JP6313926B2 - レーザアニール方法、レーザアニール装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の照射によってアニール処理を行うレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関するものである。

薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどをアクティブ駆動するためのスイッチング素子として用いられており、薄膜トランジスタのチャネル層に多結晶シリコン（ポリシリコン）膜を用いることで、薄膜トランジスタの電子移動度が高まり、ディスプレイなどの高機能化が実現できることが知られている。

多結晶シリコン膜の形成は、絶縁基板の表面に成膜された非晶質シリコン（アモルファスシリコン）膜にレーザ光を照射するアニール処理を施すことで、非晶質シリコン膜を過熱溶融し再結晶化して多結晶シリコン膜に変質させる方法（レーザアニール方法）が知られている。

従来のレーザアニール方法は、レーザ光源としてエキシマレーザや半導体レーザが用いられ、ビーム形状を照射面に対して線状に成形するか或いは複数の光源を並列配置するなどして幅広のレーザ照射領域を形成し、幅広のレーザ照射領域をその幅の長手方向と直交する方向に走査することで、処理対象となる非晶質シリコン膜の全面にレーザ光を照射することが行われている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００３−５９８５８号公報

従来のレーザアニール方法は、処理対象となる非晶質シリコン膜の全面にレーザ光を照射しているが、実際に薄膜トランジスタが形成される領域はその極一部に過ぎないので一部無駄なレーザ光照射が行われている。このように従来のレーザアニール方法はエネルギーの利用効率が低い処理が行われている。また、必要な箇所に十分なエネルギー密度でレーザ光を照射するためには走査速度を遅くする必要があり、エネルギー利用効率の低さによるコストアップに加えて処理時間が長くなる問題があった。

また、処理対象となる基板の幅が大きくなると、従来のレーザアニール方法ではその幅に対応した幅広のレーザ照射領域を形成することができない場合がある。この場合には、基板幅の一部を一回目のレーザ光走査で処理し、他の部分を二回目或いは三回目のレーザ光走査で処理せざるを得ない。このような場合には、一回目の走査と二回目の走査或いは二回目の走査と三回目の走査のつなぎ部分で重ね処理部や未処理部が形成されることがあり、均一なアニール処理を行い難い問題があった。

また、従来のレーザアニール方法は、幅広のレーザ照射領域をその幅の長手方向と直交する方向に走査させているので、幅の狭いレーザ照射領域に沿ってレーザ光が移動することになり、幅の狭いレーザ照射領域の中では照射されるエネルギー密度の分布が急峻に変化するので、レーザ光の移動方向に沿って均一なエネルギー密度でレーザ光を照射することが難しくなる。良質な多結晶シリコン膜を得るためには、均一なエネルギー密度でレーザ光を照射して過熱溶融状態にばらつきが無いアニール処理が必要になる。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、複数の薄膜トランジスタが形成される処理対象物の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して過熱溶融・再結晶化することで多結晶シリコン膜を形成するレーザアニール処理において、レーザ光のエネルギー利用効率を高め走査速度を高めてコスト低減と処理時間の短縮化を可能にすること、処理対象物の横幅が大きい場合であっても重ね処理部を作ることなく均一なアニール処理を行うことができること、レーザ光の移動方向に沿った過熱溶融状態のばらつきを抑制して高品質の多結晶シリコンを形成することができること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明によるレーザアニール方法及びレーザアニール装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

複数の薄膜トランジスタが形成される処理対象物の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して過熱溶融・再結晶化することで多結晶シリコン膜を形成するレーザアニール方法であって、前記レーザ光のビーム形状を、一つの薄膜トランジスタが形成される範囲を含むだけの横幅と複数の薄膜トランジスタの形成領域に至る縦幅を有する走査方向に沿った縦長形状に成形し、前記ビーム形状の長手方向を薄膜トランジスタが形成される一つの配列方向に合わせ、前記レーザ光を薄膜トランジスタが形成される領域の上に沿って前記ビーム形状の長手方向に走査することでアニール処理を施し、一つのアニール処理が施される領域とそれに隣接するアニール処理が施される領域の間に未処理の領域を挟むように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザアニール方法。

