JP5679940B2

JP5679940B2 - レーザアニール装置、及びレーザアニール方法

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Publication number: JP5679940B2
Application number: JP2011214337A
Authority: JP
Inventors: 史郎濱田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: JP2013074246A

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を活性化させるレーザアニール装置、及び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。

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、ゲート等の構造を有するデバイスパターンを形成し、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）、更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、注入した不純物を活性化する。

ＩＧＢＴの製造において求められるシリコン基板は薄く、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。表側表面のデバイス特性が熱影響により劣化することを避けながら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。このため、パルスレーザビームを用いて活性化アニールを行う際には、波長及びパルス幅の短いレーザビームが使用され、連続波のレーザビームを用いて活性化アニールを行う場合には、レーザビームの高速スキャンが採用される。

最近、基板裏面の、より深い位置に添加された不純物の活性化が要望されはじめ、シリコンに対する浸入長が長い長波長レーザの採用や、パルス幅の長いレーザの採用が検討されている。

半導体ウエハ等の被処理体の周辺部の温度分布を個別的に制御することが可能な載置台の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載の載置台は、半導体ウエハを加熱する加熱手段として抵抗加熱ヒータ群を備える。抵抗加熱ヒータ群は、同心円状に複数のゾーンに分割配置されている。抵抗加熱ヒータ群を用いて載置台、及び載置台上に載置された半導体ウエハを加熱する。特許文献１記載の載置台によれば、半導体ウエハの面内温度の均一性を高めることができる。

特開２０１０−２２５９４１号公報

半導体基板（シリコンウエハ）のレーザアニールの結果を示す指標として、所定深さにおける不純物の活性化率と、ウエハ面内における不純物活性化率の均一度とを挙げることができる。

ウエハ面内における不純物活性化率の均一度を高めるために、照射面におけるレーザビームの強度分布を均一化し、トップハット分布とする方法が実施されている。しかしながらレーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るということがわかった。また、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して１％弱の差があるということもわかった。

本発明の目的は、半導体基板面内における不純物の活性化率の均一度を高めることのできるレーザアニール装置、及び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、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
半導体基板を保持する領域が少なくとも第１の方向とほぼ平行な方向に関して画定され、該領域に保持した半導体基板を前記第１の方向と平行な方向に移動させる駆動機構を備え、ｎを３以上の整数とし、前記半導体基板を保持する領域を、前記第１の方向に沿って見た場合に、ｎ個の小領域に分けるとき、該ｎ個の小領域の温度を調整可能なステージと、
前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上に伝搬する伝搬光学系と、
前記ｎ個の小領域のうち、前記半導体基板の中心が配置される小領域を第１の温度とし、前記第１の方向と平行な方向に沿って見た場合に、前記半導体基板の中心位置を基準として、前記第１の方向に離れている小領域の温度を、前記中心位置に近い小領域の温度以下とし、端にある小領域を、前記第１の温度より低い第２の温度とした状態で、前記レーザ光源からレーザビームを出射させ、出射されたレーザビームを、前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査させる制御装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。

また、本発明の他の観点によると、
（ａ）ｎを３以上の整数とし、半導体基板を第１の方向に沿って見た場合に、ｎ個の小領域に分けるとき、前記半導体基板の中心を含む小領域を第１の温度とし、前記半導体基板の中心位置を基準として、前記第１の方向に離れている小領域の温度を、前記中心位置に近い小領域の温度以下とし、前記半導体基板の端部の小領域を、前記第１の温度より低い第２の温度とした状態で、レーザビームを前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査する工程と、
（ｂ）レーザビームの入射位置を、前記第１の方向と交差する第２の方向にずらす工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後に前記工程（ａ）を繰り返す工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。

本発明によれば、半導体基板面内における不純物の活性化率の均一度を高めることのできるレーザアニール装置、及びレーザアニール方法を提供することができる。

図１Ａは、シリコンウエハ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図であり、図１Ｂは、レーザビーム照射後のシリコンウエハ面内のシート抵抗値分布を示す概略図であり、図１Ｃは、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を示すグラフである。図２Ａ及び図２Ｂは、第１の実施例によるステージ５５を示す概略図である。図３は、第１の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。図４Ａ〜図４Ｅは、エリア４１〜４３の境界線とシリコンウエハ６０（ウエハ載置位置２０）の位置関係について示す概略的な平面図である。図５Ａ〜図５Ｃは、エリア４４〜４８の境界線とシリコンウエハ６０（ウエハ載置位置２０）の位置関係について示す概略的な平面図である。図６Ａ〜図６Ｃは、第２の実施例によるステージ９５を示す概略図である。図７は、第２の実施例によるステージの変形例の特徴部分を示す概略図である。図８は、第２の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。図９は、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。

レーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るという点、及び、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して１％弱の差があるという点に関し、本願発明者は、二つの調査を行った。

