【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ照射により基板上のシリコン膜を溶融させて結晶粒を成長させるレーザアニール方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマレーザは、紫外線域で使用される高出力パルスレーザである。かかるエキシマレーザの１つの応用として、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に用いられる薄膜トランジスター（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）のアニールが注目を集めている。
【０００３】
図３は、エキシマレーザでアニールする低温ポリシリコンＴＦＴの断面構造図である。一般に、シリコンの膜厚は２５〜１００ｎｍ、絶縁膜は二酸化シリコンや窒化シリコンで膜厚は５０〜３００ｎｍ、ゲート電極はアルミやタングステン、その他が用いられる。
【０００４】
エキシマレーザアニールが用いられるのは、ポリシリコン膜の形成とコンタクト層（図３のソースおよびドレイン）の活性化である。レーザ照射によりシリコン膜が溶融、結晶化してポリシリコンとなる。１度溶融過程を経るため高品質の膜が形成される。エキシマレーザは紫外光パルスレーザであるため、レーザエネルギーは膜表面で吸収される。しかもパルス幅が数１０ｎｓ程度であるためシリコンの溶融時間は数１００ｎｓ程度となり下地のガラス基板への影響がほとんどない。また他の低温形成法ではポリシリコン形成や活性化に６００℃前後の高温で長時間アニールが必要となり、ガラス基板が歪んだり不純物の拡散が問題となったりするが、エキシマレーザアニールによれば最高温度４００℃台での形成が可能であり、このような問題がない。
【０００５】
ＴＦＴの動作速度は移動度（単位ｃｍ２／Ｖ・ｓ）で表される。ポリシリコンＴＦＴの移動度は、１０〜６００ｃｍ２／Ｖ・ｓである。この移動度に幅があるのはそれが粒径と粒界の両方に依存するためである。高い移動度を得るためには、粒内欠陥が少なく単結晶に近いこと、低欠陥な粒界を形成することが必要である。一般に粒径が大きく、粒界の欠陥が少ないほど高移動度が得られる。
【０００６】
図４は、従来のエキシマレーザアニール装置の構成図である。使用されるエキシマレーザはＸｅＣｌ，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＦ等である。レーザビームはビームホモジナイザーを中心とした光学系を通してチャンバーへ導入される。チャンバー内はポンプ系、ガス系により真空又はガス雰囲気にコントロールされる。ビームの走査はステージか光学系の移動により行う。レーザとして、繰り返し周波数約３００Ｈｚ、パルス幅２０〜１６０ｎｓ、出力約２００Ｗのものが実用化され、基板サイズも３７０ｍｍ×４７０ｍｍに達している。
【０００７】
上述したように、半導体・液晶の分野で、ガラス基板上に成膜したアモルファスＳｉを多結晶化する手段として、従来からレーザアニール法が用いられ、このレーザアニール装置のレーザ光として、主にエキシマレーザが用いられている。しかし、近年、ＹＡＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ４等の固体レーザの波長変換光を利用したレーザアニール装置が注目されている。
なお、従来のレーザアニール手段は、特許文献１〜特許文献４、等に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１４４０２７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１９８３７７号公報
【特許文献３】
特開２００２−２３１６５４号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５２１７３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
固体レーザを用いたレーザアニール装置の特徴として、そのレーザが持つガウシアン形状のエネルギー分布を利用して、アモルファスＳｉを横方向へ結晶成長させる技術（ラテラル成長）が挙げられる。また、ラテラル成長による結晶成長は、溶融Ｓｉの温度勾配（エネルギー勾配）と溶融時間が寄与すると考えられている。
【００１０】
ラテラル成長はレーザの持つエネルギー形状を利用しているが、レーザのエネルギー分布のほとんどが左右対称のガウシアン形状である。そのため、結晶成長は左右同時に始まり、中心部では溶融Ｓｉが互いにぶつかって固化し、非常に高い突起部（リッジ）が現れる。このリッジは、トランジスター作製時に大きな障害になる。
【００１１】
また、ラテラル成長に必要なエネルギー勾配を得るためレーザ光をレンズで集光させているが、レーザ固有の品質（この場合、エネルギー分布）でその集光特性が変わり、得られるエネルギー勾配が決まってしまうため、作成できる結晶の粒径が決まってしまう問題がある。一般的に、大出力レーザは品質が悪いため、一定長さ以上の結晶成長に必要なエネルギー勾配が得られず、結晶粒径が小さくなる。
