JP4117020B2 - 半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置に関し、特に、異なる波長を有するレーザ光を照射し、熱処理を行う半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置に関する。
半導体装置の製造工程においては、半導体基板の所望の深さまでを熱処理する場合がある。例えば、特許文献１において、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造方法が開示されている。以下、その製造方法につき簡単に説明する。導電性のシリコン基板表面に、ベース領域やエミッタ領域等の拡散領域、エミッタ電極やゲート電極等の電極、ゲート絶縁膜や層間絶縁膜等の絶縁膜を形成する。基板の裏面を、例えば１５０μｍまで研磨する。基板の裏面にフィールドストップ層やコレクタ層等の拡散領域をイオン注入および熱処理により形成する。コレクタ電極等の電極を形成する。
一方、特許文献２、特許文献３および特許文献４には、例えばシリコン基板またはシリコン膜に波長の異なる２つのレーザ光を照射する半導体装置の製造方法またはレーザアニール装置が開示されている。
特許文献２には、約５００ｎｍの波長を有する可視光域のパルスレーザ光と約２５０ｎｍの波長を有する紫外域のパルスレーザ光を、例えばアモルファスシリコン膜に照射する半導体装置の製造方法およびレーザアニール装置が開示されている。これにより、アモルファスシリコン膜が一定温度に保持される時間を増加させることができる。
また、特許文献３および特許文献４には、約１μｍの波長を有する連続発振（ＣＷ）レーザ光と約５００ｎｍの波長を有するＣＷレーザ光を、例えばアモルファスシリコン膜に照射する半導体装置の製造方法およびレーザ照射装置が開示されている。これにより、照射ムラを解消し、均一なレーザ処理を行うこと、または半導体膜上に形成される結晶性不良領域を小さくすることができる。
特開２００３−５９８５６号公報 特開２０００−１２４８４号公報 特開２００４−１２８４２１号公報 特開２００４−２８２０６０号公報
例えば、特許文献１記載のＩＧＢＴの製造方法においては、基板の裏面にイオン注入された領域は、イオンが活性化できる温度以上に昇温する必要がある。しかし、基板の表面には、拡散領域、電極または絶縁膜等が形成されている。そこで、基板の表面が高温になると、拡散領域の不純物の拡散、電極を構成する金属の反応または熱応力若しくは有機系絶縁膜の反応または硬化などが生じる。このように、半導体装置の製造工程においては、所望の深さまでを所望の温度に昇温することが求められている。
本発明は、上記課題に鑑み、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、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のレーザ光とを半導体基板の同じ面に同時に照射し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とのそれぞれの照射時間を制御することにより、前記半導体基板の深さ方向の温度分布を制御し、前記半導体基板中に注入された不純物の活性化を行う工程を具備する半導体装置の製造方法において、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は連続発振レーザ光であり、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の前記半導体基板上の移動速度は同一であり、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の移動方向のビームスポットサイズを制御することにより前記照射時間を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
上記構成において、前記半導体基板はシリコンであり、前記第１のレーザ光の波長は３７０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く９００ｎｍ以下である構成とすることができる。
上記構成において、前記第１のレーザ光の波長は４５０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く８５０ｎｍ以下である構成とすることができる。
上記構成において、前記第１のレーザ光はＹＡＧレーザの高調波のレーザ光であり、前記第２のレーザ光は半導体レーザのレーザ光である構成とすることができる。
上記構成において、前記半導体基板の表面に動作層を形成する工程を具備し、前記熱処理を行う工程は、前記基板の裏面より前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を照射し、前記半導体基板の裏面より注入された不純物を活性化する構成とすることができる。
本発明は、第１のレーザ光を照射する第１のレーザと、該第１のレーザ光とは異なる波長を有する第２のレーザ光を照射する第２のレーザと、を具備し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを半導体基板の同じ面に同時に照射し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とのそれぞれの照射時間を制御することにより、前記半導体基板の深さ方向の温度分布を制御し、前記半導体基板に導入された不純物を活性化する半導体装置の製造装置において、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は連続発振レーザ光であり、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の前記半導体基板上の移動速度は同一であり、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の移動方向のビームスポットサイズを制御することにより前記照射時間を制御することを特徴とする半導体装置の製造装置である。本発明によれば、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造装置を提供することができる。
