JP2002110544A - レーザアニールによる薄膜結晶成長 - Google Patents
レーザアニールによる薄膜結晶成長Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 大きな粒の多結晶シリコンをアモルファスシ
リコンから形成させる方法および装置を提供する。 【解決手段】 第１のエネルギービームを材料の層に、
第１の時点において第１の時間照射する。第２のエネル
ギービームを材料の層に、第２の時点において第２の時
間照射する。ここで、第２の時点を第１の時点の後と
し、第２の時間を第１の時間と同じかまたは短くするこ
とで、材料の層を第１の状態から第２の状態に変換す
る。
リコンから形成させる方法および装置を提供する。 【解決手段】 第１のエネルギービームを材料の層に、
第１の時点において第１の時間照射する。第２のエネル
ギービームを材料の層に、第２の時点において第２の時
間照射する。ここで、第２の時点を第１の時点の後と
し、第２の時間を第１の時間と同じかまたは短くするこ
とで、材料の層を第１の状態から第２の状態に変換す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、照射されるエネル
ギービームの使用による、材料の第１の状態から第２の
状態への変化に関する。本発明の一態様においては、二
つのレーザビームを重畳させたレーザアニールにより、
大きな粒の多結晶シリコン（ポリシリコン（p-Si））が
アモルファスシリコン(a-Si)から形成される。また、本
発明の他の態様としては、重畳レーザビームを用いてレ
ーザアニールすることにより、薄膜トランジスタ(TFT)
を製造する方法が提供される。本発明は、アクティブマ
トリクス液晶ディスプレイ(AMLCD)、フィールドエミッ
ションディスプレイ(FED)、有機ELディスプレイ(O LED)
などのフラットパネルディスプレイを構成するTFTの製
造に適応される。さらに、本発明の方法が、光センサー
の製造等といった他の分野へもより広く応用され得るも
のであるということは明らかである。
ギービームの使用による、材料の第１の状態から第２の
状態への変化に関する。本発明の一態様においては、二
つのレーザビームを重畳させたレーザアニールにより、
大きな粒の多結晶シリコン（ポリシリコン（p-Si））が
アモルファスシリコン(a-Si)から形成される。また、本
発明の他の態様としては、重畳レーザビームを用いてレ
ーザアニールすることにより、薄膜トランジスタ(TFT)
を製造する方法が提供される。本発明は、アクティブマ
トリクス液晶ディスプレイ(AMLCD)、フィールドエミッ
ションディスプレイ(FED)、有機ELディスプレイ(O LED)
などのフラットパネルディスプレイを構成するTFTの製
造に適応される。さらに、本発明の方法が、光センサー
の製造等といった他の分野へもより広く応用され得るも
のであるということは明らかである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】透明
基板上における高品質TFTの製造は、超高精細のAMLCD技
術を上手く応用するために重要である。その中で、エキ
シマレーザ結晶化(ELC)は、先端フラットパネルディス
プレイ用の高性能p-Si TFTを実現する重要な技術であ
る。poly-SiTFT性能の特性と均一性とを共に向上させる
ためには、粒のサイズと位置が精度良く制御された高品
質のポリシリコンが必要となることがある。従来、a-Si
膜のパルスレーザ結晶化は、ナノ秒オーダーのパルス幅
で、紫外領域(UV)に波長があるエキシマレーザで行われ
ており、有望で新しいポリシリコンの製造方法とされて
いた。レーザアニールは、低コストプロセスおよび高効
率という理由より、他の結晶化方法に比べ優れているこ
とが示されてきた。さらに、高速加熱冷却（プロセスに
数１００ナノ秒を要する）のため、基板への熱ダメージ
の影響がない低温プロセス技術である。この特徴は、安
価で大きなガラスを基板に用いることを可能にするた
め、実用的に重要である。
基板上における高品質TFTの製造は、超高精細のAMLCD技
術を上手く応用するために重要である。その中で、エキ
シマレーザ結晶化(ELC)は、先端フラットパネルディス
プレイ用の高性能p-Si TFTを実現する重要な技術であ
る。poly-SiTFT性能の特性と均一性とを共に向上させる
ためには、粒のサイズと位置が精度良く制御された高品
質のポリシリコンが必要となることがある。従来、a-Si
膜のパルスレーザ結晶化は、ナノ秒オーダーのパルス幅
で、紫外領域(UV)に波長があるエキシマレーザで行われ
ており、有望で新しいポリシリコンの製造方法とされて
いた。レーザアニールは、低コストプロセスおよび高効
率という理由より、他の結晶化方法に比べ優れているこ
とが示されてきた。さらに、高速加熱冷却（プロセスに
数１００ナノ秒を要する）のため、基板への熱ダメージ
の影響がない低温プロセス技術である。この特徴は、安
価で大きなガラスを基板に用いることを可能にするた
め、実用的に重要である。
【０００３】a-Siの膜厚と前加熱などに依存するが、EL
Cにより通常数１００nmの大きさのp-Siが形成される。
しかしながら、プロセスマージンが狭く、大粒径を得る
には膜厚とほぼ同程度の深さまで溶融させる必要があっ
た。この領域はスーパーラテラル成長（superlateral g
rowth）領域と呼ばれており、膜と基板の界面に溶け残
ったシリコン粒子が、横（ラテラル）方向の結晶成長の
シードとなるので粒径が大きくなる。
Cにより通常数１００nmの大きさのp-Siが形成される。
しかしながら、プロセスマージンが狭く、大粒径を得る
には膜厚とほぼ同程度の深さまで溶融させる必要があっ
た。この領域はスーパーラテラル成長（superlateral g
rowth）領域と呼ばれており、膜と基板の界面に溶け残
ったシリコン粒子が、横（ラテラル）方向の結晶成長の
シードとなるので粒径が大きくなる。
【０００４】このようなp-Si膜の横方向の結晶成長は、
TFTデバイスにより用いられるp-Siの電気的特性（例え
ば電界移動度）向上のために重要である。従来のp-Si粒
は粒径も位置も制御されておらず、キャリアは粒界で散
乱されるため、動作速度が低下し、消費電力は増大す
る。
TFTデバイスにより用いられるp-Siの電気的特性（例え
ば電界移動度）向上のために重要である。従来のp-Si粒
は粒径も位置も制御されておらず、キャリアは粒界で散
乱されるため、動作速度が低下し、消費電力は増大す
る。
【０００５】従って、材料の層をある状態から他の状態
へ、例えばアモルファス相から多結晶相へ、簡単にしか
も制御良く（粒径と位置が制御される）変化させる、簡
便な方法および装置が必要であった。
へ、例えばアモルファス相から多結晶相へ、簡単にしか
も制御良く（粒径と位置が制御される）変化させる、簡
便な方法および装置が必要であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、材料の第１の
状態から第２の状態へ、例えばアモルファス相から多結
晶相へエネルギービームの照射により変化させることに
関する。本発明の具体的一態様においては、二つのレー
ザビームを重畳させたレーザアニールにより、大きな粒
のポリシリコン（p-Si）がアモルファスシリコン(a-Si)
から形成される。また、本発明は、重畳したレーザ照射
による再結晶化を利用することによる、大きな粒で方向
と位置を制御された、ポリシリコン粒成長に関する。重
畳したレーザ射は、冷却と凝固プロセスを制御し、結晶
の構造を決定する。特に、第１のパルス時間における第
１のレーザビームは、a-Si膜を溶かし、温度勾配を形成
するのに用いられる。初期遅延の後に、第２のレーザビ
ームが、より短いパルス時間で、第１のレーザビームに
重ねられ照射される。a-Siが第２のレーザビームで照射
されると、第１のレーザビームで加熱された領域が、膜
厚方向に完全溶融する。液体Siの温度が核形成温度を下
回ると、即時に過冷却された液体Si中で核の形成が始ま
る。しかし、第１のレーザビームによる連続的な加熱に
曝される液体領域の中央部分はゆっくりと冷却される。
完全に溶融したスポットの周辺に生成した粒は、液体Si
の中で成長し、そして第１のレーザビームスポットの中
心で互いに衝突するまで粒は延びる。第１のレーザビー
ムは、溶融したSi相を引き伸ばし、粒成長を一定方向に
進める。第２のレーザビームは、核形成を引き起こし、
粒位置を制御し、さらに横方向成長を誘起する。
状態から第２の状態へ、例えばアモルファス相から多結
晶相へエネルギービームの照射により変化させることに
関する。本発明の具体的一態様においては、二つのレー
ザビームを重畳させたレーザアニールにより、大きな粒
のポリシリコン（p-Si）がアモルファスシリコン(a-Si)
から形成される。また、本発明は、重畳したレーザ照射
による再結晶化を利用することによる、大きな粒で方向
と位置を制御された、ポリシリコン粒成長に関する。重
畳したレーザ射は、冷却と凝固プロセスを制御し、結晶
の構造を決定する。特に、第１のパルス時間における第
１のレーザビームは、a-Si膜を溶かし、温度勾配を形成
