JP3962066B2

JP3962066B2 - レーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法およびレーザ熱処理装置

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Publication number: JP3962066B2
Application number: JP2005106122A
Authority: JP
Inventors: 哲也小川; 秀忠時岡; 行雄佐藤; 満夫井上; 智広笹川; 光敏宮坂
Original assignee: Seiko Epson Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2005252287A

Description

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珪素膜を形成するレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法およびレーザ熱処理装置に関する。

現在、液晶パネルの画素部は、ガラスまたは合成石英基板上の非晶質または多結晶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。高移動度薄膜トランジスタ実現を目的とする、珪素膜結晶性改善手法として、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能動層のキャリア移動を阻害する。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珪素膜の形成である。

従来、波長が350nm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(非特許文献１、非特許文献２、及び非特許文献３）でなされている。ここでは波長350nm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：532nm）が使われている。図１０は従来のNd:YAGレーザ第２高調波によるレーザ熱処理装置の一例を示す図である。ここにおいて、１は熱処理用レーザとして使われている代表的な可視光パルスレーザ光源であるNd:YAGレーザ第２高調波（波長：532nm）発振装置、２は発振レーザ光、４はビームを集光するための集光用レンズ、５は非晶質または多結晶珪素膜、７は基板である。

Appl. Phys. Lett. 39, 1981, p425-427 Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.4, 1982, p523-p528 Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.358, 1995, p915-p920

次に従来のレーザ熱処理手法について説明する。Nd:YAGレーザ第２高調波発振装置１から出射されたパルスレーザ光２が集光用レンズ４により集光されて非晶質珪素膜５上に照射される。パルスレーザ光２の照射により照射領域における非晶質珪素膜５が溶融される。しかし、これらの報告例では、照射位置でのビームプロファイルは軸対称ガウス分布である。従って、再結晶時に結晶粒は中心対称的に放射状に成長し、図１１のようになる。すなわち、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MOS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、dV_G/d(logI_DS)（V_G：ゲート電圧、I_DS：ドレイン電流）で定義されるｓ因子が小さくなるため、閾値電圧は低くなる。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及び２で用いられた珪素膜の膜厚は0.2〜1μmと厚いために、しきい値電圧が高く、消費電力が高いことが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あ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及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ョ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MOS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MOSトランジスタが形成できない。

結晶粒の増大による移動度増大を狙った、従来のNd:YAG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った。

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２００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MOSトランジスタのゲート酸化膜がショートしてしまう、珪素膜がアブレーショ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。

本発明の目的は、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、安定で、生産性の高いレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法の提供にある。

また、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、安定で、生産性の高いレーザ熱処理装置の提供にある。

本発明に係る請求項１のレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法は、Nd:YAG、Nd：ガラス、Nd：YLF、Yb:YAG、Yb:ガラスの何れか１つを励起媒質とする、出射エネルギー5mJ/pulse以上であるＱスイッチ発振固体レーザの第２高調波をパルスレーザ光源として発生するパルスレーザビームを、線状ビームにすると共に、この線状ビームの幅方向にエネルギー密度勾配部を有し、その勾配部のエネルギー密度勾配の最大値が3mJ/cm2/μm以上の部分を有するほぼガウス分布状またはほぼトップフラット状のエネルギー密度分布形状に成形して、基板上に形成された基板上非晶質珪素膜材料に照射し、当該膜材料の上記珪素膜の深さ方向全体に線状に溶融させるとともに、上記線状ビームの幅方向に温度勾配を形成して当該幅方向に上記膜材料を結晶成長させ、上記各パルスレーザビームの照射位置の変化がビーム幅より短くなるように、当該パルスレーザビームを上記幅方向に移動して同一箇所に複数回照射するレーザ熱処理方法により熱処理した基板を用いて半導体を製造するものである。

本発明に係る請求項２のレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法は、上記レーザ熱処理方法における線状ビームの照射領域の幅に対する長さの比が１０倍以上とするものである。

本発明に係る請求項３のレーザ熱処理装置は、Nd:YAG、Nd：ガラス、Nd：YLF、Yb:YAG、Yb:ガラスの何れか１つを励起媒質とする、出射エネルギー5mJ/pulse以上であるＱスイッチ発振固体レーザの第２高調波をパルスレーザ光源として発生するパルスレーザビームを、線状ビームにすると共に、この線状ビームの幅方向にエネルギー密度勾配部を有し、その勾配部のエネルギー密度勾配の最大値が3mJ/cm2/μm以上の部分を有するほぼガウス分布状またはほぼトップフラット状のエネルギー密度分布形状に成形して、基板上に形成された基板上非晶質珪素膜材料に照射し、当該膜材料の上記珪素膜の深さ方向全体に線状に溶融させるとともに、上記線状ビームの幅方向に温度勾配を形成して当該幅方向に上記膜材料を結晶成長させ、上記各パルスレーザビームの照射位置の変化がビーム幅より短くなるように、当該パルスレーザビームを上記幅方向に移動して同一箇所に複数回照射するものである。