上記構成において、前記半導体基板はシリコンであり、前記第１のレーザ光の波長は３７０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く９００ｎｍ以下である構成とすることができる。
上記構成において、前記第１のレーザ光の波長は４５０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く８５０ｎｍ以下である構成とすることができる。
上記構成において、前記第１のレーザ光はＹＡＧレーザの高調波のレーザ光であり、前記第２のレーザ光は半導体レーザのレーザ光である構成とすることができる。
本発明によれば、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を提供することができる。
図１はシリコンに対する光の侵入長の波長依存性を示す図である。 図２はシリコンの熱伝導率の温度依存性を示す図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）はシリコン基板に、異なる侵入長を有するレーザ光を照射した場合の加熱範囲を示した図である。 図４は実施例１に係るレーザアニール装置の構成を示す図である。 図５（ａ）から図５（ｄ）は実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図６（ａ）から図６（ｄ）は実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は実施例２において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その１）である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は実施例２において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その２）である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は実施例２において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その３）である。 図１０はシリコンの各電子濃度での波長に対する吸収係数を示した図であり、Spitserら Phys. Rev. 108, p268 (1957)に記載の図である。 図１１はシリコンの各ホール濃度での波長に対する吸収係数を示した図であり、Haraら J. Phys. Soc. Japan 21, p1222 (1966)に記載の図である。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は実施例３において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図である。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は実施例４において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その１）である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は実施例４において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その２）である。 図１５（ａ）および図１５（ｂ）は実施例４において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その３）である。 図１６（ａ）および図１６（ｂ）は実施例４において、第１のレーザ光とは第２のレーザ光を照射したときのシリコン基板の深さ方向の温度を示した図（その４）である。 図１７はＴｉＮに対する光の侵入長の波長依存性を示す図である。 図１８は各レーザの波長と、波長に対するシリコンの侵入長を示す図である。
まず、本発明の原理を説明する。図１はシリコンの光の波長に対する光の侵入長を示した図である。侵入長とは光強度が１／ｅとなる距離である。図１より、波長が１００ｎｍから３５０ｎｍでは、侵入長は１０ｎｍ以下である。波長が３７０ｎｍを越えると、侵入長は波長に伴い単調に増加し、波長が９００ｎｍで侵入長は約１００μｍとなる。例えば、２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦエキシマレーザの光の侵入長は１０ｎｍ以下である。５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザの２次高調光の侵入長は約２μｍであり、８０８ｎｍの波長を有する半導体レーザの光の侵入長は約２０ｎｍである。
一方、図２はシリコンの温度に対する熱伝導率を示した図である。温度が高くなると熱伝導率は小さくなる。このことは、高温では熱が伝わり難いことを示している。
図３はシリコン基板１０にレーザ光を照射したときの模式図を示す。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ侵入長の長いレーザ光２０ａ、短いレーザ光２０ｂを照射したときを示している。図中、下がシリコン基板１０の基板表面であり、表面には電極１２、拡散領域１４等の動作層１６が形成されている。図３（ａ）のように侵入長の長いレーザ光(例えば半導体レーザ)を照射した場合、光は広範囲で吸収される。よって、シリコン基板１０の加熱範囲１８ａは大きくなる。一方、図３（ｂ）のように侵入長の短いレーザ光（例えばＹＡＧレーザの２次高調光）を照射した場合、光は表面（シリコン基板の裏面）付近で吸収され、加熱範囲１８ｂは小さくなる。
