JP6000015B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザビームの照射によって、半導体基板に注入された不純物を活性化させる半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which impurities implanted into a semiconductor substrate are activated by laser beam irradiation.

半導体基板に不純物をイオン注入により導入した後、レーザビームを照射して不純物を活性化させることにより、電極層及びフィールドストップ層を形成する半導体装置の製造方法が、特許文献1に開示されている。特許文献1に記載の技術においては、半導体素子の表面構造を作製した後、基板を薄くする。その後、裏面にイオン注入を行い、2台のレーザ発振器を用いてパルスレーザビームを照射する。2台のレーザ発振器から射出されるレーザパルスの時間差が600ns以下に設定される。   Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a semiconductor device in which an impurity is introduced into a semiconductor substrate by ion implantation and then activated by irradiation with a laser beam to form an electrode layer and a field stop layer. . In the technique described in Patent Document 1, after the surface structure of the semiconductor element is fabricated, the substrate is thinned. Thereafter, ion implantation is performed on the back surface, and a pulse laser beam is irradiated using two laser oscillators. The time difference between the laser pulses emitted from the two laser oscillators is set to 600 ns or less.

詳細には、n型のシリコン基板の裏面側から、例えば、リンイオンをフィールドストップ層形成予定領域にイオン注入する。このとき、フィールドストップ層のピーク濃度が5×1018cm−3以下となるように、ドーズ量を1×1014cm−2以下とする。続いて、p型コレクタ層及びn型カソード層のピーク濃度が1×1021cm−3以下となるように、ドーズ量を5×1016cm−2以下として、例えば、ボロンイオン及びリンイオンを、それぞれp型コレクタ層形成予定領域及びn型カソード層形成予定領域に注入する。 Specifically, for example, phosphorus ions are ion-implanted from the back surface side of the n -type silicon substrate into the field stop layer formation scheduled region. At this time, the dose is set to 1 × 10 14 cm −2 or less so that the peak concentration of the field stop layer is 5 × 10 18 cm −3 or less. Subsequently, the dose is set to 5 × 10 16 cm −2 or less so that the peak concentration of the p + -type collector layer and the n + -type cathode layer is 1 × 10 21 cm −3 or less, for example, boron ions and phosphorus ions. Are implanted into the p + -type collector layer formation planned region and the n + -type cathode layer formation planned region, respectively.

このような高濃度でイオンが注入されたn型カソード層などは、シリコン基板の結晶性が破壊されてアモルファス化してしまうことが知られている。特許文献1に記載の半導体装置の製造方法においては、レーザ照射によって、固相拡散による欠陥回復、及びレーザ照射面(基板裏面)から深さ1μmを超える深い部分に注入された不純物の活性化が行われる。十分な温度上昇及び加熱時間が確保できず、不純物の活性化が不十分となる場合がある。深い部分の活性化を十分に行うために、照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を上げると、溶融深さが深くなってしまう。深い部分まで溶融すると、深さ方向に関する不純物濃度分布が変化して、設計通りの特性が得られない場合がある。さらに、基板表面の荒れがひどくなるなどの不具合が発生する。 It is known that such an n + -type cathode layer into which ions are implanted at a high concentration becomes amorphous due to destruction of crystallinity of the silicon substrate. In the method of manufacturing a semiconductor device described in Patent Document 1, laser irradiation causes defect recovery by solid phase diffusion and activation of impurities implanted into a deep portion exceeding a depth of 1 μm from the laser irradiation surface (substrate back surface). Done. A sufficient temperature rise and heating time cannot be ensured, and the activation of impurities may be insufficient. If the pulse energy density of the irradiated laser beam is increased in order to sufficiently activate the deep portion, the melting depth becomes deep. When melting to a deep part, the impurity concentration distribution in the depth direction changes, and the designed characteristics may not be obtained. In addition, problems such as severe roughness of the substrate surface occur.

半導体基板が溶融しない範囲のパルスエネルギ密度で、パルスレーザビームを照射してレーザアニールを行う技術が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。この方法では、不純物が高濃度でイオン注入されてアモルファス化した領域の結晶性を、十分回復させ、かつ注入された不純物を十分活性化することが困難である。   There has been proposed a technique for performing laser annealing by irradiating a pulse laser beam with a pulse energy density in a range in which the semiconductor substrate does not melt (see, for example, Patent Document 2). In this method, it is difficult to sufficiently recover the crystallinity of a region where impurities are ion-implanted at a high concentration and become amorphous, and to sufficiently activate the implanted impurities.

特開2010−171057号公報JP 2010-171057 A 特開2009−032858号公報JP 2009-032858 A

本発明の目的は、不純物の活性化アニールの品質を高めることが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of improving the quality of impurity activation annealing.

本発明の一観点によると、
表層部に、第1の不純物がドープされた第1の層と、前記第1の層よりも深い領域に、前記第1の層の不純物濃度よりも低濃度に、第2の不純物がドープされた第2の層とを含む半導体基板の前記表層部に、パルス幅が10μs〜30μsの範囲内の第1のレーザパルスを入射させて、前記表層部を溶融させることなく、前記第2の層の第2の不純物を活性化させる工程と、
前記半導体基板の前記表層部に、前記第1のレーザパルスのパルス幅よりも短い第2のレーザパルスを入射させて、前記第1の層を溶融させ、前記第2の層は溶融させることなく、前記第1の層の前記第1の不純物を活性化させる工程と
を有し、
前記第2のレーザパルスの入射領域が前記第1のレーザパルスの入射領域の内部に配置され、第2のレーザパルスの入射領域の面積が、第1のレーザパルスの入射領域の面積の50%〜100%の範囲内である半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
A first layer doped with the first impurity in the surface layer portion, and a second impurity doped in a region deeper than the first layer at a concentration lower than the impurity concentration of the first layer. The second layer without melting the surface layer portion by causing a first laser pulse having a pulse width of 10 μs to 30 μs to enter the surface layer portion of the semiconductor substrate including the second layer. Activating the second impurity of
A second laser pulse shorter than the pulse width of the first laser pulse is incident on the surface layer portion of the semiconductor substrate to melt the first layer, and the second layer is not melted. And activating the first impurity of the first layer,
The incident region of the second laser pulse is disposed inside the incident region of the first laser pulse, and the area of the incident region of the second laser pulse is 50% of the area of the incident region of the first laser pulse. A method for manufacturing a semiconductor device in the range of ˜100% is provided.

第1の層及び第2の層の不純物の活性化アニールの品質を高めることができる。   The quality of the activation annealing of the impurities of the first layer and the second layer can be improved.

図1は、実施例による半導体装置の製造方法に用いられるレーザアニール装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a laser annealing apparatus used in a semiconductor device manufacturing method according to an embodiment. 図2Aは、実施例による方法で製造されるIGBTの断面図であり、図2Bは、IGBTの製造途中段階における断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view of an IGBT manufactured by the method according to the embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view in the middle stage of manufacturing the IGBT. 図3Aは、実施例による方法で照射される第1及び第2のレーザパルスの時間波形の一例を示すグラフであり、図3Bは、レーザパルスの入射領域の平面図であり、図3Cは、レーザパルスの入射領域の他の構成例の平面図である。FIG. 3A is a graph showing an example of time waveforms of the first and second laser pulses irradiated by the method according to the embodiment, FIG. 3B is a plan view of an incident region of the laser pulse, and FIG. It is a top view of the other structural example of the incident area | region of a laser pulse. 図4は、半導体基板の深さ方向に関する不純物濃度分布の一例を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing an example of impurity concentration distribution in the depth direction of the semiconductor substrate. 図5は、シリコンウエハに第1のレーザパルスを照射した時のシリコンウエハの到達温度と、パルス幅との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a simulation result of the relationship between the arrival temperature of the silicon wafer and the pulse width when the first laser pulse is applied to the silicon wafer. 図6は、深さ方向の不純物濃度分布と、アニール後のキャリア濃度分布とを示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the impurity concentration distribution in the depth direction and the carrier concentration distribution after annealing. 図7Aは、リンをイオン注入したシリコンウエハの表層部の断面TEM像であり、図7Bは、第2のレーザパルスを照射した後のシリコンウエハの表層部の断面TEM像であり、図7Cは、第1のレーザパルスを照射した後のシリコンウエハの表層部の断面TEM像である。FIG. 7A is a cross-sectional TEM image of the surface layer portion of the silicon wafer into which phosphorus is ion-implanted, FIG. 7B is a cross-sectional TEM image of the surface layer portion of the silicon wafer after irradiation with the second laser pulse, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional TEM image of a surface layer portion of a silicon wafer after irradiation with a first laser pulse. 図8Aは、実施例による方法でレーザアニールを行う時のレーザパルスの時間波形の一例を示すグラフであり、図8Bは、図8Aの第1及び第2のレーザパルスをシリコンウエハに照射した時の、シリコンウエハの温度変化のシミュレーション結果を示すグラフであり、図8Cは、シリコンウエハの溶融深さの時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 8A is a graph showing an example of a time waveform of a laser pulse when laser annealing is performed by the method according to the embodiment, and FIG. 8B is a graph when the first and second laser pulses of FIG. 8A are irradiated to the silicon wafer. FIG. 8C is a graph showing the simulation result of the temporal change in the melting depth of the silicon wafer. 図9は、第1のレーザパルスの立下り時刻から第2のレーザパルスの立上り時刻までの経過時間(遅延時間)と、シリコンウエハを溶融させるのに必要な第2のレーザパルスのフルエンスとの関係を示すグラフである。FIG. 9 shows the elapsed time (delay time) from the falling time of the first laser pulse to the rising time of the second laser pulse and the fluence of the second laser pulse necessary for melting the silicon wafer. It is a graph which shows a relationship. 図10は、活性化アニール前の不純物濃度分布、及び活性化アニール後のキャリア濃度分布の測定結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing measurement results of impurity concentration distribution before activation annealing and carrier concentration distribution after activation annealing. 図11は、活性化アニール前の不純物濃度分布、及び活性化アニール後のキャリア濃度分布の測定結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing measurement results of impurity concentration distribution before activation annealing and carrier concentration distribution after activation annealing. 図12Aは、半導体ウエハの全面を活性化アニールするときのパルスレーザビームの走査経路を示す平面図であり、図12B及び図12Cは、連続波レーザビームとパルスレーザビームとを用いてアニールを行うときのレーザ入射領域の平面図及び半導体ウエハの1点に入射するレーザエネルギの時間変化を示すグラフである。FIG. 12A is a plan view showing a scanning path of a pulsed laser beam when the entire surface of a semiconductor wafer is activated and annealed, and FIGS. 12B and 12C perform annealing using a continuous wave laser beam and a pulsed laser beam. It is a graph which shows the time change of the laser energy which injects into the top view of a laser incident area at the time, and one point of a semiconductor wafer.

