JPH10106950A

JPH10106950A - レーザアニール方法及び装置

Info

Publication number: JPH10106950A
Application number: JP25440496A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mihashi; 浩三橋; Yoshiki Ishizuka; 芳樹石塚; Shigeki Matsunaka; 繁樹松中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】チャネル部に多結晶シリコンを用いた薄膜ト
ランジスタを安価に製造することができるレーザアニー
ル方法及び装置を提供する。【解決手段】本発明のレーザアニール方法は、ガラス
基板２８の表面にアモルファスシリコン薄膜２０が堆積
された被処理材１１を用いて、被処理材１１の表面の一
部をＸｅランプ１６により照射すると同時に、Ｘｅラン
プ１６により照射された範囲の内部をレーザ光１２によ
り照射し、更に、これと同時に、被処理材１１の表面に
おけるＸｅランプ１６の照射領域とレーザ光１２の照射
領域との相対的な位置関係を一定に保ったまま、被処理
材１１側を移動することによって、Ｘｅランプ１６及び
レーザ光１２により照射される領域を、被処理材１１表
面の所定の範囲に渡って走査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶ディスプレイ
の画素スイッチや周辺駆動回路部に使用され、多結晶シ
リコンなどの多結晶半導体薄膜によってチャネル、ソー
ス及びドレイン領域が形成された薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）を製造する際に使用されるレーザアニール方法、
及びレーザアニール装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】現在、液晶ディスプレイの画素スイッチ
として、チャネル、ソース及びドレイン領域などの半導
体活性層がアモルフアスシリコン薄膜により構成されて
いる絶縁ゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が広く
用いられている。しかし、高精彩、高速などの高度な機
能を有する液晶ディスプレイを実現するためには、電界
移動度（μＦＥ）が１ｃｍ² ／Ｖｓ以下と低いアモルフ
アスシリコン型のＴＦＴでは能力に限界がある。

【０００３】これに対して、エキシマレーザの照射によ
ってアモルフアスシリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に
変えるエキシマレーザアニール法（ＥＬＡ法）によって
作成された多結晶シリコン型のＴＦＴでは、実験段階で
はあるが、電界移動度μＦＥが１００ｃｍ² ／Ｖｓから
２００ｃｍ² ／Ｖｓ程度のものが得られており、液晶デ
ィスプレイの高精彩化、高速化などの高機能化が期待さ
れている。

【０００４】ところで、エキシマレーザの照射によって
アモルフアスシリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に変え
る従来のエキシマレーザアニール法では、ガラス基板上
にアモルフアスシリコン薄膜を堆積させた後、先ず、ア
モルフアスシリコン薄膜中の水素を熱処理によって減少
させ、その後、アモルフアスシリコン薄膜の表面にエキ
シマレーザを走査しながら照射して、アモルフアスシリ
コン薄膜の全面もしくは一部を多結晶化している。

【０００５】この様に、熱処理によってアモルフアスシ
リコン薄膜中の水素を減少させるプロセスは、脱水素処
理工程と呼ばれる。この工程を省略すると、エキシマレ
ーザの照射を施す際に、アモルフアスシリコン薄膜中に
含まれている水素がシリコンを剥ぎ取りながら蒸発する
アブレーシヨンと呼ばれる現象が発生する。その結果、
多結晶シリコン薄膜中にボイドが多量に形成されるの
で、液晶ディスプレイの薄膜トランジスタとしては使用
できない。

【０００６】そこで、従来、エキシマレーザによるレー
ザアニール前に、アモルフアスシリコン薄膜を堆積した
ガラス基板を電気炉に入れて５００゜Ｃ程度の温度で１
時間程度、アニールを施して、水素を減少させる工程を
採用している。このため、従来のアモルフアスシリコン
型の液晶ディスプレイの製造方法と比較して、製造時間
が長くなり、その結果、液晶ディスプレイの製造コスト
を増大させるという欠点があった。

【０００７】この様な欠点を解決する方法として、エキ
シマレーザの照射領域を含む領域に対して、エキシマレ
ーザの照射と同時に、ＣＯ₂ ガスレーザあるいはアルゴ
ンイオンレーザの様なＣＷレーザ（連続発振レーザ）を
照射することによって、脱水素処理工程を省略する方法
が提案されている。

