JP2006135251A - レーザ結晶化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】相変化不揮発性メモリセル用の相変化材料に関し、素子作成プロセス中に前記相変化材料近傍において剥離などの破壊を生じさせない初期結晶化を行い、書き換えの初期から特性を安定させる結晶化装置を提供する。
【解決手段】 大出力レーザによる加熱結晶化を行う。シリコンウェハ８の搬送は、１方向の搬送を基本とする。その搬送方向に垂直な方向にレーザヘッド６を往復運動させてレーザ照射する。回転運動を加えてもよい。ウェハ受け９周辺部にウェハを位置決めする立ち上がり部分が有り、その一部に横からウェハを持ち上げる操作部が入る切り欠きを持つ。レーザスポット面積と照射時間を所定の範囲内とする。装置の一部が真空製膜装置の中にあってもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置に係わり、特に相変化型不揮発メモリや相変化型トランジスタの初期結晶化を行う結晶化装置に関する。

コンピュータの演算素子（MPU）を取り巻く記憶装置（メモリ）はアクセススピードをはじめ、記憶容量（密度）、ビット単価、可換性等の特性を活かし、目的とする装置が設計に基づいたシステムになるよう階層的に配置構成されている。個々の特性として、例えば、SRAMやDRAMは高速動作が可能でありMPUの高速動作を直接的に補助する位置にあるが、電源供給を止めれば保存データが消えてしまう揮発性である。一方、EEPROMは比較的高速であり電源供給を止めても保存データが消えない不揮発性であるが、ビット単価が非常に高い。ハードディスクや光ディスクは不揮発性でありビット単価が安いが、高速動作ができないといった各々の特徴がある。

各メモリの利点を集約した次世代メモリとしてFRAM（Ferroelectric RAM）やPCRAM（Phase change RAM），MRAM（Magnetoresistive RAM）といった半導体メモリの研究・開発がなされている。FRAMに関しては、既に製品化されている。

PCRAMは例えば特表平１１−５１４１５０号公報、特表平２００１−５０２８４８号公報に開示された相変化型不揮発メモリでありOUM（Ovonic Unified Memory）とも呼ばれている。PCRAMは記憶保持部に相変化材料を用い、結晶相と非結晶相の各相にて生じる電気伝導度の差異により情報を識別保持させるものである。特徴としては、相変化材料を比較的微細化しても記憶保持性能は劣化しない。桁違いに異なる電気伝導度とすることもでき、中間的なレベルすなわち、多値も可能である。高速スイッチングに有利な相変化材料の選定もできる等があげられ、不揮発性、高ビット密度、高速アクセスといった理想的メモリとしての可能性を十分兼ね備えている。

開示されている技術によれば、PCRAMは微小な相変化材料セルにMOSトランジスタを接続したものを基本メモリセル（１ビット）としており、情報の記録及び消去は相変化材料にパルス電流を流し、発生するジュール熱による自己加熱にて行う。記録時は相変化材料が比較的低温で結晶化速度が速い温度領域まで加熱するようなパルス電流（セットパルス）を与え、相変化材料を結晶化させる。消去時は相変化材料が高温のち急冷となるようなパルス電流（リセットパルス）を与え、相変化材料を非結晶化させる。結晶相では電気伝導度が高く、非結晶相では比較的電気伝導度が低い。再生時は相変化材料に電圧を印加し、流れる電流を電圧変換して情報を読み取っている。