複数の薄膜トランジスタが形成される処理対象物の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して過熱溶融・再結晶化することで多結晶シリコン膜を形成するレーザアニール装置であって、前記レーザ光のビーム形状を、一つの薄膜トランジスタが形成される範囲を含むだけの横幅と複数の薄膜トランジスタの形成領域に至る縦幅を有する走査方向に沿った縦長形状に成形して、前記レーザ光を照射するレーザ照射手段と、前記ビーム形状の長手方向を薄膜トランジスタが形成される一つの配列方向に合わせ、前記レーザ光を薄膜トランジスタが形成される領域の上に沿って前記ビーム形状の長手方向に走査してアニール処理を施し、一つのアニール処理が施される領域とそれに隣接するアニール処理が施される領域の間に未処理の領域を挟むように、前記レーザ光を走査する走査手段を備えることを特徴とするレーザアニール装置。

このような特徴を有する本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置によると、レーザ光のエネルギー利用効率を高めて走査速度を高めることでコスト低減と処理時間の短縮化を可能にすることができる。また、処理対象物の幅が大きい場合であっても重ね処理部を作ることなく均一なアニール処理を行うことができる。また、レーザ光の移動方向に沿った過熱溶融状態のばらつきを抑制して高品質の多結晶シリコンを形成することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザアニール装置を示した説明図である（（ａ）が側方（Ｙ方向）からみた説明図であり、（ｂ）が正面（Ｘ方向）からみた説明図である）。 本発明の実施形態に係るレーザアニール方法を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザアニール方法を説明する説明図である。 レーザ光の照射（1パルス）によって処理対象物に加えられるエネルギー密度の分布を示した説明図である。 レーザ光の照射（複数パルス走査）によって処理対象物に加えられるエネルギー密度の分布を示した説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係るレーザアニール装置を示した説明図である（（ａ）が側方（Ｙ方向）からみた説明図であり、（ｂ）が正面（Ｘ方向）からみた説明図である）。

レーザアニール装置１は、複数の薄膜トランジスタが形成される処理対象物の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して過熱溶融・再結晶化することで多結晶シリコン膜を形成する処理装置であり、レーザ照射手段２と走査手段３を備えている。

レーザ照射手段２は、例えばレーザ光源とレーザ光源から出射されるレーザ光のビーム形状を成形する光学系（シリンドリカルレンズなど）を備えており、処理対象物Ｍに照射されるレーザ光ＬＢのビーム形状を図示Ｘ方向が長手方向となる縦長形状にするものである。

走査手段３は、レーザ光ＬＢを処理対象物Ｍの上でビーム形状の長手方向に沿って線状に走査するものであり、レーザ光ＬＢの照射位置を処理対象物Ｍ上の設定位置に合わせる位置合わせ手段や処理対象物Ｍを支持する支持台３Ａを−Ｘ方向又は−Ｙ方向に移動させる支持台移動手段などを備えている。走査手段３は、支持台３Ａを−Ｘ方向又は−Ｙ方向に移動させる代わりにレーザ照射手段２自体をＸ方向又はＹ方向に移動させるものであってもよい。

図２及び図３は、本発明の実施形態に係るレーザアニール方法を説明する説明図である。図２（ａ）は、図１に示したレーザアニール装置１を用いたレーザアニール方法におけるレーザ光の照射状態を示しており、図２（ｂ）は従来技術のレーザ光の照射状態を示している。図２（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るレーザアニール方法によると、レーザ光ＬＢにおけるビーム形状の長手方向をＸ方向に合わせて、そのＸ方向に沿ってレーザ光ＬＢを線状に走査している。これによりレーザ光ＬＢは処理対象物Ｍにおいて薄膜トランジスタが配列される箇所に沿ってストライプ状に照射されることになる。

図２（ｂ）に示した従来技術では、レーザ光ＬＢは自身の横長なビーム形状に対して直交するＸ方向に走査され、処理対象物Ｍの全面にレーザ光ＬＢが照射される。このため、薄膜トランジスタが形成されない領域にもアニール処理が施されることになって一部無駄なレーザ光照射が行われ、エネルギーの利用効率が低い処理が行われることになる。また、処理対象物Ｍの横幅がレーザ光ＬＢの横幅より大きくなると、処理対象物Ｍの幅の一部を一回目のレーザ光走査で処理し、残りの未処理部分を二回目のレーザ光走査で処理せざるを得ない。このような場合には、一回目の走査と二回目の走査のつなぎ部分で重ね処理部Ｄが形成されることがあり、この重ね処理部Ｄによって不均一なアニール処理がなされることになる。

