KR20010043343A - 레이저 열처리 방법, 레이저 열처리 장치 및 반도체디바이스 - Google Patents

레이저 열처리 방법, 레이저 열처리 장치 및 반도체디바이스 Download PDF

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야스카와 히데아키
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Abstract

펄스 레이저(101)에 의해 발생된 350-800nm 파장의 레이저 빔(102)은, 폭(W0)과 길이(L0)를 가진 선형 빔(300)으로 성형한다. 이에 따른 빔(300)은, 열처리를 위해 기판(203)상의 비정질 또는 다결정 규소의 막 재료(201)에 조사된다.

Description

레이저 열처리 방법, 레이저 열처리 장치 및 반도체 디바이스{METHOD AND APPARATUS FOR LASER HEAT TREATMENT, AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
현재, 액정 패널의 화소부는, 유리 또는 합성 석영의 기판상의 비정질 또는 다결정의 규소막으로 제작된 박막 트랜지스터의 스위칭에 의해, 화상을 구성하고 있다. 만약, 이 패널상에 화소 트랜지스터를 구동하는 드라이버 회로(주로, 현재는 외부에 독립되어 설치되어 있다)를 동시에 구성하는 것이 가능해지면, 액정 패널의 제조비용·신뢰성 등의 면에서 비약적인 장점이 생기게 된다. 그러나, 현재는, 트랜지스터의 능동층을 구성하는 규소막의 결정성이 나쁘기 때문에, 이동도로 대표되는 박막 트랜지스터의 성능이 낮고, 고속성·고기능성이 요구되는 집적회로의 제작은 곤란하다. 고이동도의 박막 트랜지스터를 실현하는 것을 목적으로 하는, 규소막의 결정성을 개선하는 방법으로서, 일반적으로 레이저에 의한 열처리가 행하여지고 있다.
규소막의 결정성과 박막 트랜지스터의 이동도의 관계는 아래와 같이 설명된다. 레이저 열처리에 의해 얻을 수 있는 규소막은 일반적으로 다결정이다. 다결정의 결정 입계에는 결정결함이 국부적으로 존재하고 있어, 이것이 박막 트랜지스터의 능동층의 캐리어 이동을 방해한다. 따라서, 박막 트랜지스터의 이동도를 높게 하기 위해서는, 캐리어가 능동층을 이동중에 결정 입계를 가로지르는 회수를 적게 하여, 결정 결함 밀도를 작게 하면 된다. 레이저 열처리의 목적은, 결정립 지름이 크고 결정 입계에 있어서 결정 결함이 적은 다결정 규소막의 형성에 있다.
도 11은, 종래의 레이저 열처리 장치의 일례를 도시한 도면이다. 도 11에 있어서, 펄스 레이저 광원(501)은, 열처리용 레이저로서 일반적으로 사용되고 있는 자외광을 방사하는, 파장이 350nm 미만인 대표적인 펄스 레이저 광원인 엑시머 레이저(KrF(파장: 248nm), XeCl(파장: 308nm)등) 광원이다. 엑시머 레이저 광(502)은 펄스 레이저 광원(5O1)으로부터 방출된다. 빔 동질화기(beam homogenizer; 503)는 엑시머 레이저 광(502)의 강도 분포를 균일하게 한다. 집광 광학계(504)는 엑시머 레이저 광(502)을 집광한다. 레이저 열처리의 대상으로서 비정질의 규소막(505)이 형성되어 있다. 비정질의 규소막(5O5)은, 유리 또는 석영의 기판(507) 상의 기초 산화 규소막(506)상에 형성된다.
다음으로, 종래의 레이저 열처리 방법에 관해서 설명한다. 펄스 레이저 광원(501)으로부터 방출된 엑시머 레이저 광(502)이 빔 동질화기(503)를 지나서 집광 광학계(504)에 의해 비정질의 규소막(505)상에 조사된다. 엑시머 레이저 광(502)의 조사에 의해 조사 영역에서의 비정질 규소막(505)이 용융된다. 그후, 온도가 저하함에 따라서 용융된 규소가 결정화되어, 다결정 규소막을 형성한다. 여기서, 엑시머 레이저 광에 대하여, 규소가 매우 높은 흡수계수를 가지기 때문에, 얇은 규소막에 대해서도 효율적으로 열처리를 할 수 있다. 그러나, 흡수계수가 지나치게 높기 때문에, 레이저 광은 표면 근방 10nm 부근까지에서 흡수되어 버린다. 비정질 규소막(505)의 용융과정은 도 12a∼도 12d에 도시되어 있다. 도 12a는 P로 나타낸 방향으로 레이저 광을 조사했을 때, 도 12b는 조사 수 10ns 후, 도 12c는 도 12b의 그 다음의 수 l0ns 후, 도 12d는 결정 성장 후의 규소막(505)의 상태를 나타낸다. 레이저 조사시에는, 규소막(505)은, 도 12a에 나타낸 가우스 빔 프로파일(Gaussian beam profile; 601)에 대응한 용융 깊이 분포 및 온도 분포를 가지고, 규소막의 용융부(603)가 형성된다. 열은 일반적으로 소정 확산각(spreading angle)을 가지고서 전도되어 가기 때문에, 열전도에 의해 용융 깊이가 깊게됨에 따라서, 도 12b에 나타낸 것처럼, 이들의 분포는 넓어져 가서, 최종적으로는 도 12c에 나타낸 것처럼, 균일한 분포가 되어 규소막의 용융부(603)가 형성된다. 따라서, 횡방향으로는 온도 분포가 존재하지 않기 때문에, 재결정 성장은 종방향 성장이 되어, 도 12d에 나타낸 것처럼 얻을 수 있는 결정립(604)은 종길이가 된다. 즉, 캐리어가 이동하는 면방향에 대해서의 결정립 지름은 작아진다.
이와 같이 형성된 다결정 규소막을 능동층으로 하여서 제작된 MOS 트랜지스터의 이동도(n 채널)의, 레이저 광의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성을 도 13에 나타낸다. 도 13은, 펄스 레이저 광원(501)(도 11)으로서 KrF 엑시머 레이저 광원을 사용한 결과를 나타내고, 그 펄스 시간 폭은 약 l5nsec(FWHM)이다. 또한, 산화 규소막(506) 및 비정질 규소막(505)의 두께는 각각 200nm 및 50nm이다. 여기서, 레이저가 조사된 면적은, 조사 강도가 피크값의 1/e2이상의 부분으로 된 영역이라고 규정하여, 조사 에너지 밀도는 조사된 레이저 에너지로부터 산출된 것이다. 도 13으로부터 명백한 것처럼, 상기한 레이저 열처리 조건에서는 엑시머 레이저의 조사 에너지 밀도를 230mJ/cm2로 설정함으로써 최고 이동도 80cm2/Vs를 얻을 수 있고, 또한 ±5mJ/cm2의 범위내에서 최고 이동도의 8할 이상의 이동도를 얻을 수 있다. 그러나, 이 정도의 이동도로는, 고속·고기능의 집적회로를 제작하는데 불충분하다. 또한, 도 13에 나타낸 것처럼, 조사 에너지 밀도에 대한 이동도의 의존성이 크고, 동일한 방법을 생산 라인에 도입할 때, 레이저 출력 및 광학계의 집광성을 매우 엄밀히 제어하지 않으면 제작된 트랜지스터의 특성이 변동한다고 하는 문제가 있다. 이것은, 규소에 있어서 엑시머 레이저 광의 흡수율이 크기 때문에, 약간의 조사 에너지 밀도의 변화에 의해 용융상태가 다르고, 재결정 과정이 변화하는 이유라고 생각된다.
