JP2995736B2 - 光ビームアニーリング装置 - Google Patents

光ビームアニーリング装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光ビームアニーリング、特に揮発性物質を含
む被アニーリング体、すなわち水素化されたシリコン非
晶質(a−Si:H)薄膜等の結晶化アニーリングに用いて
好適な光ビームアニーリング装置に係わる。
〔発明の概要〕
本発明は、光ビームの掃引照射によりアニールを行う
光ビームアニーリング装置において、特に被アニール体
が水素化された被アニール体であって、これの上に掃引
照射する光ビームのスポットが、その掃引の先方側から
後方側に向ってエネルギーが段階的に或いは連続的に大
となるエネルギー分布を有するようにすることによっ
て、揮発性を有する物質を含む被アニール体といえども
そのアニールを良好に行い、かつ作業の簡易化をはかる
ものである。
〔従来の技術〕
プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によって
形成した水素原子を例えば10原子%含む水素化非晶質シ
リコン(以下、a−Si:Hと記す)膜を高エネルギーの得
られるパルスレーザー照射によって常温雰囲気下で、結
晶化することによりキャリアの移動度の高い良質の多結
晶シリコン膜を低温で作製することが可能になった。こ
のような技術の適用により多結晶シリコン薄膜による薄
膜トランジスタTFT)が300℃以下の低温工程で実現でき
るようになった(T,Sameshima and S,Usui;Materials R
esearch Society Symposium Proceedings Vol.71(198
6)P435〜440参照)。
上述したパルスレーザー照射による光ビームアニール
を行う場合、そのアニール例えば非晶質薄膜に対する結
晶化、或いは多結晶薄膜に対する再結晶化のためのアニ
ールは例えば第1図に示すように、被アニール体
(1)、例えばガラス基板(1)上にa−Si:H非晶質層
(3)が形成されたウェファに対し、パルスレーザー光
のスポットsを、a−Si:H薄膜上に、そのアニール処
理、すなわち例えば結晶化処理を施すべき領域の全域に
亘って例えばジグザグパターンに矢印をもって示すよう
に掃引することによって行う。この場合、その表面から
所要の深さ(厚さ)に亘ってその結晶化或いは再結晶化
等のアニール効果を得るには、表面を結晶化、或いは再
結晶化、すなわちアニールできるエネルギー以上の充分
大きなエネルギーを必要とする。ところがその被アニー
ル体が上述したa−Si:Hのように揮発性物質、特に水素
を含むような材料である場合、急激に大きなエネルギー
のパルスレーザー照射を行うときは、その揮発性物質例
えば水素の爆発的放出が生じ、良好な結晶化或いは再結
晶化を阻害する。したがって、このような材料に対する
アニールは、通常複数回、例えば5回の掃引作業を繰返
して行い、各回の掃引で第6図に示すように、目的とす
る深さに亘るアニール処理を行うことのできるレーザー
エネルギー例えば230mJ/cm2まで、順次上昇させるとい
う方法が採られる。
しかしながら、このように、光ビームのエネルギーを
順次変えて複数回の掃引を繰返し行うことは、アニール
処理時間が長くなり、またパルス数の増大を生じるな
ど、工業的な課題がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、上述した水素化された被アニール体に対す
るアニール処理において爆発的放出を回避し、しかも、
光ビームの掃引を繰返して行うことによる作業の煩雑
さ、作業時間、パルス数等の課題の解決をはかることを
目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、例えば第1図に示すように、被アニール体
(1)上に光ビームの掃引照射によりアニールを行う光
ビームアニーリング法において、水素化された被アニー
ル体(1)に対する掃引照射する光ビームのスポットs
が、例えば第2図に示すように、掃引の先方側から後方
側に向ってエネルギーが、被アニール体(1)の表面で
アニール効果を生じ、かつ被アニール体内部に含有され
る水素を蒸発させる程度のエネルギーの大きさから所要
の深さのアニールに必要なエネルギーの大きさ迄段階的
に或いは連続的に大そして、本発明においては、上述し
たエネルギー分布を得るための光学フィルタを設ける。
