JP2006135251A - Laser crystallization equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体製造装置に係わり、特に相変化型不揮発メモリや相変化型トランジスタの初期結晶化を行う結晶化装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly to a crystallization apparatus that performs initial crystallization of a phase change nonvolatile memory and a phase change transistor.
コンピュータの演算素子(MPU)を取り巻く記憶装置(メモリ)はアクセススピードをはじめ、記憶容量(密度)、ビット単価、可換性等の特性を活かし、目的とする装置が設計に基づいたシステムになるよう階層的に配置構成されている。個々の特性として、例えば、SRAMやDRAMは高速動作が可能でありMPUの高速動作を直接的に補助する位置にあるが、電源供給を止めれば保存データが消えてしまう揮発性である。一方、EEPROMは比較的高速であり電源供給を止めても保存データが消えない不揮発性であるが、ビット単価が非常に高い。ハードディスクや光ディスクは不揮発性でありビット単価が安いが、高速動作ができないといった各々の特徴がある。 The storage device (memory) surrounding the computing element (MPU) of the computer takes advantage of characteristics such as access speed, storage capacity (density), bit unit price, and commutability, and the target device becomes a system based on the design. Hierarchically arranged and configured. As individual characteristics, for example, SRAM and DRAM are capable of high-speed operation and are in a position to directly assist high-speed operation of the MPU, but are volatile so that stored data disappears if power supply is stopped. On the other hand, the EEPROM is relatively fast and is non-volatile so that the stored data will not be lost even if the power supply is stopped, but the bit unit price is very high. Hard disks and optical disks are non-volatile and have a low cost per bit, but have the respective characteristics that they cannot operate at high speed.
各メモリの利点を集約した次世代メモリとしてFRAM(Ferroelectric RAM)やPCRAM(Phase change RAM),MRAM(Magnetoresistive RAM)といった半導体メモリの研究・開発がなされている。FRAMに関しては、既に製品化されている。 Semiconductor memories such as FRAM (Ferroelectric RAM), PCRAM (Phase change RAM), and MRAM (Magnetoresistive RAM) are being researched and developed as next-generation memories that integrate the advantages of each memory. FRAM has already been commercialized.
PCRAMは例えば特表平11−514150号公報、特表平2001−502848号公報に開示された相変化型不揮発メモリでありOUM(Ovonic Unified Memory)とも呼ばれている。PCRAMは記憶保持部に相変化材料を用い、結晶相と非結晶相の各相にて生じる電気伝導度の差異により情報を識別保持させるものである。特徴としては、相変化材料を比較的微細化しても記憶保持性能は劣化しない。桁違いに異なる電気伝導度とすることもでき、中間的なレベルすなわち、多値も可能である。高速スイッチングに有利な相変化材料の選定もできる等があげられ、不揮発性、高ビット密度、高速アクセスといった理想的メモリとしての可能性を十分兼ね備えている。 PCRAM is a phase change type non-volatile memory disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 11-514150 and Japanese Patent Publication No. 2001-502848, and is also called OUM (Ovonic Unified Memory). PCRAM uses a phase change material for the memory holding part, and identifies and holds information by the difference in electric conductivity generated in each phase of the crystalline phase and the amorphous phase. As a feature, even if the phase change material is made relatively fine, the memory retention performance does not deteriorate. The electrical conductivity can vary by orders of magnitude, and intermediate levels, i.e. multivalued, are possible. It is possible to select a phase change material that is advantageous for high-speed switching, and it has the potential as an ideal memory such as non-volatility, high bit density, and high-speed access.
開示されている技術によれば、PCRAMは微小な相変化材料セルにMOSトランジスタを接続したものを基本メモリセル(1ビット)としており、情報の記録及び消去は相変化材料にパルス電流を流し、発生するジュール熱による自己加熱にて行う。記録時は相変化材料が比較的低温で結晶化速度が速い温度領域まで加熱するようなパルス電流(セットパルス)を与え、相変化材料を結晶化させる。消去時は相変化材料が高温のち急冷となるようなパルス電流(リセットパルス)を与え、相変化材料を非結晶化させる。結晶相では電気伝導度が高く、非結晶相では比較的電気伝導度が低い。再生時は相変化材料に電圧を印加し、流れる電流を電圧変換して情報を読み取っている。 According to the disclosed technology, PCRAM is a basic memory cell (1 bit) in which a MOS transistor is connected to a minute phase change material cell, and information recording and erasing is performed by passing a pulse current through the phase change material, This is done by self-heating due to the generated Joule heat. At the time of recording, a pulse current (set pulse) is applied so that the phase change material is heated to a temperature range where the phase change material is relatively low temperature and the crystallization speed is high, and the phase change material is crystallized. At the time of erasing, a pulse current (reset pulse) is applied so that the phase change material is rapidly cooled after high temperature, and the phase change material is made non-crystallized. The crystalline phase has a high electrical conductivity, and the amorphous phase has a relatively low electrical conductivity. During reproduction, information is read by applying a voltage to the phase change material and converting the flowing current to a voltage.
