JP2005045209A

JP2005045209A - レーザアニール方法

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Publication number: JP2005045209A
Application number: JP2004105670A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Yura; 信介由良; Yukio Sato; 行雄佐藤; Kazutoshi Morikawa; 和敏森川; Tatsuki Okamoto; 達樹岡本; Kazuya Kawabe; 和也河部; Atsuhiro Sono; 淳弘園
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】装置の構成を複雑にすることなく、より大きな粒径の結晶を成長させることが可能となるレーザアニール方法を提供する。
【解決手段】レーザアニールにより非晶質シリコン薄膜を結晶化する際に、可視光からなるパルスレーザ光を、上記非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度で、上記非晶質シリコン薄膜の所定箇所に照射し、上記パルスレーザ光の照射により溶融した非晶質シリコン薄膜が冷却後、再度、レーザ照射位置に上記パルスレーザ光を照射する工程を繰り返して上記非晶質シリコン薄膜を結晶化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非晶質シリコン薄膜（以下、ａ−Ｓｉ膜と記す）にパルスレーザ光を照射してアニールを行い、結晶化するレーザアニール方法に関するものであり、特に薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと記す）のチャネル層を形成する方法に関するものである。

従来、ａ−Ｓｉ膜のレーザアニーリングでは、ショット当りの照射エネルギが大きいパルス幅２０〜３０ｎｓｅｃ程度のパルスレーザが通常用いられていた。また、この際、通常はレーザとしてはＸｅＣｌガスを用いたエキシマレーザが使用されており、このレーザ光を幅４００μｍ、長さ２００〜４００ｍｍのトップフラット型のビームスポットに成形し、このビームスポットを２０μｍ程度のピッチで幅方向にスキャンしてａ−Ｓｉ膜のアニールを行っていた。

また、エキシマレーザによるアニールにより多結晶シリコン（以下、Ｐ−Ｓｉと記す）組織を形成する際に、粒径の均一な大粒子が整然と配列した状態で形成するように、ａ−Ｓｉ膜の同一箇所にビームスポットを複数回照射する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。この際用いるレーザ光は波長３０８ｎｍあるいは２４８ｎｍの紫外光であり、また、このレーザ光のエネルギプロファイルが微結晶化エネルギ以上の領域とそれ以下のエネルギの領域とからなり、各領域の境界領域においてエネルギ密度勾配が所定の値であるようなレーザ光を用いることにより、上記境界領域及びその近傍に、１μｍ程度の均一な粒径の粒子が整列したｐ−Ｓｉ組織を形成できる。このような状態で重ねてレーザ光を照射することにより、境界領域の内側にも同様の粒径の大きい結晶を整列させることができるようになる。

また、可視光のレーザ光を用いてａ−Ｓｉ膜のレーザアニールを行うものもあった（例えば、特許文献２参照。）。この方法は、ａ−Ｓｉ膜に対し、第１のパルスレーザ光とこのレーザ光より低い強度の第２のパルスレーザ光とを重複照射するものであり、第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光とは別々の光学系で発生され、また、第２のパルスレーザ光は、第１のパルスレーザ光の照射によりａ−Ｓｉ膜が溶融された後、冷却途中のａ−Ｓｉ膜に照射されるようにしている（第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光との間隔は５００ｎｓ）。このようにすることにより、大きな粒径のＰ−Ｓｉ膜が得られる。

特許第３１５６７７６号明細書（第４−５頁、図１、図２）特開２００３−６８６４４号公報（第４−５頁、図１、図２、図４）

しかしながら、エキシマレーザを用いた上述の従来技術では、結晶化した粒子の粒径はいずれも１μｍ程度であり、ＴＦＴのチャネル長を５μｍとすると、チャネル内に複数の粒界が生じる。粒界はキャリアの伝導を妨げるため、単結晶Ｓｉによるトランジスタに比べＴＦＴ特性が著しく劣るものになってしまう。
また、可視光のレーザ光を用いた上述の従来技術では、第１のパルスレーザ光を照射するタイミングと、第２のパルスレーザ光を照射するタイミングとが近接しているため、同一の光学系で各強度を制御して照射することができないため、別々の光学系を用いて重複照射を行っている。したがって、別々の光学系からの２本のレーザ光を、照射タイミングを制御してａ−Ｓｉ膜の同じ位置に照射するようにしなければならず、光学系の調整や、タイミングの調整が必要となリ、装置構成が複雑となる問題があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、装置の構成を複雑にすることなく、より大きな粒径のｐ−Ｓｉ膜が形成できるレーザアニール方法を提供するものである。

本発明のレーザアニール方法は、パルスレーザ光を照射することにより非晶質シリコン薄膜を結晶化するレーザアニール方法であって、可視光からなり、上記非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度を有するパルスレーザ光を、上記非晶質シリコン薄膜の所定箇所に照射する第１工程と、上記パルスレーザ光の照射により溶融した上記非晶質シリコン薄膜が冷却後、上記第１工程におけるレーザ照射位置に上記パルスレーザ光を再度照射する第２工程と、上記第２工程を繰り返す第３工程とを備えたものである。

