JP2003133254A

JP2003133254A - レーザーアニ−ル装置及びそれを用いた薄膜トランジスタの作製方法

Info

Publication number: JP2003133254A
Application number: JP2002232253A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Tanaka; 幸一郎田中; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; 正明 ▲ひろ▼木; Masaaki Hiroki
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2003-05-09
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP4429575B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大型の基板に対応するためにランニングコスト
の低いレーザ照射装置を用いたレーザアニール方法にお
いて、同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様
の形成を低減するためのレーザアニール方法および、前
記レーザアニール法を工程に含む半導体装置の作製方法
を提供することを課題とする。【解決手段】本発明によれば、２０〜２００ｃｍ/ｓの
間の一定の速度で基板を移動させながら、前記基板の表
面上の半導体膜にレーザ光を斜めに照射させるので、大
型の基板上の半導体膜においても均一なレーザ光を照射
することができ、同心円模様が形成されない、もしくは
同心円模様の形成を低減した半導体装置を作製すること
ができる。さらに、複数のレーザ光を一束に集光するこ
とにより、同心円模様が形成されない、もしくは同心円
模様の形成を低減することができ、半導体装置の信頼性
を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザー光を用いた
レーザーアニール装置又はレーザーの照射方法に関す
る。また、レーザーアニール法を含む工程を経て作製さ
れた薄膜トランジスタの作製方法又は該薄膜トランジス
タを備えた半導体装置の作製方法に関する。なお、ここ
でいう半導体装置とは、半導体特性を利用することで機
能しうる装置全般を指し、液晶表示装置や発光装置等の
電気光学装置及び該電気光学装置を部品として含む電子
装置も含まれるものとする。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上に形成され
た半導体膜に対し、レーザーアニール法を施して、結晶
性を向上させる技術が広く研究されている。上記半導体
膜には珪素がよく用いられる。本明細書中では、半導体
膜をレーザー光で結晶化し、結晶質半導体膜を得る手段
をレーザー結晶化という。

【０００３】従来頻繁に使用されてきた合成石英ガラス
基板と比較し、ガラス基板は、安価で加工性に富んでお
り、大面積基板を容易に作製できる利点を持っている。
これが上記研究の行われる理由である。また、結晶化に
好んでレーザーが使用されるのは、ガラス基板の融点が
低いことがその理由である。レーザーは基板の温度を余
り上昇させずに、半導体膜のみに高いエネルギーを与え
ることができる。また、レーザーは電熱炉を用いた加熱
手段に比べて格段にスループットが高いという利点を有
している。

【０００４】結晶質半導体は多くの結晶粒から構成され
ているため、多結晶半導体膜とも呼ばれる。レーザーア
ニール法を施して形成された結晶質半導体膜は、高い移
動度を有する。そのため例えば、１枚のガラス基板上に
この結晶質半導体膜を用いて画素駆動用と駆動回路用の
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作り込む、モノリシック
型の液晶電気光学装置等に利用されている。

【０００５】また、出力の大きい、エキシマレーザー等
のパルスレーザー光を、照射面において、数ｃｍ角の四
角いスポットや、長さ１０ｃｍ以上の線状となるように
光学系にて加工し、レーザー光を走査させて(あるいは
レーザー光の照射位置を被照射面に対し相対的に移動さ
せて)、レーザーアニール法を行う方法は量産性が高く
工業的に優れているため、好んで使用されている。とこ
ろで、レーザー光を線状に加工するとは、照射面におけ
る形状が線状になるようにレーザー光を加工しておくこ
とを意味する。即ち、レーザー光の断面形状を線状に加
工することを意味する。また、ここでいう「線状」は、
厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペ
クト比の大きい長方形もしくは楕円形状を意味する。例
えば、アスペクト比が１０以上（好ましくは１００〜１
００００）のものを指す。

【０００６】特に、線状ビームを用いると、スポット状
のレーザー光を用いた場合とは異なり、線状ビームの長
手方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザ
ー照射を行うことが出来るため、量産性が高い。長手
（長尺）方向に直角な方向に走査するのは、それが最も
効率の良い走査方向であるからである。この高い量産性
により、ＴＦＴを用いる液晶表示装置の製造技術に、レ
ーザー光を適当な光学系で加工した線状ビームを使用す
るレーザーアニール法が使用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】レーザー光にも様々な
種類があるが、一般的にはパルス発振型のエキシマレー
ザーを光源とするレーザー光（以下、エキシマレーザー
光という）を用いたレーザー結晶化が用いられている。
エキシマレーザーは出力が大きく、高周波数での繰り返
し照射が可能であるという利点を有し、さらにエキシマ
レーザー光は珪素膜に対しての吸収係数が高いという利
点を有する。

【０００８】エキシマレーザー光を形成するには励起ガ
スとして、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）やＸｅＣｌ（波長
３０８ｎｍ）が用いられる。ところが、Ｋｒ（クリプト
ン）やＸｅ（キセノン）といったガスは非常に高価であ
り、ガス交換の頻度が高くなると製造コストの増加を招
くという問題がある。

【０００９】また、レーザー発振を行うレーザチューブ
や発振過程で生成した不要な化合物を除去するためのガ
ス精製器などの付属機器の交換が２〜３年に一度必要と
なる。これらの付属機器は高価なものが多く、やはり製
造コストの増加を招くという問題がある。

【００１０】以上のように、エキシマレーザー光を用い
たレーザー照射装置は確かに高い性能を持っているが、
メンテナンスに非常に手間がかかり、量産用レーザー照
射装置としてはランニングコスト（ここでは稼働に伴い
発生する費用を意味する）が高いという欠点も併せ持っ
ている。

【００１１】そこで、エキシマレーザーに比較してラン
ニングコストの低いレーザー照射装置およびそれを用い
たレーザーアニール法を実現するために、固体レーザー
（結晶ロッドを共振キャビティとしたレーザー光を出力
するレーザー）を用いる方法がある。

