JP2016219584A - レーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】深い領域に注入されたドーパントの活性化率を推測することが可能なレーザアニール装置を提供する。【解決手段】レーザ光源から出力されたレーザビームが入射する位置にアニール対象物が保持される。赤外線検出器が、アニール対象物からの熱放射光を検出する。アニール対象物から赤外線検出器までの熱放射光の経路に、波長１μｍより短い光を赤外線検出器に入射させない光学素子が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザアニール装置に関する。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造工程では、基板の背面から１〜３μｍ程度の深い領域にバッファ層が形成される。このため、深い領域にイオン注入されたドーパントを活性化させる必要がある。特許文献１に、深い領域に注入されたドーパントの活性化アニールに適したレーザアニール装置が開示されている。このレーザアニール装置では、レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有するパルス電流が供給される。これにより、低いピークパワー密度でも、十分なアニールを行うことができる。

特開２０１３−７４０１９号公報

ドーパントの活性化率は、半導体基板のシート抵抗を測定することにより推測可能である。シート抵抗の測定には、通常、四探針法が用いられる。ところが、１〜３μｍ程度の深い領域に注入されたドーパントに起因するシート抵抗を四探針法で測定することは困難である。活性化率の測定には、拡がり抵抗測定法が採用される。拡がり抵抗測定を行なうには、アニール対象物に切断、研削等の前処理を行わなければならない。

本発明の目的は、深い領域に注入されたドーパントの活性化率を推測することが可能なレーザアニール装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
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前記レーザビームが入射する位置にアニール対象物を保持するステージと、
前記ステージに保持されている前記アニール対象物からの熱放射光を検出する赤外線検出器と、
前記アニール対象物から前記赤外線検出器までの前記熱放射光の経路に配置され、波長１μｍより短い光を前記赤外線検出器に入射させない光学素子とを有するレーザアニール装置が提供される。

１μｍより短い波長の光は、シリコンからなるアニール対象物で吸収されるため、深い領域からは、１μｍより短い波長の熱放射光が外部に放射されにくい。このため、１μｍより短い波長の熱放射光の強度には、相対的に浅い領域の温度情報が反映され、深い領域の温度情報は反映されない。これに対し、１μｍより長い波長の熱放射光の強度には、浅い領域及び深い領域の両方の温度情報が反映される。

光学素子が、波長１μｍより短い熱放射光を赤外線検出器に入射させない。このため、浅い領域の温度情報が赤外線検出器の検出結果に与える寄与度が低下する。その結果、赤外線検出器の検出結果と、活性化率換算データとを用いて、深い領域のドーパントの活性化率を推定することが可能になる。

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は、実施例によるレーザアニール装置を用いて製造されるＩＧＢＴの断面図である。 図３は、アニール対象物にパルスレーザビームを１ショット入射したときのパルスレーザビームの波形、及び赤外線検出器からの出力信号波形の測定結果を示すグラフである。 図４は、熱放射光のピーク強度と、リンの活性化率との関係を示すグラフである。 図５は、熱放射光のピーク強度と、リンの活性化率との関係を示すグラフである。 図６は、熱放射光の強度の積分値と、リンの活性化率との関係を示すグラフである。 図７は、熱放射光の強度の積分値と、リンの活性化率との関係を示すグラフである。 図８は、パルスレーザビームの１ショットの波形、及び赤外線検出器からの出力信号の時間変化の一例を示すグラフである。 図９は、実施例によるレーザアニール装置を用いたアニール方法のフローチャートである。 図１０は、他の実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図１１は、図１０に示したレーザアニール装置の検出系の概略図である。 図１２は、図１０、図１１に示したレーザアニール装置を用いたアニール方法のフローチャートである。

図１に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。レーザ光源１０がパルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームのビームプロファイルが、均一化光学系１１によって均一化される。均一化光学系１１を通過したパルスレーザビームが、ダイクロイックミラー１２に入射する。ダイクロイックミラー１２は、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームの波長域の光を反射する。ダイクロイックミラー１２で反射されたパルスレーザビームが、レンズ１３で収束されて、アニール対象物３０に入射する。アニール対象物３０は、ステージ３１に保持されている。アニール対象物３０は、例えばドーパントイオンが注入されたシリコンウエハである。

ステージ３１は、制御装置２０から制御されて、アニール対象物３０を面内方向に移動させる。アニール対象物３０を移動させながら、パルスレーザビームを入射させることにより、アニール対象物３０の表面の全域をアニールすることができる。

パルスレーザビームがアニール対象物３０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する。加熱された部分から熱放射光３５が放射される。熱放射光３５の一部は、レンズ１３で収束される。ダイクロイックミラー１２は、波長１μｍ以上の波長域の光を透過させる。ダイクロイックミラー１２を透過した熱放射光３５は、全反射ミラー１４で反射され、光学フィルタ１５及びレンズ１６を透過して、赤外線検出器１７に入射する。