【０００８】しかし、ＣＷレーザは単一の波長で発振
し、しかも、その波長がアモルフアスシリコンの吸収帯
と一致するものが、工業的に利用可能なＣＷレーザの中
にはないので、アモルフアスシリコン薄膜を効率良く加
熱することは容易ではない。従って、アブレーシヨンを
発生させないためには、アモルフアスシリコン薄膜上で
ＣＷレーザの照射スポットをかなりの低速で走査せざる
を得ない。その結果、ＣＷレーザの所要走査速度がエキ
シマレーザの所要走査速度と比較してはるかに遅くなっ
てしまうので、結局、多結晶シリコン薄膜の形成に要す
る時間が大幅に増加し、製造時間の短縮という本来の目
的を損なう結果となる。従って、この方法は、現在まで
のところ、多結晶シリコン型のＴＦＴの量産には採用さ
れていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に基づいてなされたものであり、その目的は、液晶ディ
スプレイの画素スイッチあるいは周辺駆動回路部等に使
用される多結晶シリコン型のＴＦＴを製造する際、レー
ザアニール工程において、アブレーシヨンの発生の危険
を伴わずに、先行工程に当る電気炉を用いた加熱処理を
省略することが可能なレーザアニール方法、及びその方
法に使用されるレーザアニール装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザアニール
方法は、ガラス基板上に非晶質半導体薄膜を堆積する工
程と、前記非晶質半導体薄膜の表面を、少なくとも紫外
域において概ね連続した波長分布を有する光源を用いて
照射する工程と、前記光源によって照射された領域にレ
ーザ光を照射する工程と、を備えたことを特徴とする。

【００１１】また、本発明のレーザアニール方法は、ガ
ラス基板の表面に非晶質半導体薄膜が堆積された被処理
材を用いて、前記非晶質半導体薄膜の表面を、少なくと
も紫外域において概ね連続した波長分布を有する光源を
用いて照射し、これと同時に、前記光源によって照射さ
れた領域の内部にレーザ光を照射し、更に、これと同時
に、前記非晶質半導体薄膜の表面における前記光源によ
る照射領域と、前記レーザ光による照射領域との相対的
な位置関係を一定に維持したまま、前記ガラス基板を移
動することによって、前記光源及び前記レーザ光を前記
非晶質半導体薄膜の表面の所定の範囲に渡って走査す
る、ことを特徴とする。

【００１２】なお、前記の少なくとも紫外域において概
ね連続した波長分布を有する光源としては、例えば、キ
セノンランプあるいはハロゲンランプが使用できる。特
に、紫外域における発光強度が高いキセノンランプが好
ましい。

【００１３】また、前記レーザ光としては、特に、照射
エネルギー密度が高いエキシマレーザが好ましい。ま
た、前記非晶質半導体膜としては、アモルファスシリコ
ンが代表的である。

【００１４】また、本発明のレーザアニール装置は、少
なくとも紫外域において概ね連続した波長分布を有し、
被処理材の表面に形成された非晶質半導体薄膜の表面を
照射して加熱する光源と、前記光源によって照射される
領域の内部に、レーザ光を照射するレーザ光源と、を備
えたことを特徴とする。

【００１５】なお、好ましくは、以上の構成に加えて、
前記被処理材を搭載し、前記被処理材の表面における前
記光源による照射領域と前記レーザ光源による照射領域
との相対的な位置関係を一定に維持したまま、被処理材
を移動する試料ステージを備える。

【００１６】（作用）光の吸収特性に関してアモルフア
スシリコンと多結晶シリコンとの間で大きな相違はな
く、いずれも、１．２μｍより短波長領域側の光を吸収
し易い。特に、紫外域に対しては大きな吸収係数を有し
ているので、ランプ加熱の光源として紫外域において概
ね連続した波長分布を有する光源を用いることによっ
て、アモルフアスシリコン薄膜を効率よく加熱して、従
って、脱水素処理に要する時間を短縮することができ
る。

【００１７】特に、Ｘｅランプは紫外域における発光強
度が高く、しかも、Ｘｅランプの発光帯はシリコンの吸
収帯と重なる部分が多い。このため、Ｘｅランプを用い
てアモルフアスシリコン薄膜の表面を照射した場合、効
率よくアモルフアスシリコン薄膜を加熱することが可能
であり、その結果、アモルフアスシリコン薄膜中の水素
を効果的に減少させることができる。

【００１８】液晶ディスプレイの製造に使用されるガラ
ス基板は大型であるので、Ｘｅランプの照射領域は、ガ
ラス基板上の一部の範囲のみをカバーするに過ぎない。
従って、Ｘｅランプを基板上で走査しながら照射する必
要がある。Ｘｅランプの場合には、前述の様に加熱の効
率が高いので、光源あるいは基板の移動速度を高速に設
定してもアモルフアルシリコン薄膜中の水素をレーザア
ニールに耐える濃度まで減少させることができる。

