JP5178046B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザアニール方法及びレーザアニール装置に関し、より詳しくは、ＭＯＳ電界効果トランジスタの極浅接合の形成に有効な技術に関する。

ＭＯＳ電界効果トランジスタ（以下、ＭＯＳＦＥＴという）において、ソース・ドレイン領域に隣接し、基板表面からの深さが浅い不純物拡散領域は、極浅接合（又はエクステンション領域）と呼ばれている。極浅接合は、ＦＥＴ作動時に高い電界が発生することによるゲートの劣化現象を防ぐ役割を果たす。ＭＯＳＦＥＴの極浅接合を形成するには、シリコンウエハにヒ素（Ａｓ）イオン、リン（Ｐ）イオン、ボロン（Ｂ）イオンなどの不純物を注入する不純物注入工程と、不純物を電気的に活性化するとともに不純物を注入した部分の結晶性を回復するための熱処理工程が必要となる。後者の熱処理工程は、通常、活性化アニールと呼ばれる。従来の活性化アニールでは、ハロゲンランプやキセノンフラッシュランプを用いたアニール方法が採用されていた。

近年、ＭＯＳＦＥＴの微細化による半導体集積回路の高集積化に伴い、ＭＯＳＦＥＴの極浅接合への要求は厳しくなっており、テクノロジーノード６５ｎｍ以下の超微細ＭＯＳＦＥＴを実用化するためには、低抵抗、かつ接合深さ２０ｎｍを下回る極浅接合を形成する技術が求められる。
ところが、上述したハロゲンランプのアニール時間（加熱時間）は数秒であり、キセノンフラッシュランプのアニール時間は数ミリ秒であるため、ともにアニール時間が長く、不純物が深い領域まで拡散するという問題がある。

一方、上記の超微細ＭＯＳＦＥＴを実現するための技術として、レーザを用いたレーザ・サーマル・アニール（ＬＴＰ）やレーザ・スパイク・アニール（ＬＳＡ）が有望視されている（下記非特許文献１、２参照）。
ＬＴＰでは、光源としてパルスレーザを用いる。加熱時間はナノ秒オーダであり、シリコンの融点よりも高い温度まで加熱して表層部を局所的に溶融し結晶を再成長させる。溶融したシリコン内の不純物の拡散速度は、固体シリコン内の拡散速度よりも数桁高い。このため、不純物は、溶融したシリコン中にほぼ均一に分散される。これによって、不純物の拡散領域を極めて浅くできる。しかしながら、ＬＴＰは、結晶の再成長時に欠陥が発生する、ＰＡＩと呼ばれるアモルファス化の工程を必要とする、などの問題がある。

ＬＳＡでは、光源として主に連続発振（ＣＷ）レーザを用いる。加熱温度はシリコンの融点以下であるため、シリコン基板の表面は溶融しない。ただし、ＣＷレーザはシリコンに対して吸収率が低い波長帯（可視〜紫外領域）で十分なパワーは実現されておらず、生産性に問題がある。
これに対し、下記非特許文献３、特許文献１、特許文献２では、紫外と可視領域のパルスレーザでＬＳＡを行なう技術が提案されている。

非特許文献３から、パルス幅が長ければ溶融させることなく不純物の活性化と結晶性の回復を達成できることが分かる。これは不純物の活性化と結晶性の回復に十分な時間が与えられたことによるものである。また、非特許文献２には、非溶融プロセスではマイクロ秒オーダのアニールが必要であることが報告されている。

特許文献１及び２の技術は、固体レーザ光源からのパルスレーザ光を空間的に合成して実効的なパルス幅を伸ばし、マイクロ秒のアニール時間を実現しようとするものである。
しかしながら、特許文献１及び２に示されたパルスレーザ光の空間合成方式では、特にパルス幅が１００ナノ秒以下のパルスレーザを用いてマイクロ秒オーダのアニール時間を得るためには、多数（例えば１０台以上）のレーザ光源が必要となるため、装置コストの観点から実現性に乏しい。

日経マイクロデバイス，２００４年１１月号，第５０〜５７頁 Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｕｌｙ，２００３"Ｌｅｓｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ" Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ Ｖｏｌｕｍｅｓ ４５３−４５４，１ Ａｐｒｉｌ ２００４，ｐｐ．１４５−１４９ 特許第３５３０４８４号公報 特開２００６−１５６７８４号公報

