(57)【要約】【課題】  パルスレーザを用いたアニール方法を発展させ、製造歩留まりを向上させることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  半導体基板の表層部に不純物を注入する。不純物の注入された領域に、半導体基板の表層部が溶融しない条件で、かつ、１番目のレーザパルスの入射から２番目のレーザパルスの入射までの遅延時間が１０００ｎｓ以下となる条件で、少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを入射させ、注入されている不純物を活性化させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、
（ｂ）前記不純物の注入された領域に、前記半導体基板の表層部が溶融しない条件で、かつ、１番目のレーザパルスの入射から２番目のレーザパルスの入射までの遅延時間が１０００ｎｓ以下となる条件で、少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを入射させ、注入されている不純物を活性化させる工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記工程ａの前に、前記半導体基板の表層部をアモルファス化させる工程を含む請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体基板の表層部がシリコンで形成されており、前記工程ｂで照射されるパルスレーザビームの波長が４００ｎｍ〜６５０ｎｍである請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程ｂで照射されるパルスレーザビームのパルス幅が、１００ｎｓ〜２００ｎｓである請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記工程ｂにおいて照射される１番目のレーザパルスの入射から２番目のレーザパルスの入射までの遅延時間が１００ｎｓ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
（ａ）半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、
（ｂ）前記不純物の注入された領域に、前記半導体基板のアモルファス化された表層部が溶融しない条件で、同一の領域に少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを入射させ、注入されている不純物を活性化させる工程であって、１番目のレーザパルスの入射によって加熱された前記半導体基板の表層部の温度が、該表層部の温度上昇幅の５０％分低下するよりも前に、２番目のレーザパルスを入射させる工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記工程ａの前に、前記半導体基板の表層部をアモルファス化させる工程を含む請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記半導体基板の表層部がシリコンで形成されており、前記工程ｂで照射されるパルスレーザビームの波長が４００ｎｍ〜６５０ｎｍである請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程ｂで照射されるパルスレーザビームのパルス幅が、１００ｎｓ〜２００ｎｓである請求項６〜８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記工程ｂにおいて照射される１番目のレーザパルスの入射から２番目のレーザパルスの入射までの遅延時間が、１番目のレーザパルスのパルス幅以上である請求項６〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
（ａ）半導体基板の表層部に不純物が添加された試料を準備する工程と、
（ｂ）前記試料に、該試料の表面の同一箇所に少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを照射して不純物を活性化させる処理を、パルスエネルギ密度の条件を変えて行う工程と、
（ｃ）前記工程ｂで得られた試料の表層部のシート抵抗を測定する工程と、
（ｄ）横軸にパルスエネルギ密度、縦軸に試料表層部のシート抵抗をプロットしたグラフにおいて、パルスエネルギ密度の増加に伴って、シート抵抗の低下の傾きが一旦緩やかになり、再度急峻になり始める点のパルスエネルギ密度を求め、上限値とする工程と、
