(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に浅い部分にイオン注入された第１のドーパントと、相対的に深い部分にイオン注入された第２のドーパントとを含む半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板に、相対的に長いパルス幅の第１のパルスレーザビームを入射させ、前記第１のパルスレーザビームが入射している期間に、相対的に短いパルス幅の第２のパルスレーザビームを入射させることにより、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントを活性化させる工程と
を有し、
前記第２のパルスレーザビームが立ち上がった時点で、前記第１のパルスレーザビームの入射によって、前記半導体基板のビーム入射領域の表面が部分的に溶融しており、
前記第２のパルスレーザビームの入射によって、前記半導体基板の前記ビーム入射領域の表面が全域に亘って溶融し、
前記第１のパルスレーザビームが立ち下がった時点よりも後に、前記半導体基板の溶融した部分の固化が完了する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のパルスレーザビームは、半導体レーザ発振器から出力され、前記第２のパルスレーザビームは、固体レーザ発振器から出力される第２高調波である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
第１のパルスレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅の第２のパルスレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、
半導体基板を保持するステージと、
前記第２のパルスレーザビームを減衰させる可変アッテネータを含み、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板に入射させる伝搬光学系と、
入出力装置と、
前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記入出力装置を通して入力された溶融深さの目標値を記憶し、
前記入出力装置に、前記前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の入力を促す画像を、前記半導体基板の表面が溶融し始めるパルス幅を認識可能に表示し、
前記入出力装置を通して、前記第１のパルスレーザビームのパルス幅指令値が入力されると、前記溶融深さの目標値及び前記パルス幅指令値に基づいて、前記第２のパルスレーザビームのフルエンスの下限値と上限値とを算出し、
前記第２のパルスレーザビームのフルエンスの下限値及び上限値を前記入出力装置に表示し、
前記フルエンスの下限値と上限値との間のフルエンス指令値が入力されると、前記第１のパルスレーザビームの前記パルス幅指令値、前記第２のパルスレーザビームの前記フルエンス指令値に基づいて、前記第１のパルスレーザビームの出力タイミングに対する前記第２のパルスレーザビームの出力タイミングの関係を算出し、
前記第１のパルスレーザビームの前記パルス幅指令値、前記第２のパルスレーザビームの前記フルエンス指令値、及び前記第１のパルスレーザビームの出力タイミングに対する前記第２のパルスレーザビームの出力タイミングの関係に基づいて、前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御するレーザアニール装置。
【請求項４】
前記第１のレーザ発振器は、半導体レーザ発振器であり、前記第２のレーザ発振器は、第２高調波を出力する固体レーザ発振器である請求項３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、レーザビームの照射によって、半導体基板に注入された不純物を活性化させ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】
下記の特許文献１に、半導体レーザ及び固体レーザを用いてレーザアニールを行うことにより、半導体基板に注入されたドーパントを活性化する方法が開示されている。この方法で用いられる固体レーザのパルス幅は半導体レーザのパルス幅の１／１０以下である。半導体レーザの入射領域に、固体レーザを重ねて入射させることにより、不純物を活性化させる。
【０００３】
半導体レーザのみが入射している期間は、半導体基板の表面が溶融しない。固体レーザが入射した時点で、半導体基板の表面が溶融する。固体レーザが立ち下がると、半導体基板の表層部の温度が低下することにより、溶融していた部分が固化する。このとき、溶融していた部分と溶融していない部分との界面から結晶がエピタキシャル成長する。これにより、ドーパントが活性化されるとともに、イオン注入によってアモルファス化していた領域の結晶性が回復する。
【０００４】
パルス幅が相対的に長い半導体レーザのみで活性化アニールを行う場合には、パルス幅の短いエキシマレーザや固体レーザを用いる場合に比べて、レーザ光のピーク強度を高めることが困難である。このため、半導体基板の表層部を均一に溶解させることが困難である。これは、半導体レーザの入射領域の全域に、半導体基板の溶融に必要となる潜熱（融解熱）を短時間で供給することができないためである。
【０００５】