この発明によれば、可視光からなり、非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度を有するパルスレーザ光を、上記非晶質シリコン薄膜の所定箇所に照射する第１工程と、上記パルスレーザ光の照射により溶融した上記非晶質シリコン薄膜が冷却後、上記第１工程におけるレーザ照射位置に上記パルスレーザ光を再度照射する第２工程と、上記第２工程を繰り返す第３工程とを備えたので、装置の構成を複雑にすることなく、形成される結晶のサイズを大きくすることができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図を用いて説明する。
レーザアニールに用いる基板としては、無アルカリガラス基板上に形成された下地膜（ＳｉＮ膜及びＳｉＯ₂膜）上に、プラズマＣＶＤで、膜厚５００Åのａ−Ｓｉ膜を形成後、脱水素アニールを施したものを用いた。
また、レーザアニールに用いるレーザ光は、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用い、パルス幅６０ｎｓｅｃとした。このレーザ光を、図１（ａ）に示すように、Ｙ方向に対して１６ｍｍ、Ｘ方向に対して０．０４８ｍｍ（半値幅）の分布のビームに成形した。Ｚ方向は上記レーザ光のレーザ照射エネルギ密度分布であり、エネルギ密度分布は長手方向（Ｙ方向）がトップハット、短手方向（Ｘ方向）がガウス分布である。また、この時の１パルスの全照射エネルギを７．５ｍＪとした。

このレーザ光を基板上のａ−Ｓｉ膜に照射してレーザアニールを行う。基板上には図１（ａ）に示すように、レーザ照射エネルギ密度分布に対応したｐ−Ｓｉのパターンが形成された。即ち、照射エネルギ密度がＥ₀〜Ｅ₁の範囲の部分（中央部）は、レーザ照射によりａ−Ｓｉ膜が完全溶融し、レーザ照射後の冷却過程で過冷却となり、一気に核形成が起こり微結晶領域１が形成される。また、照射エネルギ密度がＥ₁〜Ｅ₂の範囲の部分（外部）にも、微結晶領域１が形成される。上記中央部と上記外部との間の、照射エネルギ密度がＥ₁の部分の内側には、１〜２μｍ幅のラテラル結晶領域２が形成される。ここでラテラル結晶領域とは、ラテラル成長により結晶化された領域のことをいう。この領域２は完全溶融部分のエッジに相当し、ａ−Ｓｉの溶融により形成された微結晶Ｓｉを核として横方向に結晶が成長する。微結晶領域１に形成される結晶のサイズは１０００Å以下であり、ラテラル結晶領域２に形成される結晶のサイズは最大で０．５〜１μｍである。
なお、本実施の形態において、照射エネルギ密度のピークＥ₀は７５０ｍＪ／ｃｍ²、非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度Ｅ₁は６００ｍＪ／ｃｍ²、ａ−Ｓｉからｐ−Ｓｉへの遷移が起こる照射エネルギ密度Ｅ₂は２２０ｍＪ／ｃｍ²であった。

このようにして、レーザ光の照射、冷却により微結晶領域１及びラテラル結晶領域２が形成された後、同一箇所に、重ねてレーザ光を照射する。ｐ−Ｓｉに対するレーザ光の吸収率はａ−Ｓｉに対する吸収率より小さいため、２回目の照射では、ラテラル結晶領域２は１回目の照射により形成された領域より少し内側に移動する（図示を省略）。さらに、３回目以降の照射では、既にできたラテラル結晶による巨大結晶が更に内側（図１（ａ）の矢印Ａ方向）に成長していく。パルス１回での成長は０．５μｍ〜１μｍ程度で、例えば２０回のショットで結晶はＸ方向で１０μｍ程度に、Ｙ方向で０．１〜１μｍ程度成長し、図１（ｂ）に示すように、Ｘ方向に１０μｍ程度伸びた粒界のない巨大な細長い結晶粒３がＹ方向に複数並んだ状態になる。図１（ｂ）では中央部の微結晶領域１全体が、両側から成長してきた巨大結晶領域２０で埋まっている。
なお、２回目以降のショットでのレーザパルスのタイミングは手動で与えており、パルス間の時間は数百ｍｓｅｃである。１回のパルス照射後の基板の冷却時間は１０μｓｅｃ程度なので、1回のパルスによる温度上昇が完全に冷却してから次の回のパルスを与えている。

更にこの後、基板をＸ方向に１０〜２０μｍずらして、同様に２０ショット照射を繰り返す。３度ずらした後のｐ−Ｓｉのパターンを図１（ｃ）に示す。
このようにすれば、基板全面をＸ方向に１０μｍ程度に伸びた細長い結晶で埋めることができる。
この時、ＴＦＴのチャネルの電流の流れる方向を、結晶の成長する方向（Ｘ方向）と一致させ、図１（ｃ）に示すように、上記チャネル４を巨大結晶領域２０の単位領域内に形成すれば、電流の流れる方向に粒界の無いチャネルを形成することができる。

なお、上記のような複数回のレーザ照射により結晶が成長する現象は、照射エネルギ密度のピークＥ₀が６３０ｍＪ／ｃｍ²より小さいと現れず、照射エネルギ密度のピークＥ₀が６３０ｍＪ／ｃｍ²以上、望ましくは６６０ｍＪ／ｃｍ²以上である必要がある。この照射エネルギ密度（６３０〜６６０ｍＪ／ｃｍ²）はａ−Ｓｉからｐ−Ｓｉへの遷移が起こる照射エネルギ密度Ｅ₃の２．８〜３倍である。
また、本実施の形態ではパルス間隔が比較的長いため、別々の光学系を用いる必要が無いので、光学系の調整や、タイミングの調整が容易あり、簡単な装置構成で、結晶サイズを大きくすることが可能となる。

