JP3135643B2 - エキシマレ−ザ−アニ−ル法及びエキシマレ−ザ−アニ−ル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスの製造
プロセス等に用いられるレ−ザ−アニ−ル（レ−ザ−ア
ニ−リング）の方法とこれを行う装置（レ−ザ−アニ−
ル装置）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エキシマレ−ザ−を用いたアニ−ル法
は、シリコン薄膜の結晶化を行う技術として以前より知
られていたが、最近になって液晶表示装置用のアクティ
ブマトリクスアレイ基板用のポリシリコン薄膜トランジ
スタの製造や、ＳＲＡＭ用のポリシリコン薄膜トランジ
スタ製造において注目を集めている技術である。

【０００３】以下、液晶表示装置用のアクティブマトリ
クスアレイ基板用ポリシリコン薄膜トランジスタの作成
に使用されているシリコン薄膜の結晶化に用いられてい
るエキシマレ−ザ−アニ−ル法とその装置を例にとって
説明を行う。

【０００４】従来のレ−ザ−アニ−ル装置とこれを用い
たエキシマレ−ザ−アニ−ル法を図４と図５を用いて説
明する。

【０００５】図４は従来のエキシマレ−ザ−アニ−ル装
置の説明のための主要部の概略図である。被照射物であ
るアモルファスシリコン薄膜５を被着した基板１が配置
されている。エキシマレ−ザ−発振器２がその上方に存
在し、そのレ−ザ−光（レ−ザ−ビ−ム；エキシマレ−
ザ−はパルスレ−ザ−である）の光路３は途中反射鏡Ｍ
１とＭ２を介し、ビ−ム形成器Ｈ（エキシマレ−ザ−ビ
−ムの形状を変えたり、ビ−ム内のエネルギ−分布を均
一にしたりする）を介して基板１に達する。レ−ザ−光
はビ−ム形成器Ｈにより矩型のビ−ム４となり、ビ−ム
４は基板１上のアモルファスシリコン薄膜５を結晶化し
ポリシリコン薄膜６にかえる役割を果たす。照射は基板
１に対するビ−ム位置を少しづつ動かしながら、重ね照
射（オ−バ−ラップ照射）を行いながら行われる。７は
照射の完了した基板である。ところで、液晶表示装置用
のアクティブマトリクスアレイ用の基板（数十平方セン
チメ−トル〜千数百平方センチメ−トルの面積がある、
この基板上に数万〜数百万程度の素子（ポリシリコン薄
膜トランジスタ）が作り込まれる）に被着したシリコン
薄膜を１回のビ−ム照射で一度に結晶化できる大出力の
レ−ザ−発振器は少なくとも工業用の製品としては、現
時点では知られていない。そのためエキシマレ−ザ−ア
ニ−ル法ではエキシマレ−ザ−発振器からのパルスレ−
ザ−光をＸ軸Ｙ軸の２方向に順次移動させて被照射物５
に照射して、マトリクス状に照射を行うことになる。レ
−ザ−光を移動するかわりに被照射物５を移動させる場
合もある。図５に従来のエキシマレ−ザ−アニ−ル法の
様子を示す。基板１とレ−ザ−ビ−ム４の位置関係を示
す説明図である。矩型（長方形）のビ−ム４の中心位置
を＋印８で示す。Ｘ方向にはｄｘ、Ｙ方向にはｄｙづつ
移動し、オ−バ−ラップさせながらビ−ム照射が行われ
る。従って基板１上の被照射部の任意の１つの場所に着
目してみると、ビ−ムサイズとｄｘ，ｄｙの設定に関係
して複数回のレ−ザ−照射が行われていることになる。
たとえば従来の装置を照射毎のレ−ザ−パワ−を測定で
きるように改造し、基板１上のある１つの場所にかかわ
るレ−ザ−照射の様子を記録した例が、図６（ａ）であ
る。この場合レ−ザ−ビ−ムが３４回照射されている。
９はそのばらつきの大きさを示している。なお、単にオ
−バ−ラップ照射を行うだけであれば３４回は照射回数
過多であるが、素子の特性確保のために照射回数を増や
している。このような従来のエキシマレーザーの照射に
ついては、たとえば月刊セミコンタ゛クターワールト゛（Semiconducto
r World）1990５月号 p.51 に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
レ−ザ−アニ−ル装置とこれを用いたエキシマレ−ザ−
アニ−ル法では、次のような課題が発生する。

