JP2013074247A - Laser annealing device, and laser annealing method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve uniformity of an activation rate of impurities inside a semiconductor substrate surface.SOLUTION: A laser annealing device includes: a laser beam source for emitting a laser beam; a stage for holding a semiconductor substrate and moving it in a direction in parallel with a first direction; a propagation optical system for propagating the laser beam emitted from the laser beam source onto the semiconductor substrate held by the stage; and a controller for, while scanning n pieces of subregions defined in the view along the first direction on the semiconductor substrate held by the stage with the laser beam emitted from the laser beam source in the direction in parallel with the first direction on the semiconductor substrate when n is an integer equal to or larger than 3, making the laser beam be incident on a subregion to which the center of the semiconductor substrate belongs among the n pieces of subregions such that energy supplied per unit area becomes a first value, and making the laser beam be incident on a subregion at an end in the view along the direction in parallel with the first direction such that the energy supplied per unit area is a second value smaller than the first value.

Description

本発明は、レーザビームを照射して、たとえば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装置、及び、レーザアニール方法に関する。   The present invention relates to a laser annealing apparatus and a laser annealing method for activating, for example, an impurity added to a semiconductor substrate by irradiation with a laser beam.

近年、パワーデバイスの製造において、半導体基板裏面に添加された不純物の活性化に、レーザビームを用いる方法が注目されている。   In recent years, in the manufacture of power devices, a method using a laser beam has attracted attention for activating impurities added to the back surface of a semiconductor substrate.

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)の製造においては、まず、シリコン基板の表側の表面に、エミッタ、ゲート等の構造を有するデバイスパターンを形成し、保護シートを貼り付けた後、裏面を削って基板を薄くし、裏面に不純物を注入する。シリコン基板の裏面には、フィールドストップ層となるn型不純物、たとえばリン(P)やヒ素(As)、更にコレクタ層となるp型不純物、たとえばホウ素(B)が注入される。その後、シリコン基板の裏面にレーザビームを照射することにより、注入した不純物を活性化する。   For example, in the manufacture of an insulated gate bipolar transistor (IGBT), first, a device pattern having a structure such as an emitter and a gate is formed on the front surface of the silicon substrate, and a protective sheet is attached, The back surface is shaved to make the substrate thinner, and impurities are implanted into the back surface. An n-type impurity serving as a field stop layer, for example, phosphorus (P) or arsenic (As), and a p-type impurity serving as a collector layer, such as boron (B), are implanted into the back surface of the silicon substrate. Thereafter, the implanted impurities are activated by irradiating the back surface of the silicon substrate with a laser beam.

IGBTの製造において求められるシリコン基板は薄く、たとえば100μm未満の厚さが要求される場合も生じるようになった。表側表面のデバイス特性が熱影響により劣化することを避けながら裏面に注入された不純物を活性化させるため、レーザアニールにおいては、表側表面を比較的低温に維持し、裏面をシリコンの融点前後に加熱する必要がある。このため、パルスレーザビームを用いて活性化アニールを行う際には、波長及びパルス幅の短いレーザビームが使用され、連続波のレーザビームを用いて活性化アニールを行う場合には、レーザビームの高速スキャンが採用される。   The silicon substrate required in the manufacture of the IGBT is thin, and for example, a thickness of less than 100 μm is required. In laser annealing, the front surface is kept at a relatively low temperature and the back surface is heated to around the melting point of silicon in order to activate impurities implanted into the back surface while avoiding deterioration of device characteristics on the front surface due to thermal effects. There is a need to. For this reason, when performing activation annealing using a pulse laser beam, a laser beam having a short wavelength and pulse width is used, and when performing activation annealing using a continuous wave laser beam, the laser beam High speed scanning is adopted.

最近、基板裏面の、より深い位置に添加された不純物の活性化が要望されはじめ、シリコンに対する浸入長が長い長波長レーザの採用や、パルス幅の長いレーザの採用が検討されている。   Recently, activation of impurities added to a deeper position on the back surface of the substrate has been demanded, and adoption of a long wavelength laser having a long penetration depth into silicon or a laser having a long pulse width has been studied.

レーザアニールを用いてガラス基板上に形成した結晶性シリコン膜を使用し、マトリクス状に配置するTFTを作製した場合、その閾値電圧は、基板面内においてU字型の分布を示す。レーザアニール時に、ガラス基板をステージ上に平坦化して載置することで、シリコン膜に対して均一なレーザ照射を行い、TFTの閾値電圧を基板面内で均一化するレーザアニール方法の発明が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。   When a crystalline silicon film formed on a glass substrate by laser annealing is used and a TFT arranged in a matrix is manufactured, the threshold voltage shows a U-shaped distribution in the substrate surface. Disclosure of the invention of a laser annealing method in which a glass substrate is flattened and placed on a stage at the time of laser annealing, so that the silicon film is uniformly irradiated with laser and the threshold voltage of the TFT is made uniform in the substrate surface. (For example, refer to Patent Document 1).

特開平9−63984号公報JP-A-9-63984

半導体基板(シリコンウエハ)のレーザアニールの結果を示す指標として、所定深さにおける不純物の活性化率と、ウエハ面内における不純物活性化率の均一度とを挙げることができる。   As an index indicating the result of laser annealing of a semiconductor substrate (silicon wafer), the activation rate of impurities at a predetermined depth and the uniformity of the impurity activation rate within the wafer surface can be cited.

ウエハ面内における不純物活性化率の均一度を高めるために、照射面におけるレーザビームの強度分布を均一化し、トップハット分布とする方法が実施されている。しかしながらレーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るということがわかった。また、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して1%弱の差があるということもわかった。   In order to increase the uniformity of the impurity activation rate in the wafer surface, a method of making the intensity distribution of the laser beam uniform on the irradiated surface to obtain a top hat distribution is being implemented. However, even when laser irradiation is performed with the laser beam profile having a top hat distribution and the input energy in the wafer surface being constant regardless of position, there is a difference in device characteristics between the wafer center and the wafer periphery. It was found that the device characteristics were inferior to the peripheral part. It was also found that there is a difference of slightly less than 1% in terms of device characteristics between the central portion and the peripheral portion in terms of sheet resistance value.

本発明の目的は、半導体基板面内における不純物の活性化率の均一度を高めることのできるレーザアニール装置、及び、レーザアニール方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a laser annealing apparatus and a laser annealing method capable of increasing the uniformity of the activation rate of impurities in the surface of a semiconductor substrate.

本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、半導体基板を保持し、第1の方向と平行な方向に移動させるステージと、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上に伝搬する伝搬光学系と、nを3以上の整数とするとき、前記ステージに保持された半導体基板上に、前記第1の方向に沿って見た場合に画定されるn個の小領域に対し、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記半導体基板上において前記第1の方向と平行な方向に走査させながら、前記n個の小領域のうち、前記半導体基板の中心が属する小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが第1の値となるように、レーザビームを入射させ、前記第1の方向と平行な方向に沿って見た場合に、端にある小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが前記第1の値より小さい第2の値となるように、レーザビームを入射させる制御装置とを有するレーザアニール装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a laser light source that emits a laser beam, a stage that holds a semiconductor substrate and moves in a direction parallel to a first direction, and a laser beam that emits the laser light source is applied to the stage. Propagation optical system that propagates on a held semiconductor substrate, and when n is an integer greater than or equal to 3, it is defined when viewed along the first direction on the semiconductor substrate held on the stage While scanning the laser beam emitted from the laser light source in the direction parallel to the first direction on the semiconductor substrate with respect to the n small regions, of the n small regions, When the laser beam is incident on the small region to which the center belongs so that the energy input per unit area becomes the first value and viewed along a direction parallel to the first direction, A small province The energy to be introduced per unit area such that the first value is less than the second value, the laser annealing apparatus is provided with a control device for incident laser beam.

また、本発明の他の観点によると、(a)nを3以上の整数とするとき、半導体基板上に第1の方向に沿って見る場合に、n個の小領域を画定し、レーザビームを、前記半導体基板上において前記第1の方向と平行な方向に走査させながら、前記n個の小領域のうち、前記半導体基板の中心が属する小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが第1の値となるようにレーザビームを入射させ、前記第1の方向と平行な方向に沿って見た場合に、端にある小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが前記第1の値より小さい第2の値となるように、レーザビームを入射させる工程と、(b)レーザビームの入射位置を、前記第1の方向と交差する第2の方向にずらず工程と、(c)前記工程(b)の後に前記工程(a)を繰り返す工程とを有するレーザアニール方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, (a) when n is an integer greater than or equal to 3, when viewed along the first direction on the semiconductor substrate, n small regions are defined, and the laser beam Are scanned in a direction parallel to the first direction on the semiconductor substrate, and among the n small regions, the small region to which the center of the semiconductor substrate belongs has energy input per unit area. When the laser beam is incident so as to have the first value and viewed along a direction parallel to the first direction, energy input per unit area is input to the small region at the end in the first region. A step of causing the laser beam to be incident so as to be a second value smaller than the value of (b), and (b) a step in which the incident position of the laser beam is not shifted in the second direction intersecting the first direction, c) Repeat step (a) after step (b) Laser annealing method and a degree is provided.