本実施の形態で明らかになったことは、可視光のレーザを用いれば、適当な照射エネルギ密度のレーザ光を重ねて照射することにより、既にできた結晶を成長させ、結晶のサイズを大きくすることができることを見出したことである。これは可視光の照射では、成長した結晶は微結晶と比較してレーザ光の吸収率が小さく、完全溶融しにくいためであり、一旦結晶ができた上に重ねて照射すると、微結晶部分のみが完全溶融し、それが固化するときに、隣接する成長した結晶を種結晶として、さらに結晶が成長することによると考えられる。また、可視光のレーザによるアニールでは、Ｓｉの溶融状態においてレーザ光の吸収率が上がり、溶融部と非溶融部との境界での温度勾配が大きくなり、結晶が成長し易くなると考えられる。照射回数を増やすことにより、結晶のサイズを大きくすることができ、結晶のサイズをチャネルの長さ（電流の流れる方向の長さ）以上とすることができることが明らかとなった。
従って、レーザスポットの照射位置をチャネル位置に合わせることにより、粒界の無いチャネルを実現することができる。その結果、ＴＦＴ特性を飛躍的に向上させることが可能となる。

本実施の形態において、パルスレーザのパルス幅、パルス間隔、ビームプロファイル、レーザ照射エネルギ密度に関しては上記実施の形態に限定する必要は無く、レーザ照射エネルギ密度が少なくとも６３０ｍＪ／ｃｍ²以上、望ましくは６６０ｍＪ／ｃｍ²以上とすればよい。
またはａ−Ｓｉからｐ−Ｓｉへの遷移が起こる照射エネルギ密度Ｅ₃の少なくとも２．８倍以上、望ましくは３倍以上とすればよい。

実施の形態２．
本実施の形態２によるレーザアニールに用いるレーザ光は、実施の形態１と同様、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用い、パルス幅６０ｎｓｅｃとした。また、このレーザ光の照射エネルギ密度分布は、図２に示すような分布であり、ビームの頂部はフラットで、この頂部の照射エネルギ密度は６３０ｍＪ／ｃｍ²以上に設定されている。
レーザアニールに用いる基板は、実施の形態１と同様、無アルカリガラス基板上に形成された下地膜（ＳｉＮ膜及びＳｉＯ₂膜）上に、プラズマＣＶＤで、膜厚５００Åのａ−Ｓｉ膜を形成後、脱水素アニールを施したものを用いた。ａ−Ｓｉ膜はＴＦＴのチャネル４の近傍において一部分がエッチングにより除去されており、このａ−Ｓｉ膜の除去部分のパターンは、例えば図３に示すような、幅５μｍの細長いパターン６である。除去されるパターン６の位置及び向きはＴＦＴのチャネル４の位置及びチャネル４の向き（長さ方向）７に対応して決定されている。なお、領域８は、図２に示すレーザ光の頂部のフラット部分５の少し外側に対応しており、ａ−Ｓｉ膜が完全溶融する領域である。

図２に示すようなエネルギ分布のレーザ光を、図３に示すような基板上のａ−Ｓｉ膜に照射してレーザアニールを行うと、領域８は一様な照射エネルギ密度でレーザ光が照射されるが、図４に示すように、ａ−Ｓｉ膜が除去された部分（パターン６）はレーザ光を吸収しないため、パターン６の近傍の温度は他より低く溶融しない。他方、パターン６の周辺部以外の部分は完全溶融するため、１回目の照射、冷却によりパターン６の周囲にはラテラル成長による結晶領域９ａが形成される。この結晶領域９ａは、図４に示すように、２回目、３回目と照射、冷却を重ねるに従い、結晶領域９ｂ、９ｃへと成長していく。このためＴＦＴのチャネル４部分は、矢印Ａの方向に伸びた単結晶の集まりで構成される。

パターン６の形状により、単結晶の成長する方向Ａのコントロールが可能である。従ってチャネルの長さ方向に合わせて、結晶を成長させることができる。このようにして、ＴＦＴのチャネル４を、電流の流れる方向には粒界のない単結晶の集まりで形成できるようになる。
なお、ビーム形状で決定される領域８に沿っても結晶が成長し、結晶領域９ｄが形成されるが、この部分にはＴＦＴは形成されないように設計されている。

更に、図４に示すような領域８における重ね照射の後、基板をずらして、図４に示す領域８と同様の重ね照射を繰り返せば、基板全体をアニ−ルすることができる。図５に基板をずらしてアニールした状態を示す。

このように、本発明のレーザアニール方法では、種結晶さえ形成できれば、重ね照射により、この種結晶を基により大きな結晶を成長させることができるようになる。
さらに、本実施の形態に示すように、基板面に結晶成長の起点を作り、レーザ光の照射回数を増やすことよって、任意の場所に、任意の長さで結晶を成長させることができる。結晶の起点の与え方としては、吸収される照射エネルギが起点部分だけ少なくなるようにすればよく、基板に吸収される照射エネルギーが所定方向に分布を有するようにすることによって、チャネルの方向にあわせて任意の方向に結晶を成長させることが可能になる。

なお、上記実施の形態ではａ−Ｓｉ膜の一部分をエッチングにより除去して起点を作製したが、起点の作り方はこれに限定されるものではなく、ａ−Ｓｉ膜成膜時に、起点となる部分にはａ−Ｓｉ膜が形成されないようにしておいてもよい。

