JP3727034B2

JP3727034B2 - Laser irradiation device

Info

Publication number: JP3727034B2
Application number: JP02101195A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 幸一郎田中
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JPH08195357A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体デバイスの作製する際に使用する、レーザー装置の構成に関する。特に、本発明は、１部もしくは全部が非晶質成分からなる半導体材料、あるいは、実質的に真性な多結晶の半導体材料、さらには、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半導体材料に対してレーザー光を照射することによって、該半導体材料の結晶性を向上せしめ、あるいは結晶性を回復させる目的で使用するレーザー装置の構成に関する。
【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、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。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、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た。
【０００５】
レーザー光照射技術は究極の低温プロセスと注目されている。すなわち、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からである。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た。
【０００６】
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。
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。
【０００７】
【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単位となったためである。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、したがって、数ｃｍ² 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。
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には、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。
【０００８】
これに関しては、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、大きく改善できる。
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。エキシマレーザーに代表されるガスに対して放電を行うことによってレーザー発振を行うパルス発振レーザーは、パルスごとにエネルギーがある程度変動する性質を有している。さらに、パルス発振レーザーは出力されるエネルギーによってそのエネルギーの変動の度合いが変化する特性を有している。特にレーザーが安定に発振しにくいエネルギー領域で照射を行なう場合、基板全面にわたって均一なエネルギーでレーザー処理することは困難である。
【０００９】
パルス発振型のレーザーを使用するもう一つの問題点として、レーザーを長時間使用することによって、レーザー発振に必要なガスが劣化し、レーザーエネルギーが下がってゆくことが挙げられる。このことに関してはレーザーの出力を上げれば、レーザーエネルギーも上がるので、問題ないように思われる。しかし、実際はレーザーの出力を変えるとしばらくの間レーザーのエネルギーが安定しなくなるので、この方法はあまり好ましくない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、減光フィルターで代表されるエネルギー減衰装置とビームプロファイラーで代表されるエネルギー測定装置を組み合わせ用いることによって、これらの問題を解決する。即ち、本発明は、レーザーができるだけ安定する出力でレーザー発振を行ない、さらにエネルギー減衰装置を組み合わせ用いることで、レーザー強度を被照射物に対して最適なエネルギーに調節し照射する方法に関する。
【００１１】
なお、本発明の場合、エネルギー減衰装置はエネルギー減衰率が連続可変であることが望ましいが、不連続可変でも良い。すなわち、本発明の概要はレーザーエネルギーを上記最適エネルギーより高く設定し、エネルギー減衰装置を使用することで上記最適エネルギーに調節する。このとき、レーザーはできるだけ安定に発振できるエネルギー領域で発振させる。そして、レーザーを長時間発振し続けるとレーザーエネルギーが低下してくる。この低下分をエネルギー減衰装置を調節することで補うのが、本発明の主旨である。即ち、最終的に低下してしまうエネルギーを最初の段階ではエネルギー減衰装置で減衰させ、レーザー光の照射を続ける段階において、徐々に減衰率を低下させていくことで、常に一定のエネルギーでレーザー光を照射することを特徴とする。であるから、エネルギー減衰装置が連続可変である方が好ましい。
【００１２】
【実施例】
〔参考例〕
まず装置について説明する。図１には本参考例で使用するレーザーアニール装置の概念図を示す。１がレーザーアニール装置の本体である。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。
【００１３】
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。なお、図１中には示さなかったが、８と４との間にエネルギー減衰装置を挿入する。この機械の構造は図３に示す。
【００１４】
図３の装置は１枚のフィルターをレーザービームの進行方向に対してほぼ面を向け、その角度を変えることでエネルギー透過率を変化させる方式ものである。
【００１５】
