JP2008300617A - Laser annealing method and laser annealing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体膜にレーザ光を照射することにより半導体膜を結晶化させるレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。 The present invention relates to a laser annealing method and a laser annealing apparatus for crystallizing a semiconductor film by irradiating the semiconductor film with laser light.
レーザアニールは、低融点ガラス(通常、無アルカリガラス)からなる基板上に形成されたアモルファスシリコン膜などの非晶質半導体膜にレーザ光を照射し、溶融及び凝固させて再結晶化させることにより多結晶半導体膜を形成する技術である。以下、アモルファスシリコン膜をa−Si膜という。結晶化したシリコン膜はa−Si膜に比べ電気的特性に優れているため、携帯電話やデジタルスチルカメラなどの高精細な表示が要求される液晶ディスプレイを駆動する薄膜トランジスタ(:Thin Film Transistor:TFT)に採用されている。 Laser annealing is performed by irradiating laser light to an amorphous semiconductor film such as an amorphous silicon film formed on a substrate made of low-melting glass (usually non-alkali glass), and melting and solidifying it to recrystallize. This is a technique for forming a polycrystalline semiconductor film. Hereinafter, the amorphous silicon film is referred to as an a-Si film. Since the crystallized silicon film has better electrical characteristics than the a-Si film, a thin film transistor (: Thin Film Transistor: TFT) that drives a liquid crystal display that requires high-definition display such as a mobile phone or a digital still camera. ).
図4に、レーザアニールを実施した半導体膜の断面模式図を示す。図4において、ガラス基板101上に多結晶化した半導体膜102(多結晶シリコンなど)が形成されている。レーザアニールは、半導体膜102の溶融、凝固を伴うプロセスであるため、半導体膜102の表面に、溶融時と凝固時の体積密度の違いに起因したリッジ103と呼ばれる突起(凹凸)が形成される。このようなリッジ103は、下記非特許文献1によれば、表面粗さがRaで約10nm程度であるが、その上に形成する絶縁膜のステップカバレッジを悪化させ、層間ショートや層間電流リークの一因となり、製造歩留まりや製品の信頼性を劣化させる大きな問題となっている。また、ガラス基板101上に、TFTを駆動するための集積回路(マイクロプロセッサ)を形成する研究がなされているが、現状の粗さのままでは到底実現できない。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor film subjected to laser annealing. In FIG. 4, a polycrystalline semiconductor film 102 (such as polycrystalline silicon) is formed on a
このような問題に鑑み、下記特許文献1では、レーザアニールで形成されたリッジを除去する技術が提案されている。この技術はガスクラスタービームを多結晶シリコン膜に照射してリッジを除去し、シリコン薄膜の表面を平坦化するというものである。
しかしながら、この技術によれば、リッジを除去するためのクラスタービーム装置が必要であり、トランジスタの製造コストを上昇させる要因となる。
In view of such a problem, the following Patent Document 1 proposes a technique for removing a ridge formed by laser annealing. In this technique, a polycrystalline silicon film is irradiated with a gas cluster beam to remove ridges, and the surface of the silicon thin film is flattened.
However, according to this technique, a cluster beam device for removing the ridge is necessary, which increases the manufacturing cost of the transistor.
一方、下記特許文献2、非特許文献2及び非特許文献3では、水素雰囲気中で1000℃以上の熱処理をすることにより、シリコン基板の表面のシリコン原子のマイグレーションが促進されることが報告されている。
この方法は、基板がシリコンなど1000℃以上の温度に耐えうる材料からなる場合では有効であるが、液晶用に用いられるガラス基板など融点が600℃以下の基板に対しては使用することができない。
On the other hand, in the following
This method is effective when the substrate is made of a material that can withstand a temperature of 1000 ° C. or higher, such as silicon, but cannot be used for a substrate having a melting point of 600 ° C. or lower such as a glass substrate used for liquid crystal. .