するのに用いられる。初期遅延の後に、第２のレーザビ
ームが、より短いパルス時間で、第１のレーザビームに
重ねられ照射される。a-Siが第２のレーザビームで照射
されると、第１のレーザビームで加熱された領域が、膜
厚方向に完全溶融する。液体Siの温度が核形成温度を下
回ると、即時に過冷却された液体Si中で核の形成が始ま
る。しかし、第１のレーザビームによる連続的な加熱に
曝される液体領域の中央部分はゆっくりと冷却される。
完全に溶融したスポットの周辺に生成した粒は、液体Si
の中で成長し、そして第１のレーザビームスポットの中
心で互いに衝突するまで粒は延びる。第１のレーザビー
ムは、溶融したSi相を引き伸ばし、粒成長を一定方向に
進める。第２のレーザビームは、核形成を引き起こし、
粒位置を制御し、さらに横方向成長を誘起する。
【０００７】本発明の材料薄膜の形成方法における一態
様は、実質的に第１の状態であり、導電性材料、半導体
材料または絶縁材料から選択される材料の層を供給する
工程を含んでいる。第１のエネルギービームが材料の層
に、第１の時点において第１の時間照射される。第２の
エネルギービームが材料の層に、第２の時点において第
２の時間照射される。ここで、第２の時点は第１の時点
の後であり、第２の時間は第１の時間と同じかまたは短
い。その結果、材料の層が第１の状態から第２の状態に
変換される。
様は、実質的に第１の状態であり、導電性材料、半導体
材料または絶縁材料から選択される材料の層を供給する
工程を含んでいる。第１のエネルギービームが材料の層
に、第１の時点において第１の時間照射される。第２の
エネルギービームが材料の層に、第２の時点において第
２の時間照射される。ここで、第２の時点は第１の時点
の後であり、第２の時間は第１の時間と同じかまたは短
い。その結果、材料の層が第１の状態から第２の状態に
変換される。
【０００８】本発明の材料薄膜の形成装置における一態
様は、第１のエネルギービームを放射するための第１の
エネルギー源および第２のエネルギービームを放射する
第２のエネルギー源を含んでいる。第１の伝搬手段は、
アモルファスシリコン薄膜上の位置に第１の時間、第１
のエネルギービームを与えるように構成され、第２の伝
搬手段は、第１のエネルギービーム後の位置に第１の時
間内に第１のビームに重畳して第２の時間、第２のエネ
ルギービームを与えるように構成される。
様は、第１のエネルギービームを放射するための第１の
エネルギー源および第２のエネルギービームを放射する
第２のエネルギー源を含んでいる。第１の伝搬手段は、
アモルファスシリコン薄膜上の位置に第１の時間、第１
のエネルギービームを与えるように構成され、第２の伝
搬手段は、第１のエネルギービーム後の位置に第１の時
間内に第１のビームに重畳して第２の時間、第２のエネ
ルギービームを与えるように構成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の上記態様および他の態様
は、その効果および特徴とともに、下記の記載および添
付の図面により詳細に示される。
は、その効果および特徴とともに、下記の記載および添
付の図面により詳細に示される。
【００１０】本発明は、照射されるエネルギービームの
使用による、材料のある状態から他の状態への変化に関
する。特に、重畳したレーザ照射による再結晶化を利用
することによる、大きな粒で方向と位置を制御された、
ポリシリコン粒成長に関する。重畳したレーザ照射は、
冷却と凝固プロセスを制御し、得られる結晶の構造を決
定する。具体的には、本発明の方法における一態様にお
いて、第１のパルス時間における第１のレーザビーム
は、a-Si膜を溶かし、温度勾配を形成するのに用いられ
る。初期遅延の後に、第２のレーザビームが、より短い
幅で、第１のレーザビームに重ねられ照射される。a-Si
が第２のレーザビームで照射されると、第１のレーザビ
ームで加熱された領域が膜厚方向に完全溶融する。液体
Siの温度が核形成温度を下回ると、即時に過冷却された
液体Si中において核の形成が始まる。しかし、第１のレ
ーザビームにより連続的に加熱された液体領域の中央部
分はゆっくりと冷却される。完全に溶融したスポットの
周辺に生成した粒は、液体Siの中で成長し、そして第１
のレーザビームスポットの中心で互いに衝突するまで粒
は延びる。第１のレーザビームは、溶融したSi相を引き
伸ばし、粒成長を一定方向に進める。第２のレーザビー
ムは核形成を引き起こし、粒位置を制御し、さらに横方
向成長を誘起する。
使用による、材料のある状態から他の状態への変化に関
する。特に、重畳したレーザ照射による再結晶化を利用
することによる、大きな粒で方向と位置を制御された、
ポリシリコン粒成長に関する。重畳したレーザ照射は、
冷却と凝固プロセスを制御し、得られる結晶の構造を決
定する。具体的には、本発明の方法における一態様にお
いて、第１のパルス時間における第１のレーザビーム
は、a-Si膜を溶かし、温度勾配を形成するのに用いられ
る。初期遅延の後に、第２のレーザビームが、より短い
幅で、第１のレーザビームに重ねられ照射される。a-Si
が第２のレーザビームで照射されると、第１のレーザビ
ームで加熱された領域が膜厚方向に完全溶融する。液体
Siの温度が核形成温度を下回ると、即時に過冷却された
液体Si中において核の形成が始まる。しかし、第１のレ
ーザビームにより連続的に加熱された液体領域の中央部
分はゆっくりと冷却される。完全に溶融したスポットの
周辺に生成した粒は、液体Siの中で成長し、そして第１
のレーザビームスポットの中心で互いに衝突するまで粒
は延びる。第１のレーザビームは、溶融したSi相を引き
伸ばし、粒成長を一定方向に進める。第２のレーザビー
ムは核形成を引き起こし、粒位置を制御し、さらに横方
向成長を誘起する。
【００１１】図１は、本発明の一実施例である、レーザ
アニール方法を示す。サンプル100は、透明基板102に形
成されたアモルファスシリコン薄膜104からなる。Arイ
オンレーザから放射された波長514.5nmのパルス幅変調
およびビーム成形された第１のレーザビーム106は、透
明基板102の裏面102aから照射される。ビーム106は、透
明基板102を通過してアモルファスシリコン薄膜104の楕
円状の領域104aを加熱する。第１のレーザビーム106が
アモルファスシリコン薄膜104に照射されている間に、
パルス化されたKrFエキシマレーザからの波長248nmの第
２のレーザビーム108が、アモルファスシリコンフィル
ム104に重畳して照射され、長円領域104aとオーバーラ
ップする第2の領域104bを加熱する。第１のレーザビー
ム108を停止してサンプルを冷却することにより、長い
粒の多結晶のシリコン結晶が、楕円領域104aのエッジか
ら中心に向かって成長する。
アニール方法を示す。サンプル100は、透明基板102に形
成されたアモルファスシリコン薄膜104からなる。Arイ
オンレーザから放射された波長514.5nmのパルス幅変調
およびビーム成形された第１のレーザビーム106は、透
明基板102の裏面102aから照射される。ビーム106は、透
明基板102を通過してアモルファスシリコン薄膜104の楕
円状の領域104aを加熱する。第１のレーザビーム106が
アモルファスシリコン薄膜104に照射されている間に、
パルス化されたKrFエキシマレーザからの波長248nmの第
２のレーザビーム108が、アモルファスシリコンフィル
ム104に重畳して照射され、長円領域104aとオーバーラ
ップする第2の領域104bを加熱する。第１のレーザビー
ム108を停止してサンプルを冷却することにより、長い
粒の多結晶のシリコン結晶が、楕円領域104aのエッジか
ら中心に向かって成長する。
【００１２】図２は、本発明の結晶化方法における、二
つのレーザビーム強度の時間依存性に対応したタイミン
グチャートを示す。T0の時点において第１のレーザビー
ム106は透明基板の裏面から照射され、アモルファスシ
リコンを加熱する。約2msの遅れ（A）の後、T1の時点で
第２のレーザビーム108がアモルファスシリコンに照射
される。第２のレーザビーム108は、約52nsの間（B）照
射され.、T2の時点において停止する。第１のレーザビ
ーム106は、その後、時間Cの間もサンプルに照射され続
け、T3の時点で停止する。トータルの照射時間は約4ms
である。
つのレーザビーム強度の時間依存性に対応したタイミン
グチャートを示す。T0の時点において第１のレーザビー
ム106は透明基板の裏面から照射され、アモルファスシ
リコンを加熱する。約2msの遅れ（A）の後、T1の時点で
第２のレーザビーム108がアモルファスシリコンに照射
される。第２のレーザビーム108は、約52nsの間（B）照
射され.、T2の時点において停止する。第１のレーザビ
ーム106は、その後、時間Cの間もサンプルに照射され続
け、T3の時点で停止する。トータルの照射時間は約4ms
である。
【００１３】図３Ａ〜図３Ｃは、サンプル100の裏面102
aから照射したArイオンレーザビーム106の断面プロファ
イルを示す。具体的には、図３Ａは、1/e2を示す楕円の
ビーム断面119のセンタ0に対するビーム形を表わす。図
３Ｂは、x軸119aに沿ったビーム強度、および図３Ｃ
