JP2013258288A - 半導体装置の製造方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 深い領域に注入された不純物を十分活性化させ、高品質のアニールを実現可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 表層部に高濃度に不純物が注入されたアモルファス状態の高濃度層と、高濃度層よりも深い領域に、低濃度に不純物が注入された低濃度層とを有する半導体基板の表面に、第１のレーザパルスの入射を開始する。半導体基板に第１のレーザパルスの入射を開始した後、高濃度層が溶融する前に、第１のレーザパルスのピークパワーよりも高いピークパワーを有し、第１のレーザパルスのパルス幅より短いパルス幅を有する第２のレーザパルスを入射させる。これにより、高濃度層を、その底面まで溶融させた後、固化させ、高濃度層の不純物を活性化させ、かつ高濃度層を結晶化させる。第２のレーザパルスの入射が停止して高濃度層が固化した後も、第１のレーザパルスの入射を継続することにより、低濃度層の不純物を活性化する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザビームの照射によって、半導体基板に注入された不純物を活性化させる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。

半導体基板に不純物をイオン注入により導入した後、レーザビームを照射して不純物を活性化させることにより、電極層及びフィールドストップ層を形成する半導体装置の製造方法が、特許文献１に開示されている。特許文献１に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、２台のレーザ発振器を用いてパルスレーザビームを照射する。２台のレーザ発振器から射出されるレーザパルスの時間差が６００ｎｓ以下に設定される。

詳細には、ｎ⁻型のシリコン基板の裏面側から、例えば、リンイオンをフィールドストップ層形成予定領域にイオン注入する。このとき、フィールドストップ層のピーク濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以下となるように、ドーズ量を１×１０^１４ｃｍ^−２以下とする。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１×１０^２１ｃｍ^−３以下となるように、ドーズ量を５×１０^１６ｃｍ^−２以下として、例えば、ボロンイオン及びリンイオンを、それぞれ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て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に記載の半導体装置の製造方法においては、レーザ照射によって、固相拡散による欠陥回復、及びレーザ照射面（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の活性化が行われる。十分な温度上昇及び加熱時間が確保できず、不純物の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パルスエネルギ密度を上げると、溶融深さが深くなってしまう。深い部分まで溶融すると、深さ方向に関する不純物濃度分布が変化して、設計通りの特性が得られない場合がある。さらに、基板表面の荒れがひどくなるなどの不具合が発生する。

半導体基板が溶融しない範囲のパルスエネルギ密度で、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提案されている（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てアモルファス化した領域の結晶性を、十分回復させ、かつ注入された不純物を十分活性化することが困難である。

特開２０１０−１７１０５７号公報 特開２００９−３２８５８号公報

本発明の目的は、深い領域に注入された不純物を十分活性化させ、高品質のアニールを実現可能な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。

本発明の一観点によると、
表層部に相対的に高濃度に不純物が注入されたアモルファス状態の高濃度層と、前記高濃度層よりも深い領域に、相対的に低濃度に不純物が注入された低濃度層とを有する半導体基板の表面に、第１のレーザパルスの入射を開始する工程と、
前記半導体基板に前記第１のレーザパルスの入射を開始した後、前記第１のレーザパルスの入射が継続している期間中で、かつ前記高濃度層が溶融する前に、前記第１のレーザパルスのピークパワーよりも高いピークパワーを有し、前記第１のレーザパルスのパルス幅より短いパルス幅を有する第２のレーザパルスを、前記第１のレーザパルスが入射している領域に入射させて、前記高濃度層を、その底面まで溶融させた後、固化させることにより、前記高濃度層の不純物を活性化させ、かつ前記高濃度層を結晶化させる工程と、
前記第２のレーザパルスの入射が停止して前記高濃度層が固化した後も、前記第１のレーザパルスの入射を継続することにより、前記低濃度層の不純物を活性化する工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の他の観点によると、
パルスレーザビームを射出する第１のレーザ発振器と、
パルス幅が、前記第１のレーザ発振器から射出されたパルスレーザビームのパルス幅よりも短く、ピークパワーが、前記第１のレーザ発振器から射出されたパルスレーザビームのピークパワーよりも大きいパルスレーザビームを射出する第２のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ発振器から射出したパルスレーザビームと前記第２のレーザ発振器から射出したパルスレーザビームとを、アニール対象の半導体基板の表面の同一の領域に入射させる伝搬光学系と、
前記第１のレーザ発振器と前記第２のレーザ発振器の、レーザパルスの射出タイミングを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記第１のレーザ発振器からの第１のレーザパルスの射出開始よりも遅い時期に、前記第２のレーザ発振器から第２のレーザパルスを射出させ、前記第２のレーザパルスの入射が停止した後に、前記第１のレーザパルスの射出を停止させるレーザアニール装置が提供される。

