JPH06333871A - レーザー光照射装置及びその装置による熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の形状に対応して均等に熱処理を行うこ
とのできるレーザー光照射装置とその装置による熱処理
方法とを提供する。 【構成】 試料６にレーザー光４２，４３，４４を照射
して試料６の表面６１を加熱するレーザー光照射装置１
であって、レーザー光４０を発振する発光手段１０と、
発光手段１０で発生したレーザー光４０を複数の光路に
分光するものでレーザー光４０の光路に配置した分光手
段２１，２２と、分光手段２１，２２で分光したレーザ
ー光４２，４４を異なる方向から試料６の表面６１に照
射するもので、それぞれに分光したレーザー光４２，４
４の光路に配置した照射手段３１，３２とを備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光照射装置及
びその装置による熱処理方法に関し、特には半導体装置
の製造工程の熱処理に用いられるレーザー光照射装置及
びその装置による熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程においては、ウエ
ハを加熱する様々な熱処理工程が行われている。例え
ば、基板にソース・ドレイン領域を形成する場合には、
基板のソース・ドレイン形成領域にイオン注入を行い、
その後基板の結晶性の回復あるいは注入したイオンの電
気的活性化を図るための熱処理として、いわゆるアニー
ル処理を行っている。上記のアニール処理は、炉の中に
処理を行う試料を入れて加熱する炉アニール法や、例え
ばハロゲンランプによる高温で短時間の加熱を行うＲＴ
Ａ（Rapid Thearmal Anneal)法によって行われてきた。

【０００３】一方、近年の半導体装置の高集積化に伴っ
て素子構造の微細化が進んでおり、集積度が増大すると
ともに接合深さが浅くなる傾向にある。そして、浅い接
合を得るためには、表面からごく浅い領域のみを加熱す
る熱処理の技術が要求されている。しかし、上記の炉ア
ニール法やＲＴＡ法では、加熱する試料の内部まで昇温
されるため注入イオンが深い位置にまで拡散し、浅い接
合が得られなかった。

【０００４】そこで、ごく浅い領域に絞った熱処理に
は、レーザー光を用いた加熱が行われている。この方法
は、レーザー光照射装置から試料の表面に向かってレー
ザー光をパルス発振し、試料の表面に照射されたレーザ
ー光によって照射部分を加熱する方法である。レーザー
光のエネルギーは、試料が半導体基板である場合には、
試料のごく表面、例えば約２０ｎｍの深さで吸収される
ため、この深さの領域が融点近くまで加熱される。この
ような加熱では、例えば約１００ｎｍの深さのアニール
処理が可能である。また、上記熱処理では、レーザー光
の照射領域を所定の位置に設定することによって、部分
的な熱処理が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記レーザー
光の照射による熱処理方法には以下のような課題があ
る。例えば、表面に酸化膜が成膜されているウエハに対
して、上記アニール処理を行う場合には、レーザー光は
この酸化膜の上から照射される。そして、アニール処理
は、上記酸化膜を透過して基板に吸収されるレーザー光
によって行われる。しかし、照射するレーザー光は単一
波長であるため、図７に示すように酸化膜の膜厚によっ
て照射したレーザー光の反射率が変化する。したがっ
て、酸化膜の膜厚によって基板に吸収されるレーザー光
のエネルギー量も異なるので、アニール処理の効果にば
らつきが生じる。

【０００６】また、上記レーザー光照射装置から発振さ
れるレーザー光は、試料に対して一方向からのみ照射さ
れる。このため、試料の表面に段差が形成されている場
合には、段差によってレーザー光が照射されない影の部
分が発生する。例えば、レーザー光が、試料の表面に対
して９０°で照射される場合には、段差の側壁部分には
レーザー光が入射しない。したがって、表面に段差を有
する試料においては、レーザー光の照射による熱処理の
効果にばらつきが発生する。

