JP2005347741A - Laser irradiation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば半導体材料に対して行われるようなアニールを均一に、かつ効率的に行うためのレーザ照射装置(レーザと該レーザから出力されるレーザビームを被照射体まで導くための光学系を含む装置)に関する。 The present invention relates to a laser irradiation apparatus (an optical system for guiding a laser and a laser beam output from the laser to an irradiated body) for uniformly and efficiently performing annealing, for example, performed on a semiconductor material. Apparatus).
近年、基板上に薄膜トランジスタ(以下TFTと記す)を製造する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型表示装置への応用開発が進められている。特に、多結晶半導体膜を用いたTFTは、従来の非晶質半導体膜を用いたTFTよりも電界効果移動度が高いので、高速動作が可能である。そのため、従来基板の外に設けられた駆動回路を、画素と同一の基板上に形成し、該駆動回路で画素の制御を行うことが試みられている。 In recent years, a technique for manufacturing a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) on a substrate has greatly advanced, and application development to an active matrix display device has been advanced. In particular, a TFT using a polycrystalline semiconductor film has higher field-effect mobility than a TFT using a conventional amorphous semiconductor film, and thus can operate at high speed. For this reason, it has been attempted to form a drive circuit provided outside the conventional substrate on the same substrate as the pixel and to control the pixel with the drive circuit.
ところで半導体装置の需要の増大に伴い、その作製には低温化及び短時間化が強く求められるようになっている。半導体装置に用いる基板もコストの面から単結晶半導体基板よりも有利な、ガラス基板が採用されるようになってきている。ガラス基板は耐熱性に劣り、熱変形しやすいが、ガラス基板上に多結晶半導体膜を用いたTFTを形成する場合には、レーザアニールを用いることにより低温度で半導体膜の結晶化を容易に行うことができる。 By the way, with the increase in demand for semiconductor devices, it is strongly demanded to lower the temperature and shorten the manufacturing time. As a substrate used for a semiconductor device, a glass substrate, which is more advantageous than a single crystal semiconductor substrate in terms of cost, has been adopted. A glass substrate is inferior in heat resistance and easily deformed by heat, but when a TFT using a polycrystalline semiconductor film is formed on a glass substrate, the semiconductor film can be easily crystallized at a low temperature by using laser annealing. It can be carried out.
それとともにレーザアニールは、輻射加熱あるいは伝導加熱を利用するアニール法と比較して処理時間を大幅に短縮できることや、基板上の半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えない利点を有している。 At the same time, laser annealing can significantly reduce the processing time compared to annealing methods using radiant heating or conduction heating, and the semiconductor film on the substrate can be selectively and locally heated to make the substrate almost thermally. It has the advantage of not damaging it.
レーザアニールに用いられるレーザ発振器はその発振方法により、パルス発振と連続発振の2種類に大別される。近年では、半導体膜の結晶化においてエキシマレーザのようなパルス発振のレーザ発振器よりもArレーザやYVO4レーザのような連続発振のレーザ発振器を用いる方が、半導体膜内に形成される結晶の粒径が大きくなることが見出されている。半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるTFTチャネル領域に入る粒界の数が減るので移動度が高くなり、より高性能なデバイスの開発に利用できる。そのため、連続発振のレーザ発振器は脚光を浴びている。 Laser oscillators used for laser annealing are roughly classified into two types, pulse oscillation and continuous oscillation, depending on the oscillation method. In recent years, in crystallizing a semiconductor film, it is more preferable to use a continuous oscillation laser oscillator such as an Ar laser or a YVO 4 laser than a pulse oscillation laser oscillator such as an excimer laser. It has been found that the diameter increases. As the crystal grain size in the semiconductor film increases, the number of grain boundaries entering the TFT channel region formed using the semiconductor film decreases, so that the mobility increases, which can be used for the development of higher performance devices. Therefore, continuous wave laser oscillators are in the spotlight.
しかしながら、連続発振のレーザ照射器を用いてレーザアニールを行うにあたって、照射面においてアニールの状態が不均一になるという問題がある。その原因として、連続発振のレーザ照射器から射出されたレーザビームはガウス分布状のエネルギー分布をしており、中心から端に向かってエネルギーが弱まる特徴を有していることが挙げられる。従って、均一にアニールすることは難しい。 However, when laser annealing is performed using a continuous wave laser irradiator, there is a problem that the state of annealing becomes uneven on the irradiated surface. The cause is that the laser beam emitted from the continuous wave laser irradiator has a Gaussian energy distribution, and has a characteristic that the energy decreases from the center toward the end. Therefore, it is difficult to anneal uniformly.
照射面におけるレーザビームの形状を線状にし、かつレーザビームのエネルギーを均一化する装置として、図6に示すレーザ照射装置が知られている。該レーザ照射装置は、複数個のシリンドリカルレンズアレイ等を有し、レーザ発振器1から出射されたレーザビームは、複数個のシリンドリカルレンズアレイ2〜6により複数の光に分割乃至集光され、母線の向きが互いに直交な凸シリンドリカルレンズ5、6と、ミラー7で反射された後、2枚のシリンドリカルレンズで構成されるダブレットシリンドリカルレンズ8とにより、再び前記複数の光を1つの線状のレーザビームに合成して集光され照射面9に照射される。
A laser irradiation apparatus shown in FIG. 6 is known as an apparatus that linearizes the shape of the laser beam on the irradiation surface and makes the energy of the laser beam uniform. The laser irradiation apparatus has a plurality of cylindrical lens arrays and the like, and the laser beam emitted from the
そして、上記の構成で形成された線状ビームをそのレーザビームの短手方向にずらしながら照射することにより、非晶質半導体の全面に対し、レーザアニールを施して結晶化させたり、結晶性を向上させたり、不純物元素の活性化を行うことになる。 Then, by irradiating the linear beam formed in the above configuration while shifting in the short direction of the laser beam, the entire surface of the amorphous semiconductor is crystallized by laser annealing or crystallinity is improved. Improvement or activation of impurity elements will be performed.
