JPH0963984A - レーザーアニール方法およびレーザーアニール装置 - Google Patents
レーザーアニール方法およびレーザーアニール装置Info
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- JPH0963984A JPH0963984A JP23330695A JP23330695A JPH0963984A JP H0963984 A JPH0963984 A JP H0963984A JP 23330695 A JP23330695 A JP 23330695A JP 23330695 A JP23330695 A JP 23330695A JP H0963984 A JPH0963984 A JP H0963984A
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Abstract
そりが生じたガラス基板に対し、均一なレーザー照射を
行い、ガラス基板上に形成される複数の結晶性シリコン
TFTにおいて、基板面内において均一なしきい値を有
せしめる。 【構成】 ガラス基板上に形成されたアモルファスシリ
コン膜を、加熱結晶化させて結晶性シリコン膜とする工
程と、前記ガラス基板をステージ上で平坦化して載置す
る工程と、前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザー
ビームを走査しながら照射してレーザーアニールを行う
工程と、を有することを特徴とするレーザーアニール方
法である。
Description
リコン膜に対するレーザーアニール方法および装置に関
する。本発明は、ガラス基板上に形成されたアモルファ
スシリコン膜を熱結晶化して得られる結晶性シリコン膜
に対する、レーザーアニール方法および装置に関する。
(活性領域ともいう)を有する絶縁ゲイト型の半導体装
置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイト型
トランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ(TFT)が
熱心に研究されている。これらは、利用する半導体の材
料・結晶状態によって、アモルファスシリコン(非晶質
珪素)TFTや結晶性シリコン(結晶性珪素)TFTと
言うように区別されている。結晶性シリコンとは言って
も、単結晶ではない非単結晶のものである。したがっ
て、これらは非単結晶シリコンTFTと総称される。
動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるTF
Tには利用できない。また、アモルファスシリコンで
は、P型の電界移動度は著しく小さいので、Pチャネル
型のTFT(PMOSのTFT)を作製することが出来
ず、したがって、Nチャネル型TFT(NMOSのTF
T)と組み合わせて、相補型のMOS回路(CMOS)
を形成することができない。一方、結晶性半導体は、ア
モルファス半導体よりも電界移動度が大きく、したがっ
て、高速動作が可能である。結晶性シリコンでは、NM
OSのTFTだけでなく、PMOSのTFTも同様に得
られるのでCMOS回路を形成することが可能である。
法によって得られたアモルファスシリコン膜を長時間適
切な温度(通常は600℃以上)で熱アニールするか、
レーザー等の強光を照射すること(光アニール)によっ
て得られた。しかしながら、絶縁基板として安価で加工
性に富むガラス基板を用いる場合、熱アニールのみで電
界移動度の十分に高い(CMOS回路を形成することが
可能な程度に高い)結晶性シリコン膜を得ることは困難
を極めた。というのは、前述のようなガラス基板は一般
に歪み点温度が低く(600℃程度)、移動度が十分に
高い結晶性シリコン膜を得るために必要な温度まで、基
板温度を高めることができないからである。
膜の結晶化に光アニールを用いる場合、基板の温度をあ
まり高めることなく、シリコン膜にのみ高いエネルギー
を与えることが可能である。よって、ガラス基板をベー
スにしたシリコン膜の結晶化には、光アニールの技術が
非常に有効であると考えられる。今のところ、光アニー
ルの光源としては、エキシマレーザーのごとき大出力パ
ルスレーザーが最適視されている。このレーザーの最大
エネルギーはアルゴンイオン・レーザー等の連続発振レ
ーザーに比べ非常に大きく、したがって、数cm2 以上
の大きなスポットを用いて、より量産性を上げることが
できた。しかしながら、通常用いられる正方形もしくは
長方形の形状のビームでは、1枚の大きな面積の基板を
処理するには、ビームを上下左右に移動させる必要があ
り、量産性の面で依然として改善する余地があった。
ビームの幅を処理すべき基板を越える長さとし、このビ
ームを基板に対して相対的に走査することによって、大
きく改善できた(ここでいう走査とは、線状レーザーを
すこしずつずらして重ねながら照射することを言う)。
詳細は特開平5ー112355号公報に記されている。
でさらに結晶性の高いシリコン膜を作成できる。熱アニ
ールによる方法に関しては、特開平6ー244104号
公報に記述されるように、ニッケル、鉄、コバルト、白
金、パラジュウム等の元素(以下、結晶化触媒元素、ま
たは、単に、触媒元素という)がアモルファスシリコン
の結晶化を促進する効果を利用することにより、通常の
場合よりも低温・短時間の熱アニールにより結晶性シリ
