JP4223470B2 - ピッチｘの決定方法、半導体装置の作製方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示する発明は、大面積の被照射面に対しレーザー光を高い均質性で照射することができる技術に関する。本発明は特に半導体膜のアニールに適している。

近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜（単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜）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。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。

ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作成できる利点を持っている。これが上記研究が行われる理由である。また、結晶化に好んでレーザーが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザーは基板の温度をあまり変えずに非単結晶膜にのみ高いエネルギーを与え、結晶化させることができる。

レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、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盛んに利用されている。該結晶性珪素膜は多くの結晶粒を有するため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。

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、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て（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）、レーザーアニールを行う方法が、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。

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、線状レーザーの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。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザーアニールには線状レーザービームを使用することが主流になりつつある。

上記線状に加工されたパルスレーザービームを走査させて、非単結晶半導体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。

例えば、一般に，基板のうねり等により高低差のある基板上に成膜された半導体被膜の表面に対し、レーザーを照射するとき、レーザービームの焦点が局所的にずれてしまう問題がある。

上記問題のため、レーザーアニールが膜面全体に一様に為されない。例えば、レーザーアニールで線状レーザービームを用いた場合、ビームとビームの重なりの部分で縞ができてしまう現象が目立ち、これらの縞の一本一本で膜の半導体特性が著しく異なっていた。

この問題は、特に大面積基板に対してレーザーを照射するときに深刻である。なぜならば、大面積基板は基板の高低差が比較的大きいからである。例えば、６００×７２０mmの基板のうねりは１００μｍ程度である。この数値は使用するレーザービームの特徴によっては大変大きなものとなる。

具体的にレーザービームの焦点近傍がどのような状態になっているかを以下に示す。レーザービームの焦点近傍でのレーザービームのエネルギー分布はレーザービームを形成する光学系の形態により異なった挙動をとる。

例えば、単純にレーザービームを線状に絞っただけのビームであれば、焦点のずれがビーム幅とエネルギー密度に影響する。図１（ａ）に記載の光学系は、単純にレーザービームを線状に絞るものである。
図１において、１００はレーザービーム、１０１、１０２は、レーザービーム１００を線方向に拡大する系を構成するシリンドリカルレンズ、１０３は幅方向に集光させるシリンドリカルレンズである。

このような光学系は、単純にレーザービームを線状に絞っただけなので、一般に、被照射面１０４における線状レーザービームのエネルギー均質性が悪い。このような光学系を用いるときは、線状に加工される前のレーザービームのエネルギーの均質性の非常に良いものが要求される。また、焦点のずれが被照射面におけるエネルギー密度を変化させることから、このような構成の光学系でレーザービームを形成することは好ましくない。

図１（ｂ）の光学系は、図１（ａ）の光学系に凹シリンドリカルレンズ１０５を加えたものである。レーザービームを図１（ｂ）の様にして形成すれば、レーザービームは被照射面１０６近傍で平行光線であるから、そもそもレーザービームの焦点という概念がなくなる。よって、焦点がずれるといった問題はそもそも起こらない。しかしながら、線状レザービームを形成する直前におかれているレンズを通過するレーザービームのエネルギー密度が高く、レンズの耐久性が追いつかない。よって、現状では、この様な光学系は実用的でない。また、このような光学系を用いるときは、元々のレーザービーム（線状に加工される前のレーザービーム）のエネルギーの均質性が非常に良いものである必要がある。

上記の２例は、線状に加工される前の段階のレーザービームのエネルギー均質性が非常に高いものが要求される。現存のレーザー発生装置では、半導体膜をアニールするのに充分な均質性をもつものは見当たらない。よって、上記の構成は新たな技術開発を待つこととなる。

上記の２例は線状レーザービームのエネルギー分布の均質性が悪く、現状では半導体膜のアニールには適さない。次に、実際に現在使われている光学系を例に出す。

図２（ａ）に示した構成の光学系が形成するレーザービームは線状のレーザービームとなる。この光学系の構成はレーザービームを縦横に分割し、分割されたレーザービームの各々を線状に加工しつつ照射面で１つに合成するものである。この様にすることで線状レーザービーム内のエネルギー分布を均質化できる。

図２（ａ）の構成のレンズ群を介して得られる線状レーザービームの焦点（合成焦点）と、該焦点からやや離れた断面でエネルギーの分布を調べると、線状レーザービームの幅方向のエネルギー分布が図３のようになる。合成焦点から離れた断面では分割されたレーザービームが１つになりきれないので、分布は階段状になる。

図３、a が焦点直前のもの、図３、b が焦点のもの、図３、c が焦点直後のものであり、図２（ｂ）の破線a 、b 、c にそれぞれ対応している。なお、ここで言う線状レーザービームの焦点は、分割されたレーザー光が実質的に１つになる平面を指す。一般に線状レーザービームは、高いエネルギー密度を必要とするので、幅は１ｍｍ以下に設定されることが多い。よって、図３a と図３c のビーム形状は概略合同になる。

