(57)【要約】【課題】赤色から近赤外線領域の連続発振レーザビームと可視光線から紫外線領域のパルスレーザビームを組み合わせ、基板上に蒸着された非晶質状態のシリコン薄膜を多結晶状態のシリコン薄膜に変換するＴＦＴ用多結晶シリコン薄膜を製造する方法を提供する。【解決手段】本発明によるレーザアニール方法は、赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）の連続発振レーザビームと、可視光線から紫外線領域（５５０〜１００ｎｍ）のパルスレーザビームを重畳走査し、基板上に形成された非晶質状態のシリコン薄膜を多結晶状態のシリコン薄膜に変換する。このような方法により、低温多結晶化工程の結晶化効率を向上させることができ、結晶の均一度が高く、さらに結晶の大きさを従来の方法より大きく形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上部に非晶質シリコン層を形成し、
前記非晶質シリコン層に赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）の連続発振レーザビームを走査して非晶質シリコン層を予熱し、
前記基板上に走査されている前記連続発振レーザビームに、さらに可視光線から紫外線領域（５５０〜１００ｎｍ）のパルスレーザビームを重ねて走査を行い、前記予熱された非晶質シリコン層を溶融し、
前記パルスレーザビームの走査を中止し、前記溶融されたシリコン層を結晶化すことを含む多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記レーザビームはラインビームであることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記連続発振レーザビームのビーム幅（Ｗ１）は、前記パルスレーザビームのビーム幅（Ｗ２）より大きいことを特徴とする請求項２に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記連続発振レーザビームの出力は、前記非晶質シリコンの溶融時に必要な出力より低いことを特徴とする請求項３に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記基板はガラスまたはプラスチックであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
基板と、
前記基板の上部に形成され、ソース、ドレイン及びチャネル領域を形成する半導体層と、
ゲート電極と、
前記半導体層と前記ゲート電極との間に形成される絶縁層と、を有し、
前記半導体層は、多結晶シリコン薄膜からなり、前記多結晶シリコン薄膜は、非晶質シリコンが最初に結晶化された多結晶シリコンからなることを特徴とする多結晶シリコン薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記チャネルは、単一の結晶粒からなることを特徴とする請求項６に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記多結晶シリコン薄膜は、連続発振レーザとパルスレーザとの重畳走査によるレーザアニール方法で形成されることを特徴とする請求項６または７に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタ。
【請求項９】
基板上に形成された非晶質シリコン薄膜上部に赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）の連続発振レーザビームを走査し、
前記基板上で走査されている前記連続発振レーザビームに、さらに可視光線から紫外線領域（５５０〜１００ｎｍ）のパルスレーザビームを周期的に重ねて走査することを含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項１０】
前記レーザビームはラインビームであることを特徴とする請求項９に記載のレーザアニール方法。
【請求項１１】
前記連続発振レーザビームのビーム幅（Ｗ１）は、前記パルスレーザビームのビーム幅（Ｗ２）より大きいことを特徴とする請求項１０に記載のレーザアニール方法。
【請求項１２】
前記連続発振レーザビームは、半導体レーザ（ＬＤレーザ）、固体レーザ及び気体レーザのいずれかのレーザ装置により発生することを特徴とする請求項９に記載のレーザアニール方法。
【請求項１３】
前記ＬＤレーザは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）レーザ、化合物半導体（ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓＰ）レーザのいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載のレーザアニール方法。
【請求項１４】
前記パルスレーザビームは、気体レーザや半導体レーザ（ＬＤレーザ）または固体レーザのいずれかの装置により発生することを特徴とする請求項９に記載のレーザアニール方法。
【請求項１５】
前記気体レーザは、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ及びＣＯ２レーザのいずれかであることを特徴とする請求項１４に記載のレーザアニール方法。
【請求項１６】
