半導体装置の製造方法
【課題】 ２μｍ以上の深い領域の活性化を行うことができるが、活性化率をより高める技術が望まれている。
【解決手段】 不純物が注入されたシリコン基板の表面に、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅５μｓ〜３０μｓ、パルスの繰り返し周波数０．５ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのパルスレーザビームを入射させながら、シリコン基板の表面上で、パルスレーザビームのビーム断面を重複率５０％〜８０％で移動させ、前記シリコン基板の表面が溶融しないパワー密度の条件で活性化アニールを行う半導体装置の製造方法が提供される。
【解決手段】 不純物が注入されたシリコン基板の表面に、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅５μｓ〜３０μｓ、パルスの繰り返し周波数０．５ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのパルスレーザビームを入射させながら、シリコン基板の表面上で、パルスレーザビームのビーム断面を重複率５０％〜８０％で移動させ、前記シリコン基板の表面が溶融しないパワー密度の条件で活性化アニールを行う半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザビームをシリコン基板に照射して不純物の活性化アニールを行う半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板に注入した不純物の活性化アニールに、ＹＡＧレーザ等の固体レーザの第二高調波、エキシマレーザ等の高出力パルスレーザを用いる技術が知られている。これらのレーザ発振器から出力されるパルスレーザのパルス幅は、高々数百ｎｓである。このように短いパルス幅のパルスレーザビームを用い、活性化に必要なパルスエネルギを確保しようとすると、ピークエネルギを高くしなければならない。ピークエネルギが高くなると、表面近傍の温度が短時間に上昇するため、１μｍ以上の深い領域の不純物の活性化を行うことが困難である。また、これらのパルスレーザビームの波長は紫外域または５３０ｎｍよりも短い可視域である。この波長域のレーザビームは、シリコンに吸収され易いため、シリコン基板への侵入の深さは１μｍ以下である。このため、１μｍよりも深い領域の不純物の活性化を行うのに不利である。
【０００３】
波長６９０ｎｍ〜９００ｎｍのレーサビームを用い、シリコン基板への照射時間を１０μｓ〜１００μｓとして、深い領域の活性化を行う技術が知られている（特許文献１）。ＹＡＧレーザの第二高調波を用い、パルス幅を２５０ｎｓ〜１２００ｎｓとするとともに、パルスの立ち上がりの緩やかなレーザパルスを用いることにより、２μｍ以上の深い領域の不純物の活性化を行う技術が知られている（特許文献２）。さらに、アニールをアシストする近赤外レーザを併用することにより、２μｍ以上の深さの領域の不純物の活性化を行う技術が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５１６５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−６０８６８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたように、ビーム幅５０μｍの連続発振レーザを用い、照射時間を１０μｓとするためには、シリコン基板を保持したステージの移動速度を５ｍ／ｓにしなければならない。このような高速でステージを移動させることは困難である。
【０００６】
特許文献２、３に記載されたレーザアニール技術で、２μｍ以上の深い領域の活性化を行うことができるが、活性化率をより高める技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
不純物が注入されたシリコン基板の表面に、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅５μｓ〜３０μｓ、パルスの繰り返し周波数０．５ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのパルスレーザビームを入射させながら、前記シリコン基板の表面上で、パルスレーザビームのビーム断面を重複率５０％〜８０％で移動させ、前記シリコン基板の表面が溶融しないパワー密度の条件で活性化アニールを行う半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
この条件でレーザアニールを行うことにより、２μｍ以上の深い領域の不純物の活性化率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例による半導体装置の製造方法で用いられるレーザアニール装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例による方法で製造される半導体装置（ＩＧＢＴ）の断面図である。
【図３】図３Ａは、実施例による方法で採用されるレーザアニールのタイミングチャートであり、図３Ｂは、シリコン基板上におけるビーム断面を示す平面図である。
【図４】図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、それぞれ周波数ｆを０．５ｋＨｚ、１．０ｋＨｚ、２．５ｋＨｚに設定し、種々のレーザ照射条件でアニールを行ったときの非照射面の最高到達温度及び活性化率を示す図表である。
【図５】図５は、深さ方向に関する不純物濃度及びキャリア濃度の分布を示すグラフである。
【図６】図６は、深さ方向に関する不純物濃度及びキャリア濃度の分布を示すグラフである。
【図７】周波数ｆを０．５ｋＨｚに設定したときの、パルス幅と、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値との関係を示すグラフである。
【図８】周波数ｆを１．０ｋＨｚに設定したときの、パルス幅と、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値との関係を示すグラフである。
【図９】周波数ｆと、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値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に、実施例による半導体装置の製造方法で用いられるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源１１がドライバ１０によって駆動される。レーザ光源１１には、例えば発振波長６９０〜９５０ｎｍのレーザダイオードが用いられる。本実施例においては、レーザ光源１１として、発振波長８００ｎｍのレーザダイオードを用いた。アニール中に、レーザ光源１１は連続発振させておく。
【００１１】
レーザ光源１１から出射されたレーザビームが、半波長板１２に入射する。半波長板１２は、その遅相軸の向きを変化させることにより、レーザビームの偏光方向を変化させる。半波長板１２を透過したレーザビームが、音響光学素子１３に入射する。音響光学素子１３は、制御装置２５から制御を受けることにより、レーザビームを直進させるか、または進行方向を変化させる。進行方向が変化したレーザビームは、ビームダンパ１４に入射する。
【００１２】
音響光学素子１３を直進したレーザビームは、ホモジナイザ１５を透過した後、ビームスプリッタ１６に入射する。ビームスプリッタ１６は、入射したレーザビームの一部の成分を、ビームダンパ１７に向けて反射させ、残りの成分を直進させる。ビームスプリッタ１６を直進する成分の比率は、半波長板１２の遅相軸の向きを変えて偏光方向を変化させることにより、制御することができる。
【００１３】
ビームスプリッタ１６を透過したレーザビームが、１／４波長板１９及び集光レンズ２０を透過して、アニール対象であるシリコン基板３０に入射する。シリコン基板３０は、可動ステージ２１に保持されている。ホモジナイザ１５と集光レンズ２０とにより、シリコン基板３０の表面におけるビーム断面が、長尺形状にされるとともに、長軸及びそれに直交する方向（幅方向）に関する光強度が均一化される。可動ステージ２１は、シリコン基板３０を、ビーム断面の幅方向に移動させる。
