JP2011187760A - Method for manufacturing semiconductor device, and laser annealing apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device, capable of suppressing variations in temperature history with respect to in-plane of a workpiece. <P>SOLUTION: The surface of an irradiation object is scanned with laser beam. A physical quantity depending on a surface temperature of the irradiation object, at a position where the laser beam is incident is measured, and an energy density to the irradiation object in an unscanned region in front of the scanning direction is set lower than that to a scanned region, on the basis of the measured physical quantity. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、照射対象物をレーザビームで走査してアニールする工程を含む半導体装置の製造方法、及びレーザアニール装置に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device including a step of annealing an irradiation object with a laser beam and a laser annealing apparatus.

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)の製造工程において、ゲート電極やエミッタが形成された表面(第1の表面)とは反対側の表面(第2の表面)にコレクタが形成される。半導体ウエハの第2の表面にレーザビームを照射することにより、コレクタに注入された不純物を活性化することができる。   In the manufacturing process of an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a collector is formed on the surface (second surface) opposite to the surface (first surface) on which the gate electrode and emitter are formed. By irradiating the second surface of the semiconductor wafer with the laser beam, the impurity implanted into the collector can be activated.

半導体ウエハの深部に注入した不純物を活性化するために、波長690nm〜900nm、照射時間10μs〜100μs、パワー密度250kW/cm〜750kW/cmの条件でレーザアニールを行う方法が公知である(特許文献1)。連続発振のレーザ光源を用い、半導体ウエハの表面のビームスポットサイズを制御することにより、レーザビームの照射時間を制御する方法が公知である(特許文献2)。 In order to activate the impurities implanted deep in the semiconductor wafer, the wavelength 690Nm~900nm, irradiation time 10Myuesu~100myuesu, a method of performing laser annealing under the conditions in the power density 250kW / cm 2 ~750kW / cm 2 are known ( Patent Document 1). A method of controlling the irradiation time of a laser beam by using a continuous wave laser light source and controlling the beam spot size on the surface of a semiconductor wafer is known (Patent Document 2).

特開2006−351659号公報JP 2006-351659 A 特許第4117020号公報Japanese Patent No. 4117020

半導体ウエハをレーザビームで走査すると、時間の経過に従って、半導体ウエハ内に熱が蓄積される。このため、走査が進むにつれて、ウエハの平均温度が上昇する。ウエハの平均温度が上昇すると、半導体ウエハの位置によって、温度履歴が異なることになる。温度履歴のばらつきが生じると、不純物が活性化される深さが、面内でばらついてしまう。   When a semiconductor wafer is scanned with a laser beam, heat accumulates in the semiconductor wafer over time. For this reason, the average temperature of the wafer increases as scanning progresses. When the average temperature of the wafer rises, the temperature history varies depending on the position of the semiconductor wafer. When the variation of the temperature history occurs, the depth at which the impurity is activated varies in the plane.

本発明の目的は、処理対象物の面内に関して、温度履歴のばらつきを抑制することができる半導体装置の製造方法及びレーザアニール装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device and a laser annealing apparatus that can suppress variations in temperature history with respect to the in-plane of a processing object.

本発明の一観点によると、
照射対象物の表面をレーザビームで走査する工程と、
前記レーザビームが入射している位置の、前記照射対象物の表面温度に依存する物理量を測定する工程と、
測定された前記物理量に基づいて、走査方向前方の未走査領域の前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を、既に走査された領域に投入されたエネルギ密度よりも低くする工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
Scanning the surface of the irradiation object with a laser beam;
Measuring a physical quantity depending on a surface temperature of the irradiation object at a position where the laser beam is incident;
And a step of lowering an energy density input to the irradiation object in the unscanned area forward in the scanning direction based on the measured physical quantity to be lower than an energy density input to the already scanned area. A manufacturing method is provided.

本発明の他の観点によると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に照射対象物を保持するステージと、
前記ステージに保持された照射対象物の表面において、前記レーザビームの入射位置が移動するように、前記レーザビームの経路及び前記照射対象物の一方を他方に対して移動させる走査機構と、
前記照射対象物のうち前記レーザビームが入射している位置の表面温度に依存する物理量を測定する測定装置と、
前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームによって前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を変化させるエネルギ密度調節装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
A laser light source for emitting a laser beam;
A stage for holding an irradiation object at a position where a laser beam emitted from the laser light source is incident;
A scanning mechanism for moving one of the path of the laser beam and the irradiation object relative to the other so that the incident position of the laser beam moves on the surface of the irradiation object held on the stage;
A measuring device for measuring a physical quantity depending on a surface temperature of a position where the laser beam is incident among the irradiation object;
There is provided a laser annealing apparatus having an energy density adjusting device for changing an energy density input to the irradiation object by the laser beam based on a measurement result of the physical quantity by the measuring device.

エネルギ密度を低くする処理を実行することにより、照射対象物の表面の過度の溶融を抑制することができる。   By executing the process of reducing the energy density, excessive melting of the surface of the irradiation object can be suppressed.

実施例1によるレーザアニール装置の概略図である。1 is a schematic view of a laser annealing apparatus according to Example 1. FIG. (2A)及び(2B)は、アニール用レーザビームのビームスポットと、参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す平面図である。(2A) and (2B) are plan views showing the positional relationship between the beam spot of the annealing laser beam and the beam spot of the reference laser beam. 照射対象物の表面温度が1673Kになるまでの照射時間と、パワー密度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the relationship between the irradiation time until the surface temperature of an irradiation target object becomes 1673K, and a power density. 照射対象物の表面温度が1673Kになるまでレーザ照射を行ったときの深さ3μmの位置の最高到達温度と、パワー密度との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated | required with the simulation the relationship between the maximum temperature of the position of 3 micrometers depth when laser irradiation is performed until the surface temperature of an irradiation target object is 1673K, and a power density. 照射対象物の表面温度が1673Kになるまでレーザ照射を行ったときの背面の温度と、経過時間との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated | required the relationship between the temperature of the back surface when laser irradiation is performed until the surface temperature of an irradiation target object is 1673K, and elapsed time by simulation. 実施例1によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a laser annealing method according to Example 1. 照射対象物の初期温度Tiが300Kのときに表面温度が1673Kになるまでの時間、パワー密度一定の条件でレーザ照射を行ったときの表面温度の時間履歴をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated | required the time history of surface temperature when performing laser irradiation on the time until the surface temperature becomes 1673K when the initial temperature Ti of the irradiation object is 300K, and the power density is constant, by simulation. is there. 照射対象物の初期温度Tiが300Kのときに表面温度が1673Kになるまでの時間、パワー密度を異ならせてレーザ照射を行ったときの表面温度の時間履歴をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated | required the time history of the surface temperature when performing laser irradiation by varying the power density and the time until the surface temperature reaches 1673K when the initial temperature Ti of the irradiation object is 300K. is there. 実施例1の変形例によるアニール用レーザビームのビームスポットと、参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す平面図である。7 is a plan view showing a positional relationship between a beam spot of an annealing laser beam and a beam spot of a reference laser beam according to a modification of Example 1. FIG. 実施例2によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing a laser annealing method according to Example 2. 実施例3によるレーザアニール装置の概略図である。6 is a schematic view of a laser annealing apparatus according to Example 3. FIG. 照射対象物の表面温度が1673Kになった時点でレーザ照射を停止させる条件で、かつパワー密度一定の条件でレーザ照射を行ったときの表面温度の時間履歴をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。The graph which shows the result which calculated | required the time history of the surface temperature when performing laser irradiation on the conditions which stop laser irradiation when the surface temperature of an irradiation target object becomes 1673K, and a power density is constant, by simulation is there. 実施例4によるレーザアニール装置の概略図である。6 is a schematic view of a laser annealing apparatus according to Example 4. FIG. (14A)は、照射対象物の表面におけるパワー密度分布を示すグラフであり、(14B)は、エネルギ密度分布を示すグラフであり、(14C)は、複数回断続的にレーザ照射を行ったときのエネルギ密度分布を示すグラフである。(14A) is a graph showing the power density distribution on the surface of the irradiation object, (14B) is a graph showing the energy density distribution, and (14C) is when the laser irradiation is intermittently performed several times. It is a graph which shows energy density distribution. IGBTの断面図である。It is sectional drawing of IGBT.

[実施例1]
図1に、実施例1によるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源10が、連続発振レーザビームを出射する。レーザ光源10には、例えば半導体レーザが用いられる。その発振波長は、例えば808nmである。なお、発振波長が650nm〜850nmの範囲内の半導体レーザを用いてもよい。ステージ35に照射対象物60が保持されている。照射対象物60は、例えば不純物が注入され、活性化アニールを行う前のシリコンウエハである。照射対象物60にレーザビームが入射することにより、レーザアニールが行われる。レーザ光源10から出射するレーザビームを、「アニール用レーザビーム」ということとする。
[Example 1]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser annealing apparatus according to the first embodiment. The laser light source 10 emits a continuous wave laser beam. For the laser light source 10, for example, a semiconductor laser is used. The oscillation wavelength is, for example, 808 nm. A semiconductor laser having an oscillation wavelength in the range of 650 nm to 850 nm may be used. An irradiation object 60 is held on the stage 35. The irradiation object 60 is, for example, a silicon wafer before impurities are implanted and activation annealing is performed. Laser annealing is performed when the laser beam is incident on the irradiation object 60. The laser beam emitted from the laser light source 10 is referred to as “annealing laser beam”.

レーザ光源10から出射されたレーザビームが、パワー調節装置20、ビーム整形光学系25、均一化光学素子26、折り返しミラー30、レンズ31を経由して、照射対象物60に入射する。   The laser beam emitted from the laser light source 10 enters the irradiation object 60 via the power adjusting device 20, the beam shaping optical system 25, the homogenizing optical element 26, the folding mirror 30, and the lens 31.

