JPH02238618A - レーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 基板上に形成された多結晶もしくは非結晶半導体層を溶
融再結晶化するためのレーザアニール装置に関し， レーザアニール法により形成される単結晶領域の寸法を
拡大可能な装置を提供することを目的とし， レーザアニールが施される被処理層が形成された基板上
に画定されたＸ方向に延伸する帯状領域における該被処
理層を加熱するための線状光源と．該線状光源によって
加熱されている該帯状領域のほぼ中心部における該被処
理層を溶融するためのレーザ光源と，該線状光源とレー
ザ光源との相互位置を保持しつつ該帯状領域を該被処理
層上にＸ方向に往復走査するとともに，Ｘ方向における
少なくとも一走査が終了したときに該帯状領域をＹ方向
に変位させるｘ−Ｙ走査機構とを備えるように構成する
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は．基板上に形成された多結晶もしくは非結晶半
導体層を溶融再結晶化するだめのレーザアニール装置に
関する。

？従来の技術〕 絶縁層」二に成長させた単結晶半導体層に１〜ランジス
タ等の半導体素子を形成するＳｏｌ（ＳｉｌｉＣ−ｏｎ
　ｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）構造によれば，素子相互間
のアイソレーションが完全であるためラッチアソプが生
しず，また，素子−基板間の浮遊容量を小さく，かつ，
高耐圧を達成できる特徴があり，さらに，三次元素子構
造を構成できる可能性がある。このために，良質の単結
晶半導体層を有するＳＯＩ構造の基板を量産性よく製造
する技術の開発が要望されている。

ＳＯｒ基板の製造方法の一つとして，８１０■等の絶縁
層が形成されたシリコンウエハ上に多結晶シリコン層を
堆積し，この多結晶シリコン層をエネルギービームの照
躬により溶融再結晶化して単結ＩＷ化する方法がある。

このエネルギーヒームとしてレーザビームを用いる，い
わゆるレーザアニール法が種々検討されている。

ＳＯｒ構造においては．形成される素子の活性領域が単
結晶化されていればよいが，基板上の所望の領域を選択
的に単結晶化することは容易でない。

このため，現状では，少なくとも素子が形成される１０
０μｍ四方程度の島状の領域全体を自由に単結晶化可能
とすることが目標とされている。

レーザアニール法においては，一般に，絶縁層上に堆積
された多結晶シリコン層を有する基板を５００゜Ｃ程度
に予備加熱しておき，この多結晶シリコン層」二にレー
ザビームを走査して全体を順次溶融・凝固する方法が採
られる。しかし，シリコンの融点は１４１２゜Ｃであり
，レーヂビームが通過したのちに溶融部分は」二記予備
加熱温度の５００″Ｃ程度まで急速に冷却されるため，
固液界面が長い距離にわたって移動ずることがてきず，
その結果，大きな単結晶領域に成長ずることが困難であ
った。

例えば，現在のレーり′アニール法によって単結晶化可
能な領域の寸法は，ビーム走査方向および走査方向に直
交する方向で，それぞれ２　レーり′ビームの直径程度
および直径の数分の１程度である。

一方，予備加熱温度を高くすれば冷却速度を緩やかにで
きるのであるが，基板を載置ずるχ−Ｙステージを高温
に加熱することは不可能であり，予備加熱温度としては
６００゜Ｃ程度が限度である。

〔発明が解決しようとする課題〕

レーザビーム照躬により溶融する領域の周囲を別の照射
光によって補助的に加熱する方法が提案されている。そ
の例を第３図（特開昭５７−１８３０２３）および第４
図（特開昭６２−１６０７８１）に示す。

第３図は，基板５にアニール用のレーザビーム１，．を
照射すると同時に，それより大きな径を有する予備加熱
用のレーザビームｌ．−　Ｉ１を斜め方向から重畳して
照射する。これにより，アニール部分は長径７０〜２０
０７１ｍの楕円ヒームにより，溶融に先行して予備加熱
されるとしている。しかしなから，本発明者によれば，
上記レーサビームを，例えば１５０ｍｍ／ｓｅｃ程度で
走査した場合には，ビーム後方部分は予備加熱されてい
ないことから，溶融後の冷却速度が未だ大きずぎて充分
な大きさの単結晶領域が得られないことが分かった。

第４図は，一つのレーザ１０からの出力光をミラ１５で
分割し，主レーザヒームをウエハ２２に直進させ，一方
，補助レーザビームをビームエキスパンダ１９でそのス
ボッ１〜を拡大したのち，偏光ビムスプリンタ２ｌによ
り，その中心が主ヒームの後方を走査するようにずらし
てウエハ２２に照射する。

