JP4664512B2 - レーザアニール方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透光性基板上の非晶質シリコン半導体に向けてレーザビームを照射して、この非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするレーザアニール方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、非晶質シリコン半導体であるアモルファスシリコン(ａ-Ｓｉ)により形成される絶縁ゲート型の薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor：ＴＦＴ)を画素スイッチに用いた液晶ディスプレイ(Liquid Crystal Display：ＬＣＤ)が用いられているが、高精彩で高速な高機能を有する液晶ディスプレイを実現するためには、電界移動度(μＦＥ)が１ｃｍ２/Ｖｓ以下と低いアモルファスシリコンの薄膜トランジスタでは能力が不足する。これに対して、アモルファスシリコンにエキシマレーザを照射するレーザアニール法で作成した多結晶シリコンであるポリシリコンの薄膜トランジスタでは、電界移動度が１００ｃｍ２/Ｖｓ〜２００ｃｍ２/Ｖｓ程度のものが得られる。このため、液晶ディスプレイの高精彩化、高速化および駆動回路の一体形成などの高機能化が期待できる。
【０００３】
このポリシリコンの薄膜トランジスタの電界移動度を決定する要素は、ポリシリコンの粒径である。これは、照射するレーザビームのいわゆるフルエンス(fluence)といわれるエネルギ密度に大きく依存する。すなわち、このフルエンスの増大につれて、ポリシリコンの粒径が増大するが、電界移動度１００ｃｍ２/Ｖｓ以上の高性能のポリシリコンを得るためには、Ｆ１というあるフルエンスよりも高いフルエンスが必要である。
【０００４】
ところが、このＦ１よりもフルエンスを増大させていくと、ポリシリコンの粒径はさらに増大していくが、あるフルエンスの値、すなわちＦ２を境に微結晶粒となり、このような微結晶なポリシリコンでは所望の薄膜トランジスタ特性を得ることができない。
【０００５】
さらに、ポリシリコンの粒径は、このポリシリコンをエッチング液でエッチングして、走査電子顕微鏡(ＦＥ-ＳＥＭ)で粒径を観察することによって求めることができる。この方法を利用して、レーザビームのフルエンスを、ポリシリコンの粒径がある程度大きい領域、すなわちＦ１からＦ２の間で選ぶ。このように選択することによって、レーザビームの発振強度がある程度変化しても、所望の電界移動度のポリシリコンの薄膜トランジスタが得られるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のエッチング法では、ガラス基板を割ってこのガラス基板をエッチングし、走査電子願微鏡で観察するという工程が必要であるため、ポリシリコンの粒径が求まるまでに非常に時間が掛かる。このため、このエッチング法では、生産性を落すことになる。
【０００７】
また、レーザビームのレーザガスを交換した後のショット数が増大するにつれて最適な条件が変化してしまうため、頻繁に最適な条件を求める必要がある。ところが、このエッチング法で頻繁に最適な条件を求めることは、生産性を落とすことになるので、生産現場では現実的でないという問題を有している。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、非晶質シリコン半導体を常に最適な条件でレーザアニールできるレーザアニール方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一主面に非晶質シリコン半導体の薄膜を堆積した透光性基板にレーザビームを照射して、前記非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするレーザアニール方法であって、条件出し用の非晶質シリコン半導体に向けて、異なる大きさのエネルギ密度を持つレーザビームをそれぞれ異なる位置に照射し、この非晶質シリコン半導体をレーザアニールして多結晶シリコンとし、この異なる大きさのエネルギ密度でレーザアニールされた前記多結晶シリコン半導体の表面中の光の散乱度の最も高い位置を検出し、この散乱度の最も高い位置に照射されたレーザビームのエネルギ密度に、条件出し用の非晶質シリコン半導体の膜厚の平均値と製品用の透光性基板に形成する非晶質シリコン半導体の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満で、２０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上５０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９４％以上９８％未満で、１５ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９８％以上１０２％未満で、１０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０２％以上１０６％未満で、５Ｊ/ｃｍ ２ 以上３５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０６％以上１１０％未満で、０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上３０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下のエネルギ密度を加えて設定値とし、この設定値に基づいて、製品用の前記透光性基板に形成された非晶質シリコン半導体をレーザアニールし、この非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするものである。
【００１０】
そして、この構成では、エネルギ密度と、多結晶シリコン半導体の表面の形状、結晶粒径および作製した薄膜トランジスタ特性との関係を調べた結果、多結晶シリコン半導体の平均粒径が所定の大きさのとき、この多結晶シリコン半導体の表面の凹凸が最も激しくなって光が散乱する。そして、高性能な多結晶シリコン半導体を得るために必要なエネルギ密度は、光が最も散乱する条件である。このため、条件出し用の非晶質シリコン半導体に向けて、異なる大きさのエネルギ密度を持つレーザビームをそれぞれ異なる位置に照射し、非晶質シリコン半導体をレーザアニールして多結晶シリコンとし、この異なる大きさのエネルギ密度でレーザアニールされた多結晶シリコン半導体の表面中の光の散乱度の最も高い位置を検出することにより、レーザビームの状況に関わらず、光が最も散乱する際におけるエネルギ密度を容易に見つけ出すことが可能となる。このため、レーザアニールのエネルギ密度の設定をこれらの間に選ぶことにより歩留まりが向上する。また、光が最も散乱する条件でのエネルギ密度は、レーザビームの状況によって変化するが、散乱度の最も高い位置に相当するエネルギ密度に、条件出し用の非晶質シリコン半導体の膜厚の平均値と製品用の透光性基板に形成する非晶質シリコン半導体の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満で、２０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上５０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９４％以上９８％未満で、１５ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９８％以上１０２％未満で、１０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０２％以上１０６％未満で、５Ｊ/ｃｍ ２ 以上３５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０６％以上１１０％未満で、０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上３０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下のエネルギ密度を加えて設定値とし、この設定値に基づいて、非晶質シリコン半導体をレーザアニールすることにより、常に最適なレーザアニールが可能となる。
【００１１】
また、アッテネータの透過率でエネルギ密度を調整して、レーザビームを照射して非晶質シリコンをレーザアニールしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザアニール装置の一実施の形態の構成を図１ないし図３を参照して説明する。
【００１３】
図２に示すレーザアニール装置は、透光性基板であるガラス基板５の一主面上に成膜した非晶質シリコン半導体であるアモルファスシリコン(ａ-Ｓｉ)７の薄膜に向けて、キセノンクロライド(ＸｅＣｌ)などからなるパルスレーザであるレーザビームとしてのエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をレーザアニールし、このアモルファスシリコン７を多結晶シリコン半導体であるポリシリコン２にする。
【００１４】
さらに、このレーザアニール装置は、エキシマレーザビームＢを発振するレーザ発振手段であるレーザ発振器11を備えている。このレーザ発振器11から発振されたエキシマレーザビームＢは、光学系の第１のモジュール21および第２のモジュール31を通り、アニールチャンバ38内のステージ40上に設置されたガラス基板５上のアモルファスシリコン７面では線状となる。また、このレーザ発振器11により発振されるエキシマレーザビームＢは、アニールチャンバ38内のステージ40上に設置されたガラス基板５上で最終的に焦点が結ばれるように調整されている。ここで、このレーザ発振器11は、エキシマレーザビームＢの発振開始時と発振終了時に、発振途中における強度よりも低い強度のエキシマレーザビームＢを発振させる。