基板上に形成された非晶質シリコン薄膜上部に連続発振レーザビームを、ビーム幅がＷ１になるように走査し、
前記基板上に走査されている前記連続発振レーザビームに、さらにパルスレーザビームをビーム幅がＷ２がなるように周期的に重ねて走査し、
前記Ｗ１が前記Ｗ２より大きな状態に走査して、前記非晶質シリコン薄膜を結晶化することを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項１７】
前記連続発振レーザビームの波長は、赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）であることを特徴とする請求項１６に記載のレーザアニール方法。
【請求項１８】
前記連続発振レーザビームの波長は８０８ｎｍであり、ＬＤレーザによって発生することを特徴とする請求項１７に記載のレーザアニール方法。
【請求項１９】
前記パルスレーザビームの波長は、可視光線から紫外線領域（５５０〜１００ｎｍ）であることを特徴とする請求項１６に記載のレーザアニール方法。
【請求項２０】
前記パルスレーザビームの波長は５３２ｎｍであり、Ａｒレーザによって発生することを特徴とする請求項１９に記載のレーザアニール方法。
【請求項２１】
５５０〜１００ｎｍ波長領域のパルスレーザを発生させる第１レーザ発振器と、
６００〜９００ｎｍ波長領域の連続発振レーザビームを発生させる第２レーザ発振器と、
前記第２レーザ発振器で発生した連続発振レーザビームと前記第１レーザ発振器で発生したパルスレーザビームとを同時に同一方向に一走査面に走査するレーザ光学系と、を含むことを特徴とする非晶質シリコン薄膜の結晶化レーザ装置。
【請求項２２】
前記第１レーザ発振器は５３２ｎｍ波長を発生させる緑色レーザ発振器であることを特徴とする請求項２１に記載の非晶質シリコン薄膜の結晶化レーザ装置。
【請求項２３】
前記第２レーザ発振器は８０８ｎｍ波長を発生させるＬＤレーザ発振器であることを特徴とする請求項２１に記載の非晶質シリコン薄膜の結晶化レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法に係り、より詳しくは、レーザビームを重畳照射して、非晶質状態のシリコン薄膜を均一な多結晶シリコン薄膜に変換する薄膜トランジスタ製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、先端表示装置として注目されている平板表示装置、つまり、例えば能動駆動型の液晶表示装置（ＡＭＬＣＤ）、電子放出表示装置（ＦＥＤ）または有機発光表示装置（ＯＬＥＤ）では、各画素を駆動するために薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を使用している。このようなＴＦＴは、主にシリコンからなるが、このようなシリコンは、非晶質状態よりも多結晶質状態に作製する場合、電界効果移動度が高く、平板表示装置を高速に駆動することができる。
【０００３】
また、平板表示装置に使用される基板としては、単結晶シリコン基板、石英基板、ガラス基板またはプラスチック基板などがあり、安価で透明であり、作製が容易なことから、ガラス基板が広く使用されている。しかしながら、ガラス基板上に形成された非晶質状態のシリコンを結晶質状態のシリコンに変換するためには、ガラス基板が変形しない温度範囲において結晶化熱処理を行う必要がある。このように低い温度で多結晶シリコンを製造する方法（ＬＴＰＳ）としては、レーザアニール方法がある。レーザアニール方法は、製造コストが低く、効率性が高いなど、他の低温結晶化方法より優れることが知られている。
【０００４】
一般的にレーザアニール方法では、エキシマレーザを主に使用している。このようなエキシマレーザを使用したレーザアニール方法は、使用するレーザ波長が非晶質シリコンにおいて高い吸収率を有するので、基板に損傷を与えることなく、短時間に非晶質シリコンを加熱し、溶融して多結晶シリコンを製造できるという効果がある。
【０００５】
しかし、エキシマレーザを使用したレーザアニール方法は、製造された多結晶シリコンの電子移動度が低く、ＴＦＴ全体での均一性の確保が難しいため、高品質の平板表示装置に用いられる多結晶シリコンＴＦＴ（ｐ−Ｓｉ−ＴＦＴ）を製造することは難しい。
【０００６】
このようなエキシマレーザの問題点を改善するための方法として、連続発振レーザ（ＣＷレーザ）を使用するレーザアニール方法が知られている。このＣＷレーザによるレーザアニール方法は、レーザ走査方向と同一方向に結晶粒がほとんど存在しない結晶を形成させることができ、高い電子移動度を有するｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを製造できるという効果がある。しかし、この方法は、大面積に均一な多結晶シリコンを製造することが容易ではなく、シリコン薄膜に十分に吸収される波長のＣＷレーザを出力できる最大パワーが限定されており、量産化が困難であるという問題点がある。
【０００７】
また、従来のレーザアニール方法で大型の基板を作製する際には、レーザビームを入射しながら複数回走査（スキャン）して、大型基板の全面にｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを製造している。この場合、最初のレーザビームが通過した部分を、さらにレーザビームの一部が重なって通過するようになるが、このようにレーザビームが重なる部分は、既に結晶化されたシリコンが再び溶融され、２次結晶化が発生する。このように、レーザビームが一部重なって通過した部分に形成される２次結晶化された多結晶シリコンは、２次結晶がなかった多結晶シリコンとは異なる結晶特性を有する。
