(57)【要約】【課題】固体レーザの波長変換光を用いた半導体膜のレーザアニールにおいて、レーザビームの吸収率を高め、かつ膜厚の影響を低減することができるレーザアニール方法および装置を提供する。【解決手段】半導体膜１ａの入射面に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビーム４を発生させ、ｐ偏光のレーザビーム４を、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜に照射する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを用いた半導体膜のレーザアニール方法であって、
半導体膜に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビームを発生させ、
該ｐ偏光のレーザビームを、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜に照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記レーザビームは、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ又はＹＡＧの固体レーザビームであり、
該固体レーザビームの波長は、５３２ｎｍ、５２７ｎｍ、又は３５５ｎｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
前記入射角度θは、膜厚５０ｎｍ以上の半導体膜に対して、６５°以上、８５°以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記入射角度θは、半導体膜のブリュースター角度に対して±５°以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項５】
前記半導体膜は、非結晶膜または多結晶膜である、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項６】
レーザビームを用いた半導体膜のレーザアニール装置であって、
半導体膜に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビームを発生するレーザ発生装置と、
前記ｐ偏光のレーザビームを、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜に照射する照射装置とを備えた、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項７】
前記照射装置は、入射角度θを可変調整可能な照射角度調整器を有する、ことを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール装置。
【請求項８】
前記レーザ発振器のレーザビームは、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ又はＹＡＧの固体レーザビームであり、
該固体レーザビームの波長は、５３２ｎｍ、５２７ｎｍ、又は３５５ｎｍである、ことを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを用いて半導体膜のアニールを行うためのレーザアニール方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザアニールとは、絶縁基板上に形成された半導体膜にレーザビームを照射して結晶性を向上させる処理をいう。絶縁基板としては、石英基板やガラス基板が用いられる。ガラス基板は、石英基板と比較して大面積基板に適しており、既に基板サイズ６００ｍｍ×７２０ｍｍが実用化されている。
半導体膜には、珪素膜（Ｓｉ）が一般的であり、非結晶膜（アモルファスＳｉ：ａ−Ｓｉ）や多結晶膜（多結晶Ｓｉ：ｐ−Ｓｉ）がレーザアニールの対象となる。
【０００３】
半導体・液晶の分野で、ガラス基板上に成膜したアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）を多結晶化する手段として、レーザアニールが用いられている。
このレーザアニール用のレーザとして、従来は主にエキシマレーザが用いられていた。エキシマレーザは、紫外光を発するため珪素膜（Ｓｉ）の吸収性が高く、また大出力を有しているため生産性が高い利点がある。
しかし、エキシマレーザは高価で寿命が短くメンテナンス性が低いため、これにかわるレーザビームとして近年、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４等の固体レーザの波長変換光（可視領域光）を利用したレーザアニールが提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
また、多結晶Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）や結晶Ｓｉのデバイスにおいても、不純物の活性化等のプロセスに、固体レーザの波長変換光が利用できると注目されている。
【０００４】
特許文献１の方法は、高い干渉性を有するレーザビームのエネルギー分布を均一化することを目的とし、図６に示すように、レーザビームの進行方向に直角である第一の方向においてレーザビームを互いに独立である偏光方向を有する２つのレーザビーム５１，５２に分割し、２つのレーザビームを照射面５３またはその近傍で１つに合成し、レーザビームの進行方向に直角であり、かつ、第一の方向に直角な第二の方向においてレーザビームを互いに異なる光路長を有する複数のレーザビームに分割し、複数のレーザビームを照射面５３またはその近傍で１つに合成することを特徴とするものである。
