JP3337059B2 - 半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジスタの製造方法並びにその方法に用いられるレーザアニール装置 - Google Patents
半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジスタの製造方法並びにその方法に用いられるレーザアニール装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はアモルファスシリ
コン薄膜等の半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジ
スタの製造方法並びにその方法に用いられるレーザアニ
ール装置に関する。
コン薄膜等の半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジ
スタの製造方法並びにその方法に用いられるレーザアニ
ール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、アモルファスシリコン薄膜を多
結晶化して薄膜トランジスタを製造する方法には、ガラ
ス基板の上面にアモルファスシリコン薄膜を成膜し、こ
のアモルファスシリコン薄膜にエキシマレーザビームを
照射することにより、アモルファスシリコン薄膜を多結
晶化して多結晶シリコン薄膜とし、この多結晶シリコン
薄膜を素子分離して多数の薄膜トランジスタを形成する
方法がある。この場合、エキシマレーザビームのビーム
サイズを光学系により線状とし、この線状のエキシマレ
ーザビームをビーム幅方向にオーバーラップさせながら
スキャン照射する方法がある。
結晶化して薄膜トランジスタを製造する方法には、ガラ
ス基板の上面にアモルファスシリコン薄膜を成膜し、こ
のアモルファスシリコン薄膜にエキシマレーザビームを
照射することにより、アモルファスシリコン薄膜を多結
晶化して多結晶シリコン薄膜とし、この多結晶シリコン
薄膜を素子分離して多数の薄膜トランジスタを形成する
方法がある。この場合、エキシマレーザビームのビーム
サイズを光学系により線状とし、この線状のエキシマレ
ーザビームをビーム幅方向にオーバーラップさせながら
スキャン照射する方法がある。
【０００３】ところで、従来のこのような結晶化方法に
は、線状のエキシマレーザビームをビーム幅方向の強度
プロファイルをガウス型（図４（Ｃ）参照）として照射
する方法と、トップハット型（図４（Ｂ）参照）として
照射する方法とがあるが、後者の方が好ましいと考えら
れてきた。その理由は、ガウス型の場合には、ビーム幅
方向の強度照射領域が不均一となるのに対し、トップハ
ット型の場合には、ビーム幅方向の均一強度照射領域が
大きくなり、多結晶シリコン薄膜の結晶品質（結晶化度
と結晶粒サイズ）の均一化を図ることができるからであ
る。また、ガウス型の場合には、多結晶シリコン薄膜の
結晶品質を均一化するために半価幅を広くしすぎると、
エネルギ密度の低下を招き、高品位の多結晶シリコン薄
膜を形成することができなくなるからである。
は、線状のエキシマレーザビームをビーム幅方向の強度
プロファイルをガウス型（図４（Ｃ）参照）として照射
する方法と、トップハット型（図４（Ｂ）参照）として
照射する方法とがあるが、後者の方が好ましいと考えら
れてきた。その理由は、ガウス型の場合には、ビーム幅
方向の強度照射領域が不均一となるのに対し、トップハ
ット型の場合には、ビーム幅方向の均一強度照射領域が
大きくなり、多結晶シリコン薄膜の結晶品質（結晶化度
と結晶粒サイズ）の均一化を図ることができるからであ
る。また、ガウス型の場合には、多結晶シリコン薄膜の
結晶品質を均一化するために半価幅を広くしすぎると、
エネルギ密度の低下を招き、高品位の多結晶シリコン薄
膜を形成することができなくなるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トップ
ハット型の場合には、１パルス照射領域におけるアモル
ファスシリコン薄膜の温度勾配が局所的に急峻となり、
照射痕跡が生じ易くなる。この結果、多結晶シリコン薄
膜の結晶品質を均一且つ高品位とするための製造マージ
ンが狭くなり、ひいてはビームサイズを線状とし、しか
も強度分布を均一とするための光学系の調整が困難であ
るという問題があった。この発明の課題は、多結晶シリ
コン薄膜等の半導体薄膜の結晶品質を均一且つ高品位と
することができる上、製造マージンを広くすることがで
きるようにすることである。
ハット型の場合には、１パルス照射領域におけるアモル
ファスシリコン薄膜の温度勾配が局所的に急峻となり、
照射痕跡が生じ易くなる。この結果、多結晶シリコン薄
膜の結晶品質を均一且つ高品位とするための製造マージ
ンが狭くなり、ひいてはビームサイズを線状とし、しか
も強度分布を均一とするための光学系の調整が困難であ
るという問題があった。この発明の課題は、多結晶シリ
コン薄膜等の半導体薄膜の結晶品質を均一且つ高品位と
することができる上、製造マージンを広くすることがで
きるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
レーザビームをビーム照射領域をオーバーラップさせな
がらスキャン照射することにより、半導体薄膜を結晶化
する半導体薄膜の結晶化方法において、前記レーザビー
ムを、その強度プロファイルの半価幅ＦWHM とピーク高
さＨの１ ／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWI
NLS が０ ．７以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お
椀型として照射するようにしたものである。請求項６記
載の発明は、アモルファスシリコン薄膜を多結晶化して
薄膜トランジスタを製造する際に、レーザビームを、そ
の強度プロファイルの半価幅ＦWHMとピーク高さＨの１
／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWINLS が
０．７以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お椀型とし
てビーム照射領域をオーバーラップさせながらスキャン
照射するとともに、このスキャン照射を複数回エネルギ
密度を順次高めて行うことにより、前記アモルファスシ
リコン薄膜を多結晶化するようにしたものである。請求
項１０記載の発明に係るレーザアニール装置は、レーザ
光源と、このレーザ光源から出射されたレーザビームの
エネルギ密度を調整するアッテネータと、このアッテネ
ータから出射されたレーザビームのビームサイズを線状
とし、しかも強度分布を均一とするビームホモジナイザ
と、試料ステージとを具備し、前記ビームホモジナイザ
から出射されたレーザビームを、その強度プロファイル
の半価幅ＦWHM とピーク高さＨの１／ｅ 2 をとる幅ＦW
INLS との比ＦWHM ／ＦWINLSが０．７以上で、ピーク付
近が山形状をなす逆お椀型として前記試料ステージ上に
載置された試料に照射するようにしたものである。
レーザビームをビーム照射領域をオーバーラップさせな
がらスキャン照射することにより、半導体薄膜を結晶化
する半導体薄膜の結晶化方法において、前記レーザビー
ムを、その強度プロファイルの半価幅ＦWHM とピーク高
さＨの１ ／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWI
NLS が０ ．７以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お
椀型として照射するようにしたものである。請求項６記
載の発明は、アモルファスシリコン薄膜を多結晶化して
薄膜トランジスタを製造する際に、レーザビームを、そ
の強度プロファイルの半価幅ＦWHMとピーク高さＨの１