第２のレーザパルスの入射によって、融点の低いアモルファス状態の表層部が結晶化し、結晶化によって融点が上昇するため、その後に第１のレーザパルスの入射を継続しても、基板の表面は再溶融し難い。このため、基板表面を再溶融させることなく、深い領域の不純物を活性化させることができる。第１のレーザパルスによって基板の表面が再溶融しないため、表面粗さの増大を抑制することができる。

図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図２Ａは、実施例による方法で作製されるＩＧＢＴの断面図であり、図２Ｂは、実施例によるレーザアニール装置でアニールする段階におけるＩＧＢＴの断面図である。 図３Ａは、実施例によるレーザアニール装置で半導体基板に入射するレーザパルスのパルス波形及び入射タイミングを示すグラフであり、図３Ｂは、半導体基板の表面におけるレーザパルスの入射領域の平面図である。 図４Ａは、第１のシミュレーション対象であるレーザパルスのパルス波形及び入射タイミングを示すグラフであり、図４Ｂは、半導体基板の溶融深さの時間変動を示すグラフであり、図４Ｃは、半導体基板の各深さの位置の温度の時間変化を示すグラフである。 図５Ａは、第２のシミュレーション対象であるレーザパルスのパルス波形及び入射タイミングを示すグラフであり、図５Ｂは、半導体基板の溶融深さの時間変動を示すグラフであり、図５Ｃは、半導体基板の各深さの位置の温度の時間変化を示すグラフである。 図６Ａは、第３のシミュレーション対象であるレーザパルスのパルス波形及び入射タイミングを示すグラフであり、図６Ｂは、半導体基板の溶融深さの時間変動を示すグラフであり、図６Ｃは、半導体基板の各深さの位置の温度の時間変化を示すグラフである。 図７Ａは、第４のシミュレーション対象であるレーザパルスのパルス波形及び入射タイミングを示すグラフであり、図７Ｂは、半導体基板の溶融深さの時間変動を示すグラフであり、図７Ｃは、半導体基板の各深さの位置の温度の時間変化を示すグラフである。図７は、 図８Ａは、Ｎｄ：ＹＬＦの２倍高調波でレーザアニールを行ったときの半導体基板の表面粗さの測定結果を示すグラフであり、図８Ｂは、波長８０８ｎｍの半導体レーザでレーザアニールを行ったときの半導体基板の表面粗さの測定結果を示すグラフである。 図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれパワー密度３９０ｋＷ／ｃｍ^２及び３３０ｋＷ／ｃｍ^２の条件で半導体基板をアニールするときの基板の温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。

実施例について説明する前に、本願発明者の行った評価実験の結果について説明する。単結晶シリコンからなる基板の表層部に、ボロンをイオン注入することにより、厚さ０．２μｍ〜０．２５μｍのボロン注入層を形成した。ボロン注入層は、アモルファス化している。表層部がアモルファス化した基板に、パルスレーザビームを入射させることにより、表層部の再結晶化及びボロンの活性化を行った。

パルスレーザビームの照射条件の異なる２つの試料１及び試料２を作製した。試料１のパルスレーザビームの入射条件は下記の通りである。
・レーザの種類 Ｎｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波
・入射パルス数 ダブルパルス
・１ショット目のパルスに対する２ショット目のパルスの遅延時間 ３００〜７００ｎｓ・パルス幅 １００〜２００ｎｓ

試料２のパルスレーザビームの入射条件は下記の通りである。
・レーザの種類 波長８０８ｎｍの準連続発振（ＱＣＷ）半導体レーザ
・入射パルス数 シングルパルス
・パルス幅 １０〜２０μｓ

