TWI545627B - 半導體裝置的製造方法及雷射退火裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種藉由雷射光束的照射而使得植入半導體基板中之雜質活性化之半導體裝置的製造方法及雷射退火裝置。
專利文獻1中公開了一種半導體裝置的製造方法，該方法藉由離子植入將雜質導入半導體基板之後，照射雷射光束，以使雜質活性化，藉此形成電極層以及場終止層。專利文獻1中所記載的技術中，在製作半導體元件的表面構成之後，使基板變薄。之後，對裏面進行離子植入，利用2台雷射振盪器來照射脈衝雷射光束。從2台雷射振盪器射出之雷射脈衝的時間差設定為600ns以下。
具體而言，從n-型矽基板的裏面側，朝場終止層形成預定區域離子植入例如磷離子。這時，將劑量設為1×1014cm-2以下，以使場終止層的峰值濃度成為5×1018cm-3以下。接著，將劑量設為5×1016cm-2以下，分別朝p+型極電極層以及n+型陰極層形成預定區域植入例如硼離子及磷離子，以使p+型極電極層形成預定區域以及
n+型陰極層的峰值濃度成為1×1021cm-3以下。
可知該種以高濃度植入有離子之n+型陰極層等，因矽基板的結晶性遭到破壞而被非晶化。在專利文獻1中所記載的半導體裝置的製造方法中，藉由雷射照射，進行因固相擴散所致缺陷恢復、以及被植入自雷射照射面(基板裏面)超過1μm深度之較深部份之雜質的活性化。有時無法確保充份的溫度上升及加熱時間，導致雜質的活性化不充份。若為了充份地進行較深部份的活性化而提高所照之射雷射光束的脈衝能量密度，則有時熔融深度會變得過深。若熔融至較深的部份，則深度方向上的有關之雜質濃度分佈發生變化，有時得不到按照設計的特性。另外，產生基板表面的皸裂程度變得嚴重等不理想的情況。
曾提出一種以半導體基板不熔融之範圍的脈衝能量密度，照射脈衝雷射光束來進行雷射退火之技術(例如，參閱專利文獻2)。利用該方法，難以使以高濃度被離子植入之雜質而非晶化的區域的結晶性充份恢復、且難以使被植入之雜質充份活性化。
專利文獻1：日本特開2010-171057號公報
專利文獻2：日本特開2009-32858號公報
本發明的目的在於提供一種使被植入較深區域之雜質充份活性化且能夠實現高品質退火的半導體裝置的製造方法及雷射退火裝置。
根據本發明的一觀點，提供一種半導體裝置的製造方法，該半導體裝置的製造方法乃是在具有高濃度層和低濃度層之半導體基板表面，照射有照射條件不同的2種雷射脈衝，使高濃度層和低濃度層皆被活性化之製程；前述高濃度層在較淺區域以相對較高濃度植入有雜質且呈非晶化狀態，前述低濃度層在比前述高濃度層更深的區域以相對較低濃度植入有雜質；具有：第1製程，為了不使非晶化狀態的高濃度層熔融地使低濃度層活性化，照射低峰值且脈衝寬度較長的第1雷射脈衝；及第2製程，為了使非晶化狀態的高濃度層熔融而被活性化，照射高峰值且脈衝寬度較短的第2雷射脈衝。
根據本發明，能夠抑制表面粗糙度且能夠使得高濃度區域和低濃度區域這兩個區域活性化。
依本發明的另一觀點，提供一種雷射退火裝置，係具有：第1雷射振盪器，其射出脈衝雷射光束；第2雷射振盪器，其射出脈衝雷射光束，該脈衝雷射光束的脈衝寬度比從前述第1雷射振盪器射出之脈衝雷射光束的脈衝寬度更短，峰值功率比從前述第1雷射振盪器射出之脈衝雷射
光束的峰值功率更大；傳播光學系統，其使從前述第1雷射振盪器射出之脈衝雷射光束和從前述第2雷射振盪器射出之脈衝雷射光束射入到作為退火對象的半導體基板的表面的相同的區域；及控制裝置，其對前述第1雷射振盪器和前述第2雷射振盪器的雷射脈衝的射出時序進行控制。
根據本發明，能夠抑制表面粗糙度且能夠使高濃度區域和低濃度區域這兩個區域活性化。
能夠抑制表面粗糙度的增大。
20‧‧‧控制裝置
21‧‧‧半導體雷射振盪器(第1雷射振盪器)
22‧‧‧衰減器
23‧‧‧光束擴展器
24‧‧‧均化器
25‧‧‧分色鏡
26‧‧‧聚光透鏡
27‧‧‧傳播光學系統
31‧‧‧固體雷射振盪器(第2雷射振盪器)
32‧‧‧衰減器
33‧‧‧光束擴展器
34‧‧‧均化器
35‧‧‧彎曲鏡
40‧‧‧雷射脈衝的射入區域
41‧‧‧載物台
50‧‧‧半導體基板
50T‧‧‧第1面
50B‧‧‧第2面
51‧‧‧基極區域
52‧‧‧射極區域
53‧‧‧閘極電極
54‧‧‧閘極絕緣膜
55‧‧‧射極電極
56‧‧‧緩衝層
56a‧‧‧較深區域(低濃度層)
57‧‧‧集極層
57a‧‧‧表層部(高濃度層)
58‧‧‧集極電極
LP1‧‧‧第1雷射脈衝
LP2‧‧‧第2雷射脈衝
60A‧‧‧第1射入區域
60B‧‧‧第2射入區域
第1圖係根據實施例之雷射退火裝置的示意圖。
第2圖A係利用基於實施例之方法而製作之IGBT的剖面圖，第2圖B係根據實施例之雷射退火裝置中處於退火階段之IGBT的剖面圖。
第3圖A係表示根據實施例之雷射退火裝置中射入於半導體基板之雷射脈衝的脈衝波形及射入時序之曲線圖，第3圖B係半導體基板表面上的雷射脈衝射入區域的平面圖。第3圖C係雷射脈衝射入區域的其他構成例的平面圖。
第4圖A係表示作為第1模擬實驗對象之雷射脈衝的
脈衝波形及射入時序之曲線圖，第4圖B係表示半導體基板的熔融深度的時間變化之曲線圖，第4圖C係表示半導體基板的各深度位置的溫度的時間變化之曲線圖。
第5圖A係表示作為第2模擬實驗對象之雷射脈衝的脈衝波形及射入時序之曲線圖，第5圖B係表示半導體基板的熔融深度的時間變化之曲線圖，第5圖C係表示半導體基板的各深度位置的溫度的時間變化之曲線圖。
第6圖A係表示作為第3模擬實驗對象之雷射脈衝的脈衝波形及射入時序之曲線圖，第6圖B係表示半導體基板的熔融深度的時間變化之曲線圖，第6圖C係表示半導體基板的各深度位置的溫度的時間變化之曲線圖。
第7圖A係表示作為第4模擬實驗對象之雷射脈衝的脈衝波形及射入時序之曲線圖，第7圖B係表示半導體基板的熔融深度的時間變化之曲線圖，第7圖C係表示半導體基板的各深度位置的溫度的時間變化之曲線圖。
第8圖A係表示利用Nd：YLF的2倍高頻波進行雷射退火時的半導體基板表面粗糙度測定結果之曲線圖，第8圖B係表示利用波長為808nm的半導體雷射進行雷射退火時的半導體基板表面粗糙度測定結果之曲線圖。
第9圖A及第9圖B係表示分別在功率密度為390kW/cm2以及330kW/cm2的條件下，對半導體基板進行退火時的基板的溫度變化模擬實驗結果之曲線圖。
第10圖係表示半導體基板的深度方向上之雜質濃度分佈的一例之曲線圖。
第11圖係表示對矽晶圓照射第1雷射脈衝時的矽晶圓的達到溫度與脈衝寬度之間關係的模擬實驗結果之曲線圖。
第12圖係表示深度方向的雜質濃度分佈和退火後載波濃度分佈之曲線圖。
第13圖A係離子植入有磷之矽晶圓的表層部的剖面TEM圖像，第13圖B係照射第2雷射脈衝之後的矽晶圓表層部的剖面TEM圖像，第13圖C係照射第1雷射脈衝之後的矽晶圓表層部的剖面TEM圖像。
