JP3763908B2 - レーザー照射システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、レーザー光の照射を行い各種処理を行うシステムに関する。またその応用方法に関する。例えば、半導体にレーザー光を照射することにより、各種アニールを行うシステム及びその応用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体薄膜にレーザー光を照射することにより各種アニールを行う技術が知られている。例えば、ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製する際に、まず非晶質珪素膜（アモファスシリコン膜）をガラス基板上にプラズマＣＶＤ法等で成膜し、それにパルス発振型で紫外光領域の発振を行うエキシマレーザー光を照射することにより、結晶性珪素膜を得る技術が知られている。
【０００３】
エキシマレーザーが利用されるのは、珪素膜のアニールに適するような照射エネルギー密度が得られるからである。また、紫外光領域を利用するのは、珪素の結晶化や珪素膜中における不純物元素を活性化させるのに適する波長だからである。
【０００４】
しかし、通常のレーザー光は数ｍｍ角程度のスポット状のビーム形状であるので、数十ｃｍ角の大きさを有するガラス基板を利用した際等に生産性が問題となる。
【０００５】
この問題を解決するために、レーザー光を光学系により、長さ数十ｃｍの線状に加工し、この線状のレーザービーム（線状レーザーと称する）を走査することにより、大面積への対応を行う技術が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記線状レーザーを用いた方法により、薄膜トランジスタを作製じた場合、以下のような問題が生じる。薄膜トランジスタを作製する場合、それが単体で作製されるのではなく、集積化したものとして作製される。
【０００７】
例えば、周辺駆動回路を一体化したアクティブマトリクス型の液晶表示装置に薄膜トランジスタを利用する場合、周辺駆動回路を構成するシフトレジスタやバッファー回路、さらにアナログスイッチ回路といった回路は、同じ回路パターンが繰り返されて配置されるものとなる。
【０００８】
このような構成を得るために線状のレーザー光を利用すると、得られた液晶ディスプレイの表示に細かい縞模様が観察される。この縞模様はその長手方向が直交した２種類に分類される。即ち、縦縞及び横縞として観察される。
【０００９】
なお、レーザー光の走査方向を９０°回転させても、やはり縦縞及び横縞は観察される。
【００１０】
本発明者らの知見によれば、上記の縦縞及び横縞は、線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度のバラツキ、及び走査方向におけるレーザーエネルギー密度のバラツキに関係する。
【００１１】
線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度のバラツキは、発振器内部における放電開始箇所のバラツキに起因して、発振器から出るレーザー光の密度分布に偏りが生じ、それが光学系において拡大される結果として生じる。
【００１２】
上記線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度のバラツキは、レーザー発振器内部における空間的な発振位置のバラツキによるものと理解することができる。
【００１３】
また、線状のレーザービームの走査方向における照射エネルギー密度のバラツキは、発振器の安定性、即ち発振毎における照射エネルギー密度のバラツキに起因する。
【００１４】
これは、レーザー発振器の時間的な発振強度のバラツキによるものと理解することができる。
【００１５】
上記の時間的及び空間的なレーザー発振のバラツキは、レーザー発振器の構造や発振方法に起因するものである。本明細書で開示する発明は、以下の事項を前提とし、大面積へのアニール効果の不均一性を解決することを課題とする。
【００１６】
（１）パルス発振型のエキシマレーザーを利用する。
（２）光学系により成形した線状のレーザー光を利用する。
（３）レーザー発振器からのレーザー光が上述したようなエネルギー密度のゆらぎを有している。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う前に半導体薄膜表面の不純物膜（特に酸化膜）を除去する手段を有することを特徴とする。
【００１８】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う前に半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段と、
レーザー光の照射時に半導体薄膜を冷却する手段と、
を有することを特徴とする。
【００１９】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う気密性を有するチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有するチャンバーと、
半導体薄膜を加熱する機能を有する気密性を有するチャンバーと、
を有することを特徴とする。
【００２０】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う気密性を有する第１のチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有する第２のチャンバーと、
半導体薄膜を加熱する機能を有する気密性を有する第３のチャンバーと、
を有し、
第１のチャンバーには、半導体薄膜を冷却する機能を有し、
前記各チャンバー間においては、気密性を保って試料の搬送が行えることを特徴とする。
【００２１】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う気密性を有する第１のチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有する第２のチャンバーと、
半導体薄膜を加熱する機能を有する気密性を有する第３のチャンバーと、
を有し、
第１のチャンバーには、半導体薄膜を冷却する機能を有し、
前記各チャンバーは内部を非酸化性雰囲気に保つ機能を有し、
前記チャンバー間においては、非酸化性雰囲気を保って試料の搬送が行えることを特徴とする。
【００２２】
上記構成において、非酸化性雰囲気として、不活性雰囲気または還元雰囲気または減圧雰囲気が選択される。
【００２３】
不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウム、キセノンから選ばれた一種または複数種類でなる雰囲気を挙げることができる。
【００２４】
還元雰囲気としては、水素及び／または一酸化炭素雰囲気、または水素及び／または一酸化炭素雰囲気を含有する雰囲気を挙げることができる。
【００２５】
減圧雰囲気というのは、酸化が進行しない程度に減圧状態なっている雰囲気、または高真空状態のことをいう。
【００２６】
また、上記の各雰囲気を組み合わせる構成としてもよい。例えば、雰囲気を一端不活性雰囲気に置換し、それから減圧状態とすることにより、雰囲気中での酸化を極力抑制するような構成としてもよい。
【００２７】
他の発明は、
レーザー光の照射を行う前に半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有するレーザー照射システムの応用方法であって、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去した後に非酸化性雰囲気を保った状態でレーザー光の照射を半導体薄膜表面に行うことを特徴とする。
【００２８】
他の発明の構成は、
レーザー光の照射を行う気密性を有する第１のチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有する第２のチャンバーと、
半導体薄膜を冷却する機能を有する気密性を有する第３のチャンバーと、
を有し、
第１のチャンバーには、半導体薄膜を冷却する機能を有し、
前記各チャンバー間においては、気密性を保って試料の搬送が行えるレーザー照射システムの応用方法であって、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去した後に非酸化性雰囲気の気密性を保った状態で冷却された半導体薄膜に対してレーザー光を照射することを特徴とする。
【００２９】