半導体レーザが入射している領域の一部分のみが潜熱を得て溶融し、他の部分は溶融しない。その結果、溶融した部分がまだら状に発生してしまう。溶融した部分が固化すると、表面にまだら模様が残ってしまう。特許文献１に開示された方法では、半導体レーザのみが入射している期間は、半導体基板の表面が溶融しない条件でアニールが行われる。これにより、半導体レーザの入射によるまだら模様の発生が防止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−３６１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パルス幅が相対的に短いパルスレーザビームに必要なフルエンスを低減させることができれば、出力の小さなレーザ発振器を用いることができる。このため、レーザアニール装置のコスト低減を図ることができる。
【０００８】
本発明の目的は、レーザ発振器として従来よりも出力の小さなものを用いることが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、この半導体装置の製造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】
【０００９】
本発明の一観点によると、
相対的に浅い部分にイオン注入された第１のドーパントと、相対的に深い部分にイオン注入された第２のドーパントとを含む半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板に、相対的に長いパルス幅の第１のパルスレーザビームを入射させ、前記第１のパルスレーザビームが入射している期間に、相対的に短いパルス幅の第２のパルスレーザビームを入射させることにより、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントを活性化させる工程と
を有し、
前記第２のパルスレーザビームが立ち上がった時点で、前記第１のパルスレーザビームの入射によって、前記半導体基板のビーム入射領域の表面が部分的に溶融しており、
前記第２のパルスレーザビームの入射によって、前記半導体基板の前記ビーム入射領域の表面が全域に亘って溶融し、
前記第１のパルスレーザビームが立ち下がった時点よりも後に、前記半導体基板の溶融した部分の固化が完了する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、
第１のパルスレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅の第２のパルスレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、
半導体基板を保持するステージと、
前記第２のパルスレーザビームを減衰させる可変アッテネータを含み、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板に入射させる伝搬光学系と、
入出力装置と、
前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記入出力装置を通して入力された溶融深さの目標値を記憶し、
前記入出力装置に、前記前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の入力を促す画像を、前記半導体基板の表面が溶融し始めるパルス幅を認識可能に表示し、
前記入出力装置を通して、前記第１のパルスレーザビームのパルス幅指令値が入力されると、前記溶融深さの目標値及び前記パルス幅指令値に基づいて、前記第２のパルスレーザビームのフルエンスの下限値と上限値とを算出し、
前記第２のパルスレーザビームのフルエンスの下限値及び上限値を前記入出力装置に表示し、
前記フルエンスの下限値と上限値との間のフルエンス指令値が入力されると、前記第１のパルスレーザビームの前記パルス幅指令値、前記第２のパルスレーザビームの前記フルエンス指令値に基づいて、前記第１のパルスレーザビームの出力タイミングに対する前記第２のパルスレーザビームの出力タイミングの関係を算出し、
前記第１のパルスレーザビームの前記パルス幅指令値、前記第２のパルスレーザビームの前記フルエンス指令値、及び前記第１のパルスレーザビームの出力タイミングに対する前記第２のパルスレーザビームの出力タイミングの関係に基づいて、前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御するレーザアニール装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
第２のパルスレーザビームが立ち上がる時点で、半導体基板の表面が部分的に溶融するほどレーザ照射面の温度が高くなっているため、第２のパルスレーザビームのフルエンスを低くすることが可能である。第１のパルスレーザビームによって半導体基板の表面が部分的に溶融していても、第２のパルスレーザビームの入射によって、ほぼ全域が均一に溶融する。このため、部分的に溶融していたことによるまだら模様が表面に発生することはない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施例による半導体装置の製造方法に用いられるレーザアニール装置の概略図である。
【図２】図２Ａは、実施例による方法で製造される半導体装置の例として示された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図であり、図２Ｂは、ＩＧＢＴの製造途中段階における断面図である。
【図３】図３Ａは、実施例による方法で半導体基板をアニールするときのレーザパルスの波形の一例を示すグラフであり、図３Ｂは、半導体基板の第２の面におけるパルスレーザビームの入射領域の平面図である。
【図４】図４Ａは、比較例による方法でドーパントの活性化を行った半導体基板のアニール前のドーパント濃度、及びアニール後のキャリアの測定結果を示すグラフであり、図４Ｂは、実施例による方法でドーパントの活性化を行った半導体基板のアニール後のキャリア濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【図５】図５は、比較例によるレーザアニール方法に採用されるレーザパルス波形の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例によるレーザアニール装置の制御装置で実行される処理のフローチャートである。