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、極浅接合の形成に際し、多数のレーザ光源を用いることなく、イオンが打ち込まれた部分の結晶性を回復し且つ接合深さを浅くするのに必要十分なアニール時間を得ることができるレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール方法であって、パルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振して、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部に前記パルスレーザ光を照射し、該パルスレーザ光の照射と並行して、少なくとも前記パルスレーザ光の照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段により前記表層部を加熱する、ことを特徴とするレーザアニール方法である。
また、本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置であって、パルスレーザ光を発振するパルスレーザ発振器を有し、前記パルスレーザ光を前記表層部に照射するレーザ照射装置と、前記半導体基板の前記表層部を加熱する補助加熱手段と、を備え、前記パルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振して、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部に前記パルスレーザ光を照射し、該パルスレーザ光の照射と並行して、少なくとも前記パルスレーザ光の照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段により前記表層部を加熱する、ことを特徴とするレーザアニール装置である。

上記方法及び装置によれば、補助加熱手段により表層部の加熱を補助しながら、表層部にパルスレーザ光を照射するため、表層部の厚さ方向への熱の逃げが抑制されることにより、パルスレーザ光の照射後における表層部の温度の低下速度を遅くすることができる。この結果、有効なアニール時間を少なくとも１マイクロ秒以上に伸ばすことができる。したがって、補助加熱手段による表層部の加熱温度を適切に設定することにより、多数のレーザ光源を用いることなく、イオンが打ち込まれた部分の結晶性を回復し且つ接合深さを浅くするのに必要十分なアニール時間を得ることができる。

また、本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール方法であって、Ｎを２以上の自然数として、Ｎ個のパルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振し、各パルスレーザ発振器からのパルスレーザ光を同一光路上に合成し、ｎを０を除くＮ未満の自然数として、ｎ番目のパルスレーザ発振器によるパルスレーザ光の発振から所定の時間差で（ｎ＋１）番目のパルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振して、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部に前記パルスレーザ光を順次照射し、該パルスレーザ光の照射と並行して、少なくとも、第１番目のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光の照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段により前記表層部を加熱し、前記所定の時間差を、ｎ番目のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光の照射によって加熱された前記表層部の温度が、前記補助加熱手段による前記表層部の加熱の温度まで低下しない時間差とする、ことを特徴とするレーザアニール方法である。
また、本発明は、半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置であって、Ｎを２以上の自然数として、パルスレーザ光を発振するＮ個のパルスレーザ発振器と該各パルスレーザ発振器からのパルスレーザ光を同一光路上に合成する合成手段とを有し前記パルスレーザ光を前記表層部に照射するレーザ照射装置と、前記半導体基板の前記表層部を加熱する補助加熱手段と、を備え、ｎを０を除くＮ未満の自然数として、ｎ番目のパルスレーザ発振器によるパルスレーザ光の発振から所定の時間差で（ｎ＋１）番目のパルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振して、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部に前記パルスレーザ光を順次照射し、該パルスレーザ光の照射と並行して、少なくとも、第１番目のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光の照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、前記補助加熱手段により前記表層部を加熱し、前記所定の時間差を、ｎ番目のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光の照射によって加熱された前記表層部の温度が、前記補助加熱手段による前記表層部の加熱の温度まで低下しない時間差とする、ことを特徴とするレーザアニール装置である。

上記方法及び装置によれば、補助加熱手段により表層部の加熱を補助しながら、複数のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光を、上記の時間差で順次照射するので、有効なアニール時間をさらに伸ばすことができる。

また、上記方法及び装置において、前記補助加熱手段は、間欠的に加熱を行なうものであり、加熱時の一回あたりの加熱時間が前記パルスレーザ光のパルス間隔の複数回分に相当するものであり、前記補助加熱手段による前記表層部の加熱温度を、それ自体の加熱によっては前記表層部におけるイオンの拡散速度が所定値を超えない温度範囲とする。

補助加熱手段が、間欠的に加熱を行なうものであり、加熱時の一回あたりの加熱時間がパルスレーザ光のパルス間隔の複数回分に相当するものである場合、補助加熱の温度がイオンの拡散速度の観点から高すぎると、イオンが深い領域まで拡散してしまう。したがって、補助加熱の温度を、それ自体の加熱によっては表層部におけるイオンの拡散速度が所定値を超えない温度範囲とすることにより、イオンが深い領域まで拡散することを防止することができる。