シリコン基板１０が加熱されると、図２のように、熱伝導率が小さくなるため、光が吸収された範囲付近を効率的に加熱することができる。
しかしながら、光の吸収は、表面付近で大きく、基板の深さ方向に指数関数的に減衰していく。基板の裏面から、１８ａと１８ｂの間の深さまで加熱したい場合、レーザ光２０ａを用いると、１８ａの深さの部分の温度を低温に保つためには、レーザの照射強度を低くする、あるいは照射時間を短くすることが必要になる。しかし、そのような条件を設定した場合には裏面部分を十分な温度に加熱することができなくなる。また、レーザ光２０ｂを用いた場合には、１８ｂより深い部分を昇温するために、レーザ照射強度を高くしたり、照射時間を長くする必要がある。この場合には裏面部分が必要以上に昇温され、裏面部分に融解を生じ、その部分に荒れが残ると言う問題がある。このように、所望の深さを所望の温度に加熱することは難しい。
実施例１においては、第１のレーザ光と、第１のレーザ光とは異なる波長を有する第２レーザ光とを基板に照射し、例えば半導体基板の熱処理を行う。
図４は２つのレーザ光を基板に照射するためのレーザアニール装置の概念図である。第１のレーザ光５０を照射する第１のレーザ３０と、第１のレーザ光５０とは異なる波長を有する第２のレーザ光５２を照射する第２のレーザ３２とを具備し、第１のレーザ光５０と第２のレーザ光５２とを基板４６に照射し基板４６を熱処理するレーザアニール装置である。
第１のレーザ３０から発射された第１のレーザ光５０は整形光学系１（３４）で整形される。その後、第１のレーザ光５０は、ダイクロイックミラー４０で反射され、結像集光光学系４２で集光され、ステージ４４上のアニール対象物である基板４６に照射される。一方、第２のレーザ３２から発射された第２のレーザ光５２は整形光学系２（３６）で整形され、全反射ミラー３８で反射され、ダイクロイックミラー４０を通過し、結像集光光学系４２で集光され、基板４６に照射される。
整形光学系３４、３６はレーザ光のビーム径を拡げるあるいはビームの分布を改善し光強度を均一化するための光学系である。ダイクロイックミラー４０は第１のレーザ光５０を反射し、第２のレーザ光５２を通過させ、これらレーザ光５０、５２の光軸を合わせる機能を有している。結像集光光学系４２はレンズであり、レーザ光５０、５２を基板４６の所定の位置に照射する機能を有する。第１のレーザ光５０と第２のレーザ光５２は基板４６上で同一の位置に照射されるよう光軸が調整されている。
第１のレーザ３０は制御回路１（５４）、第２のレーザ３２は制御回路２（５６）によりレーザ光の照射タイミング、照射時間および照射強度が制御されている。ステージ４４は駆動系４７により駆動され、駆動系制御回路４８は、駆動系４７を制御する。これにより、第１のレーザ光５０および第２のレーザ光５２を基板上の任意の位置に照射することができる。また、基板４６を一定の移動速度で移動させることにより、第１のレーザ光５０および第２のレーザ光５２の基板上の照射位置を一定速度で移動させることができる。駆動系４７は台４９上に配置されている。
このレーザアニール装置を用い、第１のレーザ光５０と第２のレーザ光５２が基板の同一場所に同時に照射される。そして、基板４６への侵入長の異なる第１のレーザ光５０の照射強度と第２のレーザ光５２の照射強度を制御することができる。また、第１のレーザ光５０の照射時間と第２のレーザ光５２の照射時間を制御することができる。これにより、基板４６の深さ方向の吸収される光の量を制御することができる。これにより、レーザ光が照射される基板４６の深さ方向の温度分布を制御することができる。よって、基板４６の所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能となる。これにより、熱処理する深さ毎に対応する侵入長を有するレーザを設ける必要がなく、同じレーザアニール装置で様々の深さの熱処理に対応することが可能となる。
実施例２は、実施例１に係るレーザアニール装置を用い、ＩＧＢＴ等の半導体装置を製造する方法の例である。図５、図６は実施例１に係るＩＧＢＴの製造方法を示す断面模式図である。図５は基板表面を上に記載し、図６は基板裏面を上に記載している。
図５（ａ）を参照に、導電性シリコン基板６０上のゲート絶縁膜６２およびゲート電極６４を通常の露光技術およびエッチングを用い形成する。図５（ｂ）を参照に、ゲート電極６４をマスクに、ボロン（Ｂ）をイオン注入し、その後熱処理することにより、Ｐ型のチャネル拡散領域６６を形成する。図５（ｃ）を参照し、フォトレジスト６８を形成し、砒素（Ａｓ）をイオン注入し、その後熱処理することにより、ｎ型のエミッタ拡散領域７０を形成する。図５（ｄ）を参照に、絶縁膜７２を通常のＣＶＤ法および露光技術により形成する。さらに、エミッタ電極７４を形成する。以上で、シリコン基板６０の表面に動作層８２が形成される。
次いで、図６（ａ）を参照に、シリコン基板６０の裏面を研磨し、基板厚を１００μｍとする。基板の裏面よりフィールドストップ層７６となる深さに、燐（Ｐ）をイオン注入する。図６（ｂ）を参照に、コレクタ拡散領域７８となる深さに、ボロン（Ｂ）をイオン注入する。イオン注入されたフィールドストップ層７６の深さは約３μｍである。イオン注入条件は、例えば、フィールドストップ層７６の目標とする深さが、イオン注入の平均投影飛程Ｒｐと投影標準偏差ΔＲｐの和程度になるように決められる。
図６（ｃ）を参照に、シリコン基板６０の裏面より、第１のレーザ光５０および第２のレーザ光５２を同時に同一の領域に照射し熱処理を行うことによりコレクタ層等の拡散領域を形成する。第１のレーザ光５０としては、ＹＡＧレーザの２次高調光（波長５３２ｎｍ）、第２のレーザ光５２は半導体レーザ(波長８０８ｎｍ)を用いる。この場合、図４の第１のレーザ３０には２次高調光発生光学系が設けられる。熱処理は、フィールドストップ層７６およびコレクタ拡散領域７８の不純物イオンを活性化させるため、少なくともフィールドストップ層７６の深さまで行うことが好ましい。図６（ｄ）を参照に、基板６０の裏面にコレクタ電極８０を形成し、ＩＧＢＴが完成する。
