JP6497903B2

JP6497903B2 - レーザアニール装置

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Publication number: JP6497903B2
Application number: JP2014237411A
Authority: JP
Inventors: 若林　直木; 直木若林
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2034-11-25
Also published as: JP2016100499A

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レーザアニール装置に関する。

下記の特許文献１に、半導体レーザ及び固体レーザを用いてレーザアニールを行う方法が開示されている。この方法で用いられる固体レーザのパルス幅は半導体レーザのパルス幅の１／１０以下である。半導体レーザの入射領域に、固体レーザを重ねて入射させることにより、不純物を活性化させる。

下記の特許文献２に、深い部分及び浅い部分のドーパントを活性化するレーザアニール方法が開示されている。この方法によると、まず第１のドーパントを浅く注入する。第１のドーパントの注入後、注入領域よりも深くまで溶融させて、第１のドーパントを液相拡散させる。これにより、第１のドーパントの深い注入と活性化とが一括して行われる。その後、浅い部分に第２のドーパントを注入し、注入深さより浅い部分まで溶融させることにより、第２のドーパントを活性化する。

特開２０１４−３６１１０号公報特開２０１２−４４１２１号公報

本願の発明者による種々の評価実験によると、特許文献１に開示された方法では、表層部に多くの格子欠陥が生じる場合があることが判明した。特許文献２に開示された方法では、イオン注入工程とアニール工程とを、２回ずつ実行しなければならない。

本発明の目的は、アニール工程の回数を増やすことなく、格子欠陥の発生し難いレーザアニール装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
第１のパルスレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅の第２のパルスレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、
前記第２のパルスレーザビームを減衰させる可変アッテネータを含み、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを、半導体基板に入射させる伝搬光学系と、
入出力装置と、
前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記入出力装置を通して、溶融深さの目標値が入力されると、前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の設定値とフルエンスの設定値、及び入力された前記目標値に基づいて、前記第２のパルスレーザビームのフルエンスを算出し、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の設定値とフルエンスの設定値、及び前記第２のパルスレーザビームのフルエンスの算出値に基づいて、前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御することにより、前記半導体基板に前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを入射させるレーザアニール装置が提供される。

第１のドーパントと第２のドーパントとの濃度が等しくなる深さよりも深く、かつ第２のドーパントの濃度が最大値を示す深さよりも浅い位置まで、半導体基板を溶融させると、格子欠陥の少ない領域からエピタキシャル成長が進む。このため、溶融した後固化した部分の結晶性を高めることができる。これにより、表面粗さも小さくなる。

レーザアニール装置に溶融深さの目標値を入力することにより、所望の深さまで溶融させる条件でレーザアニールを行うことができる。

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。図２Ａは、実施例による方法で製造される半導体装置の例として示された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図であり、図２Ｂは、レーザアニール前のＩＧＢＴの断面図である。図３Ａは、半導体基板に入射するパルスレーザビームの波形の概略を示すグラフであり、図３Ｂは、半導体基板の第２の面におけるパルスレーザビームの入射領域の平面図である。図４Ａは、レーザアニールによりドーパントを活性化させる評価実験を行った結果を示すグラフであり、図４Ｂは、実施例による方法でレーザアニールを行う前のドーパント濃度分布、及びレーザアニール後のキャリア濃度分布の一例を示すグラフである。図５は、第２のパルスレーザビームのパルス幅及びフルエンスと、溶融深さとの関係を示すグラフである。図６は、実施例によるレーザアニール装置の制御装置で実行される処理のフローチャートである。

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の第１のパルスレーザビームを出力する。なお、波長９５０ｎｍ以下のパルスレーザビームを出力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、緑色の波長域の第２のパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器３１には、例えば第２高調波を出力するＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等のＱスイッチレーザが用いられる。

半導体レーザ発振器２１から出力された第１のパルスレーザビーム及び固体レーザ発振器３１から出力された第２のパルスレーザビームが、伝搬光学系２７を経由して、アニール対象物である半導体基板５０に入射する。第１のパルスレーザビームと第２の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。

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から出力された第１の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。

