JP2011119297A - レーザアニール装置およびレーザアニール方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱容量の大きな厚いシリコンウエハなどの基板において不純物の活性化処理などの熱処理をレーザアニールにより効果的に行うことを可能にする。
【解決手段】基板３０表面を熱処理するレーザアニール装置１であって、立ち上がり時間が緩やかでパルス幅の長いパルスレーザを発生するパルス発振レーザ光源１０と、アニールをアシストする近赤外レーザを発生する連続発振レーザ光源２０と、前記２種類のレーザのビーム１５、２５をそれぞれ整形して前記基板３０表面に照射するべく導く光学系１２、２２と、前記基板３０と前記レーザビーム１５、２５を相対的に移動させて前記２種類のレーザビームの複合照射の走査を可能にする移動装置３を備え、光侵入長と熱拡散長を十分に確保して熱容量の大きな厚い半導体基板における不純物を深くまで活性化できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワーデバイスＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の裏面にイオン注入された不純物の活性化やウエハ表層内の結晶欠陥を取り除いて結晶を回復させる処理などに使用されるレーザアニール装置およびレーザアニール方法に関するものである。
パワーデバイスＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）には独自の裏面工程（薄ウエハプロセス）がある。表面工程後、ウエハの裏面を薄く研削してイオン注入し、その不純物を活性化する熱処理では、半導体基板にレーザ光を照射して表面を加熱し、その昇温によって熱処理を行う。
このような熱処理では、活性化が良好になされるように、基板のある程度の深さ位置まで効果的に加熱されるのが望ましい。しかし、従来用いられているレーザは、立ち上がり時間が短くパルス幅（パルスの半値幅）が狭いため、光侵入長および加熱時間が短く、十分な活性化を行うことが難しい。そのため、複数のパルスを連続して照射し、見かけ上のパルス幅を広げて活性化する方法や波長の異なるレーザを組み合わせて光侵入長を深くする２波長レーザでの活性化方法が提案されている。
例えば、２波長、すなわち短い波長と長い波長のＣＷ（連続発振）レーザで、浅いイオン注入層と深いイオン注入層の活性化を担わせる活性化技術が提案されている（特許文献１参照）。
この技術では、ＣＷ型ＬＤ（波長≦９００ｎｍ）とＣＷ型ＹＡＧレーザの高調波レーザ（波長≧３７０ｎｍ）を同じ基板面に同時照射し、各レーザビームの照射時間（ビーム走査速度とビームサイズで決まる）を制御することで深さ方向の温度分布を制御して深い活性化を実現している。不純物注入層の浅い部分は短い波長の固体レーザで活性化し、深い部分は半導体レーザで活性化する。
また、ダブルパルスレーザアニール装置を使って、浅い注入不純物層は溶融状態で、深い注入不純物層は非溶融状態で活性化する技術が提案されている（非特許文献１、２参照）。
この技術に係るダブルパルスレーザアニール装置は、深いｐｎ接合を活性化するために２台のグリーンパルスレーザを使って、１００ｎｓレベルの短いパルス幅を持つ２つのレーザパルスの間に遅延時間を設けて、擬似的にパルス幅を長くしてアニール時間を稼いでいる。その遅延時間を最適化することで、浅いボロンの注入層と深いリンの注入層を一括して活性化する。活性化深さは１．８μｍに達しており、高い活性化率が得られている。このｐｎ接合の活性化プロセスは、先ずは深いリン注入層が固相状態で結晶回復して、次に結晶回復したリン層が種結晶となり浅いボロン注入層が液相エピタキシャル成長して、固相から液相へと段階的に進められる。
また、２波長のレーザを組み合わせてイオン注入で形成したアモルファス層を溶融状態で活性化する技術が提案されている（非特許文献３参照）。
この技術は、赤外波長１０６０ｎｍ（パルス幅４０ｎｓ）とグリーン波長５３０ｎｍ（パルス幅３０ｎｓ）の２波長のレーザを同時に照射して、先ずグリーン波長のパルスレーザでＡｓイオン（３０ｋｅＶ、Ｅ＋１５／ｃｍ２）を注入したアモルファス層（４８ｎｍ）の表面を浅く溶融し、次に赤外波長の吸収を高めて、赤外波長のパルスレーザでアモルファス層全体を溶融する溶融活性化方法である。グリーンパルスレーザは赤外パルスレーザの光吸収のトリガー的な役割を担っている。
国際公開第２００７／０１５３８８号公報
Toshio Kudo and Naoki Wakabayashi、"PN Junction Formation for High-Performance Insulated Gate Bipolar Transistors(IGBT) Double-Pulsed Green Laser Annealing Technique"、Mater Res. Soc. Symp. Proc．、Material reserch Society、Ｖｏｌ９１２、２００６ 工藤利雄著、"ダブルパルス制御方式の固体レーザアニール技術"、ハイパワートランジスターの裏面活性化プロセスへの応用、レーザ加工学会誌、ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、２００７年５月 D.H.Auston and J.A.Golovchenko、"Dual-wavelength laser annealing"、Appl.Phys.Lett.、３４、（１９７９）５５８．
