レーザアニール装置及びレーザアニール方法
【課題】 一般的なパルス波形は、発振開始時点から急激に立ち上がり、ピークを示した後、緩やかに低下する。パワーがピークを示す時点でアニール対象物の表面が急激に加熱されて高温になる。ピークを示す時間が一瞬であるため、アニール対象物の深い領域を十分に加熱することが困難である。
【解決手段】 パルス電流が入力されると、レーザダイオードからレーザパルスが出射される。光学系が、レーザダイオードから出射されたレーザビームをアニール対象物まで導光する。ドライバが、レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有し、パルス幅が１μｓ〜１００μｓのパルス電流を供給する。
【解決手段】 パルス電流が入力されると、レーザダイオードからレーザパルスが出射される。光学系が、レーザダイオードから出射されたレーザビームをアニール対象物まで導光する。ドライバが、レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有し、パルス幅が１μｓ〜１００μｓのパルス電流を供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザアニール装置及びレーザアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ、特にシリコンウエハの熱処理に、一般的に、電気炉を用いた加熱、及びラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）等が適用される。ＲＴＡを適用する場合の加熱時間は、ミリ秒オーダである。近年、加熱時間が１μｓより短いレーザスパイクアニールの適用も進んでいる。
【０００３】
加熱時間が１μｓより短いレーザスパイクアニールでは、加熱時間が短いため、半導体ウエハの厚さ方向に関する温度勾配が急峻になる。このため、半導体ウエハの表面の温度を過度に上昇させることなく、深い領域を所望の温度に加熱することが困難である。一方、ＲＴＡでは、加熱時間が長いため、半導体ウエハ全体の温度が上昇してしまう。半導体ウエハの温度上昇により、半導体ウエハの反り、スリップ（断層）等が発生する場合がある。
【０００４】
一般的に、半導体アニールに適用可能な高出力パルスレーザのパルス幅は、１μｓよりも短いか、または数百μｓ以上である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１６５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−６０８６８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的なパルス波形は、発振開始時点から急激に立ち上がり、ピークを示した後、緩やかに低下する。パワーがピークを示す時点でアニール対象物の表面が急激に加熱されて高温になる。ピークを示す時間が一瞬であるため、アニール対象物の深い領域を十分に加熱することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
パルス電流が入力されるとレーザパルスを出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードから出射されたレーザビームを、アニール対象物まで導光する光学系と、
前記レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有し、パルス幅が１μｓ〜１００μｓのパルス電流を供給するドライバと
を有するレーザアニール装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、
第１の表面に、不純物拡散領域を含む素子構造が形成されたシリコンウエハの、前記第１の表面とは反対側の第２の表面に、ドーパントをイオン注入する工程と、
前記ドーパントを注入した後、前記シリコンウエハの前記第２の表面に、波長が６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅が１０μｓ〜１００μｓ、時間波形がトップフラットのパルスレーザビームを、前記シリコンウエハの表面におけるパワー密度が２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２の条件で照射し、前記ドーパントを活性化する工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
パルス電流の時間波形をトップフラットにすることにより、低いピークパワー密度でも、十分なアニールを行うことができる。加熱時間は、パルス電流のパルス幅に依存するが、レーザビームのビーム断面の形状にはほとんど依存しない。このため、加熱時間を高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。
【図２】図２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図である。
【図３】図３Ａは、実施例によるレーザアニール方法で使用されるパルスレーザビームの時間波形の一例を示す図であり、図３Ｂは、アニール対象物上におけるビーム断面の平面図である。
【図４】図４は、実施例によるレーザアニール装置のレーザダイオードに供給されるパルス電流の波形と、出射するレーザパルスの波形との測定結果を示すグラフである。
【図５】図５Ａは、シミュレーションで用いるトップフラット型のレーザパルスの波形と、一般的なレーザパルスの波形とを示すグラフであり、図５Ｂは、トップフラット型のレーザパルス及び一般的なレーザパルスが入射したシリコンウエハの、深さ０μｍ、３μｍ、５μｍの位置の温度変化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方法で不純物の活性化アニールを行った試料の電子濃度、正孔濃度、リン濃度、及びボロン濃度の測定結果を示すグラフである。
【図７】図７Ａは、ビーム断面内における空間プロファイルがトップフラット形状のレーザビームをシリコンウエハに照射した時の温度変化のシミュレーション結果を、ビーム断面内の幅方向の位置ごとに示すグラフであり、図７Ｂは、ビーム断面内における空間プロファイルがガウス分布のレーザビームをシリコンウエハに照射した時の温度変化のシミュレーション結果を、ビーム断面内の幅方向の位置ごとに示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。レーザ光源１２がドライバ１０によって駆動される。レーザ光源１２には、例えば発振波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザダイオードが用いられる。本実施例においては、発振波長８００ｎｍのレーザダイオードを用いた。
【００１２】
レーザ光源１２は、横長の複数の発光点を有する。複数の発光点は、その長手方向に一列に配置されている。各発光点の長軸方向と短軸方向との寸法の比は、例えば１００：１である。発光点の長軸方向の寸法と、相互に隣り合う２つの発光点の間隔とは、ほぼ等しい。言い換えると、発光点と非発光領域とが、交互に等間隔で並んでいる。
【００１３】
一般に、長軸方向に関するレーザビームの拡がり角は、短軸方向に関するレーザビームの拡がり角より大きい。このため、長軸方向に関してビーム断面を小さく絞り込むことが困難である。ＹＡＧレーザ等の拡がり角の小さいレーザビームを用いる場合には、ビーム断面を小さく絞り込むことにより、パワー密度を高めることができる。ところが、レーザダイオードを用いた場合には、長軸方向に関してビーム断面を小さく絞り込むことが困難であるため、ビーム断面を絞り込むことによってパワー密度を高めることが困難である。