【０００８】
したがって、従来のレーザ熱処理技術を用いてｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを製造する場合、１つの基板に互いに異なる結晶特性を有するＴＦＴを形成することになり、このような特性のｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを使用して平板表示素子を製造する場合、再結晶化された多結晶シリコンによって縞（ムラ）が発生するという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、赤色から近赤外線領域の連続発振レーザビームと可視光線から紫外線領域のパルスレーザビームを組み合わせ、基板上に蒸着された非晶質状態のシリコン薄膜を多結晶状態のシリコン薄膜に変換するＴＦＴ用多結晶シリコン薄膜を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するためになされた本発明による多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法は、基板上部に非晶質シリコン層を形成し、前記非晶質シリコン層に赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）の連続発振レーザビームを走査して非晶質シリコン層を予熱し、前記基板上に走査されている前記連続発振レーザビームに、さらに可視光線から紫外線領域（５５０〜１００ｎｍ）のパルスレーザビームを重ねて走査を行い、前記予熱された非晶質シリコン層を溶融し、前記パルスレーザビームの走査を中止し、溶融したシリコン層を結晶化することを含む。
【００１１】
前記レーザビームはラインビームであることができる。前記連続発振レーザビームのビーム幅（Ｗ１）は、前記パルスレーザビームのビーム幅（Ｗ２）より大きい。前記連続発振レーザビームの出力は、前記非晶質シリコンの溶融時に必要な出力より低い。前記基板としては、ガラスまたはプラスチックを使用することができる。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る多結晶シリコン薄膜トランジスタは、基板と、前記基板上に形成され、ソース、ドレイン及びチャネル領域を形成する半導体層と、ゲート電極と、前記半導体層と前記ゲート電極との間に形成された絶縁層とを有し、前記半導体層は、多結晶シリコン薄膜からなり、前記多結晶シリコン薄膜は、非晶質シリコンの最初に結晶化された多結晶シリコンからなることができる。
【００１３】
前記チャネルは平均１０μｍ以上である。前記チャネルは単一結晶粒からなる。前記多結晶シリコン薄膜は、連続発振レーザとパルスレーザとの重畳走査によるレーザアニール方法で形成することができる。
【００１４】
本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法は、基板上に形成された非晶質シリコン薄膜の上部に赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）の連続発振レーザビームを走査し、前記基板上に走査されている前記連続発振レーザビームに、さらに可視光線から紫外線領域（５５０〜１００ｎｍ）のパルスレーザビームを周期的に重ねて走査を行なうことを含む。
【００１５】
本発明の他の実施形態に係るレーザアニール方法は、基板上に形成された非晶質シリコン薄膜の上部に、連続発振レーザビームをビーム幅がＷ１になるよう走査し、前記基板上に走査されている前記連続発振レーザビームに、さらにパルスレーザビームをビーム幅がＷ２になるように周期的に重ねて走査を行い、前記Ｗ１が前記Ｗ２より大きい状態に走査して、前記非晶質シリコン薄膜を結晶化することを特徴とする。
【００１６】
本発明の一実施形態に係る結晶化レーザ装置は、５５０〜１００ｎｍ波長領域のパルスレーザを発生させる第１レーザ発振器と、６００〜９００ｎｍ波長領域の連続発振レーザビームを発生させる第２レーザ発振器と、前記第２レーザ発振器から発生する連続発振レーザビームと、前記第１レーザ発振器から発生するパルスレーザビームとを同時に同一方向に一走査面に走査するレーザ光学系とを有する。
【００１７】
前記第１レーザ発振器としては、５３２ｎｍ波長を発生させる緑色のレーザ発振器を使用することができる。前記第２レーザ発振器としては、８０８ｎｍ波長を発生させるＬＤレーザ発振器を使用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）の連続発振レーザビームと、可視光線から紫外線領域（５５０〜１００ｎｍ）のパルスレーザビームを重ねて、基板上に形成された非晶質状態のシリコン薄膜を多結晶状態のシリコン薄膜に変換させるレーザアニール方法を実現する。このように、レーザアニールを実施することにより、低温多結晶化工程の結晶化効率を向上させることができる。また、選択的結晶化により、１次結晶化のみなされた多結晶シリコン層を形成するので、結晶の均一度が高く、結晶の大きさを従来の方法より大きくすることができる。さらに、本発明により製造されたｐ−Ｓｉ−ＴＦＴは、結晶の均一度が高く、ＴＦＴの性能を均一化することができる。これにより、平板表示装置におけるＳＯＰ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ ａ Ｐａｎｅｌ）の実現が可能である。