【００１４】
シリコン基板３０の表面で反射した反射光が、集光レンズ２０及び１／４波長板１９を透過して、ビームスプリッタ１６に入射する。１／４波長板１９を２回透過することにより、偏光方向が９０°変化する。このため、反射光は、ビームスプリッタ１６で反射され、ビームダンパ１８に入射する。
【００１５】
音響光学素子１３によって、レーザビームを直進させる期間と、レーザビームをビームダンパ１４に入射させる期間とを、交互に繰り返すことにより、連続発振のレーザビームから、パルスレーザビームを生成することができる。音響光学素子１３を制御することにより、パルスレーザビームのパルス幅及びパルスの繰り返し周波数（以下、単に「周波数」という。）を制御することができる。
【００１６】
図２に、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。ＩＧＢＴは、ｎ型のシリコン基板３０の一方の面にエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面にコレクタを形成することで作製される。エミッタとゲートを形成する面の構造は、一般的なＭＯＳＦＥＴの作製工程と同様の工程で作製される。たとえば、図２に示すように、シリコン基板３０の表面に、ｐ型のベース領域３３、ｎ型のエミッタ領域３４、ゲート電極３５、ゲート絶縁膜３６、エミッタ電極３７が配置される。ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができる。
【００１７】
シリコン基板３０の反対側の面に、ｐ型のコレクタ層３９が形成されている。必要に応じて、コレクタ層３９とシリコン基板３０との間に、ｎ型のバッファ層３８を形成してもよい。コレクタ層３９及びバッファ層３８は、それぞれ不純物としてボロン及びリンをイオン注入により注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。この活性化アニールに、図１に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極４０が、活性化アニールの後に、コレクタ層３９の表面に形成される。
【００１８】
図３Ａに、実施例による半導体装置の製造方法で採用されるレーザアニールのタイミングチャートを示す。パルス幅ＰＷのレーザパルスが、周波数ｆ、すなわち周期１／ｆで、シリコン基板３０に照射される。このレーザパルスは、連続発振するレーザビームから、音響光学素子１３（図１）により切り出されたものであるため、その波形は矩形に近い。なお、レーザ光源１１をドライバ１０によりパルス発振させ、音響光学素子１３とビームダンパ１４とを省略してもよい。
【００１９】
アニール時のシリコン基板３０には、図２に示した表側の素子構造が既に形成されており、裏側に、バッファ層３８及びコレクタ層３９の不純物が注入されている。この段階では、注入された不純物は、活性化されていない。
【００２０】
図３Ｂに、シリコン基板３０（図１）のレーザ照射面におけるビーム断面２３を示す。ビーム断面２３は、一方向に長い長尺形状を有する。ホモジナイザ１５（図１）により光強度分布が均一化されているため、長尺方向及び幅方向に関する光強度分布は、ほぼトップフラット形状を有する。
【００２１】
長尺方向の長さをＬとし、ビーム幅をＷｔとする。パルスレーザビームの照射は、シリコン基板３０を、ビーム断面２３の幅方向に移動させながら行われる。シリコン基板３０を移動させることにより、パルスレーザビームがシリコン基板３０の表面を走査する。パルスレーザビームを、ビーム幅方向に走査することにより、１つの辺の長さが、ビーム断面の長さＬと等しい長方形の領域をアニールすることができる。
【００２２】
１つのレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて実線で示されている。）と、次に入射するレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて破線で示されている。）との重複する領域の幅をＷｏとする。重複率を、Ｗｏ／Ｗｔと定義する。シリコン基板３０の移動速度をＶとすると、Ｗｔ−Ｗｏ＝Ｖ／ｆと表される。このため、パルスの繰り返し周波数ｆ、ビーム幅Ｗｔ、及びステージの移動速度Ｖにより、重複率が決定される。実施例においては、ビーム幅Ｗｔを２４０μｍとした。
【００２３】
シリコン基板３０（図１）にボロン（Ｂ）及びリン（Ｐ）を注入し、種々のレーザ照射条件で活性化アニールを行った。以下、この評価実験について説明する。
【００２４】
一般的に、ＩＧＢＴに用いられるシリコン基板３０（図２）の厚さは、１００μｍ程度である。シリコン基板３０の背面（コレクタ層３９が形成された表面）にレーザビームを入射させたときに、表側の表面（エミッタ領域３４等が形成された表面）の温度が高くなりすぎると、既に形成されている素子構造が損傷を受ける。シリコン基板３０の背面におけるパワー密度を徐々に高くし、表側の素子構造が損傷を受け始める直前の照射条件を求めた。損傷を受け始める直前の照射条件と同一の条件で、厚さ５２５μｍのシリコン基板の背面にレーザ照射を行ったところ、表側の表面の最高到達温度が１１５℃であった。この結果から、ＩＧＢＴの活性化アニールを行う際に、厚さ５２５μｍのシリコン基板にレーザ照射を行ったときの、反対側の表面の最高到達温度が１１５℃以下の条件（この条件を、「非損傷条件」という。）でレーザ照射を行うことが好ましいと考えられる。
【００２５】
厚さ５２５μｍのシリコン基板に種々の条件でレーザ照射を行い、反対側の表面の最高到達温度及び不純物の活性化率を測定した。シリコン基板の表面の最高到達温度の測定には、アセイ工業株式会社製のＷＡＸ示温インクを用いた。シリコン基板のレーザ照射面とは反対側の表面にＷＡＸ示温インクを塗布しておき、レーザ照射後のインクの透明度の変化により、最高到達温度を知ることができる。
【００２６】
図４Ａに、周波数ｆを０．５ｋＨｚとし、パルス幅ＰＷ、パワー密度ＰＤ、及び重複率を異ならせてレーザ照射を行ったときの、シリコン基板のレーザ照射面とは反対側の表面（以下、「非照射面」という。）の最高到達温度及び不純物の活性化率を測定した結果を示す。パルス幅ＰＷは、１０μｓ、１５μｓ、２０μｓ、２５μｓ、及び３０μｓの条件から選択した。重複率は、５０％、６７％、及び８０％の条件から選択した。パワー密度は、シリコン基板のレーザ照射面が溶融しない条件（以下、「非溶融条件」という。）を満たすパワー密度の上限値に近い値とした。この照射条件でレーザ照射を行うと、レーザ照射面の温度の最高到達温度が、シリコンの融点とほぼ等しくなる。ただし、融解熱に相当するエネルギがシリコン基板に与えられないため、基板表面の溶融は生じない。
【００２７】
レーザ照射面を溶融させることなく、シリコン基板３０をほぼ融点まで加熱することにより、レーザ照射面の表層部の不純物の活性化率を高めることができる。パルス幅ＰＷが１０μｓ以上という長い条件で、かつレーザ照射面が溶融し始める条件でレーザ照射を行うと、全面が一様に溶融せず、溶融した領域と溶融しない領域とが斑模様に分布してしまう。全面が一様に溶融する程度までパワー密度を高めると、非照射面の温度上昇が顕著になる。すなわち、パルス幅ＰＷが１０μｓ以上という長い条件の下では、照射面を溶融させ、かつ非照射面の素子構造に損傷を与えないという条件を見出すことが困難である。従って、非溶融条件でレーザ照射を行うことが好ましい。
【００２８】
図４Ａに示した表の各欄の上段に、シリコン基板の非照射面の最高到達温度を示し、下段に、リンの活性化率を示す。活性化率のカッコ付き表記は、実際に試料を測定して得られた値ではなく、非照射面の最高到達温度がより低い照射条件の試料の測定結果から、活性化率がカッコ付き数値以上になると予想されることを意味する。例えば、重複率５０％、パルス幅１５μｓの条件で作製した試料において、非照射面の最高到達温度が８０℃、活性化率が１００％であり、パルス幅２０μｓ〜３０μｓで作製した試料の非照射面の最高到達温度が８０℃以上になっていることから、これらの試料の活性化率は、ほぼ１００％になると予想される。
【００２９】
図４Ｂ及び図４Ｃに、それぞれ周波数ｆを１．０ｋＨｚ及び２．５ｋＨｚとしたときの、非照射面の最高到達温度と活性化率との測定結果を示す。