【００１５】
また、ステージ40をこの線状の長手方向に交差する方向にスキャンして、エキシマレーザビームＢをアモルファスシリコン７に照射する。
【００１６】
さらに、このレーザ発振器11は、レーザ本体12を備えており、このレーザ本体12内には、エキシマレーザビームＢの発振源であるディテクタ13が取り付けられている。このディテクタ13は、フォトダイオード(Photo diode)により形成されている。また、このディテクタ13にて発振されたレーザビームは、このディテクタ13の光路前方に配設された全反射ミラー14により、光路が９０°曲げられる。この全反射ミラー14は、レーザ本体12内に配設されている。
【００１７】
また、この全反射ミラー14により光路が屈折されたレーザビームの光路前方には、レーザ発振チューブとしてのレーザチューブ15が配設されている。このレーザチューブ15は、レーザ本体12内に配設されており、ディテクタ13から発振されたレーザビームをエキシマレーザビームＢにする。さらに、このレーザチューブ15の光路前方および後方のそれぞれには、レーザ発振器11から発振するエキシマレーザビームＢを共振させる共振器ミラー16a，16bが配設されている。
【００１８】
そして、共振器ミラー16bを通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢを高速で遮断可能なシャッタ18が配設されている。このシャッタ18は、レーザ本体12内に配設されており、このシャッタ18を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方であるレーザ本体12の一側面には、このシャッタ18を通過したエキシマレーザビームＢをレーザ本体12の外部へと引き出すプロテクトウインドウ17が取り付けられている。このプロテクトウインドウ17の共振器ミラー16b側の一主面は、アンチリフレクションコートが施されている。
【００１９】
さらに、このプロテクトウインドウ17の他主面には、発振されたエキシマレーザビームＢを引き込み、このエキシマレーザビームＢの透過率を制御する第１のモジュール21が配置されている。この第１のモジュール21内には、プロテクトウインドウ17を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの光路を、例えば９０°で全反射させる第１のミラー22が配設されている。この第１のミラー22は、第１のモジュール21内に配設されている。
【００２０】
また、この第１のミラー21にて反射されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、光の減衰器であるアッテネータとしてのバリアブルアッテネータ23が配置されている。このバリアブルアッテネータ23は、電圧可変型であり、第１のモジュール21内に配設されている。また、このバリアブルアッテネータ23は、エキシマレーザビームＢの透過率を変更する。さらに、このバリアブルアッテネータ23は、エキシマレーザビームＢの透過率を０％から９０％の範囲で変更可能なアッテネータ24と、このアッテネータ24を通過したエキシマレーザビームＢの光路を補正する補償板としてのコンペンセータ25とを備えている。そして、バリアブルアッテネータ23へと入射したエキシマレーザビームＢは、アッテネータ24にて透過率を調整された後、コンペンセータ25でアッテネータ24へと入射する以前の光路へと補正される。これらアッテネータ24およびコンペンセータ25は、石英などで成形されており、互いに相対する方向に向けて連動して回動可能である。
【００２１】
そして、このバリアブルアッテネータ23を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、テレスコープ26が配設されている。このテレスコープ26は、第１のモジュール21内に配設されており、複数、例えば２枚のレンズにて構成され、ＬＡＨ32へと入射するエキシマレーザビームＢの大きさ、すなわちビームサイズを調整する。また、このテレスコープ26を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの光路を、例えば９０°で反射させる第２のミラー27が配設されている。この第２のミラー27は、第１のモジュール21内に配設されており、入射するエキシマレーザビームＢを全反射する。
【００２２】
さらに、この第２のミラー27にて全反射されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、第１のモジュール21に隣接された第２のモジュール31が取り付けられている。そして、第２のミラー27にて反射されたエキシマレーザビームＢは、このエキシマレーザビームＢの長軸を調整するロングアクシスホモジナイザ、すなわちＬＡＨ32へと入射する。このＬＡＨ32は、第２のモジュール21内に配設されており、エキシマレーザビームＢの長軸をズーミングする図示しない第１のＬＨ(ロングホモジナイザ)および第２のＬＨと、これら第１のＬＨおよび第２のＬＨにて長軸をズーミングしたエキシマレーザビームＢの波形を補正する図示しないコンデンサレンズとを有している。
【００２３】
そして、ＬＡＨ32により長軸が調整されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの短軸を調整するショートアクシスホモジナイザ、すなわちＳＡＨ33が配設されている。このＳＡＨ33は、第２のモジュール31内に配設されており、エキシマレーザビームＢの短軸をズーミングする図示しない第１のＳＨ(ショートホモジナイザ)および第２のＳＨと、これら第１のＳＨおよび第２のＳＨにて短軸をズーミングしたエキシマレーザビームＢの波形を補正する図示しないコンデンサレンズとを有している。
【００２４】
さらに、ＳＡＨ33により短軸が調整されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、短軸スリット34が配設されている。この短軸スリット34は、第２のモジュール31内に配設されている。
【００２５】
また、短軸スリット34を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの短軸、およびこのエキシマレーザビームＢの時間波形でのスティープネスを調整するフィールドレンズ35が配設されている。このフィールドレンズ35は、第２のモジュール31内に配設されている。さらに、このフィールドレンズ35を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの光路を、９０°で反射させる第３のミラー36が配設されている。この第３のミラー36は、第２のモジュール31内に配設されており、入射するエキシマレーザビームＢを全反射する。さらに、この第３のミラー36を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、いわゆる５Ｘレンズといわれるプロジェクションレンズ37が配設されている。このプロジェクションレンズ37は、第２のモジュール31内に配設されている。
【００２６】
そして、このプロジェクションレンズ37を通過したエキシマレーザビームの光路前方には、内部でガラス基板５上のアモルファスシリコン７をレーザアニールする雰囲気制御手段としてのアニールチャンバ38が配設されている。このアニールチャンバ38の一側面には、外部からエキシマレーザビームＢを内部へと照射させるアニーラウインドウ39が設けられている。このアニーラウインドウ39は、プロジェクションレンズ37を通過したエキシマレーザビームＢが入射する位置に配設されている。
【００２７】
また、アニールチャンバ38内には、上面にガラス基板５が設置され、このガラス基板５を面方向に向けて走査、すなわち移動させるステージ40が取り付けられている。このステージ40は、設置したガラス基板５を水平方向である互いに直角に交わるそれぞれの方向に向けて走査可能である。
【００２８】
ここで、このステージ40上に設置したガラス基板５上は、アニールチャンバ38により窒素ガスなどの不活性ガスにより雰囲気が調整されている。さらに、このステージ40は、このステージ40上に設置したガラス基板５上のアモルファスシリコン７の薄膜上の全面、すなわち全域にアニーラウインドウ39を通過したエキシマレーザビームＢが照射するように形成されている。また、このステージ40は、このステージ40上に設置したガラス基板５上のアモルファスシリコン７のレーザアニールを開始する位置から等速度で移動する。
【００２９】
次に、上記レーザアニール装置で製造されるポリシリコンを用いた薄膜トランジスタの構成を図３を参照して説明する。
【００３０】
まず、略透明な絶縁性を有するガラス基板５の一主面上に、このガラス基板５からの不純物の拡散を防止する絶縁性のアンダーコート層６が成膜されている。
【００３１】
そして、このアンダーコート層６上には、島状のポリシリコン２が成膜されている。このポリシリコン２は、ガラス基板５上に堆積させたアモルファスシリコン７に向けてエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をレーザアニールすることにより形成されている。また、このポリシリコン２を形成する以前のアモルファスシリコン７の膜厚は、約５０ｎｍである。
