2015-164194 滞留時間が非常に短いレーザアニールシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-164194(P2015-164194A)

(43)【公開日】2015年9月10日

(54)【発明の名称】滞留時間が非常に短いレーザアニールシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/268 20060101AFI20150814BHJP

   H01L 21/027 20060101ALI20150814BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20150814BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/268 T

   H01L21/268 G

   H01L21/30 568

   H01L21/265 602C

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2015-68412(P2015-68412)

(22)【出願日】2015年3月30日

(62)【分割の表示】特願2013-118693(P2013-118693)の分割

【原出願日】2013年6月5日

(31)【優先権主張番号】61/658,086

(32)【優先日】2012年6月11日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】502400304

【氏名又は名称】ウルトラテック インク

(74)【代理人】

【識別番号】100136319

【弁理士】

【氏名又は名称】北原 宏修

(74)【代理人】

【識別番号】100147706

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 裕司

(74)【代理人】

【識別番号】100148275

【弁理士】

【氏名又は名称】山内 聡

(72)【発明者】

【氏名】アニキチェフ、セルゲイ

(72)【発明者】

【氏名】ハウリーラック、エム、アンドリュー

【テーマコード（参考）】

5F146

【Ｆターム（参考）】

5F146KA10

5F146LA18

(57)【要約】      （修正有）

【課題】非常に短い滞留時間で半導体ウエハをアニールするためのレーザアニールシステムと方法を提供する。
【解決手段】アニールレーザビームは、滞留時間を約１μｓから約１００μｓまでの範囲に収められる速度で走査する。これらの非常に短い滞留時間は、薄いデバイスウエハから形成されるプロダクトウエハのアニールに際して、デバイスウエハのデバイス側がアニール処理中に熱せられることによる傷を付き難くする。
【選択図】図１０Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アニール表面を有する半導体ウエハをアニールするための、高速レーザアニールシステムであって、
約３００ｎｍから約６５０ｎｍの範囲内のアニール波長を有するレーザビームを発生させるレーザと、
前記レーザビームを受けて、１μｓと１００μＳの間の滞留時間を有する、走査された画像として、アニール表面を前記レーザビームで走査し、それによって前記アニール表面を３５０℃から１２５０℃のピークアニール温度Ｔ_ＡＰに到達させる走査光学システムとを備える、高速レーザアニールシステム。

【請求項2】

半導体ウエハは、デバイスウエハとキャリアウエハから形成される製品ウエハであって、当該デバイスウエハは、前記アニール表面を定義し、約１０μｍから約１００μｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の高速レーザアニールシステム。

【請求項3】

走査光学システムは、Ｆ−θ走査システムとして構成されている、請求項１または２に記載の高速レーザアニールシステム。

【請求項4】

アニール表面を有する半導体ウエハをアニールする方法であって、
約３００μｍから約６５０μｍの範囲の波長を有するレーザビームを利用することによってアニール表面に画像を形成することと、
１μｓと１００μｓの間の滞留時間を有する前記アニール表面の画像を走査し、前記アニール表面を３５０℃と１２５０℃の間のピークアニール温度Ｔ_ＡＰに到達させることとを備える、アニールする方法。

【請求項5】

前記半導体ウエハは、デバイスウエハとキャリアウエハから形成される製品ウエハであって、当該デバイスウエハは、前記アニール表面を定義し、約１０μｍから約１００μｍの範囲の厚さを有する、請求項４に記載のアニールする方法。

【請求項6】

画像を走査することは、Ｆ−θ走査光学システムを利用することによって実行される、請求項４または５に記載のアニールする方法。

【請求項7】

半導体ウエハの表面によってサポートされるフォトレジスト層をアニールする方法であって、
約３００ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームを利用することによって半導体ウエハの表面に画像を形成することと、
１００μｓと１ｍｓの間の滞留時間で半導体ウエハの表面の画像を走査し、フォトレジスト層を約３００℃と約４００℃の間のピークアニール温度Ｔ_ＡＰに到達させることとを備える、アニール方法。

【請求項8】

レーザビームと半導体ウエハとは、半導体ウエハの熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦと対応する光学吸収深さＤ_ＡＤとを定義し、画像の走査は、Ｄ_ＡＤ＜Ｌ_ＤＩＦＦの状態で実行される、請求項７に記載のアニール方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して集積回路構造を形成する際の半導体材料のレーザアニールに関し、特に、比較的高い程度の温度均一性を有する非常に短いレーザアニールのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

比較的均一な強度を有するラインイメージの利用を必要とする様々な応用方法がある。このような応用の１つは、レーザ熱処理（ＬＴＰ）であり、当該分野では、レーザスパイクアニール（ＬＳＡ）とか、単に「レーザアニール」と言われる。レーザアニールは、トランジスタやこれに関係するタイプの半導体構造等の能動型の超小型回路を形成する際に、半導体ウエハに形成される、デバイス（構造）の選択された領域でドーパントを活性化する場合など、半導体製造の様々な用途に利用されている。

【0003】

レーザアニールの一形態では、レーザビームで走査されるラインイメージが利用され、半導体構造（例えば、ソース領域及びドレイン領域）のドーパントの活性化には十分であるが、実質的なドーパントの拡散防止には短い時間、ウエハの表面を所定温度（アニール温度）まで加熱する。ウエハの表面がアニール温度になる時間は、ラインイメージの出力密度、ならびに、ラインイメージを走査する速度（走査速度）でラインイメージの幅を除算した結果によって決定される。

【0004】

民生レーザアニールシステムで高いウエハのスループットを実現するためには、ラインイメージは、できるだけ長く、高いエネルギー密度を有する必要がある。利用可能なラインイメージ寸法の一例としては、長さ（走査方向と交差する方向の寸法）が５ｍｍから１００ｍｍであり、幅（走査方向の寸法）が２５ミクロンから５００ミクロンであって、典型的な寸法は１０ｍｍの長さと１００ミクロンの幅とを有する。また、均一なアニールを実現するためには、ラインイメージ長に沿った強度プロファイルをできるだけ均一にすることが必要であり、走査プロセス中にラインイメージ幅に沿った非均一性を平均化することが必要である。

【0005】

典型的な半導体プロセス要件として必要となるアニール温度は、１０００℃から１３００℃である。そして、このときの温度均一性はプラス／マイナス３℃である。この程度の温度均一性を実現するためには、アニール光線により形成されるラインイメージが、走査方向と交差する方向において、ほとんどの状況でプラス／マイナス５％以内となる比較的均一な強度を有する必要がある。

【0006】

典型的な半導体の応用方法においては、アニール時間が０．１ミリ秒から１０ミリ秒（ｍｓ）であることが求められる。この要求を満たすために、メカニカルステージは、ビームの長さ方向に対して直角にウエハを移動させるために使用可能である。ステージの速度は１００ｍｍ／秒であって、短いビームの幅は１００ミクロンであって、熱アニール（滞留）時間が１ｍｓである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許第６，３６５，４７６号明細書

【特許文献2】米国特許第６，３８０，０４４号明細書

【特許文献3】米国特許第６，７４７，２４５号明細書

【特許文献4】米国特許第７，５１４，３０５号明細書

【特許文献5】米国特許第７，４９４，９４２号明細書

【特許文献6】米国特許第７，３９９，９４５号明細書

【特許文献7】米国特許第６，３６６，３０８号明細書

【特許文献8】米国特許出願公開第１２／８００，２０３号明細書

【特許文献9】米国特許出願公開第１２／０１００６４０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

残念ながら、半導体デバイス製造の場面においては、アニール温度とアニール時間は、ウエハの厚さとウエハ上に形成された半導体デバイス構造のタイプのような他の要因によって制限される。このような場面においては、従来のレーザアニールシステムによって供される従来のアニール（滞留）時間は、不適当である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