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、製造コストの上昇を抑制しつつ、基板を溶融させることなく、表面が平滑化した多結晶半導体膜を形成することができるレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a laser annealing method capable of forming a polycrystalline semiconductor film having a smooth surface without melting the substrate and suppressing an increase in manufacturing cost, and It is an object to provide a laser annealing apparatus.
上記の課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
本発明のレーザアニール方法は、水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気中で基板上に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、前記基板の温度を融点以下に保持したまま、該半導体膜を1000℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、前記半導体膜を結晶化させることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the laser annealing method and laser annealing apparatus of the present invention employ the following means.
The laser annealing method of the present invention includes irradiating a semiconductor film containing hydrogen gas on a substrate in a non-oxidizing processing atmosphere with a laser beam, and maintaining the temperature of the substrate below the melting point. The semiconductor film is crystallized by heating the film to 1000 ° C. or higher and melting and then solidifying the film.
また、上記のレーザアニール方法において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む。
また、上記のレーザアニール方法において、前記半導体エッチングガスは、フッ素系、塩素系又は臭素系のガスである。
また、上記のレーザアニール方法において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜の融点における平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガスを含む。
In the laser annealing method, the processing atmosphere includes a semiconductor etching gas for etching the semiconductor film.
In the laser annealing method, the semiconductor etching gas is a fluorine-based, chlorine-based or bromine-based gas.
In the laser annealing method, the processing atmosphere includes a low vapor pressure gas that makes an equilibrium vapor pressure at a melting point of the semiconductor film equal to or lower than an atmospheric pressure.
また、上記のレーザアニール方法において、前記レーザ光は、エキシマレーザ、YAGレーザ、YLFレーザ、YVO4レーザ、ガラスレーザ、半導体レーザ又はCO2レーザの基本波又は高調波である。
また、上記のレーザアニール方法において、前記レーザ光は、パルス光又は連続光である。
また、上記のレーザアニール方法において、前記処理雰囲気における水素含有量は、0<H2≦100%である。
In the laser annealing method, the laser light is a fundamental wave or a harmonic of an excimer laser, a YAG laser, a YLF laser, a YVO 4 laser, a glass laser, a semiconductor laser, or a CO 2 laser.
In the laser annealing method, the laser light is pulsed light or continuous light.
In the laser annealing method, the hydrogen content in the processing atmosphere is 0 <H 2 ≦ 100%.
また、本発明は、基板上に形成された半導体膜にレーザ光を照射し、該半導体膜を溶融及び凝固させることにより結晶化させるレーザアニール装置において、少なくとも前記半導体膜におけるレーザ光の照射部分を覆う範囲に、水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気を供給するガス供給装置を備え、前記処理雰囲気中で前記半導体膜にレーザ光を照射し、前記基板の温度を融点以下に保持したまま、該半導体膜を1000℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、前記半導体膜を結晶化させる、ことを特徴とする。 Further, the present invention provides a laser annealing apparatus for irradiating a semiconductor film formed on a substrate with laser light, and crystallizing the semiconductor film by melting and solidifying the semiconductor film, and at least a portion of the semiconductor film irradiated with the laser light. A gas supply device containing hydrogen gas and supplying a non-oxidizing processing atmosphere is provided in a covering range, the semiconductor film is irradiated with laser light in the processing atmosphere, and the temperature of the substrate is kept below the melting point The semiconductor film is crystallized by heating the semiconductor film to 1000 ° C. or higher and then melting and solidifying the semiconductor film.
また、上記のレーザアニール装置において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む。
また、上記のレーザアニール装置において、前記処理雰囲気は、前記半導体膜の融点における平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガスを含む。
また、上記のレーザアニール装置において、前記ガス供給装置は、前記半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を前記処理雰囲気で満たすチャンバーである。
また、上記のレーザアニール装置において、前記ガス供給装置は、前記収容空間内の処理雰囲気を強制対流させるファンを有する。
In the laser annealing apparatus, the processing atmosphere includes a semiconductor etching gas for etching the semiconductor film.