は、y軸119bに沿ったビーム強度を示す。図３Ｂおよび
３Ｃ双方のビーム強度分布はガウス分布である。
aから照射したArイオンレーザビーム106の断面プロファ
イルを示す。具体的には、図３Ａは、1/e2を示す楕円の
ビーム断面119のセンタ0に対するビーム形を表わす。図
３Ｂは、x軸119aに沿ったビーム強度、および図３Ｃ
は、y軸119bに沿ったビーム強度を示す。図３Ｂおよび
３Ｃ双方のビーム強度分布はガウス分布である。
【００１４】本発明の方法により、アモルファスシリコ
ンからの長い粒のポリシリコンを成長するメカニズム
を、図４Ａ〜４Ｄを用いて説明する。
ンからの長い粒のポリシリコンを成長するメカニズム
を、図４Ａ〜４Ｄを用いて説明する。
【００１５】図４Ａは、T0の時点における状態、すなわ
ちArイオンレーザビームが基板を介してアモルファスシ
リコン薄膜104に照射され、楕円領域170のアモルファス
シリコンが加熱される状態に対応する。図３Ｂと３Ｃで
示したように、レーザ強度はガウス分布のため、楕円領
域170のエッジ170a、楕円領域170のセンタ0の間に温度
勾配105が形成される。
ちArイオンレーザビームが基板を介してアモルファスシ
リコン薄膜104に照射され、楕円領域170のアモルファス
シリコンが加熱される状態に対応する。図３Ｂと３Ｃで
示したように、レーザ強度はガウス分布のため、楕円領
域170のエッジ170a、楕円領域170のセンタ0の間に温度
勾配105が形成される。
【００１６】図４Ｂは、エキシマレーザがサンプル100
に照射されたT1の時点での状態を示す。エキシマレーザ
ビームが照射された領域172は、Arイオンレーザが照射
され、加熱された楕円領域170に重畳される。アモルフ
ァスシリコン104にエキシマレーザがこのように照射さ
れると、楕円領域170におけるシリコンは、完全に溶融
する。
に照射されたT1の時点での状態を示す。エキシマレーザ
ビームが照射された領域172は、Arイオンレーザが照射
され、加熱された楕円領域170に重畳される。アモルフ
ァスシリコン104にエキシマレーザがこのように照射さ
れると、楕円領域170におけるシリコンは、完全に溶融
する。
【００１７】図４Ｃは、エキシマレーザパルスの停止時
に対応するT2の時点での状態を表わす。エキシマレーザ
パルスの停止に伴い、楕円領域170の外周囲の領域170c
は急速に冷却する。温度が核形成温度以下になるとき、
核形成、そして粒成長が、周囲の領域170cにおける過冷
却状態Ｓｉ液体において開始される。より長いパルス時
間を有するArイオンレーザによる加熱のために、楕円領
域170におけるシリコンは、パルス化されたエキシマレ
ーザビームの停止後、急速には冷えない。周囲の領域17
0cで核発生シリコン粒を起点に、長円領域170の溶融Ｓ
ｉ領域に向かって結晶成長する。この結晶は、反対のエ
ッジから粒境界175を持つ結晶174がセンタ0のセンタで
合流するまで成長する。これは、図４Ｄに示されてい
る。
に対応するT2の時点での状態を表わす。エキシマレーザ
パルスの停止に伴い、楕円領域170の外周囲の領域170c
は急速に冷却する。温度が核形成温度以下になるとき、
核形成、そして粒成長が、周囲の領域170cにおける過冷
却状態Ｓｉ液体において開始される。より長いパルス時
間を有するArイオンレーザによる加熱のために、楕円領
域170におけるシリコンは、パルス化されたエキシマレ
ーザビームの停止後、急速には冷えない。周囲の領域17
0cで核発生シリコン粒を起点に、長円領域170の溶融Ｓ
ｉ領域に向かって結晶成長する。この結晶は、反対のエ
ッジから粒境界175を持つ結晶174がセンタ0のセンタで
合流するまで成長する。これは、図４Ｄに示されてい
る。
【００１８】本発明のレーザアニールによるアモルファ
スシリコンから長い粒のポリシリコンの成長は、実験的
結果によってサポートされている。図５Ａ〜５Ｃは、出
力938mWを持つArイオンレーザによるパルス時間4msの中
間約2msにおいて、フルーエンス174mJ/cmのエキシマレ
ーザでアニールされたサンプルの、走査型電子顕微鏡(S
EM)の写真をである。図５Ａは、アニール処理されたシ
リコンの3つの異なる領域、すなわち、外側の領域176
a、中間の領域176b、および内側の領域176cを表わす。
中間の領域176bは、図３Ｂおよび３Ｃで示したように、
Arイオンレーザのガウス強度プロファイルと一致する。
内側の領域176cは、有意の長さで横方向に結晶成長した
p-Si粒からなっている。
スシリコンから長い粒のポリシリコンの成長は、実験的
結果によってサポートされている。図５Ａ〜５Ｃは、出
力938mWを持つArイオンレーザによるパルス時間4msの中
間約2msにおいて、フルーエンス174mJ/cmのエキシマレ
ーザでアニールされたサンプルの、走査型電子顕微鏡(S
EM)の写真をである。図５Ａは、アニール処理されたシ
リコンの3つの異なる領域、すなわち、外側の領域176
a、中間の領域176b、および内側の領域176cを表わす。
中間の領域176bは、図３Ｂおよび３Ｃで示したように、
Arイオンレーザのガウス強度プロファイルと一致する。
内側の領域176cは、有意の長さで横方向に結晶成長した
p-Si粒からなっている。
【００１９】図５Ｂは、外側の領域176aと中間の領域17
6bとの境界176dの詳細を示す。外の領域176aは、エキシ
マレーザパルスによるアモルファスシリコンの部分的な
溶解に対応する小さい寸法（<100nm）の粒から成る。中
間の領域176bは、アモルファスシリコンフィルムの完全
な溶解を引き起こすエキシマレーザエネルギー密度によ
って形成された微結晶シリコンからなる。
6bとの境界176dの詳細を示す。外の領域176aは、エキシ
マレーザパルスによるアモルファスシリコンの部分的な
溶解に対応する小さい寸法（<100nm）の粒から成る。中
間の領域176bは、アモルファスシリコンフィルムの完全
な溶解を引き起こすエキシマレーザエネルギー密度によ
って形成された微結晶シリコンからなる。
【００２０】図５Ｃは、内側の領域176cの横方向に結晶
成長したポリシリコン粒とその周りの中間の領域176bと
の境界176eの詳細を示す。内側の領域176cのポリシリコ
ン粒は、粒の長さは約12μmである。なお、本発明は、
この粒の長さに制限されず、そして、好ましくは10μm
を超えるあらゆる長さの粒を形成することができる。こ
のポリシリコン粒の長さは、最初のレーザビームの断面
のサイズおよび強度プロファイルによって決定される。
成長したポリシリコン粒とその周りの中間の領域176bと
の境界176eの詳細を示す。内側の領域176cのポリシリコ
ン粒は、粒の長さは約12μmである。なお、本発明は、
この粒の長さに制限されず、そして、好ましくは10μm
を超えるあらゆる長さの粒を形成することができる。こ
のポリシリコン粒の長さは、最初のレーザビームの断面
のサイズおよび強度プロファイルによって決定される。
【００２１】図６Ａ〜図６Ｃは、上記した図５Ａ〜５Ｃ
とは僅かに異なる条件の下でアニール処理したサンプル
の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を示している。具体的に
は、フルーエンスが252mJ/cm 2であるエキシマレーザビ
ームを、出力957mWのArイオンレーザによるパルス時間4
msの中間において照射した。ラテラル（横方向）結晶成
長した粒150、およびラテラル結晶成長した粒150とその
外側にある微結晶構造152の間の境界の全体のイメージ
が図６Ａに、それらの詳細なイメージが図６Ｂと６Ｃに
示されている。ラテラル結晶成長した粒150の外側にあ
る微結晶構造152は、エキシマレーザがアモルファスシ
リコン薄膜を完全溶融されていることを示している。ラ
テラル成長した粒150の楕円の形は、Arイオンレーザ加
熱による核形成の抑制を反映している。この核形成抑制
により、センタで合流するまでラテラルに結晶成長す
る。ラテラル成長した粒の長さは、約13μmである。
とは僅かに異なる条件の下でアニール処理したサンプル
の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を示している。具体的に
は、フルーエンスが252mJ/cm 2であるエキシマレーザビ
ームを、出力957mWのArイオンレーザによるパルス時間4
msの中間において照射した。ラテラル（横方向）結晶成
長した粒150、およびラテラル結晶成長した粒150とその
外側にある微結晶構造152の間の境界の全体のイメージ
が図６Ａに、それらの詳細なイメージが図６Ｂと６Ｃに
示されている。ラテラル結晶成長した粒150の外側にあ
る微結晶構造152は、エキシマレーザがアモルファスシ
リコン薄膜を完全溶融されていることを示している。ラ
テラル成長した粒150の楕円の形は、Arイオンレーザ加
熱による核形成の抑制を反映している。この核形成抑制
により、センタで合流するまでラテラルに結晶成長す
る。ラテラル成長した粒の長さは、約13μmである。
【００２２】原子間力顕微鏡イメージは、先の図５Ａ〜
５Ｃおよび図６Ａ〜６Ｃで示した結晶構造に対応する。
図７Ａは、長い粒のポリシリコン150と周囲の微結晶構
造152の境界の２次元イメージを表わす。図７Ｂは、そ