なお、本明細書で開示する発明は、気相法で成膜された非晶質珪素膜を結晶化させる技術のみではなく、結晶性珪素膜に対する不純物イオンの注入後のアニール技術にも利用することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
不純物膜を除去することにより、レーザー照射後の膜質が安定するのは、非晶質珪素膜と不純物膜との熱伝導率の違いに起因する。不純物膜とは、酸化物、有機物、窒化物を少なくも一つ含む膜である。特に酸化物（酸化珪素）は非晶質珪素膜の表面に形成され易く、その影響が大きい。以下においては、主に非晶質珪素膜の表面に形成される酸化膜について説明する。
【００３１】
厚さが１００ｎｍ以下であるような非晶質珪素膜は、膜中の不均一性が顕著に現れてしまう。当然、そのような非晶質珪素膜上に形成された酸化膜にも不均一性が現れる。このことは、酸化膜以外の場合も言えるが、酸化膜（自然酸化膜も含む）の場合が最もその傾向が顕著になる。
【００３２】
エキシマレーザー光には、そもそも時間的及び空間的にゆらぎが存在する。レーザー光が非晶質珪素膜に照射されると、そこから周囲に熱が瞬間的に伝導するのであるが、その伝導状態は、レーザー自体の照射エネルギー密度のバラツキと上記膜の不均一性を反映したものとなる。
【００３３】
線状のレーザーを利用した場合、熱伝導により結晶化した端部にこの不均一性が現れる。当然この端部は線状（筋状）なものとなる。エキシマレーザーを利用した場合、パルス発振により、次々とレーザー光が照射されるが、この時上記線状の領域は、レーザー発振の不均一性と非晶質珪素膜と酸化膜の不均一性とを反映したものとして現れる。
【００３４】
換言すれば、レーザー発振の不均一性と非晶質珪素膜と酸化膜の不均一性とが相乗して、さらに強調されたものとして現れる。
【００３５】
そして、これが縞模様状に結晶状態（膜質）が変化してしまうものとして観察される。
【００３６】
酸化珪素膜の熱伝導率は、非晶質珪素膜のそれに比較して、数パーセント以下である。従って、非晶質珪素膜の表面に酸化膜が存在すると、上記の不均一性がさらに助長されたものとなる。
【００３７】
また、レーザー照射時の加熱も上記の不均一性（熱伝導の不均一性）をさらに助長するものとなる。
【００３８】
また、膜厚が４０ｎｍ以下というように薄くなる場合も上記の膜質の不均一性が顕在化する。
【００３９】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に本実施例で示すレーザーシステムの上面から見た概要を示す。図において、３１０、３０９、３０４、３１５、３０１が気密性を有するチャンバーである。各チャンバーには、真空排気ポンプ、不活性ガス導入系が配置されている。
【００４０】
３１０で示されるチャンバーは、試料（基板）をシステムに搬入するためのロード室である。３０９が試料を加熱するための加熱室である。３０４は、線状のレーザー光を試料に走査しながら照射するためのチャンバーである。３１５は、試料（非晶質珪素膜）の表面の酸化膜を除去するためのチャンバーである。３０１は、各チャンバーに対して共通に配置された試料の搬送室である。
【００４１】
以下に動作の一例を示す。ここでは、試料としてガラス基板上に非晶質珪素膜が成膜されたものを用いる例を示す。
【００４２】
最初、全てのチャンバーは、一端高真空状態に真空引きがされた後、さらに窒素によりパージされている状態（常圧）とする。また全てのゲイトバルブ３１１、３０８、３０３、３１４を閉鎖した状態とする。
【００４３】
まず、試料は多数毎が収納されたカセット３１３毎前室３１２に搬入される。カセット３１２の搬入後、図示しない前室３１２の扉を閉鎖する。
【００４４】
この状態において、ゲイトバルブ３１１を開け、カセット３１３から試料を１枚（例えば３００で示される）ロボットアーム３０２によって搬送室３０１に取り出す。この際、搬入室３１０において基板の位置合わせが行われる。
【００４５】
ここでゲイトバルブ３１１を閉鎖し、ついでゲイトバルブ３０８を開ける。そして加熱室３０９への試料を移送する。加熱室３０９では、４００℃の温度で３０分の加熱処理が行われ、非晶質珪素膜中の水素の離脱が促進される。
【００４６】
この加熱処理は、窒素雰囲気中で行い、膜の表面に酸化膜が形成されないようにする。
【００４７】
水素の離脱を行うのは、後の結晶化工程において、水素の密度が低い方が膜の結晶化がより促進され、高い結晶性が得られるからである。
【００４８】
加熱室３０９には、ロボットアームにより次々に試料が搬入され、同じタイミングでもって、外部に搬出される。加熱室３０９外に搬出された試料は、ロボットアーム３０２により、エッチング室３１５に搬入される。この際、ゲイトバルブ３１４の開閉が行われる。
【００４９】
エッチング室３１５では、試料がスピナー３１６上に配置され、ノズル３１７から滴下されるエッチング液（ＢＨＦまたはＨＦ溶液）により、試料上に非晶質珪素膜表面のエッチング（酸化膜の除去）が行われる。
【００５０】
この際、非晶質珪素膜の表面の酸素は除去され、弗素によってその表面がターミネイトされた状態が得られる。
【００５１】
酸化膜の除去後、図示しない別のノズルから純水を噴射させ、試料の洗浄を行う。さらに図示しないノズルから窒素噴射を行い試料を乾燥させる。
【００５２】
なお、３１８で示されるのはカップと呼ばれる溶液が飛び散らないようにするための遮蔽物である。
【００５３】
次にゲイトバルブ３１４を開け、ロボットアーム３０２により、試料を搬送室３０１に搬出する。そしてゲイトバルブ３１４を閉め、さらにゲイトバルブ３０３を開ける。そして試料をレーザー室３０４に搬入する。試料の搬入後、ゲイトバルブ３０３は閉鎖する。
【００５４】
レーザー室３０４では、１次元的に移動するステージ３０５に配置されたペルチェ素子を利用した冷却手段を備えたステージ３０６が配置されている。そしてステージ３０６上に置かれた試料に対して、線状のレーザーが照射される。この際、ステージ３０５がレール３０７に沿って移動することで、走査しながらのレーザー光の照射が行われる。
【００５５】
また、レーザー光の照射の際、試料はステージ３０６から冷却される。冷却温度は、室温〜−１０℃程度とする。
【００５６】
レーザー光の照射が終了したら、ゲイトバルブ３０３を開け、試料をロボットアーム３０２によって搬送室３０１に取り出し、さらにゲイトバルブ３０３の閉鎖、ゲイトバルブ３１１を開けて、カセット３１３にレーザー結晶化処理の終了した試料の搬入を行う。
【００５７】
以上の工程を繰り返し行うことにより、カセット３１３に収納された全ての試料の結晶化を行う。
【００５８】
〔実施例２〕
本実施例では、酸化膜さらにはその他不純物膜の除去を行う手段として、ドライエッチング方法を採用したシステムの場合を示す。
【００５９】
図２の本実施例の概要を示す。図１と同じ符号は、実施例１に示したものと同じである。
図２に示すシステムが図１と異なるのは、ゲイトバルブ４０１で搬送室３０１と連結されたエッチングチャンバー４０２には、電極４０４（平行平板電極の一方）上に配置された試料４０３に対して、ドライエッチングを行い、表面の酸化膜を除去する構成とした点である。
【００６０】
〔実施例３〕
図３に非晶質珪素膜の表面に形成されている酸化膜を除去した場合としない場合とにおけるレーザー照射後の膜の見かけ上の屈折率とレーザー照射時の照射エネルギー密度との関係を示す。
【００６１】
屈折率は、エリプソメトリで計測し、エネルギー照射密度は、照射されたレーザー光の一部を外部に取り出し、それをディテクターで計測した値から求めたものである。これらの計測値は、絶対的なものではなく、相対的なものである。
【００６２】
またレーザー光は、線状にビーム加工されたＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を利用したものである。
【００６３】
利用した試料は、プラズマＣＶＤ法で成膜した厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜を空気中において４５０℃の温度で１時間加熱し、膜中の水素を離脱させたものを用いた。
【００６４】
酸化膜は、上記水素出しの加熱処理中に形成されたものである。また、その膜厚は数ｎｍ程度である。
【００６５】
また、酸化膜の除去の方法は、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによるものである。
【００６６】
屈折率が、その値が小さい程、膜表面の荒れが大きく、またその結晶性が優れていることを示している。
【００６７】
