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JP3204307B2 - レーザ照射方法およびレーザ照射装置 - Google Patents

レーザ照射方法およびレーザ照射装置

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JP3204307B2
JP3204307B2 JP07233898A JP7233898A JP3204307B2 JP 3204307 B2 JP3204307 B2 JP 3204307B2 JP 07233898 A JP07233898 A JP 07233898A JP 7233898 A JP7233898 A JP 7233898A JP 3204307 B2 JP3204307 B2 JP 3204307B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は非単結晶半導体薄膜
にパルスレーザ光を照射してアニールを行うレーザ照射
方法およびレーザ照射装置に関し、特に液晶ディスプレ
イや密着型イメージセンサ等に用いられる多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタの活性層を形成するレーザ照射方法
およびレーザ照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、液晶表示装置や密着型イメージセ
ンサ等への応用を目的とした、ガラス基板上に形成され
る、多結晶シリコン薄膜を活性層とする薄膜トランジス
タの開発が盛んに進められている。多結晶シリコン薄膜
の作製方法としては、プロセス温度低温化、スループッ
ト向上などの観点から、前駆体として一旦成膜したシリ
コン薄膜に、紫外パルスレーザ光を照射することにより
溶融を経た結晶化を引き起こして多結晶組織を形成す
る、レーザアニール法が主流となりつつある。レーザ照
射法としては、スループットの観点から、線状パルスレ
ーザ光を、その幅方向（線方向と直角の方向）に走査し
ながら照射する方法が広く用いられている。
【０００３】しかしながら、従来のレーザ照射法には、
形成された多結晶シリコン薄膜の結晶組織において、均
一性が低いという問題点があった。例えば、信学技報Ｓ
ＤＭ９２−１１２巻（１９９２年）、５３頁に納田らに
より開示されているように、先に照射されたパルスレー
ザ光のビーム端の影響により、次の照射により形成され
る結晶粒径が大きく変化する。これは、レーザ照射によ
る薄膜の溶融状態が、照射前の薄膜組織に依存するため
である。特に、前駆体として非晶質シリコン薄膜を用い
た場合の、既照射領域（結晶領域）と未照射領域（非晶
質領域）との界面で、顕著な溶融状態の変化が発生す
る。
【０００４】図８に一般的なトップフラット型のエネル
ギー密度プロファイルを有するレーザ光を用いてレーザ
アニール法により形成した多結晶シリコン組織の結晶粒
径分布を示す。非晶質シリコン薄膜に図８（ａ）に示す
プロファイルを有するパルスレーザ光を照射したとき
に、形成される多結晶領域の結晶粒径分布を図８（ｂ）
に示す。次にビームをピッチｘでスキャンしてパルスレ
ーザ光を照射すると、結晶粒径分布は図８（ｃ）に示す
ように変化する。ここで、図８（ｂ）におけるビーム端
近傍の領域で粒径の極小値が見られる。最終的には、照
射開始箇所と照射終了箇所を除き、図８（ｄ）に示す結
晶粒径分布を有する多結晶シリコン薄膜が形成される。
すなわちビーム端による組織変化に起因する結晶粒径の
不均一が発生する。
【０００５】多結晶シリコン薄膜の組織均質性を向上す
るため、例えば、特開平９−２１９３８０号公報に開示
しているように、階段状のプロファイルを有するパルス
レーザ光を照射する方法が考案されている。しかし、階
段状のプロファイルを用いても、ビーム端による組織変
化は必ず発生し、結晶粒径の不均一化を避けることは困
難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述の問題
を鑑みてなされたものであって、その目的とするところ
は、先に照射されたパルスレーザ光のビーム端の影響を
排除し、結晶粒径の均一な多結晶半導体薄膜を得るため
の、レーザ照射方法およびレーザ照射装置を提供するこ
とである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、線状または矩形状の照射領域を有
するパルスレーザ光を、幅方向に沿って照射領域が部分
的に重なるように走査し、非単結晶半導体薄膜に対しレ
ーザ照射を行うレーザ照射方法であって、非晶質の微結
晶化しきい値をＥa、多結晶の微結晶化しきい値をＥpと
したときに、該照射領域は、Ｅa未満のエネルギー密度
を有する多結晶化領域と、Ｅa以上Ｅp未満のエネルギー
密度を有する第一微結晶化領域と、Ｅp以上のエネルギ
ー密度を有する第二微結晶化領域とを含み、該第二微結
晶化領域の中心位置が照射領域中心位置に対し走査方向
前方側に位置し、かつ、該第二微結晶化領域に隣接して
走査方向前方および後方に第一微結晶化領域を有し、さ
らにこれらの走査方向前方および後方に、該第一微結晶
化領域に隣接して多結晶化領域を有し、該第二微結晶化
領域と該第一微結晶化領域との境界のうち、走査方向前
方に位置する境界におけるエネルギー密度勾配の絶対値
が、走査方向後方に位置する境界におけるエネルギー密
度勾配の絶対値よりも大きく、該第二微結晶化領域の幅
以下のピッチでパルスレーザ光を走査することを特徴と
するレーザ照射方法、が提供される。