まず、通常のレーザアニールにおけるレーザ強度より強い強度でレーザビームを照射し、デバイスダメージの発生分布を調べた（第１の調査）。一定の強度のレーザビームを半導体ウエハ上にスキャンしたところ、ウエハ周辺部のデバイスは中央部のデバイスに比べ、熱ダメージを受けた。このことからレーザアニール時、シリコンウエハの表側の表面において、周辺部は中央部より温度が高くなっていることがわかった。

次に、本願発明者は、レーザアニール後のシート抵抗値のウエハ面内分布、及び、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を調べた（第２の調査）。

図１Ａは、シリコンウエハ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。ホウ素（Ｂ）を４５ｋｅＶのエネルギ、１．０Ｅ＋１５／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入した、たとえば直径６インチの円形のシリコンウエハをアニール対象として準備し、入射領域がＸ軸方向に２．５ｍｍ、Ｙ軸方向に０．３ｍｍの矩形状となるように整形され、その入射領域においてパワー密度を均一化したレーザパルスを、本図に示す態様でスキャンしながら、シリコンウエハ上に照射した。シリコンウエハの右端（Ｘ軸正方向端部）からレーザ照射を開始し、スキャン方向をＹ軸方向、ステップ方向をＸ軸負方向として、シリコンウエハにレーザビームを照射した。すなわちレーザビームをスキャン方向に走査し、走査した方向（たとえばＹ軸正方向）のウエハ端部までレーザビームを照射したら、ステップ方向にビームの入射位置をずらした後、再びレーザビームをスキャン方向（たとえばＹ軸負方向）に沿って、他方のウエハ端部まで走査し、走査し終えたらステップ方向にビームの入射位置をずらす。これを繰り返して、シリコンウエハ全面にレーザビームを入射させる。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向へのレーザビームの重複率は、たとえばともに８０％である。

図１Ｂは、レーザビーム照射後のシリコンウエハ面内のシート抵抗値分布を示す概略図である。シート抵抗値の変化率の絶対値は、Ｙ軸方向（スキャン方向に平行な方向）に大きくＸ軸方向（ステップ方向に平行な方向）に小さい。また、シリコンウエハの中心を基準として、Ｙ軸方向に離れるにつれ、シート抵抗値は低くなる。このため、シリコンウエハの中心を基準としたとき、Ｙ軸正方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸正方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も低いシート抵抗値を示し、Ｙ軸負方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸負方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も低いシート抵抗値を示す。

図１Ｃは、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、ウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ^２」で表し、グラフの縦軸は、シート抵抗値を単位「ｋΩ／□」で表す。本グラフに示す結果を得るための実験においては、ホウ素（Ｂ）を４０ｋｅＶのエネルギ、１．０Ｅ＋１３／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入したシリコンウエハをアニール対象とした。

本図に示す結果から、レーザビームのパワー密度が大きいほどシート抵抗値は低くなることがわかる。すなわちシリコンウエハの温度とシート抵抗値との間には相関関係があり、シリコンウエハの温度が高いほどシート抵抗値は低くなる。

図１Ｂ及び図１Ｃに示す結果から、ウエハ温度の変化率の絶対値は、Ｙ軸方向に大きくＸ軸方向に小さい、また、シリコンウエハの中心を基準として、Ｙ軸方向に離れるにつれ、ウエハ温度は高くなる、このため、シリコンウエハの中心を基準としたとき、Ｙ軸正方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸正方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も高い温度を示し、Ｙ軸負方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸負方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も高い温度を示す、ということがわかる。これは、デバイスの受けた熱ダメージから得られた、ウエハの周辺部は中央部より温度が高いという第１の調査結果と比較した場合、全体として符合する、より詳細な調査結果である。また、この調査結果によれば、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るという事実を説明可能である。

なお、シリコンウエハの温度が高いほどシート抵抗値は低くなるという関係から、デバイス特性の分布の一時評価が、シート抵抗値の分布で可能であることもわかる。

本願発明者は、レーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、たとえば１ショットのレーザパルスの入射領域がシリコンウエハに対して小さいことが一因となって、ウエハ面内に不均一な温度分布及び不純物活性化率の分布が生じ、その分布に対応したデバイス特性の不揃いが発生する、と考えた。

図２Ａ及び図２Ｂは、第１の実施例によるステージ５５を示す概略図である。図２Ａに示すように、第１の実施例によるステージ５５は、ベース１０上に、Ｘ軸方向に沿って移動可能に保持されたＸステージ１１、Ｘステージ１１上に、Ｙ軸方向に沿って移動可能に保持されたＹステージ１２、及び、Ｙステージ１２上に保持されたチャックプレート１３を含む。

Ｘステージ１１には、たとえばモータ、ボールスクリュー、及びベアリングを含む駆動機構１４ｃが設けられている。また、ベース１０とＸステージ１１との間には、ガイド１４ａ、１４ｂが設置されている。Ｘステージ１１は、駆動機構１４ｃにより、ガイド１４ａ、１４ｂに沿ってＸ軸方向に移動可能である。