【００３２】
また、このポリシリコン２を含むアンダーコート層６上には、絶縁性を有するシリコン酸化膜などでゲート酸化膜63が成膜されている。
【００３３】
そして、このゲート酸化膜63上には、モリブデン−タングステン合金(ＭｏＷ)などが成膜されて、ゲート電極64が形成されている。
【００３４】
また、ポリシリコン２の両側域には、ソース領域67とドレイン領域68とが形成されている。さらに、ドーピングされていないゲート電極64の下方に位置するポリシリコン２がチャネル領域69となる。
【００３５】
そして、ゲート酸化膜63およびゲート電極64上には、シリコン酸化膜などで形成された層間絶縁膜71が成膜されている。また、この層間絶縁膜71とゲート酸化膜63とには、これら層間絶縁膜71およびゲート酸化膜63を貫通し、ソース領域67およびドレイン領域68に連通する第１のコンタクトホール72a，72bが開口されている。
【００３６】
さらに、層間絶縁膜71上には、第２の配線層として成膜されたソース電極73と、ドレイン電極74と、信号を供給する図示しない信号線とが形成されている。これらソース電極73、ドレイン電極74および信号線は、アルミニウム(Ａｌ)などの低抵抗金属などで成膜形成されている。そして、ソース電極73は、第１のコンタクトホール72aを介してソース領域67に導電接続されている。同様に、ドレイン電極74は、第１のコンタクトホール72bを介してドレイン領域68に導電接続されている。
【００３７】
次に、上記レーザアニール装置によるレーザアニール方法について説明する。
【００３８】
まず、ガラス基板５の一主面に、シリコン酸化膜などをプラズマＣＶＤ法などで成膜形成してアンダーコート層６を形成する。
【００３９】
次いで、このアンダーコート層６上に、５０ｎｍの膜厚でアモルファスシリコン７をプラズマＣＶＤ法などで成膜する。
【００４０】
さらに、このアモルファスシリコン７を窒素雰囲気中において５００℃で１０分熱処理し、このアモルファスシリコン７中の水素濃度を低下させる。
【００４１】
このようにして条件出しの基板を作成する。
【００４２】
そして、エキシマレーザビームＢのレーザガスを交換した後、アモルファスシリコン７が形成された条件出し用のガラス基板５をステージ40上に設置し、このステージ40を走査してガラス基板５を移動させながら、レーザ発振器11から単調に増加または低下する異なるエネルギ密度であるフルエンス(fluence)を持つエキシマレーザビームＢを発振させて、このエキシマレーザビームＢをガラス基板５上のアモルファスシリコン７に向けて照射して、このアモルファスシリコン７をレーザーアニールし、このアモルファスシリコン７をポリシリコン２にする。
【００４３】
このとき、図１に示すように、このエキシマレーザビームＢをガラス基板５上の膜厚５０ｎｍのアモルファスシリコン７に、１ｍｍ間隔で２０ｍｍずつ、フルエンスを１０ｍＪ/ｃｍ２ずつ増やしながら、２６０ｍＪ/ｃｍ２から４００ｍＪ/ｃｍ２までの１５の条件で照射する。
【００４４】
ここで、ガラス基板５のサイズは４００ｍｍ×５００ｍｍであり、このガラス基板５を載せたステージの送りピッチは２０μｍである。またレーザ発振器11から発振されるエキシマレーザビームＢのレーザ発振周波数は３００Ｈｚである。さらに、エキシマレーザビームＢの波長を３０８ｎｍに設定し、このエキシマレーザビームＢの照射サイズを２５０ｍｍ×０．４ｍｍの線状ビームとする。また、このエキシマレーザビームＢのオーバーラップを９５％に設定する。
【００４５】
次いで、異なる条件でレーザアニールしたガラス基板５上のアモルファスシリコン７の表面中における散乱度の最も高い位置を検出する。
【００４６】
そして、この散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスに所定のフルエンスを加えて設定値Ｅとする。
【００４７】
ここで、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスに加えるフルエンスは、条件出し用のガラス基板５に形成されたアモルファスシリコン７の膜厚と、製品化するガラス基板５に形成するアモルファスシリコン７の膜厚の規格値とが同じときは、１０ｍＪ/ｃｍ２以上４０ｍＪ/ｃｍ２以下とする。
【００４８】
また、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚の平均値ｄｓナノメータと、製品化するアモルファスシリコン７の膜厚の規格値ｄｏナノメータとの比、すなわちｄｓ/ｄｏが、９０％以上９４％未満の場合には２０ｍＪ/ｃｍ２以上５０ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、９４％以上９８％未満の場合には１５ｍＪ/ｃｍ２以上４５ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、９８％以上から１０２％未満の場合には１０ｍＪ/ｃｍ２以上４０ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、１０２％以上１０６％未満の場合には５ｍＪ/ｃｍ２以上３５ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、１０６％以上１１０％未満の場合には０ｍＪ/ｃｍ２以上３０ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加える。そして、ｄｓ/ｄｏが９０％未満および１１０％を超える膜厚のアモルファスシリコン７が形成されたガラス基板５は、条件出し用のガラス基板５として使用しない。
【００４９】
この条件出しは、エキシマレーザビームＢのガスを交換した後と、次のエキシマレーザビームＢのガスの交換に至る前に行なう。
【００５０】
この結果、散乱が最大となるエキシマレーザビームＢのフルエンスが３３０ｍＪ/ｃｍ２となるので、この値に２０ｍＪ/ｃｍ２のフルエンスを加えて、設定値Ｅを３５０ｍＪ/ｃｍ２とする。
【００５１】
この後、水素濃度を低下させた別個の製品化するガラス基板５上のアモルファスシリコン７に向けて、設定値Ｅに基づいたエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をレーザアニールし、このアモルファスシリコン７を所望する、例えば０．３μｍ程度の結晶粒径を有するポリシリコン２にする。
【００５２】
このとき、レーザ発振器11から３００Ｈｚで発振されるエキシマレーザビームＢの波長を３０８ｎｍに設定し、このエキシマレーザビームＢの照射サイズを２５０ｍｍ×０．４ｍｍの線状ビームとする。また、ガラス基板５上でのエキシマレーザビームＢのフルエンスが設定値Ｅ、すなわち３５０ｍＪ/ｃｍ２となるように設定し、このエキシマレーザビームＢのオーバーラップを９５％に設定する。
【００５３】
さらに、このポリシリコン２を含むガラス基板５上に、プラズマＣＶＤ法などでゲート酸化膜63を形成する。
【００５４】
次いで、このゲート酸化膜63上に、第１配線層をスパッタリング法で成膜し、この第１配線層をエッチング加工して、ゲート電極64を形成する。
【００５５】
この後、ポリシリコン２の両側域にソース領域67およびドレイン領域68を形成する。これらソース領域67およびドレイン領域68は、ゲート電極64をエッチング加工する際におけるレジストをマスクとして、ボロン(Ｂ)やリン(Ｐ)などの不純物をイオンドーピング法などで、ポリシリコン２の両側域をドーピングすることにより形成されている。
【００５６】
このとき、ゲート電極64の下方に位置するドーピングされていないポリシリコン２がチャネル領域69となる。
【００５７】
次いで、ゲート酸化膜63およびゲート電極64上に層間絶縁膜71を形成し、層間絶縁膜71およびゲート酸化膜63に第１のコンタクトホール72a，72bを形成した後、この層間絶縁膜71上に低抵抗金属をスパッタリング法などで成膜しパターニングしてソース電極73、ドレイン電極74および信号線を形成する。
【００５８】
上述したように、上記一実施の形態によれば、フルエンスと、ポリシリコン２の表面の形状である表面モフォロジ、結晶粒径および作製した薄膜トランジスタ特性との関係を調べた結果、ポリシリコン２の平均粒径が所定の大きさ、例えば０．３μｍとなるときに、このポリシリコン２の表面の凹凸が最も激しくなって光が散乱する。そして、高性能なポリシリコン２を得るために必要なフルエンスは、光が最も散乱する条件である。このため、液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタ３に適した性能を出すためには、ポリシリコン２の粒径は０．３μｍ以上である必要がある。
【００５９】
ここで、ポリシリコン２の平均粒径が０．３μｍの際に、このポリシリコン２の表面の突起が最大となるは、エキシマレーザビームＢの波長が０．３μｍであり、光学系を通したエキシマレーザビームＢが光の干渉により、０．３μｍ間隔で強度分布を持つためである。
【００６０】
このため、ガラス基板５上のアモルファスシリコン７に向けてエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をポリシリコン２とする以前の状態で、異なるフルエンスを持つエキシマレーザビームＢのそれぞれでアモルファスシリコン７をレーザアニールし、この異なる条件でレーザアニールしたアモルファスシリコン７の表面中の散乱度の最も高い位置を選択することにより、エキシマレーザビームＢの状況に関わらず、光が最も散乱する際におけるフルエンス(Ｆ１)を容易に見つけ出すことができる。
【００６１】
