JP5595152B2 - レーザアニール方法 - Google Patents

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（ドーパント）を活性化させるレーザアニール方法に関する。

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。

パワーデバイス、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）、さら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、裏側から注入した不純物を活性化する。

ＩＧＢＴ製造において求められるシリコン基板の厚さは薄く、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。表側表面の構造や、貼付した保護シートへの影響を小さくして、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。

パルスレーザビームを照射して、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技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１には、たとえばレーザダイオード励起の固体パルスグリーンレーザ発振器を２台用い、２台のレーザ発振器から出射されるレーザパルスを、１０００ｎｓ以下の時間差を設けて半導体基板表面に照射し、添加された不純物を活性化させるレーザアニール方法が記載されている。

このレーザアニール方法を用いると、レーザパルスが極めて短い時間に基板に入射するため、たとえばＩＧＢＴの製造工程において、基板の表側表面を比較的低温に保ったまま、裏側の最表面をシリコンの融点前後まで加熱することが可能である。

しかしこの方法は、裏側表面から極めて浅い、たとえば５０ｎｍ以下の領域の不純物を活性化させるには有効であるが、たとえば裏側表面から数μｍという深い領域の不純物を十分に活性化させるのは困難である。レーザパルスが最長でも１μｓ程度という短時間で照射されるため、基板厚さ（深さ）方向の温度差が大きく、裏側最表面が融点を超える温度になっていても、たとえば裏側最表面から２μｍ〜５μｍ深さでは十分高温にはならず、この深さに添加されている不純物の活性化が不十分となる場合がある。

従来は、表面を溶融させるほどの高いエネルギを投入しても、活性化が可能な深さは１．５μｍ程度が限界であった。投入エネルギを増大させると、活性化深さとともに表面の溶融深さも深くなり、表層部に添加された不純物が意図しない深さまで拡散し、不都合を生じるためである。そこで表面の溶融深さを深くせず、活性化深さを深くする方法が求められていた。

表面の溶融深さを深くせず、活性化深さを深くする一手段として、パルスレーザビームのパルス幅を長くする方法が知られている。しかしながらレーザダイオード励起の固体パルスレーザ発振器は、パルス幅を自由に変えることができず、機体差はあるものの、高い出力が得られるパルス幅は１００ｎｓ〜２００ｎｓの範囲内のある特定の値に定まってしまう。この点に関し特許文献１記載のレーザアニール方法は、時間差を設けて２台のレーザ発振器からレーザパルスを出射し、実効的なパルス幅を長くして解決を図っている。３台、４台のレーザ発振器を用い同様のレーザアニールを行うことも可能であるが、装置コストが大幅に上昇するという問題が生じる。

レーザダイオード励起の固体パルスレーザ発振器は、Ｑスイッチに入力される信号によってレーザビームを発振する。短時間に２つの信号をＱスイッチに入力することにより、短い間隔で２つのレーザパルスを発生させることができる固体パルスレーザ発振器が市販されている（たとえば、非特許文献１参照）。

非特許文献１記載の固体パルスレーザ発振器から発振されるレーザパルスのパルス幅は１５０ｎｓ程度、パルス間隔は１μｓ〜１５０μｓである。このため、このレーザ発振器１台のダブルパルス（短間隔で出射される２つのレーザパルス）のみでは、十分な加熱時間を確保し高品質のレーザアニールを実現することは困難である。

なお、短時間に２つの信号をＱスイッチに入力することで発生される２つのレーザパルスの各々が有するパルスエネルギは、１つの信号の入力により発生されるレーザパルスの約半分となる。

特開２００６−１５６７８４号公報

（株）コヒレント プロダクツガイド２００９／２０１０ ｐ．３６

本発明の目的は、高品質のアニールを実現可能なレーザアニール方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
（ａ）表層部に第１の不純物が添加され、前記第１の不純物が添加された領域より深い領域に前記第１の不純物とは異なる第２の不純物が添加された半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記不純物が添加された領域に、１周期ごとに少なくとも４つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを、前記半導体基板を移動させながら、ある周期で繰り返し入射させ、添加されている不純物を活性化させる工程と
を有し、
前記工程（ｂ）において、１μｓ〜２．５μｓの時間差を設けて複数のレーザパルスを出射する第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源から、それぞれ２つ以上のレーザパルスを出射して、レーザパルス間の各入射遅延時間が１０００ｎｓ以下となる条件で、前記半導体基板にパルスレーザビームを入射させることにより、前記半導体基板の前記表層部の
うち相対的に浅い領域を溶融させて、前記第１の不純物を活性化させるとともに、前記表層部のうち溶融しなかった相対的に深い領域においては、温度を少なくとも１２７３Ｋまで到達させることにより、前記第２の不純物を活性化させるレーザアニール方法が提供される。

本発明によれば、高品質のアニールを実現可能なレーザアニール方法を提供することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、第１のシミュレーションについて説明するための図である。 第２のシミュレーションの結果を示すグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第３のシミュレーションについて説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第４のシミュレーションについて説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第５のシミュレーションについて説明するための図である。 変形例によるレーザパルスの出射タイミングを示すタイミングチャートである。 実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施例によるレーザアニール方法を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、レーザパルスの照射完了を示す、または照射完了と対応する信号について説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、制御装置４０からパルスレーザ光源２１、２２に送信されるトリガ信号について説明するための図である。 実施例によるレーザアニール装置の構成を応用したレーザドリル装置を示す概略図である。

