(57)【要約】【課題】レーザー光を半導体膜に照射する半導体膜の作製方法を提供する。【解決手段】発振器からレーザー光を発振させ、シリンドリカル凹レンズ及び第一のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、レーザー光の断面の第一の方向に伸長させ、第一のレンズアレイを通過させることにより、第一の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、第二のレンズアレイを通過させることにより、第一の方向と直交する第二の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、且つ第二の方向に伸長させ、第二のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、第一の方向に収束させ、第二のシリンドリカル凸レンズを通過したレーザー光を、半導体膜に照射する。【選択図】図５
2010045411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を半導体膜に照射する半導体膜の作製方法であって、
発振器から前記レーザー光を発振させ、
シリンドリカル凹レンズ及び第一のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記レーザー光の断面の第一の方向に伸長させ、
第一のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、
第二のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向と直交する第二の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、且つ前記第二の方向に伸長させ、
第二のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第一の方向に収束させ、
前記第二のシリンドリカル凸レンズを通過したレーザー光を、前記半導体膜に照射することを特徴とする半導体膜の作製方法。
【請求項２】
レーザー光を半導体膜に照射する半導体膜の作製方法であって、
発振器から前記レーザー光を発振させ、
シリンドリカル凹レンズ及び第一のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記レーザー光の断面の第一の方向に伸長させ、
第一のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、
第二のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向と直交する第二の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、且つ前記第二の方向に伸長させ、
第二のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第一の方向に収束させ、
第三のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第二の方向における幅を概略一定とし、
前記第三のシリンドリカル凸レンズを通過したレーザー光を、前記半導体膜に照射することを特徴とする半導体膜の作製方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記半導体膜に照射されるレーザー光の断面の前記第二の方向の長さは、前期半導体膜が形成された基板の幅より長いことを特徴とする半導体膜の作製方法。
【請求項４】
レーザー光のエネルギー密度の分布をガウス分布から矩形分布にするレーザー処理方法であって、
発振器から前記レーザー光を発振させ、
シリンドリカル凹レンズ及び第一のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記レーザー光の断面の第一の方向に伸長させ、
第一のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、
第二のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向と直交する第二の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、且つ前記第二の方向に伸長させ、
第二のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第一の方向に収束させることを特徴とするレーザー処理方法。