다결정 규소막의 대입자 지름화의 관점에서, 파장이 350nm 이상의 긴 레이저 광을 사용하여 레이저 열처리를 하는 시도가, 논문(문헌 l(Appl. Phys. Lett. 39, 1981, p425-p427), 문헌2(Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vo1.4,1982, p 523-p528) 및 문헌3(Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.358, 1995, p915-p92O))에 개시되어 있다. 여기서는, 파장 350nm 이상의 긴 레이저 광으로서 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파(파장: 532nm)가 사용되고 있다. 이들의 보고예에서는, 조사 위치에서의 빔 프로파일은 축대칭 가우스 분포이다. 문헌 l 및 2에 의하면, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파를 사용한 레이저 열처리에 의한 재결정 과정은 다음과 같이 설명된다. 도 14a∼도 14d를 사용하여 설명한다. 도 14a에 나타낸 것처럼, 집광 광학계(504)로부터 가우스 빔 프로파일(601)의 집광 레이저 빔(611)이 P로 나타낸 방향으로 규소막(505)에 조사되면, 규소막(505)내에 가우스 분포에 매우 가까운 온도 분포(612)가 형성되기 때문에, 도 14b에 나타낸 것처럼 용융 상태에 있어서 용융부(613)가 형성된다. 도 14b에서 용융 깊이가 얕은 곳 C에서는, 주로 기판측으로 열 손실이 발생하기 때문에, 종방향으로 온도 분포가 형성된다. 그 결과, 도 14c에 도시된 것처럼 결정성장(614)은 종방향으로 3차원적 및 등방적으로 일어나서, 재결정립 지름은 용융 깊이가 얕게 제한되어, 수 100nm로 작아지게 된다. 그러나, 도 l4b에서 기판의 계면까지 용융되어 있는 부분 D는 횡방향으로 온도 경사가 크기 때문에, 도 14d에 도시된 것처럼 다른 재결정 과정(615)을 나타낸다. 요컨대, 종방향 성장에 의한 소립자 지름 결정을 재료로 하여서 온도가 높은 중심을 향하여 횡방향으로 재결정 성장한다. 그 결과, 캐리어가 이동하는 면내에 대하여 수 ㎛ 지름의 큰 결정립이 형성된다.
그렇지만, 이들의 보고예에서는 가우스 빔 프로파일이 축대칭이라고 한 점이 큰 문제가 된다. 조사 위치에서의 프로파일이 축대칭이기 때문에, 결정립(616)은 도 15에 나타낸 것처럼 방사 형상으로 성장한다. 따라서, 이 다결정의 규소막을 능동층에 사용하여 MOS 트랜지스터를 제작하면, 도 16에 나타낸 것과 같은 구성이 된다. 도 16에 있어서, 트랜지스터는, 소스(70l)와, 드레인(702)과, 소스(701)와 드레인(702) 사이에 끼워진 채널(704)과, 채널(704) 위를 횡단하도록 형성된 게이트(703)를 구비하고 있다. 능동층은, 소스(701), 드레인(702) 및 채널(704)을 포함하고, 다결정 규소막으로 형성된다. 캐리어가 이동하는 채널(704) 중에서의 결정립(616)의 방위가 갖추어지지 않고, 방위가 다른 결정립(616)의 경계면에서는 캐리어가 산란되기 때문에, 캐리어의 이동도가 저하하여 버린다. 또한, 개개의 결정립이 중심대칭으로 성장되어 있기 때문에, 개개의 결정립간에 빈틈 요컨대 결정결함의 일종인 전위가 발생하기 쉬워져, 결정결함 밀도의 증대를 초래한다. 그 때문에, 레이저 열처리 후의 다결정 규소막질의 면내 균일성이 매우 나빠져서, 박막 트랜지스터를 제작한 보고예는 없다.
여기서, 규소막 두께와 MOS 트랜지스터의 관계에 관해서 서술한다. 일반적으로, 능동층을 구성하는 규소막 두께가 얇을수록, dVG/d(log IDS)(VG: 게이트 전압, IDS: 드레인 전류)로 정의된 s 인자가 작아지기 때문에, 한계값 전압은 낮아지게 된다. 그 결과, 트랜지스터의 구동전압이 낮아지게 되어서 소비전력이 특히 작아진다. 따라서, 액정 패널의 주요한 용도인 휴대 정보 단말기기에 탑재할 때에 매우 큰 장점이 된다. 그러나, 문헌 1 및 2에서 사용된 규소막의 막 두께는 0.2∼l㎛로 두껍기 때문에, 한계값 전압이 높고, 소비전력이 높기 때문에 현실적으로 트랜지스터로서의 기능을 할 수 없다고 예상된다.
통상, 넓은 면적에 걸친 레이저 열처리를 위해 기판을 이동시키면서 레이저 열처리를 하지만, 열처리 후의 막질의 균일성을 위해 각 레이저 펄스 조사동안의 기판의 이동량을 조사빔 폭보다도 좁게 하여, 동일한 부분에 복수회의 레이저 조사로 하도록 하는 것이 일반적이다. 문헌 3에 의하면, 동일한 부분으로의 조사 회수가 200회 이상이 좋다고 되어 있다. 이것은, 레이저 열처리 후의 규소막의 X선 회절 피크 강도의 증대 및 저항값의 감소를 근거로 하고 있다. 문헌 3에서는, 표면 거칠기에 관해서는 언급하지 않았지만, 일반적으로, 조사 회수가 많으면, 표면 거칠기가 크고, 규소막은 부분적으로 마모(abrasion)되어 기판으로부터 박리된다. 다결정 규소막을 능동층으로서 공면(coplanar)형 또는 정 스태거(stagger)형 MOS 트랜지스터를 제작하는 경우, 표면 거칠기가 크면 게이트 산화막이 쇼트되어 버린다는 문제가 있고, 규소막이 부분적으로 박리되어 있으면, 처음부터 MOS 트랜지스터를 형성할 수 없다.
종래의 파장 350nm 이하의 대표적인 펄스 레이저인 엑시머 레이저를 광원으로 한 열처리에서는, 재결정 성장이 종방향 성장이기 때문에 결정립 지름이 작고, 박막 트랜지스터의 이동도가 80cm2/Vs정도로 낮은 값 밖에 얻을 수 없다는 문제가 있었다. 또한, 조사 에너지 밀도에 대한 이동도의 의존성이 매우 크기 때문에 일정한 이동도를 얻을 수 없고, 그 제작된 트랜지스터의 특성에 변동이 있는 것이 문제였다.
한편, 결정립의 증대에 의한 박막 트랜지스터의 이동도 증대를 겨냥하였던, 종래의 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파를 사용한 레이저 열처리에서는, 축대칭 가우스 빔을 사용하기 때문에, 개개의 결정립 방위가 갖추어지지 않고, 박막 트랜지스터를 제작한 경우에 이동도가 낮게 되는, 결정 입계에서의 결정결함 밀도가 높다고 하는 문제점이 있었다.
또한, 결정 품질 향상을 겨냥하여 동일한 부분으로의 레이저 조사 회수를 200회 이상으로 많은 쇼트 수를 조사하였기 때문에, 표면 거칠기가 커서 MOS 트랜지스터의 게이트 산화막이 쇼트되어 버리거나, 규소막이 마모되기 때문에 박막 트랜지스터를 제작할 수 없다고 하는 문제도 있었다.
본 발명의 목적은, 고성능의 박막 트랜지스터를 제작하는데 필요한 결정성이 우수한 박막을 형성하는 레이저 열처리 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 생산성이 높고 안정된 레이저 열처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 저비용으로 고속 동작할 수 있는 반도체 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 결정성이 우수한 박막을 형성하는 레이저 열처리를 시행하는 레이저 열처리 장치를 제공하는 것이다.
