JP4959876B2

JP4959876B2 - 装置

Info

Publication number: JP4959876B2
Application number: JP2001049552A
Authority: JP
Inventors: 紀仁河口; 健一郎西田; みゆき正木; 淳芳之内
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002252173A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー照射により基板上のシリコン膜を溶融させて結晶粒を成長させるレーザーアニール方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマレーザーは、紫外線域で使用される高出力パルスレーザである。かかるエキシマレーザーの１つの応用として、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に用いられる薄膜トランジスター（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）のアニールが注目を集めている。
【０００３】
図３は、エキシマレーザーでアニールする低温ポリシリコンＴＦＴの断面構造図である。一般に、シリコンの膜厚は２５〜１００ｎｍ、絶縁膜は二酸化シリコンや窒化シリコンで膜厚は５０〜３００ｎｍ、ゲート電極はアルミやタングステン、その他が用いられる。
【０００４】
エキシマレーザーアニールが用いられるのは、ポリシリコン膜の形成とコンタクト層の活性化である。レーザー照射によりシリコン膜が溶融、結晶化してポリシリコンとなる。１度溶融過程を経るため高品質の膜が形成される。エキシマレーザーは紫外光パルスレーザーであるため、レーザーエネルギーは膜表面で吸収される。しかもパルス幅が数１０ｎｓ程度であるためシリコンの溶融時間は数１００ｎｓ程度となり下地のガラス基板への影響がほとんどない。また他の低温形成法ではポリシリコン形成や活性化に６００℃前後の高温で長時間アニールが必要となり、ガラス基板が歪んだり不純物の拡散が問題となったりするが、エキシマレーザーアニールによれば最高温度４００℃台での形成が可能であり、このような問題がない。
【０００５】
ＴＦＴの動作速度は移動度（単位ｃｍ²／Ｖ・ｓ）で表される。ポリシリコンＴＦＴの移動度は、１０〜６００ｃｍ²／Ｖ・ｓである。この移動度に幅があるのはそれが粒径と粒界の両方に依存するためである。高い移動度を得るためには、粒内欠陥が少なく単結晶に近いこと、低欠陥な粒界を形成することが必要である。一般に粒径が大きく、粒界の欠陥が少ないほど高移動度が得られる。
【０００６】
図４は、従来のエキシマレーザーアニール装置の構成図である。使用されるエキシマレーザーはＸｅＣｌ，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＦ等である。レーザービームはビームホモジナイザーを中心とした光学系を通してチャンバーへ導入される。チャンバー内はポンプ系、ガス系により真空又はガス雰囲気にコントロールされる。ビームの走査はステージか光学系の移動により行う。レーザーとして、繰り返し周波数約３００Ｈｚ、パルス幅２０〜１６０ｎｓ、出力約２００Ｗのものが実用化され、基板サイズも３７０ｍｍ×４７０ｍｍに達している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、エキシマレーザーアニールは、エキシマレーザーを用いて、アモルファスシリコンを結晶化させる技術であるが、エキシマレーザー照射後、シリコンの溶融時間が数１００ｎｓ程度と極めて短いので、ガラス基板への影響がほとんどない利点があるものの、結晶粒が大きく成長しない問題点があった。
【０００８】
また、この問題点を解決するために、エキシマレーザーアニールと直流ジュール加熱を併用する手段が以下の文献で提案されている。
１．“ＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＬａｒｇｅＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＧｒａｉｎＳｉｌｉｃｏｎＦｉｌｍｓｂｙＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｕｒｒｅｎｔ−ＩｎｄｕｃｅｄＪｏｕｌｅＨｅａｔｉｎｇ”，ＡＭ−ＬＣＤ２０００