（ｅ）前記工程ｄで求められた上限値以下の範囲から、半導体装置製造用のパルスエネルギ密度の値を選択する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記工程ａで準備される半導体基板の表層部がアモルファス化されている請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記工程ｄが、さらに、シート抵抗が許容値となるパルスエネルギ密度を求め、下限値とする工程を含み、
前記工程ｅにおいて、前記工程ｄで求められた下限値以上の範囲から、前記半導体装置製造用のパルスエネルギ密度の値を選択する請求項１１または１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
第１及び第２のパルスレーザビームをそれぞれ出射する第１及び第２のパルスレーザ光源と、
アニール対象物を保持するステージと、
前記第１及び第２のパルスレーザビーム光源から出射した第１及び第２のパルスレーザビームを、前記ステージに保持されたアニール対象物に入射させる伝搬光学系と、
前記第１のパルスレーザビームの１つのレーザパルスが前記アニール対象物に入射した後、前記第２のパルスレーザビームの１つのレーザパルスが前記アニール対象物に入射するまでの遅延時間が１０００ｎｓ以下になるように、前記第１及び第２のパルスレーザ光源を制御する制御装置と
を有するレーザアニール装置。
【請求項１５】
一周期ごとに少なくとも２つのレーザパルスを出射するパルスレーザ光源であって、一周期の１番目のレーザパルスの出射から２番目のレーザパルスの出射までの遅延時間が、周期の１／１００以下である前記パルスレーザ光源と、
前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射する位置に、アニール対象物を保持し、パルスレーザビームの入射位置がアニール対象物の表面上を移動するように該アニール対象物を移動させるステージと
を有するレーザアニール装置。
【請求項１６】
前記遅延時間が１０００ｎｓ以下である請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びレーザアニール装置に関し、特に半導体基板に注入した不純物を、パルスレーザビームを用いて活性化する工程を含む半導体装置の製造方法及び、活性化処理に用いられるレーザアニール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の非特許文献１に、ＭＯＳＦＥＴのエクステンション領域等に適用される極浅い接合を形成するための種々のアニール技術が開示されている。レーザを用いたアニール技術として、レーザスパイクアニール（ＬＳＡ）及びレーザサーマルプロセス（ＬＴＰ）が紹介されている。
【０００３】
ＬＳＡでは、光源として連続発振（ＣＷ）レーザを用いる。加熱時間はμｓ〜ｍｓのオーダであり、加熱温度はシリコンの融点以下であるため、シリコン基板の表面は溶融しない。ビーム断面が直線状のレーザビームを照射して基板表面を局所的に加熱し、そのビームを走査することにより、基板全面の熱処理を行う。
【０００４】
ＬＴＰでは、光源としてパルスレーザを用いる。例えば、波長２４８ｎｍや３０８ｎｍのエキシマレーザや、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ等が用いられる。加熱時間はｎｓオーダであり、加熱温度は１３５０℃以上である。シリコンの融点よりも高い温度まで加熱して表層部を局所的に溶融させる。溶融したシリコン内の不純物の拡散速度は、固体シリコン内の拡散速度よりも数桁高い。このため、不純物は、溶融したシリコン中にほぼ均一に分散される。これによって、不純物の拡散領域を極めて浅くできる。
【０００５】
シリコン基板の表面を溶融させると、その後再結晶化させるときの熱履歴が、半導体結晶にダメージを与える。ＬＳＡでは、基板表面を溶融させることなく活性化を行うため、半導体結晶が受けるダメージは少ない。ところが、ＬＴＰに比べて加熱時間が長いため、不純物が深い領域まで拡散してしまう。
【０００６】
下記の特許文献１に、パルスレーザを用い、かつ基板表面を溶融させることなく、極浅い接合を形成する方法が開示されている。この方法では、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやＮｄ：ＹＡＧレーザ等の２倍高調波が用いられる。この方法では、ＣＷレーザを用いるＬＳＡに比べて加熱時間が短いため、不純物の拡散を抑制することができる。このため、より浅い接合を形成することが可能になる。
【０００７】
