(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの制御により、相互に異なる波長のレーザパルスを出射する第１及び第２のレーザ光源と、
加工対象物を保持するステージと、
前記第１及び第２のレーザ光源から出射したレーザパルスを、両者の入射領域が少なくとも一部において重なるように、前記ステージに保持された加工対象物に入射させる光学系と、
前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅が、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅よりも長く、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが前記加工対象物への入射を終了する前に、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスが該加工対象物に入射するように前記第１及び第２のレーザ光源を制御する制御装置と
を有し、
前記第２のレーザ光源は、前記制御装置からトリガ信号を受信すると、パルスレーザビームを出射し、
前記制御装置は、前記トリガ信号の発生から、前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームの立ち下がりまでの遅延時間を規定する情報が記憶されている記憶装置を含み、前記第２のレーザ光源からのレーザパルスの出射開始時点から、前記記憶手段に記憶された情報で規定された遅延時間だけ経過した時点に、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが立ち下がるように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御するビーム照射装置。
【請求項２】
前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスの波長における３００Ｋのシリコンの吸収係数は、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスのそれよりも大きい請求項１に記載のビーム照射装置。
【請求項３】
前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスは、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスよりも短波長である請求項１または２に記載のビーム照射装置。
【請求項４】
前記第１のレーザ光源は、外部から与えられる信号を受けて、前記第１のレーザパルスを、該信号に応じて可変の第１のパルス幅で出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
【請求項５】
前記第２のレーザ光源は、Ｑスイッチレーザ発振器を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
【請求項６】
アニール対象物に、第１のレーザパルスの照射を開始する工程と、
前記第１のレーザパルスが照射される領域に第２のレーザパルスを照射することにより、前記アニール対象物を加熱する工程と、
前記第２のレーザパルスの照射終了時点よりも後に、前記第１のレーザパルスの照射を終了させる工程と
を有し、
前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長における吸収係数が、前記第２のレーザパルスの波長における吸収係数よりも低く、前記第２のレーザパルスの照射によって加熱されると、前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長域における吸収係数が、加熱前よりも高くなり、
前記第２のレーザパルスの照射開始時点から、前記第１のレーザパルスの照射終了時点までの時間を制御することにより、前記アニール対象物の加熱時間を制御するレーザアニール方法。
【請求項７】
前記第２のレーザパルスは、前記第１のレーザパルスよりも短波長である請求項６に記載のレーザアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うビーム照射装置、及び、アニールを行うレーザアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程における注入不純物の活性化には、ＲＴＰ(Rapid Thermal Processing)、ＦＬＡ(Flash Lamp Annealing)、ＬＴＰ(Laser Thermal Processing)等の手法が用いられている。しかしＲＴＰでは注入不純物の拡散を抑えることが困難である。またＦＬＡは加熱時間が長いため、不純物を無拡散で活性化させることが難しい。ＬＴＰでは加熱時間が数十〜数百ｎｓと極端に短く、不純物の注入深さが数十〜数百ｎｍと比較的深い場合に、非溶融で処理を行おうとすると、活性化が不十分となることがあった。
【０００３】
連続波のレーザビームを不純物の注入されたシリコンウエハに照射し、不純物を活性化させるＬＳＡ(Laser Spike Annealing) という手法が開発されている（たとえば、特許文献１及び２参照）。ＬＳＡにおいては、不純物注入領域を加熱する時間を、レーザビームの走査速度で制御するしかなく、この点で不十分である。
【０００４】
グリーン光（緑色の波長領域のレーザ光）を用いたダブルパルスアニールの発明が開示されている（たとえば、特許文献３及び４参照）。
【０００５】
また「第１のレーザ光と、該第１のレーザ光とは異なる波長を有する第２のレーザ光とを基板に照射し、前記基板または前記基板上の膜の熱処理を行う」半導体装置の製造方法及び製造装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献５参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２４４１９１号公報
【特許文献２】特開２００５−２１０１２９号公報
【特許文献３】特開２００４−１５２８８８号公報
【特許文献４】特開２００６−１５６７８４号公報
【特許文献５】国際公開第２００７／０１５３８８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することである。