特表平１１−５１４１５０号公報 特表平２００１−５０２８４８号公報

図８にPCRAMのメモリセルの基本構造を示す。PCRAMはシリコン基板上（図示なし）にMOSトランジスタ（図示なし）、酸化シリコン絶縁層２、下部電極４、相変化材料１、上部電極３を順次積層した構造になっている。製造過程においては、情報保持部である相変化材料は、加熱によって成膜中に結晶化させるか、別の方法としては成膜後、電気炉で加熱し結晶化させている。しかしながら、前者の基板加熱製膜では表面が荒れずに製膜できる基板温度が100℃付近の狭い温度範囲に限られ、マージンが非常に狭く温度コントロールが難しい。また、後者の製膜後電気炉加熱では隣接する積層膜との接着性が低下し、剥離が発生し易いといった不具合があった。更には、基板加熱製膜と製膜後電気炉加熱の両者とも、基板（シリコンウェハ）中心部と縁では結晶化状態が異なり均一性に欠けていた。特に縁の部分は結晶化状態が粗悪であり、良好な電気特性が得られず使用困難であった。基板加熱製膜と製膜後電気炉加熱での結晶化では、結晶形がメモリ書き換え時の結晶形と大きく異なり、書替え回数が少ない段階では相変化膜の比抵抗が小さく、１回目から安定した記録が得られないといった不具合があった。

本発明の目的は、素子作製プロセス中に相変化材料近傍において剥離などの破壊が生じずに初期結晶を行ない、書換えの最初から特性を安定させる相変化型不揮発メモリ結晶化装置を提供することである。

上記目的を達成するため、高出力レーザから出射したレーザ光をシリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板に照射することによって相変化膜の初期結晶化を行う。プロセス基板に照射するレーザスポット面積は１０^-6ｃｍ²以上１０^-3ｃｍ²以下とし、プロセス基板上の各位置に対するレーザ照射時間が０．１μｓ以上１ｍｓ以下となるように前記基板支持部と前記レーザヘッドを相対的に駆動するのが好ましい。本発明のレーザ初期結晶化装置によれば、高密度でかつ適切な照射エネルギーを相変化型メモリの相変化材料上に与えることができ、相変化型不揮発メモリの相変化材料全面を均一に結晶化させることができる。また、この装置によれば、相変化材料のみを短時間に加熱し結晶化温度まで上昇させることができ、相変化材料近傍の積層膜に体積変化による熱的ダメージを与えることなくかつ、セット状態の結晶構造に近くすることができ、上述目的を達成できる。

プロセス基板の中心からの距離により同心円状に照射条件を変えるようにすると、基板の中心部と外周部の僅かな組成等の相違に対応して各半径位置に最も適したレーザエネルギー照射が可能となり、基板の中心部と外周部等の位置的な相違なしに全面に良好な結晶化が得られると共に局所的な剥離も防止できる。

また、基板裏面からの赤外光による結晶化の検出機構と、検出結果をもとにレーザ出力、レーザパルス周波数、レーザパルスデューティ、基板の搬送速度等を制御する手段を設けてもよい。この構成によると、基板裏面に到達した温度上昇をリアルタイムで実測しながらレーザ出力や基板の搬送速度をフィードバック制御することができ、所定の結晶化状態がシリコンウェハ全面に偏りなく得られる。また周囲環境の微妙な変化や多稼動による経時変化に対しても強く、安定した結晶化を得ることができる。

更に、シリコンウェハ面上でレーザスポットの形状が変化しないようにするオートフォーカス制御手段を備えると、シリコンウェハ面上のどの位置においても、必要に応じ一定のパワー密度をもつレーザ光を照射でき均一な結晶化状態が得られる。

本発明によると、シリコンウェハ全面において相変化材料層の膜面に垂直方向に細長い結晶を形成することができ、素子間の特性バラツキを防止し、１回目から安定な書換えを行うことができる。また、シリコンウェハの表面、裏面にキズが付くのを防止できる。更には、製膜後の膜特性や接着性の同心円状の変化に対応して照射条件を変え、シリコンウェハ上の場所による素子特性のバラツキや周辺部の剥離を防止できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

＜実施例１＞
図１は、本発明に係る直線走査型レーザ結晶化装置の一実施形態の概略図である。

レーザヘッド６は光源である高出力半導体レーザ４とコリーメータレンズ５Ｂ、ＰＢＳ５Ａ、レーザ光を集光する対物レンズ５、対物レンズ５を光軸５Ｃ方向に駆動するアクチュエータ１９、及び対物レンズ５によって集光されたフォーカス点位置を検出するフォーカスディテクタ１０によって構成されている。円盤状のシリコンウェハ（シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板）８を搭載するウェハトレイ９は最下部がシリコンウェハ８の直径より僅かに小さい径で切り抜かれており、対物レンズ５を通り抜けるレーザ光の光軸５Ｃと直交するように配置されている。ウェハトレイ９は前記直角を保ちながら２次元的にＸ軸方向、Ｙ軸方向に自在に移動させることができる。