上記補助レーザヒームにより，再結晶化シリコン層は１
．Ｏ　Ｏ　Ｏ〜１２００’Ｃ程度に保たれるとしている
。

上記において，補助レーザヒームによる加熱温度をさら
に上昇して熔融後の冷却速度をさらに小さくすれば１よ
り大きな領域を単結晶化することかできるはずである。

しかしながら．」一記のような単一レーザ光源を分割す
ると，各ビームの強度のマーシンか少なくなるという問
題がある。さらに，ウエハ上の補助ヒームの面積が，主
ビームの面積より少なくとも１桁広くなけれは，補助加
熱の効果が現れないが１面積を広くすればエネルギーの
面積密度も１桁下ってしまうため，シリコンの融点近傍
の温度に加熱することが困難であった。

本発明は，予備加熱温度をシリコンの融点近傍に高める
とともに従来より広い領域を加熱することを特徴として
おり，これにより単結晶領域の寸法を拡大可能なレーザ
アニール装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は．レーザアニールが施される被処理層が形成
された基板上に画定されたＸ方向に延伸する帯状領域に
おける該被処理層を加熱するための線状光源と，該線状
光源によって加熱されている該帯状領域のほぼ中心部に
おける該被処理層を溶融するためのレーザ光源と，該線
状光源とレーザ光源との相互位置を保持しつつ該帯状領
域を該被処理層上にＸ方向に往復走査するとともに，Ｘ
方向における少なくとも一走査が終了したときに該帯状
領域をＹ方向に変位させるＸ−Ｙ走査機構とを備えたこ
とを特徴とする本発明に係るレーザアニール装置によっ
て達成される。

〔作　用〕

レーザビームによって溶融される被処理層の走査位置前
後における少なくとも基板の半径程度の領域を，線状の
光源を用いて，その融点直下近傍の温度に補助加熱する
。これにより溶融領域の冷却速度がより遅くされ，単結
晶化領域の寸法が拡大される。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の原理的構成を説明する図である。第１
図（ａ）を参照して，例えば厚さ１．０μｍのＳｉＯｚ
層と厚さ０．５μｍの多結晶シリコン層（いずれも図示
省略）が順次積層されたシリコンウエハ１がｘ−Ｙステ
ージ２上に載置されている。シリコンウエハ１に対向し
て，例えば棒状のハロゲンランプのような線状光源３が
，Ｘ−Ｙステージ２のＸ方向に延伸するように配置され
ている。線状光源３の背後には，線状光源３からの光を
シリコンウエハ１上に集光するための反射板４が設けら
れている。

上記の構成により，シリコンウエハ１表面，正確にはシ
リコンウエハ１上に形成されている前記多結晶シリコン
層のＸ方向に延伸する幅ａなる帯状の領域６が線状光源
３から発生した光により照射される。シリコンウエハＩ
は実質的に円形とみなされ，線状光源３は．少なくとも
シリコンウエハ１の半径に等しい長さしを有する。第１
図（ａ）においては，シリコンウエハ１の直径程度の長
さを有しており，その結果．帯状領域６はシリコンウエ
ハ１の中心を通って円周と交差する場合が示されている
。

線状光源３の発光強度を調節することにより帯状領域６
における前記多結晶シリコン層が．その融点１４１２゜
Ｃより数゜Ｃ〜十数゜Ｃ程度低い温度，例えば１４００
゜Ｃに加熱される。従来と同様にＸ−Ｙステージ２に加
熱装置を設けておくことにより，帯状領域６を上記温度
に加熱するために必要な線状光源３の発光強度を低くす
ることができるのはもちろんである。

線状光源３により融点直下近傍に加熱された帯状領域６
の中心部に，図示しないレーザ光源からレーザビーム７
を照射する。レーザビーム７は被照射面において，帯状
領域６の幅ａに等しいかそれより小さな直径ｄを有する
。その結果，帯状領域６の中心部における前記多結晶シ
リコン層の直径ｄなる領域が直ちに融点以上に加熱され
，溶融する。さらに．伝熱効果により，前記直径ｄの領
域の周囲の多結晶シリコン層も溶融する。

上記のようにして，多結晶シリコン層を溶融しながら，
ｘ−ｙステージ２をＸ方向に移動する。

そして，レーザビーム７の照射位置がシリコンウエハ１
の円周上に達したら，ｘ−ｙステージ２をＹ方向に微小
量，例えば前記直径ｄに相当する長さ変位させ，再びＸ
−Ｙステージ２をＸ方向に移動しながら，レーザビーム
７の照射を行う。このよ”うにして，第１図（ｂ）に矢
印Ａで示すように，シリコンウエハ１上の前記多結晶シ
リコン層全体がレーザビーム７により照射される。この
間に，レーザヒーム７による照η・ｊ位置の前後の領域
が，少なくともシリコンウエハ１の半径に等しい長さに
わたって帯状領域６により走査され，融点直下近傍の温
度に保持される。