試料１のレーザ照射条件と試料２のレーザ照射条件との最も大きな相違点は、パルス幅の違いである。具体的には、試料２に照射するパルスレーザビームのパルス幅は、試料１に照射するパルスレーザビームのパルス幅の約１００倍である。両者のパルスエネルギが同程度であるとすると、試料１に照射するパルスレーザビームのピークパワー密度が、試料２に照射するパルスレーザビームのピークパワー密度の約１００倍であることを意味する。

一般に、パルス幅が短く、ピークパワー密度の大きなパルスレーザビームは、基板の極浅い表層部のみを加熱する用途に適している。これに対し、パルス幅が長く、ピークパワー密度の小さいパルスレーザビームを用いると、基板に導入された熱が深い領域まで伝導しやすくなるため、深い領域を加熱する用途に適している。

図８Ａ及び図８Ｂに、それぞれ試料１及び試料２のレーザアニール後の表面粗さを示す。横軸は、基板に入射したパルスレーザビームのパルスエネルギ密度を単位「Ｊ／ｃｍ^２
」で表し、縦軸は表面の二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）を単位「ｎｍ」で表す。

図８Ａにおいてパルスエネルギ密度が１．５Ｊ／ｃｍ^２以下の領域、及び図８Ｂにおいてパルスエネルギ密度が４．５Ｊ／ｃｍ^２以下の領域では、基板の表面の溶融及び再結晶化が生じていない。図８Ａにおいてパルスエネルギ密度が２Ｊ／ｃｍ２、図８Ｂにおいてパルスエネルギ密度が４．６Ｊ／ｃｍ^２のとき、表面粗さが急激に大きくなっている。これは、基板表面のアモルファス層が一旦溶融し、再結晶化したためである。アモルファス層が溶融するパルスエネルギ密度の下限値を、「溶融閾値」ということとする。

図８Ａに示すように、パルスエネルギ密度を溶融閾値より大きくすると、表面粗さが小さくなっている。パルスエネルギ密度が溶融閾値のときには、面内において、十分溶融している領域と、溶融が不十分な領域とが混在すると考えられる。このため、再結晶化後における表面粗さが大きくなっている。パルスエネルギ密度が溶融閾値より大きくなり、基板表面がほぼ均一に溶融すると、再結晶化後における表面粗さが小さくなる。

図８Ｂに示した試料２においては、パルスエネルギ密度が溶融閾値を超えても、試料１の場合に比べて、表面粗さの低下幅が小さい。表面粗さの低下幅が小さいのは、下記の理由によると考えられる。波長８０８ｎｍの光の吸収率は、液体と固体とで大きく異なる。先に溶融して液体になった部分の光の吸収率が、固体の部分の光の吸収率より大きい。このため、液体になった部分の温度が局所的に上昇してしまう。このような現象が生じることにより、基板面内に関して溶融が均一に生じず、表面粗さの低下幅が小さくなると考えられる。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の基板背面に注入された不純物（ドーパント）を活性化させるためには、深さ１〜５μｍ程度までの領域を１２００Ｋ以上に加熱することが望まれる。試料１のアニールに用いた固体レーザにより、このように深い領域を十分加熱することは困難である。深い領域の加熱には、試料２のアニールに用いたパルス幅の長いＱＣＷ半導体レーザを用いることが有効である。ところが、半導体レーザを用いると、図８Ｂに示したように、基板の表面粗さが大きくなりやすい。

図９Ａ及び図９Ｂに、それぞれ基板表面におけるパワー密度が３９０ｋＷ／ｃｍ^２及び３３０ｋＷ／ｃｍ^２になる条件で、半導体レーザを用いてアニールを行うときの、基板温度の時間変動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、縦軸は温度を単位「Ｋ」で表す。図中の実線に付した数値は、基板表面からの深さを表している。パルスレーザビームのパルス幅は１５μｓとした。

