JP2002305146A

JP2002305146A - 薄膜半導体装置の製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP2002305146A
Application number: JP2001108057A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Hiroshima; 安広島; Tetsuya Ogawa; 哲也小川; Hidetada Tokioka; 秀忠時岡
Original assignee: Seiko Epson Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】優良な結晶性の多結晶半導体薄膜を安定して
製造する。【解決手段】波長が３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の
パルスレーザ光を半導体膜に照射してレーザ熱処理を行
う。この時半導体膜上の前記パルスレーザ光の照射領域
には検査光を照射しておき、前記パルスレーザ光の照射
により生じる前記検査光の反射光の強度変化を検出す
る。そして前記反射光の強度変化から所定の半導体膜の
結晶化状態が得られたか確認し、所定の結晶化状態が得
られたことが確認されたら、前記パルスレーザ光照射位
置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は６００℃程度以
下、好ましくは４２５℃程度以下の比較的低温にて結晶
性が窮めて優れている多結晶性半導体膜を形成する技術
に関する。取り分けこの技術を用いて多結晶珪素薄膜ト
ランジスタに代表される薄膜半導体装置を安定かつ効率
よく製造する方法および製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多結晶珪素薄膜トランジスタ（ｐ−Ｓｉ
ＴＦＴ）に代表される薄膜半導体装置を汎用ガラス基
板を使用し得る６００℃程度以下、或いは非晶質珪素薄
膜トランジスタ（ａ−ＳｉＴＦＴ）の製造温度と同程
度の４２５℃程度以下の低温にて製造する場合、基板上
に堆積された非晶質珪素膜に対してＸｅＣｌエキシマレ
ーザ（波長３０８ｎｍ）を照射し、前記非晶質珪素膜を
多結晶珪素膜とするレーザ熱処理技術が用いられてい
る。

【０００３】このレーザ熱処理技術では、エキシマレー
ザ装置から出射されたレーザ光を光学装置によって均一
な強度分布を有するレーザ光とし、またこのレーザ光の
ビーム形状を所定の大きさに成形して基板上の非晶質珪
素膜に対してパルス状に照射する。このとき、ＸｅＣｌ
エキシマレーザ光の非晶質珪素および多結晶珪素におけ
る吸収係数は其々０．１３９ｎｍ^−１と０．１４９ｎｍ
^−１と大きく、またその差は約７％程度と小さい。よっ
て照射されたレーザ光は、非晶質や多結晶といった珪素
膜の結晶性に関らず、珪素膜の表面近傍１５ｎｍ付近ま
でで約９割が吸収される。レーザ光を吸収した珪素膜は
温度が上昇して溶融し、その後温度が低下するに従って
溶融した珪素が結晶化して、多結晶珪素膜が形成され
る。

【０００４】このレーザ熱処理技術を広面積の非晶質珪
素膜に対して行う場合は、非晶質珪素膜の同一個所に対
してレーザ光を１回または複数回照射し、その後に基板
を所定量移動させてレーザ光の照射領域を変え、再度レ
ーザ光を照射する工程を繰り返し行う。一般的には、レ
ーザパルスの間の基板の移動量は、照射されるレーザ光
のビーム形状の幅よりも狭く設定され、非晶質珪素膜の
同一個所には複数回のレーザ光が照射するようにしてい
る。この主な目的は一個所へのレーザ照射回数を増やす
ことで珪素膜の結晶性を高めることである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれらの
従来のレーザ熱処理技術では、エキシマレーザ装置が有
する不安定性によりレーザ光のパルスエネルギーの厳密
な制御が困難であり、これによる僅かなパルスエネルギ
ーの変動によっても半導体膜質は同一基板内においてす
ら大きなばらつきを示していた。すなわち前記広面積の
非晶質珪素膜に対して行うレーザ熱処理技術において、
工程の途中でレーザ光のパルスエネルギーに変動やばら
つきがあっても、また更には非晶質珪素膜については同
基板内で膜質等のばらつきがあってもこれらを全く考慮
せず、すなわちレーザ熱処理中における珪素膜の結晶化
状態の変化には関係なく、レーザ光の照射領域を一定の
所定量移動させ、レーザ熱処理を行っていた。このた
め、珪素膜の結晶性の観点から見ると、同一基板内の珪
素膜においてもレーザ光の照射量に過不足の部分が発生
してしまい、結果として珪素膜中の結晶化状態が安定せ
ず、そこに形成する薄膜半導体装置の特性を均一にする
ことができない問題があった。

