JP4845267B2 - レーザアニール装置および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エキシマレーザを照射して、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装置およびレーザアニール方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ(Liquid Crystal Display：ＬＣＤ)は、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)を用いた薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor：ＴＦＴ)から、多結晶シリコン半導体であるポリシリコンを用いた薄膜トランジスタへと移行されつつある。
【０００３】
これは、アモルファスシリコンに比べ、ポリシリコンの電界移動度(μＦＥ)が高いためであり、液晶ディスプレイの駆動も含めた高性能化が可能となるからである。
【０００４】
また、ポリシリコンは、エキシマレーザアニール法により形成するのが主流であり、このエキシマレーザアニール法は、アモルファスシリコンにエキシマレーザを照射して、このアモルファスシリコンをアニールすることにより、このアモルファスシリコンをポリシリコンにする。さらに、このエキシマレーザアニール法では、エキシマレーザに対して透光性基板としてのガラス基板の位置を順次移動して、このガラス基板上に設置したアモルファスシリコンの所望の領域をポリシリコンにする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のエキシマレーザアニール法では、アモルファスシリコンをアニールすることにより形成されるポリシリコンの表面に凹凸である突起が形成されてしまうため、このポリシリコンを用いて製造した薄膜トランジスタのゲートリーク電流が増大しやすい。
【０００６】
そして、ゲートリーク電流の増加を避けるためには、薄膜トランジスタのゲート酸化膜の膜厚を厚くする必要がある。ところが、薄膜トランジスタのゲート酸化膜の膜厚を厚くすると、この薄膜トランジスタの駆動電流を稼ぐことができず、ポリシリコンが本来有する高速スイッチング性能を確保できず、液晶ディスプレイヘのモノリシックポリシリコンＤＡコンバータ搭載や１２０ピクセル/ｃｍなどの高性能かつ高精細な液晶ディスプレイの実現を阻害してしまうという問題を有している。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、アニール時に形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起を低減できるレーザアニール装置およびレーザアニール方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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薄膜を堆積した透光性基板が設置されるステージと、このステージ上に設置された前記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、前記非晶質シリコン半導体をアニールし、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レーザ発振手段と、前記ステージ上に設置された前記透光性基板上の前記レーザビームが照射される領域を囲う雰囲気制御手段と、この雰囲気制御手段内に異なるガスを供給し得る複数のガス供給手段と、このガス供給手段により供給された前記雰囲気制御手段内のガスを排気する排気調整手段とを具備し、前記ガス供給手段は、前記雰囲気制御手段内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインと、前記雰囲気制御手段内に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給ラインとを備えているものである。
【０００９】
そして、この構成では、ステージ上に設置させた透光性基板の一主面に堆積した非晶質シリコン半導体に向けてレーザ発振手段によりレーザビームを照射して、非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にする際に、雰囲気制御手段の雰囲気を、窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインと、前記雰囲気制御手段内に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給ラインとを備えるガス供給手段および排気調整手段により適宜に変換して非晶質シリコン半導体をアニールすることにより、この非晶質シリコン半導体をアニールした際に形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起が低減可能となる。
【００１０】
また、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、前記非晶質シリコン半導体をアニールし、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際に、第１の雰囲気でアニールする第１レーザアニール工程と、前記レーザビームを一旦遮断して前記第１の雰囲気とは異なる第２の雰囲気に変換した後、この第２の雰囲気で前記レーザビームを照射してアニールする第２レーザアニール工程とを有するものである。
【００１１】
そして、この構成では、雰囲気の異なる第１レーザアニール工程および第２レーザアニール工程それぞれで、透光性基板上の非晶質シリコン半導体をレーザビームの照射でアニールすることにより、この非晶質シリコン半導体から形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起が低減可能となる。
