JP3623818B2

JP3623818B2 - 結晶性珪素膜の作製方法

Info

Publication number: JP3623818B2
Application number: JP06867095A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎田中
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1995-03-02
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JPH08241872A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、例えば半導体材料に対してレーザー光を照射しアニールを行う技術に関する。また、広くレーザー光の照射によって、被照射物の各種処理や変質を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子プロセスの低温化に関して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、安価で加工性に富んだガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生じたからである。さらにいえばアクティブマトリクス型の液晶表示装置を作製する際に、ガラス基板上に数百×数百以上の薄膜トランジスタを形成する必要が生じたからである。その他にも素子の微小化や素子の多層化に伴う要請もある。
【０００３】
半導体装置の作製プロセスにおいては、半導体材料に含まれる非晶質成分もしくは非晶質半導体材料を結晶化させることや、もともと結晶性であったものの、不純物注入のためのイオンを照射したために結晶性が低下した半導体材料の結晶性を回復することや、結晶性であるのだが、より結晶性を向上させることが必要とされることがある。従来、このような目的のためには熱的なアニールが用いられていた。半導体材料として珪素を用いる場合には、６００℃から１１００℃の温度で０．１〜４８時間、もしくはそれ以上の時間のアニールをおこなうことによって、非晶質の結晶化、結晶性の回復、結晶性の向上等がなされてきた。
【０００４】
このような、熱アニールは、一般に温度が高いほど処理時間は短くても良かったが、５００℃以下の温度ではほとんど効果はなかった。したがって、プロセスの低温化の観点からは、従来、熱アニールによってなされていた工程を他の手段によって置き換えることが必要とされる。特に基板としてガラス基板を利用する場合、熱アニールを温度を６００℃以下とすることが求められる。しかも、その加熱時間を極力短くすることが求められる。これは、長時間の加熱によってガラス基板が変形するからである。液晶表示装置においては、数μｍの隙間を有した一対のガラス基板間に液晶が保持されるので、基板の変形は液晶表示装置の表示に大きな影響を与えることとなる。
【０００５】
熱アニールに変わるプロセスとしては、レーザー光の照射によって各種アニールを行う技術が知られている。レーザー光は熱アニールに匹敵する高いエネルギーを必要とされる箇所にのみ限定して与えることができ、基板全体を高い温度にさらす必要がないという特徴を有している。
【０００６】
レーザー光の照射に関しては、大きく分けて２つの方法が提案されている。
【０００７】
第１の方法はアルゴンイオン・レーザー等の連続発振レーザーを用いたものであり、スポット状のビームを半導体材料に照射する方法である。これはビーム内部でのエネルギー分布の差、およびビームの移動によって、半導体材料が溶融した後、緩やかに凝固することによって半導体材料を結晶化させる方法である。
【０００８】
第２の方法はエキシマーレーザーのごときパルス発振レーザーを用いて、大エネルギーレーザーパルスを半導体材料に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融させ、凝固させることによって半導体材料を結晶化させる方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
第１の方法の問題点は処理に時間がかかることであった。これは連続発振レーザーの最大エネルギーが限られたものであるため、ビームスポットのサイズがせいぜいｍｍ^２単位となるためである。これに対し、第２の方法ではレーザーの最大エネルギーは非常に大きく、従って、数ｃｍ^２以上の大きなスポットを用いて、より量産性を上げることができる。
【００１０】
しかしながら、通常用いられる正方形もしくは長方形の形状のビームでは、１枚の大きな面積の基板を処理するのに、ビームを上下左右に移動させる必要があり、量産性の面で依然として改善する余地があった。
【００１１】
この点に関しては、ビームを線状に変形し、ビームの幅を処理すべき基板を越える長さとし、このビームを走査することによって、大きく改善することができる。なお、ここでいう走査とは、線状レーザーをすこしずつずらして重ねながら照射することを言う。
【００１２】
改善すべき問題として残されていたことはレーザー照射効果の均一性である。この均一性を高めるために以下のような工夫がなされている。１つの工夫として、ビームの分布の形状をスリットを介すことにより、矩形にできるだけ近づけて、線状ビーム内のばらつきを小さくする方法がある。
【００１３】