図３、a 、c に示したようなエネルギー分布のレーザーが半導体膜に照射されると、線状レーザービームの幅方向に対する中央部分が照射されたところと、端の部分が照射されたところではアニールの効果が全く異なってくる。このようなレーザービームを使って出来るだけ一様にレーザーアニールを行うために、レーザービームを幅方向に重ね合わせながら半導体膜に照射することが一般に行われている。

すなわち、端の部分が照射された半導体膜の部分のさらに上から、線状レーザービームの幅方向に対する中央部分のエネルギーが照射されるように、レーザーを重ね合わせて照射すると良かった。使用するレーザー発生装置はパルスレーザーであるエキシマレーザーであるから、線状レーザービームを半導体膜上で重ね合わせることで半導体膜全体にレーザーを照射することになる。

上記レーザービームを使用して、最も一様に半導体膜全体をアニールするためには、線状レーザービームの幅Ｗに対しその１/ ２０〜１/ ５程度のピッチｘで半導体膜を移動し、線状レーザービームの照射位置を重ね合わせることが重要である。すなわち、Ｗ/ ２０≦ｘ≦Ｗ/ ５の条件を満たしてレーザーを照射する必要がある。

その範囲中特に、幅Ｗの１/ １０程度のピッチｘで重ね合わせると特に良かった。しかしながら、このような条件でレーザー照射を行っても、依然としてビームとビームの重なりの部分で縞ができてしまう現象が目立った。

図４に示すのは、この縞の状態である。図に示された基板は５インチ角のものである。５インチ角の基板で厚さ０. ７ｍｍのものの凹凸（うねり）は、２０μｍ程度であった。この縞は、レーザーアニール後の珪素膜の表面を観察すると光の反射加減によって現れる。

図４は、Ｘe Ｃｌエキシマレーザーを紙面の左右方向に延長する線状のレーザービームとし、これを紙面上から下方向に走査して照射した場合のものである。

図４の横縞は、パルスレーザーショットの重なり具合に起因するものであると理解される。

図４に示すような縞状の模様が現れてしまう珪素膜を用いて薄膜トランジスタを形成し、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを作製した場合、この縞が画面の表示にそのまま出てしまう不都合が生じた。

この問題は、基板が６００×７２０ｍｍの如き大面積で厚さが０. ７ｍｍのものとなると表面の高低差が１００μｍ程度と大きくなり、さらに深刻になる。

一般に線状レーザービームを形成する場合、その断面が長方形状のビームを適当な光学系に通して線状に加工する。前記長方形状のビームはアスペクト比が２から５程度であるが、例えば、図２に示した光学系により、アスペクト比１００以上の線状ビームに変形される。その際、エネルギーのビーム内分布も同時に均質化されるように、上記光学系は設計されている。

図２に示す装置は、発振器２０１からのレーザー光（この状態では概略矩形形状を有している）を２０２、２０３、２０４、２０６、２０８で示す光学系を介して、線状ビームとして照射する機能を有している。なお、２０５はスリット、２０７はミラーである。

２０２はシリンドリカルレンズ群（多シリンドリカルレンズとも称される）と呼ばれ、ビームを多数に分割する機能を有する。この分割された多数のビームは、最終レンズであるシリンドリカルレンズ２０６で合成される。

この構成は、ビーム内の強度分布の均質性を改善するために必要とされる。また、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０４との組み合わせも上述したシリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０６の組み合わせと同様な機能を有する。

即ち、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０６の組み合わせは、線状レーザービームの長手方向における強度分布の均質性を改善する機能を有し、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０４の組み合わせは、線状レーザービームの幅方向における強度分布の均質性を改善する機能を有している。

ビーム内のエネルギー分布を均質化する役割を果たす光学系をビームホモジェナイザーと呼ぶ。図２に示した光学系もビームホモジェナイザーの１つである。エネルギー分布を一様化する方法は、元の長方形のビームを分割後、各々拡大し重ね合わせて均質化するものである。

このような光学系を介して形成された線状レーザービームの焦点近傍の断面におけるエネルギー分布は、先に図３に示した通りである。この図をみればわかるように、レーザービームの焦点前後ではエネルギーの分布に変化がみられる。この変化が、縞模様の形成を助長している。

図２に示したレンズ群の構成は、基本的なものであり、さらに他の光学系を配置してもよい。また、同様な作用をする他のレンズに一部を置換してもよい。また、上記構成を全体の一部として利用してもよい。たとえば、図２に示すシリンドリカルレンズ群２０２、シリンドリカルレンズ群２０３は凸レンズ群であるが、凹レンズ群もしくは、凹凸混合のレンズ群を用いてもよい。

ただし、凹凸混合レンズ群に代表されるような、互いに合同でないレンズ群を使用する場合は、それらのレンズで加工される平行光線の、加工後の拡がりの角度が同じであるレンズ群で構成されなければならない。

さもなければ、分割したビームが再結合されるとき、個々のビームが異なる大きさや形で重なり合い、ビームの輪郭が不明瞭となる。

また、シリンドリカルレンズではなく、他の方法でレーザービームを分割してもよい。例えば、図１０に示すように、図２記載のシリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０４とを、ほぼ同様の作用を持つマルチフェイズプリズムに置き換えてもよい。この本光学系はレンズの群数を減らすことができるので、光量損失をおさえ、かつ、光学系の配置調整を容易にする等のメリットがある。

