JP2008251839A - Laser annealing method and device - Google Patents

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Kenichiro Nishida
健一郎 西田
Ryusuke Kawakami
隆介 川上
Norihito Kawaguchi
紀仁 河口
Miyuki Masaki
みゆき 正木
Atsushi Yoshinouchi
淳 芳之内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form extremely shallow junction with shallow junction and without a crystal-defect. <P>SOLUTION: Pulse width of a pulse laser beam 6 and moving speed of a semiconductor substrate are controlled so that total irradiation time of the laser beam per unit region in a surface layer part is within a range of 1 μs to 999 μs and the number of irradiating times becomes not more than the prescribed number of times with a condition that the surface layer part in which impurities (ions) are implanted is not melted. The surface layer part is irradiated with the pulse laser beam 6. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザアニール方法及びレーザアニール装置に関し、より詳しくは、MOS電界効果トランジスタの極浅接合の形成に有効な技術に関する。   The present invention relates to a laser annealing method and a laser annealing apparatus, and more particularly to a technique effective for forming an ultra shallow junction of a MOS field effect transistor.

MOS電界効果トランジスタ(以下、MOSFETという)において、ソース・ドレイン領域に隣接し、基板表面からの深さが浅い不純物拡散領域は、極浅接合(又はエクステンション領域)と呼ばれている。極浅接合は、FET作動時に高い電界が発生することによるゲートの劣化現象を防ぐ役割を果たす。   In a MOS field effect transistor (hereinafter referred to as MOSFET), an impurity diffusion region adjacent to the source / drain region and having a shallow depth from the substrate surface is called an ultra-shallow junction (or extension region). The ultra-shallow junction serves to prevent a gate deterioration phenomenon due to generation of a high electric field when the FET is operated.

MOSFETの極浅接合を形成するには、シリコンウエハにヒ素(As)イオン、リン(P)イオン、ボロン(B)イオンなどの不純物を注入する不純物注入工程と、不純物を電気的に活性化するとともに不純物注入によって生じた結晶欠陥を除去するための熱処理工程が必要となる。後者の熱処理工程は、通常、活性化アニールと呼ばれる。従来の活性化アニールでは、ハロゲンランプを用いたアニール方法が採用されていた。なお、上記「結晶欠陥の除去」は、「結晶性の回復」と言い換えることもできる。   In order to form the ultra-shallow junction of the MOSFET, an impurity implantation step of implanting impurities such as arsenic (As) ions, phosphorus (P) ions, boron (B) ions, etc. into the silicon wafer and electrically activating the impurities At the same time, a heat treatment step for removing crystal defects caused by impurity implantation is required. The latter heat treatment step is usually called activation annealing. In conventional activation annealing, an annealing method using a halogen lamp has been adopted. Note that the “removal of crystal defects” can be rephrased as “restoration of crystallinity”.

近年、MOSFETの微細化による半導体集積回路の高集積化に伴い、MOSFETの極浅接合への要求は厳しくなっている。このため、上述したハロゲンランプを用いたアニール方法では、アニール時間(加熱時間)が数秒と長いため、不純物が深い領域まで拡散するという問題がある。   In recent years, with the high integration of semiconductor integrated circuits due to the miniaturization of MOSFETs, the demand for ultra-shallow junctions of MOSFETs has become strict. For this reason, in the annealing method using the halogen lamp described above, the annealing time (heating time) is as long as several seconds, so that there is a problem that impurities diffuse to a deep region.

このような問題に鑑み、キセノンフラッシュランプや、パルスレーザを用いたアニール方法が開発された(後者の方式に関し、下記特許文献1参照)。前者はミリ秒、後者はナノ秒のアニール時間を実現することができる。しかしながら、テクノロジーノード45nm以下の超微細MOSFETを実用化するためには、低抵抗、かつ接合深さ20nmを下回る極浅接合を形成する技術が求められており、このような超微細MOSFETにおいては、ミリ秒のアニール時間では不純物が深い領域まで拡散してしまうという問題がある。   In view of such a problem, an annealing method using a xenon flash lamp or a pulse laser has been developed (refer to Patent Document 1 below regarding the latter method). The former can achieve an annealing time of milliseconds, and the latter can achieve nanoseconds. However, in order to put an ultra-fine MOSFET having a technology node of 45 nm or less into practical use, a technology for forming an ultra-shallow junction having a low resistance and a junction depth of less than 20 nm is required. In such an ultra-fine MOSFET, In the annealing time of milliseconds, there is a problem that impurities are diffused to a deep region.

一方、パルスレーザを用いたアニール方法では、ナノ秒のパルス幅(1パルス分のレーザ光の照射時間)を調整することが困難であり、レーザ照射時間が短いために、不純物注入時に生じた結晶欠陥の除去に必要なアニール時間が得られないという問題がある。また、また、結晶欠陥の除去に必要なアニール時間を得るために、総照射時間がマイクロ秒となるように重畳してパルスレーザを照射することも考えられるが、ナノ秒オーダーのパルスレーザ光の総照射時間をマイクロ秒オーダーとするためには、1000〜100,000回程度の照射回数が必要となる。同位置にパルスレーザ光を照射すると、パルス間隔が短いために前回の照射による加熱の影響が残り、照射を重ねる毎に被照射部位の初期温度が上昇するため、同位置に上記回数の照射を行なうと、常に一定エネルギーのレーザ光を照射しても、蓄熱の効果によってアニール温度が上昇しすぎてシリコンが溶融する可能性があり、良好なアニール効果が望めない。   On the other hand, in the annealing method using a pulse laser, it is difficult to adjust the nanosecond pulse width (laser irradiation time for one pulse), and the laser irradiation time is short. There is a problem that the annealing time necessary for removing the defect cannot be obtained. In addition, in order to obtain an annealing time necessary for removing crystal defects, it is conceivable to irradiate a pulsed laser so that the total irradiation time becomes microseconds. In order to make the total irradiation time on the order of microseconds, the number of irradiation times of about 1000 to 100,000 times is required. When the same position is irradiated with pulsed laser light, the effect of the heating due to the previous irradiation remains because the pulse interval is short, and the initial temperature of the irradiated part rises with each irradiation. If this is done, even if laser light of constant energy is always irradiated, the annealing temperature may rise too much due to the effect of heat storage, and silicon may melt, and a good annealing effect cannot be expected.

