JPH10125614A

JPH10125614A - レーザ照射装置

Info

Publication number: JPH10125614A
Application number: JP27646496A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Hashizume; 勉橋爪
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1998-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】大きいパルス幅のレーザビームが得られ、しか
も小型化されたレーザ照射装置を提供する。【解決手段】レーザ光源１１、１２と、タイミング制御
装置２０と、全反射ミラー２１、２２、２３、２５と、
選択反射ミラー２４と、レーザビーム形成部３０とを備
える。レーザ光源１２のパルス発振のタイミングをレー
ザ光源１１のパルス発振のタイミングよりも所定時間遅
くするようにタイミング制御装置２０によって制御す
る。レーザ光源１１からのレーザビーム６１とレーザ光
源１２からのレーザビーム６２とは選択反射ミラー２４
の箇所で時間的に連続しパルス幅が大きい単一のレーザ
ビーム６３となって試料に照射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ照射装置に関
し、特に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、レーザアニール用のレーザ照射装置やゲッタリ
ングのための歪導入用のレーザ照射装置等、種々のレー
ザー照射装置として用いられるが、以下では、レーザ照
射装置が多く用いられている結晶化技術を例として説明
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研究の他に、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、特に、絶縁膜上に形成した多
結晶シリコン膜等をレーザビームにより照射し再結晶化
させる方法又はアモルファスシリコン膜を結晶化させる
方法が検討されている。

【０００３】また、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ｐｎ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。この意味でもレーザビームによる結晶化技術すなわ
ちレーザ結晶化技術が注目されている。

【０００４】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。駆動回路を画素と同一の絶縁基板上
に構成するためには、レーザビームをシリコン薄膜に照
射して結晶化する技術が重要となる。

【０００５】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等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。しかしながら、アルゴンレーザによるアニール
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エネルギー
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。

【０００６】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。

【０００７】

【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。

【０００８】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。

【０００９】波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ
では、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。また、シリコン薄膜におけるＸｅＣｌ
レーザの浸入長が約１０ｎｍ程度であり、シリコン薄膜
の熱伝導率も小さい。そのため、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され、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。

【００１０】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。

【００１１】従来のパルスビームによるアニールは図４
に示すような光学系を用いて行われていた。この光学系
においては、レーザ発振器２１１から出たレーザビーム
２６１は、ビーム２６１の空間的な強度分布を改良する
レーザビーム形成部２３０を通り、試料２４０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２１１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】この点を解決し、必要なパルス幅のビーム
を得るために、本発明者は、図５に示すレーザ照射装置
を提案している。

【００１３】このレーザ照射装置１０１は、２つのレー
ザ光源１１１、１１２を備え、この２つのレーザ光源か
らのレーザ光に光路差Ｌを設けることにより、試料１４
０に照射されるレーザ光のパルス幅を改良している。

【００１４】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、光路差Ｌが１５ｍあれば、光の速度が３０００
００ｋｍｓ^-1であるので、レーザ光源１１２からのレー
ザビームは、レーザ光源１１１からのレーザビームより
も５０ｎｓ遅れて部分透過ミラー１２１に到達する。そ
こでレーザ光源１１１から出たレーザビームとレーザ光
源１１２から出たレーザビームとは、時間的に連続した
ビームとなり、その後、全反射ミラー１２２で反射され
た後レーザビーム形成部１３０を通り、試料台１５０上
の試料１４０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。

【００１５】このようにすれば、レーザ光源１１１、１
１２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１４０の表面に
おいて得られることになり、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ようになる。

【００１６】しかしながら、この従来のレーザ照射装置
では上述のように、光路差Ｌが１５ｍも必要となり、レ
ーザ照射装置の大型化を招いてしまう。

【００１７】従って、本発明の目的は、大きいパルス幅
のレーザビームが得られ、しかも小型化されたレーザ照
射装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、第１の
レーザビームをパルス発振する第１のレーザ光源と、第
２のレーザビームをパルス発振する第２のレーザ光源で
あって前記第１のレーザ光源とは異なる第２のレーザ光
源と、前記第１のレーザ光源による第１のレーザビーム
の発振後所定の時間経過後に前記第２のレーザ光源によ
る第２のレーザビームを発振させるべく、前記第１のレ
ーザ光源のパルス発振と前記第２のレーザ光源のパルス
発振との間のタイミングを制御可能なタイミング制御手
段と、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビー
ムとを被照射物の同一の被照射箇所に照射可能な光学系
と、を備えることを特徴とするレーザ照射装置が提供さ
れる。

