JP2009302214A

JP2009302214A - Laser annealing apparatus

Info

Publication number: JP2009302214A
Application number: JP2008153598A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsuno; 明松野
Original assignee: Phoeton Corp
Current assignee: Phoeton Corp
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: JP5605821B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser annealing apparatus capable of stably activating a dopant injected into a deep portion in a semiconductor substrate. <P>SOLUTION: The laser annealing apparatus for activating a dopant injected into a semiconductor substrate 70 includes: a plurality of continuously oscillating lasers from which laser lights 80a, 80b, 82 having wavelengths different from each other outgo; an optical system for irradiating the laser lights having wavelengths different from each other to the semiconductor substrate 70 so that center positions 84a, 84b, 86 of laser beam spots on the surface of the semiconductor substrate 70 are different from each other; and a scanning part for scanning the laser lights on the surface of the semiconductor substrate while a relative position between the center positions of the laser beam spots is maintained. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザアニール装置に関し、特に、半導体基板に注入されたドーパントを活性化するためのレーザアニール装置に関する。 The present invention relates to a laser annealing apparatus, and more particularly to a laser annealing apparatus for activating a dopant implanted into a semiconductor substrate.

半導体基板内にイオン注入されたドーパントを活性化するためレーザアニール装置が用いられる。特許文献１には、半導体基板への侵入長が異なる２つのレーザ光を用い、半導体基板の所望の深さまでを熱処理する技術が開示されている。 A laser annealing apparatus is used to activate the dopant implanted into the semiconductor substrate. Patent Document 1 discloses a technique for heat-treating a semiconductor substrate to a desired depth using two laser beams having different penetration lengths into the semiconductor substrate.

特許文献２〜４には、２つのパルスレーザ光に時間差をつけて半導体基板に照射する技術が開示されている。
国際公開第２００７／１５３８８号パンフレット特開２００６−１００５６７号公報特開２００６−１５６７８４号公報特開２００７−１２３３００号公報 Patent Documents 2 to 4 disclose techniques for irradiating a semiconductor substrate with a time difference between two pulsed laser beams.
International Publication No. 2007/15388 Pamphlet JP 2006-1000056 A JP 2006-156784 A JP 2007-123300 A

特許文献１の技術によれば、半導体基板への侵入長が異なる２つのレーザ光を用い、半導体基板の熱処理を行うことにより、半導体基板の所望の深さまで熱処理することができる。この技術を用いれば、例えば、シリコン基板の背面にドーパントを注入し、活性化する場合、シリコン基板の表面に形成された半導体装置の動作層の劣化を抑制しかつイオン注入されたドーパントを活性化させることができる。しかしながら、特許文献１の技術のように、２つのレーザ光を用い半導体基板内のドーパントの活性化させる場合、深い部分に注入されたドーパントの活性化率にバラツキが生じる場合がある。 According to the technique of Patent Document 1, heat treatment can be performed to a desired depth of the semiconductor substrate by performing heat treatment of the semiconductor substrate using two laser beams having different penetration lengths into the semiconductor substrate. If this technology is used, for example, when dopant is implanted into the back surface of the silicon substrate and activated, the deterioration of the operating layer of the semiconductor device formed on the surface of the silicon substrate is suppressed and the ion implanted dopant is activated. Can be made. However, when the activation of the dopant in the semiconductor substrate is performed using two laser beams as in the technique of Patent Document 1, the activation rate of the dopant implanted in a deep portion may vary.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、半導体基板への侵入長が異なる２つのレーザ光を用い半導体基板の熱処理を行うレーザアニール装置において、半導体基板内の深い部分に注入されたドーパントを安定して活性化できるレーザアニール装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a laser annealing apparatus that performs heat treatment of a semiconductor substrate using two laser beams having different penetration lengths into the semiconductor substrate, a dopant implanted into a deep portion in the semiconductor substrate. An object of the present invention is to provide a laser annealing apparatus that can stably activate the laser.

本発明は、半導体基板に注入されたドーパントを活性化するレーザアニール装置であって、波長が異なるレーザ光をそれぞれ出射する複数の連続発振レーザと、前記波長が異なるそれぞれのレーザ光を、前記半導体基板表面でのレーザビームスポットの中心位置が異なるように前記半導体基板に照射する光学系と、前記レーザビームスポットの中心位置間の相対位置関係を保持した状態で、前記レーザ光を前記半導体基板表面上で走査させる走査部と、を具備することを特徴とするレーザアニール装置である。本発明によれば、波長が異なるレーザ光の半導体基板への照射時間に差を設けることができる。これにより、半導体基板内のドーパントを安定して活性化することができる。 The present invention is a laser annealing apparatus for activating a dopant implanted into a semiconductor substrate, wherein a plurality of continuous wave lasers each emitting laser light having different wavelengths and each laser light having different wavelengths are transmitted to the semiconductor An optical system for irradiating the semiconductor substrate so that the center position of the laser beam spot on the substrate surface is different from the center position of the laser beam spot and maintaining the relative positional relationship between the center positions of the laser beam spot. A laser annealing apparatus comprising: a scanning unit that scans above. According to the present invention, it is possible to provide a difference in the irradiation time of the laser light having different wavelengths onto the semiconductor substrate. Thereby, the dopant in a semiconductor substrate can be activated stably.