あるいは、起点以外の部分にＳｉＯ_x、ＳｉＮ_xなどの反射防止膜をつけても良い。反射防止膜をつけることにより、ａ−Ｓｉまたはｐ−Ｓｉの表面でのレーザ照射光の反射を抑制でき、実質的な照射量を増やすことができる。したがって、反射防止膜が有る部分と無い部分との間に温度差を生じ、反射防止膜の無い部分を結晶成長の起点とすることができる。
なお、この場合、全面に反射防止膜を形成後、起点となる部分の反射防止膜をエッチングにより除去するようにしても良い。

また、上記実施の形態ではレーザ光の照射エネルギ密度分布は図２に示すような分布であったが、ビームの頂部の照射エネルギ密度が６３０ｍＪ／ｃｍ²以上に設定され、パルスレーザ光の照射によりａ−Ｓｉ膜が完全溶融する完全溶融領域内に起点が位置するようにしてレーザ照射できれば、レーザ光の形状は図２の形状に限定されない。また、ビームの頂部は必ずしも図２に示すようなフラットな分布でなくてもよいが、完全溶融する領域内での照射エネルギ密度の変化は少ないほうがよい。

実施の形態３．
実施の形態３は結晶成長の起点を与える他の方法を示すものである。
図６は実施の形態３によるレーザアニール方法を示す図である。図６において、基板１０上には下地層１１と、この下地層上にａ−Ｓｉ膜１２が形成されており、さらにａ−Ｓｉ膜１２の表面には単結晶Ｓｉからなる複数の突起１３が当接されている。複数の突起１３は支持体１４で支持され、支持体上より基板１０方向への荷重１５が加えられている。また、ガラス基板１０の裏面からレーザ光１６が照射され、ガラス基板１０及び下地膜１１を透過してａ−Ｓｉ膜１２にパルスレーザ光１６を照射する。照射するレーザ光は、実施の形態２の場合と同様のトップハット状の分布であり、実施の形態２と同様、複数回照射する。このとき、ａ−Ｓｉ膜１２が突起１３に接触した部分（起点１７）は突起１３を通じて冷却されるため、突起に接触していない他の部分より温度が低くなる。したがって、図７に示すように、冷却時に、突起１３に接触した部分を起点１７として結晶が成長し、結晶領域１８ａが形成される。冷却後にパルスレーザを再度照射することにより、さらに結晶が成長し、照射、冷却を重ねるに従い、結晶領域１８ｂ、１８ｃへと成長していく。これによりチャネル４全体が成長した結晶に包含されるようにすることができる。このようにして、チャネル４の長さ方向に粒界の無いＴＦＴを作製することができる。

なお、突起１３は特に単結晶Ｓｉである必要はなく、融点がа−Ｓｉより高く、目的とする起点形状の突起が形成できる材料であればよい。

実施の形態４．
上記実施の形態１では、非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度を有するパルスレーザ光を繰り返し照射することにより、図１（ｂ）に示すように、中央部の微結晶領域１全体が、両側から成長してきた巨大結晶領域２０で埋まる例を示した。しかしながら、ビームの最大照射エネルギ密度（照射エネルギ密度のピークＥ₀）がある程度以上高くなると、同一場所での重ね照射を繰り返してもスポットの中央部までラテラル結晶による巨大結晶が成長せず、中央部に微結晶領域が残存するようになる。例えば集光径（半値幅）で４５μｍのビームでは、ピークの照射エネルギ密度が７５０ｍＪ／ｃｍ²（ａ−Ｓｉがｐ−Ｓｉに遷移する照射エネルギ密度の３．４倍）より大きいと、ショット数を重ねても中央部に微結晶領域が残存する。これは、ある程度以上照射エネルギ密度が高くなると、結晶が成長する長さとレーザ照射により融解される結晶の長さが等しくなり、それ以上結晶が成長しなくなるものと考えられる。また、最大照射エネルギ密度がさらに高い（例えば１．０Ｊ／ｃｍ²以上）と重ね照射により中央部でＳｉ膜の凝集が起こり、中央部の膜が部分的になくなってしまう確率が高くなる。これらの問題を改善する方法として、最大照射エネルギ密度に上限を設ける、あるいはレーザ光を照射するごとに照射エネルギ密度を下げても良い。例えば、一回目の照射におけるエネルギ密度のピークＥ₀を８６３ｍＪ／ｃｍ²とし、パルスレーザ光を４回照射する毎に５％ずつ照射エネルギ密度を下げて２０回照射してもよく、照射エネルギ密度のピークＥ₀が７５０ｍＪ／ｃｍ²のパルスレーザ光を同一個所に２０回照射した実施の形態１のアニール方法と同様、ラテラル結晶をスポットの中央まで成長させることができる。このとき最後の４回の照射は８０％の照射エネルギ密度（６９０ｍＪ／ｃｍ²）となっており、これは結晶が連続成長するエネルギー密度（６３０ｍＪ／ｃｍ²）以上である。このようにすれば、１回目のレーザ照射の照射エネルギ密度を７５０ｍＪ／ｃｍ²より１５％上げても中央部まで結晶を成長させることが可能になる。また、Ｓｉ膜の凝集に対する照射エネルギ密度（１回目のレーザ照射の照射エネルギ密度）のマージンも上げることができる。

なお、上記実施の形態では照射エネルギ密度を４回照射する毎に５％ずつ変化させたが、１回ごとに１．２５％ずつ変化させても良いし、最初の１０回は１回２％ずつ下げてあとは８０％で１０回照射しても良い。また、上記実施の形態では、最後の照射が８０％の照射エネルギ密度となるようにしたが、最後の照射エネルギ密度が結晶が連続成長するエネルギー密度（６３０ｍＪ／ｃｍ²）以上であれば、８０％でなくてもよい。要はレーザ光の重ね照射により成長するラテラル結晶領域２が、エネルギ密度を順次下げて重ね照射することにより、ラテラル結晶の連続成長が途切れないように下げていけばよい。

