JP2004193490A

JP2004193490A - Laser irradiation equipment, method for irradiating laser and manufacturing method for semiconductor device

Info

Publication number: JP2004193490A
Application number: JP2002362381A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Abe; 大介安部
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2004-07-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To preferably provide laser irradiation equipment in which an irradiating chamber is miniaturized easily, by which treatment systems by a combination with other treatment equipment can be constructed easily, and which can heat a wide area uniformly, at a low cost. <P>SOLUTION: In the laser irradiation equipment heating a substrate by the irradiation of a laser, the laser irradiation equipment is constituted so as to have a laser generating section 1 projecting the laser, a substrate holding section 2 supporting the substrate 3, and a rotary driving section 6 rotating and moving a laser irradiating region 5 on the surface of the substrate 3 by the surface of the substrate 3. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセス等における熱処理を目的とするレーザーの照射方法、及びレーザー照射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板あるいは基板上の膜をレーザー照射によって加熱する場合には、長方形、あるいは正方形状にレーザービームを成形し、パルス状のレーザーを一度照射した後、所定方向に基板を移動して再びレーザーを照射するという方法を繰り返し行うことによって、基板面内で均一にレーザーが照射されるようにしていた。また、上記パルス状レーザーに代えて連続発振のレーザーを用いる場合でも、所定方向に基板を一定速度で移動させながらレーザーを基板面に照射することで均一なレーザー照射を行うようにしていた（例えば、非特許文献１）。
また、特許文献１にも、薄膜トランジスタの製造プロセスにおける半導体薄膜の結晶化工程で、基板上のレーザー照射領域を移動させつつレーザー照射を行うことが記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−８１９５号公報
【非特許文献１】
A. Hara, et.al., AM-LCD 01 Digest of Technical Papers (2001) p.227
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの文献に記載の方法では、基板上でのレーザー照射領域を移動するために、レーザー照射チャンバーの平面積が大きくなるという問題点を有していた。例えば、３０ｃｍ×３０ｃｍの基板に対して、典型的な１５ｃｍ×０．４ｍｍのライン状の照射領域で上記方法によるレーザー照射を行うとすると、基板全面へのレーザー照射が可能なレーザー照射装置では、少なくとも基板面積の３倍の平面積を有するチャンバーが必要になる。そのため、装置コストの増加要因になるばかりか、装置を設置するクリーンルームの面積も大きく占有するため、施設管理コストも増加する。さらに、複数のレーザー照射チャンバーを放射状に配置したクラスターツールタイプのレーザー照射装置では、その占有面積は甚大なものとなる。
【０００５】
さらに、レーザー照射装置とＣＶＤ成膜装置等とを組み合わせて放射状に配置し、１つの搬送系で処理できるようにしたクラスターツールタイプの装置を実現しようとすると、レーザー照射チャンバーのみが、他の処理装置よりも著しく大きいため、搬送系の周囲に設置できるチャンバー数を削減せざるを得なくなるという問題がある。
【０００６】
またさらに、上記のようなライン状の照射領域でレーザー照射を行う場合には、必然的にレーザーの焦点深度が浅くなるため、基板厚さ方向で焦点がずれると単位面積当たりのレーザー照射エネルギーに不均一が生じるので、レーザー焦点の制御部、あるいは基板を移動させるための基板保持部を高精度なものとする必要があり、この点においても装置が高コストとなっていた。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、照射チャンバーの小型化が容易であり、もって他の処理装置との組み合わせによる処理系を容易に構築でき、広い面積を均一に加熱できるレーザー照射装置を、好ましくは低コストで提供することを目的としている。
また本発明は、広い面積を均一に加熱することができるレーザーの照射方法を提供することを目的としている。
また本発明は、基板上に形成された半導体薄膜を均一に加熱することで、半導体素子の高性能化を実現できる薄膜半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のレーザー照射装置は、基板にレーザーを照射して加熱するレーザー照射装置において、前記レーザーを出射するレーザー発生部と、前記基板を支持する基板保持部と、前記基板表面におけるレーザー照射領域を基板表面で回転移動させる回転駆動部とを備えたことを特徴とする。
係る構成のレーザー照射装置によれば、前記基板表面におけるレーザー照射領域を基板表面で回転移動させることで、基板全面に対するレーザー照射を行うことができるので、上記従来のレーザー照射装置のように基板を平面移動させる空間を設ける必要が無くなり、レーザー照射装置の小型化を実現でき、また装置コストも低減することができる。
【０００９】
本発明のレーザー照射装置は、上記のレーザー照射装置において、前記回転駆動部が、前記基板保持部と接続されて該基板保持部を回転可能とされたことを特徴とする。
係る構成のレーザー照射装置によれば、前記回転駆動部により基板保持部を回転させることで前記基板上のレーザー照射領域を基板に対して回転移動させる構成とされているので、レーザー発生部やこれに備えられた光学系に回転駆動部を設けてレーザー照射領域を基板に対して回転移動させる場合に比して装置の製造が容易であり、また、基板保持部（基板）を回転させることで、基板の姿勢制御が容易になり、焦点深度の浅いレーザーの問題点とされていた焦点位置精度による加熱の不均一を解消することができる。
【００１０】
本発明のレーザー照射装置は、上に記載のレーザー照射装置において、前記基板表面におけるレーザー照射領域の形状が、前記基板の回転中心から基板外周端に延びる略線状又は略扇形状とされたことを特徴とする。
係る構成のレーザー照射装置によれば、基板の回転中心から外周端まで基板面を横断してレーザー照射領域を延在させることで、基板の回転径方向で一度にレーザー照射を行うことができ、また基板を回転させるのみでレーザー照射領域の移動を容易かつ正確に行うことができるので、効率的なレーザー照射が可能である。また、従来基板全面をレーザーで走査するためには、レーザー照射領域の長さを少なくとも基板と同一幅にするか、あるいは複数回の走査を行う必要があったが、本発明によれば、レーザー照射領域が基板寸法よりも小さくされているにも関わらず、１回の走査で基板全体にレーザーを照射することができ、レーザー照射工程の効率化、および照射装置の小型化において有利なものとなっている。
【００１１】
本発明のレーザー照射装置は、上記のレーザー照射装置において、前記基板に照射されるレーザーが連続発振レーザーとされ、前記レーザー照射領域の形状が略線状とされ、該レーザー照射領域内での単位面積当たりのレーザーエネルギーが、前記基板の外周部ほど大きくされたことを特徴とする。
連続発振レーザーを用い、かつ回転する基板の中心から外周までを横切る形状のレーザー照射領域とする場合、基板の回転内周部と、回転外周部とで基板の移動速度（周速）が異なるので、レーザー照射領域を略直線上とした場合に、単位面積当たりのレーザーエネルギー（レーザー強度）を一定とすると、基板の回転外周部で基板に与えられるエネルギーが相対的に低くなるため、基板全体を均一に加熱することができなくなる。そこで、上記構成とすることで、回転外周部と回転内周部との基板の加熱効率を調整することが可能になり、基板全体を均一に加熱することが可能になる。
【００１２】
本発明のレーザー照射装置は、上記のレーザー照射装置において、前記レーザー照射領域の形状が略扇形状とされ、該レーザー照射領域の中心角が、３６０°の１／ｎ（ｎは２以上の整数）とされたことを特徴とする。
係る構成のレーザー照射装置によれば、略扇形状のレーザー照射領域に対するレーザー照射を行った後、レーザー照射領域の中心角（扇形の両側辺の成す角度）だけ基板を回転させ、その後再びレーザー照射を行う加熱方法とした場合に、上記工程をｎ回繰り返すことで基板がちょうど１回転して基板全体が均一に加熱されるようになる。
【００１３】
次に、本発明のレーザーの照射方法は、レーザー照射部から基板表面にレーザーを照射して前記基板表面を加熱するに際して、前記基板表面のレーザー照射領域を、該基板に対して相対的に回転移動させることを特徴とする。
上記照射方法は、基板表面にレーザーを照射した後、あるいはレーザー照射中に前記レーザー照射領域を基板に対して相対的に回転移動させる方法である。すなわち、上記方法は、レーザー発生部やそれに付随する光学系によりレーザー照射領域を基板面で回転移動させる方法、及び固定配置されたレーザーに対して基板を回転させることで基板上でのレーザー照射領域を移動させる方法のいずれをも含む方法である。
この照射方法を採用することで、基板の平面積に対して著しく大きい照射チャンバーを用意しなくともよくなるため、装置コストの低減を図ることができ、もって製造コストの低減を図ることができる。また、従来の照射方法のように、レーザーの走査や基板の平行移動によってレーザー照射領域の移動を行う場合に比して、特に基板を回転させる方法では、基板の姿勢制御を高精度かつ容易に行えるようになるので、基板全体を均一に加熱することが容易になり、製造歩留まりの向上が期待できる。
【００１４】
本発明のレーザーの照射方法は、上記のレーザーの照射方法において、前記レーザー照射領域の形状を、前記基板の回転中心から基板外周に向かって広がる平面視略扇形とし、前記略扇形のレーザー照射領域にレーザーを照射するレーザー照射工程と、前記レーザー照射後の基板を前記レーザー照射領域の中心角だけ回転させる基板回転工程とを繰り返すことで前記基板の加熱を行うことを特徴とする。
この照射方法によれば、前記レーザー照射領域に対してレーザーを照射し、次いでレーザー照射領域の中心角だけ基板を回転させるのを繰り返すことで、基板全体の加熱を効率よく行うことができ、また加熱の不均一を生じ難くすることができる。
また、本発明に係るレーザーの照射方法としては、レーザー照射領域に対するレーザー照射を行った後、前記レーザー照射領域の中心角よりも小さい角度基板を回転させ、その後再びレーザー照射を行う方法も適用できる。この場合には、レーザー照射工程間で、レーザー照射領域がオーバーラップするので、基板回転時の位置決め精度により加熱されない領域が生じないという利点がある。上記オーバーラップさせる領域は任意に設定することができる。
【００１５】
本発明のレーザーの照射方法は、上記のレーザーの照射方法において、前記レーザー照射領域の中心角を、３６０°の１／ｎ（ｎは２以上の整数）とすることを特徴とする。
この照射方法によれば、レーザー照射を行った後、レーザー照射領域の中心角だけ基板を回転させる工程をｎ回繰り返すことで基板がちょうど１回転するので、基板全体におけるレーザー照射回数を容易に揃えることができ、基板全体を均一に加熱するのが容易になる。
【００１６】
本発明のレーザーの照射方法は、上記のレーザーの照射方法において、前記レーザー照射工程と、基板回転工程とを、前記基板が１回転する間繰り返す工程を１加熱工程とし、前記加熱工程を複数回繰り返すことを特徴とする。
この照射方法によれば、レーザー照射による基板表面の加熱を容易に調整することができ、また基板全面での加熱の均一性も容易に得られる。
【００１７】
本発明のレーザーの照射方法は、上記のレーザー照射方法において、前記加熱工程と、加熱工程との間に、前記基板をレーザー照射領域の中心角の整数倍を除く任意の角度回転させる工程を有することを特徴とする。
この照射方法によれば、基板全面（１回転）に対して加熱を行った後、次の基板１周に対する加熱の開始位置をその直前の工程とずらすようにするので、前記レーザー照射領域の境界が各加熱工程において重なることが無く、基板加熱の均一性をさらに高めることができる。
【００１８】
本発明のレーザーの照射方法は、上記のレーザー照射方法において、前記基板を連続的に回転させながら前記基板にレーザーを照射することを特徴とする。
この照射方法によれば、連続発振レーザーを基板に照射する場合には、基板の加熱を連続的に行うので、レーザー照射領域の境界における加熱の不均一を生じ難くすることができる。また、連続発振レーザーの場合でもパルス発振レーザーの場合でも、基板の連続的な回転によりレーザー照射中の基板の姿勢制御が容易になり、レーザー焦点のずれによる加熱の不均一が生じ難くなる。
【００１９】
本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に多結晶半導体膜を備えた薄膜半導体装置の製造方法であって、基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、前記非晶質半導体膜を、先のいずれかに記載のレーザーの照射方法を用いてアニールすることで多結晶半導体膜とする工程とを有することを特徴とする。
上記薄膜半導体装置の製造方法によれば、先に記載の本発明のレーザー照射方法により半導体膜の多結晶化を行うので、半導体膜全体に均一にレーザーを照射でき、もって均一に多結晶化され、高移動度の能動層を備えた薄膜半導体装置を製造することができる。
【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置の製造方法であって、半導体膜に対して、請求項６ないし１１のいずれか１項に記載のレーザー照射方法を用いてレーザー照射することで前記半導体膜に注入された不純物を活性化する工程を有することを特徴とする。
上記半導体装置の製造方法によれば、先に記載の本発明のレーザー照射方法により不純物の活性化を行うので、半導体膜全体に均一にレーザーを照射でき、もって半導体膜内で均一に不純物を活性化することができる。
【００２１】
本発明の製造方法によれば、例えば薄膜トランジスタのソースドレイン領域、ダイオードや太陽電池といったトランジスタ以外の半導体装置、Ｓｉ基板を用いた半導体装置のソース及びドレイン、ポリシリコンを用いたトランジスタの電極、配線などにおいて均一な不純物の活性化を行うことができる。また、本発明に係るレーザー照射方法は、上記半導体装置の製造方法に限らず、基板に対する熱処理を行う工程を有するデバイス等の製造方法であれば問題なく適用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るレーザー照射装置の概略構成を示す図であり、図に示すレーザー照射装置は、レーザー発生部１と、このレーザー発生部１から出射されたレーザーを光学的に成形する光学系４と、この光学系４により成形されたレーザーＬを照射される基板３を支持するための基板保持部２と、この基板保持部２を回転駆動するための回転駆動部６とを備えて構成されている。また、本実施形態のレーザー照射装置では、基板保持部２及び基板３は、チャンバー８内に収容されており、光学系４から出射されたレーザー光は、チャンバー８に設けられた窓部（図示略）を透過して基板３へ到達するようになっている。
【００２３】
レーザー発生部１としては、特に限定はなく、被照射体である基板３や基板３上に形成された薄膜の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、基板３上に形成した非晶質Ｓｉの結晶化を目的として本実施形態のレーザー照射装置を用いる場合には、ＸｅＣｌエキシマレーザ（パルスレーザー）、ＫｒＦエキシマレーザ（パルスレーザー）、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザー（パルスレーザー／連続発振レーザー）やＮｄ：ＹＡＧレーザー（パルスレーザー／連続発振レーザー）等のレーザーを好適に用いることができる。
【００２４】
光学系４は、上記レーザー発生部１から出射されたレーザーを所定の形状に成形したり、連続発振されたレーザーをパルス状に加工したりするために必要に応じて設けられ、詳細な図示は省略しているが、反射ミラーやビームホモジナイザ等を含んで構成されている。また、この光学系４に回転駆動部を設けて基板３上のレーザー照射領域５を回転移動させるようにしても良く、あるいは光学的に前記レーザー照射領域５を基板上で移動させることもできる。
【００２５】
基板保持部２は、その上面に基板３を載置して固定できるようになっており、さらに回転駆動部６に接続されてその平面内で回転自在とされている。前記基板保持部２の構成は特に限定されないが、基板保持部２は回転時の姿勢制御が容易な円盤状とすることが好ましく、その材質は耐熱性が高く、パーティクルを生じにくいものが好ましい。上記基板保持部２上に基板３を載置するに際しては、基板３と基板保持部２とが一体的に回転されるので、回転時の姿勢制御を容易にするために基板保持部２の回転中心と、基板３の中心とを平面視において一致させるようにすることが好ましい。
【００２６】
次に、上記の構成を備えたレーザー照射装置により基板表面にレーザーを照射する場合について図２及び図３を参照して説明する。図２及び図３は、図１に示す基板保持部２及び基板３の平面構成図であり、図２と図３とでは、レーザー照射領域５の平面形状が異なっており、図３（ａ）と図３（ｂ）とでは、基板３の平面形状が異なっている。