同様に、Ｙステージ１２には、たとえばモータ、ボールスクリュー、及びベアリングを含む駆動機構１５ｃが設けられている。また、Ｘステージ１１とＹステージ１２との間には、ガイド１５ａ、１５ｂが設置されている。Ｙステージ１２は、駆動機構１５ｃにより、ガイド１５ａ、１５ｂに沿ってＹ軸方向に移動可能である。

チャックプレート１３は、加工対象物、たとえば半導体基板（シリコンウエハ）を吸着して保持することができる。

図２Ｂに、チャックプレート１３の平面図を示す。チャックプレート１３上には、円形のシリコンウエハを載置する位置（ウエハ載置位置２０）が画定されている。ウエハ載置位置２０は、たとえば円形である。なお、ウエハを載置するチャックプレート上の位置は、少なくともＹ方向に関して画定されていればよい。ここで厳密にＹ方向でなくても、多少のずれはあってもよく、ほぼＹ方向に関して画定されていればよい。

チャックプレート１３（ウエハ載置位置２０）上の領域は、Ｙ軸方向に沿って３分割されている。本図においては、３分割された領域をエリア４１〜４３と表した。ウエハ載置位置２０の中心位置（ウエハ載置位置２０に円形のシリコンウエハを載置したとき、シリコンウエハの中心が配置される位置）は、Ｙ軸方向に関して端のエリア４１、４３には属さず、Ｙ軸方向に関して中央のエリアであるエリア４２に属する。

エリア４１〜４３の各々には、冷媒、たとえば水を流通させることのできる、温度調整機構としての配管２１〜２３が配設されている。各チラー３１〜３３からの配管３１ａ〜３３ａが、チャックプレート１３の配管２１〜２３に接続可能である。チラー３１〜３３は、チャックプレート１３の配管２１〜２３に、それぞれ一定温度に管理された水を流通させることができる。たとえばチラー３１、３３は、１７℃に維持された水を配管２１、２３に流通させる。チラー３２は、２０℃に維持された水を配管２２に流通させる。１７℃の水が、配管２１、２３に流通されたエリア４１、４３のチャックプレート１３温度は１７℃（一定温度）に保たれる。２０℃の水が、配管２２に流通されたエリア４２のチャックプレート１３温度は２０℃（一定温度）に保たれる。このように、第１の実施例によるステージは、チャックプレート１３（半導体基板保持面）の温度をエリア４１〜４３ごとに調整することができる。なお、チャックプレート１３の温度は、エリア４２を最も高くする。

図３は、第１の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。図２Ａ及び図２Ｂに詳細を示したステージ５５上（ウエハ載置位置２０）に、アニール対象物であるシリコンウエハ６０が保持されている。シリコンウエハ６０は、たとえばＩＧＢＴ製造の一工程に現れる半導体基板であり、表側の表面にはデバイスパターンが形成され、裏面からボロン(Ｂ)等の不純物が添加されている。シリコンウエハ６０は、たとえば直径が６インチ〜８インチの円形状、厚さは約１００μｍである。第１の実施例によるレーザアニール装置を用いて、シリコンウエハ６０の裏側表面にレーザビームを照射することにより、添加された不純物を活性化する。

第１の実施例によるレーザアニール装置は、ステージ５５のほか、たとえばパルスレーザビームを出射するレーザ光源５０と、レーザ光源５０を出射したレーザビームをステージ５５上に保持されたシリコンウエハ６０上に伝搬する伝搬光学系を含む。レーザ光源５０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器及び非線形光学結晶を含み、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）を３ｋＨｚの繰り返し周波数で出射する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザに限らず、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザの２倍高調波（緑色の波長領域の光）を用いてもよい。また、たとえば波長８００ｎｍ〜１０００ｎｍ、一例として８０８ｎｍの半導体レーザを使用することもできる。

伝搬光学系は、入射したレーザビームのエネルギを減衰率可変に減衰して出射するアッテネータ５１、レーザ照射面（シリコンウエハ６０の裏側表面）におけるレーザビームの入射領域を矩形状に整形するとともに、入射領域におけるレーザビームの強度分布を均一化する、たとえばホモジナイザであるビーム整形光学系５２、折り返しミラー５３、及びフォーカスレンズ５４を含む。

レーザ光源５０を出射したパルスレーザビームは、アッテネータ５１により所定の減衰率でエネルギを減衰された後、ビーム整形光学系５２、折り返しミラー５３、フォーカスレンズ５４を経由して、シリコンウエハ６０上に伝搬される。シリコンウエハ６０上におけるレーザビームの入射領域は、たとえばＸ軸方向に２．５ｍｍ、Ｙ軸方向に０．３ｍｍの矩形状である。また、シリコンウエハ６０上に照射されるレーザビームのパルスエネルギ密度は２Ｊ／ｃｍ^２である。