特許文献１に示されるように、波長の長いＣＷレーザを組み合わせることで、長波長の光侵入長を有効に活用できる。しかしながら、例えば波長８０５ｎｍのレーザ照射では室温（３００°Ｋ）の光侵入長Ｌα＝１０．７μｍ、１０００°ＫでＬα＝２．１μｍとなり、融点近くでは更に光侵入長は短くなる。長波長レーザ照射でも急激な温度上昇が伴えば、目標とする深い領域まで活性化温度を確保することが難しくなる。
また、非特許文献１、２に示されるように、２つのパルスレーザに遅延時間を設けて擬似的にパルス幅を長くしても、基板表面温度の急峻な上昇に伴ってフォノンによる光吸収が急激に大きくなり、光侵入長が急減することが避けられない。例えば、波長５１５ｎｍのグリーンレーザの照射の場合、光侵入長は室温（３００°Ｋ）でＬα＝０．７９μｍ、１０００°ＫでＬα＝０．１６μｍとなり、室温から１０００°Ｋの温度上昇で光侵入長は約１／５に急減する。特に表面が溶融する場合、光侵入長は８ｎｍと極端に浅くなり、しかも表面が溶融することで反射率が３６％から７２％と急増するため、レーザ光は深いところへの侵入が阻止され、照射エネルギーの損失を招く。それゆえ、急激な温度上昇による短時間での融点への到達は、目標とする深い領域まで活性化温度を確保するのを阻害する。
さらに、非特許文献３に示されるように、照射レーザの波長を長くすることで光侵入長をのばすことができる。その一方で、例えば、波長８０５ｎｍのレーザ照射では室温（３００°Ｋ）の光侵入Ｌα＝１０．７μｍ、１０００°ＫでＬα＝２．１μｍとなり、グリーンレーザと同様に、基板表面温度の上昇に伴って光侵入長は約１／５に急減する。しかし、光侵入長の観点から長波長の方が短波長より深い領域を活性化する上では有利である。但し、溶融状態で活性化する場合、光侵入長が８ｎｍと極端に浅くなることと反射率の急増によって照射エネルギーが損失することから、急激に温度上昇させ融点までの到達時間が短くなれば、やはり深い領域までの活性化温度の確保には不利である。
さらに、本願発明者はパルスレーザを用いた場合、熱容量の異なる厚いシリコンウエハ（例えば７２５μｍ）と薄いシリコンウエハ（例えば１５０μｍ）では活性化深さに顕著な差が現れることを確認している。すなわち、熱容量の大きな厚いシリコンウエハ（例えば７２５μｍ）では活性化温度が不十分で、例えば、２μｍを越える深い活性化が実現できない。
パワーデバイスＩＧＢＴの裏面のｌｏｗ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ（低温）活性化には、基板の熱容量の大小に拘わらず、目標とする活性化領域をカバーする光侵入長と熱拡散長の確保が重要であり、従来技術では、これに十分応えることができないという問題がある。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、熱容量の大きな厚いシリコンウエハにおいても光侵入長と熱拡散長を十分に確保して、不純物の活性化処理などの熱処理を効果的に行うことができるレーザアニール装置およびレーザアニール方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明のレーザアニール装置は、基板表面を熱処理するレーザアニール装置であって、立ち上がり時間が緩やかでパルス幅の長いパルスレーザを発生するパルス発振レーザ光源と、アニールをアシストする近赤外レーザを発生する連続発振レーザ光源と、前記２種類のレーザのビームをそれぞれ整形して前記基板表面に複合照射するべく導く光学系と、前記基板と前記レーザビームを相対的に移動させて前記２種類のレーザビーム照射の走査を可能にする移動装置とを備えることを特徴とする。
また、本発明のレーザアニール方法は、基板表面を熱処理するレーザアニール方法であって、パルス発振レーザ光源で発生させ整形した立ち上がり時間が緩やかでパルス幅の長いパルスレーザビームを前記基板に繰り返し重複照射するとともに、連続発振レーザ光源で発生させ整形した近赤外レーザビームを前記繰り返し重複照射する前記基板に複合照射して、これらレーザビームを走査しながら該基板の非照射側の温度上昇を抑制しつつ該基板の熱処理を行うことを特徴とする。
本願発明では、パルス発振レーザ光源で発生させて整形した立ち上がり時間が緩やかでパルス幅の長いパルスレーザビームと、連続発振レーザ光源で発生させて整形した近赤外レーザビームとを基板表面に複合照射してアニール処理を行う。近赤外レーザは、アニールをアシストして、深さ方向における熱拡散を十分にして、熱容量の大きな厚いシリコンウエハなどにおいても、不純物の活性化処理などの熱処理を効果的に行うことができる。
前記パルスレーザには、好適にはグリーンレーザを用いることができ、パルスレーザ発信器としては例えば、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を用いることができる。
