JP2003059854A - 光加熱装置、光加熱方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源と基板間の距離を近付けながら光のむら
をなくして均一な熱が被処理基板に当たり、且つ不必要
な光が被処理基板に照射されない装置の小形化及び光エ
ネルギーの有効利用が可能な光加熱装置を提供し、急激
な温度上昇に伴う熱ダメージを低減させる光加熱方法及
び半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 光源を用いた熱処理（アニール）におい
て、光源に対向する被処理基板と光源との間に光エネル
ギーを均一化する手段を介在させ。この手段を通過した
光源からの光は、均一な状態で被処理基板に照射され
る。光加熱装置は、光源３と半導体基板１との間に光強
度フィルタ２を挿入する。アニール中の半導体基板の温
度を均熱化し、且つ基板に必要以上の光エネルギーが流
入しないように調整できる。光加熱方法は、光照射によ
りアニールを行う際に基板表面に光吸収性を有する光吸
収膜を形成する。これにより均熱性を向上させ、熱効率
を上げて下地の半導体基板への光照射による熱ダメージ
を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程などにおける熱処理（アニール）に用いる光加熱装
置、光加熱方法及びこの光加熱装置を用いた拡散領域な
どを形成する半導体装置の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器の重要部
分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を構成
するように結び付けて１チップ状に集積化した大規模集
積回路（ＬＳＩ）が多用されている。このため、機器全
体の性能は、半導体装置であるＬＳＩ単体の性能と大き
く結び付いている。ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を
高めること、つまり半導体装置を構成する素子の微細化
により実現できる。素子の微細化は、例えば、ソース／
ドレイン領域などの不純物拡散領域やゲート絶縁膜直下
のチャネル領域などの機能領域を形成する際のイオン注
入及びその後の熱処理（アニール）を最適化することに
より可能となる。

【０００３】この熱処理（アニール）は、以前は１００
０℃、３０分等の条件で行われていた。このような高温
・長時間のアニールでは、不純物の活性化と同時に不純
物拡散も起こっていた。そこで、不純物の活性化は行わ
れるものの拡散ができるだけ起こらないように最小限の
時間だけ熱処理する、１０００℃、１０秒程度の条件に
よるハロゲンランプなどを用いたラピットサーマルアニ
ール（ＲＴＡ：RapidThermal Anneal）の導入がなされ
たが、近年この短時間のアニールでも尚アニール後に不
純物の拡散が起こり、所望の不純物のプロファイルを得
ることができなくなってきている。そこで、活性化に必
要なエネルギーを瞬時に供給する方法としてレーザアニ
ールが検討されているが、レーザはもともと指向性の良
い光なので、多光子過程が起こったり、干渉が起こった
り、もともとの光も単位時間、単位体積当たりのエネル
ギー密度が高くなり過ぎて、シリコン半導体基板の表面
を溶かしたり、蒸発、レーザアブレーションとも言える
状況を引き起こしてしまうため、活性化後の半導体基板
の表面のモフォロジーが劣化したりすることが指摘され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような光源を熱源
とする熱処理プロセスにおいて、とくに、フラッシュラ
ンプやハロゲンランプなどのランプを使用したアニール
においては、ウェハ内の均熱性が要求される。そのため
には、光の強度の空間的分布を少なくする必要がある。
従来、これをランプの配置、ランプ周りのミラーや光ガ
イドなどの、光学的に受動的な光素子を組み合わせるこ
とによって実現してきた。そのため、光源からウェハま
での光学的な構造が複雑になっていた。また、レーザを
光源に使ったアニール方法では、アニールに適正な光の
強度の調整が難しく、レーザーのパワーを調整すること
で、適切なアニール条件を決めているが、調整が微妙で
プロセスウィンドが小さいという問題がある。

【０００５】また、このように素子の集積化が進み、素
子寸法が縮小化されるに伴って、浅いｐｎ接合の形成は
その重要性を増してきている。浅い領域への不純物の導
入方法としては、前述した低加速エネルギーでのイオン
注入とそのイオン注入後の短時間アニール処理（ＲＴ
Ａ）との併用がある。しかし、従来から使用されている
ｐ型ドーパントであるボロン（Ｂ）、ｎ型ドーパントで
あるリン（Ｐ）もしくは砒素（Ａｓ）などのイオン注入
では、シリコン（Ｓｉ）中での拡散係数が大きいため
に、ハロゲンランプを用いたＲＴＡ処理では、数１０秒
の処理といえども、基板深くへ拡散してしまう。また、
アニールの処理温度を下げると、活性化率が大きく低下
するという問題がおこり、接合深さ５０ｎｍ以下の浅い
低抵抗拡散層を形成することは困難であった。

【０００６】そこで近年になって、極短時間で活性化率
を向上する手法として、前述したレーザーアニール法や
Ｘｅなどのフラッシュランプを使ったアニール法が脚光
を浴びてきている。例えば、フラッシュランプのアニー
ル時の条件は、通電時間が１０ｍｓｅｃ以下、照射エネ
ルギー密度が１００Ｊ／ｃｍ² 以下である。しかし、こ
れらのアニール法では、大面積を有する半導体ウエハな
どの被処理基板に対して、面内均一性を確保することが
難しい。また、レーザーやフラッシュランプによる照射
により、急激な温度上昇が生じると、とくに酸化膜、ゲ
ート電極、配線電極等が混在したパターンを有する半導
体ウェハの場合には膜種による熱応力の違いから、シリ
コンなどの半導体ウエハ中にクラックや膜剥がれといっ
た熱ダメージの問題を引き起こしていた。この様なダメ
ージ問題は、従来のタングステンハロゲンランプを用い
たＲＴＡ装置を使った熱処理工程においても、例えば、
ＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)領域やゲート酸化膜
等のプロセス周辺で危惧されている。本発明は、このよ
うな事情によりなされたものであり、光源と基板間の距
離を近付けながら光のむらをなくして均一な熱が被処理
基板に当たり、且つ不必要な光が被処理基板に照射され
ない、装置の小形化及び光エネルギーの有効利用が可能
な光加熱装置を提供し、光を利用した加熱処理を行なう
場合において、均熱性を高め、且つ急激な温度上昇に伴
う熱ダメージを低減させる光加熱方法及び半導体装置の
製造方法を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源を用いた
熱処理（アニール）において、光源に対向する被処理基
板と光源との間に光エネルギーを均一化する手段を介在
させたことを特徴としている。この手段を通過した光源
からの光は、均一な状態で被処理基板に照射される。ま
ず、第１の発明は、光を使った半導体基板のアニール技
術において、光源と半導体基板との間に、光強度フィル
タを挿入することを特徴としている。光強度フィルタを
介在させることにより、アニール中の半導体基板の温度
を均熱化し、且つ半導体基板に必要以上の光エネルギー
が流入しないように調整することができる。また、従来
光源と基板間の距離が近いと光のむらが生じて均一な熱
が半導体基板に当たりにくいので両者間を離すことによ
って光のむらを防いでいたが、光強度フィルタを配置す
ることによって両者間を近付けることができ、その結
果、装置の小形化及び光エネルギーの有効利用が可能に
なる。また、第２の発明は、半導体装置の製造工程にお
ける熱処理方法において、光照射によりアニールを行う
際に、最表層の基板表面に光吸収性を有する光吸収膜を
形成することを特徴としている。光吸収膜を介在させる
ことにより、均熱性を向上させるとともに熱効率を上げ
て下地である半導体基板への光照射による熱ダメージを
低減させることができる。

【０００８】すなわち、本発明の光加熱装置は、放射さ
れる光エネルギーにより被処理基板を熱処理する光源
と、前記光源に対向する前記被処理基板と前記光源との
間に介在された光エネルギーを均一化する手段とを備え
たことを特徴としている。前記光源には、フラッシュラ
ンプ、ハロゲンランプ及びレーザのいずれかを用い手も
良い。また、本発明の光加熱装置は、放射される光エネ
ルギーにより半導体基板を熱処理する光源と、前記光源
と対向する前記半導体基板との間に介在された光強度フ
ィルタとを備えたことを特徴としている。フラッシュラ
ンプやハロゲンランプなどのランプ光源の光エネルギー
の空間的なばらつきを、一定値以上のエネルギー面密度
を持つ部分の光エネルギーにカットすることができるた
め、光照射の均一性を得るために従来用いられていた光
源のミラーやランプの配置、光ガイド等を簡潔化するこ
とができ、また、アニール装置を小さく設計することも
可能になる。また、光の強度によるフィルターリングで
あるので、光源の光強度が揺らいでいても、一定光強度
以上の範囲であれば、半導体ウェハ上に照射される光エ
ネルギーは揺らぐことはない。すなわち、光アニールが
光源の電力の揺らぎなどにも左右されることなくより安
定して行うことができる。さらに、レーザを光源に使っ
た場合でも光のパワーの制御、ビーム内での光の強度の
均一性を保つことができる。

