JP2007059458A - レーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザービーム照射による半導体基板表面の温度上昇の均一性、安定性が得られると共に、半導体基板に対してレーザービームを垂直に入射させるレーザーアニールの場合にも、常時または随時モニタリングを可能にし、レーザービームのエネルギー密度低下のないレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法を提供すること。
【解決手段】レーザービームを、光学部品を介して、所定のビーム形状に整形し、且つ半導体基板の所定の位置に照射してアニールする処理を施す際に、前記レーザービームの光軸から外れた位置で、前記光軸または前記光学系部品に向けて光検出装置を配置し、光軸または光学系部品からの漏れ光を検出するレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザーアニール法を用いた半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、レーザーアニールプロセスにおいて、レーザーアニール処理中に照射されるレーザービームの強度の異常や想定外の変動を簡便に感知して不良箇所を特定したりするためのモニタリング方法に関する。

半導体装置の製造に限らないが、一般的に、製造装置の異常が発生した場合、製品不良（良品率低下）に繋がるため、前記製造装置の異常や想定外変動をいち早く検知し、装置の稼動をストップさせ、または検知結果をフィードバックし、直ちに修理、修正することが重要である。一方、たとえば半導体装置を製造する際に、半導体基板（シリコンウエハ）に形成されるイオン注入層の活性化を目的とするアニール熱処理を、レーザー照射エネルギーによる温度上昇を利用したレーザーアニール処理により行うことが検討されている。このような目的に使われるレーザーアニール装置においては、レーザー照射エネルギーの均一性や安定性が極めて重要である。たとえば、レーザー照射の際、レーザービームを収束するまたは広げるためのレンズや反射させるためのミラーなど光学系部品に曇りなどが発生した場合または振動等により前記光学系部品における適正な光軸位置がわずかでもずれた場合などのように装置に何らかの異常や想定外変動があると、被照射物であるシリコンウエハに照射されるレーザーパワーまたはエネルギーの低下または変動となり、直ちに照射部分のシリコンウエハの上昇温度の低下または変動に直結する。その結果、ドーパントの活性化または結晶化度などに影響を与え、良品率低下の原因となるという問題に発展することがある。

従って、シリコンウエハ用のレーザーアニール装置については、特にその稼動中もしくは稼動開始前後に装置を常にベストのレーザー照射条件に保ち、且つ均一、安定してシリコンウエハに照射されるように、レーザー照射ビームのパワーなどを常時パワーメーターにてモニタリングすることが重要である。
このようなレーザーアニールプロセスにおける従来のレーザーアニールプロセスモニタリングの一例を図４（非特許文献１の記載より）に示す。このモニタリング方法は、照射中のレーザービームのパワーをモニタリングするために、被照射ウエハに対して斜めからレーザービーム２１を入射させ、シリコンウエハ２０からの反射光２２をパワーメーター２３にて取り込み、レーザービーム照射処理におけるレーザーパワー／エネルギーの変動の有無をモニタリングしている。また、この非特許文献ではレーザーのパワーと同時にパイロメーター２４にて照射表面温度も、非接触／非破壊にてモニタリングしている。

また、レーザービームを全反射ミラーで反射させて方向を変える際に漏れる漏れビームを全反射ミラーの裏側の光軸上で検出してモニタリングする方法に関する発明の記載がある（特許文献１、２）
特開２００５−３３００７号公報 特開２００１−３３８８９２号公報 Ｓ．トールウォー（Ｓ． Ｔａｌｗａｒ）， Ｄ．マークル（Ｄ． Ｍａｒｋｌｅ）， ａｎｄ Ｍ．トンプソン（Ｍ． Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）， ソリッド ステート テクノロジー（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）， ２００３年７月号、８３頁（Ｊｕｌｙ ２００３， ｐ．８３．）