本明細書で開示する発明は、図４に示すようなレーザー光の照射ムラを改善することを課題とする。

本発明は、図３に示したレーザービームの焦点近傍の断面におけるエネルギー分布の変化を極力抑え、レーザーによる照射ムラを抑えることができる光学系の構成を提供する。

図２（ａ）に示した光学系の構成を基本とする光学系の最後尾に置かれた、集光のためのシリンドリカルレンズ（以下、最終レンズと呼ぶ）から照射面までのレーザービームの光路図を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）から明らかなように、複数のビームが被照射面で１つに合成されて線状ビームが形成される様子が見て取れる。被照射面が合成焦点（光学系全体の焦点）の前後にずれる、すなわち最終レンズからの距離が変化すると、複数のレーザービームが完全に１つにならないのでエネルギー分布が変化する。図２（ａ）中の断面a 、b 、c が図３のエネルギー分布a 、b 、c に対応している。

照射する半導体膜の高低差ｒは、６００×７２０ｍｍの基板を用いた場合、１００μｍ程度ある場合が多い。これは該基板を平坦なステージの上においた場合の数値である。この場合、レーザービームの合成焦点の前後１００/ ２μｍ＝５０μｍの範囲において、焦点のズレが半導体膜の結晶化の状態に反映されないような光学系を設計する必要がある。

基板搬送の便宜上、基板を置くステージが３点支持（基板の堅さにより４点あるいはそれ以上の方が好ましい場合もある）である方が好ましいのであるが、このようなステージの上に置かれた基板はそりが出てしまい、本来基板が持っているうねり以上に基板表面がそる。このときは、当然そのそりがあっても良好な結晶化ができるようなレーザービームでレーザーアニールをする必要がある。３点支持のステージに６００×７２０ｍｍ、厚さ０. ７ｍｍの基板を置いた場合、該基板の表面の見かけ上の高低差は１０００μｍ程度になった。

図５に、焦点距離の異なる２つの最終レンズを示した。該２つの最終レンズを通るレーザービームの光路から、最終レンズに入射するレーザービームの、最終レンズの母線に垂直な方向の光入射範囲の大きさＤと、前記最終レンズの母線と前記半導体膜との距離Ｆとは、Ｄに対するＦの比が大きければ大きいほど、照射面近傍でのレーザービームのエネルギー分布の変化が少ないことがわかる。

以下に図５を用いてその点を説明する。図５（ａ）（ｂ）とにおいて、ｚは合成焦点近傍のビーム断面でビーム幅がｗ* である断面から、ビーム幅がＷである断面を経て、再びビーム幅がｗ* になる断面までの距離を表している。

Ｆ１/ Ｄ１≦Ｆ２/ Ｄ２のとき、ｚ１≦ｚ２となり、（ｂ）のほうが合成焦点のズレに対するビーム幅の変化量が小さい。

合成焦点での線状レーザービームの幅Ｗは、合成焦点からｚ/ ２前後にずれたところで、Δ＝Ｗ−ｗ＊減少する。ここで、Ｄ＞＞Ｗであるので、Δ（ｚ）≒（ｚ/ ２）×Ｄ/ Ｆと近似できる。

なお、図３に示すが、合成焦点からｚ/ ２前後にずれた領域でのビーム幅ｗ＊の定義は、合成焦点でのエネルギー密度と実質的に等しいエネルギー密度を持つ領域の幅とする。なお、本明細書においては、Δはビーム幅変化量と呼ぶ。
また、Δを特にΔ（ｒ）と書いたとき、高低差ｒを有する半導体膜にビームを照射した時の、ビーム幅変化量を表すものとする。

上記説明のように、ビーム幅Ｗは、合成焦点からの距離でΔだけ変化する。従来、レーザービームの幅に対しその1/10前後のピッチｘで線状レーザービームを重ね合わせて照射すると、レーザービームの線状の照射ムラがもっとも目立たなくなるとしていた。

しかしながら、本出願人は、ピッチｘよりもΔが大きくなるような条件でレーザーを照射するとその均質性が著しく損なわれることが経験的に発見した。

よって、Ｗ/ ２０≦ｘ≦Ｗ/ ５の条件を満たし、ｘ≧Δの条件でレーザー照射を行うと、均質なレーザーアニールを行えることを本出願人は発見した。

本明細書で開示する発明は、ビーム幅Ｗ、パルスレーザービーム光源の発振周期の間に被照射面が移動するピッチ（距離）ｘ、光学系の最終レンズに入射するレーザービームの、最終レンズの母線に垂直な方向の光入射範囲の大きさをＤ、最終レンズの母線と前記半導体膜との距離Ｆ、照射する半導体膜の高低差ｒ、に関して最適な諸パラメータの組み合わせを提供し、半導体膜に対し均質なレーザーアニールを施すことを可能とするものである。

