特許 7597792 プロセスモニタ及びプロセスモニタ方法

(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】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】プロセスモニタ及びプロセスモニタ方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/268 20060101AFI20241203BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20241203BHJP

   G01J 5/00 20220101ALI20241203BHJP

   G01J 5/60 20060101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

H01L21/268 T

H01L21/265 602C

G01J5/00 101C

G01J5/60 E

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022509437

(86)(22)【出願日】2021-02-25

(86)【国際出願番号】 JP2021007107

(87)【国際公開番号】W WO2021192801

(87)【国際公開日】2021-09-30

【審査請求日】2023-09-12

(31)【優先権主張番号】P 2020052662

(32)【優先日】2020-03-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】田中 哲平

【審査官】宇多川 勉

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６０－１３１４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６３５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２２５６１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２６８

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

Ｇ０１Ｊ ５／００

Ｇ０１Ｊ ５／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アニール中の半導体部材からの輻射光の、相互に異なる複数の波長域の強度を別々に検出する光検出器と、
前記光検出器で検出された複数の波長域の強度に基づいて、アニールによって変化する前記半導体部材に関わる物理量を求める処理装置と
を有し、
前記半導体部材からのアニール用の光の波長域の光が前記光検出器に入射しない構成とされているプロセスモニタ。

【請求項2】

前記光検出器は、レーザビームの入射によって表層部が加熱されている前記半導体部材からの輻射光を検出し、
前記処理装置は、アニールによって変化する前記半導体部材に関わる物理量として、前記半導体部材の最表面の到達温度を求める請求項１に記載のプロセスモニタ。

【請求項3】

アニール中の半導体部材からの輻射光の、相互に異なる複数の波長域の強度を別々に検出する光検出器と、
前記光検出器で検出された複数の波長域の強度に基づいて、アニールによって変化する前記半導体部材に関わる物理量を求める処理装置と
を有し、
前記光検出器は、レーザビームの入射によって表層部が加熱されている前記半導体部材からの輻射光を検出し、
前記処理装置は、アニールによって変化する前記半導体部材に関わる物理量として、前記半導体部材の最表面の到達温度を求め、
前記半導体部材の表面におけるレーザビームのビームスポットは一方向に長い長尺形状を有し、
前記光検出器は、複数の波長域の輻射光の強度を別々に検出する複数の受光部を含み、
さらに、前記半導体部材の表面を結像させる結像光学系を有し、
前記複数の受光部は、前記半導体部材の表面上のビームスポットの、前記結像光学系による像の長手方向に関して異なる位置に配置されているプロセスモニタ。

【請求項4】

前記複数の受光部は、それぞれピーク感度波長が異なる光センサを含む請求項３に記載のプロセスモニタ。

【請求項5】

前記複数の受光部は、それぞれ分光感度特性が同一の光センサと、通過波長域の異なるバンドパスフィルタとを含み、前記バンドパスフィルタを透過した輻射光が前記光センサに入射する請求項３に記載のプロセスモニタ。

【請求項6】

半導体部材をアニールし、
アニール中の前記半導体部材からの輻射光の、相互に異なる複数の波長域の強度を、前記半導体部材からのアニール用の光の波長域の光が入射しない構成とされた光検出器で別々に測定し、
測定結果に基づいて、アニールによって変化する前記半導体部材に関わる物理量を求めるプロセスモニタ方法。

【請求項7】

前記半導体部材のアニールは、前記半導体部材にレーザビームを入射させることにより行い、
前記半導体部材に関わる物理量として、前記半導体部材の最表面の到達温度を求める請求項６に記載のプロセスモニタ方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体部材のアニールによって変化する物理量を求めるプロセスモニタ及びプロセスモニタ方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ドーパントが注入され、活性化アニールされた半導体ウエハの活性化状態の面内分布を把握する方法の一例として、シート抵抗の測定が行われている。シート抵抗の面内分布からドーパントの活性化状態を評価することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－８１３４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

シート抵抗の測定には、一般に四探針法が用いられる。四探針法によるシート抵抗の測定は、アニール後に、活性化アニール装置とは別の装置で行われる。このため、シート抵抗の測定はオフライン作業となり、手間が掛かる。また、半導体ウエハに探針を接触させなければならないため、半導体ウエハがダメージを受ける。また、アニール結果の良否を判定するために、アニール中における半導体ウエハの温度を測定したいという要請がある。

