JPH10150003A

JPH10150003A - レーザー処理装置

Info

Publication number: JPH10150003A
Application number: JP31439897A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Kouyuu Chiyou; 宏勇張
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1998-06-02

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザーアニールによってIV族元素被膜の活
性化をおこなうためのレーザー処理装置を提供する。【解決手段】断面が縦および横を有するレーザー光
を発振する発振器と、前記レーザー光の断面を縦方向に
伸長する手段と、試料へ前記伸長したレーザー光の断面
の横方向に関して集束する手段と、前記試料における前
記集束したレーザー光の断面の横方向に前記試料を移動
する手段とを有し、前記試料における前記集束したレー
ザー光の断面の縦方向の長さは、前記試料の該縦方向の
長さよりも長くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、信頼性および量産
性に優れ、ばらつきが小さく、歩留りの高いレーザーア
ニール方法に関する。特に、本発明は、イオン照射、イ
オン注入、イオンドーピング等によってダメージを受
け、結晶性が著しく損なわれた被膜のレーザーアニール
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子プロセスの低温化に関
して盛んに研究が進められている。その理由の１つは、
ガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生
じたからである。レーザーアニール技術は究極の低温プ
ロセスと注目されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
レーザーアニールの条件等については、各装置や被膜の
条件によって異なるものとして、十分な検討がおこなわ
れなかった。その結果、レーザーアニール技術は非常に
ばらつきが大きくて、到底実用化には到らないというコ
ンセンサスができていた。本発明の目的は、このような
従来には認知されていなかった条件を提示し、よって、
レーザーアニールによって再現性のよい結果を得ること
である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、特にイオン
照射、イオン注入、イオンドーピング等のダメージによ
って、被膜がアモルファス、あるいはそれに類した非常
に結晶性の悪化した状態で、半導体としても十分な特性
の示せないような被膜を活性化せしめる目的でレーザー
アニールの条件の最適化を探していたが、その際には、
レーザー光のエネルギーの条件ばかりではなく、含まれ
る不純物やレーザーパルスのショット数によっても最適
な条件が変動することを発見した。

【０００５】本発明では、活性化されるべき被膜は主と
してシリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコンとゲル
マニウムの合金や炭化珪素等のIV族の元素から構成され
る被膜である。これらの被膜は１００Å〜１００００Å
の厚さである。これらの被膜をレーザーアニールする際
には、透光性を考慮して４００ｎｍ以下の短い波長のレ
ーザーを使用するとよいことが知られている。

【０００６】例えば、一般にレーザーのエネルギー密度
が高ければ活性化が十分におこなわれ、シート抵抗が低
下するものと考えられている。しかし、実際には、不純
物として燐が含まれている場合には、明らかにそのよう
な傾向が得られたとしても、不純物が硼素の場合には、
逆に高エネルギーでは劣化する。また、パルスレーザー
によるアニールではパルスのショット数が増加すると、
結果のばらつきが少なくなるものと考えられているが、
ショット数が多くなると被膜のモフォロジーが悪化し、
ミクロなばらつきが増大するという現象も生じることが
明らかになった。

【０００７】これは、レーザーの照射を重ねることによ
って、被膜中に結晶の核が大きく成長するためだと考え
られる。その結果、それまでは極めて均質であった被膜
中に０．１〜１μｍ程度のサイズで分布が生じるためで
ある。特に、レーザーのエネルギーが大きな領域では顕
著であった。

【０００８】また、レーザーアニールの際に被膜が大気
中に露出しているのではなく、厚さ３〜３００ｎｍ代表
的には１０〜１００ｎｍの透明な被膜によって覆われて
いることも必要であることを見出した。このような被膜
はレーザー光を透過する目的から酸化珪素や窒化珪素が
適しているが、通常はこの被膜をゲート酸化膜として用
いる必要から酸化珪素を主たる材料とする被膜を用い
る。もちろん、可動イオンをパッシベーションする目的
からこれにリンや硼素がドープされていてもよい。も
し、IV族被膜がこのような透明な被膜で被覆されていな
い場合には、先に述べたような不均質性が一段と加速さ
れた。

