JPS6012129A - ポリシリコン膜のアニ−ル処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は集積回路の製造プロセスにおいてレーザを用い
たアニール処理法の改良に関するものである。

〔従来の技術および発明の目的〕

集積回路を製造する分野において、いかにしてポリシリ
コン膜の結晶性を良好にするか（すなわち、いかにして
適当な核生成条件および温度プロフィル条件のもとでポ
リシリコン膜全体を単結晶シリコンに転換するか）とい
うことは長年の課題であり、これら装置を実際に製造す
る工程にレーザによるアニール処理を用いるべく数多く
の研究が行なわれている。しかしながらこのような処理
方法の大きな難点は、アニール処理を施したポリシリコ
ン膜に生ずる応力にある。

故に本発明の第一の目的はポリシリコン膜のアニーリン
グを行なうに際してアニール処理を施したポリシリコン
膜に応力が生じないようにづることにある。

公知のポリシリコンアニーリング法は可視領域の波長、
たとえばアルゴシレーザの発振による波長５１４ｎｉま
たは４８８１１１１１やネオジウム（Ｎｄ）レーザ（た
とえばＹＡＧレーザなと）の発振による波長５３０　ｎ
ｍまたは１１０６０ｎを用いて行なうのが典型的である
。このような短波長レーザはポリシリコン膜の表面近傍
での吸収性が高く、このためポリシリコン膜の厚み方向
にきわめて大きな温度勾配が現れる。このことはアニー
ル処理されたポリシリコンの粒度が他の処理方法を用い
た場合にくらべて小さくなるということにほかならない
。

従って本発明の第二の目的はポリシリコン膜のアニーリ
ングを行なうに際してアニール処理を施したポリシリコ
ンの粒度を大きくすることにある。

さらに上記のような問題を回避す′るために従来行なわ
れている方法は、基板全体をある温度、たとえば３５０
℃ないし５００’Ｃに加熱する°方法である。しかしこ
の程度の温度による加熱でも集積回路の製造プロレスに
よっては好ましくないことがある。いずれにして、も基
、板を加熱することにより、レーザによる処理、工程の
スループッ１〜を大幅に低下させることになる。

故に本発明の第三の目的はポリシリコン膜のアニーリン
グを行なうに際して基板を加熱Ｊる必要がないようにす
ることにある。

従来の方法におけるもうひとつの欠点は、レーザ出力が
ほとんどすべてポリシリコン膜のきわめて浅い表面領域
に吸収される結果、・レーザ出力が大きすぎると表面領
域に損傷を与えるおそれがあり、このため使用しうるレ
ーザ出力密度の範囲が限られたものとなる。

一方、シリコン膜をシリカ上で再成長さＵるに当って波
長の長い炭酸ガスレーザを用いることにより温度プロフ
ィルを向上させることについては「ＣＯレーザによる溶
融シリカ上シリコンの再結晶化」　（米国における「材
料研究会Ｊ１９８１年１１月″り会で゛の報告）にその
示唆がある。

〔問題点を解決しようとするだめの手段〕上記のような
従来の問題点を解決するため゛に、本発明はポリシリコ
ン膜を第一の波長を有する光および第二の波長を有ず゛
る光で同時に照射し、第一の波長を有する光はポリシリ
コンにｉＢＬノる吸収性の高い波長とし、第二の波長を
有する光はポリシリコンに対して有意の吸収性を示さな
い波長としたことを特徴とするポリシリコン膜の７二−
ル処理方法を提供するものである。

（発明の構成〕 次に図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

ポリシリコン膜を絶縁基板、とくに二酸化シリコンまた
は窒化シリコンの基板上で再成長させる際、微結晶の成
長はパルスレーザを使用した場合、粒度的３ないし１０
ミクロンで停止することが観察されている。この場合、
通常は下層の酸化物（または窒化物）は実際にはクラッ
クを”生ずるには至らないが、ポリシリコンと絶縁層の
熱膨張係数が異なるために、ポリシリコンおよび酸化物
の両方に応力が発生する。酸化物に生じた応力は競合核
生成部位の発生を招きやりく、従ってポリシリコンの多
結晶化や応力発生の原因となり、さらには結晶粒子の成
長をいちじるしく制限することもありうる。

下層膜を二酸化シリコンまたは窒化シリコンとした場合
に起る困難の原因としてはとくに、これら材料の熱伝導
率や比熱がいずれも低いということがあげられる。この
ことはポリシリコン股が熱せられるに従ってポリシリコ
ンの界面にごく近い酸化物層における温度勾配がいちじ
るしく大きくなることを意味する。

