WO2000054314A1 - Procede et appareil de traitement thermique par laser, et dispositif semi-conducteur - Google Patents

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Hidetada Tokioka
Yukio Sato
Mitsuo Inoue
Tomohiro Sasagawa
Mitsutoshi Miyasaka
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • Laser heat treatment method laser heat treatment apparatus and semiconductor device
  • the present invention relates to a laser heat treatment method for forming a polycrystalline silicon film having excellent crystallinity, a laser heat treatment apparatus, and a semiconductor device manufactured using the method and apparatus in order to realize a high mobility thin film transistor.
  • a laser heat treatment method for forming a polycrystalline silicon film having excellent crystallinity a laser heat treatment apparatus, and a semiconductor device manufactured using the method and apparatus in order to realize a high mobility thin film transistor.
  • the pixel portion of a liquid crystal panel forms an image by switching thin film transistors made of an amorphous or polycrystalline silicon film on a glass or synthetic quartz substrate. If it becomes possible to simultaneously configure a driver circuit (mainly installed separately outside the device) that drives the pixel transistors on this panel at the same time, the production cost and reliability of the liquid crystal panel will increase. Dramatic benefits will be realized.
  • a driver circuit mainly installed separately outside the device
  • the production cost and reliability of the liquid crystal panel will increase. Dramatic benefits will be realized.
  • the crystallinity of the silicon film that forms the active layer of the transistor is poor, the performance of thin film transistors represented by mobility is low, and it is difficult to fabricate integrated circuits that require high speed and high functionality. is there.
  • heat treatment by a laser is generally performed.
  • the relationship between the crystallinity of the silicon film and the mobility of the thin film transistor is described as follows.
  • the silicon film obtained by the laser heat treatment is generally polycrystalline. Crystal defects are localized at polycrystalline grain boundaries, which hinder carrier movement in the active layer of the thin film transistor. Therefore, in order to increase the mobility of the thin film transistor, it is only necessary to reduce the number of times carriers cross the crystal grain boundaries while moving through the active layer and to reduce the crystal defect density.
  • the purpose of laser heat treatment is to form a polycrystalline silicon film having a large crystal grain size and few crystal defects at crystal grain boundaries.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a conventional laser heat treatment apparatus.
  • a pulsed laser light source 501 is an excimer laser, which is a typical pulsed laser light source having a wavelength of less than 350 nm and emitting ultraviolet light generally used as a heat treatment laser.
  • Excimer laser light 502 is emitted from a pulse laser light source 501.
  • the beam homogenizer 503 makes the intensity distribution of the excimer laser beam 502 uniform.
  • the condensing optical system 504 condenses the excimer laser light 502.
  • An amorphous silicon film 505 is provided as a target of laser heat treatment.
  • the amorphous silicon film 505 is formed on a base silicon oxide film 506 on a glass or quartz substrate 507.
  • Excimer laser light 502 emitted from the pulsed laser light source 501 is irradiated on the amorphous silicon film 505 by a condensing optical system 504 via a beam homogenizer 503.
  • the irradiation of the excimer laser light 502 causes the amorphous silicon film 505 in the irradiation region to be melted. Thereafter, as the temperature decreases, the melted silicon crystallizes to form a polycrystalline silicon film.
  • silicon has a very high absorption coefficient with respect to the excimer laser light, heat treatment can be performed efficiently even on a thin silicon film.
  • FIGS. 12A to 12D The melting process of the amorphous silicon film 505 is shown in FIGS. 12A to 12D.
  • Fig. 12A shows when laser light is irradiated in the direction indicated by P
  • Fig. 12B shows the number 10 ns after irradiation
  • Fig. 12C shows the number 10 ns after Fig. 12B.
  • D indicates the state of the silicon film 505 after the crystal growth.
  • the silicon film 505 has a melting depth distribution and a temperature distribution conforming to the Gaussian beam profile 601 shown in FIG. 12A, and a molten portion 603 of the silicon film is formed. .
  • Figure 13 shows the dependence of the mobility ( n- channel) of the MOS transistor fabricated using the polycrystalline silicon film thus formed as the active layer on the laser beam irradiation energy density.
  • Figure 13, No. The results of using a KrF excimer laser light source as the Nores laser light source 501 (Fig. 11) are shown, with a pulse time width of about 15 nsec. (FWHM).
  • the thicknesses of the silicon oxide film 506 and the amorphous silicon film 505 are 200 nm and 50 nm, respectively.
  • the laser irradiation area is defined as an area where the irradiation intensity is equal to or more than 1 / e 2 of the peak value, and the irradiation energy / density is calculated from the irradiated laser energy.
  • the laser heat treatment conditions of the highest mobility 80 cmVV s is obtained by setting the irradiation energy density of the excimer laser 23 Om J / cm 2, also of ⁇ 5m JZC m 2 Within the range, more than 80% of the highest mobility is obtained. However, this level of mobility is not enough to fabricate high-speed, high-performance integrated circuits.
  • the mobility greatly depends on the irradiation energy density, and when introducing this method to a production line, the laser output and the condensing properties of the optical system must be extremely strictly controlled. There is a problem that the characteristics of the manufactured transistor vary. This is thought to be because the absorption rate of excimer laser light in silicon is large, so that the melting state changes due to a slight change in irradiation energy density, and the recrystallization process changes.
  • the beam profile at the irradiation position has an axisymmetric gas distribution.
  • Literatures 1 and 2 the recrystallization process by laser heat treatment using the second harmonic of a Nd: YAG laser is explained as follows. This will be described with reference to FIGS. 14 to 14D.
  • FIG. 14A when the focused laser beam 611 of the Gaussian beam profile 601 is irradiated from the focusing optical system 504 onto the silicon film 505 in the direction indicated by P, the Gaussian Since a temperature distribution 6 12 very close to the distribution is formed, a molten portion 6 13 is formed in a molten state as shown in FIG. 14B.
  • FIG. 14A when the focused laser beam 611 of the Gaussian beam profile 601 is irradiated from the focusing optical system 504 onto the silicon film 505 in the direction indicated by P, the Gaussian Since a temperature distribution 6 12 very close to the distribution is formed, a molten portion 6 13 is formed in a molten state as shown in FIG.
  • the major problem in these reports is that the Gaussian beam profile is axisymmetric. Since the profile at the irradiation position is axially symmetric, the crystal grains 6 16 grow radially as shown in FIG. Therefore, when a MOS transistor is manufactured using this polycrystalline silicon film as an active layer, a structure as shown in FIG. 16 is obtained.
  • the transistor has a source 701, a drain 702, a channel 704 sandwiched between the source 701 and the drain 702, and a transistor 704. And a gate 703 formed so as to cross the gate.
  • the active layer includes a source 701, a drain 702, and a channel 704, and is formed of a polycrystalline silicon film.
  • the orientation of the crystal grains 6 16 in the channel 704 where the carriers move is not aligned, and the carriers are scattered at the interface between the crystal grains 6 16 having different orientations, so that the carrier mobility decreases. .
  • the individual crystal grains grow symmetrically with respect to the center, gaps between the individual crystal grains, that is, dislocations, which are a kind of crystal defects, are likely to occur, which causes an increase in the crystal defect density. For this reason, the in-plane uniformity of the polycrystalline silicon film after the laser heat treatment is extremely poor, and there is no report of producing a thin film transistor.
  • the relationship between the silicon film thickness and the MOS transistor is described.
  • the more silicon thickness constituting the active layer is thin d V c Z d (1 og I DS) (V c: gate voltage, I DS: drain current) for s factor defined by decreases,
  • the threshold voltage decreases.
  • the driving voltage of the transistor is reduced, and the power consumption is significantly reduced. Therefore, it is a great advantage when it is mounted on portable information terminal equipment, which is the main use of liquid crystal panels.
  • the thickness of the silicon film used in References 1 and 2 is as large as 0.2 to 1 ⁇ , the threshold voltage is high and the power consumption is high, so that it does not actually function as a transistor. Is expected.
  • laser heat treatment is performed while moving the substrate for laser heat treatment over a large area.However, in order to achieve uniform film quality after heat treatment, the amount of substrate movement between each laser pulse irradiation must be smaller than the irradiation beam width. In general, the same location is subjected to laser irradiation a plurality of times. According to Ref. 3, the number of irradiations to the same location should be 200 or more. This is based on an increase in the X-ray diffraction peak intensity and a decrease in the resistance value of the silicon film after the laser heat treatment.
  • Reference 3 does not mention surface roughness, but in general, if the number of irradiations is large, the surface roughness is large, and the silicon film is partially ablated and peels off from the substrate.
  • the orientation of each crystal grain is used because an axially symmetric Gaussian beam is used.
  • the mobility was low, and the crystal defect density at the crystal grain boundary was high.
  • An object of the present invention is to provide a laser heat treatment method for forming a thin film having excellent crystallinity required for producing a high performance thin film transistor.
  • Another object of the present invention is to provide a stable laser heat treatment method with high productivity. It is to provide.
  • Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of operating at high speed with low cost.
  • Still another object of the present invention is to provide a laser heat treatment apparatus for performing a laser heat treatment for forming a thin film having excellent crystallinity. Disclosure of the invention
  • the laser heat treatment method converts a laser beam generated by a pulsed laser light source having a wavelength of 350 nm to 800 nm into a linear beam having a width and a length. Forming, and irradiating a linear beam to the film material formed on the substrate. According to this laser heat treatment method, a high-quality thin film having a large crystal grain size can be stably obtained.
  • the length of the linear beam is preferably at least 10 times the width of the linear beam.
  • the crystal can be surely grown in the lateral direction, and a high-quality polycrystalline film can be obtained.
  • a laser heat treatment method is to convert a laser beam generated by a pulsed laser light source having a wavelength of 350 nm to 800 nm into a linear beam having a width and a length. Forming, and irradiating the film material formed on the substrate with a linear beam, wherein the linear beam has an energy density gradient of 3 m J / cm 2 /; / m or more in the width direction. Have. According to this laser heat treatment method, a thin film having a larger crystal grain size and higher quality can be stably obtained.
  • the energy density distribution in the width direction of the linear beam is preferably substantially Gaussian. In this case, a post annealing effect can be expected.
  • the shape of the energy density distribution in the width direction of the linear beam is substantially top flat.
  • the gradient of the irradiation energy density distribution can be increased by suppressing the height of the peak value that causes the abrasion.
  • the energy density distribution in the length direction of the linear beam has a substantially top flat shape, and the average intensity of the flat portion is set to 1.
  • the standard deviation is less than 0.3. In this case, the requirements on the performance of the beam profile shaping optical system are relaxed, and the cost can be reduced.
  • the pulse laser light source is preferably a harmonic of a Q-switch oscillation solid-state laser using an Nd-doped or Yb-ion-doped crystal or glass as an excitation medium. In this case, efficient and stable heat treatment can be performed.
  • the pulse laser light source is:
  • N d 2nd or 3rd harmonic of YAG laser
  • N d 2nd or 3rd harmonic of glass laser
  • N d 2nd or 3rd harmonic of YLF laser
  • Y b Either the second or third harmonic of a YAG laser
  • Yb the second or third harmonic of a glass laser.
  • stable and highly productive heat treatment can be performed at low cost.
  • the energy per pulse of the laser beam generated by the pulsed laser light source is preferably 0.5 mJ or more. In this case, heat treatment with high productivity can be performed.
  • the pulse time width of the laser beam generated by the pulsed laser light source is preferably less than 200 nsec. In this case, efficient heat treatment can be performed.
  • an amorphous or polycrystalline silicon film is preferably used as a film material.
  • heat treatment with stable characteristics can be performed.
  • the thickness of the amorphous or polycrystalline silicon film is preferably less than 200 nm. In this case, large crystal grains can be obtained, and favorable laser heat treatment can be performed.
