＩＣチップアレイが形成された領域Ｒ、および一例の当該ＩＣチップをカバーできる程度の寸法に設定され、複数のＩＣチップ間のギャップ内でスティッチングを行う溶融・非溶融ラインイメージが示された拡大差込図を含んでいる。
【図５】図５は、非溶融レーザービームによる走査における、ウエハ表面温度プロファイルの温度カーブＴＣ１の温度Ｔ（Ｋ）と位置（ｍｍ）との関係を示すグラフである。また、ウエハ表面を走査する非溶融ラインイメージ強度プロファイル（１７０Ｐ）との適切な空間的関係も示されている。
【図６Ａ】図６Ａは、図１と同様の図であるが、１本の非溶融レーザービームおよび１本の溶融レーザービームによる、本発明にかかる超高速レーザーアニーリングプロセスを示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図１と同様の図であるが、２本の非溶融レーザービームおよび１本の溶融レーザービームによる、本発明にかかる超高速レーザーアニーリングプロセスを示している。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図１と同様の図であるが、反射防止層を用いた、本発明にかかる超高速レーザーアニーリングプロセスを示している。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図１と同様の図であるが、任意の介在媒体を用いない、本発明にかかる超高速レーザーアニーリングプロセスを示している。
【図７】図７は、ウエハ表面上における位置（ミクロン）の関数としての温度Ｔ（Ｋ）のグラフであり、また、走査方向に沿った非溶融レーザーによる典型的なウエハ表面温度プロファイルを示している。
【図８Ａ】図８Ａは、温度Ｔ（Ｋ）と時間（ｍｓ）との関係を示すグラフである。このグラフは、一例として図６Ａに示すような１本の非溶融レーザービームおよび１本の溶融レーザービームを用いた超高速レーザーアニーリングを実施したときの、ウエハ表面上のある点における経時的なウエハ表面温度プロファイルを示している。
【図８Ｂ】図８Ｂは、温度Ｔ（Ｋ）と深さとの関係を示すグラフである。このグラフは、一例として図６Ａに示すような１本の非溶融レーザービームおよび１本の溶融レーザービームを用いた超高速レーザーアニーリングを実施したときの、ウエハ表面上のある点における各深さにおけるウエハ表面温度プロファイルを示している。
【図９】図９は、本発明にかかる超高速レーザーアニーリングを実施したときの、一例としての理想的なウエハ表面温度プロファイルを示す。
【図１０】図１０は、ウエハ表面温度ＴS（Ｋ）と時間（ｍｓ）との関係を示すグラフであり、図６Ｂに示すような２本の非溶融レーザービームおよび１本の溶融レーザービームシステムを用いたレーザーアニーリング方法の時間発展の例を示している。
【図１１】図１１は、図２と同様の棒グラフであり、本発明の超高速レーザーアニーリングシステムおよび方法が、どのようにして、従来の溶融レーザーアニーリング（図２参照）と比較して、２つのポリゲートＧ１およびＧ２間におけるより小さな温度差によってパターン密度効果を低減するかを示している。
【図１２】図１２は、３０ｎｍの非結晶化接合部を有するシリコンウエハに適用された、本発明にかかる超高速レーザーアニーリング方法における溶融深さ（ｎｍ）と正規化したレーザー流束量との関係を示すグラフであり、超高速レーザーアニーリングが施された、より大きなプロセスウィンドウＰＷ２（点線矢印）と、従来の溶融レーザーアニーリングが施された従来の溶融レーザーアニーリングプロセスウィンドウＰＷ１（実線矢印）との関係を示している。
【図１３】図１３は、図１の超高速レーザーアニーリングシステムの一部を示す概略側面図であり、超高速レーザーアニーリングをガス浸漬レーザードーピング（ＧＩＬＤ）に適用した例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで、本発明の様々な実施形態を詳細に参照する。実施形態の一例を図面に示す。図中、同一または同様の部分を参照する際、可能な限り同一または同様の参照番号及び符号を使用する。図面には決まった縮尺が無く、当業者であれば、これら図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。いくつかの図面において、参考のために直交座標系が描かれているが、これは特定の方向および当該システムや方法の配置方向を限定するものではない。特許請求の範囲に記載された内容は、本明細書に組み込まれて援用される。
【００１４】