【０００９】また、本発明の光加熱装置は、前記光強度
フィルタと前記光源との間に光拡散板を介在させるよう
にしても良い。光強度にむらが大きい場合、光強度フィ
ルタ単独で光の強度の均一性を図ると、光のエネルギー
密度が一番低いところ以上の光が透過しないように光強
度を設定すればよいのだが、この場合ロスする光エネル
ギーが大きくなってしまう。そこで、光拡散板を挿入
し、光の強度むらを少しなだらかにしておいて、その上
で光強度フィルタを通すことにより本発明の効果を効果
的に引き出すことができる。また、本発明の光加熱装置
は、前記光強度フィルタと前記光源との間に偏光板を介
在させるようにしても良い。偏光板を用いると、光強度
フィルタが異方性を持つ場合入射光の光の位相を所望の
状態に揃えることことができるので強度フィルタを効率
の良い方位で使用することができる。また、本発明の光
加熱装置は、前記光源がレーザである場合において、光
強度フィルタと前記光源との間に偏光解消板を介在させ
るようにしても良い。光源がレーザである場合におい
て、光の位相に偏りがあることがあり、光強度フィルタ
がこの光の位相に敏感であることがあり、これによって
効果にむらが発生することがある。偏光解消板を挿入す
ることによって、光の位相により誘起される光の強度む
らを抑制することができる。

【００１０】また、本発明の光加熱装置は、前記光強度
フィルタと前記光源との間に過飽和吸収フィルタを介在
させるようにしても良い。光強度にむらが大きい場合、
光強度フィルタ単独で光の強度の均一性を図ると、光の
エネルギー密度が一番低いところ以上の光が透過しない
ように光強度を設定すればよいのだが、この場合ロスす
る光エネルギーが大きくなってしまう。そこで、一定強
度の光が入射するまで透過しないようにしておいて、そ
の上で光強度フィルタを通すことにより本発明の効果を
効果的に引き出すことができる。本発明の光加熱方法
は、半導体基板の光源に対向する処理領域上に光吸収膜
を形成するステップと、前記光源から光エネルギーを前
記半導体基板上の前記光吸収膜に向けて放射するステッ
プと、前記光源から放射され、前記光吸収膜を通過した
光エネルギーにより前記半導体基板を熱処理するステッ
プとを備えたことを特徴としている。光吸収膜を成膜し
ているため半導体基板上の如何なる場所でも吸収される
光量は同一となり、下地である半導体基板に伝わる照射
エネルギーの均一性が向上する。また、入射光エネルギ
ーは最も効率良く熱に変換されて半導体基板に伝達され
る。

【００１１】また、本発明の光加熱方法は、前記光吸収
膜がシリコン膜からなるようにしても良く、また、前記
シリコン膜にはシリコンに対するキャリアを供給できる
不純物を添加するようにしても良い。シリコン膜を光吸
収膜に適用した場合において、下地の半導体基板がシリ
コンである場合、シリコン膜は、シリコン半導体基板と
同一の熱応力を持つために、加熱された層の収縮に伴う
変形が緩和され、光加熱による急激な温度上昇に対する
ダメージ耐性が上がる。また、前記光吸収膜の下面には
反射膜を形成するようにしても良い。また、本発明の光
加熱方法は、前記光吸収膜と前記半導体基板との間に酸
化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜などの絶縁膜を緩
衝膜として介在させるようにしても良い。光吸収膜の下
層に絶縁膜を成膜することにより、これが緩衝膜として
働くため、過剰なエネルギーが投下されても下地の半導
体基板への熱ダメージを抑制することが一層可能にな
る。

【００１２】また、本発明の光加熱方法は、前記光源に
フラッシュランプを用いる場合において、前記絶縁膜の
膜厚ｄ１及び前記絶縁膜上の前記光吸収膜の膜厚ｄ２
は、次式（１）及び（２）で表わされるようにしても良
く、また、前記光吸収膜は、１１００ｎｍ以下の波長に
対して吸収性を有し、前記フラッシュランプの通電時間
は、１０ｍｓｅｃ以下で１００Ｊ／ｃｍ² 以下の照射エ
ネルギー密度でランプアニールを行なうようにしても良
い。フラッシュランプを用いた本発明の光加熱方法が効
率的に行われる。 ｍ１×λ／２ｎ１−λ／８ｎ１≦ｄ１≦ｍ１×λ／２ｎ１＋λ／８ｎ１ ・・・（１） （２ｍ２−１）×λ／４ｎ２−λ／８ｎ２≦ｄ２≦（２ｍ２−１）×λ／４ｎ ２＋λ／８ｎ２ ・・・（２） 但し、ｍ１、ｍ２は、１以上の正の整数を表わし、λ
は、前記フラッシュランプのピーク波長を表わし、ｎ１
は、前記絶縁膜の屈折率、ｎ２は、前記光吸収膜の屈折
率をそれぞれ表わす。本発明の半導体装置の製造方法
は、半導体基板主面の素子領域にゲート絶縁膜を介して
ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスク
にして、前記素子領域に不純物をイオン注入する工程
と、前記半導体基板上に前記ゲート電極を被覆するよう
に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に光吸収膜を
形成する工程と、前記光吸収膜が形成された半導体基板
にフラッシュランプを照射し前記イオン注入された不純
物を熱拡散して不純物拡散領域を形成する工程とを備え
たことを特徴としている。

【００１３】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板主面の素子領域にゲート絶縁膜を介してゲー
ト電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクにし
て、前記素子領域に不純物をイオン注入する工程と、前
記半導体基板主面に対向するように、光源を配置し、こ
の光源と前記半導体基板との間に光強度フィルタを配置
する工程と、前記光源からの光エネルギーを前記光強度
フィルタを介して前記半導体基板に供給し前記イオン注
入された不純物を熱拡散して不純物拡散領域を形成する
工程とを備えたことを特徴としている。前記光吸収膜と
前記半導体基板との間には絶縁膜を緩衝膜として介在さ
せ、この絶縁膜は、剥離せずに、そのまま残して後工程
の配線コンタクト開口の際のエッチングストッパーもし
くは層間絶縁膜として使用しても良い。このように、こ
の熱処理工程をイオン注入層の活性化工程に適用した場
合、注入した不純物が良く活性化され、半導体素子の微
細化が容易になり高性能なＭＯＳトランジスタを製造す
ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。本発明は、放射される光エネルギー
により被処理基板を熱処理する光源に対向している前記
被処理基板と、この光源との間に光源から放射された光
エネルギーを均一化する手段を介在させたことに特徴が
あり、第１の発明は、光を使った半導体装置のアニール
技術において、光源と半導体基板との間に光強度フィル
タを挿入することを特徴としている。第２の発明は、半
導体装置の製造工程における熱処理方法において、光照
射によりアニールを行う際に、最表層の基板表面に光吸
収性を有する光吸収膜を形成することを特徴としてい
る。

【００１５】まず、図１及び図１５を参照して第１の実
施例を説明する。図１は、光加熱装置及びこの装置によ
り熱処理される被処理基板である半導体基板の断面図、
図１５は、光の特性を説明する光が照射されたウェハの
位置とその位置の光強度を示す特性図である。図１５
は、縦軸が光の強度を表し、横軸がウェハ位置を表して
いる。この実施例で用いられる光加熱装置は、Ｘｅラン
プなどの１μｍ以下の主たる波長の広がりを持つフラッ
シュランプ光源ユニット３を有し、この光源ユニットと
対向するシリコンなどの半導体基板１との間に光強度フ
ィルタ２を備えている。例えば、半導体基板１に不純物
をイオン注入し、これを熱拡散してＭＯＳトランジスタ
のソース／ドレイン領域を形成する工程において、フラ
ッシュランプ光源ユニット３と半導体基板（シリコンウ
ェハ）１との間に光強度フィルタ２を介在させる。図１
５（ａ）に示される特性を有する光源ユニット３から発
生した光（Ｌ′）は、図１５（ｂ）の実線に示される特
性を有する光強度フィルタ２により光強度が均一な光
（Ｌ）に変換されて、半導体基板１に照射される。光強
度フィルタには、例えば、ＬｉＮｂＯ₃ 結晶が用いられ
る。これは３次の電気光学効果カー定数の大きい結晶で
ある。