ところが、従来のレーザ照射装置は、上記したように複数個の高価なシリンドリカルレンズアレイを用い、それらを所望の線状ビームが形成されるように配置する必要がある等、装置が大型化し、且つコストが嵩むという問題があった。また、レーザアニールを行うにあたって、線状ビームを望みのサイズに加工して行うことになるが、そのサイズを再度変える時には光学系の再配置または光学部品の交換が必要になる。従って、線状ビームのサイズを変える度に光学調整を必要とし、且つその光学調整には多大な時間を要するため、スループットが低いという問題もあった(特許文献1参照)。 However, the conventional laser irradiation apparatus uses a plurality of expensive cylindrical lens arrays as described above, and it is necessary to arrange them so that a desired linear beam is formed. There was a problem that the cost increased. Further, when laser annealing is performed, the linear beam is processed into a desired size, but when the size is changed again, it is necessary to rearrange the optical system or replace optical components. Therefore, optical adjustment is required every time the size of the linear beam is changed, and the optical adjustment requires a lot of time, so that there is a problem that the throughput is low (see Patent Document 1).
本出願人は、これら従来のレーザ照射装置が有する弊害を解消した小型で、且つ低コストのレーザ照射装置を既に提案している。そのレーザ照射装置を図7に示す。このレーザ照射装置は、矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームを形成することができる素子である回折光学素子を用いるものである。 The present applicant has already proposed a compact and low-cost laser irradiation apparatus that eliminates the disadvantages of these conventional laser irradiation apparatuses. The laser irradiation apparatus is shown in FIG. This laser irradiation apparatus uses a diffractive optical element which is an element capable of forming a rectangular beam having a uniform energy distribution.
即ち、レーザ発振器11から出射されたレーザビームを、ミラー12で反射した後、回折光学素子13により矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビーム14に形成し、その矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビーム14が結像される位置に照射面15を配置したものである(特許文献1参照)。
That is, the laser beam emitted from the
しかしながら、上記のレーザ照射装置においても矩形状ビームの端部は均一とはいえず、また、ビームのサイズを変えるには回折光学素子またはその他のレンズを交換する、もしくは光学素子の配置を変える必要がある等、やはりその光学調整に時間を要し、スループットが低いという問題を有していた。
本発明は上記の問題を解決することを課題とするものであり、詳細には、回折光学素子の結像位置にスリット開口部の長さを可変可能にしたスリットを配置することにより、エネルギー分布が均一で、アニールに必要な形状のレーザビームを容易に形成することのできるレーザ照射装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problem. Specifically, an energy distribution is provided by disposing a slit having a variable slit opening length at an imaging position of a diffractive optical element. An object of the present invention is to provide a laser irradiation apparatus that is uniform and can easily form a laser beam having a shape necessary for annealing.
上記目的を達成するため、本願発明は以下の構成を採用する。なお、ここでいうレーザアニール法とは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層やアモルファス層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜にレーザ照射を行って半導体膜を結晶化させる技術、基板上に形成された非晶質半導体膜にニッケルなどの結晶化を促進する元素を導入した後にレーザ照射を行うことによって結晶化をさせる技術などを指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる。また、本明細書中では、照射面における形状が線状、楕円状、矩形状であるレーザビームをそれぞれ線状ビーム、楕円状ビーム、矩形状ビームと呼ぶ。 In order to achieve the above object, the present invention adopts the following configuration. The laser annealing method referred to here is a technique for recrystallizing a damaged layer or an amorphous layer formed on a semiconductor substrate or a semiconductor film, or a laser irradiation to an amorphous semiconductor film formed on a substrate. It refers to a technique for crystallizing a semiconductor film, a technique for crystallizing an amorphous semiconductor film formed on a substrate by introducing an element that promotes crystallization, such as nickel, and then performing laser irradiation. Moreover, the technique applied to planarization and surface modification of a semiconductor substrate or a semiconductor film is also included. Further, in this specification, laser beams whose shapes on the irradiation surface are linear, elliptical, and rectangular are referred to as a linear beam, an elliptical beam, and a rectangular beam, respectively.
本明細書で開示する発明の一つは、レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であることを特徴とする。 One of the inventions disclosed in this specification is a laser irradiation apparatus including a laser oscillator, a diffractive optical element, a slit, and a condensing lens, wherein the slit can change the length of the slit opening. It is characterized by.
他の発明の構成は、レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であって、照射面に対して長さの異なるレーザビームを照射可能であることを特徴とする。 According to another aspect of the invention, there is provided a laser irradiation apparatus having a laser oscillator, a diffractive optical element, a slit, and a condenser lens, wherein the slit can change the length of the slit opening, and It is possible to irradiate laser beams having different lengths.
また他の発明の構成は、レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であって、照射面に対して長さの異なるレーザビームを斜めに照射可能であることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a laser irradiation apparatus having a laser oscillator, a diffractive optical element, a slit, and a condenser lens, wherein the slit can change the length of the slit opening, and On the other hand, laser beams having different lengths can be irradiated obliquely.
また他の発明の構成は、スリット開口部の長手方向の長さを可変可能にすることを特徴とする。 Another aspect of the invention is characterized in that the length of the slit opening in the longitudinal direction is variable.
また、上記の構成において、スリットの位置は、回折光学素子と集光レンズとの間に位置し、かつレーザ発振器から出射するレーザビームの光路上に位置することを特徴とする。 In the above configuration, the slit is positioned between the diffractive optical element and the condenser lens and is positioned on the optical path of the laser beam emitted from the laser oscillator.