【００１４】
以下に説明する実施例においては、ＹＡＧレーザ等によるレーザアニールに比べて、パワー密度を高めることなく、十分なアニールを行うことが可能である。
【００１５】
ドライバ１０は、キャパシタ１０Ａ及びパルス波形整形回路１０Ｂを含む。パルス波形整形回路１０Ｂは、キャパシタ１０Ａからの放電電流が、例えばトップフラットのパルス電流になるように電流波形の整形を行う。トップフラットのパルス電流がレーザ光源１２に供給される。パルス波形整形回路１０Ｂは、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子と制御回路を用いて構成することができる。レーザ光源１２は、ドライバ１０からパルス電流が供給されることにより、レーザ発振し、レーザパルスを出射する。
【００１６】
レーザ光源１２から出射されたレーザビームが、半波長板１３に入射する。半波長板１３は、その遅相軸の向きを変化させることにより、レーザビームの偏光方向を変化させる。半波長板１３を透過したレーザビームが、ホモジナイザ１５を透過した後、ビームスプリッタ１６に入射する。ビームスプリッタ１６は、入射したレーザビームの一部の成分をビームダンパ１７に向けて反射させ、残りの成分を直進させる。ビームスプリッタ１６を直進する成分の比率は、半波長板１３の遅相軸の向きを変えて偏光方向を変化させることにより、制御することができる。
【００１７】
ビームスプリッタ１６を直進したレーザビームが、１／４波長板１９及び集光レンズ２０を透過して、アニール対象であるシリコンウエハ３０に入射する。シリコンウエハ３０は、可動ステージ２１に保持されている。ホモジナイザ１５と集光レンズ２０とにより、シリコンウエハ３０の表面におけるビーム断面が、長尺形状にされるとともに、長軸及びそれに直交する方向（幅方向）に関する光強度が均一化される（空間プロファイルがトップフラットにされる。）。ホモジナイザ１５には、例えばカレイドスコープ、光ファイバ、アレイレンズ、フライアイレンズ等を用いることができる。可動ステージ２１は、シリコンウエハ３０を、ビーム断面の幅方向に移動させる。
【００１８】
シリコンウエハ３０の表面で反射した反射光が、集光レンズ２０及び１／４波長板１９を透過して、ビームスプリッタ１６に入射する。１／４波長板１９を２回透過することにより、偏光方向が９０°変化する。このため、反射光は、ビームスプリッタ１６で反射され、ビームダンパ１８に入射する。
【００１９】
図２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。ＩＧＢＴは、ｎ型のシリコン基板３０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２に示すように、シリコン基板３０の表面に、ｐ型のベース領域３３、ｎ型のエミッタ領域３４、ゲート電極３５、ゲート絶縁膜３６、エミッタ電極３７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。
【００２０】
シリコン基板３０の反対側の面に、ｐ型のコレクタ層３９が形成されている。必要に応じて、コレクタ層３９とシリコン基板３０との間に、ｎ型のバッファ層３８を形成してもよい。コレクタ層３９及びバッファ層３８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、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４０が、活性化アニールの後に、コレクタ層３９の表面に形成される。
【００２１】
図３Ａに、実施例による半導体装置の製造方法で用いられるパルスレーザビームのタイミングチャートを示す。パルス幅ＰＷのレーザパルスが、周波数ｆ、すなわち周期１／ｆで、シリコンウエハ３０に照射される。このレーザパルスが出射されていない期間は、シリコンウエハ３０に影響を与えない程度の低い強度のレーザビームまたは自然放出光が、レーザ光源１２（図１）から放射されるように、ドライバ１０からレーザ光源１２に待機時電流が供給される。例えば、待機時電流は、レーザパルスを出射するときの駆動電流の１％以下の大きさとする。
【００２２】
レーザパルスが出射されていない期間に、レーザダイオードを完全にオフにする場合に比べて、レーザダイオードの寿命を長くすることができる。
【００２３】
アニール時のシリコンウエハ３０には、図２に示した表側の素子構造が既に形成されており、裏側に、バッファ層３８及びコレクタ層３９を形成するための不純物（ドーパント）がイオン注入されている。この段階では、注入されたドーパントは、活性化されていない。
【００２４】
図３Ｂに、シリコンウエハ３０（図１）のレーザ照射面におけるビーム断面２３を示す。ビーム断面２３は、一方向に長い長尺形状を有する。ホモジナイザ１５（図１）により、長手方向及び幅方向に関して光強度分布が均一化されているため、長手方向及び幅方向に関する光強度分布は、ほぼトップフラット形状を有する。
【００２５】
長手方向の長さをＬとし、ビーム幅をＷｔとする。パルスレーザビームの照射は、シリコンウエハ３０を、ビーム断面２３の幅方向に移動させながら行われる。シリコンウエハ３０を移動させることにより、シリコンウエハ３０の表面がパルスレーザビームによって走査される。パルスレーザビームを、ビーム幅方向に走査することにより、１つの辺の長さが、ビーム断面の長さＬと等しい長方形の領域をアニールすることができる。
【００２６】
１つのレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて実線で示されている。）と、次に入射するレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて破線で示されている。）との重複する領域の幅をＷｏとする。重複率を、Ｗｏ／Ｗｔと定義する。シリコンウエハ３０の移動速度をＶとすると、Ｗｔ−Ｗｏ＝Ｖ／ｆが成り立つ。このため、パルスの繰り返し周波数ｆ、ビーム幅Ｗｔ、及びステージの移動速度Ｖにより、重複率が決定される。実施例においては、ビーム幅Ｗｔを２４０μｍとした。
【００２７】
図４に、レーザ光源１２に供給するパルス電流の時間波形Ａと、レーザ光源１２から出射されるパルスレーザの時間波形ＬＩとを示す。横軸は、経過時間を単位「μｓ」で表し、左縦軸は、電流の大きさを任意単位で表し、右縦軸は、光強度を任意単位で表す。レーザビームの光強度は、レーザビームをビームダンパで終端し、ビームダンパからの散乱光をフォトダイオードで検出することにより求めた。
【００２８】
レーザ光源１２から出射されるレーザビームの光強度は、電流の変化によく追随していることがわかる。パルス電流の波形をトップフラットにすることにより、レーザ光源１２から出射されるレーザパルスの波形もトップフラットにすることができる。ここで、「トップフラット」とは、波形の頂上部が直線で近似できる形状を意味する。直線近似は、近似された部分の実際の測定値が、平均値の±１０％の範囲内に収まる条件で行われる。
【００２９】
