JP7523960B2 - レーザ処理方法、レーザ処理装置の制御装置、及びレーザ処理装置 - Google Patents

レーザ処理方法、レーザ処理装置の制御装置、及びレーザ処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ処理方法、レーザ処理装置の制御装置、及びレーザ処理装置に関する。
半導体ウエハにイオン注入したドーパントの活性化アニールにレーザアニールが使用される。多くのレーザアニール装置では、アニール用のレーザビームとしてラインビームが用いられる（特許文献１等参照。）。ラインビームとは、アニール対象の半導体ウエハの表面におけるビームスポットが一方向に長い長尺形状（ライン状）であるレ―ザビームを意味する。半導体ウエハの表面上でビームスポットを、その長手方向と直交する幅方向に移動させることにより、半導体ウエハの所望の領域のアニールが行われる。
特開２０１１－１１９２９７号公報
従来のレーザアニール装置を用いてアニールを行うと、ビームスポットの長手方向に関してアニール効果にばらつきが生じる場合がある。例えば、半導体ウエハにイオン注入されたドーパントの活性化アニールを行うと、ビームスポットの長手方向に関して活性化率にばらつきが生じてしまう。
本発明の目的は、長尺形状のビームスポットの長手方向に関してアニール効果のばらつきを抑制することができるレーザ処理方法、レーザ処理装置の制御装置、及びレーザ処理装置を提供することである。
本発明の一観点によると、
対象物の表面において一方向に長い形状のビームスポットが形成され、長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を持つ条件で、前記対象物の表面にレーザビームを入射させ、
前記対象物に対してビームスポットを、ビームスポットの幅方向に移動させるとともに、前記対象物に対するビームスポットの移動速度に応じて、ビームスポットの強度分布の形状を変化させるレーザ処理方法が提供される。
本発明の他の観点によると、
対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成し、前記対象物に対してビームスポットを移動させるレーザ処理装置を制御する制御装置であって、
レーザ処理条件が入力される入力部と、
前記入力部から入力された前記レーザ処理条件に基づいて前記レーザ処理装置を制御する制御部と
を有し、
前記レーザ処理条件として前記対象物に対するビームスポットの移動速度が与えられると、前記制御部は前記レーザ処理装置を制御して、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、長手方向の中央における強度に対する端部における強度の比を、ビームスポットの移動速度に応じた値に設定する制御装置が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、
レーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームが入射し、対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成する回折光学素子と
を有し、
前記ビームエキスパンダは、前記回折光学素子への入射位置におけるビーム径を変化させ、
前記回折光学素子は、入射位置におけるレーザビームのビーム径が規定の大きさから大きくなると、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、入射位置におけるレーザビームのビーム径が大きくなるにしたがって、長手方向の中央の強度に対する端部の強度の比が大きくなる特性を有するレーザ処理装置が提供される。
ビームスポットの長手方向の強度分布を上述の分布にすることにより、長手方向に関してアニール効果のばらつきを抑制することができる。
図１は、実施例による制御装置のブロック図、及び制御装置が制御する対象であるレーザ処理装置の概略斜視図である。 図２は、半導体ウエハの表面におけるビームスポットの移動の履歴を示す模式図である。 図３Ａ～図３Ｃは、回折光学素子と、回折光学素子に入射するレーザビームとの位置関係を示す概略斜視図であり、図３Ｄは、ビーム径がＤ１、Ｄ２、Ｄ３のレーザビームが回折光学素子に入射するときのビームスポットの長手方向の強度分布を示すグラフである。 図４Ａ及び図４Ｂは、ビームスポットの強度分布、及び半導体ウエハの表面の最高到達温度の分布を示すグラフである。 図５は、半導体ウエハの表面の最高到達温度の分布を、ビームスポットの移動速度ごとに示すグラフである。 図６は、ビームスポットの移動速度、回折光学素子に入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポットの長手方向の強度分布の関係を示すグラフである。 図７は、実施例によるレーザアニール方法の手順を示すフローチャートである。 図８Ａ及び図８Ｂは、ビームスポットの２回の主走査によってアニールされる領域を模式的に示す図である。