本願発明者は、レーザパルスを照射して実施するレーザアニールに関し、温度シミュレーションを行った。以下に示す第１〜第５のシミュレーションにおけるレーザ発振器はすべてＮｄ：ＹＬＦレーザ発振器であり、出射されるレーザパルスはすべてパルス幅１５０ｎｓのＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（波長５２７ｎｍ）である。

図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照し、第１のシミュレーションについて説明する。

図１（Ａ）に示すように、第１のシミュレーションにおいては、２台のレーザ発振器、レーザ１及びレーザ２から各々１ショットのレーザパルスを出射し、シリコン基板の同一領域に照射する。両レーザパルスの出射間隔（シリコン基板に入射する両レーザパルスの入射遅延時間）は５００ｎｓとした。また、両レーザパルスは、それぞれパルスエネルギ密度１．８Ｊ／ｃｍ^２でシリコン基板に照射されるものとした。

図１（Ｂ）は、シリコン基板の温度の時間変化を示すグラフである。グラフの横軸は、１ショットめのレーザパルス入射時を基準時として、基準時からの経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は、基板温度を単位「Ｋ」で表す。曲線ａは、レーザ照射面（基板最表面）の温度の時間変化を示す。曲線ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆはそれぞれ、レーザ照射面からの深さが、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍの位置のシリコン基板温度の時間変化を示す。

曲線ａから、基板最表面はシリコンの融点（１６８５Ｋ）を超え、溶融することがわかる。一方、曲線ｃを参照すると、最表面からの深さが２μｍの位置のシリコン基板の温度は約１２００Ｋまでしか到達しないため、この位置に添加されている不純物は十分には活性化されない。なお、基板温度が約１０００℃（１２７３Ｋ）に達した場合には、不純物が十分に活性化されると考えられる。

本願発明者は、投入エネルギを増加させて第２のシミュレーションを行った。第２のシミュレーションにおいては、シリコン基板への投入エネルギ（各レーザパルスの基板照射面におけるパルスエネルギ密度）を、第１のシミュレーションの場合の約１．２倍である２．２Ｊ／ｃｍ^２とした。その他の条件は、第１のシミュレーションと等しい。

図２は、第２のシミュレーションの結果を示すグラフである。グラフの両軸及び曲線ａ〜ｆの表すところは図１（Ｂ）のグラフにおけるそれらと等しい。曲線ｃから、２μｍ深さの温度は、不純物の十分な活性化が可能な約１０００℃（１２７３Ｋ）に到達していることがわかる。しかし曲線ａから、レーザ照射面（基板最表面）の温度も上昇し、シリコン基板の溶融深さが大幅に深くなることもわかる。

図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照し、第３のシミュレーションについて説明する。

図３（Ａ）に示すように、第３のシミュレーションにおいては、１台のＮｄ：ＹＬＦレーザ発振器に対し、たとえば１０００ｎｓの時間差を設けて２つの信号をＱスイッチに入力して、２ショットのレーザパルスを出射させ、シリコン基板の同一領域に入射させた。両レーザパルスの出射間隔は１０００ｎｓである。両レーザパルスは、それぞれ１．１Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でシリコン基板に照射される。

図３（Ｂ）に、第３のシミュレーションの結果を示す。グラフの両軸及び曲線ａ〜ｆの表すところは図１（Ｂ）のグラフにおけるそれらと等しい。グラフから、２ショットめのレーザパルスの基板入射時には、基板温度の低下が生じ、十分なアニール効果が得られないことがわかる。これは、１台のレーザ発振器に、短時間のうちに２つのトリガ信号を入力して、２ショットのレーザパルスを出射させた場合、１ショット当たりのパルスエネルギが、トリガ信号を１つだけ入力して発生するレーザパルスの約半分となるためである。また、２つのレーザパルスの照射間隔が１０００ｎｓと長いためでもある。

１台のレーザ発振器のみを用い、たとえば１０００ｎｓ以下の時間差を設け、複数ショットのレーザパルスを出射し、レーザアニールを行った場合、レーザ発振器の出力等の関係から、安定的に高品質のレーザアニールを実現することは困難である。

図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照し、第４のシミュレーションについて説明する。

図４（Ａ）に示すように、第４のシミュレーションにおいては、２台のレーザ発振器、レーザ１及びレーザ２のそれぞれに２つのトリガ信号を、１０００ｎｓの時間差を設けて入力し、各レーザ発振器から２ショットのレーザパルスを１０００ｎｓの間隔で出射させ、合計４ショットをシリコン基板の同一領域に入射させる。ここで、レーザ１から１ショットめのレーザパルスが発振された５００ｎｓ後に、レーザ２から１ショットめのレーザパルスを発振させることとした。シリコン基板には、各々５００ｎｓの間隔で、順にレーザ１の第１ショット、レーザ２の第１ショット、レーザ１の第２ショット、レーザ２の第２ショットが入射する。４ショットのレーザパルスは、それぞれ１．１Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でシリコン基板に照射される。