光学系に入射する直前のレーザー光のビームは、３×２cm² 程度の長方形であるが、光学系４によって、長さ８〜３０cm、幅０〜０. ５ｍｍ程度の細長いビーム（線状ビーム）に加工される。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。
【００１６】
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。
【００１７】
レーザー光が照射される試料のステージ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ほぼ直角方向に動くよう設計されている。
【００１８】
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を通過することによってレーザー光はそれまでのガウス分布型から短形分布に変化する。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。
【００１９】
ミラーＧ（図１のミラー９に相当する）はレーザーエネルギーを少し透過できるようにできており、ミラーＧの後ろにビームプロファイラーを置いて、レーザーを試料に照射中でもリアルタイムでレーザーエネルギーを測定できる。線状レーザーは面積も大きいので、ビームプロファイラーを線状レーザー内でスキャンさせることでエネルギーを測定する。（図４参照）こうすることで線状レーザー内のエネルギー分布も測定できる。
【００２０】
これらの装置はレーザー照射中、線状レーザーのエネルギーが設定エネルギーよりもある一定の割合以上ずれてくると自動的にビームスプリッターからエネルギー減衰装置に信号がきて、レーザーエネルギーを上記設定エネルギーに直すよう設計されている。
【００２１】
〔実施例〕
参考例の方法で図１記載のミラーＧに透過性をもたせることは、レーザー照射のエネルギーをリアルタイムで測定できる利点を持つ反面、レーザーエネルギーを損失してしまう欠点がある。そこで本実施例では、上記欠点を解消する装置配置について述べる。ただし、本実施例の装置配置だと試料照射中にリアルタイムで線状レーザービームのエネルギーを測定することはできなくなる。
【００２２】
本実施例で使用する装置のレーザー照射部分を図５に示す。図５中のミラーＰに図１のミラーＧが対応する。ミラーＰは全反射ミラーで、その下に４％反射ミラーＱがある。ミラーＱで折り返されたエネルギーはビームプロファイラーＲに入るようになっている。ミラーＱはミラーＰに比べるとサイズが小さい。というのは、ビームプロファイラーが一度に測定できる面積が小さいからである。ミラーＱはビームプロファイラーＲと連動していて、線状レーザーに沿って、線状レーザーよりも広い範囲でスライドできるようになっている。ミラーＱとビームプロファイラーＲはレーザー照射時には線状レーザーの外までスライドさせておく。ここで、もし被照射物が線状レーザーの幅にたいして狭いものであるなら、照射に影響しない線状レーザーの端のところにミラーＱを置くことで、レーザー照射中もエネルギーを測定することが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のレーザー照射技術によって、レーザーエネルギーを極力一定に保ちながらレーザー処理を行うことが可能となった。この結果、レーザー処理工程の再現性が高まり、レーザー処理工程を経る製品のバラツキが著しく減ることが期待できる。本発明は特に、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有効に利用できる。なぜなら、上記プロセスはレーザーエネルギーのマージンが狭く、わずかなエネルギーの違いが特性に大きく影響するからである。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】レーザーアニール装置の概略を示す図
【図２】光学系を示す図
【図３】減光フィルターを示す図
【図４】線状レーザーのエネルギーを測定する状態を示す図
【図５】レーザー照射装置の概略の構成を示す図
【符号の説明】
１レーザー照射装置
２レーザー光の発振器
３レーザー光の増幅器
４光学系
５、６、８、９全反射ミラー
１０ステージ
１１試料[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a configuration of a laser apparatus used, for example, when a semiconductor device is manufactured. In particular, the present invention is a semiconductor material partly or wholly composed of an amorphous component, or a substantially intrinsic polycrystalline semiconductor material, and further damaged by ion irradiation, ion implantation, ion doping, etc. The present invention relates to a structure of a laser device used for the purpose of improving the crystallinity of the semiconductor material or recovering the crystallinity by irradiating the semiconductor material with significantly deteriorated crystallinity.
[0002]
[Prior art]
In recent years, active research has been conducted on lowering the temperature of semiconductor device processes. This is because a semiconductor element needs to be formed on an insulating substrate such as glass. In addition, there is a demand accompanying miniaturization of elements and multilayering of elements.