【００１９】このようにすれば、第１のレーザビームと
第２のレーザビームとの間に所定の時間差を設けること
ができ、それにより被照射物の被照射箇所に到達するレ
ーザビームのパルス幅を実質的に大きくできる。

【００２０】しかも、第１のレーザビームと第２のレー
ザビームとの間に所定の時間差を設けるために第１のレ
ーザ光源のパルス発振と第２のレーザ光源のパルス発振
との間のタイミングを制御可能なタイミング制御手段を
用いているから、第１のレーザ光源による第１のレーザ
ビームの光路と第２のレーザ光源による第２のレーザビ
ームの光路との間に光路差を設ける必要ななくなり、そ
の結果レーザ照射装置を小型化できる。

【００２１】好ましくは、前記第１のレーザビームと前
記第２のレーザビームとが同一種類のレーザビームであ
る。

【００２２】また、好ましくは、前記第１のレーザビー
ムと前記第２のレーザビームがエキシマーレーザビーム
である。

【００２３】また、好ましくは、前記第１のレーザビー
ムと前記第２のレーザビームがＹＡＧレーザビームであ
る。

【００２４】また、前記第１のレーザビームによる所定
の処理が終了する前に前記第２のレーザビームが照射さ
れることが好ましい。

【００２５】この場合に、必ずしも、前記第１のレーザ
ビームのパルスの一部と前記第２レーザビームのパルス
の一部とが時間的に重ならなくとも所定の処理ができる
場合もあるが、前記第１のレーザビームのパルスの一部
と前記第２レーザビームのパルスの一部とが時間的に重
なる方が好ましい。

【００２６】また、前記第１のレーザビームと前記第２
のレーザビームとを被照射物の同一の被照射箇所に照射
するためには、前記第１のレーザビームと前記第２のレ
ーザビームとを同一の光路に集めずに被照射箇所に至る
までは別々の光路とすることもできるが、好ましくは、
前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを
同一光路に集める光学系を使用する。このようにすれ
ば、同一の光路に集められた後には光路は１つとなるの
で、その後の光学系は１つの光路について設ければよく
なり、その分、装置構成も簡単となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態の
レーザ照射装置を説明するための図である。

【００２８】このレーザ照射装置１は、２つのレーザ光
源１１、１２と、タイミング制御装置２０と、全反射ミ
ラー２１、２２、２３、２５と、選択反射ミラー２４
と、レーザビーム形成部３０とを備えている。この選択
反射ミラー２４は、レーザビーム６１に対しては全反射
ミラーとして働き、レーザビーム６２に対しては単なる
透明板として働く機能を有するミラーである。この選択
反射ミラー２４として例えば偏光ビームスプリッタを用
いることができる。本実施の形態においては、レーザ光
源１１、１２として、ＸｅＣｌエキシマーレーザ光源を
使用した。なお、エキシマーレーザに代えてＹＡＧレー
ザを使用することもできる。

【００２９】次に、図１、図２を参照して、本実施の形
態のレーザ照射装置１の動作を説明する。

【００３０】図２（Ａ）に示すように、レーザ光源１１
から時間Ｔ１において、パルス幅Ｗ１のレーザビーム６
１が出射し、全反射ミラー２１で反射され、選択反射ミ
ラー２４に到達する。また、レーザ光源１２から時間Ｔ
３において、パルス幅Ｗ２のレーザビーム６２が出射
し、全反射ミラー２２及び２３で反射され、やはり選択
反射ミラー２４に到達する。このレーザ光源１１のパル
ス発振とレーザ光源１２のパルス発振との間のタイミン
グはタイミング制御装置２０によって制御される。本実
施の形態では、レーザ光源１２によるレーザビーム６２
の最初とレーザ光源１１によるレーザビーム６１の最後
とを一致させるタイミングとした。なお、レーザビーム
６１のパルス幅Ｗ１とレーザビーム６２のパルス幅Ｗ２
とは同じとした。