図６（ｃ）で説明した熱処理は、イオン注入した不純物を活性化させるためフィールドストップ層７６およびコレクタ拡散領域７８の深さ方向全体に渡り１０００℃（１２７３Ｋ）以上となることが求められる。また、シリコン基板６０の深さ方向全体に渡り、シリコンの融点である１４２０℃（１６９３Ｋ）以下であることが求められる。さらに、シリコン基板６０表面は、表面に形成された動作層８２が例えば熱応力により劣化しないため２００℃（４７３Ｋ）以下であることが求められる。
そこで、この熱処理工程のシリコン基板６０内の温度分布を計算した。計算は、１次元あるいは２次元熱伝導方程式の数値解を求めることにより行った。用いた熱伝導方程式は以下の数１である
Figure 0004117020
ここで、ｃ：シリコンの比熱、ρ：シリコンの密度、Ｔ：温度、κ：シリコンの熱伝導率、α１：第１のレーザ光の波長でのシリコンの吸収係数、α２：第２のレーザ光の波長でのシリコンの吸収係数、λ１：第１のレーザ光のシリコンに対する侵入長、λ２：第２のレーザ光のシリコンに対する侵入長、Ｒ１：第１のレーザ光の波長でのシリコンの反射係数、Ｒ２：第２のレーザ光の波長でのシリコンの反射係数、Ｉ１、第１のレーザ光のレーザパワー密度、Ｉ２：第２のレーザ光のレーザパワー密度である。各数値は表１の数値を用いた。
図７、図８および図９は、第１のレーザ光５０、第２のレーザ光５２をそれぞれ波長５３２ｎｍ、パルス幅２４０ｎｓ、立ち上がり時間４８ｎｓの三角波、および波長８０８ｎｍ、パルス幅２４０ｎｓ、立ち上がり時間４８ｎｓの三角波とした場合の計算結果を示す図であり、レーザを照射した時点からの時間に対する温度を、シリコン基板６０裏面からの深さ、表面（シリコン基板６０の裏面）、１μｍ、３μｍ、１０μｍおよび１００μｍについて示している。
図７（ａ）は第１のレーザ光５０の照射強度（エネルギ密度）および第２のレーザ光５２の照射強度（エネルギ密度）がそれぞれ１１００ｍＪ／ｃｍ２、０ｍＪ／ｃｍ２であり、図７（ｂ）はそれぞれ８００ｍＪ／ｃｍ２、１４００ｍＪ／ｃｍ２である。同様に図８（ａ）はそれぞれ６００ｍＪ／ｃｍ２、２８００ｍＪ／ｃｍ２であり、図８（ｂ）はそれぞれ４００ｍＪ／ｃｍ２、３８００ｍＪ／ｃｍ２であり、図９（ａ）はそれぞれ２００ｍＪ／ｃｍ２、４８００ｍＪ／ｃｍ２であり、図９（ｂ）はそれぞれ０ｍＪ／ｃｍ２、６８００ｍＪ／ｃｍ２である。各レーザの照射強度はシリコン基板６０の裏面が、シリコンの融点１６９３Ｋを越えないよう１６００Ｋ程度になるようにした。
第１のレーザ光５０の基板６０に対する侵入長を侵入長１、第２のレーザ光５２の基板６０に対する侵入長を侵入長２とする。
各図とも、深さ１０μｍまでの温度は１００ｎ秒から１０μ秒でピークに達し、その後、熱拡散し温度が下がる。一方、深さ１００μｍでは、レーザ光の照射直後は、温度は上昇しないが、１０μ秒から１００μ秒で熱拡散により上昇し、１ｍ秒でほぼ平衡状態となる。
第１のレーザ光５０のみを照射した図７（ａ）において、深さ１μｍの領域の最高温度は１３００Ｋ以上に達しているのに対し、深さ３μｍの領域の最高温度は７６０Ｋである。深さ１μｍの領域では、その最高温度は不純物の活性化に必要である１２７３Ｋ（１０００℃）まで到達していない。これは、第１のレーザ光５０のシリコンに対する侵入長が約１μｍと短く、効率的に加熱しやすい領域は侵入長の２倍の深さ以下、より効率的に加熱しやすい領域は侵入長の深さ以下のためである。したがって、第１のレーザ光５０のみの照射では、３μｍのフィールトストップ層７６に注入された不純物を深さ方向全体にわたって活性化することは難しい。
一方、第２のレーザ光５２のみを照射した図９（ｂ）では、深さ３μｍの領域の最高温度が１５００Ｋ以上に達しているため、３μｍのフィールドストップ層７６に注入された不純物を深さ方向全体にわたって活性化することができる。しかしながら、深さ１００μｍの部分すなわちシリコン基板表面の最高温度が５２０Ｋとなり、シリコン基板６０表面の動作層８２が劣化する温度である４７３Ｋ（２００℃）を超えてしまう。したがって、この場合もシリコン基板６０表面の動作層８２を劣化させることなく、フィールドストップ層７６に注入された不純物を深さ方向全体にわたって活性化することは難しい。
このように、第１のレーザ光あるいは第２のレーザ光のみの照射では、前述の実施例１に係るＩＧＢＴの製造方法に求められる熱処理の条件を満足することができない。
図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）、図８（ｂ）、図９（ａ）および図９（ｂ）の順に、第２のレーザ光５２の照射強度を大きくするに従い、各深さの温度は以下のように変化する。深さ１μｍの温度は、それぞれ１３５０Ｋ、１３８０Ｋ、１４９０Ｋ，１５００Ｋ、１５３０Ｋおよび１５８０Ｋとほとんど変わらない。深さ３μｍの温度は、それぞれ７６０Ｋ、９３０Ｋ、１１２０Ｋ、１２１０Ｋ、１３２０Ｋおよび１４９０Ｋと高くなる。深さ１０μｍの温度は、それぞれ４５０Ｋ、５６０Ｋ、６９０Ｋ、８００Ｋ、９００Ｋおよび１０６０Ｋと高くなる。また、深さ１００μｍの温度は、それぞれ３４０Ｋ、３７０Ｋ、４３０Ｋ、４４０Ｋ、４７０Ｋおよび５２０Ｋと緩やかに上昇する。
実施例２においては、図９（ａ）の条件（第１のレーザ光５０の照射強度が２００ｍＪ／ｃｍ２、第２のレーザ光５２の照射強度が３８００ｍＪ／ｃｍ２）とすることにより、３μｍの深さを有するフィールドストップ層７６の深さ方向全体に渡り１２７３Ｋ以上とし、深さ１００μｍの温度を４７３Ｋ以下とすることができる。よって、基板表面に形成された動作層を劣化させることなく、基板の背面にイオン注入された不純物を活性化できる温度以上で熱処理することができる。
