JP3955959B2 - レーザ照射装置およびレーザ照射方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非単結晶半導体薄膜にパルスレーザ光を照射してアニールを行うレーザ照射方法に関し、特に液晶ディスプレイや密着型イメージセンサ等に用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタのチャネル層を形成するレーザ照射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多結晶シリコン薄膜トランジスタにより、安価なガラス基板上に駆動回路を備えた液晶表示装置を形成することが可能となっている。多結晶シリコン薄膜の形成法としては、プロセス温度の低温化および高スループット化の観点から、エキシマレーザ光を照射することにより非晶質シリコン薄膜を結晶化させて多結晶シリコン薄膜を得るエキシマレーザ結晶化法が広く用いられている。
【０００３】
ところがエキシマレーザ結晶化法は、レーザ光がパルスレーザ光であるために薄膜の熱処理される時間が限られてしまい、得られる結晶粒子の大きさが制限されてしまうという問題がある。そのため、得られた多結晶シリコン薄膜を利用して薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製した場合、その移動度は１００ｃｍ2／Ｖｓ程度に留まり、現在望まれているような高移動度の素子形成は困難である。
【０００４】
そこで多結晶シリコン薄膜の大粒径化技術に関し、これまで種々の検討がなされてきた。
【０００５】
特開平９−２４６１８３号公報には、線幅方向に台形状ビームプロファイルを有するレーザ光を照射する方法が開示されている。この方法は、台形状ビームプロファイルのレーザを照射し、多結晶組織を得るものである。台形状ビームプロファイルの中央部エネルギー密度を非晶質半導体（非晶質シリコン）の微結晶化しきい値以上としているため、台形状プロファイルの傾斜部において、微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分が存在することとなる。この領域において、結晶粒子径が大きな多結晶半導体領域を得ることができるとされている。しかしながらこの方法では、たしかに微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分において結晶粒子径が大きな多結晶半導体領域を得ることができるものの、その大粒径粒子の配列は無秩序であり、粒径分布も一般に広くなる。したがって、このような多結晶半導体領域をたとえばＴＦＴのチャネル層として利用した場合、移動度等のＴＦＴ特性のばらつきをもたらすこととなる。
【０００６】
また、特開平１０−２７５７８１号公報および第４２回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第２分冊６９４頁には、複数のレーザパルスを合成してレーザ照射を行う技術が開示されている。しかしながらこれらの方法を用いた場合においても、結晶粒子の大粒径化を図ることはできるものの、その配列や粒径分布を揃えることは困難であった。
【０００７】
また、ＭＲＳ ＢｕｌｌＥｔｉｎ ２１巻（１９９６年）、３月号、３９頁には、島状に形成した非晶質シリコン薄膜に、幅５μｍの極めて微細な線状ビームを０．７５μｍピッチでスキャン照射することにより、結晶粒子界がほぼ平行に整列している一方向成長多結晶シリコン薄膜を形成する技術が開示されている。この方法であれば多結晶粒子の均一性も確保されるが、スループットが低下する上、サブミクロンのステージ動作精度を確保する必要性から搬送系が複雑化するという問題が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶半導体膜を形成するレーザ照射技術を提供することを目的とする。また、目的の場所に位置精度良く多結晶半導体膜を形成するレーザ照射技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明によれば、以下に示すレーザ照射装置およびレーザ照射方法が提供される。
［１］ レーザ光を発生させるレーザ光源と、発生したレーザ光のエネルギー分布を調整する手段とを備え、エネルギー分布を調整した後のレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射装置であって、
前記非単結晶半導体薄膜に照射するレーザ光の照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとして、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有し、前記第一の領域の幅が３μｍ以下であることを特徴とするレーザ照射装置。
［２］ 前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下であることを特徴とする［１］に記載のレーザ照射装置。
［３］ 前記第一の領域が急峻な谷形状を有することを特徴とする［１］または［２］に記載のレーザ照射装置。
［４］ レーザ光のエネルギー分布を調整する手段が、基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクであって、基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成することを特徴とする［１］乃至［３］いずれかに記載のレーザ照射装置。
［５］ 前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射するように調整されたことを特徴とする［１］乃至［４］いずれかに記載のレーザ照射装置。
［６］ レーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射方法であって、該レーザ光の光照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとしたときに、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有し、前記第一の領域の幅が３μｍ以下であることを特徴とするレーザ照射方法。
［７］ 前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下であることを特徴とする［６］に記載のレーザ照射装置。
［８］ 前記第一の領域が急峻な谷形状を有することを特徴とする［６］または［７］に記載のレーザ照射方法。
［９］ 基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクにレーザ光透過させ、基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成することを特徴とする［６］乃至［８］いずれかに記載のレーザ照射方法。
［１０］ 前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射することを特徴とする［６］乃至［９］いずれかに記載のレーザ照射方法。
【００１０】
上記したように本発明においては、３μｍ以下の狭い幅を有する第一の領域が、エネルギー密度Ｅu以上の第二の領域に挟まれた形態のエネルギー密度分布となっている。このため、第一の領域において、図１および図６に示すように、多結晶粒子が一列または二列に整然と形成することができる上、多結晶粒子の形成箇所を所望の位置に精度良く形成できる。核成長の起点が限られた狭い領域、すなわち第一の領域内にのみ発生するためである。３μｍ以下の狭い幅には、多結晶粒子の成長核は、一列または二列しか発生しないため、上記のように、多結晶粒子が一列または二列に整然と配列した状態で形成されるのである。
【００１１】
また、本発明においては、多結晶粒子の粒径が均一となる。本発明においては、第一の領域の両側に存在する第二の領域のエネルギー密度がＥu以上であるため、第一の領域を起点として高エネルギー領域側に向かって進行する核成長が、第二の領域において発生した微結晶のところで停止することとなる。このため、個々の多結晶粒子間で核成長速度のばらつきがあっても最終的に形成される多結晶粒子の粒径はほぼ均一となるのである。
