JP2012164921A - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

レーザアニール方法及びレーザアニール装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 高品質のアニールを行う。
【解決手段】 （ａ）表層部の相対的に深い領域に、相対的に低濃度で不純物が添加され、相対的に浅い領域に、相対的に高濃度で不純物が添加されている半導体基板を準備する。（ｂ）半導体基板にレーザビームを照射して、相対的に浅い領域に添加された高濃度不純物は、高濃度不純物の添加領域よりも深い位置まで、半導体基板を溶融させて活性化させ、相対的に深い領域に添加された低濃度不純物は、半導体基板を、低濃度不純物の添加領域まで溶融させることなく活性化させる。
【選択図】 図９

Description

本発明は、レーザビームを照射して、半導体基板に添加された不純物を活性化させるレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。
半導体基板に不純物をイオン注入により導入し、レーザビームを照射して、導入された不純物を活性化させ、電極層及びフィールドストップ層を形成した半導体装置とその製造方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載の技術においては、半導体素子の表面構造を作製した後、基板を薄くする。その後、裏面にイオン注入を行い、パルスレーザビームを照射する。パルスレーザビームの照射は、複数のレーザパルスを照射するタイミングに６００ｎｓ以下の時間差を設けて行う。詳細には、シリコン基板の裏面側から、フィールドストップ層のピーク濃度が、５Ｅ＋１８／ｃｍ３以下となるように、ドーズ量を１Ｅ＋１４／ｃｍ２以下として、たとえば、リンイオンをｎ−型基板のフィールドストップ層形成予定領域にイオン注入する。続いて、ｐ＋型コレクタ層及びｎ＋型カソード層のピーク濃度が１Ｅ＋２１／ｃｍ３以下となるように、ドーズ量を５Ｅ＋１６／ｃｍ２以下として、たとえば、ボロンイオン及びリンイオンを、それぞれｎ−型基板の裏面側から、ｐ＋型コレクタ層形成予定領域及びｎ＋型カソード層形成予定領域にイオン注入する。
このような高濃度でイオンが注入されたｎ＋型カソード層などは、シリコン基板の結晶性が破壊され、アモルファス化してしまうことが知られている。特許文献１記載の半導体装置の製造方法においては、レーザビームの照射によって、レーザ照射面（基板裏面）から深さ１μｍを超える深い部分に注入された不純物は、固相拡散による欠陥回復と活性化が行われるため、十分な温度上昇及び加熱時間が確保できず、活性化が不十分となる場合がある。深い部分の活性化を十分に行うために、照射するレーザビームのエネルギ密度を上げると、溶融深さが深くなり、注入不純物のデプスプロファイルが変化して設計通りの特性が得られなかったり、基板表面の荒れがひどくなるなどの不具合が発生する。
シリコンウエハが溶融しない範囲のエネルギ密度で、パルスレーザビームを照射してレーザアニールを行う技術が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。この方法では、不純物が高濃度でイオン注入され、アモルファス化した領域の結晶性を完全に回復させ、注入不純物を活性化することはできない。
特開２０１０−１７１０５７号公報 特開２００９−０３２８５８号公報
本発明の目的は、高品質のアニールを実現可能なレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することである。
本発明の一観点によると、（ａ）表層部の相対的に深い領域に、相対的に低濃度で不純物が添加され、相対的に浅い領域に、相対的に高濃度で不純物が添加されている半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板にレーザビームを照射して、前記相対的に浅い領域に添加された高濃度不純物は、該高濃度不純物の添加領域よりも深い位置まで、前記半導体基板を溶融させて活性化させ、前記相対的に深い領域に添加された低濃度不純物は、前記半導体基板を、前記低濃度不純物の添加領域まで溶融させることなく活性化させる工程とを有するレーザアニール方法が提供される。
また、本発明の他の観点によると、パルス幅が相対的に短い第１のパルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、パルス幅が相対的に長い第２のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、表層部の相対的に深い領域に、相対的に低濃度で不純物が添加され、相対的に浅い領域に、相対的に高濃度で不純物が添加された半導体基板を保持するステージと、前記第１のレーザ光源を出射した第１のパルスレーザビーム、及び、前記第２のレーザ光源を出射した第２のパルスレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上の同一領域に伝搬しうる伝搬光学系であって、前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを、同一光軸上に重畳するビーム重畳器を含み、前記第１のパルスレーザビームを、前記高濃度不純物の添加領域よりも深い位置まで、前記半導体基板を溶融させるエネルギ密度で伝搬させることが可能であり、かつ、前記第２のパルスレーザビームを、前記半導体基板を、前記低濃度不純物の添加領域まで溶融させないエネルギ密度で伝搬させる伝搬光学系とを有するレーザアニール装置が提供される。