また、以上の問題を受け、近年、連続発振レーザを用いてマイクロ秒のアニール時間を得る方式の研究がなされているが、本方式でも以下の問題がある。
レーザアニールにおいては、通常、レーザ照射位置を固定し、基板を移動させることによりレーザを走査するが、マイクロ秒のアニール時間を得るために非常に高速(例えば数m/s)で基板を搬送することは現状では困難である。
また、下記特許文献2では、基板の位置を固定し、レーザの照射位置を高速で移動させることにより、レーザを高速で走査する技術が提案されているが、レンズの精度、走査光学系の問題に起因して、レーザを走査した際にレーザの形状が変化するために、精度良く、均一にアニール処理されない問題がある。
Further, in response to the above problems, research on a method of obtaining a microsecond annealing time using a continuous wave laser has been recently conducted. However, this method also has the following problems.
In laser annealing, the laser irradiation position is usually fixed and the laser is scanned by moving the substrate, but the substrate is transported at a very high speed (for example, several m / s) in order to obtain a microsecond annealing time. This is difficult at present.
In Patent Document 2 below, a technique for scanning the laser at high speed by fixing the position of the substrate and moving the irradiation position of the laser at high speed is proposed. However, there is a problem with lens accuracy and scanning optical system. As a result, the laser shape changes when the laser is scanned, so that there is a problem that the annealing process is not performed accurately and uniformly.

特開2005−101196号公報JP-A-2005-101196 特表2006−505953号公報JP-T-2006-505953

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、接合深さが浅く、結晶欠陥がない極浅接合を形成することができるレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a laser annealing method and a laser annealing apparatus capable of forming an ultra-shallow junction having a shallow junction depth and no crystal defects.

上記課題を解決するために、本発明のレーザアニール方法およびレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
(1)本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール方法であって、連続レーザ発振器から連続レーザ光を発振し、該連続レーザ光を変調器によりパルスレーザ光に変調し、前記半導体基板の表面にパルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させ、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the laser annealing method and laser annealing apparatus of the present invention employ the following means.
(1) The present invention is a laser annealing method for irradiating a laser beam onto a surface layer portion where ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted, and oscillating a continuous laser beam from a continuous laser oscillator. The laser beam is modulated into a pulse laser beam by a modulator, and the semiconductor substrate is moved so that the pulse laser beam is scanned on the surface of the semiconductor substrate. And controlling the pulse width of the pulse laser beam and the moving speed of the semiconductor substrate so that the total irradiation time of the laser beam is in the range of 1 μsec to 999 μsec and the number of irradiations is not more than a predetermined number, And irradiating with the pulsed laser beam.

(2)また、本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置であって、連続レーザ光を発振する連続レーザ発振器と、該連続レーザ発振器からのレーザ光を前記半導体基板の表面に集光させるビーム整形器と、前記連続レーザ光をパルスレーザ光に変調する変調器と、前記半導体基板の表面に前記パルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させる搬送ステージと、を備え、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とする。 (2) Further, the present invention is a laser annealing apparatus for irradiating a laser beam onto a surface layer portion into which ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted, and a continuous laser oscillator that oscillates a continuous laser beam; A beam shaper that focuses laser light from the continuous laser oscillator on the surface of the semiconductor substrate, a modulator that modulates the continuous laser light into pulsed laser light, and the pulsed laser light scans the surface of the semiconductor substrate. And a transfer stage for moving the semiconductor substrate, and the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion is within a range of 1 μsec to 999 μsec under the condition that the surface layer portion is not melted. Control the pulse width of the pulse laser beam and the moving speed of the semiconductor substrate so that the number of times of irradiation is equal to or less than the predetermined number of times, and irradiate the surface layer part with the pulse laser beam It is characterized by.