本発明に係る請求項４のレーザ熱処理装置は、上記線状ビームの照射領域の幅に対する長さの比が１０倍以上とするものである。

以上説明したように、本発明に係る請求項１のレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法は、Nd:YAG、Nd：ガラス、Nd：YLF、Yb:YAG、Yb:ガラスの何れか１つを励起媒質とする、出射エネルギー5mJ/pulse以上であるＱスイッチ発振固体レーザの第２高調波をパルスレーザ光源として発生するパルスレーザビームを、線状ビームにすると共に、この線状ビームの幅方向にエネルギー密度勾配部を有し、その勾配部のエネルギー密度勾配の最大値が3mJ/cm2/μm以上の部分を有するほぼガウス分布状またはほぼトップフラット状のエネルギー密度分布形状に成形して、基板上に形成された基板上非晶質珪素膜材料に照射し、当該膜材料の上記珪素膜の深さ方向全体に線状に溶融させるとともに、上記線状ビームの幅方向に温度勾配を形成して当該幅方向に上記膜材料を結晶成長させ、上記各パルスレーザビームの照射位置の変化がビーム幅より短くなるように、当該パルスレーザビームを上記幅方向に移動して同一箇所に複数回照射レーザ熱処理方法により熱処理した基板を用いて半導体を製造するものであるため、上記基板上珪素膜の結晶の粒径が大きく、かつ高品質な薄膜が安定して得られる効果がある。また、高速に動作する半導体デバイスを低コストで得られる効果がある。

本発明に係る請求項２のレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法は、上記レーザ熱処理方法における線状ビームの長手方向の長さが上記線状ビームの幅の１０倍以上としたので、基板上膜材料の結晶の横方向成長を確実に行わせることができ、高品質の珪素膜が得られる。

本発明に係る請求項３のレーザ熱処理装置は、Nd:YAG、Nd：ガラス、Nd：YLF、Yb:YAG、Yb:ガラスの何れか１つを励起媒質とする、出射エネルギー5mJ/pulse以上であるＱスイッチ発振固体レーザの第２高調波をパルスレーザ光源として発生するパルスレーザビームを、線状ビームにすると共に、この線状ビームの幅方向にエネルギー密度勾配部を有し、その勾配部のエネルギー密度勾配の最大値が3mJ/cm2/μm以上の部分を有するほぼガウス分布状またはほぼトップフラット状のエネルギー密度分布形状に成形して、基板上に形成された基板上非晶質珪素膜材料に照射し、当該膜材料の上記珪素膜の深さ方向全体に線状に溶融させるとともに、上記線状ビームの幅方向に温度勾配を形成して当該幅方向に上記膜材料を結晶成長させ、上記各パルスレーザビームの照射位置の変化がビーム幅より短くなるように、当該パルスレーザビームを上記幅方向に移動して同一箇所に複数回照射する
ようにしたので、上記基板上珪素膜の作製において高品質な熱処理を提供する。

本発明に係る請求項４のレーザ熱処理装置は、上記線状ビームの照射領域の幅に対する長さの比が１０倍以上となるようにしたので、上記基板上珪素膜の作製において高品質な熱処理を提供する。

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。同図において91はNd:YAGレーザの第２高調波発振装置、92はNd:YAGレーザの第２高調波発振装置から出射されたレーザ光（波長は532nm）、93はバリアブルアッテネータ、94は線状ビームに変換するためのビーム成形光学系、95はターゲット、96は移動ステージである。レーザ光92は、バリアブルアッテネータ93で所定の強度に調整された後、線状ビーム成形光学系94に入射する。線状ビーム成形光学系94により線状のビームプロファイルに変換された後、ターゲット95に照射され、レーザ熱処理が行われる。基板は移動ステージ96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、ターゲットの詳細は図２のようであり、ガラス基板103上に下地膜102として厚さ200nm酸化珪素膜をCVD（Chemical Vapor Deposition）により形成した上に、基板上膜材料として、厚さ70nmの非晶質珪素膜101をLPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）により成膜した。

レーザビームは移動ステージを線状ビームの線に直行した方向に移動させながら照射する。各パルスレーザ光照射の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、ビーム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４にレーザビームを照射して非晶質珪素膜101の溶融する時の概念図を示す。図１中の線状ビーム成形光学系94の出力部にある集光レンズ941により非晶質珪素膜101上に線状ビームを集光して照射する。集光レーザビームプロファイルは図４中の点線で示すように、長手方向が均一プロファイルであるトップフラット状であり、幅方向のプロファイルは例えばガウス分布状である。本発明である線状ビームプロファイルによるNd:YAGレーザの第２高調波による熱処理方法を用いると、非晶質珪素に対する第２高調波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内の横方向温度分布は、線状ビームの幅方向にのみ形成される。従って、図４の下の図に示すように、基板上膜材料である非晶質珪素膜101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た溶融部が線状に分布した溶融部ができる。よって、深さ方向および線状ビームの長手方向に温度分布が少ないため、結晶成長が線状ビームの幅方向への１次元横方向成長になり、結晶粒径は数μm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は図５のように結晶成長の方向である線状ビームの幅方向、すなわち移動ステージの移動（スキャン）方向に揃う。