なお、この膜表面荒れと結晶性との関係は、一見矛盾しているようであるが、レーザー光の照射によって得られた結晶性珪素膜においては、一般的に膜表面の荒れが大きい方が膜の結晶性が高いというデータが得られている。
【００６８】
図３から明らかなように、レーザー光の照射エネルギー密度の変化に対しての屈折率の変化、即ちレーザー光の照射エネルギー密度の変化に対しての結晶性と表面の荒れの程度は、酸化膜を除去した試料の場合の方が小さい。
【００６９】
これは、酸化膜を除去した試料においては、そうでない試料に比較して、照射エネルギー密度のバラツキに対して、膜質の変化が小さいことを示している。即ち、不可避に発生してしまうエネルギー密度のゆらぎに対して、得られる膜質（換言すればアニール効果）の変化が小さいことを示している。
【００７０】
図４に示すには、出発膜である非晶質珪素膜の膜厚と、得られた結晶性珪素膜のラマン強度変動の関係を示したものである。なお利用した試料の作製条件は、図３に示すデータを得たものと同じである。
【００７１】
図４から明らかなように、出発膜の膜厚が４０ｎｍ以上であれば、得られる結晶珪素膜のラマン強度、即ち得られる結晶性珪素膜の結晶性はそれ程変動しないことがわかる。
【００７２】
図５に示すのは、レーザー光の照射時における温度（基板加熱温度）と得られた結晶性珪素膜のラマン強度との関係を示すものである。なお利用した試料の作製条件は、図３に示すデータを得たものと同じである。
【００７３】
図５から明らかなように、加熱をする程、得られる膜のラマン強度（結晶性を反映したものと解釈される）の変動は大きくなる。特に、試料である非晶質珪素膜の膜厚が３０ｎｍの場合は、膜厚が５０ｎｍの場合に比較してこの傾向が極めて顕著になる。
【００７４】
即ち、図５からは、レーザー光を照射する対象となる非晶質珪素膜の膜厚は、３０ｎｍより５０ｎｍの方が良く、また加熱は行わず２５℃（室温）でレーザー光の照射を行うことが良い、という結論が得られる。
【００７５】
また、図９に非晶質珪素膜に対するレーザー光の照射時における酸化膜の有無、さらに加熱の有無における得られた結晶性珪素膜の表面を写した写真を示す。
【００７６】
図９（Ａ）は、酸化膜の除去を行わず、室温でレーザー光を照射した場合に得られる結晶性珪素膜の表面を写した写真である。この写真は、ランプからの光を膜の表面に反射させて、膜質のムラが現れやすいようにして、写真撮影を行ったものである。
【００７７】
図９（Ｂ）は、酸化膜の除去を行い、４００℃の加熱状態でレーザー光を照射した場合に得られる結晶性珪素膜の表面を写した写真である。
【００７８】
図９（Ｃ）は、酸化膜の除去を行い、室温でレーザー光を照射した場合に得られる結晶性珪素膜の表面を写した写真である。
【００７９】
（Ａ）〜（Ｃ）の写真を見れば判るように、酸化膜の除去を行うことにより、縞状のムラ（これは結晶性の不均一性を反映したものと考えられる）が少なくすることができる。さらにレーザー照射時に加熱を行わないことで、縞状のムラをより少なくすることができる。
【００８０】
以上、図３〜図５及び図９に示すデータより、レーザー光の照射エネルギー密度の変動に対しての影響を抑制するたの対策して以下の事項が導かれる。
【００８１】
（１）非晶質珪素膜表面の酸化膜を徹底して除去してから、レーザー光の照 射を行う。
（２）非晶質珪素膜表面の膜厚は、４０ｎｍ以上とする。また、紫外領域の 光の吸収状態を考慮すると、その膜厚の上限は１００ｎｍ以下、好ましくは８ ０ｎｍ以下とする。
（３）レーザー光の照射時には、試料を加熱しない。さらには冷却する。
【００８２】
上記の要素を少なくとも一つ満たすことにより、照射エネルギー密度の変動に対して得られる膜質の変化を小さいものとすることができる。
【００８３】
上記（１）〜（３）の要素は、できるだけ多くの満足することが好ましい。従って、できることなら上記（１）〜（３）に要素を全て満足することがより好ましい。
【００８４】
なお、上記（２）に膜厚の条件を１００ｎｍとするのは、それ以上の膜厚になると、レーザーの吸収が膜表面付近に集中し、厚さ方向における結晶性の違いが顕在化するからである。またレーザー光の照射による結晶化をより効果的に行うことは、その膜厚を８０ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００８５】
〔実施例４〕
本実施例では、周辺駆動回路一体型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置の作製工程を示す。
【００８６】
図６に作製工程を示す。まず、ガラス基板（または石英基板）５０１上に図示しない下地膜を成膜する。ここでは、図示しない下地膜としてスパッタ法により、酸化珪素膜を３００ｎｍの厚さに成膜する。
【００８７】
次にプラズマＣＶＤ法（または減圧熱ＣＶＤ法）により、非晶質珪素膜５０２を５０ｎｍの厚さに成膜する。こうして図６（Ａ）に示す状態を得る。
【００８８】
次に実施例１または実施例２に示したシステムを利用してレーザー光の照射を行い、非晶質珪素膜５０２を結晶化させ、結晶性珪素膜を得る。結晶性珪素膜を得たら、それをパターニングすることにより、図６（Ｂ）の５１、５２、５３で示される薄膜トランジスタの活性層を形成する。
【００８９】
ここで、５１がＰＴＦＴの活性層であり、５２がＮＴＦＴの活性層である。この２つのＴＦＴでもって、周辺駆動回路を構成するＣＭＯＳが構成される。また、５３が画素に配置されるＮＴＦＴの活性層である。
【００９０】
ゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜５０３をプラズマＣＶＤ法により、１００ｎｍの厚さに成膜する。さらに図示しないアルミニウム膜をスパッタ法により４００ｎｍの厚さに成膜し、それをパターニングすることにより、ゲイト電極５０４、５０５、５０６を形成する。
【００９１】
次に得られたゲイト電極のパターンを陽極とした陽極酸化を行うことにより、陽極酸化膜５０７、５０８、５０９を１００ｎｍの厚さに形成する。陽極酸化膜はゲイト電極を電気的及び物理的に保護する機能を有している。こうして図６（Ｂ）に示す状態を得る。
【００９２】
ここでは、低抵抗を有するアルミニウムを材料として、ゲイト電極を構成する例を示すが、他の導電性材料を利用するのでもよい。
【００９３】
次に図６（Ｂ）に示す状態において、導電型を付与するための不純物元素のドーピングを行う。ここでは、まずＰＴＦＴを構成する活性層に対して、選択的にＢ（ボロン）のドーピングをプラズマドーピング法でもって行い、次にＮＴＦＴを構成する活性層に対して、選択的にＰ（リン）のドーピングをプラズマドーピング法でもって行う。
【００９４】
こうして、周辺駆動回路を構成するＰＴＦＴのソース領域５０７、チャネル領域５０８、ドレイン領域５０９が自己整合的に形成される。また、周辺駆動回路を構成するＮＴＦＴのソース領域５１２、チャネル領域５１１、ドレイン領域５１０を自己整合的に形成される。また、画素マトリクスに配置されるＮＴＦＴのソース領域５１３、チャネル領域５１４、ドレイン領域５１５が自己整合的に形成される。こうして図６（Ｃ）に示す状態を得る。
【００９５】
なお、本実施例においては、陽極酸化膜５０７、５０８、５０９が存在する関係で、その厚さの分でオフセットゲイト領域がチャネルとソース/ドレイン領域の間に形成される。しかしその寸法は１００ｎｍ（実際はプラズマドーピング時における注入イオンの回り込みにより、さらに小さくなると考えられる）程度であるので、ここではその存在は無視する。なお、陽極酸化膜の膜厚を２００ｎｍ程度以上というように厚くした場合には、オフセットゲイト領域の効果が顕在化する。
【００９６】
次に第１の層間絶縁膜として、２００ｎｍ厚の窒化珪素膜５１６とポリイミド樹脂でなる膜５１７を積層する。ここでは、窒化珪素膜をプラズマＣＶＤ法により成膜し、ポリイミド樹脂でなる膜をスピンコート法でもって成膜する。
【００９７】
そしてコンタクトホールの形成を行い、周辺駆動回路のＰＴＦＴのソース電極５１８、ＮＴＦＴのソース電極５２０、両ＴＦＴに共通のドレイン電極５１９を形成する。これで、ＰＴＦＴとＮＴＦＴとが相補型に構成されたＣＭＯＳが得られる。
【００９８】
さらに、画素マトリクスに配置されるＮＴＦＴのソース電極５２１とドレイン電極５２２とを形成する。ここで、ソース電極５２１は、ゲイト配線と共に画素マトリクス領域において格子状に配置されたソース配線から延在したものとして形成される。こうして図６（Ｄ）に示す状態を得る。
【００９９】
次に第２の層間絶縁膜として、ポリイミド樹脂でなる絶縁膜５２３をスピンコート法でもって成膜する。そしてコンタクトホールの形成を行い、ＩＴＯでもって画素電極５２４を形成する。