【００１２】
上記［２］または［７］の発明によれば、多結晶粒子の粒径を顕著に大粒径化できる上、多結晶粒子の配列を一層良好にすることができる。第一の領域に成長核が一列のみ発生するため、結晶粒子の成長が双方向に進むためである。
【００１３】
上記［３］または［８］の発明によれば、谷形状の底部に精度良く成長核を発生させることができ、粒子の配列性を一層良好にすることができ、粒径も充分に大きくすることができる。
【００１４】
上記［４］または［９］の発明によれば、上記［１］等に規定する特定のエネルギー密度分布を簡便な方法で精度良く実現することができ、生産性に優れる等の利点が得られる。
【００１５】
また、上記［５］および［１０］の発明によれば、膜の溶融時間を長くすることができるため、より大粒径の多結晶粒子が得られる。
【００１６】
以上のように本発明によれば、大粒径かつ粒径均一性に優れた多結晶組織を、整然とした配列した状態で位置精度良く形成することができる。この多結晶組織を利用することにより、高移動度を有する薄膜トランジスタ素子を大面積基板上に均一に形成することが可能となる。
【００１７】
【実施の形態】
本発明はレーザ光、特にパルスレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射するものである。本発明においては、多結晶粒子を形成すべき領域全体に対してレーザ光を一括照射する形態とすることが好ましい。すなわち、レーザ光の照射領域を、多結晶粒子を形成すべき領域全体と一致させる形態とすることが好ましい。これにより高い生産性を実現することができる。また、これ以外に、線状あるいは矩形状の照射領域を有するレーザ光を用い、レーザ光をスキャンしながら照射を行う方式とすることもできる。たとえば線状の照射領域のレーザ光を用いる場合は、照射領域をその短軸方向に移動させ、所望の領域全体に対してレーザ照射を行う。なお、本発明に係るレーザ照射は、基板を加熱しながら行うこともできる。
【００１８】
本発明において、非単結晶半導体薄膜とは単結晶でない半導体薄膜をいい、非晶質シリコンなどの非晶質薄膜や、多結晶シリコンなどの多結晶薄膜をいう。また本発明における多結晶半導体薄膜を構成する結晶粒子の粒子径は、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。このような大粒径の粒子により多結晶半導体薄膜を構成することにより、高効率の素子を得ることができる。
【００１９】
本発明における非晶質の微結晶化エネルギーＥuについて以下、説明する。非晶質シリコンのレーザアニールにおいて、形成される多結晶シリコンの結晶粒子径は、レーザエネルギー密度に依存する。エネルギー密度が増加するにしたがい粒径は増加するが、ある特定のエネルギー密度を越えると粒径が２０ｎｍ以下と極めて微細になることが知られている。このときのエネルギー密度を非晶質の微結晶化しきい値といい、Ｅuと表す。微結晶化は、薄膜の溶融状態の変化により、再結晶化時の核発生機構が、基板薄膜界面を核発生サイトとした不均一核発生から、均一核発生へと変化することにより発生すると考えられている。この核発生機構の変化は、薄膜の到達温度と冷却速度に依存する。従って微結晶化しきい値Ｅuは、薄膜の膜厚、薄膜の構造、パルスレーザ光の波長、パルス幅、などに依存して変化する。例えば、一旦レーザ結晶化した多結晶シリコン薄膜のＥuは、非晶質シリコン薄膜のＥuに対して約１４％大きな値となる。これは、膜表面のレーザに対する反射率および熱物性が異なるためである。
【００２０】
エネルギー密度Ｅu以上の領域とＥu未満の領域を含むプロファイルのレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射した場合、エネルギー密度がＥuよりもわずかに低い領域に、大粒径の多結晶粒子が形成される。図７はその一例を示すものである。このような多結晶粒子は、主として低エネルギー側から高エネルギー側へと成長する傾向にある。核発生は、低エネルギー側の方でより早く起こるからである。
【００２１】
図１は、本発明において用いるレーザ光のエネルギー密度分布の一例を示すものである。このレーザ光は矩形状の照射領域を有するレーザであり、図のエネルギー密度分布は、長辺方向に沿ったプロファイルを示している。図に示したエネルギー密度分布は、略平坦な領域と、平坦な領域の内部に急峻な谷部を有する形状となっている。すなわち、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとして、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有するプロファイルとなっている。第一の領域は急峻な谷形状を有しており、その幅（Ｗ1）は１．８μｍ以下となっている。この図では第二の領域はフラットな形状となっているが、エネルギー密度Ｅu以上である限り、これに限られず任意の形状とすることができる。
【００２２】
上記のようなエネルギー分布は、基材およびその一部を覆う誘電体膜からなるマスクを用いることにより実現できる。このようなマスクを用いることにより、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、第二の領域が生成される。図２はこのようなマスクの一例を示すものであり、石英板２０１の表面の一部にＳｉＯ2膜２０２がコーティングされている。ＳｉＯ2の代わりにＳｉＮ等を用いることもできる。このマスクは、一回反転型の位相シフトマスクである。通常のトップフラット型プロファイルのレーザ光が、位相シフトマスクを通過するとき、ＳｉＯ2膜２０２により、位相が反転し、急峻な谷形状を有するプロファイルとなる。谷形状については、位相シフトマスクを含めた光学系の設計次第により、任意の形状とすることができる。位相シフトマスクを利用した上記方法の詳細については、SPIＥ vol.1463 Optical Laser Microlithography IV (1991) p74-86,p87-100に記載されている。
【００２３】
図９は、本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。レーザ光源１から発したレーザビームは、光学系２を経た後、マスク６を通過してチャンバ３内のステージ４上に保持された基板５に照射される。マスク６は図２に示した構造を有している。このような特殊な構造のマスクを透過させることにより、マスク透過前においてトップフラット型のエネルギー密度分布を有していたレーザ光が、マスク透過後、図２に示したように急峻な谷部を有するエネルギー密度分布のレーザ光となる。
【００２４】
本発明者らの検討によれば、第一の領域に発生する大粒径多結晶粒子の数は、第一の領域の幅（Ｗ1）に依存することが確認されている。Ｗ1を多結晶粒子の粒径の２倍以上の幅とした場合、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が２個以上（２列以上）発生する。一方、Ｗ1が多結晶粒子の粒径の２倍未満、特に１．２倍未満とした場合、具体的には１．８μｍ未満、特に１μｍ未満とした場合、多結晶粒子は１個（一列）のみ形成され、同時に粒径も顕著な拡大を示す。この原因としては、Ｗ1が狭まったために、核発生が一箇所になり、かつ粒子の成長方向が双方のエネルギー勾配に沿って進むためであると考えられる。
【００２５】
図１の場合、Ｗ1を１．８μｍ以下としているため、多結晶粒子は１個（一列）のみ形成され、大粒径かつ粒径均一性の良好な多結晶粒子が秩序性良く形成される。一方、図６はＷ1を２．５μｍ程度とした場合の例であり、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が１列ずつ、合計２列形成されている。また図１０はＷ1を５μｍ程度とした場合の例であり、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が複数列ずつ形成されている。この場合、高エネルギー側に近づくにつれて多結晶粒子の配列が無秩序になるとともに、粒径も不均一になっていく。
