JP2000504498A - エネルギービーム結晶化による電子デバイスの製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、薄膜回路素子を具える大面積電子デバイス、例えばフラットパネルディスプレイを製造する方法、及び半導体薄膜(1) の一部分を設定エネルギーのビーム(11)で結晶化するレーザ装置を提供する。ビーム(11)のエネルギーを光検出器(22)からの出力に従って設定し、ビーム(11)が次に照射する半導体薄膜(1)のデバイス部分(3,4及び/又は5)の結晶化をその設定エネルギーで調整する。光検出器(22)は先に結晶化された部分(2) の表面品質を監視する。本発明では、光検出器(22)を結晶化部分(2) の表面により戻される光の正反射光路(25)外の位置に配置し、結晶化部分(2) の表面領域により散乱された光(26)の強度(I_s) のしき増大(D) を検出する。このしきい増大(D) はビーム(11)のエネルギー(E_P) が十分に増大して粗面化の開始を生ずるときに発生する。

Description

【発明の詳細な説明】 エネルギービーム結晶化による電子デバイスの製造 本発明は、エネルギービームを半導体薄膜の表面に導いて薄膜の少なくとも一 部分を結晶化する工程を含む、薄膜回路素子を具えた電子デバイスを製造する方 法に関するものである。この電子デバイスは平坦パネルディスプレイ（例えば液 晶ディスプレイ）とすることができ、また大面積イメージセンサ又は他の幾つか のタイプの大面積電子デバイス（例えば薄膜データストア又はメモリデバイス） とすることができる。本発明は半導体薄膜の一部分を結晶化する装置にも関する ものである。 薄膜トランジスタ（以後ＴＦＴという）及び／又は他の半導体回路素子を具え る薄膜回路を大面積電子アプリケーション用の絶縁基板上に製造する技術の開発 に大きな関心がもたれている。アモルファス又は多結晶半導体薄膜の部分で製造 されるこれらの回路素子は、例えば米国特許明細書ＵＳ−Ａ−５，１３０，８２ ９に開示されている平坦パネルディスプレイのようなセルマトリクス内のスイッ チング素子を構成するものとすることができ、この米国特許明細書の全内容は参 考資料としてここに含まれているものとする。 最近の開発は（通常多結晶シリコンを用いて）このようなセルマトリクスのた めの集積駆動回路のような薄膜回路を製造及び集積することにある。回路速度を 増大するためには、これらの回路のＴＦＴの薄膜アイランドに、良好な結晶品質 及び高い移動度の半導体材料を使用するのが有利である。最初にアモルファス材 料又は低結晶度の材料の半導体薄膜を堆積し、次にこの薄膜の少なくともデバイ ス部分をレーザからのエネルギービームに露光させてデバイス部分に高結晶度の 材料を形成することが知られている。 米国特許明細書ＵＳ−Ａ−５，３７２，８３６は、薄膜回路素子を具える電子 デバイスを製造するにあたり、 (a) エネルギービームを基板上の半導体薄膜の表面領域に向け照射して薄膜の 少なくとも一部分を結晶化するステップと、 (b) 薄膜の結晶化された部分の表面領域に向け光を照射し、表面領域から戻る 光を光検出器で検出し、該検出器から結晶化された部分の表面品質を表す出力を 発生させることにより結晶化された部分の表面品質を監視するステップと、 (c) ビームのエネルギーを光検出器からの出力に従って設定して、ビームが次 に照射される半導体薄膜のデバイス部分の結晶化をその設定エネルギーで行うよ う調整するステップと、 を具える電子デバイスの製造方法を開示している。 このＵＳ−Ａ−５，３７２，８３６の全内容が参考資料としてここに含まれて いるものとする。 ＵＳ−Ａ−５，３７２，８３６に開示された方法及び装置では、光検出器は分 光器１６である。光を結晶化薄膜部分の表面領域に向け印加する光源１７は２０ ０ｎｍから５００ｎｍの広い波長帯域を有する。分光器１６は薄膜の表面領域に より戻される光の正反射光路内に配置される。分光器１６のサンプル出力はＵＳ −Ａ−５，３７２，８３６の図１８−図２１にグラフとして示されている。これ らのグラフは種々の結晶状態における薄膜のバンドギャップ分光反射率を示し、 図１８は理想状態における多結晶シリコン膜の分光反射率を示し、図１９はアモ ルファスシリコン膜の分光反射率を示し、図２０はレーザビームの不十分なエネ ルギーのために多結晶シリコンに不十分に変換されたアモルファスシリコン膜の 分光反射率を示し、図２１はレーザビームの過大エネルギーにより損傷された膜 の分光反射率を示す。 ＵＳ−Ａ−５，３７２，８３６に開示された方法では、半導体薄膜を水素添加 アモルファスシリコン材料としてプラズマＣＶＤ（化学気相成長）法により基板 上に堆積する。