また他の発明の構成は、前記レーザ発振器からのレーザは、連続発振のレーザ、または発振周波数が10MHz以上のパルスレーザを用いることを特徴とする。連続発振のレーザとしては、(1)単結晶のYAG、YVO4、YLF、YAlO3、GdVO4、アレキサンドライト、Ti:サファイア、または多結晶のYAG、Y2O3、YVO4、YAlO3、GdVO4に、ドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、(2)Arレーザ、Krレーザ、CO2レーザなどの気体レーザを挙げることができる。また、発振周波数が10MHz以上のパルスレーザとして、単結晶のYAG、YVO4、GdVO4、または多結晶のYAG、Y2O3、YVO4、YAlO3、GdVO4にドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザを挙げることができる。 In another aspect of the invention, the laser from the laser oscillator is a continuous wave laser or a pulsed laser having an oscillation frequency of 10 MHz or more. As the continuous wave laser, (1) single crystal YAG, YVO 4 , YLF, YAlO 3 , GdVO 4 , alexandrite, Ti: sapphire, or polycrystalline YAG, Y 2 O 3 , YVO 4 , YAlO 3 , GdVO 3 4. Laser using a medium containing one or more of Nd, Yb, Cr, Ti, Ho, Er, Tm, and Ta as dopants, (2) Ar laser, Kr laser, CO 2 laser And a gas laser. Further, as a pulse laser with an oscillation frequency of 10 MHz or more, single crystal YAG, YVO 4 , GdVO 4 , or polycrystalline YAG, Y 2 O 3 , YVO 4 , YAlO 3 , GdVO 4 are doped with Nd, Yb, Cr , Ti, Ho, Er, Tm, and Ta may be used as a medium.
本発明によると、まず、レーザ発振器から出射されたレーザビームが回折光学素子を通過することによって、スリット上にエネルギー分布の均一な線状、楕円状または矩形状のレーザビームの断面を形成し、照射面上に投影することで、エネルギー分布の均一なレーザビームを照射面上に形成することができる。そしてこのレーザビームを用いてアニールを行うことにより、基板上の非晶質半導体膜に均一なアニールを行うことができる。 According to the present invention, first, a laser beam emitted from a laser oscillator passes through a diffractive optical element, thereby forming a linear, elliptical, or rectangular laser beam cross section with a uniform energy distribution on the slit, By projecting onto the irradiation surface, a laser beam with a uniform energy distribution can be formed on the irradiation surface. By performing annealing using this laser beam, uniform annealing can be performed on the amorphous semiconductor film on the substrate.
また、スリット開口部の長手方向の長さを、レーザビームの進行方向とは垂直の方向に可変することにより、矩形状ビームの端部を遮蔽することができるとともに、望みのサイズに整形することができる。そのため、光学調整や光学部品の交換を不要とし、短時間でさまざまなサイズの矩形状ビームを形成することができる。 In addition, by changing the length of the slit opening in the longitudinal direction in a direction perpendicular to the traveling direction of the laser beam, the end of the rectangular beam can be shielded and shaped to the desired size. Can do. Therefore, optical adjustment and replacement of optical components are not required, and rectangular beams of various sizes can be formed in a short time.
さらに、作製するデバイスによって、用いる矩形状ビームのサイズを容易に変えることができるために、結果的に短時間で多数の基板を処理することができ、スループットを高めることができる。また、基板上に均一なアニールを行うことができるため、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。そのため、電気特性のバラツキを低減することができるため、信頼性を高めることができる。そして、本発明をTFTの量産ラインに適用すれば、動作特性の高いTFTを効率よく生産することができる。 Furthermore, since the size of a rectangular beam to be used can be easily changed depending on a device to be manufactured, as a result, a large number of substrates can be processed in a short time, and throughput can be increased. In addition, since uniform annealing can be performed on the substrate, the uniformity of crystallinity within the substrate surface can be improved. Therefore, variation in electrical characteristics can be reduced, and reliability can be increased. If the present invention is applied to a TFT mass production line, a TFT having high operating characteristics can be efficiently produced.
その結果、アクティブマトリクス型の液晶表示装置に代表される半導体装置において、半導体装置の動作特性及び信頼性の向上を実現することができる。さらに、半導体装置の作製工程において、マージンを拡大することができ、歩留まりが向上するため、半導体装置の製造コストの低減を実現させることができる。 As a result, in a semiconductor device typified by an active matrix liquid crystal display device, the operating characteristics and reliability of the semiconductor device can be improved. Further, in the manufacturing process of the semiconductor device, the margin can be increased and the yield can be improved, so that the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
図1に本発明のレーザ照射装置の一例を示す。まず、非単結晶半導体膜106を成膜した基板107を用意する。基板107は、X軸ステージ108及びY軸ステージ109上に置かれ、該X軸ステージ108及びY軸ステージ109を図示しないモータによりそれぞれ矢印の方向に移動することにより、X軸方向及びY軸方向に自在に移動可能にされる。
FIG. 1 shows an example of a laser irradiation apparatus of the present invention. First, a
レーザ照射装置は、概略レーザ発振器101、回折光学素子102、スリット103、ミラー104及び集光レンズ105から構成される。集光レンズ105として、凸レンズ(凸型球面レンズ、または凸シリンドリカルレンズ)を用いることができる。レーザ発振器101は、公知のもので連続発振形式のレーザ、即ち、固体レーザとしては単結晶のYAG、YVO4、YLF、YAlO3、GdVO4、アレキサンドライト、Ti:サファイア、または多結晶のYAG、Y2O3、YVO4、YAlO3、GdVO4に、ドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザのいずれかであり、気体レーザとしてはArレーザ、Krレーザ、CO2レーザのうちのいずれかが用いられる。または、パルス発振のレーザであっても、周波数が10MHz以上の単結晶のYAG、YVO4、GdVO4、または多結晶のYAG、Y2O3、YVO4、YAlO3、GdVO4にドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザを用いてもよい。このように、レーザ発振器101として連続発振形式のもの、または周波数が10MHz以上のパルスレーザを用いることにより、少なくとも1つの結晶粒の中に1つのTFTが形成可能な粒径を持つ半導体膜を形成することができる。
The laser irradiation apparatus includes a
半導体膜のアニール処理に連続発振のレーザだけではなく、発振周波数が高いパルスレーザを用いてもよい理由は以下の通りである。レーザビームを半導体膜に照射してから半導体膜が完全に固化するまでの時間は、数十nsec〜数百nsecといわれている。従って、発振周波数が低いパルスレーザでは、半導体膜がレーザによって溶融して固化した後に次のパルスが照射されることになる。したがって、それぞれのパルスが照射された後、再結晶時に結晶粒は中心対称的に放射状に成長する。そして、隣り合う結晶粒の境界に粒界が形成されるため、半導体膜の表面には凹凸が生じる。 The reason why not only a continuous wave laser but also a pulse laser having a high oscillation frequency may be used for the annealing treatment of the semiconductor film is as follows. It is said that the time from when the semiconductor film is irradiated with the laser beam until the semiconductor film is completely solidified is several tens to several hundreds nsec. Therefore, in a pulse laser with a low oscillation frequency, the next pulse is irradiated after the semiconductor film is melted and solidified by the laser. Therefore, after each pulse is irradiated, the crystal grains grow radially in a central symmetry during recrystallization. Since grain boundaries are formed at the boundaries between adjacent crystal grains, irregularities occur on the surface of the semiconductor film.