【００２６】
以上のことから本発明においてはＷ1を３μｍ以下としている。これにより、第一の領域中に多結晶粒子の成長核が一列または二列のみ発生することとなり、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶粒子を所望の位置に精度良く形成される。
【００２７】
本発明において、Ｗ1を１．８μｍ以下、特に、１μｍ以下とすれば、多結晶粒子の粒径を顕著に大粒径化できる上、多結晶粒子の配列を一層良好にすることができる。これは、前述したように結晶粒子の成長が双方向に進むことによると考えられる。多結晶粒子の成長は、エネルギーの低い領域から高い領域に向かって進行する。図６のように第一の領域に二列の成長核が発生した場合は、各列の成長核は、もう一方の成長核と隣接する側では成長が抑制され、主として高エネルギー側に成長していく。これに対して図１のように第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、成長核は両側の高エネルギー側に成長していく。したがって、第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、成長核が二列に発生した場合に比べ、核成長がおよそ２倍となり、粒径が顕著に大きくなると考えられる。また、第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、核成長を経た後も粒子の配列秩序の乱れが生じにくいため、二列の成長核が発生した場合に比べ粒子の配列状態を一層良好となる。
【００２８】
なお、第一の領域に一列の成長核を発生させるにはＷ1を１．８μｍ以下とすることが好適であるが、特にＷ1を１μｍ以下とすれば、より確実に一列の成長核を発生させることができる。
【００２９】
本発明において、第一の領域のエネルギー分布の形状は種々のものとすることができるが、図１等に示すような谷形状であることが好ましい。このような形状とすれば、谷形状の底部に精度良く成長核を発生させることができ、粒子の配列性を一層良好にすることができ、粒径も充分に大きくすることができる。
【００３０】
本発明においては、目的に応じて第一の領域を複数箇所設けることができる。このようにすれば、一回の照射で複数の多結晶組織を形成することが可能となる。図１には説明の便宜のため谷形状の第一の領域を一箇所のみ示したが、実際には、図１１のように二箇所設けても良く、あるいは三箇所以上設けることもできる。本発明によれば位置精度良く多結晶組織を形成できることから、上記のように複数の第一の領域を設けることにより目的の多結晶膜を好適に作製することができる。
【００３１】
本発明は、照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布を規定するものであるが、上記一方向と直交する方向に沿ったエネルギー密度分布については任意の形状とすることができる。図１２は、直交方向のエネルギー密度分布を設けない例である。直交方向のいずれの位置においても同一のプロファイルとなっている。図１３は直交方向に谷部を設けた例である。直交方向の谷部の幅については、多結晶粒子を形成する面積に応じて適宜設定される。
【００３２】
本発明においては、所定のプロファイルのレーザ光を同一地点に複数回照射してもよい。すなわち所定のエネルギー密度プロファイルを有するレーザ光を、照射位置をずらすことなく、同一地点に複数回照射してもよい。このようにした場合、多結晶粒子を一層大粒径化することができる。前述したように、第一の領域を起点として高エネルギー領域側に向かって進行する核成長は、第二の領域において発生した微結晶のところで停止する。したがって、第二の領域において微結晶粒子の発生する時期が遅くなれば第一の領域を起点とする核成長時間はより長くなり、結果として多結晶粒子の粒径がより大きくなる。複数回照射を行う場合、第二の領域における膜の溶融時間が長くなり、微結晶粒子の発生が抑制されるため、上記理由により多結晶粒子がより大粒径化するのである。
【００３３】
第一および第二のレーザ光をこの順で照射する場合、第二のレーザ光の平均エネルギー密度は、第一のレーザ光の平均エネルギー密度より低くすることが好ましい。第二のレーザ光の平均エネルギー密度が高すぎると、第一のレーザ光により多結晶化した部分が微結晶化する場合がある。第二のレーザ光の平均エネルギー密度を下げる場合においては、エネルギー密度の最高値と最低値の比を第一のレーザ光と第二のレーザ光とで略一致させる構成とすることが好ましい。このようにすれば、第一のレーザ光を生成するのに用いた光学系をそのまま用い、レーザ強度を下げるだけで第二のレーザ光を生成することが可能となり、簡便な構造の照射装置で、上記照射を実現することができる。
【００３４】
第一のレーザ光照射開始時から第二のレーザ光照射開始時までの照射間隔は、第一のレーザ光のパルス幅の６倍以下とすることが好ましい。膜の溶融時間は、通常、パルス幅の６倍程度以内であることから、上記のような照射間隔とすることによって第二の領域における微結晶粒子の発生する時期を有効に遅延させることができ、多結晶粒子を一層大粒径化できるからである。ここで、膜溶融時間は、レーザ光の時間に依存したパルス形状およびパルス幅に依存する。一般にエキシマレーザ光のパルス形状は、図４に示すような複数の山からなるパルス形状を示し、パルス幅とは半値幅を指す。ここで、パルスの立ち上がりから最大値までの時間（ｔ1）が長くなると、過渡的な冷却が働くために、膜の最大到達温度が低下し、エネルギー効率が低下してしまう。従って、ｔ1は小さな方が良く、２０ｎｓ以下が望ましい。
【００３５】
複数回照射を行う場合の照射回数は特に制限がないが、プロセス効率向上の観点から、できるだけ少ない方が望ましい。照射回数は、好ましくは２〜１０回、さらに好ましくは２回とする。本発明の照射方法では、２回程度の照射により、目的とする多結晶シリコン薄膜の形成が充分可能だからである。
【００３６】
図３は、一度めのレーザ照射により膜が溶融している間に同一地点に重ねて二度めのレーザ照射を行う、いわゆるダブルパルス照射を行うレーザ照射装置の一例である。図に示した２個の光源３０１、３０２を制御装置３０３で同期させ、位相シフトマスクを含む光学系３０４を通って急峻な谷部を有するように整形した２個のパルスレーザ光を、チャンバ３０５内に設置された基板３０６にダブルパルス照射を行う。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３８】
実施例１
レーザ照射を行う前に、レーザ光のプロファイル決定のための予備実験を行った。その結果、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜に、波長３０８ｎｍでパルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を室温で照射するときのＥuは４７０ｍＪ／ｃｍ2であり、微結晶化しきい値直下で形成される多結晶粒子の粒径は約０．９μｍであることが確認された。
【００３９】
つづいて、レーザ照射対象となる基板を作製した。まずガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いて下地絶縁膜として二酸化シリコン薄膜を２００ｎｍ成膜した。次いで減圧ＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン薄膜を５０ｎｍ成膜した。非晶質シリコン薄膜の成膜方法としては、他にＰＥＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることもできるが、減圧ＣＶＤ法を用いれば、非晶質シリコン薄膜中にガスが混入することが防止される。
【００４０】
上記のようにして得られた非晶質シリコン薄膜に、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を照射した。レーザ光のエネルギー密度分布は、図１と同様の形状とした。すなわち、５００ｍＪ／ｃｍ2の概略平坦な領域と、エネルギー最低値が４００ｍＪ／ｃｍ2、Ｗ1が１μｍとなる急峻な谷部とを有するプロファイルのレーザ光を照射した。基板の加熱は行わなかった。