(발명의 개시)
본 발명의 하나의 국면에 따른 레이저 열처리 방법은, 파장이 350nm 이상 8O0nm 이하인 펄스 레이저 광원에 의해 발생된 레이저 빔을, 폭과 길이를 가진 선형 빔으로 형성하는 단계와, 기판상에 형성된 막 재료에 선형 빔을 조사하는 단계를 구비한다. 이 레이저 열처리 방법에 의하면, 결정의 입자 지름이 크고, 고품질인 박막을 안정되게 얻을 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 선형 빔의 길이가 선형 빔 폭의 10배 이상이다. 이 경우, 결정의 횡방향 성장을 확실히 할 수 있어, 고품질의 다결정막을 얻을 수 있다.
본 발명의 또 하나의 국면에 따른 레이저 열처리 방법은, 파장이 350nm 이상800nm 이하인 펄스 레이저 광원에 의해 발생되는 레이저 빔을, 폭과 길이를 가진 선형 빔으로 형성하는 단계와, 기판상에 형성된 막 재료에 선형 빔을 조사하는 단계를 구비하고, 선형 빔은, 폭 방향으로 3mJ/cm2/㎛ 이상의 에너지 밀도 경사를 가진다. 이 레이저 열처리 방법에 의하면, 결정의 입자 지름이 보다 크고, 또한 보다 고품질인 박막을 안정되게 얻을 수 있다.
본 발명의 또 하나의 국면에 따른 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 선형 빔의 폭 방향의 에너지 밀도 분포의 형상이 거의 가우스 분포형이다. 이 경우, 포스트 어닐링 효과(post-anneal effect)를 기대할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 국면에 따른 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 선형 빔의 폭 방향의 에너지 밀도 분포의 형상은 거의 탑 플랫형(top-flat profile)이다. 이 경우, 마모의 원인이 되는 피크값의 높이를 억제하여, 조사 에너지 밀도 분포의 경사를 크게 할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 국면에 따른 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 선형 빔의 길이 방향의 에너지 밀도 분포는, 거의 탑 플랫형의 형상을 가지고, 플랫부의 평균 강도를 1로 한 경우, 표준편차가 0.3이하의 분포이다. 이 경우, 빔프로파일 성형 광학계의 성능에 관한 요구가 완화되어 비용을 감소할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 펄스 레이저 광원이 Nd 이온이 도핑된 또는 Yb 이온이 도핑된 결정(crystal) 또는 유리(glass)를 여기 매질로 한 Q 스위치 발진 고체 레이저의 고조파이다. 이 경우, 효율이 좋아 안정된 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 더욱 바람직하게는 펄스 레이저 광원은, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, Nd:유리 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, Nd:YLF 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, Yb:YAG 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, 또는 Yb:유리 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파중 어느 하나이다. 이 경우, 저비용으로 안정되고 생산성이 높은 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 펄스 레이저 광원에 의해 발생되는 레이저 빔의 1 펄스 당 에너지가 0.5mJ 이상이다. 이 경우, 생산성이 높은 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 펄스 레이저 광원에 의해 발생되는 레이저 빔의 펄스시간폭이 200nsec 미만이다. 이 경우, 효율적인 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 막 재료로서, 비정질 또는 다결정의 규소막을 사용한다. 이 경우, 특성이 안정된 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 비정질 또는 다결정의 규소막의 막 두께는 200nm 미만이다. 이 경우, 결정립이 큰 것을 얻을 수 있어, 양호한 레이저 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 비정질 또는 다결정의 규소막의 동일한 부분에 조사되는 펄스 레이저 광의 펄스 수는 100펄스 이하이다. 이 경우, 표면상태가 양호한 다결정막을 얻을 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 방법에 있어서, 바람직하게는 비정질 또는 다결정의 규소막의 표면에서의 조사 에너지 밀도가 1500 mJ/cm2이하 100 mJ/cm2이상이다. 이 경우, 표면상태가 양호한 다결정막을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 따른 반도체 디바이스는, 복수의 트랜지스터를 구비하고, 이 트랜지스터가 능동층을 포함하고, 파장이 350nm이상 800nm이하의 펄스 레이저 광원에 의해 발생되는 레이저 빔을, 폭과 길이를 가진 선형 빔으로 성형하여 기판상의 막 재료에 조사함으로써, 열처리된 기판상의 막 재료로부터 능동층이 형성되고, 복수의 트랜지스터중 적어도 하나의 트랜지스터, 바람직하게는, 보다 고주파로 동작시키는 트랜지스터의 드레인 전류가 흐르는 방향이, 선형 빔의 폭 방향에 거의 평행하다. 이 경우, 고속으로 동작하는 디바이스를 저비용으로 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 국면에 따른 레이저 열처리 장치는, 파장이 350nm 이상800nm 이하의 펄스 레이저 광원과, 이 펄스 레이저 광원에 의해 발생되는 레이저 빔을 선형 빔으로 성형하는 빔 성형 광학수단을 구비한다. 이 레이저 열처리 장치를 사용하는 것에 의해, 다결정 박막의 제작에 있어서 고품질의 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 장치에 있어서, 바람직하게는 펄스 레이저 광원은, Nd 이온이 도핑된 또는 Yb 이온이 도핑된 결정 또는 유리를 레이저 여기 매질로 한 Q 스위치 발진 고체 레이저의 고조파이다. 이 경우, 안정된 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 레이저 열처리 장치에 있어서, 더욱 바람직하게는 펄스 레이저 광원은, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, Nd:유리 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, Nd:YLF 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, Yb:YAG 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파, 또는 Yb:유리 레이저의 제2 고조파 또는 제3 고조파중 어느 하나이다. 이 경우, 저비용으로 안정되고 효율적인 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은, 고이동도의 박막 트랜지스터를 실현하기 위해서, 결정성이 뛰어난 다결정 규소막을 형성하는 레이저 열처리 방법, 레이저 열처리 장치 및 그 방법과 장치를 이용하여 제조된 반도체 디바이스에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시예로서 레이저 열처리 장치의 개념적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는, 도 1에서 레이저 열처리를 시행하는 타겟(target)의 구조를 나타낸 모식적인 단면도이다.
도 3은, 동일한 부분에 레이저 광이 복수회 조사되는 모양을 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 선형 빔 프로파일을 모식적으로 도시한 도면, 도 4b는 기판상의 막 재료가 용융하는 모양을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 레이저 열처리 방법에 의해 형성된 다결정의 규소막을 나타낸 모식도이다.
도 6은, 본 발명의 레이저 열처리 방법에 의해 얻을 수 있는 다결정 규소막을 능동층으로 사용하여서 제작된 NMOS 트랜지스터의 이동도의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성을 도시한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 레이저 열처리 방법에 의해 형성된 다결정 규소막을 능동층으로 사용하여서 제작된 MOS 트랜지스터를 나타낸 모식도이다.
도 8은, 간섭이 있는 선형 빔 프로파일의 선 방향의 빔 강도 분포를 나타낸 모식도이다.
도 9는, 본 발명의 레이저 열처리 방법에 의한 재결정 과정을 나타낸 모식도이다.
도 10은, 본 발명의 레이저 열처리 방법에 의해 얻을 수 있는 다결정 규소막을 능동층으로 사용하여서 제작된 NMOS 트랜지스터의 이동도의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성을, 조사 에너지 밀도 경사마다 도시한 도면이다.
도 11은, 엑시머 레이저에 의한 종래의 레이저 열처리 장치의 개념적인 구성을 도시한 도면이다.
도 12a∼도 12d는, 엑시머 레이저에 의한 종래의 열처리 과정을 모식적으로 설명한 도면이다.
도 13은, 엑시머 레이저 열처리에 의해 얻을 수 있는 다결정 규소막을 능동층으로 사용하여서 제작된 종래의 NMOS 트랜지스터의 이동도의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성을 도시한 도면이다.
도 14a∼도 14d는, 종래의 Nd:YAG 레이저의 제2고조파에의한 열처리과정을 모식적으로 설명한 도면이다.