パワー調節装置20は、制御装置21、半波長板22、ビームスプリッタ23、及びビームダンパ24を含む。レーザ光源10から出射されたレーザビームが半波長板22を経由して、ビームスプリッタ23に入射する。ビームスプリッタ23は、入射したレーザビームのP成分を透過させ、S成分を反射する。ビームスプリッタ23で反射されたレーザビームは、ビームダンパ24に入射する。ビームスプリッタ23を透過したレーザビームは、パワー調節装置20から出射し、ビーム整形光学系25に入射する。   The power adjustment device 20 includes a control device 21, a half-wave plate 22, a beam splitter 23, and a beam damper 24. The laser beam emitted from the laser light source 10 enters the beam splitter 23 via the half-wave plate 22. The beam splitter 23 transmits the P component of the incident laser beam and reflects the S component. The laser beam reflected by the beam splitter 23 enters the beam damper 24. The laser beam transmitted through the beam splitter 23 is emitted from the power adjustment device 20 and is incident on the beam shaping optical system 25.

制御装置21は、半波長板22を、レーザビームの中心光線を中心として回転させる。半波長板22を回転させると、ビームスプリッタ23に入射するレーザビームのP成分とS成分との比率が変化する。これにより、パワー調節装置20から出射するレーザビームのパワーを調節することができる。パワー調節装置20として、減衰量可変の光アッテネータを用いてもよい。   The control device 21 rotates the half-wave plate 22 around the center beam of the laser beam. When the half-wave plate 22 is rotated, the ratio of the P component and S component of the laser beam incident on the beam splitter 23 changes. Thereby, the power of the laser beam emitted from the power adjusting device 20 can be adjusted. An optical attenuator with variable attenuation may be used as the power adjustment device 20.

ビーム整形光学系25は、レーザビームのビーム断面を整形する。ビーム整形光学系25には、例えばビームエキスパンダが用いられる。ビーム整形光学系25でビーム断面を整形されたレーザビームが、均一化光学系26に入射する。均一化光学素子26は、レーザビームのビーム断面内の光強度分布を均一化する。均一化光学素子26には、例えば回折光学素子(DOE)、アレイレンズ、フライアイレンズ等が用いられる。   The beam shaping optical system 25 shapes the beam cross section of the laser beam. For the beam shaping optical system 25, for example, a beam expander is used. The laser beam whose beam cross section has been shaped by the beam shaping optical system 25 enters the uniformizing optical system 26. The uniformizing optical element 26 uniformizes the light intensity distribution in the beam cross section of the laser beam. For the uniformizing optical element 26, for example, a diffractive optical element (DOE), an array lens, a fly-eye lens, or the like is used.

均一化光学素子26を透過したレーザビームが、折り返しミラー30で反射され、レンズ31を経由して照射対象物60に入射する。照射対象物60に入射するレーザビームの中心光線は、照射対象物60の表面に対して垂直である。均一化光学系26、レンズ31、及びステージ35は、ステージ35に保持された照射対象物60の表面において光強度分布が均一になるように、レーザビームの進行方向に関する位置が調整されている。   The laser beam transmitted through the homogenizing optical element 26 is reflected by the folding mirror 30 and enters the irradiation object 60 via the lens 31. The central beam of the laser beam incident on the irradiation target 60 is perpendicular to the surface of the irradiation target 60. The positions of the homogenizing optical system 26, the lens 31, and the stage 35 are adjusted with respect to the traveling direction of the laser beam so that the light intensity distribution is uniform on the surface of the irradiation object 60 held on the stage 35.

参照光光源40が、参照用のレーザビームを出射する。参照光光源40には、例えば波長633nmのHeNeレーザが用いられる。なお、発振波長が可視光の波長域または波長1μm以下の近赤外域のレーザを用いてもよい。参照用のレーザビームは、折り返しミラー41で反射され、照射対象物60に斜め入射する。照射対象物60の表面における参照用レーザビームのビームスポットは、アニール用レーザビームのビームスポットに内包されるか、または部分的に重なる。両者のビームスポットの好ましい位置関係については、後に説明する。   The reference light source 40 emits a reference laser beam. For the reference light source 40, for example, a HeNe laser having a wavelength of 633 nm is used. Note that a laser in the near-infrared region having an oscillation wavelength of visible light or a wavelength of 1 μm or less may be used. The reference laser beam is reflected by the folding mirror 41 and obliquely enters the irradiation object 60. The beam spot of the reference laser beam on the surface of the irradiation object 60 is included or partially overlaps with the beam spot of the annealing laser beam. A preferred positional relationship between the beam spots will be described later.

照射対象物60に入射した参照用レーザビームの一部は、照射対象物60の表面で反射し、折り返しミラー42で反射されて参照光検出器43に入射する。参照光検出器43には、例えばフォトダイオードが用いられる。参照光検出器43で検出された反射光の強度データが、制御装置21に入力される。   A part of the reference laser beam that has entered the irradiation target 60 is reflected by the surface of the irradiation target 60, is reflected by the folding mirror 42, and enters the reference light detector 43. For the reference light detector 43, for example, a photodiode is used. The intensity data of the reflected light detected by the reference light detector 43 is input to the control device 21.

照射対象物60の表面のうち、アニール用レーザビームのビームスポット内の特定の位置からの黒体放射光が、集光レンズ50で集光され、黒体放射検出器51に入射する。黒体放射検出器51で検出された黒体放射強度データが制御装置21に入力される。制御装置21は、反射光の強度データ及び黒体放射強度データの少なくとも一方のデータに基づいて、半波長板22の回転方向の姿勢を制御する。なお、実施例1においては、集光レンズ50及び黒体放射検出器51は必須ではない。   Of the surface of the irradiation object 60, blackbody radiation from a specific position within the beam spot of the annealing laser beam is condensed by the condenser lens 50 and enters the blackbody radiation detector 51. Black body radiation intensity data detected by the black body radiation detector 51 is input to the control device 21. The control device 21 controls the attitude of the half-wave plate 22 in the rotation direction based on at least one of reflected light intensity data and blackbody radiation intensity data. In the first embodiment, the condenser lens 50 and the black body radiation detector 51 are not essential.

走査機構36が、ステージ35を、照射対象物60の表面に平行なX軸方向及びY軸方向に移動させる。アニール用レーザビームを照射しながらステージ35を移動させることにより、照射対象物60の表面をレーザビームで走査することができる。例えば、X軸方向及びY軸方向を、それぞれ主走査方向及び副走査方向とする。   The scanning mechanism 36 moves the stage 35 in the X axis direction and the Y axis direction parallel to the surface of the irradiation target 60. By moving the stage 35 while irradiating the annealing laser beam, the surface of the irradiation object 60 can be scanned with the laser beam. For example, let the X-axis direction and the Y-axis direction be the main scanning direction and the sub-scanning direction, respectively.

図2Aに、アニール用レーザビームのビームスポットと、参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す。アニール用レーザビームのビームスポット61は、例えば、Y軸方向に長い長方形である。X軸方向の寸法(以下、「ビーム幅」という。)Wxは、例えば50μmである。アニール用レーザビームのビームスポット61がX軸の正の向きに移動する(ステージ35がアニール用レーザビームの経路に対してX軸の負の向きに移動する)場合、参照用レーザビームのビームスポット45は、アニール用レーザビームのビームスポット61の、進行方向(主走査方向)に関して後ろ側の縁(X軸の負の側の縁)に接する位置に配置される。ビームスポット45の形状は、例えば直径10μmの円形である。   FIG. 2A shows the positional relationship between the beam spot of the annealing laser beam and the beam spot of the reference laser beam. The beam spot 61 of the annealing laser beam is, for example, a rectangle that is long in the Y-axis direction. The dimension in the X-axis direction (hereinafter referred to as “beam width”) Wx is, for example, 50 μm. When the beam spot 61 of the annealing laser beam moves in the positive direction of the X axis (the stage 35 moves in the negative direction of the X axis with respect to the path of the annealing laser beam), the beam spot of the reference laser beam 45 is arranged at a position in contact with the rear edge (edge on the negative side of the X axis) of the beam spot 61 of the annealing laser beam with respect to the traveling direction (main scanning direction). The shape of the beam spot 45 is, for example, a circle having a diameter of 10 μm.

図2Bに示すように、アニール用レーザビームのビームスポット61の移動方向がX軸の負の向きである場合には、参照用レーザビームのビームスポット45は、進行方向(主走査方向)に関して後ろ側の縁(X軸の正の側の縁)に接する位置に配置される。   As shown in FIG. 2B, when the moving direction of the beam spot 61 of the annealing laser beam is the negative direction of the X axis, the beam spot 45 of the reference laser beam is rearward with respect to the traveling direction (main scanning direction). It is arranged at a position in contact with the side edge (edge on the positive side of the X axis).

次に、図3〜図5を参照して、半導体ウエハ、例えばシリコンウエハの活性化アニールを行う際の好ましいアニール条件について説明する。IGBTのコレクタのアニールを行う場合には、ゲート電極やエミッタ等が形成されている表側の温度が過度に上昇せず、かつ、背面からなるべく深い位置まで活性化される条件でアニールを行うことが好ましい。   Next, with reference to FIG. 3 to FIG. 5, preferable annealing conditions for performing activation annealing of a semiconductor wafer, for example, a silicon wafer will be described. When annealing the IGBT collector, the annealing should be performed under the condition that the temperature on the front side where the gate electrode, the emitter, etc. are formed does not increase excessively and is activated as deep as possible from the back surface. preferable.

エキシマレーザ等の紫外域のレーザは、半導体ウエハの極表面で吸収されてしまうため、深い位置まで活性化させるアニールには適さない。また、遠赤外域の波長になると、半導体ウエハによる吸収係数が低くなるため、アニールには適さない。IGBTのコレクタの活性化アニールには、波長650nm〜850nmのレーザを用いることが好ましい。   An ultraviolet laser such as an excimer laser is absorbed by the extreme surface of the semiconductor wafer, and is not suitable for annealing to activate to a deep position. Further, when the wavelength is in the far infrared region, the absorption coefficient of the semiconductor wafer is low, so that it is not suitable for annealing. For activation annealing of the IGBT collector, it is preferable to use a laser having a wavelength of 650 nm to 850 nm.