【００３１】レーザビーム６１は選択反射ミラー２４に
より反射され、レーザビーム６２は選択反射ミラー２４
を透過して、時間的に連続しパルス幅がＷ３の単一のレ
ーザビーム６３となり、その後全反射ミラー２５によっ
て反射された後、レーザビーム形成部３０によって空間
的な強度分布が改良され、試料台５０上の試料４０に到
達する。

【００３２】本実施の形態では、レーザ光源１２による
レーザビーム６２の最初とレーザ１１によるレーザビー
ム６１の最後とを一致させており、また、レーザビーム
６１のパルス幅Ｗ１とレーザビーム６２のパルス幅Ｗ２
とは同じだから、レーザ光源１１によるレーザビーム６
１やレーザ光源１２によるレーザビーム６２のほぼ２倍
のパルス幅Ｗ３を持つレーザビーム６３が得られる。

【００３３】このように、レーザ光源１１のパルス発振
とレーザ光源１２のパルス発振との間に所定の時間差を
設けることにより、試料４０に照射されるレーザビーム
６３のパルス幅を改良している。そして、こうすること
によって、図５のレーザ照射装置１０１のように光路差
Ｌを設ける必要がなくなり、本実施の形態のレーザ照射
装置１が小型化される。

【００３４】次に、本実施の形態のレーザ照射装置１を
用いてシリコン薄膜を処理する場合について説明する。

【００３５】シリコン薄膜中における波長３０８ｎｍの
ＸｅＣｌエキシマーレーザの電磁波の浸入長は約１０ｎ
ｍである。ＸｅＣｌエキシマーレーザのパルス幅は最大
で５０ｎｓ程度のため、このパルスレーザが単独で試料
表面に照射されると、シリコン薄膜の表面から１０ｎｍ
の部分が瞬間的に高温となるが、シリコンの熱伝達係数
が小さく、エキシマーレーザのパルス幅も小さいため、
パルスレーザのエネルギーがシリコン薄膜の溶融のため
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ラズマ化に消費される。つま
り、パルスレーザーの時間的な幅が短いと、シリコン薄
膜は表面だけが溶融し結晶化する。このため、厚みが１
００ｎｍ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。

【００３６】これに対して、本実施の形態のように、試
料表面に到達するエキシマーレーザビームのパルス幅を
２倍の約１００ｎｓ程度にまで大きくすると、たとえ、
シリコンの熱伝達係数が小さくても、１５０ｎｍ程度の
厚みのシリコン薄膜までも十分結晶化することが可能と
なる。

【００３７】また、シリコン薄膜の厚さが薄くても、レ
ーザ光のパルス幅が小さいとシリコンの大粒径化ができ
ず、十分な電子やホールの移動度が得られない。そこ
で、本実施の形態のように、試料表面に到達するエキシ
マーレーザビームのパルス幅を２倍の約１００ｎｓ程度
にまで大きくすると、大粒径のシリコン膜が得られ、高
い移動度が得られるようになる。

【００３８】また、プラズマＣＶＤ法によって形成した
アモルファスシリコン膜は、水素を含有しているが、こ
のアモルファスシリコン膜を単一のエキシマーレーザ光
源からのレーザビームでアニールしても、パルス幅が短
く、アニール時間も短いので、水素が十分離脱すること
が困難であり、多結晶化することも困難である。そこ
で、本実施の形態のように、試料表面に到達するエキシ
マーレーザビームのパルス幅を２倍の１００ｎｓ程度に
まで大きくすると、アニール時間が長くなり、その結
果、水素が十分離脱することでき、プラズマＣＶＤ法に
よって形成したアモルファスシリコン膜を多結晶化でき
るようになる。このプラズマＣＶＤ法によればシリコン
薄膜をより低い温度で形成できるので、融点や軟化点の
より低い材料上に多結晶シリコンを形成できるようにな
る。