【００２７】
まず、図２に示す例では、円盤状の基板３上の線状のレーザー照射領域５に対してレーザーを照射する。この場合、レーザー照射領域５の一端は基板３の回転中心Ｏに配置され、他端が基板３の外周から外側に配置されるように、光学系４ないし基板保持部２の位置を調整する。そして、回転駆動部６により基板保持部２を回転させながら、レーザー照射領域５に対してレーザー発生部１からのレーザーを照射し、基板３表面の加熱を行う。このように基板３を回転させながらレーザー照射を行うことで、基板３の姿勢を安定させることができ、基板３厚さ方向におけるレーザー焦点ずれが生じにくくなり、もって基板３面内における加熱ムラが低減される。
あるいは、基板３の回転を停止した状態でレーザー照射を行った後に、回転駆動部６により基板３を所定角度回転させ、再びレーザー照射を行う方法を適用することもできる。
【００２８】
上記レーザー照射領域を直線状とした場合には、図２に示すレーザー照射領域５内において、基板３の回転中心から外周部に向かってレーザー強度が大きくなるようにすることが好ましい。すなわち、基板３の内周側と外周側とでは周速が異なるので、基板３の回転速度に合わせてレーザー強度の分布を調整するのがよい。
尚、レーザー照射領域５の形状は、後述するように基板３の回転中心から外周部に向かって広がる扇状にすることもでき、この場合には外周部と中心近くで照射時間は変わらないので単位面積あたり同じエネルギー（エネルギー密度）で良い。
【００２９】
また、基板３を連続的に回転させながらパルス状レーザーの照射を行う場合には、レーザーのパルス幅、周波数等と回転速度を同期させ、基板３面内でレーザー照射の不均一が生じないようにすることが好ましい。具体的には、レーザーのパルス周波数ｆ（Ｈｚ）と、レーザー照射領域の中心角α（°）と、回転速度ω（°／秒）との関係を、３６０ｘｍ−α≦ω／ｆ≦３６０ｘｍ＋α（ｍ：整数）のように設定すると良い。ただし、ちょうど３６０ｘｍ＝ω／ｆとなるような回転速度、発振周波数とはしない。また、この場合の中心角αは基板中心とレーザ照射領域の基板外周との交点で形成される扇形の中心角である。
尚、上記の関係式は以下の図３（ａ）、（ｂ）に示す例にも適用できる。
【００３０】
次に、図３（ａ）に示す例は、レーザー照射領域５を扇形状とし、円盤状の基板３に対してレーザー照射を行う場合である。この場合には、扇形状のレーザー照射領域５の基端と、基板３の回転中心Ｏとが平面視において一致するようにし、レーザー照射領域５の外周が基板３の外周から外側に配置されるようにする。
【００３１】
本例でも図２に示す例と同様に基板３を連続回転させながら領域５に対してレーザーを照射する方法、及び基板３の回転を停止した状態で領域５に対してレーザー照射を行った後、回転駆動部６により基板３を所定角度回転させ、その後レーザー照射を行う方法のいずれも適用できる。図３に示すようにレーザー照射領域５を扇形状とすることで、単位面積当たりのレーザー強度を一定とした場合にも、基板３の回転内周と回転外周とで加熱の不均一が生じることがなく、レーザー発生部１及び光学系４における調整が図２に示す例に比して単純化され、レーザーの制御が容易になるという利点がある。
【００３２】
図３（ａ）に示す例において、レーザーを照射する工程（レーザー照射工程）と、前記レーザー照射工程を行った後、基板３を所定角度回転させて、基板３上のレーザー照射領域５を移動させる工程（基板回転工程）とを繰り返して基板３へのレーザー照射を行う場合には、種々のレーザー照射方法を選択することができる。
すなわち、上記基板回転工程における基板３の回転角度を、レーザー照射領域５の中心角（図３（ａ）に示す角度α）よりも小さい角度とした場合には、１度レーザーを照射された基板上の領域と、その次にレーザーを照射される基板上の領域とが一部オーバーラップするので、基板３の回転により基板全体に隙間無くレーザーを照射することが容易になり、基板面内での加熱の不均一が生じにくくなる。係る照射方法において、より好ましくは基板３の回転角を上記中心角αよりやや小さくし、基板３上でレーザーを照射された領域同士の境界部分近傍のみがオーバーラップされるようにすることが好ましい。
【００３３】
また、上記基板３の回転角度は、中心角αと一致するようにしてもよく、この場合には、レーザー照射領域５の中心角αが、３６０°の１／ｎ（ｎは２以上の整数）とされることがより好ましい。中心角αを３６０°の１／ｎとすれば、レーザー照射工程と、その後の基板回転工程をｎ回繰り返すことで、基板がちょうど１回転されるので、基板全面に対してレーザー照射が１回行われた状態を容易に得ることが可能になる。
さらに、上記の照射方法を採用すると共に、基板３の同一箇所へのレーザー照射を複数回行う場合には、上記レーザー照射工程と、基板回転工程とを基板が１回転する間繰り返し行う工程を１単位の加熱工程とし、この加熱工程を複数回繰り返すこととすれば、基板全面に渡り、より均一にレーザーを照射することができる。
【００３４】
また、上記加熱工程を複数回繰り返して行う方法では、前記加熱工程間に、基板３をレーザー照射領域５の中心角α（及びその整数倍の角度）を除く任意の角度で回転させる工程を挿入することが好ましい。
すなわち、１加熱工程におけるレーザー照射工程後の基板回転工程での基板３の回転角度は上記中心角αと同一とされるので、基板３が１回転する間のレーザー照射領域５は互いに重なり合わないことになる。そこで、上記加熱工程間で、基板を所定角度回転させることで、基板上でのレーザー照射の開始位置が各加熱工程で重ならないようにする。これにより、基板３上においてレーザーが照射された領域の境界で加熱の不均一が生じないようにすることができる。より具体的な例として中心角α＝９０°であるとすると、１加熱工程として、基板を９０°ずつ回転させて４回のレーザー照射を行う工程を行った後、次の加熱工程を開始する前に基板を例えば４５°回転させ、その位置から次の加熱工程を開始する。
【００３５】
次に、図３（ｂ）に示す例は、レーザー照射領域５の平面形状は図３（ａ）に示す例と同一形状として、基板３として平面視矩形状のものを用いる場合を示している。基板３の形状以外の構成、及び照射方法は図３（ａ）に示す例と同様とすることができるので、その説明は省略する。
図３（ｂ）に示すように、基板３として平面視矩形状のものを用いる場合には、レーザー照射領域５が、基板３頂点を含むように配置される。すなわち、扇形状のレーザー照射領域５の辺の長さｘが、基板３の回転中心Ｏと基板３の頂点を結ぶ直線の長さ以上とされるようにレーザー照射領域５の形状を調整する。このような構成とすることで、基板３の形状によらず基板表面を均一に加熱することが可能になる。
【００３６】
このように、本実施形態のレーザー照射装置によれば、基板３がその面内で回転自在とされていることで、基板３を回転させながらレーザーを照射する、あるいはレーザー照射後に所定角度回転させる方法により、基板３全面に対して均一なレーザー照射が可能である。
また、従来の照射装置では、基板全面にレーザーを照射するためには、基板を平行移動させるための空間を照射チャンバー内に確保する必要があり、そのために装置が大型化するという問題があった。特にクラスターツールタイプの処理装置を構成する場合には、ＣＶＤ成膜装置等の他の装置のとのバランスが悪く、処理装置に組み込む装置数が制限されるという問題があったが、本実施形態の処理装置によれば、基板３を平行移動させることがないために、少なくとも基板３及び基板保持部２を収納できるチャンバー８を用意すればよく、レーザー照射装置の平面的な占有面積を大幅に小さくすることができる。そして、このような寸法の照射装置は、ＣＶＤ成膜装置等とほぼ同等の大きさとなるので、特にクラスターツールタイプの処理装置を構成する場合に、極めて有効なものとなる。
【００３７】
（レーザー照射装置及び照射方法の適用例）
次に、本発明に係るレーザー照射装置及び照射方法の好適な適用例として、薄膜半導体装置の製造方法について、図４〜図６に基づき説明する。なお、本実施形態では、ｎチャネル型の多結晶シリコンＴＦＴを製造する場合を例として説明する。図４〜図６はいずれも、本実施形態の薄膜半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、各図において、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。
【００３８】
はじめに、図４（ａ）に示すように、超音波洗浄等により清浄化したガラス基板１０を用意した後、基板温度が１５０〜４５０℃となる条件下で、ガラス基板１０の全面に、シリコン酸化膜等の絶縁膜からなる下地保護膜（緩衝膜）１１をプラズマＣＶＤ法等により、例えば５００ｎｍ程度など、１０μｍ未満の厚さに成膜する。この工程において用いる原料ガスとしては、モノシランと一酸化二窒素との混合ガスや、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）と酸素、ジシランとアンモニア等が好適である。
【００３９】
次に、図４（ｂ）に示すように、基板温度が１５０〜４５０℃となる条件下で、下地保護膜１１を形成したガラス基板１０の全面に、非晶質シリコン膜（非晶質半導体膜）２１をプラズマＣＶＤ法等により３０〜１００ｎｍの厚さに成膜する。この工程において用いる原料ガスとしては、ジシランやモノシランが好適である。
次に、図４（ｃ）に示すように、非晶質シリコン膜２１をフォトリソグラフィー法により、形成する能動層の形状にパターニングする。すなわち、非晶質シリコン膜２１上にフォトレジストを塗布した後、フォトレジストの露光、現像、非晶質シリコン膜２１のエッチング、フォトレジストの除去を行うことにより、非晶質シリコン膜２１のパターニングを行う。
【００４０】
次に、図４（ｄ）に示すように、先の実施の形態のレーザー照射装置の基板保持部２上にガラス基板１０を載置し、減圧雰囲気下、窒素雰囲気中で、非晶質シリコン膜２１を形成したガラス基板１０の全面に、非晶質シリコン膜２１側からレーザーＬを照射することにより、パターニングした非晶質シリコン膜２１をアニールし、能動層として機能する多結晶シリコン膜２２を形成する。本例では、上記実施の形態のレーザー照射装置を用いることで、極めて容易に基板１０全面にレーザーＬを照射することができ、基板全面を一括にかつ均一に処理することができる。また、本例のようにシリコン膜の結晶化を行う場合には、基板へのレーザー照射エネルギーは例えば０．２〜２Ｊ／ｃｍ^２、照射時間は１０ｎ〜１００ｎｓｅｃ程度に設定し、一回もしくは複数回の照射を行えば良い。なお、この工程において、レーザーＬを照射された非晶質シリコン膜２１は、非晶質シリコン膜２１に照射されたレーザーエネルギーにより加熱されて溶融され、冷却固化過程を経て多結晶化する。
【００４１】
次に、図５（ａ）に示すように、３５０℃以下の温度件下で、多結晶シリコン膜２２を形成したガラス基板１０の全面に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなるゲート絶縁膜３１を５０〜１５０ｎｍの厚さに成膜する。この工程において用いる原料ガスとしては、ＴＥＯＳと酸素ガスとの混合ガス等が好適である。
【００４２】
次に、図５（ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜３１を形成したガラス基板１０の全面に、スパッタリング法等により、アルミニウム、タンタル、モリブデン等の金属、又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金等の導電性材料を成膜した後、フォトリソグラフィー法によりパターニングし、３００〜８００ｎｍの厚さのゲート電極３２を形成する。すなわち、導電性材料を成膜したガラス基板１０上にフォトレジストを塗布した後、フォトレジストの露光、現像、導電性材料のエッチング、フォトレジストの除去を行うことにより、導電性材料をパターニングし、ゲート電極３２を形成する。
【００４３】
次に、図５（ｃ）に示すように、ゲート電極３２をマスクとして、約０．１×１０^１３〜約１０×１０^１３／ｃｍ^２のドーズ量で低濃度の不純物イオン（リンイオン）を打ち込み、ゲート電極３２に対して自己整合的に低濃度ソース領域２２ｂ、低濃度ドレイン領域２２ｃを形成する。ここで、ゲート電極３２の直下に位置し、不純物イオンが導入されなかった部分はチャネル領域２２ａとなる。
次に、図５（ｄ）に示すように、ゲート電極３２より幅広のレジストマスク（図示略）を形成して高濃度の不純物イオン（リンイオン）を約０．１×１０^１５〜約１０×１０^１５／ｃｍ^２のドーズ量で打ち込み、高濃度ソース領域２２ｄ、及び高濃度ドレイン領域２２ｅを形成する。
【００４４】
なお、ＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造のソース領域及びドレイン領域を形成する代わりに、低濃度の不純物の打ち込みを行わずにゲート電極３２より幅広のレジストマスクを形成した状態で高濃度の不純物（リンイオン）を打ち込み、オフセット構造のソース領域及びドレイン領域を形成しても良い。また、ゲート電極３２をマスクとして高濃度の不純物を打ち込み、セルフアライン構造のソース領域及びドレイン領域を形成しても良い。
【００４５】
次に、図６（ａ）に示すように、ゲート電極３２の表面側にＣＶＤ法等により、シリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜３３を３００〜８００ｎｍの厚さに成膜する。この工程において用いる原料ガスとしては、ＴＥＯＳと酸素ガスとの混合ガス等が好適である。そして、この工程後に、上記実施の形態のレーザー照射装置を用いたレーザーアニールを行うことにより、ソース領域２２ｂ、２２ｄ及びドレイン領域２２ｃ、２２ｅに注入された不純物の活性化を行う。このように不純物の活性化を行う場合にも、先に記載のように、本発明に係るレーザー照射装置及び照射方法を用いることで、基板１０面内で均一にかつ効率よく加熱することができるので、極めて効率よく不純物の活性化を行うことができる。
【００４６】
次に、図６（ｂ）に示すように、所定のパターンのレジストマスク（図示略）を形成した後、該レジストマスクを介して層間絶縁膜３３のドライエッチングを行い、層間絶縁膜３３において高濃度ソース領域２２ｄ及び高濃度ドレイン領域２２ｅに対応する部分にコンタクトホール３４、３５をそれぞれ形成する。
【００４７】
次に、図６（ｃ）に示すように、層間絶縁膜３３の全面に、アルミニウム、チタン、窒化チタン、タンタル、モリブデン、又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金等の導電性材料を、スパッタリング法等により成膜した後、フォトリソグラフィー法によりパターニングし、４００〜８００ｎｍの厚さのソース電極３６及びドレイン電極３７を形成する。すなわち、導電性材料を成膜したガラス基板１０上にフォトレジストを塗布した後、フォトレジストの露光、現像、導電性材料のエッチング、フォトレジストの除去を行うことにより、導電性材料をパターニングし、ソース電極３６及びドレイン電極３７を形成する。以上のようにして、ｎチャネル型の多結晶シリコンＴＦＴ５０を製造することができる。
【００４８】
本実施形態の製造方法では、非晶質シリコン膜２１をパターニングし、その形成面積を小さくしてから、先の実施形態のレーザー照射装置によるレーザーアニールを行う構成としたが、ガラス基板１０の全面に非晶質シリコン膜２１が形成された状態でレーザーＬを照射してもよいのは勿論である。
【００４９】
また、本実施形態の製造方法では、非晶質シリコン膜２１を多結晶化する方法として、本発明に係るレーザー照射装置によるレーザーアニールを採用しているので、非晶質シリコン膜２１の多結晶化を行う工程において、ガラス基板１０全面へのレーザーの照射を極めて効率よく行うことができ、基板全面を均一に処理することができる。したがって、本実施形態の製造方法によれば、非晶質シリコン膜２１の多結晶化を行う工程において、従来のレーザーアニールを採用した場合の問題点とされていたビームとビームの重なり領域における結晶性のバラツキを解消できる。また、基板全面を走査するために基板を回転させる機構を採用したことで、レーザー照射装置の大幅な小型化を実現できるので、薄膜半導体製造装置全体のバランスを良好にすることができ、特にクラスターツールタイプの半導体製造装置を構成する際に好都合である。また、非晶質シリコン膜２１の多結晶化を行う工程と、不純物の活性化を行う工程において、本発明に係るレーザー照射装置によるレーザーアニールを採用することができ、効率よく薄膜半導体装置の製造を行うことが可能である。
【００５０】
さらに、本実施形態の製造方法によれば、基板全体を均一にレーザーアニールすることができるので、結晶性のばらつきが小さく、良質な多結晶シリコン膜２２を形成することができ、移動度等の特性に優れたＴＦＴを製造することができる。
【００５１】
なお、本例では、ｎチャネル型のＴＦＴを製造する場合を例として説明したが、ｐチャネル型のＴＦＴを製造する場合にも同様に適用することができる。また、本実施形態の製造方法は、特に基板上に多数のＴＦＴを形成するアクティブマトリクス型の液晶装置やＥＬ装置等の表示装置を製造する場合に好適に適用することができる。
さらに、例えばダイオードや太陽電池といったトランジスタ以外の半導体装置、Ｓｉ基板を用いた半導体装置のソース及びドレイン、ポリシリコンを用いたトランジスタの電極、配線などの製造に際しての不純物の活性化に適用することができる。
また、本発明に係るレーザー照射方法は、上記半導体装置の製造方法に限らず、基板に対する熱処理を行う工程を有するデバイス等の製造方法であれば問題なく適用することができる。
【００５２】
上記では、非晶質シリコン膜の結晶化工程と、不純物の活性化工程との両方に本発明に係るレーザー照射装置を適用した場合について説明したが、両工程のうち一方にのみであっても、本発明に係るレーザー照射装置を用いることができるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るレーザー照射装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、基板保持部及び基板の平面構成図である。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）は、基板保持部及び基板の平面構成図である。
【図４】図４は、薄膜半導体装置の断面工程図である。
【図５】図５は、薄膜半導体装置の断面工程図である。
【図６】図６は、薄膜半導体装置の断面工程図である。
【符号の説明】