非常に短い滞留時間でウエハをアニールするためのレーザアニールシステムおよび方法が開示される。単一のレーザビームのアニールシステムと方法の実施の形態が開示される。アニールレーザビームは、滞留時間を約１μｓから約１００μｓの範囲にするために、十分に早い速度で走査する。これらの非常に短い滞留時間は、デバイスウエハのデバイス側がアニール処理中に熱によって破損することを防ぐことができるため、薄いデバイスウエハから形成される製品ウエハのアニールに有用である。

【0010】

本発明の第１の態様は、アニール表面を有する半導体ウエハをアニールするための高速レーザアニールシステムである。高速レーザアニールシステムは、レーザと走査光学システムとを含む。レーザは、約３００ｎｍから約６５０ｎｍの範囲のアニール波長を有するレーザビームを生成する。走査光学システムは、レーザビームを受けて、１μｓから１００μｓの間の滞留時間を有する走査された画像としてのアニール表面上をレーザビームで走査する。これによって、アニール表面は、３５０℃と１２５０℃との間のピークアニール温度Ｔ_ＡＰに到達する。

【0011】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、半導体ウエハはデバイスウエハとキャリアウエハから形成された製品ウエハである。デバイスウエハは、アニール表面を定義し、約１０μｍから約１００μｍの範囲の厚さを有する。

【0012】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、走査光学システムは、Ｆ−θ走査システムとして構成される。

【0013】

本発明の第２の態様は、アニール表面を有する半導体ウエハをアニールする方法である。この方法は、約３００μｍから約６５０μｍの範囲の波長を有するレーザビームを利用して、アニール表面に画像を形成することを含む。この方法は、１μｓと１００μｓとの間の滞留時間を有する、アニール表面の画像も走査することを含む。これによって、アニール表面を、３５０℃から１２５０℃の間のピークアニール温度に到達させる。

【0014】

好ましくは、この方法では、半導体ウエハは、デバイスウエハとキャリアウエハから形成された製品ウエハである。デバイスウエハは、アニール表面を定義し、約１０μｍから約１００μｍの範囲の厚さを有する。

【0015】

好ましくは、この方法では、画像の走査は、Ｆ−θ走査光学システムを使用して実行される。

【0016】

本発明の第３の態様は、半導体ウエハの表面にサポートされるフォトレジスト層をアニールする方法である。この方法は、約３００ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームを使用することによって半導体ウエハの表面に画像を形成することを含む。この方法は、１００μｓと１ｍｓとの間の滞留時間で半導体ウエハの表面に画像を走査することも含む。これによって、フォトレジスト層が約３００℃と約４００℃の間のピークアニール温度Ｔ_ＡＰに到達する。

【0017】

好ましくは、この方法では、レーザビームと半導体ウエハとは、半導体ウエハの熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦおよび関連する光吸収深さＤ_ＡＤを定義する。画像走査は、Ｄ_ＡＤ＜Ｌ_ＤＩＦＦの状態で実行される。

【0018】

ここで参照される引用文献は、参考として、本明細書に組み込まれる。

【0019】

特許請求の範囲の内容は、詳細な説明に組み入れられ、詳細な説明の一部を構成する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1A】本発明のデュアルビーム高速レーザアニールシステムおよび方法を使用したレーザアニールに利用されるウエハの例を示す図である。

【図1B】本発明のデュアルビーム高速レーザアニールシステムおよび方法を使用したレーザアニールに利用されるウエハの例を示す図である。

【図1C】本発明のデュアルビーム高速レーザアニールシステムおよび方法を使用したレーザアニールに利用されるウエハの例を示す図である。

【図1D】本発明のデュアルビーム高速レーザアニールシステムおよび方法を使用したレーザアニールに利用されるウエハの例を示す図である。

【図2】バルクシリコンに関する、アニール時間ｔ_Ａ（μｓ）と拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦ（μｍ）との関係を示すグラフである。

【図3】波長λ＝１．０６μｍ、０．９８μｍ、０．５３μｍに関する、光学吸収深さＤ_ＡＤ（μｍ）とウエハ表面温度Ｔ_Ｓ（℃）との関係を示すグラフである。

【図4】デュアルビーム高速レーザアニールシステムの一例を示す概略図である。

【図5A】図１のデュアルビーム高速レーザアニールシステムによるウエハ表面に形成される第１のイメージと第２のイメージとの相対的なサイズと方向の一実施の形態を示す概略図である。

【図5B】図１のデュアルビーム高速レーザアニールシステムによるウエハ表面に形成される第１のイメージと第２のイメージとの相対的なサイズと方向の一実施の形態を示す概略図である。

【図5C】図１のデュアルビーム高速レーザアニールシステムによるウエハ表面に形成される第１のイメージと第２のイメージとの相対的なサイズと方向の一実施の形態を示す概略図である。

【図5D】図１のデュアルビーム高速レーザアニールシステムによるウエハ表面に形成される第１のイメージと第２のイメージとの相対的なサイズと方向の一実施の形態を示す概略図である。

【図5E】図１のデュアルビーム高速レーザアニールシステムによるウエハ表面に形成される第１のイメージと第２のイメージとの相対的なサイズと方向の一実施の形態を示す概略図である。

【図6】熱放射検知システムのより詳細なものを含む、デュアルビーム高速レーザアニールシステムの一例を示す概略図である。

【図7】第２のレーザビームのウエハ表面からの反射光を集めるために使用される集光システムの一例の拡大図である。

【図8A】Ｆ−θ構成を有する走査光学システムの１つの実施の形態を示し、走査光学システムがウエハの１つの縁から他の縁への第２のレーザビームと第２のイメージとを走査する様子を表す。

【図8B】Ｆ−θ構成を有する走査光学システムの１つの実施の形態を示し、走査光学システムがウエハの１つの縁から他の縁への第２のレーザビームと第２のイメージとを走査する様子を表す。

【図8C】Ｆ−θ構成を有する走査光学システムの１つの実施の形態を示し、走査光学システムがウエハの１つの縁から他の縁への第２のレーザビームと第２のイメージとを走査する様子を表す。

【図9】図８Ａから図８Ｃの走査光学システムの異なる方向から視た図であって、第２のレーザビームが実質的にシリコンのブルースター角度である入射角を有するように構成されている走査光学システムを示す。

【図10A】図６と同様の図であって、単一の素早い走査レーザビームを含むレーザアニールシステムの実施の形態を示す。

【図10B】図１０Ａと同様の図であって、第２のレーザシステムからの第２のレーザビームを走査することによってウエハ表面にサポートされるフォトレジストの層をアニールする実施の形態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0021】

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照する。なお、添付の図面に、実施形態の一例を図示する。図中、同一または同様の部分を参照するために、可能な限り同一または同様の参照番号及び符号を使用する。

【0022】

イメージセンサや高出力デバイスなどのような、半導体デバイスのあるタイプの製造においては、比較的薄い半導体ウエハが使用される。図１Ａは、上面２２を規定する上側２１と裏表面２４を規定する裏側２３とを有する製品ウエハ１０の一例の側面図である。

【0023】

図１Ｂは、デバイスウエハ１０ａとキャリアウエハ１０ｂを接触させることによって形成される製品ウエハ１０の例の構造を示す。デバイスウエハ１０ａは、デバイスが形成されてデバイス側とも言われる前側１２ａと、反対の裏側１４ａとを有している。キャリアウエハ１０ｂは、酸化層１５が形成される前側１２ｂを有しており、反対の裏側１４ｂを有している。結果物としてのウエハ１０（ここでは製品ウエハのことをいう）は、デバイスウエハ１０ａのデバイス側１２ａをキャリアウエハ１０ｂの前側１２ｂに連結することによって形成される。酸化層１５は、２つのウエハ１０ａと１０ｂとをつなぎ合わせるボンド層としての役割を果たす。このため、キャリアウエハ１０ｂの前側１２ｂはボンド側とも言われる。結果物としての製品ウエハ１０は、図１Ｃに示される。現時点では、デバイスウエハ１０ａは、デバイスウエハ１０ａの厚みを７５０μｍから厚さＴＨまで減らすために、裏側１４ａから研磨される。厚さＴＨは、図１Ｃの拡大差し込み図に示されているように、約１０μｍから約１００μｍの範囲内にある。