第１の実施例によるレーザアニール装置は、また、制御装置５６を含む。制御装置５６は、レーザ光源５０に電流信号を与えることで、レーザ光源５０からのレーザビームの出射を制御する。与える電流の大きさで出射するレーザビームのエネルギも制御することができる。また、アッテネータ５１の減衰率を変化させることが可能である。また、ステージ５５を制御する。ステージ５５によるシリコンウエハ６０の吸着保持、保持されたシリコンウエハ６０のＸ軸方向、Ｙ軸方向への移動、チャックプレート１３のエリア４１〜４３の温度制御等を行う。

制御装置５６は、エリア４１、４３のチャックプレート１３温度を１７℃、エリア４２のチャックプレート１３温度を２０℃に保った状態で、レーザ光源５０に信号を印加してパルスレーザビームを出射させ、ウエハ載置位置２０に載置されたシリコンウエハ６０の裏側表面上にレーザビームを入射させる。レーザアニール時において、シリコンウエハ６０の表側表面は、エリア４１、４３に載置された部分は１７℃、エリア４２に載置された部分は２０℃に冷却される。シリコンウエハ６０上におけるレーザビームのスキャン態様は図１Ａに示す通りである。

制御装置５６でステージ５５を制御し、レーザビームを照射しながら、シリコンウエハ６０の裏側表面における矩形状ビーム断面の短軸方向（Ｙ軸方向）にシリコンウエハ６０を移動させることにより、ビーム断面の長軸方向（Ｘ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。シリコンウエハ６０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、シリコンウエハ６０の全面をアニールする。長軸方向、短軸方向へのレーザビームの重複率は、たとえばともに８０％である。なお、ずらす方向はビーム断面の短軸方向と交差する方向であればよい。

第１の実施例によるレーザアニール装置を用いると、レーザアニール時に温度が相対的に高くなるシリコンウエハ６０上の周辺領域（エリア４１、４３に載置された部分）を相対的に低い温度、たとえば１７℃に冷却し、温度が相対的に低いシリコンウエハ６０上の中央領域（エリア４２に載置された部分）を相対的に高い温度、たとえば２０℃に冷却しながら、レーザアニールを行うことができる。このため、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率及びデバイス特性の均一度を高めることができる。

第１の実施例においては、エリア４１、４３（１７℃）とエリア４２（２０℃）とで３℃の温度差を設けた。ここで温度差について考察する。室温でレーザアニールを行う場合、ステージ温度が室温である一方で、レーザ照射面であるシリコンウエハ６０の裏側表面の温度は１０００℃を超える。そこでシリコンウエハ６０の表裏面の温度差をおおまかに１０００℃と考える。また、シリコンウエハ６０上の位置によって冷却温度（冷却能力）に差を設けずにアニールを行った場合、先に述べたように、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して１％弱の差があるということもわかっている。このことから中央部と周辺部とでは、シリコンウエハ６０表裏面の温度差が１０００℃の１％、すなわち１０℃程度、生じていると考えられる。したがって、エリア４１、４３とエリア４２との間の温度差は１０℃以上とすればよいであろう。また温度差を３℃以上としても、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率の均一度を高めることができるであろう。

次に、エリア４１〜４３の境界線について説明する。図４Ａ〜図４Ｅは、エリア４１〜４３の境界線とシリコンウエハ６０（ウエハ載置位置２０）の位置関係について示す概略的な平面図である。

図４Ａには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、（シリコンウエハ６０の中心を通り、Ｙ軸に平行な直線に沿ってみたとき、）シリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の４０％の領域がエリア４１に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む２０％の領域がエリア４２に属し、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の４０％の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を定める例を示した。このようにエリア４１〜４３を画定し、エリア４１、４３は相対的に低い温度に、エリア４２は相対的に高い温度に冷却維持しても、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率の均一度を高めることができる。エリア４１、４３とエリア４２との間の温度差は、たとえば３℃以上である。

図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、それぞれシリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の３３％、２５％、１５％の領域がエリア４１に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む３３％、５０％、７０％の領域がエリア４２に属し、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の３３％、２５％、１５％の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を定める例を示した。このようにエリア４１〜４３を画定し、エリア４２は相対的に高い温度に冷却維持し、エリア４１、４３はそれより３℃以上低い温度に冷却維持しても、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率の均一度を高めることができる。

図４Ａ〜図４Ｄに示すように、エリア４２は、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心を含む２０％〜７０％の領域がエリア４２に属するように画定されればよい。