なお、相対的に高濃度で不純物が添加された領域は、アモルファス化していることがある。
本発明によれば、高品質のアニールを実現可能なレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することができる。
実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。 シリコンウエハ５０の不純物デプスプロファイルの一例を示すグラフである。 パルスレーザビーム２０ａを、シリコンウエハ５０裏側表面（レーザ照射面）が融点（約１６９０Ｋ）に達する条件で照射したときの、シリコンウエハ５０裏側表面から深さ３μｍの位置の最高到達温度、及び深さ１００μｍの位置（表側表面）の最高到達温度と、パルスレーザビーム２０ａのパルス幅との関係を示すグラフである。 リン（Ｐ）を２ＭｅＶのエネルギ、３Ｅ＋１３／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入したシリコンウエハに、パルスレーザビーム２０ａを、パルス幅を２０μｓ、照射面におけるパワー密度を４２０ｋＷ／ｃｍ２として照射して行ったアニールの結果を示すグラフである。 Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であるパルスレーザビーム１０ａをシリコンウエハに照射し、０．３μｍの溶融深さを得るために必要なエネルギ密度を示すグラフである。 不純物としてリン（Ｐ）を、１００ｋｅＶのエネルギ、２Ｅ＋１５／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入したシリコンウエハの断面ＴＥＭ像である。 図６に示すシリコンウエハに、パルス幅が相対的に短いレーザパルスを照射してアニールを行った後の、シリコンウエハの断面ＴＥＭ像である。 図６に示すシリコンウエハに、パルス幅が相対的に長いレーザパルスを照射してアニールを行った後の、シリコンウエハの断面ＴＥＭ像である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施例によるレーザアニール方法を説明するグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第２の実施例によるレーザアニール方法を説明するグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第３の実施例によるレーザアニール方法を説明するグラフである。
図１は、実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。実施例によるレーザアニール装置は、レーザ光源１０、２０、アッテネータ１１、２１、テレスコープ１２、２２、ホモジナイザ１３、２３、折り返しミラー１４、ダイクロイックミラー１５、イメージングレンズ１６、ステージ３０、及び制御装置４０を含んで構成される。
レーザ光源１０は、固体レーザ、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＬＦレーザ、及び非線形光学結晶を含み、制御装置４０からのトリガ信号に応じて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）またはＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（波長５２７ｎｍ）であるパルスレーザビーム１０ａを出射する。パルスレーザビーム１０ａは、入射するレーザビームの光強度を減衰率可変に減衰して出射するアッテネータ１１で光強度を減衰され、テレスコープ１２を通過してホモジナイザ１３に入射する。ホモジナイザ１３は入射するレーザビームを分割し、重ね合わせることにより、加工面（レーザ照射面）におけるパルスレーザビーム１０ａの形状を、たとえば矩形状に整形するとともに、面内における光強度を均一化する。
ホモジナイザ１３を出射したレーザビーム１０ａは、折り返しミラー１４で反射されて、ダイクロイックミラー１５を透過し、イメージングレンズ１６で集光されて、たとえばＸＹステージであるステージ３０に、２次元方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動可能に保持されたシリコンウエハ５０に入射する。
レーザ光源２０は、たとえば半導体レーザ(laser diode; LD)を含み、制御装置４０からパルス状の電力（電流）の供給を受けて、たとえば波長９１５ｎｍのパルスレーザビーム２０ａを出射する。パルスレーザビーム２０ａは、アッテネータ２１で減衰率可変に光強度を減衰され、テレスコープ２２を経由してホモジナイザ２３に入射する。ホモジナイザ２３は加工面におけるパルスレーザビーム２０ａの形状を、たとえば矩形状に整形するとともに、面内における光強度を均一化する。
ホモジナイザ２３を出射したレーザビーム２０ａは、ダイクロイックミラー１５で反射された後、イメージングレンズ１６で集光されて、ステージ３０に保持されたシリコンウエハ５０に入射する。
ダイクロイックミラー１５は、パルスレーザビーム１０ａ及び２０ａを同一光軸上に重畳するビーム重畳器である。両パルスレーザビーム１０ａ、２０ａは、たとえば長軸方向（Ｘ軸方向）の長さが４ｍｍ、短軸方向（Ｙ軸方向）の長さが０．２５ｍｍの矩形状の入射領域を形成して、シリコンウエハ５０上の同一領域に入射する。
制御装置４０は、固体レーザ１０からのパルスレーザビーム１０ａの出射、及び、半導体レーザ２０からのパルスレーザビーム２０ａの出射を制御する。また、ステージ３０の動作を制御することで、ステージ３０に保持されたシリコンウエハ５０上におけるパルスレーザビーム１０ａ、２０ａの入射位置を制御する。
