JP3390603B2 - レーザー処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、非単結晶の結晶性シリ
コン膜を有する基板上に形成する薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）等の半導体素子の作製に関わる光アニールの工程
に使用されるレーザー処理方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】最近、絶縁基板上に、薄膜状の活性層
（活性領域ともいう）を有する絶縁ゲイト型の半導体装
置の研究がなされている。特に、薄膜状のゲイトトラン
ジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が熱心に
研究されている。これらは、利用する半導体の材料・結
晶状態によって、アモルファスシリコンＴＦＴや結晶性
シリコンＴＦＴと言うように区別されている。結晶性シ
リコンとは言っても、単結晶ではない非単結晶のもので
ある。したがって、これらは非単結晶シリコンＴＦＴと
総称される。 【０００３】一般にアモルファス状態の半導体の電界移
動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるＴＦ
Ｔには利用できない。また、アモルファスシリコンで
は、Ｐ型の電界移動度は著しく小さいので、Ｐチャネル
型のＴＦＴ（ＰＭＯＳのＴＦＴ）を作製することが出来
ず、したがって、Ｎチャネル型ＴＦＴ（ＮＭＯＳのＴＦ
Ｔ）と組み合わせて、相補型のＭＯＳ回路（ＣＭＯＳ）
を形成することができない。 【０００４】一方、結晶性半導体は、アモルファス半導
体よりも電界移動度が大きく、したがって、高速動作が
可能である。結晶性シリコンでは、ＮＭＯＳのＴＦＴだ
けでなく、ＰＭＯＳのＴＦＴも同様に得られるのでＣＭ
ＯＳ回路を形成することが可能である。 【０００５】非単結晶の結晶性シリコン膜は、気相成長
法によって得られたアモルファスシリコン膜を、長時間
適切な温度（通常は６００℃以上）で熱アニールする
か、レーザー等の強光を照射すること（光アニール）に
よって得られた。 【０００６】しかしながら、絶縁基板として安価で加工
性に富むガラス基板を用いる場合、熱アニールのみで電
界移動度の十分に高い（ＣＭＯＳ回路を形成することが
可能な程度に高い）結晶性シリコン膜を得ることは困難
を極めた。というのは、前述のようなガラス基板は一般
に歪み点温度が低く（６００℃程度）、移動度が十分に
高い結晶性シリコン膜を得るために必要な温度まで、基
板温度を高めることができないからである。 【０００７】一方、ガラス基板をベースにしたシリコン
膜の結晶化に光アニールを用いる場合、基板の温度をあ
まり高めることなく、シリコン膜にのみ高いエネルギー
を与えることが可能である。よって、ガラス基板をベー
スにしたシリコン膜の結晶化には、光アニールの技術が
非常に有効であると考えられる。 【０００８】現状では、光アニールの光源としては、エ
キシマレーザーのような大出力パルスレーザーが最も好
適である。このレーザーの最大エネルギーはアルゴンイ
オン・レーザー等の連続発振レーザーに比べ非常に大き
く、したがって、数ｃｍ²以上の大きなスポットを用い
て、より量産性を上げることができた。しかしながら、
通常用いられる正方形もしくは長方形の形状のビームで
は、１枚の大きな面積の基板を処理するには、ビームを
上下左右に移動させる必要があり、量産性の面で依然と
して改善する余地があった。 【０００９】これに関しては、ビームを線状に変形し、
ビームの長さ（線状ビーム断面の長手方向の大きさ）
を、処理すべき基板を越える長さとし、このビームを基
板に対して相対的に移動して走査することによって、大
きく改善できた。ここで走査とは、線状レーザーを線幅
方向（線状ビーム断面の長手方向と直交する方向）に移
動しながら、且つその照射領域が分断されないように、
重ねながら照射することを意味する。また、一般に線状
レーザー光を大面積に渡って照射する際には、走査経路
が平行に成るようにされている。 【００１０】また、光アニールの前に、熱アニールを行
うことでさらに結晶性の高いシリコン膜を作製できる。
熱アニールによる方法に関しては、特開平６ー２４４１
０４に記述されるように、ニッケル、鉄、コバルト、白
金、パラジュウム等の元素（以下、結晶化触媒元素、ま
たは、単に、触媒元素という）が、アモルファスシリコ
ンの結晶化を促進する効果を利用することにより、通常
の場合よりも低温・短時間の熱アニールにより結晶性シ
リコン膜を得ることができる。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記線
状レーザーの照射は、その最大エネルギーの関係上、そ
の線状レーザービームの長さ（レーザービーム断面の長
手方向の大きさ）は、長くても２０ｃｍ程度に加工する
のが限界であった。 【００１２】それ以上の長さに加工すると、該レーザー
ビームのエネルギー密度が、例えば非結晶性シリコン膜
を結晶化するには不十分なものとなってしまった。よっ
て、大面積の基板を用い、線状レーザーの長さを越える
領域に対してレーザー処理を行う場合、レーザービーム
の走査を、上下左右に、すなわち、線幅方向と、長さ方
向の両方に、移動させる必要があった。図１３に従来の