また、本発明におけるパルスレーザは、一般的なパルスレーザに比べて立ち上がり時間が緩やかなパルス波形を有して基板に照射される。具体的には、例えば、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上であるパルス波形を有して前記基板に照射されるものが好適例として挙げられる。該立ち上がり時間は、１８０ｎｓ以上であるのがさらに望ましく、３００ｎｓ以上であるのが一層望ましい。
立ち上がりが緩やかなパルスレーザは、基板に照射された際に、照射初期の基板の温度の急激な上昇を抑え、該温度上昇に伴う光侵入長の急減を緩和できる。
本発明としては、立ち上がりが緩やかなレーザパルスを出力するレーザ光源が特定のものに限定されるものではないが、上記したように、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を搭載するものを好適例として示すことができる。
上記レーザパルスは、立ち上がり時間が緩やかだけでなく、パルス幅が長いことが必要とされる。具体的には、半値幅が６００ｎｓ以上のパルス波形を有して基板に照射されるものが望ましく、１０００ｎｓ以上であるのが一層望ましい。
パルスレーザのパルス幅をコントロールする（長くする）ことで、光侵入長に見合った熱拡散長を確保でき、low thermal budgetプロセス（低温活性化処理）などを有効に実現できる。
また、近赤外レーザは、連続発振レーザ光源で発生させたものであり、波長としては、６５０〜１１００ｎｍのものを例示することができる。好適には、６８０〜８２５ｎｍの波長を示すことができる。上記波長域では、基板に用いられる一般的な材料であるシリコンに対する光吸収がよく、上記パルスレーザよりも深い光侵入長が得られる。この結果、基板は、深い領域にまで予備加熱されてアシスト作用が効果的に得られる。
上記近赤外レーザは、連続発振レーザ光源で発生させたままで連続性を有する波形のものの他、一部でパワー密度が極小になる不連続部分を有するものであってもよい。この不連続部分は、パルスレーザのパルスと同じ周期で出現するものが望ましい。不連続部分は、連続部分よりも小さいパワー密度を有するものの他、パワー密度が０になるものであってもよい。不連続部分は、基板に与える熱量を調整して、基板全体が過度に加熱されるのを防止する。そして、不連続部分は、パルスレーザの一周期に対し、５０％以下に設定するのが望ましい。なお、不連続部分は、半導体レーザの電流制御などの方法によって設けることができる。
また、近赤外レーザによるアシスト温度は、基板表面上の材料融点を超えないように調整するのが望ましい。該調整は、例えば、近赤外レーザのパワー密度と前記走査速度とを制御することによって行うことができる。
本発明では、上記パルスレーザビームと、近赤外レーザビームとの複合照射によって、熱の逃げを緩和（小さく）し、活性化温度を増大させて、基板の非照射側の温度上昇を抑制しつつ基板の熱処理を行うことができる。
なお、近赤外レーザ照射後、基板表面温度が定常状態に達したときにパルスレーザビームを照射できるように遅延時間を設けて照射タイミングを制御するのが望ましい。近赤外レーザビームの照射によって基板表面温度が定常状態に達した後にパルスレーザビームを照射することで効果的に温度アシストを活用できる。
上記照射タイミングの制御は、制御部によって遅延時間をコントロールすることなどによって行うことができる。
本発明としては、近赤外レーザによるアニールアシスト作用が得られるものであればよく、パルスレーザビームにおける照射位置と、近赤外レーザの照射位置の関係が特定のものに限定されるものではない。したがって、近赤外レーザビームとパルスレーザビームの照射エリアとが、基板表面上で、一部または全部で重なるように、もしくは前記各ビームがそれぞれ重なることなく位置がずれて照射されるものであってもよい。
なお、照射エリアは、基板表面においてパルスレーザビームのエネルギー密度や近赤外レーザビームのパワー密度が、例えば９０％以上となるエリアとして示すことができる。
ただし、アシスト作用を効果的に得るためには、近赤外レーザビームの照射エリアが前記パルスレーザビームの照射エリアより大きいのが望ましく、さらに前記近赤外レーザビームの照射エリアが前記パルスレーザビームの照射エリアを覆うようにするのが一層望ましい。また、予備加熱としての作用を得るために、近赤外レーザビームの照射エリアの一部または全部が、少なくとも走査方向側において前記パルスレーザビームの照射エリアを越えて位置するのが望ましく、さらには、後加熱としての作用などを得るために、近赤外レーザビームの照射エリアが走査方向逆側において前記パルスレーザビームの照射エリアを越えているのがさらに一層望ましい。また、両レーザビームの照射エリアの位置関係は、走査方向と直交する方向に対し対称となっているのが望ましい。これにより走査方向を反転する際に、同じ位置関係が得られる。
すなわち、近赤外レーザビームの照射エリアは、パルスレーザビームの照射エリア全体を越える大きさを有しているのが望ましい。近赤外レーザビームの照射エリアをパルスレーザビームの照射エリアより広く取ることで、基板における横方向の熱の逃げを緩和でき、活性化温度の増大に寄与できる。