【００１９】
また、緑色のパルスレーザの場合、一般に知られている緑色パルスレーザより低いエネルギーを使用するので、低価のレーザでレーザアニールを実現することができる。これにより、ｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを作製する際に、高い生産性を実現することができ、さらに生産費用を節減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明によるＴＦＴ用多結晶シリコン基板の製造方法において、赤色から近赤外線領域（６００〜９００ｎｍ）の連続発振レーザビームと可視光線から紫外線領域５５０〜１００ｎｍ）のパルスレーザビームとを組み合わせ、基板上に蒸着された非晶質状態のシリコン薄膜を多結晶状態のシリコン薄膜に変換することについて図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法によるレーザビームの透視図である。
【００２２】
図１を参照すれば、本実施形態に係るレーザアニール方法は、非晶質シリコン膜１１０が蒸着された基板１００に、ＣＷレーザ２００とパルスレーザ２５０を重畳（オーバーラップ）照射する。
【００２３】
ＣＷレーザ２００は、赤色から近赤外線領域の波長（６００〜９００ｎｍ）を使用し、ビームの長さ（Ｌ１）がビームの幅（Ｗ１）より長いラインビームを使用することが好ましい。パルスレーザ２５０は、可視光またはこれより短い領域の波長（５５０〜１００ｎｍ）を使用し、ビームの長さ（Ｌ２）がビームの幅（Ｗ２）より長いラインビームを使用することが好ましい。
【００２４】
そして、ＣＷレーザ２００ソースとしては、半導体レーザ（ＬＤレーザ）や、固体レーザ及び気体レーザを使用することができる。ＬＤレーザの例としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）レーザや、化合物半導体（ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓＰ）レーザがあり、固体レーザの例としては、ＮＤ：ＹＡＧレーザとＮｄ：ＹＶＯ４レーザがある。
【００２５】
また、パルスレーザ２５０ソースとしては、気体レーザや半導体レーザ（ＬＤレーザ）または固体レーザを使用することができる。気体レーザの例としては、ＡｒレーザとＫｒレーザ及びＣＯ２レーザがあり、ＬＤレーザの例としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）レーザや、化合物半導体（ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓＰ）レーザがあり、固体レーザの例としては、ＮＤ：ＹＡＧレーザとＮｄ：ＹＶＯ４レーザがある。
【００２６】
図１に示すようなレーザアニール方法は、ＣＷレーザ２００ソースとして８０８ｎｍの波長を有する半導体レーザ（ＣＷ ＬＤレーザ）を使用し、パルスレーザ２５０ソースとして５３２ｎｍの波長を有する緑色レーザを使用することを例にして説明する。
【００２７】
図１に示すように、基板１００上に照射されるレーザビームは、ＣＷ−ＬＤレーザの幅（Ｗ１）と長さ（Ｌ１）が、緑色レーザの幅（Ｗ２）と長さ（Ｌ２）より大きいことが望ましい。図１に示されるレーザアニール方法について図２Ａ〜２Ｄ及び図３を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図２Ａ〜図２Ｅは本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法の結晶化工程を順に示す概念図であり、図３は第１に重畳レーザビームを走査（スキャン）し、非晶質シリコンが結晶化された後、第２に重畳レーザビームを走査する場合、レーザビームが２回走査された重畳部の結晶化状態を示す概念図である。
【００２９】
図１のレーザアニール方法では、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０と緑色レーザビーム２６０とがそれぞれ別途のレーザ光源から発振され、移動する基板１００上の非晶質シリコン薄膜１１０層に重なって照射されている。
【００３０】
まず、図２Ａ（ｔ＝ｔ０）に示すように、非晶質シリコン薄膜１１０層にＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０が照射され、短時間に非晶質シリコン薄膜１１０層を加熱する。この際、非晶質シリコン薄膜１１０層における温度分布は、溶融温度（Ｔｍ）以下になる。このため、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０が入射された非晶質シリコン薄膜層領域２３０は、加熱のため高温になったものの固体状態のままである。
【００３１】