【００１９】多結晶シリコンＴＦＴを画素スイッチとし
て用いた液晶ディスプレイを低コストで製造するために
は、レーザアニールに要する時間を短縮することが必要
不可欠である。例えば、エキシマレーザアニールの場
合、照射スポットの走査速度は、例えば１０ｍｍ／ｓと
非常に速い。脱水素処理のための加熱用光源としてＸｅ
ランプを採用することによって、Ｘｅランプの照射によ
る走査をエキシマレーザの照射による走査と同期させて
行うことが可能となり、二つの処理プロセスを同一工程
内で並行して行うことが可能になる。

【００２０】なお、この場合、ガラス基板（被処理材
側）を移動すれば、アモルフアスシリコン薄膜の表面で
のＸｅランプによる照射領域と、エキシマレーザによる
照射領域との相対的な位置関係を容易に一定に維持する
ことができるので、装置の構成が複雑にならなずに済
む。

【００２１】更に、この場合、Ｘｅランプにより照射さ
れた後、エキシマレーザによりアニールされるまでの時
間をガラス基板上の位置によらず一定に保つことができ
る。その結果、エキシマレーザによるアニールまでの水
素の減少量がガラス基板上の位置によらず一定、即ち、
ガラス基板上でアモルファスシリコン薄膜中の水素濃度
を均一に分布させることができる。従って、脱水素処理
の不足に起因するアブレーシヨンが部分的に発生するお
それがなく、高度な機能特性を備えた多結晶シリコンＴ
ＦＴの製造することが可能になる。

【００２２】なお、好ましくは、エキシマレーザによる
照射領域がＸｅランプの照射領域の内部に含まれる様
に、両者の照射領域を配置する。これは、アモルファス
シリコン薄膜の温度が高い程、多結晶化の際に必要とな
るエキシマレーザの照射エネルギー密度が少なくて済
み、結果的に、エキシマレーザの走査の速度を大きく設
定でき、レーザアニールの要する時間を短縮できるから
である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１に、本発明のレーザアニール方
法を実施するためのレーザアニール装置の概要を示す。
図中、１８はアニールチヤンバ、２０はアモルファスシ
リコン薄膜、２８はガラス基板、１５はエキシマレーザ
光源、１６はＸｅランプ光源、４１は試料ステージを表
す。

【００２４】表面にアモルファスシリコン薄膜２０が形
成されたガラス基板２８は、アニールチヤンバ１８の内
部に設けられた試料ステージ４１の上にセットされる。
アニールチヤンバ１８の外部にはエキシマレーザ光源１
５が配置され、エキシマレーザ光源１５から発射された
エキシマレーザ光１２は、レーザ光学レンズ１４、及び
アニールチヤンバ１８の天井部の設けられたレーザ透過
窓１７を介して、アモルファスシリコン薄膜２０の表面
に照射される。

【００２５】一方、アニール・チヤンバ１８の内部には
Ｘｅランプ光源１６が配置され、Ｘｅランプ光源１６の
照射方向に対して後方側には集光ミラー１９が配置され
る、Ｘｅランプ光源１６から発射されたＸｅランプ照射
光１３は、集光ミラー１９によってアモルファスシリコ
ン薄膜２０の上に集光される。

【００２６】この例では、基板上におけるＸｅランプ照
射光１３及びレーザ光１２の走査は、Ｘｅランプ照射光
１３及びレーザ光１２の照射位置を固定して、基板側１
１側を試料ステージ４１を用いて一定速度で移動するこ
とによって実現している。試料ステージ４１の移動スピ
ードは、０．ｌｍｍ／ｓから５０ｍｍ／ｓの間で任意に
設定できる仕様となっている。

【００２７】エキシマレーザ光源１５からのレーザ光１
２は、レーザ光学系１４を用いて線状ビームに調整さ
れ、基板表面における照射サイズとして２００ｍｍ×
０．４ｍｍ、フルエンス（照射エネルギー密度）として
３５０ｍＪ／ｃｍ² 以上が得られる様になっている。

【００２８】一方、Ｘｅランプ１６からの光１３は、帯
状ビームに調整され、基板表面における照射サイズは２
５０ｍｍ×１０ｍｍ、ランプ出力は３０ｋＷである。ま
た、エキシマレーザによる照射領域がＸｅランプによる
照射領域の中央部に位置する様に、両者の照射領域が設
定されている。

