JP2002231654A

JP2002231654A - レーザアニール方法及び装置

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Publication number: JP2002231654A
Application number: JP2001021032A
Authority: JP
Inventors: Norihito Kawaguchi; 紀仁河口; Miyuki Masaki; みゆき正木; Atsushi Yoshinouchi; 淳芳之内; Akitada Narimatsu; 明格成松; Toshitaka Ono; 俊孝大野; Tatsuo Fujiwara; 達男藤原; Hiroki Hirose; 宏樹広瀬
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2002-08-16
Anticipated expiration: 2021-01-30
Also published as: JP4974416B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ポリシリコン上に電極膜が成膜されている場
合でも、電極が成膜されている部分のポリシリコンも確
実に活性化処理することができ、これにより、ドーピン
グ後のシリコンの活性を最大限に高めることができ、か
つ処理時間が短く、基板の歪みのおそれも少ないレーザ
アニール方法及び装置を提供する。【解決手段】基板１上に形成された薄膜トランジスタ
２に基板側から基板を透過可能なレーザ光１０を照射し
て、薄膜トランジスタを構成するポリシリコン３を活性
化させる。基板１は、ガラス基板、プラスチック基板又
は石英基板であり、レーザ光１０の波長は、３００ｎｍ
以上，９００ｎｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ照射により
基板上のシリコン膜を加熱して結晶粒を成長させるレー
ザアニール方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エキシマレーザは、紫外線域で使用され
る高出力パルスレーザである。かかるエキシマレーザの
１つの応用として、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に用い
られる薄膜トランジスタ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａ
ｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）へのアニールが注目を集めて
おり、例えば特開平４−３７１４４号にエキシマレーザ
を照射して特性を改善する「薄膜トランジスタの作製方
法」が開示されている。

【０００３】図６は、エキシマレーザでアニールする低
温ポリシリコンＴＦＴの断面構造図である。一般に、シ
リコンの膜厚は２５〜１００ｎｍ、絶縁膜は二酸化シリ
コンや窒化シリコンで膜厚は５０〜３００ｎｍ、ゲート
電極はアルミやタングステン、その他が用いられる。

【０００４】エキシマレーザアニールが用いられるの
は、ポリシリコン膜の形成とコンタクト層の活性化であ
る。レーザ照射によりシリコン膜が溶融、結晶化してポ
リシリコンとなる。１度溶融過程を経るため高品質の膜
が形成される。エキシマレーザは紫外光パルスレーザで
あるため、レーザエネルギーは膜表面で吸収される。し
かもパルス幅が数１０ｎｓ程度であるためシリコンの溶
融時間は数１００ｎｓ程度となり下地のガラス基板への
影響がほとんどない。また他の低温形成法、例えば特開
昭６１−３２４１９号の「赤外線アニール方法」ではポ
リシリコン形成や活性化に１０００〜１２００℃前後の
高温で長時間アニールが必要となり、ガラス基板が歪ん
だり不純物の拡散が問題となったりするが、エキシマレ
ーザアニールによれば最高温度４００℃台での形成が可
能であり、このような問題がない。

【０００５】ＴＦＴの動作速度は移動度（単位ｃｍ²／
Ｖ・ｓ）で表される。ポリシリコンＴＦＴの移動度は、
１０〜６００ｃｍ²／Ｖ・ｓである。この移動度に幅が
あるのはそれが粒径と粒界の両方に依存するためであ
る。高い移動度を得るためには、粒内欠陥が少なく単結
晶に近いこと、低欠陥な粒界を形成することが必要であ
る。一般に粒径が大きく、粒界の欠陥が少ないほど高移
動度が得られる。

【０００６】図７は、従来のエキシマレーザアニール装
置の構成図である。使用されるエキシマレーザはＸｅＣ
ｌ，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＦ等である。レーザビームは
ビームホモジナイザーを中心とした光学系を通してチャ
ンバーへ導入される。チャンバー内はポンプ系、ガス系
により真空又はガス雰囲気にコントロールされる。ビー
ムの走査はステージか光学系の移動により行うようにな
っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図８は、低温ポリシリ
コンＴＦＴの製造プロセスを模式的に示している。この
図において、（１）でガラス基板の表面にアモルファス
シリコン（ａ−Ｓｉ）を形成し、（２）でａ−Ｓｉをポ
リシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）に変換すると共に、ドラ
イエッチングし、（３）で表面を絶縁被膜（ＳｉＯ₂）
で覆い、（４）で電極膜を形成し、（５）でドーピング
を行う。エキシマレーザアニールは、上記の（２）と
（５）でｐｏｌｙ−Ｓｉを加熱して、結晶の粒径を大き
くし、かつドーピングにより打ち込まれた不純物を拡散
させてシリコンとの結合を高め、高移動度を得るために
用いられる。