このように、図４に記載したレーザアニール装置を用い熱処理を行う際、第１のレーザ光５０の照射強度と第２のレーザ光５２の照射強度を制御することにより、基板６０の深さ方向の温度分布を制御する。これにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。また、第１のレーザ光５０の照射強度と第２のレーザ光５２の照射強度を制御することにより基板６０の深さ方向の温度分布を制御するレーザアニール装置を用いることにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造装置を提供することができる。
図７（ａ）より、前述のように効率的に加熱しやすい領域は侵入長の２倍の深さである２μｍ以下、より効率的には侵入長の深さ以下である。よって、第１のレーザ光５０の侵入長１の２倍である２μｍまでの深さの領域（より好ましくは侵入長１である１μｍまでの深さ）は、第１のレーザ光５０のみの照射で十分な昇温が可能である。しかし、２μｍを超えた深さの領域は第１のレーザ光５０のみの照射では十分な昇温が難しい。図７（ｂ）ないし図９（ａ）より、２μｍを超えた深さの領域の十分な昇温のためには、より侵入長の長い第２のレーザ光５２が必要となる。言い換えれば、２μｍを超えた深さの領域は第１のレーザ光および第２のレーザ光５２の照射により温度分布が制御できる領域となる。よって、熱処理すべき深さは侵入長１の１／２以上であることが好ましい。つまり、侵入長１は熱処理すべき深さの２倍以下であることが好ましい。また、より効率的に加熱しやすい領域は侵入長の深さ以下であることから、侵入長１は熱処理すべき深さの以下であることが一層好ましい。
さらに、図７（ａ）によれば、第１のレーザ光５０のみの照射した際、深さが第１のレーザ光５０の侵入長１の３倍である３μｍを超える領域での最高温度は、第１のレーザ光５０のみ照射した場合の１μｍ程度までの深さの最高温度と比較してより低くなる。これは、３μｍを超える領域を第１のレーザ光５０のみの照射により熱処理することは好ましくないことを示している。これに対し、第１のレーザ光５０に加え第２のレーザ光５２を同時に照射した場合は、図７（ｂ）ないし図９（ａ）のように、第２のレーザ光５２を照射することによる温度上昇は、１μｍ程度までの深さの領域より３μｍを超える深さの領域で大きくなっていることがわかる。言い換えれば、３μｍを超える深さの領域は、１μｍ程度までの深さの領域と比べ、第２のレーザ光５２を照射することにより温度分布の制御を容易に行える領域である。よって、熱処理すべき深さは侵入長１の３倍以上であることがより一層好ましい。つまり、侵入長１は熱処理すべき深さの１／３倍以下であることがより一層好ましい。
図９（ｂ）より、第２のレーザ光５２のみの照射では、侵入長２の１／２である深さ１０μｍの最高温度は１０００Ｋ程度である。これは、不純物の活性化に必要な十分な温度（１２７３Ｋ）に達していない。さらに、図７（ｂ）ないし図９（ａ）のように、第１のレーザ光５０のエネルギ密度を高くするにしたがい、１０μｍを超える深さの領域の最高温度は低くなる。このように、熱処理すべき深さは侵入長２の１／２以下であることが好ましい。つまり、侵入長２は熱処理すべき深さの２倍以上であることが好ましい。
さらに、図９（ｂ）より、侵入長２の１／６である３μｍの深さでは、第２のレーザ光５２のみを照射した場合にも、効果的に昇温することができる。よって、熱処理すべき深さは侵入長２の１／６以下であることが一層好ましい。つまり、侵入長２は、熱処理をすべき深さの６倍以上であることが一層好ましい。
一方、第２のレーザ光５２の浸入長２がシリコン基板の厚さを超えると、第２のレーザ光５２を照射した際にシリコン基板６０の表面まで加熱されることになり、シリコン基板６０表面の動作層８２が劣化する。したがって、第２のレーザ光５２の浸入長２はシリコン基板６０の厚さ以下であることが一層好ましい。
以上のように、図４に記載したレーザアニール装置を用い熱処理を行う際、第１のレーザ光５０の基板６０への侵入長１は、基板６０の熱処理をすべき深さの２倍以下であり、第２のレーザ光５２の基板６０への侵入長２は、基板６０の熱処理をすべき深さの２倍以上とすることが好ましい。これにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。さらに、第１のレーザ光５０の基板６０への侵入長１は、基板６０の熱処理をすべき深さ以下であり、第２のレーザ光５２の基板６０への侵入長２は、基板６０の熱処理をすべき深さの６倍以上、基板の厚さ以下とすることが一層好ましい。
なお、基板の熱処理すべき深さは、例えばフィールドストップ層７６およびコレクタ拡散領域７８を全体に渡り活性化させるため、フィールドストップ層７６の深さ（イオン注入の深さ）とすることが好ましい。さらには、フィールドストップ層７６のイオン注入の平均投影飛程Ｒｐと投影標準偏差ΔＲｐの和であるとすることが好ましい。イオン注入の平均投影飛程Ｒｐと投影標準偏差ΔＲｐの和の深さの領域には、イオン注入した不純物がほとんど分布している。そこで、この領域を熱処理することにより、フィールドストップ層７６およびコレクタ拡散領域７８の全体に渡りイオン注入した不純物を活性化させることができる。
また、第１のレーザ光５０の基板６０への侵入長１は、基板６０の熱処理をすべき深さの２倍以下であり、第２のレーザ光５２の基板６０への侵入長２は、基板６０の熱処理をすべき深さの２倍以上のレーザアニール装置とすることにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造装置を提供することができる。
次に、シリコン基板の表面から３μｍ程度の領域を加熱するために、第１のレーザ光５０および第２のレーザ光５２を照射する場合を検討する。
図１を参照し、この波長領域では、第１のレーザ光５０の波長が３７０ｎｍ以下ではシリコンに対する浸入長が急激に小さくなり、１μｍ程度以上の深さをアニールするには、実用的ではない。よって、第１のレーザ光５０の波長は３７０ｎｍ以上であることが好ましい。さらに、浸入長が１μｍ以上となる４５０ｎｍ以上がより好ましい。