  • the number of pulses of the pulsed laser light applied to the same portion of the amorphous or polycrystalline silicon film is preferably 100 pulses or less. In this case, a polycrystalline film having a good surface condition can be obtained.
  • irradiation energy density at the surface of the amorphous or polycrystalline silicon film is 1 50 Om jZcm 2 below 1 0 Om JZ cm 2 or more. In this case, a polycrystalline film having a good surface condition can be obtained.
  • a semiconductor device includes a plurality of transistors, the transistors including an active layer, and a laser beam generated by a pulsed laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less.
  • a pulsed laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less.
  • an active layer is formed from the heat-treated film material on the substrate, and at least one of a plurality of transistors,
  • the direction in which the drain current of the transistor operated at a higher frequency flows is substantially parallel to the width direction of the linear beam. In this case, a device that operates at high speed can be obtained at low cost.
  • a laser heat treatment apparatus includes a pulse laser light source having a wavelength of 350 nm or more and 800 nm or less, and a beam shaping optics for forming a laser beam generated by the pulse laser light source into a linear beam. Means.
  • the pulse laser light source is preferably a harmonic of a Q-switch oscillation solid laser using a Nd ion-doped or Yb ion-doped crystal or glass as a laser excitation medium.
  • a stable device can be provided.
  • the pulse laser light source is: Nd: the second or third harmonic of a YAG laser, Nd: the second or third harmonic of a glass laser, Nd: YLF Either the second or third harmonic of the laser, Yb : the second or third harmonic of the YAG laser, or Yb: the second or third harmonic of the glass laser.
  • Nd the second or third harmonic of a YAG laser
  • YLF the second or third harmonic of the laser
  • Yb the second or third harmonic of the YAG laser
  • Yb the second or third harmonic of the glass laser
  • FIG. 1 shows a conceptual configuration of a laser heat treatment apparatus as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the target subjected to the laser heat treatment in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state where the same location is irradiated with laser light a plurality of times.
  • FIG. 4A is a diagram schematically illustrating a linear beam profile of the present invention
  • FIG. 4B is a diagram schematically illustrating a state in which a film material on a substrate is melted.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a polycrystalline silicon film formed by the laser heat treatment method of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the dependence of the mobility on the irradiation energy density of the NMOS transistor manufactured using the polycrystalline silicon film obtained by the laser heat treatment method of the present invention as an active layer.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a MOS transistor manufactured using a polycrystalline silicon film formed by the laser heat treatment method of the present invention as an active layer.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a beam intensity distribution in a linear direction of a linear beam profile having interference.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a recrystallization process by the laser heat treatment method of the present invention.
  • FIG. 10 shows the dependence of the mobility on the irradiation energy density of an NMOS transistor fabricated using the polycrystalline silicon film obtained by the laser heat treatment method of the present invention as an active layer, for each irradiation energy density gradient.
  • FIG. 11 is a diagram showing a conceptual configuration of a conventional laser heat treatment apparatus using an excimer laser.
  • 12 to 12D schematically illustrate a conventional heat treatment process using an excimer laser.
  • FIG. 13 is a diagram showing the dependence of the mobility on the irradiation energy density of a conventional NMOS transistor manufactured using a polycrystalline silicon film obtained as an active layer by excimer laser heat treatment.
  • FIGS. 14A to 14D are diagrams schematically illustrating a heat treatment process of the conventional Nd: YAG laser by the second harmonic.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing crystal grains formed by a heat treatment according to the present invention.
  • Figure 16 is a schematic diagram showing an MQS transistor fabricated using a polycrystalline film formed by heat treatment with the second harmonic of a conventional Nd: YAG laser with a Gaussian profile as the active layer. .
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus embodying the laser heat treatment method of the present invention.
  • a second harmonic oscillator 101 of an Nd: YAG laser as a pulse laser light source emits a laser beam (wavelength is 53.2 nm) 102.
  • the variable attenuator 103 is for adjusting the intensity of the laser beam 102.
  • the beam shaping optical system 104 converts the laser beam 102 into a linear beam.
  • the target 200 is set on the moving stage 105.
  • the laser beam 102 is adjusted to a predetermined intensity by the variable attenuator 103 and then enters the linear beam shaping optical system 104.
  • the target 200 After being converted into a linear beam profile by the linear beam shaping optical system 104, the target 200 is irradiated with the laser beam and subjected to laser heat treatment.
  • the substrate of the target 200 is set on the moving stage 105 so that the substrate can be moved during laser irradiation. Details of the target 200 are shown in FIG.
  • a silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed as a base film 202 on a glass substrate 203 by CVD (Chemical Vapor Deposition), and the film material on the substrate is further formed thereon.
  • An amorphous silicon film 201 having a thickness of 70 nm formed by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) is used as a target 200.
  • the laser beam is emitted while moving the moving stage in a direction orthogonal to the length direction of the linear beam having a substantially rectangular cross section, that is, in the width direction of the linear beam. If the distance the stage moves for each pulse interval of laser light irradiation is longer than the width of the linear beam, the number of laser pulse irradiations to the same location will be one, but shorter than the width of the linear beam. Then, as shown in FIG. 3, the same location is irradiated with the laser light a plurality of times. In FIG. 3, the laser pulse is irradiated in the direction indicated by P.
  • the pulse before the previous pulse is the laser beam profile indicated by P1
  • the previous pulse is the laser beam profile indicated by P2
  • the current pulse has a laser beam profile indicated by P3. Since the laser beam profile of each pulse has an overlapping portion, the same portion of the silicon film 201 is irradiated with the laser light a plurality of times.
  • 4A to 4D are conceptual diagrams when the amorphous silicon film 201 is melted by irradiating a laser beam. A line having a length L0 and a width W0 on the amorphous silicon film 201 by the condenser lens 104 at the output of the linear beam shaping optical system 104 in FIG.
  • the beam 30 ° is focused and irradiated.
  • the focused laser beam profile 301 is a top flat shape in which the length direction L of the linear beam 300 is a uniform profile, and the profile in the width direction W is, for example, Gaussian. It is distributed.
  • the absorption coefficient of the second harmonic with respect to amorphous silicon is small, so that it is almost in the film thickness direction.
  • the lateral temperature distribution 302 in the silicon film 201 which is uniformly heated and is generated by the laser irradiation, is formed only in the direction orthogonal to the length direction L of the linear beam 300.
  • a beam portion having a certain intensity or more of the amorphous silicon film 201 as a film material on the substrate is melted in the entire depth direction.
  • a fused portion 603 spreading in the entire depth direction and distributed linearly is formed. Therefore, since the temperature distribution is small in the depth direction and the length direction L of the linear beam 300, the crystal growth becomes one-dimensional lateral growth in the width direction W of the linear beam 300, Large crystal grains with a crystal grain size of about several ⁇ are formed.
  • the crystal grain of the polycrystalline silicon film formed after the laser heat treatment has a width of the linear beam which is orthogonal to the length direction of the linear beam and which is the direction of crystal growth, as shown in FIG. It is aligned with the direction W, ie, the moving (scanning) direction of the moving stage.
  • the pulse energy of the second harmonic of the Nd: YAG laser used as the pulse laser light source is 2 Om J / pu 1 se, and the pulse time width is 60 nsec (FWHM).
  • the irradiation area on the silicon film surface was 50 imX 10 mm, and the irradiation energy density was 300 to 1500 mJ / cm 2 by adjusting the energy of the laser beam using the variable attenuator 103 shown in FIG. Experiments were performed on a range.
  • the number of laser irradiations to the same location on the silicon film was set to 20 times.
  • the atmosphere was air and the substrate temperature was room temperature.
  • the amorphous silicon film was subjected to laser heat treatment, and a planar type MOS transistor in which an active layer was formed from the resulting polycrystalline silicon film was fabricated.
  • the transistor was manufactured such that the direction of the drain current of the transistor was the width direction of the beam, that is, the direction in which the crystal was grown.
  • the length and width of the channel are 5 ⁇ m and 10 ⁇ m, respectively.
  • Figure 6 shows the dependence of the n_channel mobility on the irradiation energy density.
  • the dependence of the mobility of the transistor on the irradiation energy density is very low, and the allowable range of the irradiation energy density at which the mobility is 80% or more of the maximum mobility is as wide as ⁇ 20 Om jZcm 2 or more.
  • the maximum n-channel mobility of a MOS transistor using a polycrystalline silicon film as an active layer by excimer laser heat treatment has an irradiation energy density of 23 Om It is only about 80 cm 2 ZVs at J / cm 2 .
  • Dependence on the irradiation energy density of the mobility is very large, when the allowable range of the irradiation energy density mobilities is more than 80% of the maximum mobility, tolerance is very narrow and soil 5 m JZ cm 2. This is a big problem in actual production.
  • the crystal grain size of the polycrystalline silicon film at an irradiation energy density of 23 Om JZ cm 2 at which the highest mobility can be obtained is as small as about several hundred nm because of vertical growth.
  • the allowable range of the irradiation intensity was tens of times wider than that of the excimer laser.
  • the crystal growth is lateral growth, so that the heat treatment itself has a great advantage in that the crystal grain size is several orders of magnitude larger than that of the excimer laser. It is possible.
  • silicon carbide (S i C) silicon carbide (S i C), a material consisting only of carbon, a compound semiconductor, a dielectric compound, or a high-temperature superconductor compound is used as described above. It goes without saying that the same effect of obtaining a large crystal grain size can be obtained even by performing a suitable laser heat treatment.
  • a MOS transistor element is formed as shown in FIG. 7 using the polycrystalline silicon film formed by heat treatment using the second harmonic of the Nd: YAG laser described in the first embodiment as an active layer.
  • a source 401, a drain 402, and a channel 404 sandwiched between the source 401 and the drain 402 are formed.
  • Gate 403 is formed to traverse over channel 404.
  • the width direction W of the linear beam that is, the crystal growth direction
  • the crystal orientation does not shift at the interface between the individual crystal grains 310, so that the carrier is not scattered at the interface, and the grain boundary is extremely narrow, so that the crystal grain boundary is very small.
  • the crystal defect density is also reduced, and the mobility of the transistor is significantly improved. Therefore, among transistors fabricated on a substrate, if a transistor operated at a high frequency is fabricated so that the width direction W of the linear beam, that is, the crystal growth direction is the direction C in which the drain current flows, higher frequencies can be achieved. An operable device can be provided.
  • the condition for obtaining the maximum mobility of the transistor with respect to the laser irradiation energy density is not critical. There is a great advantage that a transistor having a constant characteristic can be obtained even when the intensity of the transistor fluctuates.
  • Embodiment 3 the shape of a linear beam will be described.
  • the linear irradiation area was irradiated with an area of 50 ⁇ m ⁇ 10 mm in the experiment of the first embodiment, but as described above, the area within the silicon film generated by laser irradiation was Lateral temperature distribution force Forces are formed only in the direction perpendicular to the length direction of the linear beam, and the main factor for crystal growth occurring in one dimension is the ratio of the length to the width of the irradiated area. More than double. That is, the width of the laser beam at the irradiation position should be 50 to 100 / m and the length should be 1 mm or more.
  • Embodiment 4 the irradiation intensity in the laser heat treatment of Embodiment 1 will be described.
  • the upper limit of the irradiation intensity of the laser heat treatment by the second harmonic of the Nd: YAG laser will be described. If and raising the irradiation energy density, 1 5 0 O m J / cm 2 to greater than the silicon film is Abureshiyon, it has been completely separated from the substrate. Accordingly, the irradiation energy density of the laser beam became clear that must be carried out in 1 5 0 O m JZ cm 2 or less.