レーザービームの走査経路を模式的に示す。 【００１３】図１３（Ａ）は線状レーザービームの断面
図であり、は図１３（Ｂ）は被照射面を上から見た図で
ある。図１３（Ａ）に示すように、線状レーザービーム
１の端部１ａは完全な矩形となっておらず、この部分の
エネルギ密度は分散している。 【００１４】図１３（Ｂ）に示すように、線状レーザー
ビーム１は２本の走査経路２、３に沿って、走査され
る。例えば、線状レーザービーム１は左側の走査経路２
に沿って下方に走査されたた後、右側の走査経路３に沿
って下方に向かって走査される。この際に、線状レーザ
ービーム１の端部１ａが重なるように走査する必要があ
るが、線状レーザービーム１の端部１ａをどの様に重ね
合わせるかが問題となる。図１３（Ｂ）において、矩形
で示す領域４は、被照射面において線状レーザービーム
１の端部１ａが重なった領域が走査された領域である。 【００１５】しかしながら、一般に線状レーザービーム
１の端部１ａにおけるエネルギー密度を制御するのは困
難であるため、領域４およびその近傍に作製される半導
体素子は、他の部分に設けられる素子に比べ、特性のば
らつきが目立った。このため、領域４の半導体材料は半
導体素子の加工には不向きである。 【００１６】上記の問題点の対策として、スリットを介
してレーザービームを照射することにより、エネルギー
密度の制御が難しい長さ方向の端部分を遮光して、レー
ザービームの端部を成形している。図１４（Ａ）は、ス
リットにより成形された線状レーザービームの断面図で
あり、は図１４（Ｂ）はレーザービームの走査経路を模
式図であり、被照射面を上からみた図である。 【００１７】図１３（Ａ）に示すように、スリットを経
ることにより、レーザービーム５の端部５ａは矩形状に
成形されるため、端部５ａにおけるエネルギ密度の分布
は、図１３の線状レーザービーム１よりも均一になる。 【００１８】図１４（Ｂ）に示すように線状レーザービ
ーム５を照射する場合には、例えば線状レーザービーム
５を左側の走査経路６に沿って下方に走査した後、右側
の走査経路７に沿って下方に向かって走査するようにす
れぱよい。この際に、線状レーザービーム５の端部５ａ
が重なるように走査するが、レーザービーム５の端部５
ａは矩形状に成形され、そのエネルギ密度分布は均一な
ため、８で示すように、線状レーザービーム５の端部５
ａが接する程度に重ればよく、端部５ａが重なる領域８
を縮小することができる。 【００１９】しかしながら、スリットを用いレーザービ
ーム５の端部５ａのエネルギ密度を制御しても、依然と
して、レーザービーム５の端部５ａが重なっている走査
される領域８に作製される半導体素子の特性は、他の領
域に作製された素子に比べ、その特性のばらつきが顕著
である。 【００２０】本発明の目的は、上述の問題点を解消し
て、大面積の半導体被膜に対するレーザーアニールの工
程を、高いスループットで行い得るレーザー処理方法を
提供することにある。 【００２１】また本発明の他の目的は、複数の半導体素
間の特性のばらつきを抑えることを可能にする大面積の
半導体被膜に対するレーザー処理方法を提供することに
ある。 【００２２】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の構成は、基板上の非晶質半導体被膜上に半
導体被膜の結晶化を促進する触媒元素を含む層を形成し
た後に、加熱処理によって結晶化された半導体被膜に対
して、断面が線状のレーザー光を平行かつ一筆書きを描
くように走査して２段階照射するレーザー処理方法であ
って、前記半導体被膜は、１×１０^１５〜１×１０^１９
原子／ｃｍ^３の濃度で触媒元素を含み、２段階目の照射
エネルギー密度は、１段階目の照射エネルギー密度より
も大きく、レーザー光の照射エネルギーの調整は、透過
率の異なる複数のフィルターを挿脱させることにより行
われ、前記レーザー光照射の際に、前記レーザー光の長
さ方向の端部分が重なる領域または接して重なる領域に
は半導体素子を形成しないことを特徴とするレーザー処
理方法である。 【００２３】 【作用】本発明は、線状のレーザービームを走査して、
レーザービームの断面の長さより大きい幅を有する半導
体被膜に対してレーザー照射を行い、アニールするに際
し、図１２に示すようなレーザービーム１、５の端部１
ａ、５ａが重なって照射される領域には、半導体素子を
形成しないことを特徴とする。 【００２４】言い換えれば、レーザービームの長さ方向
の端部分が重なって、あるいは接して照射される領域
が、半導体被膜の素子領域（半導体素子が設けられる領
域）上に位置しないように制御して、レーザー照射を行
うことを特徴とする。 【００２５】このようにすれば、基板がどんなに大面積
化され、被照射領域が大きくなっても、高いスループッ
トでレーザーアニールを行え、かつ、半導体素子間の特
性のばらつきを抑えることが可能となる。 【００２６】 【実施例】〔実施例１〕 図１〜図３は本実施例のレー
ザー照射装置の構成図であり、図１は上面図であり、図
２は図１における点線Ａ−Ａ’による断面図であり、図
３は図１における点線Ｂ−Ｂ’による断面図である。本
実施例のレーザー照射装置はマルチチャンバー形式の装
置であり、また多数の基板（試料）を１枚づつ連続して
処理することができる枚葉式の装置である。 【００２７】処理すべき基板１０はカートリッジ１１に
多数枚収納され、カートリッジ１１ごと装置に搬入する