図４（Ｂ）に、第４のシミュレーションの結果を示す。グラフの両軸及び曲線ａ〜ｆの表すところは図１（Ｂ）のグラフにおけるそれらと等しい。第４のシミュレーションにおいては、第３のシミュレーションとは異なり、レーザ照射面（基板最表面）の温度が下がる前に次のレーザパルスが順次入射するため、基板表面温度がシリコンの融点付近に長時間保たれ、基板の深い位置の温度も上昇して、たとえば曲線ｃを参照すると、２μｍ深さの温度は１３２０Ｋに達することがわかる。なお、このシミュレーションにおけるシリコン基板の最大溶融深さは０．３μｍ程度であった。第４のシミュレーションによるレーザアニールによれば、溶融深さを浅く保ち、深い位置、たとえば２μｍを超える深さに添加された不純物を十分に活性化することができる。第２のシミュレーションと比べ、照射面における各レーザパルスのパルスエネルギ密度は１／２となるが、レーザアニールの効果を高めることが可能である。第４のシミュレーションによるレーザアニール方法によれば、実効的に２μｓ程度のパルス幅のパルスレーザビームを照射した場合に相当する加熱時間が得られ、深い位置の基板温度を高くすることができるため、深い位置に添加された不純物を十分に活性化することが可能である。

図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照し、第５のシミュレーションについて説明する。

図５（Ａ）に示すように、第５のシミュレーションにおいては、３台以上、たとえば３台のレーザ発振器、レーザ１、レーザ２、及びレーザ３のそれぞれに２つのトリガ信号を入力し、各レーザ発振器から２ショットのレーザパルスを短時間のうちに出射させ、合計６ショットをシリコン基板の同一領域に入射させる。レーザ１の第１ショットのレーザパルス発振時を基準とし、５００ｎｓ後にレーザ２の第１ショット、１０００ｎｓ後にレーザ３の第１ショット、１６００ｎｓ後にレーザ１の第２ショット、２４００ｎｓ後にレーザ２の第２ショット、３４００ｎｓ後にレーザ３の第２ショットを発振した。シリコン基板には、ショット間の入射遅延時間が直前のショット間の入射遅延時間以上となる条件、たとえばこの場合は順に５００ｎｓ、５００ｎｓ、６００ｎｓ、８００ｎｓ、１０００ｎｓの間隔でレーザパルスが入射する。なお、６ショットのレーザパルスは、それぞれ１．１Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でシリコン基板に入射するものとした。

図５（Ｂ）に、第５のシミュレーションの結果を示す。グラフの両軸及び曲線ａ〜ｆの表すところは図１（Ｂ）のグラフにおけるそれらと等しい。曲線ａから、第５のシミュレーションにおいても、第４のシミュレーションと同様に、基板表面温度がシリコンの融点付近に長時間保たれることがわかる。また曲線ｄから、３μｍ深さの温度が１２７３Ｋに達し、深さ３μｍの位置まで十分な不純物活性化が行われることがわかる。第５のシミュレーションによるレーザアニール方法によれば、実効的に４μｓ程度のパルス幅のパルスレーザビームを照射した場合に相当する加熱時間が得られ、深い位置の基板温度を高くすることができるため、深い位置に添加された不純物を十分に活性化することが可能である。

また、第５のシミュレーションによるレーザアニール方法によれば、３台以上のレーザ発振器を用い、各レーザ発振器から短時間に２ショット以上のレーザパルスを出射して、６ショット以上のレーザパルスを順次シリコン基板に投入することにより、殊に、ショット間の入射遅延時間が直前のショット間の入射遅延時間以上となる条件で、レーザパルスの投入を行うことにより、表面近傍の溶融深さを４ショット投入時（第４のシミュレーション）と等しくし、さらに深い位置の不純物活性化を実現することが可能となる。ただしこの場合、３台以上のレーザ発振器を使用することによるコストアップや、レーザアニール装置の光学系が複雑になる等の問題が生じうるであろう。

なお、１つのレーザ発振器のＱスイッチに入力する信号を３つ以上にし、１つのレーザ発振器から短い時間間隔で３ショット以上のレーザパルスを発振させてもよい。

図６は、変形例によるレーザパルスの出射タイミングを示すタイミングチャートである。たとえば２台のレーザ発振器、レーザ１及びレーザ２のそれぞれに３つのトリガ信号を、１０００ｎｓの時間差を設けて入力し、各レーザ発振器から３ショットのレーザパルスを１０００ｎｓの間隔で出射させ、合計６ショットをシリコン基板の同一領域に入射させる。ここで、レーザ２の第１ショットは、レーザ１の第１ショットの５００ｎｓ後に発振させる。シリコン基板には、各々５００ｎｓの間隔で、順にレーザ１の第１ショット、レーザ２の第１ショット、レーザ１の第２ショット、レーザ２の第２ショット、レーザ１の第３ショット、レーザ２の第３ショットが入射する。

レーザパルス１ショットあたりのパルスエネルギは、短時間に１つのレーザ発振器に入力されるトリガ信号の数に反比例する。このため変形例によるレーザアニール方法によれば、高出力のレーザ発振器を使用する必要があるが、１つのレーザ発振器から短い時間間隔で３ショット以上のレーザパルスを出射することにより、少ないレーザ発振器で多数のレーザパルスをシリコン基板に入射させることが可能となり、レーザアニール装置の光学系を複雑化させることなく、溶融深さを浅く保って、深い位置に添加された不純物を活性化させることができる。

図７は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。プロセスチャンバ１０内にＸＹステージ１１が収容され、ＸＹステージ１１に、アニール対象物であるシリコン基板１が保持されている。シリコン基板１の上方に、レーザビームを透過させる窓１３が取り付けられている。プロセスチャンバ１０内は、窒素雰囲気にすることができる。

