JP2008211136A - レーザアニール装置及びアニール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アニール対象物のレーザビーム入射位置の溶融部分の深さを、非接触で計測する技術を提供する。
【解決手段】 レーザ光源(1)が、ステージ(10)に保持されたアニール対象物をアニールするためのアニール用レーザビームを出射する。他のレーザ光源(37)が、測定用レーザビームを出射する。合流分離器(5)が、アニール用レーザビームと、測定用レーザビームとを、共通の第１の経路に合流させる。さらに、アニール対象物で反射し、第１の経路を反対向きに伝搬する測定用レーザビームの反射光を、アニール用レーザ光源から第１の経路に至るまでのアニール用レーザビームの経路とは異なる経路に沿って伝搬させる。光検出器(41)が、アニール対象物で反射し、合流分離器を経由した測定用レーザビームの反射光の強度を測定する。制御装置(3)が、光検出器で検出された反射光の強度の時間変化に基づいて、アニール対象物が一時的に溶融した部分の深さを算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザアニール装置及びアニール方法に関し、特に、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るアニール装置及びアニール方法に関する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平６−９９２９２号公報 特開２００４−１９３５８９号公報 特開２００５−２４４１９１号公報 J. Appl. Phys., Vol.87, No.1, "Excimer laser-induced temperature field in melting and resolidification of silicon thin films",1 January (2000)

上記特許文献１に開示された発明では、被加工物が溶融したか否かを検出することはできるが、溶融部分の深さを計測することはできない。特許文献２に開示された発明では、非晶質シリコン薄膜の結晶化の進行や結晶粒の成長の変遷をピコ秒単位に知ることができるが、溶融部分の深さを計測することはできない。特許文献３に開示された発明では、レーザビームの入射位置の温度を計測することはできるが、溶融部分の深さを計測することはできない。非特許文献１に開示された技術では、溶融部分の深さを算出するために、シリコン薄膜に電極を接触させてコンダクタンスを測定しなければならない。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は、非接触で溶融部分の深さを測定する技術が望まれる。

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深さを、非接触で計測する技術を提供することである。

本発明の一観点によると、
アニール対象物を保持するステージ(10)と、
前記ステージに保持されたアニール対象物をアニールするためのアニール用パルスレーザビームを出射するアニール用レーザ光源(1)と、
測定用レーザビームを出射する測定用レーザ光源(37)と、
前記アニール用レーザ光源から出射されたアニール用パルスレーザビームと、前記測定用レーザ光源から出射された測定用レーザビームとを、共通の第１の経路に合流させるとともに、前記アニール対象物で反射し、該第１の経路を反対向きに伝搬する測定用レーザビームの反射光を、該アニール用レーザ光源から該第１の経路に至るまでの該アニール用パルスレーザビームの第２の経路とは異なる経路に沿って伝搬させる合流分離器(5)と、
前記アニール対象物で反射し、前記合流分離器を経由した測定用レーザビームの反射光の強度を測定する第１の反射光検出器(41)と、
前記第１の反射光検出器で検出された反射光の強度の時間変化に基づいて、前記アニール対象物が、アニール用パルスレーザビームの入射によって一時的に溶融した部分の深さを算出する制御装置(3)と
を有するレーザアニール装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
（ａ）アニール対象物の表面にアニール用パルスレーザビームを入射させて、該アニール対象物の表層部を一時的に溶融させると共に、アニール用パルスレーザビームの入射領域に、該アニール用パルスレーザビームと同一の経路を通って測定用のレーザビームを入射させ、その反射光の強度を計測する工程と、
（ｂ）前記工程ａで計測された反射光の強度の時間変化から、前記アニール対象物の表層部が溶融している溶融時間を算出する工程と、
（ｃ）前記工程ｂで算出された溶融時間に基づいて、前記アニール対象物が一時的に溶融していた部分の溶融深さを算出する工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。

測定用レーザビームの反射光の強度を測定することにより、アニール対象物の表面の反射率を求めることができる。この反射率から、アニール対象物の表面が固相状態か液相状態かを特定することが可能である。合流分離器からアニール対象物までのレーザビームの経路が共通化されているため、レーザビームの経路が異なる場合に比べて、アニール対象物の上方に大きな空間を確保する必要がない。