「半導体基板」および「ウエハ」の語は、互いに同じ意味であり、互いに入れ替えて使用可能に用いられている。同様に、「基板表面」および「ウエハ表面」の語も、互いに同じ意味であり、互いに入れ替えて使用可能である。さらに、「半導体基板表面」の語は、「基板表面」と短縮される。集積回路デバイスの製造等に用いられる「半導体ウエハ」の語は、「ウエハ」と短縮される。「ウエハ」の典型例は、シリコンウエハである。明細書および図面にて使用される「Ｋ」の文字は、「度ケルビン」の意味である。
【００１５】
図３は、本発明が適用された超高速レーザーアニーリングシステム（以下、単に「システム」という）１００の一例を示す概略図である。システム１００は、チャック上面１３２を有するチャック１３０を使用可能に支持するウエハステージ１２０を有している。ウエハステージ１２０は、Ｘ−Ｙ平面で可動する（Ｚ方向を加えてもよい）。チャック上面１３２は、回路パターン付きウエハ表面１２（以下、「ウエハ表面１２」または「基板表面１２」という）が形成された平面１１を有するウエハ１０を使用可能に支持する。ウエハ表面１２の例を図４Ｄ、図６Ａから図６Ｄに示す。ここで、ウエハ表面１２は、ＩＣチップの製造に用いられる様々なステージに合わせて、単なる平坦な平面１１に限らず、任意の形状をとり得る。
【００１６】
一例において、ウエハ１０をプレヒートするために、チャック１３が加熱される。ウエハステージ１２０は、ウエハステージコントローラ１２４に使用可能に接続されており、チャック１３０は、チャックコントローラ１３４に使用可能に接続されている。
【００１７】
システム１００は、ウエハ表面温度ＴSを上げるウエハ表面１２のプレヒートに使用される少なくとも１つの第１レーザービーム１６８を生じさせる第１レーザーシステム１５０を備えている。ウエハ表面温度ＴSは、一例として、ウエハ溶融温度Ｔmeltよりも約５０℃低い温度から、ウエハ溶融温度Ｔmeltよりも約４００℃低い温度までの範囲である。したがって、以下において、第１レーザーシステム１５０は、非溶融レーザーシステム１５０であり、また、少なくとも１つの第１レーザービームは、少なくとも１つの非溶融レーザービーム１６８である。
【００１８】
非溶融レーザーシステム１５０は、非溶融レーザー１６０と、第１光学軸Ａ１を規定する非溶融光学システム１６６とを有している。この非溶融レーザー１６０は、ダイオードレーザー、あるいは、Ｐ極偏向した１０．６ミクロンのＣＯ2レーザーの連続波（ＣＷ）といった、ＣＯ2レーザーを含む。軸Ａ１は、非溶融レーザービーム１６８がウエハ表面１２に対してほぼ垂直の入射角θ１あるいは大きな斜めの入射角θ１となるように方向が規定される。実施例において、第１光学軸Ａ１は、ウエハ表面１２のブルースター角（偏光角）と実質的に等しい角度θ１を有しており、前述の、不均一な光学的吸収によるパターン密度効果が軽減あるいは極小化される。
【００１９】
非溶融光学システム１６６は、最初の非溶融レーザービーム１６２を受け入れるとともに、当該ビーム１６２から非溶融レーザービーム１６８を形成する。非溶融レーザービーム１６８は、第１（非溶融）光学軸Ａ１に沿って進み、ウエハ表面１２に第１（非溶融）ラインイメージ１７０を形成する。
【００２０】
図４Ａは、ウエハ表面１２上に形成された理想的な非溶融ラインイメージ１７０の一例についての概略平面図である。図４Ｂおよび図４Ｃは、非溶融ラインイメージ１７０を形成する非溶融レーザービームの一例の強度プロファイル１７０Ｐの概略グラフであり、図４ＢはＹ方向、図４ＣはＸ方向に取り込んだものである。非溶融レーザービームの強度プロファイル１７０Ｐは、ウエハ表面１２における非溶融レーザービーム１６８のそれに対応するとともに、例えばある程度の閾強度ＩTHよりも大きな強度によって非溶融ラインイメージ１７０を決定する。非溶融ラインイメージ１７０は、走査方向（すなわち、Ｘ方向）に直交する長手方向（すなわち、Ｙ方向）のセンターラインあるいは軸Ｃ１を有している。非溶融ラインイメージ１７０は、図４Ａにおいて大きな矢印で示されるように、速度ＶSでＸ方向に走査される。
【００２１】
典型的な非溶融レーザービーム１６８は、当該走査方向においてガウス強度プロファイルを有しており、また、長手方向（走査方向に交差する方向）において相対的に平らなプロファイルを有している。非溶融レーザービーム１６８（非溶融ラインイメージ１７０）のビーム幅Ｗ１（上記ガウスプロファイルにおける最大値の半分の幅（ＦＷＨＭ）が最大幅として決定されている）の一例は、約０．０５ｍｍから約２ｍｍの範囲にある。非溶融レーザービーム１６８（つまり非溶融ラインイメージ１７０）の一例のビーム長さＬ１は、典型的には、約５ｍｍから約２０ｍｍの範囲にある。一例において、非溶融レーザービーム１６８およびこれに対応する非溶融ラインイメージ１７０の走査には、約３０ミクロンから約５００ミクロンの範囲の、ウエハ１０に関連する熱拡散長さ（深さ）がある。