また、上記方法及び装置において、前記補助加熱手段による前記表層部の加熱温度を６００℃以下とする。

このように補助加熱手段による補助加熱の温度を６００℃以下とすることにより、補助加熱による表層部におけるイオンの拡散速度を、結晶性の回復とイオンの活性化のためのアニールに実質的に寄与しない程度に十分低く抑えることができるので、接合深さの浅い極浅接合を形成することができる。

本発明によれば、極浅接合の形成に際し、多数のレーザ光源を用いることなく、不純物が打ち込まれた部分の結晶性を回復し且つ接合深さを浅くするのに必要十分なアニール時間を得ることができるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置１０Ａの全体概略構成を示す図である。
図１に示すように、レーザアニール装置１０Ａは、半導体基板３の不純物が注入されている表層部にパルスレーザ光１を照射してアニールするための装置であり、パルスレーザ光１を発振するパルスレーザ発振器１２を有しパルスレーザ光１を上記の表層部に照射するレーザ照射装置１１と、半導体基板３の上記の表層部を加熱する補助加熱手段１９と、を備える。

上記の半導体基板３は例えばシリコンウエハであり、上記の不純物は例えばヒ素（Ａｓ）イオン、リン（Ｐ）イオン、ボロン（Ｂ）イオン等である。
上記のパルスレーザ発振器１２は特に限定されず、パルスレーザ光１を発振することができるものであれば良い。このようなパルスレーザ発振器１２として、エキシマレーザの他、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ_４等の固体レーザ、半導体レーザ、ＣＯ_２レーザが例示される。より具体的には、波長２４８ｎｍや３０８ｎｍのエキシマレーザ、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍや３５５ｎｍのＹＡＧレーザ、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍの半導体レーザ（レーザダイオード）、波長１０.６μｍのＣＯ_２レーザが例示される。特に、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザなどの固体レーザは、ガスレーザであるエキシマレーザと比べて、レーザ出力のバラつきが少なく、固体であるため取り扱い・メンテナンスが容易であり、信頼性が高い、等の利点を有する。

上記のレーザ照射装置１１は、さらに、パルスレーザ光１を、半導体基板３の表面における断面形状が線状のビーム（以下、「線状ビーム」という）に整形するビーム整形光学系２０を有する。この線状ビームの短軸方向の寸法は例えば数１０μｍ〜数１００μｍであり、長軸方向の寸法は例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍである。
レーザ照射装置１１は、半導体基板３の表層部が溶融せず、当該表層部に注入されたイオンを活性化し、且つ結晶性を回復するのに必要な条件で、上記の線状ビームを当該表層部に照射する。

半導体基板３は、基板ステージ５により保持され線状ビームの短軸方向に搬送される。基板ステージ５の移動により、線状ビームに整形されたパルスレーザ光１を、半導体基板３に対して短軸方向に相対的に走査することができる。なお、上記とは逆に、半導体基板３の位置を固定し、パルスレーザ光１の照射位置を移動させることにより、上記のパルスレーザ光１の走査を行なうようにしてもよい。
また、基板ステージ５は、防塵や基板表面における酸化膜生成の防止の観点から、内部を真空状態または不活性ガスで満たすことができるチャンバー内に設置されることが好ましい。あるいは、パルスレーザ光１の照射部分に不活性ガスを吹き付ける方式であっても良い。

補助加熱手段１９は、半導体基板３の表層部を所望の温度に加熱できるものであれば特に限定されないが、例えばフラッシュランプ（キセノンフラッシュランプなど）が好適である。フラッシュランプは、間欠的に熱線を照射するので、半導体基板３の表層部の温度が上昇しすぎない範囲で適度に加熱することができる。

また、レーザアニール装置１０Ａは、上記のパルスレーザ発振器１２、基板ステージ５及び補助加熱手段１９を制御するための制御装置１８を備える。この制御装置１８により、パルスレーザ光１の発振タイミング、補助加熱手段１９による加熱のタイミング、基板ステージ５の移動が制御される。

