WO2007015388A1 - 半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置 - Google Patents

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Akira Matsuno
Takashi Nire
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Phoeton Corp.
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    • H01L21/02667—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H01L21/02675—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device manufacturing apparatus, and more particularly, to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device manufacturing apparatus that perform heat treatment by irradiating laser beams having different wavelengths.
  • Patent Document 1 discloses a method for manufacturing an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The manufacturing method will be briefly described below.
  • a diffusion region such as a base region and an emitter region, an electrode such as an emitter electrode and a gate electrode, and an insulating film such as a gate insulating film and an interlayer insulating film are formed on the surface of the conductive silicon substrate. Polish the backside of the substrate to 150 m, for example. Diffusion regions such as a field stop layer and a collector layer are formed on the back surface of the substrate by ion implantation and heat treatment. An electrode such as a collector electrode is formed.
  • Patent Document 2 discloses a semiconductor device manufacturing method or a laser annealing apparatus that irradiates two laser beams having different wavelengths onto a silicon substrate or a silicon film, for example. Yes.
  • Patent Document 2 discloses a semiconductor device manufacturing method in which, for example, an amorphous silicon film is irradiated with a pulse laser beam in a visible light region having a wavelength of approximately 500 nm and a pulse laser beam in an ultraviolet region having a wavelength of approximately 250 ⁇ m. And a laser annealing device is disclosed. As a result, the time during which the amorphous silicon film is held at a constant temperature can be increased.
  • Patent Document 3 and Patent Document 4 describe a semiconductor that irradiates, for example, an amorphous silicon film with a continuous wave (CW) laser beam having a wavelength of about 1 ⁇ m and a CW laser beam having a wavelength of about 500 nm.
  • An apparatus manufacturing method and a laser irradiation apparatus are disclosed. Thus, irradiation unevenness can be eliminated, uniform laser treatment can be performed, or a crystalline defect region formed on the semiconductor film can be reduced.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-59856
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12484
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-128421
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-282060
  • the present invention provides a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device manufacturing apparatus capable of raising a substrate or a film on the substrate to a desired depth to a desired temperature. Objective.
  • the present invention irradiates a substrate with a first laser beam and a second laser beam having a wavelength different from the first laser beam, and heat-treats the substrate or the film on the substrate.
  • the step of performing the heat treatment includes controlling the irradiation intensity or irradiation time of each of the first laser and the second laser, thereby
  • a method of manufacturing a semiconductor device comprising controlling a temperature distribution in a depth direction of a substrate or a film on the substrate.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the semiconductor device which can heat up a board
  • the present invention irradiates a substrate with a first laser beam and a second laser beam having a wavelength different from the first laser beam, and heat-treats the substrate or a film on the substrate.
  • the substrate of the first laser beam or the substrate The penetration length into the film on the substrate is not more than twice the depth to be heat-treated of the substrate or the film on the substrate, and the penetration of the second laser light into the substrate or the film on the substrate.
  • the length is a manufacturing method of a semiconductor device, characterized in that the length of the substrate or the film on the substrate is at least twice the depth to be heat-treated.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the semiconductor device which can heat up a board
  • the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the first laser light and the second laser light are irradiated to a part of the substrate at least for a predetermined time. it can.
  • heat treatment can be performed with a temperature distribution before reaching a thermal equilibrium state.
  • the first laser beam is a pulse laser beam or a continuous wave laser beam
  • the second laser beam is a pulse laser beam or a continuous wave laser beam
  • the first laser beam is
  • the light or the second laser light is a panorless laser light
  • the irradiation time of the first laser light or the second laser light is controlled by the panorless width
  • the first laser light or the second laser light is controlled.
  • the laser beam is a continuous wave laser beam
  • the irradiation time of the first laser beam or the second laser beam is controlled by the moving speed of the laser beam on the substrate. It can be set as the manufacturing method of this.
  • heat treatment can be performed with a temperature distribution before reaching a thermal equilibrium state.
  • the first laser beam and the second laser beam are an excimer laser, a CO laser, a YAG laser (fundamental wave or harmonic), a YVO laser (fundamental wave or harmonic wave), respectively.
  • Glass laser (fundamental or harmonic), ruby laser, alexandrite laser (fundamental or harmonic), Ti: sapphire laser (fundamental or harmonic), helium cadmium laser, copper vapor laser, gold vapor laser And a semiconductor laser power, which is a selected laser beam.
  • the present invention includes a first laser that irradiates a first laser beam, and a second laser that irradiates a second laser beam having a wavelength different from that of the first laser beam. Irradiating the substrate with the first laser beam and the second laser beam to heat-treat the substrate or the film on the substrate.
  • the depth of the film on the substrate or the substrate is controlled by controlling at least one of irradiation intensity or irradiation time of each of the first laser and the second laser.
  • a semiconductor device manufacturing apparatus characterized by controlling a temperature distribution in a direction.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing apparatus of the semiconductor device which can heat up a board
  • At least one of the first laser beam and the second laser beam is a continuous wave laser beam, and a moving spot and a beam spot size in the moving direction of the continuous wave laser beam on the substrate. And adjusting the irradiation time of the continuous-wave laser light.
  • the irradiation times of the two laser beams can be selected widely and independently. Therefore, the depth and temperature at which the substrate or the film on the substrate can be heated can be selected widely.
  • the present invention includes a first laser that irradiates a first laser beam, and a second laser that irradiates a second laser beam having a wavelength different from that of the first laser beam.
  • the substrate of the first laser beam the penetration length of the second laser beam into the film on the substrate is not more than twice the depth to be heat-treated of the substrate or the film on the substrate, and the second laser beam is the film on the substrate or the substrate.
  • the intrusion length into the semiconductor device is a semiconductor device manufacturing apparatus characterized in that it is at least twice the depth to be subjected to the heat treatment of the substrate or the film on the substrate.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing apparatus of the semiconductor device which can heat up a board
  • the present invention can be a semiconductor device manufacturing apparatus characterized in that the first laser light and the second laser light are irradiated to a part of the substrate for at least a predetermined time.
  • heat treatment can be performed with a temperature distribution before reaching a thermal equilibrium state.
  • the first laser is a pulse laser or a continuous wave laser
  • the second laser is a pulse laser or a continuous wave laser
  • the first laser or the front laser When the second laser is a pulse laser, the irradiation time of the first laser or the second laser is controlled by the pulse width, and the first laser or the second laser continuously oscillates.
  • the irradiation time of each of the first laser light and the second laser light is controlled by the moving speed of the laser light on the substrate. It can be a device.
  • heat treatment can be performed with a temperature distribution before reaching a thermal equilibrium state.
  • the first laser beam and the second laser beam are an excimer laser, a CO laser, a YAG laser (fundamental wave or harmonic), a YVO laser (fundamental wave or harmonic wave), respectively.
  • Glass laser (fundamental or harmonic), ruby laser, alexandrite laser (fundamental or harmonic), Ti: sapphire laser (fundamental or harmonic), helium cadmium laser, copper vapor laser, gold vapor laser And a laser beam selected from the semiconductor lasers.
  • At least one of the first laser and the second laser is a continuous wave laser, and a moving speed and a beam spot size in the moving direction of the laser light of the continuous wave laser on the substrate.
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device manufacturing apparatus capable of raising the temperature of a substrate or a film on the substrate to a desired temperature to a desired temperature.
  • FIG. 1 is a diagram showing the wavelength dependence of the penetration depth of light into silicon.
  • FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of the thermal conductivity of silicon.
  • FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b) are diagrams showing a heating range when a silicon substrate is irradiated with laser beams having different penetration depths.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the laser annealing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 (a) to FIG. 5 (d) are cross-sectional views (part 1) showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
  • 6 (a) to 6 (d) are cross-sectional views (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment.
  • FIGS. 7 (a) and 7 (b) are diagrams showing the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the first laser beam is irradiated with the second laser beam in Example 2. (Part 1).
  • FIGS. 8 (a) and 8 (b) show the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the first laser beam is irradiated with the second laser beam in Example 2. It is the figure shown (part 2).
  • FIGS. 9 (a) and 9 (b) show the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the second laser light is irradiated with the first laser light in Example 2. It is the figure shown (part 3).
  • FIG. 10 is a diagram showing the absorption coefficient with respect to wavelength at each electron concentration of silicon, and is a diagram described in Spitser et al. Phys. Rev. 108, p268 (1957).
  • FIG. 11 is a graph showing the absorption coefficient with respect to wavelength at each hole concentration of silicon.
  • FIGS. 12 (a) to 12 (c) are diagrams showing the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the first laser beam is irradiated with the second laser beam in Example 3. It is.
  • FIGS. 13 (a) and 13 (b) show the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the first laser beam is irradiated with the second laser beam in Example 4. It is a diagram (part 1).
  • FIGS. 14 (a) and 14 (b) show the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the first laser beam is irradiated with the second laser beam in Example 4.
  • Figure 2
  • FIGS. 15 (a) and 14 (b) show the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the first laser beam is irradiated with the second laser beam in Example 4.
  • FIGS. 16 (a) and 16 (b) show the temperature in the depth direction of the silicon substrate when the first laser beam is irradiated with the second laser beam in Example 4. (Part 4).
  • FIG. 17 is a diagram showing the wavelength dependence of the penetration depth of light into TiN.
  • FIG. 18 is a diagram showing the wavelength of each laser and the penetration depth of silicon with respect to the wavelength.
  • Figure 1 shows the penetration depth of light with respect to the wavelength of silicon light.
  • the penetration length is the distance at which the light intensity is lZe. From Fig. 1, when the wavelength is ⁇ m force 350nm, the penetration depth is less than lOnm. When the wavelength exceeds 370 nm, the penetration depth increases monotonically with the wavelength, and the penetration length is about 100 / zm at a wavelength of 900 nm.
  • the penetration depth of light of a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm is lOnm or less.
  • the penetration depth of the second harmonic of YAG laser having a wavelength of 2 nm is about 2 ⁇ m, and the penetration depth of light of a semiconductor laser having a wavelength of 808 nm is about 20 nm.
  • FIG. 2 is a graph showing the thermal conductivity with respect to the temperature of silicon. As the temperature increases, the thermal conductivity decreases. This indicates that heat is not easily transmitted at high temperatures.
  • FIG. 3 is a schematic diagram when the silicon substrate 10 is irradiated with laser light.
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) show the case where the penetration length is long, the laser beam 20a is short, and the laser beam 20b is irradiated, respectively.
  • the bottom is the substrate surface of the silicon substrate 10, on which an operation layer 16 such as an electrode 12 and a diffusion region 14 is formed.
  • the penetration depth is long!
  • laser light eg, semiconductor laser
  • the light is absorbed in a wide range. Therefore, the heating range 18a of the silicon substrate 10 is increased.
  • Fig. 3 (b) when laser light with a short penetration length (for example, the second harmonic of a YAG laser) is irradiated, the light is absorbed near the front surface (back surface of the silicon substrate), and the heating range 18b is Get smaller.
  • the thermal conductivity is reduced as shown in FIG. 2, so that the vicinity of the range where light is absorbed can be efficiently heated.
  • Example 1 the substrate is irradiated with the first laser beam and the second laser beam having a wavelength different from that of the first laser beam, for example, heat treatment of the semiconductor substrate is performed.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a laser annealing apparatus for irradiating a substrate with two laser beams.
