JP2005294735A

JP2005294735A - 照射エネルギ密度の決定方法、半導体基板の製造方法および半導体基板の製造装置

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Publication number: JP2005294735A
Application number: JP2004111108A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kiyouho; 昌則享保; Yasuhiro Mitani; 康弘三谷; Hiroshige Nozaki; 弘茂野崎; Takato Fujiwara; 旅人藤原; Katsumi Nomura; 克己野村; Koji Fukuda; 幸司福田; Hirokazu Tomokage; 裕和友景
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-04-05
Also published as: JP5127111B2

Abstract

【課題】レーザ光を照射することによって被照射膜の結晶性を高める際に、レーザ発振器の状態の変化などの影響によって、得られる被照射膜の結晶性にばらつきが生じさせないレーザ光の照射エネルギ密度を決定する方法、その方法を用いた半導体基板の製造方法およびそれを用いた半導体基板の製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】基板上に形成された被照射膜に対して、種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射し、照射エネルギ密度ごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定することによって、エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する。ここで対応関係情報とは、たとえば、図３で示した照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。この対応関係情報に基づいて、あらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板上に形成された被照射膜、たとえば、非晶質Ｓｉ膜のような半導体膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度の決定方法、この方法により決定された照射エネルギ密度を有するレーザ光を用いてレーザアニール処理を行う半導体基板の製造方法およびこの方法を用いた半導体の製造装置に関する。

レーザ光は、コヒーレント光であり、収束性に優れるので、溶接、切断および表面処理などの様々な加工分野に利用されている。レーザ光を利用する加工分野の１つに、たとえば、基板上に成膜された非晶質シリコン（アモルファスシリコン，ａ−Ｓｉ）膜にレーザ光を照射して加熱し、多結晶Ｓｉ膜を形成するレーザアニール処理がある。このレーザアニール処理は、非晶質Ｓｉ膜にレーザ光を照射することによって、Ｓｉの加熱溶融と凝固との過程を通じてａ−Ｓｉ膜を多結晶Ｓｉ膜にするものである。

液晶表示装置のスイッチング素子、シフトレジスタおよびデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ回路などの高機能半導体集積回路には、多結晶Ｓｉ膜をトランジスタ能動層として用いた薄層トランジスタ（ＴＦＴ）素子が利用されている。基板上に成膜されたＳｉ膜が、非晶質Ｓｉ膜であると、それがトランジスタ能動層を構成するには、キャリア移動度が低すぎて、高速性と高性能とが要求される集積回路への利用は困難である。そこで、Ｓｉ膜の結晶性を改善するために、基板上に成膜された非晶質Ｓｉ膜にレーザアニール処理を施す方法、つまり、非晶質Ｓｉ膜にレーザ光を照射して溶融と凝固との過程を通じて結晶化させることにより多結晶Ｓｉ膜を形成する方法が用いられている。

このようなレーザアニール処理によって多結晶Ｓｉ膜を形成する方法においては、得られる多結晶Ｓｉ膜の結晶性が、非晶質Ｓｉ膜に照射されるレーザ光の照射エネルギ密度に大きく影響を受ける。レーザ光の照射エネルギ密度が低すぎる場合、充分に結晶成長が進まず、Ｓｉ膜に非晶質Ｓｉ部分が多く残るので、得られる多結晶Ｓｉ膜の特性は非常に低くなってしまう。また、逆にレーザ光の照射エネルギ密度が高すぎる場合、非晶質Ｓｉ膜は微結晶粒と呼ばれる粒径が数〜数十ｎｍの微細結晶の集合体となってしまう微結晶化が起こり、得られる多結晶Ｓｉ膜特性が低下してしまう。つまり、レーザアニール法によって非晶質Ｓｉ膜を結晶化する場合、照射するレーザ光の照射エネルギ密度を高くするほど、得られるＳｉ膜の結晶性は高くなるが、照射エネルギ密度が高すぎると、得られるＳｉ膜は、微結晶化してしまい、その結晶性を急激に低下させてしまう。したがって、レーザアニール法によって非晶質Ｓｉ膜を結晶化するに際しては、結晶性が急激に低下しない範囲で最も高い照射エネルギ密度を閾値として、その閾値以下で可能な限り高い照射エネルギ密度に設定されるのが望ましい。