図1に、実施例による半導体装置の製造方法に用いられるレーザアニール装置の概略図を示す。半導体レーザ発振器(第1のレーザ発振器)21が、例えば波長808nmの準連続発振(QCW)レーザビームを射出する。なお、波長950nm以下のパルスレーザビームを射出する半導体レーザ発振器を用いてもよい。固体レーザ発振器(第2のレーザ発振器)31が、緑色の波長域のパルスレーザビームを射出する。固体レーザ発振器31には、例えば第2高調波を射出するNd:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Nd:YVOレーザ等が用いられる。 FIG. 1 is a schematic diagram of a laser annealing apparatus used in a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment. A semiconductor laser oscillator (first laser oscillator) 21 emits a quasi-continuous oscillation (QCW) laser beam having a wavelength of 808 nm, for example. Note that a semiconductor laser oscillator that emits a pulse laser beam having a wavelength of 950 nm or less may be used. A solid-state laser oscillator (second laser oscillator) 31 emits a pulsed laser beam in the green wavelength region. For the solid-state laser oscillator 31, for example, an Nd: YAG laser, an Nd: YLF laser, an Nd: YVO 4 laser, or the like that emits a second harmonic is used.

半導体レーザ発振器21から射出したパルスレーザビーム及び固体レーザ発振器31から射出したパルスレーザビームが、伝搬光学系27を経由して、アニールの対象の半導体基板50に入射する。半導体レーザ発振器21から射出したパルスレーザビームと固体レーザ発振器31から射出したパルスレーザビームとは、半導体基板50の表面の同一の領域に入射する。   The pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 and the pulse laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 are incident on the semiconductor substrate 50 to be annealed via the propagation optical system 27. The pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 and the pulse laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 are incident on the same region on the surface of the semiconductor substrate 50.

次に、伝搬光学系27の構成及び作用について説明する。半導体レーザ発振器21から射出したパルスレーザビームが、アッテネータ22、ビームエキスパンダ23、ホモジナイザ24、ダイクロイックミラー25、及び集光レンズ26を経由して、半導体基板50に入射する。   Next, the configuration and operation of the propagation optical system 27 will be described. The pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 is incident on the semiconductor substrate 50 via the attenuator 22, the beam expander 23, the homogenizer 24, the dichroic mirror 25, and the condenser lens 26.

固体レーザ発振器31から射出したパルスレーザビームが、アッテネータ32、ビームエキスパンダ33、ホモジナイザ34、ベンディングミラー35、ダイクロイックミラー25、及び集光レンズ26を経由して、半導体基板50に入射する。   The pulse laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 is incident on the semiconductor substrate 50 via the attenuator 32, the beam expander 33, the homogenizer 34, the bending mirror 35, the dichroic mirror 25, and the condenser lens 26.

ビームエキスパンダ23、33は、入射したパルスレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。ホモジナイザ24、34及び集光レンズ26は、半導体基板50の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一化する。半導体レーザ発振器21から射出したパルスレーザビームと、固体レーザ発振器31から射出したパルスレーザビームとは、半導体基板50の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。   The beam expanders 23 and 33 collimate the incident pulse laser beam and expand the beam diameter. The homogenizers 24 and 34 and the condenser lens 26 shape the beam cross section on the surface of the semiconductor substrate 50 into a long shape, and uniformize the light intensity distribution in the beam cross section. The pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 and the pulse laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 are incident on substantially the same long region on the surface of the semiconductor substrate 50.

半導体基板50は、ステージ41に保持されている。半導体基板50の表面に平行な面をXY面とし、半導体基板50の表面の法線方向をZ方向とするXYZ直交座標系を定義する。制御装置20が、半導体レーザ発振器21、固体レーザ発振器31、及びステージ41を制御する。ステージ41は、制御装置20からの制御を受けて、半導体基板50をX方向及びY方向に移動させる。   The semiconductor substrate 50 is held on the stage 41. An XYZ orthogonal coordinate system is defined in which a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate 50 is defined as an XY plane, and a normal direction of the surface of the semiconductor substrate 50 is defined as a Z direction. The control device 20 controls the semiconductor laser oscillator 21, the solid state laser oscillator 31, and the stage 41. The stage 41 receives the control from the control device 20 and moves the semiconductor substrate 50 in the X direction and the Y direction.

図2Aに、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の断面図を示す。IGBTは、n型のシリコンからなる半導体基板50の一方の面(以下、「第1の面」という。)50Tにエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面(以下、「第2の面」という。)50Bにコレクタを形成することで作製される。半導体基板50として、通常はシリコン単結晶基板が用いられる。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。例えば、図2Aに示すように、半導体基板50の第1の面50Tの表層部に、p型のベース領域51、n型のエミッタ領域52、ゲート電極53、ゲート絶縁膜54、エミッタ電極55が配置される。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。   FIG. 2A shows a cross-sectional view of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as an example of a semiconductor device manufactured by the method according to the embodiment. The IGBT has an emitter and a gate formed on one surface (hereinafter referred to as “first surface”) 50T of a semiconductor substrate 50 made of n-type silicon, and the other surface (hereinafter referred to as “second surface”). It is manufactured by forming a collector on 50B. As the semiconductor substrate 50, a silicon single crystal substrate is usually used. The structure of the surface on which the emitter and the gate are formed is manufactured in the same process as a general MOSFET manufacturing process. For example, as shown in FIG. 2A, a p-type base region 51, an n-type emitter region 52, a gate electrode 53, a gate insulating film 54, and an emitter electrode 55 are formed on the surface layer portion of the first surface 50T of the semiconductor substrate 50. Be placed. Current on / off control can be performed by the voltage between the gate and the emitter.

半導体基板50の第2の面50Bの表層部に、p型のコレクタ層57及び低濃度のn型のバッファ層56が形成されている。バッファ層56は、コレクタ層57よりも深い領域
に配置される。コレクタ層57及びバッファ層56は、それぞれ不純物として、例えばボロン及びリンをイオン注入し、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、図1に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極58が、活性化アニールの後に、コレクタ層57の表面に形成される。
A p-type collector layer 57 and a low-concentration n-type buffer layer 56 are formed on the surface layer portion of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50. The buffer layer 56 is disposed in a region deeper than the collector layer 57. The collector layer 57 and the buffer layer 56 are formed by implanting boron and phosphorus, for example, as impurities, and performing activation annealing. The laser annealing apparatus shown in FIG. 1 is applied to this activation annealing. A collector electrode 58 is formed on the surface of the collector layer 57 after the activation annealing.

第2の面50Bからコレクタ層57とバッファ層56との界面までの深さは、例えば約0.3μmである。第2の面からバッファ層56の最も深い位置までの深さは、例えば1μm〜5μmの範囲内である。   The depth from the second surface 50B to the interface between the collector layer 57 and the buffer layer 56 is, for example, about 0.3 μm. The depth from the second surface to the deepest position of the buffer layer 56 is, for example, in the range of 1 μm to 5 μm.

図2Bに、レーザアニールを行う段階の半導体基板50の断面図を示す。半導体基板50の第2の面50Bの表層部57aに、ボロンがイオン注入されている。表層部57aより深い領域56aに、リンがイオン注入されている。表層部57a内のボロン、及び深い領域56a内のリンは、活性化していない。表層部57aのボロン濃度は、深い領域56aのリン濃度より高い。本明細書において、表層部57aを「高濃度層」といい、深い領域56aを「低濃度層」という。ボロンのドーズ量が多いため、高濃度層57aはアモルファス状態になっている。高濃度層57aと低濃度層56aとの界面より深い領域は、単結晶状態のままである。半導体基板50の第1の面50Tには、図2Aに示した素子構造が形成されている。   FIG. 2B shows a cross-sectional view of the semiconductor substrate 50 at a stage where laser annealing is performed. Boron ions are implanted into the surface layer portion 57a of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50. Phosphorus ions are implanted into a region 56a deeper than the surface layer portion 57a. Boron in the surface layer portion 57a and phosphorus in the deep region 56a are not activated. The boron concentration in the surface layer portion 57a is higher than the phosphorus concentration in the deep region 56a. In this specification, the surface layer portion 57a is referred to as a “high concentration layer”, and the deep region 56a is referred to as a “low concentration layer”. Since the dose of boron is large, the high concentration layer 57a is in an amorphous state. A region deeper than the interface between the high concentration layer 57a and the low concentration layer 56a remains in a single crystal state. On the first surface 50T of the semiconductor substrate 50, the element structure shown in FIG. 2A is formed.

図3Aに、半導体基板50(図2B)に入射するレーザパルス波形の概略を示す。図3Aでは、パルス波形を長方形で表しているが、実際のパルス波形は、パルスの立ち上がり、減衰、及び立ち下がり等の部分を含む。図3Aに示されたパルス波形の射出タイミングは、制御措置20(図1)が半導体レーザ発振器21及び固体レーザ発振器31を制御することにより決定される。   FIG. 3A schematically shows a laser pulse waveform incident on the semiconductor substrate 50 (FIG. 2B). In FIG. 3A, the pulse waveform is represented by a rectangle, but the actual pulse waveform includes portions such as a rising edge, an attenuation, and a falling edge of the pulse. The emission timing of the pulse waveform shown in FIG. 3A is determined by the control measure 20 (FIG. 1) controlling the semiconductor laser oscillator 21 and the solid-state laser oscillator 31.

時刻t1に、半導体レーザ発振器21から射出した第1のレーザパルスLP1の、半導体基板50への入射が開始する。時刻t1の後の時刻t2に、固体レーザ発振器31から射出した第2のレーザパルスLP2が半導体基板50に入射する。第1のレーザパルスLP1と第2のレーザパルスLP2とが入射する領域は、ほぼ重なる。第2のレーザパルスLP2のピークパワーは、第1のレーザパルスLP1のピークパワーより高く、第2のレーザパルスLP2のパルス幅PW2は、第1のレーザパルスLP1のパルス幅PW1より短い。時刻t3で、第2のレーザパルスLP2の入射が終了する。その後、時刻t4で、第1のレーザパルスLP1の入射が終了する。なお、時刻t4の後に、第2のレーザパルスLP2を入射させる場合もある。   At time t1, incidence of the first laser pulse LP1 emitted from the semiconductor laser oscillator 21 on the semiconductor substrate 50 starts. The second laser pulse LP2 emitted from the solid state laser oscillator 31 is incident on the semiconductor substrate 50 at time t2 after time t1. The regions where the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 are incident substantially overlap. The peak power of the second laser pulse LP2 is higher than the peak power of the first laser pulse LP1, and the pulse width PW2 of the second laser pulse LP2 is shorter than the pulse width PW1 of the first laser pulse LP1. At time t3, the incidence of the second laser pulse LP2 ends. Thereafter, at time t4, the incidence of the first laser pulse LP1 ends. Note that the second laser pulse LP2 may be incident after the time t4.

