特許 7428481 レーザアニール方法及びレーザ制御装置

(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】

(24)【登録日】2024-01-29

(45)【発行日】2024-02-06

(54)【発明の名称】レーザアニール方法及びレーザ制御装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/268 20060101AFI20240130BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20240130BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20240130BHJP

   H01S 3/11 20230101ALI20240130BHJP

【ＦＩ】

H01L21/268 T

H01L21/265 602C

H01L21/268 J

H01S3/00 A

H01S3/11

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019107012

(22)【出願日】2019-06-07

(65)【公開番号】P2020202242

(43)【公開日】2020-12-17

【審査請求日】2022-04-20

(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

(72)【発明者】

【氏名】岡田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】萬 雅史

【審査官】桑原 清

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２１２５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３４９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－００９６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５３２５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２７７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１７８９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１５６７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１８９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０４１０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１０３９５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２６８

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

Ｈ０１Ｓ ３／００

Ｈ０１Ｓ ３／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体ウエハに周期的に緑色の波長域のパルスレーザビームのレーザパルスを入射させ、ビームスポットの領域が、直前のレーザパルスのビームスポットの領域と部分的に重なるように前記半導体ウエハに対してビームスポットを移動させながらアニールする方法において、パルスの繰返し周波数を１００ｋＨｚ以上とし、パルス幅を１０ｎｓ以上１００ｎｓ以下にし、直前のレーザパルスの入射による前記半導体ウエハの表面の温度の上昇幅の９９％に相当する温度幅だけ低下する時点より前に、次の周期のレーザパルスを入射させるレーザアニール方法。

【請求項2】

直前のレーザパルスの入射による前記半導体ウエハの表面の温度の上昇幅の９５％に相当する温度幅だけ低下する時点より前に、次の周期のレーザパルスを入射させる請求項１に記載のレーザアニール方法。

【請求項3】

さらに、パルスの繰返し周波数を１５０ｋＨｚ以下とする請求項１または２に記載のレーザアニール方法。

【請求項4】

緑色のパルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたパルスレーザビームが入射する位置に半導体ウエハを保持する保持テーブルと、
前記半導体ウエハに対してパルスレーザビームのビームスポットを移動させる走査機構と
を備えたレーザアニール装置を制御するレーザ制御装置であって、
パルスの繰返し周波数を１００ｋＨｚ以上とし、パルス幅を１０ｎｓ以上１００ｎｓ以下にし、ビームスポットの領域が、直前のレーザパルスのビームスポットの領域と部分的に重なるように前記半導体ウエハに対してビームスポットを移動させながら直前のレーザパルスの入射による前記半導体ウエハの表面の温度の上昇幅の９９％に相当する温度幅だけ低下する時点より前に、次の周期のレーザパルスを入射させるように前記レーザ光源及び前記走査機構を制御するレーザ制御装置。

【請求項5】

さらに、パルスの繰返し周波数を１５０ｋＨｚ以下とする請求項４に記載のレーザ制御装置。

【請求項6】

前記レーザ光源は、ファイバレーザ発振器またはモードロックレーザ発振器を含む請求項４または５に記載のレーザ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザアニール方法及びレーザ制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

不純物をドープしたシリコンウエハ等の半導体ウエハの再結晶化及び活性化を行うために、半導体ウエハを加熱（アニール）する必要がある。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の製造工程に、半導体ウエハの一方の面（非照射面）に回路素子を形成した後、他方の面（照射面）に不純物をドープしてアニールを行う工程がある。このとき、既に形成されている回路素子を保護するために、非照射面の温度上昇を抑制することが望まれる。

【0003】

照射面を十分加熱し、かつ非照射面の温度上昇を抑制するために、照射面にレーザ光を照射するレーザアニールが用いられる（例えば、特許文献１等）。アニール用のレーザ発振器として、連続発振（ＣＷ）レーザ、またはＱスイッチレーザやエキシマレーザ等のパルスレーザが用いられる。特許文献１には、レーザダイオード励起全個体パルスレーザ発振器を用いたレーザアニール技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－１１４０５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