【図７】図７Ａは、図６のステップＳ３で入出力装置に表示される画像の一例を示す概略図であり、図７Ｂは、図６のステップＳ６で入出力装置に表示される画像の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、実施例による半導体装置の製造方法に用いられるレーザアニール装置の概略図を示す。半導体レーザ発振器（第１のレーザ発振器）２１が、例えば波長８０８ｎｍの第１のパルスレーザビームを出力する。なお、波長６９０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下のパルスレーザビームを出力する半導体レーザ発振器を用いてもよい。固体レーザ発振器（第２のレーザ発振器）３１が、緑色の波長域の第２のパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器３１には、例えば第２高調波を出力するＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４等のＱスイッチレーザが用いられる。
【００１４】
半導体レーザ発振器２１から出力された第１のパルスレーザビーム及び固体レーザ発振器３１から出力された第２のパルスレーザビームが、伝搬光学系２７を経由して、アニール対象物である半導体基板５０に入射する。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は、半導体基板５０の表面の同一の領域に入射する。
【００１５】
次に、伝搬光学系２７の構成及び作用について説明する。半導体レーザ発振器２１から出力された第１のパルスレーザビームが、アッテネータ２２、ビームエキスパンダ２３、ホモジナイザ２４、ダイクロイックミラー２５、及び集光レンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。
【００１６】
固体レーザ発振器３１から出力された第２のパルスレーザビームが、可変アッテネータ３２、ビームエキスパンダ３３、ホモジナイザ３４、ベンディングミラー３５、ダイクロイックミラー２５、及び集光レンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。
【００１７】
アッテネータ２２は、第１のパルスレーザビームの強度を減衰させる。可変アッテネータ３２は、第２のパルスレーザビームの強度を減衰させる。可変アッテネータ３２による第２のパルスレーザビームの減衰量は可変である。ビームエキスパンダ２３、３３は、入射したパルスレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。ホモジナイザ２４、３４及び集光レンズ２６は、半導体基板５０の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一化する。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は、半導体基板５０の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。
【００１８】
半導体基板５０は、ステージ４１に保持されている。半導体基板５０の表面に平行な面をｘｙ面とし、半導体基板５０の表面の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。制御装置１０が、半導体レーザ発振器２１、固体レーザ発振器３１、可変アッテネータ３２、及びステージ４１を制御する。ステージ４１は、制御装置１０からの制御を受けて、半導体基板５０をｘ方向及びｙ方向に移動させる。
【００１９】
入出力装置１１を通して、制御装置１０に種々の情報、例えばレーザアニール条件の目標値が入力される。制御装置１０は、オペレータにレーザアニール条件の目標値の入力を補助する情報を出力する。オペレータは、入出力装置１１に出力された情報を参考にして、レーザアニール条件の目標値を入力することができる。入出力装置１１には、例えば、ディスプレイ、キーボード、及びポインティングデバイスが用いられる。その他に、入出力装置１１として、タッチパネルを用いることも可能である。
【００２０】
制御装置１０は、記憶装置１２を含む。記憶装置１２には、アニール条件を決定するための処理を実行するコンピュータプログラム、この処理で用いられる種々のデータが格納される。
【００２１】
図２Ａに、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。ｎ型のシリコンからなる半導体基板５０の一方の面（以下、「第１の面」という。）５０Ｔにエミッタとゲートが形成される。もう一方の面（以下、「第２の面」という。）５０Ｂにコレクタが形成される。半導体基板５０として、通常はシリコン単結晶基板が用いられる。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。例えば、図２Ａに示すように、半導体基板５０の第１の面５０Ｔの表層部に、ｐ型のベース領域５１、ｎ型のエミッタ領域５２、ゲート電極５３、ゲート絶縁膜５４、エミッタ電極５５が配置される。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。
【００２２】