【０００６】この問題の影響を緩和するため、珪素膜全
体に対して必要以上に多くの照射回数のレーザ照射を行
い、エキシマレーザ光のパルスエネルギーのばらつきの
影響を見かけ上できるだけ小さくしようとする方法もあ
る。しかしこの方法は効率が悪く、処理時間の増大を招
き生産性が損なわれてしまう。また珪素膜表面の表面荒
れが大きくなり、最悪の場合は珪素膜が部分的にアブレ
ーションされ基板から剥離してしまう。多結晶珪素膜を
能動層としてコプレーナ型あるいは正スタガ型ＭＯＳト
ランジスタを作製する場合、表面荒れが大きいとゲート
酸化膜がショートしてしまうという問題があり、また珪
素膜が部分的に剥離していると、そもそもＭＯＳトラン
ジスタを形成することができない。

【０００７】また前記問題の解決を図る別の従来技術と
して、特開２０００−１７４２８６号公報に開示されて
いる様に、レーザ熱処理時に電子線回折やＸ線回折等を
行って珪素膜の結晶性を評価し、その評価結果を用いて
前記レーザ熱処理の工程を制御する方法がある。しかし
この方法では電子線源やＸ線源が必要となるため、レー
ザ熱処理装置が大型化、高価となる恐れがある。また特
開２０００−１３３６１４号公報にある様に、熱処理を
行うエキシマレーザとは別に検査用のレーザ光を珪素膜
上に照射し、その反射光から珪素膜の結晶性を把握して
レーザ熱処理工程を制御する方法がある。しかしこの方
法では、珪素膜が溶融している時点の状態は反射光によ
って把握できるものの、固化した時の珪素膜の結晶性を
直接的に把握するものではなかった。そのため珪素膜の
結晶性は、検査用のレーザ光の反射光強度の変化とその
変化が生じている時間幅の両方によって実験的に対応付
けられており、レーザ熱処理工程時の結晶性の判定方法
としては複雑なものとなっていた。

【０００８】そこで本願発明は上述の諸事情を鑑み、そ
の目的とするところは薄膜半導体装置の製造にけるレー
ザ熱処理工程において優良な薄膜半導体装置を安定かつ
容易に製造する製造方法および製造装置を提供する事に
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明の薄膜半導体装
置の製造方法は、基板上に形成された珪素を主体とする
結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の
製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７
０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ
光を照射する工程を含み、その際に前記半導体膜上の前
記パルスレーザ光の照射領域には検査光を照射し、前記
パルスレーザ光の照射により生じる前記検査光の反射光
の強度の変化を検出し、前記反射光の強度の変化から所
定の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認し、前記半
導体膜に対して所定の結晶化状態が得られたら、パルス
レーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移
動させる工程を具備していることを特徴としているもの
である。この様に半導体膜の結晶化状態を確認し、確認
が得られたらパルスレーザ光照射位置に対する半導体膜
の位置を相対的に移動させることにより、所望の半動体
膜の結晶化状態が安定かつ効率的に得られ、半導体膜全
体が均一に結晶化される。

【００１０】この様なパルスレーザ光として最も優れて
いるのがＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（ＹＡＧ２ω
と略称する。その波長は５３２ｎｍ）である。

【００１１】本願発明の薄膜半導体装置の製造装置は、
基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を
能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基
板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０
ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射する手段
と、前記パルスレーザ光の照射位置に対する半導体膜の
位置を相対的に移動させる駆動手段と、前記半導体膜上
の前記パルスレーザ光の照射領域に検査光を照射する手
段と、前記パルスレーザ光の照射により生じる前記検査
光の反射光の強度の変化を検出する手段と、前記反射光
の強度の変化から所定の半導体膜の結晶化状態が得られ
たか確認する半導体膜結晶化状態確認手段と、前記半導
体膜結晶化状態確認手段によって前記半導体膜の所定の
結晶化状態が得られたら、前記駆動手段によってパルス
レーザ光の照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に
移動させる制御手段を具備していることを特徴とするも
のである。