半導体ウエハの厚さが薄くなると、半導体ウエハの非照射面の温度上昇を抑制するとともに、照射面の温度を十分高くするためのレーザ照射条件がより厳しくなる。本発明の目的は、半導体ウエハの非照射面の温度上昇を抑制するとともに、照射面を効率的に加熱することが可能なレーザアニール方法及びレーザ制御装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一観点によると、
半導体ウエハに周期的に緑色の波長域のパルスレーザビームのレーザパルスを入射させ、ビームスポットの領域が、直前のレーザパルスのビームスポットの領域と部分的に重なるように前記半導体ウエハに対してビームスポットを移動させながらアニールする方法において、パルスの繰返し周波数を１００ｋＨｚ以上とし、パルス幅を１０ｎｓ以上１００ｎｓ以下にし、直前のレーザパルスの入射による半導体ウエハの表面の温度の上昇幅の９９％に相当する温度幅だけ低下する時点より前に、次の周期のレーザパルスを入射させるレーザアニール方法が提供される。

【0007】

本発明の他の観点によると、
緑色のパルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたパルスレーザビームが入射する位置に半導体ウエハを保持する保持テーブルと、
前記半導体ウエハに対してパルスレーザビームのビームスポットを移動させる走査機構と
を備えたレーザアニール装置を制御するレーザ制御装置であって、
パルスの繰返し周波数を１００ｋＨｚ以上とし、パルス幅を１０ｎｓ以上１００ｎｓ以下にし、ビームスポットの領域が、直前のレーザパルスのビームスポットの領域と部分的に重なるように前記半導体ウエハに対してビームスポットを移動させながら直前のレーザパルスの入射による前記半導体ウエハの表面の温度の上昇幅の９９％に相当する温度幅だけ低下する時点より前に、次の周期のレーザパルスを入射させるように前記レーザ光源及び前記走査機構を制御するレーザ制御装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

半導体ウエハに入射させるレーザパルスのエネルギを有効に利用することができる。これにより、半導体ウエハに投入するエネルギ量をすくなくすることが可能になり、その結果、非照射面の温度上昇を抑制することができる。レーザパルスの繰り返し周波数が１５ｋＨｚ以上になると、レーザパルスのエネルギを有効に利用しやすくなる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。

【図2】図２は、シリコンウエハに１つのレーザパルスを入射させたときの表面温度の時間変化の計算値を示すグラフである。

【図3】図３Ａは、半導体ウエハ６０の表面におけるビームスポットの移動の様子を示す図であり、図３Ｂは、点Ｐの位置の表面温度の時間変化を示すグラフである。

【図4】図４は、パルスの繰り返し周波数と温度保持率Ｔｒとの関係の計算結果を示すグラフである。

【図5】図５は、アニールに用いたパルスレーザビームの相対パルスエネルギ密度と、シリコンウエハの相対溶融深さとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１から図５までの図面を参照して、実施例によるレーザアニール方法及びレーザアニール装置について説明する。

【0011】

図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。実施例によるレーザアニール装置は、レーザ発振器１０、レーザ制御装置３０、伝送光学系４０、及びチャンバ５０を含む。チャンバ５０内に走査機構５２によって保持テーブル５３が支持されている。走査機構５２は、レーザ制御装置３０からの指令を受けて、保持テーブル５３を水平面内で移動させることができる。保持テーブル５３の上に、アニール対象物である半導体ウエハ６０が保持される。レーザ発振器１０から出力されたパルスレーザビームが伝送光学系４０を経由し、チャンバ５０の天板に設けられたレーザ透過窓５１を透過して、半導体ウエハ６０に入射する。本実施例によるレーザアニール装置は、例えば半導体ウエハ６０にドープされたドーパントの活性化アニールを行う。半導体ウエハ６０は、例えばシリコンウエハである。

【0012】

伝送光学系４０は、例えばビームホモジナイザ、レンズ、ミラー等を含む。ビームホモジナイザ及びレンズは、半導体ウエハ６０の表面におけるビームスポットを整形するとともに、ビームプロファイルを均一化する。