図8にPCRAMのメモリセルの基本構造を示す。PCRAMはシリコン基板上(図示なし)にMOSトランジスタ(図示なし)、酸化シリコン絶縁層2、下部電極4、相変化材料1、上部電極3を順次積層した構造になっている。製造過程においては、情報保持部である相変化材料は、加熱によって成膜中に結晶化させるか、別の方法としては成膜後、電気炉で加熱し結晶化させている。しかしながら、前者の基板加熱製膜では表面が荒れずに製膜できる基板温度が100℃付近の狭い温度範囲に限られ、マージンが非常に狭く温度コントロールが難しい。また、後者の製膜後電気炉加熱では隣接する積層膜との接着性が低下し、剥離が発生し易いといった不具合があった。更には、基板加熱製膜と製膜後電気炉加熱の両者とも、基板(シリコンウェハ)中心部と縁では結晶化状態が異なり均一性に欠けていた。特に縁の部分は結晶化状態が粗悪であり、良好な電気特性が得られず使用困難であった。基板加熱製膜と製膜後電気炉加熱での結晶化では、結晶形がメモリ書き換え時の結晶形と大きく異なり、書替え回数が少ない段階では相変化膜の比抵抗が小さく、1回目から安定した記録が得られないといった不具合があった。
FIG. 8 shows the basic structure of a PCRAM memory cell. The PCRAM has a structure in which a MOS transistor (not shown), a silicon
本発明の目的は、素子作製プロセス中に相変化材料近傍において剥離などの破壊が生じずに初期結晶を行ない、書換えの最初から特性を安定させる相変化型不揮発メモリ結晶化装置を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a phase change type nonvolatile memory crystallization apparatus that performs initial crystal without causing destruction such as peeling in the vicinity of a phase change material during an element manufacturing process and stabilizes characteristics from the beginning of rewriting. is there.
上記目的を達成するため、高出力レーザから出射したレーザ光をシリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板に照射することによって相変化膜の初期結晶化を行う。プロセス基板に照射するレーザスポット面積は10-6cm2以上10-3cm2以下とし、プロセス基板上の各位置に対するレーザ照射時間が0.1μs以上1ms以下となるように前記基板支持部と前記レーザヘッドを相対的に駆動するのが好ましい。本発明のレーザ初期結晶化装置によれば、高密度でかつ適切な照射エネルギーを相変化型メモリの相変化材料上に与えることができ、相変化型不揮発メモリの相変化材料全面を均一に結晶化させることができる。また、この装置によれば、相変化材料のみを短時間に加熱し結晶化温度まで上昇させることができ、相変化材料近傍の積層膜に体積変化による熱的ダメージを与えることなくかつ、セット状態の結晶構造に近くすることができ、上述目的を達成できる。 In order to achieve the above object, the phase change film is initially crystallized by irradiating the process substrate of the phase change memory at the stage where the phase change film is provided on the silicon substrate with laser light emitted from the high output laser. The area of the laser spot irradiated to the process substrate is 10 −6 cm 2 or more and 10 −3 cm 2 or less, and the substrate support portion and the substrate are arranged so that the laser irradiation time for each position on the process substrate is 0.1 μs or more and 1 ms or less. It is preferable to relatively drive the laser head. According to the laser initial crystallization apparatus of the present invention, high-density and appropriate irradiation energy can be applied to the phase change material of the phase change memory, and the entire phase change material of the phase change nonvolatile memory can be crystallized uniformly. It can be made. In addition, according to this apparatus, only the phase change material can be heated to the crystallization temperature in a short time, and the laminated film in the vicinity of the phase change material can be set in a set state without causing thermal damage due to volume change. The above-mentioned object can be achieved.
プロセス基板の中心からの距離により同心円状に照射条件を変えるようにすると、基板の中心部と外周部の僅かな組成等の相違に対応して各半径位置に最も適したレーザエネルギー照射が可能となり、基板の中心部と外周部等の位置的な相違なしに全面に良好な結晶化が得られると共に局所的な剥離も防止できる。 If the irradiation conditions are changed concentrically depending on the distance from the center of the process substrate, it is possible to irradiate laser energy that is most suitable for each radial position in response to slight differences in the composition of the center and outer periphery of the substrate. In addition, good crystallization can be obtained on the entire surface without any positional difference between the central portion and the outer peripheral portion of the substrate, and local peeling can be prevented.
