JPH09213652A - レーザーアニール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体に対するレーザーアニールの効果を所
定のものとする。さらにその効果の再現性を高める。 【構成】 ガラス基板１００上に成膜された非晶質珪素
膜に対するレーザーアニール条件をレーザーアニールが
なされた珪素膜の膜質を評価することによって、適時調
整する。珪素膜の膜質の評価方法としては、エリプソメ
ータ１１６、１１７を用いた珪素膜の屈折率の計測結果
やラマン分光装置１１５を用いた計測結果を用いる。こ
の膜質の評価をレーザー光の照射直後に行うことによ
り、リアルタイムでレーザー光の照射条件を制御し、そ
のアニール効果を所定のもの、さらには一定なものとす
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
レーザー光の照射によって各種アニールを行う装置に関
する。例えば、非晶質珪素膜にレーザー光を照射して結
晶性珪素膜に変成するための装置の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、非晶質珪素膜にレーザー光を
照射して、結晶性珪素膜に変成する技術が知られてい
る。これは、ガラス基板上に非晶質珪素膜をプラズマＣ
ＶＤ法や減圧熱ＣＶＤ法で成膜し、それにレーザー光を
照射することにより、結晶性珪素膜に変成する技術であ
る。

【０００３】またレーザー光の照射によって、薄膜トラ
ンジスタのソース及びドレイン領域の活性化を行う技術
も知られている。

【０００４】この技術においては、レーザー光の照射に
よるアニール効果を所望のもの、あるいは一定なものと
することが求められる。

【０００５】レーザー光としては、その出力や実用性の
点から、エキシマレーザーが用いられている。特に紫外
光領域のエキシマレーザーが利用されている。

【０００６】しかし、エキシマレーザーは発振に利用す
るガスが汚染されてくると、発振出力が変化してしまう
問題があり、安定してアニール効果を得るには、問題が
あった。

【０００７】特にレーザーアニールプロセスは、連続し
て多数の試料に対して連続的に行われるものであり、上
記の出力が変動してしまう問題は重要なものとなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本明細書で開示する発
明は、レーザー光の照射による半導体に対するアニール
において、そのアニール効果を常に一定なもの、あるい
は所望のものとする技術を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
の一つは、レーザー光を照射する手段と、被照射面に照
射される前記レーザー光の照射エネルギーの値を計測す
る手段と、被照射面の膜質を評価する手段と、前記照射
エネルギーの値と前記膜質とに基づいて、前記レーザー
光の照射エネルギーを制御する手段と、を有することを
特徴とする。

【００１０】上記構成の具体的な例を図１〜３に示す。
図１は図３のＡ−Ａ’で切った断面である。また図２は
図１の上面図である。

【００１１】図１においては、発振器１０２と光学系１
１０とミラー１０３とでなるレーザー光を照射する手段
と、ハーフミラー１１２と計測器１１３とでなる被照射
面に照射される前記レーザー光の照射エネルギーの値を
計測する手段と、紫外線反射分光を計測する装置１１４
と、ラマン分光装置１１５と、図２の１１６と１１７と
で示されるエリプソメータと、でなる被照射面の膜質を
評価する手段と、前記各計測装置からのデータに基づい
てレーザー発振器の発振エネルギーを調整し、そこから
の照射エネルギーを調整する手段１１８と、を有した構
成が示されている。

【００１２】上記の構成において、全ての計測装置を動
作させ、そのデータに基づいて、レーザー光の照射エネ
ルギーを制御することが最も好ましい。しかし、少なく
ともその一つを用いるのでもよい。

【００１３】なお一般には、レーザー光の照射エネルギ
ーとして、照射エネルギー密度（ｍＪ／ｃｍ² ）が利用
される。

【００１４】

【発明の実施の形態】レーザー光の照射によるアニール
を行う工程において、以下の諸パラメータ、即ちレーザ
ー光の照射エネルギー、レーザーアニール後の半導体膜
のラマン分光計測値、レーザーアニール後の膜の屈折
率、レーザーアニール後における膜の紫外光の反射分光
を計測することにより、レーザーアニール効果を常に確
認することができ、レーザー光の照射エネルギーの変動
を補正することができる。