第14圖A係表示利用根據實施例之方法進行雷射退火時雷射脈衝的時間波形的一例之曲線圖，第14圖B係表示對矽晶圓照射第14圖A的第1及第2雷射脈衝時的，矽晶圓的溫度變化模擬實驗結果的曲線圖，第14圖C係表示矽晶圓的熔融深度的時間變化模擬實驗結果之曲線圖。
第15圖係表示從第1雷射脈衝的下降時刻到第2雷射脈衝上升時刻的經過時間(延遲時間)和使矽晶圓熔融所需的第2雷射脈衝的通量之間的關係之曲線圖。
第16圖係表示活性化退火之前的雜質濃度分佈、及活性化退火之後的載波濃度分佈測定結果之曲線圖。
第17圖係表示活性化退火之前的雜質濃度分佈、及活性化退火之後的載波濃度分佈測定結果之曲線圖。
第18圖A係表示對半導體晶圓的整體面進行活性化退火時的脈衝雷射光束的掃描路徑之平面圖，第18圖B
及第18圖C係表示利用連續波雷射光束和脈衝雷射光束進行退火時的雷射射入區域的平面圖，及射入於半導體晶圓的1點上之雷射能量的時間變化之曲線圖。
在說明實施例之前，對本申請發明人進行之評價實驗的結果進行說明。藉由對利用單晶矽所構成之基板的表層部進行硼的離子植入，形成厚度為0.2μm~0.25μm的硼植入層。硼植入層被非晶化。藉由使脈衝雷射光束射入於表層部已非晶化之基板，進行了表層部的再結晶和硼的活性化。
製作出脈衝雷射光束的照射條件不同之兩個試料1及試料2。試料1的脈衝雷射光束的射入條件如同下述。
‧雷射種類：Nd：YLF雷射的2倍高頻波
‧射入脈衝數：雙脈衝
‧第2次發射之脈衝相對於第1次發射之脈衝的延遲時間：300~700ns
‧脈衝寬度：100~200ns
試料2的脈衝雷射光束的射入條件如同下述。
‧雷射種類：波長為808nm的QCW半導體雷射
‧射入脈衝數：單脈衝
‧脈衝寬度：10~20μs
試料1的雷射照射條件與試料2的雷射照射條件的最大區別點在於脈衝寬度的不同。具體而言，對試料2進行
照射之脈衝雷射光束的脈衝寬度為對試料1進行照射之脈衝雷射光束的脈衝寬度的約100倍。若兩者的脈衝能量相等，則意味著對試料1進行照射之脈衝雷射光束的峰值功率密度為對試料2進行照射之脈衝雷射光束的峰值功率密度的約100倍。
一般，脈衝寬度較短且峰值功率密度較大的脈衝雷射光束，適用於僅對基板的極淺的表層部進行加熱。相對於此，若使用脈衝寬度較長且峰值功率密度較小的脈衝雷射光束，則導入基板之熱量容易傳導至較深的區域，藉此適用於對較深的區域進行加熱。
第8圖A及第8圖B分別表示試料1及試料2的雷射退火之後的表面粗糙度。橫軸用單位“J/cm2”表示射入到基板之脈衝雷射光束的脈衝能量密度，縱軸用單位“nm”表示表面的均方根粗糙度(Rq)。
在第8圖A中脈衝能量密度為1.5J/cm2以下之區域，以及第8圖B中脈衝能量密度為4.5J/cm2以下的區域，不產生基板表面的熔融及再結晶。第8圖A中，當脈衝能量密度為2J/cm2、第8圖B中脈衝能量密度為4.6J/cm2時，表面粗糙度急劇增大。這是因為基板表面的非晶層暫時熔融並再結晶。將非晶層熔融之脈衝能量密度的下限值稱作“熔融閾值”。
如第8圖A所示，若脈衝能量密度大於熔融閾值，表面粗糙度就變小。當脈衝能量密度為熔融閾值時，可以認為在表面內有充份熔融之區域和熔融不充份的區域混在一
起。藉此再結晶之後的表面粗糙度變大。若脈衝能量密度大於熔融閾值，基板表面大致均勻地熔融，則再結晶之後的表面粗糙度變小。
第8圖B中所示之試料2中，即使脈衝能量密度超過熔融閾值，與試料1的情況相比，表面粗糙度的降低幅度較小。之所以表面粗糙度的降低幅度小，可以認為係因為即使增大脈衝能量密度，在基板表面內方向上並沒有均勻地熔融。之所以不發生均勻的熔融，可以認為係因為液體和固體對波長為808nm的光的吸收有很大不同，先熔融且成為液體之部份對光的吸收率變大，導致溫度局部上升。從該見解得知，藉由使表面熔融而進行退火，但是急劇熔融為較佳。
為了使得植入於絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)之基板裏面的雜質(摻雜劑)活性化，希望將到1~5μm程度深度的區域加熱至1200K以上。藉由在試料1的退火中使用之固體雷射，很難充份加熱如此深的區域。在加熱較深區域時，使用在試料2的退火中使用之脈衝寬度較長的QCW半導體雷射係有效的。然而若使用半導體雷射，則如第8圖B所示，基板的表面粗糙度容易變大。
第9圖A及第9圖B表示在基板表面之功率密度分別成為390kW/cm2以及330kW/cm2的條件下，利用半導體雷射來進行退火時基板溫度的時間變化模擬實驗結果。
橫軸用單位“μs”來表示經過時間，縱軸用單位“K”來表示溫度。圖中實線上附加之數值表示自基板表面的深度。
脈衝雷射光束的脈衝寬度設為15μs。
第9圖A所示之例子中，以在雷射脈衝開始射入時刻起經過15μs後之時點，使得5μm深度位置的溫度成為1200K以上的方式，決定雷射脈衝的功率密度。此時，比3μm深度更淺的區域的溫度超過非晶矽的熔點(1300K~1430K)。藉此導致基板表面熔融。表面暫時熔融，則如第8圖B所示，再結晶後的表面粗糙度增大。
第9圖B示出之例子中，以在雷射脈衝開始射入時點起經過15μs後的時點，基板表面的溫度不超過非晶矽的熔點的方式，決定雷射脈衝的功率密度。在該條件下，比3μm的深度更深區域的溫度不會達到1200K。藉此不能使比3μm深度更深的區域的雜質充份活性化。
以下說明之實施例能夠抑制基板表面粗糙度的增大，並且能夠使5μm程度深度的較深區域的雜質充份活性化。若在照射雷射側的相反側形成有電路，則需要充份考慮將電路側溫度上升保持在一定溫度以下，關於較深的區域(例如3μm等)，需要充份考慮要達到恆定的活性化溫度，關於較淺的區域(例如1μm以下等)，需要考慮熔融的必要性。如此，關於為盡量滿足這些條件之雷射條件，藉由模擬實驗、實驗逐步進行驗證。
第1圖表示依據實施例之雷射退火裝置的示意圖。半導體雷射振盪器(第1雷射振盪器)21射出例如波長為808nm的QCW雷射光束。另外，亦可以使用射出波長為950nm以下的脈衝雷射光束的半導體雷射振盪器。固體雷
射振盪器(第2雷射振盪器)31射出綠色波長域的脈衝雷射光束。固體雷射振盪器31可使用例如射出第2高頻波之Nd：YAG雷射、Nd：YLF雷射、及Nd：YVO4雷射等。
從半導體雷射振盪器21射出之脈衝雷射光束以及從固體雷射振盪器31射出之脈衝雷射光束，經由傳播光學系統27而射入到作為退火對象的半導體基板50。從半導體雷射振盪器21射出之脈衝雷射光束和從固體雷射振盪器31射出之脈衝雷射光束射入到半導體基板50的表面的相同之區域。
接著，對傳播光學系統27的構成及作用進行說明。從半導體雷射振盪器21射出之脈衝雷射光束經由衰減器22、光束擴展器23、均化器24、分色鏡25以及聚光透鏡26之後，射入於半導體基板50。
從固體雷射振盪器31射出之脈衝雷射光束經由衰減器32、光束擴展器33、均化器34、彎曲鏡35、分色鏡25以及聚光透鏡26之後，射入於半導體基板50。
光束擴展器23、33對所射入之脈衝雷射光束進行準直，並且擴大射束束徑。均化器24、34以及聚光透鏡26將半導體基板50的表面上之射束剖面整形為長條形狀，並且使射束剖面內的光強度分佈均勻化。從半導體雷射振盪器21射出之脈衝雷射光束和從固體雷射振盪器31射出之脈衝雷射光束射入於在半導體基板50的表面的大致相同之長條區域。