【００１２】そこで、代表的な固体レーザーの１つであ
るＹＡＧレーザーを用いて、半導体膜に照射した。前記
ＹＡＧレーザーは非線形光学素子によって第２高調波に
変調したレーザー光（波長５３２ｎｍ）を光学系により
照射面における形状が線状である線状ビームに加工し
た。また、前記半導体膜は、コーニング社製１７３７基
板上に、プラズマＣＶＤ法により膜厚５５ｎｍの非晶質
珪素膜を形成したものである。しかしながら、前記非晶
質珪素膜にレーザーアニール法を含む工程を行って得ら
れた結晶質珪素膜には、同心円状の模様が形成された。
この模様は、面内における結晶質珪素膜の物性が不均一
なものであることを示している。そのため、同心円状の
模様が形成された結晶質半導体を用いてＴＦＴを作製し
た場合、その電気的特性に悪影響を及ぼすことになる。
なお、本明細書中では、同心円状の模様を同心円模様と
表記する。

【００１３】またレーザーアニール法において、電気光
学装置の大画面化に伴い、マザーガラスは大面積化し、
基板に設けられた半導体層にレーザーを高速に照射する
要求が高まっている。

【００１４】さらにレーザーアニール法において、半導
体層を結晶化させる際、一旦、半導体層を融解させるた
めのレーザーのパワー不足を補う要求が高まっている。

【００１５】そこで本発明は、大型の基板に対応するた
めにランニングコストの低いレーザー照射装置を用いた
レーザーアニール法において、同心円模様が形成されな
い、もしくは同心円模様の形成を低減するためのレーザ
ーアニール法および、前記レーザーアニール法を工程に
含む半導体装置の作製方法を提供することを課題とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】ここではまず、同心円模
様が形成された原因について考察する。非晶質珪素膜に
照射したレーザー光は、照射面での形状が線状である線
状ビームあった。そのため、レーザー光を照射した後に
得られる結晶質珪素膜に何らかの模様が形成されたとし
ても、半導体膜、基板および基板ステージが完全に平坦
であれば、前記線状ビームに平行もしくは垂直な模様と
なるはずである。しかしながら、観察される模様は同心
円状であった。したがって、同心円模様の発生原因は、
線状ビームに起因しないと考えられる。すなわち、この
同心円模様の発生原因は、半導体膜の膜厚やレーザー光
に対する吸収係数、基板および基板ステージのいずれ
か、またはこれらのうちの複数にあると推測できる。

【００１７】上記同心円模様の発生原因のうち半導体膜
のレーザー光に対する吸収係数を考察するため、波長に
対する非晶質珪素膜（膜厚５５ｎｍ）の反射率および透
過率を求め、この結果を図１０（Ａ）および図１０
（Ｂ）に示す。なお、前記非晶質珪素膜は１７３７基板
上にプラズマＣＶＤ法により形成されたものである。図
１０より、ＹＡＧレーザーの第２高調波（波長５３２ｎ
ｍ）に対する反射率は２６％であり、透過率は３８％で
あることがわかる。そして、非晶質珪素膜の表面からの
反射光と、非晶質珪素膜を透過したレーザー光がある面
で干渉すると考えられる。これが同心円模様の発生原因
であると推測できる。

【００１８】よって、同心円模様を形成させない、もし
くは同心円模様の形成を低減するためは、このような干
渉を防ぐことが必要であると考えられる。そこで、この
干渉を防ぐために、複数のレーザー光を集光し、集光さ
れたレーザー光を基板の表面上の半導体膜に照射し、半
導体膜の結晶化を行う。

【００１９】したがって、本発明のレーザーアニール装
置は、レーザー光を出力するレーザー光源と、前記レ
ーザー光が斜め方向から照射される基板の移動を行う移
動機構とを有するレーザーアニール装置であって、前記
レーザー光の照射領域において、前記移動機構は前記基
板の一辺の長さ以上の距離を往復移動し、かつ前記往復
移動する方向と垂直な方向に、前記レーザー光のＹ軸方
向の長さ又は前記レーザー光のＹ軸方向の長さ以下の長
さで移動する機能を備えることを特徴とするレーザーア
ニール装置である。本発明のレーザーアニール装置を用
いれば、レーザーアニールで問題とされていた同心円模
様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減す
ることができ、作製した半導体装置の信頼性を向上する
ことができる。なお、大型の基板上の半導体膜において
も均一なレーザー光を照射することができる。

【００２０】また、本発明のレーザーアニール装置は、
レーザー光を出力するレーザー光源と、前記レーザー光
を変調する非線形光学素子と、前記変調されたレーザー
光を集光する導波路と、前記集光されたレーザー光が斜
め方向から照射される基板の移動を行う移動機構とを有
するレーザーアニール装置であって、前記レーザー光の
照射領域において、前記移動機構は前記基板の一辺の長
さ以上の距離を往復移動し、かつ前記往復移動する方向
と垂直な方向に、前記レーザー光のＹ軸方向の長さ又は
前記レーザー光のＹ軸方向の長さ以下の長さで移動する
機能を備えることを特徴とするレーザーアニール装置で
ある。本発明のレーザーアニール装置を用いれば、複数
のレーザー光を一束に集光することにより、一束のレー
ザー光で問題とされていた同心円模様が形成されない、
もしくは同心円模様の形成を低減することができ、作製
した半導体装置の信頼性を向上することができる。な
お、大型の基板上の半導体膜においても均一なレーザー
光を照射することができる。

【００２１】本発明の薄膜トランジスタの作製方法は、
基板上に半導体膜を形成し、基板を一定の速度で移動さ
せながら複数のレーザー光を前記半導体膜に対して斜め
方向から照射し、前記移動させる方向と垂直な方向に、
前記レーザー光の長さあるいは該長さ以下の距離を移動
することを連続的に繰り返すことを特徴とする薄膜トラ
ンジスタの作製方法である。その結果、レーザー光で問
題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは同
心円模様の形成を低減することができ、作製した薄膜ト
ランジスタ及び該薄膜トランジスタを備えた半導体装置
の信頼性を向上することができる。なお、大型の基板上
の半導体膜においても均一なレーザー光を照射すること
ができる。