【００１６】ランプ光源の光エネルギーの空間的なばら
つきを、一定値以上のエネルギー面密度を持つ部分の光
エネルギーを光強度フィルタでカットすることができる
ため、光照射の均一性を得ることができる。光照射の均
一性を得るために従来から用いられていた光源のミラー
やランプの配置、光ガイド等を簡潔化することができる
とともに、光強度フィルタの介在によって光源と基板と
の間は短くても光照射の均一性を維持できるので、装置
を小さく設計することも可能になる。また、光の強度に
よるフィルタリングであるので、光源の光強度が揺らい
でいても、一定光強度以上の範囲であれば、半導体基板
上に照射される光のエネルギーは揺らぐことはない。す
なわち、光アニールが光源の電力の揺らぎなどにも左右
されることなくより安定して行える。また、この実施例
ではフラッシュランプを用いているが、ハロゲンランプ
などの従来から知られているランプに比べて、はるかに
短い時間で行われるフラッシュランプの熱処理でも光強
度の均一性を十分得ることができる。

【００１７】なお、図１は、光加熱装置の概略図であ
り、実際の装置では被処理基板であるシリコンウェハ
は、ＯＨ基の濃度が低い石英ガラスからなる透明のチャ
ンバーに収納されており、この状態でフラッシュランプ
から光が照射される。チャンバーの上にはフラッシュラ
ンプが配置され、このフラッシュランプとチャンバーと
の間に光強度フィルタが配置される。そして、チャンバ
ーの下には基板を予備加熱するためのハロゲンランプを
配置させることができる。加熱時にはチャンバー内部
は、Ａｒなどの不活性雰囲気に保つようにしておく。そ
して、フラッシュランプは、半導体基板中の不純物を拡
散する工程に用いる場合には照射エネルギー２０Ｊｃｍ
² 、照射時間１〜３ｍｓｅｃの条件で作動させる。この
実施例では、不活性雰囲気で加熱処理を行っているが、
本発明では活性雰囲気で加熱処理を行うこともできる。
例えば、高速昇降温で酸化処理を行う酸化工程では活性
雰囲気を用いるが、酸化反応性雰囲気は、不純物のプロ
ファイルに影響を与えるので、Ｏ₂ 、ＨＣｌなどの活性
雰囲気にＡｒやＮ₂ などの不活性気体を加えて熱処理を
行う。

【００１８】次に、図２を参照して第２の実施例を説明
する。図２は、光加熱装置及びこの装置により熱処理さ
れる被処理基板である半導体基板の断面図である。この
実施例で用いられる光加熱装置は、レーザ装置を用いた
光源ユニット４を有し、この光源ユニットと対向するシ
リコンなどの半導体基板６との間に光強度フィルタ５を
備えている。例えば、半導体基板６に不純物をイオン注
入し、これを熱拡散してＭＯＳトランジスタのソース／
ドレイン領域を形成する工程において、レーザ光源ユニ
ット４と半導体基板（シリコンウェハ）６との間に光強
度フィルタ５を介在させる。光源ユニット４から発生し
た光（Ｌ′）は、光強度フィルタ５により光強度が均一
な光（Ｌ）に変換され、半導体基板１に照射される。レ
ーザ光源の光エネルギーの空間的なばらつきを、一定値
以上のエネルギー面密度を持つ部分の光エネルギーを光
強度フィルタでカットすることができるため光照射の均
一性を得ることができる。光照射の均一性を得るために
従来から用いられていたパワーの制御等を簡潔化するこ
とができるとともに、光強度フィルタの介在によって光
源と基板との間は短くても光照射の均一性を維持できる
ので、装置を小さく設計することも可能になる。また、
光の強度によるフィルタリングであるので、光源の光強
度が揺らいでいても、一定光強度以上の範囲であれば、
半導体基板上に照射される光のエネルギーは揺らぐこと
はない。すなわち、光アニールが光源の電力の揺らぎな
どにも左右されることなくより安定して行うことができ
る。

【００１９】次に、図３及び図１５を参照して第３の実
施例を説明する。図３は、光加熱装置及びこの装置によ
り熱処理される被処理基板である半導体基板の断面図で
ある。この実施例で用いられる光加熱装置は、Ｘｅラン
プなどの１μｍ以下の主たる波長の広がりを持つフラッ
シュランプ光源ユニット１０を有し、この光源ユニット
と対向するシリコンなどの半導体基板７との間に光強度
フィルタ８を備え、さらに、この光源ユニットと光強度
フィルタ８との間にオパールガラス型などの光拡散板９
を備えている。例えば、この半導体基板７に不純物をイ
オン注入し、これを熱拡散してＭＯＳトランジスタなど
のソース／ドレイン領域を形成する工程において、フラ
ッシュランプ光源ユニット１０と半導体基板（シリコン
ウェハ）７との間に光強度フィルタ８及び光拡散板９を
介在させる。図１５（ｃ）に示すように、光源ユニット
１０から発生した強度むらの大きい光（Ｌ″）は、図１
５（ｄ）の実線に示すように、光拡散板９により少し強
度むらの少ない光（Ｌ′）にさせ、さらに、図１５
（ｅ）の実線に示すように、光強度フィルタ８により光
強度が均一な光（Ｌ）に変換されて、半導体基板７に照
射される。

【００２０】ランプ光源の光エネルギーの空間的なばら
つきを、一定値以上のエネルギー面密度を持つ部分の光
エネルギーを光強度フィルタ及び光拡散板でカットする
ことができるため、光照射の均一性を得ることができ
る。光強度にむらが大きい場合には、光強度フィルタ単
独で光強度の均一性を良くしようとすると、光のエネル
ギー密度が一番低いところ以上の光が透過しないように
光強度を設定すればよいのだが、この場合ロスする光エ
ネルギーが大きくなってしまう。そこで、光拡散板を挿
入し、光の強度むらを少しなだらかにしておいて光強度
フィルタを通すようにすれば、光強度の均一性を効果的
に引き出すことが可能になる。光照射の均一性を得るた
めに従来から用いられていた光源のミラーやランプの配
置、光ガイド等を簡潔化することができるとともに、光
強度フィルタの介在によって光源と基板との間は短くて
も光照射の均一性を維持できるので、装置を小さく設計
することも可能になる。また、光の強度によるフィルタ
リングであるので、光源の光強度が揺らいでいても、一
定光強度以上の範囲であれば、半導体基板上に照射され
る光のエネルギーは揺らぐことはない。すなわち、光ア
ニールが光源の電力の揺らぎなどにも左右されることな
くより安定して行える。

【００２１】また、この実施例ではフラッシュランプを
用いているが、ハロゲンランプなどの従来から知られて
いるランプに比べて、はるかに短い時間で行われるフラ
ッシュランプの熱処理でも光強度の均一性を十分得るこ
とができる。なお、図３は、光加熱装置の概略図であ
り、実際の装置では被処理基板であるシリコンウェハ
は、ＯＨ基の濃度が低い石英ガラスからなる透明のチャ
ンバーに収納されており、この状態でフラッシュランプ
から光が照射される。フラッシュランプは、半導体基板
中の不純物を拡散する工程に用いる場合には照射エネル
ギー２０Ｊｃｍ² 、照射時間１〜３ｍｓｅｃの条件で作
動させる。

【００２２】次に、図４及び図１６を参照して第４の実
施例を説明する。図４は、光加熱装置及びこの装置によ
り熱処理される被処理基板である半導体基板の断面図、
図１６は、ウェハに照射されるレーザビームの光強度分
布を示す断面図及びＡ−Ａ′線に沿う部分の光強度のウ
ェハ位置依存性を示す特性図である。この実施例で用い
られる光加熱装置は、レーザ装置を用いた光源ユニット
１４を有し、この光源ユニットと対向するシリコンなど
の半導体基板１１との間に光強度フィルタ１２を備え、
この光強度フィルタ１２と光源ユニット１４との間に光
拡散板１３を備えている。例えば、半導体基板（シリコ
ンウェハ）１１に不純物をイオン注入し、これを熱拡散
してＭＯＳトランジスタのソース／ドレイン領域を形成
する工程において、レーザ装置からなる光源ユニット１
４と半導体基板１１との間に光拡散板１３及び光強度フ
ィルタ１２を介在させる。光源ユニット１４から発生し
た光（Ｌ″）は、光拡散板１３により少し強度むらの少
ない光（Ｌ′）に変換され、さらに光強度フィルタ１２
により光強度が均一な光（Ｌ）に変換され半導体基板１
１に照射される。図１６（ａ）に示すように、レーザビ
ームにはモードがあり、ビームの中に小さな強度の山が
ある。モードが美しく、強度分布がガウシアン分布に近
いものもある（図１６（ｂ）参照）。