  • a first laser 30 that irradiates the first laser light 50
  • a second laser 32 that irradiates a second laser light 52 having a wavelength different from that of the first laser light 50.
  • This laser annealing apparatus irradiates the substrate 46 with the laser beam 50 and the second laser beam 52 and heat-treats the substrate 46.
  • the first laser beam 50 emitted from the first laser 30 is shaped by the shaping optical system 1 (34). Thereafter, the first laser beam 50 is reflected by the dichroic mirror 40, condensed by the imaging condensing optical system 42, and irradiated on the substrate 46 that is the annealing target on the stage 44.
  • the second laser beam 52 emitted from the second laser 32 is shaped by the shaping optical system 2 (36), is reflected by the total reflection mirror 38, passes through the dichroic mirror 40, and passes through the imaging collector. The light is condensed by the optical optical system 42 and irradiated onto the substrate 46.
  • the shaping optical systems 34 and 36 are optical systems for expanding the beam diameter of the laser beam or improving the beam distribution to make the light intensity uniform.
  • the dichroic mirror 40 has a function of reflecting the first laser beam 50, passing the second laser beam 52, and aligning the optical axes of the laser beams 50 and 52.
  • the imaging and condensing optical system 42 is a lens, and has a function of irradiating laser beams 50 and 52 to predetermined positions on the substrate 46. The optical axes are adjusted so that the first laser beam 50 and the second laser beam 52 are irradiated on the same position on the substrate 46.
  • the first laser 30 is controlled by the control circuit 1 (54), and the second laser 32 is controlled by the control circuit 2 (56).
  • the stage 44 is driven by the drive system 47, and the drive system control circuit 48 controls the drive system 47.
  • the first laser beam 50 and the second laser beam 52 can be irradiated to any position on the substrate.
  • the drive system 47 is arranged on a stand 49.
  • the first laser beam 50 and the second laser beam 52 are The same place is irradiated simultaneously. Then, the irradiation intensity of the first laser beam 50 and the irradiation intensity of the second laser beam 52 having different penetration lengths into the substrate 46 can be controlled. Further, the irradiation time of the first laser beam 50 and the irradiation time of the second laser beam 52 can be controlled. Thereby, the amount of light absorbed in the depth direction of the substrate 46 can be controlled. Thereby, the temperature distribution in the depth direction of the substrate 46 irradiated with the laser light can be controlled. Therefore, it is possible to raise the temperature to a desired temperature up to a desired depth of the substrate 46. As a result, it is possible to cope with heat treatments of various depths with the same laser annealing apparatus without having to provide a laser having a penetration depth corresponding to each heat treatment depth.
  • Example 2
  • Example 2 is an example of a method for manufacturing a semiconductor device such as an IGBT using the laser annealing apparatus according to Example 1.
  • 5 and 6 are schematic cross-sectional views showing the method for manufacturing the IGBT according to the first embodiment.
  • Figure 5 shows the top surface of the substrate, and
  • Figure 6 shows the back side of the substrate.
  • a gate insulating film 62 and a gate electrode 64 on a conductive silicon substrate 60 are formed using a normal exposure technique and etching.
  • boron (B) is ion-implanted using gate electrode 64 as a mask, followed by heat treatment, thereby forming P-type channel diffusion region 66.
  • a photoresist 68 is formed, arsenic (As) is ion-implanted, and then heat-treated to form an n-type emitter diffusion region 70.
  • the insulating film 72 is formed by a normal CVD method and exposure technique. Further, an emitter electrode 74 is formed. As described above, the operation layer 82 is formed on the surface of the silicon substrate 60.
  • the back surface of the silicon substrate 60 is polished to a substrate thickness of 100 m.
  • Phosphorus (P) is ion-implanted to a depth at which the field stop layer 76 is formed from the back surface of the substrate.
  • boron (B) is ion-implanted to a depth that becomes the collector diffusion region 78.
  • the depth of the ion-implanted field stop layer 76 is about 3 ⁇ m.
  • the ion implantation conditions are determined to be, for example, about the sum of the target depth force of the field stop layer 76 and the average projection range Rp of the ion implantation and the projection standard deviation ARp.
  • the first laser beam 50 and the second laser beam 52 are simultaneously irradiated onto the same region from the back surface of the silicon substrate 60, and heat treatment is performed. Territory Form a zone.
  • a second harmonic light (wavelength 532 nm) of a YAG laser is used, and as the second laser beam 52, a semiconductor laser (wavelength 808 nm) is used.
  • the first laser 30 in FIG. 4 is provided with a second harmonic generation optical system.
  • the heat treatment is preferably performed at least to the depth of the field stop layer 76 in order to activate impurity ions in the field stop layer 76 and the collector diffusion region 78.
  • the collector electrode 80 is formed on the back surface of the substrate 60 to complete the IGBT.
  • the heat treatment described in FIG. 6 (c) is 1000 ° C (1273K) or more over the entire depth direction of the field stop layer 76 and the collector diffusion region 78 in order to activate the implanted impurities. Is required. Further, it is required to be 1420 ° C. (1693 K) or less, which is the melting point of silicon, over the entire depth direction of the silicon substrate 60. Furthermore, the surface of the silicon substrate 60 is required to be 200 ° C. (473 K) or less because the operation layer 82 formed on the surface is not deteriorated by, for example, thermal stress.
  • the temperature distribution in the silicon substrate 60 in this heat treatment step was calculated.
  • the calculation was performed by finding a numerical solution of a one-dimensional or two-dimensional heat conduction equation.
  • the heat conduction equation used is:
  • the penetration depth of the light into the silicon R: reflection coefficient of silicon at the wavelength of the first laser light
  • R reflection coefficient of silicon at the wavelength of the second laser light
  • I laser parameter of the first laser light
  • FIGS. 7, 8, and 9 show that the first laser beam 50 and the second laser beam 52 are respectively a triangular wave with a wavelength of 53 nm, a pulse width of 240 ns, and a rise time of 48 ns, and a wavelength of 808 nm and a pulse width of 240 ns.
  • the figure shows the calculation result when the rise time is 48 ns triangular wave, the temperature against the time from the time of laser irradiation, the depth of the silicon substrate 60 back surface force, the surface (back surface of the silicon substrate 60), 1 m , 3 m, 10 m and 100 ⁇ m! /.
  • FIG. 7 (a) shows that the irradiation intensity (energy density) of the first laser beam 50 and the irradiation intensity (energy density) of the second laser beam 52 are 1100 mjZcm 2 and OrujZcm 2 , respectively.
  • Fig. 8 (a) is 600m j / cm 2 and 2800mjZcm 2 respectively
  • Fig. 8 (b) is 400niJ / cm 2 and 3800mj / cm 2 respectively
  • Fig. 9 (a) is 200nijZcm 2 and 4800mjZcm respectively. 2
  • FIG. 8 (a) shows that the irradiation intensity (energy density) of the first laser beam 50 and the irradiation intensity (energy density) of the second laser beam 52 are 1100 mjZcm 2 and OrujZcm 2 , respectively.
  • the penetration length of the first laser beam 50 with respect to the substrate 60 is defined as penetration depth 1
  • the penetration length of the second laser beam 52 with respect to the substrate 60 is defined as penetration depth 2.
  • the temperature up to a depth of 10 ⁇ reaches a peak from 100 ⁇ sec to 10 ⁇ sec, and then diffuses by heat and decreases in temperature.
  • the temperature does not rise immediately after laser light irradiation, but rises from 10 to 100 seconds due to thermal diffusion, and almost reaches equilibrium in lm seconds.
  • Fig. 7 (a) where only the first laser beam 50 is irradiated the maximum temperature in the 1 m depth region reaches 1300 K or higher, whereas the maximum temperature in the 3 ⁇ m depth region. Is 760 ⁇ . In the region of depth l / z m, the maximum temperature does not reach 1273K (100 ° C), which is necessary for impurity activation. This is because the area where the first laser beam 50 penetrates into silicon is as short as about 1 ⁇ m, and the area that is easy to heat efficiently is less than twice the depth of the penetration, and the area that is easy to heat efficiently penetrates. This is because the length is less than the depth. Therefore, it is difficult to activate the impurities injected into the 3 ⁇ m field stop layer 76 throughout the depth direction by irradiation with only the first laser beam 50.
  • the maximum temperature in the region having a depth of 3 ⁇ m has reached 1500 K or more, and therefore, the field stop layer 76 ⁇ m having a thickness of 3 ⁇ m. Impurities injected into the substrate can be activated throughout the depth direction.
  • the maximum temperature at the depth of 100 / z m that is, the surface of the silicon substrate becomes 520K, which exceeds 473K (200 ° C) which is the temperature at which the operation layer 82 on the surface of the silicon substrate 60 deteriorates. Therefore, in this case as well, it is difficult to activate the impurities implanted in the field stop layer 76 throughout the depth direction without deteriorating the operation layer 82 on the surface of the silicon substrate 60.
  • the irradiation with only the first laser beam or the second laser beam cannot satisfy the heat treatment conditions required for the IGBT manufacturing method according to Example 1 described above.
  • Depth 1 / zm temperature is 1350K, 1380K, 1490K, 1500K, 1530K and 1580 respectively Almost the same as K.
  • Temperatures at a depth of 3 m are as high as 760K :, 930K :, 1120K :, 12 10K :, 1320K and 1490K, respectively.
  • Temperatures at a depth of 10 m increase to 450K: 56 OK, 690 ⁇ , 800 ⁇ , 900 ⁇ and 1060K, respectively.
  • the temperature at a depth of 100 / zm rises slowly to 340K :, 370K :, 430K :, 440K :, 470K and 520K, respectively.
  • Example 2 the condition of FIG. 9 (&) (irradiation intensity of the first laser beam 50 is 2001 ⁇ 7.
  • the heat treatment can be performed at a temperature higher than that at which the impurities implanted into the back surface of the substrate can be activated without deteriorating the operation layer formed on the substrate surface.
  • the substrate 60 Controls the temperature distribution in the depth direction. Accordingly, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of raising the temperature of a substrate or a film on the substrate to a desired temperature at a desired depth.
  • a laser annealing apparatus that controls the temperature distribution in the depth direction of the substrate 60 by controlling the irradiation intensity of the first laser beam 50 and the irradiation intensity of the second laser beam 52, the substrate or the substrate is heated.
  • a semiconductor device manufacturing apparatus capable of raising the temperature of the film to a desired temperature to a desired depth can be provided.
  • the region that is easily heated as described above has a depth that is not more than twice the penetration length, and more efficiently less than the penetration length. Therefore, the region up to 2 / zm, which is twice the penetration length 1 of the first laser beam 50 (more preferably, the depth up to 1 m, which is the penetration length 1), is the first laser beam. Sufficient temperature rise is possible with only 50 irradiation. However, it is difficult to raise the temperature sufficiently in the region having a depth exceeding 2 m by irradiation with the first laser beam 50 alone. From FIG. 7 (b) to FIG. 9 (a), the second laser beam 52 having a longer penetration length is required for sufficient temperature rise in the region having a depth exceeding 2 m.
  • a region having a depth exceeding 2 m is a region whose temperature distribution can be controlled by irradiation with the first laser beam and the second laser beam 52. Therefore, it is preferable that the depth to be heat-treated is 1Z2 or more of penetration depth 1. That is, the penetration length 1 is preferably not more than twice the depth to be heat-treated. Also more efficient It is more preferable that the penetration length 1 is less than the depth to be heat-treated because the region that is easy to heat is less than the penetration depth.