【００４１】
得られた薄膜を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、粒子径が約１．７μｍの大粒子が一列に規則正しく整列した大粒径均質組織が発生していることが確認された。形成された結晶粒子の中心位置は、プロファイルにおけるエネルギー最低地点に相当していた。本実施例の結果から、本発明によれば、顕著に成長した結晶粒子を位置精度良く作製できることが判る。
【００４２】
実施例２
レーザ照射時の基板を４００℃に加熱すること以外は実施例１と同様にしてレーザ照射を行った。得られた多結晶粒子の平均粒径は２．６μｍとなった。
【００４３】
実施例３
Ｗ1を１．８μｍ以上とすること以外は実施例１と同様にしてレーザ照射を行った。０．９μｍの大粒径多結晶粒子が２列配列した多結晶組織が得られた。
【００４４】
比較例１
図８に示す通常のトップフラット型ビームを用い、対照実験を行った。最大エネルギー密度は実施例１と同様である。得られた多結晶組織は粒子径約１μｍの大粒子を含んでいたが、これらは図８に模式的に示したように無秩序に配列していた。また、この領域の粒径分布はおよそ０．０２〜１μｍであり、不均質な組織となっていた。
【００４５】
実施例４
レーザ照射を行う前に、レーザ光のプロファイル決定のための予備実験を行った。その結果、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜に、波長３０８ｎｍでパルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を室温で照射するときのＥuは４７０ｍＪ／ｃｍ2であり、微結晶化しきい値直下で形成される大粒径多結晶粒子の粒径は約０．９μｍであることが確認された。
【００４６】
つづいて、レーザ照射対象となる基板を作製した。まずガラス基板上に、ＰＥＣＶＤ法を用いて下地絶縁膜として窒化シリコン薄膜を１００ｎｍ成膜した。次いで減圧ＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン薄膜を５０ｎｍ成膜した。
【００４７】
上記のようにして得られた非晶質シリコン薄膜に、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を用いてレーザ照射を行った。図３に示した２個の光源３０１、３０２を制御装置３０３で同期させ、位相シフトマスクを含む光学系３０４を通って急峻な谷部を有するように整形した２個のパルスレーザ光を、チャンバ３０５内に設置された基板３０６にダブルパルス照射を行った。ダブルパルス照射条件としては、第１のレーザ光の概略平坦な領域を４８０ｍＪ／ｃｍ2、エネルギー最低値を３８０ｍＪ／ｃｍ2、Ｗ1を１μｍとし、第２のレーザ光は第１のレーザ光と略相似形のプロファイルを有しているが、そのエネルギー密度は第１のレーザ光の２／５とし、照射間隔を８０ｎｓとした。第１のレーザ光および第２のレーザ光のパルス幅はそれぞれ５０および３５ｎｓである。
【００４８】
得られた薄膜を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、図５のように粒子径が約４．４μｍの大粒子が一列に規則正しく整列した大粒径均質組織が発生していることが確認された。プロファイル上谷部で核発生した結晶粒子の成長が終了する時点は、高エネルギー域での微結晶が核発生する時点である。従って、第２のレーザ光により高エネルギー域での核発生が抑制された本実施例では、第１の実施例よりも顕著な成長が実現可能となった。
【００４９】
また、形成された結晶粒子の中心位置は、プロファイルにおけるエネルギー最低地点に相当しており、本発明によれば、顕著に成長した結晶粒子を位置精度良く作製できることが確認された。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、狭い幅を有する第一の領域が、エネルギー密度Ｅu以上の第二の領域に挟まれた形態のエネルギー密度分布となっているため、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶半導体膜を、目的の場所に位置精度良く形成することができる。この多結晶半導体膜を利用することにより、高移動度を有する薄膜トランジスタ素子を大面積基板上に均一に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図２】本発明において用いられるマスクの構造を示す図である。
【図３】本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。
【図４】レーザ強度の時間依存性を説明するための図である。
【図５】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図６】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図７】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図８】従来のレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図９】本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。
【図１０】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図１１】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【図１２】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【図１３】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【符号の説明】
１ パルスレーザ光源
２ 光学系
３ チャンバ
４ ステージ
５ 基板
６ スリット
２０１ 石英板
２０２ ＳｉＯ2膜
３０１、３０２ 光源
３０３ 制御装置
３０４ 光学系
３０５ チャンバ
３０６ 基板
【発明の属する技術分野】
本発明は非単結晶半導体薄膜にパルスレーザ光を照射してアニールを行うレーザ照射方法に関し、特に液晶ディスプレイや密着型イメージセンサ等に用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタのチャネル層を形成するレーザ照射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多結晶シリコン薄膜トランジスタにより、安価なガラス基板上に駆動回路を備えた液晶表示装置を形成することが可能となっている。多結晶シリコン薄膜の形成法としては、プロセス温度の低温化および高スループット化の観点から、エキシマレーザ光を照射することにより非晶質シリコン薄膜を結晶化させて多結晶シリコン薄膜を得るエキシマレーザ結晶化法が広く用いられている。
【０００３】
ところがエキシマレーザ結晶化法は、レーザ光がパルスレーザ光であるために薄膜の熱処理される時間が限られてしまい、得られる結晶粒子の大きさが制限されてしまうという問題がある。そのため、得られた多結晶シリコン薄膜を利用して薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製した場合、その移動度は１００ｃｍ2／Ｖｓ程度に留まり、現在望まれているような高移動度の素子形成は困難である。
【０００４】
そこで多結晶シリコン薄膜の大粒径化技術に関し、これまで種々の検討がなされてきた。
【０００５】