／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWINLS が
０．７以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お椀型とし
てビーム照射領域をオーバーラップさせながらスキャン
照射するとともに、このスキャン照射を複数回エネルギ
密度を順次高めて行うことにより、前記アモルファスシ
リコン薄膜を多結晶化するようにしたものである。請求
項１０記載の発明に係るレーザアニール装置は、レーザ
光源と、このレーザ光源から出射されたレーザビームの
エネルギ密度を調整するアッテネータと、このアッテネ
ータから出射されたレーザビームのビームサイズを線状
とし、しかも強度分布を均一とするビームホモジナイザ
と、試料ステージとを具備し、前記ビームホモジナイザ
から出射されたレーザビームを、その強度プロファイル
の半価幅ＦWHM とピーク高さＨの１／ｅ 2 をとる幅ＦW
INLS との比ＦWHM ／ＦWINLSが０．７以上で、ピーク付
近が山形状をなす逆お椀型として前記試料ステージ上に
載置された試料に照射するようにしたものである。
【０００６】この発明によれば、レーザビームを、その
強度プロファイルの半価幅ＦWHMとピーク高さＨの１／
ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWINLSが０．７
以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お椀型として照射
すると、１パルス照射領域における半導体薄膜の温度勾
配が局所的に急峻とならないようにすることができるば
かりでなく、半価幅をある程度広くしてもエネルギ密度
の低下を招くことがなく、ひいては半導体薄膜の結晶品
質を均一且つ高品位とすることができる上、製造マージ
ンを広くすることができる。
強度プロファイルの半価幅ＦWHMとピーク高さＨの１／
ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWINLSが０．７
以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お椀型として照射
すると、１パルス照射領域における半導体薄膜の温度勾
配が局所的に急峻とならないようにすることができるば
かりでなく、半価幅をある程度広くしてもエネルギ密度
の低下を招くことがなく、ひいては半導体薄膜の結晶品
質を均一且つ高品位とすることができる上、製造マージ
ンを広くすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に、この発明の一実施形態にお
ける半導体薄膜の結晶化方法について図１（Ａ）及び
（Ｂ）を参照して説明する。まず、図１（Ａ）に示すよ
うに、ガラス基板１の上面に高周波スパッタリング法に
より酸化シリコンからなる厚さ１０００Å程度の下地層
２を成膜する。次に、下地層２の上面にプラズマＣＶＤ
法あるいは減圧ＣＶＤ法により厚さ５００Å程度のアモ
ルファスシリコン薄膜３を成膜する。次に、水素含有量
の多いプラズマＣＶＤ法で形成したアモルファスシリコ
ン薄膜３の含有水素を除去するために、窒素ガス雰囲気
中において４５０℃程度の温度で２時間程度の脱水素処
理を行う。この脱水素処理は、アモルファスシリコン薄
膜３に後工程でエキシマレーザビームの照射により高エ
ネルギを与えると、アモルファスシリコン薄膜３中の水
素が突沸して欠陥が生じるので、これを回避するために
行うものである。次に、図１（Ｂ）に示すように、アモ
ルファスシリコン薄膜３にエキシマレーザビームを後で
説明するように照射することにより、アモルファスシリ
コン薄膜３を多結晶化して多結晶シリコン薄膜４とす
る。
ける半導体薄膜の結晶化方法について図１（Ａ）及び
（Ｂ）を参照して説明する。まず、図１（Ａ）に示すよ
うに、ガラス基板１の上面に高周波スパッタリング法に
より酸化シリコンからなる厚さ１０００Å程度の下地層
２を成膜する。次に、下地層２の上面にプラズマＣＶＤ
法あるいは減圧ＣＶＤ法により厚さ５００Å程度のアモ
ルファスシリコン薄膜３を成膜する。次に、水素含有量
の多いプラズマＣＶＤ法で形成したアモルファスシリコ
ン薄膜３の含有水素を除去するために、窒素ガス雰囲気
中において４５０℃程度の温度で２時間程度の脱水素処
理を行う。この脱水素処理は、アモルファスシリコン薄
膜３に後工程でエキシマレーザビームの照射により高エ
ネルギを与えると、アモルファスシリコン薄膜３中の水
素が突沸して欠陥が生じるので、これを回避するために
行うものである。次に、図１（Ｂ）に示すように、アモ
ルファスシリコン薄膜３にエキシマレーザビームを後で
説明するように照射することにより、アモルファスシリ
コン薄膜３を多結晶化して多結晶シリコン薄膜４とす
る。
【０００８】次に、アモルファスシリコン薄膜３を多結
晶化して多結晶シリコン薄膜４とするためのレーザアニ
ール装置について図２を参照して説明する。このレーザ
アニール装置はレーザ光源１１を備えている。レーザ光
源１１はＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２を角サイズ
でパルス状に出射するようになっている。レーザ部１１
から出射されたＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２は、
アッテネータ１３に入射され、エネルギ密度を連続的に
または段階的に調整される。アッテネータ１３から出射
されたＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２は、ミラー１
４によって進行方向を９０°変更された後に、ビームホ
モジナイザ１５に入射される。ビームホモジナイザ１５
は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、シリンドリカル
レンズ１６及びフォーカシングレンズ１７を備え、角サ
イズのＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２を多数に分割
した後集光することにより、ビームサイズを線状にし、
しかもその強度分布を均一にするものである。ビームホ
モジナイザ１５から出射されたＸｅＣｌエキシマレーザ
ビーム１２は、プロセスチャンバ１８のプロセス窓１９
を介してプロセスチャンバ１８内の所定の箇所に入射さ
れる。プロセスチャンバ１８内の所定の箇所には試料ス
テージ２０がＸ、Ｙ方向に移動可能に設けられている。
ビームホモジナイザ１５と試料ステージ２０間の方向で
あるＺ方向に関しては、通常は、ビームホモジナイザ１
５を移動可能としている。なお、プロセスチャンバ１８
にはトランスファチャンバ２１が接続され、トランスフ
ァチャンバ２１には搬入側と搬出側のロードロック室２
２、２３が接続されている。
晶化して多結晶シリコン薄膜４とするためのレーザアニ
ール装置について図２を参照して説明する。このレーザ
アニール装置はレーザ光源１１を備えている。レーザ光
源１１はＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２を角サイズ
でパルス状に出射するようになっている。レーザ部１１
から出射されたＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２は、
アッテネータ１３に入射され、エネルギ密度を連続的に
または段階的に調整される。アッテネータ１３から出射
されたＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２は、ミラー１
４によって進行方向を９０°変更された後に、ビームホ
モジナイザ１５に入射される。ビームホモジナイザ１５
は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、シリンドリカル
