JP2003158086A

JP2003158086A - レーザー処理装置

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Publication number: JP2003158086A
Application number: JP2002264226A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Tanaka; 幸一郎田中; Tomoaki Moriwaka; 智昭森若
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2003-05-30
Anticipated expiration: 2022-09-10
Also published as: JP4439794B2

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上に特性を制御した薄膜トランジスタを
得る。【解決手段】連続発振型レーザーにより基板上に形成
された半導体膜を結晶化する。連続発振型レーザーの走
査方向と結晶化方向は一致している。結晶化方向と薄膜
トランジスタの電荷移動方向を調節することにより薄膜
トランジスタの特性を制御することができる。なお、半
導体膜を結晶化するレーザー処理装置は、連続発振型の
レーザー装置から発振されたレーザーのビーム形状は、
シリンドリカルレンズによって、楕円形に成形され、前
記シリンドリカルレンズは、回転できる構成であり、前
記レーザー光は、ガルバノミラーにより前記基板上を走
査され、前記レーザー光は、ｆ−θレンズにより前記基
板上で焦点を結ぶことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、レーザー光を用
いた半導体膜のアニール（以下、レーザーアニールとい
う）の方法及びそれを行うためのレーザー処理装置（レ
ーザーと該レーザーから出力されるレーザー光を被処理
体まで導くための光学を含む装置）に関する。また、前
記レーザーアニールを工程に含んで作製された半導体装
置及びその作製方法に関する。なお、ここでいう半導体
装置には、液晶表示装置やＥＬ表示装置等の電気光学装
置も含まれるものとする。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ
という）の開発が進められ、結晶性半導体膜として多結
晶シリコン膜（ポリシリコン膜）を用いたＴＦＴが注目
されている。特に、液晶表示装置（液晶ディスプレイ）
やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置（ＥＬデ
ィスプレイ）においては、画素をスイッチングする素子
やその画素を制御するための駆動回路を形成する素子と
して用いられる。

【０００３】多結晶半導体膜は、薄膜トランジスタの活
性層として用いられる。多結晶半導体膜は、不純物の添
加によりソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領
域が形成される。また、オフセット領域やＬＤＤ領域を
設けても良い。

【０００４】ポリシリコン膜を得る手段としては、非晶
質シリコン膜（アモルファスシリコン膜）を結晶化させ
てポリシリコン膜とする技術が一般的である。特に、最
近ではレーザー光を用いてアモルファスシリコン膜を結
晶化する方法が注目されている。本明細書中では、非晶
質半導体膜をレーザー光で結晶化し、結晶性半導体膜を
得る手段をレーザー結晶化という。

【０００５】レーザー結晶化は、半導体膜の瞬間的な加
熱が可能であり、ガラス基板やプラスチック基板等の耐
熱性の低い基板上に形成された半導体膜のアニール手段
として有効な技術である。

【０００６】レーザー光にも様々な種類があり、連続発
振型とパルス発振型に大別されている。レーザー結晶化
に関し良好な結晶を得ることができるという点で、連続
発振型のレーザーが注目されている。

【０００７】従来のレーザー結晶化技術では、ビームを
線状に形成した線状ビームによりレーザー結晶化をして
いる。（例えば、特許文献１参照。）。

【０００８】

【特許文献１】特開平８−１９５３５７号公報

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、連続発振
型のレーザーの新規な光学系により、一枚の基板上に形
成された薄膜トランジスタにおいて、これらを作り分
け、要求される特性をすべて満たす薄膜トランジスタを
作製することを課題とする。

【００１０】液晶表示装置やＥＬ表示装置においては、
画素をスイッチングする素子やその画素を制御するため
の駆動回路を形成する素子は一つの基板上に形成され
る。これらの素子はその役割に応じて様々な特性を必要
とされる。しかしながら、基板一面に形成された非晶質
シリコン膜に連続発振型のレーザーを一様に照射して結
晶性半導体膜を得る方法で作製された薄膜トランジスタ
は、要求される様々な特性を満足することは難しい。

【００１１】

【課題を解決するための手段】薄膜トランジスタと半導
体膜の結晶性について述べる。薄膜トランジスタの電気
的特性は、半導体膜の結晶性に依るところが大きい。特
に、結晶粒界といった結晶と結晶の間にある境界は、キ
ャリアの移動を妨げる。キャリアの移動が妨げられるこ
とによって、薄膜トランジスタの電気的抵抗が大きくな
る。したがって、薄膜トランジスタの電気的特性を制御
するには結晶粒界の数を制御する必要がある。

【００１２】結晶粒界の数は結晶の成長方向により制御
することができる。基板を加熱することで結晶化を行う
ことでは、結晶の成長方向を制御することはできなかっ
たが、レーザー結晶化では局所的に加熱し溶融すること
ができるため結晶の成長方向を制御することが可能であ
る。

【００１３】半導体膜の結晶の成長方向は、連続発振型
のレーザーから発振されたレーザー光のビーム形状を線
状に成形し、その線の方向に対して垂直な方向に合わせ
ることで制御することができる。この場合、図２のよう
に半導体膜の結晶の成長方向は、線状に成形されたレー
ザー光の線の方向（長軸方向）に対して垂直な方向（短
軸方向）に従う。結晶の成長方向は結晶粒界の発生方向
でわかる。ここでは、ビームを線状に成形し、被照射物
（具体的には基板）上を走査することが重要になる。ま
た、レーザ光のビーム形状は、正確には楕円形状もしく
は矩形状としているが、そのアスペクト比は大きいの
で、ここでは線状と定義する。図１ａ）に本願発明を構
成する光学系を示し、以下にその説明を行う。

【００１４】円形に発振されたレーザービームはシリン
ドリカルレンズ１０２で一軸方向に拡散される。レーザ
ービームはガルバノミラー１０３により制御され、ｆ−
θレンズに入射する。焦点距離をｆ−θレンズ１０４に
より調整することで、ある平面上のどの位置でも焦点を
結ぶ（ピントを合わす）ことができる。焦点を結ぶ（ピ
ントを合わす）とは被照射物上の線状のビーム形状及び
大きさを被照射物どの位置でも同じにすることである。
ガルバノミラー１０３を動かすことでレーザーの照射位
置を変え、基板上を走査することができる。このように
すると、基板を動かすことなく基板上に楕円形のレーザ
ービームを走査することができる。

