CN1363116A - 灯泡退火装置和显示元件用基片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用来使在透明基片上边形成的半导体膜退火的灯泡退火装置的改良。在本发明中,在灯泡退火装置内设置选择加热半导体膜的装置,抑制退火中的基片的温度上升。此外,根据来自退火处理后的半导体膜的反射光或透过光,对退火处理进行反馈控制。

Description

灯泡退火装置和显示元件用基片

技术领域

本发明涉及在薄膜晶体管的制造中使用的灯泡退火装置。

背景技术

作为像素的开关元件使用薄膜晶体管的有源矩阵型液晶显示面板，在数字静物照相机、数字摄象机、导航系统、笔记本型计算机等中，被人们广为使用。

以往，薄膜晶体管的半导体层一直使用非晶硅，但最近几年，人们则积极开发以迁移率比非晶硅大得多的多晶硅为半导体层的薄膜晶体管。采用把多晶硅薄膜晶体管用做液晶面板的像素的开关元件的办法，可以在玻璃基片上不仅形成晶体管，还可以形成驱动晶体管的驱动电路。但是，在玻璃基片上边形成的薄膜晶体管，由于玻璃基片的软化点低到约600℃，故不能进行用于在硅衬底上边形成的如MOS晶体管的激活化或用于除去掺杂损伤的1000℃以上的高温下的退火处理。当激活化或损伤的除去不充分时，由于晶体管的特性或可靠性会劣化，故需要在尽可能高的高温下进行退火。于是，过去一直进行现有的在600℃左右的比较低的低温下的长时间的退火炉内退火。但是，在炉内退火的情况下，由于要长时间地暴露在玻璃的软化点附近的温度气氛内，故将会发生玻璃基片的畸变或伸缩等的形状变形，微细加工是困难的。此外，由于在退火期间，因为玻璃基片的软化，杂质会从玻璃基片通过底涂层绝缘膜向多晶硅中扩散，故要得到特性或可靠性优良的薄膜晶体管是困难的。

为了解决这样的问题，最近人们进行了用使用灯泡的短时间的光加热进行的退火。灯泡退火是一种使用卤素灯泡或UV灯泡短时间加热半导体膜的工艺，可以使半导体膜瞬间性地加热到600℃以上的高温而不会太加热基片。

但是，若采用灯泡退火，由于温度分布决定于半导体膜的光吸收特性或厚度，故杂质的掺杂条件的不均一性或半导体膜的厚度的不均一性会直接地影响所得到的薄膜晶体管的特性。在有源矩阵型液晶显示面板的基片中，由于追求的是在基片上边形成的多个开关元件全部都正常地动作，故必须使在基片上边形成的全部的半导体膜都要确实地进行退火。

基片的温度会因玻璃基片对来自卤素灯泡、UV灯泡等加热光源的投射光的吸收或来自半导体膜的热传导而上升一些。过度的加热，会产生基片的伸缩或挠曲，使后工序中的半导体膜等的微细加工变得困难起来。因此人们一直谋求抑制基片的温度上升的同时使在基片上边形成的半导体膜退火。

发明内容

本发明的目的是：提供在同一基片内或基片间所得到的半导体膜的特性等的不均一性小的灯泡退火装置。此外，目的还在于可以防止基片的形状变化而且可以确实地使半导体膜激活化的灯泡退火装置。

本发明的灯泡退火装置，是一种用来使在透明基片上边形成的半导体膜退火的装置，

它具有向透明基片投射用来加热的光的光投射装置，

及配设在透明基片与光投射装置之间，对透明基片上边的规定区域选择性地加热的选择加热装置。

在本发明的灯泡退火装置中，配置对透明基片上边的规定区域例如形成了想要退火的半导体膜的区域或仅仅对半导体膜进行选择加热的装置。

在本发明的较好的方案中，作为选择加热装置，可以使用遮光掩模。使用遮光掩模例如仅仅向基片上边的形成了半导体膜的区域照射用来退火的光。采用避免向不需要的区域进行照射的办法，可以抑制不需要的基片的温度上升。另外，若使用遮光掩模，光借助于光的绕射而照射到比开口部分的图形还大的区域上进行加热。就是说，如图12所示，图中用箭头表示的光，在通过了宽度为D的遮光掩模3的开口部分后进行扩散，也照射到玻璃基片1上边的图中的用x表示的宽度的区域上。为了以良好的效率加热液晶面板等在基片上边以微小的间隔配置的多个半导体膜，希望把借助于该绕射而加热的区域的宽度形成得比想要加热的半导体膜的配置间隔还小。这时，光的波长(λ)、衍射角(θ)和开口部分的宽度(D)，可以用下式表示。

sinθ＝1.22×λ/D

在D＞＞λ的条件下，宽度x可以用含有基片1与遮光掩模3之间的间隔Δ和开口部分的宽度D的下式近似地表示。

x～Δ×1.22×λ/D

由于绕射依赖于开口部分图形的宽度D和透明基片与遮光掩模的间隔Δ，故可以把它们设定为恰当的值，例如设定为使下式成立的值。

D+2x＜(像素的节距)

在这里，如果把掩模3的开口部分图形作成为比想要加热的区域的图形小，则绕射将增大。由于衍射光所照射的区域比直接光所照射的区域更难于加热，故要想效率良好地加热半导体膜，理想的是减小x，增大D。

当减小基片1与遮光掩模3之间的间隔Δ时，光的绕射将减小。但是，当考虑掩模3的挠曲、振动等时，其间隔Δ，从实用上说最小为0.1mm。若减小间隔Δ，由于宽度x变小，故可以使用更为精细的开口部分图形。但是，如果减小宽度D则宽度x将变大。如果使半导体间的节距变成为一般的液晶面板的节距的50微米，则根据上式开口部分的宽度D最小也将是5微米。当开口部分的宽度D大于要退火的半导体膜的宽度时，直接光就会照射到不需要的区域上。从实用上说，D的最大值为100微米。由于宽度D越大则宽度x就越小，故理想的间隔Δ是作成为最大为10微米。

