JP7154592B2 - レーザアニール方法およびレーザアニール装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザアニール方法およびレーザアニール装置に関する。
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）は、薄型ディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display）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いる。薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）の半導体層の材料としては、非晶質シリコン（ａ－Ｓｉ：amorphous Silicon）や、多結晶シリコン（p－Ｓｉ：polycrystalline Silicon）などが用いられている。
非晶質シリコンは、電子の動き易さの指標である移動度が低い。このため、非晶質シリコンでは、さらに高密度・高精細化が進むＦＰＤで要求される高移動度には対応しきれない。そこで、ＦＰＤにおけるスイッチング素子としては、非晶質シリコンよりも移動度が大幅に高い多結晶シリコンでチャネル層を形成することが好ましい。多結晶シリコン膜を形成する方法としては、エキシマレーザを使ったエキシマレーザアニール（ＥＬＡ:Excimer Laser Annealing）装置で、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射し、非晶質シリコンを再結晶化させて多結晶シリコンを形成する方法がある。
ＴＦＴにおけるソースとドレインを結ぶ方向（ソース・ドレイン方向）の移動度を高めるため、ソース・ドレイン方向に沿って疑似単結晶シリコンを、横方向（ラテラル）結晶成長させる技術が知られている（特許文献１参照）。この特許文献１に開示されたレーザアニール方法では、基板上に形成された非晶質シリコン膜における駆動回路形成領域に対して、エキシマレーザアニールを行って基板上に多結晶シリコン膜を形成する。次に、多結晶シリコン膜に対して、連続発振（ＣＷ：Continuous Wave）レーザ光のラインビームを相対的に移動させながら照射することにより、広い領域にラテラル成長した多結晶膜を形成する。
特開２００８－４１９２０号公報
上述の従来技術では、ラテラル結晶成長させるためのレーザアニール工程と、ラテラル結晶成長の前処理工程であるエキシマレーザアニール工程と、においては広い領域に線状に整形したレーザ光を用いてレーザアニールを行う。このようなラテラル結晶成長した多結晶シリコン膜をＦＰＤの表示領域全体に形成する場合、線状に長いラインビームを整形するために、長いシリンドリカルレンズが必要となる。しかし、近年のＦＰＤの大型化に伴い、長いシリンドリカルレンズの製造がコスト的ならびに技術的に困難となっている。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、多結晶シリコン膜や疑似単結晶シリコン膜を必要な領域に選択的に形成でき、製造コストを下げることができるレーザアニール方法およびレーザアニール装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の態様は、基板上に、複数のゲート配線が平行をなすように配置され、表面全体に非晶質シリコン膜が形成されてなる被処理基板における、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコン膜に改質させるレーザアニール方法であって、前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された改質予定領域の、前記ゲート配線に対して当該ゲート配線の長手方向に直交する方向の外側の位置に、微結晶シリコンでなる種結晶領域が形成された前記被処理基板を用意し、前記種結晶領域を起点として、前記非晶質シリコン膜の表面に連続発振レーザ光を、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って照射しながら移動させ、それぞれの前記改質予定領域内の前記非晶質シリコン膜が結晶化シリコン膜になるように選択的に結晶成長させるラテラル結晶形成工程を行うことを特徴とする。
上記態様としては、前記ラテラル結晶形成工程では、前記連続発振レーザ光として、前記非晶質シリコン膜の表面にスポット状に集光するスポットレーザ光を用いることが好ましい。
上記態様としては、前記ラテラル結晶形成工程では、前記連続発振レーザ光を、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って設定された複数の前記改質予定領域に亘って移動させて間欠的に照射することが好ましい。