【００１５】即ち、レーザー光の照射エネルギーを変動
を所定の値、または所定の範囲の値にすることで、レー
ザーアニールの効果を一定なものとすることができる。

【００１６】膜質の評価方法としては、ラマン分光法に
よるものを挙げることができる。ラマン分光法による計
測では、被計測物の結晶性を評価することができる。

【００１７】また他の膜質の評価方法としては、エリプ
ソメーターよる膜の屈折率を計測する場合を挙げること
ができる。エリプソメーターは、計測しようとする試料
（薄膜）の表面に偏光を斜め方向から入射させ、この反
射光の偏光状態を計測することにより、解析計算より膜
の厚さや屈折率を算出するものである。ここで、膜の厚
さが判明していれば、膜の屈折率を得ることができる。

【００１８】膜の屈折率は、ラマン分光法ではあまり反
映されない膜表面の凹凸に関する情報を含んでいる。従
って、エリプソメーターによる計測を併用することで、
膜の状態をさらに詳細に知ることができる。

【００１９】また他の膜質の評価方法としては、紫外光
の反射分光を計測する方法を挙げることができる。これ
は珪素膜に対して紫外光を照射し、その反射分光を計測
することにより、被計測珪素膜の結晶性を評価する方法
である。

【００２０】このように各種方法により、レーザー光の
照射された膜の評価を行うことで、レーザー光の照射に
よるアニール効果を客観的に評価することができる。特
に上記各種の方法を組み合わせて膜質の評価を行うこと
で、より客観的に膜質を評価することができる。

【００２１】そし上記膜質の評価に基づいてレーザー光
の照射エネルギーを制御することで、アニール効果の変
動を最小限に抑えることができる。

【００２２】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板や石英基板上に形
成された珪素膜に対してレーザー光を照射してアニール
を行う装置に関する。このアニールの内容としては、非
晶質珪素膜の結晶化、結晶性を有する珪素膜に対する結
晶性のさらなる助長、不純物イオンの注入による損傷の
アニール、注入された不純物の活性化、を挙げることが
できる。

【００２３】図１〜３に本実施例で示すレーザーアニー
ル装置の概要を示す。図３のＡ−Ａ’で切った断面が図
１である。また図１でその断面が示される構成を上面か
ら見たものが図２である。

【００２４】レーザーアニールを行うには、まず予備室
３０６内に収納されたカセット３１２からロボットアー
ムによって、基板を搬送室３０２に引き出す。この時、
アライメント室３０３において、ロボットアームと基板
との位置関係調整する。なお、カセット３１２には予め
処理する使用（基板）が多数枚収納されている。

【００２５】また、予備室とアライメント室との間に
は、ゲイトバルブ３０７が設けられており、必要に応じ
て気密性を確保できるようになっている。

【００２６】そしてまず、予備加熱を行うために加熱室
３０８に試料は搬送される。加熱室での加熱を所定時間
行ったら、ロボットアーム３０５によって、試料をレー
ザーアニールが行われるチャンバー１０１に移送する。

【００２７】加熱室３０８は、次々に処理される試料を
予め所定の温度に加熱するためのものである。この加熱
室３０８もゲイトバルブ３０９によって搬送室３０２と
連結されている。

【００２８】図１に示すように、気密性を有するチャン
バー１０１に搬入された試料（基板）１００は、石英で
構成されたステージ１１１上に配置される。ステージ１
１１はヒーターを内蔵した移動可能な台１０６上に配置
され、台１０６の移動に伴って試料１００を乗せたまま
移動する。台１０６は、レール１０７の上を１次元方向
に移動する。

【００２９】台１０６を移動させることによって、試料
１１１に照射されるレーザー光は走査されて照射され
る。レーザー光は、発振器１０２で発振され、光学系１
１０において細長い線状の形状に加工される。そしてミ
ラー１０３で反射され、石英の窓１０４を介して線状を
有した被照射面１０５に照射される。