[0003]
In semiconductor processes, the crystallinity of an amorphous component or amorphous semiconductor material contained in a semiconductor material is crystallized, or the crystallinity of a semiconductor material that was originally crystalline but has decreased crystallinity due to ion irradiation. However, it may be necessary to improve the crystallinity. Conventionally, thermal annealing has been used for such purposes. When silicon is used as a semiconductor material, annealing is performed at a temperature of 600 ° C. to 1100 ° C. for 0.1 to 48 hours, or longer, so that amorphous crystallization, crystallinity recovery, crystal Improvements have been made.
[0004]
In general, such thermal annealing may have a shorter processing time as the temperature is higher, but has little effect at a temperature of 500 ° C. or lower. Therefore, from the viewpoint of lowering the process temperature, it has been necessary to replace the steps conventionally performed by thermal annealing with other means.
[0005]
Laser light irradiation technology is attracting attention as the ultimate low-temperature process. That is, the laser beam can be applied only to the places where high energy comparable to thermal annealing is required, and it is not necessary to expose the entire substrate to a high temperature. Regarding the laser light irradiation, two methods have been proposed.
[0006]
The first method uses a continuous wave laser such as an argon ion laser, and irradiates a semiconductor material with a spot beam. This is a method of crystallizing a semiconductor material by slowly solidifying it after the semiconductor material has melted due to the difference in energy distribution inside the beam and the movement of the beam.
The second method is a method of crystallizing a semiconductor material by irradiating a semiconductor material with a high energy laser pulse using a pulsed laser such as an excimer laser, instantaneously melting and solidifying the semiconductor material.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The problem with the first method is that processing takes time. This is because the maximum energy of the continuous wave laser is limited and the size of the beam spot is at most mm units. On the other hand, in the second method, the maximum energy of the laser is very large, and therefore, mass productivity can be further increased by using a large spot of several cm ² or more.
However, with a commonly used square or rectangular beam, it is necessary to move the beam up and down and left and right to process a single large area substrate, and there is still room for improvement in terms of mass productivity. .
[0008]
In this regard, the beam can be greatly improved by deforming the beam into a linear shape, making the beam width longer than the substrate to be processed, and scanning the beam.
What remains as a problem to be improved is the uniformity of the laser irradiation effect. A pulsed laser that performs laser oscillation by discharging a gas typified by an excimer laser has a property that energy varies to some extent for each pulse. Further, the pulsed laser has a characteristic that the degree of fluctuation of the energy varies depending on the output energy. In particular, when irradiation is performed in an energy region where the laser does not oscillate stably, it is difficult to perform laser treatment with uniform energy over the entire surface of the substrate.
[0009]
Another problem in using a pulse oscillation type laser is that the gas necessary for laser oscillation deteriorates and the laser energy decreases by using the laser for a long time. In this regard, it seems that if you increase the laser power, the laser energy increases, so there is no problem. However, this method is not so preferable because changing the laser output actually makes the laser energy unstable for a while.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves these problems by using a combination of an energy attenuating device represented by a neutral density filter and an energy measuring device represented by a beam profiler. That is, the present invention relates to a method of performing laser oscillation with an output that is as stable as possible, and adjusting the laser intensity to an optimum energy for an object to be irradiated by using an energy attenuating device in combination.
[0011]
In the present invention, the energy attenuating device desirably has a continuously variable energy attenuation rate, but may be discontinuously variable. That is, in the outline of the present invention, the laser energy is set higher than the optimum energy, and the optimum energy is adjusted by using an energy attenuator. At this time, the laser oscillates in an energy region that can oscillate as stably as possible. And if the laser continues to oscillate for a long time, the laser energy decreases. It is the gist of the present invention to compensate for this decrease by adjusting the energy attenuating device. In other words, the energy that is ultimately reduced is attenuated by an energy attenuator at the initial stage, and the attenuation rate is gradually reduced at the stage where laser light irradiation continues, so that the laser light is always kept at a constant energy. It is characterized by irradiating. Therefore, it is preferable that the energy attenuator is continuously variable.
[0012]
【Example】
[Reference example]
First, the apparatus will be described. FIG. 1 shows a conceptual diagram of a laser annealing apparatus used in this reference example. Reference numeral 1 denotes a main body of the laser annealing apparatus. Laser light is oscillated by an oscillator 2. The laser light oscillated by the oscillator 2 is a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns). Of course, other excimer lasers and other types of lasers can also be used.
