JPH09139357A

JPH09139357A - レーザーアニール方法およびレーザーアニール装置

Info

Publication number: JPH09139357A
Application number: JP31752595A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kusumoto; 直人楠本; Toru Takayama; 徹高山; Masahito Yonezawa; 雅人米澤
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 1997-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】複数の珪素膜に対しレーザーアニールを行う
に際し、良好な結晶性珪素膜を安定して得る。【構成】レーザー光の照射エネルギー密度と、試料
（珪素膜）の加熱温度を、アニール後の珪素膜が示す、
ラマン半値半幅（ラマン半値幅の１／２の値）、また
は、屈折率、または、その両方の、好ましい範囲に従っ
て決定する。これにより、レーザー光の照射エネルギー
密度および加熱温度の、好ましい範囲が得られ、その範
囲内でアニールされた結晶性珪素膜は、異なる珪素膜間
で同質または類似の、優れた膜質・膜特性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス等の絶縁基
板上に形成された非晶質（アモルファス）珪素膜や結晶
性シリコン膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶
化させる、あるいは結晶性を向上させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上に形成され
た非晶質珪素膜や結晶性珪素膜（単結晶でない、多結
晶、微結晶等の結晶性を有する珪素膜）、すなわち、非
単結晶珪素膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶
化させたり、結晶性を向上させる技術が、広く研究され
ている。

【０００３】レーザーアニールを施して形成された結晶
性珪素膜は、高い移動度有するため、この結晶性珪素膜
を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に最適である。例
えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用
のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装
置等に利用するのに好適である。

【０００４】また、出力の大きい、エキシマレーザー等
のパルスレーザービームを使用する方法は知られてい
る。これは、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポ
ットや、数ミリ幅×数１０ｃｍの線状となるように光学
系にて加工し、レーザービームを走査させる方法であ
る。この方法は、レーザービームの照射位置を被照射面
に対し相対的に移動させて行われる。このようなレーザ
ーアニールを行う方法は、量産性が良く、工業的に優れ
ているため、好んで使用される。

【０００５】特に、線状レーザービームを用いると、前
後左右の走査が必要なスポット状のレーザービームを用
いた場合とは異なり、線方向に直角な方向だけの走査で
被照射面全体にレーザー照射を行うことができるため、
高い量産性が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】パルスレーザービーム
を光源とする、スポット状、あるいは線状のレーザービ
ームを走査させて、非単結晶珪素膜に対してレーザーア
ニールを施すに際し、いくつかの問題が生じている。

【０００７】レーザーアニールによって結晶化あるいは
結晶化が助長された結晶性珪素膜は、レーザーアニール
時の種々の条件により、その膜質が大きく変化する。例
えば、レーザーアニールを行うレーザー照射装置におい
て、レーザー光源の出力や、ビームの形状、面積、装置
の経時変化等により、得られる膜質の状態は千変万化す
る。

【０００８】そのため、所望の特性の結晶性珪素膜を安
定して得ることは、いささか困難である。特に、特性が
異なるレーザー照射装置を用いて、同一または類似の膜
特性を有する結晶性珪素膜を得ることは極めて困難であ
る。本発明は、上記課題を解決するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、複数の珪素膜に対してレーザーアニール
を行う方法であって、アニール後の珪素膜が示すラマン
半値半幅に従って、後の珪素膜に対するレーザー光の照
射エネルギー密度と珪素膜の加熱温度とを決定すること
を特徴とするレーザーアニール方法である。

【００１０】また、本発明の他の構成は、複数の珪素膜
に対してレーザーアニールを行う方法であって、アニー
ル後の珪素膜が示す屈折率に従って、後の珪素膜に対す
るレーザー光の照射エネルギー密度と珪素膜の加熱温度
とを決定することを特徴とするレーザーアニール方法で
ある。

【００１１】また、本発明の他の構成は、複数の珪素膜
に対してレーザーアニールを行う方法であって、アニー
ル後の珪素膜が示すラマン半値半幅と屈折率に従って、
後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度とを決定することを特徴とするレーザ
ーアニール方法である。

【００１２】本出願人は、非単結晶珪素膜に対してレー
ザーアニールを施して結晶化または結晶化を助長させ
て、結晶性珪素膜を得るに際し、主にレーザー光の照射
エネルギー密度と、試料（珪素膜）の加熱温度の２つの
パラメータを、所定の範囲内の数値とすることで、優れ
た膜質の結晶性珪素膜を得られることを発見した。

【００１３】そして、レーザー光の照射エネルギー密度
と加熱温度を、アニール後の珪素膜が示す、ラマン半値
半幅（ラマン半値幅の１／２の値）、または屈折率、ま
たはその両方に従って決定することで、レーザー光の照
射エネルギー密度および加熱温度の、好ましい範囲が得
られることを発見した。

【００１４】このようにして決定された、加熱温度およ
び照射エネルギー密度の組み合わせの範囲は、加熱温度
や照射エネルギー密度が異なっても、好ましい膜質や膜
特性を有する、同質または類似の結晶性珪素膜が得られ
る。

【００１５】本発明は、まず、珪素膜に対し、レーザー
アニールを行う。そしてアニール後の珪素膜のラマン半
値半幅（ラマン半値幅の１／２の値）、または屈折率、
またはその両方から、好ましい範囲のレーザー光の照射
エネルギー密度と珪素膜の加熱温度とを決める。

