JP2008116269A - Temperature measuring device and temperature calculation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アニール対象物にパルスレーザビームを入射させてその表層部を一時的に溶融させたときの表面温度を計測する温度計測装置及び温度算出方法に関する。 The present invention relates to a temperature measurement apparatus and a temperature calculation method for measuring a surface temperature when a pulse laser beam is incident on an annealing object and its surface layer portion is temporarily melted.
半導体基板の表層部にイオン注入を行った後、注入した不純物を活性化させるためにアニール処理が行われる。このアニール処理として、一般に、ランプアニールのようなラピッドサーマルアニール（Rapid Thermal Annealing）が用いられる。半導体集積回路装置の高集積化が進むに従って、より浅いｐｎ接合が要求されている。ところが、ラピッドサーマルアニールを行うと、半導体基板の表層部に注入した不純物が深く拡散するため、浅いｐｎ接合を形成することが困難である。 After ion implantation is performed on the surface layer portion of the semiconductor substrate, an annealing process is performed to activate the implanted impurities. As this annealing treatment, generally, rapid thermal annealing such as lamp annealing is used. As semiconductor integrated circuit devices are highly integrated, shallower pn junctions are required. However, when rapid thermal annealing is performed, impurities implanted into the surface layer portion of the semiconductor substrate diffuse deeply, and it is difficult to form a shallow pn junction.
注入された不純物の拡散が生じにくいレーザアニールが注目されている。半導体基板にパルスレーザビームを入射させると、入射部分が一時的に溶融し、その後固化するときに不純物が活性化される。半導体基板の表面内でパルスレーザビームの入射位置を移動させることにより、広い領域において不純物を活性化させることができる。 Laser annealing is attracting attention because it hardly causes diffusion of implanted impurities. When a pulse laser beam is incident on the semiconductor substrate, the incident portion is temporarily melted, and then the impurities are activated when solidified. By moving the incident position of the pulse laser beam within the surface of the semiconductor substrate, impurities can be activated in a wide region.
半導体基板の表面に形成される複数の半導体素子の特性を揃えるために、溶融部分の深さを基板面内で一定にする必要がある。 In order to make the characteristics of a plurality of semiconductor elements formed on the surface of the semiconductor substrate uniform, it is necessary to make the depth of the melted portion constant within the substrate surface.
下記の特許文献１に、被加工物の表面の加工位置に、モニタ用レーザビームを入射させ、その反射光の強度を測定することにより、被加工物の表層部が溶融したか否かを判定するレーザ加工装置が開示されている。 In Patent Document 1 below, a laser beam for monitoring is incident on a processing position on the surface of the workpiece, and the intensity of the reflected light is measured to determine whether the surface layer portion of the workpiece has melted. A laser processing apparatus is disclosed.
下記の特許文献２に、ガラス基板上の非晶質シリコン薄膜にレーザビームを入射させて結晶化させる際に、ストリークカメラを用いてシリコン薄膜の屈折率と消衰係数とをピコ秒オーダで計測する技術が開示されている。 In Patent Document 2 below, when a laser beam is incident on an amorphous silicon thin film on a glass substrate and crystallized, the refractive index and extinction coefficient of the silicon thin film are measured in picosecond order using a streak camera. Techniques to do this are disclosed.
下記の特許文献３に、半導体基板にレーザビームを入射させて熱処理を行う際に、レーザビーム入射位置から放射される波長０．８μｍと１．０μｍの光の強度を測定し、黒体放射スペクトルと比較することにより、レーザビームの入射位置の温度を算出する技術が開示されている。 Patent Document 3 listed below measures the intensity of light with wavelengths of 0.8 μm and 1.0 μm emitted from the laser beam incident position when heat treatment is performed with a laser beam incident on a semiconductor substrate, and a black body radiation spectrum is obtained. A technique for calculating the temperature of the incident position of the laser beam by comparing with the above is disclosed.
下記の非特許文献１に、ガラス基板上の非晶質シリコン薄膜にエキシマレーザを入射させて多結晶化させる際に、エキシマレーザの入射位置にＨｅ−Ｎｅレーザを入射させて、反射率と透過率とを測定することにより、その部分の溶融状態を評価する技術が開示されている。さらに、エキシマレーザビームの入射位置に面内方向の電流を流し、シリコン薄膜のコンダクタンスを測定することにより、コンダクタンスから溶融部分の深さを算出する技術が開示されている。 In Non-Patent Document 1 below, when an excimer laser is incident on an amorphous silicon thin film on a glass substrate to be polycrystallized, the He-Ne laser is incident on the incident position of the excimer laser, and the reflectance and transmission are obtained. A technique for evaluating the molten state of the portion by measuring the rate is disclosed. Furthermore, a technique for calculating the depth of the melted portion from the conductance by applying an in-plane current to the incident position of the excimer laser beam and measuring the conductance of the silicon thin film is disclosed.
半導体基板を移動させながら、基板全面を高速でアニールする際に、溶融した部分の表面温度を測定する技術が望まれる。 A technique for measuring the surface temperature of the melted portion when annealing the entire surface of the substrate at a high speed while moving the semiconductor substrate is desired.
本発明の目的は、アニール対象物のレーザビーム入射位置の溶融部分の表面温度を測定する技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technique for measuring the surface temperature of a melted portion of a laser beam incident position of an object to be annealed.
本発明の一観点によると、
アニール対象物の表面のうち、パルスレーザビームが入射した領域内の被測定領域からの放射光の強度を検出する放射光検出器と、
前記被測定領域の反射率を測定する反射率測定器と、
前記反射率測定器による反射率の測定結果、及び前記放射光検出器による放射光の強度の測定結果に基づいて、前記アニール対象物の表面の温度を算出する制御装置と
を有する温度計測装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A synchrotron radiation detector for detecting the intensity of the synchrotron radiation from the region to be measured in the area where the pulse laser beam is incident on the surface of the annealing object;
A reflectometer for measuring the reflectivity of the measurement area;
A temperature measuring device having a control device for calculating the temperature of the surface of the object to be annealed based on the measurement result of the reflectance by the reflectance meter and the measurement result of the intensity of the emitted light by the synchrotron detector; Provided.
本発明のさらに他の観点によると、
アニール対象物の表面の被測定領域内における固相状態及び液相状態の部分の面積の比率を計測する工程と、
計測された面積の比率から、前記被測定領域の実効的な放射率を算出する工程と、
前記被測定領域からの放射光の強度と、算出された実効的な放射率とに基づいて、該被測定領域の温度を算出する工程と
を有する温度算出方法が提供される。
According to yet another aspect of the invention,
Measuring the ratio of the area of the solid phase state and the liquid phase state within the region to be measured on the surface of the annealing object; and
A step of calculating an effective emissivity of the measured area from a ratio of the measured area;
There is provided a temperature calculation method including a step of calculating the temperature of the measurement area based on the intensity of the radiated light from the measurement area and the calculated effective emissivity.
アニール対象物の表面の溶融状態から、実効的な放射率を算出することができる。算出された放射率と、放射光の強度とに基づいて、アニール対象物の表面温度を算出することができる。 The effective emissivity can be calculated from the molten state of the surface of the annealing object. Based on the calculated emissivity and the intensity of the emitted light, the surface temperature of the annealing object can be calculated.
図１Ａ及び図１Ｂに、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。ＸＹステージ１がアニール対象である半導体基板２を保持し、その表面に平行な２次元方向に移動させる。半導体基板２の表面に平行な面をｘｙ面とし、基板の法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれｙ軸に平行な視線、及びｘ軸に平行な視線で見たときの概略図を示す。 1A and 1B are schematic views of a laser annealing apparatus according to an embodiment. The XY stage 1 holds a semiconductor substrate 2 to be annealed and moves it in a two-dimensional direction parallel to the surface. An xyz orthogonal coordinate system in which a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate 2 is defined as an xy plane and a normal direction of the substrate is defined as a z-axis is defined. FIG. 1A and FIG. 1B show schematic views when viewed with a line of sight parallel to the y-axis and a line of sight parallel to the x-axis, respectively.