レンズ１６及びフォーカシングレンズ１７を備え、角サ
イズのＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２を多数に分割
した後集光することにより、ビームサイズを線状にし、
しかもその強度分布を均一にするものである。ビームホ
モジナイザ１５から出射されたＸｅＣｌエキシマレーザ
ビーム１２は、プロセスチャンバ１８のプロセス窓１９
を介してプロセスチャンバ１８内の所定の箇所に入射さ
れる。プロセスチャンバ１８内の所定の箇所には試料ス
テージ２０がＸ、Ｙ方向に移動可能に設けられている。
ビームホモジナイザ１５と試料ステージ２０間の方向で
あるＺ方向に関しては、通常は、ビームホモジナイザ１
５を移動可能としている。なお、プロセスチャンバ１８
にはトランスファチャンバ２１が接続され、トランスフ
ァチャンバ２１には搬入側と搬出側のロードロック室２
２、２３が接続されている。
【０００９】次に、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２
の照射について説明する。まず、図１（Ａ）に示すもの
をプロセスチャンバ１８内の試料ステージ２０上に載置
する。次に、レーザ光源１１から出射されたＸｅＣｌエ
キシマレーザビーム１２のエネルギ密度をアッテネータ
１３により後で説明するようなエネルギ密度に調整す
る。次に、アッテネータ１３から出射されたＸｅＣｌエ
キシマレーザビーム１２のビームサイズをビームホモジ
ナイザ１５により強度分布が均一で且つ線状になるよう
に整形する。この場合のビームホモジナイザ１５のレー
ザビーム長手方向の光学システムを図３（Ａ）に示し、
レーザビーム幅方向の光学システムを図３（Ｂ）に示
す。ただし、この場合、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム
１２の焦点位置Ｐは、ビームホモジナイザ１５をＺ方向
に移動させることにより、試料ステージ２０上に載置さ
れたガラス基板１上のアモルファスシリコン薄膜３の表
面から下方（後方）に１〜２５ｍｍ程度離れた位置とな
るようにする。この場合、後述する如く、焦点位置Ｐが
基板の後方に深くなるにつれ半価幅ＦWHM(Full Width a
t Half Maximum)は広くなり、トップハット型の場合と
比較して、半価幅ＦWHMでは１０〜６０％程度増加す
る。また、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２を照射す
るとき、プロセスチャンバ１８内は真空とされ、基板温
度は室温以上に保持されている。
の照射について説明する。まず、図１（Ａ）に示すもの
をプロセスチャンバ１８内の試料ステージ２０上に載置
する。次に、レーザ光源１１から出射されたＸｅＣｌエ
キシマレーザビーム１２のエネルギ密度をアッテネータ
１３により後で説明するようなエネルギ密度に調整す
る。次に、アッテネータ１３から出射されたＸｅＣｌエ
キシマレーザビーム１２のビームサイズをビームホモジ
ナイザ１５により強度分布が均一で且つ線状になるよう
に整形する。この場合のビームホモジナイザ１５のレー
ザビーム長手方向の光学システムを図３（Ａ）に示し、
レーザビーム幅方向の光学システムを図３（Ｂ）に示
す。ただし、この場合、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム
１２の焦点位置Ｐは、ビームホモジナイザ１５をＺ方向
に移動させることにより、試料ステージ２０上に載置さ
れたガラス基板１上のアモルファスシリコン薄膜３の表
面から下方（後方）に１〜２５ｍｍ程度離れた位置とな
るようにする。この場合、後述する如く、焦点位置Ｐが
基板の後方に深くなるにつれ半価幅ＦWHM(Full Width a
t Half Maximum)は広くなり、トップハット型の場合と
比較して、半価幅ＦWHMでは１０〜６０％程度増加す
る。また、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２を照射す
るとき、プロセスチャンバ１８内は真空とされ、基板温
度は室温以上に保持されている。
【００１０】ところで、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム
１２をその焦点位置Ｐがアモルファスシリコン薄膜３の
表面から下方にずれた位置となるようにして照射した場
合のビーム幅方向の強度プロファイルは、図４（Ａ）に
示すように、逆お椀型となる。比較のために、焦点位置
Ｐをアモルファスシリコン薄膜３の表面としたときのト
ップハット型の強度プロファイルを、図４（Ｂ）に示
す。また、焦点位置Ｐをアモルファスシリコン薄膜３の
表面から上方にずれた位置としたときのガウス型の強度
プロファイルを、図４（Ｃ）に示す。図４（Ａ）に示す
逆お椀型の場合には、図４（Ｂ）に示すトップハット型
ではトップがフラットであるのに対し、山形状の非平坦
形状をなし、また図４（Ｃ）に示すガウス型では広い裾
野を有しているのに対し、そのような裾野を有していな
い。
１２をその焦点位置Ｐがアモルファスシリコン薄膜３の
表面から下方にずれた位置となるようにして照射した場
合のビーム幅方向の強度プロファイルは、図４（Ａ）に
示すように、逆お椀型となる。比較のために、焦点位置
Ｐをアモルファスシリコン薄膜３の表面としたときのト
ップハット型の強度プロファイルを、図４（Ｂ）に示
す。また、焦点位置Ｐをアモルファスシリコン薄膜３の
表面から上方にずれた位置としたときのガウス型の強度
プロファイルを、図４（Ｃ）に示す。図４（Ａ）に示す
逆お椀型の場合には、図４（Ｂ）に示すトップハット型
ではトップがフラットであるのに対し、山形状の非平坦
形状をなし、また図４（Ｃ）に示すガウス型では広い裾
野を有しているのに対し、そのような裾野を有していな
い。
【００１１】ここで、本発明において、アモルファスシ
リコン薄膜３に照射するレーザビームの強度プロファイ
ルを逆お椀型とすることが極めて重要な要件であるの
で、この逆お椀型を定義付けることとする。図４（Ａ）
〜（Ｃ）で明らかな通り、図４（Ａ）に示す逆お椀型
は、図４（Ｂ）に示すトップハット型及び図４（Ｃ）に
示すガウス型よりも半価幅が広い。しかし、焦点位置Ｐ
を基板の遙か前方に変位していくと図４（Ｃ）に示すガ
ウス型の強度プロファイルは三角形状に近づきこれと共
に半価幅が広がり、逆お椀型の半価幅が狭い場合とほぼ
同じ値になる。ここで、図４（Ａ）及び（Ｃ）を比較す
ると、両者は、強度プロファイルの裾の部分における全
幅と半価幅の比が相違することが確認される。そこで、
半価幅ＦWHMと、ピーク高さＨの１／ｅ2となる幅Ｆ
WINLS(Full Width at Natural LogarithmSquare)との比
ＦWHM／ＦWINLSを求めたところ、ガウス型では０．６未
満であったが、逆お椀型では、０．７〜０．８程度であ
り、両者が明確に識別された。すなわち、逆お椀型と
は、半価幅ＦWHMと、ピーク高さＨの１／ｅ2となる幅Ｆ
WINLSとの比ＦWHM／ＦWINLSが０．７以上であり、且
つ、ピーク付近が、平坦ではなく、山形状であるもの、
とすることにより、トップハット型及びガウス型と明確
に識別された。よって、本発明においては、逆お椀型を
このように定義づける。
リコン薄膜３に照射するレーザビームの強度プロファイ
ルを逆お椀型とすることが極めて重要な要件であるの
で、この逆お椀型を定義付けることとする。図４（Ａ）
〜（Ｃ）で明らかな通り、図４（Ａ）に示す逆お椀型
は、図４（Ｂ）に示すトップハット型及び図４（Ｃ）に
示すガウス型よりも半価幅が広い。しかし、焦点位置Ｐ
を基板の遙か前方に変位していくと図４（Ｃ）に示すガ
ウス型の強度プロファイルは三角形状に近づきこれと共
に半価幅が広がり、逆お椀型の半価幅が狭い場合とほぼ