上記本発明のレーザアニール方法及び装置によれば、半導体基板を移動させながら、不純物(イオン)が注入されている表層部が溶融しない条件で表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内となるようにパルス幅及び半導体基板の移動速度を制御して、表層部にパルスレーザ光を照射するので、フラッシュランプや単にパルスレーザを用いた従来の方法では実現できなかったマイクロ秒のアニール時間を実現できる。したがって、不純物を深い領域まで拡散させることなく、不純物注入時に生じた結晶欠陥を除去するのに十分な程度のアニール時間を確保することができるので、接合深さが浅く、結晶欠陥がない極浅接合を形成することができる。
また、単位領域あたりの照射回数が所定回数以下となるようにパルス幅及び半導体基板の移動速度を制御して、表層部にパルスレーザ光を照射するので、蓄熱の効果を抑制し、温度の上がり過ぎを回避することができる。
また、半導体基板を移動させることにより、半導体基板の表面にレーザ光を走査するので、上記特許文献2の技術において必要とされる、製作が困難な走査光学系を用いることなく、従来用いられてきた基板ステージをそのまま適用することができる。
According to the laser annealing method and apparatus of the present invention described above, the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion under the condition that the surface layer portion into which the impurity (ion) is implanted does not melt while moving the semiconductor substrate. The pulse width and the moving speed of the semiconductor substrate are controlled so that the pulse width and the moving speed of the semiconductor substrate are within the range of 1 μsec to 999 μsec, and the surface layer portion is irradiated with the pulse laser light, which is realized by a conventional method using a flash lamp or simply a pulse laser. An annealing time of microseconds that could not be achieved can be realized. Therefore, it is possible to ensure an annealing time sufficient to remove crystal defects generated during impurity implantation without diffusing the impurities to a deep region, so that the junction depth is shallow and there is no crystal defect. A bond can be formed.
Also, the pulse width and the moving speed of the semiconductor substrate are controlled so that the number of irradiations per unit area is less than or equal to the predetermined number of times, and the surface layer part is irradiated with pulsed laser light, thus suppressing the effect of heat storage and increasing the temperature. Overpass can be avoided.
Further, since the laser beam is scanned on the surface of the semiconductor substrate by moving the semiconductor substrate, it has been conventionally used without using a scanning optical system that is required in the technique of Patent Document 2 and is difficult to manufacture. The substrate stage can be applied as it is.

(3)また、上記本発明のレーザアニール方法及び装置において、前記変調器は、音響光学素子、電気光学素子もしくは磁気光学素子を用いたもの、又は機械的にレーザ光の通過と遮断を切り替える高速シャッターであることを特徴とする。 (3) In the laser annealing method and apparatus of the present invention, the modulator uses an acousto-optic element, an electro-optic element or a magneto-optic element, or mechanically switches between passing and blocking of laser light. It is a shutter.

上記に列挙した変調器により、連続レーザ光を所望のパルス幅のパルスレーザ光に変調することができる。   With the modulators listed above, continuous laser light can be modulated into pulse laser light having a desired pulse width.

(4)また、本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール方法であって、半導体レーザからパルスレーザ光を発振し、前記半導体基板の表面にパルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させ、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とする。 (4) Further, the present invention is a laser annealing method for annealing by irradiating a laser beam onto a surface layer portion into which ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted, and oscillating a pulse laser beam from a semiconductor laser, The semiconductor substrate is moved so that pulsed laser light is scanned on the surface of the semiconductor substrate, and the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer part is 1 μs to 999 μs under the condition that the surface layer part is not melted. The surface layer portion is irradiated with the pulsed laser light by controlling the pulse width of the pulsed laser light and the moving speed of the semiconductor substrate so that the number of times of irradiation is within a predetermined range and less than a predetermined number of times. .

(5)また、本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置であって、パルスレーザ光を発振する半導体レーザと、該半導体レーザからのパルスレーザ光を前記半導体基板の表面に集光させるビーム整形器と、前記半導体基板の表面に前記パルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させる搬送ステージと、を備え、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とする。 (5) Further, the present invention is a laser annealing apparatus for irradiating a laser beam onto a surface layer portion into which ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted, the semiconductor laser oscillating a pulse laser beam, A beam shaper for condensing pulse laser light from a semiconductor laser on the surface of the semiconductor substrate; and a transport stage for moving the semiconductor substrate so that the pulse laser light is scanned on the surface of the semiconductor substrate. The pulse of the pulsed laser light so that the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion is in the range of 1 μsec to 999 μsec and the number of irradiation times is a predetermined number or less under the condition that the surface layer portion does not melt The width and the moving speed of the semiconductor substrate are controlled to irradiate the surface layer portion with the pulsed laser light.

上記のレーザアニール方法及び装置によれば、上記(1)の方法及び上記(2)の装置と同様に、接合深さが浅く、結晶欠陥がない極浅接合を形成することができ、従来用いられてきた基板ステージをそのまま適用することができる。
また、レーザ光源として半導体レーザを用いるので、大掛かりなレーザ発信器を用いる必要が無く、装置構成を簡略化することができ、装置の小型化も可能となる。
According to the laser annealing method and apparatus described above, as in the method (1) and apparatus (2) above, an extremely shallow junction having a shallow junction depth and no crystal defects can be formed. The substrate stage thus obtained can be applied as it is.
In addition, since a semiconductor laser is used as the laser light source, it is not necessary to use a large-scale laser transmitter, the apparatus configuration can be simplified, and the apparatus can be miniaturized.

本発明によれば、接合深さが浅く、結晶欠陥がない極浅接合を形成することができるという優れた効果が得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that an extremely shallow junction having a shallow junction depth and no crystal defects can be formed.

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態にかかるレーザアニール装置Aの全体概略構成を示す図である。
図1に示すように、レーザアニール装置Aは、半導体基板1の不純物が注入されている表層部にレーザ光6を照射してアニールするための装置であり、連続レーザ光3aを発振する連続レーザ発振器3と、連続レーザ発振器3からのレーザ光を半導体基板1の表面に集光させるビーム整形器5と、連続レーザ光3aをパルスレーザ光6に変調する変調器4と、半導体基板1の表面にパルスレーザ光6が走査されるように半導体基板1を移動させる搬送ステージ2を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing an overall schematic configuration of a laser annealing apparatus A according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the laser annealing apparatus A is an apparatus for irradiating the surface layer portion of the semiconductor substrate 1 into which impurities are implanted by irradiating laser light 6 and is a continuous laser that oscillates a continuous laser light 3a. An oscillator 3, a beam shaper 5 for condensing laser light from the continuous laser oscillator 3 on the surface of the semiconductor substrate 1, a modulator 4 for modulating the continuous laser light 3 a into pulsed laser light 6, and the surface of the semiconductor substrate 1 A transfer stage 2 for moving the semiconductor substrate 1 so as to be scanned with the pulse laser beam 6 is provided.