薄膜のデバイス部分をレーザビームで多数回露光し、各露光ごと にレーザビームのエネルギーを次第に増大させる。最初に、レーザビームのエネ ルギーレベルは、水素が薄膜の結晶化又は損傷を生ずることなく薄膜から徐々に 放出されるように設定する。レーザビームのエネルギーは最終的に薄膜が多結晶 シリコン材料に変換されるようにセットする。分光器１６は種々の段階における 露光薄膜部分の品質についての良好な情報源をあたえる。 ＵＳ−Ａ−５，３７２，８３６の図１８−図２０から明らかなように、このよ うな分光器に対する正反射構成は、薄膜の結晶化がまだ不十分であり、増大ビー ムエネルギーによる後続の露光により薄膜のもっと強い結晶化を実行すべきであ るか否かの良好な指示を与えることができる。図２１に示すように、このような 構成は、過大エネルギーレベルが使用され、薄膜が損傷されるとき、これを検出 するのにも良好である。しかし、第１３欄、第１２〜１５行記載されているよう に、図２１に示す分光反射率分布が検出されるとき、このサンプルは欠陥品とな る。この時点では損傷状態を修復するには遅すぎ、このサンプルは欠陥品として 廃棄せざるを得ない。 本発明の目的は、このような損傷の発生前に薄膜の監視中の表面品質のしきい 変化の指示を与え、その結果として良好な結晶品質及び高い移動度の結晶化半導 体材料を得るために高いビームエネルギーを使用可能にする異なる光検出構成を 提供することにある。 本発明の第１の特徴は、薄膜回路素子を具える電子デバイスを製造するにあた り、 (a) エネルギービームを基板上の半導体薄膜の表面領域に向け照射して薄膜の 少なくとも一部分を結晶化するステップと、 (b) 薄膜の結晶化された部分の表面領域に向け光を照射し、表面領域から戻る 光を光検出器で検出し、該検出器から結晶化された部分の表面品質を表す出力を 発生させることにより結晶化された部分の表面品質を監視するステップと、 (c) ビームのエネルギーを光検出器からの出力に従って設定して、ビームが次 に照射する半導体薄膜のデバイス部分の結晶化をその設定エネルギーで行うよう 調整するステップと、 を具える電子デバイスの製造方法において、 光検出器を結晶化された部分の表面領域により戻される光の正反射光路外の位 置に配置し、ビームのエネルギーが十分に増大して粗面化が開始するときに発生 する、結晶化された部分の表面領域により散乱された光の強度のしきい増大を検 出し、且つステップ（ｃ）における薄膜回路素子用のデバイス部分の結晶化時に 、ビームのエネルギーを前記しきい増大の検出により決まる値に設定することに ある。 本発明は、ビームエネルギーを増大すると、薄膜が過大エネルギーレベルによ り損傷される前に表面が粗くなること（粗面化）が始まるという本発明者の発見 に基づくものである。粗面化の開始は、「Applied Physics Letters，Vol.66,No .16,17，April 1995，pp.2060-2062に公表された本発明者の論文”Surface roug hness effects in laser crystallized polycrystalline silicon”に記載され ているように、結晶化された半導体材料内の空間的に周期的な摂動（脈動）の急 激な出現に関連するものと思われ、この論文の全内容は参考資料としてここに含 まれているものとする。この粗面化の開始は、膜がメルトスルーに近づいたとき 、即ち膜に吸収されたビームエネルギーが膜の厚さのほぼ全体に亘って基板まで 達する溶融部分を形成するに十分なときに起こる粒子サイズの増大前に起こる。 本発明者は、この特定の粗面化の開始は正反射光の検出により十分な感度で検出 することはできないことを確かめた。しかし、結晶化された表面領域により散乱 された光を検出する本発明の構成は特定の粗面化の開始を検出することができ、 製造状態において信頼できる精密な検出のための十分な感度を提供する。従って 、本発明によればこの粗面化の開始の検出を用いて薄膜の大粒子高移動度結晶状 態のためのビームエネルギーを設定することができる。 このように、本発明によれば、ビームのエネルギーを膜の損傷と関連する過大 エネルギーレベルより下の、大粒子高品質高移動度の結晶材料を生成する値に増 大させることができる。本発明によれば１００ｃｍ² ．Ｖ^-1．ｓ^-1以上の電子移 動度を有する高品質の結晶化された膜部分を高信頼度で得ることができる。一般 に、最大膜移動度に対する最適ビームエネルギーは、散乱光の前記しきい増大に より検出されるこの粗面化の開始が発生するエネルギーと一致しないで、それよ り僅かに高いエネルギーで発生する。