【０００７】そこで、本発明では上記の課題を解決する
レーザー光照射装置とその装置による熱処理方法とを提
供することによって、試料の表面における均等な熱処理
を実現し、半導体製品の歩留りの向上を図ることを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は、試料にレーザー光を照射し、当該試料を
加熱するレーザー光照射装置であり、発光手段と分光手
段と照射手段とを備えている。これらのうち発光手段
は、レーザー光を発振するものである。そして、分光手
段は、上記発光手段で発生したレーザー光の光路に配置
されていて、当該レーザー光を複数の光路に分光するも
のである。また、照射手段は、上記分光手段で分光した
レーザー光のそれぞれの光路に配置されていて、各レー
ザー光をそれぞれ異なる方向から試料の表面に照射する
ものである。さらに、上記のレーザー光照射装置を用い
る熱処理方法は、レーザー光を複数の方向から試料の表
面に照射して、当該試料を熱処理する。

【０００９】

【作用】上記のレーザー光照射装置では、発光手段から
発振されたレーザー光は複数の光路に分光されてそれぞ
れ異なる方向から試料の表面に照射される。したがっ
て、試料には異なる角度からレーザー光が入射し、それ
ぞれのレーザー光によって試料が加熱される。また、上
記の熱処理方法では、異なる複数の方向から試料にレー
ザー光を照射して熱処理を行う。このため、表面に段差
が形成された試料においては、試料の表面形状に応じて
異なる角度からレーザー光が照射される。また、表面に
薄膜を有する試料に対しては、異なる方向からレーザー
光が照射されるので、上記薄膜の膜厚によって変化する
レーザー光の反射率の熱処理への影響が少なくなる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明のレーザー光照射装置及びその
装置を用いた熱処理方法の実施例を説明する。先ず、レ
ーザー光照射装置の第１の実施例を、図１の構成図に基
づいて説明する。図１に示すように、レーザー光照射装
置１は、発光手段１０と、半透過反射鏡よりなる二枚の
分光手段２１，２２と、反射鏡よりなる二枚の照射手段
３１，３２とで構成されている。

【００１１】上記発光手段１０は、レーザー光４０を例
えばパルス発振するものであり、試料６の表面６１に向
かってレーザー光４０を発振するように設けられてい
る。

【００１２】また、上記分光手段２１，２２は、発光手
段１０から発振したレーザー光４０を複数の光路に分光
するものであり、例えば、一部のレーザー光４０を透過
し残りのレーザー光４０を反射する半透過反射鏡よりな
る。この分光手段２１，２２は、発光手段１０から試料
６に向かって発振したレーザー光４０の光路に、斜めに
傾斜させた状態で発光手段１０側より順に配置する。例
えば、分光手段２１は、図面上で右４５°に傾けた状態
で設置されている。また、分光手段２２は、図面上で左
４５°に傾けた状態で設置されている。

【００１３】そして、分光手段２１には、入射したレー
ザー光４０の約６７％を透過しその残りの３３％を反射
する半透過反射鏡を用いる。また、分光手段２２には、
入射したレーザー光の５０％を透過し、その残りの５０
％を反射する半透過反射鏡を用いる。上記分光手段２
１，２２は、配置枚数を２枚に限るものではなく、１枚
もしくは複数枚の使用が可能である。この場合、各分光
手段によって分光されるレーザー光が、それぞれ同量に
なるように各分光手段毎にレーザー光透過率を設定す
る。

【００１４】次いで、照射手段３１，３２は、分光手段
２１，２２で複数の光路に分光したレーザー光４０を、
それぞれ異なる方向から試料６の表面６１の同一箇所に
照射するものであり、例えば反射鏡で形成する。このた
め、照射手段３１は、分光手段２１で反射したレーザー
光４２の光路に配置され、試料６の表面６１において上
記分光手段２２を透過したレーザー光４３の照射位置と
同じ位置に向けてレーザー光４２を反射するように設置
されている。照射手段３２は、分光手段２２で反射した
レーザー光４４の光路に配置され、試料６の表面６１に
おいてレーザー光４２と同じ位置に向けてレーザー光４
４を反射するように設置されている。この照射手段３
１，３２は、配置枚数を２枚に限るものではなく、上記
分光手段２１，２２の配置枚数に合わせた枚数が配置さ
れる。