  • the lower limit value of the irradiation intensity if approximately 1 0 O m J / cm 2 or more are observed that amorphous silicon film is polycrystalline, no more irradiation intensity, the effect of heat treatment Will be obtained. Considering the size of crystal grains and the mobility of transistors when manufacturing semiconductor devices, 40 O mj Z cm 2 or more is preferable.
  • the number of times of laser irradiation to the same portion in the laser heat treatment of the first embodiment a description will be given of the number of times of laser irradiation to the same portion in the laser heat treatment of the first embodiment.
  • the number of irradiations was 100 or more, severe surface roughness and partial peeling of the film due to abrasion were observed, and it was impossible to produce a thin film transistor.
  • the causes of such surface roughness and abrasion are on both the silicon film side and the laser beam side.
  • the cause on the silicon film side is uneven heat distribution at the time of laser irradiation due to non-uniformity of film thickness and non-uniformity of film density.
  • the cause on the laser beam side is that ripples are superimposed on the beam profile due to interference such as speckle.
  • FIG. Fig. 8 shows the detailed distribution of the linear beam profile in the length direction. Ripple is generated due to interference, and the distribution in this direction is slightly non-uniform. It is very difficult to fundamentally eliminate such causes.
  • the surface roughening occurs lightly in the first irradiation, and repeats a vicious cycle in which it becomes non-uniform during the second irradiation.
  • the surface roughening increases synergistically. By limiting the number of irradiations to 100 or less, it has been confirmed that surface roughness does not hinder the fabrication of thin film transistors.
  • Embodiment 6 the thickness of an amorphous or polycrystalline silicon film as a target in the laser heat treatment of Embodiment 1 will be described.
  • the same portion is irradiated with laser light a plurality of times, so that the heat treatment is repeated a plurality of times.
  • a polycrystalline silicon film having a large grain size is formed by the first several laser irradiations.
  • crystal defects such as crystal grain boundaries generally have a higher absorption coefficient than good crystal parts.
  • the crystal defect absorbs more laser light, the crystal defect is preferentially heat-treated, enabling efficient defect compensation. Therefore, it is very important how deep the light reaches.
  • the penetration length of light into a substance is defined by the depth at which the light intensity becomes lZe.
  • the penetration length of the second harmonic of the Nd: YAG laser into polycrystal is 100 to 200 nm. It is about. Therefore, the thickness of the amorphous or polycrystalline silicon film is 200 If it is less than 100 nm, preferably less than 100 nm, a polycrystalline silicon film in which crystal defects are efficiently reduced is formed.
  • the influence of the pulse time width of the irradiation laser light in the laser heat treatment of the first embodiment will be described.
  • it is necessary to provide a pulse time width within a certain peak power which does not ablate the surface and within which a heat energy required for melting is supplied.
  • increasing the pulse time width beyond necessity will unnecessarily increase the laser output, reducing the efficiency and productivity of the production equipment.
  • a pulse duration of 60 ns was used.However, in order to obtain the effect of improving the crystal quality by slowly performing the cooling process during recrystallization, less than 200 ns, which is several times as large as 60 ns, If it is performed in less than 100 ns, which is preferably about twice as long as 60 ns, no abrasion can be performed, and an efficient heat treatment can be performed.
  • the energy of laser light in the laser heat treatment of the first embodiment will be described.
  • E energy intensity per pulse at the irradiation position is optimum characteristics were obtained 800m JZC m 2
  • the total irradiation energy at this time is 4 m J Zp u 1 se .
  • the laser light After the laser light is emitted from the oscillation device, it loses 10 to 20% in the optical system on the way. That is, the energy of the laser beam emitted from the oscillation device only needs to be 5 mJZp u 1 se or more.
  • a laser oscillator with a minimum of 0.5 mJ / pu 1 se is required to irradiate the lower limit of the linear beam described above, that is, to irradiate an area of 1 mm in length with an irradiation laser beam width of 50 / m. .
  • productivity if a 25 mm (1 inch) long area can be irradiated with a single pulse, for example, a 1.3 inch diagonal thin film transistor (TFT) can be used as a semiconductor device to be manufactured.
  • TFT thin film transistor
  • the laser to be irradiated is basically determined by the absorptivity of the laser beam to the amorphous silicon, so that a pulse laser of 350 nm to 800 nm having the same order of absorptance is used. With light, the effect that a film having a large crystal grain size can be produced is obtained.
  • a silicon film 201 to be heat-treated by a laser beam includes a molten portion (liquid phase) 2011 and a solid phase 2012.
  • k is the rate constant
  • ⁇ is the temperature difference in the minute region
  • ⁇ is the width of the minute region. That is, when there is a temperature distribution in the lateral direction in the silicon film, if the temperature distribution in the region having a temperature equal to or higher than the melting point has a steep gradient, the crystal growth rate is high, and as a result, the crystal grain size is large. A polycrystalline silicon film can be formed. The steep slope of the lateral temperature distribution in the silicon film, which is a practical problem, can be realized by steepening the irradiation energy density distribution on the target surface.
  • the pulse energy of the second harmonic of the Nd: YAG laser used as the pulse laser light source is 2 Om J / pu 1 se, and the pulse time width is 60 nsec (FWHM).
  • the beam irradiation area on the silicon film surface is 50 mX1 Omm or 250 ⁇ mX10 mm, and the energy of the laser beam is adjusted by the variable attenuator 103 shown in FIG.
  • the experiment was performed within the range of 11 000 mjZcm 2 (the value obtained by dividing the total irradiation energy by the beam irradiation area).
  • the linear beam profile at the irradiation position on the surface of the amorphous silicon film that is, the irradiation energy density distribution is measured.
  • the irradiation energy density distribution is a distribution obtained by converting the energy in one pulse applied to a certain minute portion into an amount per unit area. Units are expressed in normal m J Zc m 2.
  • the measurement is performed in the length and width directions of the linear beam using a linear image sensor composed of a one-dimensional array of photodiodes.
  • the two-dimensional irradiation energy density distribution obtained by such actual measurements is a relative value and does not yet have an absolute value.
  • the integral value obtained by integrating the two-dimensional irradiation energy density distribution obtained by the actual measurement with respect to the area is obtained in advance. Separately, the energy per pulse of the entire laser beam, measured by a measuring instrument that measures the entire energy of the laser beam, such as a power meter, is measured to be equal to the integral value measured earlier. If the irradiation energy distribution is valued, the irradiation energy density distribution can be obtained as an absolute value. The gradient of the irradiation energy density distribution is obtained by differentiating the absolute value of the irradiation energy density distribution obtained in this way with respect to the position.
  • the crystal grain size of the resulting polycrystalline silicon film is such that the maximum value of the gradient of the irradiation energy density distribution in the width direction of the linear beam is 4 mjZcm 2 /; um (irradiation intensity 80 Om J / cm 2 At the force of 3 Om J / cmV ⁇ m (the value at an irradiation intensity of 800 mJ / cm 2 ) where the length of the crystal grain in the beam scanning direction was about 1 ⁇ . The value was about 3 ⁇ , which is three times as large. This is the result of the difference in crystal growth rate depending on the difference in the steepness of the temperature distribution based on the irradiation energy density distribution.
  • Planar-type MOS transistors having an active layer using these polycrystalline silicon films were fabricated.
  • the direction in which the drain current of the MOS transistor flows was the direction in which the beam was scanned, that is, the direction in which the crystal was grown.
  • the length and width of the channel are 5 // m and 10 / m, respectively.
  • Figure 10 shows the dependence of n-channel mobility on irradiation energy density.
  • the irradiation intensity 80 Om J / maximum value of the gradient of the irradiation energy density distribution in the width direction of the linear beam in cm 2 is 4m J / cm 2 /// m (irradiation intensity 80 in the ones of values) in om J / cm 2, irradiation intensity 60 becomes 3m J / cm 2 Roh im in Om J / cm 2 (maximum gradient of the irradiation energy density distribution) above, M_ ⁇ S transistor
  • the n-channel mobility was slightly lower at about 100 cm 2 / Vs, the mobility at 30 m j Zc m 2 Zju m (at an irradiation intensity of 800 m J / cm 2 ) A very high value of about 200 cm 2 / Vs was achieved.
  • the mobility of the MOS transistor is greatly different due to the difference in the irradiation energy density gradient.
  • the number of times the carrier crosses the crystal grain boundary in the active layer of the M ⁇ S transistor because the length of the crystal grain is different. Due to being different.
  • a mobility of approximately 100 cm 2 ZVs is required. Therefore, it is necessary that the maximum value of the gradient of the irradiation energy density distribution performing laser thermal processing with a linear beam profile is Oyo its 3 m J / cm 2 / ⁇ m or more.
  • silicon carbide (S i C) silicon carbide (S i C), a material consisting only of carbon, a compound semiconductor, a dielectric compound, or a high-temperature superconductor compound is used as described above. It goes without saying that the same effect of obtaining a large crystal grain size can be obtained even by performing a suitable laser heat treatment.
  • the profile in the width direction of the linear beam has a Gaussian distribution. If the width direction profile has a Gaussian distribution, it is very good and has an effect during laser heat treatment. If the profile in the width direction that matches the scan direction of the linear beam has a Gaussian distribution, the intensity of the laser beam that heats and melts the silicon film above the melting point is above the threshold as shown in Fig. 9. The energy of the laser light distributed outside the central region having the laser beam is also irradiated to the silicon film, and the silicon film is heated although its melting point is lower than its melting point. In other words, a portion having a laser light intensity equal to or lower than the melting threshold value on the opposite side to the scanning progress direction has an effect of applying boss annealing.
  • Bostanil has the effect of further improving the crystallinity of the polycrystalline silicon film after recrystallization. is there. Since the absorption coefficient of the second harmonic of Nd: YAG laser for silicon is low, the penetration length defined by the depth at which the laser light intensity becomes 1 Ze in the silicon film is 100 nm or more. Therefore, crystal defect compensation is performed up to the portion almost reaching the back surface of the silicon film after recrystallization, and the crystallinity is further improved. This effect cannot be expected by the conventional heat treatment using excimer laser light. This is because the absorption coefficient of excimer laser light for silicon is very high, and the permeation length is only about 10 nm. Embodiment 11 1.
  • the eleventh embodiment describes a case where the energy density distribution in the width direction of the linear beam in the laser heat treatment of the tenth embodiment is a top flat shape.
  • the irradiation energy density gradient in the width direction of the linear beam is made steeper, the peak value becomes higher as the gradient becomes steeper. If the peak value is too high, the silicon film is ablated and the silicon film peels off from the substrate, so that a thin film transistor cannot be manufactured. Therefore, it is necessary to suppress the peak value at the same time as the steepness of the gradient.
  • a top flat shape is appropriate as a profile that satisfies the above conditions.
  • Embodiment 1 2.
  • Embodiment 12 describes the energy distribution shape in the longitudinal direction of the linear beam in the laser heat treatment of Embodiment 10.
  • the energy distribution shape in the length direction is a top flat shape, but it is difficult to obtain a completely uniform profile due to interference caused by the coherence of the laser beam.
  • the characteristics of a MOS transistor fabricated using a polycrystalline silicon film obtained by laser heat treatment of the N d: YAG laser by the second harmonic are 60 O mj Z cm 2 Above, the characteristics are constant with respect to the irradiation energy density. Therefore, assuming that the intensity of a flat portion where the energy distribution in the length direction of the linear beam is flat is 1, the standard deviation should be 0.3 or less, preferably about 0.2 or less.
  • Embodiment 1 3.
  • the semiconductor device described in each of the second to ninth embodiments similarly to the laser heat treatment of the first embodiment, the semiconductor device described in each of the second to ninth embodiments, the shape of the linear beam, The irradiation intensity, the number of laser irradiations to the same location, the thickness of the amorphous or polycrystalline silicon film, the pulse time width of the irradiation laser light, the energy of the laser light, and the laser can be applied.