図９Ａに示した例では、レーザパルスの入射開始時点から１５μｓ経過した時点で、深さ５μｍの位置の温度が１２００Ｋ以上となるように、レーザパルスのパワー密度が決定されている。このとき、深さ３μｍよりも浅い領域の温度が、アモルファスシリコンの融点（１３００Ｋ〜１４３０Ｋ）を超えている。このため、基板の表面が溶融してしまう。表面が一旦溶融すると、図８Ｂに示したように、再結晶化後の表面粗さが大きくなってしまう。

図９Ｂに示した例では、レーザパルスの入射開始時点から１５μｓ経過した時点で、基板表面の温度がアモルファスシリコンの融点を超えないように、レーザパルスのパワー密度が決定されている。この条件では、深さ３μｍよりも深い領域の温度が１２００Ｋに達しない。このため、深さ３μｍより深い領域の不純物を十分活性化させることができない。

以下に説明する実施例では、基板の表面粗さの増大を抑制し、かつ深さ５μｍ程度の深
い領域の不純物を十分活性化させることが可能になる。

図１に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。半導体レーザ発振器（第１のレーザ発振器）２１が、例えば波長８０８ｎｍのＱＣＷレーザビームを射出する。なお、波長９５０ｎｍ以下のパルスレーザビームを射出する半導体レーザ発振器を用いてもよい。固体レーザ発振器（第２のレーザ発振器）３１が、緑色の波長域のパルスレーザビームを射出する。固体レーザ発振器３１には、例えば第２高調波を射出するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等が用いられる。

半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビーム及び固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームが、伝搬光学系２７を経由して、アニールの対象の半導体基板５０に入射する。半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビームと固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームとは、半導体基板５０の表面の同一の領域に入射する。

次に、伝搬光学系２７の構成及び作用について説明する。半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビームが、アッテネータ２２、ビームエキスパンダ２３、ホモジナイザ２４、ダイクロイックミラー２５、及び集光レンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。

固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームが、アッテネータ３２、ビームエキスパンダ３３、ホモジナイザ３４、ベンディングミラー３５、ダイクロイックミラー２５、及び集光レンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。

ビームエキスパンダ２３、３３は、入射したパルスレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。ホモジナイザ２４、３４及び集光レンズ２６は、半導体基板５０の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一化する。半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビームと、固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームとは、半導体基板５０の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。

半導体基板５０は、ステージ４１に保持されている。半導体基板５０の表面に平行な面をＸＹ面とし、半導体基板５０の表面の法線方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を定義する。制御装置２０が、半導体レーザ発振器２１、固体レーザ発振器３１、及びステージ４１を制御する。ステージ４１は、制御装置２０からの制御を受けて、半導体基板５０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。

図２Ａに、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。ＩＧＢＴは、ｎ型のシリコンからなる半導体基板５０の一方の面（以下、「第１の面」という。）５０Ｔにエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面（以下、「第２の面」という。）５０Ｂ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２Ａに示すように、半導体基板５０の第１の面５０Ｔの表層部に、ｐ型のベース領域５１、ｎ型のエミッタ領域５２、ゲート電極５３、ゲート絶縁膜５４、エミッタ電極５５が配置される。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。

半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部に、ｐ型のコレクタ層５７及び低濃度のｎ型のバッファ層５６が形成されている。バッファ層５６は、コレクタ層５７よりも深い領域に配置される。コレクタ層５７及びバッファ層５６は、それぞれ不純物として、例えばボ
ロン及びリンをイオン注入し、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、図１に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極５８が、活性化アニールの後に、コレクタ層５７の表面に形成される。

第２の面からコレクタ層５７とバッファ層５６との界面までの深さは、例えば約０．３μｍである。第２の面からバッファ層５６の最も深い位置までの深さは、例えば１μｍ〜５μｍの範囲内である。

図２Ｂに、レーザアニールを行う段階の半導体基板５０の断面図を示す。半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部５７ａに、ボロンがイオン注入されている。表層部５７ａより深い領域５６ａに、リンがイオン注入されている。表層部５７ａ内のボロン、及び深い領域５６ａ内のリンは、活性化していない。表層部５７ａのボロン濃度は、深い領域５６ａのリン濃度より高い。本明細書において、表層部５７ａを「高濃度層」といい、深い領域５６ａを「低濃度層」という。ボロンのドーズ量が多いため、高濃度層５７ａはアモルファス状態になっている。高濃度層５７ａと低濃度層５６ａとの界面より深い領域は、単結晶状態のままである。半導体基板５０の第１の面５０Ｔには、図２Ａに示した素子構造が形成されている。