【０００９】このような条件を満たした上で、さらに平
坦な（均質な）被膜を得るには、照射されるレーザー光
のエネルギー密度をＥ〔ｍＪ／ｃｍ²〕、レーザーパル
スのショット数をＮ〔回〕としたときに、ｌｏｇ₁₀Ｎ≦Ａ（Ｅ−Ｂ）という関係があることを見出した。このＡ、Ｂは被膜に
含まれている不純物によって異なるのであるが、不純物
が燐の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３５０であり、
不純物が硼素の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３００
であった。また本発明は、透明な膜の代わりに透明基板
を用いてもよい。即ち、この場合のレーザー処理方法
は、絶縁透明基板上に、形成されたIV族元素を主成分と
し、高エネルギーの不純物イオンを照射された被膜に波
長４００ｎｍ以下、パルス幅５０ｎｓｅｃ以下のパルス
状レーザー光を照射することによって半導体を活性化せ
しめるレーザーアニール方法において、該パルス状レー
ザー光は前記絶縁透明基板を通して該被膜に照射される
ことと、照射されるレーザーのエネルギー密度Ｅ〔ｍＪ
／ｃｍ²〕と照射パルス数Ｎの間に、ｌｏｇ₁₀Ｎ≦−
０．０２（Ｅ−３５０）の関係を有することを特徴とす
るレーザー処理方法である。以下に実施例を示し、より
詳細に本発明を説明する。

【００１０】

【実施例】本実施例では、IV族元素からなる膜（半導体
膜）中に不純物を導入してＮ型とＰ型の一方を付与し、
さらにマスクを用いて前記膜の一部に不純物を導入して
その部分にＮ型とＰ型の他方を付与する。図１には本実
施例で使用したレーザーアニール装置の概念図を示す。
レーザー光は発振器２で発振され、全反射ミラー５、６
を経由して増幅器３で増幅され、さらに全反射ミラー
７、８を経由して光学系４に導入される。それまでのレ
ーザー光のビームは３×２ｃｍ²程度の長方形である
が、この光学系４によって長さ１０〜３０ｃｍ、幅０．
１〜１ｃｍ程度の細長いビームに加工される。この光学
系を経たレーザー光のエネルギーは最大で１０００ｍＪ
／ショットであった。

【００１１】光学系４の内部の光路は５のように示され
る。光学系４に入射したレーザー光は、シリンドリカル
凹レンズＡ、シリンドリカル凸レンズＢ、横方向のフラ
イアイレンズＣ、縦方向のフライアイレンズＤを通過す
る。これらフライアイレンズＣ、Ｄを通過することによ
ってレーザー光はそれまでのガウス分布型から矩形分布
に変化する。さらに、シリンドリカル凸レンズＥ、Ｆを
通過してミラーＧ（図１ではミラー９）を介して、シリ
ンドリカルレンズＨによって集束され、試料に照射され
る。

【００１２】本実施例では、図５の距離Ｘ₁、Ｘ₂を固
定し、仮想焦点Ｉ（これはフライアイレンズの曲面の違
いによって生ずるようになっている）とミラーＧとの距
離Ｘ₃、と距離Ｘ₄、Ｘ₅とを調節して、倍率Ｍ、焦点
距離Ｆを調整した。すなわち、これらの間には、Ｍ＝（Ｘ₃＋Ｘ₄）／Ｘ₅、１／Ｆ＝１／（Ｘ₃＋Ｘ₄）＋１／Ｘ₅、という関係がある。なお、本実施例では光路全長Ｘ₆は
約１．３ｍであった。

【００１３】このような細長いビームに加工するのは、
加工性を向上させるためである。すなわち、短冊状のビ
ームは光学系４を出た後、全反射ミラー９を経て、試料
１１に照射されるが、試料の幅よりも長いので、結局、
試料は１つの方向にのみ移動させてゆけばよい。したが
って、試料のステージおよび駆動装置１０は構造が簡単
で保守も容易である。また、試料をセットする際の位置
合わせの操作（アライメント）も容易である。

【００１４】これに対して、正方形に近いビームであれ
ば、それだけで基板全面をカバーすることは不可能であ
るので、試料を縦方向、横方向というように２次元的に
移動させなければならない。しかし、その場合にはステ
ージの駆動装置は複雑になり、また、位置合わせも２次
元的に行わなければならないので難しい。特にアライメ
ントを手動でおこなう場合には、その工程での時間のロ
スが大きく生産性が低下する。なお、これらの装置は防
振台等の安定な架台１上に固定される必要がある。