【００１５】レーザーの単位面積当たりのエネルギー密
度を変えたければ、この光学系にレンズを挿入する、基
板の距離を変える等が考えられる。シリンドリカルレン
ズ１０２の焦点距離を変えることで、ビーム形状を調整
することができる。また、ガルバノミラー１０３により
走査速度を変えることができる。

【００１６】ここで重要なのは、シリンドリカルレンズ
１０２を回転させることで、基板上に投影される線形ビ
ームを回転させることができることである。通常基板上
に形成されるアクティブマトリクス回路等の薄膜トラン
ジスタは多数存在し、その向き、即ち電荷移動方向はバ
ラバラである。したがって、本願発明のようにシリンド
リカルレンズ１０２を回転できる構成で線の方向に走査
する結晶の成長方向を制御する構成を組み合わせること
で、基板上の各薄膜トランジスタの電気的特性を制御す
ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本願発明の実施形
態の一つについて説明する。本願発明の実施形態は基板
の縦方向と横方向に電荷移動方向を有する薄膜トランジ
スタにおいて、結晶成長方向と電荷移動方向を揃えた薄
膜トランジスタを作製するものである。

【００１８】図１ａ）は本願発明のレーザーを含むレー
ザー装置の構成を示す図である。連続発振型Ｎｄ：ＹＶ
Ｏ₄レーザ１０１、連続発振型Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ１０
１を発振源とするレーザー光（第２高調波、波長５３２
nm）を楕円状に加工する凸型シリンドリカルレンズ１０
２、レーザー光を走査するガルバノミラー１０３、焦点
距離を調整するｆ−θレンズ１０４、基板を固定するス
テージ１０５を有している。凸型シリンドリカルレンズ
１０２は回転ステージに設置され、任意に回転できる構
成になっている。基板には非晶質シリコン膜が成膜さ
れ、領域Ａと領域Ｂがもうけられている。図１ｂ）は基
板の上面図であり、領域Ａには基板の横方向に電荷移動
方向がある薄膜トランジスタが形成され、また領域Ｂに
は基板の縦方向に電荷移動方向がある薄膜トランジスタ
が形成されることを示すものである。

【００１９】ここでは、レーザーの出力は１０Wであ
る。レーザービーム形状は短軸方向２０μm、長軸方向
４００μmの楕円形を形成した。走査速度２０cm/sであ
る。半導体膜の溶融は、単位面積あたりのエネルギー密
度が問題となる。したがって、これと類似するエネルギ
ー密度であれば、レーザービームの形状または大きさを
変化させてもよい。

【００２０】このような構成で非晶質シリコン膜にレー
ザー光の照射が行われる。領域Ａにおいては、凸型シリ
ンドリカルレンズ１０２は回転ステージ（詳細は図示し
ない）によりシリンドリカルレンズのパワーの方向がａ
の方向に設定され、ガルバノミラー１０３により基板の
横方向にレーザー光が走査される。一方、領域Ｂでは凸
型シリンドリカルレンズ１０２は回転ステージによりａ
より９０°回転したシリンドリカルレンズのパワーの方
向がｂの方向に設定され、ガルバノミラー１０３により
基板の縦方向にレーザー光が走査される。

【００２１】このようにすると、レーザーの走査方向、
即ち結晶成長方向と電荷移動方向を揃えた薄膜トランジ
スタを作製することができる。このような方法で作製さ
れた薄膜トランジスタは図３ａ）で示されるような結晶
粒界を有する。なお、結晶粒は単結晶になっている。薄
膜トランジスタに要求される電気的特性によっては、レ
ーザーの走査方向、即ち結晶成長方向と電荷移動方向を
垂直にしてもよい。垂直にした場合、図３ｂ）のように
薄膜トランジスタの電荷移動方向に複数の結晶粒界が存
在するため、キャリアの移動度が下がる。しかしなが
ら、薄膜トランジスタのスイッチがオフ状態おけるリー
ク電流が低減できるという利点がある。

【００２２】また、ガルバノミラー１０３によりレーザ
ーが走査され、凸型シリンドリカルレンズ１０２により
レーザービームの形状が制御されるため、基板を動かす
ことなく結晶化を行うことができる。

【００２３】（実施形態２）実施形態１とは異なる実施
の形態について説明する。この実施形態は基板の縦方向
と横方向に電荷移動方向を有する薄膜トランジスタにお
いて、結晶の成長方向と電荷移動方向をそろえずに均一
な電気特性を有する薄膜トランジスタを作製するもので
ある。図１ａ）、ｂ）と同じ構成の光学系、基板を用い
る。

【００２４】回転ステージに設置された凸型シリンドリ
カルレンズ１０２は、ａとｂの中間すなわち４５°に設
定される。このような構成でレーザー光を発振すると基
板上には、斜め方向に楕円形状が投影される。基板の縦
方向または横方向から４５°の方向に結晶成長がおこる
ことになる。

【００２５】このように結晶化された基板から図３ｃ）
のような薄膜トランジスタを形成する。基板の横方向に
電荷移動方向を有する薄膜トランジスタと基板の縦方向
に電荷移動方向を有する薄膜トランジスタとは電荷移動
方向を横切る結晶粒界の数がほとんど同じになるため電
気的特性が均一になる。

【００２６】図１２にあるように薄膜トランジスタが
縦、横交互に形成され、その特性を均一なものに統一す
る必要がある場合にも適用できる。

【００２７】また、薄膜トランジスタの大きさや形によ
っては、シリンドリカルレンズの角度を４５°に限定す
る必要はない。薄膜トランジスタの電気的特性を均一に
すればよいので、０°から９０°の間で回転させ、走査
すればよい。このようにして形成された薄膜トランジス
タに用いられる半導体膜の結晶成長方向は、基板の縦軸
および横軸とは平行にならず、斜め方向になる。