上記の半導体基板1は例えばシリコンウエハであり、上記の不純物は例えばヒ素(As)イオン、リン(P)イオン、ボロン(B)イオン等である。
上記の連続レーザ発振器3は特に限定されず、連続レーザ光3aを発振することができるものであれば良い。このような連続レーザ発振器3として、エキシマレーザの他、YAG、YLF、YVO等の固体レーザ、半導体レーザ、COレーザが例示される。より具体的には、波長248nmや308nmのエキシマレーザ、1064nm、532nmや355nmのYAGレーザ、波長600nm〜1000nmの半導体レーザ(レーザダイオード)、波長10.6μmのCOレーザが例示される。
The semiconductor substrate 1 is, for example, a silicon wafer, and the impurities are, for example, arsenic (As) ions, phosphorus (P) ions, boron (B) ions, and the like.
The continuous laser oscillator 3 is not particularly limited as long as it can oscillate the continuous laser light 3a. Examples of such a continuous laser oscillator 3 include excimer lasers, solid lasers such as YAG, YLF, and YVO 4 , semiconductor lasers, and CO 2 lasers. More specifically, an excimer laser having a wavelength of 248 nm or 308 nm, a YAG laser having a wavelength of 1064 nm, 532 nm or 355 nm, a semiconductor laser (laser diode) having a wavelength of 600 nm to 1000 nm, and a CO 2 laser having a wavelength of 10.6 μm are exemplified.

図2に示すように、レーザアニールでは通常、レーザ光6を線状ビームに整形して半導体基板1の表面に集光する。したがって、上記のビーム整形器5は、レーザ光6を線状に整形することができるものが好ましい。この線状ビームを図2に示すように細長い矩形状ビームとして考えた場合の短尺寸法9は例えば数10μm〜数100μmであり、長尺寸法10は例えば50mm〜100mmである。図2に示した例では、半導体基板1の直径よりも線状ビームの長尺寸法10のほうが短い。なお、上記のようにレーザ光を線状ビームに整形できるビーム整形器5は従来周知であるため詳細な説明は省略するが、ビームエキスパンダ、シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ等で構成されるのが好ましい。   As shown in FIG. 2, in the laser annealing, the laser beam 6 is usually shaped into a linear beam and condensed on the surface of the semiconductor substrate 1. Therefore, the beam shaper 5 is preferably one that can shape the laser light 6 into a linear shape. When the linear beam is considered as an elongated rectangular beam as shown in FIG. 2, the short dimension 9 is, for example, several tens of micrometers to several hundreds of micrometers, and the long dimension 10 is, for example, 50 mm to 100 mm. In the example shown in FIG. 2, the long dimension 10 of the linear beam is shorter than the diameter of the semiconductor substrate 1. The beam shaper 5 capable of shaping laser light into a linear beam as described above is well known in the art and will not be described in detail. However, the beam shaper 5 is constituted by a beam expander, a cylindrical lens, a cylindrical lens array, or the like. preferable.

上記の変調器4は、連続レーザ光3を所望のパルス幅のパルスレーザ光6に変調することができれば、特に限定されないが、音響光学素子、電気光学素子もしくは磁気光学素子を用いたもの、又は機械的にレーザ光の通過と遮断を切り替える高速シャッターであるのが好ましい。なお、パスル幅は、1パルス分のレーザ光の照射時間を意味する。   The modulator 4 is not particularly limited as long as it can modulate the continuous laser beam 3 into a pulse laser beam 6 having a desired pulse width. However, the modulator 4 uses an acousto-optic element, an electro-optic element or a magneto-optic element, or A high-speed shutter that mechanically switches between passing and blocking the laser beam is preferable. Note that the pulse width means the irradiation time of laser light for one pulse.

音響光学素子は、音響光学効果を利用して、外部から入射された連続光をパルス光に変換する変調器5に適用できる。音響光学効果とは、超音波が固体や液体中を伝播すると、その媒質中には、光弾性効果によって、音の進行方向と平行にそして音の波長を周期とした光に対する屈折率の周期的変動が生じ、この媒質中に入射された光の一部が回折する現象をいう。
音響光学素子としては、As12Ge33Se55、As2Se3等のカルコゲナイド系ガラスやTeガラス、PbMoO4、TeO2、Ge、LiNbO3、GaP等の光学結晶に、超音波を伝送するLiNbO3、ZnO等の圧電薄膜トランスデューサを取付けて高周波電圧をかけて結晶内に高周波の音波を発生させるものが例示される。
音響光学素子に直線偏光の連続レーザ光3aを入力し、音響光学素子のトランスデューサに印加する電圧を所定のパルスとすれば、音響光学素子を透過する連続レーザ光を、印加時には回折光にし、非印加時には透過光にすることができ、その回折光のみ、あるいは透過光のみを光路に入れるようにすれば所望のパルス幅のパルスレーザ光6に変調することができる。ここで、音響光学素子への直線偏光の連続レーザ光3aは、音響光学素子内で生じる超音波波面に対してブラッグ反射条件を満たすように入射される。
The acoustooptic device can be applied to a modulator 5 that converts continuous light incident from the outside into pulsed light using an acoustooptic effect. The acousto-optic effect means that when ultrasonic waves propagate in solids and liquids, the medium has a periodic refractive index for light that is parallel to the direction of sound propagation and has a period of sound wavelength due to the photoelastic effect. A phenomenon in which fluctuation occurs and a part of the light incident on this medium is diffracted.
As the acoustooptic device, LiNbO that transmits ultrasonic waves to an optical crystal such as chalcogenide glass such as As 12 Ge 33 Se 55 and As 2 Se 3 , Te glass, PbMoO 4 , TeO 2 , Ge, LiNbO 3 , and GaP. 3. An example is one in which a piezoelectric thin film transducer such as ZnO is attached and a high frequency voltage is applied to generate a high frequency sound wave in the crystal.
If linearly polarized continuous laser light 3a is input to the acoustooptic device and the voltage applied to the transducer of the acoustooptic device is a predetermined pulse, the continuous laser beam that passes through the acoustooptic device is converted into diffracted light when applied, When applied, it can be converted to transmitted light. If only the diffracted light or only transmitted light is put in the optical path, it can be modulated into pulse laser light 6 having a desired pulse width. Here, the linearly polarized continuous laser beam 3a to the acoustooptic device is incident on the ultrasonic wavefront generated in the acoustooptic device so as to satisfy the Bragg reflection condition.