図２に、第１実施形態における、パルスレーザ光１の発振タイミング（上図）と補助加熱手段１９による加熱のタイミング（下図）を示す。図２において、縦軸は出力軸、横軸は時間軸である。符号ａはパルスレーザ光１のパルス幅を示し、例えば数ナノ秒〜数十ナノ秒である。符号ｂはパルスレーザ光１のパルス間隔を示し、例えば数１００ナノ秒以上である。符号ｃは補助加熱手段１９がフラッシュランプの場合の、一回あたりの連続加熱時間を示している。フラッシュランプは、間欠的に加熱を行なうものであり、加熱時の一回あたりの加熱時間がパルスレーザ光１のパルス間隔ｂの複数回分（例えば数十回分）に相当するものであり、その一回あたりの連続加熱時間は、例えば数ミリ秒以上である。
ただし、後述するように、補助加熱手段１９は、少なくともパルスレーザ光１の照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、上記の表層部を加熱するものであればよい。

上記の如き構成されたレーザアニール装置１０Ａでは、制御装置１８による制御の下、パルスレーザ発振器１２からパルスレーザ光１を発振して、イオンが注入された表層部が溶融しない条件で、この表層部にパルスレーザ光１を照射し、パルスレーザ光１の照射と並行して、少なくともパルスレーザ光１の照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段１９により表層部を加熱する。ここで、この第１実施形態のレーザアニール装置１０Ａによって実施されるレーザアニール方法が、本発明の第１のレーザアニール方法である。

図３に、第１実施形態における、補助加熱手段１９による補助加熱温度が加熱時間に及ぼす影響についての熱解析結果を示す。
図３から、補助加熱あり（Ｂ：３００℃及びＣ：６００℃）の場合は、補助加熱なし（Ａ：２０℃）の場合よりも、表層部の厚さ方向への熱の逃げが抑制されることにより、パルスレーザ光１の照射後における表層部の温度の低下速度が遅くなり、ピーク温度から一定温度範囲内にある加熱時間を伸ばすことができる。この結果、有効なアニール温度でのアニール時間を伸ばすことができる。図３では、補助加熱温度を６００℃に設定することにより、８００℃以上で１マイクロ秒以上のアニール時間を達成している。このように補助加熱手段１９による表層部の加熱温度を適切に設定することにより、表層部の結晶性を回復するのに十分なアニール時間を得ることができる。

ここで、補助加熱手段１９としてフラッシュランプを用いた場合、一回あたりの連続加熱時間は数ミリ秒オーダでありパルスレーザ光１のパルス間隔の複数回分に相当する長さであるため、補助加熱の温度がイオンの拡散速度の観点から高すぎると、パルスレーザ光１が照射されてない状態でも補助加熱自体によってイオンが深い領域まで拡散してしまう。
したがって、補助加熱の温度を、それ自体の加熱によっては表層部におけるイオンの拡散速度が所定値を超えない温度範囲とすることが好ましい。このように補助加熱の温度を適切に設定することにより、イオンが深い領域まで拡散することを防止することができる。

図４は、１００ミリ秒の時間に対する温度とボロン原子の拡散長を計算した結果を示している。図４から、８００℃程度で１０ｎｍ程度の拡散が起こってしまい、このため８００℃の補助加熱では、テクノロジーノード６５ｎｍ以下で要求される２０ｎｍ以下の極浅接合を形成するには拡散速度が速すぎると考えられる。このような観点から、フラッシュランプのように加熱時の一回あたりの加熱時間がパルスレーザ光１のパルス間隔の複数回分に相当するものを補助加熱手段１９として用いる場合、補助加熱手段１９による表層部の加熱温度は、６００℃以下に設定するのが好ましい。補助加熱の温度を６００℃以下とすることにより、補助加熱による表層部におけるイオンの拡散速度を、結晶性の回復とイオンの活性化のためのアニールに実質的に寄与しない程度に十分低く抑えることができるので、接合深さの浅い極浅接合を形成することができる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、極浅接合の形成に際し、多数のレーザ光源を用いることなく、イオンが打ち込まれた部分の結晶性を回復し且つ接合深さを浅くするのに必要十分なアニール時間を得ることができる。

なお、図１に示した本実施形態のレーザアニール装置１０Ａでは、基板ステージ５を線状ビームの短軸方向に移動させることにより、半導体基板３に対してレーザ光を走査するが、この場合、パルス間隔（図２の符号ｂ）を加味して、パルスレーザ光１の照射位置が線状ビームの短軸方向の長さ分だけずれるように基板ステージ５を移動させることにより、半導体基板３の表層部の全面をアニールすることができる。あるいは、パルスレーザ光１の照射位置のずれ量を線状ビームの短軸方向の長さ未満にして、単位領域あたりのパルスレーザ光１の照射回数が複数回となるように基板ステージ５を移動させてもよい。

