(57)【要約】【課題】  処理対象物の面内に関して、温度履歴のばらつきを抑制することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  照射対象物の表面をレーザビームで走査する。レーザビームが入射している位置の、照射対象物の表面温度に依存する物理量を測定する。測定された物理量に基づいて、走査方向前方の未走査領域の照射対象物に投入されるエネルギ密度を、既に走査された領域に投入されたエネルギ密度よりも低くする。【選択図】  図６
2011187760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射対象物の表面をレーザビームで走査する工程と、
前記レーザビームが入射している位置の、前記照射対象物の表面温度に依存する物理量を測定する工程と、
測定された前記物理量に基づいて、走査方向前方の未走査領域の前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を、既に走査された領域に投入されたエネルギ密度よりも低くする工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記エネルギ密度を低くする工程において、前記物理量が、温度許容範囲の上限値に相当するしきい値を超えたことを検出すると、前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を低下させる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記物理量を測定する工程は、さらに、
前記レーザビームの入射位置に参照光を入射させる工程と、
前記参照光が前記照射対象物表面で反射した反射光の強度を測定し、前記物理量とする工程と
を含む請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記物理量を測定する工程は、さらに、
前記レーザビームの入射位置からの黒体放射光の強度を測定し、前記物理量とする工程を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記エネルギ密度を低くする工程が、前記照射対象物の表面における前記レーザビームのパワー密度を低下させる工程を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記エネルギ密度を低くする工程が、前記照射対象物の表面における前記レーザビームの走査速度を遅くする工程を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記照射対象物の表面を前記レーザビームで走査する工程において、前記レーザビームを断続的に前記照射対象物に入射させ、
前記エネルギ密度を低くする工程が、前記レーザビームが前記照射対象物に連続して入射している時間を短くする工程を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に照射対象物を保持するステージと、
前記ステージに保持された照射対象物の表面において、前記レーザビームの入射位置が移動するように、前記レーザビームの経路及び前記照射対象物の一方を他方に対して移動させる走査機構と、
前記照射対象物のうち前記レーザビームが入射している位置の表面温度に依存する物理量を測定する測定装置と、
前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームによって前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を変化させるエネルギ密度調節装置と
を有するレーザアニール装置。
【請求項９】
前記エネルギ密度調節装置は、前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームのパワーを減衰させる減衰量可変のパワー調節装置を含む請求項８に記載のレーザアニール装置。
【請求項１０】
前記エネルギ密度調節装置は、前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記照射対象物の表面における前記レーザビームの走査速度が変化するように前記走査機構を制御する制御装置を含む請求項８に記載のレーザアニール装置。
【請求項１１】
前記エネルギ密度調節装置は、前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームが前記照射対象物に連続して入射している時間が変化するように、前記レーザ光源から出射したレーザビームを前記照射対象物に断続的に入射させる請求項８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、照射対象物をレーザビームで走査してアニールする工程を含む半導体装置の製造方法、及びレーザアニール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造工程において、ゲート電極やエミッタが形成された表面（第１の表面）とは反対側の表面（第２の表面）にコレクタが形成される。半導体ウエハの第２の表面にレーザビームを照射することにより、コレクタに注入された不純物を活性化することができる。
【０００３】
半導体ウエハの深部に注入した不純物を活性化するために、波長６９０ｎｍ〜９００ｎｍ、照射時間１０μｓ〜１００μｓ、パワー密度２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２の条件でレーザアニールを行う方法が公知である（特許文献１）。連続発振のレーザ光源を用い、半導体ウエハの表面のビームスポットサイズを制御することにより、レーザビームの照射時間を制御する方法が公知である（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５１６５９号公報
【特許文献２】特許第４１１７０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体ウエハをレーザビームで走査すると、時間の経過に従って、半導体ウエハ内に熱が蓄積される。このため、走査が進むにつれて、ウエハの平均温度が上昇する。ウエハの平均温度が上昇すると、半導体ウエハの位置によって、温度履歴が異なることになる。温度履歴のばらつきが生じると、不純物が活性化される深さが、面内でばらついてしまう。
【０００６】