【００２２】
図３を再び参照するに、システム１００は、少なくとも１つの第２レーザービーム２６８を生成する第２レーザーシステム２５０を有している。この少なくとも１つの第２レーザービーム２６８は、ウエハ表面１０における、非溶融レーザービーム１６８が照射されることによって（また加熱されたチャック１３０を用いても良い）プレヒートされる部分にさらに熱を加えて局所的なウエハ表面温度ＴSをウエハ溶融温度Ｔmeltまで上げるのに用いられる。これにより、ウエハ表面１２は局所的に溶融する。したがって、以下では、第２レーザーシステム２５０を、溶融レーザーシステム２５０という。また、少なくとも１つの第２レーザービーム２６８を、少なくとも１つの溶融レーザービーム２６８という。
【００２３】
一例において、溶融レーザーシステム２５０は、一連の溶融光パルス２６２Ｐを含む最初の溶融レーザービーム２６２を生成する溶融レーザー２６０を有している。溶融レーザーシステム２５０は、さらに、第２（溶融）光学軸Ａ２に沿って溶融レーザー２６０との関係で使用可能に配置された溶融光学システム２６６を有している。溶融光学システム２６６の一例は、ビーム整形光学システム２６６Ａ、折り返しミラーＦＭ、調整可能なアパーチャー２６７、および投影光学システム２６６Ｂを有している。溶融光学システム２６６は、溶融レーザー２６０からの最初の溶融パルスレーザービーム２６２を受けるとともに、当該レーザービーム２６２から溶融レーザービーム２６８（光パルス２６８Ｐを含む）を生成する。溶融レーザービーム２６８は、前述のように、ウエハ表面の局所を溶融させるため、非溶融ラインイメージ１７０との関係で、ウエハ表面１２において第２（溶融）ラインイメージ２７０を形成する。実施例では、図３に示すように、第２（溶融）光学軸Ａ２は、実質的にウエハ表面１２に対して垂直の入射角度θ２を有しているが、第２光学軸Ａ２の入射角度θ２は、どのような値であってもよい（入射角度θ２は、図６Ａを参照のこと）。
【００２４】
図４Ａは、非溶融ラインイメージ１７０に相対してウエハ表面１２上に形成された理想溶融ラインイメージ２７０の一例についての概略平面図を含んでいる。図４Ｂおよび図４Ｃは、溶融レーザービーム２６８の一例の強度プロファイル２７０ＰをＸ方向およびＹ方向に切り取った断面グラフを含んでいる。強度プロファイルは、例えば閾強度ＩTHよりも大きな強度によって、溶融ラインイメージ２７０を形成する。溶融ラインイメージ２７０は、Ｙ方向の長さＬ２と、Ｘ方向の幅Ｗ２とを有している。
【００２５】
図４Ｄは、ウエハ表面１２の領域Ｒの一例を示す拡大差込図を含む、ウエハ１０の一例についての平面図である。領域Ｒは、隙間１７によって離間配置された多数のＩＣチップ１５を含んでいる。この隙間１７は、例えば、ひき目を入れた領域でもよいし、ＩＣチップを切り出す際のけがき線を構成する領域であってもよい。一例において、溶融ラインイメージ２７０の長さＬ２は、非溶融ラインイメージ１７０および溶融ラインイメージ２７０による互いに隣り合う走査ＳＣ１およびＳＣ２の接触が隙間１７内で生じるように、レーザーアニールされる具体的な集積回路（ＩＣ）チップ１５と同じか数倍にすることができる。図４Ｄにおける点線ＤＬは、隣り合う走査ＳＣ１およびＳＣ２が触れ合う位置を示している。
【００２６】
一例において、少なくとも一つの非溶融ラインイメージの長さＬ１および溶融ラインイメージの長さＬ２は、ウエハ表面１２上の、ＩＣチップ１５によって決定される選択領域Ｒに溶融処理を限定するように設定される。溶融光パルス２６８Ｐのタイミングを制御することにより、走査方向における選択的な溶融を行うことができる。ＩＣチップ１５とは、現に製造プロセス中のチップであってもよく、ＩＣチップに仕上げられている必要はない。換言すれば、ＩＣチップ１５は、完成されたＩＣチップが形成される部分を含む意味である。
【００２７】
走査方向に沿った強度プロファイル２７０Ｐは、平坦な形状あるいは湾曲した形状（例えばガウス分布）のいずれであってもよい。一例において、溶融ラインイメージ２７０の幅Ｗ２は、強度プロファイル２７０Ｐの直交座標のＹ方向にけるＦＷＨＭによって決定される。平らな溶融レーザーの典型的な幅Ｗ２は、１０ミクロンから５００ミクロンの範囲にある。一例において、溶融ラインイメージ２７０の長さＬ２は、実質的に非溶融ラインイメージ１７０の長さＬ１と同じである。溶融ラインイメージ２７０の平らな強度プロファイル２７０Ｐの方が一般にエネルギー効率が良いと考えられる。
【００２８】