【００１５】上記のように構成されたレーザー光照射装
置１は、以下のように作動する。先ず、試料６を例えば
ステージ（図示せず）に載置し、発光手段１０からレー
ザー光４０を試料６の表面に向かって発振する。発光手
段１０から発振したレーザー光４０は、先ず分光手段２
１に入射する。そして分光手段２１に入射したレーザー
光４０の約６７％は分光手段２１を透過し、その残りの
３３％は分光手段２１で反射される。分光手段２１で反
射したレーザー光４２は、照射手段３１に入射して反射
し、試料６の表面６１に照射される。

【００１６】また分光手段２１を透過したレーザー光４
１は、分光手段２２に入射する。そして分光手段２２に
入射したレーザー光４１の５０％は分光手段２２を透過
し、その残りの５０％は分光手段２２で反射される。分
光手段２２で反射したレーザー光４４は、照射手段３２
に入射して反射し、試料６の表面６１において上記レー
ザー光４２と同一箇所に照射される。また、分光手段２
２を透過したレーザー光４３は、試料６の表面６１にお
いて上記レーザー光４２，４４と同一箇所に照射され
る。

【００１７】上記のようにしてレーザー光４０をレーザ
ー光４２，４３，４４に分光して試料６の表面６１に照
射した場合、試料６の表面６１に対してそれぞれ異なる
３方向から、それぞれ同量のレーザー光４２，４３，４
４が入射する。そして、レーザー光４２，４３，４４が
照射された部分の試料６の表面６１が加熱される。尚、
レーザー光４０は、分光手段２１，２２の配置枚数によ
っては、さらに多くの光路に分光され、さらに多方向か
ら試料６の表面６１に照射される。

【００１８】次に、本発明のレーザー光照射装置の第２
の実施例を、図２の構成図に基づいて説明する。図２に
示すように、レーザー光照射装置２は、発光手段１０
と、反射鏡よりなる二枚の分光手段２３，２４と、反射
鏡よりなる二枚の照射手段３３，３４とで構成されてい
る。

【００１９】上記分光手段２３，２４は発光手段１０か
ら試料６に向かって発振したレーザー光４０の光路をぞ
れぞれ 1/3ずつ遮る位置に配置され、その反射面を斜め
上に向けて設置する。例えば、分光手段２３は、図面上
で右４５°に傾けた状態で設置され、分光手段２４は、
図面上で左４５°に傾けた状態で設置される。

【００２０】また、照射手段３３，３４は、上記第１の
実施例と同様に、分光手段２３，２４で反射したレーザ
ー光４６，４７の光路に配置される。そして、これらの
照射手段３３，３４は、発光手段１０から直進して試料
６の表面６１照射されたレーザー光４５の照射位置と同
じ位置に向けて、レーザー光４６，４７を反射するよう
に設置されている。

【００２１】上記のように構成されたレーザー光照射装
置２では、上記第１の実施例と同様に、試料６の表面６
１に対してそれぞれ異なる３方向から、同量のレーザー
光４５，４６，４７が照射される。そして、レーザー光
４５，４６，４７が照射された部分の試料６の表面６１
が加熱される。尚、レーザー光４０は、分光手段２３，
２４の配置枚数によっては、さらに多くの光路に分光さ
れ、さらに多方向から試料６の表面６１に照射される。

【００２２】次に、本発明のレーザー光照射装置の第３
の実施例を、図３の構成図に基づいて説明する。図３に
示すように、レーザー光照射装置３は、発光手段１０
と、光ファイバー５１，５２を接続した分光手段２５
と、照射手段３５，３６とで構成されている。

【００２３】上記分光手段２５は、発光手段１０から発
振したレーザー光４０の光路に配置され、レーザー光４
０を例えば２つの光路に分光するものである。そして、
光ファイバー５１、５２は、分光手段２５に接続され分
光手段２５で分光したレーザー光を透過させてその光路
を自在に屈折させるものである。また、照射手段３５，
３６は、光ファイバー５１，５２にそれぞれ接続され、
光ファイバー５１，５２を透過したレーザー光４８，４
９を試料６の表面６１に照射するものである。

