JP2009032858A - ビーム照射装置、及び、レーザアニール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の加工を行う。
【解決手段】 外部からの制御で異なる波長のレーザパルスを出射する第１及び第２光源と、加工対象物を保持するステージと、第１及び第２光源から出射したレーザパルスを、入射領域が少なくとも一部において重なるように加工対象物に入射させる光学系と、第１光源から出射したレーザパルスのパルス幅が、第２光源から出射したレーザパルスのパルス幅よりも長く、第１光源から出射したレーザパルスが加工対象物への入射を終了する前に、第２光源から出射したレーザパルスが加工対象物に入射するように第１及び第２光源を制御するとともに、遅延時間を規定する情報を記憶する記憶手段を備える制御装置と有し、制御装置は、第２光源からのレーザパルスの出射開始時点から、記憶手段に記憶された情報で規定された遅延時間だけ経過した時点に、第１光源から出射したレーザパルスが立ち下がるように、第１及び第２光源を制御するビーム照射装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うビーム照射装置、及び、アニールを行うレーザアニール方法に関する。

半導体製造工程における注入不純物の活性化には、ＲＴＰ(Rapid Thermal Processing)、ＦＬＡ(Flash Lamp Annealing)、ＬＴＰ(Laser Thermal Processing)等の手法が用いられている。しかしＲＴＰでは注入不純物の拡散を抑えることが困難である。またＦＬＡは加熱時間が長いため、不純物を無拡散で活性化させることが難しい。ＬＴＰでは加熱時間が数十〜数百ｎｓと極端に短く、不純物の注入深さが数十〜数百ｎｍと比較的深い場合に、非溶融で処理を行おうとすると、活性化が不十分となることがあった。

連続波のレーザビームを不純物の注入されたシリコンウエハに照射し、不純物を活性化させるＬＳＡ(Laser Spike Annealing) という手法が開発されている（たとえば、特許文献１及び２参照）。ＬＳＡにおいては、不純物注入領域を加熱する時間を、レーザビームの走査速度で制御するしかなく、この点で不十分である。

グリーン光（緑色の波長領域のレーザ光）を用いたダブルパルスアニールの発明が開示されている（たとえば、特許文献３及び４参照）。

また「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」半導体装置の製造方法及び製造装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献５参照）。

特開２００５−２４４１９１号公報 特開２００５−２１０１２９号公報 特開２００４−１５２８８８号公報 特開２００６−１５６７８４号公報 国際公開第２００７／０１５３８８号パンフレット

本発明の目的は、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することである。

また、高品質のアニールを行うことのできるレーザアニール方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、外部からの制御により、相互に異なる波長のレーザパルスを出射する第１及び第２のレーザ光源と、加工対象物を保持するステージと、前記第１及び第２のレーザ光源から出射したレーザパルスを、両者の入射領域が少なくとも一部において重なるように、前記ステージに保持された加工対象物に入射させる光学系と、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅が、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅よりも長く、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが前記加工対象物への入射を終了する前に、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスが該加工対象物に入射するように前記第１及び第２のレーザ光源を制御するとともに、遅延時間を規定する情報を記憶する記憶手段を備えている制御装置とを有し、前記制御装置は、前記第２のレーザ光源からのレーザパルスの出射開始時点から、前記記憶手段に記憶された情報で規定された遅延時間だけ経過した時点に、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが立ち下がるように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御するビーム照射装置が提供される。

また、本発明の他の観点によると、アニール対象物に、第１のレーザパルスの照射を開始する工程と、前記第１のレーザパルスが照射される領域に第２のレーザパルスを照射することにより、前記アニール対象物を加熱する工程と、前記第２のレーザパルスの照射終了時点よりも後に、前記第１のレーザパルスの照射を終了させる工程とを有し、前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長における吸収係数が、前記第２のレーザパルスの波長における吸収係数よりも低く、前記第２のレーザパルスの照射によって加熱されると、前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長域における吸収係数が、加熱前よりも高くなるレーザアニール方法が提供される。

本発明によれば、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することができる。

また、高品質のアニールを行うことのできるレーザアニール方法を提供することができる。

図１は、実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。

実施例によるビーム照射装置は、パルスレーザビームを出射するレーザ光源１０ａ、１０ｂ、シャッタ１１ａ、１１ｂ、ホモジナイザ１２ａ、１２ｂ、折り返しミラー１３ａ〜１３ｃ、ダイクロイックミラー１４、マスク１５、結像光学系１６、ＸＹステージ１７、及び、制御装置１８を含んで構成される。制御装置１８は、記憶装置１８ａ、たとえばメモリを備える。