【０００８】
また、高品質のアニールを行うことのできるレーザアニール方法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れば、
外部からの制御により、相互に異なる波長のレーザパルスを出射する第１及び第２のレーザ光源と、
加工対象物を保持するステージと、
前記第１及び第２のレーザ光源から出射したレーザパルスを、両者の入射領域が少なくとも一部において重なるように、前記ステージに保持された加工対象物に入射させる光学系と、
前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅が、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅よりも長く、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが前記加工対象物への入射を終了する前に、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスが該加工対象物に入射するように前記第１及び第２のレーザ光源を制御する制御装置と
を有し、
前記第２のレーザ光源は、前記制御装置からトリガ信号を受信すると、パルスレーザビームを出射し、
前記制御装置は、前記トリガ信号の発生から、前記第１のレーザ光源から出射したパルスレーザビームの立ち下がりまでの遅延時間を規定する情報が記憶されている記憶装置を含み、前記第２のレーザ光源からのレーザパルスの出射開始時点から、前記記憶手段に記憶された前記情報で規定された遅延時間だけ経過した時点に、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが立ち下がるように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御するビーム照射装置が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の観点によると、
アニール対象物に、第１のレーザパルスの照射を開始する工程と、
前記第１のレーザパルスが照射される領域に第２のレーザパルスを照射することにより、前記アニール対象物を加熱する工程と、
前記第２のレーザパルスの照射終了時点よりも後に、前記第１のレーザパルスの照射を終了させる工程と
を有し、
前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長における吸収係数が、前記第２のレーザパルスの波長における吸収係数よりも低く、前記第２のレーザパルスの照射によって加熱されると、前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長域における吸収係数が、加熱前よりも高くなり、
前記第２のレーザパルスの照射開始時点から、前記第１のレーザパルスの照射終了時点までの時間を制御することにより、前記アニール対象物の加熱時間を制御するレーザアニール方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することができる。
【００１２】
また、高品質のアニールを行うことのできるレーザアニール方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。
【００１４】
実施例によるビーム照射装置は、パルスレーザビームを出射するレーザ光源１０ａ、１０ｂ、シャッタ１１ａ、１１ｂ、ホモジナイザ１２ａ、１２ｂ、折り返しミラー１３ａ〜１３ｃ、ダイクロイックミラー１４、マスク１５、結像光学系１６、ＸＹステージ１７、及び、制御装置１８を含んで構成される。制御装置１８は、記憶装置１８ａ、たとえばメモリを備える。
【００１５】
ＸＹステージ１７上には、加工対象物であるシリコンウエハ２０が保持されている。シリコンウエハ２０には、ｎ型またはｐ型の不純物が注入されている。実施例によるビーム照射装置を用い、レーザ光源１０ａ、１０ｂを出射したパルスレーザビームをシリコンウエハ２０に入射させて、入射位置の不純物を活性化する。
【００１６】
レーザ光源１０ａ、１０ｂが、制御装置１８から送られる信号を受けて、それぞれパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂを出射する。制御装置１８による制御は、記憶装置１８ａに記憶された制御情報に基づいて行われる。
【００１７】
レーザ光源１０ａは、たとえばＱスイッチレーザ発振器であるＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器、及び、非線形光学素子を含む。パルスレーザビーム３０ａは、パルス幅が数十ｎｓ〜数百ｎｓ、たとえば１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）である。
【００１８】
レーザ光源１０ｂは、たとえば半導体レーザであり、波長８００ｎｍ、パルス幅数μｓ〜数百μｓのパルスレーザビーム３０ｂを出射する。レーザ光源１０ｂから出射するパルスレーザビーム３０ｂは、レーザ光源１０ａから出射するパルスレーザビーム３０ａよりも、波長及びパルス幅が長い。また、パルスレーザビーム３０ｂの波長における室温（たとえば３００Ｋ）のシリコンの吸収係数は、パルスレーザビーム３０ａのそれより小さい。室温でのパルスレーザビーム３０ａのシリコンにおける吸収長が約１μｍであるのに対し、パルスレーザビーム３０ｂのそれは、約１０μｍである。
【００１９】
なお、レーザ光源１０ｂとしてＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器を用い、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）であるパルスレーザビーム３０ｂを出射してもよい。またＣＯ２レーザを、レーザ光源１０ｂに用いることもできる。
【００２０】
パルスレーザビーム３０ａ及び３０ｂは、それぞれ制御装置１８からの制御信号により開閉し、入射するレーザビームの透過と遮蔽を切り替えることのできるシャッタ１１ａ、１１ｂを透過して、ホモジナイザ１２ａ、１２ｂに入射する。
【００２１】
パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、ホモジナイザ１２ａ、１２ｂによって各ホモジナイザ１２ａ、１２ｂのホモジナイズ面においてビーム断面を整形され、ビーム強度を均一化される。