コン膜を得ることができる。
ニールを行って形成された結晶性シリコン膜を用いて、
マトリクス状に並んだTFTを形成し、それらのしきい
値電圧の基板面内における分布を調べた。図2に、従来
の方法によって形成された結晶性シリコン膜を用いたT
FTのしきい値の基板面内における分布を示す。この分
布は、図2に示されたようなU字状の分布となる。図4
に、ガラス基板上のTFTの配置を示す。図2のデータ
は、図4に示すように、100mm□のコーニング70
59基板上の、40×50mmの領域に、TFTを、4
00×300個マトリクス状に配置し、基板の中央部分
における、端から端までの横一列・400個のTFT
(図4中点線で囲んだ部分)の各々の場所と対応して横
軸としている。例えば、液晶ディスプレイの画素部分を
構成する画素マトリクスが図2のようなしきい値電圧の
分布を持っていると、表示状態が不均一となり、画像不
良の原因となる。
うなU字分布を示す原因を本出願人が追究した結果、該
U字分布の傾向が、レーザー照射直前の基板のそりと酷
似していることをつきとめた。また、この基板のそり
は、アモルファスシリコン膜成膜直後のガラス基板には
見られず、その後の熱処理工程(これにより膜が固相成
長を起こし、結晶化する)で、該熱処理終了後、基板を
冷却する際に、シリコン膜がガラス基板よりも大きく収
縮をおこすために生じるそりであることが明らかとなっ
た。このそりは、基板成膜面からみて、凹に生じる。
コン膜に対してレーザーアニールを行う様子を示す。図
3にみられるように、このようなそりのある状態でレー
ザーアニールを行うと、レーザーの焦点が基板の場所々
々で異なるずれ方をする。このずれが、シリコン膜の結
晶性の度合いを基板面内において異ならしめ、その結
果、しきい値電圧が基板面内において特定の分布を示す
原因となっていると考えられる。なお、100mm角で
ある該基板のレーザー照射直前のそりは基板中央部分と
端の部分とで50μm程度の差であった。このそりの程
度は上記熱処理工程の温度、処理に要した時間、あるい
は基板の材質等に依存するが、だいたい20〜200μ
mの範囲に収まった。基板の大きさが500mm角程度
になると、そのそりは1〜2mm程度となることもあ
る。
照射面に対して均一なレーザー照射を行うことを目的と
する。
の結晶性シリコンTFTにおいて、基板面内において均
一なしきい値を有せしめることを目的とする。
ーザーアニールを、ガラス基板上のアモルファスシリコ
ン膜を熱結晶化して形成された結晶性シリコン膜に対し
て行うに際し、該結晶性シリコン膜に、基板面内におい
て均一な結晶性を有せしめ、また、該膜を用いて基板面
内において均一なしきい値電圧を有する複数の結晶性シ
リコンTFTを作製する方法および装置を提供すること
を目的とする。
に、本発明の構成の一つは、ガラス基板をステージ上で
平坦化して載置する工程と、前記ガラス基板上の被照射
面に対し、線状レーザービームを走査しながら照射して
レーザーアニールを行う工程と、を有することを特徴と
するレーザーアニール方法である。
に形成されたアモルファスシリコン膜を、加熱結晶化さ
せて結晶性シリコン膜とする工程と、前記ガラス基板を
ステージ上で平坦化して載置する工程と、前記結晶性シ
リコン膜に対し、線状レーザービームを走査しながら照
射してレーザーアニールを行う工程と、を有することを
特徴とするレーザーアニール方法である。
に形成されたアモルファスシリコン膜を、加熱結晶化さ
せて結晶性シリコン膜とする工程と、前記ガラス基板下
面を、平坦面を構成するステージの前記平坦面上に、密
着させて、前記ガラス基板を載置する工程と、前記結晶
性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走査しなが
ら照射してレーザーアニールを行う工程と、を有するこ
とを特徴とするレーザーアニール方法である。
に形成されたアモルファスシリコン膜を、加熱結晶化さ
せて結晶性シリコン膜とする工程と、前記ガラス基板下
面を、平坦面を構成するステージの前記平坦面上に、真
空吸着により密着させて、前記ガラス基板を載置する工
程と、前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービー
ムを走査しながら照射してレーザーアニールを行う工程
と、を有することを特徴とするレーザーアニール方法で
ある。
に形成されたアモルファスシリコン膜を、加熱結晶化さ
せて結晶性シリコン膜とする工程と、前記ガラス基板上
面の周辺部を押圧して、前記ガラス基板下面を、平坦面
を構成するステージの前記平坦面上に密着させて、前記
ガラス基板を載置する工程と、前記結晶性シリコン膜に
対し、線状レーザービームを走査しながら照射してレー
ザーアニールを行う工程と、を有することを特徴とする
レーザーアニール方法である。
平坦化して載置する手段を有するステージと、前記ガラ
ス基板の被照射面に対し、線状レーザービームを走査し
ながら照射する手段と、を有することを特徴とするレー
ザーアニール装置である。
載置する平坦面、および前記ガラス基板の下面を、前記
平坦面に密着させる手段とを有するステージと、前記ガ
ラス基板の被照射面に対し、線状レーザービームを走査
しながら照射する手段と、を有することを特徴とするレ
ーザーアニール装置である。
晶化された結晶性シリコン膜を有するガラス基板を、平
坦化して載置する手段を有するステージと、前記ガラス