上記態様としては、前記ラテラル結晶形成工程の前に、前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された改質予定領域の、前記ゲート配線に対して当該ゲート配線の長手方向に直交する方向の外側の位置に、種結晶形成用レーザ光の照射を行って微結晶シリコンでなる種結晶領域を形成する種結晶形成工程を、備えることが好ましい。
上記態様としては、前記種結晶形成工程は、複数のマイクロレンズがマトリクス状に配置されたマイクロレンズアレイを用いて複数のレーザパルスビームを照射することが好ましい。
本発明の他の態様としては、基板上に、複数のゲート配線が平行をなすように配置され、表面全体に非晶質シリコン膜が形成されてなる被処理基板における、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコン膜に改質させるレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を発振するレーザ光源部と、前記レーザ光源部から発振された前記連続発振レーザ光でなるレーザビームのビームスポットを、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って移動させて、前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された改質予定領域を選択的に結晶化シリコン膜に改質させるレーザビーム照射部と、を備えることを特徴とする。
上記態様としては、前記レーザビーム照射部は、前記レーザビームを前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って移動させるスキャナを備えることが好ましい。
上記態様としては、前記レーザビーム照射部は、前記レーザビームを、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って配置された複数の前記改質予定領域に亘って移動可能であることが好ましい。
上記態様としては、前記被処理基板は、前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された改質予定領域の、前記ゲート配線の長手方向に直交する方向の外側の位置に、微結晶シリコンでなる種結晶領域が形成されており、前記レーザビーム照射部は、前記種結晶領域を起点として前記連続発振レーザ光の照射を開始することが好ましい。
本発明に係るレーザアニール方法およびレーザアニール装置によれば、多結晶シリコン膜や疑似単結晶シリコン膜を必要な領域に選択的に形成できる。このため、本発明に係るレーザアニール方法およびレーザアニール装置によれば、長尺なシリンドリカルレンズを用いずに、必要な領域のみレーザアニール処理を行えばよいため、製造コストを下げることができる。
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール方法において種結晶を形成する種結晶形成工程を示す断面説明図である。 図４は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール方法においてラテラル結晶形成工程を行って疑似単結晶シリコン膜を形成した状態を示す平面図である。 図５は、図４の領域Ａを拡大した状態を示す平面説明図である。 図６は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール方法を示すフローチャートである。
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザアニール方法およびレーザアニール装置の詳細を図面に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の数、各部材の寸法、寸法の比率、形状などは現実のものと異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率や形状が異なる部分が含まれている。
本発明のレーザアニール方法では、それぞれのＴＦＴのチャネル領域となる領域を改質予定領域として設定する。そして、このレーザアニール方法では、非晶質シリコン膜の改質を行う改質予定領域にレーザ光を照射させつつ移動させて、この改質予定領域に結晶化シリコン膜をラテラル結晶成長させる場合に用いる。
このレーザアニール方法は、ラテラル結晶形成工程を備える。ラテラル結晶形成工程では、種結晶領域を起点として、非晶質シリコン膜の表面に連続発振レーザ光を、ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って照射しながら移動させる。その結果、それぞれの改質予定領域内の非晶質シリコン膜が結晶化シリコン膜になるように結晶成長させる。
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係るレーザアニール方法でレーザアニール処理を行う被処理基板の一例、およびレーザアニール方法に用いるレーザアニール装置１０について説明する。なお、図１においては、説明の便宜上、後述するゲート絶縁膜４および非晶質シリコン膜５を省略して示す。