しかしながら、実際には、閾値は、レーザビーム形状、光学系の透過率および非晶質Ｓｉ膜の膜厚などによって大きく変動してしまう。したがって、レーザアニール法を用いて多結晶Ｓｉ膜を製造する場合には、まず、基板一枚あるいは数十枚〜数百枚単位ごとに、基板の一部あるいは全体を用いて閾値を判定する。さらに、レーザ光を発振するレーザ光発振器は、設定値通りのエネルギ密度を有するレーザ光を発振するとは限らない。つまり、レーザ発振器は、設定したエネルギ密度より装置マージンと呼ばれる幅で高いまたは低いエネルギ密度を有するレーザ光を発振する。設定値を閾値にすると、閾値より高いエネルギ密度を有するレーザ光を半導体膜に照射することが生じてしまい、このような場合、半導体膜は、微結晶化し、半導体膜の特性を急激に悪化させてしまう。したがって、判定して閾値より、照射されるレーザ光の照射エネルギ密度に対するレーザ発振器による誤差の幅だけ低いエネルギ密度をレーザアニール法の処理条件として設定する方法が用いられている。

この閾値を判定する方法として、オペレータによる非晶質Ｓｉ膜上の予備照射部の目視判断およびラマン分光測定により得られるラマンスペクトルの半値幅解析に基づく結晶性判断によって、選定するという方法がとられていた。しかしながら、目視判断は、オペレータの経験および勘に依存する部分が大きく、客観性に乏しいので、オペレータが異なれば選定値が異なるばかりでなく、同じオペレータであっても体調などによって日ごとに選定値が異なるなど、判断基準の安定性に欠ける。また、半値幅解析は、データ処理および解析に長時間を必要とするので、まさに製造工程中の基板に対するレーザアニール処理条件へのリアルタイムフィードバックには不向きであり、レーザアニール処理後の結晶性の確認に用いられるにすぎなかった。

上記のような従来の技術は、特許文献１に記載されている。特許文献１のレーザアニール方法は、基板ごとに基板上に形成された被アニール膜の膜厚をエリプソメータで測定し、膜厚を測定した被アニール膜に種々の照射エネルギを有するレーザ光を照射した後、その結晶化状態を顕微ラマン分光分析によって測定し、最適な結晶化状態となった部分に照射したレーザ光の照射エネルギに基づいて、被アニール膜を結晶化させるのに好適な照射エネルギを決定する方法である。照射後の被アニール膜の結晶化状態は、その膜厚に依存するので、被アニール膜の膜厚に基づく好適な照射エネルギを決定することができる。しかし、顕微ラマン分光分析による結晶化状態の測定およびエリプソメータによる膜厚の測定は、ともに長時間を要するので、製造工程中に、レーザ光の照射エネルギを決定すると、生産性が悪くなる。

また他の従来の技術は、特許文献２に記載されている。特許文献２の半導体装置の製造方法は、アモルファスシリコン膜に対して、種々の試行条件でレーザ照射を行った後、そのレーザビームを照射した部分を光学顕微鏡による暗視野像の解析により、照射するレーザ光の照射条件を決め、その照射条件でアモルファスシリコン膜にレーザビームを照射する方法である。光学顕微鏡による暗視野像の解析は、表面の性状に敏感であるため、アモルファスシリコン膜の結晶状態を測定でき、その結晶状態に基づき、レーザ光の好適な照射条件を決定することができる。しかし、光学顕微鏡による暗視野像の解析は、長い時間を要してしまうので、レーザ光の照射条件を製造工程中に決定すると、生産性が悪くなる。

