(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体レーザの第２高調波を発生するレーザ発振器と、
該複数のレーザ発振器から放射されたレーザビームを複数の線状照射レーザビームとし、且つ当該線状照射レーザビームを基板上に成膜された非晶質若しくは多結晶のケイ素膜上に照射する複数のレーザ光学系と、
上記線状照射レーザビームの長手方向であるｙ方向と、該ｙ方向に直交し上記線状照射レーザビームの掃引方向であるｘ方向とに移動可能な上記基板載置用の移動ステージと、
を備えた装置を用い、
上記移動ステージをｘ方向に移動させながら、上記複数の線状照射レーザビームを同時に上記ケイ素膜上に照射して、結晶性に優れたケイ素薄膜を形成するレーザアニーリング方法であって、
上記アニーリング方法は、上記固体レーザの上記第２高調波を用い、
上記複数のレーザ光学系は、上記基板上における隣接する上記線状照射レーザビームのｙ方向の間隔ｄが上記線状照射レーザビームのｙ方向の幅ｗに対して等しいか又は小さくなるように配置され、
上記移動ステージは、
ｘ方向の１回目の掃引によって上記レーザビームを照射しながら所定距離移動し、
終了後、ｙ方向に上記線状レーザビームの幅ｗに対して等しいか又は小さい距離だけ移動し、
ｘ方向の２回目の掃引によって上記レーザビームを照射しながら所定距離移動することを特徴とするレーザアニーリング方法。
【請求項２】
上記線状照射レーザビームの相互の間隔ｄが、レーザビームの数をｎ、線状ビームの幅をｗ、基板のレーザ光を照射すべき領域幅をＬとしたとき、
（ｗ＋ｄ）×ｎ≧Ｌ
の関係を満たすように設定されてい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶性に優れた多結晶の半導体膜、特に、ケイ素膜を形成するためのレーザ熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレーの画素部は、ガラスまたは合成石英の基板上に形成した非晶質または多結晶のケイ素膜上に形成した薄膜トランジスタのスイッチングにより、画像を構成している。しかし、トランジスタ能動層を構成するケイ素膜の結晶性が低く、薄膜トランジスタは、移動度に代表されるように性能が低く、高速性と高機能性が要求される集積回路の作製は困難であった。そこで、高移動度の薄膜トランジスタを実現するために、ケイ素膜結晶性を改善する方法として、基板上に形成したケイ素膜にレーザを照射して、その結晶性を高めるレーザ熱処理が行われている。
【０００３】
液晶パネルの画素部の画素トランジスタは、ドライバ回路で駆動されており、ドライバー回路は、主として外部に独立して配置してあるが、多結晶ケイ素膜の高速性と高機能性が実現できれば、ドライバ回路を、画素トランジスタに近接して同時に構成することができる。これが可能となれば、液晶パネルの製造コスト・信頼性などの面で飛躍的なメリットが生じることになる。
【０００４】
ケイ素膜の結晶性と薄膜トランジスタの移動度の関係は以下のように説明される。レーザ熱処理により得られるケイ素膜は一般に多結晶である。多結晶の結晶粒界は格子欠陥により構成され、これら欠陥が薄膜トランジスタ能動層のキャリアを散乱させ、移動を阻害する。従って、薄膜トランジスタの移動度を高くするには、キャリアの能動層が移動中に結晶粒界を横切る頻度を少なくすることが重要で、このため格子欠陥密度を小さくする必要がある。レーザ熱処理の目的は、基板上に成膜された非晶質のケイ素膜から、結晶粒径が大きくかつ結晶粒界における格子欠陥が少ない多結晶のケイ素膜の形成することである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、特願平１１−１７９２３３号において、レーザ熱処理用の光学系を提案しているが、これは、レーザ発振器からのレーザビームを光学系により、ケイ素膜表面上で照射レーザビーム形状を線状に分布させ、線状ビームをケイ素膜上に相対的に線状ビームの直交方向に掃引するものである。