基板上の結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービーム
を走査しながら照射する手段と、を有することを特徴と
するレーザーアニール装置である。
晶化された結晶性シリコン膜を有するガラス基板を載置
する平坦面、および前記ガラス基板の下面を、前記平坦
面に密着させる手段とを有するステージと、前記結晶性
シリコン膜に対し、線状レーザービームを走査しながら
照射する手段と、を有することを特徴とするレーザーア
ニール装置である。
晶化された結晶性シリコン膜を有するガラス基板を載置
する平坦面、および前記ガラス基板の下面を、前記平坦
面に真空吸着させる手段とを有するステージと、前記結
晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走査しな
がら照射する手段と、を有することを特徴とするレーザ
ーアニール装置である。
晶化された結晶性シリコン膜を有するガラス基板を載置
する平坦面、および前記ガラス基板上面の周辺部を押圧
する手段とを有するステージと、前記結晶性シリコン膜
に対し、線状レーザービームを走査しながら照射する手
段と、を有することを特徴とするレーザーアニール装置
である。
結晶性シリコン膜は、少なくとも一部に、イオンドーピ
ング等により、不純物が添加されたものであってもよ
い。
レーザービームの光源として、パルスレーザー、好まし
くはエキシマレーザーを用いるものである。
ルファスシリコン膜を熱結晶化して得られる、結晶性シ
リコン膜、あるいは該結晶性シリコン膜を、パターニン
グ、加工、整形したもの、あるいは、これらに不純物が
添加されたものに対して、線状レーザービームを走査し
てレーザーアニールを施すに際し、熱結晶化工程により
生じたガラス基板のそりを、ガラス基板を載置するステ
ージ上にて、強制的に平坦化した状態でレーザーアニー
ルを行うものである。
とは、ガラス基板をステージ上に設置した状態におい
て、なんらかの外的な力をガラス基板に加えて、ガラス
基板の有するそりが小さくなるように、矯正することで
ある。ガラス基板の平坦化は、ガラス基板上の結晶性シ
リコン膜に対して、線状レーザービームを用いて均質に
アニールできる程度になされる。すなわち、レーザーア
ニール後において、結晶性シリコン膜が有する結晶性
が、要求されるレベルに均質化される範囲内となるよう
に、ガラス基板上の結晶性シリコン膜が有する面内高低
差が、減少されればよい。
に、平坦面を有するステージの、該平坦面に、ガラス基
板を吸着させる、ガラス基板上の周辺部を押圧(加圧)
する等を行う。また、このような平坦化、矯正の手段
を、レーザーアニール装置のステージに付加する。
ることで、ガラス基板自体がそりを有しているにもかか
わらず、線状レーザービームは、被照射面である結晶性
シリコン膜に対し、焦点がずれることなく均一に照射さ
れる。その結果、基板面内において均一、均質な結晶
性、移動度を有する結晶性シリコン膜を得ることができ
る。
たガラス基板上の結晶性シリコン膜に対し、ガラス基板
のそりが無視できる程度に矯正して、線状レーザービー
ムを照射することができる。したがって、被照射面にお
いて線状レーザービームの焦点がずれることを防ぎ、結
果として線状レーザービームを走査してレーザーアニー
ルを施しても、均一な結晶化を行わしめ、該膜を用いて
形成されたTFTのしきい値電圧を、基板面内において
均一化できる。ガラス基板が大きくなるほど、そりの程
度も激しくなるため、本発明の効果は、ガラス基板が大
きくなるほど顕著となる。以下に実施例を示す。
いて本実施例を説明する。まず、ガラス基板(本実施例
では100mm角のコーニング7059を用いる。他の
ガラス、例えば、コーニング1737、OA2、NA4
5等を用いてもよい。)101上に厚さ2000Åの下
地酸化珪素膜102と、そのさらに上に厚さ500Åの
アモルファスシリコン膜103をプラズマCVD法によ
り連続的に成膜した。そして、10ppmの酢酸ニッケ
ル水溶液をシリコン表面に塗布し、スピンコート法によ
り酢酸ニッケル層を形成した。酢酸ニッケル水溶液には
界面活性剤を添加するとよりよかった。酢酸ニッケル層
は極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、
以後の工程に於ける問題はない。(図9(A))
ことにより、シリコン膜を結晶化させる。このとき、ニ
ッケルが結晶の核の役割を果たし、シリコン膜の結晶化
を促進させる。550℃、4時間という低温(コーニン
グ7059の歪み点温度以下)、短時間で処理できるの
はニッケルの機能による。詳細については特開平6ー2
44104号公報に記されている。触媒元素の濃度は、
1×10の15〜1×1019原子/cm3 であると好まし
かった。1×1019原子/cm3 以上の高濃度ではシリ
コンに金属的性質が表れて、半導体特性が消滅してしま
った。本実施例記載のシリコン膜中の触媒元素の濃度
は、膜中における最小値で1×1017〜5×1018原子
/cm3 であった。なお、これらの値は、2次イオン質
量分析法(SIMS)により分析、測定したシリコン膜
中の触媒元素の濃度の最小値である。このようにして、
結晶性シリコン膜が得られる。
膜が設けられている面側にそり、凹型になっている。こ
こでは、基板の中心部と周辺部とにおいて、約50μm
程度の高低差を有している。そりの程度は、ガラス基板
の大きさや厚さ、種類により異なる。