上記では、近赤外レーザビームのサイズ（断面サイズ）をパルスレーザビームのサイズ（断面サイズ）より大きくしなければならない。この場合、近赤外レーザのビームサイズは、少なくてもパルスレーザのビームサイズ＋最大熱拡散長（３００°Ｋ）が望ましい。近赤外レーザの最大ビームサイズは、パワー密度と基板の走査速度で決定されるアシスト温度が深い活性化に十分であるかどうかで決まる。但し、アシスト温度は、前記したように基板表面の材料（通常はシリコン）の融点より低くしなければならない。
また、上記パルスレーザビームの照射と近赤外レーザビームの照射とは基板上において同時期になされるようにするのが望ましい。したがって、両ビームは基板の所定位置に同時に照射されるものであってもよく、また、基板の所定位置に時間差を有して両ビームが照射されるものであってもよい。時間差を有する場合、近赤外レーザビームのアシスト作用がパルスレーザビームの照射において効果的に得られるように時間の差を設定する。すなわち、時間差をあまりに大きくすると、近赤外レーザビームのアシストの作用がパルスレーザビームの照射において十分に得られなくなる。アシスト作用を維持した上で上記時間差を有する照射も上記同時期の照射に含まれるものである。
なお、上記したビームのサイズや照射位置の関係は、光学系によって調整することができる。光学系は、ホモジナイザー、レンズ、ミラーなどの光学材料などを備え、レーザビームの整形や偏向などを行うものである。
また、本発明では、温度傾斜を小さくして、レーザ照射面の反対側の非照射面の温度上昇を抑制することができる。この際に、レーザ照射面に対向する非照射の基板面の温度上昇を２００℃以下に抑制するのが望ましく、さらに、１００℃以下に抑制するのが一層望ましい。
すなわち、本発明によれば、以下の効果がある。
１）パルスレーザビームに、温度アシストの近赤外レーザビームを付与することで、熱容量の大きな厚いシリコン基板にイオン注入された不純物を深い位置まで十分に活性化ができる。
２）パルスレーザビームに温度アシストの近赤外レーザビームを付与することで、パルスレーザの熱負荷を軽減でき、活性化に必要なエネルギー密度を軽減してビーム長を長くでき、したがって、照射の掃引速度を大きく取れるのでスループットを改善できる。
３）深い領域まで予備過熱ができるので潜在的に３μｍを越える深い活性化が可能である。
４）熱処理の主の役割はパルスレーザであり、近赤外レーザを温度アシストとして副の役割とすることで、基板の非照射側の温度上昇を例えば２００℃以下に抑制できる。また、近赤外レーザの一部に不連続部分を設けることで基板の非照射側の温度上昇を更に改善できる。
本発明の一実施形態のレーザアニール装置を示す概略図である。 同じく、基板表面におけるパルスレーザビームの照射エリアと近赤外レーザビームの照射エリアとを示す概略図である。 同じく、照射対象の一例であるパワーデバイスＩＧＢＴの断面構造の一例を示す概略図である。 本発明と従来例の立ち上がりが対照的なレーザパルス波形の模式図である。 同じく、ＬＤ励起固体レーザのパルス波形を示す図である。 同じく、立ち上がりが急峻なパルスレーザ照射と立ち上がりが緩慢なパルスレーザ照射による基板温度の時間変化を示す図である。 同じく、パルス波形における立ち上がり時間が平均光侵入長に及ぼす効果を示す図である。 同じく、近赤外レーザビームとパルスレーザビームとの照射タイミングを示す図である。 同じく、近赤外レーザビームとパルスレーザビームとの照射タイミングの変更例を示す図である。 同じく、本発明および参考例のレーザビーム照射による基板深さ方向の熱拡散を示す模式図である。 同じく、実施例における近赤外レーザビームとパルスレーザビームの基板上の照射エリアを示す概略図である。 同じく、実施例の複合レーザビームの照射による深さ方向のキャリア濃度分布プロファイルを示す図である。 比較例の単体パルスレーザビームの照射による深さ方向のキャリア濃度分布プロファイルを示す図である。
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
レーザアニール装置１は、図１に示すように、処理室２を備えており、該処理室２内にＸ−Ｙ方向に移動可能な移動装置３を備え、その上部に基台４を備えている。基台４上には、被処理体配置台５が設けられている。レーザアニール処理時には、該被処理体配置台５上に半導体基板３０が設置される。なお、移動装置３は、図示しないモータなどによって駆動される。
処理室２外部には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を搭載するパルス発振レーザ光源１０が設置されている。パルス発振レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビーム１５は、必要に応じて減衰器１１でエネルギー密度が調整され、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系１２でビーム整形や偏向がなされ、処理室２内の半導体基板３０に照射される。