【０００８】また本発明によれば、パルスレーザ光を放
射するレーザ光源と、該パルスレーザ光を線状または矩
形状に整形するとともに照射領域のエネルギー密度プロ
ファイルを調整する光学系と、該パルスレーザ光を幅方
向に沿って照射領域が部分的に重なるように走査し、非
単結晶半導体薄膜に対しレーザ照射を行う走査手段とを
備えたレーザ照射装置であって、非晶質の微結晶化しき
い値をＥa、多結晶の微結晶化しきい値をＥpとしたとき
に、該光学系により該照射領域は、Ｅa未満のエネルギ
ー密度を有する多結晶化領域と、Ｅa以上Ｅp未満のエネ
ルギー密度を有する第一微結晶化領域と、Ｅp以上のエ
ネルギー密度を有する第二微結晶化領域とを含み、該第
二微結晶化領域の中心位置が照射領域中心位置に対し走
査方向前方側にあるように調整されており、かつ該第二
微結晶化領域に隣接して走査方向前方および後方に第一
微結晶化領域を有し、さらにこれらの走査方向前方およ
び後方に、該第一微結晶化領域に隣接して多結晶化領域
を有し、前記第二微結晶化領域と前記第一微結晶化領域
との境界のうち、走査方向前方に位置する境界における
エネルギー密度勾配の絶対値が、走査方向後方に位置す
る境界におけるエネルギー密度勾配の絶対値よりも大き
く、前記パルスレーザ光の走査ピッチが、前記第二微結
晶化領域の幅以下であることを特徴とするレーザ照射装
置、が提供される。
【０００９】本発明における多結晶化領域、第一微結晶
化領域、および第二微結晶化領域の意義について、以
下、説明する。
【００１０】非晶質シリコン薄膜に照射するパルスレー
ザ光が、ある特定のエネルギー密度を越えると、形成さ
れる多結晶シリコン薄膜の粒径が２０ｎｍ以下と極めて
微細になることが知られている（膜厚によっては、レー
ザ照射による溶融後に結晶化することなく非晶質化す
る）。このときのエネルギー密度を非晶質の微結晶化し
きい値といい、Ｅaと表す。
【００１１】また、本発明者らの検討によれば、非晶質
シリコン薄膜の微結晶化しきい値よりエネルギー密度で
約１４％大きいエネルギー密度を越えると、非晶質シリ
コン薄膜のみならず多結晶シリコン薄膜をも微結晶化す
ることが明らかになった。このエネルギー密度を多結晶
の微結晶化しきい値といい、Ｅpと表す。
【００１２】本発明において、多結晶化領域とは、エネ
ルギー密度がＥa未満の領域であって非単結晶半導体薄
膜を多結晶半導体薄膜に変換するエネルギー密度を有す
る領域をいう。ここで、非単結晶半導体薄膜の「非単結
晶」とは、非晶質、多結晶、およびレーザーアニールに
より形成された微結晶を含む。本発明において第一微結
晶化領域とは、エネルギー密度がＥa以上Ｅp未満であっ
て、非晶質を微結晶化するエネルギー密度を有する領域
をいう。この領域においては、多結晶は微結晶化されな
い。また、本発明において第二微結晶化領域とは、エネ
ルギー密度がＥ p以上であって、非晶質および多結晶を
微結晶化するエネルギー密度を有する領域をいう。
【００１３】上述した微結晶化は、薄膜の溶融状態の変
化により、再結晶化時の核発生機構が、基板薄膜界面を
核発生サイトとした不均一核発生から、均一核発生へと
変化することにより発生すると考えられている。この核
発生機構の変化は、薄膜の到達温度と冷却速度に依存す
る。従って微結晶化しきい値は、薄膜の膜厚、薄膜の構
造、パルスレーザ光の波長、パルス幅、などに依存して
変化する。
【００１４】本発明では、先に照射されたパルスレーザ
光のビーム端により形成された既照射部と未照射部との
界面を次に照射されるパルスレーザ光の第二微結晶化領
域で覆い、この部分を多結晶薄膜の微結晶化しきい値以
上のエネルギー密度で照射することにより均質化を図る
ものである。すなわち、既照射部と未照射部との界面を
含む部分を、レーザ照射履歴の如何に関わらずに均質化
することが可能となる。これにより、パルスレーザ光を
用いたレーザアニール法の最大の欠点であった、ビーム
端の影響を排除することが可能となる。その後、一旦微
結晶化した領域に、エネルギー密度変化の小さなビーム
プロファイル後半部を照射することにより、均質な多結
晶半導体薄膜を得ることが可能となる。
【００１５】本発明において照射領域を、第二微結晶化
領域に隣接して走査方向前方および後方に第一微結晶化
領域を有し、さらにこれらの走査方向前方および後方
に、該第一微結晶化領域に隣接して多結晶化領域を有す
ることとすることができる。たとえば図１（ａ）のプロ
ファイルに対応する照射領域は、この一例である。
【００１６】このとき、前記第二微結晶化領域と前記第
一微結晶化領域との境界のうち、走査方向前方に位置す
る境界におけるエネルギー密度勾配の絶対値が、走査方
向後方に位置する境界におけるエネルギー密度勾配の絶
対値よりも大きいことが好ましい。このようにすること
によって、さらに均一な粒径分布の多結晶組織が得られ
る。ここで、「エネルギー密度勾配」とはエネルギー密
度プロファイルにおける傾斜部の勾配をいう。たとえば
図１（ａ）のプロファイルではＥpなるエネルギー密度
を有する点が第二微結晶化領域の両端に存在するが、こ
れらの点におけるエネルギー密度の勾配が「エネルギー
密度勾配」である。また、パルスレーザ光を走査するピ
ッチは、好ましくは第二微結晶化領域の幅以下、さらに
好ましくは第二微結晶化領域の幅の１／２以下とする。
このようにすることによって、先のレーザ照射によって
ビーム前方に生じた多結晶化部分を、次のレーザ照射に
よって微結晶化することができる（図１（ｃ）右側点線
部分）。
【００１７】また、前記第二微結晶化領域に対して走査
方向後方に位置する、前記第一微結晶化領域または前記