도 15는, 종래의 가우스형 프로파일의 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의한 열처리로 형성된 결정립을 나타낸 모식도이다.
도 16은, 종래의 가우스형 프로파일의 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의한 열처리로 형성된 다결정막을 능동층으로 사용하여서 제작된 MOS 트랜지스터를 나타낸 모식도이다.
(실시예 1)
도 l은 본 발명의 레이저 열처리 방법을 구현화하는 장치의 구성도이다. 도 1에 있어서, 펄스 레이저 광원으로서 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파 발진장치(101)는, 레이저 광(파장은 532nm)(102)을 방출한다. 가변 감쇠기(variable attenuator; 103)는, 레이저 광(102)의 강도를 조정하기 위한 것이다. 빔 성형 광학계(104)는 레이저 광(102)을 선형 빔으로 변환하기 위한 것이다. 타겟(200)은, 이동 스테이지(105)의 위에 설치되어 있다. 레이저 광(102)은, 가변 감쇠기(103)에서 소정의 강도로 조정된 후, 선형 빔 성형 광학계(104)에 입사된다. 선형 빔 성형 광학계(104)에 의해 선형의 빔 프로파일로 변환된 후, 타겟(200)에 조사되어, 레이저 열처리가 행하여진다. 타겟(200)의 기판은 이동 스테이지(105)상에 설치되어 있고, 레이저 조사시에 기판의 이동이 가능해진다. 또한, 타겟(200)의 상세한 것은 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 나타낸 것처럼, 유리 기판(203)상에 기초막(202)으로서 두께 200nm의 산화 규소막을 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성하여, 그 위에, 기판상의 막 재료로서, 두께 70nm의 비정질 규소막(201)을 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성한 것을 타겟(200)으로서 사용한다.
레이저 빔은, 거의 직사각형의 횡단면을 가진 선형 빔의 길이 방향에 직교한 방향, 즉 선형 빔의 폭 방향으로 이동 스테이지를 이동시키면서 조사한다. 레이저 광 조사의 각 펄스 간격에 스테이지가 이동하는 거리를, 선형 빔의 폭보다도 길게하면 동일한 부분으로의 레이저 펄스의 조사 회수가 1회가 되지만, 선형 빔의 폭보다도 짧게 하면 도 3에 나타낸 것처럼 동일한 부분에 레이저 광이 복수회 조사되게 된다. 도 3에 있어서, 레이저 펄스는 P로 나타낸 방향으로 조사된다. 기판(203)을 Q로 나타낸 방향으로 이동시키면서, 레이저 펄스를 P로 나타낸 방향으로 조사함으로써 전전회 펄스는 P1으로 나타낸 레이저 빔 프로파일, 전회 펄스는 P2로 나타낸 레이저 빔 프로파일, 현재 펄스는 P3로 나타낸 레이저 빔 프로파일을 가진다. 각 펄스의 레이저 빔 프로파일은 중복 부분을 가지기 때문에, 규소막(201)의 동일한 부분에 레이저 광이 복수회 조사되게 된다.
도 4a∼도 4d는 레이저 빔을 조사하여 비정질 규소막(201)이 용융할 때의 개념도를 나타낸다. 도 1중의 선형 빔 성형 광학계(104)의 출력부에 있는 집광렌즈(1041)에 의해 비정질 규소막(201)상에, 길이 L0과 폭 W0를 가진 선형 빔(300)을 집광하여 조사한다. 집광 레이저 빔 프로파일(301)은 도 4a중의 점선으로 나타낸 것처럼, 선형 빔(300)의 길이 방향 L이 균일 프로파일인 탑 플랫형이고, 폭 방향 W의 프로파일은 예컨대 가우스 분포형이다. 본 발명에서는, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파의 선형 빔에 의한 열처리 방법을 사용하면, 비정질 규소에 대한 제2 고조파의 흡수계수가 작기 때문에 막 두께 방향에 대해서는 거의 균일하게 가열되고, 레이저 조사에 의해서 발생하는 규소막(201)내의 횡방향 온도분포(302)는, 선형 빔(300)의 길이 방향 L과 직교하는 방향에만 형성된다. 따라서, 도 4b에 나타낸 것처럼, 기판상의 막 재료인 비정질 규소막(201)의, 소정 강도 이상의 빔의 부분이, 깊이 방향전체에 용융한다. 즉, 깊이 방향 전체로 확산되어 선형으로 분포된 용융부(603)가 생긴다. 따라서, 깊이 방향 및 선형 빔(300)의 길이 방향 L에 온도분포가 적기 때문, 결정 성장이 선형 빔(300)의 폭 방향 W으로 1차원 횡방향 성장이 되어, 결정립 지름은 수 ㎛ 정도로 큰 결정립이 형성된다. 또한, 레이저 열처리 후에 형성된 다결정 규소막의 결정립(306)은 도 5에 도시된 것처럼, 선형 빔의 길이 방향 L에 직교하는, 결정 성장의 방향인 선형 빔의 폭 방향 W, 즉 이동 스테이지의 이동(스캔)방향으로 맞추어진다.
여기서, 하나 유의해 두지 않으면 안될 점은, 이전부터 엑시머 레이저의 열처리에 있어서 선형 빔이 사용되어 왔지만, 그것은 본 발명과는 전혀 다른 개념에 의해 행해지고 있다는 것이다. 엑시머 레이저에 의한 재결정 성장은 도 12a∼도 12 d를 사용하여 설명한 것처럼, 막의 두께 방향에 대한 성장이기 때문에 개개의 결정립의 면내 방위는, 불규칙하고, 경계면에서의 결정 방위는 랜덤(random)하니까, 본 발명의 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파의 선형 빔에 의한 열처리의 경우와 같이 개개의 결정립의 경계면에서의 결정 방위의 변동을 제거할 수 없고, 이러한 면으로부터도 본질적으로 트랜지스터의 높은 이동도를 얻는데 한계가 있다. 엑시머 레이저 열처리에 있어서 선형 빔을 사용하는 것은, 단지 간단히 막질의 면내 균일성을 확보하여, 생산성을 향상시키기 때문이다. 이에 대하여, 본 발명에 의하면, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의한 열처리에 있어서 선형 빔을 사용함으로써, 고품질이고 입자 지름이 큰 결정을 형성하여, 트랜지스터의 이동도 증대에 성공하고 있다.
이하, 본 발명에 의한 실제의 데이터를 설명한다.
펄스 레이저 광원으로서 사용된 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파의 펄스 에너지는 20mJ/pulse, 펄스시간폭은 60nsec(FWHM)이다. 또한, 규소막 표면에서의 조사면적은, 50㎛×10mm이고, 도 l에 나타낸 가변 감쇠기(1O3)에 의해 레이저 광의 에너지를 조정함으로써, 조사 에너지 밀도가 300∼1500mJ/cm2인 범위에서 실험을 하였다. 규소막상의 동일한 부분으로의 레이저 조사 회수는 20회로 하였다. 이때, 분위기는 대기중이고, 기판 온도는 실온이었다.
이상과 같은 조건으로, 비정질 규소막의 레이저 열처리를 하여, 그 결과 얻어진 다결정 규소막으로 능동층을 구성한 플레이너형 MOS 트랜지스터를 제작하였다. 트랜지스터의 드레인 전류의 방향이, 빔의 폭 방향, 즉 결정성장한 방향이 되 도록 트랜지스터를 제작하였다. 채널의 길이 및 폭은 각각 5㎛ 및 10 ㎛이다. n-채널 이동도의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성을 도 6에 나타낸다.
Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의한 레이저 열처리로 형성된, 유리기판상에서 다결정 규소막을 능동층으로 하여서 박막 트랜지스터를 제작한 보고 예는 과거에는 없고, 본 발명이 처음이다. 도 6에 도시된 것처럼, 조사 강도가 600mJ/cm2이상에서, MOS 트랜지스터의 n-채널 이동도가 200cm2/Vs에 가까운 값으로 달성되어, 엑시머 레이저에 의해 얻어진 것의 2배의 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다. 트랜지스터의 이동도의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성은 대단히 완만하여, 이동도가 최고 이동도의 80% 이상이 되는 조사 에너지 밀도의 허용범위는, ±200mJ/cm2이상으로 매우 넓다.
이에 대하여, 엑시머 레이저 열처리에 의한 다결정 규소막을 능동층으로서 사용한 MOS 트랜지스터의 n-채널 이동도의 최고값은, 앞서 도 13에서 도시한 것처럼, 조사 에너지 밀도가 230mJ/cm2에 있어서 80cm2/Vs 정도일 뿐이다. 이동도의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성은 대단히 크고, 이동도가 최고 이동도의 80% 이상이 되는 조사 에너지 밀도의 범위를 허용하면, 허용범위는 ±5mJ/cm2으로 매우 좁다. 이것은 실제로 생산할 때에는 큰 문제가 된다. 또한, 최고 이동도를 얻을 수 있는 조사 에너지 밀도 230mJ/cm2에서의 다결정 규소막의 결정립 지름은 종방향 성장이기 때문에 수 100nm 정도로 작다.
이와 같이, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파를 사용한 경우는, 엑시머 레이저의 경우와 비교하여 조사강도의 허용범위가 수 10배나 넓어지는 것이 분명해졌다. 즉, 레이저에 의한 열처리는 안정성이 결여된다고 하는 상식을 뒤집는, 획기적인 특징을 가지는 것이 밝혀져서, 생산 프로세스에 있어서 종래 생각되지 않은 안정성과 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의하면, 결정 성장이 횡방향 성장이기 때문에, 결정립 지름은 수 ㎛정도로 엑시머 레이저에 의한 것보다 1자리수 크다고 하는 열처리 그 자체의 큰 장점을 얻을 수 있다.
이때, 막 재료로서, 여기서는 규소에 관해서 설명하였지만, 탄화규소(SiC), 또는 탄소만으로 이루어진 재료, 또는 화합물 반도체, 또는 유전체 화합물, 또는 고온 초전도체 화합물에 대하여 상기와 같은 레이저 열처리를 시행하더라도, 큰 결정립 지름을 얻을 수 있다고 한 동일한 효과가 있는 것은 말할 필요도 없다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 실시예 1에서 설명한 열처리된 기판 재료로 제작한 반도체 디바이스에 관해서 서술한다. 실시예 1에서 설명한, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의해 열처리하여 형성된 다결정 규소막을 능동층으로 사용하여서, 도 7에 나타낸 것처럼 MOS 트랜지스터 소자를 구성한다. 능동층에는, 소스(401)와, 드레인(402)과, 소스(401)와 드레인(402)의 사이에 끼워진 채널(404)이 형성된다. 채널(404) 위를 횡단하도록 게이트(403)가 형성된다. 선형 빔의 폭 방향 W, 즉 결정 성장한 방향이 드레인 전류가 흐르는 방향 C가 되도록 트랜지스터를 구성하면, 개개의 결정립(306)의 경계면에서의 결정 방위의 변동이 없어지기 때문에 캐리어는 경계면에서 산란되지 않고, 입계가 매우 좁기 때문에 결정 입계에 있어서의 결정 결함 밀도도 작아지고, 트랜지스터의 이동도가 현저히 향상한다. 따라서, 기판상에 제작한 트랜지스터의 내, 고주파로 동작시키는 트랜지스터를, 선형 빔의 폭 방향 W, 즉 결정 성장한 방향이 드레인 전류가 흐르는 방향 C가 되도록 제작하면, 보다 높은 주파수까지 동작 가능한 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 방법에서는, 간단히 결정립이 커져 트랜지스터의 이동도가 증대할 뿐만 아니라, 레이저 조사 에너지 밀도에 대하여 트랜지스터의 최대 이동도를 얻을 수 있는 조건이 임계가 아니고, 약간 레이저의 강도가 변동하더라도 일정한 특성의 트랜지스터를 얻을 수 있다고 하는 큰 이점이 있다.
(실시예 3)
실시예 3에서는, 선형 빔의 형상에 관해서 설명한다. 선형의 조사 영역에 관해서는, 실시예 1의 실험에서는, 50㎛×10mm의 영역을 조사하는 것으로 하였지만, 상술한 것처럼, 레이저 조사에 의해서 발생하는 규소막내의 횡방향 온도분포가, 선형 빔의 길이 방향과 직교하는 방향에만 형성되어, 결정성장이 일차원 방향으로 생기는 것이 주가 된 것은, 조사 영역의 폭에 대한 길이의 비가 10배 정도 이상이다. 즉, 조사 위치에서의 레이저 광 폭이 50∼100㎛이고, 길이는 1mm 이상이면 된다.
(실시예 4)
실시예 4에서는, 실시예 1의 레이저 열처리에서의 조사 강도에 관하여 설명한다. 우선, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의한 레이저 열처리의 조사 강도의 상한값에 관해서 설명한다. 조사 에너지 밀도를 높게 한 경우, 1500mJ/cm2을 넘으면 규소막은 마모되어, 기판으로부터 완전히 박리되어 버렸다. 따라서, 레이저 광의 조사 에너지 밀도는 1500mJ/cm2이하로 하지 않으면 안되는 것이 분명해졌다. 조사강도의 하한값에 관해서는, 거의 100mJ/cm2이상에서 비정질 규소막이 다결정화하는 것이 관측되었고, 그 이상의 조사 강도이면, 열처리의 효과를 얻을 수 있게 된다. 결정립의 크기나 반도체 소자를 제작했을 때의 트랜지스터의 이동도 등을 고려하면 400mJ/cm2이상이 바람직하다.
(실시예 5)
실시예 5에서는, 실시예 1의 레이저 열처리에 있어서의 동일한 부분으로의 레이저 조사 회수에 관하여 설명한다. 본 발명에 관계하여서 행한 조사실험에서는, 100회 이상의 조사 회수에서는 심한 표면 거칠기나 마모에 의한 부분적인 막의 박리가 보이고, 박막 트랜지스터의 제작이 불가능하였다. 이러한 표면 거칠기나 마모가 발생하는 원인은, 규소막측과 레이저 광측의 양측에 있다. 규소막측의 원인은, 막 두께의 불균일성, 막 밀도의 불균일성에 기인한 레이저 조사시의 고르지 못한 열분포이다. 레이저 광측의 원인으로서는, 얼룩(speckle) 등의 간섭에 기인하여 빔 프로파일에 리플(ripple)이 중첩하여 발생하는 것에 있다. 이 모양을 도 8에 나타낸다. 도 8은 선형 빔 프로파일의 길이 방향의 상세한 분포를 나타낸 것으로, 간섭에 의해 리플이 생겨 이 방향의 분포가 약간 불균일하게 되어 있다. 이러한 원인을 근본적으로 제거하는 것은 대단히 곤란하다. 실제, 표면 거칠기는 1회째의 조사로 가볍게 발생하고, 그것이 2회째의 조사시에 불균일성이 된다고 하는 악순환을 반복하여, 조사 회수가 많아지면 상승 효과적으로 표면 거칠기가 심하게 된다. 조사 회수를 100회 이하로 한정함으로써, 표면 거칠기가 박막 트랜지스터의 제작에 지장을 초래하지 않은 것이 확인되었다.