【００３０】
図５に、評価に用いた試料の深さ方向の不純物濃度分布及びキャリア濃度分布の測定結果を示す。横軸は深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。ボロンの注入は、加速エネルギ４０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ｃｍ−２の条件で行い。リンの注入は、加速エネルギ７００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１３ｃｍ−２の条件で行った。破線Ｂ０及び破線Ｐ０は、それぞれ注入直後のボロン濃度及びリン濃度を示す。細い実線ｐ１は、パルス幅１５μｓ、重複率５０％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ１、破線ｐ２は、パルス幅１５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ２、太い実線ｐ３は、パルス幅２５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ３の正孔濃度を示す。細い実線ｎは、試料Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の電子濃度を示す。３つの試料の電子濃度分布は、ほぼ重なっているため、１本の細い実線で示している。
【００３１】
シリコン基板の表面が溶融していないため、表層部の電子濃度分布が、注入直後のボロン濃度分布を反映した形状になっている。また、深さ２．５μｍまでのリンが、ほとんど１００％活性化していることがわかる。
【００３２】
図４Ａに戻って説明を続ける。重複率が８０％の時に、パルス幅ＰＷが１０μｓ〜１５μｓの範囲内で、非損傷条件でアニールを行うことができる。パルス幅ＰＷが２０μｓ〜３０μｓの範囲内では、照射面を融点近傍まで加熱すると、非照射面の最高到達温度が１１５℃以上になってしまう。このため、非損傷条件を満たすことができない。
【００３３】
重複率を６７％に設定すると、パルス幅ＰＷが１０μｓ〜２５μｓの範囲内で、照射面を融点近傍まで加熱し、かつ非照射面の最高到達温度を１１５℃未満にすることが可能である。すなわち、非損傷条件でアニールを行うことができる。
【００３４】
重複率を５０％に設定したとき、パルス幅ＰＷが１０μｓ〜３０μｓの範囲内において、非損傷条件を満たすことができる。
【００３５】
図４Ｂに示すように、周波数ｆが１．０ｋＨｚの場合には、重複率を８０％にすると、非損傷条件でアニールを行うことができない。重複率を６７％に設定したとき、パルス幅を１０μｓに設定すると、非損傷条件を満たすことができる。重複率を５０％に設定すると、パルス幅が１０μｓ〜２０μｓの範囲内で、非損傷条件を満たすことができる。
【００３６】
図４Ｃに示すように、周波数ｆが２．５ｋＨｚの場合には、重複率が６７％〜８０％の範囲内で、非損傷条件を満たすことができない。重複率を５０％に設定すると、パルス幅を１０μｓ〜１５μｓの範囲内で、非損傷条件を満たすことができる。なお、周波数ｆを３ｋＨｚにすると、重複率が５０％でも非照射面の最高到達温度が１１５℃を超えた。この実験結果から、非損傷条件を満たすための周波数ｆの上限は３ｋＨｚであると考えられる。
【００３７】
図４Ａ〜図４Ｃに示した非溶融かつ非損傷条件で作製した試料のいずれにおいても、９４％以上の高い活性化率が得られている。
【００３８】
非溶融かつ非損傷条件であっても、パワー密度が低すぎると、活性化率が低下してしまう。次に、活性化率を高く維持するための条件について説明する。
【００３９】
図６に、異なるパワー密度でレーザ照射を行った２つの試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布の測定結果を示す。横軸は、深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は、濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。パルス幅ＰＷを１５μｓとし、周波数ｆを０．５ｋＨｚとし、重複率を６７％とした。図６の細い実線ｎ１及び太い実線ｐ１は、それぞれパワー密度４４５ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布を示す。細い破線ｎ２及び太い破線ｐ２は、それぞれパワー密度４１０ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布を示す。
【００４０】
パワー密度４４５ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料においては、ほぼ１００％の活性化率が得られている。これに対し、パワー密度４１０ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料においては、活性化率が不十分であることがわかる。発明者らの種々の評価実験によると、パワー密度が、非溶融条件の上限値の９２％以上であれば、十分な活性化率が得られると考えられる。
【００４１】
図７に、周波数ｆを０．５ｋＨｚに設定したときに、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値を示す。横軸は、パルス幅を単位「μｓ」で表し、縦軸は、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表す。横軸及び縦軸とも、対数目盛である。パルス幅１０μｓ以上の領域にプロットした丸記号は、実際にレーザビーム照射を行って得られた値であり、パルス幅５μｓにプロットした丸記号は、シミュレーションにより求めた値である。
【００４２】
丸記号を連ねる実線よりも左下の領域のパワー密度ＰＤ及びパルス幅ＰＷが、非溶融条件を満たす。非溶融条件を数式で表すと、
ＰＤ≦−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２・・・（１）
となる。ここで、ＰＷは、パルス幅を単位「μｓ」で表した値であり、ＰＤは、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表した値である。
【００４３】
パルス幅ＰＷ及びパワー密度ＰＤを、上記不等式（１）を満たす値にすると、照射面は溶融しない。ところが、パワー密度が低くなりすぎると、活性化率が低下してしまう。図６に示した評価実験の結果から、パワー密度は、不等式（１）の右辺の値の９２％以上にすることが好ましい。この条件を不等式で表すと、
ＰＤ≧０．９２×（−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２）・・・（２）
となる。
【００４４】
図７において、パワー密度の上限値の９２％の値を、破線で示す。照射面を溶融させず、かつ十分な活性化率を実現するために、パワー密度ＰＤ及びパルス幅ＰＷを、図７に示したグラフの実線と破線との間の領域から選択することが好ましい。
【００４５】
図８に、周波数ｆを１．０ｋＨｚに設定したときに、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値を示す。横軸は、パルス幅を単位「μｓ」で表し、縦軸は、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表す。横軸及び縦軸とも、対数目盛である。パルス幅１０μｓ以上の領域にプロットした丸記号は、実際にレーザビーム照射を行って得られた値であり、パルス幅５μｓにプロットした丸記号は、シミュレーションにより求めた値である。
【００４６】
丸記号を連ねる実線よりも左下の領域のパワー密度ＰＤ及びパルス幅ＰＷが、非溶融条件を満たす。非溶融条件を数式で表すと、
ＰＤ≦−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２・・・（３）
となる。ここで、ＰＷは、パルス幅を単位「μｓ」で表した値であり、ＰＤは、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表した値である。
【００４７】
