JP5091378B2 - レーザアニール方法及びレーザアニール条件決定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザアニール方法、およびレーザアニール条件決定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、アモルファスシリコン(a−Si)からなる絶縁ゲート型薄膜トランジスタ(TFT)を画素スイッチに用いた液晶ディスプレイ(LCD)が量産されている。しかし、高精細、高速などの高機能を有するディスプレイを実現するには、電界移動度(μFE)が1cm2 /Vs以下と低いa-Siを用いたTFTでは、能力が足りない。
【0003】
それに対して、a−Siにエキシマレーザを照射するレーザアニール法により作成した多結晶シリコンを用いたTFTでは、実験段階でμFEが100〜200cm2 /Vs程度のものが得られており、ディスプレイの高精細化、高速化、駆動回路の一体形成などの高機能化を期待することができる。
【0004】
エキシマレーザアニール(ELA)法は、ガラス基板上のa−Siにエキシマレーザを照射して多結晶シリコンとする方法である。この方法において、a−Si表面でのエキシマレーザのビームサイズは、例えば、長さ250mm、幅0.4mmであり、このパルスビームを300Hzで発振させ、各パルスの照射される領域を徐々に移動させて、a−Siを多結晶シリコンに変換する。このような方法を用いて作成した液晶ディスプレイは、総称して低温ポリシリコンLCDと呼ばれる。
【0005】
多結晶シリコンTFTのμFEを決定する要素は、多結晶シリコンの粒径であるが、それは、照射するレーザのフルエンスという名で呼ばれるエネルギー密度に大きく依存する。すなわち、フルエンスの増大につれて、多結晶シリコンの粒径も増大するが、移動度100cm2 /Vs以上の高性能多結晶シリコンを得るためには、F1という或るフルエンスよりも高いフルエンスが必要である。
【0006】
しかし、F1よりもフルエンスを増大させていくと、多結晶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F2を境に微結晶粒となり、このような微結晶シリコンでは所望のTFT特性を得ることができなくなる。
【0007】
多結晶シリコンの粒径は、多結晶シリコンをセコエッチング液と呼ばれる液でエッチングして、走査電子顕微鏡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、レーザのフルエンスが、多結晶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の間で選択される。このような選択をすることにより、レーザ発振強度がある程度変化しても、所望の移動度の多結晶シリコンTFTを得ることが出来るようになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、セコエッチングには、基板を割り、エッチングを施し、FE−SEMで観察するという工程が必要であり、粒径を求めるまでには非常に多くの時間がかかる。そのため、セコエッチング法を常に用いることは、生産性を大きく低下させることになる。
【0009】
また、レーザの最適な条件は、レーザのガス交換後のショット数が増大するに従って変化することがわかっており、頻繁に最適条件を求めることが必要であるが、その度にセコエッチング法で最適条件を求めることは、生産現場では現実的ではない。
【0010】
そこで、フルエンスを種々に変えて基板表面のアモルファスシリコンをレーザアニールすると、多結晶シリコンの平均粒径が0.3μmとなるときが最も表面凹凸が激しくなり、光が散乱することがわかっているので、それを利用する方法が考えられている。
【0011】
前述のF1は、まさに光が最も散乱する条件に当り、フルエンスを変えて1つの基板にELAを施し、その基板を肉眼で観察することで、レーザの状況に関わらず、その時の最適のF1を見つけ出すことができる。ELAのマージンはF1とF2の間にあり、歩留を最大にするためには、ELAのフルエンス設定をF1とF2の中間を選ぶのが最良である。
【0012】
レーザの状況によってF1は変化するが、(F2−F1)はほぼ一定しているので、F1から一定のフルエンスだけ増やすことによって、常に最適なELAを施すことができる。
【0013】
しかし、この方法を使用することが出来るのは、基板のサイズが550mm×670mm程度までで、それ以上の大きさの基板では、手で保持することができなくなるので、基板を肉眼で観察することが困難になる。
【0014】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、基板全面で移動度の高いTFTを高歩留で得ることが可能なレーザアニール方法を提供することを目的とする。