１レーザー発生部、２基板保持部、３基板、４光学系、５レーザー照射領域、６回転駆動部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser irradiation method and a laser irradiation apparatus for the purpose of heat treatment in a semiconductor manufacturing process or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when heating a substrate or a film on a substrate by laser irradiation, a laser beam is formed into a rectangular or square shape, a pulsed laser is irradiated once, the substrate is moved in a predetermined direction, and the laser is irradiated again. By repeatedly performing the method of irradiating the laser beam, the laser is uniformly irradiated on the substrate surface. Even when a continuous wave laser is used in place of the pulsed laser, a uniform laser irradiation is performed by irradiating the substrate surface with the laser while moving the substrate in a predetermined direction at a constant speed (for example, , Non-Patent Document 1).
Patent Document 1 also describes performing laser irradiation while moving a laser irradiation region on a substrate in a crystallization step of a semiconductor thin film in a thin film transistor manufacturing process.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-8195
[Non-patent document 1]
A. Hara, et.al., AM-LCD 01 Digest of Technical Papers (2001) p.227
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the methods described in these documents have a problem that the plane area of the laser irradiation chamber becomes large in order to move the laser irradiation area on the substrate. For example, assuming that a 30 cm × 30 cm substrate is subjected to laser irradiation by the above method in a typical 15 cm × 0.4 mm linear irradiation area, a laser irradiation apparatus capable of performing laser irradiation on the entire surface of the substrate includes: A chamber having a plane area at least three times the substrate area is required. This not only causes an increase in equipment cost, but also occupies a large area of a clean room in which the equipment is installed, thereby increasing facility management costs. Furthermore, in a cluster tool type laser irradiation apparatus in which a plurality of laser irradiation chambers are radially arranged, the occupied area is enormous.
[0005]
Further, in order to realize a cluster tool type apparatus in which a laser irradiation apparatus and a CVD film forming apparatus are combined and arranged radially so that processing can be performed by one transfer system, only a laser irradiation chamber is used for other processing. Since it is significantly larger than the apparatus, there is a problem that the number of chambers that can be installed around the transfer system must be reduced.
[0006]
Furthermore, when laser irradiation is performed in the linear irradiation area as described above, the laser focus energy is inevitably reduced in the depth of the substrate. Since non-uniformity occurs, it is necessary to provide a laser focus control unit or a substrate holding unit for moving the substrate with high precision, and the apparatus is also expensive in this regard.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is easy to reduce the size of an irradiation chamber, thereby easily constructing a processing system in combination with another processing apparatus, and uniformly heating a large area. An object of the present invention is to provide a laser irradiation device which can be provided, preferably at low cost.
Another object of the present invention is to provide a laser irradiation method capable of uniformly heating a wide area.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thin film semiconductor device capable of realizing high performance of a semiconductor element by uniformly heating a semiconductor thin film formed on a substrate.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a laser irradiation apparatus of the present invention is a laser irradiation apparatus that irradiates a substrate with a laser and heats the substrate, a laser generation unit that emits the laser, and a substrate holding unit that supports the substrate. A rotation drive unit for rotating and moving the laser irradiation area on the substrate surface on the substrate surface.
According to the laser irradiation apparatus having the above configuration, the laser irradiation can be performed on the entire surface of the substrate by rotating the laser irradiation region on the substrate surface on the substrate surface. There is no need to provide a space for plane movement, and the size of the laser irradiation device can be reduced, and the cost of the device can be reduced.
[0009]
The laser irradiation apparatus of the present invention is characterized in that, in the above-described laser irradiation apparatus, the rotation driving section is connected to the substrate holding section so that the substrate holding section can rotate.
According to the laser irradiation apparatus having such a configuration, the laser irradiation area on the substrate is rotated relative to the substrate by rotating the substrate holding unit by the rotation driving unit. It is easier to manufacture the device than in the case where a rotation driving unit is provided in the optical system provided in the device and the laser irradiation area is rotated with respect to the substrate, and by rotating the substrate holding unit (substrate). In addition, the control of the posture of the substrate becomes easy, and the non-uniform heating due to the focal position accuracy, which is a problem of the laser having a small depth of focus, can be solved.
[0010]
In the laser irradiation apparatus according to the present invention, in the laser irradiation apparatus described above, the shape of the laser irradiation area on the substrate surface may be substantially linear or fan-shaped extending from the rotation center of the substrate to the outer peripheral end of the substrate. It is characterized by.
According to the laser irradiation apparatus having such a configuration, by extending the laser irradiation region across the substrate surface from the center of rotation of the substrate to the outer peripheral edge, laser irradiation can be performed at once in the rotational direction of the substrate, Further, the laser irradiation area can be easily and accurately moved only by rotating the substrate, so that efficient laser irradiation is possible. Conventionally, in order to scan the entire surface of a substrate with a laser, the length of a laser irradiation area must be at least the same as the width of the substrate, or scanning must be performed a plurality of times. In spite of the irradiation area being smaller than the substrate size, the entire substrate can be irradiated with laser in one scan, which is advantageous in improving the efficiency of the laser irradiation process and miniaturizing the irradiation device. Has become.
[0011]
In the laser irradiation apparatus of the present invention, in the above laser irradiation apparatus, the laser irradiated to the substrate is a continuous wave laser, the shape of the laser irradiation area is substantially linear, and a unit in the laser irradiation area is used. The laser energy per area is increased toward the outer periphery of the substrate.
When a continuous wave laser is used and the laser irradiation region has a shape crossing from the center to the outer periphery of the rotating substrate, the moving speed (peripheral speed) of the substrate differs between the inner peripheral portion and the outer peripheral portion of the rotating substrate. If the laser irradiation area is approximately linear and the laser energy per unit area (laser intensity) is constant, the energy applied to the substrate at the outer periphery of the substrate becomes relatively low. It cannot be heated uniformly. Thus, with the above configuration, it is possible to adjust the heating efficiency of the substrate at the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the rotation, and to uniformly heat the entire substrate.
[0012]
In the laser irradiation apparatus of the present invention, in the above-described laser irradiation apparatus, the shape of the laser irradiation area is substantially fan-shaped, and the central angle of the laser irradiation area is 1 / n of 360 ° (where n is an integer of 2 or more). ).