十分な活性化率を実現するために、パワー密度は、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値の９２％以上にすることが好ましい。この条件を不等式で表すと、
ＰＤ≧０．９２×（−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２）・・・（４）
となる。
【００４８】
図９に、周波数ｆと、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値との関係を示す。周波数ｆが１．０ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚの間では、非溶融条件を満たすパワー密度ＰＤの上限値はほぼ一定である。なお、パルス幅が５μｓ〜３０μｓの範囲内でも、非溶融条件を満たすパワー密度ＰＤの上限値はほぼ一定である。従って、周波数ｆが１．０ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚの間において、不等式（３）が非溶融条件となり、不等式（４）が、十分な活性化率を実現する条件となる。
【００４９】
周波数ｆが０．５ｋＨｚのとき、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値は、周波数ｆが１．０ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのときの上限値よりも約２０ｋＷ／ｃｍ２〜４０ｋＷ／ｃｍ２程度高い。具体的には、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値の差は、パルス幅が１５μｓのとき約４０ｋＷ／ｃｍ２であり、パルス幅が２０μｓ〜３０μｓのとき約２０ｋＷ／ｃｍ２である。なお、パルス幅が１０μｓの条件では、装置構成上、非溶融条件の上限値を測定できなかった。周波数ｆが０．５ｋＨｚ〜１．０ｋＨｚの範囲で、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値がほぼ線型に変化すると考えると、上記不等式（１）を周波数ｆで一般化すると、
２０μｓ≦ＰＷ≦３０μｓのとき、
ＰＤ≦−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５）・・・（５ａ）、
１０μｓ≦ＰＷ＜２０μｓのとき、
ＰＤ≦−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５）・・・（５ｂ）
が導出される。ここで、ｆは、周波数を単位「ｋＨｚ」で表示した値である。
【００５０】
同様に、上記不等式（２）から、
２０μｓ≦ＰＷ≦３０μｓのとき、
ＰＤ≧０．９２×（−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５））
・・・（６ａ）、
１０μｓ≦ＰＷ＜２０μｓのとき、
ＰＤ≧０．９２×（−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５））
・・・（６ｂ）、
が導出される。
【００５１】
図４Ａに示した実験結果から、周波数ｆが０．５ｋＨｚのとき、パルス幅３０μｓ以下の領域において、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値で、かつ非損傷条件を満たすレーザ照射を行うことができる。
【００５２】
図４Ｂに示した実験結果から、周波数ｆが１．０ｋＨｚのとき、パルス幅を２５μｓ以上に設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値では、非損傷条件を満たすことができない。従って、パルス幅を５μｓ〜２０μｓの範囲内とすることが好ましい。
【００５３】
図４Ｃに示した実験結果から、周波数ｆが２．５ｋＨｚのとき、パルス幅を２０μｓ以上に設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値では、非損傷条件を満たすことができない。従って、パルス幅を５μｓ〜１５μｓの範囲内とすることが好ましい。
【００５４】
周波数ｆを低くすると、ウエハ１枚のアニールに要する時間が長くなる。アニールに要する時間を短くする（言い換えると、スループットを高める）という観点から、周波数ｆは高くすることが好ましい。ただし、周波数ｆを高くすると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値において、非損傷条件を満たすことができるパルス幅ＰＷ及び重複率の範囲が狭まってしまう。
【００５５】
重複率が低くなると、特に深い領域における活性化率が、面内で一様にならない場合がある。２μｍ〜３μｍ程度の深い領域でも、活性化率を面内で一様にするために、重複率は４０％以上にすることが好ましい。重複率を高くすれば、活性化率の面内の一様性は高まる。図４Ａ〜図４Ｃに示したように、周波数ｆが０．５ｋＨｚであれば、重複率を５０％〜８０％の範囲内に設定することができる。これに対し、周波数ｆを２．５ｋＨｚに設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度ＰＤの上限値で、かつ重複率６７％以上の範囲では、非損傷条件を満たすことができない。
【００５６】
活性化深さが２μｍ〜３μｍより浅い場合には、重複率またはパルス幅をより小さい値に設定することが可能である。図４に示したように、重複率またはパルス幅が小さくなると、非照射面の最高到達温度は低くなる傾向を示す。従って、この場合には、周波数ｆを２．５ｋＨｚより高くすることが可能である。また、この結果を元に、パワー密度ＰＤとパルス幅ＰＷとの関係式を求めることが可能であることは当業者に自明であろう。
【００５７】
周波数ｆ、重複率、パワー密度ＰＤ、パルス幅ＰＷとして、非溶融かつ非損傷条件で、さらに十分な活性化率を実現することができる範囲から選択することが好ましい。さらに、アニール時間、活性化率の面内ばらつき等の観点から、さらに好ましい値を抽出すればよい。
【００５８】
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。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】
【００５９】
１０ ドライバ
１１ レーザ光源
１２ 半波長板
１３ 音響光学素子
１４ ビームダンパ
１５ ホモジナイザ
１６ ビームスプリッタ
１７、１８ ビームダンパ
１９ １／４波長板
２０ 集光レンズ
２１ 可動ステージ
２３ ビーム断面
２５ 制御装置
３０ シリコン基板
３３ ベース領域
３４ エミッタ領域
３５ ゲート電極
３６ ゲート絶縁膜
３７ エミッタ電極
３８ バッファ層
３９ コレクタ層
４０ コレクタ電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザビームをシリコン基板に照射して不純物の活性化アニールを行う半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板に注入した不純物の活性化アニールに、ＹＡＧレーザ等の固体レーザの第二高調波、エキシマレーザ等の高出力パルスレーザを用いる技術が知られている。これらのレーザ発振器から出力されるパルスレーザのパルス幅は、高々数百ｎｓである。このように短いパルス幅のパルスレーザビームを用い、活性化に必要なパルスエネルギを確保しようとすると、ピークエネルギを高くしなければならない。ピークエネルギが高くなると、表面近傍の温度が短時間に上昇するため、１μｍ以上の深い領域の不純物の活性化を行うことが困難である。また、これらのパルスレーザビームの波長は紫外域または５３０ｎｍよりも短い可視域である。この波長域のレーザビームは、シリコンに吸収され易いため、シリコン基板への侵入の深さは１μｍ以下である。このため、１μｍよりも深い領域の不純物の活性化を行うのに不利である。
【０００３】