  • the depth exceeds 3 ⁇ m, which is three times the penetration length 1 of the first laser beam 50.
  • the maximum temperature in the region is lower than the maximum temperature of a depth of up to about 1 m when only the first laser beam 50 is irradiated. This indicates that it is not preferable to heat-treat a region exceeding 3 m by irradiation with the first laser beam 50 alone.
  • the second laser beam 52 is simultaneously irradiated in addition to the first laser beam 50, the second laser beam 52 is irradiated as shown in FIGS. 7 (b) to 9 (a).
  • the temperature rise due to is greater in the region of depth exceeding 3 ⁇ m than in the region of depth up to about 1 ⁇ m.
  • the region having a depth exceeding 3 / zm is a region in which the temperature distribution can be easily controlled by irradiating the second laser beam 52 as compared with a region having a depth of up to about 1 ⁇ m. Therefore, it is even more preferable that the depth to be heat-treated is at least three times the penetration length 1. That is, the penetration length 1 is more preferably 1Z3 times or less the depth to be heat-treated.
  • the maximum temperature at a depth of 10 m which is 1Z2 of penetration depth 2 is about 1000K. This does not reach a sufficient temperature (1273K) necessary for impurity activation.
  • the maximum temperature in the region having a depth exceeding 10 m is lowered.
  • the depth to be heat-treated is preferably 1Z2 or less of penetration depth 2. That is, the penetration length 2 is preferably at least twice the depth to be heat-treated.
  • the depth to be heat-treated is more preferably 1Z6 or less of the penetration length 2.
  • the penetration depth 2 is more preferably 6 times or more the depth to be heat-treated.
  • the penetration length 2 of the second laser beam 52 exceeds the thickness of the silicon substrate, the surface of the silicon substrate 60 is heated when the second laser beam 52 is irradiated, and silicon The operation layer 82 on the surface of the substrate 60 is deteriorated. Therefore, it is more preferable that the penetration length 2 of the second laser beam 52 is not more than the thickness of the silicon substrate 60.
  • the penetration length 1 of the first laser beam 50 into the substrate 60 is the depth at which the substrate 60 should be heat treated. It is preferable that the penetration length 2 of the second laser beam 52 into the substrate 60 is not less than twice the depth of the substrate 60 to be heat-treated.
  • the penetration length 1 of the first laser beam 50 into the substrate 60 is less than the depth at which the substrate 60 should be heat-treated, and the penetration length 2 of the second laser beam 52 into the substrate 60 is More preferably, 60 heat treatments should be at least 6 times the depth of the substrate and less than the substrate thickness.
  • the depth of the substrate to be heat-treated is, for example, the depth of the field stop layer 76 (the depth of ion implantation) in order to activate the field stop layer 76 and the collector diffusion region 78 throughout. It is preferable that Furthermore, it is preferable that the average projection range Rp of ion implantation of the field stop layer 76 and the projection standard deviation ⁇ Rp be the sum. In the region of the depth of the sum of the average projection range Rp and the projection standard deviation ARp of ion implantation, most of the implanted impurities are distributed. Therefore, by heat-treating this region, it is possible to activate the impurities implanted by ion implantation throughout the field stop layer 76 and the collector diffusion region 78.
  • the penetration length 1 of the first laser beam 50 into the substrate 60 is not more than twice the depth of the substrate 60 to be heat-treated
  • the penetration length of the second laser beam 52 into the substrate 60 2 is the manufacture of a semiconductor device capable of raising the substrate or the film on the substrate to a desired temperature to a desired temperature by using a laser annealing device that is twice or more the depth at which the substrate 60 should be heat-treated. Equipment can be provided.
  • first laser beam 50 and the second laser beam 52 are irradiated in order to heat a region of about 3 ⁇ m from the surface of the silicon substrate will be considered.
  • the wavelength of the first laser beam 50 is 370 nm or less, the penetration length with respect to the silicon is drastically reduced, and it is necessary to anneal a depth of about 1 ⁇ m or more. Not practical. Therefore, the wavelength of the first laser beam 50 is preferably 370 nm or more. Furthermore, 450 nm or more, where the penetration length is 1 m or more, is more preferable.
  • a silicon substrate is usually used with a film thickness of several hundreds of m and a force of 100 m. For this reason, When the input length 2 is 100 / zm or more, the light absorbed by the substrate is reduced and heating cannot be performed efficiently. In order to avoid this, it is preferable to set the penetration length 2 to 100 m or less. Therefore, the wavelength of the second laser beam 52 is preferably 900 nm or less. Furthermore, the penetration length 2 is more preferably 850 nm or less so that the penetration length 2 is 50 m or less. In addition, referring to Fig. 10 and Fig.
  • silicon absorbs infrared rays with a wavelength of about 10 m, and the penetration depth obtained by taking the reciprocal of the absorption coefficient shown here is , 1 0 mu m approximately when the order of the carrier concentration is 10 19 cm _3, the carrier concentration is about 50 mu m when the 10 18 cm_ 3. Therefore, a laser having an oscillation wavelength in this region can be used as the second laser. As described above, it is preferable that the first laser and the second laser also select the penetration strength of the light having the respective oscillation wavelengths with respect to the silicon by the oscillation wavelength force.
  • Example 2 panoramic light was used as the first laser light and the second laser light. This is because the heat treatment can be performed with the temperature distribution before reaching the thermal equilibrium state. Thus, it is preferable that at least a part of the substrate is irradiated with the first laser beam and the second laser beam for a certain period of time.
  • Example 3 is an example in which heat treatment similar to pulsed light is performed by moving continuous wave laser light on a substrate.
  • FIG. 10 shows the temperature distribution in the silicon substrate when the irradiation position on the silicon substrate is moved using the calculation method used in the second embodiment.
  • FIGS. 12 (a), 12 (b) and 12 (c) show the inside of the silicon substrate 60 when the irradiation positions of the first laser beam and the second laser beam are moved in 1500 mmZ seconds. Shows the temperature distribution.
  • the laser beam is moved according to the beam movement arrow at the top of the figure.
  • the power density of the first laser beam 50 and the second laser beam 52 is increased according to FIGS. 12 (a), 12 (b), and 12 (c).
  • the power density is determined so that the maximum temperature of this is about 1600 ° C.
  • the depth where the temperature exceeds 1 280K (about 1000 ° C) is deep.
  • the first laser beam can be shortened and the first laser beam can be obtained in the same manner as when using the pulse laser beam.
  • the respective irradiation times of the light and the second laser light can be controlled. This makes it possible to perform a heat treatment equivalent to that of light without using a pulse laser with a short pulse width.
  • the pulse is used.
  • the irradiation time of the first laser beam or the second laser beam is controlled by the width, and when the first laser beam or the second laser beam is a continuous wave laser beam, the moving speed of the laser beam on the substrate.
  • the irradiation time of the first laser beam or the second laser beam can be controlled.
  • the irradiation time of the continuous wave laser beam can also be controlled by adjusting the beam spot size in the moving direction (the size of the laser beam on the substrate surface). For example, when the beam spot size in the moving direction is large, the irradiation time becomes long even if the moving speed is the same.
  • the laser when the laser is pulsed, it is limited to the pulse width inherent to the laser.
  • the relaxation time at the laser oscillation level of Nd: YAG is as short as several tens of ns, so it is difficult to create a long pulse width.
  • a semiconductor laser oscillates by current drive For this reason, producing a short pulse with a large current is limited in terms of power supply, and laser oscillation with a large pulse and a short pulse width is difficult.
  • the range of selection of the irradiation times is limited by the limitations inherent to the laser as described above.
  • the irradiation time of each of the YAG laser and the semiconductor laser is controlled by the pulse width, it is difficult to shorten the pulse width of the semiconductor laser that increases the pulse width of the YAG laser. Therefore, the moving speed of the continuous-wave laser beam on the substrate and the beam spot size in the moving direction are adjusted to provide illumination.
  • the irradiation time of the two laser beams can be selected widely and independently. Therefore, the depth and temperature at which the substrate or the film on the substrate can be heated can be selected widely.
  • the continuous wave laser is used for at least one of the first laser and the second laser, the above-described effect is obtained. From the viewpoint of temperature uniformity, it is preferable to use a continuous wave laser for both.
  • both are continuous wave lasers the moving speed of the two laser beams is the same, and the irradiation time of each laser beam is individually controlled by adjusting the beam spot size of each laser beam. be able to.
  • the scanning of the laser beam on the substrate may be performed by fixing the substrate and scanning the laser beam, or by fixing the laser beam and scanning the laser beam.
  • the entire surface of the substrate can be irradiated with the laser beam by moving the laser beam in a direction perpendicular to the reciprocating direction while reciprocating the substrate. Furthermore, the entire surface of the substrate can be heat-treated by irradiating a laser beam spirally from the center or the periphery of the substrate. From the viewpoint of throughput, a method of irradiating in a spiral shape with less acceleration / deceleration is preferable.
  • Example 4 is an example in which panoramic light is used as the first laser light and the second laser light, and the irradiation times of the first laser light and the second laser light are changed.
  • Figures 11 through 14 show the implementation
  • FIG. 10 is a diagram showing the result of calculating the temperature in the substrate in the same manner as in Example 2.
  • the irradiation time and energy density of the first laser beam 50 are kept constant, and the irradiation time of the second laser beam 52 is changed.
  • the irradiation intensity of the second laser beam 52 was determined so that the maximum temperature in the silicon substrate was about 1600 K. Show the temperature with respect to time from the time of laser irradiation for depth from the back surface of the silicon substrate 60, front surface (back surface of the silicon substrate 60), 3 m, 10 m and 100 ⁇ m! /! / Speak.
  • the irradiation time and energy density of the first laser beam 50 are 120 ns and 800 nj / cm 2 , respectively.
  • Irradiation time and energy density of the second laser beam 52 in FIG. 13 (a) is a 60NsZ500mjZcm 2, respectively it, and FIG. 13 (b), respectively 120 ns, a 600MjZcm 2.
  • Figure 15 (a), respectively 300 ns, a 1450mjZcm 2, FIG. 1 5 (b) are each 400ns, 2300mjZcm 2.
  • 16 (a) is respectively 500ns, 320 OmjZcm 2
  • FIG. 16 (b) are each 600ns, 4000nijZcm 2.
  • Fig. 13 (a), Fig. 13 (b) Fig. 14 (a), Fig. 14 (b), Fig. 15 (a), Fig. 15 (b), Fig. 16 (a) and Fig. 16 (b) Increase the irradiation time of the laser beam 52 of 2 [Continuous, 3 m deep maximum temperature, 740 mm :, 750 mm, 820 mm, 860 mm :, 930 mm :, 1100 K :, 1280 K and 1400 K, respectively. I'll do it. As shown in Fig.
  • the temperature distribution in the depth direction of the substrate 60 can be controlled as in the second embodiment. Can do.
  • the step of performing the heat treatment using the laser annealing apparatus shown in FIG. 4 involves at least one of the irradiation intensity or irradiation time of each of the first laser beam 50 and the second laser beam 52.
  • the temperature distribution in the depth direction of the film of the substrate is controlled. This makes it possible to raise the temperature of the substrate or the film on the substrate to a desired temperature up to a desired temperature.
