JP2021093455A - 半導体製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面に伝わる熱を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することのできる半導体製造方法及び半導体製造装置を提供する。【解決手段】レーザ光を被加熱物に照射し、被加熱物の熱処理を行う半導体製造装置または半導体製造方法において、照射用プロファイル形成光学系によって、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるプロファイルにしてから、レーザ光を被加熱物に照射する。【選択図】図２

Description

この発明は、半導体製造方法及び半導体製造装置に関し、特に、熱処理を行う半導体製造方法及び半導体製造装置に関するものである。

半導体装置の製造工程においては、半導体基板の所望の深さまでを熱処理する場合がある。例えば、特許文献１で開示されている、電力のスイッチングに用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造方法において、そのような熱処理が行われる。これによると、まず、導電性のシリコンの基板表面に、ベース領域やエミッタ領域等の拡散領域、エミッタ電極やゲート電極等の電極、ゲート絶縁膜や層間絶縁膜等の絶縁膜が形成される。次に、基板裏面にフィールドストップ層やコレクタ層等の拡散領域が形成される。基板裏面のフィールドストップ層やコレクタ層を形成する際は、イオン注入等によって不純物原子（ドーパント）をドープし、その後、ドーパントがドープされた領域を一定温度以上に昇温する熱処理を行う必要がある。

しかし、基板裏面の熱処理を行う際、基板の表面には先述の拡散領域や電極、絶縁膜が既に形成されており、基板表面が昇温されると、基板裏面の熱処理に必要な温度より低い温度でその機能が失われる。そのため、基板裏面の熱処理では基板裏面のみを局所的に加熱することが必要である。

そこで、例えば特許文献１、特許文献２、及び特許文献３で、レーザ光をシリコン基板に照射することで、照射面の表層のみを温度上昇させるレーザアニール法が用いられている。特許文献１では、熱処理が必要な深さまでを加熱するために望ましい、パルスの時間方向の半値幅を提案している。特許文献３では、波長の異なる２つのレーザ光を用いることで、１つのレーザ光を用いた場合と比べより望ましい深さ方向の温度分布を実現できるとしている。

特許第４９６７２０５号公報 特許第５６７９９４０号公報 特許第４１１７０２０号公報

レーザアニール法では、レーザ光を走査方向と垂直にずらしながら何回もウェハ上を走査する。工業的な効率の観点からは、走査回数を減らすために、一回の走査で基板のなるべく広い範囲の熱処理を行うことが望ましい。しかし、広い範囲の熱処理を行うためにレーザ光のビーム径を広げると、より大きなパワーを投入することになり、基板表面側に伝わる熱量が増加する。基板表面側に伝わる熱量が増加すると、基板表面の構造に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面に伝わる熱を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することのできる半導体製造方法及び半導体製造装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、レーザ光を被加熱物に照射し、被加熱物の熱処理を行う半導体製造装置であって、レーザ光を出射するレーザ発振器と、レーザ光のプロファイルを照射用プロファイルへと整形する照射用プロファイル形成光学系と、被加熱物を積載するステージと、を備え、照射用プロファイルはビーム断面における強度分布にくぼみのあるものであり、レーザ光のプロファイルを照射用プロファイル形成光学系によって照射用プロファイルへと整形してからステージに積載した被加熱物に照射するよう構成された、半導体製造装置が提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、レーザ光を被加熱物に照射し、被加熱物の熱処理を行う半導体製造方法であって、レーザ発振器によりレーザ光を出射するプロセスと、照射用プロファイル形成光学系によってレーザ光のプロファイルを照射用プロファイルへと整形するプロセスと、照射用プロファイルを持つレーザ光を被加熱物に照射する照射プロセスと、を備え、照射用プロファイルはビーム断面における強度分布にくぼみのあるものである、半導体製造方法が提供される。

本発明に係る半導体製造方法及び半導体製造装置では、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるプロファイルを持つレーザ光を被加熱物に照射する。これにより、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することができる。

レーザアニール工程の概略図である。 実施の形態１で用いるビームプロファイルを示す図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）はそれぞれ、実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３及び実施の形態４の半導体製造装置の概略図である。 実施の形態２で用いるビームプロファイルを示す図である。 実施の形態３で用いるビームプロファイルを示す図である。 実施の形態４で用いるビームプロファイルを示す図である。 実施の形態５の半導体製造方法の適用対象例のＩＧＢＴの断面図である。 実施の形態５の半導体製造方法を使用したレーザアニール工程の熱伝導解析のイメージ図である。 実施の形態５の半導体製造方法を使用したレーザアニール工程の熱伝導解析の結果を示す図である。 実施の形態５の半導体製造方法を使用したレーザアニール工程の熱伝導解析の結果を示す図である。

