JPH09234579A - レーザー照射装置 - Google Patents

レーザー照射装置

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JPH09234579A
JPH09234579A JP8069394A JP6939496A JPH09234579A JP H09234579 A JPH09234579 A JP H09234579A JP 8069394 A JP8069394 A JP 8069394A JP 6939496 A JP6939496 A JP 6939496A JP H09234579 A JPH09234579 A JP H09234579A
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JP
Japan
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laser beam
film
homogenizers
energy density
linear
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JP8069394A
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Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Koichiro Tanaka
幸一郎 田中
Satoshi Teramoto
聡 寺本
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 線状のレーザー光を用いて、大面積の半導体
膜に対するアニールの均一性を高める。 【構成】 線状に加工されて被照射面に照射されるレー
ザー光の長手方向における照射エネルギー密度を制御す
るホジナイザーを１２及び１３で示されるように２つ配
置する。また、線状のレーザー光の幅方向における照射
エネルギー密度を制御するホジナイザーは１１で示され
るように１つとする。このようにすることで、レーザー
アニールの均一性を最低限のホモジナイザーでもって得
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本明細書で開示する発明は、
照射面内の均一性を高めたレーザー光の照射装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、ガラス基板上に結晶性珪素膜を成
膜し、この結晶性珪素膜を利用して薄膜トランジスタを
構成する技術が知られている。
【０００３】結晶性珪素膜を得る方法としては、まず非
晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法等でもって成膜し、さら
にこの非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射し、結晶
性珪素膜に変成する技術が知られている。
【０００４】またこのレーザー光の照射によるアニール
方法は、自己整合的に形成された薄膜トランジスタのソ
ース及びドレイン領域に対するアニールにおいても利用
されている。
【０００５】レーザー光の照射による方法は、高い結晶
性を得ることができる技術であるが、大面積の処理を行
うことは不利であるという問題がある。
【０００６】しかし、一方で大面積を有するアクティブ
マトリクス型の液晶表示装置を作製する場合には上記の
レーザー光を利用する方法以外に有効な手段がないのが
現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】本明細書で開示する発明は、大面積に対し
て高い均一性でレーザー光を照射することができる技術
を提供することを課題とすう。また、このようなレーザ
ー光を用いて大面積を有する結晶性珪素膜を得る技術を
提供することを課題とする。
【０００９】また、大面積を有する基板上に形成される
半導体装置に対するレーザー光の照射による各種アニー
ルを高い均一性でもって行うことができる技術を提供す
ることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者らの研究によれ
ば、大面積を有する珪素膜のアニールの方法として以下
の方法が有効であることが明らかになっている。この方
法は、レーザー光を数ｍｍの幅で長さが数十ｃｍの線状
に光学的にビーム加工し、この線状のレーザー光をその