従って、最大膜移動度のために、ビームの エネルギーを（Ｅ＋ｄＥ）の値に設定する。ここで、Ｅはこの特定の粗面化の開 始が検出されるエネルギーであり、ｄＥは大面積電子デバイスの大部分の回路素 子に必要とされる薄膜の代表的厚さに対する小さな増分（例えば１０〜６０ｍＪ ．ｃｍ^-2）である。ｄＥの値は後述するようにＥの増大につれて増大する。 基板上の薄膜のバッチをエネルギービームで結晶化するバッチ製造プロセスに おいては、バッチ内の第１の基板の処理中にビームのエネルギーを動作値に設定 し、次にこの動作値をバッチ内の後続の基板に対し使用することができる。しか し、バッチ内の各基板ごとに表面品質を監視し、これに応じてビームのエネルギ ー値を調整するのが有利である。従って、本発明者は、薄膜の厚さに依存するエ ネルギー値Ｅにおいて散乱光の強度にしきい増大が発生することを確かめた。 本発明では、ビームのエネルギー値を任意の所定のサンプルの膜の実際の厚さ に応じて設定して、エネルギー値を各サンプルごとに設定することができるよう にする。従って、ステップ（ｂ）で監視するステップ（ａ）で結晶化された部分 は、ステップ（ｃ）において設定されるエネルギーのビームにより次に結晶化さ れるデバイス部分と同一の半導体薄膜の一部分とすることができる。薄膜のデバ イス部分は、ステップ（ｂ）の監視を実行する膜のテスト表面領域とは別の領域 とすることができる。従って、本発明の方法では、更に、ステップ（ａ）におい てエネルギービームを半導体薄膜のテスト表面領域に向け照射し、ステップ（ｂ ）において散乱光により結晶化されたテスト表面領域の品質を監視してビームの エネルギーを設定値に設定し、設定値のエネルギーを有するエネルギービームを 同一の半導体薄膜の異なる表面領域に向け照射して薄膜回路素子用のデバイス部 分を結晶化するようにすることができる。テスト領域は半導体薄膜の周縁領域に 設けるのが都合がよい。この場合には、エネルギービームにより最初にテスト領 域を走査してそのエネルギーを調整し、その後にデバイス領域を設定値で走査す ることができる。 本発明の第２の特徴は、基板上の半導体薄膜の一部分を結晶化する装置であっ て、 薄膜の一部分を結晶化するためのエネルギービームを発生するレーザと、 基板を装着する支持体を含む処理セルと、 レーザと処理セルとの間に配置され、基板が処理セル内に装着されたときレー ザからのビームを薄膜の表面領域に向け照射する光学系と、 薄膜に入射するビームのエネルギーを変化させる調整手段と、 薄膜の結晶化された部分の表面領域に向け光を照射する光源と、 表面領域により戻された光を検出し、表面品質を表す出力を発生する光検出器 と、 を具える結晶化装置において、 前記光検出器を結晶化された部分の表面領域により戻される光の正反射光路外 の位置に配置し、ビームのエネルギーが十分に増大して表面の粗面化を発生する ときに発生する、結晶化された部分の表面領域により散乱された光の強度のしき い増大を検出し、且つ制御手段により前記光検出器の出力を入力し、ビームのエ ネルギーを前記しきい増大の検出により決まる値に設定する出力を前記調整手段 に供給するよう構成することにある。 ビームのエネルギーは、レーザと処理セルとの間の光学系の一部分を構成する 、ビームの光路内に配置した減衰器又は他の光学素子により設定値に調整するの が好ましい。調整手段として光学素子を使用することは、レーザの電源を調整す ることより好ましい。その理由は、動作中の電源調整によるレーザ自体の調整は 不安定動作を生じやすいためである。 検出する散乱光は薄膜部分を結晶化するのに使用するビームと別個の光源から の光を結晶化された部分の表面領域に照射して得ることができる。しかし、薄膜 部分を結晶化するのに使用するビームをレーザにより発生させ、このレーザ及び その発生ビームにより、ステップ（ｂ）における表面品質の監視用に光検出器に 散乱される光を与えることもできる。 本発明のこれらの特徴及び他の特徴、及びそれらの利点は図面を参照して例示 的に以下に記載する本発明の実施例において詳細に説明する。図面において、 図１は本発明による製造方法に使用するのに好適である本発明によるレーザ装 置の簡略構成図であり、 図２は本発明による電子デバイスの製造中の基板上の半導体薄膜の簡略断面図 であり、 図３は図２の半導体薄膜の種々の領域の平面図であり、 図４は本発明による方法で結晶化した薄膜部分により製造されたＴＦＴの一例 の断面図であり、 図５は、種々の薄膜厚さｔ_si（ｎｍ単位）について、結晶化された薄膜部分の 電子移動度μ_n（ｃｍ² ．Ｖ^-1．ｓ^-1単位）をピークレーザエネルギーＥ_p（ｍＪ ．