特開平９−２４６１８３号公報には、線幅方向に台形状ビームプロファイルを有するレーザ光を照射する方法が開示されている。この方法は、台形状ビームプロファイルのレーザを照射し、多結晶組織を得るものである。台形状ビームプロファイルの中央部エネルギー密度を非晶質半導体（非晶質シリコン）の微結晶化しきい値以上としているため、台形状プロファイルの傾斜部において、微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分が存在することとなる。この領域において、結晶粒子径が大きな多結晶半導体領域を得ることができるとされている。しかしながらこの方法では、たしかに微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分において結晶粒子径が大きな多結晶半導体領域を得ることができるものの、その大粒径粒子の配列は無秩序であり、粒径分布も一般に広くなる。したがって、このような多結晶半導体領域をたとえばＴＦＴのチャネル層として利用した場合、移動度等のＴＦＴ特性のばらつきをもたらすこととなる。
【０００６】
また、特開平１０−２７５７８１号公報および第４２回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第２分冊６９４頁には、複数のレーザパルスを合成してレーザ照射を行う技術が開示されている。しかしながらこれらの方法を用いた場合においても、結晶粒子の大粒径化を図ることはできるものの、その配列や粒径分布を揃えることは困難であった。
【０００７】
また、ＭＲＳ ＢｕｌｌＥｔｉｎ ２１巻（１９９６年）、３月号、３９頁には、島状に形成した非晶質シリコン薄膜に、幅５μｍの極めて微細な線状ビームを０．７５μｍピッチでスキャン照射することにより、結晶粒子界がほぼ平行に整列している一方向成長多結晶シリコン薄膜を形成する技術が開示されている。この方法であれば多結晶粒子の均一性も確保されるが、スループットが低下する上、サブミクロンのステージ動作精度を確保する必要性から搬送系が複雑化するという問題が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶半導体膜を形成するレーザ照射技術を提供することを目的とする。また、目的の場所に位置精度良く多結晶半導体膜を形成するレーザ照射技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明によれば、以下に示すレーザ照射装置およびレーザ照射方法が提供される。
［１］ レーザ光を発生させるレーザ光源と、発生したレーザ光のエネルギー分布を調整する手段とを備え、エネルギー分布を調整した後のレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射装置であって、
前記非単結晶半導体薄膜に照射するレーザ光の照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとして、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有し、前記第一の領域の幅が３μｍ以下であることを特徴とするレーザ照射装置。
［２］ 前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下であることを特徴とする［１］に記載のレーザ照射装置。
［３］ 前記第一の領域が急峻な谷形状を有することを特徴とする［１］または［２］に記載のレーザ照射装置。
［４］ レーザ光のエネルギー分布を調整する手段が、基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクであって、基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成することを特徴とする［１］乃至［３］いずれかに記載のレーザ照射装置。
［５］ 前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射するように調整されたことを特徴とする［１］乃至［４］いずれかに記載のレーザ照射装置。
［６］ レーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射方法であって、該レーザ光の光照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとしたときに、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有し、前記第一の領域の幅が３μｍ以下であることを特徴とするレーザ照射方法。
［７］ 前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下であることを特徴とする［６］に記載のレーザ照射装置。
［８］ 前記第一の領域が急峻な谷形状を有することを特徴とする［６］または［７］に記載のレーザ照射方法。
［９］ 基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクにレーザ光透過させ、基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成することを特徴とする［６］乃至［８］いずれかに記載のレーザ照射方法。
［１０］ 前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射することを特徴とする［６］乃至［９］いずれかに記載のレーザ照射方法。
【００１０】
上記したように本発明においては、３μｍ以下の狭い幅を有する第一の領域が、エネルギー密度Ｅu以上の第二の領域に挟まれた形態のエネルギー密度分布となっている。このため、第一の領域において、図１および図６に示すように、多結晶粒子が一列または二列に整然と形成することができる上、多結晶粒子の形成箇所を所望の位置に精度良く形成できる。核成長の起点が限られた狭い領域、すなわち第一の領域内にのみ発生するためである。３μｍ以下の狭い幅には、多結晶粒子の成長核は、一列または二列しか発生しないため、上記のように、多結晶粒子が一列または二列に整然と配列した状態で形成されるのである。
【００１１】
また、本発明においては、多結晶粒子の粒径が均一となる。本発明においては、第一の領域の両側に存在する第二の領域のエネルギー密度がＥu以上であるため、第一の領域を起点として高エネルギー領域側に向かって進行する核成長が、第二の領域において発生した微結晶のところで停止することとなる。このため、個々の多結晶粒子間で核成長速度のばらつきがあっても最終的に形成される多結晶粒子の粒径はほぼ均一となるのである。
【００１２】
上記［２］または［７］の発明によれば、多結晶粒子の粒径を顕著に大粒径化できる上、多結晶粒子の配列を一層良好にすることができる。第一の領域に成長核が一列のみ発生するため、結晶粒子の成長が双方向に進むためである。
【００１３】
上記［３］または［８］の発明によれば、谷形状の底部に精度良く成長核を発生させることができ、粒子の配列性を一層良好にすることができ、粒径も充分に大きくすることができる。
【００１４】
上記［４］または［９］の発明によれば、上記［１］等に規定する特定のエネルギー密度分布を簡便な方法で精度良く実現することができ、生産性に優れる等の利点が得られる。
【００１５】
また、上記［５］および［１０］の発明によれば、膜の溶融時間を長くすることができるため、より大粒径の多結晶粒子が得られる。
【００１６】
以上のように本発明によれば、大粒径かつ粒径均一性に優れた多結晶組織を、整然とした配列した状態で位置精度良く形成することができる。この多結晶組織を利用することにより、高移動度を有する薄膜トランジスタ素子を大面積基板上に均一に形成することが可能となる。
【００１７】
【実施の形態】
本発明はレーザ光、特にパルスレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射するものである。本発明においては、多結晶粒子を形成すべき領域全体に対してレーザ光を一括照射する形態とすることが好ましい。すなわち、レーザ光の照射領域を、多結晶粒子を形成すべき領域全体と一致させる形態とすることが好ましい。これにより高い生産性を実現することができる。また、これ以外に、線状あるいは矩形状の照射領域を有するレーザ光を用い、レーザ光をスキャンしながら照射を行う方式とすることもできる。たとえば線状の照射領域のレーザ光を用いる場合は、照射領域をその短軸方向に移動させ、所望の領域全体に対してレーザ照射を行う。なお、本発明に係るレーザ照射は、基板を加熱しながら行うこともできる。