在本发明的另外的较好的方案中，作为选择加热装置，使用仅仅使由光投射装置投射的光中规定的波长成分透过的光学滤光片。例如，采用排除基片吸收的波长区域的光的办法，抑制不需要的基片温度的上升，有效且选择性地加热半导体膜。

如图11a所示，玻璃基片对与其光学性禁带宽度相对应，波长不足350nm的光的吸收率极其高。此外，如图11b所示，波长超过2.5微米的光的吸收率高。因此，理想的是排除这些玻璃基片的吸收率高的波长成分。

例如，把进行截止的最短波长为2.5微米以上的低通滤光片用做光学滤光片。另外，波长超过700nm的光，将加热玻璃基片、金属膜等，但几乎不被半导体膜吸收。因此，更为理想的是使用进行截止的最短波长为700nm以上的低通滤光片。

此外，为了防止与光学性禁带宽度对应的透明基片的吸热，使用进行截止的最长波长为350nm高通滤光片。借助于此，就会切断提高构成透明基片的材料的能带能级的波长的光。

更为有效的是使用波长区域为350～2.5微米，最好使用透过被多晶硅膜的吸收大的波长区域为350～700mm的光的带通滤光片。

如果把由与透明基片同一的材料构成的基片，例如在表面上形成半导体膜或金属布线之前的同样的透明基片用做光学滤光片，则在灯泡光到达已形成有要进行退火的半导体膜的透明基片上之前，其中的加热透明基片的波长成分就几乎被作为滤光片的基片吸收，故可以更为容易且有效地加热半导体膜。

作为选择加热装置，把上述的遮光掩模和光学滤光片组合起来使用是有效的。就是说可以用遮光掩模，仅仅向所希望的区域照射由投射装置投射的光中那些透过光学滤光片的所希望的波长区域成分。

在本发明的再一个理想的方案中，与透明基片的形成了半导体膜的面和其相反一侧的面分别对置那样地配置光学投射装置，而选择加热装置设置于其中一侧，例如透明基片的已形成了半导体膜的面和与之相对置的光投射装置之间。配置有选择加热装置的一侧的光投射装置，向透明基片投射用来进行退火的光，另一方的光投射装置，为了在退火开始时对透明基片进行预备加热，向整个基片投射含有基片进行吸收的波长区域的成分的灯泡光。

也可以把选择加热装置配置在透明基片的两侧，从两面加热半导体膜。例如，在进行了上述的预备加热后，用遮光掩模等的加热装置从两面选择性地加热半导体膜。采用从两面加热半导体膜的办法，就可以均一性良好地进行高速且高温的处理。

在本发明的再一个理想的方案中，还配置有用来使光投射装置和透明基片之间的相对位置变化的变位装置。例如，来自光投射装置的光所照射的区域，比基片或形成了要进行退火的半导体膜的区域还小，且变位装置连续地或断续地使光投射装置和透明基片之间的相对位置变化，使得来自光投射装置的光向基片的整个面或形成了半导体膜的整个区域照射。通过设置变位装置，即便是在使用大型基片的情况下，也可以加热所希望的区域。此外，由于来自光投射装置的光所照射的区域可以是基片的一部分，故可以减少要求大功率的光投射装置的功耗。变位装置例如在基片与光投射装置之间的相对位置固定的状态下，使基片或光投射装置的一方移动。在这里，当基片与选择加热装置之间的相对位置变动时，由于光的绕射或强度的变化将使退火条件变动，故理想的是固定基片等后再使光投射装置进行移动。

在本发明的再一个理想的方案中，还配置有用来抑制选择加热装置的温度上升或起因于它的劣化的冷却机构。

上述的灯泡退火装置可以在多晶硅薄膜晶体管的制造中使用。例如，借助于退火处理使注入到多晶硅膜中的杂质激活化。倘若采用本发明则可以在抑制玻璃基片的温度上升的同时选择加热多晶硅膜。具体地说，可以使玻璃基片的温度比其软化点即约600℃低的同时把多晶硅膜加热到800℃左右。借助于此，就可以在充分激活化的同时，完全除去因杂质注入而产生的损伤。

灯泡退火，可以在例如含有氮氢化合物、氧化氮化合物或者它们的混合物的气氛中进行。被加热到800℃左右的多晶硅，与气氛气体进行反应而被氧氮化。通过氧氮化，就可以在与作为在其上边形成的绝缘层的氧化膜之间形成界面能级少的界面。此外，由于在半导体氧化膜的界面附近可以形成富氮区域，故可以缓和因晶格常数的不同而产生的界面应力。

此外，如果在含有氧或臭氧的气氛中进行上述的灯泡退火，由于被加热到800℃左右的多晶硅膜与氧或臭氧进行反应而氧化，故可以得到优质的半导体/氧化膜界面。

本发明的另外的灯泡退火装置，是一种用于对在基片上边形成的半导体膜进行退火的装置，其具备：

向透明基片上投射用来加热在其上边形成的半导体膜的光的光投射装置；

测定透过了半导体膜和透明基片或被半导体膜反射的规定的波长的光的测定装置；

根据用光测定装置得到的测定结果，评价半导体膜的结晶状态的结晶评价装置；

根据用结晶评价装置得到的评价结果，控制半导体膜的处理条件的光照射控制装置。

本灯泡退火装置，是在根据灯泡退火使半导体膜从非晶状态结晶化的过程中，着眼于规定的波长区域的反射率和透过率显著地变化的装置。在本灯泡退火装置中，设置有：实时测定半导体膜的反射率和透过率的测定装置；采用在处理中或处理的前后测定半导体膜的反射率和透过率的办法，评价半导体膜的结晶状态，根据其结果控制光投射装置的投射光的强度和焦距等的处理条件的装置。采用具备测定来自在透明基片上边形成的半导体膜的反射光或其投射光的装置的办法，就可以在灯泡退火处理中实时观察半导体膜的结晶状态。此外，通过设置根据所测定的结晶状态控制灯泡退火的处理条件的装置，就可以边观察半导体膜的结晶状态边进行反馈控制。因此，可以实现能够得到所希望的半导体膜的灯泡退火装置。