図３Ａに、半導体基板５０（図２Ｂ）に入射するレーザパルス波形の概略を示す。図３Ａでは、パルス波形を長方形で表しているが、実際のパルス波形は、パルスの立ち上がり、減衰、及び立ち下がり等の部分を含む。図３Ａに示されたパルス波形の射出タイミングは、制御措置２０（図１）が半導体レーザ発振器２１及び固体レーザ発振器３１を制御することにより決定される。

時刻ｔ１に、半導体レーザ発振器２１から射出した第１のレーザパルスＬＰ１の、半導体基板５０への入射が開始する。時刻ｔ１の後、第１のレーザパルスＬＰ１の入射が継続している期間中の時刻ｔ２に、固体レーザ発振器３１から射出した第２のレーザパルスＬＰ２が半導体基板５０に入射する。第１のレーザパルスＬＰ１と第２のレーザパルスＬＰ２とが入射する領域は、ほぼ重なる。第２のレーザパルスＬＰ２のピークパワーは、第１のレーザパルスＬＰ１のピークパワーより高く、第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１より短い。時刻ｔ３で、第２のレーザパルスＬＰ２の入射が終了する。その後、時刻ｔ４で、第１のレーザパルスＬＰ１の入射が終了する。

第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１は、例えば１０μｓ以上である。第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、例えば１μｓ以下である。一例として、パルス幅ＰＷ１が１０μｓ〜２０μｓの範囲内であり、パルス幅ＰＷ２が１００ｎｓ〜２００ｎｓの範囲内である。

図３Ｂに、半導体基板５０（図２Ｂ）の第２の面５０Ｂにおけるレーザパルスの入射領域の平面図を示す。第１のレーザパルスＬＰ１（図３Ａ）及び第２のレーザパルスＬＰ２（図３Ａ）は、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）において、Ｘ方向に長い同一の領域４０に入射する。例えば、ビーム入射領域４０の好適な長さＬ及び幅Ｗｔ法は、それぞれ２ｍｍ〜４ｍｍ及び２００μｍ〜４００μｍである。

アニール中は、半導体基板５０（図２Ｂ）をＸ方向に移動させながら、第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２（図３Ａ）を、一定の繰り返し周波数で半導体基板５０に入射させる。第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２の繰り返し周波数の１周期の間に半導体基板５０が移動する距離をＷｏで表す。時間軸上で隣り合う２つの第１のレーザパルスＬＰ１のビーム入射領域４０は、相互に部分的に重なる。
両者の重複率Ｗｏ／Ｗｔは、例えば５０％である。

図３Ａに示した時刻ｔ１で第１のレーザパルスＬＰ１の入射が開始すると、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）の表層部の温度が上昇し始める。時刻ｔ２の時点で、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの温度は、アモルファスシリコンの融点（１３００Ｋ〜１４３０Ｋ）まで達していない。時刻ｔ２で第２のレーザパルスＬＰ２を入射させると、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部の温度がアモルファスシリコンの融点まで達し、表層部が溶融する。溶融した部分は、高濃度層５７ａ（図２Ｂ）の底面まで達する。

第２のレーザパルスＬＰ２の入射が終了すると、半導体基板５０の表層部の温度が低下し、固化する。このとき、単結晶の低濃度層５６ａ（図２Ｂ）から結晶がエピタキシャル成長することにより、高濃度層５７ａが単結晶になる。同時に、高濃度層５７ａに注入されている不純物が活性化する。図８Ａに示した例と同様に、ピークパワーが高く、かつパルス幅が短い第２のレーザパルスＬＰ２（図３Ａ）で溶融及び固化が生じるため、固化した後の半導体基板５０の表面粗さの増大を抑制することができる。