ｃｍ^-2単位）／パルスの関数として示すグラフであり、 図６は、４０ｎｍの薄膜厚さｔ_siについて、散乱光強度Ｉ_s（任意単位）をピ ークレーザエネルギーＥ_p（ｍＪ．ｃｍ^-2単位）／パルスの関数として示すグラ フである。 図１〜図４は線図であって、一定の寸法比で描いてない。これらの図の種々の 部分の相対寸法及び寸法比は明瞭のため及び図解の便宜上拡大したり縮小してあ る。また、種々の実施例の対応する部分又は同様の部分を同一の符号で示す。 図１〜図３に例示するように、本発明は大面積電子デバイス（例えばＵＳ−Ａ −５，１３０，８２９に開示されているものと同様の平坦パネルディスプレイ） を製造する方法を提供するとともに、このような方法において半導体薄膜１の一 部分を結晶化する装置も提供するものである。 本発明の方法は、 (a) エネルギービーム１１を基板１０上の半導体薄膜１の表面領域に照射して 薄膜１の少なくとも一部分２を結晶化するステップ（図２）と、 (b) 薄膜１の結晶化された部分２の表面領域に光２１を照射し、表面領域から 戻る光を光検出器２２で検出し、該検出器から結晶化された部分の表面品質を表 す出力を発生させることにより結晶化された部分２の表面品質を監視するステッ プ（図１及び図２）と、 (c) ビーム１１のエネルギーを光検出器２２からの出力に従って設定して、ビ ーム１１が次に照射する半導体薄膜１のデバイス部分３、４及び／又は５の結晶 化をその設定エネルギーで行うよう調整するステップ（図１及び図３）と、 を含む。 本発明では、光検出器２２を結晶化された部分の表面領域により戻される光の 正反射光路２５の外部に位置させ、結晶化された部分の表面領域により散乱され た光２６の強度Ｉ_sのしきい増大（図６のＤ）を検出する。このしきい増大Ｄは 、ビーム１１のエネルギーＥ_Pが十分に増大して粗面化が始まるとき、発生する 。そして、ステップ（ｃ）において薄膜回路素子（例えば多結晶シリコンＴＦＴ ）のためのデバイス部分３、４及び／又は５を結晶化する際に、ビーム１１のエ ネルギーを前記しきい増大Ｄの検出により決まる値にセットする。 図１に示す装置は、薄膜１の一部分を結晶化するエネルギービーム１１を発生 するレーザ１００と、基板１０を装着する支持体５１を含む処理セル５０と、レ ーザ１００と処理セル５０との間に配置され、基板１０が処理セル５０内に装着 されたときレーザ１００からのビーム１１を薄膜１の表面領域に向け照射する光 学系１０１〜１０３と、薄膜１に入射するビーム１１のエネルギーを変化させる 調整手段８１、１０１と、光２１を薄膜１の結晶化された部分２の表面領域に向 け照射する光源２０と、表面領域により戻された光を検出し、表面品質を表す出 力を発生する光検出器２２とを具える。 本発明では、光検出器２２を結晶化された部分２の表面領域により戻される光 の正反射光路２５の外部に位置させ、且つ十分な感度を有するものとして結晶化 された部分の表面領域により散乱された光２６の強度Ｉ_sのしきい増大Ｄを検出 する。このしきい増大Ｄは、ビーム１１のエネルギーＥが十分に増大して粗面化 が始まるとき、発生する。制御手段８０により検出器２２を調整手段８１、１０ １に結合し、光検出器２２の出力を入力し、ビーム１１のエネルギーを前記しき い増大Ｄの検出により決まる値に設定する出力制御信号を調整手段８１、１０１ に供給する。 エキシマレーザ１００により発生される紫外波長のパルスレーザビーム１１を 使用するのが好ましい。紫外波長のレーザビーム１１は薄膜１の半導体材料内に おける吸収深さを制御することができる既知の利点を有する。有用なレーザ波長 はＫｒＦレーザからの２４８ｎｍ、又はＸｅＣｌレーザからの３０８ｎｍ，又は ＸｅＦレーザからの３５１ｎｍである。 散乱光検出器２２の挿入及び使用を別にして、図１のレーザ装置はＵＳ−Ａ− ５，３７２，８３６に開示されたもの及び／又はSol1d State Phenomena，Vols3 7-38 (1984)，pp.299-304に発表されたS D Brotherton，D J McCulloch等の論文 「Beam Shape Effects with Eximer Laser CryStallisation of Plasma Enhance d and Low Pressure Chemical Vapour Deposited Amorphous Silicon」に開示さ れたものに類似のものとすることができる。この論文の全内容が参考資料として ここに含まれているものとする。 従って、図１のレーザ装置はレーザ１００の電源８１を具える。電源８１はコ ンピュータ制御システム８０により制御される。コンピュータ制御システム８０ はＸ−Ｙテーブル５２の移動も制御してレーザビーム１１を薄膜１の表面に沿っ て走査させる。