【００２３】このようなレーザ光源の光エネルギーの空
間的なばらつきを、一定値以上のエネルギー面密度を持
つ部分の光エネルギーを光拡散板及び光強度フィルタで
カットすることができるため光照射の均一性を得ること
ができる。光源がランプの場合と同様に光強度にむらが
大きい場合には、光強度フィルタ単独で光強度の均一性
を良くしようとすると、光のエネルギー密度が一番低い
ところ以上の光が透過しないように光強度を設定すれば
よいのだが、この場合ロスする光エネルギーが大きくな
ってしまう。そこで、光拡散板を挿入し、光の強度むら
を少しなだらかにしておいて、その上で光強度フィルタ
を通すようにすれば、光強度の均一性を効果的に引き出
すことが可能になる。光照射の均一性を得るために従来
から用いられていたパワーの制御等を簡潔化することが
できるとともに、光強度フィルタの介在によって光源と
基板との間は短くても光照射の均一性を維持できるの
で、装置を小さく設計することも可能になる。また、光
の強度によるフィルタリングであるので、光源の光強度
が揺らいでいても、一定光強度以上の範囲であれば半導
体基板上に照射される光のエネルギーは揺らぐことはな
い。すなわち、光アニールが光源の電力の揺らぎなどに
も左右されることなくより安定して行うことができる。

【００２４】次に、図５及び図１７を参照して第５の実
施例を説明する。図５は、光加熱装置及びこの装置によ
り熱処理される被処理基板である半導体基板の断面図、
図１７は、光源と光強度フィルタとの間に偏光解消板を
挿入した場合の作用を説明する断面図である。この実施
例で用いられる光加熱装置は、レーザ装置を用いた光源
ユニット１８を有し、この光源ユニットと対向するシリ
コンなどの半導体基板１５との間に光強度フィルタ１６
を備え、この光強度フィルタ１６と光源ユニット１８と
の間に水晶などの偏光解消板１７を備えている。例え
ば、半導体基板（シリコンウェハ）１５に不純物をイオ
ン注入し、これを熱拡散してＭＯＳトランジスタのソー
ス／ドレイン領域を形成する工程において、レーザ光源
ユニット１８と半導体基板１５との間に偏光解消板１７
及び光強度フィルタ１６を介在させる。光源ユニット１
８から発生した光（Ｌ″）は、偏光解消板１７により少
し強度むらの少ない光（Ｌ′）に変換され（光の電場振
動方向が変化する、さらに光強度フィルタ１６により光
強度が均一な光（Ｌ）に変換され半導体基板１５に照射
される（図１７参照）。

【００２５】レーザ光を光源に用いる場合、偏光がある
ことがある。そして、光強度フィルタがこの偏光に敏感
である場合があり、この敏感さによって効果に強度むら
が出現することがある。この実施例のように偏光解消板
を挿入することによって偏光により誘起される光の強度
むらを抑制することができる。このように、レーザ光源
の光エネルギーの空間的なばらつきを、一定値以上のエ
ネルギー面密度を持つ部分の光エネルギーを偏光解消板
及び光強度フィルタでカットすることができるため光照
射の均一性を得ることができる。光源がランプの場合と
同様に光強度にむらが大きい場合には、光強度フィルタ
単独で光強度の均一性を良くしようとすると、光のエネ
ルギー密度が一番低いところ以上の光が透過しないよう
に光強度を設定すればよいのだが、この場合ロスする光
エネルギーが大きくなってしまう。そこで、偏光解消板
を挿入し、その上で光強度フィルタを通すようにすれ
ば、光強度の均一性を効果的に引き出すことができる。
光照射の均一性を得るために従来から用いられていたパ
ワーの制御等を簡潔化することができるとともに、光強
度フィルタの介在によって光源と基板との間は短くても
光照射の均一性を維持できるので、装置を小さく設計す
ることも可能になる。また、光の強度によるフィルタリ
ングであるので、光源の光強度が揺らいでいても、一定
光強度以上の範囲であれば半導体基板上に照射される光
のエネルギーは揺らぐことはない。すなわち、光アニー
ルが光源の電力の揺らぎなどにも左右されることなくよ
り安定して行うことができる。

【００２６】次に、図６及び図１８を参照して第６の実
施例を説明する。図６は、光加熱装置及びこの装置によ
り熱処理される被処理基板である半導体基板の断面図、
図１８は、光源と光強度フィルタとの間に偏光子を挿入
した場合の作用を説明する断面図である。この実施例で
用いられる光加熱装置は、レーザ装置を用いた光源ユニ
ット２２を有し、この光源ユニットと対向するシリコン
などの半導体基板１９との間に光強度フィルタ２０を備
え、この光強度フィルタ２０と光源ユニット２２との間
に偏光板２１を備えている。例えば、半導体基板（シリ
コンウェハ）１９に不純物をイオン注入し、これを熱拡
散してＭＯＳトランジスタのソース／ドレイン領域を形
成する工程において、光源ユニット２２と半導体基板１
９との間に偏光板２１及び光強度フィルタ２０を介在さ
せる。光源ユニット２２から発生した光（Ｌ″）は、偏
光板２１により少し強度むらの少ない光（Ｌ′）に変換
され、さらに光強度フィルタ２０により光強度が均一な
光（Ｌ）に変換され半導体基板１９に照射される。光強
度フィルタが異方性を持つ場合がある。このような場
合、偏光板により入射する光の位相を所望の状態に揃え
る、つまり、光強度フィルタの結晶方位に所定角度の偏
光を入射させることにより、光強度フィルタを効率の良
い方位で使用することができる（図１８参照）。

【００２７】このように、レーザ光源の光エネルギーの
空間的なばらつきを、一定値以上のエネルギー面密度を
持つ部分の光エネルギーを偏光板及び光強度フィルタで
カットすることができるため光照射の均一性を得ること
ができる。光照射の均一性を得るために従来から用いら
れていたパワーの制御等を簡潔化することができるとと
もに、光強度フィルタの介在によって光源と基板との間
は短くても光照射の均一性を維持できるので、装置を小
さく設計することも可能になる。また、光の強度による
フィルタリングであるので、光源の光強度が揺らいでい
ても、一定光強度以上の範囲であれば半導体基板上に照
射される光のエネルギーは揺らぐことはない。すなわ
ち、光アニールが光源の電力の揺らぎなどにも左右され
ることなくより安定して行うことができる。

【００２８】次に、図７及び図１９を参照して第７の実
施例を説明する。図７は、光加熱装置及びこの装置によ
り熱処理される被処理基板である半導体基板の断面図、
図１９は、光源と光強度フィルタとの間に過飽和吸収フ
ィルタを挿入した場合の作用を説明する断面図である。
図１９は、縦軸が光強度を表し横軸に時間を示す特性図
である。この実施例で用いられる光加熱装置は、Ｘｅラ
ンプなどの１μｍ以下の主たる波長の広がりを持つフラ
ッシュランプ光源ユニット２６を有し、この光源ユニッ
トと対向するシリコンなどの半導体基板（シリコンウェ
ハ）２３との間に光強度フィルタ２４を備え、さらに、
この光源ユニットと光強度フィルタ２４との間に一定強
度の光が入射するまで透過しない光学特性を有する過飽
和吸収フィルタ２５を備えている。例えば、半導体基板
２３に不純物をイオン注入し、これを熱拡散してＭＯＳ
トランジスタのソース／ドレイン領域を形成する工程に
おいて、フラッシュランプ光源ユニット２６と半導体基
板２３との間に光強度フィルタ２４及び過飽和吸収フィ
ルタ２５を介在させる。光源ユニット２６から発生した
強度むらの大きい光（Ｌ″）は、光強度過飽和板２５に
より少し強度むらの少ない光（Ｌ′）にさせ、さらに光
強度フィルタ２４により光強度が均一な光（Ｌ）に変換
されて半導体基板２３に照射される。

【００２９】ランプ光源の光エネルギーの空間的なばら
つきを、一定値以上のエネルギー面密度を持つ部分の光
エネルギーを光強度フィルタ及び過飽和吸収フィルタで
カットすることができるため、光照射の均一性を得るこ
とができる（図１９参照）。光強度にむらが大きい場合
には、光強度フィルタ単独で光強度の均一性を良くしよ
うとすると、光のエネルギー密度が一番低いところ以上
の光が透過しないように光強度を設定すればよいのだ
が、この場合ロスする光エネルギーが大きくなってしま
う。そこで、過飽和吸収フィルタを挿入し、光の強度む
らを少しなだらかにしておいて光強度フィルタを通すよ
うにすれば、光強度の均一性を効果的に引き出すことが
可能になる。光照射の均一性を得るために従来から用い
られていた光源のミラーやランプの配置、光ガイド等を
簡潔化することができるとともに、光強度フィルタの介
在によって光源と基板との間は短くても光照射の均一性
を維持できるので、装置を小さく設計することも可能に
なる。また、光の強度によるフィルタリングであるの
で、光源の光強度が揺らいでいても、一定光強度以上の
範囲であれば、半導体基板上に照射される光のエネルギ
ーは揺らぐことはない。すなわち、光アニールが光源の
電力の揺らぎなどにも左右されることなくより安定して
行われる。