時刻ｔ３以降も、第１のレーザパルスＬＰ１（図３Ａ）の入射が継続しているため、半導体基板５０の第２の面５０Ｂから深い低濃度層５６ａまで加熱され、温度が上昇する。これにより、低濃度層５６ａ（図２Ｂ）に注入されている不純物が活性化する。時刻ｔ４で第１のレーザパルスＬＰ１の入射が終了する時点で、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの温度は、単結晶シリコンの融点まで到達しない。このため、再結晶化した半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部は再溶融しない。ピークパワーが低く、かつパルス幅が長い第１のレーザパルスＬＰ１（図３Ａ）の入射によっては、半導体基板５０の表層部が溶融しない。このため、図８Ｂに示した例のような半導体基板５０の表面粗さの増大は生じない。

上述の効果を得るために、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１（平坦部の長さ）を５μｓ以上にすることが好ましい。第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は１μｓ以下にすることが好ましい。また、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス波形が図３Ａと異なりレーザ光強度の出力が一定とならない場合は、パルス幅ＰＷ１を半値全幅（ＦＷＨＭ）で１０μｓ以上とすることが好ましい。ただし、スパイク的にレーザ光強度をごく一瞬だけ強くする場合は、ピーク強度の半値全幅をパルス幅とすることは適用ではない。このような場合には、平均強度の半値全幅をパルス幅と考えればよい。

また、半導体基板５０の深い領域まで温度を上昇させるために、半導体基板５０の表層部が溶融しないという条件の下で、第１のレーザパルスＬＰ１のパルスエネルギ密度を大きくすることが好ましい。実施例による方法では、図３Ａに示した時刻ｔ３で半導体基板５０の表層部が結晶化しているため、表層部がアモルファス状態の場合に比べて溶融が生じにくい。半導体基板に第１のレーザパルスＬＰ１のみを入射させるとアモルファス層が溶融する条件であっても、表層部が結晶化している場合には、溶融が生じない。このため、第１のレーザパルスＬＰ１のパルスエネルギ密度を大きくし、半導体基板５０の深い領域まで加熱することが可能である。

次に、図４Ａ〜図７Ｃを参照して、レーザ照射条件を異ならせてシミュレーションを行った結果について説明する。図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａは、第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２の入射タイミング及びパルス波形を示す。図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂは、それぞれ図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａに示した条件でアニールを行ったときの基板の溶融深さの時間変動を示す。評価対象基板は、単結晶シリコン基板とした。図４Ｃ、図５Ｃ、図６Ｃ、図７Ｃは、それぞれ図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａに示した条件でアニールを行ったときの基板の温度変化を示す。基板温度として、深
さ０μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、及び１００μｍの位置の温度を示している。

いずれのレーザ照射条件においても、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１及び第２のレーザパルスのパルス幅ＰＷ２（図３Ａ）は、それぞれ１５μｓ及び１５０ｎｓとした。第２のレーザパルスのパルスエネルギ密度は、シリコン基板の溶融部分の深さが約０．３μｍになる大きさとした。この深さ０．３μｍという値は、図２Ｂに示した高濃度層５７ａの底面まで溶融させることを想定して決定した。第１のレーザパルスＬＰ１のパワー密度は、第１のレーザパルスＬＰ１の入射終了時点において、シリコン基板の深さ５μｍの位置の温度が１２００Ｋ以上になる大きさとした。

図４Ａに示す例では、第２のレーザパルスＬＰ２の入射開始時刻を、第１のレーザパルスＬＰ１の入射開始時刻と一致させた。図５Ａに示す例では、第１のレーザパルスＬＰ１の入射を開始した時点から５μｓ経過した時点で、第２のレーザパルスＬＰ２を入射させた。図６Ａに示す例では、第１のレーザパルスＬＰ１の入射を開始した時点から１０μｓ経過した時点で、第２のレーザパルスＬＰ２を入射させた。図７Ａに示す例では、第１のレーザパルスＬＰ１の入射を開始した時点から１５μｓ経過した時点、すなわち第１のレーザパルスＬＰ１の入射を停止させた時点に、第２のレーザパルスＬＰ２を入射させた。