【００２８】（実施形態３）この実施形態は、ビーム形
状を楕円形状にするに当たり、より光学調整が行いやす
い光学系について述べる。実施形態１及び２では、楕円
形状を作るための凸型シリンドリカルレンズは、１枚で
あった。しかしながら本実施の形態では２枚用いる。

【００２９】２枚のレンズにより、ビームを拡大または
縮小する方法は、ガリレオ式、ケプラー式の二つがあ
る。ガリレオ式は図４のように凹レンズと凸レンズを用
いてビームの大きさを変える方式である。一方、ケプラ
ー式は図４のように２枚の凸レンズを用いてビームの大
きさを変える方式である。

【００３０】このレンズをシリンドリカルレンズに変え
ると、一軸方向のみビームを拡大または縮小し、長軸と
短軸の比を容易に調整することができる。ただし、２つ
のシリンドリカルレンズは軸方向をそろえる必要があ
る。したがって、回転ステージ等で回転させる際に同時
に動かす必要がある。

【００３１】シリンドリカルレンズの他にプリズムを２
対使ってビームを１軸方向のみに拡大または縮小させる
こともできる。その他同等の作用を持つものを利用して
もよい。

【００３２】（実施形態４）この実施形態は、より均一
なレーザー照射をするための光学系について述べる。本
実施形態では計算機ホログラムを光学系に導入する。計
算機ホログラムはビームの形状を成形する方法であり、
ビームのエネルギー分布を自在に変えることも可能であ
る。したがって計算機ホログラムの導入によって、ビー
ムのエネルギー分布をより均一にし、均一なレーザー照
射することができる。

【００３３】（実施形態５）この実施形態は、実際に基
板に照射するにおいて必要とする装置について述べる。
図１ａ）のようにガルバノミラーにより、基板上でビー
ムが走査される場合、基板中央に照射されたビームは、
反射されてレーザー装置に戻ってしまう。この戻りレー
ザービームは、レーザー装置に使われる高調波変換素子
を痛める原因になる。したがってこれを回避するために
アイソレーターといった一方向のビームしか通さない装
置を光学系に導入する。

【００３４】図１ａ）において、レーザービームの形状
が変わらないシリンドリカルレンズの前に入れておくこ
とが有効である。先ほどの計算機ホログラムとは順不同
で用いることができる。

【００３５】（実施形態６）この実施形態は、実際に基
板に照射するにおいて必要とする実施形態５とは異なる
装置について述べる。基板上を走査されるレーザー光
は、エネルギー密度が高いため長時間基板に照射される
と基板を溶かす。したがって、ガルバノミラーの故障等
何らかの原因でレーザー光の走査が停止した場合、基板
への照射を停止する必要がある。そこで本願発明では、
インターロックをガルバノミラーの先にもうける。イン
ターロックは、ステージ上に設けられたセンサーで異常
を感知するまたはガルバノミラーの故障を感知すること
で発動し、金属板などでビームにシャッターをかける。

【００３６】（実施形態７）この実施形態は、実際に基
板に照射するにおいて必要とされる実施形態５および６
とは異なる装置について述べる。基板上を走査されるレ
ーザー光は非常に強いため、非晶質シリコン膜に吸収さ
れなかった反射光や透過光も周囲に被害を与える。した
がって、これらの光を周囲にまき散らさないためにチャ
ンバーもしくは反射光を吸収するダンパーを基板の周囲
に設ける必要がある。

【００３７】（実施形態８）この実施形態は量産体制に
おいて必要とする光学系について述べる。図５で示され
るようにガルバノミラー５０３を一つのコントローラー
で制御することにより二つの光源からのレーザー光の走
査を同時に行うものである。このようにすると、レーザ
ー結晶化のスループットを２倍にすることができる。

【００３８】また、二つのレーザー光を同時に走査する
別の方法として、図６に示すように、一方を基板の表側
から照射し、もう一方を基板の裏側から照射することが
できる。ただし、基板およびステージがレーザー光を透
過できることが必要である。

【００３９】本願発明は実施形態１〜８のいずれにおい
ても組み合わせることができる。また、実施形態１〜８
では非晶質シリコン膜の表側からレーザー光を照射した
が、基板を透過し、半導体膜で吸収される波長のレーザ
ー光であれば基板の裏側から照射することができる。

【００４０】

【実施例1】本発明の実施例を図９〜図１１を用いて説
明する。本実施例では、基板の縦方向と横方向に電荷移
動方向を有する薄膜トランジスタを作製する方法につい
て説明する。図７は基板上に周辺駆動回路と画素回路が
形成されたＥＬ表示装置の上面図である。周辺駆動回路
は基板の縦方向に電荷移動方向を有する薄膜トランジス
タと横方向に電荷移動方向を有する薄膜トランジスタが
混在して構成されている。図７上図は周辺駆動回路の一
部であるインバータ回路を構成する薄膜トランジスタを
示したものであり、基板の縦方向に電荷移動方向を有す
る薄膜トランジスタが形成されている。一方、画素回路
は、複数の画素がマトリクス状に形成された構成を有し
ており、その一部を拡大すると図８のようになってい
る。一つの画素は、横方向に電荷移動方向を有する薄膜
トランジスタのみで構成されている。

【００４１】ここでは、画素回路を構成するスイッチン
グ用薄膜トランジスタおよび駆動用薄膜トランジスタ
と、周辺駆動回路のインバーター回路を構成する薄膜ト
ランジスタを同時に作製する方法について、工程に従っ
て詳細に説明する。また、消去用薄膜トランジスタは、
スイッチング用薄膜トランジスタと同様に作製すること
ができるので、ここでは説明を省略した。

【００４２】図９において、基板９００にはコーニング
社の＃７０５９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やアルミノホウケイ酸ガ
ラスなどのガラス基板の他に、石英基板、ポリエチレン
テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート
（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）などの
プラスチック基板を用いることができる。