ウェハトレイ９を中心にレーザヘッド６とは反対面側には赤外光センサ１７が取り付けられており、集光したレーザスポット７周辺の赤外光量を測定することができゆえに、シリコンウェハ裏面の温度を実測できる。赤外線センサは、１点測定型でも良いがレーザスポット７を含んだ周辺全体を実測できるカメラ型であればなお良い。更に、シリコンウェハ８の時間的温度変化を遅れなしに検出できるタイプがより好ましい。赤外光センサ１７はレーザヘッド６と一体になっており、シリコンウェハ８がＸ軸方向やＹ軸方向に移動したとしてもレーザスポット７との相対位置関係は変化しないようになっており、常時、レーザスポット７を含んだ周辺の温度を検出できる。プロセス中のシリコンウェハには、相変化膜で発生した赤外光を基板表面まで透過しやすい場所を多数設けてある。また、レーザヘッド６及びそれと一体となった赤外光センサ１７も移動可能であり、レーザヘッド６を駆動してシリコンウェハ８上に照射されるレーザスポット７の位置を移動させることもできるようになっている。

レーザ駆動回路１１はパルス発光可能であり、周波数が１Ｈｚ〜１０ＭＨｚ、パルス幅が１００ｎｓから１ｓのレーザパルス駆動ができる。またＤＣ駆動も可能である。更にレーザパルス光３１のトップ出力３１Ｃとボトム出力３１Ｄは任意設定が可能である（図３参照のこと）。フォーカス制御回路１２は、フォーカスディテクタ１０が検出したフォーカスずれ信号をもとにアクチュエータ１９を駆動させフォーカスずれを補正するフィードバック制御機能を備えている。Ｘ−Ｙテーブル制御回路１４は、ウェハトレイ９をＸ軸方向及び、Ｙ軸方向の２次元平面上に駆動させることができ、Ｘ，Ｙ方向に対し任意の速度、任意の位置決めができるようになっている。

信号処理回路１８は、透過率から結晶化領域が相変化膜の膜厚方向のほぼ全体に広がったかどうか計算する。赤外光センサ１７がカメラ型である場合、検出した画像データを処理する機能をもち、所定の情報のみデータ化が可能となっている。マイクロプロセッサ（MPU）１３は、レーザ駆動回路１１、Ｘ−Ｙテーブル制御回路１４、信号処理回路１８、フォーカス制御回路１２の各主要部位と接続されており、予めプログラミングされた動作を行うようになっており、各主要部を一括コントロールできる。

本実施例ではフォーカス制御を行うが、シリコンウェハ８のどの位置でもレーザスポット形状７の変化がないかまたは、レーザスポット形状７が変化しても結晶化状態に影響しないものであれば、フォーカス制御がなくてもよい。また高レーザパワー密度が必要でない場合は、特に対物レンズ等により集光することなく、平行光であってよい。また、光源は半導体レ−ザに限定することなく、ＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザ等の固体レーザやガスレーザであってもよい。

図２により、レーザビームのウェハ上での走査方式を説明する。本図は結晶化中の任意時間のものであり、レーザスポット２９ＡがＹ方向２９に移動しており、シリコンウェハ８の左半分は結晶化済部２６で右半分は未結晶化部２７である。初期時には、レーザスポット２９は２２の位置にある。