直線で近似される部分の時間幅の、パルス幅に対する比が小さい場合には、トップフラットか否かの判定が困難になる。電流パルスまたはレーザパルスの直線で近似できる部分の時間幅が、時間波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間の短い方よりも長ければ、「トップフラット」ということができる。ここで、「立ち上がり時間」は、図３Ａに示した待機状態から、トップフラット部分の平均強度の９０％まで上昇するまでの時間とする。「立ち下がり時間」は、トップフラット部分の平均強度の９０％まで低下した時点から、待機状態までの時間とする。「パルス幅」は、パルス波形の半値全幅を意味する。
【００３０】
例えば、トップフラット部分の時間幅が、立ち上がり時間及び立ち下がり時間より短くなると、三角波に類似する時間波形と考えることもできる。上述のように、トップフラット部分の時間幅が、時間波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間の短い方よりも長ければ、三角波と区別できる。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂを参照して、レーザパルスの時間波形をトップフラットにする効果を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。
【００３２】
図５Ａに、シミュレーションに用いたレーザパルスの時間波形を示す。横軸は、パルスの立ち上がり時刻からの経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸はパワー密度を任意単位で表す。トップフラットの時間波形ＷＦ１、及び一般的なパルスレーザ発振器から出射されるレーザパルスの時間波形ＷＦ２についてシミュレーションを行った。２つの時間波形ＷＦ１、ＷＦ２のパルスエネルギ及びビームサイズは、いずれも同一とした。パルスエネルギが同一であるため、図５Ａの時間波形ＷＦ１の面積と時間波形ＷＦ２の面積とは同一である。時間波形ＷＦ１のトップフラット部分の時間幅は１０μｓである。時間波形ＷＦ２のパルス幅は、後述する図５Ｂに示した時間波形ＷＦ１、ＷＦ２の温度履歴のうち、表面が融点に達している時間が同一になるように調整されている。この時、トップフラットの時間波形ＷＦ１のピークパワーは、一般的なレーザパルスの時間波形ＷＦ２のピークパワーの約５０％となった。なお、時間波形ＷＦ１のレーザパルスのパワー密度は５５０ｋＷ／ｃｍ２である。レーザビームの波長は８００ｎｍとし、アニール対象物はシリコンウエハとした。
【００３３】
図５Ｂに、レーザパルス入射後の、深さ０μｍ、３μｍ、及び５μｍの位置の温度変化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、温度を単位「Ｋ」で表す。図５Ｂ中の実線及び破線は、それぞれ時間波形ＷＦ１及びＷＦ２のレーザパルスを入射した時の温度変化を表す。実線及び破線に付された数値は、シリコンウエハの表面からの深さを単位「μｍ」で示す。
【００３４】
深さ０μｍの温度変化の頂部がほぼフラットになっているのは、表面温度がシリコンの融点に達し、シリコンウエハに与えられたレーザエネルギが融解熱として消費されているためである。レーザパルスの時間波形をトップフラットにすると、深い位置の最高到達温度が高くなっていることがわかる。シミュレーションの前提条件として、トップフラットの時間波形ＷＦ１と一般的なレーザパルスの時間波形ＷＦ２とのパルスエネルギを同一にした。シミュレーション結果から、パルスエネルギ密度が同一であっても、時間波形をトップフラットにすることで、より効率的に深い領域の温度を高めることが可能であることがわかる。言い換えると、レーザパルスの時間波形をトップフラットにすると、ある一定の温度まで加熱するために必要となるパルスエネルギを小さくすることができる。
【００３５】
例えば、ＩＧＢＴのコレクタ側の表面の活性化アニールを行う場合には、反対側の表面に形成されている拡散領域等の構造物が損傷を受けないようにするために、反対側の表面の温度上昇を抑制することが望まれる。ＩＧＢＴに用いられるシリコンウエハの厚さは、例えば１００μｍ程度である。シリコンウエハにレーザビームが照射されると、レーザ照射位置から等方的に熱が拡散する。レーザ照射面とは反対側の背面の温度は、レーザパルスの時間波形にはほとんど影響を受けず、投入されたパルスエネルギに依存する。レーザパルスの時間波形をトップフラットにすることにより、パルスエネルギを小さくすることができるため、背面の温度上昇を抑制することができる。このように、背面の温度上昇を抑制したい場合に、レーザパルスの時間波形をトップフラットにすることが有用である。
【００３６】
既に説明したように、レーザ光源１２（図１）としてレーザダイオードを用いると、ビーム断面を小さく絞り込むことによってパワー密度を高めることが困難である。ところが、パルスの時間波形をトップフラット形状にすれば、パワー密度を高めることなく、シリコンウエハの表面から深い内部の領域を高い温度まで加熱することができる。また、レーザダイオードの寿命の観点からも、レーザパルスのピークパワーを低く設定することが好ましい。
【００３７】
一般的に、レーザダイオードの出力は、レーザダイオードに供給する電流量に比例することから、トップフラットの時間波形は、ドライバ１０からレーザ光源１２に供給されるパルス電流の波形に依存する。パルス電流の波形を調整することにより、トップフラットの時間波形を有するレーザパルスのパルス幅（半値全幅）を所望の値に設定することができる。パルス幅を長くし過ぎると、従来のＲＴＡの加熱時間との有意な差がなくなり、半導体ウエハの厚さ方向の全域が加熱されてしまう。半導体ウエハの表層部近傍のみを加熱するために、パルス幅を１００μｓ以下にすることが好ましい。パルスエネルギ密度一定の条件でパルス幅を短くすると、ピークパワー密度が大きくなり、トップフラットの時間波形を適用する効果が得られなくなる。トップフラットの時間波形を適用する有意な効果を得るために、パルス幅を１μｓ以上にすることが好ましい。
【００３８】
実施例によるレーザアニール方法における加熱時間は、パルス幅に依存し、ビーム断面の形状や走査速度にはほとんど依存しない。このため、加熱時間を高精度に制御することができる。
【００３９】
シリコンウエハ３０（図１）にボロン（Ｂ）及びリン（Ｐ）を注入し、種々のレーザ照射条件で活性化アニールを行った。以下、この評価実験について説明する。
【００４０】
図６に、評価に用いた試料の深さ方向の不純物濃度分布及びキャリア濃度分布の測定結果を示す。横軸は深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。ボロンの注入は、加速エネルギ４０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ｃｍ−２の条件で行い。リンの注入は、加速エネルギ７００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１３ｃｍ−２の条件で行った。破線Ｂ０及び破線Ｐ０は、それぞれ注入直後のボロン濃度及びリン濃度を示す。細い実線ｐ１は、パルス幅１５μｓ、重複率５０％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ１、破線ｐ２は、パルス幅１５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ２、太い実線ｐ３は、パルス幅２５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ３の正孔濃度を示す。なお、パルスエネルギ密度は、図５Ａのシミュレーションに適用したパルスエネルギ密度と同一である。細い実線ｎは、試料Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の電子濃度を示す。３つの試料の電子濃度分布は、ほぼ重なっているため、１本の細い実線で示している。
