JP2001060562A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
製方法を提供する。 【解決手段】 基板上に半導体膜を形成し、レーザー光
を光学系によって加工して前記レーザー光の断面を第1
の方向に拡張させさらに前記第1の方向と垂直な第2の
方向に収束させ、前記半導体膜を前記第2の方向に移動
させながら加工された前記レーザー光を前記半導体膜に
照射することを特徴とする。
Description
性に優れ、ばらつきが小さく、歩留りの高いレーザーア
ニール方法に関する。特に、本発明は、イオン照射、イ
オン注入、イオンドーピング等によってダメージを受
け、結晶性が著しく損なわれた被膜のレーザーアニール
方法に関する。
して盛んに研究が進められている。その理由の1つは、
ガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生
じたからである。レーザーアニール技術は究極の低温プ
ロセスと注目されている。
レーザーアニールの条件等については、各装置や被膜の
条件によって異なるものとして、十分な検討がおこなわ
れなかった。その結果、レーザーアニール技術は非常に
ばらつきが大きくて、到底実用化には到らないというコ
ンセンサスができていた。本発明の目的は、このような
従来には認知されていなかった条件を提示し、よって、
レーザーアニールによって再現性のよい結果を得ること
である。
照射、イオン注入、イオンドーピング等のダメージによ
って、被膜がアモルファス、あるいはそれに類した非常
に結晶性の悪化した状態で、半導体としても十分な特性
の示せないような被膜を活性化せしめる目的でレーザー
アニールの条件の最適化を探していたが、その際には、
レーザー光のエネルギーの条件ばかりではなく、含まれ
る不純物やレーザーパルスのショット数によっても最適
な条件が変動することを発見した。
してシリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコンとゲル
マニウムの合金や炭化珪素等のIV族の元素から構成され
る被膜である。これらの被膜は100Å〜10000Å
の厚さである。これらの被膜をレーザーアニールする際
には、透光性を考慮して400nm以下の短い波長のレ
ーザーを使用するとよいことが知られている。
が高ければ活性化が十分におこなわれ、シート抵抗が低
下するものと考えられている。しかし、実際には、不純
物として燐が含まれている場合には、明らかにそのよう
な傾向が得られたとしても、不純物が硼素の場合には、
逆に高エネルギーでは劣化する。また、パルスレーザー
によるアニールではパルスのショット数が増加すると、
結果のばらつきが少なくなるものと考えられているが、
ショット数が多くなると被膜のモフォロジーが悪化し、
ミクロなばらつきが増大するという現象も生じることが
明らかになった。
って、被膜中に結晶の核が大きく成長するためだと考え
られる。その結果、それまでは極めて均質であった被膜
中に0.1〜1μm程度のサイズで分布が生じるためで
ある。特に、レーザーのエネルギーが大きな領域では顕
著であった。
中に露出しているのではなく、厚さ3〜300nm代表
的には10〜100nmの透明な被膜によって覆われて
いることも必要であることを見出した。このような被膜
はレーザー光を透過する目的から酸化珪素や窒化珪素が
適しているが、通常はこの被膜をゲート酸化膜として用
いる必要から酸化珪素を主たる材料とする被膜を用い
る。もちろん、可動イオンをパッシベーションする目的
からこれにリンや硼素がドープされていてもよい。も
し、IV族被膜がこのような透明な被膜で被覆されていな
い場合には、先に述べたような不均質性が一段と加速さ
れた。
坦な(均質な)被膜を得るには、照射されるレーザー光
のエネルギー密度をE〔mJ/cm2 〕、レーザーパル
スのショット数をN〔回〕としたときに、 log10N≦A(E−B) という関係があることを見出した。このA、Bは被膜に
含まれている不純物によって異なるのであるが、不純物
が燐の場合には、A=−0.02、B=350であり、
不純物が硼素の場合には、A=−0.02、B=300
であった。また本発明は、透明な膜の代わりに透明基板
を用いてもよい。即ち、この場合のレーザー処理方法
は、絶縁透明基板上に、形成されたIV族元素を主成分と
し、高エネルギーの不純物イオンを照射された被膜に波
長400nm以下、パルス幅50nsec以下のパルス
状レーザー光を照射することによって半導体を活性化せ
しめるレーザーアニール方法において、該パルス状レー
ザー光は前記絶縁透明基板を通して該被膜に照射される
ことと、照射されるレーザーのエネルギー密度E〔mJ
/cm2 〕と照射パルス数Nの間に、log10N≦−
0.02(E−350)の関係を有することを特徴とす
るレーザー処理方法である。以下に実施例を示し、より
詳細に本発明を説明する。
膜)中に不純物を導入してN型とP型の一方を付与し、
さらにマスクを用いて前記膜の一部に不純物を導入して
その部分にN型とP型の他方を付与する。図1には本実
施例で使用したレーザーアニール装置の概念図を示す。
レーザー光は発振器2で発振され、全反射ミラー5、6
を経由して増幅器3で増幅され、さらに全反射ミラー
7、8を経由して光学系4に導入される。それまでのレ
ーザー光のビームは3×2cm2 程度の長方形である
が、この光学系4によって長さ10〜30cm、幅0.