アニール用レーザ光源５が、制御装置５０からのトリガ信号ｓｉｇ１に同期して、アニール用パルスレーザビームＬａを出射する。アニール用レーザ光源５は、例えばレーザダイオード励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器であり、第２高調波を出射する。一例として、出射されるパルスレーザビームのパルス幅は１００ｎｓ程度であり、パルス周波数は１ｋＨｚである。 The annealing laser light source 5 emits the annealing pulse laser beam La in synchronization with the trigger signal sig 1 from the control device 50. The annealing laser light source 5 is, for example, a laser diode pumped Nd: YAG laser oscillator, and emits a second harmonic. As an example, the pulse width of the emitted pulse laser beam is about 100 ns, and the pulse frequency is 1 kHz.
アニール用レーザ光源５から出射されたレーザビームＬａが、整形均一化光学系６を経由して、ＸＹステージ１に保持された半導体基板２に入射する。整形均一化光学系６は、半導体基板２の表面におけるレーザビームの断面を、ｙ軸方向に長い長尺形状にし、かつ面内における光強度分布を均一化させる。例えば、ビーム断面のｙ軸方向の長さを２．５ｍｍ、ｘ軸方向の幅を０．２５ｍｍとする。ＸＹステージ１を駆動して半導体基板２をｘ軸方向に移動させながら、パルスレーザビームを入射させる主走査工程と、半導体基板２をｙ軸方向にずらす副走査工程とを繰り返すことにより、半導体基板２の表面のほぼ全面をレーザアニールすることができる。ＸＹステージ１は制御装置５０により制御される。 A laser beam La emitted from the annealing laser light source 5 is incident on the semiconductor substrate 2 held on the XY stage 1 via the shaping and uniformizing optical system 6. The shaping and homogenizing optical system 6 makes the cross section of the laser beam on the surface of the semiconductor substrate 2 long and long in the y-axis direction, and makes the light intensity distribution in the plane uniform. For example, the length of the beam cross section in the y-axis direction is 2.5 mm, and the width in the x-axis direction is 0.25 mm. By repeating the main scanning process in which the pulsed laser beam is incident while the XY stage 1 is driven to move the semiconductor substrate 2 in the x-axis direction and the sub-scanning process in which the semiconductor substrate 2 is shifted in the y-axis direction are repeated. Nearly the entire surface of 2 can be laser annealed. The XY stage 1 is controlled by the control device 50.
測定用光源１０が、測定用レーザビームを出射する。測定用光源１０として、例えばＨｅ−Ｎｅレーザが使用される。測定用光源１０から出射された測定用レーザビームが、パルス化装置１１、光ファイバ１２、レンズ１３を経由して、半導体基板２の、アニール用パルスレーザビームが入射する領域内に入射する。パルス化装置１１は、例えばポッケルスセルと偏光板とを含み、測定用光源１０から出射された測定用レーザビームをパルス化する。なお、パルス化装置１１は必須ではない。 The measurement light source 10 emits a measurement laser beam. For example, a He—Ne laser is used as the measurement light source 10. The measurement laser beam emitted from the measurement light source 10 is incident on the semiconductor substrate 2 in the region where the annealing pulse laser beam is incident, via the pulsing device 11, the optical fiber 12, and the lens 13. The pulsing device 11 includes, for example, a Pockels cell and a polarizing plate, and pulsates the measurement laser beam emitted from the measurement light source 10. Note that the pulsing device 11 is not essential.
半導体基板２の表面で反射された測定用レーザビームの反射光が、レンズ２０、第１のフィルタ２１、第２のフィルタ２２、光ファイバ２３を経由して、反射光検出器２４に入射する。第１のフィルタ２１は、波長が５３０ｎｍよりも短い光を遮光し、第２のフィルタ２２は、波長が７００ｎｍよりも長い光を遮光する。第１のフィルタ２１及び第２のフィルタ２２により、アニール用レーザビームの入射により発生したプルームからのプラズマ光、及び温度上昇による黒体放射光等が遮光され、主として測定用レーザビームの反射光のみが反射光検出器２４に入射する。反射光検出器２４に入射する光の純度を高めるために、光ファイバ２３と反射光検出器２４との間に分光器を挿入してもよい。反射光検出器２４として、高い時間分解能を持つフォトダイオードを使用することができる。 Reflected light of the measurement laser beam reflected on the surface of the semiconductor substrate 2 enters the reflected light detector 24 via the lens 20, the first filter 21, the second filter 22, and the optical fiber 23. The first filter 21 blocks light having a wavelength shorter than 530 nm, and the second filter 22 blocks light having a wavelength longer than 700 nm. The first filter 21 and the second filter 22 shield the plasma light from the plume generated by the incidence of the annealing laser beam, the black body radiation due to the temperature rise, etc., and mainly the reflected light of the measurement laser beam only. Enters the reflected light detector 24. In order to increase the purity of light incident on the reflected light detector 24, a spectroscope may be inserted between the optical fiber 23 and the reflected light detector 24. As the reflected light detector 24, a photodiode having high time resolution can be used.
反射光検出器２４は、反射光の強度を電気信号に変換する。電気信号に変換された反射光の強度信号ｓｉｇ２が制御装置５０に入力される。 The reflected light detector 24 converts the intensity of the reflected light into an electrical signal. The reflected light intensity signal sig 2 converted into the electric signal is input to the control device 50.
アニール用パルスレーザビームが入射した領域が加熱されることにより放射された放射光の一部が、レンズ３０、第３のフィルタ３１、第４のフィルタ３２、第５のフィルタ３３、及び光ファイバ３４を経由して放射光検出器３５に入射する。第３のフィルタ３１は、波長が５３０ｎｍよりも短い光を遮光する。第４のフィルタ３２は、波長が８４０ｎｍよりも短い光を遮光する。第５のフィルタ３３は、波長が９６０ｎｍよりも長い光を遮光する。これにより、波長が８４０〜９６０ｎｍの範囲内の放射光が、放射光検出器３５に入射する。放射光検出器３５として、例えばアバランシェフォトダイオード、光電子増倍管等が使用される。放射光検出器３５は、放射光の強度を電気信号に変換する。電気信号に変換された放射光の強度信号ｓｉｇ３が、制御装置５０に入力される。 A part of the radiated light emitted by heating the region where the annealing pulse laser beam is incident is converted into a lens 30, a third filter 31, a fourth filter 32, a fifth filter 33, and an optical fiber 34. Then, the light enters the synchrotron radiation detector 35. The third filter 31 blocks light having a wavelength shorter than 530 nm. The fourth filter 32 blocks light having a wavelength shorter than 840 nm. The fifth filter 33 blocks light having a wavelength longer than 960 nm. Thereby, the radiated light having a wavelength in the range of 840 to 960 nm enters the radiated light detector 35. As the radiation detector 35, for example, an avalanche photodiode, a photomultiplier tube, or the like is used. The emitted light detector 35 converts the intensity of the emitted light into an electric signal. The intensity signal sig 3 of the radiated light converted into the electric signal is input to the control device 50.
図２に、制御装置５０のブロック図を示す。制御装置５０は、ＡＤ変換ボード６０、ワークステーション７０、及び表示装置８０を含む。ＡＤ変換ボード６０は、Ａ／Ｄ変換器６１Ａ、６１Ｂ、メモリ６２Ａ、６２Ｂ、及びＰＣＩインタフェース６３を含む。ワークステーション７０は、ＰＣＩインタフェース７１、中央処理装置（ＣＰＵ）７２、メインメモリ７３、及び外部記憶装置７４を含む。 FIG. 2 shows a block diagram of the control device 50. The control device 50 includes an AD conversion board 60, a workstation 70, and a display device 80. The AD conversion board 60 includes A / D converters 61A and 61B, memories 62A and 62B, and a PCI interface 63. The workstation 70 includes a PCI interface 71, a central processing unit (CPU) 72, a main memory 73, and an external storage device 74.
図１に示した反射光検出器２４から出力された反射光強度信号ｓｉｇ２が、一方のＡ／Ｄ変換器６１Ａに入力され、放射光検出器３５から出力された放射光強度信号ｓｉｇ３が、他方のＡ／Ｄ変換器６１Ｂに入力される。Ａ／Ｄ変換器６１Ａ及び６１Ｂは、それぞれ、入力された反射光強度信号ｓｉｇ２及び放射光強度信号ｓｉｇ３を、デジタルデータである反射光強度データ及び放射光強度データに変換し、メモリ６２Ａ及び６２Ｂに格納する。なお、この変換処理は、ワークステーション７０から計測信号ｓｉｇ４が与えられている期間に行われる。 The reflected light intensity signal sig 2 output from the reflected light detector 24 shown in FIG. 1 is input to one A / D converter 61A, and the emitted light intensity signal sig 3 output from the emitted light detector 35 is obtained. , Input to the other A / D converter 61B. The A / D converters 61A and 61B convert the input reflected light intensity signal sig 2 and the radiated light intensity signal sig 3 into reflected light intensity data and radiated light intensity data, which are digital data, respectively. Store in 62B. This conversion process is performed during a period in which the measurement signal sig 4 is given from the workstation 70.