【００４１】
シリコン基板の表面が溶融していないため、表層部の電子濃度分布が、注入直後のボロン濃度分布を反映した形状になっている。また、深さ２．５μｍまでのリンが、ほとんど１００％活性化していることがわかる。
【００４２】
シリコンウエハにイオン注入されたドーパントを活性するアニールにおいては、パルス幅を１０μｓ〜１００μｓとし、パワー密度を２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２にすることが好ましい。
【００４３】
上記実施例では、レーザ光源１２として波長８００ｎｍのレーザダイオードを用いたが、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザダイオードを用いてもよい。
【００４４】
トップフラットのレーザパルスの立ち上がり部分は、ほとんどアニールに寄与しない。すなわち、立ち上がり部分はエネルギロスになるため、急峻な立ち上がりとすることが好ましい。一例として、レーザパルス波形の直線部分の平均強度の９０％まで立ち上がる時間を、２μｓ以下にすることが好ましい。
【００４５】
アニール対象の半導体ウエハの表面に、ウエハとは異なる熱膨張係数の薄膜が形成されている場合には、温度の急激な上昇によって薄膜の剥離が生じてしまう場合もある。薄膜の剥離が懸念される場合には、パルスの立ち上がり時間を長くすることによって、急激な温度上昇を回避することが好ましい。
【００４６】
一方、レーザパルスの立ち下がり時間は、加熱された半導体ウエハの冷却速度に影響を及ぼす。冷却速度が、アニール効果に影響を及ぼす場合がある。立ち下り時間を長くすれば、冷却速度を緩やかにすることができる。逆に、立ち下がり時間を短くすれば、冷却速度を速くすることができる。所望のアニール効果を得るために、アニールの目的に応じて、レーザパルスの立ち下がり時間を制御することが好ましい。レーザパルスの立ち下がり時間は、レーザ光源１２（図１）に供給するパルス電流の時間波形により調整することができる。
【００４７】
トップフラットとは、通常、パルスの立ち上がり部分と立ち下がり部分との間の領域の大きさ（レーザパルスの場合には光強度、電流パルスの場合には電流の大きさ）がほぼ一定であることを意味している。アニール対象の材質や構成によっては、トップフラット領域におけるレーザパルスの光強度を、一定の割合で増加、または減少させてもよい。上述の実施例では、シリコンウエハの深い領域を効率的に加熱することを目的としたときのレーザパルスの好ましい時間波形について説明した。アニール対象の材質や構成により、レーザパルスの立ち上がり時間、立ち下がり時間、トップフラット部分の強度の増減等の最適化を行ってもよい。
【００４８】
レーザ光源１２から出射されるレーザパルスをトップフラットにするために、１パルスの出射に必要となる電力を、予めキャパシタ１０Ａに蓄積しておくことが好ましい。これにより、１パルス出射させるために必要な電力を、安定してレーザ光源１２に供給する事ができる。
【００４９】
次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、レーザビームの空間プロファイルについて説明する。
【００５０】
図７Ａは、実施例によるレーザアニール装置を用いてレーザアニールを行った時のシリコンウエハ表面の温度の時間変化のシミュレーション結果を示す。図７Ｂは、ビーム断面の幅方向に関してガウス分布のビームプロファイルを有するレーザビームを用いてレーザアニールを行った時のシリコンウエハ表面の温度の時間変化のシミュレーション結果を示す。横軸は、レーザビームの照射時点からの経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は、温度を単位「Ｋ」で表す。各曲線に付した数値は、図３Ｂのビーム断面２３の幅方向に関する中心からの距離ｘを単位「μｍ」で示す。
【００５１】
レーザビームの空間プロファイルをトップフラットにした実施例の場合には、図７Ａに示すように、ビーム断面の幅方向の中心からの距離が１００μｍ以下の領域の温度がほぼ同一であることがわかる。これに対し、ガウス分布のビームプロファイルを持つレーザビームでアニールを行った場合には、図７Ｂに示すように、温度がほぼ同一になる領域が、図７Ａに示した場合に比べて狭い。このため、ビーム断面の幅方向に関して活性化率にばらつきが生じてしまう。シリコンウエハの面内に関して活性化率を均一にするために、空間プロファイルをトップフラットにすることが好ましい。
【００５２】
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】
【００５３】
１０ ドライバ
１０Ａ キャパシタ
１０Ｂ パルス波形整形回路
１１ 直流電源
１２ レーザ光源
１３ 半波長板
１５ ホモジナイザ
１６ ビームスプリッタ
１７、１８ ビームダンパ
１９ １／４波長板
２０ 集光レンズ
２１ 可動ステージ
２３ ビーム断面
３０ シリコンウエハ
３３ ベース領域
３４ エミッタ領域
３５ ゲート電極
３６ ゲート絶縁膜
３７ エミッタ電極
３８ バッファ層
３９ コレクタ層
４０ コレクタ電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザアニール装置及びレーザアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ、特にシリコンウエハの熱処理に、一般的に、電気炉を用いた加熱、及びラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）等が適用される。ＲＴＡを適用する場合の加熱時間は、ミリ秒オーダである。近年、加熱時間が１μｓより短いレーザスパイクアニールの適用も進んでいる。
【０００３】
加熱時間が１μｓより短いレーザスパイクアニールでは、加熱時間が短いため、半導体ウエハの厚さ方向に関する温度勾配が急峻になる。このため、半導体ウエハの表面の温度を過度に上昇させることなく、深い領域を所望の温度に加熱することが困難である。一方、ＲＴＡでは、加熱時間が長いため、半導体ウエハ全体の温度が上昇してしまう。半導体ウエハの温度上昇により、半導体ウエハの反り、スリップ（断層）等が発生する場合がある。
【０００４】
一般的に、半導体アニールに適用可能な高出力パルスレーザのパルス幅は、１μｓよりも短いか、または数百μｓ以上である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１６５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−６０８６８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的なパルス波形は、発振開始時点から急激に立ち上がり、ピークを示した後、緩やかに低下する。パワーがピークを示す時点でアニール対象物の表面が急激に加熱されて高温になる。ピークを示す時間が一瞬であるため、アニール対象物の深い領域を十分に加熱することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
パルス電流が入力されるとレーザパルスを出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードから出射されたレーザビームを、アニール対象物まで導光する光学系と、