図3に、半導体ウエハの表面におけるレーザビームのパワー密度と、表面温度が1673Kまで上昇するまでの照射時間との関係のシミュレーション結果を示す。横軸はパワー密度を単位「kW/cm」で表し、縦軸は照射時間を単位「μs」で表す。レーザビームの波長は800nmとし、半導体ウエハの材料はシリコンとした。シリコンの融点は1687Kである。パワー密度が高くなるに従って、表面温度が1673Kに達するまでの照射時間が短くなっている。 FIG. 3 shows a simulation result of the relationship between the power density of the laser beam on the surface of the semiconductor wafer and the irradiation time until the surface temperature rises to 1673K. The horizontal axis represents the power density in the unit “kW / cm 2 ”, and the vertical axis represents the irradiation time in the unit “μs”. The wavelength of the laser beam was 800 nm, and the semiconductor wafer material was silicon. The melting point of silicon is 1687K. As the power density increases, the irradiation time until the surface temperature reaches 1673K is shortened.

図4に、図3のシミュレーションにおいて、レーザ照射側の表面から深さ3μmの位置の最高到達温度を示す。横軸は、パワー密度を単位「kW/cm」で表し、縦軸は、最高到達温度を単位「K」で表す。いずれの照射条件においても、表面の最高到達温度は1673Kであるが、深さ3μmの位置の最高到達温度はパワー密度に依存してばらつくことがわかる。パワー密度が高くなるに従って、最高到達温度は低くなる傾向を示している。 FIG. 4 shows the maximum temperature reached at a depth of 3 μm from the surface on the laser irradiation side in the simulation of FIG. The horizontal axis represents the power density in the unit “kW / cm 2 ”, and the vertical axis represents the maximum attained temperature in the unit “K”. Under any irradiation condition, the maximum temperature reached on the surface is 1673K, but the maximum temperature reached at a depth of 3 μm varies depending on the power density. As the power density increases, the maximum temperature reached tends to decrease.

図3に示したように、パワー密度が高くなると、照射時間が短くなることから、半導体ウエハ表面の極近傍が急激に加熱される。これにより、半導体ウエハ内部の温度上昇幅は小さくなり、温度が高く保持される時間が短くなる。パワー密度が高くなると、表面が非溶融であるという条件下で、深い領域の不純物の活性化を行うことが困難であることがわかる。   As shown in FIG. 3, when the power density is increased, the irradiation time is shortened, so that the vicinity of the surface of the semiconductor wafer is rapidly heated. Thereby, the temperature rise width inside the semiconductor wafer is reduced, and the time during which the temperature is kept high is shortened. It can be seen that when the power density increases, it is difficult to activate deep region impurities under the condition that the surface is not melted.

図5に、レーザ照射開始からの経過時間と、半導体ウエハの背面(レーザ照射している表面とは反対側の表面)の温度との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は経過時間を単位「μs」で表し、縦軸は背面の温度を単位「K」で表す。各曲線に付した数値は、半導体ウエハの表面におけるレーザビームのパワー密度を示す。なお、半導体ウエハの表面温度が1673Kになった時点でレーザ照射を停止させた。また、境界条件として、半導体ウエハの厚さを100μmとし、背面を断熱状態とした。   FIG. 5 shows a simulation result of the relationship between the elapsed time from the start of laser irradiation and the temperature of the back surface of the semiconductor wafer (the surface opposite to the surface irradiated with laser). The horizontal axis represents the elapsed time in the unit “μs”, and the vertical axis represents the back surface temperature in the unit “K”. The numerical value attached to each curve indicates the power density of the laser beam on the surface of the semiconductor wafer. The laser irradiation was stopped when the surface temperature of the semiconductor wafer reached 1673K. As boundary conditions, the thickness of the semiconductor wafer was set to 100 μm, and the back surface was insulative.

パワー密度が低くなる従って、半導体ウエハの背面の到達温度は高くなる。これは、パワー密度が低くなると、図3に示したように照射時間が長くなることによって、半導体ウエハへの総投入エネルギが大きくなるためである。   As the power density decreases, the temperature reached on the back surface of the semiconductor wafer increases. This is because when the power density is lowered, the irradiation time becomes longer as shown in FIG. 3, so that the total energy input to the semiconductor wafer is increased.

活性化深さを深くするには、高温で長時間のアニールを行うことが求められる。高温で長時間のアニールを行うためには、図3及び図4の結果から、パワー密度を低くすることが好ましい。ところが、図5に示したように、パワー密度を低くすると、半導体ウエハの背面温度の上昇が大きくなってしまう。半導体ウエハの背面、すなわちIGBTの表面側の構成により、レーザアニール時に許容される温度上昇幅が制約される。許容される温度上昇幅が大きい場合には、低いパワー密度でレーザアニールを行うことにより、深い領域の不純物の活性化を行うことができる。   In order to increase the activation depth, it is required to perform annealing at a high temperature for a long time. In order to perform long-time annealing at a high temperature, it is preferable to lower the power density from the results shown in FIGS. However, as shown in FIG. 5, when the power density is lowered, the back surface temperature of the semiconductor wafer is greatly increased. The configuration of the back surface of the semiconductor wafer, that is, the surface side of the IGBT, restricts the temperature increase range allowed during laser annealing. When the allowable temperature rise is large, deep region impurities can be activated by laser annealing at a low power density.

一方、許容される温度上昇幅が小さい場合には、高いパワー密度でアニールすることが必要となり、活性化深さを深くすることが困難になる。図5に示したように、パワー密度が150kW/cmを下回ると、半導体ウエハの背面温度の上昇幅が大きくなりすぎる。従って、パワー密度は150kW/cm以上にすることが好ましいことがわかる。 On the other hand, when the allowable temperature rise is small, it is necessary to anneal at a high power density, and it becomes difficult to increase the activation depth. As shown in FIG. 5, when the power density is less than 150 kW / cm 2 , the increase in the back surface temperature of the semiconductor wafer becomes too large. Therefore, it is understood that the power density is preferably 150 kW / cm 2 or more.

パワー密度の好適値の上限は、活性化深さの目標値に依存する。パワー密度が1MW/cmを超えると、パルスレーザを用いたアニール方法の場合と同程度のオーダになり、非溶融の条件で活性化を行うことが困難になる。従って、パワー密度は1MW/cm以下にすることが好ましい。 The upper limit of the preferred value of the power density depends on the target value of the activation depth. When the power density exceeds 1 MW / cm 2 , the order is about the same as that in the annealing method using a pulse laser, and it becomes difficult to perform activation under non-melting conditions. Therefore, the power density is preferably 1 MW / cm 2 or less.

また、一般的に、半導体ウエハの背面の最高到達温度は600K以下にすることが望まれる。このため、図5のシミュレーション結果から、パワー密度を250kW/cm以上にすることが好ましい。また、活性化深さの目標値を3μm程度にする場合には、深さ3μmの位置の最高到達温度が1000℃(1273K)を超える条件とすることが好ましい。従って、図4のシミュレーション結果から、パワー密度を500kW/cm以下にすることが好ましい。 In general, it is desirable that the maximum temperature reached on the back surface of the semiconductor wafer be 600K or less. For this reason, it is preferable that the power density is 250 kW / cm 2 or more from the simulation result of FIG. Moreover, when the target value of the activation depth is set to about 3 μm, it is preferable that the maximum temperature reached at the position of the depth of 3 μm exceeds 1000 ° C. (1273 K). Therefore, from the simulation result of FIG. 4, it is preferable to set the power density to 500 kW / cm 2 or less.

図6を参照して、実施例1によるレーザアニール方法について説明する。図6は、実施例1によるレーザアニール方法のフローチャートを示す。   With reference to FIG. 6, the laser annealing method according to the first embodiment will be described. FIG. 6 is a flowchart of the laser annealing method according to the first embodiment.

ステップSA1において、反射光強度測定位置を設定する。具体的には、図2A及び図2Bに示したように、アニール用レーザビームのビームスポット61内のうち、走査方向の後方の縁に接する位置に、参照用レーザビームのビームスポット45を配置させる。図1に示したアニール用のレーザビームの経路に対して、折り返しミラー41、42をX軸方向に移動させることにより、ビームスポット61に対して参照用レーザビームのビームスポット45を移動させることができる。   In step SA1, a reflected light intensity measurement position is set. Specifically, as shown in FIGS. 2A and 2B, the beam spot 45 of the reference laser beam is arranged at a position in contact with the rear edge in the scanning direction in the beam spot 61 of the annealing laser beam. . The beam spot 45 of the reference laser beam can be moved relative to the beam spot 61 by moving the folding mirrors 41 and 42 in the X-axis direction with respect to the path of the annealing laser beam shown in FIG. it can.

ステップSA2において、ステージ35をX軸方向に移動させる。アニールすべき領域の縁が、アニール用レーザビームの入射位置に到達した時点で、アニール用レーザビームの照射を開始する。この時点でステージ35の移動速度が目標速度に到達するように、助走期間が設けられている。アニール用レーザビームの照射開始は、実際にレーザ光源10のレーザ発振を開始させることによって行う。また、照射開始前からレーザ発振させておき、半波長板22の回転方向の姿勢を変化させることにより、アニール用レーザビームの照射を開始してもよい。   In step SA2, the stage 35 is moved in the X-axis direction. When the edge of the region to be annealed reaches the incident position of the annealing laser beam, the irradiation of the annealing laser beam is started. At this time, a running period is provided so that the moving speed of the stage 35 reaches the target speed. The irradiation of the annealing laser beam is started by actually starting laser oscillation of the laser light source 10. Alternatively, the laser beam may be oscillated before the start of irradiation, and the irradiation of the annealing laser beam may be started by changing the orientation of the half-wave plate 22 in the rotational direction.

照射開始時点では、一例として、照射対象物60の表面におけるパワー密度を400kW/cmとする。図3から、パワー密度が400kW/cmのとき、照射時間を14.1μsにすると、表面温度が1673Kに到達する。照射時間tは、図2A及び図2Bに示したアニール用レーザビームのビーム幅Wx、及び走査速度vを用いて、 At the start of irradiation, as an example, the power density on the surface of the irradiation object 60 is set to 400 kW / cm 2 . From FIG. 3, when the power density is 400 kW / cm 2 , the surface temperature reaches 1673 K when the irradiation time is 14.1 μs. The irradiation time t is determined by using the beam width Wx of the annealing laser beam and the scanning speed v shown in FIGS. 2A and 2B.

と表される。ビーム幅Wxが50μmで、照射時間tを14.1μsにしたい場合には、走査速度vを、約3.5m/sにすればよい。 It is expressed. When the beam width Wx is 50 μm and the irradiation time t is desired to be 14.1 μs, the scanning speed v may be set to about 3.5 m / s.