図４Ｅには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の１５％の領域がエリア４１に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む６０％の領域がエリア４２に属し、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の２５％の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を定める例を示した。このようにエリア４１とエリア４３に属するシリコンウエハ６０の割合は、等しくなくてもよい。ただし実施例のように、ウエハ載置位置２０を、エリア４１〜４３の３つの領域に分割する場合、シリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の１５％以上の領域がエリア４１に属し、かつ、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の１５％以上の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を画定する。

ウエハ載置位置２０を、３を超える数の領域に分割することもできる。図５Ａ〜図５Ｃは、エリア４４〜４８の境界線とシリコンウエハ６０（ウエハ載置位置２０）の位置関係について示す概略的な平面図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ウエハ載置位置２０を、５つの領域に分割することも可能である。

図５Ａには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の最もＹ軸正方向側（Ｙ軸正方向側の端部）の５％の領域がエリア４４に属し、それに隣接する１０％の領域がエリア４５に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む７０％の領域がエリア４６に属し、Ｙ軸負方向側でそれと隣接する１０％の領域がエリア４７に属し、シリコンウエハ６０の最もＹ軸負方向側（Ｙ軸負方向側の端部）の５％の領域がエリア４８に属するように、エリア４４〜４８の境界線を定める例を示した。

このように５つの領域に分割するとき、たとえばステージ５５のチャックプレート１３は、各エリア４４〜４８に温度調節機構、一例として各エリア４４〜４８に独立して設けられる配管を備え、チラーを用いて各配管に一定温度の水を流通させることで、エリア４４は１７℃、エリア４５は１８．５℃、エリア４６は２０℃、エリア４７は１８．５℃、エリア４８は１７℃となるように、ステージ５５のチャックプレート１３（基板保持面）の温度を調整する。

図５Ｂには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０のそれぞれ２０％の領域がエリア４４〜４８に属するように、エリア４４〜４８の境界線を定める例を示した。各エリア４４〜４８のチャックプレート１３温度は、たとえば図５Ａに示す境界線画定態様の場合と等しい。

図５Ａには、シリコンウエハ６０の中心を含む７０％の領域がエリア４６に属する例を示し、図５Ｂには、シリコンウエハ６０の中心を含む２０％の領域がエリア４６に属する例を示した。ウエハ載置位置２０を、３を超える数の領域に分割する場合も、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心を含む領域を、シリコンウエハ６０全体の２０％〜７０％とする。

また、ウエハ載置位置２０を、３を超える数の領域に分割する場合、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０（ウエハ載置位置２０）の中心位置を基準として、Ｙ軸方向側に離れているエリアの温度を、中心位置を含む、または中心位置に近いエリアの温度以下の温度とする。更に、実施例と同様に、シリコンウエハ６０の中心が属するエリア４６と、最もＹ軸正方向側（Ｙ軸正方向側の端部）のエリア４４との温度差を、３℃以上とする。１０℃以上としてもよい。エリア４６と、最もＹ軸負方向側（Ｙ軸負方向側の端部）のエリア４８との温度差についても同様である。

図５Ｃには、ウエハ載置位置２０を、４つの領域に分割する例を示した。本図に示す例においては、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の最もＹ軸正方向側（Ｙ軸正方向側の端部）の１５％の領域がエリア４４に属し、それに隣接する３５％の領域がエリア４５に属し、更にそれにＹ軸負方向側で隣接する３５％の領域がエリア４６に属し、シリコンウエハ６０の最もＹ軸負方向側（Ｙ軸負方向側の端部）の１５％の領域がエリア４７に属するように、エリア４４〜４７の境界線を定める例を示した。

シリコンウエハ６０（ウエハ載置位置２０）の中心位置Ｃは、エリア４５とエリア４６の境界線上にあるが、このような場合は、中心位置Ｃは、エリア４５、エリア４６の双方に属するものと考える。

図５Ｃに示すように、ウエハ載置位置２０を、エリア４４〜４７の４つの領域に分割するとき、たとえばステージ５５のチャックプレート１３は、各エリア４４〜４７に独立して設けられる配管を備え、チラーを用いて各配管に一定温度の水を流通させることで、エリア４４は１７℃、エリア４５及びエリア４６は２０℃、エリア４７は１７℃となるように、ステージ５５のチャックプレート１３の温度を調整する。

ウエハ載置位置２０を、たとえば偶数の領域に分割し、ウエハ載置位置２０の中心位置Ｃが二つの領域の境界線上にある（中心位置Ｃはその二つの領域に属する）場合も、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心を含む領域（図５Ｃにおいてはエリア４５及び４６）の合計を、２０％〜７０％とする。

また、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０（ウエハ載置位置２０）の中心位置を基準として、Ｙ軸方向側に離れているエリアの温度を、中心位置を含む、または中心位置に近いエリアの温度以下の温度とする。更に、シリコンウエハ６０の中心が属するエリア４５、４６と、最もＹ軸方向側（Ｙ軸方向側の端部）のエリア４４、４７との温度差を、３℃以上とする。１０℃以上としてもよい。