図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂに示すように、いずれのアニール条件でも、シリコン基板の溶融した部分の深さは、約０．３μｍである。ただし、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａのアニール条件における第２のレーザパルスＬＰ２のパルスエネルギ密度は、それぞれ２．７Ｊ／ｃｍ^２、２．０Ｊ／ｃｍ^２、１．４Ｊ／ｃｍ^２、０．８Ｊ／ｃｍ^２である。第２のレーザパルスＬＰ２の入射時期が遅くなると、第１のレーザパルスＬＰ１の入射による基板温度の上昇の恩恵を受ける。このため、深さ０．３μｍまで溶融させるために必要な第２のレーザパルスＬＰ２のパルスエネルギ密度が低下する。

図４Ａ〜図４Ｃに示した例では、第２のレーザパルスＬＰ２の入射によって、基板表層部が溶融した後、単結晶化する。第１のレーザパルスＬＰ１の入射停止時点において基板表面の温度がアモルファスシリコンの融点を超えている（図４Ｃ）が、この時点で表層部が単結晶化されているため、表層部の再溶融は生じない。第１のレーザパルスＬＰ１の入射による溶融が生じないため、基板の表面粗さの増大が抑制される。ただし、第２のレーザパルスＬＰ２によって深さ０．３μｍの位置まで溶融させるために、第２のレーザパルスＬＰ２のパルスエネルギ密度を２．７Ｊ／ｃｍ^２程度まで高くしなければならない。一般的な固体レーザ発振器で、このような高いパルスエネルギ密度を確保することは困難であるため、複数台の固体レーザ発振器を準備しなければならない。

図５Ａ〜図５Ｃに示した例においても、第２のレーザパルスＬＰ２の入射によって、基板表層部が単結晶化する。第１のレーザパルスＬＰ１の入射停止時点において基板表面の温度がアモルファスシリコンの融点を超えている（図５Ｃ）が、表層部が単結晶化されているため、表層部の再溶融は生じない。第２のレーザパルスＬＰ２が入射する時点では、第１のレーザパルスＬＰ１によって基板温度が上昇している。このため、深さ０．３μｍの位置まで溶融させるために必要な第２のレーザパルスＬＰ２のパルスエネルギ密度は２．０Ｊ／ｃｍ^２であり、図４Ａ〜図４Ｃのアニール条件の例に比べて低い。

図６Ａ〜図６Ｃに示した例においても、第２のレーザパルスＬＰ２の入射によって、基板表層部が単結晶化する。第１のレーザパルスＬＰ１の入射停止時点において基板表面の温度がアモルファスシリコンの融点を超えている（図６Ｃ）が、表層部の再溶融は生じない。また、深さ０．３μｍの位置まで溶融させるために必要な第２のレーザパルスＬＰ２のパルスエネルギ密度は１．４Ｊ／ｃｍ^２であり、図５Ａ〜図５Ｃのアニール条件の場合
よりもさらに低い。

図７Ａ〜図７Ｃに示した例においては、図７Ｃに示したように、経過時間１１〜１２μｓの時点で、基板の表面温度がアモルファスシリコンの融点を超える。この時点までに第２のレーザパルスＬＰ２の入射が行われていないため、当初の基板の表層部がアモルファスの場合には、表層部が溶融してしまう。このため、図８Ｂに示したように、固化した後の基板の表面粗さが増大する。第１のレーザパルスＬＰ１の入射を停止させると同時に第２のレーザパルスＬＰ２を入射させることによって、基板の表層部が溶融する。ただし、溶融する部分の深さは、高々０．３μｍである。図８Ｂに示したように、第１のレーザパルスＬＰ１によって発生する表面の二乗平均平方根粗さは１６ｎｍ〜１８ｎｍである。従って、第２のレーザパルスＬＰ２によって表面から０．３μｍ程度までの浅い領域を再溶融させても、表面の粗さは解消しない。

上述のシミュレーション結果から、以下のことがわかる。
（１） 第１のレーザパルスＬＰ１の入射開始よりも後に、第２のレーザパルスＬＰ２を入射させることにより、所定の深さまで溶融させるために必要な第２のレーザパルスＬＰ２のパルスエネルギ密度を小さくすることができる。
（２） 第１のレーザパルスＬＰ１の入射期間中に、基板表面温度がアモルファスシリコンの融点を超える前に、第２のレーザパルスＬＰ２を入射させて結晶化させることにより、第１のレーザパルスＬＰ１の入射を継続させても基板表面が再溶融し難い。このため、表目粗さを増大させることなく、深い領域の不純物を活性化させることができる。
（３） 第１のレーザパルスＬＰ１によって基板表層部が溶融した後に、第２のレーザパルスＬＰ２を入射させても、基板の表面粗さの増大を解消することは困難である。