【００３０】ここで、レーザー光の一部は半透過ミラー
１１２で反射されて、レーザー光の照射エネルギー密度
を計測する計測装置１１３に入射する。この半透過ミラ
ーは、その反射率が非常に小さいものを用いる。例え
ば、その反射率が0.5 〜１％であるものを用いる。こう
して照射されるレーザー光の一部が計測装置１１３に入
射する。

【００３１】レーザー光の照射は、台１０６を図の矢印
で示す方向に動かすことにより、走査されて照射され
る。そして照射された後に移動してきた被照射面に対し
て、１１６と１１７で構成されるエリプソメーター、お
よび１１４で示される紫外線反射分光計測装置、および
１１５で示されるラマン分光計測装置によってレーザー
光が照射された後の膜質が評価される。

【００３２】エリプソメーターは、１１６から照射され
た偏光を１１７で受光する構成を有している。

【００３３】なお煩雑になるのを避けるために、図１に
は図２の１１６と１１７とで示されるエリプソメーター
が記載されていない。また図２には紫外線反射分光計測
装置１１４とラマン分光測定計測装置１１５が示されて
いない。

【００３４】そしてエリプソメーターと紫外線反射分光
計測とラマン分光計測とで得られたデータに基づいて、
制御装置１１８によって、レーザー発振器１０２から発
振されるレーザーエネルギーを制御する。またこの時、
計測装置１１３で計測されるレーザーエネルギーも参考
にする。

【００３５】制御装置１１８は、発振器１０２からのレ
ーザー光の照射エネルギーを制御する機能を有してい
る。制御装置１１８には、予備実験によって得られた各
種データが記憶されており、計測された膜質の変化に基
づいて、それを補正するために必要なレーザー光の照射
エネルギーの制御を行う。

【００３６】このようにすることで、レーザー光を走査
しながら照射する段階において、リアルタイムに照射エ
ネルギーをその効果が一定になるように制御することが
できる。

【００３７】チャンバー１０１内には、適当なガスをガ
ス導入系１０９から導入することができる。また必要に
応じてチャンバー１０１内は排気ポンプ１０８によって
減圧状態とすることができる。

【００３８】レーザーアニールが終了したら、試料を処
理室１０１から搬送室３０２に引出し、さらに冷却室３
１０に移送する。冷却室３１０は、レーザー光の照射後
にまだ熱を持った試料を冷やすために室である。ここで
所定の温度に下げられた後に試料は予備室３０６に搬出
される。

【００３９】冷却室３１０も気密性を保持するためにゲ
イトバルブ３１１で搬送室３０２から仕切られている。
勿論、ゲイトバルブ３１１を基板を移送するたびに開閉
する必要はなく、必要に応じて利用すればよい構成とな
っている。

【００４０】こうして、レーザー光の照射によるアニー
ル処理が終了する。そしてカセット３１２に収納された
多数枚の基板に対して、次々にアニール処理が行われれ
ていく。

【００４１】そして、最初カセット３１２内に収納され
た試料（基板）の全てに対してレーザーアニールが終了
したら、カセット３１２を予備室３０６から取り出し、
次にのカセットを搬入する。

【００４２】以上述べたような構成において、常にレー
ザー光の照射エネルギーとレーザーアニールの効果を評
価し、その結果から照射されるレーザーエネルギーを制
御することにより、アニール効果の変動を最大限抑制す
ることができる。

【００４３】そして、得られる半導体装置の特性の均一
化や歩留りの向上に大きな寄与をすることができる。

【００４４】〔実施例２〕本実施例は、レーザー光の照
射エネルギーを制御する方法として、アッテネーター
（減光器）を利用する構成に関する。

【００４５】実施例１においては、レーザー発振器を調
整することにより、その出力を制御する構成を示した。
しかし、本実施例では、光学系１１０内に光学的なアッ
テネーターを配置し、レーザー光の照射エネルギーを制
御することを特徴とする。

【００４６】この場合、出力に余裕のある発振器を用
い、通常の状態でアッテネータによって、照射エネルギ
ーを絞った状態とする。そして、実施例と同様に監視し
ている照射エネルギーとアニール後の膜質に応じて、こ
のアッテネータを制御し、照射ネルギーを変化させる。

