(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に直もしくはアンダーコート層を介して非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動させながらレーザビームパルスを照射することによって、前記非晶質シリコン半導体薄膜から多結晶シリコン半導体薄膜を製造するレーザアニール法による多結晶薄膜の製造方法において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、レーザアニールを施す前に、パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積をガラス基板の移動させる方向の軸と交差する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較して、平均粒径が小なる領域と大なる領域を求め、平均粒径が大なる領域から小なる領域へ向かう方向にガラス基板を移動させる相対移動方向にレーザアニールする多結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されないエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記相対移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前のエネルギー密度で前記相対移動方向にレーザアニールすることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状は長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項３】
パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積を相対移動方向の軸と直交する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較する場合において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されるエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記相対移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前のエネルギー密度で平均粒径が小なる領域から大なる領域に向かう方向にガラス基板を移動させてレーザアニールすることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状は長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項５】
パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積をガラス基板の移動方向の軸と直交する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較する場合において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されないエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記ガラス基板の移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前のエネルギー密度で平均粒径が大なる領域から小なる領域に向かう方向に、前記ガラス基板を移動させてレーザアニールするに当たり、平均粒径が小なる領域の中に混ざって平均粒径が０．１μｍ以下の領域が発生しないビームを用い、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項６】
パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積を前記ガラス基板の移動方向の軸と直交する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較する場合において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されるエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記ガラス基板の移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前の状態における平均粒径が小なる領域から大なる領域に向かう方向に、ガラス基板を移動させてレーザアニールするにあたり、平均粒径が小なる領域の中に混ざって平均粒径が０．１μｍ以下の領域が発生しないビームを用い、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項７】