図１に、第１の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１０がアニール対象である半導体基板５０を保持し、その表面に平行な２次元方向に移動させる。

アニール用レーザ光源１が、制御装置３からのトリガ信号ｓｉｇ_１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１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。

アニール用レーザ光源１から出射されたレーザビームＬａが、均一化光学系２を経由し、誘電体多層膜ミラー５で反射され、マスク６、レンズ７を経由して、ＸＹステージ１０に保持された半導体基板５０に入射する。均一化光学系２は、マスク６の配置された位置において、レーザビームのビーム断面を長尺状に整形するとともに、ビーム断面内における光強度分布を均一化させる。

マスク６は、レーザビームＬａを遮光する遮光領域、及び遮光領域内に配置された透過領域を含み、レーザビームＬａのビーム断面を、透過領域の形状に整形する。例えば、マスク６の配置された位置におけるビーム断面の外周部近傍が遮光され、光強度のほぼ均一な部分が透過領域を透過するように、透過領域はビーム断面よりもやや小さな長尺状の形状を有する。レンズ７は、マスク６の配置された仮想面上の点を、半導体基板５０の表面上に結像させる。

ＸＹステージ１０を駆動して半導体基板５０を、ビーム断面の長尺方向と直交する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５０をビーム断面の長尺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５０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１０は制御装置３により制御される。

測定用レーザ光源３７から出射された測定用レーザビームＬｍが、光ファイバ３６を経由して、レンズ３５に入射する。測定用レーザビームＬｍの光源として、例えばＨｅ−Ｎｅレーザが使用される。測定用レーザビームＬｍは、レンズ３５でコリメートされ、その一部が部分反射鏡３１を透過し、誘電体多層膜ミラー３０で反射される。その後、広帯域反射ミラー２５及び誘電体多層膜ミラー５を透過し、マスク６の配置された位置に到達する。この位置における測定用レーザビームＬｍのビームスポットは、マスク６の透過領域内に位置する。

マスク６の透過領域を透過した測定用レーザビームＬｍは、レンズ７により、半導体基板５０の表面上に集光される。半導体基板５０の表面において、測定用レーザビームＬｍのビームスポットは、アニール用パルスレーザビームＬａのビーム断面内に位置する。

半導体基板５０の表面で反射した測定用レーザビームＬｍの反射光Ｌｒが、入射時の経路を逆方向に伝搬し、部分反射鏡３１に入射する。その一部が部分反射鏡３１で反射し、さらに反射鏡３８で反射し、レンズ３９により、光ファイバ４０の入射端面に集光される。光ファイバ４０の出射端から出射した反射光Ｌｒの光強度が、反射光検出器４１により測定される。この反射光検出器４１は、反射光Ｌｒの強度の時間変化を計測することができる。

反射光検出器４１に入射する光の純度を高めるために、光ファイバ４０と反射光検出器４１との間に分光器を挿入してもよい。反射光検出器４１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。反射光検出器４１は、反射光Ｌｒ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ｓｉｇ_２が制御装置３に入力される。

半導体基板５０の表面のうち、アニール用パルスレーザビームＬａが入射した領域から放射された黒体放射光Ｂｒが、レンズ７、マスク６、及び誘電体多層膜ミラー５を透過し、広帯域反射ミラー２５で反射する。その後、フィルタ２２を透過し、レンズ２１により、光ファイバ２０の入射端面に集光される。フィルタ２２は、波長が８４０〜９６０ｎｍの範囲内の放射光Ｂｒを透過させ、それ以外の波長の光を遮光する。光ファイバ２０を経由した放射光の強度が、放射光検出器１９で計測される。

放射光検出器１９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１９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ｓｉｇ_３が、制御装置３に入力される。

次に、各光学部品の機能について詳細に説明する。

誘電体多層膜ミラー５は、アニール用パルスレーザビームＬａの波長域、すなわち波長５３２ｎｍ近傍の光を反射させ、測定用レーザビームＬｍの波長域、すなわち波長６３０ｎｍ近傍の光を透過させる。さらに、誘電体多層膜ミラー５は、波長８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の黒体放射光Ｂｒを透過させる。