  • the laser heat treatment method and the laser heat treatment apparatus of the present invention are used for forming a polycrystalline silicon film having excellent crystallinity, for example, to realize a high mobility thin film transistor applied to a pixel portion of a liquid crystal panel. Can be done. Further, a semiconductor device manufactured using the laser heat treatment method and the laser heat treatment apparatus of the present invention can be applied to, for example, a thin film transistor constituting a pixel portion of a liquid crystal panel.

Description

明細書
レーザ熱処理方法、 レーザ熱処理装置および半導体デバイス 技術分野
この発明は、 高移動度の薄膜トランジスタを実現するために、 結晶性に優れた 多結晶の珪素膜を形成するレーザ熱処理方法、 レ一ザ熱処理装置およびその方法 や装置を用いて製造された半導体デバイスに関する。 背景技術
現在、 液晶パネルの画素部は、 ガラスまたは合成石英の基板上の非晶質または 多結晶の珪素膜で作製された薄膜トランジスタのスイッチングにより、 画像を構 成している。 もし、 このパネル上に画素トランジスタを駆動するドライバ回路 (主として現在は外部に独立して設置してある） を同時に構成することが可能と なれば、 液晶パネルの製造コスト ·信頼性等の面で飛躍的なメリットが生じるこ とになる。 しかし、 現在は、 トランジスタの能動層を構成する珪素膜の結晶性が 悪いため、 移動度に代表される薄膜トランジスタの性能が低く、 高速性 ·高機能 性が要求される集積回路の作製は困難である。 高移動度の薄膜トランジスタを実 現することを目的とする、 珪素膜の結晶性を改善する手法として、 一般的にレー ザによる熱処理が行われている。
珪素膜の結晶性と薄膜トランジスタの移動度の関係は以下のように説明される。 レーザ熱処理により得られる珪素膜は一般に多結晶である。 多結晶の結晶粒界に は結晶欠陥が局在しており、 これが薄膜トランジスタの能動層のキヤリァ移動を 阻害する。 従って、 薄膜トランジスタの移動度を高くするには、 キャリアが能動 層を移動中に結晶粒界を横切る回数を少なく し、 かつ結晶欠陥密度を小さくすれ ば良い。 レーザ熱処理の目的は、 結晶粒径が大きくかつ結晶粒界における結晶欠 陥が少ない多結晶の珪素膜の形成である。
図 1 1は、 従来のレーザ熱処理装置の一例を示す図である。 図 1 1において、 パルスレーザ光源 5 0 1は、 熱処理用レーザとして一般的に使われている紫外光 を発する、 波長が 3 5 0 n m未満の代表的なパルスレーザ光源であるエキシマレ —ザ （K r F (波長： 2 4 8 n m) 、 X e C 1 (波長： 3 0 8 n m) 等） 光源で ある。 エキシマレーザ光 5 0 2はパルスレーザ光源 5 0 1から出射される。 ビー ムホモジナイザ 5 0 3はエキシマレーザ光 5 0 2の強度分布を均一にする。 集光 光学系 5 0 4はエキシマレーザ光 5 0 2を集光する。 レーザ熱処理の対象として 非晶質の珪素膜 5 0 5が配置されている。 非晶質の珪素膜 5 0 5は、 ガラスまた は石英の基板 5 0 7上の下地酸化珪素膜 5 0 6上に形成されている。
次に従来のレーザ熱処理手法について説明する。 パルスレーザ光源 5 0 1から 出射されたエキシマレーザ光 5 0 2がビームホモジナイザ 5 0 3を経て集光光学 系 5 0 4により非晶質の珪素膜 5 0 5上に照射される。 エキシマレーザ光 5 0 2 の照射により照射領域における非晶質の珪素膜 5 0 5が溶融される。 その後、 温 度が低下するに従って溶融した珪素が結晶化して、 多結晶の珪素膜を形成する。 ここで、 エキシマレーザ光に対して、 珪素が非常に高い吸収係数を持っため、 薄 い珪素膜に対しても効率よく熱処理ができる。 しかし、 吸収係数が高すぎるため レーザ光は表面近傍 1 0 n m付近までで吸収されてしまう。 非晶質の珪素膜 5 0 5の溶融過程は図 1 2 A〜図 1 2 Dに示されている。 図 1 2 Aは Pで示す方向に レーザ光を照射した時、 図 1 2 Bは照射の数 1 0 n s後、 図 1 2 Cは図 1 2 Bの さらに数 1 0 n s後、 図 1 2 Dは結晶成長後の珪素膜 5 0 5の状態を示す。 レー ザ照射時には、 珪素膜 5 0 5は、 図 1 2 Aに示すガウスビームプロファイル 6 0 1に準拠した溶融深さ分布および温度分布を有し、 珪素膜の溶融部 6 0 3が形成 される。 熱は一般にある広がり角を持って伝導していくので、 熱伝導により溶融 深さが深くなるに従い、 図 1 2 Bに示すように、 それらの分布はなまっていき、 最終的には図 1 2 Cに示すように均一な分布となり、 珪素膜の溶融部 6 0 3が形 成される。 従って、 横方向には温度分布が存在しないので、 再結晶成長は縦方向 成長となり、 図 1 2 Dに示されるように得られる結晶粒 6 0 4は縦長になる。 す なわち、 キャリアが移動する面方向に対しての結晶粒径は小さくなる。
このように形成された多結晶珪素膜を能動層として作製された MO S トランジ スタの移動度 （nチャネル） の、 レーザ光の照射エネルギー密度に対する依存性 を図 1 3に示す。 図 1 3は、 ノ、。ノレスレーザ光源 5 0 1 (図 1 1 ) として K r Fェ キシマレーザ光源を用いた結果を示し、 そのパルス時間幅は約 1 5 n s e c (FWHM) である。 また、 酸化珪素膜 506、 非晶質の珪素膜 505の厚みは 各々 200 nm、 50 nmである。 ここで、 レーザ照射される面積は、 照射強度 がピーク値の 1/e 2以上の部分よりなるエリアであると規定し、 照射エネルギ 一密度は照射したレーザエネルギーから算出したものである。 図 1 3から明らか なように、 上記のレーザ熱処理条件ではエキシマレーザの照射エネルギー密度を 23 Om J /cm2に設定することにより最高移動度 80 cmVV sが得られ、 また ± 5m JZC m2の範囲内で最高移動度の 8割以上の移動度が得られている。 しかし、 この程度の移動度では、 高速 ·高機能の集積回路を作製するには不十分 である。 また、 図 1 3に見られるように、 照射エネルギー密度に対する移動度の 依存性が大きく、 同手法を生産ラインに導入する際、 レーザ出力、 および光学系 の集光性を極めて厳密に制御しないと製作されたトランジスタの特性がばらつく という問題がある。 これは、 珪素におけるエキシマレーザ光の吸収率が大きいた めに、 わずかな照射エネルギー密度の変化により溶融状態が異なり、 再結晶過程 が変化するためと考えられる。
多結晶珪素膜の大粒径化の観点から、 波長が 350 nm以上の長いレーザ光を 用いてレーザ熱処理を行うという試みが、 論文レベル （文献 1 (Appl. Phys. Lett. 39, 1981, p425-p427) 、 文献 2 (Mat. Res. So Symp. Proc. , Vol.4， 1982, P523-p528) および文献 3 (Mat. Res. So Symp. Pro ， Vol.358, 1995, p915-p920) ) でなされている。 ここでは波長 350 nm以上の長いレーザ光と して Nd ： YAGレーザの第 2高調波 （波長： 532 nm) が使われている。 こ れらの報告例では、 照射位置でのビームプロフアイルは軸対称ガゥス分布である。 文献 1および 2によると、 Nd ： YAGレーザの第 2高調波を用いたレーザ熱処 理による再結晶過程は次のように説明されている。 図 1 4 〜図14 Dを用いて 説明する。 図 1 4 Aに示すように、 集光光学系 504からガウスビ一ムプロファ ィル 601の集光レーザビーム 6 1 1が Pで示す方向に珪素膜 505に照射され ると、 珪素膜 505内にガウス分布に極めて近い温度分布 6 1 2が形成されるた め、 図 14 Bに示されるように溶融状態において溶融部 6 1 3が形成される。 図 14 Bにおいて溶融深さが浅い所 Cでは、 主として基板側への熱の損失が起こる ため、 縦方向に温度分布が形成される。 その結果、 図 14 Cに示されるように結 晶成長 6 1 4は縦方向へ 3次元的、 等方的に起こり、 再結晶粒径は溶融深さの浅 さに制限され、 数 1 0 0 n mと小さいものとなる。 し力 し、 図 1 4 Bにおいて.基 板との界面まで溶融している部分 Dは横方向に大きな温度勾配があるため、 図 1 4 Dに示されるように異なる再結晶過程 6 1 5を示す。 つまり縦方向成長による 小粒径結晶を種として温度の高い中心へ向かって横方向に再結晶成長する。 その 結果、 キャリアが移動する面内に対して数 μ πι径の大きな結晶粒が形成される。 し力 しながら、 これらの報告例ではガウスビームプロフアイルが軸対称である という点が大きな問題となる。 照射位置でのプロフアイルが軸対称であるため、 結晶粒 6 1 6は図 1 5に示すように放射状に成長する。 従って、 この多結晶の珪 素膜を能動層に用いて MO S トランジスタを作製すると、 図 1 6に示すような構 成になる。 図 1 6において、 トランジスタは、 ソース 7 0 1と、 ドレイン 7 0 2 と、 ソース 7 0 1と ドレイン 7 0 2との間にに挟まれたチャネル 7 0 4と、 チヤ ネル 7 0 4の上を横断するように形成されたゲート 7 0 3とを備えている。 能動 層はソース 7 0 1、 ドレイン 7 0 2およびチャネル 7 0 4を含み、 多結晶の珪素 膜から形成されている。 キャリアが移動するチャネル 7 0 4中での結晶粒 6 1 6 の方位が揃わず、 方位が異なる結晶粒 6 1 6の境界面ではキャリアが散乱される ため、 キャリアの移動度が低下してしまう。 また、 個々の結晶粒が中心対称に成 長しているので、 個々の結晶粒間に隙間つまり結晶欠陥の一種である転位が発生 し易くなり、 結晶欠陥密度の増大を招いてしまう。 そのため、 レーザ熱処理後の 多結晶珪素膜質の面内均一性が非常に悪く、 薄膜トランジスタを作製した報告例 はない。