ガラス基板上に直もしくはアンダーコート層を介して非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動させながら、エキシマレーザビームを照射することにより、前記非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体とするレーザアニールによる薄膜の製造方法において、前記レーザビームの強度プロファイルを蛍光板あるいはＣＣＤで表示させ、前記強度プロファイル中のプラトー領域に着目したときに、該プラトーを２分割してその高さを比較しプラトーが高い方と低い方を求め、レーザアニールをする際にレーザビームのプラトーが高い方から低い方に向かう方向にガラス基板を移動させることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定させてレーザーアニールすることを特徴とする請求項７に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項９】
ガラス基板上に直もしくはアンダーコート層を介して非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動させながら、エキシマレーザビームを照射することにより、前記非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体とするレーザアニールによる薄膜の製造方法において、前記レーザビームの強度プロファイルを蛍光板あるいはＣＣＤで表示させ、前記強度プロファイル中のプラトー領域に着目したときに、該プラトーを２分割してその高さを比較しプラトーが高い方と低い方を求め、レーザアニールをする際に前記レーザビームのプラトーが高い方から低い方に向かう方向にガラス基板を移動させ、且つ、前記プラトーの低い領域の中に混ざってビーム強度の高い部分が無いレーザビームを用いることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定させてレーザーアニールすることを特徴とする請求項９に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶ディスプレイの画素スイッチや駆動回路に用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタを製造するために、ガラス基板上に直もしくはアンダーコート層を介して非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動させながらレーザビームパルスを照射することによって、前記非晶質シリコン半導体薄膜から多結晶シリコン半導体薄膜を製造するレーザアニール法による多結晶薄膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、アモルフアスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなる絶緑ゲート型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を画素スイッチに用いた液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が量産されている。しかし高精彩、高速などの高機能を有するディスプレイを実現するには、電界移動度（μＦＥ）が１ｃｍ2／Ｖｓ以下と低いａ−ＳｉのＴＦＴでは能力が足りない。それに対してａ−Ｓｉにエキシマレーザを照射するレーザアニール法で作成した多結晶シリコンのＴＦＴでは、実験段階で電界移動度μＦＥが１００から２００ｃｍ2／Ｖｓ程度のものが得られており、ディスプレイの高精彩化、高速化、駆動回路の組込みなどの高機能化が期待できる。
【０００３】
エキシマレーザ法は、ａ−Ｓｉに例えば波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌガスレ−ザであるエキシマレーザを照射して多結晶シリコンとする方法である。ａ−Ｓｉ表面でのビームサイズは例えば、長さ２００ｍｍ、幅０．４ｍｍで、このパルスビームを３００Ｈｚで発振させ、各パルスの照射される領域を徐々に移動させて、ａ−Ｓｉを多結晶シリコンとする。
【０００４】
多結晶シリコンＴＦＴの電界移動度μＦＥを決定する要素は、多結晶シリコンの粒径であるが、それは照射するレーザのフルエンスという名で呼ばれるエネルギー密度に大きく依存する。一般的に、図４にあるように、フルエンスの増大につれて、多結晶シリコンの粒径も増大するが、あるフルエンスの値Ｆ１からＦ２までは多結晶シリコンの粒径があまり変化しなくなり、Ｆ２よりもさらにフルエンスを増大させると、再び多結晶シリコンの粒径が増大するが、あるフルエンスの値Ｆ３を境に、多結晶シリコンは微結晶粒となり、このような微結晶シリコンでは電界移動度μＦＥが低下して所望のＴＦＴ特性を得ることができない。
【０００５】
多結晶シリコンの粒径は、それをセコエッチング液と呼ばれる液でエッチングして、走査電子顕微鏡で粒径を観察することによって確認することができる。この方法を利用してレーザのフルエンスを多結晶シリコンの粒径があまり変化しない領域、すなわちＦ１からＦ２の間の例えば中間に選ぶ。レーザ発振強度は常に変化するが、この領域でレーザアニールを行えば、レーザ発振強度が多少変化しても、多結晶シリコンの粒径が均一なものが得られるからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らによる試験研究の結果によると、前記フルエンスＦ２−Ｆ１の幅は、レーザ光に対するガラス基板の移動方向によって異なり、移動方向の選択を間違うと、Ｆ２−Ｆ１の幅が非常に狭くなって、そのような状態で行ったレーザアニールでは、均一な粒径の多結晶シリコンが得られないということがわかった。
【０００７】