前記レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有し、パルス幅が１μｓ〜１００μｓのパルス電流を供給するドライバと
を有するレーザアニール装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、
第１の表面に、不純物拡散領域を含む素子構造が形成されたシリコンウエハの、前記第１の表面とは反対側の第２の表面に、ドーパントをイオン注入する工程と、
前記ドーパントを注入した後、前記シリコンウエハの前記第２の表面に、波長が６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅が１０μｓ〜１００μｓ、時間波形がトップフラットのパルスレーザビームを、前記シリコンウエハの表面におけるパワー密度が２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２の条件で照射し、前記ドーパントを活性化する工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
パルス電流の時間波形をトップフラットにすることにより、低いピークパワー密度でも、十分なアニールを行うことができる。加熱時間は、パルス電流のパルス幅に依存するが、レーザビームのビーム断面の形状にはほとんど依存しない。このため、加熱時間を高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。
【図２】図２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図である。
【図３】図３Ａは、実施例によるレーザアニール方法で使用されるパルスレーザビームの時間波形の一例を示す図であり、図３Ｂは、アニール対象物上におけるビーム断面の平面図である。
【図４】図４は、実施例によるレーザアニール装置のレーザダイオードに供給されるパルス電流の波形と、出射するレーザパルスの波形との測定結果を示すグラフである。
【図５】図５Ａは、シミュレーションで用いるトップフラット型のレーザパルスの波形と、一般的なレーザパルスの波形とを示すグラフであり、図５Ｂは、トップフラット型のレーザパルス及び一般的なレーザパルスが入射したシリコンウエハの、深さ０μｍ、３μｍ、５μｍの位置の温度変化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方法で不純物の活性化アニールを行った試料の電子濃度、正孔濃度、リン濃度、及びボロン濃度の測定結果を示すグラフである。
【図７】図７Ａは、ビーム断面内における空間プロファイルがトップフラット形状のレーザビームをシリコンウエハに照射した時の温度変化のシミュレーション結果を、ビーム断面内の幅方向の位置ごとに示すグラフであり、図７Ｂは、ビーム断面内における空間プロファイルがガウス分布のレーザビームをシリコンウエハに照射した時の温度変化のシミュレーション結果を、ビーム断面内の幅方向の位置ごとに示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。レーザ光源１２がドライバ１０によって駆動される。レーザ光源１２には、例えば発振波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザダイオードが用いられる。本実施例においては、発振波長８００ｎｍのレーザダイオードを用いた。
【００１２】
レーザ光源１２は、横長の複数の発光点を有する。複数の発光点は、その長手方向に一列に配置されている。各発光点の長軸方向と短軸方向との寸法の比は、例えば１００：１である。発光点の長軸方向の寸法と、相互に隣り合う２つの発光点の間隔とは、ほぼ等しい。言い換えると、発光点と非発光領域とが、交互に等間隔で並んでいる。
【００１３】
一般に、長軸方向に関するレーザビームの拡がり角は、短軸方向に関するレーザビームの拡がり角より大きい。このため、長軸方向に関してビーム断面を小さく絞り込むことが困難である。ＹＡＧレーザ等の拡がり角の小さいレーザビームを用いる場合には、ビーム断面を小さく絞り込むことにより、パワー密度を高めることができる。ところが、レーザダイオードを用いた場合には、長軸方向に関してビーム断面を小さく絞り込むことが困難であるため、ビーム断面を絞り込むことによってパワー密度を高めることが困難である。
【００１４】
以下に説明する実施例においては、ＹＡＧレーザ等によるレーザアニールに比べて、パワー密度を高めることなく、十分なアニールを行うことが可能である。
【００１５】
ドライバ１０は、キャパシタ１０Ａ及びパルス波形整形回路１０Ｂを含む。パルス波形整形回路１０Ｂは、キャパシタ１０Ａからの放電電流が、例えばトップフラットのパルス電流になるように電流波形の整形を行う。トップフラットのパルス電流がレーザ光源１２に供給される。パルス波形整形回路１０Ｂは、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子と制御回路を用いて構成することができる。レーザ光源１２は、ドライバ１０からパルス電流が供給されることにより、レーザ発振し、レーザパルスを出射する。
【００１６】
レーザ光源１２から出射されたレーザビームが、半波長板１３に入射する。半波長板１３は、その遅相軸の向きを変化させることにより、レーザビームの偏光方向を変化させる。半波長板１３を透過したレーザビームが、ホモジナイザ１５を透過した後、ビームスプリッタ１６に入射する。ビームスプリッタ１６は、入射したレーザビームの一部の成分をビームダンパ１７に向けて反射させ、残りの成分を直進させる。ビームスプリッタ１６を直進する成分の比率は、半波長板１３の遅相軸の向きを変えて偏光方向を変化させることにより、制御することができる。
【００１７】
ビームスプリッタ１６を直進したレーザビームが、１／４波長板１９及び集光レンズ２０を透過して、アニール対象であるシリコンウエハ３０に入射する。シリコンウエハ３０は、可動ステージ２１に保持されている。ホモジナイザ１５と集光レンズ２０とにより、シリコンウエハ３０の表面におけるビーム断面が、長尺形状にされるとともに、長軸及びそれに直交する方向（幅方向）に関する光強度が均一化される（空間プロファイルがトップフラットにされる。）。ホモジナイザ１５には、例えばカレイドスコープ、光ファイバ、アレイレンズ、フライアイレンズ等を用いることができる。可動ステージ２１は、シリコンウエハ３０を、ビーム断面の幅方向に移動させる。
【００１８】
シリコンウエハ３０の表面で反射した反射光が、集光レンズ２０及び１／４波長板１９を透過して、ビームスプリッタ１６に入射する。１／４波長板１９を２回透過することにより、偏光方向が９０°変化する。このため、反射光は、ビームスプリッタ１６で反射され、ビームダンパ１８に入射する。
【００１９】
図２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。ＩＧＢＴは、ｎ型のシリコン基板３０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２に示すように、シリコン基板３０の表面に、ｐ型のベース領域３３、ｎ型のエミッタ領域３４、ゲート電極３５、ゲート絶縁膜３６、エミッタ電極３７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。
【００２０】