【0015】
本発明の他の目的は、そのようなレーザアニール方法のためのレーザアニール条件決定装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題を解決すべく、詳細な研究を行った。具体的には、フルエンスと、多結晶シリコンの光散乱量、表面モフォロジー並びに結晶粒径、及び作製したトランジスタ特性との関係について詳細に検討した。その結果、レーザアニールにより変換された多結晶シリコンに対し、所定の入射角度から入射させた光を、所定の角度からセンサーで検出することで、人間の肉眼による観察と全く同一の結果を定量的に得ることが出来ることを見出し、本発明をなすに至った。
【0017】
多結晶シリコンの平均粒径が0.3μmのときに表面突起の高さが最大となるのは、レーザの波長が0.3μmであり、光学系を通したビームが光の干渉により、0.3μm間隔で強度分布を持つためと考えられる。更に、表面突起は円錐状ではなく、円錐を押しつぶした形をしている。これはレーザビームの強度分布をスキャン方向に傾斜をつけているために、スキャン方向に温度勾配ができ、それによってその方向側の円錐がつぶれた形となる。
【0018】
そのような多結晶シリコン膜の表面に光が入射すると、正反射以外のある特定の方向の散乱が強くなる。その角度にセンサーを配置することによって、非常に高い精度で光散乱の最も高い条件を探し出すことができる。
【0019】
本発明は、以上のような知見に基づきなされ、非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射することによって、前記非晶質シリコンを多結晶シリコンに変換するレーザアニール方法において、レーザアニール前に、予め種々のエネルギー密度条件で非晶質シリコン膜試料に条件決定用レーザビームを照射して、種々の粒径の複数の多結晶シリコン膜試料を作成する工程、可視域の波長を中心に有する光を、前記多結晶シリコンの平面に立てた垂線に対して所定の入射角で前記多結晶シリコンに入射し、その散乱光または反射光を、前記入射光の正反射方向以外の角度で検出することにより、前記複数の多結晶シリコン膜試料の表面散乱度を測定し、最も高い散乱強度の多結晶シリコン膜試料に対応するエネルギー密度条件を求める工程、前記求められたエネルギー密度条件に一定のエネルギー密度の値を加え、エネルギー密度設定値を決定する工程、および前記決定されたエネルギー密度設定値で、前記非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射してレーザアニールを行う工程を具備することを特徴とするレーザアニール方法を提供する。
【0020】
本発明のレーザアニール方法において、入射光の入射角を40〜50°とし、前記散乱光または反射光を、前記入射光とは垂線を介して反対側に10〜35゜または55〜80°、特に30゜の方向で検出することが望ましい。この範囲の方向で検出することにより、最も高い精度で光反射または光散乱の最も高い条件を得ることが出来るからである。
【0021】
また、本発明のレーザアニール方法において、エネルギー密度条件に加える一定のエネルギー密度の値は、例えば10mJ/cm2 〜40mJ/cm2 とすることが出来る。この範囲のエネルギー密度は、F1とF2の間、特に中間値に近く、この範囲のエネルギー密度を最大散乱強度に対応するエネルギー密度条件に加えることにより、常に最適なレーザアニールを行うことが可能である。
【0022】
エネルギー密度条件に加える一定のエネルギー密度の値は、条件決定に供される非晶質シリコン膜の膜厚に応じて変化する。即ち、非晶質シリコン膜の膜厚が厚くなれば、エネルギー密度条件に加える一定のエネルギー密度の値は大きくなり、膜厚が薄くなれば、小さくなる。
【0023】
例えば、エネルギー密度条件に加える一定のエネルギー密度の値は、非晶質シリコン膜試料の膜厚の平均値dsと、レーザアニールが施される非晶質シリコン薄膜の膜厚の規格値d0との比ds/d0が、0.9以上0.94未満では10mJ/cm2 であり、0.94以上、0.98未満では5mJ/cm2 であり、0.98以上1.02未満では10mJ/cm2 〜40mJ/cm2 であり、1.02以上、1.06未満では−5mJ/cm2 であり、1.06以上、1.10未満では−10mJ/cm2 であり、0.90未満および1.10を越える場合には、条件決定に供される基板として使用しないことが望ましい。
【0024】
なお、レーザビームのエネルギー密度の代わりに、レーザビームのアッテネータ透過率を用いることが出来る。エネルギー密度とアッテネータ透過率とは、比例する関係にあるからである。
【0025】
本発明のレーザアニール方法では、種々のエネルギー密度条件で非晶質シリコン膜試料に条件決定用レーザビームを照射して、種々の粒径の複数の多結晶シリコン膜試料を、1枚の基板上に形成することが望ましい。このようにすることにより、非常に容易に、かつ効率よくレーザビームのエネルギー密度設定値、即ちレーザアニール条件を決定することが出来る。