電気光学素子は、電気光学効果を利用して、外部から入射された連続光をパルスレーザ光6に変換する変調器4に適用できる。電気光学効果は、LiNbO3、KDP(KH2PO4)、ADP等の結晶の物質に電界を加えると複屈折を生じ、物質中を通過する光の位相が変化する現象をいう。
電気光学素子に直線偏光の連続レーザ光を入力し、電気光学素子に電圧を加えると連続レーザ光3aに一定の偏光角を与えることができる。したがって、電気光学素子に印加する電圧を所定のパルスとすれば、電気光学素子を透過する連続レーザ光3aを、非印加時には偏光方向が変化しない常光線とし、印加時には偏光方向が変化する異常光線とすることができる。そして、電気光学素子のレーザ光の出射側に、常光線と異常光線のいずれか一方の偏光方向と一致する光線のみを通過させる偏向フィルタを設けておき、常光線のみ、あるいは異常光線のみを光路に入れるようにすれば、所望のパスル幅のパルスレーザ光6に変調することができる。
The electro-optic element can be applied to a modulator 4 that converts continuous light incident from the outside into pulsed laser light 6 by utilizing an electro-optic effect. The electro-optic effect is a phenomenon in which birefringence occurs when an electric field is applied to a crystalline material such as LiNbO 3 , KDP (KH 2 PO 4 ), or ADP, and the phase of light passing through the material changes.
When linearly polarized continuous laser light is input to the electro-optic element and a voltage is applied to the electro-optic element, a constant polarization angle can be given to the continuous laser light 3a. Therefore, if the voltage applied to the electro-optic element is a predetermined pulse, the continuous laser beam 3a that passes through the electro-optic element is an ordinary ray whose polarization direction does not change when not applied, and an extraordinary ray whose polarization direction changes when applied. It can be. Then, a deflection filter that allows passage of only the light beam that coincides with the polarization direction of one of the ordinary light beam and the extraordinary light beam is provided on the laser light emission side of the electro-optic element, and only the ordinary light beam or the extraordinary light beam is the optical path. In this case, the pulse laser beam 6 having a desired pulse width can be modulated.

磁気光学素子は、磁気光学効果を利用して、外部から入射された連続レーザ光3aをパルスレーザ光6に変換する変調器4に適用できる。磁気光学効果は、直線偏光の進行方向に対して垂直方向から磁場が加わる際に、磁場方向と垂直方向とで屈折率の差、すなわち複屈折が生じる現象をいう。
磁気光学素子に直線偏光の連続レーザ光3aを入力し、磁気光学素子に磁場を加えると連続レーザ光3aに一定の偏光角を与えることができる。したがって、磁気光学素子に印加する磁場を所定のパルスとすれば、磁気光学素子を透過する連続レーザ光3aを、非印加時には常光線とし、印加時には偏光方向が変化する異常光線とすることができる。そして、磁気光学素子のレーザ光の出射側に、常光線と異常光線のいずれか一方の偏光方向と一致する光線のみを通過させる偏向フィルタを設けおき、常光線のみ、あるいは異常光線のみを光路に入れるようにすれば、所望のパルス幅のパルスレーザ光6に変調することができる。なお、磁気光学素子の後に複屈折結晶を導入して、偏光角を拡大することもできる。
The magneto-optical element can be applied to the modulator 4 that converts the continuous laser light 3 a incident from the outside into the pulsed laser light 6 by using the magneto-optical effect. The magneto-optical effect is a phenomenon in which a difference in refractive index between the magnetic field direction and the vertical direction, that is, birefringence occurs when a magnetic field is applied from a direction perpendicular to the traveling direction of linearly polarized light.
When linearly polarized continuous laser light 3a is input to the magneto-optical element and a magnetic field is applied to the magneto-optical element, a constant polarization angle can be given to the continuous laser light 3a. Therefore, if the magnetic field applied to the magneto-optic element is a predetermined pulse, the continuous laser light 3a that passes through the magneto-optic element can be an ordinary ray when not applied and an extraordinary ray whose polarization direction changes when applied. . Then, a deflection filter is provided on the laser light emitting side of the magneto-optical element to pass only a ray that matches one of the polarization directions of the ordinary ray and the extraordinary ray, and only the ordinary ray or only the extraordinary ray is used in the optical path. If it is inserted, it can be modulated into a pulse laser beam 6 having a desired pulse width. A polarization angle can be expanded by introducing a birefringent crystal after the magneto-optical element.

