JP2015015471A - 多結晶シリコン製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】多結晶シリコン製造方法を提供する。
【解決手段】固体レーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の下面を照射することにより、アモルファスシリコン層を予熱するステップＳ１１と、エキシマレーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の上面を照射することにより、アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに結晶化するステップＳ１２とを含み、ステップＳ１１は、ステップＳ１２より所定時間早く、或いは同時に実行する。アモルファスシリコンを溶融させ、多結晶シリコンを結晶化する時間を大幅に減少でき、多結晶シリコンの生産高を向上させるとともに、アモルファスシリコンの溶融と結晶化時の温度勾配を低減するため、多結晶シリコンの結晶化度を高め、多結晶シリコンの結晶品質を改善することができ、さらに、エキシマレーザ装置の出射回数を減少することで、エキシマレーザ装置の使用寿命を延長することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、多結晶シリコン製造方法に関し、特に、エキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法に関する。
半導体技術が幅広く応用されることに伴って、多結晶シリコンの需要量が多くなっている。現在、既に、エキシマレーザアニーリング技術を用いて多結晶シリコンを生産している。
図１は、従来技術におけるエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。図１に示すように、従来技術におけるエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法において、エキシマレーザ装置２は、レーザ光３を出射して、アモルファスシリコン層１の上面を照射することで、アモルファスシリコン層１の上面を溶融させ、多結晶シリコンを結晶化する。例えば、米国特許出願ＵＳ５５２９９５１でこのような方法を利用し、当該方法において、波長が３０８ｎｍ、パルス幅が１５０ｎｓのエキシマ（ｅｘｃｉｍｅｒ）レーザを利用してアモルファスシリコン層の上面を照射することで、アモルファスシリコン層の上面を溶融させ、多結晶シリコンを結晶化する。
しかしながら、従来技術におけるエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法において、レーザエネルギーによりアモルファスシリコン層が急速に溶融温度に達することができず、マルチパルスのエキシマレーザエネルギーを使用することで、アモルファスシリコン層を溶融させ、多結晶シリコンを結晶化する。また、従来技術におけるエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法において、多結晶シリコンの結晶化度が不安定である問題が存在し、また、高いエキシマレーザエネルギーが必要となる。
本発明は、上記の技術的問題を解決するために、固体レーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を予熱するステップＳ１１と、エキシマレーザ装置によりレーザを出射して前記アモルファスシリコン層の上面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに結晶化するステップＳ１２と、を含み、前記ステップＳ１１は、前記ステップＳ１２より所定時間早く実行する多結晶シリコン製造方法を提供する。
前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、透明基板が重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、前記ステップＳ１１において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板と前記酸化ケイ素層を透過して、最後、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を予熱する。
前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、透明基板が重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、前記ステップＳ１１において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板、前記窒化ケイ素層、前記酸化ケイ素層を透過して、最後、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を予熱する。
前記固体レーザ装置が出射するレーザ光の波長は５３２ｎｍである。
前記固体レーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズは、前記エキシマレーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズの１．５倍である。
前記固体レーザ装置が出射するレーザ光は、レーザパルス或いは連続レーザである。
本発明は、さらに、固体レーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の下面を照射し、前記アモルファスシリコン層を加熱するステップＳ１１’と、エキシマレーザ装置によりレーザを出射して前記アモルファスシリコン層の上面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに結晶化するステップＳ１２’と、を含み、前記ステップＳ１１’は、前記ステップＳ１２’と同時に実行する多結晶シリコン製造方法を提供する。