According to the laser irradiation apparatus having such a configuration, after performing laser irradiation on the laser irradiation region having a substantially fan shape, the substrate is rotated by the central angle of the laser irradiation region (the angle formed by both sides of the fan shape), and then the laser irradiation is performed again. When the heating method is performed, the above process is repeated n times, so that the substrate is exactly rotated once and the entire substrate is uniformly heated.
[0013]
Next, in the laser irradiation method of the present invention, when the substrate surface is heated by irradiating the substrate surface with a laser from the laser irradiation unit, the laser irradiation region on the substrate surface is rotated relative to the substrate. It is characterized by being moved.
The above-mentioned irradiation method is a method of rotating and moving the laser irradiation area relative to the substrate after or during laser irradiation on the substrate surface. That is, the above method is a method of rotating and moving a laser irradiation area on a substrate surface by a laser generation unit and an optical system associated therewith, and a method of rotating a laser irradiation area on a substrate by rotating a substrate with respect to a fixedly arranged laser. Is a method that includes any of the methods of moving.
By employing this irradiation method, it is not necessary to prepare an irradiation chamber which is extremely large with respect to the plane area of the substrate, so that the cost of the apparatus can be reduced and the manufacturing cost can be reduced. In addition, compared to the case where the laser irradiation area is moved by laser scanning or parallel movement of the substrate as in the conventional irradiation method, the method of rotating the substrate can control the posture of the substrate with high accuracy and ease. As a result, it is easy to uniformly heat the entire substrate, and an improvement in manufacturing yield can be expected.
[0014]
In the laser irradiation method of the present invention, in the above-described laser irradiation method, the shape of the laser irradiation area is substantially fan-shaped in plan view extending from the center of rotation of the substrate toward the outer periphery of the substrate, and the laser irradiation area having the substantially fan-shaped shape is used. The substrate is heated by repeating a laser irradiation step of irradiating the substrate with a laser and a substrate rotating step of rotating the substrate after the laser irradiation by a central angle of the laser irradiation region.
According to this irradiation method, by irradiating the laser to the laser irradiation area and then repeatedly rotating the substrate by the central angle of the laser irradiation area, the entire substrate can be efficiently heated, and Heating non-uniformity can be suppressed.
In addition, as the laser irradiation method according to the present invention, a method of performing laser irradiation on a laser irradiation area, rotating the substrate at an angle smaller than the central angle of the laser irradiation area, and then performing laser irradiation again can also be applied. . In this case, since the laser irradiation areas overlap between the laser irradiation steps, there is an advantage that there is no area that is not heated due to the positioning accuracy when the substrate is rotated. The overlapping area can be set arbitrarily.
[0015]
The laser irradiation method of the present invention is characterized in that, in the above-described laser irradiation method, the central angle of the laser irradiation area is 1 / n of 360 ° (n is an integer of 2 or more).
According to this irradiation method, after performing laser irradiation, the step of rotating the substrate by the central angle of the laser irradiation region is repeated n times, so that the substrate is exactly rotated once, so that the number of laser irradiations on the entire substrate can be easily adjusted. This makes it easy to uniformly heat the entire substrate.
[0016]
In the laser irradiation method of the present invention, in the above-described laser irradiation method, a step of repeating the laser irradiation step and the substrate rotating step during one rotation of the substrate is defined as one heating step, and the heating step is performed a plurality of times. It is characterized by repeating.
According to this irradiation method, heating of the substrate surface by laser irradiation can be easily adjusted, and uniformity of heating over the entire surface of the substrate can be easily obtained.
[0017]
The laser irradiation method of the present invention, in the above-mentioned laser irradiation method, between the heating step and the heating step, has a step of rotating the substrate at any angle except an integral multiple of the central angle of the laser irradiation area. It is characterized by the following.
According to this irradiation method, after heating the entire surface (one rotation) of the substrate, the heating start position for the next round of the substrate is shifted from the immediately preceding process. Does not overlap in each heating step, and the uniformity of substrate heating can be further improved.
[0018]
The laser irradiation method of the present invention is characterized in that, in the above-described laser irradiation method, the substrate is irradiated with a laser while continuously rotating the substrate.
According to this irradiation method, when the substrate is irradiated with the continuous wave laser, heating of the substrate is performed continuously, so that uneven heating at the boundary of the laser irradiation region can be suppressed. Further, in both the case of a continuous wave laser and the case of a pulsed laser, continuous rotation of the substrate makes it easy to control the posture of the substrate during laser irradiation, thereby making it difficult to cause uneven heating due to a laser focus shift.
[0019]
A method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a thin film semiconductor device having a polycrystalline semiconductor film on a substrate, comprising the steps of: forming an amorphous semiconductor film on a substrate; Annealing the film using any one of the laser irradiation methods described above to form a polycrystalline semiconductor film.
According to the method for manufacturing a thin film semiconductor device, since the semiconductor film is polycrystallized by the laser irradiation method of the present invention described above, the entire semiconductor film can be uniformly irradiated with the laser, and thus the polycrystal can be uniformly polycrystallized. Thus, a thin-film semiconductor device having a high mobility active layer can be manufactured.
[0020]
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, comprising irradiating a semiconductor film with a laser using the laser irradiation method according to any one of claims 6 to 11. Activating an impurity implanted into the semiconductor film is provided.
According to the method of manufacturing a semiconductor device, since the impurity is activated by the laser irradiation method of the present invention described above, the entire semiconductor film can be uniformly irradiated with the laser, and thus the impurity can be uniformly activated in the semiconductor film. Can be
[0021]
