JP4969024B2

JP4969024B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP4969024B2
Application number: JP2004011324A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎田中; 敦生磯部; 智昭森若
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2024-01-20
Also published as: JP2004247717A

Description

本発明は、レーザ照射方法及びそれを用いた半導体装置の作製方法、並びにレーザ照射装置に関し、特に半導体膜などの薄膜の加工に利用することのできる技術に関する。

近年、基板上に薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと記す）を製造する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型の表示装置への応用開発が進められている。特に、多結晶半導体膜を用いたＴＦＴは、従来の非晶質半導体膜を用いたＴＦＴよりも電解効果移動度（モビリティともいう）が高いので、高速動作が可能である。そのため、従来基板の外に設けられた駆動回路で行っていた画素の制御を、画素と同一の基板上に形成した駆動回路で行うことが試みられている。

ところで半導体装置に用いる基板は、コストの面から単結晶シリコン基板よりも、ガラス基板が有望視されている。ガラス基板は耐熱性に劣り、熱変形しやすいため、ガラス基板上にポリシリコンＴＦＴを形成する場合には、ガラス基板の熱変形を避けるために、半導体膜の結晶化にレーザアニールが用いられる。

レーザアニールの特徴は、輻射加熱或いは伝導加熱を利用するアニール法と比較して処理時間を大幅に短縮できることや、半導体基板又は半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えないことなどが挙げられている。

なお、ここでいうレーザアニール法とは、半導体基板上又は半導体膜中に形成された損傷層やアモルファス層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる

レーザアニールに用いられるレーザはその発振方法により、パルス発振と連続発振の２種類に大別される。近年では、半導体膜の結晶化においてパルス発振のレーザよりも連続発振のレーザを用いるほうが、半導体膜内に形成される結晶の粒径が大きくなることが見出されている。半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるＴＦＴチャネル領域に入る粒界の数が減るので移動度が高くなり、より高性能のデバイスの開発に利用できる。そのため、連続発振のレーザはにわかに脚光を浴び始めている。

また、半導体または半導体膜のレーザアニールを行う際に、レーザ発振器から発せられたレーザ光を被照射面においてアスペクト比が１０以上の線状または楕円状（アスペクト比が１０以上の楕円は見た目上、ほとんど線といってよいことから、本明細書中では、線状と呼ぶこととする。）となるように光学系で成形して、ビームスポットを被照射面に対して走査させる方法が知られている。上記の方法によって基板へのレーザ光の照射を効率的に行うことができ、量産性を高めることができるため、工業的に好んで使用される（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１９５３５７号公報

基板上に成膜された半導体膜のレーザアニールを効率的に行うため、連続発振のレーザ発振器から射出されたレーザ光を、被照射面におけるビームスポット形状が線状になるよう光学系を用いて成形し、半導体膜に照射する方式が用いられている。線状のビームスポットの短幅方向に基板を設置した走査ステージを移動させ、半導体膜のレーザアニールを行う方法がよく用いられる。連続発振のレーザにより形成できるビームスポットのサイズは極めて小さく、半導体膜に吸収される波長域を持つレーザ発振器の中でも、最大出力に近い１０Wのグリーンレーザを用いたとしても、そのサイズは５００μｍ×２０μｍ程度の長楕円にしかならない。このようなサイズのビームスポットを被照射面上で、前後左右に動かすことで前記被照射面上の必要な部分に対しレーザアニールを行う。

このとき、重量を持った走査ステージが高速（１００ｍｍ/ｓ〜２０００ｍｍ/ｓ程度）で移動するため、前記移動に伴い振動が生じる。前記振動がビームスポットを形成する光学系及び装置を載せた防振台に伝わると、基板上に形成されるレーザ照射跡が直線的でなく振動を反映したうねりをもった形状になる。レーザ照射跡が波状にうねると、走査ステージの往復運動によって形成され、隣合うレーザ照射跡間に極端にオーバーラップ率が高い部分や、全くレーザ照射されない部分が生じてしまう。基板上には規則的な配列をもってＴＦＴが形成されるため、前述した部分に形成されたＴＦＴは電気特性が悪く、また電気特性のバラツキの原因ともなる。本発明はこのような振動による照射跡のうねりを抑制することを第１の課題とする。