多結晶化領域のエネルギー密度プロファイルを、定エネ
ルギー部を含む形状とすることもできる。たとえば図３
（ａ）のような形状である。この場合、定エネルギー部
を第一微結晶化領域中に有することが好ましい。定エネ
ルギー部のエネルギー密度を極力大きくとることによ
り、より粒径を大きくすることができるからである。な
お定エネルギー部のエネルギー密度の設定は、目標とす
る粒径に応じて適宜設定される。また上記のエネルギー
密度プロファイルをとる場合、走査ピッチは、好ましく
は定エネルギー部の幅以下、さらに好ましくは定エネル
ギー部の幅の１／２以下とする。このようにすることに
よって、より粒径の均一な多結晶組織が形成される。
【００１８】また本発明によれば、異なる光源から発振
された線状または矩形状の照射領域を有する第一パルス
レーザ光および第二パルスレーザ光を用い、これらをこ
の順で同一地点に照射するダブルパルス法により、該第
一パルスレーザ光および該第二パルスレーザ光を幅方向
に沿って照射領域が部分的に重なるように走査し、非単
結晶半導体薄膜に対しレーザ照射を行うレーザ照射方法
であって、非晶質の微結晶化しきい値をＥa、多結晶の
微結晶化しきい値をＥpとしたときに、該第一パルスレ
ーザ光の照射領域は、Ｅp以上のエネルギー密度を有す
る第二微結晶化領域を少なくとも含み、該第二パルスレ
ーザ光の照射領域は、Ｅa未満のエネルギー密度を有す
る多結晶化領域と、Ｅa以上Ｅp未満のエネルギー密度を
有する第一微結晶化領域とからなることを特徴とするレ
ーザ照射方法、が提供される。
【００１９】また本発明によれば、第一パルスレーザ光
を放射する第一のレーザ光源と、第二パルスレーザ光を
放射する第二のレーザ光源と、該第一パルスレーザ光お
よび該第二パルスレーザ光を線状または矩形状に整形す
るとともにこれらの照射領域のエネルギー密度プロファ
イルを調整する光学系と、該第一パルスレーザ光および
該第二パルスレーザ光をこの順で同一地点に照射する制
御手段と、該第一パルスレーザ光および該第二パルスレ
ーザ光を幅方向に沿って照射領域が部分的に重なるよう
に走査し、非単結晶半導体薄膜に対しレーザ照射を行う
走査手段とを備えたレーザ照射装置であって、該光学系
により、非晶質の微結晶化しきい値をＥ a、多結晶の微
結晶化しきい値をＥpとしたときに、該第一パルスレー
ザ光の照射領域は、Ｅp以上のエネルギー密度を有する
第二微結晶化領域を少なくとも含み、該第二パルスレー
ザ光の照射領域は、Ｅa未満のエネルギー密度を有する
多結晶化領域と、Ｅa以上Ｅp未満のエネルギー密度を有
する第一微結晶化領域とからなるように調整されること
を特徴とするレーザ照射装置、が提供される。
【００２０】上記発明における多結晶化領域、第一微結
晶化領域、および第二微結晶化領域の意義は前述した内
容と同様である。上記発明において、第二パルスレーザ
光の照射領域は、該非単結晶半導体薄膜を多結晶半導体
薄膜に変換するエネルギー密度を有する多結晶化領域
と、該非単結晶半導体薄膜を微結晶化するエネルギー密
度を有する第一微結晶化領域とからなる。すなわちエネ
ルギー密度の最大値はＥ p未満である。一方、第一パル
スレーザ光の照射領域は、該非単結晶半導体薄膜および
該多結晶半導体薄膜を微結晶化するエネルギー密度を有
する第二微結晶化領域を少なくとも有する。すなわちエ
ネルギー密度の最大値はＥp以上である。
【００２１】本発明によれば、既照射部と未照射部との
界面を含む部分をレーザ照射履歴の如何に関わらずに均
質化することが可能となる。これにより、ビーム端の影
響を排除することが可能となる。その後、一旦微結晶化
した領域に、エネルギー密度変化の小さな第二パルスレ
ーザ光を照射することにより、均質な多結晶半導体薄膜
を得ることが可能となる。
【００２２】本発明において、前記第二パルスレーザ光
の照射領域は、たとえば、前記幅方向に沿って、トップ
フラット部を含む形状のエネルギー密度プロファイルを
有する形態とすることができる。このトップフラット部
のエネルギー密度は、第一微結晶化領域または多結晶化
領域にあるものとする。エネルギー密度を極力大きくと
ることで、より大きな粒径が得られることから、トップ
フラット部を第一微結晶化領域中に有することが好まし
い。図５（ａ）右側のグラフは、このようなプロファイ
ルの一例である。なおトップフラット部のエネルギー密
度の設定は、目標とする粒径に応じて適宜設定される。
【００２３】上記の場合、前記トップフラット部に対応
する領域の幅は、前記第一パルスレーザ光に含まれる前
記第二微結晶化領域の幅以下であることが好ましい。ま
た前記トップフラット部の幅以下のピッチで前記第一パ
ルスレーザ光および前記第二パルスレーザ光を走査する
ことが好ましい。このようにすることによって、より粒
径の均一な多結晶薄膜を得ることができる。さらに、前
記第一パルスレーザ光と前記第二パルスレーザ光の照射
間隔が、該第一パルスレーザ光の発振間隔の１／２以下
であることが好ましい。第二パルスレーザ光照射による
シリコン薄膜の溶融・凝固が終了した後に、次サイクル
の第一パルスレーザ光を照射する必要があるためであ
る。
【００２４】
【実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。
【００２５】［第１の実施の形態］図１を用いて、本発
明の第１の実施の形態を説明する。図１（ａ）は線状パ
ルスレーザ光の幅方向（線方向と直角の方向）のエネル
ギー密度プロファイルを示す。レーザ走査方向は図中左
から右へとする。プロファイルでの最大エネルギー密度