【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および図２を参照して説明する。
【００１３】
図１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、ガラス基板５上のほぼ全面に位置する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30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30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。
【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内であるレーザ発振器11の近傍に配設されており、このシャッタ18への開閉信号を受信した際に、６０±５０ｍｓの範囲内でエキシマレーザビームＢの通過または遮断を完了する。この結果、ステージ40が６０ｍｍ/ｓのスピードで移動しても、エキシマレーザビームＢの照射開始および終了位置が±３．０ｍｍの範囲に収まる。
【００１９】
そして、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、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、第１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の透過率を変更する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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Ｂの光路前方には、内部でガラス基板５上のエキシマレーザビームＢが照射される領域を囲う雰囲気制御手段38が配設されている。この雰囲気制御手段38内は、エキシマレーザビームＢが照射されるガラス基板５上の雰囲気中の酸素濃度が時系列的に複数、例えば２つの異なる濃度、すなわち第１の雰囲気および第２の雰囲気に調整可能である。
【００２８】
さらに、これら雰囲気制御手段38およびステージ40などを囲うようにアニールチャンバ30が配置され、このアニールチャンバ30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。さらに、アニーラウインドウ39と、アニールチャンバ30との間には、これらアニーラウインドウ39およびアニールチャンバ30間を気密にするシール用のＯリング39aが取り付けられている。このＯリング39aは、気密またはそれに準ずる構造で、外気と接触する部分に対してシール機構が施されている。
【００２９】
また、アニールチャンバ30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。
【００３０】
ここで、このステージ40上に設置したガラス基板５上は、雰囲気制御手段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。
【００３１】
さらに、雰囲気制御手段38には、この雰囲気制御手段38内に異なるガスを供給し得る複数のガス供給手段としての窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42が接続されている。そして、この窒素ガス供給ライン41は、雰囲気制御手段38内に窒素ガスを供給する。また、混合ガス供給ライン42は、雰囲気制御手段38内に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する。さらに、これら窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とは、雰囲気制御手段38の近傍の位置で、互いの下流端が合流接続されている。
【００３２】
そして、窒素ガス供給ライン41は、窒素ガスの流量を調整してこの窒素ガスを雰囲気制御手段38内に供給する流量調整制御手段としての第１の窒素ガス流量制御部43と、第２の窒素ガス流量制御部44とを備えている。これら第１の窒素ガス流量制御部43と第２の窒素ガス流量制御部44とは、雰囲気制御手段38より手前の位置で、互いに接続されている。
【００３３】
また、これら第１の窒素ガス流量制御部43および第２の窒素ガス流量制御部44を合流接続した位置と、雰囲気制御手段38との間には、この雰囲気制御手段38内に供給した混合ガスを窒素ガスに入れ換える動作を促進させるガス交換促進手段である窒素ガスバルブ45が接続されている。
【００３４】
さらに、混合ガス供給ライン42は、窒素ガスの流量を調整してこの窒素ガスを雰囲気制御手段38内に供給する流量調整制御手段としての第３の窒素ガス流量制御部46と、酸素ガスの流量を調整してこの酸素ガスを雰囲気制御手段38内に供給する流量調整制御手段としての酸素ガス流量制御部47とを備えている。そして、これら第３の窒素ガス流量制御部46および酸素ガス流量制御部47のそれぞれの下流端は、これら第３の窒素ガス流量制御部46および酸素ガス流量制御部47から供給される窒素ガスと酸素ガスとを均一な濃度に混合させるミキシングタンク48にそれぞれ接続されている。
【００３５】
このミキシングタンク48の下流端は、このミキシングタンク48内で混合した混合ガスを雰囲気制御手段38内に供給するためこの雰囲気制御手段38に接続されている。そして、このミキシングタンク48と雰囲気制御手段38との間には、この雰囲気制御手段38内に供給した混合ガスを窒素ガスに入れ換える動作を促進させるガス交換促進手段である酸素ガスバルブ49が接続されている。
【００３６】