特許文献２に、パルスレーザビームを入射させて、基板の表層部を溶融させることなく不純物を活性化させ、その後、低温急速熱処理を行って結晶の損傷を修復する方法が開示されている。同一の領域に入射させるパルスレーザビームの好適なパルス数は１００〜１０００個であり、パルス幅は１０〜１００ｎｓであると説明されている（段落２５）。パルス間隔については説明されていない。
【非特許文献１】日経マイクロデバイセズ  ２００４年１１月号  第５０〜５７頁、「２０年ぶりにアニール技術を刷新  光源置き換え、極浅接合を形成」
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１５２８８８号公報
【特許文献２】特表２００３−５２８４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、パルスレーザを用いたアニール方法を発展させ、製造歩留まりを向上させることが可能な半導体装置の製造方法、及びこの方法に用いられるレーザアニール装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の観点によれば、（ａ）半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、（ｂ）前記不純物の注入された領域に、前記半導体基板の表層部が溶融しない条件で、かつ、１番目のレーザパルスの入射から２番目のレーザパルスの入射までの遅延時間が１０００ｎｓ以下となる条件で、少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを入射させ、注入されている不純物を活性化させる工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明の第２の観点によると、（ａ）半導体基板の表層部に不純物を注入する工程と、（ｂ）前記不純物の注入された領域に、前記半導体基板のアモルファス化された表層部が溶融しない条件で、同一の領域に少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを入射させ、注入されている不純物を活性化させる工程であって、１番目のレーザパルスの入射によって加熱された前記半導体基板の表層部の温度が、該表層部の温度上昇幅の５０％分低下するよりも前に、２番目のレーザパルスを入射させる工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１２】
本発明の第３の観点によると、（ａ）半導体基板の表層部に不純物が添加された試料を準備する工程と、（ｂ）前記試料に、該試料の表面の同一箇所に少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを照射して不純物を活性化させる処理を、パルスエネルギ密度の条件を変えて行う工程と、（ｃ）前記工程ｂで得られた試料の表層部のシート抵抗を測定する工程と、（ｄ）横軸にパルスエネルギ密度、縦軸に試料表層部のシート抵抗をプロットしたグラフにおいて、パルスエネルギ密度の増加に伴って、シート抵抗の低下の傾きが一旦緩やかになり、再度急峻になり始める点のパルスエネルギ密度を求め、上限値とする工程と、（ｅ）前記工程ｄで求められた上限値以下の範囲から、半導体装置製造用のパルスエネルギ密度の値を選択する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１３】
本発明の第４の観点によると、第１及び第２のパルスレーザビームをそれぞれ出射する第１及び第２のパルスレーザ光源と、アニール対象物を保持するステージと、前記第１及び第２のパルスレーザビーム光源から出射した第１及び第２のパルスレーザビームを、前記ステージに保持されたアニール対象物に入射させる伝搬光学系と、前記第１のパルスレーザビームの１つのレーザパルスが前記アニール対象物に入射した後、前記第２のパルスレーザビームの１つのレーザパルスが前記アニール対象物に入射するまでの遅延時間が１０００ｎｓ以下になるように、前記第１及び第２のパルスレーザ光源を制御する制御装置とを有するレーザアニール装置が提供される。
【００１４】
本発明の第５の観点によると、一周期ごとに少なくとも２つのレーザパルスを出射するパルスレーザ光源であって、一周期の１番目のレーザパルスの出射から２番目のレーザパルスの出射までの遅延時間が、周期の１／１００以下である前記パルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザビームが入射する位置に、アニール対象物を保持し、パルスレーザビームの入射位置がアニール対象物の表面上を移動するように該アニール対象物を移動させるステージとを有するレーザアニール装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