マスク６の遮光領域は、アニール用パルスレーザビームＬａの波長域の光を遮光し、黒体放射光の検出対象である波長８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の光、及び測定用レーザビームＬｍの波長域の光を透過させる。マスク６の透過領域は、アニール用パルスレーザビームＬａ、測定用レーザビームＬｍ、及び波長８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の黒体放射光Ｂｒのすべてを透過させる。

広帯域反射ミラー２５は、波長８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の黒体放射光Ｂｒを反射し、測定用レーザビームＬｍの波長域の光を透過させる。部分反射鏡３１は、測定用レーザビームＬｍの波長域の光の５０％を反射し、残りの５０％を透過させる。

アニール用パルスレーザビームＬａのパルス幅は、例えば１００ｎｓ程度であり、半導体基板５０のアニールプロセスは、長くとも数μｓ程度で終了する。また、ビームサイズも、例えば０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ程度と小さい。この短期間に、かつ小さな領域から放射される黒体放射光は非常に微弱であるため、できるだけ大きな立体角で黒体放射光を集めることが好ましい。上記第１の実施例では、波長８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の黒体放射光Ｂｒが、マスク６の遮光領域で遮られない。このため、マスク６の透過領域のみを透過した黒体放射光を放射光検出器１９で検出する場合に比べて、黒体放射光の検出効率を高めることができる。

さらに、測定用レーザビームＬｍの反射光Ｌｒが、マスク６の遮光領域をも透過するため、遮光領域で遮光される場合に比べて、より多くの反射光Ｌｒが反射光検出器４１に到達する。これにより、反射光検出のＳ／Ｎ比を高めることができる。

測定用レーザビームＬｍの反射光Ｌｒの強度を測定することにより、半導体基板５０の表面の反射率を求めることができる。この反射率から、半導体基板５０の表面が固相状態であるか液相状態であるかを判定することができる。半導体基板５０の表面が固相のときと液相のときとで、半導体基板５０からの放射率が異なる。反射率の測定から、半導体基板５０の表面が固相か液相か判定されると、計測した黒体放射光Ｂｒの強度を放射率で除することにより、同じ温度の理想的な黒体から放出される黒体放射強度を求めることができ、ヴィーンの近似式から、半導体基板５０の表面の温度を求めることができる。

図２に、制御装置３のブロック図を示す。制御装置３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。

図１に示した反射光検出器４１から出力された反射光強度信号ｓｉｇ_２が、一方のＡ／Ｄ変換器６１Ａに入力され、放射光検出器１９から出力された放射光強度信号ｓｉｇ_３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ｓｉｇ_２及び放射光強度信号ｓｉｇ_３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ｓｉｇ_４が与えられている期間に行われる。

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。

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３が、ＸＹステージ１０を駆動して、半導体基板５０を、主走査方向（ビーム断面の長手方向と直交する方向）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（ビーム断面の長手方向）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１に、周波数１ｋＨｚのトリガ信号ｓｉｇ_１を送信する。アニール用レーザ光源１は、トリガ信号ｓｉｇ_１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５０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ｓｉｇ_２が大きくなる。また、半導体基板５０の表面温度が上昇するため、放射光強度信号ｓｉｇ_３も大きくなる。

トリガ信号ｓｉｇ_１がアニール用レーザ光源１に入力された時点から、半導体基板５０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ｓｉｇ_４が与えられる。Ａ／Ｄ変換器６１Ａ及び６１Ｂは、それぞれ計測信号ｓｉｇ_４が与えられている期間、周波数２００ＭＨｚのサンプリング信号ｓｉｇ_５に基づいて、反射強度信号ｓｉｇ_２及び放射光強度信号ｓｉｇ_３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。

計測信号ｓｉｇ_４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ｓｉｇ_１がアニール用レーザ光源１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５０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５０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５０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。

次に、反射光検出器４１で検出された反射光の強度の時間変化から、半導体基板５０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。

表面が溶融している時間τ_ｓ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 andChemistry (Advanced Texts in Physics)」に開示されている。

ここで、τ_１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）、φ_ｍ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。