の三次元イメージを示す。
５Ｃおよび図６Ａ〜６Ｃで示した結晶構造に対応する。
図７Ａは、長い粒のポリシリコン150と周囲の微結晶構
造152の境界の２次元イメージを表わす。図７Ｂは、そ
の三次元イメージを示す。
【００２３】さらに、Arイオンレーザの結晶化プロセス
における役割を明らかにするために、様々なパルス長さ
のレーザビームを照射してレーザアニールを行った。図
８Ａと８Ｂは、それぞれ5と2 msのパルス長さで結晶化
したポリシリコンサンプルのＳＥＭイメージである。双
方のサンプルは、微結晶構造のポリシリコンであり、こ
れはレーザアニール中にアモルファスシリコン薄膜が部
分的にしか溶融していないことを示唆している。Arイオ
ンレーザ照射により、エキシマレーザパルス照射前に温
度が上がっていることを示す。エキシマレーザパルスが
照射後もArイオンレーザビームが照射されているので、
溶融Si相の状態を保持する。これは、第２のレーザパル
スの停止以降における、過冷却の液体Siにける核形成を
抑制する。
における役割を明らかにするために、様々なパルス長さ
のレーザビームを照射してレーザアニールを行った。図
８Ａと８Ｂは、それぞれ5と2 msのパルス長さで結晶化
したポリシリコンサンプルのＳＥＭイメージである。双
方のサンプルは、微結晶構造のポリシリコンであり、こ
れはレーザアニール中にアモルファスシリコン薄膜が部
分的にしか溶融していないことを示唆している。Arイオ
ンレーザ照射により、エキシマレーザパルス照射前に温
度が上がっていることを示す。エキシマレーザパルスが
照射後もArイオンレーザビームが照射されているので、
溶融Si相の状態を保持する。これは、第２のレーザパル
スの停止以降における、過冷却の液体Siにける核形成を
抑制する。
【００２４】図９は、本発明によるアモルファスシリコ
ンのレーザアニールを行うための装置構成の一例を示
す。レーザアニール装置130は、第１の連続的発振のAr
イオンレーザ132と第２のパルス化されたKrFエキシマレ
ーザ134を含む。
ンのレーザアニールを行うための装置構成の一例を示
す。レーザアニール装置130は、第１の連続的発振のAr
イオンレーザ132と第２のパルス化されたKrFエキシマレ
ーザ134を含む。
【００２５】第１のArイオンレーザ132は、532nmの波長
で第１のレーザビーム106を放出する。第１のレーザビ
ーム106は、ミラー120とレンズ122により音響光学(acou
sto‐optic)モジュレータ(AOM)124に伝搬され、ここ
で、第１のビーム106は時間的に変調される。この第１
のレーザビーム106の変調は、アニールプロセスの間
に、透明基板102の過度の加熱およびダメージを防ぐた
めに必要である。TTLシグナル133をファンクションジェ
ネレータ135から受け取るとき、RFジェネレータ126はRF
シグナル127をAOM124を供給し、それによってAOM124か
ら発する回折させられた第１のレーザビーム106aのパル
ス幅が決定される。
で第１のレーザビーム106を放出する。第１のレーザビ
ーム106は、ミラー120とレンズ122により音響光学(acou
sto‐optic)モジュレータ(AOM)124に伝搬され、ここ
で、第１のビーム106は時間的に変調される。この第１
のレーザビーム106の変調は、アニールプロセスの間
に、透明基板102の過度の加熱およびダメージを防ぐた
めに必要である。TTLシグナル133をファンクションジェ
ネレータ135から受け取るとき、RFジェネレータ126はRF
シグナル127をAOM124を供給し、それによってAOM124か
ら発する回折させられた第１のレーザビーム106aのパル
ス幅が決定される。
【００２６】回折させられた第１のレーザビーム106a
は、レンズ123、ビームエキシパンダ127、ミラー128、d
ichoricミラー129、シリンドリカルレンズ131を介し
て、透明基板102の裏面102aに供給される。シリンドリ
カルレンズ131により、楕円形状の第2レーザビーム106a
が形成される。
は、レンズ123、ビームエキシパンダ127、ミラー128、d
ichoricミラー129、シリンドリカルレンズ131を介し
て、透明基板102の裏面102aに供給される。シリンドリ
カルレンズ131により、楕円形状の第2レーザビーム106a
が形成される。
【００２７】KrFエキシマレーザ134は、248nmの波長で
第2のレーザビーム108を放出する。第2のレーザビーム1
08は、ミラー110、レンズ112、およびビームホモジナイ
ザー113を介してアモルファスシリコン薄膜104に伝搬さ
れる。第2のレーザビーム108は、ビームスプリッタ114
で分けられ、エネルギーメータ116で検出され、ビーム1
08のエネルギーを評価する。
第2のレーザビーム108を放出する。第2のレーザビーム1
08は、ミラー110、レンズ112、およびビームホモジナイ
ザー113を介してアモルファスシリコン薄膜104に伝搬さ
れる。第2のレーザビーム108は、ビームスプリッタ114
で分けられ、エネルギーメータ116で検出され、ビーム1
08のエネルギーを評価する。
【００２８】エキシマレーザ134とArイオンレーザ132の
照射のタイミングは、ファンクションジェネレータ135
によって制御される。ファンクションジェネレータ135
は、エキシマレーザ134、Arイオンレーザ132、RFジェネ
レータ126を電気的に制御する。ファンクションジェネ
レータ135は、サンプル100にレーザエネルギーを重畳さ
せる際の時間的な同期をとるために利用される。
照射のタイミングは、ファンクションジェネレータ135
によって制御される。ファンクションジェネレータ135
は、エキシマレーザ134、Arイオンレーザ132、RFジェネ
レータ126を電気的に制御する。ファンクションジェネ
レータ135は、サンプル100にレーザエネルギーを重畳さ
せる際の時間的な同期をとるために利用される。
【００２９】図１０Ａは、ファンクションジェネレータ
135から出力信号であるTTLシグナル133に対応してRFジ
ェネレータ126から出力されたRFシグナル127をオシロス
コープで測定した出力波形を示す。図１０Ｂは、Si‐検
出器によって検出され、オシロスコープによって記録さ
れた2msのArイオンレーザのパルス波形を表わす。ファ
ンクションジェネレータ135の出力と、サンプル100照射
するエキシマレーザ134の照射の間の実測遅延は、約1.8
μsであり、標準偏差は0.203μsである。一方、図２に
おいて示された、パルス時間4msの第１のレーザビーム
の遅延は無視できるほど小さい。
135から出力信号であるTTLシグナル133に対応してRFジ
ェネレータ126から出力されたRFシグナル127をオシロス
コープで測定した出力波形を示す。図１０Ｂは、Si‐検
出器によって検出され、オシロスコープによって記録さ
れた2msのArイオンレーザのパルス波形を表わす。ファ
ンクションジェネレータ135の出力と、サンプル100照射
するエキシマレーザ134の照射の間の実測遅延は、約1.8
μsであり、標準偏差は0.203μsである。一方、図２に
おいて示された、パルス時間4msの第１のレーザビーム
の遅延は無視できるほど小さい。
【００３０】本発明に従ってアモルファスシリコンを結
晶化させる方法および装置は、現存する技術に対し、数
多くの利点を提供する。
晶化させる方法および装置は、現存する技術に対し、数
多くの利点を提供する。
【００３１】従来のアモルファスシリコンのレーザアニ
ールは、ビームマスクを用いたレーザビーム強度プロフ
ァイルのビーム成形、干渉、遮光、フェーズシフトマス
クなどを用いるため、制御が困難、コスト高、長時間を
要する、という欠点を有する。レーザアニールの他の従
来のアプローチは、反射防止膜のコーティング、基板加
熱、予備加熱、薄膜のパターニングなどが必要で、製造
プロセスが複雑となり、コスト、時間を要するという欠
点を有する。
ールは、ビームマスクを用いたレーザビーム強度プロフ
ァイルのビーム成形、干渉、遮光、フェーズシフトマス
クなどを用いるため、制御が困難、コスト高、長時間を
要する、という欠点を有する。レーザアニールの他の従
来のアプローチは、反射防止膜のコーティング、基板加
熱、予備加熱、薄膜のパターニングなどが必要で、製造
プロセスが複雑となり、コスト、時間を要するという欠
点を有する。
【００３２】これに対して、本発明のレーザアニール方
法は、アモルファスシリコン上に特別のマスク構造を形
成することを必要とせず、単に第２のレーザを重畳して
照射するだけでよい。つまり、本発明のレーザアニール
方法は、ホト工程を増加させることなく（マスク数の増
大を回避することができる）、容易、安価であり、短時
間で処理することができる。
法は、アモルファスシリコン上に特別のマスク構造を形
成することを必要とせず、単に第２のレーザを重畳して
照射するだけでよい。つまり、本発明のレーザアニール
方法は、ホト工程を増加させることなく（マスク数の増
大を回避することができる）、容易、安価であり、短時
間で処理することができる。
【００３３】本発明実施例によるレーザアニール方法の
他の利点は、大面積基板への適応の容易性である。従来