は多結晶シリコン薄膜の微結晶化しきい値Ｅpを越え
る。なお、Ｅaは非晶質シリコン薄膜の微結晶化しきい
値である。
【００２６】図に示されたプロファイルを有する照射領
域は、中央部にエネルギー密度がＥ a以上の第二微結晶
化領域を有し、これに隣接して左右に（走査方向前方お
よび後方に）エネルギー密度がＥa以上Ｅp未満の第一微
結晶化領域を有する。さらにこれらの走査方向前方およ
び後方に、第一微結晶化領域に隣接して、エネルギー密
度がＥa未満であって非単結晶半導体薄膜を多結晶半導
体薄膜に変換する多結晶化領域を有する。最大エネルギ
ー密度位置はビーム中心よりも右側、すなわち走査方向
前方側に位置しており、またＥp以上のエネルギー密度
を有する第二微結晶化領域の中心位置が、照射領域中心
位置に対し走査方向前方側にある。Ｅpにおけるエネル
ギー勾配を絶対値で比較すると、右側の勾配が左側の勾
配よりも大きい。すなわち、第二微結晶化領域と第一微
結晶化領域との境界のうち、走査方向前方に位置する境
界におけるエネルギー密度勾配の絶対値が、走査方向後
方に位置する境界におけるエネルギー密度勾配の絶対値
よりも大きくなっている。
【００２７】このような非対称ビームプロファイルを得
る方法について以下、説明する。図１０は非対称ビーム
プロファイルを実現するレーザ照射装置の概略構造を示
す。図２はその特徴的な部分である、照射領域のエネル
ギー密度プロファイルを調整する光学系の一部を示す。
【００２８】図２（ａ）は、通常の左右対称形パルスレ
ーザ光を斜入射する方法を示す。最終段レンズの焦点以
前に基板に照射する場合は、図の如く左側より照射し、
最終段レンズの焦点以後の場合は、右側から照射する
と、最大エネルギー密度部がビーム中心より右側（走査
方向前方）に位置し、第二微結晶化領域の中心位置が照
射領域中心位置に対し走査方向前方側にあるプロファイ
ルが得られる。
【００２９】図２（ｂ）は最終段レンズに、左右で屈折
率が異なる非対称レンズ２０３を用いる方法を示す。曲
率、または媒質が左右で異なるレンズを用いることによ
り、パルスレーザ光の集光度を左右で変化させることが
可能である。
【００３０】図２（ｃ）は、パルスレーザ光の右端のみ
に遮光マスク２０４を用いる方法を示す。マスクを用い
ることにより、右端（走査方向前方）のみを急峻化した
プロファイルが得られる。マスクの材料としては通常、
クロム、アルミニウム、ステンレス合金などの、金属材
料が用いられる。
【００３１】図２（ｄ）は、誘電体マスク、ホログラム
素子などの、任意のレーザ光プロファイルを得ることが
可能な光学素子２０５を用いる方法を示す。誘電体マス
クは石英基板上の誘電体薄膜の積層構造を変化すること
により、レーザ光の反射率を任意に変化することが可能
であり、任意のプロファイルが得られる。ホログラム素
子はホログラム効果を利用して、レーザ光を任意に分割
して照射することが可能である。
【００３２】図１（ａ）に示したプロファイルを有する
パルスレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射するときの
組織変化を図１（ｂ）〜図１（ｄ）を用いて説明する。
パルスレーザ光を１回照射したとき、図１（ｂ）に示す
粒径分布を有する結晶領域が形成される。エネルギー密
度の増大に伴い、粒径は拡大するが、エネルギー密度が
Ｅa以上の領域で微結晶化が起こる。ビーム端の傾きに
伴い、ビーム左端（走査方向後方）よりもビーム右端
（走査方向前方）の方が大きな粒径変動を示す。
【００３３】次に距離Ｘだけビームを移動して照射する
と、図１（ｃ）に示す組織が得られる。図１（ｂ）のビ
ーム右端で形成された大粒径部は、ここでＥp以上のエ
ネルギー密度で照射されることにより、微結晶化がおこ
り、粒径が均質化される。ここでＸが、プロファイル中
Ｅp以上となる領域（第二微結晶化領域）の幅より大き
い場合、ビーム右端で形成された大粒径部が残存してし
まい、充分な均質化が果たせなくなることがある。一
方、Ｅp未満で比較的緩やかなエネルギー密度勾配を有
するプロファイル左側で照射された領域では、緩やかな
粒径変動を示す大粒径組織が得られる。即ち、先のレー
ザ照射により形成されたビーム端部は、次のレーザ照射
により、均質化される。その結果、図１（ｄ）に示すよ
うに、プロファイル後半部のみに依存した、比較的均質
な粒径変動を示す多結晶組織が形成される。
【００３４】［第２の実施の形態］図３を用いて、本発
明の第２の実施の形態を説明する。図３（ａ）は線状パ
ルスレーザ光の幅方向のビームプロファイルを示す。レ
ーザ走査方向は図中左から右へとする。プロファイルは
走査方向に沿って順に、Ｅp以上となる前半部と、Ｅp未
満で定エネルギー密度を有する後半部と、からなる。
【００３５】このようなビームプロファイルは、例え
ば、図４に示した方法等で得ることができる。図４
（ａ）は、ビームスプリッタ４０１でパルスレーザ光を
２分割し、分割されたパルスレーザ光を各々光学系４０
２、４０３で整形して照射する方法を示す。ビーム前半
部はＥp以上となる第二微結晶化領域が得られれば、特
に形状は問わないが、ビーム後半部は誤差５％以内の定
エネルギー部（一定のエネルギー密度を有する領域）を
光学系４０３により形成する必要がある。
【００３６】図４（ｂ）は最終段レンズに、アッテネー
タ４０６を用いる方法を示す。通常のトップフラット型
プロファイルを形成した後、ビーム左側のみアッテネー
タ４０６を通過させ、エネルギー密度変化を作製する。
アッテネータ４０６としては、通常のコーティングした
石英板を用いる。図４（ｃ）は、誘電体マスク、ホログ