２．“ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉｌｉｃｏｎＦｉｌｍｓＦｏｒｍｅｄｂｙＣｕｒｒｅｎｔ−ＩｎｄｕｃｅｄＪｏｕｌｅＨｅａｔｉｎｇ”，ＡＭ−ＬＣＤ２０００
【０００９】
この技術は、エキシマレーザーで溶融させたシリコンに電流を流し、溶融時間を長くすることにより、結晶粒を大きく成長させる技術であり、エキシマレーザーのみに比べ、溶融時間は４０μｓ程度となり大幅に延び、結晶粒を大きくできる特徴がある。
しかし、この手段では、溶融したシリコンに電流を流すために、アルミ膜を溶融部の両端に付ける必要がある。そのため、シリコン溶融時、アルミの一部が溶融シリコン内に拡散して不純物となる問題点がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、溶融シリコンに不純物が混入するおそれがなく、かつガラス基板へ悪影響を与えることなくシリコンの溶融時間を延ばし、結晶粒を成長させることができるレーザーアニール方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板表面のシリコン膜（１）に高周波を印加しながら、同時に該シリコン膜にレーザービーム（３）を照射して溶融させ結晶粒を成長させる、ことを特徴とするレーザーアニール方法が提供される。本発明の好ましい実施形態によれば、基板表面のシリコン膜（１）を高周波を用いた誘導加熱によりシリコンの溶融温度以下に加熱しながら、同時に該シリコン膜にレーザービーム（３）を照射して溶融させ結晶粒を成長させる。
【００１２】
この方法により、高周波を用いた誘導加熱によりシリコンを加熱するので、高周波を印加する加熱コイルは、基板に対して非接触であるため、結晶化シリコンへの汚染が起こらない。
また、この加熱により、シリコン膜を溶融温度以下に加熱し、同時にレーザービーム（３）を照射して溶融させるので、レーザー照射により溶融したアモルファスシリコンを、高周波誘導加熱により溶融状態を維持することができる。従って、通常のレーザー照射のみでは、溶融時間は約１００ｎｓ前後であるが、ｍｓオーダーまで、溶融時間を制御することが可能となり、結晶シリコンの結晶粒を大きくすることができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、更に、前記レーザービーム（３）をシリコン膜（１）の表面に沿って走査しながら、その走査方向に直交する方向に基板（２）を移動する。
【００１４】
この方法により、高周波の印加部分は溶融し、非印加部分は凝固するので、ビーム走査と基板移動により、基板上のアモルファスシリコンを断続なく溶融・凝固でき、基板の移動方向に基板全体を結晶化することができる。
【００１５】
また、前記誘導加熱は、レーザービーム（３）が照射される位置のシリコン膜（１）を磁界が通るように配置された加熱コイル（４）と、該加熱コイルに高周波電流を印加する高周波電源（５）とを備え、電磁誘導によって溶融シリコンに電気エネルギーを伝達して渦電流を誘導し、該渦電流により溶融シリコンをジュール加熱するのがよい。
【００１６】
この方法により、加熱コイル（４）で発生した磁界を、レーザービーム（３）が照射される位置のシリコン膜（１）に通し、電磁誘導によって溶融シリコンに電気エネルギーを伝達して渦電流を誘導し、該渦電流により溶融シリコンをジュール加熱することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１８】
図１は本発明のレーザーアニール方法の第１実施形態を示す図であり、図２はその第２実施形態を示す図である。図１及び図２において、レーザービーム３は、レーザー装置６で発生し、光学系７とビームホモジナイザー８を通り、ミラー９で下向きに反射され、チャンバー１０内に導入される。レーザー装置６は、エキシマレーザーであるのが好ましいが、これに限定されず、その他のレーザー発振器、例えばＹＡＧレーザー、その他であってもよい。
【００１９】
レーザービーム３の走査は、この例では、ミラー９の揺動で行っているが、その他の手段、例えば光学系７又は基板２の移動で行ってもよい。また、レーザービーム３のシリコン膜１の表面に沿った走査（図で左右）と同時に、その走査方向に直交する方向に基板２を移動できるように図示しない基板移動装置を備えている。