【0024】

図１Ｄは、図１Ｃと同様であって、製品ウエハ１０の構造３０の一例のより詳細な拡大断面図を示す差し込み図を含む。構造３０の例は、ＣＭＯＳセンサの形式に含まれる。酸化層１５（約４μｍの厚さを有する）を有したキャリアウエハ１０ｂは、デバイスウエハ１０ａをサポートする。デバイスウエハ１０ｂは、酸化層１５まで延設される金属化の構造３４（たとえば、線）を含む。金属化の構造３４は、近傍のＣＭＯＳデバイス層４０に接触する。ＣＭＯＳデバイス層４０は、薄くされたデバイスウエハ１０ａによってサポートされる。上述したように、デバイスウエハ１０ａは、約１０μｍから１００μｍの範囲の厚みＴＨを有する。他の例では、厚さＴＨは約５００μｍから約１０００μｍの範囲にある。

【0025】

レーザアニールの必要がある薄いイオン注入層４４は、薄いデバイスウエハ１０ａにおいて、上面２２を定義するその裏側１４ａの近傍に形成される。薄いイオン注入層４４のアニールは、電気的に接触する層としての役割を果たすイオン注入層４４に伝導性を与えるという役割を果たす。

【0026】

ＣＭＯＳデバイス構造３０の例では、ＣＭＯＳデバイスの電気的な特徴が裏側１４ａから約１０μｍから約１００μｍ離れて位置する。裏側１４ａには、普通回路パターンが付与されていない。そのため、この例では、デバイスウエハ１０ａの裏側１４ａが、良いアニール表面を生み出すウエハ１０の平らで回路パターンが付与されていない上面２２を定義する。

【0027】

ウエハ１０のデバイス側１２ａは、ＣＭＯＳデバイスの大切な機能性を保護するために、比較的低い温度（特に、金属化の特徴３４の溶解温度未満）に維持しなければならない。デバイス側１２ａの最大温度は、金属化の構造３４に使用される特定の金属によって決定されるが、典型的には、銅の相互接続に対しては約９００℃であって、アルミニウムの相互接続に対しては約６００℃である。

【0028】

デバイス側１２ａのデバイス特徴は金属融解温度未満に保たれる必要があるという制約があるため、レーザ熱アニール時間を短くして、デバイスの表面が熱くなり過ぎないようにする必要がある。これは、熱アニール時間（滞留時間）は、対応する熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦがデバイスウエハ１０ａの厚さＴＨよりも短くなる必要がある、ことを示唆している。

【0029】

たとえば、デバイスウエハ１０ａの公称厚さＴＨが１０ミクロンの場合、約１０μｓの１０μｓレーザパルスに関し、バルクシリコンの熱拡散長さＬ_ＤＩＦＦに基づいて、対応する熱アニール（滞留）時間は１０μｓよりも短い必要がある。残念ながら、このような短い滞留時間ｔ_Ｄを達成することは、１００ｍｍ／ｓｅｃ以下で走査するような、１−１０ｍｍの長さと１００ミクロン以下の幅のレーザラインイメージを利用する従来のレーザアニール装置の基本的な構造と一致しない。

【0030】

このように、本発明の態様は、融解および準融解の両者のレーザアニールの応用に利用される単一ビームまたはデュアルビームレーザアニールシステムを対象としている。アニールビームの滞留時間Ｔ_Ｄは、１μｓと１００μｓの間である。加えて、レーザ温度制御システムは、選択的に、アニール温度Ｔ_Ａを実質的に一定、すなわち、平均ウエハ表面温度Ｔ_Ｓの＋／−３℃内、に保つために使用される。

【0031】

上述したように、半導体デバイス製造への応用は、１μｓから１００μｓｎ範囲のように、１００μｓ以下の滞留時間ｔ_Ｄ（アニール時間ｔ_Ａ）のレーザアニール処理からの恩恵を受ける。アニール時間ｔ_Ａに関連する熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦが、ウエハ１０の物理的な寸法、たとえばデバイスウエハ１０ａの厚みＴＨ、よりも短いことが望まれる。

【0032】

なお、本明細書で開示されたシステムおよび方法は、比較的薄いデバイスウエハ１０ａをサポートする比較的厚いキャリアウエハ１０ｂから上述したように形成される製品ウエハ１０への特別な応用性を有する。システムと方法は、拡散の量を制限したい状況において、従来の「厚い」半導体ウエハのレーザアニールに応用できる。このような状況の例は、米国特許第６，３６５，４７６号明細書、米国特許第６，３８０，０４４号明細書、米国特許第６，７４７，２４５号明細書に記載のように、トランジスタを形成する際の浅いソースとドレインの形成である。後述するように、上面２２は、アニールされて、従来のウエハの「前側」か上述した製品ウエハ１０の「後側」１４ａになりうるウエハ１０の表面である。

【0033】

図２は、バルクシリコンに関し、アニール時間ｔ_Ａ（μｓ）と熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦ（μｍ）の関係を示すグラフである。グラフから、Ｌ_ＤＩＦＦ＝１０μｍの場合は、対応するアニール時間ｔ_Ａ≒１０μｓであり、Ｌ_ＤＩＦＦ＝３０μｍの場合は、ｔ_Ａ≒１００μｓである。これらの熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦとほとんど同じデバイスウエハ厚みＴＨを有する製品ウエハ１０に関し、アニール時間ｔ_Ａが対応して短くなければならないことが解る。

【0034】

ウエハ１０へのレーザアニールビームの光学吸収深さＤ_ＡＤは熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦよりも短いという、追加的な要求がある。図３は、波長λ＝１．０６μｍ、０．９８μｍ、０．５３μｍのときの、光学吸収深度Ｄ_ＡＤとウエハ表面温度Ｔ_Ｓとの関係を示す。図３のプロットは、デバイスウエハ厚さＴＨ≒１０μｍで、比較的低い温度（たとえば、２８０℃以下）である場合、波長λ＝５００ｎｍのレーザを利用できることを示している。この波長における熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦがデバイスウエハ厚さＴＨよりも短いからである。他の波長は、デバイスウエハ厚みＴＨよりも長い熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦを有する。約５０μｍから約１００μｍの範囲のデバイスウエハ厚さＴＨに関しては、波長λ≒９８０ｎｍのレーザが利用される。なお、高いウエハ表面温度Ｔ_Ｓにおいては、光学吸収深さＤ_ＡＤは短くなり、熱拡散は主要な熱拡散機構になる。

【0035】

図２および図３から、比較的薄いデバイスウエハ１０ａを利用することによって形成された製品ウエハ１０に関して、高速アニール時間と、光学吸収深度Ｄ_ＡＤが所望の熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦに一致するアニール波長とを使用することが望まれる。
＜デュアルビーム高速アニールシステム＞

【0036】

特定のデバイスウエハ厚さＴＨを有する製品ウエハ１０に関して、レーザアニールシステムを単一の波長に対して最適化することができる。たとえば、デバイスウエハの厚みＴＨが１０ミクロンから３０ミクロンぐらいである、画像センサの製造への応用に関して、１０マイクロ秒の滞留時間ｔ_Ｄと５３２ｎｍのレーザ波長とを選択することができる。電源デバイスの製造においては、デバイスウエハ厚みＴＨは約５０ミクロンであって、２５マイクロ秒の滞留時間ｔ_Ｄと長い波長レーザとを選択可能である。高速単一レーザアニールの例に関して後述する。