これらの問題を解決する典型的な従来の技術は、特許文献３に記載されている。特許文献３の半導体膜の製造方法は、基板上の半導体膜にエネルギ光（レーザ光）を照射した後、半導体膜表面の散乱光強度に基づいて、基板ごとに、半導体膜が微結晶化しない最大のエネルギ密度を閾値として判断して、その閾値より一定値低いエネルギ密度を有するエネルギ光を半導体膜に照射する方法である。

また他の従来の技術として、特許文献３の技術に類似の技術が特許文献４に記載されている。特許文献４の液晶表示装置の製造方法は、反応容器内で、基板の表面に形成された非晶質半導体にエキシマレーザを照射してアニール処理を施して、非晶質半導体を多結晶化させる際、非晶質半導体に検査光を照射し、その散乱光を検出器で検出することによって、結晶性を評価しながら、所望の結晶性が得られるまで数回アニール処理をする方法である。

特開平１０−２８４４３３号公報特開２００２−８９７６号公報特開２０００−１１４１７４号公報特開２００２−９０１２号公報

結晶性の高い半導体膜を効率的に得るためには、半導体膜に照射するレーザ光の最適な照射エネルギ密度を容易に決定することができる必要がある。

特許文献３に開示されている半導体装置の製造方法によると、微結晶化の閾値を判定し、その閾値より一定値低いエネルギ密度を有するレーザ光を半導体膜に照射するので、半導体膜は、微結晶化せずに結晶性の高いものにすることができる。

以下に、特許文献３に開示されている半導体装置の製造方法を詳細に説明する。まず、種々のエネルギ密度を有するレーザ光を基板上に形成されている半導体膜に照射し、半導体膜表面の散乱光強度を測定することによって、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との関係を示すグラフを求めることができる。

図６は、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との関係を示すグラフの一例である。横軸は、半導体膜に照射したレーザ光のエネルギ密度（ｍＪ／ｃｍ^２）を示し、縦軸は、表面散乱光強度を示す。ライン３１は、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。図からわかるように、エネルギ密度が増加すると、表面散乱光強度は増加する。つまり、表面散乱光強度の増加は、半導体膜の結晶性の向上を表わしているので、照射するレーザ光のエネルギ密度が増加すると、得られる半導体膜は、結晶性の高いものとなる。しかし、閾値である約３６０ｍＪ／ｃｍ^２より高いと、半導体膜は、微結晶化してしまい、表面散乱光強度が急激に低下する。したがって、閾値であるエネルギ密度を有するレーザ光が、半導体膜を製造するために最も好ましいが、レーザ発振器には、マージンがあるので、レーザ光のエネルギ密度の設定値を閾値より矢符３３で示す装置マージンの約１５ｍＪ／ｃｍ^２の分だけ低いエネルギ密度である約３４５ｍＪ／ｃｍ^２に設定する。そうすることによって、閾値より高いエネルギ密度になることはなく、さらに閾値より高くない範囲内で可能な限り高いエネルギ密度を有するレーザ光を半導体膜に照射することができるので、得られた半導体膜は、微結晶化することなく、結晶性の高い好ましいものとなる。

しかし、実際には、所定枚数の基板を処理した後、または、所定回数レーザ光を発振した後には、レーザ発振器内のレーザガスが劣化してしまい、レーザガスを新しいガスに交換するという作業が必要不可欠である。このレーザガス交換の際、レーザ発振器状態が微妙に変化してしまうことにより、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化してしまう。