半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部に、ｐ型のコレクタ層５７及び低濃度のｎ型のバッファ層５６が形成されている。バッファ層５６は、コレクタ層５７よりも深い部分に配置される。コレクタ層５７及びバッファ層５６は、それぞれ不純物として、例えばボロン及びリンをイオン注入し、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、図１に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極５８が、活性化アニールの後に、コレクタ層５７の表面に形成される。
【００２３】
第２の面５０Ｂからコレクタ層５７とバッファ層５６との界面までの深さは、例えば約０．３μｍである。第２の面からバッファ層５６の最も深い位置までの深さは、例えば１μｍ〜５μｍの範囲内である。
【００２４】
図２Ｂに、レーザアニールを行う段階の半導体基板５０の断面図を示す。半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表面近傍の相対的に浅い部分５７ａに、第１のドーパントとしてボロンがイオン注入されている。相対的に深い部分５６ａに、第２のドーパントとしてリンがイオン注入されている。浅い部分５７ａ内のボロン、及び深い部分５６ａ内のリンは、活性化していない。浅い部分５７ａのボロン濃度は、深い部分５６ａのリン濃度より高い。ボロンのドーズ量が多いため、浅い部分５７ａはアモルファス状態になっている。浅い部分５７ａと深い部分５６ａとの界面より深い部分は、単結晶状態のままである。半導体基板５０の第１の面５０Ｔには、図２Ａに示した素子構造が形成されている。
【００２５】
図３Ａに、半導体基板５０（図２Ｂ）に入射するレーザパルス波形の概略を示す。図３Ａでは、パルス波形を長方形で表しているが、実際のパルス波形は、パルスの立ち上がり、減衰、及び立ち下がり等の部分を含む。図３Ａに示されたパルス波形の立ち上がりのタイミングは、制御装置１０（図１）が半導体レーザ発振器２１及び固体レーザ発振器３１を制御することにより決定される。
【００２６】
時刻ｔ１に、半導体レーザ発振器２１から出力される第１のパルスレーザビームＬＰ１が立ち上がる。第１のパルスレーザビームＬＰ１が入射している期間内の時刻ｔ３に、固体レーザ発振器３１から出力される第２のパルスレーザビームＬＰ２が立ち上がる。第１のパルスレーザビームＬＰ１と第２のパルスレーザビームＬＰ２とが入射する領域は、ほぼ重なる。第２のパルスレーザビームＬＰ２のピークパワーは、第１のパルスレーザビームＬＰ１のピークパワーより高く、第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１より短い。第１のパルスレーザビームＬＰ１は、第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち下がりと同時、または第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち下がりよりも後の時刻ｔ４に立ち下がる。
【００２７】
第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１は、例えば１０μｓ以上である。パルス幅ＰＷ１は、制御装置１０から制御することが可能である。第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、例えば１μｓ以下である。一般的に、パルス幅ＰＷ２は、固体レーザ発振器３１に固有のものであり、制御装置１０から自由に制御することはできない。一例として、パルス幅ＰＷ１は１０μｓ以上３０μｓ以下であり、パルス幅ＰＷ２は１００ｎｓ以上２００ｎｓ以下である。第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２を、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の１／５以下とすることが好ましい。
【００２８】
図３Ｂに、半導体基板５０（図２Ｂ）の第２の面５０Ｂにおけるパルスレーザビームの入射領域の平面図を示す。第１のパルスレーザビームＬＰ１（図３Ａ）及び第２のパルスレーザビームＬＰ２（図３Ａ）は、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）において、ｘ方向に長い同一のビーム入射領域４０に入射する。例えば、ビーム入射領域４０の好適な長さＬは２ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、好適な幅Ｗｔは２００μｍ以上４００μｍ以下である。
【００２９】
アニール中は、半導体基板５０（図２Ｂ）をｙ方向に移動させながら、第１のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビームＬＰ２（図３Ａ）を、一定の繰り返し周波数で半導体基板５０に入射させる。第１のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビームＬＰ２の繰り返し周波数の１周期の間に半導体基板５０が移動する距離をＷｏで表す。時間軸上で隣り合う２つの第１のパルスレーザビームＬＰ１のビーム入射領域４０は、相互に部分的に重なる。両者の重複率（Ｗｔ−Ｗｏ）／Ｗｔは、例えば５０％以上９０％以下である。
【００３０】
図３Ａに示した時刻ｔ１で第１のパルスレーザビームＬＰ１が立ち上がると、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）の表層部の温度が上昇し始める。時刻ｔ２の時点で、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの温度が融点に達し、表面が部分的に溶融する。時刻ｔ３に、第２のパルスレーザビームＬＰ２の入射によって、半導体基板５０のビーム入射領域のほぼ全域の表層部が溶融する。