【００１８】
本発明において、非単結晶半導体薄膜とは単結晶でない半導体薄膜をいい、非晶質シリコンなどの非晶質薄膜や、多結晶シリコンなどの多結晶薄膜をいう。また本発明における多結晶半導体薄膜を構成する結晶粒子の粒子径は、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。このような大粒径の粒子により多結晶半導体薄膜を構成することにより、高効率の素子を得ることができる。
【００１９】
本発明における非晶質の微結晶化エネルギーＥuについて以下、説明する。非晶質シリコンのレーザアニールにおいて、形成される多結晶シリコンの結晶粒子径は、レーザエネルギー密度に依存する。エネルギー密度が増加するにしたがい粒径は増加するが、ある特定のエネルギー密度を越えると粒径が２０ｎｍ以下と極めて微細になることが知られている。このときのエネルギー密度を非晶質の微結晶化しきい値といい、Ｅuと表す。微結晶化は、薄膜の溶融状態の変化により、再結晶化時の核発生機構が、基板薄膜界面を核発生サイトとした不均一核発生から、均一核発生へと変化することにより発生すると考えられている。この核発生機構の変化は、薄膜の到達温度と冷却速度に依存する。従って微結晶化しきい値Ｅuは、薄膜の膜厚、薄膜の構造、パルスレーザ光の波長、パルス幅、などに依存して変化する。例えば、一旦レーザ結晶化した多結晶シリコン薄膜のＥuは、非晶質シリコン薄膜のＥuに対して約１４％大きな値となる。これは、膜表面のレーザに対する反射率および熱物性が異なるためである。
【００２０】
エネルギー密度Ｅu以上の領域とＥu未満の領域を含むプロファイルのレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射した場合、エネルギー密度がＥuよりもわずかに低い領域に、大粒径の多結晶粒子が形成される。図７はその一例を示すものである。このような多結晶粒子は、主として低エネルギー側から高エネルギー側へと成長する傾向にある。核発生は、低エネルギー側の方でより早く起こるからである。
【００２１】
図１は、本発明において用いるレーザ光のエネルギー密度分布の一例を示すものである。このレーザ光は矩形状の照射領域を有するレーザであり、図のエネルギー密度分布は、長辺方向に沿ったプロファイルを示している。図に示したエネルギー密度分布は、略平坦な領域と、平坦な領域の内部に急峻な谷部を有する形状となっている。すなわち、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとして、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有するプロファイルとなっている。第一の領域は急峻な谷形状を有しており、その幅（Ｗ1）は１．８μｍ以下となっている。この図では第二の領域はフラットな形状となっているが、エネルギー密度Ｅu以上である限り、これに限られず任意の形状とすることができる。
【００２２】
上記のようなエネルギー分布は、基材およびその一部を覆う誘電体膜からなるマスクを用いることにより実現できる。このようなマスクを用いることにより、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、第二の領域が生成される。図２はこのようなマスクの一例を示すものであり、石英板２０１の表面の一部にＳｉＯ2膜２０２がコーティングされている。ＳｉＯ2の代わりにＳｉＮ等を用いることもできる。このマスクは、一回反転型の位相シフトマスクである。通常のトップフラット型プロファイルのレーザ光が、位相シフトマスクを通過するとき、ＳｉＯ2膜２０２により、位相が反転し、急峻な谷形状を有するプロファイルとなる。谷形状については、位相シフトマスクを含めた光学系の設計次第により、任意の形状とすることができる。位相シフトマスクを利用した上記方法の詳細については、SPIＥ vol.1463 Optical Laser Microlithography IV (1991) p74-86,p87-100に記載されている。
【００２３】
図９は、本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。レーザ光源１から発したレーザビームは、光学系２を経た後、マスク６を通過してチャンバ３内のステージ４上に保持された基板５に照射される。マスク６は図２に示した構造を有している。このような特殊な構造のマスクを透過させることにより、マスク透過前においてトップフラット型のエネルギー密度分布を有していたレーザ光が、マスク透過後、図２に示したように急峻な谷部を有するエネルギー密度分布のレーザ光となる。
【００２４】
本発明者らの検討によれば、第一の領域に発生する大粒径多結晶粒子の数は、第一の領域の幅（Ｗ1）に依存することが確認されている。Ｗ1を多結晶粒子の粒径の２倍以上の幅とした場合、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が２個以上（２列以上）発生する。一方、Ｗ1が多結晶粒子の粒径の２倍未満、特に１．２倍未満とした場合、具体的には１．８μｍ未満、特に１μｍ未満とした場合、多結晶粒子は１個（一列）のみ形成され、同時に粒径も顕著な拡大を示す。この原因としては、Ｗ1が狭まったために、核発生が一箇所になり、かつ粒子の成長方向が双方のエネルギー勾配に沿って進むためであると考えられる。
【００２５】
図１の場合、Ｗ1を１．８μｍ以下としているため、多結晶粒子は１個（一列）のみ形成され、大粒径かつ粒径均一性の良好な多結晶粒子が秩序性良く形成される。一方、図６はＷ1を２．５μｍ程度とした場合の例であり、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が１列ずつ、合計２列形成されている。また図１０はＷ1を５μｍ程度とした場合の例であり、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が複数列ずつ形成されている。この場合、高エネルギー側に近づくにつれて多結晶粒子の配列が無秩序になるとともに、粒径も不均一になっていく。
【００２６】
以上のことから本発明においてはＷ1を３μｍ以下としている。これにより、第一の領域中に多結晶粒子の成長核が一列または二列のみ発生することとなり、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶粒子を所望の位置に精度良く形成される。
【００２７】
本発明において、Ｗ1を１．８μｍ以下、特に、１μｍ以下とすれば、多結晶粒子の粒径を顕著に大粒径化できる上、多結晶粒子の配列を一層良好にすることができる。これは、前述したように結晶粒子の成長が双方向に進むことによると考えられる。多結晶粒子の成長は、エネルギーの低い領域から高い領域に向かって進行する。図６のように第一の領域に二列の成長核が発生した場合は、各列の成長核は、もう一方の成長核と隣接する側では成長が抑制され、主として高エネルギー側に成長していく。これに対して図１のように第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、成長核は両側の高エネルギー側に成長していく。したがって、第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、成長核が二列に発生した場合に比べ、核成長がおよそ２倍となり、粒径が顕著に大きくなると考えられる。また、第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、核成長を経た後も粒子の配列秩序の乱れが生じにくいため、二列の成長核が発生した場合に比べ粒子の配列状態を一層良好となる。
【００２８】
なお、第一の領域に一列の成長核を発生させるにはＷ1を１．８μｍ以下とすることが好適であるが、特にＷ1を１μｍ以下とすれば、より確実に一列の成長核を発生させることができる。
【００２９】
本発明において、第一の領域のエネルギー分布の形状は種々のものとすることができるが、図１等に示すような谷形状であることが好ましい。このような形状とすれば、谷形状の底部に精度良く成長核を発生させることができ、粒子の配列性を一層良好にすることができ、粒径も充分に大きくすることができる。