【００３０】次に、図８を参照して第８の実施例を説明
する。図８は、光加熱装置及びこの装置により熱処理さ
れる被処理基板である半導体基板の断面図である。この
実施例で用いられる光加熱装置は、レーザ装置を用いた
光源ユニット２６を有し、この光源ユニットと対向する
シリコンなどの半導体基板（シリコンウェハ）２７との
間に光強度フィルタ２８を備え、さらに、この光源ユニ
ットと光強度フィルタ２８との間に一定強度の光が入射
するまで透過しない光学特性を有する過飽和吸収フィル
タ２９を備えている。例えば、半導体基板２７に不純物
をイオン注入し、これを熱拡散してＭＯＳトランジスタ
のソース／ドレイン領域を形成する工程において、レー
ザ光源ユニット３０と半導体基板２７との間に光強度フ
ィルタ２８及び過飽和吸収フィルタ２９を介在させる。
光源ユニット３０から発生した強度むらの大きい光
（Ｌ″）は、過飽和吸収フィルタ２９により少し強度む
らの少ない光（Ｌ′）にさせ、さらに光強度フィルタ２
８により光強度が均一な光（Ｌ）に変換されて半導体基
板２７に照射される。

【００３１】光源の光エネルギーの空間的なばらつき
を、一定値以上のエネルギー面密度を持つ部分の光エネ
ルギーを光強度フィルタ及び過飽和吸収フィルタでカッ
トすることができるため、光照射の均一性を得ることが
できる。光強度にむらが大きい場合には、光強度フィル
タ単独で光強度の均一性を良くしようとすると、光のエ
ネルギー密度が一番低いところ以上の光が透過しないよ
うに光強度を設定すればよいのだが、この場合ロスする
光エネルギーが大きくなってしまう。そこで、過飽和吸
収フィルタを挿入し、光の強度むらを少しなだらかにし
ておいて光強度フィルタを通すようにすれば、光強度の
均一性を効果的に引き出すことが可能になる。光照射の
均一性を得るために従来から用いられていた光源のミラ
ーやランプの配置、光ガイド等を簡潔化することができ
るとともに、光強度フィルタの介在によって光源と基板
との間は短くても光照射の均一性を維持できるので、装
置を小さく設計することも可能になる。また、光の強度
によるフィルタリングであるので、光源の光強度が揺ら
いでいても、一定光強度以上の範囲であれば、半導体基
板上に照射される光のエネルギーは揺らぐことはない。
すなわち、光アニールが光源の電力の揺らぎなどにも左
右されることなくより安定して行われる。

【００３２】次に、図９及び図１０を参照して第９の実
施例を説明する。図９は、この実施例における半導体装
置の製造工程を説明する工程断面図、図１０は、従来の
ＭＯＳトランジスタの製造工程を説明する工程断面図で
ある。この実施例及びこれ以降の実施例は、半導体装置
の製造工程における熱処理方法において、光照射により
アニールを行う際に最表層の基板表面に光吸収性を有す
る光吸収膜を形成することを特徴とする第２の発明を説
明する。第９の実施例では光吸収膜として窒化チタン膜
（ＴｉＮ膜）を用いている。まず、通常のＭＯＳトラン
ジスタの製造方法に従って単結晶シリコンなどの半導体
基板３１にＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)などから
なる素子分離領域３２を形成した後、素子分離領域３２
に区画された素子領域にゲート酸化膜３３を介して、ポ
リシリコンなどからなるゲート電極３４を形成する。そ
の後、ゲート電極３４をマスクとして、ソース／ドレイ
ン領域３５に不純物のイオン注入層３９を形成する。ソ
ース／ドレイン領域に注入する不純物としては、例え
ば、ｎ型不純物としてはリン（Ｐ）あるいは砒素（Ａ
ｓ）を用い、ｐ型不純物としてはボロン（Ｂ）を用い
る。この拡散領域の形成によりｎチャネル型ＭＯＳＦＥ
Ｔあるいはｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴを製造することが
できる（図９（ａ））。

【００３３】不純物注入後、ＬＰＣＶＤ(Low Pressure
Chemical Vapour Deposition) 法により５００℃の温度
で酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜３６を５０ｎｍ程度成膜
し、さらに引き続いてその上にスパッタリング法により
窒化チタン（ＴｉＮ）膜３７を５０ｎｍ程度成膜する。
前記酸化シリコン膜３６は、プラズマＣＶＤ法や塗布法
により形成することもできる。また、前記ＴｉＮ膜３７
は、ＣＶＤ法により形成しても良い。但し、ＳｉＯ₂ 膜
３６及びＴｉＮ膜３７を形成する時に下地である半導体
基板３１に形成されたイオン注入層３９が欠陥を残した
状態で中途半端に活性化しないように６００℃以下の低
温で成膜する必要がある。また、半導体基板３１上に成
膜する絶縁膜は、緩衝膜として用いられる。絶縁膜は、
ＳｉＯ₂膜３６に限らない。例えば、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜、Ｓ
ｉＯＮ膜、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂膜、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜、Ｐ
ＳＧ(Phospho Silicate Glass)膜、ＢＳＧ(Boro-Silica
teGlass) 膜、ＢＰＳＧ(Boro-Phospho Silicate Glass)
膜のような誘電体膜でも良い（図９（ｂ））。その
後、フラッシュランプを基板温度約５００℃、３０Ｊ／
ｃｍ² のエネルギー密度なる条件で半導体基板（ウェ
ハ）３９の全面に照射して注入した不純物の活性化処理
を行なって不純物拡散領域（ソース／ドレイン領域）３
５を完成させる（図９（ｃ））。

【００３４】図１０は、上記実施例のように、単結晶シ
リコンなどの半導体基板３１及びゲート電極３４上に、
ＳｉＯ₂ 膜３６及びＴｉＮ膜３７を設置しない比較例で
ある。図１０では、直接、ゲート電極上にフラッシュラ
ンプ光をこの実施例と同じ条件下で照射したものであ
る。この比較例において、イオン注入層の活性化につい
て調べたところ、半導体基板１０１であるウェハ面内で
ソース／ドレイン領域１０５のシート抵抗のばらつきが
大きいことが判明した。さらに、ゲート電極１０４にア
ブレーションが生じ、半導体基板１０１の内部にはスリ
ップや膜剥がれ等のダメージが発生していた。一方、こ
の実施例では（図９参照）、半導体基板内にダメージが
形成されず、イオン注入層も十分に活性化され、シート
抵抗の低減化及びその面内ばらつきもσ＜２．０％内に
抑えられて半導体装置の素子特性が向上した。この実施
例の場合、異種材料上に共通してＴｉＮ膜３７が存在
し、これが光吸収膜として作用するため、いずれの場所
でも吸収されるフラッシュランプの光量は同一となる。
その結果、光吸収膜は、１０００℃以上にまで昇温し、
その熱量が下層のＳｉＯ₂ 膜３６の蓄熱作用で補償さ
れ、さらに緩衝膜として働く。その結果、半導体基板へ
徐々に熱エネルギーが伝達し、ソース／ドレイン領域に
注入された不純物が熱ダメージなく均一に、且つ十分に
活性化されたものと考察される。光吸収膜は、フラッシ
ュランプの主たる発光波長に対する反射率が０．５０以
下であればよく、例えば、上記ＴｉＮ膜の他に、Ｔｉ、
Ｇｅ、Ｓｎのような金属膜あるいはそれらの合金もしく
はＣ、ＳｉＣ等カーボンを含む膜であればこの実施例と
同様な効果が得られる。

【００３５】また、半導体基板上にはＳｉＯ₂ 膜３６と
ＴｉＮ膜３７の積層構造を形成配置することにより、選
択的にエッチングすることが可能となり、フラッシュラ
ンプのアニール処理後において、役割を終えた上記の絶
縁膜及び光吸収膜を下地の半導体基板にダメージを与え
ることなく除去することができる。例えば、ＴｉＮ膜３
７は、硫酸過水によって除去することができ、ＳｉＯ₂
膜３６は、希フッ酸処理によって容易に除去することが
可能になる。また、ＳｉＯ₂ 膜を緩衝膜として用いた場
合には、あえて剥離をしなくても、そのまま残して後工
程の層間絶縁膜として使用することも可能であり、さら
に、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜を用いた場合には、配線コンタクト開
口の際のエッチングストッパーとして使用することも可
能であり、生産コストの抑制にも繋がる。従来では吸収
される熱量そのものが少なくなり、その熱量も基板に十
分に伝わる前に放熱されてしまっていたと考えられる。
さらに、異種材料間の熱膨張差の違いから、フラッシュ
ランプ光による急激な熱応力の発生に耐えられず、半導
体基板内にはスリップや膜剥がれ等のダメージが発生し
ていたものと考察される。