【００１６】そして、後の珪素膜に対しては、このよう
にして決定された照射エネルギー密度と珪素膜の加熱温
度により、レーザーアニールを行う。

【００１７】すると、後の珪素膜は、レーザーアニール
後において、優れた膜質、特性を有するものが得られ
る。

【００１８】特にアニール後の珪素膜が示すラマン半値
半幅は、３．３〜３．５ｃｍ^-1の範囲であることが好ま
しい。

【００１９】また、アニール後の珪素膜が示す屈折率
は、３．４０±０．１０の範囲であることが好ましい。

【００２０】例えば、アニール後の珪素膜が示すラマン
半値半幅と屈折率に従って決定された、後の珪素膜に対
するレーザー光の照射エネルギー密度と珪素膜の加熱温
度は、Ｘ軸をレーザー光の照射エネルギー密度（ｍＪ／
ｃｍ² ）、Ｙ軸を珪素膜の加熱温度（℃）とするとき、
（２２５、ＲＴ）、（２８６、ＲＴ）、（１９５、３３
５）、（１８１、３００）、（１８１、２７０）（ＲＴ
は室温）で囲まれた範囲内に制御されることが特に好ま
しい。

【００２１】この範囲内の照射エネルギー密度および加
熱温度で、後の珪素膜をレーザーアニールすることで、
得られる結晶性珪素膜は高い結晶性を有し、膜面内にお
ける膜質の均質性が高く、かつ膜の荒れが少ない結晶性
珪素膜が得られる。

【００２２】上記いずれかのレーザーアニール方法にお
いて、レーザーアニールされる珪素膜を結晶性珪素膜と
すると、特に顕著な効果が得られる。

【００２３】本発明の他の構成は、複数の珪素膜に対し
てレーザーアニールを行う装置であって、アニール後の
珪素膜が示すラマン半値半幅に従って、後の珪素膜に対
するレーザー光の照射エネルギー密度と珪素膜の加熱温
度とを決定する手段を有することを特徴とするレーザー
アニール装置である。

【００２４】本発明の他の構成は、複数の珪素膜に対し
てレーザーアニールを行う装置であって、アニール後の
珪素膜が示すラマン半値半幅と屈折率に従って、後の珪
素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と珪素膜
の加熱温度とを決定する手段を有することを特徴とする
レーザーアニール装置である。

【００２５】本発明の他の構成は、複数の珪素膜に対し
てレーザーアニールを行う装置であって、アニール後の
珪素膜が示す屈折率に従って、後の珪素膜に対するレー
ザー光の照射エネルギー密度と珪素膜の加熱温度とを決
定する手段を有することを特徴とするレーザーアニール
装置である。

【００２６】上記レーザーアニール装置は、前記したレ
ーザアニール方法を実施する装置である。

【００２７】すなわち、レーザーアニールが施された珪
素膜から得られた、ラマン半値半幅や屈折率と、それら
に対応する、試料（珪素膜）の加熱温度、およびレーザ
ー光の照射エネルギー密度のデータを記憶装置に格納し
ておく。

【００２８】そして、後の珪素膜にレーザーアニールを
行う際に、格納されたデータを参照して、加熱温度およ
び照射エネルギー密度を制御する。

【００２９】このようにすることで、所望の好ましい膜
質や膜特性が得られる加熱温度および照射エネルギー密
度の組み合わせの範囲が得られ、その範囲内であれば、
加熱温度や照射エネルギー密度が異なっても、同質また
は類似の結晶性珪素膜が得られる。

【００３０】本発明により、レーザーアニールにより結
晶性珪素膜を得るに際し、異なるレーザー照射装置を用いて同質の結晶性珪素膜
を得る。レーザー照射装置の経時劣化、特性変化が生じても、
同質の結晶性珪素膜を得る。所定のパラメータを制御することで、常に一定の膜質
を有した結晶性珪素膜を得ることができる。といった優れた効果が得られる。

【００３１】以下、実施例に本発明の詳細を説明する。

【００３２】

【実施例】

〔実施例１〕実施例１では、ガラス基板上にレーザーア
ニールによる結晶性珪素膜を設け、該膜を用いて薄膜ト
ランジスタを形成する例を示す。

【００３３】図８に、実施例の作製工程を示す。まず、
基板２０１として、１２７ｍｍ角のコーニング１７３７
上に、下地膜としての酸化珪素膜２０２が２０００Å、
その上に非晶質珪素膜が、３００〜３０００Å、例えば
５００Å、共にプラズマＣＶＤ法にて、連続的に成膜さ
れる。

【００３４】次に、１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液
が、スピンコート法により非晶質珪素膜上に塗布され、
酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液に
は、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケ
ル層は、極めて薄いので、膜状となっているとは限らな
いが、以後の工程における問題はない。

【００３５】次に、上記のようにして各膜が積層された
基板２０１に、６００℃で４時間の熱アニールが施さ
れ、非晶質珪素膜が結晶化し、結晶性珪素膜２０３が形
成される。（図８（Ａ））

【００３６】このとき、触媒元素であるニッケルが結晶
成長の核の役割を果たし、結晶化を促進させる。６００
℃、４時間という低温、短時間で結晶化を行うことがで
きるのは、ニッケルの機能による。詳細については、特
開平６−２４４１０４号に記載されている。

【００３７】触媒元素の濃度は、１×１０¹⁵〜１０¹⁹原
子／ｃｍ³ であると好ましい。１×１０¹⁹原子／ｃｍ³
以上の高濃度では、結晶性珪素膜に金属的性質が現れ、
半導体としての特性が消滅する。本実施例において、結
晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値
で、１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸原子／ｃｍ³ である。これ
らの値は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により分
析、測定したものである。