ようになっている。 【００２８】装置内で基板１０を搬送するための基板搬
送室１３には、ゲイトバルブ１４〜１５により、カート
リッジ搬入搬出室１７、加熱室１８、レーザー照射室１
９がそれぞれ連結されている。基板搬送室１３、カート
リッジ搬入搬出室１７、加熱室１８、レーザー照射室１
９は気密保持可能されており、それぞれガスや不活性ガ
ス等を供給するためのガス供給系２０〜２３が上部に接
続され、更に真空ポンプ２５〜２８が接続された排気系
２９〜３２が下部に接続されている。これにより、基板
搬送室１３、カートリッジ搬入搬出室１７、加熱室１
８、レーザー照射室１９における雰囲気、圧力等が制御
可能とされている。 【００２９】基板搬送室１３には、ロボットアーム３３
が設けれ、基板１０を１枚づつカートリッジ搬入搬出室
１７、レーザー照射室１９、又は加熱室１８へと移送す
ることができる。更にゲイトバルブ１４側にアライメン
ト機構３４が設けられており、基板１０とロボットアー
ム３３との位置合わせがされる。 【００３０】加熱室１８において、エレベータ３５上に
基板１０を多数枚収納することが可能であり、抵抗等か
ら成る加熱手段３６によって基板１０を所定の温度に加
熱することができる。 【００３１】また、レーザー照射室１９には、基板１０
を載置するためのステージ３７が設けられている。ステ
ージ３７は基板１０を加熱するための加熱手段を有し、
また図示しない案内機構、モータ等により、図１の紙面
内において二次元方向に水平移動自在とされ、さらに紙
面に直交する軸を中心に回転自在とされている。更にレ
ーザー照射室１９の上面には、装置外部から出射された
レーザー光が入射する石英窓３８が設けられている。 【００３２】図２に示すように、装置外部には、レーザ
ー照射手段３９が設けられ、レーザー照射手段３９のレ
ーザー光の出射方向の光路４１上には、ミラー４０が配
置され、ミラー４０により屈曲された光路４１上にレー
ザー照射室１９の石英窓３８が設けられて、レーザー照
射手段３９から出射されたレーザー光はミラー４０で反
射され、石英窓３８を経て、ステージ３７上に配置され
た基板１０に照射される。 【００３３】図４はレーザー照射手段３９の概略の構成
図であり、レーザーを発振する発振器５１の出射方向の
光路５０上には、全反射ミラー５２、５３が配列され、
全反射ミラー５３の反射方向の光路５０上には増幅器５
４、複数のフィルタ５５ａ〜５５ｄから成る減衰手段５
５、レーザー光を線状に成形するための光学系５６が順
次に配置されている。 【００３４】減衰手段５５はレーザーエネルギを調節す
るためのものであり、フィルタ５５ａ〜５５ｄは透過光
のエネルギを減衰する作用を有し、これらの透過率は互
いに異なっており、本実施例では、フィルタ５５ａ〜５
５ｄの透過率をそれぞれ９６％、９２％、８５％、７７
％とする。これらのフィルタ５５ａ〜５５ｄは図示しな
い電磁石、モータ等の駆動手段により、光路５０から独
立に挿脱自在とされている。フィルタ５５ａ〜５５ｄを
適宜に組み合わせることにより、透過率５７〜９６％範
囲のフィルタを形成することができる。例えば、透過率
９６％のフィルタ５５ａと９２％の減光フィルタ５５ｂ
とを組み合わせることで、透過率８８％の減光フィルタ
を得ることができる。 【００３５】なお、フィルタ５５ａ〜５５ｄは石英に酸
化ハフニウムと二酸化珪素とを層状に交互にコーティン
グしたものであり、減光フィルタ５５ａ〜５５ｄの透過
率はコーティングされた層数に依存する。また本実施例
では減衰手段５５のフィルタ５５ａ〜５５ｄの枚数を４
枚としたが、この枚数に限定されるものではなく、フィ
ルタの枚数、その透過率等は、レーザーエネルギを適切
に調整することができるように決定すればよい。 【００３６】図５、図６は光学系５６の構成図であり、
図６は図５の光路５０に沿った断面図に相当する。図
５、図６に示すように、光路５０上には、入射方向から
順次に、シリンドリカル凹レンズ６１、シリンドリカル
凸レンズ６２、互いに直交する軸を有するフライアイレ
ンズ６３と６４、シリンドリカル凸レンズ６５、６６、
全反射ミラー６７が配列され、全反射ミラー６７の反射
方向の光路上にはシリンドリカルレンズ６８が配置され
ている。 【００３７】図４に示すレーザー照射手段３９におい
て、発振器５１で発振されたレーザー光は全反射ミラー
５２、５３でそれぞれ反射され、増幅器５４に入射され
る。増幅器５４においてレーザー光は増幅されて、全反
射ミラー５５、５６でそれぞれ反射されて、減衰手段５
５を経て、光学系５６に達して、図５、図６に示すよう
にシリンドリカル凹レンズ６１、シリンドリカル凸レン
ズ６２、フライアイレンズ６３、６４を通ることによ
り、レーザー光のエネルギ分布はガウス分布型から短形
分布に変化される。さらに、シリンドリカル凸レンズ６
５、６６を通過して、全反射ミラー６７で反射されて、
シリンドリカルレンズ６８によって集束されて、その焦
点面ｆにおいて線状ビーム像に結像される。この線状ビ
ーム像は図６において、紙面に垂直な方向に長手方向を
有する。 【００３８】レーザービームの形状は光学系５６に入射
する直前は３×２cm²程度の矩形であるが、光学系５６
を経ることで１０〜３０ｃｍ、幅０．１〜１ｃｍ程度の
細長い線状ビームに成形される。 【００３９】図１〜図３に示すレーザー照射装置によ
り、レーザーアニールをする場合には、先ず、ゲイトバ
ルブ１４〜１６を閉鎖して、基板搬送室１３、レーザー