本発明の目的は、処理対象物の面内に関して、温度履歴のばらつきを抑制することができる半導体装置の製造方法及び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】
【０００７】
本発明の一観点によると、
照射対象物の表面をレーザビームで走査する工程と、
前記レーザビームが入射している位置の、前記照射対象物の表面温度に依存する物理量を測定する工程と、
測定された前記物理量に基づいて、走査方向前方の未走査領域の前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を、既に走査された領域に投入されたエネルギ密度よりも低くする工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に照射対象物を保持するステージと、
前記ステージに保持された照射対象物の表面において、前記レーザビームの入射位置が移動するように、前記レーザビームの経路及び前記照射対象物の一方を他方に対して移動させる走査機構と、
前記照射対象物のうち前記レーザビームが入射している位置の表面温度に依存する物理量を測定する測定装置と、
前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームによって前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を変化させるエネルギ密度調節装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
エネルギ密度を低くする処理を実行することにより、照射対象物の表面の過度の溶融を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１によるレーザアニール装置の概略図である。
【図２】（２Ａ）及び（２Ｂ）は、アニール用レーザビームのビームスポットと、参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す平面図である。
【図３】照射対象物の表面温度が１６７３Ｋになるまでの照射時間と、パワー密度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】照射対象物の表面温度が１６７３Ｋになるまでレーザ照射を行ったときの深さ３μｍの位置の最高到達温度と、パワー密度との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図５】照射対象物の表面温度が１６７３Ｋになるまでレーザ照射を行ったときの背面の温度と、経過時間との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図６】実施例１によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。
【図７】照射対象物の初期温度Ｔｉが３００Ｋのときに表面温度が１６７３Ｋになるまでの時間、パワー密度一定の条件でレーザ照射を行ったときの表面温度の時間履歴をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図８】照射対象物の初期温度Ｔｉが３００Ｋのときに表面温度が１６７３Ｋになるまでの時間、パワー密度を異ならせてレーザ照射を行ったときの表面温度の時間履歴をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図９】実施例１の変形例によるアニール用レーザビームのビームスポットと、参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す平面図である。
【図１０】実施例２によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。
【図１１】実施例３によるレーザアニール装置の概略図である。
【図１２】照射対象物の表面温度が１６７３Ｋになった時点でレーザ照射を停止させる条件で、かつパワー密度一定の条件でレーザ照射を行ったときの表面温度の時間履歴をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図１３】実施例４によるレーザアニール装置の概略図である。
【図１４】（１４Ａ）は、照射対象物の表面におけるパワー密度分布を示すグラフであり、（１４Ｂ）は、エネルギ密度分布を示すグラフであり、（１４Ｃ）は、複数回断続的にレーザ照射を行ったときのエネルギ密度分布を示すグラフである。
【図１５】ＩＧＢＴの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施例１］
図１に、実施例１によるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源１０が、連続発振レーザビームを出射する。レーザ光源１０には、例えば半導体レーザが用いられる。その発振波長は、例えば８０８ｎｍである。なお、発振波長が６５０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲内の半導体レーザを用いてもよい。ステージ３５に照射対象物６０が保持されている。照射対象物６０は、例えば不純物が注入され、活性化アニールを行う前のシリコンウエハである。照射対象物６０にレーザビームが入射することにより、レーザアニールが行われる。レーザ光源１０から出射するレーザビームを、「アニール用レーザビーム」ということとする。
【００１２】
レーザ光源１０から出射されたレーザビームが、パワー調節装置２０、ビーム整形光学系２５、均一化光学素子２６、折り返しミラー３０、レンズ３１を経由して、照射対象物６０に入射する。
【００１３】
パワー調節装置２０は、制御装置２１、半波長板２２、ビームスプリッタ２３、及びビームダンパ２４を含む。レーザ光源１０から出射されたレーザビームが半波長板２２を経由して、ビームスプリッタ２３に入射する。ビームスプリッタ２３は、入射したレーザビームのＰ成分を透過させ、Ｓ成分を反射する。ビームスプリッタ２３で反射されたレーザビームは、ビームダンパ２４に入射する。ビームスプリッタ２３を透過したレーザビームは、パワー調節装置２０から出射し、ビーム整形光学系２５に入射する。
【００１４】