【0005】

本発明の目的は、アニールによって変化する半導体部材に関わる物理量を、半導体部材にダメージを与えることなく計測することが可能なプロセスモニタ及びプロセスモニタ方法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、
アニール中の半導体部材からの輻射光の、相互に異なる複数の波長域の強度を別々に検出する光検出器と、
前記光検出器で検出された複数の波長域の強度に基づいて、アニールによって変化する前記半導体部材に関わる物理量を求める処理装置と
を有し、
前記半導体部材からのアニール用の光の波長域の光が前記光検出器に入射しない構成とされているプロセスモニタが提供される。

【0007】

本発明の他の観点によると、
半導体部材をアニールし、
アニール中の前記半導体部材からの輻射光の、相互に異なる複数の波長域の強度を、前記半導体部材からのアニール用の光の波長域の光が入射しない構成とされた光検出器で別々に測定し、
測定結果に基づいて、アニールによって変化する前記半導体部材に関わる物理量を求めるプロセスモニタ方法が提供される。

【発明の効果】

【0008】

半導体部材からの輻射光を検出して、アニールによって変化する半導体部材の物理量を求めるため、半導体部材にダメージを与えることがない。さらに、複数の波長域の輻射光の強度を別々に測定することにより、物理量の計測精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施例によるプロセスモニタを搭載したレーザアニール装置の概略図である。

【図2】図２Ａは、光検出器、及び輻射光の経路に配置されている光学部品の一構成例を示す概略図であり、図２Ｂは、光検出器、及び輻射光の経路に配置されている光学部品の他の構成例を示す概略図である。

【図3】図３は、レーザ光源から出力されるパルスレーザビームのパルス、及び光検出器の２つの受光部の出力信号波形の一例を示すグラフである。

【図4】図４Ａ及び図４Ｂは、半導体ウエハにパルスレーザビームを入射させたときの、深さ方向の温度分布の一例を示すグラフである。

【図5】図５Ａ～図５Ｄは、パルスレーザビームのパルス幅を一定にし、パルスエネルギを異ならせた場合の深さ方向の温度分布を示すグラフである。

【図6】図６は、パルスエネルギに対して２つの受光部の出力値の一例をプロットした散布図を曲線近似したグラフである。

【図7】図７は、実施例によるプロセスモニタを搭載したレーザアニール装置を用いて半導体ウエハのレーザアニールを行う手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１～図７を参照して、実施例によるプロセスモニタ及びプロセスモニタ方法について説明する。

【0011】

図１は、実施例によるプロセスモニタを搭載したレーザアニール装置の概略図である。このレーザアニール装置は、レーザ光学系１０、チャンバ３０、光検出器２０、処理装置４０、記憶装置４１、出力装置４２、及び入力装置４３を含む。プロセスモニタの機能は、光検出器２０及び処理装置４０等によって実現される。

【0012】

レーザ光学系１０は、レーザ光源１１、均一化光学系１２、及び折り返しミラー１３を含む。レーザ光源１１は、赤外域のレーザビームを出力する。レーザ光源１１として、例えば発振波長８０８ｎｍのレーザダイオードを用いることができる。均一化光学系１２は、レーザ光源１１から出力されたレーザビームのビームプロファイルを均一化する。折り返しミラー１３は、均一化光学系１２を通過したレーザビームを下方に向けて反射する。

【0013】

チャンバ３０の天板にレーザビームを透過させるウィンドウ３２が設けられており、チャンバ３０内にステージ３１が配置されている。ステージ３１の上に、アニール対象物である半導体ウエハ３５が保持される。半導体ウエハ３５の表層部にドーパントが注入されている。ドーパントの注入には、例えばイオン注入法が用いられる。アニール前においては、このドーパントは活性化されていない。半導体ウエハ３５として、例えばシリコンウエハを用いることができる。ドーパントとして、例えばリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）等を用いることができる。