According to the manufacturing method of the present invention, for example, a source / drain region of a thin film transistor, a semiconductor device other than a transistor such as a diode or a solar cell, a source and a drain of a semiconductor device using a Si substrate, an electrode of a transistor using polysilicon, a wiring, and the like Can uniformly activate the impurities. Further, the laser irradiation method according to the present invention is not limited to the above-described method for manufacturing a semiconductor device, and can be applied without any problem as long as it is a method for manufacturing a device or the like having a step of performing a heat treatment on a substrate.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a laser irradiation apparatus according to the present invention. The laser irradiation apparatus shown in the figure optically forms a laser generator 1 and a laser emitted from the laser generator 1. An optical system 4, a substrate holding unit 2 for supporting a substrate 3 irradiated with the laser L formed by the optical system 4, and a rotation driving unit 6 for rotating the substrate holding unit 2 are provided. It is configured. Further, in the laser irradiation apparatus of the present embodiment, the substrate holding unit 2 and the substrate 3 are housed in the chamber 8, and the laser light emitted from the optical system 4 receives the laser beam emitted from the optical system 4 through a window (not shown). ) To reach the substrate 3.
[0023]
The laser generator 1 is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the type of the substrate 3 or the thin film formed on the substrate 3 which is the object to be irradiated. For example, when using the laser irradiation apparatus of the present embodiment for the purpose of crystallization of amorphous Si formed on the substrate 3, a XeCl excimer laser (pulse laser), a KrF excimer laser (pulse laser), and Nd: YVO ₄ A laser such as a laser (pulse laser / continuous oscillation laser) or an Nd: YAG laser (pulse laser / continuous oscillation laser) can be suitably used.
[0024]
The optical system 4 is provided as needed for shaping the laser emitted from the laser generator 1 into a predetermined shape or processing a continuously oscillated laser into a pulse shape. Although omitted, it is configured to include a reflection mirror, a beam homogenizer, and the like. Further, a rotation drive unit may be provided in the optical system 4 to rotate and move the laser irradiation area 5 on the substrate 3, or the laser irradiation area 5 may be optically moved on the substrate.
[0025]
The substrate holding unit 2 is configured to mount and fix the substrate 3 on its upper surface, and is connected to a rotation driving unit 6 so as to be rotatable in the plane. Although the configuration of the substrate holding unit 2 is not particularly limited, it is preferable that the substrate holding unit 2 is formed in a disk shape that allows easy control of the attitude during rotation, and is preferably made of a material having high heat resistance and hardly generating particles. When the substrate 3 is placed on the substrate holding unit 2, the substrate 3 and the substrate holding unit 2 are integrally rotated. It is preferable to make the center coincide with the center of the substrate 3 in plan view.
[0026]
Next, a case where a laser is irradiated to the substrate surface by the laser irradiation apparatus having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 2 and FIG. 3 are plan views of the substrate holder 2 and the substrate 3 shown in FIG. 1. FIG. 2 and FIG. 3B differs from FIG. 3B in the planar shape of the substrate 3.
[0027]
First, in the example shown in FIG. 2, a laser is irradiated to a linear laser irradiation area 5 on a disk-shaped substrate 3. In this case, the position of the optical system 4 or the substrate holding unit 2 is adjusted such that one end of the laser irradiation region 5 is arranged at the rotation center O of the substrate 3 and the other end is arranged outside the outer periphery of the substrate 3. Then, while rotating the substrate holding unit 2 by the rotation drive unit 6, the laser from the laser generation unit 1 is irradiated to the laser irradiation area 5 to heat the surface of the substrate 3. By irradiating the laser while rotating the substrate 3 in this manner, the posture of the substrate 3 can be stabilized, and laser defocusing in the thickness direction of the substrate 3 is less likely to occur. Reduced.
Alternatively, it is also possible to apply a method in which after the laser irradiation is performed in a state where the rotation of the substrate 3 is stopped, the substrate 3 is rotated by a predetermined angle by the rotation driving unit 6 and the laser irradiation is performed again.
[0028]
When the laser irradiation area is linear, it is preferable that the laser intensity increases from the rotation center of the substrate 3 toward the outer periphery in the laser irradiation area 5 shown in FIG. That is, since the inner peripheral side and the outer peripheral side of the substrate 3 have different peripheral velocities, it is preferable to adjust the distribution of the laser intensity according to the rotational speed of the substrate 3.
The shape of the laser irradiation area 5 may be a fan shape spreading from the center of rotation of the substrate 3 toward the outer periphery as described later. In this case, the irradiation time does not change between the outer periphery and the center, so that the unit may be changed. The same energy (energy density) per area is sufficient.
[0029]
In the case where the pulsed laser irradiation is performed while the substrate 3 is continuously rotated, the rotation speed is synchronized with the pulse width, frequency, and the like of the laser so that the laser irradiation does not become uneven within the surface of the substrate 3. Is preferable. Specifically, the relationship among the pulse frequency f (Hz) of the laser, the central angle α (°) of the laser irradiation area, and the rotation speed ω (° / sec) is defined as 360xm−α ≦ ω / f ≦ 360xm + α ( m: an integer). However, the rotation speed and the oscillation frequency are not exactly such that 360xm = ω / f. In this case, the central angle α is a central angle of a sector formed at the intersection of the center of the substrate and the outer periphery of the substrate in the laser irradiation area.
Note that the above relational expression can also be applied to the examples shown in FIGS. 3A and 3B below.
[0030]
Next, the example shown in FIG. 3A is a case where the laser irradiation region 5 is formed into a fan shape and the disk-shaped substrate 3 is irradiated with laser. In this case, the base end of the fan-shaped laser irradiation region 5 and the rotation center O of the substrate 3 are aligned in plan view, and the outer periphery of the laser irradiation region 5 is disposed outside the outer periphery of the substrate 3. To do.
[0031]
In this example, similarly to the example shown in FIG. 2, a method of irradiating the region 5 with a laser while continuously rotating the substrate 3 and a method of irradiating the region 5 with the laser stopped while the substrate 3 is stopped rotating Alternatively, any of the methods of rotating the substrate 3 by a predetermined angle by the rotation drive unit 6 and thereafter performing laser irradiation can be applied. As shown in FIG. 3, by making the laser irradiation area 5 fan-shaped, even when the laser intensity per unit area is constant, uneven heating occurs between the inner and outer rotations of the substrate 3. There is an advantage that adjustment in the laser generation unit 1 and the optical system 4 is simplified as compared with the example shown in FIG. 2, and control of the laser becomes easy.
[0032]
In the example shown in FIG. 3A, a laser irradiation step (laser irradiation step) and after the laser irradiation step are performed, the substrate 3 is rotated by a predetermined angle to move the laser irradiation area 5 on the substrate 3. When laser irradiation is performed on the substrate 3 by repeating the step (substrate rotating step), various laser irradiation methods can be selected.
That is, when the rotation angle of the substrate 3 in the substrate rotation step is smaller than the central angle of the laser irradiation region 5 (the angle α shown in FIG. 3A), the substrate irradiated with the laser once is used. Since the upper region and the region on the substrate to which the laser is subsequently irradiated partially overlap, the rotation of the substrate 3 makes it easy to irradiate the entire substrate with the laser without any gaps, and in the plane of the substrate. Heating becomes less likely to occur. In such an irradiation method, it is more preferable that the rotation angle of the substrate 3 is made slightly smaller than the central angle α so that only the vicinity of the boundary between the laser-irradiated regions on the substrate 3 is overlapped. .