半導體基板50保持在載物台41上。定義XYZ直角座標系，將平行於半導體基板50的表面的面作為XY面，將半導體基板50的表面的法線方向作為Z方向。控制裝置20對半導體雷射振盪器21、固體雷射振盪器31以及載物台41進行控制。載物台41受到來自控制裝置20的控制，使半導體基板50向X方向以及Y方向移動。
第2圖A表示作為利用依據實施例之方法來製造出之半導體裝置的例子的，絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)的剖面圖。IGBT藉由在由n型矽構成之半導體基板50的一面(以下稱作“第1面”)50T形成射極和閘極，在另一面(以下稱作“第2面”)50B形成集極電極而被製造出來。形成射極和閘極之表面構成利用和一般MOSFET製作製程相同的製程製作出。例如，如第2圖A所示，在半導體基板50的第1面50T的表層部，配置有p型基極區域51、n型射極區域52、閘極電極53、閘極絕緣膜54以及射極電極55。藉由閘極-射極之間的電壓能夠進行電流的開閉控制。
在半導體基板50的第2面50B的表層部形成有p型集極層57以及低濃度的n型緩衝層56。緩衝層56配置在比集極層57更深的區域。集極層57以及緩衝層56藉由分別離子植入作為雜質的例如硼以及磷並進行活性化退火而形成。該活性化退火中適用第1圖中示出之雷射退火裝置。集極電極58在經過活性化退火之後形成於集極層57的表面。
從第2面到集極層57與緩衝層56之間的界面的深度，例如約為0.3μm。從第2面到緩衝層56的最深位置的深度，例如在1μm~5μm的範圍內。
第2圖B中示出處於雷射退火階段之半導體基板50的剖面圖。在半導體基板50的第2面50B的表層部57a離子植入有硼。在比表層部57a更深的區域56a離子植入有磷。表層部57a內的硼以及較深區域56a內的磷未活性化。表層部57a的硼濃度高於較深區域56a的磷濃度。本說明書中，將表層部57a稱作“高濃度層”，將較深區域56a稱作“低濃度層”。由於硼的劑量較多，藉此高濃度層57a成為非晶化狀態。比高濃度層57a與低濃度層56a的界面更深的區域仍保持單晶狀態。在半導體基板50的第1面50T上形成有第2圖A中示出之元件構成。
第3圖A中概略地示出射入於半導體基板50(第2圖B)之雷射脈衝波形。第3圖A中，用長方形來表示脈衝波形，然而實質的脈衝波形包括脈衝的上升、衰減以及下降等部份。第3圖A中示出之脈衝波形的射出時序係藉由控制裝置20(第1圖)來控制半導體雷射振盪器21及固體雷射振盪器31而被決定。
在時刻t1，從半導體雷射振盪器21射出之第1雷射脈衝LP1開始向半導體基板50射入。在時刻t1之後的時刻t2，從固體雷射振盪器31射出之第2雷射脈衝LP2射入於半導體基板50。第1雷射脈衝LP1和第2雷射脈衝LP2所射入之區域大致重疊。第2雷射脈衝LP2的峰值功
率高於第1雷射脈衝LP1的峰值功率，第2雷射脈衝LP2的脈衝寬度PW2比第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度PW1短。在時刻t3，第2雷射脈衝LP2的射入結束。其後，在時刻t4，第1雷射脈衝LP1的射入結束。另外，在時刻t4之後，有時亦會使第2雷射脈衝LP2射入。
第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度PW1例如為10μs以上。第2雷射脈衝LP2的脈衝寬度PW2例如為1μs以下。作為一例，脈衝寬度PW1在10μs~30μs的範圍內，脈衝寬度PW2在100ns~200ns的範圍內。將第2雷射脈衝LP2的脈衝寬度PW2設為第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度PW1的1/10以下為較佳。
第3圖B表示半導體基板50(第2圖B)的第2面50B上之雷射脈衝射入區域的平面圖。在半導體基板50的第2面50B(第2圖B)上，第1雷射脈衝LP1(第3圖A)及第2雷射脈衝LP2(第3圖A)射入於X方向上較長的相同的射束射入區域40。例如射束射入區域40的長度L及寬度Wt分別為2mm~4mm以及200μm~400μm為較佳。
在退火過程中，一邊使半導體基板50(第2圖B)向X方向移動，一邊使第1雷射脈衝LP1及第2雷射脈衝LP2(第3圖A)以恆定之重複頻率射入到半導體基板50。以Wo表示在第1雷射脈衝LP1及第2雷射脈衝LP2的重複頻率的一個週期期間半導體基板50移動之距離。在時間軸上相鄰之兩個第1雷射脈衝LP1的射束射入區域
40彼此部份重疊。兩者的重疊率Wo/Wt例如為50%。
在第3圖A中示出之時刻t1，若第1雷射脈衝LP1開始射入，則半導體基板50的第2面50B(第2圖B)的表層部的溫度開始上升。在時刻t2的時刻，半導體基板50的第2面50B的溫度未達到非晶矽的熔點(1300K~1430K)。在時刻t2時點，若使第2雷射脈衝LP2射入，則半導體基板50的第2面50B的表層部的溫度達到非晶矽的熔點，表層部熔融。熔融之部份達到高濃度層57a(第2圖B)的底面為止。
若第2雷射脈衝LP2的射入結束，則半導體基板50的表層部的溫度下降並固化。此時，從單晶的低濃度層56a(第2圖B)開始結晶外延成長，藉此高濃度層57a成為單晶。與此同時，植入到高濃度層57a之雜質被活性化。和第8圖A所示之例子相同，由峰值功率較高且脈衝寬度較短的第2雷射脈衝LP2(第3圖A)產生熔融及固化，藉此能夠抑制固化後之半導體基板50的表面粗糙度增大。
在時刻t3之後，第1雷射脈衝LP1(第3圖A)仍繼續射入，藉此從半導體基板50的第2面50B到較深的低濃度層56a被加熱且溫度上升。藉此植入於低濃度度層56a(第2圖B)之雜質被活性化。在時刻t4，第1雷射脈衝LP1的射入結束之時點，半導體基板50的第2面50B的溫度未達到單晶矽的熔點。藉此再結晶之半導體基板50的第2面50B的表層部不會再次熔融。半導體基板
50的表層部不會因峰值功率低且脈衝寬度長的第1雷射脈衝LP1(第3圖A)的射入而熔融。藉此不會像第8圖B的示例那樣半導體基板50的表面粗糙度增大。
為了得到上述效果，將第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度PW1設為5μs以上為佳。將第2雷射脈衝LP2的脈衝寬度PW2設為1μs以下為佳。並且當第1雷射脈衝LP1的脈衝波形與第3圖A不同，雷射強度的輸出不恆定的情況下，將脈衝寬度PW1設為半峰全寬(FWHM)且10μs以上為較佳。但是使雷射強度只是瞬間急劇地增強之情況下，以峰值強度的中值就有可能不能正確地表示脈衝寬度，藉此這種情況下之脈衝寬度亦可以作為平均強度的半峰全寬。