制御装置２１は、半波長板２２を、レーザビームの中心光線を中心として回転させる。半波長板２２を回転させると、ビームスプリッタ２３に入射するレーザビームのＰ成分とＳ成分との比率が変化する。これにより、パワー調節装置２０から出射するレーザビームのパワーを調節することができる。パワー調節装置２０として、減衰量可変の光アッテネータを用いてもよい。
【００１５】
ビーム整形光学系２５は、レーザビームのビーム断面を整形する。ビーム整形光学系２５には、例えばビームエキスパンダが用いられる。ビーム整形光学系２５でビーム断面を整形されたレーザビームが、均一化光学系２６に入射する。均一化光学素子２６は、レーザビームのビーム断面内の光強度分布を均一化する。均一化光学素子２６には、例えば回折光学素子（ＤＯＥ）、アレイレンズ、フライアイレンズ等が用いられる。
【００１６】
均一化光学素子２６を透過したレーザビームが、折り返しミラー３０で反射され、レンズ３１を経由して照射対象物６０に入射する。照射対象物６０に入射するレーザビームの中心光線は、照射対象物６０の表面に対して垂直である。均一化光学系２６、レンズ３１、及びステージ３５は、ステージ３５に保持された照射対象物６０の表面において光強度分布が均一になるように、レーザビームの進行方向に関する位置が調整されている。
【００１７】
参照光光源４０が、参照用のレーザビームを出射する。参照光光源４０には、例えば波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザが用いられる。なお、発振波長が可視光の波長域または波長１μｍ以下の近赤外域のレーザを用いてもよい。参照用のレーザビームは、折り返しミラー４１で反射され、照射対象物６０に斜め入射する。照射対象物６０の表面における参照用レーザビームのビームスポットは、アニール用レーザビームのビームスポットに内包されるか、または部分的に重なる。両者のビームスポットの好ましい位置関係については、後に説明する。
【００１８】
照射対象物６０に入射した参照用レーザビームの一部は、照射対象物６０の表面で反射し、折り返しミラー４２で反射されて参照光検出器４３に入射する。参照光検出器４３には、例えばフォトダイオードが用いられる。参照光検出器４３で検出された反射光の強度データが、制御装置２１に入力される。
【００１９】
照射対象物６０の表面のうち、アニール用レーザビームのビームスポット内の特定の位置からの黒体放射光が、集光レンズ５０で集光され、黒体放射検出器５１に入射する。黒体放射検出器５１で検出された黒体放射強度データが制御装置２１に入力される。制御装置２１は、反射光の強度データ及び黒体放射強度データの少なくとも一方のデータに基づいて、半波長板２２の回転方向の姿勢を制御する。なお、実施例１においては、集光レンズ５０及び黒体放射検出器５１は必須ではない。
【００２０】
走査機構３６が、ステージ３５を、照射対象物６０の表面に平行なＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。アニール用レーザビームを照射しながらステージ３５を移動させることにより、照射対象物６０の表面をレーザビームで走査することができる。例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を、それぞれ主走査方向及び副走査方向とする。
【００２１】
図２Ａに、アニール用レーザビームのビームスポットと、参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す。アニール用レーザビームのビームスポット６１は、例えば、Ｙ軸方向に長い長方形である。Ｘ軸方向の寸法（以下、「ビーム幅」という。）Ｗｘは、例えば５０μｍである。アニール用レーザビームのビームスポット６１がＸ軸の正の向きに移動する（ステージ３５がアニール用レーザビームの経路に対してＸ軸の負の向きに移動する）場合、参照用レーザビームのビームスポット４５は、アニール用レーザビームのビームスポット６１の、進行方向（主走査方向）に関して後ろ側の縁（Ｘ軸の負の側の縁）に接する位置に配置される。ビームスポット４５の形状は、例えば直径１０μｍの円形である。
【００２２】
図２Ｂに示すように、アニール用レーザビームのビームスポット６１の移動方向がＸ軸の負の向きである場合には、参照用レーザビームのビームスポット４５は、進行方向（主走査方向）に関して後ろ側の縁（Ｘ軸の正の側の縁）に接する位置に配置される。
【００２３】
次に、図３〜図５を参照して、半導体ウエハ、例えばシリコンウエハの活性化アニールを行う際の好ましいアニール条件について説明する。ＩＧＢＴのコレクタのアニールを行う場合には、ゲート電極やエミッタ等が形成されている表側の温度が過度に上昇せず、かつ、背面からなるべく深い位置まで活性化される条件でアニールを行うことが好ましい。
【００２４】
エキシマレーザ等の紫外域のレーザは、半導体ウエハの極表面で吸収されてしまうため、深い位置まで活性化させるアニールには適さない。また、遠赤外域の波長になると、半導体ウエハによる吸収係数が低くなるため、アニールには適さない。ＩＧＢＴのコレクタの活性化アニールには、波長６５０ｎｍ〜８５０ｎｍのレーザを用いることが好ましい。
【００２５】
図３に、半導体ウエハの表面におけるレーザビームのパワー密度と、表面温度が１６７３Ｋまで上昇するまでの照射時間との関係のシミュレーション結果を示す。横軸はパワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表し、縦軸は照射時間を単位「μｓ」で表す。レーザビームの波長は８００ｎｍとし、半導体ウエハの材料はシリコンとした。シリコンの融点は１６８７Ｋである。パワー密度が高くなるに従って、表面温度が１６７３Ｋに達するまでの照射時間が短くなっている。
【００２６】
図４に、図３のシミュレーションにおいて、レーザ照射側の表面から深さ３μｍの位置の最高到達温度を示す。横軸は、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表し、縦軸は、最高到達温度を単位「Ｋ」で表す。いずれの照射条件においても、表面の最高到達温度は１６７３Ｋであるが、深さ３μｍの位置の最高到達温度はパワー密度に依存してばらつくことがわかる。パワー密度が高くなるに従って、最高到達温度は低くなる傾向を示している。
【００２７】
図３に示したように、パワー密度が高くなると、照射時間が短くなることから、半導体ウエハ表面の極近傍が急激に加熱される。これにより、半導体ウエハ内部の温度上昇幅は小さくなり、温度が高く保持される時間が短くなる。パワー密度が高くなると、表面が非溶融であるという条件下で、深い領域の不純物の活性化を行うことが困難であることがわかる。