パルスレーザビーム１０ａのパルス幅は相対的に短く、パルスレーザビーム２０ａのパルス幅は相対的に長い。パルスレーザビーム２０ａのパルス幅は、たとえばパルスレーザビーム１０ａのパルス幅の２０倍以上である。なお、たとえばパルスレーザビーム２０ａのパルス幅は、制御装置４０から半導体レーザ２０へのパルス状電力の供給時間で制御することができる。
シリコンウエハ５０は、不純物が添加された半導体基板である。シリコンウエハ５０のレーザ照射面から、相対的に深い領域、たとえば深さが１μｍを超える領域には、相対的に低濃度で不純物がイオン注入されている。また、相対的に浅い領域、たとえば深さが１μｍ以下の領域には、相対的に高濃度で不純物がイオン注入されている。なお、高濃度で添加された不純物がリン（Ｐ）である場合、高濃度でリン（Ｐ）が添加された領域は、たとえばシリコンがアモルファス化する。
シリコンウエハ５０は、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(insulated gate bipolar transistor; IGBT)の製造に用いられる。シリコンウエハ５０の厚さは、たとえば１００μｍである。シリコンウエハ５０の表側の表層部には、ＩＧＢＴのエミッタ領域及びゲート領域が画定されている。また裏側の表層部には、ｐ型不純物、たとえばホウ素（Ｂ）の注入によるコレクタ領域、及び、ｎ型不純物、たとえばリン（Ｐ）の注入によるフィールドストップ領域が画定されている。
図２に、シリコンウエハ５０の不純物デプスプロファイルの一例を示す。グラフの横軸は、シリコンウエハ５０の裏側表面からの深さを、リニアな目盛りにより単位「μｍ」で表す。グラフの縦軸は、添加された不純物の濃度を、対数目盛りにより単位「ａｔｏｍｓ／ｃｃ」で表す。
ホウ素（Ｂ）の濃度がピークとなる位置は、裏側表面から０．３μｍの深さである。また、リン（Ｐ）の濃度がピークとなる位置は、裏側表面から１．８μｍの深さである。更に、リン（Ｐ）の注入深さのテールは、裏面表面から３μｍに及ぶ。
パルスレーザビーム１０ａ、２０ａは、シリコンウエハ５０の裏側表面に照射される。パルスレーザビーム１０ａ、２０ａの照射により、コレクタ領域（レーザ照射面から相対的に浅い領域）に注入された不純物（Ｂ）、及び、フィールドストップ領域（レーザ照射面から相対的に深い領域）に注入された不純物（Ｐ）の活性化アニールが行われる。なお、ＩＧＢＴの製造に用いられるシリコンウエハ５０においては、アニールに際して表側表層部が高温になるのは好ましくない。
シリコンウエハ５０表面における矩形状ビーム入射領域の短軸方向（Ｙ軸方向）にシリコンウエハ５０を移動させることにより、ビーム入射領域の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さを幅とする帯状の領域をアニールすることができる。パルスレーザビーム１０ａ、２０ａをシリコンウエハ５０の端部まで照射したところで、シリコンウエハ５０を、ビーム入射領域の長軸方向（Ｘ軸方向）にずらす。その後、シリコンウエハ５０上のＹ軸方向にビーム入射領域を移動させて、帯状の領域をアニールする処理を繰り返すことにより、シリコンウエハ５０の裏側表面全体をアニールすることができる。アニールにおいて、パルスレーザビーム１０ａ、２０ａは、たとえば５０％以上の重複率でシリコンウエハ５０に照射される。
相対的に深い領域、たとえば深さが１μｍを超える領域に、相対的に低濃度で添加された不純物（Ｐ）は、パルス幅が相対的に長いパルスレーザビーム２０ａにより活性化（非溶融アニール）が行われる。相対的に浅い領域、たとえば深さが１μｍ以下の領域に、相対的に高濃度で添加された不純物（Ｂ）は、パルス幅が相対的に短いパルスレーザビーム１０ａにより活性化（溶融アニール）が行われる。パルスレーザビーム１０ａは、高濃度で不純物のイオン注入が行われている領域よりも深い位置まで、シリコンを溶融させるエネルギ密度でシリコンウエハ５０に照射される。パルスレーザビーム１０ａの照射により、パルスレーザビーム１０ａ入射位置のシリコンウエハ５０は溶融し、高濃度で不純物（Ｂ）が注入されている領域は、液相エピタキシャル成長によって、結晶欠陥が回復される過程で十分な不純物（Ｂ）活性化が行われる。
図３及び図４を参照し、パルスレーザビーム２０ａの照射による、相対的に深い領域に、相対的に低濃度で添加された不純物の活性化について説明する。
図３は、パルスレーザビーム２０ａを、シリコンウエハ５０裏側表面（レーザ照射面）が融点（約１６９０Ｋ）に達する条件で照射したときの、シリコンウエハ５０裏側表面から深さ３μｍの位置の最高到達温度、及び深さ１００μｍの位置（表側表面）の最高到達温度と、パルスレーザビーム２０ａのパルス幅との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、パルスレーザビーム２０ａのパルス幅を、単位「μｓ」で表し、縦軸は、深さ３μｍ及び１００μｍの位置の最高到達温度を、単位「Ｋ」で表す。曲線ａは、パルスレーザビーム２０ａのパルス幅と、深さ３μｍの位置の最高到達温度との関係を示し、曲線ｂは、パルスレーザビーム２０ａのパルス幅と、深さ１００μｍの位置の最高到達温度との関係を示す。
曲線ａを参照すると、パルス幅が５μｓ未満である場合、３μｍの深さの温度上昇が不十分である。このため、５μｓ未満のパルス幅は、３μｍ超の深さに添加された不純物が十分に活性化されず、好ましくない。曲線ｂを参照すると、パルスレーザビーム２０ａのパルス幅が長いほど深い領域の温度は上昇し、不純物の活性化には有利であるが、シリコンウエハ５０の表側表面（レーザ非照射面）の温度が上昇する点で好ましくなく、たとえば１００μｓを超えるパルス幅は望ましくないであろう。このため、半導体レーザ２０から出射される波長９１５ｎｍのパルスレーザビーム２０ａのパルス幅は５μｓ〜１００μｓであることが好ましい。曲線ａ、ｂから、３μｍ深さの温度上昇が十分であり、かつ、１００μｍ深さの温度上昇が著しくない４０μｓ以下のパルス幅とすることが、より好ましいであろう。