図７は、レーザガス交換したレーザ発振器を用いて照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報である。図６と同様に、横軸は、半導体膜に照射したレーザ光のエネルギ密度（ｍＪ／ｃｍ^２）を示し、縦軸は、表面散乱光強度を示す。ライン４１は、図６のライン３１であり、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線の一例である。ライン４２および４３は、レーザ発振器のレーザガスを交換した際のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。図からわかるように、レーザガスが交換されてレーザ発振器の状態が変化すると、閾値であるエネルギ密度を有するレーザ光を照射したときの表面散乱光強度はほぼ一定となるが、エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線は、変化してしまう。なお、レーザガスの交換と比較すれば、その度合いは小さいが、被アニール膜である非晶質Ｓｉ膜の膜厚、レーザガスの経時的劣化およびレーザアニール装置の光学系透過率の変化によってもエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化してしまう場合もある。

このように、エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化し、さらに、閾値が、ライン４１の場合、約３６０ｍＪ／ｃｍ^２、ライン４２の場合、約３５０ｍＪ／ｃｍ^２、ライン４３の場合は、約３４０ｍＪ／ｃｍ^２と変化する。このような場合であっても、矢符４４で示す装置マージンである約１５ｍＪ／ｃｍ^２分だけそれぞれの閾値より低いエネルギ密度を照射するレーザ光のエネルギ密度として決定する。このようにして決定したエネルギ密度は、それぞれの特性曲線においては、閾値より高いエネルギ密度にならない範囲で設定できるので好ましいが、得られた半導体膜の散乱光強度は、ライン４１の場合、約６０、ライン４２の場合、約６５、ライン４３の場合、約７０となり、半導体膜の表面散乱光強度にばらつきが生じてしまう。つまり、レーザガスの交換などの際、レーザ発振器の状態が変化することによって、エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化してしまうにもかかわらず、そのことを考慮せずに、閾値より一定値だけ低いエネルギ密度を設定しているために、得られる半導体膜の結晶性にばらつきが発生してしまう。このようなばらつきは、多結晶Ｓｉ膜を用いたＴＦＴ素子特性にも大きなばらつきが生じてしまい、この能動素子により構成される駆動回路、シフトレジスタおよびＤ／Ａコンバータなどの高機能回路を設計する際の大きな障害となってしまう危険性がある。

特許文献４に開示されている液晶表示装置の製造方法によると、反応容器内で、非晶質半導体にエキシマレーザを照射してアニール処理を施して、非晶質半導体に検査光を照射し、その散乱光を検出器で検出することによって、非晶質半導体の結晶性を評価しながら、所望の結晶性が得られるまでアニール処理をするので、得られた半導体は、結晶性の高いものとなる。しかし、１回のアニール処理で用いるエキシマレーザの出力が、非晶質半導体に対して大きすぎると、所望の結晶性が得られるまでに、微結晶化してしまい、著しく結晶性が劣ってしまう。また、１回のアニール処理で用いるエキシマレーザの出力が、小さいと、所望の結晶性が得られるまでに、数回アニール処理をしなければならず、時間がかかってしまう。

本発明の目的は、レーザ光を照射することによって被照射膜の結晶性を高める際に、レーザ発振器の状態の変化などの影響によって、得られる被照射膜の結晶性にばらつきが生じさせないレーザ光の照射エネルギ密度を決定する方法、その方法を用いた半導体基板の製造方法およびそれを用いた半導体基板の製造装置を提供することである。

本発明は、基板上に形成された被照射膜に対して種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する予備照射工程と、
照射エネルギ密度ごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定する表面散乱光強度測定工程と、
照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する対応関係情報作成工程と、
対応関係情報に基づいてあらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する照射エネルギ密度決定工程とを有することを特徴とする照射エネルギ密度の決定方法である。

また本発明は、前記の照射エネルギ密度の決定方法によって、レーザ光の照射エネルギ密度を決定する処理条件決定工程と、
決定したエネルギ密度を有するレーザ光を被照射膜に照射してレーザアニール処理をするレーザアニール工程とを有することを特徴とする半導体基板の製造方法である。