【０１００】
こうして図６（Ｅ）に示す周辺駆動回路とアクティブマトクス回路とを同一ガラス基板上に集積化したアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを構成する片方の基板が完成する。
【０１０１】
なお、液晶ディスプレイを構成するには、さらに配向膜の形成、配向処理等が必要とされる。
【０１０２】
〔実施例５〕
図７に図１や図２で示すレーザージステムに利用される光学系の概略を示す。図７において、発振器１０１から発振されたレーザー光は、レンズ１０２とレンズ１０３で構成される光学系によって、所定のビーム形状と所定のエネルギー密度の分布を有したレーザー光にまず成形される。
【０１０３】
そしてこのレーザー光は３つのホモジナイザー１１、１２、１３によってそのビーム内エネルギー密度の分布が補正される。
【０１０４】
ホモジナイザー１１は、最終的に線状に成形されるレーザービームの幅方向におけるビーム内エネルギー密度の補正を行なう役割を担っている。しかし、線状レーザービームの幅方向の寸法は、数ｍｍ程度であるので、このホモジナイザー６０４が果たす役割はそう大きなものではない。
【０１０５】
換言すれば、ホモジナイザー１１の光学パラメータの設定や調整はそれ程微妙なものではない。
【０１０６】
ホモジナイザー１２と１３は、最終的に線状に成形されるレーザービームの長手方向におけるビーム内エネルギー密度の補正を行なう役割を担っている。
【０１０７】
レーザービームは、長手方向に１０ｃｍ以上も引き延ばされるので、このホモジナイザー１２と１３の光学パラメータの設定は慎重に行なう必要がある。
【０１０８】
ここでは、レーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の分布をより均一化するために１２と１３で示されるようにレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の分布を制御するホモジナイザーを２つ配置する。
【０１０９】
１０６と１０７と１０９で示されるレンズは、レーザービームを線状に成形する役割を担っている。即ち、レンズ１０６と１０９とはレーザービームを幅方向に狭めるために機能する。また、レンズ１０７は２つのホモジナイザー１２及び１３と共同してレーザービームを長手状に引き延ばすために機能する。
【０１１０】
図７に示す構成においては、線状に成形されたレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の制御を１２及び１３の２つのホモジナイザーによって行っている。
【０１１１】
このように２つのホモジナイザーを利用することにより、線状のレーザー光の長手方向における照射エネルギー密度の分布をより均一化することができる。そして、線状のレーザー光の照射によるアニール効果を均一なものとすることができる。なおホモジナイザーの数は必要に応じてさらに増やしてもよい。
【０１１２】
また、それ程の均一性が要求されない線状のレーザービームの幅方向においては一つのホモジナイザーを配置し、必要とする均一性を得ている。
【０１１３】
〔実施例６〕
本実施例は、図７に示す光学系と基本的に同じ構成を有するが、各種光学パラメータの設定が少し異なる構成の例である。
【０１１４】
図８に本実施例の構成を示す。図８に示す構成においては、ホモジナイザー１２と１３の位置関係が図１に示す場合と異なっている。この場合、ホモジナイザー１２と１３の位置関係の変更に従って、各レンズの光学パラメーターのー設定も図７の場合とは変更する必要がある。
【０１１５】
図８に示す構成においても線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の均一化をより計ることができる。
【０１１６】
[実施例７]
本実施例は、加熱室３０９での水素出しのための加熱を酸化性の雰囲気中（例えば空気雰囲気または酸素雰囲気）で行うものである。こうすると、非晶質珪素膜の表面に数ｎｍ程度の熱酸化膜が自然酸化膜に重ねてさらに形成される。
【０１１７】
しかし、この際、非晶質珪素膜の表面に付着した有機物の除去が行われる。こうすることで、レーザー結晶化の際に有機物の影響により、結晶化が阻害されたり、むらになってしまったりすることを抑制することができる。
【０１１８】
なお、形成された熱酸化膜はエッチングで除去すればよいので、何ら問題はない。
【０１１９】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明を利用することにより、大面積へのアニール効果の不均一性を解決することができる。即ち、レーザー発振器からのレーザー光の照射エネルギー密度が時間的に、また位置的にゆらいでも、その影響が非晶質珪素膜のアニール時に現れることを抑制することができる。そして、縞模様表示の無い周辺駆動回路一体型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザー照射システムの概略を示す図。
【図２】 レーザー照射システムの概略を示す図。
【図３】 非晶質珪素膜表面の酸化膜がレーザー結晶化時に与える影響を示す図。
【図４】 レーザーアニール後のラマン強度と非晶質珪素膜の膜厚の関係を示す図。
【図５】 レーザー照射時の試料の温度とラマン強度との関係を示す図。
【図６】 周辺駆動回路一体型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置のＴＦＴ部分の作製工程を示す図。
【図７】 光学系の概略を示す図。
【図８】 光学系の概略を示す図。
【図９】 レーザー照射後の結晶性珪素薄膜の表面の状態を示す写真。
【符号の説明】
３００ 試料
３０１ 搬送室
３０２ ロボットアーム
３０３ ゲイトバルブ
３０４ レーザー照射室
３０５ 移動ステージ
３０６ ステージ（冷却手段付き）
３０７ レール
３０８ ゲイトバルブ
３０９ 加熱室
３１０ 搬入室
３１１ ゲイトバルブ
３１２ 前室
３１３ 試料を収納したカセット
３１４ ゲイトバルブ
３１５ エッチング室
３１６ スピナー
３１７ ノズル
３１８ カップ
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、レーザー光の照射を行い各種処理を行うシステムに関する。またその応用方法に関する。例えば、半導体にレーザー光を照射することにより、各種アニールを行うシステム及びその応用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体薄膜にレーザー光を照射することにより各種アニールを行う技術が知られている。例えば、ガラス基板上に薄膜トランジスタを作製する際に、まず非晶質珪素膜（アモファスシリコン膜）をガラス基板上にプラズマＣＶＤ法等で成膜し、それにパルス発振型で紫外光領域の発振を行うエキシマレーザー光を照射することにより、結晶性珪素膜を得る技術が知られている。
【０００３】
エキシマレーザーが利用されるのは、珪素膜のアニールに適するような照射エネルギー密度が得られるからである。また、紫外光領域を利用するのは、珪素の結晶化や珪素膜中における不純物元素を活性化させるのに適する波長だからである。
【０００４】
しかし、通常のレーザー光は数ｍｍ角程度のスポット状のビーム形状であるので、数十ｃｍ角の大きさを有するガラス基板を利用した際等に生産性が問題となる。
【０００５】
この問題を解決するために、レーザー光を光学系により、長さ数十ｃｍの線状に加工し、この線状のレーザービーム（線状レーザーと称する）を走査することにより、大面積への対応を行う技術が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記線状レーザーを用いた方法により、薄膜トランジスタを作製じた場合、以下のような問題が生じる。薄膜トランジスタを作製する場合、それが単体で作製されるのではなく、集積化したものとして作製される。
【０００７】
例えば、周辺駆動回路を一体化したアクティブマトリクス型の液晶表示装置に薄膜トランジスタを利用する場合、周辺駆動回路を構成するシフトレジスタやバッファー回路、さらにアナログスイッチ回路といった回路は、同じ回路パターンが繰り返されて配置されるものとなる。
【０００８】
このような構成を得るために線状のレーザー光を利用すると、得られた液晶ディスプレイの表示に細かい縞模様が観察される。この縞模様はその長手方向が直交した２種類に分類される。即ち、縦縞及び横縞として観察される。
【０００９】