【０００６】
図４と図５は、このレーザ光学系３の模式図を示すが、レーザ発振器１から放出されたレーザビーム２は、強度分布成形手段３０とビーム形状成形手段３１とを通過して、基板５０上に被着形成されたケイ素膜５に照射される。
【０００７】
レーザ発振器１から放出されたレーザビーム２は、通常、ガウス強度分布を示すが、強度分布成形手段３０は、例えば、ビーム断面のｘ方向にはガウス状の強度分布を保存しながらビーム断面のｙ方向の強度分布のみを平滑化するものである。
【０００８】
このようなトップハット分布のレーザ光は、ビーム形状成形手段３１によってｘ方向とｙ方向とのレーザビームの幅の倍率が調整されて、非晶質または多結晶のケイ素膜５上ではビーム形状は長方形ないし線状にされる。長方形のレーザビームの長手方向をｙ方向に採ると、ケイ素膜５の表面Ｃにおけるｘ方向の強度分布ＸＣは強度分布成形手段３０の入射面Ａにおけるｘ方向の強度分布ＸＡを縮小した形状になっており、発振レーザ光２の指向性などの性質をなお保存しており、一方、ケイ素膜上面Ｃにおけるｙ方向の強度分布ＹＣはほぼ均一な分布になる。
【０００９】
他方、レーザ照射の対象とケイ素膜５は、ガラスなどの基板５０上に下地膜５１として形成された酸化ケイ素膜上に、成膜されており、基板５０は、走査ステージに固定されて、照射した長方形状のレーザビームをｘ方向に移動させながら、レーザ照射してケイ素膜の加熱を行う。
【００１０】
基板上に成膜されたケイ素膜５表面に、長方形状のレーザ光をｘ方向に掃引しながら照射すると、ケイ素膜５がレーザ光を吸収し加熱され、長方形状に溶融される。このとき、照射レーザビームの長手方向即ちｙ方向は、レーザ光２の強度分布が均一なため温度勾配は生じないが、掃引方向であるｘ方向には冷却に伴う温度勾配が生じる。溶融されたケイ素膜が冷却により結晶化するとき、結晶は温度勾配に従って成長するから、基板５０の移動方向即ちｘ方向への１次元成長（一方向成長）になり、結晶粒径が数μｍ程度の結晶粒が掃引方向沿って形成される。
【００１１】
このようなレーザ熱処理に長方形ないし線状ビームを用いると、レーザビームの幅方向の強度分布が再結晶成長過程に大きく影響し、長手方向の分布が結晶を成長させる領域を左右するので、特性の優れた薄膜トランジスタを製造するには、適当なビームプロファイルと照射強度を選択しなければならない。しかしながら、上記の長方形状ビーム形成用の光学系では、レーザ出力に限界があり、必要な照射強度を得るために照射レーザビームの長手方向の長さを短くする必要があり、生産性が低かった。
【００１２】
本発明は、このような問題を解消するためになされたもので、レーザ熱処理により格子欠陥の密度の少ない高い結晶性を有するシリコン薄膜を形成することができ、且つシリコン薄膜の生産性の高いレーザアニーリング装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザアニーリング装置は、レーザ発振器と、該レーザ発振器から放射されたレーザビームを非晶質若しくは多結晶の半導体膜上に照射し且つこの照射レーザビームを線状に形成するレーザ光学系と、を備え、線状照射レーザビームにより半導体膜を結晶化させるもので、装置は、レーザ光学系が複数個配置されて、各レーザ光学系から半導体膜上に照射された各線状照射レーザビームは、半導体膜表面上に任意の間隔をもってその長さ方向にほぼ直線状に位置付けられる。１回の掃引で、複数列の面域を結晶化でき、能率を向上でき、さらに間隔を設けるので、各線状照射レーザビーム相互間の干渉がなく、確実に欠陥の少ない結晶膜の生成ができる。
【００１４】
本発明のレーザアニーリング装置においては、好ましくは、線状ビーム相互の間隔を、線状ビームの幅と実質的に等しいか又はやや小さく設定される。