同じ値になる。ここで、図４（Ａ）及び（Ｃ）を比較す
ると、両者は、強度プロファイルの裾の部分における全
幅と半価幅の比が相違することが確認される。そこで、
半価幅ＦWHMと、ピーク高さＨの１／ｅ2となる幅Ｆ
WINLS(Full Width at Natural LogarithmSquare)との比
ＦWHM／ＦWINLSを求めたところ、ガウス型では０．６未
満であったが、逆お椀型では、０．７〜０．８程度であ
り、両者が明確に識別された。すなわち、逆お椀型と
は、半価幅ＦWHMと、ピーク高さＨの１／ｅ2となる幅Ｆ
WINLSとの比ＦWHM／ＦWINLSが０．７以上であり、且
つ、ピーク付近が、平坦ではなく、山形状であるもの、
とすることにより、トップハット型及びガウス型と明確
に識別された。よって、本発明においては、逆お椀型を
このように定義づける。
【００１２】そして、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム１
２の強度プロファイルを逆お椀型、トップハット型及び
ガウス型としてエネルギ密度２３０〜５８０ｍＪ／ｃｍ
2でビーム幅方向にオーバーラップさせて照射し、アモ
ルファスシリコン薄膜を多結晶化してなる多結晶シリコ
ン薄膜の線状のレーザビームと平行に現われる筋状の照
射痕跡を顕微鏡観察したところ、次のようなことが分か
った。照射痕跡がほとんど認められない照射条件は、逆
お椀型の強度プロファイルの場合、エネルギ密度が３０
０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2程度であってオーバーラップ率
が６０〜９５％程度であり、またエネルギ密度が３５０
〜５００ｍＪ／ｃｍ2程度であってオーバーラップ率が
８０〜９５％程度であった。ここでは、エネルギー密度
は、レーザビームの長手方向と幅方向の半価幅の積、つ
まり照射面積で照射エネルギーを除算した値である。
２の強度プロファイルを逆お椀型、トップハット型及び
ガウス型としてエネルギ密度２３０〜５８０ｍＪ／ｃｍ
2でビーム幅方向にオーバーラップさせて照射し、アモ
ルファスシリコン薄膜を多結晶化してなる多結晶シリコ
ン薄膜の線状のレーザビームと平行に現われる筋状の照
射痕跡を顕微鏡観察したところ、次のようなことが分か
った。照射痕跡がほとんど認められない照射条件は、逆
お椀型の強度プロファイルの場合、エネルギ密度が３０
０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2程度であってオーバーラップ率
が６０〜９５％程度であり、またエネルギ密度が３５０
〜５００ｍＪ／ｃｍ2程度であってオーバーラップ率が
８０〜９５％程度であった。ここでは、エネルギー密度
は、レーザビームの長手方向と幅方向の半価幅の積、つ
まり照射面積で照射エネルギーを除算した値である。
【００１３】これに対して、トップハット型の強度プロ
ファイルの場合には、エネルギ密度が３５０〜３８０ｍ
Ｊ／ｃｍ2程度であってオーバーラップ率が８５〜９０
％程度であった。ガウス型の強度プロファイルの場合に
は、エネルギ密度が３００〜３５０ｍＪ／ｃｍ2程度で
あってオーバーラップ率が９０％程度であり、またエネ
ルギ密度が４００ｍＪ／ｃｍ2程度であってオーバーラ
ップ率が７５〜８５％程度であった。
ファイルの場合には、エネルギ密度が３５０〜３８０ｍ
Ｊ／ｃｍ2程度であってオーバーラップ率が８５〜９０
％程度であった。ガウス型の強度プロファイルの場合に
は、エネルギ密度が３００〜３５０ｍＪ／ｃｍ2程度で
あってオーバーラップ率が９０％程度であり、またエネ
ルギ密度が４００ｍＪ／ｃｍ2程度であってオーバーラ
ップ率が７５〜８５％程度であった。
【００１４】このように、トップハット型の強度プロフ
ァイルの場合には、照射痕跡がほとんど認められないオ
ーバーラップ率の範囲が８５〜９０％程度であって５％
程度とかなり狭い範囲となる。ガウス型の強度プロファ
イルの場合には、照射痕跡がほとんど認められないオー
バーラップ率の範囲が９０％程度または７５〜８５％程
度であって１０％程度以下とやや狭い範囲となる。これ
に対して、逆お椀型の強度プロファイルの場合には、上
述したように、エネルギ密度が３００〜３５０ｍＪ／ｃ
ｍ2程度であると、照射痕跡がほとんど認められないオ
ーバーラップ率の範囲が６０〜９５％程度であって３５
％程度とかなり広い範囲となり、またエネルギ密度が３
５０〜５００ｍＪ／ｃｍ2程度と高くても、同オーバー
ラップ率の範囲が８０〜９５％程度であって１５％程度
とやや広い範囲となる。
ァイルの場合には、照射痕跡がほとんど認められないオ
ーバーラップ率の範囲が８５〜９０％程度であって５％
程度とかなり狭い範囲となる。ガウス型の強度プロファ
イルの場合には、照射痕跡がほとんど認められないオー
バーラップ率の範囲が９０％程度または７５〜８５％程
度であって１０％程度以下とやや狭い範囲となる。これ
に対して、逆お椀型の強度プロファイルの場合には、上
述したように、エネルギ密度が３００〜３５０ｍＪ／ｃ
ｍ2程度であると、照射痕跡がほとんど認められないオ
ーバーラップ率の範囲が６０〜９５％程度であって３５
％程度とかなり広い範囲となり、またエネルギ密度が３
５０〜５００ｍＪ／ｃｍ2程度と高くても、同オーバー
ラップ率の範囲が８０〜９５％程度であって１５％程度
とやや広い範囲となる。
【００１５】このことを考察するに、上述したように、
図４（Ａ）に示す逆お椀型の場合には、図４（Ｂ）に示
すトップハット型ではトップがフラットであるのに対
し、丸みを帯びているので、１パルス照射領域における
アモルファスシリコン薄膜の温度勾配が局所的に急峻と
ならないようにすることができるものと考えられる。ま
た、図４（Ａ）に示す逆お椀型の場合には、図４（Ｃ）
に示すガウス型では広い裾野を有しているのに対し、そ
のような裾野を有していないので、半価幅をある程度広
くしてもエネルギ密度の低下を招くことがなく、高いエ
ネルギ密度を確保することができるものと考えられる。
図４（Ａ）に示す逆お椀型の場合には、図４（Ｂ）に示
すトップハット型ではトップがフラットであるのに対
し、丸みを帯びているので、１パルス照射領域における
アモルファスシリコン薄膜の温度勾配が局所的に急峻と
ならないようにすることができるものと考えられる。ま
た、図４（Ａ）に示す逆お椀型の場合には、図４（Ｃ）
に示すガウス型では広い裾野を有しているのに対し、そ
のような裾野を有していないので、半価幅をある程度広
くしてもエネルギ密度の低下を招くことがなく、高いエ
ネルギ密度を確保することができるものと考えられる。
【００１６】次に、強度プロファイルを逆お椀型とし
て、上述の照射痕跡がほとんど認められない照射条件内
において、エネルギ密度４５０ｍＪ／ｃｍ2、オーバー
ラップ率９３％で照射し、ラマン分光法による主ピーク
（波長５２０ｃｍ-1付近）のライン分析を行ったとこ
ろ、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す結果が得られた。また、
上述の照射痕跡がほとんど認められない照射条件内にお
いて、エネルギ密度４００ｍＪ／ｃｍ2、オーバーラッ
プ率８９％で照射したところ、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示
す結果が得られた。ただし、ライン分析の方向は、分析
用アルゴンレーザ（波長５１４．５ｎｍ）のスポット
（約２０μｍφ）が筋状の照射痕跡を横切る方向とし
た。
て、上述の照射痕跡がほとんど認められない照射条件内
において、エネルギ密度４５０ｍＪ／ｃｍ2、オーバー
ラップ率９３％で照射し、ラマン分光法による主ピーク
（波長５２０ｃｍ-1付近）のライン分析を行ったとこ
ろ、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す結果が得られた。また、
上述の照射痕跡がほとんど認められない照射条件内にお