また、シリコン基板は通常１００μｍから数１００μｍの膜厚で使用する。このため、侵入長２が１００μｍ以上となると、基板に吸収される光が少なくなり、効率的に加熱することが出来なくなる。これを避けるために、浸入長２を１００μｍ以下とすることが好ましい。そのため、第２のレーザ光５２の波長は９００ｎｍ以下が好ましい。さらに、侵入長２が５０μｍ以下となる８５０ｎｍ以下がより好ましい。また、図１０、図１１を参照に、シリコンは、波長１０μｍ程度の赤外線に対しても吸収を示し、ここに示された吸収係数（α）の逆数を取ることにより得られる侵入長は、キャリア濃度が１０１９ｃｍ−３程度のとき１０μｍ程度、キャリア濃度が１０１８ｃｍ−３のとき５０μｍ程度となる。したがって、この領域に発振波長を有するレーザを第２のレーザとして使用することも可能である。このように、第１のレーザおよび第２のレーザはその発振波長からでなく、それぞれの発振波長の光のシリコンに対する侵入長から選択することが好ましい。
侵入長の短いレーザ光を第１のレーザ光、侵入長の長い光を第２のレーザ光と定義しているが、それぞれのレーザ光の侵入長が同程度であれば、実質的に１つのレーザ光を用いて熱処理することと差がなくなってしまう。そこで、侵入長２は侵入長１の２倍以上であることが好ましく、５倍以上であることが一層好ましい。
実施例２においては、第１のレーザ光および第２のレーザ光としてパルス光を用いた。これは、熱平衡状態に達する前の温度分布で熱処理を行うことができるためである。このように、第１のレーザ光および第２のレーザ光は、一定時間のみ少なくとも基板の一部に照射されることが好ましい。
実施例３は、連続発振レーザ光を基板上を移動させることにより、パルス光と同様の熱処理を行う例である。図１０は、実施例２で用いた計算方法を用い、シリコン基板上の照射位置を移動させた場合のシリコン基板中の温度分布である。
図１２（ａ）、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は、第１のレーザ光と第２のレーザ光の照射位置を１５００ｍｍ／秒で移動させたときのシリコン基板６０内の温度分布を示している。図上部のビーム移動の矢印に従い、レーザ光を移動させている。第１のレーザ光５０および第２のレーザ光５２のパワー密度は図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に従い、第２のレーザ光５２のパワー密度を大きくし、基板の最高温度が１６００℃程度となるようにパワー密度を決めている。
レーザ光が照射された位置では基板の温度が上昇し、照射後は急激に温度が下がっていることがわかる。また、第２のレーザ光のパワー密度を大きくすると。温度が１２８０Ｋ（約１０００℃）を越える深さが深くなっている。このように、第１のレーザ光および第２のレーザ光の基板上の照射位置を移動させることで、パルス幅の短いパルスレーザ光を用いたのと同様に、第１のレーザ光および第２のレーザ光とのそれぞれの照射時間を制御することができる。これにより、パルス幅の短いパルスレーザを用いず、パルス光と同等の熱処理を行うことができる。
以上より、第１のレーザ光または第２レーザ光をパルスレーザ光または連続発振レーザ光とし、第１のレーザ光または第２のレーザ光がパルスレーザ光の場合はそのパルス幅により第１のレーザ光または第２のレーザ光の前記照射時間を制御し、第１のレーザ光または第２のレーザ光が連続発振レーザ光の場合は、そのレーザ光の基板上の移動速度により第１のレーザ光または第２のレーザ光の前記照射時間を制御することができる。さらに、連続発振レーザ光は移動方向のビームスポットサイズ（基板表面のレーザ光のサイズ）を調整することによっても照射時間を制御することができる。例えば、移動方向のビームスポットサイズが大きい場合、移動速度が同一であっても照射時間が長くなる。
実施例３のように連続発振レーザ光の基板上の移動速度により連続発振レーザ光の照射時間を制御することにより、以下のような効果を奏することができる。第１に、レーザをパルス発振させる場合は、レーザ固有のパルス幅に制限される。例えば、ＹＡＧレーザの場合、Ｎｄ：ＹＡＧのレーザ発振準位での緩和時間が数十ｎｓと短いため長いパルス幅を作り出すことは困難である。また、例えば、半導体レーザは電流駆動により発振を行う。このため、大電流の短パルスを作り出すことは電源的に限界があり、大出力の短いパルス幅のレーザ発振は困難である。２つのレーザ光を用い、それぞれの照射時間を制御する場合、パルス光を用いると、上記のようなレーザ固有の制限により照射時間の選択の幅が制限されてしまう。例えば、ＹＡＧレーザと半導体レーザとのそれぞれの照射時間をパルス幅で制御する場合、ＹＡＧレーザのパルス幅を長く、半導体レーザのパルス幅を短くすることは困難である。そこで、連続発振レーザ光の基板上の移動速度と移動方向のビームスポットサイズとをそれぞれ調整し、照射時間を個別に制御することにより、２つのレーザ光の照射時間を独立に幅広く選択することができる。よって、基板または基板上の膜の昇温可能な深さおよび温度を幅広く選択することができる。
第２に、２つのレーザのパルス発振を正確に同期させ発振させるには高度な技術を要し、装置が複雑となる。連続発振レーザを用いる場合はこのような複雑な装置は不要となる。
第３に、パルス光で基板全面を熱処理する場合、基板内のパルス光のビームスポットと次のパルス光の間隔が広すぎるとビームスポット間で温度が低くなる領域が生じる。均一な温度で熱処理するためには、パルス発振の間隔、ビームスポットの重ね率を考慮する必要がある。このため、スループットが低下してしまう。また、間隔、ビームスポットを考慮したとしてもビームスポットの境界を完全になくすことは難しく、温度の不均一が生じてしまう。連続発振レーザを用いる場合、レーザの移動方向に均一にレーザ光が照射されるため、上記制約はなく、高いスループットが可能となる。さらに、温度の均一性を高めることができる。