【００１２】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、レーザ光のエネルギー分布を変形させて、アモルファスＳｉのリッジ生成を抑制し、結晶粒径を制御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ことにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、左右対称のエネルギー分布を有する対称レーザビームを、左右非対称のエネルギー分布を有する非対称レーザビームに変換し、該非対称レーザビームを基板表面のシリコン膜に照射して溶融させ結晶粒を成長させる、ことを特徴とするレーザアニール方法が提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、左右対称のエネルギー分布を有する対称レーザビームを、左右非対称のエネルギー分布を有する非対称レーザビームに変換する変換光学系と、変換した非対称レーザビームを集光する集光光学系とを備え、集光した非対称レーザビームを基板表面のシリコン膜に照射して溶融させ結晶粒を成長させる、ことを特徴とするレーザアニール装置が提供される。
【００１５】
上記本発明の方法及び装置によれば、左右非対称の分布を有する非対称レーザビームを作りだし、基板表面のシリコン膜照射するので、結晶成長時における中心部での溶融Ｓｉのぶつかりを回避でき、リッジの高さを抑制することができる。また方法及び装置でエネルギー勾配を自由に変化させることができるので、レーザの品質にかかわらず、結晶粒径の調整が可能になる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記非対称レーザビームを線状に集光してシリコン膜の表面に照射し、かつ該線状の非対称レーザビームまたは基板を非対称レーザビームの幅方向に移動する。
この構成により、線状に集光した非対称レーザビームをその幅方向に移動して、基板表面の全面に均一に照射でき、広い面積の基板表面に高品質の多結晶Ｓｉを得ることができる。
【００１７】
変換光学系は、偏光角度を回転する偏光回転素子と、一方向の偏光を持った偏光ビームを透過させ、これに直交する方向の偏光を持った偏光ビームを反射する薄膜偏光子と、透過及び反射した偏光ビームを集光光学系に向けて反射する反射ミラーとを有し、これにより、対称レーザビームを複数の偏光ビームに分割した後に非対称レーザビームに合成する。
【００１８】
この構成により、薄膜偏光子で複数に分割されたレーザ光の重ね合わせたエネルギー分布を左右非対称に加工することができる。また、エネルギー勾配はそれぞれのレーザ光の強度比を変えることによって自由に調整できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明のレーザアニール装置の全体構成図である。この図において、
本発明のレーザアニール装置１０は、変換光学系１４と集光光学系１６とを備える。
【００２１】
変換光学系１４は、左右対称のエネルギー分布を有する対称レーザビーム２を、左右非対称のエネルギー分布を有する非対称レーザビーム６に変換する機能を有する。集光光学系１６は、変換した非対称レーザビーム６を基板１の表面に集光する。
【００２２】
更に、図示しない揺動ミラー（又はトラバース装置）を用い、非対称レーザビーム６を線状に集光して基板１の表面に照射し、かつこの線状の非対称レーザビーム６（または基板１）を非対称レーザビーム６の幅方向に移動して、基板表面のシリコン膜を溶融させ結晶粒を成長させるようになっている。
【００２３】
図１において、変換光学系１４は、偏光回転素子１８ａ〜１８ｇと、薄膜偏光子２０ａ〜２０ｇと、反射ミラー２２ａ〜２２ｌからなる。
偏光回転素子１８ａ〜１８ｇは、例えば、λ／２板であり、偏光角度を回転する機能を有する。
薄膜偏光子２０ａ〜２０ｇは、例えばＴＦＴであり、一方向の偏光を持った偏光ビームを透過させ、これに直交する方向の偏光を持った偏光ビームを反射するように、ブルースター角（光が表面で反射するとき、一方向の偏光成分の反射率が０になる入射角）が設定されており、角度θの偏光を持った偏光ビームは、１００ｃｏｓθ［％］を透過、１００（１−モ盾塔ニ）［％］を反射する。
反射ミラー２２ａ〜２２ｌは、全反射ミラーであり、透過及び反射した偏光ビームを集光光学系１６に向けて反射する。
【００２４】
図１では、光学素子１４、１６の組み合わせによって、レーザ光２を８分割し、それぞれのレーザ光４ａ〜４ｈを一定の距離だけ位置をずらして、集光レンズ１６に入射させるようになっている。なお、本発明は８分割に限定されず、２分割以上の複数分割の重ね合わせでもよい。
【００２５】
図２は、図１のレーザアニール装置により合成したレーザビームのプロファイル図である。この図において、横軸は集光光学系１６に入射する相対位置、縦軸は８分割ビームの相対エネルギーと、その合計エネルギーである。
この図に示すように、８分割されたレーザ光の重ね合わせたエネルギー分布を左右非対称に加工することができる。また、エネルギー勾配はそれぞれのレーザ光の強度比を変える、すなわち、偏光回転素子１８ａ〜１８ｇで偏光角を個別に回転させることで、薄膜偏光子２０ａ〜２０ｇそれぞれの透過率、反射率を変える、ことによって自由に調整できる。
【００２６】
上述した本発明の方法及び装置によれば、左右非対称の分布を有する非対称レーザビームを作りだし、基板表面のシリコン膜照射するので、結晶成長時における中心部での溶融Ｓｉのぶつかりを回避でき、リッジの高さを抑制することができる。また方法及び装置でエネルギー勾配を自由に変化させることができるので、レーザの品質にかかわらず、結晶粒径の調整が可能になる。
【００２７】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、光学系を用いて左右非対称のエネルギー分布を造り、照射することにより、リッジの高さを抑えることができる。またエネルギー勾配を制御することによって、結晶粒径も自由に制御することが可能になる。
【００２９】
従って、本発明のレーザアニール方法及び装置は、レーザ光のエネルギー分布を変形させて、アモルファスＳｉのリッジ生成を抑制し、結晶粒径を制御することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザアニール装置の全体構成図である。