第3圖B中，使半導體基板50的表面上之第1雷射脈衝LP1的射入區域40和第2雷射脈衝LP2的射入區域40大致一致，但不需要使兩者一定一致。如第3圖C所示，亦可以使第1雷射脈衝LP1的射入區域40A比第2雷射脈衝LP2的射入區域40B稍微大。此時，第2雷射脈衝LP2的射入區域40B包含在第1雷射脈衝LP1的射入區域40A中。
在設為第1雷射脈衝LP1的射入區域40A和第2雷射脈衝LP2的射入區域40B的面積相等而使兩者一致的構成的情況下，兩者的光軸偏離之餘裕(裕度)幾乎消失。如第3圖C所示，若使第1雷射脈衝LP1的射入區域40A大於第2雷射脈衝LP2的射入區域40B，即使兩者
的光軸偏離，只要偏離量小，則第2雷射脈衝LP2的射入區域40B就會容納於第1雷射脈衝LP1的射入區域40A的內側。藉此能夠增大光軸對準餘裕(裕度)。
在第1雷射脈衝LP1的射入區域40A和第2雷射脈衝LP2的射入區域40B重疊之區域，進行高濃度層57a和低濃度層56a(第2圖B)的雜質的活性化。若第1雷射脈衝LP1的射入區域40A相對於第2雷射脈衝LP2的射入區域40B過大，則第1雷射脈衝LP1的重疊率變得過高，會造成浪費。第1雷射脈衝LP1的重疊率為50%以上為較佳。第2雷射脈衝必需以在時間軸上相鄰的两次發射的射入區域之間無間隙的方式進行照射。鑒於上述要求且為了減少造成照射浪費之能量，將第2雷射脈衝LP2的射入區域40B的面積設為第1雷射脈衝LP1的射入區域40A面積的50%~100%為佳。
並且，為了到半導體基板50的較深區域為止使溫度上升，在半導體基板50的表層部不熔融之條件下，將第1雷射脈衝LP1的脈衝能量密度設為較大為佳。根據實施例之方法，在第3圖A中示出之時刻t3，半導體基板50的表層部被結晶化。發現此時表層部與呈非晶狀態的情況相比難以發生熔融。藉此，若對半導體基板僅照射第1雷射脈衝LP1就使非晶化層熔融之條件下，表層部在已被結晶化之情況下亦不會產生熔融。藉此能夠增大第1雷射脈衝LP1的脈衝能量密度，而且能夠加熱至半導體基板50的較深區域。
接著，參閱第4圖A~第7圖C，說明在不同之雷射照射條件下進行模擬實驗之結果。第4圖A、第5圖A、第6圖A、及第7圖A表示第1雷射脈衝LP1及第2雷射脈衝LP2的射入時序及脈衝波形。第4圖B、第5圖B、第6圖B、及第7圖B表示分別在第4圖A、第5圖A、第6圖A、及第7圖A中示出之條件下進行退火時基板熔融深度的時間變化。評價對象基板為單晶矽基板。第4圖C、第5圖C、第6圖C、及第7圖C表示分別在第4圖A、第5圖A、第6圖A、及第7圖A中示出之條件下進行退火時基板的溫度變化。作為基板溫度，表示深度為0μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm以及100μm位置的溫度。
在任一雷射照射條件下，第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度PW1以及第2雷射脈衝的脈衝寬度PW2(第3圖A)分別設為15μs以及150ns。第2雷射脈衝的脈衝能量密度的大小設為使得矽基板熔融部份的深度約為0.3μm。該0.3μm的深度值係假定熔融至第2圖B所示之高濃度層57a的底面而決定。第1雷射脈衝LP1的功率密度的大小設為，使得矽基板的5μm深度位置的溫度在第1雷射脈衝LP1的射入結束時點成為1200K以上。
在第4圖A的示例中，使得第2雷射脈衝LP2的射入開始時刻與第1雷射脈衝LP1的射入開始時刻一致。在第5圖A的示例中，從第1雷射脈衝LP1開始射入時點起經過5μs之時點，使第2雷射脈衝LP2射入。在第6圖
A的示例中，從第1雷射脈衝LP1開始射入時點起經過10μs之時點，使第2雷射脈衝LP2射入。在第7圖A的示例中，在第1雷射脈衝LP1開始射入時點起經過15μs之時點，即，第1雷射脈衝LP1停止射入時點，使第2雷射脈衝LP2射入。
如第4圖B、第5圖B、第6圖B、第7圖B所示，在所有退火條件下，矽基板熔融之部份的深度約為0.3μm。但是第4圖A、第5圖A、第6圖A、及第7圖A的退火條件下的第2雷射脈衝LP2的脈衝能量密度分別為2.7J/cm2、2.0J/cm2、1.4J/cm2、及0.8J/cm2。若第2雷射脈衝LP2的射入時間延遲，則會受到因第1雷射脈衝LP1的射入而使基板溫度上升之影響。藉此熔融至0.3μm深度所需之第2雷射脈衝LP2的脈衝能量密度降低。
在第4圖A~第4圖C的示例中，基板表層部藉由第2雷射脈衝LP2的射入而熔融之後被單晶化。在第1雷射脈衝LP1停止射入時點，基板表面的溫度超過非晶矽的熔點(第4圖C)，但是藉由在該時點表層部已被單晶化，藉此表層部不發生再次熔融。由於不發生基於第1雷射脈衝LP1的射入引起之熔融，藉此能夠抑制基板的表面粗糙度增大。但是為了藉由第2雷射脈衝LP2而熔融至0.3μm的深度位置，必需將第2雷射脈衝LP2的脈衝能量密度增加到2.7J/cm2程度。由於利用一般的固體雷射振盪器難以確保如此高的脈衝能量密度，藉此必須準備複數台固體雷射振盪器。
在第5圖A~第5圖C的示例中，基板表層部亦藉由第2雷射脈衝LP2的射入而被單晶化者。在第1雷射脈衝LP1停止射入時點，基板表面的溫度超過非晶矽的熔點(第5圖C)，但是表層部已單晶化，藉此表層部不發生再次熔融。在第2雷射脈衝LP2射入之時點，基板溫度藉由第1雷射脈衝LP1而上升。藉此熔融至0.3μm的深度位置所需之第2雷射脈衝LP2的脈衝能量密度為2.0J/cm2，與第4圖A~第4圖C的退火條件的例子相比更較。
在第6圖A~第6圖C的示例中，基板表層部亦藉由第2雷射脈衝LP2的射入而被單晶化者。在第1雷射脈衝LP1停止射入時點，基板表面的溫度超過非晶矽的熔點(第6圖C)，但是表層部不發生再次熔融。並且熔融至0.3μm的深度位置所需之第2雷射脈衝LP2的脈衝能量密度為1.4J/cm2，與第5圖A~第5圖C的退火條件的例子相比更低。
在第7圖A~第7圖C的示例中，如第7圖C所示，在經過時間11~12μs的時點，基板的表面溫度超過非晶矽的熔點。直到該時點，由於不進行第2雷射脈衝LP2的射入，藉此原來的基板表層部非晶化的情況下，表層部熔融。藉此如第8圖B所示，固化後的基板的表面粗糙度增大。在第1雷射脈衝LP1停止射入之同時使第2雷射脈衝LP2射入，藉此基板表層部熔融。然而熔融之部份的深度最大為0.3μm。如第8圖B所示，藉由第1雷射脈衝LP1而產生之表面的均方根粗糙度為16nm~18nm。照這樣就
會呈殘留有粗糙度之狀態，因此藉由第2雷射脈衝LP2使得自表面到0.3μm程度的較淺的區域再次熔融。
然而，藉由第1雷射脈衝LP1使較深的區域活性化，此時實質上較淺的區域沒有熔融條件為較佳。並且藉由第2雷射脈衝LP2使較淺的區域熔融。藉此能夠使表面變得不粗糙，就能夠使較淺區域和較深區域(非晶區域)這兩個區域被活性化。
並且，從上述模擬實驗結果，尤其能夠考慮到如下幾點。
(1)在第1雷射脈衝LP1開始射入之後，使第2雷射脈衝LP2射入，藉此能夠減小熔融至預定深度所需之第2雷射脈衝LP2的脈衝能量密度。