ＸＹステージ１７上には、加工対象物であるシリコンウエハ２０が保持されている。シリコンウエハ２０には、ｎ型またはｐ型の不純物が注入されている。実施例によるビーム照射装置を用い、レーザ光源１０ａ、１０ｂを出射したパルスレーザビームをシリコンウエハ２０に入射させて、入射位置の不純物を活性化する。

レーザ光源１０ａ、１０ｂが、制御装置１８から送られる信号を受けて、それぞれパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂを出射する。制御装置１８による制御は、記憶装置１８ａに記憶された制御情報に基づいて行われる。

レーザ光源１０ａは、たとえばＱスイッチレーザ発振器であるＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器、及び、非線形光学素子を含む。パルスレーザビーム３０ａは、パルス幅が数十ｎｓ〜数百ｎｓ、たとえば１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）である。

レーザ光源１０ｂは、たとえば半導体レーザであり、波長８００ｎｍ、パルス幅数μｓ〜数百μｓのパルスレーザビーム３０ｂを出射する。レーザ光源１０ｂから出射するパルスレーザビーム３０ｂは、レーザ光源１０ａから出射するパルスレーザビーム３０ａよりも、波長及びパルス幅が長い。また、パルスレーザビーム３０ｂの波長における室温（たとえば３００Ｋ）のシリコンの吸収係数は、パルスレーザビーム３０ａのそれより小さい。室温でのパルスレーザビーム３０ａのシリコンにおける吸収長が約１μｍであるのに対し、パルスレーザビーム３０ｂのそれは、約１０μｍである。

なお、レーザ光源１０ｂとしてＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器を用い、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）であるパルスレーザビーム３０ｂを出射してもよい。またＣＯ_２レーザを、レーザ光源１０ｂに用いることもできる。

パルスレーザビーム３０ａ及び３０ｂは、それぞれ制御装置１８からの制御信号により開閉し、入射するレーザビームの透過と遮蔽を切り替えることのできるシャッタ１１ａ、１１ｂを透過して、ホモジナイザ１２ａ、１２ｂに入射する。

パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、ホモジナイザ１２ａ、１２ｂによって各ホモジナイザ１２ａ、１２ｂのホモジナイズ面においてビーム断面を整形され、ビーム強度を均一化される。

ホモジナイザ１２ａ、１２ｂのホモジナイズ面には、マスク１５が配置されている。パルスレーザビーム３０ａは、折り返しミラー１３ａで反射された後、ダイクロイックミラー１４を透過してマスク１５に入射する。パルスレーザビーム３０ｂは、折り返しミラー１３ｂ、１３ｃ、及び、ダイクロイックミラー１４で反射され、マスク１５に入射する。

マスク１５は透光領域と遮光領域とを備える。マスク１５の透光領域を通過したパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、結像光学系１６を経て、ＸＹステージ１７上に載置されたシリコンウエハ２０上の同一領域に入射する。結像光学系１６は、マスク１５の透光領域の形状をシリコンウエハ２０上に転写する。

ＸＹステージ１７は、制御装置１８から送信される制御信号を受けて、保持したシリコンウエハ２０をその面内方向に移動させ、パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂのシリコンウエハ２０上の入射位置を変化させる。

図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例によるビーム照射方法を説明する。

図２（Ａ）に、シリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂの入射タイミングの一例を示す。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸はレーザ光強度を表す。

時刻ｔ_１において、制御装置１８でトリガ信号が発生され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器を含むレーザ光源１０ａに送信される。これを受けてレーザ光源１０ａから、パルスレーザビーム３０ａ、たとえばパルス幅１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）が出射され、時刻ｔ_１からわずかの間、シリコンウエハ２０に照射される。

時刻ｔ_１の直後の時刻ｔ_２から時刻ｔ_３まで、制御装置１８から、半導体レーザを含むレーザ光源１０ｂに信号が送信される。これを受けてレーザ光源１０ｂから、パルスレーザビーム３０ｂ、たとえば波長８００ｎｍ、パルス幅数μｓ〜数百μｓのパルスレーザビーム３０ｂが出射され、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３の間、シリコンウエハ２０に照射される。パルスレーザビーム３０ｂの立ち上がり時刻（出射開始時刻）がｔ_２であり、立ち下がり時刻がｔ_３である。