上記温度に保持される長さは数１０ｍｍのオーダであり
，第３図および第４図で説明した従来の方法により予備
加熱される長さが高々数１００μｍであるのに比べ，２
桁以上大きい。また，線状光源３による照射強度は，レ
ーザヒーム７のそれとは独立に制御可能であり，帯状領
域６を融点に極めて近い温度，例えば１４００゜Ｃに保
持ずることが可能となる。

このようにして，走査速度が同一ならば，多結晶シリコ
ン層が再結晶化可能な距離が従来の方法の１００倍以上
に延長され，しかもこの距離において従来より高い温度
に保たれる。その結果，走査とともに，溶融部分は極め
て緩やかな速度で冷却され，固液界面は走査方向に長い
距離を連続的に移動するごとになり，大きな単結晶シリ
コン層が成長するごとなる。

なお，上記におけるＸ−Ｙステージ２のＹ方向の変位量
は，レーザビーム７の照射により熔融される領域の直径
ｄと等しいか，これより小さくしてＸ方向の走査時に溶
融領域が重なるようにする。

第２図は本発明のレーザアニール装置の一実施例の概要
構成を示す模式図であって，第１図におけるのと同しも
のは同一符閃で示してある。図において，符号８は，例
えば出力２０Ｗのアルゴンイオンレーザであり，直径約
２５μｍ，主波長５１４５人および４８８０人のレーザ
ビーム７を出力する。レーザビーム７は，例えば誘電体
多層膜から成る反射鏡９により偏向され，反射板４に設
けられた小孔４Ａを通過して，ンリコンウエハ１上に投
射される。

シリコンウエハ１」二におけるレーザヒ゛−ム７の直径
ｄは２０μｍ程度である。

Ｘ−Ｙステージ２は直径２０ｃｍ程度であり，ステンレ
スまたはセラミックから成る基体にシーズヒクを埋め込
んだ加熱部を有し，この加熱部」＝に載置されたシリコ
ンウエハ１全体が５００″Ｃ程度に加熱ざれる。

線状光源３は棒状のタングステンランプまたはハロゲン
ランプであり，　２０ｃｍ程度の長さを有する。

反射板４は，第２図（ｂ）に示すように，例えはその軸
に垂直な断面が楕円である円筒の一部から成り楕円の一
方の焦点に線状光源３が配置され，他方の焦点がシリコ
ンウエハ１面に位置するように位置決めされている。反
射板４は，その裏側に設けられている図示しない水冷機
構により冷却され線状光源３の輻射熱による損傷が防止
されている。

」二記 のようにして，線状光源３からの発光が効率よく帯状領
域６に集光されるため，ノリコンウエハ１」二の前記多
層シリコン層をその融点１４１２゜Ｃ近傍まで加熱こと
ができる。なお，線状光源３によって輻射加熱される帯
状領域６の幅ａは，例えば２ｍｍである。

Ｘ−Ｙステージ２によりシリコンウエハ１をＸ方向に約
５００ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動する。これにより，第
１図を参照して説明した手順により，シリコンウエハ１
上の多結晶シリコン層上に帯状領域６とレーザビーム７
が走査され，溶融・再結晶が行われる。Ｘ方向の走査が
終了すると，ｘ−ｙステージ２をＹ方向に約０．１ｍｍ
移動したのち，再びＸ方向の走査を行う。

〔発明の効果〕

本発明によれば，ウエハ上の多結晶半導体層をレーザア
ニールする際Ｇこ，レーザビームの直径の数倍の幅の領
域が溶融され．従来の方法に比べて溶融後の冷却速度を
極めて緩やかにすることができるため，固液界面の移動
距離が増大され，単結晶化される領域を拡大できる。そ
の結果，高品質のＳＯＩ構造の基板をレーザアニールに
より製造可能とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図 第２図は本発明の一実施例の概要構成図第３図および第
４図は従来のレーザアニールカ法ないしは装置の例を説
明するための図である。 図において， １はシリコンウエハ， ２はＸ−Ｙステージ， ３は線状光源， ４は反射板， ６は帯状領域 ７はレーザビーム， ８はアルゴンイオンレーザ， ９は反射鏡， ４八は小孔 である。 Ｘ， Ｒ 木ｔ日珂）η−４フ（、方乞イク・ｌｆ）４′ｆｙ−ミ
ヒＡ・肯慶こレ■第２　図 特開乎 〆 冬（ｊＫのし一■″アニー）防法の−イ列＄３ｚ 蓼 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザアニールが施される被処理層が形成された基板上
   に画定されたＸ方向に延伸する帯状領域における該被処
   理層を加熱するための線状光源と、該線状光源によって
   加熱されている該帯状領域のほぼ中心部における該被処
   理層を溶融するためのレーザ光源と、 該線状光源とレーザ光源との相互位置を保持しつつ該帯
   状領域を該被処理層上にＸ方向に往復走査するとともに
   、Ｘ方向における少なくとも一走査が終了したときに該
   帯状領域をＹ方向に変位させるＸ−Ｙ走査機構 とを備えたことを特徴とするレーザアニール装置。