【0014】

レーザ光学系１０から出力されたレーザビームが、ダイクロイックミラー２５及びウィンドウ３２を透過して、ステージ３１に保持された半導体ウエハ３５に入射する。レーザビームの経路に、必要に応じてミラー、レンズ等を配置してもよい。半導体ウエハ３５の表面におけるレーザビームのビームスポットは一方向に長い長尺形状を有し、例えば長さが約３ｍｍ～５ｍｍ、幅が約０．１ｍｍ～０．３ｍｍである。半導体ウエハ３５にレーザビームが入射することにより、ビームスポットの位置において、半導体ウエハ３５の表層部が加熱される。ステージ３１は、処理装置４０によって制御されて、半導体ウエハ３５を、その表面に平行な二方向に移動させる。半導体ウエハ３５の表面上で、ビームスポットを、その幅方向に走査し長さ方向に副走査することにより、半導体ウエハ３５の上面のほぼ全域をレーザアニールすることができる。

【0015】

レーザビームが半導体ウエハ３５に入射すると、入射位置の表層部が加熱されることにより、ドーパントが活性化される。加熱された部分から輻射光が放射される。半導体ウエハ３５から放射された輻射光の一部は、ダイクロイックミラー２５で反射されて光検出器２０に入射する。ダイクロイックミラー２５は、例えば１μｍより短い波長域の光を透過させ、１μｍより長い波長域の光を反射する。半導体ウエハ３５から光検出器２０までの輻射光の経路に、必要に応じてレンズ、光学フィルタ等を配置してもよい。光検出器２０及び輻射光の経路上の光学部品については、後に図２Ａ、図２Ｂを参照して説明する。

【0016】

処理装置４０は、パルスレーザビームの各ショットに同期して、光検出器２０から出力された検出信号を取得する。さらに、取得された検出信号の大きさ（出力値）を、半導体ウエハ３５の面内の位置と関連付けて記憶装置４１に記憶させる。一例として、パルスレーザビームの１ショットごとに、輻射光の強度の時間変化に対応して出力値の時間波形が得られる。記憶装置４１に蓄積される出力値は、例えば、パルスレーザビームの１ショットごとの時間波形のピーク値である。

【0017】

プロセスモニタ及びレーザアニール装置の動作を指令するための種々のコマンドやデータが、入力装置４３を通して処理装置４０に入力される。処理装置４０は、プロセスモニタによるモニタ結果を出力装置４２に出力する。

【0018】

図２Ａは、光検出器２０、及び輻射光の経路に配置されている光学部品の一構成例を示す概略図である。半導体ウエハ３５の表面に入射したパルスレーザビームのビームスポット３７に対応する領域から輻射光が放射される。放射された輻射光は、２枚のレンズ２６を通して光検出器２０に入射する。例えば、２枚のレンズ２６のうち一方は、ダイクロイックミラー２５（図１）と半導体ウエハ３５との間に配置され、他方は、ダイクロイックミラー２５と光検出器２０との間に配置される。２枚のレンズ２６は、半導体ウエハ３５の表面上のビームスポット３７を、光検出器２０が配置された位置に結像させる結像光学系を構成する。すなわち、半導体ウエハ３５の表面と光検出器２０の受光面とは、物面と像面の関係を有する。

【0019】

光検出器２０は、輻射光の強度を別々に検出する２つの受光部２１を含む。２つの受光部２１は、ビームスポット３７の像３８の長手方向に関して異なる位置に配置されている。２つの受光部２１は、それぞれピーク感度波長が相互に異なる光センサ２２を含む。光センサ２２の各々は、赤外の波長域に感度を持ち、入射する輻射光の強度に応じた大きさの信号（電圧）を出力する。２つの光センサ２２から出力された信号が処理装置４０に入力される。

【0020】

図２Ｂは、光検出器２０、及び輻射光の経路に配置されている光学部品の他の構成例を示す概略図である。図２Ａに示した構成例では、２つの受光部２１が、それぞれピーク感度波長の異なる光センサ２２を含む。これに対して図２Ｂに示した構成例では、２つの受光部２１が、それぞれ分光感度特性が同一の光センサ２２と、通過波長域の異なるバンドパスフィルタ２３とを含む。バンドパスフィルタ２３を透過した輻射光が光センサ２２に入射する。このため、２つの受光部２１のピーク感度波長が異なることになる。