[0013]
The laser light oscillated by the oscillator 2 is amplified by the amplifier 3 via the total reflection mirrors 5 and 6 and further introduced into the optical system 4 via the total reflection mirrors 7 and 8. Although not shown in FIG. 1, an energy attenuating device is inserted between 8 and 4. The structure of this machine is shown in FIG.
[0014]
The apparatus shown in FIG. 3 is a system in which the energy transmittance is changed by changing the angle of one filter with its surface facing the laser beam traveling direction.
[0015]
The laser beam just before entering the optical system has a rectangular shape of about 3 × 2 cm ² , but the optical system 4 makes it an elongated beam (linear beam) having a length of about 8 to 30 cm and a width of about 0 to 0.5 mm. To be processed. The energy of the laser beam that has passed through the optical system 4 is 1000 mJ / shot at the maximum.
[0016]
The reason why the laser beam is processed into such an elongated beam is to improve the processability. That is, the linear beam exits the optical system 4 and then irradiates the sample 11 through the total reflection mirror 9, but the width of the beam is longer than the width of the sample, so that the sample is moved in one direction. Thus, the entire sample can be irradiated with laser light. Therefore, the sample stage and the driving device 10 have a simple structure and are ready for maintenance. In addition, positioning operation (alignment) when setting the sample is easy.
[0017]
The stage 10 of the sample irradiated with the laser beam is controlled by a computer and is designed to move in a direction substantially perpendicular to the linear laser beam.
[0018]
The optical path inside the optical system 4 is shown in FIG. The laser light incident on the optical system 4 passes through the cylindrical concave lens A, the cylindrical convex lens B, and the lateral fly-eye lenses C and D, so that the laser light changes from the Gaussian distribution type to the short distribution. Further, the light passes through the cylindrical convex lenses E and F, is focused by the cylindrical lens H via the mirror G (corresponding to the mirror 9 in FIG. 1), and is irradiated onto the sample.
[0019]
The mirror G (corresponding to the mirror 9 in FIG. 1) can transmit a little laser energy. A beam profiler is placed behind the mirror G, and the laser energy can be measured in real time even while the laser is irradiated on the sample. Since the linear laser has a large area, the energy is measured by scanning the beam profiler within the linear laser. (See FIG. 4) By doing so, the energy distribution in the linear laser can also be measured.
[0020]
In these devices, when the energy of the linear laser deviates more than a certain percentage from the set energy during laser irradiation, a signal is automatically sent from the beam splitter to the energy attenuating device so that the laser energy is changed to the above set energy. Designed.
[0021]
〔Example〕
Providing the mirror G shown in FIG. 1 with transparency by the method of the reference example has an advantage that the energy of laser irradiation can be measured in real time, but has the disadvantage of losing the laser energy. Therefore, in this embodiment, an apparatus arrangement that eliminates the above-described drawbacks will be described. However, with the arrangement of the apparatus of the present embodiment, the energy of the linear laser beam cannot be measured in real time during sample irradiation.
[0022]
FIG. 5 shows a laser irradiation portion of the apparatus used in this example. The mirror G in FIG. 1 corresponds to the mirror P in FIG. The mirror P is a total reflection mirror, and below it is a 4% reflection mirror Q. The energy turned back by the mirror Q enters the beam profiler R. The mirror Q is smaller than the mirror P. This is because the area that the beam profiler can measure at a time is small. The mirror Q is interlocked with the beam profiler R, and can slide along a linear laser in a wider range than the linear laser. The mirror Q and the beam profiler R are slid out of the linear laser during laser irradiation. Here, if the irradiated object is narrower than the width of the linear laser, the energy can be measured even during laser irradiation by placing the mirror Q at the end of the linear laser that does not affect the irradiation. It becomes.