また、基板裏面からの赤外光による結晶化の検出機構と、検出結果をもとにレーザ出力、レーザパルス周波数、レーザパルスデューティ、基板の搬送速度等を制御する手段を設けてもよい。この構成によると、基板裏面に到達した温度上昇をリアルタイムで実測しながらレーザ出力や基板の搬送速度をフィードバック制御することができ、所定の結晶化状態がシリコンウェハ全面に偏りなく得られる。また周囲環境の微妙な変化や多稼動による経時変化に対しても強く、安定した結晶化を得ることができる。 Further, a mechanism for detecting crystallization by infrared light from the back surface of the substrate and means for controlling the laser output, the laser pulse frequency, the laser pulse duty, the transport speed of the substrate and the like based on the detection result may be provided. According to this configuration, it is possible to feedback-control the laser output and the substrate transport speed while actually measuring the temperature rise reaching the back surface of the substrate in real time, and a predetermined crystallization state can be obtained evenly over the entire surface of the silicon wafer. In addition, it is resistant to subtle changes in the surrounding environment and changes over time due to multiple operations, and stable crystallization can be obtained.
更に、シリコンウェハ面上でレーザスポットの形状が変化しないようにするオートフォーカス制御手段を備えると、シリコンウェハ面上のどの位置においても、必要に応じ一定のパワー密度をもつレーザ光を照射でき均一な結晶化状態が得られる。 Furthermore, when equipped with an autofocus control means that prevents the shape of the laser spot from changing on the silicon wafer surface, it is possible to irradiate laser light with a constant power density at any position on the silicon wafer surface as required. Crystallized state can be obtained.
本発明によると、シリコンウェハ全面において相変化材料層の膜面に垂直方向に細長い結晶を形成することができ、素子間の特性バラツキを防止し、1回目から安定な書換えを行うことができる。また、シリコンウェハの表面、裏面にキズが付くのを防止できる。更には、製膜後の膜特性や接着性の同心円状の変化に対応して照射条件を変え、シリコンウェハ上の場所による素子特性のバラツキや周辺部の剥離を防止できる。 According to the present invention, a long and narrow crystal can be formed in the direction perpendicular to the film surface of the phase change material layer on the entire surface of the silicon wafer. Further, it is possible to prevent the silicon wafer from being scratched on the front and back surfaces. Furthermore, the irradiation conditions can be changed in response to concentric changes in film characteristics and adhesiveness after film formation, thereby preventing variations in element characteristics depending on the location on the silicon wafer and peeling of the peripheral portion.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<実施例1>
図1は、本発明に係る直線走査型レーザ結晶化装置の一実施形態の概略図である。
<Example 1>
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a linear scanning laser crystallization apparatus according to the present invention.
レーザヘッド6は光源である高出力半導体レーザ4とコリーメータレンズ5B、PBS5A、レーザ光を集光する対物レンズ5、対物レンズ5を光軸5C方向に駆動するアクチュエータ19、及び対物レンズ5によって集光されたフォーカス点位置を検出するフォーカスディテクタ10によって構成されている。円盤状のシリコンウェハ(シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板)8を搭載するウェハトレイ9は最下部がシリコンウェハ8の直径より僅かに小さい径で切り抜かれており、対物レンズ5を通り抜けるレーザ光の光軸5Cと直交するように配置されている。ウェハトレイ9は前記直角を保ちながら2次元的にX軸方向、Y軸方向に自在に移動させることができる。
The
ウェハトレイ9を中心にレーザヘッド6とは反対面側には赤外光センサ17が取り付けられており、集光したレーザスポット7周辺の赤外光量を測定することができゆえに、シリコンウェハ裏面の温度を実測できる。赤外線センサは、1点測定型でも良いがレーザスポット7を含んだ周辺全体を実測できるカメラ型であればなお良い。更に、シリコンウェハ8の時間的温度変化を遅れなしに検出できるタイプがより好ましい。赤外光センサ17はレーザヘッド6と一体になっており、シリコンウェハ8がX軸方向やY軸方向に移動したとしてもレーザスポット7との相対位置関係は変化しないようになっており、常時、レーザスポット7を含んだ周辺の温度を検出できる。プロセス中のシリコンウェハには、相変化膜で発生した赤外光を基板表面まで透過しやすい場所を多数設けてある。また、レーザヘッド6及びそれと一体となった赤外光センサ17も移動可能であり、レーザヘッド6を駆動してシリコンウェハ8上に照射されるレーザスポット7の位置を移動させることもできるようになっている。
An
レーザ駆動回路11はパルス発光可能であり、周波数が1Hz〜10MHz、パルス幅が100nsから1sのレーザパルス駆動ができる。またDC駆動も可能である。更にレーザパルス光31のトップ出力31Cとボトム出力31Dは任意設定が可能である(図3参照のこと)。フォーカス制御回路12は、フォーカスディテクタ10が検出したフォーカスずれ信号をもとにアクチュエータ19を駆動させフォーカスずれを補正するフィードバック制御機能を備えている。X−Yテーブル制御回路14は、ウェハトレイ9をX軸方向及び、Y軸方向の2次元平面上に駆動させることができ、X,Y方向に対し任意の速度、任意の位置決めができるようになっている。
The
信号処理回路18は、透過率から結晶化領域が相変化膜の膜厚方向のほぼ全体に広がったかどうか計算する。赤外光センサ17がカメラ型である場合、検出した画像データを処理する機能をもち、所定の情報のみデータ化が可能となっている。マイクロプロセッサ(MPU)13は、レーザ駆動回路11、X−Yテーブル制御回路14、信号処理回路18、フォーカス制御回路12の各主要部位と接続されており、予めプログラミングされた動作を行うようになっており、各主要部を一括コントロールできる。