第１及び第２の観点のように、少なくとも２つのレーザパルスを用いることにより、パルスエネルギ密度への依存性の少ないアニールを行うことができる。第４及び第５の観点による装置を用いて、少なくとも２つのレーザパルスによるアニールを行うことができる。
【００１６】
第３の観点による方法では、半導体基板の表層部を溶融させないパルスエネルギ密度の条件を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。プロセスチャンバ１０内にＸＹステージ１１が収容され、ＸＹステージ１１に、アニール対象であるシリコン基板１が載置されている。シリコン基板１の上方に、レーザビームを透過させる窓１３が取り付けられている。プロセスチャンバ１０内は、窒素雰囲気にすることができる。
【００１８】
第１のパルスレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビームが、可変減衰器２３を通過し、折り返しミラー２６で反射されて偏光ビームスプリッタ２７に入射する。第２のパルスレーザ光源２２から出射されたパルスレーザビームが、可変減衰器２４及び１／２波長板２５を通過して、偏光ビームスプリッタ２７に入射する。第１及び第２のパルスレーザ光源２１及び２２は、波長５２７ｎｍの第２高調波を出射するＮｄ：ＹＬＦレーザである。なお、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの他に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ等の固体レーザの第２高調波を出射するパルスレーザ光源を用いてもよい。その他、種々のパルスレーザ光源を用いることができる。
【００１９】
第１のパルスレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２７に対してＳ偏光となるように調整されている。第２のパルスレーザ光源２２から出射されたパルスレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２７に対してＰ偏光になるように調整されている。
【００２０】
偏光ビームスプリッタ２７は、入射する２つのパルスレーザビームを、共通の経路に沿って伝搬させる。共通の経路を伝搬するパルスレーザビームは、高速シャッタ２８、ビームエキスパンダ２９、ホモジナイザ３０、折り返しミラー３１、マスク３２、集光レンズ３３、及びプロセスチャンバ１０に設けられた窓１３を経由して、シリコン基板１に入射する。
【００２１】
ビームエキスパンダ２９は、パルスレーザビームのビーム径を拡大する。ホモジナイザ３０は、マスク３２の配置された位置におけるビーム断面が、一方向に長い直線状になり、かつ長尺方向に関する強度が均一になるように、パルスレーザビームを整形する。マスク３２は、その位置におけるビーム断面の不要部分を遮蔽する。集光レンズ３３は、マスク３２の位置におけるビーム断面を、シリコン基板１の表面に結像させる。結像倍率は、例えば１倍である。
【００２２】
制御装置４０が、第１及び第２のパルスレーザ光源２１及び２２、高速シャッタ２８、及びＸＹステージ１１を制御する。第１及び第２のパルスレーザ光源２１及び２２の発振のタイミングを制御することにより、第１のパルスレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビームの１つのレーザパルスがシリコン基板１に入射してから、第２のパルスレーザ光源２２から出射されたパルスレーザビームの１つのレーザパルスがシリコン基板１に入射するまでの遅延時間を所望の値に設定することができる。
【００２３】
シリコン基板１の表面におけるビーム断面の長尺方向と直交する方向にシリコン基板１を移動させることにより、ビーム断面の長尺方向の長さを幅とする帯状の領域をアニールすることができる。シリコン基板１を、ビーム断面の長尺方向にずらして帯状の領域をアニールする処理を繰り返すことにより、シリコン基板１の全面をアニールすることができる。
【００２４】
次に、図２を参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
【００２５】
図２（Ａ）に示すように、アニール対象であるシリコン基板１の表面上に、レジスト膜２を形成し、露光及び現像を行うことにより、レジスト膜２に開口２ａを形成する。
【００２６】