  • a method for manufacturing a body device can be provided.
  • the control unit controls the temperature distribution in the depth direction of the substrate 60 by controlling at least one of the irradiation intensity or the irradiation time of the first laser beam 50 and the second laser beam 52.
  • control circuit 1 control circuit 2
  • drive system control circuit 48 By using a laser annealing apparatus having (control circuit 1 (54), control circuit 2 (56) and drive system control circuit 48), the substrate or the film on the substrate is heated to a desired temperature to a desired temperature.
  • An apparatus for manufacturing a semiconductor device capable of satisfying the requirements can be provided.
  • the first laser beam has an penetration length of 1 It is preferably about 1 ⁇ m. Therefore, in addition to the YAG laser, where it is preferable to use a laser beam with a wavelength of about 500 nm, the second harmonic of a YLF laser or YVO laser can be used. Second laser beam 5
  • a semiconductor laser or C02 laser having a wavelength of about 800 nm, which is preferably about 20 ⁇ m in penetration length.
  • the present invention can be applied not only to a silicon substrate but also to heat treatment of a silicon film. Further, as shown below, the present invention can also be applied to heat treatment of materials other than silicon.
  • Figure 17 shows the penetration depth of light with respect to the wavelength of TiN light. The penetration depth varies depending on the wavelength. The penetration depth is about 7 ⁇ m at a wavelength of 400 nm, and the penetration length is about 3 ⁇ m at a wavelength of 800 nm. Therefore, if lasers having wavelengths of 400 ⁇ m and 800 ⁇ m are used, the present invention can be applied and obtained even when heat treatment is performed on a TiW film formed on a substrate, for example. Thus, the present invention can be applied to heat treatment of a film on a substrate, and can be applied to a substrate other than a silicon substrate and a film on the substrate.
  • FIG. 18 is a diagram showing the penetration depth with respect to the wavelength of each laser and the wavelength of silicon.
  • the first laser beam 50 and the second laser beam 52 are excimer laser (X eCl Excimer ⁇ KrF Excimer and ArF Excimer), YAG laser fundamental wave (not shown), second harmonic ⁇ (1: ⁇ 80 (20))), 3rd harmonic ⁇ (1: ⁇ 80 (30))), 4th harmonic (Nd: YAG (4 ⁇ )) and 5th harmonic (Nd: YAG (5 ⁇ )) , YVO fundamental wave (not shown)

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Abstract

本発明は、第１のレーザ光（５０）と、第１のレーザ光とは異なる波長を有する第２のレーザ光（５２）とを基板（４６）に照射し、基板の熱処理を行う工程を具備する半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置において、熱処理を行う工程は、第１のレーザの照射強度と第２のレーザとのそれぞれの照射強度または照射時間の少なくとも一方を制御することにより、前記基板または前記基板上の膜の深さ方向の温度分布を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法および、半導体装置の製造装置である。

Description

明 細 書
半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置
技術分野
[0001] 本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置に関し、特に、 異なる波長を有するレーザ光を照射し、熱処理を行う半導体装置の製造方法および 半導体装置の製造装置に関する。
背景技術
[0002] 半導体装置の製造工程においては、半導体基板の所望の深さまでを熱処理する 場合がある。例えば、特許文献 1において、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ (IG BT)の製造方法が開示されている。以下、その製造方法につき簡単に説明する。導 電性のシリコン基板表面に、ベース領域ゃェミッタ領域等の拡散領域、ェミッタ電極 やゲート電極等の電極、ゲート絶縁膜や層間絶縁膜等の絶縁膜を形成する。基板の 裏面を、例えば 150 mまで研磨する。基板の裏面にフィールドストップ層やコレクタ 層等の拡散領域をイオン注入および熱処理により形成する。コレクタ電極等の電極を 形成する。
[0003] 一方、特許文献 2、特許文献 3および特許文献 4には、例えばシリコン基板またはシ リコン膜に波長の異なる 2つのレーザ光を照射する半導体装置の製造方法またはレ ーザァニール装置が開示されている。
[0004] 特許文献 2には、約 500nmの波長を有する可視光域のパルスレーザ光と約 250η mの波長を有する紫外域のパルスレーザ光を、例えばアモルファスシリコン膜に照射 する半導体装置の製造方法およびレーザァニール装置が開示されている。これによ り、アモルファスシリコン膜が一定温度に保持される時間を増カロさせることができる。
[0005] また、特許文献 3および特許文献 4には、約 1 μ mの波長を有する連続発振 (CW) レーザ光と約 500nmの波長を有する CWレーザ光を、例えばアモルファスシリコン膜 に照射する半導体装置の製造方法およびレーザ照射装置が開示されている。これに より、照射ムラを解消し、均一なレーザ処理を行うこと、または半導体膜上に形成され る結晶性不良領域を小さくすることができる。 特許文献 1：特開 2003 - 59856号公報
特許文献 2：特開 2000 - 12484号公報
特許文献 3 :特開 2004— 128421号公報
特許文献 4：特開 2004 - 282060号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 例えば、特許文献 1記載の IGBTの製造方法にお 、ては、基板の裏面にイオン注 入された領域は、イオンが活性ィ匕できる温度以上に昇温する必要がある。しかし、基 板の表面には、拡散領域、電極または絶縁膜等が形成されている。そこで、基板の 表面が高温になると、拡散領域の不純物の拡散、電極を構成する金属の反応または 熱応力若しくは有機系絶縁膜の反応または硬化などが生じる。このように、半導体装 置の製造工程においては、所望の深さまでを所望の温度に昇温することが求められ ている。
[0007] 本発明は、上記課題に鑑み、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度 に昇温することが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を提 供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明は、第 1のレーザ光と、該第 1のレーザ光とは異なる波長を有する第 2のレー ザ光とを基板に照射し、前記基板または前記基板上の膜の熱処理を行う工程を具備 する半導体装置の製造方法において、前記熱処理を行う工程は、前記第 1のレーザ と前記第 2のレーザとのそれぞれの照射強度または照射時間の少なくとも一方を制 御することにより、前記基板または前記基板上の膜の深さ方向の温度分布を制御す ることを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、基板または基板 上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方 法を提供することができる。
[0009] 本発明は、第 1のレーザ光と、該第 1のレーザ光とは異なる波長を有する第 2のレー ザ光とを基板に照射し、前記基板または前記基板上の膜の熱処理を行う工程を具備 する半導体装置の製造方法において、前記第 1のレーザ光の前記基板または前記 基板上の膜への侵入長は、前記基板または前記基板上の膜の熱処理をすべき深さ の 2倍以下であり、前記第 2のレーザ光の前記基板または前記基板上の膜への侵入 長は、前記基板または前記基板上の膜の前記熱処理をすべき深さの 2倍以上とする ことを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、基板または基板 上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方 法を提供することができる。
[0010] 本発明は、前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光が一定時間のみ少なくと も前記基板の一部に照射されることを特徴とする半導体装置の製造方法とすることが できる。本発明によれば、熱平衡状態に達する前の温度分布で熱処理を行うことが できる。
[0011] 本発明は、前記第 1のレーザ光はパルスレーザ光または連続発振レーザ光であり、 前記第 2のレーザ光はパルスレーザ光または連続発振レーザ光であり、前記第 1のレ 一ザ光または前記第 2のレーザ光がパノレスレーザ光の場合はそのパノレス幅により前 記第 1のレーザ光または前記第 2のレーザ光の前記照射時間を制御し、前記第 1の レーザ光または前記第 2のレーザ光が連続発振レーザ光の場合は、そのレーザ光の 前記基板上の移動速度により前記第 1のレーザ光または前記第 2のレーザ光の前記 照射時間を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法とすることができる。本 発明によれば、熱平衡状態に達する前の温度分布で熱処理を行うことができる。
[0012] 本発明は、前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光は、それぞれ、エキシマ レーザ、 CO レーザ、 YAGレーザ (基本波または高調波)、 YVOレーザ (基本波また
2 4 は高調波)、 YLFレーザ (基本波または高調波)、 YAIO レーザ (基本波または高調波