上記構成において、前記光学系は、前記レーザ光のうち前記半導体基板への侵入長が小さい第１レーザ光を、前記半導体基板への侵入長が大きい第２レーザ光より後に前記半導体基板に照射する構成とすることができる。この構成によれば、第２レーザ光が半導体基板の深い領域を加熱した後、半導体基板の表面付近が加熱される。このため、第１レーザ光の照射によって生じる半導体基板表面の温度上昇にともなう反射率、吸収係数の増加に起因し、半導体基板表面において第２レーザ光の反射または吸収が増加することを抑制し、効率よく半導体基板内のドーパントを活性化させることができる。 In the above configuration, the optical system irradiates the semiconductor substrate with the first laser light having a small penetration length into the semiconductor substrate out of the laser light after the second laser light having a large penetration length into the semiconductor substrate. It can be configured. According to this configuration, after the second laser beam heats the deep region of the semiconductor substrate, the vicinity of the surface of the semiconductor substrate is heated. For this reason, it is possible to suppress an increase in reflection or absorption of the second laser light on the surface of the semiconductor substrate due to an increase in reflectance and absorption coefficient accompanying the temperature rise of the semiconductor substrate surface caused by irradiation with the first laser light, The dopant in the semiconductor substrate can be activated efficiently.

上記構成において、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光との前記半導体基板への照射時間の差は２５μ秒以下である構成とすることができる。 In the above configuration, a difference in irradiation time of the first laser beam and the second laser beam to the semiconductor substrate may be 25 μsec or less.

上記構成において、前記第１レーザ光を出射する連続発振レーザは固体レーザの２倍波であり、前記第２レーザ光を出射する連続発振レーザは半導体レーザである構成とすることができる。 In the above configuration, the continuous wave laser that emits the first laser beam may be a double wave of a solid-state laser, and the continuous wave laser that emits the second laser beam may be a semiconductor laser.

上記構成において、前記走査部は、前記第１および第２レーザ光を、前記半導体基板表面上の走査方向に走査させ、前記第１および第２レーザ光の前記半導体基板表面でのそれぞれのレーザビームスポットの中心位置を結ぶ方向が、前記走査方向に直交する方向に交差するように、前記第１および第２レーザ光を前記半導体基板表面に照射する構成とすることができる。この構成によれば、第１レーザ光および第２レーザ光の半導体基板への照射時間の差を簡単に設けることができる。 In the above configuration, the scanning unit scans the first and second laser beams in the scanning direction on the surface of the semiconductor substrate, and the respective laser beams of the first and second laser beams on the surface of the semiconductor substrate. The surface of the semiconductor substrate may be irradiated with the first and second laser beams such that a direction connecting the center positions of the spots intersects a direction orthogonal to the scanning direction. According to this configuration, it is possible to easily provide a difference in the irradiation time of the first laser beam and the second laser beam to the semiconductor substrate.

上記構成において、前記走査部は、ステージを回転させる第１走査部と、前記第１および第２レーザ光をステージの回転の半径方向に移動する第２走査部と、を有する構成とすることができる。 In the above configuration, the scanning unit includes a first scanning unit that rotates the stage, and a second scanning unit that moves the first and second laser beams in the radial direction of the rotation of the stage. it can.

上記構成において、複数の連続発振レーザのうち少なくとも１つ連続発振レーザと同じ波長のレーザ光を出射する別の連続発振レーザを具備し、前記光学系は、前記少なくとも１つ連続発振レーザが出射するレーザ光と前記別の連続発振レーザが出射する別のレーザ光との前記半導体基板表面でのそれぞれのレーザビームスポットの中心位置を結ぶ方向が、前記レーザ光が前記半導体基板表面において走査される方向に対し交差するように前記レーザ光を前記半導体基板表面に照射する構成とすることができる。この構成によれば、レーザアニールのスループット向上が可能になる。 In the above configuration, at least one of the plurality of continuous wave lasers includes another continuous wave laser that emits laser light having the same wavelength as that of the continuous wave laser, and the optical system emits the at least one continuous wave laser. The direction in which the center position of each laser beam spot on the surface of the semiconductor substrate between the laser beam and another laser beam emitted from the another continuous wave laser is a direction in which the laser beam is scanned on the semiconductor substrate surface The surface of the semiconductor substrate can be irradiated with the laser beam so as to intersect with the semiconductor substrate. According to this configuration, the throughput of laser annealing can be improved.

本発明は、半導体基板に注入されたドーパントを活性化するレーザアニール装置であって、同じ波長のレーザ光を出射する複数の連続発振レーザと、前記レーザ光の前記半導体表面でのそれぞれのレーザビームスポットの中心位置を結ぶ方向が前記半導体基板表面において前記レーザ光が走査される方向に対し交差するように前記レーザ光を前記半導体基板表面に照射する光学系と、具備することを特徴とするレーザアニール装置である。本発明によれば、レーザアニールのスループット向上が可能になる。 The present invention is a laser annealing apparatus for activating a dopant implanted into a semiconductor substrate, wherein a plurality of continuous wave lasers emitting laser light of the same wavelength, and respective laser beams of the laser light on the semiconductor surface An optical system for irradiating the surface of the semiconductor substrate with the laser beam such that a direction connecting the center positions of the spots intersects a direction in which the laser beam is scanned on the surface of the semiconductor substrate; An annealing device. According to the present invention, the throughput of laser annealing can be improved.

上記構成において、前記レーザ光の前記半導体基板表面でのレーザビームスポットの強度が前記レーザビームスポットの中心強度の１／ｅ^２となる径をビーム径としたとき、前記レーザ光の前記半導体表面でのそれぞれのレーザビームスポットの中心位置の間の距離は、ビーム径×０．７以下である構成とすることができる。 In the above configuration, when the diameter of the laser beam spot on the surface of the semiconductor substrate of the laser beam is 1 / e ² of the center intensity of the laser beam spot, the beam diameter is The distance between the center positions of the respective laser beam spots can be configured to be beam diameter × 0.7 or less.