照射室１９、加熱室１８を窒素ガスで充満させる。 【００４０】次に、基板１０が多数枚収納されたカート
リッジ１１をカートリッジ搬入搬出室１７に外部から搬
入する。カートリッジ搬入搬出室１７には、図示しない
扉が設けられており、この扉を開閉させることにより、
カートリッジ１１の搬入・搬出を行う。カートリッジ１
１をカートリッジ搬入搬出室１７に搬入した後に、扉を
閉めて、カートリッジ搬入搬出室１７を密閉状態にし
て、ガス供給系２１から窒素ガスを供給して、カートリ
ッジ搬入搬出室１７を窒素ガスで充満させる。なお、カ
ートリッジ搬入搬出室１７は特に減圧状態とはせずに大
気圧状態とする。次にゲイトバルブ１４とゲイトバルブ
１５を開ける。ゲイトバルブ１４は一連の工程が終了す
るまで、開放した状態としてよい。 【００４１】ロボットアーム３３によって、カートリッ
ジ搬入搬出室１７に設置されたカートリッジ１１から基
板１０を１枚ずつ取り出し、アライメント機構３４に載
置して、一旦ロボットアーム３３と基板１０との位置合
わせをした後に、再びロボットアーム３３で基板１０を
取り上げ、加熱室１８に移送する。加熱室１８に基板１
０が移送される毎に、エレベータ３５が上昇又は下降し
て、基板１０が順次に積層された状態で収納される。 【００４２】加熱室１８所定の枚数の基板１０基板を搬
入した後に、ゲイトバルブ１５を閉鎖して、加熱手段３
６により基板１０が加熱される。基板１０が所定の温度
に加熱されると、ゲイトバルブ１５が開放され、ロボッ
トアーム３３により基板１０が加熱室１８から基板搬送
室１３に移送され、アライメント機構３４上に載置さ
れ、再び位置合わせが行われる。 【００４３】ゲイトバルブ１６が開けられると、ロボッ
トアーム３３によりアライメント機構３４上の基板１０
がレーザー照射室１９のステージ３７に載置され、ゲイ
トバルブ１５とゲイトバルブ１６とが閉鎖される。ゲイ
トバルブ１５は基板の搬出が行われる毎に開閉すること
が好ましい。これは、加熱室１８の雰囲気により、ロボ
ットアーム３３等の機械的な構成に熱的な影響が及ばな
いようにするためである。 【００４４】ゲイトバルブ１６を閉鎖した後に、レーザ
ー照射手段３９から線状ビームが出射され、線状レーザ
ーはミラー４０、石英窓３８を経て、ステージ３７上の
基板１０に照射される。ステージ３７が回転、水平移動
することにより、所定の走査経路で線状レーザーが基板
１０に照射される。なお、レーザー光を照射する間は、
ステージ３７に備えられた加熱手段により基板１０が加
熱室１８における温度と同じ温度に加熱され、熱的な変
動が抑制されている。レーザー光の照射が終了すると、
ゲイトバルブ１６が開放され、ロボットアーム３３によ
り基板１０がカートリッジ搬入搬出室１７内のカートリ
ッジ１１に収納される。こうして１枚の基板１０に対す
る処理が終了する。 【００４５】１枚の基板１０の処理が終了したら、ゲイ
トバルブ１５が開放されて、ロボットアーム３３により
次の基板１０が加熱室１８から取り出されて、レーザー
照射室１９に移送されて、ステージ３７に載置されて、
レーザー光が照射される。こうして、加熱室４０４に収
納されている基板１０に対して、１枚づつレーザー光が
照射される。全ての工程が終了すると、処理済の基板１
０が全てカートリッジ搬入搬出室１７に設置したカート
リッジ１１に収納される。このカートリッジ１１をカー
トリッジ搬入搬出室１７から取り出して、次の工程に移
ればよい。 【００４６】加熱室１８での加熱温度は、非晶質珪素膜
が結晶化する温度以下の温度とする必要がある。これ
は、基板１０によって加熱室に入っている時間が異なる
からである。一般的には、加熱室１８での加熱温度は２
００〜４００℃程度に選択される。またこの加熱温度
は、レーザー光が照射される際における基板１０の加熱
温度と同じ温度とする必要がある。 【００４７】〔実施例２〕 本実施例では、線状レーザ
ービームの長さを越えるサイズの基板を用いて、半導体
素子を作製するための結晶性シリコン膜を作製する例を
示す。図７に結晶性シリコン膜の作製工程図を示す。 【００４８】図７（Ａ）に示すように、ガラス基板７１
（本実施例では３６０ｍｍ×４６０ｍｍのコーニング７
０５９を用いる）上に、厚さ２０００Åの下地膜７２と
なる酸化珪素膜と、厚さ５００Åのアモルファスシリコ
ン膜７３を、プラズマＣＶＤ法により連続的に成膜し
た。 【００４９】そして、スピンコート法により１０ｐｐｍ
の酢酸ニッケル水溶液をアモルファスシリコン膜７３表
面に塗布し、乾燥して、ニッケル層７４を形成した。酢
酸ニッケル水溶液には界面活性剤を添加するとよりよか
った。ニッケル層７４は極めて薄いので、膜状となって
いるとは限らないが、以後の工程に於ける問題はない。 【００５０】図７（Ｂ）に示すように、５５０℃で４時
間熱アニールすることにより、アモルファスシリコン膜
７３を結晶化させて、結晶性シリコン膜７５を得る。加
熱により、ニッケル層７４のニッケルが結晶の核の役割
を果たし、アモルファスシリコン膜７３の結晶化を促進
させる。このため、５５０℃、４時間という低温（コー
ニング７０５９の歪み点温度以下）、短時間で結晶性シ
リコン膜７５を得ることがてきる。 【００５１】なお、結晶性シリコン膜７５における触媒
元素の濃度は、１×１０^１５〜１×１０^１９原子／ｃｍ
^３であると好ましかった。１×１０^１５原子／ｃｍ^３以
下の濃度であると、結晶化を促進させる触媒効果を得る