【0013】

次に、レーザ発振器１０の構成について説明する。レーザ発振器１０として、ファイバレーザ発振器が用いられる。レーザ活性媒質がドープされた利得ファイバ１１の一端に入力側光ファイバ１２が接続され、他端に出力側光ファイバ１５が接続されている。入力側光ファイバ１２に高反射率型のファイバブラッググレーティング１３が形成されており、出力側光ファイバ１５に低反射率型のファイバブラッググレーティング１６が形成されている。高反射率型のファイバブラッググレーティング１３と低反射率型のファイバブラッググレーティング１６とによって光共振器が構成される。

【0014】

レーザダイオード２０から出力された励起光が入力側光ファイバ１２を通って利得ファイバ１１に導入される。利得ファイバ１１にドープされているレーザ活性媒質が励起光によって励起される。レーザ活性媒質が低エネルギ状態に遷移するときに誘導放出が生じ、レーザ光が発生する。利得ファイバ１１で発生したレーザ光が、出力側光ファイバ１５を通って波長変換素子２２に入射する。波長変換素子２２で波長変換されたレーザビームが伝送光学系４０を経由して半導体ウエハ６０に入射する。利得ファイバ１１は、例えば赤外域のレーザ光を出力し、波長変換素子２２は赤外域のレーザ光を緑色の波長域のレーザ光に変換する。

【0015】

ドライバ２１が、レーザ制御装置３０からの指令に基づいてレーザダイオード２０を駆動する。レーザ制御装置３０から受ける指令には、レーザダイオード２０から出力されるレーザパルスの繰り返し周波数を指定する情報が含まれる。ドライバ２１は、レーザ制御装置３０から指令されたレーザパルスの繰り返し周波数で、レーザダイオードから励起用レーザ光を出力させる。その結果、レーザ発振器１０から、指令された繰り返し周波数でレーザパルスが出力される。

【0016】

レーザ制御装置３０は、オペレータが操作するコンソール３１を含む。オペレータは、コンソール３１を操作して、レーザパルスの繰り返し周波数を指定する情報を入力する。レーザ制御装置３０は、入力されたレーザパルスの繰り返し周波数を指定する情報をドライバ２１に与える。

【0017】

本願発明者らの考察によると、レーザアニールに用いるレーザ光としてＣＷレーザよりパルスレーザの方が好ましいことが判明した。次に、半導体ウエハ６０にレーザ光が入射したときの温度変化の観点から、レーザアニールに用いるレーザ光としてＣＷレーザよりパルスレーザの方が好ましい理由について説明する。簡単のために、均一なパワー密度Ｐのレーザパルスが半導体ウエハ６０に入射する場合について説明する。

【0018】

半導体ウエハ６０の表面（照射面）の表面温度Ｔは以下の式で表すことができる。

【数1】

ここで、ｔは加熱開始からの経過時間、Ｃは半導体ウエハ６０の比熱、ρは半導体ウエハ６０の密度、λは半導体ウエハ６０の熱伝導率である。例えば、表面温度Ｔの単位は「Ｋ」であり、パワー密度Ｐの単位は「Ｗ／ｃｍ^２」であり、経過時間ｔの単位は「秒」であり、比熱Ｃの単位は「Ｊ／ｇ・Ｋ」であり、密度ρの単位は「ｇ／ｃｍ^３」であり、熱伝導率λの単位は「Ｗ／ｃｍ・Ｋ」である。

【0019】

加熱開始（レーザパルスの立ち上がり時点）から経過時間ｔ_０が経過するまでの間に半導体ウエハ６０に与えられるエネルギ密度Ｅは以下の式で表すことができる。

【数2】

エネルギ密度Ｅの単位は、例えば「Ｊ／ｃｍ^２」である。

【0020】

加熱開始からの経過時間がｔ_０の時点における半導体ウエハ６０の表面温度をＴ_ａまで到達させるためには、式（１）から、以下の条件を満たす必要があることがわかる。

【数3】

式（２）と式（３）とから経過時間ｔ_０を消去すると、以下の式が得られる。

【数4】

【0021】

表面温度をＴ_ａまで上昇させるという条件の下で、半導体ウエハ６０の裏面の温度上昇を抑制して効率的なアニールを行うためには、半導体ウエハ６０に投入するエネルギ密度Ｅを小さくすることが好ましい。式（４）の右辺のカッコ内のパラメータは定数であるため、エネルギ密度Ｅを小さくするためには、パワー密度Ｐを大きくすればよいことがわかる。実用的に必要なパワー密度のオーダは数ＭＷ／ｃｍ^２以上である。