【００１２】この様な薄膜半導体装置の製造装置におけ
るパルスレーザ光として最も優れているのがＹＡＧ２ω
レーザである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本願発明はガラスの歪点温度が５
５０℃程度から６５０℃程度といった低耐熱性ガラス基
板、あるいは高耐熱性プラスチック基板などの各種透明
基板上に形成された結晶性の半動体膜を能動層として用
いている薄膜半導体装置の製造方法および製造装置に関
り、基板上に堆積された珪素を主体とした半導体膜に３
７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレー
ザ光を照射するレーザ熱処理工程において、前記パルス
レーザ光照射領域である前記半導体膜上には検査光を予
め照射しておき、前記パルスレーザ光照射時に生じる前
記検査光の反射光の強度変化を検知することにより、前
記半導体膜の結晶化状態を判定しながら前記工程を進め
ることをその特徴とする。この様な前記波長を有するパ
ルスレーザ光の内でも、非晶質珪素の吸収係数と多結晶
珪素の吸収係数の差が大きい４５０ｎｍ以上６５０ｎｍ
以下の波長を有するパルスレーザ光がより好ましい。

【００１４】実施の形態１．図１は本願発明の薄膜半導
体装置の製造方法を具現化する装置の構成図である。同
図において１０１は３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波
長を有するパルスレーザ光を出射するレーザ発振装置
で、ここではＹＡＧ２ωレーザ発振装置を使用した。１
０２はレーザ発振装置１０１から出射されたレーザ光、
１０３は反射ミラー、１０４はバリアブルアッテネー
タ、１０５は線状ビームに変換するためのビーム成形光
学系、１０７は半導体膜を含む被処理物、１０８は移動
ステージである。また１１１は検査光を発する発光器、
１１２は発光器から発せられた検査光、１１３は検査光
の波長の光を透過しレーザ光１０２の波長の光を遮断す
る光学フィルタ、１１４は検査光の強度を検出する検出
器である。レーザ光１０２は、バリアブルアッテネータ
１０４で所定のパルスエネルギーに調整された後、ビー
ム成形光学系１０５に入射する。ビーム成形光学系１０
５により線状のビームプロファイルに変換された後、レ
ーザ光１０２は被処理物１０７に照射され、レーザ熱処
理が行われる。被処理物１０７は移動ステージ１０８上
に設置されており、レーザ光照射位置に対する被処理物
１０７の位置を相対的に移動させることを可能にしてい
る。また被処理物１０７の詳細は図２のようであり、ガ
ラス基板１２１上に下地膜１２２として厚さ２００ｎｍ
の酸化珪素膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）
により形成した上に、半導体膜材料として、厚さ５０ｎ
ｍの非晶質珪素膜１２３をＬＰＣＶＤ（Low Pressure C
hemical Vapor Deposition）により成膜した。

【００１５】レーザ光は移動ステージ１０８を線状ビー
ムの長手方向に直交した方向、すなわち線状ビームの幅
方向に移動させながら照射する。この移動ステージは、
駆動手段としての駆動装置１０９により移動されるよう
になっており、その制御は制御装置１１５により行われ
る。例えば制御装置１１５によってパルスレーザ光照射
の間にステージが移動する距離を線状ビームの幅よりも
短くなるように制御すると、被処理物１０７の同一箇所
にはレーザ光の異なるビームプロファイル部分が複数回
照射される。またパルスレーザ光照射の間にステージが
移動する距離を線状ビームの幅よりも長くなるようにす
ると、被処理物１０７の同一箇所へのレーザ光のパルス
は１回のみ照射されることになる。またパルスレーザ光
照射の間に移動ステージを移動させなければ、被処理物
１０７の同一箇所にはレーザ光の同一のビームプロファ
イル部分が複数回照射されることになる。

【００１６】ビーム成形光学系１０５を通過したレーザ
光１０２の光路にはビームスプリッター１０６が配置さ
れ、このビームスプリッター１０６を透過したレーザ光
１０２が被処理物１０７に向かい、またレーザ光１０２
の一部はビームスプリッター１０６で反射されてレーザ
光検出手段としての検出器１１０に入射される。この検
出器１１０は被処理物１０７に照射されるレーザ光の状
態を検出し、ここではレーザ光のパルス波形およびパル
スエネルギーが検出できるバイアスフォトディテクタを
使用した。

