JPH0420254B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザを用いた加熱処理に関するもの
であり、加熱される半導体膜の均一性を向上させ
ることを目的とする。また本発明の別の目的は急
激な冷却を抑制してストレスの発生を押さえるこ
とにある。

周知のようにレーザ光はコヒーレントな光であ
り、しかも単位面積あたりのエネルギ密度が大き
い。半導体関係の分野では上記の特長を生かして
イオン注入後のアニールや多結晶シリコン層への
ドーピング抵抗を下げるために用いられようとし
ている。吸収係数の大きいレーザ光を用いると半
導体表面よりわずか数μmの深さにほとんどの光
エネルギが吸収され、瞬時にして半導体表面が溶
融し、レーザ光の照射が終ると１秒以下で冷却す
る。このためイオン注入された不純物分子は拡散
する間もなく活性化されてイオン注入後の深さ方
向の分布が維持される。また多結晶シリコンでは
レーザ照射による溶融と再結晶化によつてグレイ
ン（結晶粒界）サイズが大きくなつてドドーピン
グ効率が向上しシート抵抗値が単結晶の場合と同
等になるなど、集積回路の高速化や高密度化にと
つて重要な改善が期待されている。

多結晶のシリコンのグレインサイズはCVD法
による被着では堆積時の温度と膜厚によつて異な
るが1μmを越えることはなく一般的には0.1μm前
後であり、したがつて自由電子の移動度も10cm²／
Ｖ・secを越えることはない。ところがレーザア
ニールを行なうとグレインサイズは容易に10μm
を越えるものが得られ、自由電子の移動度も100
cm²／Ｖ・secを上回る値が報告されている。

しかしながらレーザのビームスポツトが照射し
ようとする面積に比べかなり小さいために走査が
必要であり、またビームスポツト内のエネルギ分
布の不均一性も加わつて均一なレーザ照射が難し
い。

第１図は多結晶シリコンにレーザ照射を行なう
場合の工程断面図を示す。１は絶縁性基板で石英
もしくは表面を酸化された単結晶シリコン基板が
選ばれる。MOSトランジスタなどの半導体素子
を形成するに際して600℃以上の高温工程を使用
しなければ基板１はガラス板でも差支えない。基
板１上に多結晶シリコン膜２を例えば5000Åの厚
みで被着する。外気による汚染と沸謄による飛散
を防ぐためには例えば酸化シリコンなどの保護絶
縁膜３を1000Å程度多結晶シリコン膜２に被着し
ておくとよい。

第１図に示すようにビームスポツト10〜100μm 出力１〜10Wのアルゴンレーザ光４を多結晶シ
リコン膜２に照射しながら毎秒数cmの速度でまず
紙面と平行な方向に動かして基板１上の所定の領
域の端まで走査し、次に紙面と垂直な方向にビー
ムスポツトの大きさの約半分、５〜50μmほどス
テツプ状に動かし再び端から端まで走査する。こ
の操作を繰り返すことにより多結晶シリコン膜２
をレーザ照射する。実際にはレーザ光４を固定し
ておいて基板１を動かす操作で走査を行なつてい
る。

第２図はレーザ照射終了後の斜射図である。ビ
ームスポツトの走査線に沿つて溶融、再結晶化し
単結晶化したグレイン５が多数並び、しかもその
大きさが10〜100μmとまちまちであるので縞状の
むら６として観測される。さらに基板１と多結晶
シリコン膜２との熱膨張係数の違いから冷却時に
多数のひび割れ７を生じることが分つた。このた
め第２図に示されたような多結晶シリコン膜２を
用いてMOSトランジスタなどの半導体素子を作
製すると特性の不揃いや低い歩留りが顕著である
といつた重大な欠点が知られている。

一つの改善例として特開昭56−142630号公報で
は多結晶シリコン膜２の溶融にはアルゴンレーザ
を用い、石英基板１の加熱には炭酸ガスレーザを
用いてこれら２本のレーザ光を同時に照射するこ
とにより多結晶シリコン膜２と石英基板１との界
面の温度差を小さくし、ひび割れ７の発生を抑制
する手段が示されている。しかしながらグレイン
サイズ５の不揃いに関しては何ら改善されていな
い。