実施の形態１の半導体製造装置の説明の前に、従来例との比較により、実施の形態１で用いるビームプロファイルの要点を説明する。

レーザ光を被加熱物に照射するレーザアニール工程では、一回のレーザ走査で可能な限り広い範囲を熱処理できることが望ましい。図１に、レーザアニール工程の照射プロセスの例を示す。まず、半導体基板０４にビーム０１を照射し、レーザ光の走査方向０３の方向にＮ回目の走査を行う（Ｎは自然数）。次に、ビーム０２を、ビーム０１と比べ走査方向と垂直な方向にずらして、（Ｎ＋１）回目の走査をする。このとき、ビーム０１とビーム０２により、レーザ照射範囲０５が加熱される。図１において、ビーム０１及びビーム０２の山の高さ方向（紙面縦方向）は、照射するレーザ光の、走査方向と垂直な方向の各位置でのビーム強度（以下、「強度」と記す）を表す。ここでは簡単のため、ビーム断面上の強度分布ではなく、ビーム断面内で走査方向と垂直な各直線上の強度分布を模式的に示している。なお、ビーム断面は、ビームの光軸に垂直な断面を表す。被加熱物の全面を熱処理するためには、レーザ光の照射位置をずらしながら何回も走査することが必要である。このとき、一回の走査で熱処理できる範囲が広い方が、レーザアニール工程が早く完了し、工業的に有利である。

一回の走査で熱処理できる範囲を広げるには、単純にはレーザ光のビーム径を大きくしてレーザ光の照射範囲を広くすることが有効である。しかし、ビーム径を大きくすると、大きなレーザパワーが必要となる。ビームの断面形状が円形である場合、パワー密度（平均強度）は、
パワー密度＝レーザパワー／（ （ビーム半径^２）×π ） （Ｗ／ｃｍ^２）
で表される。一般にレーザアニール工程では一定以上のパワー密度にする必要があるため、ビーム径を拡大すると、より大きなレーザパワーが必要となる。

しかし、レーザパワーの増加は被加熱物への入熱量の増加を意味し、さらに、被加熱物の望ましくない領域での温度上昇度合いも増加することを意味する。例えば、背景技術の項目で説明したＩＧＢＴ製造における半導体基板の裏面のレーザアニール工程では、裏面をレーザ照射した際に、レーザ光からの入熱が半導体基板の表面、つまりレーザ照射した面と逆側の面に伝わる。このとき、表面温度が過剰に上がると、表面に形成された回路にダメージを与える可能性がある。

すなわち、半導体基板のレーザアニール工程において、工業的な観点から、一回のレーザ走査で可能な限り広い範囲を熱処理しつつ、レーザパワーを小さくすることが求められる。

この要求に対し、実施の形態１では、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるビームプロファイルを用いる。このビームプロファイルが有効である理由を、以下説明する。但し、このビームプロファイルの有効性は半導体基板の熱処理に限られず、例えば半導体基板上の膜の熱処理にも適用可能である。

例えば、ＩＧＢＴ製造における半導体基板の裏面のレーザアニール工程において、半導体基板の裏面にドープされたドーパントの活性化には温度が重要であり、ドーパント近傍の温度をある温度以上に上げる必要がある。一回の走査で広い領域の温度をある温度以上に上げるためには、温度を均一に高くすることが重要である。

温度の均一化という点において、従来のガウス分布ないし山型のプロファイルは不利である。ガウス分布ないし山型のプロファイルでは、走査の中央のエネルギー強度が最も高く、温度も走査の中央で最も高くなるためである。なお、ここで、走査の中央とは、走査方向と垂直な方向についての照射範囲の中央を意味する。図１のレーザアニール工程における山型ビームを使用した照射イメージに示すとおり、山型のビームでは、Ｎ回目のレーザ走査と（Ｎ＋１）回目のレーザ走査の間にエネルギー投入量の低い谷ができ、谷の温度は走査の中央と比べると低くまでしか上がらない。Ｎ回目の走査と（Ｎ＋１）回目の走査の間隔を狭くし、Ｎ回目の走査と（Ｎ＋１）回目の走査の照射範囲の重なり（レーザ照射範囲０５のうち点線で挟まれた領域）を増やせば谷の温度も必要なまで上げられるが、その分レーザアニール工程の時間が長くなるという問題がある。トップハット形状のプロファイルを用いた場合も、同様に走査の中央で最も高い温度分布となる。レーザ光の強度が照射領域で等しくても、レーザ光が照射されていない領域への熱伝導により、端部分では温度が上がりにくいためである。