【０００８】しかし、上述した従来のエキシマレーザに
よる活性化処理では、図８（５）に示すように、ポリシ
リコン上に電極膜が成膜されているため、ＴＦＴ側から
の照射では電極が成膜されている部分のポリシリコンは
レーザの照射を受けないため活性化処理できない問題点
があった。そのため、ドーピング後のシリコンの活性を
最大限に高めることができなかった。

【０００９】更に、これを改善するために、ヒータによ
る活性化処理を行うと、窒素雰囲気で加熱可能な高温炉
による長時間加熱が必要となり、処理時間が長く煩雑と
なるばかりか、ガラス基板が歪んだり不純物が拡散しす
ぎる問題が発生する。

【００１０】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ポリ
シリコン上に電極膜が成膜されている場合でも、電極が
成膜されている部分のポリシリコンも確実に活性化処理
することができ、これにより、ドーピング後のシリコン
の活性を最大限に高めることができ、かつ処理時間が短
く、基板の歪みのおそれも少ないレーザアニール方法及
び装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、基板
（１）上に形成された薄膜トランジスタ（２）に基板側
から基板を透過可能なレーザ光（１０）を照射して、薄
膜トランジスタを構成するポリシリコン（３）を活性化
させる、ことを特徴とするレーザアニール方法が提供さ
れる。本発明の好ましい実施形態によれば、前記基板
（１）は、ガラス基板、プラスチック基板又は石英基板
であり、前記レーザ光（１０）の波長は、３００ｎｍ以
上，９００ｎｍ以下である。

【００１２】また、表面に薄膜トランジスタ（２）が形
成された基板（１）を水平に搬送する搬送装置（１２）
と、前記薄膜トランジスタを構成するポリシリコン
（３）に基板側から基板を透過可能なレーザ光（１０）
を照射するレーザ装置（１４）とを備え、薄膜トランジ
スタを構成するポリシリコンを活性化させる、ことを特
徴とするレーザアニール装置が提供される。本発明の好
ましい実施形態によれば、前記基板（１）は、ガラス基
板、プラスチック基板又は石英基板であり、前記レーザ
光（１０）の波長は、３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下
である。

【００１３】上記本発明の方法及び装置によれば、レー
ザ光（１０）が波長３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下の
可視レーザであるため、基板側から基板を透過して照射
ができ、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を構成するすべて
のポリシリコン（３）をアニール処理することができ
る。

【００１４】また、本発明の好ましい実施形態によれ
ば、前記レーザ光（１０）は、波長３０８ｎｍのエキシ
マレーザ、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長５２７
ｎｍのＹＬＦレーザ、波長４８８ｎｍ又は５１４．２ｎ
ｍのＡｒレーザ、波長５３２ｎｍのＹＶＯ₄レーザ、又
は波長５４３．５ｎｍのＨｅＮｅレーザである。これら
のレーザ光（１０）を用いることにより、波長３００ｎ
ｍ以上，９００ｎｍ以下のレーザ光を高出力かつ高効率
に基板を透過して照射することができる。

【００１５】前記搬送装置（１２）は、ガスにより基板
を浮上させて搬送するガススライダ装置（１５）を有す
ることが好ましい。

【００１６】この構成により、薄い（１〜２ｍｍ）基板
を無接触で支持し、その全面に基板側から基板を通して
レーザー光の照射ができ、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
を構成するすべてのポリシリコン（３）をアニール処理
することができる。

【００１７】また、前記搬送装置（１２）は、レーザ光
（１０）の照射位置近傍の基板に対してガスの吹付けと
吸引とを同時に行って基板の浮上高さを調整するガスベ
アリング（１６）を有する。このガスベアリング（１
６）で基板の水平精度をガス流量で調整し、レーザ光
（１０）の照射位置の基板の浮上高さを精密に調整する
ことができる。

【００１８】更に、レーザ光（１０）を照射する前の基
板を予熱するランプ加熱装置（１７）を備えるのがよ
い。このランプ加熱装置（１７）で基板を予熱すること
により、レーザ光（１０）の必要出力を低減することが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。

【００２０】図１は、本発明のレーザーアニール装置の
模式図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ矢
視図である。この図において、本発明のレーザーアニー
ル装置は、搬送装置１２及びレーザ装置１４を備える。