固体レーザ発振器３１から出力された第２のパルスレーザビームが、可変アッテネータ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。

アッテネータ２２は、第１のパルスレーザビームの強度を減衰させる。可変アッテネータ３２は、第２のパルスレーザビームの強度を減衰させる。可変アッテネータ３２による第２のパルスレーザビームの減衰量は可変である。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。第１のパルスレーザビームと第２の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。

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１０が、半導体レーザ発振器２１、固体レーザ発振器３１、可変アッテネータ３２、及びステージ４１を制御する。ステージ４１は、制御装置１０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。

入出力装置１１を通して、制御装置１０に種々の情報、例えばレーザアニール条件の目標値が入力される。制御装置１０は、オペレータにレーザアニール条件の目標値の入力を補助する情報を出力する。オペレータは、入出力装置１１に出力された情報を参考にして、レーザアニール条件の目標値を入力することができる。入出力装置１１には、例えば、ディスプレイ、キーボード、及びポインティングデバイスが用いられる。その他に、入出力装置１１として、タッチパネルを用いることも可能である。

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。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が形成される。もう一方の面（以下、「第２の面」という。）５０Ｂにコレクタが形成される。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。

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よりも深い部分に配置される。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。

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。

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の表面近傍の浅い部分５７ａに、第１のドーパントとしてボロンがイオン注入されている。浅い部分５７ａより深い部分に位置する深い部分５６ａに、第２のドーパントとしてリンがイオン注入されている。浅い部分５７ａ内のボロン、及び深い部分５６ａ内のリンは、活性化していない。浅い部分５７ａのボロン濃度は、深い部分５６ａのリン濃度より高い。ボロンのドーズ量が多いため、浅い部分５７ａはアモルファス状態になっている。浅い部分５７ａと深い部分５６ａとの界面より深い部分は、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。

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立ち上がりのタイミングは、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。

時刻ｔ１に、半導体レーザ発振器２１から出力される第１のパルスレーザビームＬＰ１が立ち上がる。時刻ｔ１の後の時刻ｔ２に、固体レーザ発振器３１から出力される第２のパルスレーザビームＬＰ２が立ち上がる。第１のパルスレーザビームＬＰ１と第２のパルスレーザビームＬＰ２とが入射する領域は、ほぼ重なる。第２のパルスレーザビームＬＰ２のピークパワーは、第１のパルスレーザビームＬＰ１のピークパワーより高く、第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１より短い。時刻ｔ３で、第１のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビームＬＰ２が、ほぼ同時に立ち下がる。

第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１は、例えば１０μｓ以上である。パルス幅ＰＷ１は、制御装置１０から制御することが可能である。第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、例えば１μｓ以下である。一般的に、パルス幅ＰＷ２は、固体レーザ発振器３１に固有のものであり、制御装置１０から自由に制御することはできない。一例として、パルス幅ＰＷ１は１０μｓ以上３０μｓ以下であり、パルス幅ＰＷ２は１００ｎｓ以上２００ｎｓ以下である。第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２を、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の１／１０以下とすることが好ましい。

図３Ｂに、半導体基板５０（図２Ｂ）の第２の面５０Ｂにおけるパルスレーザビームの入射領域の平面図を示す。第１のパルスレーザビームＬＰ１（図３Ａ）及び第２のパルスレーザビームＬＰ２（図３Ａ）は、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）において、ｘ方向に長い同一のビーム入射領域４０に入射する。例えば、ビーム入射領域４０の好適な長さＬは２ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、好適な幅Ｗｔは２００μｍ以上４００μｍ以下である。

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のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビーム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のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビーム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のパルスレーザビーム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（Ｗｔ−Ｗｏ）／Ｗｔは、例えば５０％以上９０％以下である。

図３Ａに示した時刻ｔ１で第１のパルスレーザビーム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のパルスレーザビームＬＰ２が入射すると、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。