上記課題を解決するために、本明細書で開示する発明は、
パルスレーザービーム光源と、該光源より照射されるパルスレーザービームを縦横に複数分割した後、分割された各々のビームを線状としてから合成させて、ビーム幅Ｗを有する線状ビームを得る光学系と、前記線状ビームが照射される半導体膜が設けられた基板を移動させる手段とを有し、
前記半導体膜に対し線状レーザービームを走査しながら照射するレーザー照射装置であって、
前記半導体膜表面の高低差をｒ、前記ビーム幅Ｗの前記高低差ｒに対する変化量をΔ（ｒ）、前記パルスレーザービーム光源のパルスレーザーの発振周期の間に前記基板が移動するピッチをｘとするとき、
Ｗ／２０≦Δ（ｒ）≦ｘ≦Ｗ／５の条件を満たしていることを特徴とする半導体膜のレーザー照射装置である。

本明細書で開示する他の発明は、
パルスレーザービーム光源と、該光源より照射されるパルスレーザービームを縦横に複数分割した後、分割された各々のビームを線状としてから合成させて、ビーム幅Ｗを有する線状ビームを得る光学系と、前記線状ビームが照射される半導体膜が設けられた基板を移動させる手段とを有し、
前記半導体膜に対し線状レーザービームを走査しながら照射するレーザー照射装置であって、
前記半導体膜表面の高低差をｒ、前記ビーム幅Ｗの前記高低差ｒに対する変化量をΔ（ｒ）、前記パルスレーザービーム光源のパルスレーザーの発振周期の間に前記基板が移動するピッチをｘとするとき、
Δ（ｒ）≦Ｗ／２０≦ｘ≦Ｗ／５の条件を満たしていることを特徴とするレーザー照射装置である。

本明細書で開示する他の発明は、
パルスレーザービーム光源と、該光源より照射されるパルスレーザービームを縦横に複数分割した後、分割された各々のビームを線状としてから合成させて、ビーム幅Ｗを有する線状ビームを得る光学系と、前記線状ビームが照射される半導体膜が設けられた基板を移動させる手段とを有し、
前記半導体膜に対し線状レーザービームを走査しながら照射するレーザー照射装置であって、
前記半導体膜表面の高低差をｒ、前記ビーム幅をＷ、前記光学系の最終レンズに入射するレーザービームの、該最終レンズの母線に垂直な方向の入射範囲の大きさをＤ、前記最終レンズの母線と前記半導体膜との距離をＦ、前記パルスレーザービーム光源のパルスレーザーの発振周期の間に前記基板が移動するピッチをｘとするとき、
Ｗ／２０≦ｒＤ／２Ｆ≦ｘ≦Ｗ/ ５の条件を満たしていることを特徴とする半導体膜のレーザー照射装置である。

本明細書で開示する他の発明は、
パルスレーザービーム光源と、該光源より照射されるパルスレーザービームを縦横に複数分割した後、分割された各々のビームを線状としてから合成させて、ビーム幅Ｗを有する線状ビームを得る光学系と、前記線状ビームが照射される半導体膜が設けられた基板を移動させる手段とを有し、
前記半導体膜に対し線状レーザービームを走査しながら照射するレーザー照射装置であって、
前記半導体膜表面の高低差をｒ、前記ビーム幅をＷ、前記光学系の最終レンズに入射するレーザービームの、該最終レンズの母線に垂直な方向の入射範囲の大きさをＤ、前記最終レンズの母線と前記半導体膜との距離をＦ、前記パルスレーザービーム光源のパルスレーザーの発振周期の間に前記基板が移動するピッチをｘとするとき、
ｒＤ／２Ｆ≦Ｗ／２０≦ｘ≦Ｗ／５の条件を満たしていることを特徴とする半導体膜のレーザー照射装置である。

また、上記の構成は、高低差ｒ≦１０００μｍである場合において、特に有効であり、特にｒ≦１００μｍであると、その効果は著しい。

また、上記の構成において、基板はの大きさが、１００ｍｍ×１００ｍｍ〜１０００ｍｍ×１０００ｍｍであると、レーザーアニールの面内均質性が効果的に向上する。特に、３００ｍｍ×３００ｍｍ〜８００ｍｍ×８００ｍｍの範囲であると、均質性向上の効果は顕著に得られる。かかる大きさにおいて、基板の厚さは特に１．５ｍｍ以下のものであると、効果は顕著である。

Ｗ/ ２０≦ｘ≦Ｗ/ ５の範囲の中での最適条件は、照射する半導体膜の状態（例えば膜中の水素濃度等）により変化する。よってＷ/ ２０≦Δ≦ｘ≦Ｗ/ ５のときは、ｘの選択範囲が狭くなり、充分な均質性が得られないこともある。

一方、Δ≦Ｗ/ ２０≦ｘ≦Ｗ/ ５のときは、Ｗ/ ２０≦ｘ≦Ｗ/ ５の範囲で自由にピッチｘを選ぶことができるので、あらゆる半導体膜に最適条件でレーザーアニールすることができる。

例えば、Δ≦Ｗ/ ２０≦ｘ≦Ｗ/ ５を満たしたレーザーで結晶化された半導体膜を用いて構成された薄膜トランジスタを画素のスイッチング素子として有するアクティブマリトクス型液晶ディスプレイを作製した場合、画面に目立った縞模様は見られなかった。