図２（ａ）は、レーザビームをスポット２９Ａの長手方向と直角方向、すなわち図１の手前と奥の方向に連続往復運動させながら、ウェハトレイをＸ方向に直線走査する走査方式の説明図である。この時、レーザスポット２９Ａの中点の描く軌跡が常に同じ角度で交わる。レーザスポット２９Ａの形状は長円形である。レーザスポット２９Ａは、ウェハ８上の結晶化させるべき領域の端まで到達すると直ちに折り返すが、光学ヘッド全体を駆動する場合は慣性も大きいので、軌跡は完全に直線が鋭角に折り返す形ではなく、角は多少丸みを帯びる。ウェハ上の結晶化させる領域のどの点にも少なくとも１回は必ずビームスポット（最高パワーの１／ｅ^２までの範囲）が通過するように、速度や折り返し位置を決めている。ウェハトレイの送り速度を制御し、ウェハの中心を通るＸ方向の軸を横切るレーザスポット２９Ａの中心間隔が一定になるようにして走査する方法も有効である。

図２（ｂ）は、レーザヘッド６とウェハトレイ９を交互に動かしてレーザスポット２９Ａをウェハ上で走査する走査方式において、レーザスポットの中点が描く軌跡を示した図である。結晶化中のシリコンウェハ８をレーザヘッド６側からみた図で横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸とする。所定のパルス周波数及び出力でレーザ光を発光させ、かつフォーカス制御を行う。シリコンウェハ８をＹ方向に移動させることによってレーザスポットを２３方向にシリコンウェハ８を結晶化させながら走査させる。レーザスポットがシリコンウェハ８の縁に到達したらＹ方向の移動を止め、レーザスポット幅２８より短い距離だけシリコンウェハ８をＸ方向２４に移動させる。のち、レーザスポットをＹ方向２５に移動させる。前記動作を繰り返し、未結晶化隙間が生じないようシリコンウェハの左面よりレーザスポットを走査させることにより、シリコンウェハ８全面を結晶化させることができる。

本実施例では、レーザスポット面積が１０^-6ｃｍ²以上１０^-3ｃｍ²以下でかつ、パルス幅（スポットの最高パワーの１／ｅ²までの範囲の通過時間）が１００ｎｓから１ｓにおいて結晶化することを確認できた。すなわち、照射するレーザスポットの形状やレーザスポットの通過時間を変えて実験したところ、次のような結果が得られた。スポット面積は、２種類の光スポットで、デフォーカスを含めて実験した。小さいスポットとしては出力２Ｗのレーザの１００μｍ×１μｍで１０^-6ｃｍ²、大きいスポットとしては出力６０Ｗのレーザの３．５ｍｍ×３０μｍで１０^-3ｃｍ²のスポットまで効果が得られたが、特に２×１０^-6ｃｍ²以上１０^-4ｃｍ²以下では出荷前のエージング処理の条件によらず、最初の書換えから抵抗値が安定した。照射時間（光スポットのピーク強度の１／ｅ²までの範囲が高いパワーが出た状態（パルス照射の場合はパルスが出た状態）でディスク上の１点を通過する時間）が０．１μｓ以上で照射パワーが最適であれば効果が得られたが、１ｓ以上では熱による界面の部分的剥離を防止するのが困難であった。１μｓ以上１ｍｓ以下で特に再現性の良い良好な特性が得られた。

ここで説明した直線走査型レーザ結晶化装置は、ウェハに傷が付くのを防止しやすく照射効率が良い。レーザヘッド６及び赤外光センサ１７をＹ方向に、ウェハトレイ９に搭載したシリコンウェハ８をＸ方向に移動させるものであったが、これに限定することなく、レーザヘッド９及び赤外光センサ１７をＸ軸方向とＹ軸方向の両方に移動させるレーザヘッドＸ−Ｙ平面移動機構（図示なし）を備え、図２で説明したレーザスポット走査と同様にシリコンウェハ８全面を結晶化させても良い。また、レーザヘッド６及び赤外光センサ１７をＸ軸方向のみ可動とし、シリコントレイ９に搭載したシリコンウェハ８をＹ軸方向のみ可動として、図２で説明したレーザスポット走査と同様にシリコンウェハ全面を結晶化させることも可能である。光ヘッドを中心から外へ、または外から中心へらせん状に動かして光スポットを螺旋状に移動させることもできる。