なお、実施例においては、レーザ光源２０として、安価に高出力を得られる波長９１５ｎｍの半導体レーザを用いたが、たとえば、常温でシリコンに対する侵入長が３０μｍ程度である波長９５０ｎｍ以下のレーザビームを出力する半導体レーザその他のレーザを使用することができる。
図４は、リン（Ｐ）を２ＭｅＶのエネルギ、３Ｅ＋１３／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入したシリコンウエハに、パルスレーザビーム２０ａを、パルス幅を２０μｓ、照射面におけるパワー密度を４２０ｋＷ／ｃｍ２として照射して行ったアニールの結果を示すグラフである。グラフの横軸は、レーザ照射面からの深さを、リニアな目盛りにより単位「μｍ」で表す。グラフの縦軸は、不純物及びキャリアの濃度を、対数目盛りにより、たとえば単位「ｉｏｎｓ／ｃｍ３」で表す。曲線ａは、不純物のデプスプロファイルを示し、曲線ｂは、キャリアのデプスプロファイルを示す。
上記条件のパルスレーザビーム２０ａの照射により、相対的に深い領域に、相対的に低濃度で添加されたリン（Ｐ）の約７０％を活性化させることができることがわかる。
図５〜図８を参照し、パルスレーザビーム１０ａの照射による、相対的に浅い領域に、相対的に高濃度で添加された不純物の活性化について説明する。
パルスレーザビーム１０ａのパルス幅は、たとえば３０ｎｓ〜２５０ｎｓである。実施例においては、相対的にパルス幅の短いパルスレーザビーム１０ａとして、Ｎｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波を用いるが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザの基本波、その他のＱスイッチ固体レーザの基本波や第２高調波を、好ましく使用することが可能である。更に、ＣＯ２レーザ等、３０ｎｓ〜２５０ｎｓのパルス幅でレーザパルスを出射可能なレーザ光源を用いることができる。パルス幅が３０ｎｓよりも短い場合、レーザパルスのピーク強度が高くなりすぎて、半導体材料（シリコン）や注入不純物がアブレーションを起こしたり、蒸発して組成が変わるなどの問題が生じうる。パルス幅が２５０ｎｓを超える場合、シリコンウエハを所望の深さまで溶融させるのに必要なエネルギ密度が高くなるため、ビームサイズ（入射領域のサイズ）を小さくする必要があり、スループットが低下する。
図５は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であるパルスレーザビーム１０ａをシリコンウエハに照射し、０．３μｍの溶融深さを得るために必要なエネルギ密度を示すグラフである。グラフの横軸は、パルスレーザビーム１０ａのパルス幅を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は、レーザ照射面から深さ０．３μｍの位置まで溶融するのに必要なエネルギ密度を単位「Ｊ／ｃｍ２」で表す。
パルスレーザビーム１０ａのパルス幅が３０ｎｓである場合、レーザ照射面から０．３μｍの深さを溶融するのに必要なエネルギ密度は、１．８Ｊ／ｃｍ２である。レーザ照射面から０．３μｍの深さの位置を溶融するのに必要なエネルギ密度は、パルス幅の増加に伴って増大し、パルス幅が２５０ｎｓである場合、３．４Ｊ／ｃｍ２となる。
図６は、不純物としてリン（Ｐ）を、１００ｋｅＶのエネルギ、２Ｅ＋１５／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入したシリコンウエハの断面ＴＥＭ(transmission electron microscope)像である。本図に断面ＴＥＭ像を示すシリコンウエハは、図２に不純物デプスプロファイルを示したシリコンウエハ５０とは異なり、相対的に浅い領域（シリコンウエハ表面から深さ約０．２μｍまでの領域）に、相対的に高濃度で不純物としてリンが注入されている。リン（Ｐ）が注入された領域の一部においては、シリコンの結晶がアモルファス化していることがわかる。なお、アモルファス化している領域は、本図に示すＴＥＭ像においては、白く写っている。
図７は、図６に示すシリコンウエハに、パルス幅が相対的に短いレーザパルスを照射してアニールを行った後の、シリコンウエハの断面ＴＥＭ像である。パルス幅１３０ｎｓ、パルスエネルギ密度１．６Ｊ／ｃｍ２のＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波を２ショット、５００ｎｓの遅延時間を設けてシリコンウエハに照射し、シリコンウエハの表層部を溶融した。アニールにより、アモルファス状態だった領域の結晶性が、ＴＥＭ像では欠陥が観察されない程度に回復している様子が認められる。相対的に短いパルス幅のレーザ照射によって、アモルファス領域及び欠陥を多く含む層が溶融し、欠陥のない固液界面から、結晶がエピタキシャル成長によって成長するため、欠陥の極めて少ない結晶構造が得られると考えられる。
図８は、図６に示すシリコンウエハに、パルス幅が相対的に長いレーザパルスを照射してアニールを行った後の、シリコンウエハの断面ＴＥＭ像である。シリコンウエハを溶融させない条件（パルス幅４０μｓ、パワー密度３００ｋＷ／ｃｍ２）で、半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）をシリコンウエハに照射した。相対的に長いパルス幅のレーザ照射による非溶融アニールでは、アモルファス化された領域の上下から結晶が成長し、アモルファス状態や結晶欠陥が残留する構造が形成されることが確認される。