図５は、温度Ｔ（Ｋ）と位置（ｍｍ）との関係を示すグラフであり、非溶融レーザービーム１６８の走査およびウエハ表面１２上の対応する非溶融ラインイメージ１７０によって形成されたウエハ表面温度プロファイルの一例の温度カーブＴＣ１を示している。非溶融レーザービーム強度プロファイル１７０Ｐが適切な位置関係で同グラフ上に重ね合わされている。このグラフは、非溶融レーザービーム強度プロファイル１７０Ｐの最大強度ＩＭＡＸNMの位置と、ピーク温度線としての軸ＰＴＬで示される最大表面温度ＴSMの位置との間に、位置的な差Δｘがあることを示している。この位置的な差Δｘを「ポジショナルラグ」という。なお、走査方向は、Ｘ方向である。
【００２９】
図５に示すように、ウエハ表面温度の均一性は良好である。溶融ラインイメージ２７０のセンターラインあるいは軸Ｃ２は、実質的に、非溶融加熱に関連するピーク温度ライン（軸）ＰＴＬに沿って設定されている。ポジショナルラグΔｘは、ステージ速度ＶSおよび非溶融レーザービーム１６８の幅Ｗ１に依存して、走査方向における数ミクロンから数百ミクロンの範囲をとることができる。
【００３０】
図６Ａは、図１と同様の図であるが、図６Ａは、超高速レーザーアニーリング処理が１つの非溶融レーザービーム１６８と１つの溶融レーザービーム２６８とを用いて実施される例を示している。ウエハ表面１２への法線は、破線Ｎで示されている。溶融レーザービーム２６８の入射角θ２は、（図示の通り）ほぼ直角、あるいはやや傾いている。もし、ほぼ直角（すなわち、直角から３０°以内）であれば、円偏光した溶融レーザー２６０を使用して、前述のパターン密度効果を軽減あるいは極小化することができる。ある種の高度な集積回路の製造に際し、回路パターンを形成する線は、一般的に、レーザー波長よりも十分に小さく、また、当該線は、一方向を指向している。この場合において、Ｐ偏光した溶融レーザービーム２６８は、相対的に大きな入射角θ２（例えば、５０°から７５°の範囲）で使用することができる。結果として、入射面は、パターン線に対して直交する。一例において、非溶融レーザービーム１６８の入射角θ１は、一般的に、０°（垂直入射）から９０°までのいずれでもよい。前述のブルースター角を選択するのが好適である。
【００３１】
図６Ｂは、図６Ａと同様の図であり、２本の非溶融レーザービーム１６８を利用する超高速アニーリング方法の一例を示している。このケースにおいて、１本の非溶融レーザービーム１６８は、ウエハ表面１２を中間温度まで加熱するのに使用され、他の非溶融レーザービームは、当該表面の温度をウエハ溶融温度Ｔmeltの近くまで上げるのに使用される。この方法によれば、超高速アニーリングプロセスの最適化について、さらなる柔軟性を与えることができる。
【００３２】
溶融レーザー２６０に関して、光結合効率を向上させ、さらに、パターン密度効果をより軽減させるため、図６Ｃには、誘電性反射防止層２１をウエハ表面１２上に積層して、浅い溝状の絶縁領域における過熱を防止しつつ、むき出しのシリコン領域における出力溶融レーザービーム２６８の吸収を向上させる例が示されている。
【００３３】
本発明にかかる超高速レーザーアニーリングシステムおよび方法は、パターン密度効果を軽減する現在の他の技術と組み合わせて実施することができる。現在の技術には、例えば、吸収キャップ層２０（半透明あるいは不透明のもの。図６Ａおよび図６Ｂを参照）を使用すること、あるいは、反射防止層（図６Ｃ）を使用して加熱の均一性をさらに向上させること（図６Ａおよび図６Ｂ）が挙げられる。あるいは、図６Ｄに示すように、本発明にかかる超高速レーザーアニーリングシステムおよび方法を、追加的な技術あるいは介在媒体なしに、ウエハ表面１２に直接的に適用してもよい。
【００３４】
溶融レーザービーム２６８の波長の選択は、レーザーアニーリングを具体的に何に対して適用するかによる。高度なトランジスタ製造に用いられる超浅接合形成において、溶融深さは、典型的には、数ナノメーターから数十ナノメーターの範囲になる。このため、ウエハ１０への貫通深さを制限するために、光学的吸収効率の高い短波長溶融レーザー２６０を用いてもよい。溶融レーザー２６０に用いられるレーザーの例として、エキシマレーザー（例えば、３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー）および５３２ｎｍの固体レーザーを挙げることができる。比較的深い溶融が必要なレーザーアニーリングには、実質的に光学的貫通深さを有するＩＲレーザー（１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー、あるいはＣＯ2レーザー等）を溶融レーザー２６０として使用できる。
【００３５】