【００２８】
図５に、レーザ照射開始からの経過時間と、半導体ウエハの背面（レーザ照射している表面とは反対側の表面）の温度との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は背面の温度を単位「Ｋ」で表す。各曲線に付した数値は、半導体ウエハの表面におけるレーザビームのパワー密度を示す。なお、半導体ウエハの表面温度が１６７３Ｋになった時点でレーザ照射を停止させた。また、境界条件として、半導体ウエハの厚さを１００μｍとし、背面を断熱状態とした。
【００２９】
パワー密度が低くなる従って、半導体ウエハの背面の到達温度は高くなる。これは、パワー密度が低くなると、図３に示したように照射時間が長くなることによって、半導体ウエハへの総投入エネルギが大きくなるためである。
【００３０】
活性化深さを深くするには、高温で長時間のアニールを行うことが求められる。高温で長時間のアニールを行うためには、図３及び図４の結果から、パワー密度を低くすることが好ましい。ところが、図５に示したように、パワー密度を低くすると、半導体ウエハの背面温度の上昇が大きくなってしまう。半導体ウエハの背面、すなわちＩＧＢＴの表面側の構成により、レーザアニール時に許容される温度上昇幅が制約される。許容される温度上昇幅が大きい場合には、低いパワー密度でレーザアニールを行うことにより、深い領域の不純物の活性化を行うことができる。
【００３１】
一方、許容される温度上昇幅が小さい場合には、高いパワー密度でアニールすることが必要となり、活性化深さを深くすることが困難になる。図５に示したように、パワー密度が１５０ｋＷ／ｃｍ２を下回ると、半導体ウエハの背面温度の上昇幅が大きくなりすぎる。従って、パワー密度は１５０ｋＷ／ｃｍ２以上にすることが好ましいことがわかる。
【００３２】
パワー密度の好適値の上限は、活性化深さの目標値に依存する。パワー密度が１ＭＷ／ｃｍ２を超えると、パルスレーザを用いたアニール方法の場合と同程度のオーダになり、非溶融の条件で活性化を行うことが困難になる。従って、パワー密度は１ＭＷ／ｃｍ２以下にすることが好ましい。
【００３３】
また、一般的に、半導体ウエハの背面の最高到達温度は６００Ｋ以下にすることが望まれる。このため、図５のシミュレーション結果から、パワー密度を２５０ｋＷ／ｃｍ２以上にすることが好ましい。また、活性化深さの目標値を３μｍ程度にする場合には、深さ３μｍの位置の最高到達温度が１０００℃（１２７３Ｋ）を超える条件とすることが好ましい。従って、図４のシミュレーション結果から、パワー密度を５００ｋＷ／ｃｍ２以下にすることが好ましい。
【００３４】
図６を参照して、実施例１によるレーザアニール方法について説明する。図６は、実施例１によるレーザアニール方法のフローチャートを示す。
【００３５】
ステップＳＡ１において、反射光強度測定位置を設定する。具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、アニール用レーザビームのビームスポット６１内のうち、走査方向の後方の縁に接する位置に、参照用レーザビームのビームスポット４５を配置させる。図１に示したアニール用のレーザビームの経路に対して、折り返しミラー４１、４２をＸ軸方向に移動させることにより、ビームスポット６１に対して参照用レーザビームのビームスポット４５を移動させることができる。
【００３６】
ステップＳＡ２において、ステージ３５をＸ軸方向に移動させる。アニールすべき領域の縁が、アニール用レーザビームの入射位置に到達した時点で、アニール用レーザビームの照射を開始する。この時点でステージ３５の移動速度が目標速度に到達するように、助走期間が設けられている。アニール用レーザビームの照射開始は、実際にレーザ光源１０のレーザ発振を開始させることによって行う。また、照射開始前からレーザ発振させておき、半波長板２２の回転方向の姿勢を変化させることにより、アニール用レーザビームの照射を開始してもよい。
【００３７】
照射開始時点では、一例として、照射対象物６０の表面におけるパワー密度を４００ｋＷ／ｃｍ２とする。図３から、パワー密度が４００ｋＷ／ｃｍ２のとき、照射時間を１４．１μｓにすると、表面温度が１６７３Ｋに到達する。照射時間ｔは、図２Ａ及び図２Ｂに示したアニール用レーザビームのビーム幅Ｗｘ、及び走査速度ｖを用いて、
【００３８】
【数１】
2011187760.tif 000003
【００３９】
と表される。ビーム幅Ｗｘが５０μｍで、照射時間ｔを１４．１μｓにしたい場合には、走査速度ｖを、約３．５ｍ／ｓにすればよい。
【００４０】
アニール用レーザビームによる走査を続けると、照射対象物６０にエネルギが蓄積され、その平均温度が上昇する。走査開始時点では、照射対象物６０の表面の最高到達温度が１６７３Ｋになるようにレーザ照射条件が設定されているが、照射対象物６０の平均温度が上昇すると、同一のレーザ照射条件でも、表面温度が融点以上になる場合がある。
【００４１】
ステップＳＡ３において、１行分の主走査が終了したか否かを判定する。１行分の主走査が終了していない場合には、ステップＳＡ４において、参照光検出器４３により、反射光の強度を測定する。その後、ステップＳＡ５において、測定された反射光の強度と、しきい値とを比較する。照射対象物６０の表面の極浅い領域が溶融し、液相状態になると、反射率が高くなる。反射光の強度を測定することにより、照射対象物６０の表面が溶融したことを検出することができる。具体的には、固相状態のときの反射光の強度と、液相状態の反射光の強度との中間の強度が、制御装置２１にしきい値として記憶されている。測定された反射光の強度がこのしきい値以上である場合には、照射対象物６０の表面の極浅い領域が溶融したと考えられる。
【００４２】
測定された反射光の強度がこのしきい値以上であると判定された場合、すなわち、照射対象物６０の表面の極浅い領域が溶融していると判定された場合には、ステップＳＡ６において、照射対象物６０に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させる。具体的には、走査速度ｖは一定のまま、照射対象物６０の表面におけるパワー密度を低下させる。パワー密度の低下幅は、予め制御装置２１に設定されている。パワー密度を低下させた後、ステップＳＡ３に戻る。
【００４３】
ステップＳＡ５で、反射光の強度がしきい値未満であると判定された場合には、エネルギ密度を修正することなくステップＳＡ３に戻る。
