JP4946093B2 - レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法、レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置及びレーザアニール装置及び薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造等に用いられるレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法、レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置、レーザアニール装置及び薄膜トランジスタの製造方法に関する。

近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層にポリシリコン膜を用いた薄膜トランジスタの実用化が進められている。この薄膜トランジスタのチャネル層にポリシリコン膜を用いた場合、薄膜トランジスタの電界移動度が非常に高くなるため、例えば液晶ディスプレイ等の駆動回路として用いた場合には、この液晶ディスプレイの高精彩化、高速化、小型化等を実現することができるようになる。

また、エキシマレーザアニール装置を用いてアモルファスシリコン膜を熱処理してポリシリコン膜を形成する、いわゆる低温多結晶化プロセスも近年開発が進んでいる。このような低温多結晶プロセスを薄膜トランジスタの製造プロセスに適用することによって、ガラス基板への熱損傷が低くなり、大面積で安価なガラス基板を用いることができる。

しかし、低温多結晶プロセスにおいて用いられるエキシマレーザアニール装置は、その出力パワーが不安定であるため、形成されるポリシリコン膜のグレーンサイズが大きく変動する。そのため、エキシマレーザアニール装置を用いて形成されたポリシリコン膜は、常に良好なグレーンサイズとはならず、例えば、シリコン結晶が微結晶化してしまう、いわゆる線状不良となったり、十分大きなグレーンサイズが得られない、いわゆる書き込み不良となったりしてしまうという問題点があった。

そこで、一般に、このようなエキシマレーザアニール装置を用いてアニール処理を行う場合には、ポリシリコン膜の多結晶化工程が終了した段階で、その最表面に形成されているポリシリコン膜の結晶の状態を全数検査したり、或いは、製品を無作為に抜き取り結晶の状態を検査したりして、製造した製品がこの段階で不良品であるか否かを判断することが行われている

また、エキシマレーザアニール装置がポリシリコン膜へ与えられたエネルギー情報を、エキシマレーザアニール装置にフィードバックして最適なレーザパワーの設定が行われる。

然しながら、ポリシリコン膜を評価するには、走査型電子顕微鏡を用いて表面画像を撮像し、その表面画像を目視して結晶の状態を判断するといった感覚的な方法しかなく、非接触で客観的に判断することができなかった。

また電子ビームが気体分子との衝突により散乱してしまうのを防止するため、真空雰囲気中にて撮像を行う必要があり装置が大型となったり、真空排気待ち時間などによる撮像のＴＡＴ（turn around time）を短縮するため、真空予備室を設ける走査型電子顕微鏡等を用いて表面画像を撮像するものである。

例えば、１ｍ×１ｍサイズの大型フラットパネルディスプレイの基板のポリシリコン膜を評価する場合、これを支持してＸ−Ｙ方向に移動させるステージの稼働範囲としては少なくとも２ｍ四方のスペースを必要とし、このスペース全体を高真空に維持することは現実的ではなく、そのためフラットパネルディスプレイの基板のポリシリコン膜を走査型電子顕微鏡で評価する場合には、基板を所望のサイズに切って破壊検査しているのが現状である。

ところで、特許文献１には、ポリシリコン膜よりの散乱光を暗視野経路でＣＣＤカメラで受光し、このＣＣＤカメラを通してＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）別に色分解し、適正に多結晶化したときは、Ｒ散乱光やＧ散乱光がＢ散乱光に比して十分小さくなるので、このときは正常であると判定するようにしたものが開示されている。

斯かる特許文献１に開示の技術によれば、短時間のうちに非破壊で膜質を評価することができる。
特開２００１−１１０８６４号公報

然しながら、特許文献１に開示の技術では、ポリシリコン膜の結晶状態が正常であるかどうかの概略は、評価することはできるが、ポリシリコン膜を得るレーザアニール装置のレーザ光のエネルギーの最適エネルギーを求めることはできない。

本発明は、斯かる点に鑑み、ポリシリコン膜を得るレーザアニール装置のレーザ光のエネルギーの最適エネルギーを求めることができるようにすることを目的とする。

本発明レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法は、アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法において、このポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像し、撮像された映像信号の青色成分の信号強度特性を得、この信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーをこのレーザ光の最適エネルギーとするようにしたものである。