【００３８】このようにして得られる結晶性珪素膜２０
３の結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを
用いてレーザーアニールを行う。

【００３９】図１０に、実施例におけるレーザー照射室
を示す。図１０は、レーザー照射室の側断面図である。

【００４０】図９に、実施例におけるレーザーアニール
装置の上面図を示す。ここでは、図９に示すマルチチャ
ンバー型のレーザーアニール装置を用いる。図９におけ
るＡ−Ａ’断面を示す図が図１０に相当する。

【００４１】図１０において、レーザー照射室１０１
は、レーザー発振装置１０２から照射され、光学系１１
２により断面形状が線状に加工されたパルスレーザービ
ームを、ミラー１０３で反射させ、石英で構成された窓
１０４を介して被処理基板１０５に照射される機能を有
している。

【００４２】レーザー発振装置１０２は、ここでは、Ｘ
ｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を発振する
ものを用いる。他に、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２
４８ｎｍ）を用いてもよい。

【００４３】被処理基板１０５は、台１０６上に設けら
れたステージ１１１上に配置され、台１０６内に設置さ
れたヒーターによって、所定の温度（１００〜７００
℃）に保たれる。

【００４４】台１０６は、移動機構１０７によって、線
状レーザービームの線方向に対して直角方向に移動さ
れ、被処理基板１０５上面に対しレーザービームを走査
しながら照射することを可能とする。

【００４５】雰囲気制御が可能なレーザー照射室１０１
は、減圧、排気手段として、真空排気ポンプ１０８を有
する。また、気体供給手段として、バルブを介して酸素
ボンベに接続された、気体供給管１０９と、バルブを介
して窒素やその他の気体のボンベに接続された、気体供
給管１１０を有する。

【００４６】レーザー照射室１０１は、ゲイトバルブ３
０１を介して、基板搬送室３０２に連結されている。

【００４７】図９において、図１０のレーザー照射室１
０１がゲイトバルブ３０１を介して基板搬送室３０２に
連結されている。

【００４８】図９に示す装置の説明をする。ロード／ア
ンロード室３０６に、被処理基板１０５が多数枚、例え
ば２０枚収納されたカセット３１２が配置される。ロボ
ットアーム３０５により、カセット３１２から一枚の基
板がアライメント室に移動される。

【００４９】アライメント室３０３には、被処理基板１
０５とロボットアーム３０５との位置関係を修正するた
めの、アライメント機構が配置されている。アライメン
ト室３０３は、ロード／アンロード室３０６とゲイトバ
ルブ３０７を介して接続されている。また、アライメン
ト室３０３には、エリプソメータを構成する光照射部３
１３、受光部３１４が設けられており、必要に応じて珪
素膜の屈折率を計測することができる構成となってい
る。

【００５０】予備加熱室３０８は、レーザーアニールさ
れる基板を所定の温度まで予備的に加熱して、レーザー
照射室１０１において基板加熱に要する時間を短縮さ
せ、スループットの向上を図るものである。

【００５１】予備加熱室３０８は、その内部は円筒状の
石英で構成されている。円筒状の石英はヒーターで囲ま
れている。また石英で構成された基板ホルダーを備えて
いる。基板ホルダーには、基板が多数枚収容可能なサセ
プターが備えられている。基板ホルダーは、エレベータ
ーにより上下される。基板はヒーターで加熱される。予
備加熱室３０８は、基板搬送室３０２とは、ゲイトバル
ブ３０９によって連結されている。

【００５２】予備加熱室３０８において、所定の時間予
熱された基板は、ロボットアーム３０５によって基板搬
送室３０２に引き戻され、アライメント室３０３にて再
度アライメントされた後、ロボットアーム３０５によっ
て、レーザー照射室１０１に移送される。

【００５３】レーザー照射終了後、被処理基板１０５は
ロボットアーム３０５によって基板搬送室３０２に引き
出され、徐冷室３１０に移送される。

【００５４】徐冷室３１０は、ゲイトバルブ３１１を介
して、基板搬送室３０２と接続されており、石英製のス
テージ上に配置された被処理基板１０５が、ランプ、反
射板からの赤外光を浴びて、徐々に冷却される。

【００５５】徐冷室３１０で徐冷された被処理基板１０
５は、ロボットアーム３０５によって、ロード／アンロ
ード室３０６に移送され、カセット３１２に収納され
る。

【００５６】こうして、レーザーアニール工程が終了す
る。このようにして、上記工程を繰り返すことにより、
多数の基板に対して、連続的に一枚づつ処理できる。

【００５７】図９、図１０に示す装置を用いてレーザー
アニールを行う工程を説明する。まず、被処理基板１０
５（結晶性珪素膜２０３を有する基板２０１）は、ＨＦ
水溶液、またはＨＦとＨ₂ Ｏ₂ の混合水溶液で洗浄され
て自然酸化膜が除去された後、カセット３１２に納めら
れ、カセット３１２がロード／アンロード室３０６に配
置される。

【００５８】ロード／アンロード室３０６から搬送され
る被処理基板１０５は、アライメントされた後、予備加
熱室３０８に搬送され、適当に加熱の後、レーザー照射
室１０１に搬送される。

【００５９】レーザー照射室１０１内は、真空排気ポン
プ１０８により真空引きされた後、気体供給管１０９か
ら酸素が、気体供給管１１０から窒素がそれぞれ供給さ
れ、酸素２０％、窒素８０％の雰囲気となる。