なお、レーザー光の走査方向を９０°回転させても、やはり縦縞及び横縞は観察される。
【００１０】
本発明者らの知見によれば、上記の縦縞及び横縞は、線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度のバラツキ、及び走査方向におけるレーザーエネルギー密度のバラツキに関係する。
【００１１】
線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度のバラツキは、発振器内部における放電開始箇所のバラツキに起因して、発振器から出るレーザー光の密度分布に偏りが生じ、それが光学系において拡大される結果として生じる。
【００１２】
上記線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度のバラツキは、レーザー発振器内部における空間的な発振位置のバラツキによるものと理解することができる。
【００１３】
また、線状のレーザービームの走査方向における照射エネルギー密度のバラツキは、発振器の安定性、即ち発振毎における照射エネルギー密度のバラツキに起因する。
【００１４】
これは、レーザー発振器の時間的な発振強度のバラツキによるものと理解することができる。
【００１５】
上記の時間的及び空間的なレーザー発振のバラツキは、レーザー発振器の構造や発振方法に起因するものである。本明細書で開示する発明は、以下の事項を前提とし、大面積へのアニール効果の不均一性を解決することを課題とする。
【００１６】
（１）パルス発振型のエキシマレーザーを利用する。
（２）光学系により成形した線状のレーザー光を利用する。
（３）レーザー発振器からのレーザー光が上述したようなエネルギー密度のゆらぎを有している。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の一つは、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う前に半導体薄膜表面の不純物膜（特に酸化膜）を除去する手段を有することを特徴とする。
【００１８】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う前に半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段と、
レーザー光の照射時に半導体薄膜を冷却する手段と、
を有することを特徴とする。
【００１９】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う気密性を有するチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有するチャンバーと、
半導体薄膜を加熱する機能を有する気密性を有するチャンバーと、
を有することを特徴とする。
【００２０】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う気密性を有する第１のチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有する第２のチャンバーと、
半導体薄膜を加熱する機能を有する気密性を有する第３のチャンバーと、
を有し、
第１のチャンバーには、半導体薄膜を冷却する機能を有し、
前記各チャンバー間においては、気密性を保って試料の搬送が行えることを特徴とする。
【００２１】
他の発明の構成は、
半導体薄膜に対してレーザー光の照射を行うレーザーシステムであって、
レーザー光の照射を行う気密性を有する第１のチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有する第２のチャンバーと、
半導体薄膜を加熱する機能を有する気密性を有する第３のチャンバーと、
を有し、
第１のチャンバーには、半導体薄膜を冷却する機能を有し、
前記各チャンバーは内部を非酸化性雰囲気に保つ機能を有し、
前記チャンバー間においては、非酸化性雰囲気を保って試料の搬送が行えることを特徴とする。
【００２２】
上記構成において、非酸化性雰囲気として、不活性雰囲気または還元雰囲気または減圧雰囲気が選択される。
【００２３】
不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウム、キセノンから選ばれた一種または複数種類でなる雰囲気を挙げることができる。
【００２４】
還元雰囲気としては、水素及び／または一酸化炭素雰囲気、または水素及び／または一酸化炭素雰囲気を含有する雰囲気を挙げることができる。
【００２５】
減圧雰囲気というのは、酸化が進行しない程度に減圧状態なっている雰囲気、または高真空状態のことをいう。
【００２６】
また、上記の各雰囲気を組み合わせる構成としてもよい。例えば、雰囲気を一端不活性雰囲気に置換し、それから減圧状態とすることにより、雰囲気中での酸化を極力抑制するような構成としてもよい。
【００２７】
他の発明は、
レーザー光の照射を行う前に半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有するレーザー照射システムの応用方法であって、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去した後に非酸化性雰囲気を保った状態でレーザー光の照射を半導体薄膜表面に行うことを特徴とする。
【００２８】
他の発明の構成は、
レーザー光の照射を行う気密性を有する第１のチャンバーと、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去する手段を有する気密性を有する第２のチャンバーと、
半導体薄膜を冷却する機能を有する気密性を有する第３のチャンバーと、
を有し、
第１のチャンバーには、半導体薄膜を冷却する機能を有し、
前記各チャンバー間においては、気密性を保って試料の搬送が行えるレーザー照射システムの応用方法であって、
半導体薄膜表面の不純物膜を除去した後に非酸化性雰囲気の気密性を保った状態で冷却された半導体薄膜に対してレーザー光を照射することを特徴とする。
【００２９】
なお、本明細書で開示する発明は、気相法で成膜された非晶質珪素膜を結晶化させる技術のみではなく、結晶性珪素膜に対する不純物イオンの注入後のアニール技術にも利用することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
不純物膜を除去することにより、レーザー照射後の膜質が安定するのは、非晶質珪素膜と不純物膜との熱伝導率の違いに起因する。不純物膜とは、酸化物、有機物、窒化物を少なくも一つ含む膜である。特に酸化物（酸化珪素）は非晶質珪素膜の表面に形成され易く、その影響が大きい。以下においては、主に非晶質珪素膜の表面に形成される酸化膜について説明する。
【００３１】
厚さが１００ｎｍ以下であるような非晶質珪素膜は、膜中の不均一性が顕著に現れてしまう。当然、そのような非晶質珪素膜上に形成された酸化膜にも不均一性が現れる。このことは、酸化膜以外の場合も言えるが、酸化膜（自然酸化膜も含む）の場合が最もその傾向が顕著になる。
【００３２】
エキシマレーザー光には、そもそも時間的及び空間的にゆらぎが存在する。レーザー光が非晶質珪素膜に照射されると、そこから周囲に熱が瞬間的に伝導するのであるが、その伝導状態は、レーザー自体の照射エネルギー密度のバラツキと上記膜の不均一性を反映したものとなる。
【００３３】
線状のレーザーを利用した場合、熱伝導により結晶化した端部にこの不均一性が現れる。当然この端部は線状（筋状）なものとなる。エキシマレーザーを利用した場合、パルス発振により、次々とレーザー光が照射されるが、この時上記線状の領域は、レーザー発振の不均一性と非晶質珪素膜と酸化膜の不均一性とを反映したものとして現れる。
【００３４】
換言すれば、レーザー発振の不均一性と非晶質珪素膜と酸化膜の不均一性とが相乗して、さらに強調されたものとして現れる。
【００３５】
そして、これが縞模様状に結晶状態（膜質）が変化してしまうものとして観察される。
【００３６】
酸化珪素膜の熱伝導率は、非晶質珪素膜のそれに比較して、数パーセント以下である。従って、非晶質珪素膜の表面に酸化膜が存在すると、上記の不均一性がさらに助長されたものとなる。
【００３７】
また、レーザー照射時の加熱も上記の不均一性（熱伝導の不均一性）をさらに助長するものとなる。
【００３８】
また、膜厚が４０ｎｍ以下というように薄くなる場合も上記の膜質の不均一性が顕在化する。