【０００５】
特許文献２の装置は、特性の良い半導体膜を生成できることを目的とし、図７に示すように、基板の有する半導体膜６１を活性化または結晶化しうるレーザ光を出力するレーザ発振器６２を有するレーザ光学系６３と、その基板を支持する基板支持構造とを備え、基板の照射面でのレーザ光６４の光軸と基板の照射面直交軸との交差角度が所定の値δになるように構成することを特徴とするものである。
所定の値δは、原理上基板表面で反射したレーザ光と基板裏面で反射したレーザ光が干渉をおこさない範囲であり、好ましくは、１０度以上で３０度以下である。
【０００６】
特許文献３の方法は、非晶質シリコン膜のレーザアニール処理においてエネルギー利用効率の向上をはかることを目的とし、図８に示すように、固体レーザ発振装置７１から発振されたレーザ光７２を波長変換結晶７３に通して得られる第２高調波７４を用いて非晶質シリコン膜７５にレーザアニール処理を施す半導体装置の製造方法であって、波長変換して得られる第２高調波７４と、波長変換されずに波長変換結晶を通過した基本波７２とを合せた混合波を、非晶質シリコン膜７５に照射するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１９０４５４号公報、「レーザビームの加工方法、レーザ照射装置、並びに半導体装置の作製方法」
【特許文献２】特開２００２−２３１６５５号公報、「レーザアニール装置」
【特許文献３】特開２００３−３４７２３７号公報、「半導体装置の製造方法およびその製造装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
レーザアニール用のレーザとして、従来は主に用いられていたエキシマレーザの波長は、紫外光である３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ）、２４８ｎｍ（ＫｒＦ）であり、珪素膜（Ｓｉ）の吸収性が高く、吸収率は膜厚２０〜８０ｎｍのａ−Ｓｉに対して４０〜５０％前後であった。
これに対して、レーザアニール用の固体レーザの波長は、吸収率を高めるため、波長変換光を用いるが、その場合でも、可視領域光である例えば、５２７ｎｍ（ＹＬＦ）、５３２ｎｍ（ＹＡＧ、ＹＶＯ４）であり、吸収率が低い（通常２０％未満）問題点があった。
また、固体レーザの吸収率は、膜厚の影響が大きく、膜厚２０〜８０ｎｍのａ−Ｓｉに対して、吸収率が約１５％から約５０％まで変化する問題点があった。そのため、ａ−Ｓｉ成膜時の膜厚の不均一性により、ｐ−Ｓｉの結晶状態が場所により変わってしまう問題があった
【０００９】
本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、固体レーザの波長変換光を用いた半導体膜のレーザアニールにおいて、レーザビームの吸収率を高め、かつ膜厚の影響を低減することができるレーザアニール方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
固体レーザの可視光を用いた場合のａ−Ｓｉ、ｐ−Ｓｉの吸収率を検討した結果、入射角度を大きくしていった際に、レーザビームの吸収率の変化がｐ偏光とｓ偏光で大きく変わることがわかった。
特に、ｐ偏光の場合は、入射角度の増加につれ吸収率が大きくなり、膜厚５０ｎｍ以上の場合、４０°以上の入射角度において、非結晶膜または多結晶膜の両方において、５０％を超える高い吸収率となることがわかった。
これは、半導体膜のブリュースター角度（ａ−Ｓｉ：７８．４°、ｐ−Ｓｉ：７６．３°）に近づくにつれ、ｐ偏光の反射率が小さくなるためと考えられる。
また、膜厚に対する吸収率変化を各入射角度で見積もった結果、入射角度が大きくなるにつれ、膜厚に対する吸収率変化量は小さくなり、とくに入射角度８０°ではほぼ一定になることがわかった。
本発明は、かかる新規の知見に基づくものである。
【００１１】
すなわち、本発明によれば、レーザビームを用いた半導体膜のレーザアニール方法であって、
半導体膜に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビームを発生させ、
該ｐ偏光のレーザビームを、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜に照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザビームは、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ又はＹＡＧの固体レーザビームであり、
該固体レーザビームの波長は、５３２ｎｍ、５２７ｎｍ、又は３５５ｎｍである。
【００１３】
また、前記入射角度θは、膜厚５０ｎｍ以上の半導体膜に対して、６５°以上、８５°以下である。
また、前記入射角度θは、半導体膜のブリュースター角度に対して±５°以下である、のがよい。
【００１４】
また、前記半導体膜は、非結晶膜または多結晶膜である。
【００１５】
また、本発明によれば、レーザビームを用いた半導体膜のレーザアニール装置であって、
半導体膜に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビームを発生するレーザ発生装置と、