【0022】

ＣＷレーザで数ＭＷ／ｃｍ^２以上のパワー密度を達成するためには、例えば数十Ｗ程度のパワーのレーザビームのビームスポットを１×１０^３μｍ^２程度の面積まで小さくしなければならない。これは技術的に容易ではない。

【0023】

パルスレーザのピークパワーは、１パルス当たりのエネルギ（以下、パルスエネルギという。）をパルス幅で除した値で定義される。なお、パルスレーザの平均パワーは、パルスエネルギとパルスの繰り返し周波数との積で定義される。式（４）のパワー密度Ｐは、ピークパワーをビームスポットの面積で除した値に相当する。

【0024】

一般的にアニールに用いられるＱスイッチレーザやエキシマレーザのパルスエネルギは数十ｍＪのオーダであり、パルス幅は１００ｎｓ程度である。このため、ピークパワーは数百ｋＷのオーダになる。このように、ＣＷ発振レーザのパワーに比べて十分大きなピークパワーを実現することが可能である。従って、パワー密度Ｐを大きくしてアニールを行うためのレーザ光源として、ＣＷ発振レーザよりもパルスレーザの方が適していることがわかる。

【0025】

次に、レーザパルス照射後の半導体ウエハ６０の冷却過程について説明する。レーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間をｔで表し、パルス幅をｔ_０で表し、レーザパルス立ち下がり時点（経過時間ｔ＝ｔ_０）の表面温度をＴ_ａで表すと、半導体ウエハ６０の表面温度Ｔは以下の式で表される。

【数5】

【0026】

一般的に半導体ウエハのアニールに用いられるパルスレーザのレーザパルスの繰り返し周波数はｋＨｚのオーダであるため、レーザパルスの時間間隔はｍｓのオーダになる。アニールに用いるパルスレーザのパルス幅ｔ_０を、Ｑスイッチレーザやエキシマレーザの一般的なパルス幅である１００ｎｓとし、あるレーザパルスの立ち上がりから次の周期のレーザパルスの立ち上がりまでの時間間隔を１ｍｓとすると、直前のレーザパルスの入射後に、次の周期のレーザパルスが立ち上がる時点における半導体ウエハ６０の表面温度Ｔ_ｎは、以下の式で近似される。

【数6】

【0027】

式（６）から、レーザパルスの入射時には、直前のレーザパルスの入射によって上昇した温度は、直前のレーザパルスの入射前の温度とほぼ等しい温度まで低下することがわかる。

【0028】

図２は、シリコンウエハに１ショットのレーザパルスを入射させたときの表面温度の時間変化の計算値を示すグラフである。横軸はレーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間ｔを単位「ｎｓ」で表し、左縦軸は半導体ウエハ６０の表面温度Ｔを単位「℃」で表し、右縦軸はレーザ光のパワー密度を単位「ＭＷ／ｃｍ^２」で表す。グラフ中の破線はレーザパルスのパワー密度の時間変化を示し、実線は半導体ウエハ６０の表面温度Ｔの時間変化を示す。レーザパルスのパルス幅はｔ_０であり、ピークパワー密度は５ＭＷ／ｃｍ^２である。

【0029】

レーザパルスが入射している期間（０≦ｔ≦ｔ_０）は、式（１）に従って表面温度Ｔが上昇する。レーザパルスの立ち上がり時点からパルス幅ｔ_０に相当する時間が経過した時点（ｔ＝ｔ_０）における表面温度Ｔが最高到達温度Ｔ_ａに等しい。レーザパルスが立ち下がった後（ｔ≧ｔ_０）は、式（５）に従って表面温度Ｔが低下する。