また、アニールチャンバ30には、窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とにより供給されたガスを排気する排気調整手段51が接続されている。この排気調整手段51は、アニールチャンバ30内を主として排気する主排気ライン52と、この主排気ライン52の内径寸法より細い内径寸法を有し、アニールチャンバ30内を補助的に排気する副排気ライン53とを備えている。
【００３７】
そして、主排気ライン52には、この主排気ライン52内を通過するガスの流量を調整する主排気コンダクタンス調整バルブ54が接続されている。この主排気コンダクタンス調整バルブ54には、この主排気ライン52内を通過するガスの流量が調整可能な流量調整弁としての第１のニードル弁55が取り付けられている。また、この主排気ライン52の上流端は、アニールチャンバ30に接続されている。
【００３８】
さらに、副排気ライン53には、この主排気ライン52内を通過するガスの流量を調整する複数、例えば２台の副排気コンダクタンス調整バルブ56，57が直列に接続されている。そして、上流側に位置する副排気コンダクタンス調整バルブ56の上流端は、アニールチャンバ30に接続されており、この副排気コンダクタンス調整バルブ56には、この副排気コンダクタンス調整バルブ56内を通過するガスの流量が調整可能な流量調整弁としての第２のニードル弁58が取り付けられている。また、下流側に位置する副排気コンダクタンス調整バルブ57の下流端は、主排気コンダクタンス調整バルブ54より下流側で主排気ライン52に接続されている。
【００３９】
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２を参照して説明する。
【００４０】
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。このアンダーコート層６は、ＳｉＮｘからなる層５０ｎｍと、ＳｉＯｘからなる層１００ｎｍとをプラズマＣＶＤ法で成膜することにより形成されている。
【００４１】
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の膜厚は、約５０ｎｍである。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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製造方法について説明する。
【００４８】
まず、ガラス基板５の一主面に、シリコン窒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を形成し、連続して５０ｎｍの膜厚でアモルファスシリコン７を成膜する。
【００４９】
そして、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。
【００５０】
この後、ガラス基板５をレーザアニール装置に移す。
【００５１】
そして、窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42で、アニールチャンバ30内の酸素濃度を２％にして第１の雰囲気にした状態で、ガラス基板５を設置したステージ40を６０ｍｍ/ｓで移動させる。このとき、ガラス基板５上へのエキシマレーザビームＢの照射エネルギ密度を３２０ｍＪ/ｃｍ２と設定し、このエキシマレーザビームＢのレーザ発振周波数を３００Ｈｚに設定する。
【００５２】
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の波長は３０８ｎｍであり、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。
【００５３】
この状態で、レーザ発振器11から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の全面をレーザアニールし、第１レーザアニール工程を行なう。この結果、ステージ40に設置したガラス基板５上のアモルファスシリコン７に、結晶核が形成される。そして、全面への第１レーザアニール工程を終えた時点でシャッタ18を一度遮断して、エキシマレーザビームＢを遮断する。
【００５４】
次いで、窒素ガス供給ライン41から窒素ガスを１００ｌ/ｍｉｎ供給して、アニールチャンバ30内の雰囲気を第１の雰囲気とは異なる第２の雰囲気に俊敏に変換、すなわち置換する。
【００５５】
この後、窒素ガスバルブ45を絞り、窒素ガス供給ライン41から供給される窒素ガスの流量を３０ｌ/ｍｉｎとするとともに、第２のニードル弁58を調整してアニールチャンバ30内の酸素ガスを副排気ライン53で排気する。この結果、アニールチャンバ30内でのステージ40に設置したガラス基板５上の酸素濃度を、瞬時に５０ｐｐｍ以下に安定化できる。
【００５６】
この状態で、シャッタ18を開き、ガラス基板５を設置したステージ40を６ｍｍ/ｓで移動させ、再度第２レーザアニール工程を行なう。このとき、ガラス基板５上へのエキシマレーザビームＢの照射エネルギ密度を３５０ｍＪ/ｃｍ２と設定し、このエキシマレーザビームＢのレーザ発振周波数を３００Ｈｚに設定する。
【００５７】
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の波長は３０８ｎｍであり、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。
【００５８】
そして、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をレーザアニールする。この結果、先のレーザアニールによりアモルファスシリコン７に形成された結晶核を中心とする突起の低いポリシリコン２が形成される。
【００５９】
次に、このポリシリコン２をパターニングした後、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