いて、エネルギ密度４００ｍＪ／ｃｍ2、オーバーラッ
プ率８９％で照射したところ、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示
す結果が得られた。ただし、ライン分析の方向は、分析
用アルゴンレーザ（波長５１４．５ｎｍ）のスポット
（約２０μｍφ）が筋状の照射痕跡を横切る方向とし
た。
【００１７】さて、図５（Ａ）及び図６（Ａ）は多結晶
シリコン薄膜（ｐ−Ｓｉ）のピークの標準試料の単結晶
シリコン（Ｓｉ（１００））で規格化したピークに対す
るピーク比（結晶化度に相当）を表し、図５（Ｂ）及び
図６（Ｂ）は半価幅の逆数の比（結晶粒サイズに相当）
を表し、図５（Ｃ）及び図６（Ｃ）はラマンシフトを表
している。これらの図から明らかなように、ラマン分光
分析結果の変動はエネルギ密度が４５０ｍＪ／ｃｍ2あ
るいは４００ｍＪ／ｃｍ2と高くても小さく、強度プロ
ファイルを逆お椀型として形成された多結晶シリコン薄
膜が均一で大きな単結晶粒サイズからなっているものと
考えられる。また、ラマン分光分析結果の変動は図５に
示す場合の方が図６に示す場合よりも小さく、図５に示
す場合の方が図６に示す場合よりも好ましいと言える。
シリコン薄膜（ｐ−Ｓｉ）のピークの標準試料の単結晶
シリコン（Ｓｉ（１００））で規格化したピークに対す
るピーク比（結晶化度に相当）を表し、図５（Ｂ）及び
図６（Ｂ）は半価幅の逆数の比（結晶粒サイズに相当）
を表し、図５（Ｃ）及び図６（Ｃ）はラマンシフトを表
している。これらの図から明らかなように、ラマン分光
分析結果の変動はエネルギ密度が４５０ｍＪ／ｃｍ2あ
るいは４００ｍＪ／ｃｍ2と高くても小さく、強度プロ
ファイルを逆お椀型として形成された多結晶シリコン薄
膜が均一で大きな単結晶粒サイズからなっているものと
考えられる。また、ラマン分光分析結果の変動は図５に
示す場合の方が図６に示す場合よりも小さく、図５に示
す場合の方が図６に示す場合よりも好ましいと言える。
【００１８】これに対して、強度プロファイルをトップ
ハット型として、上述の照射痕跡がほとんど認められな
い照射条件内において、エネルギ密度３８０ｍＪ／ｃｍ
2、オーバーラップ率８６％で照射したところ、図７
（Ａ）〜（Ｃ）に示すラマン分光分析結果が得られた。
これらの図から明らかなように、ラマン分光分析結果の
変動は小さく、図６に示す場合とほぼ同じであることが
確認された。しかしながら、このトップハット型は、逆
お椀型に比べて、結晶化度や結晶粒サイズに相当する結
晶品質の点で劣っている。
ハット型として、上述の照射痕跡がほとんど認められな
い照射条件内において、エネルギ密度３８０ｍＪ／ｃｍ
2、オーバーラップ率８６％で照射したところ、図７
（Ａ）〜（Ｃ）に示すラマン分光分析結果が得られた。
これらの図から明らかなように、ラマン分光分析結果の
変動は小さく、図６に示す場合とほぼ同じであることが
確認された。しかしながら、このトップハット型は、逆
お椀型に比べて、結晶化度や結晶粒サイズに相当する結
晶品質の点で劣っている。
【００１９】また、強度プロファイルをトップハット型
とした場合において、オーバーラップ率を８６％とし、
エネルギ密度を上述の照射痕跡がほとんど認められない
エネルギ密度条件（３５０〜３８０ｍＪ／ｃｍ2程度）
よりも高く（４３０ｍＪ／ｃｍ2）したところ、図８
（Ａ）〜（Ｃ）に示すラマン分光分析結果が得られ、ま
たエネルギ密度を低く（３１０ｍＪ／ｃｍ2）したとこ
ろ、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すラマン分光分析結果が得
られた。これらの図から明らかなように、エネルギ密度
が高い場合には、図８（Ａ）に示すように、ラマンピー
ク強度が規則的に大きく変動しており、上述の顕微鏡観
察により見られた筋状の照射痕跡に対応していることが
分かる。図８（Ａ）に示されるラマン分光強度のピーク
間隔の揺らぎは、主として、エキシマレーザ発振による
内部要因と、レーザアニール装置（モータ等）の振動に
伴う外部要因とによるレーザ光源１１の光軸の揺らぎ
（ポインティングスタビリティ）に起因しているものと
考えられる。一方、エネルギ密度が低い場合には、図９
（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、ラマンピークの半価幅
の逆数の比及びラマンシフトが大きく変動しており、多
結晶シリコン薄膜が不均質であることが分かる。
とした場合において、オーバーラップ率を８６％とし、
エネルギ密度を上述の照射痕跡がほとんど認められない
エネルギ密度条件（３５０〜３８０ｍＪ／ｃｍ2程度）
よりも高く（４３０ｍＪ／ｃｍ2）したところ、図８
（Ａ）〜（Ｃ）に示すラマン分光分析結果が得られ、ま
たエネルギ密度を低く（３１０ｍＪ／ｃｍ2）したとこ
ろ、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すラマン分光分析結果が得
られた。これらの図から明らかなように、エネルギ密度
が高い場合には、図８（Ａ）に示すように、ラマンピー
ク強度が規則的に大きく変動しており、上述の顕微鏡観
察により見られた筋状の照射痕跡に対応していることが
分かる。図８（Ａ）に示されるラマン分光強度のピーク
間隔の揺らぎは、主として、エキシマレーザ発振による
内部要因と、レーザアニール装置（モータ等）の振動に
伴う外部要因とによるレーザ光源１１の光軸の揺らぎ
（ポインティングスタビリティ）に起因しているものと
考えられる。一方、エネルギ密度が低い場合には、図９
（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、ラマンピークの半価幅
の逆数の比及びラマンシフトが大きく変動しており、多
結晶シリコン薄膜が不均質であることが分かる。
【００２０】次に、強度プロファイルを逆お椀型とし
て、オーバーラップ率を８９％とし、上述の照射痕跡が
ほとんど認められないエネルギ密度条件（３００〜５０
０ｍＪ／ｃｍ2）内において、高い方のエネルギ密度４
５０ｍＪ／ｃｍ2と低い方のエネルギ密度３２０ｍＪ／
ｃｍ2とで照射し、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による膜
表面粗さを調べたところ、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示
す結果が得られた。また、強度プロファイルをトップハ
ット型として、オーバーラップ率を８６％とし、上述の
照射痕跡がほとんど認められないエネルギ密度条件（３
５０〜３８０ｍＪ／ｃｍ2）内のエネルギ密度３８０ｍ
Ｊ／ｃｍ2で照射したところ、図１１（Ｂ）に示す結果
が得られ、また上述の照射痕跡がほとんど認められない
エネルギ密度条件外のエネルギ密度５３０ｍＪ／ｃｍ2
で照射したところ、図１１（Ａ）に示す結果が得られ
た。図１１（Ａ）の場合には、シャープなピークが認め
られ、上述の顕微鏡観察により見られた筋状の照射痕跡
に対応していることが分かる。これに対し、図１０
（Ａ）、（Ｂ）及び図１１（Ｂ）の場合には、シャープ
なピークが認められず、膜表面が非常になめらかである
ことが分かる。しかし、トップハット型の強度プロファ
イの場合には、表面平滑に対するエネルギ密度マージン
が極めて狭いのに対し、逆お椀型の強度プロファイルの
場合には、表面平滑に対するエネルギ密度マージンがか
なり広い。
て、オーバーラップ率を８９％とし、上述の照射痕跡が
ほとんど認められないエネルギ密度条件（３００〜５０
０ｍＪ／ｃｍ2）内において、高い方のエネルギ密度４
５０ｍＪ／ｃｍ2と低い方のエネルギ密度３２０ｍＪ／
ｃｍ2とで照射し、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による膜
表面粗さを調べたところ、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示