シリコン基板３０の反対側の面に、ｐ型のコレクタ層３９が形成されている。必要に応じて、コレクタ層３９とシリコン基板３０との間に、ｎ型のバッファ層３８を形成してもよい。コレクタ層３９及びバッファ層３８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、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４０が、活性化アニールの後に、コレクタ層３９の表面に形成される。
【００２１】
図３Ａに、実施例による半導体装置の製造方法で用いられるパルスレーザビームのタイミングチャートを示す。パルス幅ＰＷのレーザパルスが、周波数ｆ、すなわち周期１／ｆで、シリコンウエハ３０に照射される。このレーザパルスが出射されていない期間は、シリコンウエハ３０に影響を与えない程度の低い強度のレーザビームまたは自然放出光が、レーザ光源１２（図１）から放射されるように、ドライバ１０からレーザ光源１２に待機時電流が供給される。例えば、待機時電流は、レーザパルスを出射するときの駆動電流の１％以下の大きさとする。
【００２２】
レーザパルスが出射されていない期間に、レーザダイオードを完全にオフにする場合に比べて、レーザダイオードの寿命を長くすることができる。
【００２３】
アニール時のシリコンウエハ３０には、図２に示した表側の素子構造が既に形成されており、裏側に、バッファ層３８及びコレクタ層３９を形成するための不純物（ドーパント）がイオン注入されている。この段階では、注入されたドーパントは、活性化されていない。
【００２４】
図３Ｂに、シリコンウエハ３０（図１）のレーザ照射面におけるビーム断面２３を示す。ビーム断面２３は、一方向に長い長尺形状を有する。ホモジナイザ１５（図１）により、長手方向及び幅方向に関して光強度分布が均一化されているため、長手方向及び幅方向に関する光強度分布は、ほぼトップフラット形状を有する。
【００２５】
長手方向の長さをＬとし、ビーム幅をＷｔとする。パルスレーザビームの照射は、シリコンウエハ３０を、ビーム断面２３の幅方向に移動させながら行われる。シリコンウエハ３０を移動させることにより、シリコンウエハ３０の表面がパルスレーザビームによって走査される。パルスレーザビームを、ビーム幅方向に走査することにより、１つの辺の長さが、ビーム断面の長さＬと等しい長方形の領域をアニールすることができる。
【００２６】
１つのレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて実線で示されている。）と、次に入射するレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて破線で示されている。）との重複する領域の幅をＷｏとする。重複率を、Ｗｏ／Ｗｔと定義する。シリコンウエハ３０の移動速度をＶとすると、Ｗｔ−Ｗｏ＝Ｖ／ｆが成り立つ。このため、パルスの繰り返し周波数ｆ、ビーム幅Ｗｔ、及びステージの移動速度Ｖにより、重複率が決定される。実施例においては、ビーム幅Ｗｔを２４０μｍとした。
【００２７】
図４に、レーザ光源１２に供給するパルス電流の時間波形Ａと、レーザ光源１２から出射されるパルスレーザの時間波形ＬＩとを示す。横軸は、経過時間を単位「μｓ」で表し、左縦軸は、電流の大きさを任意単位で表し、右縦軸は、光強度を任意単位で表す。レーザビームの光強度は、レーザビームをビームダンパで終端し、ビームダンパからの散乱光をフォトダイオードで検出することにより求めた。
【００２８】
レーザ光源１２から出射されるレーザビームの光強度は、電流の変化によく追随していることがわかる。パルス電流の波形をトップフラットにすることにより、レーザ光源１２から出射されるレーザパルスの波形もトップフラットにすることができる。ここで、「トップフラット」とは、波形の頂上部が直線で近似できる形状を意味する。直線近似は、近似された部分の実際の測定値が、平均値の±１０％の範囲内に収まる条件で行われる。
【００２９】
直線で近似される部分の時間幅の、パルス幅に対する比が小さい場合には、トップフラットか否かの判定が困難になる。電流パルスまたはレーザパルスの直線で近似できる部分の時間幅が、時間波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間の短い方よりも長ければ、「トップフラット」ということができる。ここで、「立ち上がり時間」は、図３Ａに示した待機状態から、トップフラット部分の平均強度の９０％まで上昇するまでの時間とする。「立ち下がり時間」は、トップフラット部分の平均強度の９０％まで低下した時点から、待機状態までの時間とする。「パルス幅」は、パルス波形の半値全幅を意味する。
【００３０】
例えば、トップフラット部分の時間幅が、立ち上がり時間及び立ち下がり時間より短くなると、三角波に類似する時間波形と考えることもできる。上述のように、トップフラット部分の時間幅が、時間波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間の短い方よりも長ければ、三角波と区別できる。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂを参照して、レーザパルスの時間波形をトップフラットにする効果を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。
【００３２】
図５Ａに、シミュレーションに用いたレーザパルスの時間波形を示す。横軸は、パルスの立ち上がり時刻からの経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸はパワー密度を任意単位で表す。トップフラットの時間波形ＷＦ１、及び一般的なパルスレーザ発振器から出射されるレーザパルスの時間波形ＷＦ２についてシミュレーションを行った。２つの時間波形ＷＦ１、ＷＦ２のパルスエネルギ及びビームサイズは、いずれも同一とした。パルスエネルギが同一であるため、図５Ａの時間波形ＷＦ１の面積と時間波形ＷＦ２の面積とは同一である。時間波形ＷＦ１のトップフラット部分の時間幅は１０μｓである。時間波形ＷＦ２のパルス幅は、後述する図５Ｂに示した時間波形ＷＦ１、ＷＦ２の温度履歴のうち、表面が融点に達している時間が同一になるように調整されている。この時、トップフラットの時間波形ＷＦ１のピークパワーは、一般的なレーザパルスの時間波形ＷＦ２のピークパワーの約５０％となった。なお、時間波形ＷＦ１のレーザパルスのパワー密度は５５０ｋＷ／ｃｍ２である。レーザビームの波長は８００ｎｍとし、アニール対象物はシリコンウエハとした。
【００３３】
図５Ｂに、レーザパルス入射後の、深さ０μｍ、３μｍ、及び５μｍの位置の温度変化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、温度を単位「Ｋ」で表す。図５Ｂ中の実線及び破線は、それぞれ時間波形ＷＦ１及びＷＦ２のレーザパルスを入射した時の温度変化を表す。実線及び破線に付された数値は、シリコンウエハの表面からの深さを単位「μｍ」で示す。
【００３４】
深さ０μｍの温度変化の頂部がほぼフラットになっているのは、表面温度がシリコンの融点に達し、シリコンウエハに与えられたレーザエネルギが融解熱として消費されているためである。レーザパルスの時間波形をトップフラットにすると、深い位置の最高到達温度が高くなっていることがわかる。シミュレーションの前提条件として、トップフラットの時間波形ＷＦ１と一般的なレーザパルスの時間波形ＷＦ２とのパルスエネルギを同一にした。シミュレーション結果から、パルスエネルギ密度が同一であっても、時間波形をトップフラットにすることで、より効率的に深い領域の温度を高めることが可能であることがわかる。言い換えると、レーザパルスの時間波形をトップフラットにすると、ある一定の温度まで加熱するために必要となるパルスエネルギを小さくすることができる。