(실시예 6)
실시예 6에서는, 실시예 1의 레이저 열처리에 있어서의 타겟으로서 비정질 또는 다결정 규소막의 막 두께에 관해서 설명한다. 유리기판을 이동시키면서 레이저 열처리를 하는 경우, 동일한 부분에 대하여 복수회 레이저가 조사되기 때문에, 열처리가 복수회 반복되게 된다. 우선, 최초 몇 회인가의 레이저 조사에 의해 입자 지름이 큰 다결정의 규소막이 형성된다. 그 결과, 양호한 결정부보다도, 결정 입계 등의 결정 결함부쪽이 일반적으로 흡수계수가 높아진다. 요컨대, 결정결함부가 보다 많은 레이저 광을 흡수하기 때문에, 결정결함부가 우선적으로 열처리되어, 효율적인 결함 보상을 가능하게 한다. 따라서, 빛이 어느 정도의 깊이까지 도달하는 가가 대단히 중요해진다. 물질에 대한 빛의 침투 길이는, 광 강도가 1/e이 되는 깊이로 정의되지만, 다결정에 대한 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파의 침투 길이는 100∼200nm정도이다. 따라서, 비정질 또는 다결정의 규소막의 막 두께가 200nm미만, 바람직하게는 100nm 미만이면, 결정결함이 효율적으로 감소된 다결정 규소막이 형성된다.
(실시예 7)
실시예 7에서는, 실시예 1의 레이저 열처리에 있어서의 조사 레이저 광의 펄스 시간 폭의 영향에 관해서 설명한다. 기본적으로 비정질 규소막을 열처리하기 위해서는 그 표면을 마모하지 않은 일정 이하의 피크 파워 이내이고, 또한 용융에 필요한 열에너지를 공급하는 펄스시간폭을 줄 필요가 있다. 반대로, 일정한 용융조건이 채워지면, 필요 이상으로 펄스시간폭을 연장시키면 불필요하게 레이저 출력을 증대할 뿐, 연산 장치로서의 효율 및 생산성을 저하시키게 된다. 이번의 실험에서는, 60ns의 펄스시간폭으로 하고 있지만, 재결정시의 냉각 과정을 천천히 하여 결정의 품질을 개선하는 효과를 얻기 위해서, 60ns의 수배의 200ns 미만, 바람직하게는 60ns의 2배 정도인 100ns 미만으로 하면 마모되지 않는, 더구나 효율이 좋은 열처리를 할 수 있다.
(실시예 8)
실시예 8에서는, 실시예 1의 레이저 열처리에 있어서의 레이저 광의 에너지에 관해서 설명한다. 실시예 1의 실험으로, 조사 위치에서의 1펄스 당 에너지 강도가 800mJ/cm2으로 최적의 특성을 얻을 수 있었지만, 이때의 전체 조사 에너지는 4mJ/pulse 이다. 레이저 광은 발진장치로부터 방출된 후, 도중의 광학계로 10∼20% 손실된다. 즉, 발진장치에서 방출된 레이저 광의 에너지는 5mJ/pulse 이상이면 좋아지게 된다. 레이저 광의 펄스 당 에너지는 높을수록 넓은 조사 면적에 조사할 수 있고, 본 발명의 경우는 선형 빔의 길이를 길게 할 수 있어, 생산성을 높일 수 있다. 이때, 상술한 선형 빔의 하한값, 즉 조사 레이저 광의 폭 50㎛이고 길이 1mm의 영역을 조사하기 위해서는, 최저 0.5mJ/pulse의 레이저 발진장치가 필요해진다. 또한, 생산성에 관해 말하면, 25mm(1 인치) 길이의 영역을 1회의 펄스로 조사할 수 있으면, 예컨대 제작한 반도체 디바이스로서 대각 1.3인치 정도의 박막 트랜지스터(TFT)의 영역을 1빔의 주사로 처리할 수 있기 때문에, 대단히 유리해진다. 이때, 15mJ/pulse의 레이저 발진장치가 필요해진다. 이상과 같이, 본 발명의 선형 빔의 효과를 발휘하는 것은 0.5mJ/pulse 이상의 레이저 발진장치에 의해서 이고, 생산성에서는, 15mJ/pulse 이상의 레이저 발진장치가 바람직하다.
(실시예 9)
실시예 9에서는, 실시예 1의 레이저 열처리에서 사용하는 레이저에 관해서 설명한다. 실시예 1에서는 Nd:YAG의 제2 고조파에 의한 레이저 조사에 관해서 설명하였다. Nd:YAG의 제2 고조파는 효율이 좋고, 고출력의 것을 얻을 수 있기 때문에, 열처리의 생산성이 좋은 것을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 본 발명의 주지에 의하면, 조사한 레이저에 관해서는, 기본적으로는 비정질 규소에 대한 레이저 광의 흡수율로 결정되는 것으로, 동일 오더(order)의 흡수율을 가지는 350nm에서 800nm의 펄스 레이저 광이면, 큰 결정립 지름의 막을 제작할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파 뿐만 아니라, 다른 Nd 이온이 도핑된 고체 레이저의 고조파, 즉 Nd:YAG 레이저의 제3 고조파, Nd:유리 레이저의 제2 또는 제3 고조파, Nd:YLF 레이저의 제2 또는 제3 고조파나, Yb:YAG나 Yb:유리라고 한 Yb 이온이 도핑된 고체 레이저의 제2 또는 제3 고조파나, Ti:Sapphire 레이저의 기본파 또는 제2 고조파를 사용하여 열처리를 하여도 된다. 이들 고체 레이저는 고효율로 안정된 발진이 가능하다. 또한, 특히 YAG나 YLF과 같은 결정을 매체로 하는 고체 레이저에서는 펄스발진의 펄스 반복 주파수를 높일 수 있고, 생산성이 높은 것을 제공할 수 있는 장점이 있다.
(실시예 10)
종래부터, 엑시머 레이저를 사용하여 선형 빔 프로파일에 의한 레이저 열처리가 행하여지고 있지만, 이것은 파장 350nm 이상의 레이저 광에 의한 열처리와는 근본적으로 다른 개념에 의한 것이다. 파장 350nm 이상의 레이저 광에 의한 열처리는 재결정 과정에서 막의 면내 방향인 횡방향에 관해서 재결정 성장이 발생하기 때문에 대결정 입자 지름화가 가능하지만, 엑시머 레이저에 의한 열처리는 막의 두께 방향인 종방향에 관해서의 성장이기 때문에 대 입자 지름화가 곤란하다. 선형 빔의 엑시머 레이저에 의한 열처리는, 간단히 레이저 열처리 후의 막질의 면내 균일성 및 생산성의 향상을 꾀할 뿐이다.
상기한 파장 350nm 이상의 레이저 광에 의한 열처리에 있어서의 횡방향 성장의 과정은, 규소막내에서 횡방향에 형성된 온도분포에 크게 영향을 받는다. 즉, 조사된 선형 빔의 폭 방향의 에너지 밀도 분포에 크게 영향을 받는다. 레이저 광 조사에 의해 규소막내에 도입된 열은, 한결같이 기판으로 흩어져 없어진다. 즉, 규소막내의 횡방향 온도분포는 한결같이 저하하여 간다. 도 9에 나타낸 것처럼, 레이저 광에 의해서 열처리된 규소막(201)은, 용융부(액상)(2011)와 고상(2012)으로 이루어진다. 규소막(201)의 용융부(20l1)에 있어서 먼저 온도가 융점을 하회한 부분부터, 후에 온도가 융점을 하회하는 부분을 향하여 횡방향에 2014로 나타낸 방향으로 결정을 성장해간다. 그리고, 이 결정 성장(2014)은, 온도가 추워져 가는 과정에서 자연 핵 발생에 의해 성장한 미결정(2013)에 의해, 그 앞길이 차단되어 횡방향 결정 성장이 멈춘다. 즉, 자연 핵 발생이 발생하기까지의 시간이 될 수 있는 한 결정립이 길게 성장하고 있으면 좋은 이유이지만, 그것을 위해서는 결정 성장 속도가 빠른 것이 요구된다. 일반적으로, 어느 미소영역에서의 결정 성장속도 v는 v=k△ T/△x에 의해 나타내어 진다. 여기서, k는 속도정수, △T는 미소영역에서의 온도차, △x는 미소영역의 폭이다. 즉, 규소막내의 횡방향에 관해서 온도분포가 존재하는 경우, 융점 이상의 온도인 영역의 온도분포가 급속한 경사이면, 결정 성장속도가 빠르고, 그 결과, 결정립 지름이 큰 다결정 규소막의 형성이 가능해진다. 현실적인 문제인, 규소막내에서의 횡방향 온도분포의 급경사화에 관해서는, 타겟 표면에서의 조사 에너지 밀도분포를 급경사로 함으로써 실현된다.