また、図１にビームスポット１１１の半導体膜における照射跡を示す。半導体膜における前記ビームスポットの照射跡には大きく分類して、2つの結晶状態が形成される。領域A及びCには、パルス発振のエキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態が形成され、領域Bには結晶粒径が前記パルスレーザで結晶化した場合と比較して大きい結晶状態（以下この状態を、大粒径と呼ぶ）が形成される。

半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるＴＦＴのチャネル領域における粒界の数が減るので移動度が高くなる。また、エキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態が形成される領域のＴＦＴの移動度は、大粒径領域に形成されるＴＦＴの移動度よりも大きく劣る。つまり、大粒径領域に形成されるＴＦＴと、エキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態が形成される領域のＴＦＴの電気特性には大きな差異が生じる。前記差異は基板面内の電気特性のバラツキを発生させる。本発明は、半導体膜上に形成される、エキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態が形成される領域をできる限り小さくすることを第２の課題とする。

本発明は、被照射面である半導体膜上方にレーザ光が透過しない材質の膜（以下、遮光膜と呼ぶ）を配置することで、エキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態の形成に相当するビーム部分を除去し、半導体膜上に大粒径領域のみ形成することを可能とする。また直線的なレーザ照射が可能なレーザ照射方法及びそれを用いた半導体装置の作製方法と、レーザ照射装置を提供する。

図２は本発明の要旨を説明する図面であり、被照射面である半導体膜１２３の上方に遮光膜１２２を配置する。前記遮光膜１２２を配置することで、入射する光線１２１のエネルギー密度が低い部分、つまり、半導体膜に照射した場合にエキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態を形成する部分を強制的に遮光する。以上のように遮光膜１２２を配置することでエキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態を形成することなく半導体膜を大粒径化することが可能となる。なお、遮光膜１２２は回折の影響を小さくするため可能な限り薄い膜を用いるのが好ましい。

走査ステージの移動に伴う振動が引き起こす光学系の揺れは、ビームスポットの揺れを生み、レーザ照射跡にうねりをもたらす。遮光膜の開口部のレーザ光の走査方向と垂直な方向の幅を、ビームスポットの走査方向と垂直な方向の幅よりも小さくすることで、レーザ照射跡を直線的にすることができる。また、遮光膜を通過するレーザ光の半導体膜上におけるエネルギー密度がすべて大粒径化する値を超えるように遮光膜の幅を制御することで、大粒径化した多結晶シリコンを任意の領域に形成することができる。

即ち、本発明に係るレーザ照射方法は、レーザ発振器で発振したレーザ光を、走査ステージに設置された被照射対象物の表面を被照射面として、前記被照射面において線状又は楕円状のビームスポットとなるように成形し、レーザビームを照射しながら走査ステージを線状又は楕円状の短幅方向に相対的に走査させ、被照射対象物をレーザ照射するレーザ照射方法であって、ビームスポットのエネルギー密度が中心部に比べて低い部分を、被照射対象物の上方に配置された遮光膜により遮光されるように、被照射対象物とビームスポットの位置を制御しながら照射するものである。

ここで、遮光膜は金属膜などで形成し、遮光膜の表面と被照射対象物の表面との距離は、１０μｍ以下、好ましくは１μｍ以下とすることが望ましい。レーザ発振器としては、連続発振の固体レーザを用いることが好ましく、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ_３レーザ、Ｙ_２Ｏ_３レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ_２レーザから選ばれた一種を用いることができる。なお、高周波のパルス発振のレーザを用いてもかまわない。

