JP5590925B2 - 半導体装置の製造方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

Description

本発明は、照射対象物にレーザビームを照射してアニールする工程を含む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。

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造工程において、ゲート電極やエミッタが形成された表面（第１の表面）とは反対側の表面（第２の表面）にコレクタが形成される。半導体ウエハの第２の表面にレーザビームを照射することにより、コレクタに注入された不純物を活性化することができる。

半導体ウエハの深部に注入した不純物を活性化するために、波長６９０ｎｍ〜９００ｎｍ、照射時間１０μｓ〜１００μｓ、パワー密度２５０ｋＷ／ｃｍ^２〜７５０ｋＷ／ｃｍ^２の条件でレーザアニールを行う方法が公知である（特許文献１）。連続発振のレーザ光源を用い、半導体ウエハの表面のビームスポットサイズを制御することにより、レーザビームの照射時間を制御する方法が公知である（特許文献２）。

特開２００６−３５１６５９号公報 特許第４１１７０２０号公報

ＩＧＢＴのコレクタに注入された不純物の活性化を行う場合、半導体ウエハの表面を溶融させることなく、なるべく深い領域まで活性化させることが好ましい。また、ゲート電極等が形成された表面（レーザ照射されている表面とは反対側の表面）の過度の温度上昇を抑制することが好ましい。従来のレーザアニール方法では、この両方の要請に十分応えることができない。

本発明の目的は、照射対象物の背面の過度の温度上昇を抑制し、かつ深い領域まで活性化させるのに適した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、
不純物が注入された半導体ウエハからなる照射対象物の表面へのレーザビームの入射を開始する工程と、
前記レーザビームが前記照射対象物に入射している期間に、前記レーザビームが入射している領域の表面温度に依存する物理量である前記照射対象物の表面からの反射光の強度または黒体放射強度を測定する工程と、
測定された前記物理量に基づいて、前記レーザビームの照射を停止するか否かの判定を行う工程と、
前記レーザビームの照射を停止すると判定された場合には、前記レーザビームの照射を停止した後、ある待機時間経過後に、該レーザビームの照射を再開し、前記レーザビームの照射を停止させないと判定された場合には、前記レーザビームの照射を継続することにより前記不純物の活性化を行う工程と
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、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に、不純物が注入された半導体ウエハからなる照射対象物を保持するステージと、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが前記ステージに保持された照射対象物まで到達する状態と、到達しないように該レーザビームを遮断する状態とを切り替える遮断装置と、
前記照射対象物のうち前記レーザビームが入射している位置の表面温度に依存する物理量である前記照射対象物の表面からの反射光の強度または黒体放射強度を測定する測定装置と
を有し、
前記遮断装置は、
前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームの照射を停止するか否かの判定を行い、
前記レーザビームの照射を停止すると判定した場合には、前記レーザビームを遮断した後、ある待機時間経過後に、該レーザビームの照射を再開し、前記レーザビームの照射を停止させないと判定した場合には、前記レーザビームの照射を継続する不純物活性化レーザアニール装置が提供される。

レーザビームの照射を停止させることにより、照射対象物の表面温度の過度の上昇を抑制することができる。また、待機時間経過後にレーザ照射を再開させることにより、熱エネルギを深い領域まで到達させることができる。

実施例１によるレーザアニール装置の概略図である。 照射対象物の表面温度が１６７３Ｋになるまでの照射時間と、パワー密度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 照射対象物の表面温度が１６７３Ｋになるまでレーザ照射を行ったときの深さ３μｍの位置の最高到達温度と、パワー密度との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 照射対象物の表面温度が１６７３Ｋになるまでレーザ照射を行ったときの背面の温度と、経過時間との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 実施例１によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。 実施例１による方法でレーザ照射を行った場合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２によるレーザアニール装置の概略図である。 実施例２によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。 実施例２による方法でレーザ照射を行った場合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３によるレーザアニール方法を示すフローチャートである。 （１１Ａ）及び（１１Ｂ）は、アニール用レーザビームのビームスポットと参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す平面図であり、（１１Ｃ）は、その他の例を示す平面図である。 実施例３による方法でレーザ照射を行った場合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。 パワー密度と走査速度との関係を示すグラフである。 ＩＧＢＴの断面図である。

［実施例１］
図１に、実施例１によるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源１０が、連続発振レーザビームを出射する。レーザ光源１０には、例えば半導体レーザが用いられる。その発振波長は、例えば８０８ｎｍである。なお、発振波長が６５０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲内の半導体レーザを用いてもよい。ステージ３５に照射対象物６０が保持されている。照射対象物６０は、例えば不純物が注入された後、活性化アニールを行う前のシリコンウエハである。照射対象物６０にレーザビームが入射することにより、レーザアニールが行われる。レーザ光源１０から出射するレーザビームを、「アニール用レーザビーム」ということとする。

レーザ光源１０から出射したレーザビームが、遮断装置２０、ビーム整形光学系２５、均一化光学素子２６、折り返しミラー３０、レンズ３１を経由して、照射対象物６０に入射する。