(2)在第1雷射脈衝LP1射入期間，在基板表面溫度超過非晶矽的熔點之前使第2雷射脈衝LP2的射入，從而使基板表面熔融、冷卻並結晶化，在該情況下，能夠減小第2雷射脈衝LP2的脈衝能量密度，而且，之後即使藉由第1雷射脈衝LP1的射入亦很難使基板表面再次熔融。藉此不使表面粗糙度進一步增大就能夠使較深區域的雜質活性化。
(3)能夠推斷出在基板表層部藉由第1雷射脈衝LP1熔融且在該狀態下使第2雷射脈衝LP2射入之條件的情況下，希望使第2雷射脈衝LP2的能量密度相對增大。這是因為在表層部的熔融狀態中存在不均勻的情況下，可以考慮使表層部的溫度統一上升。
第10圖表示半導體基板50的深度方向上的雜質濃度分佈的一例。第10圖的橫軸用單位“μm”表示自半導體基板50的第2面50B的深度。第10圖的縱軸用單位“cm-3”和對數刻度來表示所添加之雜質濃度。
硼(B)的濃度在自第2面50B為0.3μm的深度顯示出最大值。並且磷(P)的濃度在自第2面50B為1.8μm的深度顯示出最大值。磷(P)的濃度分佈的裙部(尾部)達到從第2面50B到3μm為止的深度。硼雜質濃度與磷雜質濃度相等的深度相當於高濃度層57a與低濃度層56a(第2圖B)之間的界面。
在相對較深的區域，例如超過1μm深度的區域，以相對低濃度添加之雜質(磷)藉由脈衝寬度相對較長的第1雷射脈衝LP1(第3圖A)而被活性化。在相對較淺的區域，例如在1μm以下深度的區域，以相對高濃度所添加之雜質(硼)藉由脈衝寬度相對較短的第2雷射脈衝LP2(第3圖A)而被活性化。第2雷射脈衝LP2使半導體基板50熔融至比以高濃度進行雜質的離子植入而非晶化之區域更深的位置。射入區域40(第3圖B)的半導體基板50藉由第2雷射脈衝LP2的照射而熔融。當熔融之區域固化時，從單晶區域產生液相外延成長。藉此進行非晶化的區域的再結晶以及雜質(硼)的活性化。
雖然例示出對相對較淺的高濃度層57a植入硼，對相對較深的低濃度層56a植入磷，但是在植入其他雜質的情況下，亦能夠進行相同的活性化。並且對高濃度層57a及
低濃度層56a亦可以植入相同的導電型雜質。作為一例，亦可對高濃度層57a及低濃度層56a這兩層植入磷。在這個情況下，在較淺的區域形成高濃度之n型層，在較深的區域形成低濃度的n型層。
參閱第11圖及第12圖，對基於第1雷射脈衝LP1(第3圖A)的照射的較深的低濃度層56a(第2圖B)的雜質的活性化進行說明。
第11圖表示將第1雷射脈衝LP1照射於矽晶圓時之矽晶圓的達到溫度和脈衝寬度之間的關係之模擬實驗結果。橫軸用單位“μs”來表示第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度PW1，縱軸用單位“K”來表示達到溫度。將第1雷射脈衝LP1的波長設為915nm。將第1雷射脈衝LP1的照射條件設為矽晶圓表面溫度達到矽的熔點(約1690K)之條件。第11圖的實線a、b表示自矽晶圓表面的分別為3μm及100μm深度位置的達到溫度。
可知若脈衝寬度較短，則熱量難以傳遞到較深的區域。為了使3μm深度位置的雜質活性化，脈衝寬度為5μs以上為佳。若脈衝寬度過長，則會導致在100μm程度深度的較深區域，即形成有元件構成之第1面50T(第2圖B)的溫度升高。
第12圖表示深度方向的雜質濃度分佈和退火後的載波濃度分佈。橫軸用單位“μm”來表示自矽晶圓表面的深度，縱軸用單位“cm-3”來表示濃度。實線a表示在加速能量2MeV、劑量3×1013cm-2的條件下進行離子植入時之
磷濃度。該雜質濃度分佈對應於低濃度層56a(第2圖B)的雜質濃度分佈。實線b表示照射第1雷射脈衝LP1之後的載波濃度。雷射照射係在脈衝寬度20μs、照射面上的功率密度為360kW/cm2的條件下進行。從第12圖示出之結果可確認，所植入雜質的約70%以上被活性化。
接著，參閱第13圖A~第13圖C，對藉由離子植入而被非晶化之區域的恢復進行說明。
第13圖A表示離子植入有磷之矽晶圓表層部的剖面TEM圖像。磷的離子植入係在加速能量100keV、劑量2×1015cm-2的條件下進行。該離子植入條件對應於針對高濃度層57a之雜質的離子植入條件。第13圖A中，被非晶化的區域用相對較淺的顏色來表示。
第13圖B表示照射第2雷射脈衝LP2(第3圖A)之後的矽晶圓表層部的剖面TEM圖像。作為第2雷射脈衝LP2，使用了Nd：YLF雷射的第2高頻波。第2雷射脈衝LP2的照射係藉由所謂的雙脈衝法來進行。1個雷射脈衝的脈衝寬度為130ns，脈衝能量密度為1.6J/cm2，從第1次發射的雷射脈衝的照射到第2次發射的雷射脈衝照射為止的延遲時間為500ns。藉由雷射照射而熔融之區域中，從其下方的單晶區域開始產生外延成長，藉此能夠獲得缺陷較少的優質的單晶層。
第13圖C表示照射第1雷射脈衝LP1(第3圖A)之後的矽晶圓表層部的剖面TEM圖像。第1雷射脈衝LP1的波長為808nm。第1雷射脈衝LP1的照射係在脈衝
寬度為40μs，功率密度為300kW/cm2的條件下進行。在該照射條件下，矽晶圓的表面不熔融。若藉由雷射脈衝熔融至矽晶圓的較深區域(第2圖B的低濃度層56a)，則高濃度層57a的雜質濃度分佈被破壞。藉此第1雷射脈衝LP1的照射係在不使矽晶圓熔融之條件下進行。將不使矽晶圓熔融就進行雜質的活性化之退火方法稱作“非熔融退火”。與此相對，將使矽晶圓暫時熔融之退火方法稱作“熔融退火”。非熔融退火方法中，從被非晶化的區域的上表面及下表面開始進行結晶化。在厚度方向的大致中央，殘留有非晶化狀態的層。被結晶化之區域的結晶品質亦比第13圖B的再結晶區域的結晶品質差。
從第13圖A~第13圖C所示之剖面TEM圖像可知，呈非晶化狀態的高濃度層57a(第2圖B)，利用脈衝寬度相對較短且峰值功率相對較高的第2雷射脈衝LP2(第3圖A)進行熔融退火，並且使雜質活性化為較佳。
第14圖A表示利用基於實施例之方法進行雷射退火時的雷射脈衝的時間波形的一例。橫軸用單位“μs”來表示自第1雷射脈衝LP1上升起經過時間，縱軸表示光強度。第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度為15μs。自第1雷射脈衝LP1上升起經過14μs之時點，第2雷射脈衝LP2上升。第2雷射脈衝LP2為Nd：YLF雷射的第2高頻波，其脈衝寬度為130ns。
第14圖B表示對矽晶圓照射第14圖A的第1雷射脈衝LP1及第2雷射脈衝LP2時的，矽晶圓的溫度變化
的模擬實驗結果。橫軸用單位“μs”來表示經過時間，縱軸用單位“K’’表示溫度。第14圖B中的實線a~g表示自矽晶圓表面的深度分別為0μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm以及100μm位置的溫度。
若第1雷射脈衝LP1開始照射，則矽晶圓的溫度上升。從開始照射起經過了14μs的時點，矽晶圓的表面溫度達到接近矽的熔點之1660K。在該時點，矽晶圓不熔融。若照射第2雷射脈衝LP2，則矽晶圓的表面溫度達到熔點，表層部熔融。