そこで本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、エキシマレーザアニール法により、ガラス基板全面で電界移動度の高い多結晶シリコン薄膜を製造するに当たり、レーザ光に対するガラス基板の最適な移動方向を求める方法を提供することにより、ガラス基板全面で特性の揃ったＴＦＴを製造することを可能にし、駆動回路一体型液晶ディスプレイやその他の高機能液晶ディスプレイを量産できるようにした多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記問題を解決するべく詳細な試験研究を行った。具体的には、レーザとガラス基板の相対関係を固定したいわゆるバースト照射状態で、レーザアニールを施した領域を詳細に調べた。その結果、バースト照射でレーザアニールを施した領域の多結晶シリコン粒径分布と、ガラス基板移動の適正方向とが相関関係を有していることを突き止め、本発明に至った。
【０００９】
すなわち、第１の発明は、ガラス基板上に直もしくはアンダーコート層を介して非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動させながらレーザビームパルスを照射することによって、前記非晶質シリコン半導体薄膜から多結晶シリコン半導体薄膜を製造するレーザアニール法による多結晶薄膜の製造方法において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、レーザアニールを施す前に、パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積をガラス基板の移動させる方向の軸と交差する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較して、平均粒径が小なる領域と大なる領域を求め、平均粒径が大なる領域から小なる領域へ向かう方向にガラス基板を移動させる相対移動方向にレーザアニールする多結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されないエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記相対移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前のエネルギー密度で前記相対移動方向にレーザアニールすることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１０】
また第２の発明は、パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積を相対移動方向の軸と直交する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較する場合において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されるエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記相対移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前のエネルギー密度で平均粒径が小なる領域から大なる領域に向かう方向にガラス基板を移動させてレーザアニールすることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１１】
また他の発明は、請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状は長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１２】
また更に他の発明は、パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積を相対移動方向の軸と直交する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較する場合において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されるエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記相対移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前のエネルギー密度で平均粒径が小なる領域から大なる領域に向かう方向にガラス基板を移動させてレーザアニールすることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１３】
また他の発明は、請求項３に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状は長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１４】