図１～図８Ｂを参照して、一実施例によるレーザ処理装置及びレーザ処理方法について説明する。
図１は、実施例による制御装置５５のブロック図、及び制御装置５５が制御する対象であるレーザ処理装置６０の概略斜視図である。
まず、レーザ処理装置６０の構成について説明する。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として、固体レーザ、ガスレーザ、レーザダイオード等を用いることができる。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームがビームエキスパンダ１１、折り返しミラー１３、１４、１５、及び回折光学素子１６を経由してアニール対象物である半導体ウエハ２０の表面に入射する。
半導体ウエハ２０は、移動機構１７に支持されたウエハチャック１８に保持されている。移動機構１７は、水平面内の二方向にウエハチャック１８を移動させることにより、半導体ウエハ２０を二方向に移動させる。移動機構１７として、例えばＸＹステージが用いられる。
ビームエキスパンダ１１は、回折光学素子１６へのレーザビームの入射位置におけるビームサイズ（ビーム断面の直径）を調整する。回折光学素子１６は、半導体ウエハ２０の表面に、一方向に長い長尺形状の外形、及び所定の強度分布を有するビームスポットを形成する。
次に、制御装置５５について説明する。制御装置５５は、制御部５０及び入力部５１を含む。ユーザが、入力部５１からレーザ処理条件を入力する。制御部５０は、入力されたレーザ処理条件に基づいて、レーザ光源１０、ビームエキスパンダ１１、及び移動機構１７を制御する。例えば、制御部５０は、半導体ウエハ２０にパルスレーザビームを入射させながら、ビームスポットの幅方向に半導体ウエハ２０を移動させる。これにより、半導体ウエハ２０の表面に対してビームスポットが幅方向に相対的に移動する。入力部５１からユーザが入力するレーザ処理条件には、例えばパルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数、レーザパワー、ビームスポットの移動速度等が含まれる。
半導体ウエハ２０に対してビームスポットを、その幅方向に相対的に移動させる処理を主走査といい、長手方向に相対的に移動させる処理を副走査ということとする。主走査と副走査とを繰り返すことにより半導体ウエハ２０の表面のほぼ全域をアニールすることができる。
次に、図２を参照して、半導体ウエハ２０の表面におけるビームスポットの移動について説明する。
図２は、半導体ウエハ２０（図１）の表面におけるビームスポット３０の移動の履歴を示す模式図である。ビームスポット３０の長手方向をｙ方向とし、幅方向をｘ方向とし、半導体ウエハ２０の表面の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ビームスポット３０の長手方向の寸法をＬと表記し、幅方向の寸法をＷと表記する。ビームスポット３０をｘ方向に移動させる（主走査する）とき、連続する２ショットのビームスポット３０が部分的に重なるように、ビームスポット３０を移動させる。
連続する２ショットのビームスポット３０が重なる領域のｘ方向の寸法をＷｏｖと表記する。Ｗｏｖ／Ｗをオーバラップ率Ｒという。
次に、図３Ａ～図３Ｄを参照して、回折光学素子１６、入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポット３０（図２）の長手方向の強度分布について説明する。
図３Ａ～図３Ｃは、回折光学素子１６と、回折光学素子１６に入射するレーザビーム３１との位置関係を示す概略斜視図である。回折光学素子１６にレーザビーム３１が入射する。レーザビーム３１はガウシアンビームである。図３Ｂは、回折光学素子１６の設計仕様通りのレーザビーム３１が入射する状態を示している。回折光学素子１６の設計仕様では、レーザビームの波長、及び回折光学素子１６へのレーザビームの入射位置におけるビーム径Ｄ２が指定される。本明細書において、回折光学素子１６へのレーザビームの入射位置におけるビーム径を、単に「ビーム径」という場合がある。