幅方向に走査しながら照射する方法である。
【００１１】この方法によれば、１回の走査で大面積に
対するレーザー光の照射を行うことができる。この方法
は、従来における数ｃｍ角のスポットを順次走査しなが
ら照射する方法に比較して、作業効率や照射効果の均一
性の点で優れている。
【００１２】しかしながら、線状のレーザービームの長
手方向におけるレーザー照射密度の不均一性が顕著にな
りやすいという問題がある。
【００１３】これは、線状ビームの長手方向へは、発振
装置から発振された数ｃｍ幅のレーザービームを数十ｃ
ｍまで光学系で拡大することに原因があると考えられ
る。
【００１４】一方、線状ビームの幅方向においては、数
ｃｍ幅のレーザービームを数ｍｍまで絞り込むことにな
るため、その幅方向の不均一性は特に問題とならない。
【００１５】この線状のレーザービームを照射するため
の装置の概要を図４に示す。図４には、ＫｒＦエキシマ
レーザーを発振する発振装置１０１、レーザー発振装置
１０１から発振されたレーザー光を所定のレーザービー
ムに光学的に加工するためのレンズ系１０２と１０３が
示されている。
【００１６】また、この１０２と１０３からなるレンズ
系からのレーザービームは、エネルギー密度分布を均一
化させるホモジナイザー８１と８２に入射する。
【００１７】さらにこの２つのホモジナイザー８１と８
２からのレーザービームは、最終的に線状に加工される
レーザー光の幅方向にビームを収束させるためのレンズ
１０６に入射する。
【００１８】またレーザービームは、レンズ１０７によ
って線状のレーザー光の長手方向に拡大される。図で
は、元のビームに比較してそれ程大きく拡大されたよう
には記載されていないが、実際には、数ｃｍの寸法を有
するレーザービームが数十ｃｍに拡大される。
【００１９】さらにレーザービームはミラー１０８で反
射され、さらにレンズ１０９で収束されて線状のレーザ
ー光として被照射面１００に照射される。
【００２０】このような構成において、照射されるレー
ザービームの照射エネルギー密度の分布を制御するの
は、ホジナイザー８０と８１である。
【００２１】ホモジナイザー８０は、線状のレーザービ
ームの幅方向における照射エネルギー密度の分布を制御
する機能を有している。また、ホモジナイザー８１は、
線状のレーザービームの長手方向における照射エネルギ
ー密度の分布を制御する機能を有している。
【００２２】このような構成は、基本的に正方形や円形
のレーザービームを形成する場合のものである。即ち、
最終的に照射されるレーザービームにおいて、直交する
軸方向におけるビームパターンの成分がそれほど違いが
ない場合において有効な構成である。このような構成の
公知例としては、米国特許公報第4,733,944 号公報に記
載された構成が知られている。この米国特許公報に記載
された構成も直交する軸方向におけるビームパターンが
対称な場合の例である。
【００２３】しかし、線状のレーザービームを照射する
場合、その長手方向と幅方向では、ビームの断面形状が
著しく異なる。従って、ビームの長手方向と幅方向で
は、求められる照射エネルギー密度の分布制御の状態は
異なるものとなる。
【００２４】即ち、線状のレーザー光の幅方向における
照射エネルギー密度のバラツキは、その幅が狭いことか
らほとんど問題とならない。しかし一方で線状のレーザ
ー光の長手方向における照射エネルギー密度の分布は、
その寸法が大きく引き延ばされることで大きな問題とな
る。つまり、必要とされる照射エネルギー密度分布の制
御手段は、それぞれの方向で異なるものとなる。
【００２５】本明細書で開示する発明は、上記の知見に
基づいて行われたものである。本明細書で開示する発明
の基本的な構成は、線状のレーザー光の長手方向におけ
る照射エネルギー密度の分布を制御するホモジナイザー
の数を線状のレーザー光の幅方向における照射エネルギ
ー密度をの分布を制御するモノジナイザーの数に比較し
て多くすることを特徴とする。
【００２６】このようにすることにより、高価なホモジ
ナイザーを有効に利用して必要とするアニールの均一性
を得ることができるレーザー照射装置を得ることができ
る。
【００２７】本明細書で開示する発明の一つは、図１の
その具体的な構成の一つを示すように、線状のレーザー
光を照射する装置であって、線状のレーザー光の幅方向
に対応するホモジナイザー１１がＡ＝１個配置されてお
り、線状のレーザー光の長手方向に対応するホモジナイ
ザー１２と１３がＢ＝２個配置されており、Ａ＜Ｂであ
ることを特徴とする。