【0021】

図３は、レーザ光源１１から出力されるパルスレーザビームのパルス、及び光検出器２０の２つの受光部２１の出力信号波形の一例を示すグラフである。時刻ｔ１においてレーザパルスが立ち上がると、半導体ウエハ３５の表層部の温度上昇に対応して受光部２１の出力値が徐々に上昇する。時刻ｔ２においてレーザパルスが立ち下がると、半導体ウエハ３５の表層部の温度低下に対応して受光部２１の出力値が徐々に低下する。時刻ｔ１からｔ２までのレーザパルスによる受光部２１の出力のピーク強度Ｖｐが、受光部２１ごとに記憶装置４１に蓄積される。通常、このピーク強度Ｖｐは、２つの受光部２１の間で異なっている。

【0022】

次に、図４Ａ～図５Ｄを参照して本実施例の優れた効果について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、半導体ウエハ３５にパルスレーザビームを入射させたときの、レーザパルス立下り時点における深さ方向の温度分布の一例を示すグラフである。図４Ａ及び図４Ｂのグラフの横軸は、半導体ウエハ３５の表面からの深さを表し、縦軸は、温度を表す。図４Ａ及び図４Ｂの実線及び破線は、それぞれパルスエネルギが同一でパルス幅が相対的に長いレーザパルス、及び相対的に短いレーザパルスを入射させたときの温度分布を示す。

【0023】

パルスエネルギが同一である場合、パルス幅が短くなる程ピークパワーが大きくなる。このため、パルス幅が短いときの最表面（深さゼロの位置）の温度ＴＳは、パルス幅が長いときの最表面の温度ＴＬより高くなる。パルス幅が長くなると、レーザパルスが入射している期間中に深さ方向に伝導される熱量が大きくなる。逆に、パルス幅が短くなると、レーザパルスが入射している期間中に深さ方向に伝導される熱量が小さくなる。パルス幅に関係なく表面からの深さが深くなるほど温度は低下するが、パルス幅が短いほど深さ方向に伝導される熱量が小さくなるため、温度の低下の度合いは、パルス幅が短いときの方が大きい。このため、ある深さＤａより深い領域では、パルス幅が長いときの温度が短いときの温度より高くなる。

【0024】

最表面から放射された輻射光は、半導体ウエハ３５で吸収されることなく、光検出器２０まで到達する。これに対して、深い領域から放射された輻射光の一部は、光検出器２０に到達するまでに、半導体ウエハ３５自体によって吸収される。吸収される量は、半導体ウエハ３５の吸収係数に依存する。この吸収係数は波長に依存する。吸収係数が大きい波長域の輻射光は、半導体ウエハ３５の深い領域から外部まで放射されにくい。

【0025】

以下の説明では、輻射光の吸収現象を単純化して、一方の受光部２１は、深さＤ１より浅い領域から放射された輻射光を検出し、他方の受光部２１は、深さＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）より浅い領域から放射された輻射光を検出すると仮定する。

【0026】

一方の受光部２１の検出値は、図４Ａに示すように、深さＤ１より浅い領域のハッチングを付した部分の面積に対応して変化する。他方の受光部２１の検出値は、図４Ｂに示すように、深さＤ２より浅い領域のハッチングを付した部分の面積に対応して変化する。

【0027】

図４Ａに示した例では、深さがＤａより浅い領域において、パルス幅が短いときの温度分布の面積が、パルス幅が長いときの温度分布の面積より大きく、その差はＡである。深さがＤａからＤ１までの領域においては、その逆に、パルス幅が長いときの温度分布の面積が、パルス幅が短いときの温度分布の面積より大きく、その差はＢである。面積Ａと面積Ｂとが等しい場合、パルス幅が長いときの温度分布のグラフの面積Ｓ１１と、パルス幅が短いときの温度分布のグラフの面積Ｓ１２とがほぼ等しい。このため、深さがＤ１より浅い領域からの輻射光を検出する受光部２１の検出値のみでは、図４Ａの実線の温度分布と破線の温度分布とを区別することができない。このため、半導体ウエハ３５の最表面の最高到達温度を精度よく求めることが困難である。