搬送ステージ2は、上面に半導体基板1を載せて水平面内を2次元的に移動させる機能を有する。図2に示すように本実施形態では、搬送ステージ2は、線状ビームの短尺方向と一致するX方向と、線状ビームの長尺方向と一致するY方向に移動することができる。したがって、搬送ステージ2をX方向及びY方向に移動させることにより、その上に載置された半導体基板1の表面にパルスレーザ光6を走査することができる。より具体的には、図2に示すように、線状ビームの長尺寸法10が半導体基板1の直径よりも短い場合には、半導体基板1の表面にレーザ光6を照射しながら半導体基板1をX方向の一方に移動させ、半導体基板1の端部まで照射したら、レーザ光6の照射部分が長尺寸法10の分だけ未照射部分の側にずれるように半導体基板1をY方向に移動させ、次に半導体基板をX方向の他方に移動させ、このような動作を繰り返すことにより、半導体基板1の表面全体にレーザ光6を照射することができる。   The transfer stage 2 has a function of placing the semiconductor substrate 1 on the upper surface and moving it two-dimensionally in a horizontal plane. As shown in FIG. 2, in this embodiment, the transfer stage 2 can move in the X direction that matches the short direction of the linear beam and in the Y direction that matches the long direction of the linear beam. Therefore, by moving the transfer stage 2 in the X direction and the Y direction, the pulse laser beam 6 can be scanned on the surface of the semiconductor substrate 1 placed thereon. More specifically, as shown in FIG. 2, when the long dimension 10 of the linear beam is shorter than the diameter of the semiconductor substrate 1, the semiconductor substrate 1 is irradiated with the laser beam 6 on the surface of the semiconductor substrate 1. Is moved to one side in the X direction, and the semiconductor substrate 1 is moved in the Y direction so that the irradiated portion of the laser beam 6 is shifted to the non-irradiated portion side by the long dimension 10 when irradiated to the end of the semiconductor substrate 1. Then, by moving the semiconductor substrate to the other side in the X direction and repeating such an operation, the entire surface of the semiconductor substrate 1 can be irradiated with the laser beam 6.

また、レーザアニール装置Aは、さらに、変調器4と搬送ステージ2を制御する制御装置14を備える。この制御装置14は、上記の表層部が溶融しない条件で表層部の単位領域あたりのレーザ光6の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように、連続レーザ発信器3(具体的にはパルスレーザ光6のパルス幅)と搬送ステージ2(具体的には半導体基板1の移動速度)を制御する。
ここで、前記所定回数は、任意に設定することが可能であり、蓄熱の効果を抑制するために、例えば、5回以内とするのが好ましい。
The laser annealing apparatus A further includes a control device 14 that controls the modulator 4 and the transport stage 2. The control device 14 is configured so that the total irradiation time of the laser light 6 per unit region of the surface layer portion is within a range of 1 μsec to 999 μsec and the number of irradiation times is equal to or less than a predetermined number of times under the condition that the surface layer portion does not melt. The continuous laser transmitter 3 (specifically, the pulse width of the pulsed laser beam 6) and the transfer stage 2 (specifically, the moving speed of the semiconductor substrate 1) are controlled.
Here, the predetermined number of times can be arbitrarily set, and is preferably within 5 times, for example, in order to suppress the effect of heat storage.

なお、搬送ステージ2は、防塵や基板表面における酸化膜生成の防止の観点から、照射チャンバー12内にあることが好ましい。その場合、連続レーザ発振器3と、変調器4と、ビーム整形器5は、照射チャンバー12の外部に配し、搬送ステージ2上の半導体基板1へのパルスレーザ光6は、照射チャンバー12の上部に備わる照射ウィンドウ13を介して照射される。また、照射チャンバー12の方式は、特に限定されないが、チャンバー内に真空あるいは不活性ガス雰囲気を充填する方式、レーザ光6の照射部分を不活性ガス噴射によってパージする方式が例示される。   In addition, it is preferable that the conveyance stage 2 exists in the irradiation chamber 12 from a viewpoint of dust prevention or prevention of the oxide film production | generation on a substrate surface. In that case, the continuous laser oscillator 3, the modulator 4, and the beam shaper 5 are arranged outside the irradiation chamber 12, and the pulsed laser light 6 to the semiconductor substrate 1 on the transfer stage 2 is transmitted above the irradiation chamber 12. Irradiation is performed through an irradiation window 13 included in the. Further, the method of the irradiation chamber 12 is not particularly limited, but a method of filling the chamber with a vacuum or an inert gas atmosphere, and a method of purging the irradiated portion of the laser light 6 by inert gas injection are exemplified.

上述した本実施形態によれば、半導体基板1を移動させながら、不純物が注入されている表層部が溶融しない条件で表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内となるようにパルスレーザ光6のパルス幅及び半導体基板1の移動速度を制御して、表層部にパルスレーザ光6を照射するので、フラッシュランプや単にパルスレーザを用いた従来の方法では実現できなかったマイクロ秒のアニール時間を実現できる。したがって、不純物を深い領域まで拡散させることなく、不純物注入時に生じた結晶欠陥を除去するのに十分な程度のアニール時間を確保することができるので、接合深さが浅く、結晶欠陥がない極浅接合を形成することができる。   According to the above-described embodiment, the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion is 1 μsec to 999 μsec under the condition that the surface layer portion into which the impurity is implanted is not melted while moving the semiconductor substrate 1. By controlling the pulse width of the pulse laser beam 6 and the moving speed of the semiconductor substrate 1 so as to be within the range and irradiating the surface layer portion with the pulse laser beam 6, the conventional method using a flash lamp or simply a pulse laser is used. Microsecond annealing time that could not be realized can be realized. Therefore, it is possible to ensure an annealing time sufficient to remove crystal defects generated during impurity implantation without diffusing the impurities to a deep region, so that the junction depth is shallow and there is no crystal defect. A bond can be formed.