第1のレーザパルスLP1のパルス幅PW1は、例えば10μs以上である。第2のレーザパルスLP2のパルス幅PW2は、例えば1μs以下である。一例として、パルス幅PW1が10μs〜30μsの範囲内であり、パルス幅PW2が100ns〜200nsの範囲内である。第2のレーザパルスLP2のパルス幅PW2を、第1のレーザパルスLP1のパルス幅PW1の1/10以下とすることが好ましい。   The pulse width PW1 of the first laser pulse LP1 is, for example, 10 μs or more. The pulse width PW2 of the second laser pulse LP2 is, for example, 1 μs or less. As an example, the pulse width PW1 is in the range of 10 μs to 30 μs, and the pulse width PW2 is in the range of 100 ns to 200 ns. The pulse width PW2 of the second laser pulse LP2 is preferably set to 1/10 or less of the pulse width PW1 of the first laser pulse LP1.

図3Bに、半導体基板50(図2B)の第2の面50Bにおけるレーザパルスの入射領域の平面図を示す。第1のレーザパルスLP1(図3A)及び第2のレーザパルスLP2(図3A)は、半導体基板50の第2の面50B(図2B)において、X方向に長い同一の領域40に入射する。例えば、ビーム入射領域40の好適な長さL及び幅Wtは、それぞれ2mm〜4mm及び200μm〜400μmである。   FIG. 3B shows a plan view of a laser pulse incident region on the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 (FIG. 2B). The first laser pulse LP1 (FIG. 3A) and the second laser pulse LP2 (FIG. 3A) are incident on the same region 40 that is long in the X direction on the second surface 50B (FIG. 2B) of the semiconductor substrate 50. For example, the preferable length L and width Wt of the beam incident region 40 are 2 mm to 4 mm and 200 μm to 400 μm, respectively.

アニール中は、半導体基板50(図2B)をY方向に移動させながら、第1のレーザパルスLP1及び第2のレーザパルスLP2(図3A)を、一定の繰り返し周波数で半導体基板50に入射させる。第1のレーザパルスLP1及び第2のレーザパルスLP2の繰り
返し周波数の1周期の間に半導体基板50が移動する距離をWoで表す。時間軸上で隣り合う2つの第1のレーザパルスLP1のビーム入射領域40は、相互に部分的に重なる。両者の重複率Wo/Wtは、例えば50%である。
During the annealing, the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 (FIG. 3A) are incident on the semiconductor substrate 50 at a constant repetition frequency while moving the semiconductor substrate 50 (FIG. 2B) in the Y direction. The distance that the semiconductor substrate 50 moves during one cycle of the repetition frequency of the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 is represented by Wo. The beam incident regions 40 of two first laser pulses LP1 adjacent on the time axis partially overlap each other. The overlap ratio Wo / Wt of both is, for example, 50%.

図3Aに示した時刻t1で第1のレーザパルスLP1の入射が開始すると、半導体基板50の第2の面50B(図2B)の表層部の温度が上昇し始める。時刻t2の時点で、半導体基板50の第2の面50Bの温度は、アモルファスシリコンの融点(1300K〜1430K)まで達していない。時刻t2で第2のレーザパルスLP2を入射させると、半導体基板50の第2の面50Bの表層部の温度がアモルファスシリコンの融点まで達し、表層部が溶融する。溶融した部分は、高濃度層57a(図2B)の底面まで達する。   When the incidence of the first laser pulse LP1 starts at time t1 shown in FIG. 3A, the temperature of the surface layer portion of the second surface 50B (FIG. 2B) of the semiconductor substrate 50 starts to rise. At the time t2, the temperature of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 has not reached the melting point (1300K-1430K) of amorphous silicon. When the second laser pulse LP2 is incident at time t2, the temperature of the surface layer portion of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 reaches the melting point of amorphous silicon, and the surface layer portion is melted. The melted portion reaches the bottom surface of the high concentration layer 57a (FIG. 2B).

第2のレーザパルスLP2の入射が終了すると、半導体基板50の表層部の温度が低下し、固化する。このとき、単結晶の低濃度層56a(図2B)から結晶がエピタキシャル成長することにより、高濃度層57aが単結晶になる。同時に、高濃度層57aに注入されている不純物が活性化する。   When the incidence of the second laser pulse LP2 is completed, the temperature of the surface layer portion of the semiconductor substrate 50 is lowered and solidified. At this time, the crystal is epitaxially grown from the single crystal low concentration layer 56a (FIG. 2B), so that the high concentration layer 57a becomes a single crystal. At the same time, the impurities implanted into the high concentration layer 57a are activated.

時刻t3以降も、第1のレーザパルスLP1(図3A)の入射が継続しているため、半導体基板50の第2の面50Bから深い低濃度層56aまで加熱され、温度が上昇する。これにより、低濃度層56a(図2B)に注入されている不純物が活性化する。時刻t4で第1のレーザパルスLP1の入射が終了する時点で、半導体基板50の第2の面50Bの温度は、単結晶シリコンの融点まで到達しない。このため、再結晶化した半導体基板50の第2の面50Bの表層部は再溶融しない。   Since the incidence of the first laser pulse LP1 (FIG. 3A) continues after time t3, the second substrate 50B of the semiconductor substrate 50 is heated to the deep low concentration layer 56a, and the temperature rises. Thereby, the impurity implanted in the low concentration layer 56a (FIG. 2B) is activated. When the incidence of the first laser pulse LP1 ends at time t4, the temperature of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 does not reach the melting point of single crystal silicon. For this reason, the surface layer portion of the second surface 50B of the recrystallized semiconductor substrate 50 is not remelted.

時刻t4よりも後に第2のレーザパルスLP2を入射させる場合には、第1のレーザパルスLP1の照射によって低濃度層56a内の不純物が活性化する。その後、第2のレーザパルスLP2の照射によって高濃度層57a(図2B)を溶融させる。高濃度層57aが再結晶化する時に、高濃度層57a内の不純物が活性化する。   In the case where the second laser pulse LP2 is incident after the time t4, the impurities in the low concentration layer 56a are activated by the irradiation with the first laser pulse LP1. Thereafter, the high concentration layer 57a (FIG. 2B) is melted by irradiation with the second laser pulse LP2. When the high concentration layer 57a is recrystallized, the impurities in the high concentration layer 57a are activated.

図3Bでは、半導体基板50の表面における第1のレーザパルスLP1の入射領域40と第2のレーザパルスLP2の入射領域40とを、ほぼ一致させたが、必ずしも両者を一致させる必要はない。図3Cに示すように、第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aを第2のレーザパルスLP2の入射領域40Bよりもやや大きくしてもよい。このとき、第2のレーザパルスLP2の入射領域40Bが、第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aに含まれる。   In FIG. 3B, the incident region 40 of the first laser pulse LP1 and the incident region 40 of the second laser pulse LP2 on the surface of the semiconductor substrate 50 are substantially matched, but it is not always necessary to match them. As shown in FIG. 3C, the incident area 40A of the first laser pulse LP1 may be slightly larger than the incident area 40B of the second laser pulse LP2. At this time, the incident region 40B of the second laser pulse LP2 is included in the incident region 40A of the first laser pulse LP1.

第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aと第2のレーザパルスLP2の入射領域40Bとの面積を同一にして両者を一致させる構成とした場合、両者の光軸のずれに対する余裕(マージン)がほとんどなくなる。図3Cに示したように、第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aを第2のレーザパルスLP2の入射領域40Bより大きくすると、両者の光軸がずれた場合でも、ずれ量が小さければ、第2のレーザパルスLP2の入射領域40Bが第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aの内側に収まる。このため、光軸合わせ余裕(マージン)を大きくすることができる。   When the area of the incident area 40A of the first laser pulse LP1 and the area of the incident area 40B of the second laser pulse LP2 are made to be the same, there is almost no margin for the misalignment between the optical axes of both. Disappear. As shown in FIG. 3C, when the incident region 40A of the first laser pulse LP1 is made larger than the incident region 40B of the second laser pulse LP2, even if the optical axes of both are displaced, The incident region 40B of the second laser pulse LP2 falls inside the incident region 40A of the first laser pulse LP1. For this reason, the optical axis alignment margin (margin) can be increased.

第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aと、第2のレーザパルスLP2の入射領域40Bとが重なった領域で、高濃度層57a及び低濃度層56a(図2B)の不純物の活性化が行われる。第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aを第2のレーザパルス40Bの入射領域40Bに対して大きくしすぎると、第1のレーザパルスLP1の重複率が高くなりすぎ、無駄が多くなる。第1のレーザパルスLP1の重複率は、好ましくは50%以上である。第2のレーザパルスは、時間軸上で隣り合う2つのショットの入射領域の間に隙間ができないように照射しなければならない。上述の要請を見たし、かつ照射無駄な
エネルギを削減するために、第2のレーザパルスLP2の入射領域40Bの面積を、第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aの面積の50%〜100%とすることが好ましい。
In the region where the incident region 40A of the first laser pulse LP1 and the incident region 40B of the second laser pulse LP2 overlap, activation of impurities in the high concentration layer 57a and the low concentration layer 56a (FIG. 2B) is performed. . If the incident area 40A of the first laser pulse LP1 is made too large with respect to the incident area 40B of the second laser pulse 40B, the overlapping rate of the first laser pulse LP1 becomes too high and waste is increased. The overlapping rate of the first laser pulse LP1 is preferably 50% or more. The second laser pulse must be irradiated so that there is no gap between the incident areas of two adjacent shots on the time axis. In order to meet the above requirements and reduce unnecessary energy for irradiation, the area of the incident region 40B of the second laser pulse LP2 is set to 50% to 100% of the area of the incident region 40A of the first laser pulse LP1. % Is preferable.

図4に、半導体基板50の深さ方向に関する不純物濃度分布の一例を示す。図4の横軸は、半導体基板50の第2の面50B(図2B)からの深さを単位「μm」で表す。図4の縦軸は、添加された不純物の濃度を単位「cm−3」で、対数目盛で表す。 FIG. 4 shows an example of the impurity concentration distribution in the depth direction of the semiconductor substrate 50. The horizontal axis of FIG. 4 represents the depth from the second surface 50B (FIG. 2B) of the semiconductor substrate 50 in the unit of “μm”. The vertical axis | shaft of FIG. 4 represents the density | concentration of the added impurity in a unit "cm <-3 >" on the logarithmic scale.

ホウ素(B)の濃度が、第2の面50Bから0.3μmの深さで最大値を示す。また、リン(P)の濃度は、第2の面50Tから1.8μmの深さで最大値を示す。リン(P)の濃度分布の裾野(テール)は、第2の面50Bから3μmの深さまで及ぶ。ホウ素の不純物濃度とリンの不純物濃度とが等しくなる深さが、高濃度層57aと低濃度層56a(図2B)との界面に相当する。   The concentration of boron (B) shows a maximum value at a depth of 0.3 μm from the second surface 50B. The concentration of phosphorus (P) shows a maximum value at a depth of 1.8 μm from the second surface 50T. The tail of the phosphorus (P) concentration distribution extends from the second surface 50B to a depth of 3 μm. The depth at which the boron impurity concentration and the phosphorus impurity concentration are equal corresponds to the interface between the high concentration layer 57a and the low concentration layer 56a (FIG. 2B).