3
)、ガラスレーザ (基本波または高調波)、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ (基本 波または高調波)、 Ti:サファイアレーザ (基本波または高調波)、ヘリウムカドミウムレ 一ザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザおよび半導体レーザ力 選択されるレーザ光で あることを特徴とする半導体装置の製造方法とすることができる。
[0013] 本発明は、第 1のレーザ光を照射する第 1のレーザと、該第 1のレーザ光とは異なる 波長を有する第 2のレーザ光を照射する第 2のレーザと、を具備し、前記第 1のレー ザ光と前記第 2のレーザ光とを基板に照射し前記基板または前記基板上の膜を熱処 理する半導体装置の製造装置において、前記第 1のレーザと前記第 2のレーザとの それぞれの照射強度または照射時間の少なくとも一方を制御することにより、前記基 板または前記基板上の膜の深さ方向の温度分布を制御することを特徴とする半導体 装置の製造装置である。本発明によれば、基板または基板上の膜を所望の深さまで 所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造装置を提供することができる
[0014] 本発明は、前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光の少なくとも一方は連続 発振レーザ光であり、前記連続発振レーザ光の前記基板上の移動速度と移動方向 のビームスポットサイズとをそれぞれ調整することにより前記連続発振レーザ光の前 記照射時間を制御する構成とすることができる。本発明によれば、 2つのレーザ光の 照射時間を独立に幅広く選択することができる。よって、基板または基板上の膜の昇 温可能な深さおよび温度を幅広く選択することができる。
[0015] 本発明は、第 1のレーザ光を照射する第 1のレーザと、該第 1のレーザ光とは異なる 波長を有する第 2のレーザ光を照射する第 2のレーザと、を具備し、前記第 1のレー ザ光と前記第 2のレーザ光とを基板に照射し前記基板または前記基板上の膜を熱処 理する半導体装置の製造装置において、前記第 1のレーザ光の前記基板または前 記基板上の膜への侵入長は、前記基板または前記基板上の膜の熱処理をすべき深 さの 2倍以下であり、前記第 2のレーザ光の前記基板または前記基板上の膜への侵 入長は、前記基板または前記基板上の膜の前記熱処理をすべき深さの 2倍以上で あることを特徴とする半導体装置の製造装置である。本発明によれば、基板または基 板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造 装置を提供することができる。
[0016] 本発明は、前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光は一定時間のみ少なく とも前記基板の一部に照射されることを特徴とする半導体装置の製造装置とすること ができる。本発明によれば、熱平衡状態に達する前の温度分布で熱処理を行うこと ができる。
[0017] 本発明は、前記第 1のレーザはパルスレーザまたは連続発振レーザであり、前記第 2のレーザはパルスレーザまたは連続発振レーザであり、前記第 1のレーザまたは前 記第 2のレーザがパルスレーザの場合はそのパルス幅により前記第 1のレーザまたは 前記第 2のレーザの前記照射時間を制御し、前記第 1のレーザまたは前記第 2のレ 一ザが連続発振レーザの場合は、そのレーザ光の前記基板上の移動速度により前 記第 1のレーザ光または前記第 2のレーザ光とのそれぞれの前記照射時間を制御す ることを特徴とする半導体装置の製造装置とすることができる。本発明によれば、熱 平衡状態に達する前の温度分布で熱処理を行うことができる。
[0018] 本発明は、前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光は、それぞれ、エキシマ レーザ、 COレーザ、 YAGレーザ (基本波または高調波)、 YVOレーザ (基本波また
2 4 は高調波)、 YLFレーザ (基本波または高調波)、 YAIOレーザ (基本波または高調波
3
)、ガラスレーザ (基本波または高調波)、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ (基本 波または高調波)、 Ti:サファイアレーザ (基本波または高調波)、ヘリウムカドミウムレ 一ザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザおよび半導体レーザから選択されるレーザのレ 一ザ光あることを特徴とする半導体装置の製造装置とすることができる。
[0019] 本発明は、前記第 1のレーザおよび前記第 2のレーザの少なくとも一方は連続発振 レーザであり、前記連続発振レーザのレーザ光の前記基板上の移動速度と移動方 向のビームスポットサイズとをそれぞれ調整することにより前記連続発振レーザの前 記照射時間を制御する構成とすることができる。本発明によれば、 2つのレーザ光の 照射時間を独立に幅広く選択することができる。よって、基板または基板上の膜の昇 温可能な深さおよび温度を幅広く選択することができる。
発明の効果
[0020] 本発明によれば、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温する ことが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を提供すること ができる。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]図 1はシリコンに対する光の侵入長の波長依存性を示す図である。
[図 2]図 2はシリコンの熱伝導率の温度依存性を示す図である。
[図 3]図 3 (a)および図 3 (b)はシリコン基板に、異なる侵入長を有するレーザ光を照 射した場合の加熱範囲を示した図である。 [図 4]図 4は実施例 1に係るレーザァニール装置の構成を示す図である。
[図 5]図 5 (a)から図 5 (d)は実施例 2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図 (そ の 1)である。
[図 6]図 6 (a)から図 6 (d)は実施例 2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図 (そ の 2)である。
[図 7]図 7 (a)および図 7 (b)は実施例 2において、第 1のレーザ光とは第 2のレーザ光 を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その 1)である。
[図 8]図 8 (a)および図 8 (b)は実施例 2にお 、て、第 1のレーザ光とは第 2のレーザ光 を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その 2)である。
[図 9]図 9 (a)および図 9 (b)は実施例 2にお 、て、第 1のレーザ光とは第 2のレーザ光 を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その 3)である。
[図 10]図 10はシリコンの各電子濃度での波長に対する吸収係数を示した図であり、 S pitserら Phys. Rev. 108, p268 (1957)に記載の図である。
[図 11]図 11はシリコンの各ホール濃度での波長に対する吸収係数を示した図であり
、 Haraら J. Phys. Soc. Japan 21, pl222 (1966)に記載の図である。
[図 12]図 12 (a)から図 12 (c)は実施例 3において、第 1のレーザ光とは第 2のレーザ 光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図である。
[図 13]図 13 (a)および図 13 (b)は実施例 4において、第 1のレーザ光とは第 2のレー ザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その 1)である。
[図 14]図 14 (a)および図 14 (b)は実施例 4において、第 1のレーザ光とは第 2のレー ザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その 2)である。
[図 15]図 15 (a)および図 14 (b)は実施例 4において、第 1のレーザ光とは第 2のレー ザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その 3)である。
[図 16]図 16 (a)および図 16 (b)は実施例 4にお 、て、第 1のレーザ光とは第 2のレー ザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その 4)である。
[図 17]図 17は TiNに対する光の侵入長の波長依存性を示す図である。
[図 18]図 18は各レーザの波長と、波長に対するシリコンの侵入長を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 [0022] まず、本発明の原理を説明する。図 1はシリコンの光の波長に対する光の侵入長を 示した図である。侵入長とは光強度が lZeとなる距離である。図 1より、波長が ΙΟΟη m力 350nmでは、侵入長は lOnm以下である。波長が 370nmを越えると、侵入長 は波長に伴い単調に増加し、波長が 900nmで侵入長は約 100 /z mとなる。例えば、 248nmの波長を有する KrFエキシマレーザの光の侵入長は lOnm以下である。 53 2nmの波長を有する YAGレーザの 2次高調光の侵入長は約 2 μ mであり、 808nm の波長を有する半導体レーザの光の侵入長は約 20nmである。
[0023] 一方、図 2はシリコンの温度に対する熱伝導率を示した図である。温度が高くなると 熱伝導率は小さくなる。このことは、高温では熱が伝わり難いことを示している。
[0024] 図 3はシリコン基板 10にレーザ光を照射したときの模式図を示す。図 3 (a)、 (b)は、 それぞれ侵入長の長 、レーザ光 20a、短 、レーザ光 20bを照射したときを示して 、る 。図中、下がシリコン基板 10の基板表面であり、表面には電極 12、拡散領域 14等の 動作層 16が形成されて ヽる。図 3 (a)のように侵入長の長! ヽレーザ光 (例えば半導体 レーザ)を照射した場合、光は広範囲で吸収される。よって、シリコン基板 10の加熱 範囲 18aは大きくなる。一方、図 3 (b)のように侵入長の短いレーザ光 (例えば YAG レーザの 2次高調光)を照射した場合、光は表面 (シリコン基板の裏面)付近で吸収さ れ、加熱範囲 18bは小さくなる。
[0025] シリコン基板 10が加熱されると、図 2のように、熱伝導率が小さくなるため、光が吸 収された範囲付近を効率的に加熱することができる。
[0026] し力しながら、光の吸収は、表面付近で大きぐ基板の深さ方向に指数関数的に減 衰していく。基板の裏面から、 18aと 18bの間の深さまで加熱したい場合、レーザ光 2 Oaを用いると、 18aの深さの部分の温度を低温に保っためには、レーザの照射強度 を低くする、あるいは照射時間を短くすることが必要になる。しかし、そのような条件を 設定した場合には裏面部分を十分な温度に加熱することができなくなる。また、レー ザ光 20bを用いた場合には、 18bより深い部分を昇温するために、レーザ照射強度 を高くしたり、照射時間を長くする必要がある。この場合には裏面部分が必要以上に 昇温され、裏面部分に融解を生じ、その部分に荒れが残ると言う問題がある。このよう に、所望の深さを所望の温度に加熱することは難しい。 実施例 1
[0027] 実施例 1においては、第 1のレーザ光と、第 1のレーザ光とは異なる波長を有する第 2レーザ光とを基板に照射し、例えば半導体基板の熱処理を行う。
[0028] 図 4は 2つのレーザ光を基板に照射するためのレーザァニール装置の概念図であ る。第 1のレーザ光 50を照射する第 1のレーザ 30と、第 1のレーザ光 50とは異なる波 長を有する第 2のレーザ光 52を照射する第 2のレーザ 32とを具備し、第 1のレーザ光 50と第 2のレーザ光 52とを基板 46に照射し基板 46を熱処理するレーザァニール装 置である。
[0029] 第 1のレーザ 30から発射された第 1のレーザ光 50は整形光学系 1 (34)で整形され る。その後、第 1のレーザ光 50は、ダイクロイツクミラー 40で反射され、結像集光光学 系 42で集光され、ステージ 44上のァニール対象物である基板 46に照射される。一 方、第 2のレーザ 32から発射された第 2のレーザ光 52は整形光学系 2 (36)で整形さ れ、全反射ミラー 38で反射され、ダイクロイツクミラー 40を通過し、結像集光光学系 4 2で集光され、基板 46に照射される。