【００３１】
第２のパルスレーザビームＬＰ２が立ち下がると、半導体基板５０の表面温度が低下し始める。第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち下がり時点からある時間が経過した時刻ｔ５において、溶融していた部分の固化（再結晶化）が完了する。再結晶化と同時に、浅い部分５７ａ（図２Ｂ）に注入されている不純物が活性化する。深い部分５６ａは、溶融することなく、固相拡散することにより不純物が活性化する。
【００３２】
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、実施例による半導体装置の製造方法の優れた効果について説明する。
【００３３】
図４Ａに、比較例による方法でドーパントの活性化を行った半導体基板のアニール前のドーパント濃度、及びアニール後のキャリアの測定結果を示す。この評価実験では、浅い部分の第１のドーパント、及び深い部分の第２のドーパントとして、共にリン（Ｐ）を用いた。図４Ａの横軸は、半導体基板の表面からの深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。細い実線は、アニール前におけるリン濃度を示し、太い実線は、アニール後におけるキャリア濃度（電子濃度）を示す。
【００３４】
深さ約０．３μｍにおいて、第１のドーパントの濃度が最大値を示している。深さ約１．８μｍにおいて、第２のドーパントの濃度が最大値を示している。第２のドーパントは、約４μｍの深さまで注入されている。
【００３５】
第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１が１５μｓ、フルエンスが６．０Ｊ／ｃｍ２、第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２が１５０ｎｓ、フルエンスが１．２Ｊ／ｃｍ２の条件で、レーザアニールを行った。第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち下がる時刻を、第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち下がり時刻ｔ４（図３Ａ）に一致させた。
第１のパルスレーザビームＬＰ１の上記条件では、半導体基板の表面は溶融しない。第２のパルスレーザビームＬＰ２の入射によって、半導体基板の表面が溶融する。
【００３６】
図４Ａに示したように、深さ０．３μｍよりも深い領域で、アニール前のドーパント濃度の分布と、アニール後のキャリア濃度の分布とがほぼ一致している。これは、深さ０．３μｍより深い領域において、ほぼ１００％のドーパントが活性化していることを意味する。深さ０．３μｍより浅い領域では、アニール後のキャリア濃度の分布がほぼ平坦になっている。これは、深さ０．３μｍより浅い領域が溶融したことを意味している。溶融した部分が再結晶化するときに、ほぼ１００％の第１のドーパントが活性化する。図４Ａに示したように、深さ４μｍまでの全域において、ドーパントがほぼ１００％活性している。
【００３７】
図４Ｂに、実施例による方法でドーパントの活性化を行った半導体基板のアニール後のキャリア濃度分布の測定結果を示す。浅い部分への第１のドーパントの注入、及び深い部分への第２のドーパントの注入は、図４Ａの場合と同じ条件で行った。
【００３８】
第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１が１５μｓ、フルエンスが６．４Ｊ／ｃｍ２、第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２が１５０ｎｓ、フルエンスが１．０Ｊ／ｃｍ２の条件で、レーザアニールを行った。すなわち、図４Ａに示した比較例の場合と比べて、第１のパルスレーザビームＬＰ１のフルエンスを大きくし、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスを小さくしている。第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち下がる時刻は、図４Ａに示した比較例の場合と同様に、第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち下がり時刻ｔ４（図３Ａ）に一致させた。第１のパルスレーザビームＬＰ１の上記条件では、半導体基板の表面が部分的に溶融する。第２のパルスレーザビームＬＰ２は、半導体基板の表面が部分的に溶融している状態で入射する。
【００３９】
図４Ｂに示したように、ほぼ１００％のドーパントが活性化しており、深さ４μｍまで活性化している。また、第１のパルスレーザビームＬＰ１の入射によって、半導体基板の表面が部分的に溶融するが、その後の第２のパルスレーザビームＬＰ２の入射によって、ビーム入射領域のほぼ全域が均一に溶融する。このため、第１のパルスレーザビームＬＰ１の入射によって部分的に溶融したことに起因して、半導体基板の表面にまだら模様が発生することはなかった。
【００４０】
実施例による方法では、半導体基板の表面が部分的に溶融している状態で、第２のパルスレーザビームＬＰ２を入射させるため、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスを小さくすることができる。固体レーザ発振器３１（図１）として、出力の小さなものを使用することが可能であるため、レーザアニール装置のコスト低減を図ることができる。
【００４１】
次に、図３Ａ及び図５を参照して、上記実施例による半導体装置の製造方法の他の優れた効果について説明する。
【００４２】