[0033]
The rotation angle of the substrate 3 may be equal to the center angle α. In this case, the center angle α of the laser irradiation area 5 is 1 / n of 360 ° (n is an integer of 2 or more). ) Is more preferable. If the central angle α is 1 / n of 360 °, the laser irradiation step and the subsequent substrate rotating step are repeated n times, so that the substrate is exactly rotated once, so that the entire surface of the substrate is irradiated with the laser once. The performed state can be easily obtained.
Further, when the above-described irradiation method is employed and the laser irradiation to the same portion of the substrate 3 is performed a plurality of times, the step of repeating the laser irradiation step and the substrate rotating step while the substrate makes one rotation is performed. If the heating step is performed in units and this heating step is repeated a plurality of times, laser irradiation can be performed more uniformly over the entire surface of the substrate.
[0034]
In the method in which the heating step is repeated a plurality of times, a step of rotating the substrate 3 at an arbitrary angle excluding the central angle α (and an integral multiple thereof) of the laser irradiation area 5 is inserted between the heating steps. Is preferred.
That is, since the rotation angle of the substrate 3 in the substrate rotation step after the laser irradiation step in one heating step is the same as the central angle α, the laser irradiation areas 5 during one rotation of the substrate 3 do not overlap each other. Will be. Thus, by rotating the substrate by a predetermined angle between the heating steps, the starting positions of laser irradiation on the substrate are prevented from overlapping in each heating step. This makes it possible to prevent non-uniform heating at the boundary of the region irradiated with the laser on the substrate 3. As a more specific example, assuming that the central angle α is 90 °, as one heating step, a step of rotating the substrate by 90 ° and performing laser irradiation four times is performed, and then the next heating step is started. Before that, the substrate is rotated, for example, by 45 °, and the next heating step is started from that position.
[0035]
Next, the example shown in FIG. 3B shows a case where the planar shape of the laser irradiation area 5 is the same as the example shown in FIG. . The configuration other than the shape of the substrate 3 and the irradiation method can be the same as the example shown in FIG.
As shown in FIG. 3B, when a substrate 3 having a rectangular shape in a plan view is used, the laser irradiation region 5 is arranged so as to include the vertex of the substrate 3. That is, the shape of the laser irradiation region 5 is adjusted such that the length x of the side of the fan-shaped laser irradiation region 5 is equal to or longer than the length of a straight line connecting the rotation center O of the substrate 3 and the apex of the substrate 3. With this configuration, the substrate surface can be uniformly heated regardless of the shape of the substrate 3.
[0036]
As described above, according to the laser irradiation apparatus of the present embodiment, since the substrate 3 is rotatable in the plane, the laser is irradiated while rotating the substrate 3, or the laser is rotated by a predetermined angle after the laser irradiation. According to the method, uniform laser irradiation can be performed on the entire surface of the substrate 3.
In addition, in the conventional irradiation apparatus, in order to irradiate the entire surface of the substrate with the laser, it is necessary to secure a space for moving the substrate in parallel in the irradiation chamber, which causes a problem that the apparatus becomes large. . In particular, when a processing apparatus of a cluster tool type is configured, there is a problem that the balance with other apparatuses such as a CVD film forming apparatus is poor, and the number of apparatuses to be incorporated in the processing apparatus is limited. In order to prevent the substrate 3 from being moved in parallel, it is sufficient to prepare the chamber 8 capable of accommodating at least the substrate 3 and the substrate holding unit 2, and the planar occupation area of the laser irradiation apparatus is greatly increased. Can be smaller. The irradiation device having such dimensions is almost the same size as a CVD film forming device or the like, and is extremely effective especially when configuring a processing device of a cluster tool type.
[0037]
(Application example of laser irradiation device and irradiation method)
Next, as a preferred application example of the laser irradiation apparatus and the irradiation method according to the present invention, a method of manufacturing a thin film semiconductor device will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a case where an n-channel type polycrystalline silicon TFT is manufactured will be described as an example. 4 to 6 are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the thin-film semiconductor device of the present embodiment in the order of steps. In each of the drawings, the scale of each layer and each member is different so that each layer and each member have a size that can be recognized in the drawings.
[0038]
First, as shown in FIG. 4A, after preparing a glass substrate 10 which has been cleaned by ultrasonic cleaning or the like, silicon oxide is applied to the entire surface of the glass substrate 10 under the condition that the substrate temperature is 150 to 450 ° C. A base protective film (buffer film) 11 made of an insulating film such as a film is formed by a plasma CVD method or the like to a thickness of less than 10 μm, for example, about 500 nm. As a raw material gas used in this step, a mixed gas of monosilane and dinitrogen monoxide, TEOS (tetraethoxysilane, Si (OC ₂ H ₅ ) ₄ ) And oxygen, and disilane and ammonia are preferred.
[0039]
Next, as shown in FIG. 4B, under the condition that the substrate temperature is 150 to 450 ° C., an amorphous silicon film (amorphous semiconductor film) is formed on the entire surface of the glass substrate 10 on which the base protective film 11 is formed. A film 21 is formed to a thickness of 30 to 100 nm by a plasma CVD method or the like. Disilane or monosilane is suitable as a source gas used in this step.
Next, as shown in FIG. 4C, the amorphous silicon film 21 is patterned into a shape of an active layer to be formed by a photolithography method. That is, after applying a photoresist on the amorphous silicon film 21, exposure and development of the photoresist, etching of the amorphous silicon film 21, and removal of the photoresist are performed to pattern the amorphous silicon film 21. I do.
[0040]
Next, as shown in FIG. 4D, the glass substrate 10 is placed on the substrate holding part 2 of the laser irradiation apparatus of the above embodiment, and the amorphous silicon By irradiating a laser L from the amorphous silicon film 21 side to the entire surface of the glass substrate 10 on which the film 21 is formed, the patterned amorphous silicon film 21 is annealed, and a polycrystalline silicon film 22 functioning as an active layer is formed. To form In this example, by using the laser irradiation apparatus of the above embodiment, the entire surface of the substrate 10 can be irradiated with the laser L very easily, and the entire surface of the substrate can be treated collectively and uniformly. In the case where the silicon film is crystallized as in this example, the laser irradiation energy on the substrate is, for example, 0.2 to 2 J / cm. ² The irradiation time may be set to about 10 to 100 nsec, and irradiation may be performed once or a plurality of times. In this step, the amorphous silicon film 21 irradiated with the laser L is heated and melted by the laser energy applied to the amorphous silicon film 21, and polycrystallized through a cooling and solidification process.
[0041]
Next, as shown in FIG. 5A, at a temperature of 350 ° C. or less, a gate insulating film made of a silicon oxide film, a silicon nitride film or the like is formed on the entire surface of the glass substrate 10 on which the polycrystalline silicon film 22 is formed. 31 is formed to a thickness of 50 to 150 nm. As a source gas used in this step, a mixed gas of TEOS and oxygen gas or the like is suitable.