す結果が得られた。また、強度プロファイルをトップハ
ット型として、オーバーラップ率を８６％とし、上述の
照射痕跡がほとんど認められないエネルギ密度条件（３
５０〜３８０ｍＪ／ｃｍ2）内のエネルギ密度３８０ｍ
Ｊ／ｃｍ2で照射したところ、図１１（Ｂ）に示す結果
が得られ、また上述の照射痕跡がほとんど認められない
エネルギ密度条件外のエネルギ密度５３０ｍＪ／ｃｍ2
で照射したところ、図１１（Ａ）に示す結果が得られ
た。図１１（Ａ）の場合には、シャープなピークが認め
られ、上述の顕微鏡観察により見られた筋状の照射痕跡
に対応していることが分かる。これに対し、図１０
（Ａ）、（Ｂ）及び図１１（Ｂ）の場合には、シャープ
なピークが認められず、膜表面が非常になめらかである
ことが分かる。しかし、トップハット型の強度プロファ
イの場合には、表面平滑に対するエネルギ密度マージン
が極めて狭いのに対し、逆お椀型の強度プロファイルの
場合には、表面平滑に対するエネルギ密度マージンがか
なり広い。
【００２１】以上のように、強度プロファイルが逆お椀
型である場合には、トップハット型及びガウス型である
場合と比較して、エネルギ密度が３００〜３５０ｍＪ／
ｃｍ2程度であると、照射痕跡がほとんど認められない
オーバーラップ率の範囲を６０〜９５％程度とかなり広
い範囲とすることができ、またエネルギ密度が３５０〜
５００ｍＪ／ｃｍ2程度と高くても、オーバーラップ率
の範囲を８０〜９５％程度とやや広い範囲とすることが
できる。この結果、逆お椀型の強度プロファイルの場合
には、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２のビームサイ
ズを線状とするためのビームホモジナイザ１５の調整が
それほど厳しくなく、調整を簡単に行うことができるこ
とになる。
型である場合には、トップハット型及びガウス型である
場合と比較して、エネルギ密度が３００〜３５０ｍＪ／
ｃｍ2程度であると、照射痕跡がほとんど認められない
オーバーラップ率の範囲を６０〜９５％程度とかなり広
い範囲とすることができ、またエネルギ密度が３５０〜
５００ｍＪ／ｃｍ2程度と高くても、オーバーラップ率
の範囲を８０〜９５％程度とやや広い範囲とすることが
できる。この結果、逆お椀型の強度プロファイルの場合
には、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム１２のビームサイ
ズを線状とするためのビームホモジナイザ１５の調整が
それほど厳しくなく、調整を簡単に行うことができるこ
とになる。
【００２２】なお、上記説明では、ＸｅＣｌエキシマレ
ーザビーム１２の焦点位置Ｐをアモルファスシリコン薄
膜３の表面よりも下方にずらすことにより、強度プロフ
ァイルを逆お椀型とする場合について説明したが、光学
系の改良により焦点位置Ｐをずらすことなくアモルファ
スシリコン薄膜３の表面に逆お椀型の強度プロファイル
を実現することも可能である。また、逆お椀型の強度プ
ロファイルを得る方法として、ビームホモジナイザ１５
からはガウス型が出力されるようした上、このガウス型
の裾野をブレード基板やマスク等でカットするようにし
てもよい。
ーザビーム１２の焦点位置Ｐをアモルファスシリコン薄
膜３の表面よりも下方にずらすことにより、強度プロフ
ァイルを逆お椀型とする場合について説明したが、光学
系の改良により焦点位置Ｐをずらすことなくアモルファ
スシリコン薄膜３の表面に逆お椀型の強度プロファイル
を実現することも可能である。また、逆お椀型の強度プ
ロファイルを得る方法として、ビームホモジナイザ１５
からはガウス型が出力されるようした上、このガウス型
の裾野をブレード基板やマスク等でカットするようにし
てもよい。
【００２３】次に、この発明を薄膜トランジスタの製造
方法に適用した場合の一例について図１２（Ａ）〜
（Ｄ）を順に参照して説明する。まず、図１２（Ａ）に
示すように、ガラス基板３１の上面にクロムからなる厚
さ１０００Å程度のゲート電極３２を形成する。次に、
ゲート電極３２を含むガラス基板３１の上面全体にプラ
ズマＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン
からなる厚さ４０００Å程度のゲート絶縁膜３３及び厚
さ５００Å程度のアモルファスシリコン薄膜３４を成膜
する。
方法に適用した場合の一例について図１２（Ａ）〜
（Ｄ）を順に参照して説明する。まず、図１２（Ａ）に
示すように、ガラス基板３１の上面にクロムからなる厚
さ１０００Å程度のゲート電極３２を形成する。次に、
ゲート電極３２を含むガラス基板３１の上面全体にプラ
ズマＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン
からなる厚さ４０００Å程度のゲート絶縁膜３３及び厚
さ５００Å程度のアモルファスシリコン薄膜３４を成膜
する。
【００２４】次に、図１２（Ｂ）に示すように、線状の
ＸｅＣｌエキシマレーザビームをビーム幅方向の強度プ
ロファイルを逆お椀型としてスキャン照射する。この場
合、オーバーラップ率を９３％とし、３種類のエネルギ
密度２１０、２６０、３２０ｍＪ／ｃｍ2で低い方から
順に照射した。すると、１回目のエネルギ密度２１０ｍ
Ｊ／ｃｍ2でのスキャン照射により、アモルファスシリ
コン薄膜３４が微結晶化されるとともに脱水素化され
る。そして、２回目のエネルギ密度２６０ｍＪ／ｃｍ2
でのスキャン照射により、アモルファスシリコン薄膜３
４がさらに結晶化され、３回目のエネルギ密度３２０ｍ
Ｊ／ｃｍ2でのスキャン照射により、アモルファスシリ
コン薄膜３４の結晶粒の成長が促進されて多結晶化さ
れ、多結晶シリコン薄膜３５が形成される。
ＸｅＣｌエキシマレーザビームをビーム幅方向の強度プ
ロファイルを逆お椀型としてスキャン照射する。この場
合、オーバーラップ率を９３％とし、３種類のエネルギ
密度２１０、２６０、３２０ｍＪ／ｃｍ2で低い方から
順に照射した。すると、１回目のエネルギ密度２１０ｍ
Ｊ／ｃｍ2でのスキャン照射により、アモルファスシリ
コン薄膜３４が微結晶化されるとともに脱水素化され
る。そして、２回目のエネルギ密度２６０ｍＪ／ｃｍ2
でのスキャン照射により、アモルファスシリコン薄膜３
４がさらに結晶化され、３回目のエネルギ密度３２０ｍ
Ｊ／ｃｍ2でのスキャン照射により、アモルファスシリ
コン薄膜３４の結晶粒の成長が促進されて多結晶化さ
れ、多結晶シリコン薄膜３５が形成される。
【００２５】次に、図１２（Ｃ）に示すように、ゲート
電極３２上における多結晶シリコン薄膜３５の上面にイ
オン注入マスク３６を形成する。次に、イオンを注入
し、イオン注入マスク３６によって被われていない多結
晶シリコン薄膜３５をイオン注入領域３５ａとする。こ
の後、イオン注入マスク３６を除去する。次に、図１２
（Ｄ）に示すように、多結晶シリコン薄膜３５を周知の
方法により素子分離する。次に、層間絶縁膜３７を形成
し、次いで層間絶縁膜３７に形成されたコンタクトホー
ル３８を介して多結晶シリコン薄膜３５のイオン注入領
域３５ａからなるソース・ドレイン領域に接続されるソ
ース・ドレイン電極３９を形成する。かくして、薄膜ト
ランジスタが製造される。
電極３２上における多結晶シリコン薄膜３５の上面にイ
オン注入マスク３６を形成する。次に、イオンを注入
し、イオン注入マスク３６によって被われていない多結
晶シリコン薄膜３５をイオン注入領域３５ａとする。こ
の後、イオン注入マスク３６を除去する。次に、図１２
（Ｄ）に示すように、多結晶シリコン薄膜３５を周知の
方法により素子分離する。次に、層間絶縁膜３７を形成
し、次いで層間絶縁膜３７に形成されたコンタクトホー
ル３８を介して多結晶シリコン薄膜３５のイオン注入領
域３５ａからなるソース・ドレイン領域に接続されるソ
ース・ドレイン電極３９を形成する。かくして、薄膜ト
ランジスタが製造される。
【００２６】このようにして製造された薄膜トランジス