【０００７】すなわち、非単結晶シリコン（アモルファ
スシリコン、マイクロクリスタルシリコン、ポリシリコ
ン）薄膜の結晶化（再結晶化を含む）に用いるエキシマ
レ−ザ−（ＸｅＣｌエキシマレ−ザ−発振器が大出力で
あるため良く用いられている）は照射を続けると一定の
設定値（電力投入）で発振を続けていても、やがてレ−
ザ−パルス光のエネルギ−が小さくなり、加えてパルス
毎のエネルギ−のばらつきが大きくなる。エネルギ−の
減少は投入電力等を大きくして調整可能であるが、それ
でもエネルギ−のばらついた状態でレ−ザ−アニ−ルを
続けることになる。図６（ｂ）はレ−ザ−発振が不安定
になった場合の１つの場所にかかわる全レ−ザ−照射の
様子を記録したものである。レ−ザ−パルス光のエネル
ギ−のばらつき１０が図６（ａ）の場合のばらつき９に
比べてたいへん大きくなる。もちろんしかるべきメンテ
ナンス（ガスの交換，部材のクリ−ニング）を行えばレ
−ザ−性能は回復する。本発明者の実験では、エネルギ
−のばらつきは結晶化したポリシリコン薄膜を使った素
子の性能（トランジスタのしきい値やリ−ク電流）のば
らつきに影響し、このような状態では素子特性のばらつ
きによる不良品発生の確率が大きくなることを確認して
いる。すなわち従来の方法と装置ではばらつきが大きく
なる前に頻繁にレ−ザ−のメンテナンスを行う必要があ
り、一定の歩留まりを確保しようとするとスル−プット
が上がらなかったり、ランニングコストがかかるという
課題を有している。ＸｅＣｌエキシマレ−ザ−発振器の
場合、エネルギ−はばらつきながらもかなりの期間発振
を続けることができるので、従ってエネルギ−のばらつ
きの影響を受けにくいレ−ザ−アニ−ル法と装置を導入
できれば一定の歩留まりを確保しつつスル−プットの向
上やランニングコストの低減がはかれることになる。

【０００８】本発明は、このような従来の課題を考慮
し、エネルギ−のばらつきの影響をうけにくいエキシマ
レ−ザ−アニ−ル法とそれを実現するレ−ザ−アニ−ル
装置を提供し、安定した生産の実現をはかる事を目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のレ−ザ−アニ−
ルの方法は、被照射物に対して、複数回（ｎ回）のエキ
シマレ−ザ−光を照射する際に、ｎ回の照射を２つ以上
の複数個のグル−プに分割し、最初のグル−プのｍ回
（ｍ＜ｎ）のレ−ザ−エネルギ−のばらつきが、残りｎ
−ｍ回のレ−ザ−照射のばらつきより小さく設定された
状態でエキシマレ−ザ−アニ−ルを行う。その際、複数
個のグル−プ毎それぞれにエキシマレ−ザ−発振器を準
備し、これらのエキシマレ−ザ−発振器のうち最も光出
力（エネルギ−）の安定している発振器からのレ−ザ−
光を最初のｍ回の照射として被照射物に照射することで
ある。

【００１０】また、本発明のレ−ザ−アニ−ル装置は、
複数台のエキシマレ−ザ−発振器を備え、これらのエキ
シマレ−ザ−発振器から発する複数個のレ−ザ−光路を
切り替え選択ができる機構とエキシマレ−ザ−発振器か
らの出力（レ−ザ−パルス光のエネルギ−）を常時検知
する機構を備え、被照射物に対し複数回のエキシマレ−
ザ−光の照射を行う際に、エキシマレ−ザ−発振器のう
ち最も光出力の安定している発振器からレ−ザ−光が最
初に被照射物に照射される機構を有する装置である。