ここで、ｃ_Ｐは半導体基板２の定圧比熱、θ_ｍは、半導体基板２の融点Ｔ_ｍ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、ΔＨ_ｍは、半導体基板２の融解熱、ｅｒｆ（ｘ）は誤差関数である。

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ｈ_ｍ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。

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、Ｐ_Ｌ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。

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／ｍ^２）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／ｃｍ^２）に相当する。このため、式（３）から、下記の式が導出される。

ここで、Ａ_１及びＡ_２は、半導体基板５０の表面における反射率Ｒ、エネルギ損失Ｐ_Ｌ、融解熱ΔＨ_ｍ、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、Ａ_１及びＡ_２は、定数と考えることができる。

式（１）から、フルエンスφは下記の式で表すことができる。

ここで、Ａ_３は定数である。式（４）及び式（５）から、溶融した部分の深さｈ_ｍは、以下の式で表すことができる。

ここで、Ｃ_１及びＣ_２は定数である。定数Ｃ_１及びＣ_２が決定されれば、溶融時間τ_ｓから溶融部分の深さｈ_ｍを算出することができる。

図４に、反射光検出器４１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５０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／ｃｍ^２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。

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。

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Ｃ_１及びＣ_２を決定することができる。

決定された定数Ｃ_１及びＣ_２が制御装置３に入力され、記憶される。制御装置３は、式（６）に基づいて、溶融時間τ_ｓから溶融深さｈ_ｍを算出することができる。

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Ｃ_１及びＣ_２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。

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／ｍ^２／ｍ）は、下記のヴィーンの近似式で表すことができる。

ここで、第１定数ｃ_１は、１．７４×１０^−１６Ｗ・ｍ^２であり、第２定数ｃ_２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。

式（７）を変換すると、下記の式が得られる。

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。

ここで、ｃ_３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ｃ_３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ｃ_３の決定方法について説明する。

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１９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４１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１９の出力信号を単位「Ｖ」で表し、右縦軸は、反射光検出器４１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。

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。

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。

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。

レーザパルスが入射すると、半導体基板５０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５０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、融けた直後に放射光検出器１９で検出される放射光の強度が、融ける直前に検出された放射光の強度よりも低下する。

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１９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５０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１９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１９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Ｔ_ｓの式に代入することにより、定数ｃ_３を決定することができる。定数ｃ_３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１９の出力信号から温度を算出することができる。

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。

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。

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。

放射光検出器１９によって放射光が検出される領域と、反射光検出器４１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４１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ε_ａｖは、下記のように表すことができる。

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４１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。

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。

上記第１の実施例では、誘電体多層膜ミラー５と半導体基板５０との間において、アニール用パルスレーザビームＬａの入射経路、観測用レーザビームＬｍの入射経路、反射光Ｌｒの観測経路、及び黒体放射光Ｂｒの観測経路が共通である。

観測用レーザビームＬｍの入射経路と黒体放射光Ｂｒの観測経路とを、アニール用パルスレーザビームＬａの入射経路から完全に分離させるために、観測用レーザビームＬｍの入射経路及び黒体放射光Ｂｒの観測経路を、半導体基板５０の表面に対して斜めに設定した場合について考察する。この場合、反射光Ｌｒの経路が、観測用レーザビームＬｍの入射経路とは反対向きに傾斜することになる。さらに、黒体放射光Ｂｒの観測経路は、観測用レーザビームＬｍの入射経路及び反射光Ｌｒの観測経路のいずれとも異なる方向に傾斜することになる。このように、３本の経路が錯綜することになり、半導体基板５０の上方に大きな空間を確保しなければならない。さらに、半導体基板５０の厚さにばらつきがあると、その表面の高さが変化してしまう。レーザビームの経路が斜めに設定されている場合には、半導体基板５０の表面の高さが変動する度に光軸調整を行わなければならない。

上記第１の実施例の場合には、これらのレーザビームの経路が共通であり、半導体基板５０の表面に対して垂直である。このため、半導体基板５０の上方に確保すべき空間を小さくすることができる。さらに、半導体基板５０の表面の高さが変動しても、光軸調整を行う必要が無い。

