JP6487928B2 - ポリシリコンの形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上にポリシリコンを形成する方法、並びに、大粒径ポリシリコンを製造するための上記方法の使用に関するものである。

大粒径ポリシリコンの形成は、増え続ける半導体デバイスにおいて必要となってきている。

大粒径ポリシリコンは、炉アニーリング、例えば、急速熱アニーリング（ＲＴＡ）または急速熱処理（ＲＴＰ）のような標準的な高サーマルバジェット（thermal budget）技術によって得ることができる。

しかしながら、殆ど場合、サーマルバジェットが７００℃未満に制限され、その結果、標準的なアニーリング技術によってアモルファスシリコン層から大粒径ポリシリコンを形成することが極めて難しいという一般的問題があるのは明白である。

上記問題を解決するための試みにおいて、低サーマルバジェットプロセスとして知られているレーザアニーリングが、低サーマルバジェットポリシリコン形成のための最も期待できる解決法として提案されてきた。

しかしながら、ポリシリコンを再結晶させる従来のレーザアニーリング技術は、数百ナノメートルを上回る粒径の形成を可能にするものではなく、また、キャリア移動度が特に平均粒径に比例するため、結果として得られたレーザアニールされたポリシリコンは、平均的なまたは低いキャリア移動度を示すものとなる。

米国特許第７，０２９，９９６号に記載されているように、低サーマルバジェット大粒子を形成するための特殊技術は、逐次的横方向結晶化（sequential lateral solidification）プロセスにより、レーザアニーリングを使用するものである。この方法は、当然のことながら、横方向の粒子、すなわち基板表面の領域と平行な方向に延びる粒子のみをもたらし、一般に、パターンの無いポリシリコン表面に制限される。

さらに、当業者は、横方向の結晶化を誘発するのに適当な基板（またはレーザ）の横変位を逐次的に実行するのに必要とされる設備が高価で複雑となることを認識するであろう。

以上に鑑み、本発明の目的の一つは、低い設備コストおよび複雑さで大粒径ポリシリコンを形成する方法を提供することである。

また、本発明の目的の一つは、最先端の技術よりも高いスループットで大粒径ポリシリコンを形成する方法を提供することである。

また、本発明の目的の一つは、限られたサーマルバジェットに曝される間に、十分な粒径を有する大粒径ポリシリコンを形成する方法を提供することである。

本発明の別の目的は、パターンのあるポリシリコン層に大きな粒子を形成することを可能にする大粒径ポリシリコンを形成する方法を提供することである。

さらに、本発明の特定の目的は、大きい縦方向の粒子、すなわち基板表面領域に対して垂直な方向に延びる粒子の形成を可能にする、大粒径ポリシリコンの形成方法を提供することである。

本発明は、半導体基板上にポリシリコンを形成する方法であって、
−半導体基板上にアモルファスシリコンを提供するステップと、
−アモルファスシリコンの少なくともある領域を第１レーザビームおよび第２レーザビームに曝すステップとを含み、
前記領域を前記第２レーザビームに曝す間に、前記領域に対するレーザビームの相対的な変位が生じないことを特徴とする方法を対象としている。

また、本発明は、大粒径ポリシリコンを製造するための上記方法の使用を対象としている。

特に、本発明は、縦方向粒子（vertical grain）ポリシリコンを製造するための上記方法の使用を対象としている。

さらに、本発明は、センサ、ＭＥＭＳ、ＮＥＭＳ、不揮発性メモリ、揮発性メモリ、ＮＡＮＤフラッシュ、ＤＲＡＭ、ポリシリコン接点および配線を製造するための上記方法の使用を対象としている。

図１は、本発明に係る方法の一実施形態を示している。

本発明に係る第１実施形態として、半導体基板上にポリシリコンを形成する方法が提供され、当該方法が、
−半導体基板上にアモルファスシリコンを提供するステップと、
−アモルファスシリコンの少なくともある領域を第１レーザビームおよび第２レーザビームに曝すステップとを含み、
前記領域を前記第２レーザビームに曝す間に、前記領域に対してレーザビームを相対的に変位させないことを特徴としている。

本発明において、前記領域を曝す間に前記領域に対して第２レーザビームを相対的に変位させることなく前記領域を第２レーザビームに曝すことは、ビームが前記領域に当たる間にビームも基板もシフトまたは移動することなく前記領域を第２レーザビームに曝すこととして理解される。