相対的に深い領域、例えば深さが1μmを超える領域に、相対的に低濃度で添加された不純物(リン)は、パルス幅が相対的に長い第1のレーザパルスLP1(図3A)により活性化される。相対的に浅い領域、例えば深さが1μm以下の領域に、相対的に高濃度で添加された不純物(ホウ素)は、パルス幅が相対的に短い第2のレーザパルスLP2(図3A)により活性化される。第2のレーザパルスLP2は、高濃度で不純物のイオン注入が行われてアモルファス化した領域よりも深い位置まで、半導体基板50を溶融させる。第2のレーザパルスLP2の照射により、入射領域40(図3B)の半導体基板50が溶融する。溶融した領域が固化するときに、単結晶の領域から液相エピタキシャル成長が生じる。これにより、アモルファス化していた領域の再結晶化、及び不純物(ホウ素)の活性化が行われる。   Impurities (phosphorus) added at a relatively low concentration in a relatively deep region, for example, a region having a depth exceeding 1 μm, are activated by the first laser pulse LP1 (FIG. 3A) having a relatively long pulse width. It becomes. An impurity (boron) added at a relatively high concentration in a relatively shallow region, for example, a region having a depth of 1 μm or less, is activated by the second laser pulse LP2 (FIG. 3A) having a relatively short pulse width. It becomes. The second laser pulse LP2 melts the semiconductor substrate 50 to a position deeper than the region that is made amorphous by ion implantation at a high concentration. By irradiation with the second laser pulse LP2, the semiconductor substrate 50 in the incident region 40 (FIG. 3B) is melted. When the molten region solidifies, liquid phase epitaxial growth occurs from the single crystal region. As a result, recrystallization of the amorphous region and activation of impurities (boron) are performed.

図2A、図2B、及び図4では、相対的に浅い高濃度層57aにボロンを注入し、相対的に深い低濃度層56aにリンを注入した例を示したが、他の不純物を注入する場合でも、同様の活性化が行われる。また、高濃度層57a及び低濃度層56aに同一導電型の不純物を注入してもよい。一例として、高濃度層57a及び低濃度層56aの両方にリンを注入してもよい。この場合には、浅い領域に高濃度のn型層が形成され、深い領域に低濃度のn型層が形成される。   2A, 2B, and 4 show an example in which boron is implanted into the relatively shallow high-concentration layer 57a and phosphorus is implanted into the relatively deep low-concentration layer 56a, but other impurities are implanted. Even in the case, the same activation is performed. Further, impurities of the same conductivity type may be implanted into the high concentration layer 57a and the low concentration layer 56a. As an example, phosphorus may be implanted into both the high concentration layer 57a and the low concentration layer 56a. In this case, a high concentration n-type layer is formed in the shallow region, and a low concentration n-type layer is formed in the deep region.

図5及び図6を参照して、第1のレーザパルスLP1(図3A)の照射による深い低濃度層56a(図2B)の不純物の活性化について説明する。   With reference to FIGS. 5 and 6, the activation of impurities in the deep low-concentration layer 56a (FIG. 2B) by irradiation with the first laser pulse LP1 (FIG. 3A) will be described.

図5に、シリコンウエハに第1のレーザパルスLP1を照射した時のシリコンウエハの到達温度と、パルス幅との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は、第1のレーザパルスLP1のパルス幅PW1を単位「μs」で表し、縦軸は、到達温度を単位「K」で表す。第1のレーザパルスLP1の波長は915nmとした。第1のレーザパルスLP1の照射条件は、シリコンウエハの表面温度がシリコンの融点(約1690K)に達する条件とした。図5の実線a、bは、それぞれシリコンウエハの表面からの深さが3μm及び100μmの位置の到達温度を示す。   FIG. 5 shows a simulation result of the relationship between the arrival temperature of the silicon wafer and the pulse width when the silicon wafer is irradiated with the first laser pulse LP1. The horizontal axis represents the pulse width PW1 of the first laser pulse LP1 in the unit “μs”, and the vertical axis represents the reached temperature in the unit “K”. The wavelength of the first laser pulse LP1 was 915 nm. The irradiation condition of the first laser pulse LP1 was such that the surface temperature of the silicon wafer reached the melting point of silicon (about 1690K). Solid lines a and b in FIG. 5 indicate the reached temperatures at positions where the depth from the surface of the silicon wafer is 3 μm and 100 μm, respectively.

パルス幅が短いと、深い領域まで熱が伝わりにくいことがわかる。深さ3μmの位置の不純物を活性化させるには、パルス幅を5μs以上にすることが好ましい。パルス幅が長すぎると、深さ100μm程度の深い領域、すなわち、素子構造が形成された第1の面50T(図2B)の温度が高くなってしまう。   It can be seen that when the pulse width is short, heat is not easily transmitted to a deep region. In order to activate the impurity at a depth of 3 μm, the pulse width is preferably set to 5 μs or more. If the pulse width is too long, the temperature of a deep region having a depth of about 100 μm, that is, the first surface 50T (FIG. 2B) on which the element structure is formed becomes high.

図6に、深さ方向の不純物濃度分布と、アニール後のキャリア濃度分布とを示す。横軸は、シリコンウエハの表面からの深さを単位「μm」で表し、縦軸は、濃度を単位「cm
−3」で表す。実線aは、加速エネルギ2MeV、ドーズ量3×1013cm−2の条件でリンのイオン注入を行なったときのリン濃度を示す。この不純物濃度分布は、低濃度層56a(図2B)の不純物濃度分布に対応する。実線bは、第1のレーザパルスLP1を照射した後のキャリア濃度を示す。レーザ照射は、パルス幅20μs、照射面におけるパワー密度360kW/cmの条件で行なった。図6に示した結果から、注入した不純物の約70%以上が活性化していることが確認された。
FIG. 6 shows the impurity concentration distribution in the depth direction and the carrier concentration distribution after annealing. The horizontal axis represents the depth from the surface of the silicon wafer in the unit “μm”, and the vertical axis represents the concentration in the unit “cm”.
-3 ". The solid line a indicates the phosphorus concentration when phosphorus is ion-implanted under the conditions of an acceleration energy of 2 MeV and a dose of 3 × 10 13 cm −2 . This impurity concentration distribution corresponds to the impurity concentration distribution of the low concentration layer 56a (FIG. 2B). A solid line b indicates the carrier concentration after irradiation with the first laser pulse LP1. Laser irradiation was performed under the conditions of a pulse width of 20 μs and a power density of 360 kW / cm 2 on the irradiated surface. From the results shown in FIG. 6, it was confirmed that about 70% or more of the implanted impurities were activated.

次に、図7A〜図7Cを参照して、イオン注入によってアモルファス化した領域の回復について説明する。   Next, with reference to FIGS. 7A to 7C, the recovery of the region made amorphous by ion implantation will be described.

図7Aに、リンをイオン注入したシリコンウエハの表層部の断面TEM像を示す。リンのイオン注入は、加速エネルギ100keV、ドーズ量2×1015cm−2の条件で行なった。このイオン注入の条件は、高濃度層57aへの不純物のイオン注入条件に対応する。図7Aにおいて、アモルファス化した領域が、相対的に薄い色で表されている。 FIG. 7A shows a cross-sectional TEM image of a surface layer portion of a silicon wafer into which phosphorus is ion-implanted. Phosphorus ion implantation was performed under the conditions of an acceleration energy of 100 keV and a dose of 2 × 10 15 cm −2 . This ion implantation condition corresponds to the impurity ion implantation condition for the high concentration layer 57a. In FIG. 7A, the amorphous region is represented by a relatively light color.

図7Bに、第2のレーザパルスLP2(図3A)を照射した後のシリコンウエハの表層部の断面TEM像を示す。第2のレーザパルスLP2として、Nd:YLFレーザの第2高調波を用いた。第2のレーザパルスLP2の照射は、いわゆるダブルパルス法で行なった。1つのレーザパルスのパルス幅は130ns、パルスエネルギ密度は1.6J/cmであり、1ショット目のレーザパルスの照射から2ショット目のレーザパルスの照射までの遅延時間は500nsである。レーザ照射によって溶融した領域において、その下の単結晶領域からエピタキシャル成長が生じるため、欠陥の少ない良好な単結晶層が得られている。 FIG. 7B shows a cross-sectional TEM image of the surface layer portion of the silicon wafer after irradiation with the second laser pulse LP2 (FIG. 3A). As the second laser pulse LP2, the second harmonic of an Nd: YLF laser was used. The irradiation with the second laser pulse LP2 was performed by a so-called double pulse method. The pulse width of one laser pulse is 130 ns, the pulse energy density is 1.6 J / cm 2 , and the delay time from irradiation of the first shot laser pulse to irradiation of the second shot laser pulse is 500 ns. In the region melted by the laser irradiation, epitaxial growth occurs from the single crystal region below the region, so that a good single crystal layer with few defects is obtained.

図7Cに、第1のレーザパルスLP1(図3A)を照射した後のシリコンウエハの表層部の断面TEM像を示す。第1のレーザパルスLP1の波長は808nmである。第1のレーザパルスLP1の照射は、パルス幅40μs、パワー密度300kW/cmの条件で行なった。この照射条件では、シリコンウエハの表面は溶融しない。レーザパルスによってシリコンウエハの深い領域(図2Bの低濃度層56a)まで溶融させてしまうと、高濃度層57aの不純物濃度分布が崩れてしまう。このため、第1のレーザパルスLP1の照射は、シリコンウエハを溶融させない条件で行われる。シリコンウエハを溶融させないで不純物の活性化を行うアニール方法を、「非溶融アニール」という。これに対し、シリコンウエハを一時的に溶融させるアニール方法を、「溶融アニール」という。非溶融アニールでは、アモルファス化した領域の上面及び下面から結晶化が進む。厚さ方向に関してほぼ中央に、アモルファス状態の層が残存している。結晶化された領域の結晶品質も、図7Bの再結晶化領域の結晶品質より悪い。 FIG. 7C shows a cross-sectional TEM image of the surface layer portion of the silicon wafer after irradiation with the first laser pulse LP1 (FIG. 3A). The wavelength of the first laser pulse LP1 is 808 nm. Irradiation with the first laser pulse LP1 was performed under conditions of a pulse width of 40 μs and a power density of 300 kW / cm 2 . Under this irradiation condition, the surface of the silicon wafer is not melted. If the deep region of the silicon wafer (low concentration layer 56a in FIG. 2B) is melted by the laser pulse, the impurity concentration distribution of the high concentration layer 57a is destroyed. Therefore, the irradiation with the first laser pulse LP1 is performed under conditions that do not melt the silicon wafer. An annealing method that activates impurities without melting the silicon wafer is referred to as “non-melting annealing”. In contrast, an annealing method for temporarily melting a silicon wafer is referred to as “melting annealing”. In non-melting annealing, crystallization proceeds from the upper and lower surfaces of the amorphous region. A layer in an amorphous state remains substantially at the center in the thickness direction. The crystal quality of the crystallized region is also worse than the crystal quality of the recrystallized region of FIG. 7B.