In the laser annealing apparatus, the processing atmosphere includes a low vapor pressure gas that makes an equilibrium vapor pressure at a melting point of the semiconductor film equal to or lower than an atmospheric pressure.
Further, in the laser annealing apparatus, the gas supply device is a chamber that accommodates the substrate on which the semiconductor film is formed and fills the accommodation space of the substrate with the processing atmosphere.
In the laser annealing apparatus, the gas supply apparatus includes a fan that forcibly convects the processing atmosphere in the accommodation space.
また、上記のレーザアニール装置において、前記ガス供給装置は、前記半導体膜におけるレーザ光の照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ前記処理雰囲気を供給するガス吹き付け装置である。 Further, in the laser annealing apparatus, the gas supply apparatus is a gas spraying apparatus that supplies the processing atmosphere only to a laser beam irradiation portion of the semiconductor film and a limited range around it.
また、上記のレーザアニール装置において、前記レーザ光の光路上に、前記レーザ光を線状ビームに整形するビーム整形光学系を備え、該ビーム整形光学系は、前記線状ビームの長軸方向及び/又は短軸方向のエネルギー分布を均一化するホモジナイザを含む。 The laser annealing apparatus may further include a beam shaping optical system that shapes the laser light into a linear beam on the optical path of the laser light, the beam shaping optical system including: a long axis direction of the linear beam; And / or a homogenizer for homogenizing the energy distribution in the minor axis direction.
また、上記のレーザアニール装置において、前記ホモジナイザは、前記レーザ光を前記線状ビームの長軸方向及び/又は短軸方向に対応した方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイ又は導波路と、該シリンドリカルレンズアレイ又は導波路によって分割されたレーザ光を重ね合わせるコンデンサレンズとを有する。
また、上記のレーザアニール装置において、前記ホモジナイザは、回折光学素子を含む光学系である。
In the laser annealing apparatus, the homogenizer includes a cylindrical lens array or a waveguide that divides the laser light into a plurality of directions corresponding to a major axis direction and / or a minor axis direction of the linear beam, and the cylindrical lens. And a condenser lens that superimposes the laser beams divided by the lens array or the waveguide.
In the laser annealing apparatus, the homogenizer is an optical system including a diffractive optical element.
本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置によれば、半導体膜を1000℃以上に加熱することにより半導体膜に接触する水素ガスによる表面エネルギーの増大作用が発揮され、半導体原子のマイグレーションが促進される。特にリッジが形成される部分は表面積が大きいため、他の部分より表面エネルギーが大きくなることにより、半導体原子の拡散(移動)が促進されて表面積を小さくする方向に作用する。したがって、表面のリッジの形成を抑制することができる。 According to the laser annealing method and the laser annealing apparatus of the present invention, the semiconductor film is heated to 1000 ° C. or more, whereby the surface energy is increased by the hydrogen gas contacting the semiconductor film, and the migration of semiconductor atoms is promoted. . In particular, the portion where the ridge is formed has a large surface area, so that the surface energy is larger than that of the other portions, so that the diffusion (movement) of the semiconductor atoms is promoted and the surface area is reduced. Therefore, formation of a ridge on the surface can be suppressed.
また、上述した特許文献1の方法と異なり、クラスタービーム装置を必要としないので、製造コストの上昇を抑制することができる。
さらに、レーザ光の照射により半導体膜のみを加熱・溶融させる一方で、基板の温度は融点以下に保持されるので、基板を溶融させることなく、水素によるマイグレーションの効果を得ることができる。
In addition, unlike the method of Patent Document 1 described above, a cluster beam device is not required, so that an increase in manufacturing cost can be suppressed.
Furthermore, while only the semiconductor film is heated and melted by laser light irradiation, the temperature of the substrate is kept below the melting point, so that the effect of migration by hydrogen can be obtained without melting the substrate.
