JP3708793B2 - 半導体膜作製方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信頼性および量産性に優れ、ばらつきが小さく、歩留りの高いレーザーアニール方法に関する。特に、本発明は、イオン照射、イオン注入、イオンドーピング等によってダメージを受け、結晶性が著しく損なわれた被膜のレーザーアニール方法に関する。
【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。その理由の１つは、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。レーザーアニール技術は究極の低温プロセスと注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、レーザーアニールの条件等については、各装置や被膜の条件によって異なるものとして、十分な検討がおこなわれなかった。その結果、レーザーアニール技術は非常にばらつきが大きくて、到底実用化には到らないというコンセンサスができていた。本発明の目的は、このような従来には認知されていなかった条件を提示し、よって、レーザーアニールによって再現性のよい結果を得ることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、特にイオン照射、イオン注入、イオンドーピング等のダメージによって、被膜がアモルファス、あるいはそれに類した非常に結晶性の悪化した状態で、半導体としても十分な特性の示せないような被膜を活性化せしめる目的でレーザーアニールの条件の最適化を探していたが、その際には、レーザー光のエネルギーの条件ばかりではなく、含まれる不純物やレーザーパルスのショット数によっても最適な条件が変動することを発見した。
【０００５】
本発明では、活性化されるべき被膜は主としてシリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの合金や炭化珪素等のIV族の元素から構成される被膜である。これらの被膜は１００Å〜１００００Åの厚さである。これらの被膜をレーザーアニールする際には、透光性を考慮して４００ｎｍ以下の短い波長のレーザーを使用するとよいことが知られている。
【０００６】
例えば、一般にレーザーのエネルギー密度が高ければ活性化が十分におこなわれ、シート抵抗が低下するものと考えられている。しかし、実際には、不純物として燐が含まれている場合には、明らかにそのような傾向が得られたとしても、不純物が硼素の場合には、逆に高エネルギーでは劣化する。また、パルスレーザーによるアニールではパルスのショット数が増加すると、結果のばらつきが少なくなるものと考えられているが、ショット数が多くなると被膜のモフォロジーが悪化し、ミクロなばらつきが増大するという現象も生じることが明らかになった。
【０００７】
これは、レーザーの照射を重ねることによって、被膜中に結晶の核が大きく成長するためだと考えられる。その結果、それまでは極めて均質であった被膜中に０．１〜１μｍ程度のサイズで分布が生じるためである。特に、レーザーのエネルギーが大きな領域では顕著であった。
【０００８】
また、レーザーアニールの際に被膜が大気中に露出しているのではなく、厚さ３〜３００ｎｍ代表的には１０〜１００ｎｍの透明な被膜によって覆われていることも必要であることを見出した。このような被膜はレーザー光を透過する目的から酸化珪素や窒化珪素が適しているが、通常はこの被膜をゲート酸化膜として用いる必要から酸化珪素を主たる材料とする被膜を用いる。もちろん、可動イオンをパッシベーションする目的からこれにリンや硼素がドープされていてもよい。もし、IV族被膜がこのような透明な被膜で被覆されていない場合には、先に述べたような不均質性が一段と加速された。
【０００９】
このような条件を満たした上で、さらに平坦な（均質な）被膜を得るには、照射されるレーザー光のエネルギー密度をＥ〔ｍＪ／ｃｍ2 〕、レーザーパルスのショット数をＮ〔回〕としたときに、
ｌｏｇ10Ｎ≦Ａ（Ｅ−Ｂ）
という関係があることを見出した。このＡ、Ｂは被膜に含まれている不純物によって異なるのであるが、不純物が燐の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３５０であり、不純物が硼素の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３００であった。また本発明は、透明な膜の代わりに透明基板を用いてもよい。即ち、この場合のレーザー処理方法は、絶縁透明基板上に、形成されたIV族元素を主成分とし、高エネルギーの不純物イオンを照射された被膜に波長４００ｎｍ以下、パルス幅５０ｎｓｅｃ以下のパルス状レーザー光を照射することによって半導体を活性化せしめるレーザーアニール方法において、該パルス状レーザー光は前記絶縁透明基板を通して該被膜に照射されることと、照射されるレーザーのエネルギー密度Ｅ〔ｍＪ／ｃｍ2 〕と照射パルス数Ｎの間に、ｌｏｇ10Ｎ≦−０．０２（Ｅ−３５０）の関係を有することを特徴とするレーザー処理方法である。以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。
