JPH04130623A

JPH04130623A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH04130623A
Application number: JP25068990A
Authority: JP
Inventors: Toshisuke Seto; 俊祐瀬戸; Hidetoshi Nozaki; 野崎　秀俊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1992-05-01

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】本発明は半導体装置の製造方法にかがり、特に面方向に
均一にレーザアニールを行う方法に関する。

（従来の技術）半導体装置の高集積化に伴い、素子の微細化は進む一方
であり、もはや集積化の限界に達しつつある。そこで一
部の素子を垂直方向に重ね合わせることにより集積度を
上げる方法が要求されている。

そこで基板表面に絶縁膜を介して形成された半導体薄膜
内に素子を形成したいわゆるＳｏｌ構造が広く用いられ
るようになってきている。この構造は基板との素子分離
が容易であるなどの利点もあり有効な技術である。

また、駆動回路一体型の液晶デイスプレィ、イメージセ
ンサ等を実現する技術としてガラス基板上に多結晶シリ
コン薄膜を形成する技術が必要不可欠となっている。

従来、このような絶縁膜上に形成した半導体装置は、絶
縁膜上に形成したアモルファスシリコン膜を熱処理によ
り単結晶あるいは結晶粒の大きな多結晶膜として結晶成
長させ、この膜内に半導体素子を形成する方法によって
形成されている。

この熱処理方法としてはアモルファスシリコンに吸収帯
域を有する波長のパルスレーザを照射し、基板に影響を
与えることなくアモルファスシリコンを結晶化させるレ
ーザアニール方法が有効であるとされている。

このときのレーザ強度は強過ぎれば面荒れが起こり、弱
過ぎれば結晶性が向上せず、適正な温度範囲をとるよう
なレーザ強度を選ぶ必要がある。

しかしながら、レーザ装置にはばらつきが生じ易く、最
小強度が最大強度の８０％以下であるようなものも多い
。このようなレーザ装置を用いて熱処理を行った場合、
レーザビーム強度の大きい領域では結晶化が進むが、レ
ーザビーム強度の小さい領域では余り結晶化が進まず、
平面方向に不均一な結晶状態となるという問題があった
。

（発明が解決しようとする課題）このように、最小強度が最大強度の８０％以下であるよ
うな不均一な強度分布をもつレーザ装置を用いた場合、
面方向に不均一な結晶化がなされるという問題があった
。

そしてこのような薄膜を用いてデバイスを形成した場合
、動作しなかったり、動作したとしても特性にばらつき
が生したりするという問題があった。

本発明は、均一な結晶状態を得ることのできるレーザア
ニール方法を提供し、信頼性の高い半導体装置を形成す
ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）そこで本発明では、基体表面にアモルファス半導体薄膜
または多結晶半導体薄膜を坩積し、この半導体薄膜に対
してパルスレーザを用い、レーザビームの最大強度の８
０％以上の強度領域が少なくとも１回以上当たるように
パルス中心をずらして熱処理を行い結晶成長を行うパル
ス熱処理を繰り返し行い結晶成長を行うようにしている
。

（作用）例えばアモルファスシリコンをある強度のレーザビーム
で多結晶化した場合、再度それ以下の強度のレーザビー
ムを照射しても結晶性は変化しない。

本発明は、この点に着目してなされたもので、本発明に
よれば、パルス中心をずらして複数回の熱処理を繰り返
し行うようにしているため、レーザビームの最大強度に
対し８０％以下であるような強度の小さい領域があった
としても、パルス中心をずらして複数回照射していくう
ちに、８０％以上の領域に当たる確率は高くなる。その
確率は回数を重ねるほど高くなり、より均一な結晶成長
を行うことが可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図は本発明実施例の結晶成長方法で用いられるパル
スレーザ装置を示す図である。

この装置は、ＡｒＦエキシマレーザを用いたパルス光源
１から発振されたレーザ光を光学系２を介してビーム走
査装置３に導き、このビーム走査装置３から試料４に照
射するように構成されており、各領域がビーム中心をず
らして複数回照射されるようにすることによって試料全
面をアニールするようになっている。