本発明によれば、半導体基板面内における不純物の活性化率の均一度を高めることのできるレーザアニール装置、及び、レーザアニール方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the laser annealing apparatus and laser annealing method which can raise the uniformity of the activation rate of the impurity in a semiconductor substrate surface can be provided.

図1Aは、シリコンウエハ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図であり、図1Bは、レーザビーム照射後のシリコンウエハ面内のシート抵抗値分布を示す概略図であり、図1Cは、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を示すグラフである。FIG. 1A is a schematic diagram showing a scanning mode of a laser beam on a silicon wafer, FIG. 1B is a schematic diagram showing a sheet resistance value distribution in the silicon wafer surface after laser beam irradiation, and FIG. 1C is a sheet It is a graph which shows the relationship between resistance value and the power density of the laser beam irradiated on a wafer. 図2は、第1の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a laser annealing apparatus according to the first embodiment. 図3A〜図3Eは、シリコンウエハ60上におけるエリアの画定態様を示す概略的な平面図である。3A to 3E are schematic plan views showing how the area is defined on the silicon wafer 60. FIG. 図4A〜図4Cは、エリア44〜48の画定態様について示す概略的な平面図である。4A to 4C are schematic plan views showing how the areas 44 to 48 are defined. 図5Aは、第2の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図であり、図5Bは、チャックプレート73の平面図である。FIG. 5A is a schematic view showing a laser annealing apparatus according to the second embodiment, and FIG. 5B is a plan view of the chuck plate 73. 図6は、シリコンウエハ60a〜60f上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing a scanning mode of the laser beam on the silicon wafers 60a to 60f. 図7は、エリア77〜79の他の画定態様を示す概略的な平面図である。FIG. 7 is a schematic plan view showing another defining aspect of the areas 77 to 79.

レーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るという点、及び、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して1%弱の差があるという点に関し、本願発明者は、二つの調査を行った。   Even when laser irradiation is performed with the top-hat distribution of the laser beam profile and the input energy in the wafer surface being constant regardless of the position, there is a difference in device characteristics between the wafer center and the wafer periphery. The inventor of the present application relates to the fact that the device characteristics are inferior to the peripheral part and that the device characteristic is slightly less than 1% in terms of the sheet resistance value between the central part and the peripheral part. Two surveys were conducted.

まず、通常のレーザアニールにおけるレーザ強度より強い強度でレーザビームを照射し、デバイスダメージの発生分布を調べた(第1の調査)。一定の強度のレーザビームを半導体ウエハ上にスキャンしたところ、ウエハ周辺部のデバイスは中央部のデバイスに比べ、熱ダメージを受けた。このことからレーザアニール時、シリコンウエハの表側の表面において、周辺部は中央部より温度が高くなっていることがわかった。   First, a laser beam was irradiated with an intensity higher than the laser intensity in normal laser annealing, and the occurrence distribution of device damage was examined (first investigation). When a laser beam with a certain intensity was scanned onto the semiconductor wafer, the peripheral device of the wafer suffered thermal damage as compared with the central device. From this, it was found that the temperature of the peripheral portion was higher than that of the central portion on the front surface of the silicon wafer during laser annealing.

次に、本願発明者は、レーザアニール後のシート抵抗値のウエハ面内分布、及び、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を調べた(第2の調査)。   Next, the inventor of the present application investigated the distribution of the sheet resistance value after laser annealing in the wafer surface and the relationship between the sheet resistance value and the power density of the laser beam irradiated onto the wafer (second investigation). .

図1Aは、シリコンウエハ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。ホウ素(B)を45keVのエネルギ、1.0E+15/cmのドーズ量でイオン注入した、たとえば直径6インチの円形のシリコンウエハをアニール対象として準備し、入射領域がX軸方向に2.5mm、Y軸方向に0.3mmの矩形状となるように整形され、その入射領域においてパワー密度を均一化したレーザパルスを、本図に示す態様でスキャンしながら、シリコンウエハ上に照射した。シリコンウエハの右端(X軸正方向端部)からレーザ照射を開始し、スキャン方向をY軸方向、ステップ方向をX軸負方向として、シリコンウエハにレーザビームを照射した。すなわちレーザビームをスキャン方向に走査し、走査した方向(たとえばY軸正方向)のウエハ端部までレーザビームを照射したら、ステップ方向にビームの入射位置をずらした後、再びレーザビームをスキャン方向(たとえばY軸負方向)に沿って、他方のウエハ端部まで走査し、走査し終えたらステップ方向にビームの入射位置をずらす。これを繰り返して、シリコンウエハ全面にレーザビームを入射させる。なお、X軸方向、Y軸方向へのレーザビームの重複率は、たとえばともに80%である。 FIG. 1A is a schematic view showing a scanning mode of a laser beam on a silicon wafer. Boron (B) is ion-implanted with an energy of 45 keV and a dose of 1.0E + 15 / cm 2. For example, a circular silicon wafer having a diameter of 6 inches is prepared as an annealing target, and an incident region is 2.5 mm in the X-axis direction. A laser pulse shaped to have a rectangular shape of 0.3 mm in the Y-axis direction and having a uniform power density in the incident region was irradiated onto the silicon wafer while scanning in the manner shown in this figure. Laser irradiation was started from the right end (X-axis positive direction end) of the silicon wafer, and the laser beam was irradiated onto the silicon wafer with the scan direction as the Y-axis direction and the step direction as the X-axis negative direction. That is, when the laser beam is scanned in the scanning direction and irradiated to the wafer end in the scanning direction (for example, the positive Y-axis direction), the incident position of the beam is shifted in the step direction, and then the laser beam is again scanned in the scanning direction ( For example, the other wafer end is scanned along the negative direction of the Y-axis, and when the scanning is completed, the incident position of the beam is shifted in the step direction. By repeating this, a laser beam is incident on the entire surface of the silicon wafer. Note that the overlapping rates of the laser beams in the X-axis direction and the Y-axis direction are both 80%, for example.

図1Bは、レーザビーム照射後のシリコンウエハ面内のシート抵抗値分布を示す概略図である。シート抵抗値の変化率の絶対値は、Y軸方向(スキャン方向に平行な方向)に大きくX軸方向(ステップ方向に平行な方向)に小さい。また、シリコンウエハの中心を基準として、Y軸方向に離れるにつれ、シート抵抗値は低くなる。このため、シリコンウエハの中心を基準としたとき、Y軸正方向側においては、シリコンウエハの中心からY軸正方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も低いシート抵抗値を示し、Y軸負方向側においては、シリコンウエハの中心からY軸負方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も低いシート抵抗値を示す。   FIG. 1B is a schematic diagram showing a sheet resistance value distribution in the silicon wafer surface after laser beam irradiation. The absolute value of the rate of change of the sheet resistance value is large in the Y-axis direction (direction parallel to the scanning direction) and small in the X-axis direction (direction parallel to the step direction). Further, the sheet resistance value decreases as the distance from the center of the silicon wafer increases in the Y-axis direction. For this reason, when the center of the silicon wafer is used as a reference, on the Y axis positive direction side, the peripheral area on the wafer including the radial end extending from the center of the silicon wafer in the Y axis positive direction is the lowest sheet resistance value. On the Y axis negative direction side, the peripheral area on the wafer including the end portion in the radial direction extending from the center of the silicon wafer in the Y axis negative direction shows the lowest sheet resistance value.

図1Cは、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、ウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度を単位「kW/cm」で表し、グラフの縦軸は、シート抵抗値を単位「kΩ/□」で表す。本グラフに示す結果を得るための実験においては、ホウ素(B)を40keVのエネルギ、1.0E+13/cmのドーズ量でイオン注入したシリコンウエハをアニール対象とした。 FIG. 1C is a graph showing the relationship between the sheet resistance value and the power density of the laser beam irradiated onto the wafer. The horizontal axis of the graph represents the power density of the laser beam irradiated on the wafer in the unit “kW / cm 2 ”, and the vertical axis of the graph represents the sheet resistance value in the unit “kΩ / □”. In an experiment for obtaining the result shown in this graph, a silicon wafer into which boron (B) was ion-implanted with an energy of 40 keV and a dose of 1.0E + 13 / cm 2 was an annealing target.