また、半導体膜をエッチングする半導体エッチングガスを含む雰囲気中で、レーザアニールを実施すると、リッジが形成される部分は表面積が大きく表面エネルギーが大きいため、他の部分よりエッチングガスによる反応速度が高くなる、すなわちエッチング速度が高くなるので、全体として平滑化されるようにエッチングが進行する。したがって、エッチングガスを用いることにより、表面の平滑化がより促進される。 In addition, when laser annealing is performed in an atmosphere containing a semiconductor etching gas for etching a semiconductor film, the portion where the ridge is formed has a large surface area and a large surface energy, so that the reaction rate by the etching gas is higher than other portions. That is, since the etching rate is increased, the etching proceeds so as to be smoothed as a whole. Therefore, smoothing of the surface is further promoted by using the etching gas.
したがって、本発明によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、基板を溶融させることなく、表面が平滑化した多結晶半導体膜を形成することができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to form a polycrystalline semiconductor film having a smooth surface without melting the substrate while suppressing an increase in manufacturing cost.
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[第1実施形態]
図1に、本発明の第1実施形態にかかるレーザアニール装置10の概略構成を示す。
このレーザアニール装置10は、基板2上に形成された半導体膜3にレーザ光1を照射し、この半導体膜3を溶融及び凝固させることにより結晶化させるものである。本実施形態のレーザアニール装置もそうであるが、レーザアニールでは、通常、レーザ光1を線状ビームに整形し、この線状ビームを、基板2(半導体膜3)に対して線状ビームの短軸方向に相対的に移動させることにより、基板2上の半導体膜3に対してレーザ光1を走査する。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a laser annealing
The laser annealing
図1(A)において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、線状ビームの長軸方向であり、図1(B)において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、線状ビームの短軸方向である。
図1(A)では、短軸方向のみに作用する光学系は想像線(破線)で示されている。図1(B)では、長軸方向のみに作用する光学系は想像線で示されている。
In FIG. 1A, the direction parallel to the paper surface and perpendicular to the optical axis is the major axis direction of the linear beam, and in FIG. 1B, the direction parallel to the paper surface and perpendicular to the optical axis is the linear beam direction. The minor axis direction.
In FIG. 1A, an optical system that operates only in the minor axis direction is indicated by an imaginary line (broken line). In FIG. 1B, an optical system that operates only in the major axis direction is indicated by an imaginary line.
このレーザアニール装置10は、レーザ光1を発振するレーザ光源12と、レーザ光源12からのレーザ光1を整形して半導体膜3の表面において線状ビームに集光するビーム整形光学系13と、基板2を載せる基板ステージ4とを備える。
The
本実施形態において、基板2はガラス基板(例えば無アルカリガラス)であり、プラズマCVD法、スパッタ法などの成膜法により上記ガラス基板上にSiO2膜が成膜され、その上に非晶質の半導体膜3として例えばa−Si膜が成膜される。
In this embodiment, the