【００４４】
ステップＳＡ３において、１行分の主走査が終了したと判定された場合には、ステップＳＡ７において、アニール用レーザビームの照射を停止させる。次に、ステップＳＡ８において、アニールすべき全ての行の走査が終了したか否かを判定する。全ての行の走査が終了した場合には、アニール処理を終了する。未走査の行が残っている場合には、ステップＳＡ９において、ステージ３５をＹ軸方向に移動させることにより、１行分の副走査を行う。
【００４５】
ステップＳＡ１０において、反射光強度測定位置を再設定する。具体的には、主走査の向きが反転するため、図２Ａ及び図２Ｂに示した参照用レーザビームのビームスポット４５の位置を、アニール用レーザビームのビームスポット６１の一方の縁に接する位置から、他方の縁に接する位置まで移動させる。その後、ステップＳＡ２に戻って、主走査を開始する。
【００４６】
次に、図７及び図８を参照して、実施例１によるレーザアニール方法の効果について説明する。
【００４７】
図７に、アニール用レーザビームの照射開始からの経過時間と、半導体ウエハの表面温度との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は表面温度を単位「Ｋ」で表す。図７の実線、破線、点線は、それぞれ照射開始時点の表面温度（初期温度）Ｔｉが３００Ｋ、３２３Ｋ、３７３Ｋの場合の表面温度の変化を示す。半導体ウエハの表面におけるパワー密度は４００ｋＷ／ｃｍ２とした。照射開始時点の表面温度が３００Ｋの条件でレーザ照射を行ったときに、表面温度が１６７３Ｋに達するまでの照射時間１４．１μｓでレーザ照射を停止させた。
【００４８】
半導体ウエハの初期温度Ｔｉが３２３Ｋ及び３７３Ｋの場合には、それぞれ１３．４μｓ及び１２．０μｓで表面温度が１６７３Ｋに達する。その後、照射時間が１４．１μｓになるまで照射を続けると、表面の極浅い領域のみならず、深い領域まで溶融する。このとき、半導体ウエハに投入された熱エネルギは、融解熱として消費されるため、表面温度は融点に維持される。
【００４９】
図８に、パワー密度を最適化した場合の、アニール用レーザビームの照射開始からの経過時間と、半導体ウエハの表面温度との関係のシミュレーション結果を示す。初期温度Ｔｉが３００Ｋのときにはパワー密度を４００ｋＷ／ｃｍ２とし、初期温度Ｔｉが３２３Ｋのときにはパワー密度を３８９．２ｋＷ／ｃｍ２とし、初期温度Ｔｉが３７３Ｋのときにはパワー密度を３６７．５ｋＷ／ｃｍ２とした。
【００５０】
この条件では、いずれの場合でも、照射開始から１４．１μｓ経過した時点で表面温度が１６７３Ｋに到達する。このように、パワー密度を最適化することにより、半導体ウエハの平均温度が上昇した場合でも、照射時間を変えることなく、表面温度の最高到達値を融点よりもやや低くすることができる。
【００５１】
図７に示したように、パワー密度を一定にして走査を行うと、照射対象物６０の平均温度が上昇した状態でレーザ照射された位置の表層部が溶融してしまう。溶融した領域の深さは、表面温度が融点に到達してからレーザ照射を停止させるまでの時間に依存する。この時間は、半導体ウエハの初期温度Ｔｉに依存する。走査が進んで半導体ウエハの平均温度が上昇すると、活性化の深さがばらついてしまう。
【００５２】
図６に示したステップＳＡ５の工程で、反射光強度がしきい値以上になったと判定された状態は、表面温度が融点まで上昇したことを意味する。ステップＳＡ６において、パワー密度を低下させることにより、現在アニール用レーザビームが入射している位置よりも後に走査される領域において、表面の溶融を防止することができる。走査を継続すると、照射対象物６０の平均温度がさらに上昇し、一旦低下させたパワー密度でも、表面が融点まで上昇する場合がある。この場合には、さらに、ステップＳＡ６でパワー密度を低下させる。実施例１では、表層部の極浅い領域が溶融すると、それ以上の溶融が抑制されるため、活性化の深さのばらつきを抑制することができる。
【００５３】
パワー密度低下の刻み幅が大きすぎると、照射対象物６０への投入エネルギ量が少なくなりすぎ、アニール不足が生じる。パワー密度低下の刻み幅が小さすぎると、パワー密度の低下が、処理対象物６０の平均温度の上昇に追随できなくなる。パワー密度低下の刻み幅の好適値は、実際に評価実験を行うことにより、決定することが好ましい。例えば、経過時間と表面温度の変化とが図７の関係をもつ場合には、パワー密度低下の刻み幅を、現時点のパワー密度の０．５％〜２％としてもよいし、２〜１０ｋＷ／ｃｍ２としてもよい。
【００５４】
上記実施例１では、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、アニール用レーザビームのビームスポット６１の内部のうち、走査方向の後ろ側の縁に隣接する領域に、参照用レーザビームのビームスポット４５を配置した。これにより、ビームスポット６１の内部のうち、最も表面温度の高い領域の反射率を測定することができる。
【００５５】
図９に示すように、参照用レーザビームのビームスポット４５が、アニール用レーザビームのビームスポット６１の一方の縁から他方の縁まで、幅方向（主走査方向）に跨るように配置してもよい。ビームスポット４５内の一部の領域で溶融が始まると、平均の反射率が上昇するため、反射光の強度が強くなる。従って、走査方向の後ろ側の縁の近傍で溶融が始まったことを検出することができる。この場合には、走査方向が反転しても、参照用レーザビームのビームスポット４５の位置を移動させる必要はない。
【００５６】
実施例１では、参照用レーザビームを照射対象物６０に斜め入射させたが、アニール用レーザビームの経路に重ねて垂直入射させてもよい。垂直入射させる場合には、例えば、図１の折り返しミラー３０とレンズ３１との間に、ダイクロイックミラーを配置し、参照用レーザビームをアニール用レーザビームの経路に重畳させればよい。このダイクロイックミラーは、アニール用レーザビームを透過させ、参照用レーザビームを反射する。照射対象物６０で反射された参照用レーザビームは、ダイクロイックミラーで反射されて、入射経路と反対向きに伝搬する。ダイクロイックミラーと参照用光源４０との間に、ビームスプリッタと１／４波長板を挿入することにより、反射光の経路を入射光の経路から分岐させることができる。分岐後の反射光の経路上に、参照光検出器４３が配置される。
【００５７】
参照用レーザビームの経路を、アニール用レーザビームの経路に重畳させる場合には、レンズ３１として、アニール用レーザビームと参照用レーザビームとの２つの波長域において、反射防止処理が行われ、色消しの設計が行われたものを用いることが好ましい。