ＣＰＵ７２は、ＡＤ変換ボード６０のメモリ６２Ａ及び６２Ｂに格納された反射光強度データ及び放射光強度データを、ＰＣＩインタフェース６３及び７１を経由して外部記憶装置７４に転送する。さらに、データ処理した結果を、表示装置８０に表示する。 The CPU 72 transfers the reflected light intensity data and the emitted light intensity data stored in the memories 62A and 62B of the AD conversion board 60 to the external storage device 74 via the PCI interfaces 63 and 71. Further, the data processing result is displayed on the display device 80.
図３に、実施例によるレーザアニール装置内の各種信号のタイミングチャートを示す。制御装置５０が、ＸＹステージ１を駆動して、半導体基板２を、主走査方向（ｘ軸方向）に一定速度で移動させるとともに、１つの主走査が終了すると副走査方向（ｙ軸方向）に移動させる。この主走査と副走査を行いながら、アニール用レーザ光源５に、周波数１ｋＨｚのトリガ信号ｓｉｇ１を送信する。アニール用レーザ光源５は、トリガ信号ｓｉｇ１に同期して、パルスレーザビームＬａを出射する。 FIG. 3 shows a timing chart of various signals in the laser annealing apparatus according to the embodiment. The controller 50 drives the XY stage 1 to move the semiconductor substrate 2 at a constant speed in the main scanning direction (x-axis direction), and in the sub-scanning direction (y-axis direction) when one main scanning is completed. Move. A trigger signal sig 1 having a frequency of 1 kHz is transmitted to the annealing laser light source 5 while performing the main scanning and the sub scanning. The annealing laser light source 5 emits a pulsed laser beam La in synchronization with the trigger signal sig 1 .
パルスレーザビームＬａの１つのレーザパルスが半導体基板２に入射すると、その表層部が一時的に溶融し、レーザパルスの入射が終了すると、溶融した部分が再結晶化する。表層部が溶融している期間、反射率が高くなるため、反射光強度信号ｓｉｇ２が大きくなる。また、半導体基板２の表面温度が上昇するため、放射光強度信号ｓｉｇ３も大きくなる。 When one laser pulse of the pulse laser beam La is incident on the semiconductor substrate 2, the surface layer portion is temporarily melted, and when the laser pulse is incident, the melted portion is recrystallized. Since the reflectance increases during the period when the surface layer is melted, the reflected light intensity signal sig 2 increases. Further, since the surface temperature of the semiconductor substrate 2 increases, the emitted light intensity signal sig 3 also increases.
トリガ信号ｓｉｇ１がアニール用レーザ光源５に入力された時点から、半導体基板２の表層部が一旦溶融して再結晶化が完了するまでの期間、またはそれよりもやや長い期間、Ａ／Ｄ変換器６１Ａ及び６１Ｂに、計測信号ｓｉｇ４が与えられる。Ａ／Ｄ変換器６１Ａ及び６１Ｂは、それぞれ計測信号ｓｉｇ４が与えられている期間、周波数２００ＭＨｚのサンプリング信号ｓｉｇ５に基づいて、反射強度信号ｓｉｇ２及び放射光強度信号ｓｉｇ３をサンプリングし、Ａ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換された反射光強度データ及び放射光強度データが、それぞれメモリ６２Ａ及び６２Ｂに格納される。 A / D conversion from the time when the trigger signal sig 1 is input to the annealing laser light source 5 until the surface layer portion of the semiconductor substrate 2 is once melted and recrystallization is completed, or a period slightly longer than that. The measurement signal sig 4 is given to the devices 61A and 61B. A / D converters 61A and 61B are respectively measured signal period sig 4 is given, based on the sampling signal sig 5 frequency 200MHz, samples the reflected intensity signal sig 2 and emitted light intensity signal sig 3, A / D conversion. The A / D converted reflected light intensity data and radiated light intensity data are stored in the memories 62A and 62B, respectively.
計測信号ｓｉｇ４がＡ／Ｄ変換器６１Ａ及び６１Ｂに与えられている計測期間が終了し、次のトリガ信号ｓｉｇ１がアニール用レーザ光源５に入力されるまでの転送期間ｔｐの間に、ＣＰＵ７２が、メモリ６２Ａ及び６２Ｂに格納されている反射光強度データ及び放射光強度データを、外部記憶装置７４に転送する。アニール開始時点から半導体基板２に入射したレーザパルスに一連のショット番号を付与したとき、反射光強度データ及び放射光強度データは、ショット番号に対応付けられる。アニール期間中、半導体基板２が一定速度で移動しているため、ショット番号は、半導体基板２の表面内のアニール用パルスレーザビームの入射位置に対応付けることができる。 During the transfer period tp until the measurement period in which the measurement signal sig 4 is supplied to the A / D converters 61A and 61B ends and the next trigger signal sig 1 is input to the annealing laser light source 5, the CPU 72 Transfers the reflected light intensity data and the emitted light intensity data stored in the memories 62 </ b> A and 62 </ b> B to the external storage device 74. When a series of shot numbers are assigned to the laser pulses incident on the semiconductor substrate 2 from the start of annealing, the reflected light intensity data and the emitted light intensity data are associated with the shot numbers. Since the semiconductor substrate 2 moves at a constant speed during the annealing period, the shot number can be associated with the incident position of the annealing pulse laser beam in the surface of the semiconductor substrate 2.
次に、反射光検出器２４で検出された反射光の強度の時間変化から、半導体基板２の一時的に溶融した部分の深さ（溶融深さ）を求める方法について説明する。 Next, a method for obtaining the depth (melting depth) of the temporarily melted portion of the semiconductor substrate 2 from the temporal change in the intensity of the reflected light detected by the reflected light detector 24 will be described.
表面が溶融している時間τｓは、下記の式で表すことができる。下記の式は、Springer-Verlag社から出版されているDieter Bauerle著「Laser Processing and Chemistry(Advanced Texts in Physics)」に開示されている。 The time τ s during which the surface is melted can be expressed by the following formula. The following equation is disclosed in “Laser Processing and Chemistry (Advanced Texts in Physics)” by Dieter Bauerle published by Springer-Verlag.
ここで、τ１はアニール用パルスレーザビームのパルス幅、φは半導体基板２の表面におけるアニール用パルスレーザビームのフルエンス（１パルスあたりのエネルギ密度）、φｍは、半導体基板２の表層部が溶融するためのフルエンスのしきい値、ζは、下記の式から求まる定数である。 Here, τ 1 is the pulse width of the annealing pulse laser beam, φ is the fluence (energy density per pulse) of the annealing pulse laser beam on the surface of the semiconductor substrate 2, and φ m is the surface layer portion of the semiconductor substrate 2 The fluence threshold for melting, ζ, is a constant obtained from the following equation.
ここで、ｃＰは半導体基板２の定圧比熱、θｍは、半導体基板２の融点Ｔｍからアニール用パルスレーザビーム照射前の基板温度を減じた温度、ΔＨｍは、半導体基板２の融解熱、ｅｒｆ（ｘ）は誤差関数である。 Here, c P is specific heat at constant pressure of the semiconductor substrate 2, theta m is the temperature obtained by subtracting the substrate temperature before annealing pulse laser beam irradiated from the melting point T m of a semiconductor substrate 2, [Delta] H m is the melting heat of the semiconductor substrate 2 , Erf (x) is an error function.
パルスレーザビームの照射を行ったときに溶融した部分の最大の深さｈｍは、下記の式で表すことができる。下記の式は、上述のSpringer-Verlag社から出版されているDieter Bauerle著「Laser Processing andChemistry (Advanced Texts in Physics)」に開示されている。 Maximum depth h m of the melted portion when subjected to irradiation with the pulsed laser beam can be expressed by the following equation. The following equation is disclosed in “Laser Processing and Chemistry (Advanced Texts in Physics)” by Dieter Bauerle published by Springer-Verlag.