図８に、第２の実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。上記第１の実施例では、放射光検出器１９とレンズ２１、及び反射光検出器４１とレンズ３９とが、それぞれ光ファイバ２０及び４０を介して光学的に結合していた。第２の実施例では、これらの光学素子が光ファイバを介することなく直接結合している。以下、第１の実施例によるレーザアニール装置との相違点に着目して説明する。

第１の実施例の広帯域反射ミラー２５に代えて、測定用レーザビームＬｍの波長域の光を反射し、波長８４０ｎｍ〜９６０ｎｍの範囲内の黒体放射光Ｂｒを透過させる誘電体多層膜ミラー２５ａが配置されている。誘電体多層膜ミラー２５ａを透過した黒体放射光Ｂｒが、フィルタ２２及びレンズ２１を通過し、反射鏡２３で反射して、放射光検出器１９に入射する。

誘電体多層膜ミラー２５ａで反射した反射光Ｌｒは、部分反射鏡３１で反射し、レンズ３９を通過して反射光検出器４１に入射する。

図９に、第３の実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。以下、図１に示した第１の実施例によるレーザアニール装置との相違点に着目して説明する。

第３の実施例では、第１の実施例のレンズ３５の後方にビームエキスパンダ３４が配置されている。ビームエキスパンダ３４は、測定用レーザビームＬｍのビーム断面を拡大する。測定用レーザビームＬｍのビーム断面が大きくなったことに対応して、部分反射鏡３１及びレンズ３９も大きくされている。

さらに、第１の実施例のマスク６に代えて、マスク６ａが配置されている。第１の実施例では、マスク６が配置された位置において、観測用レーザビームＬｍのビームスポットがマスク６の透過領域内に位置していた。第３の実施例では、その逆に、マスク６ａの配置された位置における観測用レーザビームＬｍのビーム断面が、マスク６ａの透過領域を内包する。マスク６ａの遮光領域は、観測用レーザビームＬｍの波長域の光を遮光する。このため、半導体基板５０の表面において、観測用レーザビームＬｍの入射領域が、アニール用パルスレーザビームＬａの入射領域にほぼ重なる。

第３の実施例では、アニール用パルスレーザビームＬａの入射した領域内の一点のみではなく、ほぼ全域からの反射光の強度を測定することができる。

図１０に、第４の実施例によるレーザアニール装置の該略図を示す。以下、第３の実施例によるレーザアニール装置との相違点に着目して説明する。第４の実施例では、第３の実施例の反射光検出器４１に代えて、ＣＣＤカメラ等の撮像装置４１ａが配置されている。撮像装置４１の前方に配置されたレンズ３９は、マスク６ａの配置された仮想面上の点を撮像装置４１の受像面上に結像させる。レンズ７が、半導体基板５０の表面を、マスク６ａの配置された仮想面上に結像させるため、半導体基板５０の表面が、撮像装置４１ａの受像面上に結像されることになる。

第４の実施例では、反射光Ｌｒの強度のみではなく、強度分布を計測することができる。これにより、アニール用パルスレーザビームＬａが入射した領域内の溶融状態の不均一性に関する情報を取得することができる。第１の実施例では、周波数２００ＭＨｚでサンプリングすることにより、反射光Ｌｒの強度の時間変化を測定したが、撮像装置４１ａを用いる場合には、周波数２００ＭＨｚのような高速度でサンプリングすることができない。このため、例えば、アニール用パルスレーザビームＬａの１ショットごとに、１回の撮像を行う。

第１〜第３の実施例で用いた反射光検出器４１と撮像装置４１ａとの両方で反射光Ｌｒを観測すれば、反射率の時間変化と、照射領域内の反射率の分布とを計測することが可能になる。例えば、反射光Ｌｒを部分反射鏡で分岐させ、一方を反射光検出器４１に入射させ、他方を撮像装置４１ａに入射させればよい。第４の実施例では、反射光強度変化の測定領域はアニール用パルスレーザビームＬａの照射領域全域となるため、黒体放射光Ｂｒの強度も、アニール用パルスレーザビームＬａの照射領域全域について計測する必要がある。

図１１に、第５の実施例によるレーザアニール装置の光検出部分の概略図を示す。第５の実施例では、測定用レーザビームＬｍの反射光Ｌｒ及び黒体放射光Ｂｒのみならず、アニール用パルスレーザビームＬａの反射光Ａｒの強度も測定する。