ここでパルス毎に照射エネルギ密度を変化さる方法としては、パルスレートが秒オーダーであれば、レーザ発振器に外付けの減衰器（例えば誘電体の反射率が入射角に依存することを利用した可変減衰器）を用いることができる。しかし、実用的な繰り返し周波数（〜１ｋＨｚ）では減衰器が追従できず不可能である。このような場合にはレーザ発振器のＱスイッチがオンするタイミングをパルス毎に変化させることにより可能である。即ちＱスイッチレーザではＱを下げた期間（Ｑスイッチがオフの期間）で媒質が励起され、すばやくＱを上げて（Ｑスイッチをオンさせて）発振させパルス光を発生させるが、Ｑを下げた期間の長さとパルスエネルギの関係は、図８に示すように、Ｑを下げた期間が長い程パルスエネルギは大きくなり、さらにＱを下げるに従い飽和する。これは媒質の励起状態が回復するまでに一定時間が必要なためである。これを利用すれば、Ｑスイッチがオンするタイミングを早くして、Ｑを下げた期間の長さを短くすることにより、発振したときのパルスエネルギを低下させることが可能である。低下の度合いはＱを下げた期間の長さで制御することができるので、パルス毎にＱスイッチがオンするタイミングを変化させることにより、パルスエネルギを変化させることが可能である。

なお、本実施の形態は、実施の形態２と同様のものに対しても適用できる。即ち、基板に結晶成長の起点を作るとともに、頂部がフラットなレーザビームを用い、照射エネルギ密度を重ね照射の度に変化させるようにしても、同様の効果がある。

実施の形態５
上記実施の形態１では、非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度のパルスレーザ光を繰り返し同一個所に照射し、図１（ｂ）に示すように、１０μｍ程度の粒界のない巨大結晶領域２０を両側から成長させたが、実施の形態１においては、ビームの中央で成長した結晶領域２０がぶつかりあう。その結果、ビームの中央部には粒界が形成され、巨大結晶領域２０のサイズはビームの幅により制限を受けてしまう。結晶を更に長く成長させる方法として、いわゆるＳｅｑｕｅｎｔｉａｌＬａｔｅｒａｌＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ（シーケンシャルラテラルソリディフィケーション）といわれる方法（米国特許第６３６８９４５号に開示）が知られている。この方法ではエキシマレーザを用いてトップフラットのプロファイルのビームを照射し、ビームのエッジでラテラル成長した結晶の長さ以下のピッチで照射位置をずらしながら照射することにより、レーザの進行方向と逆のエッジ（後方のエッジ）にできたラテラル結晶を連続的に成長させる。しかしながら、この方法を実施の形態１で用いた波長５３２ｎｍのグリーンレーザ（可視光レーザ）で実施すると、ラテラル結晶を連続的に長く成長させることができない。図９を用いてその理由を説明する。

図９は照射するレーザの強度分布を示す。また、図９は、レーザ照射によりａ−Ｓｉ膜１２に形成される結晶状態も示す。１０２，１０３はレーザショットによりラテラル成長した結晶、１０４，１０５はその前のショットでラテラル成長した結晶、１０１はレーザをスキャンするために基板を移動する方向である。図９において、レーザの進行方向の後方（基板の移動方向１０１の前方）のエッジでできたラテラル結晶１０２はその前にできた結晶１０４を起点として連続成長するが、レーザの進行方向のエッジ（前方のエッジ）では、その前にできた結晶１０５は残存し、新たにできる結晶１０３はその前にできた結晶１０５内に起点が無いため連続して成長しない。その結果、後方のエッジでは結晶は連続して結晶が成長するが、前方のエッジでは不連続な結晶が成長していく。そして、後方のエッジでできた結晶が前方にできた結晶にぶつかるとそこで成長を止めてしまう。従って結晶はビーム幅以上には成長しない。波長３０８ｎｍのエキシマレーザでは、ラテラル成長した結晶と微結晶とでｐ−Ｓｉの吸収に差がないため前方のエッジでできた結晶は再度溶融し、前方側の結晶１０３の位置がステージの移動とともにずれていくが、波長５３２ｎｍのグリーンレーザでは、ラテラル成長した結晶のレーザ光の吸収率が微結晶より減少するため、ガウス分布のようにピーク照射エネルギ密度が高くても、前方の結晶が再溶融せず残ってしまうためと考えられる。そこで、前方側の結晶を成長させないため、下記の方法でレーザアニールを行った。この方法を用いれば、結晶を連続して成長させることができる。