本発明に係る半導体装置の作製方法は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、非単結晶半導体膜上に、好ましくは汚染防止膜を形成した後、開口部を有する遮光膜を形成する工程と、レーザ発振器で発振したレーザ光を、非単結晶半導体膜の表面を被照射面として、前記被照射面において線状又は楕円状のビームスポットに成形し、前記ビームスポットの照射位置を移動させながら非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、ビームスポットの中心部に比べてエネルギー密度の低い部分が、遮光膜によって遮光されるようにして、非単結晶半導体膜のレーザアニールを行うものである。

ここで、遮光膜は金属膜などで形成し、また汚染防止膜はシリコン酸化膜などで形成し、遮光膜の表面と非単結晶半導体膜の表面との距離は、１０μｍ以下、好ましくは１μｍ以下とすることが望ましい。レーザ発振器としては、連続発振の固体レーザを用いることが好ましく、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ_３レーザ、Ｙ_２Ｏ_３レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ_２レーザから選ばれた一種を用いることができる。なお、高周波のパルス発振のレーザを用いてもかまわない。

遮光膜として金属膜の代わりに反射を促進する膜を用いてもよい。反射を促進する膜とは、反射光の強度を強め合うように、レーザ光の波長に合わせて、材料、膜厚等を最適化した膜のことである。例えば、非晶質珪素膜を５４ｎｍ、酸化窒化珪素膜を８８ｎｍ、窒化珪素膜を６４．３ｎｍを形成し積層させることにより、遮光膜として用いることができる。なお、反射を促進する膜は単層でも積層でもよい。また、反射を促進する膜は絶縁膜で形成することが望ましい。絶縁膜を用いることで、金属膜よりもレーザ光による膜とびが起こる可能性が低くなり、更に、半導体膜を金属で汚染することがないため、汚染防止膜を形成する必要がなくなる。

本発明に係るレーザ照射装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器から射出されるレーザ光を被照射面におけるビームスポットが線状又は楕円状になるように成形する光学系と被照射面上に形成した遮光膜によってビームスポットの一部を遮光し、被照射面にビームスポットの他の一部が照射されるよう照射位置を調整する手段とを有しているものである。

レーザ発振器としては、連続発振の固体レーザを用いることが好ましく、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ_３レーザ、Ｙ_２Ｏ_３レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ_２レーザから選ばれた一種を用いることができる。なお、高周波のパルス発振のレーザを用いてもかまわない。

上記構成により、半導体膜の任意の領域を無駄なく大粒径化するレーザアニールが可能となる。

本発明が開示する遮光膜を用いることで、半導体膜上にエキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態が形成される領域を形成することなく、半導体膜を大粒径化するレーザアニールを行うことが可能となる。また、走査ステージの移動に起因する振動が発生させるレーザ照射跡のうねりを遮光膜を用いることで除去することが可能となる。本発明により、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。本発明を、低温ポリシリコンＴＦＴの量産ラインに適用すれば、動作特性が高く、特性のバラツキを低減したＴＦＴを効率良く生産することができる。

（実施形態１）
以下、本発明のレーザ照射装置の構成について図３を用いて説明する。

本発明のレーザ照射装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器１３１を有している。なお、図３では１つのレーザ発振器１３１を設けている例について示しているが、本発明のレーザ照射装置が有するレーザ発振器はこの数に限定されない。レーザ発振器から出力される各レーザ光のビームスポットを互いに重ね合わせ、１つのビームスポットとして用いても良い。

レーザは、処理の目的によって適宜変えることが可能である。本発明では、公知のレーザを用いることができる。レーザは、連続発振の気体レーザもしくは固体レーザを用いることができる。気体レーザとして、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ_２レーザなどがあり、固体レーザとして、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ_３レーザ、Ｙ_２Ｏ_３レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザなどが挙げられる。基本波に対する高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。また、レーザ媒質に対するドーパント物質にはＮｄ、Ｃｒ、Ｙｂ、Ｅｒなどが用いられる。

またさらに、固体レーザから発せられた赤外レーザ光を非線形光学素子を使い、グリーンレーザ光に変換して用いたり、さらに別の非線形光学素子によって得られる紫外レーザ光を用いることもできる。