【0028】

これに対して、図４Ｂに示した例では、深さがＤａからＤ２までの領域において、パルス幅が長いときの温度分布の面積が、パルス幅が短いときの温度分布の面積より大きく、その差はＣである。面積Ｃは面積Ａより小さい。このため、パルス幅が長いときの温度分布のグラフの面積Ｓ２１が、パルス幅が短いときの温度分布のグラフの面積Ｓ２２より小さい。面積Ｓ２１と面積Ｓ２２とが異なるため、深さがＤ２より浅い領域からの輻射光を検出する受光部２１の検出値に基づいて、図４Ｂの実線の温度分布と破線の温度分布とを区別することが可能である。

【0029】

本実施例のように、２つの受光部２１で、異なる波長域の輻射光の強度を別々に測定することにより、深さ方向の温度分布が異なる場合の半導体ウエハ３５の最表面の温度を、より正確に計測することが可能になる。

【0030】

図５Ａ～図５Ｄは、パルスレーザビームのパルス幅を一定にし、パルスエネルギを異ならせた場合の深さ方向の温度分布を示すグラフである。図５Ａ～図５Ｄのグラフの横軸は半導体ウエハ３５の表面からの深さを表し、縦軸は温度を表す。

【0031】

図５Ａ及び図５Ｂは、半導体ウエハ３５の最表面の温度が融点を超えないパルスエネルギＥ１、Ｅ２（Ｅ１＜Ｅ２）の条件でパルスレーザビームを１ショット入射させたときの温度分布を示す。最表面における温度が最も高く、深くなるに従って温度が低くなる。パルスエネルギがＥ１からＥ２に大きくなると、半導体ウエハ３５の各深さにおける温度は上昇するが、温度分布の形状はほぼ保たれている。

【0032】

深さがＤ１より浅い領域からの輻射光を検出する受光部２１から出力される信号のピーク強度Ｖｐ（図３）は、パルスエネルギＥ１のときに面積Ｓ１１（図５Ａ）に相当する大きさになり、パルスエネルギＥ２のときに面積Ｓ１１（図５Ａ）と増分ΔＳ１１（図５Ａ）との和に相当する大きさになる。深さがＤ２より浅い領域からの輻射光を検出する受光部２１から出力される信号のピーク強度Ｖｐ（図３）は、パルスエネルギＥ１のときに面積Ｓ２１（図５Ｂ）に相当する大きさになり、パルスエネルギＥ２のときに面積Ｓ２１（図５Ｂ）と増分ΔＳ２１（図５Ｂ）との和に相当する大きさになる。

【0033】

図５Ｃ及び図５Ｄは、半導体ウエハ３５の最表面の温度が融点以上になるパルスエネルギＥ３、Ｅ４（Ｅ３＜Ｅ４）の条件でパルスレーザビームを１ショット入射させたときの温度分布を示す。パルスエネルギがＥ３の条件で、半導体ウエハ３５の最表面の温度が融点に達する。パルスエネルギがＥ４の条件では、半導体ウエハ３５の表層部が溶融する。半導体ウエハ３５の表層部の溶融が始まると、最表面の温度はほぼ融点に固定される。このため、パルスエネルギがＥ３のときとＥ４のときとで、最表面の温度はほぼ同一である。溶融していない深い領域の温度は、パルスエネルギの増大とともに上昇するため、パルスエネルギがＥ４のときの温度が、パルスエネルギがＥ３のときの温度より高い。

【0034】

深さがＤ１より浅い領域からの輻射光を検出する受光部２１から出力される信号のピーク強度Ｖｐ（図３）は、パルスエネルギＥ３のときに面積Ｓ１１（図５Ｃ）に相当する大きさになり、パルスエネルギＥ４のときに面積Ｓ１１（図５Ｃ）と増分ΔＳ１１（図５Ｃ）との和に相当する大きさになる。深さがＤ２より浅い領域からの輻射光を検出する受光部２１から出力される信号のピーク強度Ｖｐ（図３）は、パルスエネルギＥ３のときに面積Ｓ２１（図５Ｄ）に相当する大きさになり、パルスエネルギＥ４のときに面積Ｓ２１（図５Ｄ）と増分ΔＳ２１（図５Ｄ）との和に相当する大きさになる。なお、ここでは、単純化のために、溶融状態の半導体からの輻射率と固体状態の半導体からの輻射率との違いを考慮していない。

