JPH1116834A - 非単結晶薄膜のレーザー結晶化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２回以上のレーザービーム走査による重畳照射
が必要な大きさの基板上の非単結晶薄膜のレーザー結晶
化において、結晶化薄膜の面内均一性を従来よりも改善
し、この結晶化薄膜を用いて作製するデバイスの歩留ま
りを向上することができる非単結晶薄膜のレーザー結晶
化方法を提供する。 【解決手段】基板４上の非晶質Ｓｉ薄膜２の分割領域に
それぞれパルスレーザービーム１を重畳照射するように
走査して、非晶質Ｓｉ薄膜２を結晶化する結晶化方法で
あって、パルスレーザービームの走査方向を全ての分割
領域において同一としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液晶表示装置用
の薄膜トランジスタ、イメージセンサ、あるいはＳＲＡ
Ｍ等の製造工程に用いられる非単結晶薄膜のレーザー結
晶化方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置はやノートパソコン
やビデオカメラ等の需要により、大型化、高精細化の要
求がますます高まっている。この要求に答えるものとし
て本命視されていた低温ポリシリコン薄膜トランジスタ
アレイを用いた液晶表示装置は、最近の製造技術の進展
により量産化への動きが本格化してきた。

【０００３】一般に液晶表示装置に用いられる薄膜トラ
ンジスタアレイは、薄膜トランジスタを数百ｍｍ長幅の
角形ガラス基板上に形成して、この基板をアレイとして
数面に切り出すという方法を用いる。従って、基板上に
形成した薄膜トランジスタ性能の面内均一性を確保する
ことが製造歩留まり向上のためには重要である。低温ポ
リシリコン層の形成には、一般に非晶質Ｓｉ膜をエキシ
マレーザー照射によるアニール（以降エキシマレーザー
アニールとする）する方法が用いられる。この方法は、
結晶が大粒径であることや基板へのダメージが小さい等
の特長を有するが、エキシマレーザービームの重ね合わ
せ照射部の均一性に難がある。

【０００４】エキシマレーザービームを重ね合わせてア
ニールを行うのは、現状のレーザー照射によりアニール
をする場合に実用的なエキシマレーザーの出力エネルギ
ーはせいぜい１Ｊが最大であり、Ｓｉ非晶質薄膜を十分
結晶化するには最低でも２００ｍＪ／ｃｍ² 程度を要す
るため、基板全面のＳｉ非晶質薄膜を１ショットで結晶
化するのは不可能であり、基板面内を隙間なく照射して
結晶化することになるからである。

【０００５】一方、エキシマレーザービームの重ね合わ
せ照射部の均一性に難があるのは、エキシマレーザービ
ームの強度分布の均一化のための光学による成形に限界
があることと、エキシマレーザーアニールによる結晶化
後の状態が同じアニール条件であっても前駆体の結晶状
態によって異なることに起因している。図３は、エキシ
マレーザービームの重畳照射によるＳｉ非晶質状態から
結晶化状態への変化を示す説明図である。図３（ａ）に
示すように、１ショット後においてＳｉの結晶化領域は
多結晶領域３および非晶質と多結晶との中間相の領域５
ａからなる。レーザービームエッジにはビーム強度の遷
移領域が存在するが、この遷移領域における結晶化しき
い値Ｈの近傍の照射領域が完全に多結晶化するのに十分
なビーム強度でないことから、中間相の領域５ａが形成
される。但し、結晶化しきい値Ｈ未満の照射領域は非晶
質状態のままである。次に、２ショット後においてレー
ザービームエッジの結晶化しきい値Ｈ近傍の照射領域に
より中間相の領域５ｂが形成される。また領域５ａには
非晶質状態からの結晶化に十分なビーム強度で重畳照射
されるが、非晶質状態から変化した多結晶領域３には変
化せず、領域３より結晶性（粒径、結晶欠陥等）に劣る
多結晶領域３ａが形成される（図３（ｂ））。以下同様
にして、３ショット目には図３（ｃ）のように、領域５
ｂから変化した多結晶領域３ｂ、非晶質と多結晶の中間
相の領域５ｃという具合に、結晶化が進むことになる。
また、領域５ａ、５ｂ内においても、１ショット目のビ
ーム強度の大小に応じて中間相３ａ，３ｂ内の結晶化度
に微妙なむらが生じるため、２ショット目以降にも結晶
化の差異として残って結晶不均一となる。したがって、
ビーム重ね合わせ照射部の均一性改善のためには、特に
レーザービームエッジの強度分布の高精度な制御が必要
となる。

【０００６】通常エキシマレーザービームの走査回数を
低減するため、ビーム形状としてラインビーム（短軸幅
が長軸幅と比較して極端に短いものを示す）が用いられ
る。しかしながらラインビーム重畳照射においても、約
２００ｍｍ長を越える均一性良好なラインビームを成形
するための光学部品が作製困難であるため、基板面内を
２領域あるいはそれ以上に分割し、ラインビームを２回
以上走査して基板全面を照射しているのが現状である。