ラム素子などの、任意のパルスレーザ光プロファイルを
得ることが可能な光学素子４０７を用いる方法を示す。
【００３７】図３（ａ）に示したプロファイルを有する
パルスレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射するときの
組織変化を図３（ｂ）から図３（ｄ）を用いて説明す
る。パルスレーザ光を１回照射したとき、図３（ｂ）に
示す粒径分布を有する結晶領域が形成される。エネルギ
ー密度の増大に伴い、粒径は拡大するが、エネルギー密
度がＥa以上の領域で微結晶化が起こる。ここで、定エ
ネルギー密度領域は、Ｅa以上、Ｅp未満となっている。
【００３８】次に距離Ｘだけビームを移動して照射する
と、図３（ｃ）に示す組織が得られる。図３（ｂ）のビ
ーム右端で形成された粒径変動の大きな領域は、ここで
Ｅp以上のエネルギー密度で照射されることにより、微
結晶化がおこり、粒径が均質化される。ここでＸが、プ
ロファイル中Ｅp以上となる領域（第二微結晶化領域）
の幅より大きい場合、ビーム右端で形成された大粒径部
が残存してしまい、充分な均質化が果たせなくなること
がある。一方、Ｅp未満で定エネルギー密度領域を有す
るプロファイル後半部で照射された領域では、大粒径均
質組織が得られる。即ち、先のレーザ照射により形成さ
れたビーム端部は、次のレーザ照射により、均質化され
る。その結果、図３（ｄ）に示すように、プロファイル
後半部のみに依存した均質な多結晶組織が形成される。
【００３９】［第３の実施の形態］図５を用いて、本発
明の第３の実施の形態を説明する。図５（ａ）は異なる
光源から発振された２種類のパルスレーザ光を同一地点
に順次照射するダブルパルス法を用いるときの、第一パ
ルスレーザ光と第二パルスレーザ光の幅方向（幅方向）
のプロファイルを示す。レーザ走査方向は図中左から右
へとする。第一パルスレーザ光はＥp以上となる第二微
結晶化領域が得られれば、特にプロファイル形状は問わ
ない。第二パルスレーザ光は誤差５％以内のトップフラ
ット部を有する形状のプロファイルとすることが好まし
い。
【００４０】図５（ａ）に示したプロファイルを有する
パルスレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射するときの
組織変化を図５（ｂ）から図５（ｄ）を用いて説明す
る。ダブルパルスレーザ光を１サイクル照射したとき、
図３（ｂ）に示す粒径分布を有する結晶領域が形成され
る。第一パルスレーザ光が照射されると、エネルギー密
度の増大に伴い、粒径は拡大するが、エネルギー密度が
Ｅa以上の領域で微結晶化が起こる。引き続いて第二パ
ルスレーザ光が照射されると、プロファイルに応じた大
粒径均質部が形成される。ここで、第二パルスレーザ光
のトップフラット部の幅が、第一パルスレーザ光のＥp
以上の領域（第二微結晶化領域）の幅より大きくする必
要はない。第二パルスレーザ光照射によるシリコン薄膜
の溶融・凝固が終了した後に、次サイクルの第一パルス
レーザ光を照射する必要があるため、１サイクル内での
第一パルスレーザ光と第二パルスレーザ光の照射間隔
は、第一パルス光の発振間隔の１／２以下であることが
望ましい。
【００４１】次に距離Ｘだけビームを移動して１サイク
ル照射すると、図５（ｃ）に示す組織が得られる。図５
（ｂ）のビーム右端で形成された粒径変動の大きな領域
は、ここでＥp以上のエネルギー密度で照射されること
により、微結晶化がおこり、粒径が均質化される。ここ
でＸが、プロファイル中Ｅp以上となる領域（第二微結
晶化領域）の幅より大きい場合、ビーム右端で形成され
た大粒径部が残存してしまい、充分な均質化が果たせな
くなることがある。第一パルスレーザ光により微結晶と
して均質化された領域は、引き続いて照射された第二パ
ルスレーザ光のトップフラット部により、大粒径化す
る。
【００４２】即ち、先のダブルパルス照射サイクルによ
り形成されたビーム端部は、次サイクルの第一パルスレ
ーザ光照射により、均質化される。その結果、図５
（ｄ）に示すように、第二パルスレーザ光のプロファイ
ルのみに依存した均質な多結晶組織が形成される。
【００４３】図６にダブルパルス法を実現するレーザ照
射装置を示す。第一パルスレーザ光源６０１と第二パル
スレーザ光源６０２は同期制御部６０３により、制御さ
れて発振する。各パルスレーザ光は光学系６０４を通り
照射されるが、ここで同一の光路を通過しても良い。
【００４４】
【実施例】［第１の実施例］次に本発明の第１の実施の
形態に基づく第１の実施例について説明する。ガラス基
板としては日本電気硝子社製ＯＡ−２基板を用いた。次
に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＮ2Ｏにより、下地絶
縁膜としての二酸化シリコン薄膜を１００ｎｍ堆積し
た。
【００４５】次に、減圧ＣＶＤ法でＳｉ2Ｈ6より、非晶
質シリコン薄膜を７５ｎｍ堆積した。堆積条件として
は、Ｓｉ2Ｈ6流速１５０ｓｃｃｍ、圧力８Ｐａ、基板温
度４５０℃の条件で７０分間堆積を行った。
【００４６】プロファイル決定の予備実験として、非晶
質シリコン薄膜に波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｍの
パルスレーザ光を照射するときのＥpを調べた。図７は
ともに膜厚が７５ｎｍのときの、非晶質シリコン膜と平
均粒径１８ｎｍの多結晶シリコン薄膜にパルスレーザ光
を１パルス照射したときに得られる、多結晶組織の平均
粒径のエネルギー密度依存性を示す。非晶質シリコン薄