【００２２】また、本発明の薄膜トランジスタの作製方
法は、基板上に半導体膜を形成し、前記複数のレーザー
光を複数の非線形光学素子で変調し、導波路を通して前
記変調された光を集光し、基板を一定の速度で移動させ
ながら前記集光されたレーザー光を前記半導体膜に対し
て斜め方向から照射し、前記移動させる方向と垂直な方
向に、前記レーザー光の長さ又は該長さ以下の距離を移
動することを連続的に繰り返すことを特徴とする薄膜ト
ランジスタの作製方法である。その結果、レーザー光で
問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは
低減することができ、作製した薄膜トランジスタ及び該
薄膜トランジスタを備えた半導体装置の信頼性を向上す
ることができる。なお、大型の基板上の半導体膜におい
ても均一なレーザー光を照射することができる。

【００２３】また、本発明の薄膜トランジスタの作製方
法は、前記一定の速度が、２０〜２００ｃｍ/ｓの範囲
内に含まれる。その結果、大型の基板に設けられた半導
体層に高速にレーザーを照射することができる。

【００２４】また、本発明において用いるレーザー光は
光学系により楕円形状又は線状に加工してもよい。

【００２５】また、本発明は、前記基板の表面の法線方
向又は裏面の法線方向に対し５〜１０°傾いた角度で、
前記レーザー光が前記半導体膜に入射する半導体装置の
作製方法である。基板を傾けてレーザーアニール法を含
む工程を行ったときに、同心円模様が現れなくなったこ
とから考案し、基板に対してレーザー光に角度を設けて
照射することを特徴としている。本発明を適用すること
で、レーザー光の干渉による結晶質半導体膜の物性のば
らつきを除去または低減することができる。このような
結晶質半導体膜を用いて、薄膜トランジスタを作製すれ
ば、その電気的特性が良好なものが得られる。

【００２６】また、本発明は、前記レーザー光が照射さ
れながら、前記半導体膜において、前記基板の平行方向
に、前記基板の端面に近づくように結晶化が進む薄膜ト
ランジスタの作製方法である。本発明の薄膜トランジス
タの作製方法によって、半導体層の表面がフラットで、
電気移動度の高い薄膜トランジスタ及び該薄膜トランジ
スタを備えた半導体装置を作製することができる。

【００２７】また、本発明は、前記基板の裏面側（半導
体膜が形成される面と反対側）から、レーザー光が半導
体膜に照射されてもよい。

【００２８】前記レーザー光については一般的に知られ
ているものを用いることができ、ＹＡＧレーザー（通常
はＮｄ：ＹＡＧレーザーを指す）、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ
ー、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ：ＹＡｌＯ₃レーザ、ル
ビーレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、ガラスレーザな
どを用いることができる。特に、コヒーレント性やパル
スエネルギーで優位なＹＡＧレーザーが好ましい。

【００２９】例えば、ＹＡＧレーザーを用いるのであれ
ば、ＹＡＧレーザーの基本波（第１高調波）は１０６４
ｎｍと波長が長いので、第２高調波（波長５３２ｎｍ）
を用いるのが好ましい。第１高調波は非線形素子を含む
波長変調器によって、第２高調波、第３高調波または第
４高調波に変調することができる。各高調波の形成は公
知の技術に従えば良い。また、本明細書中において、
「固体レーザーを光源とするレーザー光」には第１高調
波だけでなく、途中で波長を変調した高調波を含むもの
とする。

【００３０】また、ＹＡＧレーザーで良く用いられるＱ
スイッチ法（Ｑ変調スイッチ方式）を用いても良い。こ
れはレーザー共振器のＱ値を十分低くしておいた状態か
ら、急激にＱ値を高めてやることにより非常にエネルギ
ー値が高く急峻なパルスレーザーを出力する方法であ
る。

【００３１】本発明で用いる固体レーザーは、基本的に
は共振ミラー又は固体結晶を励起するための光源があれ
ばレーザー光を出力できるため、エキシマレーザーのよ
うにメンテナンスの手間がかからない。即ち、ランニン
グコストがエキシマレーザーに比べて非常に低いため、
薄膜トランジスタ及び半導体装置の製造コストを大幅に
低減することが可能となる。また、メンテナンスの回数
が減れば量産ラインの稼働率も高まるため製造工程のス
ループット全体が向上し、このことも薄膜トランジスタ
及び半導体装置の製造コストの低減に大きく寄与する。
さらに、固体レーザー装置の専有面積はエキシマレーザ
ー装置に比べて小さいので、製造ラインの設計に有利で
ある。

【００３２】なお、レーザー光の出力は１０Ｗ以上であ
れば、単数のビームでも均一なレーザーアニールを可能
とすることができる。ビーム１束でさえ均一なレーザー
光を照射することができる。すなわち１０Ｗ以上のレー
ザー光の出力であれば、半導体層を結晶化させる際、半
導体層を融解させるのに十分である。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態では、レーザ
ー光の照射方法について図１を用いて説明する。

【００３４】レーザー光の照射による結晶化工程により
非晶質珪素層から結晶質珪素層を製造するが、この結晶
化は、レーザー光を透過する透光領域（透明な窓）６０
１が少なくとも一側面に設置された処理室（レーザーア
ニール室）６０２内で行う。

【００３５】まず、基板として、コーニング社の＃７０
５９ガラスや＃１７３７ガラスなどに代表されるバリウ
ムホウケイ酸ガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラス
などのガラスからなる透光性を有するものを用いる。な
お、基板としては、石英基板や珪素基板を用いても良
い。本実施の形態では、６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、厚さ
１．１ｍｍのガラス基板を用いる。本明細書では、該基
板上に下地膜、該下地膜上に半導体膜が形成された基板
を被処理基板という。