図２（Ｂ）に示すように、レジスト膜２をマスクとし、開口２ａを通してシリコン基板１の表層部に、加速エネルギ３ｋｅＶ、ドーズ量３×１０１４ｃｍ−２の条件でゲルマニウム（Ｇｅ）イオンを注入する。これにより、深さ８ｎｍまでの表層部がアモルファス化され、アモルファス領域３が形成される。なお、アモルファス化される領域は、例えばＭＯＳＦＥＴのソース及びドレインのエクステンション領域である。ソース及びドレインのエクステンション領域をアモルファス化させる場合には、ゲート電極がマスクとして作用する。注入するイオンは、Ｇｅに限らず、他のＩＶ族元素のイオンでもよい。
【００２７】
図２（Ｃ）に示すように、レジスト膜２をマスクとして、シリコン基板１の表層部に、加速エネルギ０．２ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１４ｃｍ−２の条件でボロン（Ｂ）を注入する。注入の深さは、約８ｎｍである。ここで、「注入の深さ」は、注入した不純物の濃度が１×１０１８ｃｍ−３になる位置の深さを意味する。ボロンを注入した後、レジスト膜２を除去する。
【００２８】
図２（Ｄ）に示すように、図１に示したレーザアニール装置を用いて、シリコン基板１に直線状のビーム断面を有するパルスレーザビーム５を入射させる。図２（Ｅ）に示すように、パルスレーザビームの１つのレーザパルスのビーム入射領域６は、例えば長さ１７ｍｍ、幅０．１ｍｍの長尺形状である。第１のパルスレーザ光源２１及び第２のパルスレーザ光源２２の各々のパルス発振周波数は１ｋＨｚ（周期１ｍｓ）、パルス幅は１００〜１１０ｎｓである。第１のパルスレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビーム（以下、第１のパルスレーザビームと呼ぶ）の１つのレーザパルスの入射から、第２のパルスレーザ光源２２から出射されたパルスレーザビーム（以下、第２のパルスレーザビームと呼ぶ）の１つのレーザパルスの入射までの遅延時間を、０〜１０００ｎｓの範囲で変化させた。シリコン基板１の表面における１つのレーザパルスのパルスエネルギ密度を、５００ｍＪ／ｃｍ２〜９５０ｍＪ／ｃｍ２の範囲で変化させた。シリコン基板１の移動速度は１０ｍｍ／ｓである。
【００２９】
第１及び第２のパルスレーザビームの各々の周期が１ｍｓであり、第１のパルスレーザビームの入射から第２のパルスレーザビームの入射までの遅延時間が高々１０００ｎｓである。すなわち、遅延時間は周期の１／１０００程度である。このため、１周期ごとに２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームが照射されると考えることができる。１つの周期の第１のパルスレーザビームの１つのレーザパルスの入射開始から第２のパルスレーザビームの１つのレーザパルスの入射終了までの時間中にシリコン基板１が移動する距離は、高々０．０１μｍである。この移動距離は、長尺ビーム断面の幅０．１ｍｍの１／１００００である。従って、１つの周期に含まれる２つのレーザパルスは、実質的にシリコン基板１の同一の領域に入射すると考えることができる。
【００３０】
また、１周期の間にシリコン基板１が移動する距離は１０μｍであり、長尺ビーム断面の幅は０．１ｍｍである。このため、長尺ビーム断面の面積をＳｔ、ある周期に照射される領域と次の周期に照射される領域とが重なる部分の面積をＳｏとしたとき、Ｓｏ／Ｓｔ（オーバラップ率）が９０％になる。
【００３１】
パルスエネルギ密度を変えて複数の試料を作製し、シリコン基板のボロン注入領域のシート抵抗及び表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を測定した。
【００３２】
図３に、測定結果を示す。横軸は、一つの周期に照射される２つのレーザパルスの合計のパルスエネルギ密度を単位「ｍＪ／ｃｍ２」で表し、左縦軸はシート抵抗を単位「Ω／□」で表し、右縦軸は表面粗さを単位「ｎｍ」で表す。例えば、第１及び第２のパルスレーザビームの各々のパルスエネルギ密度が８００ｍＪ／ｃｍ２である場合は、図３の横軸の１６００ｍＪ／ｃｍ２に相当する。図中の丸印がシート抵抗を示し、三角印が表面粗さを示す。１つの周期の１番目のレーザパルスの入射から、２番目のレーザパルスの入射までの遅延時間を３００ｎｓにした。
【００３３】
パルスエネルギ密度を約１４００ｍＪ／ｃｍ２から増加させていくと、シート抵抗が低下する。パルスエネルギ密度が１４４０〜１５４０ｍＪ／ｃｍ２の領域で、シート抵抗の低下の傾きが一旦緩やかになる。パルスエネルギ密度がＥ１２（１５４０ｍＪ／ｃｍ２）を越えると、シート抵抗の低下の傾きが再度急峻になる。
【００３４】
合計のパルスエネルギ密度がＥ１２以下の領域では、表面粗さが非常に小さく、パルスエネルギ密度にほとんど依存しない。パルスエネルギ密度がＥ１２を越えた領域では、パルスエネルギ密度が増加するにしたがって、表面粗さが急激に大きくなる。
【００３５】