光测定装置，检测本光投射装置投射的光或来自另外设置的评价用光源的光。

理想的是设置使光投射装置与基片之间的相对位置变化的装置。边向要进行退火的基片照射来自光投射装置的光，边使基片与光投射装置的相对位置连续地或台阶式地变化。在该情况下，就不再需要使得整个基片都被包含在光投射装置的照射区域内，且同时对整个基片进行退火处理。此外，大面积的基片也可以使用了。由于仅仅向基片的一部分上照射光，故可以测定退火后的部分的半导体膜的结晶性并使其结果反映同一基片的未处理部分。例如，可以在基片的一端设置测试用的部分，根据对该部分的处理后的结晶性进行评价的结果，设置更为合适的处理条件，并根据该条件进行其它的部分的处理。

如果作为测定反射光或透过光的装置，2维地配置多个元件，就可以在退火处理中测定半导体膜的结晶状态在基片面内的分布。因此，就可以根据其结果控制退火条件。例如，采用对每一个区域中的处理状态进行评价并把其结果反馈给处理条件的办法，就可以在同一基片内的区域间均一地对半导体膜进行退火。

如果对在来自半导体膜的反射光或透过光中，其光谱因多晶硅膜的结晶状态而最为显著地变化的波长为400～500nm的成分进行分光分析，则可以以良好的精度评价结晶状态。此外，借助于这样的波长区域成分的照度测定也可以进行结晶状态的评价而不依赖于分光分析。于是，光测定装置，理想的是检测波长为400～500nm的范围的光。

光照射控制装置，根据通过反射光或透过光的测定而得到的结晶状态，例如控制光照射装置的功率。如果在判定为半导体膜从非晶质改质为多晶硅的时刻减小向该区域照射的光的强度，另一方面，增大向本身为非晶质的部分照射的光的强度，则可以确实且均一地进行退火处理。

也有根据结晶状态的评价结果进行灯泡的焦距的控制的方法。在像UV灯泡等那样，在改变功率时，灯泡光在一段时间内不稳定之类的灯泡的情况下，比起控制灯泡功率来，使焦距变化的一方可以进行精度良好的处理。

在具有使灯泡与基片的相对位置变化的装置的装置中，根据结晶状态的评价结果进行灯泡与基片的相对变位速度的控制的方法也是有用的。在处理大面积的移动型的灯泡退火装置中，也可以边确认结晶状态边进行灯泡退火处理。

上述光投射装置的光源，例如可以使用卤素灯泡。卤素灯泡，由于具有在波长为1微米左右的地方具有峰值的宽频谱，玻璃基片的吸收率高的波长为大约3微米以上的成分少，从近红外到紫外的成分多，故可以选择性地加热半导体膜。卤素灯泡还具有稳定性优良的优点。

此外，对于选择加热来说，光投射装置也可以使用更为优良的UV灯泡和准分子灯泡。倘使用金属卤化物灯泡、氙灯泡等的UV灯泡，则由于来自这些灯泡的光含有大量多晶硅或非晶硅进行吸收而玻璃基片不吸收的从近红外到紫外的光，故可以对半导体膜进行选择性加热。此外，准分子灯泡在强度这一点上虽然不如UV灯泡或卤素灯泡，但是由于在从紫外到真空紫外(VUV)的区域内具有单一的峰值，且只在以峰值为中心的极其狭窄的区域内发光，故若把它用做光源，则可以对特定的膜选择性更好地进行加热。

氙灯泡等的闪光灯泡，虽然是很短的一瞬间，但是由于是大功率的亮灯，故若把它用做光源则可以选择性更好地加热半导体膜。在该情况下，采用在使闪光灯泡亮灯后测定反射光或透过光的办法来评价半导体膜的结晶性。若尚未结晶化则再次使闪光灯泡亮灯，若已经结晶化则在此结束退火处理。

本发明的灯泡退火装置，可以在导入到半导体膜中的杂质的激活化中使用。在灯泡退火装置的情况下，由于在退火处理中可以实时测定半导体膜从非非晶质变化为多晶硅的过程，故可以防止超规格(overspec)下的退火。此外，在同一基片内和基片间不均一性小，可以确实地使半导体膜激活化。

此外，采用在退火处理中或处理前后测定半导体膜的反射率或透过率，由其结果判定半导体膜的结晶状态的办法，可以正确地评价处理状态。借助于此，就不会产生因超规格(overspec)进行加热引起的基片的形状变化，得以使激活化和结晶化正确地进行。此外，采用测定反射率或透过率的面内分布，根据其结果进行退火处理的控制的办法，可以在面内均一地进行激活化和结晶化。