ＵＳ−Ａ−５，３７２，８３６に開示されている構成ではＸ−Ｙ テーブルが光学素子を動かしてレーザビーム１１を動かしているが、図１に例示 する構成では、Ｘ−Ｙテーブル５２は基板１０を動かす。図１に示す実施例では 、基板支持体５１はＸ−Ｙテーブル５２に装着されたサセプタである。Ｘ−Ｙテ ーブル５２の位置はコンピュータ制御システム８０からの入力システムにより制 御される。処理セル５０は、例えば真空室とすることができる。 レーザ１００と処理セル５０との間の光学系１０１〜１０３は減衰器１０１と 、ビーム形状を制御するホモゲナイザ１０２と、ビーム１１を偏向する１以上の 全反射ミラー１０３とを具えるものとすることができる。代表的には、光学系１ ０１〜１０３は他の光学素子、例えば１以上の開口及びレンズも具えることがで きる。減衰器１０１はレーザ１００から処理セル５０へ伝達されるビーム１１の エネルギーを制御する。この減衰器１０１は既知のもの、例えばその角度に応じ て透過エネルギーレベルを変化する１以上の傾動透過板とすることができる。こ の板の角度をコンピュータ制御システム８０らの出力信号により既知のように設 定する。 この装置は、ＵＳ−Ａ−５，３７２，８３６の図１８−２１に示されているよ うな、バンドギャップ分光反射率分布を発生する分光器３０を具えることができ る。しかし、最も重要な点は、この装置は本発明に従って設けられ、使用される 散乱光検出器２２を具えることにある。本発明では光検出器２２がその出力をコ ンピュータ制御システム８０に供給する。このとき、コンピュータ制御システム ８０がビーム１１のエネルギーを散乱光２６のしきい増大の検出により決まる値 （Ｅ＋ｄＥ）に設定する。ビーム１１のこのエネルギーの変化は、レーザ１００ の電源８１に供給されるコンピュータ制御システム８０からの出力信号により実 行することができる。しかし、レーザ１００への電力供給はその動作中乱さない ようにするのが好ましい。このため、ビーム１１のエネルギーはコンピュータ制 御システム８０の出力を減衰器１０１に供給して変化させるのが好ましい。 結晶化された薄膜部分２の表面に向け照射する光２１は、薄膜部分２の結晶化 に使用するビーム１１とは別に、光源２０から供給することができる。これがた め、散乱光２６の波長をレーザビーム１１の波長と全く相違させることができる ため、光検出器２２をレーザビーム１１からの戻り光と区別して光源２０からの 散乱光２６に容易に応答するものとすることができる。レーザビーム１１が２４ ８ｎｍのときは、光２１、２６は例えば約３２５ｎｍの紫外波長とすることがで きる。フィルタ及びシャッタ装置２３及び２４を光源２０及び検出器２４の各々 の前に配置して光源２０から検出器２２への光伝達の波長及びタイミングを決定 することができる。散乱光検出器２２は任意の慣例のタイプのもの、例えばフォ トダイオードとすることができる。 しかし、検出器２２に対し別個の光源２０を使用する代わりに、薄膜部分２の 結晶化に使用するレーザビーム１１を、光検出器２２へ散乱されて表面品質を監 視するための光２６を供給するものとすることができる。ビーム１１は、エネル ギー増大前縁からピークエネルギーに達した後にエネルギー減少後縁になる空間 エネルギー分布（例えば走査方向にガウス分布）を有しうる。本発明により達成 されるエネルギー調整は、ピークエネルギー値が膜厚のメルトスルーを達成する のに丁度十分となるように行うことができ、この場合にはエネルギー減少後縁が 薄膜１の大きな粒子成長のための核として小さな粒子の結晶化を与え、高い電子 電界効果移動度を与えるのに一層最適となる。更に、レーザビーム１１の前縁及 び後縁はこのビームをメルトスルー後の冷却薄膜１の結晶品質の監視に使用可能 にする。このため、パルスレーザビーム１１の場合には、次のパルスの前縁が、 前パルスによるメルトスルー後に結晶化された冷却薄膜部分２の表面から検出器 ２２へ光２６として散乱される入射光を与える。この場合には、例えばビーム１ １も散乱光２６も３０８ｎｍの波長を有するものとしうる。このようなパルスの 前縁におけるエネルギー増大は、前記Solid State Phenomenaの論文に記載され ているように、水素リッチＰＥＣＶＤ ａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜１のレーザ結晶化にお ける水素の徐々の放出を達成するのにも有利である。しかし、このような空間エ ネルギー分布を有する整形ビームは水素含有量を殆ど損なわないシリコン膜の結 晶化にも使用することができる。 