JP3252403B2 - レーザ照射装置及びシリコン薄膜の形成方法 - Google Patents

レーザ照射装置及びシリコン薄膜の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体製造プロセスなど
に用いられるレーザ照射装置に関するものである。な
お、本発明のレーザ照射装置は、レーザアニールやゲッ
タリングの歪導入などの種々のレーザー装置に用いられ
ているが、以下ではレーザ照射の例として多く用いられ
ている結晶化について説明する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体集積回路の高密度化が進む
に伴い、半導体集積回路の各素子寸法の微細化を図って
横方向の集積度を向上させる他に、いったん形成された
素子構造の上に絶縁膜を全面にわたって形成し、さら
に、この絶縁膜の上に半導体薄膜を設けて、この半導体
薄膜を用いて素子を形成するというような三次元構造が
盛んに研究開発されている。とくに、絶縁膜上に形成し
た多結晶シリコン膜をレーザビームにより照射し再結晶
化させる方法が検討されている。
【0003】半導体集積回路の分野では回路の高速化が
進むに伴い半導体集積回路の各素子あるいは配線部分と
基板シリコンとの間の電気容量を小さくすることが重要
な課題となっている。これまでによく用いられているp
n接合分離と比較すると、絶縁膜上に形成したシリコン
膜を用いれば寄生容量を小さくすることができる。
【0004】この意味でレーザビームにより再結晶技術
すなわちレーザ再結晶化技術が注目されている。
【0005】また、平面画像表示装置の中で特にアクテ
ィブマトリックス方式の液晶表示装置の研究が進みブラ
ウン管方式の画像表示装置と同等以上の画質を得てい
る。高精細な画質と製造コスト低減のため、画素の薄膜
トランジスタの駆駆動回路を画素と同一の絶縁基板上に
構成する必要がある。レーザビームをシリコン薄膜に照
射して結晶化すると、駆動回路を画素と同一の絶縁基板
上に構成することができる。
【0006】これまでに、連続発振のアルゴンレーザの
ビームの照射方法が研究されシリコン基板構造の最適化
や、レーザビーム構造の最適化、あるいはレーザビーム
の走査方法の最適化により通常の集積回路作製の目的に
使用できる程度の結晶性のものが得られるまでになって
きた。アルゴンレーザのアニールに必要とする処理時間
は半導体集積回路を形成する目的に対してまだ長いとい
う問題があった。そこで、レーザアニール処理時間を短
くするためにビームの大きさが大きいエキシマパルスレ
ーザによるレーザ再結晶化が検討されている。
【0007】また、アクティブマトリクス型の液晶表示
体の分野でもエキシマレーザによるシリコン薄膜の結晶
化が検討されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パルス
レーザによる結晶化では、発振されるレーザのパルス幅
がレーザの発振装置の性能によって決まってしまうた
め、結晶化されるシリコン薄膜の膜厚や、結晶シリコン
薄膜を構成する多結晶の粒子の大きさなどが、レーザ発
振器によって制約を受け十分な性質の結晶シリコン薄膜
が得られない問題点があった。パルスレーザの照射によ
るシリコン薄膜の結晶化では、シリコン薄膜を融点以上
の温度に上昇させて結晶化する必要があるが、電子情報
通信学会技術研究報告電子デバイスED90−163、
PP55「パルスレーザアニール時のシリコン膜内過度温度
分布」の報告にもあるように、シリコン薄膜を溶融する
ためには、ある値以上のパルス幅が必要である。そこ
で、レーザ発振器の性能によりパルスレーザのパルス幅
が小さい場合、何らかの方法によりパルス幅を大きくす
る必要がある。
【0009】レーザアニールではレーザの電磁波のエネ
ルギーが、シリコン薄膜に入射したときに、熱エネルギ
ーに変化しシリコン薄膜が高温となってシリコン原子の
再配列化により結晶化が達成される。よって、レーザビ
ームによる結晶化ではレーザの電磁波エネルギーが熱エ
ネルギーに変換する効率が問題となる。
【0010】波長308nmのXeClエキシマレーザ
では、シリコン薄膜におけるレーザの浸入長が約10n
m程度であり、パルス幅が30〜50ns程度と、シリ
コン薄膜の表面からシリコン薄膜の内部に熱が伝導する
時間に比べて大変小さい。シリコン薄膜の熱伝導率が小
さいため、シリコン薄膜表面に到達したレーザの電磁波
エネルギーの一部分だけが、シリコン薄膜の結晶化に必
要な熱エネルギーに変換し、残りの部分のエネルギーは
シリコン薄膜表面でシリコン原子の気化、イオン化、プ
ラズマ化、などに消費されてしまう。
【0011】また、パルス幅が短いとシリコン薄膜の厚
みが100nm以上である場合、IEEE TRANSACTIONS ON