【００５８】
参照用レーザビームを斜め入射させる構成では、照射対象物６０の表面の高さが変わると、参照用レーザビームの入射位置も変わってしまう。このため、参照用レーザビームの光学系の位置を再調整しなければならない。参照用レーザビームの経路を、アニール用レーザビームの経路に重畳させる構成では、この再調整を行う必要がない。
【００５９】
［実施例２］
図１０に、実施例２によるレーザアニール方法のフローチャートを示す。以下、図６に示した実施例１のフローチャートとの相違点に着目して説明し、共通点については説明を省略する。レーザアニール装置の構成は、図１に示したものと同一である。
【００６０】
実施例１のステップＳＡ１に代えて、ステップＳＢ１において、黒体放射強度測定位置を設定する。具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、アニール用レーザビームのビームスポット６１の内部のうち、走査方向の後ろ側の縁に接する領域（参照用レーザビームのビームスポット４５と同じ領域）からの黒体放射光が、集光レンズ５０で集光され、黒体放射検出器５１に入射するように、集光レンズ５０及び黒体放射検出器５１の位置が調節される。ステップＳＡ２、ＳＡ３は、実施例１のステップと共通である。
【００６１】
実施例１のステップＳＡ４に代えて、ステップＳＢ４において、黒体放射検出器５１で黒体放射強度を測定する。測定結果が、制御装置２１に入力される。黒体放射強度を測定することにより、照射対象物６０の表面温度を算出することができる。黒体放射強度から、処理対象物の表面温度を算出する方法は、特開平２００８−１１６２６９号公報に説明されている。
【００６２】
ステップＳＢ５において、黒体放射強度がしきい値以上か否かを判定する。このしきい値は、処理対象物６０の融点、または融点よりもやや低い温度の表面からの黒体放射強度と等しくすればよい。例えば、このしきい値は、表面温度が１６７３Ｋのときの黒体放射強度と等しくなるように設定する。測定された黒体放射強度がしきい値以上、すなわち表面温度が１６７３Ｋ以上であると判定された場合、ステップＳＡ６において、照射対象物６０に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させる。この処理は、図６に示した実施例１のステップＳＡ６の処理と共通である。測定された黒体放射強度がしきい値未満、すなわち表面温度が１６７３Ｋ未満であると判定された場合、ステップＳＡ３に戻る。
【００６３】
ステップＳＡ７、ＳＡ８、ＳＡ９は、図６に示した実施例１によるフローチャートのステップと共通である。ステップＳＡ１０に代えて、ステップＳＢ１０において、黒体放射強度の測定位置を再設定する。具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示したアニール用レーザビームのビームスポット６１の内部のうち、走査方向の後ろ側の縁に接する位置に、黒体放射強度の測定位置を移動させる。具体的には、図１に示した集光レンズ５０及び黒体放射検出器５１の位置を再調整する。
【００６４】
実施例２においても、照射対象物６０の平均温度の上昇に従って、レーザ照射のエネルギ密度を低下させるため、表面の溶融を防止することができる。これにより、活性化の深さのばらつきを抑制することができる。
【００６５】
一例として、図７に示したパワー密度とパルス幅が一定の条件でレーザ照射した場合には、照射対象物の初期温度Ｔｉが３００Ｋ、３２３Ｋ、３７３Ｋのときの深さ３μｍの位置の最高到達温度のシミュレーション結果は、それぞれ１３７２Ｋ、１４００Ｋ、１４２８Ｋであった。これに対し、図８に示した実施例２による方法では、照射対象物の初期温度Ｔｉが３００Ｋ、３２３Ｋ、３７３Ｋのときの深さ３μｍの位置の最高到達温度のシミュレーション結果は、それぞれ１３７２Ｋ、１３７３Ｋ、１３７４Ｋであった。シミュレーション結果からも、実施例２の方法により、照射対象物内部の最高到達温度のばらつきが小さくなることがわかる。最高到達温度のばらつきが抑制されることから、活性化深さのばらつきも小さくなることが期待できる。
【００６６】
黒体放射は、照射対象物６０の表面から、立体角２πステラジアンの空間に放射されるため、集光レンズ５０に入射する黒体放射光は少ない。従って、黒体放射検出器５１として、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や、光電子増倍管（ＰＭＴ）等の増倍機能を持った検出器を用いることが好ましい。なお、これらの検出器には、ＣＷ成分の光を検出できないものもあり、照射対象物が大きく、黒体放射光強度の計測時間が長くなる場合には、測定された強度が安定しないことがある。この場合には、チョッパや高速シャッタ等を用いて、検出器に入力される黒体放射光を適宜遮断してもよい。また、アニール用レーザビームの散乱光の影響を受けないようにするために、黒体放射検出器５１を暗室内に配置し、黒体放射光を光ファイバで暗室内の黒体放射検出器５１まで伝送することが好ましい。
【００６７】
実施例１で測定した反射光の強度、及び実施例２で測定した黒体放射強度は、いずれも照射対象物の表面温度に依存する物理量である。反射光の強度、及び黒体放射強度以外に、表面温度に依存する他の物理量を測定してもよい。例えば、消衰係数を測定することにより、表面温度を算出することができる。
【００６８】
なお、反射光強度の測定結果と、黒体放射強度の測定結果との両方に基づいて、エネルギ密度を低下させるか否かの判定を行ってもよい。
【００６９】
［実施例３］
図１１に、実施例３によるレーザアニール装置の概略図を示す。実施例１及び実施例２では、図１に示したように、制御装置２１を含むパワー調節装置２０がアニール用レーザビームのパワーを調節することにより、照射対象物６０に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させた。実施例３においては、制御装置２１が、走査機構３６を制御して走査速度を変化させることができる。
【００７０】
照射対象物６０に投入されるエネルギ密度Ｅは、照射対象物６０の表面におけるパワー密度をＰ、ビーム幅をＷｘ、走査速度をｖとして、
【００７１】
【数２】
2011187760.tif 000004
【００７２】