【図２】図１のレーザアニール装置により合成したレーザビームのプロファイル図である。
【図３】エキシマレーザでアニールする低温ポリシリコンＴＦＴの断面構造図である。
【図４】従来のエキシマレーザアニール装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 基板（シリコン膜）、２ 対称レーザビーム、
４ａ〜４ｇ レーザ光（偏光ビーム）、６ 非対称レーザビーム、
１０ レーザアニール装置、１２ パルスレーザ装置、
１４ 変換光学系、１６ 集光光学系、
１８ａ〜１８ｇ 偏光回転素子（λ／２板）、
２０ａ〜２０ｇ 薄膜偏光子（ＴＦＴ）、
２２ａ〜２２ｌ 反射ミラー、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser annealing method and apparatus for growing crystal grains by melting a silicon film on a substrate by laser irradiation.
[0002]
[Prior art]
The excimer laser is a high-power pulse laser used in the ultraviolet region. As an application of such an excimer laser, annealing of a thin film transistor (TFT) used in a liquid crystal display (LCD) has attracted attention.
[0003]
FIG. 3 is a cross-sectional structure diagram of a low-temperature polysilicon TFT annealed with an excimer laser. In general, the thickness of silicon is 25 to 100 nm, the insulating film is silicon dioxide or silicon nitride, the thickness is 50 to 300 nm, the gate electrode is aluminum, tungsten, or the like.
[0004]
Excimer laser annealing is used for forming a polysilicon film and activating the contact layers (source and drain in FIG. 3). The silicon film is melted and crystallized by laser irradiation to become polysilicon. A high quality film is formed because it undergoes a melting process once. Since the excimer laser is an ultraviolet light pulse laser, the laser energy is absorbed by the film surface. Moreover, since the pulse width is about several tens of ns, the melting time of silicon is about several hundreds of ns, and there is almost no influence on the underlying glass substrate. In addition, other low temperature forming methods require annealing for a long time at a high temperature of about 600 ° C. for polysilicon formation and activation, and the glass substrate is distorted or impurity diffusion becomes a problem. Formation at a temperature of about 400 ° C. is possible, and there is no such problem.
[0005]
The operation speed of the TFT is expressed by mobility (unit: cm 2 / V · s). The mobility of the polysilicon TFT is 10 to 600 cm 2 / V · s. The mobility is wide because it depends on both the grain size and the grain boundary. In order to obtain high mobility, it is necessary to have few intragranular defects and be close to a single crystal, and to form grain boundaries with low defects. In general, the larger the particle size and the fewer the defects at the grain boundaries, the higher the mobility.