次に、図２Ｂ（ｔ＝ｔ１）に示すように、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０が入射されている状態で、緑色レーザビーム２６０が非晶質シリコン薄膜層１１０に入射される。この際、非晶質シリコン薄膜１１０層における温度分布はＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０が入射されている領域２３０では依然として溶融温度（Ｔｍ）以下であり、緑色レーザビーム２６０が重なって入射されている領域２３１では溶融温度（Ｔｍ）以上に上昇する。このように、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０と緑色レーザビーム２６０とが重なって入射し、非晶質シリコン薄膜層領域２３１が溶融される。この場合、非晶質シリコン薄膜層１１０は、入射した緑色レーザビーム２６０によって溶融されるとともに、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０も溶融された非晶質シリコン薄膜層領域２３１でその吸収が増加し、非晶質シリコン薄膜層１１０は、基板１００の表面まで完全に溶融される。
【００３２】
次に、図２Ｃ（ｔ＝ｔ２）に示すように、継続的にＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０がＸ方向に移動しながら入射されている状態で、緑色レーザビーム２６０の入射を終了する。この時、非晶質シリコン薄膜１１０層における温度分布は、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０がＸ方向に移動する方向にシフトする。これにより、完全に溶融したシリコン領域２３２から縦方向に結晶が成長し始める。一方、緑色レーザビーム２６０が終了しても継続的にＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０が入射されているので、溶融したシリコン領域２３２ではＣＷＬＤレーザビーム２１０を吸収するためにその冷却速度が遅れ、成長する結晶はより大きな結晶に継続して成長していく。そして、完全に溶融したシリコン領域２３２の表面は、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０が継続的に入射されるため、深さの低い溶融状態を維持している。また、Ｘ方向に移動したＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０は、新たに入射する非晶質シリコン領域２３３を加熱する。ここで、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０の移動は、レーザビーム自体を移動させながら走査したり、または基板１００自体を移動させたりすることができるが、基板１００自体を移動させることが望ましい。
【００３３】
次に、図２Ｄ（ｔ＝ｔ３）に示すように、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０がＸ方向に数マイクロメートル程度移動した状態で、新たな緑色レーザビーム２６０を入射する。この時、非晶質シリコン薄膜１１０層における温度分布は、ＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０のみ入射される領域２３４では溶融温度（Ｔｍ）に近づき、新たな緑色レーザ２６０が入射される領域２３５では溶融温度（Ｔｍ）以上に上昇している。このような温度分布により、縦方向に成長する結晶２３２は継続的に成長するようになる。
【００３４】
そして、図２Ｅ（ｔ＝ｔ４）に示すように、継続的にＣＷ−ＬＤレーザビーム２１０がＸ方向に移動しながら入射されている状態で、再び緑色レーザビーム２６０の入射を終了する。このように図２Ａ乃至図２Ｅの過程を連続して行うことで、成長する結晶２３２は、縦方向に継続的に拡張して成長するようになる。
【００３５】
図３は既に結晶化されたシリコン層１１０に、さらに２次重畳レーザビームを走査する場合を示しており、レーザビームが２回走査された重畳部１２０周辺の温度分布も示されている。
【００３６】
図３に示すように、重畳部１２０の温度分布は、シリコンの溶融温度（Ｔｍ）以下にあり、レーザビームが重ならない２次走査部１３０の温度分布は、溶融温度（Ｔｍ）以上にある。このように、本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法によれば、重畳レーザビームの１次走査により既に結晶化されたシリコンは再び溶融することなく、レーザビームの２次走査により、まだ結晶化されていない非晶質シリコン領域１３０のみ選択的に溶融して結晶化することができる。すなわち、本発明の一実施形態によれば、非晶質シリコン薄膜のみを選択的に結晶化することが可能である。
【００３７】
次に、非晶質シリコン薄膜のみを選択的に結晶化することについてさらに詳細に説明する。
【００３８】
シリコンの場合には、その結晶組織の状態（非晶質、結晶質）及び光の波長に応じてレーザの吸収率がそれぞれ異なる。その例を図４を参照して説明する。
【００３９】
図４は８０８ｎｍ波長のレーザビームに対するシリコン結晶の吸収率を示している。ここで、λはレーザ波長であり、Ｈは非晶質薄膜１１０の厚さであり、ａ−Ｓｉは非晶質シリコンであり、ｎｃ−Ｓｉはナノサイズの結晶粒を有するシリコンであり、ｃ−Ｓｉは結晶質シリコンである。
【００４０】