The
本実施例ではフォーカス制御を行うが、シリコンウェハ8のどの位置でもレーザスポット形状7の変化がないかまたは、レーザスポット形状7が変化しても結晶化状態に影響しないものであれば、フォーカス制御がなくてもよい。また高レーザパワー密度が必要でない場合は、特に対物レンズ等により集光することなく、平行光であってよい。また、光源は半導体レ−ザに限定することなく、YAGレーザやCO2レーザ等の固体レーザやガスレーザであってもよい。
In this embodiment, focus control is performed. However, if there is no change in the
図2により、レーザビームのウェハ上での走査方式を説明する。本図は結晶化中の任意時間のものであり、レーザスポット29AがY方向29に移動しており、シリコンウェハ8の左半分は結晶化済部26で右半分は未結晶化部27である。初期時には、レーザスポット29は22の位置にある。
The scanning method of the laser beam on the wafer will be described with reference to FIG. This figure is for an arbitrary time during crystallization, the
図2(a)は、レーザビームをスポット29Aの長手方向と直角方向、すなわち図1の手前と奥の方向に連続往復運動させながら、ウェハトレイをX方向に直線走査する走査方式の説明図である。この時、レーザスポット29Aの中点の描く軌跡が常に同じ角度で交わる。レーザスポット29Aの形状は長円形である。レーザスポット29Aは、ウェハ8上の結晶化させるべき領域の端まで到達すると直ちに折り返すが、光学ヘッド全体を駆動する場合は慣性も大きいので、軌跡は完全に直線が鋭角に折り返す形ではなく、角は多少丸みを帯びる。ウェハ上の結晶化させる領域のどの点にも少なくとも1回は必ずビームスポット(最高パワーの1/e2までの範囲)が通過するように、速度や折り返し位置を決めている。ウェハトレイの送り速度を制御し、ウェハの中心を通るX方向の軸を横切るレーザスポット29Aの中心間隔が一定になるようにして走査する方法も有効である。
FIG. 2A is an explanatory diagram of a scanning method for linearly scanning the wafer tray in the X direction while continuously reciprocating the laser beam in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the
図2(b)は、レーザヘッド6とウェハトレイ9を交互に動かしてレーザスポット29Aをウェハ上で走査する走査方式において、レーザスポットの中点が描く軌跡を示した図である。結晶化中のシリコンウェハ8をレーザヘッド6側からみた図で横方向をX軸、縦方向をY軸とする。所定のパルス周波数及び出力でレーザ光を発光させ、かつフォーカス制御を行う。シリコンウェハ8をY方向に移動させることによってレーザスポットを23方向にシリコンウェハ8を結晶化させながら走査させる。レーザスポットがシリコンウェハ8の縁に到達したらY方向の移動を止め、レーザスポット幅28より短い距離だけシリコンウェハ8をX方向24に移動させる。のち、レーザスポットをY方向25に移動させる。前記動作を繰り返し、未結晶化隙間が生じないようシリコンウェハの左面よりレーザスポットを走査させることにより、シリコンウェハ8全面を結晶化させることができる。
FIG. 2B is a diagram showing a trajectory drawn by the midpoint of the laser spot in the scanning method in which the
本実施例では、レーザスポット面積が10-6cm2以上10-3cm2以下でかつ、パルス幅(スポットの最高パワーの1/e2までの範囲の通過時間)が100nsから1sにおいて結晶化することを確認できた。すなわち、照射するレーザスポットの形状やレーザスポットの通過時間を変えて実験したところ、次のような結果が得られた。スポット面積は、2種類の光スポットで、デフォーカスを含めて実験した。小さいスポットとしては出力2Wのレーザの100μm×1μmで10-6cm2、大きいスポットとしては出力60Wのレーザの3.5mm×30μmで10-3cm2のスポットまで効果が得られたが、特に2×10-6cm2以上10-4cm2以下では出荷前のエージング処理の条件によらず、最初の書換えから抵抗値が安定した。照射時間(光スポットのピーク強度の1/e2までの範囲が高いパワーが出た状態(パルス照射の場合はパルスが出た状態)でディスク上の1点を通過する時間)が0.1μs以上で照射パワーが最適であれば効果が得られたが、1s以上では熱による界面の部分的剥離を防止するのが困難であった。1μs以上1ms以下で特に再現性の良い良好な特性が得られた。 In this example, the laser spot area is 10 −6 cm 2 or more and 10 −3 cm 2 or less, and the pulse width (passage time in the range of 1 / e 2 of the maximum power of the spot) is from 100 ns to 1 s. I was able to confirm. That is, when the experiment was performed while changing the shape of the laser spot to be irradiated and the passage time of the laser spot, the following results were obtained. The spot area was an experiment including two types of light spots including defocus. As a small spot, an effect was obtained up to 10 −6 cm 2 at 100 μm × 1 μm of a laser having an output of 2 W, and as a large spot to a spot of 10 −3 cm 2 at 3.5 mm × 30 μm of an output of 60 W. In the case of 2 × 10 −6 cm 2 or more and 10 −4 cm 2 or less, the resistance value was stabilized from the first rewriting irrespective of the conditions of the aging treatment before shipment. Irradiation time (time to pass one point on the disk in a state where a high power is output in the range up to 1 / e 2 of the peak intensity of the light spot (a pulse is emitted in the case of pulse irradiation)) is 0.1 μs. As described above, the effect was obtained if the irradiation power was optimum, but it was difficult to prevent partial peeling of the interface due to heat when the irradiation power was 1 s or longer. Good characteristics with particularly good reproducibility were obtained at 1 μs or more and 1 ms or less.