また更に他の発明は、パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積をガラス基板の移動方向の軸と直交する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較する場合において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されないエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記ガラス基板の移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前のエネルギー密度で平均粒径が大なる領域から小なる領域に向かう方向に、前記ガラス基板を移動させてレーザアニールするに当たり、平均粒径が小なる領域の中に混ざって平均粒径が０．１μｍ以下の領域が発生しないビームを用い、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１５】
また他の発明は、パルスレーザのエネルギー密度を種々に変えて、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板上の異なる場所に１パルスずつ照射し、各照射領域の面積を前記ガラス基板の移動方向の軸と直交する直線で２分割し、分割された２つの領域の多結晶シリコンの平均粒径をそれぞれ比較する場合において、レーザビームのエネルギー密度はほぼ等しいプラトー領域を有し、前記パルスレーザのエネルギー密度は照射領域の全面で微結晶粒が形成されるエネルギー密度から始め、平均粒径が小なる領域と大なる領域が前記ガラス基板の移動方向に関して逆転するまでのエネルギー密度を求め、この逆転が起こる前の状態における平均粒径が小なる領域から大なる領域に向かう方向に、ガラス基板を移動させてレーザアニールするにあたり、平均粒径が小なる領域の中に混ざって平均粒径が０．１μｍ以下の領域が発生しないビームを用い、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定してレーザアニールを施すことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１６】
また更に他の発明は、ガラス基板上に直もしくはアンダーコート層を介して非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動させながら、エキシマレーザビームを照射することにより、前記非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体とするレーザアニールによる薄膜の製造方法において、前記レーザビームの強度プロファイルを蛍光板あるいはＣＣＤで表示させ、前記強度プロファイル中のプラトー領域に着目したときに、該プラトーを２分割してその高さを比較しプラトーが高い方と低い方を求め、レーザアニールをする際にレーザビームのプラトーが高い方から低い方に向かう方向にガラス基板を移動させることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１７】
また他の発明は、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定させてレーザーアニールすることを特徴とする請求項７に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１８】
また更に他の発明は、ガラス基板上に直もしくはアンダーコート層を介して非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動させながら、エキシマレーザビームを照射することにより、前記非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体とするレーザアニールによる薄膜の製造方法において、前記レーザビームの強度プロファイルを蛍光板あるいはＣＣＤで表示させ、前記強度プロファイル中のプラトー領域に着目したときに、該プラトーを２分割してその高さを比較しプラトーが高い方と低い方を求め、レーザアニールをする際に前記レーザビームのプラトーが高い方から低い方に向かう方向にガラス基板を移動させ、且つ、前記プラトーの低い領域の中に混ざってビーム強度の高い部分が無いレーザビームを用いることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００１９】
また他の発明は、前記非晶質シリコン薄膜上でのレーザビームの形状が長方形であり、前記ガラス基板の移動軸を前記レーザビームの長方形の短辺とほぼ平行な軸に沿って設定させてレーザーアニールすることを特徴とする請求項９に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法である。
【００２０】
上記の構成により、ガラス基板の移動方向を横軸にとって、ガラス基板上のアモルファスシリコン薄膜に照射されるレーザビームの強度分布をプロットすると、図１（ａ）に示したように台形ないし矩形に近い形をしており、本明細書では、平らな部分をプラトーＰ（Ｐ１）、裾の強度の落ちる部分をスティープスＳと呼ぶ。
【００２１】
プラトー領域Ｐの強度は場所によらずほぼ等しくなるように、光学系を調整するのが一般的であるが、実際にはガラス基板の移動方向に関して前後のどちらかの強度が弱くなることが多い。その理由は、光学調整時に使うレーザ強度分布を測定するＣＣＤプロファイラなどの測定装置の強度分解能が５％しかないために、５％未満の強弱を検出できないからである。このようなレーザビームで通常のレーザアニールを行うと、ガラス基板上の一点で観察した場合、強いエネルギ−のビームから弱いエネルギ−のビームへ徐々に変化していくか、その逆の弱いビームから強いビームに変化していくかのどちらかの履歴を辿ることになる。