図６〜図８に示すＴＥＭ像から、不純物が相対的に高濃度で添加された、相対的に浅い領域は、パルス幅が相対的に短いレーザパルスを用いた溶融アニールにより、良好な結晶構造を回復することがわかる。
図９（Ａ）〜（Ｃ）を参照し、第１の実施例によるレーザアニール方法を説明する。第１の実施例によるレーザアニール方法は、実施例によるレーザアニール装置を用い、制御装置４０の制御の下で実施することができる。
まず、レーザ照射面表層部のうち、相対的に深い領域、たとえば深さが１μｍを超える領域に、相対的に低濃度で不純物が添加され、相対的に浅い領域、たとえば深さが１μｍ以下の領域に、相対的に高濃度で不純物が添加されたシリコンウエハ５０を準備する。第１の実施例によるレーザアニール方法において用いるシリコンウエハ５０は、次のようにして作製する。シリコンウエハに、不純物としてリン（Ｐ）を７００ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１４／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入した後、ウエハ表面にレジストを形成し、レジストの形成されていない領域に、ボロン（Ｂ）を、２０ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１５／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入する。レジストを除去した後、再度レジストを形成し、ボロンの注入領域以外の領域にリンを、５０ｋｅＶのエネルギ、２Ｅ＋１５／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入する。シリコンウエハ５０表層部の相対的に深い領域には、相対的に低濃度でリンが添加され、相対的に浅い領域には、相対的に高濃度でボロンが添加されている。
なお、シリコンウエハ５０ではなく、相対的に浅い領域に相対的に高濃度でリンのイオン注入が行われたシリコンウエハをアニール対象とする場合は、たとえばリンの注入領域の少なくとも一部において、シリコンがアモルファス化している。
このように作製されたシリコンウエハ５０上の同一領域に、固体レーザ１０からのパルスレーザビーム１０ａ（パルス幅が相対的に短いパルスレーザビーム）と、半導体レーザ２０からのパルスレーザビーム２０ａ（パルス幅が相対的に長いパルスレーザビーム）とを、ダイクロイックミラー１５で同一光軸上に重畳して照射し、シリコンウエハ５０に添加されたリンとボロンとを活性化させるレーザアニールを行う。
高濃度不純物の活性化は、シリコンウエハ５０を、高濃度不純物の添加領域よりも深い位置まで溶融させて行う。低濃度不純物は、シリコンウエハ５０を、低濃度不純物の添加領域まで溶融させることなく、活性化させる。
図９（Ａ）は、パルスレーザビーム１０ａ、２０ａの光強度の時間波形を示すグラフである。グラフの横軸は、パルスレーザビーム２０ａの出射時を基準とした経過時間を単位「μｓ」で表す。縦軸は、レーザビーム１０ａ、２０ａの光強度を表す。第１の実施例によるレーザアニール方法においては、半導体レーザ２０から、パルス幅１５μｓのパルスレーザビーム２０ａを出射させ、アッテネータ２１で減衰率を調整して、４００ｋＷ／ｃｍ２のパワー密度で、シリコンウエハ５０上に入射させる。また、シリコンウエハ５０へのパルスレーザビーム２０ａの照射開始後、１４μｓ経過時点で、固体レーザ１０から、パルス幅１５０ｎｓのＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波であるパルスレーザビーム１０ａを出射させ、アッテネータ１１で減衰率を調整して、０．７Ｊ／ｃｍ２のエネルギ密度で、シリコンウエハ５０上に入射させる。
図９（Ｂ）は、シリコンウエハ５０の温度変化を示すシミュレーション結果である。グラフの横軸は、パルスレーザビーム２０ａの出射時を基準とした経過時間を単位「μｓ」で表す。縦軸は、シリコンウエハ５０の温度を単位「Ｋ」で表す。曲線ａは、シリコンウエハ５０のレーザ照射面の表面温度を示す。曲線ｂ〜ｆは、それぞれレーザ照射面からの深さが１μｍ〜５μｍである位置の温度変化を示す。曲線ｇは、レーザ照射面からの深さが１００μｍである位置（厚さ１００μｍのシリコンウエハ５０のレーザ非照射面）の温度変化を示す。
パルスレーザビーム２０ａがシリコンウエハ５０に照射されることで、ウエハ５０は加熱され、照射が開始されて１４μｓ後には、レーザ照射面の温度は、シリコンの融点に近い１６６０Ｋに達する。しかしこの時点では、まだシリコンは溶融されていない。この状態のシリコンウエハ５０に、パルスレーザビーム１０ａが照射される。パルスレーザビーム１０ａの照射により、シリコンウエハ５０の温度はシリコンの融点に到達する。
図９（Ｃ）は、シリコンウエハ５０の溶融深さを示すグラフである。グラフの横軸は、パルスレーザビーム２０ａの出射時を基準とした経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は、シリコンウエハ５０のレーザ照射面からの溶融深さを、単位「μｍ」で表す。パルスレーザビーム２０ａの照射では未溶融のシリコンウエハ５０は、パルスレーザビーム１０ａの照射により、レーザ照射面から約０．３μｍの深さまで溶融することがわかる。
シリコンウエハ５０の温度が低下すると、イオン注入された不純物（Ｂ）を含む、溶融したシリコンがエピタキシャル成長することによって、相対的に浅い領域において、結晶欠陥の回復と、不純物（Ｂ）の活性化が行われる。