図５に、比較例によるレーザアニール方法に採用されるレーザパルス波形の一例を示す。時刻ｔ１で第１のパルスレーザビームＬＰ１が立ち上がる。時刻ｔ２において、半導体基板の表面が部分的に溶融し始める。時刻ｔ３において、第２のパルスレーザビームＬＰ２が立ち上がる。第２のパルスレーザビームＬＰ２の入射によって、半導体基板のビーム入射領域のほぼ全域が均一に溶融する。第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち下がり後の時刻ｔ５において、溶融していた部分の固化がほぼ完了する。その後も、第１のパルスレーザビームＬＰ１の入射が継続し、時刻ｔ４において、第１のパルスレーザビームＬＰ１が立ち下がる。
【００４３】
比較例では、第２のパルスレーザビームＬＰ２の入射によって溶融していた部分の固化が完了する時刻ｔ５の時点で、第１のパルスレーザビームＬＰ１の入射が継続している。このため、半導体基板の表面が一旦固化するが、第１のパルスレーザビームＬＰ１の入射によって、表面が部分的に溶融する場合がある。時刻ｔ４において、部分的に溶融していた部分が固化する。このため、半導体基板の表面にまだら模様が発生してしまう。
【００４４】
実施例による方法では、図３Ａに示したように、第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち下がり時刻ｔ４が、溶融していた部分の固化が完了する時刻ｔ５よりも前である。このため、固化した後に、半導体基板の表面が部分的に溶融することはない。従って、半導体基板の表面にまだら模様が発生することもない。
【００４５】
図６に、実施例によるレーザアニール装置の制御装置１０（図１）で実行される処理のフローチャートを示す。
【００４６】
ステップＳ１において、制御装置１０が入出力装置１１に、溶融深さの目標値ＴＭＤの入力を促す画像を表示する。ステップＳ２において、溶融深さの目標値ＴＭＤが入力されるまで待機する。溶融深さの目標値ＴＭＤとして、例えば浅い部分５７ａと深い部分５６ａとの界面までの深さを採用することが好ましい。
【００４７】
溶融深さの目標値ＴＭＤが入力されると、記憶装置１２に、溶融深さの目標値ＴＭＤを格納する。ステップＳ３において、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の入力を促す画像を入出力装置１１に表示し、ステップＳ４において、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅指令値ＲＰＷ１が入力されるまで待機する。このとき、半導体基板の表面が溶融し始めるパルス幅ＰＷ１の値をオペレータが認識可能な態様で入力画像が表示される。溶融し始めるパルス幅ＰＷ１の値は、半導体基板の物性値、厚さ、及び半導体基板の表面における第１のパルスレーザビームＬＰ１のパワー密度から求めることができる。第１のパルスレーザビームＬＰ１のパワー密度、半導体基板の物性値、及び厚さは、予め記憶装置１２に設定されている。これらの値に基づいて、半導体基板の表面が溶融しない条件（非溶融条件）の範囲と、溶融する条件（溶融条件）の範囲との境界のパルス幅ＰＷ１をシミュレーションにより求めることができる。
【００４８】
図７Ａに、ステップＳ３で、入出力装置１１に表示される画像の一例を示す。第１のパルスレーザビームのパルス幅指令値ＲＰＷ１の入力を促すメッセージ、選択可能なパルス幅の範囲、パルス幅を選択するためのスライダバー、現在選択されているパルス幅の値、及び決定ボタンが表示されている。さらに、オペレータは、現在選択されているパルス幅の値が、非溶融条件の範囲か、溶融条件の範囲かを認識することが可能である。オペレータがスライダバーを操作することにより、パルス幅指令値ＲＰＷ１を変化させることができる。オペレータが決定ボタンをクリックすると、現在選択されているパルス幅ＰＷ１が、パルス幅指令値ＲＰＷ１として制御装置１０に入力される。
【００４９】
第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅指令値ＲＰＷ１が入力されると、ステップＳ５（図６）において、制御装置１０は第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスの下限値と上限値とを算出する。第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスの下限値と上限値との算出には、溶融深さの目標値ＴＭＤ、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅指令値ＲＰＷ１、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスと溶融深さとの対応関係表ＲＦＤ、半導体基板の物性値、厚さ等が用いられる。第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、予め設定されている。
【００５０】
第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスと溶融深さとの対応関係表ＲＦＤには、変数として、第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち上り時刻ｔ１（図３Ａ）から第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち上がり時刻ｔ３（図３Ａ）までの遅延時間含まれている。遅延時間が長ければ、第１のパルスレーザビームＬＰ１による予熱効果が高い。このため、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスが一定でも、遅延時間が長くなるほど、溶融深さが深くなる。また、遅延時間が一定であれば、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスが高くなるほど、溶融深さが深くなる。