図7A〜図7Cに示した断面TEM像からわかるように、アモルファス状態の高濃度層57a(図2B)は、パルス幅が相対的に短く、ピークパワーが相対的に高い第2のレーザパルスLP2(図3A)を用いて溶融アニールを行い、不純物を活性化させることが好ましい。   As can be seen from the cross-sectional TEM images shown in FIGS. 7A to 7C, the amorphous high-concentration layer 57a (FIG. 2B) has a relatively short pulse width and a relatively high peak power. It is preferable to activate the impurities by performing melt annealing using (FIG. 3A).

図8Aに、実施例による方法でレーザアニールを行う時のレーザパルスの時間波形の一例を示す。横軸は、第1のレーザパルスLP1の立上りからの経過時間を単位「μs」で表し、縦軸は光強度を表す。第1のレーザパルスLP1のパルス幅は15μsである。第1のレーザパルスLP1の立上りから14μs経過した時点で、第2のレーザパルスLP2が立ち上がる。第2のレーザパルスLP2は、Nd:YLFレーザの第2高調波であり、そのパルス幅は130nsである。   FIG. 8A shows an example of a time waveform of a laser pulse when laser annealing is performed by the method according to the embodiment. The horizontal axis represents the elapsed time from the rise of the first laser pulse LP1 in the unit “μs”, and the vertical axis represents the light intensity. The pulse width of the first laser pulse LP1 is 15 μs. The second laser pulse LP2 rises when 14 μs has elapsed from the rise of the first laser pulse LP1. The second laser pulse LP2 is the second harmonic of the Nd: YLF laser, and its pulse width is 130 ns.

図8Bに、図8Aの第1及び第2のレーザパルスLP1、LP2をシリコンウエハに照
射した時の、シリコンウエハ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8B中の実線a〜gは、それぞれシリコンウエハの表面からの深さが0μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、及び100μmの位置の温度を示す。
FIG. 8B shows a simulation result of the temperature change of the silicon wafer when the first and second laser pulses LP1 and LP2 of FIG. 8A are irradiated to the silicon wafer. The horizontal axis represents elapsed time in units of “μs”, and the vertical axis represents temperature in units of “K”. Solid lines a to g in FIG. 8B indicate temperatures at positions where the depth from the surface of the silicon wafer is 0 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, and 100 μm, respectively.

第1のレーザパルスLP1の照射が開始されると、シリコンウエハの温度が上昇する。照射が開始されて14μs経過した時点で、シリコンウエハの表面温度が、シリコンの融点に近い1660Kに達する。この時点では、シリコンウエハは溶融していない。第2のレーザパルスLP2が照射されると、シリコンウエハの表面温度が融点に達し、表層部が溶融する。   When the irradiation with the first laser pulse LP1 is started, the temperature of the silicon wafer rises. When 14 μs has elapsed since the start of irradiation, the surface temperature of the silicon wafer reaches 1660 K, which is close to the melting point of silicon. At this point, the silicon wafer is not melted. When the second laser pulse LP2 is irradiated, the surface temperature of the silicon wafer reaches the melting point, and the surface layer portion melts.

図8Cに、シリコンウエハの溶融深さの時間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、溶融深さを単位「μm」で表す。第2のレーザパルスLP2の照射によって、深さ約0.3μmまで溶融していることがわかる。深さ0.3μmよりも浅い領域に注入されている不純物は、表層部が溶融及び再結晶化することにより、活性化される。   FIG. 8C shows a simulation result of the temporal change in the melting depth of the silicon wafer. The horizontal axis represents elapsed time in units of “μs”, and the vertical axis represents melting depth in units of “μm”. It can be seen that the film is melted to a depth of about 0.3 μm by the irradiation with the second laser pulse LP2. Impurities implanted in the region shallower than the depth of 0.3 μm are activated by melting and recrystallizing the surface layer portion.

図8Bに示したように、第1のレーザパルスLP1の照射開始から約14μs経過した時点で、深さ5μmの位置の温度が1200Kを超えている。このため、深さ5μ程度の溶融しなかった領域に注入されている不純物は、固相拡散によって活性化される。   As shown in FIG. 8B, when about 14 μs has elapsed from the start of irradiation with the first laser pulse LP1, the temperature at the depth of 5 μm exceeds 1200K. For this reason, the impurities implanted in the unmelted region having a depth of about 5 μm are activated by solid phase diffusion.

図9に、第1のレーザパルスLP1の立下り時刻t4から第2のレーザパルスLP2の立上り時刻t2までの経過時間t2−t4と、シリコンウエハを溶融させるのに必要な第2のレーザパルスLP2のフルエンスとの関係を示す。時刻t4から時刻t2までの遅延時間をtdと表記する。横軸は、遅延時間tdを単位「μs」で表す。遅延時間tdが負の領域では、第1のレーザパルスLP1の立下り時刻t4よりも前に、第2のレーザパルスLP2が立上がる。図9の左縦軸は、第2のレーザパルスLP2のフルエンスを単位「J/cm」で表し、右縦軸は、第2のレーザパルスLP2のパワーを単位「W」で表す。 FIG. 9 shows the elapsed time t2-t4 from the falling time t4 of the first laser pulse LP1 to the rising time t2 of the second laser pulse LP2, and the second laser pulse LP2 necessary for melting the silicon wafer. The relationship with the fluence of The delay time from time t4 to time t2 is expressed as td. The horizontal axis represents the delay time td in the unit “μs”. In the region where the delay time td is negative, the second laser pulse LP2 rises before the fall time t4 of the first laser pulse LP1. 9 represents the fluence of the second laser pulse LP2 in the unit “J / cm 2 ”, and the right vertical axis represents the power of the second laser pulse LP2 in the unit “W”.

図9に示した実線aは、シリコンウエハの深さ0.3μmの位置が溶融する条件のときの第2のレーザパルスLP2のフルエンスのシミュレーション結果を示す。実線bは、シリコンウエハの最表面が溶融する条件のときの第2のレーザパルスLP2のフルエンスのシミュレーション結果を示す。遅延時間tdが変化したときの両者の増減傾向は、ほぼ等しい。図9に示した四角記号は、シリコンウエハの最表面が溶融するときの第2のレーザパルスLP2のパワーの実測値を示す。第1のレーザパルスLP1の入射領域40(図3B)の面積、及びパルス幅が一定であるため、第2のレーザパルスLP2のパワーに定数を乗じることにより、フルエンスに換算することができる。図9に示したように、シミュレーション結果は、実際の実験結果に十分整合している。   A solid line a shown in FIG. 9 shows the simulation result of the fluence of the second laser pulse LP2 when the position of the silicon wafer having a depth of 0.3 μm is melted. A solid line b shows the simulation result of the fluence of the second laser pulse LP2 when the outermost surface of the silicon wafer is melted. When the delay time td changes, the increase / decrease tendency of both is substantially equal. The square symbols shown in FIG. 9 indicate actual measurement values of the power of the second laser pulse LP2 when the outermost surface of the silicon wafer is melted. Since the area and the pulse width of the incident region 40 (FIG. 3B) of the first laser pulse LP1 are constant, the fluence can be converted to a fluence by multiplying the power of the second laser pulse LP2 by a constant. As shown in FIG. 9, the simulation result is sufficiently consistent with the actual experimental result.

横軸の原点(td=0)は、第1のレーザパルスLP1の立下りと同時に、第2のレーザパルスLP2が立上がる照射条件に対応する。   The origin (td = 0) on the horizontal axis corresponds to the irradiation condition in which the second laser pulse LP2 rises simultaneously with the fall of the first laser pulse LP1.

第1のレーザパルスLP1のパルス幅は25μsとし、シリコンウエハ表面におけるパワー密度は310kW/cmとした。遅延時間tdが−25μsの位置は、第1のレーザパルスLP1の立上りと同時に第2のレーザパルスLP2が立上る照射条件に対応する。 The pulse width of the first laser pulse LP1 was 25 μs, and the power density on the silicon wafer surface was 310 kW / cm 2 . The position where the delay time td is −25 μs corresponds to the irradiation condition in which the second laser pulse LP2 rises simultaneously with the rise of the first laser pulse LP1.

遅延時間tdを−25μsから0μsに向かって長くする(第2のレーザパルスLP2の立ち上がり時刻t2を第1のレーザパルスLP1の立下り時刻t4に近づける)と、シ
リコンウエハを溶融させるために必要な第2のレーザパルスLP2のフルエンスが低下する。これは、第2のレーザパルスLP2の入射時点で、第1のレーザパルスLP1によってシリコンウエハが予熱されているためである。遅延時間td=0の近傍で、シリコンウエハを溶融させるために必要な第2のレーザパルスLP2のフルエンスが最小値を示す。
If the delay time td is increased from −25 μs to 0 μs (the rising time t2 of the second laser pulse LP2 is brought closer to the falling time t4 of the first laser pulse LP1), it is necessary for melting the silicon wafer. The fluence of the second laser pulse LP2 decreases. This is because the silicon wafer is preheated by the first laser pulse LP1 when the second laser pulse LP2 is incident. In the vicinity of the delay time td = 0, the fluence of the second laser pulse LP2 necessary for melting the silicon wafer shows a minimum value.

遅延時間tdが0から長くなるに従って、シリコンウエハを溶融させるために必要な第2のレーザパルスLP2のフルエンスが増加する。これは、第1のレーザパルスLP1の立下り時刻t4の後、シリコンウエハの温度が低下する(予熱の効果が低減される)ためである。   As the delay time td increases from 0, the fluence of the second laser pulse LP2 necessary for melting the silicon wafer increases. This is because the temperature of the silicon wafer decreases (the effect of preheating is reduced) after the falling time t4 of the first laser pulse LP1.

図9に示したシミュレーション結果、及び実験結果からわかるように、第1のレーザパルスLP1と第2のレーザパルスLP2との照射タイミングを調節することにより、シリコンウエハを溶融させるために必要な第2のレーザパルスLP2のフルエンスを小さくすることができる。言い換えると、入射領域40(図3B)の面積が一定であれば、第2のレーザパルスLP2用の固体レーザ発振器31(図1)として、出力の小さなものを用いることができる。固体レーザ発振器31の出力が一定であれば、入射領域40の面積を大きくすることができる。   As can be seen from the simulation results and the experimental results shown in FIG. 9, the second timing necessary for melting the silicon wafer is adjusted by adjusting the irradiation timing of the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2. The fluence of the laser pulse LP2 can be reduced. In other words, if the area of the incident region 40 (FIG. 3B) is constant, a solid laser oscillator 31 (FIG. 1) for the second laser pulse LP2 can be used. If the output of the solid-state laser oscillator 31 is constant, the area of the incident region 40 can be increased.

