JPH10144620A - レーザー照射システムおよびその応用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 線状のエキシマレーザーアニール時に発生す
る縞状のアニールむらを抑制する。 【解決手段】 線状にビーム加工されたエキシマレーザ
ー光を非晶質珪素膜に照射して結晶性珪素膜に変成する
工程において、ステージ１０３を矢印の方向に移動させ
ながらレーザー光の照射を行う。この際、まず長波長の
線状エキシマレーザー光１０９が試料に照射され、さら
に短波長の線状エキシマレーザー光１０８が試料に照射
される。こうすることにより、レーザービーム内の照射
エネルギー密度のバラツキ、さらにレーザーパルス毎に
照射エネルギー密度のバラツキを抑制することができ
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、
半導体薄膜のアニールに利用されるレーザー照射システ
ムに関する。またその応用方法に関する。

【０００２】特に非晶質珪素膜をレーザーアニールによ
って結晶化させるレーザー照射システムおよびその応用
方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】半導体薄膜にレーザー光を照射すること
により各種アニールを行う技術が知られている。

【０００４】例えば、ガラス基板上に薄膜トランジスタ
を作製する際に、まず非晶質珪素膜（アモファスシリコ
ン膜）をガラス基板上にプラズマＣＶＤ法等で成膜し、
それにパルス発振型で紫外光領域の発振を行うエキシマ
レーザー光を照射することにより、結晶性珪素膜を得る
技術が知られている。

【０００５】また、珪素膜に対して導電型を付与する不
純物をドーピングした後のアニールをエキシマレーザー
光の照射でもって行う技術も知られている。

【０００６】エキシマレーザーが利用されるのは、珪素
膜のアニールに適するような照射エネルギー密度と波長
が得られるからである。

【０００７】しかし、通常のレーザー光は数ｍｍ角程度
のスポット状のビーム形状であるので、数十ｃｍ角の大
きさを有するような基板（例えばガラス基板）を利用し
た場合には、その生産性が問題となる。

【０００８】この問題を解決するために、レーザー光を
光学系により、長さ数十ｃｍの線状に加工し、この線状
のレーザービーム（線状レーザーと称する）を幅方向に
走査することにより、大面積への対応を行う技術が知ら
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記線状レーザーを用
いた方法により、薄膜トランジスタを作製した場合、以
下のような問題が生じる。

【００１０】一般に薄膜トランジスタを作製する場合、
それが単体で作製されるのではなく、集積化したものと
して作製される。

【００１１】例えば、周辺駆動回路を一体化したアクテ
ィブマトリクス型の液晶表示装置に薄膜トランジスタを
利用する場合、周辺駆動回路を構成するシフトレジスタ
回路やバッファー回路、さらにアナログスイッチ回路と
いった回路は、同じ回路パターンが繰り返されて配置さ
れるものとなる。

【００１２】このような構成を得るためにの手段として
上記の線状レーザーを利用したアニールを行うと、得ら
れた液晶ディスプレイの表示に細かい縞模様が観察され
る。

【００１３】この縞模様はその長手方向が直交した２種
類に分類される。即ち、縦縞及び横縞として観察され
る。

【００１４】なお、レーザー光の走査方向を９０°回転
させても、やはり縦縞及び横縞は観察される。

【００１５】この縞模様は、アニール後の珪素膜を観察
した場合にも結晶性のむらとして認識することができ
る。（縞模様に色が異なる領域が観察される）

【００１６】本発明者らの知見によれば、上記の縦縞及
び横縞は、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バラツキ、及び走査方向における照
射エネルギー密度のバラツキに関係する。

【００１７】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バラツキは、発振器内部における
放電開始箇所のバラツキに起因する。即ち、発振器から
出るレーザー光の密度分布に偏りが生じ、それが光学系
において拡大される結果として生じる。

【００１８】線状のレーザービームは、数ｃｍ角のスポ
ットビームを光学系により、幅数ｍｍ、長さ数十ｃｍに
成形するもので、発振器内部における放電箇所のバラツ
キは、大きく拡大されたものとなる。