【００３０】
本発明においては、目的に応じて第一の領域を複数箇所設けることができる。このようにすれば、一回の照射で複数の多結晶組織を形成することが可能となる。図１には説明の便宜のため谷形状の第一の領域を一箇所のみ示したが、実際には、図１１のように二箇所設けても良く、あるいは三箇所以上設けることもできる。本発明によれば位置精度良く多結晶組織を形成できることから、上記のように複数の第一の領域を設けることにより目的の多結晶膜を好適に作製することができる。
【００３１】
本発明は、照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布を規定するものであるが、上記一方向と直交する方向に沿ったエネルギー密度分布については任意の形状とすることができる。図１２は、直交方向のエネルギー密度分布を設けない例である。直交方向のいずれの位置においても同一のプロファイルとなっている。図１３は直交方向に谷部を設けた例である。直交方向の谷部の幅については、多結晶粒子を形成する面積に応じて適宜設定される。
【００３２】
本発明においては、所定のプロファイルのレーザ光を同一地点に複数回照射してもよい。すなわち所定のエネルギー密度プロファイルを有するレーザ光を、照射位置をずらすことなく、同一地点に複数回照射してもよい。このようにした場合、多結晶粒子を一層大粒径化することができる。前述したように、第一の領域を起点として高エネルギー領域側に向かって進行する核成長は、第二の領域において発生した微結晶のところで停止する。したがって、第二の領域において微結晶粒子の発生する時期が遅くなれば第一の領域を起点とする核成長時間はより長くなり、結果として多結晶粒子の粒径がより大きくなる。複数回照射を行う場合、第二の領域における膜の溶融時間が長くなり、微結晶粒子の発生が抑制されるため、上記理由により多結晶粒子がより大粒径化するのである。
【００３３】
第一および第二のレーザ光をこの順で照射する場合、第二のレーザ光の平均エネルギー密度は、第一のレーザ光の平均エネルギー密度より低くすることが好ましい。第二のレーザ光の平均エネルギー密度が高すぎると、第一のレーザ光により多結晶化した部分が微結晶化する場合がある。第二のレーザ光の平均エネルギー密度を下げる場合においては、エネルギー密度の最高値と最低値の比を第一のレーザ光と第二のレーザ光とで略一致させる構成とすることが好ましい。このようにすれば、第一のレーザ光を生成するのに用いた光学系をそのまま用い、レーザ強度を下げるだけで第二のレーザ光を生成することが可能となり、簡便な構造の照射装置で、上記照射を実現することができる。
【００３４】
第一のレーザ光照射開始時から第二のレーザ光照射開始時までの照射間隔は、第一のレーザ光のパルス幅の６倍以下とすることが好ましい。膜の溶融時間は、通常、パルス幅の６倍程度以内であることから、上記のような照射間隔とすることによって第二の領域における微結晶粒子の発生する時期を有効に遅延させることができ、多結晶粒子を一層大粒径化できるからである。ここで、膜溶融時間は、レーザ光の時間に依存したパルス形状およびパルス幅に依存する。一般にエキシマレーザ光のパルス形状は、図４に示すような複数の山からなるパルス形状を示し、パルス幅とは半値幅を指す。ここで、パルスの立ち上がりから最大値までの時間（ｔ1）が長くなると、過渡的な冷却が働くために、膜の最大到達温度が低下し、エネルギー効率が低下してしまう。従って、ｔ1は小さな方が良く、２０ｎｓ以下が望ましい。
【００３５】
複数回照射を行う場合の照射回数は特に制限がないが、プロセス効率向上の観点から、できるだけ少ない方が望ましい。照射回数は、好ましくは２〜１０回、さらに好ましくは２回とする。本発明の照射方法では、２回程度の照射により、目的とする多結晶シリコン薄膜の形成が充分可能だからである。
【００３６】
図３は、一度めのレーザ照射により膜が溶融している間に同一地点に重ねて二度めのレーザ照射を行う、いわゆるダブルパルス照射を行うレーザ照射装置の一例である。図に示した２個の光源３０１、３０２を制御装置３０３で同期させ、位相シフトマスクを含む光学系３０４を通って急峻な谷部を有するように整形した２個のパルスレーザ光を、チャンバ３０５内に設置された基板３０６にダブルパルス照射を行う。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３８】
実施例１
レーザ照射を行う前に、レーザ光のプロファイル決定のための予備実験を行った。その結果、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜に、波長３０８ｎｍでパルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を室温で照射するときのＥuは４７０ｍＪ／ｃｍ2であり、微結晶化しきい値直下で形成される多結晶粒子の粒径は約０．９μｍであることが確認された。
【００３９】
つづいて、レーザ照射対象となる基板を作製した。まずガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いて下地絶縁膜として二酸化シリコン薄膜を２００ｎｍ成膜した。次いで減圧ＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン薄膜を５０ｎｍ成膜した。非晶質シリコン薄膜の成膜方法としては、他にＰＥＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることもできるが、減圧ＣＶＤ法を用いれば、非晶質シリコン薄膜中にガスが混入することが防止される。
【００４０】
上記のようにして得られた非晶質シリコン薄膜に、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を照射した。レーザ光のエネルギー密度分布は、図１と同様の形状とした。すなわち、５００ｍＪ／ｃｍ2の概略平坦な領域と、エネルギー最低値が４００ｍＪ／ｃｍ2、Ｗ1が１μｍとなる急峻な谷部とを有するプロファイルのレーザ光を照射した。基板の加熱は行わなかった。
【００４１】
得られた薄膜を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、粒子径が約１．７μｍの大粒子が一列に規則正しく整列した大粒径均質組織が発生していることが確認された。形成された結晶粒子の中心位置は、プロファイルにおけるエネルギー最低地点に相当していた。本実施例の結果から、本発明によれば、顕著に成長した結晶粒子を位置精度良く作製できることが判る。
【００４２】
実施例２
レーザ照射時の基板を４００℃に加熱すること以外は実施例１と同様にしてレーザ照射を行った。得られた多結晶粒子の平均粒径は２．６μｍとなった。
【００４３】
実施例３
Ｗ1を１．８μｍ以上とすること以外は実施例１と同様にしてレーザ照射を行った。０．９μｍの大粒径多結晶粒子が２列配列した多結晶組織が得られた。
【００４４】
比較例１
図８に示す通常のトップフラット型ビームを用い、対照実験を行った。最大エネルギー密度は実施例１と同様である。得られた多結晶組織は粒子径約１μｍの大粒子を含んでいたが、これらは図８に模式的に示したように無秩序に配列していた。また、この領域の粒径分布はおよそ０．０２〜１μｍであり、不均質な組織となっていた。
【００４５】
実施例４
レーザ照射を行う前に、レーザ光のプロファイル決定のための予備実験を行った。その結果、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜に、波長３０８ｎｍでパルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を室温で照射するときのＥuは４７０ｍＪ／ｃｍ2であり、微結晶化しきい値直下で形成される大粒径多結晶粒子の粒径は約０．９μｍであることが確認された。
【００４６】
つづいて、レーザ照射対象となる基板を作製した。まずガラス基板上に、ＰＥＣＶＤ法を用いて下地絶縁膜として窒化シリコン薄膜を１００ｎｍ成膜した。次いで減圧ＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン薄膜を５０ｎｍ成膜した。