図10及び図11を参照して、実施例による活性化方法の効果について説明する。シリコンウエハに不純物としてリン(P)を注入し、実施例による方法で活性化アニールを行う評価実験を行った。   The effects of the activation method according to the embodiment will be described with reference to FIGS. An evaluation experiment was conducted in which phosphorus (P) was implanted as an impurity into a silicon wafer, and activation annealing was performed by the method according to the example.

図10及び図11は、活性化アニール前の不純物濃度分布、及び活性化アニール後のキャリア濃度分布の測定結果を示す。横軸は、深さを単位「μm」で表し、縦軸は、濃度を単位「cm−3」で表す。図10及び図11の破線は、活性化アニール前の不純物濃度分布を示す。半導体基板として単結晶シリコン基板を用い、注入不純物をリン(P)とした。深さ0.2μm及び1.8μmの位置で、不純物濃度が極大値を示している。表面から深さ0.3μmまでの浅い領域が、高濃度層57a(図2B)に対応し、深さ0.3μmから約4μmまでの深い領域が、低濃度層56a(図2B)に対応する。評価実験では、浅い高濃度層57a及び深い低濃度層56aの不純物として、共にリンを採用したが、高濃度層57a及び低濃度層56aの不純物として、それぞれp型及びn型不純物を採用しても、活性化アニールによる活性化率は、評価実験による結果とほぼ同一の傾向を示す。 10 and 11 show the measurement results of the impurity concentration distribution before the activation annealing and the carrier concentration distribution after the activation annealing. The horizontal axis represents depth in units of “μm”, and the vertical axis represents concentration in units of “cm −3 ”. The broken lines in FIGS. 10 and 11 show the impurity concentration distribution before the activation annealing. A single crystal silicon substrate was used as the semiconductor substrate, and the implanted impurity was phosphorus (P). The impurity concentration shows maximum values at the depths of 0.2 μm and 1.8 μm. A shallow region from the surface to a depth of 0.3 μm corresponds to the high concentration layer 57a (FIG. 2B), and a deep region from the depth of 0.3 μm to about 4 μm corresponds to the low concentration layer 56a (FIG. 2B). . In the evaluation experiment, phosphorus was used as an impurity for both the shallow high-concentration layer 57a and the deep low-concentration layer 56a. However, p-type and n-type impurities were used for the high-concentration layer 57a and the low-concentration layer 56a, respectively. However, the activation rate by the activation annealing shows almost the same tendency as the result of the evaluation experiment.

評価実験では、第1のレーザパルスLP1のパルス幅を25μsとし、パワー密度を310kW/cm とした。第2のレーザパルスLP2のパルス幅を0.15μsとした。第2のレーザパルスLP2のフルエンスは、図9に示した溶融深さが0.3μmとなる条件とした。 In the evaluation experiment, the pulse width of the first laser pulse LP1 was 25 μs and the power density was 310 kW / cm 2 . The pulse width of the second laser pulse LP2 was set to 0.15 μs . The fluence of the second laser pulse LP2 was set such that the melting depth shown in FIG. 9 was 0.3 μm.

図10は、第1のレーザパルスLP1の立ち下がり時刻t4と同時、または時刻t4よりも後に、第2のレーザパルスLP2が立ち上がる条件で活性化アニールを行った結果を示す。第1のレーザパルスLP1の立ち下がり時刻t4から第2のレーザパルスLP2の立ち上がり時刻t2までの遅延時間tdを、0μs、2μs、5μs、及び10μsとした。   FIG. 10 shows the result of activation annealing performed under the condition that the second laser pulse LP2 rises simultaneously with the fall time t4 of the first laser pulse LP1 or after the time t4. The delay time td from the falling time t4 of the first laser pulse LP1 to the rising time t2 of the second laser pulse LP2 was set to 0 μs, 2 μs, 5 μs, and 10 μs.

図11は、第1のレーザパルスLP1の立ち下がり時刻t4よりも前に、第2のレーザパルスLP2が立ち上がる条件で活性化アニールを行った結果を示す。第1のレーザパルスLP1の立ち下がり時刻t4から第2のレーザパルスLP2の立ち上がり時刻t2までの遅延時間tdが負になる。第1のレーザパルスLP1の立ち下がり時刻t4から第2のレーザパルスLP2の立ち上がり時刻t2までの遅延時間tdを、−3μs、−8μs、−13μs、及び−18μsとした。   FIG. 11 shows the result of activation annealing performed under the condition that the second laser pulse LP2 rises before the fall time t4 of the first laser pulse LP1. The delay time td from the falling time t4 of the first laser pulse LP1 to the rising time t2 of the second laser pulse LP2 becomes negative. Delay times td from the falling time t4 of the first laser pulse LP1 to the rising time t2 of the second laser pulse LP2 were set to −3 μs, −8 μs, −13 μs, and −18 μs.

図10及び図11に示したように、遅延時間tdが−18μs〜10μsの範囲内で、浅い領域(高濃度層57aに対応する領域)及び深い領域(低濃度層56aに対応する領域)のいずれにおいても、十分な活性化が行われていることがわかる。深さ0.3μmよりも浅い領域では、第2のレーザパルスLP2の照射によって高濃度層57aが一旦溶融し、その後固化するときに不純物が活性化される。   As shown in FIGS. 10 and 11, the shallow region (the region corresponding to the high concentration layer 57 a) and the deep region (the region corresponding to the low concentration layer 56 a) within the delay time td of −18 μs to 10 μs. In any case, it can be seen that sufficient activation is performed. In the region shallower than the depth of 0.3 μm, the high-concentration layer 57a is once melted by irradiation with the second laser pulse LP2, and then the impurities are activated when solidified.

第1のレーザパルスLP1のマイクロ秒オーダのパルス幅は、電気炉でアニールする時間に比べて著しく短い。このため、十分な活性化を行うために、電気炉によるアニールに比べて高い温度が必要となる。シリコンの温度が約1200Kを超えると、マイクロ秒オーダのパルス幅(加熱時間)でも、不純物の活性化が起こり始める。図8Bに示したシミュレーション結果のように、深さ1μm〜5μmの領域の温度が、第1のレーザパルスLP1の照射によって1200Kを超えているとき、第1のレーザパルスLP1の照射によって、深さ5μmまでの深い領域の活性化が行われる。図10及び図11に示した評価実験の結果から、0.3μmよりも深い4μm程度までの領域において、第1のレーザパルスLP1の照射によって不純物が活性化されることが確認された。   The pulse width of the microsecond order of the first laser pulse LP1 is significantly shorter than the annealing time in the electric furnace. For this reason, in order to perform sufficient activation, a high temperature is required compared with annealing by an electric furnace. When the temperature of silicon exceeds about 1200 K, the activation of impurities begins to occur even with a pulse width (heating time) on the order of microseconds. As in the simulation result shown in FIG. 8B, when the temperature of the region having a depth of 1 μm to 5 μm exceeds 1200 K by irradiation with the first laser pulse LP1, the depth is increased by irradiation with the first laser pulse LP1. Activation of deep regions up to 5 μm is performed. From the results of the evaluation experiments shown in FIGS. 10 and 11, it was confirmed that the impurities were activated by the irradiation with the first laser pulse LP1 in the region up to about 4 μm deeper than 0.3 μm.

第1のレーザパルスLP1のパルス幅を長くすると、温度1200Kに達する領域が、より深くなる。従って、より深い領域まで不純物の活性化を行いたい場合には、第1のレーザパルスLP1のパルス幅を長くすればよい。第1のレーザパルスLP1のパルス幅は、活性化させる目標深さによって決定される。深い領域まで活性化させるために、第1のレーザパルスLP1のパルス幅を長くしたとき、半導体基板の表面が溶融しないように、パワー密度を低下させることが好ましい。次に、第1のレーザパルスLP1で半導体基板の表面を溶融させることが好ましくない理由について説明する。   When the pulse width of the first laser pulse LP1 is increased, the region reaching the temperature 1200K becomes deeper. Therefore, when it is desired to activate the impurity to a deeper region, the pulse width of the first laser pulse LP1 may be increased. The pulse width of the first laser pulse LP1 is determined by the target depth to be activated. In order to activate the deep region, it is preferable to reduce the power density so that the surface of the semiconductor substrate does not melt when the pulse width of the first laser pulse LP1 is increased. Next, the reason why it is not preferable to melt the surface of the semiconductor substrate with the first laser pulse LP1 will be described.

パルス幅の短い第2のレーザパルスLP2の照射によって半導体基板の表層部を溶融させる場合には、半導体基板の表層部の温度が急激に上昇することにより、レーザパルスの入射領域のほぼ全域でほぼ同時に溶融が開始する。パルス幅の長い第1のレーザパルスLP1を照射すると、図8Bに示したように、基板温度が徐々に上昇する。入射領域40(図3B)内で温度にばらつきがあると、入射領域40内で、溶融した領域と溶融していない領域とが混在することになる。溶融した領域と溶融していない領域とが混在すると、固化後に半導体基板の表面に凹凸が発生してしまう。半導体基板の表層部の結晶品質を高く維持するために、第1のレーザパルスLP1の照射条件は、半導体基板の表面を溶融させない条件とすることが好ましい。   In the case where the surface layer portion of the semiconductor substrate is melted by irradiation with the second laser pulse LP2 having a short pulse width, the temperature of the surface layer portion of the semiconductor substrate rapidly rises, so that the laser pulse incident region is almost the entire region. At the same time, melting begins. When the first laser pulse LP1 having a long pulse width is irradiated, the substrate temperature gradually rises as shown in FIG. 8B. If there is a variation in temperature in the incident region 40 (FIG. 3B), a molten region and a non-molten region are mixed in the incident region 40. When the melted region and the unmelted region coexist, unevenness occurs on the surface of the semiconductor substrate after solidification. In order to keep the crystal quality of the surface layer portion of the semiconductor substrate high, it is preferable that the irradiation condition of the first laser pulse LP1 is a condition that does not melt the surface of the semiconductor substrate.

次に、浅い高濃度層57a(図2B)と、深い低濃度層56a(図2B)との活性化アニールを行うときの、第1のレーザパルスLP1と第2のレーザパルスLP2との入射タイミングの好ましい条件について説明する。図10及び図11に示したように、第1のレーザパルスLP1のパルス幅が25μsのとき、遅延時間tdが−18μs〜10μsの範囲内で十分な活性化を行えることが確認された。   Next, the incident timing of the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 when activation annealing is performed on the shallow high-concentration layer 57a (FIG. 2B) and the deep low-concentration layer 56a (FIG. 2B). The preferable conditions of will be described. As shown in FIGS. 10 and 11, it was confirmed that when the pulse width of the first laser pulse LP1 is 25 μs, sufficient activation can be performed within the range of the delay time td of −18 μs to 10 μs.