ここで説明した直線走査型レーザ結晶化装置は、ウェハに傷が付くのを防止しやすく照射効率が良い。レーザヘッド6及び赤外光センサ17をY方向に、ウェハトレイ9に搭載したシリコンウェハ8をX方向に移動させるものであったが、これに限定することなく、レーザヘッド9及び赤外光センサ17をX軸方向とY軸方向の両方に移動させるレーザヘッドX−Y平面移動機構(図示なし)を備え、図2で説明したレーザスポット走査と同様にシリコンウェハ8全面を結晶化させても良い。また、レーザヘッド6及び赤外光センサ17をX軸方向のみ可動とし、シリコントレイ9に搭載したシリコンウェハ8をY軸方向のみ可動として、図2で説明したレーザスポット走査と同様にシリコンウェハ全面を結晶化させることも可能である。光ヘッドを中心から外へ、または外から中心へらせん状に動かして光スポットを螺旋状に移動させることもできる。
The linear scanning laser crystallization apparatus described here is easy to prevent the wafer from being scratched and has good irradiation efficiency. Although the
図3は、赤外光センサ17によるレーザ照射時間制御の一例を説明する図である。図3(b)は、レーザ出力Pの時間的変化を示したものである。図3(a)の横軸は結晶化実行中の赤外光センサ17が照射レーザに対して所定のタイミングでシリコンウェハの赤外光が透過する領域で裏面から検出したレーザスポット直下の温度Tを示し、縦軸は結晶化実行中のレーザ照射時間τである。ここでは、パルス的に出力するレーザ光31のトップ出力31Cとパルス周期31Aは所定値に固定してあり、また、走査速度も所定値に固定してある。また、レーザ照射時間τとはパルス幅31Bのことである。曲線30は予めメモリ(図示なし)に設定された曲線である。検出温度が所定値を超えたらパルス幅を狭くし、下回ったら広げる。横軸のシリコンウェハ温度に関しては、実際には結晶化がレーザ光入射側と反対の界面に達するのに対応する検出温度を求めておき、図3(a)からレーザ照射時間を決める。パルス幅31Bすなわちレーザパルスデューティに代えてレーザ出力、レーザパルス周波数を変えてもよく、あるいはウェハトレイの移動速度やレーザヘッドの移動速度を制御してもよい。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of laser irradiation time control by the infrared
赤外光センサ17が検出した結晶化実行中のレーザスポット直下のシリコンウェハ裏面温度TをMPU13が認識し、メモリより引き出した曲線30をもとにパルス幅31Bをレーザ駆動回路11に指示する。のち、レーザ駆動回路11はMPU13の指示のもと、曲線30の通りにレーザを駆動させる。最終的に、曲線30のレーザ発光が可能となる。曲線30はシリコンウェハ8の熱的特性や結晶化の容易性などにより変わるもので、シリコンウェハ8の基礎特性を取得し、所定の結晶化状態が得られるように決めれば良い。
The
ここでは制御対象としてレーザ照射時間τ(31B)の場合を示したが、パルス的に出力するレーザ光のトップ出力31Cまたは、パルス周期31Aまたは、走査速度のどれか一つを制御対象としても良いし、複数にはなるがパルス的に出力するレーザ光のレーザ照射時間τ(31B)または、トップ出力31Cまたは、パルス周期31Aまたは、走査速度の複数を制御対象としても良い。どの場合、どの組み合わせにおいても、予め、所定の結晶状態が得られる目標曲線を取得しメモリに記録しておけば良い。
Here, the case of the laser irradiation time τ (31B) is shown as the control target. However, the top output 31C of the laser beam output in a pulse manner, the
更には、赤外光センサ17が検出するレーザスポット直下のシリコンウェハ裏面温度Tは一つに限らず、レーザスポット直下を含むレーザスポット走査方向の前方や後方などの複数の温度を検出すれば更に木目細かい制御が可能となる。いずれにしろ、シリコンウェハ裏面に到達した温度Tをリアルタイムで実測しながらレーザ出力やシリコンウェハ搬送をフィードバック制御することにより、所定の結晶化状態がシリコンウェハ全面に偏りなく得られる。また周囲環境の微妙な変化や多稼動による経時変化に対しても強く、安定した結晶化を得ることができる。シリコンウェハ裏面温度Tのみならず、シリコンウェハ上のレーザスポット位置(X−Y位置)情報も加え、レーザ出力制御すればなお良い。
Furthermore, the silicon wafer back surface temperature T immediately below the laser spot detected by the infrared
次に、ウェハトレイについて詳細に説明する。図4は、シリコンウェハを支えるウェハトレイの概略図である。図4(b)はシリコンウェハ8を搭載したウェハトレイ35をレーザ照射側すなわち、レーザヘッド側より見た図であり、図4(a)はそのA−Bの断面図である。
Next, the wafer tray will be described in detail. FIG. 4 is a schematic view of a wafer tray that supports a silicon wafer. 4B is a view of the