【００２８】上記の構成においては、ＡとＢの和は奇数
になる。
【００２９】他の発明の構成は、線状のレーザー光を照
射する装置であって、線状のレーザー光の幅方向におけ
る照射エネルギー密度を制御するホモジナイザーの数
と、線状のレーザー光の長手方向における照射エネルギ
ー密度を制御するホモジナイザーの数とが異なることを
特徴とする。
【００３０】他の発明の構成は、線状のレーザー光を照
射する装置であって、ホモジナイザーの総数が奇数個で
あることを特徴とする。
【００３１】
【実施例】
〔実施例１〕図１に本実施例のレーザー照射装置の概要
を示す。図１において、発振器１０１から発振されたレ
ーザー光は、レンズ１０２とレンズ１０３で構成される
光学系によって、所定のビーム形状と所定のエネルギー
密度の分布を有したレーザー光にまず成形される。
【００３２】そしてこのレーザー光は３つのホモジナイ
ザー１１、１２、１３によってそのビーム内エネルギー
密度の分布が補正される。
【００３３】ホモジナイザー１１は、最終的に線状に成
形されるレーザービームの幅方向におけるビーム内エネ
ルギー密度の補正を行なう役割を担っている。しかし、
線状レーザービームの幅方向の寸法は、数ｍｍ程度であ
るので、このホモジナイザー６０４が果たす役割はそう
大きなものではない。
【００３４】換言すれば、ホモジナイザー１１の光学パ
ラメータの設定や調整はそれ程微妙なものではない。
【００３５】ホモジナイザー１２と１３は、最終的に線
状に成形されるレーザービームの長手方向におけるビー
ム内エネルギー密度の補正を行なう役割を担っている。
【００３６】レーザービームは、長手方向に１０ｃｍ以
上も引き延ばされるので、このホモジナイザー１２と１
３の光学パラメータの設定は慎重に行なう必要がある。
【００３７】ここでは、レーザービームの長手方向にお
ける照射エネルギー密度の分布をより均一化するために
１２と１３で示されるようにレーザービームの長手方向
における照射エネルギー密度の分布を制御するホモジナ
イザーを２つ配置する。
【００３８】１０６と１０７と１０９で示されるレンズ
は、レーザービームを線状に成形する役割を担ってい
る。即ち、レンズ１０６と１０９とはレーザービームを
幅方向に狭めるために機能する。また、レンズ１０７は
２つのホモジナイザー１２及び１３と共同してレーザー
ビームを長手状に引き延ばすために機能する。
【００３９】図１に示す構成においては、線状に成形さ
れたレーザービームの長手方向における照射エネルギー
密度の制御を１２及び１３の２つのホモジナイザーによ
って行っている。
【００４０】このように２つのホモジナイザーを利用す
ることにより、線状のレーザー光の長手方向における照
射エネルギー密度の分布をより均一化することができ
る。そして、線状のレーザー光の照射によるアニール効
果を均一なものとすることができる。なおホモジナイザ
ーの数は必要に応じてさらに増やしてもよい。
【００４１】また、それ程の均一性が要求されない線状
のレーザービームの幅方向においては一つのホモジナイ
ザーを配置し、必要とする均一性を得ている。
【００４２】〔実施例２〕本実施例は、図１に示す光学
系と基本的に同じ光学系を有するが、各種光学パラメー
タの設定が少し異なる構成の例である。
【００４３】図２に本実施例の構成を示す。図２に示す
構成においては、ホモジナイザー１２と１３の位置関係
が図１に示す場合と異なっている。この場合、ホモジナ
イザー１２と１３の位置関係の変更に従って、各レンズ
の光学パラメーターのー設定も図１の場合とは変更する
必要がある。
【００４４】図２に示す構成においても線状のレーザー
ビームの長手方向における照射エネルギー密度の均一化
をより計ることができる。
【００４５】〔実施例３〕本実施例では、本明細書に開
示する発明を利用して薄膜トランジスタを作製する工程
を示す。図３に本実施例に示す薄膜トランジスタの作製
工程を示す。
【００４６】まず、４０１で示されるガラス基板上に下
地膜として酸化珪素膜または酸化窒化珪素膜４０２をス
パッタ法またはプラズマＣＶＤ法により、３０００Åの
厚さに成膜する。
【００４７】次に非晶質珪素膜４０３をプラズマＣＶＤ
法または減圧熱ＣＶＤ法で５００Åの厚さに成膜する。
膜質の緻密さや後に得られる結晶性珪素膜の結晶性を考
えた場合、この非晶質珪素膜４０３の成膜手段として減
圧熱ＣＶＤ法を用いることが好ましい。
【００４８】レーザー光の照射によるアニール効果を高
めるために、非晶質珪素膜４０３の膜厚は、１０００Å