【００４３】そして、基板９００のＴＦＴを形成する表
面に、基板９００からの不純物拡散を防ぐために、酸化
シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜
などの絶縁膜からなる下地膜９０１を形成する。本実施
例では下地膜９０１として２層構造を用いるが、前記絶
縁膜の単層膜または２層以上積層させた構造を用いても
良い。下地膜９０１の１層目としてはプラズマＣＶＤ法
を用い、ＳｉＨ₄、ＮＨ₃、及びＮ₂Ｏを反応ガスとして
成膜される酸化窒化シリコン膜９０１ａを１０〜２００
nm（好ましくは５０〜１００nm）形成する。本実施例で
は、膜厚５０nmの酸化窒化シリコン膜９０１ａ（組成比
Ｓｉ＝３２％、Ｏ＝２７％、Ｎ＝２４％、Ｈ＝１７％）
を形成した。次いで、下地膜９０１の２層目としては、
プラズマＣＶＤ法を用い、ＳｉＨ₄、及びＮ₂Ｏを反応ガ
スとして成膜される酸化窒化シリコン膜９０１ｂを５０
〜２００nm（好ましくは１００〜１５０nm）の厚さに積
層形成する。本実施例では、膜厚１００nmの酸化窒化シ
リコン膜９０１ｂ（組成比Ｓｉ＝３２％、Ｏ＝２７％、
Ｎ＝２４％、Ｈ＝１７％）を形成した。

【００４４】次に、２５〜１５０ｎｍ（好ましくは３０
〜６０ｎｍ）の厚さで非晶質半導体膜９０３を、プラズ
マＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法やスパッタ法などの公知の方
法で形成する。半導体膜の材料には限定はないが、好ま
しくはシリコンまたはシリコンゲルマニウム（Ｓｉ_xＧ
ｅ_1-x（ｘ＝０．０００１〜０．０２））合金などで形
成すると良い。本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用
い、５５nmの非晶質シリコン膜を成膜した。

【００４５】基板に非晶質シリコン膜の上から図１
（ａ）で示されるようなレーザー照射装置によりレーザ
ーが照射される。領域Ａは画素回路であり、図８のよう
に、基板の横方向に電荷移動方向がある薄膜トランジス
タが形成される。ここでは、シリンドリカルレンズはａ
の方向に設定され、ガルバノミラーにより基板の横方向
にレーザー光が照射される。

【００４６】ここでは、画素回路にはレーザーの走査方
向、即ち結晶成長方向と電荷移動方向を揃えた薄膜トラ
ンジスタを作製したが、薄膜トランジスタに要求される
電気的特性によっては、レーザーの走査方向、即ち結晶
成長方向と電荷移動方向を垂直にしてもよい。垂直にし
た場合、図３ｂ）のように薄膜トランジスタの電荷移動
方向に複数の結晶粒界が存在するため、キャリアの移動
度が下がる。しかしながら、薄膜トランジスタのスイッ
チがオフ状態におけるリーク電流が低減できるという利
点がある。

【００４７】一方、領域Ｂは、周辺駆動回路であり、基
板の縦方向に電荷移動方向を有する薄膜トランジスタと
横方向に電荷移動方向を有する薄膜トランジスタが混在
して形成される。ここではシリンドリカルレンズはａと
ｂの中間すなわち４５°の方向に設定されガルバノミラ
ーにより基板の斜め方向、厳密には基板に投影された楕
円状のビームの短軸方向にレーザー光が走査される。

【００４８】周辺駆動回路は、基板の縦方向に電荷移動
方向を有する薄膜トランジスタと横方向に電荷移動方向
を有する薄膜トランジスタが混在している。しかしなが
ら、回路内では同一周波数で動いているため、それぞれ
の薄膜トランジスタの電気的特性をそろえる必要があ
る。従って上記のように基板の縦方向もしくは横方向に
４５°の角度をもって走査を行った。回路の配置によっ
ては、シリンドリカルレンズの角度を調整しうる。

【００４９】この結晶質シリコン膜をフォトリソグラフ
ィー法を用いたパターニング処理によって、半導体層９
０２〜９０５を作製した。

【００５０】また、半導体層９０２〜９０５を形成した
後、ＴＦＴのしきい値を制御するために、半導体層９０
２〜９０５に微量な不純物元素（ボロンまたはリン）を
ドーピングしても良い。

【００５１】次いで、半導体層９０２〜９０５を覆うゲ
ート絶縁膜９０６を形成する。ゲート絶縁膜９０６はプ
ラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、厚さを４０〜
１５０nmとしてシリコンを含む絶縁膜で形成する。本実
施例では、プラズマＣＶＤ法により１１０nmの厚さで酸
化窒化シリコン膜（組成比Ｓｉ＝３２％、Ｏ＝５９％、
Ｎ＝７％、Ｈ＝２％）で形成した。勿論、ゲート絶縁膜
は酸化窒化シリコン膜に限定されるものではなく、ほか
のシリコンを含む絶縁膜を単層または積層構造として用
いても良い。

【００５２】また、酸化シリコン膜を用いる場合には、
プラズマＣＶＤ法でＴＥＯＳ（Tetraethyl Orthosilica
te）とＯ₂とを混合し、反応圧力４０Pa、基板温度３０
０〜４００℃とし、高周波（１３．５６MHz）電力密度
０．５〜０．８W/cm²で放電させて形成することができ
る。このようにして作製される酸化シリコン膜は、その
後４００〜５００℃の熱アニールによりゲート絶縁膜と
して良好な特性を得ることができる。