DEVICES. VOL.36,NO.12,PP2868-2872の報告にあるよう
に、シリコン薄膜の表面から高々50nm程度の厚みだ
け結晶化し、表面から奥の絶縁膜側では、熱エネルギー
が得られないため結晶化が進まない問題点があった。従
来のパルスビームによるアニールは図11に示すような
光学系を用いて行われていた。図11では、レーザ発振
器LSから出たレーザビームはレーザの強度を必要に応
じて減衰するアッテネーターATを通り、ビームの空間
的な強度分布を改良するレーザビーム形成部HMを通
り、ビームの大きさを必要に応じて可変するレンズ系を
通り試料の表面に到達するものであった。この光学系で
は、レーザビームのパルス幅はレーザ発振器に依存し、
必要なパルス幅にビームを改良することができない欠点
を持っていた。
【0012】本発明の目的は、パルスレーザーを応用す
るレーザーアニールにおいて、ビーム部分分割ミラーに
よって分割されたそれぞれのビームの光路の長さと空間
的エネルギー分布を変えることによって、エネルギー分
布の異なる2つのレーザービームをタイミングを変えて
被処理物体を照射することが出来るレーザー照射装置を
提供し、優れた結晶性のシリコン薄膜の形成方法を提供
することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザー照射装
置は、レーザービームを発振するレーザー光源部と、前
記レーザービームを部分的に分割する第1ミラーと、分
割されたレーザービームを分割されなかったレーザービ
ームの光路に集める第2ミラーを備え、該第2ミラーに
より集光されたレーザービームを被処理物体に照射する
レーザー照射装置において、前記第1ミラーと前記第2
ミラーの間の前記第1ミラーにより分割されたレーザー
ビームの光路と分割されなっかたレーザービームの光路
の長さを変え、少なくともどちらか一方の光路に、レー
ザービームの空間的な強度分布を変更するレーザービー
ム形成部を設けることを特徴とする。また、本発明のシ
リコン薄膜の形成方法は、請求項1記載のレーザー照射
装置における第2ミラーにより集光されたレーザビーム
を、絶縁基板上に形成されたシリコン薄膜に照射して、
該シリコン薄膜を結晶化することを特徴とする。
【0014】
【作用】本発明では、パルスレーザビームのエネルギー
をビーム分割用部分透過ミラーにより分割して、それぞ
れの分割したビームのビーム分割用部分透過ミラーから
ビーム集光用部分透過ミラーまでの光路長を変化させる
ことにより、レーザ発振器で発振されたレーザビームよ
りもパルス幅が大きいレーザビームが、レーザ照射され
る試料表面において得られることにより、レーザのエネ
ルギーを遥かに効率的に熱エネルギーに変換できるの
で、良質な結晶シリコン薄膜を製造することができる。
【0015】また、本発明は光路に設置されたレーザビ
ーム形成部とアッテネーターの作用により、空間的なレ
ーザビームのエネルギー分布を制御することができるの
で、必要な特性の結晶シリコン薄膜を自在に得ることが
可能となる。
【0016】
【実施例】次に本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。
【0017】本発明は基本的に図1に示すような構成に
なっている。レーザ発振部LSから出たパルスレーザビ
ームLBはビームのエネルギー強度を可変するアッテネ
ーターATをとおり、ビーム部分分割ミラーPMによ
り、光路B−Eを通るものと光路BーCーDーEを通る
ものにビームが分割される。M1とM2は全反射ミラー
である。複数の光路を経たビームは地点Eにあるビーム
集光用部分透過ミラーCMにより同じ光路に集められ
る。レーザ発振器LSを出たパルスビームの空間的なエ
ネルギーの強度分布は一定ではない。そこで必要に応じ
てレーザビーム形成部HMにより、ビームの空間的なエ
ネルギー強度分布を変更する。さらに、必要に応じてエ
ネルギー強度を変更するために凸レンズあるいは凹レン
ズLEにレーザビームを通過させて、レーザビームを照
射する。目的によっては、アッテネーターや、レーザビ
ーム形成部、レンズを用いずにレーザビームを試料SA
に照射してもよい。
【0018】現在代表的なXeClエキシマレーザーの
パルス幅は30〜50nsである。パルス幅が50ns
ならば、経路B−C−D−Eの道のりが経路B−Eより
も15m長ければ、光の速度が300000kms-1
あるので、経路B−C−D−Eを経たビームは、経路B
−Eを経たものよりも50ns遅れてビーム集光用部分
透過ミラーCMに到達する。そこでレーザ発振器から出
たビームが図2aに示すようなパルスならば、経路B−
C−D−Eを経たビームと経路B−Eを経たビームは、
図2bに示すような時間的に連続したビームとなって試
料面SBに到達する。この場合、試料面で得られるパル