光学フィルタ１５としては、波長が１μｍより短い波長域の光を透過させないロングパスフィルタまたはバンドパスフィルタが用いられる。アニール対象物３０から赤外線検出器１７までの経路に配置されているレンズ１３、１６等の光学素子を構成する光学ガラスは波長約３μｍ以上の光を吸収する性質を持つため、赤外線検出器１７で検出可能な熱放射光の波長の上限は、約３μｍである。従って、光学フィルタ１５としてバンドパスフィルタを用いる場合には、長波長側のカットオフ波長を３μｍ以上とすることが好ましい。赤外線検出器１７の前に光学フィルタ１５を配置することにより、熱放射光のうち波長が１μｍより短い成分は赤外線検出器１７で検出されず、波長が１μｍより長い成分の強度のみが、赤外線検出器１７により検出される。

光学フィルタ１５に代えて、１μｍより短い波長の熱放射光を赤外線検出器１７まで到達させない他の光学素子を配置してもよい。一例として、ダイクロイックミラー１２が１μｍより短い波長の光を反射する場合、ダイクロイックミラー１２が、１μｍより短い波長の熱放射光を赤外線検出器１７まで到達させない光学素子としても機能する。

赤外線検出器１７による熱放射光の検出結果が制御装置２０に入力される。制御装置２０は、赤外線検出器１７からの検出結果を、アニール対象物３０の面内の位置と関連付けて、熱放射光検出値２３として記憶装置２１に格納する。一例として、パルスレーザビームの１ショットごとに、熱放射光の強度の時間変化が得られる。記憶装置２１に格納される検出結果は、例えば、パルスレーザビームの１ショットごとの熱放射光の強度のピーク値、または積分値である。

レンズ１３及びレンズ１６は、アニール対象物３０の表面を、赤外線検出器１７の受光面に結像させる。結像倍率は、例えば１倍である。赤外線検出器１７の受光面は、直径約１ｍｍの円形である。アニール対象物３０の表面におけるパルスレーザビームのビームスポットは、例えば長さ約２．５ｍｍ、幅約０．２５ｍｍの長尺形状である。この場合、ビームスポットの幅方向の全域が、赤外線検出器１７の受光面に収まる。長さ方向に関しては、ビームスポットの一部分のみが受光面に収まる。赤外線検出器１７の受光面の位置を調整することにより、長さ方向に関して、ビームスポットの所望の位置からの熱放射光を受光することができる。例えば、長さ方向に関してビームスポットの中心からの熱放射光が受光面に入射する。

赤外線検出器１７の受光面の大きさや結像倍率を変更することにより、ビームスポットの幅方向に関して全域を検出せず、一部分のみを検出することも可能である。ビームスポットの全域に対して、受光面で検出される領域の面積比を小さくすることは、赤外線検出器１７から出力される信号強度の低下につながる。必要な信号強度に応じて、結像倍率や、赤外線検出器１７の受光面の大きさを決定することが好ましい。

赤外線検出器１７の検出結果が制御装置２０に入力される。制御装置２０の記憶装置２１に、活性化率換算データ２２が格納されている。活性化率換算データ２２は、赤外線検出器１７によって検出される熱放射光の強度と、アニール対象物３０に注入されているドーパントの活性化率との対応関係を定義している。

制御装置２０は、記憶装置２１に格納されている熱放射光検出値２３と、活性化率換算データ２２とに基づいて、活性化率の推定値を求める。この推定値が、出力装置２５に出力される。一例として、出力装置２５は画像表示装置であり、アニール対象物３０の面内における活性化率の分布が画像、グラフ、または数値で表示される。

活性化率換算データ２２は、ドーパントの種類ごと、及びドーパントのイオン注入条件ごとに予め準備されている。制御装置２０は、アニール対象物３０に注入されているドーパントの種類、及びイオン注入条件に対応する活性化率換算データ２２を参照して、活性化率の推定値を求める。

活性化率の推定値を求めるための赤外線検出器１７の検出結果として、パルスレーザビームの１ショットごとに検出される熱放射光の強度のピーク値を採用することができる。その他に、１ショットごとに検出される熱放射光の強度の積分値を採用することも可能である。

１μｍより長い波長域の光は、シリコンウエハを透過する。このため、波長が１μｍより長い熱放射光は、アニール対象物３０の深い領域からも外部に放射される。これに対し、波長が１μｍより短い熱放射光は、アニール対象物３０によって吸収されやすいため、深い領域で発生した波長１μｍより短い熱放射光は、アニール対象物３０の外部まで達しにくい。このため、１μｍより短い波長の熱放射光の強度には、主に浅い領域の温度情報が反映される。これに対し、１μｍより長い波長の熱放射光の強度には、浅い領域と深い領域との両方の温度情報が反映される。実施例においては、１μｍより短い波長域の熱放射光が遮光され、１μｍより長い波長域の熱放射光が、赤外線検出器１７で検出される。このため、アニール対象物３０の浅い領域のみならず、深い領域の温度情報を得ることも可能である。