遮断装置２０は、制御装置２１、電気光学素子２２、ビームスプリッタ２３、及びビームダンパ２４を含む。レーザ光源１０から出射したレーザビームが電気光学素子２２を経由して、ビームスプリッタ２３に入射する。電気光学素子２２として、例えばポッケルスセルが用いられる。ビームスプリッタ２３は、入射したレーザビームのＰ成分を透過させ、Ｓ成分を反射する。ビームスプリッタ２３で反射されたレーザビームは、ビームダンパ２４に入射する。ビームスプリッタ２３を透過したレーザビームは、遮断装置２０から出射し、ビーム整形光学系２５に入射する。

制御装置２１は、電気光学素子２２を制御してレーザビームの偏光方向を変化させ、ビームスプリッタ２３に対してＳ成分のみの状態と、Ｐ成分のみの状態とを切り替えることができる。レーザビームがＳ成分のみとされた状態では、レーザビームがビームダンパ２４に入射する遮断状態となる。レーザビームがＰ成分のみとされた状態では、レーザビームがビーム整形光学系２５に入射する透過状態となる。電気光学素子２２及びビームスプリッタ２３に代えて、音響光学素子（ＡＯＭ）を用いてもよい。

ビーム整形光学系２５は、レーザビームのビーム断面を整形する。ビーム整形光学系２５には、例えばビームエキスパンダが用いられる。ビーム整形光学系２５でビーム断面を整形されたレーザビームが、均一化光学素子２６に入射する。均一化光学素子２６は、レーザビームのビーム断面内の光強度分布を均一化する。均一化光学素子２６には、例えば回折光学素子（ＤＯＥ）、アレイレンズ、フライアイレンズ等が用いられる。

均一化光学素子２６を透過したレーザビームが、折り返しミラー３０で反射され、レンズ３１を経由して照射対象物６０に入射する。照射対象物６０に入射するレーザビームの中心光線は、照射対象物６０の表面に対して垂直である。均一化光学素子２６、レンズ３１、及びステージ３５は、ステージ３５に保持された照射対象物６０の表面において光強度分布が均一になるように、レーザビームの進行方向に関する位置が調整されている。

参照光光源４０が、参照用のレーザビームを出射する。参照光光源４０には、例えば波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザが用いられる。なお、発振波長が可視光の波長域または波長１μｍ以下の近赤外域のレーザを用いてもよい。参照用のレーザビームは、折り返しミラー４１で反射され、照射対象物６０に斜め入射する。照射対象物６０の表面における参照用レーザビームのビームスポットは、アニール用レーザビームのビームスポットに内包されるか、または部分的に重なる。両者のビームスポットの好ましい位置関係については、後に説明する。

照射対象物６０に入射した参照用レーザビームの一部は、照射対象物６０の表面で反射し、折り返しミラー４２で反射されて参照光検出器４３に入射する。参照光検出器４３には、例えばフォトダイオードが用いられる。参照光検出器４３で検出された反射光の強度データが、制御装置２１に入力される。

照射対象物６０の表面のうち、アニール用レーザビームのビームスポット内の特定の位置からの黒体放射光の一部が、集光レンズ５０で集光され、黒体放射検出器５１に入射する。黒体放射検出器５１で検出された黒体放射強度データが制御装置２１に入力される。制御装置２１は、反射光の強度データ及び黒体放射強度データの少なくとも一方のデータに基づいて、電気光学素子２２を制御する。

黒体放射は、照射対象物６０の表面から、立体角２πステラジアンの空間に放射されるため、集光レンズ５０に入射する黒体放射光は少ない。従って、黒体放射検出器５１として、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や、光電子増倍管（ＰＭＴ）等の増倍機能を持った検出器を用いることが好ましい。また、アニール用レーザビームの散乱光の影響を受けないようにするために、黒体放射検出器５１を暗室内に配置し、黒体放射光を光ファイバで暗室内の黒体放射検出器５１まで伝送することが好ましい。

走査機構３６が、ステージ３５を、照射対象物６０の表面に平行なＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。アニール用レーザビームを照射しながらステージ３５を移動させることにより、照射対象物６０の表面をレーザビームで走査することができる。例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を、それぞれ主走査方向及び副走査方向とする。

次に、図２〜図４を参照して、半導体ウエハ、例えばシリコンウエハの活性化アニールを行う際の好ましいアニール条件について説明する。シリコンの融点は１６８７Ｋである。ＩＧＢＴのコレクタのアニールを行う場合には、ゲート電極やエミッタ等が形成されている表側の温度が過度に上昇せず、かつ、背面からなるべく深い位置まで活性化される条件でアニールを行うことが好ましい。

エキシマレーザ等の紫外域のレーザは、半導体ウエハの極表面で吸収されてしまうため、深い位置まで活性化させるアニールには適さない。また、遠赤外域の波長になると、半導体ウエハによる吸収係数が低くなるため、アニールには適さない。ＩＧＢＴのコレクタの活性化アニールには、波長６５０ｎｍ〜８５０ｎｍのレーザを用いることが好ましい。