【００２２】
一方、このプラト−Ｐ上における強いエネルギ−のビームと弱いエネルギ−のビームの中間に、前記図４で説明した微結晶粒の発生するフルエンスＦ３が入っていると、強いビームの照射された部分では、微結晶粒が成長し、弱いビームの照射された部分では、粒径の大きな多結晶が成長することになる。
【００２３】
エキシマレーザアニールの一般的なアニール方法は、ビーム幅の５％に相当する長さ分だけガラス基板を移動させるオーバーラップスキャン方法である。この場合、ガラス基板の任意の点に２０回のレーザが照射される。前記強いビームと弱いビームの中間に、前記微結晶粒の発生するフルエンスＦ３が存在するような設定で、前記オーバーラップによるレーザアニールを行うケースでは、レーザに対するガラス基板の移動方向を、弱いビームから強いビームに変化していく方向とすると、２０回のうちの前半の照射では粒径の大きな多結晶が成長するが、後半の照射で微結晶粒が成長することになり、結果として微結晶粒が残り、高性能のＴＦＴは実現できない。
【００２４】
ＴＦＴのための多結晶シリコンのレーザアニール方法としては、レーザアニールのフルエンスをＦ３よりも小さい、前記図４のＦ１からＦ２の間に設定するのが一般的であるが、実際にはＦ２とＦ３とは非常に接近している。そして、レーザの発振強度自体が約±１０％のばらつきを有しているので、Ｆ１からＦ２の間にフルエンスを設定しても、それより１０％強いＦ３以上のエネルギ−を含むレーザビームが照射されることがある。
【００２５】
このような状態でレーザに対する基板の移動方向を弱いビームから強いビームに変化する方向に一致させる場合には、その１０％強いビームが照射された領域においてフルエンスＦ３より大きいエネルギ−による微結晶ポリシリコンができてしまう。そして次のレーザ照射は異なった場所になされるので、オーバーラップしなかった領域に次の照射が行われることはなく、結果として部分的に特性の低いＴＦＴができて、駆動回路や画素ＴＦＴに欠陥を発生させることになる。
【００２６】
今度は逆に、ガラス基板の移動方向を、レーザの強いビームから弱いビームに変化していく方向として、前記と同じようにＦ１からＦ２の間にフルエンスを設定した場合には、それより１０％強いレーザが照射されて、強いビームの照射された領域で微結晶粒が発生しても、その強いビームはスキャンの初期であるため、強い照射がなされた領域には必ず、弱いビームによる照射が何度か行われるので、それらの照射によって、微結晶粒が融解、再生して、周囲と同程度の大きい結晶粒に戻すことができる。したがってこの場合には、微結晶粒による部分的に特性の低いＴＦＴができることがなく、特性の高いＴＦＴが全面に得られることになる。
【００２７】
以上のように、エキシマレーザアニールにおいて基板の移動方向をプラトーにおける強いビームから弱いビームに変化していく方向とすると、特性の高いＴＦＴが全面に得られる訳であるが、矩形ビームのプラトー領域Ｐは５％以上の強度差がないと、ビームプロファイラでは検出できない。このような場合でも、レーザアニールを施す薄膜の成膜された基板に対して、移動させずにレーザアニールを施し、その領域を移動させる軸と垂直な直線で２分割し、分割された領域の多結晶シリコンの平均粒径を比較することによって、ビーム強度の違いを検出することができる。すなわち、移動させずにレーザアニールを施した領域の結晶粒径は、フルエンスに比例して増大するため、フルエンスの低い領域では平均粒径が小さくなり、フルエンスの高い領域では平均粒径が大きくなる。そのため、平均粒径を比較することによって、プラトー領域Ｐ内のビーム強度の違いを判別することができ、プラトー上の強いビームから弱いビームに変化していく方向に、基板の移動方向を定めることができるようになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施例１
図１（ｂ）において、図示しないガラス基板上に成膜されたａ−Ｓｉ膜に対して、ガラス基板を移動させずに領域１１にレーザアニールを施し、即ち１回だけパルス状のレーザを照射し、それをセコエッチ法によってエッチングした場合のポリシリコン膜の表面形態の概略図を示す。図では理解を容易にするためにガラス基板の移動方向に沿った短軸を拡大して示しているが、実際にはエキシマレーザのビームサイズ、すなわち照射領域１１の長軸、短軸の寸法はおおよそ２００ｍｍ×０．４ｍｍである。
【００２９】
照射領域１１はレーザビームが照射されてａ−Ｓｉ膜が多結晶シリコンとなった全領域である。１２はそのうちのプラトー領域である。
エッチングによって、図１（ｂ）に示したレーザアニールされた領域１１のプラトー領域１２中の多結晶シリコンの結晶粒が識別できるようになる。図１の場合には、ガラス基板の移動方向に対して直交する方向の直線１３で２つに分割したプラト−領域１２のうち、紙面上方の方が粒径が大きい。このような粒径分布から直線１３で分割された分割領域夫々の平均粒径を求める。その方法は幾つもあるが、本実施例では、指定した領域に含まれる各結晶粒の重心点からの距離を解析するコンピュータソフトを用いた。このソフトでは、各結晶粒の平均粒径を求め、さらにそれらの統計的平均を算出することができる。
【００３０】
ガラス基板の移動によるスキャン方向の軸と垂直な直線１３で２分割し、分割された領域ごとに、前記コンピュータソフトで多結晶シリコンの平均粒径をもとめた。その結果、紙面上方の平均粒径は０．２μｍ、紙面下方の平均粒径は０．１５μｍと求まった。