【００１５】試料は、縦１００ｍｍ、横１００〜３００
ｍｍの各種ガラス基板（例えば、コーニング社製７０５
９番ガラス）を使用した。レーザーはＫｒＦレーザー
（波長２４８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を使用し
た。

【００１６】ガラス基板上にプラズマＣＶＤ法によって
アモルファスシリコン膜（半導体膜）を厚さ１００Å〜
１００００Å例えば１０００Å（１００ｎｍ）形成し
た。これを６００℃で４８時間アニールして結晶化させ
た。そして、これを島状にパターニングした。さらに、
スパッタ法によって厚さ７０ｎｍの酸化珪素膜を形成
し、基板全面に燐をドープした。このときはいわゆるイ
オンドーピング法を使用し、プラズマ源はフォスフィン
ＰＨ₃を使用した。加速電圧は８０ｋＶとした。さら
に、基板の一部をマスクして、硼素をイオンドーピング
法によって注入した。プラズマ源はジボランＢ₂Ｈ
₆で、加速電圧は６５ｋＶであった。すなわち、マスク
された箇所には燐が注入され、結果としてＮ型を示し、
マスクされなかった箇所には燐と硼素が注入され、結果
としてＰ型を示す。

【００１７】そして、様々なエネルギー密度、ショット
数のレーザーを照射し、レーザー活性化をおこない、シ
ート抵抗を測定して、モフォロジーを光学顕微鏡によっ
て観察した。図２〜図４にその結果を示す。

【００１８】図２は燐イオンを注入したシリコン膜のシ
ート抵抗とレーザー光のエネルギー密度、およびショッ
ト数の関係を示す。燐のドーズ量は２×１０¹⁵ｃｍ^-2で
ある。レーザーのエネルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ²
以下では、活性化のために多くのショット数を要し、そ
れでもなお１０ｋΩ／□程度の高いシート抵抗しか得ら
れなかったが、２００ｍＪ／ｃｍ²以上では、１〜１０
ショットのレーザー照射で充分な活性化がおこなえた。

【００１９】図３は硼素イオン（４×１０¹⁵ｃｍ^-2）を
注入したシリコン膜（半導体膜）のレーザー活性化を示
す。やはり、２００ｍＪ／ｃｍ²以下のエネルギー密度
では活性化は不十分で多くのショット数が必要であっ
た。一方、２００〜３００ｍＪ／ｃｍ²の範囲では、充
分に低いシート抵抗が１〜１０ショットで得られたが、
３００ｍＪ／ｃｍ²以上のレーザー照射では、かえって
シート抵抗が高くなってしまった。特に２００ｍＪ／ｃ
ｍ²以下の場合とは逆に、ショット数が多いほどシート
抵抗が大きくなったが、これは、多数のレーザー照射に
よって、被膜の均一性が悪化し、結晶の粒界が成長した
ためである。

【００２０】実際のプロセスでは、レーザーアニール
は、Ｐ型領域もＮ型領域も同時におこなう。したがっ
て、レーザーのエネルギー密度を３５０ｍＪ／ｃｍ²に
設定したら、Ｎ型領域は充分に活性化されるが、Ｐ型領
域は特性がかえって悪化してしまう。このため、本実施
例の条件では、エネルギー密度は２００〜３００ｍＪ／
ｃｍ²の範囲、特に２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ²の範囲
が好ましかった。パルス数は１〜１００パルスが良い。

【００２１】さて、レーザーアニールによって被膜のモ
フォロジーに変化が生じることは先に述べた通りである
が、実際にショット数とエネルギー密度とモフォロジー
を検討すると、図４のような結果が得られた。ここで、
ＡｎｎｅａｌｉｎｇＰｕｌｓｅとは、レーザーのショ
ット数を意味している。図の黒丸は燐ドープシリコンに
於ける表面モフォロジーに変化が現れる点を、白丸は硼
素ドープシリコンに於ける変化点をそれぞれ示してい
る。図において右上の領域は膜表面のモフォロジーの悪
い（粗い）状態を示し、左下はモフォロジーの良好な
（平坦な）状態を示す。燐ドープシリコンの方がレーザ
ーに対して抵抗力が強いことがわかる。この結果から、
表面モフォロジーを変化させないようにレーザーアニー
ルをおこなうための条件は、照射されるレーザー光のエ
ネルギー密度をＥ〔ｍＪ／ｃｍ²〕、レーザーパルスの
ショット数をＮ〔回〕としたときに、ｌｏｇ₁₀Ｎ≦Ａ（Ｅ−Ｂ）とであり、不純物が燐の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ
＝３５０であり、不純物が硼素の場合には、Ａ＝−０．
０２、Ｂ＝３００であることが導かれた。