特に、この線状ビーム相互の間隔は、レーザビームの数ｎ、線状ビームの幅ｗ、線状ビーム相互の間隔ｄ、基板のレーザ光を照射すべき領域幅をＬとしたときに、
（ｗ＋ｄ）×ｎ≧Ｌ  の関係を満たすように設定するのが好ましい。このような照射レーザビーム間の間隔の配置は、１回目のパスの後、２回目のパスをこの間隔に向けて照射レーザビームを照射すれば、多結晶化を行なうことができる。
【００１５】
本発明の装置は、好ましくは、ケイ素膜に適用されて、均質で大きな結晶粒を有する多結晶ケイ素膜にすることができ、液晶ディスプレーの画素部用の高速薄膜トランジスタを成形するための基板として利用することができる。
【００１６】
レーザ発振器は、３５０ｎｍから８００ｎｍの間の発振波長を有するレーザ光を放射するものが好ましく、この波長光が、ケイ素膜の厚み方向への均一加熱の点で、好ましく、特に、レーザ発振器は、固体レーザの高調波を利用する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この実施形態のレーザアニーリング装置は、図１に示すように、この例は、３つのレーザ発振器１ａ〜１ｃと各レーザ光学系として線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃと各反射鏡４ａ〜４ｃが、ほぼビーム光軸が水平になるように配置され、各反射鏡４ａ〜４ｃが、ステージ６上の基板５０上方に配置されている。
【００１８】
３つのレーザ発振器１（１ａ〜１ｃ）からはレーザビーム２（２ａ〜２ｃ）が、対応するレーザ光学系として各線状ビーム成形手段３（３ａ〜３ｃ）に向けて照射され、各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃにおいては、ケイ素膜にに照射されたときのビームのプロフィルが線状になるように成形される。各線状ビーム成形手段３（３ａ〜３ｃ）からのビームは、各反射ミラー４（４ａ〜４ｃ）により反射されて、ケイ素膜５の表面に垂直に照射される。
【００１９】
線状ビーム成形手段３は、各々、基板上のケイ素膜上において照射レーザビーム８ａ、８ｂ、８ｃは線状ビームになるように成形するものであり、一例として、図５に示したような対面反射面を備えた導波路３２とシリンドリカル凸レンズ３３とから成るものが利用できる。
【００２０】
図５には、最も簡便なレーザ光学系３の一例を示しており、強度分布成形手段３０にはｙ方向にテーパ状に対面する一対の反射面３２０、３２０を備えた光導波路３２を備え、ビーム形状成形手段３１は、ｘ方向シリンドリカル凸レンズ３３を有している。光導波路３２への入射レーザビーム２は、ｙ方向成分が導波路３２の一対の反射面３２０、３２０間で多重に反射されて均一の強度分布に合成されシリンドリカル凸レンズ３３を通過してケイ素膜５上に照射され、他方の入射ビームのｘ方向成分は、導波路３２の反射面の間を通過して、シリンドリカル凸レンズ３３でケイ素膜上に集光される。こうしてケイ素膜上には、照射レーザビームは、ｙ方向には長く均一の強度分布を有しｘ方向に急峻な強度分布で狭幅にされた、線状形状をなしており、ｘ方向に掃引されて、ケイ素膜は加熱溶融され、次いで冷却される。
【００２１】
この実施形態においては、基板上のケイ素膜５上において照射レーザビーム８ａ、８ｂ、８ｃは、互いに間隔を設けて、しかもほぼ直線状に配列されている。ケイ素膜上に照射された線状照射レーザビーム８ａ、８ｂ、８ｃは、その幅方向に（この図１でｘ方向に）掃引されるので、ケイ素膜上にレーザ照射された照射領域８５ａ、８５ｂ、８５ｃが間隔を設けて配列され、照射領域８５ａ、８５ｂ、８５ｃでは過熱溶融と冷却過程で結晶化が進行する。他方、照射領域８５ａ、８５ｂ、８５ｃの相互間の間隙は、未結晶化のままであるが、次回の照射レーザビーム８ａ、８ｂ、８ｃにより掃引され、これにより結晶化される。