また、Ｆ１よりもフルエンスを増大させていくと、ポリシリコン２の粒径はさらに増大していくが、あるフルエンスの値(Ｆ２)を境に微結晶粒となるので、レーザアニールのマージンはＦ１とＦ２との間にある。よって、歩留まりを最大にするためには、エキシマレーザビームＢによるレーザアニールのフルエンスの設定をＦ１とＦ２との間で選ぶことにより、ガラス基板５上に形成される薄膜トランジスタ３の歩留まりを向上できる。
【００６２】
さらに、エキシマレーザビームＢの状況によって、光が最も散乱する条件でのフルエンスＦ１は変化をするが、(Ｆ２−Ｆ１)はほぼ一定している。このため、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスＦ１から所定のフルエンスを加えて設定値Ｅとし、この設定値Ｅに基づいて、アモルファスシリコン７をレーザアニールすることにより、エキシマレーザビームＢの変化に関わらず、最適なレーザアニール照射条件を即座に決定でき、アモルファスシリコン７を常に最適にレーザアニールできる。よって、高い特性を有するポリシリコン２を歩留まりよく、生産性よく製造できるので、高性能かつ高品質な薄膜トランジスタ３の液晶ディスプレイや、駆動回路一体型の液晶ディスプレイ、その他の高機能な液晶ディスプレイなどの製造を容易にできる。
【００６３】
そして、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスに所定のフルエンスを加えて設定値Ｅを選択することにより、この設定値Ｅの選択が容易であるとともに、この設定値Ｅが、０．３μｍの粒径寸法であるポリシリコン２をレーザアニールで形成する際におけるエキシマレーザビームＢのフルエンスのマージンの範囲内に該当する。
【００６４】
また、一枚の条件出し用のガラス基板５をレーザアニールして、このガラス基板５中での散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスを選択するので、多数のガラス基板５それぞれにフルエンスの異なるエキシマレーザビームＢを照射して、これら複数のガラス基板５上のポリシリコン２を比較して散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスを選択する場合に比べ、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスを選択する作業を正確かつ容易にできる。
【００６５】
さらに、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚の平均値と製品化されるガラス基板５に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満の場合に加える値は２０ｍＪ/ｃｍ２以上５０ｍＪ/ｃｍ２以下であり、９４％以上９８％未満の場合に加える値は１５ｍＪ/ｃｍ２以上４５ｍＪ/ｃｍ２以下であり、９８％以上から１０２％未満の場合に加える値は１０ｍＪ/ｃｍ２以上４０ｍＪ/ｃｍ２以下であり、１０２％以上１０６％未満の場合に加える値は５Ｊ/ｃｍ２以上３５ｍＪ/ｃｍ２以下であり、１０６％以上１１０％未満の場合に加える値は０ｍＪ/ｃｍ２以上３０ｍＪ/ｃｍ２以下であり、さらに、９０％未満および１１０％を超える場合には条件出し用のガラス基板５としては使用しないとすることにより、アモルファスシリコン７の膜厚が薄くまたは厚くなっても、設定値Ｅを求められる。よって、ガラス基板５上のアモルファスシリコン７で形成したポリシリコン２の不良を削減できる。
【００６６】
また、単調に増加または低下する異なるフルエンスを持つエキシマレーザビームＢで、ガラス基板５上のアモルファスシリコン７をレーザアニールすることにより、ポリシリコン２の散乱度は段階的に高くまたは低くなる。このため、散乱度の最も高いポリシリコン２の選択がより正確かつ容易になる。
【００６７】
そして、エキシマレーザビームＢのレーザガスを交換した後と、次のエキシマレーザビームＢのレーザガスの交換に至る前である所定ロット毎に設定値Ｅを測定することにより、この設定値Ｅを測定する際のタイミングを的確にできる。
【００６８】
なお、上記一実施の形態では、エキシマレーザビームＢをガラス基板５上のアモルファスシリコン７に対して１ｍｍ間隔で２０ｍｍずつ、フルエンスを１０ｍＪ/ｃｍ２ずつ増やしながら、２６０ｍＪ/ｃｍ２から４００ｍＪ/ｃｍ２までの１５の条件で照射した構成について説明したが、このような構成に限定されることはなく、バリアブルアッテネータ23による透過率で、エキシマレーザビームＢのフルエンスを調整しながら、このエキシマレーザビームＢでガラス基板５上のアモルファスシリコン７をレーザアニールしても、上記一実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００６９】
具体的には、エキシマレーザビームＢのガスを交換した後、このエキシマレーザビームＢをガラス基板５上の膜厚４７ｎｍのアモルファスシリコン７に、１ｍｍ間隔で２０ｍｍずつ、バリアブルアッテネータ23の角度を調整して、レーザ発振器11から発振されるエキシマレーザビームＢの透過率を２％ずつ増やしながら、７２％から１００％までの１５の条件で照射する。ここで、エキシマレーザビームＢの透過率は、単調に増加または低下させればよい。
【００７０】
このとき、ガラス基板５のサイズは４００ｍｍ×５００ｍｍで、このガラス基板６を載せたステージ40の送りピッチを２０μｍに設定する。また、エキシマレーザビームＢの発振周波数を３００Ｈｚに設定する。
【００７１】
そして、散乱度が最大となるのは７９％であるが、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚が４７ｎｍであり、製品となる基板に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値５０ｎｍとの比が９４％であるため、製品に対しては加えるバリアブルアッテネータ23の透過率が、７９％に４％を加え、さらに１％を加えた８４％とする。この８４％は、フルエンスに換算すると３５３ｍＪ/ｃｍ２であった。
【００７２】
ここで、加える透過率は、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚の平均値と製品化するガラス基板５に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満で４％以上１０％以下であり、９４％以上９８％未満で３％以上９％以下であり、９８％以上から１０２％未満で２％以上８％以下であり、１０２％以上１０６％未満で１％以上７％以下であり、１０６％以上１１０％未満で０％以上６％以下である。そして、アモルファスシリコン７の膜厚の平均値が、製品化するガラス基板５に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値に対して９０％未満および１１０％を超える場合には条件出し用のガラス基板５として使用しない。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザビームの状況に関わらず、光が最も散乱する際におけるエネルギ密度を容易に見つけ出せるとともに、散乱度の最も高い位置に相当するエネルギ密度に所定のエネルギ密度を加えて設定値とし、この設定値に基づいて、非晶質シリコン半導体をレーザアニールすることにより、常に最適なレーザアニールができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザアニール装置の一実施の形態でアニールしたガラス基板を示す説明図である。
【図２】 同上レーザアニール装置を示す説明図である。
【図３】 同上レーザアニール装置で製造した薄膜トランジスタを示す断面図である。
【符号の説明】
２ 多結晶シリコン半導体としてのポリシリコン
５ 透光性基板としてのガラス基板
７ 非晶質シリコン半導体としてのアモルファスシリコン
23 アッテネータとしてのバリアブルアッテネータ
Ｂ レーザビームとしてのエキシマレーザビーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、透光性基板上の非晶質シリコン半導体に向けてレーザビームを照射して、この非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするレーザアニール方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、非晶質シリコン半導体であるアモルファスシリコン(ａ-Ｓｉ)により形成される絶縁ゲート型の薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor：ＴＦＴ)を画素スイッチに用いた液晶ディスプレイ(Liquid Crystal Display：ＬＣＤ)が用いられているが、高精彩で高速な高機能を有する液晶ディスプレイを実現するためには、電界移動度(μＦＥ)が１ｃｍ２/Ｖｓ以下と低いアモルファスシリコンの薄膜トランジスタでは能力が不足する。これに対して、アモルファスシリコンにエキシマレーザを照射するレーザアニール法で作成した多結晶シリコンであるポリシリコンの薄膜トランジスタでは、電界移動度が１００ｃｍ２/Ｖｓ〜２００ｃｍ２/Ｖｓ程度のものが得られる。このため、液晶ディスプレイの高精彩化、高速化および駆動回路の一体形成などの高機能化が期待できる。
【０００３】
このポリシリコンの薄膜トランジスタの電界移動度を決定する要素は、ポリシリコンの粒径である。これは、照射するレーザビームのいわゆるフルエンス(fluence)といわれるエネルギ密度に大きく依存する。すなわち、このフルエンスの増大につれて、ポリシリコンの粒径が増大するが、電界移動度１００ｃｍ２/Ｖｓ以上の高性能のポリシリコンを得るためには、Ｆ１というあるフルエンスよりも高いフルエンスが必要である。