図３は、赤外光センサ１７によるレーザ照射時間制御の一例を説明する図である。図３（ｂ）は、レーザ出力Ｐの時間的変化を示したものである。図３（ａ）の横軸は結晶化実行中の赤外光センサ１７が照射レーザに対して所定のタイミングでシリコンウェハの赤外光が透過する領域で裏面から検出したレーザスポット直下の温度Ｔを示し、縦軸は結晶化実行中のレーザ照射時間τである。ここでは、パルス的に出力するレーザ光３１のトップ出力３１Ｃとパルス周期３１Ａは所定値に固定してあり、また、走査速度も所定値に固定してある。また、レーザ照射時間τとはパルス幅３１Ｂのことである。曲線３０は予めメモリ（図示なし）に設定された曲線である。検出温度が所定値を超えたらパルス幅を狭くし、下回ったら広げる。横軸のシリコンウェハ温度に関しては、実際には結晶化がレーザ光入射側と反対の界面に達するのに対応する検出温度を求めておき、図３（ａ）からレーザ照射時間を決める。パルス幅３１Ｂすなわちレーザパルスデューティに代えてレーザ出力、レーザパルス周波数を変えてもよく、あるいはウェハトレイの移動速度やレーザヘッドの移動速度を制御してもよい。

赤外光センサ１７が検出した結晶化実行中のレーザスポット直下のシリコンウェハ裏面温度ＴをMPU１３が認識し、メモリより引き出した曲線３０をもとにパルス幅３１Ｂをレーザ駆動回路１１に指示する。のち、レーザ駆動回路１１はMPU１３の指示のもと、曲線３０の通りにレーザを駆動させる。最終的に、曲線３０のレーザ発光が可能となる。曲線３０はシリコンウェハ８の熱的特性や結晶化の容易性などにより変わるもので、シリコンウェハ８の基礎特性を取得し、所定の結晶化状態が得られるように決めれば良い。

ここでは制御対象としてレーザ照射時間τ（３１Ｂ）の場合を示したが、パルス的に出力するレーザ光のトップ出力３１Ｃまたは、パルス周期３１Ａまたは、走査速度のどれか一つを制御対象としても良いし、複数にはなるがパルス的に出力するレーザ光のレーザ照射時間τ（３１Ｂ）または、トップ出力３１Ｃまたは、パルス周期３１Ａまたは、走査速度の複数を制御対象としても良い。どの場合、どの組み合わせにおいても、予め、所定の結晶状態が得られる目標曲線を取得しメモリに記録しておけば良い。

更には、赤外光センサ１７が検出するレーザスポット直下のシリコンウェハ裏面温度Ｔは一つに限らず、レーザスポット直下を含むレーザスポット走査方向の前方や後方などの複数の温度を検出すれば更に木目細かい制御が可能となる。いずれにしろ、シリコンウェハ裏面に到達した温度Ｔをリアルタイムで実測しながらレーザ出力やシリコンウェハ搬送をフィードバック制御することにより、所定の結晶化状態がシリコンウェハ全面に偏りなく得られる。また周囲環境の微妙な変化や多稼動による経時変化に対しても強く、安定した結晶化を得ることができる。シリコンウェハ裏面温度Ｔのみならず、シリコンウェハ上のレーザスポット位置（Ｘ−Ｙ位置）情報も加え、レーザ出力制御すればなお良い。

次に、ウェハトレイについて詳細に説明する。図４は、シリコンウェハを支えるウェハトレイの概略図である。図４（ｂ）はシリコンウェハ８を搭載したウェハトレイ３５をレーザ照射側すなわち、レーザヘッド側より見た図であり、図４（ａ）はそのＡ−Ｂの断面図である。

