特許 5800654 レーザアニール装置、及び、レーザアニール方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5800654

(24)【登録日】2015年9月4日

(45)【発行日】2015年10月28日

(54)【発明の名称】レーザアニール装置、及び、レーザアニール方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/265 20060101AFI20151008BHJP

   H01L 21/268 20060101ALI20151008BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/265 602C

   H01L21/268 T

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2011-214338(P2011-214338)

(22)【出願日】2011年9月29日

(65)【公開番号】特開2013-74247(P2013-74247A)

(43)【公開日】2013年4月22日

【審査請求日】2013年11月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(74)【代理人】

【識別番号】100091340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 敬四郎

(74)【代理人】

【識別番号】100141302

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜飼 伸一

(72)【発明者】

【氏名】濱田 史郎

【審査官】 桑原 清

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−００３６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５０５９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０４０５４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２０２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−０７４７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０９７９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５９８６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

Ｈ０１Ｌ ２１／２６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザビームを出射するレーザ光源と、
半導体基板を保持し、第１の方向と平行な方向に移動させるステージと、
前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上に伝搬する伝搬光学系と、
ｎを３以上の整数とするとき、前記ステージに保持された半導体基板上に、前記第１の方向に沿って見た場合に画定されるｎ個の小領域に対し、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査させながら、前記半導体基板の中心位置を基準として、前記第１の方向に相対的に遠い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが、前記中心位置に相対的に近い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギよりも小さくなるように、レーザビームを入射させる制御装置と
を有するレーザアニール装置。

【請求項2】

前記中心位置が属する小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが第１の値であり、前記第１の方向と平行な方向に沿って見た場合に、端にある小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが第２の値であり、前記第１の値と前記第２の値の差を、前記第１の値の０．３％以上とする請求項１に記載のレーザアニール装置。

【請求項3】

前記半導体基板の中心を通り、前記第１の方向と平行な直線に沿ってみたとき、前記半導体基板の中心が属する小領域を、前記半導体基板の２０％〜７０％とする請求項１または２に記載のレーザアニール装置。

【請求項4】

（ａ）ｎを３以上の整数とするとき、半導体基板上に第１の方向に沿って見る場合に、ｎ個の小領域を画定し、レーザビームを、前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査させながら、前記半導体基板の中心位置を基準として、前記第１の方向に相対的に遠い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが、前記中心位置に相対的に近い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギよりも小さくなるように、レーザビームを入射させる工程と、
（ｂ）レーザビームの入射位置を、前記第１の方向と交差する第２の方向にずらず工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後に前記工程（ａ）を繰り返す工程と
を有するレーザアニール方法。

【請求項5】

前記中心位置が属する小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが第１の値であり、前記第１の方向と平行な方向に沿って見た場合に、端にある小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが第２の値であり、前記第１の値と前記第２の値の差を、前記第１の値の０．３％以上とする請求項４に記載のレーザアニール方法。

【請求項6】

前記半導体基板の中心を通り、前記第１の方向と平行な直線に沿ってみたとき、前記半導体基板の中心が属する小領域を、前記半導体基板の２０％〜７０％とする請求項４または５に記載のレーザアニール方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザビームを照射して、たとえば半導体基板に添加された不純物を活性化させるレーザアニール装置、及び、レーザアニール方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、パワーデバイスの製造において、半導体基板裏面に添加された不純物の活性化に、レーザビームを用いる方法が注目されている。

【0003】

たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(insulated gate bipolar transistor; IGBT)の製造においては、まず、シリコン基板の表側の表面に、エミッタ、ゲート等の構造を有するデバイスパターンを形成し、保護シートを貼り付けた後、裏面を削って基板を薄くし、裏面に不純物を注入する。シリコン基板の裏面には、フィールドストップ層となるｎ型不純物、たとえばリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）、更にコレクタ層となるｐ型不純物、たとえばホウ素（Ｂ）が注入される。その後、シリコン基板の裏面にレーザビームを照射することにより、注入した不純物を活性化する。

【0004】

ＩＧＢＴの製造において求められるシリコン基板は薄く、たとえば１００μｍ未満の厚さが要求される場合も生じるようになった。表側表面のデバイス特性が熱影響により劣化することを避けながら裏面に注入された不純物を活性化させるため、レーザアニールにおいては、表側表面を比較的低温に維持し、裏面をシリコンの融点前後に加熱する必要がある。このため、パルスレーザビームを用いて活性化アニールを行う際には、波長及びパルス幅の短いレーザビームが使用され、連続波のレーザビームを用いて活性化アニールを行う場合には、レーザビームの高速スキャンが採用される。