以上の測定結果が得られるのは、パルスエネルギ密度がＥ１２以下の領域では、シリコン基板１の表層部が溶融しておらず、パルスエネルギ密度がＥ１２以上の領域では、シリコン基板１の表層部が一旦溶融し、再結晶化したためと考えられる。半導体装置の製造においては、シート抵抗が許容値以下であり、かつシリコン基板１の表層部が溶融しない範囲のパルスエネルギ密度でアニールを行うことが好ましい。
【００３６】
図４に、複数の試料の深さ方向に関する不純物濃度分布の測定結果を示す。横軸は深さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸は不純物濃度を単位「原子／ｃｍ３」で表す。図中の実線ａ０は、レーザアニール前の不純物濃度分布を示す。３本の実線ａ１は、パルスエネルギ密度がＥ１２以下の条件で作製した試料の不純物濃度分布を示し、３本の実線ａ２は、パルスエネルギ密度がＥ１２以上の条件で作製した試料の不純物濃度分布を示す。
【００３７】
実線ａ２の試料においては、他の試料に比べて、不純物が深くまで拡散し、かつある深さの領域で不純物濃度がほぼ一定になっている。これは、シリコン基板１の表層部が溶融し、溶融した深さまで不純物が極短時間に拡散したためと考えられる。実線ａ１の試料においては、レーザアニール前の不純物濃度分布に近い分布が得られている。このように、シリコン基板１の表面が溶融しない条件でアニールを行うことにより、溶融させる場合に比べて、極浅い接合が得られることがわかる。
【００３８】
図５に、実施例による方法で作製した試料のシート抵抗を、遅延時間を０ｎｓにして作製した比較例の試料のシート抵抗と対比させて示す。横軸は、２つのレーザパルスの合計のパルスエネルギ密度を単位「ｍＪ／ｃｍ２」で表し、縦軸はシート抵抗を単位「Ω／□」で表す。図中の白四角印が、実施例による方法で作製した試料のシート抵抗を示し、黒四角印が、比較例の試料のシート抵抗を示す。実施例による方法で作製した試料のシート抵抗は、図３に示したものと同じである。遅延時間が０ｎｓということは、第１のパルスレーザビームと第２のパルスレーザビームとのレーザパルス同士が、時間的に重なってシリコン基板１に入射することを意味する。これは、パルスレーザビームのピーク強度を高めたことと等価である。
【００３９】
比較例の場合においても、パルスエネルギ密度を増加させると、シート抵抗の低下の傾きが一端緩やかになり、パルスエネルギ密度がＥ０２（約１２２０ｍＪ／ｃｍ２）を越えると、シート抵抗の低下の傾きが再度急峻になる。従って、パルスエネルギ密度が１２２０ｍＪ／ｃｍ２以下の条件で、溶融が生じないと考えられる。
【００４０】
例えば、シート抵抗の許容値が１２００Ω／□であると仮定する。比較例の場合には、パルスエネルギ密度をＥ０１（約１１６０ｍＪ／ｃｍ２）以上にしなければならない。従って、採用可能なパルスエネルギ密度は、Ｅ０１からＥ０２までであり、その幅は約６０ｍＪ／ｃｍ２である。
【００４１】
これに対し、実施例の場合には、シート抵抗の低下の傾きが緩やかな範囲が広い。例えば、シート抵抗を１２００Ω／□以下にするためのパルスエネルギ密度の加減はＥ１１（約１４２０ｍＪ／ｃｍ２）である。このため、採用可能なパルスエネルギ密度は、Ｅ１１からＥ１２までであり、その幅は約１２０ｍＪ／ｃｍ２になる。従って、単パルスの照射でアニールする場合に比べて、パルスエネルギ密度をより広い範囲から選択することができる。また、パルスエネルギ密度が変化したときのシート抵抗の変動率が少ないため、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザビームのパルスエネルギがばらついても、シート抵抗のばらつきを抑制することができる。
【００４２】
図６に、ボロンのドーズ量を１×１０１５ｃｍ−２、及びレーザアニール時の遅延時間を４５０ｎｓにして、レーザアニールを行った場合のシート抵抗とパルスエネルギ密度との関係を示す。横軸及び縦軸は、図５のグラフの横軸及び縦軸と同じである。図中の黒丸印が、遅延時間を４５０ｎｓとした実施例による方法で作製した試料のシート抵抗を示し、黒菱形印が、遅延時間を０ｎｓにした比較例の試料のシート抵抗を示す。
【００４３】
シート抵抗の許容値を１０００Ω／□と仮定する。実施例の場合には、シート抵抗を許容値以下にするパルスエネルギ密度の下限値Ｅ３１が約１４８０ｍＪ／ｃｍ２であり、シリコン基板の表層部が溶融しないパルスエネルギ密度の上限値Ｅ３３が約１６６０ｍＪ／ｃｍ２である。採用可能なパルスエネルギ密度の幅は約１８０ｍＪ／ｃｍ２である。比較例の場合には、下限値Ｅ２１が約１１２０ｍＪ／ｃｍ２であり、上限値Ｅ２２が約１２２０ｍＪ／ｃｍ２である。採用可能なパルスエネルギ密度の幅は約１００ｍＪ／ｃｍ２である。