アニール対象物３０の深い領域の温度情報が、赤外線検出器１７の検出結果に反映されるため、深い領域に注入されているドーパントの活性化率を推測することが可能である。

アニール対象物３０の温度が上昇すると、エネルギバンドギャップが狭くなるため、１μｍよりやや長い波長域の熱放射光もアニール対象物３０を透過しにくくなる。このため、１μｍ近傍の波長域の熱放射光には、アニール対象物３０の浅い領域の温度が大きく反映され、深い領域の温度は反映されにくくなる。全体として、１μｍより長い波長域の熱放射光に、浅い領域の温度が相対的に大きく反映されることになる。

アニール対象物３０の温度が上昇しても、熱放射光の強度に、深い領域の温度を十分反映させるために、光学フィルタ１５によって、１．５μｍより短い波長の熱放射光をカットすることが好ましく、２μｍより短い波長の熱放射光をカットすることがより好ましい。

光学フィルタ１５としてロングパスフィルタを用いる場合に、１．５μｍより短い波長の熱放射光をカットするためには、カットオフ波長を１．５μｍ、またはそれよりも長くすればよい。光学フィルタ１５としてバンドパスフィルタを用いる場合には、短波長側のカットオフ波長を１．５μｍ、またはそれよりも長くすればよい。２μｍより短い波長の熱放射光をカットするためには、カットオフ波長を２μｍ、またはそれよりも長くすればよい。

ロングパスフィルタのカットオフ波長、またはバンドパスフィルタの短波長側のカットオフ波長を長くし過ぎると、熱放射光のほとんどの成分が、光学フィルタ１５によってカットされてしまう。赤外線検出器１７に入射する熱放射光の強度を保つために、カットオフ波長は２．５μｍ、またはそれよりも短くすることが好ましい。

バンドパスフィルタの長波長側のカットオフ波長は、３μｍ以上にすることが好ましい。約３μｍ以上の波長の熱放射光は、アニール対象物３０から赤外線検出器１７までの経路に配置されているレンズ１３、１６等の光学素子によって吸収されてしまう。従って、バンドパスフィルタの長波長側のカットオフ波長を３μｍより長くすると、検出すべき波長域の熱放射光の透過率を高く維持することができる。言い換えると信号強度の低下を抑制することができる。

図２に、実施例によるレーザアニール装置を用いて製造されるＩＧＢＴの断面図を示す。ＩＧＢＴは、ｎ型のシリコン基板４０の表面に、ｐ型のベース領域４１、ｎ型のエミッタ領域４２、ゲート電極４３、ゲート絶縁膜４４、エミッタ電極４５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。

シリコン基板４０の反対側の面に、ｐ型のコレクタ層４６が形成されている。コレクタ層４６より深い領域にｎ型のバッファ層４７が形成されている。コレクタ層４６及びバッファ層４７は、それぞれ不純物として、例えば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用いられる。コレクタ電極４８が、活性化アニールの後に、コレクタ層４６の表面に形成される。

図３に、アニール対象物３０にパルスレーザビームを１ショット入射したときのパルスレーザビームの波形、及び赤外線検出器１７からの出力信号波形の測定結果を示す。横軸は経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は信号強度を表す。実線ａがパルスレーザビームの波形を示し、実線ｂが、赤外線検出器１７からの出力信号波形を示す。赤外線検出器１７の出力信号の強度は、アニール対象物３０からの熱放射光の強度に対応する。

パルスレーザビームが立ち上がった直後は、アニール対象物３０の温度の上昇が十分ではないため、熱放射光の強度が赤外線検出器１７の検出限界以下である。パルスレーザビームが立ち上がってから約１０μｓ経過した時点から、赤外線検出器１７の出力信号強度が増加し始める。温度シミュレーションの結果から、このときのアニール対象物３０の表面温度は約８００℃であった。アニール対象物３０の表面温度が８００℃以上になると、熱放射光の強度を計測することが可能になる。なお、熱放射光の強度が計測可能になる表面温度は、赤外線検出器１７の感度や、アニール対象物３０から赤外線検出器１７に達するまでの経路での熱放射光の減衰量に依存する。

パルスレーザビームが立ち下がった時点から、赤外線検出器１７の出力信号強度が低下し始める。これは、アニール対象物３０の温度が低下し始めたことを意味する。

レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ密度を最大定格値に設定した条件でアニールを行なった時に、赤外線検出器１７の信号強度が飽和しないように、赤外線検出器１７の受光面における熱放射光の強度を調整することが好ましい。この調整には、例えば反射型ニュートラルデンシティフィルタを用いることができる。

次に、活性化アニールを行って、熱放射光の強度と活性化率とを計測した評価実験の結果について説明する。アニール対象物３０（図１）として、リンがイオン注入されたシリコンウエハを用いた。レーザ光源１０として、発振波長８０８ｎｍのレーザダイオードを用いた。アニール対象物３０の表面におけるビームスポットは、長さ２．５ｍｍ、幅０．２５ｍｍの長尺形状である。このビームスポットを、幅方向にオーバラップ率６７％で移動させて主走査を行い、その後長手方向にオーバラップ率５０％で移動させて副走査を行う。主走査と副走査とを繰り返して、アニール対象物３０の表面のほぼ全域のアニールを行った。