本発明によれば、波長が異なるレーザ光の半導体基板への照射時間に差を設けることができる。これにより、半導体基板内のドーパントの活性化が十分に可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a difference in the irradiation time of the laser light having different wavelengths to the semiconductor substrate. Thereby, activation of the dopant in the semiconductor substrate becomes sufficiently possible.

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は実施例１に係るレーザアニール装置の上面図、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図である。図１および図２を参照に、台座４４および４６上に一軸ステージ４０および回転ステージ４２が配置されている。回転ステージ４２は、カバー５２内に設けられ、複数のウエハ７０（半導体基板）を保持することができる。一軸ステージ４０上には、第１レーザ１０ａおよび１０ｂ、第２レーザ２０、光学系３０並びに筐体５０が配置されている。光学系３０および筐体５０はカバー５４で覆われている。回転ステージ４２はウエハ７０を図１の矢印のように回転させることができる。一軸ステージ４０はレーザ光を図２の矢印で示した一軸方向に走査することができる。回転ステージ４２と一軸ステージ４０とを用いることにより、レーザ光をウエハ７０内の任意の領域に照射することができる。このように、回転ステージ４２および一軸ステージ４０は、第１レーザ光１２ａ、１２ｂおよび第２レーザ光２２を、ウエハ７０表面の走査方向に走査させる走査部として機能する。回転ステージ４２は、ウエハ７０を保持するステージを回転させる第１走査部として機能し、一軸ステージ４０は、第１レーザ光１２ａ、１２ｂおよび第２レーザ光２２をウエハ７０を保持するステージの回転の半径方向に移動する第２走査部として機能する。 FIG. 1 is a top view of the laser annealing apparatus according to the first embodiment, FIG. 2 (a) is a front view, and FIG. 2 (b) is a side view. Referring to FIGS. 1 and 2, a uniaxial stage 40 and a rotary stage 42 are arranged on pedestals 44 and 46. The rotary stage 42 is provided in the cover 52 and can hold a plurality of wafers 70 (semiconductor substrates). On the uniaxial stage 40, the first lasers 10a and 10b, the second laser 20, the optical system 30, and the casing 50 are arranged. The optical system 30 and the housing 50 are covered with a cover 54. The rotary stage 42 can rotate the wafer 70 as shown by the arrow in FIG. The uniaxial stage 40 can scan the laser beam in the uniaxial direction indicated by the arrow in FIG. By using the rotary stage 42 and the uniaxial stage 40, it is possible to irradiate an arbitrary region in the wafer 70 with laser light. As described above, the rotary stage 42 and the uniaxial stage 40 function as a scanning unit that scans the first laser beams 12 a and 12 b and the second laser beam 22 in the scanning direction of the surface of the wafer 70. The rotation stage 42 functions as a first scanning unit that rotates the stage that holds the wafer 70, and the uniaxial stage 40 rotates the stage that holds the wafer 70 with the first laser beams 12 a and 12 b and the second laser beam 22. It functions as a second scanning unit that moves in the radial direction.

筐体５０は第１レーザ１０ａおよび１０ｂ、光学系３０を覆っている。第１レーザ１０ａおよび１０ｂは、連続発振のＹＶＯ_４レーザであり、第２高調波である第１レーザ光１２ａおよび１２ｂを出射する。第２レーザ２０は半導体レーザであり、第２レーザ光２２を出射する。 The housing 50 covers the first lasers 10 a and 10 b and the optical system 30. The first lasers 10a and 10b are continuous wave YVO ₄ lasers and emit first laser beams 12a and 12b which are second harmonics. The second laser 20 is a semiconductor laser and emits a second laser beam 22.

光学系３０は整形光学系１４ａ、１４ｂ、偏光ビームスプリッタ３２、導光部２４、整形光学系２６、ダイクロイックミラー３１、ミラー３４およびレンズ３８を有している。図３は、光学系３０における第１レーザ光１２ａおよび１２ｂ、並びに第２レーザ光２２の伝搬路を示す図である。図１から図３を参照に、第１レーザ１０ａおよび１０ｂから出射された第１レーザ光１２ａおよび１２ｂは、それぞれミラー３４により偏光方向がお互いに直交する状態で偏光ビームスプリッタ３２に入射する。図３の第１レーザ光１２ａは図の奥行き方向に偏光し、第１レーザ光１２ｂは上下方向に偏光している。偏光ビームスプリッタ３２は、第１レーザ光１２ａおよび１２ｂを合成し第１レーザ光１２とする。第１レーザ光１２はミラー３４で反射され、ダイクロイックミラー３１に入射する。一方、第２レーザ２０から出射された第２レーザ光２２は導光部２４、整形光学系２６およびレンズ３８を介しダイクロイックミラー３１に入射する。ダイクロイックミラー３１は、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを合成する。第１レーザ光１２および第２レーザ光２２は、レンズ３８を介し半導体基板であるウエハ７０表面の照射位置７２に照射される。 The optical system 30 includes shaping optical systems 14a and 14b, a polarizing beam splitter 32, a light guide 24, a shaping optical system 26, a dichroic mirror 31, a mirror 34, and a lens 38. FIG. 3 is a diagram illustrating propagation paths of the first laser beams 12 a and 12 b and the second laser beam 22 in the optical system 30. 1 to 3, the first laser beams 12a and 12b emitted from the first lasers 10a and 10b are incident on the polarization beam splitter 32 in a state where the polarization directions thereof are orthogonal to each other by the mirror 34, respectively. The first laser beam 12a in FIG. 3 is polarized in the depth direction in the figure, and the first laser beam 12b is polarized in the vertical direction. The polarization beam splitter 32 combines the first laser beams 12 a and 12 b into the first laser beam 12. The first laser beam 12 is reflected by the mirror 34 and enters the dichroic mirror 31. On the other hand, the second laser light 22 emitted from the second laser 20 enters the dichroic mirror 31 via the light guide 24, the shaping optical system 26, and the lens 38. The dichroic mirror 31 combines the first laser beam 12 and the second laser beam 22. The first laser beam 12 and the second laser beam 22 are irradiated to an irradiation position 72 on the surface of the wafer 70 that is a semiconductor substrate through a lens 38.