と表される。実施例１では、図６のステップＳＡ６において、数式４の右辺のパワー密度Ｐを低下させることにより、エネルギ密度Ｅを低下させた。実施例３では、図６のステップＳＡ６において、数式４の右辺の走査速度ｖを速くすることにより、エネルギ密度Ｅを低下させる。
【００７３】
図１２に、アニール用レーザビームの照射開始からの経過時間と、表面温度との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は表面温度を単位「Ｋ」で表す。照射開始対象物６０の表面におけるパワー密度は４００ｋＷ／ｃｍ２である。図１２の実線、破線、及び点線は、それぞれ照射対象物６０の初期温度Ｔｉが３００Ｋ、３２３Ｋ、及び３７３Ｋの場合の表面温度の変化を示す。表面温度が１６７３Ｋに到達した時点でレーザ照射を停止することとした。
【００７４】
初期温度Ｔｉが３００Ｋ、３２３Ｋ、及び３７３Ｋの場合、それぞれ照射開始から１４．１μｓ、１３．４μｓ、及び１２．０μｓ経過時点で表面温度が１６７３Ｋに到達する。レーザ照射が停止されると、表面温度が徐々に低下する。
【００７５】
走査速度ｖが速くなると、照射対象物６０の表面のある微小な領域にアニール用レーザビームが入射している時間（照射時間）が短くなる。このように、照射時間を短くすることによって、表面温度が融点を超えないように制御することが可能である。これにより、実施例１及び実施例２の場合と同様に、活性化深さのばらつきを抑制することができる。
【００７６】
走査速度を低下させる契機として、図６のステップＳＡ５のように反射光の強度を用いてもよいし、図１０のステップＳＢ５のように黒体放射強度を用いてもよいし、両方を用いてもよい。
【００７７】
また、上記数式４からもわかるように、パワー密度Ｐを一定にしてビーム幅Ｗｘを狭くすることによっても、エネルギ密度Ｅを低下させることができる。ビーム幅Ｗｘは、アニール用レーザビームの経路内に配置した幅可変のスリット、及びこのスリットを照射対象物６０の表面に結像させる結像レンズを用いることにより、調節することが可能である。
【００７８】
このように、走査速度ｖ及びビーム幅Ｗｘの一方を調整してアニール用レーザビームの照射時間を制御することにより、エネルギ密度Ｅを調整することができる。
【００７９】
実施例１によるパワー密度を調整する方法では、図８に示したように、照射対象物６０の初期温度Ｔｉが高い場合の表面温度は、レーザビームの照射期間、及び照射終了後の表面温度低下期間のいずれにおいても、初期温度Ｔｉが低い場合の表面温度より高い。これに対し、実施例３では、図１２に示したように、照射対象物６０の初期温度Ｔｉが高い場合の表面温度は、レーザビームの照射期間には、初期温度Ｔｉが低い場合の表面温度より高い。ところが、レーザ照射を停止させた後の表面温度低下中のある期間には、表面温度の上下関係が逆転する。このため、温度履歴の積分値が平準化される。
【００８０】
図１２に示した３種類のレーザ照射条件で活性化アニールを行ったときの活性化深さの計算結果は、いずれの条件においても２．２７μｍであった。このように、実施例３による方法は、実施例１による方法に比べて、活性化深さのばらつきを抑制する効果が高い。
【００８１】
［実施例４］
図１３に、実施例４によるレーザアニール装置の概略図を示す。実施例４では、図１に示した半波長板２２に代えて、電気光学素子（ＥＯＭ）２２Ａが用いられる。制御装置２１、電気光学素子２２Ａ、ビームスプリッタ２３、及びビームダンパ２４により、遮断装置２０Ａが構成される。電気光学素子２２Ａには、例えばポッケルスセルが用いられる。電気光学素子２２Ａは、制御装置２１からの制御を受けて、レーザビームの偏光方向を変化させる。実施例４においては、ビームスプリッタ２３に入射するレーザビームをすべてＰ成分にする状態と、すべてＳ成分にする状態とを選択することができる。
【００８２】
ビームスプリッタ２３に入射するレーザビームがＰ成分のみである場合、レーザビームはビームスプリッタ２３を透過し、照射対象物６０に入射する。ビームスプリッタ２３に入射するレーザビームがＳ成分のみである場合、レーザビームはビームスプリッタ２３で反射されるため、照射対象物６０には入射しない。
【００８３】
電気光学素子２２Ａは、半波長板２２を回転させる場合に比べて、Ｐ成分のみの状態と、Ｓ成分のみの状態とを高速に切り替えることができる。このため、遮断装置２０Ａは、アニール用レーザビームを高速に遮断することができる。なお、電気光学素子２２Ａとビームスプリッタ２３とに代えて、音響光学素子（ＡＯＭ）を用いてもよい。実施例４においては、照射対象物６０にアニール用レーザビームが照射されている状態と、アニール用レーザビームが遮断されている状態とを交互に繰り返す。
【００８４】
図１４Ａに、照射対象物６０の表面に入射するアニール用レーザビームのパワー密度分布の一例を示す。アニール用レーザビームの光強度分布は、均一化光学素子２６で均一化されているため、パワー密度分布は一定であると仮定した。横軸は走査方向（Ｘ軸方向）に関する位置を表し、縦軸はパワー密度を表す。照射開始時刻（ｔ＝ｔ０）に入射するアニール用レーザビームのパワー密度分布を細い実線Ｐ０で表し、照射が遮断される時刻（ｔ＝ｔ２）に入射しているアニール用レーザビームのパワー密度分布を太い実線Ｐ１で表す。照射が開始される時刻から、照射が遮断される時刻までのビームスポットの移動距離Ｌ１は、ビーム幅Ｗｘに比べて十分短い。
【００８５】
図１４Ｂに、時刻ｔ０からｔ２までの照射期間に、照射対象物６０に入射したレーザビームのエネルギ密度の分布を太い実線Ｅ１で示す。照射開始時刻ｔ０から遮断時刻ｔ２まで継続してレーザビームが入射している領域においては、エネルギ密度が一定になる。エネルギ密度一定の領域の両側に、外側に向かってエネルギ密度が低下する傾斜領域が存在する。
【００８６】
図１４Ｃに、アニール用レーザビームを断続的に照射したときに照射対象物６０に投入されるエネルギ密度分布を示す。時刻ｔ０からｔ２までの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布Ｅ１（ｔ０−ｔ２）と、時刻ｔ３からｔ４までの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布Ｅ１（ｔ３−ｔ４）とが部分的に重なる。同様に時刻ｔ３からｔ４までの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布Ｅ１（ｔ３−ｔ４）と、時刻ｔ５からｔ６までの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布Ｅ１（ｔ５−ｔ６）とが部分的に重なる。