【0026】
また、本発明は、非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射することによって、前記非晶質シリコンを多結晶シリコンに変換するレーザアニール方法に用いられる条件決定装置において、種々のエネルギー密度条件で非晶質シリコン膜試料に条件決定用レーザビームを照射して、種々の粒径の複数の多結晶シリコン膜試料を作成する手段、可視域の波長を中心に有する光を、前記多結晶シリコンの平面に立てた垂線に対して所定の入射角で前記多結晶シリコンに入射し、その散乱光または反射光を、前記入射光の正反射方向以外の角度で検出することにより、前記複数の多結晶シリコン膜試料の表面散乱度を測定し、最も高い散乱強度の多結晶シリコン膜試料に対応するエネルギー密度条件を求める手段、および前記求められたエネルギー密度条件に一定のエネルギー密度の値を加え、エネルギー密度設定値を決定する手段を具備することを特徴とするレーザアニール条件決定装置を提供する。
【0027】
本発明のレーザアニール条件決定装置において、散乱光または反射光を検出する手段は、フォトダイオード、CCD、MOSトランジスタ、フォトマルチプライヤー、およびバイプラナ光電管からなる群から選ばれた光電変換素子、またはそれらを利用した色度計若しくは色差計を用いることが出来る。
【0028】
以上のように構成される本発明によると、レーザアニールにより変換された多結晶シリコンに対し、所定の入射角度から入射させた光を、所定の角度からセンサーで検出することで、非常に高い精度で光散乱の最も高い条件を探し出すことができ、このようにして得た最大散乱強度に対応するエネルギー密度条件に一定のエネルギー密度の値を加えて得たエネルギー密度設定値を用いて、非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射してレーザアニールを行うことにより、基板全面で移動度の高いTFTを均一に生産性よく量産することができ、量産の困難であった低温ポリシリコン液晶ディスプレイを、歩留よく大量に、しかも安く実用化できることが可能となった。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0030】
(実施形態1)
エキシマレーザのガス交換の後、以下のような条件で、非晶質シリコンのレーザアニールのための最適条件を決定する条件出しを行なった。
【0031】
まず、図1に示すレーザアニール装置のレーザチューブ12から放出されたレーザビームを、アニールチャンバ10内に設置されたガラス基板11上に堆積した膜厚47nmのa−Si薄膜(図示せず)に照射した。照射は、1mm間隔で20mmずつ、バリアブルアッテネータ13の角度を調整してレーザビームの透過率(アッテネータ透過率)を2%ずつ増やしながら、70%から98%までの15の条件で行った。
【0032】
基板11のサイズは400mm×500mmであり、基板11を載置したステージの送りピッチは20μm、レーザ発振波長は300Hzとした。レーザ照射の状態を図2に示す。図2において、参照符号201〜215は、それぞれ、バリアブルアッテネータ13で透過率が調整されたレーザビームをa−Si薄膜に照射した照射領域(20mm×250mm)を示す。
【0033】
本実施形態においては、肉眼で観察して、散乱が最大となる条件は、透過率80%であった。基板11からの反射光を分光式変角色差計を用いて計測した。この色差計は、ステージを遠隔操作できる光学式顕微鏡に設置してあり、この顕微鏡のステージ機能を利用して、自動的に各透過率のレーザビームの散乱光のL* を測定することができる。また、この色素計は、アニールチャンバ10に付帯されていてもよい。
【0034】
検出信号には、CIE(Comission Internationalede l‘Eclairage)1976L* a* b* 色空間におけるL* を用いた。L* は、XYZ表色系のYと、下記式に示す関係がある。
【0035】
L* =116(Y/Y0 )1/3 −16
Yは視感反射率と一致することから、L* は肉眼における散乱強度の代わりに使用することができる。
【0036】
図3に示す入射角θ1と反射角θ2をパラメータとして、アッテネータ透過率の異なるサンプルについて、L* を測定した。なお、図3において、参照符号31は光源、32は検出器、33は試料面、34は試料面33にたてた垂線をそれぞれ示す。
【0037】
その結果を図4に示す。図4から、垂線34を基準にした反射角θ2は、70°よりも30°の方が高い信号出力を得ることができる。また入射角θ1は、0°、45°のどちらも余り違いはないが、45°の方がアッテネータ透過率による差が大きく出ていることがわかる。