タでは、ボトムゲートタイプであり、ゲート電極３２上
に多結晶シリコン薄膜３５のチャネル領域３５ｂを形成
しているにも拘らず、トップハット型の場合に観察され
る筋状の照射痕跡が見られず、均質に多結晶化している
ことが確認された。この結果、既存のボトムゲートタイ
プの薄膜トランジスタの製造ラインをそのまま利用する
ことが可能となり、設備コストを低減することができ
る。また、上述したように、１回目の低エネルギ密度２
１０ｍＪ／ｃｍ2でのスキャン照射により、アモルファ
スシリコン薄膜３４を微結晶化するとともに脱水素化を
行っているので、窒素ガス雰囲気中での熱処理による脱
水素化処理が不要となり、薄膜トランジスタの製造工程
を短縮することができる。なお、ボトムゲートタイプの
薄膜トランジスタに限らず、トップゲートタイプの薄膜
トランジスタにも適用することができることはもちろん
である。
タでは、ボトムゲートタイプであり、ゲート電極３２上
に多結晶シリコン薄膜３５のチャネル領域３５ｂを形成
しているにも拘らず、トップハット型の場合に観察され
る筋状の照射痕跡が見られず、均質に多結晶化している
ことが確認された。この結果、既存のボトムゲートタイ
プの薄膜トランジスタの製造ラインをそのまま利用する
ことが可能となり、設備コストを低減することができ
る。また、上述したように、１回目の低エネルギ密度２
１０ｍＪ／ｃｍ2でのスキャン照射により、アモルファ
スシリコン薄膜３４を微結晶化するとともに脱水素化を
行っているので、窒素ガス雰囲気中での熱処理による脱
水素化処理が不要となり、薄膜トランジスタの製造工程
を短縮することができる。なお、ボトムゲートタイプの
薄膜トランジスタに限らず、トップゲートタイプの薄膜
トランジスタにも適用することができることはもちろん
である。
【００２７】以上説明したように、この発明によれば、
レーザビームを、その強度プロファイルの半価幅ＦWHM
とピーク高さＨの１／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦW
HM ／ＦWINLSが０．７以上で、ピーク付近が山形状をな
す逆お椀型として照射しているので、１パルス照射領域
における半導体薄膜の温度勾配が局所的に急峻とならな
いようにすることができるばかりでなく、半価幅をある
程度広くしてもエネルギ密度の低下を招くことがなく、
ひいては半導体薄膜の結晶品質を均一且つ高品位とする
ことができる上、製造マージンを広くすることができ
る。
レーザビームを、その強度プロファイルの半価幅ＦWHM
とピーク高さＨの１／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦW
HM ／ＦWINLSが０．７以上で、ピーク付近が山形状をな
す逆お椀型として照射しているので、１パルス照射領域
における半導体薄膜の温度勾配が局所的に急峻とならな
いようにすることができるばかりでなく、半価幅をある
程度広くしてもエネルギ密度の低下を招くことがなく、
ひいては半導体薄膜の結晶品質を均一且つ高品位とする
ことができる上、製造マージンを広くすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態における半導体薄膜の結
晶化方法を説明するために示すもので、（Ａ）はアモル
ファスシリコン薄膜を成膜した状態の断面図、（Ｂ）は
エキシマレーザの照射によりアモルファスシリコン薄膜
を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とした状態の断面
図。
晶化方法を説明するために示すもので、（Ａ）はアモル
ファスシリコン薄膜を成膜した状態の断面図、（Ｂ）は
エキシマレーザの照射によりアモルファスシリコン薄膜
を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とした状態の断面
図。
【図２】レーザアニール装置の概略構成図。
【図３】（Ａ）はビームホモジナイザのレーザビーム長
手方向の光学システムを示す図、（Ｂ）はレーザビーム
幅方向の光学システムを示す図。
手方向の光学システムを示す図、（Ｂ）はレーザビーム
幅方向の光学システムを示す図。
【図４】（Ａ）は逆お椀型の強度プロファイルを示す
図、（Ｂ）はトップハット型の強度プロファイルを示す
図、（Ｃ）はガウス型の強度プロファイルを示す図。
図、（Ｂ）はトップハット型の強度プロファイルを示す
図、（Ｃ）はガウス型の強度プロファイルを示す図。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は強度プロファイルを逆お椀型
とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分析結果
の第１の例を示す図。
とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分析結果
の第１の例を示す図。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は強度プロファイルを逆お椀型
とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分析結果
の第２の例を示す図。
とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分析結果
の第２の例を示す図。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は強度プロファイルをトップハ
ット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分
析結果の第１の例を示す図。
ット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分
析結果の第１の例を示す図。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は強度プロファイルをトップハ
ット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分
析結果の第２の例を示す図。
ット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分
析結果の第２の例を示す図。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は強度プロファイルをトップハ
ット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分
析結果の第３の例を示す図。
ット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のラマン分光分
析結果の第３の例を示す図。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は強度プロファイルを逆お
椀型とした場合の多結晶シリコン薄膜のＡＦＭによる膜
表面粗さの２つの例を示す図。
椀型とした場合の多結晶シリコン薄膜のＡＦＭによる膜
表面粗さの２つの例を示す図。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は強度プロファイルをトッ
プハット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のＡＦＭに
よる膜表面粗さの２つの例を示す図。
プハット型とした場合の多結晶シリコン薄膜のＡＦＭに
よる膜表面粗さの２つの例を示す図。
【図１２】（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれこの発明を薄膜ト
ランジスタの製造方法に適用した場合の一例の各製造工
程を示す断面図。
ランジスタの製造方法に適用した場合の一例の各製造工