上述したように、上記一実施の形態によれば、ステージ40に設置したガラス基板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を照射しながらこのステージ40を走査して、ガラス基板５のほぼ全面に多結晶化のためのレーザアニールをする際に、レーザ発振器11のシャッタ18を高速で動作させてこのレーザ発振器11から発振されるエキシマレーザビームＢを遮断または通過させ、さらに、窒素ガスを供給する窒素ガス供給ライン41、酸素ガスを供給する酸素ガス供給ライン49、および排気調整手段51で、ステージ40上に設置したガラス基板５上の酸素濃度を調整して、このガラス基板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、アモルファスシリコン７をエキシマレーザビームＢでレーザアニールした際に形成されるポリシリコン２の表面の突起を低減できる。
【００６５】
この結果、このポリシリコン２を用いて製造した薄膜トランジスタ３のゲートリーク電流の増大を避けることができる。
【００６６】
このため、薄膜トランジスタ３の駆動電流を小さくすることができるとともに、ポリシリコン２が本来有する高速スイッチング性能を確保でき、さらには、高い電流駆動能力を持つ薄膜トランジスタ３をガラス基板５上の略全域で均一に製造できるから、デジタル信号をアナログ信号に置き換えるＤＡコンバータや駆動回路一体型の大型な高精細液晶ディスプレイなどを製造できる。
【００６７】
また、アニールチャンバ30内の酸素濃度を置換する際における排気速度は、排気調整手段51のコンダクタンスに大きく影響する。このため、アニールチャンバ30内を主として排気する主排気ライン52と、このアニールチャンバ30内を補助的に排気する副排気ライン53とにより排気調整手段51を構成したことにより、アニールチャンバ30内のガラス基板５上の酸素濃度を精密に制御できる。
【００６８】
さらに、レーザ本体12内であるレーザ発振器11の近傍に配設したシャッタ18が、開閉信号を受信した際に６０±５０ｍｓの範囲内でエキシマレーザビームＢの通過または遮断を完了する。この結果、ステージ40が６０ｍｍ/ｓのスピードで移動しても、エキシマレーザビームＢの照射開始および終了位置が±３．０ｍｍの範囲に収まるため、実用上の問題となることはない。
【００６９】
そして、窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とによりアニールチャンバ30内の酸素濃度を置換するため、このアニールチャンバ30内の酸素濃度を置換する際に掛かる時間を短縮できる。
【００７０】
また、アニールチャンバ30内であるこのアニールチャンバ30の近傍の位置で、窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とのそれぞれの下流端を合流接続したため、これら窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42による窒素ガスまたは酸素ガスの供給を停止した際におけるこれら窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42内に残留する窒素ガスまたは酸素ガスの分量を少なくできる。よって、アニールチャンバ30内の雰囲気をより正確かつ俊敏に置換できる。
【００７１】
さらに、排気調整手段51の主排気ライン52に第１のニードル弁55を取り付け、この排気調整手段51の副排気ライン53に第２のニードル弁58を取り付けたため、これら主排気ライン52および副排気ライン53によるアニールチャンバ30内をより正確かつ俊敏に排気できる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、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、非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にする際に、雰囲気を適宜に変換して非晶質シリコン半導体をアニールすることにより、この非晶質シリコン半導体をアニールした際に形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起を低減できる。
【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を示す説明図である。
【図２】同上レーザアニール装置により製造される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
11 レーザ発振手段としてのレーザ発振器
18 シャッタ
38 雰囲気制御手段
40 ステージ
41 ガス供給手段としての窒素ガス供給ライン
42 ガス供給手段としての混合ガス供給ライン
45 ガス交換促進手段としての窒素ガスバルブ
49 ガス交換促進手段としての酸素ガスバルブ
51 排気調整手段
52 主排気ライン
53 副排気ライン
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エキシマレーザを照射して、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装置およびレーザアニール方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイ(Liquid Crystal Display：ＬＣＤ)は、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)を用いた薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor：ＴＦＴ)から、多結晶シリコン半導体であるポリシリコンを用いた薄膜トランジスタへと移行されつつある。
【０００３】
これは、アモルファスシリコンに比べ、ポリシリコンの電界移動度(μＦＥ)が高いためであり、液晶ディスプレイの駆動も含めた高性能化が可能となるからである。