本発明は上記した問題点に鑑みなされたもの
で、冷却時の時定数を長くすることによりひび割
れを抑制するとともにグレインサイズを揃えるこ
とを目的とする。本発明の要点は複数個のレーザ
ビームの導入にあり第３〜６図とともに本発明の
実施例について説明する。

第３図はレーザ照射を行なう場合の工程断面図
であり、第１のレーザビーム４に続いて第２のレ
ーザビーム８がある距離９だけ離れて連動しなが
ら多結晶シリコン層２を走査していく様子を示し
たものである。第１のレーザビーム４が照射され
た近傍の多結晶シリコン層２′は直ちに溶融し、
第１のレーザビーム４が動いていくと溶融してい
た多結晶シリコン層２′は直ちに冷却し始め再結
晶化も始まるわけであるが、第１のレーザビーム
４の通過後ある時間において第２のレーザビーム
８が照射されるので冷却し始めていた多結晶シリ
コン層２′は再び光エネルギを吸収し発熱が始ま
る。したがつて第２のレーザビーム８のエネルギ
密度を第１のレーザビーム４のエネルギ密度より
も小さくして多結晶シリコン層２が溶融しない程
度に設定して再加熱するようにすれば冷却時の急
激な温度低下を避けることができる。換言すれば
冷却時の時定数を大きくすることができる。この
ため冷却時のストレスが緩和されて多結晶シリコ
ン膜２にひび割れが発生することは著しく減少す
る。また再結晶化も結晶化時間が長くなるのでグ
レインが十分に成長してほぼ100μmを越える大き
さに揃うといつた優れた効果が得られる。

レーザビーム数を増すほど冷却時の時定数を大
きくできるのでストレスの緩和とグレインの大き
さに関しては好ましい結果が得られるが、レーザ
光源も含めて装置が大がかりになるので自ずと制
約を受けることは言うまでもない。。しかしなが
ら最低限２本のレーザビームが必要なことは上記
した実施例からも明らかである。すなわち多結晶
シリコン膜を溶融するのに十分なエネルギ密度を
有する第１のレーザビームと、溶融はしないが十
分な加熱力を有する第２のレーザビームが必要で
ある。また２つのレーザビームの位置関係は離れ
過ぎていると第１のレーザビーム通過後の冷却が
進行し過ぎているので冷却の時定数を大きくする
ことにならず本発明の効果は期待できない。逆に
近づき過ぎて２つのレーザビームが重なつてしま
うと重なつた領域のエネルギ密度が大きくなり過
ぎて多結晶シリコン層が沸騰して飛散してしま
う。したがつて少なくとも２つのレーザビームが
重ならない程度、換言すれば２つのレーザビーム
のビームスポツトの大きさ以上離れているのが望
ましい。

第４図は本発明の一実施例を示すシステムで図
で２台のレーザ光源１０，１１より２本のレーザ
ビーム４，８を得てＸ−Ｙ方向に走査可能な試料
台１２上に置かれた試料１３に照射するものであ
る。第２のレーザビーム８は先述したように第１
のレーザビーム４よりもエネルギ密度が小さくな
るように出力を調整するか、あるいはビームスポ
ツトの大きさがレンズ系によつて可変され。なお
試料台１２はヒータなどにより昇温が可能で、試
料１３を基板加熱できるようになつていることは
言うまでもない。この実施例では２本のレーザビ
ームの出力とビームスポツトの大きさと距離の選
定が自由に選べるものの光源が２台必要なために
装置が大きくなつてしまう欠点がある。

第５図は本発明の他の実施例を示すシステム図
で、レーザ光源は２台必要であるが同時に２枚の
試料がレーザ照射可能である。２台の直交した光
源１０，１１より２本のレーザビーム１４，１５
を得て、これらをレーザビームと45度の角度をな
す位置に配置されたハーフミラー１６に入射す
る。透過レーザビーム８と反射レーザビーム４お
よび同じく１４′と８′を一対のレーザ光線として
レンズ系１７および１７′でフオーカス調整のの
ち試料台１２，１２′上の試料１３，１３′に照射
する。本発明の趣旨にしたがつて２台の光源は一
方が必ず他方よりエネルギ密度が低いレーザ光を
提供するように調整される。例えば出力が同じで
あればビームスポツトが拡がるように光源あるい
はハーフミラー１６に致るまでの経路で調整され
る。そして試料台１２，１２′は試料１３，１
８′に照射される一対のレーザビームのうちエネ
ルギ密度の高い方が先に照射されるように走査さ
れる。