これに対して、図２（ａ）に示した本発明の実施形態に係るレーザアニール方法では、薄膜トランジスタが形成されない領域にはレーザ光が照射されないので、エネルギー利用効率の高いアニール処理がなされることになり、また、処理対象物Ｍの横幅が大きい場合であっても、レーザ光ＬＢの照射は一ライン毎になされるので、重ね処理部が形成されることはなく均一なアニール処理を行うことができる。

図３は、図２（ａ）に示したレーザ光の照射状態を拡大視した説明図である。図において、Ｔが薄膜トランジスタの形成領域、Ｇが複数の薄膜トランジスタ間を接続するゲートバスラインの形成領域を示している。レーザ光ＬＢのビーム形状は、一つの薄膜トランジスタが形成される範囲を含むだけの横幅Ｗを有し走査方向Ｘに沿って長い縦幅Ｌを有する縦長形状に成形されている。そして、ビーム形状の長手方向を薄膜トランジスタが形成される一つの配列方向（例えばゲートバスラインに沿った方向）に合わせ、レーザ光ＬＢを薄膜トランジスタが形成される領域の上に沿ってＸ方向に走査する。

このため斜線で示したアニール処理が施される領域Ａは、薄膜トランジスタの形成される領域に沿ったストライプ状になり、二つのアニール処理が施された領域Ａの間にはレーザ光ＬＢが照射されない未処理の領域Ｂが形成されることになる。本発明の実施形態に係るレーザアニール方法では、このような未処理の領域Ｂをつくることで、エネルギー利用効率を高めることができるだけでなく、図２（ｂ）に示した従来技術と同じエネルギー密度でのアニール処理を行うことを前提とした場合に処理速度を高めることができる。レーザ光ＬＢの一走査工程で複数のレーザ光ＬＢを並列配置させることで、更に処理速度を数倍に高めることができる。

図４及び図５は、レーザ光の照射によって処理対象物に加えられるエネルギー密度の分布を示した説明図である。図４は１パルスのレーザ光照射で加えられるエネルギー密度の分布を示しており、図５はレーザ光を複数パルス走査した場合に加えられるエネルギー密度の分布を示している。

レーザ光源としてパルスレーザを用いる場合には、１箇所に複数パルスを照射することでアニール処理に必要なエネルギー密度を照射するマルチショットを行うことができる。レーザ光ＬＢを走査しながら１箇所に複数パルスを照射するためには、レーザ光ＬＢの走査方向の幅を１箇所に照射するパルス回数で分割し、照射パルスに同期して複数に分割した幅の一つ分だけ移動する走査を行う。この際、被処理領域の外側にレーザ光ＬＢの照射領域を位置させて、被処理領域内に照射パルスに同期して分割幅だけレーザ光ＬＢを順次進入させ、レーザ光ＬＢの照射領域が被処理領域の外側に完全に出るまで走査することで、すべての被処理領域で同回数のパルス照射を行うことができる。一例として、良質な多結晶シリコン膜を得るためには、１パルスのエネルギー密度を３００〜６００ｍＪ／ｃｍ²程度とし、周波数を５０Ｈｚ、１箇所に照射するパルス回数を２０回程度にする。

図４（ａ）はレーザ光ＬＢの１パルスで照射されるエネルギー密度（Ｅ）のＸ方向における分布を示しており、図４（ｂ）はレーザ光ＬＢの１パルスで照射されるエネルギー密度（Ｅ）のＹ方向における分布を示している。Ｘ方向に長いビーム形状を有するレーザ光ＬＢのエネルギー密度分布は、Ｘ方向においては照射領域内でエネルギー密度が一定になる幅を大きくとれるが、Ｙ方向においてはエネルギー密度が一定になる幅が得られず、照射領域内で急峻に変化する分布になる。