【0037】

しかしながら、異なる波長の２つのレーザビームを合わせることによって、レーザアニールシステムはもっと多用途なものとなる。たとえば、本明細書に記載されたデュアルビームレーザアニールシステムの１つの実施の形態に関して、１本のレーザビームは、比較的長い波長を有する第２のレーザビームによる吸収を可能にする比較的短い波長を有する。

【0038】

図４は、デュアルビーム高速レーザアニールシステム（「システム」）１００の一例を示す概略図である。システム１００は、ウエハ１０をサポートする上部表面１１２を有するチャック１１０を含む。そして、チャック１１０は、たとえば移動可能および回転可能であって、すなわち３次元方向に移動可能でありつつ必要に応じて３次元に回転可能にウエハ１０の位置決める、ウエハステージ１１６によってサポートされる。

【0039】

システム１００は、また、初期の第１のレーザビーム１２２を発生させる第１のレーザ１２１を含む第１のレーザシステム１２０と、初期の第２のレーザビーム１５２を発生させる第２のレーザ１５１とを含む第２のレーザシステム１５０とを含む。第１のレーザシステム１２０は、初期の第１のレーザビーム１２２を受けて、そこから第１のレーザビーム１３２を形成するように構成された主要な光学システム（「光学部品」）１３０を含む。たとえば、主要な光学システム１３０は、走査光学システムを含む。同様に、第２のレーザシステム１５０は、初期の第２のレーザビーム１５２を受けて、そこから第２のレーザビーム１６２を形成するように構成された第２の光学システム（「光学部品」）１６０を含む。第２の光学システム１６０は、走査光学システムとして構成され、下記では、走査光学システム１６０としても言及される。

【0040】

第１の光学システム１３０と走査光学システム１６０の例は、レンズと、ミラーと、開口部と、フィルタと、動的光学エレメント（たとえば、可変減衰器など）と、これらの組み合わせを含み得る。たとえば、第１の光学システム１３０と走査光学システム１６０のいずれかまたは両方は、ビーム調整を行ったり、たとえば、それぞれのレーザビーム１３２と１６２を均一化したり、および／または、レーザビーム１３２と１６２に選択された断面形状を与えるように構成されている。このようなビーム調整を行うのに適した光学システムの例が、米国特許第７，５１４，３０５号明細書、米国特許第７，４９４，９４２号明細書、米国特許第７，３９９，９４５号明細書、米国特許第６，３６６，３０８号明細書、米国特許出願公開第１２／８００，２０３号明細書に開示されている。

【0041】

第１のレーザビーム１３２および第２のレーザビーム１６２は、それぞれ、波長λ_１とλ_２とを有し、一例においては、選ばれた条件下で、ウエハ１０を熱する能力を有する。他の例においては、１つの波長（たとえば、λ_１）は、他の波長（λ_２）のウエハ１０の加熱を増進する。たとえば、波長λ_１とλ_２の１つは、ウエハ１０の半導体バンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有しており、これによって、ウエハ１０をアニール温度Ｔ_Ａに熱するのに十分な程度まで、第１のレーザビーム１３２と第２のレーザビーム１６２とを吸収する。λ_２の範囲の例は、５００ｎｍから１０．６ミクロンである。

【0042】

システム１００は、後述するようにウエハ１０の上面２２からの熱放射１８２の量を測定し、電気的熱放射信号ＳＥを発生するように配置され構成されている、熱放射検知システム１８０を含む。たとえば、熱放射検知システム１８０は、ウエハ１０の上面２２からの放射率εを測定し、電気的な熱放射信号ＳＥが測定された熱放射率を示す。たとえば、熱放射検知システム１８０は、後述するように、走査された第２のイメージ１６６を追跡するために、第２のレーザシステム１５０の少なくとも一部を利用する。

【0043】

実施の形態においては、熱放射検知システム１８０と走査光学システム１６０とは、それぞれが、互いに重なる光学経路部分ＯＰ_ＥおよびＯＰ_Ｓを有する。この構成によって、熱放射システム１８０は、第２のイメージ１６６がウエハ１０の上面２２を走査している場合であっても、（下記で紹介する）第２のイメージ１６６の位置から熱放射線１８２を集めることができるようになる。

【0044】

システム１００は、ウエハ１０の上面２２からの反射光１６２Ｒを収集し検知するために利用される集光システム２００を含み、検知された反射光１６２Ｒの量を示す電気信号ＳＲ（「反射光信号」）を発生する。

【0045】

実施の形態において、システム１００は、ウエハステージ１１６に電気的につながるコントローラ１７０をさらに含み、ステージ制御信号Ｓ０によって与えられるコントローラ１７０からの指示を介してウエハステージ１１６の動きをコントロールするように構成されている。

【0046】

実施の形態において、コントローラ１７０は、パーソナルコンピュータまたはワークステーションのようなコンピュータであり、または当該コンピュータを含む。好ましくは、コントローラ１７０は、商業的に取得可能な複数のマイクロプロセッサ、プロセッサをハードディスクなどのメモリデバイスに接続するのに適切なバスアーキテクチャ、適切な入力デバイスおよび出力デバイス（たとえば、それぞれキーボードおよびディスプレイ）を含む。コントローラ１７０は、コントローラ１７０にウエハ１０のアニールを実行させるためにシステム１００の様々な機能を実行させる、コンピュータ読み取り可能な媒体（たとえば、メモリ、プロセッサ、またはそれらの両方）に具現化された指示（ソフトウェア）を介してプログラムされる。

【0047】

コントローラ１７０は、また、第１のレーザシステム１２０と第２のレーザシステム１５０とに、それらを制御可能に接続されている。コントローラ１７０は、これらのレーザシステム１２０と１５０を、それぞれ、制御信号Ｓ１とＳ２を介して制御する。たとえば、コントローラ１７０は、第１のレーザシステム１２０と第２のレーザシステム１５０の走査機能を制御するために、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰｓ）（図示しない）を含む。コントローラ１７０は、また、熱放射検知システム１８０と集光システム２００とに、それらを制御可能に接続されており、後述するように、電気的な熱放射信号ＳＥと反射光信号ＳＲとを受信して処理するように構成されている。

【0048】

図４を参照しながら、第１のレーザビーム１３２は、ウエハ１０の上面２２上に第１のイメージ１３６を形成するために、ウエハ１０の上面２２上へと向けられている。第２のレーザビーム１６２は、第２のイメージ１６６を形成し、第２のイメージ１６６は第１のイメージ１３６内に収まる。このような構成の一例が、第１のイメージ１３６と第２のイメージ１６６を見せる拡大図５Ａに示されている。第２のイメージ１６６は、矢印ＡＲ２に示されるように、ウエハ１０の上面２２を走査する。第１のイメージ１３６は、移動しないもので、比較的大きく、第２のイメージ１６６は第１のイメージ１３６内の少なくとも一部で走査される。図５Ｂに示される他の実施の形態においては、第１のイメージ１３６は、矢印ＡＲ１に示されるように、比較的小さくて、矢印ＡＲ１に示されるように走査されるものであって、矢印ＡＲ２に示されるように走査される第２のイメージ１６６がついてくる。

【0049】

図５Ｃから図５Ｅまでに示される他の実施の形態においては、固定されている第１のイメージ１３６内に位置しながら、第２のイメージ１６６がウエハ１０の１つの端から他の端まで走査されるように、第１のイメージ１３６は第２のイメージ１６６の走査経路１６７の全体に伸びている。図５Ｃおよび図５Ｄに示されるように、走査経路１６７がウエハ１０の上面２２の異なる位置へとウエハ１０が移動させられても、このような状態は維持され得る。図５Ｄにおいて、図５Ｃのウエハ１０の中央部分と比較して、新しい走査経路１６７が図５Ｄのウエハ１０の下部に位置するように、ウエハ１０がＹ方向に移転させられる。