【００２２】
この実施形態においては、複数のレーザ発振器１ａ、１ｂ、１ｃから放出されたレーザビーム２ａ、２ｂ、２ｃを、各線状ビーム成形手段を通じて同時に基板上半導体膜に照射するので、各照射レーザビーム８ａ、８ｂ、８ｃには、それぞれ必要な照射強度を保った状態で、照射レーザビームの数に応じた照射面積を大きくでき、生産性が向上できる。しかも、レーザ発振器もビーム成形手段も、適度に間隔を設けて機体に配置でき、相互の干渉を防止することができるのである。
【００２３】
本発明におけるレーザ発振器は３３０ｎｍから８００ｎｍの間に発振波長を有するレーザがより効果的である。すなわち、この波長領域レーザ光は、非晶質ケイ素に対する吸収係数が比較的小さく、膜厚方向にレーザ光が透過するので、膜厚方向に対してはほぼ均一に加熱される。これは、レーザ照射によって発生するケイ素膜内の横方向温度分布を、ｘ方向にのみ限定することができる。従って、基板上のケイ素膜を、ある強度以上のビームの部分が、深さ方向全体に、均一に溶融する。
【００２４】
以上のようにケイ素膜の厚さ方向を均一に加熱でき、レーザ熱処理により、ケイ素膜に粗大な結晶粒を作ることができ、格子欠陥密度の小さい薄膜トランジスタを作るための結晶性に優れたケイ素薄膜が得られる。
【００２５】
このような波長３４０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の発振波長レーザには、好ましくは、固体レーザ高調波発生源が利用できる。固体レーザには、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（５２４ｎｍ）や第３高調波（３４９ｎｍ）、あるいはＹｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波（５１５ｎｍ）や第３高調波（３４４ｎｍ）などを用いることができる。Ｔｉ：サファイアレーザの基本波または第２高調波を用いてもよい。このような固体レーザ高調波発生源は、３４０ｎｍから８００ｎｍの間に発振波長のレーザ光をコンパクトな装置で効率よく得られ、長時間安定した動作が可能になる。
【００２６】
他方、レーザ処理されるべきケイ素膜は、その寸法形状がその用途に対応して決められるが、基板には、ガラス又はセラミックスの基板が使用され、基板上には下地膜として、絶縁層、例えば酸化ケイ素膜が形成される。酸化ケイ素膜は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成することができる。その厚みは、厚さ１００〜３００ｎｍの範囲、特に、２００ｎｍ程度にされる。
処理されるべきケイ素膜は、下地の酸化ケイ素膜上に形成され、その用途に応じて、例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により成膜して、厚さ、例えば、３０〜１００ｎｍの範囲に、特に、厚さ５０ｎｍ程度の非晶質にケイ素膜が形成される。ケイ素膜は、非晶質であっても、又結晶質であってもよい。このようなケイ素膜を形成した基板５０は、ステージ上に載置固定される。
【００２７】
ケイ素膜に対して、線状の照射レーザビームは、その幅方向、即ち、ｘ方向に相対移動させながらレーザ照射を行う。移動は、固定したレーザ光学系に対してステージを二方向に移動可能にして、ステージを走査させる方法と、ステージを固定して、上記のレーザ光学系を繰り返し走査する方法とがある。
【００２８】
相対移動中のケイ素膜にレーザ光が照射されると、ケイ素膜がレーザ光を吸収し加熱され、レーザビームの形状に対応して長方形上に溶融される。溶融したケイ素膜には、移動方向のｘ方向にのみ温度勾配が生じ、照射レーザビーム８の長手方向即ちｙ方向は、溶融したケイ素膜は、照射レーザビーム８の強度分布が均一なため温度勾配は生じない。溶融ケイ素膜は、温度勾配に添って結晶化し成長するので、基板５０の移動方向即ちｘ方向への１次元成長（一方向性成長）になり、結晶粒径は数μｍ程度と大きな結晶粒が形成される。