制御部１００は、回転ステージ４２、一軸ステージ４０を制御し、第１レーザ光１２および第２レーザ光２２をウエハ７０表面の任意の領域を走査させることができる。また、第１レーザ１０ａ、１０ｂおよび第２レーザ２０を制御し、第１レーザ光１２ａ、１２ｂおよび第２レーザ光２２の強度を調整させることができる。 The control unit 100 can control the rotary stage 42 and the uniaxial stage 40 to cause the first laser beam 12 and the second laser beam 22 to scan an arbitrary region on the surface of the wafer 70. Further, the first lasers 10a and 10b and the second laser 20 can be controlled to adjust the intensities of the first laser beams 12a and 12b and the second laser beam 22.

図４は、半導体基板であるウエハ７０表面の照射位置７２に照射されたレーザ光のレーザビームスポットを示す図である。図４を参照に、ウエハ７０の表面に、第１レーザ光１２ａおよび１２ｂのそれぞれのレーザビームスポット８０ａおよび８０ｂ、第２レーザ光２２のレーザビームスポット８２が図示されている。矢印９０はウエハ７０の回転方向を示している。中心位置８４ａ，８４ｂおよび８６はそれぞれレーザビームスポット８０ａ、８０ｂおよび８２の中心位置である。走査方向Ｓは中心位置８４ａを基準とした走査方向、直交方向Ｑは、走査方向Ｓに直交する方向である。中心位置８４ａおよび８４ｂと中心位置８６を走査方向Ｓに投影した距離を距離Ｄ１、中心位置８４ａおよび８４ｂの距離を距離Ｄ２とする。便宜上、距離Ｄ１およびＤ２の原点を中心位置８４ａとし、図４の右向きを距離Ｄ１の正の向き。図４の下向きを距離Ｄ２の正の向きとする。なお、図４では中心位置８４ａと中心位置８４ｂとを結んだ直線が、走査方向Ｓと直交しているように描かれているが、直交していなくともよい。回転ステージ４２、一軸ステージ４０は、レーザビームスポット８０ａ、８０ｂおよび８２の中心位置間の相対位置関係を保持した状態で、各レーザ光１２ａ、１２ｂおよび２２をウエハ７０表面上で走査させる。 FIG. 4 is a diagram showing a laser beam spot of the laser beam irradiated to the irradiation position 72 on the surface of the wafer 70 which is a semiconductor substrate. Referring to FIG. 4, laser beam spots 80 a and 80 b of the first laser beams 12 a and 12 b and a laser beam spot 82 of the second laser beam 22 are illustrated on the surface of the wafer 70. An arrow 90 indicates the direction of rotation of the wafer 70. The center positions 84a, 84b and 86 are the center positions of the laser beam spots 80a, 80b and 82, respectively. The scanning direction S is a scanning direction based on the center position 84a, and the orthogonal direction Q is a direction orthogonal to the scanning direction S. A distance obtained by projecting the center positions 84a and 84b and the center position 86 in the scanning direction S is a distance D1, and a distance between the center positions 84a and 84b is a distance D2. For convenience, the origin of the distances D1 and D2 is the center position 84a, and the right direction in FIG. 4 is the positive direction of the distance D1. The downward direction in FIG. 4 is a positive direction of the distance D2. In FIG. 4, the straight line connecting the center position 84a and the center position 84b is drawn so as to be orthogonal to the scanning direction S, but it is not necessary to be orthogonal. The rotary stage 42 and the uniaxial stage 40 scan the respective laser beams 12a, 12b and 22 on the surface of the wafer 70 while maintaining the relative positional relationship between the center positions of the laser beam spots 80a, 80b and 82.

図４のように、光学系３０が、連続発振光である第１レーザ光１２および第２レーザ光２２を、それぞれのレーザビームスポット８０および８２の中心位置が異なるようにウエハ７０に照射する。これにより、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを時間差を設けウエハ７０表面に照射することができる。 As shown in FIG. 4, the optical system 30 irradiates the wafer 70 with the first laser light 12 and the second laser light 22, which are continuous wave lights, so that the center positions of the laser beam spots 80 and 82 are different. Thereby, the first laser beam 12 and the second laser beam 22 can be irradiated to the surface of the wafer 70 with a time difference.

半導体基板への侵入長が異なる第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを照射し半導体基板を熱処理することにより、特許文献１に記載のように半導体基板の深さ方向の温度分布を制御することができる。特に、半導体装置の能動層が形成された面と反対の面にイオン注入されたドーパントを活性化させる場合、能動層の温度は一定温度以下とすることが求められる。よって、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを照射し半導体基板内の温度分布を制御することが好ましい。 As described in Patent Document 1, the temperature distribution in the depth direction of the semiconductor substrate is controlled by irradiating the semiconductor substrate with the first laser beam 12 and the second laser beam 22 having different penetration lengths into the semiconductor substrate. can do. In particular, when the dopant ion-implanted into the surface opposite to the surface where the active layer of the semiconductor device is formed is activated, the temperature of the active layer is required to be a certain temperature or lower. Therefore, it is preferable to control the temperature distribution in the semiconductor substrate by irradiating the first laser beam 12 and the second laser beam 22.