本発明レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置は、アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置において、このポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像する撮像手段と、この撮像手段より映像信号の青色成分の信号強度特性を得る信号強度特性形成手段と、この信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーを最適エネルギーと決定する決定手段とを有するものである。

本発明レーザアニール装置は、アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置において、このポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像手段を用いて撮像し、この撮像手段の映像信号の青色成分の信号強度特性を得、この信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーをこのレーザ光の最適エネルギーとするようにしたものである。
本発明薄膜トランジスタの製造方法は、アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置を用いた薄膜トランジスタの製造方法において、ポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像し、撮像された映像信号の青色成分の信号強度特性を得、この信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーをレーザ光のエネルギーに決定し、決定されたエネルギーでアモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るものである。

本発明によれば、青色成分の信号強度特性を得、この信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーをこのレーザ光の最適エネルギーとするようにしているので、グレーンサイズの良好なポリシリコン膜を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法、レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置及びレーザアニール装置を実施するための最良の形態の例につき説明する。

図１は、レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置及びレーザアニール装置の例の概略を示す。図１において、１は、例えばトップゲート構造を有する薄膜トランジスタ（以下トップゲート型ＴＦＴという。）の製造工程に形成されるポリシリコン膜を形成する際に、予めレーザアニール装置のレーザ光の最適エネルギーを決定するレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置を示す。

このトップゲート型ＴＦＴは、周知の構成のもので、例えばガラス基板上に、ポリシリコン膜（チャネル層）、ゲート絶縁膜、ゲート電極が下層から順に積層された構成とされた薄膜トランジスタである。このトップゲート型ＴＦＴは、チャネル層となるポリシリコン膜が最下層に形成されている。

このトップゲート型ＴＦＴのポリシリコン膜は、図２Ａに示す如く、ガラス基板１０上に下地保護膜１１を介して例えば、減圧ＣＶＤ法等によってアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２を成膜し、その後、このアモルファスシリコン膜１２を図２Ｂに示す如く、アニール処理し多結晶化しポリシリコン膜１３としたものである。

このポリシリコン膜１３を形成する多結晶化工程においては、紫外線レーザであるエキシマレーザを用いたレーザアニール装置が用いられる。

このエキシマレーザアニール装置は、その照射面が線状とされたパルスのレーザ光を出射し、パルスビームの照射領域を移動させながら、アモルファスシリコン膜１２を多結晶化してポリシリコン膜１３にするものである。

このレーザ光は、その照射面の形状が、例えば長手方向の長さが２０ｃｍ、短辺方向の長さが４００μｍとされ、パルスの周波数が３００Ｈｚとされている。エキシマレーザアニール処理を行う際のレーザ光の走査方向は、線状レーザの照射面の長手方向と直交する方向（すなわち、短辺方向）に行われる。

上述のトップゲート型ＴＦＴでは、チャネル層にポリシリコン膜を用いているため、チャネル層の電界移動度が非常に高くなる。そのため、例えば液晶ディスプレイ等の駆動回路として用いた場合には、液晶ディスプレイの高精細化、高速化、小型化等を実現することができる。

また、以上のようなトップゲート型ＴＦＴは、エキシマレーザアニール装置を用いてアモルファスシリコン膜１２を熱処理することによってポリシリコン膜１３を形成する、いわゆる低温多結晶化プロセスが用いられているので、多結晶化プロセスでのガラス基板１０への熱損傷が少なくなり、大面積で安価なガラス基板を用いることができる。

ところで、ポリシリコン膜の電界移動度を決定する重要な要素は、ポリシリコン膜１３のグレーンサイズ（結晶粒径）であるといわれている。そのグレーンサイズは、エキシマレーザアニール処理時においてポリシリコン膜１３を形成するときに与えられるエネルギーに大きく依存する。そのため、エキシマレーザアニール処理時におけるレーザ光のエネルギー密度の制御やその安定化が、完成したトップゲート型ＴＦＴの特性や歩留まりに大きく影響することとなる。

そこで、本発明者は種々研究を行い、以下述べる如くして、このレーザアニール装置のレーザ光の最適エネルギーを決定することとした。

図１に示すレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置１は、光学顕微鏡をベースにエネルギー決定機構を付加したものである。

このレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置１は、例えば後述するエキシマレーザアニール装置２０でレーザアニール処理しポリシリコン膜３１、３２…３６が形成された図３に示す如き基板３０を載置するＸ−Ｙステージ２と、出射した白色光をハーフミラー３によって下方に向けて照射する落射照明用光源（顕微鏡用光源）４と、ハーフミラー３とＸ−Ｙステージ２との間に配置された対物レンズ５とが配置されており、落射照明用光源４より出射した白色光は対物レンズ５を通して集光され、収束光が基板３０に対して照射される。

ここで、対物レンズ５は、明視野での観察だけでなく、暗視野での観察も可能である。また、対物レンズ５またはＸ−Ｙステージ２が装置光軸６に沿って上下することによりオートフォーカスが行われる。

さらに、本例レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置１は、基板３０に対して鉛直の向きに配置されたカラーＣＣＤカメラ（受光器）７が配置され、このカラーＣＣＤカメラ７が撮影したカラー映像信号をマイクロコンピュータ等より成る画像処理ユニット８に供給するごとくする。

上述構成において、落射用照明用光源４から平行光として出射された白色光が基板３０上のポリシリコン膜に照射され、暗視野もしくは明視野あるいはその両方で像が観察され、カラーＣＣＤカメラ７を通じてカラー映像信号をＲ、Ｇ、Ｂ別に色分解されて画像処理ユニット８に伝送される。

この画像処理ユニット８は、レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置１の全体をコントロールするホストコンピュータ９を介して、レーザアニール装置２０のレーザ光のエネルギーを制御するレーザ制御部２１にネットワークで接続する。

このホストコンピュータ９は、Ｘ−Ｙステージ２の駆動制御などの制御も司ると共にこのホストコンピュータ９は、対物レンズ５の自動交換、光源のオン／オフ、カラーＣＣＤカメラ７のゲイン調整なども行う。

本例においては、ポリシリコン膜の結晶状態を測定し、求めた結晶状態からレーザアニール装置２０の最適エネルギーをレーザ制御部２１にフィードバックすることにより、レーザ制御部２１がレーザアニール装置２０のレーザ光の最適エネルギーをレーザアニール装置本体部２２に供給しレーザアニール処理を行う。この場合、ホストコンピュータ９とレーザアニール装置２０のレーザ制御部２１とは必ずしも接続する必要はなく、最適エネルギーの情報に従って、レーザアニール装置２０のレーザ光のエネルギーを制御すれば良い。

次に、図１、図３、図４及び図５を参照して、レーザアニール装置２０のレーザ光の最適エネルギーを決定する動作につき説明する。

例えば、レーザアニール装置２０使用してレーザアニール処理を行う前に、このレーザアニール装置２０を使用し、複数例えば図３に示す如く、６個所に、レーザアニール装置２０のレーザ光のエネルギー密度を夫々Ｘ１、Ｘ２〜Ｘ６と変えてレーザアニール処理したポリシリコン膜３１、３２〜３６を用意する。この図３において、３０３は実パネル領域、３０４は照射エネルギー範囲、３０５は測定パターンである。

このレーザ光のエネルギー密度Ｘ１、Ｘ２〜Ｘ６は、エネルギー密度３００ｍＪ／ｃｍ^２〜５００ｍＪ／ｃｍ^２範囲のエネルギー密度を経験則に従って所定の値に割りふったものである。このエネルギー密度は、膜厚等種々の条件により異なるものである。

上述したエキシマレーザアニール装置２０によりレーザアニール処理して得たポリシリコン膜３１、３２〜３６のグレーンサイズは、図４の曲線ａに示す如く、レーザ光のエネルギーが増大するとそれに伴い増大するが、ある所定のエネルギー密度Ｘ１以上となるとグレーンサイズがある程度の大きさまで成長し、その後変化が少なくなる。このエネルギー密度Ｘ１のときの平均粒径は例えば２５０ｎｍである。

更に、このレーザ光のエネルギー密度を増大させエネルギー密度Ｘ４から、グレーンサイズの変化が急激に大きくなり始める。このエネルギー密度Ｘ４のときの平均粒径は例えば４５０ｎｍである。そして、臨界点寸前のエネルギー密度Ｘ５で十分大きなグレーンサイズが得られる。このエネルギー密度Ｘ５のときの平均粒径は例えば８００ｎｍ以上である。そして、エネルギー密度Ｘ６の臨界点を境としてポリシリコンが微結晶粒となってしまう。