一例において、溶融レーザー２６０の繰返し率は、溶融レーザーラインイメージ２７０の走査方向幅Ｗ１でステージ走査速度を除した値よりも大きい。これにより、走査されたウエハ表面１２上の各点が溶融レーザー２６０からの少なくとも１本の溶融光パルス２６８Ｐを確実に受けるようにすることができる（すなわち、隣合う溶融ラインイメージ２７０が少なくとも互いに触れ合うことになる。）。溶融レーザー２６０の繰返し率は、一例として１ｋＨｚ以上であり、他の例としては、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲を挙げることができる。一例において、溶融レーザービーム２６８におけるパルス２６８Ｐの時間幅ΔｔMは、約５ｎｓから約１μｓの範囲にある（図３参照）。ウエハステージ１２０の速度の一例は、１０ｍｍ／ｓから１０００ｍｍ／ｓの範囲にあり、溶融ラインイメージ２７０の典型的な幅Ｗ２は、約１００ミクロンである。一例において、溶融レーザー２６０は、２０Ｗから５００Ｗの範囲の出力を有する溶融レーザービーム２６８を生成する。
【００３６】
図３を再び参照するに、システム１００は、ウエハ表面温度を測定するとともに、測定されたウエハ表面温度ＴSの代表値としての温度信号ＳＴを生成するパイロメータ２８０をさらに備えることができる。
【００３７】
システム１００は、さらに、ウエハステージコントローラ１２４に電気的に接続されたシステムコントローラ３００と、チャックコントローラ１３４と、非溶融レーザー１６０と、溶融レーザー２６０と、調整可能なアパーチャー２６７と、パイロメータ２８０とを備えている。一例において、システムコントローラ３００は、当該コントローラにシステム１００における様々なコンポーネントを操作させるために（例えば、コンピュータ等の機器が判読可能な媒体に記録されたソフトウェアのような命令群によって）適用されるコンピュータ等の機器を有している。システムコントローラ３００は、プロセッサユニット（プロセッサ）３０２およびメモリユニット（メモリ）３０４を有している。一例にかかるコントローラ３００は、プロセッサを含むコンピュータであり、または当該コンピュータを含み、マイクロソフト社のウィンドウズ（登録商標）あるいはリナックス（登録商標）といったオペレーションシステムを含む。
【００３８】
実施例において、プロセッサ３０２は、一連のソフトウェア命令を実行可能な任意のプロセッサあるいはデバイス、あるいはこれらを有するものであり、特段の制限はなく、汎用あるいは特定用途向けのマイクロプロセッサ、有限状態機械、コントローラ、コンピュータ、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、あるいはデジタル・シグナル・プロセッサを用いることができる。実施例において、当該プロセッサは、インテル社のＸｅｏｎあるいはＰＥＮＴＩＵＭ（登録商標）プロセッサ、ＡＭＤ社のＴＵＲＩＯＮ（登録商標）、あるいはＡＭＤ社、インテル社、そのほかの半導体プロセッサメーカ製のプロセッサを用いることができる。
【００３９】
メモリ３０４は、プロセッサ３０２に使用可能に接続されている。ここで、「メモリ」の語は、プロセッサが判読可能なすべての媒体を意味しており、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等を含む（これらに限定されるものではない）、プロセッサ３０２によって実行される一連の命令が記憶されるものである。実施例において、システムコントローラ３００は、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＥ、メモリースティック他の記憶媒体といった、取り外し可能かつプロセッサが判読可能な媒体３０８を収容するために適用されたディスクドライブ３０６を含んでいる。
【００４０】
本発明にかかるアニーリング方法をシステム１００の運転制御によってシステムコントローラ３００に実行させるための、機械的に判読可能な命令（例えば、コンピュータプログラムおよび／またはソフトウェアモジュール等）が記憶された機械判読可能な媒体（例えば、メモリ３０２）において、本発明にかかる超高速レーザーアニーリング方法の様々な実施例を実行させてもよい。実施例において、コンピュータプログラムは、メモリ３０４の外のプロセッサ３０２上で実行される。
【００４１】
コンピュータプログラムおよび／またはソフトウェアモジュールは、本発明にかかる様々な方法を実施するとともに、システム１００における様々なコンポーネントの運転および機能を制御する複数のモジュールあるいはオブジェクトを備えることができる。当該コードに用いられるコンピュータプログラミング言語の種類は、手続き型言語からオブジェクト指向言語までの様々な言語を使用することができる。各ファイルあるいはオブジェクトは、各モジュールあるいは方法のステップと一対一に対応する必要はない。さらに、方法および装置は、ソフトウェア、ハードウェア、およびファームウェアを組み合わせたものであってもよい。本発明にかかる様々な実施例を実行するため、ファームウェアがプロセッサ３０２にダウンロードされ得る。