記憶装置１８ａには、パルスレーザビーム３０ａを出射するためのトリガ信号発生から、パルスレーザビーム３０ｂの立ち下がりまでの時間を規定する制御情報、たとえば｜ｔ_３−ｔ_１｜そのものや、時刻ｔ_１及び時刻ｔ_３が記憶されている。制御装置１８は、これらの情報をもとに、レーザ光源１０ａ、１０ｂに信号を送信する。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す態様でパルスレーザビーム３０ａ及び３０ｂをシリコンウエハ２０に照射したときのシリコンウエハ２０の温度変化を示す概略図である。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸は温度を表す。

時刻ｔ_１において、室温のシリコンの吸収係数が大きく、吸収長が約１μｍであるパルスレーザビーム３０ａがシリコンウエハ２０に照射され、シリコンウエハ２０の表面近傍で吸収される結果、シリコンウエハ２０の温度が急激に、たとえば約１４００℃まで上昇する。

続いて、パルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０に照射される。パルスレーザビーム３０ｂの波長における約１４００℃のシリコンの吸収係数は、室温のシリコンの吸収係数よりも大きい。パルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０の表面近傍で吸収されるため、シリコンウエハ２０の温度低下は抑制され、シリコンウエハ２０は、パルスレーザビーム３０ｂの照射時間（パルスレーザビーム３０ｂのパルス幅｜ｔ_３−ｔ_２｜）だけ加熱される。

図２（Ｃ）に、シリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂの入射タイミングの他の例を示す。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸はレーザ光強度を表す。

本図に示すのは、レーザ光源１０ａの発振タイミング（時刻ｔ_１）を遅らせ、レーザ光源１０ｂの発振中（時刻ｔ_２〜時刻ｔ_３）に発振させた場合である。

図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）に示す態様でパルスレーザビーム３０ａ及び３０ｂをシリコンウエハ２０に照射したときのシリコンウエハ２０の温度変化を示す概略図である。図の横軸は時間（時刻）を表し、縦軸は温度を表す。

時刻ｔ_２を始点として、室温のシリコンの吸収係数が小さいパルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０に照射される。パルスレーザビーム３０ｂのシリコンにおける吸収長は約１０μｍと長いため、シリコンウエハ２０の表面近傍の温度上昇は緩やかである。

パルスレーザビーム３０ｂがシリコンウエハ２０に照射されている間（時刻ｔ_２〜時刻ｔ_３）の時刻ｔ_１において、パルスレーザビーム３０ａがシリコンウエハ２０に照射される。

パルスレーザビーム３０ａは、室温のシリコンの吸収係数が大きいので、シリコンウエハ２０の表面近傍で吸収され、シリコンウエハ２０の温度を急激に、たとえば約１４００℃まで上昇させる。

パルスレーザビーム３０ｂの波長における約１４００℃のシリコンの吸収係数は大きい。このため時刻ｔ_１以降、シリコンウエハ２０に照射されるパルスレーザビーム３０ｂはシリコンウエハ２０の表面近傍で吸収される。

これにより、シリコンウエハ２０の温度低下は抑制され、シリコンウエハ２０は、時刻ｔ_１以降のパルスレーザビーム３０ｂの照射時間（｜ｔ_３−ｔ_１｜）だけ加熱される。

実施例によるビーム照射方法は、レーザビームのパルス幅と、入射させるレーザパルスの発振タイミングとによって、シリコンウエハの加熱時間をコントロールすることができる。このため、シリコンウエハの加熱時間をほとんど任意に設定することが可能となる。したがって、所与の条件に応じて、たとえばシリコンウエハの比較的深い位置における不純物の活性化に対しても、不純物の拡散を抑えながら、最適なアニールを行うことができる。

上記のビーム照射方法を用いて行った不純物活性化（レーザアニール）の一例をあげる。

シリコンウエハに、不純物としてＡｓを２００ｋｅＶのエネルギ、１Ｅ＋１４ｉｏｎｓ／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入した。このシリコンウエハに、パルスレーザビーム３０ａとして、パルス幅１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）を用い、また、パルスレーザビーム３０ｂとしては、波長８０８ｎｍの半導体レーザを、パルス幅１００μｓで照射して不純物活性化（レーザアニール）を実施した。

パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、ともに周波数１ｋＨｚで発振させ、シリコン照射面において、長軸方向が６ｍｍ、短軸方向が０．１ｍｍの長尺形状となるように整形した。パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂが、短軸方向に９０％のオーバーラップ率で照射されるように、ＸＹステージの送り速度を１０ｍｍ／ｓに調整した。長軸方向のオーバーラップ率は６６．７％とし、２ｍｍ／ラインの送りとした。

パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂのエネルギ密度は、シリコンウエハが溶融しない範囲で設定した。パルスレーザビーム３０ｂの照射を開始してから５０μｓ後に、パルスレーザビーム３０ａをシリコンウエハに入射させた。したがって、図２（Ｃ）のｔ_１〜ｔ_３を用いた場合、｜ｔ_３−ｔ_１｜（加熱時間）、｜ｔ_１−ｔ_２｜がともに５０μｓとなる。

アニール後のシリコンウエハには、不純物の拡散は認められず、欠陥等も観察されなかった。注入されたドーパントが活性化され、十分低いシート抵抗値が示された。

比較例として、上述のエネルギ及びドーズ量でＡｓをイオン注入したシリコンウエハに、パルス幅１００ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍのグリーン光）のダブルパルスを与えて不純物活性化（レーザアニール）を行った。

比較例においては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の第１レーザパルスを照射した３００ｎｓ後に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波の第２レーザパルスを照射した。第１及び第２レーザパルスの発振周波数、シリコン照射面におけるビームサイズ、短軸及び長軸方向についてのオーバーラップ率は上述の例と等しくした。また、比較例においても、パルスレーザビームのエネルギ密度は、シリコンウエハが溶融しない範囲で設定した。

アニール後のシリコンウエハには、不純物の拡散は認められなかったが、欠陥の回復が不十分であった。シート抵抗値が高く、ドーパントが十分に活性化されていなかった。

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。

たとえば、実施例によるビーム照射装置においては、レーザ光源１０ａ、１０ｂを出射したパルスレーザビーム３０ａ、３０ｂを異なるホモジナイザ１２ａ、１２ｂに入射させたが、同一のホモジナイザに入射させることもできる。

また、実施例によるビーム照射装置においては、パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂを同一のマスク及び結像光学系に入射させたが、異なるマスク及び結像光学系に入射させてもよい。

更に、パルスレーザビーム３０ａ、３０ｂは、シリコンウエハ上の同一領域に入射させなくても、両者の入射領域が少なくとも一部において重なるように入射させればよい。

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自明であろう。

半導体の活性化アニールに好適に利用することができる。また、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)のシリコンの結晶化等にも利用することができる。

実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、実施例によるビーム照射方法を説明するための図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ レーザ光源
１１ａ、１１ｂ シャッタ
１２ａ、１２ｂ ホモジナイザ
１３ａ〜１３ｃ 折り返しミラー
１４ ダイクロイックミラー
１５ マスク
１６ 結像光学系
１７ ＸＹステージ
１８ 制御装置
１８ａ 記憶装置
２０ シリコンウエハ
３０ａ、３０ｂ パルスレーザビーム

Claims (7)

1. 外部からの制御により、相互に異なる波長のレーザパルスを出射する第１及び第２のレーザ光源と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記第１及び第２のレーザ光源から出射したレーザパルスを、両者の入射領域が少なくとも一部において重なるように、前記ステージに保持された加工対象物に入射させる光学系と、
   前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅が、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスのパルス幅よりも長く、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが前記加工対象物への入射を終了する前に、前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスが該加工対象物に入射するように前記第１及び第２のレーザ光源を制御するとともに、遅延時間を規定する情報を記憶する記憶手段を備えている制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記第２のレーザ光源からのレーザパルスの出射開始時点から、前記記憶手段に記憶された情報で規定された遅延時間だけ経過した時点に、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスが立ち下がるように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御するビーム照射装置。
2. 前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスの波長における３００Ｋのシリコンの吸収係数は、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスのそれよりも大きい請求項１に記載のビーム照射装置。
3. 前記第２のレーザ光源から出射したレーザパルスは、前記第１のレーザ光源から出射したレーザパルスよりも短波長である請求項１または２に記載のビーム照射装置。
4. 前記第１のレーザ光源は、外部から与えられる信号を受けて、前記第１のレーザパルスを、該信号に応じて可変の第１のパルス幅で出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
5. 前記第２のレーザ光源は、Ｑスイッチレーザ発振器を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
6. アニール対象物に、第１のレーザパルスの照射を開始する工程と、
   前記第１のレーザパルスが照射される領域に第２のレーザパルスを照射することにより、前記アニール対象物を加熱する工程と、
   前記第２のレーザパルスの照射終了時点よりも後に、前記第１のレーザパルスの照射を終了させる工程と
   を有し、
   前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長における吸収係数が、前記第２のレーザパルスの波長における吸収係数よりも低く、前記第２のレーザパルスの照射によって加熱されると、前記アニール対象物の、前記第１のレーザパルスの波長域における吸収係数が、加熱前よりも高くなるレーザアニール方法。
7. 前記第２のレーザパルスは、前記第１のレーザパルスよりも短波長である請求項６に記載のレーザアニール方法。

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