【請求項５】
レーザー光のエネルギー密度の分布をガウス分布から矩形分布にするレーザー処理方法であって、
発振器から前記レーザー光を発振させ、
シリンドリカル凹レンズ及び第一のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記レーザー光の断面の第一の方向に伸長させ、
第一のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、
第二のレンズアレイを通過させることにより、前記第一の方向と直交する第二の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、且つ前記第二の方向に伸長させ、
第二のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第一の方向に収束させ、
第三のシリンドリカル凸レンズを通過させることにより、前記第二の方向における幅を概略一定とすることを特徴とするレーザー処理方法。
【請求項６】
レーザー光を発振する発振器と、
前記レーザー光の断面の第一の方向に伸長させるシリンドリカル凹レンズと、
前記シリンドリカル凹レンズを通過した前記レーザー光が通過するように配置された第一のシリンドリカル凸レンズと、
前記第一のシリンドリカル凸レンズからのレーザー光が通過するように配置され、前記第一のシリンドリカル凸レンズを通過した前記レーザー光の断面の第一の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にする第一のレンズアレイと、
前記第一のレンズアレイからのレーザー光が通過するように配置され、前記第一のレンズアレイを通過した前記レーザー光の断面の第二の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、かつ前記レーザー光の断面の前記第二の方向に伸長する複数のレンズでなる第二のレンズアレイと、
前記第二のレンズアレイからのレーザー光が通過するように配置され、前記第二のレンズアレイを通過した前記レーザー光の断面の前記第一の方向に収束する第二のシリンドリカル凸レンズと、を有し、
前記第二の方向は前記第一の方向と直交し、
前記第一のレンズアレイおよび前記第二のレンズアレイによって、前記レーザー光のエネルギー密度の分布をガウス分布から矩形分布にすることを特徴とするレーザー処理装置。
【請求項７】
レーザー光を発振する発振器と、
前記レーザー光の断面の第一の方向に伸長させるシリンドリカル凹レンズと、
前記シリンドリカル凹レンズを通過した前記レーザー光が通過するように配置された第一のシリンドリカル凸レンズと、
前記第一のシリンドリカル凸レンズからのレーザー光が通過するように配置され、前記第一のシリンドリカル凸レンズを通過した前記レーザー光の断面の第一の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にする第一のレンズアレイと、
前記第一のレンズアレイからのレーザー光が通過するように配置され、前記第一のレンズアレイを通過した前記レーザー光の断面の第二の方向におけるエネルギー密度の分布を均一にし、かつ前記レーザー光の断面の前記第二の方向に伸長する複数のレンズでなる第二のレンズアレイと、
前記第二のレンズアレイからのレーザー光が通過するように配置され、前記第二のレンズアレイを通過した前記レーザー光の断面の前記第一の方向に収束する第二のシリンドリカル凸レンズと、
前記第二のシリンドリカル凸レンズを通過した前記レーザー光が通過するように設けられた第三のシリンドリカルレンズと、を有し、
前記第二の方向は前記第一の方向と直交し、
前記第一のレンズアレイおよび前記第二のレンズアレイによって、前記レーザー光のエネルギー密度の分布をガウス分布から矩形分布にすることを特徴とするレーザー処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信頼性および量産性に優れ、ばらつきが小さく、歩留りの高いレーザーアニ
ール方法に関する。特に、本発明は、イオン照射、イオン注入、イオンドーピング等によ
ってダメージを受け、結晶性が著しく損なわれた被膜のレーザーアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子プロセスの低温化に関して盛んに研究が進められている。その理由の
１つは、ガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生じたからである。レーザ