ここで、 珪素膜厚と MO S トランジスタの関係について述べる。 一般に、 能動 層を構成する珪素膜厚が薄いほど、 d V cZ d ( 1 o g I D S) ( V c : ゲート電 圧、 I D S ： ドレイン電流） で定義される s因子が小さくなるため、 しきい値電 圧は低くなる。 その結果、 トランジスタの駆動電圧が低くなり、 消費電力が格段 に小さくなる。 従って、 液晶パネルの主要な用途である携帯情報端末機器に搭載 する際に非常に大きなメリットとなる。 しかしながら、 文献 1および 2で用いら れた珪素膜の膜厚は 0 . 2〜1 μ πιと厚いために、 しきい値電圧が高く、 消費電 力が高いので現実的にトランジスタとして機能しないことが予想される。 通常、 広面積にわたるレーザ熱処理のために基板を移動させながらレーザ熱処 理を行うが、 熱処理後の膜質の均一性のために各レーザパルス照射間の基板の移 動量を照射ビーム幅よりも狭くし、 同一箇所に複数回のレーザ照射が行なわれる ようにするのが一般的である。 文献 3によると同一箇所への照射回数が 200回以 上が良いとされている。 これは、 レーザ熱処理後の珪素膜の X線回折ピーク強度 の増大および抵抗値の低減を根拠としている。 文献 3では表面荒れについては言 及していないが、 一般的に、 照射回数が多いと、 表面荒れが大きく、 また珪素膜 は部分的にアブレーシヨンされ基板から剥離する。 多結晶珪素膜を能動層として コプレーナ型あるいは正スタガ型の MO S トランジスタを作製する場合、 表面荒 れが大きいとゲート酸化膜がショートしてしまうという問題があり、 また珪素膜 が部分的に剥離していると、 そもそも MO S トランジスタが形成できない。 従来の波長 3 5 0 n m以下の代表的なパルスレ一ザであるエキシマレーザを光 源とした熱処理では、 再結晶成長が縦方向成長であるために結晶粒径が小さく、 薄膜トランジスタの移動度が 8 0 c m 2 ZV s程度と低い値しか得られないこと が問題であった。 また、 照射エネルギー密度に対する移動度の依存性が極めて大 きいために一定の移動度が得られず、 作製されたトランジスタの特性にばらつき があることが問題であった。
一方、 結晶粒の増大による薄膜トランジスタの移動度増大を狙った、 従来の N d ： Y A Gレーザの第 2高調波を用いたレーザ熱処理では、 軸対称ガウスビーム を用いるために、 個々の結晶粒の方位が揃わず、 薄膜トランジスタを作製した場 合に移動度が低くなる、 結晶粒界における結晶欠陥密度が高いという問題点があ つた。
また、 結晶品質向上を狙って同一箇所へのレーザ照射回数を 2 0 0回以上と多 くのショット数を照射していたため、 表面荒れが大きく M〇S トランジスタのゲ ート酸化膜がショートしてしまう、 珪素膜がアブレ一シヨンされるため薄膜トラ ンジスタが作製できないという問題もあった。
この発明の目的は、 高性能の薄膜トランジスタを作製するのに必要な結晶性に 優れた薄膜を形成するレーザ熱処理方法を提供することである。
また、 この発明のもう 1つの目的は、 生産性の高い、 安定なレーザ熱処理方法 を提供することである。
この発明のさらにもう 1つの目的は、 低コス トで高速動作できる半導体デバイ スを提供することである。
この発明のさらに別の目的は、 結晶性に優れた薄膜を形成するレーザ熱処理を 施すレーザ熱処理装置を提供することである。 発明の開示
この発明の 1つの局面にしたがったレーザ熱処理方法は、 波長が 3 5 0 n m以 上 8 0 0 n m以下であるパルスレーザ光源により発生されるレーザビームを、 幅 と長さを有する線状ビームに成形するステップと、 基板上に形成された膜材料に 線状ビームを照射するステップとを備える。 このレーザ熱処理方法によれば、 結 晶の粒径が大きく、 かつ高品質な薄膜を安定して得ることができる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくは線状ビームの長さが線状ビ ームの幅の 1 0倍以上である。 この場合、 結晶の横方向成長を確実に行わせるこ とができ、 高品質の多結晶膜が得ることができる。
この発明のもう 1つの局面にしたがったレーザ熱処理方法は、 波長が 3 5 0 n m以上 8 0 0 n m以下であるパルスレーザ光源により発生されるレーザビーム を、 幅と長さを有する線状ビームに成形するステップと、 基板上に形成された膜 材料に線状ビームを照射するステップとを備え、 さらに線状ビームは、 幅方向に 3 m J / c m 2/ ;/ m以上のエネルギー密度勾配を有する。 このレーザ熱処理方 法によれば、 結晶の粒径がより大きく、 力つより高品質な薄膜を安定して得るこ とができる。
この発明のもう 1つの局面にしたがったレーザ熱処理方法において、 好ましく は線状ビームの幅方向のェネルギー密度分布の形状がほぼガウス分布状である。 この場合、 ポス トアニール効果を期待できる。
この発明のもう 1つの局面にしたがったレーザ熱処理方法において、 好ましく は線状ビームの幅方向のエネルギー密度分布の形状はほぼトップフラット状であ る。 この場合、 アブレーシヨンの原因となるピーク値の高さを抑えて、 照射エネ ルギー密度分布の勾配を大きくすることができる。 この発明のもう 1つの局面にしたがったレーザ熱処理方法において、 好ましく は線状ビームの長さ方向のエネルギー密度分布は、 ほぼトップフラット状の形状 を有し、 フラッ ト部の平均強度を 1とした場合、 標準偏差が 0 . 3以下の分布で ある。 この場合、 ビームプロファイル成形光学系の性能に関する要求が緩くなり、 コストを低減することができる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくはパルスレーザ光源が N dィ オンドープまたは Y bイオンドープの結晶またはガラスを励起媒質とした Qスィ ツチ発振固体レーザの高調波である。 この場合、 効率の良い、 安定な熱処理がで きる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 さらに好ましくはパルスレーザ光源は、
N d ： Y A Gレーザの第 2高調波もしくは第 3高調波、 N d ： ガラスレーザの第 2高調波もしくは第 3高調波、 N d ： Y L Fレーザの第 2高調波もしくは第 3高 調波、 Y b : Y A Gレーザの第 2高調波もしくは第 3高調波、 または Y b :ガラス レーザの第 2高調波もしくは第 3高調波のいずれかである。 この場合、 低コス ト で安定でかつ生産性の高い熱処理ができる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくはパルスレーザ光源により発 生されるレーザビームの 1パルス当たりのエネルギーが 0 . 5 m J以上である。 この場合、 生産性の高い熱処理ができる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくはパルスレーザ光源により発 生されるレーザビームのパルス時間幅が 2 0 0 n s e c未満である。 この場合、 効率的な熱処理ができる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくは膜材料として、 非晶質また は多結晶の珪素膜を用いる。 この場合、 特性が安定した熱処理ができる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくは非晶質または多結晶の珪素 膜の膜厚は 2 0 0 n m未満である。 この場合、 結晶粒が大きなものが得られ、 良 好なレーザ熱処理を行なうことができる。
この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくは非晶質または多結晶の珪素 膜の同一箇所へ照射されるパルスレーザ光のパルス数は 1 0 0パルス以下である。 この場合、 表面状態が良好な多結晶膜を得ることができる。 この発明のレーザ熱処理方法において、 好ましくは非晶質または多結晶の珪素 膜の表面における照射エネルギー密度が 1 50 Om jZcm2以下 1 0 Om JZ cm2以上である。 この場合、 表面状態が良好な多結晶膜を得ることができる。 この発明の別の局面にしたがった半導体デバイスは、 複数のトランジスタを備 え、 このトランジスタが能動層を含み、 波長が 350 nm以上 800 nm以下の パルスレーザ光源により発生されるレーザビームを、 幅と長さを有する線状ビー ムに成形して基板上の膜材料に照射することによって、 熱処理された基板上の膜 材料から能動層が形成され、 複数のトランジスタのうち、 少なくとも 1つのトラ ンジスタ、 好ましくは、 より高周波で動作させるトランジスタのドレイン電流の 流れる方向が、 線状ビームの幅方向にほぼ平行である。 この場合、 高速に動作す るデバイスを低コストで得ることができる。
この発明のさらに別の局面にしたがったレーザ熱処理装置は、 波長が 350 nm以上 800 nm以下のパルスレーザ光源と、 このパルスレーザ光源により発 生されるレーザビームを線状ビームに成形するビーム成形光学手段とを備える。 このレーザ熱処理装置を用いることにより、 多結晶薄膜の作製において、 高品質 な熱処理を行なうことができる。
この発明のレーザ熱処理装置において、 好ましくはパルスレーザ光源は、 Nd イオンドープまたは Ybイオンドープの結晶またはガラスをレーザ励起媒質とし た Qスィッチ発振固体レーザの高調波である。 この場合、 安定な装置を提供する ことができる。
この発明のレーザ熱処理装置において、 さらに好ましくはパルスレーザ光源は、 Nd ： Y AGレーザの第 2高調波もしくは第 3高調波、 Nd ：ガラスレーザの第 2高調波もしくは第 3高調波、 Nd ： YLFレーザの第 2高調波もしくは第 3高 調波、 Yb :YAGレーザの第 2高調波もしくは第 3高調波、 または Yb :ガラス レーザの第 2高調波もしくは第 3高調波のいすれかである。 この場合、 低コスト で安定かつ高効率な装置を提供することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 この発明の実施の形態としてレーザ熱処理装置の概念的な構成をを示 す図である。
図 2は、 図 1におけるレーザ熱処理を施すターゲットの構造を示す模式的な断 面図である。
図 3は、 同一箇所へレーザ光が複数回照射される様子を示す図である。
図 4 Aはこの発明の線状ビームプロファイルを模式的に示す図、 図 4 Bは基板 上の膜材料が溶融する様子を模式的に示す図である。
図 5は、 この発明のレーザ熱処理方法により形成された多結晶の珪素膜を示す 模式図である。
図 6は、 この発明のレーザ熱処理方法により得られた多結晶の珪素膜を能動層 として用いて作製された NMO S トランジスタの移動度の照射エネルギー密度に 対する依存性を示す図である。
図 7は、 この発明のレーザ熱処理方法により形成された多結晶の珪素膜を能動 層として用いて作製される MO S トランジスタを示す模式図である。
図 8は、 干渉がある線状ビームプロファイルの線方向のビーム強度分布を示す 模式図である。
図 9は、 この発明のレーザ熱処理方法による再結晶過程を示す模式図である。 図 1 0は、 この発明のレーザ熱処理方法により得られた多結晶の珪素膜を能動 層として用いて作製された NMO S トランジスタの移動度の照射エネルギー密度 に対する依存性を、 照射エネルギー密度勾配ごとに示す図である。
図 1 1は、 エキシマレーザによる従来のレーザ熱処理装置の概念的な構成を示 す図である。
図 1 2八〜図1 2 Dは、 エキシマレーザによる従来の熱処理過程を模式的に説 明する図である。
図 1 3は、 エキシマレーザ熱処理により得られた多結晶の珪素膜を能動層とし て用いて作製された従来の NM O S トランジスタの移動度の照射エネルギー密度 に対する依存性を示す図である。
図 1 4 A〜図 1 4 Dは、 従来の N d ： Y A Gレーザの第 2高調波による熱処理 過程を模式的に説明する図である。
図 1 5は、 従来のガウス型プロファイルの N d ： Y A Gレーザの第 2高調波に よる熱処理で形成された結晶粒を示す模式図である。
図 1 6は、 従来のガウス型プロファイルの N d ： Y A Gレーザの第 2高調波に よる熱処理で形成された多結晶膜を能動層として用いて作製される MQ S トラン ジスタを示す模式図である。 発明を実施するための最良の形態
実施の形態 1 .