また本発明は、所定の条件が満たされたときに、再度、処理条件決定工程を行って、レーザ光の照射エネルギ密度を再決定することを特徴とする。

また本発明は、所定の条件は、レーザ発振器のレーザガスが交換されたことであることを特徴とする。

また本発明は、所定の条件は、一枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする。

また本発明は、前記所定の条件は、複数枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする。

また本発明は、基板上に形成された被照射膜に対して種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する予備照射手段と、
照射エネルギ密度ごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定する表面散乱光強度測定手段と、
照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する対応関係情報作成手段と、
対応関係情報に基づいてあらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する照射エネルギ密度決定手段と、
決定したエネルギ密度を有するレーザ光を被照射膜に照射してレーザアニール処理をするレーザアニール手段とを有することを特徴とする半導体基板の製造装置である。

本発明によれば、基板上に形成された被照射膜に対して、種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射し、照射エネルギ密度ごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定することによって、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する。この対応関係情報に基づいて、あらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する。ここで対応関係情報とは、たとえば、図３で示した照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。

したがって、この特性曲線に基づいて、目標値から照射エネルギ密度を決定しているので、特性曲線の変化に応じた照射エネルギ密度の決定が可能となる。

また本発明によれば、前記の方法によって決定された照射エネルギ強度を有するレーザ光を被照射膜に照射してレーザアニール処理をすることによって、特性曲線の変化に応じた照射エネルギ密度を決定することができるので、表面散乱光強度のばらつきの小さい、つまり、結晶性のばらつきが少ない被照射膜を形成することができる。

また本発明によれば、レーザ発振器の状態が変化するなどの所定の条件が満たされたときに、再度、上記の方法によってレーザ光の照射エネルギ密度を再決定するので、得られる被照射膜の表面散乱光強度があらかじめ設定した目標値付近のばらつきの小さいものになり、結晶性のばらつきが少ない被照射膜を形成することができる。

また本発明によれば、レーザ発振器の状態が最も変化するレーザガスの交換を行うたびに、上記の方法で照射エネルギ密度を再決定するので、結晶性のばらつきが小さい被照射膜を効率的に得ることができる。

また本発明によれば、一枚の基板にレーザアニール処理を行うたびに、上記の方法で照射エネルギ密度を再決定するので、結晶性のばらつきが非常に小さい被照射膜を形成することができ、さらに被照射膜の膜厚の変化、レーザビーム形状および光学系の透過率の変化など種々の変化に影響されずに結晶性のばらつきが小さい被照射膜を形成することができる。

また本発明によれば、複数枚の基板にレーザアニール処理を行うたびに、たとえば、レーザ発振器の特性に応じて、レーザ発振器の状態が変化する頃に、上記の方法で照射エネルギ密度を再決定するので、レーザ発振器の特性に応じて、結晶性のばらつきが小さい被照射膜を効率的に得ることができる。

また本発明によれば、予備照射手段によって、被照射膜に対して種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射し、表面散乱光強度測定手段によって、照射エネルギ密度ごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定し、対応関係情報作成手段によって、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する。照射エネルギ密度決定手段によって、この関係に基づいて、あらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定し、レーザアニール手段によって、レーザ光を被照射膜に照射してレーザアニール処理をすることができる装置である。

したがって、このような装置を用いると、レーザ発振器の状態の変化などに関わらず、結晶性にばらつきが少ない被照射膜を形成することができる。

本発明は、レーザアニール処理において、被照射膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する方法に特徴があり、所定の条件を満たすたびに、再決定を行う。

図１は、本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。ここで、所定の条件は、レーザ発振器のレーザガスが交換されたことであり、被照射膜は、半導体ウエハおよびガラス基板などの基板上に形成された半導体薄膜である。製造を開始すると、まず、ステップＡ１の処理が行われる。ステップＡ１では、後述する方法によって半導体薄膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する。ステップＡ２では、ステップＡ１で決定された照射エネルギ密度を有するレーザ光を半導体薄膜に照射して一枚の基板にレーザアニール処理を行う。ステップＡ３では、レーザアニール処理をすべき基板が残っているとＣＰＵ（Central Processing Unit）が判断すると、ステップＡ４に進み、レーザアニール処理をすべき基板が残っていないとＣＰＵが判断すると、半導体基板の製造を終了する。ステップＡ４では、レーザガスが交換されたとＣＰＵが判断すると、Ａ１に戻って、照射エネルギ密度を再決定する。また、レーザガスが交換されていないとＣＰＵが判断すると、Ａ２に戻り、次の基板にレーザアニール処理を行う。