時刻ｔ３において第１のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビームＬＰ２が立ち下がると、半導体基板５０の表層部の温度が低下し、溶融していた部分が固化（再結晶化）する。このとき、溶融していた部分と溶融していない部分との界面からエピタキシャル成長が生じる。再結晶化と同時に、浅い部分５７ａに注入されている不純物が活性化する。深い部分５６ａは、溶融することなく、固相拡散することにより不純物が活性化する。

上述のように、第２のパルスレーザビームＬＰ２は、浅い部分５７ａ（図２Ｂ）を溶融させることにより、浅い部分５７ａのボロンを活性化させる。第１のパルスレーザビームＬＰ１は、主に深い部分５６ａのリンを、非溶融状態のままで活性化させる。第２のパルスレーザビームＬＰ２の入射開始時点で、半導体基板５０の浅い部分５７ａが、第１のパルスレーザビームＬＰ１によって予熱されている。このため、第２のパルスレーザビームＬＰ２のみで浅い部分５７ａを溶融させる方法に比べて、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスを低くすることが可能である。

図３Ａでは、第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち下がりと、第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち下がりとを一致させたが、必ずしも両者を一致させる必要はない。第１のパルスレーザビームＬＰ１と第２のパルスレーザビームＬＰ２とが時間軸上で重なり、かつ第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち下がり時刻の直前に、第２のパルスレーザビームＬＰ２が立ち上がるようにすればよい。第２のパルスレーザビームＬＰ２の立ち上がりから、第１のパルスレーザビームＬＰ１の立ち下がりまでの時間を、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の１／５以下にすることが好ましい。これにより、第１のパルスレーザビームＬＰ１による予熱効果を得ることができる。

図４Ａに、レーザアニールによりドーパントを活性化させる評価実験を行った結果を示す。評価実験においては、シリコン基板にボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）とをイオン注入し、レーザアニールを行った。図４Ａは、レーザアニールを行う前のドーパント濃度分布、及びレーザアニール後のキャリア濃度分布の測定結果である。横軸は基板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。細い実線で、ボロン濃度ＮＢ及びリン濃度ＮＰが示されている。太い実線でホール濃度Ｎｈ及び電子濃度Ｎｅが示されている。

ボロンの加速エネルギは４０ｋｅＶであり、ボロンのドーズ量は１×１０^１５ｃｍ^−２である。リンの加速エネルギは７００ｋｅＶであり、リンのドーズ量は１×１０^１３ｃｍ^−２である。第１のパルスレーザビームのパルス幅は１５μｓであり、フルエンスは６．０Ｊ／ｃｍ^２である。第２のパルスレーザビームのパルス幅は１５０ｎｓであり、フルエンスは１．２Ｊ／ｃｍ^２である。

深さ約０．２μｍにおいて、ボロン濃度ＮＢが最大値を示し、深さ約１μｍにおいて、リン濃度ＮＰが最大値を示している。深さ約０．４μｍよりも深い部分において、ボロン濃度ＮＢの分布とホール濃度Ｎｈの分布とがほぼ一致し、リン濃度ＮＰの分布と電子濃度Ｎｅの分布とがほぼ一致している。これは、固相拡散により、ほぼ１００％のドーパンントが活性化していることを意味する。深さ約０．５μｍにおいて、ホール濃度Ｎｈと電子濃度Ｎｅとが等しくなっている。すなわち、ｐｎ接合界面の深さは約０．５μｍである。

深さ約０．４μｍより浅い部分においては、ホール濃度Ｎｈの分布がボロン濃度ＮＢの分布からずれている。特に、深さ０．３μｍより浅い部分において、ホール濃度Ｎｈの分布がほぼ平坦になっている。ホール濃度Ｎｈの分布がほぼ平坦になっているのは、レーザアニールによって溶融したことにより、溶融したシリコン内をボロンが拡散したためである。図４Ａに示した評価実験では、レーザアニールによって、深さ０．３５μｍから０．４μｍ程度まで溶融したと推測できる。