【０００４】
また、ポリシリコンは、エキシマレーザアニール法により形成するのが主流であり、このエキシマレーザアニール法は、アモルファスシリコンにエキシマレーザを照射して、このアモルファスシリコンをアニールすることにより、このアモルファスシリコンをポリシリコンにする。さらに、このエキシマレーザアニール法では、エキシマレーザに対して透光性基板としてのガラス基板の位置を順次移動して、このガラス基板上に設置したアモルファスシリコンの所望の領域をポリシリコンにする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のエキシマレーザアニール法では、アモルファスシリコンをアニールすることにより形成されるポリシリコンの表面に凹凸である突起が形成されてしまうため、このポリシリコンを用いて製造した薄膜トランジスタのゲートリーク電流が増大しやすい。
【０００６】
そして、ゲートリーク電流の増加を避けるためには、薄膜トランジスタのゲート酸化膜の膜厚を厚くする必要がある。ところが、薄膜トランジスタのゲート酸化膜の膜厚を厚くすると、この薄膜トランジスタの駆動電流を稼ぐことができず、ポリシリコンが本来有する高速スイッチング性能を確保できず、液晶ディスプレイヘのモノリシックポリシリコンＤＡコンバータ搭載や１２０ピクセル/ｃｍなどの高性能かつ高精細な液晶ディスプレイの実現を阻害してしまうという問題を有している。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、アニール時に形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起を低減できるレーザアニール装置およびレーザアニール方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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薄膜を堆積した透光性基板が設置されるステージと、このステージ上に設置された前記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、前記非晶質シリコン半導体をアニールし、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レーザ発振手段と、前記ステージ上に設置された前記透光性基板上の前記レーザビームが照射される領域を囲う雰囲気制御手段と、この雰囲気制御手段内に異なるガスを供給し得る複数のガス供給手段と、このガス供給手段により供給された前記雰囲気制御手段内のガスを排気する排気調整手段とを具備し、前記ガス供給手段は、前記雰囲気制御手段内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインと、前記雰囲気制御手段内に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給ラインとを備えているものである。
【０００９】
そして、この構成では、ステージ上に設置させた透光性基板の一主面に堆積した非晶質シリコン半導体に向けてレーザ発振手段によりレーザビームを照射して、非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にする際に、雰囲気制御手段の雰囲気を、窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインと、前記雰囲気制御手段内に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給ラインとを備えるガス供給手段および排気調整手段により適宜に変換して非晶質シリコン半導体をアニールすることにより、この非晶質シリコン半導体をアニールした際に形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起が低減可能となる。
【００１０】
また、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、前記非晶質シリコン半導体をアニールし、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際に、第１の雰囲気でアニールする第１レーザアニール工程と、前記レーザビームを一旦遮断して前記第１の雰囲気とは異なる第２の雰囲気に変換した後、この第２の雰囲気で前記レーザビームを照射してアニールする第２レーザアニール工程とを有するものである。
【００１１】
そして、この構成では、雰囲気の異なる第１レーザアニール工程および第２レーザアニール工程それぞれで、透光性基板上の非晶質シリコン半導体をレーザビームの照射でアニールすることにより、この非晶質シリコン半導体から形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起が低減可能となる。
【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および図２を参照して説明する。
【００１３】
図１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、ガラス基板５上のほぼ全面に位置する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30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30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。