【０００４】
ところが、このＦ１よりもフルエンスを増大させていくと、ポリシリコンの粒径はさらに増大していくが、あるフルエンスの値、すなわちＦ２を境に微結晶粒となり、このような微結晶なポリシリコンでは所望の薄膜トランジスタ特性を得ることができない。
【０００５】
さらに、ポリシリコンの粒径は、このポリシリコンをエッチング液でエッチングして、走査電子顕微鏡(ＦＥ-ＳＥＭ)で粒径を観察することによって求めることができる。この方法を利用して、レーザビームのフルエンスを、ポリシリコンの粒径がある程度大きい領域、すなわちＦ１からＦ２の間で選ぶ。このように選択することによって、レーザビームの発振強度がある程度変化しても、所望の電界移動度のポリシリコンの薄膜トランジスタが得られるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のエッチング法では、ガラス基板を割ってこのガラス基板をエッチングし、走査電子願微鏡で観察するという工程が必要であるため、ポリシリコンの粒径が求まるまでに非常に時間が掛かる。このため、このエッチング法では、生産性を落すことになる。
【０００７】
また、レーザビームのレーザガスを交換した後のショット数が増大するにつれて最適な条件が変化してしまうため、頻繁に最適な条件を求める必要がある。ところが、このエッチング法で頻繁に最適な条件を求めることは、生産性を落とすことになるので、生産現場では現実的でないという問題を有している。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、非晶質シリコン半導体を常に最適な条件でレーザアニールできるレーザアニール方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一主面に非晶質シリコン半導体の薄膜を堆積した透光性基板にレーザビームを照射して、前記非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするレーザアニール方法であって、条件出し用の非晶質シリコン半導体に向けて、異なる大きさのエネルギ密度を持つレーザビームをそれぞれ異なる位置に照射し、この非晶質シリコン半導体をレーザアニールして多結晶シリコンとし、この異なる大きさのエネルギ密度でレーザアニールされた前記多結晶シリコン半導体の表面中の光の散乱度の最も高い位置を検出し、この散乱度の最も高い位置に照射されたレーザビームのエネルギ密度に、条件出し用の非晶質シリコン半導体の膜厚の平均値と製品用の透光性基板に形成する非晶質シリコン半導体の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満で、２０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上５０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９４％以上９８％未満で、１５ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９８％以上１０２％未満で、１０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０２％以上１０６％未満で、５Ｊ/ｃｍ ２ 以上３５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０６％以上１１０％未満で、０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上３０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下のエネルギ密度を加えて設定値とし、この設定値に基づいて、製品用の前記透光性基板に形成された非晶質シリコン半導体をレーザアニールし、この非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするものである。
【００１０】
そして、この構成では、エネルギ密度と、多結晶シリコン半導体の表面の形状、結晶粒径および作製した薄膜トランジスタ特性との関係を調べた結果、多結晶シリコン半導体の平均粒径が所定の大きさのとき、この多結晶シリコン半導体の表面の凹凸が最も激しくなって光が散乱する。そして、高性能な多結晶シリコン半導体を得るために必要なエネルギ密度は、光が最も散乱する条件である。このため、条件出し用の非晶質シリコン半導体に向けて、異なる大きさのエネルギ密度を持つレーザビームをそれぞれ異なる位置に照射し、非晶質シリコン半導体をレーザアニールして多結晶シリコンとし、この異なる大きさのエネルギ密度でレーザアニールされた多結晶シリコン半導体の表面中の光の散乱度の最も高い位置を検出することにより、レーザビームの状況に関わらず、光が最も散乱する際におけるエネルギ密度を容易に見つけ出すことが可能となる。このため、レーザアニールのエネルギ密度の設定をこれらの間に選ぶことにより歩留まりが向上する。また、光が最も散乱する条件でのエネルギ密度は、レーザビームの状況によって変化するが、散乱度の最も高い位置に相当するエネルギ密度に、条件出し用の非晶質シリコン半導体の膜厚の平均値と製品用の透光性基板に形成する非晶質シリコン半導体の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満で、２０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上５０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９４％以上９８％未満で、１５ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、９８％以上１０２％未満で、１０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０２％以上１０６％未満で、５Ｊ/ｃｍ ２ 以上３５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、１０６％以上１１０％未満で、０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上３０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下のエネルギ密度を加えて設定値とし、この設定値に基づいて、非晶質シリコン半導体をレーザアニールすることにより、常に最適なレーザアニールが可能となる。
【００１１】
また、アッテネータの透過率でエネルギ密度を調整して、レーザビームを照射して非晶質シリコンをレーザアニールしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザアニール装置の一実施の形態の構成を図１ないし図３を参照して説明する。
【００１３】
図２に示すレーザアニール装置は、透光性基板であるガラス基板５の一主面上に成膜した非晶質シリコン半導体であるアモルファスシリコン(ａ-Ｓｉ)７の薄膜に向けて、キセノンクロライド(ＸｅＣｌ)などからなるパルスレーザであるレーザビームとしてのエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をレーザアニールし、このアモルファスシリコン７を多結晶シリコン半導体であるポリシリコン２にする。
【００１４】
さらに、このレーザアニール装置は、エキシマレーザビームＢを発振するレーザ発振手段であるレーザ発振器11を備えている。このレーザ発振器11から発振されたエキシマレーザビームＢは、光学系の第１のモジュール21および第２のモジュール31を通り、アニールチャンバ38内のステージ40上に設置されたガラス基板５上のアモルファスシリコン７面では線状となる。また、このレーザ発振器11により発振されるエキシマレーザビームＢは、アニールチャンバ38内のステージ40上に設置されたガラス基板５上で最終的に焦点が結ばれるように調整されている。ここで、このレーザ発振器11は、エキシマレーザビームＢの発振開始時と発振終了時に、発振途中における強度よりも低い強度のエキシマレーザビームＢを発振させる。
【００１５】
また、ステージ40をこの線状の長手方向に交差する方向にスキャンして、エキシマレーザビームＢをアモルファスシリコン７に照射する。
【００１６】
さらに、このレーザ発振器11は、レーザ本体12を備えており、このレーザ本体12内には、エキシマレーザビームＢの発振源であるディテクタ13が取り付けられている。このディテクタ13は、フォトダイオード(Photo diode)により形成されている。また、このディテクタ13にて発振されたレーザビームは、このディテクタ13の光路前方に配設された全反射ミラー14により、光路が９０°曲げられる。この全反射ミラー14は、レーザ本体12内に配設されている。
【００１７】
また、この全反射ミラー14により光路が屈折されたレーザビームの光路前方には、レーザ発振チューブとしてのレーザチューブ15が配設されている。このレーザチューブ15は、レーザ本体12内に配設されており、ディテクタ13から発振されたレーザビームをエキシマレーザビームＢにする。さらに、このレーザチューブ15の光路前方および後方のそれぞれには、レーザ発振器11から発振するエキシマレーザビームＢを共振させる共振器ミラー16a，16bが配設されている。
【００１８】