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置１０Ｂの全体概略構成を示す図である。
本実施形態が第１実施形態と大きく異なるのは、レーザ照射装置１１が、複数のパルスレーザ発振器１２Ａ，１２Ｂと、各パルスレーザ発振器１２Ａ，１２Ｂからのパルスレーザ光１Ａ，１Ｂを同一光路上に合成する合成手段１４とを有する点である。以下、本実施形態について具体的に説明する。なお、本実施形態の説明において、言及しない事項については、第１実施形態と同様である。

本実施形態のレーザアニール装置１０Ｂは、半導体基板３の不純物としてのイオンが注入されている表層部にパルスレーザ光１を照射してアニールする装置であり、２台のパルスレーザ発振器１２Ａ，１２Ｂと各パルスレーザ発振器１２Ａ，１２Ｂからのパルスレーザ光１Ａ，１Ｂを同一光路上に合成する合成手段１４とを有し合成したパルスレーザ光１ＡＢを表層部に照射するレーザ照射装置１１と、半導体基板３の表層部を加熱する補助加熱手段１９と、を備える。また、レーザアニール装置は、第１実施形態と同様に、ビーム整形光学系２０、基板ステージ５及び制御装置１８を備える。

上記の２台のパルスレーザ発振器（以下、「第１レーザ発振器１２Ａ」、「第２レーザ発振器１２Ｂ」という）は、互いに同一パルス周波数でパルスレーザ光１Ａ，１Ｂを発振することができるものであり、制御装置１８によって、第１レーザ発振器１２Ａによるパルスレーザ光１Ａの発振から所定の時間差（図６の符号ｄ）で第２レーザ発振器１２Ｂからパルスレーザ光１Ｂが発振されるように、発振タイミングが制御される。

合成手段１４は、１／２波長板１７とミラー１５と偏光ビームスプリッタ１６とからなる。
１／２波長板１７は、第２レーザ発振器１２Ｂからのパルスレーザ光１Ｂの偏光方向を９０度回転させて通過させる。具体的には、パルスレーザ光１Ｂの偏光面をＰ偏光からＳ偏光に回転させる。
ミラー１５は、パルスレーザ光１Ｂを偏光ビームスプリッタ１６の方向に反射させる。
偏光ビームスプリッタ１６は、第１レーザ発振器１２ＡからのＰ偏光のパルスレーザ光１Ａを通過させ第２レーザ発振器１２ＢからのＳ偏光のパルスレーザ光１Ｂを反射させることにより二つのパルスレーザ光１Ａ，１Ｂを同一光路上に合成する。

図６に、本実施形態における、パルスレーザ光１Ａ，１Ｂの発振タイミング（上図）と補助加熱手段１９による加熱のタイミング（下図）を示す。図６における、縦軸、横軸、符号ａ，ｂ，ｃの意味は図２と同様である。
図６の上図において、近接する２つのパルス出力の組がいくつか示されているが、各組において時間的に先行しているパルス出力が第１レーザ発振器１２Ａからのパルスレーザ光１Ａに相当し、時間差ｄの遅延時間をおいて出力されているパルス出力が第２レーザ発振器１２Ｂからのパルスレーザ光１Ｂに相当する。
上記の所定の時間差ｄは、第１レーザ発振器１２Ａからのパルスレーザ光１Ａの照射によって加熱された表層部の温度が、補助加熱手段１９による表層部の加熱の温度まで低下しない時間差である。

上記の如き構成されたレーザアニール装置１０Ｂでは、制御装置１８による制御の下、第１レーザ発振器１２Ａ及び第２レーザ発振器１２Ｂからパルスレーザ光１Ａ，１Ｂを発振し、各レーザ発振器１２Ａ，１２Ｂからのパルスレーザ光１Ａ，１Ｂを同一光路上に合成し、第１レーザ発振器１２Ａによるパルスレーザ光１Ａの発振から所定の時間差ｄで第２レーザ発振器１２Ｂからパルスレーザ光１Ｂを発振して、半導体基板３の表層部が溶融しない条件で当該表層部にパルスレーザ光１Ａ，１Ｂを順次照射し、パルスレーザ光１Ａ，１Ｂの照射と並行して、少なくとも、第１レーザ発振器１２Ａからのパルスレーザ光１Ａの照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段１９により当該表層部を加熱し、上記の所定の時間差ｄを、第１レーザ発振器１２Ａからのパルスレーザ光１Ａの照射によって加熱された表層部の温度が、補助加熱手段１９による表層部の加熱の温度まで低下しない時間差とする。ここで、この第２実施形態のレーザアニール装置１０Ｂによって実施されるレーザアニール方法が、本発明の第２のレーザアニール方法である。