パルス発振レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビーム１５は、立ち上がり時間の緩やかなパルス波形を有しており、好適には、立ち上がり時間（パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する時間）が１６０ｎｓ以上、半値幅が２００ｎｓ以上のパルス波形を有している。該レーザビームは、半導体基板３０に照射された際に、不純物層が非溶融状態を維持でき、融点付近まで表層を高温にできるエネルギー密度または、表層のみが溶融する状態が得られるエネルギー密度に調整されているのが望ましい。該パルスレーザビーム１５は、上記したように、光学系１２により例えばラインビーム形状に整形される。
また、処理室２外部には、近赤外レーザを発生するＬＤレーザ光源からなる連続発振レーザ光源２０が設置されている。連続発振レーザ光源２０から出力される近赤外レーザビーム２５は、必要に応じて減衰器２１でパワー密度が調整され、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系２２でビーム整形や偏向がなされ、処理室２内の半導体基板３０に照射される。該レーザビームは、半導体基板３０に照射されて走査される際に、半導体基板３０が融点に達しないパワー密度に調整されている。該近赤外レーザビーム２５は、上記したように、光学系２２により例えばラインビーム形状に整形され、そのサイズは、前記パルスレーザビーム１５のサイズよりも大きくなるように調整される。
図２（ａ）に示すように、近赤外レーザビーム２５が半導体基板３０に照射される際の照射エリア２５ａは、パルスレーザビーム１５が半導体基板３０に照射される際の照射エリア１５ａを覆い、かつ、そのエリア全体を越える大きさを有するように、前記光学系１２、２２により調整される。
ただし、本発明としては、各レーザビームの照射エリアの位置が上記に限定されるものではない。図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、照射エリア位置の変更例を示すものである。図２（ｂ）は、長手方向および走査方向において照射エリア２５ａは、照射エリア１５ａを超える大きさを有している。図２（ｃ）は、照射エリア２５ａが照射エリア１５ａを覆うことなく、両者の重なりがないものであり、照射エリア１５ａの走査方向側に照射エリア２５ａが位置して、隣接する照射エリアの端縁が互いに接している。図２（ｄ）は、照射エリア２５ａが照射エリア１５ａを覆うことなく、両者が重なることなく離反しているものである。ただし、両者は基板上で互いに近傍に照射される。
また、図２（ｅ）は、本発明外の照射状態を示すものであり、半導体基板３０に、パルスレーザビーム１５のみが照射されて、照射エリア１５ａによって半導体基板３０が処理される状態を示している。
図３（ａ）は、本発明で処理対象とすることができるＦＳ型ＩＧＢＴの断面構造の一例を示すものである。半導体基板３０の表面側にボロンが注入されたｐ型ベース領域３３が形成され、さらに、ｐ型ベース領域３３の表面側の一部にリンが注入されたｎ＋型エミッタ領域３４が形成されている。半導体基板３０の裏面側の表層にボロンが注入されたｐ＋型のコレクタ層３２が形成されている。コレクタ層３２よりも深い領域に、コレクタ層３２に接するようにリンが注入されたｎ＋型バッファ層３１が形成され、その内側にｎ−型基板３５が位置している。図中、３６はコレクタ電極、３７はエミッタ電極、３８はゲート酸化膜、３９はゲート電極である。
上記半導体不純物層へは、図３（ｂ）に示すように、コレクタ電極３６の形成前に、裏面側より、パルスレーザビーム１５を繰り返し重複して照射するとともに、近赤外レーザビーム２５を同時期に照射することで、２μｍ以上の厚さに亘って不純物層を活性化する。パルスレーザビーム１５の重複率（オーバーラップ率）は、必要に応じて適宜選定することができる。この際に、移動装置３による基台４の移動速度を制御することにより、半導体基板３０に対し、パルスレーザビーム１５および近赤外レーザビーム２５を所定速度で走査することができる。
次に、本発明が如何にパルスレーザの波長に起源する光侵入長を効果的に活用して、目標とする深い領域の活性化を実現できるか、以下に説明する。
図４に従来と本発明におけるパルスレーザのパルス波形を模式的に表す。パルス波形の最大強度の１０％から９０％までの上昇時間を立ち上がり時間ｔＡ、最大強度の９０％から１０％までの下降時間を立下り時間ｔＢと定義する。従来のパルスレーザは、立ち上がり時間ｔＡ２が短く、立下り時間ｔＢ２が長い非対称なパルス波形をしている。これに反して、本発明のパルスレーザは立ち上がり時間ｔＡ１が長く、好適には立下り時間ｔＢ１が短く、従来とは逆の非対称なパルス波形をしている。立ち上がり時間を比較すると本発明の方が従来例に比べて非常に長いのが特徴である。
図５は、従来例および本発明におけるＬＤ励起固体レーザの第二高調波のパルス波形の具体例を示す。従来例では、パルス幅（半値幅）８３ｎｓに対して立ち上がり時間４２ｎｓと立ち下り時間１２０ｎｓを有している。