第６図は本発明の別の実施例を示すシステム図
で光学系はやや複雑になるが光源が１台で済む点
に特徴がある。光源１０より得られたレーザビー
ム１４はレーザビーム１４と45度の角度をなすハ
ーフミラー１６に入射し２等分されて反射レーザ
ビーム４と透過レーザビーム８に分割される。透
過レーザビーム８は複数個のミラー１８による光
学経路を経て、また反射レーザビーム４は直接、
走査可能な試料台１２上の試料１３に照射され
る。本発明の趣旨に従つて透過レーザビーム８は
複数個のミラー１８よりなる光学経路中に挿入さ
れたレンズ系または減衰器１９によつてビームス
ポツトを拡大させられるか出力を減じられてエネ
ルギ密度を低下させられた後に試料１３上で反射
レーザビーム４よりわずかに離れた所に照射され
る。

以上述べたように本発明は単数または複数のレ
ーザ光源より少なくとも２本以上の同一波長のレ
ーザビームを得て、それらを電力密度の高い順に
少なくともビームスポツト以上の距離を離して連
動して走査しながら試料を照射することによつて
加熱するから、最初のレーザビームによつて溶融
した試料は冷却が終らないうちに再加熱によつて
昇温し、また冷却が始まるというサイクルを繰り
返す。したがつて従来のようにただ１本のレーザ
ビームが通過後に急激に冷却が始まるのではな
く、再加熱による昇温と冷却を繰り返すだけ冷却
の時定数が長くなつて試料に発生するストレスは
少なくなり、基板との界面にひび割れ、クラツ
ク、膜剥離などが生じる現象も著しく減少する。
さらに冷却の時定数が長くなることは再結晶化時
間が長くなるのと等価でしたがつてグレインも十
分に成長して大きさが揃うのである。

本発明の趣旨は実施例で述べたアルゴンレーザ
による石英板上の多結晶シリコンのアニールに限
定されるものでないことは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２図は従来例によるレーザアニール
の工程断面図とアニール後の斜視図、第３図〜第
６図は本発明によるレーザアニールの状態の概略
要部断面図である。 １…基板、２…半導体膜、３…保護膜、８…レ
ーザビーム、９…走査遅れ、１０，１１…レーザ
光源、１２…試料台、１４，１５…レーザビー
ム、１６…ハーフミラー、１７…レンズ系、１８
…ミラー、１９…減衰器またはレンズ系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも２本以上の同一波長のレーザビー
   ムを電力密度の高い順に少なくともビームスポツ
   ト以上の距離を離して連動して走査しながら試料
   を照射することによつて加熱することを特徴とす
   るレーザ加熱方法。 ２ 複数のレーザビームのビームスポツトの大き
   さが同一で、複数のレーザビームの電力が走査の
   順番に小さくなつていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載のレーザ加熱方法。 ３ 複数のレーザビームの電力が同一で、複数の
   レーザビームのビームスポツトが走査の順番に大
   きくなつていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のレーザ加熱方法。 ４ 直交した２台のレーザ光源より得られた２本
   のレーザビームを前記レーザビームと45度の角度
   をなして配置されたハーフミラーに入射し、透過
   光および反射光よりなる２本のレーザビームをそ
   れぞれ走査可能な試料台上の試料に照射するとと
   もに、一方のレーザ光源と上記ハーフミラーとの
   間にレーザビームを拡大する機能または減衰器が
   挿入され、上記光学経路を経たレーザビームを走
   査の順でビームスポツトが同時には重ならないよ
   うに時間的に遅れて照射することを特徴とするレ
   ーザ加熱装置。 ５ ハーフミラーを用いて２等分された第１のレ
   ーザビームは直接に、また第２のレーザビームは
   複数個のミラーとレンズ系または減衰器を含む光
   学経路を経て走査可能な試料台上の試料を第１、
   第２の順にビームスポツトが同時には重ならない
   ように照射することを特徴とするレーザ加熱装
   置。