ところが、発振周波数が高いパルスレーザを用いると、半導体膜がレーザによって溶融してから固化するまでの間に、次のパルスが半導体膜に照射される。従って、発振周波数が低いパルスレーザを用いる場合と異なり、半導体膜中において固液界面を連続的に移動させることができる。従って、レーザの走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒を有する半導体膜が形成される。 However, when a pulse laser having a high oscillation frequency is used, the semiconductor film is irradiated with the next pulse after the semiconductor film is melted by the laser and solidified. Therefore, unlike the case of using a pulse laser having a low oscillation frequency, the solid-liquid interface can be continuously moved in the semiconductor film. Accordingly, a semiconductor film having crystal grains continuously grown in the laser scanning direction is formed.
前記回折光学素子102は、ディフラクティブオプティカルエレメント(DOE)、またはディフラクティブオプティクスとも呼ばれ、光の回折を利用してスペクトルを得る素子で、その表面に多数の溝を形成することにより集光レンズ機能を奏するものが用いられる。そして、この回折光学素子102を用いることにより、連続発振のレーザ発振器101から出射されたレーザビームのガウス分布状のエネルギー分布を、矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームに形成することができる。
The diffractive
前記スリット103は、回折光学素子102の結像位置に配置される平板状部材であり、前記回折光学素子102により形成される矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームが結像される位置に配置される。その概略を図2に示す。スリット103は、その中央部に矩形状のスリット開口部110を有するとともに、該スリット開口部110の長手方向の両端部115a、115bには、該両端部115a、115bを開放並びに遮蔽するための遮蔽板113a、113bが配設される。なお、遮蔽板113a、113bを移動させる方向と回折光学素子102のレーザビームを受ける面とが平行になるようにスリット103を配置すればよい。
The
それぞれの遮蔽板113a、113bの略中央部には、内面に雌ネジが形成された円形の穴116を有する支持片114がそれぞれ取り付けられている。また、それぞれの遮蔽板113a、113bのスリット103と反対側には、ネジ軸112の一方端を取り付け、該ネジ軸112を回動自在にするモータ111が配置されるとともに、各ネジ軸112の他方端は、前記遮蔽板113a、113bの支持片114の穴116に形成される雌ネジに螺合される。そのため、モータ111が駆動されるとネジ軸112が回動し、支持片114を介して遮蔽板113a、113bをスリット開口部110の長手方向に沿って矢印で示すように移動させ、スリット開口部110の長手方向の長さを可変させる。なお、モータ111は、リニアモータ等を用いることができる。また、モータ以外であれば、例えば超音波ステージを用いることができる。また、スリットの開閉する際のストロークが100μm以下と小さければピエゾ素子等を用いることができる。
Supporting
このように、スリット開口部110の両端で遮蔽板113a、113bを左右方向に移動させることによりスリット開口部110の長手方向の長さを可変することができる。そのため、回折光学素子102で形成した矩形状のビームのうち、特に長手方向の両端部のエネルギー分布が不均一な部分を必要に応じてカットすることが可能となり、エネルギー分布が均一なビームを照射面上に形成することができる。このビームを用いてアニールを行うことにより、基板上の非晶質半導体膜に均一なアニールを行うことができる。
Thus, the length of the slit opening 110 in the longitudinal direction can be varied by moving the
また、スリットを開閉することの利点は、ビームの長手方向の両端部のエネルギー分布が不均一な領域を遮断することだけではない。照射面のデザインルールに従って、所望するサイズにビームの長手方向の長さを調節することができる利点もある。なお、その際には、光学調整や光学部品の交換は不要である。
具体的には、遮蔽板113a、113bを左右方向に移動させることにより、基板107上に形成されるTFTの位置に応じてビーム長Hを可変することができる。可変の形態を図3、図4に示す。隣り合うレーザビームが重なって照射される箇所121は、結晶が不均一になるため通常TFTを作製しない。ところが、設計上いろいろな位置にTFTを配置しなければならない場合が生ずる。このような場合、同じビーム長Hで走査すると、どうしてもレーザビームが重なって照射される箇所121にTFTが位置することが生ずる。
Further, the advantage of opening and closing the slit is not only to block a region where the energy distribution at both ends in the longitudinal direction of the beam is not uniform. There is also an advantage that the length in the longitudinal direction of the beam can be adjusted to a desired size according to the design rule of the irradiation surface. In this case, optical adjustment and replacement of optical components are not necessary.