【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内であるレーザ発振器11の近傍に配設されており、このシャッタ18への開閉信号を受信した際に、６０±５０ｍｓの範囲内でエキシマレーザビームＢの通過または遮断を完了する。この結果、ステージ40が６０ｍｍ/ｓのスピードで移動しても、エキシマレーザビームＢの照射開始および終了位置が±３．０ｍｍの範囲に収まる。
【００１９】
そして、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、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、第１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の透過率を変更する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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Ｂの光路前方には、内部でガラス基板５上のエキシマレーザビームＢが照射される領域を囲う雰囲気制御手段38が配設されている。この雰囲気制御手段38内は、エキシマレーザビームＢが照射されるガラス基板５上の雰囲気中の酸素濃度が時系列的に複数、例えば２つの異なる濃度、すなわち第１の雰囲気および第２の雰囲気に調整可能である。
【００２８】
さらに、これら雰囲気制御手段38およびステージ40などを囲うようにアニールチャンバ30が配置され、このアニールチャンバ30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。さらに、アニーラウインドウ39と、アニールチャンバ30との間には、これらアニーラウインドウ39およびアニールチャンバ30間を気密にするシール用のＯリング39aが取り付けられている。このＯリング39aは、気密またはそれに準ずる構造で、外気と接触する部分に対してシール機構が施されている。
【００２９】
また、アニールチャンバ30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。
【００３０】
ここで、このステージ40上に設置したガラス基板５上は、雰囲気制御手段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。
【００３１】
さらに、雰囲気制御手段38には、この雰囲気制御手段38内に異なるガスを供給し得る複数のガス供給手段としての窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42が接続されている。そして、この窒素ガス供給ライン41は、雰囲気制御手段38内に窒素ガスを供給する。また、混合ガス供給ライン42は、雰囲気制御手段38内に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する。さらに、これら窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とは、雰囲気制御手段38の近傍の位置で、互いの下流端が合流接続されている。
【００３２】
そして、窒素ガス供給ライン41は、窒素ガスの流量を調整してこの窒素ガスを雰囲気制御手段38内に供給する流量調整制御手段としての第１の窒素ガス流量制御部43と、第２の窒素ガス流量制御部44とを備えている。これら第１の窒素ガス流量制御部43と第２の窒素ガス流量制御部44とは、雰囲気制御手段38より手前の位置で、互いに接続されている。
【００３３】
また、これら第１の窒素ガス流量制御部43および第２の窒素ガス流量制御部44を合流接続した位置と、雰囲気制御手段38との間には、この雰囲気制御手段38内に供給した混合ガスを窒素ガスに入れ換える動作を促進させるガス交換促進手段である窒素ガスバルブ45が接続されている。
【００３４】
さらに、混合ガス供給ライン42は、窒素ガスの流量を調整してこの窒素ガスを雰囲気制御手段38内に供給する流量調整制御手段としての第３の窒素ガス流量制御部46と、酸素ガスの流量を調整してこの酸素ガスを雰囲気制御手段38内に供給する流量調整制御手段としての酸素ガス流量制御部47とを備えている。そして、これら第３の窒素ガス流量制御部46および酸素ガス流量制御部47のそれぞれの下流端は、これら第３の窒素ガス流量制御部46および酸素ガス流量制御部47から供給される窒素ガスと酸素ガスとを均一な濃度に混合させるミキシングタンク48にそれぞれ接続されている。
【００３５】
このミキシングタンク48の下流端は、このミキシングタンク48内で混合した混合ガスを雰囲気制御手段38内に供給するためこの雰囲気制御手段38に接続されている。そして、このミキシングタンク48と雰囲気制御手段38との間には、この雰囲気制御手段38内に供給した混合ガスを窒素ガスに入れ換える動作を促進させるガス交換促進手段である酸素ガスバルブ49が接続されている。
【００３６】
また、アニールチャンバ30には、窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とにより供給されたガスを排気する排気調整手段51が接続されている。この排気調整手段51は、アニールチャンバ30内を主として排気する主排気ライン52と、この主排気ライン52の内径寸法より細い内径寸法を有し、アニールチャンバ30内を補助的に排気する副排気ライン53とを備えている。
【００３７】
そして、主排気ライン52には、この主排気ライン52内を通過するガスの流量を調整する主排気コンダクタンス調整バルブ54が接続されている。この主排気コンダクタンス調整バルブ54には、この主排気ライン52内を通過するガスの流量が調整可能な流量調整弁としての第１のニードル弁55が取り付けられている。また、この主排気ライン52の上流端は、アニールチャンバ30に接続されている。
【００３８】