図２に、半導体ウエハの表面におけるレーザビームのパワー密度と、表面温度が、半導体ウエハの融点よりもやや低い１６７３Ｋまで上昇するまでの照射時間との関係のシミュレーション結果を示す。横軸はパワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ^２」で表し、縦軸は照射時間を単位「μｓ」で表す。レーザビームの波長は８００ｎｍとし、半導体ウエハの材料はシリコンとした。パワー密度が高くなるに従って、表面温度が１６７３Ｋに達するまでの照射時間が短くなっている。

図３に、図２のシミュレーションにおいて、レーザ照射側の表面から深さ３μｍの位置の最高到達温度を示す。横軸は、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ^２」で表し、縦軸は、最高到達温度を単位「Ｋ」で表す。いずれの照射条件においても、表面の最高到達温度は１６７３Ｋであるが、深さ３μｍの位置の最高到達温度はパワー密度に依存してばらつくことがわかる。パワー密度が高くなるに従って、最高到達温度は低くなる傾向を示している。

図２に示したように、パワー密度が高くなると、照射時間が短くなることから、半導体ウエハ表面の極近傍が急激に加熱される。これにより、半導体ウエハ内部の温度上昇幅は小さくなり、温度が高く保持される時間が短くなる。パワー密度が高くなると、表面が非溶融であるという条件下で、深い領域の不純物の活性化を行うことが困難であることがわかる。

図４に、レーザ照射開始からの経過時間と、半導体ウエハの背面（レーザ照射している表面とは反対側の表面）の温度との関係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、縦軸は背面の温度を単位「Ｋ」で表す。各曲線に付した数値は、半導体ウエハの表面におけるレーザビームのパワー密度を示す。なお、半導体ウエハの表面温度が１６７３Ｋになった時点でレーザ照射を停止させた。また、境界条件として、半導体ウエハの厚さを１００μｍとし、背面を断熱状態とした。

パワー密度が低くなる従って、半導体ウエハの背面の到達温度は高くなる。これは、パワー密度が低くなると、図２に示したように照射時間が長くなることによって、半導体ウエハへの総投入エネルギが大きくなるためである。

活性化深さを深くするには、高温で長時間のアニールを行うことが求められる。高温で長時間のアニールを行うためには、図２及び図３の結果から、パワー密度を低くすることが好ましい。ところが、図４に示したように、パワー密度を低くすると、半導体ウエハの背面温度の上昇が大きくなってしまう。半導体ウエハの背面、すなわちＩＧＢＴの表面側の構成により、レーザアニール時に許容される温度上昇幅が制約される。許容される温度上昇幅が大きい場合には、低いパワー密度でレーザアニールを行うことにより、深い領域の不純物の活性化を行うことができる。

一方、許容される温度上昇幅が小さい場合には、高いパワー密度でアニールすることが必要となり、活性化深さを深くすることが困難になる。図４に示したように、パワー密度が１５０ｋＷ／ｃｍ^２を下回ると、半導体ウエハの背面温度の上昇幅が大きくなりすぎる。従って、パワー密度は１５０ｋＷ／ｃｍ^２以上にすることが好ましいことがわかる。

パワー密度の好適値の上限は、活性化深さの目標値に依存する。パワー密度が１ＭＷ／ｃｍ^２を超えると、パルスレーザを用いたアニール方法の場合と同程度のオーダになり、非溶融の条件で活性化を行うことが困難になる。従って、パワー密度は１ＭＷ／ｃｍ^２以下にすることが好ましい。

また、一般的に、半導体ウエハの背面の最高到達温度は６００Ｋ以下にすることが望まれる。このため、図４のシミュレーション結果から、パワー密度を２５０ｋＷ／ｃｍ^２以上にすることが好ましい。また、活性化深さの目標値を３μｍ程度にする場合には、深さ３μｍの位置の最高到達温度が１０００℃（１２７３Ｋ）を超える条件とすることが好ましい。従って、図３のシミュレーション結果から、パワー密度を５００ｋＷ／ｃｍ^２以下にすることが好ましい。

図５に、実施例１によるレーザアニール方法のフローチャートを示す。実施例１では、ステップアンドリピート方法が採用される。すなわち、照射対象物６０を静止させてアニール用レーザビームの照射を行う。照射位置のアニールが完了すると、レーザ照射を停止させ（レーザビームを遮断し）照射対象物６０を移動させる。その後、照射対象物６０を静止させて、新しい領域にアニール用レーザビームを照射する。このように、照射対象物６０を静止させた状態でのレーザビームの照射と、照射対象物６０の移動とを交互に繰り返す。

まず、ステップＳＡ１において、照射対象物６０の目標位置にアニール用レーザビームが入射するように、ステージ３５を移動させる。その後、ステージ３５を静止させた状態で、アニール用レーザビームの照射を開始する。照射対象物６０の表面におけるパワー密度を、例えば４００ｋＷ／ｃｍ^２とする。