図７に、本実施形態における、補助加熱手段１９による補助加熱温度が加熱時間に及ぼす影響についての熱解析結果を示す。
図７において、Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ２つのピークをもっているが、一つ目のピークが第１レーザ発振器１２Ａからのパルスレーザ光１Ａの照射による温度上昇を示し、二つ目のピークが第２レーザ発振器１２Ｂからのパルスレーザ光１Ｂの照射による温度上昇を示している。

本実施形態によれば、補助加熱手段１９により表層部の加熱を補助しながら、複数（本実施形態では２台）のパルスレーザ発振器１２Ａ、１２Ｂからのパルスレーザ光１を、上記の所定の時間差ｄで順次照射するので、有効なアニール時間をさらに伸ばすことができる。本実施形態によって得られるその他の効果は、上述した第１実施形態と同様である。

なお、以上説明した第２実施形態では、パルスレーザ発振器を２台としたが、現実的な範囲で３台以上のパルスレーザ発振器を用いても良い。この場合、Ｎを２以上の自然数として、Ｎ数のパルスレーザ発振器からパルスレーザ光１を発振し、各パルスレーザ発振器からのパルスレーザ光を同一光路上に合成し、ｎを０を除くＮ未満の自然数として、ｎ番目のパルスレーザ発振器によるパルスレーザ光１の発振から所定の時間差で（ｎ＋１）番目のパルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振して、表層部が溶融しない条件で表層部にパルスレーザ光を順次照射し、パルスレーザ光の照射と並行して、少なくとも、第１番目のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光の照射毎における各照射開始時から１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段により当該表層部を加熱し、上記の所定の時間差を、ｎ番目のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光の照射によって加熱された表層部の温度が、補助加熱手段による表層部の加熱の温度まで低下しない時間差とする。

次に、上述した第１実施形態及び第２実施形態におけるビーム整形光学系２０について、いくつかの構成例を説明する。ただし、ビーム整形光学系２０は、以下の構成例に限定されるものではない。
なお、以下の説明では、パルスレーザ光１、１ＡＢを単に「レーザ光１」とよぶ。

［ビーム整形光学系２０の第１構成例］
図８Ａ及び図８Ｂは、第１構成例にかかるビーム整形光学系２０の構成を示す図である。
図８Ａでは、線状ビームの長軸方向に作用する光学系が示されており、短軸方向のみに作用する光学系は想像線（破線）で示されている。
図８Ｂでは、線状ビームの短軸方向に作用する光学系が示されており、長軸方向のみに作用する光学系は想像線（破線）で示されている。

ビーム整形光学系２０は、パルスレーザ発振器１２（又は第１レーザ発振器１２Ａと第２レーザ発振器１２Ｂ）から発振されたレーザ光１を長軸方向及び短軸方向に拡大するビームエキスパンダ２１、線状ビームの長軸方向のエネルギー分布を均一化する長軸用ホモジナイザ２２、及び線状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸用ホモジナイザ２５を備えている。

一構成例として示したビームエキスパンダ２１は、凹球面レンズ２１ａと凸球面レンズ２１ｂとからなり、入射したレーザ光１を凹球面レンズ２１ａで拡径して凸球面レンズ２１ｂで平行光にする。

図８Ａに示すように、長軸用ホモジナイザ２２は、入射するレーザ光１を長軸方向に複数に分割する長軸用シリンドリカルレンズアレイ２３と、長軸方向に複数に分割されたレーザ光１を長軸方向に重ね合わせる長軸用コンデンサレンズ２４とからなる。

また、図８Ａに示すように、ビームエキスパンダ２１と長軸用シリンドリカルレンズアレイ２３との間に、長軸方向干渉低減光学系３１が配置されている。長軸方向干渉低減光学系３１は、長軸用シリンドリカルレンズアレイ２３を構成する各シリンドリカルレンズの幅と同一の幅をもつ複数の透明ガラス板３１ａが長軸方向に連結して構成されたものであり、各透明ガラス板３１ａを通過するレーザ光１にコヒーレント長より長い距離の光路差を付与して長軸方向の干渉作用を低減している。