【０００７】図４は、レーザーラインビーム重畳照射に
よる結晶化を示す説明図である。図４（ｂ）に示すよう
に、Ａ位置からラインビームを走査して重畳照射を開始
し（相対的な位置変化があればよく、基板側を走査して
も同様である）、Ｂ位置に到達すると、逆方向に走査方
向を反転、すなわち図（ｂ）の矢印および図（ａ）のよ
うに、Ｂ位置より照射を開始することによりＢ位置から
Ａ位置への折り返し時間を省略する。すなわち、結晶化
タクトを向上させる目的としてこの方法が用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例で示し
たようにエキシマレーザーアニールによる結晶化におい
ては、最初の非晶質状態からの結晶化が、後ショットに
よるアニールよりも支配的であるため、レーザービーム
エッジ部分における結晶化しきい値エネルギー近傍の強
度変動は、結晶化に大きく影響を与える。従って、従来
例のように重畳照射時においてレーザービームの走査方
向を変化させる場合には、レーザービームの走査軸に平
行方向断面の強度分布、特にビームエッジ部分の対称性
について高精度の制御が必要となる。しかし、現実とし
てビーム強度分布を厳密に対称形に調整するのは困難で
あり、それぞれのレーザービーム走査に対応する領域間
においてＳｉ層の結晶性の差異が生じる。

【０００９】本発明者の実験によれば、図４に示すよう
に同一基板４上のＳｉ層を２領域に分割して互いに逆方
向にラインビームを走査して重畳照射したところ、この
２領域間においてＳｉ層の結晶粒径や結晶欠陥密度が異
なり、この結晶化Ｓｉ層を用いて作製した薄膜トランジ
スタにこの２領域間で顕著な性能差が見られた。また、
薄膜トランジスタアレイの歩留まりが低下した。

【００１０】そこで、この発明は、２回以上のレーザー
ビーム走査による重畳照射が必要な大きさの基板上の非
単結晶薄膜のレーザー結晶化において、結晶化薄膜の面
内均一性を従来よりも改善し、この結晶化薄膜を用いて
作製するデバイスの歩留まりを向上することができる非
単結晶薄膜のレーザー結晶化方法を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の非単結晶
薄膜のレーザー結晶化方法は、基板上の非単結晶薄膜の
分割領域にそれぞれパルスレーザービームを重畳照射す
るように走査して非単結晶薄膜を結晶化する結晶化方法
であって、パルスレーザービームの走査方向が全ての分
割領域において同一であることを特徴とするものであ
る。

【００１２】請求項１記載の非単結晶薄膜のレーザー結
晶化方法によれば、パルスレーザビームの強度分布が非
対称であっても、パルスレーザビームの走査方向が全て
の領域において同一であるため、走査方向が反対方向で
ある従来例のように結晶化度が異なることがなく分割領
域間で性能差が生じないので、結晶化薄膜の面内均一性
を改善することができる。また、この結晶化薄膜を用い
て作製するデバイスの歩留まりを向上することが可能で
ある。

【００１３】請求項２記載の非単結晶薄膜のレーザー結
晶化方法は、請求項１において、パルスレーザービーム
をエキシマレーザーとしたものである。請求項２記載の
非単結晶薄膜のレーザー結晶化方法によれば、請求項１
と同様な効果がある。請求項３記載の非単結晶薄膜のレ
ーザー結晶化方法は、請求項１または請求項２におい
て、非単結晶薄膜の主成分がＳｉであるものである。

【００１４】請求項３記載の非単結晶薄膜のレーザー結
晶化方法によれば、請求項１または請求項２と同様な効
果がある。

【００１５】

【発明の実施形態】この発明の一実施の形態を図１およ
び図２により説明する。すなわち、図１はパルスレーザ
のたとえばエキシマレーザーを用いたラインビームの重
畳照射による基板４上の非単結晶薄膜である非晶質Ｓｉ
薄膜の結晶化を示す説明図である。図１（ｂ）に示すよ
うに、基板（４００×３２０ｍｍ）４を２００ｍｍ幅の
２分割領域に分割して、全体として２回に分けて照射さ
れるように、ライン状のレーザビーム（２００×０．３
５ｍｍ）１を各分割領域ごとに走査し、９０％（０．３
１５ｍｍオーバーラップ）重畳照射を行う場合について
説明する。まずＡ位置からＢ位置へと矢印のようにレー
ザービーム１の走査を行い重畳照射を行う。Ｂ位置に到
達したら一旦照射を止めてＡ位置に戻り、残りの分割領
域のＡ位置から矢印および図１（ａ）のように再び照射
を開始するとともに前ビーム走査と同一方向にビーム走
査して重畳照射を行う。従って、２領域間で同一側のレ
ーザービームエッジのビーム強度の遷移領域が非晶質Ｓ
ｉ薄膜に対して最初に照射されるため、ビームの強度分
布の非対称性が多少ともあっても結晶化への影響は小さ
くなる。なお、斜線部は多結晶Ｓｉ薄膜３を示してい
る。