図４〜図７に、評価実験の結果を示す。図４及び図５は、熱放射光のピーク強度と、リンの活性化率との関係を示す。図６及び図７は、熱放射光の強度の積分値と、リンの活性化率との関係と示す。

図４及び図５の横軸は、熱放射光のピーク強度を、赤外線検出器１７からの出力信号の単位「Ｖ」で表し、縦軸は、リンの活性化率を単位「％」で表す。図４及び図５の丸記号及び四角記号は、それぞれパルス幅２０μｓ及び１５μｓの条件でアニールを行ったときの活性化率を示す。図４及び図５の評価実験で用いたアニール対象物３０は、それぞれ加速エネルギ３ＭｅＶ及び２ＭｅＶでリンがイオン注入されたシリコンウエハである。リンのドーズ量は、図４及び図５のいずれの評価実験においても、５×１０^１２ｃｍ^−２である。

加速エネルギが３ＭｅＶの条件でリンをイオン注入した場合、深さ約２μｍで不純物濃度がピークを示し、深さ約４μｍまで不純物濃度分布の裾野が延びる。加速エネルギが２ＭｅＶの条件でリンをイオン注入した場合、深さ１．６〜１．８μｍで不純物濃度がピークを示し、深さ約３μｍまで不純物濃度分布の裾野が延びる。

図４及び図５から、熱放射光のピーク強度が大きくなるに従って、活性化率が高くなっていることがわかる。このため、熱放射光のピーク強度と活性化率との対応関係を参照することにより、熱放射光のピーク強度から活性化率の推定値を求めることができる。本実施例においては、図１に示した活性化率換算データ２２が、熱放射光のピーク強度と活性化率との対応関係を含む。この対応関係は、パルス幅、イオン注入の加速エネルギ、及びドーパントの種類ごとに規定される。活性化率換算データ２２は、熱放射光のピーク強度から活性化率の推定値を算出する関数式で表してもよいし、数値テーブルで表してもよい。

本実施例では、制御装置２０は、パルスレーザビームの１ショットごとに、熱放射光のピーク強度を検出する。このピーク強度と、活性化率換算データ２２とに基づいて、活性化率の推定値を算出する。

図６及び図７の横軸は、熱放射光の強度の積分値を、赤外線検出器１７からの出力信号強度の積分値の単位「μＶｓ」で表し、縦軸は、リンの活性化率を単位「％」で表す。積分範囲は、パルスレーザビームの１ショットに相当する。図６及び図７の丸記号及び四角記号は、それぞれパルス幅２０μｓ及び１５μｓの条件でアニールを行ったときの活性化率を示す。図６及び図７の評価実験で用いたアニール対象物３０は、それぞれ加速エネルギ３ＭｅＶ及び２ＭｅＶでリンがイオン注入されたシリコンウエハである。リンのドーズ量は、図６及び図７のいずれの評価実験においても、５×１０^１２ｃｍ^−２である。

図６及び図７から、熱放射光の強度の積分値が大きくなるに従って、活性化率が高くなっていることがわかる。このため、熱放射光の強度の積分値と活性化率との対応関係を参照することにより、熱放射光の強度の積分値から活性化率の推定値を求めることができる。本実施例の変形例においては、図１に示した活性化率換算データ２２が、熱放射光の強度の積分値と活性化率との対応関係を含む。この対応関係は、パルス幅、イオン注入の加速エネルギ、及びドーパントの種類ごとに規定される。

本実施例の変形例では、制御装置２０は、パルスレーザビームの１ショットごとに、熱放射光の強度の積分値を算出する。この積分値と、活性化率換算データ２２とに基づいて、活性化率の推定値を算出する。

次に、図８及び図９を参照して、他の実施例について説明する。以下、図１〜図７に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成について説明を省略する。図１〜図７に示した実施例では、パルスレーザビームのパルス幅が固定であった。図８及び図９に示した実施例では、熱放射光の強度に基づいて、パルス幅がパルスレーザビームのショットごとに調整される。

図８に、パルスレーザビームの１ショットの波形、及び赤外線検出器１７からの出力信号の時間変化の一例を示す。赤外線検出器１７からの出力信号の強度は、熱放射光の強度に対応するため、熱放射光の強度と言い換えることができる。

パルスレーザビームのレーザパルスｃ１、ｃ２、ｃ３を、それぞれ太い実線、細い実線、及び破線で表す。レーザパルスｃ１、ｃ２、ｃ３の立ち上がり時刻をｔ１で表す。レーザパルスｃ１、ｃ２、ｃ３がアニール対象物３０に入射したときの熱放射光の強度ｄ１、ｄ２、ｄ３の時間変化を、それぞれ太い実線、細い実線、及び破線で表す。