【００３５】
例えば、ＩＧＢＴのコレクタ側の表面の活性化アニールを行う場合には、反対側の表面に形成されている拡散領域等の構造物が損傷を受けないようにするために、反対側の表面の温度上昇を抑制することが望まれる。ＩＧＢＴに用いられるシリコンウエハの厚さは、例えば１００μｍ程度である。シリコンウエハにレーザビームが照射されると、レーザ照射位置から等方的に熱が拡散する。レーザ照射面とは反対側の背面の温度は、レーザパルスの時間波形にはほとんど影響を受けず、投入されたパルスエネルギに依存する。レーザパルスの時間波形をトップフラットにすることにより、パルスエネルギを小さくすることができるため、背面の温度上昇を抑制することができる。このように、背面の温度上昇を抑制したい場合に、レーザパルスの時間波形をトップフラットにすることが有用である。
【００３６】
既に説明したように、レーザ光源１２（図１）としてレーザダイオードを用いると、ビーム断面を小さく絞り込むことによってパワー密度を高めることが困難である。ところが、パルスの時間波形をトップフラット形状にすれば、パワー密度を高めることなく、シリコンウエハの表面から深い内部の領域を高い温度まで加熱することができる。また、レーザダイオードの寿命の観点からも、レーザパルスのピークパワーを低く設定することが好ましい。
【００３７】
一般的に、レーザダイオードの出力は、レーザダイオードに供給する電流量に比例することから、トップフラットの時間波形は、ドライバ１０からレーザ光源１２に供給されるパルス電流の波形に依存する。パルス電流の波形を調整することにより、トップフラットの時間波形を有するレーザパルスのパルス幅（半値全幅）を所望の値に設定することができる。パルス幅を長くし過ぎると、従来のＲＴＡの加熱時間との有意な差がなくなり、半導体ウエハの厚さ方向の全域が加熱されてしまう。半導体ウエハの表層部近傍のみを加熱するために、パルス幅を１００μｓ以下にすることが好ましい。パルスエネルギ密度一定の条件でパルス幅を短くすると、ピークパワー密度が大きくなり、トップフラットの時間波形を適用する効果が得られなくなる。トップフラットの時間波形を適用する有意な効果を得るために、パルス幅を１μｓ以上にすることが好ましい。
【００３８】
実施例によるレーザアニール方法における加熱時間は、パルス幅に依存し、ビーム断面の形状や走査速度にはほとんど依存しない。このため、加熱時間を高精度に制御することができる。
【００３９】
シリコンウエハ３０（図１）にボロン（Ｂ）及びリン（Ｐ）を注入し、種々のレーザ照射条件で活性化アニールを行った。以下、この評価実験について説明する。
【００４０】
図６に、評価に用いた試料の深さ方向の不純物濃度分布及びキャリア濃度分布の測定結果を示す。横軸は深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。ボロンの注入は、加速エネルギ４０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ｃｍ−２の条件で行い。リンの注入は、加速エネルギ７００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１３ｃｍ−２の条件で行った。破線Ｂ０及び破線Ｐ０は、それぞれ注入直後のボロン濃度及びリン濃度を示す。細い実線ｐ１は、パルス幅１５μｓ、重複率５０％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ１、破線ｐ２は、パルス幅１５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ２、太い実線ｐ３は、パルス幅２５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ３の正孔濃度を示す。なお、パルスエネルギ密度は、図５Ａのシミュレーションに適用したパルスエネルギ密度と同一である。細い実線ｎは、試料Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の電子濃度を示す。３つの試料の電子濃度分布は、ほぼ重なっているため、１本の細い実線で示している。
【００４１】
シリコン基板の表面が溶融していないため、表層部の電子濃度分布が、注入直後のボロン濃度分布を反映した形状になっている。また、深さ２．５μｍまでのリンが、ほとんど１００％活性化していることがわかる。
【００４２】
シリコンウエハにイオン注入されたドーパントを活性するアニールにおいては、パルス幅を１０μｓ〜１００μｓとし、パワー密度を２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２にすることが好ましい。
【００４３】
上記実施例では、レーザ光源１２として波長８００ｎｍのレーザダイオードを用いたが、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザダイオードを用いてもよい。
【００４４】
トップフラットのレーザパルスの立ち上がり部分は、ほとんどアニールに寄与しない。すなわち、立ち上がり部分はエネルギロスになるため、急峻な立ち上がりとすることが好ましい。一例として、レーザパルス波形の直線部分の平均強度の９０％まで立ち上がる時間を、２μｓ以下にすることが好ましい。
【００４５】
アニール対象の半導体ウエハの表面に、ウエハとは異なる熱膨張係数の薄膜が形成されている場合には、温度の急激な上昇によって薄膜の剥離が生じてしまう場合もある。薄膜の剥離が懸念される場合には、パルスの立ち上がり時間を長くすることによって、急激な温度上昇を回避することが好ましい。
【００４６】
一方、レーザパルスの立ち下がり時間は、加熱された半導体ウエハの冷却速度に影響を及ぼす。冷却速度が、アニール効果に影響を及ぼす場合がある。立ち下り時間を長くすれば、冷却速度を緩やかにすることができる。逆に、立ち下がり時間を短くすれば、冷却速度を速くすることができる。所望のアニール効果を得るために、アニールの目的に応じて、レーザパルスの立ち下がり時間を制御することが好ましい。レーザパルスの立ち下がり時間は、レーザ光源１２（図１）に供給するパルス電流の時間波形により調整することができる。
【００４７】
トップフラットとは、通常、パルスの立ち上がり部分と立ち下がり部分との間の領域の大きさ（レーザパルスの場合には光強度、電流パルスの場合には電流の大きさ）がほぼ一定であることを意味している。アニール対象の材質や構成によっては、トップフラット領域におけるレーザパルスの光強度を、一定の割合で増加、または減少させてもよい。上述の実施例では、シリコンウエハの深い領域を効率的に加熱することを目的としたときのレーザパルスの好ましい時間波形について説明した。アニール対象の材質や構成により、レーザパルスの立ち上がり時間、立ち下がり時間、トップフラット部分の強度の増減等の最適化を行ってもよい。
【００４８】
レーザ光源１２から出射されるレーザパルスをトップフラットにするために、１パルスの出射に必要となる電力を、予めキャパシタ１０Ａに蓄積しておくことが好ましい。これにより、１パルス出射させるために必要な電力を、安定してレーザ光源１２に供給する事ができる。
【００４９】
次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、レーザビームの空間プロファイルについて説明する。
【００５０】