【００５３】そして、ゲート絶縁膜９０６上にゲート電
極を形成するための耐熱性導電層９０７を２００〜４０
０nm（好ましくは２５０〜３５０nm）の厚さで形成す
る。耐熱性導電層９０７は単層で形成しても良いし、必
要に応じて２層あるいは３層といった複数の層からなる
積層構造としても良い。耐熱性導電層にはＴａ、Ｔｉ、
Ｗから選ばれた元素、または前記元素を成分とする合金
か、前記元素を組み合わせた合金膜が含まれる。これら
の耐熱性導電層はスパッタ法やＣＶＤ法で形成されるも
のであり、低抵抗化を図るために含有する不純物濃度を
低減させることが好ましく、特に酸素濃度に関しては３
０ppm以下とすると良い。本実施例ではＷ膜はＷをター
ゲットとしてスパッタ法で形成しても良いし、６フッ化
タングステン（ＷＦ₆）を用いて熱ＣＶＤ法で形成する
こともできる。いずれにしてもゲート電極として使用す
るためには低抵抗化を図る必要があり、Ｗ膜の抵抗率は
２０μΩcm以下にすることが望ましい。Ｗ膜は結晶粒を
大きくすることで低抵抗率化を図ることができるが、Ｗ
中に酸素などの不純物元素が多い場合には結晶化が阻害
され高抵抗化する。このことより、スパッタ法による場
合、純度９９．９９％または９９．９９９％のＷターゲ
ットを用い、さらに成膜時に気相中からの不純物の混入
がないように十分に配慮してＷ膜を形成することにより
抵抗率９〜２０μΩcmを実現することができる。

【００５４】一方、耐熱性導電層９０７にＴａ膜を用い
る場合には、同様にスパッタ法で形成することが可能で
ある。Ｔａ膜はスパッタガスにＡｒを用いる。また、ス
パッタ時のガス中に適量のＸｅやＫｒを加えておくと、
形成する膜の内部応力を緩和して膜の剥離を防止するこ
とができる。α相のＴａ膜の抵抗率は２０μΩcm程度で
ありゲート電極に使用することができるが、β相のＴａ
膜の抵抗率は１８０μΩcm程度でありゲート電極とする
には不向きであった。ＴａＮ膜はα相に近い結晶構造を
持つので、Ｔａ膜の下地にＴａＮ膜を形成すればα相の
Ｔａ膜が容易に得られる。また、図示しないが、耐熱性
導電膜９０７の下に２〜２０nm程度の厚さでリン（Ｐ）
をドープしたシリコン膜を形成しておくことは有効であ
る。これにより、その上に形成される導電膜の密着性向
上と酸化防止を図ると同時に、耐熱性導電層９０７が微
量に含有するアルカリ金属元素が第１の形状のゲート絶
縁膜９０６に拡散するのを防ぐことができる。いずれに
しても、耐熱性導電層９０７は抵抗率を１０〜５０μΩ
cmの範囲ですることが好ましい。

【００５５】次にフォトリソグラフィーの技術を使用し
てレジストによるマスク９０８を形成する。そして、第
１のエッチング処理を行う。本実施例ではＩＣＰエッチ
ング装置を用い、エッチング用ガスにＣｌ₂とＣＦ₄を用
い、１Paの圧力で３．２W/cm ²のＲＦ（１３．５６MHz）
電力を投入してプラズマを形成して行う。基板側（試料
ステージ）にも２２４mW/cm²のＲＦ（１３．５６MHz）
電力を投入し、これにより実質的に負の自己バイアス電
圧が印加される。この条件でW膜のエッチング速度は約
１００nm/minである。第１のエッチング処理はこのエッ
チング速度を基にW膜がちょうどエッチングされる時間
を推定し、それよりもエッチング時間を２０％増加させ
た時間をエッチング時間とした。

【００５６】第１のエッチング処理により第１のテーパ
ー形状を有する導電層９０９〜９１２が形成される。導
電層９０９〜９１２のテーパー部の角度は１５〜３０°
となるように形成される。残渣を残すことなくエッチン
グするためには、１０〜２０％程度の割合でエッチング
時間を増加させるオーバーエッチングを施すものとす
る。Ｗ膜に対する酸化窒化シリコン膜（ゲート絶縁膜９
０６）の選択比は２〜４（代表的には３）であるので、
オーバーエッチング処理により、酸化窒化シリコン膜が
露出した面は２０〜５０nm程度エッチングされる。（図
９（Ｂ））

【００５７】そして、第１のドーピング処理を行い一導
電型の不純物元素を半導体層に添加する。ここでは、ｎ
型を付与する不純物元素添加の工程を行う。第１の形状
の導電層を形成したマスク９０８をそのまま残し、第１
のテーパー形状を有する導電層９０９〜９１２をマスク
として自己整合的にｎ型を付与する不純物元素をイオン
ドープ法で添加する。ｎ型を付与する不純物元素をゲー
ト電極の端部におけるテーパー部とゲート絶縁膜９０６
とを通して、その下に位置する半導体層に達するように
添加するためにドーズ量を１×１０¹³〜５×１０¹⁴ato
ｍs/cm²とし、加速電圧を８０〜１６０keVとして行う。
ｎ型を付与する不純物元素として１５族に属する元素、
典型的にはリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を用いるが、
ここではリン（Ｐ）を用いた。このようなイオンドープ
法により第１の不純物領域９１４〜９１７には１×１０
²⁰〜１×１０²¹atoms/cm³の濃度範囲でｎ型を付与する
不純物元素が添加される。（図９（Ｃ））

【００５８】この工程において、ドーピングの条件によ
っては、不純物が、第１の形状の導電層９０９〜９１２
の下に回り込み、第１の不純物領域９１４〜９１７が第
１の形状の導電層９０９〜９１２に重なることも起こり
うる。

【００５９】次に、図９（Ｄ）に示すように第２のエッ
チング処理を行う。エッチング処理も同様にＩＣＰエッ
チング装置により行い、エッチングガスにＣＦ₄とＣｌ₂
の混合ガスを用い、ＲＦ電力３．２W/cm²(１３.５６MH
z)、バイアス電力４５mW/cm²(１３.５６MHz)、圧力１．
０Paでエッチングを行う。この条件で形成される第２の
形状を有する導電層９１８〜９２１が形成される。その
端部にはテーパー部が形成され、該端部から内側にむか
って徐々に厚さが増加するテーパー形状となる。第１の
エッチング処理と比較して基板側に印加するバイアス電
力を低くした分等方性エッチングの割合が多くなり、テ
ーパー部の角度は３０〜６０°となる。マスク９０８は
エッチングされて端部が削れ、マスク９２２となる。ま
た、図９（Ｄ）の工程において、ゲート絶縁膜９０６の
表面が４０ｎｍ程度エッチングされる。