第２図はリニアイメージセンサを用いて測定したパルス
レーザの１シヨツトの面内強度分布の一例を示す図であ
る。パルス中心から所定の距離を隔てたドーナッツ状の
領域５が光強度が最も強い（ここでは最大値を１とした
とき８０％以上となる）領域である。

このようなパルスを、第３図に示すようにすべての領域
にドーナッツ状の領域５が少なくとも１回以上くるよう
にパルスをずらし重ねて走査することにより、レーザ加
熱処理を行うものである。

第４図（ａ）乃至第４図（ｃ）は本発明実施例の同相成
長を用いた再結晶化多結晶シリコン薄膜の形成方法を示
す工程図である。

まず、第４図（ａ）に示すように石英基板１１上に、Ｃ
ＶＤ法により膜厚２０００へのアモルファスシリコン膜
１２を堆積する。

そして第４図（ｂ）に示すように、このアモルファスシ
リコン膜１２に対し第１図に示したレーザ装置を用いて
、最大強度地点のエネルギー密度２００■Ｊ／　ｃシの
パルスショットを第３図に示すように走査し、第４図（
ｃ）に示すように再結晶化多結晶シリコン１３を得る。

このようにして形成された再結晶化多結晶シリコンは極
めて均一で良好な結晶特性を有するものであった。

この再結晶化多結晶シリコンを微小領域Ｘ線回折で調べ
た結果を第５図に示す。この多結晶シリコン薄膜の任意
の地点で１０μ韻φの領域で第６図と同様の測定結果を
得ることができた。

なお前記実施例ではアモルファスシリコン膜を堆積しこ
れにレーザ照射を行うことによって再結晶化多結晶シリ
コンを得る方法について説明したが、多結晶シリコン膜
を出発材料として再結晶化多結晶シリコンを得るように
してもよい。

次に、この多結晶シリコン膜を出発材料として再結晶化
多結晶シリコンを得る方法を用いたＳＯ■構造の半導体
装置の形成について説明する。

第５図（ａ）乃至第５図（ｄ）は本発明実施例の結晶成
長を用いた再結晶化多結晶シリコン薄膜の形成方法を示
す工程図である。

まず、第５図（ａ）に示すようにｐ型のシリコン基板２
０内に所望の素子領域を形成した後、ＣＶＤ法により酸
化シリコン膜２１を堆積し、この上層にＣＶＤ法により
膜厚２０００人の多結晶シリコン膜２２′を堆積する。

そして第５図（ｂ）に示すように、加速電圧５０ｋｅＶ
、ドーズ量２．　５　Ｘ　１０　”ｃｍ−’でシリコン
イオンをイオン注入しアモルファスシリコン膜２２を形
成する。

次いで、第５図（Ｃ）に示すように、このアモルファス
シリコン膜２２に対し第１図に示したレーザ装置を用い
て、最大強度地点のエネルギー密度２００ｓＪ／ｅシの
パルスショットを第３図に示すように走査し、第５図（
ｄ）に示すように再結晶化多結晶シリコン２３を得る。

なお、この例では、レーザビームの最大強度に対し８０
％以上の領域が少なくとも１回以上くるように走査した
が、９０％以上の領域が少なくとも１回以上くるように
走査した場合にも同様の効果を得ることができた。

また、７０％以上の領域が少なくとも１回以上くるよう
に走査した場合には、不均一な領域ができた。

そこでレーザビームの最大強度に対し何％以上の強度を
持つ領域を少なくとも１回以上照射したときに、形成さ
れる膜の結晶性をＸ線回折の（１１１）面強度とを測定
することによって調べた。