本发明的显示元器件用基片，具备透明基片和由在其上边形成的薄膜晶体管构成的开关元件，透明基片的形成了开关元件的区域中的折射率比其它的区域中的折射率小。

附图说明

图1的概略纵剖面图示出了本发明的一个实施例的灯泡退火装置的主要部分。

图2a、图2b和图2c的概略纵剖面图示出了在同一实施例中制造多晶硅薄膜晶体管的工序的各个阶段中的基片的主要部分。

图3的概略纵剖面图示出了本发明的另外的实施例的灯泡退火装置的主要部分。

图4a、图4b、图4c和图4d的概略纵剖面图示出了在同一实施例中制造多晶硅薄膜晶体管的工序的各个阶段中的基片的主要部分。

图5的概略纵剖面图示出了本发明的再一个实施例的灯泡退火装置的主要部分。

图6a的概略斜视图示出了本发明的再一个实施例的灯泡退火装置的主要部分，图6b的概略框图示出了同一装置的构成。

图7a、图7b和图7c的概略纵剖面图示出了在同一实施例中制造多晶硅薄膜晶体管的工序的各个阶段中的基片的主要部分。

图8a的概略斜视图示出了本发明的再一个实施例的灯泡退火装置的主要部分，图8b的概略框图示出了同一装置的构成。

图9的概略平面图示出了在同一实施例中使用的基片的构成。

图10a的特性图示出了光的波长与退火处理前或后的半导体膜的反射率之间的关系，图10b特性图示出了光的波长与退火处理前或后的半导体膜的透过率之间的关系。

图11a的特性图示出了玻璃基片对于短波长的光的透过率、反射率和吸收率，图11b的特性图示出了玻璃基片对于长波长的光的的透过率。

图12的模式图示出了在使用遮光掩模的灯泡退火中投射光的绕射。

具体实施方式

以下，用附图详细地说明本发明的理想的实施例。

实施例1

图1示出了本实施例的灯泡退火装置。

在在表面上形成了要进行退火处理的半导体膜(未画出来)的玻璃基片1的上方，彼此平行地把多个加热用的灯泡2配置在同一平面上。反射镜8a把从灯泡2a投射来的光变成大体上平行的光向基片1照射。

在灯泡2a与基片1之间，配置具有规定的图形的遮光掩模3a和光学滤光片4a。遮光滤光片3a，仅仅向基片1表面的规定的区域照射来自灯泡2a的光。光学滤光片4a仅仅使来自灯泡2a的光中规定的波长的波长区域的成分透过。因此，可以向基片1的规定的区域上照射规定的波长的光。

例如，遮光掩模3a，例如具有与基片1上边的半导体膜对应的图形的开口部分，仅仅向基片1的存在半导体膜的区域照射来自灯泡2a的光。滤光片4a仅仅使350nm～2.5微米的波长区域的光透过。该波长区域的光由于由玻璃进行的吸收小，故几乎不加热基片1。在基片1上边形成的半导体膜为多晶硅的情况下，更为理想的是滤光片4a仅仅允许350nm～600nm的波长区域的光透过。硅由于对该波长区域的光显示出高吸收率，故可以高效率地加热半导体膜。因此，可以对半导体膜进行选择加热而不会加热别的薄膜等。

灯泡2a、遮光掩模3a和滤光片4a被收容在框体5a内。在框体5a上设置有吸气口6a和6b及排气口7a和7b，遮光掩模3a和滤光片4a，如图中用箭头表示的那样，采用使氮等的反应性低的气体在框体5a的内部进行循环的办法进行冷却，防止其形状的变化或特性的劣化。

在基片1的下方，也彼此平行地把多个加热用的灯泡2b配置在同一平面上。灯泡2b，通过反射镜8b向基片1的另外的面照射光。灯泡2b与灯泡2a同样，是用来加热基片1上边的半导体膜的灯泡的同时，也可用来对基片1进行预备加热。借助于该预备加热，就可以更为高速地加热基片1上边的半导体膜。例如，在开始退火的当初，不使用遮光掩模3b和光学滤光片4b地向基片1的另外的面均匀地照射来自灯泡2b的光。当预备加热结束后，就向灯泡2b间插入遮光掩模3b和滤光片4b，使得从背面选择加热半导体膜。另外，虽然没有画出来，在收容灯泡2b、遮光掩模3b和滤光片4b的框体5b中，也设置有与框体5a同样的冷却机构。

基片1的周围气氛，可以根据需要用氮气、氧气等替换。

以下，对使用本灯泡退火装置的具体的退火处理的例子进行说明。

首先，如图2a所示，在玻璃基片1上边，作为用来防止杂质从基片向在其表面上所要形成的半导体膜混入的底涂层绝缘膜10，用等离子体CVD法形成厚度为2000～4000的SiO₂。在再在其上边用CVD法形成了厚度500～1000的非晶硅层之后，借助于准分子激光退火使之结晶化，得到优质的多晶硅膜11。

对这样地在基片1上边形成的多晶硅膜11，用上述灯泡退火装置在氧气或臭氧气氛中实施退火处理，同时使多晶硅膜1的表面热氧化形成热氧化膜12。把金属卤素灯泡等的UV灯泡用做灯泡2a和2b，从基片1的上表面或两面选择加热多晶硅膜11。另外，在本实施例中，由于在使多晶硅膜11图形化之前进行灯泡退火，故也可以不使用遮光掩模3a和3b。在来自灯泡2a的光中，玻璃基片1吸收的波长为350nm以下的成分，由于全部可以被在玻璃基片1上边形成的多晶硅膜11吸收，故滤光片4a可以使用仅仅透过波长2.5微米以下的光的高频截止滤光片，以便截止在多晶硅膜1中不被吸收而在玻璃基片1中被吸收的光。

另一方面，来自灯泡2b的光，由于在透过了玻璃基片1之后，向多晶硅膜11照射，故滤光片4b使用切断玻璃基片1所吸收的波长比350nm还短的光和波长比2.5微米还长的光的带通滤光片。借助于此，就可以使玻璃基片1保持在比其软化点600℃还低的温度的同时，一时地把基片1上边的多晶硅膜11加热到800℃左右的高温，如图2a所示，在其表面上形成厚度数十左右的热氧化膜12。借助于此，就可以在多晶硅膜11和要在其上边形成的栅极绝缘膜之间得到界面能级少的界面，可以得到亚阈值特性、迁移率等方面优良的薄膜晶体管。此外，归功于界面能级减少，所得到的薄膜晶体管，对热载流子的可靠性也会提高。