【００１０】
【実施例】
本実施例では、IV族元素からなる膜（半導体膜）中に不純物を導入してＮ型とＰ型の一方を付与し、さらにマスクを用いて前記膜の一部に不純物を導入してその部分にＮ型とＰ型の他方を付与する。図１には本実施例で使用したレーザーアニール装置の概念図を示す。レーザー光は発振器２で発振され、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。それまでのレーザー光のビームは３×２ｃｍ2 程度の長方形であるが、この光学系４によって長さ１０〜３０ｃｍ、幅０．１〜１ｃｍ程度の細長いビームに加工される。この光学系を経たレーザー光のエネルギーは最大で１０００ｍＪ／ショットであった。
【００１１】
光学系４の内部の光路は図５のように示される。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、縦方向のフライアイレンズＤを通過する。シリンドリカル凹レンズＡ及びシリンドリカル凸レンズＢを通過したレーザー光は、後にシリンドリカルレンズＨによって集束される方向に拡張される。その後、フライアイレンズＣ、Ｄを通過することによってレーザー光はそれまでのガウス分布から矩形分布に変化する。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）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。
【００１２】
本実施例では、図５の距離Ｘ1、Ｘ2を固定し、焦点ＩとミラーＧとの距離Ｘ3、と距離Ｘ4、Ｘ5とを調節して、倍率Ｍ、焦点距離Ｆを調整した。すなわち、これらの間には、
Ｍ＝（Ｘ3＋Ｘ4）／Ｘ5、
１／Ｆ＝１／（Ｘ3＋Ｘ4）＋１／Ｘ5、
という関係がある。なお、本実施例では光路全長Ｘ6は約１．３ｍであった。
【００１３】
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。すなわち、短冊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、試料の幅よりも長いので、結局、試料は１つの方向にのみ移動させてゆけばよい。したがって、試料のステージおよび駆動装置１０は構造が簡単で保守も容易である。また、試料をセットする際の位置合わせの操作（アライメント）も容易である。
【００１４】
これに対して、正方形に近いビームであれば、それだけで基板全面をカバーすることは不可能であるので、試料を縦方向、横方向というように２次元的に移動させなければならない。しかし、その場合にはステージの駆動装置は複雑になり、また、位置合わせも２次元的に行わなければならないので難しい。特にアライメントを手動でおこなう場合には、その工程での時間のロスが大きく生産性が低下する。なお、これらの装置は防振台等の安定な架台１上に固定される必要がある。
【００１５】
試料は、縦１００ｍｍ、横１００〜３００ｍｍの各種ガラス基板（例えば、コーニング社製７０５９番ガラス）を使用した。レーザーはＫｒＦレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を使用した。
【００１６】
ガラス基板上にプラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコン膜（半導体膜）を厚さ１００Å〜１００００Å例えば１０００Å（１００ｎｍ）形成した。これを６００℃で４８時間アニールして結晶化させた。そして、これを島状にパターニングした。さらに、スパッタ法によって厚さ７０ｎｍの酸化珪素膜を形成し、基板全面に燐をドープした。このときはいわゆるイオンドーピング法を使用し、プラズマ源はフォスフィンＰＨ3 を使用した。加速電圧は８０ｋＶとした。さらに、基板の一部をマスクして、硼素をイオンドーピング法によって注入した。プラズマ源はジボランＢ2 Ｈ6 で、加速電圧は６５ｋＶであった。すなわち、マスクされた箇所には燐が注入され、結果としてＮ型を示し、マスクされなかった箇所には燐と硼素が注入され、結果としてＰ型を示す。
【００１７】
そして、様々なエネルギー密度、ショット数のレーザーを照射し、レーザー活性化をおこない、シート抵抗を測定して、モフォロジーを光学顕微鏡によって観察した。図２〜図４にその結果を示す。
【００１８】