Specifically, the beam length H can be varied according to the position of the TFT formed on the
図3に示すものは、照射領域毎にビーム長Hを可変するものである。即ち、照射領域1では、短い長さであるビーム長H1でビームを走査し、照射領域1に形成される予定のTFT130の作製位置を全て含むように結晶化する。次いで、照射領域2では、照射領域1より長い長さであるビーム長H2でビームを走査し、照射領域2に形成される予定のTFT130の作製位置を全て含むように結晶化する。さらに、照射領域3では、照射領域2より長い長さであるビーム長H3でビームを走査し、照射領域3に形成される予定のTFT130の作製位置を全て含むように結晶化する。このように、スリット開口部110の長さを可変し、照射領域毎にビーム長Hを可変することにより、隣り合うレーザビームが重なって照射される箇所121にTFT130が位置しないように結晶化することができる。
In FIG. 3, the beam length H is varied for each irradiation region. That is, in the
図4(A)に示すものは、遮蔽板113a、113bによってレーザ照射中にビーム長Hを変化させる例である。即ち、図3に示すようにそれぞれの照射領域ごとにビーム長Hを変えるのではなく、基板上のTFTの配置に応じて照射中に遮蔽板113a、113bを動かすことによってビーム長Hを調節し、ビームの端がTFT形成部に重なることを個別に避けるものである。
即ち、第1の照射領域201において、TFT203の形成部に重なるまでの領域((1)の領域)ではビーム長H1でレーザを照射する。次に、ビームの端がTFT203の形成部に重なる領域((2)の領域)に差し掛かる前に、遮蔽板113a、113bを調節することによってビーム長を変え、ビーム長H1より長いビーム長H2にする。ビーム長H2でレーザを照射することによって、ビームの端がTFT203の形成部に重なることを避ける。なお、レーザ照射領域の端部がTFT203の形成部に重なることを確実に避けるために、ビームの幅を変える際には、マージンを持たせてもよい。また、レーザがTFT203の形成部を過ぎた領域((3)の領域)では、ビーム長をH1に戻してレーザを照射する。このようにして、第1の照射領域201が形成される。
同様に、第2の照射領域202において、ビームがTFT203形成部に重なるまでの領域((1)の領域)ではビーム長H1でレーザを照射する。次に、ビームの端がTFT203形成部に重なる領域((2)の領域)にさしかかる直前に、遮蔽板113a、113bを調節することによって、ビーム長H1より短いビーム長H3にして、TFT203の形成部を避けるように照射する。また、TFT203の形成部を過ぎた領域(3)では、ビーム長H1に戻して照射する。
FIG. 4A shows an example in which the beam length H is changed during laser irradiation by the
That is, in the
Similarly, in the
また、本発明では、図4(B)に示すように、ビームを照射する方向を変えて照射することが可能である。第1の照射領域201では図4(A)と同様に、ビーム長H1からビーム長H2に短く変えてTFT203の形成部を避け、第1の領域201にレーザ照射を行う。その後、第1の照射方向とは別の方向、例えば、第1の照射方向と直交する方向から、第2の領域202に、TFT203の形成領域を照射可能な長さであるビーム長H3でレーザ照射を行う。具体的には、(1)光学系のセッティング位置を変更することによりレーザの入射方向を変更する方法、(2)ステージを回転させることにより基板の方向を変えた後にビームを照射する方法、の2つが挙げられる。どちらの方法も可能であるが、後者の方が光学系の交換または再調整が不要であるため、より好ましい。
Further, in the present invention, as shown in FIG. 4B, irradiation can be performed while changing the beam irradiation direction. In the
このような構成により、レーザ発振器101から照射されたレーザビームは、回折光学素子102により、線状、楕円状、または矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームに形成されるとともに、スリット103でいったん結像される。その後、ビームは、スリット103を通過して、ミラー104で反射され、さらに集光レンズ105によって集光され、非単結晶半導体膜106を成膜した基板107に対して斜めに線状、楕円状、または矩形状のビーム120として入射される。そしてX軸ステージ108、またはY軸ステージ109を移動させ、非単結晶半導体膜106の全面に亘ってレーザが走査することになる。
With such a configuration, the laser beam emitted from the
なお、基板107上に形成される矩形状のビーム120は、長手方向の長さが約150〜400μm、短手方向の長さが約1〜30μmのものが用いられる。ビーム120の大きさのうち、長手方向の長さは、エネルギー密度が結晶化に十分であるように短手方向の長さに伴って決めればよい。ここで、短手方向の長さは、光学設計の制限から下限が約1μmである。また、短手方向の長さの上限は約30μmである。それは、短手方向の長さが上限以上の長さになると、半導体膜の表面に荒れが生じ、好ましくないからである。実際には、10Wで短手方向の長さが約10μmの場合、長手方向の長さは約400μmになり、3Wで短手方向の長さが約8μmの場合、長手方向の長さは約150μmになる。
The
また、上記したように基板107へのビーム120は、斜めに入射されるが、その理由は基板107の下面からの反射光との干渉を防止するためである。この点について図5を用いて説明する。非単結晶半導体膜106を成膜した基板107に対して、ビーム長Wの入射光140を入射角θで斜めに入射させると、基板107の上面から上面反射光141が発生する。一方、基板107の上面で反射しなかった光は基板内に進み、基板107の下面から下面反射光142を発生する。ここで、基板107の上下面からそれぞれ発生する上面反射光141、下面反射光142が重なると光の干渉が起こることが知られている。
Further, as described above, the
この干渉が発生すると発生箇所の結晶が不均一になる。ところが図5に示すように、入射角θを所定角度以上にすることにより、上面反射光141と下面反射光142とを重ならないようにすることができる。このように、上面反射光141と下面反射光142とを重ならないよう入射光140を傾斜させて基板107に入射させることにより、干渉による弊害を防止することができる。なお、この入射角θをあまり大きくすると結晶化ができなくなる。入射角θの適正な角度は、基板107の厚さdやビーム長Wによって異なり、基板107の厚さdが約700μmかつビーム長Wが200μmの場合では、θは約20度になる。しかし、厚さdが約700μmかつビーム長Wが1000μmの場合では、θは約60度にもなり、適正ではなくなる。
When this interference occurs, the crystal at the occurrence location becomes non-uniform. However, as shown in FIG. 5, the upper surface reflected light 141 and the lower surface reflected light 142 can be prevented from overlapping by setting the incident angle θ to a predetermined angle or more. As described above, the incident light 140 is inclined and is incident on the
上記したように、スリット開口部110の長さを可変可能にすることにより、線状、楕円状、または矩形状のビームのサイズを望みのサイズに調節することができるため、照射面の大きさに合わせてビームを整形することや、利用したい領域のレーザアニールを行うことができる。 As described above, by making the length of the slit opening 110 variable, the size of the linear, elliptical, or rectangular beam can be adjusted to a desired size. The beam can be shaped in accordance with the laser beam, or laser annealing can be performed on the region to be used.