ス幅は100nsとなる。一般的にパルス幅がτ(s)
のパルスレーザビームを、パルス幅が2τ(s)のパル
スレーザビームにするためには図1における光学系で、
光速をc(ms-1)とすれば、経路B−C−D−Eの道
のりを経路B−Eよりcτ(m)長くすれば得られる。
【0019】ビームの進行方向の垂直面についてビーム
の広がりが同じであれば、試料面に到達したビームの単
位時間あたりのエネルギーは、レーザ発振器を出たビー
ムの半分である。しかし、試料表面に到達するエネルギ
ーはレーザ発振器から出たレーザビームのエネルギーと
同じである。
【0020】シリコン薄膜中における波長308nmの
電磁波の侵入長は10nmである。ところがレーザバル
スの時間的な長さは50ns程度のため、このパルスレ
ーザが試料表面に照射されるとレーザのエネルギーは、
シリコン薄膜の表面から10nmの部分だけが瞬間的に
高温となるがシリコンの熱伝達係数が小さいため、パル
スレーザのエネルギーがシリコン薄膜の溶解のための熱
エネルギーに変化する前に、シリコン薄膜表面部分のシ
リコン原子の気化やプルズマ化に消費される。つまり、
パルスレーザの時間的な幅が短いと、シリコン薄膜は表
面だけが溶解し結晶化する。このため、厚みが100n
m以上のシリコン薄膜では、表面から50nm程度以上
の部分では十分に結晶化しない。そこで、シリコンの熱
伝達係数が小さくても、前述のように光学系を工夫して
パルス幅を大きくすると、150nm程度の厚みのシリ
コン薄膜でも十分結晶化することが可能となる。
【0021】上記の例では、ビーム部分分割部で分割さ
れたパルスビームを時間的に連続したパルスに変形した
例を示したが、経路BCDEの長さを自由に調節するこ
とにより、時間的に連続したパルスばかりでなく、不連
続なパルスに変形することによってもシリコン薄膜の結
晶化に有効な効果が得られる。例えば、パルス幅50n
sのレーザビームを、経路B−Eと経路B−C−D−E
の距離の差が30mであるような光学系を通過させると
図3のようなパルスレーザを得ることができる。
【0022】図4では、図1の方法を応用して試料の照
射面におけるレーザビームのパルス幅をレーザ発振器か
ら出たパルスビームのパルス幅の4倍にする方法を示し
ている。上記に述べた例のようにレーザ発振したレーザ
パルスのパルス幅が50nsであれば、経路H−I−J
−Kの道のりが経路H−Kより15nm長く、経路L−
M−N−Pの道のりが経路L−Pより30m長ければ、
図5に示したようなパルス幅200nsのパルスビーム
が得られる。
【0023】さらに、図6では、試料の照射面における
レーザビームのパルス幅をレーザー発振器から出たパル
スビームのパルス幅の3倍にする方法を示している。レ
ーザ発振器におけるレーザビームのパルス幅が50ns
である場合では、経路B−Iのビームと経路B−Cのビ
ームの、パルス分割部分透過ミラーPM1によるエネル
ギーの分割比が2:1であり、C−G経路のビームとC
−D経路のビームのビーム分割用部分透過ミラーPM2
のビームのエネルギーの分割比が1:1であり、経路C
−G−H−Dの道のりが経路C−Dより15m長く、経
路B−I−J−Eの道のりが経路B−C−D−Eより3
0m長いと図7に示したように、パルス幅が150ns
のレーザビームを得ることができる。
【0024】上記の例のようにパルス幅を大きくする
と、単位時間あたりのエネルギーが減少するが、試料面
に照射されるエネルギー量は、パルスを上記の光学系で
加工する以前と同じである。上記のような光学系による
レーザビームを加工することにより、レーザビームの電
磁波のエネルギーがシリコン薄膜中で効率よく熱エネル
ギーに転化するため、良好な結晶シリコン薄膜を得るこ
とが可能になる。
【0025】シリコン薄膜をビームが照射される範囲に
おいて均一な特性のシリコン結晶を得るためには、パル
スレーザービームの空間的なエネルギー強度分布を均一
にする必要がある。例えば図1の例では、レーザービー
ム形成部HMをビーム集光用部分透過ミラーと試料の間
に設置するとよい。図1ばかりでなく図4や図6の場合
でもレーザービーム形成部を設置することができる。
【0026】あるいは、目的によっては、必要に応じ
て、図8に示すようにレーザービーム形成部HMを、ビ
ーム部分分割部とビーム集光用部分透過ミラーの間の経
路B−Eと経路B−C−D−Eの間のいずれかあるいは
両方に設置することもできる。レーザー発振器から出た
レーザービームのエネルギー分布は、空間的にガウス分
布しているが、例えば図9に示すように、経路B−Eに
レーザービームのエネルギー分布を均一にするレーザー
ビーム形成部HMを設置すると、図10に示すように、
異なるエネルギー分布を持ったパルスレーザービームを
時間的に連続して試料に照射することができる。図10