第１のパルスレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビームが、可変減衰器２３を通過し、折り返しミラー２６で反射されて偏光ビームスプリッタ２７に入射する。第２のパルスレーザ光源２２から出射されたパルスレーザビームが、可変減衰器２４及び１／２波長板２５を通過して、偏光ビームスプリッタ２７に入射する。第１及び第２のパルスレーザ光源２１及び２２は、波長５２７ｎｍの第２高調波を出射するＮｄ：ＹＬＦレーザである。Ｎｄ：ＹＬＦレーザの他に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザの第２高調波を出射するパルスレーザ光源を用いてもよい。その他、種々のパルスレーザ光源を用いることができる。

第１のパルスレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２７に対してＳ偏光となるように調整されている。第２のパルスレーザ光源２２から出射されたパルスレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２７に対してＰ偏光になるように調整されている。

偏光ビームスプリッタ２７は、入射する２つのパルスレーザビームを、共通の経路に沿って伝搬させる。共通の経路を伝搬するパルスレーザビームは、高速シャッタ２８、ビームエキスパンダ２９、ホモジナイザ３０、折り返しミラー３１、マスク３２、集光レンズ３３、及びプロセスチャンバ１０に設けられた窓１３を経由して、シリコン基板１に入射する。

ビームエキスパンダ２９は、パルスレーザビームのビーム径を拡大する。ホモジナイザ３０は、マスク３２の配置された位置におけるビーム断面が、一方向に長い直線状になり、かつ長尺方向に関する強度が均一になるように、パルスレーザビームを整形する。マスク３２は、その位置におけるビーム断面の不要部分を遮蔽する。集光レンズ３３は、マスク３２の位置におけるビーム断面を、シリコン基板１の表面に結像させる。結像倍率は、たとえば１倍である。レーザビームはたとえば矩形状の入射領域を形成して、シリコン基板１に入射する。

制御装置４０が、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２、高速シャッタ２８、及びＸＹステージ１１を制御する。第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２の発振のタイミングを制御することにより、第１のパルスレーザ光源２１、第２のパルスレーザ光源２２の一方から出射されたパルスレーザビームの１つのレーザパルスがシリコン基板１に入射してから、他方から出射されたパルスレーザビームの１つのレーザパルスがシリコン基板１に入射するまでの遅延時間を所望の値に設定することができる。また、第１のパルスレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビームの１つのレーザパルスがシリコン基板１に入射してから、他の１つのレーザパルスがシリコン基板１に入射するまでの遅延時間を所望の値に設定することが可能である。更に、第２のパルスレーザ光源２２についても同様の制御を行うことができる。

制御装置４０でＸＹステージ１１を制御し、シリコン基板１の表面における矩形状ビーム断面の短軸方向にシリコン基板１を移動させることにより、ビーム断面の長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。シリコン基板１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、シリコン基板１の全面をアニールすることができる。

図８は、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２を示す概略図である。第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２はそれぞれ、光共振器の両端ミラーを構成するエンドミラー５０、６０、アウトプットカプラ５４、６４、光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体５１、６１、Ｑスイッチ５２、６２、シャッタ５３、６３を含む、Ｑスイッチレーザ発振器である。また、アウトプットカプラ５４、６４を出射したビームの光路上に配置される非線形光学結晶５５、６５を含む。更に、励起光源５６、６６、ＬＤドライバ５８、６８、及びＲＦドライバ５９、６９を含んで構成される。

ここでは非線形光学結晶５５、６５は、エンドミラー５０、６０とアウトプットカプラ５４、６４の外部に設置されているが、エンドミラー５０、６０とアウトプットカプラ５４、６４との間に設置しても構わない（イントラキャビティ構造）。この際、各光学素子の配置や特性は、必要に応じて変更することが望ましい。

エンドミラー５０、６０は、たとえば全反射ミラーであり、アウトプットカプラ５４、６４は、レーザ出力側に配置される出力ミラーである。アウトプットカプラ５４、６４の反射率は、１００％未満の最適な値に設計する必要がある。

レーザ媒体５１、６１は、たとえばＮｄ：ＹＬＦロッド、Ｎｄ：ＹＡＧロッド、Ｎｄ：ＹＶＯ_４ロッドであるが、ディスク型のレーザ媒体を用いてもよい。

励起光源５６、６６は、たとえばレーザダイオード(laser diode; LD)を含んで構成される。レーザダイオードから出射したレーザビームは、励起効率を向上させるために、たとえば集光レンズにより集光されてレーザ媒体５１、６１に照射される。レーザダイオードに代えてフラッシュランプを用いることもできる。

ＬＤドライバ５８、６８は、レーザダイオード（ＬＤ）の発光を制御する電気信号を生成し、励起光源５６、６６に送信する。

レーザ媒体５１、６１は、励起光源５６、６６からの励起光によって励起されて、光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅する。

Ｑスイッチ５２、６２は、たとえば音響光学素子を含んで構成され、光共振器のＱ値を変化させる。音響光学素子には、ＲＦドライバ５９、６９で生成された高周波電気信号ＲＦが印加される。電気信号ＲＦが印加された音響光学素子内部には超音波が発生し、これが回折格子として作用して、入射光の一部を偏向して出射する。電気信号ＲＦの印加によって光共振器のＱ値が変化し、レーザ媒体５１、６１中にエネルギが蓄積される。電気信号ＲＦの印加を解除すると、Ｑスイッチ５２、６２は開いて、アウトプットカプラ５４、６４側からレーザビーム（Ｎｄ：ＹＬＦレーザの基本波波長１０５４ｎｍ）が出射する。Ｎｄ：ＹＬＦレーザの基本波は、非線形光学結晶５５、６５によって波長を変換され、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（波長５２７ｎｍ）が筐体５７、６７から出射される。