第14圖C表示矽晶圓的熔融深度的時間的變化模擬實驗結果。橫軸用單位“μs”來表示經過時間，縱軸用單位“μm”來表示熔融深度。可知藉由第2雷射脈衝LP2的照射，熔融至約0.3μm的深度。被植入到比0.3μm深度更淺的區域之雜質，藉由表層部的熔融及再結晶而被活性化。
如第14圖B所示，自第1雷射脈衝LP1開始照射起經過約14μs之時點，深度為5μm位置的溫度超過1200K。藉此被植入到5μm程度深度的未熔融區域之雜質藉由固相擴散而被活性化。
第15圖表示從第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4起到第2雷射脈衝LP2的上升時刻t2的經過時間t2-t4，與使矽晶圓熔融所要之第2雷射脈衝LP2的通量之間的關係。從時刻t4到時刻t2的延遲時間標記為td。橫軸用單位“μs”表示延遲時間td。在延遲時間td為負的區域，第2
雷射脈衝LP2在第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4之前上升。第15圖的左縱軸用單位“J/cm2”來表示第2雷射脈衝LP2的通量，右縱軸用單位“W”來表示第2雷射脈衝LP2的功率。
第15圖中示出之實線a表示矽晶圓的0.3μm深度位置熔融之條件下的第2雷射脈衝LP2的通量的模擬實驗結果。實線b表示矽晶圓的最表面熔融之條件下的第2雷射脈衝LP2的通量模擬實驗結果。延遲時間td變化時，兩者的增減趨勢幾乎相等。第15圖中示出之四角記號表示矽晶圓的最表面熔融時的第2雷射脈衝LP2的功率的實測值。第1雷射脈衝LP1的射入區域40(第圖3圖B)的面積以及脈衝寬度恆定，因此藉由以常數與第2雷射脈衝LP2的功率相乘，能夠換算出通量。如第15圖所示，模擬實驗結果與實質的實驗結果非常匹配。
橫軸的原點(td=0)與第1雷射脈衝LP1下降的同時，第2雷射脈衝LP2上升之照射條件對應。
將第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度設為25μs，將矽晶圓表面上之功率密度設為310kW/cm2。延遲時間td為-25μs的位置與第1雷射脈衝LP1上升的同時，第2雷射脈衝LP2上升之照射條件對應。
若使延遲時間td從-25μs延長到0μs(使第2雷射脈衝LP2上升之時刻t2接近第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4)，則使矽晶圓熔融所需之第2雷射脈衝LP2的通量下降。這是因為在第2雷射脈衝LP2的射入時點，矽晶圓藉
由第1雷射脈衝LP1而被預熱。在延遲時間td=0的附近，使矽晶圓熔融所需之第2雷射脈衝LP2的通量顯示出最小值。
隨著延遲時間td從0開始延長，使矽晶圓熔融所需之第2雷射脈衝LP2的通量增加。這是因為在第1雷射脈衝LP1下降時刻t4之後，矽晶圓的溫度下降(預熱效果降低)。
從第15圖示出之模擬實驗結果以及實驗結果可知，藉由調節第1雷射脈衝LP1和第2雷射脈衝LP2的照射時序，能夠減小使矽晶圓熔融所需之第2雷射脈衝LP2的通量。換言之，若射入區域40(第3圖B)的面積恆定，則作為第2雷射脈衝LP2用的固體雷射振盪器31(第1圖)，能夠使用輸出較小者。若固體雷射振盪器31的輸出恆定，則能夠使射入區域40的面積增大。
參閱第16圖及第17圖，對基於實施例之活性化方法的效果進行說明。對矽晶圓植入作為雜質之磷(P)、利用基於實施例之方法進行活性化退火進行了評價實驗。
第16圖及第17圖表示活性化退火之前之雜質濃度分佈，及活性化退火後的載波濃度分佈的測定結果。橫軸用單位“μm”表示深度，縱軸用單位“cm-3”表示濃度。第16圖及第17圖的虛線表示在進行活性化退火之前的雜質濃度分佈。使用單晶矽基板作為半導體基板，將磷(P)作為植入雜質。在深度0.2μm以及1.8μm的位置，雜質濃度顯示出最大值。從表面到0.3μm深度之較淺區域對應於
高濃度層57a(第2圖B)，從0.3μm深度到約4μm深度的較深區域對應於低濃度層56a(第2圖B)。評價實驗中，作為較淺的高濃度層57a及較深的低濃度層56a的雜質都採用了磷，但是作為高濃度層57a及低濃度層56a的雜質，即使分別採用p型及n型雜質，基於活性化退火之活性化率亦顯示出與基於評價實驗之結果大致相同的趨勢。
在評價實驗中，將第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度設為25μm，將功率密度設為310kW/cm2。將第2雷射脈衝LP2的脈衝寬度設為0.15μm。第2雷射脈衝LP2的通量設為第15圖中示出之熔融深度成為0.3μm之條件。
第16圖表示在與第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4相同的時刻或者時刻t4之後第2雷射脈衝LP2上升之條件下進行活性化退火之結果。將從第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4到第2雷射脈衝LP2的上升時刻t2為止的延遲時間td設為0μs、2μs、5μs以及10μs。
第17圖表示在第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4之前，第2雷射脈衝LP2上升之條件下進行活性化退火之結果。從第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4到第2雷射脈衝LP2的上升時刻t2為止的延遲時間td成為負值。將從第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4到第2雷射脈衝LP2的上升時刻t2為止的延遲時間td設為-3μs、-8μs、-13μs以及-18μs。
如第16圖及第17圖所示，可知延遲時間td在-18μs
~10μs的範圍內，較淺的區域(對應於高濃度層57a之區域)以及較深的區域(對應於低濃度層56a之區域)都進行了充份的活性化。在比0.3μm的深度更淺的區域，高濃度層57a藉由第2雷射脈衝LP2的照射而暫時熔融，之後固化時雜質被活性化。
第1雷射脈衝LP1的微秒級脈衝寬度與電爐中進行退火之時間相比明顯短。藉此為了進行充份的活性化，需要比藉由電爐進行退火時更高的溫度。若矽的溫度超過約1200K，即使係微秒級脈衝寬度(加熱時間)，亦開始發生雜質的活性化。如第14圖B中示出之模擬實驗結果，當深度為1μm~5μm的區域的溫度藉由第1雷射脈衝LP1的照射而超過1200K時，藉由第1雷射脈衝LP1的照射，進行直到5μm深度的較深區域的活性化。從第16圖及第17圖所示之評價實驗結果能夠確認，在比0.3μm更深的4μm程度為止的區域，雜質藉由第1雷射脈衝LP1的照射而被活性化。