【００２１】搬送装置１２は、表面に薄膜トランジスタ
２（図示せず：図８参照）が形成された基板１をガスに
より浮上させて水平に搬送する。この際、基板１上の薄
膜トランジスタ２は図８のように上面に形成されてい
る。なお、基板１は、ガラス基板、プラスチック基板又
は石英基板であるのが良い。以下、基板１がガラス基板
である場合を説明する。また、レーザ装置１４は、薄膜
トランジスタ２を構成するポリシリコン３（図示せず：
図８参照）にガラス基板側（図で下側）から波長３００
ｎｍ以上，９００ｎｍ以下のレーザ光１０を照射するよ
うになっている。

【００２２】レーザ光１０は、好ましくは、波長３０８
ｎｍのエキシマレーザ、波長５３２ｎｍのＹＡＧレー
ザ、波長５２７ｎｍのＹＬＦレーザ、波長４８８ｎｍ又
は５１４．２ｎｍのＡｒレーザ、波長５３２ｎｍのＹＶ
Ｏ₄レーザ、又は波長５４３．５ｎｍのＨｅＮｅレーザ
である。

【００２３】このレーザ光１０は、レーザ装置１４ａで
発生し、光学系１４ｂとビームホモジナイザー１４ｃを
通り、ミラー１４ｄで上向きに反射され、搬送装置１２
に設けられた開口１２ａを通して、ガラス基板１の下面
に照射される。なお、レーザ光１０の走査は、この例で
は、ミラー１４ｄの揺動で行っているが、その他の手
段、例えば光学系１４ｂの移動で行ってもよい。

【００２４】図２は、図１の搬送装置の平面図であり、
図３は、図２の要部拡大図である。図２及び図３に示す
ように、搬送装置１２は、ガススライダ装置１５とガス
ベアリング１６を有する。ガススライダ装置１５は、ガ
ス（空気、窒素等）を上向きに吹き出し、このガスによ
りガラス基板１を浮上させて搬送する。この搬送は、例
えばレール１８ａ上を走行する走行台車１８に設けられ
た挟持装置（図示せず）によりガラス基板１を水平に移
動する。

【００２５】ガスベアリング１６は、レーザ光１０の照
射位置近傍のガラス基板１に対してガスの吹付けと吸引
とを同時に行ってガラス基板の浮上高さを調整するよう
になっている。

【００２６】ランプ加熱装置１７は、例えば複数の赤外
線ランプであり、レーザ光１０を照射する前のガラス基
板１を予熱し、レーザ光１０の必要出力を低減するよう
になっている。

【００２７】上述した装置を用い、本発明の方法によれ
ば、ガラス基板１上に形成された薄膜トランジスタ２に
ガラス基板側から波長３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下
のレーザ光１０を照射して、薄膜トランジスタを構成す
るポリシリコン３を活性化させる。

【００２８】図４は、厚さ０．７ｍｍのガラス基板の波
長と透過率の関係図である。この図から、発振波長が波
長３００ｎｍ未満のエキシマレーザ（ＡｒＦ：１９４ｎ
ｍ、ＫｒＦ：２４８ｎｍ）は、透過率が数%以下と低く
ほとんどＴＦＴ用ガラス基板を透過することができず、
そのため、ガラス基板側からＴＦＴを活性化処理するこ
ともできないことがわかる。

【００２９】これに対して、本発明の方法及び装置で
は、波長３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下のレーザ光１
０、すなわち具体的には、波長３０８ｎｍのエキシマレ
ーザ、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長５２７ｎｍ
のＹＬＦレーザ、波長４８８ｎｍ又は５１４．２ｎｍの
Ａｒレーザ、波長５３２ｎｍのＹＶＯ₄レーザ、又は波
長５４３．５ｎｍのＨｅＮｅレーザを用いるので、図に
両矢印で示すように、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ
の場合でも約４０％以上、その他のレーザ光では約９０
％以上の透過率が得られ、薄膜トランジスタを構成する
ポリシリコン３を基板側から効率よく活性化させること
ができる。

【００３０】図５は、シリコンの波長と吸収係数の関係
図である。この図において、ａ−Ｓｉはアモルファスシ
リコン、ｃ−Ｓｉは結晶シリコンであり、ポリシリコン
（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）は、その中間の吸収係数を持つ。こ
の図から、波長が９００ｎｍを超えると吸収係数が大幅
に低下するが、波長３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下の
最適範囲では、ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）は十分
高い吸収係数を有することがわかる。

【００３１】上述した本発明の方法及び装置によれば、
レーザ光１０が波長３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下の
可視レーザであるため、ガラス基板側からの照射がで
き、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を構成するすべてのポ
リシリコン３をアニール処理することができる。