筐体５７、６７からのレーザビームの出射の制御は、シャッタ５３、６３の開閉によって行うことができる。シャッタ５３、６３の開閉は、制御装置４０からの制御信号によって行われる。

制御装置４０は、シャッタ５３、６３に制御信号を送信するほか、ＬＤドライバ５８、６８及びＲＦドライバ５９、６９に制御信号を送り、励起光源（レーザダイオード）５６、６６の発光、及び、Ｑスイッチ（音響光学素子）５２、６２におけるレーザ光の偏向を制御する。制御装置４０から、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２に入力され、各パルスレーザ光源２１、２２からレーザパルスを発生させるトリガ信号は、たとえば制御装置４０からＲＦドライバ５９、６９に送信され、電気信号ＲＦの印加を解除して、Ｑスイッチ５２、６２を開く制御信号である。

制御装置４０から第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２に送信される個々のトリガ信号（Ｑスイッチ５２、６２に入力する制御信号）に対応して、各々のパルスレーザ光源２１、２２から各レーザパルスが出射する。

図９（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、実施例によるレーザアニール装置を用いたレーザアニール方法（実施例によるレーザアニール方法）を説明する。

実施例によるレーザアニール方法においては、まず表層部に不純物が添加された半導体基板を準備する。半導体基板の表層部はシリコンで形成されている。半導体基板はたとえば裏面表層部に不純物が添加されたシリコンウエハ（シリコン基板１）である。

シリコン基板１の厚さは、たとえば１００μｍである。シリコン基板１の表側の表層部には、ＩＧＢＴのエミッタ領域及びゲート領域が画定されている。また裏側の表層部には、ｐ型不純物、たとえばホウ素（Ｂ）の注入によるコレクタ領域、及び、ｎ型不純物、たとえばリン（Ｐ）の注入によるフィールドストップ領域が画定されている。フィールドストップ領域は、リン（Ｐ）をたとえば７００ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入することで形成される。コレクタ領域は、その後、ホウ素（Ｂ）をたとえば４０ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入することで形成することができる。

図９（Ａ）は、シリコン基板１裏面側の不純物デプスプロファイルを示すグラフである。グラフの横軸は、シリコン基板１の裏面最表面からの深さを、リニアな目盛りにより単位「μｍ」で表す。グラフの縦軸は、添加された不純物の濃度を、対数目盛りにより単位「ａｔｏｍｓ／ｃｃ」で表す。

ホウ素（Ｂ）の濃度がピークとなる位置は、裏面最表面から０．３μｍの深さであることがわかる。また、リン（Ｐ）の濃度がピークとなる位置は、裏面最表面から０．９μｍの深さであることもわかる。更に、リン（Ｐ）の注入深さのテールは、裏面最表面から２μｍに及ぶ。

図９（Ｂ）に、第１及び第２のパルスレーザ光源２１、２２から出射されるレーザパルスの出射タイミングを示す。両パルスレーザ光源２１、２２は、前述のように、励起媒体にＮｄ：ＹＬＦを用いたＬＤ励起固体パルスグリーンレーザである。また、両パルスレーザ光源２１、２２から出射されるレーザパルスは、たとえば長軸方向２．５ｍｍ、短軸方向０．２５ｍｍの矩形状入射領域を形成して、シリコン基板１の不純物が添加された領域に入射する。

制御装置４０からの制御信号により、図示するように、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２のそれぞれから、１０００ｎｓの時間間隔で２つのレーザパルスを発振させ、両光源２１、２２からのレーザパルスを交互に、４つのレーザパルスを５００ｎｓ間隔で、連続的にシリコン基板１の実質的に同一の領域に入射させた。４つの連続パルスは、１ｍｓの周期で繰り返し出射した。１周期ごとに４つのレーザパルスを含むパルスレーザビームがシリコン基板１に照射される。各レーザパルスの、シリコン基板１表面におけるパルスエネルギ密度は１．１Ｊ／ｃｍ^２となるように、可変減衰器２３、２４でレーザビームの光量を調整した。なお、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２から出射されるレーザパルスのパルス幅は約１４０ｎｓであった。

図９（Ｃ）を参照する。制御装置４０でＸＹステージ１１を制御し、矩形状ビームの短軸方向にシリコン基板１を移動させながら、ビーム幅の６６．６％をオーバーラップさせて照射を繰り返し、シリコン基板１の端部まで照射したところで、長軸方向に５０％オーバーラップさせるように、１．２５ｍｍだけシリコン基板１を移動させる。そして更に短軸方向にシリコン基板１を移動させながら、６６．６％のオーバーラップ率でレーザ照射を行う。このステージ動作を繰り返してシリコン基板１の裏側表面全体にパルスレーザビームを照射する。

シリコン基板１の裏側表面へのパルスレーザビームの照射により、基板１全面について、コレクタ領域に注入された不純物（Ｂ）、及び、フィールドストップ領域に注入された不純物（Ｐ）の活性化アニールが行われる。

アニール後のシリコン基板１を用いて広がり抵抗測定を行い、キャリア濃度を測定することで不純物活性化の状態を知ることができる。実施例によるレーザアニール方法によれば、ホウ素、リンともにほぼ１００％の活性化を実現することができる。また、アニール後のシリコン基板１のＳＩＭＳプロファイルから、シリコン基板１の溶融深さを測定することができる。実施例によるレーザアニール方法によれば、レーザ照射面（裏側表面）からの溶融深さを０．２μｍ程度の浅さにして、活性化アニールを行うことができるため、ボロンの拡散を防止し、高品質のレーザアニールを行うことが可能である。