図 1は本発明のレーザ熱処理方法を具現化する装置の構成図である。 図 1にお いて、 パルスレーザ光源として N d ： Y A Gレーザの第 2高調波発振装置 1 0 1 は、 レーザ光 （波長は 5 3 2 n m) 1 0 2を出射する。 バリアブルアッテネータ 1 0 3は、 レーザ光 1 0 2の強度を調整するためのものである。 ビーム成形光学 系 1 0 4はレーザ光 1 0 2を線状ビームに変換するためのものである。 ターゲッ ト 2 0 0は、 移動ステージ 1 0 5の上に設置されている。 レーザ光 1 0 2は、 ノく リアブルアッテネータ 1 0 3で所定の強度に調整された後、 線状ビーム成形光学 系 1 0 4に入射する。 線状ビーム成形光学系 1 0 4により線状のビームプロファ ィルに変換された後、 ターゲット 2 0 0に照射され、 レーザ熱処理が行われる。 ターゲット 2 0 0の基板は移動ステージ 1 0 5上に設置されており、 レーザ照射 時での基板の移動が可能となっている。 また、 ターゲット 2 0 0の詳細は図 2に 示されている。 図 2に示すように、 ガラス基板 2 0 3上に下地膜 2 0 2として厚 さ 2 0 0 n mの酸化珪素膜を C V D (Chemical Vapor Deposition) により形成 し、 その上に、 基板上の膜材料として、 厚さ 7 0 n mの非晶質の珪素膜 2 0 1を L P C V D (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) により形成したものを ターゲット 2 0 0として用いる。
レーザビームは、 ほぼ矩形の横断面を有する線状ビームの長さ方向に直交した 方向、 すなわち線状ビームの幅方向に移動ステージを移動させながら照射する。 レーザ光照射の各パルス間隔にステージが移動する距離を、 線状ビームの幅より も長くすると同一箇所へのレーザのパルスの照射回数が 1回になるが、 線状ビー ムの幅よりも短くすると図 3に示すように同一箇所へレーザ光が複数回照射され ることになる。 図 3において、 レーザパルスは Pで示す方向に照射される。 基板 2 0 3を Qで示す方向に移動させながら、 レーザパルスを Pで示す方向に照射す ることにより、 前々回パルスは P 1で示すレーザビームプロファイル、 前回パル スは P 2で示すレーザビームプロファイル、 現パルスは P 3で示すレーザビーム プロファイルを有する。 各パルスのレーザビームプロファイルは重なり部分を有 するので、 珪素膜 2 0 1の同一箇所へレーザ光が複数回照射されることになる。 図 4 A〜図 4 Dはレーザビームを照射して非晶質の珪素膜 2 0 1が溶融すると きの概念図を示す。 図 1中の線状ビーム成形光学系 1 0 4の出力部にある集光レ ンズ 1 0 4 1により非晶質の珪素膜 2 0 1上に、 長さ L 0と幅 W 0を有する線状 ビーム 3 0◦を集光して照射する。 集光レーザビームプロファイル 3 0 1は図 4 A中の点線で示すように、 線状ビーム 3 0 0の長さ方向 Lが均一プロファイルで あるトップフラット状であり、 幅方向 Wのプロファイルは例えばガウス分布状で ある。 本発明では、 N d ： Y A Gレーザの第 2高調波の線状ビームによる熱処理 方法を用いると、 非晶質の珪素に対する第 2高調波の吸収係数が小さいために膜 厚方向に対してはほぼ均一に加熱され、 レーザ照射によって発生する珪素膜 2 0 1内の横方向温度分布 3 0 2は、 線状ビ一ム 3 0 0の長さ方向 Lと直交する方向 にのみ形成される。 従って、 図 4 Bに示すように、 基板上の膜材料である非晶質 の珪素膜 2 0 1の、 ある強度以上のビームの部分が、 深さ方向全体に溶融する。 すなわち、 深さ方向全体に広がって線状に分布した溶融部 6 0 3ができる。 よつ て、 深さ方向および線状ビーム 3 0 0の長さ方向 Lに温度分布が少ないため、 結 晶成長が線状ビーム 3 0 0の幅方向 Wへの 1次元横方向成長になり、 結晶粒径は 数 μ ιη程度と大きな結晶粒が形成される。 また、 レーザ熱処理後に形成される多 結晶珪素膜の結晶粒 3 0 6は図 5に示されるように、 線状ビームの長さ方向しに 直交する、 結晶成長の方向である線状ビームの幅方向 W、 すなわち移動ステージ の移動 （スキャン） 方向に揃う。
ここで一つ留意しておかなければならない点は、 以前からエキシマレーザの熱 処理において線状ビームが用いられてきたが、 それは本発明とは全く違う概念に より行われているということである。 エキシマレーザによる再結晶成長は図 1 2 A〜図 1 2 Dを用いて説明したように、 膜の厚み方向に対する成長であるため 個々の結晶粒の面内方位は不規則であり、 境界面における結晶方位はランダムで あるから、 本発明の Nd ： YAGレーザの第 2高調波の線状ビームによる熱処理 の場合のように個々の結晶粒の境界面での結晶方位のズレをなくすことができず、 この面からも本質的にトランジスタの高い移動度を得るのに限界がある。 エキシ マレーザ熱処理におレ、て線状ビームを用いるのは、 ただ単に膜質の面内均一性を 確保し、 かつ生産性を向上させるためである。 これに対し、 本発明によれば、 Nd ： Y AGレーザの第 2高調波による熱処理において線状ビームを用いること で、 高品質でかつ粒径の大きな結晶を形成し、 トランジスタの移動度の増大に成 功している。
以下、 本発明による実際のデータを説明する。 パルスレーザ光源として用いら れた Nd ： YAGレーザの第 2高調波のパルスエネルギーは 2 Om J /p u 1 s e、 パルス時間幅は 60 n s e c (FWHM) である。 また、 珪素膜表面での照 射面積は、 50 imX 1 0mmで、 図 1中に示すバリアブルアッテネータ 1 03 によりレーザ光のエネルギーを調整することで、 照射エネルギー密度が 300〜 1 500mJ/cm2の範囲で実験を行った。 珪素膜上の同一箇所へのレーザ照 射回数は 20回にした。 なお、 雰囲気は大気中であり、 基板温度は室温であった。 以上のような条件で、 非晶質の珪素膜のレーザ熱処理を行い、 その結果得られ た多結晶の珪素膜で能動層を構成したプレーナ型 MO S トランジスタを作製した。 トランジスタのドレイン電流の方向が、 ビームの幅方向、 すなわち結晶成長した 方向になるようにトランジスタを作製した。 チャネルの長さおよび幅はそれぞれ 5 μ mおよび 1 0 μ mである。 n_チャネル移動度の照射エネルギー密度に対す る依存性を図 6に示す。
Nd ： YAGレーザの第 2高調波によるレーザ熱処理で形成された、 ガラス基 板上で多結晶の珪素膜を能動層として薄膜トランジスタを作製した報告例は過去 にはなく、 本発明が初めてである。 図 6で示されるように、 照射強度が 600 m J / c m2以上で、 MO S トランジスタの n -チャネル移動度として 2 00 c m2/V sに近い値が達成され、 エキシマレーザによるものの 2倍の性能を有 することが確認できる。 トランジスタの移動度の照射エネルギー密度に対する依 存性は非常に緩く、 移動度が最高移動度の 80%以上となる照射エネルギー密度 の許容範囲は、 ± 20 Om jZc m2以上と極めて広い。 これに対して、 エキシマレーザ熱処理による多結晶の珪素膜を能動層として用 いた MOS トランジスタの n-チャネル移動度の最高値は、 先に図 1 3で示した ように、 照射エネルギー密度が 23 Om J/cm2において 80 cm2ZV s程 度でしかない。 移動度の照射エネルギー密度に対する依存性は非常に大きく、 移 動度が最高移動度の 80%以上となる照射エネルギー密度の範囲を許容とすると、 許容範囲は土 5 m J Z c m2と極めて狭い。 これは実際に生産する際には大きな 問題となる。 また、 最高移動度が得られる照射エネルギー密度 23 Om J Z c m2における多結晶珪素膜の結晶粒径は縦方向成長であるため数 100 nm程 度と小さい。
このように、 Nd ： YAGレーザの第 2高調波を用いた場合は、 エキシマレー ザの場合と比較して照射強度の許容範囲が数 10倍も広くなることが明らかにな つた。 すなわち、 レーザによる熱処理は安定性に欠けるという常識を覆す、 画期 的な特長を有することが明らかになり、 生産プロセスにおいて、 従来考えられな 力 つた安定性と信頼性が得られる。 また、 Nd ： YAGレーザの第 2高調波によ れば、 結晶成長が横方向成長であるため、 結晶粒径は数 程度とエキシマレー ザによるものより 1桁大きいという熱処理そのものでの大きなメリットが得られ る。
なお、 膜材料として、 ここでは珪素について説明したが、 炭化珪素 （S i C) 、 あるいは炭素のみより成る材料、 あるいは化合物半導体、 あるいは誘電体化合物、 あるいは高温超伝導体化合物に対して上記のようなレーザ熱処理を施しても、 大 きな結晶粒径が得られるといった同様の効果があることは言うまでもない。
実施の形態 2.
実施の形態 2では、 実施の形態 1で説明した熱処理された基板材料に作製する 半導体デバイスについて述べる。 実施の形態 1で説明した、 Nd ： YAGレーザ の第 2高調波により熱処理して形成された多結晶珪素膜を能動層として用いて、 図 7に示すように MOS トランジスタ素子を構成する。 能動層には、 ソース 40 1と、 ドレイン 402と、 ソース 401と ドレイン 402の間に挟まれたチヤネ ノレ 404が形成される。 チャネル 404の上を横断するようにゲート 403が形 成される。 線状ビームの幅方向 W、 すなわち結晶成長した方向がドレイン電流の 流れる方向 Cになるようにトランジスタを構成すれば、 個々の結晶粒 3 0 6の境 界面での結晶方位のズレがなくなるためキヤリァは境界面で散乱されず、 粒界が 極めて狭いため結晶粒界における結晶欠陥密度も小さくなり、 トランジスタの移 動度が著しく向上する。 従って、 基板上に作製するトランジスタの内、 高周波で 動作させるトランジスタを、 線状ビームの幅方向 W、 すなわち結晶成長した方向 がドレイン電流の流れる方向 Cになるように作製すれば、 より高い周波数まで動 作可能なデバイスを提供できる。 また、 本発明による方法では、 単に結晶粒が大 きくなり トランジスタの移動度が増大するばかりでなく、 レーザ照射エネルギー 密度に対してトランジスタの最大の移動度が得られる条件がクリティカルでなく、 少々レーザの強度が変動しても一定の特性のトランジスタが得られるという大き な利点がある。
実施の形態 3 .
実施の形態 3では、 線状ビームの形状について説明する。 線状の照射領域につ いては、 実施の形態 1の実験では 5 0 μ m X 1 0 mmの領域を照射するもので行 つたが、 上述のように、 レーザ照射によって発生する珪素膜内の横方向温度分布 力 線状ビームの長さ方向と直交する方向にのみ形成され、 結晶成長が一次元方 向に生じるのがメインとなるのは、 照射領域の幅に対する長さの比が 1 0倍程度 以上である。 すなわち、 照射位置でのレーザ光の幅が 5 0〜 1 0 0 / mで、 長さ は 1 mm以上であればよい。
実施の形態 4 .
実施の形態 4では、 実施の形態 1のレーザ熱処理における照射強度について説 明する。 まず、 N d ： Y A Gレーザの第 2高調波によるレーザ熱処理の照射強度 の上限値に関して説明する。 照射エネルギー密度を高くしていった場合、 1 5 0 O m J / c m 2を越えると珪素膜はアブレーシヨンされ、 基板より完全に剥離さ れてしまった。 従って、 レーザ光の照射エネルギー密度は 1 5 0 O m J Z c m 2 以下で行わなければならないことが明らかになった。 照射強度の下限値について は、 ほぼ 1 0 O m J / c m 2以上で非晶質の珪素膜が多結晶化するのが観測され ており、 これ以上の照射強度であれば、 熱処理の効果が得られることになる。 結 晶粒の大きさや半導体素子を作製した時のトランジスタの移動度等を考慮すれば 4 0 O m j Z c m2以上が好ましい。
実施の形態 5 .