【００１９】上記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バラツキは、レーザー発振器
内部における空間的な発振位置のバラツキによるものと
理解することができる。

【００２０】レーザービームが縦横比の小さい矩形状ま
たは円状の場合、即ちスポット光として照射する場合
は、上記レーザー発振器内部における空間的な発振位置
のバラツキは大きな影響として現れない。

【００２１】これは、レーザービームが大きく拡大され
ないので、発振位置のバラツキがビーム内の照射エネル
ギー密度の違いとして現れにくいからである。

【００２２】また、線状のレーザービームの走査方向お
ける照射エネルギー密度のバラツキは、発振器の時間的
な安定性、即ち発振パルス毎における照射エネルギー密
度のバラツキに起因する。

【００２３】これは、レーザー発振器の時間的な発振強
度のバラツキによるものと理解することができる。

【００２４】そこで、本明細書で開示する発明は、以下
の事項を前提とし、特に線状のレーザー光を用いた場合
における照射エネルギー密度のバラツキの影響を是正す
る技術を提供することを課題とする。そして、大面積へ
のアニール効果の不均一性を解決することを課題とす
る。

【００２５】（１）パルス発振型のエキシマレーザーを
利用する。 （２）光学系により成形した線状のレーザー光を利用す
る。 （３）レーザー発振器からのレーザー光が上述したよう
なエネルギー密度のゆらぎを有している。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
では、エキシマレーザーの発振が上述した空間的あるい
は時間的なバラツキを有していることを前提とし、その
バラツキの影響が被照射物に現れることを抑制する技術
を提供するものである。

【００２７】本明細書で開示する発明の一つは、波長の
異なる複数のレーザー光を照射する手段を有し、前記レ
ーザー光は、線状にビーム加工されたエキシマレーザー
光であり、前記レーザー光の照射は、線状ビームの幅方
向に走査されて行われ、かつ波長の長いものが行われた
後に波長の短いものが照射されることを特徴とする。

【００２８】他の発明の構成は、波長の異なる複数のレ
ーザー光を照射する手段を有し、前記レーザー光は、線
状にビーム加工されたエキシマレーザー光であり、前記
レーザー光の照射は、線状ビームを平行に並べて同時に
照射し、かつ線状ビームの幅方向に走査されて行われ、
かつ波長の長いものの照射が行われた後に波長の短いも
のが照射されることを特徴とする。

【００２９】他の発明の構成は、波長の異なる線状にビ
ーム加工された複数のレーザー光を照射する手段を有し
たレーザー照射システムの応用方法であって、珪素膜に
対して、波長の長いレーザー光を線状の幅方向に走査し
て照射するとともに、該照射が行われた領域に波長の短
いレーザー光を線状の幅方向に走査して照射することを
特徴とする。

【００３０】他の発明の構成は、波長の異なる線状にビ
ーム加工された複数のレーザー光を照射する手段を有し
たレーザー照射システムの応用方法であって、珪素膜に
対して、少なくとも２つの線状のレーザー光を並べて走
査しながら照射し、該照射は、所定の被照射領域に対し
て波長の長いレーザー光の照射が行われた後に波長の短
いレーザー光の照射が行われるようにすることを特徴と
する。

【００３１】

【発明の実施の形態】非晶質珪素膜に対して、線状にビ
ーム加工されたエキシマレーザー光を照射することによ
って結晶化させる場合において、少なくとも波長の異な
る２種類（あるいは２種類以上）のエキシマレーザー光
を用いる。

【００３２】具体的には、まず波長の長いレーザー光を
照射し、次に波長の短いレーザー光を照射する。

【００３３】レーザー光を珪素膜に照射した場合、その
エネルギー（電磁波としてのエネルギー）は、主に２つ
作用を有している。第１の作用は、珪素原子を直接励起
し、励起状態とする作用である。この場合、珪素原子の
外殻電子をよりエネルギーレベルの高い状態に励起する
ことにレーザー光の有する電磁エネルギーが利用され
る。