ウェハトレイ３５はリング状になっている。内径部のレーザヘッド側はシリコンウェハ８より僅かに大きい径になっており、レーザヘッドより遠い側はシリコンウェハ８より僅かに小さい径になっていて、全体ではテーパ状になっている。シリコンウェハ８を搭載してもテーパ付き内径部の一部４０で支えられ底面が有る場合底面に接触したり底面が無い場合抜け落ちることはない。また、レーザヘッドとは反対面にすなわちシリコンウェハ裏面に赤外光センサを設置することが可能で、シリコンウェハ裏面温度を実測することができる。ウェハトレイ３５の材質はテフロン製が好ましい。テフロン製であれば、機械的衝撃緩和や断熱性及び絶縁性にすぐれており、シリコンウェハ８に悪影響を及ばさない効果得られると共に、シリコンウェハの縁４０においても、ウェハトレイ接触による放熱が避けられ、シリコンウェハ中心部と同等の結晶化状態が得られる。ウェハトレイ３５の材質がすべてテフロン製でなくともよく、少なくともシリコンウェハ８と接触する部分４０がテフロン製であればよい。

ウェハトレイ３５のレーザヘッド側には、１２０度間隔で３つの切り欠き３７，３８，３９が付いている。切り欠きは、少なくとも搭載したシリコンウェハ８が横から確認できる深さになっている。３つの切り欠きを設けることによって、例えば３つの爪が付いたシリコンウェハ操作機構を用いればシリコンウェハ８を縁から中心部に挟込み、シリコンウェハ８をウェハトレイ３５から着脱して搬送することが可能となる。シリコンウェハの表面や裏面に接触することなく、容易にシリコンウェハ８の搬入・搬出ができる。切り欠きは３つに限定することなくそれ以外であっても良い。図５ではシリコンウェハ８の外周部の全周が線でウェハトレイ３５と接触４０するが、例えばウェハトレイの内径部に１２０度間隔で３つの突起を設置し、本３つの突起すなわち３点でシリコンウェハ８を支えることも可能である。また突起は３つに限ることなくそれ以外であっても良い。また、本実施例では円形状シリコンウェハを用いたが、これに限ることなく、四角形やその他形状であっても良い。ただし、ウェハトレイが各形状に合致したものでなければならない。落下の危険性は増すが、ウェハトレイが無く、指先で支えるようにウェハが３点で支えて搬送されても良い。

レーザスポットの走査は直線に限ることはなく、回転走査でもよい。以下、回転走査に関し詳細に説明する。図５は回転走査型レーザ結晶化装置の概略図である。レーザヘッド６、赤外光センサ１７、レーザ駆動回路１１、フォーカス制御回路１２、信号処理回路１８、MPU１３は図１で説明したものと同等である。

ウェハトレイ４６は円形で、ウェハトレイ４６の中心を回転中心４８Ｃとして回転できる構造になっている。ウェハトレイ４６の外周部には回転駆動用モータ５１が取り付けられており、回転部５２によりウェハトレイ４６の外周部５３を駆動でき、ウェハトレイ４６を回転させることができる。回転駆動用モータ５１はモータ制御回路４８Ｂにより任意の回転数で回転可能である。また、モータ制御回路４８ＢはMPU１３と接続されておりリアルタイムで回転制御が行なわれる。レーザヘッド６はウェハトレイ４６の直径上を矢印５０で示すように移動することが可能で、レーザスポット４８はウェハトレイ４６の回転中心４８Ｃを通る直線５４上を自由に移動することができる。赤外光センサ１７はレーザヘッド６の動きと連動して矢印４９で示すように移動し、常時レーザスポット４８が形成されるシリコンウェハ８の裏面部をとらえる。MPU１３は、ヘッド駆動回路（図示なし）を介してレーザスポット４８を任意の速度で移動させかつ任意の位置に位置決めできる。MPUは各主要部を一括コントロールできる。ウェハトレイは中心軸４８Ｃを通る回転軸から３本の放射状のアームで支えられている。アーム通過時に赤外光は１時的に遮断されるが、短時間であるから差し支え無い。

図６は回転走査の説明図である。ここで、ウェハトレイ４６の回転中心と円形シリコウェハ８の中心６６が一致しているものとする。シリコンウェハ８の中心６６を回転中心とし回転させながら、レーザ光を所定のパルス周波数及び出力で発光させかつレーザスポット６１のフォーカス制御を行ない、シリコンウェハ８の外周部から内周に向けて矢印で示すように移動させる。レーザスポット６１は、螺旋を描きながらシリコンウェハ８の外周部から結晶化を行うことができる。このとき、未結晶化隙間が発生しないようにシリコンウェハ８の回転数とレーザスポット６１の速度を連動して制御する。シリコンウェハ外周に結晶化部６３を、シリコンウェハ内周に未結晶部６２を示す。