[0006]
FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional excimer laser annealing apparatus. The excimer laser used is XeCl, ArF, KrF, XeF or the like. The laser beam is introduced into the chamber through an optical system centered on a beam homogenizer. The inside of the chamber is controlled to a vacuum or a gas atmosphere by a pump system and a gas system. The beam is scanned by moving the stage or the optical system. A laser having a repetition frequency of about 300 Hz, a pulse width of 20 to 160 ns, and an output of about 200 W has been put to practical use, and the substrate size has reached 370 mm × 470 mm.
[0007]
As described above, in the field of semiconductors and liquid crystals, a laser annealing method has been conventionally used as a means for polycrystallizing amorphous Si formed on a glass substrate, and excimer is mainly used as laser light of this laser annealing apparatus. A laser is used. However, in recent years, laser annealing apparatuses that use wavelength-converted light of solid-state lasers such as YAG, YLF, and YVO 4 have attracted attention.
Conventional laser annealing means is disclosed in Patent Documents 1 to 4, etc.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-144027 A [Patent Document 2]
JP 2002-198377 A [Patent Document 3]
JP 2002-231654 A [Patent Document 4]
JP 2002-252173 A [0009]
[Problems to be solved by the invention]
As a feature of a laser annealing apparatus using a solid-state laser, there is a technique (lateral growth) in which amorphous Si is crystal-grown in a lateral direction using a Gaussian-shaped energy distribution of the laser. Further, it is considered that crystal growth by lateral growth contributes to the temperature gradient (energy gradient) and melting time of molten Si.
[0010]
Lateral growth uses the energy shape of the laser, but most of the laser energy distribution is a symmetrical Gaussian shape. Therefore, crystal growth starts at the same time on the left and right, and molten Si collides with each other and solidifies at the center, so that a very high protrusion (ridge) appears. This ridge is a major obstacle when fabricating transistors.
[0011]
In addition, the laser beam is focused by a lens to obtain the energy gradient necessary for lateral growth, but the focusing characteristic changes depending on the quality inherent to the laser (in this case, the energy distribution), and the resulting energy gradient is determined. Therefore, there is a problem that the grain size of crystals that can be created is determined. In general, since the quality of a high-power laser is poor, an energy gradient necessary for crystal growth of a certain length or more cannot be obtained, and the crystal grain size becomes small.
[0012]
The present invention has been made to solve such problems. That is, an object of the present invention is to provide a laser annealing method and apparatus that can deform the energy distribution of laser light, suppress the formation of ridges of amorphous Si, and control the crystal grain size.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a symmetric laser beam having a symmetric energy distribution is converted into an asymmetric laser beam having a symmetric energy distribution, and the asymmetric laser beam is irradiated to a silicon film on the substrate surface to be melted. There is provided a laser annealing method characterized in that
[0014]
Further, according to the present invention, the conversion optical system for converting a symmetric laser beam having a symmetric energy distribution into an asymmetric laser beam having a symmetric energy distribution, and condensing optics for condensing the converted asymmetric laser beam. There is provided a laser annealing apparatus characterized in that a crystal film is grown by irradiating a focused asymmetric laser beam onto a silicon film on a substrate surface to melt the crystal film.
[0015]
According to the above-described method and apparatus of the present invention, an asymmetric laser beam having an asymmetrical distribution is created and irradiated with a silicon film on the substrate surface, so that collision of molten Si at the center during crystal growth can be avoided, and The height can be suppressed. In addition, since the energy gradient can be freely changed by the method and apparatus, the crystal grain size can be adjusted regardless of the quality of the laser.
[0016]
According to a preferred embodiment of the present invention, the asymmetric laser beam is focused in a linear shape and irradiated on the surface of the silicon film, and the linear asymmetric laser beam or the substrate is moved in the width direction of the asymmetric laser beam. .
With this configuration, the linearly focused asymmetric laser beam can be moved in the width direction to uniformly irradiate the entire surface of the substrate, and high-quality polycrystalline Si can be obtained on the substrate surface having a large area.
[0017]
The conversion optical system includes a polarization rotation element that rotates a polarization angle, a thin film polarizer that transmits a polarized beam having a polarization in one direction and reflects a polarized beam having a polarization in a direction orthogonal to the polarization beam, A reflecting mirror that reflects the reflected polarized beam toward the condensing optical system, and thereby divides the symmetric laser beam into a plurality of polarized beams and then synthesizes the asymmetric laser beam.