不純物を高濃度にイオン注入すると、半導体基板に格子欠陥が発生する。特に、不純物濃度が最大値を示す深さよりもやや深い位置において、多くの格子欠陥が発生する。図４Ａに示した例では、ボロンのドーズ量がリンのドーズ量より２桁程度高いため、深さ０．２μｍから０．４μｍまでの範囲に、多くの格子欠陥が発生する。レーザアニール時の溶融深さが深さ０．４μｍよりも浅い場合には、格子欠陥の多い領域からエピタキシャル成長が進む。このため、一旦溶融し、再結晶化した領域の結晶品質が悪くなる。また、表面粗さも大きくなる。

図２Ｂ、図３Ａ、及び図４Ｂを参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。

図２Ｂに示すように、浅い部分５７ａにイオン注入された第１のドーパント（ボロン）と、相対的に深い部分５６ａにイオン注入された第２のドーパント（リン）とを含む半導体基板５０を準備する。

図３Ａに示すように、半導体基板３０（図２Ｂ）に、相対的に長いパルス幅の第１のパルスレーザビームＬＰ１を入射させる。第１のパルスレーザビームＬＰ１の入射中に、相対的に短いパルス幅の第２のパルスレーザビームＬＰ２を入射させる。第１のパルスレーザビームＬＰ１の入射により、相対的に深い部分５６ａ（図２Ｂ）の第２のドーパントが活性化する。第２のパルスレーザビームＬＰ２の入射により、半導体基板３０の表層部が溶融する。溶融深さは、第１のドーパントの濃度と第２のドーパントの濃度とが一致する深さよりも深く、かつ第２のドーパントの濃度が最大値を示す深さよりも浅い。第１のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビームＬＰ２が立ち下がると、溶融していた部分が固化（再結晶化）する。

このレーザアニールにより、図２Ａに示したコレクタ層５７及びバッファ層５６が形成される。

図４Ｂに、実施例による方法でレーザアニールを行う前のドーパント濃度分布、及びレーザアニール後のキャリア濃度分布の一例を示す。横軸及び縦軸は、図４Ａのものと同一である。ボロン濃度ＮＢは、図４Ａに示した例よりも浅い部分に偏在している。例えば、深さ約０．２μｍｍよりも浅い部分でボロン濃度ＮＢが最大値を示す。リン濃度ＮＰの分布は、図４Ａに示した例と同一であり、深さＤ２において最大値を示す。浅い部分５７ａに注入されているボロン濃度が、深い部分５６ａに注入されているリン濃度よりも高い。

深さ約０．４μｍにおいて、ボロン濃度ＮＢとリン濃度ＮＰとが等しくなっている。ボロン濃度ＮＢとリン濃度ＮＰとの濃度が等しい深さを「等濃度深さＤ１」ということとする。実施例によるレーザアニール方法においては、溶融深さが、等濃度深さＤ１よりも深い。

図４Ｂにおいては、溶融深さが約０．５μｍである場合のホール濃度Ｎｈ及び電子濃度Ｎｅを示す。深さ０．５μｍより浅い部分が溶融している期間に、ボロンが液相のシリコン中を拡散するため、ホール濃度Ｎｈは、溶融深さ０．５μｍより浅い部分でほぼ一定になる。溶融深さ０．５μｍより深い部分では、ホール濃度Ｎｈは急激に低下する。リンは、溶融深さ０．５μｍより深い部分において固相拡散することにより、活性化される。溶融深さ０．５μｍより深い部分で、電子濃度Ｎｅの分布は、リン濃度ＮＰの分布とほぼ重なる。

溶融深さ０．５μｍとほぼ等しい位置において、ホール濃度Ｎｈと電子濃度Ｎｅとが等しくなる。すなわち、溶融深さ０．５μｍの位置が、ｐｎ接合界面となる。ｐｎ接合界面の位置は、レーザアニール前のボロン濃度ＮＢの分布に影響されない。

実施例による方法では、ボロンを高濃度にイオン注入することによって、深さ０．２μｍから深さ０．４μｍの範囲内で多くの格子欠陥が発生する。溶融深さが、格子欠陥の多い領域よりも深いため、結晶性の高い部分からエピタキシャル成長が進む。このため、再結晶化した領域の結晶性を高めることができる。さらに、表面粗さを小さくすることができる。再結晶化した領域の結晶性を高め、かつ表面粗さを小さくするために、溶融深さを、等濃度深さＤ１より深くすることが好ましい。