の結晶性をさらに高めるために、大出力パルスレーザー
であるエキシマレーザーを該膜に照射する。以下に本実
施例で用いるレーザーアニール装置について説明する。
図6には本実施例で使用するレーザーアニール装置の概
念図を示す。図6のレーザーアニール装置は、マルチチ
ャンバー方式であり、ローダー/アンローダー室から搬
入され、アライメント室にて位置決めされた基板を、ト
ランスファー室を介して、該トランスファー室に設けら
れた基板搬送用ロボットにより、各室に運び、基板毎に
連続して処理されるものである。基板は、初めに熱処理
室に搬入され、予備加熱等の熱処理の後、レーザーアニ
ール室にてレーザーアニールが施され、その後徐冷室に
運ばれて徐冷ののち、ローダー/アンローダー室へと移
動して、外に出される。
密閉性を有しており、不純物による汚染を防いでいる。
また、レーザー照射時の雰囲気制御機能を有している。
また、基板を加熱する機能も有しており、レーザー照射
時の被照射物を所望の温度に保つことができる。また、
ここでは、大気圧でレーザー照射が行われる。もちろ
ん、真空、他の圧力で行うことも可能である。
社製3000−308を用いた。発振されるレーザー光
は、XeClエキシマレーザー(波長308nm、パル
ス幅26ns)である。勿論、他のエキシマレーザーさ
らには他の方式のレーザーを用いることもできる。ただ
し、パルス発振のレーザー光を用いる必要がある。
の変形のために、図7に示すような光学系に導入され
る。図7に光学系の例を示す。光学系に入射する直前の
レーザー光のビームは、3×2cm2 程度の長方形である
が、該光学系によって、長さ10〜30cm、幅0.01〜0.
3 cm程度の細長いビーム(線状ビーム)に加工される。
本光学系を経たレーザー光のエネルギーは、最大で10
00mJ/ショットである。
工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線
状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの長
さが試料の幅よりも長ければ、試料を1方向に移動させ
ることで、試料全体に対してレーザー光を照射すること
ができる。一方、ビームの長さが試料の幅よりも短い場
合でも、長方形のビームと比較すると加工の手間がかか
らない。しかし、この場合、ビームを、試料に対して相
対的に、上下左右に動かす必要性が生じる。
テージ(台)はコンピュータにより制御されており線状
レーザービームの線方向に対して直角方向(図7、h方
向)に動くよう設計されている。さらに、該ビームの線
方向に対して動く機能をステージにつけておくと、ビー
ム長が試料に対して短い場合でも、試料全体に対するレ
ーザー加工が可能となる。
光学系の内部の光路(図7)の説明をする。レーザー光
源aから発振され、光学系に入射したレーザー光は、ま
ず、フライアイレンズb、cを通過する。さらに、第1
のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レン
ズd、線状化させるビームの線方向の均質性を良くする
ために設けられる第2のシリンドリカルレンズとして、
シリンドリカル凸レンズeを通過し、ミラーfを介し
て、シリンドリカルレンズgによって集束され、試料に
照射される。光路長は、レーザー光源からミラーgまで
の距離が、2000mm、ミラーfから被照射面までの
距離は、440mmを有する。シリンドリカルレンズg
には、焦点距離が100mmの物を用いる。光学系は、
本発明に必要なビームに変形できればどの様なものでも
良い。
らず、図8に示すような、レンズB、C(ビームエキス
パンダ)を具備するものを用いてもよい。
部分でのビーム面積は150mm×0.4mmとする
(ビームの線幅はエネルギーの最大値に対する半値
幅)。またレーザービームの線幅方向のエネルギー分布
は、一般的に使用される矩形を用いる。レーザービーム
の線幅方向のエネルギー分布の形を、周辺部(線幅の周
辺部)においてシャープにするには、レーザー光路の途
中にスリットをいれるとよい。例えば、図7において
は、シリンドリカルレンズeの後が好ましく、例えば、
シリンドリカルレンズeと、ミラーfとの間、あるい
は、シリンドリカルレンズgと被照射面の間等に、スリ
ットは設置される。
基板は、レーザーアニール装置のステージ(台)に、強
制的に平坦化されて固定される。ガラス基板のそりを修
正するために、線状レーザービーム照射時においてガラ
ス基板を載置する、平坦面を構成するステージに、ガラ
ス基板を平坦化して載置する手段を設ける。
ラス基板をステージに平坦化して載置、固定させるため
の手段の例として、例えば、図10(a)は、ステージ
201の上面に複数の吸引口202が設けられている。
吸引口202は穴であるが、吸引口202の無い箇所
は、平坦面を構成している。図10(b)は、ステージ
211の上面に、溝212が設けられている。この溝2
12は、ステージ中心部の吸引口213に通じており、
溝212の無い箇所において、平坦面を構成している。
図10(c)は、ステージ221上面に、複数の突起2
22が設けられ、これら突起222の上面、およびステ
ージの周辺部が、平坦面を構成している。また、吸引口
223から真空引きされる。図10(a)〜(c)に示
したものは、いずれも、吸引口から真空引きされ、ガラ
ス基板が平坦面上に真空吸着される。こうして、ガラス
基板はその下面がステージの平坦面に密着する。そし