図２は燐イオンを注入したシリコン膜のシート抵抗とレーザー光のエネルギー密度、およびショット数の関係を示す。燐のドーズ量は２×１０15ｃｍ-2である。レーザーのエネルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ2 以下では、活性化のために多くのショット数を要し、それでもなお１０ｋΩ／□程度の高いシート抵抗しか得られなかったが、２００ｍＪ／ｃｍ2 以上では、１〜１０ショットのレーザー照射で充分な活性化がおこなえた。
【００１９】
図３は硼素イオン（４×１０15ｃｍ-2）を注入したシリコン膜（半導体膜）のレーザー活性化を示す。やはり、２００ｍＪ／ｃｍ2 以下のエネルギー密度では活性化は不十分で多くのショット数が必要であった。一方、２００〜３００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲では、充分に低いシート抵抗が１〜１０ショットで得られたが、３００ｍＪ／ｃｍ2 以上のレーザー照射では、かえってシート抵抗が高くなってしまった。特に２００ｍＪ／ｃｍ2 以下の場合とは逆に、ショット数が多いほどシート抵抗が大きくなったが、これは、多数のレーザー照射によって、被膜の均一性が悪化し、結晶の粒界が成長したためである。
【００２０】
実際のプロセスでは、レーザーアニールは、Ｐ型領域もＮ型領域も同時におこなう。したがって、レーザーのエネルギー密度を３５０ｍＪ／ｃｍ2 に設定したら、Ｎ型領域は充分に活性化されるが、Ｐ型領域は特性がかえって悪化してしまう。このため、本実施例の条件では、エネルギー密度は２００〜３００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲、特に２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲が好ましかった。パルス数は１〜１００パルスが良い。
【００２１】
さて、レーザーアニールによって被膜のモフォロジーに変化が生じることは先に述べた通りであるが、実際にショット数とエネルギー密度とモフォロジーを検討すると、図４のような結果が得られた。ここで、Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｐｕｌｓｅとは、レーザーのショット数を意味している。図の黒丸は燐ドープシリコンに於ける表面モフォロジーに変化が現れる点を、白丸は硼素ドープシリコンに於ける変化点をそれぞれ示している。図において右上の領域は膜表面のモフォロジーの悪い（粗い）状態を示し、左下はモフォロジーの良好な（平坦な）状態を示す。燐ドープシリコンの方がレーザーに対して抵抗力が強いことがわかる。この結果から、表面モフォロジーを変化させないようにレーザーアニールをおこなうための条件は、照射されるレーザー光のエネルギー密度をＥ〔ｍＪ／ｃｍ2 〕、レーザーパルスのショット数をＮ〔回〕としたときに、
ｌｏｇ10Ｎ≦Ａ（Ｅ−Ｂ）
とであり、不純物が燐の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３５０であり、不純物が硼素の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３００であることが導かれた。
【００２２】
モフォロジーが荒れた場合には、部分によってシリコンの特性が著しく悪化するため、ばらつきが著しく大きくなる。実際にモフォロジーの悪い（表面の粗い）シリコン膜ではシート抵抗のばらつきは２０％以上であった。ばらつきを下げるためには上記の条件を満たし、かつ、適正なレーザーエネルギー密度を設定しなければならない。
【００２３】
例えば、レーザーエネルギー密度を２５０ｍＪ／ｃｍ2 とした場合には、レーザーのショット数は１０回以下が望ましい。また、レーザーエネルギー密度を２８０ｍＪ／ｃｍ2 とした場合には、レーザーのショット数は１〜３回が望ましい。このような条件でレーザーアニールをおこなったときには、シート抵抗のばらつきを１０％以下におさえることができた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によって最適なレーザーアニールをおこない、よって、ばらつきが少なく信頼性の高い半導体膜を得ることができた。このように本発明は工業上、有益なものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で使用したレーザーアニール装置の概念図を示す。
【図２】実施例で得られたレーザーアニールされたシリコン膜（燐ドープ、Ｎ型）のシート抵抗、レーザーエネルギー密度とショット数の関係を示す。
【図３】実施例で得られたレーザーアニールされたシリコン膜（燐＆硼素ドープ、Ｐ型）のシート抵抗、レーザーエネルギー密度とショット数の関係を示す。
【図４】実施例で得られたシリコン膜のモフォロジーとレーザーエネルギー密度、ショット数の関係を示す。
【図５】実施例で使用したレーザーアニール装置の光学系の概念図を示す。