レーザアニールに用いる基板、およびレーザアニールに用いるレーザ光としては、実施の形態１と同じものを用いた。
まず、ラテラル成長しないが、ポリシリコンに遷移する程度の低い照射エネルギ密度（２００〜３００ｍＪ／ｃｍ²）で３μｍピッチでスキャンして、微結晶のポリシリコン膜を形成した後、図１０に示す方法で再度レーザアニールを行った。
図１０（ａ）は連続した４回のパルスレーザ照射におけるレーザスポットの位置（Ｘ方向：帯状のレーザ光の幅方向）、および集光した方向（Ｘ方向）の照射エネルギ密度の断面をプロットしたものである。実線８００は非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度を示す。４回のパルスレーザ照射は、第１パルス８０１、第２パルス８０２、第３パルス８０３、第４パルス８０４の順で照射した。各レーザパルスの照射タイミングは実施の形態１と同様、手動で与えており、パルス間の時間は数百ｍｓｅｃである。また、各パルスの照射エネルギ密度は、第１パルス８０１が、膜が凝集しない最大照射エネルギ密度（例えば１．０Ｊ／ｃｍ²より小さい値）とし、第２パルス８０２がパルス８０１の９１％の照射エネルギ密度、第３パルス８０３がパルス８０１の８５％、第４パルス８０４がパルス８０１の７８％とした。このようにすると、第１パルス８０１における完全溶融領域の幅は３９μｍとなり、パルス８０２，８０３，８０４における完全溶融領域の幅はそれぞれ約４μｍづつ狭くなる。そこでパルス８０１，８０２，８０３，８０４の各中心８１１，８１２，８１３，８１４を２μｍずつ図中のスキャン方向（Ｘ方向）と逆方向にずらせながら照射すれば、ずらした側の完全溶融領域の一端Ａ１が４回の照射においてほぼ一致する。このため、結晶は重ね照射した場合と同様に１回で〜１μｍづつ連続成長し、Ｘ方向に〜４μｍ程度成長したラテラル結晶領域８２０が形成される。パルスレーザにおける完全溶融領域の反対側の他端Ｂ１にもラテラル結晶領域８２１，８２２，８２３，８２４が形成されるが、完全溶融領域の他端Ｂ１は４μｍずつ位置がずれていくため、微結晶領域に挟まれた４列のラテラル結晶領域８２１，８２２，８２３，８２４が形成される。
次に、図１０（ｂ）に示すように、第１パルス８０１と同じ照射エネルギ密度の第５パルス８０５を第４パルス８０４から９μｍスキャン方向にずらして照射する。第４パルス８０４を照射した時点で既にラテラル結晶領域８２０は４μｍ程度成長しているため、パルス８０５の中心８１５と第４パルス８０４の中心８１４とが９μｍとなるようにずらしたとき、第５パルス８０５の完全溶融領域の一端Ａ２は結晶領域８２０とわずかに重なる。このためラテラル結晶領域８２０は連続して成長する。また、ラテラル結晶領域８２１〜８２４には完全溶融する照射エネルギ密度（実線８００）以上のレーザ光が照射され、さらにそれぞれ微結晶領域を挟んでおり、レーザ光の吸収率が高いため、完全に再溶融して再度微結晶になる（図１０（ｂ）では破線で表示）。なお、ラテラル結晶領域８２１〜８２４が連続している場合は、吸収率が下がるため完全に溶融することはない。したがって、ラテラル結晶領域８２１〜８２４が不連続であることが必要である。パルス８０５の照射後、パルス８０２〜８０４と同様の動作を繰り返すことにより、ラテラル結晶領域８２０を連続して成長させることができる。また、その際に他端Ｂ２に形成される４列の不連続のラテラル結晶領域（図ではラテラル結晶領域８２５のみ図示）は次のサイクルで微結晶化される。したがって、サイクルごとに他端側のラテラル結晶領域は微結晶化し、一端側のラテラル結晶領域８２０は他端側のラテラル結晶領域にぶつかることなく連続して成長させることができる。その結果、粒界が形成されることがなく、よりサイズの大きい結晶領域を成長させることが可能となる。

図１１に別の方法を示す。レーザアニールに用いる基板、およびレーザアニールに用いるレーザ光としては、実施の形態１と同じものを用いた。
まず、ラテラル成長しないが、ポリシリコンに遷移する程度の低い照射エネルギ密度（２００〜３００ｍＪ／ｃｍ²）で３μｍピッチでスキャンして、微結晶のポリシリコン膜を形成した後、図１１に示す方法で再度レーザアニールを行った。
図１１（ａ）は連続した４回のパルスレーザ照射におけるレーザスポットの位置（Ｘ方向：帯状のレーザ光の幅方向）、および集光した方向（Ｘ方向）の照射エネルギ密度の断面をプロットしたものである。図１１に示す方法では、４回のパルスレーザ照射は、第１パルス９０１、第２パルス９０２、第３パルス９０３、第４パルス９０４の順で照射した。第１パルス９０１は膜が凝集しない最大照射エネルギ密度（例えば１．０Ｊ／ｃｍ²より小さい値）のパルスである。この後、照射位置をスキャン方向と逆方向に６μｍ移動させ、第１パルス９０１の７８％の照射エネルギ密度で第２パルス９０２を照射し、その後、２μｍスキャン方向に移動させて、第１パルス９０１の８５％の照射エネルギ密度で第３パルス９０３を照射し、その後さらに２μｍスキャン方向に移動させて、第１パルス９０１の９１％の照射エネルギ密度で第４パルス９０４を照射する。このような順でパルス９０１，９０２，９０３，９０４の各中心９１１，９１２，９１３，９１４をずらせて照射しても、図１０と同様、完全溶融領域の一端Ａ１が４回の照射においてほぼ一致し、結晶は重ね照射した場合と同様に１回で〜１μｍづつ連続成長し、Ｘ方向に〜４μｍ程度成長したラテラル結晶領域９２０が形成される。一方、完全溶融領域の他端Ｂ１側にできるラテラル結晶領域のうちラテラル結晶領域９２２，９２３はそれぞれパルス９０３，９０４により再度完全溶融して微結晶になる。ラテラル結晶領域９２２，９２３がそれぞれパルス９０３，９０４により微結晶化するか、結晶を成長させるかは、ラテラル結晶領域９２２，９２３がそれぞれパルス９０３，９０４の完全溶融領域の他端からどれだけ内側にあるかで決定される。これが４μｍ以上であれば、結晶は成長せず再溶融して微結晶化する。
次に、図１１（ｂ）に示すように、パルス９０１と同じ照射エネルギ密度の第５パルス９０５を第４パルス９０４から５μｍスキャン方向にずらせて照射する。第４パルス９０４を照射した時点で既にラテラル結晶領域９２０は４μｍ程度成長しているため、パルス９０５の中心９１５と第４パルス９０４の中心９１４とが５μｍとなるようにずらしたとき、第５パルス９０５の完全溶融領域の一端Ａ２は結晶領域９２０とわずかに重なる。このためラテラル結晶領域９２０は連続して成長する。また、ラテラル結晶領域９２４，９２１には完全溶融する照射エネルギ密度（実線８００）以上のレーザ光が照射され、さらにそれぞれ微結晶領域を挟んでおり、レーザ光の吸収率が高いため、完全に再溶融して再度微結晶になる。パルス９０５の照射後、パルス９０２〜９０４と同様の動作を繰り返すことにより、図１０の方法と同様、ラテラル結晶領域９２０を連続して成長させることができる。また、その際に他端Ｂ２に形成されるラテラル結晶領域（図ではラテラル結晶領域９２５のみ図示）は次のサイクルで微結晶化される。したがって、サイクルごとに他端側のラテラル結晶領域は微結晶化し、一端側のラテラル結晶領域９２０は他端側のラテラル結晶領域にぶつかることなく連続して成長させることができる。その結果、粒界が形成されることがなく、よりサイズの大きい結晶領域を成長させることが可能となる。