誘電体多層膜ミラー５は、アニール用パルスレーザビームＬａを反射するが、その反射率は１００％ではなく、実際には９９．５％〜９９．９％程度である。従って、誘電体多層膜ミラー５に入射するアニール用パルスレーザビームＬａの一部は、誘電体多層膜ミラー５を透過する。誘電体多層膜ミラー５を透過したアニール用パルスレーザビームＬａが、光検出器９４に入射する。光検出器９４は、アニール用パルスレーザビームＬａの強度の時間変化を計測する。また、半導体基板５０の表面で反射したアニール用パルスレーザビームＬａの反射光Ａｒの一部が、誘電体多層膜ミラー５を透過する。図１に示した第１の実施例の場合と同様に、測定用レーザビームＬｍの反射光Ｌｒ及び黒体放射光Ｂｒも、誘電体多層膜ミラー５を透過する。

測定用レーザビームＬｍが、反射鏡９５で反射した後、部分反射鏡３１、誘電体多層膜ミラー９０、及び広帯域反射ミラー２５を透過して誘電体多層膜ミラー５に入射する。測定用レーザビームＬｍの反射光Ｌｒは、誘電体多層膜ミラー５を透過した後、広帯域反射ミラー２５及び誘電体多層膜ミラー９０を透過し、部分反射鏡３１で反射する。その後、レンズ３９及び光ファイバ４０を経由して、反射光検出器４１に入射する。

誘電体多層膜ミラー５を透過した黒体放射光Ｂｒが、広帯域反射ミラー２５で反射し、レンズ２１及び光ファイバ２０を経由して、放射光検出器１９に入射する。広帯域反射ミラー２５を透過したアニール用パルスレーザビームＬａの反射光Ａｒは、誘電体多層膜ミラー９０で反射し、レンズ９１及び光ファイバ９２を経由して、反射光検出器９３に入射する。

光検出器９４で計測されたアニール用パルスレーザビームＬａの強度の時間変化と、反射光検出器９３で計測された反射光Ａｒの強度の時間変化とに基づいて、反射率の時間変化を求めることができる。ただし、反射率を求めることができるのは、アニール用パルスレーザビームＬａが入射している期間のみである。

半導体基板５０の表面が溶融している時間が、アニール用パルスレーザビームＬａのパルス幅に比べて十分長い場合には、観測用レーザビームＬｍを入射させて、アニール用パルスレーザビームＬａの入射が終了した後の反射率を求める必要がある。アニール用パルスレーザビームＬａのレーザパルスの立ち下がりとほぼ同時に、半導体装置５０の表面が固化する場合には、測定用レーザビームＬｍを入射させることなく、アニール用パルスレーザビームＬａの反射光Ａｒの検出のみで、必要な期間の反射率を計測することができる。

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。

第１の実施例によるレーザアニール装置の該略図である。 第１の実施例によるレーザアニール装置の制御装置のブロック図である。 第１の実施例によるレーザアニール装置の種々の信号のタイミングチャートである。 アニール用パルスレーザビームを照射した後の反射光強度の時間変化を示すグラフである。 半導体基板表層部の溶融時間と溶融深さとの関係を示すグラフである。 アニール用パルスレーザビームを照射した後の放射光検出器からの出力信号の時間変化、及び反射光検出器からの出力信号の時間変化を示すグラフである。 アニール用パルスレーザビームを照射した後の半導体基板表面の温度の時間変化、及び反射光検出器からの出力信号の時間変化を示すグラフである。 第２の実施例によるレーザアニール装置の該略図である。 第３の実施例によるレーザアニール装置の該略図である。 第４の実施例によるレーザアニール装置の該略図である。 第５の実施例によるレーザアニール装置の特徴的な部分の該略図である。

符号の説明

１ アニール用レーザ光源
２ 均一化光学系
３ 制御装置
５ 誘電体多層膜ミラー（合流分離器）
６、６ａ マスク
７、２１、３５、３９、９１ レンズ
１０ ＸＹステージ
１９ 放射光検出器
２０、３６、４０、９２ 光ファイバ
２２ フィルタ
２５ 広帯域反射ミラー
２５ａ、３０、９０ 誘電体多層膜ミラー
３１ 部分反射鏡
３４ ビームエキスパンダ
３７ 測定用レーザ光源
３８、９５ 反射鏡
４１、９３ 反射光検出器
４１ａ 撮像装置
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）
９４ 光検出器

