(57)【要約】【課題】  非晶質半導体膜にレーザビームを照射して大きな結晶粒を形成する多結晶シリコン膜を調製するためのレーザアニーリング法を提供する。【解決手段】  基板上に成膜した半導体膜に部分透過性を有するレーザ光源からのパルスレーザを光学系を介して線状に成形した照射ビームを該半導体膜上に照射しながら該半導体膜上を走査させて、該半導体膜を結晶化させる半導体膜のレーザアニーリング方法において、レーザパルス周波数が１〜１０ｋＨｚの範囲にあって、半導体膜がシリコンであり、レーザ源が可視光源であって、上記の線状の照射ームの空間的半値全幅Ｂｗ（μｍ）と、１パルス当たりの照射ビームのシリコン膜に対する移動距離Ｌ（μｍ）との比Ｂｗ/Ｌを、照射ビームの時間的半値全幅Ｔｗ（ｎｓ）に対して、次の関係式Ｂｗ/Ｌ＞−０．５Ｔｗ＋４２を充たすように制御する。【選択図】  図５
2005072487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に成膜した半導体膜に部分透過性を有するレーザ光源からのパルスレーザを光学系を介して線状に成形した照射ビームを該半導体膜上に照射しながら該半導体膜上を走査させて、該半導体膜を結晶化させる半導体膜のレーザアニーリング方法において、
レーザパルス周波数が１〜１０ｋＨｚの範囲にあって、半導体膜上での該線状の照射ビームの移動方向における照射ビームの空間的半値全幅と１パルス当たりの半導体膜に対する照射ビームの移動距離とを、照射ビームの時間的半値全幅との関係に基づいて設定して、半導体膜を結晶化することを特徴とする半導体膜のレーザアニーリング方法。
【請求項２】
半導体膜がシリコンであり、レーザ源が可視光源であって、上記の線状の照射ビームの空間的半値全幅Ｂｗ（μｍ）と、１パルス当たりの照射ビームのシリコン膜に対する移動距離Ｌ（μｍ）との比Ｂｗ/Ｌを、照射ビームの時間的半値全幅Ｔｗ（ｎｓ）に対して、次の関係式
Ｂｗ/Ｌ＞−０．５Ｔｗ＋４２
を充たすように制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザアニーリング方法。
【請求項３】
上記の時間的半値全幅Ｔｗが、４０〜１００ｎｓの範囲にあることを特徴する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
レーザ光源が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であることを特徴後する請求項２又は３に記載のレーザアニーリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に成膜した半導体膜を結晶化と粗粒化させるためのレーザアニーリング法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
大面積の半導体装置には、ガラス基板などの装置用基板上にシリコン膜を気相形成法などにより形成して、これを基板として、トランジスター回路などを形成されるが、シリコン膜は通常は、非晶質であって、電子などのキャリャーの移動が遅く、高速動作が要求される駆動回路などには適用できなかった。
【０００３】
このために、非晶質を多結晶質にするように熱処理されているが。多結晶化するには、レーザビームを非晶質膜に照射してその照射部位を定速で走査するレーザアニーリング法が利用されている。照射部位では、非晶質シリコンを局部的に短時間で溶融し、照射部位が通過して冷却される過程で、溶融部位を結晶化して多結晶体に変換するものである。
【０００４】
従来のレーザアニーリング法に関して、特許文献１は、レーザ光源にパルスレーザを使用して、照射時には、パルス幅を立ち上がりから立下りまでを５０ｎｓ以上にして、レーザ光の断面積を一定に整形し、整形したレーザ光のパルスを少なくとも一回照射して、その断面積に対応する照射領域に含まれる半導体膜を一括に多結晶化することを開示している。
【０００５】