程を示す断面図。
１ ガラス基板 ３ アモルファスシリコン薄膜 ４ 多結晶シリコン薄膜 １１ レーザ光源 １２ ＸｅＣｌエキシマレーザビーム １３ アッテネータ １５ ビームホモジナイザ １８ プロセスチャンバ ２０ 試料ステージ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−246826（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−213341（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−340118（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−47115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−153327（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−148428（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160151（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268 H01L 21/336 H01L 29/786
Claims (10)
- 【請求項１】 レーザビームをビーム照射領域をオーバ
ーラップさせながらスキャン照射することにより、半導
体薄膜を結晶化する半導体薄膜の結晶化方法において、
前記レーザビームを、その強度プロファイルの半価幅Ｆ
WHM とピーク高さＨの１／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との
比ＦWHM ／ＦWINLS が０．７以上で、ピーク付近が山形
状をなす逆お椀型として照射することを特徴とする半導
体薄膜の結晶化方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の発明において、前記レー
ザビームの焦点位置を前記半導体薄膜の表面から後方に
１〜２５ｍｍ程度ずらすことを特徴とする半導体薄膜の
結晶化方法。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の発明において、
前記レーザビームのビーム強度プロファイルは、焦点位
置が前記半導体薄膜表面と一致するときのビーム強度プ
ロファイルに比し、半価幅が１０％程度以上増大した形
状であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の発明に
おいて、前記レーザビームのエネルギ密度は３００〜３
５０ｍＪ／ｃｍ 2 程度であり、オーバーラップ率は６
０〜９５％程度であることを特徴とする半導体薄膜の結
晶化方法。 - 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の発明に
おいて、前記レーザビームのエネルギ密度は３５０〜５
００ｍＪ／ｃｍ 2 程度であり、オーバーラップ率は８
０〜９５％程度であることを特徴とする半導体薄膜の結
晶化方法。 - 【請求項６】 アモルファスシリコン薄膜を多結晶化し
て薄膜トランジスタを製造する際に、レーザビームを、
その強度プロファイルの半価幅ＦWHM とピーク高さＨ
の１／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWINLS
が０．７以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お椀型と
してビーム照射領域をオーバーラップさせながらスキャ
ン照射するとともに、このスキャン照射を複数回エネル
ギ密度を順次高めて行うことにより、前記アモルファス
シリコン薄膜を多結晶化することを特徴とする薄膜トラ
ンジスタの製造方法。 - 【請求項７】 請求項６に記載の発明において、前記レ
ーザビームのエネルギ密度は３００〜３５０ｍＪ／ｃｍ
2 程度であり、オーバーラップ率は６０〜９５％程度
であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項８】 請求項６に記載の発明において、前記レ
ーザビームのエネルギ密度は３５０〜５００ｍＪ／ｃｍ
2 程度であり、オーバーラップ率は８０〜９５％程度
であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項９】 請求項８記載の発明において、前記レー
ザビームの照射は、前記アモルファスシリコン薄膜中に
含有される水素を除去する脱水素処理を兼ねることを特
徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項１０】 レーザ光源と、このレーザ光源から出
射されたレーザビームのエネルギ密度を調整するアッテ
ネータと、このアッテネータから出射されたレーザビー
ムのビームサイズを線状とし、しかも強度分布を均一と
するビームホモジナイザと、試料ステージとを具備し、
前記ビームホモジナイザから出射されたレーザビーム
を、その強度プロファイルの半価幅ＦWHM とピーク高さ
Ｈの１／ｅ 2 をとる幅ＦWINLS との比ＦWHM ／ＦWINLS
が０．７以上で、ピーク付近が山形状をなす逆お椀型
として前記試料ステージ上に載置された試料に照射する
ようにしたことを特徴とするレーザアニール装置。
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|---|---|---|---|
| JP13577497A JP3337059B2 (ja) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | 半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジスタの製造方法並びにその方法に用いられるレーザアニール装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP13577497A JP3337059B2 (ja) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | 半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジスタの製造方法並びにその方法に用いられるレーザアニール装置 |
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|---|---|
| JPH10312963A JPH10312963A (ja) | 1998-11-24 |
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| JP13577497A Expired - Fee Related JP3337059B2 (ja) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | 半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジスタの製造方法並びにその方法に用いられるレーザアニール装置 |
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-
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- 1997-05-12 JP JP13577497A patent/JP3337059B2/ja not_active Expired - Fee Related
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