ステップＳＡ２において、照射開始時点から、規定の照射時間が経過したか否かを判定する。規定の照射時間は、予め種々の評価実験を行うことにより決定されており、制御装置２１に記憶されている。規定の照射時間は、例えば５３μｓとする。

ステップＳＡ３において、照射対象物６０の表面温度に依存する物理量を測定する。表面温度に依存する物理量として、参照光検出器４３で検出される反射光の強度を採用することができる。照射対象物６０の表面の極浅い領域が溶融し、液相状態になると、反射率が高くなる。反射光の強度を測定することにより、照射対象物６０の表面の極浅い領域が溶融したことを検出することができる。

また、表面温度に依存する物理量として、黒体放射検出器５１で検出される黒体放射強度を採用してもよい。黒体放射強度を測定することにより、照射対象物６０の表面温度を算出することができる。黒体放射強度から、処理対象物６０の表面温度を算出する方法は、特開平２００８−１１６２６９号公報に説明されている。

ステップＳＡ４において、表面温度に依存する物理量が、しきい値以上か否かを判定する。このしきい値は、物理量が、温度許容範囲の上限値に相当する値に設定されている。表面温度に依存する物理量として反射光の強度を採用する場合には、固相状態のときの反射光の強度と、液相状態の反射光の強度との中間の強度をしきい値とすればよい。このしきい値は、制御装置２１に記憶されている。測定された反射光の強度がこのしきい値以上である場合には、照射対象物６０の表面の極浅い領域が溶融したと考えられる。

表面温度に依存する物理量として黒体放射強度を採用する場合には、処理対象物６０の融点、または融点よりもやや低い温度の表面からの黒体放射強度をしきい値とすればよい。例えば、このしきい値は、表面温度が１６７３Ｋのときの黒体放射強度と等しくなるように設定する。

なお、判定条件として、反射光強度の測定結果と、黒体放射強度の測定結果との両方を用いてもよい。

表面温度に依存する物理量がしきい値以上であると判定された場合、ステップＳＡ５において、レーザビームの照射を停止させる。具体的には、電気光学素子２２を制御することにより、レーザビームを遮断する。その後、ステップＳＡ６において、一定時間待機した後、ステップＳＡ１に戻ってレーザ照射を再開する。この待機時間は、例えば表面温度がある温度（例えば１２７３Ｋ）まで低下する時間に設定しておく。この時間は、予めシミュレーション、または実際の評価実験により求めておけばよい。

ステップＳＡ４で、表面温度に依存する物理量がしきい値未満であると判定された場合には、レーザビームの照射を停止させることなくステップＳＡ２に戻る。

ステップＳＡ２で、照射開始時点から、規定の照射時間が経過したと判定された場合、ステップＳＡ７において、レーザ照射を停止する。なお、「照射開始時点」とは、ステップＳＡ６を経由してステップＳＡ１で照射を再開した時点ではなく、ステージ３５を静止させてから最初にレーザ照射を開始した時点を意味する。

ステップＳＡ７でレーザ照射を停止した後、ステップＳＡ８において、照射対象物６０の全域の照射が完了したか否かを判定する。全域の照射が完了した場合には、アニール処理を終了する。全域の照射が完了していない場合には、ステップＳＡ９において、ステージ３５を移動させた後、静止させる。その後、ステップＳＡ１に戻って、新しい領域へのレーザ照射を開始する。なお、既にレーザ照射が終了した領域と、次にレーザ照射すべき領域とは、部分的に重なるように配置することが好ましい。

図６に、ステージ３５が静止している状態でレーザ照射を行う間、すなわち図５のステップＳＡ１からステップＳＡ７までの間の温度変化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６中の実線は表面温度を示し、点線は深さ３μｍの位置の温度を示す。破線は、処理対象物６０の厚さが１００μｍとしたときの背面の温度を示す。なお、処理対象物６０の背面は断熱状態であると仮定した。照射対象物はシリコンウエハとし、アニール用レーザビームの波長は８００ｎｍとした。

時刻０において、レーザ照射を開始する。レーザ照射によって表面温度が上昇する。時刻ｔ_１において、温度依存物理量がしきい値以上になると、レーザ照射が停止される（ステップＳＡ５）。このため、表面温度が下降し始める。時刻ｔ２まで待機し（ステップＳＡ６）、時刻ｔ２において、レーザ照射を再開する（ステップＳＡ１）。時刻ｔ３まで、ステップＳＡ５のレーザ照射の停止が１４回実行される。時刻ｔ３において、規定の照射時間が経過すると、レーザ照射を停止する（ステップＳＡ７）。

時刻０から時刻ｔ３までの間、深さ３μｍの位置の温度は、表面温度に追随して上昇と下降とを繰り返す。上昇と下降とを繰り返す間、深さ３μｍの位置の時間平均温度は、上昇傾向を示す。深さ１００μｍの位置の温度は、上昇と下降とを繰り返すことはなく、時間の経過と共に徐々に上昇する。