実施の形態 5では、 実施の形態 1のレーザ熱処理における同一箇所へのレーザ 照射回数について説明する。 本発明に関して行った照射実験では、 1 0 0回以上 の照射回数では激しい表面荒れやアブレーシヨンによる部分的な膜の剥離が見ら れ、 薄膜トランジスタの作製が不可能であった。 このような表面荒れやアブレ一 シヨンが起こる原因は、 珪素膜側とレーザ光側の双方にある。 珪素膜側の原因は、 膜厚の不均一性、 膜密度の不均一性に起因するレーザ照射時の熱分布ムラである。 レーザ光側の原因としては、 スペックル等の干渉に起因してビームプロファイル にリプルが重畳して発生することにある。 この様子を図 8に示す。 図 8は線状ビ ームプロファイルの長さ方向の詳細な分布を示すもので、 干渉によりリプルが生 じてこの方向の分布が少し不均一になっている。 このような原因を根本的に除去 するのは非常に困難である。 実際、 表面荒れは 1回目の照射で軽く発生し、 それ が 2回目の照射時の不均一性になるという悪循環を繰り返し、 照射回数が多くな ると相乗効果的に表面荒れが激しくなる。 照射回数を 1 0 0回以下に限定するこ とにより、 表面荒れが薄膜トランジスタの作製に支障をきたさないことを確認し ている。
実施の形態 6 .
実施の形態 6では、 実施の形態 1のレ一ザ熱処理におけるターゲットとして非 晶質または多結晶の珪素膜の膜厚について説明する。 ガラス基板を移動させなが らレーザ熱処理を行う場合、 同一箇所へ対して複数回レーザが照射されるため、 熱処理が複数回繰り返されることになる。 まず、 最初の幾回かのレーザ照射によ り粒径の大きい多結晶の珪素膜が形成される。 その結果、 良好な結晶部よりも、 結晶粒界等の結晶欠陥部の方が一般的に吸収係数が高くなる。 つまり結晶欠陥部 がより多くのレーザ光を吸収するため、 結晶欠陥部が優先的に熱処理され、 効率 的な欠陥補償を可能とする。 よって、 光がどのくらいの深さまで到達するかが非 常に重要となる。 物質に対する光の浸透長は、 光強度が l Z eになる深さで定義 されるが、 多結晶に対する N d ： Y AGレーザの第 2高調波の浸透長は 1 0 0〜 2 0 0 n m程度である。 従って、 非晶質または多結晶の珪素膜の膜厚が 2 0 0 n m未満、 好ましくは 1 00 n m未満であれば、 結晶欠陥が効率よく低減された 多結晶珪素膜が形成される。
実施の形態 7.
実施の形態 7では、 実施の形態 1のレーザ熱処理における照射レーザ光のパル ス時間幅の影響について説明する。 基本的に非晶質の珪素膜を熱処理するために はその表面をアブレーシヨンしない一定以下のピークパワー以内で、 かつ溶融に 必要な熱エネルギーを供給するパルス時間幅を与える必要がある。 逆に、 一定の 溶融条件が満たされれば、 必要以上にパルス時間幅を延ばすと不必要にレーザ出 力を増大するだけで、 生産装置としての効率、 生産性を低下させることになる。 今回の実験では 60 n sのパルス時間幅で行なっているが、 再結晶時の冷却過程 をゆつく りと行ない結晶の品質を改善する効果を得るために、 60 n sの数倍の 200 n s未満、 好ましくは 60 n sの 2倍程度である 1 00n s未満で行なえ ばアブレーシヨンしない、 しかも効率の良い熱処理を行なうことができる。
実施の形態 8.
実施の形態 8では、 実施の形態 1のレーザ熱処理におけるレーザ光のエネルギ 一に関して説明する。 実施の形態 1の実験で、 照射位置での 1パルス当たりのェ ネルギー強度が 800m JZC m2で最適の特性が得られたが、 この時の全照射 エネルギーは 4 m J Zp u 1 s eである。 レーザ光は発振装置から出射された後、 途中の光学系で 1 0〜20%ロスする。 すなわち、 発振装置で出射されるレーザ 光のエネルギーは 5m jZp u 1 s e以上あればよいことになる。 レーザ光のパ ルス当たりのエネルギーは高いほど広い照射面積に照射でき、 本発明の場合は線 状ビームの長さを長くできて、 生産性を高くできる。 なお、 上述の線状ビームの 下限値、 すなわち照射レーザ光の幅 50 /mで長さ 1 mmの領域を照射するため には、 最低 0. 5mJ/p u 1 s eのレーザ発振装置が必要となる。 さらに、 生 産性から言えば、 25mm (1 インチ） の長さの領域を 1回のパルスで照射でき れば、 例えば作製する半導体デバイスとして対角 1. 3インチ程度の薄膜トラン ジスタ （TFT) の領域を 1ビームの走査で処理できるため、 非常に有利となる。 この時、 1 5mJ/p u l s eのレーザ発振装置が必要となる。 以上のように、 この発明の線状ビームの効果を発揮するのは 0. 5mj/p u 1 s e以上のレー ザ発振装置によってであり、 生産性からは、 1 5mjZp u 1 s e以上のレーザ 発振装置が好ましいことになる。
実施の形態 9.
実施の形態 9では、 実施の形態 1のレーザ熱処理で用いるレーザについて説明 する。 実施の形態 1では Nd ： YAGの第 2高調波によるレーザ照射について説 明した。 Nd ： YAGの第 2高調波は効率が良く、 高出力のものが得られるため、 熱処理の生産性が良いものが得られるというメリットがある。 本発明の主旨によ れば、 照射するレーザに関しては、 基本的には非晶質の珪素に対するレーザ光の 吸収率で決まることで、 同じオーダーの吸収率を有する 350 nmから 800 nmのパルスレーザ光であれば、 大きな結晶粒径の膜が作製できるという効果が 得られる。 したがって、 Nd ： YAGレーザの第 2高調波のみならず、 他の Nd イオンドープの固体レーザの高調波、 すなわち Nd ： YAGレーザの第 3高調波、 N d ：ガラスレーザの第 2または第 3高調波、 Nd ： YLFレーザの第 2または 第 3高調波や、 Yb ： YAGや Yb：ガラスといった Ybイオンドープの固体レ 一ザの第 2または第 3高調波や、 T i ： S a p p h i r eレーザの基本波または 第 2高調波を用いて熱処理を行っても良い。 これら固体レーザは高効率で安定な 発振が可能である。 また、 特に Y AGや YLFのような結晶を媒体とする固体レ 一ザではパルス発振のパルス繰り返し周波数を高くでき、 生産性の高いものを提 供できるメリットがある。
実施の形態 1 0.
従来より、 エキシマレーザを用いて線状ビームプロファイルによるレーザ熱処 理が行われているが、 これは波長 350 nm以上のレーザ光による熱処理とは根 本的に異なる概念によるものである。 波長 350 nm以上のレーザ光による熱処 理は再結晶過程において膜の面内方向である横方向に関して再結晶成長が起こる ため大結晶粒径化が可能であるが、 エキシマレーザによる熱処理は膜の厚み方向 である縦方向に関しての成長であるため大粒径化が困難である。 線状ビームのェ キシマレーザによる熱処理は、 単に、 レーザ熱処理後の膜質の面内均一性および 生産性の向上を図るだけのものである。
上記した波長 350 nm以上のレーザ光による熱処理における横方向成長の過 程は、 珪素膜内において横方向に形成された温度分布に大きく影響される。 すな わち、 照射される線状ビームの幅方向のエネルギー密度分布に大きく影響される。 レーザ光照射により珪素膜内に導入された熱は、 一様に基板へ散逸していく。 す なわち、 珪素膜内の横方向温度分布は一様に低下していく。 図 9に示すように、 レーザ光によって熱処理される珪素膜 201は、 溶融部 （液相） 201 1と固相 201 2とからなる。 珪素膜 201の溶融部 201 1において先に温度が融点を 下回った部分から、 後で温度が融点を下回る部分へ向かって横方向に 2014で 示す方向に結晶成長していく。 そしてこの結晶成長 2014は、 温度が冷えてい く過程で自然核発生により成長した微結晶 201 3により、 その行く手を遮られ て横方向結晶成長が止まる。 すなわち、 自然核発生が起こるまでの時間にできる だけ結晶粒が長く成長していれば良い訳であるが、 そのためには結晶成長速度が 速いことが要求される。 一般に、 ある微小領域における結晶成長速度 Vは v = k ΔΤ/Δ Xにより表わされる。 ここで、 kは速度定数、 ΔΤは微小領域におけ る温度差、 Δχは微小領域の幅である。 すなわち、 珪素膜内の横方向に関して温 度分布が存在する場合、 融点以上の温度である領域の温度分布が急峻な勾配であ れば、 結晶成長速度が速く、 その結果、 結晶粒径の大きい多結晶珪素膜の形成が 可能となる。 現実的な問題である、 珪素膜内における横方向温度分布の急勾配化 に関しては、 ターゲット表面における照射エネルギー密度分布を急勾配にするこ とにより実現できる。
以下、 本発明による実際のデータを説明する。 図 1〜図 5を用いて説明された ように実施の形態 1と同様にしてレーザ熱処理を行なった。 用いられたパルスレ 一ザ光源として Nd ： Y AGレーザの第 2高調波のパルスエネルギーは 2 Om J /p u 1 s e、 パルス時間幅は 60 n s e c (FWHM) である。 また、 珪素膜 表面でのビーム照射面積は、 50 mX 1 Ommまたは 250 μ mX 1 0 mmで、 図 1中に示すバリアブルアッテネータ 1 03によりレーザ光のエネルギーを調整 することで、 照射エネルギー密度を 300〜1 000mjZcm2 (全照射エネ ルギーをビーム照射面積で割った値） の範囲にして実験を行なった。 線状ビーム の幅方向の照射エネルギー密度分布の勾配の最大値は、 4 m J / c m2/ m (照射面積： 250 μ m X 1 0 mm、 照射エネルギー密度 800mJ/cm2で の値） と 3 Om J/cm2/ /m (照射面積： 50 / mX 1 Omm、 照射エネル ギー密度 80 Om jZcm2での値） で行なった。 珪素膜上の同一箇所へのレー ザ照射回数は 20回にした。 なお、 雰囲気は大気中であり、 基板温度は室温であ つた。
ここで、 照射エネルギー密度分布勾配の決定方法について説明する。 まず、 非 晶質の珪素膜表面での照射位置における線状ビームプロファイル、 すなわち照射 エネルギー密度分布を測定する。 ここで、 照射エネルギー密度分布は、 ある微小 部分に対して照射される 1パルス中のエネルギーを単位面積当たりの量に換算し たものの分布であるとする。 単位は通常 m J Zc m2で表わす。 測定は、 フォ ト ダイオードの 1次元アレイより構成されるリニアイメージセンサを用いて、 線状 ビームの長さ方向と幅方向に関して行なう。 このような実測により得られた 2次 元の照射エネルギー密度分布は相対的な値であり、 まだ絶対的な数値を持ってい ない。 実測により得られた 2次元の照射エネルギー密度分布を面積に関して積分 した積分値を求めておく。 別にパワーメ一ター等のレーザビーム全体のエネルギ 一を測定する測定器により測定された、 レーザビーム全体の 1パルス当たりのェ ネルギ一と、 先に測定された積分値とを等しくなるように実測された照射エネル ギー分布を値付けすれば、 照射エネルギー密度分布が絶対値として得られる。 照 射エネルギー密度分布の勾配は、 このようにして得られた照射エネルギー密度分 布の絶対値を位置に関して微分したものである。