前記ｐ偏光のレーザビームを、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜に照射する照射装置とを備えた、ことを特徴とするレーザアニール装置が提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記照射装置は、入射角度θを可変調整可能な照射角度調整器を有する。
【００１７】
また、前記レーザ発振器のレーザビームは、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ又はＹＡＧの固体レーザビームであり、
該固体レーザビームの波長は、５３２ｎｍ、５２７ｎｍ、又は３５５ｎｍである、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上述した本発明の方法及び装置によれば、半導体膜に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビームを、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜に照射するので、ｐ偏光の反射率を小さくでき、レーザビームの吸収率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明のレーザアニール装置を構成するレーザ発振器１０の構成図である。このうち、（Ａ）は外部波長変換方式、（Ｂ）は内部波長変換方式である。
図１（Ａ）（Ｂ）において、５はレーザ固体媒体（例えばＹＡＧロッド）、６はレーザ媒体を励起させるレーザダイオード、７，８はファブリ・ペロー型の共振器を構成する反射ミラーである。この構成により、反射ミラー７，８の間で固体媒体で決まる赤外レーザビーム２が発生・増幅される。
図において、９は波長変換結晶であり、赤外レーザビーム２の波長を１／ｎ（ｎは整数：２又は３）にする機能を有する。波長変換結晶９は、（Ａ）では反射ミラー７，８の外部、（Ｂ）は反射ミラー７，８の内部に設けられる。
波長変換結晶９は、波長を変換すると同時にその偏光方向を揃える作用を有する。そのため、この構成により、外部に発振（放射）されるレーザビームは、波長が赤外レーザビーム２の１／ｎの偏光レーザビーム３となる。
【００２１】
図２は、本発明によるレーザアニール装置の全体構成図であり、（Ａ）は第１実施形態図、（Ｂ）は第２実施形態図である。
図２（Ａ）（Ｂ）において、本発明のレーザアニール装置は、レーザ発生装置１１と照射装置１４を備える。
レーザ発生装置１１は、半導体膜１ａの入射面に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビーム４を発生する機能を有する。この例において、レーザ発生装置１１は、レーザ発振器１０と変換装置１２からなる。
【００２２】
レーザ発振器１０は、上述した外部波長変換方式（Ａ）、又は内部波長変換方式（Ｂ）のレーザ発振器いずれでもよい。また、このレーザ発振器１０の偏光レーザビーム３は、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ又はＹＡＧの固体レーザビームであり、この固体レーザビームの波長は、５３２ｎｍ、５２７ｎｍ、又は３５５ｎｍであることが好ましい。
【００２３】
すなわち、レーザ発振器１０は、可視領域の偏光レーザビーム３を発生する。この偏光レーザビーム３の偏光方向すなわち電場ベクトルは、この例では、絶縁基板１上に形成された半導体膜１ａの入射面（図で上面）に対し垂直なｓ偏光である。なおｓ偏光をこの図では上下向きの矢印で示す。
【００２４】
変換装置１２は、ｓ偏光である偏光レーザビーム３を半導体膜に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビーム４に変換する機能を有する。なおｐ偏光をこの図では中心が黒丸の二重円で示す。
変換装置１２として、λ／２板を用いることができる。λ／２板は、入射したビームの偏光方向を、素子の軸となす角度θの２倍だけ、回転させる効果がある。
なお、偏光レーザビーム３がｐ偏光である場合には、変換装置１２を省略することができる。
【００２５】
照射装置１４は、ｐ偏光のレーザビーム４を、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜１ａの入射面に照射する機能を有する。入射角度θは、膜厚５０ｎｍ以上の半導体膜１ａに対して、６５°以上、８５°以下であるのがよい。また、この入射角度θは、半導体膜のブリュースター角度に対して±５°以下の範囲であるのが更に好ましい。
【００２６】
図２（Ａ）において、照射装置１４は、固定反射ミラー１５ａ、集光レンズ１５ｂ、可変反射ミラー１５ｃ、ミラー傾動装置１５ｄからなる。固定反射ミラー１５ａと可変反射ミラー１５ｃでレーザビーム４を半導体膜１ａの所望の位置に照射し、集光レンズ１５ｂでその位置に集光させる。またミラー傾動装置１５ｄで可変反射ミラー１５ｃの傾きを制御し、入射角度θを所望の角度に調整するようになっている。
【００２７】
図２（Ｂ）において、照射装置１４は、固定反射ミラー１６ａ、可変集光レンズ１６ｂ、レンズ移動装置１６ｃからなる。固定反射ミラー１６ａと可変集光レンズ１６ｂでレーザビーム４を半導体膜１ａの所望の位置に照射し、可変集光レンズ１６ｂでその位置に集光させる。またレンズ移動装置１６ｃで可変集光レンズ１６ｂの位置又は傾きを制御し、入射角度θを所望の角度に調整するようになっている。
【００２８】