【００１７】被処理物１０７におけるレーザ光１０２の
照射領域には、発光器１１１から発せられた検査光１１
２が照射されている。この発光器１１１はＨｅ−Ｎｅレ
ーザ（波長６３３ｎｍ）やＡｒレーザ（波長４８８ｎ
ｍ）などの可視光を発するもので、また長時間にわたっ
て出力が一定値に安定している連続光が望ましい。ここ
ではＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。またこのＨｅ−Ｎｅレ
ーザ光は、被処理物１０７の法線に対して、例えば約１
０°の角度から照射した。

【００１８】発光器１１１から発せられた検査光１１２
は、被処理物１０７上のレーザ光１０２の照射領域と同
じ領域に照射される。被処理物１０７に照射された検査
光１１２は、被処理物１０７の表面で反射される。被処
理物１０７の表面で反射された検査光１１２は、光学フ
ィルタ１１３を透過して、検出器１１４に入射し、その
強度が検出される。ここで光学フィルタ１１３は検査光
１１２の波長の光は透過し、レーザ光１０２の光は遮断
するものであり、検出器１１４にはレーザ光１０２の被
処理物１０７表面での反射光、散乱光は検出されない。
また検出器１１４は、検査光の強度変化が検出できるバ
イアスフォトディテクタを使用した。検出器１１４の信
号は、制御装置１１５に入力される。

【００１９】制御装置１１５は、検出器１１０で検出さ
れるレーザ光１０２のパルスエネルギー、および検出器
１１４で検出される検査光１１２の強度変化から被処理
物１０７における半導体膜が所定の結晶化状態になった
か確認する半導体膜結晶化状態確認手段の機能、この半
導体膜結晶化状態確認手段によって所定の半導体膜の結
晶化状態が得られたことが確認されたら、駆動装置１０
９によってレーザ光１０２の照射位置に対する被処理物
１０７の位置を相対的に移動させる制御手段の機能を有
している。

【００２０】前記半導体膜結晶化状態確認手段の機能で
は、検出器１１０で検出されるレーザ光１０２のパルス
エネルギーに対する検出器１１４で検出される検査光１
１２の反射光強度の変化の割合を算出する。そしてその
割合が所定値より小さいかを確認する。所定値について
は、半導体薄膜の結晶化状態と、レーザ光のパルスエネ
ルギーに対する検査光の反射光強度の変化の割合の関係
から予め求めて設定する。半導体薄膜の結晶化状態と、
レーザ光のパルスエネルギーに対する検査光の反射光強
度の変化の割合に関係がある事については後に述べる。

【００２１】次に、被処理物１０７の非晶質珪素膜１２
３にレーザ光１０２を照射して熱処理することで非晶質
珪素膜１２３を多結晶珪素膜に結晶化させる結晶化方法
について説明する。

【００２２】３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有
するパルスレーザ光を出射するレーザ発振装置１０１か
らのレーザ光１０２を、反射ミラー１０３、バリアブル
アッテネータ１０４、線状ビームに変換するためのビー
ム成形光学系１０５、およびビームスプリッター１０６
を通じて、移動ステージ１０８に載置された被処理物１
０７の表面、すなわち半導体膜である非晶質珪素膜１２
３に照射して熱処理をする。この熱処理によって非晶質
珪素膜１２３が溶融して結晶化する。

【００２３】この時ビームスプリッター１０６でレーザ
光１０２の一部を反射して検出器１１０で検出する。ま
た被処理物１０７上のレーザ光１０２照射部分には、予
め発光器１１１からの検査光１１２が照射されている。
検査光１１２は被処理物１０７の表面、すなわち非晶質
珪素膜１２３で反射するが、レーザ光１０２の照射によ
りその反射光の強度は変化し、その反射光の強度変化は
光学フィルタ１１３を通過して検出器１１４で検出され
る。

【００２４】制御装置１１５は検出器１１０および検出
器１１４から入力される信号から、レーザ光１０２のパ
ルスエネルギーに対する検査光１１２の強度変化の割合
を算出し、その割合が所定値より小さいかを確認する。

【００２５】前記割合が所定値より小さいことが確認さ
れたら、駆動装置１０９により移動ステージ１０８を、
ビーム成形光学系１０５によって線状ビームに成形され
たレーザ光１０２の幅方向に例えば１．５μｍ〜３．０
μｍ移動させ、レーザ光１０２の照射位置に対する被処
理物１０７の位置を相対的に移動させて、再度レーザ光
１０２の照射によって熱処理を行う。