【００２２】モフォロジーが荒れた場合には、部分によ
ってシリコンの特性が著しく悪化するため、ばらつきが
著しく大きくなる。実際にモフォロジーの悪い（表面の
粗い）シリコン膜ではシート抵抗のばらつきは２０％以
上であった。ばらつきを下げるためには上記の条件を満
たし、かつ、適正なレーザーエネルギー密度を設定しな
ければならない。

【００２３】例えば、レーザーエネルギー密度を２５０
ｍＪ／ｃｍ²とした場合には、レーザーのショット数は
１０回以下が望ましい。また、レーザーエネルギー密度
を２８０ｍＪ／ｃｍ²とした場合には、レーザーのショ
ット数は１〜３回が望ましい。このような条件でレーザ
ーアニールをおこなったときには、シート抵抗のばらつ
きを１０％以下におさえることができた。

【００２４】

【発明の効果】本発明によって最適なレーザーアニール
をおこない、よって、ばらつきが少なく信頼性の高い半
導体膜を得ることができた。このように本発明は工業
上、有益なものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用したレーザーアニール装置の概念
図を示す。

【図２】実施例で得られたレーザーアニールされたシリ
コン膜（燐ドープ、Ｎ型）のシート抵抗、レーザーエネ
ルギー密度とショット数の関係を示す。

【図３】実施例で得られたレーザーアニールされたシリ
コン膜（燐＆硼素ドープ、Ｐ型）のシート抵抗、レーザ
ーエネルギー密度とショット数の関係を示す。

【図４】実施例で得られたシリコン膜のモフォロジーと
レーザーエネルギー密度、ショット数の関係を示す。

【図５】実施例で使用したレーザーアニール装置の光学
系の概念図を示す。

【符号の説明】

１光学架台２レーザー装置（発振段）３レーザー装置（増幅段）４ビーム成形光学系５〜９全反射ミラー１０試料ステージおよび駆動機構１１試料（ガラス基板）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断面が縦および横を有するレーザー光を発
振する発振器と、前記レーザー光の断面を縦方向に伸長する手段と、試料へ前記伸長したレーザー光の断面の横方向に関して
集束する手段と、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の横方
向に前記試料を移動する手段とを有し、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の縦方
向の長さは、前記試料の該縦方向の長さよりも長いこと
を特徴とするレーザー処理装置。
【請求項２】断面が縦および横を有するレーザー光を発
振する発振器と、前記レーザー光の断面を縦方向に伸長する手段と、前記伸長したレーザー光を試料の方向に向ける手段と、前記試料へ前記伸長したレーザー光の断面の横方向に関
して集束する手段と、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の横方
向に前記試料を移動する手段とを有し、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の縦方
向の長さは、前記試料の該縦方向の長さよりも長いこと
を特徴とするレーザー処理装置。
【請求項３】断面が縦および横を有するレーザー光を発
振する発振器と、前記レーザー光の断面の強度分布を均一にする手段と、前記レーザー光の断面を縦方向に伸長する手段と、試料へ前記伸長したレーザー光の断面の横方向に関して
集束する手段と、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の横方
向に前記試料を移動する手段とを有し、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の縦方
向の長さは、前記試料の該縦方向の長さよりも長いこと
を特徴とするレーザー処理装置。
【請求項４】断面が縦および横を有するレーザー光を発
振する発振器と、前記レーザー光の断面の強度分布を均一にする手段と、前記レーザー光の断面を縦方向に伸長する手段と、前記伸長したレーザー光を試料の方向に向ける手段と、前記試料へ前記伸長したレーザー光の断面の横方向に関
して集束する手段と、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の横方
向に前記試料を移動する手段とを有し、前記試料における前記集束したレーザー光の断面の縦方
向の長さは、前記試料の該縦方向の長さよりも長いこと
を特徴とするレーザー処理装置。
【請求項５】請求項４において、前記均一にする手段
と、前記伸長する手段とが同一手段によってなされるこ
とを特徴とするレーザー処理装置。
【請求項６】請求項１乃至５において、使用されるレ
ーザー光は、エキシマーレーザーであることを特徴とす
るレーザー処理装置。