図７Ａは、実施例によるレーザアニール装置を用いてレーザアニールを行った時のシリコンウエハ表面の温度の時間変化のシミュレーション結果を示す。図７Ｂは、ビーム断面の幅方向に関してガウス分布のビームプロファイルを有するレーザビームを用いてレーザアニールを行った時のシリコンウエハ表面の温度の時間変化のシミュレーション結果を示す。横軸は、レーザビームの照射時点からの経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は、温度を単位「Ｋ」で表す。各曲線に付した数値は、図３Ｂのビーム断面２３の幅方向に関する中心からの距離ｘを単位「μｍ」で示す。
【００５１】
レーザビームの空間プロファイルをトップフラットにした実施例の場合には、図７Ａに示すように、ビーム断面の幅方向の中心からの距離が１００μｍ以下の領域の温度がほぼ同一であることがわかる。これに対し、ガウス分布のビームプロファイルを持つレーザビームでアニールを行った場合には、図７Ｂに示すように、温度がほぼ同一になる領域が、図７Ａに示した場合に比べて狭い。このため、ビーム断面の幅方向に関して活性化率にばらつきが生じてしまう。シリコンウエハの面内に関して活性化率を均一にするために、空間プロファイルをトップフラットにすることが好ましい。
【００５２】
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】
【００５３】
１０ ドライバ
１０Ａ キャパシタ
１０Ｂ パルス波形整形回路
１１ 直流電源
１２ レーザ光源
１３ 半波長板
１５ ホモジナイザ
１６ ビームスプリッタ
１７、１８ ビームダンパ
１９ １／４波長板
２０ 集光レンズ
２１ 可動ステージ
２３ ビーム断面
３０ シリコンウエハ
３３ ベース領域
３４ エミッタ領域
３５ ゲート電極
３６ ゲート絶縁膜
３７ エミッタ電極
３８ バッファ層
３９ コレクタ層
４０ コレクタ電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス電流が入力されるとレーザパルスを出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードから出射されたレーザビームを、アニール対象物まで導光する光学系と、
前記レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有し、パルス幅が１μｓ〜１００μｓのパルス電流を供給するドライバと
を有するレーザアニール装置。
【請求項２】
前記ドライバは、
電源から供給された電力を蓄積するキャパシタと、
前記キャパシタから前記パルス電流を取り出すパルス整形回路と
を有する請求項１に記載のレーザアニール装置。
【請求項３】
前記ドライバは、前記レーザダイオードに前記パルス電流を供給する前に、前記キャパシタに、前記レーザパルスの１回の出力に必要な電力よりも大きい電力を蓄積する請求項２に記載のレーザアニール装置。
【請求項４】
前記ドライバは、前記レーザダイオードに周期的に前記パルス電流を供給し、前記パルス電流を供給していない期間には、前記パルス電流の最大電流値の１０％以下の大きさの電流を、前記レーザダイオードに供給しておく請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項５】
前記パルス電流の時間波形のトップフラット部分の時間幅が、立ち上がり時間及び立ち下がり時間のうち短い方よりも長い請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項６】
前記光学系は、前記アニール対象物の表面におけるビーム断面を長尺形状にするとともに、前記ビーム断面の長手方向、及び幅方向に関する光強度分布をトップフラット形状にするビームホモジナイザを含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項７】
第１の表面に、不純物拡散領域を含む素子構造が形成されたシリコンウエハの、前記第１の表面とは反対側の第２の表面に、ドーパントをイオン注入する工程と、
前記ドーパントを注入した後、前記シリコンウエハの前記第２の表面に、波長が６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅が１０μｓ〜１００μｓ、時間波形がトップフラットのパルスレーザビームを、前記シリコンウエハの表面におけるパワー密度が２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２の条件で照射し、前記ドーパントを活性化する工程と
を有するレーザアニール方法。
【請求項１】
パルス電流が入力されるとレーザパルスを出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードから出射されたレーザビームを、アニール対象物まで導光する光学系と、
前記レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有し、パルス幅が１μｓ〜１００μｓのパルス電流を供給するドライバと
を有するレーザアニール装置。
【請求項２】
前記ドライバは、
電源から供給された電力を蓄積するキャパシタと、
前記キャパシタから前記パルス電流を取り出すパルス整形回路と
を有する請求項１に記載のレーザアニール装置。
【請求項３】
前記ドライバは、前記レーザダイオードに前記パルス電流を供給する前に、前記キャパシタに、前記レーザパルスの１回の出力に必要な電力よりも大きい電力を蓄積する請求項２に記載のレーザアニール装置。
【請求項４】
前記ドライバは、前記レーザダイオードに周期的に前記パルス電流を供給し、前記パルス電流を供給していない期間には、前記パルス電流の最大電流値の１０％以下の大きさの電流を、前記レーザダイオードに供給しておく請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項５】
前記パルス電流の時間波形のトップフラット部分の時間幅が、立ち上がり時間及び立ち下がり時間のうち短い方よりも長い請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項６】
前記光学系は、前記アニール対象物の表面におけるビーム断面を長尺形状にするとともに、前記ビーム断面の長手方向、及び幅方向に関する光強度分布をトップフラット形状にするビームホモジナイザを含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項７】
第１の表面に、不純物拡散領域を含む素子構造が形成されたシリコンウエハの、前記第１の表面とは反対側の第２の表面に、ドーパントをイオン注入する工程と、
前記ドーパントを注入した後、前記シリコンウエハの前記第２の表面に、波長が６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅が１０μｓ〜１００μｓ、時間波形がトップフラットのパルスレーザビームを、前記シリコンウエハの表面におけるパワー密度が２５０ｋＷ／ｃｍ２〜７５０ｋＷ／ｃｍ２の条件で照射し、前記ドーパントを活性化する工程と
を有するレーザアニール方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−７４０１９（Ｐ２０１３−７４０１９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１０５９０（Ｐ２０１１−２１０５９０）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]