図７は、シリコンウェハ回転中心からの半径に依存したレーザ照射及びシリコンウェハ回転数を示した図である。シリコンウェハの回転数が一定（ＣＡＶ）の場合は、図７（ａ）に示すようにレーザスポットが外周に位置付いているほどレーザ出力が大きい方が好ましい。制御対象は、レーザパルス周期３１Ａでも良いし、レーザパルス幅３１Ｂであっても良い。レーザ出力が一定の場合は、図７（ｂ）に示すようにレーザスポットが外周に位置付いているほど回転数は低い方が良い。

半径に応じた照射条件や線速度を変える必要がある場合は回転走査が有効であり、特に、シリコンウェハの半径に依存した同心円状の不均一が生じていている場合には、各半径値に最適な条件で結晶化を行うことができ、結果としてシリコンウェハ全面を均一に結晶化することができる。ただしこの方法は、水平１軸方向の直線的ウェハ送りに比べ、シリコンウェハの裏面や側面に傷がつくおそれが有る。図１で説明したように、赤外光センサ１７によりシリコンウェハ裏面に結晶化が到達しているかどうかをリアルタイムで実測しながらレーザ出力をフィードバック制御すれば、所定の結晶化状態がシリコンウェハ全面に偏りなく得られる。また周囲環境の微妙な変化や多稼動による経時変化に対しても強く、安定した結晶化を得ることができる。この場合、シリコンウェハと相変化するカルコゲナイド材料層との間にシリコン基板を透過する赤外光を透過する層だけを設けることが難しい場合は、カルコゲナイド層表面側からの僅かな反射率の精度の高い測定値、超音波の反射率、電気抵抗の測定値で判定しても良い。

図１及び図５に示した実施例では、レーザヘッド６はシリコンウェハ８の上方、すなわち鉛直方向を基準とした場合、シリコンウェハ８より高い位置に配置したが、塵埃落下などの観点からすると、レーザヘッド６はシリコンウェハ８の下方に配置した方がむしろ望ましい。また、シリコンウェハ８とレーザヘッド６の隙間及びシリコンウェハ８と赤外光センサ１７の隙間を透明板で仕切っても良い。更には、シリコンウェハとウェハトレイ、またはレーザヘッドとシリコンウェハとウェハトレイと赤外光センサの全体を真空製膜装置内に設置しても良いし、特定のガスが封入してある容器内に設置しても良い。

上記のようにレーザ結晶化した後に、シリコンウェハの相変化材料を透過電子顕微鏡観察したところ、１００ｎｍの膜厚より幅が狭く、幅が約２０〜５０ｎｍの縦長の結晶が観察された。この場合、下部電極の最大幅である約８０ｎｍより小さいので、結晶と下部電極の相対位置関係によって素子特性がバラツクことなく、良好なデバイスが得られた。

＜実施例２＞
装置の構成は実施例1と同様であるが、シリコンウェハと搬送機構は複数の真空室を持つスパッタリングによる製膜装置の１室に収めた。光ヘッドは真空室外に有り、ビームスポット位置を変えられるガラス窓を通してレーザ光を照射した。光ヘッドを真空内に入れ、電源ケーブルや冷却水管を真空外から接続しても良い。

図９は、レーザ照射室をもつスパッタ装置の概略図である。ディスクは製膜時はスパッタ室の中央にセットされ、自転させられる。スパッタ室によって異なるが、２つまたは３つのターゲットから製膜可能である。ディスクは製膜が終ると中間に有る隔壁を開けて順次矢印の方向に１室ずつ送られる。スパッタ装置の１室はレーザ照射の専用室となっており、真空外から照射窓を通してレーザ光が照射される。