本図に示す結果から、レーザビームのパワー密度が大きいほどシート抵抗値は低くなることがわかる。すなわちシリコンウエハの温度とシート抵抗値との間には相関関係があり、シリコンウエハの温度が高いほどシート抵抗値は低くなる。   From the results shown in this figure, it can be seen that the sheet resistance value decreases as the power density of the laser beam increases. That is, there is a correlation between the temperature of the silicon wafer and the sheet resistance value, and the higher the temperature of the silicon wafer, the lower the sheet resistance value.

図1B及び図1Cに示す結果から、ウエハ温度の変化率の絶対値は、Y軸方向に大きくX軸方向に小さい、また、シリコンウエハの中心を基準として、Y軸方向に離れるにつれ、ウエハ温度は高くなる、このため、シリコンウエハの中心を基準としたとき、Y軸正方向側においては、シリコンウエハの中心からY軸正方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も高い温度を示し、Y軸負方向側においては、シリコンウエハの中心からY軸負方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も高い温度を示す、ということがわかる。これは、デバイスの受けた熱ダメージから得られた、ウエハの周辺部は中央部より温度が高いという第1の調査結果と比較した場合、全体として符合する、より詳細な調査結果である。また、この調査結果によれば、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るという事実を説明可能である。   From the results shown in FIG. 1B and FIG. 1C, the absolute value of the change rate of the wafer temperature is large in the Y-axis direction and small in the X-axis direction, and the wafer temperature increases with increasing distance from the center of the silicon wafer in the Y-axis direction. For this reason, when the center of the silicon wafer is used as a reference, the peripheral region on the wafer including the end portion in the radial direction extending from the center of the silicon wafer in the Y-axis positive direction is the most on the Y-axis positive direction side. It can be seen that on the Y axis negative direction side, the peripheral region on the wafer including the end portion in the radial direction extending from the center of the silicon wafer in the Y axis negative direction shows the highest temperature. This is a more detailed investigation result obtained as a whole when compared with the first investigation result obtained from the thermal damage received by the device and compared with the first investigation result that the peripheral part of the wafer is higher in temperature than the central part. Further, according to this investigation result, it is possible to explain the fact that there is a difference in device characteristics between the wafer central portion and the wafer peripheral portion, for example, the device characteristics inferior to the peripheral portion in the central portion.

なお、シリコンウエハの温度が高いほどシート抵抗値は低くなるという関係から、デバイス特性の分布の一時評価が、シート抵抗値の分布で可能であることもわかる。   From the relationship that the sheet resistance value decreases as the temperature of the silicon wafer increases, it can also be seen that a temporary evaluation of the distribution of device characteristics is possible with the distribution of the sheet resistance value.

本願発明者は、レーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、たとえば1ショットのレーザパルスの入射領域がシリコンウエハに対して小さいことが一因となって、ウエハ面内に不均一な温度分布及び不純物活性化率の分布が生じ、その分布に対応したデバイス特性の不揃いが発生する、と考えた。   The inventor of the present application has a top-hat distribution of the laser beam profile, and even when laser irradiation is performed with the input energy in the wafer surface being constant regardless of the position, for example, the incident region of one shot laser pulse is applied to the silicon wafer. It was thought that this was due to the fact that the temperature distribution and the impurity activation rate distribution were nonuniform in the wafer surface, and the device characteristics corresponding to the distribution were uneven.

図2は、第1の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。第1の実施例によるレーザアニール装置は、レーザ光源50、アッテネータ51、ビーム整形光学系52、折り返しミラー53、フォーカスレンズ54、ステージ55、及び制御装置56を含む。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a laser annealing apparatus according to the first embodiment. The laser annealing apparatus according to the first embodiment includes a laser light source 50, an attenuator 51, a beam shaping optical system 52, a folding mirror 53, a focus lens 54, a stage 55, and a control device 56.

レーザ光源50は、たとえばNd:YAGレーザ発振器及び非線形光学結晶を含み、Nd:YAGレーザの2倍高調波(波長532nm)であるパルスレーザビームを、繰り返し周波数3kHzで出射する。Nd:YAGレーザに限らず、Nd:YLFレーザ、Nd:YVOレーザ等の固体レーザの2倍高調波(緑色の波長領域の光)を用いてもよい。また、たとえば波長800nm〜1000nm、一例として808nmの半導体レーザを使用することもできる。 The laser light source 50 includes, for example, an Nd: YAG laser oscillator and a nonlinear optical crystal, and emits a pulse laser beam that is a second harmonic (wavelength 532 nm) of the Nd: YAG laser at a repetition frequency of 3 kHz. Not only the Nd: YAG laser but also a second harmonic (light in the green wavelength region) of a solid-state laser such as an Nd: YLF laser or an Nd: YVO 4 laser may be used. For example, a semiconductor laser with a wavelength of 800 nm to 1000 nm, for example, 808 nm can be used.

ステージ55はたとえばXYステージであり、アニール対象物である半導体基板(シリコンウエハ60)を保持し、水平面内(X軸方向及びY軸方向)に移動させることができる。   The stage 55 is, for example, an XY stage, and can hold a semiconductor substrate (silicon wafer 60) that is an object to be annealed and move it in a horizontal plane (X-axis direction and Y-axis direction).

シリコンウエハ60は、たとえばIGBT製造の一工程に現れる半導体基板であり、表側の表面にはデバイスパターンが形成され、裏面からボロン(B)等の不純物が添加されている。シリコンウエハ60は、たとえば直径が6インチ〜8インチの円形状、厚さは約100μmである。第1の実施例によるレーザアニール装置を用いて、シリコンウエハ60の裏側表面にレーザビームを照射することにより、添加された不純物を活性化する。   The silicon wafer 60 is a semiconductor substrate that appears, for example, in one step of IGBT manufacturing. A device pattern is formed on the front surface, and impurities such as boron (B) are added from the back surface. The silicon wafer 60 has a circular shape with a diameter of 6 to 8 inches, for example, and a thickness of about 100 μm. The added impurity is activated by irradiating the back surface of the silicon wafer 60 with a laser beam using the laser annealing apparatus according to the first embodiment.

アッテネータ51、ビーム整形光学系52、折り返しミラー53、及び、フォーカスレンズ54は、伝搬光学系を構成する。伝搬光学系は、レーザ光源50を出射したレーザビームをステージ55上に保持されたシリコンウエハ60上に伝搬する。アッテネータ51は、入射したレーザビームのエネルギを減衰率可変に減衰して出射する。ビーム整形光学系52、たとえばホモジナイザは、レーザ照射面(シリコンウエハ60の裏側表面)におけるレーザビームの入射領域を矩形状に整形するとともに、入射領域におけるレーザビームの強度分布を均一化する。   The attenuator 51, the beam shaping optical system 52, the folding mirror 53, and the focus lens 54 constitute a propagation optical system. The propagation optical system propagates the laser beam emitted from the laser light source 50 onto the silicon wafer 60 held on the stage 55. The attenuator 51 attenuates the energy of the incident laser beam with a variable attenuation factor and emits it. The beam shaping optical system 52, for example, a homogenizer shapes the laser beam incident area on the laser irradiation surface (the back surface of the silicon wafer 60) into a rectangular shape and makes the intensity distribution of the laser beam uniform in the incident area.

レーザ光源50を出射したパルスレーザビームは、アッテネータ51により所定の減衰率でエネルギを減衰された後、ビーム整形光学系52、折り返しミラー53、フォーカスレンズ54を経由して、シリコンウエハ60上に伝搬される。シリコンウエハ60上におけるレーザビームの入射領域は、たとえばX軸方向に2.5mm、Y軸方向に0.3mmの矩形状である。   The pulse laser beam emitted from the laser light source 50 is attenuated at a predetermined attenuation rate by the attenuator 51 and then propagates on the silicon wafer 60 via the beam shaping optical system 52, the folding mirror 53, and the focus lens 54. Is done. The incident region of the laser beam on the silicon wafer 60 is, for example, a rectangular shape of 2.5 mm in the X axis direction and 0.3 mm in the Y axis direction.

第1の実施例によるレーザアニール装置は、また、制御装置56を含む。制御装置56は、レーザ光源50に電流信号を与えることで、レーザ光源50からのレーザビームの出射を制御する。与える電流の大きさで出射するレーザビームのエネルギも制御することができる。また、アッテネータ51の減衰率を変化させることが可能である。また、ステージ55の動作を制御する。ステージ55に保持されたシリコンウエハ60を、X軸方向、Y軸方向へ移動させ、シリコンウエハ60上におけるレーザビームの入射位置を制御することができる。   The laser annealing apparatus according to the first embodiment also includes a control device 56. The control device 56 controls the emission of the laser beam from the laser light source 50 by giving a current signal to the laser light source 50. The energy of the laser beam emitted can be controlled by the magnitude of the applied current. Further, the attenuation rate of the attenuator 51 can be changed. Further, the operation of the stage 55 is controlled. The incident position of the laser beam on the silicon wafer 60 can be controlled by moving the silicon wafer 60 held on the stage 55 in the X-axis direction and the Y-axis direction.