分割エリア数を多くし、各エリアでチャックプレート１３の温度を調整することで、シリコンウエハ６０の温度を細かく制御し、より均一度を高めることができる。

図６Ａ〜図６Ｃは、第２の実施例によるステージ９５を示す概略図である。図６Ａに示すように、第２の実施例によるステージ９５は、ベース７０、θステージ７２、チャックプレート７３、及び、駆動機構７１を含む。θステージ７２はベース７０上に、また、チャックプレート７３はθステージ７２上に、それぞれたとえば水平面（ＸＹ平面）に平行に配置される。駆動機構７１は、たとえばモータ及びベアリングを含み、θステージ７２及びその上に固定的に配置されたチャックプレート７３を、Ｚ軸に平行な回転軸ｌの周囲に回転させる。回転方向は、たとえばθステージ７２をＺ軸正方向から見たとき、反時計回りである。チャックプレート７３は、シリコンウエハを吸着して保持することができる。

図６Ｂに、チャックプレート７３の平面図を示す。チャックプレート７３は、Ｚ軸正方向から見たとき、たとえば円形状である。円の中心は、θステージ７２の回転軸ｌ上にある。チャックプレート７３上には、円形のシリコンウエハを載置する位置（ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆ）が画定されている。ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆはたとえば円形であり、各載置位置７３ａ〜７３ｆにシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆが載置される。各載置位置７３ａ〜７３ｆの中心位置は、チャックプレート７３の中心から等距離にあり、各載置位置７３ａ〜７３ｆの中心を結ぶと正六角形が形成される。なお、ウエハを載置するチャックプレート７３上の位置は、少なくともチャックプレート７３の円周方向と平行な方向（θステージ７２及びチャックプレート７３の回転方向と平行な方向）に関して画定されていればよい。ここで厳密に円周方向と平行な方向でなくても、多少のずれはあってもよく、ほぼ円周方向と平行な方向に関して画定されていればよい。

ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆ上の領域は、それぞれ、θステージ７２及びチャックプレート７３の回転方向と平行な方向に直交する一方向、本図に示す例では、チャックプレート７３の中心と、ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆの中心を結ぶ直線の延在方向（回転半径方向）と直交する方向に沿って、３つの領域（エリア７７〜７９）に分けられている。ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆの中心位置（ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆに円形のシリコンウエハを載置したとき、シリコンウエハの中心が配置される位置）は、回転方向と平行な方向に直交する一方向と直交する方向に関して端のエリア７７、７９には属さず、中央のエリアであるエリア７８に属する。なお、ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆ上の領域は、回転方向と平行な方向に沿って見た場合に、３つの領域（エリア７７〜７９）に分けられるような態様で境界線が画定されている。本図に示すエリア７７〜７９の画定態様は、そのようなエリア画定態様の一例である。

図６Ｃに、ウエハ載置位置７３ａ近傍の詳細を示す。エリア７７〜７９の各々には、冷媒、たとえば水を流通させることのできる配管７４〜７６が配設されている。各チラー８０〜８２が、配管７４〜７６に接続されている。チラー８０〜８２は、たとえば回転軸ｌの近傍に配置され、θステージ７２及びチャックプレート７３の回転とともに回転する。

チラー８０〜８２は、配管７４〜７６に、それぞれ一定温度の水を流通させることができる。たとえばチラー８０、８２は、１７℃に維持された水を配管７４、７６に流通させる。チラー８１は、２０℃に維持された水を配管７５に流通させる。１７℃の水が、配管７４、７６に流通されたエリア７７、７９のチャックプレート７３温度は１７℃に保たれる。２０℃の水が、配管７５に流通されたエリア７８のチャックプレート７３温度は２０℃に保たれる。このように、第２の実施例によるステージも、第１の実施例と同様に、チャックプレート７３の温度をエリア７７〜７９ごとに調整することができる。なお、チャックプレート７３の温度は、エリア７８を最も高くする。本図には、ウエハ載置位置７３ａ近傍の詳細を示したが、他のウエハ載置位置７３ｂ〜７３ｆについても同様である。

図７は、第２の実施例によるステージの変形例の特徴部分を示す概略図である。変形例は、エリア７７〜７９の画定態様が、実施例とは異なる。第２の実施例においては、θステージ７２及びチャックプレート７３の回転方向と平行な方向に直交する一方向と直交する方向に沿ってエリア７７〜７９を画定したが、変形例においては、回転方向と平行な方向に沿って、エリア７７〜７９が画定される。各エリア７７〜７９に配管７４〜７６が設けられる点等は、第２の実施例と等しい。

図８は、第２の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。図６Ａ〜図６Ｃに詳細を示したステージ９５上のウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆに、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆが保持されている。シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆは、第１の実施例におけるシリコンウエハ６０と同様のアニール対象物である。