さらに、副排気ライン53には、この主排気ライン52内を通過するガスの流量を調整する複数、例えば２台の副排気コンダクタンス調整バルブ56，57が直列に接続されている。そして、上流側に位置する副排気コンダクタンス調整バルブ56の上流端は、アニールチャンバ30に接続されており、この副排気コンダクタンス調整バルブ56には、この副排気コンダクタンス調整バルブ56内を通過するガスの流量が調整可能な流量調整弁としての第２のニードル弁58が取り付けられている。また、下流側に位置する副排気コンダクタンス調整バルブ57の下流端は、主排気コンダクタンス調整バルブ54より下流側で主排気ライン52に接続されている。
【００３９】
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２を参照して説明する。
【００４０】
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。このアンダーコート層６は、ＳｉＮｘからなる層５０ｎｍと、ＳｉＯｘからなる層１００ｎｍとをプラズマＣＶＤ法で成膜することにより形成されている。
【００４１】
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の膜厚は、約５０ｎｍである。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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製造方法について説明する。
【００４８】
まず、ガラス基板５の一主面に、シリコン窒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を形成し、連続して５０ｎｍの膜厚でアモルファスシリコン７を成膜する。
【００４９】
そして、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。
【００５０】
この後、ガラス基板５をレーザアニール装置に移す。
【００５１】
そして、窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42で、アニールチャンバ30内の酸素濃度を２％にして第１の雰囲気にした状態で、ガラス基板５を設置したステージ40を６０ｍｍ/ｓで移動させる。このとき、ガラス基板５上へのエキシマレーザビームＢの照射エネルギ密度を３２０ｍＪ/ｃｍ２と設定し、このエキシマレーザビームＢのレーザ発振周波数を３００Ｈｚに設定する。
【００５２】
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の波長は３０８ｎｍであり、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。
【００５３】
この状態で、レーザ発振器11から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の全面をレーザアニールし、第１レーザアニール工程を行なう。この結果、ステージ40に設置したガラス基板５上のアモルファスシリコン７に、結晶核が形成される。そして、全面への第１レーザアニール工程を終えた時点でシャッタ18を一度遮断して、エキシマレーザビームＢを遮断する。
【００５４】
次いで、窒素ガス供給ライン41から窒素ガスを１００ｌ/ｍｉｎ供給して、アニールチャンバ30内の雰囲気を第１の雰囲気とは異なる第２の雰囲気に俊敏に変換、すなわち置換する。
【００５５】
この後、窒素ガスバルブ45を絞り、窒素ガス供給ライン41から供給される窒素ガスの流量を３０ｌ/ｍｉｎとするとともに、第２のニードル弁58を調整してアニールチャンバ30内の酸素ガスを副排気ライン53で排気する。この結果、アニールチャンバ30内でのステージ40に設置したガラス基板５上の酸素濃度を、瞬時に５０ｐｐｍ以下に安定化できる。
【００５６】
この状態で、シャッタ18を開き、ガラス基板５を設置したステージ40を６ｍｍ/ｓで移動させ、再度第２レーザアニール工程を行なう。このとき、ガラス基板５上へのエキシマレーザビームＢの照射エネルギ密度を３５０ｍＪ/ｃｍ２と設定し、このエキシマレーザビームＢのレーザ発振周波数を３００Ｈｚに設定する。
【００５７】
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の波長は３０８ｎｍであり、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。
【００５８】
そして、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をレーザアニールする。この結果、先のレーザアニールによりアモルファスシリコン７に形成された結晶核を中心とする突起の低いポリシリコン２が形成される。
【００５９】
次に、このポリシリコン２をパターニングした後、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
上述したように、上記一実施の形態によれば、ステージ40に設置したガラス基板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を照射しながらこのステージ40を走査して、ガラス基板５のほぼ全面に多結晶化のためのレーザアニールをする際に、レーザ発振器11のシャッタ18を高速で動作させてこのレーザ発振器11から発振されるエキシマレーザビームＢを遮断または通過させ、さらに、窒素ガスを供給する窒素ガス供給ライン41、酸素ガスを供給する酸素ガス供給ライン49、および排気調整手段51で、ステージ40上に設置したガラス基板５上の酸素濃度を調整して、このガラス基板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、アモルファスシリコン７をエキシマレーザビームＢでレーザアニールした際に形成されるポリシリコン２の表面の突起を低減できる。
【００６５】
この結果、このポリシリコン２を用いて製造した薄膜トランジスタ３のゲートリーク電流の増大を避けることができる。