溶融深さを、リン濃度ＮＰが最大値を示している深さＤ２より深くすると、リン濃度ＮＰが最大値を示していた領域の導電型が、ボロンに支配されてｐ型になってしまう。その結果、この領域にリンを多く注入した意味がなくなってしまう。言い換えると、溶融深さより浅い部分に、リンを多く注入する必要はない。従って、溶融深さは、リン濃度ＮＰが最大値を示す深さＤ２より浅くすることが好ましい。

図４Ａに示したアニール条件、すなわち、第１のパルスレーザビームＬＰ１のフルエンスが６．０Ｊ／ｃｍ^２、パルス幅が１５μｓ、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスが１．２Ｊ／ｃｍ^２、パルス幅が１５０ｎｓの条件でアニールを行った場合、アニール後の基板の表面粗さ（ＲＭＳ）は４．６ｎｍであった。第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスが、基板表面の粗さに与える影響を調べるために、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスを変化させて評価実験を行った。

第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスを０．６Ｊ／ｃｍ^２及び１．０Ｊ／ｃｍ^２とした場合、アニール後の表面粗さ（ＲＭＳ）は、それぞれ１３．４ｎｍ及び６．２ｎｍであった。この２つの条件でアニールを行ったときの表面粗さは、図４Ａに示した条件でアニールを行ったときの表面粗さよりも大きいことがわかる。表面粗さが大きくなったのは、アニール中の溶融深さが、図４Ｂに示した深さＤ１まで達しなかったことに起因する。すなわち、格子欠陥の多い領域（深さ０．２μｍ〜０．３μｍの領域）から結晶がエピタキシャル成長したために、表面粗さが大きくなっている。

図４Ａに示したアニール条件では、深さ約０．４μｍ、すなわち、図４Ｂに示した深さＤ１まで溶融している。このため、格子欠陥の少ない領域からエピタキシャル成長が生じる。その結果、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスを小さくした２つの条件でアニールを行った場合に比べて、表面粗さが小さくなっている。この評価実験からわかるように、図４Ｂに示した深さＤ１まで溶融させることにより、アニール後の基板の表面粗さを小さくすることができる。

図５に、第２のパルスレーザビームＬＰ２（図３Ａ）のパルス幅及びフルエンスと、溶融深さとの関係を示す。第１のパルスレーザビームＬＰ１（図３Ａ）のパルス幅ＰＷ１は１５μｓとし、フルエンスは６．０Ｊ／ｃｍ^２とした。横軸は、パルス幅ＰＷ２を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は、フルエンスを単位「Ｊ／ｃｍ^２」で表す。グラフ中の丸記号及び四角記号は、それぞれ溶融深さが１．０μｍ及び０．５μｍになる条件を示す。第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅として、時間波形の半値全幅を採用している。

第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスは、可変アッテネータ３２（図１）を調整することにより、変化させることができる。第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、通常は、固体レーザ発振器３１に固有の値であり、自由に変化させることは想定されていない。パルス幅ＰＷ２が固定値である場合、溶融深さが決まると、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスが求まる。

図６に、実施例によるレーザアニール装置の制御装置１０（図１）で実行される処理のフローチャートを示す。ステップＳ１において、制御装置１０は、オペレータに対して溶融深さの入力を促す画像を入出力装置１１に出力する。ステップＳ２において、溶融深さの目標値ＴＭＤが入力されるまで待機する。

溶融深さの目標値ＴＭＤが入力されると、ステップＳ３において、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の設定値ＳＰＷ１、フルエンスの設定値ＳＦ１、及び入力された溶融深さの目標値ＴＭＤに基づいて、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスを算出する。

ステップＳ４において、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の設定値ＳＰＷ１、フルエンスの設定値ＳＦ１、及び第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスの算出値ＣＦ２に基づいて、半導体レーザ発振器２１、固体レーザ発振器３１、及び可変アッテネータ３２（図１）を制御する。これにより、第１のパルスレーザビームＬＰ１及び第２のパルスレーザビームＬＰ２が半導体基板５０（図１）に入射する。