図３Ａは、設計仕様のビーム径Ｄ２より小さなビーム径Ｄ１のレーザビーム３１が入射する状態を示している。図３Ｃは、設計仕様のビーム径Ｄ２より大きなビーム径Ｄ３のレーザビーム３１が入射する状態を示している。なお、図３Ａ～図３Ｃのレーザビーム３１の広がり角はすべて同一である。
図３Ｄは、ビーム径がＤ１、Ｄ２、Ｄ３のレーザビームが回折光学素子１６に入射するときのビームスポット３０（図２）の長手方向の強度分布を示すグラフである。横軸は、ビームスポット３０の長手方向の位置を表し、縦軸は、強度を表す。図３Ｄのグラフ中の破線Ｄ１、細い実線Ｄ２、及び太い実線Ｄ３は、それぞれ回折光学素子１６に入射するレーザビームのビーム径がＤ１（図３Ａ）、Ｄ２（図３Ｂ）、及びＤ３（図３Ｃ）の場合の強度分布を示す。ビーム径が設計仕様のビーム径Ｄ２である場合、長手方向の強度分布がほぼ一定（フラット）になるように回折光学素子１６が設計されている。
ビーム径が設計仕様のビーム径Ｄ２より小さいＤ１になると、長手方向の中央から端部に向かって強度が低くなる。逆に、ビーム径が設計仕様のビーム径Ｄ２より大きいＤ３になると、長手方向の中央から端部に向かって強度が高くなる。このように、回折光学素子１６に入射するレーザビームのビーム径を変化させると、半導体ウエハ２０の表面におけるビームスポット３０の長手方向の強度分布が変化する。本実施例で用いる回折光学素子１６は、ビーム径が大きくなるにしたがって、長手方向の中央の強度に対する端部の強度の比が大きくなる特性を有する。
ビームスポット３０の幅方向に関する強度分布は、例えばトップフラットである。
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、半導体ウエハ２０にパルスレーザビームを入射させてアニールを行うときのビームスポット３０の長手方向の強度分布と、半導体ウエハ２０の表面の最高到達温度との関係について説明する。パルスレーザビームの１つのレーザパルスが入射している期間、表面温度が時間とともに上昇し、レーザパルスが立ち下がると、表面温度が時間とともに低下する。最高到達温度は、レーザパルスの立下り時点の表面の温度に相当する。
図４Ａ及び図４Ｂは、ビームスポット３０の長手方向の強度分布、及び半導体ウエハ２０の表面の最高到達温度の分布を示すグラフである。図４Ａ及び図４Ｂの各々の上側のグラフは、ビームスポット３０の長手方向の強度分布を表し、下側のグラフは、半導体ウエハ２０の表面の最高到達温度の分布を表す。
図４Ａに示すように、強度分布がフラットである場合、最高到達温度は、ビームスポット３０の長手方向の中央から端部に向かって徐々に低下する。図４Ｂに示すように、強度が、中央から端部に向かって大きくなる条件の下で強度分布の形状を調整すると、最高到達温度の分布は、ビームスポット３０の長手方向に関してほぼフラットになる。最高到達温度の分布の形状は、ビームスポット３０の長手方向の強度分布に依存して変化する。ビームスポット３０の長手方向に関するアニール効果を均一にするために、長手方向に関する最高到達温度の分布をフラットに近付けることが好ましい。
次に、図５を参照してビームスポット３０の移動速度と、半導体ウエハ２０の表面の最高到達温度の分布との関係について説明する。
図５は、半導体ウエハ２０の表面の最高到達温度の分布を、ビームスポット３０の移動速度ごとに示すグラフである。横軸は、ビームスポット３０の長手方向の位置を表し、縦軸は、表面の最高到達温度を表す。グラフ中の実線及び破線は、それぞれビームスポット３０の移動速度がｖ１及びｖ２のときの最高到達温度の分布を示す。ここで、移動速度ｖ１は移動速度ｖ２より速い。なお、ビームスポット３０の長手方向の強度分布は、移動速度がｖ１の場合とｖ２の場合とで同一である。
移動速度がｖ１のときに、強度分布がほぼフラットである場合、移動速度をｖ１より遅いｖ２にすると、最高到達温度は、ビームスポット３０の長手方向の中央から両端に向かって低下する。移動速度が遅くなるにしたがって、中央の最高到達温度に対する両端の最高到達温度の低下量が大きくなる。
図４Ａ、図４Ｂ、及び図５に示したように、表面の最高到達温度の分布は、ビームスポット３０の長手方向の強度分布、及びビームスポット３０の移動速度に依存する。ビームスポット３０の移動速度、及びビームスポット３０の長手方向の強度分布を調整すると、最高到達温度の分布をフラットに近付けることができる。ビームスポット３０の長手方向の強度分布は、図３Ｄに示したように、回折光学素子１６に入射するレーザビームのビーム径に依存する。したがって、ビームスポット３０の移動速度及びレーザビームのビーム径を調整すると、最高到達温度の分布をフラットに近付けることができる。