図５は、シリコン基板にＰを３ＭｅＶのイオンエネルギーでイオン注入したウエハ７０をレーザアニール装置を用い熱処理した後のシート抵抗を示す図であり、距離Ｄ１に対するシート抵抗を示している。第１レーザ１０ａおよび１０ｂであるＹＶＯ_４レーザの波長は５３２ｎｍ、出力は１８Ｗ、第２レーザ２０である半導体レーザの波長は８０５ｎｍ、出力は１６Ｗ、距離Ｄ２は１０μｍ、走査速度は３００ｍ／分である。シート抵抗Ｒｓｐは走査方向Ｓに平行方向のシート抵抗、シート抵抗Ｒｓｑは走査方向に直交する方向Ｑのシート抵抗である。距離Ｄ１を０．０６２５ｍｍ間隔で振りウエハ７０を熱処理した。図５における距離Ｄ１の正負の定義は図４で定義したものと同一である。したがって、距離Ｄ１が正の領域では第２レーザ光２２は第１レーザ光１２ａおよび１２ｂより先に照射される。 FIG. 5 is a diagram showing the sheet resistance after heat-treating a wafer 70 in which P is ion-implanted into the silicon substrate with an ion energy of 3 MeV using a laser annealing apparatus, and shows the sheet resistance with respect to the distance D1. The wavelength of the YVO ₄ laser that is the first lasers 10a and 10b is 532 nm, the output is 18 W, the wavelength of the semiconductor laser that is the second laser 20 is 805 nm, the output is 16 W, the distance D2 is 10 μm, and the scanning speed is 300 m / min. . The sheet resistance Rsp is a sheet resistance in a direction parallel to the scanning direction S, and the sheet resistance Rsq is a sheet resistance in a direction Q orthogonal to the scanning direction. The wafer 70 was heat-treated by swinging the distance D1 at intervals of 0.0625 mm. The definition of positive and negative of the distance D1 in FIG. 5 is the same as that defined in FIG. Therefore, in the region where the distance D1 is positive, the second laser beam 22 is irradiated before the first laser beams 12a and 12b.

図５を参照に、距離Ｄ１が０以上かつ０．１２５ｍｍ以下ではシート抵抗を測定することができた。一方距離Ｄ１が−０．０６２５ｍｍおよび０．１８２５ｍｍでは、シート抵抗が高すぎシート抵抗を測定することができなかった。このように、第２レーザ光２２を第１レーザ光１２ａおよび１２ｂより先に照射することにより、シリコン基板内のドーパントの活性化率を高くできることがわかった。 Referring to FIG. 5, the sheet resistance could be measured when the distance D1 was 0 or more and 0.125 mm or less. On the other hand, when the distance D1 was −0.0625 mm and 0.1825 mm, the sheet resistance was too high to measure the sheet resistance. Thus, it turned out that the activation rate of the dopant in a silicon substrate can be made high by irradiating the 2nd laser beam 22 ahead of the 1st laser beams 12a and 12b.

次に、上記理由について説明する。図６は、シリコン内への光の侵入長を波長に対し示した図である。侵入長とは光強度が１／ｅとなる距離である。図６を参照に、ＹＶＯ_４レーザの第２高調波光（第１レーザ光）の侵入長は約１μｍである。一方、半導体レーザ光（第２レーザ光）の侵入長は２０〜３０μｍである。先に侵入長の短い第１レーザ光が半導体基板に照射されると、半導体基板表面が溶融し、半導体基板表面が金属的になり反射率および吸収係数が増す。その結果、その後、第２レーザ光を半導体基板に照射しても半導体基板の表面で第２レーザ光が反射または吸収され、半導体基板の内部まで第２レーザ光が到達し難くなる。これにより、半導体基板の深い領域にあるドーパントの活性化が抑制されてしまう。 Next, the reason will be described. FIG. 6 is a diagram showing the penetration depth of light into silicon with respect to wavelength. The penetration depth is a distance at which the light intensity is 1 / e. Referring to FIG. 6, the penetration length of the second harmonic light (first laser light) of the YVO ₄ laser is about 1 μm. On the other hand, the penetration length of the semiconductor laser light (second laser light) is 20 to 30 μm. When the first laser beam having a short penetration length is irradiated onto the semiconductor substrate first, the surface of the semiconductor substrate is melted, the surface of the semiconductor substrate becomes metallic, and the reflectance and absorption coefficient increase. As a result, even if the semiconductor laser substrate is irradiated with the second laser beam thereafter, the second laser beam is reflected or absorbed by the surface of the semiconductor substrate, and the second laser beam hardly reaches the inside of the semiconductor substrate. Thereby, activation of the dopant in the deep region of the semiconductor substrate is suppressed.

そこで、光学系３０は、半導体基板であるウエハ７０への侵入長が小さい第１レーザ光１２ａおよび１２ｂを半導体基板への侵入長が大きい第２レーザ光２２より後に半導体基板に照射する。これにより、第２レーザ光２２が半導体基板の深い領域を加熱した後、半導体基板の表面付近が加熱されるため、第２レーザ光２２が半導体基板の表面で反射または吸収されることを抑制し、効率よく半導体基板内のドーパントを活性化させることができる。 Therefore, the optical system 30 irradiates the semiconductor substrate with the first laser beams 12a and 12b having a small penetration length into the wafer 70 which is a semiconductor substrate after the second laser beam 22 having a large penetration length into the semiconductor substrate. Thereby, after the second laser beam 22 heats a deep region of the semiconductor substrate, the vicinity of the surface of the semiconductor substrate is heated, so that the second laser beam 22 is prevented from being reflected or absorbed by the surface of the semiconductor substrate. The dopant in the semiconductor substrate can be activated efficiently.