이하, 본 발명에 따른 실제의 데이터를 설명한다. 도 1∼도 5를 사용하여 설명된 것과 같이 실시예 1과 마찬가지로 하여서 레이저 열처리를 하였다. 사용된 펄스 레이저 광원으로서 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파의 펄스 에너지는 20mJ/pulse, 펄스시간폭은 60nsec(FWHM)이다. 또한, 규소막 표면에서의 빔 조사 면적은, 50㎛× 10mm 또는 250㎛×10mm이고, 도 l에 나타낸 가변 감쇠기(103)에 의해 레이저 광 에너지를 조정함으로써, 조사 에너지 밀도를 300∼1000mJ/cm2(전체 조사 에너지를 빔조사 면적으로 나눈 값)의 범위로 하여 실험을 하였다. 선형 빔의 폭 방향의 조사 에너지 밀도 분포의 경사의 최대값은, 4mJ/cm2/㎛(조사면적: 250㎛×10mm, 조사 에너지 밀도 800mJ/cm2에서의 값)와 30mJ/cm2/㎛(조사면적: 50 ㎛×10mm, 조사 에너지 밀도 800mJ/cm2에서의 값)로 하였다. 규소막상의 동일한 부분으로의 레이저 조사 회수는 20회로 하였다. 이때, 분위기는 대기중이고, 기판 온도는 실온이었다.
여기서, 조사 에너지 밀도 분포 경사의 결정방법에 관해서 설명한다. 우선, 비정질 규소막 표면에서의 조사 위치에 있어서 선형 빔 프로파일, 즉 조사 에너지 밀도 분포를 측정한다. 여기서, 조사 에너지 밀도 분포는, 어느 미소 부분에 대하여 조사된 1 펄스중의 에너지를 단위면적 당의 양으로 환산한 것의 분포인 것으로 한다. 단위는 통상 mJ/cm2로 나타낸다. 측정은, 포토다이오드의 1차원 어레이로 구성되는 선형 이미지 센서를 사용하여, 선형 빔의 길이 방향과 폭 방향에 관해서 행한다. 이와 같은 실측에 의해 얻을 수 있는 2차원의 조사 에너지 밀도 분포는 상대적인 값으로, 아직 절대적인 수치를 가지고 있지 않는다. 실측에 의해 얻을 수 있는 2차원의 조사 에너지 밀도 분포를 면적에 관해서 적분한 적분값을 구한다. 별도로, 파워 메터 등의 레이저 빔 전체의 에너지를 측정하는 측정기에 의해 측정된, 레이저 빔 전체의 l 펄스 당 에너지와, 앞서 측정된 적분값과 같게 되도록 실측된 조사 에너지 분포를 값을 부여하면, 조사 에너지 밀도 분포를 절대값으로서 얻을 수 있다. 조사 에너지 밀도 분포의 경사는, 이와 같이 하여 얻을 수 있는 조사 에너지 밀도 분포의 절대값을 위치에 관해서 미분한 것이다.
이상과 같은 조건으로, 비정질 규소막의 레이저 열처리를 하였다. 그 결과 얻어진 다결정 규소막의 결정립 지름은, 선형 빔의 폭 방향의 조사 에너지 밀도 분포의 경사의 최대값이 4mJ/cm2/㎛(조사강도 800mJ/cm2에 있어서의 값)의 것은, 빔을 주사한 방향의 결정립의 길이가 1㎛ 정도였지만, 30mJ/cm2/㎛(조사강도 800mJ/cm2에 있어서의 값)의 것에 관해서는, 3㎛정도로 3배나 큰 값이었다. 이것은 조사 에너지 밀도 분포에 근거하여 온도 분포의 가파르고 험함의 차이에 의존하는 결정성장속도의 차이에 따른 결과이다. 이 다결정 규소막을 사용하여 능동층을 구성한 플레이너형 MOS 트랜지스터를 제작하였다. MOS 트랜지스터의 드레인 전류가 흐르는 방향을, 빔을 주사한 방향, 즉 결정을 성장한 방향이 되도록 제작하였다.
채널의 길이 및 폭은, 각각 5㎛ 및 10㎛ 이다. n-채널 이동도의 조사 에너지 밀도에 대한 의존성을 도 10에 나타낸다. 도 10에 도시된 것처럼, 조사 강도 800mJ/cm2에 있어서의 선형 빔의 폭 방향의 조사 에너지 밀도 분포 경사의 최대값이 4mJ/cm2/㎛(조사강도 8O0mJ/cm2에 있어서의 값)의 것에 관해서는, 조사강도 600mJ/cm2(조사 에너지 밀도 분포의 경사의 최대값에서는 3mJ/cm2/㎛이 된다) 이상에서, MOS 트랜지스터의 n-채널 이동도는 100cm2/Vs 정도로 약간 낮은 값이었지만, 30mJ/cm2/㎛(조사강도 800mJ/cm2에 있어서의 값)의 것에 관해서는, 이동도는 2O0cm2/Vs 정도로 대단히 높은 값이 달성되었다. 이와 같이, 조사 에너지 밀도의 경사의 차이에 의해 MOS 트랜지스터의 이동도가 크게 달라지는 것은, 결정립의 길이가 다르기 때문에 MOS 트랜지스터의 능동층에 있어서 캐리어가 결정 입계를 가로지르는 회수가 다른 것에 기인한다. 고속성·고기능성이 요구되는 집적회로를 제작하기 위해서는, 거의 100cm2/Vs의 이동도가 필요해진다. 따라서, 조사 에너지 밀도 분포 경사의 최대값이 대략 3mJ/cm2/㎛ 이상인 선형 빔 프로파일을 사용하여 레이저 열처리를 하는 것이 필요하다.
이때, 막 재료로서, 여기서는 규소에 관하여 설명하였지만, 탄화규소(SiC), 또는 탄소만으로 이루어진 재료, 또는 화합물 반도체, 또는 유전체 화합물, 또는 고온 초전도체 화합물에 대하여 상기와 같은 레이저 열처리를 시행하더라도, 큰 결정립 지름을 얻을 수 있다고 한 동일한 효과가 있는 것은 말할 필요도 없다.
실시예 10에서는, 선형 빔의 폭 방향의 프로파일을 가우스 분포로 한 것이다. 폭 방향 프로파일을 가우스 분포형으로 하면, 레이저 열처리시에 대단히 좋은 효과를 미친다. 선형 빔의 주사 방향과 일치하는 폭 방향의 프로파일이 가우스 분포형이면, 도 9에 도시된 것처럼 규소막을 융점 이상으로 가열하여 용융시키는 레이저 광의 강도가 한계값 이상의 강도를 가지는 중심 영역의 외측에 분포되는 레이저 광의 에너지도 규소막에 조사되어 있고, 융점 이하에서는 있지만 규소막을 가열하고 있다. 즉, 주사 진행 방향에 대하여 반대측으로 용융 한계값 이하의 레이저 광의 강도를 가진 부분은 포스트 어닐링을 시행하는 효과가 있다.