レーザ発振器のレーザガスを交換すると、レーザ発振器の状態が大きく変化してしまうが、そのたびごとに照射するレーザ光の照射エネルギ密度を再決定する。こうすることによって、レーザ発振器の状態が最も変化するときに、照射エネルギ密度の決定を行うので、効率よくレーザアニール処理を行うことができ、さらに被照射膜の結晶性のばらつきの小さいものを得ることができる。また、被照射膜は、具体的には、Ｓｉウエハおよびガラス基板などの上に形成されていた半導体膜、特に非晶質Ｓｉ膜であり、本発明であるレーザアニール方法による処理後には、結晶性のばらつきの小さいポリＳｉ膜が得られる。

図２は、本発明の実施の一形態である照射エネルギ密度の決定方法を示すフローチャートである。まず、ステップＢ１では、被照射膜に種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する。ステップＢ２では、照射エネルギごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定する。ステップＢ３では、照射したレーザ光の照射エネルギ密度と測定した表面散乱光強度とに基づいて、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する。その情報は、図３に示す。ステップＢ４では、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報に基づいて、あらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する。ここで、対応関係情報とは、たとえば、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線であってもよいし、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との関係式であってもよい。以下では、対応関係情報は、特性曲線として説明する。なお、目標値である表面散乱光強度は、製品スペックに基づく値を後述の装置に入力し、メモリに記憶しておく。また、ステップＢ４で決定される表面散乱光強度が目標値となるような照射エネルギ密度が複数ある場合は、最も小さい照射エネルギ密度に決定する。

図３は、レーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。横軸は、半導体膜に照射したレーザ光のエネルギ密度（ｍＪ／ｃｍ^２）を示し、縦軸は、表面散乱光強度を示す。ライン１，２および３は、レーザ発振器のレーザガスを交換することによるレーザ発振器の状態が変化した際の照射するレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。図３に示すように、レーザ発振器の状態が変化すると、閾値となる照射エネルギ密度を照射したときの表面散乱光強度はほぼ一定であるが、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線は、ライン１，２および３のように変化する。たとえば、表面散乱光強度の目標値を６０とすると、照射エネルギ密度は、ライン１の場合、約３４５ｍＪ／ｃｍ^２，ライン２の場合、約３３０ｍＪ／ｃｍ^２，ライン３の場合、約３１５ｍＪ／ｃｍ^２となる。このような照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射すると、得られる被照射膜の表面散乱光強度は、すべて約６０となる。縦軸である表面散乱光強度は、計測する機器に依存する値であるが、一定の条件の下では、被照射膜の結晶化状態を反映させた値となるので、結晶性の均一な被照射膜を得ることができたことがわかる。

図４は、本発明の実施の一形態であるレーザアニール装置１１の構成を簡略化して示す系統図である。レーザアニール装置１１は、レーザ光を出射するレーザ発振器１２と、被照射膜１７をその平面状において複数の領域に区分し、区分された領域ごとに、レーザ発振器１２から出射されるレーザ光を導くとともに、レーザ光の光量を領域ごとに可変に調整することのできる照射光学系１３と、被照射膜の表面散乱光強度を領域ごとに測定する表面散乱光強度測定手段１４と、被照射膜に照射されたレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度測定手段１４の出力との関係に基づいて、レーザ発振器１２の発振出力または照射光学系１３の光量を調整することによって、レーザ光の被照射膜に対する照射エネルギ密度を制御する制御手段１５とを含む。