【００２４】上記のように構成されたレーザー光照射装
置３では、上記第１及び第２の実施例と同様に、試料６
の表面６１に対してそれぞれ異なる２方向から、レーザ
ー光４８，４９が入射する。そして、上記第１及び第２
の実施例と同様に、レーザー光４８，４９が照射された
部分の試料６の表面６１が加熱される。尚、レーザー光
４０は、分光手段２５での分光数及び光ファイバー５
１，５２と照射手段３５，３６の設置数によっては、さ
らに多くの光路に分光され、さらに多方向から試料６の
表面６１に照射される。

【００２５】次に、上記のレーザー光照射装置による熱
処理方法を図面に基づいて説明する。ここでは、基板に
注入したイオンを電気的に活性化させ且つ基板の結晶性
を回復させて、当該基板に拡散層を形成するための熱処
理を例に取って説明する。

【００２６】先ず、図４に基づいて、素子分離のための
酸化膜が形成されたウエハに、拡散層を形成する場合の
熱処理を説明する。熱処理を行う試料４００は、図に示
すように、基板４０１の上面に酸化膜４０２を成膜した
ものである。この酸化膜４０２は、素子を分離するため
に部分的に膜厚が厚くなっている。この酸化膜４０２の
膜厚が薄い部分には、拡散層４０３を形成するためのイ
オンが注入されている。

【００２７】上記構成の試料４００を、上記のレーザー
光照射装置を用いて熱処理を行う場合、レーザー光照射
装置からレーザー光を発振し、試料４００の表面４１０
に複数の方向から、例えばレーザー光４２，４３，４４
を照射する。試料４００の表面４１０に照射されたレー
ザー光４２，４３，４４は、それぞれ異なる光路で酸化
膜４０２を透過して基板４０１の表面に照射され、この
レーザー光４２，４３，４４によって基板４０１の表面
が加熱される。これによって、基板４０１に注入された
イオンが電気的に活性化し、且つ基板４０１の結晶性が
回復し、基板４０１に拡散層４０３が形成される。

【００２８】図７に示したように、レーザー光の反射率
は、試料の表面に成膜された酸化膜の膜厚によって変化
する。上記熱処理では、それぞれのレーザー光４２，４
３，４４毎に酸化膜４０２内を透過する光路長が異るの
で、それぞれのレーザー光４２，４３，４４毎に試料４
００からの反射率が異なる。このため、基板４０１に吸
収されるレーザー光４２，４３，４４のエネルギー量が
それぞれ個別の値になる。したがって、図に示した試料
４００のように、酸化膜４０２の膜厚が部分的に異なる
試料においては、レーザー光４２，４３，４４を照射し
た各位置に間で、基板４０１に吸収されるレーザー光の
エネルギー量が平均化される。これによって、レーザー
光４２，４３，４４を照射した各位置での熱処理の効果
も平均化される。

【００２９】次いで、図５に基づいて基板にトレンチキ
ャパシタを形成する場合の熱処理を説明する。熱処理を
行う試料５００は、図に示すように、基板５０１にトレ
ンチ５０２が形成されており、このトレンチ５０２が形
成された基板５０１の上面に酸化膜５０３が成膜されて
いる。トレンチ５０２の周壁及び底面からは、基板５０
１に導電拡散層５０４を形成するためのイオンが注入さ
れている。

【００３０】上記構成の試料５００を、上記のレーザー
光照射装置を用いて熱処理を行う場合、レーザー光照射
装置からレーザー光を発振し、試料５００のトレンチ５
０２部分に向かって複数の方向からレーザー光４２，４
３，４４を照射する。これによって、基板５０１の表面
に対して斜めの光路のレーザー光４２，４４が、トレン
チ５０２の側壁部分に照射され、その一部は酸化膜５０
３の表面で反射される。したがって、トレンチ５０２の
側面部分及び底面部分の熱処理が行われ、拡散層５０４
が形成される。