波長６９０ｎｍ〜９００ｎｍのレーサビームを用い、シリコン基板への照射時間を１０μｓ〜１００μｓとして、深い領域の活性化を行う技術が知られている（特許文献１）。ＹＡＧレーザの第二高調波を用い、パルス幅を２５０ｎｓ〜１２００ｎｓとするとともに、パルスの立ち上がりの緩やかなレーザパルスを用いることにより、２μｍ以上の深い領域の不純物の活性化を行う技術が知られている（特許文献２）。さらに、アニールをアシストする近赤外レーザを併用することにより、２μｍ以上の深さの領域の不純物の活性化を行う技術が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５１６５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−６０８６８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたように、ビーム幅５０μｍの連続発振レーザを用い、照射時間を１０μｓとするためには、シリコン基板を保持したステージの移動速度を５ｍ／ｓにしなければならない。このような高速でステージを移動させることは困難である。
【０００６】
特許文献２、３に記載されたレーザアニール技術で、２μｍ以上の深い領域の活性化を行うことができるが、活性化率をより高める技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
不純物が注入されたシリコン基板の表面に、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅５μｓ〜３０μｓ、パルスの繰り返し周波数０．５ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのパルスレーザビームを入射させながら、前記シリコン基板の表面上で、パルスレーザビームのビーム断面を重複率５０％〜８０％で移動させ、前記シリコン基板の表面が溶融しないパワー密度の条件で活性化アニールを行う半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
この条件でレーザアニールを行うことにより、２μｍ以上の深い領域の不純物の活性化率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例による半導体装置の製造方法で用いられるレーザアニール装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例による方法で製造される半導体装置（ＩＧＢＴ）の断面図である。
【図３】図３Ａは、実施例による方法で採用されるレーザアニールのタイミングチャートであり、図３Ｂは、シリコン基板上におけるビーム断面を示す平面図である。
【図４】図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、それぞれ周波数ｆを０．５ｋＨｚ、１．０ｋＨｚ、２．５ｋＨｚに設定し、種々のレーザ照射条件でアニールを行ったときの非照射面の最高到達温度及び活性化率を示す図表である。
【図５】図５は、深さ方向に関する不純物濃度及びキャリア濃度の分布を示すグラフである。
【図６】図６は、深さ方向に関する不純物濃度及びキャリア濃度の分布を示すグラフである。
【図７】周波数ｆを０．５ｋＨｚに設定したときの、パルス幅と、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値との関係を示すグラフである。
【図８】周波数ｆを１．０ｋＨｚに設定したときの、パルス幅と、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値との関係を示すグラフである。
【図９】周波数ｆと、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値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に、実施例による半導体装置の製造方法で用いられるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源１１がドライバ１０によって駆動される。レーザ光源１１には、例えば発振波長６９０〜９５０ｎｍのレーザダイオードが用いられる。本実施例においては、レーザ光源１１として、発振波長８００ｎｍのレーザダイオードを用いた。アニール中に、レーザ光源１１は連続発振させておく。
【００１１】
レーザ光源１１から出射されたレーザビームが、半波長板１２に入射する。半波長板１２は、その遅相軸の向きを変化させることにより、レーザビームの偏光方向を変化させる。半波長板１２を透過したレーザビームが、音響光学素子１３に入射する。音響光学素子１３は、制御装置２５から制御を受けることにより、レーザビームを直進させるか、または進行方向を変化させる。進行方向が変化したレーザビームは、ビームダンパ１４に入射する。
【００１２】
音響光学素子１３を直進したレーザビームは、ホモジナイザ１５を透過した後、ビームスプリッタ１６に入射する。ビームスプリッタ１６は、入射したレーザビームの一部の成分を、ビームダンパ１７に向けて反射させ、残りの成分を直進させる。ビームスプリッタ１６を直進する成分の比率は、半波長板１２の遅相軸の向きを変えて偏光方向を変化させることにより、制御することができる。
【００１３】
ビームスプリッタ１６を透過したレーザビームが、１／４波長板１９及び集光レンズ２０を透過して、アニール対象であるシリコン基板３０に入射する。シリコン基板３０は、可動ステージ２１に保持されている。ホモジナイザ１５と集光レンズ２０とにより、シリコン基板３０の表面におけるビーム断面が、長尺形状にされるとともに、長軸及びそれに直交する方向（幅方向）に関する光強度が均一化される。可動ステージ２１は、シリコン基板３０を、ビーム断面の幅方向に移動させる。
【００１４】
シリコン基板３０の表面で反射した反射光が、集光レンズ２０及び１／４波長板１９を透過して、ビームスプリッタ１６に入射する。１／４波長板１９を２回透過することにより、偏光方向が９０°変化する。このため、反射光は、ビームスプリッタ１６で反射され、ビームダンパ１８に入射する。
【００１５】
音響光学素子１３によって、レーザビームを直進させる期間と、レーザビームをビームダンパ１４に入射させる期間とを、交互に繰り返すことにより、連続発振のレーザビームから、パルスレーザビームを生成することができる。音響光学素子１３を制御することにより、パルスレーザビームのパルス幅及びパルスの繰り返し周波数（以下、単に「周波数」という。）を制御することができる。
【００１６】
図２に、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。ＩＧＢＴは、ｎ型のシリコン基板３０の一方の面にエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面にコレクタを形成することで作製される。エミッタとゲートを形成する面の構造は、一般的なＭＯＳＦＥＴの作製工程と同様の工程で作製される。たとえば、図２に示すように、シリコン基板３０の表面に、ｐ型のベース領域３３、ｎ型のエミッタ領域３４、ゲート電極３５、ゲート絶縁膜３６、エミッタ電極３７が配置される。ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができる。
【００１７】
シリコン基板３０の反対側の面に、ｐ型のコレクタ層３９が形成されている。必要に応じて、コレクタ層３９とシリコン基板３０との間に、ｎ型のバッファ層３８を形成してもよい。コレクタ層３９及びバッファ層３８は、それぞれ不純物としてボロン及びリンをイオン注入により注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。この活性化アニールに、図１に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極４０が、活性化アニールの後に、コレクタ層３９の表面に形成される。
【００１８】
図３Ａに、実施例による半導体装置の製造方法で採用されるレーザアニールのタイミングチャートを示す。パルス幅ＰＷのレーザパルスが、周波数ｆ、すなわち周期１／ｆで、シリコン基板３０に照射される。このレーザパルスは、連続発振するレーザビームから、音響光学素子１３（図１）により切り出されたものであるため、その波形は矩形に近い。なお、レーザ光源１１をドライバ１０によりパルス発振させ、音響光学素子１３とビームダンパ１４とを省略してもよい。
【００１９】