被照射面の高低差ｒを考慮に入れると、図６に示すように、Δ≦Ｗ/ ５を少なくとも満たしていると良いことが、式、Ｗ/ ２０≦Δ≦ｘ≦Ｗ/ ５からわかる。

また、被照射面の高低差ｒを考慮に入れると、Δ≦Ｗ/ ２０を少なくとも満たしているとさらに良いことが、式、Δ≦Ｗ/ ２０≦ｘ≦Ｗ/ ５からわかる。

上記のビーム幅変化量Δ（ｒ）は、前述したように、Δ（ｒ）＝（ｒ/ ２）×（Ｄ/ Ｆ）で定義される。

なお、上記に示した条件は、半導体膜表面の高低差の中心が、線状レーザービームの焦点にあるときの制限である。これ以外の状況での制限は、さらに厳しくなることがある。この位置合わせのために、ステージの位置が上下に微調整できるものであることは好ましい。

本発明により、レーザー光線を照射し半導体膜を結晶化また結晶性を向上させるに際し、半導体膜の表面が、基板の凹凸、うねり等により高低差を有していても、基板面内において均質にレーザーアニールを行うことができる。

例えば、図２に示される光学系により形成される線状レーザービーム内のエネルギー分布は、図３に示すように、該線状レーザービームの焦点（合成焦点）前後で変化する。

よって、このような線状レーザービームを、高低差のある半導体膜に対し照射すると、線状レーザービーム内のエネルギーの分布の変化が該膜にそのまま反映され、レーザーアニールが均質に行えない。

本発明では、レーザーの照射対象である半導体膜の表面の起伏の状態に合わせて、線状レーザービームの条件を得ることができ、より一様にレーザーアニールを行うことができる。

上記の構成は、縦横比があまり大きく無いレーザービームを、縦横に複数分割した後、分割された各々のビームを線状としてから合成させて、ビーム幅Ｗを有する線状ビームを得る光学系により加工して、縦横比が１００以上あるような線状のレーザービームにビーム加工する場合に特に有効なものとなる。

本明細書に記載のレーザー照射装置を用いて半導体膜のレーザーアニールを行い、多結晶半導体膜とし、該半導体膜を用いて例えばＴＦＴ液晶ディスプレイのようなデバイスを作製すると、個々のＴＦＴの特性のばらつきが抑えられて、高画質なものを得ることができる。

また、本発明の装置を用いて半導体集積回路を作製すると、同一基体上に形成される素子の特性をそろえることができ、高い性能を有する回路を得ることができる。

本発明により、分割再結合によりレーザービームを均質化したレーザービームを走査して、半導体膜に対するレーザーアニールの面内均質性を大幅に向上させることができる。

実施例の作製工程で、まず、レーザー照射される膜の作製方法を示す。レーザー照射される膜は、本明細書中で３種類である。いずれの膜に対しても、本発明は効果的である。

まず、３種類いずれの膜も、基板として、６００×７２０ｍｍ、厚さ０. ７ｍｍのコーニング１７３７ガラス基板上に、下地膜としての酸化珪素膜を２００ｎｍの厚さに、その上に非晶質珪素膜を５０ｎｍの厚さに共にプラズマＣＶＤ法にて成膜する。この膜を今後、出発膜と呼ぶ。

（膜Ａの作製手順）
出発膜を、５００℃の熱浴に１時間さらす。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザーエネルギーに対して耐えきれないので本工程が必要とされる。

膜内の水素の密度は１０²⁰atoms/cm³ オーダーが適当であある。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。

（膜Ｂの作製手順）
１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、出発膜上に塗布され、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、以後の工程において問題はない。

次に、上記のようにして各膜が積層された基板に、５５０℃で４時間の熱アニールを施す。すると、非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｂが形成される。

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、結晶化が促進される。５５０℃、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。

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。

（膜Ｃの作製手順）
出発膜の上からさらに酸化珪素膜を７００Åの厚さに成膜する。成膜方法はプラズマＣＶＤ法を用いる。

次に該酸化珪素膜の一部をフォトリソパターニング工程によって完全に開孔する。

さらに、該開孔部に薄い酸化膜を形成するために酸素雰囲気中でUV光を５分間照射する。この薄い酸化膜は、後に導入するニッケル水溶液に対する上記開孔部の濡れ性改善のために形成されるものである。

次に１００ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、該膜上に塗布され、酢酸ニッケルが上記開孔部分に入る。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。

次に、６００℃で８時間の熱アニールが施され、ニッケル導入部分から横方向に結晶が成長してゆく。このとき、ニッケルが果たす役割は膜Ｂと同様のものである。今回の条件では横成長量として４０μｍ程度が得られる。

このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｃが形成される。その後、結晶性珪素膜上の酸化珪素膜をバッファーフッ酸を用い剥離除去する。

このようにして得られる非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを結晶化させる。

非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを有する各々の基板は、いずれも微小なうねりを有し、非単結晶半導体膜表面における高低差は約１００μｍであった。