そして、共振器ミラー16bを通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢを高速で遮断可能なシャッタ18が配設されている。このシャッタ18は、レーザ本体12内に配設されており、このシャッタ18を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方であるレーザ本体12の一側面には、このシャッタ18を通過したエキシマレーザビームＢをレーザ本体12の外部へと引き出すプロテクトウインドウ17が取り付けられている。このプロテクトウインドウ17の共振器ミラー16b側の一主面は、アンチリフレクションコートが施されている。
【００１９】
さらに、このプロテクトウインドウ17の他主面には、発振されたエキシマレーザビームＢを引き込み、このエキシマレーザビームＢの透過率を制御する第１のモジュール21が配置されている。この第１のモジュール21内には、プロテクトウインドウ17を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの光路を、例えば９０°で全反射させる第１のミラー22が配設されている。この第１のミラー22は、第１のモジュール21内に配設されている。
【００２０】
また、この第１のミラー21にて反射されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、光の減衰器であるアッテネータとしてのバリアブルアッテネータ23が配置されている。このバリアブルアッテネータ23は、電圧可変型であり、第１のモジュール21内に配設されている。また、このバリアブルアッテネータ23は、エキシマレーザビームＢの透過率を変更する。さらに、このバリアブルアッテネータ23は、エキシマレーザビームＢの透過率を０％から９０％の範囲で変更可能なアッテネータ24と、このアッテネータ24を通過したエキシマレーザビームＢの光路を補正する補償板としてのコンペンセータ25とを備えている。そして、バリアブルアッテネータ23へと入射したエキシマレーザビームＢは、アッテネータ24にて透過率を調整された後、コンペンセータ25でアッテネータ24へと入射する以前の光路へと補正される。これらアッテネータ24およびコンペンセータ25は、石英などで成形されており、互いに相対する方向に向けて連動して回動可能である。
【００２１】
そして、このバリアブルアッテネータ23を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、テレスコープ26が配設されている。このテレスコープ26は、第１のモジュール21内に配設されており、複数、例えば２枚のレンズにて構成され、ＬＡＨ32へと入射するエキシマレーザビームＢの大きさ、すなわちビームサイズを調整する。また、このテレスコープ26を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの光路を、例えば９０°で反射させる第２のミラー27が配設されている。この第２のミラー27は、第１のモジュール21内に配設されており、入射するエキシマレーザビームＢを全反射する。
【００２２】
さらに、この第２のミラー27にて全反射されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、第１のモジュール21に隣接された第２のモジュール31が取り付けられている。そして、第２のミラー27にて反射されたエキシマレーザビームＢは、このエキシマレーザビームＢの長軸を調整するロングアクシスホモジナイザ、すなわちＬＡＨ32へと入射する。このＬＡＨ32は、第２のモジュール21内に配設されており、エキシマレーザビームＢの長軸をズーミングする図示しない第１のＬＨ(ロングホモジナイザ)および第２のＬＨと、これら第１のＬＨおよび第２のＬＨにて長軸をズーミングしたエキシマレーザビームＢの波形を補正する図示しないコンデンサレンズとを有している。
【００２３】
そして、ＬＡＨ32により長軸が調整されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの短軸を調整するショートアクシスホモジナイザ、すなわちＳＡＨ33が配設されている。このＳＡＨ33は、第２のモジュール31内に配設されており、エキシマレーザビームＢの短軸をズーミングする図示しない第１のＳＨ(ショートホモジナイザ)および第２のＳＨと、これら第１のＳＨおよび第２のＳＨにて短軸をズーミングしたエキシマレーザビームＢの波形を補正する図示しないコンデンサレンズとを有している。
【００２４】
さらに、ＳＡＨ33により短軸が調整されたエキシマレーザビームＢの光路前方には、短軸スリット34が配設されている。この短軸スリット34は、第２のモジュール31内に配設されている。
【００２５】
また、短軸スリット34を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの短軸、およびこのエキシマレーザビームＢの時間波形でのスティープネスを調整するフィールドレンズ35が配設されている。このフィールドレンズ35は、第２のモジュール31内に配設されている。さらに、このフィールドレンズ35を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、このエキシマレーザビームＢの光路を、９０°で反射させる第３のミラー36が配設されている。この第３のミラー36は、第２のモジュール31内に配設されており、入射するエキシマレーザビームＢを全反射する。さらに、この第３のミラー36を通過したエキシマレーザビームＢの光路前方には、いわゆる５Ｘレンズといわれるプロジェクションレンズ37が配設されている。このプロジェクションレンズ37は、第２のモジュール31内に配設されている。
【００２６】
そして、このプロジェクションレンズ37を通過したエキシマレーザビームの光路前方には、内部でガラス基板５上のアモルファスシリコン７をレーザアニールする雰囲気制御手段としてのアニールチャンバ38が配設されている。このアニールチャンバ38の一側面には、外部からエキシマレーザビームＢを内部へと照射させるアニーラウインドウ39が設けられている。このアニーラウインドウ39は、プロジェクションレンズ37を通過したエキシマレーザビームＢが入射する位置に配設されている。
【００２７】
また、アニールチャンバ38内には、上面にガラス基板５が設置され、このガラス基板５を面方向に向けて走査、すなわち移動させるステージ40が取り付けられている。このステージ40は、設置したガラス基板５を水平方向である互いに直角に交わるそれぞれの方向に向けて走査可能である。
【００２８】
ここで、このステージ40上に設置したガラス基板５上は、アニールチャンバ38により窒素ガスなどの不活性ガスにより雰囲気が調整されている。さらに、このステージ40は、このステージ40上に設置したガラス基板５上のアモルファスシリコン７の薄膜上の全面、すなわち全域にアニーラウインドウ39を通過したエキシマレーザビームＢが照射するように形成されている。また、このステージ40は、このステージ40上に設置したガラス基板５上のアモルファスシリコン７のレーザアニールを開始する位置から等速度で移動する。
【００２９】
次に、上記レーザアニール装置で製造されるポリシリコンを用いた薄膜トランジスタの構成を図３を参照して説明する。
【００３０】
まず、略透明な絶縁性を有するガラス基板５の一主面上に、このガラス基板５からの不純物の拡散を防止する絶縁性のアンダーコート層６が成膜されている。
【００３１】
そして、このアンダーコート層６上には、島状のポリシリコン２が成膜されている。このポリシリコン２は、ガラス基板５上に堆積させたアモルファスシリコン７に向けてエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をレーザアニールすることにより形成されている。また、このポリシリコン２を形成する以前のアモルファスシリコン７の膜厚は、約５０ｎｍである。
【００３２】
また、このポリシリコン２を含むアンダーコート層６上には、絶縁性を有するシリコン酸化膜などでゲート酸化膜63が成膜されている。
【００３３】
そして、このゲート酸化膜63上には、モリブデン−タングステン合金(ＭｏＷ)などが成膜されて、ゲート電極64が形成されている。
【００３４】
また、ポリシリコン２の両側域には、ソース領域67とドレイン領域68とが形成されている。さらに、ドーピングされていないゲート電極64の下方に位置するポリシリコン２がチャネル領域69となる。
【００３５】
そして、ゲート酸化膜63およびゲート電極64上には、シリコン酸化膜などで形成された層間絶縁膜71が成膜されている。また、この層間絶縁膜71とゲート酸化膜63とには、これら層間絶縁膜71およびゲート酸化膜63を貫通し、ソース領域67およびドレイン領域68に連通する第１のコンタクトホール72a，72bが開口されている。
【００３６】
さらに、層間絶縁膜71上には、第２の配線層として成膜されたソース電極73と、ドレイン電極74と、信号を供給する図示しない信号線とが形成されている。これらソース電極73、ドレイン電極74および信号線は、アルミニウム(Ａｌ)などの低抵抗金属などで成膜形成されている。そして、ソース電極73は、第１のコンタクトホール72aを介してソース領域67に導電接続されている。同様に、ドレイン電極74は、第１のコンタクトホール72bを介してドレイン領域68に導電接続されている。
【００３７】
次に、上記レーザアニール装置によるレーザアニール方法について説明する。
【００３８】
まず、ガラス基板５の一主面に、シリコン酸化膜などをプラズマＣＶＤ法などで成膜形成してアンダーコート層６を形成する。
【００３９】
次いで、このアンダーコート層６上に、５０ｎｍの膜厚でアモルファスシリコン７をプラズマＣＶＤ法などで成膜する。
【００４０】