ーアニール技術は究極の低温プロセスと注目されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来、レーザーアニールの条件等については、各装置や被膜の条件によ
って異なるものとして、十分な検討がおこなわれなかった。その結果、レーザーアニール
技術は非常にばらつきが大きくて、到底実用化には到らないというコンセンサスができて
いた。本発明の目的は、このような従来には認知されていなかった条件を提示し、よって
、レーザーアニールによって再現性のよい結果を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、特にイオン照射、イオン注入、イオンドーピング等のダメージによって、
被膜がアモルファス、あるいはそれに類した非常に結晶性の悪化した状態で、半導体とし
ても十分な特性の示せないような被膜を活性化せしめる目的でレーザーアニールの条件の
最適化を探していたが、その際には、レーザー光のエネルギーの条件ばかりではなく、含
まれる不純物やレーザーパルスのショット数によっても最適な条件が変動することを発見
した。
【０００５】
本発明では、活性化されるべき被膜は主としてシリコン、ゲルマニウム、あるいはシリ
コンとゲルマニウムの合金や炭化珪素等のIV族の元素から構成される被膜である。これら
の被膜は１０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さである。これらの被膜をレーザーアニールする際
には、透光性を考慮して４００ｎｍ以下の短い波長のレーザーを使用するとよいことが知
られている。
【０００６】
例えば、一般にレーザーのエネルギー密度が高ければ活性化が十分におこなわれ、シー
ト抵抗が低下するものと考えられている。しかし、実際には、不純物として燐が含まれて
いる場合には、明らかにそのような傾向が得られたとしても、不純物が硼素の場合には、
逆に高エネルギーでは劣化する。また、パルスレーザーによるアニールではパルスのショ
ット数が増加すると、結果のばらつきが少なくなるものと考えられているが、ショット数
が多くなると被膜のモフォロジーが悪化し、ミクロなばらつきが増大するという現象も生
じることが明らかになった。
【０００７】
これは、レーザーの照射を重ねることによって、被膜中に結晶の核が大きく成長するた
めだと考えられる。その結果、それまでは極めて均質であった被膜中に０．１〜１μｍ程
度のサイズで分布が生じるためである。特に、レーザーのエネルギーが大きな領域では顕
著であった。
【０００８】
また、レーザーアニールの際に被膜が大気中に露出しているのではなく、厚さ３〜３０
０ｎｍ代表的には１０〜１００ｎｍの透明な被膜によって覆われていることも必要である
ことを見出した。このような被膜はレーザー光を透過する目的から酸化珪素や窒化珪素が
適しているが、通常はこの被膜をゲート酸化膜として用いる必要から酸化珪素を主たる材
料とする被膜を用いる。もちろん、可動イオンをパッシベーションする目的からこれにリ
ンや硼素がドープされていてもよい。もし、IV族被膜がこのような透明な被膜で被覆され
ていない場合には、先に述べたような不均質性が一段と加速された。
【０００９】
このような条件を満たした上で、さらに平坦な（均質な）被膜を得るには、照射される
レーザー光のエネルギー密度をＥ〔ｍＪ／ｃｍ2 〕、レーザーパルスのショット数をＮ〔
回〕としたときに、
ｌｏｇ10Ｎ≦Ａ（Ｅ−Ｂ）
という関係があることを見出した。このＡ、Ｂは被膜に含まれている不純物によって異な
るのであるが、不純物が燐の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３５０であり、不純物が硼
素の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３００であった。また本発明は、透明な膜の代わり
に透明基板を用いてもよい。即ち、この場合のレーザー処理方法は、絶縁透明基板上に、
形成されたIV族元素を主成分とし、高エネルギーの不純物イオンを照射された被膜に波長
４００ｎｍ以下、パルス幅５０ｎｓｅｃ以下のパルス状レーザー光を照射することによっ
て半導体を活性化せしめるレーザーアニール方法において、該パルス状レーザー光は前記
絶縁透明基板を通して該被膜に照射されることと、照射されるレーザーのエネルギー密度
Ｅ〔ｍＪ／ｃｍ2 〕と照射パルス数Ｎの間に、ｌｏｇ10Ｎ≦−０．０２（Ｅ−３５０）の
関係を有することを特徴とするレーザー処理方法である。以下に実施例を示し、より詳細
に本発明を説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によって最適なレーザーアニールをおこない、よって、ばらつきが少なく信頼性