本発明の明らかな利点は、逐次的横方向結晶化技術が、横方向の結晶化を誘発するのに適当な逐次的な横変位を生じさせる専用の設備が必要であるのに対して、少なくとも１００ナノメートル、または少なくとも１マイクロメートル、または少なくとも数マイクロメートルの粒径を有する大粒径ポリシリコンを同様に得ながらも、そのような設備を具備する必要性がもはやないという点である。

本発明に係る方法の別の利点は、均質の微結晶シリコン粒子の形成を可能にする点である。

さらに、本発明に係る方法は、パターンのある層において大粒子の形成を可能にする。大粒子の形成に関連する、変位が存在しないことにより、シリコン表面上の非常に特殊な位置においても、正確な局所的形成が可能になる。

また、本発明に係る方法が、基板表面領域に対して垂直な方向に延びる粒子の形成を可能にすることは、顕著な利点である。逐次的横方向結晶化技術は、基板表面領域に対して垂直な方向に５０または１００ナノメートルを超える粒径を得る能力を有していないのに対して、本発明は、その方向に、少なくとも５０または１００ナノメートル、または少なくとも１マイクロメートル、または少なくとも数マイクロメートルの粒径を得ることができる。

本発明に係る一実施形態においては、第２レーザビームにより生じる溶融深度が、第１レーザビームにより生じる溶融深度よりも小さいことを特徴とする方法が提供される。いかなる理論に束縛されるつもりはないが、第１レーザビームに曝されることによって形成される（相対的に小さい）ポリシリコン粒子は、第１レーザビームよりも小さい溶融深度を持つ第２レーザビームに曝されることによって部分的に溶融すると考えられる。（相対的に小さい）ポリシリコン粒子の非溶融部分は、大粒径ポリシリコンの成長および結晶化の種としての役割を果たす。

図１に示される特定の実施形態では、第１レーザビームに曝された後に（ステップ１）、第２レーザビームへの曝露（ステップ２）に続いて、１またはそれ以上のその他のレーザアニーリングステップ（ステップ３またはそれ以上）があり、それらの各々の間に、アニールされる領域に対するレーザビームの変位が生じることなく、また、溶融深度は、第２レーザビームにより生じる溶融深度と比べて同じに保たれる。それは、大粒子のサイズと均質性の増加をもたらすことができる。

しかしながら、アニールされる領域を一連のレーザアニーリングステップに曝し、各々のステップにおいて、アニールされる領域に対してレーザビームを相対的に変位させないようにし、かつ、後に続くステップの各々を、前のステップよりも低い溶融深度で行うことにより、縦方向に延びるポリシリコン粒子の形成をさらにいっそう促進させることができる。

本発明に係る一実施形態においては、第２レーザビームにより生じる溶融深度を、第１レーザビームにより生じる溶融深度よりも小さくすることが、第１レーザビームよりも低いエネルギー密度を有する第２レーザビームを使用することにより達成することができる。異なるエネルギー密度を達成するために、表面領域におけるエネルギー密度を調節するための任意の既知の技術を使用することができる。例えば、レーザビームのエネルギーを変化させることができ、波長を変えることができ、またはフィルタまたはマスクなど、光学系の変更を利用することができる。

異なるエネルギー密度を使用することにより異なる溶融深度を達成することの代替例として、異なるパルス幅を使用することもでき、または異なるエネルギー密度と異なるパルス幅の組合せを使用することもできる。

本発明に係る別の実施形態では、図１にも示されるように、アモルファスシリコンが、絶縁層の上に提供されて、それにより、シリコン材料と絶縁材料との間に界面が規定されるものであってもよく、また、第１レーザビームにより生じる溶融深度が、アモルファスシリコンと絶縁体の界面に至るまでアモルファスシリコンを溶融するのに十分であるものであってもよい（ステップ１）。シリコンと絶縁体の界面に至るまでの溶融深度を得ることは、シリコンと絶縁体の界面に至るまでアモルファスシリコンを溶融するのに十分なエネルギー密度を生じる第１レーザビームを生成することにより達成することができる。その後、第１レーザビームに曝されることにより形成される（相対的に小さい）ポリシリコン粒子は、第１レーザビームよりも小さい溶融深度を有する第２レーザビームに曝されることにより部分的に溶融する（ステップ２）。（相対的に小さい）ポリシリコン粒子の非溶融部分は、大粒径ポリシリコンの成長および結晶化のための種としての役割を果たす。１またはそれ以上のその他のレーザアニーリングステップ（ステップ３またはそれ以上）が続くものであってもよい。