第１の比較例によるレーザアニールについて説明する。第１の比較例は、図２を参照して説明した第２のシミュレーションと同様の照射条件でレーザビームを照射して行うレーザアニールである。すなわち２台のレーザ発振器から各々１ショットのレーザパルスを５００ｎｓ間隔で出射し、実施例と等しい基板であるシリコン基板１に連続的に照射する。各レーザパルスのパルス幅は約１５０ｎｓ、基板１照射面におけるパルスエネルギ密度は、２．２Ｊ／ｃｍ^２とした。レーザアニールにおいては、２つの連続パルスを、１ｍｓの周期で繰り返し発振させた。オーバーラップ率等、シリコン基板１の移動は実施例と等しい条件とした。

第１の比較例においても、ホウ素、リンともにほぼ１００％の活性化を実現することができる。しかしながら、シリコン基板１の溶融深さが０．７μｍ程度となり、ボロンが大きく拡散することがわかった。

第２の比較例によるレーザアニールについて説明する。第２の比較例は、基板１照射面におけるレーザパルスのパルスエネルギ密度が１．５Ｊ／ｃｍ^２である点で第１の比較例と異なる。その他の条件はすべて第１の比較例と等しい。

第２の比較例によるレーザアニールによれば、実施例と同様に、溶融深さを０．２μｍ程度にすることができる。しかしボロンの活性化率は約８０％となる。またリンは１μｍより深い位置の活性化が不十分で、活性化率は約４０％となる。

これらより、実施例によるレーザアニール方法は、溶融深さを浅く保ちつつ、深い位置に添加された不純物を十分に活性化させることのできるレーザアニール方法、高品質のレーザアニールを実現することができるレーザアニール方法であることがわかる。実施例によるレーザアニール装置を用いると、低コストの装置構成で、高品質のレーザアニールを実施することが可能である。

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。

たとえば、レーザパルスの出射態様は、図９（Ｂ）に示す実施例、及びこれとほぼ等しい図４（Ａ）に示す例に限らず、図５（Ａ）、（Ｂ）及び図６を参照して説明した態様でもよい。

また、実施例では、制御装置４０は、１つの周期において、１つのパルスレーザ光源から１０００ｎｓの間隔でレーザパルスが出射されるように各レーザ光源２１、２２にトリガ信号を送信したが、１つの周期について、各パルスレーザ光源２１、２２が１μｓ〜２．５μｓの間隔でレーザパルスを出射する（各パルスレーザ光源２１、２２からのレーザパルスが、シリコン基板１に１μｓ〜２．５μｓの時間差で入射する）ように、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２からのレーザパルスの出射を制御してもよい。

なお、実施例においては、レーザ光源２１、２２をＱスイッチ固体レーザとしたが、Ｑスイッチ固体レーザに限らず、広く１μｓ〜２．５μｓの時間差を設けて複数のレーザパルスを出射可能なレーザ光源を用いることができる。

更に、実施例では、制御装置４０は、１つの周期において、５００ｎｓの間隔でシリコン基板１に複数のレーザパルスが入射するように、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２からのレーザパルス出射を制御したが、１つの周期について、３００ｎｓ〜１０００ｎｓの間隔、より好ましくは５００ｎｓ〜７００ｎｓの間隔で、シリコン基板１に複数のレーザパルスが入射するように、複数のレーザ光源からのレーザパルスの出射を制御することができる。

また、実施例においては、パルス幅１４０ｎｓのＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（波長５２７ｎｍ）を用いてレーザアニールを行ったが、たとえばパルス幅１００ｎｓ〜２００ｎｓ、波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍのレーザパルスを用いても同様の効果を奏することができるであろう。

ＸＹステージ１１の制御については、たとえば以下のように行う。

まず、１周期分のレーザパルス（図９（Ｂ）においては４ショット）を、シリコン基板１の同一位置に入射させる実施例の場合、第１のパルスレーザ光源２１の１ショットめ、第２のパルスレーザ光源２２の１ショットめ、第１のパルスレーザ光源２１の２ショットめ、第２のパルスレーザ光源２２の２ショットめの４ショットが、シリコン基板１に照射された後にＸＹステージ１１を移動させる。この場合、４ショットのレーザパルスの照射完了を示す、またはこれと対応する信号が制御装置４０に送られる構成とすることができる。制御装置４０は、受信した信号に基づいてＸＹステージ１１を移動させ、次の周期の照射準備を行う。制御装置４０は、たとえばシリコン基板１上におけるレーザパルスの照射位置（ＸＹステージ１１の位置）と１周期分（４ショット）のレーザパルスの照射タイミングとが関連づけられたマップを記憶している。

また、１ショットごとにＸＹステージ１１を移動させることも可能である。たとえば第１のパルスレーザ光源２１の１ショットめがシリコン基板１に照射された後にＸＹステージ１１を移動させ、移動完了後、第２のパルスレーザ光源２２の１ショットめをシリコン基板１に入射させる。この場合、制御装置４０は、たとえばシリコン基板１上におけるレーザパルスの照射位置（ＸＹステージ１１の位置）と１ショットごとのレーザパルスの照射タイミングとが関連づけられたマップを記憶し、１ショットのレーザパルスの照射完了を示す、またはこれと対応する信号に基づいてＸＹステージ１１を移動させ、次のショットの照射準備を行う。