ことが困難になり、１×１０^１９原子／ｃｍ^３以上の高
濃度では、シリコンに金属的性質が表れて、半導体特性
が消滅してしまうためである。本実施例において、結晶
性シリコン膜７５中の触媒元素の濃度は膜中における最
小値で１×１０^１７〜５×１０^１８原子／ｃｍ^３ であ
った。なお、これらの値は、２次イオン質量分析法（Ｓ
ＩＭＳ）により分析、測定した。 【００５２】このようにして得られた結晶性シリコン膜
７５の結晶性をさらに高めるために、図７（Ｃ）に示す
ように、大出力パルスレーザーであるエキシマレーザー
を該膜７５に照射して、より結晶性の優れた結晶性シリ
コン膜７６を形成する。 【００５３】レーザーを照射する際には、図１〜６に示
す装置を使用して、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４
８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を１ｍｍ×１８５ｍｍ
線状に成形し、先ず、２２０ｍＪ／ｃｍ^２程度のエネル
ギーでレーザービームを照射して、次にレーザーのエネ
ルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ^２〜５００ｍＪ／ｃｍ^２
の範囲で、例えば３７０ｍＪ／ｃｍ^２で照射する。ま
た、被照射物の１点に注目すると、２〜２０ショットの
レーザー光が照射されるように、レーザービームの走査
速度、実際には、基板７１を載置するステージ３７の移
動速度を調節する。 【００５４】なお、レーザーエネルギーの２２０ｍＪ／
ｃｍ^２から３７０ｍＪ／ｃｍ^２への切り替えは、図４に
示すレーザー照射手段３９において、発振器５１の出力
を一定にした状態で、減衰手段５５のフィルタ５５ａ〜
５５ｄを選択的に光路５０に挿入・退避させることによ
り行う。 また、レーザー照射時の基板温度は２００℃
とする。 【００５５】このように、照射エネルギを変えて、照射
する方法を多段階照射と呼ぶこととする。本実施例の場
合は２回照射するため２段階照射となる。２段階照射と
することより、１段階照射よりも結晶性シリコン膜７６
の結晶性をより向上させることができる。なお、１段階
照射とする場合には、レーザーのエネルギー密度を１０
０ｍＪ／ｃｍ^２〜５００ｍＪ／ｃｍ^２の範囲で、例えば
３７０ｍＪ／ｃｍ^２で照射すればよい。 【００５６】図８（Ａ）〜（Ｄ）に本実施例のレーザー
ビームの走査経路を示す。図８（Ａ）〜（Ｄ）に示すよ
うに、基板８０上の被照射面上には、薄膜トランジスタ
が作製される矩形状の素子作製領域８１が２×２のマト
リクス状に配列されている。このため、図７（Ｃ）に示
すガラス基板７１上において、素子作製領域８１内の結
晶性シリコン７６のみを使用して半導体素子が作製され
ることとなる。半導体素子が作製された基板８０は、図
９に示すように４枚の素子基板８６Ａ〜８６Ｄに分断さ
れる。 【００５７】また、図９に示すように、半導体素子作製
後、基板８０を線状レーザービームの長さ以下に分断し
てしまうことを前提とするため、図１３、図１４に示す
レーザービームの長さ方向の端部分が重なって照射され
る領域４又は８を素子作製領域８１外部になるようにす
るために、線状レーザービーム８２の長手方向の長さＬ
は素子作製領域８１の幅Ｗよりも長くされる。 【００５８】また、２段階照射とするには、図８（Ａ）
〜（Ｃ）に示すように、走査経路８３ａ〜８３ｃは素子
作製領域８１それぞれに線状レーザービーム８２が２回
照射されるように、平行にかつ一筆描きを描くように設
定される。なお、１段階照射であれば図８（Ｄ）に示す
ように、例えば走査経路８５のように設定すればよい。
また、走査経路８３ａ〜８３ｃ、８５はそれぞれ同一基
板８０上の全ての素子作製領域８０に対して、一様な方
向とされている。 【００５９】図８（Ａ）〜（Ｃ）又は（Ｄ）に示す走査
経路に沿って線状レーザービーム８３を走査するには、
線状レーザービーム８２を長手方向に概略直交する方向
に沿って、被照射面８０に対して相対的に移動しながら
照射を行えばよい。実際にはレーザービーム８２を移動
するのではなく、図１〜３に示すレーザー照射装置にお
いて、ステージ３７を回転、水平移動することにより、
被照射面を有する基板８０を移動して、線状レーザービ
ーム８２が走査経路８３ａ、８３ｂ又は８３ｃに沿って
走査されるようにしている。 【００６０】本実施例では、線状レーザービーム８２の
長さＬよりも、素子作製領域８１の幅Ｗが短いので、線
状レーザービーム８２の端部が素子作製領域８１を走査
することがないため、得られる結晶性シリコン膜７６の
膜質を均一にすることができるため、素子作製領域８１
に作製される半導体素子の特性を均一にすることができ
る。また、大面積の基板８０を処理して、同じ特性を有
する半導体素子が形成された基板を１度の工程で多数生
産することができるので、スループットを向上すること
ができる。 【００６１】〔実施例３〕 本実施例において、実施例
２で得られた結晶性シリコン膜７６を使用して、液晶表
示装置の画素を駆動するための薄膜トランジを作製する
工程に関して説明する。図１０、図１１に本実施例の薄
膜トランジスタの作製工程を示す。 【００６２】図１０（Ａ）に示すように、ガラス基板１
０１上には、下地膜１０２として酸化珪素膜を３０００
Åの厚さにプラズマＣＶＤ法又は減圧熱ＣＶＤ法で堆積