本実施の形態のレーザアニール装置１１は、たとえばガラス製の基板１６の上に形成された被照射膜である非晶質Ｓｉ膜１７に対して、レーザ光を照射してアニール処理を施すことに用いられる。非晶質Ｓｉ膜１７の形成された基板１６である半導体基板２１は、少なくとも２軸方向に移動可能なＸ−Ｙテーブル１８上に載置される。Ｘ−Ｙテーブル１８には、図示を省略する駆動手段と、駆動手段の動作を制御してテーブル上の基板１６を所望の位置に移動させることのできる駆動手段の制御部とが備えられている。非晶質Ｓｉ膜１７の形成された基板１６およびＸ−Ｙテーブル１８は、加工容器である処理チャンバ１９の内部空間２０に収容される。

処理チャンバ１９は、たとえば金属製の箱型容器である。処理チャンバ１９には、図示を省略する真空ポンプとその配管系および不活性ガスまたは活性ガスの供給源とその配管系が設けられ、真空雰囲気またはその他任意のガス雰囲気中で、非晶質Ｓｉ膜のレーザアニール処理が可能なように構成される。

レーザ光を出射するレーザ発振器１２は、本実施の形態では希ガスとハロゲン化物とのエキシマを利用したＸｅＣｌエキシマレーザを発振するものである。レーザ発振器１２は、制御手段１５からの制御信号によって、その発振出力が可変なように構成される。なお、ＸｅＣｌエキシマレーザを発振するレーザ発振器以外にもＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザおよびその他のエキシマレーザなどを発振するレーザ発振器も用いることができる。

照射光学系１３は、レーザ発振器１２から出射されるレーザ光の光路を曲げて、処理チャンバ１９内の非晶質Ｓｉ膜１７へ導く光反射部材と、レーザ光の光量を可変に調整する光量調整部材とを含んで構成される。本実施の形態では、レーザ発振器１２から出射されるレーザ光の光量を減衰させることによって、光量を可変に調整する方法を採っているので、図４では、照射光学系１３を光量調整機能で代表し、減衰器を表すアッテネータと表記している。照射光学系１３に備わる光量調整部材（アッテネータ）には、（ａ）透過率の異なる複数の部分透過ミラーを備え、この部分ミラーを選択して光路に挿入するもの、（ｂ）ハーフミラーを光路に挿入し、このハーフミラーとレーザ光のビームとの角度を変えるもの、（ｃ）偏光板を光路に挿入し、その偏光軸の方向を変えるものなどのうち、いずれを用いてもよい。

表面散乱光強度測定手段１４は、測定用のレーザ光を所定の入射角で非晶質Ｓｉ膜１７に照射して、入射角に対応した角度以外の角度に設置した検知器により非晶質Ｓｉ膜１７表面での散乱光強度を検出することにより、非晶質Ｓｉ膜１７の結晶化状態を測定することができる装置である。

制御手段１５は、ＣＰＵを備える処理回路であり、たとえばマイクロコンピュータなどによって実現される。メモリ２１には、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの公知のものを用いることができる。

メモリ２１は、非晶質Ｓｉ膜１７に照射したレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との関係をストアする。この照射エネルギ密度と表面散乱光強度との関係に基づいて、上記のような照射エネルギ密度の決定方法によって、照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する。また、メモリ２１は、目標値として入力された表面散乱光強度およびレーザアニール処理をした枚数を記憶する。