【００３９】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に本実施例で示すレーザーシステムの上面から見た概要を示す。図において、３１０、３０９、３０４、３１５、３０１が気密性を有するチャンバーである。各チャンバーには、真空排気ポンプ、不活性ガス導入系が配置されている。
【００４０】
３１０で示されるチャンバーは、試料（基板）をシステムに搬入するためのロード室である。３０９が試料を加熱するための加熱室である。３０４は、線状のレーザー光を試料に走査しながら照射するためのチャンバーである。３１５は、試料（非晶質珪素膜）の表面の酸化膜を除去するためのチャンバーである。３０１は、各チャンバーに対して共通に配置された試料の搬送室である。
【００４１】
以下に動作の一例を示す。ここでは、試料としてガラス基板上に非晶質珪素膜が成膜されたものを用いる例を示す。
【００４２】
最初、全てのチャンバーは、一端高真空状態に真空引きがされた後、さらに窒素によりパージされている状態（常圧）とする。また全てのゲイトバルブ３１１、３０８、３０３、３１４を閉鎖した状態とする。
【００４３】
まず、試料は多数毎が収納されたカセット３１３毎前室３１２に搬入される。カセット３１２の搬入後、図示しない前室３１２の扉を閉鎖する。
【００４４】
この状態において、ゲイトバルブ３１１を開け、カセット３１３から試料を１枚（例えば３００で示される）ロボットアーム３０２によって搬送室３０１に取り出す。この際、搬入室３１０において基板の位置合わせが行われる。
【００４５】
ここでゲイトバルブ３１１を閉鎖し、ついでゲイトバルブ３０８を開ける。そして加熱室３０９への試料を移送する。加熱室３０９では、４００℃の温度で３０分の加熱処理が行われ、非晶質珪素膜中の水素の離脱が促進される。
【００４６】
この加熱処理は、窒素雰囲気中で行い、膜の表面に酸化膜が形成されないようにする。
【００４７】
水素の離脱を行うのは、後の結晶化工程において、水素の密度が低い方が膜の結晶化がより促進され、高い結晶性が得られるからである。
【００４８】
加熱室３０９には、ロボットアームにより次々に試料が搬入され、同じタイミングでもって、外部に搬出される。加熱室３０９外に搬出された試料は、ロボットアーム３０２により、エッチング室３１５に搬入される。この際、ゲイトバルブ３１４の開閉が行われる。
【００４９】
エッチング室３１５では、試料がスピナー３１６上に配置され、ノズル３１７から滴下されるエッチング液（ＢＨＦまたはＨＦ溶液）により、試料上に非晶質珪素膜表面のエッチング（酸化膜の除去）が行われる。
【００５０】
この際、非晶質珪素膜の表面の酸素は除去され、弗素によってその表面がターミネイトされた状態が得られる。
【００５１】
酸化膜の除去後、図示しない別のノズルから純水を噴射させ、試料の洗浄を行う。さらに図示しないノズルから窒素噴射を行い試料を乾燥させる。
【００５２】
なお、３１８で示されるのはカップと呼ばれる溶液が飛び散らないようにするための遮蔽物である。
【００５３】
次にゲイトバルブ３１４を開け、ロボットアーム３０２により、試料を搬送室３０１に搬出する。そしてゲイトバルブ３１４を閉め、さらにゲイトバルブ３０３を開ける。そして試料をレーザー室３０４に搬入する。試料の搬入後、ゲイトバルブ３０３は閉鎖する。
【００５４】
レーザー室３０４では、１次元的に移動するステージ３０５に配置されたペルチェ素子を利用した冷却手段を備えたステージ３０６が配置されている。そしてステージ３０６上に置かれた試料に対して、線状のレーザーが照射される。この際、ステージ３０５がレール３０７に沿って移動することで、走査しながらのレーザー光の照射が行われる。
【００５５】
また、レーザー光の照射の際、試料はステージ３０６から冷却される。冷却温度は、室温〜−１０℃程度とする。
【００５６】
レーザー光の照射が終了したら、ゲイトバルブ３０３を開け、試料をロボットアーム３０２によって搬送室３０１に取り出し、さらにゲイトバルブ３０３の閉鎖、ゲイトバルブ３１１を開けて、カセット３１３にレーザー結晶化処理の終了した試料の搬入を行う。
【００５７】
以上の工程を繰り返し行うことにより、カセット３１３に収納された全ての試料の結晶化を行う。
【００５８】
〔実施例２〕
本実施例では、酸化膜さらにはその他不純物膜の除去を行う手段として、ドライエッチング方法を採用したシステムの場合を示す。
【００５９】
図２の本実施例の概要を示す。図１と同じ符号は、実施例１に示したものと同じである。
図２に示すシステムが図１と異なるのは、ゲイトバルブ４０１で搬送室３０１と連結されたエッチングチャンバー４０２には、電極４０４（平行平板電極の一方）上に配置された試料４０３に対して、ドライエッチングを行い、表面の酸化膜を除去する構成とした点である。
【００６０】
〔実施例３〕
図３に非晶質珪素膜の表面に形成されている酸化膜を除去した場合としない場合とにおけるレーザー照射後の膜の見かけ上の屈折率とレーザー照射時の照射エネルギー密度との関係を示す。
【００６１】
屈折率は、エリプソメトリで計測し、エネルギー照射密度は、照射されたレーザー光の一部を外部に取り出し、それをディテクターで計測した値から求めたものである。これらの計測値は、絶対的なものではなく、相対的なものである。
【００６２】
またレーザー光は、線状にビーム加工されたＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を利用したものである。
【００６３】
利用した試料は、プラズマＣＶＤ法で成膜した厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜を空気中において４５０℃の温度で１時間加熱し、膜中の水素を離脱させたものを用いた。
【００６４】
酸化膜は、上記水素出しの加熱処理中に形成されたものである。また、その膜厚は数ｎｍ程度である。
【００６５】
また、酸化膜の除去の方法は、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによるものである。
【００６６】
屈折率が、その値が小さい程、膜表面の荒れが大きく、またその結晶性が優れていることを示している。
【００６７】
なお、この膜表面荒れと結晶性との関係は、一見矛盾しているようであるが、レーザー光の照射によって得られた結晶性珪素膜においては、一般的に膜表面の荒れが大きい方が膜の結晶性が高いというデータが得られている。
【００６８】
図３から明らかなように、レーザー光の照射エネルギー密度の変化に対しての屈折率の変化、即ちレーザー光の照射エネルギー密度の変化に対しての結晶性と表面の荒れの程度は、酸化膜を除去した試料の場合の方が小さい。
【００６９】
これは、酸化膜を除去した試料においては、そうでない試料に比較して、照射エネルギー密度のバラツキに対して、膜質の変化が小さいことを示している。即ち、不可避に発生してしまうエネルギー密度のゆらぎに対して、得られる膜質（換言すればアニール効果）の変化が小さいことを示している。
【００７０】
図４に示すには、出発膜である非晶質珪素膜の膜厚と、得られた結晶性珪素膜のラマン強度変動の関係を示したものである。なお利用した試料の作製条件は、図３に示すデータを得たものと同じである。
【００７１】
図４から明らかなように、出発膜の膜厚が４０ｎｍ以上であれば、得られる結晶珪素膜のラマン強度、即ち得られる結晶性珪素膜の結晶性はそれ程変動しないことがわかる。
【００７２】
図５に示すのは、レーザー光の照射時における温度（基板加熱温度）と得られた結晶性珪素膜のラマン強度との関係を示すものである。なお利用した試料の作製条件は、図３に示すデータを得たものと同じである。
【００７３】
図５から明らかなように、加熱をする程、得られる膜のラマン強度（結晶性を反映したものと解釈される）の変動は大きくなる。特に、試料である非晶質珪素膜の膜厚が３０ｎｍの場合は、膜厚が５０ｎｍの場合に比較してこの傾向が極めて顕著になる。
【００７４】
即ち、図５からは、レーザー光を照射する対象となる非晶質珪素膜の膜厚は、３０ｎｍより５０ｎｍの方が良く、また加熱は行わず２５℃（室温）でレーザー光の照射を行うことが良い、という結論が得られる。
【００７５】
また、図９に非晶質珪素膜に対するレーザー光の照射時における酸化膜の有無、さらに加熱の有無における得られた結晶性珪素膜の表面を写した写真を示す。
【００７６】
図９（Ａ）は、酸化膜の除去を行わず、室温でレーザー光を照射した場合に得られる結晶性珪素膜の表面を写した写真である。この写真は、ランプからの光を膜の表面に反射させて、膜質のムラが現れやすいようにして、写真撮影を行ったものである。
【００７７】