【００５１】
遅延時間を短くし過ぎると、図５に示した比較例のように、第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち下がり時刻ｔ４よりも前に固化が完了してしまう。図３Ａに示したように、固化が完了する時刻ｔ５よりも前に、第１のパルスレーザビームＬＰ１が立ち下がるという条件の下で、遅延時間の範囲が求まる。遅延時間の範囲が求まると、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスと溶融深さとの対応関係表ＲＦＤ、及び溶融深さの目標値ＴＭＤとに基づいて、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスの下限値と上限値とが求まる。
【００５２】
ステップＳ６において、入出力装置１１に、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスの下限値と上限値、及びフルエンスの入力を促す画像を表示する。ステップＳ７において、フルエンス指令値ＲＦ２が入力されるまで待機する。
【００５３】
図７Ｂに、ステップＳ６で、入出力装置１１に表示される画像の一例を示す。第２のパルスレーザビームのフルエンス指令値ＲＦ２の入力を促すメッセージ、選択可能なフルエンスの範囲、フルエンスを選択するためのスライダバー、現在選択されているフルエンスの値、及び決定ボタンが表示されている。選択可能なフルエンスの範囲の下限値及び上限値は、ステップＳ５で算出されている。オペレータがスライダバーを操作することにより、フルエンスの値を変化させることができる。オペレータが決定ボタンをクリックすると、現在選択されているフルエンスの値が、フルエンス指令値ＲＦ２として制御装置１０に入力される。
【００５４】
第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンス指令値ＲＦ２が入力されると、ステップＳ８において、第１のパルスレーザビームＬＰ１の出力タイミングと、第２のパルスレーザビームＬＰ２の出力タイミングとの関係を算出する。具体的には、溶融深さの目標値ＴＭＤ、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅指令値ＲＰＷ１、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスと溶融深さとの対応関係表ＲＦＤ、及び第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンス指令値ＲＦ２に基づいて、第１のパルスレーザビームＬＰ１の出力タイミングと、第２のパルスレーザビームＬＰ２の出力タイミングとの関係を決定することができる。
【００５５】
ステップＳ９において、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅指令値ＲＰＷ１、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンス指令値ＲＦ２、及び第１のパルスレーザビームＬＰ１の出力タイミングと第２のパルスレーザビームＬＰ２の出力タイミングとの関係に基づいて、半導体レーザ発振器２１、固体レーザ発振器３１、及び可変アッテネータ３２を制御する。これにより、半導体基板のレーザアニールが行われる。
【００５６】
実施例によるレーザアニール装置においては、ステップＳ３で、オペレータが、溶融条件の範囲から第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅指令値ＲＰＷ１を選択することが可能である。溶融深さの目標値ＴＭＤに基づいて、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンス指令値ＲＦ２を、下限値と上限値との間から選択することが可能である。これにより、容易に、溶融条件で、かつまだら模様が生じない条件で、レーザアニールを行うことが可能である。
【００５７】
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】
【００５８】
１０  制御装置
１１  入出力装置
１２  記憶装置
２１  半導体レーザ発振器
２２  アッテネータ
２３  ビームエキスパンダ
２４  ホモジナイザ
２５  ダイクロイックミラー
２６  集光レンズ
２７  伝搬光学系
３１  固体レーザ発振器
３２  可変アッテネータ
３３  ビームエキスパンダ
３４  ホモジナイザ
３５  ベンディングミラー
４０  ビーム入射領域
４１  ステージ
５０  半導体基板
５０Ｂ  第２の面
５０Ｔ  第１の面
５１  ベース領域
５２  エミッタ領域
５３  ゲート電極
５４  ゲート絶縁膜
５５  エミッタ電極
５６  バッファ層
５６ａ  深い部分
５７  コレクタ層
５７ａ  浅い部分
５８  コレクタ電極
ＬＰ１  第１のパルスレーザビーム
ＬＰ２  第２のパルスレーザビーム
ＰＷ１  第１のパルスレーザビームのパルス幅
ＰＷ２  第２のパルスレーザビームのパルス幅
ＲＦ２  第２のパルスレーザビームのフルエンス指令値
ＲＦＤ  フルエンスと溶融深さとの対応関係表
ＲＰＷ１  第１のパルスレーザビームのパルス幅指令値
ＴＭＤ  溶融深さの目標値
【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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