【００２９】
照射による結晶成長の過程は、非晶質または多結晶のケイ素膜内においてｘ方向に形成された温度分布に大きく影響される。すなわち、照射される長方形ビームの幅方向の強度分布に大きく影響される。レーザ光照射により非晶質または多結晶のケイ素膜内に導入された熱は、一様に基板へ散逸していく。すなわち、非晶質または多結晶のケイ素膜内のｘ方向温度分布は一様に低下していく。従って、溶融ケイ素膜は、先に温度が融点を過ぎた部分から、後に温度が融点より低下する部分へ向かって結晶成長していく。そしてこの成長中の結晶は、温度低下の過程で自然核発生により成長した微結晶によりその行く手を遮られて、ｘ方向結晶成長が止まる。すなわち、自然核発生が起こるまでの時間にできるだけ結晶粒が長く成長していることが必要である。そのためには、結晶成長速度が速いことが要求される。
【００３０】
一般に、ある微小領域における結晶成長速度ｖは、微小領域の幅Δｘに対する微小領域における温度差ΔＴの比、即ち温度勾配に依存して、ｖ＝ｋΔＴ/Δｘにより表される。ここで、ｋは速度定数である。
【００３１】
すなわち、ケイ素膜内のｘ方向に関して温度分布が存在する場合、融点以上の温度である領域の温度勾配が急峻であれば、結晶成長速度を大きくでき、その結果、結晶粒径の大きい多結晶のケイ素膜の形成が可能となり、高性能の薄膜トランジスタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜を形成することができる。
【００３２】
本実施の形態に示した装置は、第２のレーザ発振器１ｂ、第３のレーザ発振器１ｃから放射された第２、第３のレーザビーム２ｂ、２ｃについても、第１のレーザビーム２ａ同様、線状に変換され、非晶質または多結晶のケイ素膜が成膜された基板５０に線状ビームとして照射される。このように、複数のレーザ発振器１ａ、１ｂ、１ｃから放出されたレーザビーム２ａ、２ｂ、２ｃを同時に基板に照射することにより、必要な照射強度を保った状態で、照射面積を大きくでき、生産性が向上できる。
【００３３】
また、基板上でレーザを照射する必要な領域が広い場合には、第１ないし第３の照射レーザビーム８ａ〜８ｃに、ｙ方向について相互に、一定の間隔を設けて、ビーム同士は、ほぼ直線状に配置することもできる。照射レーザビーム同士を、互いに離間しままで、ｘ方向にケイ素膜表面上を所定距離移動させ、終了後、ｙ方向にビーム幅と等しいか又はやや小さい距離だけ移動し、再びｘ方向に移動させる。基板上でレーザを照射する必要な領域全域に対してレーザ照射を行う。このとき、１回パスでｙ方向の移動量は、照射レーザビームに間隔を空けない場合と比べ小さくなり、かつ、照射レーザビームに間隔があることにより、複数の線状ビーム成形手段などのレーザ光学系も距離を持って配置でき、光学部品の干渉を防ぐことができる。
【００３４】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２のレーザアニーリング装置の光学系の模式的斜視図である。この実施の形態は、照射レーザビーム間隔ｄが、照射レーザビーム幅ｗと等しいか、やや小さく設定されている。その他、レーザ光学系の構造と照射レーザビームの非晶質または多結晶のケイ素膜に対する作用機能は、実施の形態１において説明したのと同様である。
【００３５】
このような照射レーザビームの配置によれば、１回目の走査パスの後に、ケイ素膜のｙ方向の移動量を照射レーザビーム間隔ｄとほぼ等しくして、次いで再度走査すれば、基板上でレーザ光を照射すべき領域幅Ｌにレーザ光を照射することができ、均一な熱処理が行える。
【００３６】
実施の形態３．
