JP4602365B2 - 半導体膜の作製方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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10nm〜1000nm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。
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。
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。
0nm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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
10nm〜1000nm例えば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。
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。
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/cm
2 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。
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。
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250〜300m
J/cm2 の範囲が好ましかった。パルス数は1〜100パルスが良い。
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。
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。
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。
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 (1)
- レーザー光を半導体膜に照射し、燐イオンまたは硼素イオンが注入された前記半導体膜を活性化する半導体膜の作製方法であって、
発振器から前記レーザー光を発振させ、
シリンドリカル凹レンズ及び第一のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記レーザー光の進行方向に垂直な断面の第一の方向に伸長させ、
第一のレンズアレイを通過させ、第二のレンズアレイを通過させることにより、エネルギー密度の分布をガウス分布型から矩形分布にし、前記レーザー光の進行方向に垂直な断面でかつ前記第一の方向と直交する第二の方向に伸長させ、
第二のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第一の方向に収束させ、
第三のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第二の方向の長さを、前記半導体膜が形成された基板の幅より長く、概略一定とし、
前記第二のシリンドリカル凸レンズの焦点より前記半導体膜に近い位置に配置された第四のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第一の方向に収束させ、
前記第四のシリンドリカル凸レンズを通過したレーザー光を、エネルギー密度を250〜300mJ/cm 2 にして、前記半導体膜に照射し、前記半導体膜を活性化することを特徴とする半導体膜の作製方法。
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