本発明は既知のタイプの大面積電子デバイスの薄膜回路素子用の多結晶シリコ ン膜内の結晶粒度及び電界移動度を最適にするのに使用することができる。例え ば、図５及び図６に示す実験結果は、ＵＳ−Ａ−５，１３０，８２９の図６に示 されているＴＦＴに類似の所謂”トップゲートコプレーナポリシリコンＴＦＴ” を製造することにより得られたものである。このようなトップゲートコプレーナ ポリシリコンＴＦＴはを図４に示す。ゲート電極４２はＴＦＴのチャネル領域を 与える薄膜１の結晶化された部分上のゲート絶縁膜４１上に存在する。ドープソ ース及びドレイン領域４３及び４４を薄膜１内に形成し、金属膜電極４５及び４ ６と接触させる。このようなＴＦＴはＵＳ−Ａ−５，１３０，８２９に開示され たディスプレイマトリクスのアレイのスイッチング素子を構成する。しかし、こ れらのＴＦＴはディスプレイアレイと同一の基板１０上に集積された行及び列駆 動回路内の回路素子を構成することもできる。 一例として、図３は後に線Ｍ−Ｍ，Ｍ’−Ｍ’及びＮ−Ｎに沿ってスクライビ ングにより４つのディスプレイ要素に分割される基板１０上の薄膜１を平面図で 示す。各ディスプレイ要素は２つの辺が行駆動回路領域４及び列駆動回路領域３ により縁取られたアレイ領域５を具える。薄膜１の全体（即ち領域３、４及び５ ）をレーザビーム１１で結晶化することができる。しかし、必要に応じ、アレイ 領域５をアモルファスシリコン材料のまま保持し、列及び行駆動回路領域３及び ４のみをレーザビーム１１で結晶化することができる。図３に示す構成は、基板 １０上の半導体薄膜１の周縁領域であるテスト表面領域２も具える。このテスト 領域２はデバイス部分３、４及び５と同一の半導体薄膜１の部分である。この場 合には、製造方法はステップ（ａ）においてビーム１１をテスト領域２に向け照 射し、ステップ（ｂ）において結晶化されたテスト領域２の表面品質を散乱光２ ６により監視してビーム１１のエネルギーを設定値に調整し、次に設定エネルギ ー値を有するビーム１１を種々の表面領域３、４及び／又は５に向け照射してそ れぞれのディスプレイ要素の薄膜回路素子用のこれらの部分を結晶化する。 本発明は水素含有半導体薄膜１を結晶化するのに使用することができる。しか し、前記Applied Phisics Lettersの論文及び前記Solid State Phenomenaの論文 に記載されているように、レーザビームによる走査時の膜からの水素の放出はか なりの粗面化を生じうる。本発明で利用する異なる粗面化機構を説明するために 、水素放出により生ずる粗面化との混同を避けるのが好ましい。この理由のた めに、図５及び図６に示す実験結果は、少なくとも薄膜回路素子用の薄膜１のデ バイス部分３、４、５の結晶化時に、水素を殆ど含有しないシリコン材料の半導 体薄膜に対するものである。薄膜１はＰＥＣＶＤ（プラズマエンハンスド化学気 相成長）により成長させることができ、含有水素はレーザ結晶化処理を実行する 前に徐々の加熱によりゆっくり放出させることができる。しかし、薄膜１はＬＰ ＣＶＤ（低圧化学気相成長）により極めて低い水素含有量で堆積することができ る。図５及び図６の場合には、ビーム１１により結晶化する前駆体薄膜１をアモ ルファスシリコンＬＰＣＶＤ層として５４０℃で堆積した。基板１０は二酸化シ リコンの絶縁層１０ａで被覆されたガラス板１０ｂからなる。シリコン膜１はこ の絶縁層１０ａ上に堆積した。図５及び図６の結果のために、二酸化シリコンの ゲート絶縁膜４１をＰＥＣＶＤ反応器内で３００℃で１４０ｎｍの厚さに堆積し た。図４に示すアルミニウムゲート４２を有するとともにコプレーナ構造を有す るＴＦＴを結晶化された膜１を用いて形成する。シリコン膜１をエッチングによ りパターン化してデバイスの個々のＴＦＴ及び他の任意の回路素子用の個々のア イランドに分割する。 図５及び図６に示すピークエネルギーＥ_Pは、例えばSolid State Phenomenaの 論文に記載されているようなビーム１１のセミガウス分布内に発生するピークエ ネルギーである。Ｅ_Pはビーム１１の各パルスのピークエネルギー密度（ｍＪ． ｃｍ^-2単位）である。パルス持続時間は代表的には約３０ｎｓ（ナノ秒）である 。膜１のデバイス部分を約１４０個のレーザパルスで露光し、図５に示す移動度 の結果を得た。 図５はＬＰＣＶＤ前駆体薄膜１の種々の薄膜厚さｔ_siについて、結晶化された 薄膜部分の電界効果電子移動度μ_nの変化を各レーザパルスの入射ピークエネル ギーＥ_pの関数として示す。これらの移動度の結果には明瞭なパターンがある。 領域Ａにおいて、アモルファスシリコン膜から多結晶シリコンへの表面部の一次 変換により生ずる移動度の初期増大が発生する（且つ領域Ｂにおいて４０−６０ ｃｍ² ．Ｖ^-1．