このように、表面温度に依存する物理量が、温度範囲の上限値に相当するしきい値に達した時点でレーザ照射を停止させることにより、表面を溶融させることなく、深い位置の温度を上昇させることができる。これにより、深い領域の活性化を行うことが可能になる。

実施例１では、ステップＳＡ６における待機時間を、表面温度がある基準温度、例えば１２７３Ｋに下降するまでの時間をシミュレーションにより予め計算しておいた。ただし、レーザ照射開始からの経過時間が長くなると、照射対象物の平均温度が高くなり、基準温度まで下降する時間も長くなる。待機時間は、ある特定の温度条件でシミュレーションによる計算により求めた時間に固定してもよい。また、処理対象物の平均温度が上昇するにしたがって待機時間を徐々に長くしてもよい。ただし、レーザ照射中に照射対象物の平均温度を測定することは困難である。このため、待機時間は、照射開始からの経過時間の関数として、予め設定しておくことが好ましい。

実施例１では、参照用レーザビームを照射対象物６０に斜め入射させたが、アニール用レーザビームの経路に重ねて垂直入射させてもよい。垂直入射させる場合には、例えば、図１の折り返しミラー３０とレンズ３１との間に、ダイクロイックミラーを配置し、参照用レーザビームをアニール用レーザビームの経路に重畳させればよい。このダイクロイックミラーは、アニール用レーザビームを透過させ、参照用レーザビームを反射する。照射対象物６０で反射された参照用レーザビームは、入射経路と反対向きに伝搬し、ダイクロイックミラーで反射される。ダイクロイックミラーと参照用光源４０との間に、ビームスプリッタと１／４波長板を挿入することにより、反射光の経路を入射光の経路から分岐させることができる。分岐後の反射光の経路上に、参照光検出器４３が配置される。

参照用レーザビームの経路を、アニール用レーザビームの経路に重畳させる場合には、レンズ３１として、アニール用レーザビームと参照用レーザビームとの２つの波長域において、反射防止処理が行われ、色消しの設計が行われたものを用いることが好ましい。

参照用レーザビームを斜め入射させる構成では、照射対象物６０の表面の高さが変わると、参照用レーザビームの入射位置も変わってしまう。このため、参照用レーザビームの光学系の位置を再調整しなければならない。参照用レーザビームの経路を、アニール用レーザビームの経路に重畳させる構成では、この再調整を行う必要がない。

実施例１で測定した反射光の強度及び黒体放射強度は、いずれも照射対象物６０の表面温度に依存する物理量である。反射光の強度、及び黒体放射強度以外に、表面温度に依存する他の物理量を測定してもよい。例えば、消衰係数を測定することにより、表面温度を算出することができる。

［実施例２］
図７に、実施例２によるレーザアニール装置の概略図を示す。実施例２では、図１に示した電気光学素子２２に代えて、半波長板２２Ａが用いられる。半波長板２２Ａは、制御装置２１によって、レーザビームの中心光線を中心として回転方向に変位する。半波長板２２Ａを回転させることにより、ビームスプリッタ２３に対するＳ成分とＰ成分との比率を変化させることができる。これにより、ビームスプリッタ２３を透過するレーザビームのパワーが変化する。このように、制御装置２１、半波長板２２Ａ、ビームスプリッタ２３、及びビームダンパ２４は、パワー調節装置２０Ａとして作用する。その他の構成は、図１に示した実施例１によるレーザアニール装置の構成と同一である。

図８に、実施例２によるレーザアニール方法のフローチャートを示す。以下、図５に示した実施例１によるレーザアニール方法のフローチャートとの相違点に着目して説明する。まず、ステップＳＢ０において、照射対象物６０の表面におけるアニール用レーザビームのパワー密度を初期設定する。具体的には、半波長板２２Ａの回転方向の位置を初期状態にする。一例として、パワー密度の初期値は、４００ｋＷ／ｃｍ^２とする。

ステップＳＡ１〜ＳＡ４、ステップＳＡ７〜ＳＡ９は、実施例１の方法と共通である。ステップＳＡ４において、温度依存物理量がしきい値以上と判定された場合には、ステップＳＢ５において、アニール用レーザビームのパワー密度を低下させる。具体的には、半波長板２２Ａの回転方向の位置を変化させることにより、Ｐ成分の比率を少なくする。パワー密度を低下させることにより、表面温度の上昇を抑制し、表面温度が過度に上昇すること、及び表面の溶融を抑制することができる。パワー密度を低下させた後、ステップＳＡ２に戻る。すなわち、パワー密度を低下させた条件でレーザ照射を継続する。