本レーザ照射装置でレーザアニールする半導体膜が成膜された基板１３３について説明する。基板に半導体膜を成膜した後、基板上のＴＦＴが作製されない領域に、レーザ光が透過しない材質の膜（遮光膜１３４）を成膜する。例えば、レーザ光を反射するアルミニウム等の金属などを用いてもよい。また、前記金属の膜を用いた場合、レーザ照射による金属膜表面の酸化を防ぐため、金属膜の上に酸化膜を成膜してもよい。また、遮光膜に金属を用い、半導体膜への金属汚染の恐れが考えられる場合には、半導体膜と遮光膜の間に金属の侵入を防ぐ膜（本明細書において汚染防止膜と呼ぶ）を成膜するとよい。前記汚染防止膜には、ＳｉＯ₂等の酸化膜などを用いるのがよい。図５に汚染防止膜を半導体膜と遮光膜の間に成膜した例を示す。なお、半導体膜の上に汚染防止膜が成膜してある状態でレーザ照射を行ってもよい。

前記遮光膜１３４は、光学系１３２によって成形される線状のビームスポットがすべて前記半導体膜に入射した場合に、エキシマレーザでレーザ結晶化を行った場合に形成される結晶に似た状態を形成するビームスポット部分だけを切り取るような形状にするとよい。また、半導体膜上に形成されるレーザ照射跡のうねりの振幅分だけ、レーザ光が半導体膜に照射する幅を遮光膜を用いて狭くすることで、振動の影響を除去することができる。

次に、レーザ光の回折の影響について考える。図９に、ビーム幅を一定にして、照射するレーザのエネルギーを変化させた実験結果を示す。レーザ光のエネルギーのピークが低すぎると結晶を形成できず、高すぎると膜とびなどが起こってしまう。つまり、結晶化が可能で、かつ、膜とびが起こらないエネルギーのレーザ光を照射し、結晶化を行う必要がある。今回使用したレーザでは、そのエネルギー範囲は３．６〜６．６Ｗであり、その平均値は５．１Ｗである。よって、レーザ光の平均強度を１としたとき、レーザ光が０．７〜１．３の強度の時に半導体膜が大粒径化される。したがって、回折光の強度が平均強度と比較して、０．７〜１．３である領域は、均一な結晶性をもつ半導体膜が得られる。

遮光膜の表面と半導体膜の表面との距離が１μｍ及び１０μｍとした場合の、半導体膜上における回折光の光強度の計算結果を図４（ｂ）及び（ｃ）に表す。遮光膜の表面と半導体膜の表面との距離を１μｍとした場合、結晶性が不均一な領域は遮光膜の端から１μｍ以内に抑えることが可能である。また、遮光膜の表面と半導体膜の表面との距離を１０μｍとした場合、結晶性が不均一な領域は遮光膜の端から３μｍ以内に抑えることが可能である。

レーザ発振器１３１から射出されたレーザ光は、基板１３３上におけるビームスポットの形状を線状に成形する光学系１３２に入射する。なおレーザ発振器から射出されるレーザ光の形状はレーザの種類によって異なる。ＹＡＧレーザの場合、射出されるレーザ光の形状はロッド形状が円筒形であれば円状となり、スラブ型であれば矩形状となる。なお、スラブ型のレーザから射出されるレーザ光は縦横でビームの広がり角が大きく異なるため射出口からの距離によって大きくビーム形状が変わる。このようなレーザ光を光学系により、成形することにより、所望の大きさの線状または楕円状のレーザ光をつくることができる。

また、複数のレーザ発振器を用いる場合、前記光学系を用いて各レーザ発振器から出力されるビームスポットを互いに重ねあわせて１つのビームスポットを形成するようにしても良い。

光学系１３２によって成形されたビームスポットを、半導体膜及び遮光膜１３４を成膜した基板１３３に照射する。以上のようにレーザ照射をおこなうことで、任意の領域を大粒径化するレーザアニールを行うことが可能となる。なお遮光膜１３４は、レーザアニールの終了後にエッチングすることにより取り除けばよい。