上記技術において、さらに不均一性を緩和するには、強いパルスレーザー光の照射（以下本照射と呼ぶ）の前に、それよりも弱いパルスレーザー光の予備的な照射（以下予備照射と呼ぶ）をおこなうと均一性が向上することが報告されている。
【００１４】
この効果は非常に高く、半導体デバイスの特性を著しく向上させることができる。これは、照射エネルギーを２段階に分けることで、半導体膜の結晶化を段階的に行うことができ、急激な相変化に従う、結晶性に不均一性や結晶粒界の生成、さらには応力の集中といった問題を緩和できるからである。また、この段階的な照射は、さらにその回数を増やし多段階とすることで、その効果をより高めることができる。これら２つの工夫によって、レーザー照射効果の均一性をかなり向上させることができる。しかしながら、上述のような２段階照射法を用いると、レーザー処理時間が倍になるので、スループットが低下してしまう。また、レーザー照射効果の均一性も、かなり向上させることができたといってもまだ十分なものとは言えなかった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明では、線状レーザービームの分布を工夫することによって、この問題を解決する。本明細書で開示する発明では、前述した線状レーザービームの分布をその狭い幅方向（レーザービームの走査方向）において台形状にする。そして、このようなエネルギー分布を持ったレーザービームを半導体材料上で走査する。すると、前述した予備照射と本照射とを行なうレーザー照射方法で、予備照射の弱いレーザーエネルギーの役割を上述したエネルギー分布（台形状分布）のエネルギー勾配の有る部分（裾の部分）が果たしてくれるので、段階的に照射エネルギーを変化させた場合と同様の効果を得ることができる。
【００１６】
以下に本明細書で開示する主要な発明について説明する。
本明細書で開示する主要な発明の一つは、
線状に加工されたパルスレーザービームであって、
前記レーザービームのエネルギープロファイルを台形状にして、前記パルスレーザーを被照射物に対し相対的に１方向に走査させながら照射することを特徴とする。
【００１７】
上記構成に示すようなエネルギービームプロファイルでレーザー光を照射する様子を図３に示す。図３に示すのは、線状にビーム加工されたレーザー光の幅方向（走査される方向）におけるエネルギー密度のビームプロファイル（ビーム内におけるエネルギー密度の分布状態）である。図３に示すエネルギー密度のビームプロファイルは、レーザービームが走査される方向において、台形状を有している。
【００１８】
他の発明の構成は、
線状に加工されたパルスレーザーを１方向にずらしながら照射する工程で、被照射物のある一点に着目したとき、該パルスレーザーがその一点に複数回照射されるようレーザービームを重ねて打つことを特徴とする。
【００１９】
図３に示すようなエネルギー密度のビームプロファイルを有するパルスレーザー光を少しづつ移動させながら、そのビームを一部重なるようにして照射した場合、特定の一箇所の線状の領域において、複数回のパルスが照射され、この複数回のパルスの照射に際して、段階的に照射エネルギー密度の大きさが大きくなったパルスが最初の段階で照射され、そして段階的に照射エネルギー密度が減少したパルスが照射されることになる。
【００２０】
他の発明の構成は、
線状に加工されたパルスレーザーを１方向にずらしながら照射する工程で、被照射物のある一点に着目したとき、該パルスレーザーがその一点に３〜１００回照射されるようレーザービームを重ねて打つことを特徴とする。
【００２１】
他の発明の構成は、線状に加工されたパルスレーザーを１方向にずらしながら照射する工程で、被照射物のある一点に着目したとき、該パルスレーザーがその一点に１０〜２０回照射されるようレーザービームを重ねて打つことを特徴とする。
一回の走査により、一箇所に照射されるレーザービームの回数は、レーザービームの幅Ｌ、レーザービームの走査速度Ｖ、単位時間あたりのパルス数Ｎから容易に算出でき、ＬＮ／Ｖで示される。
したがって、本発明は、３≦（ＬＮ／Ｖ）≦１００、より好ましくは１０≦（ＬＮ／Ｖ）≦２０となる条件で、線状のレーザービームを走査して、レーザーアニールを行うことを特徴とする。
【００２２】
【作用】
線状にビーム加工されたパルスレーザー光をその線の幅方向に走査して照射するに際して、その線状のレーザービームの幅方向において台形のエネルギー分布を有するものとすることによって、まず台形のエネルギー分布の裾のエネルギー密度の弱い領域が被照射領域に照射され、引き続いてレーザービームが走査されることによって、徐々に強いエネルギー密度で照射が行われ、さらに台形分布の上辺（最大値）のエネルギー密度でレーザー光が照射され、最後に徐々にエネルギー密度が弱くなる照射が行われる。このようして、ある一点の被照射領域に対して、台形のエネルギー分布に対応して連続的に変化するエネルギー密度でレーザー光の照射が行われる。
【００２３】
上記のような状態でレーザー光が照射されることで、ある一点の被照射領域に注目した場合、最初弱いレーザー光が照射され、徐々に強いレーザー光が照射され、さらに徐々にレーザー光の照射エネルギー密度が弱まっていき、照射が終了することになる。このようなレーザー光の照射を行うと、被照射領域に供給されエネルギーが急激に変化することがないので、被照射領域の急激な相変化を防ぐことができる。例えば、非晶質半導体をレーザー光の照射によって結晶化させる場合、急激な相変化を従わないので、表面が荒れたり、内部に応力が蓄積したりすることがなく、均一な結晶性を与えることができる。即ち、アニール効果を均一なものとすることができる。