図９（Ｂ）は、酸化膜の除去を行い、４００℃の加熱状態でレーザー光を照射した場合に得られる結晶性珪素膜の表面を写した写真である。
【００７８】
図９（Ｃ）は、酸化膜の除去を行い、室温でレーザー光を照射した場合に得られる結晶性珪素膜の表面を写した写真である。
【００７９】
（Ａ）〜（Ｃ）の写真を見れば判るように、酸化膜の除去を行うことにより、縞状のムラ（これは結晶性の不均一性を反映したものと考えられる）が少なくすることができる。さらにレーザー照射時に加熱を行わないことで、縞状のムラをより少なくすることができる。
【００８０】
以上、図３〜図５及び図９に示すデータより、レーザー光の照射エネルギー密度の変動に対しての影響を抑制するたの対策して以下の事項が導かれる。
【００８１】
（１）非晶質珪素膜表面の酸化膜を徹底して除去してから、レーザー光の照 射を行う。
（２）非晶質珪素膜表面の膜厚は、４０ｎｍ以上とする。また、紫外領域の 光の吸収状態を考慮すると、その膜厚の上限は１００ｎｍ以下、好ましくは８ ０ｎｍ以下とする。
（３）レーザー光の照射時には、試料を加熱しない。さらには冷却する。
【００８２】
上記の要素を少なくとも一つ満たすことにより、照射エネルギー密度の変動に対して得られる膜質の変化を小さいものとすることができる。
【００８３】
上記（１）〜（３）の要素は、できるだけ多くの満足することが好ましい。従って、できることなら上記（１）〜（３）に要素を全て満足することがより好ましい。
【００８４】
なお、上記（２）に膜厚の条件を１００ｎｍとするのは、それ以上の膜厚になると、レーザーの吸収が膜表面付近に集中し、厚さ方向における結晶性の違いが顕在化するからである。またレーザー光の照射による結晶化をより効果的に行うことは、その膜厚を８０ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００８５】
〔実施例４〕
本実施例では、周辺駆動回路一体型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置の作製工程を示す。
【００８６】
図６に作製工程を示す。まず、ガラス基板（または石英基板）５０１上に図示しない下地膜を成膜する。ここでは、図示しない下地膜としてスパッタ法により、酸化珪素膜を３００ｎｍの厚さに成膜する。
【００８７】
次にプラズマＣＶＤ法（または減圧熱ＣＶＤ法）により、非晶質珪素膜５０２を５０ｎｍの厚さに成膜する。こうして図６（Ａ）に示す状態を得る。
【００８８】
次に実施例１または実施例２に示したシステムを利用してレーザー光の照射を行い、非晶質珪素膜５０２を結晶化させ、結晶性珪素膜を得る。結晶性珪素膜を得たら、それをパターニングすることにより、図６（Ｂ）の５１、５２、５３で示される薄膜トランジスタの活性層を形成する。
【００８９】
ここで、５１がＰＴＦＴの活性層であり、５２がＮＴＦＴの活性層である。この２つのＴＦＴでもって、周辺駆動回路を構成するＣＭＯＳが構成される。また、５３が画素に配置されるＮＴＦＴの活性層である。
【００９０】
ゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜５０３をプラズマＣＶＤ法により、１００ｎｍの厚さに成膜する。さらに図示しないアルミニウム膜をスパッタ法により４００ｎｍの厚さに成膜し、それをパターニングすることにより、ゲイト電極５０４、５０５、５０６を形成する。
【００９１】
次に得られたゲイト電極のパターンを陽極とした陽極酸化を行うことにより、陽極酸化膜５０７、５０８、５０９を１００ｎｍの厚さに形成する。陽極酸化膜はゲイト電極を電気的及び物理的に保護する機能を有している。こうして図６（Ｂ）に示す状態を得る。
【００９２】
ここでは、低抵抗を有するアルミニウムを材料として、ゲイト電極を構成する例を示すが、他の導電性材料を利用するのでもよい。
【００９３】
次に図６（Ｂ）に示す状態において、導電型を付与するための不純物元素のドーピングを行う。ここでは、まずＰＴＦＴを構成する活性層に対して、選択的にＢ（ボロン）のドーピングをプラズマドーピング法でもって行い、次にＮＴＦＴを構成する活性層に対して、選択的にＰ（リン）のドーピングをプラズマドーピング法でもって行う。
【００９４】
こうして、周辺駆動回路を構成するＰＴＦＴのソース領域５０７、チャネル領域５０８、ドレイン領域５０９が自己整合的に形成される。また、周辺駆動回路を構成するＮＴＦＴのソース領域５１２、チャネル領域５１１、ドレイン領域５１０を自己整合的に形成される。また、画素マトリクスに配置されるＮＴＦＴのソース領域５１３、チャネル領域５１４、ドレイン領域５１５が自己整合的に形成される。こうして図６（Ｃ）に示す状態を得る。
【００９５】
なお、本実施例においては、陽極酸化膜５０７、５０８、５０９が存在する関係で、その厚さの分でオフセットゲイト領域がチャネルとソース/ドレイン領域の間に形成される。しかしその寸法は１００ｎｍ（実際はプラズマドーピング時における注入イオンの回り込みにより、さらに小さくなると考えられる）程度であるので、ここではその存在は無視する。なお、陽極酸化膜の膜厚を２００ｎｍ程度以上というように厚くした場合には、オフセットゲイト領域の効果が顕在化する。
【００９６】
次に第１の層間絶縁膜として、２００ｎｍ厚の窒化珪素膜５１６とポリイミド樹脂でなる膜５１７を積層する。ここでは、窒化珪素膜をプラズマＣＶＤ法により成膜し、ポリイミド樹脂でなる膜をスピンコート法でもって成膜する。
【００９７】
そしてコンタクトホールの形成を行い、周辺駆動回路のＰＴＦＴのソース電極５１８、ＮＴＦＴのソース電極５２０、両ＴＦＴに共通のドレイン電極５１９を形成する。これで、ＰＴＦＴとＮＴＦＴとが相補型に構成されたＣＭＯＳが得られる。
【００９８】
さらに、画素マトリクスに配置されるＮＴＦＴのソース電極５２１とドレイン電極５２２とを形成する。ここで、ソース電極５２１は、ゲイト配線と共に画素マトリクス領域において格子状に配置されたソース配線から延在したものとして形成される。こうして図６（Ｄ）に示す状態を得る。
【００９９】
次に第２の層間絶縁膜として、ポリイミド樹脂でなる絶縁膜５２３をスピンコート法でもって成膜する。そしてコンタクトホールの形成を行い、ＩＴＯでもって画素電極５２４を形成する。
【０１００】
こうして図６（Ｅ）に示す周辺駆動回路とアクティブマトクス回路とを同一ガラス基板上に集積化したアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを構成する片方の基板が完成する。
【０１０１】
なお、液晶ディスプレイを構成するには、さらに配向膜の形成、配向処理等が必要とされる。
【０１０２】
〔実施例５〕
図７に図１や図２で示すレーザージステムに利用される光学系の概略を示す。図７において、発振器１０１から発振されたレーザー光は、レンズ１０２とレンズ１０３で構成される光学系によって、所定のビーム形状と所定のエネルギー密度の分布を有したレーザー光にまず成形される。
【０１０３】
そしてこのレーザー光は３つのホモジナイザー１１、１２、１３によってそのビーム内エネルギー密度の分布が補正される。
【０１０４】
ホモジナイザー１１は、最終的に線状に成形されるレーザービームの幅方向におけるビーム内エネルギー密度の補正を行なう役割を担っている。しかし、線状レーザービームの幅方向の寸法は、数ｍｍ程度であるので、このホモジナイザー６０４が果たす役割はそう大きなものではない。
【０１０５】
換言すれば、ホモジナイザー１１の光学パラメータの設定や調整はそれ程微妙なものではない。
【０１０６】
ホモジナイザー１２と１３は、最終的に線状に成形されるレーザービームの長手方向におけるビーム内エネルギー密度の補正を行なう役割を担っている。
【０１０７】
レーザービームは、長手方向に１０ｃｍ以上も引き延ばされるので、このホモジナイザー１２と１３の光学パラメータの設定は慎重に行なう必要がある。
【０１０８】
ここでは、レーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の分布をより均一化するために１２と１３で示されるようにレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の分布を制御するホモジナイザーを２つ配置する。
【０１０９】
１０６と１０７と１０９で示されるレンズは、レーザービームを線状に成形する役割を担っている。即ち、レンズ１０６と１０９とはレーザービームを幅方向に狭めるために機能する。また、レンズ１０７は２つのホモジナイザー１２及び１３と共同してレーザービームを長手状に引き延ばすために機能する。