【0038】
従って、測定条件としては、入射角θ1が45°、反射角θ2が30°であるのが優れていると言える。図3において、光源31と検出器32は同一平面上にあり、該平面とビームの長軸とは直角をなしている。
【0039】
上述の条件では、アッテネータ透過率80%で最大の信号が得られており、肉眼による観察結果と一致している。アッテネータ透過率をフルエンスに換算するには、アッテネータ透過率100%のフルエンスが450mJ/cm2 であるから、透過率に4.5を乗ずればよく、アッテネータ透過率80%のフルエンスは360mJ/cm2 となる。
【0040】
(実施形態2)
本実施形態では、液晶ディスプレイを駆動するためのTFTアレイを作成する方法について説明する。用いた薄膜は、ガラス基板上にSiNxとSiOxからなるアンダーコート層をプラズマCVD法で形成した後、a−Siを膜厚49nmでプラズマCVD法で形成したものである。基板サイズは400mm×500mmである。
【0041】
a−Siを成膜した後、窒素雰囲気中、500℃で10分間の熱処理を行い、膜中の水素濃度を低下させた。その後、a−Siの膜厚を分光エリプソ法により求めた。その結果、a−Siの実際の膜厚は49.5nmであった。
【0042】
その後、実施形態1の方法を利用して、条件出しを行った。その結果、アッテネータ透過率80%のサンプルにおいて、L* が最大となった。
【0043】
次に、エキシマレーザの照射サイズを250mm×0.4mmの線状ビームとし、使用するレーザビームのアッテネータ透過率を、前記80%に5%を加えて85%とし、オーバーラップは95%となるように設定した。レーザビームは300Hzで動作させ、基板を載せたXYステージを6mm/sで移動させた。
【0044】
以上のようなレーザアニールによって形成した多結晶シリコン膜を用い、フォトリソグラフィ技術により薄膜トランジスタを作製し、それを用いてアクティブマトリクス液晶ディスプレイ装置を製造した。得られたアクティブマトリクス液晶ディスプレイ装置を図5に示す。
【0045】
図5に示すアクティブマトリクス液晶ディスプレイ装置は、次のように構成されている。即ち、TFT、カラーフィルタ510及び画素電極511を備えるガラス基板501と、対向電極513を有する対向ガラス基板514とが、間に液晶512を介在させて、対向して配置されている。
【0046】
ガラス基板501の表面には、アンダーコート層502が形成され、その上にアモルファスシリコン層が形成され、上述したように、本発明に係るレーザーアニールにより多結晶シリコン層に変換されている。
【0047】
このレーザーアニールにより得た多結晶シリコン層により、TFTが構成されている。即ち、多結晶シリコンからなる半導体層503の両側に不純物をドープすることにより、多結晶シリコンソース層504aおよび多結晶シリコンドレイン層504bが形成され、その上にゲート酸化膜505を介してゲート電極506が形成されている。
【0048】
ソース/ドレイン電極508が、層間絶縁膜507に形成された接続孔を介して、それぞれソース層504aおよびドレイン層504bに接続され、その上に保護膜509が設けられるとともに、カラーフィルタ510及び画素電極511が形成されている。
【0049】
以上のように、本発明のレーザーアニール法を用いることにより、優れた特性を示すTFTを量産することができるので、非常に高い歩留まりで、高品質の液晶表示装置を作製することが出来た。
【0050】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、レーザアニールにより変換された多結晶シリコンに対し、所定の入射角度から入射させた光を、所定の角度からセンサーで検出することで、非常に高い精度で光散乱の最も高い条件を探し出すことができ、このようにして得た最大散乱強度に対応するエネルギー密度条件に一定のエネルギー密度の値を加えて得たエネルギー密度設定値を用いて、非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射してレーザアニールを行うことにより、基板全面で移動度の高いTFTを均一に生産性よく量産することができ、量産の困難であった低温ポリシリコン液晶ディスプレイを、歩留よく大量に、しかも安く実用化できることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1で使用するエキシマレーザアニール装置を示す図。
【図2】本発明のレーザアニールの条件決定方法を説明する図。
【図3】本発明のレーザアニールの条件決定に用いるL*の測定方法を示す図。
【図4】本発明の実施形態1における、分光変角色差計から求めたアッテネータ透過率に対するL* の値の変化を示す図。
【図5】本発明の実施形態2において得た多結晶シリコン・アクティブマトリクス型液晶ディスプレイの断面構造を示す図。