本願発明は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更可能である。 The present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and can be appropriately changed in design without departing from the gist of the invention.
本実施例では、本発明によるレーザアニール装置を用いて、薄膜トランジスタ(TFT)を作成する工程を示す。 In this embodiment, a process of forming a thin film transistor (TFT) using a laser annealing apparatus according to the present invention is shown.
図8(A)に示すように、絶縁表面を有する基板800上に下地膜801を形成する。本実施例では、基板800としてガラス基板を用いる。なお、ここで用いる基板800には、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、セラミックス基板、ステンレス基板などを用いることができる。また、プラスチック、アクリルなどに代表される可撓性を有する材料からなる基板は、一般的に他の基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、本工程の処理に耐え得るのであれば用いることができる。
As shown in FIG. 8A, a
下地膜801は、基板800に含まれるナトリウムなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が半導体中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。このため、アルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体中への拡散を抑えることのできる酸化珪素や窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。また、下地膜801は単層または積層構造のいずれでもよい。本実施例では、プラズマCVD法(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長法)を用いて窒化酸化珪素膜を10〜400nmの膜厚になるように成膜した。
The
なお、基板800として、ガラス基板またはプラスチック基板のようにアルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いている場合には、不純物の拡散を防ぐために下地膜801を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさほど問題にならない基板を用いる場合には必ずしも下地膜801を設ける必要はない。
Note that in the case where a substrate containing an alkali metal or an alkaline earth metal, such as a glass substrate or a plastic substrate, is used as the
次いで、下地膜801上に非晶質半導体膜802を形成する。非晶質半導体層802は、公知の方法(スパッタリング法、LPCVD法、プラズマCVD法など)により、25〜100nm(好ましくは30〜60nm)の厚さで形成する。ここで用いる非晶質半導体膜802は、珪素やシリコンゲルマニウムなどを用いることができるが、ここでは珪素を用いる。シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は0.01〜4.5atomic%程度であることが好ましい。
Next, an
続いて図8(B)に示すように、本発明のレーザアニール装置を用いて非晶質半導体膜802にレーザビーム803を照射して結晶化を行う。本実施例では、レーザビームとして10W、第2高調波、TEM00モード(シングル横モード)発振のNd:YVO4レーザを用いる。このレーザビームの照射により、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成される。なお、ここで挙げたレーザに限らず、連続発振のレーザまたは10MHz以上の周波数を持つパルス発振のレーザを用いてもよい。連続発振のレーザとしては、単結晶のYAG、YVO4、YLF、YAlO3、GdVO4、アレキサンドライト、Ti:サファイア、または多結晶のYAG、Y2O3、YVO4、YAlO3、GdVO4に、ドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、Arレーザ、Krレーザ、CO2レーザなどを用いることができる。10MHz以上の周波数のパルスレーザとして、単結晶のYAG、YVO4、GdVO4、または多結晶のYAG、Y2O3、YVO4、YAlO3、GdVO4にドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザなどを用いてもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, crystallization is performed by irradiating the
電子機器の小型化と性能向上のためには、限られた面積の中にできるだけ効率よくTFTを配置し、配線を短くすることが必要となる。このため、実際にはビームの幅を生かしたレイアウトにならないこともある。つまり、実際のレイアウトでは、単一のレーザの幅でアニールを行うと、ビームの端がTFT形成を予定している部分に重なることが往々にして起こることになる。このままTFTをレイアウト通りに形成すると、TFTが有する半導体膜の結晶化状態がばらつくため、電子機器の性能に大きな影響を及ぼす。例えば、図9(A)のような発光素子の配線図を表すレイアウト(図9(B))の場合では、トランジスタおよび容量の部分は良好な結晶性を持つ半導体膜である必要がある。このような場合でも、図9(C)、図9(D)のように2回に分けて、ビーム幅の調節を行いながらレーザ照射を行えばよい。なお、図9において、900は半導体膜、901はソース信号線、902はゲート信号線、903は電流供給線、904はスイッチング用TFT、905は駆動用TFT、906は容量、907は発光素子である。 In order to reduce the size and improve the performance of electronic devices, it is necessary to arrange TFTs in a limited area as efficiently as possible and shorten the wiring. For this reason, the layout may not actually take advantage of the beam width. In other words, in an actual layout, when annealing is performed with a single laser width, the end of the beam often overlaps the portion where TFT formation is planned. If the TFTs are formed according to the layout as they are, the crystallization state of the semiconductor film included in the TFTs varies, which greatly affects the performance of the electronic device. For example, in the case of a layout (FIG. 9B) showing a wiring diagram of a light emitting element as shown in FIG. 9A, a transistor and a capacitor portion need to be a semiconductor film having good crystallinity. Even in such a case, laser irradiation may be performed while adjusting the beam width in two steps as shown in FIGS. 9C and 9D. In FIG. 9, 900 is a semiconductor film, 901 is a source signal line, 902 is a gate signal line, 903 is a current supply line, 904 is a switching TFT, 905 is a driving TFT, 906 is a capacitor, and 907 is a light emitting element. is there.