され、下地膜１０２の表面には、実施例２に示す結晶化
工程に従って非晶質珪素膜が結晶化された結晶性珪素膜
１０３が形成されている。 【００６３】次に、図１０（Ｂ）に示すように、結晶性
珪素膜１０３を島状にエッチングして、素子作製領域１
００内の所定の位置に活性層１０４が多数個形成され
る。本実施例では、図８、図９に示すように、ガラス基
板１０１を４分割して、同一の素子基板を４枚得ること
を目的とするため、ガラス基板１０１上には、薄膜トラ
ンジスタが作製された矩形状の素子作製領域１００が２
×２のマトリクス状に配置されている。素子作製領域１
００内の所定の位置に活性層１０４が多数個形成され
る。従って、結晶性珪素膜１０３を得る際に、素子作製
領域１００内部を線状レーザービームの端部が通過しな
いようにする。 【００６４】次に、プラズマＣＶＤ法により、ゲイト絶
縁膜を構成する酸化珪素膜１０５を１０００〜１５００
Å厚さに成膜して、ゲイト電極１０６を構成するアルミ
ニウム膜をスパッタ法により５０００Åの厚さに堆積す
る。アルミニウムには、予め、スカンジウムを０．２重
量％含有させておくと、後の加熱工程等において、ヒロ
ックやウィスカーが発生するのを抑制することができ
る。 【００６５】次に、アルミニウム膜の表面を陽極酸化し
て、図示しない緻密な陽極酸化物を極薄く形成する。次
に、アルミニウム膜の表面にレジストのマスク１０７を
形成する。この際に、アルミニウム膜の表面に図示しな
い緻密な陽極酸化物が形成されているため、レジストの
マスク１０７を密着させて形成することができる。そし
て、レジストのマスク１０７を使用して、アルミニウム
膜をエッチングして、ゲイト電極１０６を形成する。 【００６６】図１０（Ｃ）に示すように、レジストのマ
スク１０７を残したまま、ゲイト電極１０６を陽極酸化
して、多孔質の陽極酸化物１０８を４０００Åの厚さに
形成する。この際に、ゲイト電極１０６の表面にレジス
トのマスク１０７が密着しているため、多孔質の陽極酸
化物１０８はゲイト電極１０６の側面のみに形成され
る。 【００６７】次に、図１０（Ｃ）に示すように、レジス
トのマスク１０７を剥離した後に、ゲイト電極１０６を
電解溶液中で再び陽極酸化して、緻密な陽極酸化物１０
９を１０００Åの厚さに形成する。 【００６８】陽極酸化物の作り分けは使用する電解溶液
を変えればよく、多孔質の陽極酸化物１０８を形成する
場合には、クエン酸、シュウ酸、クロム酸又は硫酸を３
〜２０％含有した酸性溶液を使用すればよい。他方、緻
密な陽極酸化物１０９を形成する場合には、酒石酸、ほ
う酸、又は硝酸を３〜１０％含有するエチレングリコー
ル溶液をＰＨを７程度に調整した電解溶液を使用すれば
よい。 【００６９】図１１（Ａ）に示すように、ゲイト電極１
０６及びその周囲の多孔質の陽極酸化物１０８、緻密な
陽極酸化物１０９をマスクにして、酸化珪素膜１０５を
エッチングして、ゲイト絶縁膜１１０を形成する。 【００７０】図１１（Ｄ）に示すように、多孔質の陽極
酸化物１０８を除去した後に、イオンドーピング法によ
り、ゲイト電極１０６、緻密な陽極酸化物１０９、及び
ゲイト絶縁膜１１０をマスクにして、活性層１０４に不
純物を注入する。本実施例では、Ｐチャネル型ＴＦＴを
形成するために、ドーピングガスにフォスフィン（ＰＨ
_３）を使用して、燐イオンをドーピングする。なおドー
ピングの際に、ゲイト絶縁膜１１０が半透過なマスクと
して機能するように、ドーズ量、加速電圧等の条件を制
御する。 【００７１】ドーピングの結果、ゲイト絶縁膜１１０に
覆われていない領域は高濃度に燐イオンが注入されて、
ソース領域１１１、ドレイン領域１１２が形成される。
また、ゲイト絶縁膜１１０のみに覆われている領域に
は、低濃度に燐イオンが注入されて、低濃度不純物領域
１１３、１１４が形成される。ゲイト電極１０６の直下
の領域には不純物が注入されないため、チャネル領域１
１５が形成される。 【００７２】低濃度不純物領域１１３、１１４は高抵抗
領域として機能するため、オフ電流の低減に寄与する。
特に、ドレイン領域１１２側の低濃度不純物領域１１３
はＬＤＤと呼ばれている。また、緻密な陽極酸化物１０
９を十分に厚くすることにより、緻密な陽極酸化物１０
９の直下の領域をオフセット領域とすることができ、オ
フ電流をより低減することができる。 【００７３】ドーピング工程の後に、図１〜図３に示す
レーザー照射装置において、レーザアニールを実施し
て、ドーピングされた燐イオンを活性化する。この際の
アニール条件は、レーザーのエネルギ密度は１００ｍＪ
／ｃｍ^２〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２の範囲とし、例えば１６
０ｍＪ／ｃｍ^２とし、また被照射面の任意の１点に着目
した場合に、２０〜４０ショットの線状レーザービーム
が照射されるようにし、基板温度を２００℃に保持す
る。また、１段階照射のため線状レーザービームは図８
（Ｄ）に示す走査経路８５に従って走査すればよく、そ
の際に、線状レーザービームの端部が素子作製領域１０
０を通過しないようにする。 【００７４】レーザーアニールの後に，熱アニールを実
施してもよい。この場合には、４５０℃の温度で２時間
程度加熱すればよい。 【００７５】図１１（Ｃ）に示すように、プラズマＣＶ
Ｄ法により、層間絶縁物１１６として酸化珪素膜を５０
００Åの厚さに成膜する。なお、層間絶縁物１１６とし