若使第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度延長，則溫度達到1200K之區域變得更深。因此直到更深區欲進行雜質的活性化的情況下，只要延長第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度即可。第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度由被活性化之目標深度而決定。為了使直到較深的區域亦被活性化而延長第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度時，以不使半導體基板的表面熔融之方式降低功率密度為較佳。接著，對於用第1雷射脈衝LP1來使半導體基板表面熔融為不佳的理由進行說明。
藉由脈衝寬度較短的第2雷射脈衝LP2的照射來使半導體基板的表層部熔融之情況下，半導體基板的表層部的溫度急劇上升，藉此在雷射脈衝射入區域的幾乎整個區域幾乎同時開始熔融。若照射脈衝寬度較長的第1雷射脈衝LP1，則如第14圖B所示，基板溫度逐漸上升。若在射入區域40(第3圖B)內存在溫度不均，則在射入區域40內，已熔融之區域和未熔融的區域混在一起。若已熔融之區域和未熔融的區域混在一起，則固化後在半導體基板的表面上會產生凹凸。為了維持半導體基板表層部的較高的結晶品質，第1雷射脈衝LP1的照射條件為不使半導體基板表面熔融之條件為較佳。
接著，對於較淺的高濃度層57a(第2圖B)和較深的低濃度層56a(第2圖B)進行活性化退火時的，第1雷射脈衝LP1和第2雷射脈衝LP2的射入時序的較佳條件進行說明。如第16圖及第17圖所示，能夠確認在第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度為25μs時，延遲時間td在-18μs~10μs的範圍內能夠進行充份的活性化。
當以PW1表示第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度，以t4表示前述第1雷射脈衝下降時刻，並以t2表示前述第2雷射脈衝上升之時刻時，藉由評價試驗能夠確認在-0.7×PW1t2-t40.4×PW1的範圍內進行良好的活性化。即使第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度發生變化，從第1雷射脈衝LP1上升到下降期間的基板溫度的變化顯示出相同的趨勢。藉此在第1雷射脈衝LP1的下降時刻t4之前的時刻t2，第
2雷射脈衝LP2上升之情況下，即使第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度發生變化，亦可以認為在-0.7×PW1t2-t40的範圍內能夠進行良好的活性化。
在第1雷射脈衝LP1下降時刻t4之後之時刻t2，第2雷射脈衝LP2上升之情況下，藉由調整第2雷射脈衝LP2的通量，能夠進行良好的再結晶以及活性化。然而如第15圖所示，若延遲時間td=t2-t4延長，則必需加大第2雷射脈衝LP2的通量。並且若延遲時間td延長過度，則不能忽略從第1雷射脈衝LP1下降時刻t4到第2雷射脈衝LP2的上升時刻t2為止的半導體基板的移動距離。亦即，相對於第3圖C所示之第1雷射脈衝LP1的射入區域40A，第2雷射脈衝LP2的射入區域40B在Y方向上變位。為了使第1雷射脈衝LP1和第2雷射脈衝LP2射入於實質相同的區域，延遲時間td=t2-t4為第1雷射脈衝LP1的脈衝重複週期的1/10以下為較佳。亦即，當利用T來表示第1雷射脈衝LP1的脈衝重複週期時，則延遲時間設為t2-t4T/10為較佳。
第18圖A表示利用第1雷射脈衝LP1和第2雷射脈衝LP2對半導體基板(矽晶圓)50的整個表面區域進行退火時的掃描路徑的一例。如第1圖所示，固定雷射光束的路徑，使第1雷射脈衝LP1和第2雷射脈衝LP2週期性地射入於半導體基板50之同時，使載物台41移動。藉此半導體基板50的表面由第1雷射脈衝LP1及第2雷射脈衝LP2來進行掃描。將主掃描方向設為Y方向，副掃
描方向設為X方向。在Y方向(主掃描方向)上進行往返掃描。
參閱第18圖B及第18圖C，對基於比較例的退火方法進行說明。在比較例中，將連續波(CW)雷射光束用作用於進行較深區域的活性化之第1雷射光束，將脈衝雷射光束用作用於進行較淺的區域的活性化之第2雷射光束。
第18圖B表示第1雷射光束的第1射入區域60A及第2雷射光束的第2射入區域60B的位置關係。兩者均在X方向上具有較長的長條形狀。第2射入區域60B包含在第1射入區域60A的內側。保持該位置關係，向Y軸的負方向對第1射入區域60A及第2射入區域60B進行掃描。若著眼於半導體基板50的表面上之1點，則從通過第1射入區域60A的前方邊緣(第18圖B中右側邊緣)之時點到通過後方邊緣(第18圖B中左側邊緣)之時點為止，照射第1雷射光束。第2雷射光束從其上升時點起到下降時點為止進行照射。
當著眼於半導體基板50的表面上之1點時，從第1雷射光束的射入時刻t10到第2雷射光束的射入時刻t11的經過時間，取決於第1射入區域60A與第2射入區域60B之間的位置關係。更具體而言，取決於第1射入區域60A的右側邊緣與第2射入區域60B的邊緣之間的間隔和掃描速度。
第18圖C表示在Y軸的正方向上對第1射入區域
60A及第2射入區域60B進行掃描時的，第1射入區域60A與第2射入區域60B之間的位置關係、以及照射於半導體基板50的表面上的1點之雷射光束的照射時序。從第1雷射光束的射入時刻t10到第2雷射光束射入時刻t11之經過時間，取決於第1射入區域60A的左側邊緣與第2射入區域60B的邊緣之間之間隔和掃描速度。
如第18圖B及第18圖C所示，在向Y軸的負方向進行掃描時和向正方向進行掃描時，從第1雷射光束的射入時刻t10到第2雷射光束的射入時刻t11的經過時間不相等。與此相對，實施例中從第1雷射脈衝LP1的射入時刻到第2雷射脈衝LP2的射入時刻的經過時間，與兩個雷射脈衝的射入區域相對位置關係無關，而與第1雷射脈衝LP1及第2雷射脈衝LP2的上升時刻的間隔一致。藉此在向Y軸的正負任一方向進行掃描之情況下，從第1雷射脈衝LP1的射入時刻到第2雷射脈衝LP2的射入時刻的經過時間相同。藉此能夠在Y方向上進行往返掃描。藉由進行往返掃描，能夠縮短退火時間。並且不需要在去路和回路上調整第1雷射脈衝LP1和第2雷射脈衝LP2之間的路徑的相對位置關係。藉此不需要複雜的光學系統的調整機構。
在上述實施例中，若第1雷射脈衝LP1的波長過短，則雷射能量在矽晶圓的極淺的區域被吸收掉，難以有效地加熱較深的區域。相反，若第1雷射脈衝LP1的波長過長，則雷射能量不會被矽晶圓吸收。為了用第1雷射脈衝
LP1有效地加熱矽晶圓的低濃度層56a(第2圖B)，將其波長設成550nm以上、950nm以下為較佳。
波長為550nm的光侵入到矽基板的1μm程度的深度。藉此若將第1雷射脈衝LP1的波長設為550nm則能夠有效地加熱至1μm深度之區域。比1μm深度更深的區域藉由熱傳導而被加熱。若將第1雷射脈衝LP1的波長設為650nm，則能夠有效地加熱至3μm程度深度之區域。若將第1雷射脈衝LP1的波長設為700nm，則能夠有效地加熱至5μm程度深度的區域。當矽基板的厚度為100μm的情況下，若第1雷射脈衝LP1的波長比950nm長，則透過矽基板的雷射能量增多。