レーザ光源12の種類は特に限定されず、エキシマレーザ、YAGレーザ、YLFレーザ、YVO4レーザ、ガラスレーザ、半導体レーザ、CO2レーザ等を適用することができる。特に、YAGレーザ、YLFレーザ、YVO4レーザなどの固体レーザは信頼性が高く、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。また、シリコン膜に対しては、330nm〜800nmの可視光領域において吸収係数が高いため、エキシマレーザの場合は基本波でよいが、上記のYAGレーザ、YLFレーザ、YVO4レーザ、ガラスレーザの場合、第2又は第3高調波を用いるのがよい。またレーザ光1は、パルス光、連続光のいずれであってもよい。
The type of the
ビーム整形光学系13は、レーザ光源12からのレーザ光1を長軸方向及び短軸方向に拡大するビームエキスパンダ14、線状ビームの長軸方向のエネルギー分布を均一化する長軸用ホモジナイザ19、及び線状ビームの短軸方向のエネルギー分布を均一化する短軸用ホモジナイザ25を備えている。
The beam shaping
一構成例として示したビームエキスパンダ14は、凸球面レンズ15と、短軸方向に作用する短軸用シリンドリカルレンズ16と、長軸方向に作用する長軸用シリンドリカルレンズ17とからなる。この構成のビームエキスパンダ14では、長軸方向と短軸方向の拡大率を別々に設定することができる。なお、ビームエキスパンダ14は他の構成であってもよく、例えば、凹球面レンズと凸球面レンズとを組み合わせたものであってもよい。
The
図1(A)に示すように、長軸用ホモジナイザ19は、入射するレーザ光1を長軸方向に複数に分割する長軸用シリンドリカルレンズアレイ20と、長軸方向に複数に分割されたレーザ光1を長軸方向に重ね合わせる長軸用コンデンサレンズ22とからなる。なお、長軸用コンデンサレンズ22と基板2との間の光路には反射ミラー23が配置されており、長軸用コンデンサレンズ22からの出射光が基板2の方向へ反射されるようになっている。
As shown in FIG. 1A, a long-
短軸用ホモジナイザ25は、入射するレーザ光1を短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイ26と、短軸方向に複数に分割されたレーザ光1を短軸方向に重ね合わせる短軸用コンデンサレンズ29と、短軸用コンデンサレンズ29からの出射光を半導体膜3の表面に投影する投影レンズ30とを有する。
The
上記のように構成されたビーム整形光学系13により、レーザ光源から出射されたレーザ光1が線状ビームに整形されて半導体膜3に照射される。
半導体膜3に照射される線状ビームの長軸方向の長さは、例えば数10mmとすることができ、短軸方向の長さは、例えば数10μmとすることができる。
また、レーザ光1は、長軸用ホモジナイザ19により線状ビームの長軸方向のエネルギー分布が均一化され、短軸用ホモジナイザ25により線状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化される。なお、短軸用シリンドリカルレンズアレイ26を省略し、長軸方向のエネルギー分布のみを均一化する構成であってもよい。
By the beam shaping
The length in the major axis direction of the linear beam irradiated to the semiconductor film 3 can be, for example, several tens of mm, and the length in the minor axis direction can be, for example, several tens of μm.
In the laser beam 1, the energy distribution in the long axis direction of the linear beam is made uniform by the
基板2は、基板ステージ4により保持され線状ビームの短軸方向に搬送される。基板ステージ4の移動により基板2上の半導体膜3に対して線状ビームを短軸方向に相対的に走査することができる。
なお、上記とは逆に、基板2の位置を固定し、レーザ光1の照射位置を移動させることにより、上記のレーザ光1の走査を行なうようにしてもよい。
The
In contrast to the above, the laser beam 1 may be scanned by fixing the position of the
基板ステージ4は、図示しない加熱手段により所定温度に加熱される。このとき、基板2の融点を超えない温度で加熱される。こうすることで、基板2が溶融することなく安定してレーザアニールを行うことができる。例えば、基板2が無アルカリガラスの場合、融点は約600℃であるので、基板ステージ5は600℃を超えない温度に加熱される。
The
図1に示すように、レーザアニール装置10は、さらに、少なくとも半導体膜3におけるレーザ光1の照射部分を覆う範囲に、水素ガス31を含み且つ非酸化性の処理雰囲気を供給するガス供給装置40を備える。
本実施形態において、上記のガス供給装置40は、半導体膜3が形成された基板2を内部に収容し基板2の収容空間を上記の処理雰囲気で満たすチャンバー40Aである。したがって、図示しない水素ガス導入手段によって、チャンバー40Aの内部に水素ガス31が導入されるようになっている。
なお、チャンバー40Aには、レーザ光1を透過させるための透過窓41が設けられている。また、チャンバー40Aには、内部のガスを排気する排気ポンプ43が接続されている。
As shown in FIG. 1, the
In the present embodiment, the