の高い半導体膜を得ることができた。このように本発明は工業上、有益なものと考えられ
る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例で使用したレーザーアニール装置の概念図を示す。
【図２】実施例で得られたレーザーアニールされたシリコン膜（燐ドープ、Ｎ型）のシート抵抗、レーザーエネルギー密度とショット数の関係を示す。
【図３】実施例で得られたレーザーアニールされたシリコン膜（燐＆硼素ドープ、Ｐ型）のシート抵抗、レーザーエネルギー密度とショット数の関係を示す。
【図４】実施例で得られたシリコン膜のモフォロジーとレーザーエネルギー密度、ショット数の関係を示す。
【図５】実施例で使用したレーザーアニール装置の光学系の概念図を示す。
【実施例】
【００１２】
本実施例では、IV族元素からなる膜（半導体膜）中に不純物を導入してＮ型とＰ型の一
方を付与し、さらにマスクを用いて前記膜の一部に不純物を導入してその部分にＮ型とＰ
型の他方を付与する。図１には本実施例で使用したレーザーアニール装置の概念図を示す
。レーザー光は発振器２で発振され、全反射ミラー５、６を経由して増幅器３で増幅され
、さらに全反射ミラー７、８を経由して光学系４に導入される。それまでのレーザー光の
ビームは３×２ｃｍ2 程度の長方形であるが、この光学系４によって長さ１０〜３０ｃｍ
、幅０．１〜１ｃｍ程度の細長いビームに加工される。この光学系を経たレーザー光のエ
ネルギーは最大で１０００ｍＪ／ショットであった。
【００１３】
光学系４の内部の光路は５のように示される。光学系４に入射したレーザー光は、シリ
ンドリカル凹レンズＡ、シリンドリカル凸レンズＢ、横方向のフライアイレンズＣ、縦方
向のフライアイレンズＤを通過する。これらフライアイレンズＣ、Ｄを通過することによ
ってレーザー光はそれまでのガウス分布型から矩形分布に変化する。さらに、シリンドリ
カル凸レンズＥ、Ｆを通過してミラーＧ（図１ではミラー９）を介して、シリンドリカル
レンズＨによって集束され、試料に照射される。
【００１４】
本実施例では、図５の距離Ｘ1 、Ｘ2 を固定し、仮想焦点Ｉ（これはフライアイレンズ
の曲面の違いによって生ずるようになっている）とミラーＧとの距離Ｘ3 、と距離Ｘ4 、
Ｘ5 とを調節して、倍率Ｍ、焦点距離Ｆを調整した。すなわち、これらの間には、
Ｍ＝（Ｘ3 ＋Ｘ4 ）／Ｘ5 、
１／Ｆ＝１／（Ｘ3 ＋Ｘ4 ）＋１／Ｘ5 、
という関係がある。なお、本実施例では光路全長Ｘ6 は約１．３ｍであった。
【００１５】
このような細長いビームに加工するのは、加工性を向上させるためである。すなわち、
短冊状のビームは光学系４を出た後、全反射ミラー９を経て、試料１１に照射されるが、
試料の幅よりも長いので、結局、試料は１つの方向にのみ移動させてゆけばよい。したが
って、試料のステージおよび駆動装置１０は構造が簡単で保守も容易である。また、試料
をセットする際の位置合わせの操作（アライメント）も容易である。
【００１６】
これに対して、正方形に近いビームであれば、それだけで基板全面をカバーすることは
不可能であるので、試料を縦方向、横方向というように２次元的に移動させなければなら
ない。しかし、その場合にはステージの駆動装置は複雑になり、また、位置合わせも２次
元的に行わなければならないので難しい。特にアライメントを手動でおこなう場合には、
その工程での時間のロスが大きく生産性が低下する。なお、これらの装置は防振台等の安
定な架台１上に固定される必要がある。
【００１７】
試料は、縦１００ｍｍ、横１００〜３００ｍｍの各種ガラス基板（例えば、コーニング
社製７０５９番ガラス）を使用した。レーザーはＫｒＦレーザー（波長２４８ｎｍ、パル
ス幅３０ｎｓｅｃ）を使用した。
【００１８】
ガラス基板上にプラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコン膜（半導体膜）を厚さ
１０ｎｍ〜１０００ｎｍ例えば１００ｎｍ形成した。これを６００℃で４８時間アニール
して結晶化させた。そして、これを島状にパターニングした。さらに、スパッタ法によっ
て厚さ７０ｎｍの酸化珪素膜を形成し、基板全面に燐をドープした。このときはいわゆる
イオンドーピング法を使用し、プラズマ源はフォスフィンＰＨ3 を使用した。加速電圧は
８０ｋＶとした。さらに、基板の一部をマスクして、硼素をイオンドーピング法によって
注入した。プラズマ源はジボランＢ2 Ｈ6 で、加速電圧は６５ｋＶであった。すなわち、
マスクされた箇所には燐が注入され、結果としてＮ型を示し、マスクされなかった箇所に
は燐と硼素が注入され、結果としてＰ型を示す。
【００１９】