【００３６】レーザーアニール室６０２の内側には、台
６０３と、台６０３上に設けられたステージ６０４と、
台６０３を移動させる、移動を行うための移動機構６０
５とが設置され、レーザーアニール室６０２の外側に
は、処理室の雰囲気を制御する手段である真空排気ポン
プ６３０と、気体供給管６０７と、ゲートバルブ６０８
とが設置されている。

【００３７】台６０３は、移動を行うための移動機構６
０５によって、被処理基板６０６の法線方向に対して直
角方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動され、被処理基
板６０６の上面に対しレーザー光を照射するために設け
られている。ただし、レーザー光の照射方向は、被処理
基板６０６の法線方向に対して、５〜１０°傾いてい
る。但し、Ｘ軸はレーザの長軸方向に垂直であるとす
る。

【００３８】本明細書では、ステージ６０４と移動を行
うための移動機構６０５とを有する半導体製造装置をレ
ーザーアニール装置という。また、ステージ６０４と移
動を行うための移動機構６０５との間に台６０３が設け
られていてもよい。さらに、レーザー発振装置６０９と
光学系６１０とミラー６１１とを含めてレーザーアニー
ル装置ということもできる。このレーザーアニール装置
と透明な窓６０１が設置されているレーザーアニール室
６０２と真空排気ポンプ６０６と気体供給管６０７とゲ
ートバルブ６０８とを組み合わせて、非晶質珪素層の結
晶化工程を行う。なお、図２は、図１のレーザーアニー
ル装置のＹ軸方向を示している。図３は、ミラー側（被
処理基板６０６の上方）からみたレーザーアニール装置
を示している。なお、移動機構６０５は、Ｘ軸方向に、
被処理基板６０６の一辺の長さ以上の距離を移動するこ
とができ、Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向には、レーザー光
の長さあるいは該長さ以下の距離で移動することができ
る。なおレーザー光の長さとは、移動機構により移動す
る方向と垂直な方向のレーザー光の長さである。

【００３９】図１に示すように、レーザー発振装置６０
９からレーザー光６００を照射し、光学系６１０により
断面形状が楕円形状に加工されたレーザー光６００を、
ミラー６１１で反射させ、透明な窓６０１を通過させて
被処理基板６０６に照射する。なお、照射される光の形
状は長方形でもよい。

【００４０】図４は被処理基板６０６を法線方向からみ
た図である。レーザー光が照射される位置から１００ｍ
ｍ離れたところに被処理基板６０６の端部がくるように
設定する。次いで、被処理基板６０６が矢印の方向へ
動くように、図１の移動を行うための移動機構６０５を
加速させながら動かす。０．０５秒後、一定の速度（こ
こでは、２０ｃｍ/ｓ）で被処理基板６０６にレーザー
光６００を照射する。レーザー光が照射される位置が被
処理基板６０６の外側にでれば、減速させる（図５）。
次いで、矢印とは逆の方向である矢印の方向へ矢印
で施した工程と同様な工程を行い、結晶化を行う。矢
印で施す工程、矢印で施す工程は、それぞれ、矢印
で施す工程、矢印で施す工程を繰り返せばよい。必
要に応じてこれらの工程を繰り返し、被処理基板６０６
の全面にレーザー光を照射する。被処理基板６０６の半
導体膜において、前記被処理基板の平行方向に、かつ、
前記被処理基板の端面に近づくように結晶化が進む。

【００４１】被処理基板６０６を動かす速度は２０〜２
００ｃｍ/ｓの範囲内であって、かつ、一定あればよ
い。

【００４２】この際、被処理基板６０６をステージ６０
４上に配置しておき、台６０３内に設置された加熱する
手段であるヒーターによって、被処理基板を所定の温度
に保っておいてもよい。これは４５０℃で非晶質珪素層
を結晶化させると、結晶の粒経が大きくなるためであ
る。

【００４３】レーザー発振装置６０９は、ここでは、レ
ーザー光６００としてＣＷレーザを発振するものを用い
る。

【００４４】レーザーアニール室６０２は、減圧、排気
手段として設けられた真空排気ポンプ６３０を備えてい
てもよい。また、気体供給手段として、バルブを介して
水素ボンベに接続された、気体供給管６０７aと、バル
ブを介して窒素やその他の気体のボンベに接続された、
気体供給管６０７ｂが設けられている。なお、本実施の
形態では、レーザー光の照射は、常温・常圧下で行われ
る。

【００４５】本実施の形態では２０〜２００ｃｍ/ｓの
間の一定の速度で基板を移動させながら、前記基板の表
面上の半導体膜にレーザー光が照射させるので、大型の
基板上の半導体膜においても均一なレーザー光を照射す
ることができる。

【００４６】本実施の形態では出力を１０Ｗに設定した
が、出力を１０Ｗ以上にすれば、単数のビームでも均一
なレーザーアニールを可能とすることができる。ビーム
１束でさえ均一なレーザー光を照射することができる。
１０Ｗ以上のレーザー光の出力であれば、半導体層を結
晶化させる際、半導体層を融解させるのに十分である。

【００４７】本実施の形態では、１台のレーザー発振装
置からビームが照射されているが、複数のレーザー発振
装置を用いてビームを重ね合わせてビームの強度を上げ
てもよい。このようにレーザー光を集光することによ
り、同心円模様の形成を低減することができ、作製した
半導体装置の信頼性を向上することができる。この場
合、必要に応じて、複数の光学系、複数のミラー、ファ
イバー等を併用してもよい。

【００４８】また、本発明によれば、レーザーアニール
法を含む工程の際にレーザー光を楕円形状に加工してス
ループットを向上させるのに加えて、さらにメンテナン
スの容易な固体レーザーを用いる場合、従来のエキシマ
レーザーを用いたレーザーアニールよりもスループット
の向上が達成できる。延いてはＴＦＴやＴＦＴで形成さ
れた表示装置等の半導体装置の製造コストを低減するこ
とができる。