【００２４】
【実施例】
本実施例では、半導体材料として珪素膜を用いる。そして、レーザー光の照射によって、珪素膜の結晶性を高める構成を説明する。
【００２５】
まず装置について説明する。図１には本実施例で使用するレーザーアニール装置の概念図を示す。図１に示すレーザアニール装置においては、主な構成が台１上に配置されている。図１に示す構成においては、レーザー光は発振器２で発振される。発振器２で発振されるレーザー光は、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ）である。勿論、他のエキシマレーザーさらには他の方式のレーザーを用いることもできる。ただし、パルス発振のレーザー光を用いる必要がある。
【００２６】
発振器２で発振されたレーザー光は、全反射ミラー５、６を経由して増幅器３で増幅され、さらに全反射ミラー７、８を経由して光学系４に導入される。光学系に入射する直前のレーザー光のビームは、３×２ｃｍ^２程度の長方形であるが、光学系４によって、長さ１０〜３０ｃｍ、幅０．１〜１ｃｍ程度の細長いビーム（線状ビーム）に加工される。また、この光学系を通った後の線状レーザービームの幅方向におけるエネルギー密度分布は図３に示すような台形形状となっている。この光学系４を経たレーザー光のエネルギーは最大で１０００ｍＪ／ショットである。
【００２７】
レーザー光をこのような細長いビームに加工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線状のビームは光学系４を出た後、全反射ミラー９を経て、試料１１に照射されるが、ビームの幅は試料の幅よりも長いので、試料を１方向に移動させることで、試料全体に対してレーザー光を照射することができる。従って、試料のステージ及び駆動装置１０は構造が簡単で保守も用意である。また、試料をセットする際の位置合わせの操作（アラインメント）も容易である。
【００２８】
レーザー光が照射される基板（試料）のステージ１０はコンピュータにより制御されており線状のレーザー光に対して直角方向に動くよう設計されている。さらに、基板を置くテーブルがそのテーブル面内で回転する機能をつけておくとレーザービームの走査方向を変更する場合に便利である。又、ステージ１０の下にはヒーターが内臓されており、レーザー光の照射時に試料を所定の温度に保つことができる。
【００２９】
光学系４の内部の光路を図２に示す。光学系４に入射したレーザー光はシリンドリカル凹レンズＡ、シリンドリカル凸レンズＢ、横方向のフライアイレンズＣ、Ｄを通過し、さらにシリンドリカル凸レンズＥ、Ｆを通過してミラーＧ（図１ではミラー９に相当）を介して、シリンドリカルレンズＨによって集束され、試料に照射される。レンズＨを照射面に対して相対的に上下させることによって、照射面上でのレーザービームの分布の形状を矩形に近いものから正規分布に近いものまで変形させることができる。
【００３０】
以下に本明細書で開示する発明を用いて、レーザー光の照射によって、ガラス基板上に結晶性を有する珪素膜を形成する例を示す。まず、１０ｃｍ角のガラス基板（例えばコーニング７９５９ガラス基板）を用意する。そしてこのガラス基板上に、ＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により、酸化珪素膜を２０００Åの厚さに形成する。この酸化珪素膜は、ガラス基板側から不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下地膜として機能する。
【００３１】
次にプラズマＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜（アモルファスシリコン膜）の成膜を行う。ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いるが、減圧熱ＣＶＤ法を用いるのでもよい。なお、非晶質珪素膜の厚さは、５００Åとする。勿論この厚さは、必要とする厚さとすればよい。
【００３２】
次に窒素雰囲気中において、４５０℃の温度で１時間保持することにより、非晶質珪素膜中の水素を離脱させる。これは、非晶質珪素膜中に不対結合手を意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるためである。
【００３３】
次に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入する。ここでは、当該金属元素としてニッケルを用い、このニッケル元素を導入するためにニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜上に塗布する。そしてニッケル元素が非晶質珪素膜の表面に接して保持された状態とする。そして窒素雰囲気中において、５５０℃、４時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させる。
【００３４】
こうして、ガラス基板上に結晶性を有する珪素膜を得ることができる。しかし、このようにして得られた結晶性珪素膜は、内部に非晶質成分を多く含んでおり、このような状態は電気特性の劣化や変化の要因となる。そこで本実施例においては、上記の加熱処理による結晶化に加えて、レーザー光の照射を行い、その結晶性を向上させる。