直線走査型レーザ結晶化装置の概略図。 直線走査を説明する図。 赤外光センサによるレーザ照射時間制御を説明する図。 シリコンウェハを支えるトレイの概略図。 回転走査型レーザ結晶化装置の概略図である。 回転走査の説明図。 シリコンウェハ回転中心からの半径に依存したレーザ照射及びシリコンウェハ回転数を説明する図。 PCRAMのメモリセルの基本構造図。 レーザ照射室をもつスパッタ装置の概略図。

符号の説明

４：半導体レーザ、５：対物レンズ、６：レーザヘッド、７：レーザスポット、８：シリコンウェハ（シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板）、９：ウェハトレイ、１７：赤外光センサ、１９：アクチュエータ、５１：回転駆動用モータ

Claims (11)

1. レーザ光源と、
   シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板を保持する基板支持部と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記基板支持部に保持されたシリコン基板上の相変化膜に収束して照射するレーザヘッドとを備え、
   レーザ照射によって前記相変化膜を初期結晶化することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
2. 請求項１記載のレーザ初期結晶化装置において、前記レーザヘッドから前記基板支持部に保持されたプロセス基板に照射されるレーザ光は、スポット面積が１０^-6ｃｍ²以上１０^-3ｃｍ²以下であり、プロセス基板上の各位置に対するレーザ照射時間が０．１μｓ以上１ｍｓ以下となるように前記基板支持部と前記レーザヘッドを相対的に駆動することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
3. 請求項２記載のレーザ初期結晶化装置において、前記基板支持部に保持されたプロセス基板上でレーザスポットの形状が変化しないようにするオートフォーカス機構を有することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
4. 請求項１記載のレーザ初期結晶化装置において、前記基板支持部はプロセス基板を着脱するウェハ操作機構の爪を差し込むことができる基板受け部を有することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
5. 請求項１記載のレーザ初期結晶化装置において、透明窓を有する真空室を有する成膜装置を備え、前記基板支持部は前記真空室内に設けられ、前記レーザヘッドは前記真空室外に設けられていることを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
6. レーザ光源と、
   シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板を保持する基板支持部と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記基板支持部に保持されたプロセス基板上の相変化膜に収束して照射するレーザヘッドと、
   前記基板支持部と前記レーザヘッドを相対的に駆動する相対駆動手段とを備え、
   レーザ照射によって前記相変化膜を初期結晶化することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
7. 請求項６記載のレーザ初期結晶化装置において、前記相対駆動手段は前記基板支持部を一方向に駆動する手段と前記レーザヘッドを前記基板支持部の駆動方向に交差する方向に往復駆動する手段を有することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
8. 請求項６記載のレーザ初期結晶化装置において、前記相対駆動手段は前記基板支持部を回転駆動する手段と前記レーザヘッドを前記基板支持部の回転中心の方向に駆動する手段を有することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
9. 請求項８記載のレーザ初期結晶化装置において、前記基板支持部に保持されたプロセス基板の中心からの距離により同心円状にレーザ光の照射条件を変えることを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
10. レーザ光源と、
    シリコン基板上に相変化膜が設けられた段階の相変化メモリのプロセス基板を保持する基板支持部と、
    前記レーザ光源から出射したレーザ光を前記基板支持部に保持されたプロセス基板上の相変化膜に収束して照射するレーザヘッドと、
    前記基板支持部と前記レーザヘッドを相対的に駆動する相対駆動手段と、
    前記基板支持部に対して前記レーザヘッドと反対側に、プロセス基板のレーザ光照射位置の裏面に照準した赤外光センサと、
    前記赤外光センサの出力に基づいて前記レーザ光源の出力、レーザパルス周波数、レーザパルスデューティ及び／又は前記相対駆動手段による前記基板支持部又は前記レーザヘッドの駆動速度を制御する制御部とを備え、
    レーザ照射によって前記相変化膜を初期結晶化することを特徴とするレーザ初期結晶化装置。
11. 請求項１０記載のレーザ初期結晶化装置において、前記赤外光センサの出力と前記制御部による制御量との関係を記憶したメモリを備えることを特徴とするレーザ初期結晶化装置。

Images