【００３６】次に、図１４を参照して第１０の実施例を
説明する。図１４は、半導体装置の製造工程を説明する
工程断面図である。この実施例も光吸収膜を緩衝膜上に
形成している点で第９の実施例と同様であるが、光吸収
膜がシリコン膜である点で第９の実施例と相違してい
る。通常のＭＯＳトランジスタの製造方法に従って単結
晶シリコンなどの半導体基板４１にＳＴＩなどの素子分
離領域４２を形成した後、素子分離領域に区画された素
子領域にゲート酸化膜４３を介してポリシリコンなどの
ゲート電極４４を形成する。その後、ゲート電極４４を
マスクとして、ソース／ドレイン領域４５に不純物を注
入する。ソース／ドレイン領域に注入する不純物とし
て、例えば、ｎ型不純物としてはリン（Ｐ）あるいは砒
素（Ａｓ）を用い、ｐ型不純物としてはボロン（Ｂ）を
用いることにより、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴあるいは
ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴを製造する（図１４
（ａ））。不純物注入後は、例えば、ＬＰＣＶＤ法によ
り約５００℃の温度で酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜４６
を５０ｎｍ程度成膜し、さらに引き続いてその上に、例
えば、ＬＰＣＶＤ法により約５００℃の温度でシリコン
（Ｓｉ）膜４７を５０ｎｍ程度成膜する。

【００３７】前記酸化シリコン膜４６及びシリコン膜４
７は、プラズマＣＶＤ法や塗布法を用いて形成しても良
い。但し、酸化シリコン膜４６及びシリコン膜４７の形
成時に、下地である半導体基板４１の内部のイオン注入
層４９が欠陥を残した状態で中途半端に活性化してない
ように６００℃以下の低温で成膜する必要がある。ま
た、半導体基板１上に成膜する絶縁膜は、緩衝膜として
用いられる。絶縁膜は、ＳｉＯ₂ 膜３６に限らず、Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 膜、ＳｉＯＮ膜、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 膜、Ｔａ
₂ Ｏ₅ 膜、ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜のような誘
電体膜でも良い（図１４（ｂ））。その後、フラッシュ
ランプを基板温度５００℃で、３０Ｊ／ｃｍ² のエネル
ギー密度で半導体基板（ウェハ）全面に照射し、注入し
た不純物の活性化処理を行なった（図１４（ｃ））。イ
オン注入層の活性化について調べたところ、半導体基板
内にダメージは形成されず、イオン注入層も十分に活性
化され、シート抵抗の低減化及びその面内ばらつきもσ
＜１．８％内に抑えられ、半導体素子としての特性向上
を望むことができた。

【００３８】この実施例の場合、異種材料上に共通して
シリコン膜４７が存在し、これが光吸収膜として作用す
るため、いずれの場所でも吸収されるフラッシュランプ
の光量は同一となる。その結果、光吸収膜は、１０００
℃以上にまで昇温し、その熱量が下層の酸化シリコン膜
４６の蓄熱作用で補償され、なお且つ緩衝膜として働く
ため、半導体基板４１へ徐々に熱エネルギーが伝達し、
ソース／ドレイン領域４５に注入した不純物が熱ダメー
ジなく均一に、且つ十分に活性化されたと考察される。
さらに、シリコン膜４７と下層の半導体基板（Ｓｉ）４
１とは同一元素であるため、熱応力が同じとなり、フラ
ッシュランプ光による急激な温度上昇に対する応力耐性
が上がり、高出力照射条件下でも半導体基板内に収縮や
変形等の熱的ダメージのない半導体素子の製造が実現で
き、プロセスウィンドウが拡大する。また、半導体基板
上に光吸収膜として酸化シリコン膜４６とシリコン膜４
７の積層構造を用いると、これらの選択的なエッチング
が可能となり、フラッシュアニール処理後に、役割を終
えた光吸収膜を下層の半導体基板にダメージを与えるこ
となく除去することができる。例えば、シリコン膜４７
は、ＳＦ₆ ガス等のドライエッチングによって除去する
ことができ、また、酸化シリコン膜４６は、希フッ酸処
理によって容易に除去することが可能になる。

【００３９】次に、図１４を参照して第１１の実施例を
説明する。この実施例は、第１０の実施例と同様に図１
４を参照している。しかしながら、緩衝膜４６上に被覆
する光吸収膜のシリコン膜４７にキャリアを供給できる
不純物が含まれている点で第１０の実施例と相違してい
る。シリコン膜にIII 、Ｖ族のようなドーパントとなる
不純物を含有させることにより、とくに、吸収端より長
波長側の赤外領域の吸収係数を増加させることができ
る。例えば、リン（Ｐ）を１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドーピング
することにより吸収係数は１０ｃｍ^-1となり、１０¹⁹ｃ
ｍ^-3程度ドーピングすることにより吸収係数は１００ｃ
ｍ^-1まで増加する。これにより、前記第１０の実施例の
ように光吸収膜及び熱応力緩和を兼ね備えたシリコン膜
の特性を活かしたまま、照射するフラッシュランプ光の
吸収量を増大させることに加え、導電性も増すため、均
熱性を向上させる上に下地の半導体基板へ伝達する熱量
を増加させることができる。リン（Ｐ）を１０¹⁹ｃｍ^-3
程度ドーピングしたシリコン膜４７を光吸収膜として用
いた場合に前記第１０の実施例と同様にイオン注入層の
活性化について調べたところ、半導体基板内にダメージ
は形成されず、イオン注入層も十分に活性化され、シー
ト抵抗の低減化及びその面内ばらつきもσ＜１．５％内
に抑えられ、半導体素子としての特性向上を可能にする
ことができた。

【００４０】次に、図１１及び図１２を参照して第１２
の実施例を説明する。図１１及び図１２は、半導体装置
の製造工程を説明する工程断面図である。この実施例
は、単結晶シリコンなどからなる半導体基板及びゲート
電極と光吸収膜の層間に、反射膜となる、例えば、Ａｌ
膜を１０ｎｍ程度成膜されていることに特徴がある。反
射膜としては、Ａｌ膜の他にＡｇ膜、Ｒｈ膜、Ｎｉ膜、
Ｐｔ膜、Ｓｂ膜のような他の金属膜を用いることができ
る。通常のＭＯＳトランジスタの製造方法に従って単結
晶シリコンなどの半導体基板５１にＳＴＩなどの素子分
離領域５２を形成した後、素子分離領域に区画された素
子領域にゲート酸化膜５３を介してポリシリコンなどの
ゲート電極５４を形成する。その後、ゲート電極５４を
マスクとして、ソース／ドレイン領域５５に不純物を注
入する。ソース／ドレイン領域に注入する不純物とし
て、例えば、ｎ型不純物としてはリン（Ｐ）あるいは砒
素（Ａｓ）を用い、ｐ型不純物としてはボロン（Ｂ）を
用いることにより、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴあるいは
ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴを製造する。不純物注入後
は、スパッタリング法などによりアルミニウム（Ａｌ）
膜５８を１０ｎｍ程度成膜し、さらにその上にＬＰＣＶ
Ｄ法などにより約５００℃の温度でシリコン（Ｓｉ）膜
５７を５０ｎｍ程度成膜する。前記シリコン膜５７は、
プラズマＣＶＤ法や塗布法を用いて形成しても良い。但
し、Ａｌ膜及びシリコン膜の形成時に、下地である半導
体基板の内部のイオン注入層が欠陥を残した状態で中途
半端に活性化してないように６００℃以下の低温で成膜
する必要がある。その後、フラッシュランプを基板温度
５００℃、３０Ｊ／ｃｍ² のエネルギー密度で半導体基
板（ウェハ）全面に照射し、注入した不純物の活性化処
理を行なった。

【００４１】イオン注入層の活性化について調べたとこ
ろ、不純物は十分に活性化され、シート抵抗の低減化及
びその面内ばらつきもσ＜１．１％内に抑えられ、半導
体素子としての特性向上が可能であることが分かった。
前記光吸収膜であるシリコン膜５７で吸収しきれず透過
してしまった透過光が、反射層であるＡｌ膜５８で反射
され、この反射光が再度前記光吸収膜に入射することが
可能になるため、光吸収膜で蓄えられる光エネルギー量
が増大する。このため、下地である半導体基板へ伝達す
る熱エネルギーの効率性に繋がったと考察される。ま
た、この実施例によれば、入射させる光エネルギー量を
７０％まで減少させても、前記第１１の実施例と同等な
効果が得られるため、半導体装置の製造方法における省
電力化に繋がる。さらに、図１２に示すように、単結晶
シリコンなどの半導体基板５１及びポリシリコンなどの
ゲート電極５４と、前記反射膜であるＡｌ膜５８との層
間に緩衝膜として用いられる酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）
膜５６を形成することによって、例え過剰な照射エネル
ギー条件下で処理を行なっても、下地であるシリコンな
どの半導体基板へ与える熱ダメージ量を低減させること
ができるのでプロセスウィンドウが拡大する。