図９に、ステージ３５が静止している状態でレーザ照射を行う間、すなわち図８のステップＳＢ０からステップＳＡ７までの間の温度変化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９中の太い実線、太い破線。細い実線。細い破線は、それぞれ表面温度、深さ１μｍの位置の温度、深さ２μｍの位置の温度、及び深さ３μｍの位置の温度を示す。長い破線は、処理対象物６０の厚さが１００μｍとしたときの背面の温度を示す。なお、処理対象物６０の背面は断熱状態であると仮定した。照射対象物６０はシリコンウエハとし、アニール用レーザビームの波長は８００ｎｍとした。

時刻０において、レーザ照射を開始する（ステップＳＡ１）。時刻ｔ１において、温度依存物理量がしきい値を超えると、パワー密度を低下させる（ステップＳＢ５）。表面から深い領域に流れる熱エネルギが、レーザ照射によって投入される熱エネルギよりも大きくなり、表面温度が低下し始める。熱エネルギが深さ方向に伝搬すると、深さ方向の温度分布が緩やかになる。表面から深い領域に流れる熱エネルギが、レーザ照射によって投入される熱エネルギよりも小さくなると、表面温度は再度上昇し始める。

温度依存物理量がしきい値を超えるたびに、パワー密度を低下させる。例えば、パワー密度を４００ｋＷ／ｃｍ^２、３００ｋＷ／ｃｍ^２、２４０ｋＷ／ｃｍ^２、１９５ｋＷ／ｃｍ^２の順に低下させる。これらのパワー密度の好適値は、予めシミュレーションにより算出しておくことができる。上述の各パワー密度は、温度依存物理量のしきい値を１６００Ｋに相当する値とし、パワー密度低下後の表面温度の極小値が１５６０Ｋになるように設定したものである。

時刻ｔ２において、規定の照射時間が経過すると、レーザ照射を停止する（ステップＳＡ７）。時刻ｔ２以降は、表面温度が低下する。

表面からの深さが１μｍの位置の温度は、表面温度の変化によく追随する。表面から深くなるに従って、表面温度の変化に追随する傾向が薄れ、温度変化が緩やかになる。照射開始時点から、時刻ｔ２までの期間は、いずれの深さにおいても、短時間の上下動はあるものの、温度は全体として上昇傾向を示す。

黒体放射強度Ｌ（λ，Ｔ）は、

と表される。ここで、λは波長、Ｔは温度、ｃ_１、ｃ_２は定数である。定数ｃ_２は、０．０１４４ｍ・Ｋである。温度１６００Ｋと１５６０Ｋとは、約２．５％の差しかないが、１６００Ｋの黒体放射強度は、１５６０Ｋの黒体放射強度の１．２９倍になる。このため、一旦１５６０Ｋまで低下した表面温度が、１６００Ｋまで上昇したことを、十分な精度で検出することが可能である。

実施例２においては、図６に示した実施例１の温度変化に比べて、表面温度や、極浅い領域の温度変化が緩やかである。表面温度の上下動が少ないため、より効率的にアニールを行うことができる。

［実施例３］
図１０に実施例３によるレーザアニール方法のフローチャートを示す。実施例１及び実施例２では、照射対象物を静止させてレーザ照射を行ったが、実施例３では、照射対象物を移動させながらレーザ照射を行う。以下、実施例１によるレーザアニール方法との相違点に着目して説明する。

まず、ステップＳＣ０において、照射対象物６０の行方向の移動を開始する。具体的には、走査機構３６を制御して、ステージ３５のＸ軸方向への移動を開始する。移動速度が目標速度に達したら、ステップＳＡ１においてレーザ照射を開始する。

ステップＳＣ２において、１行分の走査が終了したか否かを判定する。１行分の走査が終了していない場合には、ステップＳＡ３において、温度依存物理量の測定を行う。ステップＳＡ３からＳＡ６までの処理は、実施例１の場合と同様である。すなわち、レーザ照射の停止と再開とを繰り返しながら、１行分の走査が行われる。

ステップＳＣ２において、１行分の走査が終了したと判定された場合には、ステップＳＡ７において、レーザ照射を停止する。その後、ステップＳＣ８において、行方向の移動を停止する。ステップＳＣ９において、全行の走査が終了したか否かを判定する。全行の走査が終了した場合には、レーザアニール処理を終了する。未走査の行がある場合には、ステップＳＣ１０において、１行分ステージを移動し（副走査を行い）、ステップＳＣ０に戻って、未走査の行の主走査を開始する。

図１１Ａに、アニール用レーザビームのビームスポットと、参照用レーザビームのビームスポットとの位置関係を示す。アニール用レーザビームのビームスポット６１は、例えば、Ｙ軸方向に長い長方形である。Ｘ軸方向の寸法（以下、「ビーム幅」という。）Ｗｘは、例えば５０μｍである。アニール用レーザビームのビームスポット６１がＸ軸の正の向きに移動する（ステージ３５がアニール用レーザビームの経路に対してＸ軸の負の向きに移動する）場合、参照用レーザビームのビームスポット４５は、アニール用レーザビームのビームスポット６１の、進行方向（主走査方向）に関して後ろ側の縁（Ｘ軸の負の側の縁）に接する位置に配置される。ビームスポット４５の形状は、例えば直径１０μｍの円形である。