アニール時のシリコン基板３０には、図２に示した表側の素子構造が既に形成されており、裏側に、バッファ層３８及びコレクタ層３９の不純物が注入されている。この段階では、注入された不純物は、活性化されていない。
【００２０】
図３Ｂに、シリコン基板３０（図１）のレーザ照射面におけるビーム断面２３を示す。ビーム断面２３は、一方向に長い長尺形状を有する。ホモジナイザ１５（図１）により光強度分布が均一化されているため、長尺方向及び幅方向に関する光強度分布は、ほぼトップフラット形状を有する。
【００２１】
長尺方向の長さをＬとし、ビーム幅をＷｔとする。パルスレーザビームの照射は、シリコン基板３０を、ビーム断面２３の幅方向に移動させながら行われる。シリコン基板３０を移動させることにより、パルスレーザビームがシリコン基板３０の表面を走査する。パルスレーザビームを、ビーム幅方向に走査することにより、１つの辺の長さが、ビーム断面の長さＬと等しい長方形の領域をアニールすることができる。
【００２２】
１つのレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて実線で示されている。）と、次に入射するレーザパルスのビーム断面（図３Ｂにおいて破線で示されている。）との重複する領域の幅をＷｏとする。重複率を、Ｗｏ／Ｗｔと定義する。シリコン基板３０の移動速度をＶとすると、Ｗｔ−Ｗｏ＝Ｖ／ｆと表される。このため、パルスの繰り返し周波数ｆ、ビーム幅Ｗｔ、及びステージの移動速度Ｖにより、重複率が決定される。実施例においては、ビーム幅Ｗｔを２４０μｍとした。
【００２３】
シリコン基板３０（図１）にボロン（Ｂ）及びリン（Ｐ）を注入し、種々のレーザ照射条件で活性化アニールを行った。以下、この評価実験について説明する。
【００２４】
一般的に、ＩＧＢＴに用いられるシリコン基板３０（図２）の厚さは、１００μｍ程度である。シリコン基板３０の背面（コレクタ層３９が形成された表面）にレーザビームを入射させたときに、表側の表面（エミッタ領域３４等が形成された表面）の温度が高くなりすぎると、既に形成されている素子構造が損傷を受ける。シリコン基板３０の背面におけるパワー密度を徐々に高くし、表側の素子構造が損傷を受け始める直前の照射条件を求めた。損傷を受け始める直前の照射条件と同一の条件で、厚さ５２５μｍのシリコン基板の背面にレーザ照射を行ったところ、表側の表面の最高到達温度が１１５℃であった。この結果から、ＩＧＢＴの活性化アニールを行う際に、厚さ５２５μｍのシリコン基板にレーザ照射を行ったときの、反対側の表面の最高到達温度が１１５℃以下の条件（この条件を、「非損傷条件」という。）でレーザ照射を行うことが好ましいと考えられる。
【００２５】
厚さ５２５μｍのシリコン基板に種々の条件でレーザ照射を行い、反対側の表面の最高到達温度及び不純物の活性化率を測定した。シリコン基板の表面の最高到達温度の測定には、アセイ工業株式会社製のＷＡＸ示温インクを用いた。シリコン基板のレーザ照射面とは反対側の表面にＷＡＸ示温インクを塗布しておき、レーザ照射後のインクの透明度の変化により、最高到達温度を知ることができる。
【００２６】
図４Ａに、周波数ｆを０．５ｋＨｚとし、パルス幅ＰＷ、パワー密度ＰＤ、及び重複率を異ならせてレーザ照射を行ったときの、シリコン基板のレーザ照射面とは反対側の表面（以下、「非照射面」という。）の最高到達温度及び不純物の活性化率を測定した結果を示す。パルス幅ＰＷは、１０μｓ、１５μｓ、２０μｓ、２５μｓ、及び３０μｓの条件から選択した。重複率は、５０％、６７％、及び８０％の条件から選択した。パワー密度は、シリコン基板のレーザ照射面が溶融しない条件（以下、「非溶融条件」という。）を満たすパワー密度の上限値に近い値とした。この照射条件でレーザ照射を行うと、レーザ照射面の温度の最高到達温度が、シリコンの融点とほぼ等しくなる。ただし、融解熱に相当するエネルギがシリコン基板に与えられないため、基板表面の溶融は生じない。
【００２７】
レーザ照射面を溶融させることなく、シリコン基板３０をほぼ融点まで加熱することにより、レーザ照射面の表層部の不純物の活性化率を高めることができる。パルス幅ＰＷが１０μｓ以上という長い条件で、かつレーザ照射面が溶融し始める条件でレーザ照射を行うと、全面が一様に溶融せず、溶融した領域と溶融しない領域とが斑模様に分布してしまう。全面が一様に溶融する程度までパワー密度を高めると、非照射面の温度上昇が顕著になる。すなわち、パルス幅ＰＷが１０μｓ以上という長い条件の下では、照射面を溶融させ、かつ非照射面の素子構造に損傷を与えないという条件を見出すことが困難である。従って、非溶融条件でレーザ照射を行うことが好ましい。
【００２８】
図４Ａに示した表の各欄の上段に、シリコン基板の非照射面の最高到達温度を示し、下段に、リンの活性化率を示す。活性化率のカッコ付き表記は、実際に試料を測定して得られた値ではなく、非照射面の最高到達温度がより低い照射条件の試料の測定結果から、活性化率がカッコ付き数値以上になると予想されることを意味する。例えば、重複率５０％、パルス幅１５μｓの条件で作製した試料において、非照射面の最高到達温度が８０℃、活性化率が１００％であり、パルス幅２０μｓ〜３０μｓで作製した試料の非照射面の最高到達温度が８０℃以上になっていることから、これらの試料の活性化率は、ほぼ１００％になると予想される。
【００２９】
図４Ｂ及び図４Ｃに、それぞれ周波数ｆを１．０ｋＨｚ及び２．５ｋＨｚとしたときの、非照射面の最高到達温度と活性化率との測定結果を示す。
【００３０】
図５に、評価に用いた試料の深さ方向の不純物濃度分布及びキャリア濃度分布の測定結果を示す。横軸は深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。ボロンの注入は、加速エネルギ４０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ｃｍ−２の条件で行い。リンの注入は、加速エネルギ７００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１３ｃｍ−２の条件で行った。破線Ｂ０及び破線Ｐ０は、それぞれ注入直後のボロン濃度及びリン濃度を示す。細い実線ｐ１は、パルス幅１５μｓ、重複率５０％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ１、破線ｐ２は、パルス幅１５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ２、太い実線ｐ３は、パルス幅２５μｓ、重複率６７％、周波数０．５ｋＨｚの条件でレーザ照射を行った試料Ｓ３の正孔濃度を示す。細い実線ｎは、試料Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の電子濃度を示す。３つの試料の電子濃度分布は、ほぼ重なっているため、１本の細い実線で示している。
【００３１】
シリコン基板の表面が溶融していないため、表層部の電子濃度分布が、注入直後のボロン濃度分布を反映した形状になっている。また、深さ２．５μｍまでのリンが、ほとんど１００％活性化していることがわかる。
【００３２】
図４Ａに戻って説明を続ける。重複率が８０％の時に、パルス幅ＰＷが１０μｓ〜１５μｓの範囲内で、非損傷条件でアニールを行うことができる。パルス幅ＰＷが２０μｓ〜３０μｓの範囲内では、照射面を融点近傍まで加熱すると、非照射面の最高到達温度が１１５℃以上になってしまう。このため、非損傷条件を満たすことができない。
【００３３】
重複率を６７％に設定すると、パルス幅ＰＷが１０μｓ〜２５μｓの範囲内で、照射面を融点近傍まで加熱し、かつ非照射面の最高到達温度を１１５℃未満にすることが可能である。すなわち、非損傷条件でアニールを行うことができる。
【００３４】
重複率を５０％に設定したとき、パルス幅ＰＷが１０μｓ〜３０μｓの範囲内において、非損傷条件を満たすことができる。
【００３５】
図４Ｂに示すように、周波数ｆが１．０ｋＨｚの場合には、重複率を８０％にすると、非損傷条件でアニールを行うことができない。重複率を６７％に設定したとき、パルス幅を１０μｓに設定すると、非損傷条件を満たすことができる。重複率を５０％に設定すると、パルス幅が１０μｓ〜２０μｓの範囲内で、非損傷条件を満たすことができる。
【００３６】