レーザパルスの強度が同一であっても、種々の要因によって温度の上昇の程度にばらつきが生じる。例えば、レーザパルスの入射開始時点で、既にアニール対象物３０が予熱されている場合がある。一例として、レーザアニール時にレーザビームの走査が進むに従って、予熱が進む。アニール対象物３０が予熱されている場合、熱放射光の強度ｄ１は、時刻ｔ１の直後から、アニール対象物３０の温度の上昇に伴って徐々に強くなる。

アニール対象物３０のレーザ入射面とは反対側に、金属パターンが形成されている場合がある。金属パターンが形成されている領域は、金属パターンが形成されていない領域よりも大きな熱容量を有する。このため、金属パターンが形成されている領域は、金属パターンが形成されていない領域より温度が上昇し難い。その結果、金属パターンが形成されている領域における熱放射光の強度ｄ３は、金属パターンが形成されていない領域における熱放射光の強度ｄ２よりも緩やかに上昇する。

制御装置２０（図１）は、パルスレーザビームの入射を停止させる契機となる閾値Ｔｈを記憶している。制御装置２０は、熱放射光の強度が閾値Ｔｈに達したことを検知すると、レーザ光源１０の発振を停止させる。熱放射光の強度ｄ１、ｄ２、ｄ３が閾値Ｔｈに達する時刻を、それぞれｔ２、ｔ３、ｔ４で表す。レーザパルスｃ１、ｃ２、ｃ３は、それぞれ時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４で立ち下がる。このため、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４の後に、それぞれ熱放射光の強度ｄ１、ｄ２、ｄ３が徐々に低下する。

図９に、本実施例によるレーザアニール装置を用いたアニール方法のフローチャートを示す。ステップＳＡ１において、制御装置２０（図１）がレーザ光源１０に発振開始を指令する。これにより、パルスレーザビームのパルスが立ち上がる。ステップＳＡ２において、発振が正常であるか否かを判定する。例えば、レーザ光源１０のドライバ回路の動作、駆動電流の大きさ、アニール対象物３０からの反射光の強度等を観測することにより発振の正常性を判定することができる。

発振の正常性が確認されなかった場合には、アニール処理を終了する。発振の正常性が確認された場合には、ステップＳＡ３において、パルスの立ち上がり時点からの経過時間が、パルス幅の定格上限値に達したか否かを判定する。パルス幅の定格上限値は、アニール処理時のパルスの繰り返し周波数の設定値と、レーザダイオード及びドライバ回路の定格上限値とに基づいて決まる。

経過時間がパルス幅の定格上限値に達した場合、ステップＳＡ５において発振を停止させる。経過時間がパルス幅の定格上限値に達していない場合には、ステップＳＡ４において、熱放射光の強度が閾値Ｔｈ（図８）に達したか否かを判定する。

熱放射光の強度が閾値Ｔｈに達した場合には、ステップＳＡ５において発振を停止させる。熱放射光の強度が閾値Ｔｈに達していない場合には、ステップＳＡ３に戻る。すなわち、パルスの立ち上がりからの経過時間がパルス幅の定格上限値に達した場合、または熱放射光の強度が閾値Ｔｈに達した場合に、発振を停止させる。

ステップＳＡ５で発振を停止させた後、ステップＳＡ６において、アニール対象物３０の表面の全域へのパルスレーザビームを入射が完了したか否かを判定する。全域へのパルスレーザビームの入射が完了した場合には、アニール処理を終了する。全域へのパルスレーザビームの入射が完了していない場合には、ステップＳＡ１に戻って、設定された繰り返し周波数で次の発振を開始させる。

次に、図８及び図９に示した実施例の優れた効果について説明する。アニール対象物３０の予熱の程度、金属パターンの有無等の条件が異なる場合に、パルス幅一定でレーザアニールを行うと、これらの条件の相違によって熱放射光のピーク強度がばらついたデータが得られる。すなわち、アニール対象物３０の面内の場所によって、活性化率にばらつきが生じている。

図８に示した実施例では、熱放射光のピーク強度が閾値に達した時点で、レーザパルスが立ち下がる。このため、熱放射光のピーク強度のばらつきを抑制することができる。その結果、活性化率のばらつきも抑制される。

次に、図１０〜図１２を参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図１〜図７に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図１０に、本実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。このレーザアニール装置は、第１のレーザ光源５１、及び第２のレーザ光源６１を有する。第１のレーザ光源５１には、レーザダイオードが用いられる。第１のレーザ光源５１は、例えば波長８０８ｎｍのパルスレーザビームを出力する。第２のレーザ光源６１は、固体レーザ発振器６１Ａ及び６１Ｂで構成される。固体レーザ発振器６１Ａ及び６１Ｂは、緑色域の波長を有するパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器６１Ａ及び６１Ｂには、例えば２次高調波を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等が用いられる。