ここで、実施の形態１のビームプロファイルを用いることで、温度分布を均一化できる。図２は、実施の形態１のビームプロファイルである照射用プロファイル０６を示す。詳しくは実施の形態１で説明するが、照射用プロファイル０６は、ビーム断面において中央での強度が周辺での強度より低い。これにより、照射用プロファイル０６を使用してレーザアニールした際に、走査の中央の温度が周辺より高くなることがなく、走査方向と垂直な方向に均一な温度分布が得られる。さらに、中央の強度が低い分、トータルのパワーを下げることができる。つまり、半導体基板の表面への入熱を小さくすることができる。以上の理由から、照射用プロファイル０６によって、被加熱物のレーザ照射面のより広い領域を一回の走査で熱処理しつつ、照射面と逆側の面への入熱を小さくできる。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図３（ａ）は、実施の形態１の、レーザ光を被加熱物に照射し、被加熱物の熱処理を行う半導体製造装置１０ａの構成を示す。半導体製造装置１０ａは、レーザ発振器１１、レーザ伝送ファイバー１８、レーザ制御装置１７、整形光学系１２、反射光学系１３、照射用プロファイル形成光学系１４ａ、ステージ１５、及び駆動系１６を備える。

レーザ発振器１１はレーザ光を出射する。レーザ発振器１１は連続発振型の半導体レーザである。レーザ発振器１１はファイバー伝送型であり、レーザ発振器１１から出射したレーザ光はレーザ伝送ファイバー１８で整形光学系１２に導かれる。レーザ発振器１１は、公知のレーザであれば半導体レーザでなくともよい。つまり、例えば固体レーザ、気体レーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザのいずれでもよい。レーザ発振器１１はファイバー伝送型でなくてもよいが、その場合はレーザの種類に応じ、整形光学系１２までレーザを導く適正な光学系が必要である。レーザ発振器１１の発振方式も連続発振型レーザ、パルス発振型レーザを問わない。

レーザ制御装置１７はレーザ発振器１１の出射するレーザ光の照射タイミング、照射時間、及びレーザパワーを制御する。図３（ａ）においてレーザ発振器１１とレーザ制御装置１７を繋ぐ線は、レーザ制御装置１７がレーザ発振器１１を制御する関係を示す。

整形光学系１２はレーザ発振器１１から出射されたレーザ光のプロファイルを整形する。例えば、整形光学系１２は、レーザ光のビーム径を広げる、またはビームの強度分布を均一化する。

反射光学系１３は整形光学系１２を通ったレーザ光を照射用プロファイル形成光学系１４ａに導くためのものである。

照射用プロファイル形成光学系１４ａは、レーザ光のプロファイルを、上述の、ビーム断面における強度分布にくぼみのある照射用プロファイル０６へと整形する。また、照射用プロファイル形成光学系１４ａは集光機構や駆動機構を備え、被加熱物にレーザ光を集光でき、集光点の位置の調整をできる。集光点の位置の調整は、整形光学系１２でレーザのビーム径を変えることによってもできる。

図２は、照射用プロファイル０６の模式図である。図２（ａ）は照射用プロファイル０６の斜視図である。図２（ｂ）は、照射用プロファイル０６の上方図である。照射用プロファイル０６の外形は円周であり、照射用プロファイル０６は、ビーム断面において円周０７ａに囲まれた領域で強度を持つ。照射用プロファイル０６は、円周０７ｂ上で強度が最も強く、円周０７ｂの内側では円周０７ｂ上より強度が弱い。このように、照射用プロファイル０６は、ビーム断面における強度分布に、図２（ｂ）の上方図で円周０７ｂに囲まれた領域に、くぼみのあるものである。また、このくぼみは、ビーム断面において一部の領域の強度が当該一部の領域を囲う領域の強度より低いものである。図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、図２（ｂ）のビーム断面内の互いに垂直な直線ＡＢ及び直線ＣＤ上での強度をそれぞれ示す。図２（ｂ）、図２（ｃ）、及び図２（ｄ）に示されるように、直線ＡＢ及び直線ＣＤ上での強度分布は、２つのピークを持つ。

くぼみ部分の強度が小さすぎると、くぼみ部分に対応する被照射領域の温度が低くなりすぎる。そのため、ビーム断面内での強度の最大値を断面内最大強度としたとき、くぼみの底での強度は、断面内最大強度の２０％以上であることが望ましい。くぼみの底は、円周０７ｂの中で強度が最小な点である。また、強度のくぼみによる効果を十分に得るため、くぼみの深さは断面内最大強度の５％以上であることが望ましい。なお、照射用プロファイル０６の断面内最大強度は、円周０７ｂ上での強度である。

照射用プロファイル形成光学系１４ａは一つに限定されない。例えば、照射用プロファイル形成光学系１４ａはアキシコンレンズ、レーザ伝送ファイバー、マスク、ハーフミラー、DOEのうち少なくとも一つ以上を備え、それを使用して照射用プロファイル０６を形成する。

ステージ１５は、被加熱物を上に積載するものである。

駆動系１６は、被加熱物をステージ１５上に載せた状態でステージ１５を動かすことができる。ステージ１５の動き方に制限はなく、例えば水平面内を２方向に動くものでも、被加熱物を積載して回転するものでもよい。駆動系１６は、ステージ１５を動かす速度を制御することで、被加熱物上のレーザの走査速度を制御することができる。移動速度は、例えば５０ｍ／分から３０００ｍ／分の間で制御できる。