【００４９】さらに、半導体膜に対してレーザー光を斜
めに照射することで、半導体膜に形成される同心円模様
を除去、または低減することができ、レーザーアニール
法を含む工程後の半導体膜の物性を均一なものにするこ
とができる。このようは半導体膜を用いて半導体装置を
作製すれば、半導体装置の性能を大幅に向上させること
ができる。

【００５０】

【実施例】［実施例１］本発明の実施例では、光学系に
ついて図６を用いて説明する。

【００５１】レーザー発振器２０１として、大出力の固
体レーザー（ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ₄レーザ等）を用
いるのが望ましい。もちろん、大出力であれば気体レー
ザーやガラスレーザ等を用いても良い。そして、レーザ
ー発振器２０１から発振されたレーザー光を、光学系を
用いて、照射面の形状が楕円形状であるレーザー光に加
工する。前記光学系には、例えば、レーザー光を長く拡
大するための長焦点距離のシリンドリカルレンズ２０５
と、レーザー光を細く集光するための長焦点距離のシリ
ンドリカルレンズ２０６とを用いる。長焦点距離のシリ
ンドリカルレンズを用いると、収差を抑え、照射面にお
いてエネルギー分布の均一なレーザー光を得ることが出
来る。また、長焦点距離のシリンドリカルレンズは、半
導体膜への入射光のビーム幅と、基板の裏面からの反射
光のビーム幅とを著しく変化させないためにも有効であ
る。発明者の実験によると、焦点距離が５００ｍｍ以上
のシリンドリカルレンズを使うと、収差の影響を劇的に
低減することが出来た。

【００５２】シリンドリカルレンズ２０６の手前には、
反射ミラー２０７を設け、レーザー光の進行方向を変更
できるようにした。反射ミラー２０７により、照射面に
入射するレーザー光の角度を調整し、目的とする角度θ
にすることが出来る。反射ミラー２０７の角度により、
シリンドリカルレンズ２０６の角度も変更すると、照射
面においてより対称性のあるレーザー光を形成すること
ができる。

【００５３】また、レーザー光を半導体膜に照射する
際、走査時のレーザー光（本実施例ではＸ軸方向のレー
ザー光）の重ね合わせ率を０〜８０％として照射する。
なおパルスレーザーの場合、順次照射されるレーザー光
間の重ね合わせ率（オーバーラップ率）を５０〜９８％
として照射しても良いし、重ね合わせずに照射しても良
い。半導体膜の状態やレーザー光の遅延時間等によって
最適条件は異なるため、実施者が適宜決定するのが好ま
しい。

【００５４】本実施例では、レーザー発振器としてパル
スレーザー（出力２０Ｗ,３０Ｈｚ,ＹＡＧ）を用い、非
線形光学素子２０２により第２高調波に変調し、光学系
を用いて長さ１３０ｍｍ、幅０．４ｍｍのレーザー光に
加工して半導体膜に照射する。このとき、被処理基板２
０４の法線方向から５〜１０°傾けてレーザー光を照射
する。

【００５５】ステージ２０３の下に台２０８が設けら
れ、さらに、台２０８の下に移動機構２０９が設けられ
ている。移動機構２０９により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向
に被処理基板１１３を移動させることが可能となる。な
お、移動機構２０９の下部には、例えばボール、こま、
モーター等を設置すればよい。

【００５６】被処理基板２０４の半導体膜において、前
記被処理基板の平行方向に、かつ、前記被処理基板の端
面に近づくように結晶化が進む。

【００５７】被処理基板２０４の半導体膜に対してレー
ザー光を斜めに照射することで、半導体膜に形成される
同心円模様を除去、または低減することができ、レーザ
ーアニール法を含む工程後の半導体膜の物性を均一なも
のにすることができる。このようは半導体膜を用いて半
導体装置を作製すれば、半導体装置の性能を大幅に向上
させることができる。

【００５８】［実施例２］本実施例では、本発明のレー
ザーアニール装置の結晶化法を示す。以下、図７を用い
て、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００５９】まず、基板１０００としてガラス基板（コ
ーニング１７３７；歪点６６７℃）を用意した。次い
で、基板１０００上に保護膜１００１を形成し、保護膜
上にスパッタ法を用いて窒化タンタル膜１００２a（膜
厚５０ｎｍ）とタンタル膜１００２ｂ（膜厚２５０ｎ
ｍ）を積層（図７（Ａ））した。その後、公知のパター
ニング技術であるフォトリソグラフィー法を用いて積層
構造を有するゲート電極１００２を形成した。（図７
（Ｂ））

【００６０】次いで、ゲート絶縁膜、非晶質半導体膜１
００４を順次大気開放しないで積層形成した。（図７
（Ｃ））本実施例では作製工程中において基板やゲート
配線からの不純物が半導体膜及びゲート絶縁膜へ拡散す
るのを防ぐため窒化珪素膜１００３ａ（膜厚５０ｎｍ）
と酸化珪素膜１００３ｂ（膜厚１２５ｎｍ）をプラズマ
ＣＶＤ法により積層形成し、積層構造のゲート絶縁膜と
した。本実施例では二層の絶縁膜をゲート絶縁膜として
採用しているが、単層または三層以上の積層構造として
もよい。また、本実施例ではゲート絶縁膜上に非晶質半
導体膜１００４として、膜厚５４ｎｍの非晶質珪素膜
（アモルファス珪素膜）をプラズマＣＶＤ法により形成
した。なお、いずれの層の界面にも大気からの汚染物質
が付着しないようにするため順次大気開放せずに積層形
成した。