【００３５】
ここでは、図１に示す装置を用い、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ）を前記結晶性を有する珪素膜に照射する。このレーザー光の照射によって、結晶性をさらに高めることができる。
【００３６】
レーザービームは光学系３を通すことにより長方形に整形し、被照射部分でのビーム面積は１２５ｍｍ×１ｍｍとする。なお、線状レーザーのビームプロファイルがその性質上ビームの端が不明瞭となっている。よって、本明細書ではビームプロファイル中、最大エネルギーの５％以上のエネルギーを持つ部分をビームと定義する。また線状の幅方向のエネルギープロファイル（エネルギー分布）は、図３に示すような台形の分布を有している。
【００３７】
試料は、ステージ１０上に載せられており、ステージを２ｍｍ／ｓ速度で移動させることによって、その全面に照射が行われる。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度を１００〜５００ｍＪ／ｃｍ^２とし、パルス数を３０パルス／ｓとする。なお、ここでいうエネルギー密度とは台形状に作られたビームの上底部分（最大値を有する部分）の密度を指す。
【００３８】
上述のような条件でレーザー照射を行なうと、試料のある一点に着目した場合、レーザー照射は１５段階照射になる。これは、１回のビームの通過に０．５ｓかかるので、１回のビームの走査しながらの照射によって、一箇所には１５パルスの照射が行われるからである。この場合、上記１５回の照射において、最初の数回の照射は徐々にその照射エネルギー密度が大きくなっていく照射であって、最後の数回が徐々にエネルギー密度が小さくなっていく照射となる。
【００３９】この様子を図３に模式的に示す。１５段階の前半は徐々にレーザーエネルギーが上がっていき（図３のＡに注目）、後半では徐々にそれが下がっていく（図３のＢに注目）。この１５という回数はレーザーのビーム幅Ｌとステージの速度Ｖとレーザーのパルス数Ｎから容易に算出でき、ＮＬ／Ｖの数式から算出される。
本実施例の場合は、Ｌ＝１ｍｍ，Ｖ＝２［ｍｍ／ｓ］，Ｎ＝３０［パルス／ｓ］であるので、一箇所に照射されるレーザービームの回数は、３０×１÷２＝１５と算出される。
我々の実験によると３〜１００段階照射、好ましくは１０〜２０段階照射が最もよい結晶性のある珪素膜が得られた。
【００４０】
レーザー光の照射の際、基板温度は５５０℃に保たれている。これは、レーザーによる基板表面温度の上昇と下降の速度を和らげるために行われている。一般に環境の急激な変化は物質の均一性を損なわれることが知られているが、基板温度を高く保つことでレーザー照射による基板表面の均一性の劣化を極力抑えている。本実施例では基板温度を５００度に設定しているが、実際の実施では４５０℃〜ガラス基板の歪点までの間でレーザーアニールに最適な温度を選ぶ。また雰囲気制御は特に行わず、大気中で照射を行う。
【００４１】
【発明の効果】
本明細書で開示するレーザー光の照射技術によって、量産性を向上させ、半導体デバイスとなるべき膜の均一性を高めることができる。本明細書で開示する発明は、半導体デバイスのプロセスに利用される全てのレーザー処理プロセスに利用できるが、中でも半導体デバイスとしてＴＦＴを取り上げる場合、ＴＦＴのしきい値電圧の均一性を向上させ、さらには特性の均一性を向上させることができる。また、ＴＦＴのソース／ドレインの不純物元素の活性化工程に本明細書で開示する発明を使用した場合、ＴＦＴの電界効果移動度、あるいはオン電流の均一性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザーアニール装置の概要を示す。
【図２】レーザー光を線状に加工する光学系を概要を示す。
【図３】台形のエネルギープロファイルを有するレーザーが照射される場合の状態を模式的に示す。
【符号の説明】
１台
２レーザー発振器
３増幅器
４光学系
５、６、７、８、９全反射ミラー
１０駆動装置
１１試料

Claims

非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜を加熱して水素を脱離させ、
パルス発振方式のレーザーを線状のビームに加工し、前記非晶質珪素膜に該線状のレーザービームを照射して結晶化する結晶性珪素膜の作製方法であって、
前記線状のレーザービームは、レーザービーム走査方向に平行な断面でのエネルギー分布は、台形状であり、
前記線状のレーザービームのエネルギー密度は１００〜５００ｍＪ／ｃｍ^２であり、
前記線状のレーザービームは、該レーザービームのエネルギーが最大エネルギーの５％以上である部分とするものであり、
前記線状のレーザービームを用いて、前記レーザービーム走査方向に沿って前記非晶質珪素膜を走査して、前記線状のレーザービームの一部を重ねながら前記非晶質珪素膜に対して照射することにより、前記非晶質珪素膜の一点に対して、前記レーザービームが１０回以上２０回以下照射されるようにすることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
請求項１において、
前記パルス発振方式のレーザーはエキシマレーザーであることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。