シリコンウエハ60上におけるレーザビームのスキャン態様は図1Aに示す通りである。制御装置56でステージ55を制御し、レーザビームを照射しながら、シリコンウエハ60の裏側表面における矩形状ビーム断面の短軸方向(Y軸方向)にシリコンウエハ60を移動させることにより、ビーム断面の長軸方向(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。シリコンウエハ60を、ビーム断面の長軸方向にずらし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60の全面をアニールする。長軸方向、短軸方向へのレーザビームの重複率は、たとえばともに80%である。なお、ずらす方向はビーム断面の短軸方向と交差する方向であればよい。   The scanning mode of the laser beam on the silicon wafer 60 is as shown in FIG. 1A. By controlling the stage 55 with the control device 56 and moving the silicon wafer 60 in the short axis direction (Y-axis direction) of the rectangular beam cross section on the back side surface of the silicon wafer 60 while irradiating the laser beam, A band-shaped region having a width in the long axis direction (X axis direction) can be annealed. The entire surface of the silicon wafer 60 is annealed by repeating the process of annealing the band-shaped region by shifting the silicon wafer 60 in the major axis direction of the beam cross section. The overlapping ratio of laser beams in the major axis direction and the minor axis direction is, for example, 80%. The shifting direction may be a direction that intersects the minor axis direction of the beam cross section.

第1の実施例によるレーザアニール装置においては、制御装置56がシリコンウエハ60上に、位置によって異なるパルスエネルギ密度でレーザビームを入射させる。具体的には、シリコンウエハ60のレーザ照射面に、Y軸方向(レーザビームの走査方向)に沿って、3つ以上、一例として3つのエリアを画定し、同一エリア内では等しいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、少なくとも2以上のエリアでパルスエネルギ密度を異ならせる。   In the laser annealing apparatus according to the first embodiment, the controller 56 causes the laser beam to be incident on the silicon wafer 60 at a pulse energy density that varies depending on the position. Specifically, three or more, for example, three areas are defined on the laser irradiation surface of the silicon wafer 60 along the Y-axis direction (laser beam scanning direction), and the same area has the same pulse energy density. The laser beam is irradiated, and the pulse energy density is varied in at least two or more areas.

図3A〜図3Eは、シリコンウエハ60上におけるエリアの画定態様を示す概略的な平面図である。図3A〜図3Eには、シリコンウエハ60上のレーザ照射領域を3つのエリア41〜43に分割する例を示した。   3A to 3E are schematic plan views showing how the area is defined on the silicon wafer 60. FIG. 3A to 3E show an example in which the laser irradiation area on the silicon wafer 60 is divided into three areas 41 to 43. FIG.

図3Aには、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、(シリコンウエハ60の中心を通り、Y軸に平行な直線に沿ってみたとき、)シリコンウエハ60のY軸正方向側の40%の領域がエリア41に属し、シリコンウエハ60の中心を含む20%の領域がエリア42に属し、シリコンウエハ60のY軸負方向側の40%の領域がエリア43に属するように、エリア41〜43の境界線を定める例を示した。制御装置56は、エリア42には、相対的に高い2J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームが照射され、エリア41及び43には、相対的に低い1.9J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームが照射されるように、レーザ光源50またはアッテネータ51を制御する。 FIG. 3A shows 40% of the silicon wafer 60 on the Y axis positive direction side when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis (when viewed along a straight line passing through the center of the silicon wafer 60 and parallel to the Y axis). Area 41, area 20% including the center of the silicon wafer 60 belongs to area 42, and area 40% of the silicon wafer 60 on the Y axis negative direction side belongs to area 43. An example in which 43 boundary lines are defined is shown. The controller 56 irradiates the area 42 with a laser beam with a relatively high pulse energy density of 2 J / cm 2 and the areas 41 and 43 with a relatively low pulse energy density of 1.9 J / cm 2. Then, the laser light source 50 or the attenuator 51 is controlled so that the laser beam is irradiated.

たとえば制御装置56は、エリア42にレーザビームを入射させるときには、レーザ光源50に相対的に大きな電流信号を与え、出射されるレーザビームのパルスエネルギを相対的に大きくする。また、エリア41、43にレーザビームを入射させるときには、レーザ光源50に相対的に小さな電流信号を与え、出射されるレーザビームのパルスエネルギを相対的に小さくする。あるいは、エリア42にレーザビームを入射させるときには、アッテネータ51の減衰率を小さくし、エリア41、43にレーザビームを入射させるときには、アッテネータ51の減衰率を大きくしてもよい。   For example, when the laser beam is incident on the area 42, the control device 56 gives a relatively large current signal to the laser light source 50, and relatively increases the pulse energy of the emitted laser beam. Further, when a laser beam is incident on the areas 41 and 43, a relatively small current signal is given to the laser light source 50, and the pulse energy of the emitted laser beam is relatively reduced. Alternatively, when the laser beam is incident on the area 42, the attenuation factor of the attenuator 51 may be reduced, and when the laser beam is incident on the areas 41 and 43, the attenuation factor of the attenuator 51 may be increased.

第1の実施例によるレーザアニール装置を用いて、レーザアニール時に温度が相対的に高くなるシリコンウエハ60上の周辺領域(エリア41、43)については、相対的に小さいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射して、単位面積当たりに照射されるレーザビームのエネルギ(単位面積当たりの投入エネルギ)を相対的に小さくする。また、レーザアニール時に温度が相対的に低くなるシリコンウエハ60上の中央領域(エリア42)については、相対的に大きいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射して、単位面積当たりの投入エネルギを相対的に大きくする。このようにレーザアニールを行うことで、シリコンウエハ60面内における不純物の活性化率及びデバイス特性の均一度を高めることができる。   Using the laser annealing apparatus according to the first embodiment, a laser beam is irradiated with a relatively small pulse energy density in the peripheral regions (areas 41 and 43) on the silicon wafer 60 where the temperature is relatively high during laser annealing. Irradiation is performed to relatively reduce the energy of the laser beam irradiated per unit area (input energy per unit area). Further, the central region (area 42) on the silicon wafer 60 where the temperature is relatively low during laser annealing is irradiated with a laser beam with a relatively large pulse energy density, and the input energy per unit area is relatively set. Make it bigger. By performing laser annealing in this manner, the activation rate of impurities and the uniformity of device characteristics in the surface of the silicon wafer 60 can be increased.

図3B、図3C、図3Dには、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、それぞれシリコンウエハ60のY軸正方向側の33%、25%、15%の領域がエリア41に属し、シリコンウエハ60の中心を含む33%、50%、70%の領域がエリア42に属し、シリコンウエハ60のY軸負方向側の33%、25%、15%の領域がエリア43に属するように、エリア41〜43の境界線を定める例を示した。このようにエリア41〜43を画定し、エリア42には相対的に大きいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア41、43には相対的に小さいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射しても、シリコンウエハ60面内における不純物の活性化率の均一度を高めることができる。   3B, 3C, and 3D, when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis, 33%, 25%, and 15% of the silicon wafer 60 on the Y axis positive direction side belong to the area 41, respectively. The 33%, 50%, and 70% regions including the center of the wafer 60 belong to the area 42, and the 33%, 25%, and 15% regions on the negative side of the silicon wafer 60 belong to the area 43. The example which defines the boundary line of the areas 41-43 was shown. Thus, the areas 41 to 43 are defined, the area 42 is irradiated with a laser beam with a relatively large pulse energy density, and the areas 41 and 43 are irradiated with a laser beam with a relatively small pulse energy density. Further, the uniformity of the impurity activation rate in the surface of the silicon wafer 60 can be increased.

図3A〜図3Dに示すように、エリア42は、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60の中心を含む20%〜70%の領域がエリア42に属するように画定されればよい。   As shown in FIGS. 3A to 3D, the area 42 is defined so that a region of 20% to 70% including the center of the silicon wafer 60 belongs to the area 42 when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis. Good.