図５は、このようなエネルギー密度分布を有するレーザ光ＬＢを走査しながらアニール処理する際に被処理物に加えられるエネルギー密度の分布を示している。図５（ａ）は、レーザ光ＬＢをＸ方向（すなわちビーム形状の長手方向）に走査する場合の分布を示しており、図５（ｂ）はレーザ光ＬＢをＹ方向（すなわちビーム形状の長手方向と直交する方向）に走査する場合の分布を示している。ここでは、いずれも１パルスの照射領域を５分割して１パルス毎に一つの分割幅だけ移動する走査を行っており、１箇所に照射されるエネルギー密度が両者等しくなることを前提にしている。

図５（ａ）に示したエネルギー密度分布が、本発明の実施形態に係るレーザアニール方法の分布である。図から明らかなように、１パルス毎の移動距離Ｘｓが大きくなり走査速度を高めることができるだけでなく、レーザ光ＬＢの走査によって加えられるエネルギー密度の分布が広い範囲で一様になり、均一なアニール処理の実現を可能にしている。

一方、図５（ｂ）に示したエネルギー密度分布は、図２（ｂ）に示した従来技術の分布である。図から明らかなように、１パルス毎の移動距離Ｙｓは本発明のレーザアニール方法と比較して小さくなり走査速度が遅くなっており、更には、１パルス毎のエネルギー密度分布の山が走査によっても現れるのでエネルギー密度の分布にムラが生じやすい。この比較から明らかなように、本発明の実施形態に係るレーザアニール方法によると、均一なエネルギー密度分布を処理対象物に加えることができるので、レーザ光ＬＢの移動方向に沿った過熱溶融状態のばらつきを抑制して高品質の多結晶シリコンを形成することができる。

このように本発明の実施形態に係るレーザアニール方法及びレーザアニール装置１は、薄膜トランジスタが形成される領域に沿った線状の走査によって、レーザ光ＬＢのエネルギー利用効率を高めてコスト低減と処理時間の短縮化を可能にすることができる。また、処理対象物の幅が大きい場合であっても重ね処理部を作ることなく均一なアニール処理を行うことができる。更には、複数パルス走査時に加えられるエネルギー密度分布を均一にすることでレーザ光ＬＢの移動方向に沿った過熱溶融状態のばらつきを抑制して高品質の多結晶シリコンを形成することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：レーザアニール装置，２：レーザ照射手段，３：走査手段，
ＬＢ：レーザ光，Ｍ：処理対象物

Claims (5)

1. 複数の薄膜トランジスタが形成される処理対象物の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して過熱溶融・再結晶化することで多結晶シリコン膜を形成するレーザアニール方法であって、
   前記レーザ光のビーム形状を、一つの薄膜トランジスタが形成される範囲を含むだけの横幅と複数の薄膜トランジスタの形成領域に至る縦幅を有する走査方向に沿った縦長形状に成形し、
   前記ビーム形状の長手方向を薄膜トランジスタが形成される一つの配列方向に合わせ、前記レーザ光を薄膜トランジスタが形成される領域の上に沿って前記ビーム形状の長手方向に走査することでアニール処理を施し、
   一つのアニール処理が施される領域とそれに隣接するアニール処理が施される領域の間に未処理の領域を挟むように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザアニール方法。
2. 前記レーザ光は、複数の薄膜トランジスタを接続するゲートバスラインに沿って走査されることを特徴とする請求項１記載のレーザアニール方法。
3. 前記レーザ光は、照射パルスに同期して前記ビーム形状の縦幅を複数に分割した幅だけ移動することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザアニール方法。
4. 前記レーザ光の一走査工程では、複数の前記レーザ光を並列配置させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザアニール方法。
5. 複数の薄膜トランジスタが形成される処理対象物の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して過熱溶融・再結晶化することで多結晶シリコン膜を形成するレーザアニール装置であって、
   前記レーザ光のビーム形状を、一つの薄膜トランジスタが形成される範囲を含むだけの横幅と複数の薄膜トランジスタの形成領域に至る縦幅を有する走査方向に沿った縦長形状に成形して、前記レーザ光を照射するレーザ照射手段と、
   前記ビーム形状の長手方向を薄膜トランジスタが形成される一つの配列方向に合わせ、前記レーザ光を薄膜トランジスタが形成される領域の上に沿って前記ビーム形状の長手方向に走査してアニール処理を施し、一つのアニール処理が施される領域とそれに隣接するアニール処理が施される領域の間に未処理の領域を挟むように、前記レーザ光を走査する走査手段を備えることを特徴とするレーザアニール装置。