前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、透明基板が重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、前記ステップＳ１１’において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板と前記酸化ケイ素層を透過して、最後、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面に対し照射し、前記アモルファスシリコン層を加熱する。
前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、透明基板が重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、前記ステップＳ１１’において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板、前記窒化ケイ素層、前記酸化ケイ素層を透過して、最後に、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面を照射し、前記アモルファスシリコン層を加熱する。
前記固体レーザ装置が出射するレーザ光の波長は５３２ｎｍである。
前記固体レーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズは、前記エキシマレーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズの１．５倍である。
前記固体レーザ装置が出射するレーザ光は、レーザパルス或いは連続レーザである。
本発明は、固体レーザ装置によりレーザ光を出射してアモルファスシリコン層の下面を照射し、且つエキシマレーザ装置によりレーザ光を出射してアモルファスシリコン層の上面を照射することにより、アモルファスシリコンを溶融させ、多結晶シリコンを結晶化する時間を大幅に減少でき、多結晶シリコンの生産高を有効に向上させるとともに、アモルファスシリコンの溶融と結晶化の時の温度勾配を低減するため、多結晶シリコンの結晶化度を有効に高め、多結晶シリコンの結晶品質を改善することができ、さらに、高価なエキシマレーザ装置の出射回数を減少することができるため、エキシマレーザ装置の使用寿命を延長することができ、コストを一層低減することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例を述べる。
従来技術におけるエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。 本発明の第１の実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。 本発明の第２の実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。 本発明の第３の実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。 本発明の一実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示すフローチャートである。 本発明の他の実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示すフローチャートである。
以下、図２〜図６に基づいて、本発明を詳細に説明し、同一の符号を用いて同じ或いは類似の装置、物質或いはステップを示す。
図２は、本発明の第１実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。図２に示すように、図１に示した従来技術におけるエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法と異なり、本発明は、エキシマレーザ装置２によりレーザ光３を出射して、アモルファスシリコン層１の上面を照射すること以外、固体レーザ装置４によりレーザ光５を出射して、アモルファスシリコン層１の下面を照射することにより、アモルファスシリコン層１を予熱或いは補助加熱し、アモルファスシリコン層を溶融させ、多結晶シリコンを結晶化するのに有利である。
なお、固体レーザ装置４によりレーザ光５を出射する出射パワーとエキシマレーザ装置２によりレーザ光３を出射する出射パワーは、アモルファスシリコン層１の加工面積、厚み、材質等のような具体的な材料パラメータ、及び使用するエキシマレーザ装置２と固体レーザ装置４のパワー、波長、パルス等のような具体的なパラメータに基づいて、選定される。
固体レーザ装置４によりレーザ光５を出射してアモルファスシリコン層１の下面を照射するタイミングは、エキシマレーザ装置２によりレーザ光３を出射してアモルファスシリコン層１の上面を照射するタイミングより所定時間早くしてもよい。この所定時間は、アモルファスシリコン層１の加工面積、厚み、材質等のような具体的な材料パラメータ、及び使用するエキシマレーザ装置２と固体レーザ装置４のパワー、波長、パルス等のような具体的なパラメータに基づいて、選定される。
固体レーザ装置４によりレーザ光５を出射してアモルファスシリコン層１の下面を照射することは、エキシマレーザ装置２によりレーザ光３を出射してアモルファスシリコン層１の上面を照射することと同時に行ってもよい。
固体レーザ装置４は、比較的低価な固体レーザ装置であって、例えば、出射可能のレーザ光５の波長は５３２ｎｍである。
アモルファスシリコン層１の受熱効果を一層改善するために、例えば、固体レーザ装置４が出射するレーザ光５のビームサイズは、エキシマレーザ装置２が出射するレーザ光３のビームサイズの１．５倍であってもよい。ビームサイズについて、例えば、ビームの断面が円形であれば、半径のサイズを指し、楕円形であれば、長半径と短半径を指し、長方形であれば、長さと幅のサイズを指す。
固体レーザ装置４が出射するレーザ光５は、レーザパルスであってもよく、連続レーザであってもよい。
本発明は、固体レーザ装置によりレーザ光を出射してアモルファスシリコン層の下面を照射し、且つエキシマレーザ装置によりレーザ光を出射してアモルファスシリコン層の上面を照射することにより、アモルファスシリコンを溶融させ、多結晶シリコンを結晶化する時間を大幅に減少でき、多結晶シリコンの生産高を有効に向上させるとともに、アモルファスシリコンの溶融と結晶化の時の温度勾配を低減するため、多結晶シリコンの結晶化度を有効に高め、多結晶シリコンの結晶品質を改善することができ、さらに、高価なエキシマレーザ装置の出射回数を減少することができるため、エキシマレーザ装置の使用寿命を延長することができ、コストを一層低減することができる。