【００３４】第２の作用は、レーザー光の有する電磁エ
ネルギーが珪素膜中において、格子振動に転化し、珪素
膜内部において熱エネルギーへと変換される作用であ
る。

【００３５】紫外領域以下の波長を有するエキシマレー
ザー光においては、波長が短い程、第１の作用の寄与が
大きくなる。また、逆に波長が短い程、第２の作用の寄
与が大きくなる。

【００３６】また、第１の作用による珪素膜中における
エネルギーの吸収は、珪素膜の表面近傍で行われる。こ
の傾向は、照射するレーザー光の波長が短い程顕著にな
る。

【００３７】逆に第２の作用による珪素膜中におけるエ
ネルギーの吸収は、珪素膜の内部深くにまでわたって行
われる。この傾向は、照射するレーザー光の波長が長い
程顕著になる。

【００３８】珪素膜のアニールに紫外領域のエキシマレ
ーザー光が多用されるのは、第１の作用により、高い結
晶性が得られるためである。

【００３９】しかしながら、第１の作用による結晶化
は、原子そのものに作用するため、さらにそれに関係す
るがレーザーエネルギーが表面近傍においてほとんど吸
収されてしまうため、照射エネルギーの違いが顕著に現
れやすい。

【００４０】即ち、アニール効果に対する照射エネルギ
ー密度の違いが顕著に現れやすい。

【００４１】逆に、第２の作用によるところのアニール
効果は、比較的照射エネルギー密度の違いは現れにく
い。しかし、結晶化作用という点では、第１の作用には
及ばない。

【００４２】本明細書で開示する発明のように、波長の
短いエキシマレーザー光と波長の長いエキシマレーザー
光とを順次照射した場合、まず格子振動の寄与の大きい
アニールが行われ、次に珪素原子の外殻電子を直接励起
する寄与が大きいアニールが行われることになる。

【００４３】こうすることで、レーザー発振強度のバラ
ツキの影響がアニール効果の位置的なバラツキを抑制す
ることができる。具体的には、線状レーザーを利用した
場合に発生するビームの長手方向における縞模様とビー
ムの走査方向における縞模様の発生を抑制することがで
きる。

【００４４】これは、作用の異なるアニールが段階的に
行われることによって、アニール効果が段階的に進行
し、そのことにより照射されるレーザー光の照射エネル
ギー密度のバラツキがアニール効果に反映されにくくな
るためである。

【００４５】選択される２種類のエキシマレーザー光と
しては、例えば、波長の短い方のレーザー光としてＫｒ
Ｆエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を選択し、波長
の長い方のレーザー光としてＸｅＣｌエキシマレーザー
（波長３０８ｎｍ）を選択することができる。

【００４６】また、より発明の効果を大きく得るのであ
れば、波長の短い方のレーザー光としてＫｒＦエキシマ
レーザー（波長２４８ｎｍ）を選択し、波長の長い方の
レーザー光としてＨｇｌエキシマレーザー（波長４４３
ｎｍ）を選択することが好ましい。即ち、２つのレーザ
ー光の波長の違いは、ある程度大きい方がよい。

【００４７】実施に当たって、波長の短い方のレーザー
光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎ
ｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）から
選ばれたものを選択することができる。

【００４８】また、波長の長い方のレーザー光として
は、ＨｇＢｒエキシマレーザー（波長５０２ｎｍ）、Ｈ
ｇＣｌエキシマレーザー（波長５５８ｎｍ）、ＨｇＩエ
キシマレーザー（波長４４３ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレ
ーザー（波長３５１ｎｍ、３５３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキ
シマレーザー（波長３０８ｎｍ）から選ばれたものを選
択することができる。

【００４９】

【実施例】

〔実施例１〕図１に示すのは、レーザー光を照射する系
を２つ備えたレーザー照射システムの例である。図にお
いて、（Ａ）が断面を示すものであり、（Ｂ）が上面か
ら見た状態を示すものである。

【００５０】図において、１０１がレーザー光を照射す
るためのチャンバー（気密室）である。このチャンバー
１０１には、必要とするガスの供給系１０５、必要とす
る雰囲気を実現するためのガス排気系１０６が備えられ
ている。当然、減圧雰囲気に制御することもできる。