第２レーザビームにより生じる溶融深度（ステップ２）は、第１レーザビームにより生じる溶融深度よりも小さい。

本発明に係る一実施形態では、使用されるレーザエネルギー密度は、０．０１Ｊ／ｃｍ２と１０Ｊ／ｃｍ２の間とすることができる。第１レーザビームのエネルギー密度と第２レーザビームのエネルギー密度との間の差は、０．５Ｊ／ｃｍ２未満、または０．２Ｊ／ｃｍ２未満、または０．１Ｊ／ｃｍ２未満とすることができる。

本発明は、例えば、絶縁体上に堆積されたアモルファスシリコン層から大粒径のポリシリコンを形成する必要がある場合など、ポリシリコン・シード層を存在させることなく、大粒径のポリシリコンを形成する必要がある任意の状況において使用され得るものである。

第１レーザビームおよび第２レーザビームは、異なるレーザパラメータを有する異なるレーザ光源によって生成されるものであっても、あるいは好ましくは、異なるレーザアニーリングパラメータで作動するのに適した単一のレーザ光源によって生成されるものであってもよい。単一のレーザ光源を使用することは、複数のレーザ光源による方法と比べて、より単純な構造の設備を必要とし、また、コストを制限する。

使用されるレーザ光源は、固体レーザ、ダイオードレーザ、ファイバレーザ、ＵＶレーザまたはエキシマレーザなど、レーザの波長、エネルギーおよびパルス幅がプロセスに適応される、任意のレーザ光源であってもよい。好ましくは、レーザ光源をエキシマレーザとすることができ、より好ましくは、塩化キセノン・エキシマレーザとすることができる。

１または複数のレーザ光源の波長は、以下の波長においてシリコンのエネルギー吸収が高いことから、１００ｎｍ乃至９００ｎｍの範囲、１９０ｎｍ乃至６００ｎｍの範囲、１９０ｎｍ乃至５５０ｎｍの範囲、または好ましくは、１９０ｎｍ乃至４８０ｎｍの範囲にすることができる。第１レーザビームおよび第２レーザビームへの曝露は、異なる波長で行われて、各々が、必要とされる溶融深度（またはエネルギー密度）に適応されるものであってもよい。

本発明に係る一実施形態では、約１ｎｓと１０ｍｓの間の範囲、例えば、約１ｎｓと１ｍｓの間の範囲、好ましくは１ｎｓと２５０ｎｓの間の範囲におけるパルス幅を用いることができる。第１レーザビームおよび第２レーザビームへの曝露は、異なるパルス幅で行われて、各々が、必要とされる溶融深度に適応されるものであってもよい。

本発明に係る一実施形態では、第１レーザビームへの曝露および第２レーザビームへの曝露の各々が、単一のレーザ幅のみを含むものであってもよい。

１または複数のレーザ光源のレーザビームエネルギーは、１ジュール乃至２５ジュールの範囲で、ダイ全体またはウェハ全体を最大とする領域に亘って、必要とされる溶融深度を得ることを可能にするものであってもよい。それらエネルギーを達成するために、レーザ放電量（laser discharge volume）は、典型的には１０ｃｍ（電極間間隔）×７乃至１０ｃｍ（放電幅）×１００乃至２００ｃｍ（放電距離）に最適化される。１回の放射でウェハ全体を最大とする大きな領域をアニールする能力は、大きな粒子を得るために必要とされる横方向の変位が存在しないという事実と相俟って、逐次的横方向結晶化法と比較して、スループットに関して、非常に大きな利点となり得ることは明らかである。

本発明に係る一実施形態では、レーザアニーリングに曝されながらも、半導体基板は、加熱されることはなく、周囲温度、好ましくは室温とすることができる。固化速度を低減して粒子の成長を促進するために加熱されたチャック上に半導体基板が配置される従来の方法とは対照的に、本発明に係る方法は、半導体基板の加熱を必要とすることはない。そのため、アニールされる領域が曝されるサーマルバジェットは、レーザビームのエネルギーそれ自体によってのみ生じ、したがって、正確に制御され得るとともに、可能な限り制限されるものとなる。

先ずは第１レーザビームにより、その後に第２レーザビームによりアニールされる各領域を逐次的にアニーリングする代わりに、基板の複数の領域が先ず第１レーザビームに曝された後に、複数の領域の各々が第２レーザビーム（または１またはそれ以上のその他のレーザアニーリングステップ）に曝されるという方法を使用することが、スループットに関して、有利であることがある。