しかしながら、前記非特許文献１に記載の、被照射ウエハに対して斜めからレーザーを入射させその反射光をモニタリングする方法は、図５（ｂ）に示されるように、トレンチ２５や溝、孔などが形成されたシリコンウエハ２６に対して斜めにレーザービーム２７を照射した場合、トレンチ２５の側壁面（２５−１、２５−２）に対して、矢印の方向に走査されるレーザービーム２７照射のされ方が対称的ではないので、そのアニール効果（上昇温度）にも非対称性が生じてシリコン照射面に対して均一の照射、均一の温度上昇が得られない。このような表面に凹凸を有するシリコンウエハ２６に、敢えてモニタリングをし易くするために斜めからレーザービーム２７を入射させようとする場合でも、アニール効果に対称性をもたらすためには、シリコンウエハ２６表面にて対称な照射領域を形成するような特別な光学系が必要であり、複雑になり、コストもかかる。

一方、前述と同様の表面に凹凸を有する被照射ウエハ２６に対して、図５（ａ）に示すように、垂直にレーザービーム２８を入射させるレーザーアニール装置がある。この場合は、前述のような非対称性は改善されるものの、反射後のレーザービームはそのまま入射光学系に戻ってしまうので、照射中のレーザービームパワーの常時または随時モニタリングが困難である。
レーザービームをウエハに対して垂直入射させる場合、入射レーザービームの一部を取り出してモニタリングするために、ハーフミラー（一部は反射し、メインは透過するミラー）を挿入して、反射したレーザービームをモニタリングする手法もあるが、この場合は、ウエハに照射されるレーザービームのエネルギー密度低下が生じる。
本発明は、以上、述べた点に鑑みてなされたものであり、レーザービーム照射による半導体基板表面の温度上昇の均一性、安定性が得られると共に、半導体基板に対してレーザービームを垂直に入射させるレーザーアニールの場合にも、常時または随時モニタリングを可能にし、レーザービームのエネルギー密度低下のないレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法を提供することを目的とする。

本発明は上述した課題を解決し、目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１の発明では、レーザービームを、光学部品を介して、所定のビーム形状に整形し、且つ半導体基板の所定の位置に照射してアニールする処理を施す際に、前記レーザービームの光軸から外れた位置で、前記光軸または前記光学系部品に向けて光検出装置を配置し、光軸または光学系部品からの漏れ光を検出するレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法を特徴とするものである。
特許請求の範囲の請求項２の発明によれば、前記漏れ光の強度変化を検出した場合、異常発生としてアラーム出力するレーザービームのモニタリング方法とすることが好ましい。通常のレーザーアニール装置は、非常に大きなパワーをもつレーザービームを照射するため、光軸から外れた光学系の近傍においても、かなりの強度の漏れ光が届く。この漏れ光を特許請求の範囲の請求項３記載のように、光検出装置としてフォトダイオードを用いて捕捉し、レーザービームの強度変化をモニタリングすることが望ましい。

特許請求の範囲の請求項４の発明にかかるレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法では、前記発明の目的を達成するために、レーザービームを、光学部品を介して、所定のビーム形状に整形し、且つ半導体基板の所定の位置に照射してアニールする処理を施す際に、被照射半導体基板の近傍に振動波検出装置を配置して、半導体基板表面から発生する熱衝撃振動波を検出することを特徴とするものである。さらに、特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、振動波検出装置として、マイクロフォンを用いることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項６の発明では、前記レーザービームを１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚのパルスレーザービームとし、、振動波媒体の気体雰囲気中で照射する特許請求の範囲の請求項４または５記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法とすることが好ましい。

特許請求の範囲の請求項７記載の本発明によれば、前記振動波として検出される音波の強度変化を検出した場合、異常発生としてアラーム出力する請求項４乃至６のいずれか一項に記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法とすることが好適である。
特許請求の範囲の請求項８記載の本発明によれば、前記請求項１または４記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法の両方を同時に行うレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法とすることもできる。