【0030】

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、実際に活性化アニールを行う際の半導体ウエハ６０の表面温度の時間変化について説明する。活性化アニール時は、半導体ウエハ６０の表面に周期的に、すなわち一定の周期で、レーザパルスを入射させ、レーザビームのビームスポットを移動させることにより、所望の領域のアニールを行う。ビームスポットの移動速度は、現時点のレーザパルスのビームスポットが、直前のレーザパルスのビームスポットと部分的に重なるように設定される。

【0031】

図３Ａは、半導体ウエハ６０の表面におけるビームスポットＢＳの移動の様子を示す図である。図３Ａは、特定の点Ｐに入射する１番目から３番目までのレーザパルスＬＰ_１、ＬＰ_２、ＬＰ_３のビームスポットＢＳ_１、ＢＳ_２、ＢＳ_３を示している。各ビームスポットＢＳは一方向（図３Ａにおいて縦方向）に長い形状を有する。アニール期間中は、ビームスポットＢＳを、長さ方向と直交する幅方向に、半導体ウエハ６０に対して相対的に移動させる。直前のレーザパルスの入射時点から、その次のレーザパルスが入射する時点までの１周期の間にビームスポットＢＳが移動する距離は、例えばビームスポットＢＳの幅の１／３である。すなわち、オーバラップ率が約６７％である。

【0032】

このとき、半導体ウエハ６０の表面の１つの点Ｐに着目すると、点Ｐは、３つのビームスポットＢＳ_１、ＢＳ_２、及びＢＳ_３に包含される。すなわち、アニール中に１つの点Ｐに３つのレーザパルスＬＰ_１、ＬＰ_２、ＬＰ_３が入射することになる。３つのレーザパルスＬＰ_１、ＬＰ_２、ＬＰ_３のパルスエネルギは同一である。

【0033】

図３Ｂは、点Ｐの位置における表面温度の時間変化を示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸は点Ｐの位置における表面温度を表す。レーザパルスＬＰ_１、ＬＰ_２、ＬＰ_３が入射している期間に表面温度が上昇し、入射していない期間に表面温度が低下する。レーザパルスＬＰ_１の入射直前の点Ｐにおける表面温度をＴ_０と表し、レーザパルスＬＰ_１の入射による最高到達温度をＴａ_１と表す。

【0034】

実施例においては、直前のレーザパルスＬＰ_１の入射による温度上昇後の冷却過程にある箇所（点Ｐの位置）に次の周期のレーザパルスＬＰ_２を入射させる。すなわち、表面温度が、レーザパルスＬＰ_１の入射前の表面温度Ｔ_０まで低下するよりも前に次のレーザパルスＬＰ_２を点Ｐの位置に入射させる。レーザパルスＬＰ_２の入射直前の点Ｐにおける表面温度をＴ_１と表す。レーザパルスＬＰ_２の入射時点の表面温度Ｔ_１が、レーザパルスＬＰ_１の入射時点の表面温度Ｔ_１より高いため、レーザパルスＬＰ_２による最高到達温度Ｔａ_２は、直前のレーザパルスＬＰ_１による最高到達温度Ｔａ_１よりも高くなる。このため、３ショット目のレーザパルスＬＰ_３の入射直前の点Ｐにおける表面温度Ｔ_２は、表面温度Ｔ_１より高い。従って、３ショット目のレーザパルスＬＰ_３による最高到達温度Ｔａ_３は、最高到達温度Ｔａ_２より高くなる。

【0035】

レーザパルスの入射による表面温度の上昇幅をΔＴｕと表し、次の周期のレーザパルスが入射するまでの表面温度の低下幅をΔＴｄと表すこととする。温度保持率Ｔｒを以下の式で定義する。

【数7】

【0036】

図４は、パルスの繰り返し周波数と温度保持率Ｔｒとの関係の計算結果を示すグラフである。横軸はパルスの繰り返し周波数を単位「ｋＨｚ」で表し、縦軸は温度保持率Ｔｒを単位「％」で表す。図４のグラフ中の実線及び破線は、それぞれパルス幅が１０ｎｓのとき、及びパルス幅が１００ｎｓのときの計算結果を示す。