【００４７】アッテネータの制御は、制御装置１１８に
よって自動的に行う構成とすることが望ましい。

【００４８】本実施例に示す構成は、発振器からのレー
ザー光の一部を無駄にするという問題があるが、安定し
た照射を行うことができ、また調整が簡単であるという
特徴がある。

【００４９】〔実施例３〕本実施例は、レーザー光の照
射エネルギーを計測する手段として、試料を透過した残
光を計測する構成に関する。

【００５０】レーザーアニールを施す試料として、ガラ
ス基板や石英基板上に配置された半導体パターンや作製
途中の薄膜トランジスタを選択する場合、照射されたレ
ーザー光の一部は、ガラス基板なり石英基板を透過す
る。

【００５１】そこで本実施例においては、この透過した
レーザー光を検出することにより、照射されたレーザー
光の照射エネルギーを検出する構成とする。レーザー光
の検出は、台１０６内に計測器を配置すればよい。

【００５２】〔実施例４〕本実施例は、図４に示すよう
に４０１と４０２で示されるエリプソメータをアライメ
ント室３０３に配置した構成に関する。

【００５３】ラマン分光計測装置もそうであるが、エリ
プソメータによる計測は、計測が行われ、結果が出るま
でに若干の時間を要する。（通常数秒程度）

【００５４】従って、レーザーアニールの対象となる試
料が小型である場合、リアルタイムなフィードバックが
困難になることが考えられる。

【００５５】このような場合は、試料毎にデータを取
り、試料を代える毎にフィードバックしたデータを用い
てレーザー光の照射エネルギーを制御すればよい。この
ような場合には、装置の配置に余裕にあるアライメント
室３０３に４０１と４０２で示されるエリプソメータを
配置すればよい。

【００５６】また、図示しないがラマン分光計測装置や
紫外線分光計測装置もアライメント室に配置することが
できる。

【００５７】

【発明の効果】本明細書で開示する発明を利用すること
で、レーザー光の照射による半導体に対するアニールに
おいて、そのアニール効果を常に一定なもの、あるいは
所望のものとすることができる。そして、得られる半導
体装置の特性のバラツキを是正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 レーザーアニールを行う装置の構成を示す
図。

【図２】 レーザーアニールを行う装置の構成を示す
図。

【図３】 レーザーアニールを行う装置の構成を示す
図。

【図４】 レーザーアニールを行う装置の構成を示す
図。

【符号の説明】

１００ レーザーアニールが行われる試料（基
板） １０１ レーザーアニールが行われるチャンバ
ー １０２ レーザー発振器 １０３ ミラー １０４ 石英の窓 １０５ 被照射面 １０６ ヒーターを内蔵した移動可能な台 １０７ レール １０８ 排気系 １０９ ガス導入系 １１０ 光学系 １１１ 石英のステージ １１２ ハーフミラー １１３ レーザー光の照射エネルギーを計測す
る計測器 １１４ 紫外線反射分光を計測する計測器 １１５ ラマン分光を計測する計測器 １１６、１１７ エリプソメーター １１８ 発振器１０２からのレーザー光の照射
エネルギーを制御する制御装置

フロントページの続き (72)発明者 細田 剛司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 武内 晃 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザー光を照射する手段と、 被照射面に照射される前記レーザー光の照射エネルギー
   の値を計測する手段と、 被照射面の膜質を評価する手段と、 前記照射エネルギーの値と前記膜質とに基づいて、前記
   レーザー光の照射エネルギーを制御する手段と、 を有することを特徴とするレーザーアニール装置。
2. 【請求項２】請求項１において膜質を評価する手段にお
   いて、 膜の屈折率、膜のラマン分光、膜の紫外線反射分光から
   選ばれた一種または複数種類のものが計測されることを
   特徴とするレーザーアニール装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 レーザー光の照射は、被照射面の膜質が所定の範囲内に
   収まるように調整されることを特徴とするレーザーアニ
   ール装置。