[0018]
With this configuration, the energy distribution obtained by superimposing the laser beams divided into a plurality by the thin film polarizer can be processed asymmetrically. The energy gradient can be freely adjusted by changing the intensity ratio of the respective laser beams.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0020]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser annealing apparatus of the present invention. In this figure,
The laser annealing apparatus 10 of the present invention includes a conversion optical system 14 and a condensing optical system 16.
[0021]
The conversion optical system 14 has a function of converting the symmetric laser beam 2 having a bilaterally symmetric energy distribution into an asymmetric laser beam 6 having a bilaterally asymmetric energy distribution. The condensing optical system 16 condenses the converted asymmetric laser beam 6 on the surface of the substrate 1.
[0022]
Further, using an oscillating mirror (or traverse device) (not shown), the asymmetric laser beam 6 is linearly condensed and irradiated on the surface of the substrate 1, and the linear asymmetric laser beam 6 (or substrate 1) is applied to the surface. It moves in the width direction of the asymmetric laser beam 6 to melt the silicon film on the substrate surface and grow crystal grains.
[0023]
In FIG. 1, the conversion optical system 14 includes polarization rotation elements 18a to 18g, thin film polarizers 20a to 20g, and reflection mirrors 22a to 22l.
The polarization rotation elements 18a to 18g are, for example, λ / 2 plates and have a function of rotating the polarization angle.
The thin film polarizers 20a to 20g are, for example, TFTs, and transmit a polarized beam having polarized light in one direction and reflect a polarized beam having polarized light in a direction orthogonal to the polarized light beam (light is reflected by the light). When the light is reflected from the surface, the incident angle at which the reflectance of the polarization component in one direction is 0 is set, and the polarized beam having the polarization of the angle θ transmits 100 cos θ [%] and 100 (1-mode). Shield Tower D) Reflects [%].
The reflection mirrors 22 a to 22 l are total reflection mirrors and reflect the transmitted and reflected polarized beams toward the condensing optical system 16.
[0024]
In FIG. 1, the laser light 2 is divided into eight by the combination of the optical elements 14 and 16, and the positions of the respective laser lights 4 a to 4 h are shifted by a certain distance so as to enter the condenser lens 16. . Note that the present invention is not limited to eight divisions, and may be an overlap of two or more divisions.
[0025]
FIG. 2 is a profile diagram of a laser beam synthesized by the laser annealing apparatus of FIG. In this figure, the horizontal axis represents the relative position incident on the condensing optical system 16, and the vertical axis represents the relative energy of the 8-divided beam and the total energy thereof.
As shown in this figure, the superimposed energy distribution of the eight divided laser beams can be processed asymmetrically. The energy gradient changes the intensity ratio of each laser beam, that is, the polarization angle is individually rotated by the polarization rotation elements 18a to 18g, thereby changing the transmittance and reflectance of each of the thin film polarizers 20a to 20g. Can be adjusted freely.
[0026]
According to the method and apparatus of the present invention described above, an asymmetric laser beam having an asymmetrical distribution is created and irradiated with a silicon film on the surface of the substrate, so that collision of molten Si at the center during crystal growth can be avoided, and the ridge Can be suppressed. In addition, since the energy gradient can be freely changed by the method and apparatus, the crystal grain size can be adjusted regardless of the quality of the laser.
[0027]
In addition, this invention is not limited to the Example and embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the height of the ridge can be suppressed by creating and irradiating a left-right asymmetric energy distribution using the optical system. Also, by controlling the energy gradient, the crystal grain size can be freely controlled.
[0029]
Therefore, the laser annealing method and apparatus of the present invention have excellent effects such as the ability to deform the energy distribution of laser light, suppress the formation of ridges of amorphous Si, and control the crystal grain size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser annealing apparatus of the present invention.
2 is a profile diagram of a laser beam synthesized by the laser annealing apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional structure diagram of a low-temperature polysilicon TFT annealed with an excimer laser.
FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional excimer laser annealing apparatus.
[Explanation of symbols]
1 substrate (silicon film), 2 symmetrical laser beam,
4a to 4g laser beam (polarized beam), 6 asymmetric laser beam,
10 laser annealing equipment, 12 pulse laser equipment,
14 conversion optical system, 16 condensing optical system,
18a-18g Polarization rotating element (λ / 2 plate),
20a-20g Thin film polarizer (TFT),
22a-22l reflective mirror,