図3Eには、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60のY軸正方向側の15%の領域がエリア41に属し、シリコンウエハ60の中心を含む60%の領域がエリア42に属し、シリコンウエハ60のY軸負方向側の25%の領域がエリア43に属するように、エリア41〜43の境界線を定める例を示した。このようにエリア41とエリア43に属するシリコンウエハ60の割合は、等しくなくてもよい。ただし実施例のように、シリコンウエハ60を、エリア41〜43の3つの領域に分割する場合、シリコンウエハ60のY軸正方向側の15%以上の領域がエリア41に属し、かつ、シリコンウエハ60のY軸負方向側の15%以上の領域がエリア43に属するように、エリア41〜43の境界線を画定する。   In FIG. 3E, when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis, 15% of the silicon wafer 60 on the Y axis positive direction side belongs to the area 41, and 60% of the area including the center of the silicon wafer 60 is the area 42. In this example, the boundary lines of the areas 41 to 43 are defined so that 25% of the silicon wafer 60 on the Y-axis negative direction side belongs to the area 43. Thus, the ratio of the silicon wafers 60 belonging to the area 41 and the area 43 may not be equal. However, when the silicon wafer 60 is divided into three regions 41 to 43 as in the embodiment, 15% or more of the silicon wafer 60 on the Y axis positive direction side belongs to the area 41, and the silicon wafer The boundary lines of the areas 41 to 43 are demarcated so that 15% or more of the 60 Y-axis negative direction side belongs to the area 43.

第1の実施例においては、エリア41、43には、1.9J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア42には、2・0J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射した。ここで照射するレーザビームのパルスエネルギ密度、結果的にはシリコンウエハ60の単位面積当たりに投入するエネルギについて考察する。 In the first embodiment, the areas 41 and 43 are irradiated with a laser beam with a pulse energy density of 1.9 J / cm 2 , and the area 42 is irradiated with a laser beam with a pulse energy density of 2.0 · J / cm 2. Was irradiated. Here, the pulse energy density of the irradiated laser beam, and consequently the energy input per unit area of the silicon wafer 60 will be considered.

先に述べたように、シリコンウエハ60上の位置によって投入するエネルギに差を設けずにアニールを行った場合、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して1%弱の差があるということがわかっている。このことからエリア41、43とエリア42とに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度は、たとえばエリア42に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を基準としたとき、エリア41、43に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を、その1%以上小さくすれば、シリコンウエハ60面内における不純物の活性化率の均一度を高めることができるであろう。また、0.3%以上小さくすることによっても、シリコンウエハ60面内における不純物の活性化率の均一度向上の効果は得られるであろう。   As described above, when annealing is performed without making a difference in the input energy depending on the position on the silicon wafer 60, the device characteristics at the center and the periphery are less than 1% in terms of sheet resistance. I know that there is a difference. From this, the pulse energy density of the laser beams irradiated to the areas 41 and 43 and the area 42 is, for example, based on the pulse energy density of the laser beam irradiated to the area 42 as a reference. If the pulse energy density is reduced by 1% or more, the uniformity of the impurity activation rate within the surface of the silicon wafer 60 can be increased. Moreover, the effect of improving the uniformity of the impurity activation rate in the surface of the silicon wafer 60 will also be obtained by reducing it by 0.3% or more.

シリコンウエハ60面内(シリコンウエハ60のレーザ照射領域)を、3を超える数のエリアに分割することもできる。図4A〜図4Cは、エリア44〜48の画定態様について示す概略的な平面図である。   The surface of the silicon wafer 60 (the laser irradiation region of the silicon wafer 60) can be divided into more than three areas. 4A to 4C are schematic plan views showing how the areas 44 to 48 are defined.

図4A及び図4Bに示すように、シリコンウエハ60面内を、5つの領域に分割することも可能である。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the surface of the silicon wafer 60 can be divided into five regions.

図4Aには、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60の最もY軸正方向側(Y軸正方向側の端部)の5%の領域がエリア44に属し、それに隣接する10%の領域がエリア45に属し、シリコンウエハ60の中心を含む70%の領域がエリア46に属し、Y軸負方向側でそれと隣接する10%の領域がエリア47に属し、シリコンウエハ60の最もY軸負方向側(Y軸負方向側の端部)の5%の領域がエリア48に属するように、エリア44〜48の境界線を定める例を示した。   In FIG. 4A, when viewed in the diametrical direction parallel to the Y-axis, a region of 5% of the silicon wafer 60 on the most Y-axis positive direction side (end on the Y-axis positive direction side) belongs to the area 44 and is adjacent thereto. A 10% region belongs to area 45, a 70% region including the center of silicon wafer 60 belongs to area 46, and a 10% region adjacent to it on the negative Y-axis side belongs to area 47. An example is shown in which the boundary lines of the areas 44 to 48 are defined so that 5% of the area on the Y axis negative direction side (the end on the Y axis negative direction side) belongs to the area 48.

このように5つの領域に分割するとき、たとえばエリア44及び48には、1.9J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームが照射され、エリア45及び47には、1.95J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームが照射され、エリア46には、2.0J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームが照射されるように、制御装置56は、ステージ55によるシリコンウエハ60の移動と、レーザ光源50から出射されるレーザビームのパルスエネルギの増減またはアッテネータ51の減衰率の変化とを同期させる制御を行う。 When dividing this manner into five regions, the example area 44 and 48, the laser beam is irradiated at a pulse energy density of 1.9J / cm 2, the area 45 and 47, of 1.95J / cm 2 The controller 56 moves the silicon wafer 60 by the stage 55 so that the laser beam is irradiated with a pulse energy density and the area 46 is irradiated with a laser beam with a pulse energy density of 2.0 J / cm 2 . Control is performed to synchronize the increase or decrease in the pulse energy of the laser beam emitted from the laser light source 50 or the change in the attenuation factor of the attenuator 51.

図4Bには、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60のそれぞれ20%の領域がエリア44〜48に属するように、エリア44〜48の境界線を定める例を示した。各エリア44〜48に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度は、たとえば図4Aに示す境界線画定態様の場合と等しい。   FIG. 4B shows an example in which the boundary lines of the areas 44 to 48 are defined so that 20% of the silicon wafer 60 belongs to the areas 44 to 48 when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis. The pulse energy density of the laser beam applied to each of the areas 44 to 48 is equal to, for example, the boundary line defining aspect shown in FIG. 4A.

図4Aには、シリコンウエハ60の中心を含む70%の領域がエリア46に属する例を示し、図4Bには、シリコンウエハ60の中心を含む20%の領域がエリア46に属する例を示した。シリコンウエハ60を、3を超える数の領域に分割する場合も、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60の中心を含む領域を、シリコンウエハ60全体の20%〜70%とする。   4A shows an example in which 70% of the region including the center of the silicon wafer 60 belongs to the area 46, and FIG. 4B shows an example in which 20% of the region including the center of the silicon wafer 60 belongs to the area 46. . Even when the silicon wafer 60 is divided into more than three regions, the region including the center of the silicon wafer 60 is 20% to 70% of the entire silicon wafer 60 when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis. .

また、シリコンウエハ60を、3を超える数の領域に分割する場合、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60の中心位置を基準として、Y軸方向側に離れているエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を、中心位置を含む、または中心位置に近いエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度以下とする。更に、nが3の場合と同様に、シリコンウエハ60の中心が属するエリア46に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度と、最もY軸正方向側(Y軸正方向側の端部)のエリア44に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度との差を、エリア46に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を基準として、その0.3%以上とする。1%以上としてもよい。エリア46と、最もY軸負方向側(Y軸負方向側の端部)のエリア48とのパルスエネルギ密度の差についても同様である。   In addition, when the silicon wafer 60 is divided into more than three regions, when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis, the irradiation is performed on an area that is distant from the center position of the silicon wafer 60 on the Y axis direction side. The pulse energy density of the laser beam is set to be equal to or lower than the pulse energy density of the laser beam that irradiates an area including or close to the center position. Further, as in the case where n is 3, the pulse energy density of the laser beam irradiated to the area 46 to which the center of the silicon wafer 60 belongs and the area 44 on the most Y-axis positive direction side (end on the Y-axis positive direction side). The difference from the pulse energy density of the laser beam irradiated to the area 46 is set to 0.3% or more of the pulse energy density of the laser beam irradiated to the area 46 as a reference. It may be 1% or more. The same applies to the difference in pulse energy density between the area 46 and the area 48 closest to the Y-axis negative direction side (end on the Y-axis negative direction side).

図4Cには、シリコンウエハ60を、4つの領域に分割する例を示した。本図に示す例においては、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60の最もY軸正方向側(Y軸正方向側の端部)の15%の領域がエリア44に属し、それに隣接する35%の領域がエリア45に属し、更にそれにY軸負方向側で隣接する35%の領域がエリア46に属し、シリコンウエハ60の最もY軸負方向側(Y軸負方向側の端部)の15%の領域がエリア47に属するように、エリア44〜47の境界線を定める例を示した。   FIG. 4C shows an example in which the silicon wafer 60 is divided into four regions. In the example shown in this figure, when viewed in the diametrical direction parallel to the Y-axis, 15% of the area of the silicon wafer 60 closest to the Y-axis positive direction side (end on the Y-axis positive direction side) belongs to the area 44. A 35% region adjacent to it belongs to the area 45, and a 35% region adjacent to it in the Y-axis negative direction side belongs to the area 46, and the most negative Y-axis side (Y-axis negative direction side of the silicon wafer 60). An example is shown in which the boundary lines of the areas 44 to 47 are defined so that 15% of the edge portion belongs to the area 47.