1〜1cm程度の細長いビームに加工される。この光学
系を経たレーザー光のエネルギーは最大で1000mJ
/ショットであった。
れる。光学系4に入射したレーザー光は、シリンドリカ
ル凹レンズA、シリンドリカル凸レンズB、横方向のフ
ライアイレンズC、縦方向のフライアイレンズDを通過
する。これらフライアイレンズC、Dを通過することに
よってレーザー光はそれまでのガウス分布型から矩形分
布に変化する。さらに、シリンドリカル凸レンズE、F
を通過してミラーG(図1ではミラー9)を介して、シ
リンドリカルレンズHによって集束され、試料に照射さ
れる。
定し、仮想焦点I(これはフライアイレンズの曲面の違
いによって生ずるようになっている)とミラーGとの距
離X 3 、と距離X4 、X5 とを調節して、倍率M、焦点
距離Fを調整した。すなわち、これらの間には、 M=(X3 +X4 )/X5 、1/F=1/(X3 +
X4 )+1/X5 、という関係がある。なお、本実施例
では光路全長X6 は約1.3mであった。
加工性を向上させるためである。すなわち、短冊状のビ
ームは光学系4を出た後、全反射ミラー9を経て、試料
11に照射されるが、試料の幅よりも長いので、結局、
試料は1つの方向にのみ移動させてゆけばよい。したが
って、試料のステージおよび駆動装置10は構造が簡単
で保守も容易である。また、試料をセットする際の位置
合わせの操作(アライメント)も容易である。
ば、それだけで基板全面をカバーすることは不可能であ
るので、試料を縦方向、横方向というように2次元的に
移動させなければならない。しかし、その場合にはステ
ージの駆動装置は複雑になり、また、位置合わせも2次
元的に行わなければならないので難しい。特にアライメ
ントを手動でおこなう場合には、その工程での時間のロ
スが大きく生産性が低下する。なお、これらの装置は防
振台等の安定な架台1上に固定される必要がある。
mmの各種ガラス基板(例えば、コーニング社製705
9番ガラス)を使用した。レーザーはKrFレーザー
(波長248nm、パルス幅30nsec)を使用し
た。
アモルファスシリコン膜(半導体膜)を厚さ100Å〜
10000Å例えば1000Å(100nm)形成し
た。これを600℃で48時間アニールして結晶化させ
た。そして、これを島状にパターニングした。さらに、
スパッタ法によって厚さ70nmの酸化珪素膜を形成
し、基板全面に燐をドープした。このときはいわゆるイ
オンドーピング法を使用し、プラズマ源はフォスフィン
PH3 を使用した。加速電圧は80kVとした。さら
に、基板の一部をマスクして、硼素をイオンドーピング
法によって注入した。プラズマ源はジボランB2 H
6 で、加速電圧は65kVであった。すなわち、マスク
された箇所には燐が注入され、結果としてN型を示し、
マスクされなかった箇所には燐と硼素が注入され、結果
としてP型を示す。
数のレーザーを照射し、レーザー活性化をおこない、シ
ート抵抗を測定して、モフォロジーを光学顕微鏡によっ
て観察した。図2〜図4にその結果を示す。
ート抵抗とレーザー光のエネルギー密度、およびショッ
ト数の関係を示す。燐のドーズ量は2×1015cm-2で
ある。レーザーのエネルギー密度が200mJ/cm2
以下では、活性化のために多くのショット数を要し、そ
れでもなお10kΩ/□程度の高いシート抵抗しか得ら
れなかったが、200mJ/cm2 以上では、1〜10
ショットのレーザー照射で充分な活性化がおこなえた。
注入したシリコン膜(半導体膜)のレーザー活性化を示
す。やはり、200mJ/cm2 以下のエネルギー密度