第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビーム、及び第２のレーザ光源６１から出力されたパルスレーザビームが、伝搬光学系５７を経由して、アニール対象物３０に入射する。第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビームと、第２のレーザ光源６１から出力されたパルスレーザビームとは、アニール対象物３０の表面の同一の領域に入射する。アニール対象物３０はステージ３１に保持されている。

次に、伝搬光学系５７の構成及び作用について説明する。第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビームが、アッテネータ５２、ビームエキスパンダ５３、ビームホモジナイザ５４、ダイクロイックミラー５５、及びコンデンサレンズ５６を経由して、アニール対象物３０に入射する。

一方の固体レーザ発振器６１Ａから出力されたパルスレーザビームが、アッテネータ６２Ａ及びビームエキスパンダ６３Ａを経由して、ビームスプリッタ６５に入射する。他方の固体レーザ発振器６１Ｂから出力されたパルスレーザビームが、アッテネータ６２Ｂ、ビームエキスパンダ６３Ｂ、及びミラー６４を経由して、ビームスプリッタ６５に入射する。２つの固体レーザ発振器６１Ａ、６１Ｂから出力されたパルスレーザビームが、ビームスプリッタ６５で合流し、共通の経路に沿って伝搬する。

ビームスプリッタ６５で１本の経路に合流したパルスレーザビームは、ビームホモジナイザ６６、ダイクロイックミラー６７、ダイクロイックミラー５５、及びコンデンサレンズ５６を経由して、アニール対象物３０に入射する。

ダイクロイックミラー５５は、８００ｎｍの波長域の光を反射し、その他の波長域の光を透過させる。ダイクロイックミラー６７は、緑色の波長域の光を反射し、その他の波長域の光を透過させる。制御装置２０が、第１のレーザ光源５１、第２のレーザ光源６１、及びステージ３１を制御する。

アニール対象物３０からの熱放射光が、コンデンサレンズ５６、ダイクロイックミラー５５及び６７を透過して、検出系７０に入射する。さらに、検出系７０から出力された測定用の光が、ダイクロイックミラー６７、５５を透過し、レンズ５６で収束されてアニール対象物３０に入射する。アニール対象物３０からの反射光が、同一の経路を逆方向に辿って検出系７０に入射する。

第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビームは、主としてアニール対象物３０の深い領域を加熱する。これにより、深い領域のドーパントが活性化する。

第２のレーザ光源６１の２つの固体レーザ発振器６１Ａ、６１Ｂから出力されるパルスレーザビームのパルス幅は、１００ｎｓ程度である。すなわち、第１のレーザ光源５１から出力されるパルスレーザビームのパルス幅の１／１００より短い。また、固体レーザ発振器６１Ａ、６１Ｂから出力されるパルスレーザビームのピーク強度は、第１のレーザ光源５１から出力されるパルスレーザビームのピーク強度よりも十分大きい。第２のレーザ光源６１から出力された短パルスかつ高強度のパルスレーザビームは、アニール対象物３０の表層部を溶融させる。溶融した表層部が再結晶化するときに、ドーパントが活性化する。第２のレーザ光源６１は、相対的に浅い領域のドーパントの活性化に用いられる。

図１１に、検出系７０の概略図を示す。全反射ミラー１４、光学フィルタ１５、レンズ１６、及び赤外線検出器１７の構成は、図１に示した実施例の構成と同一である。全反射ミラー１４と光学フィルタ１５との間に、ダイクロイックミラー７１が配置されている。ダイクロイックミラー７１は、１μｍ以上の波長域の光を透過させ、６００ｎｍ以上１μｍ未満の波長域の光を反射する。

伝搬光学系５７から検出系７０に入射した熱放射光のうち、１μｍ未満の波長域の光は、ダイクロイックミラー７１で反射され、次のダイクロイックミラー７２に入射する。ダイクロイックミラー７２は、８６０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の波長域の光を反射し、波長６３３ｎｍの光を透過させる。ダイクロイックミラー７２で反射した熱放射光は、レンズ７３で収束された後、表面温度検出器７４に入射する。表面温度検出器７４には、例えばアバランシェフォトダイオードを用いることができる。

表面温度検出器７４には、短パルスによる短時間の溶融を検出するために、高速応答性が求められる。表面温度検出器７４にアバランシェフォトダイオードを用いることにより、十分な高速応答性を確保することができる。

測定用光源８１が、測定用のレーザビームを出力する。測定用光源８１には、例えばＨｅＮｅレーザ発振器を用いることができる。ＨｅＮｅレーザ発振器の出力波長は約６３３ｎｍである。測定用光源８１から出力されたレーザビームが１／２波長板８０を透過した後、ビームスプリッタ７７で分岐される。

ビームスプリッタ７７を直進したレーザビームは、参照光検出器８２に入射する。ビームスプリッタ７７で反射したレーザビームは、１／４波長板７６、全反射ミラー７５、ダイクロイックミラー７２、７１、及び全反射ミラー１４を経由して、伝搬光学系５７に入射する。