【0050】

図５Ｂに示されるように、第１のイメージ１３６は、長さＬ１と幅Ｗ１とを有し、第２のイメージは、長さＬ２と幅Ｗ２とを有する。第１のイメージ１３６と第２のイメージ１６６とは、長方形である必要はない。第１のイメージ１３６と第２のイメージ１６６の寸法の例は、幅が約２５μｍから１００μｍであって、長さが約５００μｍから２０００μｍであって、第２のイメージ１６６が少なくとも一部が第１のイメージ１３６内に存在するという条件を満たすものである。

【0051】

実施の形態では、第１のレーザビーム１３２と第２のレーザビーム１６２は、実質的にガウス強度プロファイルを有するので、第１のイメージ１３６と第２のイメージ１６６もまたＸ，Ｙ方向において実質的にガウス強度分布を有する。第１のレーザビーム１３２と第２のレーザビーム１６２とを実質的にガウス分布にすることは、より方形波（すなわち、鋭い端部）の強度プロファイルとなるように設計されたシステムと比較して、第１のレーザシステム１２０と第２のレーザシステム１５０の構成を単純化するものである。

【0052】

実施の形態において、第１のイメージ１３６は、第２のイメージ１６６よりもわずかに大きく、あるいは実質的に同じ大きさである。一例として、第１のイメージ１３６は、走査方向において、第２のイメージ１６６の前方まで伸びており、第２のイメージ１６６の光がウエハ１０の上面２２によって直ちに吸収されるように、ウエハ１０の上面２２を十分に熱することができる。

【0053】

従来のレーザアニールシステムは、ウエハステージ１１６を移動させることによって走査を実現していた。走査速度は、約１００ｍｍ／ｓである。しかしながら、システム１００では、第１のレーザシステム１２０と第２のレーザシステム１５０の少なくとも一つが、第１のレーザビーム１３２と第２のレーザビーム１６２の少なくとも一つによってウエハ１０の上面２２を素早く走査する光学システムを走査する。一例として、第１のレーザビーム１３２と第２のレーザビーム１６２の一つまたは両方は、約５ｍ／ｓから約２５ｍ／ｓの範囲内にある走査速度Ｖ_Ｓで、ウエハ１０の上面２２の第１のイメージ１３６と第２のイメージ１６６とを走査するように構成されている。走査速度Ｖ_Ｓが２５ｍ／ｓでビームの幅が２５μｍであるとき、アニール処理の滞留時間ｔ_Ｄは１μｓである。走査速度Ｖ_Ｓ＝１０ｍ／ｓとビーム幅５０μｍの場合に、滞留時間ｔ_Ｄ＝５μｓである。３００ｍｍのウエハ１０を横切るためには、１０ｍ／ｓのビームの移動が３０ｍｓ必要であり、これは相対的に言って非常に短い走査時間である。

【0054】

第１のレーザビーム１３２と第２のレーザビーム１６２の走査の間、熱放出検知システム１８０は第１のイメージ１３６と第２のイメージ１６６とが重なって、ウエハ１０の上面２２を熱する位置からの熱放出１８２を観察する。熱放出検知システム１８０は、検知した熱放出を示す電気的な熱放出信号ＳＥを生成し、当該電気的な熱放出信号ＳＥをコントローラ１７０に送信する。コントローラ１７０は、電気的な熱放出信号ＳＥを受信する。コントローラ１７０は、ウエハ１０の上面２２のアニール温度Ｔ_Ａを実質的に一定に保つように、レーザの出力を制御するために、第１のレーザシステム１２０と第２のレーザシステム１５０の少なくとも一つによって発生されたエネルギーを制御するフィードバック・ループを生成することを目的として当該電気的な熱放出信号ＳＥを利用する。

【0055】

第２のレーザビーム１６２と対応する第２のイメージ１６６とがウエハ１０の一端から他端へと完全に走査された後、コントローラ１７０は、（ステージ制御信号Ｓ０を介して）ウエハステージ１１６をウエハ１０の上面２２の近傍位置を走査するために移動させる。一例においては、近傍の走査経路１６７がアニールの均一性を改善するために実質的に重なるように、ウエハ１０は、走査された第２のイメージ１６６の長さの約１／８に等しい量を動く。一例においては、ウエハステージ１１６が走査方向と直角にウエハ１０を約１２５μｍ移動するように、第２のイメージ１６６は長さＬ２＝１ｍｍを有する。ウエハステージ１１６がそのように動かされた後、第２のレーザビーム１６２は先の走査と同じ方向にウエハ１０の上面２２を走査する。このような方法で、ウエハ１０の各ポイントの温度履歴が実質的に同じになる。

【0056】

後述するように第２のレーザシステム１５０が走査ミラーを含むという例において、このような走査ミラーが初期位置に戻るためにウエハ１０を走査するのと同じ時間を必要とすると仮定すれば、これは追加で３０ｍｓを必要とする。したがって、走査ミラーは、６０ｍｓの振動周期を有し、あるいは１６．６７Ｈｚの振動周期を有し、これは、従来の走査ミラーシステムの能力で十分にまかなえるものである。

【0057】

一例においては、ウエハステージ１１６は、第２のイメージ１６６のそれぞれの走査の後に段階的に動かされるというよりも、一定の速度で動かされる。この実施の形態においては、ウエハステージ１１６は、６０ｍｓで１２５μｍ進む、あるいは２．０８ｍｍ／ｓｅｃで進む。そうすると、３００ｍｍのウエハを完全にアニールするためには、１４４秒かかる。より均一にするために、第２のレーザシステム１５０は、走査と走査の間に、第２のレーザビーム１６２を消したり、ブロックしたりするように構成され得る。この機能は、第２のレーザビーム１６２の経路に配置されるモジュレータ１９８を利用することによって実現できる。

【0058】

レーザアニールに求められる光学エネルギーは、要求されたピークアニール温度Ｔ_ＡＰと要求されたアニール（滞留）時間ｔ_Ｄとによって決定される。より長いアニール時間（それに伴う長い熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦ）は、より大きなウエハ１０を熱することになり、より大きな電力が求められる。実施の形態においては、ピークのアニール温度Ｔ_ＡＰは３５０℃から１２５０℃の間であり、＋／−３℃以内に維持される。なお、ピークアニール温度Ｔ_ＡＰとピークウエハ表面温度Ｔ_ＳＰは、ほとんどの場合において同じである。

【0059】

システム１００のスループットは、第２のイメージ１６６のサイズ（すなわち、長さＬ２と幅Ｗ２）を増加させることによって増加させられる。与えられたアニール温度の要求を満たすためには、適切な出力を有するレーザが求められる。吸収されたレーザのエネルギーが２００ワットあると、アニール（滞留）時間ｔ_Ｄ≒５μｓのときに、ウエハ１０の上面２２の５０μｍ×１ｍｍのエリアの温度が約１０００℃上昇するのに十分である。したがって、システム１００が、１時間あたりに３００ｍｍのウエハを６０個処理するスループットを要求し、アニール温度Ｔ_Ａがシリコンの融点（１４１３℃）に到達する必要がある場合、約１キロワットのエネルギーの吸収が求められる。

【0060】

上記のように吸収されるエネルギーを大きくするための方法は、ファイバーレーザーの形式の第２のレーザ１５１を供給することである。ファイバーレーザーは、非常に効率がよく、コンパクトであって、品質の良いビームを生成することができる。ファイバーレーザーは、λ＞１μｍの波長範囲で最も強力であり、当該範囲において複数キロワットの出力を有する。残念ながら、当該波長の範囲は室温においてはシリコンウエハによる吸収があまり良くない。しかしながら、λ＞１μｍのファイバーベースの第２のレーザ１５１は、表面吸収を開始するための予熱レーザとしての、短い波長の第１のレーザ１２１と組み合わされて利用され得る。それゆえに、実施の形態では、長い波長の第２のレーザビーム１６２が吸収されるように、第１のレーザ１２１は、ウエハ１０の上面２２を予熱したり予め活性化させたりするために利用される比較的短い波長の第１のレーザビーム１３２を生成する。