次に、ステップＳ３の処理について、より詳細に説明する。制御装置１０に、予め、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の設定値ＳＰＷ１、及びフルエンスの設定値ＳＦ１が記憶されている。これらの設定値ＳＰＷ１、ＳＦ１は、予め、第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１及びフルエンスを変えて評価実験を行うことにより、決定しておくことができる。また、レーザアニールシミュレーションソフトを構築して、最適なフルエンスを算出してもよい。

第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の設定値ＳＰＷ１の推奨範囲、及びフルエンスの設定値ＳＦ１の推奨範囲を決定しておいてもよい。この場合には、制御装置１０が入出力装置１１に、この推奨範囲を出力するとともに、推奨範囲の中からレーザアニールに使用する設定値を選択するようにオペレータに促す。オペレータが第１のパルスレーザビームＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の設定値ＳＰＷ１及びフルエンスの設定値ＳＦ１を選択すると、選択された値に基づいて、ステップＳ３の処理が実行される。

第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、固体レーザ発振器３１によってほぼ決まっており、自由に変化させることは困難である。制御装置１０に、第２のパルスレーザビームＬＰ２のパルス幅ＰＷ２が固体レーザ発振器３１の固有のパルス幅に等しい条件の下で、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスと、溶融深さとの対応関係ＲＦＤが予め記憶されている。制御装置１０は、この対応関係ＲＦＤと、溶融深さの目標値ＴＭＤとに基づいて、第２のパルスレーザビームＬＰ２のフルエンスの算出値ＣＦ２を求める。

実施例によるレーザアニール装置を用いることにより、図４Ｂに示した等濃度深さＤ１よりも深く、かつリン濃度ＮＰが最大値を示す深さＤ２より浅い部分まで溶融させることができる。これにより、溶融した領域の結晶性を高めることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０制御装置
１１入出力装置
２０制御措置
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
３０半導体基板
３１固体レーザ発振器
３２可変アッテネータ
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ビーム入射領域
４１ステージ
５０半導体基板
５０Ｂ第２の面
５０Ｔ第１の面
５１ベース領域
５２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バッファ層
５６ａ深い部分
５７コレクタ層
５７ａ浅い部分
５８コレクタ電極

Claims

第１のパルスレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅の第２のパルスレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、
前記第２のパルスレーザビームを減衰させる可変アッテネータを含み、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを、半導体基板に入射させる伝搬光学系と、
入出力装置と、
前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記入出力装置を通して、溶融深さの目標値が入力されると、前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の設定値とフルエンスの設定値、及び入力された前記目標値に基づいて、前記第２のパルスレーザビームのフルエンスを算出し、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の設定値とフルエンスの設定値、及び前記第２のパルスレーザビームのフルエンスの算出値に基づいて、前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御することにより、前記半導体基板に前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを入射させるレーザアニール装置。
第１のパルスレーザビームを出力する第１のレーザ発振器と、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅より短いパルス幅の第２のパルスレーザビームを出力する第２のレーザ発振器と、
前記第２のパルスレーザビームを減衰させる可変アッテネータを含み、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを、半導体基板に入射させる伝搬光学系と、
入出力装置と、
前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御する制御装置と
を有し、
前記第１のレーザ発振器は、半導体レーザ発振器を含み、前記第２のレーザ発振器は、第２高調波を出力する固体レーザ発振器を含み、
前記制御装置は、
前記入出力装置を通して、溶融深さの目標値が入力されると、前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の設定値とフルエンスの設定値、及び入力された前記目標値に基づいて、前記第２のパルスレーザビームのフルエンスを算出し、
前記第１のパルスレーザビームのパルス幅の設定値とフルエンスの設定値、及び前記第２のパルスレーザビームのフルエンスの算出値に基づいて、前記第１のレーザ発振器、前記第２のレーザ発振器、及び前記可変アッテネータを制御することにより、前記半導体基板に前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームを入射させるレーザアニール装置。