次に、図６を参照して、ビームスポット３０の移動速度、回折光学素子１６に入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポット３０の長手方向の強度分布の関係について説明する。
図６は、ビームスポット３０の移動速度、回折光学素子１６に入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポット３０の長手方向の強度分布の関係を示すグラフである。横軸はビームスポット３０の移動速度を表し、縦軸は回折光学素子１６に入射するレーザビームのビーム径を表す。グラフ中の実線は、ビームスポットの長手方向の強度分布がフラットになる条件を示している。実線より右上の領域では、図３Ｄの太い実線Ｄ３で示したように、ビームスポットの両端の強度が中央の強度より高くなる。実線より左下の領域では、図３Ｄの破線Ｄ１で示したように、ビームスポットの両端の強度が中央の強度より低くなる。
次に、図７を参照して本実施例によるレーザアニール方法について説明する。
図７は、実施例によるレーザアニール方法の手順を示すフローチャートである。ユーザが入力部５１（図１）からビームスポット３０の移動速度を入力すると、制御部５０（図１）が移動速度の入力値を取得する（ステップＳ１）。制御部５０は、ビームスポット３０の移動速度の入力値に応じてビームエキスパンダ１１（図１）を制御することにより、回折光学素子１６に入射するレーザビームのビーム径を調整する（ステップＳ２）。
制御部５０は、ビームエキスパンダ１１を制御してビーム径を調整した後、レーザ光源１０及び移動機構１７を制御してアニールを実行する（ステップＳ３）。
次に、ビーム径を調整する方法について説明する。制御部５０に、予めビームスポット３０の長手方向の強度分布をフラットにするための移動速度とビーム径との関係（図６において実線で示した関係）が記憶されている。制御部５０は、この関係と、移動速度の入力値とから、強度分布がフラットになるビーム径を求める。ビーム径が求まると、制御部５０は、求められたビーム径を実現するように、ビームエキスパンダ１１を制御する。
次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、ビームスポット３０の長手方向の中央から端部に向かって強度を増加させているため、強度分布がフラットである場合と比べて、半導体ウエハ２０の表面の最高到達温度の分布を、ビームスポット３０の長手方向に関してフラットに近付けることができる。これにより、アニール効果を均一に近付けることができる。ドーパントの活性化アニールを行う場合には、活性化率を均一に近付けることができる。
また、ビームエキスパンダ１１（図１）を制御してビーム径を変化させることにより、ビームスポット３０の長手方向に関する強度分布の形状を容易に変化させることができる。例えば、上記実施例では、ビームスポット３０の移動速度に応じてビーム径を調整することにより、ビームスポット３０の強度分布の形状を変化させている。これにより、ビームスポット３０の移動速度が異なる条件でアニールを行う場合にも、移動速度ごとに最高到達温度の分布をフラットに近付けることができる。
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、上記実施例の他の優れた効果について説明する。
図８Ａ及び図８Ｂは、ビームスポット３０の２回の主走査によってアニールされる領域を模式的に示す図である。ｘ方向への１回の主走査によって領域４１がアニールされ、ｙ方向への副走査後の次の主走査によって領域４２がアニールされる。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、領域４１に右上がりのハッチングを付し、領域４２に、領域４１のハッチングより低密度の右下がりのハッチングを付している。
図８Ａに示した例では、ビームスポット３０をｙ方向に副走査する距離が、ビームスポット３０の長手方向の寸法Ｌとほぼ等しいか、寸法Ｌよりやや短い。これに対して図８Ｂに示した例では、ビームスポット３０をｙ方向に副走査する距離が、ビームスポット３０の長手方向の寸法Ｌの約２／３である。図８Ａに示した例では、領域４１と領域４２との重なりはわずかである。図８Ｂに示した例では、領域４１と領域４２とが重なる領域のｙ方向の寸法が、長さＬの約１／３である。
ビームスポット３０の長手方向の強度分布がフラットでない場合、ｙ方向に関するアニール効果を均一にするために、図８Ｂに示したように領域４１と領域４２との重なりを大きくしなければならない。これに対して上記実施例では、ビームスポット３０の長手方向の強度分布をほぼフラットにすることができるため、図８Ａに示したように、領域４１と領域４２との重なりを小さくしても、ｙ方向に関するアニール効果を均一にすることができる。