[0030] 整形光学系 34、 36はレーザ光のビーム径を拡げるあるいはビームの分布を改善し 光強度を均一化するための光学系である。ダイクロイツクミラー 40は第 1のレーザ光 5 0を反射し、第 2のレーザ光 52を通過させ、これらレーザ光 50、 52の光軸を合わせる 機能を有している。結像集光光学系 42はレンズであり、レーザ光 50、 52を基板 46の 所定の位置に照射する機能を有する。第 1のレーザ光 50と第 2のレーザ光 52は基板 46上で同一の位置に照射されるよう光軸が調整されている。
[0031] 第 1のレーザ 30は制御回路 1 (54)、第 2のレーザ 32は制御回路 2 (56)によりレー ザ光の照射タイミング、照射時間および照射強度が制御されている。ステージ 44は 駆動系 47により駆動され、駆動系制御回路 48は、駆動系 47を制御する。これにより 、第 1のレーザ光 50および第 2のレーザ光 52を基板上の任意の位置に照射すること ができる。また、基板 46を一定の移動速度で移動させることにより、第 1のレーザ光 5 0および第 2のレーザ光 52の基板上の照射位置を一定速度で移動させることができ る。駆動系 47は台 49上に配置されている。
[0032] このレーザァニール装置を用い、第 1のレーザ光 50と第 2のレーザ光 52が基板の 同一場所に同時に照射される。そして、基板 46への侵入長の異なる第 1のレーザ光 50の照射強度と第 2のレーザ光 52の照射強度を制御することができる。また、第 1の レーザ光 50の照射時間と第 2のレーザ光 52の照射時間を制御することができる。こ れにより、基板 46の深さ方向の吸収される光の量を制御することができる。これにより 、レーザ光が照射される基板 46の深さ方向の温度分布を制御することができる。よつ て、基板 46の所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能となる。これにより、 熱処理する深さ毎に対応する侵入長を有するレーザを設ける必要がなぐ同じレー ザァニール装置で様々の深さの熱処理に対応することが可能となる。 実施例 2
[0033] 実施例 2は、実施例 1に係るレーザァニール装置を用い、 IGBT等の半導体装置を 製造する方法の例である。図 5、図 6は実施例 1に係る IGBTの製造方法を示す断面 模式図である。図 5は基板表面を上に記載し、図 6は基板裏面を上に記載している。
[0034] 図 5 (a)を参照に、導電性シリコン基板 60上のゲート絶縁膜 62およびゲート電極 64 を通常の露光技術およびエッチングを用い形成する。図 5 (b)を参照に、ゲート電極 64をマスクに、ボロン（B)をイオン注入し、その後熱処理することにより、 P型のチヤネ ル拡散領域 66を形成する。図 5 (c)を参照し、フォトレジスト 68を形成し、砒素 (As) をイオン注入し、その後熱処理することにより、 n型のェミッタ拡散領域 70を形成する 。図 5 (d)を参照に、絶縁膜 72を通常の CVD法および露光技術により形成する。さら に、ェミッタ電極 74を形成する。以上で、シリコン基板 60の表面に動作層 82が形成 される。
[0035] 次いで、図 6 (a)を参照に、シリコン基板 60の裏面を研磨し、基板厚を 100 mとす る。基板の裏面よりフィールドストップ層 76となる深さに、燐 (P)をイオン注入する。図 6 (b)を参照に、コレクタ拡散領域 78となる深さに、ボロン (B)をイオン注入する。ィォ ン注入されたフィールドストップ層 76の深さは約 3 μ mである。イオン注入条件は、例 えば、フィールドストップ層 76の目標とする深さ力 イオン注入の平均投影飛程 Rpと 投影標準偏差 ARpの和程度になるように決められる。
[0036] 図 6 (c)を参照に、シリコン基板 60の裏面より、第 1のレーザ光 50および第 2のレー ザ光 52を同時に同一の領域に照射し熱処理を行うことによりコレクタ層等の拡散領 域を形成する。第 1のレーザ光 50としては、 YAGレーザの 2次高調光 (波長 532nm )、第 2のレーザ光 52は半導体レーザ (波長 808nm)を用いる。この場合、図 4の第 1 のレーザ 30には 2次高調光発生光学系が設けられる。熱処理は、フィールドストップ 層 76およびコレクタ拡散領域 78の不純物イオンを活性ィ匕させるため、少なくともフィ 一ルドストップ層 76の深さまで行うことが好ましい。図 6 (d)を参照に、基板 60の裏面 にコレクタ電極 80を形成し、 IGBTが完成する。
[0037] 図 6 (c)で説明した熱処理は、イオン注入した不純物を活性ィ匕させるためフィールド ストップ層 76およびコレクタ拡散領域 78の深さ方向全体に渡り 1000°C (1273K)以 上となることが求められる。また、シリコン基板 60の深さ方向全体に渡り、シリコンの融 点である 1420°C (1693K)以下であることが求められる。さらに、シリコン基板 60表 面は、表面に形成された動作層 82が例えば熱応力により劣化しないため 200°C (47 3K)以下であることが求められる。
[0038] そこで、この熱処理工程のシリコン基板 60内の温度分布を計算した。計算は、 1次 元あるいは 2次元熱伝導方程式の数値解を求めることにより行った。用いた熱伝導方 程式は以下の数 1である
[数 1] ' P - a -[ -Rl)lXx,(y). )+ , -R,)L(x,(y)X)
Figure imgf000012_0001
6 Τ
9 x _ . Τχ— L_T0,Tt— 0 TQ
[0039] ここで、 c :シリコンの比熱、 ρ：シリコンの密度、 T:温度、 κ :シリコンの熱伝導率、 a ：第 1のレーザ光の波長でのシリコンの吸収係数、 a ：第 2のレーザ光の波長での
1 2
シリコンの吸収係数、 λ ：第 1のレーザ光のシリコンに対する侵入長、 λ ：第 1のレー
1 2
ザ光のシリコンに対する侵入長、 R：第 1のレーザ光の波長でのシリコンの反射係数 、 R：第 2のレーザ光の波長でのシリコンの反射係数、 I、第 1のレーザ光のレーザパ
2 1
ヮー密度、 I：第 2のレーザ光のレーザパワー密度である。各数値は表 1の数値を用
2 [表 1]
Figure imgf000013_0001
[0040] 図 7、図 8および図 9は、第 1のレーザ光 50、第 2のレーザ光 52をそれぞれ波長 53 2nm、パルス幅 240ns、立ち上がり時間 48nsの三角波、および波長 808nm、パル ス幅 240ns、立ち上がり時間 48nsの三角波とした場合の計算結果を示す図であり、 レーザを照射した時点からの時間に対する温度を、シリコン基板 60裏面力もの深さ、 表面（シリコン基板 60の裏面）、 1 m、 3 m、 10 mおよび 100 μ mにつ!/、て示し ている。
[0041] 図 7 (a)は第 1のレーザ光 50の照射強度 (エネルギ密度）および第 2のレーザ光 52 の照射強度（エネルギ密度）がそれぞれ 1100mjZcm2、 OrujZcm2であり、図 7 (b) はそれぞれ 800nijZcm2、 1400mjZcm2である。同様に図 8 (a)はそれぞれ 600m j/cm2、 2800mjZcm2であり、図 8 (b)はそれぞれ 400niJ/cm2、 3800mj/cm2 であり、図 9 (a)はそれぞれ 200nijZcm2、 4800mjZcm2であり、図 9 (b)はそれぞ れ 0miZcm2、 6800mjZcm2である。各レーザの照射強度はシリコン基板 60の裏 面力 シリコンの融点 1693Kを越えないよう 1600K程度になるようにした。
[0042] 第 1のレーザ光 50の基板 60に対する侵入長を侵入長 1、第 2のレーザ光 52の基板 6 0に対する侵入長を侵入長 2とする。
[0043] 各図とも、深さ 10 μまでの温度は 100η秒から 10 μ秒でピークに達し、その後、熱 拡散し温度が下がる。一方、深さ 100 /z mでは、レーザ光の照射直後は、温度は上 昇しないが、 10 秒から 100 秒で熱拡散により上昇し、 lm秒でほぼ平衡状態とな る。
[0044] 第 1のレーザ光 50のみを照射した図 7 (a)において、深さ 1 mの領域の最高温度 は 1300K以上に達しているのに対し、深さ 3 μ mの領域の最高温度は 760Κである 。深さ l /z mの領域では、その最高温度は不純物の活性ィ匕に必要である 1273K (10 00°C)まで到達していない。これは、第 1のレーザ光 50のシリコンに対する侵入長が 約 1 μ mと短ぐ効率的に加熱しやすい領域は侵入長の 2倍の深さ以下、より効率的 に加熱しやすい領域は侵入長の深さ以下のためである。したがって、第 1のレーザ光 50のみの照射では、 3 μ mのフィールトストップ層 76に注入された不純物を深さ方向 全体にわたって活性ィ匕することは難 、。
[0045] 一方、第 2のレーザ光 52のみを照射した図 9 (b)では、深さ 3 μ mの領域の最高温 度が 1500K以上に達しているため、 3 μ mのフィールドストップ層 76に注入された不 純物を深さ方向全体にわたって活性ィ匕することができる。し力しながら、深さ 100 /z m の部分すなわちシリコン基板表面の最高温度が 520Kとなり、シリコン基板 60表面の 動作層 82が劣化する温度である 473K(200°C)を超えてしまう。したがって、この場 合もシリコン基板 60表面の動作層 82を劣化させることなぐフィールドストップ層 76に 注入された不純物を深さ方向全体にわたって活性ィ匕することは難しい。
[0046] このように、第 1のレーザ光あるいは第 2のレーザ光のみの照射では、前述の実施 例 1に係る IGBTの製造方法に求められる熱処理の条件を満足することができな 、。
[0047] 図 7 (a)、図 7 (b)、図 8 (a)、図 8 (b)、図 9 (a)および図 9 (b)の順に、第 2のレーザ 光 52の照射強度を大きくするに従い、各深さの温度は以下のように変化する。深さ 1 /z mの温度は、それぞれ 1350K、 1380K、 1490K, 1500K、 1530Kおよび 1580 Kとほとんど変わらない。深さ 3 mの温度は、それぞれ 760K：、 930K：、 1120K：、 12 10K：、 1320Kおよび 1490Kと高くなる。深さ 10 mの温度は、それぞれ 450K：、 56 OK、 690Κ、 800Κ、 900Κおよび 1060Kと高くなる。また、深さ 100 /z mの温度は、 それぞれ 340K：、 370K：、 430K：、 440K：、 470Kおよび 520Kと緩や力に上昇する。
[0048] 実施例 2においては、図 9 (&)の条件（第1のレーザ光50の照射強度が2001^7。
m2、第 2のレーザ光 52の照射強度が 3800mj/cm2)とすることにより、 3 mの深さ を有するフィールドストップ層 76の深さ方向全体に渡り 1273K以上とし、深さ 100 mの温度を 473K以下とすることができる。よって、基板表面に形成された動作層を 劣化させることなぐ基板の背面にイオン注入された不純物を活性ィ匕できる温度以上 で熱処理することができる。
[0049] このように、図 4に記載したレーザァニール装置を用い熱処理を行う際、第 1のレー ザ光 50の照射強度と第 2のレーザ光 52の照射強度を制御することにより、基板 60の 深さ方向の温度分布を制御する。これにより、基板または基板上の膜を所望の深さま で所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができ る。また、第 1のレーザ光 50の照射強度と第 2のレーザ光 52の照射強度を制御する ことにより基板 60の深さ方向の温度分布を制御するレーザァニール装置を用いるこ とにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能 な半導体装置の製造装置を提供することができる。
[0050] 図 7 (a)より、前述のように効率的に加熱しやすい領域は侵入長の 2倍の深さである 以下、より効率的には侵入長の深さ以下である。よって、第 1のレーザ光 50の 侵入長 1の 2倍である 2 /z mまでの深さの領域（より好ましくは侵入長 1である 1 mま での深さ）は、第 1のレーザ光 50のみの照射で十分な昇温が可能である。しかし、 2 mを超えた深さの領域は第 1のレーザ光 50のみの照射では十分な昇温が難しい。 図 7 (b)ないし図 9 (a)より、 2 mを超えた深さの領域の十分な昇温のためには、より 侵入長の長い第 2のレーザ光 52が必要となる。言い換えれば、 2 mを超えた深さの 領域は第 1のレーザ光および第 2のレーザ光 52の照射により温度分布が制御できる 領域となる。よって、熱処理すべき深さは侵入長 1の 1Z2以上であることが好ましい。 つまり、侵入長 1は熱処理すべき深さの 2倍以下であることが好ましい。また、より効率 的に加熱しやすい領域は侵入長の深さ以下であることから、侵入長 1は熱処理すベ き深さの以下であることが一層好ま U、。