図３は、本発明の第２実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。図３に示すように、図２との相違点として、図３のアモルファスシリコン層１は、酸化ケイ素層（ＳｉＯｘ）６、透明基板７が上から順に重なって構成される多層構造上に形成されるとともに、且つアモルファスシリコン層１と酸化ケイ素層６は臨界面を有する。固体レーザ装置４により出射されたレーザ光５は、透明基板７と酸化ケイ素層６を透過して、最後、アモルファスシリコン層１と酸化ケイ素層６との臨界面に達して、アモルファスシリコン層１の下面を照射することにより、アモルファスシリコン層１を予熱或いは補助加熱する。固体レーザ装置４により出射されたレーザ光５は、透明基板７と酸化ケイ素層６を透過することができるため、本発明の実施効果に影響を与えない。
図４は、本発明の第３実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示す模式図である。図４に示すように、図２と異なる点は、図４のアモルファスシリコン層１は、上から順に酸化ケイ素層（ＳｉＯｘ）６、窒化ケイ素層（ＳｉＮ）８、透明基板７が重なって構成される多層構造の上に形成されることができ、且つアモルファスシリコン層１と酸化ケイ素層６は臨界面を有する。固体レーザ装置４により出射されたレーザ光５は、透明基板７、窒化ケイ素層８、酸化ケイ素層６を透過して、最後、アモルファスシリコン層１と酸化ケイ素層６との臨界面に達して、アモルファスシリコン層１の下面を照射することにより、アモルファスシリコン層１を予熱する。固体レーザ装置４により出射されたレーザ光５は、透明基板７、窒化ケイ素層８、酸化ケイ素層６を透過することができるため、本発明の実施効果に影響を与えない。
図２〜図４に基づき、図５は、本発明の一実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示すフローチャートである。図５に示すように、本実施例の多結晶シリコン製造方法は、以下のステップを含む。
まず、ステップＳ１１を実行し、固体レーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の下面を照射することにより、アモルファスシリコン層を予熱する。
所定時間後、ステップＳ１２を実行し、エキシマレーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の上面を照射することにより、アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに結晶化する。
なお、固体レーザ装置によりレーザ光を出射する出射パワーとエキシマレーザ装置によりレーザ光を出射する出射パワーは、アモルファスシリコン層の加工面積、厚み、材質等のような具体的な材料パラメータ、及び使用するエキシマレーザ装置と固体レーザ装置のパワー、波長、パルス等のような具体的なパラメータに基づいて、選定される。
上記所定時間は、アモルファスシリコン層の加工面積、厚み、材質等のような具体的な材料パラメータ、及び使用するエキシマレーザ装置と固体レーザ装置のパワー、波長、パルス等のような具体的なパラメータに基づいて、選定される。
固体レーザ装置は、比較的低価な固体レーザ装置であって、例えば、出射可能のレーザ光の波長は５３２ｎｍである。
アモルファスシリコン層の受熱効果を一層改善するために、例えば、固体レーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズは、エキシマレーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズの１．５倍であってもよい。ビームサイズについて、例えば、ビームの断面が円形であれば、半径を指し、楕円形であれば、長半径と短半径のサイズを指し、長方形であれば、長さと幅のサイズを指す。
固体レーザ装置が出射するレーザ光は、レーザパルスであってもよく、連続レーザであってもよい。
図６は、本発明の他の実施例に係るエキシマレーザアニーリングを用いる多結晶シリコン製造方法を例示的に示すフローチャートである。図６に示すように、本実施例の多結晶シリコン製造方法は、以下のステップを含む。
ステップＳ１１’を実行し、固体レーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の下面を照射し、アモルファスシリコン層を加熱する。同時に、ステップＳ１２’を実行し、エキシマレーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の上面を照射することにより、アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに結晶化する。
なお、固体レーザ装置によりレーザ光を出射する出射パワーとエキシマレーザ装置によりレーザ光を出射する出射パワーは、アモルファスシリコン層の加工面積、厚み、材質等のような具体的な材料パラメータ、及び使用するエキシマレーザ装置と固体レーザ装置のパワー、波長、パルス等のような具体的なパラメータに基づいて、選定される。
固体レーザ装置は、比較的に低価な固体レーザ装置であって、例えば、出射可能のレーザ光の波長は５３２ｎｍである。
アモルファスシリコン層の受熱効果を一層改善するために、例えば、固体レーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズは、エキシマレーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズの１．５倍であってもよい。ビームサイズについて、例えば、ビームの断面が円形であれば、半径を指し、楕円形であれば、長半径と短半径のサイズを指し、長方形であれば、長さと幅のサイズを指す。
固体レーザ装置が出射するレーザ光は、レーザパルスであってもよく、或いは連続レーザである。