さらに、このアモルファスシリコン７を窒素雰囲気中において５００℃で１０分熱処理し、このアモルファスシリコン７中の水素濃度を低下させる。
【００４１】
このようにして条件出しの基板を作成する。
【００４２】
そして、エキシマレーザビームＢのレーザガスを交換した後、アモルファスシリコン７が形成された条件出し用のガラス基板５をステージ40上に設置し、このステージ40を走査してガラス基板５を移動させながら、レーザ発振器11から単調に増加または低下する異なるエネルギ密度であるフルエンス(fluence)を持つエキシマレーザビームＢを発振させて、このエキシマレーザビームＢをガラス基板５上のアモルファスシリコン７に向けて照射して、このアモルファスシリコン７をレーザーアニールし、このアモルファスシリコン７をポリシリコン２にする。
【００４３】
このとき、図１に示すように、このエキシマレーザビームＢをガラス基板５上の膜厚５０ｎｍのアモルファスシリコン７に、１ｍｍ間隔で２０ｍｍずつ、フルエンスを１０ｍＪ/ｃｍ２ずつ増やしながら、２６０ｍＪ/ｃｍ２から４００ｍＪ/ｃｍ２までの１５の条件で照射する。
【００４４】
ここで、ガラス基板５のサイズは４００ｍｍ×５００ｍｍであり、このガラス基板５を載せたステージの送りピッチは２０μｍである。またレーザ発振器11から発振されるエキシマレーザビームＢのレーザ発振周波数は３００Ｈｚである。さらに、エキシマレーザビームＢの波長を３０８ｎｍに設定し、このエキシマレーザビームＢの照射サイズを２５０ｍｍ×０．４ｍｍの線状ビームとする。また、このエキシマレーザビームＢのオーバーラップを９５％に設定する。
【００４５】
次いで、異なる条件でレーザアニールしたガラス基板５上のアモルファスシリコン７の表面中における散乱度の最も高い位置を検出する。
【００４６】
そして、この散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスに所定のフルエンスを加えて設定値Ｅとする。
【００４７】
ここで、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスに加えるフルエンスは、条件出し用のガラス基板５に形成されたアモルファスシリコン７の膜厚と、製品化するガラス基板５に形成するアモルファスシリコン７の膜厚の規格値とが同じときは、１０ｍＪ/ｃｍ２以上４０ｍＪ/ｃｍ２以下とする。
【００４８】
また、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚の平均値ｄｓナノメータと、製品化するアモルファスシリコン７の膜厚の規格値ｄｏナノメータとの比、すなわちｄｓ/ｄｏが、９０％以上９４％未満の場合には２０ｍＪ/ｃｍ２以上５０ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、９４％以上９８％未満の場合には１５ｍＪ/ｃｍ２以上４５ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、９８％以上から１０２％未満の場合には１０ｍＪ/ｃｍ２以上４０ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、１０２％以上１０６％未満の場合には５ｍＪ/ｃｍ２以上３５ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加え、１０６％以上１１０％未満の場合には０ｍＪ/ｃｍ２以上３０ｍＪ/ｃｍ２以下の値を加える。そして、ｄｓ/ｄｏが９０％未満および１１０％を超える膜厚のアモルファスシリコン７が形成されたガラス基板５は、条件出し用のガラス基板５として使用しない。
【００４９】
この条件出しは、エキシマレーザビームＢのガスを交換した後と、次のエキシマレーザビームＢのガスの交換に至る前に行なう。
【００５０】
この結果、散乱が最大となるエキシマレーザビームＢのフルエンスが３３０ｍＪ/ｃｍ２となるので、この値に２０ｍＪ/ｃｍ２のフルエンスを加えて、設定値Ｅを３５０ｍＪ/ｃｍ２とする。
【００５１】
この後、水素濃度を低下させた別個の製品化するガラス基板５上のアモルファスシリコン７に向けて、設定値Ｅに基づいたエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をレーザアニールし、このアモルファスシリコン７を所望する、例えば０．３μｍ程度の結晶粒径を有するポリシリコン２にする。
【００５２】
このとき、レーザ発振器11から３００Ｈｚで発振されるエキシマレーザビームＢの波長を３０８ｎｍに設定し、このエキシマレーザビームＢの照射サイズを２５０ｍｍ×０．４ｍｍの線状ビームとする。また、ガラス基板５上でのエキシマレーザビームＢのフルエンスが設定値Ｅ、すなわち３５０ｍＪ/ｃｍ２となるように設定し、このエキシマレーザビームＢのオーバーラップを９５％に設定する。
【００５３】
さらに、このポリシリコン２を含むガラス基板５上に、プラズマＣＶＤ法などでゲート酸化膜63を形成する。
【００５４】
次いで、このゲート酸化膜63上に、第１配線層をスパッタリング法で成膜し、この第１配線層をエッチング加工して、ゲート電極64を形成する。
【００５５】
この後、ポリシリコン２の両側域にソース領域67およびドレイン領域68を形成する。これらソース領域67およびドレイン領域68は、ゲート電極64をエッチング加工する際におけるレジストをマスクとして、ボロン(Ｂ)やリン(Ｐ)などの不純物をイオンドーピング法などで、ポリシリコン２の両側域をドーピングすることにより形成されている。
【００５６】
このとき、ゲート電極64の下方に位置するドーピングされていないポリシリコン２がチャネル領域69となる。
【００５７】
次いで、ゲート酸化膜63およびゲート電極64上に層間絶縁膜71を形成し、層間絶縁膜71およびゲート酸化膜63に第１のコンタクトホール72a，72bを形成した後、この層間絶縁膜71上に低抵抗金属をスパッタリング法などで成膜しパターニングしてソース電極73、ドレイン電極74および信号線を形成する。
【００５８】
上述したように、上記一実施の形態によれば、フルエンスと、ポリシリコン２の表面の形状である表面モフォロジ、結晶粒径および作製した薄膜トランジスタ特性との関係を調べた結果、ポリシリコン２の平均粒径が所定の大きさ、例えば０．３μｍとなるときに、このポリシリコン２の表面の凹凸が最も激しくなって光が散乱する。そして、高性能なポリシリコン２を得るために必要なフルエンスは、光が最も散乱する条件である。このため、液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタ３に適した性能を出すためには、ポリシリコン２の粒径は０．３μｍ以上である必要がある。
【００５９】
ここで、ポリシリコン２の平均粒径が０．３μｍの際に、このポリシリコン２の表面の突起が最大となるは、エキシマレーザビームＢの波長が０．３μｍであり、光学系を通したエキシマレーザビームＢが光の干渉により、０．３μｍ間隔で強度分布を持つためである。
【００６０】
このため、ガラス基板５上のアモルファスシリコン７に向けてエキシマレーザビームＢを照射して、このアモルファスシリコン７をポリシリコン２とする以前の状態で、異なるフルエンスを持つエキシマレーザビームＢのそれぞれでアモルファスシリコン７をレーザアニールし、この異なる条件でレーザアニールしたアモルファスシリコン７の表面中の散乱度の最も高い位置を選択することにより、エキシマレーザビームＢの状況に関わらず、光が最も散乱する際におけるフルエンス(Ｆ１)を容易に見つけ出すことができる。
【００６１】
また、Ｆ１よりもフルエンスを増大させていくと、ポリシリコン２の粒径はさらに増大していくが、あるフルエンスの値(Ｆ２)を境に微結晶粒となるので、レーザアニールのマージンはＦ１とＦ２との間にある。よって、歩留まりを最大にするためには、エキシマレーザビームＢによるレーザアニールのフルエンスの設定をＦ１とＦ２との間で選ぶことにより、ガラス基板５上に形成される薄膜トランジスタ３の歩留まりを向上できる。
【００６２】
さらに、エキシマレーザビームＢの状況によって、光が最も散乱する条件でのフルエンスＦ１は変化をするが、(Ｆ２−Ｆ１)はほぼ一定している。このため、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスＦ１から所定のフルエンスを加えて設定値Ｅとし、この設定値Ｅに基づいて、アモルファスシリコン７をレーザアニールすることにより、エキシマレーザビームＢの変化に関わらず、最適なレーザアニール照射条件を即座に決定でき、アモルファスシリコン７を常に最適にレーザアニールできる。よって、高い特性を有するポリシリコン２を歩留まりよく、生産性よく製造できるので、高性能かつ高品質な薄膜トランジスタ３の液晶ディスプレイや、駆動回路一体型の液晶ディスプレイ、その他の高機能な液晶ディスプレイなどの製造を容易にできる。
【００６３】
そして、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスに所定のフルエンスを加えて設定値Ｅを選択することにより、この設定値Ｅの選択が容易であるとともに、この設定値Ｅが、０．３μｍの粒径寸法であるポリシリコン２をレーザアニールで形成する際におけるエキシマレーザビームＢのフルエンスのマージンの範囲内に該当する。
【００６４】
また、一枚の条件出し用のガラス基板５をレーザアニールして、このガラス基板５中での散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスを選択するので、多数のガラス基板５それぞれにフルエンスの異なるエキシマレーザビームＢを照射して、これら複数のガラス基板５上のポリシリコン２を比較して散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスを選択する場合に比べ、散乱度の最も高い位置に相当するフルエンスを選択する作業を正確かつ容易にできる。