て、このままの状態でレーザーアニールを行う。
る部分を除いて平坦であるため、このような平坦な上面
に密着したガラス基板は、ステージの平坦面に従い、平
坦化される。この、真空吸着する方法は、ガラス基板の
設置、取外しが、極めて容易かつ短時間で済む。また、
ガラス基板表面上の、レーザービームの照射を妨げる障
害物等は皆無であるため、ガラス基板表面の全面に対
し、むらなくレーザー照射を行うことができる。
であるほど好ましいが、平坦面上に載置されるガラス基
板上の結晶性シリコン膜に対して、線状レーザービーム
を用いて、要求されるレベルの均質性を有するようにア
ニールできればよい。例えば、ガラス基板上の被照射面
の面内高低差が、少なくともレーザービームの焦点深度
以下となるような平坦面とする。
は、上述のような吸着による方法に限らず、ガラス基板
を平坦化し、かつレーザーアニールを行うことができる
ならばどんな方法を用いても構わない。他に、例えば、
図10(d)に示すように、ガラス基板101上面の周
辺部、あるいは端部を、おさえ232によってステージ
231の平坦面に機械的に押さえつけて押圧(加圧)
し、その状態でレーザーアニールを行ってもよい。この
場合、真空吸着よりも強い力でガラス基板を平坦化させ
ることが可能であるため、真空吸着では十分に平坦化で
きない程強く反った基板に対しても、容易に平坦化する
ことができる。もちろん、図10(d)に示すような方
法と、前述の吸着による方法とを併用しても構わない。
また、ステージの材質は、石英、金属、セラミックス等
が、耐熱性が高く、かつ平坦度を高く保てるため、好ま
しい。
るステージを用いる。図10(a)に示す吸引口202
は、ここでは、直径約1mm程度を有し、10mm間隔
で設けられている。当該ガラス基板101を、結晶性シ
リコン膜103が形成されている面を上にして、ステー
ジ201の平坦面上に置き、吸引口202から真空引き
し、ガラス基板をステージ上に密着させる。ステージ2
01の平坦面に従い、ガラス基板も、ステージ平坦面の
面内高低差と同程度に平坦化される。
単にステージ上に置くだけではなく、置いた後、基板上
面、特に周辺部上面に押圧を加えた状態で真空引きし、
ステージに密着させてもよい。例えば、図10(d)に
示す、おさえ232を設けて、これによりガラス基板1
01周辺部上面を押圧させ、真空引きし、ガラス基板を
密着させた後、おさえを外し、その後レーザーアニール
を行ってもよい。
ス基板101上に形成されたアモルファスシリコン膜を
熱結晶化して結晶性シリコン膜103を得て、徐冷の後
に、当該ガラス基板101にはそりが生じる。図1
(a)に示すように、当該ガラス基板101はステージ
201上に載置される。図1(b)に示すように、そり
を有するガラス基板101は、ステージ2011に設け
られたガラス基板を平坦化して載置する手段、ここでは
吸引口202により、そりが強制的に矯正されて、平坦
化して載置される。載置されたガラス基板は、面内高低
差が約5μm程度に平坦化される。
坦化されているガラス基板上の結晶性シリコン膜103
に対し、線状レーザービーム走査しながら照射する。こ
のように、ガラス基板が平坦に載置されることで、ガラ
ス基板自体がそり有しているにもかかわらず、線状レー
ザービームは、被照射面である結晶性シリコン膜に対
し、焦点がずれることなく均一に照射される。
cm2 〜500mJ/cm2 の範囲で、例えば370m
J/cm2 で、照射を行なう。この照射の前に、220
mJ/cm2 程度のエネルギーで照射をしておく2段階
照射とすると、さらに結晶性が上がる。レーザー照射
は、線状レーザービームを被照射物すなわち結晶性シリ
コン膜に対し相対的にずらしながら照射を行う。線状レ
ーザーをずらしていく方向は線状レーザーと概略直角
(図7、h方向)とする。このとき、被照射物の1点に
注目すると、2〜40ショット、例えば32ショットの
レーザー光が照射されるようにする。また、レーザー照
射時の基板温度は200℃とする。(図9(B))
される。作製された結晶性シリコン膜は、基板面内にお
ける移動度のばらつきが、±10%以内となり、十分に
均質な結晶性シリコン膜となる。一方、本実施例で示し
た平坦化工程を経ずにレーザーアニールした結晶性シリ
コン膜は、基板面内における移動度のばらつきが、±1
5〜40%程度と、十分な均質性が得られない。
を基に半導体装置を作成した。該半導体装置は上記結晶
性シリコン膜にマトリクス状に配置する。具体的には作
製面積40×50mm2 中に400×300個の薄膜ト
ランジスタを作製する。まず、シリコン膜をエッチング
して、島状シリコン領域105を形成した。次に、プラ
ズマCVD法によって厚さ1200Åの酸化珪素膜10
6をゲイト絶縁膜として堆積した。プラズマCVDの原
料ガスとしては、TEOSと酸素を用いた。成膜時の基
板温度は250〜380℃、例えば、300℃とした。
000〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム
膜(0.1〜2%のシリコンを含む)を堆積した。そし
て、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極10
7を形成した。(図9(C))
コン領域にゲイト電極をマスクとして不純物(ボロン)
を注入した。ドーピングガスとして、水素で1〜10%
に希釈されたジボラン(B2 H6 )、例えば5%のもの