半導体製造装置１０ａは、被加熱物の被照射範囲が一回の走査でレーザ光より受ける単位面積当たりのエネルギーを、パワー密度と、走査速度を通して調整できる。半導体製造装置１０ａは、パワー密度を、集光点でのビームサイズ、レーザ光照射強度を通して調整できる。集光点でのビームサイズはレーザ光の波長、集光光学系、及びレーザの照射角度で決定される。レーザの照射角度とは、被加熱物の照射面の法線とレーザの照射線との角度のことである。レーザの照射角度は５°から３０°の間で調整できる。

半導体製造装置１０ａは、レーザ発振器１１から出射されたレーザ光のプロファイルを照射用プロファイル形成光学系１４ａによって照射用プロファイル０６へと整形してから、ステージ１５に積載した被加熱物に照射するよう構成されている。

半導体製造装置１０ａは、レーザ発振器１１及びレーザを被加熱物まで伝達する光学系を二つ以上用意し、複数のレーザ光を同時に被加熱物に照射してもよい。レーザを被加熱物まで伝達する光学系とは、レーザ伝送ファイバー１８、整形光学系１２、反射光学系１３、照射用プロファイル形成光学系１４ａのことを指す。互いの照射位置を十分に離せば他のレーザ光からの熱的な影響は十分小さくできるため、互いに悪影響を及ぼすことなく各レーザ光による熱処理を同時に行える。

＜Ａ−２．動作＞
半導体製造装置１０ａは、レーザ発振器１１から出射したレーザ光を整形光学系１２によって整形し、反射光学系１３によって照射用プロファイル形成光学系１４ａへ導く。そして、半導体製造装置１０ａは、レーザ光のプロファイルを照射用プロファイル形成光学系１４ａによって照射用プロファイル０６へと整形してから、ステージ１５に積載した被加熱物に照射する。また、半導体製造装置１０ａは、レーザ光の被加熱物に照射する際、駆動系１６によりステージ１５を動かしながらレーザ光を被加熱物に照射して走査する。

＜Ａ−３．効果＞
半導体製造装置１０ａが被加熱物に照射するレーザ光のプロファイルである照射用プロファイル０６は、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるものである。これにより、くぼみが無い場合と比べ、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することができる。

照射用プロファイル０６のくぼみは、ビーム断面において、一部の領域の強度が当該一部の領域を囲う領域の強度より低いものである。このくぼみにより、くぼみが無い場合と比べ、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することができる。

半導体製造装置１０ａが被加熱物に照射するレーザ光のプロファイルである照射用プロファイル０６は、望ましくは、くぼみの深さは断面内最大強度の５％以上であり、くぼみの底の強度は断面内最大強度の２０％以上である。これにより、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することができるというくぼみの効果を十分に得られ、また、被照射面のくぼみに対応する部分の温度が低くなりすぎることがない。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図３（ｂ）は、実施の形態２の、レーザ光を被加熱物に照射し、被加熱物の熱処理を行う半導体製造装置１０ｂの構成を示す。半導体製造装置１０ｂは半導体製造装置１０ａと比べ、照射用プロファイル形成光学系１４ａの代わりに照射用プロファイル形成光学系１４ｂを備える。照射用プロファイル形成光学系１４ｂは、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるプロファイルである照射用プロファイル２０を形成する。その他は実施の形態１と同じ構成である。

図４は、照射用プロファイル形成光学系１４ｂにより形成される照射用プロファイル２０を模式的に示す。図４（ａ）は、ビームプロファイルをビーム断面に垂直な方向から見た上方図である。図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、図４（ａ）のビーム断面内の互いに垂直な直線ＥＦ及び直線ＧＨ上での強度をそれぞれ示す。図４（ａ）、図４（ｂ）、及び図４（ｃ）に示されるように、照射用プロファイル２０の外形は矩形であり、照射用プロファイル２０は、矩形２１ａに囲まれた領域で強度を持つ。照射用プロファイル２０は、矩形２１ａと矩形２１ｂに挟まれた領域で強度が最も強い。照射用プロファイル２０は、矩形２１ｂに囲まれた領域では、矩形２１ａと矩形２１ｂに挟まれた領域より弱い一定の強度を持つ。このように、照射用プロファイル２０は、ビーム断面における強度分布に、図４（ａ）の上方図で矩形２１ｂに囲まれた領域に、くぼみのあるものである。また、照射用プロファイル２０のくぼみは、ビーム断面において一部の領域の強度が当該一部の領域を囲う領域の強度より低いものである。