で、レーザービームの光軸の法線方向を「X方向」と表
している。
【0027】更に、ビーム分割用部分透過ミラーの前後
や、ビーム集光用透過ミラーの前後にレーザビームの強
度を適切に減衰させるアッテネーターを設置することに
よってレーザビームのエネルギー強度を制御できる。
【0028】以上述べたように、ビーム分割用部分透過
ミラー、鏡、アッテネーター、ビーム集光用部分透過ミ
ラー、レーザビーム形成部を適当な距離と適当な配置を
することにより、空間的、時間的に様々なエネルギー分
布を持つパルスレーザビームを得ることができる。
【0029】これによって、半導体集積回路や、アクテ
ィブマトリックス型の薄膜トランジスタに必要な良好な
特性を有する再結晶シリコン薄膜、あるいは結晶シリコ
ン薄膜を得ることができる。
【0030】以上の実施例では、半導体集積回路やアク
ティブマトリックス型の表示帯の薄膜トランジスタのシ
リコン薄膜に付いて述べたが、本発明は上記の実施例に
限られることなく、パルスレーザを用いた、金属の特性
改質、高分子の形成・分解、化学反応、生物反応などの
分野でも応用することが可能である。
【0031】また、以上の実施例ではXeClエキシマ
レーザを例にしたが、パルスレーザはこれに限られるこ
となく、ArF,KrFなどのエキシマレーザ、YAG
レーザ、ルビーレーザなどのパルスレーザでも本発明を
応用することができる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パルスレーザによりシリコン薄膜を再結晶化、あるいは
結晶化を行うレーザ照射装置において、ビーム分割用部
分透過ミラーによってレーザビームを分割して、分割さ
れたビームの経路の道のりを変えて、さらに、ビーム集
光用部分透過ミラーで再びレーザビームの光路を同じに
することによって、ビームのパルス幅を大きくすること
により、レーザビームの電磁波エネルギーをシリコン薄
膜中で効率よく熱エネルギーに変換することにより、結
晶粒径の大きな結晶欠陥の少ない高品質の再結晶化ある
いは結晶化シリコン薄膜を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のレーザ照射装置を説明する図。
【図2】 本発明により改良されたレーザビームのパル
スを説明する図。
【図3】 本発明の第2の例により改良されたパルスを
説明する図。
【図4】 本発明の第3の例のレーザ照射装置を説明す
る図。
【図5】 本発明の第3の例のレーザー照射装置を利用
して改良されたレーザビームのパルスを説明する図。
【図6】 本発明の第4の例のレーザ照射装置を説明す
る図。
【図7】 本発明の第4の例のレーザー照射装置を利用
して改良されたレーザビームのパルスを説明する図。
【図8】 本発明の第5の例のレーザ照射装置を説明す
る図。
【図9】 本発明の第5の例のレーザー照射装置の応用
例を説明する図。
【図10】 本発明の図9のレーザ照射装置により改良
されたレーザビームのパルスを説明する図。
【図11】 従来のレーザ照射装置を説明する図。
【符号の説明】
LS レーザ発振器 AT アッテネーター PM、PM1 ビーム分割部分透過ミラー CM、CM1 ビーム集光部分透過ミラー M1、M2、M3、M4 全反射ミラー HM、HM1、HM2 レーザビーム形成部 LE 凸レンズと凹レンズの複合光学系 SA 試料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01S 3/101 H01S 3/101

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザービームを発振するレーザー光源部
    と、前記レーザービームを部分的に分割する第1ミラー
    と、分割されたレーザービームを分割されなかったレー
    ザービームの光路に集める第2ミラーを備え、該第2ミ
    ラーにより集光されたレーザービームを被処理物体に照
    射するレーザー照射装置において、前記第1ミラーと前
    記第2ミラーの間の前記第1ミラーにより分割されたレー
    ザービームの光路と分割されなっかたレーザービームの
    光路の長さを変え、少なくともどちらか一方の光路に、
    レーザービームの空間的な強度分布を変更するレーザー
    ビーム形成部を設けることを特徴とするレーザー照射装
    置。
  2. 【請求項2】請求項1記載のレーザー照射装置における
    第2ミラーにより集光されたレーザビームを、絶縁基板
    上に形成されたシリコン薄膜に照射して、該シリコン薄
    膜を結晶化することを特徴とするシリコン薄膜の形成方
    法。
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