（被処理基板）
図１および図２に示すように、被処理基板１は、基体としてのガラス基板２と、このガラス基板２の表面に互いに平行をなすように配置された複数のゲート配線３と、ガラス基板２およびゲート配線３の上に形成されたゲート絶縁膜４（図２参照）と、このゲート絶縁膜４の上に全面に堆積された非晶質シリコン膜５（図２参照）と、を備える。なお、この被処理基板１は、最終的に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などが作り込まれたＴＦＴ基板となる。
本実施の形態では、被処理基板１は、レーザアニール処理において、ゲート配線３の長手方向に沿って搬送される。図５に示すように、ゲート配線３の上方に成膜された非晶質シリコン膜５には、略矩形状の改質予定領域６が設定されている。この改質予定領域６は、最終的にはＴＦＴのチャネル領域となる。この改質予定領域６は、ゲート配線３の長手方向に沿って形成されるＴＦＴの数に応じて複数が設定されている。
（レーザアニール装置の概略構成）
以下、図１および図２を用いて、本実施の形態に係るレーザアニール装置１０の概略構成を説明する。図２に示すように、レーザアニール装置１０は、基台１１と、レーザ光源部１２と、レーザビーム照射部１３と、を備える。
本実施の形態では、アニール処理時にはレーザビーム照射部１３は移動せず、被処理基板１を移動させるようになっている。基台１１は、図示しない基板搬送手段を備えている。このレーザアニール装置１０においては、被処理基板１を基台１１の上に配置した状態で、図示しない基板搬送手段によって、搬送方向（スキャン方向）Ｔに向けて搬送する。図１および図２に示すように、この搬送方向Ｔは、ゲート配線３の長手方向と平行をなす方向である。
レーザ光源部１２は、連続発振レーザ光（ＣＷレーザ光）を発振する光源としてのＣＷレーザ光源を備えている。ここで、連続発振レーザ光（ＣＷレーザ光）とは、目的領域に対して連続してレーザ光を照射する所謂疑似連続発振も含む概念である。つまり、レーザ光がパルスレーザであっても、パルス間隔が加熱後のシリコン薄膜（非晶質シリコン膜）の冷却時間よりも短い（固まる前に次のパルスで照射する）疑似連続発振レーザであってもよい。レーザ光源部１２としては、半導体レーザ、固体レーザ、液体レーザ、気体レーザなどの各種のレーザを用いることが可能である。
レーザ光源部１２およびレーザビーム照射部１３は、図示しない支持フレームなどにより、基台１１の上方に配置されている。レーザビーム照射部１３は、スキャナ１５と、Ｆθレンズ１６と、を備える。
レーザ光源部１２とスキャナ１５とは、光ファイバ１４で接続されている。レーザ光源部１２から出射されたＣＷレーザ光は、光ファイバ１４を介してスキャナ１５へ導かれる。スキャナ１５は、例えば、回転駆動されるガルバノミラーなどで、光ファイバ１４側から導入されたＣＷレーザ光でなるレーザビームＬＢを所定の角度幅で揺動させるようになっている。
Ｆθレンズ１６は、スキャナ１５におけるガルバノミラーなどのミラーの等速回転運動を、レンズのディストーション効果を使って、焦点平面上を動くレーザビームＬＢのビームスポットＢＳの等速直線運動に変換する。
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、Ｆθレンズ１６を通過するレーザビームＬＢが等速直線運動する方向は、ゲート配線３の長手方向と直交する方向に設定されている。なお、レーザビームＬＢが等速直線運動する方向は、被処理基板１の移動を考慮して決定してもよい。すなわち、レーザビームＬＢが等速直線運動する方向は、非晶質シリコン膜５の表面を移動するビームスポットＢＳが常にゲート配線３の長手方向に直交する方向に並ぶ改質予定領域６の上を通るように、ゲート配線３の長手方向に直交する方向に対して斜めに傾けてもよい。
本実施の形態では、Ｆθレンズ１６を通過したレーザビームＬＢが、ゲート配線３の長手方向と直交する方向に沿ってレーザビームＬＢを照射する状態と照射しない状態とに切り換え可能に設定されている。すなわち、レーザ光源部１２は、スキャナ１５によるレーザビームＬＢの到達位置に応じてオン・オフされるように設定されている。図５に示すように、非晶質シリコン膜５におけるレーザビームＬＢのビームスポットＢＳを投影する領域は、改質予定領域６である。そして、ゲート配線３同士の間の領域では、レーザ光源部１２がオフの状態になり、ビームスポットＢＳが投影されないようになっている。
（レーザアニール方法）
次に、図１から図６を用いて、本発明の実施の形態に係るレーザアニール方法について説明する。以下、図６に示すフローチャートに沿って説明する。
まず、図２に示すような被処理基板１を用意する。実際には、被処理基板１の最上層の非晶質シリコン膜５には、表面に非晶質シリコンの酸化で生じた二酸化シリコン（ＳｉＯ２）やパーティクルＰなどが存在している。このため、これら二酸化シリコンやパーティクルＰなどを除去するために、被処理基板１の洗浄工程を行う（ステップＳ１）。この洗浄工程を行うことにより、非晶質シリコン膜５の表面の二酸化シリコンやパーティクルＰなどが除去される。