図１０、図１１に示す方法において、パルス毎に照射エネルギ密度を変化させる方法としては実施の形態４と同様、パルスレートが秒オーダーであれば、レーザ発振器に外付けの減衰器（例えば誘電体の反射率が入射角に依存することを利用した可変減衰器）を用いることができる。また、この場合は、基板の移動もパルスステージを用い、減衰器及びパルスステージをコンピュータ制御して、パルス毎の照射エネルギ密度の変化と各パルスの移動とを共に制御することが可能である。
パルスレートが実用的な周波数（〜１ｋＨｚ）では、照射エネルギ密度を変化させる方法としては、実施の形態４で述べたＱスイッチがオンするタイミングを変える方法を用いれば良い。この場合の基板の移動は、パルスステージによる基板の等速駆動に組み合わせて照射光学系に光軸の微小移動機構を設け、これをＱスイッチでのパルス発生のタイミングに合わせて駆動させればよい。上記光軸の微小移動機構を備えたレーザアニール装置の概略図を図１２に示す。

図１２において、レーザ発振器１２１から出たレーザ光１２２はミラー１２３を介してビーム拡大・均一化光学系１２４を通り、ミラー１２５を介して集光光学系１２６を通り、集光されて基板１０に照射される。基板１０はステージ１２９により方向１０１に等速で移動する。ビーム拡大・均一化光学系１２４の前に入れたミラー１２３をピエゾアクチュエータの様な微小距離を高速で駆動できる駆動系１２７で矢印１２８の方向に往復移動させる。ピエゾアクチュエータは実用的なパルスレートに対応する数ｋＨｚで１０μｍ程度の往復駆動は可能である。レーザ発振器１２１から出たビーム１２２はビーム径を拡大しておらず、ミラー１２３は比較的小さいミラーで対応できるため、駆動が容易である。ミラー１２３の移動に伴いビーム１２２も矢印４３０方向に移動し、その結果、ステージ上でのビームは矢印１３１方向に移動する。ステージ１２９の等速移動とこのビームの往復移動とを組み合わせることにより、上述のビームスポットの移動が可能になる。なお、ピエゾアクチュエータの駆動とレーザ発振器とはパルス制御装置１３２からの出力電圧パルスにより制御される。

図１０、図１１に示す方法において、１パルスの照射エネルギ密度の範囲の上限はＳｉ膜の凝集が始まる最大照射エネルギ密度できまり、下限は繰り返し照射することによりラテラル結晶領域８２０、９２０が連続成長する最低照射エネルギ密度で決定される。

なお、図１０、図１１に示す方法において、１回のパルスレーザ光の照射で形成されるラテラル結晶領域の長さが〜１μｍであり、１サイクルで４回のパルスレーザの照射を行う場合に対して、照射エネルギ密度を変化させながら照射位置をどのように移動させるかを具体的に示したが、上記数値に限定されるものではない。通常は、１回のパルスレーザ光の照射で形成されるラテラル結晶領域の長さは〜１μｍであり、上記各実施の形態ではこのような値を用いて制御したが、より正確な制御を行うためには、予め、１回のパルスレーザ光の照射で形成されるラテラル結晶領域の長さｌを結晶解析等により測定しておき、このｌに応じて、１サイクル内で、照射位置をずらせると共に照射エネルギ密度を変化させ、ラテラル結晶領域が完全溶融領域の一方でのみ連続成長するようにする。また、１サイクルでのパルスレーザの照射回数をｎとした場合、次のサイクルではパルスレーザ光の照射位置をｌ×ｎで決まる距離Ｌ以下で、ラテラル結晶領域が連続成長する方向にずらせればよい。