【００４２】次に、図１３及び図１４を参照して第１３
の実施例を説明する。図１３は、光吸収膜及び光吸収膜
の下に形成された緩衝膜の膜厚に対する入射光の反射率
を示した特性図である。この光吸収膜及び緩衝膜が形成
された半導体基板は、図１４に示されたものを用いてい
る。この実施例は、半導体基板上の緩衝膜及び光吸収膜
の膜厚が入射光のピーク波長により制約されていること
に特徴がある。つまり、図１４に示されたシリコンなど
の半導体基板４１及びポリシリコンなどのゲート電極４
４上に形成された緩衝膜として用いられる酸化シリコン
（ＳｉＯ₂ ）膜４６については、屈折率（ｎ１）がｎ１
＝１．４６であるため、膜厚（ｄ１）は、ｄ１＝１３７
ｎｍとする。また、単結晶シリコンなどの半導体基板４
１及びゲート電極４４上に成膜する緩衝膜としての絶縁
膜は、酸化シリコン膜に限らず、窒化シリコン（Ｓｉ₃
Ｎ₄ ）膜でも良い。この場合には、屈折率ｎ１は、２．
００となるため、膜厚は１００ｎｍとする。また、酸化
シリコン膜４６上に形成され、光吸収膜として用いられ
るシリコン膜４７については、屈折率（ｎ２）がｎ２＝
３．４４であるため、膜厚（ｄ２）は、ｄ２＝２９ｎｍ
とする。

【００４３】図１３は、前記光吸収膜及び緩衝膜の膜厚
に対する入射光の反射率を示す特性図である。縦軸が入
射光の反射率（無単位）、横軸が光吸収膜又は緩衝膜の
膜厚（λ）を表している。反射率は、入射光のピーク波
長をλとし、光吸収膜あるいは緩衝層の屈折率をｎとす
ると、図に示すように、λ／（４ｎ）の周期で最大、最
小を繰り返す。即ち、入射光の反射率は、使用する光源
の波長λ及び光吸収膜もしくは緩衝膜の屈折率ｎに対し
て、膜厚がλ／（４ｎ）毎に反射率が最大、最小となる
関係がある。フラッシュランプの発光スペクトルは白色
光であるが、４００ｎｍをピークとして３００〜８００
ｎｍに亘って主要な発光強度を有する。ここで、シリコ
ン膜（光吸収膜）の屈折率ｎ２は、３．４４であるた
め、反射率の半周期λ／（４ｎ２）は、２９ｎｍとな
る。また、ＳｉＯ₂ 膜の屈折率ｎ１は、１．４６である
ため、反射率の周期λ／（２ｎ１）は、１３７ｎｍとな
る。上記のように設定した膜厚において、シリコン膜４
７及び酸化シリコン膜４６に対して入射したフラッシュ
ランプ光は、光吸収膜であるシリコン膜４７で反射率が
最小となり、下層の緩衝膜であるＳｉＯ₂ 膜４６で反射
率が最大となるため、前記光吸収膜で吸収しきれず透過
してしまった透過光が、前記緩衝膜との界面で反射さ
れ、この反射光が再度前記光吸収膜に入射することが可
能になるため、光吸収膜で蓄えられる光エネルギー量が
増大する。

【００４４】すなわち、膜厚を調整することによって、
一方は光吸収膜、他方は反射膜として用いる。その結
果、入射光は、最も効率良く熱エネルギーに変換され、
下地である半導体基板１に到達することができる。ここ
で、上記光吸収膜の膜厚（ｄ２）及び緩衝膜の膜厚（ｄ
１）は、以下の式（１）、（２）を満足すれば良い（反
射率を最小にするには反射率の半周期の奇数倍に、反射
率を最大にするには反射率の半周期の偶数倍にする）。
また、入射光エネルギーをより有効に使うために、緩衝
膜での反射効率を上げるために、ｎ１＜ｎ２の関係を維
持する材料からなる積層構造が望ましい。 ｍ１×λ／２ｎ１−λ／８ｎ１≦ｄ１≦ｍ１×λ／２ｎ１＋λ／８ｎ１ ・・・（１） （２ｍ２−１）×λ／４ｎ２−λ／８ｎ２≦ｄ２≦（２ｍ２−１）×λ／４ｎ ２＋λ／８ｎ２ ・・・（２） 但し、ｍ１、ｍ２は、１以上の正の整数を表わし、λ
は、前記フラッシュランプのピーク波長を表わし、ｎ１
は、前記絶縁膜の屈折率、ｎ２は、前記光吸収膜の屈折
率をそれぞれ表わしている。

【００４５】光吸収膜及び緩衝膜の膜厚をこのように設
定することによって、さらに、放散され易い熱エネルギ
ーが酸化シリコン膜４６の蓄熱作用で補償されるため、
半導体基板へのアニールが効率的に行なわれ、ソース／
ドレイン領域４５に注入した不純物が十分に活性化され
る。フラッシュアニール処理を第１０の実施例と同一の
条件（基板温度５００℃、照射エネルギー密度３０Ｊ／
ｃｍ² ）で行ない、不純物拡散領域（ソース／ドレイン
領域）のシート抵抗を測定したところ、面内ばらつきは
σ＜０．８％内に抑えられ、半導体素子としての更なる
特性向上を望むことができた。ここで、フラッシュラン
プは連続スペクトルであるが、光学フィルタ等の光学部
品あるいは素子を使うことによって、ある特定領域の波
長を選択して本発明を実施すれば、上記のような入射光
に対する膜厚を設定することによって、加熱効率をコン
トロールすることも可能になる。

【００４６】なお、以上述べてきた実施例では、光源と
してＸｅフラッシュランプを使ったアニール装置の場合
について説明したが、本発明は、これに限定されるもの
ではなく、従来のタングステン（Ｗ）ハロゲンランプに
よるＲＴＡ装置あるいはエキシマレーザや他のパルスレ
ーザを光源としたレーザーアニール装置を用いる場合に
も適用することが可能である。しかしながら、レーザア
ニールの場合には、イオン注入層をプリアモルファス化
しておかないと、十分に不純物を活性化させることがで
きない場合があり、フラッシュランプアニール装置を用
いることがより好ましい。また、各実施例では、イオン
注入層の活性化を例に取り上げて説明したが、本発明
は、これに限定されるものではなく、トランジスタ形成
に要求される各種の熱処理工程で適用することが可能で
ある。

【００４７】以上のように、本発明の光加熱装置は、ラ
ンプ光源の光のエネルギーの空間的なばらつきを、一定
値以上のエネルギー面密度を持つ部分の光のエネルギー
を光強度フィルタでカットすることができるため、光照
射の均一性を得るために従来用いられていた光源のミラ
ーやランプの配置、光ガイド等を簡潔化することがで
き、したがって、装置を小さく設計することが可能にな
る。また、光の強度によるフィルタリングであるので、
光源の光強度が揺らいでいても、一定光強度以上の範囲
であれば、半導体ウェハなどの被処理基板上に照射され
る光のエネルギーは揺らぐことはない。すなわち、光ア
ニールが光源の電力の揺らぎなどにも左右されることな
くより安定して行える。