灯泡退火后用等离子体CVD或常压CVD法形成作为栅极绝缘膜13的厚度为500～1000左右的SiO₂膜。接着，用溅射法在栅极绝缘膜13上边形成例如由钽构成的厚度3000的层，然后把该层加工成规定的图形，如图2b所示，得到栅极电极14。在形成了栅极电极14之后，用离子掺杂法向多晶硅膜11内自我匹配地赋予n导电型或p导电型的杂质，形成源极区域11a和漏极区域11b。

再在其上边，作为绝缘层，用等离子体CVD形成了SiO₂膜后，形成接触孔，在该处形成源极电极15和漏极电极16，完成图2c所示的多晶硅薄膜晶体管。

实施例2

图3示出了本实施例的灯泡退火装置的构成。反射镜8a，在使从配置在基片1的上方的灯泡2a投射出来的光聚光后，向在基片1上方的图中用W表示的宽度为数毫米左右的区域照射。从灯泡2a投射出来的光，透过滤光片4a和遮光掩模3a后照射到基片1的表面上。灯泡2a和反射镜8a已被一体化，如图中用箭头表示的那样，从基片1的一方的端部的上方移动到另一方的上方。采用像这样地使灯泡2a和基片1进行相对移动的办法，由于灯泡光不再需要总是向整个基片1上照射，故即便是使用大型的基片1，也可以使其整个面退火，因而灯泡2a所需要的功率将减少。在这里，由于若在把灯泡2a固定起来的状态下使基片1、遮光掩模3a和滤光片4a移动，则有可能因运送时的振动会使它们的相对位置变化，故理想的是在把基片1、滤光片4a和遮光掩模3a分别固定起来的状态下，使灯泡2a移动。

配置在基片1的下方的灯泡2b与在实施例1的灯泡退火装置中使用的灯泡同样，通过反射镜8b向整个基片1上均匀地照射光。另外还可以根据需要，在灯泡2b一侧配置与遮光掩模3a和滤光片4a起着同样功能的遮光掩模3b和滤光片4b。

以下，对使用本灯泡退火装置的具体的退火处理的例子进行说明。

如图4a所示，在玻璃基片1上边形成底涂层绝缘膜10。接着，在在其上边形成了非晶硅层之后，用准分子激光器使之结晶，得到多晶硅膜11。在把多晶硅膜1加工成规定的形状之后，用等离子体CVD在多晶硅膜11的上边形成SiO₂膜。用溅射法在该SiO₂膜上边淀积钽，再把该层加工成规定的形状，形成栅极电极14。接着，通过在其上面形成的栅极电极14作为掩模的蚀刻，来加工SiO₂膜从而形成栅极绝缘膜13。然后，以栅极电极14作为掩模，用5～15kV的加速电压向多晶硅膜11中掺入10¹³～10¹⁴/cm²左右的磷或硼等的杂质，如图4a所示，在多晶硅膜11内形成低浓度区域11c。如图4b所示，在形成了抗蚀层18使得把栅极电极14和其附近的低浓度区域11c覆盖起来之后，用5～15kV的加速电压向低浓度区域11c的已露出来的部分内掺入5×10¹⁴～2×10¹⁵/cm²左右的与在低浓度区域11c的形成时使用的杂质相同的杂质，形成杂质浓度高的源极区域11a和漏极区域11b。

在除去了抗蚀层18后，用上述灯泡退火装置，使多晶硅膜11退火。例如，灯泡2a和2b，使用金属卤素灯泡等的UV灯泡，滤光片4a使用透过350～600nm的波长区域的光的带通滤光片，在N₂O气氛中进行退火。此外，遮光掩模3a和3b，使用被图形化为使仅仅向多晶硅膜11内分别照射来自灯泡2a和2b的光的遮光掩模。来自灯泡2a、2b的投射光向玻璃基片1的两面照射，玻璃基片1保持软化点以下的温度不变，在其上边形成的多晶硅膜11则被加热到800℃左右的高温。借助于该加热，在多晶硅膜11中可以进行所掺杂进来的杂质的激活化和因掺杂而产生的损伤的恢复，同时将成为沟道部分的多晶硅膜11的已经露出来的两面被氧氮化。此外，借助于该加热，多晶硅膜11和栅极绝缘膜13之间的界面被改质。在这里，由于在低浓度区域11c和沟道区域之间的边界部分的附近氮易于通过栅极绝缘膜13进行扩散，故在被栅极绝缘膜13被覆起来的多晶硅膜11中一直到从其表面算起的数十左右的深度为止都被氧氮化，如图4c所示，形成氮氧化膜19。在该被氧氮化的区域中，由于多晶硅膜1和栅极绝缘膜13之间的界面附近变成为富氮，故在这里将形成耐压高且不怕热载流子、其构造接近Si₃N₄的非常致密的界面。此外，借助于加热，栅极绝缘膜13的两个端部从因掺杂而形成的损伤恢复过来，栅极绝缘膜13的耐压提高。