【００４２】
システムの運転
システム１００の運転の例において、システムコントローラ３００が第１の制御信号Ｓ１を非溶融レーザー１６０に送信すると、これに応答して、非溶融レーザー１６０は、最初の非溶融レーザービーム１６２を生成する。この最初の非溶融レーザービーム１６２は、非溶融光学システム１６６に受け入れられ、ここで非溶融レーザービーム１６８が形成される。非溶融レーザービーム１６８は、第１光学軸Ａ１に沿って進み、ウエハ表面１２において非溶融ラインイメージ１７０を形成する。
【００４３】
さらに、システムコントローラ３００が第２の制御信号Ｓ２を溶融レーザー２６０に送信すると、これに応答して、溶融レーザー２６０は、最初の溶融レーザービーム２６２を生成する。この最初の溶融レーザービーム２６２は、溶融光学システム２６６に受け入れられ、ここで、非溶融ラインイメージ１７０との関係で溶融ラインイメージ２７０を形成し、前述の、ウエハ表面を局所的に溶融する出力溶融パルスレーザービーム２６８が形成される。
【００４４】
さらに、システムコントローラ３００は、非溶融ラインイメージ１７０および溶融ラインイメージ２７０に応じてウエハ１０を動かす（走査する）ウエハステージコントローラ１２４に第３の制御信号Ｓ３を送信する。チャック１３０がウエハのプレヒートを行う実施例において、システムコントローラ３００は、制御信号Ｓ４をチャックコントローラ１３４に送信し、ウエハのプレヒート処理を開始させるようにしてもよい。一例において、システムコントローラ３００は、さらに、パイロメータ２８０から温度信号ＳＴを受け入れるとともに、この温度信号を、非溶融レーザービーム１６８および溶融レーザービーム２６８の一方あるいは両方の強度を制御するために使用する。システムコントローラ３００は、さらに、第５の制御信号Ｓ５を調整可能なアパーチャー２６７に送信し、溶融ラインイメージ２７０の長さＬ２および幅Ｗ２を設定してもよい。
【００４５】
非溶融ラインイメージ１７０の滞留時間ｔDは、ラインイメージの幅Ｗ１と走査速度ＶSとの比で与えられる。一例において、この滞留時間ｔDは、１００マイクロ秒（μｓ）≦ｔD≦２０ミリ秒（ｍｓ）の範囲にある。非溶融ラインイメージ１７０による均一なプレヒーティングを実施するため、一例において、連続する２本の溶融光パルス２６８Ｐの間の走行距離は、非溶融レーザービーム１６８に加熱された実質的に均一な温度領域よりも小さい。
【００４６】
図７は、ウエハ表面１２上における位置の関数としてのウエハ表面温度ＴS（Ｋ）のグラフであり、非溶融レーザービーム１６８による走査方向に沿った、典型的なウエハ表面温度プロファイルを示している。非溶融加熱による実質的に均一な部分は「ｕ」で示されており、また、同部分は、予め規定された非均一性の許容値εよりも温度ロールオフが小さい最大表面温度ＴSMの近傍領域である。一例として、ε＝１０℃の場合において、ｕの値は、概略、非溶融レーザービーム幅Ｗ１の２０％以下である。
【００４７】
図８Ａは、ウエハ表面温度ＴS（Ｋ）と時間（ｍｓ）との関係を示すグラフであり、図８Ｂは、温度ＴS（Ｋ）と深さとの関係を示すグラフである。図８Ａにおいて、温度プロファイルの非溶融部分は、非溶融最大温度Ｔnonmeltでピークとなる破線で示されている。図８Ｂにおいて、溶融部分は実線で示されており、非溶融部分は破線で示されている。
【００４８】
図８Ａおよび図８Ｂの２つのグラフは、本発明にかかる超高速レーザーアニーリング方法の一例が適用されるウエハ表面１２上の一点における、シミュレーションによる、時間および深さに関するウエハ表面温度プロファイルを示している。実施例において、非溶融レーザー１６０は、滞留時間ｔDが０．８ｍｓのＣＯ2レーザーである。非溶融ラインイメージ１７０でウエハ表面１２を走査することによって生じた最大ウエハ表面温度ＴSMは、１５００Ｋ（１２２７℃）であった。溶融レーザー２６０は、パルス持続時間ΔｔMが３０ｎｓの溶融光パルス２６８Ｐを生成する。当該溶融レーザービーム２６８は、流束量が７５ｍＪ／ｃｍ2であり、波長が５３２ｎｍである。図８Ａの差込図は、溶融レーザービーム２６８に関する、より詳細な溶融温度プロファイルを示す。この温度プロファイルは、グラフ全体において、ピークが約１６８５Ｋ（すなわち、約１４１２℃）の温度突出部として示されている。
【００４９】