本発明例では、パルス幅（半値幅）１２００ｎｓに対して立ち上がり時間３０８ｎｓと立ち下がり時間９２ｎｓを有している。
本発明例のパルスレーザは、従来例に比べて明らかに立ち上がり時間が緩やかでパルス幅が長い。
また、本発明では、パルス波形の非対称の程度として、パルス波形の対称度を立ち上が
り時間を立下り時間で割った値を目安とすることができる。パルス波形の対称度が１より小さい場合は立ち上がりが急峻で立下りが緩慢であることを意味し、逆に１より大きい場合は立ち上がりが緩慢で立下りが急峻であることを意味する。従来例のＮｄ：ＹＬＦやＮｄ：ＹＡＧの第二高調波はパルス波形の対称度は１より小さい。本発明のＹｂ：ＹＡＧの第二高調波のパルス波形の対称度は２より大きい。
上記パルスレーザを用いて、基板であるシリコンウエハに照射したときのウエハ表面温度の上昇経過の模式図を図６に示す。パルスレーザにおけるパルス波形の立ち上がり時間の目安として室温から溶融するまでの到達時間を導入することができる。従来のパルスレーザでは、基板温度が急激に上昇して早期に融点に達しており、一方、本願発明におけるパルスレーザでは、基板温度の上昇が遅く、融点に達するまでの時間も長くなっている。本願発明の熱処理では、基板表面が融点に達することなく処理がなされるようにしてもよく、処理中途で溶融が生じるものであってもよい。溶融が生じる場合でも、これに到達するまでの時間を長くすることができ、レーザ光の侵入長を十分に確保することができる。
次に、図７は従来および本発明のパルスレーザのシリコンウエハに対する光侵入長の温度変化の模式図である。光侵入長Ｌαは線吸収係数αの逆数として定義される。シリコンウエハの線吸収係数は温度に依存して式（１）で表される。
α（Ｔ）＝α０ｅｘｐ（Ｔ／ＴＲ） （１）
（１）式は温度領域３００Ｋ≦Ｔ≦１０００Ｋおよび波長範囲λ＜４１０ｎｍで実験結果と良く一致する。図中、Ｌα（ＴＲＭ）は室温の光侵入長、Ｌα（Ｔｍ）は融点での光侵入長を示している。
光侵入長のパルス波形の立ち上がり時間の影響を調べるため、光侵入長の時間平均を導入する。図７に対照的な立ち上がり時間を有する従来及び本発明のパルスレーザを照射したときの侵入長の時間平均Ｌα１とＬα２を示す。光侵入長の時間平均＊Ｌαは、Ｌα−ｔグラフを時間０〜ｔ１、０〜ｔ２まで積分して、図中に示すそれと同面積の長方形から算出できる。本発明のパルスレーザのように立ち上がり時間が長くなるとＬα−tグラフから計算された面積が大きくなり、立ち上がり時間の短い従来例に比べて、平均光侵入長は深くなる。したがって、パルスレーザのパルス波形の立ち上がり時間を長く取った方が、深い活性化を効果的にできる。
図８は、上記したパルスレーザと同時期に照射される近赤外レーザの照射タイミングを示すものである。
近赤外レーザが照射された基板表面では、照射直後から次第に温度上昇し、定常状態になる。一方、パルスレーザでは、パルスに応じて極めて短時間に温度上昇し、また、パルスに応じて極めて短時間に温度降下する。パルスレーザの照射に際しては、近赤外レーザを照射し、基板表面温度が定常状態になった後に、パルスレーザの照射を行うのが望ましい。照射タイミングは、例えば遅延時間を設定しておき、近赤外レーザビームの照射後、遅延時間にしたがって、パルスレーザを遅れて照射する。或いは、例えば照射エリアが重ならないように位置をずらして複合レーザビームを走査することで照射タイミングを変えることも可能である。
なお、本発明では、近赤外レーザは連続波形を有するものではなく、図９に示すように、一部に不連続部を有するものであってもよい。
該不連続部は、パルスレーザのパルスと同じ周期で出現するものが望ましい。
上記パルスレーザと近赤外レーザビームを半導体基板に照射した際の深さ方向での熱拡散の模式図を図１０（ａ）に示す。
半導体基板３０には、ボロン注入領域３２とリン注入領域３１とを有しており、上記パルスレーザよりも光侵入長が大きい近赤外レーザビームの照射によって、半導体基板３０の深い位置にまで温度アシスト領域が形成される。例えば波長８０８ｎｍの近赤外レーザビームでは、深さ方向に１０μｍ程度の光侵入長が得られる。この状態でパルスレーザビームを照射すると、深さ方向（Ｚ軸方向）に熱の流れが生じる。この際の温度アシスト領域が熱の勾配を小さくし、その結果、熱の逃げが小さくなって半導体基板の奥深くにまで、効果的に加熱される。この際には、パルスレーザのエネルギー密度と近赤外レーザのパワー密度や走査速度の調整によって、半導体基板の非照射側の温度上昇を抑えて非溶融または表面のみが溶融した状態にして不純物の活性化を行うことができる。
なお、図１０（ｂ）は、パルスレーザのみを半導体基板３０に照射した状態を示している。この例では、面方向および深さ方向における温度勾配が大きく、熱の逃げが大きい。このため、深さ方向の加熱効果が限定され、熱容量の大きな厚い半導体基板に対し、不純物を深い位置まで活性化することが困難になる。
以下に、本発明の実施例を説明する。