[0042]
Next, as shown in FIG. 5B, a metal such as aluminum, tantalum, molybdenum, or any one of these metals is mainly formed on the entire surface of the glass substrate 10 on which the gate insulating film 31 is formed by a sputtering method or the like. After forming a conductive material such as an alloy as a component, the film is patterned by photolithography to form a gate electrode 32 having a thickness of 300 to 800 nm. That is, after applying a photoresist on the glass substrate 10 on which the conductive material is formed, the conductive material is patterned by performing exposure, development, etching of the conductive material, and removal of the photoresist, A gate electrode 32 is formed.
[0043]
Next, as shown in FIG. 5C, about 0.1 × 10 ^Thirteen ~ About 10 × 10 ^Thirteen / Cm ² A low-concentration source region 22b and a low-concentration drain region 22c are formed in a self-alignment manner with respect to the gate electrode 32 by implanting low-concentration impurity ions (phosphorus ions) at a dose of. Here, the portion located immediately below the gate electrode 32 and into which the impurity ions have not been introduced becomes the channel region 22a.
Next, as shown in FIG. 5D, a resist mask (not shown) wider than the gate electrode 32 is formed, and high-concentration impurity ions (phosphorus ions) are reduced to about 0.1 × 10 ^Fifteen ~ About 10 × 10 ^Fifteen / Cm ² To form a high concentration source region 22d and a high concentration drain region 22e.
[0044]
Instead of forming a source region and a drain region having an LDD (Lightly Doped Drain) structure, a high-density impurity (phosphorus ion ) May be implanted to form a source region and a drain region having an offset structure. Alternatively, a high-concentration impurity may be implanted using the gate electrode 32 as a mask to form a self-aligned source and drain region.
[0045]
Next, as shown in FIG. 6A, an interlayer insulating film 33 made of a silicon oxide film or the like is formed to a thickness of 300 to 800 nm on the surface side of the gate electrode 32 by a CVD method or the like. As a source gas used in this step, a mixed gas of TEOS and oxygen gas or the like is suitable. Then, after this step, the impurities implanted into the source regions 22b and 22d and the drain regions 22c and 22e are activated by performing laser annealing using the laser irradiation apparatus of the above embodiment. Even when the impurity is activated in this manner, as described above, by using the laser irradiation apparatus and the irradiation method according to the present invention, it is possible to uniformly and efficiently heat the substrate 10. Therefore, impurities can be activated very efficiently.
[0046]
Next, as shown in FIG. 6B, after a resist mask (not shown) having a predetermined pattern is formed, dry etching of the interlayer insulating film 33 is performed through the resist mask, and Contact holes 34 and 35 are formed in portions corresponding to the concentration source region 22d and the high concentration drain region 22e, respectively.
[0047]
Next, as shown in FIG. 6C, a conductive material such as aluminum, titanium, titanium nitride, tantalum, molybdenum, or an alloy containing any of these metals as a main component is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 33. Is formed by a sputtering method or the like, and then patterned by a photolithography method to form a source electrode 36 and a drain electrode 37 having a thickness of 400 to 800 nm. That is, after coating a photoresist on the glass substrate 10 on which the conductive material is formed, the conductive material is patterned by performing exposure, development, etching of the conductive material, and removal of the photoresist, A source electrode 36 and a drain electrode 37 are formed. As described above, the n-channel type polycrystalline silicon TFT 50 can be manufactured.
[0048]
In the manufacturing method according to the present embodiment, the amorphous silicon film 21 is patterned to reduce its formation area, and then laser annealing is performed by the laser irradiation apparatus according to the previous embodiment. It is a matter of course that the laser L may be irradiated while the amorphous silicon film 21 is formed.
[0049]
Further, in the manufacturing method of the present embodiment, as a method of polycrystallizing the amorphous silicon film 21, laser annealing by the laser irradiation apparatus according to the present invention is employed. In the step of performing the conversion, the laser irradiation on the entire surface of the glass substrate 10 can be performed extremely efficiently, and the entire surface of the substrate can be uniformly processed. Therefore, according to the manufacturing method of the present embodiment, in the step of polycrystallizing the amorphous silicon film 21, the crystal in the beam overlap region, which has been a problem when the conventional laser annealing is adopted, is used. Sex variation can be eliminated. In addition, the adoption of a mechanism for rotating the substrate to scan the entire surface of the substrate allows the laser irradiation apparatus to be significantly reduced in size, thereby improving the balance of the entire thin-film semiconductor manufacturing apparatus, and particularly improving the cluster. This is convenient when configuring a tool type semiconductor manufacturing apparatus. Further, in the step of polycrystallizing the amorphous silicon film 21 and the step of activating the impurities, laser annealing by the laser irradiation apparatus according to the present invention can be employed, and the thin film semiconductor device can be efficiently manufactured. It is possible to do.
[0050]
Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, the entire substrate can be uniformly laser-annealed, so that a high-quality polycrystalline silicon film 22 with small crystallinity variation can be formed, and the mobility and the like can be improved. A TFT with excellent characteristics can be manufactured.
[0051]
In this example, the case where an n-channel TFT is manufactured has been described as an example, but the present invention can be similarly applied to a case where a p-channel TFT is manufactured. Further, the manufacturing method of the present embodiment can be suitably applied particularly to the case of manufacturing a display device such as an active matrix type liquid crystal device or an EL device in which a large number of TFTs are formed on a substrate.
Further, the present invention can be applied to the activation of impurities when manufacturing a semiconductor device other than a transistor such as a diode or a solar cell, a source and a drain of a semiconductor device using a Si substrate, an electrode of a transistor using polysilicon, a wiring, and the like. it can.
Further, the laser irradiation method according to the present invention is not limited to the above-described method for manufacturing a semiconductor device, and can be applied without any problem as long as it is a method for manufacturing a device or the like having a step of performing a heat treatment on a substrate.
[0052]
In the above, the case where the laser irradiation apparatus according to the present invention is applied to both the crystallization step of the amorphous silicon film and the impurity activation step has been described. Of course, the laser irradiation apparatus according to the present invention can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser irradiation apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a substrate holding unit and a substrate.
FIGS. 3A and 3B are plan views of a substrate holding unit and a substrate. FIG.
FIG. 4 is a sectional process view of the thin-film semiconductor device.
FIG. 5 is a sectional process view of the thin-film semiconductor device.
FIG. 6 is a sectional process view of the thin-film semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1 laser generator, 2 substrate holder, 3 substrate, 4 optical system, 5 laser irradiation area, 6 rotation driver