【0005】

最近、基板裏面の、より深い位置に添加された不純物の活性化が要望されはじめ、シリコンに対する浸入長が長い長波長レーザの採用や、パルス幅の長いレーザの採用が検討されている。

【0006】

レーザアニールを用いてガラス基板上に形成した結晶性シリコン膜を使用し、マトリクス状に配置するＴＦＴを作製した場合、その閾値電圧は、基板面内においてＵ字型の分布を示す。レーザアニール時に、ガラス基板をステージ上に平坦化して載置することで、シリコン膜に対して均一なレーザ照射を行い、ＴＦＴの閾値電圧を基板面内で均一化するレーザアニール方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平９−６３９８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

半導体基板（シリコンウエハ）のレーザアニールの結果を示す指標として、所定深さにおける不純物の活性化率と、ウエハ面内における不純物活性化率の均一度とを挙げることができる。

【0009】

ウエハ面内における不純物活性化率の均一度を高めるために、照射面におけるレーザビームの強度分布を均一化し、トップハット分布とする方法が実施されている。しかしながらレーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るということがわかった。また、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して１％弱の差があるということもわかった。

【0010】

本発明の目的は、半導体基板面内における不純物の活性化率の均一度を高めることのできるレーザアニール装置、及び、レーザアニール方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一観点によると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
半導体基板を保持し、第１の方向と平行な方向に移動させるステージと、
前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された半導体基板上に伝搬する伝搬光学系と、
ｎを３以上の整数とするとき、前記ステージに保持された半導体基板上に、前記第１の方向に沿って見た場合に画定されるｎ個の小領域に対し、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査させながら、前記半導体基板の中心位置を基準として、前記第１の方向に相対的に遠い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが、前記中心位置に相対的に近い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギよりも小さくなるように、レーザビームを入射させる制御装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。

【0012】

また、本発明の他の観点によると、
（ａ）ｎを３以上の整数とするとき、半導体基板上に第１の方向に沿って見る場合に、ｎ個の小領域を画定し、レーザビームを、前記半導体基板上において前記第１の方向と平行な方向に走査させながら、前記半導体基板の中心位置を基準として、前記第１の方向に相対的に遠い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギが、前記中心位置に相対的に近い小領域の単位面積当たりに投入するエネルギよりも小さくなるように、レーザビームを入射させる工程と、
（ｂ）レーザビームの入射位置を、前記第１の方向と交差する第２の方向にずらず工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後に前記工程（ａ）を繰り返す工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、半導体基板面内における不純物の活性化率の均一度を高めることのできるレーザアニール装置、及び、レーザアニール方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１Ａは、シリコンウエハ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図であり、図１Ｂは、レーザビーム照射後のシリコンウエハ面内のシート抵抗値分布を示す概略図であり、図１Ｃは、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を示すグラフである。

【図2】図２は、第１の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。

【図3】図３Ａ〜図３Ｅは、シリコンウエハ６０上におけるエリアの画定態様を示す概略的な平面図である。

【図4】図４Ａ〜図４Ｃは、エリア４４〜４８の画定態様について示す概略的な平面図である。

【図5】図５Ａは、第２の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図であり、図５Ｂは、チャックプレート７３の平面図である。

【図6】図６は、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。

【図7】図７は、エリア７７〜７９の他の画定態様を示す概略的な平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

レーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るという点、及び、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して１％弱の差があるという点に関し、本願発明者は、二つの調査を行った。

【0016】

まず、通常のレーザアニールにおけるレーザ強度より強い強度でレーザビームを照射し、デバイスダメージの発生分布を調べた（第１の調査）。一定の強度のレーザビームを半導体ウエハ上にスキャンしたところ、ウエハ周辺部のデバイスは中央部のデバイスに比べ、熱ダメージを受けた。このことからレーザアニール時、シリコンウエハの表側の表面において、周辺部は中央部より温度が高くなっていることがわかった。

【0017】

次に、本願発明者は、レーザアニール後のシート抵抗値のウエハ面内分布、及び、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を調べた（第２の調査）。