そして、様々なエネルギー密度、ショット数のレーザーを照射し、レーザー活性化をお
こない、シート抵抗を測定して、モフォロジーを光学顕微鏡によって観察した。図２〜図
４にその結果を示す。
【００２０】
図２は燐イオンを注入したシリコン膜のシート抵抗とレーザー光のエネルギー密度、お
よびショット数の関係を示す。燐のドーズ量は２×１０15ｃｍ-2である。レーザーのエネ
ルギー密度が２００ｍＪ／ｃｍ2 以下では、活性化のために多くのショット数を要し、そ
れでもなお１０ｋΩ／□程度の高いシート抵抗しか得られなかったが、２００ｍＪ／ｃｍ
2 以上では、１〜１０ショットのレーザー照射で充分な活性化がおこなえた。
【００２１】
図３は硼素イオン（４×１０15ｃｍ-2）を注入したシリコン膜（半導体膜）のレーザー
活性化を示す。やはり、２００ｍＪ／ｃｍ2 以下のエネルギー密度では活性化は不十分で
多くのショット数が必要であった。一方、２００〜３００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲では、充分
に低いシート抵抗が１〜１０ショットで得られたが、３００ｍＪ／ｃｍ2 以上のレーザー
照射では、かえってシート抵抗が高くなってしまった。特に２００ｍＪ／ｃｍ2 以下の場
合とは逆に、ショット数が多いほどシート抵抗が大きくなったが、これは、多数のレーザ
ー照射によって、被膜の均一性が悪化し、結晶の粒界が成長したためである。
【００２２】
実際のプロセスでは、レーザーアニールは、Ｐ型領域もＮ型領域も同時におこなう。し
たがって、レーザーのエネルギー密度を３５０ｍＪ／ｃｍ2 に設定したら、Ｎ型領域は充
分に活性化されるが、Ｐ型領域は特性がかえって悪化してしまう。このため、本実施例の
条件では、エネルギー密度は２００〜３００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲、特に２５０〜３００ｍ
Ｊ／ｃｍ2 の範囲が好ましかった。パルス数は１〜１００パルスが良い。
【００２３】
さて、レーザーアニールによって被膜のモフォロジーに変化が生じることは先に述べた
通りであるが、実際にショット数とエネルギー密度とモフォロジーを検討すると、図４の
ような結果が得られた。ここで、Ａｎｎｅａｌｉｎｇ  Ｐｕｌｓｅとは、レーザーのショ
ット数を意味している。図の黒丸は燐ドープシリコンに於ける表面モフォロジーに変化が
現れる点を、白丸は硼素ドープシリコンに於ける変化点をそれぞれ示している。図におい
て右上の領域は膜表面のモフォロジーの悪い（粗い）状態を示し、左下はモフォロジーの
良好な（平坦な）状態を示す。燐ドープシリコンの方がレーザーに対して抵抗力が強いこ
とがわかる。この結果から、表面モフォロジーを変化させないようにレーザーアニールを
おこなうための条件は、照射されるレーザー光のエネルギー密度をＥ〔ｍＪ／ｃｍ2 〕、
レーザーパルスのショット数をＮ〔回〕としたときに、
ｌｏｇ10Ｎ≦Ａ（Ｅ−Ｂ）
とであり、不純物が燐の場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３５０であり、不純物が硼素の
場合には、Ａ＝−０．０２、Ｂ＝３００であることが導かれた。
【００２４】
モフォロジーが荒れた場合には、部分によってシリコンの特性が著しく悪化するため、
ばらつきが著しく大きくなる。実際にモフォロジーの悪い（表面の粗い）シリコン膜では
シート抵抗のばらつきは２０％以上であった。ばらつきを下げるためには上記の条件を満
たし、かつ、適正なレーザーエネルギー密度を設定しなければならない。
【００２５】
例えば、レーザーエネルギー密度を２５０ｍＪ／ｃｍ2 とした場合には、レーザーのシ
ョット数は１０回以下が望ましい。また、レーザーエネルギー密度を２８０ｍＪ／ｃｍ2 
とした場合には、レーザーのショット数は１〜３回が望ましい。このような条件でレーザ
ーアニールをおこなったときには、シート抵抗のばらつきを１０％以下におさえることが
できた。
【符号の説明】
【００２６】
１              光学架台
２              レーザー装置（発振段）
３              レーザー装置（増幅段）
４              ビーム成形光学系
５〜９          全反射ミラー
１０            試料ステージおよび駆動機構
１１            試料（ガラス基板）
【図１】
2010045411.tif 000003
【図２】
2010045411.tif 000004
【図３】
2010045411.tif 000005
【図４】
2010045411.tif 000006
【図５】
2010045411.tif 000007