【００２２】
ホモジナイザ１２ａ、１２ｂのホモジナイズ面には、マスク１５が配置されている。パルスレーザビーム３０ａは、折り返しミラー１３ａで反射された後、ダイクロイックミラー１４を透過してマスク１５に入射する。パルスレーザビーム３０ｂは、折り返しミラー１３ｂ、１３ｃ、及び、ダイクロイックミラー１４で反射され、マスク１５に入射する。
【００２３】
マスク１５は透光領域と遮光領域とを備える。マスク１５の透光領域を通過したパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、結像光学系１６を経て、ＸＹステージ１７上に載置されたシリコンウエハ２０上の同一領域に入射する。結像光学系１６は、マスク１５の透光領域の形状をシリコンウエハ２０上に転写する。
【００２４】
ＸＹステージ１７は、制御装置１８から送信される制御信号を受けて、保持したシリコンウエハ２０をその面内方向に移動させ、パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂのシリコンウエハ２０上の入射位置を変化させる。
【００２５】
図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例によるビーム照射方法を説明する。
【００２６】
図２（Ａ）に、シリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂの入射タイミングの一例を示す。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸はレーザ光強度を表す。
【００２７】
時刻ｔ１において、制御装置１８でトリガ信号が発生され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器を含むレーザ光源１０ａに送信される。これを受けてレーザ光源１０ａから、パルスレーザビーム３０ａ、たとえばパルス幅１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）が出射され、時刻ｔ１からわずかの間、シリコンウエハ２０に照射される。
【００２８】
時刻ｔ１の直後の時刻ｔ２から時刻ｔ３まで、制御装置１８から、半導体レーザを含むレーザ光源１０ｂに信号が送信される。これを受けてレーザ光源１０ｂから、パルスレーザビーム３０ｂ、たとえば波長８００ｎｍ、パルス幅数μｓ〜数百μｓのパルスレーザビーム３０ｂが出射され、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間、シリコンウエハ２０に照射される。パルスレーザビーム３０ｂの立ち上がり時刻（出射開始時刻）がｔ２であり、立ち下がり時刻がｔ３である。
【００２９】
記憶装置１８ａには、パルスレーザビーム３０ａを出射するためのトリガ信号発生から、パルスレーザビーム３０ｂの立ち下がりまでの時間を規定する制御情報、たとえば｜ｔ３−ｔ１｜そのものや、時刻ｔ１及び時刻ｔ３が記憶されている。制御装置１８は、これらの情報をもとに、レーザ光源１０ａ、１０ｂに信号を送信する。
【００３０】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す態様でパルスレーザビーム３０ａ及び３０ｂをシリコンウエハ２０に照射したときのシリコンウエハ２０の温度変化を示す概略図である。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸は温度を表す。
【００３１】
時刻ｔ１において、室温のシリコンの吸収係数が大きく、吸収長が約１μｍであるパルスレーザビーム３０ａがシリコンウエハ２０に照射され、シリコンウエハ２０の表面近傍で吸収される結果、シリコンウエハ２０の温度が急激に、たとえば約１４００℃まで上昇する。
【００３２】
続いて、パルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０に照射される。パルスレーザビーム３０ｂの波長における約１４００℃のシリコンの吸収係数は、室温のシリコンの吸収係数よりも大きい。パルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０の表面近傍で吸収されるため、シリコンウエハ２０の温度低下は抑制され、シリコンウエハ２０は、パルスレーザビーム３０ｂの照射時間（パルスレーザビーム３０ｂのパルス幅｜ｔ３−ｔ２｜）だけ加熱される。
【００３３】
図２（Ｃ）に、シリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂの入射タイミングの他の例を示す。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸はレーザ光強度を表す。
【００３４】
本図に示すのは、レーザ光源１０ａの発振タイミング（時刻ｔ１）を遅らせ、レーザ光源１０ｂの発振中（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）に発振させた場合である。
【００３５】
図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）に示す態様でパルスレーザビーム３０ａ及び３０ｂをシリコンウエハ２０に照射したときのシリコンウエハ２０の温度変化を示す概略図である。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸は温度を表す。
【００３６】
時刻ｔ２を始点として、室温のシリコンの吸収係数が小さいパルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０に照射される。パルスレーザビーム３０ｂのシリコンにおける吸収長は約１０μｍと長いため、シリコンウエハ２０の表面近傍の温度上昇は緩やかである。
【００３７】
パルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０に照射されている間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）の時刻ｔ１において、パルスレーザビーム３０ａがシリコンウエハ２０に照射される。
【００３８】