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。

２０ 制御装置
２１ 半導体レーザ発振器（第１のレーザ発振器）
２２ アッテネータ
２３ ビームエキスパンダ
２４ ホモジナイザ
２５ ダイクロイックミラー
２６ 集光レンズ
２７ 伝搬光学系
３１ 固体レーザ発振器（第２のレーザ発振器）
３２ アッテネータ
３３ ビームエキスパンダ
３４ ホモジナイザ
３５ ベンディングミラー
４０ ビーム入射領域
４１ ステージ
５０ 半導体基板
５０Ｔ 第１の面
５０Ｂ 第２の面
５１ ベース領域
５２ エミッタ領域
５３ ゲート電極
５４ ゲート絶縁膜
５５ エミッタ電極
５６ バッファ層
５６ａ 深い領域（低濃度層）
５７ コレクタ層
５７ａ 表層部（高濃度層）
５８ コレクタ電極
ＬＰ１ 第１のレーザパルス
ＬＰ２ 第２のレーザパルス

Claims (6)

1. 表層部に相対的に高濃度に不純物が注入されたアモルファス状態の高濃度層と、前記高濃度層よりも深い領域に、相対的に低濃度に不純物が注入された低濃度層とを有する半導体基板の表面に、第１のレーザパルスの入射を開始する工程と、
   前記半導体基板に前記第１のレーザパルスの入射を開始した後、前記第１のレーザパルスの入射が継続している期間中で、かつ前記高濃度層が溶融する前に、前記第１のレーザパルスのピークパワーよりも高いピークパワーを有し、前記第１のレーザパルスのパルス幅より短いパルス幅を有する第２のレーザパルスを、前記第１のレーザパルスが入射している領域に入射させて、前記高濃度層を、その底面まで溶融させた後、固化させることにより、前記高濃度層の不純物を活性化させ、かつ前記高濃度層を結晶化させる工程と、
   前記第２のレーザパルスの入射が停止して前記高濃度層が固化した後も、前記第１のレーザパルスの入射を継続することにより、前記低濃度層の不純物を活性化する工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 前記第１のレーザパルスの光源は、半導体レーザ発振器であり、前記第２のレーザパルスの光源は、第２高調波を射出する固体レーザ発振器である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１のレーザパルスのパルス波形に平坦部が存在する場合には、平坦部の長さが５μｓ以上であり、平坦部が存在しない場合には、パルス波形の半値全幅が１０μｓ以上であり、前記第２のレーザパルスのパルス幅は１μｓ以下である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１のレーザパルスのパルスエネルギ密度及びパルス幅は、前記第１のレーザパルスが入射している期間中に前記第２のレーザパルスを入射させることなく、前記第１のレーザパルスのみを入射せると、前記アモルファス状態の高濃度層が溶融する大きさである請求項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。
5. 前記第１のレーザパルスの波長は、９５０ｎｍ以下である請求項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。
6. パルスレーザビームを射出する第１のレーザ発振器と、
   パルス幅が、前記第１のレーザ発振器から射出されたパルスレーザビームのパルス幅よりも短く、ピークパワーが、前記第１のレーザ発振器から射出されたパルスレーザビームのピークパワーよりも大きいパルスレーザビームを射出する第２のレーザ発振器と、
   前記第１のレーザ発振器から射出したパルスレーザビームと前記第２のレーザ発振器から射出したパルスレーザビームとを、アニール対象の半導体基板の表面の同一の領域に入射させる伝搬光学系と、
   前記第１のレーザ発振器と前記第２のレーザ発振器の、レーザパルスの射出タイミングを制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記第１のレーザ発振器からの第１のレーザパルスの射出開始よりも遅い時期に、前記第２のレーザ発振器から第２のレーザパルスを射出させ、前記第２のレーザパルスの入射が停止した後に、前記第１のレーザパルスの射出を停止させるレーザアニール装置。

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