図８Ｂに示すように、短軸用ホモジナイザ２５は、入射するレーザ光１を短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６と、短軸方向に複数に分割されたパルスレーザ光１を短軸方向に重ね合わせる短軸用コンデンサレンズ２９と、短軸用コンデンサレンズ２９からの出射光を半導体基板３の表面に縮小投影する投影レンズ３０とを有する。

また、図８Ｂに示すように、ビームエキスパンダ２１と短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６との間に、短軸方向干渉低減光学系３２が配置されている。短軸方向干渉低減光学系３２は、短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６を構成する各シリンドリカルレンズの幅と同一の幅をもつ複数の透明ガラス板３２ａが短軸方向に連結して構成されたものであり、各透明ガラス板３２ａを通過するレーザ光１にコヒーレント長より長い距離の光路差を付与して短軸方向の干渉作用を低減している。

上記のように構成されたビーム整形光学系２０により、パルスレーザ発振器１２（又は第１レーザ発振器１２Ａと第２レーザ発振器１２Ｂ）から発振されたレーザ光１が線状ビームに整形されて半導体基板３に照射される。
また、レーザ光１は、長軸用ホモジナイザ２２により線状ビームの長軸方向のエネルギー分布が均一化され、短軸用ホモジナイザ２５により線状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化される。なお、短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６を省略し、長軸方向のエネルギー分布のみを均一化する構成であってもよい。

［ビーム整形光学系２０の第２構成例］
図９Ａ及び図９Ｂは、第２構成例にかかるビーム整形光学系２０の構成を示す図である。
図９Ａでは、線状ビームの長軸方向に作用する光学系が示されており、短軸方向のみに作用する光学系は想像線（破線）で示されている。
図９Ｂでは、線状ビームの短軸方向に作用する光学系が示されており、長軸方向のみに作用する光学系は想像線（破線）で示されている。

第２構成例のビーム整形光学系２０は、パルスレーザ発振器１２（又は第１レーザ発振器１２Ａと第２レーザ発振器１２Ｂ）から発振されたレーザ光１を長軸方向及び短軸方向に拡大するビームエキスパンダ２１、線状ビームの長軸方向のエネルギー分布を均一化する長軸用ホモジナイザ２２、及び線状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸用ホモジナイザ２５を備えている。ここで、一構成例として示したビームエキスパンダ２１は、上述した第１構成例と同様である。

図９Ａに示すように、長軸用ホモジナイザ２２は、入射したレーザ光１を長軸方向に複数に分割する導波路３６と、長軸方向に分割されたレーザ光１を長軸方向に集光し半導体基板３の表面で重ね合わせて結像する２つのシリンドリカルレンズ３９，４０とからなる。ここで、２つのシリンドリカルレンズ３９，４０により長軸方向端面転写光学系が構成されている。なお、上記の導波路３６は、短軸用ホモジナイザ２５の一構成要素でもある。
ビームエキスパンダ２１と導波路３６の間には、レーザ光１を導波路３６に導く入射レンズ３４が配置されている。
また、２つのシリンドリカルレンズ３９，４０の間には、長軸方向干渉低減光学系４２が配置されており、長軸方向に複数に分割されたレーザ光１に光路差を付与して干渉作用を低減している。

図９Ｂに示すように、短軸用ホモジナイザ２５は、入射したレーザ光１を短軸方向に複数に分割する導波路３６と、短軸方向に分割されたレーザ光１を短軸方向に集光し半導体基板３の表面で重ね合わせて結像する２つのシリンドリカルレンズ４５，４６とからなる。ここで、２つのシリンドリカルレンズ４５，４６により短軸方向端面転写光学系が構成されている。
また、２つのシリンドリカルレンズ４５，４６の間には、短軸方向干渉低減光学系４８が配置されており、短軸方向に複数に分割されたレーザ光１に光路差を付与して干渉作用を低減している。

上記のように構成された第２構成例のビーム整形光学系２０により、パルスレーザ発振器１２（又は第１レーザ発振器１２Ａと第２レーザ発振器１２Ｂ）から発振されたレーザ光１が線状ビームに整形されて半導体基板３に照射される。
また、レーザ光１は、長軸用ホモジナイザ２２により線状ビームの長軸方向のエネルギー分布が均一化され、短軸用ホモジナイザ２５により線状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化される。