また、単位領域あたりの照射回数が所定数以下となるようにパルス幅及び半導体基板1の移動速度を制御して、表層部にパルスレーザ光6を照射するので、蓄熱の効果を抑制し、被照射部位の温度の上がり過ぎを回避することができる。   In addition, the pulse width and the moving speed of the semiconductor substrate 1 are controlled so that the number of times of irradiation per unit region is equal to or less than the predetermined number, and the surface layer portion is irradiated with the pulsed laser light 6, so that the effect of heat storage is suppressed, It is possible to avoid an excessive increase in the temperature of the irradiated part.

また、半導体基板1を移動させることにより、半導体基板1の表面にレーザ光6を走査するので、上記特許文献2の技術において必要とされる、製作が困難な走査光学系を用いることなく、従来用いられてきた搬送ステージ2をそのまま適用することができる。   In addition, since the laser beam 6 is scanned on the surface of the semiconductor substrate 1 by moving the semiconductor substrate 1, the conventional technique can be used without using a scanning optical system that is difficult to manufacture, which is required in the technique of Patent Document 2. The transfer stage 2 that has been used can be applied as it is.

[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態にかかるレーザアニール装置Bの全体概略構成を示す図である。
図3に示すように、第2実施形態のレーザアニール装置Bは、第1実施形態における、連続レーザ発振器3及び変調器4を、パルスレーザ光6を発振する半導体レーザ(レーザダイオード)11に置き換えた形態である。半導体レーザ11が発振するパルスレーザ光6のパルス幅及びパルス周波数は、半導体レーザ11に印加する電圧のON/OFFのタイミングによって任意に調整することができる。このON/OFFのタイミングの制御は制御装置14によって行われる。その他の構成については、第1実施形態と同様である。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a diagram showing an overall schematic configuration of a laser annealing apparatus B according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3, the laser annealing apparatus B of the second embodiment replaces the continuous laser oscillator 3 and the modulator 4 in the first embodiment with a semiconductor laser (laser diode) 11 that oscillates pulsed laser light 6. It is a form. The pulse width and pulse frequency of the pulsed laser beam 6 oscillated by the semiconductor laser 11 can be arbitrarily adjusted according to the ON / OFF timing of the voltage applied to the semiconductor laser 11. The control of the ON / OFF timing is performed by the control device 14. About another structure, it is the same as that of 1st Embodiment.

上記構成のレーザアニール装置Bは、半導体基板1の不純物が注入されている表層部が溶融しない条件で表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるようにパルスレーザ光6のパルス幅及び半導体基板1の移動速度を制御して、表層部にパルスレーザ光6を照射する。   The laser annealing apparatus B configured as described above has a total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion within a range of 1 μsec to 999 μsec under the condition that the surface layer portion into which the impurity of the semiconductor substrate 1 is implanted does not melt. By controlling the pulse width of the pulsed laser light 6 and the moving speed of the semiconductor substrate 1 so that the number of times of irradiation is a predetermined number or less, the surface layer part is irradiated with the pulsed laser light 6.

本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、接合深さが浅く、結晶欠陥がない極浅接合を形成することができ、従来用いられてきた搬送ステージ2をそのまま適用することができ、蓄熱の効果を抑制し、被照射部位の温度の上がり過ぎを回避することができる。
また、本実施形態では、レーザ光源として半導体レーザ11を用いるので、大掛かりなレーザ発信器を用いる必要が無く、装置構成を簡略化することができ、装置の小型化も可能となる。
According to the present embodiment, as in the first embodiment, an ultra-shallow junction having a shallow junction depth and no crystal defects can be formed, and the conventionally used transfer stage 2 can be applied as it is. In addition, the effect of heat storage can be suppressed, and an excessive increase in the temperature of the irradiated site can be avoided.
In this embodiment, since the semiconductor laser 11 is used as the laser light source, it is not necessary to use a large-scale laser transmitter, the apparatus configuration can be simplified, and the apparatus can be downsized.

本発明の第1実施形態にかかるレーザアニール装置Aの全体概略構成を示す図である。1 is a diagram showing an overall schematic configuration of a laser annealing apparatus A according to a first embodiment of the present invention. 本発明のレーザアニール方法およびレーザアニール装置におけるパルスレーザと搬送ステージの動作を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the operation | movement of the pulse laser and the conveyance stage in the laser annealing method and laser annealing apparatus of this invention. 本発明の第2実施形態にかかるレーザアニール装置Bの全体概略構成を示す図である。It is a figure which shows the whole schematic structure of the laser annealing apparatus B concerning 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