The
上記の処理雰囲気における水素含有量は、0<H2≦100%の範囲とすることができる。ただし、水素含有量を爆発限界(5%)以上とした場合、チャンバー40Aを外部からの空気の侵入をほぼ完全に遮断するよう気密性の高い構造とする必要がある。そこで、爆発限界(5%)未満とするために、図1に示すように、チャンバー40Aの内部に不活性ガス32(窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスなど)を導入することが好ましい。この不活性ガス32は、アニール中における半導体膜3の表面の酸化を防止する役割もある。
ここで、上記の「水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気」は、水素を不活性ガス32で希釈した雰囲気のみならず、水素含有量100%の雰囲気をも含む概念である。
The hydrogen content in the above processing atmosphere can be in the range of 0 <H 2 ≦ 100%. However, when the hydrogen content is set to the explosion limit (5%) or more, the
Here, the above-described “non-oxidizing treatment atmosphere containing hydrogen gas” is a concept including not only an atmosphere in which hydrogen is diluted with an
本発明のレーザアニール方法は、上記の如き構成されたレーザアニール装置10を用いて実施することができる。すなわち本発明のレーザアニール方法は、上記の処理雰囲気中で半導体膜3にレーザ光1を照射し、基板2の温度を融点以下に保持したまま、半導体膜3を1000℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、半導体膜3を結晶化させる、ことを特徴とする。
The laser annealing method of the present invention can be implemented using the
このように、半導体膜3を1000℃以上に加熱することにより半導体膜3に接触する水素ガス31による表面エネルギーの増大作用が発揮され、半導体原子のマイグレーションが促進される。特にリッジが形成される部分は表面積が大きいため、他の部分より表面エネルギーが大きくなることにより、半導体原子の拡散(移動)が促進されて表面積を小さくする方向に作用する。したがって、表面のリッジの形成を抑制することができる。 Thus, by heating the semiconductor film 3 to 1000 ° C. or higher, the surface energy increasing action by the hydrogen gas 31 in contact with the semiconductor film 3 is exhibited, and the migration of semiconductor atoms is promoted. In particular, the portion where the ridge is formed has a large surface area, so that the surface energy is larger than that of the other portions, so that the diffusion (movement) of the semiconductor atoms is promoted and the surface area is reduced. Therefore, formation of a ridge on the surface can be suppressed.
また、上述した特許文献1の方法と異なり、クラスタービーム装置を必要としないので、製造コストの上昇を抑制することができる。
さらに、レーザ光1の照射により半導体膜3のみを加熱・溶融させる一方で、基板2の温度は融点以下に保持されるので、基板2を溶融させることなく、水素によるマイグレーションの効果を得ることができる。
In addition, unlike the method of Patent Document 1 described above, a cluster beam device is not required, so that an increase in manufacturing cost can be suppressed.
Further, only the semiconductor film 3 is heated and melted by the irradiation of the laser beam 1, while the temperature of the
上記の処理雰囲気は、図1に示すように、半導体膜3をエッチングする半導体エッチングガス33を含むことが好ましい。半導体エッチングガス33は、図示しないエッチングガス導入手段により、チャンバー40Aの内部に導入される。半導体エッチングガス33は、フッ素系、塩素系又は臭素系のものを使用することができる。