アニール用レーザビームによる走査を続けると、照射対象物60にエネルギが蓄積され、その平均温度が上昇する。走査開始時点では、照射対象物60の表面の最高到達温度が1673Kになるようにレーザ照射条件が設定されているが、照射対象物60の平均温度が上昇すると、同一のレーザ照射条件でも、表面温度が融点以上になる場合がある。   When scanning with the annealing laser beam is continued, energy is accumulated in the irradiation object 60 and its average temperature rises. At the start of scanning, the laser irradiation conditions are set so that the maximum temperature reached on the surface of the irradiation object 60 is 1673 K. However, when the average temperature of the irradiation object 60 increases, The temperature may be higher than the melting point.

ステップSA3において、1行分の主走査が終了したか否かを判定する。1行分の主走査が終了していない場合には、ステップSA4において、参照光検出器43により、反射光の強度を測定する。その後、ステップSA5において、測定された反射光の強度と、しきい値とを比較する。照射対象物60の表面の極浅い領域が溶融し、液相状態になると、反射率が高くなる。反射光の強度を測定することにより、照射対象物60の表面が溶融したことを検出することができる。具体的には、固相状態のときの反射光の強度と、液相状態の反射光の強度との中間の強度が、制御装置21にしきい値として記憶されている。測定された反射光の強度がこのしきい値以上である場合には、照射対象物60の表面の極浅い領域が溶融したと考えられる。   In step SA3, it is determined whether or not main scanning for one row has been completed. If the main scanning for one row has not been completed, the intensity of the reflected light is measured by the reference light detector 43 in step SA4. Thereafter, in step SA5, the measured intensity of reflected light is compared with a threshold value. When an extremely shallow region on the surface of the irradiation object 60 is melted and enters a liquid phase state, the reflectance increases. By measuring the intensity of the reflected light, it can be detected that the surface of the irradiation object 60 has melted. Specifically, an intermediate intensity between the intensity of the reflected light in the solid phase state and the intensity of the reflected light in the liquid phase state is stored in the control device 21 as a threshold value. When the measured intensity of the reflected light is equal to or higher than this threshold value, it is considered that an extremely shallow region on the surface of the irradiation object 60 has melted.

測定された反射光の強度がこのしきい値以上であると判定された場合、すなわち、照射対象物60の表面の極浅い領域が溶融していると判定された場合には、ステップSA6において、照射対象物60に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させる。具体的には、走査速度vは一定のまま、照射対象物60の表面におけるパワー密度を低下させる。パワー密度の低下幅は、予め制御装置21に設定されている。パワー密度を低下させた後、ステップSA3に戻る。   If it is determined that the intensity of the measured reflected light is greater than or equal to this threshold value, that is, if it is determined that the extremely shallow region of the surface of the irradiation object 60 is melted, in step SA6, The energy density of the laser energy thrown into the irradiation object 60 is reduced. Specifically, the power density on the surface of the irradiation object 60 is reduced while the scanning speed v is constant. The reduction width of the power density is set in the control device 21 in advance. After reducing the power density, the process returns to step SA3.

ステップSA5で、反射光の強度がしきい値未満であると判定された場合には、エネルギ密度を修正することなくステップSA3に戻る。   If it is determined in step SA5 that the intensity of the reflected light is less than the threshold value, the process returns to step SA3 without correcting the energy density.

ステップSA3において、1行分の主走査が終了したと判定された場合には、ステップSA7において、アニール用レーザビームの照射を停止させる。次に、ステップSA8において、アニールすべき全ての行の走査が終了したか否かを判定する。全ての行の走査が終了した場合には、アニール処理を終了する。未走査の行が残っている場合には、ステップSA9において、ステージ35をY軸方向に移動させることにより、1行分の副走査を行う。   If it is determined in step SA3 that the main scanning for one row has been completed, the irradiation of the annealing laser beam is stopped in step SA7. Next, in step SA8, it is determined whether scanning of all rows to be annealed has been completed. When the scanning of all the rows is finished, the annealing process is finished. If unscanned rows remain, in step SA9, the stage 35 is moved in the Y-axis direction to perform sub-scanning for one row.

ステップSA10において、反射光強度測定位置を再設定する。具体的には、主走査の向きが反転するため、図2A及び図2Bに示した参照用レーザビームのビームスポット45の位置を、アニール用レーザビームのビームスポット61の一方の縁に接する位置から、他方の縁に接する位置まで移動させる。その後、ステップSA2に戻って、主走査を開始する。   In step SA10, the reflected light intensity measurement position is reset. Specifically, since the direction of main scanning is reversed, the position of the beam spot 45 of the reference laser beam shown in FIGS. 2A and 2B is moved from the position in contact with one edge of the beam spot 61 of the annealing laser beam. And move to a position in contact with the other edge. Thereafter, the process returns to step SA2 to start main scanning.

次に、図7及び図8を参照して、実施例1によるレーザアニール方法の効果について説明する。   Next, effects of the laser annealing method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図7に、アニール用レーザビームの照射開始からの経過時間と、半導体ウエハの表面温度との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は経過時間を単位「μs」で表し、縦軸は表面温度を単位「K」で表す。図7の実線、破線、点線は、それぞれ照射開始時点の表面温度(初期温度)Tiが300K、323K、373Kの場合の表面温度の変化を示す。半導体ウエハの表面におけるパワー密度は400kW/cmとした。照射開始時点の表面温度が300Kの条件でレーザ照射を行ったときに、表面温度が1673Kに達するまでの照射時間14.1μsでレーザ照射を停止させた。 FIG. 7 shows a simulation result of the relationship between the elapsed time from the start of irradiation of the annealing laser beam and the surface temperature of the semiconductor wafer. The horizontal axis represents elapsed time in units of “μs”, and the vertical axis represents surface temperature in units of “K”. The solid line, broken line, and dotted line in FIG. 7 indicate changes in the surface temperature when the surface temperature (initial temperature) Ti at the start of irradiation is 300K, 323K, and 373K, respectively. The power density on the surface of the semiconductor wafer was 400 kW / cm 2 . When the laser irradiation was performed under the condition that the surface temperature at the start of irradiation was 300K, the laser irradiation was stopped at an irradiation time of 14.1 μs until the surface temperature reached 1673K.

半導体ウエハの初期温度Tiが323K及び373Kの場合には、それぞれ13.4μs及び12.0μsで表面温度が1673Kに達する。その後、照射時間が14.1μsになるまで照射を続けると、表面の極浅い領域のみならず、深い領域まで溶融する。このとき、半導体ウエハに投入された熱エネルギは、融解熱として消費されるため、表面温度は融点に維持される。   When the initial temperature Ti of the semiconductor wafer is 323 K and 373 K, the surface temperature reaches 1673 K at 13.4 μs and 12.0 μs, respectively. Thereafter, when the irradiation is continued until the irradiation time reaches 14.1 μs, not only the extremely shallow region of the surface but also the deep region is melted. At this time, since the heat energy input to the semiconductor wafer is consumed as heat of fusion, the surface temperature is maintained at the melting point.

図8に、パワー密度を最適化した場合の、アニール用レーザビームの照射開始からの経過時間と、半導体ウエハの表面温度との関係のシミュレーション結果を示す。初期温度Tiが300Kのときにはパワー密度を400kW/cmとし、初期温度Tiが323Kのときにはパワー密度を389.2kW/cmとし、初期温度Tiが373Kのときにはパワー密度を367.5kW/cmとした。 FIG. 8 shows a simulation result of the relationship between the elapsed time from the start of irradiation of the annealing laser beam and the surface temperature of the semiconductor wafer when the power density is optimized. The power density when the initial temperature Ti is 300K and 400 kW / cm 2, the initial temperature Ti is set to 389.2kW / cm 2 power density at 323 K, the initial temperature Ti is 367.5kW / cm 2 power density at the time of 373K It was.

この条件では、いずれの場合でも、照射開始から14.1μs経過した時点で表面温度が1673Kに到達する。このように、パワー密度を最適化することにより、半導体ウエハの平均温度が上昇した場合でも、照射時間を変えることなく、表面温度の最高到達値を融点よりもやや低くすることができる。   Under these conditions, in any case, the surface temperature reaches 1673 K when 14.1 μs has elapsed from the start of irradiation. Thus, by optimizing the power density, even when the average temperature of the semiconductor wafer rises, the maximum surface temperature can be made slightly lower than the melting point without changing the irradiation time.

図7に示したように、パワー密度を一定にして走査を行うと、照射対象物60の平均温度が上昇した状態でレーザ照射された位置の表層部が溶融してしまう。溶融した領域の深さは、表面温度が融点に到達してからレーザ照射を停止させるまでの時間に依存する。この時間は、半導体ウエハの初期温度Tiに依存する。走査が進んで半導体ウエハの平均温度が上昇すると、活性化の深さがばらついてしまう。   As shown in FIG. 7, when scanning is performed with a constant power density, the surface layer portion at the position irradiated with the laser in a state where the average temperature of the irradiation object 60 is increased is melted. The depth of the melted region depends on the time from when the surface temperature reaches the melting point to when the laser irradiation is stopped. This time depends on the initial temperature Ti of the semiconductor wafer. As the scanning progresses and the average temperature of the semiconductor wafer rises, the activation depth varies.

図6に示したステップSA5の工程で、反射光強度がしきい値以上になったと判定された状態は、表面温度が融点まで上昇したことを意味する。ステップSA6において、パワー密度を低下させることにより、現在アニール用レーザビームが入射している位置よりも後に走査される領域において、表面の溶融を防止することができる。走査を継続すると、照射対象物60の平均温度がさらに上昇し、一旦低下させたパワー密度でも、表面が融点まで上昇する場合がある。この場合には、さらに、ステップSA6でパワー密度を低下させる。実施例1では、表層部の極浅い領域が溶融すると、それ以上の溶融が抑制されるため、活性化の深さのばらつきを抑制することができる。   In the step SA5 shown in FIG. 6, the state where the reflected light intensity is determined to be equal to or higher than the threshold value means that the surface temperature has risen to the melting point. In step SA6, by reducing the power density, it is possible to prevent the surface from being melted in a region scanned after the position where the annealing laser beam is currently incident. If the scanning is continued, the average temperature of the irradiation object 60 further rises, and the surface may rise to the melting point even with the power density once lowered. In this case, the power density is further reduced in step SA6. In Example 1, since the melt | dissolution beyond that will be suppressed if the very shallow area | region of a surface layer part melt | dissolves, the dispersion | variation in the depth of activation can be suppressed.