ここで、Ｐはアニール用パルスレーザビームのパワー、Ｒは半導体基板２の表面の反射率、ＰＬは、半導体基板２に与えられたエネルギのうち熱伝導等による損失分、Ｆは溶融した部分の表面積、ρは半導体基板２の密度である。 Here, partial reflectivity of the P annealing pulse laser beam power, R represents the semiconductor substrate 2 surface, the P L, loss due out heat conduction or the like of the energy given to the semiconductor substrate 2, F is melted Is the density of the semiconductor substrate 2.
式（３）の右辺のＰ／Ｆは、単位面積あたりのパルスレーザビームのパワー（Ｗ／ｍ２）を表す。単位「Ｗ」は、単位「Ｊ／ｓ」に等しいため、単位時間あたりで考えると、Ｐ／Ｆは、フルエンスφ（Ｊ／ｃｍ２）に相当する。このため、式（３）から、下記の式が導出される。 P / F on the right side of Equation (3) represents the power (W / m 2 ) of the pulse laser beam per unit area. Since the unit “W” is equal to the unit “J / s”, when considered per unit time, P / F corresponds to the fluence φ (J / cm 2 ). For this reason, the following formula is derived from the formula (3).
ここで、Ａ１及びＡ２は、半導体基板２の表面における反射率Ｒ、エネルギ損失ＰＬ、融解熱ΔＨｍ、密度ρ、アニール用パルスレーザビームのスポットサイズ（面積Ｆに相当）等から定めることができる。融解熱、密度、及びアニール用パルスレーザビームのスポットサイズは一定である。また、反射率及びエネルギ損失は、半導体基板の材料、形状等に依存するが、量産を考えた場合、同一種類の製品であれば、基板ごとに大きな差はないと考えられる。このため、Ａ１及びＡ２は、定数と考えることができる。 Here, A 1 and A 2 are determined from the reflectance R on the surface of the semiconductor substrate 2, energy loss P L , heat of fusion ΔH m , density ρ, spot size of the pulsed laser beam for annealing (corresponding to area F), and the like. be able to. The heat of fusion, density, and spot size of the pulsed laser beam for annealing are constant. Further, the reflectivity and energy loss depend on the material and shape of the semiconductor substrate, but when mass production is considered, it is considered that there is no great difference between the substrates if the products are of the same type. Thus, A 1 and A 2 may be considered a constant.
式（１）から、フルエンスφは下記の式で表すことができる。 From the equation (1), the fluence φ can be expressed by the following equation.
ここで、Ａ３は定数である。式（４）及び式（５）から、溶融した部分の深さｈｍは、以下の式で表すことができる。 Here, A 3 is a constant. From equation (4) and (5), the depth h m of the melted portion can be expressed by the following equation.
ここで、Ｃ１及びＣ２は定数である。定数Ｃ１及びＣ２が決定されれば、溶融時間τｓから溶融部分の深さｈｍを算出することができる。 Here, C 1 and C 2 are constants. If the constant C 1 and C 2 is determined, it is possible to calculate the depth h m of the molten portion from the melting time tau s.
図４に、反射光検出器２４で検出された反射光強度の時間変化の一例を示す。横軸は、経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は反射光の強度を任意目盛で表す。アニール対象の半導体基板２として、ボロンがイオン注入されたシリコン基板を用いた。アニール用パルスレーザビームのフルエンスは２．７Ｊ／ｃｍ２とした。反射光強度のバックグラウンドが約０．０８であり、アニール用パルスレーザビームを照射した後、反射光強度が約０．１５まで上昇する。反射強度は、約３００ｎｓの時間、約０．１５に維持され、その後、緩やかに低下する。 FIG. 4 shows an example of a temporal change in reflected light intensity detected by the reflected light detector 24. The horizontal axis represents elapsed time in units of “ns”, and the vertical axis represents reflected light intensity on an arbitrary scale. As the semiconductor substrate 2 to be annealed, a silicon substrate into which boron was ion-implanted was used. The fluence of the annealing pulse laser beam was 2.7 J / cm 2 . The background of the reflected light intensity is about 0.08, and after irradiation with the annealing pulse laser beam, the reflected light intensity rises to about 0.15. The reflection intensity is maintained at about 0.15 for a time of about 300 ns, and then gradually decreases.
反射光強度が０．１５で一定に維持されている期間は、測定用レーザビームのビームスポット内の全領域が溶融している状態であると考えられる。溶融部分の外周から徐々に固化が進み、測定用レーザビームのビームスポット内で固化が始まると、反射光強度が低下し始める。約８００ｎｓでほぼ全面が固化し、反射光強度がほぼバックグランドレベルまで戻っている。反射光強度が、バックグランドレベルから最大値までの上昇分の１／２の大きさまで上昇した時点から、１／２の大きさまで低下した時点までの経過時間を、溶融時間とした。 It can be considered that the entire region in the beam spot of the measurement laser beam is melted during the period in which the reflected light intensity is kept constant at 0.15. When solidification gradually proceeds from the outer periphery of the melted portion and solidification starts in the beam spot of the measurement laser beam, the reflected light intensity starts to decrease. Nearly the entire surface is solidified at about 800 ns, and the reflected light intensity returns almost to the background level. The elapsed time from the time when the reflected light intensity increased to 1/2 the amount of increase from the background level to the maximum value to the time when the reflected light intensity decreased to 1/2 was taken as the melting time.
図５に、フルエンスを変化させてアニールを行ったときの、溶融時間と、溶融深さとの関係を示す。横軸は溶融時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は溶融深さを単位「ｎｍ」で表す。溶融深さは、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により測定した深さ方向に関するボロン濃度分布から求めた。４つの実測値が、ほぼ式（６）に示す曲線上に位置していることが分かる。図５のグラフから、式（６）の右辺の定数Ｃ１及びＣ２を決定することができる。 FIG. 5 shows the relationship between the melting time and the melting depth when annealing is performed while changing the fluence. The horizontal axis represents the melting time in the unit “ns”, and the vertical axis represents the melting depth in the unit “nm”. The melt depth was determined from the boron concentration distribution in the depth direction measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). It can be seen that the four actually measured values are located on the curve shown in the equation (6). From the graph of FIG. 5, the constants C 1 and C 2 on the right side of Equation (6) can be determined.
決定された定数Ｃ１及びＣ２が制御装置５０に入力され、記憶される。制御装置５０は、式（６）に基づいて、溶融時間τｓから溶融深さｈｍを算出することができる。 The determined constants C 1 and C 2 are input to the control device 50 and stored. Controller 50 may be based on the equation (6), to calculate a fusion depth h m from melting time tau s.
上記実施例では、反射光強度が、バックグランドレベルから最大値までの上昇分の１／２の大きさまで上昇した時点から、１／２の大きさまで低下した時点までの経過時間を、溶融時間としたが、他の定義を採用してもよい。採用する定義が異なると、得られる定数Ｃ１及びＣ２の値が異なってくる。いずれの定義を採用した場合でも、反射光の強度の時間変化に基づいて、溶融深さが算出される。 In the above embodiment, the elapsed time from the time when the reflected light intensity rose to 1/2 the amount of increase from the background level to the maximum value to the time when the reflected light intensity decreased to 1/2 was taken as the melting time. However, other definitions may be adopted. Different definitions to be adopted result in different values of the constants C 1 and C 2 obtained. Regardless of which definition is adopted, the melting depth is calculated based on the temporal change in the intensity of the reflected light.
次に、半導体基板２の表層部の温度変化の測定方法について説明する。温度Ｔの黒体から放射される波長λの光子の単位面積あたり、かつ単位波長あたりのエネルギ密度Ｌ（Ｗ／ｍ２／ｍ）は、下記のヴィーンの近似式で表すことができる。 Next, a method for measuring the temperature change of the surface layer portion of the semiconductor substrate 2 will be described. The energy density L (W / m 2 / m) per unit area and per unit wavelength of a photon having a wavelength λ emitted from a black body at temperature T can be expressed by the following approximate equation of Vin.