シリコンウエハ60の中心位置Cは、エリア45とエリア46の境界線上にあるが、このような場合は、中心位置Cは、エリア45、エリア46の双方に属するものと考える。   The center position C of the silicon wafer 60 is on the boundary line between the area 45 and the area 46. In such a case, the center position C is considered to belong to both the area 45 and the area 46.

図4Cに示すように、シリコンウエハ60上に、エリア44〜47の4つの領域を画定するとき、たとえばエリア45及び46には、2.0J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア44及び47には、1.9J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射する。 As shown in FIG. 4C, when four regions of areas 44 to 47 are defined on the silicon wafer 60, for example, the areas 45 and 46 are irradiated with a laser beam at a pulse energy density of 2.0 J / cm 2. The areas 44 and 47 are irradiated with a laser beam at a pulse energy density of 1.9 J / cm 2 .

シリコンウエハ60を、たとえば偶数の領域に分割し、シリコンウエハ60の中心位置Cが二つの領域の境界線上にある(中心位置Cはその二つの領域に属する)場合も、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60の中心を含む領域(図4Cにおいてはエリア45及び46)の合計を、20%〜70%とする。   For example, when the silicon wafer 60 is divided into even-numbered areas and the center position C of the silicon wafer 60 is on the boundary line between the two areas (the center position C belongs to the two areas), the diameter parallel to the Y-axis When viewed in the direction, the total of the regions including the center of the silicon wafer 60 (areas 45 and 46 in FIG. 4C) is 20% to 70%.

また、Y軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ60の中心位置を基準として、Y軸方向側に離れているエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を、中心位置を含む、または中心位置に近いエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度以下とする。更に、シリコンウエハ60の中心が属するエリア45、46と、最もY軸方向側(Y軸方向側の端部)のエリア44、47とのパルスエネルギ密度の差を、エリア45、46に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度の0.3%以上とする。1%以上としてもよい。   Further, when viewed in the diameter direction parallel to the Y axis, the pulse energy density of the laser beam applied to the area separated in the Y axis direction side with respect to the center position of the silicon wafer 60 includes the center position or the center. It is set to be equal to or lower than the pulse energy density of the laser beam irradiated to the area close to the position. Further, the areas 45 and 46 are irradiated with the difference in pulse energy density between the areas 45 and 46 to which the center of the silicon wafer 60 belongs and the areas 44 and 47 on the most Y-axis direction side (end on the Y-axis direction side). The pulse energy density is set to 0.3% or more of the laser beam. It may be 1% or more.

分割エリア数を多くし、各エリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を調整することで、シリコンウエハ60の温度を細かく制御し、より均一度を高めることができる。   By increasing the number of divided areas and adjusting the pulse energy density of the laser beam applied to each area, the temperature of the silicon wafer 60 can be finely controlled and the uniformity can be further increased.

図5Aは、第2の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。第2の実施例によるレーザアニール装置は、たとえばNd:YAGレーザの2倍高調波を、繰り返し周波数3kHzで出射するレーザ光源89、シリコンウエハ60a〜60fを保持するステージ95、及び、レーザ光源89を出射したレーザビームをステージ95上に保持されたシリコンウエハ60a〜60f上に伝搬する伝搬光学系を含む。   FIG. 5A is a schematic view showing a laser annealing apparatus according to the second embodiment. The laser annealing apparatus according to the second embodiment includes, for example, a laser light source 89 that emits a second harmonic of an Nd: YAG laser at a repetition frequency of 3 kHz, a stage 95 that holds the silicon wafers 60a to 60f, and a laser light source 89. A propagation optical system that propagates the emitted laser beam onto the silicon wafers 60 a to 60 f held on the stage 95 is included.

ステージ95は、ベース70、θステージ72、チャックプレート73、及び、駆動機構71を含む。θステージ72はベース70上に、また、チャックプレート73はθステージ72上に、それぞれたとえば水平面(XY平面)に平行に配置される。駆動機構71は、たとえばモータ及びベアリングを含み、θステージ72及びその上に固定的に配置されたチャックプレート73を、Z軸に平行な回転軸lの周囲に回転させる。回転方向は、たとえばθステージ72をZ軸正方向から見たとき、反時計回りである。チャックプレート73は、シリコンウエハ60a〜60fを吸着して保持することができる。シリコンウエハ60a〜60fは、第1の実施例におけるシリコンウエハ60と同様のアニール対象物である。   The stage 95 includes a base 70, a θ stage 72, a chuck plate 73, and a drive mechanism 71. The θ stage 72 is disposed on the base 70, and the chuck plate 73 is disposed on the θ stage 72, for example, parallel to the horizontal plane (XY plane). The drive mechanism 71 includes, for example, a motor and a bearing, and rotates the θ stage 72 and the chuck plate 73 fixedly disposed on the θ stage 72 around a rotation axis l parallel to the Z axis. The rotation direction is counterclockwise when, for example, the θ stage 72 is viewed from the positive direction of the Z axis. The chuck plate 73 can suck and hold the silicon wafers 60a to 60f. The silicon wafers 60a to 60f are objects to be annealed similar to the silicon wafer 60 in the first embodiment.

第1の実施例によるレーザアニール装置と同様に、伝搬光学系は、アッテネータ90、ビーム整形光学系91、折り返しミラー92、及びフォーカスレンズ93を備える。ビーム整形光学系91、折り返しミラー92、及びフォーカスレンズ93は、鏡筒94の内部に固定的に配置されている。   Similar to the laser annealing apparatus according to the first embodiment, the propagation optical system includes an attenuator 90, a beam shaping optical system 91, a folding mirror 92, and a focus lens 93. The beam shaping optical system 91, the folding mirror 92, and the focus lens 93 are fixedly disposed inside the lens barrel 94.

第2の実施例によるレーザアニール装置は、更に、支柱85、ベース86、Yステージ88、ガイド87a、87b、及び、駆動機構87cを含む。   The laser annealing apparatus according to the second embodiment further includes a support 85, a base 86, a Y stage 88, guides 87a and 87b, and a drive mechanism 87c.

ベース86は、支柱85によって一定高さに支持される。ベース86上に、Y軸方向に沿って移動可能にYステージ88が保持される。Yステージ88には、たとえばモータ、ボールスクリュー、及びベアリングを含む駆動機構87cが設けられている。また、ベース86とYステージ88との間には、ガイド87a、87bが設置されている。Yステージ88は、駆動機構87cにより、ガイド87a、87bに沿ってY軸方向に移動可能である。   The base 86 is supported at a constant height by the support 85. A Y stage 88 is held on the base 86 so as to be movable along the Y-axis direction. The Y stage 88 is provided with a drive mechanism 87c including, for example, a motor, a ball screw, and a bearing. Further, guides 87 a and 87 b are installed between the base 86 and the Y stage 88. The Y stage 88 is movable in the Y-axis direction along the guides 87a and 87b by the drive mechanism 87c.

Yステージ88上に、レーザ光源89及び伝搬光学系が配置されている。なお、鏡筒94がYステージ88とともに移動可能であればよく、レーザ光源89及びアッテネータ90は、Yステージ88上に配置されなくてもよい。   On the Y stage 88, a laser light source 89 and a propagation optical system are arranged. Note that the lens barrel 94 only needs to be movable together with the Y stage 88, and the laser light source 89 and the attenuator 90 may not be disposed on the Y stage 88.