のレーザアニール技術は、パルス毎のレーザエネルギー
が不安定なので、これを回避し均一性を向上させるため
に、多重にパルスを照射しなければならず、結晶成長の
均一性および大きさのばらつきが生じる。そして、これ
らの制限は、処理速度を減少させ、そして、ＴＦＴのプ
ロセス工程に影響を及ぼす。
他の利点は、大面積基板への適応の容易性である。従来
のレーザアニール技術は、パルス毎のレーザエネルギー
が不安定なので、これを回避し均一性を向上させるため
に、多重にパルスを照射しなければならず、結晶成長の
均一性および大きさのばらつきが生じる。そして、これ
らの制限は、処理速度を減少させ、そして、ＴＦＴのプ
ロセス工程に影響を及ぼす。
【００３４】これに対して、本発明のレーザアニール方
法は、レーザビームの変動の影響を比較的受けにくい。
これは、以下の図１１Ａおよび１１Ｂによって示される
法は、レーザビームの変動の影響を比較的受けにくい。
これは、以下の図１１Ａおよび１１Ｂによって示される
【００３５】図１１Ａは、長いp-Si結晶の粒幅のエキシ
マレーザのフルーエンス依存性を示す。エキシマレーザ
は、Arイオンレーザ（4msパルス、945mW出力）が照射さ
れた約２ｍｓ後に放出される。図１１Ａより、得られた
ポリシリコン結晶粒の幅と長さは、エキシマレーザフル
ーエンスの変動に対しての変化が少なく、プロセスウイ
ンドウが大きいことがわかる。
マレーザのフルーエンス依存性を示す。エキシマレーザ
は、Arイオンレーザ（4msパルス、945mW出力）が照射さ
れた約２ｍｓ後に放出される。図１１Ａより、得られた
ポリシリコン結晶粒の幅と長さは、エキシマレーザフル
ーエンスの変動に対しての変化が少なく、プロセスウイ
ンドウが大きいことがわかる。
【００３６】図１１Ｂは、エキシマレーザのフルーエン
スが200 mJ/cm2の場合における、p-Si結晶の粒幅のArイ
オンレーザパルスの照射期間依存性を示す。Arの出力は
930mWであり、Arイオンレーザのパルスの中間において
エキシマレーザを放出させる。図１１Ｂより、得られた
ポリシリコン結晶粒の幅と長さは、Arイオンレーザのパ
ルスの期間対しての変化が少なく、プロセスウインドウ
が大きいことがわかる。
スが200 mJ/cm2の場合における、p-Si結晶の粒幅のArイ
オンレーザパルスの照射期間依存性を示す。Arの出力は
930mWであり、Arイオンレーザのパルスの中間において
エキシマレーザを放出させる。図１１Ｂより、得られた
ポリシリコン結晶粒の幅と長さは、Arイオンレーザのパ
ルスの期間対しての変化が少なく、プロセスウインドウ
が大きいことがわかる。
【００３７】さらに本発明の利点は、ポリシリコン粒の
長さと成長方向を制御できることである。従来のレーザ
アニール技術は、アモルファスシリコンへのレーザ照射
時間が短いため、短時間加熱であり、従って小さい粒サ
イズのものしか形成されなかた。しかしながら、本発明
による大きな粒のポリシリコンは、時間的に変調された
第１のレーザパルスにより温度勾配を誘起し、溶融状態
を維持することにより、実現される。すなわち、核形成
を抑制し、そして、結晶成長を長時間にわたって維持す
ることにより、結晶を長く伸ばすことができる。
長さと成長方向を制御できることである。従来のレーザ
アニール技術は、アモルファスシリコンへのレーザ照射
時間が短いため、短時間加熱であり、従って小さい粒サ
イズのものしか形成されなかた。しかしながら、本発明
による大きな粒のポリシリコンは、時間的に変調された
第１のレーザパルスにより温度勾配を誘起し、溶融状態
を維持することにより、実現される。すなわち、核形成
を抑制し、そして、結晶成長を長時間にわたって維持す
ることにより、結晶を長く伸ばすことができる。
【００３８】さらに本発明の方法は、結晶粒の成長方向
の制御を可能とする。既に述べたように、結晶成長は、
Ｓｉ溶融領域の周囲上の核形成サイトで開始され、溶融
領域の中心に向かって成長する。重畳させるレーザビー
ムの位置および／または形状を制御することにより、溶
融領域と結晶粒成長の方向を制御することができる。結
晶成長の方向、粒境界のオリエンテーションに対する制
御は、レーザビームの走査および／またはサンプルの物
理的移動によって行われ、その詳細を以下に説明する。
の制御を可能とする。既に述べたように、結晶成長は、
Ｓｉ溶融領域の周囲上の核形成サイトで開始され、溶融
領域の中心に向かって成長する。重畳させるレーザビー
ムの位置および／または形状を制御することにより、溶
融領域と結晶粒成長の方向を制御することができる。結
晶成長の方向、粒境界のオリエンテーションに対する制
御は、レーザビームの走査および／またはサンプルの物
理的移動によって行われ、その詳細を以下に説明する。
【００３９】本発明によるレーザアニール方法は、多種
多様なアプリケーションに適している。
多様なアプリケーションに適している。
【００４０】第１のアプリケーションは、p-Si TFT作製
への適応である。図１２は、ゲート長Ｌのゲート1208に
おけるチャネル1206によって分けられたソース1202、ド
レイン1204からなるTFTデバイス1200の平面図を示す。
ソース1202、ドレイン1204、およびチャネル1206は、本
発明によって形成された長いポリシリコン粒1205aを有
するシリコン層1205からなる。ゲート1208は、チャネル
1206の上に設けられ、そして、ゲート絶縁膜によってチ
ャネルから分離される。
への適応である。図１２は、ゲート長Ｌのゲート1208に
おけるチャネル1206によって分けられたソース1202、ド
レイン1204からなるTFTデバイス1200の平面図を示す。
ソース1202、ドレイン1204、およびチャネル1206は、本
発明によって形成された長いポリシリコン粒1205aを有
するシリコン層1205からなる。ゲート1208は、チャネル
1206の上に設けられ、そして、ゲート絶縁膜によってチ
ャネルから分離される。
【００４１】ソース1202およびドレイン1204、そして、
ゲート1208およびソース1202の間の電圧差によって、キ
ャリアはチャネル1206を横断して伝導され得る。しかし
ながら、p-Si TFTデバイス特性は、チャネル領域1206の
電気伝導特性に敏感に影響される。
ゲート1208およびソース1202の間の電圧差によって、キ
ャリアはチャネル1206を横断して伝導され得る。しかし
ながら、p-Si TFTデバイス特性は、チャネル領域1206の
電気伝導特性に敏感に影響される。
【００４２】結晶の間の粒界が多い小粒径のポリシリコ
ンからなるチャネルでは、チャネルを横断するチャージ
キャリアの動きを妨げ、p-Si TFTデバイスのスイッチン
グスピードが抑制され、駆動電圧を増大させる。
ンからなるチャネルでは、チャネルを横断するチャージ
キャリアの動きを妨げ、p-Si TFTデバイスのスイッチン
グスピードが抑制され、駆動電圧を増大させる。
【００４３】しかしながら、チャネル領域が高品質で長
い粒のポリシリコンから構成される場合、ソースとドレ
インとの間を横断する粒界が減少するため、粒界でのキ
ャリアの散乱が抑制され、チャネルのシート抵抗が小さ
くなる。したがって、p-Si TFTは、小さい駆動電圧にお
いて速いスイッチングスピードで動き、また、高い安定
性と均一性を有する。
い粒のポリシリコンから構成される場合、ソースとドレ
インとの間を横断する粒界が減少するため、粒界でのキ
ャリアの散乱が抑制され、チャネルのシート抵抗が小さ
くなる。したがって、p-Si TFTは、小さい駆動電圧にお
いて速いスイッチングスピードで動き、また、高い安定
性と均一性を有する。
【００４４】したがって、本発明の目的は、アモルファ
スシリコンのレーザアニールにより形成された長い粒結
晶領域が、少なくともチャネルの長さより長いp-Si TFT
装置を製造することである。このことは、図１２に示さ
れており、ここで、単一の長いシリコン粒1205aは、チ
ャネル1206の全体の長さLを超えている。
スシリコンのレーザアニールにより形成された長い粒結
晶領域が、少なくともチャネルの長さより長いp-Si TFT
装置を製造することである。このことは、図１２に示さ
れており、ここで、単一の長いシリコン粒1205aは、チ
ャネル1206の全体の長さLを超えている。
【００４５】図１２に示すように、粒1205aは10μmより
大きい平均サイズを有しているが、本発明は、このよう
な大きさの粒を製造することに制限されるわけではな
い。つまり、粒の長さをより長くまたは短く制御するこ
とは可能で、粒の長さを特定の長さにすることで、TFT
チャネル長は、p-Si TFT装置を、MOSあるいはバイポー
ラデバイスの使用を通常必要とするLSIに適応すること
が可能となる。
大きい平均サイズを有しているが、本発明は、このよう
な大きさの粒を製造することに制限されるわけではな
い。つまり、粒の長さをより長くまたは短く制御するこ
とは可能で、粒の長さを特定の長さにすることで、TFT
チャネル長は、p-Si TFT装置を、MOSあるいはバイポー
ラデバイスの使用を通常必要とするLSIに適応すること
が可能となる。
【００４６】上記のように、長い粒ポリシリコン領域12
06の大きさは、はじめに照射されたレーザビームの断面