如图4d所示，在用等离子体CVD作为层间绝缘膜17形成了由SiO₂构成的层后，形成接触孔，在那里形成源极电极15和漏极电极16完成多晶硅薄膜晶体管。

另外，上述灯泡退火也可以在层间绝缘膜17形成后进行。

实施例3

图5示出了本实施例的灯泡退火装置的概略。

由配置在玻璃基片1的上方的灯泡2a投射过来的光，与在实施例2的灯泡退火装置中使用的光同样，在用反射镜8a聚光后，透过光学滤光片4a和遮光掩模3a照射到基片1上。来自配置在基片1的下方的灯泡2的投射光，同样在用反射镜8b聚光后，透过光学滤光片4b和遮光掩模3b照射到基片1的另一方的面上。采用像这样地用上侧的灯泡和下侧的灯泡同时加热的办法，就可以把半导体膜加热到更高的温度。例如，在基片1为玻璃基片，半导体膜为多晶硅膜的情况下，配置在基片1的上方的滤光片4a允许2.5微米以下的波长区域的光透过，遮光掩模3a仅仅向基片1的存在半导体膜的区域照射来自灯泡2a的光。在这里波长350nm以下的光虽然可以被玻璃吸收，但是，由于被在其上边形成的半导体膜吸收，故不会到达基片1。因此，玻璃基片不会被加热，仅仅半导体膜被选择加热。另一方面，配置在基片1的下方的滤光片4b，在来自灯泡2b的光之内，仅仅使波长350～600nm的波长区域的成分透过。遮光掩模3b仅仅向形成了半导体膜的区域照射光。

波长比350nm短的光，因被玻璃基片1吸收而加热玻璃基片1。此外，波长比600nm还长的光，由于可能被半导体膜吸收的比较少，进一步会借助于透过了遮光掩模3b后的绕射也照射到半导体膜以外的区域上，故滤光片4b理想的是使用允许透过波长350nm～600nm的光的滤光片。

采用像这样地从基片的两面照射用来退火的光的办法，就可以在更高的高温下使半导体膜退火。此外，采用从基片背面照射灯泡光的办法，就可以在从基片表面一侧照射灯泡光时，用金属膜等直接加热被遮光的区域的半导体膜。

虽然未画出来，但是在本实施例的灯泡退火装置中，也设置有与实施例1的冷却装置同样的冷却装置。

另外，是否已在抑制玻璃基片的温度上升的同时使半导体膜适当地退火，例如只要测定玻璃基片的折射率就会一目了然。倘采用使用本发明的灯泡退火装置的选择加热，由于几乎可以抑制玻璃基片对光的吸收，故基片的温度上升可以看作是仅仅由来自半导体膜的传热引起的。就是说，基片的已形成了半导体膜的区域，与其它的区域比被暴露在高热中。在灯泡退火的情况下，在退火中，由于温度上升的部分会被急剧地冷却，故在那里易于产生畸变。因此，倘采用本发明，在已形成了半导体的区域内与未加热的其它的区域比折射率将减小。

因此，采用在退火处理后，测定基片的形成了半导体膜的区域的折射率和其它的区域的折射率，使它们相互比较或与退火处理前的基片的折射率进行比较的办法，就可以评价选择加热的程度。可以这样地进行判断：在形成了半导体膜的区域与其它的区域的折射率之间折射率之差越大，越可以在更高的高温下加热半导体膜，越可以得到优质的半导体膜。

另外，在现有的灯泡退火的情况下，或者是由于整个基片被加热到高温，两者之差几乎看不出来，或者是由于已形成了半导体膜的区域的基片散热慢，折射率反而比别的区域增大。此外，在使用准分子激光或退火炉的退火中也同样，看不出在使用本发明的灯泡退火装置的情况下的那样的折射率之差。

实施例4

图6a和6b示出了本实施例的灯泡退火装置。

如图6a所示，加热用灯泡21和22，在大致在同一平面上被配置为网格状。玻璃基片1被配置为使得已形成了要进行退火处理的半导体膜(未画出来)的面与这些灯泡21和22彼此对置。由灯泡21和22投射过来的光均匀地向整个基片1的上表面上照射，在基片1的表面上形成的全部半导体膜被一齐加热。

被配置为与基片1的已形成了半导体膜的面相向的分光器23，在基片1的拐角部分或中央部分分别检测从灯泡21和22照射过来的光中被基片反射的光。另外，在测定透过光的情况下，分光器23被配置成与基片1的另外的面对置。

来自灯泡21和22的光的一部分，虽然会被半导体膜吸收或透过基片1，但剩下的光作为反射光则返回到灯泡21和22一侧去。反射光的光谱和透过光的光谱，取决于在基片1上边形成的半导体膜的结晶状态而变化很大。特别是在硅的情况下，如图10a和图10b所示，由于400～500nm的波长区域的光谱伴随着结晶状态的变化的变化大，故采用对该区域的光谱形状进行评价的办法，就可以了解结晶状态。

每一个分光器23，如图6b所示，都对入射光分光，把与该光的400～500nm的波长区域的的光谱有关的信号功率至控制部分25。控制部分25的评价单元25a，使来自分光器23的信号彼此间或与预先存储好的光谱的模型进行比较，对各个分光器检测出来的反射光的区域中的半导体膜的结晶状态进行评价。控制单元25b，根据由评价单元25a得到的膜的结晶状态，控制灯泡21和22的各自的功率。例如，在从非晶硅状态变化为结晶性的区域的情况下，使向该区域照射光的灯泡21或22的功率减小或变成为0。此外，在尚未结晶化的区域的情况下，则加大对应的灯泡21或22的功率。一般地说，这样的灯泡的配置，基片1的中央部分比易于散热的端部温度更低。因此，中央部分的半导体膜将先结晶化。这时，要减小中央部分的灯泡21和22的功率或使之变成为0，并加大端部的的灯泡的功率。在端部的半导体膜已结晶化的时刻，使所有的灯泡21和22的功率都变成为0。借助于此，就可以使端部的半导体膜充分地结晶化而不会使在基片1的中央部分形成的半导体膜超规格(overspec)地被加热。