【００３１】
このような操作を、レーザビームのフルエンスを変えて、低いフルエンスの照射されたビーム照射領域から順に高いフルエンスまで変化させて調べる。即ち図１（ａ）でのプラトーＰ１を上方へ平行移動させるようにフルエンスを順次高くしてゆく。
【００３２】
非常に低いフルエンスで照射された領域は、分割線１３の両側で図１（ｂ）のような粒径の違いは見られない。しかしフルエンスの高い照射のなされたビームになるにつれて、粒径に違いが見られるようになり、前述のような方法で粒径比較ができるようになる。
【００３３】
フルエンスをさらに上げて照射した領域を観察すると、図１（ｂ）のような粒径分布とは分割線１３の両側でガラス基板の移動方向に関して粒径の大小関係が逆転した分布が得られるようになる。これはビームプラトー内の強度の高い領域において、溶融シリコンの過冷却が発生し、その結果として微結晶（microcrystalline）Ｓｉが生じて、粒径が極端に小さくなるからである。
【００３４】
フルエンスをさらに上げて照射した領域を観察すると、前述の微結晶（ microcrystalline ）Ｓｉが照射領域のほぼ全面、すなわち分割線１３の両側で平均して発生して、もはや分割線１３の両側での平均粒径に差はなくなるようになる。
【００３５】
本実施例では、分割線の片側で上記の微結晶（microcrystalline）Ｓｉが発生する前までの、フルエンスを変えた毎回のビーム照射領域における分割線１３の両側の平均粒径を合計し、各分割領域毎に平均粒径を出して、粒径比較を行う。そして平均粒径の大きな方から小さな方へ向かう方向に基板移動方向を決定する。図１（ａ）の場合には図中の上方から下方へ基板を移動させればよいことが分かる。
【００３６】
時として図２のように、ビーム照射領域２１のプラトー部分２２の分割線２３で分割された一方の分割領域である粒径の小さな方の領域中にさらに小さい微結晶領域２４が現れることがある。これはこのプラトー下半分領域のエネルギ−が特に高く、そこだけ微結晶（microcrystalline）Ｓｉ２４が形成されて、粒径が極端に小さくなったものである。この時のプラト−部分２２のフルエンスは例えば図１（ａ）のプラト−Ｐ２に示したようにガラス基板の進行方向の先端部分で極端に高いエネルギ−を持つビ−ムが照射されたような場合にみられる。
【００３７】
このような状熊で、平均粒径の大きな方から小さな方へ向かう方向にガラス基板を移動させて、レーザアニールを行うと、各照射のその領域において微結晶ポリシリコンができてしまう。そしてこの領域には次のレーザ照射が行われないので、結果として部分的に電界移動度の低いポリシリコン膜が出来てしまい、このような部分的に電界移動度の低いポリシリコン膜を用いてＴＦＴを形成すると、駆動回路や画素ＴＦＴに欠陥を発生させることになる。そこでこのようにガラス基板の進行方向先端に相当するレーザビームの端に、前記微結晶粒２４が発生した場合は、レーザビームの形状を図１（ｂ）のような結晶分布が得られるようにプラトーＰ１が得られるように光学調整を行って、その後本実施例に述べた、基板移動方向を決めるためのテストを再度行う。
【００３８】
実施例２
実施例１と同様に、a-Siの成膜されたガラス基板に対して、このガラス基板を移動させずにレーザアニールを施し、フルエンスの大なる方から順にフルエンスを変えて粒径の観察を行う。フルエンスが極端に大きいと、実施例１に述べたように、例えば粒径０．１μｍ以下の微結晶（microcrystalline）Siが分割線１３の両側の照射領域のほぼ全面で発生して、分割線１３の両側での粒径に有意差はない。
【００３９】
次にフルエンスを順次低くして観察を進めてゆくと、あるフルエンスでの照射の結果、分割線１３の片側で粒径の大なる領域が現れるようになる。たとえばビーム内のプラト−部分のエネルギ−分布が図１（ａ）に示すようになっている場合で説明すると、プラト−の上半分はまだ微結晶発生のエネルギ−を持つが、プラト−の下半分がそれより低い大きい粒径が生成されるエネルギ−を持つフルエンスが照射されたことを意味する。
【００４０】
フルエンスをさらに下げて、プラト−の上半分が上記フルエンスでの下半分のエネルギ−に相当するエネルギ−になった状態でのフルエンスで照射した領域を観察すると、プラト−の上半分の照射領域の粒径も大きくなり、プラト−の下半分がそれより小さい粒径が生成されるエネルギ−を持つため、前述のように粒径分布が分割線１３の両側でガラス基板の移動方向に関して逆転して、図１（ｂ）と同じ状態で分布するようになる。この逆転する直前の照射領域の粒径分布を、実施例１と同じ方法で解析すると、プラト−の上半分はまだ微結晶発生のエネルギ−を持つため平均粒径は、0.1 μｍであるが、プラト−の下半分がそれより大きい粒径が生成される低いエネルギ−を持つため平均粒径は0.2 μｍと求まった。
【００４１】
本実施例では、フルエンスを大きい値から順次下げた場合に分割線１３の両側で粒径の大なる領域と小なる領域に別れるようになった時から上記の逆転が発生する前までの各々のフルエンスにおける分割線１３の両側でのビーム照射領域の平均粒径を夫々合計し、各分割領域毎に平均粒径を出して、その粒径比較を行う。そして平均粒径の小なる方、すなわちプラト−のエネルギ−の大きい方から基板に照射され、平均粒径の大なる方、すなわちプラト−のエネルギ−の小さい方が後から基板に当たる方向に基板移動方向を決定する。
【００４２】