実施の形態１の場合と同様、くぼみ部分の強度が小さすぎると、くぼみ部分に対応する被照射領域の温度が低くなりすぎる。そのため、くぼみの底である矩形２１ｂに囲まれた領域での強度は、断面内最大強度の２０％以上であることが望ましい。また、強度分布のくぼみによる効果を十分に得るため、くぼみの深さは断面内最大強度の５％以上であることが望ましい。

照射用プロファイル形成光学系１４ｂは、例えば矩形ビームを形成するファイバー、シリンドリカルレンズ、アキシコンレンズ、回折光学素子、またはマスクのいずれか、あるいはこれらの組合せたものを備え、それを用いて照射用プロファイル２０を形成する。

＜Ｂ−２．動作＞
半導体製造装置１０ｂは、照射用プロファイル形成光学系１４ｂによりレーザ光のプロファイルを照射用プロファイル２０とする。また、半導体製造装置１０ｂは、照射用プロファイル２０の矩形２１ａの辺が走査方向となるようにレーザ光を被加熱物上で走査する。その他の動作については実施の形態１の半導体製造装置１０ａと同様である。

＜Ｂ−３．効果＞
照射用プロファイル２０の外形は矩形であり、ビーム断面において一部の強度が当該一部の領域を囲う領域の強度よりも低くなっている。外形が矩形であることにより、ビームプロファイル外縁に近い領域のエネルギー分布が均一化され、照射範囲のより外縁部分まで温度均一性が向上する。これにより、外形が矩形でない場合と比べ、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することができる。

＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
図３（ｃ）は、実施の形態３の、レーザ光を被加熱物に照射し、被加熱物の熱処理を行う半導体製造装置１０ｃの構成を示す。半導体製造装置１０ｃは半導体製造装置１０ａと比べ、照射用プロファイル形成光学系１４ａの代わりに、照射用プロファイル形成光学系１４ｃを備える。照射用プロファイル形成光学系１４ｃは、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるプロファイルである照射用プロファイル３０を形成する。その他は実施の形態１と同じ構成である。

図５は、照射用プロファイル形成光学系１４ｃにより形成される照射用プロファイル３０を模式的に示す。図５（ａ）は、ビームプロファイルをビーム断面に垂直な方向から見た上方図である。照射用プロファイル３０は、ビーム断面において円周３１ａに囲まれた領域で強度を持ち、円周３１ｂ上及び直線ＪＫ及び直線ＬＭの交点である点Ｐ１上で強度が最も強い。このように、照射用プロファイル３０は、ビーム断面における強度分布に、図５（ａ）の上方図で円周３１ｂに囲まれた領域の一部に、くぼみのあるものである。また、照射用プロファイル３０のくぼみは、ビーム断面において一部の領域の強度が当該一部の領域を囲う領域の強度より低いものである。なお、円周３１ｂ上及び点Ｐ１上で強度が等しく最も強いのは例であり、円周３１ｂと点Ｐ１上での強度はどちらかが大きくてもよい。図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、図５（ａ）のビーム断面内の互いに垂直な直線ＪＫ及び直線ＬＭ上での強度をそれぞれ示す。図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示されるように、照射用プロファイル３０のくぼみは、ビーム断面内のある直線上の強度分布でみると複数のくぼみとして現れる、というものである。

実施の形態１の場合と同様、くぼみ部分の強度が小さすぎると、くぼみ部分に対応する被照射領域の温度が低くなりすぎる。そのため、くぼみの底での強度、つまり円周３１ｂに囲まれた領域での強度の最小値は、断面内最大強度の２０％以上であることが望ましい。また、強度のくぼみによる効果を十分に得るため、くぼみの深さは断面内最大強度の５％以上であることが望ましい。

照射用プロファイル形成光学系１４ｃは、例えば矩形ビームを形成するファイバー、シリンドリカルレンズ、アキシコンレンズ、回折光学素子、またはマスクのいずれか、あるいはこれらを組合せたものを備え、それにより照射用プロファイル３０を形成する。

＜Ｃ−２．動作＞
半導体製造装置１０ｃは、照射用プロファイル形成光学系１４ｃによりレーザ光のプロファイルを照射用プロファイル３０とする。その他の動作については実施の形態１の半導体製造装置１０ａと同様である。

＜Ｃ−３．効果＞
照射用プロファイル３０のくぼみは、ビーム断面内の直線、例えば直線ＪＫ及び直線ＬＭ上の強度分布でみると複数のくぼみとして現れる、というものである。この形状のくぼみにより、照射面の同じ広さの領域を処理する場合、実施の形態１と比べよりレーザパワーを低減させることができる。これにより、実施の形態１と比べ、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することができる。

＜Ｄ．実施の形態４＞
＜Ｄ−１．構成＞
図３（ｄ）は、実施の形態４の、レーザ光を被加熱物に照射し、被加熱物の熱処理を行う半導体製造装置１０ｄの構成を示す。半導体製造装置１０ｄは半導体製造装置１０ａと比べ、照射用プロファイル形成光学系１４ａの代わりに、照射用プロファイル形成光学系１４ｄを備える。照射用プロファイル形成光学系１４ｄは、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるプロファイルである照射用プロファイル４０を形成する。その他は実施の形態１と同じ構成である。