【００４４】
このように、１周期に２つのレーザパルスを入射させることにより、１つのレーザパルスのみを入射させる場合に比べて、安定したアニールを行うことができる。
【００４５】
次に、図７を参照して、パルスレーザビームの好ましい波長について説明する。
【００４６】
図７に、アモルファスシリコンと単結晶シリコンとの光吸収係数の波長依存性を示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は吸収係数を単位「×１０７ｃｍ−１」で表す。図中の黒丸及び白丸は、それぞれ単結晶シリコンの吸収係数及びアモルファスシリコンの吸収係数を示す。
【００４７】
波長が約３４０ｎｍ以上の領域で、アモルファスシリコンの吸収係数が単結晶シリコンの吸収係数よりも大きいことがわかる。単結晶シリコンの吸収係数よりもアモルファスシリコンの吸収係数の方が大きな波長域の光を使用することにより、図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示したアモルファス領域３を優先的に加熱することができる。単結晶シリコン領域の加熱が抑制されるため、不純物が単結晶シリコン領域内に拡散しにくくなり、浅い接合を形成することが容易になる。
【００４８】
また、波長４００ｎｍ以上の領域におけるアモルファスシリコンの吸収係数は、紫外域における吸収係数に比べて小さい。このため、波長４００ｎｍ以上の光は、アモルファスシリコン領域内の深い位置まで到達しやすい。紫外域のレーザビームを用いる場合には、基板の表面の極浅い領域のみが加熱され、熱伝導によって深い領域が間接的に加熱される。これに対し、波長４００ｎｍ以上のレーザビームを用いると、深い領域もレーザビームのエネルギによって直接加熱される。このため、厚さ方向に関する温度分布を均一に近づけることが可能になる。これにより、厚さ方向に関して、不純物の活性化率を均一に近づけることができる。
【００４９】
波長が長くなり過ぎると、アモルファスシリコンの吸収係数が小さくなるため、効率的に加熱することが困難になる。従って、シリコン基板のアニーリング用のレーザビームの波長を４００〜６５０ｎｍとすることが好ましい。
【００５０】
上記実施例では、１つの周期に２つのレーザパルスを入射させる場合を説明したが、３つ以上の複数のレーザパルスを入射させてももよい。この場合、直前に入射したレーザパルスによる熱的影響が残存する期間に、次のレーザパルスを入射させる必要がある。この要請から、時間間隔を１０００ｎｓ以下にすることが好ましい。より一般的には、１周期内の１番目のレーザパルスの入射によって加熱された半導体基板の表層部の温度が、表層部の温度上昇幅の５０％分低下するよりも前に、２番目のレーザパルスを入射させることが好ましい。
【００５１】
第１のパルスレーザビームの１つのレーザパルスの入射から第２のパルスレーザビームの１つのレーザパルスの入射までの遅延時間が短すぎると、図５及び図６の比較例で示したように、採用可能なパルスエネルギ密度の幅が狭くなってしまう。１つの周期で複数のレーザパルスを入射させる有意な効果を得るためには、遅延時間を１００ｎｓ以上にすることが好ましい。または、遅延時間を、第１のパルスレーザビームのパルス幅（半値全幅）以上にすることが好ましい。
【００５２】
固体レーザは、エキシマレーザ等のガスレーザに比べて、パルスエネルギの安定性が高い。このため、固体レーザを用いることが好ましい。特に、好適な波長を持つのは、固体レーザの第２高調波である。パルス幅を短くすると、ピーク強度が強くなりすぎ、かつ加熱時間が短くなりすぎる。逆に、パルス幅を長くしすぎると、ピーク強度が低下してしまう。パルス幅の好ましい範囲は、１００ｎｓ〜２００ｎｓである。
【００５３】
上記実施例では、第１のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度と第２のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度とを等しくしたが、必ずしも等しくする必要はない。第２のパルスレーザビームは、第１のパルスレーザビームによって加熱された領域に、その熱的影響が残存する期間に照射される。シリコン基板の溶融を回避するために、第２のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度を、第１のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度以下にすることが好ましい。ただし、第２のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度を低くし過ぎると、十分な加熱効果が得られない。このため、第２のパルスレーザビームのパルスエネルギ密度を、第１のパルスレーザビームのそれの５０％以上にすることが好ましい。