積によって主として決められる。照射ビームの幅がチャ
ネル長より短い場合でも、本発明を用いることによりTF
T装置を作製することが可能である。
06の大きさは、はじめに照射されたレーザビームの断面
積によって主として決められる。照射ビームの幅がチャ
ネル長より短い場合でも、本発明を用いることによりTF
T装置を作製することが可能である。
【００４７】特に、レーザビームをパルス毎に短い距離
間隔で走査することができる。これは、大粒径化した結
晶領域をオーバーラップすることにより、さらに粒を拡
大することができる。別の例としては、重畳してレーザ
アニールする毎にサンプルを物理的に移動させることに
より、更に大きな結晶成長を可能にすることもできる。
この場合、結晶成長方向は、サンプルの移動方向と逆方
向となる。さらに別のアプローチとして、僅かにオフセ
ットしたスピードでサンプルおよびレーザのそれぞれを
移動させ、長いポリシリコン粒を形成することもでき
る。
間隔で走査することができる。これは、大粒径化した結
晶領域をオーバーラップすることにより、さらに粒を拡
大することができる。別の例としては、重畳してレーザ
アニールする毎にサンプルを物理的に移動させることに
より、更に大きな結晶成長を可能にすることもできる。
この場合、結晶成長方向は、サンプルの移動方向と逆方
向となる。さらに別のアプローチとして、僅かにオフセ
ットしたスピードでサンプルおよびレーザのそれぞれを
移動させ、長いポリシリコン粒を形成することもでき
る。
【００４８】サンプルあるいはビームを停止または移動
することにより、図１２に示したようにポリシリコン粒
1205aの粒界1205bの方向は、ソース1202とドレイン1204
との間の中心線Ｆに対し、ある最大角度E となる。
することにより、図１２に示したようにポリシリコン粒
1205aの粒界1205bの方向は、ソース1202とドレイン1204
との間の中心線Ｆに対し、ある最大角度E となる。
【００４９】図１３は、本発明の方法を用いて作製され
たp-Si TFT構造を組み込んだフラットパネルディスプレ
イに示す。ディスプレイ装置1300は、ピクセル1304から
なるアレイ1302を含む。各ピクセル1304は、本発明にお
ける実施例によって作製されたp-Si TFT 1306で制御さ
れる。各p-Si TFTは、水平ライン1308、垂直ライン1310
により個々にアドレスできる。水平方向ドライバ構造13
12は、水平ライン1308をドライブする。垂直方向ドライ
バ構造1314は、垂直ライン1310をドライブする。
たp-Si TFT構造を組み込んだフラットパネルディスプレ
イに示す。ディスプレイ装置1300は、ピクセル1304から
なるアレイ1302を含む。各ピクセル1304は、本発明にお
ける実施例によって作製されたp-Si TFT 1306で制御さ
れる。各p-Si TFTは、水平ライン1308、垂直ライン1310
により個々にアドレスできる。水平方向ドライバ構造13
12は、水平ライン1308をドライブする。垂直方向ドライ
バ構造1314は、垂直ライン1310をドライブする。
【００５０】ディスプレイ1300は、更にメモリ構造131
6、センサ構造1318、およびコントローラ構造1320を含
む。それぞれ、本発明で得られたpoly-SiTFTで構成され
る。コントローラ1320は、水平ドライバ1312、および垂
直ドライバ1314を制御し、また個々にアドレスできるTF
T 1306の電圧の印加を制御する。
6、センサ構造1318、およびコントローラ構造1320を含
む。それぞれ、本発明で得られたpoly-SiTFTで構成され
る。コントローラ1320は、水平ドライバ1312、および垂
直ドライバ1314を制御し、また個々にアドレスできるTF
T 1306の電圧の印加を制御する。
【００５１】本発明によって得られる大粒径のポリシリ
コン膜は、個々のピクセル1304を制御するTFTトランジ
スタ1306のソース、ドレイン、およびチャネル領域を作
製するために利用される。本発明の方法は、アレイ1302
のピクセル1304の周囲にある電子回路1312、1314、131
6、1318を作製するためにも同じく利用され得る。
コン膜は、個々のピクセル1304を制御するTFTトランジ
スタ1306のソース、ドレイン、およびチャネル領域を作
製するために利用される。本発明の方法は、アレイ1302
のピクセル1304の周囲にある電子回路1312、1314、131
6、1318を作製するためにも同じく利用され得る。
【００５２】上記のように、本発明を特定の実施例と関
連して説明したが、本発明はこれらの実施例に制限され
ない。本発明の範囲から外れない限り、上述した本発明
の方法と装置における様々な修正や変更は、当業者にと
って明らかである。
連して説明したが、本発明はこれらの実施例に制限され
ない。本発明の範囲から外れない限り、上述した本発明
の方法と装置における様々な修正や変更は、当業者にと
って明らかである。
【００５３】例えば、本発明の方法と装置においては、
重畳したレーザビームをアモルファスシリコン膜の表面
と裏面から照射したが、そのようなアプローチに制限さ
れない。重畳したレーザビームは、サンプルの同じ側か
ら照射しても、同様の効果が得られる。
重畳したレーザビームをアモルファスシリコン膜の表面
と裏面から照射したが、そのようなアプローチに制限さ
れない。重畳したレーザビームは、サンプルの同じ側か
ら照射しても、同様の効果が得られる。
【００５４】さらに本発明は、上記実施例では、アモル
ファスシリコンからの多結晶シリコンの形成を示した
が、本発明はこの種のアモルファス材料のアニールに限
定されない。重畳したレーザビームアニールは、1つの
状態から別の状態に材料を変換するような様々な方法に
適応される。本発明におけるこの変換に適した材料は、
半導体材料、誘電性の材料、および、伝導性の材料に制
限されない。
ファスシリコンからの多結晶シリコンの形成を示した
が、本発明はこの種のアモルファス材料のアニールに限
定されない。重畳したレーザビームアニールは、1つの
状態から別の状態に材料を変換するような様々な方法に
適応される。本発明におけるこの変換に適した材料は、
半導体材料、誘電性の材料、および、伝導性の材料に制
限されない。
【００５５】さらにまた、上記の実施例では、異なるソ
ース(ArイオンレーザとKrFエキシマレーザ)からのレー
ザビームを用いたが、本発明はこれに限定されない。レ
ーザアニール方法および装置として、1つのレーザソー
スをビーム分割し、それぞれを異なる時間において異な
る期間サンプルに照射することも、本発明の範囲に含ま
れる。
ース(ArイオンレーザとKrFエキシマレーザ)からのレー
ザビームを用いたが、本発明はこれに限定されない。レ
ーザアニール方法および装置として、1つのレーザソー
スをビーム分割し、それぞれを異なる時間において異な
る期間サンプルに照射することも、本発明の範囲に含ま
れる。
【００５６】さらに上記の実施例では、第１のレーザビ
ームの照射期間の中間において第２のレーザビームを照
射したが、本発明はこのタイミングシーケンスに制限さ
れない。第１のレーザビームと第２のレーザビームのサ
ンプルへの照射を、同時に停止する場合も、本発明の範
囲に含まれる。結晶粒を大粒径化させる温度勾配の保持
および核形成の抑制は、第１のレーザビームと第２のレ
ーザビームとの同時照射によるさらに高温液体シリコン
のさらに遅い冷却よりなされる。
ームの照射期間の中間において第２のレーザビームを照
射したが、本発明はこのタイミングシーケンスに制限さ
れない。第１のレーザビームと第２のレーザビームのサ
ンプルへの照射を、同時に停止する場合も、本発明の範
囲に含まれる。結晶粒を大粒径化させる温度勾配の保持
および核形成の抑制は、第１のレーザビームと第２のレ
ーザビームとの同時照射によるさらに高温液体シリコン
のさらに遅い冷却よりなされる。
【００５７】さらに上記の実施例では、第１のレーザビ
ームのパルス時間は、ミリセカンドのオーダ、第２のレ
ーザビームのパルスにおいては、ナノセコンドのオーダ
であるが、本発明ではこれに限定されない。それらのパ
ルスが重畳して、第１のレーザパルスの開始と第２のレ
ーザパルスにある遅延期間間が存在する限り、第１およ
び第２パルス時間には制限がない。しかしながら、第１
のパルス時間は少なくとも100ナノ秒であり、第２のパ
ルス時間は、100ナノ秒未満であることが望ましい。
ームのパルス時間は、ミリセカンドのオーダ、第２のレ
ーザビームのパルスにおいては、ナノセコンドのオーダ
であるが、本発明ではこれに限定されない。それらのパ
ルスが重畳して、第１のレーザパルスの開始と第２のレ
ーザパルスにある遅延期間間が存在する限り、第１およ
び第２パルス時間には制限がない。しかしながら、第１
のパルス時間は少なくとも100ナノ秒であり、第２のパ
ルス時間は、100ナノ秒未満であることが望ましい。
【００５８】さらに本発明では、アモルファスシリコン
のアニール処理にレーザエネルギーを利用するというこ
とに制限されない。レーザ以外のソースからのエネルギ
ーを、アモルファス材料を溶融し、再結晶化させるため
に用いることができる。そのような代替エネルギー源と
して、電子ビーム、イオンビームなどが挙げられるが、