本発明によれば、レーザービーム照射による半導体基板表面の温度上昇の均一性、安定性が得られると共に、半導体基板に対してレーザービームを垂直に入射させるレーザーアニールの場合にも、常時または随時モニタリングを可能にし、レーザービームのエネルギー密度低下のないレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明では本発明の要旨を超えない限り、実施例の記載に限定されるものではない。図１は本発明にかかるレーザービームの漏れ光のモニタリングを含むレーザーアニール装置の断面図、図２は本発明にかかるレーザービームのモニタリング波形の模式図、図３は本発明にかかる熱衝撃振動波のモニタリング波形の模式図、図６は本発明にかかる振動波の発生原理を説明する模式断面図、図７は本発明にかかる振動波のモニタリングを含むレーザーアニール装置の断面図である。

図１に本発明の実施例１にかかるレーザーアニール装置１０の概略断面図を示す。レーザー発振装置１から発振されるレーザービーム（鎖線で示す）は反射ミラー２およびアッテネーター（減衰器）３を経て、さらにビームの拡大のためのレンズ４、ホモジナイザー５（均質器）を経てシリコンウエハ６表面の所定の位置に照射される。このレーザーアニール装置１０には、本発明の特徴であるレーザービームの漏れ光をフォトダイオード７で受光して光電変換しチャートレコーダー８などに記録するための構成を備えている。前記フォトダイオード７は照度計であってもよい。本発明では、このような構成とすることにより前記各種光学系部品２，４、５または光軸からのレーザー漏れ光（迷光）をモニタリングし、図２に示すような光軸上のレーザービームの出力変化をモニタリングできるようになっている。実際にレーザーアニール処理を行っている際に、前記図２のようなレーザービームの漏れ光の強度変化が記録された場合、異常が発生したとして外部にアラームを出力する。このような場合では、レーザーアニールによるシリコンウエハの照射領域の温度上昇も低下し、イオン注入層の活性化に悪影響があるので、直ちにレーザービーム照射をストップして不良品をそれ以上ださないような対策をとることができる。この図１ではレーザービームはシリコンウエハ表面に対して垂直に照射されるようになっているが、本発明によれば、フォトダイオード７を光軸上に配置する必要がないので、被照射シリコンウエハに対するレーザービームの入射角度は垂直、斜めにかかわらず、その配置の自由度は高く、エネルギー密度の低下をまねくことなく、常時（随時）モニタリングを可能とすることができる。

図６にパルスレーザービーム照射による熱衝撃音波の発生メカニズムを説明するための模式図を示す。図６（ａ）に示すシリコンウエハ３０表面に、同図（ｂ）に示す高エネルギー（０．５Ｊ／ｃｍ^２以上）のパルスレーザービーム３１が照射されると、レーザービーム３１を吸収し、熱エネルギーとして変換されパルス周波数間隔で表面のシリコンが瞬間的に加熱され、溶融する。同図（ｃ）のように、照射が終わり、時間が経つにつれ、加熱され溶融されたシリコンは、バルク方向への熱拡散や大気方向への放冷により熱を奪われ、冷却されていく、その冷却過程で溶融シリコンの再結晶化が生じる。同図（ｄ）に示すように、大気方向への放冷（熱の移動）は、表面において気体分子へとエネルギーが移り変わり、気体分子の運動エネルギーとなるため、気体の体積が膨張する。レーザー照射の無い間では収縮して気体密度の粗密、言い換えると、同図（ｅ）に示すように、パルス周波数間隔で気体体積の膨張と収縮とを繰り返すことに基づく音波３２が発生する。この音波３２はパルス周波数が例えば１ｋＨｚで繰り返される場合、１ｋＨｚの音波が発生する。この音波を被照射ウエハの近傍に設置したマイクロフォンにて補足することにより、照射プロセスのモニタリングを行う。