アニール対象物３０（図１）で反射したレーザビームが、同一の経路を逆方向に辿り、ビームスプリッタ７７に入射する。測定用のレーザビームは、往路と復路で１／４波長板７６を２回通過しているため、反射レーザビームはビームスプリッタ７７を直進する。その後、レンズ７８で収束され、反射光検出器７９に入射する。

赤外線検出器１７、表面温度検出器７４、反射光検出器７９、及び参照光検出器８２の検出結果が、制御装置２０に入力される。制御装置２０は、表面温度検出器７４の検出結果から、アニール対象物３０の溶融した表層部の温度を求める。さらに、制御装置２０は、反射光検出器７９及び参照光検出器８２の検出結果から、アニール対象物３０の表面の反射率を算出する。アニール対象物３０の表層部が溶融すると、反射率が高くなるため、反射率の算出結果から、溶融時間を算出することができる。溶融していた時間に基づいて、溶融した部分の深さを算出することができる。なお、測定用の光の強度が一定である場合には、反射光検出器７９の検出結果のみから、アニール対象物３０が溶融しているか否かを判定することができる。

図１２に、本実施例によるレーザアニール装置を用いたアニール方法のフローチャートを示す。ステップＳＢ１において、アニール対象物３０（図１０）にパルスレーザビームの１周期分の照射を行う。「１周期分の照射」の具体的な態様は、アニールの目的によって異なる。例えば、「１周期分の照射」は、第１のレーザ光源５１からのパルスレーザビームの１ショットの入射、第２のレーザ光源６１からのパルスレーザビームの１ショットの入射、第１のレーザ光源５１からのパルスレーザビーム及び第２のレーザ光源６１からのパルスレーザビームの１ショットずつの入射等の態様が含まれる。

ステップＳＢ２において、ステップＳＢ１で行われた照射によってアニール対象物３０の表層部が溶融したか否かを判定する。溶融したか否かは、反射光検出器７９からの信号強度が、ある閾値を超え、かつ一定時間以上維持されていた場合に、溶融したと判定される。

アニール対象物３０の表層部が溶融した場合には、ステップＳＢ３において、表面温度検出器７４からの検出結果、及び反射光検出器７９と参照光検出器８２（図１１）とからの検出結果を、記憶装置２１（図１０）に格納する。アニール対象物３０の表層部が溶融しなかった場合には、ステップＳＢ４において、赤外線検出器１７（図１１）の検出結果を記憶装置２１（図１０）に格納する。

ステップＳＢ３またはＳＢ４の後、ステップＳＢ５において、アニール対象物３０の全域へのパルスレーザビームの入射が完了したか否かを判定する。全域へのパルスレーザビームの入射が完了した場合には、アニール処理を終了する。全域へのパルスレーザビームの入射が完了していない場合には、ステップＳＢ１に戻り、設定されている繰り返し周波数で、次の１周期分の照射を行う。

図１０〜図１２に示した実施例によるレーザアニール装置は、第２のレーザ光源６１により、相対的に浅い領域を溶融させることにより、浅い領域のドーパントを活性化させることができる。さらに、第１のレーザ光源５１により、相対的に深い領域のドーパントを、非溶融状態で活性化させることができる。表層部を溶融させる条件でアニールを行う場合には、検出系７０の検出結果により、溶融した部分の深さを推定することができる。表層部を溶融させない条件でアニールを行う場合には、検出系７０の検出結果により、深い領域の活性化率を推定することができる。

表層部が溶融すると、深い領域からの熱放射光が溶融部分で反射または吸収されてしまう。このため、赤外線検出器１７では、溶融した部分からのみの熱放射光が検出され、溶融部分より深い領域からの熱放射光が検出されない。その結果、赤外線検出器１７の検出結果からは、深い領域の温度情報が得られない。すなわち、赤外線検出器１７の検出結果からは、有意な情報を得ることが困難である。実施例においては、アニール対象物３０の表層部が溶融した場合には、有意な情報を含まない赤外線検出器１７の検出結果が、記憶装置２１に格納されない。

逆に、アニール対象物３０の表層部が溶融しなかった場合には、溶融深さを算出ための表面温度検出器７４、反射光検出器７９、及び参照光検出器８２の検出結果が記憶装置２１に格納されない。

上述のように、図１０〜図１２に示した実施例では、検出系７０（図１１）で検出されたデータのうち一部のデータのみが記憶装置２１に格納される。すべてのデータを記憶装置２１に格納する場合に比べて、データ量を削減することが可能である。パルスの繰り返し周波数が高くなり、かつ１周期あたりに発生するデータ量が多くなると、データ転送速度がボトルネックになり、すべてのデータを格納できない場合がある。図１０〜図１２に示した実施例においては、有意なデータのみを抽出して記憶装置２１に格納するため、データ転送速度によるボトルネックを回避しやすくなる。