図９は、時間ｔ（任意の単位）の関数としてのウエハ表面温度ＴS（Ｋ）の例を示すグラフであり、図６Ａに示されるような超高速レーザーアニーリング方法の一例における、理想的なウエハ表面温度プロファイルを示している。図１０は、ウエハ表面温度ＴS（Ｋ）と時間（ｍｓ）との関係を示すグラフであり、２本の非溶融レーザービーム構成を用いた場合における、ウエハ表面１２におけるアニーリング温度ＴSの時間発展を示している。ウエハ１０の非溶融プレヒート温度は、パイロメータ２８０を用いてウエハ表面１２上の被加熱スポットからの熱放射を監視するとともに、温度信号ＳＴをシステムコントローラ３００にフィードバックすることによって一定に維持される。溶融加熱による熱放射が非溶融レーザービーム１６８の制御を妨げないように、溶融光パルス２６８Ｐに起因する複数のＴmeltピーク（図９を参照）同士の間で非溶融フィードバック制御のためのデータサンプリングを実施する。Ｔmeltピーク（図９を参照）同士の間の期間Ｐは、溶融光パルス２６８Ｐの繰返し率の逆数で表すことができる。
【００５０】
向上した表面温度均一性
本発明にかかる超高速レーザーアニーリングシステムおよび方法の利点は、前述したパターン密度効果の不利益を軽減することによってウエハ表面１２の温度均一性を向上させる点にある。第１に、レーザーアニーリング処理の実施に関係する温度変動（すなわち、非均一性）ΔＴは、下記の数式によって見積もることができる。
【数２】
0005602787.tif 000003
ここで、ΔＴmeltは、従来の、非溶融プレヒート無しの溶融アニーリングによるパターン密度効果に起因する温度変動を示し、ΔＴnonmeltは、非溶融アニーリングによるパターン密度効果に起因する温度変動を示し、Ｔsubは、最初のウエハ表面温度（加熱チャック１３０の使用により上昇することになる）を示し、Ｔnonmeltは、非溶融レーザービーム１６８によるピークアニーリング温度であり、Ｔmeltは、溶融レーザービーム２６８によるピークアニーリング温度である。
【００５１】
通常、熱拡散長さの桁が違うこと、さらに、入射角θ１のブルースター角で運用するＣＯ2レーザー（例えば、１０．６ミクロン）のような長波長非溶融レーザー１６０を使用することにより、ΔＴnonmeltはΔＴmeltよりも十分に小さい。前者は、不均一な熱特性によるパターン密度効果を低減する一方で、後者は、光学的吸収の非均一性によるパターン密度効果を低減する。結果として、ΔＴに関する上記の式は、下記のようになる。
【数３】
0005602787.tif 000004
【００５２】
非溶融温度Ｔnonmeltが溶融温度Ｔmeltの近くまで上昇すると、すべてのパターン密度効果は、著しく減少することになる。実際、最大非溶融温度Ｔnonmeltは、スリップ発生や酸化膜欠陥といった特定の半導体プロセスによって制限される。シリコン基板１０の場合、Ｔmeltは１４１２℃であり、Ｔnonmeltは１０００から１３５０℃の範囲にある。このため、Ｔsubを４００℃と推定すると、下記の通りになる。
【数４】
0005602787.tif 000005
【００５３】
上記数式を使用することにより、特定の半導体プロセスにおける許容温度変化量（不均一性）ΔＴを得るために必要とする最小非溶融温度Ｔnonmeltを計算することができる。例えば、仮に要求される温度均一性が２０℃以下（すなわち、ΔＴ＜２０℃）であり、ΔＴmelt＝１００℃、Ｔsub＝４００℃、Ｔmelt＝１４１２℃の場合は下記の通りになる。
【数５】
0005602787.tif 000006
【００５４】
Ｔnonmeltを解くためには、下記の通りになる。
【数６】
0005602787.tif 000007
【００５５】
これは、非均一性の幅が目標の２０℃を達成するのに必要な最小非溶融温度Ｔnonmeltが１２１０℃であることを意味している。非溶融温度Ｔnonmeltが高いほど、全体の温度非均一性ΔＴは小さくなる。
【００５６】
図１１は、図２と同様の図であり、本発明にかかるレーザーアニーリングシステムおよび方法が、従来の溶融レーザーアニーリング手法（図２）と比較して、どのようにして、２つのゲートＧ１およびＧ２の温度差を低減させてパターン密度効果を軽減し得るかを示している。
【００５７】
非溶融レーザープレヒートに非溶融レーザービーム１６８を用いることにより、溶融レーザー２６０に求められる流束量は、従来の溶融レーザーアニーリングに比べて、著しく低められる。例えば、非溶融レーザービーム１６８によって１５００Ｋまで非溶融プレヒートされる場合、溶融レーザー２６０および関連する溶融レーザービーム２６８に要求される流束量は、従来の溶融レーザーアニーリングプロセスに求められる流束量の約１７％である。
【００５８】