【0061】

実施の形態において、第１のレーザ１２１は、３００ｎｍから６５０ｎｍの範囲の波長λ_１を有する。一例においては、第１のレーザ１２１は、λ_１が上記の波長範囲となる出力波長を有し、約５０ワットから約５０００ワットの範囲の光学出力を有するファイバーレーザーを含む。他の例においては、ウエハ１０の上面２２を予熱したり予め活性化させたりするために利用される第１のレーザ１２１は、ＣＯ_２レーザ、ＣＷダイオードレーザ、ＣＷ固体レーザを含む。好ましくは、第１のレーザビーム１３２は、室温においてウエハ１０の上面２２によって吸収され、第２のレーザビーム１６２は、室温または第１のレーザビーム１３２によってウエハ１０の上面２２に作られる条件においてウエハ１０の上面２２によって吸収される。

【0062】

図６は、一例としての熱放射検知システム１８０のより詳細を含むシステム１００の例を示す概略図である。熱放射検知システム１８０は、第２のレーザビーム１６２に関係する波長λ_２の光を送り、しかしながら他の波長、特に熱放射１８２に関係する波長、の光を反射するように構成された（たとえば、図示しないコーティングを有する。）ダイクロイックミラー１８４を含む。ダイクロイックミラー１８４は、光軸ＡＤを定義する。光軸ＡＤにそって、ポラライザ１８６と、集束レンズ１８８と、光学フィルタ１９０と、光センサ１９２とが配置される。

【0063】

図６に記載のシステム１００の制御について、熱放射１８２は、第１のイメージ１３６と第２のイメージ１６６とによって温められることによって、ウエハ１０の上面２２から出力されるものである。熱放射１８２は、走査光学システム１６０によって集められ、ダイクロイックミラー１８４に向けられる。ダイクロイックミラー１８４は、光学軸ＡＤを下がってくる熱放射１８２を、第２のレーザシステム１５０として同じ偏光を有するポラライザ１８６へと反射する。偏光された熱放射１８２は、熱放射１８２を光センサ１９２に集束する集束レンズ１８８に向かって進む。光学フィルタ１９０は、熱放射１８２に関係する、狭い波長帯Δλ_Ｅの外側の波長を取り除く役割を果たす。ここで、放射波長λ_Ｅは、狭い波長帯Δλ_Ｅの中央波長にあると考えられる。

【0064】

このように、熱放射１８２は、第２のイメージ１６６がウエハ１０の上面２２で走査されるときに、逐一、集められる。一例においては、放射波長λ_Ｅは、ズレを許容範囲内に維持するために、第２のレーザビーム１６２の波長λ_２に近いものとなる。一例においては、集束レンズ１８８は、放射波長λ_Ｅで作動する走査光学システム１６０から生じるズレを少なくとも部分的に補償するように構成される。

【0065】

熱放射検知システム１８０は、基本的に第２のイメージ１６６の走査の測定と基本的に同時に、ウエハ１０の上面２２からの熱放射１８２を測定する。熱放射１８２の検知が、早い光センサ１９２を用いることによって行われるため、対応する熱放射信号ＳＥは、基本的にすぐに、第２のイメージ１６６の光学エネルギーの閉回路制御を可能にする。ウエハ表面温度Ｔ_Ｓの非均一を補償するために、第２のイメージ１６６の光学エネルギーを調整するために必要な速さを改良する。これは、たとえば、コントローラ１７０によって第２のレーザシステム１５０に送られる制御信号Ｓ２を調整することによって達成される。

【0066】

ウエハ１０の上面２２の温度を正確に制御するために、当該温度を正確に測定する必要がある。上述したように、熱放射１８２の検知は、それだけでは、ウエハ表面温度Ｔ_Ｓを提供することはできない。ウエハ表面温度Ｔ_Ｓを測定するためには、放射率εを測定しなければならない。与えられた温度において、放射率εは、放出波長λ_Ｅ、視野角、熱放射１８２の偏光に依存する。放射率εを測定することによってウエハ表面の温度Ｔ_Ｓを測定するための本発明に応用されるシステムおよび方法は、米国特許出願公開第２０１２／０１００６４０号明細書に記載されている。

【0067】

放射率εの１つの測定方法は、放射波長λ_Ｅにおいて、ウエハ１０の反射率と伝達率とを決定する。このことは、第２のレーザビーム１６２を採用することによって達成できる。第２のレーザシステム１５０の波長λ_２が、Ｓｉ吸収限界（たとえば、１．１μｍ）以上である場合、放射率εは、ウエハ１０の上面２２に入射される第２のレーザビーム１６２の反射率および透過率を測定（あるいは決定）することによって測定される。しかしながら、レーザアニールと関係する高いウエハ表面温度Ｔ_Ｓの組み合わせにおいて、λ_２＜１μｍだろうがλ_２＞１μｍだろうが、ウエハ透過率は無視できるほどであり、ウエハ反射率の測定だけが求められる。

【0068】

精度を良くするために、ウエハ１０の上面２２で反射する第２のレーザビーム１６２の反射光１６２Ｒが、収集される。図７は、反射光１６２Ｒを集めるために配置された集光システム２００の拡大図である。集光システム２００は、走査ミラー１６１Ｍと集束レンズ１６１Ｌとを含む走査光学システム１６０に関係して配置される。システム１００に組み込まれる集光システム２００は、一例として、軸Ａ４に沿って、開口部２１２を含む統合球体２１０を含む。光センサ２２０は、開口部２１２における統合球体２１０から出てくる光を検知するために、開口部２１２の近傍に配置される。たとえば、少なくとも一つの減光フィルタ２１６が、光センサ２２０に到達する光の強度を制御するために、開口部２１２と光センサ２２０との間に配置される。光センサ２２０は、統合球体２１０で集められた反射光１６２Ｒのエネルギーを示す反射光信号ＳＲを発生し、当該反射光信号をコントローラ１７０に与える。

【0069】

再度図６を参照して、本実施の形態にかかるシステム１００は、ウエハ１０の上面２２の入射エネルギーを決定するように、最初の第２のレーザビーム１５２のエネルギーをリアルタイムで測定するように構成されているエネルギーセンサ２５０を含む。

【0070】

一例においては、エネルギーセンサ２５０が第２のレーザシステム１５０に組み込まれる。エネルギーセンサ２５０は、放出されたレーザのエネルギーを表す電気的なエネルギー信号ＳＰＳ（以下では、放出エネルギー信号）を発生し、図６の例においては、初期の第２のレーザビーム１５２の電力を表す。エネルギーセンサ２５０は、放出されたエネルギー信号ＳＰＳをコントローラ１７０に与える。

【0071】

なお、エネルギーセンサ２５０は、第２のレーザ１５１とウエハ１０の上面２２との間のどこに配置されてもよい。図６の形態においては、エネルギーセンサ２５０が走査光学システム１６０の上流側に配置され、走査光学システム１６０の透過率はウエハ１０の上面２２に正確に入射される第２のレーザビーム１６２のエネルギーを決定するために利用される。特に、走査光学システム１６０の透過率は、コントローラ１７０に与えられ、第２のレーザビーム１６２のエネルギーの計算に利用される。