[0051] さらに、図 7 (a)によれば、第 1のレーザ光 50のみの照射した際、深さが第 1のレー ザ光 50の侵入長 1の 3倍である 3 μ mを超える領域での最高温度は、第 1のレーザ光 50のみ照射した場合の 1 m程度までの深さの最高温度と比較してより低くなる。こ れは、 3 mを超える領域を第 1のレーザ光 50のみの照射により熱処理することは好 ましくないことを示している。これに対し、第 1のレーザ光 50に加え第 2のレーザ光 52 を同時に照射した場合は、図 7 (b)ないし図 9 (a)のように、第 2のレーザ光 52を照射 することによる温度上昇は、 1 μ m程度までの深さの領域より 3 mを超える深さの領 域で大きくなつていることがわかる。言い換えれば、 3 /z mを超える深さの領域は、 1 μ m程度までの深さの領域と比べ、第 2のレーザ光 52を照射することにより温度分布 の制御を容易に行える領域である。よって、熱処理すべき深さは侵入長 1の 3倍以上 であることがより一層好ましい。つまり、侵入長 1は熱処理すべき深さの 1Z3倍以下 であることがより一層好ましい。
[0052] 図 9 (b)より、第 2のレーザ光 52のみの照射では、侵入長 2の 1Z2である深さ 10 mの最高温度は 1000K程度である。これは、不純物の活性化に必要な十分な温度（ 1273K)に達していない。さらに、図 7 (b)ないし図 9 (a)のように、第 1のレーザ光 50 のエネルギ密度を高くするにしたがい、 10 mを超える深さの領域の最高温度は低 くなる。このように、熱処理すべき深さは侵入長 2の 1Z2以下であることが好ましい。 つまり、侵入長 2は熱処理すべき深さの 2倍以上であることが好ましい。
[0053] さらに、図 9 (b)より、侵入長 2の 1Z6である 3 mの深さでは、第 2のレーザ光 52の みを照射した場合にも、効果的に昇温することができる。よって、熱処理すべき深さ は侵入長 2の 1Z6以下であることが一層好ましい。つまり、侵入長 2は、熱処理をす べき深さの 6倍以上であることが一層好まし 、。
[0054] 一方、第 2のレーザ光 52の浸入長 2がシリコン基板の厚さを超えると、第 2のレーザ 光 52を照射した際にシリコン基板 60の表面まで加熱されることになり、シリコン基板 6 0表面の動作層 82が劣化する。したがって、第 2のレーザ光 52の浸入長 2はシリコン 基板 60の厚さ以下であることが一層好ま 、。 [0055] 以上のように、図 4に記載したレーザァニール装置を用い熱処理を行う際、第 1のレ 一ザ光 50の基板 60への侵入長 1は、基板 60の熱処理をすべき深さの 2倍以下であ り、第 2のレーザ光 52の基板 60への侵入長 2は、基板 60の熱処理をすべき深さの 2 倍以上とすることが好ましい。これにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所 望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。さ らに、第 1のレーザ光 50の基板 60への侵入長 1は、基板 60の熱処理をすべき深さ 以下であり、第 2のレーザ光 52の基板 60への侵入長 2は、基板 60の熱処理をすベ き深さの 6倍以上、基板の厚さ以下とすることが一層好ま 、。
[0056] なお、基板の熱処理すべき深さは、例えばフィールドストップ層 76およびコレクタ拡 散領域 78を全体に渡り活性ィ匕させるため、フィールドストップ層 76の深さ (イオン注 入の深さ）とすることが好ましい。さらには、フィールドストップ層 76のイオン注入の平 均投影飛程 Rpと投影標準偏差 Δ Rpの和であるとすることが好ま 、。イオン注入の 平均投影飛程 Rpと投影標準偏差 ARpの和の深さの領域には、イオン注入した不純 物がほとんど分布している。そこで、この領域を熱処理することにより、フィールドストツ プ層 76およびコレクタ拡散領域 78の全体に渡りイオン注入した不純物を活性ィ匕させ ることがでさる。
[0057] また、第 1のレーザ光 50の基板 60への侵入長 1は、基板 60の熱処理をすべき深さ の 2倍以下であり、第 2のレーザ光 52の基板 60への侵入長 2は、基板 60の熱処理を すべき深さの 2倍以上のレーザァニール装置とすることにより、基板または基板上の 膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造装置を 提供することができる。
[0058] 次に、シリコン基板の表面から 3 μ m程度の領域を加熱するために、第 1のレーザ 光 50および第 2のレーザ光 52を照射する場合を検討する。
[0059] 図 1を参照し、この波長領域では、第 1のレーザ光 50の波長が 370nm以下ではシ リコンに対する浸入長が急激に小さくなり、 1 μ m程度以上の深さをァニールするに は、実用的ではない。よって、第 1のレーザ光 50の波長は 370nm以上であることが 好ましい。さらに、浸入長が 1 m以上となる 450nm以上がより好ましい。
[0060] また、シリコン基板は通常 100 m力も数 100 mの膜厚で使用する。このため、侵 入長 2が 100 /z m以上となると、基板に吸収される光が少なくなり、効率的に加熱す ることが出来なくなる。これを避けるために、浸入長 2を 100 m以下とすることが好ま しい。そのため、第 2のレーザ光 52の波長は 900nm以下が好ましい。さらに、侵入長 2が 50 m以下となる 850nm以下がより好ましい。また、図 10、図 11を参照に、シリ コンは、波長 10 m程度の赤外線に対しても吸収を示し、ここに示された吸収係数（ ひ）の逆数を取ることにより得られる侵入長は、キャリア濃度が 1019cm_3程度のとき 1 0 μ m程度、キャリア濃度が 1018cm_3のとき 50 μ m程度となる。したがって、この領 域に発振波長を有するレーザを第 2のレーザとして使用することも可能である。このよ うに、第 1のレーザおよび第 2のレーザはその発振波長力 でなぐそれぞれの発振 波長の光のシリコンに対する侵入長力も選択することが好ましい。
[0061] 侵入長の短いレーザ光を第 1のレーザ光、侵入長の長い光を第 2のレーザ光と定 義している力 それぞれのレーザ光の侵入長が同程度であれば、実質的に 1つのレ 一ザ光を用いて熱処理することと差がなくなってしまう。そこで、侵入長 2は侵入長 1 の 2倍以上であることが好ましぐ 5倍以上であることが一層好ましい。
[0062] 実施例 2においては、第 1のレーザ光および第 2のレーザ光としてパノレス光を用い た。これは、熱平衡状態に達する前の温度分布で熱処理を行うことができるためであ る。このように、第 1のレーザ光および第 2のレーザ光は、一定時間のみ少なくとも基 板の一部に照射されることが好ましい。
実施例 3
[0063] 実施例 3は、連続発振レーザ光を基板上を移動させることにより、パルス光と同様の 熱処理を行う例である。図 10は、実施例 2で用いた計算方法を用い、シリコン基板上 の照射位置を移動させた場合のシリコン基板中の温度分布である。
[0064] 図 12 (a)、図 12 (b)および図 12 (c)は、第 1のレーザ光と第 2のレーザ光の照射位 置を 1500mmZ秒で移動させたときのシリコン基板 60内の温度分布を示している。 図上部のビーム移動の矢印に従い、レーザ光を移動させている。第 1のレーザ光 50 および第 2のレーザ光 52のパワー密度は図 12 (a)、図 12 (b)、図 12 (c)に従い、第 2のレーザ光 52のパワー密度を大きくし、基板の最高温度が 1600°C程度となるよう にパワー密度を決めている。 [0065] レーザ光が照射された位置では基板の温度が上昇し、照射後は急激に温度が下 力 ていることがわかる。また、第 2のレーザ光のパワー密度を大きくすると。温度が 1 280K (約 1000°C)を越える深さが深くなつている。このように、第 1のレーザ光およ び第 2のレーザ光の基板上の照射位置を移動させることで、パルス幅の短!、パルス レーザ光を用いたのと同様に、第 1のレーザ光および第 2のレーザ光とのそれぞれの 照射時間を制御することができる。これにより、ノ ルス幅の短いパルスレーザを用い ず、ノ ルス光と同等の熱処理を行うことができる。
[0066] 以上より、第 1のレーザ光または第 2レーザ光をパルスレーザ光または連続発振レ 一ザ光とし、第 1のレーザ光または第 2のレーザ光がパルスレーザ光の場合はそのパ ルス幅により第 1のレーザ光または第 2のレーザ光の前記照射時間を制御し、第 1の レーザ光または第 2のレーザ光が連続発振レーザ光の場合は、そのレーザ光の基板 上の移動速度により第 1のレーザ光または第 2のレーザ光の前記照射時間を制御す ることができる。さらに、連続発振レーザ光は移動方向のビームスポットサイズ (基板 表面のレーザ光のサイズ)を調整することによつても照射時間を制御することができる 。例えば、移動方向のビームスポットサイズが大きい場合、移動速度が同一であって も照射時間が長くなる。
[0067] 実施例 3のように連続発振レーザ光の基板上の移動速度により連続発振レーザ光 の照射時間を制御することにより、以下のような効果を奏することができる。第 1に、レ 一ザをパルス発振させる場合は、レーザ固有のパルス幅に制限される。例えば、 YA Gレーザの場合、 Nd: YAGのレーザ発振準位での緩和時間が数十 nsと短 、ため長 いパルス幅を作り出すことは困難である。また、例えば、半導体レーザは電流駆動に より発振を行う。このため、大電流の短パルスを作り出すことは電源的に限界があり、 大出力の短いパルス幅のレーザ発振は困難である。 2つのレーザ光を用い、それぞ れの照射時間を制御する場合、パルス光を用いると、上記のようなレーザ固有の制 限により照射時間の選択の幅が制限されてしまう。例えば、 YAGレーザと半導体レ 一ザとのそれぞれの照射時間をパルス幅で制御する場合、 YAGレーザのパルス幅 を長ぐ半導体レーザのパルス幅を短くすることは困難である。そこで、連続発振レー ザ光の基板上の移動速度と移動方向のビームスポットサイズとをそれぞれ調整し、照 射時間を個別に制御することにより、 2つのレーザ光の照射時間を独立に幅広く選択 することができる。よって、基板または基板上の膜の昇温可能な深さおよび温度を幅 広く選択することができる。
[0068] 第 2に、 2つのレーザのパルス発振を正確に同期させ発振させるには高度な技術を 要し、装置が複雑となる。連続発振レーザを用いる場合はこのような複雑な装置は不 要となる。
[0069] 第 3に、パルス光で基板全面を熱処理する場合、基板内のパルス光のビームスポッ トと次のノ ルス光の間隔が広すぎるとビームスポット間で温度が低くなる領域が生じる 。均一な温度で熱処理するためには、パルス発振の間隔、ビームスポットの重ね率を 考慮する必要がある。このため、スループットが低下してしまう。また、間隔、ビームス ポットを考慮したとしてもビームスポットの境界を完全になくすことは難しぐ温度の不 均一が生じてしまう。連続発振レーザを用いる場合、レーザの移動方向に均一にレ 一ザ光が照射されるため、上記制約はなぐ高いスループットが可能となる。さらに、 温度の均一性を高めることができる。
[0070] 連続発振レーザは第 1レーザおよび第 2レーザの少なくとも一方に用いれば上記効 果を奏する。温度の均一性の観点からは、連続発振レーザを両方に用いることが好 ましい。両方を連続発振レーザとする場合は、 2つのレーザ光の移動速度は同一とし 、それぞれのレーザ光のビームスポットサイズをそれぞれ調整することにより、それぞ れのレーザ光の照射時間を個別に制御することができる。また、レーザ光の基板に対 する走査は、基板を固定しレーザ光を走査してもよいし、レーザ光を固定しレーザ光 を走査してもよい。レーザ光の基板上の走査は、基板上を往復させながら往復方向と 垂直な方向に移動させることにより基板全面にレーザ光を照射することができる。さら に、基板の中心または周囲かららせん状にレーザ光を照射することにより、基板全面 を熱処理することもできる。スループットの観点からは、加減速の少ないらせん状に照 射する方法が好ましい。
実施例 4
[0071] 実施例 4は、第 1のレーザ光および第 2のレーザ光としてパノレス光を用い、第 1のレ 一ザ光および第 2のレーザ光の照射時間を変えた例である。図 11ないし 14は、実施 例 2と同様の方法で、基板内の温度を計算した結果を示す図である。第 1のレーザ光 50の照射時間およびエネルギ密度は一定にし、第 2のレーザ光 52の照射時間を変 化させている。第 2のレーザ光 52の照射強度は、シリコン基板内の最高温度が 1600 K程度となるように決めた。レーザを照射した時点からの時間に対する温度を、シリコ ン基板 60裏面からの深さ、表面（シリコン基板 60の裏面）、 3 m、 10 mおよび 10 0 μ mにつ!/、て示して!/ヽる。