て、酸化珪素膜の単層膜の代わりに、窒化珪素膜の単層
膜、又は酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層膜を形成しても
よい。次に、公知のエッチング法によって酸化珪素膜か
ら成る層間絶縁物１１６をエッチングして、ソース領域
１１１、ドレイン領域１１２それぞれにコンタクトホー
ルを形成する。 【００７６】次に、アルミニウム膜を４０００Åの厚さ
にスパッタリング法により成膜し、これをパターニング
して、ソース領域１１１、ドレイン領域１１２に接続さ
れる電極１１７、１１８を形成し、パッシベーション膜
１１９として窒化珪素膜を形成し、パッシベーション膜
１１９にドレイン領域１１２側の電極１１８に対するコ
ンタクトホールを形成する。次にＩＴＯ膜を形成してパ
ターニングして電極に接続されるコンタクトホールに画
素電極１２０を形成する。 【００７７】以上の工程を経て、ガラス基板１０１上の
素子作製領域１００にはＬＤＤ構造を有するＴＦＴが作
製される。最後に、基板１０１を図９に示すように、素
子作製領域１００ごとに分断することにより、４枚の液
晶表示装置のパネルを得ることができる。 【００７８】なお、本実施例では、液晶表示装置の画素
を駆動するためのＮチャネル型の薄膜トランジスタの作
製工程を説明したが、１つの素子作製領域１００に周辺
駆動回路を構成する薄膜トランジスタと、画素を駆動す
るための薄膜トランジスタを同時に形成するようにして
もよい。この場合は、周辺駆動回路を構成する薄膜トラ
ンジスタはＮチャネル型の薄膜トランジスタとＰチャネ
ル型の薄膜トランジスタから成る相補型の薄膜トランジ
スタとなるように、公知のＣＭＯＳ技術を利用して、薄
膜トランジスタの導電型を制御すればよい。 【００７９】〔実施例４〕 本実施例は基板を分断しな
い場合における、レーザー光の走査経路に関するもので
ある。この場合には図１３、図１４に示すような線状レ
ーザービームの端部が重なっている領域４や、接してい
る領域８が素子作製領域に配置されてしまう場合があ
る。この様な場合は、図１３、図１４に示す領域４、８
が半導体素子がまたがらない（位置しない、近接しな
い）ように、半導体素子を配置すればよい。 【００８０】例えば図１０においては、薄膜トランジス
タの活性層１０４とこれらの領域４又は８が重ならない
ように、活性層１０４が形成されない領域２００を線状
レーザービームの端部が通過するように、線状ビームの
長さを調節すればよい。 【００８１】なお、線状レーザービームの長さ方向の端
部分が重なって照射される部分（継ぎ目部分）を、図１
３の領域４のようにある程度重ねるか、或いは図１４の
領域８のように接する程度とするかは、基板上の半導体
素子の密集度に依存する。 【００８２】半導体素子の間隔がミリオーダーであれ
ば、線状レーザービームの端部の形状、即ち端部におけ
るエネルギ密度の分布は問題にならないため、図１３
（Ａ）に示すように線状レーザービーム１の端部１ａを
成形せずに線状レーザービームを照射することが可能で
ある。しかし、半導体素子の間隔がミリオーダー以下に
なると、図１４（Ａ）に示すように、線状レーザービー
ムをスリットにより成形して、端部を矩形状にして、更
に図１４に示すように線状レーザービームの端部が接す
るように走査する必要がある。 【００８３】更に、半導体素子の間隔が数ミクロンオー
ダーになってしまうと、たとえ図１４（Ｂ）のように線
状レーザーを走査しても、工程におけるアライメント等
精度の限界のため、レーザービーム５の端部５ａが通過
した領域８に素子が形成されてしまう虞れがあり、レー
ザービーム５の端部５ａが通過した領域を避けて、素子
を作製するには困難が伴う。 【００８４】半導体素子として、例えば、液晶ディスプ
レイのパネルを作製する場合、その基板上に形成される
半導体素子としての薄膜トランジスタが設けられる間隔
は、１０μｍ〜１００μｍ程度となる。よって、この場
合はスリットを用いて、線状レーザービームの長さ方向
の端をカットすることで、線状レーザービームの継ぎ
目、即ちビームの端部が接するように線状レーザービー
ムを走査する。この場合、当該継ぎ目部分は１０〜２０
μｍ程度の精度で密接させておけば、精度としては充分
であり、この継ぎ目部分に半導体素子を形成することな
く、液晶ディスプレイのパネルを作製することが可能で
ある。 【００８５】〔実施例５〕 図８に示すように実施例２
では、基板８０上に素子作製領域８１が２×２のマトリ
ックス状に配置されている。素子作製領域に均一にレー
ザーが照射されるためには、基板に対して素子作製領域
が対称的に配置されることが好ましく、このため、２ｎ
×２ｎ（ｎは１以上の自然数）のマトリクス状に配置す
るとよい。本実施例では、図１２に示すように、より大
面積の基板を使用することより、基板９０上に４×４の
素子作製領域９１を配置して、１回の工程で、１枚の基
板９０から同一の特性を有する半導体素子が作製された
基板を１６枚得るようにしたものである。 【００８６】線状レーザービーム９２を２段階照射する
には、例えば図１２（Ａ）、（Ｂ）のように走査光路９
３Ａ、９３Ｂを設定すればよい。また、線状レーザービ
ーム９３が均一に照射されるように、線状レーザービー
ム９２の長手方向の長さＬは素子作製領域９１の幅Ｗよ
りも長くされ、レーザービーム９２の長さ方向の端部分
が重なって照射される領域が素子作製領域９１外部にな