このように、１周期（４ショット）内でオフラインまたはオンラインの別はあっても、制御装置４０は、シリコン基板１上におけるレーザパルスの照射位置（ＸＹステージ１１の位置）とレーザパルスの照射タイミングとの関係を記憶する記憶装置、たとえばメモリを備える。

記憶装置に、たとえばシリコン基板１上におけるレーザパルスの照射位置（ＸＹステージ１１の位置）が、レーザパルスの照射タイミングと関連づけられず記憶されている場合もある。この場合、たとえば、ＸＹステージ１１は、レーザパルスの照射タイミングとは無関係に、予め定められた動作を行い、第１、第２のパルスレーザ光源２１、２２は、ステージ動作とは関係なく、予め定められたタイミングでレーザパルスを出射する。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）を参照し、レーザパルスの照射完了を示す、または照射完了と対応する信号について説明する。

図１０（Ａ）に示す構成においては、レーザパルスの照射位置近傍にＣＣＤカメラ７０が配置される。ＣＣＤカメラ７０は、入射光の光強度を検出する光強度検出器である。検出された光強度は、制御装置４０に送信される。制御装置４０は、たとえば受信した光強度信号の時間変化に基づいて、シリコン基板１にレーザパルスが照射されたか否かの判定を行い、照射されたと判定された場合にＸＹステージ１１を動作させる。

図１０（Ｂ）に示す構成においては、直接的にレーザパルスの照射完了を示す信号ではなく、それと対応する信号が検出される。本図に示す例では、高速シャッタ２８とビームエキスパンダ２９との間のレーザビームの光路上に、レーザビームの一部、たとえば数％を分岐する分岐光学系７１が配置される。分岐光学系７１によって、計測用レーザビームと、ＸＹステージ１１に進行する加工用レーザビームとが分岐生成される。計測用レーザビームは、ＣＣＤカメラ７０に入射する。ＣＣＤカメラ７０で検出される光強度信号は、制御装置４０に送信され、制御装置４０は、その時間変化に基いて、分岐光学系７１の設置位置をレーザパルスが通過したか否かを判定する。そしてたとえばレーザパルスの通過完了を照射完了と同視して、ＸＹステージ１１を移動させる。

図１０（Ａ）または図１０（Ｂ）に示す構成においては、第１のパルスレーザ光源２１から出射したレーザパルス、第２のパルスレーザ光源２２から出射したレーザパルスの双方が検出される。したがってたとえば、予めシリコン基板１へのレーザパルスの照射間隔を５００ｎｓと決定し、レーザ光源２１、２２に入力するトリガ信号のタイミングを定めておかなくても、第１のパルスレーザ光源２１から出射したレーザパルスの照射が完了した後（照射完了を検出した後）に、第２のパルスレーザ光源２２にトリガ信号を送信し、第２のパルスレーザ光源２２から出射したレーザパルスの照射が完了した後（照射完了を検出した後）に、第１のパルスレーザ光源２１にトリガ信号を送信する制御を行うことが可能である。

図１０（Ｃ）に示す例においては、分岐光学系７１が、第１のパルスレーザ光源２１と可変減衰器２３との間の光路上に配置されている。分岐光学系７１によって分岐生成された計測用レーザビームは、ＣＣＤカメラ７０に入射する。ＣＣＤカメラ７０で検出された光強度信号は、制御装置４０に送信され、制御装置４０は、その時間変化に基いて、分岐光学系７１の設置位置をレーザパルスが通過したか否かを判定する。そしてたとえばレーザパルスの通過完了を照射完了と同視して、第２のパルスレーザ光源２２にトリガ信号を送信し、第２のパルスレーザ光源２２からレーザパルスを出射させる。図１０（Ｃ）に示す構成によれば、第１のパルスレーザ光源２１から出射したレーザパルスの照射完了に基いて、第２のパルスレーザ光源２２からのレーザパルスの出射を制御することができる。

なお、分岐光学系７１を、たとえば第２のパルスレーザ光源２２と可変減衰器２４との間の光路上に配置した場合には、第２のパルスレーザ光源２２から出射したレーザパルスの照射完了に基いて、第１のパルスレーザ光源２１からのレーザパルスの出射を制御することが可能である。

図１１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、制御装置４０からパルスレーザ光源２１、２２に送信されるトリガ信号について説明する。実施例においては、図１１（Ａ）に示すように、第１のパルスレーザ光源２１へのトリガ信号と、第２のパルスレーザ光源２２へのトリガ信号とは、制御装置４０から各光源２１、２２へ独立して送信される。

図１１（Ｂ）に示すように、たとえば信号の入力タイミングを５００ｎｓだけ遅らせるホルダ７２を用い、一つの信号で、両光源２１、２２からレーザパルスを出射させる構成とすることもできる。本図に示す構成によれば、第１のパルスレーザ光源２１へのトリガ信号と等しいトリガ信号が、５００ｎｓ後に第２のパルスレーザ光源２２に入力され、第１のパルスレーザ光源２１からレーザパルスが出射された５００ｎｓ後に、第２のパルスレーザ光源２２からレーザパルスが出射される。

図１２は、実施例によるレーザアニール装置の構成を応用したレーザドリル装置を示す概略図である。たとえば図７に示す構成は、レーザアニールだけでなく、本図に示すレーザドリル等他のレーザ加工装置に応用可能である。