【0072】

放出されたエネルギー信号ＳＰＳと反射光信号ＳＲとは、リアルタイムで測定される。２つの信号ＳＰＳおよびＳＲ（上述したような走査光学システム１６０の透過率に関するいかなる計算も含む。）を比較することによって、第２のイメージ１６６がウエハ１０の上面２２を走査する都度、放射率εが計算される。計算された放射率εは、ウエハ１０の上面２２に存在するパターンに起因する放射率の変化の動機となる、ウエハ表面の温度Ｔ_Ｓの局所的な測定結果を得るために利用される。これは、第２のレーザビーム１６２のエネルギーを制御する閉回路に、ウエハ表面の温度Ｔ_Ｓ（たとえば、ピークウエハ表面温度Ｔ_ＳＰ）を実質的に均一に保つことに基づいて、実質的に均一なアニールを実現するために、第２のイメージ１６６を形成させる。実施の形態においては、第２のレーザビーム１６２のエネルギーは、変調信号ＳＭをモジュラ１９８に送ることによって、コントローラ１７０によって制御される。モジュラ１９８は、第２のレーザ１５１と走査光学システム１６０との間の光学経路（たとえば、初期の第２のレーザビーム１５２）に配置される。

【0073】

このように、システム１００のある局面は、アニール中や第２のレーザビーム１６２の電力の量の調整中において、ピークのウエハ表面の温度Ｔ_ＳＰが比較的一定に維持されるように、ウエハ１０の上面２２のウエハ表面温度Ｔ_ＳＰを観測することを含む。
＜走査光学システム＞

【0074】

図８Ａから８Ｃは、走査光学システム１６０の一例の概略図であって、第２のレーザビーム１６２と対応する第２のイメージ１６６がウエハ１０の上面２２上で走査される様子を示す。図９は、他の視点（方向）から見た走査光学システム１６０を示し、一例において第２のレーザビーム１６２がウエハ１０の上面２２の面法線Ｎから角度θ_Ｂを形成するように走査光学システム１６０が構成されている様子を示す。θ_Ｂは、実質的にシリコンのブリュスター角度であって、約７５°である。走査光学システム１６０は、第２のレーザビーム１６２の中央の光によって定義される光学軸ＡＸ２を有する。

【0075】

図８Ａから８Ｂと図９とは、図１０Ａに示すように、走査される第２のレーザビーム１６２が唯一の採用されたアニールレーザビームとなるように、第２のレーザシステム１５０が唯一のレーザシステムとなっている、単一レーザアニールシステムを示すものである。このように、単一レーザビームの形態では、当該レーザの波長は、ウエハ１０の上面２２によって容易に吸収される波長の一つである。たとえば、λ_２は約３００ｎｍから約６５０ｎｍの範囲にあるか、または、吸収を容易にするためにウエハ１０の上面２２が他のレーザの放射によって予熱または前処理されることが要求されない波長を一般的に有している。

【0076】

図８Ａから８Ｃおよび図９は、２つのレーザビーム（たとえば、図６を参照。）のうちの一つを表すもので、図示を容易にするために第１のレーザビーム１３２を示していない。

【0077】

走査光学システム１６０は、一般的に「Ｆ−θ」構造を有するように配置された走査ミラー１６１Ｍと集束レンズ１６１Ｌを含む。しかし、第２のレーザビーム１６２は、走査経路１６７の全体を通してウエハ１０の上面２２に関してテレセントリックである必要はない。集束レンズ１６１Ｌは、光学軸ＡＸＦＬを有する。平行レンズ１６１Ｃは、第２のレーザ１５１の近傍に位置し、平行な最初の第２のレーザビーム１５２を形成する。ウエハ１０の上面２２から集束レンズ１６１Ｌまでの距離はＤＷとしている。比較的狭い第２のレーザビーム１６２のための集束レンズ１６１Ｌの開口数はＮＡとする。距離ＤＷの一例は１メートルである。ＮＡの一例は約０．１５である。走査ミラー１６１Ｍは、制御可能にミラードライバ１６４に接続されており、ミラードライバ１６４は制御可能にコントローラ１７０に接続されている。ミラードライバ１６４は、走査ミラー１６１Ｍを動作させる。たとえば、第２のレーザビーム１６２が、図８Ａのθ_２として示される、対応する選択された角度範囲を走査できるように、選択された角度範囲を通して走査ミラー１６１Ｍを素早く回転させる。一例として、第２のイメージ１６６がウエハ１０の最も広い部分をウエハ１０の一端から他端まで走査可能になるように、角度範囲θ_２が選択される。

【0078】

図８Ａは、第２のレーザビーム１６２が矢印ＡＲ２によって示される方向に走査されることによって、第２のレーザビーム１６２がウエハ１０の端部の近傍のウエハ１０の上面２２に第２のイメージ１６６を形成する状態における走査光学システム１６０を示す。図８Ｂは、第２のレーザビーム１６２が光学軸ＡＸＦＬに沿った方向に向き、第２のイメージ１６６がウエハ１０の端部間の中間付近となるように、走査ミラー１６１Ｍが回転する点を除いて、図８Ａと同様の図である。図８Ｃは、第２のレーザビーム１６２と第２のイメージ１６６とがウエハ１０の他の端部へと走査されるように、走査ミラー１６１Ｍが回転する点を除いて、図８Ａと同様である。

【0079】

一例として、第２のイメージ１６６が、各走査においてウエハ１０の上面２２の異なる部分を露出するように、あるいは少なくとも隣接する走査（すなわち、隣接する走査の重複部分がある。）においてウエハ１０の上面２２の新しい部分をカバーするように、ウエハ１０が走査方向と垂直な方向に移動する間、走査される第２のレーザビーム１６２が単に端部から端部まで走査する。同様に、第２のイメージ１６６によって走査されるように、第１のイメージ１３６はウエハ１０の上面２２の一部を予熱するために、第１のイメージ１３６は、走査経路１６７に沿って全体に延設されて固定され、あるいは第２のイメージ１６６と一緒に移動する。

【0080】

システム１００は、レーザアニールの応用の多様性のために採用される。たとえば、融解アニール処理が求められた場合、第２のレーザビーム１６２（アニールレーザビームとしての）は、約１μｓの滞留時間で基盤を熱して溶かすことに用いられる。準融解アニールへの応用が求められた場合、システム１００は滞留時間ｔ_Ｄが約１μｓから約１００μｓまでの範囲にあるように制御される。アニールへの応用のそれらの形式は、共に、システム１００における元々の温度測定能力から利益を得る。
＜フォトレジストアニール＞

【0081】

システム１００は、アニールフォトレジスト、特に、公称で露光波長が１３．５ｎｍのときに使用されるＥＵＶフォトレジストと、公称で露光波長が１９３ｎｍのときに使用されるＤＵＶフォトレジストとに、利用される。図１０Ｂは、図１０Ａと同様であって、ウエハ１０が、ウエハ１０の上面２２にＥＵＶまたはＤＵＶフォトレジスト層２７を含む実施の形態を示す。この例では、フォトレジスト層２７が、アニールされるべき層であって、ウエハ表面は単にフォトレジスト層２７をサポートするだけである。

【0082】

レーザアニールが、暴露光と線の端の粗さに対する感度の観点から、ＥＵＶおよびＤＵＶフォトレジスト層２７の性能を向上させることができることが示される。しかしながら、この性能の向上を達成するために重要なことは、アニールの温度均一性である。システム１００は、上記のフィードバック・ループを利用することによってアニール温度Ｔ_Ａの均一性を制御するように構成されているため、フォトレジストのレーザアニールが可能になる。このような応用は、増大したレジストの光感受性がフォトレジストを露出するために必要なＥＵＶエネルギーを減少させられる場合に、極紫外線（ＥＵＶ）リソグラフィーで使用されるフォトレジストをアニールするような特別な使用を見出すことができる。このように、本発明の態様は、上述したように、フォトレジスト層２７を有するウエハ１０上で、システム１００を利用することによって、高速のレーザアニールを実行することを含む。