それらに制限されない。そのようなソースからのエネル
ギー照射時間は、上述のサンプル材料が溶融し再結晶す
るように決められる。
のアニール処理にレーザエネルギーを利用するというこ
とに制限されない。レーザ以外のソースからのエネルギ
ーを、アモルファス材料を溶融し、再結晶化させるため
に用いることができる。そのような代替エネルギー源と
して、電子ビーム、イオンビームなどが挙げられるが、
それらに制限されない。そのようなソースからのエネル
ギー照射時間は、上述のサンプル材料が溶融し再結晶す
るように決められる。
【００５９】さらに、実施例では、第１のレーザビーム
としてガウス分布の強度プロファイルを持つ連続発振
（CW）レーザを用いているが、本発明ではこのプロファ
イルに制限されない。これに替えて他のプロファイル、
例えばトップハット型の分布、任意の形状の分布となる
ようビーム成形されたビームを用いても、本発明と同様
の効果が得られる。
としてガウス分布の強度プロファイルを持つ連続発振
（CW）レーザを用いているが、本発明ではこのプロファ
イルに制限されない。これに替えて他のプロファイル、
例えばトップハット型の分布、任意の形状の分布となる
ようビーム成形されたビームを用いても、本発明と同様
の効果が得られる。
【００６０】さらに、連続発振レーザをある時間に強度
変調することができる。第１のビーム強度の立ち上りと
立下りの時間は、ナノ秒オーダの精度で制御できる。液
体シリコンの冷却速度、凝固速度および溶融時間が、ポ
リシリコン粒の成長を決定する。したがって、時間に対
するレーザ強度の変化は、多結晶シリコン構造を決定す
る重要なファクタである。
変調することができる。第１のビーム強度の立ち上りと
立下りの時間は、ナノ秒オーダの精度で制御できる。液
体シリコンの冷却速度、凝固速度および溶融時間が、ポ
リシリコン粒の成長を決定する。したがって、時間に対
するレーザ強度の変化は、多結晶シリコン構造を決定す
る重要なファクタである。
【００６１】さらに、実施例では、結晶成長を誘起する
連続発振レーザの空間的な変調は、シリンドリカルレン
ズによりなされる。シリンドリカルレンズに替えて、特
定の用途に最適なプロファイルを採用することができ
る。ビーム形状により、結晶の核生成の位置を決定する
ことができる。
連続発振レーザの空間的な変調は、シリンドリカルレン
ズによりなされる。シリンドリカルレンズに替えて、特
定の用途に最適なプロファイルを採用することができ
る。ビーム形状により、結晶の核生成の位置を決定する
ことができる。
【００６２】さらに、本発明の実施例で示した方法は、
結晶化を促進する種結晶の使用と組み合わせることがで
きる。種結晶は、いくつかの方法で、重畳されたレーザ
アニール前のアモルファスシリコン上に配置される。種
結晶を形成する方法のひとつには、金属によって誘発さ
れた固相成長結晶化またはルマニウムによって誘発され
た固相成長結晶化のような固相成長アニールによる結晶
化がある。また、レーザ再結晶化により、種結晶を形成
することもできる。種結晶を用いることにより、p-Si粒
の位置、方向、方位を容易に制御することが可能とな
る。
結晶化を促進する種結晶の使用と組み合わせることがで
きる。種結晶は、いくつかの方法で、重畳されたレーザ
アニール前のアモルファスシリコン上に配置される。種
結晶を形成する方法のひとつには、金属によって誘発さ
れた固相成長結晶化またはルマニウムによって誘発され
た固相成長結晶化のような固相成長アニールによる結晶
化がある。また、レーザ再結晶化により、種結晶を形成
することもできる。種結晶を用いることにより、p-Si粒
の位置、方向、方位を容易に制御することが可能とな
る。
【００６３】さらに、スポットが大きいエキシマレーザ
ビームに替えて、マイクロスポットの固体レーザを用い
ることができる。小さなビーム径である複数の固体レー
ザを用いることにより、単一のレーザ源への依存性を減
少させることで、製造コストを抑制し、スループットの
向上を図ることができる。
ビームに替えて、マイクロスポットの固体レーザを用い
ることができる。小さなビーム径である複数の固体レー
ザを用いることにより、単一のレーザ源への依存性を減
少させることで、製造コストを抑制し、スループットの
向上を図ることができる。
【００６４】さらに、サンプル上のレーザビームの伝搬
は、MEMSデバイスを含むマイクロオプティック(micro-o
ptics)を用いて行うことができる。マイクロオーダの寸
法を有する光学部品は、微細加工によって、レンズ、ミ
ラー、ビームスプリッタなどの部品を作製することがで
きる。
は、MEMSデバイスを含むマイクロオプティック(micro-o
ptics)を用いて行うことができる。マイクロオーダの寸
法を有する光学部品は、微細加工によって、レンズ、ミ
ラー、ビームスプリッタなどの部品を作製することがで
きる。
【００６５】さらに、複数のビーム、高い周波数のビー
ムを用いることにより、並列処理を実現し、作製スピー
ドと効率を向上させることができる。また、1つのビー
ムを多数に分岐して、それぞれ独立にサンプル上にレー
ザ照射することにより、大面積基板を高速にアニールす
ることができる。
ムを用いることにより、並列処理を実現し、作製スピー
ドと効率を向上させることができる。また、1つのビー
ムを多数に分岐して、それぞれ独立にサンプル上にレー
ザ照射することにより、大面積基板を高速にアニールす
ることができる。
【００６６】さらに、ビーム位置合せ、そして、オンラ
インで観測する手段を取り入れることにより、再現性、
安定性および信頼性が高く、且つ強固なレーザアニール
システムを実現できる。MEMSデバイスを含むマイクロオ
プティック(micro-optics)は、このシステムに有用であ
る。
インで観測する手段を取り入れることにより、再現性、
安定性および信頼性が高く、且つ強固なレーザアニール
システムを実現できる。MEMSデバイスを含むマイクロオ
プティック(micro-optics)は、このシステムに有用であ
る。
【００６７】実施例においては、本発明の方法を主にp-
Si TFT構造の作製と関連付けて説明したが、本発明は、
この用途に制限されない。重畳したレーザのアニール方
法は、ＤＶＤディスクなどの光学記憶装置にも採用でき
る。選択された領域に大粒径の多結晶材料が形成される
ため、これを情報のビットに対応させることができる。
Si TFT構造の作製と関連付けて説明したが、本発明は、
この用途に制限されない。重畳したレーザのアニール方
法は、ＤＶＤディスクなどの光学記憶装置にも採用でき
る。選択された領域に大粒径の多結晶材料が形成される
ため、これを情報のビットに対応させることができる。
【００６８】本発明のいくつかの実施例を詳述したが、
本発明に基づく他の同等あるいは代替方法によっても、
長いポリシリコンを作製することができる。それらも本
発明に含まれ、同等の効果を得ることができる。
本発明に基づく他の同等あるいは代替方法によっても、
長いポリシリコンを作製することができる。それらも本
発明に含まれ、同等の効果を得ることができる。
【図１】本発明によるレーザアニール方法をあらわす概
略遠近法図である。
略遠近法図である。
【図２】本発明において用いられたレーザビームの時間
に対する強度変化をプロットした図である。
に対する強度変化をプロットした図である。
【図３】図３Ａは、サンプルの裏面から照射された楕円
形状Arイオンレーザビームの断面強度プロファイルを示
す図であり、図３Ｂは、ｘ軸方向ビーム強度のビーム中
心からの距離依存性を示す図であり、図３Ｃは、ｙ軸方
向ビーム強度のビーム中心からの距離依存性を示す図で
ある。
形状Arイオンレーザビームの断面強度プロファイルを示
す図であり、図３Ｂは、ｘ軸方向ビーム強度のビーム中
心からの距離依存性を示す図であり、図３Ｃは、ｙ軸方
向ビーム強度のビーム中心からの距離依存性を示す図で
ある。
【図４】図４Ａ〜図４Ｄは、本発明における結晶成長メ
カニズムを表わす説明図である。
カニズムを表わす説明図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、本発明に従い、エキシマレ
ーザとArイオンレーザを第１の条件で重畳して照射した
サンプルの結晶構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
写真である。
ーザとArイオンレーザを第１の条件で重畳して照射した
サンプルの結晶構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
写真である。
【図６】図６Ａ〜図６Ｃは、本発明に従い、エキシマレ
ーザとArイオンレーザを第２の条件で重畳して照射した
サンプルの結晶構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
写真である。
ーザとArイオンレーザを第２の条件で重畳して照射した
サンプルの結晶構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
写真である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、長い粒の多結晶シリコ
ンとその周囲の微結晶との境界の、二次元および三次元