【００１１】

【作用】本発明では、被照射物に対するレーザー光の照
射は、最初のｍ回転は最も安定した光出力を持つレーザ
ー光が当初利用されるので、残りのｎ−ｍ回のレ−ザ−
エネルギ−がばらついても素子の特性があまりばらつか
なくなる。たとえば本発明者の実験では、非単結晶シリ
コン薄膜に一定の基準のエネルギー値を設定したエキシ
マレ−ザ−発振器で複数回のレーザ照射を行う場合、最
初の数回のレーザーショットのエネルギーを正確に安定
制御すれば、残りの照射は多少エネルギーがばらついて
もトランジスタの特性に大きな影響がでない（素子の特
性があまりばらつかなくなる）ことを確認している。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１３】図１は本発明にもとづくエキシマレ−ザ−
アニ−ル法の実施例の結果を示すグラフである。本実施
例でも従来例の場合と同様に平均３４回の照射を行う。
図１は図６の場合と同様に基板上の照射部のある１つの
場所にかかわるレ−ザ−照射の様子を記録したものであ
る。従来例と異なる点は２台のＸｅＣｌエキシマレ−ザ
−発振器を準備し照射を前後半分に分け、前半部のレ−
ザ−照射（１７回）はエネルギ−のばらつきの小さいレ
−ザ−のもので行っている。

【００１４】図２、図３は図１のエキシマレ−ザ−アニ
−ル法を実施するレ−ザ−アニ−ル装置の実施例の装置
の主要部の概略図である。従来例と全く同じ構成のもの
には同じ符号を記しているので、その部分の説明の一部
は省略する。本実施例では２台のＸｅＣｌエキシマレー
ザー発振器２ａと２ｂを備えており、それぞれのレ−ザ
−ガスの交換時期は半周期ずらしてある。標準的な運転
状態であれば２台のレーザー発振器のうち少なくとも１
台は安定した出力が得られるよう交換時期を選んでい
る。従って、２台のレーザー発振器は交互に出力のばら
つきが起ることになる。図２の方はレーザー発振器２ｂ
が安定な場合の光路３が設定されており、レーザー発振
器２ｂからでたレ−ザ−光は光路３ｂに従って反射鏡Ｍ
１ｂとＭ２ｂを介して、ビ−ム形成器Ｈ１を介して矩型
ビ−ム４ｂとなり基板１に達する。またレーザー発振器
２ａからでたレ−ザ−光は光路３ａに従って反射鏡Ｍ１
ａとＭ２ａを介して、ビ−ム形成器Ｈ２を介して矩型ビ
−ム４ａとなり基板１に達する。本実施例の場合基板１
をＸＹの２軸で動かしており、図からわかるように安定
なレーザー発振器２ｂからの光路３ｂが先に非照射物５
を照射するようになっており、もう一台のレーザー発振
器２ａからの光路３ａは後半の照射を行うようになって
いる。従ってレーザー発振器２ａの出力がばらついて
も、図１に示したような照射が可能となるようになって
いる。そして反射鏡Ｍ２ａとＭ２ｂはレ−ザ−光のごく
一部をそのまま透過するように設定してあり、その透過
光軸の末端にはレ−ザ−パワ−測定用のセンサＳａとＳ
ｂが設置されており、常時２台のレーザー発振器出力を
モニタするようになっている。従って万一２台のレーザ
ー発振器の出力が両方ともばらついてもすみやかに対処
（メンテナンス）できるようになっている。

【００１５】次にレーザー発振器２ａの定期的なメンテ
ナンスを行った後は今度はレーザー発振器２ａの方が安
定した出力を出すようになるので、図３のような光路３
に切り替える、すなわち図２の状態からＭ１ａとＭ２ａ
とＳａを右にずらし、Ｍ１ｂとＭ２ｂとＳｂを左にずら
すことで安定なレーザー発振器２ａからの光路３ａ’が
先に被照射物５を照射することになり、もう一台のレー
ザー発振器２ｂからの光路３ｂ’が後半の照射を行うよ
うになる。従ってレーザー発振器２ｂの出力がばらつい
ても、図１に示したような照射が可能となるようになっ
ている。次にレーザー発振器２ａの定期的なメンテナン
スを行った後は再び図２の状態に戻す事になり、以後は
以上のサイクルを繰り返すことになる。

【００１６】本発明者の実験では、非単結晶シリコン薄
膜に一定の基準エネルギ−値を設定したＸｅＣｌエキシ
マレーザー発振器で複数回のレ−ザ−照射を行う場合、
最初の数回（１〜５回程度）のレ−ザ−ショットのエネ
ルギ−を正確に安定制御すれば、残りの照射は多少エネ
ルギ−がばらついてもトランジスタの特性に大きな影響
が無いことを確認した。