ここで、第１定数ｃ１は、１．７４×１０−１６Ｗ・ｍ２であり、第２定数ｃ２は、０．０１４４ｍ・Ｋである。なお、ヴィーンの近似式が１％以内の誤差で成立するのは、λＴが３．１２×１０−３ｍ・Ｋ未満の範囲内である。実施例では、放射光の測定波長λが約９００ｎｍであるから、温度Ｔが３４７０Ｋ以下の温度範囲でヴィーンの近似式が成立する。シリコンの沸点が３１７３Ｋであるため、実施例で測定される温度範囲であれば、ヴィーンの近似式が１％以内の誤差で成り立つ。 Here, the first constant c 1 is 1.74 × 10 −16 W · m 2 , and the second constant c 2 is 0.0144 m · K. In addition, it is in the range where (lambda) T is less than 3.12 * 10 < -3 > m * K that Vin's approximation formula is materialized with the error within 1%. In the embodiment, since the measurement wavelength λ of the radiated light is about 900 nm, the Vin approximation formula is established in the temperature range where the temperature T is 3470K or less. Since the boiling point of silicon is 3173K, the Vin's approximate expression is established with an error within 1% within the temperature range measured in the examples.
式（７）を変換すると、下記の式が得られる。 When the equation (7) is converted, the following equation is obtained.
実際には、固相のシリコンの放射率は約０．４４であり、液相のシリコンの放射率は約０．２１である。このため、放射光検出器３５の出力信号の大きさをＥとすると、半導体基板２の表層部が固相の時の温度Ｔｓ及び液相の時の温度Ｔｌは、下記のように表される。 In practice, the emissivity of solid phase silicon is about 0.44 and the emissivity of liquid phase silicon is about 0.21. For this reason, when the magnitude of the output signal of the synchrotron radiation detector 35 is E, the temperature Ts when the surface layer portion of the semiconductor substrate 2 is a solid phase and the temperature Tl when the surface layer portion is a liquid phase are expressed as follows. .
ここで、ｃ３は、放射光検出器３５の感度や、フィルタ等による損失に基づいて決定される定数である。式（９）の定数ｃ３が決定されれば、放射光検出器３５の出力信号の大きさＥから、半導体基板２の表面温度Ｔを算出することができる。次に、定数ｃ３の決定方法について説明する。 Here, c 3, the sensitivity and the emitted light detector 35 is a constant determined on the basis of the loss due to the filter or the like. If it is determined that the constant c 3 of the formula (9), the magnitude E of the output signal of the radiation detector 35, it is possible to calculate the surface temperature T of the semiconductor substrate 2. Next, a method determining the constant c 3.
図６に、アニール用パルスレーザビームを入射させたときの、放射光検出器３５の出力信号の時間変化の一例を示す。なお、参考のために、反射光検出器２４の出力信号の時間変化を併せて示す。横軸は、経過時間を単位「ｎｓ」で表し、左縦軸は、放射光検出器３５の出力信号を単位「Ｖ」で表し、右縦軸は、反射光検出器２４の出力信号を単位「Ｖ」で表す。図６は、１ショット目のレーザパルスの入射による熱的影響が残っている短い期間内に２ショット目のレーザパルスを入射させた場合の出力信号の時間変化を示す。このレーザアニール方法は、一般的に「ダブルパルス法」と呼ばれる。ダブルパルス法では、極短い間隔での２つのレーザパルスの入射が、例えば周波数１ｋＨｚ（周期１ｍｓ）で繰り返される。さらに、レーザパルスの入射による熱的影響が残っている極短い期間に、３個以上のレーザパルスを入射させてもよい。一般的に、レーザパルスの入射による熱的影響が残っている極短い期間に複数のレーザパルスを入射させる方法を「マルチパルス法」と呼ぶこととする。 FIG. 6 shows an example of the time change of the output signal of the synchrotron radiation detector 35 when the annealing pulse laser beam is incident. For reference, the time change of the output signal of the reflected light detector 24 is also shown. The horizontal axis represents the elapsed time in the unit “ns”, the left vertical axis represents the output signal of the radiation detector 35 in the unit “V”, and the right vertical axis represents the output signal of the reflected light detector 24 in units. It is represented by “V”. FIG. 6 shows the change over time of the output signal when the second shot laser pulse is incident within a short period in which the thermal effect due to the incidence of the first shot laser pulse remains. This laser annealing method is generally called a “double pulse method”. In the double pulse method, the incidence of two laser pulses at extremely short intervals is repeated, for example, at a frequency of 1 kHz (period 1 ms). Further, three or more laser pulses may be incident during a very short period in which the thermal influence due to the incident laser pulses remains. In general, a method in which a plurality of laser pulses are incident in an extremely short period in which thermal influence due to the incidence of laser pulses remains is referred to as a “multi-pulse method”.
経過時間約１５０ｎｓの時点で、１ショット目のレーザパルスが入射し、経過時間約４５０ｎｓの時点で２ショット目のレーザパルスが入射している。すなわち、１ショット目のレーザパルスの入射から、２ショット目のレーザパルスの入射までの遅延時間は３００ｎｓである。 The first shot laser pulse is incident at an elapsed time of about 150 ns, and the second shot laser pulse is incident at an elapsed time of about 450 ns. That is, the delay time from the incidence of the first shot laser pulse to the incidence of the second shot laser pulse is 300 ns.
１ショット目のレーザパルスの入射によって、反射光検出器の出力が上昇するが、極短い時間で、元のベースレベルまで低下する。これは、表面が一旦溶融するが、溶融部分が極浅いため、直ちに固化するためである。これに対し、２ショット目の照射によって溶融した時の反射光検出器の出力の低下は緩やかである。これは、１ショット目に比べて深くまで溶融しているため、完全に固化するまでの時間が長いためである。このため、実際に溶融した部分の深さを求めるためには、２ショット目における反射光検出器の出力の変動に着目すればよい。 Although the output of the reflected light detector is increased by the incidence of the first-shot laser pulse, it is reduced to the original base level in a very short time. This is because the surface once melts, but the melted portion is extremely shallow and thus solidifies immediately. On the other hand, the decrease in the output of the reflected light detector when melted by the second shot irradiation is gradual. This is because, since it is melted deeper than the first shot, it takes a long time to completely solidify. For this reason, in order to obtain the depth of the actually melted portion, attention should be paid to the fluctuation in the output of the reflected light detector in the second shot.
例えば、図５から、溶融時間が約２２０ｎｓ以下の場合には、溶融深さが０であることがわかる。図６において、１ショット目のレーザパルスが入射したときの溶融時間は、反射光検出器の出力波形から、約１１０ｎｓであることがわかる。この溶融時間を、図５のグラフに適用すると、溶融深さは０になる。ただし、反射率が液相状態の値まで上昇しているため、全く溶融していないのではなく、極浅い表層部のみが溶融していると考えられる。 For example, FIG. 5 shows that the melting depth is 0 when the melting time is about 220 ns or less. In FIG. 6, it can be seen that the melting time when the first-shot laser pulse is incident is about 110 ns from the output waveform of the reflected light detector. When this melting time is applied to the graph of FIG. 5, the melting depth becomes zero. However, since the reflectance has increased to the value in the liquid phase state, it is considered that only the extremely shallow surface layer portion is melted, not melted at all.
レーザパルスが入射すると、半導体基板２の表面温度が上昇する。表層部の溶融が始まると、半導体基板２に投入されたエネルギが、融解熱として消費されるため、温度がほとんど上昇しなくなる。溶融部分が広がると、新たな溶融が生じるよりも、溶融した部分の温度の上昇が支配的になり、温度が再上昇を始める。また、固相から液相に相転移すると、放射率が０．４４から０．２１に低下するため、放射光検出器３５で検出される放射光の強度が低下する。 When the laser pulse is incident, the surface temperature of the semiconductor substrate 2 rises. When melting of the surface layer portion starts, energy input to the semiconductor substrate 2 is consumed as heat of fusion, so that the temperature hardly rises. When the melted part spreads, the temperature rise of the melted part becomes more dominant than the new melting occurs, and the temperature starts to rise again. Further, when the phase transition from the solid phase to the liquid phase, the emissivity is decreased from 0.44 to 0.21, so that the intensity of the radiated light detected by the radiated light detector 35 is decreased.