【００６５】
さらに、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚の平均値と製品化されるガラス基板５に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満の場合に加える値は２０ｍＪ/ｃｍ２以上５０ｍＪ/ｃｍ２以下であり、９４％以上９８％未満の場合に加える値は１５ｍＪ/ｃｍ２以上４５ｍＪ/ｃｍ２以下であり、９８％以上から１０２％未満の場合に加える値は１０ｍＪ/ｃｍ２以上４０ｍＪ/ｃｍ２以下であり、１０２％以上１０６％未満の場合に加える値は５Ｊ/ｃｍ２以上３５ｍＪ/ｃｍ２以下であり、１０６％以上１１０％未満の場合に加える値は０ｍＪ/ｃｍ２以上３０ｍＪ/ｃｍ２以下であり、さらに、９０％未満および１１０％を超える場合には条件出し用のガラス基板５としては使用しないとすることにより、アモルファスシリコン７の膜厚が薄くまたは厚くなっても、設定値Ｅを求められる。よって、ガラス基板５上のアモルファスシリコン７で形成したポリシリコン２の不良を削減できる。
【００６６】
また、単調に増加または低下する異なるフルエンスを持つエキシマレーザビームＢで、ガラス基板５上のアモルファスシリコン７をレーザアニールすることにより、ポリシリコン２の散乱度は段階的に高くまたは低くなる。このため、散乱度の最も高いポリシリコン２の選択がより正確かつ容易になる。
【００６７】
そして、エキシマレーザビームＢのレーザガスを交換した後と、次のエキシマレーザビームＢのレーザガスの交換に至る前である所定ロット毎に設定値Ｅを測定することにより、この設定値Ｅを測定する際のタイミングを的確にできる。
【００６８】
なお、上記一実施の形態では、エキシマレーザビームＢをガラス基板５上のアモルファスシリコン７に対して１ｍｍ間隔で２０ｍｍずつ、フルエンスを１０ｍＪ/ｃｍ２ずつ増やしながら、２６０ｍＪ/ｃｍ２から４００ｍＪ/ｃｍ２までの１５の条件で照射した構成について説明したが、このような構成に限定されることはなく、バリアブルアッテネータ23による透過率で、エキシマレーザビームＢのフルエンスを調整しながら、このエキシマレーザビームＢでガラス基板５上のアモルファスシリコン７をレーザアニールしても、上記一実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００６９】
具体的には、エキシマレーザビームＢのガスを交換した後、このエキシマレーザビームＢをガラス基板５上の膜厚４７ｎｍのアモルファスシリコン７に、１ｍｍ間隔で２０ｍｍずつ、バリアブルアッテネータ23の角度を調整して、レーザ発振器11から発振されるエキシマレーザビームＢの透過率を２％ずつ増やしながら、７２％から１００％までの１５の条件で照射する。ここで、エキシマレーザビームＢの透過率は、単調に増加または低下させればよい。
【００７０】
このとき、ガラス基板５のサイズは４００ｍｍ×５００ｍｍで、このガラス基板６を載せたステージ40の送りピッチを２０μｍに設定する。また、エキシマレーザビームＢの発振周波数を３００Ｈｚに設定する。
【００７１】
そして、散乱度が最大となるのは７９％であるが、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚が４７ｎｍであり、製品となる基板に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値５０ｎｍとの比が９４％であるため、製品に対しては加えるバリアブルアッテネータ23の透過率が、７９％に４％を加え、さらに１％を加えた８４％とする。この８４％は、フルエンスに換算すると３５３ｍＪ/ｃｍ２であった。
【００７２】
ここで、加える透過率は、条件出し用のアモルファスシリコン７の膜厚の平均値と製品化するガラス基板５に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値との膜厚比が、９０％以上９４％未満で４％以上１０％以下であり、９４％以上９８％未満で３％以上９％以下であり、９８％以上から１０２％未満で２％以上８％以下であり、１０２％以上１０６％未満で１％以上７％以下であり、１０６％以上１１０％未満で０％以上６％以下である。そして、アモルファスシリコン７の膜厚の平均値が、製品化するガラス基板５に形成されるアモルファスシリコン７の膜厚の規格値に対して９０％未満および１１０％を超える場合には条件出し用のガラス基板５として使用しない。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザビームの状況に関わらず、光が最も散乱する際におけるエネルギ密度を容易に見つけ出せるとともに、散乱度の最も高い位置に相当するエネルギ密度に所定のエネルギ密度を加えて設定値とし、この設定値に基づいて、非晶質シリコン半導体をレーザアニールすることにより、常に最適なレーザアニールができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザアニール装置の一実施の形態でアニールしたガラス基板を示す説明図である。
【図２】 同上レーザアニール装置を示す説明図である。
【図３】 同上レーザアニール装置で製造した薄膜トランジスタを示す断面図である。
【符号の説明】
２ 多結晶シリコン半導体としてのポリシリコン
５ 透光性基板としてのガラス基板
７ 非晶質シリコン半導体としてのアモルファスシリコン
23 アッテネータとしてのバリアブルアッテネータ
Ｂ レーザビームとしてのエキシマレーザビーム
Claims (4)
- 一主面に非晶質シリコン半導体の薄膜を堆積した透光性基板にレーザビームを照射して、前記非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にするレーザアニール方法であって、
条件出し用の非晶質シリコン半導体に向けて、異なる大きさのエネルギ密度を持つレーザビームをそれぞれ異なる位置に照射し、この非晶質シリコン半導体をレーザアニールして多結晶シリコンとし、
この異なる大きさのエネルギ密度でレーザアニールされた前記多結晶シリコン半導体の表面中の光の散乱度の最も高い位置を検出し、
この散乱度の最も高い位置に照射されたレーザビームのエネルギ密度に、条件出し用の非晶質シリコン半導体の膜厚の平均値と製品用の透光性基板に形成する非晶質シリコン半導体の膜厚の規格値との膜厚比が、
９０％以上９４％未満で、２０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上５０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、
９４％以上９８％未満で、１５ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、
９８％以上１０２％未満で、１０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上４０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、
１０２％以上１０６％未満で、５Ｊ/ｃｍ ２ 以上３５ｍＪ/ｃｍ ２ 以下であり、
１０６％以上１１０％未満で、０ｍＪ/ｃｍ ２ 以上３０ｍＪ/ｃｍ ２ 以下のエネルギ密度を加えて設定値とし、
この設定値に基づいて、製品用の前記透光性基板に形成された非晶質シリコン半導体をレーザアニールし、この非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にする
ことを特徴としたレーザアニール方法。 - 一主面に非晶質シリコン半導体薄膜を堆積した透光性基板に、光の減衰器であるアッテネータの透過率でエネルギ密度が調整されたレーザビームを照射して、前記非晶質シリコン半導体薄膜を多結晶シリコン半導体とするレーザアニール方法であって、
条件出し用の非晶質シリコン半導体に向けて、異なる前記アッテネータの透過率によるレーザビームをそれぞれ異なる位置に照射し、この非晶質シリコンをレーザアニールして多結晶シリコンとし、
この異なる条件でレーザアニールされた前記多結晶シリコンの表面中の光の散乱度が最も高い位置を検出し、
この散乱度の最も高い位置に照射されたレーザビームのアッテネータの透過率に、条件出し用の非晶質シリコン半導体の膜厚の平均値と製品用の透光性基板に形成する非晶質シリコン半導体の膜厚の規格値との膜厚比が、
９０％以上９４％未満で、４％以上１０％以下であり、
９４％以上９８％未満で、３％以上９％以下であり、
９８％以上１０２％未満で、２％以上８％以下であり、
１０２％以上１０６％未満で、１％以上７％以下であり、
１０６％以上１１０％未満で、０％以上６％以下の透過率を加えて透過率の設定値とし、
この設定値に基づいて、製品用の前記透光性基板に形成された非晶質シリコン半導体をレーザアニールし、この非晶質シリコン半導体を多結晶シリコンにする
ことを特徴とするレーザアニール方法。 - 1枚の条件出し用非晶質シリコン半導体で設定値を求める
ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザアニール方法。 - レーザのガスを交換した後と、次のガス交換に至る前とで設定値を求める
ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザアニール方法。
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