【0018】

図１Ａは、シリコンウエハ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。ホウ素（Ｂ）を４５ｋｅＶのエネルギ、１．０Ｅ＋１５／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入した、たとえば直径６インチの円形のシリコンウエハをアニール対象として準備し、入射領域がＸ軸方向に２．５ｍｍ、Ｙ軸方向に０．３ｍｍの矩形状となるように整形され、その入射領域においてパワー密度を均一化したレーザパルスを、本図に示す態様でスキャンしながら、シリコンウエハ上に照射した。シリコンウエハの右端（Ｘ軸正方向端部）からレーザ照射を開始し、スキャン方向をＹ軸方向、ステップ方向をＸ軸負方向として、シリコンウエハにレーザビームを照射した。すなわちレーザビームをスキャン方向に走査し、走査した方向（たとえばＹ軸正方向）のウエハ端部までレーザビームを照射したら、ステップ方向にビームの入射位置をずらした後、再びレーザビームをスキャン方向（たとえばＹ軸負方向）に沿って、他方のウエハ端部まで走査し、走査し終えたらステップ方向にビームの入射位置をずらす。これを繰り返して、シリコンウエハ全面にレーザビームを入射させる。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向へのレーザビームの重複率は、たとえばともに８０％である。

【0019】

図１Ｂは、レーザビーム照射後のシリコンウエハ面内のシート抵抗値分布を示す概略図である。シート抵抗値の変化率の絶対値は、Ｙ軸方向（スキャン方向に平行な方向）に大きくＸ軸方向（ステップ方向に平行な方向）に小さい。また、シリコンウエハの中心を基準として、Ｙ軸方向に離れるにつれ、シート抵抗値は低くなる。このため、シリコンウエハの中心を基準としたとき、Ｙ軸正方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸正方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も低いシート抵抗値を示し、Ｙ軸負方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸負方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も低いシート抵抗値を示す。

【0020】

図１Ｃは、シート抵抗値とウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、ウエハ上に照射されるレーザビームのパワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ^２」で表し、グラフの縦軸は、シート抵抗値を単位「ｋΩ／□」で表す。本グラフに示す結果を得るための実験においては、ホウ素（Ｂ）を４０ｋｅＶのエネルギ、１．０Ｅ＋１３／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入したシリコンウエハをアニール対象とした。

【0021】

本図に示す結果から、レーザビームのパワー密度が大きいほどシート抵抗値は低くなることがわかる。すなわちシリコンウエハの温度とシート抵抗値との間には相関関係があり、シリコンウエハの温度が高いほどシート抵抗値は低くなる。

【0022】

図１Ｂ及び図１Ｃに示す結果から、ウエハ温度の変化率の絶対値は、Ｙ軸方向に大きくＸ軸方向に小さい、また、シリコンウエハの中心を基準として、Ｙ軸方向に離れるにつれ、ウエハ温度は高くなる、このため、シリコンウエハの中心を基準としたとき、Ｙ軸正方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸正方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も高い温度を示し、Ｙ軸負方向側においては、シリコンウエハの中心からＹ軸負方向にのびる半径方向の端部を含むウエハ上の周辺領域が最も高い温度を示す、ということがわかる。これは、デバイスの受けた熱ダメージから得られた、ウエハの周辺部は中央部より温度が高いという第１の調査結果と比較した場合、全体として符合する、より詳細な調査結果である。また、この調査結果によれば、ウエハ中央部とウエハ周辺部とではデバイス特性に差があり、たとえば中央部は周辺部に比べてデバイス特性が劣るという事実を説明可能である。

【0023】

なお、シリコンウエハの温度が高いほどシート抵抗値は低くなるという関係から、デバイス特性の分布の一時評価が、シート抵抗値の分布で可能であることもわかる。

【0024】

本願発明者は、レーザビームのプロファイルをトップハット分布とし、ウエハ面内の投入エネルギを位置によらず一定としてレーザ照射を行った場合でも、たとえば１ショットのレーザパルスの入射領域がシリコンウエハに対して小さいことが一因となって、ウエハ面内に不均一な温度分布及び不純物活性化率の分布が生じ、その分布に対応したデバイス特性の不揃いが発生する、と考えた。

【0025】

図２は、第１の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。第１の実施例によるレーザアニール装置は、レーザ光源５０、アッテネータ５１、ビーム整形光学系５２、折り返しミラー５３、フォーカスレンズ５４、ステージ５５、及び制御装置５６を含む。

【0026】

レーザ光源５０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器及び非線形光学結晶を含み、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）であるパルスレーザビームを、繰り返し周波数３ｋＨｚで出射する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザに限らず、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザの２倍高調波（緑色の波長領域の光）を用いてもよい。また、たとえば波長８００ｎｍ〜１０００ｎｍ、一例として８０８ｎｍの半導体レーザを使用することもできる。