連続発振レーザは第１レーザおよび第２レーザの少なくとも一方に用いれば上記効果を奏する。温度の均一性の観点からは、連続発振レーザを両方に用いることが好ましい。両方を連続発振レーザとする場合は、２つのレーザ光の移動速度は同一とし、それぞれのレーザ光のビームスポットサイズをそれぞれ調整することにより、それぞれのレーザ光の照射時間を個別に制御することができる。また、レーザ光の基板に対する走査は、基板を固定しレーザ光を走査してもよいし、レーザ光を固定しレーザ光を走査してもよい。レーザ光の基板上の走査は、基板上を往復させながら往復方向と垂直な方向に移動させることにより基板全面にレーザ光を照射することができる。さらに、基板の中心または周囲かららせん状にレーザ光を照射することにより、基板全面を熱処理することもできる。スループットの観点からは、加減速の少ないらせん状に照射する方法が好ましい。
実施例４は、第１のレーザ光および第２のレーザ光としてパルス光を用い、第１のレーザ光および第２のレーザ光の照射時間を変えた例である。図１１ないし１４は、実施例２と同様の方法で、基板内の温度を計算した結果を示す図である。第１のレーザ光５０の照射時間およびエネルギ密度は一定にし、第２のレーザ光５２の照射時間を変化させている。第２のレーザ光５２の照射強度は、シリコン基板内の最高温度が１６００Ｋ程度となるように決めた。レーザを照射した時点からの時間に対する温度を、シリコン基板６０裏面からの深さ、表面（シリコン基板６０の裏面）、３μｍ、１０μｍおよび１００μｍについて示している。
第１のレーザ光５０の照射時間およびエネルギ密度はそれぞれ１２０ｎｓ、８００ｍＪ／ｃｍ２である。図１３（ａ）の第２のレーザ光５２の照射時間およびエネルギ密度はそれぞれ６０ｎｓ／５００ｍＪ／ｃｍ２であり、図１３（ｂ）はそれぞれ１２０ｎｓ、６００ｍＪ／ｃｍ２である。同様に図１４（ａ）はそれぞれ１８０ｎｓ、８００ｍＪ／ｃｍ２であり、図１４（ｂ）はそれぞれ２４０ｎｓ、１０００ｍＪ／ｃｍ２である。図１５（ａ）はそれぞれ３００ｎｓ、１４５０ｍＪ／ｃｍ２であり、図１５（ｂ）はそれぞれ４００ｎｓ、２３００ｍＪ／ｃｍ２である。図１６（ａ）はそれぞれ５００ｎｓ、３２００ｍＪ／ｃｍ２であり、図１６（ｂ）はそれぞれ６００ｎｓ、４０００ｍＪ／ｃｍ２である。
第２のレーザ光５２の照射時間を長くすることにより、深さ３μｍおよび深さ１０μｍの温度を高くすることができる。図１３（ａ）、図１３（ｂ）図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１５（ａ）、図１５（ｂ）、図１６（ａ）および図１６（ｂ）の順に、第２のレーザ光５２の照射時間を大きくするに従い、深さ３μｍの最高温度は、それぞれ７４０Ｋ、７５０Ｋ、８２０Ｋ，８６０Ｋ、９３０Ｋ、１１００Ｋ、１２８０Ｋおよび１４００Ｋと変化する。図１３（ｂ）のように、第１のレーザ光５０と第２のレーザ光５２の照射時間がほぼ同じ場合、深さ３μｍの最高温度は７５０Ｋであり目標の１２７３Ｋには達していない。図１６（ａ）のように、第２のレーザ光の照射時間を５００ｎｓと、第１のレーザ光の照射時間の約４倍にすると、深さ３μｍの最高温度は１２８０Ｋとなり、目標の１２７３Ｋ以上となる。
このように、第１のレーザ光の照射時間と第２のレーザ光の照射時間を制御することにより、実施例２と同様に、基板６０の深さ方向の温度分布を制御することができる。
このように、図４に記載したレーザアニール装置を用い熱処理を行う工程は、第１のレーザ光５０と第２のレーザ光５２とのそれぞれの照射強度または照射時間の少なくとも一方を制御することにより、基板の膜の深さ方向の温度分布を制御する。これにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。また、第１のレーザ光５０の照射強度と第２のレーザ光５２とのそれぞれの照射強度または照射時間の少なくとも一方を制御することにより基板６０の深さ方向の温度分布を制御する制御部（制御回路１（５４）、制御回路２（５６）および駆動系制御回路４８）を有するレーザアニール装置を用いることにより、基板または基板上の膜を所望の深さまで所望の温度に昇温することが可能な半導体装置の製造装置を提供することができる。
実施例２ないし実施例４のように、シリコン基板の数μｍから数十μｍの深さを熱処理するためには、第１のレーザ光は、侵入長１が１μｍ程度であることが好ましい。よって、波長が５００ｎｍ程度のレーザ光を用いることが好ましく、ＹＡＧレーザ以外にも、ＹＬＦレーザまたはＹＶＯ４レーザの２次高調光を用いることができる。第２のレーザ光５２は、侵入長が２０μｍ程度であることが好ましく、波長が８００ｎｍ程度の半導体レーザやＣＯ２レーザなどを用いることができる。
本発明は、シリコン基板以外にも、シリコン膜の熱処理にも適用することができる。また、以下に示すように、シリコン以外の材料の熱処理にも適用することができる。図１７はＴｉＮの光の波長に対する光の侵入長を示す。波長により侵入長が変化している。波長が４００ｎｍでは侵入長は約７μｍであり、波長が８００ｎｍでは侵入長は約３μｍである。よって、波長が４００ｎｍと８００ｎｍのレーザを用いれば、例えば、基板上に形成したＴｉＮ膜の熱処理についても本発明を適用し、その効果を得ることができる。このように、本発明は、基板上の膜の熱処理にも適用することができ、シリコン基板以外の基板および基板上の膜についても適用することができる。