他方、相対的に深い領域、たとえば深さが１μｍを超える領域に、相対的に低濃度で添加された不純物（Ｐ）は、固相の状態で加熱され、シリコンの格子位置に取り込まれて活性化される。たとえば図９（Ｂ）の曲線ｂ〜ｆに示す温度履歴から、相対的に深い領域に注入されたリンは、パルスレーザビーム２０ａのエネルギにより活性化されるということができるであろう。
図１０（Ａ）〜（Ｃ）を参照し、第２の実施例によるレーザアニール方法を説明する。第２の実施例によるレーザアニール方法は、シリコンウエハ５０への不純物の添加態様、及び、シリコンウエハ５０へのパルスレーザビーム１０ａ、２０ａの照射態様において、第１の実施例と相違する。
第２の実施例によるレーザアニール方法において用いるシリコンウエハ５０は、次のようにして作製する。シリコンウエハに、不純物としてリン（Ｐ）を７００ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１４／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入した後、ウエハ表面にレジストを形成し、レジストの形成されていない領域に、ボロン（Ｂ）を、４０ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１５／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入する。レジストを除去した後、再度レジストを形成し、ボロンの注入領域以外の領域にリンを、１００ｋｅＶのエネルギ、２Ｅ＋１５／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入する。
第２の実施例によるレーザアニール方法でアニール対象とするシリコンウエハ５０のレーザ照射面表層部においても、相対的に深い領域には、相対的に低濃度でリンが添加され、相対的に浅い領域には、相対的に高濃度でボロンが添加されている。
図１０（Ａ）は、第２の実施例におけるパルスレーザビーム１０ａ、２０ａの光強度の時間波形を示すグラフである。グラフの横軸及び縦軸の意味するところは、図９（Ａ）におけるそれらと等しい。第２の実施例によるレーザアニール方法においては、半導体レーザ２０から、パルス幅５μｓのパルスレーザビーム２０ａを出射させ、アッテネータ２１で減衰率を調整して、７００ｋＷ／ｃｍ２のパワー密度で、シリコンウエハ５０上に入射させる。また、シリコンウエハ５０へのパルスレーザビーム２０ａの照射開始後、４．８μｓ経過時点で、固体レーザ１０から、パルス幅８０ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）であるパルスレーザビーム１０ａを出射させ、アッテネータ１１で減衰率を調整して、０．７Ｊ／ｃｍ２のエネルギ密度で、シリコンウエハ５０上に入射させる。
図１０（Ｂ）は、シリコンウエハ５０の温度変化を示すシミュレーション結果である。グラフの両軸及び曲線ａ〜ｇの意味するところは、図９（Ｂ）におけるそれらと等しい。
パルスレーザビーム２０ａがシリコンウエハ５０に照射されることで、ウエハ５０は加熱され、照射が開始されて４．８μｓ後には、レーザ照射面の表面温度は、シリコンの融点近傍にまで達するが、シリコンは溶融されていない。この状態のシリコンウエハ５０に、パルスレーザビーム１０ａが照射される。パルスレーザビーム１０ａの照射により、シリコンウエハ５０の温度はシリコンの融点に到達する。
図１０（Ｃ）は、シリコンウエハ５０の溶融深さを示すグラフである。グラフの両軸の意味するところは、図９（Ｃ）におけるそれらと等しい。パルスレーザビーム２０ａの照射では未溶融のシリコンウエハ５０は、パルスレーザビーム１０ａの照射により、レーザ照射面から約０．３μｍの深さまで溶融する。
シリコンウエハ５０の温度が低下する。イオン注入された不純物（Ｂ）を含む、溶融したシリコンがエピタキシャル成長することによって、相対的に浅い領域において、結晶欠陥の回復と、不純物（Ｂ）の活性化が行われる。
また、相対的に深い領域、たとえば深さが１μｍを超える領域に、相対的に低濃度で添加された不純物（Ｐ）は、固相の状態で加熱され、シリコンの格子位置に取り込まれて活性化される。
図１１（Ａ）〜（Ｃ）を参照し、第３の実施例によるレーザアニール方法を説明する。第３の実施例によるレーザアニール方法は、シリコンウエハ５０へのパルスレーザビーム１０ａ、２０ａの照射態様において、第１の実施例と相違する。シリコンウエハ５０への不純物の添加態様は、第１の実施例と等しい。
図１１（Ａ）は、第３の実施例におけるパルスレーザビーム１０ａ、２０ａの光強度の時間波形を示すグラフである。グラフの横軸及び縦軸の意味するところは、図９（Ａ）におけるそれらと等しい。第３の実施例によるレーザアニール方法においては、半導体レーザ２０からのパルスレーザビーム２０ａの出射と、固体レーザ１０からのパルスレーザビーム１０ａの出射とを連続して行う。
半導体レーザ２０からは、パルス幅１５μｓのパルスレーザビーム２０ａを出射させ、アッテネータ２１で減衰率を調整して、３４０ｋＷ／ｃｍ２のパワー密度で、シリコンウエハ５０上に入射させる。また、固体レーザ１０からは、パルス幅１５０ｎｓのＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波であるパルスレーザビーム１０ａを出射させ、アッテネータ１１で減衰率を調整して、２．７Ｊ／ｃｍ２のエネルギ密度で、シリコンウエハ５０上に入射させる。