を用いた。加速電圧は60〜90kV、例えば65k
V、ドーズ量は2×1015〜5×1015原子/cm2 、
例えば、3×1015原子/cm2 とした。イオンドーピ
ング時の基板温度は室温とした。この結果、P型の不純
物領域108(ソース)、109(ドレイン)が形成さ
れた。(図9(D))
するために、同じレーザーアニール装置を用いて、再び
レーザーアニールを行なった。このとき、同様にガラス
基板をステージに密着させ、平坦化する。レーザーのエ
ネルギー密度は100〜350mJ/cm2 、例えば、
250mJ/cm2 とした。この照射の前に、170m
J/cm2 程度のエネルギーで照射をしておくとさらに
結晶性が上がった。レーザー照射の方法は以下のように
する。すなわち、線状レーザービームを被照射物に対し
相対的にずらしながら照射を行う。線状レーザーをずら
していく方向は線状レーザーと概略直角とした。このと
き、被照射物の1点に注目すると、2〜20ショットの
レーザー光が照射されるようにした。また、レーザー照
射時の基板温度は200℃とした。その後、窒素雰囲気
中で2時間、350℃の熱アニールを行った。(図9
(E))
0を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成
し、これにコンタクトホールを開孔した。そして、金属
材料、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜によって
TFTのソース、ドレインの電極・配線111、112
を形成した。最後に、1気圧の水素雰囲気で200〜3
50℃の熱アニールを行なった。(図9(F))
シリコン膜を用いたTFTのしきい値の基板面内におけ
る分布を示す。図5において、図5の横軸は図2と同
様、図4に示すTFTの場所(図4において点線で囲っ
た部分)と対応している。図5に示すように、本実施例
において作製されTFTは、基板面内において均一なし
きい値を有しており、従来例、すなわち、いずれのレー
ザー照射(アニール)の工程でも基板の吸着を行わずに
作製した、マトリクス状に並んだTFTのしきい値電圧
の分布である図2と比較すると、明らかに図5の方が、
基板面内において、均一なしきい値電圧を有しているこ
とがわかる。
ール装置が、実施例1とは異なる光学系の配列およびス
テージの構成を用いた例を示す。実施例1と同様、図9
に従い、ガラス基板(本実施例では300×300mm
角、厚さ0. 7mmのコーニング1737を用いる。無
論、その他のガラス基板を用いても良い。例えば、コー
ニング7059、OA2 、NA45等。)101上に厚さ20
00Åの下地酸化珪素膜102と、そのさらに上に厚さ
500Åのアモルファスシリコン膜103を プラズマ
CVD法により連続的に成膜する。そして、10ppm
の酢酸ニッケル水溶液をシリコン表面に塗布し、スピン
コート法により酢酸ニッケル層を形成する。酢酸ニッケ
ル水溶液には界面活性剤を添加するとよりよかった。酢
酸ニッケル層は極めて薄いので、膜状となっているとは
限らないが、以後の工程に於ける問題はない。(図9
(A))
間熱アニールすることにより、シリコン膜を結晶化させ
る。このとき、ニッケルが結晶の核の役割を果たし、シ
リコン膜の結晶化を促進させる。なお、コーニング17
37基板の歪み点温度は667℃であり、上記550℃
のアニール温度は歪み点温度以下である。上記熱結晶化
後、該ガラス基板を徐冷すると、シリコン膜が収縮し、
基板には凹型のそりが生じる。
1737の歪み点温度以下)、短時間で処理できるのは
ニッケルの機能による。詳細については特開平6ー24
4104号公報に記されている。該公報では、熱アニー
ルの際の温度がガラス基板の歪み点温度を越えないよ
う、例えば550℃(歪み点温度以下)、4時間の熱ア
ニールを行うよう明記してあるが、この温度は熱結晶化
の際に、ガラス基板の著しい変形をさけるために定めた
ものである。
子/cm3 であると好ましかった。1×1019原子/c
m3 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れて、
半導体特性が消滅してしまった。本実施例記載のシリコ
ン膜中の触媒元素の濃度は、膜中における最小値で1×
1019〜5×1018原子/cm3 であった。なお、これ
らの値は、2次イオン質量分析法(SIMS)により分
析、測定したシリコン膜中の触媒元素の濃度の最小値で
ある。このようにして、結晶性シリコン膜が得られる。
膜が設けられている面側にそり、凹型になっている。こ
こでは、ガラス基板の中心部と周辺部とにおいて、約2
00μm程度の高低差を有している。そりの程度は、ガ
ラス基板の大きさや厚さ、種類により異なる。
の結晶性をさらに高めるために、大出力パルスレーザー
であるエキシマレーザーを該膜に照射する。レーザーア
ニール装置は、実施例1と同様に、図6に示す構成を有
する。
8を用いた。発振されるレーザー光は、KrFエキシマ
レーザー(波長248nm、パルス幅25ns)であ
る。勿論、他のエキシマレーザーさらには他の方式のレ
ーザーを用いることもできる。ただし、パルス発振のレ
ーザー光を用いる必要がある。
の変形のために、図8に示すような光学系に導入され
る。図8に光学系の例を示す。光学系に入射する直前の
レーザー光のビームは、3×2cm2 程度の長方形である
が、該光学系によって、長さ10〜30cm、幅0.01〜0.