図５のように、距離Ｄ１は０〜０．１２５ｍｍが好ましい。走査速度は３００ｍ／分であるから、第１レーザ光１２ａおよび１２ｂと第２レーザ光２２との半導体基板への照射時間の差は２５μ秒以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 5, the distance D1 is preferably 0 to 0.125 mm. Since the scanning speed is 300 m / min, the difference in irradiation time of the first laser beams 12a and 12b and the second laser beam 22 to the semiconductor substrate is preferably 25 μsec or less.

光学系３０は、第１レーザ光１２ａ、１２ｂおよび第２レーザ光２２の半導体基板表面でのレーザビームスポットの中心位置８４ａ、８４ｂおよび８６が走査方向Ｓに直交する方向Ｑに交差するように、第１および第２レーザ光をウエハ７０に照射する。これにより、第１レーザ光１２ａおよび１２ｂと第２レーザ光２２との半導体基板への照射時間の差を簡単に設けることができる。 The optical system 30 is configured so that the center positions 84a, 84b and 86 of the laser beam spots on the semiconductor substrate surface of the first laser beams 12a and 12b and the second laser beam 22 intersect in a direction Q perpendicular to the scanning direction S. The wafer 70 is irradiated with first and second laser beams. Thereby, the difference of the irradiation time to the semiconductor substrate of the 1st laser beams 12a and 12b and the 2nd laser beams 22 can be provided easily.

このように、光学系３０は、第１レーザ光１２ａ、１２ｂおよび第２レーザ光２２を、半導体基板表面でのレーザビームスポットの中心位置が異なるように半導体基板に照射することにより、第１レーザ光１２ａおよび１２ｂと第２レーザ光２２との半導体基板への照射時間の差を設けることができる。 As described above, the optical system 30 irradiates the semiconductor substrate with the first laser beams 12a and 12b and the second laser beam 22 so that the center positions of the laser beam spots on the surface of the semiconductor substrate are different. A difference in irradiation time to the semiconductor substrate between the lights 12a and 12b and the second laser light 22 can be provided.

実施例１では、第１レーザ１０ａおよび１０ｂを２台用いているが、第１レーザは１台または３台以上でもよい。また、第１レーザとしてはＹＶＯ_４レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ等の固体レーザの２次高調波を用いることが好ましい。これにより、第１レーザ光として波長が５００ｎｍ程度のレーザ光を用いることができる。また、第２レーザ２０としては半導体レーザを用いることが好ましい。これにより、第２レーザ光として波長が８００ｎｍ程度の光を用いることができる。 In the first embodiment, two first lasers 10a and 10b are used, but one or three or more first lasers may be used. The first laser is preferably a second harmonic of a solid laser such as a YVO ₄ laser, a YAG laser, or a YLF laser. Thereby, a laser beam having a wavelength of about 500 nm can be used as the first laser beam. Further, it is preferable to use a semiconductor laser as the second laser 20. Thereby, light having a wavelength of about 800 nm can be used as the second laser light.

次に、第２レーザを考えず、２つの第１レーザ光１２ａおよび１２ｂを考える。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、それぞれ、第１レーザ光が1つの場合、図４において距離Ｄ２＝０．５×Ｂ（ビーム径）の場合、距離Ｄ２＝０．６×Ｂの場合および距離Ｄ２＝０．７×Ｂの場合のレーザビームスポット８０ａおよび８０ｂの光のパワー強度分布を鳥瞰図で示した図である。また、図８（ａ）〜図８（ｄ）は、それぞれ、第１レーザ光が1つの場合、距離Ｄ２＝０．５×Ｂの場合、距離Ｄ２＝０．６×Ｂの場合および距離Ｄ２＝０．７×Ｂの場合のパワー強度分布を等高線で示した図である。ここで、図７（ａ）および図８（ａ）を参照に、ビーム径Ｂは第１レーザ光１２ａまたは１２ｂの半導体基板表面でのレーザビームスポット８０ａまたは８０ｂの強度がレーザビームスポット８０ａまたは８０ｂの中心強度の１／ｅ^２となる径である。有効アニール範囲Ｒは、ビーム強度が一定以上となる範囲である。有効アニール範囲の外側間の範囲が外側有効アニール範囲Ｒｏである。レーザビームスポットにおいて、パワー強度の最大値がピーク強度Ｐｔである。ピーク強度Ｐｔとなる位置は、レーザビームスポットのほぼ中心位置である。 Next, the first laser beams 12a and 12b are considered without considering the second laser. 7 (a) to 7 (d), respectively, in the case where there is one first laser beam, in the case where the distance D2 = 0.5 × B (beam diameter) in FIG. 4, the distance D2 = 0.6 × B. FIG. 5 is a bird's eye view showing the power intensity distribution of the light beams of the laser beam spots 80a and 80b in the case of FIG. 8A to 8D show the case where there is one first laser beam, the distance D2 = 0.5 × B, the distance D2 = 0.6 × B, and the distance D2, respectively. It is the figure which showed the power intensity distribution in the case of = 0.7 * B with the contour line. Here, referring to FIG. 7A and FIG. 8A, the beam diameter B is the intensity of the laser beam spot 80a or 80b on the semiconductor substrate surface of the first laser beam 12a or 12b, and the laser beam spot 80a or 80b. It is a diameter which becomes 1 / e ² of the center strength of. The effective annealing range R is a range where the beam intensity becomes a certain level or more. The range between the outside of the effective annealing range is the outside effective annealing range Ro. In the laser beam spot, the maximum value of the power intensity is the peak intensity Pt. The position where the peak intensity Pt is obtained is almost the center position of the laser beam spot.