【０１１０】
図７に示す構成においては、線状に成形されたレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の制御を１２及び１３の２つのホモジナイザーによって行っている。
【０１１１】
このように２つのホモジナイザーを利用することにより、線状のレーザー光の長手方向における照射エネルギー密度の分布をより均一化することができる。そして、線状のレーザー光の照射によるアニール効果を均一なものとすることができる。なおホモジナイザーの数は必要に応じてさらに増やしてもよい。
【０１１２】
また、それ程の均一性が要求されない線状のレーザービームの幅方向においては一つのホモジナイザーを配置し、必要とする均一性を得ている。
【０１１３】
〔実施例６〕
本実施例は、図７に示す光学系と基本的に同じ構成を有するが、各種光学パラメータの設定が少し異なる構成の例である。
【０１１４】
図８に本実施例の構成を示す。図８に示す構成においては、ホモジナイザー１２と１３の位置関係が図１に示す場合と異なっている。この場合、ホモジナイザー１２と１３の位置関係の変更に従って、各レンズの光学パラメーターのー設定も図７の場合とは変更する必要がある。
【０１１５】
図８に示す構成においても線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギー密度の均一化をより計ることができる。
【０１１６】
[実施例７]
本実施例は、加熱室３０９での水素出しのための加熱を酸化性の雰囲気中（例えば空気雰囲気または酸素雰囲気）で行うものである。こうすると、非晶質珪素膜の表面に数ｎｍ程度の熱酸化膜が自然酸化膜に重ねてさらに形成される。
【０１１７】
しかし、この際、非晶質珪素膜の表面に付着した有機物の除去が行われる。こうすることで、レーザー結晶化の際に有機物の影響により、結晶化が阻害されたり、むらになってしまったりすることを抑制することができる。
【０１１８】
なお、形成された熱酸化膜はエッチングで除去すればよいので、何ら問題はない。
【０１１９】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明を利用することにより、大面積へのアニール効果の不均一性を解決することができる。即ち、レーザー発振器からのレーザー光の照射エネルギー密度が時間的に、また位置的にゆらいでも、その影響が非晶質珪素膜のアニール時に現れることを抑制することができる。そして、縞模様表示の無い周辺駆動回路一体型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザー照射システムの概略を示す図。
【図２】 レーザー照射システムの概略を示す図。
【図３】 非晶質珪素膜表面の酸化膜がレーザー結晶化時に与える影響を示す図。
【図４】 レーザーアニール後のラマン強度と非晶質珪素膜の膜厚の関係を示す図。
【図５】 レーザー照射時の試料の温度とラマン強度との関係を示す図。
【図６】 周辺駆動回路一体型のアクティブマトリクス型の液晶表示装置のＴＦＴ部分の作製工程を示す図。
【図７】 光学系の概略を示す図。
【図８】 光学系の概略を示す図。
【図９】 レーザー照射後の結晶性珪素薄膜の表面の状態を示す写真。
【符号の説明】
３００ 試料
３０１ 搬送室
３０２ ロボットアーム
３０３ ゲイトバルブ
３０４ レーザー照射室
３０５ 移動ステージ
３０６ ステージ（冷却手段付き）
３０７ レール
３０８ ゲイトバルブ
３０９ 加熱室
３１０ 搬入室
３１１ ゲイトバルブ
３１２ 前室
３１３ 試料を収納したカセット
３１４ ゲイトバルブ
３１５ エッチング室
３１６ スピナー
３１７ ノズル
３１８ カップ
Claims (10)
- 気密を保持し、非晶質半導体薄膜に対して線状レーザー光の照射を行って結晶化させる手段を有する第１のチャンバーと、
気密を保持し、前記非晶質半導体薄膜表面の酸化物を除去する手段を有する第２のチャンバーと、
気密を保持し、前記非晶質半導体薄膜を加熱する手段を有する前記非晶質半導体薄膜中の水素を離脱させるための第３のチャンバーと、
を有し、
前記第１のチャンバーは、前記非晶質半導体薄膜を加熱せず室温とする冷却機能を有し、前記各チャンバー間においては、気密性を保って試料の搬送が行える手段を有するレーザー照射システムであって、
前記第２のチャンバーにおける前記酸化物を除去する手段による処理の後、連続して、前記搬送が行える手段によって前記非晶質半導体薄膜を前記第１のチャンバーに移送し、前記第１のチャンバーにおいて前記線状レーザー光の照射を行う手段を有することを特徴とするレーザー照射システム。 - 気密を保持し、非晶質半導体薄膜に対して線状レーザー光の照射を行って結晶化させる手段を有する第１のチャンバーと、
気密を保持し、前記非晶質半導体薄膜表面の酸化物を除去する手段を有する第２のチャンバーと、
気密を保持し、前記非晶質半導体薄膜を加熱する手段を有する前記非晶質半導体薄膜中の水素を離脱させるための第３のチャンバーと、
を有し、
前記第１のチャンバーは、前記非晶質半導体薄膜を加熱せず室温とする冷却機能を有し、前記各チャンバーは内部を非酸化性雰囲気に保つ機能を有し、
前記各チャンバー間においては、非酸化性雰囲気を保って試料の搬送が行える手段を有するレーザー照射システムであって、
前記第２のチャンバーにおける前記酸化物を除去する手段による処理の後、連続して、前記搬送が行える手段によって前記非晶質半導体薄膜を前記第１のチャンバーに移送し、前記第１のチャンバーにおいて前記線状レーザー光の照射を行う手段を有することを特徴とするレーザー照射システム。 - 気密を保持し、非晶質半導体薄膜に対して線状レーザー光の照射を行って結晶化させる手段を有する第１のチャンバーと、
気密を保持し、前記非晶質半導体薄膜表面の酸化物を除去する手段を有する第２のチャンバーと、
気密を保持し、前記非晶質半導体薄膜を加熱する手段を有する前記非晶質半導体薄膜中の水素を離脱させるための第３のチャンバーと、
を有し、
前記第１のチャンバーは、前記非晶質半導体薄膜を加熱せず室温とする冷却機能を有し、前記各チャンバー間においては、気密性を保って試料の搬送が行える手段を有し、
前記非晶質半導体薄膜表面の酸化物を除去した後に非酸化性雰囲気の気密性を保った状態で前記線状レーザー光の照射を前記非晶質半導体薄膜表面に行って結晶化させる手段を有するレーザー照射システムであって、
前記第２のチャンバーにおける前記酸化物を除去する手段による処理の後、連続して、前記搬送が行える手段によって前記非晶質半導体薄膜を前記第１のチャンバーに移送し、前記第１のチャンバーにおいて前記線状レーザー光の照射を行う手段を有することを特徴とするレーザー照射システム。 - 請求項２又は３において、前記非酸化性雰囲気は、不活性雰囲気、還元雰囲気及び減圧雰囲気のいずれかから選択されることを特徴とするレーザー照射システム。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記非晶質半導体薄膜の厚さは４０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とするレーザー照射システム。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記非晶質半導体薄膜の厚さは４０ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とするレーザー照射システム。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか一において、前記線状レーザー光は、線状にビーム加工された紫外領域の波長を有するパルス発振型のエキシマレーザー光であることを特徴とするレーザー照射システム。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか一において、前記酸化物の除去をウエットエッチング法またはドライエッチング法で行うことを特徴とするレーザー照射システム。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか一において、前記酸化物の除去をバッファードフッ酸を用いたウエットエッチング法で行うことを特徴とするレーザー照射システム。
- 請求項１乃至請求項９のいずれか一において、前記酸化物は、前記非晶質半導体薄膜表面に形成された自然酸化膜上の熱酸化膜を含むことを特徴とするレーザー照射システム。
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