【００１７】なお、万一いずれかのレ−ザ−照射装置が
故障しても、従来と同様の照射でよいのなら、そのまま
装置を稼働できるので、製造ラインを完全に止める事は
なく、トラブル発生時に生産に与える影響を少なくでき
る。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
により、−ザ−エネルギ−がばらついても素子の特性が
あまりばらつかなくなり、安定した生産を実現できる。

【００１９】また、本発明の装置は、複数台のレ−ザ−
照射装置を備えることにより、スル−プットが向上する
という効果も生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるエキシマレ−ザ−アニ−ル法に
おける実施結果を示すグラフである。

【図２】本発明にかかるレ−ザ−アニ−ル装置の主要部
の概略斜視図である。

【図３】本発明にかかるレ−ザ−アニ−ル装置の主要部
の概略斜視図である。

【図４】従来のレ−ザ−アニ−ル装置の主要部の概略斜
視図である。

【図５】エキシマレ−ザ−アニ−ルの説明図である。

【図６】従来のエキシマレ−ザ−アニ−ル法の実施結果
を示すグラフである。

【符号の説明】

１，７ 基板 ２，２ａ，２ｂ エキシマレーザー発
振器 ３，３ａ，３ｂ，３ａ’，３ｂ’ 光路 ４，４ａ，４ｂ 矩型のビ−ム ５ アモルファスシリコ
ン薄膜 ６ ポリシリコン薄膜 ８ ビ−ムの中心 ９，１０ レ−ザ−出力のばら
つき Ｍ１，Ｍ２ 反射鏡 Ｍ１ａ，Ｍ２ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ２ｂ 反射鏡 Ｓａ，Ｓｂ センサ Ｈ，Ｈ１，Ｈ２ ビ−ム形成器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 筒 博司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 宮田 豊 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−119128（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−151014（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−91628（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−271611（ＪＰ，Ａ) 月刊 Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗｏｒｌｄ ５月号，1990 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/26 - 21/268 H01L 21/322 - 21/326 H01L 21/18 - 21/20 H01L 21/34 - 21/36 H01L 21/84

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被照射物に対して、複数回（ｎ回）のエキ
   シマレ−ザ−光を照射する際に、そのｎ回の照射を複数
   個のグル−プに分割し、最初のグル−プのｍ回（ｍ＜
   ｎ）のレ−ザ−エネルギ−のばらつきが、残りｎ−ｍ回
   のレ−ザ−照射のばらつきより小さくなるように照射す
   るエキシマレ−ザ−アニ−ル法であって、 前記複数個のグル−プ毎それぞれにエキシマレ−ザ−発
   振器を用意し、前記エキシマレ−ザ−発振器のうち最も
   光出力の安定している発振器からのレ−ザ−パルス光を
   最初のグル−プのｍ回の照射として被照射物に照射する
   ことを特徴とするエキシマ レ−ザ−アニ−ル法。
2. 【請求項２】複数台のエキシマレ−ザ−発振器と、前記
   エキシマレ−ザ−発振器から発する複数個のレ−ザ−光
   路を切り替え選択できる切り替え機構と、前記エキシマ
   レ−ザ−発振器からの出力を常時検知する検知機構とを
   備え、被照射物に対し複数回のエキシマレ−ザ−光の照
   射を行う際に、前記検知機構で検知した結果に基づき、
   前記切り替え機構によって、 前記エキシマレ−ザ−発振器のうち最も光出力の安定し
   ている発振器からのレ−ザ−光を前記被照射物に最初に
   照射することを特徴とするエキシマレ−ザ−アニ−ル装
   置。
3. 【請求項３】被照射物が非単結晶シリコン薄膜であるこ
   とを特徴とする請求項２記載のエキシマレ−ザ−アニ−
   ル装置。
4. 【請求項４】レ−ザ−発振器がＸｅＣｌエキシマレ−ザ
   −発振器であることを特徴とする請求項３記載のレ−ザ
   −アニ−ル装置。
5. 【請求項５】レ−ザ−発振器中のレ−ザ−ガス交換時期
   を複数台のエキシマレ−ザ−発振器毎にずらした時期に
   行うように設定したことを特徴とする請求項２記載のエ
   キシマレ−ザ−アニ−ル装置。