グリーンパルスレーザとして、ＬＤ励起固体レーザ（ＤＰＳＳ）第二高調波を用い、パルス発振レーザ光源には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧを用いた。該レーザ光源から出力されて半導体基板に照射されるパルスレーザビーム（波長５１５ｎｍ）は、パルス幅１２００ｎｓ、立ち上がり時間３０８ｎｓ、立ち下がり時間９２ｎｓ、エネルギー密度８Ｊ／ｃｍ２、パルス周波数１０ｋＨｚに設定し、前記基板に直上から繰り返し重複照射した。
一方、連続発振レーザ光源で発生させた波長８０８ｎｍの近赤外レーザビームをパワー密度１１．３ｋＷ／ｃｍ２・秒にして４５度の角度で前記基板に連続照射した。これらビームは、同時期に半導体基板に照射するものとし、光学系による整形により近赤外レーザビームサイズをパルスレーザビームのサイズ（短軸３６μｍ、長軸３００μｍ）よりも大きくし（短軸４００μｍ、長軸５６０μｍ）、半導体基板上で、近赤外レーザビームの照射エリアを楕円ビームにし、パルスレーザビームの照射エリアを細長い楕円ビームにして、パルスレーザビームの照射エリア全体を近赤外レーザビームが覆って越える大きさのものとした。なお、光学系には、長軸シリンドリカルレンズ、短軸シリンドリカルレンズ、球面レンズ、反射ミラーなどを備えており、シリンドリカルレンズの構成によって、ビームの短軸、長軸のサイズを設定することができる。
半導体基板は、厚さ７２５μｍのシリコン基板とし、基台上の被処理体配置台に設置し、移動装置によって８０ｍｍ／秒の速度で走査するものとした。
図１１は、上記パルスレーザビーム１５と近赤外パルスレーザ２５の半導体基板３０上における照射エリア１５ａ、２５ａを示すものである。照射エリア２５ａは、照射エリア１５ａ全体を覆ってこれを越える大きさを有している。
上記両レーザビームを照射して半導体基板の熱処理を行い、熱処理前の半導体基板におけるＳＩＭＳ分析による不純物濃度の深さ分布、および熱処理後の半導体基板におけるＳＲＰ分析によるキャリア濃度の深さ分布を比較して活性化深さを評価し、その結果を図１２に示した。
図１２から明らかなように、本発明によって照射された半導体基板では、７２５μｍの厚さを有するにも拘わらず、２μｍを越える深さにまで効果的に活性化処理がなされていた。
また、上記と同様の照射条件で、厚さ１５０μｍの半導体基板に前記両レーザビームを照射し、非照射側の温度を測定した。その結果、測定温度は２００℃以下であり、この結果から、前記試験例においても、熱容量の大きな厚さ７２５μｍの半導体基板の非照射側温度が２００℃以下であることが推定される。
一方、比較例として、上記と同じパルスレーザを用い、近赤外レーザを用いることなく、厚さ１５０μｍと厚さ７２５μｍの半導体基板に対し、パルスレーザを直上から繰り返し重複照射して熱処理を行った。処理前の半導体基板のＳＩＭＳによる不純物濃度の深さ分布、および熱処理後の半導体基板のＳＲＰによるキャリア濃度の深さ分布を測定し、その結果を図１３に示した。
この例では、図から明らかなように、厚さが１５０μｍの半導体基板では、２μｍを越える深い活性化が実現できたが、熱容量の大きな厚いシリコンウエハ（７２５μｍ）では活性化温度が不十分で、２μｍを越える深い活性化が実現できなかった。
１ レーザアニール装置
２ 処理室
３ 移動装置
４ 基台
５ 被処理体配置台
１０ パルス発振レーザ光源
１１ 減衰器
１２ 光学系
１５ パルスレーザビーム
１５ａ 照射エリア
２０ 連続発振レーザ光源
２１ 減衰器
２２ 光学系
２５ 近赤外レーザビーム
２５ａ 照射エリア
３０ 半導体基板

Claims (20)

  1. 基板表面を熱処理するレーザアニール装置であって、立ち上がり時間が緩やかでパルス幅の長いパルスレーザを発生するパルス発振レーザ光源と、アニールをアシストする近赤外レーザを発生する連続発振レーザ光源と、前記２種類のレーザのビームをそれぞれ整形して前記基板表面に複合照射するべく導く光学系と、前記基板と前記レーザビームを相対的に移動させて前記２種類のレーザビーム照射の走査を可能にする移動装置とを備えることを特徴とするレーザアニール装置。
  2. 前記パルスレーザビームは、立ち上がり時間（パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する時間）が１６０ｎｓ以上であるパルス波形を有して前記基板に照射されるものであることを特徴とする請求項１記載のレーザアニール装置。
  3. 前記パルスレーザビームは、半値幅が６００ｎｓ以上のパルス波形を有して前記基板に照射されるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザアニール装置。
  4. 前記光学系は、前記パルス発振レーザ光源で発生させたパルス幅の長いパルスレーザをパルス幅方向においてカットして、前記立ち上がり時間が前記カット位置のパルス強度の９０％から１０％にまで到達する立ち下がり時間より長い非対称のパルス波形に整形するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザアニール装置。
  5. 前記光学系は、前記基板表面上において、前記近赤外レーザビームと前記パルスレーザビームの照射エリアが一部または全部で重なるように、もしくは前記各ビームの照射エリアがそれぞれ重なることなく位置がずれて照射されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザアニール装置。