本発明は、固体レーザ装置によりレーザ光を出射してアモルファスシリコン層の下面を照射し、且つエキシマレーザ装置によりレーザ光を出射してアモルファスシリコン層の上面を照射することにより、アモルファスシリコンを溶融させ、多結晶シリコンを結晶化する時間を大幅に減少でき、多結晶シリコンの生産高を有効に向上させるとともに、アモルファスシリコンの溶融と結晶化の時の温度勾配を低減するため、多結晶シリコンの結晶化度を有効に高め、多結晶シリコンの結晶品質を改善することができ、さらに、高価なエキシマレーザ装置の出射回数を減少することができるため、エキシマレーザ装置の使用寿命を延長することができ、コストを一層低減することができる。
典型的実施例を参照して本発明を説明したが、使用した用語は、説明及び例示するためのものであって、制限するためのものではないと考えられるべきである。本発明は、様々な形式で具体的に実施されることができるため、上記実施例は、上記の如何なる細部に限られず、請求項の限定する範囲内で広義的に解釈されるべきである。そのため、請求項或いはその均等の範囲内の全ての変化と改善は、請求項に含まれることを言うまでもない。

Claims (12)

  1. 多結晶シリコン製造方法であって、
    固体レーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を予熱するステップＳ１１と、
    エキシマレーザ装置によりレーザを出射して前記アモルファスシリコン層の上面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに結晶化するステップＳ１２と、を含み、
    前記ステップＳ１１は、前記ステップＳ１２より所定時間早く実行される方法。
  2. 前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、透明基板が重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、
    前記ステップＳ１１において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板と前記酸化ケイ素層を透過して、最後に、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を予熱する請求項１に記載の方法。
  3. 前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、透明基板が重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、
    前記ステップＳ１１において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板、前記窒化ケイ素層、前記酸化ケイ素層を透過して、最後に、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を予熱する請求項１に記載の方法。
  4. 前記固体レーザ装置が出射するレーザ光の波長は５３２ｎｍである請求項１〜３の何れかに記載の方法。
  5. 前記固体レーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズは、前記エキシマレーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズの１．５倍である請求項１〜４の何れかに記載の方法。
  6. 前記固体レーザ装置が出射するレーザ光は、レーザパルス或いは連続レーザである請求項１〜５の何れかに記載の方法。
  7. 多結晶シリコン製造方法であって、
    固体レーザ装置によりレーザを出射してアモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を加熱するステップＳ１１’と、
    エキシマレーザ装置によりレーザを出射して前記アモルファスシリコン層の上面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を多結晶シリコンに結晶化するステップＳ１２’と、を含み、
    前記ステップＳ１１’と前記ステップＳ１２’とが同時に実行される方法。
  8. 前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、透明基板が重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、
    前記ステップＳ１１’において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板と前記酸化ケイ素層を透過して、最後に、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を加熱する請求項７に記載の方法。
  9. 前記アモルファスシリコン層は、上から順に酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、透明基板がに重なって構成される多層構造の上に形成され、且つ前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層は臨界面を有し、
    前記ステップＳ１１’において、前記固体レーザ装置により出射されたレーザ光は、前記透明基板、前記窒化ケイ素層、前記酸化ケイ素層を透過して、最後に、前記アモルファスシリコン層と前記酸化ケイ素層との前記臨界面に達して、前記アモルファスシリコン層の下面を照射することにより、前記アモルファスシリコン層を加熱する請求項７に記載の方法。
  10. 前記固体レーザ装置が出射するレーザ光の波長は５３２ｎｍである請求項７〜９の何れかに記載の方法。
  11. 前記固体レーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズは、前記エキシマレーザ装置が出射するレーザ光のビームサイズの１．５倍である請求項７〜１０の何れかに記載の方法。
  12. 前記固体レーザ装置が出射するレーザ光は、レーザパルス或いは連続レーザである請求項７〜１１の何れかに記載の方法。
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