【００２６】したがってレーザ光１０２のパルスエネル
ギーに対する検査光１１２の反射光強度の変化の割合が
所定値を上回っている場合には、仮にある照射領域にレ
ーザ光１０２を所定回数照射したとしても移動ステージ
は移動せず、非処理物１０７の同一箇所を再度レーザ照
射を行い、実際に所定値以下の前記割合が得られたこと
が確認されてから、被処理物１０７に対するレーザ光１
０２の照射領域を所定量移動させる。これにより、被処
理物１０７の非晶質珪素膜１２３全体を均一な結晶化状
態にすることができる。

【００２７】ここで、珪素を主体とした半導体膜に３７
０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ
光を照射するレーザ熱処理技術について述べる。本技術
は特開２０００-２６９１３３号公報にて開示されてい
る。

【００２８】図３に光の波長に対する非晶質珪素および
多結晶珪素の吸収係数を示す。図３の横軸は光の波長
で、縦軸が吸収係数である。破線（Amorphous Silico
n）が非晶質珪素を表し、実線（Polysilicon）は多結晶
珪素を示している。図３から分かるように、３７０ｎｍ
以上７１０ｎｍ以下の波長領域では光の吸収係数は多結
晶珪素中よりも非晶質珪素中の方が大きい。特に４５０
ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長領域の光では、非晶質珪
素中の吸収係数が多結晶珪素中の吸収係数の３倍以上大
きい。また例えば波長が５３２ｎｍであるＹＡＧ２ωレ
ーザ光の非晶質珪素での吸収係数μ_aSi(ＹＡＧ２ω)と
多結晶珪素での吸収係数μ_pSi(ＹＡＧ２ω)は其々、 μ_aSi（ＹＡＧ２ω）＝０．０１７２３ｎｍ^−１ μ_pSi（ＹＡＧ２ω）＝０．００４２６ｎｍ^−１と、非晶質珪素での吸収係数の方が多結晶珪素での吸収
係数よりも4倍余り大きくなっている。ここで多結晶膜
は微視的には結晶成分と非晶質成分とから構成されてい
る。結晶成分とは結晶粒内で積層欠陥等の欠陥が非常に
少ない部位で、略単結晶状態にある箇所と言える。一
方、非晶質成分とは結晶粒界や結晶粒内の欠陥部などの
構造秩序に乱れが見られる部位で、非晶質状態にある箇
所と言える。レーザ光を照射して結晶化を進めるレーザ
熱処理方法では、非溶融部が冷却固化過程における結晶
成長の核となる。高い構造秩序を有する結晶成分が結晶
成長核となれば、そこから成長する結晶はやはり高い構
造秩序を有する高品質な結晶化膜となる。これに反して
構造秩序の乱れた部位が結晶成長核となれば、積層欠陥
などが冷却固化過程にそこから成長するので、最終的に
得られる結晶化膜は欠陥などを多く含んだ低品質な膜と
なる。従って優良な結晶化膜を得るには、多結晶膜中の
非結晶成分を優先的に溶融させれば良いことになる。本
願発明で用いる波長領域のレーザ光では、照射レーザ光
の非晶質珪素における吸収係数が多結晶珪素における吸
収係数よりも大きいので、非晶質成分が結晶成分に比べ
て優先的に加熱される。

【００２９】具体的には、結晶粒界や欠陥部が容易に溶
融し、略単結晶状態にある良質な結晶成分が結晶成長核
となるので、欠陥部や不対結合対等が大幅に低減し、粒
界も構造秩序の高い対応粒界が支配的となる。この事は
半導体膜の電気特性からすると、エネルギーバンド図に
おける禁制帯中央部付近の捕獲準位密度を大きく減少さ
せるとの効果をもたらす。またこの様な半導体膜を薄膜
半導体装置の能動層（ソース領域やドレイン領域、チャ
ネル形成領域）に用いると、オフ電流値が小さく、急峻
な閾値下特性を示し（サブスレーシュホールドスィング
値が小さく）、閾値電圧の低いトランジスタを得ること
になる。エキシマレーザを用いた従来技術でこの様な優
れた薄膜半導体装置がなかなか製造できなかったのは、
溶融結晶化に適した波長を有するレーザ光を使用してお
らず、結晶成分も非晶質成分も一緒に溶融させていたた
めと言える。