【0027】

ステージ５５はたとえばＸＹステージであり、アニール対象物である半導体基板（シリコンウエハ６０）を保持し、水平面内（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させることができる。

【0028】

シリコンウエハ６０は、たとえばＩＧＢＴ製造の一工程に現れる半導体基板であり、表側の表面にはデバイスパターンが形成され、裏面からボロン(Ｂ)等の不純物が添加されている。シリコンウエハ６０は、たとえば直径が６インチ〜８インチの円形状、厚さは約１００μｍである。第１の実施例によるレーザアニール装置を用いて、シリコンウエハ６０の裏側表面にレーザビームを照射することにより、添加された不純物を活性化する。

【0029】

アッテネータ５１、ビーム整形光学系５２、折り返しミラー５３、及び、フォーカスレンズ５４は、伝搬光学系を構成する。伝搬光学系は、レーザ光源５０を出射したレーザビームをステージ５５上に保持されたシリコンウエハ６０上に伝搬する。アッテネータ５１は、入射したレーザビームのエネルギを減衰率可変に減衰して出射する。ビーム整形光学系５２、たとえばホモジナイザは、レーザ照射面（シリコンウエハ６０の裏側表面）におけるレーザビームの入射領域を矩形状に整形するとともに、入射領域におけるレーザビームの強度分布を均一化する。

【0030】

レーザ光源５０を出射したパルスレーザビームは、アッテネータ５１により所定の減衰率でエネルギを減衰された後、ビーム整形光学系５２、折り返しミラー５３、フォーカスレンズ５４を経由して、シリコンウエハ６０上に伝搬される。シリコンウエハ６０上におけるレーザビームの入射領域は、たとえばＸ軸方向に２．５ｍｍ、Ｙ軸方向に０．３ｍｍの矩形状である。

【0031】

第１の実施例によるレーザアニール装置は、また、制御装置５６を含む。制御装置５６は、レーザ光源５０に電流信号を与えることで、レーザ光源５０からのレーザビームの出射を制御する。与える電流の大きさで出射するレーザビームのエネルギも制御することができる。また、アッテネータ５１の減衰率を変化させることが可能である。また、ステージ５５の動作を制御する。ステージ５５に保持されたシリコンウエハ６０を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向へ移動させ、シリコンウエハ６０上におけるレーザビームの入射位置を制御することができる。

【0032】

シリコンウエハ６０上におけるレーザビームのスキャン態様は図１Ａに示す通りである。制御装置５６でステージ５５を制御し、レーザビームを照射しながら、シリコンウエハ６０の裏側表面における矩形状ビーム断面の短軸方向（Ｙ軸方向）にシリコンウエハ６０を移動させることにより、ビーム断面の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さを幅とする帯状の領域をアニールすることができる。シリコンウエハ６０を、ビーム断面の長軸方向にずらして帯状の領域をアニールする処理を繰り返すことにより、シリコンウエハ６０の全面をアニールする。長軸方向、短軸方向へのレーザビームの重複率は、たとえばともに８０％である。なお、ずらす方向はビーム断面の短軸方向と交差する方向であればよい。

【0033】

第１の実施例によるレーザアニール装置においては、制御装置５６がシリコンウエハ６０上に、位置によって異なるパルスエネルギ密度でレーザビームを入射させる。具体的には、シリコンウエハ６０のレーザ照射面に、Ｙ軸方向（レーザビームの走査方向）に沿って、３つ以上、一例として３つのエリアを画定し、同一エリア内では等しいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、少なくとも２以上のエリアでパルスエネルギ密度を異ならせる。

【0034】

図３Ａ〜図３Ｅは、シリコンウエハ６０上におけるエリアの画定態様を示す概略的な平面図である。図３Ａ〜図３Ｅには、シリコンウエハ６０上のレーザ照射領域を３つのエリア４１〜４３に分割する例を示した。

【0035】

図３Ａには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、（シリコンウエハ６０の中心を通り、Ｙ軸に平行な直線に沿ってみたとき、）シリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の４０％の領域がエリア４１に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む２０％の領域がエリア４２に属し、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の４０％の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を定める例を示した。制御装置５６は、エリア４２には、相対的に高い２Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームが照射され、エリア４１及び４３には、相対的に低い１．９Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームが照射されるように、レーザ光源５０またはアッテネータ５１を制御する。