3 cm程度の細長いビーム(線状ビーム)に加工される。
本光学系を経たレーザー光のエネルギーは、最大で80
0mJ/ショットである。
工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線
状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの長
さが試料の幅よりも長ければ、試料を1方向に移動させ
ることで、試料全体に対してレーザー光を照射すること
ができる。一方、ビームの長さが試料の幅よりも短い場
合でも、長方形のビームと比較すると加工の手間がかか
らない。しかし、この場合、ビームを、試料に対して相
対的に、前後左右に動かす必要性が生じる。
テージ(台)はコンピュータにより制御されており線状
レーザービームの線方向に対して直角(図8、I方向)
に動くように設計されている。さらに、該ビームの線方
向に対して動く機能をステージにつけておくと、ビーム
の長さが試料に対して短い場合でも、試料全体に対する
レーザー加工が可能となる。
光学系の内部の光路(図8)の説明をする。該光学系に
入射したレーザー光は、シリンドリカル凹レンズB、シ
リンドリカル凸レンズC(レンズB、Cを総称してビー
ムエキスパンダと呼ぶ)、フライアイレンズD、D2を
通過する。さらに、第1のシリンドリカルレンズとし
て、シリンドリカル凸レンズE、線状化させるビームの
線方向の均質性を良くするために設けられる第2のシリ
ンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズFを
通過し、ミラーGを介して、シリンドリカルレンズHに
よって集束され、被照射面に照射される。レーザー光源
とシリンドリカルレンズB間が230mm、フライアイ
レンズD、D2間が230mm、フライアイレンズDと
シリンドリカルレンズEとの間が650mm、シリンド
リカルレンズFと被照射面との間が650mm(それぞ
れ各レンズの焦点距離の和)とした。もちろん、これら
は、状況に応じて変化させうる。シリンドリカルレンズ
Hには、焦点距離が120mmの物を用いる。
布の形を、周辺部(線幅の周辺部)においてシャープに
するには、レーザー光路の途中にスリットをいれるとよ
い。例えば、図8においては、シリンドリカルレンズE
の後が好ましく、例えば、シリンドリカルレンズFと、
ミラーGとの間、あるいは、シリンドリカルレンズHと
被照射面の間等に、スリットは設置される。光学系は、
本発明に必要なビームに変形できればどの様なものでも
良い。
部分でのビーム面積は300mm×1mmとする。ビー
ムの線幅は、レーザービームのエネルギー最高値の半値
幅としている。
ガラス基板は、レーザーアニール装置のステージ(台)
に、強制的に平坦化されて固定される。ここでは、図1
0(d)に示す構成を有するステージを用いる。図10
(d)において、ここでは、おさえ232は、セラミッ
クにより構成されている。他に金属、石英等でもよい。
耐熱性が高く、熱膨張しにくい材質が望ましい。おさえ
232は、ガラス基板101が搬送されて、ステージ2
31上に載置されると、自動的にガラス基板101の上
面周辺部を押圧して押さえ、ガラス基板101をステー
ジに密着させて固定する。ガラス基板101は、ステー
ジ231の平坦面に従って平坦化され、固定される。平
坦化されたガラス基板は、面内高低差が約10μmとな
る。
されたガラス基板に対し、レーザー照射を行う。レーザ
ー照射は、線状レーザービームを被照射物すなわち結晶
性シリコン膜に対し相対的にずらしながら照射を行う。
線状レーザーをずらしていく方向は線状レーザーと概略
直角(図8、I方向)とする。このとき、被照射物の1
点に注目すると、2〜20ショット、例えば15ショッ
トのレーザー光が照射されるようにする。レーザーのエ
ネルギー密度は100mJ/cm2 〜500mJ/cm
2 の範囲で、例えば370mJ/cm2 で、照射を行な
う。この照射の前に、220mJ/cm2 程度のエネル
ギーで照射をしておく2段階照射とすると、さらに結晶
性が上がる。また、レーザー照射時の基板温度は200
℃とする。(図9(B))
気中で照射を行う。真空、アルゴン・ヘリウム等の不活
性ガス、水素、窒素等の雰囲気で行なってもよい。(図
9(B))
結晶性を有する結晶性シリコン膜が得られる。該結晶性
シリコン膜を用いて、この後、実施例1と同様にして、
薄膜トランジスタが作製される。このようにして、得ら
れたTFTのしきい値電圧は、ガラス基板の平坦化を行
わずに作製したTFTと比較して、しきい値電圧の分布
が、基板面内において極めて均一化された。
上の被照射面に対して均一なレーザー照射を行うことが
できる。本発明により、TFT作製過程に於いて、レー
ザーアニールの工程を導入しても、基板面内におけるし
きい値電圧が均一な、複数のTFTを作製することが可
能となる。特に、本発明は大面積のガラス基板上に多数
のTFTを作製する場合に有効である。このように、本
発明は工業上有益な物であると思われる。
ン膜を用いたTFTのしきい値の基板面内における分布
を示す図。
してレーザーアニールを行う様子を示す図。
を用いたTFTのしきい値の基板面内における分布を示
す図。
概念図を示す図。
Claims (17)
- 【請求項1】被照射面を有するガラス基板をステージ上
で平坦化して載置する工程と、 前記ガラス基板上の被照射面に対し、線状レーザービー
ムを走査しながら照射してレーザーアニールを行う工程
と、 を有することを特徴とするレーザーアニール方法。 - 【請求項2】ガラス基板上に形成されたアモルファスシ
リコン膜を、加熱結晶化させて結晶性シリコン膜とする