図６は、照射用プロファイル形成光学系１４ｄにより形成される照射用プロファイル４０を模式的に示す。図６（ａ）は、ビームプロファイルをビーム断面に垂直な方向から見た上方図である。照射用プロファイル４０の外形は矩形であり、照射用プロファイル４０は、矩形４１に囲まれた領域で強度を持つ。図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、図６（ａ）のビーム断面内の互いに垂直な直線ＮＯ及び直線ＰＱ上での強度をそれぞれ示す。図６（ｂ）に示されるように、直線ＰＱ上の強度分布は照射用プロファイル４０のくぼみを横切っており、直線ＰＱ上の強度分布の二つのピークの間の領域に照射用プロファイル４０のくぼみが現れている。また、照射用プロファイル４０は、照射用プロファイル４０のくぼみを横切る、直線ＰＱ上の強度分布を、ビーム断面内で線ＰＱと垂直な方向に平行移動して得られる。矩形４１と交わり直線ＰＱと平行な直線上の強度分布は、直線ＰＱ上の強度分布と等しい。直線ＰＱ上で強度が極小となる点をビーム断面内で直線ＮＯの方向に平行移動して得られる線分が、照射用プロファイル４０のビーム断面における強度分布のくぼみの底である。

実施の形態１の場合と同様、くぼみ部分の強度が小さすぎると、くぼみ部分に対応する被照射領域の温度が低くなりすぎる。そのため、くぼみの底の強度は、断面内最大強度の２０％以上であることが望ましい。また、強度のくぼみによる効果を十分に得るため、くぼみの深さは断面内最大強度の５％以上であることが望ましい。

照射用プロファイル形成光学系１４ｄは、例えば矩形ビームを形成するファイバー、シリンドリカルレンズ、アキシコンレンズ、回折光学素子、またはマスクのいずれか、あるいはこれらを組合せて備え、それを用いて、照射用プロファイル４０を形成する。

＜Ｄ−２．動作＞
半導体製造装置１０ｄは、照射用プロファイル形成光学系１４ｄによりレーザ光のプロファイルを照射用プロファイル４０とする。また、半導体製造装置１０ｄは、照射用プロファイル４０の直線ＮＯの方向が走査方向と対応するようにレーザ光を被加熱物上で走査する。その他の動作については実施の形態１の半導体製造装置１０ａと同様である。

＜Ｄ−３．効果＞
照射用プロファイル４０は、照射用プロファイル４０のくぼみを横切る、直線ＰＱ上の強度分布を、ビーム断面内で線ＰＱと垂直な方向に平行移動して得られる。

この照射用プロファイル４０により、くぼみが無い場合と比べ、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ、一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理することができる。

＜Ｅ．実施の形態５＞
本実施の形態では、実施の形態１の半導体製造装置１０ａを用いてＩＧＢＴ等の基板を製造する方法である半導体製造方法について説明する。当然ではあるが、半導体製造装置１０ａの代わりに半導体製造装置１０ｂ、半導体製造装置１０ｃ、半導体製造装置１０ｄを用いることも可能である。

＜Ｅ−１．構成＞
本実施の形態に係る半導体製造方法の処理対象の例について説明する。図７は本実施の形態における半導体製造方法の適用対象例のＩＧＢＴの基板断面模式図を示す。図７ではＩＧＢＴの基板裏面が紙面上側に記載されている。ＩＧＢＴ１００の基板表面には、ゲート絶縁膜５２、ゲート電極５３、エミッタ拡散領域５６、チャンネル拡散領域５５、及びエミッタ電極５４が形成されている。

基板裏面は以下の通り形成される。まず、シリコン基板５７の裏面を研磨し、基板厚を狙いの厚み、例えば１００μｍとする。基板の裏面よりフィールドストップ層５８となる深さに、リン（Ｐ）をイオン注入し、コレクタ拡散領域５９となる深さに、ボロン（Ｂ）をイオン注入する。イオン注入されたフィールドストップ層５８の深さ（図７で、コレクタ拡散領域５９の上側の面から、フィールドストップ層５８の下側の面までの長さ）は、例えば５μｍである。イオン注入条件は、フィールドストップ層５８の目標とする深さに応じて決められる。フィールドストップ層５８及びコレクタ拡散領域５９にイオン注入するまでの処理が終わった状態の基板に対し、本実施の形態の半導体製造方法を適用する。なお、イオン注入は行ったが熱処理をしていない状態も、フィールドストップ層５８及びコレクタ拡散領域５９と呼ぶことにする。