【００６０】酸素含有雰囲気、または酸素含有雰囲気で
結晶性珪素膜２０３上面に酸化珪素膜が形成された状態
でレーザーアニールを行うことで、レーザーアニールに
よる結晶性珪素膜の結晶性、均質性、レーザー光のエネ
ルギー効率を向上させることができる。

【００６１】ただし空気は、不純物が多いため、膜質や
膜特性に悪影響を与えるため、好ましくない。

【００６２】レーザー照射室内に供給される酸素、窒素
とも、その純度は、９９．９％（3Ｎ）〜９９．９９９
９９％（７Ｎ）、ここでは７Ｎである。純度が３Ｎ未満
では、不純物が多く膜質に悪影響を与える。また、７Ｎ
より高純度としても、効果は変わらず、コスト高とな
る。

【００６３】酸素含有雰囲気は、酸素のみ、あるいは酸
素と、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体との混
合気体が好ましい。混合気体の場合は、酸素が１％以
上、好ましくは、５％以上含有しているものが好まし
い。

【００６４】酸素含有量が１％未満になると、酸化珪素
膜の形成が不十分または不可能となる。５％以上では、
酸素含有雰囲気を用いること、あるいは、酸化珪素膜を
設けることの効果が、安定して得られる。

【００６５】また、レーザーアニール時の雰囲気を、水
素含有雰囲気としてもよい。この場合、レーザーアニー
ル後の結晶性珪素膜を用いて作製された薄膜トランジス
タのしきい値が、２〜４Ｖ程度正（プラス）側にシフト
される。かつ、薄膜トランジスタの電流−電圧特性にお
ける電流立ち上がり特性は、しきい値がシフトしても低
下しない。よって、水素含有雰囲気でのレーザーアニー
ルにより、しきい値制御をするためにしばしば行われる
硼素ドープ等を不要とすることもできる。

【００６６】水素含有雰囲気は、水素と、窒素、ヘリウ
ム、アルゴン等の不活性気体との混合気体が好ましい。
混合気体においては、水素は１ｐｐｍ以上、好ましく
は、０．０％以上、さらに好ましくは１％以上含有され
ていることが好ましい。雰囲気中の水素含有量が増加す
ると、しきい値のシフト量も増加する。

【００６７】酸素含有雰囲気または水素含有雰囲気にお
けるアニール時の圧力は、大気圧、またはそれ以下、特
に、０．０１Ｔｏｒｒ以上、７００Ｔｏｒｒ以下の減圧
下で行ってもよい。このような減圧下でレーザーアニー
ルを行うことで、アニール後の結晶性珪素膜の表面や膜
全体のあれを少なくすることができる。０．０１Ｔｏｒ
ｒ以下では、酸素または水素の含有雰囲気による効果は
得られない。

【００６８】レーザー照射室１０１に搬送された被処理
基板１０５は、ステージ１１１上に載置された状態で、
台１０６内のヒータにより、所定の温度に加熱される。
酸素含有雰囲気にて加熱されると、結晶性珪素膜２０３
上面は酸化され酸化珪素膜２０４が形成される。膜厚
は、１０〜１００Åここでは３０Åである。

【００６９】酸化珪素膜２０４は、純度の高い酸素含有
雰囲気中にて形成されるため、炭素等の不純物がほとん
ど存在しない。そのため、レーザーアニール後の結晶性
珪素膜の諸特性に悪影響を与えず、優れたものが得られ
る。

【００７０】図１０において、被処理基板１０５上に照
射される線状レーザービームは、幅０．３４ｍｍ×長さ
１３５ｍｍとする。台１０６を２．５ｍｍ／ｓで一方向
に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走
査させる。レーザーの発振周波数は２００Ｈｚとする。
被照射物の一点に注目すると、１０〜５０ショットのレ
ーザービームが照射される。

【００７１】このようにして結晶性珪素膜２０３に対
し、レーザーアニールが施され、結晶性が向上される。
（図８（Ｂ））

【００７２】ここで、このような結晶性珪素膜に対しレ
ーザーアニールを施すに際し、デバイスとして使用する
のに適した特性の結晶性珪素膜を得るための、試料（こ
こでは結晶性珪素膜）の加熱温度とレーザー光の照射エ
ネルギー密度との関係を示す。

【００７３】図１に、ラマン半値半幅に基づく加熱温度
と照射エネルギー密度との関係を示す。図１に示す枠内
の領域の条件でレーザーアニールを行うと、作製される
結晶性珪素膜は、ラマン半値半幅（ラマン半値幅の１／
２の値）を、３．３〜３．５ｃｍ^-1の範囲に納めること
ができる。

【００７４】ラマン半値半幅がこの範囲内の結晶性珪素
膜は、高い結晶性を有し、かつ、膜の荒れが極めて少な
いことが判明している。

【００７５】このような結晶性珪素膜は、薄膜トランジ
スタ等のデバイスを構成するのに、極めて適したもので
ある。

【００７６】ラマン半値半幅が、３．５ｃｍ^-1より高い
と、結晶性が低くなり、結晶性珪素膜としての特性、例
えば、高移動度はあまり期待できなくなる。また、３．
３ｃｍ^-1より低い領域では、結晶性は高いものの、膜自
体の荒れがひどく、デバイス用としての使用は困難とな
る。