図４Ｃに示すように、周波数ｆが２．５ｋＨｚの場合には、重複率が６７％〜８０％の範囲内で、非損傷条件を満たすことができない。重複率を５０％に設定すると、パルス幅を１０μｓ〜１５μｓの範囲内で、非損傷条件を満たすことができる。なお、周波数ｆを３ｋＨｚにすると、重複率が５０％でも非照射面の最高到達温度が１１５℃を超えた。この実験結果から、非損傷条件を満たすための周波数ｆの上限は３ｋＨｚであると考えられる。
【００３７】
図４Ａ〜図４Ｃに示した非溶融かつ非損傷条件で作製した試料のいずれにおいても、９４％以上の高い活性化率が得られている。
【００３８】
非溶融かつ非損傷条件であっても、パワー密度が低すぎると、活性化率が低下してしまう。次に、活性化率を高く維持するための条件について説明する。
【００３９】
図６に、異なるパワー密度でレーザ照射を行った２つの試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布の測定結果を示す。横軸は、深さを単位「μｍ」で表し、縦軸は、濃度を単位「ｃｍ−３」で表す。パルス幅ＰＷを１５μｓとし、周波数ｆを０．５ｋＨｚとし、重複率を６７％とした。図６の細い実線ｎ１及び太い実線ｐ１は、それぞれパワー密度４４５ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布を示す。細い破線ｎ２及び太い破線ｐ２は、それぞれパワー密度４１０ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料の電子濃度分布及び正孔濃度分布を示す。
【００４０】
パワー密度４４５ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料においては、ほぼ１００％の活性化率が得られている。これに対し、パワー密度４１０ｋＷ／ｃｍ２の条件で作製した試料においては、活性化率が不十分であることがわかる。発明者らの種々の評価実験によると、パワー密度が、非溶融条件の上限値の９２％以上であれば、十分な活性化率が得られると考えられる。
【００４１】
図７に、周波数ｆを０．５ｋＨｚに設定したときに、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値を示す。横軸は、パルス幅を単位「μｓ」で表し、縦軸は、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表す。横軸及び縦軸とも、対数目盛である。パルス幅１０μｓ以上の領域にプロットした丸記号は、実際にレーザビーム照射を行って得られた値であり、パルス幅５μｓにプロットした丸記号は、シミュレーションにより求めた値である。
【００４２】
丸記号を連ねる実線よりも左下の領域のパワー密度ＰＤ及びパルス幅ＰＷが、非溶融条件を満たす。非溶融条件を数式で表すと、
ＰＤ≦−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２・・・（１）
となる。ここで、ＰＷは、パルス幅を単位「μｓ」で表した値であり、ＰＤは、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表した値である。
【００４３】
パルス幅ＰＷ及びパワー密度ＰＤを、上記不等式（１）を満たす値にすると、照射面は溶融しない。ところが、パワー密度が低くなりすぎると、活性化率が低下してしまう。図６に示した評価実験の結果から、パワー密度は、不等式（１）の右辺の値の９２％以上にすることが好ましい。この条件を不等式で表すと、
ＰＤ≧０．９２×（−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２）・・・（２）
となる。
【００４４】
図７において、パワー密度の上限値の９２％の値を、破線で示す。照射面を溶融させず、かつ十分な活性化率を実現するために、パワー密度ＰＤ及びパルス幅ＰＷを、図７に示したグラフの実線と破線との間の領域から選択することが好ましい。
【００４５】
図８に、周波数ｆを１．０ｋＨｚに設定したときに、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値を示す。横軸は、パルス幅を単位「μｓ」で表し、縦軸は、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表す。横軸及び縦軸とも、対数目盛である。パルス幅１０μｓ以上の領域にプロットした丸記号は、実際にレーザビーム照射を行って得られた値であり、パルス幅５μｓにプロットした丸記号は、シミュレーションにより求めた値である。
【００４６】
丸記号を連ねる実線よりも左下の領域のパワー密度ＰＤ及びパルス幅ＰＷが、非溶融条件を満たす。非溶融条件を数式で表すと、
ＰＤ≦−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２・・・（３）
となる。ここで、ＰＷは、パルス幅を単位「μｓ」で表した値であり、ＰＤは、パワー密度を単位「ｋＷ／ｃｍ２」で表した値である。
【００４７】
十分な活性化率を実現するために、パワー密度は、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値の９２％以上にすることが好ましい。この条件を不等式で表すと、
ＰＤ≧０．９２×（−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２）・・・（４）
となる。
【００４８】
図９に、周波数ｆと、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値との関係を示す。周波数ｆが１．０ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚの間では、非溶融条件を満たすパワー密度ＰＤの上限値はほぼ一定である。なお、パルス幅が５μｓ〜３０μｓの範囲内でも、非溶融条件を満たすパワー密度ＰＤの上限値はほぼ一定である。従って、周波数ｆが１．０ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚの間において、不等式（３）が非溶融条件となり、不等式（４）が、十分な活性化率を実現する条件となる。
【００４９】
周波数ｆが０．５ｋＨｚのとき、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値は、周波数ｆが１．０ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのときの上限値よりも約２０ｋＷ／ｃｍ２〜４０ｋＷ／ｃｍ２程度高い。具体的には、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値の差は、パルス幅が１５μｓのとき約４０ｋＷ／ｃｍ２であり、パルス幅が２０μｓ〜３０μｓのとき約２０ｋＷ／ｃｍ２である。なお、パルス幅が１０μｓの条件では、装置構成上、非溶融条件の上限値を測定できなかった。周波数ｆが０．５ｋＨｚ〜１．０ｋＨｚの範囲で、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値がほぼ線型に変化すると考えると、上記不等式（１）を周波数ｆで一般化すると、
２０μｓ≦ＰＷ≦３０μｓのとき、
ＰＤ≦−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５）・・・（５ａ）、
１０μｓ≦ＰＷ＜２０μｓのとき、
ＰＤ≦−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５）・・・（５ｂ）
が導出される。ここで、ｆは、周波数を単位「ｋＨｚ」で表示した値である。
【００５０】
同様に、上記不等式（２）から、
２０μｓ≦ＰＷ≦３０μｓのとき、
ＰＤ≧０．９２×（−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５））
・・・（６ａ）、
１０μｓ≦ＰＷ＜２０μｓのとき、
ＰＤ≧０．９２×（−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５））
・・・（６ｂ）、
が導出される。
【００５１】