図１１Ｂに示すように、アニール用レーザビームのビームスポット６１の移動方向がＸ軸の負の向きである場合にも、参照用レーザビームのビームスポット４５は、進行方向（主走査方向）に関して後ろ側の縁（Ｘ軸の正の側の縁）に接する位置に配置される。すなわち、ビームスポット６１の移動方向が反転すると、ビームスポット６１とビームスポット４５との相対位置関係が変化する。

参照用レーザビームのビームスポット４５を、アニール用レーザビームのビームスポット６１の、走査方向後ろ側の縁に接する位置に配置することにより、ビームスポット６１内の表面温度の最も高い位置の溶融状態を検出することができる。

図１１Ｃに示すように、参照用レーザビームのビームスポット４５を、アニール用レーザビームのビームスポット６１の一方の縁から他方の縁まで、幅方向（主走査方向）に跨るように配置してもよい。ビームスポット４５内の一部の領域で溶融が始まると、ビームスポット４５内の平均の反射率が上昇するため、反射光の強度が強くなる。従って、走査方向の後ろ側の縁の近傍で溶融が始まったことを検出することができる。この場合には、走査方向が反転しても、参照用レーザビームのビームスポット４５の位置を移動させる必要はない。

黒体放射光の強度を測定する場合にも、図１１Ａ及び図１１Ｂに示した場合と同様に、アニール用レーザビームのビームスポット６１の、走査方向後ろ側の縁に接する位置からの黒体放射光を検出する。

図１２に、照射対象物６０の表面のうち、アニール用レーザビームのビームスポットが通過する点（以下、着目点という。）の温度変化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。照射対象物６０の表面におけるパワー密度は４００ｋＷ／ｃｍ^２とし、ビーム幅Ｗｘを５０μｍとし、走査速度を６５０ｍｍ／ｓとした。アニール用レーザビームのビームスポットが着目点を通過する時間は、約７７μｓになる。照射対象物６０はシリコンウエハとし、アニール用レーザビームの波長は８００ｎｍとした。

時刻０において、ビームスポットの走査方向の前方の縁が着目点に到達する。アニール用レーザビームのビームスポット内の走査方向後ろ側の温度が、上限値に達すると、レーザ照射を停止する（ステップＳＡ５）。一定の待機時間経過後、レーザ照射を再開する（ステップＳＡ１）。レーザ照射中に着目点の温度が上昇し、レーザ照射停止中には、着目点の温度が下降する。より長い時間範囲では、着目点の温度は上昇傾向を示す。照射開始から７７μｓ経過した時点で、ビームスポットが着目点から外れる。その後は、着目点の表面温度が低下する。

図１２に示した条件でアニールを行ったときの活性化の深さのシミュレーション結果は２μｍであった。

実施例３では、アニール用レーザビームのビームスポット内のうち、最も温度の高い部分の温度依存物理量が測定される。さらに、この温度依存物理量に基づいて、レーザ照射の停止及び再開が行われる。このため、照射対象物の表面の過度の温度上昇、及び表面の溶融を抑制することができる。

図１３に、着目点の表面温度が１６７３Ｋになった時点でビームスポットの走査方向後ろ側の縁が着目点に一致する条件を算出した結果を示す。横軸はパワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ^２」で表し、縦軸は走査速度を単位「ｍ／ｓ」で表す。なお、ビーム幅Ｗｘを５０μｍとした。

パワー密度が高くなると、表面温度の上昇速度が速くなる。表面温度が１６７３Ｋ以上にならないようにするためには、走査速度を速くしなければならない。例えば、パワー密度を４００ｋＷ／ｃｍ^２にした場合、表面の溶融を防止するためには、走査速度を４ｍ／ｓ以上にしなければならない。走査速度が速くなると、ステージ３５が一定速度に到達するまでの加速用のスペースと、ステージが停止するまでの減速用のスペースを確保しなければならない。このため、装置が大型化してしまう。

これに対し、実施例３による方法では、図１２に示したように、パワー密度を４００ｋＷ／ｃｍ^２とし、走査速度を６５０ｍｍ／ｓにしてアニールを行うことが可能である。このように、走査速度を遅くすることができるため、加速用及び減速用のスペースを小さくすることができる。これにより、装置の大型化を抑制することができる。

実施例３では、図１０のステップＳＡ５でレーザ照射を停止したが、完全に照射を停止させる代わりに、パワー密度を低下させてもよい。この場合、ステップＳＡ１においては、パワー密度を初期状態に戻せばよい。

図１４に、上記実施例１〜実施例３によるレーザアニール方法が適用されるＩＧＢＴの断面の模式図を示す。ＩＧＢＴは、ｎ型の半導体基板の一方の面にエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面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１４に示すように、ｐ型のベース領域７４、ｎ型のエミッタ領域７５、ゲート電極８１、ゲート絶縁膜８２、エミッタ電極８０を配置することにより、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ようになる。