[0072] 第 1のレーザ光 50の照射時間およびエネルギ密度はそれぞれ 120ns、 800nj/c m2である。図 13 (a)の第 2のレーザ光 52の照射時間およびエネルギ密度はそれぞ れ 60nsZ500mjZcm2であり、図 13 (b)はそれぞれ 120ns、 600mjZcm2である。 同様に図 14 (a)はそれぞれ 180ns、 800mjZcm2であり、図 14 (b)はそれぞれ 240 ns、 1000mj/cm2である。図 15 (a)はそれぞれ 300ns、 1450mjZcm2であり、図 1 5 (b)はそれぞれ 400ns、 2300mjZcm2である。図 16 (a)はそれぞれ 500ns、 320 OmjZcm2であり、図 16 (b)はそれぞれ 600ns、 4000nijZcm2である。
[0073] 第 2のレーザ光 52の照射時間を長くすることにより、深さ 3 mおよび深さ 10 mの 温度を高くすることができる。図 13 (a)、図 13 (b)図 14 (a)、図 14 (b)、図 15 (a)、図 15 (b) ,図 16 (a)および図 16 (b)の順に、第 2のレーザ光 52の照射時間を大きくす る【こ従 、、深さ 3 mの最高温度 ίま、それぞれ 740Κ：、 750Κ, 820Κ, 860Κ：、 930 Κ：、 1100K：、 1280Kおよび 1400Kと変ィ匕する。図 13 (b)のように、第 1のレーザ光 5 0と第 2のレーザ光 52の照射時間がほぼ同じ場合、深さ 3 mの最高温度は 750Κ であり目標の 1273Kには達していない。図 16 (a)のように、第 2のレーザ光の照射時 間を 500nmと、第 1のレーザ光の照射時間の約 4倍にすると、深さ 3 μ mの最高温度 は 1280Kとなり、目標の 1273K以上となる。
[0074] このように、第 1のレーザ光の照射時間と第 2のレーザ光の照射時間を制御すること により、実施例 2と同様に、基板 60の深さ方向の温度分布を制御することができる。
[0075] このように、図 4に記載したレーザァニール装置を用い熱処理を行う工程は、第 1の レーザ光 50と第 2のレーザ光 52とのそれぞれの照射強度または照射時間の少なくと も一方を制御することにより、基板の膜の深さ方向の温度分布を制御する。これにより 、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導 体装置の製造方法を提供することができる。また、第 1のレーザ光 50の照射強度と第 2のレーザ光 52とのそれぞれの照射強度または照射時間の少なくとも一方を制御す ることにより基板 60の深さ方向の温度分布を制御する制御部 (制御回路 1 (54)、制 御回路 2 (56)および駆動系制御回路 48)を有するレーザァニール装置を用いること により、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能 な半導体装置の製造装置を提供することができる。
[0076] 実施例 2な 、し実施例 4のように、シリコン基板の数 μ mから数十 μ mの深さを熱処 理するためには、第 1のレーザ光は、侵入長 1が 1 μ m程度であることが好ましい。よ つて、波長が 500nm程度のレーザ光を用いることが好ましぐ YAGレーザ以外にも、 YLFレーザまたは YVO レーザの 2次高調光を用いることができる。第 2のレーザ光 5
4
2は、侵入長が 20 μ m程度であることが好ましぐ波長が 800nm程度の半導体レー ザや C02レーザなどを用いることができる。
[0077] 本発明は、シリコン基板以外にも、シリコン膜の熱処理にも適用することができる。ま た、以下に示すように、シリコン以外の材料の熱処理にも適用することができる。図 17 は TiNの光の波長に対する光の侵入長を示す。波長により侵入長が変化している。 波長が 400nmでは侵入長は約 7 μ mであり、波長が 800nmでは侵入長は約 3 μ m である。よって、波長が 400 μ mと 800 μ mのレーザを用いれば、例えば、基板上に 形成した TiW膜の熱処理にっ ヽても本発明を適用し、その効果を得ることができる。 このように、本発明は、基板上の膜の熱処理にも適用することができ、シリコン基板以 外の基板および基板上の膜についても適用することができる。
[0078] さらに、第 1のレーザ光 50および第 2のレーザ光 52としては、その他のレーザを用 いることができる。例えば、図 18は各レーザの波長、シリコンの波長に対する侵入長 を示す図である。第 1のレーザ光 50および第 2のレーザ光 52は、エキシマレーザ (X eCl Excimerゝ KrF Excimerおよび ArF Excimer)、 YAGレーザの基本波（不 図示）、 2次高調波^(1:¥八0 (20) ) )、 3次高調波^(1:¥八0 (30) ) )、 4次高調波（ Nd: YAG (4 ω ) )および 5次高調波（Nd: YAG (5 ω ) )、 YVOレーザ基本波（不図
4
示）、 2次高調波 (Nd:YVO (2 ω ))、 3次高調波（Nd:YVO (3 ω )、 4次高調波（Nd
4 4
： YVO (4 ω ) )および 5次高調波（Nd: YVO (5 ω ) )、 YLFレーザの基本波（不図 示）、 2次高調波^(1:¥1^ (2 0) ))、 3次高調波Nd :YLF (3 ω )、4次高調波（Nd:Y LF (4 ω ) )および 5次高調波（Nd: YLF (5 ω ) )、ガラスレーザの基本波（不図示）、 2 次高調波 (Nd： Glass (2 ω ) )、 3次高調波（Nd： Glass (3 ω ) )、ルビーレーザ (Ruby) 、アレキサンドライトレーザ（alexandrite)、サファイアレーザの基本波（Ti : Sapphire )、 2次高調波（Ti: Sapphire (2 ω ) )および 3次高調波（Ti : Sapphire (3 ω ) )、ヘリ ゥムカドミウムレーザ (He— Cd)、銅蒸気レーザ（Cu vaper)、金蒸気レーザ (Au V apor)より選択されるレーザのレーザ光とすることができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定さ れるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内にお 、て、 種々の変形 ·変更が可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1のレーザ光と、該第 1のレーザ光とは異なる波長を有する第 2のレーザ光とを基 板に照射し、前記基板または前記基板上の膜の熱処理を行う工程を具備する半導 体装置の製造方法にお!、て、
前記熱処理を行う工程は、前記第 1のレーザと前記第 2のレーザとのそれぞれの照 射強度または照射時間の少なくとも一方を制御することにより、前記基板または前記 基板上の膜の深さ方向の温度分布を制御することを特徴とする半導体装置の製造 方法。
[2] 第 1のレーザ光と、該第 1のレーザ光とは異なる波長を有する第 2のレーザ光とを基 板に照射し、前記基板または前記基板上の膜の熱処理を行う工程を具備する半導 体装置の製造方法にお!、て、
前記第 1のレーザ光の前記基板または前記基板上の膜への侵入長は、前記基板 または前記基板上の膜の熱処理をすべき深さの 2倍以下であり、
前記第 2のレーザ光の前記基板または前記基板上の膜への侵入長は、前記基板 または前記基板上の膜の前記熱処理をすべき深さの 2倍以上とすることを特徴とする 半導体装置の製造方法。
[3] 前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光が一定時間のみ少なくとも前記基板 の一部に照射されることを特徴とする請求項 1または 2記載の半導体装置の製造方 法。
[4] 前記第 1のレーザ光はパルスレーザ光または連続発振レーザ光であり、
前記第 2のレーザ光はパルスレーザ光または連続発振レーザ光であり、 前記第 1のレーザ光または前記第 2のレーザ光がパノレスレーザ光の場合はそのパ ルス幅により前記第 1のレーザ光または前記第 2のレーザ光とのそれぞれの前記照 射時間を制御し、
前記第 1のレーザ光または前記第 2のレーザ光が連続発振レーザ光の場合は、そ のレーザ光の前記基板上の移動速度により前記第 1のレーザ光または前記第 2のレ 一ザ光とのそれぞれの前記照射時間を制御することを特徴とする請求項 1記載の半 導体装置の製造方法。
[5] 前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光は、それぞれ、エキシマレーザ、 CO
2 レーザ、 YAGレーザ (基本波または高調波)、 YVOレーザ (基本波または高調波)、 Y
4
LFレーザ (基本波または高調波)、 YAIOレーザ (基本波または高調波)、ガラスレー
3
ザ (基本波または高調波)、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ (基本波または高 調波)、 Ti:サファイアレーザ (基本波または高調波)、ヘリウムカドミウムレーザ、銅蒸 気レーザ、金蒸気レーザおよび半導体レーザから選択されるレーザのレーザ光であ ることを特徴とする請求項 1から 4のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
[6] 前記基板の表面に動作層を形成する工程を具備し、
前記熱処理を行う工程は、前記基板の裏面より前記第 1のレーザ光および前記第 2 のレーザ光を照射することを特徴とする請求項 1から 5いずれか一項記載の半導体 装置の製造方法。
[7] 前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光の少なくとも一方は連続発振レーザ 光であり、前記連続発振レーザ光の前記基板上の移動速度と移動方向のビームスポ ットサイズとをそれぞれ調整することにより前記連続発振レーザ光の前記照射時間を 制御することを特徴とする請求項 1記載の半導体装置の製造方法。
[8] 第 1のレーザ光を照射する第 1のレーザと、該第 1のレーザ光とは異なる波長を有す る第 2のレーザ光を照射する第 2のレーザと、を具備し、前記第 1のレーザ光と前記第 2のレーザ光とを基板に照射し前記基板または前記基板上の膜を熱処理する半導体 装置の製造装置において、
前記第 1のレーザと前記第 2のレーザとのそれぞれの照射強度または照射時間の 少なくとも一方を制御することにより、前記基板または前記基板上の膜の深さ方向の 温度分布を制御することを特徴とする半導体装置の製造装置。
[9] 第 1のレーザ光を照射する第 1のレーザと、該第 1のレーザ光とは異なる波長を有す る第 2のレーザ光を照射する第 2のレーザと、を具備し、前記第 1のレーザ光と前記第 2のレーザ光とを基板に照射し前記基板または前記基板上の膜を熱処理する半導体 装置の製造装置において、
前記第 1のレーザ光の前記基板または前記基板上の膜への侵入長は、前記基板 または前記基板上の膜の熱処理をすべき深さの 2倍以下であり、 前記第 2のレーザ光の前記基板または前記基板上の膜への侵入長は、前記基板 または前記基板上の膜の前記熱処理をすべき深さの 2倍以上であることを特徴とす る半導体装置の製造装置。
[10] 前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光は一定時間のみ少なくとも前記基板 の一部に照射されることを特徴とする請求項 8または 9記載の半導体装置の製造装 置。
[11] 前記第 1のレーザはパルスレーザまたは連続発振レーザであり、
前記第 2のレーザはパルスレーザまたは連続発振レーザであり、
前記第 1のレーザまたは前記第 2のレーザがパノレスレーザの場合はそのパノレス幅 により前記第 1のレーザまたは前記第 2のレーザとのそれぞれの前記照射時間を制 御し、
前記第 1のレーザまたは前記第 2のレーザが連続発振レーザの場合は、そのレー ザ光の前記基板上の移動速度により前記第 1のレーザ光または前記第 2のレーザ光 とのそれぞれの前記照射時間を制御することを特徴とする請求項 8記載の半導体装 置の製造装置。
[12] 前記第 1のレーザ光および前記第 2のレーザ光は、それぞれ、エキシマレーザ、 CO
2 レーザ、 YAGレーザ (基本波または高調波)、 YVOレーザ (基本波または高調波)、 Y
4
LFレーザ (基本波または高調波)、 YAIOレーザ (基本波または高調波)、ガラスレー
3
ザ (基本波または高調波)、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ (基本波または高 調波)、 Ti:サファイアレーザ (基本波または高調波)、ヘリウムカドミウムレーザ、銅蒸 気レーザ、金蒸気レーザおよび半導体レーザから選択されるレーザのレーザ光であ ることを特徴とする請求項 8から 11のいずれか一項記載の半導体装置の製造装置。
[13] 前記第 1のレーザおよび前記第 2のレーザの少なくとも一方は連続発振レーザであり 、前記連続発振レーザのレーザ光の前記基板上の移動速度と移動方向のビームス ポットサイズとをそれぞれ調整することにより前記連続発振レーザの前記照射時間を 制御することを特徴とする請求項 8記載の半導体装置の製造方法。
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