また、 非特許文献１は、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザの第２高調波レーザ光（５３２ｎｍ）を用いて非晶質シリコン膜上にレーザ照射して多結晶化することを開示しており、ここでは、レーザビームは、光学系により線状プロフィルに成形して、レーザビームのパルス周波数２００Ｈｚ、パルス時間６０ｎｓの条件で可動ステージ上の非晶質シリコン膜をパルス当たり２．５μｍの移動速度で走査している。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２１６０８７号公報
【非特許文献１】T. Ogawa et al, "Thin Film Transistors of Polycrystalline Recrystallized by the Second Harmonics of a Q-Switched Nd:YAG Laser", The 19th international Display Research Conference, Sept. 6-9, 1999, Berlin. 予稿集 p. 81-84
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、非晶質シリコン膜の結晶化には、レーザ光源に、紫外光のエキシマレーザが利用されており、非晶質シリコン膜は、紫外線吸収率が高いので、ある程度の大きさの集光幅のレーザビームを照射すれば、結晶化過程は、集光幅に影響されず、寧ろ、パルス幅を含む時間的パラメータで決められる。照射ビームの空間的な要素は、掃引するビームが結晶化する領域を決めていた。
【０００８】
従来のエキシマレーザにより結晶化したシリコン膜は、結晶粒の大きさが０．１μｍのオーダで微細すぎて、多結晶中の結晶粒間での電子が捕獲される頻度が高く、この方法で製造した多結晶シリコン膜からは、電子移動度の高い薄膜トランジスタを構成するのは、困難であった。
【０００９】
シリコンの薄い非晶質膜に対して、可視光レーザは透過性があるので、これをレーザ源として照射することにより膜内部まで加熱して、非晶質膜の厚み方向全体を溶融することができ、ミクロンオーダの結晶粒を作ることができ、高速動作の可能な薄膜トランジスタの形成が可能である。しかし、シリコン膜全体を溶融するアニーリング法では、結晶化には溶融後冷却過程での膜厚方向の温度差の影響があるので、パルス幅と照射強度だけを制御するのでは、大きい結晶を安定して且つ確実に得るには限度があった。
【００１０】
パルスレーザを使用して非晶質膜の結晶化をする際には、パルス幅（時間幅）、照射面上の照射ビームの幅（集光幅）、掃引速度と単位時間当たりのパルス照射回数などが、非晶質シリコン膜の再結晶化に影響を与える制御要素であると考えられが、特に、空間的なパラメータである照射ビームのビーム幅は、結晶化の効率や成長結晶粒の大きさを決める重要な要素であると考えられ、これらの点を考慮して、上記非晶質シリコン膜の安定した粗大結晶化を図る必要があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑み、非晶質半導体膜にレーザビームを照射して大きな結晶粒を安定して且つ定常的に形成した多結晶シリコン膜を得るためのレーザアニーリング法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のレーザアニーリング方法は、基板上に成膜した半導体膜に部分透過性を有するレーザ光源からのパルスレーザを光学系を介して線状に成形した照射ビームを該半導体膜上に照射しながら該半導体膜上を走査させて、該半導体膜を結晶化させる半導体膜のレーザアニーリング方法であるが、その特徴は、非晶質半導体膜への照射ビームの空間的な集光幅を含むビームプロフィルが結晶成長に重要になることを考慮して、レーザパルス周波数が１〜１０ｋＨｚの範囲にあって、半導体膜上の照射ビームの集光幅、即ち、照射ビーム移動方向の空間的半値全幅と１パルス当たりの半導体膜に対する照射ビームの移動距離とを、照射ビームの時間的半値全幅との関係に基づいて設定するものである。
【発明の効果】
【００１３】