次に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。

図７に、実施例におけるレーザー照射システムを示す。図７は、レーザー照射システムの概観である。

図７において、レーザー照射システムは、レーザー発振装置２０１から照射され、2 対の反射ミラー７０１によりレーザーの進行方向を調整後、光学系７０２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２０７で反射させ、最終レンズであるシリンドリカルレンズ２０８にて集光しつつ、被照射面を有する被処理基板７０４に照射させる機能を有している。2 対の反射ミラー７０１の間には、レーザービームの広がり角を抑え、かつ、ビームの大きさを調整できるビームエキスパンダーを挿入してもよい。

光学系７０２、ミラー２０７、及び最終レンズであるシリンドリカルレンズ２０８は図２に示した構造に準じている。

本実施例で使用する光学系は、図２で示した構成のものを用いる。この光学系を用いるのは、光学系に入射する前のビームのエネルギー不均質を、分割後重ね合わせることにより均質化しつつ、ビーム形状を線状に加工することが出来るからである。

パルスレーザー光源であるレーザー発振装置２０１は、ここでは、ＸｅＣｌ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２４８ｎｍ）等を用いてもよい。

被処理基板７０４は、平坦な上面を有する台（ステージ）７０５上に配置される。台７０５は、移動機構７０３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真っ直ぐに移動され、被処理基板７０４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。

線状レーザービームの長さは１５０ｍｍなので、６００×７２０ｍｍの基板を一度に処理できない。よって、４回の走査を繰り返すことで基板全面をレーザーアニールする。１回の走査ごとに、台７０５は、ビーム長（この場合１５０ｍｍ）ずつ線状レーザービームの線方向にスライドする。スライドは、走査領域変更装置７０６により行う。

基板をスライドさせる工程を挟みつつ、この動作を４度繰り返すことで、６００×７２０ｍｍ基板の全面にレーザーを照射する。

また、台７０５の高さは、線状レーザービームの焦点が半導体膜に対して適当な位置にくる様に微調整できると光学系の調整がより容易になる。

上記微調整するときは、半導体膜に実際にレーザーを１ショット打ってそのエネルギーの分布を確認しながら調整するとよい。また、エネルギー分布測定装置を台７０５に付けてもよい。

図７において、被処理基板７０４上に照射される線状レーザービームは、幅０．５ｍｍ×長さ１５０ｍｍとする。本ビームは図２記載のレンズ配置で形成されている。

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 〜５００ｍＪ／ｃｍ² の範囲で、例えば３００ｍＪ／ｃｍ² とする。台７０５を１. 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。レーザー光源におけるパルスレーザーの発振周波数は、本実施例では３０Ｈｚとする。

本実施例で用いるレーザー照射装置の、Ｄは９０ｍｍ、Ｆは２７５ｍｍ、線状レーザービームのビーム幅Ｗは５００μｍである。

また、被照射面である非単結晶半導体膜は、前述のように高低差ｒを１００μｍで有している。

すると、Δ（ｒ）＝ｒＤ／２Ｆ＝（１００×９０×１０³ ）／（２×２７５×１０³ ）≒１６μｍであり、Ｗ／５＝１００μｍ、Ｗ／２０＝２５μｍであるので、Δ（ｒ）≦Ｗ／２０≦ｘ≦Ｗ／５がなりたつ。

したがって、発振周波数の発振周期の間に、被照射面（ステージ）の移動する距離であるピッチｘは、２５μｍ≦ｘ≦１００μｍの範囲から自由に選択し決定でき、かかる条件を満たしていれば、基板面内において均質なレーザーアニールが可能となる。

Δ（ｒ）は、ここでは光学系より計算により求めたが、実測したΔ（ｒ）を用いてもよいことは言うまでもない。

Δ（ｒ）は、状況によっては、Ｗ／２０≦Δ（ｒ）≦ｘ≦Ｗ／５となることもある。かかる条件によっても基板面内において均質なレーザーアニールが可能である。しかし、ピッチｘの範囲が狭くなる。

図８に示す装置の説明をする。図８に示す装置は、図７に示す構成のレーザー照射装置を有する、基板の連続処理を可能とする連続処理装置である。

ロード／アンロード室８０５に、被処理基板７０４が多数枚、例えば２０枚収納されたカセット８０３が配置される。ロボットアーム８０５により、カセット８０３から一枚の基板がアライメント室に移動される。

アライメント室８０２には、被処理基板７０４とロボットアーム８０４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８０２は、ロード／アンロード室８０５と接続されている。

基板は、ロボットアーム８０４によって基板搬送室８０１に運ばれ、さらにロボットアーム８０４によって、レーザー照射室８０６に移送される。

レーザー照射室８０６には、図７に示す構成のレーザー照射装置が配置されている。なお、図８においては、光学系の記載は煩雑になるので省略している。
レーザー照射終了後、被処理基板７０４はロボットアーム８０４によって基板搬送室８０２に引き戻される。