図5Bに、チャックプレート73の平面図を示す。チャックプレート73は、Z軸正方向から見たとき、たとえば円形状である。円の中心は、θステージ72の回転軸l上にある。チャックプレート73上には、円形のシリコンウエハを載置する位置(ウエハ載置位置73a〜73f)が画定されている。ウエハ載置位置73a〜73fはたとえば円形であり、各載置位置73a〜73fにシリコンウエハ60a〜60fが載置される。各載置位置73a〜73fの中心位置(シリコンウエハ60a〜60fの中心位置)は、チャックプレート73の中心から等距離にあり、各載置位置73a〜73fの中心を結ぶと正六角形が形成される。   FIG. 5B shows a plan view of the chuck plate 73. The chuck plate 73 has, for example, a circular shape when viewed from the positive direction of the Z axis. The center of the circle is on the rotation axis l of the θ stage 72. On the chuck plate 73, positions (wafer mounting positions 73a to 73f) for mounting a circular silicon wafer are defined. The wafer placement positions 73a to 73f are, for example, circular, and the silicon wafers 60a to 60f are placed at the placement positions 73a to 73f. The center positions of the mounting positions 73a to 73f (center positions of the silicon wafers 60a to 60f) are equidistant from the center of the chuck plate 73, and a regular hexagon is formed by connecting the centers of the mounting positions 73a to 73f. The

レーザ光源89を出射したパルスレーザビームは、アッテネータ90、ビーム整形光学系91、折り返しミラー92、フォーカスレンズ93を経由して、ウエハ載置位置73a〜73fに載置され、θステージ72によって回転軸lの周囲に回転されているシリコンウエハ60a〜60f上に伝搬される。シリコンウエハ60a〜60f上におけるレーザビームの入射領域は、たとえば回転半径方向に2.5mm、回転円周方向に0.3mmの矩形状である。   The pulse laser beam emitted from the laser light source 89 is placed on the wafer placement positions 73 a to 73 f via the attenuator 90, the beam shaping optical system 91, the folding mirror 92, and the focus lens 93, and is rotated by the θ stage 72. is propagated onto the silicon wafers 60a-60f that are rotated around l. The incident region of the laser beam on the silicon wafers 60a to 60f is, for example, a rectangular shape of 2.5 mm in the rotational radius direction and 0.3 mm in the rotational circumferential direction.

第2の実施例によるレーザアニール装置は、また、制御装置96を含む。制御装置96は、第1の実施例における制御装置56と同様に、レーザ光源89からのパルスレーザビームの出射タイミング、出射されるレーザビームのパルスエネルギ、及び、アッテネータ90の減衰率を制御する。更に、θステージ72による、シリコンウエハ60a〜60fの回転方向への移動、及び、Yステージ88による鏡筒94の移動を制御する。   The laser annealing apparatus according to the second embodiment also includes a control device 96. The control device 96 controls the emission timing of the pulse laser beam from the laser light source 89, the pulse energy of the emitted laser beam, and the attenuation factor of the attenuator 90, as with the control device 56 in the first embodiment. Further, the movement of the silicon wafers 60 a to 60 f in the rotation direction by the θ stage 72 and the movement of the lens barrel 94 by the Y stage 88 are controlled.

制御装置96は、θステージ72でシリコンウエハ60a〜60fを、回転軸lの周囲に回転させることで、シリコンウエハ60a〜60f上におけるレーザビームの入射位置を回転方向と平行な方向(回転方向と反対方向)に移動させる。   The control device 96 rotates the silicon wafers 60a to 60f around the rotation axis 1 by the θ stage 72, thereby changing the incident position of the laser beam on the silicon wafers 60a to 60f in a direction parallel to the rotation direction (the rotation direction). Move in the opposite direction.

図6は、シリコンウエハ60a〜60f上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。レーザビームは、たとえばまずチャックプレート73の中心から最も遠い位置のシリコンウエハ60a〜60fの端部領域に照射される。本図にはレーザアニール開始時のレーザビームの入射領域にLの符号を付して示した。θステージ72で、シリコンウエハ60a〜60fを保持したチャックプレート73を回転軸lの周囲に1回転することにより、シリコンウエハ60a〜60fの各々の、チャックプレート73の中心から最も遠い端部について、ビーム断面の長軸方向(回転半径方向)の長さを幅とする帯状の領域を、回転円周方向に沿ってアニールすることができる。レーザパルスの重複率は、たとえば回転円周方向に80%である。   FIG. 6 is a schematic view showing a scanning mode of the laser beam on the silicon wafers 60a to 60f. For example, the laser beam is first applied to the end regions of the silicon wafers 60 a to 60 f farthest from the center of the chuck plate 73. In this drawing, the laser beam incident area at the start of laser annealing is indicated by the symbol L. With the θ stage 72, the chuck plate 73 holding the silicon wafers 60a to 60f is rotated once around the rotation axis l, so that the end portions of the silicon wafers 60a to 60f that are farthest from the center of the chuck plate 73 are A band-shaped region having the width in the major axis direction (rotating radius direction) of the beam cross section can be annealed along the rotating circumferential direction. The overlapping rate of laser pulses is, for example, 80% in the rotation circumferential direction.

なお、回転に伴って、レーザビーム入射領域Lの位置に、シリコンウエハ60a〜60f以外のチャックプレート73上の位置が配置されるときには、制御装置96は、レーザ光源89に印加する信号を停止し、レーザ光源89からのレーザビームの出射を停止させる。   When the position on the chuck plate 73 other than the silicon wafers 60a to 60f is arranged at the position of the laser beam incident region L with the rotation, the control device 96 stops the signal applied to the laser light source 89. Then, the emission of the laser beam from the laser light source 89 is stopped.

制御装置96は、θステージ72でシリコンウエハ60a〜60fを、回転軸lの周囲に1回転させた後、Yステージ88をY軸正方向(ビーム断面の長軸方向)に、たとえば0.5mm移動させる。鏡筒94がY軸正方向に0.5mm移動し、レーザビーム入射領域LもY軸正方向に0.5mm移動する。レーザビームを照射しながら、シリコンウエハ60a〜60fを回転軸lの周囲に1回転させた後、レーザビーム入射領域Lを回転半径の内側方向に移動させる処理を繰り返すことにより、シリコンウエハ60a〜60fの各々の全面をアニールする。   The controller 96 rotates the silicon wafers 60a to 60f around the rotation axis 1 by the θ stage 72, and then moves the Y stage 88 in the Y axis positive direction (long axis direction of the beam cross section), for example, 0.5 mm. Move. The lens barrel 94 moves 0.5 mm in the Y-axis positive direction, and the laser beam incident area L also moves 0.5 mm in the Y-axis positive direction. While irradiating the laser beam, the silicon wafers 60a to 60f are rotated once around the rotation axis l, and then the process of moving the laser beam incident region L in the direction of the rotation radius is repeated, whereby the silicon wafers 60a to 60f are repeated. Each of the surfaces is annealed.

第2の実施例においても、第1の実施例と同様に、シリコンウエハ60a〜60fの各々のレーザ照射面に画定された3以上のエリアについて、同一エリア内では等しいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、少なくとも2以上のエリアでパルスエネルギ密度を異ならせる。   In the second embodiment, similarly to the first embodiment, the laser beam is emitted with the same pulse energy density in the same area for three or more areas defined on the laser irradiation surfaces of the silicon wafers 60a to 60f. Irradiate and vary the pulse energy density in at least two or more areas.

図6においては、シリコンウエハ60a〜60fの各々上に、エリア77〜79が画定される例を示した。エリア77〜79は、それぞれ、θステージ72及びチャックプレート73の回転方向と平行な方向に直交する一方向、本図に示す例では、チャックプレート73の中心と、ウエハ載置位置73a〜73fの中心を結ぶ直線の延在方向(回転半径方向)と直交する方向に沿って画定されている。すなわち、シリコンウエハ60a〜60fの各々上におけるエリア77〜79の境界線は、チャックプレート73の中心と、シリコンウエハ60a〜60fの各々の中心を結ぶ直線と平行に画定されている。ウエハ載置位置73a〜73fの中心位置(シリコンウエハ60a〜60fの中心位置)は、回転方向と平行な方向に直交する一方向と直交する方向に関して端のエリア77、79には属さず、中央のエリアであるエリア78に属する。なお、シリコンウエハ60a〜60fは、回転方向と平行な方向に沿って見た場合に、3つの領域(エリア77〜79)に分けられるような態様で境界線が画定されている。本図に示すエリア77〜79の画定態様は、そのようなエリア画定態様の一例である。   FIG. 6 shows an example in which areas 77 to 79 are defined on each of the silicon wafers 60a to 60f. Each of the areas 77 to 79 is in one direction orthogonal to the direction parallel to the rotation direction of the θ stage 72 and the chuck plate 73. In the example shown in the figure, the center of the chuck plate 73 and the wafer mounting positions 73a to 73f are arranged. It is demarcated along the direction orthogonal to the extending direction (rotating radial direction) of the straight line connecting the centers. That is, the boundary lines of the areas 77 to 79 on each of the silicon wafers 60a to 60f are defined in parallel with a straight line connecting the center of the chuck plate 73 and the centers of the silicon wafers 60a to 60f. The center positions of the wafer mounting positions 73a to 73f (the center positions of the silicon wafers 60a to 60f) do not belong to the end areas 77 and 79 in the direction orthogonal to the one direction orthogonal to the direction parallel to the rotation direction. Belongs to area 78, which is Note that the boundary lines of the silicon wafers 60a to 60f are defined in such a manner that the silicon wafers 60a to 60f are divided into three regions (areas 77 to 79) when viewed along a direction parallel to the rotation direction. The defining aspect of the areas 77 to 79 shown in the figure is an example of such an area defining aspect.