【００８７】
照射対象物６０に実際に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布は、これらのエネルギ密度分布を累積した分布になる。このように、連続発振したアニール用レーザビームを断続的に遮断することによってパルス化して照射してもよい。
【００８８】
図１４Ａに示すように、遮断時刻をｔ２よりも早いｔ１とした場合の遮断時刻におけるパワー密度分布を破線Ｐ２で示す。図１４Ｂに、時刻ｔ０からｔ１までの照射期間に、照射対象物６０に投入されたレーザエネルギのエネルギ密度分布を破線Ｅ２で示す。遮断時刻をｔ２にした場合に比べて照射時間が短いため、エネルギ密度が一定になる領域のエネルギ密度は、遮断時刻をｔ２にした場合よりも低くなる。このように、照射時間を短くすることにより、照射対象物６０に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させることができる。
【００８９】
図６に示した実施例１のステップＳＡ６、及び図１０に示した実施例２のステップＳＡ６において、照射時間を短くすることにより、エネルギ密度を低下させることができる。
【００９０】
実施例１〜実施例３による方法では、数式３に示したように、ビーム幅Ｗｘと照射すべき時間ｔが決まると、走査速度ｖも決まってしまう。例えば、照射すべき時間ｔが５０μｓ、ビーム幅Ｗｘが５０μｍである場合、走査速度ｖは１ｍ／ｓになる。走査速度が速くなると、ステージ３５が一定速度に達するまで加速するための空間、及び走査方向を反転させるために減速するための空間を確保しなければならない。このため、アニール装置が大型化してしまう。
【００９１】
実施例４では、走査速度に依らず、照射時間を変えることができる。このため、実施例１〜実施例３の場合に比べて走査速度を遅くすることが可能になる。加速及び減速のために確保すべき空間が小さくてもよいため、装置を小型化することが可能になる。
【００９２】
実施例４では、連続発振したレーザビームを遮断する構成を採用した。その他に、疑似連続発振（ＱＣＷ）するレーザビームを用いてもよいし、パルス幅が１μｓ以上のパルスレーザビームを用いてもよい。パルス幅が１μｓ以上のパルスレーザビームを用いる場合には、１つのパルスの一部を遮断装置２０Ａで遮断することにより、照射時間を調節することができる。なお、レーザ光源１０がパルス幅可変のレーザ発振器である場合には、電気光学素子２２Ａ、ポーラライザ２３、及びビームダンパ２４を配置することなく、制御装置２１でレーザ光源１０を直接制御してもよい。
【００９３】
図１５に、上記実施例１〜実施例４によるレーザアニール方法が適用されるＩＧＢＴの断面の模式図を示す。ＩＧＢＴは、ｎ型の半導体基板の一方の面にエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面にコレクタを形成することで作製される。エミッタとゲートを形成する面の構造は、一般的なＭＯＳＦＥＴの作製工程と同様の工程で作製される。たとえば、図１５に示すように、ｐ型のベース領域７４、ｎ型のエミッタ領域７５、ゲート電極８１、ゲート絶縁膜８２、エミッタ電極８０を配置することにより、ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができるようになる。
【００９４】
半導体基板７１の反対側の面に、ｐ型のコレクタ層７３が形成されている。必要に応じて、コレクタ層７３と半導体基板７１との間に、ｎ型のバッファ層７２を形成してもよい。コレクタ層７３及びバッファ層７２は、それぞれ不純物としてボロン及びリンをイオン注入により注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。この活性化アニールに、上記実施例１〜４による方法が適用される。コレクタ電極８３が、活性化アニールの後に、コレクタ層７３の表面に形成される。
【００９５】
上記実施例１〜実施例４では、半導体ウエハに注入された不純物を活性化するレーザアニールについて説明した。上記レーザアニール方法は、照射対象物の表面を過度に溶融させることなくレーザビームで走査してアニールを行う方法に適用することができる。この場合に、照射対象物の面内において、アニールによる温度履歴の平準化を行うことができる。
【００９６】
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。
【符号の説明】
【００９７】
１０  レーザ光源
２０  パワー調節装置
２０Ａ  遮断装置
２１  制御装置
２２  半波長板
２２Ａ  電気光学素子
２３  ビームスプリッタ
２４  ビームダンパ
２５  ビーム整形光学系
２６  均一化光学系
３０  折り返しミラー
３１  レンズ
３５  ステージ
３６  走査機構
４０  参照光光源
４１、４２  折り返しミラー
４３  参照光検出器
４５  参照用レーザビームのビームスポット
５０  集光レンズ
５１  黒体放射検出器
６０  照射対象物
６１  アニール用レーザビームのビームスポット
７０  シリコン基板
７１  ｎ−型の領域
７２  バッファ層
７３  コレクタ層
７４  ベース領域
７５  エミッタ領域
８０  エミッタ電極
８１  ゲート電極
８２  ゲート絶縁膜
８３  コレクタ電極
【図１】
2011187760.tif 000005
【図２】
2011187760.tif 000006
【図３】
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【図４】
2011187760.tif 000008
【図５】
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【図６】
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【図７】
2011187760.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011187760.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
2011187760.tif 000017
【図１４】
2011187760.tif 000018
【図１５】
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