【0036】

たとえば制御装置５６は、エリア４２にレーザビームを入射させるときには、レーザ光源５０に相対的に大きな電流信号を与え、出射されるレーザビームのパルスエネルギを相対的に大きくする。また、エリア４１、４３にレーザビームを入射させるときには、レーザ光源５０に相対的に小さな電流信号を与え、出射されるレーザビームのパルスエネルギを相対的に小さくする。あるいは、エリア４２にレーザビームを入射させるときには、アッテネータ５１の減衰率を小さくし、エリア４１、４３にレーザビームを入射させるときには、アッテネータ５１の減衰率を大きくしてもよい。

【0037】

第１の実施例によるレーザアニール装置を用いて、レーザアニール時に温度が相対的に高くなるシリコンウエハ６０上の周辺領域（エリア４１、４３）については、相対的に小さいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射して、単位面積当たりに照射されるレーザビームのエネルギ（単位面積当たりの投入エネルギ）を相対的に小さくする。また、レーザアニール時に温度が相対的に低くなるシリコンウエハ６０上の中央領域（エリア４２）については、相対的に大きいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射して、単位面積当たりの投入エネルギを相対的に大きくする。このようにレーザアニールを行うことで、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率及びデバイス特性の均一度を高めることができる。

【0038】

図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、それぞれシリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の３３％、２５％、１５％の領域がエリア４１に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む３３％、５０％、７０％の領域がエリア４２に属し、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の３３％、２５％、１５％の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を定める例を示した。このようにエリア４１〜４３を画定し、エリア４２には相対的に大きいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア４１、４３には相対的に小さいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射しても、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率の均一度を高めることができる。

【0039】

図３Ａ〜図３Ｄに示すように、エリア４２は、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心を含む２０％〜７０％の領域がエリア４２に属するように画定されればよい。

【0040】

図３Ｅには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の１５％の領域がエリア４１に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む６０％の領域がエリア４２に属し、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の２５％の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を定める例を示した。このようにエリア４１とエリア４３に属するシリコンウエハ６０の割合は、等しくなくてもよい。ただし実施例のように、シリコンウエハ６０を、エリア４１〜４３の３つの領域に分割する場合、シリコンウエハ６０のＹ軸正方向側の１５％以上の領域がエリア４１に属し、かつ、シリコンウエハ６０のＹ軸負方向側の１５％以上の領域がエリア４３に属するように、エリア４１〜４３の境界線を画定する。

【0041】

第１の実施例においては、エリア４１、４３には、１．９Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア４２には、２・０Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射した。ここで照射するレーザビームのパルスエネルギ密度、結果的にはシリコンウエハ６０の単位面積当たりに投入するエネルギについて考察する。

【0042】

先に述べたように、シリコンウエハ６０上の位置によって投入するエネルギに差を設けずにアニールを行った場合、中央部と周辺部とではデバイス特性に、シート抵抗値に換算して１％弱の差があるということがわかっている。このことからエリア４１、４３とエリア４２とに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度は、たとえばエリア４２に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を基準としたとき、エリア４１、４３に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を、その１％以上小さくすれば、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率の均一度を高めることができるであろう。また、０．３％以上小さくすることによっても、シリコンウエハ６０面内における不純物の活性化率の均一度向上の効果は得られるであろう。

【0043】

シリコンウエハ６０面内（シリコンウエハ６０のレーザ照射領域）を、３を超える数のエリアに分割することもできる。図４Ａ〜図４Ｃは、エリア４４〜４８の画定態様について示す概略的な平面図である。

【0044】

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、シリコンウエハ６０面内を、５つの領域に分割することも可能である。

【0045】

図４Ａには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の最もＹ軸正方向側（Ｙ軸正方向側の端部）の５％の領域がエリア４４に属し、それに隣接する１０％の領域がエリア４５に属し、シリコンウエハ６０の中心を含む７０％の領域がエリア４６に属し、Ｙ軸負方向側でそれと隣接する１０％の領域がエリア４７に属し、シリコンウエハ６０の最もＹ軸負方向側（Ｙ軸負方向側の端部）の５％の領域がエリア４８に属するように、エリア４４〜４８の境界線を定める例を示した。