采用不使用控制灯泡的功率而代之以改变灯泡与基片之间的距离的办法，也可以控制半导体膜的结晶化。例如，设置使图6a所示的每一个灯泡21和22在图中上下移动的装置，控制部分25控制它们的上下移动来代替对灯泡21和22的功率控制。就是说，控制部分25使与想要调整照射到半导体膜上的光能的部分对应的灯泡21或22的位置上升或下降。在已变更了功率时在其投射光的强度的稳定需要长时间的氙灯泡、金属卤素灯泡等的UV灯泡或准分子灯泡的情况下，比起控制灯泡的功率来，理想的是控制灯泡的位置。

另外，在作为灯泡使用氙灯泡等闪光灯泡的情况下在闪光灯泡亮灯后评价结晶状态，如果尚未结晶化则再次使闪光灯泡亮灯，而不是在退火期间进行控制。采用在全部都已结晶化的时刻结束退火处理的办法，可以使半导体膜确实地结晶化。但是，在该情况下，在灯泡已关灯时，由于必须测定反射光或透过光以评价结晶状态，故作为结晶评价用的光的光源，必须与加热用的灯泡不同地配置为使得白色光源、He-Ne光源等对于各自的分光器使其反射光或透过光向分光器入射。

另外，没有必要非要准备多个测定反射光的分光器并把它们配置成2维不可，例如也可以把分光器仅仅配置在与温度最低的基片端部对应的地方，在入射到该分光器上的光的光谱已变成为结晶化的半导体膜的光谱的那一时刻，使所有的灯泡关灯，结束退火处理。借助于此，就不会超规格(overspec)地加热半导体膜，而可以正确地结晶化。

以下，对使用本灯泡退火装置的具体的灯泡退火的例子进行说明。

首先，如图7a所示，在玻璃基片1上边，用CVD法，作为用来防止杂质从基片1向要在其表面上形成的半导体膜混入的底涂层绝缘膜10，形成厚度2000～4000的SiO₂膜。再在其上边用CVD法形成了厚度500～1000的非晶硅层之后，用准分子激光退火使之结晶化得到优质多晶硅膜11。在使所得到的多晶硅膜11图形化为所希望的形状后，再在其上边，用CVD法作为栅极绝缘膜13形成厚度约1000的SiO₂膜。其次，在用溅射法形成了例如由钽构成的厚度2000的层之后，把该层加工成规定的图形，形成栅极电极14。在形成了栅极电极14之后，掺进磷或硼等的杂质，如图7b所示，在多晶硅膜11中，自我匹配地形成源极区域11a和漏极区域11b。

接着，用上述的灯泡退火装置进行已注入到源极区域11a和漏极区域11b内的杂质的激活化。激活化工序用来使注入进来的杂质向硅的位置移动，放出载流子，但也用来使因掺杂而非晶质化的多晶硅结晶化。

例如，用每一条6kW的功率使作为灯泡21和22的金属卤素灯泡亮灯，向在图7b中用箭头表示的方向照射光。这时，边用配置为2维的分光器测定在基片1上边形成的多晶硅膜11的结晶状态，边根据其变化，控制灯泡21和22的各自的功率或这些灯泡的各自的距基片1的距离。

在激活化处理后，用CVD法形成作为层间绝缘膜的SiO₂膜。接着，形成接触孔，并在该处配置源极电极15和漏极电极16，如图7c所示，完成多晶硅薄膜晶体管。

实施例5

图8a和图8b示出了本实施例的灯泡退火装置。

用来加热半导体膜的灯泡2，例如是卤素灯泡，向已形成了要加工的半导体膜(未画出来)的玻璃基片1的整个范围内投射加热用的光。反射镜8使来自灯泡2的光聚光并向基片1照射。基片1借助于运送装置被运送到图中的箭头方向。因此，基片1就边被运送边退火处理基片1内通过图中灯泡2的下边的区域的半导体膜。评价用光源24a向基片1的尚未进行退火处理的区域照射白色光或He-Ne光。分光器23a检测来自光源24a的光中透过了基片1的成分。评价用光源224b，向基片1的已退火处理的区域照射白色光或He-Ne光，分光器23b检测来自光源24b的光内透过了基片1的成分。

控制部分25，根据来自分光器23a和23b的信号实时评价半导体膜的结晶状态。例如根据两个信号评价半导体膜因退火处理而产生的结晶性的变化。此外，还要与预先存储好来自分光器23b的信号的模式比较，评价处理后的半导体膜的结晶状态。

在基片1上，例如如图9所示，设置有把用来核查退火处理的程度的半导体膜连续地配置在图中用箭头表示的基片1的运送方向上的测试图形1b，分光器23a和23b，分别检测透过该测试图形1b的光。在图中箭头方向运送基片1时，比起要在这里形成薄膜晶体管的晶体管形成区域1a来，要先对测试图形1b的端部施行退火处理。因此，在对晶体管形成区域1a施行退火处理之前，要根据来自与透过了退火后的测试图形1b的光有关的分光器23b的信号进行退化条件的最佳化。控制部分25调整基片1、灯泡2或反射镜8的位置等，使得若根据来自该分光器23b的信号进行评价的退火处理后的半导体膜的结晶性不充分，则继续进行在同一条件下的处理，若尚未正确地结晶化则加大灯泡2的功率，减慢基片1的移动速度，减小基片1上边的光所照射的区域以加大向半导体膜上照射的能量，加大结晶化速度。在晶体管形成区域1a正在进行退火处理期间也同样地可以进行测试图形的评价，并反馈给退化条件。例如，当判断为晶体管形成区域1a在退火处理中结晶化不充分时，例如就使基片1向相反方向移动以再次进行退火处理。

高温表26测定退火后的基片1的温度，向控制部分25功率与所得到的温度有关的信号。控制部分25在基片1的温度例如变成为650℃以上的情况下就判定为处理条件超规格(overspec)并反馈给退火条件。就是说，通过调整灯泡功率、移动速度、灯泡-基片间距离等，防止超过机器性能的退火处理。