次に、被処理基板１に対して、図示しない脱水素処理炉内で脱水素処理工程を行う（ステップＳ２）。この脱水素処理工程では、被処理基板１の表面全体に形成された非晶質シリコン膜５から水素（Ｈ）が離脱する。
その後、図３に示すように、上記脱水素処理工程を経た被処理基板１に対して、エキシマレーザ照射装置２０を用いて種結晶形成工程を行う（ステップＳ３）。エキシマレーザ照射装置２０は、基台２１と、エキシマレーザ光源２２と、レンズ群２３と、ミラー２４と、マスク２５と、複数のマイクロレンズがマトリクス状に配置されたマイクロレンズアレイ２６と、を備える。
図３に示すように、このエキシマレーザ照射装置２０は、非晶質シリコン膜５に向けて複数のレーザパルスビームＬＰＢを照射するようになっている。図５に示すように、この種結晶形成工程では、ゲート配線３の上方の領域に位置する非晶質シリコン膜５に設定された改質予定領域６の、ゲート配線３の長手方向に直交する方向の外側の位置に、種結晶領域５Ａを形成する。すなわち、種結晶形成用レーザ光としてのレーザパルスビームＬＰＢの照射を行って微結晶シリコンでなる種結晶領域５Ａをゲート配線３と重ならない位置に形成する。この種結晶形成工程では、ＴＦＴを形成する領域内の全ての改質予定領域６の側方に種結晶領域５Ａを形成しておく。
次に、上記の種結晶形成工程を経た被処理基板１を、図２に示すように、レーザアニール装置１０の基台１１の上にセットする。そして、図示しない基板搬送手段により被処理基板１を搬送方向Ｔへ一定の速度で搬送させる。このとき、図１および図２に示すように、レーザビーム照射部１３から出射されるレーザビームＬＢをゲート配線３の長手方向と直交する方向へ沿って移動させてラテラル結晶形成工程を行う（ステップＳ４）。
このとき、改質予定領域６の側方に形成された種結晶領域５Ａを起点として移動させながら、非晶質シリコン膜５の表面に連続発振レーザ光でなるレーザビームＬＢを照射する。このラテラル結晶成長工程により、改質予定領域６内の非晶質シリコン膜５が結晶化シリコン膜としての疑似単結晶シリコン膜５Ｂに選択的に結晶成長する。
このレーザビームＬＢは、スポットレーザ光であり、図５に示すような、改質予定領域６の幅と同程度の直径を有するビームスポットＢＳを非晶質シリコン膜５上に投影する。図５に示すように、一つの改質予定領域６におけるラテラル結晶成長が終了すると、搬送方向Ｔと直交する方向に隣接する改質予定領域６におけるレーザアニール処理を行う。このように、ラテラル結晶形成工程では、連続発振レーザ光としてのレーザビームＬＢを、ゲート配線３の長手方向と直交する方向に沿って設定された複数の改質予定領域６に亘って移動させて間欠的に照射するように設定されている。この結果、図１および図４に示すように、改質予定領域６を疑似単結晶シリコン膜５Ｂに改質できる。
このラテラル結晶成長工程では、レーザビームＬＢの照射によって、改質予定領域６内の非晶質シリコン膜５が結晶化シリコン膜としての疑似単結晶シリコン膜５Ｂになるように条件設定されている。
本実施の形態に係るレーザアニール方法では、予め種結晶領域５Ａが形成されている領域だけからラテラル結晶成長されるため、種結晶形成工程において種結晶領域５Ａを精度よく形成しておけば、ラテラル結晶形成工程におけるレーザビームＬＢの照射位置精度は低くてもよい。このため、必要なＴＦＴを作製する領域だけにラテラル結晶成長させることができる。
本実施の形態に係るレーザアニール方法では、ラテラル結晶形成工程において長いラインビームを形成する必要がないため、長いラインビームを実現するための長いシリンドリカルレンズが不要となり、低いコストで結晶化シリコン膜を形成することが可能となる。
なお、本実施の形態では、被処理基板１を搬送方向Ｔへ移動させながらレーザビームＬＢをゲート配線３の長手方向と直交する方向へ移動させている。このとき、レーザビームＬＢの移動速度は、被処理基板１の搬送方向Ｔへの移動速度よりも十分に速いため、ゲート配線３の長手方向に直交する方向に沿って並ぶ疑似単結晶シリコン膜５Ｂの領域のずれは無視できる程度である。
しかし、本発明においては、レーザビームＬＢの移動方向をゲート配線３の長手方向に直交する方向から傾けて、スキャナ１５で移動するビームスポットＢＳが常にゲート配線３の長手方向に直交する方向に並ぶ改質予定領域６の上を通るように設定してもよい。
［その他の実施の形態］
以上、実施の形態について説明したが、この実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
上記の実施の形態では、結晶化シリコン膜として、疑似単結晶シリコン膜５Ｂを形成したが、種結晶領域から多結晶シリコン膜を成長させる構成としても勿論よい。この場合も、種結晶領域を起点として、良質な多結晶シリコン膜を形成することが可能となる。
上記の実施の形態では、スキャナ１５としてガルバノミラーなどの光学系を用いた構成としたが、電気的にレーザビームＬＢの光路を変化させる構成としてもよい。