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350nm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350nm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。線状ビームのエ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及び生産性の向上を図るだけのものである。

上記した波長350nm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。従って、図６に示すように、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結晶成長していく。そしてこの結晶成長は、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＝ｋΔＴ/Δｘにより表される。ここで、ｋは速度定数、ΔＴは微小領域における温度差、Δｘ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。Nd:YAGレーザの第２高調波のパルスエネルギーは20mJ/pulse、時間パルス幅は60nsec（ＦＷＨＭ）である。また、珪素膜表面でのビーム照射面積は、50μm×10mmまたは250μm×10mmで、図１中に示すバリアブルアッテネータ93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300-1000mJ/cm²（全照射エネルギーをビーム照射面積で割った値）にして実験を行った。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、4mJ/cm²/μm（照射面積：250μm×10mm、照射エネルギー密度800mJ/cm²での値）と30mJ/cm²/μm（照射面積：50μm×10mm、照射エネルギー密度800mJ/cm²での値）で行った。珪素膜上の同一箇所へのレーザ照射回数は20回にする。なお、雰囲気は大気中であり、基板温度は室温である。

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。先ず、非晶質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mJ/cm²で表す。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、線状ビームの長手方向と幅方向に関して行う。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。別にパワーメーター等のレーザビーム全体のエネルギー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パルス当たりのエネルギーと、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4mJ/cm²/μm（照射強度800mJ/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１μm程度であったが、30mJ/cm²/μm（照射強度800mJ/cm²における値）のものについては、3μm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作製した。チャネルの長さ及び幅はそれぞれ5μm及び10μm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７に示す。図で示されるように、照射強度800mJ/cm²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4mJ/cm²/μm（照射強度800mJ/cm²における値）のものについては、照射強度600mJ/cm²（照射エネルギー密度分布の勾配の最大値では3mJ/cm²/μmになる）以上で、MOSトランジスタのn-チャネル移動度は100cm²/Vs程度とやや低い値であったが、30mJ/cm²/μm（照射強度800mJ/cm²における値）のものに関しては、移動度200cm²/Vs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MOSトランジスタの能動層においてキャリア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100cm²/Vs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3mJ/cm²/μm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（SiC）、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分布型にすると、レーザ熱処理時に非常に良い効果を及ぼす。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イルがガウス分布であれば、図６のように珪素膜を融点以上に加熱し溶融させるレーザ光強度閾値以上の強度を有する中心領域の外側のレーザ光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、スキャンに対して進行方向逆側の溶融閾値以下のレーザ光強度を有する部分はpostアニールを施す効果がある。

postア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Nd:YAGレーザ第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/eになる深さで定義される浸透長は100nm以上ある。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10nm程度しかないためである。

実施の形態２．
実施の形態２では、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っていく。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３．
実施の形態３では、線状ビームの長手方向のエネルギー分布形状について述べる。長手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のように多少リプルが重畳したプロファイルとなる。Nd:YAG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珪素膜を用いて作製されたMOSトランジスタの特性は図７から明らかなように、600mJ/cm2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、長手方向のエネルギー分布がフラットな部分の強度を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４．
実施の形態４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図９のように、MOSトランジスタ素子を、ビームをスキャンした方向、すなわち結晶成長した方向がドレイン電流の流れる方向になるよう構成すれば、個々の結晶粒の境界面での結晶方位のズレがなくなるためキャリア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この方向に作製すれば、より高い周波数まで動作可能なデバイスが提供できる。また、ビームをスキャンした方向に垂直な方向、すなわち線状ビームの長手方向にドレイン電流が流れるようにMOSトランジスタ素子を構成しても、結晶粒の長さが若干短くなるため移動度は多少減少するが、ほぼ同様の効果が得られる。また、本発明による方法では、単に結晶粒が大きくなり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５．
実施の形態５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、本実験では50μm×10mmの領域を照射するもので行ったが、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が、線状ビームの幅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10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50〜100μmであれば、長さは1mm以上であればよい。

実施の形態６．
実施の形態６では、照射強度について説明する。まず、Nd:YAG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、1500mJ/cm²を越えると珪素膜はアブレーションされ、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1500mJ/cm²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、100mJ/cm²で非晶質から多結晶への変化が色の変化により視認できることから、100mJ/cm²、好ましくは200mJ/cm²である。