Claims (7)

1. アニール対象物を保持するステージ(10)と、
   前記ステージに保持されたアニール対象物をアニールするためのアニール用パルスレーザビームを出射するアニール用レーザ光源(1)と、
   測定用レーザビームを出射する測定用レーザ光源(37)と、
   前記アニール用レーザ光源から出射されたアニール用パルスレーザビームと、前記測定用レーザ光源から出射された測定用レーザビームとを、共通の第１の経路に合流させるとともに、前記アニール対象物で反射し、該第１の経路を反対向きに伝搬する測定用レーザビームの反射光を、該アニール用レーザ光源から該第１の経路に至るまでの該アニール用パルスレーザビームの第２の経路とは異なる経路に沿って伝搬させる合流分離器(5)と、
   前記アニール対象物で反射し、前記合流分離器を経由した測定用レーザビームの反射光の強度を測定する第１の反射光検出器(41)と、
   前記第１の反射光検出器で検出された反射光の強度の時間変化に基づいて、前記アニール対象物が、アニール用パルスレーザビームの入射によって一時的に溶融した部分の深さを算出する制御装置(3)と
   を有するレーザアニール装置。
2. 前記合流分離器は、前記アニール対象物の、アニール用パルスレーザビームが入射した位置から放射され、前記第１の経路に沿って伝搬する放射光の一部を、前記第２の経路とは異なる経路に沿って伝搬させ、
   さらに、前記合流分離器を経由した前記放射光の強度を測定する放射光検出器(19)を有し、
   前記制御装置は、前記放射光検出器で検出された放射光の強度に基づいて、前記アニール対象物の、前記アニール用パルスレーザビームの入射した位置の温度を算出する請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. さらに、前記合流分離器とアニール対象物との間の前記第１の経路上に配置され、前記アニール用パルスレーザビームを透過させない遮光領域内に、該アニール用パルスレーザビームを透過させる透過領域が配置され、該アニール用パルスレーザビームのビーム断面を整形するマスク(6)を有し、
   前記マスクの遮光領域は、前記アニール用パルスレーザビームの波長の光を遮光するが、前記放射光検出器で検出される放射光の波長の光を透過させる請求項１または２に記載のレーザアニール装置。
4. 前記測定用レーザ光源から出射された測定用レーザビームのビーム断面が、前記マスク(6a)の配置された位置において、該マスクの透過領域を内包する大きさであり、前記マスクの遮光領域は、該測定用レーザビームの波長の光を遮光する請求項３に記載のレーザアニール装置。
5. 前記第１の反射光検出器(41a)は、反射光を受光する受光面を含み、該受光面に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布を測定し、
   さらに、
   前記合流分離器を経由した測定用レーザビームの反射光の経路上に配置され、前記アニール対象物の表面を前記受光面上に結像させる結像光学系を含む請求項４に記載のレーザアニール装置。
6. さらに、前記アニール対象物の表面で反射し、前記第１の経路に沿って伝搬する前記アニール用パルスレーザビームの反射光の一部を、前記合流分離器によって前記第２の経路とは異なる経路に沿って伝搬させ、
   さらに、前記合流分離器を経由した前記アニール用パルスレーザビームの反射光の強度を測定する第２の反射光検出器(93)を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
7. （ａ）アニール対象物の表面にアニール用パルスレーザビームを入射させて、該アニール対象物の表層部を一時的に溶融させると共に、アニール用パルスレーザビームの入射領域に、該アニール用パルスレーザビームと同一の経路を通って測定用のレーザビームを入射させ、その反射光の強度を計測する工程と、
   （ｂ）前記工程ａで計測された反射光の強度の時間変化から、前記アニール対象物の表層部が溶融している溶融時間を算出する工程と、
   （ｃ）前記工程ｂで算出された溶融時間に基づいて、前記アニール対象物が一時的に溶融していた部分の溶融深さを算出する工程と
   を有するレーザアニール方法。

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