この場合、製造工程の途中で粒径の大きな領域の端に微結晶が現れた場合には、平均粒径の小さな方から大きな方へ向かう方向に基板を移動させてレーザアニールを行うように決定しているので、そのままでは各照射領域に微結晶ポリシリコンが残ってしまう。このような場合には、レーザビームの形状を図１のような結晶分布が得られるように、光学調整を行って、その後本実施例２に述べた、基板移動方向を決めるためのテストを再度行う。
【００４３】
実施例３
この実施例３では、レーザの強度プロファイルを蛍光板あるいはＣＣＤを利用するプロファイラで解析して、その結果を用いてガラス基板の移動方向を決定する方法を示す。
【００４４】
ＣＣＤを利用するプロファイラで解析した場合のプラトー領域に着目したときに、該プラトーを２分割してその高さを比較し、プラトーが高い方と低い方を求め、レーザビームに対して基板を移動させる方向を、プラトーが高い方から低い方に向かう方向とする。例えば図１（ａ）に示した例ではプラト−Ｐ１の左端の方が右端より高いので、このプラト−Ｐ１の左端から右端へ向かって基板を移動させるように決定する。
【００４５】
以下、図３を参照してこの発明により製造されたガラス基板上のポリシリコン薄膜を用いて液晶ディスプレイを駆動するためのＴＦＴアレイを作成する方法を述べる。
【００４６】
図３において、ガラス基板３８上にＳｉＮｘとＳｉＯｘからなるアンダーコート層４３をプラズマＣＶＤ法で形成した後、ａ−Ｓｉを膜厚５５ｎｍの設定でプラズマＣＶＤ法で形成した。ここで、ガラス基板３８のサイズは４ＯＯｍｍ×５００ｍｍである。
【００４７】
ａ−Ｓｉの成膜後、窒素雰囲気中で５００℃、１時間の熱処理を行い、膜中の水素濃度を低下させ、その後、ａ−Ｓｉの膜厚をエリプソ法により求めた。ａ−Ｓｉの実際の膜厚は５４．５ｎｍであった。
【００４８】
その後ＸｅＣｌエキシマによるレーザアニールを行って多結晶シリコン層３１を形成した。エキシマレーザの照射サイズは２００ｍｍ×０．４ｍｍの線状ビームとし、ガラス基板３８上でのフルエンスは３５０ｍＪ／ｃｍ2、ガラス基板３８の移動によるビ−ムオーバーラップは９５％となるように設定した。レーザは３００Ｈｚで動作させ、基板３８を載せたＸＹステージを６ｍｍ／ｓで移動させた。基板３８を載せたＸＹステージの移動方向は、実施例１で求めた方向とした。
【００４９】
レーザアニールによって形成した多結晶シリコン層３１から、フォトリソグラフィ技術を用いて、多結晶シリコンソ−ス３２ａ，多結晶シリコンドレイン３２ｂを形成し、その上にゲ−ト酸化膜３３を形成し、ゲ−ト電極３４を形成して薄膜トランジスタを作製する。
【００５０】
多結晶シリコンソ−ス３２ａ，多結晶シリコンドレイン３２ｂ、ゲ−ト酸化膜３３、ゲ−ト電極３４の全体を層間絶縁膜３６で覆い、コンタクト穴を開けて多結晶シリコンソ−ス３２ａ，多結晶シリコンドレイン３２ｂ夫々に接続されたソ−ス電極３５ａ，ドレイン電極３５ｂを形成し、保護膜３７で保護する。
【００５１】
一方、薄膜トランジスタ形成領域の横には層間絶縁膜３６の上にドレイン電極３５ｂに接続された導電層３９Ａの先に画素電極４０を形成し、ＴＦＴ基板を完成した。
【００５２】
このＴＦＴ基板と対向基板４２上に形成された対向電極４１との間に液晶４０を挟み、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ装置を製造した。本発明によれば、薄膜トランジスタを形成するための多結晶シリコン層の粒径の分布が良好であるため、最高の特性を示すＴＦＴが得られ、非常に高い歩留まりで、高品質の液晶ディスプレイを作製することができた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガラス基板全面で電界移動度の高いＴＦＴを均一に製造することができ、従来実験段階にとどまっていた高性能を有する液晶ディスプレイを実用化レベルに持っていくことができるようになる、多結晶シリコン薄膜の製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のレーザアニール法における基板移動方向決定に用いるレーザ１ショットの多結晶シリコンの粒径分布図。
【図２】本発明の実施例１のレーザアニール法における基板移動方向決定に用いるレーザ１ショットの多結晶シリコンの粒径分布の他の例を示す図。
【図３】本発明のレーザアニール法を利用して形成した多結晶シリコン薄膜を用いたアクティブマトリクス型液晶ディスプレイの断面構造図。
【図４】ａ−Ｓｉ膜をレーザアニール法で多結晶シリコン薄膜に変換するときの多結晶シリコンの粒径とレーザのフルエンスの関係を示す図。
【符号の説明】
１１，２１…ａ−Ｓｉにエキシマレーザを照射した領域
１２，２２…ａ−Ｓｉにエキシマレーザを照射した領域のうちのプラトー領域
１３，２３…ガラス基板移動方向に直交する照射領域の分割線
２４…微結晶粒の発生した領域
３１…多結晶シリコン層
３２ａ…多結晶シリコンソース
３２ｂ…多結晶シリコンドレイン
３３…ゲート酸化膜
３４…ゲート電極
３５ａ，３５ｂ…ソース／ドレイン電極
３６…層間絶縁膜
３７…保護膜
３８…ガラス基板
３９…画素電極
４０…液晶
４１…対向電極
４２…対向基板
４３…アンダーコート層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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