実施の形態７．
実施の形態７では、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、100回以上の照射回数では激しい表面荒れやアブレーショ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ーションが起こる原因は、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手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100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８．
実施の形態８では、非晶質または多結晶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。先ず、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1/eになる深さで定義されるが、多結晶に対するNd:YAGレーザの第２高調波の浸透長は100〜200nm程度である。従って、非晶質または多結晶珪素膜の膜厚が200nm未満、好ましくは100nm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９．
実施の形態９では照射レーザ光のパルス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ョ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伸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、生産性を落とすことになる。今回の実験では60nsのパルス幅で行っているが、再結晶時の冷却過程をゆっくりと行い結晶の品質を改善する効果を含め、60nsの数倍の200ns未満、好ましくは60nsの２倍程度である100ns未満で行えばアブレーションしない、しかも効率の良い熱処理が行える。

実施の形態１０．
実施の形態１０では、レーザ光のエネルギーに関して説明する。実施の形態１での実験で、照射位置での１パルス当たりのエネルギー強度が800mJ/ cm²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4mJ/pulse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10〜20%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5mJ/pulse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50μmで長さ1mmの領域を照射するためには、最低0.5mJ/pulse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）の長さで処理できれば、例えば対角1.3インチ程度の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、15mJ/pulse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/pulse以上のレーザ発振装置によってであり、生産性からは、15mJ/pulse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１１．
実施の形態１１では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350nmから800nm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、Nd：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ーザの第２または第３高調波や、Ti：Sapphire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ため、信頼性の高いレーザ熱処理方法や装置を提供できる。

この発明の実施の形態１を示すレーザ熱処理装置を示す概観図である。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図である。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。この発明の線状ビームプロファイルと基板上膜材料が溶融する様子を模式的に示す図である。この発明のレーザ熱処理方法により形成された多結晶珪素膜を示す模式図である。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。この発明のレーザ熱処理方法により得られた多結晶珪素膜から作製されたNMOSトランジスタの移動度を示す図である。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。この発明のレーザ熱処理方法により形成された多結晶珪素膜を能動層として用いて作製されるMOSトランジスタを示す模式図である。従来のレーザ熱処理装置を示す概観図である。従来のレーザ熱処理で形成された結晶粒を示す模式図である。

符号の説明

９１パルスレーザ光源、９４線状ビーム成形光学系、１０１基板上膜材料。

Claims

Nd:YAG、Nd：ガラス、Nd：YLF、Yb:YAG、Yb:ガラスの何れか１つを励起媒質とする、出射エネルギー5mJ/pulse以上であるＱスイッチ発振固体レーザの第２高調波をパルスレーザ光源として発生するパルスレーザビームを、線状ビームにすると共に、この線状ビームの幅方向にエネルギー密度勾配部を有し、その勾配部のエネルギー密度勾配の最大値が3mJ/cm2/μm以上の部分を有するほぼガウス分布状またはほぼトップフラット状のエネルギー密度分布形状に成形して、基板上に形成された基板上非晶質珪素膜材料に照射し、当該膜材料の上記珪素膜の深さ方向全体に線状に溶融させるとともに、上記線状ビームの幅方向に温度勾配を形成して当該幅方向に上記膜材料を結晶成長させ、上記各パルスレーザビームの照射位置の変化がビーム幅より短くなるように、当該パルスレーザビームを上記幅方向に移動して同一箇所に複数回照射するレーザ熱処理方法により熱処理した基板を用いて半導体を製造するレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法。
上記レーザ熱処理方法における線状ビームの照射領域は、幅に対する長さの比が１０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ熱処理方法を用いた半導体製造方法。
Nd:YAG、Nd：ガラス、Nd：YLF、Yb:YAG、Yb:ガラスの何れか１つを励起媒質とする、出射エネルギー5mJ/pulse以上であるＱスイッチ発振固体レーザの第２高調波をパルスレーザ光源として発生するパルスレーザビームを、線状ビームにすると共に、この線状ビームの幅方向にエネルギー密度勾配部を有し、その勾配部のエネルギー密度勾配の最大値が3mJ/cm2/μm以上の部分を有するほぼガウス分布状またはほぼトップフラット状のエネルギー密度分布形状に成形して、基板上に形成された基板上非晶質珪素膜材料に照射し、当該膜材料の上記珪素膜の深さ方向全体に線状に溶融させるとともに、上記線状ビームの幅方向に温度勾配を形成して当該幅方向に上記膜材料を結晶成長させ、上記各パルスレーザビームの照射位置の変化がビーム幅より短くなるように、当該パルスレーザビームを上記幅方向に移動して同一箇所に複数回照射するレーザ熱処理装置。
上記線状ビームの照射領域は、幅に対する長さの比が１０倍以上であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ熱処理装置。