【００１６】上述のように結晶化したＳｉ薄膜を用いて
薄膜トランジスタを作製し、その移動度の面内均一性を
評価した結果を図２に示す。図２（ａ）はビーム走査方
向が互いに逆方向である従来の結晶化方法、図２（ｂ）
はビーム走査方向が同一方向である本発明の結晶化方法
によるものである。ここで移動度は、結晶性が向上する
につれて増大する傾向があるため、結晶化度の指標とし
て用いた。図２（ａ）に示すような従来の方法におい
て、互いに逆方向にエキシマレーザービームを走査し分
割重畳照射した２領域間で２倍程度の移動度の差異が生
じた。また、この結晶化薄膜を用いて薄膜トランジスタ
アレイを作製したところ、移動度が小さい方の領域にお
いてトランジスタ性能が顕著に低くなったため、アレイ
歩留まりが低下した。一方、図２（ｂ）に示すような本
発明の結晶化方法において、互いに同一方向にエキシマ
レーザービームを走査し分割重畳照射した２領域間で移
動度の差異は見られず、アレイ歩留まり低下への影響は
見られなかった。

【００１７】なお、この実施の形態では、非単結晶薄膜
が非晶質Ｓｉ薄膜の場合について述べたが、主成分がＳ
ｉであればよく、また例えば微結晶や多結晶薄膜、また
主成分がＧｅでも同様の効果が得られる。また、パルス
レーザービームとしてエキシマレーザーを用いたが、例
えばＹＡＧレーザーでも同様の効果が得られる。

【００１８】さらにレーザービームの断面形状はライン
ビームを用いたが、ビーム断面形状には依存せず、例え
ば、矩形や楕円形等でも同様の効果が得られる。またこ
の発明において、レーザービームを走査することは、基
板側をレーザビームに対して移動することによっても行
なわれる。

【００１９】

【発明の効果】請求項１記載の非単結晶薄膜のレーザー
結晶化方法によれば、パルスレーザビームの強度分布が
非対称であっても、パルスレーザビームの走査方向が全
ての領域において同一であるため、走査方向が反対方向
である従来例のように結晶化度が異なることがなく分割
領域間で性能差が生じないので、結晶化薄膜の面内均一
性を改善することができる。また、この結晶化薄膜を用
いて作製するデバイスの歩留まりを向上することが可能
である。

【００２０】請求項２記載の非単結晶薄膜のレーザー結
晶化方法によれば、請求項１と同様な効果がある。請求
項３記載の非単結晶薄膜のレーザー結晶化方法によれ
ば、請求項１または請求項２と同様な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態のエキシマレーザーラ
インビーム重畳照射による基板上の非晶質Ｓｉ薄膜の結
晶化を示す説明図である。

【図２】基板面内を２領域に分割してエキシマレーザー
ビームを重畳照射する場合において、２回のビーム走査
方向が（ａ）に示す逆方向の場合および（ｂ）に示す同
一方向の場合における結晶化Ｓｉ薄膜の移動度分布を示
す説明図である。

【図３】エキシマレーザービームの重畳照射によるＳｉ
非晶質状態から結晶化状態への変化を示す説明図であ
る。

【図４】従来例のエキシマレーザーラインビーム重畳照
射による基板上の非晶質Ｓｉ薄膜の結晶化を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ エキシマレーザービーム ２ 非単結晶薄膜である非晶質Ｓｉ薄膜 ３ 多結晶Ｓｉ薄膜 ３ａ，３ｂ 結晶状態の中間相から変化した多結晶Ｓｉ
薄膜 ４ 基板 ５ａ〜５ｃ 非晶質と多結晶との中間相のＳｉ薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮田 豊 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の非単結晶薄膜の分割領域にそれ
   ぞれパルスレーザービームを重畳照射するように走査し
   て前記非単結晶薄膜を結晶化する結晶化方法であって、
   前記パルスレーザービームの走査方向が全ての分割領域
   において同一であることを特徴とする非単結晶薄膜のレ
   ーザー結晶化方法。
2. 【請求項２】 パルスレーザービームがエキシマレーザ
   ーである請求項１記載の非単結晶薄膜のレーザー結晶化
   方法。
3. 【請求項３】 非単結晶薄膜の主成分がＳｉである請求
   項１または請求項２記載の非単結晶薄膜のレーザー結晶
   化方法。