JP2004342954A

JP2004342954A - レーザアニール方法及び装置

Info

Publication number: JP2004342954A
Application number: JP2003139926A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Nishida; 健一郎西田; Norihito Kawaguchi; 紀仁河口; Mikito Ishii; 幹人石井; Miyuki Masaki; みゆき正木; Atsushi Yoshinouchi; 淳芳之内
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】固体レーザーにより基板上のシリコン膜を溶融し、かつ溶融シリコンの急冷を抑制して、内部欠陥の少ない結晶粒を成長させることができるレーザアニール方法及び装置を提供する。
【解決手段】パルスレーザー２と連続レーザー４を同一の光軸上に合成するビーム合成光学系２０と、合成したレーザービーム６を集光する集光光学系１６とを備え、合成したレーザービーム６を基板１の表面のシリコン膜の同一部分に照射して溶融させ結晶粒を成長させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー照射により基板上のシリコン膜を溶融させ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】
エキシマレーザーは、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ーの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ー（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）のアニールが注目を集めている。
【０００３】
図３は、エキシマレーザー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。レーザー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。エキシマレーザーは紫外光パルスレーザーであるため、レーザー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ではポリシリコン形成や活性化に６００℃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ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）で表される。ポリシリコンＴＦＴの移動度は、１０〜６００ｃｍ^２／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４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ーはＸｅＣｌ，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＦ等である。レーザー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。レーザーとして、繰り返し周波数約３００Ｈｚ、パルス幅２０〜１６０ｎｓ、出力約２００Ｗのものが実用化され、基板サイズも３７０ｍｍ×４７０ｍｍに達している。
【０００７】
上述したように、半導体・液晶の分野で、ガラス基板上に成膜したアモルファスＳｉを多結晶化する手段として、従来からレーザアニール法が用いられ、このレーザアニール装置のレーザー光として、主にエキシマレーザーが用いられている。しかし、近年、ＹＡＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ_４等の固体レーザーの波長変換光を利用したレーザアニール装置が注目されている。
なお、従来のレーザアニール手段は、特許文献１〜特許文献４、等に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１４４０２７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１９８３７７号公報
【特許文献３】
特開２００２−２３１６５４号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５２１７３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
固体レーザーを用いたレーザアニール装置の特徴として、そのレーザーが持つガウシアン形状のエネルギー分布を利用して、アモルファスＳｉを横方向へ結晶成長させる技術（ラテラル成長）が挙げられる。また、固体レーザーはその発振形態から、パルス発振レーザー（以下、単にパルスレーザーという）と連続発振レーザー（以下、単に連続レーザーという）の２種類に分けられる。
【００１０】
従来、多結晶化にはＳｉを溶融させる必要があるため、一般的にレーザアニール装置では、高い尖頭値が得られるパルスレーザーが用いられている。また、波長変換の原理上の問題から、連続レーザーはパルスレーザーと比較して高出力が得られない欠点を有する。
しかし、パルスレーザーを用いたレーザアニール装置では、パルスレーザーの照射後、次のショット（照射）までエネルギーが入らないため、溶融したＳｉはほぼ急冷状態で固化する。そのため、結晶成長が途中で止まったり、結晶内部に欠陥が生じたりする問題があった。
また、この問題に対応するため、基板加熱システムを付加した装置があるが、大規模なヒーターが必要であったり、基板加熱に時間を有するため、処理時間が極端に長くなる問題があった。
言い換えれば、パルスレーザーを用いたレーザアニール装置では、パルスレーザーの照射後、シリコンの溶融時間が数１００ｎｓ程度と極めて短いので、ガラス基板への影響がほとんどない利点があるものの、結晶粒が大きく成長しない問題点があった。
【００１１】
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、レーザーにより基板上のシリコン膜を溶融し、かつ溶融シリコンの急冷を抑制して、内部欠陥の少ない結晶粒を成長させることができるレーザアニール方法及び装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、パルスレーザーと連続レーザーを同一の光軸上に合成し、基板表面のシリコン膜の同一部分に照射して溶融させ結晶粒を成長させる、ことを特徴とするレーザアニール方法が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、パルスレーザーと連続レーザーを同一の光軸上に合成するビーム合成光学系と、合成したレーザービームを集光する集光光学系とを備え、合成したレーザービームを基板表面のシリコン膜の同一部分に照射して溶融させ結晶粒を成長させる、ことを特徴とするレーザアニール装置が提供される。
【００１４】
上記本発明の方法及び装置によれば、パルスレーザーと連続レーザーを合成し、同時に同部分に照射するので、パルスレーザーの入射後も連続レーザーによりエネルギーが入るため、溶融Ｓｉの急冷状態は緩和される。この効果により、結晶成長距離を長くでき、欠陥発生も抑えることができるため、高品質の多結晶Ｓｉを得ることができる。また、基板加熱のシステムの必要がなくなり、処理時間も格段に短くなる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記合成したレーザービームを線状に集光してシリコン膜の表面に照射し、かつ該線状のレーザービームまたは基板をレーザービームの幅方向に移動する。
この構成により、線状に集光したレーザービームをその幅方向に移動して、基板表面の全面に均一に照射でき、広い面積の基板表面に高品質の多結晶Ｓｉを得ることができる。
【００１６】
前記ビーム合成光学系は、パルスレーザーと連続レーザーのうち一方の光軸上に位置する薄膜偏光子と、他方のレーザービームの偏光角度を９０度回転させる偏光回転素子と、該偏光回転素子を出た偏光ビームを前記薄膜偏光子に向けて反射する反射ミラーとを有し、前記薄膜偏光子は一方の偏光ビームを透過させ、かつ他方の偏光ビームを同一の光軸上に反射して合成する。