パワー密度低下の刻み幅が大きすぎると、照射対象物60への投入エネルギ量が少なくなりすぎ、アニール不足が生じる。パワー密度低下の刻み幅が小さすぎると、パワー密度の低下が、処理対象物60の平均温度の上昇に追随できなくなる。パワー密度低下の刻み幅の好適値は、実際に評価実験を行うことにより、決定することが好ましい。例えば、経過時間と表面温度の変化とが図7の関係をもつ場合には、パワー密度低下の刻み幅を、現時点のパワー密度の0.5%〜2%としてもよいし、2〜10kW/cmとしてもよい。 If the step size for reducing the power density is too large, the amount of energy input to the irradiation object 60 becomes too small, resulting in insufficient annealing. If the step size of the power density reduction is too small, the power density reduction cannot follow the increase in the average temperature of the object 60 to be processed. It is preferable to determine a suitable value for the step size for power density reduction by actually conducting an evaluation experiment. For example, when the elapsed time and the change in the surface temperature have the relationship shown in FIG. 7, the power density reduction step size may be 0.5% to 2% of the current power density, or 2 to 10 kW / it may be used as the cm 2.

上記実施例1では、図2A及び図2Bに示したように、アニール用レーザビームのビームスポット61の内部のうち、走査方向の後ろ側の縁に隣接する領域に、参照用レーザビームのビームスポット45を配置した。これにより、ビームスポット61の内部のうち、最も表面温度の高い領域の反射率を測定することができる。   In the first embodiment, as shown in FIGS. 2A and 2B, the beam spot of the reference laser beam is formed in the region adjacent to the rear edge in the scanning direction in the beam spot 61 of the annealing laser beam. 45 was placed. Thereby, the reflectance of the region having the highest surface temperature in the beam spot 61 can be measured.

図9に示すように、参照用レーザビームのビームスポット45が、アニール用レーザビームのビームスポット61の一方の縁から他方の縁まで、幅方向(主走査方向)に跨るように配置してもよい。ビームスポット45内の一部の領域で溶融が始まると、平均の反射率が上昇するため、反射光の強度が強くなる。従って、走査方向の後ろ側の縁の近傍で溶融が始まったことを検出することができる。この場合には、走査方向が反転しても、参照用レーザビームのビームスポット45の位置を移動させる必要はない。   As shown in FIG. 9, the beam spot 45 of the reference laser beam may be arranged so as to straddle in the width direction (main scanning direction) from one edge of the beam spot 61 of the annealing laser beam to the other edge. Good. When melting starts in a part of the area within the beam spot 45, the average reflectance increases, and the intensity of the reflected light increases. Accordingly, it is possible to detect that melting has started in the vicinity of the rear edge in the scanning direction. In this case, even if the scanning direction is reversed, it is not necessary to move the position of the beam spot 45 of the reference laser beam.

実施例1では、参照用レーザビームを照射対象物60に斜め入射させたが、アニール用レーザビームの経路に重ねて垂直入射させてもよい。垂直入射させる場合には、例えば、図1の折り返しミラー30とレンズ31との間に、ダイクロイックミラーを配置し、参照用レーザビームをアニール用レーザビームの経路に重畳させればよい。このダイクロイックミラーは、アニール用レーザビームを透過させ、参照用レーザビームを反射する。照射対象物60で反射された参照用レーザビームは、ダイクロイックミラーで反射されて、入射経路と反対向きに伝搬する。ダイクロイックミラーと参照用光源40との間に、ビームスプリッタと1/4波長板を挿入することにより、反射光の経路を入射光の経路から分岐させることができる。分岐後の反射光の経路上に、参照光検出器43が配置される。   In the first embodiment, the reference laser beam is obliquely incident on the irradiation target 60. However, the reference laser beam may be vertically incident on the annealing laser beam. In the case of perpendicular incidence, for example, a dichroic mirror may be disposed between the folding mirror 30 and the lens 31 in FIG. 1, and the reference laser beam may be superimposed on the annealing laser beam path. The dichroic mirror transmits the annealing laser beam and reflects the reference laser beam. The reference laser beam reflected by the irradiation object 60 is reflected by the dichroic mirror and propagates in the direction opposite to the incident path. By inserting a beam splitter and a quarter-wave plate between the dichroic mirror and the reference light source 40, the path of the reflected light can be branched from the path of the incident light. A reference light detector 43 is arranged on the reflected light path after branching.

参照用レーザビームの経路を、アニール用レーザビームの経路に重畳させる場合には、レンズ31として、アニール用レーザビームと参照用レーザビームとの2つの波長域において、反射防止処理が行われ、色消しの設計が行われたものを用いることが好ましい。   When the path of the laser beam for reference is superimposed on the path of the laser beam for annealing, the lens 31 is subjected to antireflection processing in two wavelength regions of the laser beam for annealing and the laser beam for reference. It is preferable to use one that has been designed to be erased.

参照用レーザビームを斜め入射させる構成では、照射対象物60の表面の高さが変わると、参照用レーザビームの入射位置も変わってしまう。このため、参照用レーザビームの光学系の位置を再調整しなければならない。参照用レーザビームの経路を、アニール用レーザビームの経路に重畳させる構成では、この再調整を行う必要がない。   In the configuration in which the reference laser beam is incident obliquely, the incident position of the reference laser beam also changes when the height of the surface of the irradiation target 60 changes. For this reason, the position of the optical system of the reference laser beam must be readjusted. In the configuration in which the path of the reference laser beam is superimposed on the path of the annealing laser beam, this readjustment is not necessary.

[実施例2]
図10に、実施例2によるレーザアニール方法のフローチャートを示す。以下、図6に示した実施例1のフローチャートとの相違点に着目して説明し、共通点については説明を省略する。レーザアニール装置の構成は、図1に示したものと同一である。
[Example 2]
FIG. 10 shows a flowchart of the laser annealing method according to the second embodiment. Hereinafter, description will be made by paying attention to differences from the flowchart of the first embodiment shown in FIG. 6, and description of common points will be omitted. The configuration of the laser annealing apparatus is the same as that shown in FIG.

実施例1のステップSA1に代えて、ステップSB1において、黒体放射強度測定位置を設定する。具体的には、図2A及び図2Bに示したように、アニール用レーザビームのビームスポット61の内部のうち、走査方向の後ろ側の縁に接する領域(参照用レーザビームのビームスポット45と同じ領域)からの黒体放射光が、集光レンズ50で集光され、黒体放射検出器51に入射するように、集光レンズ50及び黒体放射検出器51の位置が調節される。ステップSA2、SA3は、実施例1のステップと共通である。   Instead of step SA1 of the first embodiment, a black body radiation intensity measurement position is set in step SB1. Specifically, as shown in FIGS. 2A and 2B, the region in contact with the rear edge in the scanning direction within the beam spot 61 of the annealing laser beam (the same as the beam spot 45 of the reference laser beam). The positions of the condenser lens 50 and the black body radiation detector 51 are adjusted so that the black body radiation light from the region) is collected by the condenser lens 50 and enters the black body radiation detector 51. Steps SA2 and SA3 are the same as those in the first embodiment.

実施例1のステップSA4に代えて、ステップSB4において、黒体放射検出器51で黒体放射強度を測定する。測定結果が、制御装置21に入力される。黒体放射強度を測定することにより、照射対象物60の表面温度を算出することができる。黒体放射強度から、処理対象物の表面温度を算出する方法は、特開平2008−116269号公報に説明されている。   Instead of step SA4 of the first embodiment, the black body radiation intensity is measured by the black body radiation detector 51 in step SB4. The measurement result is input to the control device 21. By measuring the black body radiation intensity, the surface temperature of the irradiation object 60 can be calculated. A method for calculating the surface temperature of the object to be processed from the black body radiation intensity is described in JP-A-2008-116269.

ステップSB5において、黒体放射強度がしきい値以上か否かを判定する。このしきい値は、処理対象物60の融点、または融点よりもやや低い温度の表面からの黒体放射強度と等しくすればよい。例えば、このしきい値は、表面温度が1673Kのときの黒体放射強度と等しくなるように設定する。測定された黒体放射強度がしきい値以上、すなわち表面温度が1673K以上であると判定された場合、ステップSA6において、照射対象物60に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させる。この処理は、図6に示した実施例1のステップSA6の処理と共通である。測定された黒体放射強度がしきい値未満、すなわち表面温度が1673K未満であると判定された場合、ステップSA3に戻る。   In step SB5, it is determined whether or not the black body radiation intensity is greater than or equal to a threshold value. This threshold value may be equal to the melting point of the processing object 60 or the black body radiation intensity from the surface at a temperature slightly lower than the melting point. For example, this threshold value is set to be equal to the black body radiation intensity when the surface temperature is 1673K. When it is determined that the measured black body radiation intensity is equal to or higher than the threshold value, that is, the surface temperature is equal to or higher than 1673 K, the energy density of the laser energy input to the irradiation target 60 is decreased in step SA6. This process is common to the process in step SA6 of the first embodiment shown in FIG. When it is determined that the measured black body radiation intensity is less than the threshold value, that is, the surface temperature is less than 1673K, the process returns to step SA3.

ステップSA7、SA8、SA9は、図6に示した実施例1によるフローチャートのステップと共通である。ステップSA10に代えて、ステップSB10において、黒体放射強度の測定位置を再設定する。具体的には、図2A及び図2Bに示したアニール用レーザビームのビームスポット61の内部のうち、走査方向の後ろ側の縁に接する位置に、黒体放射強度の測定位置を移動させる。具体的には、図1に示した集光レンズ50及び黒体放射検出器51の位置を再調整する。   Steps SA7, SA8, and SA9 are the same as those in the flowchart according to the first embodiment shown in FIG. Instead of step SA10, the measurement position of the black body radiation intensity is reset in step SB10. Specifically, the measurement position of the black body radiation intensity is moved to a position in contact with the rear edge in the scanning direction within the beam spot 61 of the annealing laser beam shown in FIGS. 2A and 2B. Specifically, the positions of the condenser lens 50 and the blackbody radiation detector 51 shown in FIG. 1 are readjusted.