なお、長軸用ホモジナイザ２２と短軸用ホモジナイザ２５は、上述した第１構成例及び第２構成例において説明したものに限られず、その他周知の光学系を用いてエネルギー分布を均一化する手段であってもよい。例えば、長軸用ホモジナイザ２２及び／又は短軸用ホモジナイザ２５は、回折光学素子を含む光学系であってもよい。回折光学素子についての詳細な説明は省略するが、例えば、特開２００５−２１７２０９号公報などに開示されている。回折光学素子は、石英などの基板にフォトエッチング工程などにより微細な段差を形成し、それぞれの段差部分を透過するレーザ光が形成する回折パターンを結像面（基板表面）で所望のエネルギー分布が得られるように作製する。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置の全体概略構成を示す図である。 第１実施形態における、パルスレーザ光の発振タイミング（上図）と補助加熱手段による加熱のタイミング（下図）を示す図である。 第１実施形態における、補助加熱手段による補助加熱温度が加熱時間に及ぼす影響についての熱解析結果を示す図である。 １００ミリ秒の時間に対する温度とボロン原子の拡散長を計算した結果を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置の全体概略構成を示す図である。 第２実施形態における、パルスレーザ光の発振タイミング（上図）と補助加熱手段による加熱のタイミング（下図）を示す図である。 第２実施形態における、補助加熱手段による補助加熱温度が加熱時間に及ぼす影響についての熱解析結果を示す図である。 第１構成例にかかるビーム整形光学系の構成を示す図である。 第１構成例にかかるビーム整形光学系の構成を示す別の図である。 第２構成例にかかるビーム整形光学系の構成を示す図である。 第２構成例にかかるビーム整形光学系の構成を示す別の図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１ＡＢ パルスレーザ光
３ 半導体基板
５ 基板ステージ
１０Ａ、１０Ｂ レーザアニール装置
１１ レーザ照射装置
１２ パルスレーザ発振器
１２Ａ 第１レーザ発振器
１２Ｂ 第２レーザ発振器
１８ 制御装置
１９ 補助加熱手段
２０ ビーム整形光学系
２１ ビームエキスパンダ
２１ａ 凹球面レンズ
２１ｂ 凸球面レンズ
２２ 長軸用ホモジナイザ
２３ 長軸用シリンドリカルレンズアレイ
２４ 長軸用コンデンサレンズ
２５ 短軸用ホモジナイザ
２６ 短軸用シリンドリカルレンズアレイ
２９ 短軸用コンデンサレンズ
３０ 投影レンズ
３１，４２ 長軸方向干渉低減光学系
３２，４８ 短軸方向干渉低減光学系
３４ 入射レンズ
３６ 導波路
３９，４０，４５，４６ シリンドリカルレンズ

Claims (4)

1. 半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にパルスレーザ光を照射してアニールする半導体装置の作製方法であって、
   前記表層部が溶融しない条件で前記表層部に前記パルスレーザ光を照射し、
   前記パルスレーザ光の各照射開始時から少なくとも１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段により前記表層部を８００℃以上に加熱し、
   前記補助加熱手段は、間欠的に加熱を行なうものであり、加熱時の一回あたりの加熱時間が前記パルスレーザ光のパルス間隔の複数回分に相当するものであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
2. 半導体基板の不純物としてのイオンが注入されている表層部にパルスレーザ光を照射してアニールする半導体装置の作製方法であって、
   Ｎ（Ｎは２以上の自然数）個のパルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振し、
   各パルスレーザ発振器からのパルスレーザ光を同一光路上に合成し、
   ｎ（ｎは０を除くＮ未満の自然数）番目のパルスレーザ発振器によるパルスレーザ光の発振から所定の時間差で（ｎ＋１）番目のパルスレーザ発振器からパルスレーザ光を発振して、前記表層部が溶融しない条件で前記表層部に前記パルスレーザ光を順次照射し、
   前記パルスレーザ光の各照射開始時から少なくとも１マイクロ秒が経過するまでの間、補助加熱手段により前記表層部を８００℃以上に加熱し、
   前記所定の時間差は、ｎ番目のパルスレーザ発振器からのパルスレーザ光の照射によって加熱された前記表層部の温度が、前記補助加熱手段による前記表層部の加熱の温度まで低下しない時間であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
3. 請求項２において、
   前記補助加熱手段は、間欠的に加熱を行なうものであり、加熱時の一回あたりの加熱時間が前記パルスレーザ光のパルス間隔の複数回分に相当するものであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   前記補助加熱手段による前記表層部の加熱温度は６００℃以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
   

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