図１１（Ｂ）は、シリコンウエハ５０の温度変化を示すシミュレーション結果である。グラフの両軸及び曲線ａ〜ｇの意味するところは、図９（Ｂ）におけるそれらと等しい。パルスレーザビーム１０ａの照射により、シリコンウエハ５０の表面温度はシリコンの融点に到達する。パルスレーザビーム１０ａの入射終了後、レーザ照射面近傍の温度は一旦低下する。シリコンウエハ５０の温度は、パルスレーザビーム２０ａの照射により上昇する。
図１１（Ｃ）は、シリコンウエハ５０の溶融深さを示すグラフである。グラフの両軸の意味するところは、図９（Ｃ）におけるそれらと等しい。シリコンウエハ５０は、パルスレーザビーム１０ａの照射により、レーザ照射面から約０．３μｍの深さまで溶融する。
パルスレーザビーム１０ａの照射で溶融したシリコンウエハ５０の温度が低下し、イオン注入された不純物（Ｂ）を含む、溶融したシリコンがエピタキシャル成長することによって、相対的に浅い領域において、結晶欠陥の回復と、不純物（Ｂ）の活性化が行われる。
相対的に深い領域、たとえば深さが１μｍを超える領域に、相対的に低濃度で添加された不純物（Ｐ）は、パルス幅１５μｓのパルスレーザビーム２０ａの照射によって、固相の状態で加熱され、シリコンの格子位置に取り込まれて活性化される。
第３の実施例によるレーザアニール方法によって、第１の実施例によるレーザアニール方法と同等のアニール効果を得ることが可能である。しかしながら、第１の実施例によるレーザアニール方法においては、パルスレーザビーム２０ａの照射により、表面がシリコンの融点に近い温度に達した状態で、パルスレーザビーム１０ａを照射して、シリコンウエハ５０を約０．３μｍの深さまで溶融（高濃度注入層を溶融）したのに対し、第３の実施例においては、常温のシリコンウエハ５０にパルスレーザビーム１０ａを照射して、シリコンウエハ５０を約０．３μｍの深さまで溶融するため、パルスレーザビーム１０ａに高いエネルギ密度、たとえば約４倍のエネルギ密度が要求される。このため、第３の実施例によるレーザ加工方法を実施するためには、レーザ光源１０として高出力の光源を準備するか、ビームサイズ（入射領域のサイズ）を小さくして、シリコンウエハ５０に照射されるパルスレーザビーム１０ａのエネルギ密度を高くする必要があり、コスト増大またはスループット低下の問題を生じさせる可能性がある。したがって、第１の実施例を用いることで、より好ましくレーザアニールを行うことができるであろう。相対的に長いパルス幅のパルスレーザビーム２０ａを照射して、表面温度がシリコンの融点付近になるまで、シリコンウエハ５０を加熱した状態で、相対的に短いパルス幅のパルスレーザビーム１０ａを入射させ、表面を溶融することで、パルスレーザビーム１０ａのエネルギ密度を小さくすることができる。
第１及び第２の実施例においては、相対的に長いパルス幅のパルスレーザビーム２０ａの照射終了直前に、相対的に短いパルス幅のパルスレーザビーム１０ａをシリコンウエハ５０に入射させたが、シリコンウエハ５０へは、パルスレーザビーム２０ａの照射終了直後から、パルスレーザビーム１０ａを入射させるのが最もエネルギ効率が高いであろう。しかし、第１〜第３の実施例によるレーザアニール方法のように、両パルスレーザビーム１０ａ、２０ａの照射期間の一部が重複していてもよい。また、両パルスレーザビーム１０ａ、２０ａの照射期間の間に間隔を設けることもできる。
更に、第１〜第３の実施例においては、パルスレーザビーム１０ａ、２０ａ入射領域において、相対的に深い領域に注入された相対的低濃度不純物を活性化させるとともに、相対的に浅い領域に注入された相対的高濃度不純物の活性化を行ったが、エネルギ効率は低下するものの、これら２つの不純物活性化を、全くの別時に行うことが可能である。たとえば、まずシリコンウエハ５０全面について、相対的に深い領域に注入された相対的低濃度不純物の活性化を行い、その後、相対的に浅い領域に注入された相対的高濃度不純物の活性化を行うことができる。この場合、相対的に深い領域に注入された相対的低濃度不純物の活性化を先に、相対的に浅い領域に注入された相対的高濃度不純物の活性化を後に行ってもよいし、その逆でもよい。なお、実施例によるレーザアニール装置を用いる必要はない。たとえば、半導体レーザを光源とするレーザアニール装置と、固体レーザを光源とするレーザアニール装置の２つのレーザアニール装置を使用し、前者で、相対的に深い領域に相対的に低濃度で注入された不純物を活性化させ、後者で、相対的に浅い領域に相対的に高濃度で注入された不純物を活性化させることができる。相対的に深い領域と相対的に浅い領域とを別時に活性化させる場合は、パルスレーザビーム１０ａとしては、常温でもシリコンの吸収係数が大きいＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等のＱスイッチ固体レーザの第２高調波や、それよりも波長の短いエキシマレーザからの出射光を用いるのが好ましい。
実施例によるレーザアニール方法により、高品質のレーザアニールを行うことが可能である。
本願発明者は、比較例によるレーザアニール方法として、第１及び第３の実施例と等しい態様で不純物を添加して作製したシリコンウエハ５０に、パルス幅４０μｓ、パワー密度３００ｋＷ／ｃｍ２のパルスレーザビーム２０ａを照射して、レーザアニールを行った。アニール後のシリコンウエハ５０は、シート抵抗値が低下し、注入した不純物の活性化は確認されたが、ウエハ断面を観察したところ、結晶欠陥が多く残留していた。
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。