【0046】

このように５つの領域に分割するとき、たとえばエリア４４及び４８には、１．９Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームが照射され、エリア４５及び４７には、１．９５Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームが照射され、エリア４６には、２．０Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームが照射されるように、制御装置５６は、ステージ５５によるシリコンウエハ６０の移動と、レーザ光源５０から出射されるレーザビームのパルスエネルギの増減またはアッテネータ５１の減衰率の変化とを同期させる制御を行う。

【0047】

図４Ｂには、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０のそれぞれ２０％の領域がエリア４４〜４８に属するように、エリア４４〜４８の境界線を定める例を示した。各エリア４４〜４８に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度は、たとえば図４Ａに示す境界線画定態様の場合と等しい。

【0048】

図４Ａには、シリコンウエハ６０の中心を含む７０％の領域がエリア４６に属する例を示し、図４Ｂには、シリコンウエハ６０の中心を含む２０％の領域がエリア４６に属する例を示した。シリコンウエハ６０を、３を超える数の領域に分割する場合も、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心を含む領域を、シリコンウエハ６０全体の２０％〜７０％とする。

【0049】

また、シリコンウエハ６０を、３を超える数の領域に分割する場合、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心位置を基準として、Ｙ軸方向側に離れているエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を、中心位置を含む、または中心位置に近いエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度以下とする。更に、ｎが３の場合と同様に、シリコンウエハ６０の中心が属するエリア４６に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度と、最もＹ軸正方向側（Ｙ軸正方向側の端部）のエリア４４に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度との差を、エリア４６に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を基準として、その０．３％以上とする。１％以上としてもよい。エリア４６と、最もＹ軸負方向側（Ｙ軸負方向側の端部）のエリア４８とのパルスエネルギ密度の差についても同様である。

【0050】

図４Ｃには、シリコンウエハ６０を、４つの領域に分割する例を示した。本図に示す例においては、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の最もＹ軸正方向側（Ｙ軸正方向側の端部）の１５％の領域がエリア４４に属し、それに隣接する３５％の領域がエリア４５に属し、更にそれにＹ軸負方向側で隣接する３５％の領域がエリア４６に属し、シリコンウエハ６０の最もＹ軸負方向側（Ｙ軸負方向側の端部）の１５％の領域がエリア４７に属するように、エリア４４〜４７の境界線を定める例を示した。

【0051】

シリコンウエハ６０の中心位置Ｃは、エリア４５とエリア４６の境界線上にあるが、このような場合は、中心位置Ｃは、エリア４５、エリア４６の双方に属するものと考える。

【0052】

図４Ｃに示すように、シリコンウエハ６０上に、エリア４４〜４７の４つの領域を画定するとき、たとえばエリア４５及び４６には、２．０Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア４４及び４７には、１．９Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射する。

【0053】

シリコンウエハ６０を、たとえば偶数の領域に分割し、シリコンウエハ６０の中心位置Ｃが二つの領域の境界線上にある（中心位置Ｃはその二つの領域に属する）場合も、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心を含む領域（図４Ｃにおいてはエリア４５及び４６）の合計を、２０％〜７０％とする。

【0054】

また、Ｙ軸に平行な直径方向についてみたとき、シリコンウエハ６０の中心位置を基準として、Ｙ軸方向側に離れているエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を、中心位置を含む、または中心位置に近いエリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度以下とする。更に、シリコンウエハ６０の中心が属するエリア４５、４６と、最もＹ軸方向側（Ｙ軸方向側の端部）のエリア４４、４７とのパルスエネルギ密度の差を、エリア４５、４６に照射するレーザビームのパルスエネルギ密度の０．３％以上とする。１％以上としてもよい。

【0055】

分割エリア数を多くし、各エリアに照射するレーザビームのパルスエネルギ密度を調整することで、シリコンウエハ６０の温度を細かく制御し、より均一度を高めることができる。

【0056】

図５Ａは、第２の実施例によるレーザアニール装置を示す概略図である。第２の実施例によるレーザアニール装置は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波を、繰り返し周波数３ｋＨｚで出射するレーザ光源８９、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを保持するステージ９５、及び、レーザ光源８９を出射したレーザビームをステージ９５上に保持されたシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上に伝搬する伝搬光学系を含む。