本発明にかかるレーザーアニーリングシステムおよび方法は、さらに、従来の溶融レーザーアニーリングシステムおよび方法に比べて、レーザーアニーリングプロセスウィンドウを向上させることもできる。図１２は、溶融深さ（ｎｍ）と、３０ｎｍの非結晶化接合を有するシリコンウエハに対する規格化したレーザー流束量との関係を示しており、関連プロセスウィンドウＰＷ１を有する従来の溶融レーザーアニーリング（実線）と、関連プロセスウィンドウＰＷ２を有する本発明にかかる超高速レーザーアニーリング（破線）とが示されている。
【００５９】
非結晶化は、ウエハ１０のより低い溶融温度によってもたらされる。これにより、接合部温度が非結晶シリコンよりも高く結晶シリコンよりも低い場合、溶融深さが所定の範囲の流束量（プロセスウィンドウとして定義される）に収まる。プロセスウィンドウＰＷ２の劇的な改善は、従来の溶融レーザーアニーリング（実線および実線矢印）のプロセスウィンドウＰＷ１と比べて、１３００ＫのＴnonmelt（破線および破線矢印）において見られる。Ｔnonmeltおよび非溶融滞留時間は、溶融温度Ｔmeltに達する前に非結晶シリコンを完全に結晶化させないように最適化すべきである。
【００６０】
本発明にかかるレーザーアニーリングシステムおよび方法の他の利点として、従来の溶融レーザーアニーリングシステムおよび方法と比較して、欠陥の治癒の向上、および精密なドーパント拡散の最適化が挙げられる。従来の溶融レーザーアニーリングプロセスでは、熱量が極めて小さいことにより、溶融領域外に埋め込まれたダメージを回復させることができない。このため、高い接合部漏れ電流の原因となり得る。一方、本発明の超高速レーザーアニーリングシステムおよび方法によれば、より大きな熱量が適用されるとともに、長い非溶融対流時間ｔD（例えば、数ミリ秒から数十ミリ秒）における接合部漏れ電流が向上することが実証されている。最適なトランジスタ性能のため、例えわずかであってもドーパントプロファイルを最適化するフレキシブルさを有することが望ましい。従来の溶融レーザーアニーリングでこれを達成するのは難しいが、本発明にかかるレーザーアニーリングシステムおよび方法を用いて、非溶融滞留時間および非溶融プレヒート温度の少なくとも一方を変化させることにより、これを達成することができる。
【００６１】
図１３は、図１と同様、システム１００の一部の概略側面図であり、ガス浸漬レーザードーピングを伴う超高速レーザーアニーリングを実施するシステム１００の実施例を示している。図１３において、ウエハ１０は、チャンバー４００のチャンバー内部４０１に収容されている。チャンバー４００は、非溶融レーザービーム１６８および溶融レーザービーム２６８に用いられる波長の光を実質的に透過するウィンドウ４０８を有する天面４０２を備えている。システム１００は、ガスライン４３０を通じてガス状のドーパントプレカーサ４２４をチャンバー内部４０１およびウエハ表面１２の近傍に供給するガス源４２０を備えている。チャンバー内部４０１は、ウエハ表面１２の近傍にガス状のドーパントプレカーサ４２４を使用可能に導くようになっている。
【００６２】
一例において、システムコントローラ３００は、ガス源４２０に使用可能に接続されており、上記の他のレーザーアニーリングと連携して制御を行う。本実施例において、チャンバー内のレーザーエネルギーは、ウエハ表面１２を加熱するのと同じく、ガス状のドーパントプレカーサ４２４を解離させる。これにより、レーザーアニーリングプロセス中にガス状のドーパントプレカーサ４２４からのドーパントをウエハ表面１２に拡散注入させることができる。ガス状のドーパントプレカーサ４２４の例として、Ａｓドーピング用のＡｓＨ3、およびＢドーピング用のＢＦ3、ＢＣｌ3、Ｂ（ＣＨ3）3を挙げることができる。
【００６３】
ガス浸漬レーザーアニーリングの適用に関して、ガス状のドーパントプレカーサ４２４の効果的な解離のための高光子エネルギーを提供するために、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーや波長３５５ｎｍの周波数３倍ＹＡＧレーザーといった短波長溶融レーザー２６０が望ましい。ガス浸漬レーザードーピングシステムおよび方法の例として、米国特許番号５，９０８，３０７、５，８８８，８８８、５，８４９，０４３、および５，３１６，９６９が挙げられ、これら全ては、本明細書に援用される。
【００６４】
当業者には明白であるが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に対して様々な修正及び変更を加えることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において本発明の修正及び変更を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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