【0037】

パルス幅が一定の条件下で、パルスの繰り返し周波数が高くなるに従って、温度保持率Ｔｒも高くなっている。パルスの繰り返し周波数が一定の条件下では、パルス幅が長いほど、温度保持率Ｔｒが高い。これは、パルスの繰り返し周波数が高くなるほど、またはパルス幅が長くなるほど、レーザパルスが立ち下がって次のレーザパルスが立ち上がるまでの非照射時間の間隔が短くなり、表面温度の低下幅ΔＴｄがより小さくなるためである。

【0038】

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
実施例においては、直前のレーザパルスの入射による温度上昇後の冷却過程にある箇所に次の周期のレーザパルスを入射させる。例えば図３Ｂに示したように、１ショット目のレーザパルスＬＰ_１の入射による温度上昇後の冷却過程にある箇所（点Ｐの位置）に、２ショット目のレーザパルスＬＰ_２を入射させる。さらに、２ショット目のレーザパルスＬＰ_２の入射による温度上昇後の冷却過程にある箇所（点Ｐの位置）に、３ショット目のレーザパルスＬＰ_３を入射させる。このため、レーザパルスによって半導体ウエハに投入されるエネルギに、直前のレーザパルスによって投入されたエネルギの一部が重畳されて、半導体ウエハが加熱される。このように、複数のレーザパルスによって半導体ウエハに投入されたエネルギが重畳されることにより、１つのレーザパルスのパルスエネルギが実質的に高くなったのと同等の熱的効果が得られるため、レーザエネルギを有効に利用することができる。

【0039】

また、半導体ウエハを目標とする温度まで加熱すために必要となるパルスエネルギを小さくすることができる。一例として、３ショット目のレーザパルスＬＰ_３による最高到達温度Ｔａ_３を加熱の目標値とする場合について説明する。レーザパルスによって投入されたエネルギが重畳される効果が得られないほどレーザパルスの繰返し周波数が低い場合、例えば１ｋＨｚ程度である場合には、１ショットのレーザパルスで、半導体ウエハの表面を目標値まで加熱しなければならない。すなわち、１ショット目のレーザパルスＬＰ_１の最高到達温度Ｔａ_１を加熱の目標値まで高めなければならない。

【0040】

これに対して実施例では、１ショット目のレーザパルスＬＰ_１の最高到達温度Ｔａ_１が加熱の目標値より低い場合であっても、３ショット目のレーザパルスＬＰ_３の最高到達温度Ｔａ_３を加熱の目標値以上にすることができる。このため、レーザパルスＬＰ_１、ＬＰ_２、ＬＰ_３の各々のパルスエネルギを低くすることができる。

【0041】

レーザパルスごとのパルスエネルギを小さくすることにより、半導体ウエハに投入されるエネルギの総量が少なくなる。投入エネルギ総量の低下は、半導体ウエハの非照射面の温度上昇を抑制する方向に作用する。従って、半導体ウエハの非照射面の温度上昇を抑制可能な条件でアニールを行うことが可能になる。

【0042】

半導体ウエハの非照射面の温度上昇を抑制することができるため、半導体ウエハの厚さ、使用可能な材料等の制限が緩和される。

【0043】

従来は、直前のレーザパルスの熱的影響が実質的に残っていない状態で、次の周期の
レーザパルスを入射させていた。例えば、式（６）に示したように温度保持率Ｔｒが０．５％以下の条件でアニールを行っていた。直前のレーザパルスの入射による温度上昇後の冷却過程にある箇所に次の周期のレーザパルスを入射させることの十分な効果を得るために、温度保持率Ｔｒが１％以上の条件でアニールを行うことが好ましい。すなわち、直前のレーザパルスの入射による半導体ウエハの表面の温度の上昇幅の９９％に相当する温度幅だけ低下する時点より前に、次の周期のレーザパルスを入射させることが好ましい。この条件を容易に満たすために、パルスの繰り返し周波数を１５ｋＨｚ以上にすることが好ましい。直前のレーザパルスの入射から次の周期のレーザパルスを入射させるまでの時間、またはパルスの繰り返し周波数を上述のように設定することにより、従来の方法に比べて、半導体ウエハの非照射面の温度上昇を抑制するという十分な効果が得られる。