実施例2においても、照射対象物60の平均温度の上昇に従って、レーザ照射のエネルギ密度を低下させるため、表面の溶融を防止することができる。これにより、活性化の深さのばらつきを抑制することができる。   Also in Example 2, since the energy density of laser irradiation is reduced as the average temperature of the irradiation object 60 increases, the surface can be prevented from melting. Thereby, the variation in the activation depth can be suppressed.

一例として、図7に示したパワー密度とパルス幅が一定の条件でレーザ照射した場合には、照射対象物の初期温度Tiが300K、323K、373Kのときの深さ3μmの位置の最高到達温度のシミュレーション結果は、それぞれ1372K、1400K、1428Kであった。これに対し、図8に示した実施例2による方法では、照射対象物の初期温度Tiが300K、323K、373Kのときの深さ3μmの位置の最高到達温度のシミュレーション結果は、それぞれ1372K、1373K、1374Kであった。シミュレーション結果からも、実施例2の方法により、照射対象物内部の最高到達温度のばらつきが小さくなることがわかる。最高到達温度のばらつきが抑制されることから、活性化深さのばらつきも小さくなることが期待できる。   As an example, when the laser irradiation is performed under the condition where the power density and the pulse width shown in FIG. 7 are constant, the highest temperature reached at the position of 3 μm depth when the initial temperature Ti of the irradiation object is 300K, 323K, and 373K. The simulation results were 1372K, 1400K, and 1428K, respectively. On the other hand, in the method according to Example 2 shown in FIG. 8, the simulation results of the maximum temperature reached at the position of 3 μm depth when the initial temperature Ti of the irradiation object is 300K, 323K, and 373K are 1372K and 1373K, respectively. 1374K. From the simulation results, it can be seen that the variation in the maximum temperature reached inside the irradiation object is reduced by the method of Example 2. Since the variation in the maximum temperature is suppressed, it can be expected that the variation in the activation depth is also reduced.

黒体放射は、照射対象物60の表面から、立体角2πステラジアンの空間に放射されるため、集光レンズ50に入射する黒体放射光は少ない。従って、黒体放射検出器51として、アバランシェフォトダイオード(APD)や、光電子増倍管(PMT)等の増倍機能を持った検出器を用いることが好ましい。なお、これらの検出器には、CW成分の光を検出できないものもあり、照射対象物が大きく、黒体放射光強度の計測時間が長くなる場合には、測定された強度が安定しないことがある。この場合には、チョッパや高速シャッタ等を用いて、検出器に入力される黒体放射光を適宜遮断してもよい。また、アニール用レーザビームの散乱光の影響を受けないようにするために、黒体放射検出器51を暗室内に配置し、黒体放射光を光ファイバで暗室内の黒体放射検出器51まで伝送することが好ましい。   Since black body radiation is radiated from the surface of the irradiation object 60 into a space with a solid angle of 2π steradians, there is little black body radiation incident on the condenser lens 50. Therefore, it is preferable to use a detector having a multiplication function such as an avalanche photodiode (APD) or a photomultiplier tube (PMT) as the black body radiation detector 51. Note that some of these detectors cannot detect CW component light, and when the irradiation target is large and the measurement time of the black body radiation light intensity is long, the measured intensity may not be stable. is there. In this case, a black body radiation light input to the detector may be appropriately blocked using a chopper, a high-speed shutter, or the like. In order not to be affected by the scattered light of the annealing laser beam, the black body radiation detector 51 is disposed in the dark room, and the black body radiation detector 51 is disposed in the dark room with an optical fiber. It is preferable to transmit up to.

実施例1で測定した反射光の強度、及び実施例2で測定した黒体放射強度は、いずれも照射対象物の表面温度に依存する物理量である。反射光の強度、及び黒体放射強度以外に、表面温度に依存する他の物理量を測定してもよい。例えば、消衰係数を測定することにより、表面温度を算出することができる。   The intensity of the reflected light measured in Example 1 and the black body radiation intensity measured in Example 2 are both physical quantities that depend on the surface temperature of the irradiation object. In addition to the intensity of reflected light and the black body radiation intensity, other physical quantities that depend on the surface temperature may be measured. For example, the surface temperature can be calculated by measuring the extinction coefficient.

なお、反射光強度の測定結果と、黒体放射強度の測定結果との両方に基づいて、エネルギ密度を低下させるか否かの判定を行ってもよい。   In addition, you may determine whether an energy density is reduced based on both the measurement result of reflected light intensity, and the measurement result of black body radiation intensity.

[実施例3]
図11に、実施例3によるレーザアニール装置の概略図を示す。実施例1及び実施例2では、図1に示したように、制御装置21を含むパワー調節装置20がアニール用レーザビームのパワーを調節することにより、照射対象物60に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させた。実施例3においては、制御装置21が、走査機構36を制御して走査速度を変化させることができる。
[Example 3]
FIG. 11 shows a schematic diagram of a laser annealing apparatus according to the third embodiment. In the first embodiment and the second embodiment, as shown in FIG. 1, the power adjusting device 20 including the control device 21 adjusts the power of the annealing laser beam, so that the laser energy input to the irradiation target 60 is increased. Reduced energy density. In the third embodiment, the control device 21 can control the scanning mechanism 36 to change the scanning speed.

照射対象物60に投入されるエネルギ密度Eは、照射対象物60の表面におけるパワー密度をP、ビーム幅をWx、走査速度をvとして、   The energy density E input to the irradiation target 60 is P, the power density on the surface of the irradiation target 60, the beam width Wx, and the scanning speed v.

と表される。実施例1では、図6のステップSA6において、数式4の右辺のパワー密度Pを低下させることにより、エネルギ密度Eを低下させた。実施例3では、図6のステップSA6において、数式4の右辺の走査速度vを速くすることにより、エネルギ密度Eを低下させる。 It is expressed. In Example 1, the energy density E was reduced by reducing the power density P on the right side of Formula 4 in Step SA6 of FIG. In the third embodiment, the energy density E is decreased by increasing the scanning speed v on the right side of Equation 4 in step SA6 in FIG.

図12に、アニール用レーザビームの照射開始からの経過時間と、表面温度との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は経過時間を単位「μs」で表し、縦軸は表面温度を単位「K」で表す。照射開始対象物60の表面におけるパワー密度は400kW/cmである。図12の実線、破線、及び点線は、それぞれ照射対象物60の初期温度Tiが300K、323K、及び373Kの場合の表面温度の変化を示す。表面温度が1673Kに到達した時点でレーザ照射を停止することとした。 FIG. 12 shows a simulation result of the relationship between the elapsed time from the start of irradiation of the annealing laser beam and the surface temperature. The horizontal axis represents elapsed time in units of “μs”, and the vertical axis represents surface temperature in units of “K”. The power density on the surface of the irradiation start object 60 is 400 kW / cm 2 . The solid line, broken line, and dotted line in FIG. 12 indicate changes in the surface temperature when the initial temperature Ti of the irradiation object 60 is 300K, 323K, and 373K, respectively. Laser irradiation was stopped when the surface temperature reached 1673K.

初期温度Tiが300K、323K、及び373Kの場合、それぞれ照射開始から14.1μs、13.4μs、及び12.0μs経過時点で表面温度が1673Kに到達する。レーザ照射が停止されると、表面温度が徐々に低下する。   When the initial temperature Ti is 300 K, 323 K, and 373 K, the surface temperature reaches 1673 K when 14.1 μs, 13.4 μs, and 12.0 μs have elapsed from the start of irradiation, respectively. When laser irradiation is stopped, the surface temperature gradually decreases.

走査速度vが速くなると、照射対象物60の表面のある微小な領域にアニール用レーザビームが入射している時間(照射時間)が短くなる。このように、照射時間を短くすることによって、表面温度が融点を超えないように制御することが可能である。これにより、実施例1及び実施例2の場合と同様に、活性化深さのばらつきを抑制することができる。   As the scanning speed v increases, the time (irradiation time) during which the annealing laser beam is incident on a minute region on the surface of the irradiation object 60 is shortened. Thus, by shortening the irradiation time, it is possible to control the surface temperature so as not to exceed the melting point. Thereby, similarly to the case of the first embodiment and the second embodiment, variation in the activation depth can be suppressed.

走査速度を低下させる契機として、図6のステップSA5のように反射光の強度を用いてもよいし、図10のステップSB5のように黒体放射強度を用いてもよいし、両方を用いてもよい。   As an opportunity to reduce the scanning speed, the intensity of reflected light may be used as in step SA5 in FIG. 6, the black body radiation intensity may be used as in step SB5 in FIG. 10, or both may be used. Also good.

また、上記数式4からもわかるように、パワー密度Pを一定にしてビーム幅Wxを狭くすることによっても、エネルギ密度Eを低下させることができる。ビーム幅Wxは、アニール用レーザビームの経路内に配置した幅可変のスリット、及びこのスリットを照射対象物60の表面に結像させる結像レンズを用いることにより、調節することが可能である。   As can be seen from Equation 4, the energy density E can also be reduced by making the power density P constant and narrowing the beam width Wx. The beam width Wx can be adjusted by using a variable-width slit arranged in the annealing laser beam path and an imaging lens that forms an image of the slit on the surface of the irradiation object 60.

このように、走査速度v及びビーム幅Wxの一方を調整してアニール用レーザビームの照射時間を制御することにより、エネルギ密度Eを調整することができる。   Thus, the energy density E can be adjusted by adjusting one of the scanning speed v and the beam width Wx to control the irradiation time of the annealing laser beam.

実施例1によるパワー密度を調整する方法では、図8に示したように、照射対象物60の初期温度Tiが高い場合の表面温度は、レーザビームの照射期間、及び照射終了後の表面温度低下期間のいずれにおいても、初期温度Tiが低い場合の表面温度より高い。これに対し、実施例3では、図12に示したように、照射対象物60の初期温度Tiが高い場合の表面温度は、レーザビームの照射期間には、初期温度Tiが低い場合の表面温度より高い。ところが、レーザ照射を停止させた後の表面温度低下中のある期間には、表面温度の上下関係が逆転する。このため、温度履歴の積分値が平準化される。   In the method for adjusting the power density according to the first embodiment, as shown in FIG. 8, the surface temperature when the initial temperature Ti of the irradiation object 60 is high is the laser beam irradiation period and the surface temperature drop after the end of irradiation. In any period, it is higher than the surface temperature when the initial temperature Ti is low. On the other hand, in Example 3, as shown in FIG. 12, the surface temperature when the initial temperature Ti of the irradiation object 60 is high is the surface temperature when the initial temperature Ti is low during the laser beam irradiation period. taller than. However, the vertical relationship of the surface temperature is reversed during a certain period during which the surface temperature is lowered after the laser irradiation is stopped. For this reason, the integrated value of the temperature history is leveled.