ウェハトレイ35はリング状になっている。内径部のレーザヘッド側はシリコンウェハ8より僅かに大きい径になっており、レーザヘッドより遠い側はシリコンウェハ8より僅かに小さい径になっていて、全体ではテーパ状になっている。シリコンウェハ8を搭載してもテーパ付き内径部の一部40で支えられ底面が有る場合底面に接触したり底面が無い場合抜け落ちることはない。また、レーザヘッドとは反対面にすなわちシリコンウェハ裏面に赤外光センサを設置することが可能で、シリコンウェハ裏面温度を実測することができる。ウェハトレイ35の材質はテフロン製が好ましい。テフロン製であれば、機械的衝撃緩和や断熱性及び絶縁性にすぐれており、シリコンウェハ8に悪影響を及ばさない効果得られると共に、シリコンウェハの縁40においても、ウェハトレイ接触による放熱が避けられ、シリコンウェハ中心部と同等の結晶化状態が得られる。ウェハトレイ35の材質がすべてテフロン製でなくともよく、少なくともシリコンウェハ8と接触する部分40がテフロン製であればよい。
The
ウェハトレイ35のレーザヘッド側には、120度間隔で3つの切り欠き37,38,39が付いている。切り欠きは、少なくとも搭載したシリコンウェハ8が横から確認できる深さになっている。3つの切り欠きを設けることによって、例えば3つの爪が付いたシリコンウェハ操作機構を用いればシリコンウェハ8を縁から中心部に挟込み、シリコンウェハ8をウェハトレイ35から着脱して搬送することが可能となる。シリコンウェハの表面や裏面に接触することなく、容易にシリコンウェハ8の搬入・搬出ができる。切り欠きは3つに限定することなくそれ以外であっても良い。図5ではシリコンウェハ8の外周部の全周が線でウェハトレイ35と接触40するが、例えばウェハトレイの内径部に120度間隔で3つの突起を設置し、本3つの突起すなわち3点でシリコンウェハ8を支えることも可能である。また突起は3つに限ることなくそれ以外であっても良い。また、本実施例では円形状シリコンウェハを用いたが、これに限ることなく、四角形やその他形状であっても良い。ただし、ウェハトレイが各形状に合致したものでなければならない。落下の危険性は増すが、ウェハトレイが無く、指先で支えるようにウェハが3点で支えて搬送されても良い。
On the laser tray side of the
レーザスポットの走査は直線に限ることはなく、回転走査でもよい。以下、回転走査に関し詳細に説明する。図5は回転走査型レーザ結晶化装置の概略図である。レーザヘッド6、赤外光センサ17、レーザ駆動回路11、フォーカス制御回路12、信号処理回路18、MPU13は図1で説明したものと同等である。
The scanning of the laser spot is not limited to a straight line, and may be rotational scanning. Hereinafter, the rotational scanning will be described in detail. FIG. 5 is a schematic view of a rotary scanning laser crystallization apparatus. The
ウェハトレイ46は円形で、ウェハトレイ46の中心を回転中心48Cとして回転できる構造になっている。ウェハトレイ46の外周部には回転駆動用モータ51が取り付けられており、回転部52によりウェハトレイ46の外周部53を駆動でき、ウェハトレイ46を回転させることができる。回転駆動用モータ51はモータ制御回路48Bにより任意の回転数で回転可能である。また、モータ制御回路48BはMPU13と接続されておりリアルタイムで回転制御が行なわれる。レーザヘッド6はウェハトレイ46の直径上を矢印50で示すように移動することが可能で、レーザスポット48はウェハトレイ46の回転中心48Cを通る直線54上を自由に移動することができる。赤外光センサ17はレーザヘッド6の動きと連動して矢印49で示すように移動し、常時レーザスポット48が形成されるシリコンウェハ8の裏面部をとらえる。MPU13は、ヘッド駆動回路(図示なし)を介してレーザスポット48を任意の速度で移動させかつ任意の位置に位置決めできる。MPUは各主要部を一括コントロールできる。ウェハトレイは中心軸48Cを通る回転軸から3本の放射状のアームで支えられている。アーム通過時に赤外光は1時的に遮断されるが、短時間であるから差し支え無い。
The
図6は回転走査の説明図である。ここで、ウェハトレイ46の回転中心と円形シリコウェハ8の中心66が一致しているものとする。シリコンウェハ8の中心66を回転中心とし回転させながら、レーザ光を所定のパルス周波数及び出力で発光させかつレーザスポット61のフォーカス制御を行ない、シリコンウェハ8の外周部から内周に向けて矢印で示すように移動させる。レーザスポット61は、螺旋を描きながらシリコンウェハ8の外周部から結晶化を行うことができる。このとき、未結晶化隙間が発生しないようにシリコンウェハ8の回転数とレーザスポット61の速度を連動して制御する。シリコンウェハ外周に結晶化部63を、シリコンウェハ内周に未結晶部62を示す。
FIG. 6 is an explanatory diagram of rotational scanning. Here, it is assumed that the rotation center of the
図7は、シリコンウェハ回転中心からの半径に依存したレーザ照射及びシリコンウェハ回転数を示した図である。シリコンウェハの回転数が一定(CAV)の場合は、図7(a)に示すようにレーザスポットが外周に位置付いているほどレーザ出力が大きい方が好ましい。制御対象は、レーザパルス周期31Aでも良いし、レーザパルス幅31Bであっても良い。レーザ出力が一定の場合は、図7(b)に示すようにレーザスポットが外周に位置付いているほど回転数は低い方が良い。