【００２９】図２に、本発明のレーザアニール方法に基
いて作成される薄膜トランジスタを画素スイッチとして
用いたアクティブマトリクス型液晶ディスプレイの断面
構造の一例を示す。図は、一画素相当の概略断面図であ
り、図中、２８はガラス基板、２１はチャネル部、２２
ａはソース領域、２２ｂはドレイン領域、２３はゲート
絶縁膜、２４はゲート電極を、２９は画素電極、３０は
液晶、３１は対向電極、３２はガラス基板を表す。

【００３０】以下に、図２に示したアクティブマトリク
ス型液晶ディスプレイの製造工程の概要について説明す
る。先ず、ガラス基板２８の上にアンダーコート層（図
示せず）を堆積した後、アモルファスシリコン薄膜をプ
ラズマＣＶＤ法によって堆積する。次に、図１に示した
レーザアニール装置を用いて、ガラス基板２８上に堆積
されたアモルファスシリコン薄膜に前記の方法に従って
エキシマレーザを照射して、アモルファスシリコン薄膜
を多結晶化する。即ち、アモルファスシリコン薄膜の表
面にＸｅランプの帯状ビーム（２５０ｍｍ×１０ｍｍ）
を照射するとともに、この照射領域の内部にエキシマレ
ーザの線状ビーム（２００ｍｍ×０．４ｍｍ）を照射
し、同時に、ガラス基板２８側を移動することによっ
て、アモルファスシリコン薄膜の表面に対してＸｅラン
プの帯状ビーム及びエキシマレーザの線状ビームを相対
的に走査させて、アモルファスシリコン薄膜を多結晶シ
リコン薄膜（２１、２２ａ、２２ｂ）に変える。なお、
エキシマレーザ（２００Ｈｚ）の照射パルスのオーバー
ラップ率を９０％とし、基板の移動スピードは８ｍｍ／
ｓである。

【００３１】次に、ＳｉＯｘ薄膜をプラズマＣＶＤ法に
よって堆積してゲート絶縁膜２３を形成する。その上に
Ｍｏ−Ｗａ合金をスパッタ法によって堆積し、これをパ
ターニングしてゲート電極２４を形成する。このゲート
電極２４をマスクとして用いて燐（あるいは硼素）によ
るイオンドーピングを施し、多結晶シリコン薄膜の一部
にソース領域２２ａ及びドレイン領域２２ｂを形成す
る。

【００３２】次に、ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ薄膜をＰＥＣＶ
Ｄ法によって堆積して層間絶縁膜２６を形成の後、アニ
ールを施してソース領域２２ａ及びドレイン領域２２ｂ
を活性化する。この層間絶縁膜２６の上にＩＴＯ膜を堆
積し、これをパターニングして画素電極２９を形成す
る。

【００３３】次に、層間絶縁膜２６にコンタクトホール
を開口の後、Ａｌ薄膜をスパッタ法により堆積し、これ
をパターニングしてソース電極２５ａ及びドレイン電極
２５ｂを形成する。この工程において、ドレイン電極２
５ｂが画素電極２９に接続される。

【００３４】以上の様にして、多結晶シリコン薄膜に順
スタガ型の薄膜トランジスタが形成される。次に、画素
電極２９を除く部分にプラズマＣＶＤ法により保護膜２
７を形成して、アレイ基板が作成される。

【００３５】一方、対向基板は、ガラス板３２の表面に
ＩＴＯによって対向電極３１を形成することにより作成
される。アレイ基板及び対向基板の表面に配向膜（図示
せず）を形成した後、両基板を間隙材（図示せず）を介
して貼り合わせ、次いで、両基板の間に液晶３０を封入
して、アクティブマトリクス型液晶ディスプレイが製造
される。

【００３６】この様にして作成されたアクティブマトリ
クス型液晶ディスプレイの特性を評価した結果、ＣＲＴ
に匹敵する高精彩及び高コントラストを備えた画像が得
られることが確認された。

【００３７】なお本発明のレーザアニール方法は、上記
の例に限定されるものではない。例えば、上記の例では
基板側を移動させることによって、基板上でのＸｅラン
プ光及びエキシマレーザ光の照射スポットを走査してい
るが、基板側を固定して、光学系を用いて照射光側を走
査することもできる。また、本発明のレーザアニール装
置に様に、Ｘｅランプを必ずしもアニール・チャンバ内
に配置しなくてもよく、更に、アニール・チャンバを使
用しなくてもよい。

【００３８】更に、本発明のレーザアニール方法に利用
して作成されるＴＦＴは、上記の例に示した順スタガ型
のＴＦＴに限定されるものではなく、逆スタガ型などの
他の構造のＴＦＴに対しても適用できる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、脱水素工程を独立して
設けることなく、レーザアニール工程の中で並行してア
モルファスシリコン薄膜中の水素濃度を一定の値に低減
することが可能なので、多結晶シリコン薄膜の形成工程
に要する時間が大幅に短縮される。