るようする。 【００８７】 【発明の効果】本発明により、大面積の半導体材料に対
するレーザーアニールの工程を、高いスループットで行
うことが可能となった。また、本発明により、大面積の
半導体被膜に対するレーザーアニール処理によって形成
された、複数の半導体素子間の、特性のばらつきを抑え
ることができた。 【００８８】本発明は、線状レーザービームの長さを超
える大面積のガラス基板上に、多数のＴＦＴを作成する
場合に有効である。特に該基板が液晶ディスプレイを構
成するものである場合、大画面が要求されることが予想
されるが、本発明はその作製を可能とするものである。
このように、本発明は工業上有益である。

【図面の簡単な説明】 【図１】 実施例１のレーザー照射装置の構成図であ
り、上面図である。 【図２】 図１における点線Ａ−Ａ’による断面図であ
る。 【図３】 図１における点線Ｂ−Ｂ’による断面図であ
る。 【図４】 レーザー照射手段３９の構成図である。 【図５】 レンズ系の構成図である。 【図６】 レンズ系の構成図であり、図５の光路に沿っ
た断面図である。 【図７】 実施例２の結晶性珪素膜の形成工程の説明図
である。 【図８】 レーザービームの走査経路の説明図である。 【図９】 基板の分断の説明図である。 【図１０】実施例３のＴＦＴの作製工程の説明図であ
る。 【図１１】実施例３のＴＦＴの作製工程の説明図であ
る。 【図１２】実施例５のレーザービームの走査経路の説明
図である。 【図１３】従来例のレーザービーム形状と、その走査方
法の説明図である。 【図１４】従来例のレーザービーム形状と、その走査方
法の説明図である。 【符号の説明】 １０・・・基板 １３・・・基板搬送室 １７・・・カートリッジ搬入搬出室 １８・・・加熱室 １９・・・レーザー照射室 ３３・・・ロボットアーム ３４・・・アライメント機構 ３６・・・加熱手段 ３７・・・ステージ ３９・・・レーザー照射手段 ５１・・・発振器 ５４・・・増幅器 ５５・・・減衰手段 ７１・・・ガラス基板 ７３・・・非晶質珪素膜 ７５・・・結晶性珪素膜 ７６・・・結晶性珪素膜 ８０、９０・・・基板 ８１、９１・・・素子作製領域 ８２、９２、・・・線状レーザービーム ８３Ａ〜８３Ｃ、８５、９３Ａ、９３Ｂ・・・走査経路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/00 (56)参考文献 特開 平２−42717（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−102311（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−307727（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−34723（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160151（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−198507（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−77131（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−89905（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−106599（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−135174（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−127318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−257511（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−216318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−82517（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268 H01L 21/336 H01L 27/12 H01L 29/786 H01S 3/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】基板上の非晶質半導体被膜上に半導体被膜
   の結晶化を促進する触媒元素を含む層を形成した後に、
   加熱処理によって結晶化された半導体被膜に対して、断
   面が線状のレーザー光を平行かつ一筆書きを描くように
   走査して２段階照射するレーザー処理方法であって、 前記半導体被膜は、１×１０^１５〜１×１０^１９原子／
   ｃｍ^３の濃度で触媒元素を含み、 ２段階目の照射エネルギー密度は、１段階目の照射エネ
   ルギー密度よりも大きく、 レーザー光の照射エネルギーの調整は、透過率の異なる
   複数のフィルターを挿脱させることにより行われ、 前記レーザー光照射の際に、前記レーザー光の長さ方向
   の端部分が重なる領域または接して重なる領域には半導
   体素子を形成しないことを特徴とするレーザー処理方
   法。