図７に本発明の実施例２にかかるレーザーアニール装置１００の概略断面図を示す。この装置１００では光学系部品およびレーザービーム照射をさせるための構成は前記実施例１のレーザーアニール装置１０と同じであるから、説明を省く。この装置１００ではモニタリングのための方法が前記装置１０と異なり、被照射シリコンウエハ６表面から発生する音波をモニタリングするためのマイクロフォン９−１とその受信した音波形を記録または表示する装置９−２を含む検出装置を備えていることが特徴である。
このレーザーアニール装置１００により検出されたモニタリング例を図３に示す。図３は横軸に時間、縦軸に熱衝撃音波の強度を取って示すモニタリング波形の模式図である。このレーザーアニール装置１００によれば、前述の実施例１とは異なる検出方法により、レーザービームの照射プロセス中に発生する異常を簡便に検知できる。たとえば、図３に示す波形を見れば、音波の振幅波形において、波形部分１１や１２に音波の振幅（強度）の異常があることは容易に分かる。また、強度オシロスコープによって熱衝撃音波の形状をモニタリングしても、波形の異常によりプロセスの異常をモニタリングすることが可能である。このように音波の振幅や波形の異常を検出した場合、異常が発生したとして、外部へアラームを出力する。このような場合では、レーザーアニールによるシリコンウエハの照射領域の温度上昇も低下し、イオン注入層の活性化に悪影響があるので、直ちにレーザービーム照射をストップして不良品をそれ以上ださないような対策をとることができる。

本発明にかかるレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法を用いた半導体装置の製造方法では、モニタリング装置をレーザービームの光軸に関係なく配置できるので、被照射ウエハに対して垂直にレーザービームが入射するレーザーアニール装置においても、レーザービームの出力状態や、レーザービームがウエハに照射されることによって発生する熱衝撃音波をモニタリングすることが可能である。このため、レーザーアニール処理中の異常発生を速やかに検知することができる。また、デバイス不良を抑制することができる。

本発明にかかるレーザービームの漏れ光のモニタリングを含むレーザーアニール装置の断面図、 本発明にかかるレーザービームのモニタリング波形の模式図、 本発明にかかる熱衝撃振動波のモニタリング波形の模式図、 従来のレーザービームのモニタリング装置の断面図、 従来の垂直入射と斜め入射を説明するための断面図、 本発明にかかる震動波の発生原理を説明する模式断面図、 本発明にかかる振動波のモニタリングを含むレーザーアニール装置の断面図である。

符号の説明

１ レーザービーム発信器
２ 反射ミラー
３ アッテネーター
４ テレスコープ（ビームの拡大器）
５ ホモジナイザー（均質器）
６ シリコンウエハ
７ 光検出装置（フォトダイオード）
９ 記録計
９−１ 振動波検出装置（マイクロフォン）
９−２ 記録計
１０、１００ レーザーアニール装置。

Claims (8)

1. レーザービームを、光学部品を介して、所定のビーム形状に整形し、且つ半導体基板の所定の位置に照射してアニールする処理を施す際に、前記レーザービームの光軸から外れた位置で、前記光軸または前記光学系部品に向けて光検出装置を配置して、光軸または光学系部品からの漏れ光を検出することを特徴とするレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。
2. 前記漏れ光の強度変化を検出した場合、異常発生としてアラーム出力することを特徴とする請求項１記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。
3. 光検出装置として、フォトダイオードを用いることを特徴とする請求項１記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。
4. レーザービームを、光学部品を介して、所定のビーム形状に整形し、且つ半導体基板の所定の位置に照射してアニールする処理を施す際に、被照射半導体基板の近傍に振動波検出装置を配置して、半導体基板表面から発生する熱衝撃振動波を検出することを特徴とするレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。
5. 振動波検出装置として、マイクロフォンを用いることを特徴とする請求項４記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。
6. 前記レーザービームのパルス周波数が１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚであって、振動波媒体の気体雰囲気中で照射することを特徴とする請求項４または５記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。
7. 前記振動波として検出される音波の強度変化を検出した場合、異常発生としてアラーム出力することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。
8. 前記請求項１または４記載のレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法の両方を同時に行うことを特徴とするレーザーアニールにおけるレーザービームのモニタリング方法。

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