本発明を実施するに当っては、ポリシリコンのアニーリ
ングを行なうのに好ましくは２種類の波長を使用する。

第一の波長は従来と同じく可視または近赤外領域のもの
であり、第２の波長はそれよりも長い波長である。本発
明によるポリシリコンのアニーリング処理法をたとえば
二酸化シリコン上で実施する場合は、この長い方の波長
はレーザ出力の波長を９．２５ミクロンとすることによ
り得ることができ、このような長波長出力は炭酸ガスレ
ーザを用いることにより簡便に発生させることができる
。さらに上記波長のレーザ光は二酸化シリコンにきわめ
て吸収されやすいがポリシリコン中ではほとんど減衰し
ない。

前記第２の波長は上記のように９．２５ミクロンの代り
に１０．６ミクロンとしてもよく、この場合には二酸化
シリコンにＪ５４ノる吸収性が良好であるのみならず、
比較的簡単に得ることができるという利点がある。

上記以外の波長を用いて他の絶縁材料における吸収性を
良好にすることが望まれることもある。

本発明において肝要なことは要するにポリシリコン中で
きわめて吸収性の高い波長を、ポリシリコンを実質的に
透過しかつ下層たる基板によりきわめて吸収されやすい
波長と組み合わせて用いることである。ちなみに、ポリ
シリコンは広範囲の中程度の赤外波長、づなわち約２ミ
クロンから１０ミクロンをかなり超える波長に対して実
質的な透過性を示す。

本発明による方法を実施するに当っては、必ずしもレー
ザ光を用いる必要はない。レーザ光はそのスペクトル形
状が好適でかつ所望の出力密度が容易に得られるという
点で、本発明を実施１−る上でもつとも好ましいもので
はあるが、光源としては気体放電管をその代りに使用す
ることもできる。

とくに前記第１の波長ずなわち短波長源としては、広域
波長源をレーザの代りに用いてもよい。また第２の波長
すなわち長波長源の場合は、酸化物には吸収されるがポ
リシリコンには吸収されない波長で高出力密度を得るに
は、炭酸ガスレーザを用いるのがもつとも簡便な方法で
あると考えられる。

さらにまた、本発明ポリシリコンを二酸化シリコン上で
アニール処理することに限定されるものではなく、ポリ
シリコンを窒化シリコン上でアニーリングすることにも
適用しうるものである。この場合には前記第２の波長す
なわら長い方の波長は、ポリシリコンを透過するが窒化
シリコンにお番ノる吸収性の高い周波数に対応するよう
に選定するのがよい。なお長い方の波長の短い方の波長
に対する出力比は１対１に近くするのが好ましいが、所
望ならば１対１０ないし１０対１の範囲内としてもよい
。

また本発明を実ＩＭする上で必ずしも必須ではないが°
、前記長い方の波長を右する出力は、短い方の波長の出
力よりもやや高出力とすることが望ましい。この場合前
当と後者の比は１ないし１／２対１とするのが好ましく
、前者の出力をより大ぎくする場合にはこの比もより大
きクリ゛る。

また全エネルギー密度は３ないし４ジユール／ｃ１１２
とするのが好ましいが、当業者において明らかなように
、この数字は広い範囲にわたって変更しうるちのである
。連続波レーザ（ＣＷレーザ）を用いる場合には全エネ
ルギー密度を５０　ｋｗ／ＣｌＲ２近傍とするのがよい
が、これも広範囲°にわたつて変更してよい。またパル
スレーザを使用する場合は全出力密度は２０　Ｈｗ／　
ｃｍ　２近傍とするのが好ましいが、これについても当
業者において明らかなように、きわめて広い範囲にわた
って変更することが可能である。このようにパルスレー
ザを用いる場合に注意すべきことは、使用するパルスは
同期パルスであることが望ましいとはいえ、必ずしも同
期パルスである必要はないということである。けだし、
パルス期間が熱的緩和時間に見合う場合には、該パルス
を同期させる必要は何らない。

第２図は通常の構造とした集積回路に本発明により２種
類の波長を用いた場合の光学出力曲線を示すもので、短
い方の波長はポリシリコン膜の上部に完全に吸収される
のに対して、長い方の波長は二酸化シリコン層にほぼ完
全に吸収されることがわかる。