非晶質半導体膜のレーザアニーリングによる結晶化おいて、照射ビームのその移動方向における空間的半値全幅と１パルス当たりの半導体膜に対する照射ビームの移動距離とを、照射ビームの時間的半値全幅との一定の関係によって設定して、大きな結晶を備えた半導体膜の製造を可能にして、これにより、その上に形成した電子移動度の高い従って高速動作の可能な薄膜トランジスタ装置を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のレーザアニーリング方法は、基板上に成膜した半導体膜に対して、部分透過性を有するレーザ光源からのパルスレーザが利用され、パルスレーザビームは、光学系を介して線状に成形した照射ビームを該半導体膜上に照射しながら該半導体膜上を走査させて、該半導体膜を結晶化させるものである。このような半導体膜には、シリコン膜を含み、シリコン膜に対しては、レーザ光源には、波長３３０〜８００ｎｍの範囲の可視光レーザが使用される。
【００１５】
半導体膜、例えば、シリコン膜は、基板、例えば、用途によって、ガラス基板上に、成膜されるが、成膜には、ＣＶＤ法（例えば、低圧ＣＶＤ）やスパッタ法が利用され、形成されたシリコン膜は、非晶質である。
【００１６】
非晶質シリコン膜をアニーリング処理するためのレーザ光源には、上記の波長３３０〜８００ｎｍの範囲の光を放射する固体レーザ光源が利用され、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波又は第３高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２又は第３高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ４の第２又は第３高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２又は第３高調波、Ｙｂ：ＹＡＧの第２高調波又は第３高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２又は第３高調波、Ｔｉ：サファイアの基本波又は第２高調波などがある。
【００１７】
レーザアニーリングに使用される装置には、一例を図１に示すが、半導体膜５を予め形成した基板７を載置するステージ１０と、ステージを駆動するモータ（不図示）と、レーザ光源からのパルスビームのプロフィルを調整して照射ビームを半導体膜５の表面に照射する光学系と、から成っている。光学系は、レーザ光源１からのパルスレーザ２の出力を減衰させるアッテネータ（不図示）と、アッテネータからの断面円形のレーザビームを断面線状に成形して照射ビームを半導体膜表面に集光するレーザ均一化装置３とを含み、この例では、付随的に、反射鏡３４をレーザ均一化装置３と半導体膜５との間に配置して照射ビームの光路を変更している。
【００１８】
照射ビームは、半導体膜表面上では断面線状の強度分布を示し、ステージは、断面線状の狭幅方向（線状分布形状の短軸方向に）に定速で移動させ、これにより、半導体膜の表面を断面線状の照射ビームがその短軸方向に掃引して、線状分布形状の長軸方向の長さに相当する幅の加熱掃引領域を形成して、非晶質シリコンを結晶化させる。
【００１９】
この半導体膜のレーザアニーリング方法では、レーザパルス周波数を１〜１０ｋＨｚの範囲に設定するが、パルス周波数１ｋＨｚ未満では、パルス間隔が長いので、１つのレーザパルスの照射で半導体膜を溶融する際に予熱される基板が次のパルス照射までに冷えてしまうので、基板の予熱による半導体膜の結晶化の補助効果が期待できない（即ち、パルス周波数が１ｋＨｚ以上であれば、基板の予熱による半導体膜の結晶化の補助効果が期待でき、低いエネルギーの投入で結晶化が可能になる）。また、単位時間当たりのレーザパルスが半導体膜を照射する回数が減少するので、基板全体を照射するための時間が長くなり、生産性が周波数に比例して低下する。他方、パルス周波数１０ｋＨｚを越えると、１パルス当たりの照射エネルギーが低下して、半導体膜を溶融するための十分なエネルギーが得られない。
【００２０】
本発明は、半導体膜上での該線状の照射ビームの移動方向における照射ビームの空間的半値全幅を、１パルス当たりの半導体膜に対する照射ビームの移動距離と照射ビームの時間的半値全幅との関係に基づいて規定するものである。
【００２１】