本実施例では、図1に示すスリット103中の遮蔽板113a、113bをレイアウトに対応するように動かすことによって自由にビーム幅の調整を行うことができる。なお、遮蔽板113a、113bを動かすモータを制御するコンピュータなどの制御装置に予めレイアウトを入力し、制御装置はこの入力したレイアウトに従ってモータを制御する信号を送り、この信号を受信したモータが遮蔽板113a、113bを開閉することによってビーム幅の調整を行う機構にしてもよい。
In this embodiment, the beam width can be freely adjusted by moving the
さらに、スリット103を用いると、レーザビームのエネルギー強度が弱い部分を遮断することができるため、このビームを用いてアニールを行うことにより、一定以上の強度を持つ線状、楕円状、あるいは矩形状のレーザビームを基板上の非晶質半導体膜に照射し、均一なアニールをすることができる。
Further, when the
その後、レーザビームの照射によって形成された結晶性半導体膜804をパターニングし、島状の半導体膜805を形成する。さらに、この島状の半導体膜を覆うようにゲート絶縁膜806を形成する。ゲート絶縁膜806には、酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素などを用いることができる。その際の成膜方法はプラズマCVD法、スパッタ法を用いることができる。ここではプラズマCVD法で窒化酸化珪素膜を115nmの厚さに成膜した。
After that, the
次に、ゲート絶縁膜806上に導電膜を形成し、パターニングすることでゲート電極807を形成する。その後、ゲート電極、またはレジストを形成してパターニングしたものをマスクとして用い、島状の半導体膜にn型またはp型の導電性を付与する不純物を選択的に添加し、ソース領域808、ドレイン領域809、LDD領域810などを形成する。上記の工程によって、Nチャネル型TFT811および813と、Pチャネル型TFT812を同一基板上に形成することができる。
Next, a conductive film is formed over the
続いて、それらの保護膜として、絶縁膜814を形成する。この絶縁膜814は、プラズマCVD法またはスパッタ法を用い、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜を単層または積層構造で100〜200nmの厚さに形成する。本実施例では、プラズマCVD法により膜厚100nmの酸化窒化珪素膜を形成した。絶縁膜814を設けることにより、酸素や空気中の水分をはじめとする不純物の侵入を阻止するブロッキング作用を得ることができる。
Subsequently, an insulating
次いで、さらに絶縁膜815を形成する。ここでは、SOG(Spin On Glass)法またはスピンコート法によって塗布されたポリイミド、ポリアミド、BCB(ベンゾシクロブテン)、アクリル、シロキサン(シロキサンは、シリコン(Si)と酸素(O)との結合で骨格構造が構成された物質である。置換基として、少なくとも水素を含む有機基(例えばアルキル基、芳香族炭化水素)が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。)などの有機樹脂膜、TOF膜、無機層間絶縁膜(窒化珪素、酸化珪素などの珪素を含む絶縁膜)、low−k(低誘電率)材料などを用いることができる。絶縁膜815は、ガラス基板上に形成されたTFTによる凹凸を緩和し、平坦化する意味合いが強いため、平坦性に優れた膜が好ましい。
Next, an insulating
さらに、フォトリソグラフィ法を用いて絶縁膜814および絶縁膜815をパターン加工して、不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。
Further, the insulating
次に、導電性材料を用いて導電膜を形成し、この導電膜をパターン加工することによって配線816を形成する。その後、保護膜として絶縁膜817を形成すると、図8(D)に示すような半導体装置が完成する。なお、本発明のレーザアニール方法を用いた半導体装置の作製方法は、上述したTFTの作製工程に限定されない。
Next, a conductive film is formed using a conductive material, and the
また、レーザビームの照射による結晶化の前に、触媒元素を用いた結晶化工程を設けてもよい。その触媒元素としては、ニッケル(Ni)を用いているが、その他にゲルマニウム(Ge)、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、コバルト(Co)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)といった元素を用いることができる。触媒元素を用いた結晶化工程の後にレーザビームの照射による結晶化工程を行うと、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶がレーザビームの照射により溶融されずに残存し、この結晶を結晶核として結晶化が進む。 Further, a crystallization step using a catalytic element may be provided before crystallization by laser beam irradiation. Nickel (Ni) is used as the catalyst element, but germanium (Ge), iron (Fe), palladium (Pd), tin (Sn), lead (Pb), cobalt (Co), platinum ( Elements such as Pt), copper (Cu), and gold (Au) can be used. When the crystallization process by laser beam irradiation is performed after the crystallization process using the catalytic element, the crystals formed during the crystallization by the catalytic element remain without being melted by the laser beam irradiation. Crystallization proceeds as a crystal nucleus.
このため、レーザビームの照射による結晶化工程のみに比べて、より半導体膜の結晶性を高めることができ、レーザビームの照射による結晶化後の半導体膜表面の荒れが抑えられることができる。よって、後に形成される半導体素子、代表的にはTFTの特性のばらつきがより抑えられ、オフ電流を抑えることができる。 For this reason, the crystallinity of the semiconductor film can be further improved as compared with only the crystallization process by laser beam irradiation, and the surface roughness of the semiconductor film after crystallization by laser beam irradiation can be suppressed. Accordingly, variation in characteristics of semiconductor elements formed later, typically TFTs, can be further suppressed, and off-current can be suppressed.