半導体エッチングガス33を含む雰囲気中で、レーザアニールを実施すると、リッジが形成される部分は表面積が大きく表面エネルギーが大きいため、他の部分よりエッチングガスによる反応速度が高くなる、すなわちエッチング速度が高くなるので、全体として平滑化されるようにエッチングが進行する。したがって、半導体エッチングガス33を用いることにより、表面の平滑化がより促進される。
The processing atmosphere preferably includes a
When laser annealing is performed in an atmosphere containing the
上記の半導体膜3は、GaN(窒化ガリウム)などの化合物半導体からなるものであってもよいが、例えば大気圧下でのGaNの融点は約2220℃以上であり、不活性ガス32として通常用いられる窒素ガス中での平衡蒸気圧は約6GPa(約6万気圧)以上に達するため、低圧の窒素雰囲気下ではGaNは溶融状態ではGa金属と窒素ガスに分解してしまう。これに対し、アンモニア雰囲気中でのGaNの平衡蒸気圧は1気圧以下であるので、大気圧下で溶融する温度まで加熱しても、GaNが分解することがない。
The semiconductor film 3 may be made of a compound semiconductor such as GaN (gallium nitride). For example, the melting point of GaN under atmospheric pressure is about 2220 ° C. or higher, and is normally used as an
したがって、半導体膜3が、不活性ガス32雰囲気中での融点における平衡蒸気圧が高い化合物半導体の場合、図1に示すように、上記の処理雰囲気は、平衡蒸気圧を大気圧以下にする低蒸気圧ガス34を含むことが好ましい。低蒸気圧ガス34は、図示しない低蒸気圧ガス導入手段により、チャンバー40Aの内部に導入される。
このように処理雰囲気に低蒸気圧ガス34を添加することにより、半導体膜3を分解させること無く溶融させることができる。低蒸気圧ガス34としては、化合物半導体がGaNの場合はアンモニアやヒドラジン、GaAs(ガリウムヒ素)の場合はAsH3、InP(インジウムリン)の場合はPH3を用いることができる。
Therefore, when the semiconductor film 3 is a compound semiconductor having a high equilibrium vapor pressure at the melting point in the
As described above, by adding the low
水素ガス31を不活性ガス32で希釈する場合、水素ガス31は不活性ガス32より軽いため、チャンバー40Aの上部に滞留し、水素を半導体膜3の表面にうまく供給できない可能性がある。したがって、図1に示すように、チャンバー40Aの内部に、処理雰囲気を強制対流させるファン35を設けることが好ましい。この構成により、水素ガス31を半導体膜3の表面に効果的に供給することができる。
When the hydrogen gas 31 is diluted with the
また、ガス供給装置40は、図2に示すガス吹き付け装置40Bであってもよい。このガス吹き付け装置40Bは、半導体膜3におけるレーザ光1の照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ処理雰囲気47を供給するものであり、基板2に平行に近接対向する下面44を有しこの下面44と基板2との間に処理雰囲気47の流路を形成するとともにレーザ光1を透過させる透過窓45を有する平行対向体46と、線状ビームの長軸方向に流量が均一化された処理雰囲気47をレーザ光1の照射部分からビーム短軸方向に所定間隔を置いた位置において基板2の表面に向けて噴射するガス噴射手段48と、を備える。上記の処理雰囲気47は、(1)水素100%ガス、(2)水素ガス31を不活性ガス32で希釈したガス、(3)水素ガス31を不活性ガス32で希釈しさらに半導体エッチングガス33を添加したガス、又は(4)前記(1)〜(3)のガスにさらに上記の低蒸気圧ガス34を添加したガス、のいずれかである。
Further, the
上記のガス吹き付け装置40Bにより、レーザ光1の照射部分に雰囲気ガスを供給することができるので、図1に示したようなチャンバー40Aを設ける必要が無く、チャンバー40A内の排気や処理雰囲気に置換する時間が不要となるので、装置の稼働率を向上させることができる。また、処理雰囲気47を効率的かつ確実に半導体膜3上のレーザ光1の照射部分に供給することができる。
Since the
なお、ガス吹き付け装置40Bは、図2に示した構成に限定されず、レーザ光1の照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する機能を有する範囲で他の構成であってもよい。例えば、特許第3502981号公報の図2や図4に示された構成であってもよい。
The
[第2実施形態]
図3に、本発明の第2実施形態にかかるレーザアニール装置10の概略構成を示す。
この第2実施形態において、長軸用ホモジナイザ19は、入射するレーザ光1を長軸方向に複数に分割する長軸用導波路38と、長軸方向に複数に分割されたレーザ光1を長軸方向に重ね合わせる長軸用コンデンサレンズ22とからなる。また、長軸用導波路38の入側には、レーザ光1を長軸用導波路38に導く導波路導入用レンズ37が配置されている。本実施形態の長軸用ホモジナイザ19によっても線状ビームの長軸方向のエネルギー分布を均一化することができる。なお、短軸用ホモジナイザ25についても、導波路を用いて短軸方向のエネルギー分布を均一化する構成としてもよい。本実施形態の他の部分の構成は、第1実施形態と同様である。