パルスレーザビーム３０ａは、室温のシリコンの吸収係数が大きいので、シリコンウエハ２０の表面近傍で吸収され、シリコンウエハ２０の温度を急激に、たとえば約１４００℃まで上昇させる。
【００３９】
パルスレーザビーム３０ｂの波長における約１４００℃のシリコンの吸収係数は大きい。このため時刻ｔ１以降、シリコンウエハ２０に照射されるパルスレーザビーム３０ｂはシリコンウエハ２０の表面近傍で吸収される。
【００４０】
これにより、シリコンウエハ２０の温度低下は抑制され、シリコンウエハ２０は、時刻ｔ１以降のパルスレーザビーム３０ｂの照射時間（｜ｔ３−ｔ１｜）だけ加熱される。
【００４１】
実施例によるビーム照射方法は、レーザビームのパルス幅と、入射させるレーザパルスの発振タイミングとによって、シリコンウエハの加熱時間をコントロールすることができる。このため、シリコンウエハの加熱時間をほとんど任意に設定することが可能となる。したがって、所与の条件に応じて、たとえばシリコンウエハの比較的深い位置における不純物の活性化に対しても、不純物の拡散を抑えながら、最適なアニールを行うことができる。
【００４２】
上記のビーム照射方法を用いて行った不純物活性化（レーザアニール）の一例をあげる。
【００４３】
シリコンウエハに、不純物としてＡｓを２００ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入した。このシリコンウエハに、パルスレーザビーム３０ａとして、パルス幅１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）を用い、また、パルスレーザビーム３０ｂとしては、波長８０８ｎｍの半導体レーザを、パルス幅１００μｓで照射して不純物活性化（レーザアニール）を実施した。
【００４４】
パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、ともに周波数１ｋＨｚで発振させ、シリコン照射面において、長軸方向が６ｍｍ、短軸方向が０．１ｍｍの長尺形状となるように整形した。パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂが、短軸方向に９０％のオーバーラップ率で照射されるように、ＸＹステージの送り速度を１０ｍｍ／ｓに調整した。長軸方向のオーバーラップ率は６６．７％とし、２ｍｍ／ラインの送りとした。
【００４５】
パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂのエネルギ密度は、シリコンウエハが溶融しない範囲で設定した。パルスレーザビーム３０ｂの照射を開始してから５０μｓ後に、パルスレーザビーム３０ａをシリコンウエハに入射させた。したがって、図２（Ｃ）のｔ１〜ｔ３を用いた場合、｜ｔ３−ｔ１｜（加熱時間）、｜ｔ１−ｔ２｜がともに５０μｓとなる。
【００４６】
アニール後のシリコンウエハには、不純物の拡散は認められず、欠陥等も観察されなかった。注入されたドーパントが活性化され、十分低いシート抵抗値が示された。
【００４７】
比較例として、上述のエネルギ及びドーズ量でＡｓをイオン注入したシリコンウエハに、パルス幅１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）のダブルパルスを与えて不純物活性化（レーザアニール）を行った。
【００４８】
比較例においては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の第１レーザパルスを照射した３００ｎｓ後に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の第２レーザパルスを照射した。第１及び第２レーザパルスの発振周波数、シリコン照射面におけるビームサイズ、短軸及び長軸方向についてのオーバーラップ率は上述の例と等しくした。また、比較例においても、パルスレーザビームのエネルギ密度は、シリコンウエハが溶融しない範囲で設定した。
【００４９】
アニール後のシリコンウエハには、不純物の拡散は認められなかったが、欠陥の回復が不十分であった。シート抵抗値が高く、ドーパントが十分に活性化されていなかった。
【００５０】
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。
【００５１】
たとえば、実施例によるビーム照射装置においては、レーザ光源１０ａ、１０ｂを出射したパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂを異なるホモジナイザ１２ａ、１２ｂに入射させたが、同一のホモジナイザに入射させることもできる。
【００５２】
また、実施例によるビーム照射装置においては、パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂを同一のマスク及び結像光学系に入射させたが、異なるマスク及び結像光学系に入射させてもよい。
【００５３】
更に、パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、シリコンウエハ上の同一領域に入射させなくても、両者の入射領域が少なくとも一部において重なるように入射させればよい。
【００５４】
その他、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。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
半導体の活性化アニールに好適に利用することができる。また、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)のシリコンの結晶化等にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例によるビーム照射方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ａ、１０ｂ  レーザ光源
１１ａ、１１ｂ  シャッタ
１２ａ、１２ｂ  ホモジナイザ
１３ａ〜１３ｃ  折り返しミラー
１４  ダイクロイックミラー
１５  マスク
１６  結像光学系
１７  ＸＹステージ
１８  制御装置
１８ａ  記憶装置
２０  シリコンウエハ
３０ａ、３０ｂ  パルスレーザビーム
【図１】
0005105984.tif 000002
【図２】
0005105984.tif 000003