第３図は本発明による方法を実施するための構成例を示
す。図中１０は短波長レーザで、例えばアルゴンイオン
レーザを波長４８８　ｎｍで発振させる。１２は長波長
レーザで例えば炭酸ガスレーザを波長９．２５ミクロン
で発振させる。両者から出力されたレーザ光はビーム結
合子１６で結合される。このビーム結合子１６は公知の
もので、誘電体干渉格子を用いてもよく、あるいは図示
のレーザ１０，１２の位置を互いに入れ替えた場合には
薄い銀の被覆を施したゴールドミラーをその代りに用い
ることも゛できる。いずれにしてもこのビーム結合子１
６により単りの結合ビーム１８が生°成され、この結合
ビーム１８によって集積回路のポリシリコンがアニール
処理される。この場合ビーム１８によるスキャンはたと
えば第３図に示すように、第ニドランスレージョン軸（
移動軸）を得るべく用いるウェハキャリ１７２２のトラ
ンスレーション（移動）を行ないつつ回転プリズム２０
により行なわれる。なお、所望ならばレーザビームのス
キャンニング手段としてはたと゛えば各レーザ発振源と
ビーム結合子１６との間に介挿したそれぞれ別個の音響
−光学モシュレータを用いてもよいことは当然である。

〔発明の効果〕

本発明によるレーザアニール処理法は上記のように長短
二種類の波長を用いて行なうようにしたので、ポリシリ
コン膜および酸化物層のレーザ吸収特性が均一となるた
□め、ポリシリコン膜およびポリシリコン膜と酸化物層
の間の界面にお番プる温度勾配を格段に減少させること
ができ、従ってアニール処理後のポリシリコンの粒度な
大きくすることができるとともに、酸化層における速力
、ひいてはシリコン結晶の核生成部位の数を減少させ−
ることが可能となり、さらに基板全体を加熱する必要も
なくなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法を適用しつる集積回路の構造
を示す断面図、第２図は第１図に示す集積回路に本発明
による長短波長照射法を適用した場合の波長吸収特性を
示す図、第３図は本発明による方法を実施するための装
置の構成例を示１図である。 １０・・・アルゴンイオンレーザ、 １２・・・炭酸ガスレーザ、 １６・・・ビーム結合子、 ２０・・・回転プリズム、 ２２・・・ウェハキャリＡ７゜ 代理人　浅　村　皓 Ｐ−タイプ６ｏｏ）ｓ＋ ４Ｉ　ｅＶｒ）　ｒｅＩＩＳｔ　：６２５’Ｃ／　未１
１＃＆庭吟：跳気雌兆狗；＋ｏｓｏ’ｃ。 Ｆｉｇ、／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 り１）　ポリシリコン膜に第一の波長を有する光および
   第二の波長を有する光を同時、に照射し、第一の波長を
   有する光はポリシリコンにおける吸収性の高い波長とし
   、第二の波長を有する光はポリシリコンに対して有意の
   吸収性を示、さない波長としたことを特徴とづ°るボリ
   ン、リコン膜のアニ−ル処理方法。 （２）　前記第一の波長を有Ｊる光の波長はこれを２ミ
   クロン以下としたこと、を特徴とする特許請求範囲第１
   項記載のポリシリコン膜のアニール処理方法。 （３）　前記第二の波長を有りる光の波長はこれを５ミ
   クロン以上としたことを特徴とする特許績・求範囲第１
   項記載のポリシリコン膜のアニール処理方法。 （４）　前記第二の波長を有する光の波長はこれを５ミ
   クロン以上の波長を有する単色光としたことを特徴とす
   る特許請求範囲第１項記載のポリシリコン膜の７ニール
   処理方法。 （５）、前記第二の波長を右する光の波長はこれを９．
   ２５ミクロンとしたことを特徴とする特許請求範囲・第
   ４項記載のポリシリコン膜の７ニール処理方法。 （６）　前記第・二の波長を有１−る光はこれを炭酸ガ
   スレーザ光としたことを特徴とする特許請求範囲第４項
   記載のポリシリコン膜のアニール処理方法。 （１）・　前記・第一の波長を有する光および前記第二
   の波長を有・する光□を互いに結合して単一の二重波長
   スポットとし、さらにこの二重波長スポットを前記スラ
   イスを介してスキャンすることにより前□記ポリシリコ
   ンのアニーリングを行なうようにしｌことしたことを特
   徴とする特許請求範囲第１項記載のポリシリコン膜の７
   ニール処理方法。 （８）　前記第一の波長を有する先はこれをアルゴンイ
   オンレーザとしたことを特徴とする特許請求箱ｌｌ１１
   ！１３項記載のポリシリコン膜のアニール処理方法。 （９）　前記第一の波長を有する光はこれをネオジウム
   （Ｎｄ）イオンレーザとしたことを特徴とする特許請求
   範囲第３項記載のポリシリコン膜のアニール処理方法。