図４Ａに示した実験結果から、周波数ｆが０．５ｋＨｚのとき、パルス幅３０μｓ以下の領域において、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値で、かつ非損傷条件を満たすレーザ照射を行うことができる。
【００５２】
図４Ｂに示した実験結果から、周波数ｆが１．０ｋＨｚのとき、パルス幅を２５μｓ以上に設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値では、非損傷条件を満たすことができない。従って、パルス幅を５μｓ〜２０μｓの範囲内とすることが好ましい。
【００５３】
図４Ｃに示した実験結果から、周波数ｆが２．５ｋＨｚのとき、パルス幅を２０μｓ以上に設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値では、非損傷条件を満たすことができない。従って、パルス幅を５μｓ〜１５μｓの範囲内とすることが好ましい。
【００５４】
周波数ｆを低くすると、ウエハ１枚のアニールに要する時間が長くなる。アニールに要する時間を短くする（言い換えると、スループットを高める）という観点から、周波数ｆは高くすることが好ましい。ただし、周波数ｆを高くすると、非溶融条件を満たすパワー密度の上限値において、非損傷条件を満たすことができるパルス幅ＰＷ及び重複率の範囲が狭まってしまう。
【００５５】
重複率が低くなると、特に深い領域における活性化率が、面内で一様にならない場合がある。２μｍ〜３μｍ程度の深い領域でも、活性化率を面内で一様にするために、重複率は４０％以上にすることが好ましい。重複率を高くすれば、活性化率の面内の一様性は高まる。図４Ａ〜図４Ｃに示したように、周波数ｆが０．５ｋＨｚであれば、重複率を５０％〜８０％の範囲内に設定することができる。これに対し、周波数ｆを２．５ｋＨｚに設定すると、非溶融条件を満たすパワー密度ＰＤの上限値で、かつ重複率６７％以上の範囲では、非損傷条件を満たすことができない。
【００５６】
活性化深さが２μｍ〜３μｍより浅い場合には、重複率またはパルス幅をより小さい値に設定することが可能である。図４に示したように、重複率またはパルス幅が小さくなると、非照射面の最高到達温度は低くなる傾向を示す。従って、この場合には、周波数ｆを２．５ｋＨｚより高くすることが可能である。また、この結果を元に、パワー密度ＰＤとパルス幅ＰＷとの関係式を求めることが可能であることは当業者に自明であろう。
【００５７】
周波数ｆ、重複率、パワー密度ＰＤ、パルス幅ＰＷとして、非溶融かつ非損傷条件で、さらに十分な活性化率を実現することができる範囲から選択することが好ましい。さらに、アニール時間、活性化率の面内ばらつき等の観点から、さらに好ましい値を抽出すればよい。
【００５８】
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。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】
【００５９】
１０ ドライバ
１１ レーザ光源
１２ 半波長板
１３ 音響光学素子
１４ ビームダンパ
１５ ホモジナイザ
１６ ビームスプリッタ
１７、１８ ビームダンパ
１９ １／４波長板
２０ 集光レンズ
２１ 可動ステージ
２３ ビーム断面
２５ 制御装置
３０ シリコン基板
３３ ベース領域
３４ エミッタ領域
３５ ゲート電極
３６ ゲート絶縁膜
３７ エミッタ電極
３８ バッファ層
３９ コレクタ層
４０ コレクタ電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物が注入されたシリコン基板の表面に、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅５μｓ〜３０μｓ、パルスの繰り返し周波数０．５ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのパルスレーザビームを入射させながら、前記シリコン基板の表面上で、パルスレーザビームのビーム断面を重複率５０％〜８０％で移動させ、前記シリコン基板の表面が溶融しないパワー密度の条件で活性化アニールを行う半導体装置の製造方法。
【請求項２】
パルス幅をＰＷ（μｓ）、パワー密度しきい値上限値をＰＤ（ｋＷ／ｃｍ２）、パルスの繰り返し周波数をｆ（ｋＨｚ）としたとき、０．５≦ｆ≦１．０の範囲内で、
２０≦ＰＷ≦３０のとき、
ＰＤ≦−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５）、かつ、
ＰＤ≧０．９２×（−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５））、
１０≦ＰＷ≦２０のとき、
ＰＤ≦−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５）、かつ、
ＰＤ≧０．９２×（−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５））
を満たす条件で、前記パルスレーザビームを前記シリコン基板の表面に照射する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
パルス幅をＰＷ（μｓ）、パワー密度しきい値上限値をＰＤ（ｋＷ／ｃｍ２）、パルスの繰り返し周波数をｆ（ｋＨｚ）としたとき、１．０≦ｆ≦３．０の範囲内で、
ＰＤ≦−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２、かつ
ＰＤ≧０．９２×（−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２）
を満たす条件で、前記パルスレーザビームを前記シリコン基板の表面に照射する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
不純物が注入されたシリコン基板の表面に、波長６９０ｎｍ〜９５０ｎｍ、パルス幅５μｓ〜３０μｓ、パルスの繰り返し周波数０．５ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのパルスレーザビームを入射させながら、前記シリコン基板の表面上で、パルスレーザビームのビーム断面を重複率５０％〜８０％で移動させ、前記シリコン基板の表面が溶融しないパワー密度の条件で活性化アニールを行う半導体装置の製造方法。
【請求項２】
パルス幅をＰＷ（μｓ）、パワー密度しきい値上限値をＰＤ（ｋＷ／ｃｍ２）、パルスの繰り返し周波数をｆ（ｋＨｚ）としたとき、０．５≦ｆ≦１．０の範囲内で、
２０≦ＰＷ≦３０のとき、
ＰＤ≦−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５）、かつ、
ＰＤ≧０．９２×（−４５＋１９５０×ＰＷ−１／２−４０×（ｆ−０．５））、
１０≦ＰＷ≦２０のとき、
ＰＤ≦−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５）、かつ、
ＰＤ≧０．９２×（−２５＋１９５０×ＰＷ−１／２−８０×（ｆ−０．５））
を満たす条件で、前記パルスレーザビームを前記シリコン基板の表面に照射する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
パルス幅をＰＷ（μｓ）、パワー密度しきい値上限値をＰＤ（ｋＷ／ｃｍ２）、パルスの繰り返し周波数をｆ（ｋＨｚ）としたとき、１．０≦ｆ≦３．０の範囲内で、
ＰＤ≦−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２、かつ
ＰＤ≧０．９２×（−６５＋１９５０×ＰＷ−１／２）
を満たす条件で、前記パルスレーザビームを前記シリコン基板の表面に照射する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５８６１０（Ｐ２０１３−５８６１０Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６０５３（Ｐ２０１１−１９６０５３）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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