【００４８】また、本発明の光加熱方法は、膜種の異な
る表面上に共通して、光吸収膜及び必要に応じて絶縁
膜、反射膜などを成膜しているため、被処理基板上の如
何なる場所でも吸収される光量は同一となり、下地基板
に伝わる照射エネルギーの均一性が向上する。また、被
処理基板上に形成する最表面層に光吸収性を有する光吸
収膜を成膜することで、入射光エネルギーは最も効率良
く熱に変換され下地の基板に伝達することが可能にな
る。また、光吸収膜の下層に誘電体膜を成膜すること
で、これが緩衝膜として働くため、過剰なエネルギーが
投下されても下地基板への熱ダメージを抑制することが
可能になる。そのため、被処理基板のアニールが効率的
に行なわれ、イオン注入層の活性化工程に適用した場合
には、注入した不純物が良く活性化される。さらに最表
面層にシリコン膜を適用した場合には、下地のシリコン
基板と同一の熱応力をもつため、加熱された層の収縮に
伴う変形が緩和され、光加熱による急激な温度上昇に対
するダメージ耐性が上がる。以上、任意の大面積を有し
異なる膜種を有する基板に対して、光加熱による急激な
温度上昇に対する熱応力を低減することができ、なお且
つ熱効率及び均熱性を上げることが可能になるため、半
導体素子の微細化が容易になり高性能なＭＯＳトランジ
スタを製造することができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明は、以上の構成により、光強度を
均一化する手段を通過した光源からの光は、均一な状態
で被処理基板に照射される。まず、本発明の光加熱装置
は、光強度フィルタを介在させることにより、アニール
中の半導体基板の温度を均熱化し、且つ半導体基板に必
要以上の光エネルギーが流入しないように調整すること
ができる。また、従来光源と基板間の距離を離すことに
よって光のむらを防いでいたが、光強度フィルタを配置
することによって両者間を近付けることができ、その結
果、装置の小形化及び光エネルギーの有効利用が可能に
なる。また、本発明の光加熱方法は、光吸収膜を介在さ
せることにより、均熱性を向上させるとともに熱効率を
上げて下地である半導体基板への光照射による熱ダメー
ジを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図２】本発明の第２の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図３】本発明の第３の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図４】本発明の第４の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図５】本発明の第５の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図６】本発明の第６の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図７】本発明の第７の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図８】本発明の第８の実施例を説明する半導体基板及
び光加熱装置の概略断面図。

【図９】本発明の第９の実施例における光吸収膜及び緩
衝膜を具備した半導体装置の製造プロセスを示す工程断
面図。

【図１０】本発明の第９の実施例を説明するための半導
体装置の従来の製造プロセスを示す工程断面図。

【図１１】 本発明の第１２の実施例における光吸収膜
及び反射膜を具備した半導体装置の製造プロセスを示す
工程断面図。

【図１２】 本発明の第１２の実施例における光吸収
膜、反射膜及び緩衝膜を具備した半導体装置の製造プロ
セスを示す工程断面図。

【図１３】本発明の第１３の実施例を説明する光吸収膜
及び緩衝膜の膜厚とフラッシュランプ光の反射率との関
係を示す特性図。

【図１４】本発明の第１０の実施例、第１１の実施例及
び第１３の実施例における光吸収膜及び緩衝膜を具備し
た半導体装置の製造プロセスを示す工程断面図。

【図１５】本発明の第１の実施例及び第３の実施例にお
ける光の特性を説明する光が照射されたウェハの位置と
その位置の光強度を示す特性図。

【図１６】本発明の第４の実施例におけるウェハに照射
されるレーザビームの光強度分布を示す断面図及びＡ−
Ａ′線に沿う部分の光強度のウェハ位置依存性を示す特
性図。

【図１７】本発明の第５の実施例における光源と光強度
フィルタとの間に偏光解消板を挿入した場合の作用を説
明する断面図。

【図１８】本発明の第６の実施例における光源と光強度
フィルタとの間に偏光子を挿入した場合の作用を説明す
る断面図。

【図１９】本発明の第７の実施例における光源と光強度
フィルタとの間に過飽和吸収フィルタを挿入した場合の
作用を説明する断面図。

【符号の説明】

１、６、７、１１、１５、１９、２３、２７、３１、４
１、５１、１０１・・・半導体基板（シリコンウェ
ハ）、２、５、８、１２、１６、２０、２４、２８・・
・光強度フィルタ、３、１０、２６・・・フラッシュラ
ンプ光源ユニット、４、１４、１８、２２、３０・・・
レーザ光源ユニット、９、１３・・・光拡散板、 １
７・・・光偏光解消板、２１・・・偏光板、 ２５、
２９・・・過飽和吸収フィルタ、３２、４２、５２、１
０２・・・素子分離領域、３３、４３、５３、１０３・
・・ゲート酸化膜、３４、４４、５４、１０４・・・ゲ
ート電極、３５、４５、５５、１０５・・・ソース／ド
レイン領域、３６、４６、５６・・・酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ₂ ）膜、３７・・・窒化チタン（ＴｉＮ）膜、４
７、５７・・・シリコン（Ｓｉ）膜、５８・・・アルミ
ニウム（Ａｌ）膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯沼 俊彦 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 柴田 武 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 須黒 恭一 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 5F045 AA20 AB32 AC11 AC16 BB02 DP02 DQ10 EK12

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放射される光エネルギーにより被処理基
   板を熱処理する光源と、 前記光源に対向する前記被処理基板と前記光源との間に
   介在された光エネルギーを均一化する手段とを備えたこ
   とを特徴とする光加熱装置。
2. 【請求項２】 前記光源には、フラッシュランプ、ハロ
   ゲンランプ及びレーザのいずれかを用いることを特徴と
   する請求項１に記載の光加熱装置。
3. 【請求項３】 放射される光エネルギーにより半導体基
   板を熱処理する光源と、 前記光源と対向する前記半導体基板との間に介在された
   光強度フィルタとを備えたことを特徴とする光加熱装
   置。
4. 【請求項４】 前記光強度フィルタと前記光源との間に
   光拡散板を介在させることを特徴とする請求項３に記載
   の光加熱装置。
5. 【請求項５】 前記光強度フィルタと前記光源との間に
   偏光板を介在させることを特徴とする請求項３に記載の
   光加熱装置。
6. 【請求項６】 前記光源がレーザである場合において、
   前記光強度フィルタと前記光源との間に偏光解消板を介
   在させることを特徴とする請求項３に記載の光加熱装
   置。
7. 【請求項７】 前記光源がレーザである場合において、
   前記光強度フィルタと前記光源との間に過飽和吸収フィ
   ルタを介在させることを特徴とする請求項３に記載の光
   加熱装置。
8. 【請求項８】 半導体基板の光源に対向する処理領域上
   に光吸収膜を形成するステップと、 前記光源から光エネルギーを前記半導体基板上の前記光
   吸収膜に向けて放射するステップと、 前記光源から放射され、前記光吸収膜を通過した光エネ
   ルギーにより前記半導体基板を熱処理するステップとを
   備えたことを特徴とする光加熱方法。
9. 【請求項９】 前記光吸収膜は、シリコン膜からなり、
   前記シリコン膜には、シリコンに対するキャリアを供給
   できる不純物が添加されていることを特徴とする請求項
   ８に記載の光加熱方法。
10. 【請求項１０】 前記光吸収膜の下面には反射膜を形成
    することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の光
    加熱方法。
11. 【請求項１１】 前記光吸収膜と前記半導体基板との間
    には絶縁膜を緩衝膜として介在させることを特徴とする
    請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の光加熱方
    法。
12. 【請求項１２】 前記光源にフラッシュランプを用いる
    場合において、前記絶縁膜の膜厚ｄ１及び前記絶縁膜上
    の前記光吸収膜の膜厚ｄ２は、次式（１）及び（２）で
    表わされることを特徴とする請求項１０又は請求項１１
    に記載の光加熱方法。 ｍ１×λ／２ｎ１−λ／８ｎ１≦ｄ１≦ｍ１×λ／２ｎ１＋λ／８ｎ１ ・・・（１） （２ｍ２−１）×λ／４ｎ２−λ／８ｎ２≦ｄ２≦（２ｍ２−１）×λ／４ｎ ２＋λ／８ｎ２ ・・・（２） 但し、ｍ１、ｍ２は、１以上の正の整数を表わし、λ
    は、前記フラッシュランプのピーク波長を表わし、ｎ１
    は、前記絶縁膜の屈折率、ｎ２は、前記光吸収膜の屈折
    率をそれぞれ表わす。
13. 【請求項１３】 前記光吸収膜は、１μｍ以下の波長に
    対して吸収性を有し、前記フラッシュランプの通電時間
    は、１０ｍｓｅｃ以下で１００Ｊ／ｃｍ² 以下の照射エ
    ネルギー密度でランプアニールを行なうことを特徴とす
    る請求項１２に記載の光加熱方法。
14. 【請求項１４】 半導体基板主面の素子領域にゲート絶
    縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、 前記ゲート電極をマスクにして、前記素子領域に不純物
    をイオン注入する工程と、 前記半導体基板主面に対向するように、光源を配置し、
    この光源と前記半導体基板との間に光強度フィルタを配
    置する工程と、 前記光源からの光エネルギーを前記光強度フィルタを介
    して前記半導体基板に供給し前記イオン注入された不純
    物を熱拡散して不純物拡散領域を形成する工程とを備え
    たことを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記光吸収膜と前記半導体基板との間
    には絶縁膜を緩衝膜として介在させ、この絶縁膜は、剥
    離せずに、そのまま残して後工程の配線コンタクト開口
    の際のエッチングストッパーもしくは層間絶縁膜として
    使用することを特徴とする請求項１４に記載の半導体装
    置の製造方法。