FIG. 7 is a diagram showing laser irradiation and silicon wafer rotation speed depending on the radius from the silicon wafer rotation center. When the rotation speed of the silicon wafer is constant (CAV), it is preferable that the laser output is larger as the laser spot is positioned on the outer periphery as shown in FIG. The control target may be the
半径に応じた照射条件や線速度を変える必要がある場合は回転走査が有効であり、特に、シリコンウェハの半径に依存した同心円状の不均一が生じていている場合には、各半径値に最適な条件で結晶化を行うことができ、結果としてシリコンウェハ全面を均一に結晶化することができる。ただしこの方法は、水平1軸方向の直線的ウェハ送りに比べ、シリコンウェハの裏面や側面に傷がつくおそれが有る。図1で説明したように、赤外光センサ17によりシリコンウェハ裏面に結晶化が到達しているかどうかをリアルタイムで実測しながらレーザ出力をフィードバック制御すれば、所定の結晶化状態がシリコンウェハ全面に偏りなく得られる。また周囲環境の微妙な変化や多稼動による経時変化に対しても強く、安定した結晶化を得ることができる。この場合、シリコンウェハと相変化するカルコゲナイド材料層との間にシリコン基板を透過する赤外光を透過する層だけを設けることが難しい場合は、カルコゲナイド層表面側からの僅かな反射率の精度の高い測定値、超音波の反射率、電気抵抗の測定値で判定しても良い。
When it is necessary to change the irradiation conditions and linear velocity according to the radius, rotational scanning is effective.Especially, when there is a concentric non-uniformity depending on the radius of the silicon wafer, each radius value is Crystallization can be performed under optimum conditions, and as a result, the entire silicon wafer can be crystallized uniformly. However, this method may cause damage to the back surface and side surface of the silicon wafer as compared to linear wafer feeding in the horizontal uniaxial direction. As described with reference to FIG. 1, if the laser output is feedback controlled while measuring in real time whether or not crystallization has reached the backside of the silicon wafer by the infrared
図1及び図5に示した実施例では、レーザヘッド6はシリコンウェハ8の上方、すなわち鉛直方向を基準とした場合、シリコンウェハ8より高い位置に配置したが、塵埃落下などの観点からすると、レーザヘッド6はシリコンウェハ8の下方に配置した方がむしろ望ましい。また、シリコンウェハ8とレーザヘッド6の隙間及びシリコンウェハ8と赤外光センサ17の隙間を透明板で仕切っても良い。更には、シリコンウェハとウェハトレイ、またはレーザヘッドとシリコンウェハとウェハトレイと赤外光センサの全体を真空製膜装置内に設置しても良いし、特定のガスが封入してある容器内に設置しても良い。
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 5, the
上記のようにレーザ結晶化した後に、シリコンウェハの相変化材料を透過電子顕微鏡観察したところ、100nmの膜厚より幅が狭く、幅が約20〜50nmの縦長の結晶が観察された。この場合、下部電極の最大幅である約80nmより小さいので、結晶と下部電極の相対位置関係によって素子特性がバラツクことなく、良好なデバイスが得られた。 After laser crystallization as described above, the phase change material of the silicon wafer was observed with a transmission electron microscope. As a result, a vertically long crystal having a width smaller than 100 nm and a width of about 20 to 50 nm was observed. In this case, since the maximum width of the lower electrode was smaller than about 80 nm, the device characteristics were not varied depending on the relative positional relationship between the crystal and the lower electrode, and a good device was obtained.