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）イメージである。
ンとその周囲の微結晶との境界の、二次元および三次元
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）イメージである。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、Arイオンレーザパルス
のみを照射して形成した多結晶シリコンの走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）写真である。
のみを照射して形成した多結晶シリコンの走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】図９は、本発明によるレーザアニール装置の一
例を示す概略構成図である。
例を示す概略構成図である。
【図１０】図１０Ａは、図９で示したオシロスコープで
測定されたTTLシグナルに関するRFシグナル変化を示し
ており、図１０Ｂは、図９で示したＳｉ検出器により検
出され、オシロスコープで記録されたArイオンレーザパ
ルスの波形を示している。
測定されたTTLシグナルに関するRFシグナル変化を示し
ており、図１０Ｂは、図９で示したＳｉ検出器により検
出され、オシロスコープで記録されたArイオンレーザパ
ルスの波形を示している。
【図１１】図１１Ａは、p-Si結晶の粒幅のエキシマレー
ザのフルーエンス依存性を示す図であり、図１１Ｂは、
p-Si結晶の粒幅のArイオンレーザ照射時間依存性を示す
図である。
ザのフルーエンス依存性を示す図であり、図１１Ｂは、
p-Si結晶の粒幅のArイオンレーザ照射時間依存性を示す
図である。
【図１２】本発明の方法によって形成されたTFTの平面
構造の一例を示す概略平面図である。
構造の一例を示す概略平面図である。
【図１３】本発明の方法によって形成されたフラットパ
ネルディスプレイ装置における構成の一例を示す概略図
である。
ネルディスプレイ装置における構成の一例を示す概略図
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000005108 株式会社日立製作所 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 (72)発明者 コスタス ピー、グリゴロポウロス アメリカ合衆国 カリフォルニア、バーク レイ、 フェアローン ドライブ 69 (72)発明者 波多野 睦子 東京都国分寺市光町１−１−29 (72)発明者 ミン − ホン リー アメリカ合衆国 カリフォルニア、リッチ モンド、 サンド ダラー ドライブ 2112 (72)発明者 セウン − ジャエ ムーン アメリカ合衆国 カリフォルニア、バーク レイ、 ナインス ストリート 913、ナ ンバー57 Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA03 AA04 AA24 BA02 BA15 BA18 BB01 BB04 BB07 CA04 DA02 FA19 JA01 5F110 AA16 BB02 BB05 BB09 CC01 DD02 GG02 GG13 GG14 GG16 PP01 PP03 PP04 PP06 PP07 PP08 PP23 PP29 PP36 PP40
Claims (25)
- 【請求項１】 実質的に第１の状態であり、導電体材
料、半導体材料または絶縁体材料から選択される材料の
層を供給し；該材料の層に第１のエネルギービームを第
１の時点において第１の時間照射し；該材料の層に第２
のエネルギービームを第２の時点において第２の時間照
射することを含む、材料薄膜の形成方法であって、前記
第２の時点を前記第１の時点の後とし、前記第２の時間
を前記第１の時間と同じかまたは短くし、前記材料の層
を第１の状態から第２の状態へ変換する、材料薄膜の形
成方法。 - 【請求項２】 第１の時間が少なくとも１００ナノ秒で
ある、請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 第２の時間は１００ナノ秒より短い、請
求項１記載の方法。 - 【請求項４】 第１の状態がアモルファス状態である、
請求項１記載の方法。 - 【請求項５】 第２の状態が多結晶状態である、請求項
１記載の方法。 - 【請求項６】 多結晶状態が平均寸法が１０μｍより大
きい結晶粒を含む、請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 第１のパルス時間において材料が溶融状
態に変換される、請求項１記載の方法。 - 【請求項８】 第２のエネルギービームの照射により、
第２の状態に変換される、請求項１記載の方法。 - 【請求項９】 第１のエネルギービームおよび第２のエ
ネルギービームの少なくとも１つは、光、レーザ、イオ
ンビームまたは電子ビームから選択される、請求項１記
載の方法。 - 【請求項１０】 第１と第２のエネルギービームの走査
を含む、請求項１記載の方法。 - 【請求項１１】 材料の層の物理的な移動含む、請求項
１記載の方法。 - 【請求項１２】 第１のエネルギービームの強度分布
が、ガウス分布、トップハット型の分布および任意の形
状に成形された分布の１つを含んでいる、請求項１記載
の方法。 - 【請求項１３】 第１のエネルギービームと第２のエネ
ルギービームとが、同一のソースから放射される、請求
項１記載の方法。 - 【請求項１４】 第１のエネルギービームと第２のエネ
ルギービームとが、異なるソースから放射される、請求
項１記載の方法。 - 【請求項１５】 ソース、ドレインおよびチャネルを含
む薄膜トランジスタにおいて、該チャネルは、ソース−
ドレイン間に設置されており、また第１のエネルギービ
ームをアモルファスシリコンに照射し、それに重畳して
第２のエネルギービームをアモルファスシリコン上に第
１の時間内において第２の時間照射することにより、ア
モルファスシリコンから形成される多結晶シリコンを含
んでいる、薄膜トランジスタ。 - 【請求項１６】 チャネルが、平均寸法が１０μｍより
も大きい多結晶粒を含む、請求項１５記載の薄膜トラン
ジスタ。 - 【請求項１７】 多結晶粒の粒界が、ソースとドレイン
との間の中心線に対して７５度もしくはそれより小さい
角度で位置する、請求項１６記載の薄膜トランジスタ。 - 【請求項１８】 チャネルの長さが、単一の多結晶シリ
コン粒によって形成されている、請求項１５記載の薄膜
トランジスタ。 - 【請求項１９】 エネルギービームを放射するための第
１のエネルギーソース；エネルギービームを第１と第２
のビームに分割するビームスプリッタ；第１のビームを
アモルファスシリコンの領域に第１の時間伝搬する第１
の伝搬手段；および該領域に第２のビームを第１の時間
と重畳する第２の時間伝搬する第２の伝搬手段を含む、
アモルファスシリコンから多結晶シリコンを形成する装
置。 - 【請求項２０】 エネルギーソースがCWレーザであり、
第１の伝搬手段が、音響光学(acousto-optic)変調器お
よび／またはドライバを含む、請求項１９記載の装置。 - 【請求項２１】 第１のエネルギービームを放射するた
めの第１のエネルギーソース；第２のエネルギービーム
を放射するための第２のエネルギーソース；第１のビー
ムをアモルファスシリコンの領域に第１の時間伝搬する
第１の伝搬手段；および該領域に第２のビームを第１の
ビームの後第１の時間と重畳する第２の時間伝搬する手
段を含む、アモルファスシリコンからポリシリコンを作
製する装置。 - 【請求項２２】 第１のエネルギーソースがCWレーザで
あり、第２のエネルギーソースがパルス化されたエキシ
マレーザであり、第１の伝搬手段が音響光学変調器を含
む、請求項２１記載の装置。 - 【請求項２３】 第１のエネルギービームを放射するた
めの第１のエネルギーソース；第２のエネルギービーム
を放射するための第２のエネルギーソース；第１のビー
ムを第１の状態である材料の層の領域に伝搬する手段第
１のエネルギービームと第２のエネルギービームの制御
を行うコントローラ；コントローラに指令を送るコンピ
ュータとメモリを含む装置であって、 ａ． 第１の状態である材料の層の領域に、第１のエネ
ルギービームを第１の時点で第１の時間照射させ、そし
てｂ． 該領域に、第２のエネルギービームを第２の時
点で第２の時間照射させ、ここで上記第２の時点は上記
第１の時点より後であり、第２の時間は第１の時間と同
じかまたは短く、前記材料の層を第１の状態から第２の
状態へ変換する、前記装置。 - 【請求項２４】 第１のエネルギーソースと第２のエネ
ルギーソースとが同一であり、第１の伝搬手段が、エネ
ルギービームを第１のビームと第２のビームに分割する
ビームスプリッタを含み、第２のビームは第２のエネル
ギービームを含んでいる、請求項２３記載の装置。 - 【請求項２５】 第１の伝搬手段が、マイクロメータ−
寸法の加工プロセスを用いて得られた、少なくとも一つ
のミラーとレンズを含んでいる、請求項２３記載の装
置。
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