特定の実施形態では、アモルファスシリコン層が、大きな面積において第１エキシマレーザビームに曝される。この第１レーザビームのエネルギー密度（ＥＤ_１）は、埋もれている絶縁体の界面に至るまでシリコン層を完全に溶融して再結晶させるように、選択される。この第１アニーリングステップの後に、前述したように、小さいな平均粒子を持つポリシリコンが形成される。その後、同じ領域が、第２エキシマレーザビームでアニールされる。この第２レーザビームのための低いエネルギー密度（ＥＤ_１−ΔＥＤ）は、第１レーザビームと比べて、溶融深度を大幅に低減するために使用される。第１エキシマレーザビームによって形成される、シリコンと絶縁体のインターフェースにおける微結晶シリコン粒子は、完全に融解することはなく、縦方向の再結晶化および固化のための種として使用される。その結果、シリコン粒子は、大きい均一なシード・インターフェースから縦方向に成長することができ、マイクロメートルのシリコン粒子が、大きな面積において同時に形成され得る。

本発明に係る方法は、一般に大粒径ポリシリコンの生成、特に縦方向の大粒径ポリシリコンの生成に極めて有効であるため、コスト効率およびデバイス性能に寄与することができ、センサ、ＭＥＭＳ、ＮＥＭＳ、不揮発性メモリ、揮発性メモリ、ＮＡＮＤフラッシュ、ＤＲＡＭ、ポリシリコン接点および配線の製造を促進することができる。

Claims (9)

1. 絶縁体または半導体基板上にポリシリコンを形成する方法であって、
   −アモルファスシリコンと前記絶縁体または半導体基板との間の界面を規定するアモルファスシリコン層を前記絶縁体または半導体基板上に提供するステップと、
   −前記アモルファスシリコン層の少なくともある領域を第１レーザビームに曝す第１ステップ、及び前記領域を第２レーザビームに曝す第２ステップとを含み、
   前記領域を前記第２レーザビームに曝す間に、前記領域に対してレーザビームを相対的に変位させず、
   前記第１ステップの間に、前記第１レーザビームによって生成されたエネルギー密度及び／又はパルス持続時間は、前記界面まで前記アモルファスシリコン層を完全に溶融し、比較的小さいポリシリコングレインを有するポリシリコン層を再結晶化させるように選択され、
   前記第２ステップの間に、前記第２レーザビームによって生成されるエネルギー密度および／またはパルス持続時間は、前記第１レーザビームによって生成されるエネルギー密度および／またはパルス持続時間よりもそれぞれ小さく、前記第２レーザビームによって生成される前記エネルギー密度および／またはパルス持続時間は、前記第１レーザビームによって形成されたポリシリコングレインを部分的に溶融するように選択され、
   前記第２レーザビームにより生じる溶融深度が、前記第１レーザビームにより生じる溶融深度よりも小さく、前記基板の表面領域に垂直な方向に１マイクロメートルよりも大きい粒径を有する比較的大きな粒子ポリシリコンの成長及び凝固を促進することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記第２レーザビームにより生じるエネルギー密度が、前記第１レーザビームにより生じるエネルギー密度よりも小さいことを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   前記アモルファスシリコンが、絶縁層の上に提供されて、それにより界面を規定し、前記第１レーザビームにより生じるエネルギー密度が、前記アモルファスシリコンと絶縁層の界面に至るまで前記アモルファスシリコンを溶融するのに十分であることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法において、
   前記第１および第２レーザビームが、同じレーザ光源によって生成されることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法において、
   レーザアニーリングの間、前記半導体基板が室温に保たれることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法において、
   前記基板の複数の領域が、先ず、前記第１レーザビームに曝され、前記複数の領域の各々が、その後、前記第２レーザビームに曝されることを特徴とする方法。
7. 前記基板の表面領域に垂直な方向に少なくとも１マイクロメートルの粒径を有する大粒径ポリシリコンを製造するための大粒径ポリシリコンを製造するための請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法の使用。
8. 前記基板の表面領域に垂直な方向に延在する縦方向粒子ポリシリコンを製造するための請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法の使用。
9. センサ、ＭＥＭＳ、ＮＥＭＳ、不揮発性メモリ、揮発性メモリ、ＮＡＮＤフラッシュ、ＤＲＡＭ、ポリシリコン接点および配線を製造するための請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法の使用。

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