被処理基板７０４は、ロボットアーム８０４によって、ロード／アンロード室８０５に移送され、カセット８０３に収納される。

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。

本実施例によってレーザーアニールされた半導体膜は、ムラが生じることなく、基板面内において均質に結晶化された。

上記レーザーアニールされた半導体膜を活性層とするＴＦＴを作製すると、Ｎチャネル型、Ｐチャネル型、いずれも作製できる。

また、Ｎチャネル型とＰチャネル型とを組み合わせた構造も得ることが可能である。また、多数のＴＦＴを集積化して電子回路を構成することもできる。

以上のことは、他の実施例で示した光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜についてもいえる。本発明の光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜を利用して、ＴＦＴで構成される５インチの液晶ディスプレイを作製した場合、個々のＴＦＴ特性のバラツキの少ない高画質なものが得られる。

本実施例では、実施例１にて作製した半導体膜A 、B 、C を有する基板を、平坦なステージではなく、４点支持のステージに載せ、実施例１と同様に均質なレーザーアニールをする為の装置とその方法を記す。

４点支持のステージ上の６００×７２０ｍｍ、厚さ０. ７ｍｍの基板を載せると、基板のうねりによりその表面の高低差ｒは１０００μｍ程度になる。
。このような大きな高低差を有していても、先に示した条件をみたしていれば、高低差にほとんど影響されない、均質なアニールを行うことができる。

４点支持のステージに基板を載せるとき、ロボットアーム８０４が上下に動く。これにより、基板をステージに残すことが出来る。

本実施例では、図９記載のレーザー光学系を使用する。図９記載のレーザー光学系が作るレーザービームは実施例１と同様、ビーム幅０. ５ｍｍ、ビーム長１５０ｍｍのものである。よって、Ｗ＝５００μｍである。また、Ｄは６０ｍｍ、Ｆは３２０ｍｍである。

すると、Δ（ｒ）＝ｒＤ／２Ｆ＝（１０００×６０×１０³ ）／（２×３２０×１０³ ）≒９４μｍであり、Ｗ／５＝１００μｍ、Ｗ／２０＝２５μｍであるので、Ｗ／２０≦Δ（ｒ）≦ｘ≦Ｗ／５がなりたつ。

したがって、被照射面（ステージ）の移動ピッチｘは、９４μｍ≦ｘ≦１００μｍの範囲と限定されるが、かかる条件を満たしていれば、基板面内において均質なレーザーアニールが可能となる。

Δ（ｒ）は、ここでは光学系より計算により求めたが、実測したΔ（ｒ）を用いてもよいことは言うまでもない。

この半導体膜は、実施例１で示したものほどの均質性は持っていなかったが、例えば、該半導体膜を基に液晶ディスプレイを作製した場合、全く問題はなかった。

本実施例では、実施例１、２で示したレーザー光学系と同様の性質を持つ形状の異なる光学系を示す。本実施例では、マルチフェイズプリズムをレーザービームの幅方向の加工に使用する。

マルチフェイズプリズム１００１は図１０に示してある。この光学プリズムを利用するメリットはレンズ群の数を減らせることにある。レンズを１枚減らすことにより、光学系の配置調整が容易になる。また、光量損失も抑えることができる。

本実施例に示した光学系の最終レンズより先のレーザーの光路は、実施例１、２で示した光学系のものと全く同様である。よって、本実施例により得られる半導体膜の性質も、実施例１、２で示したものと同様であった。

本実施例では、実施例１〜３によって得られた、結晶化された非単結晶珪素膜を利用してＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を作製する例を示す。本実施例の工程を図１１に示す。

図１１において、ガラス等の基板１１０１上に下地膜として酸化珪素膜１１０２を設け、かかる基板上に実施例１〜３によって得られた非単結晶珪素膜１１０３を形成する。（図１１（Ａ））

非単結晶珪素膜１１０３をパターニングすることで、ＴＦＴの島状の活性層パターン１１０４を形成する。この活性層パターンには、チャネル形成領域と高抵抗領域が形成される。（図１１（Ａ））。

活性層を形成後、ゲイト絶縁膜１１０５として酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法により１００nmの厚さに成膜する。

次にチタン膜をスパッタ法により４００ nm の厚さに成膜する。そして、このチタン膜をパターニングする。さらに、陽極酸化法により、チタン膜パターンの露呈した表面に陽極酸化膜１１１７を２００nmの厚さで形成し、ゲイト電極１１１６を得る。

この陽極酸化膜はゲイト電極の表面を電気的及び物理的に保護する機能を有している。また、後の工程において、チャネル領域に隣接してオフセット領域と称される高抵抗領域を形成するために機能する。

次に、ゲイト電極、及び、その周囲の陽極酸化膜をマスクとして燐のドーピングを行う。この燐は、ソース、ドレイン領域を決定する為のドーパントとしての役割をになう。

燐のドーピングを行うことで、ソース領域１１１８、チャネル形成領域１１１９、ドレイン領域１１１０、オフセット領域１１１１、１１１２が自己整合的に形成される。リンのドーズ量は本実施例では、５×１０¹⁴ions／ｃｍ² のドーズをイオンドーピング装置を用いて導入した。次にレーザーにより、燐を活性化させる。レーザーは実施例１で示した方法で照射した。これにより、基板面内において均一な活性化を行うことができた。