図12に示した3種類のレーザ照射条件で活性化アニールを行ったときの活性化深さの計算結果は、いずれの条件においても2.27μmであった。このように、実施例3による方法は、実施例1による方法に比べて、活性化深さのばらつきを抑制する効果が高い。   The calculation result of the activation depth when activation annealing was performed under the three types of laser irradiation conditions shown in FIG. 12 was 2.27 μm in any condition. Thus, the method according to the third embodiment has a higher effect of suppressing the variation in activation depth than the method according to the first embodiment.

[実施例4]
図13に、実施例4によるレーザアニール装置の概略図を示す。実施例4では、図1に示した半波長板22に代えて、電気光学素子(EOM)22Aが用いられる。制御装置21、電気光学素子22A、ビームスプリッタ23、及びビームダンパ24により、遮断装置20Aが構成される。電気光学素子22Aには、例えばポッケルスセルが用いられる。電気光学素子22Aは、制御装置21からの制御を受けて、レーザビームの偏光方向を変化させる。実施例4においては、ビームスプリッタ23に入射するレーザビームをすべてP成分にする状態と、すべてS成分にする状態とを選択することができる。
[Example 4]
FIG. 13 shows a schematic diagram of a laser annealing apparatus according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, an electro-optic element (EOM) 22A is used instead of the half-wave plate 22 shown in FIG. The control device 21, the electro-optic element 22A, the beam splitter 23, and the beam damper 24 constitute a blocking device 20A. For example, a Pockels cell is used as the electro-optic element 22A. The electro-optic element 22A changes the polarization direction of the laser beam under the control of the control device 21. In the fourth embodiment, it is possible to select a state in which all the laser beams incident on the beam splitter 23 are P components and a state in which all laser beams are S components.

ビームスプリッタ23に入射するレーザビームがP成分のみである場合、レーザビームはビームスプリッタ23を透過し、照射対象物60に入射する。ビームスプリッタ23に入射するレーザビームがS成分のみである場合、レーザビームはビームスプリッタ23で反射されるため、照射対象物60には入射しない。   When the laser beam incident on the beam splitter 23 is only the P component, the laser beam passes through the beam splitter 23 and enters the irradiation object 60. When the laser beam incident on the beam splitter 23 is only the S component, the laser beam is reflected by the beam splitter 23 and therefore does not enter the irradiation target 60.

電気光学素子22Aは、半波長板22を回転させる場合に比べて、P成分のみの状態と、S成分のみの状態とを高速に切り替えることができる。このため、遮断装置20Aは、アニール用レーザビームを高速に遮断することができる。なお、電気光学素子22Aとビームスプリッタ23とに代えて、音響光学素子(AOM)を用いてもよい。実施例4においては、照射対象物60にアニール用レーザビームが照射されている状態と、アニール用レーザビームが遮断されている状態とを交互に繰り返す。   The electro-optic element 22A can switch between the state of only the P component and the state of only the S component at a higher speed than when the half-wave plate 22 is rotated. For this reason, the blocking device 20A can block the annealing laser beam at high speed. In place of the electro-optic element 22A and the beam splitter 23, an acousto-optic element (AOM) may be used. In the fourth embodiment, the state where the irradiation object 60 is irradiated with the annealing laser beam and the state where the annealing laser beam is blocked are alternately repeated.

図14Aに、照射対象物60の表面に入射するアニール用レーザビームのパワー密度分布の一例を示す。アニール用レーザビームの光強度分布は、均一化光学素子26で均一化されているため、パワー密度分布は一定であると仮定した。横軸は走査方向(X軸方向)に関する位置を表し、縦軸はパワー密度を表す。照射開始時刻(t=t)に入射するアニール用レーザビームのパワー密度分布を細い実線P0で表し、照射が遮断される時刻(t=t)に入射しているアニール用レーザビームのパワー密度分布を太い実線P1で表す。照射が開始される時刻から、照射が遮断される時刻までのビームスポットの移動距離L1は、ビーム幅Wxに比べて十分短い。 FIG. 14A shows an example of the power density distribution of the annealing laser beam incident on the surface of the irradiation object 60. Since the light intensity distribution of the annealing laser beam is uniformized by the homogenizing optical element 26, the power density distribution is assumed to be constant. The horizontal axis represents the position in the scanning direction (X-axis direction), and the vertical axis represents the power density. The power density distribution of the annealing laser beam incident at the irradiation start time (t = t 0 ) is represented by a thin solid line P0, and the power of the annealing laser beam incident at the irradiation interruption time (t = t 2 ). The density distribution is represented by a thick solid line P1. The moving distance L1 of the beam spot from the time when irradiation is started to the time when irradiation is interrupted is sufficiently shorter than the beam width Wx.

図14Bに、時刻tからtまでの照射期間に、照射対象物60に入射したレーザビームのエネルギ密度の分布を太い実線E1で示す。照射開始時刻tから遮断時刻tまで継続してレーザビームが入射している領域においては、エネルギ密度が一定になる。エネルギ密度一定の領域の両側に、外側に向かってエネルギ密度が低下する傾斜領域が存在する。 In FIG. 14B, the distribution of energy density of the laser beam incident on the irradiation object 60 during the irradiation period from time t 0 to t 2 is indicated by a thick solid line E1. In the region where the laser beam continuously from the irradiation start time t 0 to cutoff time t 2 is incident, energy density is constant. On both sides of the region where the energy density is constant, there are inclined regions where the energy density decreases toward the outside.

図14Cに、アニール用レーザビームを断続的に照射したときに照射対象物60に投入されるエネルギ密度分布を示す。時刻tからtまでの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布E1(t−t)と、時刻tからtまでの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布E1(t−t)とが部分的に重なる。同様に時刻tからtまでの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布E1(t−t)と、時刻tからtまでの照射によって投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布E1(t−t)とが部分的に重なる。 FIG. 14C shows an energy density distribution input to the irradiation object 60 when the annealing laser beam is intermittently irradiated. The energy density distribution E1 (t 0 -t 2 ) of laser energy input by irradiation from time t 0 to t 2 and the energy density distribution E1 of laser energy input by irradiation from time t 3 to t 4 ( t 3 −t 4 ) partially overlap. Similarly the energy density distribution of laser energy E1 (t 3 -t 4) to be introduced by irradiation to t 4 from time t 3, the energy density distribution of laser energy to be introduced by irradiation from time t 5 to t 6 E1 (t 5 -t 6 ) partially overlaps.

照射対象物60に実際に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度分布は、これらのエネルギ密度分布を累積した分布になる。このように、連続発振したアニール用レーザビームを断続的に遮断することによってパルス化して照射してもよい。   The energy density distribution of the laser energy actually input to the irradiation object 60 is a distribution obtained by accumulating these energy density distributions. In this manner, the laser beam for annealing that oscillates continuously may be irradiated in a pulsed manner by intermittently blocking it.

図14Aに示すように、遮断時刻をtよりも早いtとした場合の遮断時刻におけるパワー密度分布を破線P2で示す。図14Bに、時刻tからtまでの照射期間に、照射対象物60に投入されたレーザエネルギのエネルギ密度分布を破線E2で示す。遮断時刻をtにした場合に比べて照射時間が短いため、エネルギ密度が一定になる領域のエネルギ密度は、遮断時刻をtにした場合よりも低くなる。このように、照射時間を短くすることにより、照射対象物60に投入されるレーザエネルギのエネルギ密度を低下させることができる。 As shown in FIG. 14A, showing the power density distribution in the cutoff time when the cut-off time was set earlier t 1 than t 2 by a broken line P2. In FIG. 14B, the energy density distribution of the laser energy input to the irradiation object 60 during the irradiation period from time t 0 to t 1 is indicated by a broken line E2. Shorter irradiation time as compared to blocking time when the t 2, the energy density of the region where the energy density is constant is lower than when the cut-off time was t 2. Thus, by shortening the irradiation time, the energy density of the laser energy input to the irradiation object 60 can be reduced.

図6に示した実施例1のステップSA6、及び図10に示した実施例2のステップSA6において、照射時間を短くすることにより、エネルギ密度を低下させることができる。   In Step SA6 of Example 1 shown in FIG. 6 and Step SA6 of Example 2 shown in FIG. 10, the energy density can be reduced by shortening the irradiation time.

実施例1〜実施例3による方法では、数式3に示したように、ビーム幅Wxと照射すべき時間tが決まると、走査速度vも決まってしまう。例えば、照射すべき時間tが50μs、ビーム幅Wxが50μmである場合、走査速度vは1m/sになる。走査速度が速くなると、ステージ35が一定速度に達するまで加速するための空間、及び走査方向を反転させるために減速するための空間を確保しなければならない。このため、アニール装置が大型化してしまう。   In the method according to the first to third embodiments, as shown in Expression 3, when the beam width Wx and the time t to be irradiated are determined, the scanning speed v is also determined. For example, when the time t to be irradiated is 50 μs and the beam width Wx is 50 μm, the scanning speed v is 1 m / s. When the scanning speed increases, a space for accelerating the stage 35 until reaching a constant speed and a space for decelerating to reverse the scanning direction must be secured. For this reason, an annealing apparatus will enlarge.

実施例4では、走査速度に依らず、照射時間を変えることができる。このため、実施例1〜実施例3の場合に比べて走査速度を遅くすることが可能になる。加速及び減速のために確保すべき空間が小さくてもよいため、装置を小型化することが可能になる。   In Example 4, the irradiation time can be changed regardless of the scanning speed. For this reason, it becomes possible to make a scanning speed slow compared with the case of Example 1-3. Since the space to be secured for acceleration and deceleration may be small, the apparatus can be miniaturized.