以上のことから、ポリシリコン膜が十分に多結晶化しないエネルギー密度Ｘ１より低いエネルギー密度の場合には、ポリシリコン膜上には凹凸が少ないため、ほとんどの光は、鏡面反射する。従って、装置光軸６上に配置されたカラーＣＣＤカメラ７には、暗視野経路では光がほとんど届かない。それ故、カラーＣＣＤカメラ７からのＲ、Ｇ、Ｂ成分信号強度が低レベルである。例えば、Ｒ成分信号強度特性、Ｇ成分信号強度特性、Ｂ成分信号強度特性は図４の曲線ｒ、ｇ及びｂに示す如く共に信号強度レスポンスは５０前後である。

また、ポリシリコン膜の多結晶化が始まるエネルギー密度Ｘ２では、表面が大きく荒れてくるため、一部の光は鏡面反射するが、相当量の光はポリシリコン膜の表面で散乱し、そのうち、暗視野経路でもカラーＣＣＤカメラ７で受光される。それ故、カラーＣＣＤカメラ７には、散乱光が十分に届くことになる。

また、そのＲ、Ｇ及びＢ成分信号の散乱光強度は長波長側、すなわちＲ成分信号強度やＧ成分信号強度がＢ成分信号強度に比して相対的に強くなる。この時、カラーＣＣＤカメラ７からのＲ、Ｇ及びＢ成分信号はＲ成分信号強度特性ｒ、Ｇ成分信号強度特性ｇ、Ｂ成分信号強度特性ｂに示す如く共に信号強度がピークレベル（極大点）に達する。

これに対して、ポリシリコン膜が適正なエネルギー密度Ｘ３で多結晶化してくると、その表面には微細な凹凸が形成されてくるので、一部の光はポリシリコン膜の表面で散乱し、暗視野経路でカラーＣＣＤカメラ７で受光される。それ故、カラーＣＣＤカメラ７には、一部の光量の散乱光が届くことになり、またＲ成分信号強度特性ｒやＧ成分信号強度特性ｇはＢ成分信号強度特性ｂに比して小さくなる。

更にポリシリコン膜のグレーンサイズの変化が急激に大きくなるエネルギー密度Ｘ４でＲ成分信号強度特性ｒやＧ成分信号強度特性ｇはＢ成分信号強度特性ｂに比して非常に小さくなる。またＢ成分信号強度特性ｂはポリシリコン膜の多結晶化が始まるエネルギー密度Ｘ２と同様にこのエネルギー密度Ｘ４の近傍で信号強度が第２のピークレベルに達し、臨界点寸前のエネルギー密度Ｘ５ぐらいから、急激に信号強度は小さくなる。

上述図４に示す如く、Ｂ成分信号強度特性ｂは、ポリシリコン膜の多結晶化が始まるエネルギー密度Ｘ２とポリシリコン膜のグレーンサイズの変化が急激に大きくなるエネルギー密度Ｘ４の近傍で信号強度はダブルピーク（２個の極大点）を有する。

本例においては、このダブルピーク間のＢ成分信号強度特性ｂを曲線近似などで波形補正した後、極小値（極小点）となる信号強度のエネルギー密度Ｘｍｉｎを求めることで、レーザアニール装置２０のレーザ光の最適エネルギーを求めることができる。

本例による、このレーザアニール装置２０のレーザ光の最適エネルギーを求める画像処理ユニット８及びホストコンピュータ９の動作につき、図５のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図３に示す如き、複数例えば６個の異なったエネルギー密度Ｘ１、Ｘ２〜Ｘ６で形成したポリシリコン膜３１、３２〜３６の夫々測定パターン３０５の表面からの暗視野経路の散乱光をカラーＣＣＤカメラ７を用いて撮像し（ステップＳ１）、このカラーＣＣＤカメラ７よりのカラー映像信号よりＲ、Ｇ及びＢ成分信号を分離し（ステップＳ２）、このＢ成分信号の測定パターン３０５の輝度を求める（ステップＳ３）。

このステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３をポリシリコン膜３１、３２〜３６につき夫々行う。その後、Ｂ成分信号の図４の曲線ｂに示す如き信号強度特性の近似曲線を求め、Ｂ成分信号の第１の極大値点のエネルギー密度Ｂｐ１（Ｘ２）を求める（ステップＳ４）。