【００７７】ここで、結晶性珪素膜のラマン半値半幅の
測定は、ＲＡＮＩＳＨＡＷ社ＲＡＭＳＣＯＰＥを用
い、測定光はアルゴンガスレーザー（波長５１４．５ｎ
ｍ）、ビーム径φ２μｍ用い、マルチチャンネルディテ
クターでラマン光を検出する方式により行う。

【００７８】また、レーザー光の照射エネルギー密度
は、被照射面における照射エネルギーをパワーメータで
測定し、その値をレーザー光の被照射面の面積で割って
求める。パワーメータとして、ＯＰＨＩＲ社製ＦＬ１
５０ＡＥＸＲＰを用いる。

【００７９】図１に示す枠内の領域は、レーザーアニー
ル時のレーザー光の照射エネルギー密度を横軸、加熱温
度を縦軸とした時における両者の最適な組み合わせの範
囲を示すものである。

【００８０】図において座標はＸ軸をレーザー光の照射
エネルギー密度、Ｙ軸を加熱温度として、（Ｘ、Ｙ）で
示される。図１に示す両者の組み合わせの範囲は、（１
８１、ＲＴ）、（２８６、ＲＴ）、（２８６、９０）、
（１９６、３４０）、（１８１、３００）で囲まれた多
角形で示される。（ＲＴは室温）

【００８１】即ち、レーザー光の照射エネルギー密度と
試料の加熱温度の関係が、上記の座標で示される領域内
に納まっていればラマン半値半幅が３．３〜３．５ｃｍ
^-1の範囲にあり、薄膜トランジスタに利用するのに好適
な結晶性珪素膜を得ることができる。

【００８２】図１に示す枠の外側の領域について説明す
る。図１に示す枠の外側の領域のうち、枠の上方の領域
は、ラマン半値半幅は３．３ｃｍ^-1より低くなり、結晶
性は高いが、膜が荒れていて、デバイス用としては不向
きである。

【００８３】主に図１の枠の右側上方の領域は、加熱温
度とレーザー光の照射エネルギー密度が共に高くなるた
め、結晶性珪素膜の荒れが激しくなってしまう。すなわ
ち、高い照射エネルギー密度において、加熱温度を高く
すると、結晶性珪素膜に与えられるエネルギーの総量が
大きくなるために、結晶性は高くなるが、膜が荒れてし
まい、当該膜をデバイスに用いることができなくなる。

【００８４】また、照射エネルギー密度が２９０ｍＪ／
ｃｍ² 程度以上になると、加熱温度が低くても、膜の荒
れが激しい。ラマン半値半幅は３．３ｃｍ^-1よりかなり
低く（３．０ｃｍ^-1近傍またはそれ以下）なるが、デバ
イス用としては好ましくない。

【００８５】また、加熱温度が３５０℃近傍から上の領
域では、結晶性珪素膜からの水素の離脱が激しくなるた
め、膜が荒れてしまい、照射エネルギー密度が低い場合
でも、デバイス用として不適なものとなってしまう。

【００８６】他方、図１の枠の左外側の領域、すなわ
ち、照射エネルギー密度が１８０近傍より低い領域は、
ラマン半値半幅は３．３ｃｍ^-1〜３．５ｃｍ^-1の範囲内
に納まる部分もある。しかし、膜の結晶性が低く、結果
として、移動度が低くなってしまい、好ましくない。

【００８７】また、図１の枠の下外側の領域は、加熱温
度が室温（ＲＴ）より低い領域である。レーザーアニー
ルを行うに際し、加熱温度を、室温より低い温度に、意
図的に低下させても、結晶性珪素膜の結晶性が低くなる
だけで、好ましいものではない。

【００８８】以上から明らかなように、図１の枠内で決
められる条件で作製される結晶性珪素膜は、結晶性が高
く、かつ荒れの少ない、デバイス作製に適した良質なも
のとなる。

【００８９】図１は、レーザー光の照射によりアニール
された結晶性珪素膜の膜質をラマン半値半幅によって評
価した結果から得られたものである。

【００９０】しかし、本出願人らの研究によれば、レー
ザー光の照射によりアニールされた結晶性珪素膜の膜質
は、その屈折率によっても評価することができる。

【００９１】ここでいう屈折率は、ガラス基板上に形成
された結晶性珪素膜の屈折率を、エリプソメータにより
エリプソメトリを実施して測定したものを指す。詳述す
ると、エリプソメトリは測定膜の平坦性が悪いと、実際
の膜の屈折率よりやや低い値を出す特性を持っており、
その特性をも含んだ見かけ上の屈折率を、ここでは屈折
率としている。

【００９２】屈折率の測定は、ここでは、被処理基板１
０５をレーザーアニール室から取り出した後、該基板を
アライメント室３０３に移動し、アライメント室内に配
置されたエリプソメータにより行う。エリプソメータ
は、レーザー照射室内に設けてもよい。また屈折率の測
定は、徐冷室３１０にて徐冷した後に行ってもよい。

【００９３】測定は、アライメント機構に配置された被
処理基板１０５上面に対して、光照射部３１３から所定
の角度で特定の波長の光が照射され、受光部３１４に、
その反射光が入射されることで、行われる。測定に要す
る時間は数秒〜数十秒である。

【００９４】エリプソメータとしてエムセテック社製Ｓ
Ｄ−２０００ＬＡを用いる。測定光は波長１２９４ｎｍ
の半導体レーザーであり、、測定光の入射角は６０°で
ある。