以下、好ましくは５００Å以下とすることが好ましい。
なお非晶質珪素膜４０３の膜厚の下限は、２００Å程度
である。
【００４９】次に珪素の結晶化を助長する金属元素の導
入を行なう。ここでは、この珪素の結晶化を助長する金
属元素としてＮｉを利用する。Ｎｉ以外には、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ等を利用することができ
る。
【００５０】ここでは、ニッケル酢酸塩溶液を用いてＮ
ｉ元素の導入を行なう。具体的には、まず所定のＮｉ濃
度（ここでは１０ｐｐｍ（重量換算））に調整したニッ
ケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜４０３の表面に滴下す
る。この状態でニッケル酢酸塩溶液の水膜４０４が形成
される。（図３（Ａ））
【００５１】次に図示しないスピンコーターを用いてス
ピンドライを行い、余分な溶液を吹き飛ばす。さらに５
５０℃、４時間の加熱処理を行なうことにより、結晶性
珪素膜４０５を得る。（図３（Ｂ））
【００５２】結晶性珪素膜４０５を得たら、次にレーザ
ー光の照射を行う。このレーザー光の照射を行うこと
で、さらにその結晶性が向上される。ここでは、線状に
ビーム加工されたＫｒＦエキシマレーザーを走査しなが
ら照射することにより、このレーザーアニールを行な
う。ここでは、図１に示す装置を用いて、レーザー光の
照射を行う。即ち、線状のレーザー光をその幅方向に走
査しながら結晶性珪素膜４０５の表面に照射する。
【００５３】図３（Ｃ）に示すレーザーアニールを施す
ことによって、さらに結晶性の高められた結晶性珪素膜
４０６を得る。
【００５４】次にパターニングを行い、薄膜トランジス
タの活性層となる領域４０６を形成する。（図３
（Ｄ））
【００５５】さらに活性層４０６を覆ってゲイト絶縁膜
として機能する酸化珪素膜４０７を形成する。ここでは
ゲイト絶縁膜４０７として、プラズマＣＶＤ法によって
１０００Å厚の酸化珪素膜を成膜する。
【００５６】次にゲイト電極を構成するための図示しな
いアルミニウム膜を５０００Åの厚さに成膜する。この
アルミニウム膜中には、後の工程にヒロックやウィスカ
ーが発生してしまうことを抑制するためにスカンジウム
を0.1 重量％含有させる。
【００５７】ヒロックやウィスカーというのは、アルミ
ニウムの異常成長によって形成される針状あるいは刺状
の突起物のことである。
【００５８】次に図示しないレジストマスクを配置し、
このマスクを用いて図示しないアルミニウム膜をパター
ニングする。こうして、ゲイト電極４０８を構成するた
めのパターンを形成する。ゲイト電極を構成するための
パターンを形成したら、先の図示しないレジストマスク
を配置した状態で陽極酸化膜の形成を行なう。
【００５９】ここでは、電解溶液として３％のショウ酸
を含んだ水溶液を用いる。即ち、この水溶液中におい
て、図示しないアルミニウム膜のパターンを陽極とし、
白金を陰極として電極間に電流を流し、アルミニウム膜
のパターンの露呈した表面に陽極酸化膜を形成する。
【００６０】この工程で形成される陽極酸化膜４０９
は、多孔質状（ポーラス状）を有している。またここで
は、図示しないレジストマスクが存在するためにパター
ンの側面に４０９で示されるようにこの多孔質状の陽極
酸化膜が形成される。
【００６１】この多孔質状の陽極酸化膜の膜厚は、３０
００Åとする。この多孔質状の陽極酸化膜の膜厚でもっ
てオフセットゲイト領域を形成することができる。
【００６２】次に図示しないレジストマスクを除去し、
再度の陽極酸化を行なう。この工程においては、３％の
酒石酸を含んだエチレングリコール溶液をアンモニアで
中和したものを電解溶液として用いる。
【００６３】この工程で形成される陽極酸化膜は、緻密
な膜質を有している。この工程においては印加電圧を調
整することにより、５００Å厚の緻密な陽極酸化膜４１
０を形成する。
【００６４】ここでは、多孔質状の陽極酸化膜４０９の
内部に電界溶液が侵入するので、４１０で示されるよう
にゲイト電極４０８に接する状態で緻密な膜質を有する
陽極酸化膜が形成される。
【００６５】この緻密な膜質を有する陽極酸化膜４１０
の膜厚を厚くすると、その厚さの分が後にオフセットゲ
イト領域を形成に寄与することになる。しかし、ここで
はその厚さが薄いので、オフセットゲイト領域の形成に
際する寄与は無視する。
【００６６】こうして、図３（Ｄ）に示す状態を得る。
図３（Ｄ）に示す状態を得たら、ソース及びドレイン領
域を構成するための不純物イオンの注入を行なう。ここ