【0083】

フォトレジストアニールにおいて、アニールの第２のレーザビーム１６２は、フォトレジスト層２７によって伝達される。フォトレジスト層２７が、アニール波長に対して透過性を有するからである。このように、ウエハ１０の下部の上面２２を温めることによって、フォトレジスト層２７がアニールされる。フォトレジスト層２７におけるアニール温度Ｔ_Ａは、約３００℃から約４００℃の範囲であって、滞留時間ｔ_Ｄは、１００μｓから１ｍｓの間にある。

【0084】

フォトレジスト層２７のアニールに関して重要な事項は、（与えられた滞留時間ｔ_Ｄに対して）求められている熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦを、熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦを原因として、シリコンウエハ１０の下部における光の光学吸収深さＤ_ＡＤに実質的に一致させることである。たとえば、フォトレジストレイヤー２７のレーザアニールのための条件は、光学吸収距離Ｄ_ＡＤが熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦよりも小さい（すなわち、Ｄ_ＡＤ＜Ｌ_ＤＩＦＦ）ということである。

【0085】

滞留時間ｔ_Ｄ＝１ｍｓにおいて、図２は、熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦが約１００ミクロンであることを示している。したがって、光学吸収深さＤ_ＡＤが１００ミクロン以下である１または複数のアニール波長を選択することが求められる。図３から、この条件は、室温にてアニール波長が９８０ｎｍよりも短い場合に満たされる。短い滞留時間（すなわち、滞留時間ｔ_Ｄ＝１０μｓであるような）において、熱拡散距離Ｌ_ＤＩＦＦ＝１０μｍとなる。１０μｍよりも短い光学吸収深さＤ_ＡＤに対応する波長は、約６５０ｎｍよりも短い波長である。アニールレーザの波長の例は、約３００ｎｍから約１０００ｎｍの範囲である。たとえば、フォトレジストアニール処理の温度均一性を制御するために、上述した、温度測定能力とフィードバック構成とが、システム１００に利用される。

【0086】

また、本発明の参考となるレーザアニールシステムおよび方法として、以下のものを挙げることができる。

【0087】

非常に短い滞留時間でウエハをアニールするためのレーザアニールシステムおよび方法が開示される。レーザアニールシステムは、１つあるいは少なくとも一部が重なる２つのレーザビームを含む。レーザビームの１つは、予熱レーザビームであって、もう１つのレーザビームは、アニールレーザビームである。アニールレーザビームは、滞留時間を約１μｓから約１００μｓの範囲にするために、十分に早い速度で走査する。これらの非常に短い滞留時間は、デバイスウエハのデバイス側がアニール処理中に熱によって破損することを防ぐことができるため、薄いデバイスウエハから形成される製品ウエハのアニールに有用である。単一のレーザビームのアニールシステムと方法の実施の形態も開示される。

【0088】

本発明の参考となる第１の態様は、ウエハ表面を有する半導体ウエハのアニールのための高速レーザアニールシステムである。高速レーザアニールシステムは、第１のレーザシステムと第２のレーザシステムを含む。第１のレーザシステムは、第１の波長で、ウエハ表面に第１のイメージを形成する。第１のイメージは、第２の波長による、光の吸収の量を増加させる。第２のレーザシステムは、第２の波長でウエハ表面に第２のイメージを形成する。第２のイメージは、少なくとも一部が、第１のイメージ内に位置する。第２のレーザシステムは、１μｓから１００μｓの間の滞留時間で、ウエハ表面の第２のイメージを走査する、走査光学システムを含む。これは、ウエハ表面を、３５０℃から１２５０℃の間のピークアニール温度Ｔ_ＡＰに到達させる。

【0089】

高速レーザアニールシステムは、さらに、熱放射検知システムと、集光システムと、エネルギーセンサと、コントローラとを含む。熱放射検知システムは、第２のイメージの位置におけるウエハ表面からの熱放射を検知し、電気的な熱放射信号を発生するように、制御可能に構成される。集光システムは、第２のイメージの位置のウエハ表面にて反射する第２のレーザビームからの反射光を集め、電気的な反射光信号を発生させるように、制御可能に構成される。エネルギーセンサは、第２のレーザビームのエネルギーを測定し、当該エネルギーを示す電気的なエネルギー信号を発生するように構成される。コントローラは、熱放射検知システムと、集光システムと、エネルギーセンサと、第２のレーザシステムとに、それらを制御可能に接続される。コントローラは、電気的な熱放射信号と電気的なエネルギー信号と電気的な反射光信号とを受信して処理し、第２のイメージの位置におけるウエハ表面温度Ｔ_Ｓを決定するように構成されている。

【0090】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、熱放射検知システムと走査光学システムとが、重複する光学経路部分を有する。

【0091】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、コントローラが、測定されたウエハ表面の温度Ｔ_Ｓに基づいて第２のレーザビームの出力量を制御するように構成されている。

【0092】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、第１のイメージと第２のイメージとが、半導体ウエハ上で＋／−３℃よりも変化しないピークアニール温度を生成する。

【0093】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、走査光学システムは、制御可能にミラードライバに接続されている走査ミラーを含む。ミラードライバは、制御可能にコントローラに接続され、コントローラに制御される。

【0094】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、第１の波長は、３００ｎｍから６５０ｎｍの範囲にある。

【0095】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、第２の波長は、５００ｎｍから１０．６ミクロンの範囲にある。

【0096】

好ましくは、高速レーザアニールシステムは、第２のレーザシステムは、５０ワットから５０００ワットの間のエネルギーを有するファイバーレーザーを含む。

【0097】

好ましくは、高速レーザアニールシステムでは、ａ）１０μｍから１００μｍ、またはｂ）５００μｍから１０００μｍの範囲の厚みを有するデバイスウエハを含む。

【0098】

本発明の参考となる第２の態様は、ウエハ表面を有する半導体ウエハのアニールの方法である。この方法は、第１の波長でウエハの表面に第１のイメージを形成することを含む。第１のイメージは、第２の波長における光の吸収量を増加させる。この方法は、第２の波長でウエハ表面に第２のイメージを形成することも含む。第２のイメージは、少なくとも一部が、第１のイメージ内に位置する。この方法は、１μｓから１００μｓの間の滞留時間に、ウエハ表面に第２のイメージを走査することも含む。これによって、ウエハ表面は、３５０℃から１２５０℃の間のピークアニール温度に到達する。

【0099】

好ましくは、この方法において、第１の波長は、３００ｎｍから６５０ｎｍの範囲にある。

【0100】

好ましくは、この方法において、第２の波長は、５００ｎｍから１０．６ミクロンの範囲にある。

【0101】

好ましくは、この方法は、走査された第２のイメージの位置において、ウエハ表面の温度Ｔ_Ｓを測定することをさらに含む。好ましくは、この方法は、ピークアニール温度Ｔ_ＡＰを＋／−３℃以内に維持するために第２のイメージを形成するための第２のレーザビームの出力量を制御することもさらに含む。

【0102】

好ましくは、この方法では、ウエハ表面温度Ｔ_Ｓを測定することは、第２のレーザビームのエネルギーを測定することを含む。好ましくは、ウエハ表面の温度Ｔ_Ｓを測定することは、走査された第２のイメージの位置から放射された熱放射量の測定も含む。好ましくは、ウエハ表面の温度Ｔ_Ｓを測定することは、第２のレーザビームの反射によって引き起こされる第２のイメージの位置からの反射光の量の測定も含む。ウエハ表面の温度Ｔ_Ｓを測定することは、キャリブレーション処理から得られるルックアップテーブルを用いることによって、ウエハ表面温度Ｔ_Ｓを計算することも含む。

【0103】

当業者には明白であるが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明に対して様々な修正及び変更を加えることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲内において本発明の修正及び変更を包含する。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9】

【図10A】

【図10B】