２ショット目のレーザパルスの入射後の放射光検出器の出力信号の時間変化に着目すると、経過時間５００ｎｓの近傍で短時間の間、放射光検出器３５の出力信号の増加が停止していることがわかる。これは、半導体基板２の溶融が開始に伴う温度上昇率の抑制、及び放射率の低下に起因する。すなわち、この時点における放射光検出器３５の出力信号の大きさ（約０．１Ｖ）が、シリコンの融点（１６８３Ｋ）に相当する。この状態変化は、固相から液相への相転移であるため、この時点における放射光検出器３５の出力信号の大きさ、及びシリコンの融点を、式（９）の固相のときの温度Ｔｓの式に代入することにより、定数ｃ３を決定することができる。定数ｃ３が決定されると、式（９）から、固相及び液相のいずれの状態のときでも、放射光検出器３５の出力信号から温度を算出することができる。 Focusing on the time change of the output signal of the synchrotron radiation detector after the incidence of the second shot laser pulse, the increase in the output signal of the synchrotron radiation detector 35 is stopped for a short time in the vicinity of the elapsed time of 500 ns. I understand that. This is due to the suppression of the rate of temperature increase accompanying the start of melting of the semiconductor substrate 2 and the decrease of the emissivity. That is, the magnitude (about 0.1 V) of the output signal of the radiation detector 35 at this time corresponds to the melting point of silicon (1683 K). Since this state change is a phase transition from the solid phase to the liquid phase, the magnitude of the output signal of the synchrotron radiation detector 35 and the melting point of silicon at this time point are the temperatures at the time of the solid phase of Equation (9). By substituting into the equation for T s , the constant c 3 can be determined. When the constant c 3 is determined, the temperature can be calculated from the output signal of the synchrotron radiation detector 35 from the equation (9) in either the solid phase or the liquid phase.
次に、温度が下降する期間の放射率の設定方法の一例について説明する。２ショット目のレーザパルスの入射によって溶融した領域の固化は、その外周から内側に向かって進む。図６に示した経過時間５５０ｎｓの時点では、放射光の強度が検出されている領域は、ほぼ全面が溶融していると考えられる。固化が進むと、放射光の強度が検出されている領域のうち一部分が固相、他の部分が液相の状態になる。反射率を測定するための測定用レーザビームが入射する領域（被測定領域）においても、同様に、一部分が液相になり、他の部分が固相になる。このため、図６に示したように、反射光の強度は、経過時間５５０ｎｓ近傍で一旦極大値を示した後、緩やかに低下している。緩やかに低下している期間は、被測定領域に液相領域と固相領域とが混在している状態である。 Next, an example of an emissivity setting method during a period in which the temperature decreases will be described. Solidification of the region melted by the incidence of the second-shot laser pulse proceeds inward from the outer periphery. At the time point of elapsed time 550 ns shown in FIG. 6, it is considered that almost the entire area where the intensity of the emitted light is detected is melted. As solidification proceeds, a part of the region where the intensity of the emitted light is detected becomes a solid phase and the other part becomes a liquid phase. Similarly, in the region (measurement region) where the measurement laser beam for measuring the reflectance is incident, a part becomes a liquid phase and the other part becomes a solid phase. For this reason, as shown in FIG. 6, the intensity of the reflected light once shows a maximum value in the vicinity of the elapsed time of 550 ns and then gradually decreases. During the slowly decreasing period, the liquid phase region and the solid phase region are mixed in the region to be measured.
図６に示した経過時間５５０ｎｓ付近において反射光検出器の出力が極大値を示しているときに、反射光が検出されている領域の全面が液相状態であり、経過時間２０００ｎｓ付近で出力がベースレベルになっているときに、全面が固相状態であると考えることができる。反射光の強度を測定することにより、液相の領域の面積と固相の領域の面積との比を求めることができる。 When the output of the reflected light detector shows a maximum value in the vicinity of the elapsed time 550 ns shown in FIG. 6, the entire area where the reflected light is detected is in the liquid phase, and the output is in the vicinity of the elapsed time 2000 ns. When the base level is reached, it can be considered that the entire surface is in a solid state. By measuring the intensity of the reflected light, the ratio of the area of the liquid phase region to the area of the solid phase region can be obtained.
２ショット目のレーザパルスを入射させた後の、反射光強度の最大値をＭ、ベースレベルをＢ、一旦溶融した部分が固化するまでの期間のある時点の反射光強度をＥとすると、固相状態の領域の面積と、液相状態の領域の面積との比は、（Ｅ−Ｂ）：（Ｍ−Ｅ）と表すことができる。 When the maximum value of the reflected light intensity after the second shot laser pulse is incident is M, the base level is B, and the reflected light intensity at a certain point in time until the melted portion is solidified is E. The ratio of the area of the phase state region to the area of the liquid phase region can be expressed as (EB) :( ME).
放射光検出器３５によって放射光が検出される領域と、反射光検出器２４によって反射光が検出される領域とが、一致している場合には、放射光が検出される領域内の液相部分の面積と固相部分の面積との比を求めることができる。反射光検出器２４で検出された反射光の強度がＥであるとき、この面積の比は、（Ｅ−Ｂ）：（Ｍ−Ｅ）と表すことができる。このときの放射率εａｖは、下記のように表すことができる。 When the area where the emitted light is detected by the emitted light detector 35 and the area where the reflected light is detected by the reflected light detector 24 match, the liquid phase in the area where the emitted light is detected. The ratio between the area of the part and the area of the solid phase part can be determined. When the intensity of the reflected light detected by the reflected light detector 24 is E, this area ratio can be expressed as (EB) :( ME). The emissivity ε av at this time can be expressed as follows.
一旦溶融した部分の固化が進行中の期間における半導体基板の表面の温度は、式（９）において、固相の放射率０．４４または液相の放射率０．２１に代えて、式（１０）の放射率を適用することにより、算出することができる。なお、反射光強度の最大値Ｍ、ベースレベルＢ、現時点の反射光の強度Ｅは、反射光検出器２４の出力信号を平滑化してノイズを除去した後の出力波形から決定することが好ましい。 The temperature of the surface of the semiconductor substrate during the period in which the solidification of the melted part is in progress is replaced with the equation (10) in the equation (9) instead of the solid phase emissivity 0.44 or the liquid phase emissivity 0.21. ) Can be calculated by applying the emissivity. The maximum value M of the reflected light intensity, the base level B, and the current reflected light intensity E are preferably determined from the output waveform after smoothing the output signal of the reflected light detector 24 and removing noise.
図７に、図６に示した放射光検出器の出力信号から算出された温度変化を示す。経過時間が５００ｎｓの時点で融点を超えている。 FIG. 7 shows the temperature change calculated from the output signal of the synchrotron radiation detector shown in FIG. When the elapsed time is 500 ns, the melting point is exceeded.
図６では、２ショット目のレーザパルスを入射させたときの反射光の強度の変動に着目して、溶融深さを算出したが、ダブルパルス法を採用する場合、反射光強度の変化の形態によって、１ショット目及び２ショット目のいずれに着目すべきかが決定される。以下、反射光強度の変化の種々の形態について、溶融深さの算出方法を説明する。図８Ａ〜図８Ｄに、反射光強度の変化の種々の形態を示す。 In FIG. 6, the melting depth is calculated by paying attention to the fluctuation of the intensity of the reflected light when the laser pulse of the second shot is incident. However, when the double pulse method is adopted, the form of the change in the reflected light intensity Thus, it is determined which of the first shot and the second shot should be focused on. Hereinafter, the calculation method of the melting depth will be described for various forms of changes in reflected light intensity. 8A to 8D show various forms of changes in reflected light intensity.
図８Ａに示す形態においては、１ショット目のレーザパルスの入射Ｓ１によって一旦溶融するが、その深さが極浅いため、直ちに固化する。この場合には、実質的に、２ショット目のレーザパルスの入射Ｓ２による反射光の強度変化に基づいて、溶融深さを算出すればよい。これは、図６に示した形態と同一である。 In the form shown in FIG. 8A, the laser beam is once melted by the incident S1 of the first-shot laser pulse, but is solidified immediately because its depth is extremely shallow. In this case, the melting depth may be calculated substantially based on the intensity change of the reflected light due to the incident S2 of the second-shot laser pulse. This is the same as that shown in FIG.