<実施例2>
装置の構成は実施例1と同様であるが、シリコンウェハと搬送機構は複数の真空室を持つスパッタリングによる製膜装置の1室に収めた。光ヘッドは真空室外に有り、ビームスポット位置を変えられるガラス窓を通してレーザ光を照射した。光ヘッドを真空内に入れ、電源ケーブルや冷却水管を真空外から接続しても良い。
<Example 2>
The configuration of the apparatus is the same as that of Example 1, but the silicon wafer and the transport mechanism were housed in one chamber of a sputtering film forming apparatus having a plurality of vacuum chambers. The optical head was outside the vacuum chamber and irradiated with laser light through a glass window that could change the beam spot position. The optical head may be placed in a vacuum, and a power cable and a cooling water pipe may be connected from outside the vacuum.
図9は、レーザ照射室をもつスパッタ装置の概略図である。ディスクは製膜時はスパッタ室の中央にセットされ、自転させられる。スパッタ室によって異なるが、2つまたは3つのターゲットから製膜可能である。ディスクは製膜が終ると中間に有る隔壁を開けて順次矢印の方向に1室ずつ送られる。スパッタ装置の1室はレーザ照射の専用室となっており、真空外から照射窓を通してレーザ光が照射される。 FIG. 9 is a schematic view of a sputtering apparatus having a laser irradiation chamber. The disk is set in the center of the sputtering chamber during film formation and rotated. Depending on the sputtering chamber, film formation can be performed from two or three targets. When the film formation is finished, the disk is opened one by one in the direction of the arrow by opening a partition wall in the middle. One chamber of the sputtering apparatus is a dedicated chamber for laser irradiation, and laser light is irradiated from outside the vacuum through an irradiation window.
4:半導体レーザ、5:対物レンズ、6:レーザヘッド、7:レーザスポット、8:シリコンウェハ(シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板)、9:ウェハトレイ、17:赤外光センサ、19:アクチュエータ、51:回転駆動用モータ 4: semiconductor laser, 5: objective lens, 6: laser head, 7: laser spot, 8: silicon wafer (process substrate of the phase change memory at the stage where the phase change film is provided on the silicon substrate), 9: wafer tray, 17: Infrared light sensor, 19: Actuator, 51: Motor for rotation drive
Claims (11)
シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板を保持する基板支持部と、
前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記基板支持部に保持されたシリコン基板上の相変化膜に収束して照射するレーザヘッドとを備え、
レーザ照射によって前記相変化膜を初期結晶化することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。 A laser light source;
A substrate support for holding a process substrate of a phase change memory at a stage where a phase change film is provided on the silicon substrate;
A laser head that converges and irradiates a laser beam emitted from the laser light source on a phase change film on a silicon substrate held by the substrate support;
An initial laser crystallization apparatus, wherein the phase change film is initially crystallized by laser irradiation.
シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板を保持する基板支持部と、
前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記基板支持部に保持されたプロセス基板上の相変化膜に収束して照射するレーザヘッドと、
前記基板支持部と前記レーザヘッドを相対的に駆動する相対駆動手段とを備え、
レーザ照射によって前記相変化膜を初期結晶化することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。 A laser light source;
A substrate support for holding a process substrate of a phase change memory at a stage where a phase change film is provided on the silicon substrate;
A laser head that converges and irradiates a laser beam emitted from the laser light source on a phase change film on a process substrate held by the substrate support;
A relative driving means for relatively driving the substrate support portion and the laser head;
An initial laser crystallization apparatus, wherein the phase change film is initially crystallized by laser irradiation.
シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板を保持する基板支持部と、
前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記基板支持部に保持されたプロセス基板上の相変化膜に収束して照射するレーザヘッドと、
前記基板支持部と前記レーザヘッドを相対的に駆動する相対駆動手段と、
前記基板支持部に対して前記レーザヘッドと反対側に、プロセス基板のレーザ光照射位置の裏面に照準した赤外光センサと、
前記赤外光センサの出力に基づいて前記レーザ光源の出力、レーザパルス周波数、レーザパルスデューティ及び/又は前記相対駆動手段による前記基板支持部又は前記レーザヘッドの駆動速度を制御する制御部とを備え、
レーザ照射によって前記相変化膜を初期結晶化することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。 A laser light source;
A substrate support for holding a process substrate of a phase change memory at a stage where a phase change film is provided on the silicon substrate;
A laser head that converges and irradiates a laser beam emitted from the laser light source on a phase change film on a process substrate held by the substrate support;
Relative driving means for relatively driving the substrate support and the laser head;
An infrared light sensor aiming at the back side of the laser beam irradiation position of the process substrate on the opposite side of the laser head with respect to the substrate support portion;
A control unit that controls the output of the laser light source, the laser pulse frequency, the laser pulse duty, and / or the driving speed of the substrate support unit or the laser head by the relative driving unit based on the output of the infrared light sensor. ,
An initial laser crystallization apparatus, wherein the phase change film is initially crystallized by laser irradiation.
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