図４から、結晶状態に関係なく温度が高くなるほど、レーザビームの吸収率が増加することが分かる。しかし、同一温度では、結晶状態に応じてレーザビームの吸収率に大きな差が存在することが分かる。すなわち、１０００℃でのレーザビームの吸収率を比較すると、非晶質シリコンの場合には６０以上の吸収率を示しているが、結晶質シリコンの場合には２０以下の吸収率を示している。これは既に結晶化されたシリコンの場合、レーザビームの吸収率が低いため、レーザビームが重なって照射される領域１２０においては、既に結晶化されたシリコン領域ではビームが吸収されずに透過してしまい、既に結晶化されたシリコン領域１２０では溶融と凝固を繰り返す再結晶が行われない。これと比較して、非晶質シリコンの場合には、レーザビームの吸収率が高いため、レーザビームの２次走査時に結晶化されない非晶質シリコン領域１３０のみ選択的に加熱して溶融し、結晶化が行われる。
【００４１】
また、この際に走査される緑色レーザは、そのエネルギーが連続側面結晶化（ＳＬＳ）方法のように緑色レーザのみを使用する場合に比べて、相対的に低いエネルギーのみ必要である。したがって、重畳レーザビームを使用してレーザビームを２次走査する際には、ＳＬＳ方法で緑色レーザのみを使用する場合に比べて、低いエネルギーの緑色エネルギーを入射するので、重畳部１２０で結晶化されたシリコンが溶融しなくなる。このように、重畳レーザビームを使用する場合には、大面積の基板に対しレーザビームの往復走査を行なっても、レーザビームが重なって走査される部分１２０では再溶融しないので、結晶化されていない非晶質シリコン層に対してのみ選択的に結晶化を行なうことが可能である。
【００４２】
図５には緑色パルスレーザのみを使用する場合と、緑色レーザをＣＷ−ＬＤレーザと重ねて使用する場合についてその工程効率を比較して示した。
【００４３】
図５に示すように、緑色レーザのみを使用して非晶質シリコンを結晶化する場合のパルスレーザのエネルギーを１００とするとき、加熱に７０％程度、そして溶融に約３０％がかかる。しかし、ＣＷ−ＬＤレーザとともに重ねて緑色レーザを使用する場合の緑色レーザのパルスレーザエネルギーは、緑色レーザのみを使用する場合に比べて約５０％以下になる。この際の緑色レーザにおいては、加熱に約２０％、溶融に約８０％のエネルギーがかかる。即ち、既に重畳照射されるＣＷ−ＬＤレーザが非晶質シリコンを加熱した状態であるので、共に照射される緑色レーザのエネルギーはほとんど非晶質シリコンの溶融に消費されることになる。
【００４４】
次に、本発明の一実施形態に係る重畳レーザビームを使用して非晶質シリコンを結晶化する場合と、緑色レーザのみを使用しＳＬＳ方法で非晶質シリコンを結晶化する場合とを実験例を通じて比較する。
【００４５】
図６はガラス基板に１００ｎｍの厚さに蒸着された非晶質シリコン薄膜を５３２ｎｍ波長のパルス型緑色レーザのみを使用してＳＬＳ方法で結晶化する過程と、このような結晶化過程により製造されたシリコン基板の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）を示している。
【００４６】
図６に示すように、緑色レーザのみを使用する場合には、結晶化のために多結晶シリコンを完全に溶融できる程度の高いエネルギーが必要である。したがって、連続走査を行うと非晶質領域１３０のみならず、重なった領域１２０である既に結晶化された部分まで再度溶融するようになる。その結果、重なった領域１２０では２次結晶が行なわれる。したがって、この方法で製造された多結晶シリコン薄膜では、最初結晶化された部分と、２次結晶が行なわれた部分とが明らかに分離されてしまう縞（ムラ）現象が発生し、基板全面において結晶の均一性を確保できず、表面粗度も低下するという不具合がある。
【００４７】
図７Ａはガラス基板に１００ｎｍの厚さに蒸着された非晶質シリコン薄膜に対し、左図は重畳レーザビームを走査した場合の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、右図はパルス型緑色レーザのみを走査した場合の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。そして図７Ｂは、図７Ａの右側部分を拡大した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、図７Ｃは、図７Ａの左側部分を拡大した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。ここで、図７の実験条件は以下のとおりである。
【００４８】
図７Ａの左側写真と図７Ｃは、８０８ｎｍ波長のＣＷＬＤレーザ（ＣＷ強度（インテンシティ）；〜３ＫＷ／ｃｍ２）とともに、５３２ｎｍ波長のパルス型緑色レーザ（パルスフルエンス；〜１Ｊ／ｃｍ２）を重ね、走査速度〜３０ｍｍ／ｓｅｃで走査してシリコン基板を結晶化した。そして図７Ａの右側写真と図７Ｂは、５３２ｎｍ波長のパルス型緑色レーザ（パルスフルエンス；〜１Ｊ／ｃｍ２）のみを走査速度〜３０ｍｍ／ｓｅｃで走査してシリコン基板を結晶化した。
【００４９】
図７によれば、本発明の一実施形態に係るレーザ熱処理方法で製造した基板では縞が発生しないが、緑色レーザのみを照射して結晶化した基板では縞が明らかに発生した。
【００５０】
次に、図８Ａは本発明の実施形態に係る重畳レーザビームを１回のショット（Ｓｈｏｔ）で走査する場合に対する、縦方向結晶の大きさを示す電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、図８Ｂはパルス型緑色レーザのみを１回のショットで走査する場合に対する、縦方向結晶の大きさを示す電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【００５１】