では、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを作製するため
にＰ（リン）イオンの注入を行なう。（図３（Ｅ））
【００６７】図３（Ｅ）の状態で不純物イオンの注入を
行なうと、４１１と４１５の領域に不純物イオンが注入
される。また４１２と４１４の領域は不純物イオンの注
入がされず、かつゲイト電極４０８からの電界効果を受
けない領域となる。この４１２と４１４の領域がオフセ
ットゲイト領域として機能する。
【００６８】そして４１３で示される領域がチャネル形
成領域となる。このようにして、図３（Ｅ）に示す状態
を得る。
【００６９】上記不純物イオンの注入が終了したら、レ
ーザー光の照射を行い、不純物イオンの注入された領域
の活性化を行なう。このレーザー光の照射も図１にその
光学系を有するレーザー照射装置を用いて行う。
【００７０】図３（Ｅ）に示す状態を得たら、層間絶縁
膜として、酸化珪素膜や窒化珪素膜、また酸化窒化珪素
膜、さらにはそれらの積層膜でもって層間絶縁膜４１６
を形成する。
【００７１】そしてコンタクトホールの形成を行い、ソ
ース電極４１７とドレイン電極４１８の形成を行なう。
このようにして図３（Ｆ）に示す薄膜トランジスタを完
成させる。
【００７２】
【発明の効果】本明細書に開示する発明を利用すること
により、レーザー光を高い均一性でもって大面積に対し
て照射する技術を提供することができる。また、大面積
を有する半導体膜に対して、均一性の高いアニールを行
うことができる。特にこの効果を高価なホモジナイザー
を最低限の利用で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザー光の照射装置の概要を示す図。
【図２】 レーザー光の照射装置の概要を示す図。
【図３】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図４】 線状のレーザー光を照射する装置の概要を示
す図。
【符号の説明】
１０１ レーザー発振器 １０２ レンズ １０３ レンズ １１、１２、１３ ホモジナイザー １０６ レンズ １０７ レンズ １０８ ミラー １０９ レンズ １００ 被照射面 ８０ ホモジナイザー ８１ ホモジナイザー ４０１ ガラス基板 ４０２ 下地膜（酸化珪素膜） ４０３ 非晶質珪素膜 ４０４ ニッケル酢酸塩溶液の水膜 ４０５ 結晶性珪素膜 ４０６ 薄膜トランジスタの活性層 ４０７ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜） ４０８ ゲイト電極 ４０９ 多孔質状の陽極酸化膜 ４１０ 緻密な膜質を有する陽極酸化膜 ４１１ ソース領域 ４１２ オフセットゲイト領域 ４１３ チャンネル形成領域 ４１４ オフセットゲイト領域 ４１５ ドレイン領域 ４１６ 層間絶縁膜 ４１７ ソース電極 ４１８ ドレイン電極

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】線状のレーザー光を照射する装置であっ
    て、 線状のレーザー光の幅方向に対応するホモジナイザーが
    Ａ個配置されており、 線状のレーザー光の長手方向に対応するホモジナイザー
    がＢ個配置されており、 Ａ＜Ｂであることを特徴とするレーザー照射装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、Ａ＋Ｂは奇数であるこ
    とを特徴とするレーザー照射装置。
  3. 【請求項３】線状のレーザー光を照射する装置であっ
    て、 線状のレーザー光の幅方向における照射エネルギー密度
    を制御するホモジナイザーの数と、線状のレーザー光の
    長手方向における照射エネルギー密度を制御するホモジ
    ナイザーの数とが異なることを特徴とするレーザー照射
    装置。
  4. 【請求項４】線状のレーザー光を照射する装置であっ
    て、 ホモジナイザーの総数が奇数個であることを特徴とする
    レーザー照射装置。
  5. 【請求項５】請求項４において、 線状のレーザー光の長手方向における照射エネルギー密
    度を制御するホモジナイザーの数が、線状のレーザー光
    の幅方向における照射エネルギー密度を制御するホモジ
    ナイザーの数より多いことを特徴とするレーザー照射装
    置。
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