【００６０】そして、第１のドーピング処理よりもドー
ズ量を下げ高加速電圧の条件でｎ型を付与する不純物元
素をドーピングする。例えば、加速電圧を７０〜１２０
keVとし、１×１０¹³/cm²のドーズ量で行い、不純物濃
度が大きくなった第１の不純物領域９２４〜９２７と、
前記第１の不純物領域９２４〜９２７に接する第２の不
純物領域９２８〜９３１とを形成する。この工程におい
て、ドーピングの条件によっては、不純物が第２の形状
の導電層９１８〜９２１の下に回りこみ、第２の不純物
領域９２８〜９３１が第２の形状の導電層９１８〜９２
１と重なることも起こりうる。第２の不純物領域におけ
る不純物濃度は、１×１０¹⁶〜１×１０ ¹⁸atoms/cm³と
なるようにする。（図１０（Ａ））

【００６１】そして、図１０（Ｂ）に示すように、ｐチ
ャネル型ＴＦＴを形成する半導体層９０２、９０５に一
導電型とは逆の導電型の不純物領域９３３（９３３ａ、
９３３ｂ）及び９３４（９３４ａ、９３４ｂ）を形成す
る。この場合も第２の形状の導電層９１８、９２１をマ
スクとしてｐ型を付与する不純物元素を添加し、自己整
合的に不純物領域を形成する。このとき、ｎチャネル型
ＴＦＴを形成する半導体層９０３、９０４は、レジスト
のマスク９３２を形成し全面を被覆しておく。ここで形
成される不純物領域９３３、９３４はジボラン（Ｂ
₂Ｈ₆）を用いたイオンドープ法で形成する。不純物領域
９３３、９３４のｐ型を付与する不純物元素の濃度は、
２×１０²⁰〜２×１０²¹atoms/cm³となるようにする。

【００６２】しかしながら、この不純物領域９３３、９
３４は詳細にはｎ型を付与する不純物元素を含有する２
つの領域に分けて見ることができる。第３の不純物領域
９３３ａ、９３４ａは１×１０²⁰〜１×１０²¹atoms/cm
³の濃度でｐ型を付与する不純物元素を含み、第４の不
純物領域９３３ｂ、９３４ｂは１×１０¹⁷〜１×１０ ²⁰
atoms/cm³の濃度でｎ型を付与する不純物元素を含んで
いる。しかし、これらの第４の不純物領域９３３ｂ、９
３４ｂのｐ型を付与する不純物元素の濃度を１×１０¹⁹
atoms/cm³以上となるようにし、第３の不純物領域９３
３ａ、９３４ａにおいては、ｐ型を付与する不純物元素
の濃度をｎ型を付与する不純物元素の濃度の１．５から
３倍となるようにすることにより、第３の不純物領域で
ｐチャネル型ＴＦＴのソース領域およびドレイン領域と
して機能するために何ら問題は生じない。

【００６３】その後、図１０（Ｃ）に示すように、第２
の形状を有する導電層９１８〜９２１およびゲート絶縁
膜９０６上に第１の層間絶縁膜９３７を形成する。第１
の層間絶縁膜９３７は酸化シリコン膜、酸化窒化シリコ
ン膜、窒化シリコン膜、またはこれらを組み合わせた積
層膜で形成すれば良い。いずれにしても第１の層間絶縁
膜９３７は無機絶縁物材料から形成する。第１の層間絶
縁膜９３７の膜厚は１００〜２００nmとする。第１の層
間絶縁膜９３７として酸化シリコン膜を用いる場合に
は、プラズマＣＶＤ法でＴＥＯＳとＯ₂とを混合し、反
応圧力４０Pa、基板温度３００〜４００℃とし、高周波
（１３．５６MHz）電力密度０．５〜０．８W/cm²で放電
させて形成することができる。また、第１の層間絶縁膜
９３７として酸化窒化シリコン膜を用いる場合には、プ
ラズマＣＶＤ法でＳｉＨ₄、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃から作製され
る酸化窒化シリコン膜、またはＳｉＨ₄、Ｎ₂Ｏから作製
される酸化窒化シリコン膜で形成すれば良い。この場合
の作製条件は反応圧力２０〜２００Pa、基板温度３００
〜４００℃とし、高周波（６０MHz）電力密度０．１〜
１．０W/cm²で形成することができる。また、第１の層
間絶縁膜９３７としてＳｉＨ₄、Ｎ₂Ｏ、Ｈ₂から作製さ
れる酸化窒化水素化シリコン膜を適用しても良い。窒化
シリコン膜も同様にプラズマＣＶＤ法でＳｉＨ₄、ＮＨ₃
から作製することが可能である。

【００６４】そして、それぞれの濃度で添加されたｎ型
またはｐ型を付与する不純物元素を活性化する工程を行
う。この工程はファーネスアニール炉を用いる熱アニー
ル法で行う。その他に、レーザーアニール法、またはラ
ピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）を適用すること
ができる。熱アニール法では酸素濃度が１ppm以下、好
ましくは０．１ppm以下の窒素雰囲気中で４００〜７０
０℃、代表的には５００〜６００℃で行うものであり、
本実施例では５５０℃で４時間の熱処理を行った。ま
た、基板５０１に耐熱温度が低いプラスチック基板を用
いる場合にはレーザーアニール法を適用することが好ま
しい。

【００６５】活性化の工程に続いて、雰囲気ガスを変化
させ、３〜１００％の水素を含む雰囲気中で、３００〜
４５０℃で１〜１２時間の熱処理を行い、半導体層を水
素化する工程を行う。この工程は熱的に励起された水素
により半導体層にある１０¹⁶〜１０¹⁸/cm³のダングリン
グボンドを終端する工程である。水素化の他の手段とし
て、プラズマ水素化（プラズマにより励起された水素を
用いる）を行っても良い。いずれにしても、半導体層９
０２〜９０５中の欠陥密度を１０¹⁶/cm³以下とすること
が望ましく、そのために水素を０．０１〜０．１atoms
％程度付与すれば良い。