第1のレーザパルスLP1のパルス幅をPW1で表し、前記第1のレーザパルスの立下り時刻をt4、前記第2のレーザパルスの立ち上がり時刻をt2で表したとき、−0.7×PW1≦t2−t4≦0.4×PW1の範囲内で、良好な活性化を行うことが評価実験で確認された。第1のレーザパルスLP1のパルス幅が変わっても、第1のレーザパルスLP1の立ち上がりから立下りまでの期間の基板温度の変化は、同様の傾向を示す。従って、第1のレーザパルスLP1の立ち下がり時刻t4より前の時刻t2で第2のレーザパルスLP2が立ち上がる場合、第1のレーザパルスLP1のパルス幅が変わっても、−0.7×PW1≦t2−t4≦0の範囲内で良好な活性化アニールを行うことが可能であると考えられる。   When the pulse width of the first laser pulse LP1 is represented by PW1, the falling time of the first laser pulse is represented by t4, and the rising time of the second laser pulse is represented by t2, −0.7 × PW1 ≦ It was confirmed by an evaluation experiment that good activation is performed within the range of t2−t4 ≦ 0.4 × PW1. Even if the pulse width of the first laser pulse LP1 changes, the change in the substrate temperature during the period from the rise to the fall of the first laser pulse LP1 shows the same tendency. Therefore, when the second laser pulse LP2 rises at time t2 before the fall time t4 of the first laser pulse LP1, even if the pulse width of the first laser pulse LP1 changes, −0.7 × PW1 ≦ It is considered that good activation annealing can be performed within the range of t2−t4 ≦ 0.

第1のレーザパルスLP1の立ち下がり時刻t4より後の時刻t2で第2のレーザパルスLP2が立ち上がる場合、第2のレーザパルスLP2のフルエンスを調整することにより、良好な再結晶化及び活性化を行うことが可能である。ただし、図9に示したように、遅延時間td=t2−t4が長くなると、第2のレーザパルスLP2のフルエンスを大きくしなければならない。また、遅延時間tdが長くなりすぎると、第1のレーザパルスLP1の立下り時刻t4から第2のレーザパルスLP2の立ち上がり時刻t2までの半導体基板の移動距離が無視できなくなる。すなわち、図3Cに示した第1のレーザパルスLP1の入射領域40Aに対して、第2のレーザパルスLP2の入射領域40BがY方向に変位してしまう。第1のレーザパルスLP1と第2のレーザパルスLP2とを、実質的に同一の領域に入射させるために、遅延時間td=t2−t4は、第1のレーザパルスLP1のパルスの繰り返し周期の1/10以下とすることが好ましい。すなわち、第1のレーザパルスLP1のパルスの繰り返し周期をTで表したとき、t2−t4≦T/10とすることが好ましい。   When the second laser pulse LP2 rises at time t2 after the fall time t4 of the first laser pulse LP1, good recrystallization and activation can be achieved by adjusting the fluence of the second laser pulse LP2. Is possible. However, as shown in FIG. 9, when the delay time td = t2-t4 becomes longer, the fluence of the second laser pulse LP2 has to be increased. Further, if the delay time td becomes too long, the moving distance of the semiconductor substrate from the falling time t4 of the first laser pulse LP1 to the rising time t2 of the second laser pulse LP2 cannot be ignored. That is, the incident region 40B of the second laser pulse LP2 is displaced in the Y direction with respect to the incident region 40A of the first laser pulse LP1 shown in FIG. 3C. In order to make the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 enter substantially the same region, the delay time td = t2-t4 is 1 of the repetition period of the pulse of the first laser pulse LP1. / 10 or less is preferable. That is, when the repetition period of the first laser pulse LP1 is represented by T, it is preferable to satisfy t2−t4 ≦ T / 10.

図12Aに、半導体基板(シリコンウエハ)50の表面の全域を、第1のレーザパルスLP1及び第2のレーザパルスLP2でアニールするときの走査経路の一例を示す。図1に示したように、レーザビームの経路を固定して、第1のレーザパルスLP1及び第2のレーザパルスLP2を半導体基板50に周期的に入射させながら、ステージ41を移動させる。これにより、半導体基板50の表面が、第1のレーザパルスLP1及び第2のレーザパルスLP2で走査される。主走査方向をY方向、副走査方向をX方向とする。Y方向(主走査方向)に関しては、往復走査を行う。   FIG. 12A shows an example of a scanning path when the entire surface of the semiconductor substrate (silicon wafer) 50 is annealed with the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2. As shown in FIG. 1, the stage 41 is moved while the path of the laser beam is fixed and the first laser pulse LP 1 and the second laser pulse LP 2 are periodically incident on the semiconductor substrate 50. As a result, the surface of the semiconductor substrate 50 is scanned with the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2. The main scanning direction is the Y direction, and the sub scanning direction is the X direction. In the Y direction (main scanning direction), reciprocal scanning is performed.

図12B及び図12Cを参照して、比較例によるアニール方法について説明する。比較例では、深い領域の活性化を行うための第1のレーザビームとして、連続波(CW)レーザビームを用い、浅い領域の活性化を行うための第2のレーザビームとして、パルスレーザビームを用いる。   With reference to FIG. 12B and FIG. 12C, the annealing method by a comparative example is demonstrated. In the comparative example, a continuous wave (CW) laser beam is used as the first laser beam for activating the deep region, and a pulse laser beam is used as the second laser beam for activating the shallow region. Use.

図12Bに、第1のレーザビームの第1の入射領域60A及び第2のレーザビームの第2の入射領域60Bの位置関係を示す。両者とも、X方向に長い長尺形状を有する。第2の入射領域60Bが第1の入射領域60Aの内側に含まれる。この位置関係を保って、第1の入射領域60A及び第2の入射領域60BをY軸の負の方向に走査する。半導体基板50の表面上の1点に着目すると、第1の入射領域60Aの前方の縁(図12Bにおいて右側の縁)が通過した時点から、後方の縁(図12Bにおいて左側の縁)が通過する時点まで、第1のレーザビームが照射される。第2のレーザビームは、その立ち上がり時点から立下り時点まで照射される。   FIG. 12B shows the positional relationship between the first incident region 60A of the first laser beam and the second incident region 60B of the second laser beam. Both have a long shape that is long in the X direction. The second incident area 60B is included inside the first incident area 60A. While maintaining this positional relationship, the first incident region 60A and the second incident region 60B are scanned in the negative direction of the Y axis. When attention is paid to one point on the surface of the semiconductor substrate 50, the rear edge (left edge in FIG. 12B) passes from the time when the front edge (right edge in FIG. 12B) of the first incident region 60A passes. The first laser beam is irradiated until the point of time. The second laser beam is irradiated from the rising point to the falling point.

半導体基板50の表面上の1点に着目したとき、第1のレーザビームの入射時刻t10から第2のレーザビームの入射時刻t11までの経過時間は、第1の入射領域60Aと第2の入射領域60Bとの位置関係に依存する。より詳細には、第1の入射領域60Aの右側の縁と第2の入射領域60Bの縁との間隔と、走査速度とに依存する。   When attention is paid to one point on the surface of the semiconductor substrate 50, the elapsed time from the incident time t10 of the first laser beam to the incident time t11 of the second laser beam depends on the first incident region 60A and the second incident. It depends on the positional relationship with the region 60B. More specifically, this depends on the distance between the right edge of the first incident area 60A and the edge of the second incident area 60B and the scanning speed.

図12Cに、第1の入射領域60A及び第2の入射領域60BをY軸の正の方向に走査するときの、第1の入射領域60Aと第2の入射領域60Bとの位置関係、及び半導体基板50の表面上の1点に照射されるレーザビームの照射タイミングを示す。第1のレーザビームの入射時刻t10から、第2のレーザビームの入射時刻t11までの経過時間は、第1の入射領域60Aの左側の縁と第2の入射領域60Bの縁との間隔と、走査速度とに依存する。   FIG. 12C shows the positional relationship between the first incident region 60A and the second incident region 60B when the first incident region 60A and the second incident region 60B are scanned in the positive direction of the Y axis, and the semiconductor. The irradiation timing of the laser beam irradiated to one point on the surface of the substrate 50 is shown. The elapsed time from the incident time t10 of the first laser beam to the incident time t11 of the second laser beam is the distance between the left edge of the first incident region 60A and the edge of the second incident region 60B. Depends on the scanning speed.

図12B及び図12Cに示したように、Y軸の負の方向に走査する時と、正の方向に走
査する時とで、第1のレーザビームの入射時刻t10から第2のレーザビームの入射時刻t11までの経過時間が同一にならない。これに対し、実施例では、第1のレーザパルスLP1の入射時刻から第2のレーザパルスLP2の入射時刻までの経過時間は、2つのレーザパルスの入射領域の相対位置関係とは無関係であり、第1のレーザパルスLP1及び第2のレーザパルスLP2の立ち上がり時刻の間隔に一致する。このため、Y軸の正及び負のいずれの方向に走査する場合でも、第1のレーザパルスLP1の入射時刻から第2のレーザパルスLP2の入射時刻までの経過時間が同一になる。従って、Y方向に関して往復走査を行うことが可能になる。往復走査を行うことにより、アニール時間を短縮することができる。また、往路と復路とで、第1のレーザパルスLP1と第2のレーザパルスLP2との経路の相対的な位置関係を調整する必要がない。このため、複雑な光学系の調整機構が不要である。
As shown in FIGS. 12B and 12C, the second laser beam is incident from the time t10 when the first laser beam is incident, when scanning in the negative direction of the Y axis and when scanning in the positive direction. The elapsed time up to time t11 is not the same. On the other hand, in the embodiment, the elapsed time from the incident time of the first laser pulse LP1 to the incident time of the second laser pulse LP2 is independent of the relative positional relationship between the incident areas of the two laser pulses, This coincides with the rise time interval of the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2. For this reason, the time elapsed from the incident time of the first laser pulse LP1 to the incident time of the second laser pulse LP2 is the same regardless of whether the scanning is in the positive or negative direction of the Y axis. Therefore, it is possible to perform reciprocal scanning in the Y direction. By performing reciprocal scanning, the annealing time can be shortened. Further, it is not necessary to adjust the relative positional relationship of the path between the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 between the forward path and the return path. This eliminates the need for a complicated optical system adjustment mechanism.

上記実施例において、第1のレーザパルスLP1の波長を短くしすぎると、レーザエネルギがシリコンウエハの極浅い領域で吸収されてしまい、深い領域を効率的に加熱することが困難になる。逆に、第1のレーザパルスLP1の波長を長くしすぎると、レーザエネルギがシリコンウエハに吸収されなくなってしまう。第1のレーザパルスLP1でシリコンウエハの低濃度層56a(図2B)を効率的に加熱するために、その波長を550nm以上、950nm以下とすることが好ましい。   In the above embodiment, if the wavelength of the first laser pulse LP1 is made too short, the laser energy is absorbed in the extremely shallow region of the silicon wafer, and it becomes difficult to efficiently heat the deep region. Conversely, if the wavelength of the first laser pulse LP1 is too long, the laser energy will not be absorbed by the silicon wafer. In order to efficiently heat the low-concentration layer 56a (FIG. 2B) of the silicon wafer with the first laser pulse LP1, the wavelength is preferably set to 550 nm or more and 950 nm or less.