この光学フィルタは、掃引照射する光ビームの波長に対
する光透過率が、掃引方向に沿って中心から1次元的に
あるいは同心円的に変化する構成とされ、この光学フィ
ルタに、上記光ビームを透過させる。
〔作用〕
上述の本発明装置によれば、被アニール体(1)側か
らみて、そのアニールされるべき各位置で光ビームスポ
ットsの掃引につれ、そのエネルギー分布によって漸
次、段階的或いは連続的に各部において目的とする所要
の深さのアニールを行い、かつ被アニール体内部に含有
される水素を蒸発させ得るエネルギーの大きさまで高め
られていくので、各位置で一回の掃引で漸次被アニール
体(1)中の揮発性物質特に水素の蒸発急激に進行する
ことによるこの水素の爆発的噴出が回避されて、これに
基づくアニールによる結晶化の不均一特性の結晶性の低
下を回避できると共に、従来における光ビームの多数回
の繰返し掃引を、1回または少数回にとどめることがで
き、作業時間の短縮化と、例えば光ビームのパルス照射
によるときもパルス数の減少をはかることができる。
〔実施例〕
本発明方法を、例えばTFTの製造工程におけるシリコ
ン多結晶層を形成する場合の一例を説明する。この場
合、第1図及び第2図に示すようにガラス板等の各種の
基体(2)上にCVD法によって形成したa−Si:H層等の
非晶質層(3)を生成した被アニール体(1)が用意さ
れる。
そして、この被アニール体(1)の非晶質層(3)、
すなわち、a−Si:H層に、例えば第1図に示すように、
例えばXeClエキシマレーザーからのレーザー光による光
ビームスポットsを、第1図において矢印をもって示す
ように左右にジグザグパターンの軌跡を描いて平行線上
に沿うように1回だけ掃引する。
この場合の光ビームスポットsのエネルギー分布は、
スポットsの掃引方向の先方側から後方側に向って、複
数段階、例えば7段階に、a−Si:H層(2)の表面を結
晶化、すなわち溶融する1400℃に達するエネルギーE1
えば170mJ/cm2から、所要の厚さ例えば1000Åに亘って
結晶化することのできるエネルギーE7例えば250mJ/cm2
までを例えばほぼ等分割したエネルギーE1〜E7に分布さ
せる。そして、今光ビームの掃引を第1図におけるよう
に、奇数番目の掃引線b1,b3,b5‥‥に関しては同図にお
いて左から右へ、偶数番目の掃引線b2,b4,b6‥‥に関し
ては、スポットsの上下左右関係を変えずに逆の右から
左へ行うように、往復2方向の掃引を行うときは、第3
図示すように、両方向に関して対称的な分布とする。し
かしながら、光ビームの掃引方向が特定の一方向である
場合、例えば第3図中実線矢印方向の左から右向きであ
る場合は、そのエネルギー分布は実線図示のように、ス
ポットsの先方、つまり掃引によって、被アニール体
(1)のすなわち、非晶質層(2)上の各位置にスポッ
ト照射が始まる側が低いエネルギーを示し後方に向って
エネルギーが高くなる分布のみとし、掃引方向が逆方向
である場合は、破線図示の逆傾斜の分布のみとする。
このようなエネルギー分布を有するスポットsを得る
には、レーザー光を、このレーザー光の波長に対する光
透過率が掃引方向に沿って中心から両側に向って1次元
的に変化するか、同心円的に変化する光学フィルタFに
通過させることによって得ることができる。
このフィルタFとしては、例えば第4図に示すよう
に、得ようとするエネルギー分布の段数に応じたフィル
タ枚数のフィルタ板f(f1,f2‥‥)の積層によって構
成し得る。例えば、今第3図に示した左右対称の7段階
のエネルギー分布を得ようとする場合は、第4図に示す
ように、スポット幅Wsに対応する値(直径)W1の高光透
過率部h1を中心部に有し、両側若しくは周辺が低光透過
率部b1を有するフィルタ板f1と、その高光透過率部h1
内縁から、第3図で示した第1段のエネルギーE1のステ
ップ幅に対応する幅だけ内方に突出する高光透過率部h2
を有しその両側若しくは周辺が低光透過率部b2を有する
フィルム板f2と、順次各段のステップ幅に対応する幅だ
け内方に突出する高光透過率部h3‥‥h7を有しその両側
若しくは周辺に低光透過率部b3‥‥b7を有するフィルタ
f3‥‥f7とを積層した光学フィルタFを用い得る。この
光学フィルタFのフィルタ板f1〜f7の各低光通過率部
b1,b2,b3‥‥b7は、それぞれその透過率を例えば93%に
選定する。このフィルタFに、アニール用の所要のエネ
ルギーの光ビームL例えばXeClエキシマ−レーザー光を