為了使較深的低濃度層56a(第2圖B)的雜質活性化，將朝向半導體基板50的第1雷射脈衝LP1的光侵入長度設為比半導體基板50的第2面50B至低濃度層56a的底面的深度更長為較佳。並且為了減少透過半導體基板50之造成浪費掉之光能量，將第1雷射脈衝LP1的光侵入長度設成比半導體基板50的厚度短為較佳。以滿足上述光侵入長度之方式選擇第1雷射脈衝LP1的波長。在此，“光侵入長度”意味著光強度衰減為1/e之距離。
第1雷射脈衝LP1的照射條件，具體而言，係脈衝寬度及功率密度不使半導體基板表面熔融且低濃度層56a內的雜質開始活性化之條件為較佳。具體而言，低濃度層56a的底面溫度超過1200K之條件為較佳。
為了使矽晶圓的高濃度層57a(第2圖B)有效地熔
融，第2雷射脈衝LP2含有容易被矽吸收的綠色波長成份為佳。另外，由於第1雷射脈衝LP1的預熱效果，波長比綠色的更長的光亦容易被矽吸收。藉此亦可以將第2雷射脈衝LP2的波長設為波長為1μm程度之紅外波段。紅外波段波長的光侵入至矽基板的較深的區域，藉此與將綠色波長區域的光用作第2雷射脈衝LP2之情況相比，熔融至更深的區域。
上述實施例中，例舉了IGBT的製造，然而依上述實施例之方法可適用於希望使半導體基板的一個面的表層部的雜質活性化且抑制相反側表面溫度上升之半導體裝置的製造。
以上依實施例說明了本發明，但是本發明並不限定於此，例如本領域技術人員顯然能夠進行各種變更、改良以及組合等。
LP1‧‧‧第1雷射脈衝
LP2‧‧‧第2雷射脈衝
PW1‧‧‧第1雷射脈衝LP1的脈衝寬度
PW2‧‧‧第2雷射脈衝LP2的脈衝寬度
t1‧‧‧時刻
t2‧‧‧時刻
t3‧‧‧時刻
t4‧‧‧時刻
Wt‧‧‧射束射入區域的寬度
Wo‧‧‧半導體基板移動之距離
40‧‧‧射束射入區域
40A‧‧‧第1雷射脈衝LP1的射入區域
40B‧‧‧第2雷射脈衝LP2的射入區域
Claims (14)
- 一種半導體裝置的製造方法，乃是在具有高濃度層和低濃度層之半導體基板表面，照射有照射條件不同之2種雷射脈衝，使前述高濃度層和前述低濃度層皆被活性化之製程；前述高濃度層在較淺的區域以相對較高濃度植入有雜質且呈非晶化狀態，前述低濃度層在比前述高濃度層更深的區域以相對較低濃度植入有雜質；具有：第1製程，為了不使前述非晶化狀態的高濃度層熔融地使低濃度層活性化，照射相對低峰值且脈衝寬度較長的第1雷射脈衝；及第2製程，為了使前述非晶化狀態的高濃度層熔融地被活性化，照射相對高峰值且脈衝寬度較短的第2雷射脈衝；前述第2製程，是執行自前述第1製程開始、到前述第1製程結束之前。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中，前述第2製程的前述第2雷射脈衝的照射條件，為使得前述高濃度層在熔融之後固化並結晶化之條件。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中，前述第1製程的前述第1雷射脈衝的照射條件，為前述第2製程停止且前述高濃度層在熔融之後固化並結晶化之表面不熔融，照射前述第1雷射脈衝而使前述低濃度層的雜質活性化之照射條件。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中， 前述第1雷射脈衝的光源，為半導體雷射振盪器；前述第2雷射脈衝的光源，為射出第2高頻波之固體雷射振盪器。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中，在前述第1雷射脈衝的脈衝波形中存在平坦部之情況下，平坦部的長度為5μs以上；在平坦部不存在之情況下，脈衝波形的半峰全寬為10μs以上，前述第2雷射脈衝的脈衝寬度為1μs以下。
- 如請求項1或3之半導體裝置的製造方法，其中，前述第2雷射脈衝的照射條件，乃是若考慮第1雷射脈衝的照射條件而使前述第2雷射脈衝射入的話，則為熔融前述非晶化狀態的高濃度層之大小。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中，前述第1雷射脈衝的波長為950nm以下。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中，前述第2雷射脈衝的射入區域配置在前述第1雷射脈衝的射入區域內部；第2雷射脈衝的射入區域面積為在第1雷射脈衝的射入區域面積的50%~100%之範圍內。
- 如請求項8之半導體裝置的製造方法，其中，前述第1雷射脈衝的光源為半導體雷射振盪器；前述第2雷射脈衝的光源為固體雷射振盪器；以PW1來表示前述第1雷射脈衝的脈衝寬度，以t4來表示前述第1雷射脈衝下降時刻，以t2來表示前述第2雷射脈衝的上升時刻，以T來表示第1雷射脈衝重複之週 期時，在滿足-0.7×PW1t2-t4T/10之時序的情況下，使前述第1雷射脈衝及前述第2雷射脈衝射入到前述半導體基板。
- 如請求項8或9之半導體裝置的製造方法，其中，前述第1雷射脈衝的射入區域和前述第2雷射脈衝的射入區域實質上一致。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中包含：在使前述半導體基板向平行於其表面之第1方向移動的同時，使前述第1雷射脈衝和前述第2雷射脈衝週期性地射入到前述半導體基板的前述表層部之製程；及在使前述半導體基板朝與前述第1方向相反之方向移動的同時，使前述第1雷射脈衝和前述第2雷射脈衝週期性地射入於前述半導體基板的前述表層部之製程。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中，以對前述半導體基板的光侵入長度比從前述半導體基板表面至前述低濃度層的底面為止的深度更長的方式，選擇前述第1雷射脈衝的波長。
- 如請求項1之半導體裝置的製造方法，其中，以對前述半導體基板的光侵入長度比前述半導體基板的厚度更短的方式，選擇前述第1雷射脈衝的波長。
- 一種雷射退火裝置，係具有： 第1雷射振盪器，其射出脈衝雷射光束；第2雷射振盪器，其射出脈衝雷射光束，前述脈衝雷射光束的脈衝寬度比從前述第1雷射振盪器射出之脈衝雷射光束的脈衝寬度更短，峰值功率比從前述第1雷射振盪器射出之脈衝雷射光束的峰值功率更大；傳播光學系統，其使得從前述第1雷射振盪器射出之脈衝雷射光束和從前述第2雷射振盪器射出之脈衝雷射光束射入到作為退火對象的半導體基板表面的相同區域；及控制裝置，其對前述第1雷射振盪器和前述第2雷射振盪器的雷射脈衝射出時序，進行控制；前述控制裝置，係在比前述第1雷射振盪器開始射出第1雷射脈衝更遲的時刻，從前述第2雷射振盪器射出第2雷射脈衝，在前述第2雷射脈衝停止射入之後，使前述第1雷射脈衝停止射出。
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