【００６１】その後、半導体膜の結晶化を妨げる非晶質
珪素膜中の水素濃度を低減するための加熱処理（５００
℃、１時間）を行った。

【００６２】こうして図７（Ｃ）の状態が得られたら、
非晶質半導体膜１００４に対して赤外光または紫外光の
照射による結晶化（レーザー結晶化）を行い、結晶質半
導体膜（結晶を含む半導体膜）１００５を形成した（図
７（Ｄ））。なお結晶化の方向は、非晶質半導体膜１０
０４において、１０００基板の平行方向に、かつ、基板
１０００の端面に近づくように進む。

【００６３】結晶化技術として紫外光を用いる場合はレ
ーザー光または紫外光ランプから発生する強光を用いれ
ばよく、赤外光を用いる場合は赤外線レーザー光または
赤外線ランプから発生する強光を用いればよい。本実施
例ではＣＷレーザのＹＶＯ₄のレーザー光を楕円形状に
形成して法線方向から５〜１０°傾け、走査時のレーザ
ー光（本実施例ではＸ軸方向のレーザー光）の重ね合わ
せ率を０〜８０％としてレーザー光を照射した。

【００６４】なお、レーザー結晶化の条件（レーザー光
の波長、照射強度、繰り返し周波数、照射時間等）は、
非晶質半導体膜１００４の膜厚、基板温度等を考慮して
実施者が適宜決定すればよい。

【００６５】レーザー結晶化の条件によっては、初期半
導体膜が溶融状態を経過して結晶化する場合や、初期半
導体膜が溶融せずに固相状態、もしくは固相と液相の中
間状態で結晶化する場合がある。この工程により非晶質
半導体膜１００４は結晶化され、結晶質半導体膜１００
５に変化する。本実施例において結晶質半導体膜とは多
結晶珪素膜（ポリ珪素膜）である。

【００６６】［実施例３］実施例１及び実施例２に記載
した半導体装置の作製方法を経て作製したアクティブマ
トリクス型表示装置の構成を図８〜図９の上面図を用い
て説明する。

【００６７】図８で示すアクティブマトリクス型表示装
置の上面図は、画素部８１１、駆動回路（ゲート線駆動
回路８０５とソース線駆動回路８０７の総称）、ＦＰＣ
（フレキシブルプリント配線板：Flexible Printed Cir
cuit）を貼り付ける外部入力端子８０３、外部入力端子
と各回路の入力部までを接続する配線８０４などが形成
されたアクティブマトリクス基板８０１と、カラーフィ
ルタなどが形成された対向基板８０２とがシール剤８０
９を介して貼り合わされている。

【００６８】ゲート線駆動回路８０５は、選択している
ゲート配線８０６に信号を入力する機能を有している。
ゲート配線８０６はゲート電極と電気的に接続する配線
である。そして、選択しているゲート配線が一本ずつ、
選択されていく。もちろん、ゲート配線上には絶縁膜が
設けられている。一方、ソース線駆動回路８０７は、ま
ず画像データ信号を受け取り、選択されたゲート配線に
接続されている画素電極に信号を加える機能を有してい
る。ソース線駆動回路８０７は、ゲート線駆動回路８０
５とタイミングをあわせて動作している。このように、
各ゲート配線のスイッチング素子（図示しない）を順次
選択し、ソース配線８０８を介して所望の電圧を印加す
ることによりアクティブマトリクス型表示装置の画像が
得られる。

【００６９】ただし、画素部８１１上の対向基板側に形
成された赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各色の
カラーフィルタが各画素に対応して設けられている。実
際の表示に際しては、赤色（Ｒ）のカラーフィルタ、緑
色（Ｇ）のカラーフィルタ、青色（Ｂ）のカラーフィル
タの３色でカラー表示を形成するが、これら各色のカラ
ーフィルタの配列は任意なものとする。

【００７０】なお、図８のレーザー光の照射による結晶
成長の方向が矢印の方向だとすると、この方向と図９
（Ａ）（画素部におけるＴＦＴの概略図）に示す半導体
層８１０におけるキャリアの流れる方向（チャネル方
向）を一致させると、電気移動度の低下を損なうことが
ない。８０６はゲート配線、８１１はコンタクトホール
である。同様に、図８のレーザー光の照射による結晶成
長の方向と図９（Ｂ）（駆動回路におけるＴＦＴの概略
図）に示す半導体層９１０におけるキャリアの流れる方
向（チャネル方向）を一致させると、電気移動度の低下
を損なうことがない。９０６はゲート配線、９１１はコ
ンタクトホールである。

【００７１】［実施例４］実施例１とは異なるレーザー
アニール装置の例を記載する。複数のレーザー発振装
置、複数の光学系及び複数のミラーを搭載し、それぞれ
レーザー発振装置から発振し光学系で加工した光を集
め、基板に照射することを特徴としている。

【００７２】図１１に示すように、レーザー発振装置１
１０９ａ〜ｃからレーザー光１１００ａ〜ｃを照射し、
光学系１１１０ａ〜ｃで加工させ、ミラー１１１１ａ〜
ｃで反射させ、反射したそれぞれのレーザー光を集光
し、ステージ１１０４上の被処理基板１１１３に照射す
る。ステージ１１０４の下に設けられた移動機構１１０
５により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に被処理基板１１１３
を移動させることが可能となる。なお、移動機構１１０
５下部には、例えばボール、こま、モーター等を設置す
ればよい。

【００７３】本実施例において、レーザー光で問題とさ
れていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模
様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の
信頼性を向上することができる。

【００７４】［実施例５］実施例１、４とは異なるレー
ザーアニール装置の例を記載する。本実施例では、複数
のレーザー発振装置、複数の非線形光学素子及び導波路
を搭載し、それぞれレーザー発振装置からレーザー光を
照射し非線形光学素子で変調した光を導波路で集め、集
光した光を基板に照射することを特徴としている。