実施例4では、連続発振したレーザビームを遮断する構成を採用した。その他に、疑似連続発振(QCW)するレーザビームを用いてもよいし、パルス幅が1μs以上のパルスレーザビームを用いてもよい。パルス幅が1μs以上のパルスレーザビームを用いる場合には、1つのパルスの一部を遮断装置20Aで遮断することにより、照射時間を調節することができる。なお、レーザ光源10がパルス幅可変のレーザ発振器である場合には、電気光学素子22A、ポーラライザ23、及びビームダンパ24を配置することなく、制御装置21でレーザ光源10を直接制御してもよい。   In the fourth embodiment, a configuration in which a continuously oscillated laser beam is blocked is employed. In addition, a laser beam that performs quasi-continuous oscillation (QCW) may be used, or a pulse laser beam having a pulse width of 1 μs or more may be used. When a pulse laser beam having a pulse width of 1 μs or more is used, the irradiation time can be adjusted by blocking a part of one pulse with the blocking device 20A. In the case where the laser light source 10 is a laser oscillator having a variable pulse width, the laser light source 10 may be directly controlled by the control device 21 without disposing the electro-optical element 22A, the polarizer 23, and the beam damper 24.

図15に、上記実施例1〜実施例4によるレーザアニール方法が適用されるIGBTの断面の模式図を示す。IGBTは、n型の半導体基板の一方の面にエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面にコレクタを形成することで作製される。エミッタとゲートを形成する面の構造は、一般的なMOSFETの作製工程と同様の工程で作製される。たとえば、図15に示すように、p型のベース領域74、n型のエミッタ領域75、ゲート電極81、ゲート絶縁膜82、エミッタ電極80を配置することにより、ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができるようになる。   FIG. 15 is a schematic diagram of a cross section of an IGBT to which the laser annealing method according to the first to fourth embodiments is applied. An IGBT is manufactured by forming an emitter and a gate on one surface of an n-type semiconductor substrate and forming a collector on the other surface. The structure of the surface on which the emitter and the gate are formed is manufactured in the same process as a general MOSFET manufacturing process. For example, as shown in FIG. 15, by disposing a p-type base region 74, an n-type emitter region 75, a gate electrode 81, a gate insulating film 82, and an emitter electrode 80, a current at a voltage between the gate and the emitter can be obtained. ON / OFF control can be performed.

半導体基板71の反対側の面に、p型のコレクタ層73が形成されている。必要に応じて、コレクタ層73と半導体基板71との間に、n型のバッファ層72を形成してもよい。コレクタ層73及びバッファ層72は、それぞれ不純物としてボロン及びリンをイオン注入により注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。この活性化アニールに、上記実施例1〜4による方法が適用される。コレクタ電極83が、活性化アニールの後に、コレクタ層73の表面に形成される。   A p-type collector layer 73 is formed on the opposite surface of the semiconductor substrate 71. If necessary, an n-type buffer layer 72 may be formed between the collector layer 73 and the semiconductor substrate 71. The collector layer 73 and the buffer layer 72 are formed by implanting boron and phosphorus as impurities, respectively, and performing activation annealing. For this activation annealing, the methods according to Examples 1 to 4 are applied. A collector electrode 83 is formed on the surface of the collector layer 73 after the activation annealing.

上記実施例1〜実施例4では、半導体ウエハに注入された不純物を活性化するレーザアニールについて説明した。上記レーザアニール方法は、照射対象物の表面を過度に溶融させることなくレーザビームで走査してアニールを行う方法に適用することができる。この場合に、照射対象物の面内において、アニールによる温度履歴の平準化を行うことができる。   In the first to fourth embodiments, the laser annealing for activating the impurities implanted into the semiconductor wafer has been described. The laser annealing method can be applied to a method of performing annealing by scanning with a laser beam without excessively melting the surface of the irradiation object. In this case, the temperature history can be leveled by annealing in the plane of the irradiation object.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

10 レーザ光源
20 パワー調節装置
20A 遮断装置
21 制御装置
22 半波長板
22A 電気光学素子
23 ビームスプリッタ
24 ビームダンパ
25 ビーム整形光学系
26 均一化光学系
30 折り返しミラー
31 レンズ
35 ステージ
36 走査機構
40 参照光光源
41、42 折り返しミラー
43 参照光検出器
45 参照用レーザビームのビームスポット
50 集光レンズ
51 黒体放射検出器
60 照射対象物
61 アニール用レーザビームのビームスポット
70 シリコン基板
71 n型の領域
72 バッファ層
73 コレクタ層
74 ベース領域
75 エミッタ領域
80 エミッタ電極
81 ゲート電極
82 ゲート絶縁膜
83 コレクタ電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser light source 20 Power adjustment apparatus 20A Blocking device 21 Control apparatus 22 Half wave plate 22A Electro-optic element 23 Beam splitter 24 Beam damper 25 Beam shaping optical system 26 Uniformation optical system 30 Folding mirror 31 Lens 35 Stage 36 Scan mechanism 40 Reference light source 41, 42 Folding mirror 43 Reference light detector 45 Beam spot 50 of reference laser beam Condensing lens 51 Black body radiation detector 60 Irradiation target 61 Beam spot 70 of annealing laser beam Silicon substrate 71 n type region 72 Buffer layer 73 Collector layer 74 Base region 75 Emitter region 80 Emitter electrode 81 Gate electrode 82 Gate insulating film 83 Collector electrode

Claims (11)

照射対象物の表面をレーザビームで走査する工程と、
前記レーザビームが入射している位置の、前記照射対象物の表面温度に依存する物理量を測定する工程と、
測定された前記物理量に基づいて、走査方向前方の未走査領域の前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を、既に走査された領域に投入されたエネルギ密度よりも低くする工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Scanning the surface of the irradiation object with a laser beam;
Measuring a physical quantity depending on a surface temperature of the irradiation object at a position where the laser beam is incident;
And a step of lowering an energy density input to the irradiation object in the unscanned area forward in the scanning direction based on the measured physical quantity to be lower than an energy density input to the already scanned area. Manufacturing method.
前記エネルギ密度を低くする工程において、前記物理量が、温度許容範囲の上限値に相当するしきい値を超えたことを検出すると、前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を低下させる請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   In the step of reducing the energy density, when it is detected that the physical quantity exceeds a threshold value corresponding to an upper limit value of a temperature allowable range, the energy density input to the irradiation object is reduced. The manufacturing method of the semiconductor device of description. 前記物理量を測定する工程は、さらに、
前記レーザビームの入射位置に参照光を入射させる工程と、
前記参照光が前記照射対象物表面で反射した反射光の強度を測定し、前記物理量とする工程と
を含む請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
The step of measuring the physical quantity further includes:
A step of causing reference light to be incident on an incident position of the laser beam;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: measuring the intensity of reflected light reflected by the surface of the irradiation object by the reference light and setting it as the physical quantity.
前記物理量を測定する工程は、さらに、
前記レーザビームの入射位置からの黒体放射光の強度を測定し、前記物理量とする工程を含む請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
The step of measuring the physical quantity further includes:
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of measuring an intensity of black body radiation from an incident position of the laser beam to obtain the physical quantity. 5.
前記エネルギ密度を低くする工程が、前記照射対象物の表面における前記レーザビームのパワー密度を低下させる工程を含む請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of reducing the energy density includes a step of reducing a power density of the laser beam on the surface of the irradiation object. 前記エネルギ密度を低くする工程が、前記照射対象物の表面における前記レーザビームの走査速度を遅くする工程を含む請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of reducing the energy density includes a step of reducing a scanning speed of the laser beam on the surface of the irradiation object. 前記照射対象物の表面を前記レーザビームで走査する工程において、前記レーザビームを断続的に前記照射対象物に入射させ、
前記エネルギ密度を低くする工程が、前記レーザビームが前記照射対象物に連続して入射している時間を短くする工程を含む請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
In the step of scanning the surface of the irradiation object with the laser beam, the laser beam is intermittently incident on the irradiation object,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of reducing the energy density includes a step of shortening a time during which the laser beam is continuously incident on the irradiation object. .
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に照射対象物を保持するステージと、
前記ステージに保持された照射対象物の表面において、前記レーザビームの入射位置が移動するように、前記レーザビームの経路及び前記照射対象物の一方を他方に対して移動させる走査機構と、
前記照射対象物のうち前記レーザビームが入射している位置の表面温度に依存する物理量を測定する測定装置と、
前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームによって前記照射対象物に投入されるエネルギ密度を変化させるエネルギ密度調節装置と
を有するレーザアニール装置。
A laser light source for emitting a laser beam;
A stage for holding an irradiation object at a position where a laser beam emitted from the laser light source is incident;
A scanning mechanism for moving one of the path of the laser beam and the irradiation object relative to the other so that the incident position of the laser beam moves on the surface of the irradiation object held on the stage;
A measuring device for measuring a physical quantity depending on a surface temperature of a position where the laser beam is incident among the irradiation object;
A laser annealing apparatus comprising: an energy density adjusting device that changes an energy density input to the irradiation object by the laser beam based on a measurement result of the physical quantity by the measuring device.
前記エネルギ密度調節装置は、前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームのパワーを減衰させる減衰量可変のパワー調節装置を含む請求項8に記載のレーザアニール装置。   The laser annealing apparatus according to claim 8, wherein the energy density adjusting device includes a power adjustment device with a variable amount of attenuation for attenuating the power of the laser beam based on a measurement result of the physical quantity by the measuring device. 前記エネルギ密度調節装置は、前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記照射対象物の表面における前記レーザビームの走査速度が変化するように前記走査機構を制御する制御装置を含む請求項8に記載のレーザアニール装置。   The energy density adjusting device includes a control device that controls the scanning mechanism so that a scanning speed of the laser beam on a surface of the irradiation object changes based on a measurement result of the physical quantity by the measuring device. 9. The laser annealing apparatus according to 8. 前記エネルギ密度調節装置は、前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームが前記照射対象物に連続して入射している時間が変化するように、前記レーザ光源から出射したレーザビームを前記照射対象物に断続的に入射させる請求項8に記載のレーザアニール装置。   The energy density adjusting device is a laser emitted from the laser light source so that the time during which the laser beam is continuously incident on the irradiation object changes based on the measurement result of the physical quantity by the measuring device. The laser annealing apparatus according to claim 8, wherein a beam is incident on the irradiation object intermittently.
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