第2の実施例においても、第1の実施例と同様に、エリア77、79には、1.9J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア78には、2.0J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射する。 Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the areas 77 and 79 are irradiated with a laser beam at a pulse energy density of 1.9 J / cm 2 , and the area 78 is 2.0 J / cm 2. The laser beam is irradiated with a pulse energy density of cm 2 .

第2の実施例によるレーザアニール装置を用いても、シリコンウエハ60a〜60f面内における不純物の活性化率及びデバイス特性の均一度を高めることができる。なお、エリア間におけるパルスエネルギ密度の差や、エリアの分割数、エリアの境界線画定位置等については、第1の実施例の場合と同様である。   Even when the laser annealing apparatus according to the second embodiment is used, the activation rate of impurities and the uniformity of device characteristics in the surfaces of the silicon wafers 60a to 60f can be increased. The difference in pulse energy density between areas, the number of area divisions, the boundary demarcation positions of the areas, and the like are the same as those in the first embodiment.

図7は、エリア77〜79の他の画定態様を示す概略的な平面図である。図6に示す例においては、θステージ72及びチャックプレート73の回転方向と平行な方向に直交する一方向と直交する方向に沿ってエリア77〜79を画定したが、図7に示す例においては、回転方向と平行な方向に沿って、エリア77〜79が画定される。   FIG. 7 is a schematic plan view showing another defining aspect of the areas 77 to 79. In the example shown in FIG. 6, the areas 77 to 79 are defined along a direction orthogonal to one direction orthogonal to the direction parallel to the rotation direction of the θ stage 72 and the chuck plate 73, but in the example shown in FIG. 7. Areas 77 to 79 are defined along a direction parallel to the rotation direction.

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。     Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto.

たとえば、実施例においては、パルスレーザビームを用いて、シリコンウエハに添加された不純物を活性化させるレーザアニールを行ったが、連続波のレーザビームを使用することもできる。   For example, in the embodiment, laser annealing for activating impurities added to a silicon wafer is performed using a pulsed laser beam, but a continuous wave laser beam can also be used.

また、実施例においては、Nd:YAGレーザの2倍高調波を、繰り返し周波数3kHzで出射し、走査方向、ステップ方向ともに80%の重複率でシリコンウエハに入射させた。シリコンウエハの中心位置を含むエリアには、2.0J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射した。波長808nmの半導体レーザを用い、繰り返し周波数を1kHz、重複率を50%としてもよい。たとえば、シリコンウエハの中心位置を含むエリアには、4.0J/cmのパルスエネルギ密度でレーザビームを照射する。なお、固体レーザの2倍高調波を用いる場合も、半導体レーザを用いる場合も、重複率は、走査方向、ステップ方向ともに50%以上あればよい。 In the example, the second harmonic of the Nd: YAG laser was emitted at a repetition frequency of 3 kHz and made incident on the silicon wafer at an overlap rate of 80% in both the scanning direction and the step direction. The area including the center position of the silicon wafer was irradiated with a laser beam at a pulse energy density of 2.0 J / cm 2 . A semiconductor laser with a wavelength of 808 nm may be used, the repetition frequency may be 1 kHz, and the overlap rate may be 50%. For example, an area including the center position of the silicon wafer is irradiated with a laser beam at a pulse energy density of 4.0 J / cm 2 . It should be noted that the overlap ratio may be 50% or more in both the scanning direction and the step direction when using the second harmonic of the solid laser or when using the semiconductor laser.

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。   It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like are possible.

41〜48 エリア
50 レーザ光源
51 アッテネータ
52 ビーム整形光学系
53 折り返しミラー
54 フォーカスレンズ
55 ステージ
56 制御装置
60、60a〜60f シリコンウエハ
70 ベース
71 駆動機構
72 θステージ
73 チャックプレート
73a〜73f ウエハ載置位置
77〜79 エリア
85 支柱
86 ベース
87a、87b ガイド
87c 駆動機構
88 Yステージ
89 レーザ光源
90 アッテネータ
91 ビーム整形光学系
92 折り返しミラー
93 フォーカスレンズ
94 鏡筒
95 ステージ
41 to 48 Area 50 Laser light source 51 Attenuator 52 Beam shaping optical system 53 Folding mirror 54 Focus lens 55 Stage 56 Control device 60, 60a to 60f Silicon wafer 70 Base 71 Drive mechanism 72 θ stage 73 Chuck plates 73a to 73f Wafer mounting positions 77 to 79 Area 85 Column 86 Base 87a, 87b Guide 87c Drive mechanism 88 Y stage 89 Laser light source 90 Attenuator 91 Beam shaping optical system 92 Folding mirror 93 Focus lens 94 Lens barrel 95 Stage

Claims (6)

レーザビームを出射するレーザ光源と、
半導体基板を保持し、第1の方向と平行な方向に移動させるステージと、
前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上に伝搬する伝搬光学系と、
nを3以上の整数とするとき、前記ステージに保持された半導体基板上に、前記第1の方向に沿って見た場合に画定されるn個の小領域に対し、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記半導体基板上において前記第1の方向と平行な方向に走査させながら、前記n個の小領域のうち、前記半導体基板の中心が属する小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが第1の値となるように、レーザビームを入射させ、前記第1の方向と平行な方向に沿って見た場合に、端にある小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが前記第1の値より小さい第2の値となるように、レーザビームを入射させる制御装置と
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 the semiconductor substrate and moving it in a direction parallel to the first direction;
A propagation optical system for propagating a laser beam emitted from the laser light source onto a semiconductor substrate held by the stage;
When n is an integer of 3 or more, the laser light source is emitted to n small regions defined when viewed along the first direction on the semiconductor substrate held on the stage. While scanning a laser beam on the semiconductor substrate in a direction parallel to the first direction, a small area of the n small regions to which the center of the semiconductor substrate belongs is injected per unit area. When the laser beam is incident so that the energy becomes the first value and viewed along a direction parallel to the first direction, the energy input per unit area is applied to the small region at the end. A laser annealing apparatus including: a control device that causes a laser beam to be incident so that the second value is smaller than the first value.
前記第1の値と前記第2の値の差を、前記第1の値の0.3%以上とする請求項1に記載のレーザアニール装置。   The laser annealing apparatus according to claim 1, wherein a difference between the first value and the second value is 0.3% or more of the first value. 前記半導体基板の中心を通り、前記第1の方向と平行な直線に沿ってみたとき、前記半導体基板の中心が属する小領域を、前記半導体基板の20%〜70%とする請求項1または2に記載のレーザアニール装置。   The small region to which the center of the semiconductor substrate belongs is set to 20% to 70% of the semiconductor substrate when viewed along a straight line passing through the center of the semiconductor substrate and parallel to the first direction. The laser annealing apparatus described in 1. (a)nを3以上の整数とするとき、半導体基板上に第1の方向に沿って見る場合に、n個の小領域を画定し、レーザビームを、前記半導体基板上において前記第1の方向と平行な方向に走査させながら、前記n個の小領域のうち、前記半導体基板の中心が属する小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが第1の値となるようにレーザビームを入射させ、前記第1の方向と平行な方向に沿って見た場合に、端にある小領域には、単位面積当たりに投入するエネルギが前記第1の値より小さい第2の値となるように、レーザビームを入射させる工程と、
(b)レーザビームの入射位置を、前記第1の方向と交差する第2の方向にずらず工程と、
(c)前記工程(b)の後に前記工程(a)を繰り返す工程と
を有するレーザアニール方法。
(A) When n is an integer greater than or equal to 3, when viewed along the first direction on the semiconductor substrate, n small regions are defined, and a laser beam is projected on the semiconductor substrate on the first substrate. While scanning in a direction parallel to the direction, a laser beam is applied to the small region to which the center of the semiconductor substrate belongs among the n small regions so that the energy input per unit area becomes a first value. When incident and viewed along a direction parallel to the first direction, the energy input per unit area is set to a second value smaller than the first value in the small region at the end. And a step of making a laser beam incident on,
(B) the step of aligning the incident position of the laser beam with the second direction intersecting the first direction;
(C) A laser annealing method including a step of repeating the step (a) after the step (b).
前記第1の値と前記第2の値の差を、前記第1の値の0.3%以上とする請求項4に記載のレーザアニール方法。   The laser annealing method according to claim 4, wherein a difference between the first value and the second value is 0.3% or more of the first value. 前記半導体基板の中心を通り、前記第1の方向と平行な直線に沿ってみたとき、前記半導体基板の中心が属する小領域を、前記半導体基板の20%〜70%とする請求項4または5に記載のレーザアニール方法。   The small region to which the center of the semiconductor substrate belongs is set to 20% to 70% of the semiconductor substrate when viewed along a straight line passing through the center of the semiconductor substrate and parallel to the first direction. The laser annealing method described in 1.
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