たとえば、実施例においては、相対的に深い領域に相対的低濃度でリンが添加され、相対的に浅い領域に相対的高濃度でボロンが添加されたシリコンウエハ５０をアニール対象物としたが、添加される不純物はこれに限られない。たとえば、相対的に深い領域には相対的に低濃度で、相対的に浅い領域には相対的に高濃度で、双方の領域にリンが添加された半導体基板をアニール対象物とすることもできる。先に述べたように、このような半導体基板においては、たとえば相対的に浅いリンの注入領域の少なくとも一部において、半導体基板にアモルファス化が生じている。実施例によるレーザニール方法により、たとえばシリコンがアモルファス化している領域を含む相対的に浅い領域は、パルス幅が相対的に短いレーザパルスの照射で溶融され、液相エピタキシャル成長によって、結晶欠陥が回復される過程で十分な不純物（Ｐ）活性化が行われる。相対的に深い領域は、パルス幅が相対的に長いレーザパルスが照射され、非溶融アニールにより不純物（Ｐ）の十分な活性化が行われる。
このように、アモルファス化している領域、結晶欠陥がある領域は溶融アニールを行い、良好な結晶性を実現する。アモルファス化していない領域、結晶欠陥のない領域は、非溶融アニール（固相アニール）を行う。たとえばＩＧＢＴの製造に用いられるシリコンウエハのレーザアニールにおいては、表側表層部が高温になるのは好ましくないため、非溶融アニールは、良好なデバイス特性の実現に寄与することができる点においても好適である。
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
たとえば半導体装置、一例としてＩＧＢＴの製造に利用可能である。
１０ 固体レーザ
１０ａ レーザビーム
１１ アッテネータ
１２ テレスコープ
１３ ホモジナイザ
１４ 折り返しミラー
１５ ダイクロイックミラー
１６ イメージングレンズ
２０ 半導体レーザ
２０ａ レーザビーム
２１ アッテネータ
２２ テレスコープ
２３ ホモジナイザ
３０ ステージ
４０ 制御装置
５０ シリコンウエハ

Claims (7)

  1. （ａ）表層部の相対的に深い領域に、相対的に低濃度で不純物が添加され、相対的に浅い領域に、相対的に高濃度で不純物が添加されている半導体基板を準備する工程と、
    （ｂ）前記半導体基板にレーザビームを照射して、前記相対的に浅い領域に添加された高濃度不純物は、該高濃度不純物の添加領域よりも深い位置まで、前記半導体基板を溶融させて活性化させ、前記相対的に深い領域に添加された低濃度不純物は、前記半導体基板を、前記低濃度不純物の添加領域まで溶融させることなく活性化させる工程と
    を有するレーザアニール方法。
  2. 前記工程（ａ）で準備する半導体基板は、前記相対的に高濃度で不純物が添加された領域の少なくとも一部がアモルファス化している請求項１に記載のレーザアニール方法。
  3. 前記工程（ｂ）において、前記相対的に浅い領域に添加された不純物は、前記半導体基板に、パルス幅が相対的に短いパルスレーザビームを照射し、照射位置の前記半導体基板を溶融させて活性化させ、前記相対的に深い領域に添加された不純物は、前記半導体基板に、パルス幅が相対的に長いパルスレーザビームを照射して活性化させる請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
  4. 前記工程（ｂ）において、前記相対的に浅い領域に添加された不純物は、前記半導体基板に、パルス幅が相対的に長いパルスレーザビームを照射し、前記半導体基板を溶融しない温度まで加熱した状態で、パルス幅が相対的に短いパルスレーザビームを照射し、照射位置の前記半導体基板を溶融させて活性化させる請求項３に記載のレーザアニール方法。
  5. 前記工程（ｂ）において、前記相対的に浅い領域に添加された不純物の活性化と、前記相対的に深い領域に添加された不純物の活性化とを別時に行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
  6. パルス幅が相対的に短い第１のパルスレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
    パルス幅が相対的に長い第２のパルスレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
    表層部の相対的に深い領域に、相対的に低濃度で不純物が添加され、相対的に浅い領域に、相対的に高濃度で不純物が添加された半導体基板を保持するステージと、
    前記第１のレーザ光源を出射した第１のパルスレーザビーム、及び、前記第２のレーザ光源を出射した第２のパルスレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上の同一領域に伝搬しうる伝搬光学系であって、前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを、同一光軸上に重畳するビーム重畳器を含み、前記第１のパルスレーザビームを、前記高濃度不純物の添加領域よりも深い位置まで、前記半導体基板を溶融させるエネルギ密度で伝搬させることが可能であり、かつ、前記第２のパルスレーザビームを、前記半導体基板を、前記低濃度不純物の添加領域まで溶融させないエネルギ密度で伝搬させる伝搬光学系と
    を有するレーザアニール装置。
  7. 更に、前記半導体基板に、前記第２のパルスレーザビームを照射し、前記半導体基板を溶融しない温度まで加熱した状態で、前記第１のパルスレーザビームを照射し、照射位置の前記半導体基板を溶融させるように、前記第１のレーザ光源からの前記第１のパルスレーザビームの出射、及び、前記第２のレーザ光源からの前記第２のパルスレーザビームの出射を制御する制御装置を含む請求項６に記載のレーザアニール装置。
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