上述した装置を用いて、本発明の方法では、半導体膜１ａの入射面に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビーム４を発生させ、このｐ偏光のレーザビーム４を、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜１ａの入射面に照射する。
レーザビームは、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ又はＹＡＧの固体レーザビームであり、固体レーザビームの波長は、５３２ｎｍ、５２７ｎｍ、又は３５５ｎｍであるのがよい。
また、入射角度θは、膜厚５０ｎｍ以上の半導体膜に対して、４０°以上、かつ半導体膜のブリュースター角度以下であるのがよい。
また、半導体膜１ａは、非結晶膜（例えばａ−Ｓｉ膜）または多結晶膜（例えばｐ−Ｓｉ膜）であるのがよい。
【００２９】
図３は、ｐ偏光とｓ偏光の吸収率の比較図であり、（Ａ）はａ−Ｓｉ膜の場合、（Ｂ）はｐ−Ｓｉ膜の場合である。また、各図において、横軸は入射角度、縦軸は吸収率、図中のＩｐはｐ偏光の吸収率、Ｉｓはｓ偏光の吸収率である。なおこの例は、固体レーザビームの波長が５３２ｎｍ、半導体膜の膜厚が５０ｎｍの場合である。
【００３０】
図３（Ａ）（Ｂ）から、固体レーザの可視光を用いた場合のａ−Ｓｉ膜とｐ−Ｓｉ膜の吸収率は、ｐ偏光とｓ偏光で大きく異なることがわかる。
特に、ｐ偏光の場合は、入射角度の増加につれ吸収率が大きくなり、膜厚５０ｎｍの場合、入射角度８０°でａ−Ｓｉ膜で８２％、ｐ−Ｓｉ膜７７％の高い吸収率となることがわかる。
従って、レーザビームを用いた半導体膜のレーザアニールには、ｐ偏光のレーザビームの方が、膜厚５０ｎｍ以上の半導体膜に対して、入射角度が６５°以上、８５°以下の範囲（図中のＡ）で高い吸収率が得られることがわかる。
これは、ブリュースター角度（ａ−Ｓｉ膜：７８．４°、ｐ−Ｓｉ膜：７６．３°）に近づくにつれ、ｐ偏光の反射率が小さくなるためと考えられる。
ブリュースター角度との関係では、入射角度θは、膜厚に関係なく、半導体膜のブリュースター角度に対して±５°以下の範囲（図中のＢ）であるのがよい。
【００３１】
図４は、波長が異なる固体レーザビームのｐ偏光の吸収率を示す図であり、（Ａ）はａ−Ｓｉ膜の場合、（Ｂ）はｐ−Ｓｉ膜の場合である。また、各図において、横軸は入射角度、縦軸は吸収率、図中の各曲線は、固体レーザビームの波長が５２７ｎｍ、３５５ｎｍの場合であり、半導体膜の膜厚は５０ｎｍで共通である。
図４（Ａ）（Ｂ）から、固体レーザビームの波長が異なる場合でも、ｐ偏光の場合は、入射角度の増加につれ吸収率が大きくなり、膜厚５０ｎｍの場合、入射角度８０°でａ−Ｓｉ膜で８２％、ｐ−Ｓｉ膜７７％の高い吸収率となることがわかる。
従って、レーザビームを用いた半導体膜のレーザアニールには、ｐ偏光のレーザビームの方が、高い吸収率が得られる。
【００３２】
図５は、ｐ偏光における膜厚と吸収率の関係図であり、（Ａ）はａ−Ｓｉ膜の場合、（Ｂ）はｐ−Ｓｉ膜の場合である。また、各図において、図中に曲線は、入射角度θを０，４０，６０，７０，８０°に変化させた場合を示している。
【００３３】
図４（Ａ）（Ｂ）から、入射角度が大きくなるにつれ、膜厚に対する吸収率変化量は小さくなり、特に入射角度８０°ではほぼ一定になることがわかる。
従って、ｐ偏光の光を、入射角度６５°以上、８５°以下の範囲（さらに好ましくは、半導体膜のブリュースター角度に対して±５°以下の範囲）で入射させることで、ａ−Ｓｉ膜やｐ−Ｓｉ膜のレーザの吸収率を大きく増やすことができ、レーザパワーを有効に活用することができる。
また、装置のスループットを大幅に向上させることができる。
また、入射角度を増やすことで、ａ−Ｓｉ、ｐ−Ｓｉの膜厚に対する吸収率変化を軽減させることができ、ａ−Ｓｉ成膜時の膜厚不均一性による結晶状態のムラを無くすことが可能となる。
【００３４】
上述したように、本発明の方法及び装置によれば、半導体膜に対して電場ベクトルが平行なｐ偏光のレーザビームを、レーザビームの吸収率が５０％を超える入射角度θで半導体膜に照射するので、ｐ偏光の反射率を小さくでき、レーザビームの吸収率を高めることができる。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のレーザアニール装置を構成するレーザ発振器の構成図である。
【図２】本発明によるレーザアニール装置の全体構成図である。
【図３】ｐ偏光とｓ偏光の吸収率の比較図である。
【図４】波長が異なる固体レーザビームのｐ偏光の吸収率を示す図である。
【図５】ｐ偏光における膜厚と吸収率の関係図である。
【図６】特許文献１の方法の模式図である。
【図７】特許文献２の装置の模式図である。
【図８】特許文献３の方法の模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  絶縁基板、１ａ  半導体膜、２  赤外レーザビーム、３  偏光レーザビーム、
５  レーザ固体媒体（ＹＡＧロッド）、６  レーザダイオード、
・  反射ミラー、９  波長変換結晶、
１０  レーザ発振器、１１  レーザ発生装置、
１２  変換装置（λ／２板）、１４  照射装置、
１５ａ  固定反射ミラー、１５ｂ  集光レンズ、
１５ｃ  可変反射ミラー、１５ｄ  ミラー傾動装置、
１６ａ  固定反射ミラー、１６ｂ  可変集光レンズ、
１６ｃ  レンズ移動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008066356.tif 000009
【図８】
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