このイオン注入がなされたフィールドストップ層５８及びコレクタ拡散領域５９に対し、実施の形態１で示した半導体製造装置１０ａを用いて熱処理を行う。熱処理は、フィールドストップ層５８及びコレクタ拡散領域５９のドーパントを活性化させるため、少なくともフィールドストップ層５８の深さまで行うことが好ましい。そのため、フィールドストップ層５８及びコレクタ拡散領域５９の深さ方向全体に渡り１０００℃（１２７３Ｋ）以上となることが求められる。また、シリコン基板５７の深さ方向全体に渡り、シリコンの融点である１４２０℃（１６９３Ｋ）以下であることが求められる。さらに、シリコン基板５７表面は、表面に形成された動作層が例えば熱応力や高温により劣化しないため３００℃（５７３Ｋ）以下であることが求められる。

実施の形態１の場合と同様、くぼみ部分の強度が小さすぎると、くぼみ部分に対応する被照射領域の温度が低くなりすぎる。そのため、半導体製造装置１０ａが被加熱物に照射するレーザ光のプロファイルである照射用プロファイル０６は、くぼみの底の強度は断面内最大強度の２０％以上であることが望ましい。また、強度のくぼみによる効果を十分に得るため、くぼみの深さは断面内最大強度の５％以上であることが望ましい。

＜Ｅ−２．動作＞
本実施の形態の半導体製造方法は、半導体製造装置１０ａを用い、レーザ光を被加熱物に照射し、当該被加熱物の熱処理を行う半導体製造方法である。半導体製造装置１０ａの動作は実施の形態１の項目＜Ａ−２．動作＞における説明のとおりである。当該半導体製造方法は、レーザ発振器１１によりレーザ光を出射するプロセスと、照射用プロファイル形成光学系１４ａによってレーザ光のプロファイルを照射用プロファイル０６へと整形するプロセスと、照射用プロファイル０６を持つレーザ光を被加熱物に照射する照射プロセスとを備える。また、当該照射プロセスは、被加熱物を積載するステージ１５を駆動系１６により動かしながらレーザ光を被加熱物に照射して走査するものである。

ＩＧＢＴを製造する例の場合には、被加熱物はＩＧＢＴであり、照射用プロファイル０６を持つレーザ光をＩＧＢＴの裏面に照射して走査する。その際熱処理に必要な温度は＜Ｅ−１．構成＞で説明したとおりである。

＜Ｅ−３．実施例＞
本実施の形態の半導体製造方法を使用したレーザアニール工程の熱伝導解析を行った結果について説明する。図８に、熱伝導解析のイメージを示す。シリコン基板６１上にレーザ光を照射し、レーザの走査方向６３の方向に走査する。図８では、走査中の照射済み領域としてレーザ照射範囲６２が示されている。熱伝導解析では、半無限のシリコン基板６１上にレーザを模擬した熱エネルギーを投入した。シリコン基板６１の密度は、２．３３ｇ／ｃｍ^２とした。またレーザの波長は８０８ｎｍとした。

熱伝導計算の結果を図９に示す。図９の横軸は、照射面内で走査方向と垂直な方向の位置であり、図８のＡ−Ｂ上の位置である。図９の横軸の中央が、走査の中央となるように描かれている。図９の縦軸は、各横軸の点での最高到達温度である。本実施の形態におけるビームプロファイルである照射用プロファイル０６を用いたときの照射面の最高到達温度の分布は、従来の円形のガウス分布のビームと比較して、走査方向と垂直な方向の均一性が向上していることが分かる。さらに、このときのシリコン基板６１の照射面と逆側の面の最高到達温度を図１０に示す。シリコン基板６１の照射面と逆側の面の最高到達温度は、照射用プロファイル０６を用いた場合の方が、従来の円形のガウス分布のビームを用いた場合よりも低かった。

これらの結果から、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるビームプロファイルは照射面の最高温度の均一化及び照射面と逆側の面の温度の低減に対して有効であることが示された。つまり、ビーム断面における強度分布にくぼみのあるビームプロファイルは、被加熱物のレーザ光照射面と逆側の面へ伝わる熱量を抑えつつ一回のレーザ光の走査でより広い範囲を熱処理すること、に対して有効であることが示された。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

例えば、各実施の形態での照射用プロファイル０６、照射用プロファイル２０、照射用プロファイル３０、照射用プロファイル４０の説明において、外形、強度が最強となる領域、及び強度が極小となる領域、について、簡単のため矩形や円周を用いて説明したが、矩形や円周の代わりに、矩形や円周に近似する形状であってもいい。円周の代わりに例えば楕円の周や楕円の周に近似する形状であっても良い。また、矩形の代わりに、矩形の隣り合う辺の角度が垂直から微小な角度、例えば２０°以下ずれていてもよく、照射用プロファイル４０の代わりに、直線ＰＱ上の強度分布を、直線ＰＱとの角度が７０°の方向に平行移動して得られるプロファイルを用いてもよい。さらに、矩形の角部を丸めた形状や、矩形の少なくとも１つの辺を緩やかな曲線にした形状でもよい。