【００６６】
このため、薄膜トランジスタ３の駆動電流を小さくすることができるとともに、ポリシリコン２が本来有する高速スイッチング性能を確保でき、さらには、高い電流駆動能力を持つ薄膜トランジスタ３をガラス基板５上の略全域で均一に製造できるから、デジタル信号をアナログ信号に置き換えるＤＡコンバータや駆動回路一体型の大型な高精細液晶ディスプレイなどを製造できる。
【００６７】
また、アニールチャンバ30内の酸素濃度を置換する際における排気速度は、排気調整手段51のコンダクタンスに大きく影響する。このため、アニールチャンバ30内を主として排気する主排気ライン52と、このアニールチャンバ30内を補助的に排気する副排気ライン53とにより排気調整手段51を構成したことにより、アニールチャンバ30内のガラス基板５上の酸素濃度を精密に制御できる。
【００６８】
さらに、レーザ本体12内であるレーザ発振器11の近傍に配設したシャッタ18が、開閉信号を受信した際に６０±５０ｍｓの範囲内でエキシマレーザビームＢの通過または遮断を完了する。この結果、ステージ40が６０ｍｍ/ｓのスピードで移動しても、エキシマレーザビームＢの照射開始および終了位置が±３．０ｍｍの範囲に収まるため、実用上の問題となることはない。
【００６９】
そして、窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とによりアニールチャンバ30内の酸素濃度を置換するため、このアニールチャンバ30内の酸素濃度を置換する際に掛かる時間を短縮できる。
【００７０】
また、アニールチャンバ30内であるこのアニールチャンバ30の近傍の位置で、窒素ガス供給ライン41と混合ガス供給ライン42とのそれぞれの下流端を合流接続したため、これら窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42による窒素ガスまたは酸素ガスの供給を停止した際におけるこれら窒素ガス供給ライン41および混合ガス供給ライン42内に残留する窒素ガスまたは酸素ガスの分量を少なくできる。よって、アニールチャンバ30内の雰囲気をより正確かつ俊敏に置換できる。
【００７１】
さらに、排気調整手段51の主排気ライン52に第１のニードル弁55を取り付け、この排気調整手段51の副排気ライン53に第２のニードル弁58を取り付けたため、これら主排気ライン52および副排気ライン53によるアニールチャンバ30内をより正確かつ俊敏に排気できる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、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、非晶質シリコン半導体を多結晶シリコン半導体にする際に、雰囲気を適宜に変換して非晶質シリコン半導体をアニールすることにより、この非晶質シリコン半導体をアニールした際に形成される多結晶シリコン半導体の表面の突起を低減できる。
【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を示す説明図である。
【図２】同上レーザアニール装置により製造される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
11 レーザ発振手段としてのレーザ発振器
18 シャッタ
38 雰囲気制御手段
40 ステージ
41 ガス供給手段としての窒素ガス供給ライン
42 ガス供給手段としての混合ガス供給ライン
45 ガス交換促進手段としての窒素ガスバルブ
49 ガス交換促進手段としての酸素ガスバルブ
51 排気調整手段
52 主排気ライン
53 副排気ライン
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薄膜を堆積した透光性基板が設置されるステージと、
このステージ上に設置された前記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、前記非晶質シリコン半導体をアニールし、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レーザ発振手段と、
前記ステージ上に設置された前記透光性基板上の前記レーザビームが照射される領域を囲う雰囲気制御手段と、
この雰囲気制御手段内に異なるガスを供給し得る複数のガス供給手段と、
このガス供給手段により供給された前記雰囲気制御手段内のガスを排気する排気調整手段とを具備し、
前記ガス供給手段は、
前記雰囲気制御手段内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインと、
前記雰囲気制御手段内に窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給ラインとを備えている
ことを特徴としたレーザアニール装置。 - 窒素ガス供給ラインと混合ガス供給ラインとは、雰囲気制御手段内で互いの下流端が合流接続されている
ことを特徴とした請求項１記載のレーザアニール装置。 - ガス供給手段は、雰囲気制御手段内に供給した混合ガスを窒素ガスに入れ換える動作を促進させるガス交換促進手段を備えている
ことを特徴とした請求項１記載のレーザアニール装置。 - 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、前記非晶質シリコン半導体をアニールし、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際に、第１の雰囲気でアニールする第１レーザアニール工程と、
前記レーザビームを一旦遮断して前記第１の雰囲気とは異なる第２の雰囲気に変換した後、この第２の雰囲気で前記レーザビームを照射してアニールする第２レーザアニール工程と
を有することを特徴としたレーザアニール方法。
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