【００９５】図２乃至図４に、屈折率に基づく加熱温度
と照射エネルギー密度との関係を示す。図２に示す枠内
の領域は、屈折率を、３．４０±０．１０の範囲に納め
て、膜面内において結晶性が均質な結晶性珪素膜を得る
ことのできる、極めて好ましいレーザー光の照射エネル
ギー密度と加熱温度の条件範囲である。

【００９６】図２において座標はＸをレーザー光の照射
エネルギー密度、Ｙを加熱温度として、（Ｘ、Ｙ）で示
される。図２に示す両者の組み合わせの範囲は、（２２
５、ＲＴ）、（２８６、ＲＴ）、（１８１、３８５）、
（１８１、２７０）で囲まれた多角形で示される。（Ｒ
Ｔは室温）

【００９７】図２に示す枠内の領域の外側について説明
する。まず、枠の下外側の領域、つまり加熱温度が室温
（ＲＴ）以下の領域は、加熱温度を室温以下に意図的に
低下させても、結晶性が低くなるだけで好ましいもので
はない。

【００９８】また、照射エネルギー密度が１８０ｍＪ／
ｃｍ² 近傍より低い領域は、照射エネルギー密度が低い
ため、膜の均質性は十分ではない。

【００９９】上記以外の枠の外側の領域は、結晶性珪素
膜の屈折率の範囲が、３．４０±０．１０よりさらに広
い領域である。したがって、作製される結晶性珪素膜の
膜面内における均質性が低い。よって、例えば、作製さ
れた結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
を基板上に複数配置する場合、ＴＦＴの形成された位置
により、各ＴＦＴ間で、移動度やしきい値等の諸特性が
異なってしまう。例えば、ＴＦＴにより画素をスイッチ
ングするアクティブマトリクス型の液晶表示装置では、
表示ムラの原因となる。

【０１００】以上から明らかなように、図２に示す枠内
の領域は、屈折率を、３．４０±０．１０の範囲に納め
て、膜面内において結晶性が均質な結晶性珪素膜を得る
ことのできる、極めて好ましい照射エネルギー密度と加
熱温度の条件である。

【０１０１】また、図３に示す枠内の領域は、図２で示
した範囲において、さらに、結晶性珪素膜の屈折率が、
３．４０±０．０５と狭い範囲となる領域である。

【０１０２】図３に示すレーザー光の照射エネルギー密
度と加熱温度の組み合わせの範囲は、（２５３、Ｒ
Ｔ）、（２８３、ＲＴ）、（１８１、３６０）、（１８
１、３１０）で囲まれた多角形で示される。

【０１０３】さらに、図４に示す枠内の領域は、図３に
示した範囲において、さらに結晶性珪素膜の屈折率が、
３．４０±０．０２と狭い範囲となる領域である。

【０１０４】図４に示すレーザー光の照射エネルギー密
度と加熱温度の組み合わせの範囲は、（２６５、Ｒ
Ｔ）、（２７８、ＲＴ）、（１８１、３５０）、（１８
１、３１５）で囲まれた多角形で示される。

【０１０５】図２乃至図４で示される枠は、図２より図
３、図３より図４と、枠の領域の範囲が狭いものほど、
結晶性珪素膜の膜面内の均質性が高く、デバイス用の膜
として優れた特性となる。

【０１０６】図５乃至図７に、ラマン半値半幅と屈折率
に基づく、加熱温度と照射エネルギー密度との関係を示
す。図５における斜線で示された領域は、図１で示した
領域と、図２で示した領域とが、重なる領域である。

【０１０７】図５に示す斜線で示された領域の、レーザ
ー光の照射エネルギー密度と加熱温度の組み合わせの範
囲は、（２２５、ＲＴ）、（２８６、ＲＴ）、（１９
５、３３５）、（１８１、３００）、（１８１、２７
０）で囲まれた多角形で示される。

【０１０８】さらに、図６は、図１に示した領域と、図
３で示した領域とが重なる領域を斜線で示す。図６に示
す斜線で示された領域の、レーザー光の照射エネルギー
密度と加熱温度の組み合わせの範囲は、（２５３、Ｒ
Ｔ）、（２８３、ＲＴ）、（１９１、３２５）、（１８
３、３０５）で囲まれた多角形で示される。

【０１０９】また図７は、図１に示した領域と、図４で
示した領域とが重なる領域を斜線で示している。図７に
示す斜線で示された領域の、レーザー光の照射エネルギ
ー密度と加熱温度の組み合わせの範囲は、（２５５、Ｒ
Ｔ）、（２８３、ＲＴ）、（１８９、３２０）、（１８
３、３０５）で囲まれた多角形で示される。

【０１１０】図５乃至図７において、斜線で示された領
域内の条件で作製される結晶性珪素膜は、高い結晶性を
有し、膜の荒れが少ない領域であって、かつ、膜面内に
おける膜質の均質性も優れている。

【０１１１】特に、図７に示す領域内の条件によって作
製される結晶性珪素膜は、結晶性、膜の荒れの少なさに
加え、膜面内における膜質の均質性が最も優れ、このよ
うな条件にて作製された結晶性珪素膜は、デバイス用と
して、極めて優れたものとなる。

【０１１２】本実施例において、レーザーアニールを施
す前の被膜として、触媒元素としてニッケルが添加され
た状態で熱結晶化された結晶性珪素膜を用いたが、ニッ
ケル等の触媒元素が添加されずに、熱結晶化された結晶
性珪素膜においても、レーザーアニール時の照射エネル
ギー密度と加熱温度の条件は、全く同様に適用できる。