【００３０】次に、半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎ
ｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射するレーザ
熱処理技術において、半導体膜の結晶化状態と、その半
導体膜に照射するレーザ光のパルスエネルギーに対する
検査光の反射光強度の変化の割合に関係がある事につい
て説明する。

【００３１】半導体膜中ではレーザ光は吸収され、入射
したレーザ光は指数関数的にその強度が減少する。今、
入射したレーザ光の強度をＩ（０）とし、珪素を主体と
した半導体膜中での表面からの距離をｘ（ｎｍ）、場所
ｘでの強度をＩ（ｘ）とすると、これらの間には吸収係
数μ_Siを用いて次の関係式が成り立つ。Ｉ（ｘ）／Ｉ（０）＝ｅｘｐ（−μ_Si・ｘ）（式１）吸収係数μ_SiがＹＡＧ２ωレーザ光の非晶質珪素の吸収
係数μ_aSi（ＹＡＧ２ω）の場合と、多結晶珪素の吸収
係数μ_pSi（ＹＡＧ２ω）の場合、また従来技術のＸｅ
Ｃｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）の非晶質珪素の
吸収係数μ_aSi（ＸｅＣｌ）と、多結晶珪素の吸収係数
μ_pSi（ＸｅＣｌ）の場合について式１の関係を図４に
示す。

【００３２】ＹＡＧ２ωレーザ光を非晶質珪素膜に照射
した場合（ａＳｉ（ＹＡＧ２ω））、その膜厚を５０ｎ
ｍとすると、透過するレーザ光は入射したレーザ光の約
４割の強度となる。すなわち入射したレーザ光の約６割
のパルスエネルギーは非晶質珪素膜に吸収され、その非
晶質珪素膜は高温となり溶融する。溶融した珪素膜の内
部では自由電子が放出され、珪素膜は金属のように光沢
のある表面となる。すなわちそこに照射されている検査
光の反射光強度はこの時大きく増加する。一方多結晶珪
素膜（ｐＳｉ（ＹＡＧ２ω））では、ＹＡＧ２ωレーザ
光の吸収係数が小さいため、膜厚５０ｎｍの多結晶珪素
膜を透過するレーザ光は、入射したレーザ光の約８割の
強度である。すなわち入射したレーザ光の多くは透過
し、珪素膜の溶融に寄与するレーザ光のパルスエネルギ
ーは入射したレーザ光の約２割のみである。よって、非
晶質珪素膜と多結晶珪素膜に同じパルスエネルギーのレ
ーザ光を照射した場合では、検査光の反射光強度の変化
は多結晶珪素膜の場合の方が非晶質珪素膜の場合に比べ
て小さくなる。

【００３３】図５に発明者等による実験データを示す。
図５（ａ）は実験に使用したＹＡＧ２ωレーザ光のパル
ス波形で、図１における検出器１１０より検出した信号
に相当する。図５（ｂ）は前記ＹＡＧ２ωレーザ光を非
晶質珪素膜に照射した時の検査光の反射光強度の波形、
図５(c)は前記ＹＡＧ２ωレーザ光を非晶質珪素膜の同
一個所に複数回照射してこれを結晶化し、再度、前記同
一個所に前記ＹＡＧ２ωレーザ光を照射した時の検査光
の反射光強度の波形である。珪素膜が非晶質の場合は検
査光の反射光強度の変化（ΔＩ）が大きく、一方、結晶
化した珪素膜にレーザ光を照射した場合には検査光の反
射光強度の変化（ΔＩ）が小さい。すなわち珪素膜の結
晶性により、ＹＡＧ２ωレーザ光の照射時の検査光の反
射光強度の変化は明らかに異なる。ここで図５（ａ）に
示すパルスレーザ光の１パルスのパルス波形を積分した
値は、そのレーザ光のパルスエネルギーに対応するか
ら、一定のパルスエネルギーのＹＡＧ２ωレーザ光を珪
素膜に照射した場合は、検査光の反射光強度の変化（Δ
Ｉ）のみを検出することで、珪素膜の結晶性の変化を把
握することができる。

【００３４】図５では同一のパルスエネルギーをもつＹ
ＡＧ２ωレーザ光を結晶性の異なる珪素膜に照射した
が、レーザ発振装置のパルスエネルギーの変動などによ
って異なるパルスエネルギーが珪素膜に照射された場合
については、照射したレーザ光のパルスエネルギーを検
出し、これと検査光の反射光強度の変化の割合を算出す
ることで、珪素膜の結晶性と対応つけることができる。