以上のような条件で、 非晶質の珪素膜のレーザ熱処理を行った。 その結果得ら れた多結晶の珪素膜の結晶粒径は、 線状ビームの幅方向の照射エネルギー密度分 布の勾配の最大値が 4m jZcm2/;um (照射強度 80 Om J/cm2における 値） のものは、 ビームをスキャンした方向の結晶粒の長さが 1 μπι程度であった 力 3 Om J/cmV^m (照射強度 800 m J / c m2における値） のもの については、 3 μιτι程度と 3倍も大きな値であった。 これは照射エネルギー密度 分布に基づく温度分布の急峻さの差異に依存する結晶成長速度の違いに起因する 結果である。 これらの多結晶珪素膜を用いて能動層を構成したプレーナ型 MOS トランジスタを作製した。 MOS トランジスタのドレイン電流が流れる方向を、 ビームをスキャンした方向、 すなわち結晶成長した方向になるように作製した。 チャネルの長さおよび幅はそれぞれ 5 //mおよび 1 0 / mである。 n -チャネル 移動度の照射エネルギー密度に対する依存性を図 1 0に示す。 図 1 0で示され るように、 照射強度 80 Om J/c m2における線状ビームの幅方向の照射エネ ルギー密度分布の勾配の最大値が 4m J /cm2/// m (照射強度 80 Om J/ cm2における値） のものについては、 照射強度 60 Om J /c m2 (照射エネ ルギー密度分布の勾配の最大値では 3m J /c m2ノ imになる） 以上で、 M〇 S トランジスタの n-チャネル移動度は 1 00 cm2/V s程度とやや低い値であ つたが、 30m j Zc m2Zju m (照射強度 80 0 m J / c m2における値） の ものに関しては、 移動度は 2 00 cm2/V s程度と非常に高い値が達成された。 このように、 照射エネルギー密度の勾配の違いにより MOS トランジスタの移動 度が大きく異なってくるのは、 結晶粒の長さが異なるため M〇S トランジスタの 能動層においてキヤリァが結晶粒界を横切る回数が違うことに起因する。 高速 性 ·高機能性が要求される集積回路を作製するには、 ほぼ 1 00 cm2ZV sの 移動度が必要となる。 従って、 照射エネルギー密度分布の勾配の最大値がおおよ そ 3 m J / c m2/^ m以上である線状ビームプロファイルを用いてレーザ熱処 理を行なうことが必要である。
なお、 膜材料として、 ここでは珪素について説明したが、 炭化珪素 （S i C) 、 あるいは炭素のみより成る材料、 あるいは化合物半導体、 あるいは誘電体化合物、 あるいは高温超伝導体化合物に対して上記のようなレーザ熱処理を施しても、 大 きな結晶粒径が得られるといった同様の効果があることは言うまでもない。
実施の形態 1 0では、 線状ビームの幅方向のプロファイルをガウス分布にした ものである。 幅方向プロファイルをガウス分布状にすると、 レ一ザ熱処理時に非 常に良レ、効果を及ぼす。 線状ビームのスキャン方向と一致する幅方向のプロファ ィルがガウス分布状であれば、 図 9で示すように珪素膜を融点以上に加熱し溶融 させるレーザ光の強度がしきい値以上の強度を有する中心領域の外側に分布十る レーザ光のエネルギーも珪素膜に照射されており、 融点以下ではあるが珪素膜を 加熱している。 すなわち、 スキャンの進行方向に対して逆側で溶融しきい値以下 のレーザ光の強度を有する部分はボストァニールを施す効果がある。
ボストァニールは再結晶後の多結晶珪素膜の結晶性をさらに向上させる効果が ある。 珪素に対する N d ： Y A Gレーザの第 2高調波の吸収係数が低いため、 珪 素膜中でレーザ光強度が 1 Z eになる深さで定義される浸透長は 1 0 0 n m以上 である。 従って、 再結晶後の珪素膜のほとんど裏面に至る部分まで結晶欠陥補償 が施されることになり、 結晶性がさらに良くなる。 この効果は、 従来行われてい るエキシマレーザ光による熱処理では期待できない。 エキシマレーザ光の珪素に 対する吸収係数が非常に高く、 浸透長が数 1 0 n m程度しかないためである。 実施の形態 1 1 .
実施の形態 1 1では、 実施の形態 1 0のレーザ熱処理における線状ビームの幅 方向のエネルギー密度分布形状をトップフラット形状にした場合について述べる。 線状ビームの幅方向の照射エネルギー密度勾配を急峻にしていく場合、 勾配の急 峻さとともにピーク値も高くなつていく。 ピーク値が高すぎると、 珪素膜はアブ レーションされ珪素膜は基板より剥離してしまい、 薄膜トランジスタを作製する ことができない。 従って、 勾配の急峻化と同時にピーク値を抑えることが必要と なる。 以上の条件を満足するプロファイルとして、 トップフラット形状が適当で ある。
実施の形態 1 2 .
実施の形態 1 2では、 実施の形態 1 0のレーザ熱処理における線状ビームの長 さ方向のエネルギー分布形状について述べる。 実施の形態 1 0では、 長さ方向の エネルギー分布形状はトップフラット形状であるが、 レーザ光のコヒーレンスに 起因する干渉のために、 完全に均一なプロファイルを得るのは難しく、 実際は図 8に示すように多少リプルが重畳したプロファイルとなる。 N d ： Y A Gレーザ の第 2高調波によるレーザ熱処理で得られた多結晶の珪素膜を用いて作製された MO S トランジスタの特性は図 1 0から明らかなように、 6 0 O m j Z c m 2以 上では照射エネルギー密度に対して、 一定の特性となる。 従って、 線状ビームの 長さ方向のエネルギー分布がフラッ卜な部分の強度を 1とした場合、 標準偏差が 0 . 3以下、 好ましくは 0 . 2程度以下であればよい。
実施の形態 1 3 .
実施の形態 1 0のレーザ熱処理においても、 実施の形態 1のレーザ熱処理と同 様に、 実施の形態 2〜 9のそれぞれで述べた半導体デバイス、 線状ビームの形状、 照射強度、 同一箇所へのレーザ照射回数、 非晶質または多結晶の珪素膜の膜厚、 照射レーザ光のパルス時間幅、 レ一ザ光のエネルギー、 およびレーザが適用可能 である。
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではな いと考慮されるべきである。 本発明の範囲は、 以上の実施の形態ではなく、 請求 の範囲によって示され、 請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正 や変更を含む。 産業上の利用可能性
この発明のレーザ熱処理方法とレーザ熱処理装置は、 たとえば液晶パネルの画 素部に適用される高移動度の薄膜トランジスタを実現するために、 結晶性に優れ た多結晶の珪素膜を形成するのに利用され得る。 また、 この発明のレーザ熱処理 方法やレーザ熱処理装置を用いて製造される半導体デバイスは、 たとえば液晶パ ネルの画素部を構成する薄膜トランジスタに適用され得る。

Claims

請求の範囲
1. 波長が 350 n m以上 800 n m以下のパルスレーザ光源 （1 01) により 発生されるレーザビーム （1 02) を、 幅 （W0) と長さ （L0) を有する線状 ビーム （300) に成形するステップと、
基板 （203) 上に形成された膜材料 （20 1) に前記線状ビーム （300) を照射するステップとを備えた、 レーザ熱処理方法。
2. 前記線状ビーム （300) の長さ （L0) が前記線状ビーム （300) の
(W0) の 1 0倍以上である、 請求項 1に記載のレーザ熱処理方法。
3. 前記線状ビーム （300) は幅方向 （W) に 3m jZcm2/ m以上のェ ネルギー密度勾配を有する、 請求項 1に記載のレーザ熱処理方法。
4. 前記線状ビーム （300) の幅方向 （W) のエネルギー密度分布の形状がほ ぼガウス分布状である、 請求項 3に記載のレーザ熱処理方法。
5. 前記線状ビーム （300) の幅方向 （W) のエネルギー密度分布の形状がほ ぼトップフラット状である、 請求項 3に記載のレーザ熱処理方法。
6. 前記線状ビーム （300) の長さ方向 （L) のエネルギー密度分布は、 ほぼ トップフラット状の形状を有し、 フラット部の平均強度を 1とした場合、 標準偏 差が 0. 3以下の分布である、 請求項 3に記載のレーザ熱処理方法。
7. 前記パルスレーザ光源 （1 01) は、 N dイオンド一プまたは Y bィオンド ープの結晶またはガラスを励起媒質とした Qスィツチ発振固体レーザの高調波で ある、 請求項 1に記載のレーザ熱処理方法。
8. 前記パルスレーザ光源 （1 0 1 ) は、 N d ： Y AGレーザの第 2高調波、 N d ： Y AGレーザの第 3高調波、 Nd ：ガラスレーザの第 2高調波、 Nd ：ガ ラスレーザの第 3高調波、 N d ： YLFレーザの第 2高調波、 N d ： Y L Fレー ザの第 3高調波、 Y b： YAGレーザの第 2高調波、 Yb ： Y AGレーザの第 3 高調波、 Y b：ガラスレーザの第 2高調波および Yb：ガラスレ一ザの第 3高調波 からなる群より選ばれたいずれかである、 請求項 7に記載のレーザ熱処理方法。
9. 前記パルスレーザ光源 （1 01) により発生されるレーザビーム （1 02) の 1パルス当たりのエネルギーが 0. 5m J以上である、 請求項 1に記載のレー ザ熱処理方法。
1 0. 前記パルスレーザ光源 （1 0 1) により発生されるレーザビーム （1 0 2 ) のパルス時間幅が 200 n s e c未満である、 請求項 1に記載のレーザ熱処 理方法。
1 1. 前記膜材料 （201) は、 非晶質または多結晶の珪素膜である、 請求項 1 に記載のレーザ熱処理方法。
1 2. 前記非晶質または多結晶の珪素膜の膜厚が 200 nm未満である、 請求項 1 1に記載のレーザ熱処理方法。
1 3. 前記非晶質または多結晶の珪素膜の同一箇所へ照射されるパルスレーザ光 のパルス数が 1 00パルス以下である、 請求項 1 1に記載のレーザ熱処理方法。
14. 前記非晶質または多結晶の珪素膜の表面における照射エネルギー密度が 1 500m jZc m2以下 1 00 m J Z c m2以上である、 請求項 1 1に記載のレ 一ザ熱処理方法。
1 5. 複数のトランジスタを備え、 このトランジスタは能動層 （401， 402,
404) を含み、 波長が 350 n m以上 800 n m以下のパルスレーザ光源 （ 1 01) により発生されるレーザビーム （102) を、 幅 （W0) と長さ （L 0) を有する線状ビーム （300) に成形して基板 （203) 上の膜材料 （201) に照射することによって、 熱処理された前記膜材料 （20 1) から前記能動層 (401， 402, 404) は形成され、 複数の前記トランジスタのうち、 少な くとも 1つの前記トランジスタのドレイン電流の流れる方向 （C) 、 前記線状 ビーム （300) の幅方向 （W) にほぼ平行である、 半導体デバイス。
1 6. 波長が 350 n m以上 800 n m以下のパルスレーザ光源 （1 01) と、 このパルスレーザ光源 （1 01) により発生されるレーザビーム （102) を 線状ビーム （300) に成形する線状ビーム成形光学手段 （1 04) とを備えた、 レーザ熱処理装置。
1 7. 前記パルスレーザ光源 （1 01) は、 N dイオンドープまたは Y bイオン ドープの結晶またはガラスをレーザ励起媒質とした Qスィツチ発振固体レーザの 高調波である、 請求項 1 6に記載のレーザ熱処理装置。
1 8. 前記パルスレーザ光源 （1 01) は、 Nd ： Y AGレーザの第 2高調波、 N d ： Y AGレーザの第 3高調波、 Nd ：ガラスレーザの第 2高調波、 Nd ：ガ ラスレーザの第 3高調波、 N d ： YLFレーザの第 2高調波、 N d ： Y L Fレー ザの第 3高調波、 Yb :YAGレーザの第 2高調波、 Yb :YAGレーザの第 3高 調波、 Yb：ガラスレーザの第 2高調波および Yb：ガラスレーザの第 3高調波か らなる群より選ばれたいずれかである、 請求項 1 7に記載のレーザ熱処理装置。
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