図７（ｂ）および図８（ｂ）を参照に、２つの第１レーザ光１２ａおよび１２ｂを用いそれぞれのレーザビームスポット８０ａおよび８０ｂの中心位置８４ａおよび８４ｂ距離Ｄ２を０．５×Ｂとすると、ピーク強度Ｐｔは大きくなり、外側有効アニール範囲Ｒｏも広くなる。図７（ｃ）および図８（ｃ）を参照に、距離Ｄ２を０．６×Ｂとすると、ピークが２つ現れる。ビーム中央部のビームパワー強度Ｐｃはピーク強度Ｐｔより小さくなる。外側有効アニール範囲Ｒｏはさらに広くなる。図７（ｄ）および図８（ｄ）を参照に、距離Ｄ２を０．７×Ｂとすると、ビーム中央部のビームパワー強度Ｐｃはさらに小さくなる。これにより、有効アニール範囲Ｒ１およびＲ２は２つに分かれる。外側の有効アニール範囲Ｒ１およびＲ２間の距離が外側有効アニール範囲Ｒｏであり、内側の有効アニール範囲Ｒ１およびＲ２間の距離が内側有効アニール範囲Ｒｉである。 Referring to FIG. 7B and FIG. 8B, when the two first laser beams 12a and 12b are used and the center positions 84a and 84b of the laser beam spots 80a and 80b are set to a distance D2 of 0.5 × B, respectively. The peak intensity Pt increases and the outer effective annealing range Ro also increases. Referring to FIGS. 7C and 8C, when the distance D2 is 0.6 × B, two peaks appear. The beam power intensity Pc at the center of the beam is smaller than the peak intensity Pt. The outer effective annealing range Ro is further increased. Referring to FIGS. 7D and 8D, when the distance D2 is 0.7 × B, the beam power intensity Pc at the center of the beam is further reduced. Thereby, the effective annealing ranges R1 and R2 are divided into two. The distance between the outer effective annealing ranges R1 and R2 is the outer effective annealing range Ro, and the distance between the inner effective annealing ranges R1 and R2 is the inner effective annealing range Ri.

図９は、パワー強度Ｐｔ、Ｐｃ、ビーム径で規格化した有効アニール範囲ＲｏおよびＲｉをビーム径Ｂで規格化したビームずらし量（距離Ｄ２）に対し示した図である。距離Ｄ２＝０の点はレーザ光が１つの場合を示しており、このときのパワー強度をＰ０、有効アニール範囲をＲ０とする。距離Ｄ２が大きくなると、外側有効アニール範囲Ｒｔは大きくなる。例えば距離Ｄ２が０．６の場合、ビーム強度ＰｔまたはＰｃはＰ０とほぼ同じである。一方、外側有効アニール範囲ＲｏはＲ０の３倍以上にある。このように、同一波長の第１レーザ光１２ａおよび１２ｂの半導体基板表面でのそれぞれのレーザビームスポットの中心位置８４ａおよび８４ｂを結ぶ方向が、走査方向Ｓに対し交差するように第１レーザ光１２ａおよび１２ｂを半導体基板表面に照射する。これにより、１台の第１レーザ１０ａまたは１０ｂを用い場合に比べ、３倍以上の有効アニール範囲Ｒを得られる。よって、レーザアニールのスループット向上が可能になる。 FIG. 9 is a diagram showing the effective annealing ranges Ro and Ri normalized by the power intensities Pt and Pc and the beam diameter with respect to the beam shift amount (distance D2) normalized by the beam diameter B. The point of distance D2 = 0 indicates the case where there is one laser beam, and the power intensity at this time is P0 and the effective annealing range is R0. As the distance D2 increases, the outer effective annealing range Rt increases. For example, when the distance D2 is 0.6, the beam intensity Pt or Pc is almost the same as P0. On the other hand, the outer effective annealing range Ro is more than three times R0. As described above, the first laser beam 12a has a direction in which the center positions 84a and 84b of the respective laser beam spots of the first laser beams 12a and 12b having the same wavelength on the surface of the semiconductor substrate intersect with the scanning direction S. And 12b are irradiated to the surface of the semiconductor substrate. As a result, an effective annealing range R that is three times or more that of the case where one first laser 10a or 10b is used can be obtained. Therefore, the throughput of laser annealing can be improved.

図９のように、ピーク強度Ｐｔとして、パワー強度Ｐ０を得るためには、距離Ｄ２は、ビーム径×０．７以下であることが好ましい。さらに、中央部のパワー強度ＰｃがＰ０のパワー強度を得るためには距離Ｄ２は、ビーム径×０．６以下であることが好ましい。さらに、距離Ｄ２はビーム径×０．５以下であることがより好ましい。 As shown in FIG. 9, in order to obtain the power intensity P0 as the peak intensity Pt, the distance D2 is preferably beam diameter × 0.7 or less. Further, in order to obtain a power intensity with a power intensity Pc at the center of P0, the distance D2 is preferably beam diameter × 0.6 or less. Further, the distance D2 is more preferably beam diameter × 0.5 or less.