半導体基板７１の反対側の面に、ｐ型のコレクタ層７３が形成されている。必要に応じて、コレクタ層７３と半導体基板７１との間に、ｎ型のバッファ層７２を形成してもよい。コレクタ層７３及びバッファ層７２は、それぞれ不純物としてボロン及びリンをイオン注入により注入し、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、上記実施例１〜３による方法が適用される。コレクタ電極８３が、活性化アニールの後に、コレクタ層７３の表面に形成される。

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。

１０ レーザ光源
２０ 遮断装置
２０Ａ パワー調節装置
２１ 制御装置
２２ 電気光学素子
２２Ａ 半波長板
２３ ビームスプリッタ
２４ ビームダンパ
２５ ビーム整形光学系
２６ 均一化光学系
３０ 折り返しミラー
３１ レンズ
３５ ステージ
３６ 走査機構
４０ 参照光光源
４１、４２ 折り返しミラー
４３ 参照光検出器
４５ 参照用レーザビームのビームスポット
５０ 集光レンズ
５１ 黒体放射検出器
６０ 照射対象物
６１ アニール用レーザビームのビームスポット
７０ シリコン基板
７１ ｎ⁻型の領域
７２ バッファ層
７３ コレクタ層
７４ ベース領域
７５ エミッタ領域
８０ エミッタ電極
８１ ゲート電極
８２ ゲート絶縁膜
８３ コレクタ電極

Claims (6)

1. 不純物が注入された半導体ウエハからなる照射対象物の表面へのレーザビームの入射を開始する工程と、
   前記レーザビームが前記照射対象物に入射している期間に、前記レーザビームが入射している領域の表面温度に依存する物理量である前記照射対象物の表面からの反射光の強度または黒体放射強度を測定する工程と、
   測定された前記物理量に基づいて、前記レーザビームの照射を停止するか否かの判定を行う工程と、
   前記レーザビームの照射を停止すると判定された場合には、前記レーザビームの照射を停止した後、ある待機時間経過後に、該レーザビームの照射を再開し、前記レーザビームの照射を停止させないと判定された場合には、前記レーザビームの照射を継続することにより前記不純物の活性化を行う工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 前記判定する工程において、前記物理量が、温度許容範囲の上限値に相当するしきい値を超えたことを検出すると、前記レーザビームの照射を停止すると判定する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に、不純物が注入された半導体ウエハからなる照射対象物を保持するステージと、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームが前記ステージに保持された照射対象物まで到達する状態と、到達しないように該レーザビームを遮断する状態とを切り替える遮断装置と、
   前記照射対象物のうち前記レーザビームが入射している位置の表面温度に依存する物理量である前記照射対象物の表面からの反射光の強度または黒体放射強度を測定する測定装置と
   を有し、
   前記遮断装置は、
   前記測定装置による前記物理量の測定結果に基づいて、前記レーザビームの照射を停止するか否かの判定を行い、
   前記レーザビームの照射を停止すると判定した場合には、前記レーザビームを遮断した後、ある待機時間経過後に、該レーザビームの照射を再開し、前記レーザビームの照射を停止させないと判定した場合には、前記レーザビームの照射を継続する不純物活性化レーザアニール装置。
4. さらに、前記ステージに保持された照射対象物の表面において、前記レーザビームの入射位置が移動するように、前記レーザビームの経路及び前記照射対象物の一方を他方に対して移動させる走査機構を有し、
   前記測定装置は、前記走査機構によって、前記レーザビームの経路及び前記照射対象物の一方が他方に対して移動している期間に、前記物理量を測定し、
   前記遮断装置は、前記走査機構によって、前記レーザビームの経路及び前記照射対象物の一方が他方に対して移動している期間に、前記レーザビームの照射を停止するか否かの判定を行なう請求項３に記載のレーザアニール装置。
5. レーザビームの経路に対して、不純物が注入された半導体ウエハからなる照射対象物の移動を開始する工程と、
   前記レーザビームの照射を開始する工程と、
   前記レーザビームが入射している領域の前記照射対象物の表面温度に依存する物理量である前記照射対象物の表面からの反射光の強度または黒体放射強度を測定する工程と、
   測定された前記物理量に基づいて、前記レーザビームの照射を停止するか否かを判定する工程と、
   前記レーザビームの照射を停止すると判定された場合には、前記照射対象物への前記レーザビームの照射を停止させた後、ある待機時間経過後に、前記レーザビームの照射を再開させ、前記レーザビームの照射を停止させない判定された場合には、前記レーザビームの照射をそのまま継続する工程と
   を有し、
   前記照射対象物の表面のうち前記レーザビームのビームスポットが通過するある着目点において、前記レーザビームの照射開始、照射停止を繰り返すことにより、前記不純物を活性化させる半導体装置の製造方法。
6. 前記判定する工程において、前記物理量が、温度許容範囲の上限値に相当するしきい値を超えたことを検出すると、前記レーザビームの照射を停止させると判定する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。