ＢＳ ビームスポット
ＬＢ レーザビーム
ＬＰＢ レーザパルスビーム
Ｔ 搬送方向
１ 被処理基板
２ ガラス基板
３ ゲート配線
４ ゲート絶縁膜
５ 非晶質シリコン膜
６ 改質予定領域
１０ レーザアニール装置
１１ 基台
１２ レーザ光源部
１３ レーザビーム照射部
１４ 光ファイバ
１５ スキャナ
１６ Ｆθレンズ
２０ エキシマレーザ照射装置
２１ 基台
２２ エキシマレーザ光源
２３ レンズ群
２４ ミラー
２５ マスク
２６ マイクロレンズアレイ

Claims (9)

  1. 基板上に、複数のゲート配線が平行をなすように配置され、表面全体に非晶質シリコン膜が形成されてなる被処理基板における、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコン膜に改質させるレーザアニール方法であって、
    前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された改質予定領域の、前記ゲート配線に対して当該ゲート配線の長手方向に直交する方向の外側の位置に、微結晶シリコンでなる種結晶領域が形成された前記被処理基板を用意し、
    前記種結晶領域を起点として、前記非晶質シリコン膜の表面に連続発振レーザ光を、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って照射しながら移動させ、それぞれの前記改質予定領域内の前記非晶質シリコン膜が結晶化シリコン膜になるように選択的に結晶成長させるラテラル結晶形成工程
    を行うレーザアニール方法。
  2. 前記ラテラル結晶形成工程では、前記連続発振レーザ光として、前記非晶質シリコン膜の表面にスポット状に集光するスポットレーザ光を用いる
    請求項１に記載のレーザアニール方法。
  3. 前記ラテラル結晶形成工程では、前記連続発振レーザ光を、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って設定された複数の前記改質予定領域に亘って移動させて間欠的に照射する
    請求項１または請求項２に記載のレーザアニール方法。
  4. 前記ラテラル結晶形成工程の前に、前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された改質予定領域の、前記ゲート配線に対して当該ゲート配線の長手方向に直交する方向の外側の位置に、種結晶形成用レーザ光の照射を行って微結晶シリコンでなる種結晶領域を形成する種結晶形成工程を、備える
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザアニール方法。
  5. 前記種結晶形成工程は、複数のマイクロレンズがマトリクス状に配置されたマイクロレンズアレイを用いて複数のレーザパルスビームを照射する
    請求項４に記載のレーザアニール方法。
  6. 基板上に、複数のゲート配線が平行をなすように配置され、表面全体に非晶質シリコン膜が形成されてなる被処理基板における、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコン膜に改質させるレーザアニール装置であって、
    連続発振レーザ光を発振するレーザ光源部と、
    前記レーザ光源部から発振された前記連続発振レーザ光でなるレーザビームのビームスポットを、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って移動させて、前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された改質予定領域を選択的に結晶化シリコン膜に改質させるレーザビーム照射部と、
    を備えるレーザアニール装置。
  7. 前記レーザビーム照射部は、前記レーザビームを前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って移動させるスキャナを備える
    請求項６に記載のレーザアニール装置。
  8. 前記レーザビーム照射部は、前記レーザビームを、前記ゲート配線の長手方向と直交する方向に沿って配置された複数の前記改質予定領域に亘って移動可能である
    請求項６または請求項７に記載のレーザアニール装置。
  9. 前記被処理基板は、前記ゲート配線の上方の領域に位置する前記非晶質シリコン膜に設定された前記改質予定領域の、前記ゲート配線の長手方向に直交する方向の外側の位置に、微結晶シリコンでなる種結晶領域が形成されており、
    前記レーザビーム照射部は、前記種結晶領域を起点として前記連続発振レーザ光の照射を開始する
    請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
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