Claims

In a laser irradiation device that irradiates a substrate with a laser and heats it,
A laser generator for emitting the laser,
A substrate holding unit that supports the substrate,
A laser drive unit for rotating a laser irradiation area on the substrate surface on the substrate surface.

The laser irradiation device according to claim 1,
The laser irradiation device, wherein the rotation driving unit is connected to the substrate holding unit and is capable of rotating the substrate holding unit.

The laser irradiation apparatus according to claim 2,
A laser irradiation apparatus, wherein a shape of a laser irradiation area on the surface of the substrate is a substantially linear shape or a substantially fan shape extending from a rotation center of the substrate to a peripheral edge of the substrate.

The laser irradiation apparatus according to claim 3,
The laser irradiated to the substrate is a continuous wave laser,
A laser irradiation apparatus, wherein a shape of the laser irradiation area is substantially linear, and a laser energy per unit area in the laser irradiation area is increased toward an outer peripheral portion of the substrate.

The laser irradiation apparatus according to claim 3,
A laser irradiation device, wherein the shape of the laser irradiation region is substantially fan-shaped, and the central angle of the laser irradiation region is 1 / n of 360 ° (n is an integer of 2 or more).

When heating the substrate surface by irradiating a laser to the substrate surface from the laser irradiation unit,
A method of irradiating a laser, comprising: rotating a laser irradiation area on the surface of the substrate relative to the substrate.

In the laser irradiation method according to claim 6,
A laser irradiation step in which the shape of the laser irradiation area is substantially fan-shaped in a plan view extending from the center of rotation of the substrate toward the outer periphery of the substrate, and a laser irradiation step of irradiating the laser irradiation area with the substantially fan-shaped laser; A substrate rotation step of rotating the substrate by a central angle of the laser irradiation region to heat the substrate.

In the laser irradiation method according to claim 7,
A laser irradiation method, wherein a central angle of the laser irradiation area is 1 / n of 360 ° (n is an integer of 2 or more).

In the laser irradiation method according to claim 7 or 8,
The laser irradiation step and the substrate rotating step, the step of repeating while the substrate makes one rotation, as a heating step,
A laser irradiation method, wherein the heating step is repeated a plurality of times.

The laser irradiation method according to claim 9,
A method of irradiating a laser, comprising a step of rotating the substrate at an arbitrary angle other than an integral multiple of a central angle of a laser irradiation area between the heating step and the heating step.

The laser irradiation method according to claim 6,
Irradiating the substrate with a laser while continuously rotating the substrate;

A method for manufacturing a semiconductor device including a polycrystalline semiconductor film on a substrate,
Forming an amorphous semiconductor film on the substrate;
A step of annealing the amorphous semiconductor film using the laser irradiation method according to any one of claims 6 to 11 to form a polycrystalline semiconductor film. Production method.

A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
A method of irradiating a semiconductor film with a laser using the laser irradiation method according to any one of claims 6 to 11 to activate impurities implanted in the semiconductor film. A method for manufacturing a semiconductor device.