【００４０】しかも、従来の炉内加熱による脱水素方法
と同様に、アモルファスシリコン薄膜中の水素濃度を一
定にすることができるので、脱水素処理の不足に起因す
るアブレーシヨンが部分的に発生する恐れはなく、比較
的、大きな照射パワーを用いてエキシマレーザアニール
を施すことができ、均一で且つ高い特性を備えたＴＦＴ
を作成することができる。従って、アクティブマトリク
ス型液晶ディスプレイの画素スイッチあるいは周辺駆動
回路などを、低価格で製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基くレーザアニール方法を実施するた
めのレーザアニール装置の概要を示す図。

【図２】本発明のレーザアニール方法に基いて作成され
る薄膜トランジスタを画素スイッチとして用いたアクテ
ィブマトリクス型液晶ディスプレイの一例を示す断面
図。

【符号の説明】

１１・・・被処理材、１２・・・レーザ光、１３・・・Ｘｅランプ光、１４・・・レーザ光学レンズ、１５・・・エキシマレーザ光源、１６・・・Ｘｅランプ光源、１７・・・レーザ透過窓、１８・・・アニールチヤンバ、１９・・・集光ミラー、２１・・・チャネル部、２２ａ・・・ソース領域、２２ｂ・・・ドレイン領域、２３・・・ゲート絶縁膜、２４・・・ゲート電極、２５ａ・・・ソース電極、２２ｂ・・・ドレイン電極、２６・・・層間絶縁膜、２７・・・保護膜、２８・・・ガラス基板、２９・・・画素電極、３０・・・液晶、３１・・・対向電極、３２・・・ガラス板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラス基板上に非晶質半導体薄膜を堆積
する工程と、前記非晶質半導体薄膜の表面を、少なくとも紫外域にお
いて概ね連続した波長分布を有する光源を用いて照射す
る工程と、前記光源によって照射された領域にレーザ光を照射する
工程と、を備えたことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】ガラス基板の表面に非晶質半導体薄膜が
堆積された被処理材を用いて、前記非晶質半導体薄膜の表面を、少なくとも紫外域にお
いて概ね連続した波長分布を有する光源を用いて照射
し、これと同時に、前記光源によって照射された領域の内部
にレーザ光を照射し、更に、これと同時に、前記非晶質半導体薄膜の表面にお
ける前記光源による照射領域と前記レーザ光による照射
領域との相対的な位置関係を一定に維持したまま、前記
ガラス基板を移動することによって、前記光源及び前記
レーザ光を前記非晶質半導体薄膜の表面の所定の範囲に
渡って走査する、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項３】前記光源は、キセノンランプであること
を特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のレーザ
アニール方法。
【請求項４】前記レーザ光は、エキシマレーザである
ことを特徴とする請求項３に記載のレーザアニール方
法。
【請求項５】前記非晶質半導体膜は、アモルファスシ
リコンであることを特徴とする請求項１から請求項４の
いずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項６】少なくとも紫外域において概ね連続した
波長分布を有し、被処理材の表面に形成された非晶質半
導体薄膜の表面を照射して加熱する光源と、前記光源によって照射される領域の内部に、レーザ光を
照射するレーザ光源と、を備えたことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項７】前記被処理材を搭載し、前記被処理材の
表面における前記光源による照射領域と前記レーザ光源
による照射領域との相対的な位置関係を一定に維持した
まま、前記被処理材を移動する試料ステージを備えたこ
とを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール装置。
【請求項８】前記光源は、キセノンランプであること
を特徴とする請求項６あるいは請求項７に記載のレーザ
アニール装置。
【請求項９】前記レーザ光源は、エキシマレーザであ
ることを特徴とする請求項８に記載のレーザアニール装
置。
【請求項１０】ガラス基板の表面に堆積されたアモル
ファスシリコン薄膜にレーザアニールを施して半導体活
性層を形成する薄膜トランジスタの製造方法において、前記アモルファスシリコン薄膜の表面をキセノンランプ
を用いて照射し、これと同時に、前記キセノンランプによって照射される
領域の内部をエキシマレーザを用いて照射し、更に、これと同時に、前記アモルファスシリコン薄膜の
表面における前記キセノンランプによる照射領域と前記
エキシマレーザによる照射領域との相対的な位置関係を
一定に維持したまま、前記ガラス基板を移動することに
よって、前記キセノンランプの光及び前記レーザの光を
前記アモルファスシリコン薄膜の表面の所定の範囲に渡
って走査する、ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。