【００５１】試料１００としては、例えばガラス基板上
に非晶質珪素膜が成膜されたものが選択される。試料１
００は、ステージ１０２上に配置される。ステージ１０
２内には抵抗加熱ヒータあるいはペルチェ素子を利用し
た冷却装置が備えられており、試料を任意の温度に保持
できるようになっている。

【００５２】１０３は移動ステージであり、レール１０
４上を直線的に移動する。この移動ステージ１０３が移
動することにより、レーザー光が走査されて試料に照射
される。

【００５３】１１０は、ゲイトバルブであり、試料をチ
ャンバー１０１の内部に移送したり、搬出したりする際
に開閉される。マルチチャンバー構造を採用する場合
は、このゲイトバルブを介して、他のチャンバーと連結
がなされる。

【００５４】１２１は、波長の短いレキシマレーザー光
の発振器である。発振器１２１から発振されたレーザー
光は、光学系１２２でもって（Ｂ）の１０８で示される
ような線状のビームに成形される。そして、ミラー１２
３でもって反射され、さらにレンズ１２４、石英でなる
窓１２５を通過して、試料に照射される。

【００５５】１３１は、波長の長いエキシマレーザー光
の発振器である。発振器１３１から発振されたレーザー
光は、光学系１３２でもって（Ｂ）の１０９で示される
ような線状のビームに成形される。そして、ミラー１３
３でもって反射され、さらにレンズ１３４、石英でなる
窓１３５を通過して、試料に照射される。

【００５６】レーザー光の照射は、移動ステージ１０３
を矢印の方向に移動させながら行われる。従って、まず
試料１００の表面には、１０９のレーザービームが照射
され、次に１０８のレーザービームが照射される。

【００５７】即ち、波長の長い線状のエキシマレーザー
光１０９がまず照射され、次に波長の短い線状のエキシ
マレーザー光１０８が順次照射される。

【００５８】こうすることにより、発振器１２１や１３
１における空間的な発振状態のバラツキと時間的な発振
状態のバラツキが、レーザー光の照射効果に与える影響
を低減することができる。

【００５９】〔実施例２〕図２に示すのは、図１に示す
構成をマルチチャンバー形式に構成した場合の例であ
る。図２において図１と同じ符号は、図１の場合と同じ
箇所を示す。

【００６０】図２において、レーザー光を試料に照射す
るためのチャンバー１０１はゲイトバルブ１１０を介し
て試料１００を搬送するためのチャンバー２０１（搬送
チャンバー）に連結されている。

【００６１】搬送チャンバー２０１内には、試料１００
を搬送するためのロボットアーム２０２が備えられてい
る。

【００６２】２０４で示されるチャンバーは、試料を予
め加熱しておくためのチャンバーでる。この加熱を行う
ためのチャンバー２０４は、ゲイトバルブ２０３によっ
て搬送室２０１と連結されている。

【００６３】２０５は、アライメント室であり、試料１
００とロボットアーム２０２との位置合わせを行うため
のアライメント装置が配置されている。

【００６４】２０７は、試料の搬入室であり、カセット
２０７に収納された多数枚の試料をカセット毎装置の外
部から搬入するためのチャンバーである。

【００６５】搬入室２０５はゲイトバルブ２０６を介し
てアライメント室２０５に連結されている。

【００６６】図２に示すようなシステムを利用すると、
気密性が保たれた雰囲気内において、試料を連続して処
理することができる。

【００６７】〔実施例３〕図３に示すのは、異なる波長
のレーザー光を照射する機能を有するチャンバーを別個
に設けた構成に関する。

【００６８】図において、図１や図２と同じ符号が付さ
れている箇所は、実施例１や実施例２で説明した構成や
機能を有している。

【００６９】図３に示す構成が特徴とするのは、搬送チ
ャンバー２０１に対してゲイトバルブ１１０を介して第
１のレーザー照射チャンバー１０１が接続され、さら搬
送チャンバー２０１に対してゲイトバルブ３０５を介し
て第２のレーザー処理チャンバー３０１が接続されてい
る点である。