以下に楕円状のビームスポットを成形する光学系の一例を図６を用いて説明する。半導体膜１６１に対して入射角が２０°になるようミラー１６２を用いて光軸を設定する。半導体膜１６１の上方２０ｍｍに置かれた焦点距離２０ｍｍの球面レンズ１６４にレーザ光１６３を入射させる。以上の構成により、半導体膜上に５００μｍ×２０μｍの楕円状のビームスポットを成形することができる。なお、使用するレーザ光の波長に合わせて球面レンズ１６３の硝材はＢＫ７とした。

以上の構成からなる本発明のレーザ照射装置を用いてレーザアニールを行うことにより電気特性のバラツキが低減され、移動度が高いＴＦＴを得ることができる。

以下、本発明のレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板として１２７×１２７×０.７ｍｍのガラス基板（コーニング１７３７）を用意する。この基板は６００℃までの温度であれば充分な耐久性がある。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を２００ｎｍ成膜する。さらに、その上から非晶質珪素膜を５５ｎｍの厚さに成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマＣＶＤ法にて成膜してもよい。

上記成膜済の基板を、４５０℃の窒素雰囲気中に１時間おく。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれる。前記膜内の水素の濃度は１０²⁰/cm³以下が適当である。ここで、１０²⁰/cm³とは、１ｃｍ³あたりに水素原子が１０²⁰個存在するという意味である。

本実施の形態では、レーザ発振器として、コヒレント社製ＬＤ励起固体ＹＶＯ₄レーザを使う。前記ＹＶＯ₄レーザは、連続発振レーザである。前記ＹＶＯ₄レーザの最大エネルギーは１０Ｗ、発振波長は５３２ｎｍである。

レーザ光の照射は例えば、図３に示した基板１３３をのせたステージを線状または楕円状のビームスポットの短幅方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。

こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを公知の方法に従って作製することができる。

上記の例では、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよい。

（実施形態２）
被照射面上に成膜した遮光膜によってビームスポットの一部を遮光し、前記被照射面に前記ビームスポットの他の一部が照射されるよう照射位置を調整する方法について図７を用いて説明する。

半導体膜を成膜した基板１７４を走査ステージに設置する前に、半導体膜上に成膜した遮光膜１７５の両端に、基準マーカー１７６を遮光膜１７５をエッチングすることで形成する。前記基準マーカー１７６の形成は、遮光膜１７５のパターン形成と同時に行うのが効率的である。これにより、基準マーカー１７６と遮光膜１７５のパターンとの位置関係が決定される。

前記基準マーカー１７６を形成した基板１７４を走査ステージに設置した後、基準マーカー１７６の画像をＣＣＤカメラ１７７を用いてパソコン等に取りこみ、基準マーカー１７６の位置座標を決定する。基準マーカーを２ヶ所に形成するのは、走査ステージの走査方向を決定するためである。なお、基準マーカー１７６はＣＣＤカメラ１７７で画像認識可能であれば、半導体膜または基板上に直接形成してもよい。

基板上の任意の位置を、基準マーカー１７６からの相対座標で認識することで任意の領域をレーザ照射することが可能となる。したがって、遮光膜１７５のパターン形状に沿っての半導体膜のレーザアニールが可能となる。