【0035】

半導体ウエハ３５の最表面の溶融が始まると、パルスエネルギを増加させても最表面の温度はほとんど上昇しないため、面積Ｓ１１に対する増分ΔＳ１１の割合（図５Ｃ）、及び面積Ｓ２１に対する増分ΔＳ２１の割合（図５Ｄ）は、溶融しない場合の割合（図５Ａ、図５Ｂ）より小さくなる。すなわち、パルスエネルギの増加分に対する受光部２１の出力値の変化の傾きが緩やかになる。この傾きが緩やかになり始めるときのパルスエネルギが、溶融開始のエネルギ条件と考えることができる。半導体ウエハ３５を溶融させない条件で、なるべく高い温度でアニールするために、この溶融開始のエネルギ条件を精度よく見つけ出すことが望まれる。

【0036】

図６は、パルスエネルギに対して２つの受光部２１の出力値をプロットした散布図を曲線近似したグラフである。深さがＤ１、Ｄ２より浅い領域からの輻射光を検出する受光部２１の検出値を、それぞれ太い曲線Ｄ１及び細い曲線Ｄ２で示す。

【0037】

図６に示した散布図において、パルスエネルギがＥ１の条件で溶融が始まるとする。溶融が始まった条件の近傍でグラフの傾きが変化するが、明確な折れ曲がり点は現れない。このため、１つの受光部２１の測定結果から、溶融が開始する条件を精度よく見つけ出すことは困難である。

【0038】

溶融開始後において、面積Ｓ１１（図５Ｃ）、Ｓ２１（図５Ｄ）に対する増分ΔＳ１１（図５Ｃ）、ΔＳ２１（図５Ｄ）の比は、それぞれ溶融開始前における面積Ｓ１１（図５Ａ）、Ｓ２１（図５Ｂ）に対する増分ΔＳ１１（図５Ａ）、ΔＳ２１（図５Ｂ）の比より小さくなっている。このため、パルスエネルギがＥ１を超えるとグラフの傾きが緩やかになる。ただし、面積Ｓ２１に対する増分ΔＳ２１の比が小さくなる度合いの方が、面積Ｓ１１に対する増分ΔＳ１１の比が小さくなる度合いより大きい。これは、深さＤ２より浅い領域において、温度上昇が抑制されているためである。このため、図６に示したグラフにおいて、パルスエネルギがＥ１を超えた時点でグラフの傾きが緩やかになる度合いは、曲線Ｄ２の方が曲線Ｄ１より大きい。

【0039】

曲線Ｄ１と曲線Ｄ２とで傾きが緩やかになる度合いが異なるため、パルスエネルギを変化させたときの２つの受光部２１の出力値の変化を対比させることにより、溶融開始の条件を満たすパルスエネルギ、及びそのときの受光部２１の出力値を、より精度よく特定することができる。例えば、パルスエネルギに対して曲線Ｄ１で示される値と曲線Ｄ２で示される値との差と、パルスエネルギとの関係から、溶融開始時点のパルスエネルギＥ１を、より精度よく特定することができる。

【0040】

溶融開始の条件を満たすパルスエネルギ、及びそのときの受光部２１の出力値の特定精度を高めるために、２つの受光部２１のピーク感度波長における半導体ウエハ３５の吸収係数の差を大きくすることが好ましい。例えば、大きい方の吸収係数が小さい方の吸収係数の２倍以上になる条件を満たすように、２つの受光部２１のピーク感度波長を設定するとよい。

【0041】

半導体ウエハ３５がシリコンである場合、最表面の温度情報を読み取るために、一方の受光部２１のピーク感度波長を、シリコンにとって透明でない波長、例えば１μｍ以下とすることが好ましい。例えば、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光の波長域、または波長９００ｎｍ程度の近赤外線の波長域とすることが好ましい。