工程と、 前記ガラス基板をステージ上で平坦化して載置する工程
と、 前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走
査しながら照射してレーザーアニールを行う工程と、 を有することを特徴とするレーザーアニール方法。 - 【請求項3】ガラス基板上に形成されたアモルファスシ
リコン膜を、加熱結晶化させて結晶性シリコン膜とする
工程と、 前記ガラス基板下面を、平坦面を構成するステージの前
記平坦面上に、密着させて、前記ガラス基板を載置する
工程と、 前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走
査しながら照射してレーザーアニールを行う工程と、 を有することを特徴とするレーザーアニール方法。 - 【請求項4】ガラス基板上に形成されたアモルファスシ
リコン膜を、加熱結晶化させて結晶性シリコン膜とする
工程と、 前記ガラス基板下面を、平坦面を構成するステージの前
記平坦面上に、真空吸着により密着させて、前記ガラス
基板を載置する工程と、 前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走
査しながら照射してレーザーアニールを行う工程と、 を有することを特徴とするレーザーアニール方法。 - 【請求項5】ガラス基板上に形成されたアモルファスシ
リコン膜を、加熱結晶化させて結晶性シリコン膜とする
工程と、 前記ガラス基板上面の周辺部を押圧して、前記ガラス基
板下面を、平坦面を構成するステージの前記平坦面上に
密着させて、前記ガラス基板を載置する工程と、 前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走
査しながら照射してレーザーアニールを行う工程と、 を有することを特徴とするレーザーアニール方法。 - 【請求項6】請求項1〜5のいずれかにおいて、前記結
晶性シリコン膜は、少なくとも一部に不純物が添加され
たものであることを特徴とするレーザーアニール方法。 - 【請求項7】請求項1〜6のいずれかにおいて、前記線
状レーザービームは、パルスレーザーを光源とするもの
であることを特徴とするレーザーアニール方法。 - 【請求項8】請求項7において、パルスレーザーは、エ
キシマレーザーであることを特徴とするレーザーアニー
ル方法。 - 【請求項9】ガラス基板を平坦化して載置する手段を有
するステージと、 前記ガラス基板の被照射面に対し、線状レーザービーム
を走査しながら照射する手段と、 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10】ガラス基板を載置する平坦面、および前
記ガラス基板の下面を、前記平坦面に密着させる手段と
を有するステージと、 前記ガラス基板の被照射面に対し、線状レーザービーム
を走査しながら照射する手段と、 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11】加熱により結晶化された結晶性シリコン
膜を有するガラス基板を、平坦化して載置する手段を有
するステージと、 前記ガラス基板上の結晶性シリコン膜に対し、線状レー
ザービームを走査しながら照射する手段と、 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12】加熱により結晶化された結晶性シリコン
膜を有するガラス基板を載置する平坦面、および前記ガ
ラス基板の下面を、前記平坦面に密着させる手段とを有
するステージと、 前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走
査しながら照射する手段と、 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13】加熱により結晶化された結晶性シリコン
膜を有するガラス基板を載置する平坦面、および前記ガ
ラス基板の下面を、前記平坦面に真空吸着させる手段と
を有するステージと、 前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走
査しながら照射する手段と、 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14】加熱により結晶化された結晶性シリコン
膜を有するガラス基板を載置する平坦面、および前記ガ
ラス基板上面の周辺部を押圧する手段とを有するステー
ジと、 前記結晶性シリコン膜に対し、線状レーザービームを走
査しながら照射する手段と、 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15】請求項11〜14において、前記結晶性
シリコン膜は、少なくとも一部に不純物が添加されたも
のであることを特徴とするレーザーアニール装置。 - 【請求項16】請求項9〜15のいずれかにおいて、前
記線状レーザービームは、パルスレーザーを光源とする
ものであることを特徴とするレーザーアニール装置。 - 【請求項17】請求項16において、パルスレーザー
は、エキシマレーザーであることを特徴とするレーザー
アニール方法。
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US09/304,523 US6902616B1 (en) | 1995-07-19 | 1999-05-04 | Method and apparatus for producing semiconductor device |
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