なお、触媒元素を添加し、加熱処理を行って結晶化を促進した後にレーザビームの照射を行ってもよいし、加熱処理の工程を省略してもよい。また、結晶化のための加熱処理を行って、その温度を保ちつつレーザ処理を行ってもよい。 Note that after adding a catalytic element and performing heat treatment to promote crystallization, laser beam irradiation may be performed, or the heat treatment step may be omitted. Further, a heat treatment for crystallization may be performed, and laser treatment may be performed while maintaining the temperature.
本実施例では、半導体膜の結晶化に本発明のレーザ照射方法を用いた例を示したが、半導体膜にドーピングした不純物元素の活性化を行うために用いてもよい。また、本発明を用いた半導体装置の作製方法は、集積回路や半導体表示装置の作製方法にも用いることができる。 In this embodiment, an example in which the laser irradiation method of the present invention is used for crystallization of a semiconductor film is shown, but the semiconductor film may be used to activate an impurity element doped. The method for manufacturing a semiconductor device using the present invention can also be used for a method for manufacturing an integrated circuit or a semiconductor display device.
ドライバやCPU(中央演算処理装置)などの回路を用途としたトランジスタは、LDD構造またはLDDがゲート電極とオーバーラップする構造が好適であり、高速化のためにはトランジスタの微細化を図ることが望ましい。本実施例により完成されるトランジスタは、LDD構造を有するため、高速動作が必要な回路に用いることが好適である。 Transistors for circuits such as drivers and CPUs (Central Processing Units) are preferably LDD structures or LDD structures that overlap with gate electrodes, and miniaturization of transistors is required for higher speed. desirable. Since the transistor completed in this embodiment has an LDD structure, it is preferably used for a circuit that requires high-speed operation.
本発明を用いることにより、薄膜トランジスタを用いて様々な電子機器を完成させることができる。その具体例を図10を用いて説明する。 By using the present invention, various electronic devices can be completed using thin film transistors. A specific example will be described with reference to FIG.
図10(A)は表示装置であり、筐体1001、支持台1002、表示部1003、スピーカー部1004、ビデオ入力端子1005などを含む。この表示装置は、他の実施例で示した作製方法により形成した薄膜トランジスタをその表示部1003に用いることにより作成される。なお、表示装置には液晶表示装置、発光装置などがあり、具体的にはコンピュータ用、テレビ受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
FIG. 10A illustrates a display device, which includes a
図10(B)はコンピュータであり、筐体1011、表示部1012、キーボード1013、外部接続ポート1014、ポインティングマウス1015などを含む。他の実施例で示した作製方法を用いることにより、表示部1012やその他の回路への適用が可能である。さらに、本発明は本体内部のCPU、メモリなどの半導体装置にも適用が可能である。
また、図10(C)は携帯電話であり、携帯端末の1つの代表例である。この携帯電話は筐体1021、表示部1022、操作キー1023などを含む。上記の携帯電話を初めとして、PDA(Personal Digital Assistants、情報携帯端末)、デジタルカメラ、小型ゲーム機などの電子機器は携帯端末であるため、表示画面が小さい。従って、本発明の他の実施例で示した微細なトランジスタを用いてCPU、メモリなどの機能回路を形成することによって、小型・軽量化を図ることができる。
FIG. 10B illustrates a computer, which includes a
FIG. 10C illustrates a mobile phone, which is a typical example of a mobile terminal. This mobile phone includes a
また、本実施例で作成したトランジスタをIDチップとして用いることもできる。例えば、他の実施例で示した作製方法を用いることにより、IDチップ内の集積回路やメモリとしての利用、IDタグとしての利用が可能である。メモリとして用いた場合には、生産地、生産者、製造年月日、加工方法などの生産段階のプロセスや、商品の流通プロセスを記録することが可能になる。これらの情報を卸売業者、小売業者、消費者が把握することが容易になる。 Further, the transistor created in this embodiment can be used as an ID chip. For example, by using the manufacturing method shown in another embodiment, it can be used as an integrated circuit or memory in an ID chip, or as an ID tag. When used as a memory, it is possible to record production stage processes such as production location, producer, date of manufacture, processing method, etc., and merchandise distribution processes. It becomes easy for wholesalers, retailers, and consumers to grasp this information.
さらに、無線機能を搭載したIDタグとして用いた場合は、従来のバーコードの代わりに用いることにより、商品の会計や棚卸し業務の簡素化につながる。 Furthermore, when it is used as an ID tag equipped with a wireless function, it can be used in place of a conventional bar code to simplify product accounting and inventory work.
以上のように、本発明により作成された半導体装置の適用範囲は極めて広く、本発明により作成された半導体装置をあらゆる分野の電子機器に用いることができる。 As described above, the applicable range of the semiconductor device manufactured according to the present invention is so wide that the semiconductor device manufactured according to the present invention can be used for electronic devices in various fields.
101…レーザ発振器
102…回折光学素子
103…スリット
104…ミラー
105…集光レンズ
106…非単結晶半導体膜
107…基板
108…X軸ステージ
109…Y軸ステージ
110…スリット開口部
111…モータ
112…ネジ軸
113…遮蔽板
114…支持片
120…ビーム光
130…TFT
140…入射光
141…上面反射光
142…下面反射光
DESCRIPTION OF
140: Incident light 141: Upper surface reflected light 142: Lower surface reflected light
Claims (10)
前記スリットは、前記回折光学素子と前記集光レンズとの間に位置し、かつ前記レーザ発振器から出射されるレーザビームの光路上に位置することを特徴とするレーザ照射装置。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The laser irradiation apparatus, wherein the slit is located between the diffractive optical element and the condenser lens and is located on an optical path of a laser beam emitted from the laser oscillator.
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