【符号の説明】
１ 光学架台
２ レーザー装置（発振段）
３ レーザー装置（増幅段）
４ ビーム成形光学系
５〜９ 全反射ミラー
１０ 試料ステージおよび駆動機構
１１ 試料（ガラス基板）

Claims (4)

  1. 所定の縦及び横の長さを有するガラス基板上に半導体膜を形成し、
    発振器からレーザー光を発振させ、一組のシリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズ、第１及び第２のフライアイレンズ、第１及び第２のシリンドリカル凸レンズの順に該レーザー光を通して、該レーザー光の断面を前記ガラス基板の横の長さよりも長くなるように第１の方向に拡張させると共に、焦点を有するレーザー光に加工した後、
    前記レーザー光の焦点より前記ガラス基板に近い位置に配設されたシリンドリカルレンズにより、前記レーザー光の断面を前記第１の方向と直交する第２の方向に集束させ、
    前記半導体膜に前記集束したレーザー光を照射する際、前記ガラス基板を前記第２の方向に移動させる方法であって、
    前記一組のシリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズによって前記レーザー光の断面は前記第２の方向に拡張され、その後前記第１及び第２のフライアイレンズによって前記レーザー光の断面における前記第１の方向及び前記第２の方向のエネルギー分布は前記半導体膜において矩形分布となることを特徴とする半導体膜作製方法。
  2. 所定の縦及び横の長さを有するガラス基板上に半導体膜を形成し、
    発振器からレーザー光を発振させ、一組のシリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズ、第１及び第２のフライアイレンズ、第１及び第２のシリンドリカル凸レンズの順に該レーザー光を通して、該レーザー光の断面を前記ガラス基板の横の長さよりも長くなるように第１の方向に拡張させると共に、焦点を有するレーザー光に加工した後、
    前記レーザー光の焦点より前記ガラス基板に近い位置に配設されたシリンドリカルレンズにより、前記レーザー光の断面を前記第１の方向と直交する第２の方向に集束させ、
    前記半導体膜に前記集束したレーザー光を照射する際、前記ガラス基板を前記第２の方向に移動させる方法であって、
    前記一組のシリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズによって前記レーザー光の断面は前記第２の方向に拡張され、その後前記第１及び第２のフライアイレンズによって前記レーザー光の断面における前記第１の方向及び前記第２の方向のエネルギー分布は前記半導体膜において矩形分布となり、
    前記シリンドリカルレンズの倍率Ｍは、Ｍ＝（前記焦点から前記シリンドリカルレンズまでの光路長）／（前記シリンドリカルレンズと前記半導体膜との距離）であることを特徴とする半導体膜作製方法。
  3. 所定の縦及び横の長さを有するガラス基板上に半導体膜を形成し、
    発振器からレーザー光を発振させ、一組のシリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズ、第１及び第２のフライアイレンズ、第１及び第２のシリンドリカル凸レンズの順に該レーザー光を通して、該レーザー光の断面を前記ガラス基板の横の長さよりも長くなるように第１の方向に拡張させると共に、焦点を有するレーザー光に加工した後、
    前記レーザー光の焦点より前記ガラス基板に近い位置に配設されたシリンドリカルレンズにより、前記レーザー光の断面を前記第１の方向と直交する第２の方向に集束させ、
    前記半導体膜に前記集束したレーザー光を照射する際、前記ガラス基板を前記第２の方向に移動させる方法であって、
    前記一組のシリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズによって前記レーザー光の断面は前記第２の方向に拡張され、その後前記第１及び第２のフライアイレンズによって前記レーザー光の断面における前記第１の方向及び前記第２の方向のエネルギー分布は前記半導体膜において矩形分布となり、
    前記シリンドリカルレンズの焦点距離Ｆは、１／Ｆ＝１／（前記焦点から前記シリンドリカルレンズまでの光路長）＋１／（前記シリンドリカルレンズと前記半導体膜との距離）であることを特徴とする半導体膜作製方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一において、前記発振器から発振されるレーザー光は、エキシマーレーザーであることを特徴とする半導体膜作製方法。
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