【0042】

図７は、実施例によるプロセスモニタを搭載したレーザアニール装置を用いて半導体ウエハ３５のレーザアニールを行う手順を示すフローチャートである。

【0043】

まず、ドーパントが注入された半導体ウエハ３５（図１）をステージ３１（図１）に保持させる（ステップＳ１）。この手順は、例えばロボットアーム等により行われる。ステージ３１は、例えば真空チャックにより半導体ウエハ３５を固定する。

【0044】

半導体ウエハ３５をステージ３１に保持させた後、レーザ光源１１からのパルスレーザビームの出力及びステージ３１の移動を開始する（ステップＳ２）。パルスレーザビームによる半導体ウエハ３５の走査中に、半導体ウエハ３５からの輻射光の強度を光検出器２０で測定する（ステップＳ３）。例えば、処理装置４０が、光検出器２０の出力値を取得する。

【0045】

処理装置４０は、レーザビームが入射している半導体ウエハ３５の面内の位置と、光検出器２０の出力値とを関連付けて、記憶装置４１に保存する（ステップＳ４）。ステップＳ３及びステップＳ４の処理を、半導体ウエハ３５の表面のほぼ全域がアニールされるまで繰り返す（ステップＳ５）。

【0046】

半導体ウエハ３５の表面のほぼ全域のアニールが終了すると、処理装置４０は光検出器２０の出力値に基づいて半導体ウエハ３５の最表面の到達温度を算出する（ステップＳ６）。例えば、２つの受光部２１の出力値と、半導体ウエハ３５の最表面の到達温度との関係が予め求められており、記憶装置４１に記憶されている。処理装置４０は、半導体ウエハ３５の最表面の到達温度の算出値を、半導体ウエハ３５の面内の位置と関連付けて出力装置４２（図１）に出力する。例えば、半導体ウエハ３５の面内における到達温度の分布を図形として表示させるとよい。

【0047】

上記実施例によるプロセスモニタを用いることにより、半導体ウエハ３５の最表面の到達温度を、より高精度に求めることができる。これにより、半導体ウエハ３５の最表面が溶融したか否かを高精度に判定することができる。

【0048】

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、光検出器２０に含まれる受光部２１（図２Ａ、図２Ｂ）の個数を２個としているが、光検出器２０が３個以上の複数の受光部２１を含むようにしてもよい。ピーク感度波長が異なる３個の以上の受光部２１を配置することにより、光検出器２０は、３個以上の複数の波長域の輻射光の強度を測定することができる。これにより、溶融開始の条件を満たすパルスエネルギ、及びそのときの受光部２１の出力値の特定精度を高めることができる。

【0049】

上記実施例では、光検出器２０の測定結果に基づいて半導体ウエハ３５の最表面の到達温度を求めているが、アニールによって変化する半導体ウエハ３５に関わる他の物理量を求めることも可能である。例えば、ドーパントの活性化率、シート抵抗等と、光検出器２０の測定結果との関係を予め求めておくことにより、光検出器２０の測定結果に基づいてこれらの物理量を求めることができる。

【0050】

上記実施例では半導体ウエハをアニール対象とているが、半導体ウエハ以外の半導体部材をアニール対象とする場合にも、実施例によるプロセスモニタを用いることができる。また、上記実施例では、半導体ウエハのアニール方法としてレーザアニールを適用しているが、その他のアニール方法を適用してもよい。例えば、ランプアニール、ファーネスアニール等を適用してもよい。なお、深さ方向に温度分布が生じるような方法でアニールを行う場合に、上記実施例によるプロセスモニタを用いることによって特に優れた効果が得られる。

【0051】

上記実施例は例示であり、実施例及び変形例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施例及び変形例の同様の構成による同様の作用効果については実施例及び変形例ごとには逐次言及しない。さらに、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 レーザ光学系
１１ レーザ光源
１２ 均一化光学系
１３ 折り返しミラー
２０ 光検出器
２１ 受光部
２２ 光センサ
２３ バンドパスフィルタ
２５ ダイクロイックミラー
２６ レンズ
３０ チャンバ
３１ ステージ
３２ ウィンドウ
３５ 半導体ウエハ
３７ ビームスポット
３８ ビームスポットの像
４０ 処理装置
４１ 記憶装置
４２ 出力装置
４３ 入力装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】