【００３５】図１に示す実施の形態１では、検出器１１
４によって珪素膜を反射した検査光１１２の反射光強度
の変化（ΔＩ）を検出し、これと検出器１１０で検出す
るＹＡＧ２ωレーザ光のパルスエネルギーの割合を算出
することで、珪素膜の結晶化状態を把握することができ
る。そして把握した結晶化状態に応じて、レーザ熱処理
工程では即時にレーザ光の照射条件を変更することがで
きる。つまりレーザ熱処理工程中にレーザ光自身の出力
変動等の変動要因があっても、珪素膜の結晶化状態をモ
ニタリングしているため、被処理物１０７に結晶化不良
が発生する領域を最小限にすることができ、更には結晶
化不良が発生しているにも拘わらず、被処理物１０７を
次工程に送ることを防止することができる。

【００３６】ここで、従来技術である特開２０００−１
３３６１４号公報と異なるのは、本願発明では検査光の
反射光強度の変化（ΔＩ）のみを検出することで珪素膜
の結晶性を把握することができる点である。すなわち、
本願発明では検査光の反射光強度が変化する時間幅につ
いては検出は不要である。この事はレーザ熱処理工程に
おける珪素膜の結晶性の判定を容易なものとし、同時に
必要となる検出器などの装置も簡易なもので構成するこ
とが可能となる。

【００３７】これまで述べた本願発明の原理が最も効果
的に働くのは、非晶質珪素での吸収係数と多結晶珪素の
吸収係数の比（μ_aSi／μ_pSi）が大きい時である。図３
を見ると、光の波長が４５０ｎｍ程度以上６５０ｎｍ程
度以下の時に先の比が大きくなることがわかる。従って
本願発明で用いるパルスレーザ光のより好ましい波長領
域は４５０ｎｍ程度以上６５０ｎｍ程度以下と言える。

【００３８】これに対しＸｅＣｌエキシマレーザを用い
た従来技術では、非晶質珪素と多結晶珪素の吸収係数は
先に述べたように其々０．１３９ｎｍ^−１と０．１４９
ｎｍ ^−１で、その差は約７％程度と小さい。よって、図
４に示すようにＸｅＣｌエキシマレーザ光を珪素膜に照
射しても非晶質珪素膜（ａＳｉ（ＸｅＣｌ））と多結晶
珪素膜（ｐＳｉ（ＸｅＣｌ））ではほとんど違い無く、
その表面近傍でパルスエネルギーが吸収され、珪素の溶
融状態が形成される。よってこれから珪素膜の結晶化状
態を検出することは非常に困難といえる。

【００３９】以上述べたように、本願発明では非晶質珪
素と多結晶珪素の吸収係数の異なるレーザ光を用いて良
好な結晶化膜を形成すべくレーザ熱処理を行い、その際
には前記吸収係数の違いに基づく珪素膜の溶融状態の違
いを積極的に利用して珪素膜の結晶化状態を検出する。
そしてその検出結果を用いて、良好な結晶状態を有する
珪素膜を安定かつ効率的に形成するために前記レーザ熱
処理工程の制御を行う。

【００４０】実施の形態２．実施の形態２では使用する
レーザについて説明する。実施の形態１ではＹＡＧ２ω
レーザによるレーザ照射について説明した。ＹＡＧ２ω
レーザは効率が良く、高出力のものが得られるため、レ
ーザ熱処理の生産性が良いものが得られるというメリッ
トがある。本願発明の主旨によれば、照射するレーザ光
に関しては、基本的に非晶質珪素と多結晶珪素に対する
レーザ光の吸収係数の差で決まることで、図３に示すよ
うに、３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下のパルスレーザ光
であれば、実施の形態１で述べたＹＡＧ２ωレーザの場
合と同様の効果が得られる。従ってＹＡＧ２ωレーザの
みならず、他のＮｄイオンドープの固体レーザの高調
波、すなわちＮｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｎｄ：
ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧやＹｂ：ガラ
スといったＹｂイオンドープの固体レーザの第２高調波
や、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの基本波または第２
高調波を用いてレーザ熱処理を行っても良い。これらの
レーザは高効率で比較的安定な発振が可能であるため、
信頼性の高いレーザ熱処理方法や装置を提供できる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述してきたように、従来ばらつき
の大きかった結晶性半導体膜を本願発明では結晶化工程
を工夫することにより、均一で高品質な結晶性半導体膜
とすることができる。これにより薄膜トランジスタに代
表される薄膜半導体装置の電気特性を著しく向上させ、
同時にこのような薄膜半導体装置を安定的に製造し得る
との効果が認められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施の形態１を示すレーザ熱処理装
置の構成図である。