透過させれば、フィルタFの透過後のスポットに、第3
図に示した段階的エネルギー分布を得ることができる。
このエネルギー分布を有するレーザービームを、第1
図で示した掃引パターンをもってその掃引速度を例えば
5mm/秒で掃引し、この掃引速度に比し充分小さい例えば
30×10-9secのパルス幅及びピッチを有するパルスレー
ザー光を照射した。このようにしてa−Si:Hによる非晶
質層(2)をアニールしたところ、水素の噴出による結
晶化の阻害、不均一性が回避され、良好な結晶化がなさ
れ、緻密で均一な結晶粒の生成がなされた良好なキャリ
アの移動度の高い多結晶Si層が得られた。このSi層に対
して電界効果トランジスタを作製したいわゆる薄膜トラ
ンジスタTFTの、そのドレイン電圧VDをパラメータとす
るドレイン電流ID−ゲート電圧VG特性の測定結果は、第
5図で示すように優れた特性を示した。
尚、上述した例では光ビームのエネルギーを段階的分
布とした場合であるが、ある場合は、連続的に変化する
分布とすることもできる。
また上述した例では、a−Si:Hの非晶質層(2)に対
する結晶化のアニールに本発明を適用した場合である
が、そのほか同様に水素等の揮発性物質を含むシリコン
ゲルマニウム、シリコンカーバイトの各非晶質層の結晶
化、或いは微結晶シリコン層等の微結晶多結晶の再結晶
化アニール等の各種アニールに本発明を適用することが
できる。
〔発明の効果〕
上述の本発明装置によれば、被アニール体(1)側か
らみて、そのアニールされるべき各位置で、光ビームス
ポットsの掃引につれ、そのエネルギー分布によって漸
次、段階的或いは連続的に各部において目的とする所要
の深さのアニールを行い得るエネルギーの大きさまで高
められていくので、各位置で一回の掃引で漸次被アニー
ル体(1)中の揮発生物質の特に水素の蒸発が急激に進
行することによる水素の爆発的噴出が回避されて、アニ
ール処理による結晶化の不均一性率の結晶性の低下を回
避できると共に、従来における光ビームの多数回の繰返
し掃引を、1回または少数回にとどめることができ、作
業時間の短縮化、更に例えば光ビームのパルス照射によ
るときはそのパルス数の減少をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明装置による光ビーム掃引の態様を示す平
面図、第2図はその側面図、第3図はその一例の光ビー
ムエネルギー分布図、第4図は光学フィルタの一例の断
面図、第5図は本発明装置を用いて得たTFTのID−VG
性曲線図、第6図は従来方法の説明図である。 (1)は被アニール体、Fは光学フィルタである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 碓井 節夫 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−224318(JP,A) 特開 昭64−76715(JP,A) 特開 昭57−198625(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/20 H01L 21/268

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水素化された被アニール体に対して光ビー
    ムの掃引によりアニールを行う光ビームアニール装置に
    おいて、 1つの光ビームスポットを、上記被アニール体上に掃引
    させ、 該光ビームの波長に対する光透過率が、上記被アニール
    体上の掃引方向に沿って中心から1次元的にあるいは同
    心円的に変化する構成を有する光学フィルタが配置さ
    れ、 該光学フィルタを通じて上記光ビームが上記被アニール
    体上に掃引照射され、該掃引照射する光ビームのスポッ
    トが、上記掃引の先方側から後方側に向かってそのエネ
    ルギーが、上記被アニール体表面でのアニール効果が生
    じ、かつ、上記被アニール体内部に含有される水素を蒸
    発させる程度のエネルギーの大きさから所要の深さまで
    アニール効果を生じ、上記被アニール体を結晶化させ得
    るエネルギーの大きさまで段階的にあるいは連続的に大
    となるエネルギー分布を有する構成としたことを特徴と
    する光ビームアニーリング装置。
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