【００１７】
この構成により、薄膜偏光子を透過した一方の偏光ビームの光軸上に、薄膜偏光子で反射した他方の偏光ビームを正確に重ね合わせて同一の光軸上に合成することができ、同一部分に正確に照射できるので、溶融Ｓｉの急冷状態を効果的に緩和できる。
【００１８】
前記ビーム合成光学系は、パルスレーザーと連続レーザーの両方を分割して重ね合わせる互いに直交した複数のシリンドリカルレンズアレイと、該シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザービームを同一位置に集光するコンデンサーレンズとからなる。
【００１９】
この構成により、互いに直交した複数のシリンドリカルレンズアレイにより、パルスレーザーと連続レーザーの両方を分割して重ね合わせることができる。またコンデンサーレンズによりシリンドリカルレンズアレイを通過したレーザービームを同一位置に集光するので、パルスレーザーと連続レーザーの両方を実質的に同一部分に照射でき、溶融Ｓｉの急冷状態を効果的に緩和できる。
【００２０】
【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。
【００２１】
図１は本発明のレーザアニール装置の第１実施形態を示す図であり、図２はその第２実施形態を示す図である。図１及び図２において、本発明のレーザアニール装置１０は、周期的にパルスレーザー２を発振するパルスレーザー装置１２と、連続的に連続レーザー４を発振する連続レーザー装置１４を備える。
パルスレーザー装置１２と連続レーザー装置１４は、直線偏光を有するレーザ装置であり、パルスレーザー２及び連続レーザー４は、例えば、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ＹＶＯ_４レーザ、又は波長５４３．５ｎｍのＨｅＮｅレーザである。なお、本発明はこれに限定されず、例えば、その他のレーザービームであってもよい。
【００２２】
本発明のレーザアニール装置１０は、更にビーム合成光学系２０と集光光学系１６を備える。ビーム合成光学系２０は、パルスレーザー２と連続レーザー４を同一の光軸上に合成する機能を有する。また、集光光学系１６は、ビーム合成光学系２０で合成したレーザービーム６を基板表面のシリコン膜の同一部分に集光する機能を有する。
【００２３】
図１において、ビーム合成光学系２０は、薄膜偏光子２１ａ，偏光回転素子２１ｂ，及び反射ミラー２１ｃを備える。薄膜偏光子２１ａは、パルスレーザー２と連続レーザー４のうち一方（この例では連続レーザー４）の光軸上に位置する。偏光回転素子２１ｂは、例えば、λ／２板であり、他方のレーザービーム（この例ではパルスレーザー２）の偏光角度を９０度回転させる。反射ミラー２１ｃは、偏光回転素子２１ｂを出た偏光ビーム（この例ではパルスレーザー２）を薄膜偏光子２１ａに向けて反射する。
また、薄膜偏光子２１ａは、例えばＴＦＴであり、一方の偏光ビーム（この例では連続レーザー４）を透過させ、かつ他方の偏光ビーム（この例ではパルスレーザー２）を同一の光軸上に反射して合成するように、ブルースター角が設定されている。ブルースター角とは、光が表面で反射するとき、一方向の偏光成分の反射率が０になる入射角をいう。
【００２４】
図１の構成により、薄膜偏光子２１ａを透過した一方の偏光ビーム（連続レーザー４）の光軸上に、薄膜偏光子２１ａで反射した他方の偏光ビーム（パルスレーザー２）を正確に重ね合わせて同一の光軸上に合成することができ、同一部分に正確に照射できるので、基板１上の溶融Ｓｉの急冷状態を効果的に緩和できる。
【００２５】
図２において、ビーム合成光学系２０は、反射ミラー２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、シリンドリカルレンズアレイ２３ａ，２３ｂ、コンデンサーレンズ２４ａ，２４ｂを備える。
反射ミラー２２ａ、２２ｂは、パルスレーザー２を反射してシリンドリカルレンズアレイ２３ａの一部（例えば図で右半分）に入射させるようになっている。同様に反射ミラー２２ｃ、２２ｄは、連続レーザー４を反射してシリンドリカルレンズアレイ２３ａの一部（例えば図で左半分）に入射させるようになっている。
シリンドリカルレンズアレイ２３ａ，２３ｂは、互いに直交して配置され、入射したパルスレーザー２と連続レーザー４の両方を分割して重ね合わせるようになっている。コンデンサーレンズ２４ａ，２４ｂが、シリンドリカルレンズアレイ２３ａ，２３ｂを通過したレーザービーム６を同一位置に集光する機能を有する。
【００２６】
図２の構成により、互いに直交した複数のシリンドリカルレンズアレイ２３ａ，２３ｂにより、パルスレーザー２と連続レーザー４の両方を分割して重ね合わせることができる。またコンデンサーレンズ２４ａ，２４ｂによりシリンドリカルレンズアレイ２３ａ，２３ｂを通過したレーザービーム６を同一位置に集光するので、パルスレーザー２と連続レーザー４の両方を実質的に同一部分に照射でき、溶融Ｓｉの急冷状態を効果的に緩和できる。
【００２７】
集光光学系１６は、好ましくはシリンドリカルレンズであり、合成したレーザービーム６を線状に集光してシリコン膜の表面に照射する。また、この線状のレーザービームまたは基板をレーザービームの幅方向に移動し、基板表面の全面に均一に照射するようになっている。
なおレーザービーム６の走査は、図示しないミラーの揺動で行ってもよく、或いは、基板１の移動で行ってもよい。
また、基板１を収容する図示しないチャンバーを備える。このチャンバーは、レーザービーム６が通過する窓を有する気密容器であり、図示しないポンプ系及びガス系により真空又は必要なガス雰囲気にコントロールされる。
【００２８】
上述した構成の装置を用い、本発明のレーザアニール方法では、パルスレーザー２と連続レーザー４を同一の光軸上に合成し、基板表面のシリコン膜の同一部分に照射して溶融させ結晶粒を成長させる。
【００２９】
上述した本発明の方法及び装置によれば、パルスレーザー２と連続レーザー４を合成し、同時に同部分に照射するので、パルスレーザー２の入射後も連続レーザー４によりエネルギーが入るため、溶融Ｓｉの急冷状態は緩和される。この効果により、結晶成長距離を長くでき、欠陥発生も抑えることができるため、高品質の多結晶Ｓｉを得ることができる。また、基板加熱のシステムの必要がなくなり、処理時間も格段に短くなる。
従って、通常のレーザー照射のみでは、溶融時間は約１００ｎｓ前後であるが、ｍｓオーダーまで、溶融時間を制御することが可能となり、結晶シリコンの結晶粒を大きくすることができる。
【００３０】
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。
【００３１】
【発明の効果】
上述した本発明により、以下の効果が得られる。
（１）パルスレーザーを用いたレーザアニール装置で問題だったパルス波入射後のＳｉの急冷状態を緩和でき、高品質の多結晶を得ることができる。
（２）大規模な基板加熱システムがなくなり、また基板加熱時間を省けるので、処理時間を大幅に短縮できる。
【００３２】
従って、本発明のレーザアニール方法及び装置は、レーザーにより基板上のシリコン膜を溶融し、かつ溶融シリコンの急冷を抑制して、内部欠陥の少ない結晶粒を成長させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザアニール装置の第１実施形態図である。
【図２】本発明のレーザアニール装置の第２実施形態図である。
【図３】エキシマレーザー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４】従来のエキシマレーザアニール装置の構成図である。
【符号の説明】
１基板、２パルスレーザー、４連続レーザー、６レーザービーム、
１０レーザアニール装置、１２パルスレーザー装置、
１４連続レーザー装置、１６集光光学系、
２０ビーム合成光学系、
２１ａ薄膜偏光子（ＴＦＴ）、
２１ｂ偏光回転素子（λ／２板）、２１ｃ反射ミラー、
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ反射ミラー、
２３ａ，２３ｂシリンドリカルレンズアレイ、
２４ａ，２４ｂコンデンサーレンズ