図８Ｂに示す形態においては、１ショット目のレーザパルスの入射Ｓ１によっては溶融せず、２ショット目のレーザパルスの入射Ｓ２によって初めて溶融する。１ショット目の入射時には、表面が固相状態のままであるため、反射率はほとんど変化しない。この場合には、図８Ａの形態と同様に、実質的に、２ショット目のレーザパルスの入射時の反射光の強度変化に基づいて、溶融深さを算出すればよい。 In the form shown in FIG. 8B, the melting is not performed by the incidence S1 of the first-shot laser pulse, but is first melted by the incidence S2 of the second-shot laser pulse. When the first shot is incident, the reflectance remains almost unchanged because the surface remains in a solid state. In this case, similar to the embodiment of FIG. 8A, the melting depth may be calculated substantially based on the intensity change of the reflected light when the second shot laser pulse is incident.
図８Ｃに示す形態においては、１ショット目のレーザパルスの入射Ｓ１によって表面が溶融して固化した後、２ショット目のレーザパルスが入射するが、２ショット目のレーザパルスの入射Ｓ２では溶融しない。このため、２ショット目のレーザパルスの入射時には、反射率の強度がほとんど変化しない。この場合には、実質的に、１ショット目のレーザパルスの入射時における反射光の強度変化に基づいて、溶融深さを算出すればよい。なお、２ショット目のレーザパルスの入射によって溶融するが、溶融時間が、１ショット目のレーザパルスの入射時における溶融時間よりも短い場合、１ショット目のレーザパルスの入射時における反射光の強度変化に基づいて、溶融深さを算出すればよい。 In the form shown in FIG. 8C, after the surface is melted and solidified by the incident S1 of the first shot laser pulse, the second shot laser pulse is incident, but is not melted by the second shot laser pulse incident S2. . For this reason, the intensity of the reflectance hardly changes when the second shot laser pulse is incident. In this case, the melting depth may be calculated substantially based on the intensity change of the reflected light when the first shot laser pulse is incident. When the second shot laser pulse is melted, the melting time is shorter than the melting time when the first shot laser pulse is incident. The intensity of reflected light when the first shot laser pulse is incident. The melting depth may be calculated based on the change.
図８Ｄに示す形態においては、１ショット目のレーザパルスの入射Ｓ１によって表面が溶融した後、直ちに２ショット目のレーザパルスの入射Ｓ２が行われることにより、反射率の強度変化が２つに分離できない。この場合には、実効的に１ショットのレーザパルスが入射したと仮定して、反射光強度の変化から溶融深さを算出すればよい。 In the form shown in FIG. 8D, after the surface is melted by the incidence S1 of the first-shot laser pulse, the incidence S2 of the second-shot laser pulse is performed immediately, so that the intensity change of the reflectance is separated into two. Can not. In this case, the melting depth may be calculated from the change in the intensity of the reflected light, assuming that one shot of the laser pulse is effectively incident.
図８Ｅに示す形態においては、１ショット目のレーザパルスの入射Ｓ１でいったん溶融した部分が完全に固化する前に、２ショット目のレーザパルスの入射Ｓ２が行われる。図８Ｄの形態と異なり、１ショット目のレーザパルスの入射による反射光強度の変化と、２ショット目のレーザパルスの入射による反射光強度の変化とを、分離することができる。この場合には、１ショット目のレーザパルスの入射による溶融時間と、２ショット目のレーザパルスの入射による溶融時間とを求め、２つの溶融時間のうち、長い方の溶融時間に基づいて、溶融深さを算出すればよい。１ショット目のレーザパルスの入射による溶融時間は、反射光強度が、バックグランドレベルから最大値までの上昇分の１／２の大きさまで上昇した時点から、２つのピークの間の極小値を与える時点までの経過時間とすればよい。２ショット目のレーザパルスの入射による溶融時間は、２つのピークの間の極小値を与える時点から、反射光強度が、バックグランドレベルから最大値までの上昇分の１／２の大きさまで低下した時点までの経過時間とすればよい。 In the form shown in FIG. 8E, the incident S2 of the second shot laser pulse is performed before the part once melted by the incident S1 of the first shot laser pulse is completely solidified. Unlike the embodiment of FIG. 8D, the change in reflected light intensity due to the incidence of the first shot laser pulse and the change in reflected light intensity due to the incidence of the second shot laser pulse can be separated. In this case, the melting time due to the incidence of the first-shot laser pulse and the melting time due to the incidence of the second-shot laser pulse are obtained, and the melting time is determined based on the longer melting time of the two melting times. What is necessary is just to calculate the depth. The melting time due to the incidence of the first shot laser pulse gives a minimum value between the two peaks from the time when the reflected light intensity rises to half the increase from the background level to the maximum value. The elapsed time up to the time point may be used. The melting time due to the incidence of the second shot laser pulse decreased from the time when the minimum value between the two peaks was given to the magnitude of the reflected light intensity ½ of the increase from the background level to the maximum value. The elapsed time up to the time point may be used.
次に、図９を参照して、式（９）の定数ｃ３を決定するための他の方法について説明する。 Next, with reference to FIG. 9, a description will be given of another method for determining the constants c 3 of the formula (9).
図９は、半導体基板２に照射するアニール用パルスレーザビームのフルエンスと、放射光検出器３５の出力信号の最大値との関係を示す。横軸は、フルエンスを単位「Ｊ／ｃｍ２」で表し、縦軸は、放射光検出器の出力信号の最大値を任意目盛で表す。フルエンスを増加させるに従って、出力信号の最大値が増大している。これは、半導体基板２の表面の最高到達温度が高くなっていることを示す。フルエンスが１１７０〜１２７０Ｊ／ｃｍ２の範囲内で、出力信号の最大値がほぼ一定になっていることがわかる。これは、フルエンス１１７０Ｊ／ｃｍ２の時に、半導体基板２の表層部の溶融が始まったことを意味する。それ以上にフルエンスが増加しても、半導体基板２に投入されたエネルギは、温度上昇ではなく、融解熱として消費される。フルエンスが１２７０Ｊ／ｃｍ２以上になると、溶融部分の拡がりよりも、溶融した部分の温度上昇が支配的になったと考えられる。 FIG. 9 shows the relationship between the fluence of the annealing pulse laser beam applied to the semiconductor substrate 2 and the maximum value of the output signal of the synchrotron detector 35. The horizontal axis represents the fluence in the unit “J / cm 2 ”, and the vertical axis represents the maximum value of the output signal of the synchrotron light detector on an arbitrary scale. As the fluence increases, the maximum value of the output signal increases. This indicates that the highest temperature reached on the surface of the semiconductor substrate 2 is high. It can be seen that the maximum value of the output signal is substantially constant when the fluence is in the range of 1170 to 1270 J / cm 2 . This means that the melting of the surface layer portion of the semiconductor substrate 2 has started at a fluence of 1170 J / cm 2 . Even if the fluence increases further, the energy input to the semiconductor substrate 2 is consumed not as a temperature rise but as a heat of fusion. When the fluence is 1270 J / cm 2 or more, it is considered that the temperature rise of the melted part is dominant rather than the spread of the melted part.
この、出力信号の最大値がほぼ一定になっている範囲における出力信号の最大値が、シリコンの融点に対応する。従って、この出力信号の最大値から、定数ｃ３を決定することができる。 The maximum value of the output signal in a range where the maximum value of the output signal is substantially constant corresponds to the melting point of silicon. Therefore, the maximum value of the output signal, it is possible to determine the constant c 3.
次に、１枚の半導体基板２のアニール処理が終了した後の制御装置５０の動作について説明する。 Next, the operation of the control device 50 after the annealing process for one semiconductor substrate 2 is completed will be described.
１枚の半導体基板２のアニール処理が終了すると、制御装置５０が、外部記憶装置７４に蓄積されている反射光強度データ及び放射光強度データに基づいて、アニール用パルスレーザビームのショット番号ごとに、溶融深さ及び表面温度を算出する。さらに、各ショット番号のレーザパルスの、半導体基板２の表面内の入射位置を算出する。算出結果が、種々の態様で表示装置８０に表示される。次に、図１０〜図１２を参照して、算出結果の表示方法について説明する。 When the annealing process for one semiconductor substrate 2 is completed, the control device 50 determines the number of shot pulses of the annealing pulse laser beam based on the reflected light intensity data and the emitted light intensity data stored in the external storage device 74. Calculate the melt depth and surface temperature. Furthermore, the incident position within the surface of the semiconductor substrate 2 of the laser pulse of each shot number is calculated. The calculation result is displayed on the display device 80 in various modes. Next, a calculation result display method will be described with reference to FIGS.