【００３９】なお、図２においては、レーザ光源１２に
よるレーザビーム６２の最初とレーザ光源１１によるレ
ーザビーム６１の最後とを一致させるタイミングとなる
ように、レーザ光源１１のパルス発振とレーザ光源１２
のパルス発振との間のタイミングをタイミング制御装置
２０で制御したが、図３に示すようにレーザ光源１２に
よるレーザビーム６２の最初の部分とレーザ光源１１に
よるレーザビーム６１の最後の部分とを一部重複させる
ことによって、完全な矩形でないパルス波形のエキシマ
ーレーザを用いた場合であっても、時間的に均一なレー
ザビーム６３を試料に照射できる。

【００４０】なお、本実施の形態では、図１に示すよう
に、試料４０の手前にレーザビーム形成部３０を設けて
いるので、パルスレーザビームの空間的なエネルギー強
度分布を均一にすることができ、レーザビームが照射さ
れる範囲において均一な特性のシリコン結晶を得ること
ができる。

【００４１】以上のように、本実施の形態のレーザ照射
装置１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。

【００４２】また、それのみならず、本発明は、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。

【００４３】また、上記一実施の形態では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、Ｙ
ＡＧレーザ、ルビーレーザなどのパルスレーザでも本発
明を適用することができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、小型のレーザ照射装置
を使用しても、大きいパルス幅のレーザビームが得られ
る。

【００４５】そして、このようにレーザビームのパルス
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
することができるようになり、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
膜が得られる。また、プラズマＣＶＤ法により形成した
水素含有アモルファスシリコン薄膜も多結晶化できるよ
うになるので、シリコン薄膜をより低温で形成できるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のレーザ照射装置を説明
するための図である。

【図２】本発明の一実施の形態のレーザ照射装置による
レーザパルスを説明するための図である。

【図３】本発明の一実施の形態のレーザ照射装置による
レーザパルスを説明するための図である。

【図４】従来のレーザ照射装置を説明するための図であ
る。

【図５】従来のレーザ照射装置を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１１、１２、１１１、１１２、２１１…レーザ光源２０…タイミング制御装置２１、２２、２３、２５、１２２…全反射ミラー２４…選択反射ミラー１２１…部分透過ミラー３０、１３０、２３０…レーザビーム形成部４０、１４０、２４０…試料５０、１５０…試料台６１、６２、６３…レーザビームＬ…光路差

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のレーザビームをパルス発振する第１
のレーザ光源と、第２のレーザビームをパルス発振する第２のレーザ光源
であって前記第１のレーザ光源とは異なる第２のレーザ
光源と、前記第１のレーザ光源による第１のレーザビームの発振
後所定の時間経過後に前記第２のレーザ光源による第２
のレーザビームを発振させるべく、前記第１のレーザ光
源のパルス発振と前記第２のレーザ光源のパルス発振と
の間のタイミングを制御可能なタイミング制御手段と、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを
被照射物の同一の被照射箇所に照射可能な光学系と、を備えることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】前記第１のレーザビームと前記第２のレー
ザビームとが同一種類のレーザビームであることを特徴
とする請求項１記載のレーザ照射装置。
【請求項３】前記第１のレーザビームと前記第２のレー
ザビームがエキシマーレーザビームであることを特徴と
する請求項１または２記載のレーザ照射装置。
【請求項４】前記第１のレーザビームと前記第２のレー
ザビームがＹＡＧレーザビームであることを特徴とする
請求項１または２記載のレーザ照射装置。
【請求項５】前記第１のレーザビームによる所定の処理
が終了する前に前記第２のレーザビームが照射されるこ
とを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレー
ザ照射装置。
【請求項６】前記第１のレーザビームのパルスの一部と
前記第２レーザビームのパルスの一部とが時間的に重な
ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の
レーザ照射装置。
【請求項７】前記光学系が、前記第１のレーザビームと
前記第２のレーザビームとを同一光路に集める光学系で
あることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載
のレーザ照射装置。