ｓ^-1で飽和する）。これらの状態の下では、結晶化された膜１は 微小粒子の下部層上に約１００ｎｍ幅の粒子の上部層を有する成層膜となる。領 域Ｃにおいて、メルトスルー状態に近づくにつれて生ずる移動度の第２の増大が 発生する。メルトスルーに必要とされるエネルギーは膜厚ｔ_siに強く依存する。 図示の厚さの範囲に亘って、メルトスルーしきい電圧は膜厚ｔ_siに対しほぼ直線 的に変化する。領域Ｃにおけるこれらの膜のＴＥＭ（透過形電子顕微鏡）検査の 結果は、粒子の大きさが２〜３倍に増大すること及びピーク移動度を有するサン プルには成層化が存在しないことを示した。ピーク移動度は４０ｎｍ厚の膜１で は約１７５ｃｍ²．Ｖ^-1．ｓ^-1であり、８０ｎｍ厚の膜１では２００ｃｍ² ．Ｖ^{- 1} ．ｓ^-1以上であった。移動度はこれらのピーク値後に低下することが観測され た。これはビーム１１の過大エネルギーの結果として開始する膜の結晶損傷によ ること明らかである。 飽和領域Ｂから第２増大領域Ｃへの遷移は８０ｎｍから１４５ｎｍの厚さを有 する膜１に対し明確に定まる。領域ＢからＣへのこの遷移は図５では４０ｎｍの 厚さを有する膜１に対しては明確でない。しかし、図６に示すように、４０ｎｍ 厚の膜からの散乱光２６を検査することにより関連する遷移の発生を明確に知る ことができる。図６は、膜の特性粗面化がメルトスルー前に発生すると、散乱光 ２６は１桁の振幅増大Ｄを生ずることを示す。散乱光２６のこのしきい増大Ｄは 光検出器２２により容易に検出することができる。図６に示す結果は３２５ｎｍ の波長の光２１、２６に対し得られたものである。膜１の結晶化には２４８ｎｍ のパルスレーザビームを使用した。 この粗面化の開始は、前記アプライド・フィジックス・レターズの論文に記載 され且つ示されているように、周期的に空間的に変化する粗さの出現に関連する ものと思われる。この粗面化の発生時に膜表面からの反射光２５は数パーセント の減少を生ずるのみである点に注意すべきである。この表面反射率の小さな変化 はこの粗面化の開始の高信頼度の監視に対し不十分な感度を与える。これに対し 、この粗面化の開始時に散乱光２６は一桁の増大を示す。 粗面化の開始（散乱光２６のこのしきい増大Ｄにより決定される）時のエネル ギーＥは図５に示す最大移動度に対する最適ビームエネルギーより低い値にある 点に注意されたい。一般に、２０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲内の厚さを有するシリコ ンの半導体薄膜に対しては、この最適ビームエネルギーは散乱光２６の強度のし きい増大Ｄにより検出される粗面化の開始を生ずる値Ｅから６０ｍＪ．ｃｍ^-2の 範囲内である。例えば４０ｎｍ厚の膜１の場合には、図６に示すように散乱光強 度のしきい増大Ｄは２２５及び２４０ｍＪ．ｃｍ^-2間に発生するが、図５に示す ように最大電界効果電子移動度に対する最適ビームエネルギーは約２７０ｍＪ． ｃｍ^-2に対応する。従って、ステップ（ｃ）におけるデバイス部分３、４及び／ 又は５の結晶化に使用するビーム１１のエネルギーは図６に示すエネルギーしき い値より約２５ｍＪ．ｃｍ^-2高い調整値に設定するのが好まし。従って、最大膜 移動度のために、ビーム１１のエネルギーは（Ｅ＋ｄＥ）の値に設定する。ここ で、Ｅは粗面化の開始が散乱光検出器２２により検出される図６に示すエネルギ ーであり、ｄＥは本発明者の認識に基づく、薄膜１の厚さｔ_siに依存し、従って エネルギー値Ｅにも関連する増分である。４０ｎｍ以下の膜厚ｔ_siに対しては、 設定値（Ｅ＋ｄＥ）は急速にＥに収斂するが、厚い膜１に対しては、増分ｄＥは 厚さｔ_siの増大につれて強く増大する。従って、８０ｎｍの厚さｔ_siの薄膜に対 しては増分ｄＥは約１５０ｍＪ．ｃｍ^-2になる。第面積デバイスデバイスのＴＦ Ｔ及び他の薄膜回路素子の大部分に必要とされる膜１は今日では５０ｎｍ以下の 厚さを有し、更に薄い膜、例えば４０ｎｍ、３０ｎｍ以下に向かう傾向にある。 （ビームエネルギーを最適結晶成長に設定するために散乱光監視値Ｅに加える） 増分ｄＥの値はコンピュータ制御システム８０のルックアップテーブルに蓄積す ることができる。 本明細書の記載から、多くの変更及び変形が当業者に明らかである。このよう な変更及び変形は、当該技術分野において既知の特徴であって、本明細書に開示 された特徴の代わりに、又は加えて使用することができる等価な特徴及び他の特 徴も含むものである。特許請求の範囲は構成要素の組合せとして記載されている が、本発明で解決すべき技術的課題の一部又は全部を解決する、しないにかかわ らず、本明細書に界磁された新規な構成又は構成要素の組合せも本発明の範囲に 含まれるものである。