照射ビームの時間的半値全幅について、図２には、パルスレーザの１パルスについての時間的強度変化の一例を示しているが、パルスの時間的半値全幅Ｔｗは、強度分布が上記図中のピーク強度の１／２以上の強度を維持する時間幅で示される。本発明の実施形態では、レーザビームのパルス時間半値全幅Ｔｗは、好ましくは、４０〜１００ｎｓとする。４０ｎｓ未満では、エネルギーのピーク強度が急峻になり、エネルギーマージンが狭くなり、パルスの立下り時間が短くなるので、結晶化に必要な十分な冷却時間を確保できず、結晶粒の成長が困難になる。パルス時間半値全幅Ｔｗが１００ｎｓを越えると、レーザの平均出力が低下し、生産性が低下する。
【００２２】
１パルス当たりの半導体膜に対する照射ビームの移動距離Ｌは、半導体膜に対する照射ビームの移動速度（秒速）を、上記レーザパルス周波数で除すれば、決められる。
【００２３】
照射ビームの空間的半値全幅Ｂｗについては、図３に、ビーム断面線状の照射ビームについてのビーム強度の分布を照射ビームの走査方向とこれ直交するビーム長さ方向との座標上で模式的に示しているが、空間的半値全幅Ｂｗは、走査方向について、上記図中のピーク強度の１／２以上の強度を維持する空間的幅で示される。このような空間的強度プロフィルは、光学系の均一化装置を、レーザ光源からのレーザビームを、ビーム光軸に垂直な断面内の一方向にビーム強度を均一化するビーム強度均一化手段と、ビーム強度均一化手段からのビームを上記断面内の当該一方向に直交する他方向に集光して半導体膜上に照射するビーム形状調整手段から構成することによって、得ることができる。
【００２４】
図４は、そのような均一化装置３の一例を模式的に示すが、この例は、ビーム強度均一化手段３０には、ｙ方向にのみ対向する一対の反射面３２０を有する導光路３２を用いて、導光路３２がレーザ光源１から入射したレーザビームをｙ方向のビームの強度分布だけ均一化して、ビーム形状調整手段３１に放射する（ｘ方向は、レーザ光源１の強度プロフィルを維持している）。
【００２５】
ビーム形状調整手段３１には、シリンドリカルレンズ３３を用いて、ビーム形状調整手段３１からのレーザビームを、ｘ方向にだけ、集光して、照射ビーム２１として半導体膜上に照射する。照射ビーム２１は、アニーリング動作中は、シリコン膜上を相対的にｘ方向を走査方向として定速で移動させる。図３の走査方向の強度プロフィルは、概よそ、レーザ光源の強度プロフィルを維持しており、ここでは、ガウス分布を仮定している。
【００２６】
図５には、図３に示す照射ビームを非晶質シリコン膜上に１パルスだけ照射した時のシリコン膜上の結晶粒の平面的分布を模式的に示すが、この図からわかるように、照射ビームの空間的強度分布の強度勾配の大きい２つの部位で、他の部位と比較して、大きな結晶粒が成長している。
【００２７】
実際の照射ビームの走査過程では、照射ビームを移動させながら間欠的にパルスレーザ光をシリコン膜上に照射し、１つのパルスレーザで形成される結晶の大きさに合わせてそのパルスの周期に対応するステージの移動量を決めれば、各パルスのレーザビームで形成される大きさの結晶粒をパルスごとに順次連続してつなげることができ、最終的には、大きな結晶に成長させることができる。
【００２８】
結晶粒成長には、非晶質半導体膜への照射ビームの空間的なビーム幅が重要であり、半導体膜がシリコンであり、レーザ源が可視光源であるとき、上記の線状照射ビームの空間的半値全幅Ｂｗ（μｍ）と１パルス当たりの照射ビームのシリコン膜に対する移動距離Ｌ（μｍ）との比Ｂｗ/Ｌを、照射ビームのパルスビーム強度の時間的半値全幅Ｔｗ（ｎｓ）に対して、次の関係式
Ｂｗ/Ｌ＞−０．５Ｔｗ＋４２          ・・・（１）
あるいは、
Ｂｗ＞（−０．５Ｔｗ＋４２）Ｌ      ・・・（２）
を充たすように、設定調整する。
【００２９】
サブミクロンオーダの結晶粒とミクロンオーダの結晶粒とを決める境界パラメータとして、移動距離Ｌに対する空間的半値全幅Ｂｗの上記の比Ｂｗ/Ｌが、時間的半値全幅Ｔｗと負の大よその直線関係があり、パルスレーザ強度の時間的半値全幅Ｔｗを小さくするほど、大きくする必要がある。
【００３０】