A,B レーザアニール装置
1 半導体基板
2 搬送ステージ
3 レーザ発振器
3a 連続レーザ光
4 変調器
5 ビーム整形器
6 パルスレーザ光
9 搬送ステージの搬送方向のX軸寸法
10 搬送ステージの搬送方向のY軸寸法
11 半導体レーザ(レーザダイオード)
12 照射チャンバー
13 照射ウィンドウ
14 制御装置
A, B Laser annealing apparatus 1 Semiconductor substrate 2 Transport stage 3 Laser oscillator 3a Continuous laser beam 4 Modulator 5 Beam shaper 6 Pulse laser beam 9 X-axis dimension in the transport direction of the transport stage 10 Y-axis dimension in the transport direction of the transport stage 11 Semiconductor laser (laser diode)
12 Irradiation chamber 13 Irradiation window 14 Control device

Claims (6)

半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール方法であって、
連続レーザ発振器から連続レーザ光を発振し、該連続レーザ光を変調器によりパルスレーザ光に変調し、前記半導体基板の表面にパルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させ、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法。
A laser annealing method for annealing by irradiating a surface layer portion into which ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted with laser light,
A continuous laser beam is oscillated from a continuous laser oscillator, the continuous laser beam is modulated into a pulsed laser beam by a modulator, the semiconductor substrate is moved so that the pulsed laser beam is scanned on the surface of the semiconductor substrate, and the surface layer The pulse width of the pulse laser beam and the pulse width of the pulsed laser light so that the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion is in the range of 1 μsec to 999 μsec and the number of irradiation times is a predetermined number or less under the condition that the portion does not melt A laser annealing method, wherein the moving speed of a semiconductor substrate is controlled to irradiate the surface layer portion with the pulsed laser light.
前記変調器は、音響光学素子、電気光学素子もしくは磁気光学素子を用いたもの、又は機械的にレーザ光の通過と遮断を切り替える高速シャッターである請求項1記載のレーザアニール方法。   2. The laser annealing method according to claim 1, wherein the modulator is an acousto-optic element, an electro-optic element or a magneto-optic element, or a high-speed shutter that mechanically switches between passing and blocking of laser light. 半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール方法であって、
半導体レーザからパルスレーザ光を発振し、前記半導体基板の表面にパルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させ、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法。
A laser annealing method for annealing by irradiating a surface layer portion into which ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted with laser light,
Pulsed laser light is oscillated from a semiconductor laser, the semiconductor substrate is moved so that the pulsed laser light is scanned on the surface of the semiconductor substrate, and the laser light per unit region of the surface layer part under the condition that the surface layer part does not melt The pulse width of the pulse laser beam and the moving speed of the semiconductor substrate are controlled so that the total irradiation time of the laser beam is within a range of 1 μsec to 999 μsec and the number of irradiations is a predetermined number or less, and the pulse is applied to the surface layer portion. A laser annealing method characterized by irradiating a laser beam.
半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置であって、
連続レーザ光を発振する連続レーザ発振器と、
該連続レーザ発振器からのレーザ光を前記半導体基板の表面に集光させるビーム整形器と、
前記連続レーザ光をパルスレーザ光に変調する変調器と、
前記半導体基板の表面に前記パルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させる搬送ステージと、を備え、
前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
A laser annealing apparatus that anneals by irradiating a laser beam to a surface layer portion into which ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted,
A continuous laser oscillator that oscillates continuous laser light;
A beam shaper that focuses laser light from the continuous laser oscillator on the surface of the semiconductor substrate;
A modulator for modulating the continuous laser light into pulsed laser light;
A transport stage for moving the semiconductor substrate so that the pulsed laser beam is scanned on the surface of the semiconductor substrate,
The pulse width of the pulsed laser light so that the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion is in the range of 1 μsec to 999 μsec and the number of irradiation times is equal to or less than the predetermined number of times under the condition that the surface layer portion does not melt. And a laser annealing apparatus for controlling the moving speed of the semiconductor substrate and irradiating the surface layer portion with the pulsed laser light.
前記変調器は、音響光学素子、電気光学素子もしくは磁気光学素子を用いたもの、又は機械的にレーザ光の通過と遮断を切り替える高速シャッターである請求項4記載のレーザアニール装置。   The laser annealing apparatus according to claim 4, wherein the modulator is an acousto-optic element, an electro-optic element or a magneto-optic element, or a high-speed shutter that mechanically switches between passing and blocking of laser light. 半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置であって、
パルスレーザ光を発振する半導体レーザと、
該半導体レーザからのパルスレーザ光を前記半導体基板の表面に集光させるビーム整形器と、
前記半導体基板の表面に前記パルスレーザ光が走査されるように前記半導体基板を移動させる搬送ステージと、を備え、
前記表層部が溶融しない条件で前記表層部の単位領域あたりのレーザ光の総照射時間が1μ秒〜999μ秒の範囲内で且つ照射回数が所定回数以下となるように前記パルスレーザ光のパルス幅及び前記半導体基板の移動速度を制御して、前記表層部に前記パルスレーザ光を照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
A laser annealing apparatus that anneals by irradiating a laser beam to a surface layer portion into which ions as impurities of a semiconductor substrate are implanted,
A semiconductor laser that oscillates pulsed laser light;
A beam shaper that focuses the pulsed laser light from the semiconductor laser onto the surface of the semiconductor substrate;
A transport stage for moving the semiconductor substrate so that the pulsed laser beam is scanned on the surface of the semiconductor substrate,
The pulse width of the pulsed laser light so that the total irradiation time of the laser light per unit region of the surface layer portion is in the range of 1 μsec to 999 μsec and the number of irradiation times is equal to or less than the predetermined number of times under the condition that the surface layer portion does not melt. And a laser annealing apparatus for controlling the moving speed of the semiconductor substrate and irradiating the surface layer portion with the pulsed laser light.
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