では活性化は不十分で多くのショット数が必要であっ
た。一方、200〜300mJ/cm2 の範囲では、充
分に低いシート抵抗が1〜10ショットで得られたが、
300mJ/cm2 以上のレーザー照射では、かえって
シート抵抗が高くなってしまった。特に200mJ/c
m2 以下の場合とは逆に、ショット数が多いほどシート
抵抗が大きくなったが、これは、多数のレーザー照射に
よって、被膜の均一性が悪化し、結晶の粒界が成長した
ためである。
は、P型領域もN型領域も同時におこなう。したがっ
て、レーザーのエネルギー密度を350mJ/cm2 に
設定したら、N型領域は充分に活性化されるが、P型領
域は特性がかえって悪化してしまう。このため、本実施
例の条件では、エネルギー密度は200〜300mJ/
cm2 の範囲、特に250〜300mJ/cm2 の範囲
が好ましかった。パルス数は1〜100パルスが良い。
フォロジーに変化が生じることは先に述べた通りである
が、実際にショット数とエネルギー密度とモフォロジー
を検討すると、図4のような結果が得られた。ここで、
Annealing Pulseとは、レーザーのショ
ット数を意味している。図の黒丸は燐ドープシリコンに
於ける表面モフォロジーに変化が現れる点を、白丸は硼
素ドープシリコンに於ける変化点をそれぞれ示してい
る。図において右上の領域は膜表面のモフォロジーの悪
い(粗い)状態を示し、左下はモフォロジーの良好な
(平坦な)状態を示す。燐ドープシリコンの方がレーザ
ーに対して抵抗力が強いことがわかる。この結果から、
表面モフォロジーを変化させないようにレーザーアニー
ルをおこなうための条件は、照射されるレーザー光のエ
ネルギー密度をE〔mJ/cm2 〕、レーザーパルスの
ショット数をN〔回〕としたときに、 log10N≦A(E−B) とであり、不純物が燐の場合には、A=−0.02、B
=350であり、不純物が硼素の場合には、A=−0.
02、B=300であることが導かれた。
ってシリコンの特性が著しく悪化するため、ばらつきが
著しく大きくなる。実際にモフォロジーの悪い(表面の
粗い)シリコン膜ではシート抵抗のばらつきは20%以
上であった。ばらつきを下げるためには上記の条件を満
たし、かつ、適正なレーザーエネルギー密度を設定しな
ければならない。
mJ/cm2 とした場合には、レーザーのショット数は
10回以下が望ましい。また、レーザーエネルギー密度
を280mJ/cm2 とした場合には、レーザーのショ
ット数は1〜3回が望ましい。このような条件でレーザ
ーアニールをおこなったときには、シート抵抗のばらつ
きを10%以下におさえることができた。
をおこない、よって、ばらつきが少なく信頼性の高い半
導体膜を得ることができた。このように本発明は工業
上、有益なものと考えられる。
図を示す。
コン膜(燐ドープ、N型)のシート抵抗、レーザーエネ
ルギー密度とショット数の関係を示す。
コン膜(燐&硼素ドープ、P型)のシート抵抗、レーザ
ーエネルギー密度とショット数の関係を示す。
レーザーエネルギー密度、ショット数の関係を示す。
系の概念図を示す。
4)
Claims (1)
- 【請求項1】基板上に半導体膜を形成し、 レーザー光を光学系によって加工して、前記レーザー光
の断面を第1の方向に拡張させさらに前記第1の方向と
垂直な第2の方向に収束させ、 前記半導体膜を前記第2の方向に移動させながら、加工
された前記レーザー光を前記半導体膜に照射することを
特徴とする半導体装置の作製方法。
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