出願人は、本願及び本願から取り出された他の出願の手続 き中にこのような構成要件及び／又は構成要素の組合せを含む新請求項を作成す うことができることを予告する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 薄膜回路素子を具える電子デバイスを製造するにあたり、 (a) エネルギービームを基板上の半導体薄膜の表面領域に向け照射して薄膜 の少なくとも一部分を結晶化するステップと、 (b) 薄膜の結晶化された部分の表面領域に向け光を照射し、表面領域から戻 る光を光検出器で検出し、該検出器から結晶化された部分の表面品質を表す出力 を発生させることにより結晶化された部分の表面品質を監視するステップと、 (c) ビームのエネルギーを光検出器からの出力に従って設定して、ビームが 次に照射する半導体薄膜のデバイス部分の結晶化をその設定エネルギーで行うよ う調整するステップと、 を具える電子デバイスの製造方法において、 光検出器を結晶化された部分の表面領域により戻される光の正反射光路外の 位置に配置し、ビームのエネルギーが十分に増大して粗面化が開始するときに発 生する、結晶化された部分の表面領域により散乱された光の強度のしきい増大を 検出し、且つステップ（ｃ）における薄膜回路素子用のデバイス部分の結晶化時 に、ビームのエネルギーを前記しきい増大の検出により決まる値に設定すること を特徴とする電子デバイスの製造方法。 2. ステップ（ａ）において結晶化される部分はステップ（ｃ）において設定エ ネルギーで次に結晶化されるデバイス部分と同一の半導体薄膜の一部分であるこ とを特徴とする請求項１記載の方法。 3. ステップ（ａ）においてエネルギービームを半導体薄膜のテスト表面領域に 向け照射し、ステップ（ｂ）において散乱光により結晶化されたテスト領域の表 面品質を監視してビームのエネルギーを設定値に変化させ、設定値のエネルギー を有するエネルギービームを半導体薄膜の異なる表面領域に向け照射して薄膜回 路素子用のデバイス部分を結晶化することを特徴とする請求項２記載の方法。 4. テスト表面領域は半導体薄膜の周縁領域であることを特徴とする請求項３記 載の方法。 5. 結晶化された部分の表面領域に照射する光は薄膜部分を結晶化するのに使用 するビームと別個の光源から与えることを特徴とする請求項１、２、３又は４記 載の方法。 6. 薄膜部分を結晶化するのに使用するビームはレーザから与え、該ビームがス テップ（ｂ）において表面品質監視用の光検出器に散乱される光も与えることを 特徴とする請求項１、２、３、又は４記載の方法。 7. 半導体薄膜は２０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲内の厚さを有するシリコンからなり 、ステップ（ｃ）において結晶化に使用するビームのエネルギーの設定値は結晶 化された部分の表面領域により散乱された光の強度の前記しきい増大により検出 される粗面化の開始を発生する値から６０ｍＪ．ｃｍ^-2の範囲内にあることを特 徴とする請求項１〜６の何れかに記載の方法。 8. 半導体薄膜は、少なくともステップ（ｃ）における薄膜回路素子用の薄膜の デバイス部分の結晶化時に水素含有量の損害が殆どないシリコン材料からなるこ とを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の方法。 9. 基板上の半導体薄膜の一部分を結晶化する装置であって、 薄膜の一部分を結晶化するためのエネルギービームを発生するレーザと、 基板を装着する支持体を含む処理セルと、 レーザと処理セルとの間に配置され、基板が処理セル内に装着されたときレ ーザからのビームを薄膜の表面領域に向け照射する光学系と、 薄膜に入射するビームのエネルギーを変化させる調整手段と、 薄膜の結晶化された部分の表面領域に向け光を照射する光源と、 表面領域により戻された光を検出し、表面品質を表す出力を発生する光検出 器と、 を具える結晶化装置において、 前記光検出器を結晶化された部分の表面領域により戻される光の正反射光路 外の位置に配置し、ビームのエネルギーが十分に増大して粗面化が開始するとき に発生する、結晶化された部分の表面領域により散乱された光の強度のしきい増 大を検出し、且つ制御手段により前記光検出器の出力を入力し、ビームのエネル ギーを前記しきい増大の検出により決まる値に設定する出力を前記調整 手段に供給するよう構成することを特徴とする結晶化装置。 10．前記調整手段がレーザと処理セルとの間の光学系の一部分を構成する、ビー ム光路内に配置された減衰器であることを特徴とする請求項９記載の装置。