【0044】

次に図５を参照して、パルスの繰り返し周波数を異ならせて実際にシリコンウエハのアニールを行った評価実験の結果について説明する。

【0045】

図５は、アニールに用いたパルスレーザビームの相対パルスエネルギ密度と、シリコンウエハの相対溶融深さとの関係を示すグラフである。横軸は相対パルスエネルギ密度を任意単位で表し、縦軸は相対溶融深さを任意単位で表す。

【0046】

グラフ中の丸記号は、パルスの繰り返し周波数が１ｋＨｚの場合の実験結果を示しており、三角記号は、パルスの繰り返し周波数が１５０ｋＨｚの場合の実験結果を示している。パルスの繰り返し周波数が１ｋＨｚの場合の評価実験には、全固体レーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）を用い、パルス幅を１００ｎｓとした。パルスの繰り返し周波数が１５０ｋＨｚの場合の評価実験には、ファイバレーザの２倍高調波（波長５３０ｎｍ）を用い、パルス幅を１０ｎｓとした。パルスレーザビームの平均パワーは、両者ともほぼ同一とした。アニール時のオーバラップ率は、両者とも６７％とした。

【0047】

パルスエネルギ密度が大きくなるに従って、溶融深さが深くなっている。また、パルスの繰り返し周波数を高くすると、同一の溶融深さを得るために必要なパルスエネルギ密度が低くなることがわかる。言い換えると、パルスエネルギ密度が同一であれば、平均パワーが一定であっても、パルスの繰り返し周波数を高くするほど溶融深さが深くなる。これは、パルスの繰り返し周波数を高くするほど、レーザ光の持つエネルギを有効に利用することができるためである。

【0048】

レーザ光の持つエネルギを有効に利用するという観点から、直前のレーザパルスの入射による半導体ウエハの表面の温度の上昇幅の９５％に相当する温度幅だけ低下する時点より前に、次の周期のレーザパルスを入射させることが好ましい。また、この条件を満たしやすくするために、パルスの繰り返し周波数を１００ｋＨｚ以上にすることが好ましい。直前のレーザパルスの入射から次の周期のレーザパルスを入射させるまでの時間、またはパルスの繰り返し周波数を上述のように設定することにより、従来の方法に比べて、レーザ光の持つエネルギを有効に利用するという十分な効果が得られる。

【0049】

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例ではレーザ発振器としてファイバレーザ発振器を用いたが、１５ｋＨｚ以上のパルスの繰り返し周波数を容易に実現することが可能な他のパルスレーザ発振器、例えばモードロックレーザ発振器等を用いてもよい。

【0050】

上記実施例では、半導体ウエハ６０の表面上でビームスポットを移動させることにより、所望の領域のアニールを行っているが、半導体ウエハに対してビームスポットの位置を固定して必要なショット数のレーザパルスを入射させてもよい。複数のレーザパルスの入射による半導体ウエハの最高到達温度を同一にしたい場合には、２ショット目のレーザパルスのパルスエネルギを、１ショット目のレーザパルスのパルスエネルギより低くするとよい。２ショット目のレーザパルスの入射時点で１ショット目のレーザパルスの入射による熱的影響が残っているため、２ショット目のレーザパルスのパルスエネルギを低くしても、１ショット目のレーザパルスによる最高到達温度と同程度の温度まで加熱することができる。

【0051】

上記実施例は例示であり、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0052】

１０ レーザ発振器
１１ 利得ファイバ
１２ 入力側光ファイバ
１３ ファイバブラッググレーティング
１５ 出力側光ファイバ
１６ ファイバブラッググレーティング
２０ レーザダイオード
２１ ドライバ
２２ 波長変換素子
３０ レーザ制御装置
３１ コンソール
４０ 伝送光学系
５０ チャンバ
５１ レーザ透過窓
５２ 走査機構
５３ 保持テーブル
６０ 半導体ウエハ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】