チャンバー１０は、レーザービーム３が通過する窓を有する気密容器であり、図示しないポンプ系及びガス系により真空又は必要なガス雰囲気にコントロールされる。
【００２０】
更に、図１及び図２に示すように、レーザービーム３が照射される位置のシリコン膜１を磁界が通るように配置された加熱コイル４と、この加熱コイル４に高周波電流を印加する高周波電源５とを備える。
【００２１】
図１の例で、加熱コイル４は、ビーム照射位置を水平に囲む矩形コイルである。従って、この矩形コイルで発生する磁界は基板２に直交し、レーザービーム３が水平走査される細長い走査位置全体を垂直に通過して、電磁誘導によって溶融シリコンに電気エネルギーを伝達して渦電流を誘導し、この渦電流により溶融シリコンをジュール加熱することができる。
【００２２】
図２の例で、加熱コイル４は、基板２全体を垂直に囲む円形コイルである。従って、この円形コイルで発生する磁界は基板２の表面に平行し、レーザービーム３が水平走査される細長い走査位置全体を水平に通過する。従って、この方法によっても、電磁誘導によって溶融シリコンに電気エネルギーを伝達して渦電流を誘導し、この渦電流により溶融シリコンをジュール加熱することができる。
【００２３】
上述した構成の装置を用い、本発明のレーザーアニール方法では、基板表面のシリコン膜１を高周波を用いた誘導加熱によりシリコンの溶融温度以下に加熱しながら、同時に該シリコン膜にレーザービーム３を照射して溶融させ結晶粒を成長させる。
【００２４】
この方法により、高周波を用いた誘導加熱によりシリコンを加熱するので、高周波を印加する加熱コイル４は、基板２に対して非接触であり、結晶化シリコンへの汚染が起こらない。
また、この加熱により、シリコン膜１を溶融温度以下に加熱し、同時にレーザービーム３を照射して溶融させるので、レーザー照射により溶融したアモルファスシリコンを、高周波誘導加熱により溶融状態を維持することができる。従って、通常のレーザー照射のみでは、溶融時間は約１００ｎｓ前後であるが、ｍｓオーダーまで、溶融時間を制御することが可能となり、結晶シリコンの結晶粒を大きくすることができる。
【００２５】
また、本発明の方法では、更に、レーザービーム３をシリコン膜１の表面に沿って走査しながら、その走査方向に直交する方向に基板２を移動させる。
この方法により、高周波の印加部分は溶融し、非印加部分は凝固するので、ビーム走査と基板移動により、基板２上のアモルファスシリコン１を断続なく溶融・凝固でき、基板の移動方向に基板全体を結晶化することができる。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明のレーザーアニール方法は、溶融シリコンに不純物が混入するおそれがなく、かつガラス基板へ悪影響を与えることなくシリコンの溶融時間を延ばし、結晶粒を成長させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザーアニール方法の第１実施形態図である。
【図２】本発明のレーザーアニール方法の第２実施形態図である。
【図３】エキシマレーザーでアニールする低温ポリシリコンＴＦＴの断面構造図である。
【図４】従来のエキシマレーザーアニール装置の構成図である。
【符号の説明】
１シリコン膜、２基板、３レーザービーム、
４加熱コイル、５高周波電源、６レーザー装置、
７光学系、８ビームホモジナイザー、９ミラー、１０チャンバー

Claims

シリコン膜にレーザービームを照射する装置であって、
シリコン膜に照射する前記レーザービームを発生させるレーザー装置と、
前記レーザー装置と前記シリコン膜との聞に設けられ、前記シリコン膜における前記レーザービームの照射位置を水平に囲む高周波を印加する加熱コイルと、を有し、
前記加熱コイルは、矩形コイルで、高周波誘導加熱により、前記シリコンの溶融状態を維持するものであり、
前記矩形コイルに囲まれた領域を通って、前記レーザービームが前記シリコン膜に照射されることを特徴とする装置。
請求項１において、
前記シリコン膜はガラス基板上に設けられ、
前記加熱コイルは、前記シリコン膜を介して前記ガラス基板の上に配置されていることを特徴とする装置。
請求項２において、
前記レーザービームを前記シリコン膜の表面に走査して照射しながら、前記レーザービームの走査方向に直交する方向に前記ガラス基板を移動させることを特徴とする装置。