次に、Ｂ成分信号強度特性ｂの第２の極大値点のエネルギー密度Ｂｐ２を求める（ステップＳ５）。次にＢ成分信号強度特性ｂのエネルギー密度が第１及び第２の極大値点のエネルギー密度Ｂｐ１及びＢｐ２の間の近似曲線ｂの極小値点のエネルギー密度Ｘｍｉｎを求める（ステップＳ６）。

この極小値点のエネルギー密度Ｘｍｉｎと第１及び第２の極大値点のエネルギー密度Ｂｐ１及びＢｐ２の平均値（Ｂｐ１＋Ｂｐ２）／２との差が予め決めた所定範囲内であるならば、この平均値（Ｂｐ１＋Ｂｐ２）／２をレーザアニール装置２０のレーザ光の最適エネルギーとする（ステップＳ７）。すなわち、この極小値点のエネルギー密度Ｘｍｉｎの近傍のエネルギー密度をレーザアニール装置２０のレーザ光の最適エネルギーとする。

本例においては、このホストコンピュータ９に得られる、このレーザアニール装置２０のレーザ光の最適エネルギーをレーザ制御部２１に供給し、このレーザアニール装置２０はレーザ光のエネルギーをこの最適エネルギーとしてアニール処理を行う如くする。

本例によれば、青色成分信号の信号強度特性ｂを得、この信号強度特性ｂの第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギー密度Ｘｍｉｎの近傍のエネルギーをこのレーザ光の最適エネルギーとするようにしているので、グレーンサイズの良好なポリシリコン膜を得ることができる。

尚、本発明は上述例に限ることなく、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り得ることは勿論である。

本発明レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置を実施するための最良の形態の例示す構成図である。 本発明の説明に供する線図である。 本発明の説明に供する線図である。 本発明の説明に供する線図である。 本発明の説明に供するフローチャートである。

符号の説明

１…レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置、２…Ｘ−Ｙステージ、３…ハーフミラー、４…落射照射光源、５…対物レンズ、７…カラーＣＣＤカメラ、８…画像処理ユニット、９…ホストコンピュータ、１３、３１、３２〜３６…ポリシリコン膜、２０…レーザアニール装置、２１…レーザ制御部

Claims (5)

1. アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法において、
   前記ポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像し、
   撮像された映像信号の青色成分の信号強度特性を得、前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーと前記信号強度特性の第１及び第２の極大値点のエネルギー密度の平均とを比較して、所定範囲内にある前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーを前記レーザ光の最適エネルギーとするようにした
   レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法。
2. 請求項１記載のレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法において、
   前記青色成分の信号強度特性は、前記レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー密度を順次所定量変えて複数個所に照射して複数のポリシリコン膜の測定パターンを形成し、前記複数の測定パターンの前記青色成分信号の信号強度より得るようにした
   レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定方法。
3. アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置において、
   前記ポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段より映像信号の青色成分の信号強度特性を得る信号強度特性形成手段と、
   前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーと前記信号強度特性の第１及び第２の極大値点のエネルギー密度の平均とを比較して、所定範囲内にある前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーを最適エネルギーと決定する決定手段とを有する
   レーザアニール装置のレーザ光のエネルギー決定装置。
4. アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置において、
   前記ポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像手段を用いて撮像し、
   前記撮像手段の映像信号の青色成分の信号強度特性を得、前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーと前記信号強度特性の第１及び第２の極大値点のエネルギー密度の平均とを比較して、所定範囲内にある前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーを最適エネルギーとするようにしたレーザアニール装置。
5. アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してポリシリコン膜を得るレーザアニール装置を用いた薄膜トランジスタの製造方法において、
   前記ポリシリコン膜の表面からの暗視野経路の散乱光を撮像し、
   撮像された映像信号の青色成分の信号強度特性を得、前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーと前記信号強度特性の第１及び第２の極大値点のエネルギー密度の平均とを比較して、所定範囲内にある前記信号強度特性の第１及び第２の極大値間の極小値に対応するエネルギーの近傍のエネルギーを前記レーザ光のエネルギーに決定し、
   決定された前記エネルギーで前記アモルファスシリコン膜に前記レーザ光を照射して前記ポリシリコン膜を得る
   薄膜トランジスタの製造方法。

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