【００６６】そして、有機絶縁物材料からなる第２の層
間絶縁膜９３９を１．０〜２．０μmの平均膜厚で形成
する。有機樹脂材料としては、ポリイミド、アクリル、
ポリアミド、ポリイミドアミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロ
ブテン）等を使用することができる。例えば、基板に塗
布後、熱重合するタイプのポリイミドを用いる場合に
は、クリーンオーブンで３００℃で焼成して形成する。
また、アクリルを用いる場合には、２液性のものを用
い、主材と硬化剤を混合した後、スピナーを用いて基板
全面に塗布した後、ホットプレートで８０℃で６０秒の
予備加熱を行い、さらにクリーンオーブンで２５０℃で
６０分焼成して形成することができる。

【００６７】このように、第２の層間絶縁膜９３９を有
機絶縁物材料で形成することにより、表面を良好に平坦
化させることができる。また、有機樹脂材料は一般に誘
電率が低いので、寄生容量を低減できる。しかし、吸湿
性があり保護膜としては適さないので、本実施例のよう
に、第１の層間絶縁膜９３７として形成した酸化シリコ
ン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜などと組み
合わせて用いると良い。

【００６８】その後、所定のパターンのレジストマスク
を形成し、それぞれの半導体層に形成されソース領域ま
たはドレイン領域とする不純物領域に達するコンタクト
ホールを形成する。コンタクトホールはドライエッチン
グ法で形成する。この場合、エッチングガスにＣＦ₄、
Ｏ₂、Ｈｅの混合ガスを用い有機樹脂材料から成る第２
の層間絶縁膜９３９をまずエッチングし、その後、続い
てエッチングガスをＣＦ ₄、Ｏ₂として第１の層間絶縁膜
９３７をエッチングする。さらに、半導体層との選択比
を高めるために、エッチングガスをＣＨＦ₃に切り替え
て第３の形状のゲート絶縁膜５７０をエッチングするこ
とによりコンタクトホールを形成することができる。

【００６９】そして、導電性の金属膜をスパッタ法や真
空蒸着法で形成し、マスクでパターニングし、その後エ
ッチングすることで、ソース配線９４０〜９４３とドレ
イン配線９４４〜９４６を形成する。図示していない
が、本実施例ではこの配線を、そして、膜厚５０nmのＴ
ｉ膜と、膜厚５００nmの合金膜（ＡｌとＴｉとの合金
膜）との積層膜で形成した。

【００７０】次いで、その上に透明導電膜を８０〜１２
０nmの厚さで形成し、パターニングすることによって画
素電極９４７を形成する（図１１（Ａ））。なお、本実
施例では、透明電極として酸化インジウム・スズ（ＩＴ
Ｏ）膜や酸化インジウムに２〜２０[％]の酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）を混合した透明導電膜を用いる。

【００７１】また、画素電極９４７は、ドレイン配線９
４６と接して重ねて形成することによって駆動用ＴＦＴ
９６３のドレイン領域と電気的な接続が形成される。

【００７２】次に、図１１（Ｂ）に示すように、画素電
極９４７に対応する位置に開口部を有する第３の層間絶
縁膜９４９を形成する。第３の層間絶縁膜９４９は絶縁
性を有していて、バンクとして機能し、隣接する画素の
有機化合物層を分離する役割を有している。本実施例で
はレジストを用いて第３の層間絶縁膜９４９を形成す
る。

【００７３】本実施例では、第３の層間絶縁膜９４９の
厚さを１μm程度とし、開口部は画素電極９４７に近く
なればなるほど広くなる、所謂逆テーパー状になるよう
に形成する。これはレジストを成膜した後、開口部を形
成しようとする部分以外をマスクで覆い、ＵＶ光を照射
して露光し、露光された部分を現像液で除去することに
よって形成される。

【００７４】本実施例のように、第３の層間絶縁膜９４
９を逆テーパー状にすることで、後の工程において有機
化合物層を成膜した時に、隣り合う画素同士で有機化合
物層が分断されるため、有機化合物層と、第３の層間絶
縁膜９４９の熱膨張係数が異なっていても、有機化合物
層がひび割れたり、剥離したりするのを抑えることがで
きる。

【００７５】なお、本実施例においては、第３の層間絶
縁膜としてレジストでなる膜を用いているが、場合によ
っては、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、ＢＣＢ
（ベンゾシクロブテン）、酸化珪素膜等を用いることも
できる。第３の層間絶縁膜９４９は絶縁性を有する物質
であれば、有機物と無機物のどちらでも良い。

【００７６】次に、有機化合物層９５０を蒸着法により
形成し、更に蒸着法により陰極（ＭｇＡｇ電極）９５１
および保護電極９５２を形成する。このとき有機化合物
層９５０及び陰極９５１を形成するに先立って画素電極
９４７に対して熱処理を施し、水分を完全に除去してお
くことが望ましい。なお、本実施例では発光素子の陰極
としてＭｇＡｇ電極を用いるが、公知の他の材料であっ
ても良い。

【００７７】なお、有機化合物層９５０としては、公知
の材料を用いることができる。本実施例では正孔輸送層
（Hole transporting layer）及び発光層（Emitting la
yer）でなる２層構造を有機化合物層とするが、正孔注
入層、電子注入層若しくは電子輸送層のいずれかを設け
る場合もある。このように組み合わせは既に様々な例が
報告されており、そのいずれの構成を用いても構わな
い。

【００７８】本実施例では正孔輸送層としてポリフェニ
レンビニレンを蒸着法により形成する。また、発光層と
しては、ポリビニルカルバゾールに１，３，４−オキサ
ジアゾール誘導体のＰＢＤを３０〜４０％分子分散させ
たものを蒸着法により形成し、緑色の発光中心としてク
マリン６を約１％添加している。