本実施例では、第２高調波を成形して得られる長いビームを幾つか組み合わせ、より長いビームを成形し、さらに、基本波によりエネルギーの補助を施す例を図８に沿って示す。

まず、図示しないＬＤ励起式の１０Ｗの連続レーザ発振器（Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、第２高調波（（５３２ｎｍ））を４台用意する。前記レーザ発振器は、ＴＥＭ００の発振モードで、共振器にＬＢＯ結晶が内蔵されており、第２高調波に変換されている。ビーム径は２．２５ｍｍである。広がり角は０．３ｍｒａｄ程度である。反射ミラーを幾つか使用することで、鉛直方向から角度βずれた方向にレーザビームの進行方向をそれぞれ変換し、照射面にてほぼ１つに合成されるように４方向から入射させる。前記４方向は、それぞれ光軸Ａ、光軸Ｂ、光軸Ｃ、光軸Ｄと一致させる。光軸Ａと光軸Ｂ、及び、光軸Ｃと光軸Ｄは、照射面に対し垂直な平面Ａに対し面対称に位置させ、光軸Ａと光軸Ｂとのなす角度、及び、光軸Ｃと光軸Ｄの成す角度、をそれぞれ２０°とする。また、平面Ａと照射面に垂直な平面Ｂに対して、光軸Ａと光軸Ｃ、及び、光軸Ｂと光軸Ｄを面対称に位置させ、光軸Ａと光軸Ｂを含む平面Ｃと、光軸Ｃと光軸Ｄを含む平面Ｄとの成す角度を５０°とする。

次に、焦点距離１５０ｍｍの平凸シリンドリカルレンズ１８１ａ、１８１ｂ、１８１ｃ、及び１８１ｄを、前記光軸Ａ、光軸Ｂ、光軸Ｃ、及び光軸Ｄにそれぞれ０°入射させるよう配置する。このとき前記平凸シリンドリカルレンズの集光方向は平面Ｃまたは平面Ｄに含まれる方向とする。前記平凸シリンドリカルレンズ１８１と照射面との距離はそれぞれの光軸上で測って１１０〜１２０ｍｍの間で調整する。

さらに、焦点距離２０ｍｍの平凸シリンドリカルレンズ１８２ａ及び１８２ｂの母線が、前記平面Ｃ及び平面Ｄにそれぞれ含まれるように配置する。前記母線は、シリンドリカルレンズの曲面部における、シリンドリカルレンズの平面部から最も離れた場所に位置する母線とする。また、前記、平凸シリンドリカルレンズ１８２ａ及び１８２ｂの平面部と、前記平面Ｃ及び平面Ｄとは、互いにそれぞれ直交するように配置する。前記平凸シリンドリカルレンズ１８２ａ及び１８２ｂと照射面との距離はそれぞれの光軸上で測って約１８ｍｍの辺りで調整する。

以上の配置により、長径４００μｍ、短径２０μｍ程度のサイズの長いビームが４つ、照射面において形成される。このままでは、前記照射面において、４つのビームは完全に１つに合成されるので、より長いビームを形成することは出来ないが、各レンズの位置を微調整することで、図８（ｂ）に記載したような配置に変換することができる。すなわち、４つ長いビーム１８５ａ、１８５ｂ、１８５ｃ及び１８５ｄの長径を一直線上に配置し、それらを前記直線の方向に互いにずらし合わせることで、長いビームをより長いビームとすることができる。これにより、幅１.５ｍｍの長結晶粒領域が得られる。

次に、出力５００ＷのＣＷのＬＤ励起ＹＡＧレーザ（基本波）を用い、光学系１８４により１×５ｍｍの楕円ビーム１８５ｅを照射面に形成する。このとき前記４つの長いビームを覆うように前記楕円ビーム１８５ｅを形成する。用いる光学系１８４は例えば、図６で示した平凸レンズ１６４のようにレーザビームを平凸レンズに斜め入射させて形成してもよい。あるいは、２枚のシリンドリカルレンズを直交させて用い、丸のビームを楕円に変換してもよい。ここで重要なのは、決して基本波をレーザ発振器に戻してはならないということである。半導体膜の表面は、多少なりとも反射があることから、レーザビームを照射面に対して垂直に入射させることだけはやってはならない。

以上のようにして形成した長いビームを用い、例えば実施形態１で示したＸ軸用の一軸ロボット１３５とＹ軸用の一軸ロボット１３６などを用いて遮光膜１８６が形成された半導体膜１８３をレーザ照射すればよい。半導体膜は例えば、実施形態１で示した方法にて作製すればよい。本実施例を用いる利点は、より長いビームが出来ているので処理時間が短く済み、また、ガウシアンライクのエネルギー分布を持つ長いビームを互いにオーバーラップさせて隣接させることでエネルギー分布を長径方向に均一化できるため、比較的温度のムラが抑えられるので好ましい。