【００７０】２つのチャンバーでは、一方において短波
長、他方において長波長を有するエキシマーレーザー光
が照射される。

【００７１】ここで、短波長のエキシマレーザー光とし
ては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、Ａ
ｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）から選択する
ことができる。

【００７２】また、長波長のレーザー光としては、Ｈｇ
Ｂｒエキシマレーザー（波長５０２ｎｍ）、ＨｇＣｌエ
キシマレーザー（波長５５８ｎｍ）、ＨｇＩエキシマレ
ーザー（波長４４３ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザー
（波長３５１ｎｍ、３５３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレ
ーザー（波長３０８ｎｍ）から選択することができる。

【００７３】図３に示すようなシステムを利用する場合
は、まず短波長を有するエキシマレーザー光を試料に照
射し、次に他方のチャンバーに試料を移送して、長波長
を有するエキシマレーザー光を試料に照射する。レーザ
ー光の照射は、線状にビーム加工されたレーザー光を線
状ビームの幅方向に走査しながら行う。

【００７４】

【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、線状レーザーを用いた比較的大面積を有する非
晶質珪素膜に対する結晶化工程において、線状レーザー
ビームの長手方向、及び走査方向におけるアニールむら
を抑えることができる。

【００７５】特に非晶質珪素膜の結晶化に線状レーザー
光を用いた場合に発生する縞状の結晶化むらを抑制する
ことができる。

【００７６】本明細書で開示する発明は、結晶化以外の
レーザーアニール、例えば導電型を付与する不純物のド
ーピング後の活性化工程等にも利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 レーザー照射システムの概要を示す図。

【図２】 レーザー照射システムの概要を示す図。

【図３】 レーザー照射システムの概要を示す図。

【符号の説明】

１０１ レーザー照射チャンバー １０２ 試料ステージ １０３ 移動ステージ １０４ レール １０５ ガス導入系 １０６ ガス排気系 １０７ 石英窓 １０８ 線状レーザー光 １０９ 線状レーザー光 １１０ ゲイトバルブ １２１ レーザー発振器 １２２ 光学系 １２３ ミラー １２４ レンズ １３１ レーザー発振器 １３２ 光学系 １３３ ミラー １３４ レンズ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波長の異なる複数のレーザー光を照射する
   手段を有し、 前記レーザー光は、線状にビーム加工されたエキシマレ
   ーザー光であり、 前記レーザー光の照射は、線状ビームの幅方向に走査さ
   れて行われ、かつ波長の長いものが行われた後に波長の
   短いものが照射されることを特徴とするレーザー照射シ
   ステム。
2. 【請求項２】波長の異なる複数のレーザー光を照射する
   手段を有し、 前記レーザー光は、線状にビーム加工されたエキシマレ
   ーザー光であり、 前記レーザー光の照射は、線状ビームを平行に並べて同
   時に照射し、かつ線状ビームの幅方向に走査されて行わ
   れ、かつ波長の長いものの照射が行われた後に波長の短
   いものが照射されることを特徴とするレーザー照射シス
   テム。
3. 【請求項３】波長の異なる線状にビーム加工された複数
   のレーザー光を照射する手段を有したレーザー照射シス
   テムの応用方法であって、 珪素膜に対して、波長の長いレーザー光を線状の幅方向
   に走査して照射するとともに、該照射が行われた領域に
   波長の短いレーザー光を線状の幅方向に走査して照射す
   ることを特徴とするレーザー照射システムの応用方法。
4. 【請求項４】波長の異なる線状にビーム加工された複数
   のレーザー光を照射する手段を有したレーザー照射シス
   テムの応用方法であって、 珪素膜に対して、少なくとも２つの線状のレーザー光を
   並べて走査しながら照射し、 該照射は、所定の被照射領域に対して波長の長いレーザ
   ー光の照射が行われた後に波長の短いレーザー光の照射
   が行われるようにすることを特徴とするレーザー照射シ
   ステムの応用方法。
5. 【請求項５】請求項３または請求項４において、 珪素膜は非晶質珪素膜であることを特徴とするレーザー
   照射システムの応用方法。