【００３１】また、図６に基づいて、ＬＤＤ（Lightly
Doped Drain)構造の低濃度拡散層を形成する場合の熱処
理を説明する。熱処理を行う試料６００は、図に示すよ
うに、基板６０１の上面に酸化膜６０２が成膜され、こ
の酸化膜６０２の上面にゲート電極６０３が形成されて
いる。そして、ゲート電極６０３をマスクにした状態
で、基板６０１には拡散層６０４を形成するためのイオ
ンが注入されている。

【００３２】上記構成の試料６００の熱処理を、上記試
料４００及び試料５００と同様に上記のレーザー光照射
装置を用いて熱処理を行う場合、拡散層６０４の形成領
域に向かって異なる方向からレーザー光４２，４３，４
４を照射する。これによって、ゲート電極６０３の下部
の基板６０１にもレーザー光４４が照射されて、ゲート
電極６０３の下部の基板６０１もレーザー光４４の照射
によって加熱され、熱処理が行われる。そして、基板６
０４に拡散層６０４が形成される。

【００３３】上記の熱処理方法に関する各実施例におい
ては、基板に拡散層を形成する場合の熱処理方法を例に
取って説明を行った。しかし、本発明の熱処理方法は、
上記に限るものではなく、例えば基板表面の酸化や窒化
等にも適応できる。基板表面の酸化を行う場合には、基
板を酸素雰囲気中に配置し、上記の熱処理方法にしたが
って基板の表面に複数の方向からレーザー光を照射す
る。これによって、上記と同様に表面に段差を有する基
板においても、その表面に均等に酸化膜が形成される。
また、基板表面の窒化を行う場合には、表面に酸化膜を
形成した基板を窒素雰囲気に配置し、上記の熱処理方法
にしたがって、当該基板の表面に複数の方向からレーザ
ー光を照射する。これによって、上記と同様に表面に段
差を有する基板においても、その表面に均等に窒化膜が
成膜される。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザー
光照射装置によれば、試料に異なる角度からレーザー光
が照射され、それぞれのレーザー光によって試料が加熱
される。したがって、表面に段差が形成された試料にお
いてもその表面に満遍なくレーザー光を照射して熱処理
を行うことができる。また、表面に酸化膜を成膜した試
料においては、酸化膜の膜厚によって変化するレーザー
光の反射率を平均化して均一な熱処理を行うことができ
る。また、本発明の熱処理方法によれば、試料の表面形
状に応じて異なる角度からレーザー光が照射されると共
に、試料表面に成膜された薄膜の膜厚によるレーザー光
の反射率が平均化される。したがって、試料の熱処理が
均一に行なわれ、半導体装置の製造工程においては、製
品の歩留りの向上が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例のレーザー光照射装置の構成図で
ある。

【図２】第２の実施例のレーザー光照射装置の構成図で
ある。

【図３】第３の実施例のレーザー光照射装置の構成図で
ある。

【図４】熱処理の一例を説明する試料の断面図である。

【図５】熱処理の一例を説明する試料の断面図である。

【図６】熱処理の一例を説明する試料の断面図である。

【図７】酸化膜の膜厚に対するレーザー光の反射率を示
すグラフである。

【符号の説明】

１，２，３ レーザー光照射装置 ６，４００，５００，６００ 試料 １０ 発光手段 ２１，２２，２３，２４，２５ 分光手段 ３１，３２，３３，３４，３５，３６ 照射手段 ４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４
８，４９ レーザー光 ６１，４１０，５１０，６１０ 表面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料にレーザー光を照射して当該試料を
   加熱するレーザー光照射装置であって、 レーザー光を発振する発光手段と、 前記発光手段で発生したレーザー光を複数の光路に分光
   するもので、当該レーザー光の光路に配置した分光手段
   と、 前記分光手段で分光したレーザー光を異なる方向から試
   料の表面に照射するもので、それぞれに分光したレーザ
   ー光の光路に配置した照射手段とを備えたことを特徴と
   するレーザー光照射装置。
2. 【請求項２】 前記請求項１記載のレーザー光照射装置
   を用いて試料の表面にレーザー光を照射することによっ
   て、当該試料を熱処理する方法であって、 前記レーザー光を複数の方向から試料の表面に照射する
   ことを特徴とする熱処理方法。