【符号の説明】
11・・・ガラス基板
12・・・レーザチューブ
13・・・バリアブルアッテネータ
31・・・光源
32・・・検出器
33・・・試料面
34・・・垂線
201〜215・・・バリアブルアッテネータで透過率が調整されたレーザビームをa−Si薄膜に照射した照射領域を示す図。
501…ガラス基板、
502…アンダーコート層、
503…多結晶シリコン、
504a…多結晶シリコンソース、
504b…多結晶シリコンドレイン、
505…ゲート酸化膜、
506…ゲート電極、
507…層間絶縁膜、
508…ソース/ドレイン電極ガラス基板、
509…保護膜、
510…カラーフィルタ、
511…画素電極、
512…液晶対向基板、
513…対向電極、
514…対向ガラス基板。
Claims (7)
- 非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射することによって、前記非晶質シリコンを多結晶シリコンに変換するレーザアニール方法において、
レーザアニール前に、予め種々のエネルギー密度条件で非晶質シリコン膜試料に条件決定用レーザビームを照射して、種々の粒径の複数の多結晶シリコン膜試料を作成する工程、
可視域の波長を中心に有する光を、前記多結晶シリコンの平面に立てた垂線に対して40〜50°の入射角で前記多結晶シリコンに入射し、その散乱光または反射光を、前記入射光とは垂線を介して反対側に10〜35°または55〜80°の方向で検出することにより、前記複数の多結晶シリコン膜試料の表面散乱度を測定し、最も高い散乱強度の多結晶シリコン膜試料に対応するエネルギー密度条件を求める工程、
前記求められたエネルギー密度条件に、レーザビームを照射して微結晶粒になるときのエネルギー密度から前記求められたエネルギー密度条件を引いて得た値より少ない値を加え、エネルギー密度設定値を決定する工程、
前記決定されたエネルギー密度設定値で、前記非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射してレーザアニールを行う工程
を具備することを特徴とするレーザアニール方法。 - 前記エネルギー密度条件に加える一定のエネルギー密度の値は、10mJ/cm2 〜40mJ/cm2 であることを特徴とする請求項1に記載のレーザアニール方法。
- 前記エネルギー密度条件に加える一定のエネルギー密度の値は、前記非晶質シリコン膜試料の膜厚の平均値dsと、レーザアニールが施される非晶質シリコン薄膜の膜厚の規格値d0との比ds/d0が、0.9以上0.94未満では10mJ/cm2 であり、0.94以上、0.98未満では5mJ/cm2 であり、0.98以上1.02未満では10mJ/cm2 〜40mJ/cm2 であり、1.02以上、1.06未満では−5mJ/cm2 であり、1.06以上、1.10未満では−10mJ/cm2 であり、0.90未満および1.10を越える場合には、条件出しを行なう基板として使用しないことを特徴とする請求項1に記載のレーザアニール方法。
- 前記レーザビームのエネルギー密度の代わりに、レーザビームのアッテネータ透過率を用いることを特徴とする請求項1に記載のレーザアニール方法。
- 前記種々の粒径の複数の多結晶シリコン膜試料は、1枚の基板上に形成されることを特徴とする請求項1に記載のレーザアニール方法。
- 非晶質シリコン薄膜にレーザビームを照射することによって、前記非晶質シリコンを多結晶シリコンに変換するレーザアニール方法に用いられる条件決定装置において、
種々のエネルギー密度条件で非晶質シリコン膜試料に条件決定用レーザビームを照射して、種々の粒径の複数の多結晶シリコン膜試料を作成する手段、
可視域の波長を中心に有する光を、前記多結晶シリコンの平面に立てた垂線に対して40〜50°の入射角で前記多結晶シリコンに入射し、その散乱光または反射光を、前記入射光とは垂線を介して反対側に10〜35°または55〜80°の方向で検出することにより、前記複数の多結晶シリコン膜試料の表面散乱度を測定し、最も高い散乱強度の多結晶シリコン膜試料に対応するエネルギー密度条件を求める手段、および
前記求められたエネルギー密度条件に、レーザビームを照射して微結晶粒になるときのエネルギー密度から前記求められたエネルギー密度条件を引いて得た値より少ない値を加え、エネルギー密度設定値を決定する手段
を具備することを特徴とするレーザアニール条件決定装置。 - 前記散乱光または反射光を検出する手段が、フォトダイオード、CCD、MOSトランジスタ、フォトマルチプライヤー、およびバイプラナ光電管からなる群から選ばれた光電変換素子、またはそれらを利用した色度計若しくは色差計であることを特徴とする請求項6に記載のレーザアニール条件決定装置。
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