工业上利用的可能性

倘采用本发明，由于可以抑制基片的温度上升有选择性地加热半导体膜，故可以在高温下使半导体膜退火而不会发生基片的形状变化。此外，由于可以在最佳的条件下进行灯泡退火处理，故可以正确地均一性良好地进行半导体膜的激活化和结晶化而不会产生基片的形状变化。因此，本发明通过提供可以制造性能和可靠性优良的薄膜晶体管的灯泡退火装置，会对薄膜晶体管的性能和可靠性的提高作出很大的贡献。

Claims (30)

1.一种用来使在基片上边形成的半导体膜退火的灯泡退火装置，具备：

向透明基片投射用来加热的光的光投射装置；

及配置在上述透明基片与上述光投射装置之间，选择加热上述透明基片上边的规定区域的选择加热装置。

2.如权利要求1所述的灯泡退火装置，上述选择加热装置是仅仅向上述透明基片上边的上述规定区域上照射由上述光投射装置投射的光的遮光掩模。

3.如权利要求2所述的灯泡退火装置，上述半导体膜仅仅在上述规定的区域上形成。

4.如权利要求2所述的灯泡退火装置，上述遮光掩模具有最小宽度为5～100微米的开口部分图形。

5.如权利要求2所述的灯泡退火装置，上述透明基片与上述遮光掩模以0.1～10mm的间隔配置。

6.如权利要求1所述的灯泡退火装置，上述选择照射装置是仅仅透过由上述照射装置投射的光中规定的波长成分的光学滤光片。

7.如权利要求6所述的灯泡退火装置，上述光学滤光片是截止波长比规定值还长的光的低通滤光片，而上述规定值为2.5微米以上。

8.如权利要求6所述的灯泡退火装置，上述光学滤光片是截止波长比规定值还长的光的低通滤光片，而上述规定值为700nm以上。

9.如权利要求6所述的灯泡退火装置，上述光学滤光片是截止波长比规定值还短的光的高通滤光片，而上述规定值为350nm以下。

10.如权利要求6所述的灯泡退火装置，上述光学滤光片是截止波长比规定值还短的光的高通滤光片，截止提高构成上述透明基片的材料的能带能级的波长的光。

11.如权利要求6所述的灯泡退火装置，上述光学滤光片由与上述透明基片相同的材料构成。

12.如权利要求6所述的灯泡退火装置，上述光学滤光片是透过波长为350～700nm的光的带通滤光片。

13.如权利要求6所述的灯泡退火装置，上述光学滤光片是透过波长为350～2.5微米的光的带通滤光片。

14.如权利要求6所述的灯泡退火装置，还具备配置在上述光投射装置与上述透明基片之间，仅仅向上述透明基片上边的规定区域照射由上述光投射装置投射过来的光的遮光掩模。

15.如权利要求1所述的灯泡退火装置，上述光投射装置被配置为分别与上述透明基片的一对主面对置，上述选择加热装置被配置在至少其中一方。

16.如权利要求1所述的灯泡退火装置，还具备用来使上述光投射装置与上述透明基片之间的相对位置变化的变位装置，上述光投射装置仅仅向上述透明基片上边的限定的区域照射光。

17.如权利要求16所述的灯泡退火装置，上述透明基片的位置和上述选择加热装置的位置被固定，上述变位装置使上述光投射装置进行移动。

18.如权利要求1所述的灯泡退火装置，还具备用来抑制上述选择加热装置的温度上升的冷却机构。

19.如一种用来使在透明基片上边形成的半导体膜退火的灯泡退火装置，具备：

向在透明基片上边形成的半导体膜投射用来加热上述半导体膜的光的光投射装置；

测定透过了上述半导体膜和上述透明基片或被上述半导体膜反射的规定波长的光的光测定装置；

根据用上述光测定装置得到的测定结果，评价上述半导体膜的结晶状态的结晶评价装置；

根据用上述结晶评价装置得到的评价结果，控制上述半导体膜的处理条件的光照射控制装置。

20.如权利要求19所述的灯泡退火装置，上述光测定装置，检测由上述光投射装置投射过来的光。

21.如权利要求19所述的灯泡退火装置，还具备评价用光源，用来向上述半导体膜投射上述光测定装置所接受的光。

22.如权利要求19所述的灯泡退火装置，还具备变位装置，用来使上述光投射装置与上述透明基片之间的相对位置变化，上述光投射装置仅仅向上述透明基片上边的限定的区域照射光。

23.如权利要求19所述的灯泡退火装置，上述光测定装置，具有大致上配置在同一平面上的多个光检测元件。

24.如权利要求19所述的灯泡退火装置，上述光测定装置，检测波长在400～500nm的范围的光。

25.如权利要求19所述的灯泡退火装置，上述光照射控制装置，根据上述评价结果控制上述光投射装置照射的光的功率。

26.如权利要求19所述的灯泡退火装置，还具备控制由上述光投射装置向上述透明基片投射的光的焦距的焦距变位装置，上述光照射控制装置根据上述评价结果使上述焦距变位装置动作。

27.如权利要求22所述的灯泡退火装置，上述光照射控制装置，根据上述评价结果使上述变位装置动作，使上述透明基片与上述光投射装置之间的相对速度变化。

28.如权利要求19所述的灯泡退火装置，上述光投射装置的光源，是从由高压汞灯灯泡、卤素灯泡、准分子灯泡和闪光灯泡构成的群中选出来的一种。

29.如权利要求19所述的灯泡退火装置，上述光投射装置的光源，是从由高压汞灯灯泡、金属卤素灯泡和氙灯泡构成的群中选出来的UV灯泡的一种。

30.如一种显示元件用基片，具备透明基片和由在上述透明基片上边形成的薄膜晶体管构成的开关元件，上述透明基片的已形成了上述开关元件的区域的折射率比其它的区域的折射率小。

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