【００３２】また、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ、
波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長５２７ｎｍのＹＬ
Ｆレーザ、波長４８８ｎｍ又は５１４．２ｎｍのＡｒレ
ーザ、波長５３２ｎｍのＹＶＯ₄レーザ、又は波長５４
３．５ｎｍのＨｅＮｅレーザを用いることにより、波長
３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下のレーザ光を高出力か
つ高効率に基板を透過して照射することができる。

【００３３】更に、ガススライダ装置１５により、薄い
（１〜２ｍｍ）ガラス基板を無接触で支持し、その全面
にガラス基板側からガラス基板を通してレーザー光の照
射ができる。また、ガスベアリング１６でガラス基板１
の水平精度をガス流量で調整し、レーザ光１０の照射位
置のガラス基板の浮上高さを精密に調整することができ
る。

【００３４】なお、本発明は上述した実施例及び実施形
態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変更できることは勿論である。例えば上述の説明ではガ
ラス基板について詳述したが、プラスチック基板又は石
英基板にも同様に適用することができる。

【００３５】

【発明の効果】上述したように、本発明のレーザーアニ
ール方法及び装置は、ポリシリコン上に電極膜が成膜さ
れている場合でも、電極が成膜されている部分のポリシ
リコンも確実に活性化処理することができ、これによ
り、ドーピング後のシリコンの活性を最大限に高めるこ
とができ、かつ処理時間が短く、基板の歪みのおそれも
少ない等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザーアニール装置の模式図であ
る。

【図２】図１の搬送装置の平面図である。

【図３】図２の要部拡大図である。

【図４】ガラス基板の波長と透過率の関係図である。

【図５】シリコンの波長と吸収係数の関係図である。

【図６】エキシマレーザでアニールする低温ポリシリコ
ンＴＦＴの断面構造図である。

【図７】従来のエキシマレーザアニール装置の構成図で
ある。

【図８】低温ポリシリコンＴＦＴの製造プロセス図であ
る。

【符号の説明】

１基板（ガラス基板）２薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）３ポリシリコン１０レーザ光１２搬送装置１４レーザ装置１５ガススライダ装置１６ガスベアリング１７ランプ加熱装置

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 21/336 (72)発明者芳之内淳東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者成松明格東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者大野俊孝東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者藤原達男東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者広瀬宏樹東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA07 BB01 BB02 BB07 DA02 JA01 5F110 AA16 AA30 BB01 CC02 DD01 DD02 DD03 GG02 GG13 HJ23 HM15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板（１）上に形成された薄膜トランジ
スタ（２）に基板側から基板を透過可能なレーザ光（１
０）を照射して、薄膜トランジスタを構成するポリシリ
コン（３）を活性化させる、ことを特徴とするレーザア
ニール方法。
【請求項２】前記基板（１）は、ガラス基板、プラス
チック基板又は石英基板であり、前記レーザ光（１０）
の波長は、３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下である、こ
とを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項３】表面に薄膜トランジスタ（２）が形成さ
れた基板（１）を水平に搬送する搬送装置（１２）と、
前記薄膜トランジスタを構成するポリシリコン（３）に
基板側から基板を透過可能なレーザ光（１０）を照射す
るレーザ装置（１４）とを備え、薄膜トランジスタを構
成するポリシリコンを活性化させる、ことを特徴とする
レーザアニール装置。
【請求項４】前記基板（１）は、ガラス基板、プラス
チック基板又は石英基板であり、前記レーザ光（１０）
の波長は、３００ｎｍ以上，９００ｎｍ以下である、こ
とを特徴とする請求項３に記載のレーザアニール装置。
【請求項５】前記レーザ光（１０）は、波長３０８ｎ
ｍのエキシマレーザ、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、
波長５２７ｎｍのＹＬＦレーザ、波長４８８ｎｍ又は５
１４．２ｎｍのＡｒレーザ、波長５３２ｎｍのＹＶＯ₄
レーザ、又は波長５４３．５ｎｍのＨｅＮｅレーザであ
る、ことを特徴とする請求項４に記載のレーザアニール
装置。
【請求項６】前記搬送装置（１２）は、ガスにより基
板を浮上させて搬送するガススライダ装置（１５）を有
する、ことを特徴とする請求項３に記載のレーザアニー
ル装置
【請求項７】前記搬送装置（１２）は、レーザ光（１
０）の照射位置近傍の基板に対してガスの吹付けと吸引
とを同時に行って基板の浮上高さを調整するガスベアリ
ング（１６）を有する、ことを特徴とする請求項６に記
載のレーザアニール装置。
【請求項８】レーザ光（１０）を照射する前の基板を
予熱するランプ加熱装置（１７）を備える、ことを特徴
とする請求項３に記載のレーザアニール装置。