また、各実施の形態において強度が等しいように説明された領域上でも、完全に等しくなくてもよい。例えば、照射用プロファイル０６において、断面内において円周０７ｂ上で強度が最大として説明したが、断面内において例えば断面内最高強度の９０％以上の強度の点の集まりである円周もしくは円周に近似した閉曲線によって、くぼみが囲まれているとしてもよい。

０１ ビーム、０２ ビーム、０３ 走査方向、０４ 半導体基板、０５ レーザ照射範囲、０６ 照射用プロファイル、０７ａ 円周、０７ｂ 円周、１０ａ 半導体製造装置、１０ｂ 半導体製造装置、１０ｃ 半導体製造装置、１０ｄ 半導体製造装置、１１ レーザ発振器、１２ 整形光学系、１３ 反射光学系、１４ａ 照射用プロファイル形成光学系、１４ｂ 照射用プロファイル形成光学系、１４ｃ 照射用プロファイル形成光学系、１４ｄ 照射用プロファイル形成光学系、１５ ステージ、１６ 駆動系、１７ レーザ制御装置、１８ レーザ伝送ファイバー、２０ 照射用プロファイル、２１ａ 矩形、２１ｂ 矩形、３０ 照射用プロファイル、３１ａ 円周、３１ｂ 円周、４０ 照射用プロファイル、４１ 矩形、５２ ゲート絶縁膜、５３ ゲート電極、５４ エミッタ電極、５５ チャンネル拡散領域、５６ エミッタ拡散領域、５７ シリコン基板、５８ フィールドストップ層、５９ コレクタ拡散領域、６１ シリコン基板、６２ レーザ照射範囲、６３ レーザの走査方向、Ｐ１ 点。

Claims (11)

1. レーザ光を被加熱物に照射し、前記被加熱物の熱処理を行う半導体製造装置であって、
   前記レーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ光のプロファイルを照射用プロファイルへと整形する照射用プロファイル形成光学系と、
   前記被加熱物を積載するステージと、
   を備え、
   前記照射用プロファイルはビーム断面における強度分布にくぼみのあるものであり、
   前記レーザ光のプロファイルを前記照射用プロファイル形成光学系によって前記照射用プロファイルへと整形してから前記ステージに積載した前記被加熱物に照射するよう構成された、
   半導体製造装置。
2. 請求項１に記載の半導体製造装置であって、
   前記ビーム断面内での強度の最大値を断面内最大強度としたとき、
   前記くぼみの深さは前記断面内最大強度の５％以上であり、
   前記くぼみの底の強度は前記断面内最大強度の２０％以上である、
   半導体製造装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体製造装置であって、
   前記くぼみは、前記ビーム断面において、一部の領域の強度が当該一部の領域を囲う領域の強度より低いものである、
   半導体製造装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の半導体製造装置であって、
   前記くぼみは、前記ビーム断面内の第１の直線上の強度分布でみると複数のくぼみとして現れる、
   半導体製造装置。
5. 請求項１または２に記載の半導体製造装置であって、
   前記照射用プロファイルは、前記くぼみを横切る、前記ビーム断面内の第２の直線上の強度分布を、前記ビーム断面内で前記第２の直線と垂直な方向に平行移動して得られる、
   半導体製造装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の半導体製造装置であって、
   前記レーザ発振器は連続発振型の半導体レーザである、
   半導体製造装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の半導体製造装置であって、
   前記ステージを動かす駆動系をさらに備え、
   前記駆動系により前記ステージを動かしながら前記レーザ光を前記被加熱物に照射して走査する、
   半導体製造装置。
8. レーザ光を被加熱物に照射し、前記被加熱物の熱処理を行う半導体製造方法であって、
   レーザ発振器により前記レーザ光を出射するプロセスと、
   照射用プロファイル形成光学系によって前記レーザ光のプロファイルを照射用プロファイルへと整形するプロセスと、
   前記照射用プロファイルを持つ前記レーザ光を前記被加熱物に照射する照射プロセスと、
   を備え、
   前記照射用プロファイルはビーム断面における強度分布にくぼみのあるものである、
   半導体製造方法。
9. 請求項８に記載の半導体製造方法であって、
   前記ビーム断面内での強度の最大値を断面内最大強度としたとき、
   前記くぼみの深さは前記断面内最大強度の５％以上であり、
   前記くぼみの底の強度は前記断面内最大強度の２０％以上である、
   半導体製造方法。
10. 請求項８または９に記載の半導体製造方法であって、
    前記レーザ発振器は連続発振型の半導体レーザである、
    半導体製造方法。
11. 請求項８から１０のいずれかに記載の半導体製造方法であって、
    前記照射プロセスは、前記被加熱物を積載するステージを駆動系により動かしながら前記レーザ光を前記被加熱物に照射して走査するものである、
    半導体製造方法。

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