このため、ｙ方向に関するアニール効果の均一性を維持したまま、ビームスポット３０を副走査する距離を長くすることができる。これにより、半導体ウエハ２０をアニールする際のビームスポット３０の主走査の回数を少なくすることができる。
次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、ビームスポット３０の整形及び強度分布の調整に回折光学素子を用いたが、その他のビーム整形光学系を用いてもよい。例えば、複数のシリンドリカルレンズを組み合わせたアレイレンズとコンデンサレンズとを用いてもよい。
上記実施例では、半導体ウエハ２０にイオン注入したドーパントの活性化を行っているが、上記実施例によるレーザ処理装置は、活性化アニール以外のレーザ処理に適用することも可能である。例えば、基板上に形成した半導体薄膜を結晶化させるためのアニールに適用することも可能である。
各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例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 ビームエキスパンダ
１３、１４、１５ 折り返しミラー
１６ 回折光学素子
１７ 移動機構
１８ ウエハチャック
２０ 半導体ウエハ
３０ ビームスポット
３１ レーザビーム
４１、４２ １目の主走査でアニールされる領域
５０ 制御部
５１ 入力部
５５ 制御装置
６０ レーザ処理装置

Claims (4)

  1. 対象物の表面において一方向に長い形状のビームスポットが形成され、長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を持つ条件で、前記対象物の表面にレーザビームを入射させ、
    前記対象物に対してビームスポットを、ビームスポットの幅方向に移動させるとともに、前記対象物に対するビームスポットの移動速度に応じて、ビームスポットの強度分布の形状を変化させるレーザ処理方法。
  2. 対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成し、前記対象物に対してビームスポットを移動させるレーザ処理装置を制御する制御装置であって、
    レーザ処理条件が入力される入力部と、
    前記入力部から入力された前記レーザ処理条件に基づいて前記レーザ処理装置を制御する制御部と
    を有し、
    前記レーザ処理条件として前記対象物に対するビームスポットの移動速度が与えられると、前記制御部は前記レーザ処理装置を制御して、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、長手方向の中央における強度に対する端部における強度の比を、ビームスポットの移動速度に応じた値に設定する制御装置。
  3. 前記レーザ処理装置は、ビームエキスパンダと、前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームが入射する回折光学素子とを含み、
    前記制御部は、前記ビームエキスパンダを制御して前記回折光学素子への入射位置におけるビーム径を変化させることにより、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布の形状を変化させる請求項２に記載の制御装置。
  4. レーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダと、
    前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームが入射し、対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成する回折光学素子と
    を有し、
    前記ビームエキスパンダは、前記回折光学素子への入射位置におけるビーム径を変化させ、
    前記回折光学素子は、入射位置におけるレーザビームのビーム径が規定の大きさから大きくなると、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、入射位置におけるレーザビームのビーム径が大きくなるにしたがって、長手方向の中央の強度に対する端部の強度の比が大きくなる特性を有するレーザ処理装置。
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