Claims

パルスレーザと連続レーザを同一の光軸上に合成し、基板表面のシリコン膜の同一部分に照射して溶融させ結晶粒を成長させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
前記合成したレーザビームを線状に集光してシリコン膜の表面に照射し、かつ該線状のレーザビームまたは基板をレーザビームの幅方向に移動する、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。
パルスレーザーと連続レーザーを同一の光軸上に合成するビーム合成光学系と、合成したレーザービームを集光する集光光学系とを備え、合成したレーザービームを基板表面のシリコン膜の同一部分に照射して溶融させ結晶粒を成長させる、ことを特徴とするレーザアニール装置。
前記ビーム合成光学系は、パルスレーザーと連続レーザーのうち一方の光軸上に位置する薄膜偏光子と、他方のレーザービームの偏光角度を９０度回転させる偏光回転素子と、該偏光回転素子を出た偏光ビームを前記薄膜偏光子に向けて反射する反射ミラーとを有し、
前記薄膜偏光子は一方の偏光ビームを透過させ、かつ他方の偏光ビームを同一の光軸上に反射して合成する、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。
前記ビーム合成光学系は、パルスレーザーと連続レーザーの両方を分割して重ね合わせる互いに直交した複数のシリンドリカルレンズアレイと、該シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザービームを同一位置に集光するコンデンサーレンズとからなる、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。