図１２では、ステップＳＢ４において、赤外線検出器１７の検出結果のみを記憶装置２１に格納したが、さらに、表面温度検出器７４の検出結果を格納してもよい。これにより、相対的に深い領域までの温度情報と、相対的に浅い領域のみの温度情報との両方を保存することができる。

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。

１０ レーザ光源
１１ 均一化光学系
１２ ダイクロイックミラー
１３ レンズ
１４ 全反射ミラー
１５ 光学フィルタ
１６ レンズ
１７ 赤外線検出器
２０ 制御装置
２１ 記憶装置
２２ 活性化率換算データ
２３ 熱放射光検出値
２５ 出力装置
３０ アニール対象物
３１ ステージ
３５ 熱放射光
４０ シリコン基板
４１ ベース領域
４２ エミッタ領域
４３ ゲート電極
４４ ゲート絶縁膜
４５ エミッタ電極
４６ コレクタ層
４７ バッファ層
４８ コレクタ電極
５１ 第１のレーザ光源
５２ アッテネータ
５３ ビームエキスパンダ
５４ ビームホモジナイザ
５５ ダイクロイックミラー
５６ コンデンサレンズ
５７ 伝搬光学系
６１ 第２のレーザ光源
６１Ａ、６１Ｂ 固体レーザ発振器
６２Ａ、６２Ｂ アッテネータ
６３Ａ、６３Ｂ ビームエキスパンダ
６４ ミラー
６５ ビームスプリッタ
６６ ビームホモジナイザ
６７ ダイクロイックミラー
７０ 検出系
７１、７２ ダイクロイックミラー
７３ レンズ
７４ 表面温度検出器
７５ 全反射ミラー
７６ １／４波長板
７７ ビームスプリッタ
７８ レンズ
７９ 反射光検出器
８０ １／２波長板
８１ 測定用光源
８２ 参照光検出器

Claims (9)

1. 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前記レーザビームが入射する位置にアニール対象物を保持するステージと、
   前記ステージに保持されている前記アニール対象物からの熱放射光を検出する赤外線検出器と、
   前記アニール対象物から前記赤外線検出器までの前記熱放射光の経路に配置され、波長１μｍより短い光を前記赤外線検出器に入射させない光学素子と
   を有するレーザアニール装置。
2. さらに、前記赤外線検出器によって検出される前記熱放射光の強度と、前記アニール対象物に注入されているドーパントの活性化率との対応関係を定義する活性化率換算データが格納されている制御装置を有し、
   前記制御装置は、前記赤外線検出器の検出結果と、前記活性化率換算データとに基づいて、活性化率の推定値を求める請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. さらに、出力装置を有し、
   前記制御装置は、前記推定値を前記出力装置に出力する請求項２に記載のレーザアニール装置。
4. 前記レーザ光源から出力される前記レーザビームはパルスレーザビームであり、
   前記赤外線検出器は、前記パルスレーザビームの１ショットごとに、前記アニール対象物からの前記熱放射光の強度を検出し、
   前記制御装置は、前記赤外線検出器で検出された前記熱放射光の強度のピーク値に基づいて、前記活性化率の推定値を求める請求項２または３に記載のレーザアニール装置。
5. 前記レーザ光源から出力される前記レーザビームはパルスレーザビームであり、
   前記赤外線検出器は、前記パルスレーザビームの１ショットごとに、前記アニール対象物からの前記熱放射光の強度を検出し、
   前記制御装置は、前記赤外線検出器で検出された前記熱放射光の強度の積分値に基づいて、前記活性化率の推定値を求める請求項２または３に記載のレーザアニール装置。
6. 前記レーザ光源から出力される前記レーザビームはパルスレーザビームであり、
   前記赤外線検出器は、前記パルスレーザビームの１ショットごとに、前記アニール対象物からの前記熱放射光の強度を検出し、
   前記制御装置は、
   前記パルスレーザビームの入射を停止させる契機となる閾値を記憶しており、
   前記熱放射光の強度が前記閾値を超えると、前記レーザ光源からの出力を停止させる請求項２または３に記載のレーザアニール装置。
7. さらに、
   前記アニール対象物の表面からの前記熱放射光を検出する表面温度検出器と、
   前記アニール対象物に測定用の光を入射させる測定用光源と、
   前記測定用光源から出力された前記測定用の光の、前記アニール対象物からの反射光を検出する反射光検出器と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザビームの１周期ごとに、前記反射光検出器で検出された前記反射光の強度に基づいて、前記アニール対象物の表層部が溶融したか否かを判定する請求項４乃至６のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
8. 前記制御装置は、
   前記アニール対象物の表層部が溶融しなかったと判定した場合には、前記赤外線検出器の検出結果を記憶し、
   前記アニール対象物の表層部が溶融したと判定した場合には、前記反射光の検出結果を記憶する請求項７に記載のレーザアニール装置。
9. 前記制御装置は、前記アニール対象物の表層部が溶融したと判定した場合には、さらに、前記表面温度検出器の検出結果を記憶する請求項７または８に記載のレーザアニール装置。

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