  6. 前記光学系は、前記基板表面上において、前記近赤外レーザビームの照射エリアが前記パルスレーザビームの照射エリアよりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザアニール装置。
  7. 前記光学系は、前記近赤外レーザビームの照射エリアの一部または全部が、少なくとも走査方向側において前記パルスレーザビームの照射エリアを越えて位置するように構成されていることを特徴とする請求項５または６記載のレーザアニール装置。
  8. 前記パルスレーザビームおよび近赤外レーザビームは、前記基板に照射した際に前記基板の表層が非溶融または表層のみが溶融する状態で前記熱処理が行われるエネルギー密度およびパワー密度を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザアニール装置。
  9. 前記近赤外レーザビームによるアシスト温度は、該近赤外レーザのパワー密度と前記走査速度とを制御することによって、前記基板表面上の材料融点を超えないように調整されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のレーザアニール装置。
  10. 前記近赤外レーザビームは、パワー密度が極小になる不連続部分を有して前記基板表面に照射されるものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか記載のレーザアニール装置。
  11. 基板表面を熱処理するレーザアニール方法であって、パルス発振レーザ光源で発生させ整形した、立ち上がり時間が緩やかでパルス幅の長いパルスレーザビームを前記基板に繰り返し重複照射するとともに、連続発振レーザ光源で発生させ整形した近赤外レーザビームを前記繰り返し重複照射する前記基板に複合照射して、これらレーザビームを走査しながら該基板の熱処理を行うことを特徴とするレーザアニール方法。
  12. 前記パルスレーザビームは、立ち上がり時間（パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する時間）が１６０ｎｓ以上であるパルス波形を有することを特徴とする請求項１１記載のレーザアニール方法。
  13. 前記パルスレーザビームは、半値幅が６００ｎｓ以上のパルス波形を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載のレーザアニール方法。
  14. 前記パルスレーザビームは、パルス幅の長いパルスをパルス幅方向においてカットして、前記立ち上がり時間が前記カット位置のパルス強度の９０％から１０％にまで到達する立ち下がり時間より長い非対称のパルス波形に整形したものであることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載のレーザアニール方法。
  15. 前記基板表面上において、前記近赤外レーザビームと前記パルスレーザビームの照射エリアとが一部または全部で重なるように、もしくは前記ビームの照射エリアがそれぞれ重なることなく位置がずれるように、前記各レーザビームを前記基板に照射することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載のレーザアニール方法。
  16. 前記基板表面上において、前記近赤外レーザビームの照射エリアが前記パルスレーザビームの照射エリアよりも大きくなるように前記各レーザを前記基板に照射することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載のレーザアニール方法。
  17. 前記基板表面において、前記近赤外レーザビームの照射エリアの一部または全部が、少なくとも走査方向側において前記パルスレーザビームの照射エリアを越えて位置することを特徴とする請求項１５または１６記載のレーザアニール方法。
  18. 前記パルスレーザビームおよび近赤外レーザビームの照射は、前記基板の表層が非溶融または表層のみが溶融する状態が維持されるように行われることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載のレーザアニール方法。
  19. 前記パルスレーザビームおよび近赤外レーザビームの照射は、レーザ照射面に対向する基板裏面側の温度上昇を２００℃以下に抑制しつつ行われることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれかに記載のレーザアニール方法。
  20. 前記近赤外レーザビームに、パワー密度が極小になる不連続部分を設け、前記基板に与える熱量の調整を行うことを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか記載のレーザアニール方法。
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