膜の場合、平均粒径は図中黒丸で示された変化を示し、
Ｅaは４６０ｍＪ／ｃｍ2であった。次に非晶質シリコン
薄膜を３４０ｍＪ／ｃｍ2で照射して得られた、平均粒
径１８ｎｍの多結晶シリコン薄膜の場合、平均粒径は図
中白四角で示された変化を示し、Ｅpは５２０ｍＪ／ｃ
ｍ2で有ることが明らかとなった。
【００４７】以上の結果から、ビームプロファイルとし
ては、最大エネルギー密度５５０ｍＪ／ｃｍ2、Ｅp以上
の領域幅０．１ｍｍ、ビーム前半部のＥp地点でのエネ
ルギー密度勾配５２０Ｊ／ｃｍ3、ビーム後半部のＥp地
点でのエネルギー密度勾配１０Ｊ／ｃｍ3とした。以上
のプロファイルを有するパルスレーザ光をピッチ５μｍ
で照射したとき、粒径分布が約８３０〜１１２０ｎｍで
図１（ｄ）の如く変化する、大粒径均質組織が得られ
た。
【００４８】一方、通常のトップフラット型ビームを用
いた場合、フラット部のエネルギー密度４２０ｍＪ／ｃ
ｍ2、トップフラット幅０．３ｍｍ、ビーム端幅１０μ
ｍ、送りピッチ１５μｍの条件では、粒径分布が約３０
〜２００ｎｍで、図８（ｄ）の如く変化する、不均質な
組織が得られた。また、フラット部のエネルギーをＥ p
以上の５３０ｍＪ／ｃｍ2としたとき、図９に示すよう
な組織が形成され、粒径分布が約２０〜１２６０ｎｍの
極めて不均質な組織が形成された。
【００４９】［第２の実施例］次に本発明の第２の実施
の形態に基づく第２の実施例について説明する。ガラス
基板としては日本電気硝子社製ＯＡ−２基板を用いた。
次に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＮ2Ｏにより、下地
絶縁膜としての二酸化シリコン薄膜を１００ｎｍ堆積し
た。
【００５０】次に、減圧ＣＶＤ法でＳｉ2Ｈ6より、非晶
質シリコン薄膜を５０ｎｍ堆積した。堆積条件として
は、Ｓｉ2Ｈ6流速１５０ｓｃｃｍ、圧力８Ｐａ、基板温
度４５０℃の条件で４６分間堆積を行った。膜厚が５０
ｎｍの場合、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｍのパル
スレーザ光ではＥaおよびＥpはそれぞれ、４２０および
４７０ｍＪ／ｃｍ2であった。パルスレーザ光のビーム
プロファイルとしては、最大エネルギー密度４８５ｍＪ
／ｃｍ2、Ｅp以上の領域幅０．０７ｍｍ、フラット部の
エネルギー密度４５０ｍＪ／ｃｍ2、フラット部の幅
０．１ｍｍとし、送りピッチ１０μｍで照射した。この
とき、粒径分布が約４８０〜６３０ｎｍで、図３（ｄ）
の如く変化する均質大粒径組織が得られた。
【００５１】［第３の実施例］次に本発明の第３の実施
の形態に基づく第３の実施例について説明する。ガラス
基板としてはコーニング社製１７３７基板を用いた。次
に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＮ2Ｏにより、下地絶
縁膜としての二酸化シリコン薄膜を１００ｎｍ堆積し
た。
【００５２】次に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4とＨ2に
より、非晶質シリコン薄膜を７５ｎｍ堆積した。堆積条
件としては、ＳｉＨ4流速１５０ｓｃｃｍ、Ｈ2流速４０
０ｓｃｃｍ、圧力１００Ｐａ、放電電力０．１Ｗ／ｃｍ
2、基板温度３２０℃の条件で８分間堆積を行った。堆
積後、熱処理温度４００℃で熱処理時間２時間の脱水素
アニールを施した。この非晶質シリコン薄膜の、波長２
４８ｎｍ、パルス幅３５ｎｍのパルスレーザ光を用いた
ときの、ＥaおよびＥpはそれぞれ、４８０および５５０
ｍＪ／ｃｍ2であった。
【００５３】第一パルスレーザ光として、最大エネルギ
ー密度５７０ｍＪ／ｃｍ2、Ｅp以上の領域幅０．３ｍｍ
のプロファイルを有するパルスレーザ光を、３００Ｈｚ
で発振する。第二パルスレーザ光として、トップフラッ
ト型のプロファイルを有し、フラット部のエネルギー密
度４８０ｍＪ／ｃｍ2、フラット部の幅０．２ｍｍ、ビ
ーム端幅１０μｍのパルスレーザ光を、３００Ｈｚで発
振する。第一パルスレーザ光と第二パルスレーザ光の発
振間隔は２００ｎｓｅｃであり、送りピッチは２０μｍ
とした。このとき、粒径分布が約４５０〜５９０ｎｍ
で、図５（ｄ）の如く変化する均質大粒径組織が得られ
た。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、非
単結晶半導体薄膜にパルスレーザ光をスキャン照射して
多結晶半導体薄膜を形成する際に、結晶組織に不均質性
を生むビーム端の影響が排除され、均質な大粒径組織を
有する薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態によるパル
スレーザ光のビームプロファイル、（ｂ）は、（ａ）の
レーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射したときに生じる
粒径分布、（ｃ）は、距離Ｘだけ（ａ）のレーザ光を移
動して（ｂ）に照射したときに生じる粒径分布、（ｄ）
は、距離Ｘで（ａ）のレーザ光を走査しながら連続的に
照射したときに生じる粒径分布を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるパルスレーザ
光のビームプロファイルの作製方法を説明するための図
である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施の形態によるパル
スレーザ光のビームプロファイル、（ｂ）は、（ａ）の
レーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射したときに生じる