【0057】

ステージ９５は、ベース７０、θステージ７２、チャックプレート７３、及び、駆動機構７１を含む。θステージ７２はベース７０上に、また、チャックプレート７３はθステージ７２上に、それぞれたとえば水平面（ＸＹ平面）に平行に配置される。駆動機構７１は、たとえばモータ及びベアリングを含み、θステージ７２及びその上に固定的に配置されたチャックプレート７３を、Ｚ軸に平行な回転軸ｌの周囲に回転させる。回転方向は、たとえばθステージ７２をＺ軸正方向から見たとき、反時計回りである。チャックプレート７３は、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを吸着して保持することができる。シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆは、第１の実施例におけるシリコンウエハ６０と同様のアニール対象物である。

【0058】

第１の実施例によるレーザアニール装置と同様に、伝搬光学系は、アッテネータ９０、ビーム整形光学系９１、折り返しミラー９２、及びフォーカスレンズ９３を備える。ビーム整形光学系９１、折り返しミラー９２、及びフォーカスレンズ９３は、鏡筒９４の内部に固定的に配置されている。

【0059】

第２の実施例によるレーザアニール装置は、更に、支柱８５、ベース８６、Ｙステージ８８、ガイド８７ａ、８７ｂ、及び、駆動機構８７ｃを含む。

【0060】

ベース８６は、支柱８５によって一定高さに支持される。ベース８６上に、Ｙ軸方向に沿って移動可能にＹステージ８８が保持される。Ｙステージ８８には、たとえばモータ、ボールスクリュー、及びベアリングを含む駆動機構８７ｃが設けられている。また、ベース８６とＹステージ８８との間には、ガイド８７ａ、８７ｂが設置されている。Ｙステージ８８は、駆動機構８７ｃにより、ガイド８７ａ、８７ｂに沿ってＹ軸方向に移動可能である。

【0061】

Ｙステージ８８上に、レーザ光源８９及び伝搬光学系が配置されている。なお、鏡筒９４がＹステージ８８とともに移動可能であればよく、レーザ光源８９及びアッテネータ９０は、Ｙステージ８８上に配置されなくてもよい。

【0062】

図５Ｂに、チャックプレート７３の平面図を示す。チャックプレート７３は、Ｚ軸正方向から見たとき、たとえば円形状である。円の中心は、θステージ７２の回転軸ｌ上にある。チャックプレート７３上には、円形のシリコンウエハを載置する位置（ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆ）が画定されている。ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆはたとえば円形であり、各載置位置７３ａ〜７３ｆにシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆが載置される。各載置位置７３ａ〜７３ｆの中心位置（シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの中心位置）は、チャックプレート７３の中心から等距離にあり、各載置位置７３ａ〜７３ｆの中心を結ぶと正六角形が形成される。

【0063】

レーザ光源８９を出射したパルスレーザビームは、アッテネータ９０、ビーム整形光学系９１、折り返しミラー９２、フォーカスレンズ９３を経由して、ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆに載置され、θステージ７２によって回転軸ｌの周囲に回転されているシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上に伝搬される。シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるレーザビームの入射領域は、たとえば回転半径方向に２．５ｍｍ、回転円周方向に０．３ｍｍの矩形状である。

【0064】

第２の実施例によるレーザアニール装置は、また、制御装置９６を含む。制御装置９６は、第１の実施例における制御装置５６と同様に、レーザ光源８９からのパルスレーザビームの出射タイミング、出射されるレーザビームのパルスエネルギ、及び、アッテネータ９０の減衰率を制御する。更に、θステージ７２による、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの回転方向への移動、及び、Ｙステージ８８による鏡筒９４の移動を制御する。

【0065】

制御装置９６は、θステージ７２でシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを、回転軸ｌの周囲に回転させることで、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるレーザビームの入射位置を回転方向と平行な方向（回転方向と反対方向）に移動させる。

【0066】

図６は、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ上におけるレーザビームのスキャン態様を示す概略図である。レーザビームは、たとえばまずチャックプレート７３の中心から最も遠い位置のシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの端部領域に照射される。本図にはレーザアニール開始時のレーザビームの入射領域にＬの符号を付して示した。θステージ７２で、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを保持したチャックプレート７３を回転軸ｌの周囲に１回転することにより、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々の、チャックプレート７３の中心から最も遠い端部について、ビーム断面の長軸方向（回転半径方向）の長さを幅とする帯状の領域を、回転円周方向に沿ってアニールすることができる。レーザパルスの重複率は、たとえば回転円周方向に８０％である。

【0067】

なお、回転に伴って、レーザビーム入射領域Ｌの位置に、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ以外のチャックプレート７３上の位置が配置されるときには、制御装置９６は、レーザ光源８９に印加する信号を停止し、レーザ光源８９からのレーザビームの出射を停止させる。