波長550nmの光は、シリコン基板の深さ1μm程度まで侵入する。このため、第1のレーザパルスLP1の波長を550nmにすると、深さ1μmまでの領域を効率的に加熱することができる。深さ1μmよりも深い領域は、熱伝導によって加熱される。第1のレーザパルスLP1の波長を650nmにすると、深さ3μm程度までの領域を効率的に加熱することができる。第1のレーザパルスLP1の波長を700nmにすると、深さ5μm程度までの領域を効率的に加熱することができる。シリコン基板の厚さが100μmの場合、第1のレーザパルスLP1の波長を950nmよりも長くすると、シリコン基板を透過してしまうレーザエネルギが多くなる。   Light having a wavelength of 550 nm penetrates to a depth of about 1 μm in the silicon substrate. For this reason, when the wavelength of the first laser pulse LP1 is 550 nm, the region up to a depth of 1 μm can be efficiently heated. A region deeper than 1 μm deep is heated by heat conduction. When the wavelength of the first laser pulse LP1 is set to 650 nm, a region up to about 3 μm in depth can be efficiently heated. When the wavelength of the first laser pulse LP1 is set to 700 nm, the region up to about 5 μm in depth can be efficiently heated. When the thickness of the silicon substrate is 100 μm, when the wavelength of the first laser pulse LP1 is longer than 950 nm, the laser energy that passes through the silicon substrate increases.

深い低濃度層56a(図2B)の不純物を活性化するために、半導体基板50への、第1のレーザパルスLP1の光侵入長を、半導体基板50の第2の面50Bから低濃度層56aの底面までの深さよりも長くすることが好ましい。また、半導体基板50を透過してしまう無駄な光エネルギを少なくするために、第1のレーザパルスLP1の光侵入長を、半導体基板50の厚さより短くすることが好ましい。第1のレーザパルスLP1の波長は、上記光侵入長を満たすように選択される。ここで、「光侵入長」は、光強度が1/eに減衰する距離を意味する。   In order to activate the impurities in the deep low concentration layer 56a (FIG. 2B), the light penetration length of the first laser pulse LP1 into the semiconductor substrate 50 is changed from the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 to the low concentration layer 56a. It is preferable to make it longer than the depth to the bottom surface. Further, in order to reduce useless light energy that passes through the semiconductor substrate 50, it is preferable that the light penetration length of the first laser pulse LP <b> 1 is shorter than the thickness of the semiconductor substrate 50. The wavelength of the first laser pulse LP1 is selected so as to satisfy the light penetration length. Here, the “light penetration length” means a distance at which the light intensity is attenuated to 1 / e.

第1のレーザパルスLP1の照射条件、具体的にはパルス幅及びパワー密度は、半導体基板の表面が溶融せず、かつ低濃度層56a内の不純物の活性化が始まる条件とすることが好ましい。具体的には、低濃度層56aの底面の温度が、1200Kを超える条件とすることが好ましい。   The irradiation conditions of the first laser pulse LP1, specifically, the pulse width and power density are preferably set such that the surface of the semiconductor substrate does not melt and the activation of impurities in the low concentration layer 56a starts. Specifically, it is preferable that the temperature of the bottom surface of the low-concentration layer 56a exceeds 1200K.

第2のレーザパルスLP2は、シリコンウエハの高濃度層57a(図2B)を効率的に溶融させるために、シリコンに吸収されやすい緑色の波長成分を含むことが好ましい。なお、第1のレーザパルスLP1の予熱の効果のため、緑色よりも長い波長の光も、シリコンに吸収されやすくなる。従って、第2のレーザパルスLP2の波長を、波長1μm程度の赤外域としてもよい。赤外域の波長の光は、シリコン基板の深い領域まで侵入するため、第2のレーザパルスLP2として緑色の波長域の光を用いた場合に比べて、より深い領域まで溶融する。   The second laser pulse LP2 preferably includes a green wavelength component that is easily absorbed by silicon in order to efficiently melt the high-concentration layer 57a (FIG. 2B) of the silicon wafer. Note that due to the effect of preheating the first laser pulse LP1, light having a wavelength longer than that of green is easily absorbed by silicon. Therefore, the wavelength of the second laser pulse LP2 may be an infrared region having a wavelength of about 1 μm. Since light having a wavelength in the infrared region penetrates into a deep region of the silicon substrate, the light is melted to a deeper region than when light in the green wavelength region is used as the second laser pulse LP2.

上記実施例では、IGBTの製造を例に取り上げたが、上記実施例による方法は、半導
体基板の一方の面の表層部の不純物を活性化させ、かつ反対側の面の温度上昇を抑制することが望まれる半導体装置の製造に適用することが可能である。
In the above embodiment, the manufacture of the IGBT is taken as an example. However, the method according to the above embodiment activates impurities in the surface layer portion of one surface of the semiconductor substrate and suppresses the temperature increase on the opposite surface. It is possible to apply to the manufacture of a semiconductor device for which the above is desired.

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。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

20 制御装置
21 半導体レーザ発振器
22 アッテネータ
23 ビームエキスパンダ
24 ホモジナイザ
25 ダイクロイックミラー
26 集光レンズ
27 伝搬光学系
31 固体レーザ発振器
32 アッテネータ
33 ビームエキスパンダ
34 ホモジナイザ
35 ベンディングミラー
40 レーザパルスの入射領域
40A 第1のレーザパルスの入射領域
40B 第2のレーザパルスの入射領域
41 ステージ
50 半導体基板
50T 第1の面
50B 第2の面
51 p型のベース領域
52 n型のエミッタ領域
53 ゲート電極
54 ゲート絶縁膜
55 エミッタ電極
56 低濃度のn型のバッファ層
56a 低濃度層
57 p型のコレクタ層
57a 高濃度層
58 コレクタ電極
60A 第1の入射領域
60B 第2の入射領域
20 Control Device 21 Semiconductor Laser Oscillator 22 Attenuator 23 Beam Expander 24 Homogenizer 25 Dichroic Mirror 26 Condensing Lens 27 Propagation Optical System 31 Solid State Laser Oscillator 32 Attenuator 33 Beam Expander 34 Homogenizer 35 Bending Mirror 40 Laser Pulse Incidence Area 40A First Laser pulse incident region 40B Second laser pulse incident region 41 Stage 50 Semiconductor substrate 50T First surface 50B Second surface 51 p-type base region 52 n-type emitter region 53 Gate electrode 54 Gate insulating film 55 Emitter electrode 56 Low-concentration n-type buffer layer 56a Low-concentration layer 57 p-type collector layer 57a High-concentration layer 58 Collector electrode 60A First incident region 60B Second incident region

Claims (6)

表層部に、第1の不純物がドープされた第1の層と、前記第1の層よりも深い領域に、前記第1の層の不純物濃度よりも低濃度に、第2の不純物がドープされた第2の層とを含む半導体基板の前記表層部に、パルス幅が10μs〜30μsの範囲内の第1のレーザパルスを入射させて、前記表層部を溶融させることなく、前記第2の層の第2の不純物を活性化させる工程と、
前記半導体基板の前記表層部に、前記第1のレーザパルスのパルス幅よりも短い第2のレーザパルスを入射させて、前記第1の層を溶融させ、前記第2の層は溶融させることなく、前記第1の層の前記第1の不純物を活性化させる工程と
を有し、
前記第2のレーザパルスの入射領域が前記第1のレーザパルスの入射領域の内部に配置され、第2のレーザパルスの入射領域の面積が、第1のレーザパルスの入射領域の面積の50%〜100%の範囲内である半導体装置の製造方法。
A first layer doped with the first impurity in the surface layer portion, and a second impurity doped in a region deeper than the first layer at a concentration lower than the impurity concentration of the first layer. The second layer without melting the surface layer portion by causing a first laser pulse having a pulse width of 10 μs to 30 μs to enter the surface layer portion of the semiconductor substrate including the second layer. Activating the second impurity of
A second laser pulse shorter than the pulse width of the first laser pulse is incident on the surface layer portion of the semiconductor substrate to melt the first layer, and the second layer is not melted. And activating the first impurity of the first layer,
The incident region of the second laser pulse is disposed inside the incident region of the first laser pulse, and the area of the incident region of the second laser pulse is 50% of the area of the incident region of the first laser pulse. A method for manufacturing a semiconductor device within a range of ˜100%.
前記第1のレーザパルスの光源は半導体レーザ発振器であり、前記第2のレーザパルスの光源は固体レーザ発振器であり、
前記第1のレーザパルスのパルス幅をPW1、前記第1のレーザパルスの立下り時刻をt4、前記第2のレーザパルスの立ち上がり時刻をt2、第1のレーザパルスの繰り返し周期をTで表したとき、
−0.7×PW1≦t2−t4≦T/10
を満たすタイミングで前記第1のレーザパルス及び前記第2のレーザパルスを前記半導体基板に入射させる請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
The light source of the first laser pulse is a semiconductor laser oscillator, and the light source of the second laser pulse is a solid-state laser oscillator;
The pulse width of the first laser pulse is PW1, the fall time of the first laser pulse is t4, the rise time of the second laser pulse is t2, and the repetition period of the first laser pulse is T. When
−0.7 × PW1 ≦ t2−t4 ≦ T / 10
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first laser pulse and the second laser pulse are incident on the semiconductor substrate at a timing satisfying
前記第1のレーザパルスの入射領域と、前記第2のレーザパルスの入射領域とは、実質的に一致する請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an incident region of the first laser pulse and an incident region of the second laser pulse substantially coincide with each other. 前記半導体基板を、その表面に平行な第1の方向に移動させながら、前記第1のレーザパルスと前記第2のレーザパルスとを、周期的に前記半導体基板の前記表層部に入射させる工程と、
前記半導体基板を、前記第1の方向とは反対向きに移動させながら、前記第1のレーザパルスと前記第2のレーザパルスとを、周期的に前記半導体基板の前記表層部に入射させる工程と
を含む請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Causing the first laser pulse and the second laser pulse to periodically enter the surface layer portion of the semiconductor substrate while moving the semiconductor substrate in a first direction parallel to the surface thereof; ,
Causing the first laser pulse and the second laser pulse to periodically enter the surface layer portion of the semiconductor substrate while moving the semiconductor substrate in a direction opposite to the first direction; The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Claims 1 thru | or 3 containing these.
前記第1のレーザパルスの波長は、前記半導体基板への光侵入長が、前記半導体基板の表面から前記第2の層の底面までの深さよりも長くなるように選択されている請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The wavelength of the first laser pulse is selected such that the light penetration length into the semiconductor substrate is longer than the depth from the surface of the semiconductor substrate to the bottom surface of the second layer. 5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4. 前記第1のレーザパルスの波長は、前記半導体基板への光侵入長が、前記半導体基板の厚さよりも短くなるように選択されている請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the wavelength of the first laser pulse is selected such that a light penetration length into the semiconductor substrate is shorter than a thickness of the semiconductor substrate. Manufacturing method.
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