大きな結晶粒を得るためには、上記式を満たすように空間的半値全幅Ｂｗ（μｍ）、時間的半値全幅Ｔｗ（ｎｓ）、又はパルス当たり移動距離Ｌ（μｍ）を設定し又は制御する。
【００３１】
図６には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を用いて、パルスビーム強度の時間的半値全幅Ｔｗと、空間的半値全幅Ｂｗとを変更して、ガラス基板上に成膜した非晶質シリコン膜の表面に照射してアニーリング処理を行ない、結晶化した時の結晶粒の大きさと上記パラメータの関係とを示している。
【００３２】
図６中の記号〇は、粒サイズ1μｍ以上の結晶粒に安定して成長し、結晶粒成長に対する照射ビームのエネルギーマージンも大きい場合を示し、記号△は、1μｍ以上の結晶粒が形成できるが、結晶粒成長に対する照射ビームのエネルギーマージンが狭い場合を示す。また、図中の記号×は、粒サイズ1μｍ以上の結晶粒ができなかった試料を示す。図中には、このデータから破線直線で示すように、ミクロンサイズの結晶粒を成長させるための境界条件が、上記の比Ｂｗ/Ｌとパルスの時間的半値全幅Ｔｗとの間の直線関係
Ｂｗ/Ｌ＝−（１／２）Ｔｗ＋４２
として示されている。図中でこの直線よりＢｗ/Ｌが大きい領域で、即ち、Ｂｗ/Ｌが、−０．５Ｔｗ＋４２より大きい領域で、ミクロンオーダの結晶粒の成長が実現できる。
【００３３】
粗粒化は、時間的半値全幅Ｔｗが大きい場合には、照射ビームのシリコン膜上での空間的半値全幅Ｂｗは狭くても、比較的容易に実現できる。他方、レーザパルスの時間的半値全幅Ｔｗが小さい場合には、照射ビームのシリコン膜上での空間的半値全幅Ｂｗを大きくするか、又は、パルス当たり移動距離Ｌを小さくするように設定調整する。  
【００３４】
他方、線状の照射ビームの空間的半値全幅Ｂｗを大きくすると、照射ビームのシリコン膜表面での照射部位のエネルギー密度が低下するので、これを補償するために、照射ビームはより高い全エネルギーを必要とし、従って、レーザ発振器の出力を高める。
【００３５】
可視光レーザ発振器のレーザ出力の制限を考慮すると、レーザパルスの時間的半値全幅Ｔｗの下限を４０ｎｓとしてもよく、Ｂｗ/Ｌ＜４０に、特に、Ｂｗ/Ｌ＜３０とする。Ｂｗ/Ｌが４０を越えると、シリコン膜にミクロンオーダの結晶粒は成形できるが、レーザ照射のエネルギーマージンが小さくなり、エネルギー効率が低くなり、現実的ではない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のレーザアニーリング装置は、半導体製造に際して、ガラス基板上にシリコン膜を成膜し、レーザ照射により多結晶シリコン膜にした後に、その多結晶シリコン膜を基板にして、多数のトランジスターを薄膜法等で形成して、液晶表示装置の制御装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のレーザアニーリング方法を実施するためのレーザアニーリング装置の模式図を示す。
【図２】パルスレーザの時間的強度分布を示す図。
【図３】照射ビームの空間的強度分布を示す図。
【図４】図３に示すような照射ビームの空間的強度分布を形成するための光学系を示す（Ａ、Ｂ）。
【図５】照射ビームの１パルスの空間的強度分布（Ａ）と、このパルスを照射した非晶質シリコン膜の表面結晶粒の生成分布を示す図（Ｂ）。
【図６】本発明の実施形態に係るレーザアニーリング方法において、シリコン膜の結晶粗粒化のために、照射ビームの空間的半値全幅と、時間的半値全幅と、パルス当たり照射ビーム移動距離との関係を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１  レーザ光源、２  レーザビーム、３  光学系、５  シリコン膜、７  ガラス基板、１０  ステージ装置、２１  照射ビーム、２２  照射部位、３０  強度分布均一化手段、３１  ビーム形状調整手段。
【図１】
2005072487.tif 000003
【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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