JPS58201326A - レ−ザ加熱方法および加熱装置 - 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】 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
結晶化によってグレイン（結晶粒界）サイズが大きくな
って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
って重要な改善が期待されている。

多結晶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って異なるが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
って自由電子の移動度も１０ｃｒｌ　／　Ｖ・８１３Ｃ
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１００ｃｄｌ　／　Ｖ　−ｔｓ
　ｅｃ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ットが照射しようとす
る面積に比べかなυ小さいために走査が必要であり、ま
たビームスポット内のエネルギ分布の不均一性も加わっ
て均一なレーザ照射が難しい０ 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）
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５０００人の厚
みで被着する。外気による汚染と沸騰による飛散を防ぐ
ためには例えば酸化シリコンなどの保護絶縁膜３を１０
００人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ット１０〜１ｏｏｌ１ｍ
出力１〜１ｏＷ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ｍ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ットの大きさの約半
分、５〜５０μｍはどステッ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っている。

第２図はレーザ照射終了後の斜視図である。ビームスポ
ットの走査線に沿って溶融、再結晶化し単結晶化したグ
レイン６が多数並び、しかもその大きさが１０〜１ｏＯ
ＩＩｍ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ひ割れ７を生じることが
分った。

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った重大
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シ、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６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〜ｅ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！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
ネルギを吸収し発勢が始まる。したがって第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１０
０μｍを越える大きさに揃うといっ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っ
てしまうと重なっ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。

しだがって少なくとも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ット
の大きさ以上離れているのが望ましい０ 第４図は本発明の一実施例を示すシステム図で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ットの大きさがレンズ系
によって可変され。なお試料台１２はヒータなどにより
昇温か可能で、試料１３を基板加熱できるようになって
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ッ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
大きくなってしまう欠点がある。

第６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１４．１６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−
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＜４′と８′を一対のレーザ光線として
レンズ系１７および１７′でフォ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って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ットが拡が
るように光源あるいはノ・−７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　、１３’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−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。本発明の趣旨に従って透過レーザビーム８は
複数個のミラー１日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によってビームスポットを拡大
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ｊ７て本発明は単数または複数のレーザ
光源より複数個のレーザビームを得て、それらを一対あ
るいは一組のレーザビーブとして走査の順番にエネルギ
密度を低下させ、かつ個々のレーザビームが重ならない
ように離しているので最初のレーザビームによって溶融
した試料は冷却が終らないうちに再加熱によって昇温し
、まだ冷却が始まるというサイクルを繰り返す。したが
っ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、再加熱による昇岸と冷却
を繰り返す分だけ冷却の時定数が長くなって試料に発生
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
っ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［ヨる石
英板上の多結晶シリコンのアニールｌ／Ｃ限定されるも
のでないことは明らかであろう。

程断面図とアニール後の斜視図、第拮図は本発明による
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、１
２・・・・・・試料台、１４．１５・・・・・・ｖ−サ
ヒーム、１ｅ　、・・・壷ハーフミラ−１１７・・・・
・・レンズ系、１８・・・・・・ミラー、１９・・・・
・・減衰器またはレンズ系。

代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）少なくとも２本以上のレーザビームを連動して走
   査しながら試料を照射することによって加熱することを
   特徴とするレーザ加熱方法。 （２）連動して照射される複数のレーザビームは少なく
   ともビームスポスト以上の距離を保ち、電力密度が走査
   の順番に小さくなっ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ビームスポットが同一で電
   力が走査の順番に小さくなっていることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載のレーザ加熱方法。 （４）　　複数のレーザビームの電力が同一でビームス
   ポットが走査の順番に大きくなっていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載のレーザ加熱方法。 （６）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４台度の角度をなして
   配置されたハーフミラ−に入射し、２本のレーザビーム
   よりなる透過光および反射光をそれぞれ走査可能な試料
   台上の試料に照射することを特徴とするレーザ加熱装置
   。 （６）ハーフミラ−を用いて２等分されたレーザビーム
   の一方は直接に、また他の一方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
   台上の試料を照射することを特徴とするレーザ加熱装置
   。