粒径分布、（ｃ）は、距離Ｘだけ（ａ）のレーザ光を移
動して（ｂ）に照射したときに生じる粒径分布、（ｄ）
は、距離Ｘで（ａ）のレーザ光を走査しながら連続的に
照射したときに生じる粒径分布を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるパルスレーザ
光のビームプロファイルの作製方法を説明するための図
である。。
【図５】（ａ）は本発明の第３の実施の形態によるパル
スレーザ光のビームプロファイル、（ｂ）は、（ａ）の
レーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射したときに生じる
粒径分布、（ｃ）は、距離Ｘだけ（ａ）のレーザ光を移
動して（ｂ）に照射したときに生じる粒径分布、（ｄ）
は、距離Ｘで（ａ）のレーザ光を走査しながら連続的に
照射したときに生じる粒径分布を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態によるレーザ照射装
置。
【図７】非晶質シリコン薄膜および多結晶シリコン薄膜
にレーザ照射したときのエネルギー密度と形成される結
晶粒径の関係。
【図８】（ａ）は従来例によるパルスレーザ光のビーム
プロファイル、（ｂ）は、（ａ）のレーザ光を非晶質シ
リコン薄膜に照射したときに生じる粒径分布、（ｃ）
は、距離Ｘだけ（ａ）のレーザ光を移動して（ｂ）に照
射したときに生じる粒径分布、（ｄ）は、距離Ｘで
（ａ）のレーザ光を走査しながら連続的に照射したとき
に生じる粒径分布を示す図である。
【図９】（ａ）は従来例によるパルスレーザ光のビーム
プロファイル（最大エネルギー密度が多結晶シリコン膜
の微結晶化しきい値を越える場合）、（ｂ）は、（ａ）
のレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射したときに生じ
る粒径分布、（ｃ）は、距離Ｘだけ（ａ）のレーザ光を
移動して（ｂ）に照射したときに生じる粒径分布、
（ｄ）は、距離Ｘで（ａ）のレーザ光を走査しながら連
続的に照射したときに生じる粒径分布を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態によるレーザ照射
装置。
【符号の説明】
２０１ 光学系 ２０２ 基板 ２０３ 非対称レンズ ２０４ マスク ２０５ 誘電体マスクあるいはホログラム素子 ４０１ ビームスプリッタ ４０２ ビーム前半部光学系 ４０３ ビーム後半部光学系 ４０４ 基板 ４０５ 光学系 ４０６ アッテネータ ４０７ 誘電体マスク、あるいはホログラフィック素子 ６０１ 第一パルスレーザ光源 ６０２ 第二パルスレーザ光源 ６０３ 光源同期制御部 ６０４ 光学系 ６０５ チャンバ ６０６ 基板 ６０７ パルスレーザ光源 ６０８ ステージ ６０９ 移動機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 線状または矩形状の照射領域を有するパ
    ルスレーザ光を、幅方向に沿って照射領域が部分的に重
    なるように走査し、非単結晶半導体薄膜に対しレーザ照
    射を行うレーザ照射方法であって、非晶質の微結晶化し
    きい値をＥa、多結晶の微結晶化しきい値をＥpとしたと
    きに、該照射領域は、Ｅa未満のエネルギー密度を有す
    る多結晶化領域と、Ｅa以上Ｅp未満のエネルギー密度を
    有する第一微結晶化領域と、Ｅp以上のエネルギー密度
    を有する第二微結晶化領域とを含み、該第二微結晶化領
    域の中心位置が照射領域中心位置に対し走査方向前方側
    に位置し、かつ、該第二微結晶化領域に隣接して走査方
    向前方および後方に第一微結晶化領域を有し、さらにこ
    れらの走査方向前方および後方に、該第一微結晶化領域
    に隣接して多結晶化領域を有し、 該第二微結晶化領域と該第一微結晶化領域との境界のう
    ち、走査方向前方に位置する境界におけるエネルギー密
    度勾配の絶対値が、走査方向後方に位置する境界におけ
    るエネルギー密度勾配の絶対値よりも大きく、該第二微
    結晶化領域の幅以下のピッチでパルスレーザ光を走査す
    る ことを特徴とするレーザ照射方法。
  2. 【請求項２】 前記第二微結晶化領域に対して走査方向
    後方に位置する前記第一微結晶化領域または前記多結晶
    化領域が、定エネルギー部を含む形状のエネルギー密度
    プロファイルを有することを特徴とする請求項１に記載
    のレーザ照射方法。
  3. 【請求項３】 前記定エネルギー部の幅以下のピッチで
    パルスレーザ光を走査することを特徴とする請求項２に
    記載のレーザ照射方法。
  4. 【請求項４】 異なる光源から発振された線状または矩
    形状の照射領域を有する第一パルスレーザ光および第二
    パルスレーザ光を用い、これらをこの順で同一地点に照
    射するダブルパルス法により、該第一パルスレーザ光お
    よび該第二パルスレーザ光を幅方向に沿って照射領域が
    部分的に重なるように走査し、非単結晶半導体薄膜に対
    しレーザ照射を行うレーザ照射方法であって、 非晶質の微結晶化しきい値をＥa、多結晶の微結晶化し
    きい値をＥpとしたときに、該第一パルスレーザ光の照
    射領域は、Ｅp以上のエネルギー密度を有する第二微結
    晶化領域を少なくとも含み、該第二パルスレーザ光の照
    射領域は、Ｅa未満のエネルギー密度を有する多結晶化