図８を参照すれば、本発明の実施形態に係るレーザアニール方法は、従来の緑色レーザのみを用いるレーザアニール方法に比べて、縦方向の結晶の大きさがより大きく成長することが分かる。したがって、従来の結晶化方法に比べて、本発明の実施形態に係るレーザアニール方法によれば高い生産性を実現することができる。
【００５２】
このように、本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法を用いてレーザアニールを実施する場合、既に結晶化されたシリコンを除いて、非晶質状態のシリコンのみを選択的に結晶化できるので、走査に伴う縞（ムラ）という欠陥が発生しない。また、選択的な結晶化が可能であるので無限に大きく結晶を成長させることができる。さらに、ＳＬＳ方法で発生した１つの結晶粒子と、隣接した結晶粒子とが成長して互いに出会うため発生する従来の結晶粒子の境界面を最小化することができ、結晶粒界によって発生する電子または正孔の移動を妨げる現象を抑制することができる。これにより、本発明の一実施形態により製造された多結晶シリコン基板を用いてＴＦＴを製造する場合、大面積であり、均一、かつ電子の移動度の大きい平板素子を製造することができる。
【００５３】
次に、図９を参照して本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法を行なうためのレーザ光学系について説明する。
【００５４】
図９に示すように、本実施形態のレーザ光学系は、５５０〜１００ｎｍ波長領域のパルスレーザを発生させる第１レーザ発振器３００と、６００〜９００ｎｍ波長領域のＣＷレーザを発生させる第２レーザ発振器３５０とを有する。
【００５５】
第１レーザ発振器３００としては、気体レーザや半導体レーザ（ＬＤレーザ）または固体レーザを使用することができる。気体レーザの例としては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ及びＣＯ２レーザがあり、ＬＤレーザの例としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）レーザや、化合物半導体（ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓＰ）レーザがあり、固体レーザの例としては、ＮＤ：ＹＡＧレーザとＮｄ：ＹＶＯ４レーザがある。そして、第２レーザ発振器３５０としては、半導体レーザ（ＬＤレーザ）、固体レーザ及び気体レーザを使用することができる。ＬＤレーザの例としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）レーザや、化合物半導体（ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓＰ）レーザがあり、固体レーザの例としては、ＮＤ：ＹＡＧレーザとＮｄ：ＹＶＯ４レーザがある。
【００５６】
第１レーザ発振器３００から発生したパルスレーザビームは、光減衰器３０１でビームの強さを弱め、ビーム拡大器３０２で光量を増幅させ、ラインビーム生成器３０３でラインビームに変換した後、集光レンズ３０４でビームを集束し、投射レンズ３０５でエネルギーの密度を高めた状態でステージ３９０上に装着された基板１００に走査される。
【００５７】
一方、第２レーザ発振器３５０から発生したＣＷレーザは、第２ラインビーム生成器３５２でラインビームに変換した後、投射レンズ３０５を介してエネルギーの密度を高めた状態でパルスレーザビームが走査される基板１００に重なって走査される。なお、ステージ３９０は、基板１００を装着した状態でＸ軸方向やＹ軸方向に、さらに必要に応じてＺ軸方向に精細に移動することができる装置である。
【００５８】
図９に示す符号３０９、３５３はビームの経路を変更する鏡であり、符号３０７、３５４はレーザ光学系を構成するレンズである。そして、図９に示されるレーザ光学系は、本発明の一実施形態を説明するために概略的に示したものであり、通常のレーザ光学系を構成する際に必要な装置などの詳細な説明は省略する。
【００５９】
以下、図１０を参照して上述したレーザアニール方法及びレーザ光学系を用いてｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを製造する方法について説明する。
【００６０】
まず、ｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを製造するための基板１００を用意する。このような基板１００としては、バリウム硼珪酸ガラスやアルミニウム硼珪酸ガラスなどのようなガラスと、石英、シリコン、ステンレスなどのような金属と、プラスチックを使用することができるが、本実施形態における処理温度に耐えるようなガラスを使用することが好ましい。
【００６１】
次に、基板１００上に非晶質シリコン薄膜１１０を形成する。非晶質シリコン薄膜は、通常の知られている方法（ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、スパッタリング）で通常の厚さに蒸着する。そして基板１００の種類に応じて、基板１００と非晶質シリコン薄膜１１０層間には、バッファー層１０５（酸化シリコン膜、窒化シリコン膜）を形成することもできる。
【００６２】