第２の実施例によるレーザアニール装置は、ステージ９５のほか、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波を出射するレーザ光源８９と、レーザ光源８９を出射したレーザビームをステージ９５上に保持されたシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上に伝搬する伝搬光学系を含む。

第１の実施例によるレーザアニール装置と同様に、伝搬光学系は、アッテネータ９０、ビーム整形光学系９１、折り返しミラー９２、及びフォーカスレンズ９３を備える。ビーム整形光学系９１、折り返しミラー９２、及びフォーカスレンズ９３は、鏡筒９４の内部に固定的に配置されている。

第２の実施例によるレーザアニール装置は、更に、支柱８５、ベース８６、Ｙステージ８８、ガイド８７ａ、８７ｂ、及び、駆動機構８７ｃを含む。

ベース８６は、支柱８５によって一定高さに支持される。ベース８６上に、Ｙ軸方向に沿って移動可能にＹステージ８８が保持される。Ｙステージ８８には、たとえばモータ、ボールスクリュー、及びベアリングを含む駆動機構８７ｃが設けられている。また、ベース８６とＹステージ８８との間には、ガイド８７ａ、８７ｂが設置されている。Ｙステージ８８は、駆動機構８７ｃにより、ガイド８７ａ、８７ｂに沿ってＹ軸方向に移動可能である。

Ｙステージ８８上に、レーザ光源８９及び伝搬光学系が配置されている。なお、鏡筒９４がＹステージ８８とともに移動可能であればよく、レーザ光源８９及びアッテネータ９０は、Ｙステージ８８上に配置されなくてもよい。

レーザ光源８９から３ｋＨｚの繰り返し周波数で、パルスレーザビームが出射される。パルスレーザビームは、アッテネータ９０、ビーム整形光学系９１、折り返しミラー９２、フォーカスレンズ９３を経由して、ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆに載置され、θステージ７２によって回転軸ｌの周囲に回転されているシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上に伝搬される。シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるレーザビームの入射領域は、たとえば回転半径方向に２．５ｍｍ、回転円周方向に０．３ｍｍの矩形状である。また、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるパルスエネルギ密度は、一例として２Ｊ／ｃｍ^２である。

第２の実施例によるレーザアニール装置は、また、制御装置９６を含む。制御装置９６は、レーザ光源８９からのレーザビームの出射、アッテネータ９０の減衰率を制御する。更に、チャックプレート７３によるシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの吸着保持、θステージ７２による、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの回転方向への移動、チャックプレート７３のエリア７７〜７９の温度制御等を行う。また、Ｙステージ８８による鏡筒９４の移動を制御する。

制御装置９６は、エリア７７、７９のチャックプレート７３温度を１７℃、エリア７８のチャックプレート７３温度を２０℃に保った状態で、レーザ光源８９に信号を印加してパルスレーザビームを出射させ、ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆに載置されたシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆにレーザビームを入射させる。レーザアニール時において、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆのステージに載置される面は、エリア７７、７９に載置される部分は１７℃、エリア７８に載置される部分は２０℃に冷却される。

制御装置９６は、θステージ７２でシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを、回転軸ｌの周囲に回転させることで、レーザビームの入射位置を回転方向と平行な方向に沿って移動させる。レーザビームは、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上を、回転方向と反対方向に走査することになる。

図９は、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。レーザビームは、たとえばまずチャックプレート７３の中心から最も遠い位置のシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの端部領域に照射される。本図にはレーザアニール開始時のレーザビームの入射領域にＬの符号を付して示した。θステージ７２で、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを保持したチャックプレート７３を回転軸ｌの周囲に１回転することにより、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々の、チャックプレート７３の中心から最も遠い端部について、ビーム断面の長軸方向（回転半径方向）の長さを幅とする帯状の領域を、回転円周方向に沿ってアニールすることができる。レーザパルスの重複率は、たとえば回転円周方向に８０％である。

なお、回転に伴って、レーザビーム入射領域Ｌの位置に、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ以外のチャックプレート７３上の位置が配置されるときには、制御装置９６は、レーザ光源８９に印加する信号を停止し、レーザ光源８９からのレーザビームの出射を停止させる。

制御装置９６は、θステージ７２でシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを、回転軸ｌの周囲に１回転させた後、Ｙステージ８８をＹ軸正方向（ビーム断面の長軸方向）に、たとえば０．５ｍｍ移動させる。鏡筒９４がＹ軸正方向に０．５ｍｍ移動し、レーザビーム入射領域ＬもＹ軸正方向に０．５ｍｍ移動する。レーザビームを照射しながら、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを回転軸ｌの周囲に１回転させた後、レーザビーム入射領域Ｌを回転半径の内側方向に移動させる処理を繰り返すことにより、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々の全面をアニールする。

第２の実施例によるレーザアニール装置を用いても、第１の実施例と同様に、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ面内における不純物の活性化率及びデバイス特性の均一度を高めることができる。なお、エリア間の温度差や、エリアの分割数、エリアの境界線画定位置等については、第１の実施例の場合と同様である。