【０１１３】また、本実施例においては、レーザーアニ
ールされる結晶性珪素膜の膜厚を５００Åとしたが、膜
厚が厚くなると、好ましい作製条件は、照射エネルギー
密度の高い側、かつ加熱温度の高い側へ移動する。膜厚
が薄くなると、その逆へ移動する。

【０１１４】レーザー光源として、ＸｅＣｌエキシマレ
ーザー（波長３０８ｎｍ）に代えて、ＫｒＦエキシマレ
ーザー（波長２４８ｎｍ）を用いても、ほとんど同様の
効果を得ることができる。

【０１１５】このようにして、良質な結晶性珪素膜２０
３が得られる。レーザーアニール終了後、酸化珪素膜２
０４は、極めて薄いため、複数回のパルスレーザー照射
によりほとんどが飛散してしまう。

【０１１６】その後、被処理基板１０５が徐冷室３１０
に搬送され、徐冷の後、ロード／アンロード室３０６の
カセット３１２に収納される。

【０１１７】次に、作製された結晶性珪素膜２０３を用
いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する。まず結
晶性珪素膜２０３をエッチングして、島状領域２０５が
形成される。

【０１１８】次に、ゲイト絶縁膜２０６となる酸化珪素
膜が、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１２００Åに形成
される。原料ガスとして、ＴＥＯＳおよび酸素を用い
る。成膜時の加熱温度は、２５０℃〜３８０℃、例え
ば、３００℃とする。（図８（Ｃ））

【０１１９】次に、ゲイト電極を作製する。アルミニウ
ム膜をスパッタ法により、厚さ３０００Å〜８０００
Å、例えば６０００Å堆積させる。アルミニウム膜中に
０．１〜２％の珪素を含有させてもよい。該膜をエッチ
ングして、ゲイト電極２０７が作製される。

【０１２０】次に、不純物を添加する。Ｎチャネル型の
ＴＦＴを作製する場合、燐イオンが、ゲイト電極をマス
クとしてイオンドーピング法により、島状領域２０５に
打ち込まれる。ドーピングガスとして、フォスフィン
（ＰＨ₃ ）を用いる。加速電圧は１０〜９０ｋＶ、例え
ば８０ｋＶ、ドーズ量は、１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵原子
／ｃｍ² 、例えば、１×１０¹⁵原子／ｃｍ² とする。加
熱温度は室温とする。この結果、チャネル形成領域２１
０と、Ｎ型の不純物領域として、ソース２０８、ドレイ
ン２０９が形成される。

【０１２１】また、Ｐチャネル型のＴＦＴを作製する場
合、硼素イオンが、ゲイト電極をマスクとしてイオンド
ーピング法により、島状領域２０５に打ち込まれる。ド
ーピングガスとして、水素で１〜１０％、例えば５％に
希釈されたジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用いる。加速電圧は
６０〜９０ｋＶ、例えば６５ｋＶ、ドーズ量は、２×１
０¹⁵〜５×１０¹⁵原子／ｃｍ² 、例えば、３×１０¹⁵原
子／ｃｍ² とする。加熱温度は室温とする。この結果、
チャネル形成領域２１０と、Ｐ型の不純物領域として、
ソース２０８、ドレイン２０９が形成される。（図８
（Ｄ））

【０１２２】次に、ドーピングされた不純物を活性化す
るために、再び図９に示すレーザーアニール装置を用い
て、線状レーザービームによりレーザーアニールを行
う。レーザー照射室１０１内の雰囲気は、空気（大気
圧）とする。被照射面におけるレーザービームのエネル
ギー密度は、１００ｍＪ／ｃｍ² 〜３５０ｍＪ／ｃｍ²
の範囲で、例えば１６０ｍＪ／ｃｍ² として、線状レー
ザービームを走査させる。被照射物の一点に注目する
と、２０〜４０ショットのレーザービームが照射され
る。加熱温度は２００℃とする。その後、窒素雰囲気中
にて２時間、４５０℃の熱アニールを行う。（図８
（Ｅ））

【０１２３】続いて、酸化珪素膜が厚さ６０００Å、プ
ラズマＣＶＤ法により形成され、層間絶縁膜２１１が形
成される。次に、エッチングにより層間絶縁膜２１１に
コンタクトホールが開孔される。さらに、金属材料、例
えば、チタンとアルミニウムの多層膜が形成、エッチン
グされることで、コンタクトホールを介して、ソース電
極・配線２１２、ドレイン電極・配線２１３が形成され
る。

【０１２４】最後に、１気圧の水素雰囲気で、２００〜
３５０℃の熱アニール処理が行われる。

【０１２５】このようにして、複数のＮまたはＰチャネ
ル型の結晶性ＴＦＴが形成される。これらのＴＦＴは、
Ｎチャネル型で７０〜１２０ｃｍ² ／Ｖｓ、Ｐチャネル
型で６０〜９０ｃｍ² ／Ｖｓの移動度を有する優れたも
のである。（図８（Ｆ））

【０１２６】

【発明の効果】本発明により、レーザーアニールにより
作製される結晶性珪素膜の膜質を、試料（珪素膜）の加
熱温度とレーザー光の照射エネルギー密度とで決定する
ことができ、高い結晶性を有し、膜の荒れが少なく、か
つ均質性に優れた結晶性珪素膜を、異なる条件にて、得
ることができる。

【０１２７】具体的には、レーザー光の照射エネルギー
密度と試料（珪素膜）の加熱温度との関係を所定の範囲
に収めることにより、常に所定の好ましい膜質を有した
結晶性珪素膜を得ることができる。