【図２】図１におけるレーザ熱処理を施す被処理物の構
造を示す模式図である。

【図３】光の波長と半導体における吸収係数との関係を
示した図である。

【図４】半導体膜厚と膜中での光強度との関係を説明し
た図である。

【図５】（ａ）は珪素膜に照射したＹＡＧ２2ωレーザ
光のパルス波形図、（ｂ）および（ｃ）は其々非晶質珪
素膜および多結晶珪素膜に対して照射した検査光の反射
光強度の波形を示す図である。

【符号の説明】

１０１ＹＡＧ２ωレーザの発振装置１０２ＹＡＧ２ωレーザの発振装置から出射されたレ
ーザ光１０３反射ミラー１０４バリアブルアッテネータ１０５ビーム成形光学系１０６ビームスプリッター１０７被処理物１０８移動ステージ１０９駆動装置１１０検出器１１１発光器１１２検査光１１３光学フィルタ１１４検出器１１５制御装置１２１ガラス基板１２２下地膜１２３半導体膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小川哲也東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者時岡秀忠東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5F045 AA06 AB04 EB02 GB10 HA18 5F052 AA02 BA07 BA15 BB03 BB07 CA07 DA02 DB02 5F110 AA17 AA24 DD03 DD07 DD13 GG02 GG13 GG25 GG47 PP03 PP04 PP05 PP06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された珪素を主体とする結
晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製
造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０
ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光
を照射する工程を含み、その際に前記半導体膜上の前記
パルスレーザ光の照射領域には検査光を照射し、前記パ
ルスレーザ光の照射により生じる前記検査光の反射光の
強度の変化を検出し、前記反射光の強度の変化から所定
の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認し、前記半導
体膜に対して所定の結晶化状態が得られたら、パルスレ
ーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動
させる工程を具備していることを特徴とする薄膜半導体
装置の製造方法。
【請求項２】前記パルスレーザ光はＮｄイオンドープ
あるいはＹｂイオンドープの結晶あるいはガラスを励起
媒質としたＱスイッチ発振固体レーザの高調波であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体装置の製造
方法。
【請求項３】前記パルスレーザ光はＱスイッチＮｄ：
ＹＡＧレーザの第２高調波であることを特徴とする請求
項１または２記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記パルスレーザ光の波長が約５３２ｎ
ｍであることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜
半導体装置の製造方法。
【請求項５】基板上に形成された珪素を主体とする結
晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製
造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０
ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光
を照射する手段と、前記パルスレーザ光の照射位置に対
する半導体膜の位置を相対的に移動させる駆動手段と、
前記半導体膜上の前記パルスレーザ光の照射領域に検査
光を照射する手段と、前記パルスレーザ光の照射により
生じる前記検査光の反射光の強度の変化を検出する手段
と、前記反射光の強度の変化から所定の半導体膜の結晶
化状態が得られたか確認する半導体膜結晶化状態確認手
段と、前記半導体膜結晶化状態確認手段によって前記半
導体膜の所定の結晶化状態が得られたら、前記駆動手段
によってパルスレーザ光の照射位置に対する半導体膜の
位置を相対的に移動させる制御手段を具備していること
を特徴とする薄膜半導体装置の製造装置。
【請求項６】前記パルスレーザ光はＮｄイオンドープ
あるいはＹｂイオンドープの結晶あるいはガラスを励起
媒質としたＱスイッチ発振固体レーザの高調波であるこ
とを特徴とする請求項５に記載の薄膜半導体装置の製造
装置。
【請求項７】前記パルスレーザ光はＱスイッチＮｄ：
ＹＡＧレーザの第２高調波であることを特徴とする請求
項５または６記載の薄膜半導体装置の製造装置。
【請求項８】前記パルスレーザ光の波長が約５３２ｎ
ｍであることを特徴とする請求項５または６記載の薄膜
半導体装置の製造装置。