【００７９】また、保護電極９５２でも有機化合物層９
５０を水分や酸素から保護することは可能であるが、さ
らに好ましくは保護膜９５３を設けると良い。本実施例
では保護膜９５３として３００nm厚の窒化珪素膜を設け
る。この保護膜も保護電極９５２の後に大気解放しない
で連続的に形成しても構わない。

【００８０】また、保護電極９５２は陰極９５１の劣化
を防ぐために設けられ、アルミニウムを主成分とする金
属膜が代表的である。勿論、他の材料でも良い。また、
有機化合物層９５０、陰極９５１は非常に水分に弱いの
で、保護電極９５２までを大気解放しないで連続的に形
成し、外気から有機化合物層を保護することが望まし
い。

【００８１】なお、有機化合物層９５０の膜厚は１０〜
４００[nm]（典型的には６０〜１５０[nm]）、陰極９５
１の厚さは８０〜２００[nm]（典型的には１００〜１５
０[nm]）とすれば良い。

【００８２】こうして図１１（Ｂ）に示すような構造の
発光装置が完成する。なお、画素電極９４７、有機化合
物層９５０、陰極９５１の重なっている部分９５４が発
光素子に相当する。

【００８３】ｐチャネル型ＴＦＴ９６０及びｎチャネル
型ＴＦＴ９６１は駆動回路が有するＴＦＴであり、ＣＭ
ＯＳを形成している。スイッチング用ＴＦＴ９６２及び
駆動用ＴＦＴ９６３は画素部が有するＴＦＴであり、駆
動回路のＴＦＴと画素部のＴＦＴとは同一基板上に形成
することができる。

【００８４】なお、発光素子を用いた発光装置の場合、
駆動回路の電源の電圧が５〜６V程度、最大でも１０V程
度で十分なので、ＴＦＴにおいてホットエレクトロンに
よる劣化があまり問題にならない。また駆動回路を高速
で動作させる必要があるので、ＴＦＴのゲート絶縁膜の
容量は小さいほうが好ましい。よって、本実施例のよう
に、発光素子を用いた発光装置の駆動回路では、ＴＦＴ
の半導体層が有する第２の不純物領域９２９と、第４の
不純物領域９３３ｂとが、それぞれゲート電極９１８、
９１９と重ならない構成にするのが好ましい。

【００８５】本発明の発光装置の作製方法は、本実施例
において説明した作製方法に限定されない。本発明の発
光装置は公知の方法を用いて作製することが可能であ
る。

【００８６】また、本実施例では発光装置の作製方法の
みについて示したが、薄膜トランジスタを有する液晶表
示装置においても同様なレーザー結晶化を適用すること
ができる。

【発明の効果】本願発明により、特性を制御した薄膜ト
ランジスタを作製することができた。また、基板を動か
すことなくレーザービームを走査することができたので
結晶化のスループットをあげることができた。さらにこ
の二つをあわせることにより、高性能な液晶表示装置お
よびＥＬ表示装置を歩留まりよくかつ大量に作製するこ
とができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザー照射装置および処理基
板。

【図２】楕円形のレーザービームにより結晶化され
た半導体膜。

【図３】結晶の成長方向が制御された薄膜トランジ
スタ。

【図４】実施形態３におけるビームエキスパンダ。

【図５】実施形態７における本発明のレーザー照射
装置。

【図６】実施形態７における本発明のレーザー照射
装置。

【図７】実施例１の周辺駆動回路と画素回路が形成
されたＥＬ表示装置。

【図８】実施例１の画素回路の拡大図。

【図９】ＥＬ表示装置が有するＴＦＴの作製工程を
示す図。

【図１０】ＥＬ表示装置が有するＴＦＴの作製工程を
示す図。

【図１１】ＥＬ表示装置が有するＴＦＴの作製工程を
示す図。

【図１２】本発明のレーザー照射装置および処理基
板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 29/786 Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA07 BA14 BA18 BB04 BB07 DA02 DA03 DB02 DB03 DB07 JA01 JA04 5F110 AA01 BB02 BB04 CC02 DD01 DD02 DD03 DD13 DD14 DD15 DD17 EE04 EE06 EE09 EE14 EE15 EE23 EE44 EE45 FF02 FF04 FF09 FF28 FF30 GG01 GG02 GG13 GG24 GG25 GG32 GG43 GG45 GG47 HJ01 HJ04 HJ12 HJ23 HL04 HL06 HL07 HL11 HL22 HL23 HM15 NN03 NN04 NN22 NN23 NN24 NN27 NN32 NN35 NN36 NN72 PP03 PP04 PP05 PP23 PP24 QQ04 QQ11 QQ24 QQ25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザーと、前記レーザーから発振されたレーザー光のビーム形状を
ステージ上で線状に成形し、かつ、前記ステージ上で前
記線状に成形されたレーザー光を回転させ長軸方向を設
定する手段と、前記ステージ上で線状に成形され長軸方向を設定された
レーザー光をステージ上でピントを合わす手段と前記ス
テージ上でピントが合わされたレーザー光を走査する手
段とを有することを特徴とするレーザー処理装置。
【請求項２】請求項１において、前記線状に成形し、か
つ、前記長軸方向を設定する手段はシリンドリカルレン
ズであることを特徴とするレーザー処理装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記走査
する手段はガルバノミラーであることを特徴とするレー
ザー処理装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか一において、前
記ステージ上でピントを合わす手段はｆ−θレンズであ
ることを特徴とするレーザー処理装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか一において、前
記レーザーは連続発振型のレーザーであることを特徴と
するレーザー処理装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれか一において、前
記線状に成形し、かつ、前記長軸方向を設定する手段は
２枚のシリンドリカルレンズであることを特徴とするレ
ーザー処理装置。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれか一において、前
記レーザーと前記ステージとの間に計算機ホログラムが
設置されていることを特徴とするレーザー処理装置。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれか一において、前
記レーザーと前記ステージとの間にアイソレーターが設
置されていることを特徴とするレーザー処理装置。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれか一において、反
射光を吸収するためのダンパーが設置されていることを
特徴とするレーザー処理装置。