以上は、第２レーザ光２２を考えない場合について説明したが、実施例１のように、第２レーザ２０を用いてもよい。すなわち、レーザアニール装置は、第１レーザ１０ａおよび第２レーザ２０（複数の連続発振レーザ）のうち少なくとも１つの連続発振レーザ（第１レーザ１０ａ）と同じ波長のレーザ光を出射する別の連続発振レーザ（第１レーザ１０ｂ）を有していてもよい。 The case where the second laser beam 22 is not considered has been described above, but the second laser 20 may be used as in the first embodiment. In other words, the laser annealing apparatus emits another continuous wave laser beam having the same wavelength as that of at least one continuous wave laser (first laser 10a) among the first laser 10a and the second laser 20 (a plurality of continuous wave lasers). You may have a laser (1st laser 10b).

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

図１は実施例１に係るレーザアニール装置の上面図である。FIG. 1 is a top view of the laser annealing apparatus according to the first embodiment. 図２（ａ）は実施例１に係るレーザアニール装置の正面図であり、図２（ｂ）は側面図（ステージ等不図示）である。FIG. 2A is a front view of the laser annealing apparatus according to the first embodiment, and FIG. 2B is a side view (not shown). 図３は光学系の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of the optical system. 図４は半導体基板表面のレーザビームスポットを示す上面図である。FIG. 4 is a top view showing a laser beam spot on the surface of the semiconductor substrate. 図５は距離Ｄ１に対するシート抵抗を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the sheet resistance with respect to the distance D1. 図６はシリコン内への光の侵入長を波長に対し示した図である。FIG. 6 is a diagram showing the penetration depth of light into silicon with respect to wavelength. 図７（ａ）から図７（ｄ）はパワー強度を示す鳥瞰図である。FIG. 7A to FIG. 7D are bird's-eye views showing power intensity. 図８（ａ）から図８（ｄ）はパワー強度を示す上面図である。FIG. 8A to FIG. 8D are top views showing power intensity. 図９はビームずらし量に対する有効ビーム幅およびパワー強度を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the effective beam width and power intensity with respect to the beam shift amount.

Explanation of symbols

１０ａ、１０ｂ第１レーザ
１２ａ、１２ｂ第１レーザ光
２０第２レーザ
２２第２レーザ光
３０光学系
４０一軸ステージ
４２回転ステージ
７０ウエハ
８０ａ、８０ｂ第１レーザ光のレーザビームスポット
８２第２レーザ光のレーザビームスポット
８４ａ、８４ｂ第１レーザ光の中心位置
８６第２レーザ光の中心位置 10a, 10b 1st laser 12a, 12b 1st laser beam 20 2nd laser 22 2nd laser beam 30 Optical system 40 Uniaxial stage 42 Rotating stage 70 Wafer 80a, 80b Laser beam spot of 1st laser beam 82 2nd laser beam Laser beam spot 84a, 84b Center position of first laser beam 86 Center position of second laser beam

Claims

A laser annealing apparatus for activating a dopant implanted into a semiconductor substrate,
A plurality of continuous wave lasers each emitting laser light having different wavelengths;
An optical system for irradiating the semiconductor substrate with each laser beam having a different wavelength so that a center position of a laser beam spot on the surface of the semiconductor substrate is different;
A scanning unit that scans the laser beam on the surface of the semiconductor substrate while maintaining a relative positional relationship between the center positions of the laser beam spots;
A laser annealing apparatus comprising:

The optical system irradiates the semiconductor substrate with a first laser beam having a small penetration length into the semiconductor substrate out of the laser beam after a second laser beam having a large penetration length into the semiconductor substrate. The laser annealing apparatus according to claim 1.

3. The laser annealing apparatus according to claim 2, wherein a difference in irradiation time of the first laser beam and the second laser beam to the semiconductor substrate is 25 μsec or less.

The continuous wave laser that emits the first laser beam is a double wave of a solid-state laser,
4. The laser annealing apparatus according to claim 2, wherein the continuous wave laser emitting the second laser beam is a semiconductor laser.

The scanning unit scans the first and second laser beams in a scanning direction on the surface of the semiconductor substrate,
The first and second laser beams are arranged so that the direction connecting the center positions of the respective laser beam spots on the semiconductor substrate surface of the first and second laser beams intersects the direction orthogonal to the scanning direction. The laser annealing apparatus according to claim 2, wherein the semiconductor substrate surface is irradiated.

The scanning unit includes: a first scanning unit that rotates a stage; and a second scanning unit that moves the first and second laser beams in a radial direction of rotation of the stage. The laser annealing apparatus according to claim 5.

Another continuous wave laser that emits laser light having the same wavelength as that of at least one of the continuous wave lasers;
The optical system connects a laser beam emitted from the at least one continuous wave laser and another laser beam emitted from the other continuous wave laser to a center position of each laser beam spot on the semiconductor substrate surface. 7. The laser according to claim 1, wherein the laser beam is applied to the surface of the semiconductor substrate so that the laser beam intersects a scanning direction on the surface of the semiconductor substrate. Annealing equipment.

A laser annealing apparatus for activating a dopant implanted into a semiconductor substrate,
A plurality of continuous wave lasers emitting laser light of the same wavelength;
Irradiating the surface of the semiconductor substrate with the laser beam so that the direction connecting the center positions of the respective laser beam spots on the semiconductor surface of the laser beam intersects the scanning direction of the laser beam on the surface of the semiconductor substrate. An optical system to
A laser annealing apparatus comprising:

When the diameter at which the intensity of the laser beam spot on the semiconductor substrate surface of the laser beam is 1 / e ² of the center intensity of the laser beam spot is defined as the beam diameter,
9. The laser annealing apparatus according to claim 8, wherein the distance between the center positions of the respective laser beam spots on the semiconductor surface of the laser beam is equal to or less than beam diameter × 0.7.