[0023]
【The invention's effect】
The laser irradiation technique of the present invention makes it possible to perform laser processing while keeping the laser energy as constant as possible. As a result, the reproducibility of the laser treatment process is enhanced, and it can be expected that the variation in the products that have undergone the laser treatment process is remarkably reduced. In particular, the present invention can be effectively used for all laser processing processes used for semiconductor device processes. This is because the process has a narrow laser energy margin and a slight difference in energy greatly affects the characteristics. Thus, the present invention is considered industrially useful.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a laser annealing apparatus. FIG. 2 is a diagram showing an optical system. FIG. 3 is a diagram showing a neutral density filter. FIG. 4 is a diagram showing a state in which energy of a linear laser is measured. ] Diagram showing schematic configuration of laser irradiation equipment 【Explanation of symbols】
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser irradiation apparatus 2 Laser light oscillator 3 Laser light amplifier 4 Optical system 5, 6, 8, 9 Total reflection mirror 10 Stage 11 Sample

Claims

A laser oscillator that emits excimer laser light;
An energy attenuator for attenuating excimer laser light oscillated from the laser oscillator;
An optical system for making the attenuated excimer laser light into a linear beam;
A stage provided on the optical path on the exit side of the optical system, for placing an object to be irradiated;
A first mirror disposed on an optical path from the optical system to the stage, for guiding the linear beam to the stage;
A cylindrical lens for condensing fluxes reflected linear beam by the first mirror,
The second mirror is disposed on an optical path from the first mirror to the stage, can be moved in and out of the linear beam, and can reflect a part of the linear beam that can move along the linear beam. Mirror,
Crystallizing and crystallizing a semiconductor material having an energy measuring device for measuring energy and energy distribution of the linear beam provided in the reflection direction of the second mirror and moving in conjunction with the movement of the second mirror A laser irradiation apparatus used for manufacturing a semiconductor device such as improvement of crystallinity or recovery of crystallinity,
The linear beam is converged beam by cylindrical lens, finally the disposed on the stage the irradiated on the irradiated object,
When the linear beam is not irradiated to the irradiation object on the stage, the second mirror moves along the beam in the linear beam, and is reflected by the second mirror. The linear beam is guided to the energy measuring device to measure the energy distribution;
And while irradiating the irradiation object on the stage with the linear beam, in the optical path from the first mirror to the stage, the second mirror is placed in the end of the linear beam. And the end of the linear beam is reflected by the second mirror and guided to the energy measuring device to measure energy,
In the energy attenuating apparatus, the laser beam irradiation apparatus can continuously change the attenuation rate of the linear beam based on the measurement result of the energy measuring apparatus.

A laser oscillator that emits excimer laser light;
A neutral density filter through which excimer laser light oscillated from the laser oscillator passes;
An optical system for converting the excimer laser light that has passed through the neutral density filter into a linear beam;
A stage provided on the optical path on the exit side of the optical system, for placing an object to be irradiated;
A first mirror disposed on an optical path from the optical system to the stage, for guiding the linear beam to the stage;
A cylindrical lens for condensing fluxes reflected linear beam by the first mirror,
The second mirror is disposed on an optical path from the first mirror to the stage, can be moved in and out of the linear beam, and can reflect a part of the linear beam that can move along the linear beam. Mirror,
Crystallizing and crystallizing a semiconductor material having an energy measuring device for measuring energy and energy distribution of the linear beam provided in the reflection direction of the second mirror and moving in conjunction with the movement of the second mirror A laser irradiation apparatus used for manufacturing a semiconductor device such as improvement of crystallinity or recovery of crystallinity,
The linear beam is converged beam by cylindrical lens, finally the disposed on the stage the irradiated on the irradiated object,
When the linear beam is not irradiated to the irradiation object on the stage, the second mirror moves along the beam in the linear beam, and is reflected by the second mirror. The linear beam is guided to the energy measuring device to measure the energy distribution;
And while irradiating the irradiation object on the stage with the linear beam, in the optical path from the first mirror to the stage, the second mirror is placed in the end of the linear beam. And the end of the linear beam is reflected by the second mirror and guided to the energy measuring device to measure energy,
An angle of the neutral density filter with respect to an optical path of the excimer laser light can be continuously changed based on a measurement result of the energy measuring device.