【００４７】
上記のようにして得られた非晶質シリコン薄膜に、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を用いてレーザ照射を行った。図３に示した２個の光源３０１、３０２を制御装置３０３で同期させ、位相シフトマスクを含む光学系３０４を通って急峻な谷部を有するように整形した２個のパルスレーザ光を、チャンバ３０５内に設置された基板３０６にダブルパルス照射を行った。ダブルパルス照射条件としては、第１のレーザ光の概略平坦な領域を４８０ｍＪ／ｃｍ2、エネルギー最低値を３８０ｍＪ／ｃｍ2、Ｗ1を１μｍとし、第２のレーザ光は第１のレーザ光と略相似形のプロファイルを有しているが、そのエネルギー密度は第１のレーザ光の２／５とし、照射間隔を８０ｎｓとした。第１のレーザ光および第２のレーザ光のパルス幅はそれぞれ５０および３５ｎｓである。
【００４８】
得られた薄膜を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、図５のように粒子径が約４．４μｍの大粒子が一列に規則正しく整列した大粒径均質組織が発生していることが確認された。プロファイル上谷部で核発生した結晶粒子の成長が終了する時点は、高エネルギー域での微結晶が核発生する時点である。従って、第２のレーザ光により高エネルギー域での核発生が抑制された本実施例では、第１の実施例よりも顕著な成長が実現可能となった。
【００４９】
また、形成された結晶粒子の中心位置は、プロファイルにおけるエネルギー最低地点に相当しており、本発明によれば、顕著に成長した結晶粒子を位置精度良く作製できることが確認された。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、狭い幅を有する第一の領域が、エネルギー密度Ｅu以上の第二の領域に挟まれた形態のエネルギー密度分布となっているため、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶半導体膜を、目的の場所に位置精度良く形成することができる。この多結晶半導体膜を利用することにより、高移動度を有する薄膜トランジスタ素子を大面積基板上に均一に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図２】本発明において用いられるマスクの構造を示す図である。
【図３】本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。
【図４】レーザ強度の時間依存性を説明するための図である。
【図５】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図６】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図７】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図８】従来のレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図９】本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。
【図１０】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図１１】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【図１２】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【図１３】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【符号の説明】
１ パルスレーザ光源
２ 光学系
３ チャンバ
４ ステージ
５ 基板
６ スリット
２０１ 石英板
２０２ ＳｉＯ2膜
３０１、３０２ 光源
３０３ 制御装置
３０４ 光学系
３０５ チャンバ
３０６ 基板
Claims (10)
- レーザ光を発生させるレーザ光源と、発生したレーザ光のエネルギー分布を調整する手段とを備え、エネルギー分布を調整した後のレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射装置であって、
前記非単結晶半導体薄膜に照射するレーザ光の照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとして、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有し、
前記第一の領域の幅が３μｍ以下であり、
前記第一の領域が急峻な谷形状を有し、
前記急峻な谷形状におけるエネルギー密度の最低値は、前記エネルギー密度Ｅ u より、少なくとも７０ｍＪ／ｃｍ 2 低く設定されている
ことを特徴とするレーザ照射装置。 - 前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。 - レーザ光のエネルギー分布を調整する手段が、基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクであって、
基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ照射装置。 - 前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射するように調整されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。 - 前記レーザ光源で発生されるレーザ光は、パルス形状で照射され、該パルス形状は、パルスの立ち上がりから最大値までの時間ｔ1が、２０ｎｓ以下に選択されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。 - レーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射方法であって、
該レーザ光は、レーザ光源で発生され、
該レーザ光の光照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥuとしたときに、エネルギー密度Ｅu未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅu以上の第二の領域とを有し、
前記第一の領域の幅が３μｍ以下であり、
前記第一の領域が急峻な谷形状を有し、
前記急峻な谷形状におけるエネルギー密度の最低値は、前記エネルギー密度Ｅ u より、少なくとも７０ｍＪ／ｃｍ 2 低く設定されている
ことを特徴とするレーザ照射方法。 - 前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下である
ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ照射方法。 - 基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクにレーザ光透過させ、基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成する
ことを特徴とする請求項６または７に記載のレーザ照射方法。 - 前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射する
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のレーザ照射方法。 - 前記レーザ光源で発生されるレーザ光は、パルス形状で照射され、該パルス形状は、パルスの立ち上がりから最大値までの時間ｔ1が、２０ｎｓ以下に選択されている
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載のレーザ照射方法。
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