포스트 어닐링은 재결정 후의 다결정 규소막의 결정성을 더욱 향상시키는 효과가 있다. 규소에 대한 Nd:YAG 레이저의 제2 고조파의 흡수계수가 낮기 때문에, 규소막속에 레이저 광 강도가 1/e가 되는 깊이로 정의된 침투 길이는 100nm 이상이다. 따라서, 재결정 후의 규소막의 거의 이면에 달하는 부분까지 결정결함 보상이 시행됨으로써, 결정성이 더욱 좋아진다. 이 효과는, 종래 행해지고 있는 엑시머 레이저 광에 의한 열처리에서는 기대할 수 없다. 엑시머 레이저 광의 규소에 대한 흡수계수가 대단히 높고, 침투 길이가 수 10nm 정도 밖에 없기 때문이다.
(실시예 11)
실시예 11에서는, 실시예 10의 레이저 열처리에 있어서의 선형 빔의 폭 방향의 에너지 밀도 분포 형상을 탑 플랫형상으로 한 경우에 관해서 서술한다. 선형 빔의 폭 방향의 조사 에너지 밀도 경사가 가파르고 험하게 되어 가는 경우, 경사의 가파르고 험함과 함께 피크값도 높아져 간다. 피크값이 지나치게 높으면, 규소막은 마모되어 규소막은 기판으로부터 박리되어 버려서, 박막 트랜지스터를 제작할 수 없다. 따라서, 경사의 급준화와 동시에 피크값을 억제하는 것이 필요해진다. 이상의 조건을 만족하는 프로파일로서, 탑 플랫형상이 적당하다.
(실시예 12)
실시예 12에서는, 실시예 10의 레이저 열처리에 있어서의 선형 빔의 길이 방향의 에너지 분포 형상에 관해서 서술한다. 실시예 10에서는, 길이 방향의 에너지분포 형상은 탑 플랫형상이지만, 레이저 광의 간섭성(coherence)에 기인하는 간섭때문에, 완전히 균일한 프로파일을 얻는 것은 어렵고, 실제로는 도 8에 나타낸 것처럼 다소 리플이 중첩된 프로파일이 된다. Nd:YAG 레이저의 제2 고조파에 의한 레이저 열처리로 얻어진 다결정의 규소막을 사용하여 제작된 MOS 트랜지스터의 특성은 도 10으로부터 분명한 것처럼, 600mJ/cm2이상에서는 조사 에너지 밀도에 대하여, 일정한 특성이 된다. 따라서, 선형 빔의 길이 방향의 에너지 분포가 평평한 부분의 강도를 1로 한 경우, 표준편차가 0.3 이하, 바람직하게는 0.2 정도 이하이면 된다.
(실시예 13)
실시예 10의 레이저 열처리에 있어서도, 실시예 1의 레이저 열처리와 마찬가지로, 실시예 2∼9의 각각에서 서술한 반도체 디바이스, 선형 빔의 형상, 조사 강도, 동일한 부분으로의 레이저 조사 회수, 비정질 또는 다결정의 규소막의 막 두께, 조사 레이저 광의 펄스시간폭, 레이저 광의 에너지, 및 레이저가 적용 가능하다.
이상에 개시된 실시예는 모든 점에서 예시에 있어서 제한적인 것이 아니다라는 것을 고려해야 한다. 본 발명의 범위는, 이상의 실시예가 아니라, 청구의 범위에 의해서 나타내어지고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위내에서의 모든 수정 이나 변경을 포함한다.
본 발명의 레이저 열처리 방법과 레이저 열처리 장치는, 예를 들면 액정 패널의 화소부에 적용되는 고이동도의 박막 트랜지스터를 실현하기 위해서, 결정성이 우수한 다결정 규소막을 형성하는데 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 레이저 열처리 방법이나 레이저 열처리 장치를 사용하여 제조된 반도체 디바이스는, 예를 들면 액정 패널의 화소부를 구성하는 박막 트랜지스터에 적용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 파장이 350nm 이상 800nm 이하인 펄스 레이저 광원(101)에 의해 발생되는 레이저 빔(102)을, 폭(W0)과 길이(L0)를 가진 선형 빔(300)으로 형성하는 단계와,
    기판(203)상에 형성된 막 재료(201)에 상기 선형 빔(300)을 조사하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 빔(300)의 길이(L0)가 상기 선형 빔(300)의 폭(W0)의 1O 배 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 빔(300)은 폭 방향(W)으로 3mJ/cm2/㎛ 이상의 에너지 밀도 경사를 가진 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 선형 빔(300)의 폭 방향(W)의 에너지 밀도 분포의 형상이 거의 가우스 분포형인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 선형 빔(300)의 폭 방향(W)의 에너지 밀도 분포의 형상이 거의 탑 플랫형인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 선형 빔(300)의 길이 방향(L)의 에너지 밀도 분포는, 거의 탑 플랫형의 형상을 가지고, 플랫부의 평균 강도를 1로 한 경우, 표준편차가 0.3이하의 분포인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원(101)은, Nd 이온이 도핑된 또는 Yb 이온이 도핑된 결정 또는 유리를 여기매질로 한 Q스위치 발진 고체 레이저의 고조파인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원(101)은, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파, Nd:YAG 레이저의 제3 고조파, Nd:유리 레이저의 제2 고조파, Nd:유리 레이저의 제3 고조파, Nd:YLF 레이저의 제2 고조파, Nd:YLF 레이저의 제3 고조파, Yb:YAG 레이저의 제2 고조파, Yb:YAG 레이저의 제3 고조파, Yb:유리 레이저의 제2 고조파 및 Yb:유리 레이저의 제3 고조파로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원(101)에 의해 발생되는 레이저 빔(102)의 1 펄스 당 에너지가 0.5mJ 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원(101)에 의해 발생된 레이저 빔(102)의 펄스시간폭이 200nsec 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 막 재료(201)는, 비정질 또는 다결정의 규소막인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 비정질 또는 다결정의 규소막의 막 두께가 200nm 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 비정질 또는 다결정의 규소막의 동일한 부분으로 조사되는 펄스 레이저 광의 펄스 수가 100펄스 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 비정질 또는 다결정의 규소막의 표면에서의 조사 에너지 밀도가 1500mJ/cm2이하 100mJ/cm2이상인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.
  15. 복수의 트랜지스터를 구비하고, 이 트랜지스터는 능동층(40l, 402, 404)을 포함하고, 파장이 350nm 이상 800nm 이하인 펄스 레이저 광원(101)에 의해 발생되는 레이저 빔(102)을, 폭(W0)과 길이(LO)를 가진 선형 빔(300)으로 형성하여 기판(2O3)상의 막 재료(201)에 조사함으로써, 열처리된 상기 막 재료(201)로부터 상기 능동층(401, 402, 404)은 형성되고, 복수의 상기 트랜지스터중 적어도 하나의 상기 트랜지스터의 드레인 전류가 흐르는 방향(C)이, 상기 선형 빔(3OO)의 폭 방향(W)에 거의 평행한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
  16. 파장이 350nm 이상 800nm 이하인 펄스 레이저 광원(101)과,
    이 펄스 레이저 광원(101)에 의해 발생되는 레이저 빔(102)을 선형 빔(300)으로 형성하는 선형 빔 성형 광학수단(104)을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원(101)은, Nd 이온이 도핑된 또는 Yb 이온이 도핑된 결정 또는 유리를 레이저 여기매질로 한 Q 스위치 발진 고체 레이저의 고조파인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 광원(101)은, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파, Nd:YAG 레이저의 제3 고조파, Nd:유리 레이저의 제2 고조파, Nd:유리 레이저의 제3 고조파, Nd:YLF 레이저의 제2 고조파, Nd:YLF 레이저의 제3 고조파, Yb:YAG 레이저의 제2 고조파, Yb:YAG 레이저의 제3 고조파, Yb:유리 레이저의 제2 고조파 및 Yb:유리 레이저의 제3 고조파로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
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