さらに、第１のレーザ光５０および第２のレーザ光５２としては、その他のレーザを用いることができる。例えば、図１８は各レーザの波長、シリコンの波長に対する侵入長を示す図である。第１のレーザ光５０および第２のレーザ光５２は、エキシマレーザ（ＸｅＣｌ Ｅｘｃｉｍｅｒ、ＫｒＦ ＥｘｃｉｍｅｒおよびＡｒＦ Ｅｘｃｉｍｅｒ）、ＹＡＧレーザの基本波（不図示）、２次高調波(Ｎｄ：ＹＡＧ（２ω）)、３次高調波（Ｎｄ：ＹＡＧ（３ω））、４次高調波（Ｎｄ：ＹＡＧ（４ω））および５次高調波（Ｎｄ：ＹＡＧ（５ω））、ＹＶＯ４レーザ基本波（不図示）、２次高調波(Ｎｄ：ＹＶＯ４（２ω）)、３次高調波（Ｎｄ：ＹＶＯ４（３ω）、４次高調波（Ｎｄ：ＹＶＯ４（４ω））および５次高調波（Ｎｄ：ＹＶＯ４（５ω））、ＹＬＦレーザの基本波（不図示）、２次高調波(Ｎｄ：ＹＬＦ（２ω）)、３次高調波Ｎｄ：ＹＬＦ（３ω）、４次高調波（Ｎｄ：ＹＬＦ（４ω））および５次高調波（Ｎｄ：ＹＬＦ（５ω））、ガラスレーザの基本波（不図示）、２次高調波(Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ（２ω）)、３次高調波（Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ（３ω））、ルビーレーザ（Ｒｕｂｙ）、アレキサンドライトレーザ（ａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ）、チタンサファイアレーザの基本波（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）、２次高調波（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ（２ω））および３次高調波（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ（３ω））、ヘリウムカドミウムレーザ（Ｈｅ−Ｃｄ）、銅蒸気レーザ（Ｃｕ ｖａｐｏｒ）、金蒸気レーザ（Ａｕ Ｖａｐｏｒ）より選択されるレーザのレーザ光とすることができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Claims (9)

  1. 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のレーザ光とを半導体基板の同じ面に同時に照射し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とのそれぞれの照射時間を制御することにより、前記半導体基板の深さ方向の温度分布を制御し、前記半導体基板中に注入された不純物の活性化を行う工程を具備する半導体装置の製造方法において、
    前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は連続発振レーザ光であり、
    前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の前記半導体基板上の移動速度は同一であり、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の移動方向のビームスポットサイズを制御することにより前記照射時間を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体基板はシリコンであり、前記第１のレーザ光の波長は３７０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く９００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第１のレーザ光の波長は４５０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く８５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第１のレーザ光はＹＡＧレーザの高調波のレーザ光であり、前記第２のレーザ光は半導体レーザのレーザ光であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記半導体基板の表面に動作層を形成する工程を具備し、
    前記熱処理を行う工程は、前記基板の裏面より前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を照射し、前記半導体基板の裏面より注入された不純物を活性化することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  6. 第１のレーザ光を照射する第１のレーザと、該第１のレーザ光とは異なる波長を有する第２のレーザ光を照射する第２のレーザと、を具備し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを半導体基板の同じ面に同時に照射し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とのそれぞれの照射時間を制御することにより、前記半導体基板の深さ方向の温度分布を制御し、前記半導体基板に導入された不純物を活性化する半導体装置の製造装置において、
    前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は連続発振レーザ光であり、
    前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の前記半導体基板上の移動速度は同一であり、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の移動方向のビームスポットサイズを制御することにより前記照射時間を制御することを特徴とする半導体装置の製造装置。
  7. 前記半導体基板はシリコンであり、前記第１のレーザ光の波長は３７０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く９００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造装置。
  8. 前記第１のレーザ光の波長は４５０ｎｍ以上、前記第２のレーザ光の波長は前記第１のレーザ光の波長より長く８５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第１のレーザ光はＹＡＧレーザの高調波のレーザ光であり、前記第２のレーザ光は半導体レーザのレーザ光であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項記載の半導体装置の製造装置。
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