【０１２８】従って、異なるレーザーアニール装置を用
いたり、レーザーアニール装置のレーザー発振器の経時
劣化、特性変化が生じても、レーザー光の照射エネルギ
ー密度と試料の加熱温度とを所定の範囲に収めることに
より、同質の結晶性珪素膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】屈折率に基づく加熱温度とレーザー光の照射
エネルギー密度との関係を示す図。

【図２】ラマン半値半幅に基づく加熱温度と照射エネ
ルギー密度との関係を示す図。

【図３】ラマン半値半幅に基づく加熱温度と照射エネ
ルギー密度との関係を示す図。

【図４】ラマン半値半幅に基づく加熱温度と照射エネ
ルギー密度との関係を示す図。

【図５】ラマン半値半幅と屈折率に基づく、加熱温度
と照射エネルギー密度との関係を示す図。

【図６】ラマン半値半幅と屈折率に基づく、加熱温度
と照射エネルギー密度との関係を示す図。

【図７】ラマン半値半幅と屈折率に基づく、加熱温度
と照射エネルギー密度との関係を示す図。

【図８】実施例の作製工程を示す図。

【図９】実施例におけるレーザーアニール装置の上面
図。

【図１０】実施例におけるレーザー照射室を示す図。

【符号の説明】

１０１レーザー照射室１０２レーザー発振装置１０３ミラー１０４窓１０５被処理基板１０６台１０７移動機構１０８真空排気ポンプ１０９、１１０気体供給管１１１ステージ１１２光学系２０１基板２０２酸化珪素膜（下地膜）２０３結晶化珪素膜２０４酸化珪素膜２０５島状領域２０６ゲイト絶縁膜２０７ゲイト電極２０８ソース２０９ドレイン２１０チャネル形成領域２１１層間絶縁膜２１２ソース電極・配線２１３ドレイン電極・配線３０１ゲイトバルブ３０２基板搬送室３０３アライメント室３０５ロボットアーム３０６ロード／アンロード室３０７ゲイトバルブ３０８予備加熱室３０９ゲイトバルブ３１０徐冷室３１１ゲイトバルブ３１２カセット３１３光照射部３１４受光部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の珪素膜に対してレーザーアニールを
行う方法であって、アニール後の珪素膜が示すラマン半値半幅に従って、後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度とを決定することを特徴とするレーザ
ーアニール方法。
【請求項２】複数の珪素膜に対してレーザーアニールを
行う方法であって、アニール後の珪素膜が示す屈折率に従って、後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度とを決定することを特徴とするレーザ
ーアニール方法。
【請求項３】複数の珪素膜に対してレーザーアニールを
行う方法であって、アニール後の珪素膜が示すラマン半値半幅と屈折率に従
って、後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度とを決定することを特徴とするレーザ
ーアニール方法。
【請求項４】請求項１または３において、アニール後の
珪素膜が示すラマン半値半幅は、３．３〜３．５ｃｍ^-1
の範囲であることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項５】請求項２または３において、アニール後の
珪素膜が示す屈折率は、３．４０±０．１０の範囲であ
ることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項６】請求項３において、アニール後の珪素膜が
示すラマン半値半幅と屈折率に従って決定された、後の
珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と珪素
膜の加熱温度は、Ｘ軸をレーザー光の照射エネルギー密
度（ｍＪ／ｃｍ² ）、Ｙ軸を珪素膜の加熱温度（℃）と
するとき、（２２５、ＲＴ）、（２８６、ＲＴ）、（１
９５、３３５）、（１８１、３００）、（１８１、２７
０）（ＲＴは室温）で囲まれた範囲内に制御されること
を特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項７】請求項１乃至６において、珪素膜は結晶性
珪素膜であることを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項８】複数の珪素膜に対してレーザーアニールを
行う装置であって、アニール後の珪素膜が示すラマン半値半幅に従って、後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度とを決定する手段を有することを特徴
とするレーザーアニール装置。
【請求項９】複数の珪素膜に対してレーザーアニールを
行う装置であって、アニール後の珪素膜が示すラマン半値半幅と屈折率に従
って、後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度とを決定する手段を有することを特徴
とするレーザーアニール装置。
【請求項１０】複数の珪素膜に対してレーザーアニール
を行う装置であって、アニール後の珪素膜が示す屈折率に従って、後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度とを決定する手段を有することを特徴
とするレーザーアニール装置。
【請求項１１】請求項８または９において、アニール後
の珪素膜が示すラマン半値半幅は、３．３〜３．５ｃｍ
^-1の範囲であることを特徴とするレーザーアニール装
置。
【請求項１２】請求項９または１０において、アニール
後の珪素膜が示す屈折率は、３．４０±０．１０の範囲
であることを特徴とするレーザーアニール装置。
【請求項１３】請求項１０において、アニール後の珪素
膜が示すラマン半値半幅と屈折率に従って決定された、
後の珪素膜に対するレーザー光の照射エネルギー密度と
珪素膜の加熱温度は、Ｘ軸をレーザー光の照射エネルギ
ー密度（ｍＪ／ｃｍ² ）、Ｙ軸を珪素膜の加熱温度
（℃）とするとき、（２２５、ＲＴ）、（２８６、Ｒ
Ｔ）、（１９５、３３５）、（１８１、３００）、（１
８１、２７０）（ＲＴは室温）で囲まれた範囲内に制御
されることを特徴とするレーザーアニール装置。