したがって、この装置を用いると、結晶性にばらつきが少ない被照射膜を形成することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。ここで、所定の条件は、第１の実施形態とは異なり、レーザ発振器のレーザガスを交換されたことではなく、所定枚数の基板がレーザアニール処理されたことである。所定枚数とは、複数枚であって、あらかじめメモリ２１に記憶されている。製造を開始すると、まず、ステップＣ１の処理が行われる。ステップＣ１では、上記の照射エネルギ密度の決定方法によって、被照射膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する。ステップＣ２では、ステップＣ１で決定された照射エネルギ密度を有するレーザ光を半導体薄膜に照射して、一枚の基板をレーザアニール処理する。また、メモリに記憶している処理枚数の値を＋１する。ステップＣ３では、レーザアニール処理をすべき基板が残っているとＣＰＵが判断すると、ステップＣ４に進み、レーザアニール処理をすべき基板が残っていないとＣＰＵが判断すると、半導体装置の製造を終了する。ステップＣ４では、所定枚数と処理枚数とを比較して、所定枚数と処理枚数とが同じであるとＣＰＵが判断すると、ステップＣ１に戻る。なお、ステップＣ１では、照射エネルギ密度を再決定し、メモリに記憶している処理枚数をゼロにする。所定枚数のほうが処理枚数より大きいと、ＣＰＵが判断すると、ステップＣ２に戻る。

したがって、レーザ発振器に応じて、レーザ発振器の状態が変化する頃に、照射エネルギ強度が最適化されるので、結晶性のばらつきが小さい被照射膜を効率的に得ることができる。

また、所定枚数というのは、一枚であってもよい。この場合、基板ごとに照射エネルギ密度を再決定する。そうすることによって、結晶性のばらつきが非常に小さい被照射膜を得ることができる。

なお、レーザガスの交換した後、または、所定枚数の基板を処理した後に照射エネルギ密度の決定方法を行う場合は、基板上の被照射膜の一部を用いて行ってもよいし、全部を用いて行ってもよいが、基板ごとに照射エネルギ密度の決定方法を行う場合は、基板上の被照射膜の一部を用いて行う必要がある。

本発明の第１の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。本発明の実施の一形態である照射エネルギ密度の決定方法を示すフローチャートである。照射したレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報である。本発明の実施の一形態であるレーザアニール装置１１の構成を簡略化して示す系統図である。本発明の第２の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との関係を示すグラフの一例である。レーザガス交換したレーザ発振器を用いて照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報である。

符号の説明

１１レーザアニール装置
１２レーザ発振器
１３照射光学系
１４表面散乱光強度測定手段
１５制御手段
１６基板
１７非晶質Ｓｉ膜
１８Ｘ−Ｙテーブル
１９処理チャンバ
２０内部空間
２１メモリ
２２半導体基板

Claims

基板上に形成された被照射膜に対して種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する予備照射工程と、
照射エネルギ密度ごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定する表面散乱光強度測定工程と、
照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する対応関係情報作成工程と、
対応関係情報に基づいてあらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する照射エネルギ密度決定工程とを有することを特徴とする照射エネルギ密度の決定方法。
請求項１記載の照射エネルギ密度の決定方法によって、レーザ光の照射エネルギ密度を決定する処理条件決定工程と、
決定した照射エネルギ密度を有するレーザ光を被照射膜に照射してレーザアニール処理をするレーザアニール工程とを有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
所定の条件が満たされたときに、再度、処理条件決定工程を行って、レーザ光の照射エネルギ密度を再決定することを特徴とする請求項２記載の半導体基板の製造方法。
所定の条件は、レーザ発振器のレーザガスが交換されたことであることを特徴とする請求項３記載の半導体基板の製造方法。
所定の条件は、一枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする請求項３記載の半導体基板の製造方法。
所定の条件は、複数枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする請求項３記載の半導体基板の製造方法。
基板上に形成された被照射膜に対して種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する予備照射手段と、
照射エネルギ密度ごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定する表面散乱光強度測定手段と、
照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する対応関係情報作成手段と、
対応関係情報に基づいてあらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する照射エネルギ密度決定手段と、
決定した照射エネルギ密度を有するレーザ光を被照射膜に照射してレーザアニール処理をするレーザアニール手段とを有することを特徴とする半導体基板の製造装置。