【００７５】図１２に示すように、レーザー発振装置１
００ａ〜ｃからレーザー光を照射し、非線形光学素子１
０１ａ〜ｃで変調させたレーザー光１１２ａ〜ｃを、フ
ァイバーアレイ１０３に入射させ、導波路１０４で集光
し、ファイバーアレイ１０５で出射させたレーザー光を
ステージ１１０上の被処理基板１１３に照射する。な
お、ファイバーアレイ１０３はレーザー光１１２ａ〜ｃ
を近接させるための手段である。

【００７６】ステージ１１０の下に台１０６が設けら
れ、さらに、台１０６の下に移動機構１０７が設けられ
ている。移動機構１０７により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向
（図示しない）に被処理基板１１３を移動させることが
可能となる。なお、移動機構１０７の下部には、例えば
ボール、こま、モーター等を設置すればよい。

【００７７】本実施例において、レーザー光で問題とさ
れていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模
様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の
信頼性を向上することができる。

【００７８】［実施例６］実施例１、４、５とは異なる
レーザーアニール装置、特にステージを移動させる移動
機構の例を図１３に基づいて説明する。

【００７９】レーザー光を照射する被処理物を載置する
ステージは、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に設けられたガイ
ドレールに沿って移動させるのが一般的である。そして
ガイドレールと、ステージを固定する部分（スライダ）
との間には、ボール（ベアリング）と呼ばれる曲面を有
した物体が挟まれており、摩擦による負荷を低減してス
テージの移動をスムーズに行えるような機構が設けられ
ている。

【００８０】このボールは度重なるステージの移動によ
り磨耗するため、定期的なメンテナンスによる交換が必
要であり、またよりスムーズにステージを移動させるた
めには、ステージの移動の際に生じる摩擦をより小さく
する必要があった。

【００８１】図１３（Ａ）に本実施例の、ステージを移
動させるための移動機構を示す。１３００はガイドレー
ルであり、ステージを一定の方向に移動させるために、
一方向に沿って凹凸が形成されている。また、１３０１
はスライダと呼ばれるステージを固定する部分であっ
て、ガイドレール１３００に沿って移動させることがで
きる。このスライダは、一定間隔を保持するよう固定し
た状態で複数設けても構わない。またロッド１３０２
は、スライダ１３０１に設けられた孔を貫いている軸で
あり、ガイドレールに沿う方向に設けられている。ロッ
ド１３０２は、エンドプレート１３０４によってガイド
レール１３００に固定されている。

【００８２】スライダ１３０１にはケーブル１３０３を
介して、電源電圧と空気が送られている。図１３（Ｂ）
にスライダ１３０１の拡大図を示す。スライダ１３０１
は、スライダ１３０１とガイドレール１３００とが引き
合うような磁場を、電源電圧により生じさせる。また、
スライダ１３０１は、スライダ１３０１に設けられた孔
においてロッド１３０２と接触しないよう離れる方向の
磁場を電源電圧により生じさせ、リニアモーターカの原
理を利用してスライダ１３０１は矢印の方向に移動す
る。一方で、スライダ１３０１とガイドレール１３００
には、この磁場により引き合う方向に力が働く。そして
スライダ１３０１に送られてきた空気を、空気孔１３０
５からスライダ１３０１とガイドレール１３００の間に
放出する。この磁場の引き合う力と空気の放出により離
れる方向に力が働くため、一定の間隔が保たれる。

【００８３】なお、ケーブルを介して与えられた電源電
圧により磁場を生じさせるのではなく、ガイドレール１
３００とスライダ１３０１のいずれか一方を磁性体、も
う一方を磁性体により引きつけられる材料で形成するよ
うにして、磁場を生じさせても良い。またガイドレール
１３００とスライダ１３０１の両方を磁性体としても良
い。

【００８４】また、ケーブルを介して与えられた電源電
圧により磁場を生じさせるのではなく、ロッド１３０２
とスライダ１３０１のいずれか一方を磁性体、もう一方
を磁性体から離れる方向に力が働く性質を有する材料で
形成するようにして、磁場を生じさせても良い。またロ
ッド１３０２とスライダ１３０１の両方を磁性体として
も良い。

【００８５】本実施例で示したようなステージの移動機
構を用いることで、非接触にて、ガイドレールに沿った
ステージの移動が可能になり、ボールの磨耗による定期
的なボールの交換を不要にして、メンテナンスを容易に
することができる。また、非接触であるため摩擦が殆ど
生じず、ボールを用いた場合に比べてステージの移動を
よりスムーズに行うことができる。

【００８６】図１３（Ｃ）に、スライダ１３０１上に固
定されたステージ１３１０の上に、レーザー光を照射す
る被処理物１３１１を載置している様子を示す。本実施
例のステージの移動手段により、ステージの移動がより
スムーズになるので、レーザー光の照射をより均一に行
うことが可能になる。

【００８７】

【発明の効果】本発明のレーザーアニール装置を用いれ
ば、複数のレーザー光を一束に集光することで問題とさ
れていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模
様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の
信頼性を向上することができる。なお、本発明のレーザ
ーアニール装置を用いれば、大型の基板上の半導体膜に
おいても十分に、かつ、均一なレーザー光を照射するこ
とができる。

【００８８】また、本発明によれば、レーザーアニール
法を含む工程の際にレーザー光を楕円形状又は線状に加
工してスループットを向上させるのに加えて、さらにメ
ンテナンスの容易な固体レーザーを用いることで従来の
エキシマレーザーを用いたレーザーアニールよりもスル
ープットの向上が達成できる。延いてはＴＦＴやＴＦＴ
で形成された表示装置等の半導体装置の製造コストを低
減することができる。

【００８９】さらに、半導体膜に対してレーザー光を斜
めに照射することで、半導体膜に形成される同心円模様
を除去、または低減することができ、レーザーアニール
後の半導体膜の物性を均一なものにすることができる。
このような半導体膜を用いて半導体装置を作製すれば、
半導体装置の性能を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザー光の照射の例を示す図。