図１２に示すレーザドリル装置は、図７のレーザアニール装置とは、高速シャッタ２８より下流に位置する伝搬光学系の構成において異なる。本図のレーザドリル装置においては、偏光ビームスプリッタ２７を出射したレーザビームは、高速シャッタ２８を経由して、透光領域と遮光領域とを備えるマスク７３に入射する。マスク７３の透光領域を透過したレーザビームは、走査光学系であるガルバノスキャナ７４で出射方向を変化され、ｆθレンズ７５で集光されて、ＸＹステージ１１上に保持された加工対象物であるプリント基板８０に入射する。マスク７３の透光領域の位置におけるレーザビームの像が、ｆθレンズ７５によりプリント基板８０上に結像される。プリント基板８０は、たとえば第１銅層、ガラス繊維の含まれたエポキシ樹脂層、第２銅層がこの順に積層された基板である。第２銅層の表面からプリント基板８０に入射するレーザビームによって、第２銅層及びエポキシ樹脂層を貫通する貫通孔が形成される。

たとえば５００ｎｓの間隔で出射される第１のパルスレーザ光源２１の１ショットめ、第２のパルスレーザ光源２２の１ショットめ、第１のパルスレーザ光源２１の２ショットめ、第２のパルスレーザ光源２２の２ショットめの４ショットで、貫通孔が１つ形成される。

複数のレーザ光源から、短い時間間隔で複数のレーザパルスを出射させることで、穴開け加工を高速に行うことができる。

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。

レーザアニール一般、たとえばパワーデバイス製造工程における半導体基板のレーザアニール、特にＩＧＢＴのコレクタ側のフィールドストップ層等の活性化アニールに利用することができる。また、その他のシリコン系半導体に、イオン注入やプラズマドーピングで添加された不純物の活性化、及び、結晶欠陥の回復や再結晶化に利用可能である。

１ シリコン基板
１０ プロセスチャンバ
１１ ＸＹステージ
１３ 窓
２１ 第１のパルスレーザ光源
２２ 第２のパルスレーザ光源
２３、２４ 可変減衰器
２５ １／２波長板
２６ 折り返しミラー
２７ 偏光ビームスプリッタ
２８ 高速シャッタ
２９ ビームエキスパンダ
３０ ホモジナイザ
３１ 折り返しミラー
３２ マスク
３３ 集光レンズ
４０ 制御装置
５０、６０ エンドミラー
５１、６１ レーザ媒体
５２、６２ Ｑスイッチ
５３、６３ シャッタ
５４、６４ アウトプットカプラ
５５、６５ 非線形光学結晶
５６、６６ 励起光源
５７ ６７ 筐体
５８、６８ ＬＤドライバ
５９、６９ ＲＦドライバ
７０ ＣＣＤカメラ
７１ 分岐光学系
７２ ホルダ
７３ マスク
７４ ガルバノスキャナ
７５ ｆθレンズ
８０ プリント基板

Claims (6)

1. （ａ）表層部に不純物が添加された半導体基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記不純物が添加された領域に、１周期ごとに少なくとも４つのレーザパルスを含むパルスレーザビームを、前記半導体基板を移動させながら、ある周期で繰り返し入射させ、添加されている不純物を活性化させる工程と
   を有し、
   前記工程（ｂ）において、１μｓ〜２．５μｓの時間差を設けて複数のレーザパルスを出射する第１のレーザ光源及び第２のレーザ光源から、それぞれ２つ以上のレーザパルスを出射して、レーザパルス間の各入射遅延時間が１０００ｎｓ以下となる条件で、前記半導体基板にパルスレーザビームを入射させることにより、前記半導体基板の前記表層部のうち相対的に浅い領域を溶融させて、前記不純物を活性化させるとともに、前記表層部のうち溶融しなかった相対的に深い領域においては、温度を少なくとも１２７３Ｋまで到達させることにより、前記不純物を活性化させるレーザアニール方法。
2. 前記工程（ｂ）において、１μｓ〜２．５μｓの時間差を設けて前記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザパルスと第２のレーザパルスとが前記半導体基板に入射するとき、前記第１のレーザパルスの入射時と、前記第２のレーザパルスの入射時との間に、前記第２のレーザ光源から出射されたレーザパルスを前記半導体基板に入射させる請求項１に記載のレーザアニール方法。
3. 前記工程（ｂ）において、前記半導体基板に入射するレーザパルス間の各入射遅延時間が、直前の入射遅延時間以上となるように、前記半導体基板にパルスレーザビームを入射させる請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
4. 前記工程（ｂ）において、レーザパルス間の各入射遅延時間が、３００ｎｓ〜１０００ｎｓとなる条件で前記半導体基板にパルスレーザビームを入射させる請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
5. 前記工程（ｂ）において、レーザパルス間の各入射遅延時間が、５００ｎｓ〜７００ｎ
   ｓとなる条件で前記半導体基板にパルスレーザビームを入射させる請求項４に記載のレーザアニール方法。
6. 前記半導体基板の前記表層部に添加された前記不純物は、第１の不純物、及び前記第１の不純物とは異なる第２の不純物を含み、前記第２の不純物が前記第１の不純物より深い位置に添加されており、
   前記工程（ｂ）において、前記表層部のうち相対的に浅い領域を溶融させることにより、前記第１の不純物を活性化させ、前記相対的に深い領域において、温度を少なくとも１２７３Ｋまで到達させることにより、前記第２の不純物を活性化させる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
   

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