【0068】

制御装置９６は、θステージ７２でシリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを、回転軸ｌの周囲に１回転させた後、Ｙステージ８８をＹ軸正方向（ビーム断面の長軸方向）に、たとえば０．５ｍｍ移動させる。鏡筒９４がＹ軸正方向に０．５ｍｍ移動し、レーザビーム入射領域ＬもＹ軸正方向に０．５ｍｍ移動する。レーザビームを照射しながら、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆを回転軸ｌの周囲に１回転させた後、レーザビーム入射領域Ｌを回転半径の内側方向に移動させる処理を繰り返すことにより、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々の全面をアニールする。

【0069】

第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々のレーザ照射面に画定された３以上のエリアについて、同一エリア内では等しいパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、少なくとも２以上のエリアでパルスエネルギ密度を異ならせる。

【0070】

図６においては、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々上に、エリア７７〜７９が画定される例を示した。エリア７７〜７９は、それぞれ、θステージ７２及びチャックプレート７３の回転方向と平行な方向に直交する一方向、本図に示す例では、チャックプレート７３の中心と、ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆの中心を結ぶ直線の延在方向（回転半径方向）と直交する方向に沿って画定されている。すなわち、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々上におけるエリア７７〜７９の境界線は、チャックプレート７３の中心と、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの各々の中心を結ぶ直線と平行に画定されている。ウエハ載置位置７３ａ〜７３ｆの中心位置（シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆの中心位置）は、回転方向と平行な方向に直交する一方向と直交する方向に関して端のエリア７７、７９には属さず、中央のエリアであるエリア７８に属する。なお、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆは、回転方向と平行な方向に沿って見た場合に、３つの領域（エリア７７〜７９）に分けられるような態様で境界線が画定されている。本図に示すエリア７７〜７９の画定態様は、そのようなエリア画定態様の一例である。

【0071】

第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、エリア７７、７９には、１．９Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射し、エリア７８には、２．０Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射する。

【0072】

第２の実施例によるレーザアニール装置を用いても、シリコンウエハ６０ａ〜６０ｆ面内における不純物の活性化率及びデバイス特性の均一度を高めることができる。なお、エリア間におけるパルスエネルギ密度の差や、エリアの分割数、エリアの境界線画定位置等については、第１の実施例の場合と同様である。

【0073】

図７は、エリア７７〜７９の他の画定態様を示す概略的な平面図である。図６に示す例においては、θステージ７２及びチャックプレート７３の回転方向と平行な方向に直交する一方向と直交する方向に沿ってエリア７７〜７９を画定したが、図７に示す例においては、回転方向と平行な方向に沿って、エリア７７〜７９が画定される。

【0074】

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

【0075】

たとえば、実施例においては、パルスレーザビームを用いて、シリコンウエハに添加された不純物を活性化させるレーザアニールを行ったが、連続波のレーザビームを使用することもできる。

【0076】

また、実施例においては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波を、繰り返し周波数３ｋＨｚで出射し、走査方向、ステップ方向ともに８０％の重複率でシリコンウエハに入射させた。シリコンウエハの中心位置を含むエリアには、２．０Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射した。波長８０８ｎｍの半導体レーザを用い、繰り返し周波数を１ｋＨｚ、重複率を５０％としてもよい。たとえば、シリコンウエハの中心位置を含むエリアには、４．０Ｊ／ｃｍ^２のパルスエネルギ密度でレーザビームを照射する。なお、固体レーザの２倍高調波を用いる場合も、半導体レーザを用いる場合も、重複率は、走査方向、ステップ方向ともに５０％以上あればよい。

【0077】

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

【符号の説明】

【0078】

４１〜４８ エリア
５０ レーザ光源
５１ アッテネータ
５２ ビーム整形光学系
５３ 折り返しミラー
５４ フォーカスレンズ
５５ ステージ
５６ 制御装置
６０、６０ａ〜６０ｆ シリコンウエハ
７０ ベース
７１ 駆動機構
７２ θステージ
７３ チャックプレート
７３ａ〜７３ｆ ウエハ載置位置
７７〜７９ エリア
８５ 支柱
８６ ベース
８７ａ、８７ｂ ガイド
８７ｃ 駆動機構
８８ Ｙステージ
８９ レーザ光源
９０ アッテネータ
９１ ビーム整形光学系
９２ 折り返しミラー
９３ フォーカスレンズ
９４ 鏡筒
９５ ステージ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】