本実施例では、第２高調波を使用したが、第２高調波に限らず、その他の高調波を使用してもよい。例えば、第３高調波は第２高調波よりも半導体膜に対する吸収係数が高いという利点がある。

本実施例では、本発明を用いて大型のガラス基板にレーザアニールを行う一例を図１０に沿って示す。

まず、大型のガラス基板７０６を用意する。前記ガラス基板７０６上に、公知の手段（スパッタ法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）を用いて非晶質半導体膜７０５を形成し、前記基板を照射面としてレーザアニールを行う。あるいはレーザアニール前に、金属元素などを半導体膜に導入後、熱処理を行うことで、該半導体膜を結晶化させてもよい。

レーザ７０１としては連続発振のＹＡＧレーザまたはＹＶＯ₄レーザの第二高調波を用いるが、図１０に示すように、同じレーザを計１０台用いて、大型のガラス基板７０６のレーザアニールを行う。レーザ及び、光学系は全てのレーザ照射装置において同様のものを使用するため、符号は全てには付けず、一つのレーザ照射装置を取り上げて説明する。

また、図１０に示すように、レーザビームの照射開始位置を一つずつ前後にずらしている理由は以下の通りである。非晶質半導体膜７０５上において、矩形状のレーザビームの中心から、該レーザビームと隣り合う矩形状のレーザビームの中心までの距離は６０ｍｍと短く、集光レンズ７０４をこの間隔で配置するのは、少し無理がある。仮に配置が可能であっても、光学調整の際に必要な空間が充分でないことが予想される。そこで、光学系間で適度な距離を保つためには、図１０に示すようにレーザビームの照射位置を一つずつ前後にずらすことが有効である。これによって、隣り合う光学系が触れ合うこともなく、また光学系の配置、調整を容易に行うことができる。しかし、レーザビームの照射開始位置が前後にずれるために、非晶質半導体膜７０５全面を結晶化させるためには、基板７０６の走査距離を少し長めにとる必要がある。

レーザ発振器７０１から射出されたレーザビームは、ディフラクティブオプティクス７０２によって強度分布の均一な矩形状のレーザビームに成形され、該レーザビームはミラー７０３で反射された後、集光レンズ７０４によって集光され、非晶質半導体膜７０５に対して垂直に入射する。他のレーザ照射装置においても同様に、強度分布が均一な矩形状のレーザビームを形成し、非晶質半導体膜７０５に垂直に入射する。

基板７０６を移動させる移動ステージとしては、Ｘ軸ステージ７０７、Ｙ軸ステージ７０８を使用する。基板７０６が大型なため、より安定して基板を移動させるために、Ｘ軸ステージ７０７の稼動軸は二軸用意する。そして、Ｘ軸ステージ７０７及びＹ軸ステージ７０８は、まず、Ｘ軸ステージ７０７で非晶質半導体膜７０５をＰ方向に一筋走査した後、大粒径領域の幅方向の長さ分だけＹ軸ステージ７０８をスライドさせ、再びＸ軸ステージ７０７をＱ方向に走査させレーザ照射する。このような一連の動作を繰り返すことにより、非晶質半導体膜７０５全面を大粒径領域とすることができる。

本実施例では、基板７０６を移動させる移動ステージとして、Ｘ軸ステージ７０７、Ｙ軸ステージ７０８を使用したが、駆動方式としてリニアモータ駆動を採用してもよい。リニアモータステージは電磁石によって駆動するので、ボールねじによって駆動するＸ軸ステージ、Ｙ軸ステージとは異なり、摩擦が生じない。そのため、グリース等を使用する必要がないので、グリース等の気化による汚染がなく、クリーンルーム内での使用に適している。