【００５４】
上記実施例では、第１及び第２のパルスレーザビームのパルス周波数を１ｋＨｚ（周期１ｍｓ）としたが、その他のパルス周波数を採用してもよい。周期ごとに熱的影響が累積されることを防止するために、直前の周期での加熱による熱的影響を受けない程度まで周期を長くすることが好ましい。これに対し、１周期内においては、１番目のレーザパルスの入射による熱的影響が残存する期間に、２番目のレーザパルスを入射させることが好ましい。これらの条件を考慮すると、１周期内での１番目のレーザパルスの入射から２番目のレーザパルスの入射までの遅延時間を、第１及び第２のパルスレーザビームの周期の１／１００以下にすることが好ましい。
【００５５】
上記実施例では、シリコン基板にボロンをイオン注入する場合を説明したが、ボロン以外の不純物（ドーパント）を注入する場合にも、上記実施例によるレーザアニール方法を適用することが可能である。また、上記実施例では、シリコン基板を用いたが、シリコン以外の半導体からなる基板を用いる場合にも、上記実施例によるレーザアニール方法を適用することが可能である。
【００５６】
次に、図５及び図６を参照して説明した考察から、パルスエネルギ密度の好適な範囲を決定する方法について説明する。
【００５７】
まず、半導体基板のアモルファス化されている表層部に不純物が添加された複数の試料を準備する。これらの試料に、試料の表面の同一箇所に少なくとも２つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを照射して不純物を活性化させる処理を、パルスエネルギ密度の条件を変えて行う。得られた試料の表層部のシート抵抗を測定する。
【００５８】
横軸にパルスエネルギ密度、縦軸に試料表層部のシート抵抗をプロットした図５及び図６ち同様のグラフを作成する。このグラフから、パルスエネルギ密度の増加に伴って、シート抵抗の低下の傾きが一旦緩やかになり、再度急峻になり始める点のパルスエネルギ密度を求め、上限値とする。この上限値以下の範囲から、半導体装置製造用のパルスエネルギ密度の値を選択する。
【００５９】
シート抵抗の許容値が設定されている場合には、この許容値となるパルスエネルギ密度を求め、下限値とする。この下限値と、上記上限値との間の範囲から、半導体装置製造用のパルスエネルギ密度の値を選択する。このようにして、好適なパルスエネルギ密度を決定することができる。
【００６０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれら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。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例による半導体装置の製造方法で使用されるレーザアニール装置
【図２】実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図及び平面図である。
【図３】シート抵抗と表面粗さの、パルスエネルギ密度依存性を示すグラフである。
【図４】深さ方向に関する不純物濃度分布を示すグラフである。
【図５】ドーズ量を５×１０１４ｃｍ−２、遅延時間を０ｎｓとして作製した試料及び遅延時間を３００ｎｓとして作製した試料のシート抵抗のパルスエネルギ密度依存性を示すグラフである。
【図６】ドーズ量を１×１０１５ｃｍ−２、遅延時間を０ｎｓとして作製した試料及び遅延時間を４５０ｎｓとして作製した試料のシート抵抗のパルスエネルギ密度依存性を示すグラフである。
【図７】単結晶シリコン及びアモルファスシリコンの光吸収係数の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１  シリコン基板
２  レジスト膜
３  アモルファス領域
４  不純物注入領域
５  レーザビーム
６  ビーム入射領域
１０  プロセスチャンバ
１１  ＸＹステージ
１３  窓
２１  第１のパルスレーザ光源
２２  第２のパルスレーザ光源
２３、２４  可変減衰器
２５  １／２波長板
２６、３１  折り返しミラー
２７  偏光ビームスプリッタ
２８  高速シャッタ
２９  ビームエキスパンダ
３０  ホモジナイザ
３２  マスク
３３  集光レンズ
４０  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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