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、実施例においては、各エリアに配管を独立に設けた。一例として、図２Ｂに示す例においては、エリア４１には配管２１、エリア４３には配管２３を設置した。両エリア４１、４３を等しい温度に維持するのであれば、エリア４１、４３に連続する配管を配置してもよい。その場合、これに接続するチラーも１つでよい。

また、実施例においては、温度調整機構としての配管を備えるが、温度調整機構は、たとえば電力を供給することで温度を調整する他の機構とすることができる。

更に、実施例においては、パルスレーザビームを用いて、シリコンウエハに添加された不純物を活性化させるレーザアニールを行ったが、連続波のレーザビームを使用することもできる。

また、実施例においては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波を、繰り返し周波数３ｋＨｚで出射し、２Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度で、かつ、走査方向、ステップ方向ともに８０％の重複率でシリコンウエハに入射させたが、波長８０８ｎｍの半導体レーザを用い、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギ密度４Ｊ／ｃｍ^２、重複率５０％としてシリコンウエハに照射してもよい。なお、固体レーザの２倍高調波を用いる場合も、半導体レーザを用いる場合も、重複率は、走査方向、ステップ方向ともに５０％以上あればよい。

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。

１０ベース
１１Ｘステージ
１２Ｙステージ
１３チャックプレート
１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂガイド
１４ｃ、１５ｃ駆動機構
２０ウエハ載置位置
２１〜２３配管
３１〜３３チラー
３１ａ〜３３ａ配管
４１〜４８エリア
５０レーザ光源
５１アッテネータ
５２ビーム整形光学系
５３折り返しミラー
５４フォーカスレンズ
５５ステージ
５６制御装置
６０、６０ａ〜６０ｆシリコンウエハ
７０ベース
７１駆動機構
７２ θステージ
７３チャックプレート
７４〜７６配管
７７〜７９エリア
８０〜８２チラー
８５支柱
８６ベース
８７ａ、８７ｂガイド
８７ｃ駆動機構
８８Ｙステージ
８９レーザ光源
９０アッテネータ
９１ビーム整形光学系
９２折り返しミラー
９３フォーカスレンズ
９４鏡筒
９５ステージ

Claims

レーザビームを出射するレーザ光源と、
半導体基板を保持する領域が少なくとも第１の方向とほぼ平行な方向に関して画定され、該領域に保持した半導体基板を前記第１の方向と平行な方向に移動させる駆動機構を備え、ｎを３以上の整数とし、前記半導体基板を保持する領域を、前記第１の方向に沿って見た場合に、ｎ個の小領域に分けるとき、該ｎ個の小領域の温度を調整可能なステージと、
前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上に伝搬する伝搬光学系と、
前記ｎ個の小領域のうち、前記半導体基板の中心が配置される小領域を第１の温度とし、前記第１の方向と平行な方向に沿って見た場合に、前記半導体基板の中心位置を基準として、前記第１の方向に離れている小領域の温度を、前記中心位置に近い小領域の温度以下とし、端にある小領域を、前記第１の温度より低い第２の温度とした状態で、前記レーザ光源からレーザビームを出射させ、出射されたレーザビームを、前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査させる制御装置と
を有するレーザアニール装置。
前記第１の温度と前記第２の温度の差を３℃以上とする請求項１に記載のレーザアニール装置。
前記半導体基板の中心が配置される位置を通り、前記第１の方向と平行な直線に沿ってみたとき、前記半導体基板の中心が配置される小領域を、前記半導体基板の２０％〜７０％とする請求項１または２に記載のレーザアニール装置。
前記第１の方向が回転円周方向である請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
（ａ）ｎを３以上の整数とし、半導体基板を第１の方向に沿って見た場合に、ｎ個の小領域に分けるとき、前記半導体基板の中心を含む小領域を第１の温度とし、前記半導体基
板の中心位置を基準として、前記第１の方向に離れている小領域の温度を、前記中心位置に近い小領域の温度以下とし、前記半導体基板の端部の小領域を、前記第１の温度より低い第２の温度とした状態で、レーザビームを前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査する工程と、
（ｂ）レーザビームの入射位置を、前記第１の方向と交差する第２の方向にずらす工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後に前記工程（ａ）を繰り返す工程と
を有するレーザアニール方法。
前記第１の温度と前記第２の温度の差を３℃以上とする請求項５に記載のレーザアニール方法。
前記半導体基板の中心を通り、前記第１の方向と平行な直線に沿ってみたとき、前記半導体基板の中心を含む前記半導体基板の２０％〜７０％の領域を前記第１の温度とし、前記半導体基板の残余の領域は前記第１の温度以下の温度とする請求項５または６に記載のレーザアニール方法。
前記第１の方向が回転円周方向である請求項５〜７のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。