また、照射エネルギ密度を変化させる回数は本実施の形態では１サイクルで３回であり、１サイクルでの照射回数は４回であるが、これに限るものでは無い。ただし、各ステップ毎の完全溶融領域幅の差がラテラル結晶領域が離散的にできる回数である必要がある（本実施の形態では各ステップ毎の完全溶融領域幅の差は４μｍ）。
また、（各サイクルでのパルスレーザの照射回数）×（１回のパルスで形成されるラテラル結晶領域の長さ）できまる距離Ｌ（本実施の形態では４μｍ）が、最大照射エネルギ密度のパルスを距離Ｌまたは距離Ｌよりわずかに小さい距離、移動して照射したときに、移動前に形成された、完全溶融領域の他方側に形成されるラテラル結晶領域（図１０では８２１〜８２４、図１１では９２１〜９２４）が完全溶融して微結晶化する距離となるようにする必要がある。

また、本実施の形態では、完全溶融領域の一端Ａ１（またはＡ２）は各サイクルの４パルスで一致しているが、ラテラル結晶領域８２０，９２０が連続成長しうる範囲であれば、必ずしも一致しなくとも良い。

この発明の実施の形態１によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態２に係わるレーザ光の照射エネルギ密度分布を示す図である。この発明の実施の形態２に係わる基板の状態を示す図である。この発明の実施の形態２によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態２によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態３によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態３によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態４によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態５に係わるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態５によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態５によるレーザアニール方法を説明する図である。この発明の実施の形態５によるレーザアニール装置を示す構成図である。

符号の説明

１微結晶領域、２ラテラル結晶領域、３結晶粒、４チャネル、５フラット部分、６パターン、７チャネルの向き、８領域、９ａ〜９ｄ，１８ａ〜１８ｃ結晶領域、１０基板、１１下地層、１２ａ−Ｓｉ膜、１３突起、１４支持体、１５荷重、１６レーザ光、１７起点、２０巨大結晶領域。

Claims

パルスレーザ光を照射することにより非晶質シリコン薄膜を結晶化するレーザアニール方法であって、可視光からなり、上記非晶質シリコン薄膜が完全溶融する照射エネルギ密度を有するパルスレーザ光を、上記非晶質シリコン薄膜の所定箇所に照射する第１工程と、上記パルスレーザ光の照射により溶融した上記非晶質シリコン薄膜が冷却後、上記第１工程におけるレーザ照射位置に上記パルスレーザ光を再度照射する第２工程と、上記第２工程を繰り返す第３工程とを備えたことを特徴とするレーザアニール方法。
非晶質シリコン薄膜面に結晶成長の起点を作成し、パルスレーザ光の照射により上記非晶質シリコン薄膜が完全溶融する完全溶融領域内に、上記起点が位置するようにしたことを特徴とする請求項１記載のレーザアニ−ル方法。
非晶質シリコン薄膜面に、上記非晶質シリコン薄膜の除去部分を形成し、この除去部分を起点としたことを特徴とする請求項２記載のレーザアニール方法。
非晶質シリコン薄膜上に、反射防止膜を形成すると共に、上記反射防止膜の除去部分を形成し、この除去部分を起点としたことを特徴とする請求項２記載のレーザアニール方法。
非晶質シリコン薄膜面に突起物を接触させ、接触面を起点としたことを特徴とする請求項２記載のレーザアニール方法。
第３工程の後、パルスレーザ光の照射により非晶質シリコン薄膜が完全溶融する完全溶融領域幅以下で、上記パルスレーザ光の照射領域をずらせる第４工程を施し、再度、第１工程、第２工程、および第３工程を繰り返すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザアニ−ル方法。
第２工程および第３工程において、パルスレーザ光の照射毎に、上記パルスレーザ光の照射エネルギ密度を変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザアニ−ル方法。
帯状のパルスレーザ光を用い、第２工程および第３工程において、パルスレーザ光の照射毎に、上記パルスレーザ光の照射エネルギ密度を変化させると共に、照射位置を帯状のレーザ光の幅方向にずらせ、上記パルスレーザ光の照射により溶融した非晶質シリコン薄膜が冷却して結晶化する際に形成されるラテラル結晶領域が、完全溶融領域の一方でのみ連続成長するようにしたことを特徴とする請求項１記載のレーザアニール方法。
第３工程の後、パルスレーザ光の照射位置を、連続成長したラテラル結晶領域幅以下で、連続成長する方向にずらせる第４工程を施し、再度、第１工程、第２工程、および第３工程を繰り返すことを特徴とする請求項８記載のレーザアニール方法。
第４工程において、１回のパルスレーザ光の照射で形成されるラテラル結晶領域の長さをｌ、第１工程〜第３工程によるパルスレーザの照射回数をｎとした時、ｌ×ｎで決まる距離Ｌ以下で、パルスレーザ光の照射位置を、ラテラル結晶領域が連続成長する方向にずらせることを特徴とする請求項９記載のレーザアニール方法。
距離Ｌは、最大照射エネルギ密度のパルスを距離Ｌまたは距離Ｌよりわずかに小さい距離、移動して照射したときに、移動前に形成された、完全溶融領域の他方側に形成されるラテラル結晶領域が完全溶融して微結晶化する距離であることを特徴とする請求項１０記載のレーザアニール方法。
パルスレーザ光の照射毎に、上記パルスレーザ光の照射エネルギ密度を変化させる方法として、レーザ発振器のＱスイッチがオンするタイミングをパルス毎に変化させ、上記Ｑスイッチのオフ期間を変化させることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載のレーザアニール方法。