レーザービームのエネルギー密度は、２００ｍＪ／ｃｍ² 程度とした。なお本工程における適当なエネルギー密度は、レーザーの種類や照射の方法、半導体膜の状態により異なるので、それに合わせて調整する。レーザーの照射により、ソースドレイン領域のシート抵抗は１ＫΩ／□まで下がった。（図１１（Ｃ））

次に、層間絶縁膜として、窒化珪素膜１１１３をプラズマCVD 法によって１５０nmの厚さに成膜し、更にアクリル樹脂膜１１１４を成膜する。アクリル樹脂膜の膜厚は、最少の部分で７００nmとなるようにする。ここで樹脂膜を用いるのは、表面を平坦化する為である。

アクリル以外には、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、エポキシ等の材料を用いることができる。この樹脂膜は多層膜として構成しても良い。

次に、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極１１１５、ドレイン電極１１１６を形成する。（図１１（Ｄ））

こうして、Ｎチャネル型ＴＦＴが完成する。本実施例では燐をソースドレイン領域に導入したのでＮチャネル型ＴＦＴが作製されたが、Ｐチャネル型を作製するのであれば、燐に変えてボロンをドーピングすればよい。

実施例１〜３によって形成された半導体膜を用いて作製されたＴＦＴを使って、例えば、液晶ディスプレイを作製した場合、従来と比較してレーザーの加工あとが目立たないものができた。

線状レーザービームを形成するための光学系の例を示す図。 従来例における線状レーザーを形成する光学系と光路図。 図２の光学系の焦点近傍で形成される線状レーザービームの幅方向におけるエネルギー分布を示す図。 線状レーザーによりレーザー結晶化された珪素の薄膜の写真。 最終レンズの形状によるレーザー光路の違いを示す図。 線状レーザービームの幅Ｗと、ビーム幅変化量Δと、ピッチｘの関係を示す図。 実施例におけるレーザー照射装置を示す図。 実施例における連続処理装置の図。 実施例における線状レーザーを形成する光学系と光路図。 実施例における線状レーザーを形成する光学系と光路図。 実施例の工程を示す図。

符号の説明

２０１ レーザー発振装置
２０２ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０３ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０４ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０５ スリット
２０６ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０７ ミラー
２０８ 線状ビームを集光するためのシリンドリカルレンズ
７０１ 光学系７０２に入射するレーザー光の方向を調整するミラー
７０２ 光学系
７０３ 移動機構
７０４ 基板
７０５ 台
７０６ 走査領域変更装置
８０１ 基板搬送室
８０２ アライメント室
８０３ カセット
８０４ ロボットアーム
８０５ ロード／アンロード室
８０６ レーザー照射室
１００１ マルチフェイズプリズム

Claims (2)

1. 基板上に形成され、表面の高低差がｒである半導体膜に対して、ビーム幅Ｗの線状レーザービームを照射する際のピッチｘの決定方法であって、
   （ａ）前記線状レーザービームは、パルスレーザービームを縦横に複数分割した後、分割された各々のビームを線状としてから、最終レンズで集光することにより合成されたものであり、
   （ｂ）前記最終レンズに入射するレーザービームの前記最終レンズの母線に垂直な方向の大きさがＤであり、前記最終レンズの母線と前記半導体膜の距離がＦである場合に、Δ（ｒ）＝ｒＤ／２Ｆという式から、前記Δ（ｒ）の値を算出し、
   （ｃ）前記Δ（ｒ）がＷ／２０よりも小さい場合は、Ｗ／２０≦ｘ≦Ｗ／５の範囲から前記ピッチｘを選択し、
   （ｄ）前記Δ（ｒ）がＷ／２０よりも大きい場合は、Δ（ｒ）≦ｘ≦Ｗ／５の範囲から前記ピッチｘを選択することを特徴とするピッチｘの決定方法。
2. 基板上に形成され、表面の高低差がｒである半導体膜に対して、ビーム幅Ｗの線状レーザービームをピッチｘで照射する半導体装置の作製方法であって、
   （ａ）前記線状レーザービームは、パルスレーザービームを縦横に複数分割した後、分割された各々のビームを線状としてから、最終レンズで集光することにより合成されたものであり、
   （ｂ）前記最終レンズに入射するレーザービームの前記最終レンズの母線に垂直な方向の大きさがＤであり、前記最終レンズの母線と前記半導体膜の距離がＦである場合に、Δ（ｒ）＝ｒＤ／２Ｆという式から、前記Δ（ｒ）の値を算出し、
   （ｃ）前記Δ（ｒ）がＷ／２０よりも小さい場合は、Ｗ／２０≦ｘ≦Ｗ／５の範囲から前記ピッチｘを選択して、選択したｘのピッチで前記半導体膜に対して前記線状レーザービームを照射し、
   （ｄ）前記Δ（ｒ）がＷ／２０よりも大きい場合は、Δ（ｒ）≦ｘ≦Ｗ／５の範囲から前記ピッチｘを選択して、選択したｘのピッチで前記半導体膜に対して前記線状レーザービームを照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。