    領域と、Ｅa以上Ｅp未満のエネルギー密度を有する第一
    微結晶化領域とからなることを特徴とするレーザ照射方
    法。
  5. 【請求項５】 前記第二パルスレーザ光の照射領域は、
    前記幅方向に沿って、トップフラット部を含む形状のエ
    ネルギー密度プロファイルを有することを特徴とする請
    求項４に記載のレーザ照射方法。
  6. 【請求項６】 前記トップフラット部に対応する領域の
    幅は、前記第一パルスレーザ光に含まれる前記第二微結
    晶化領域の幅以下であることを特徴とする請求項５に記
    載のレーザ照射方法。
  7. 【請求項７】 前記トップフラット部の幅以下のピッチ
    で前記第一パルスレーザ光および前記第二パルスレーザ
    光を走査することを特徴とする請求項５または６に記載
    のレーザ照射方法。
  8. 【請求項８】 前記第一パルスレーザ光と前記第二パル
    スレーザ光の照射間隔が、前記第一パルスレーザ光の発
    振間隔の１／２以下であることを特徴とする請求項４乃
    至７いずれかに記載のレーザ照射方法。
  9. 【請求項９】 パルスレーザ光を放射するレーザ光源
    と、該パルスレーザ光を線状または矩形状に整形すると
    ともに照射領域のエネルギー密度プロファイルを調整す
    る光学系と、該パルスレーザ光を幅方向に沿って照射領
    域が部分的に重なるように走査し、非単結晶半導体薄膜
    に対しレーザ照射を行う走査手段とを備えたレーザ照射
    装置であって、 非晶質の微結晶化しきい値をＥa、多結晶の微結晶化し
    きい値をＥpとしたときに、該光学系により該照射領域
    は、Ｅa未満のエネルギー密度を有する多結晶化領域
    と、Ｅa以上Ｅp未満のエネルギー密度を有する第一微結
    晶化領域と、Ｅp以上のエネルギー密度を有する第二微
    結晶化領域とを含み、該第二微結晶化領域の中心位置が
    照射領域中心位置に対し走査方向前方側にあるように調
    整されており、かつ該第二微結晶化領域に隣接して走査
    方向前方および後方に第一微結晶化領域を有し、さらに
    これらの走査方向前方および後方に、該第一微結晶化領
    域に隣接して多結晶化領域を有し、前記第二微結晶化領
    域と前記第一微結晶化領域との境界のうち、走査方向前
    方に位置する境界におけるエネルギー密度勾配の絶対値
    が、走査方向後方に位置する境界におけるエネルギー密
    度勾配の絶対値よりも大き く、前記パルスレーザ光の走
    査ピッチが、前記第二微結晶化領域の幅以下であること
    を特徴とするレーザ照射装置。
  10. 【請求項１０】 前記第二微結晶化領域に対して走査方
    向後方に位置する前記第一微結晶化領域または前記多結
    晶化領域が、定エネルギー部を含む形状のエネルギー密
    度プロファイルを有することを特徴とする請求項９に記
    載のレーザ照射装置。
  11. 【請求項１１】 前記パルスレーザ光の走査ピッチが、
    前記定エネルギー部の幅以下であることを特徴とする請
    求項１０に記載のレーザ照射装置。
  12. 【請求項１２】 第一パルスレーザ光を放射する第一の
    レーザ光源と、第二パルスレーザ光を放射する第二のレ
    ーザ光源と、該第一パルスレーザ光および該第二パルス
    レーザ光を線状または矩形状に整形するとともにこれら
    の照射領域のエネルギー密度プロファイルを調整する光
    学系と、該第一パルスレーザ光および該第二パルスレー
    ザ光をこの順で同一地点に照射する制御手段と、該第一
    パルスレーザ光および該第二パルスレーザ光を幅方向に
    沿って照射領域が部分的に重なるように走査し、非単結
    晶半導体薄膜に対しレーザ照射を行う走査手段とを備え
    たレーザ照射装置であって、 該光学系により、非晶質の微結晶化しきい値をＥa、多
    結晶の微結晶化しきい値をＥpとしたときに、該第一パ
    ルスレーザ光の照射領域は、Ｅp以上のエネルギー密度
    を有する第二微結晶化領域を少なくとも含み、該第二パ
    ルスレーザ光の照射領域は、Ｅa未満のエネルギー密度
    を有する多結晶化領域と、Ｅa以上Ｅp未満のエネルギー
    密度を有する第一微結晶化領域とからなるように調整さ
    れることを特徴とするレーザ照射装置。
  13. 【請求項１３】 前記第二パルスレーザ光の照射領域
    は、前記幅方向に沿って、トップフラット部を含む形状
    のエネルギー密度プロファイルを有することを特徴とす
    る請求項１２に記載のレーザ照射装置。
  14. 【請求項１４】 前記トップフラット部に対応する領域
    の幅は、前記第一パルスレーザ光に含まれる前記第二微
    結晶化領域の幅以下であることを特徴とする請求項１３
    に記載のレーザ照射装置。
  15. 【請求項１５】 前記第一パルスレーザ光および前記第
    二パルスレーザ光の走査ピッチが、前記トップフラット
    部の幅以下であることを特徴とする請求項１３または１
    ４に記載のレーザ照射装置。
  16. 【請求項１６】 前記第一パルスレーザ光と前記第二パ
    ルスレーザ光の照射間隔が、該第一パルスレーザ光の発
    振間隔の１／２以下であることを特徴とする請求項１２
    乃至１５いずれかに記載のレーザ照射装置。
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