[Second Embodiment]
FIG. 3 shows a schematic configuration of a
In the second embodiment, the long-
本実施形態によっても、水素ガス31を含み且つ非酸化性の処理雰囲気中で半導体膜3にレーザ光1を照射し、基板2の温度を融点以下に保持したまま、半導体膜3を1000℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、半導体膜3を結晶化させるレーザアニール方法を実施することができる。
したがって、製造コストの上昇を抑制しつつ、基板2を溶融させることなく、表面が平滑化した多結晶半導体膜を形成することができる。
Also in this embodiment, the semiconductor film 3 is irradiated with the laser light 1 in a non-oxidizing treatment atmosphere containing the hydrogen gas 31 and the temperature of the
Accordingly, it is possible to form a polycrystalline semiconductor film having a smooth surface without melting the
なお、長軸用ホモジナイザ19と短軸用ホモジナイザ25は、上述した第1実施形態及び第2実施形態において説明したものに限られず、その他周知の光学系を用いてエネルギー分布を均一化する手段であってもよい。例えば、長軸用ホモジナイザ19/及び又は短軸用ホモジナイザ25は、回折光学素子を含む光学系であってもよい。回折光学素子についての詳細な説明は省略するが、例えば、特開2005−217209号公報などに開示されている。回折光学素子は、石英などの基板にフォトエッチング工程などにより微細な段差を形成し、それぞれの段差部分を透過するレーザ光が形成する回折パターンを結像面(基板表面)で所望のエネルギー分布が得られるように作製する。
The long-
なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. . The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
1 レーザ光
2 基板
3 半導体膜
4 基板ステージ
10 レーザアニール装置
12 レーザ光源
13 ビーム整形光学系
14 ビームエキスパンダ
15 凸球面レンズ
16 短軸用シリンドリカルレンズ
17 長軸用シリンドリカルレンズ
19 長軸用ホモジナイザ
20 長軸用シリンドリカルレンズアレイ
22 長軸用コンデンサレンズ
25 短軸用ホモジナイザ
26 短軸用シリンドリカルレンズアレイ
29 短軸用コンデンサレンズ
30 投影レンズ
31 水素ガス
32 不活性ガス
33 半導体エッチングガス
34 低蒸気圧ガス
35 ファン
40 ガス供給装置
40A チャンバー
40B ガス吹き付け装置
41 透過窓
43 排気ポンプ
44 下面
45 透過窓
46 平行対向体
47 処理雰囲気
48 ガス噴射手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (16)
少なくとも前記半導体膜におけるレーザ光の照射部分を覆う範囲に、水素ガスを含み且つ非酸化性の処理雰囲気を供給するガス供給装置を備え、
前記処理雰囲気中で前記半導体膜にレーザ光を照射し、前記基板の温度を融点以下に保持したまま、該半導体膜を1000℃以上に加熱して溶融させその後凝固させることにより、前記半導体膜を結晶化させる、ことを特徴とするレーザアニール装置。 In a laser annealing apparatus for crystallization by irradiating a semiconductor film formed on a substrate with laser light and melting and solidifying the semiconductor film,
A gas supply device that includes a hydrogen gas and supplies a non-oxidizing treatment atmosphere in a range that covers at least a portion irradiated with laser light in the semiconductor film,
The semiconductor film is irradiated with laser light in the processing atmosphere, and the semiconductor film is heated to 1000 ° C. or more and melted and then solidified while maintaining the temperature of the substrate below the melting point. A laser annealing apparatus characterized by crystallizing.
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