【図２】レーザーアニール装置の構成の例を示す図。

【図３】レーザーアニール装置の構成の例を示す図。

【図４】被処理基板のｘおよびｙ方向について説明す
る図。

【図５】基板の移動時間と速度との関係を示す図。

【図６】本発明のレーザーアニール装置の一例を示す
図。

【図７】半導体装置の作製工程を示す図。

【図８】本発明の半導体装置を示す図。

【図９】(Ａ) 画素部におけるＴＦＴの概略図 (Ｂ) 駆動回路におけるＴＦＴの概略図

【図１０】（Ａ）非晶質珪素膜（膜厚５５ｎｍ）におけ
る波長に対する反射率を示す図。（Ｂ）非晶質珪素膜（膜厚５５ｎｍ）における波長に対
する透過率を示す図。

【図１１】レーザーアニール装置の構成の例を示す
図。

【図１２】レーザーアニール装置の構成の例を示す
図。

【図１３】レーザーアニール装置の構成の例を示す
図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F052 AA02 AA24 BA01 BA02 BA07 BA18 BB02 BB03 BB04 BB05 BB07 DA00 DA02 DB03 JA01 5F110 AA01 AA28 BB01 BB02 DD02 DD03 DD05 DD11 EE01 EE04 EE14 EE23 FF02 FF03 FF09 FF10 FF30 GG02 GG13 GG25 GG45 PP02 PP03 PP04 PP05 PP06 PP07 PP23 PP24 PP35 QQ09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光を出力するレーザー発振装置
と、前記レーザー光が斜め方向から照射される基板の移
動を行う移動機構とを有し、前記移動機構は前記基板の
一辺の長さ以上の距離を往復移動し、かつ前記往復移動
する方向と垂直な方向に、前記レーザー光の長さ又は前
記レーザー光の長さ以下で移動する機能を備えることを
特徴とするレーザーアニール装置。
【請求項２】レーザー光を出力するレーザー発振装置
と、前記レーザー光を変調する非線形光学素子と、前記
変調されたレーザー光を集光する導波路と、前記集光さ
れたレーザー光が斜め方向から照射される基板の移動を
行う移動機構とを有し、前記移動機構は前記基板の一辺
の長さ以上の距離を往復移動し、かつ前記往復移動する
方向と垂直な方向に、前記レーザー光の長さ又は前記レ
ーザー光の長さ以下で移動する機能を備えることを特徴
とするレーザーアニール装置。
【請求項３】レーザー光を出力するレーザー発振装置
と、前記レーザー光が斜め方向から照射される基板の移
動を行う移動機構とを有し、前記移動機構は空気又は磁
場により浮上し、前記基板の一辺の長さ以上の距離を往
復移動し、かつ前記往復移動する方向と垂直な方向に、
前記レーザー光の長さ又は前記レーザー光の長さ以下で
移動する機能を備えることを特徴とするレーザーアニー
ル装置。
【請求項４】レーザー光を出力するレーザー発振装置
と、前記レーザー光が斜め方向から照射される基板の移
動を行う移動機構を備えた処理室とを有し、前記処理室
は一側面に前記レーザー光を透過する領域と、前記処理
室の雰囲気を制御する手段とを有し、前記移動機構は前
記基板の一辺の長さ以上の距離を往復移動し、かつ前記
往復移動する方向と垂直な方向に、前記レーザー光の長
さ又は前記レーザー光の長さ以下で移動する機能を備え
ることを特徴とするレーザーアニール装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか一において、前
記移動機構は前記基板を加熱する手段を有することを特
徴とするレーザーアニール装置。
【請求項６】基板上に半導体膜を形成し、前記半導体膜
に複数のレーザー光を照射する薄膜トランジスタの作製
方法において、前記基板を一定の速度で移動させながら
前記複数のレーザー光を前記半導体膜に対して斜め方向
から照射し、前記移動させる方向と垂直な方向に、前記
レーザー光の長さあるいは該長さ以下の距離を移動する
ことを連続的に繰り返すことを特徴とする薄膜トランジ
スタの作製方法。
【請求項７】基板上に半導体膜を形成し、前記半導体膜
に複数のレーザー光を照射する薄膜トランジスタの作製
方法において、前記複数のレーザー光を複数の非線形光
学素子で変調し、導波路を通して前記変調されたレーザ
ー光を集光し、前記基板を一定の速度で移動させながら
前記集光されたレーザー光を前記半導体膜に対して斜め
方向から照射し、前記移動させる方向と垂直な方向に、
前記レーザー光の長さあるいは該長さ以下の距離を移動
することを連続的に繰り返すことを特徴とする薄膜トラ
ンジスタの作製方法。
【請求項８】請求項６または請求項７において、前記一
定の速度は、２０〜２００ｃｍ/ｓの範囲内に含まれる
ことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項９】請求項６乃至請求項８のいずれか一におい
て、前記レーザー光は照射面における形状が楕円形状に
加工されることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方
法。
【請求項１０】請求項６乃至請求項９のいずれか一にお
いて、前記半導体膜に対して斜め方向から照射する角度
は、前記基板の表面の法線方向又は裏面の法線方向に対
し５〜１０°であることを特徴とする薄膜トランジスタ
の作製方法。
【請求項１１】請求項６乃至請求項１０のいずれか一に
おいて、前記半導体膜は、前記基板の平行方向に、かつ
前記基板の端面に近づくように結晶化が進むことを特徴
とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１２】請求項６乃至請求項１１のいずれか一に
おいて、前記基板の裏面から前記レーザー光を前記半導
体膜に照射することを特徴とする薄膜トランジスタの作
製方法。
【請求項１３】請求項６乃至請求項１２のいずれか一に
おいて、前記レーザー光は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎ
ｄ：ＹＬＦレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、もしくは
Ｎｄ：ＹＡｌＯ₃レーザから選ばれた一種の第２高調波
である薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項１４】請求項６乃至請求項１３のいずれか一に
おいて、前記レーザー光の出力は１０Ｗ以上であること
を特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。