その結果を第７図に示す。この図からもあきらがなよう
に８０％の領域を境に顕著な差がみられた。

このようにして形成された多結晶シリコンをＭＯＳＦＥ
Ｔのチャネルに用いた場合、閾値電圧のばらつきもなく
良好な特性を得ることができた。

なお、前記実施例では、多結晶シリコン膜に不純物をイ
オン注入してアモルファスシリコンを形成し、このアモ
ルファスシリコンに対してレーザアニールを行うように
したが、ＣＶＤ法等によってアモルファスシリコンを堆
積しこれにレーザアニールを施すようにしてもよい。ま
た多結晶シリコン膜を堆積する基板としては絶縁膜を成
膜したシリコン基板に限らず石英基板等ガラス基板を用
いるようにしてもよい。

また、−アモルファスシリコンの堆積は、グロー放電法
、蒸着法あるいはスパッタリング法を用いるようにして
もよい。また、加速電圧およびドーズ量は、例えばアモ
ルファスシリコンの膜厚が０゜１μｍのときは加速電圧
９０〜１１０ｋｅＶ、ドーズ量７×１０′４〜３　Ｘ　
１０　”ｃｍ−’、膜厚が０゜２μ回のときは加速電圧
１５０〜１７０ｋｅＶ。

ドーズ量１〜６　ｘ　１０　”Ｃｓ−’とするのが望ま
しい。

また、結晶成長条件としては５００〜９００℃の範囲で
行うことにより同様の結果を得ることができた。

さらに、この界面からの核生成を抑制するためにおこな
うイオン注入種は、シリコンに限定されることなく、燐
、ヒ素、ボロン、アルゴン、ネオン、酸素、窒素等でも
同様の効果を得ることができる。これらの元素を用いた
場合、それぞれの質量数に応じて加速電圧、ドーズ量を
設定することにより、つねに界面に損傷を形成するため
に必要な最小限のドーズ量、および加速電圧を用いるこ
とにする。

加えて、前記実施例ではレーザビームの走査にビーム走
査装置を用いるようにしたが、ビームを固定して試料台
をステージコントローラによって動かすことにより、試
料全面にビームを照射するよういにしてもよい。

また、ＡｒＦのみならず、ＫｒＦＳＸｅＣｌ等のエキシ
マレーザあるいは他のパルスレーザにも適用可能である
。

〔効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、パルスレー
ザを用いてレーザアニールを行う際、レーザビームの最
大強度に対し８０％以上であるような強度領域が少なく
とも１回当たるように走査するようにしているため、よ
り均一な結晶成長を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の結晶成長方法て用いられるレー
ザ装置を示す図、第２図はパルスレーザ装置の強度分布
を示す図、第３図は本発明実施例のレーザの走査方法を
示す説明図、第４図（ａ）乃至第４図（ｃ）は本発明の
第１の実施例の結晶成長を用いた再結晶化多結晶シリコ
ン薄膜の形成方法を示す工程図、第５図（ａ）乃至第５
図（ｄ）は本発明の第２の実施例の結晶成長を用いた再
結晶化多結晶シリコン薄膜の形成方法を示す工程図、第
６図は方法で形成された多結晶シリコン薄膜のＸ線強度
を示す図、第７図はＸ線回折の（１１１）ピーク強度を
示す図である。１・・・パルスレーザ装置１、２・・・光学系、３・・
・ビーム走査装置、　　４・・・試料、１１・・・石英
基板、１２・・・アモルファスシリコン膜、１３・・・再結晶化多結晶シリコン膜、２０・・・シリ
コン基板、２１・・・酸化シリコン膜、２２′・・・多結晶シリコン膜、２２・・・アモルファスシリコン膜、２３・・・再結晶化多結晶シリコン膜。。２αｄｅｇｒｅｅ）

Claims

【特許請求の範囲】基体表面にアモルファス半導体薄膜または多結晶半導体
薄膜を堆積する堆積工程と、前記半導体薄膜に対して、レーザビームの最大強度の８
０％以上の強度領域が少なくとも１回以上当たるように
パルス中心をずらして熱処理を行い結晶成長を行う熱処
理工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
。