また、本実施例では、レーザ照射装置を１０系統使用してレーザアニールを行ったが、例えば半数の５系統、あるいは倍の２０系統を用いても、本発明を適用してレーザアニールを行うことができる。こうして、大型ガラス基板上に形成した非晶質半導体膜を大粒径化とすることができる。本発明を、低温ポリシリコンＴＦＴの量産ラインに適用すれば、動作特性が高く、特性のバラツキを低減したＴＦＴを効率良く生産することができる。

レーザアニールを行ったときの結晶状態を表す図。本発明の手段を説明する図。本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。遮光膜による回折像の光強度を示す図。汚染防止膜を用いた例を示す図。レーザ照射装置を構成する光学系の例を示す図。本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。本発明が開示するレーザ照射方法の例を示す図。レーザ出力と大粒径幅の関係を示す図。大型のガラス基板にレーザアニールを行う一例を説明する図。

符号の説明

１３５Ｘ軸ステージ
１３６Ｙ軸ステージ
１３７ θ軸ステージ
１４１遮光膜
１４２半導体膜
１５１レーザ光
１５２遮光膜
１５３汚染防止膜
１５４半導体膜
１５５レーザ光
１５６遮光膜
１５７汚染防止膜
１５８半導体膜
１７１Ｘ軸ステージ
１７２Ｙ軸ステージ
１７３ θ軸ステージ

Claims

基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
前記非単結晶半導体膜上のトランジスタが作製される領域に開口部を有する遮光膜を形成する工程と、
線状または楕円状のビームスポットに成形されたレーザ光を、前記遮光膜の前記開口部を介して前記非単結晶半導体膜のトランジスタが作製される領域に照射する工程とを有し、
前記レーザ光の照射は、前記ビームスポットの短幅方向に相対的に、前記基板が設置されたステージを走査させながら行われ、
前記ビームスポットは、前記走査の方向と垂直な方向において、第１の結晶状態を形成するエネルギー密度が低い部分と、前記第１の結晶状態よりも結晶粒径が大きい第２の結晶状態を形成するエネルギー密度が高い部分とを有し、
前記遮光膜を介して前記レーザ光を照射することで、前記非単結晶半導体膜には前記ビームスポットの前記エネルギー密度が高い部分を照射し、
前記レーザ光は、複数のレーザ光の各ビームスポットの一部が長径方向において互いに重ね合わさった第１のレーザ光と、前記第１のレーザ光のビームスポットを覆うビームスポットを有する第２のレーザ光とにより形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
前記非単結晶半導体膜上のトランジスタが作製される領域に開口部を有する遮光膜を形成する工程と、
線状または楕円状のビームスポットに成形されたレーザ光を、前記遮光膜の前記開口部を介して前記非単結晶半導体膜のトランジスタが作製される領域に照射する工程とを有し、
前記レーザ光の照射は、前記ビームスポットの短幅方向に相対的に、前記基板が設置されたステージを走査させながら行い、
前記開口部の前記走査方向に垂直な方向の幅は、前記レーザ光の照射跡のうねりの振幅分だけ、前記ビームスポットの前記走査方向に垂直な方向の幅よりも狭く、
前記レーザ光は、複数のレーザ光の各ビームスポットの一部が長径方向において互いに重ね合わさった第１のレーザ光と、前記第１のレーザ光のビームスポットを覆うビームスポットを有する第２のレーザ光とにより形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１または請求項２において、前記非単結晶半導体膜上のトランジスタが作製される領域に照射されるレーザ光の強度は、前記レーザ光の平均強度を１としたとき、０．７〜１．３の強度であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、前記第１のレーザ光には高調波を用い、前記第２のレーザ光には基本波を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記非単結晶半導体膜上に汚染防止膜を形成し、前記汚染防止膜上に前記遮光膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記遮光膜の表面と前記非単結晶半導体膜の表面との距離は１０μｍ以下で形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記遮光膜の表面と前記非単結晶半導体膜の表面との距離は１μｍ以下で形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、前記遮光膜は金属膜または反射を促進する膜で形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、前記レーザ光は連続発振のＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ_３レーザ、Ｙ_２Ｏ_３レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ_２レーザから選ばれた一種または複数種であることを特徴とする半導体装置の作製方法。