図１０は、横軸をショット番号、縦軸を溶融深さとして表示した例を示す。画面の下端に表示されたスクロールバーを操作することにより、表示されるショット番号の範囲を移動させることができる。溶融深さが、上下１１５ｎｍ〜１８０ｎｍの範囲内で変動していることがわかる。このように、溶融深さの変動を視覚的に把握することが可能になる。 FIG. 10 shows an example in which the horizontal axis indicates the shot number and the vertical axis indicates the melt depth. By operating the scroll bar displayed at the bottom of the screen, the range of shot numbers displayed can be moved. It can be seen that the melting depth fluctuates within a range of 115 nm to 180 nm. In this way, it becomes possible to visually grasp the fluctuation of the melting depth.
図１１は、溶融深さのヒストグラムを表示した例を示す。横軸は、溶融深さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸は頻度を表す。１５５．７１〜１６９．６６ｎｍの範囲の溶融深さの出現頻度が多いことがわかる。これにより、溶融深さのばらつきを容易に把握することが可能になる。 FIG. 11 shows an example in which a histogram of melting depth is displayed. The horizontal axis represents the melt depth in the unit “nm”, and the vertical axis represents the frequency. It can be seen that the frequency of occurrence of the melt depth in the range of 155.71 to 169.66 nm is high. Thereby, it becomes possible to easily grasp the variation of the melting depth.
図１２は、半導体基板２の表面をアニール用パルスレーザビームの各レーザパルスが入射した領域に区分し、各領域ごとに算出された溶融深さを色分けして表示した例を示す。表示画面内に、半導体基板の平面図表示領域９０、反射率表示領域９２、温度表示領域９３、ショット番号表示ボックス９４、列番号表示ボックス９５、及び行番号表示ボックス９６が確保されている。 FIG. 12 shows an example in which the surface of the semiconductor substrate 2 is divided into regions where each laser pulse of the annealing pulsed laser beam is incident, and the melting depth calculated for each region is displayed in different colors. In the display screen, a plan view display area 90, a reflectance display area 92, a temperature display area 93, a shot number display box 94, a column number display box 95, and a row number display box 96 are secured.
平面図表示領域９０内に、アニール用パルスレーザビームの各レーザパルスが入射した領域に区分された半導体基板２の平面図が表示されている。区分された各領域が、当該領域の溶融深さに対応する色に色付けされる。平面図表示領域内に十字カーソル９１が表示されている。十字カーソル９１により、区分された１つの領域が指定される。 In the plan view display region 90, a plan view of the semiconductor substrate 2 divided into regions where the laser pulses of the annealing pulse laser beam are incident is displayed. Each divided area is colored in a color corresponding to the melting depth of the area. A cross cursor 91 is displayed in the plan view display area. One segmented area is designated by the cross cursor 91.
十字カーソル９１で指定された領域の反射率の時間変化、及び温度の時間変化が、それぞれ反射率表示領域９２、及び温度表示領域９３に表示される。また、十字カーソル９１で指定された領域のショット番号、列番号、及び行番号が、それぞれショット番号表示ボックス９４、列番号表示ボックス９５、及び行番号表示ボックス９６に表示される。また、十字カーソル９１を操作する代わりに、ショット番号表示ボックス９４、列番号表示ボックス９５、及び行番号表示ボックス９６内の数値を書き換えることにより、１つの領域を指定することも可能である。 The time change of the reflectance and the time change of the temperature of the area designated by the cross cursor 91 are displayed in the reflectance display area 92 and the temperature display area 93, respectively. Further, the shot number, column number, and row number of the area designated by the cross cursor 91 are displayed in a shot number display box 94, a column number display box 95, and a row number display box 96, respectively. Further, instead of operating the cross cursor 91, it is also possible to designate one area by rewriting numerical values in the shot number display box 94, the column number display box 95, and the row number display box 96.
また、平面図表示領域９０内に表示された半導体基板の表面内の特定の領域のみを拡大して表示することも可能である。 It is also possible to enlarge and display only a specific region within the surface of the semiconductor substrate displayed in the plan view display region 90.
図１２に示した表示により、溶融深さの面内の二次元的なばらつきを把握することが可能になる。 The display shown in FIG. 12 makes it possible to grasp the two-dimensional variation in the plane of the melting depth.
上記実施例では、半導体基板のアニール後に、電気的な検査を行うことなく、アニール結果の良否を判定することができる。 In the above embodiment, whether the annealing result is good or not can be determined without conducting an electrical inspection after annealing the semiconductor substrate.
上記実施例では、半導体基板に注入された不純物の活性化のためのアニールを例に挙げたが、上記実施例による溶融深さ及び表面温度の算出方法は、その他のアニールにも適用することが可能である。例えば、ガラス基板上に形成されたシリコン薄膜のアニールにも適用することが可能である。 In the above embodiment, the annealing for activating the impurities implanted in the semiconductor substrate is taken as an example, but the calculation method of the melting depth and the surface temperature according to the above embodiment can be applied to other annealing. Is possible. For example, it can be applied to annealing of a silicon thin film formed on a glass substrate.
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。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
１ ＸＹステージ
２ 半導体基板（アニール対象物）
５ アニール用レーザ光源
６ 整形均一化光学系
１０ 測定用光源
１１ パルス化装置
１２ 光ファイバ
１３ レンズ
２０ レンズ
２１、２２ フィルタ
２３ 光ファイバ
２４ 反射光検出器
３０ レンズ
３１〜３３ フィルタ
３４ 光ファイバ
３５ 放射光検出器
５０ 制御装置
６０ ＡＤ変換ボード
６１ Ａ／Ｄ変換器
６２ メモリ
６３ ＰＣＩインタフェース
７０ ワークステーション
７１ ＰＣＩインタフェース
７２ 中央処理装置（ＣＰＵ）
７３ メインメモリ
７４ 外部記憶装置（ＨＤＤ）
８０ 表示装置（ディスプレイ）
９０ 半導体基板の平面図表示領域
９１ 十字カーソル
９２ 反射率表示領域
９３ 温度表示領域
９４ ショット番号表示ボックス
９５ 列番号表示ボックス
９６ 行番号表示ボックス
1 XY stage 2 Semiconductor substrate (object to be annealed)
5 Laser annealing light source 6 Shaping and homogenizing optical system 10 Measuring light source 11 Pulse generator 12 Optical fiber 13 Lens 20 Lens 21, 22 Filter 23 Optical fiber 24 Reflected light detector 30 Lens 31-33 Filter 34 Optical fiber 35 Radiated light Detector 50 Controller 60 AD conversion board 61 A / D converter 62 Memory 63 PCI interface 70 Workstation 71 PCI interface 72 Central processing unit (CPU)
73 Main memory 74 External storage device (HDD)
80 Display device
90 Semiconductor substrate plan view display area 91 Cross cursor 92 Reflectivity display area 93 Temperature display area 94 Shot number display box 95 Column number display box 96 Line number display box
Claims (4)
前記被測定領域の反射率を測定する反射率測定器と、
前記反射率測定器による反射率の測定結果、及び前記放射光検出器による放射光の強度の測定結果に基づいて、前記アニール対象物の表面の温度を算出する制御装置と
を有する温度計測装置。 A synchrotron radiation detector for detecting the intensity of the synchrotron radiation from the region to be measured in the area where the pulse laser beam is incident on the surface of the annealing object;
A reflectometer for measuring the reflectivity of the measurement area;
And a control device that calculates a temperature of the surface of the object to be annealed based on a measurement result of the reflectance by the reflectance meter and a measurement result of the intensity of the emitted light by the synchrotron detector.
計測された面積の比率から、前記被測定領域の実効的な放射率を算出する工程と、
前記被測定領域からの放射光の強度と、算出された実効的な放射率とに基づいて、該被測定領域の温度を算出する工程と
を有する温度算出方法。 Measuring the ratio of the area of the solid phase state and the liquid phase state within the region to be measured on the surface of the annealing object; and
A step of calculating an effective emissivity of the measured area from a ratio of the measured area;
A temperature calculation method comprising: calculating a temperature of the measurement region based on the intensity of the radiated light from the measurement region and the calculated effective emissivity.
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