この実施形態は、図３において、ケイ素膜上の照射レーザビーム間隔ｄは、照射レーザビーム幅ｗ、照射レーザビーム間隔ｄ、基板上でレーザ光を照射すべき領域幅Ｌ、照射レーザビーム本数ｎの関係が、（ｗ＋ｄ）×ｎ≧Ｌを満たすように、設定される。この実施形態においても、レーザ光学系の構造と照射レーザビームの非晶質または多結晶のケイ素膜に対する作用機能は、実施の形態１において説明したのと同様である。
【００３７】
上記照射レーザビームの配列によれば、複数ビームのレーザ光学系の間隔を最大にできるため、複数の線状ビーム成形手段などのレーザ光学系も距離を持って配置でき、光学部品の干渉を防ぐことができ、基板５０の１回のｙ方向移動量を最小の間隔にできるため、ｙ方向移動機構の動作を安定できる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のレーザアニーリング装置は、複数のレーザビームを使用して、半導体膜に複数の照射レーザビームに間隔を設けて照射するので、１回のパスのでの照射面積を大きくできて多結晶半導体膜の生産性を高め、しかも複数の線状ビーム成形手段などのレーザ光学系も距離を持って配置でき、光学部品の干渉を防ぐことができる。
【００３９】
線状ビーム相互の間隔は、線状ビームの幅と実質的に等しく又はやや小さく設定すれば、すべての基板上でレーザ光を照射すべき領域幅Ｌにレーザ光を照射することができ、均一な熱処理が行える。
【００４０】
レーザビームの数ｎと線状ビームの幅ｗと線状ビーム相互の間隔ｄと基板のレーザ光を照射する必要がある領域幅をＬとの関係（ｗ＋ｄ）×ｎ≧Ｌを満たすように線状照射レーザビーム相互の間隔を設定すれば、複数ビームのレーザ光学系の間隔を最大にできるため、複数の線状ビーム成形手段などのレーザ光学系も距離を持って配置でき、光学部品の干渉を防ぐことができるとともに、非晶質または多結晶の半導体膜が成膜された基板５０の一回のｙ方向移動量を最小かつ、など間隔にできるため、ｙ方向移動機構の動作を安定できる。
【００４１】
半導体膜に、基板上に成膜された非晶質ケイ素膜を適用することにより、多結晶半導体膜を、格子欠陥が少なく且つ量産的に製造することができ、液晶ディスプレー用に使用す薄膜トランジスタ用に高性能のケイ素基板として利用できる。
【００４２】
レーザ発振器に、３５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の発振波長を利用すれば、非晶質または多結晶のケイ素膜の厚さ方向を均一に加熱でき、レーザ熱処理により結晶性に優れた薄膜が得られ、高性能の薄膜トランジスタの作製に利用することができる。
【００４３】
レーザ発振器を固体レーザの高調波を利用すれば、レーザ発振器をコンパクトにできるとともに、非晶質または多結晶のケイ素膜の厚さ方向を均一に加熱できる。レーザ熱処理方法において高性能の薄膜トランジスタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係るレーザアニーリング装置の模式的斜視図である。
【図２】  本発明の別の実施の形態に係るレーザアニーリング装置の模式的斜視図である。
【図３】  本発明の別の実施の形態に係るレーザアニーリング装置の配置を示す模式的斜視図である。
【図４】  本発明のレーザアニーリング装置の基礎を成すレーザ熱処理用レーザ光学系を示す。
【図５】  レーザ熱処理用レーザ光学系の構造を示す。
【符号の説明】
１  レーザ発振器、２  レーザビーム、３ａ、３ｂ、３ｃ  線状ビーム形成手段、５  ケイ素膜、５１  下地膜、５０  基板、６  移動ステージ。
【図１】
0004410926.tif 000002
【図２】
0004410926.tif 000003
【図３】
0004410926.tif 000004
【図４】
0004410926.tif 000005
【図５】
0004410926.tif 000006