次に、図９に示されるレーザ光学系を用いて、非晶質シリコン薄膜１１０に対してレーザアニールを行なう。この際に、レーザアニールは、第１レーザ発振器としては５３２ｎｍの波長を有する緑色レーザを使用し、第２レーザ発振器としては８０８ｎｍの波長を有するＣＷ−ＬＤレーザを使用し、これらレーザビームを重ねて非晶質シリコン薄膜１１０上部に照射する。レーザアニールが行なわれる間に、ステージ３９０をＸ方向とＹ方向に移動させ、重畳レーザビームを連続して走査する。
【００６３】
このような方法でレーザアニールを行なうと、既に結晶化されたシリコンは溶融することなく、非晶質状態のシリコンのみを選択的に結晶化させることができる。したがって、結晶化されたシリコン薄膜層は、ほとんど１次結晶化のみなされた状態で存在しており、レーザアニールの条件偏差などのような工程変数のため２次結晶（結晶化されたシリコン領域がさらに再び溶融及び再結晶化されるもので、非晶質シリコンから直ちに結晶化された１次結晶化された部分と結晶学的に区分される領域）が発生するとしても、その面積は全体基板面積の５％以下である。
【００６４】
次に、結晶化されたシリコン薄膜１１０をフォトエッチング法でパターニング処理して半導体層１５０を形成する。次いで、半導体層１５０上部にゲート絶縁膜１６０を形成する。この際、ゲート絶縁膜は、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜のような一般に知られている絶縁膜を、一般に知られている方法で、一般に知られている厚さに形成する。
【００６５】
次に、ゲート絶縁膜１６０上部にゲート電極層を形成した後、フォトエッチング法及びイオン注入法などでゲート電極１７０と半導体層１５０の不純物領域１５１とチャネル領域２３２を順次に形成する。その後、一般に知られている層間絶縁膜の形成工程と、コンタクトホールの形成工程及びメタライゼーションなどの後続工程を通じて所望のｐ−Ｓｉ−ＴＦＴを製造する。
【００６６】
上記のように、本発明の製造方法で製造されたｐ−Ｓｉ−ＴＦＴは、平板表示装置の製造に適用される。そのような平板表示装置としては、能動駆動型液晶表示装置（ＡＭＬＣＤ）または有機発光表示装置（ＯＬＥＤ）がある。本発明の一実施形態により製造されたｐ−Ｓｉ−ＴＦＴは、これら平板表示装置の個別画素を駆動し制御する際に使用される。
尚、本発明は、上述の実施例に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法のレーザビーム透視図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法の結晶化工程を順に示す概念図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法の結晶化工程を順に示す概念図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法の結晶化工程を順に示す概念図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法の結晶化工程を順に示す概念図である。
【図２Ｅ】本発明の一実施形態に係るレーザアニール方法の結晶化工程を順に示す概念図である。
【図３】図２Ｄの工程により発生する重畳部の結晶化状態を示す概念図である。
【図４】８０８ｎｍ波長のレーザビームに対するシリコン結晶の吸収率を示すグラフである。
【図５】緑色のパルスレーザのみを使用する場合と、緑色のレーザとＣＷ−ＬＤレーザとをともに重ねて使用する場合において、その工程効率を比較した図である。
【図６】従来の結晶化工程と、これによって製造されるシリコン基板の電子顕微鏡写真である。
【図７Ａ】本発明の実施形態により製造されたシリコン基板と、比較例により製造されたシリコン基板の表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態により製造されたシリコン基板の表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｃ】比較例により製造されたシリコン基板の表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図８Ａ】本発明の実施形態と比較例により１回のショットで結晶を成長させた場合の結晶の大きさを示す写真である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態と比較例により１回のショットで結晶を成長させた場合の結晶の大きさを示す写真である。
【図９】本発明の一実施形態によるレーザ光学系を示す概念図である。
【図１０】本発明の一実施形態により製造された薄膜トランジスタの断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１００  基板
１１０  非晶質シリコン膜
１２０  重畳部
１５０  半導体層
１５１  不純物領域
１６０  ゲート絶縁膜
１７０  ゲート電極
２００  ＣＷレーザ
２１０  ＣＷ−ＬＤレーザビーム
２３２  チャネル領域
２５０  パルスレーザ
２６０  緑色レーザビーム
３００  第１レーザ発振器
３５０  第２レーザ発振器
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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