JP2005005323A - 半導体加工方法および半導体加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス基板等の異種基板上に積層させた非晶質シリコンをより効果的に結晶化させることができ、これによって、ＴＦＴ用基板や太陽電池等のより厚い膜厚を必要とする半導体装置の作製を可能とする半導体加工方法および半導体加工装置の提供。
【解決手段】不活性ガス雰囲気中において、異種基板上に積層させた非晶質シリコンに、半導体レーザーから発振されたレーザー光を走査しながら照射し、結晶シリコンを得る半導体加工方法および半導体加工装置。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種基板上に積層させた非晶質シリコンから結晶シリコンを形成するための半導体加工方法および半導体加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非導電性の異種基板、例えばガラス基板の上にシリコン薄膜を形成する研究が盛んに行われている。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜の用途は広く、液晶デバイス用ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や薄膜太陽光発電素子などに用いることができる。
【０００３】
薄膜太陽光発電素子は、安価な基板上に低温プロセスで良好な結晶性をもつ結晶シリコン薄膜を形成し、これを光電変換装置に用いて、低コスト化と高性能化を図るものである。この結晶シリコン薄膜を光電変換素子に用いることによって、非晶質シリコン光電変換素子で問題となっている光劣化が観測されず、さらに非晶質光電変換素子では感度のない長波長光をも電気的エネルギーに変換することができる。この技術は、光電変換素子のみではなく、光センサ等の光電変換装置への応用が可能であると期待さている。
【０００４】
このシリコン結晶光電変換素子の製造には、一般的にプラズマＣＶＤによって直接結晶シリコン薄膜を堆積させる方法が用いられている。この方法によって、基板上に低温で結晶シリコンが形成されうることが知られており、低コスト化に有効であるとされている。
【０００５】
この方法においては、プラズマＣＶＤ形成条件としては、水素でシラン系原料ガスを１５倍程度以上に希釈し、プラズマ反応室内圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ、基板温度を１５０℃〜５５０℃、望ましくは、４００℃以下の範囲内に制御して成膜する。これによって結晶性のシリコン薄膜が基板上に形成される。
【０００６】
しかし、この方法では、結晶粒径は１μｍ以下であり、結晶内部に双晶等の欠陥も多く形成される。また、膜中一様に結晶成分だけを形成することは困難であり、必ず非晶質部分が形成される。これらの原因により、キャリアのホール移動度は、１０ｃｍ^２／Ｖｓ程度が限界であり、１００ｃｍ^２／Ｖｓを超えるホール移動度を達成する高性能多結晶シリコンを形成することは困難であった。
【０００７】
一方、レーザー光の照射によって結晶化する試みも種々検討されており、エキシマレーザーを用いて結晶化する研究が盛んに行われている。エキシマレーザーは、一般的に数百ｍＪ／ｓｈｏｔ、光パルス幅は数１０ｎｍである。瞬時電力に換算すると、１０ＭＷ以上と極めて大きいエネルギーを出力する。このレーザー光を用いると１０ｃｍ^２／ｓ以上の大面積を融解、再結晶化できるので、高い生産性を有するだけでなく、面内に渡って均一な温度が比較的容易に得られる。また、１００ｎｓｅｃ程度の短時間で処理が終了することから、ガラス等の安価な基板が使用可能である。このエキシマレーザー結晶化技術は、液晶ディスプレイ用ＴＦＴ基板向けに開発が進められており、製品化も行われている。
【０００８】
しかしながら、この方法で形成される多結晶シリコン薄膜は、結晶粒径が１００ｎｍ程度であり、ＴＦＴ等の電子デバイス用基板として用いる場合、結晶粒界がキャリアの走行を阻害し、デバイス特性には上限があるという問題があった。
【０００９】
他種のレーザー光を照射することによって結晶化する試みも種々検討されており、連続波を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１）。この方法は、異種基板上に非晶質シリコンを形成し、帯状の連続波光源を非晶質シリコン膜の上下から照射しながら走査することで、多結晶シリコン層に溶融、結晶化するもので、走査方向に長い結晶粒を成長させることを可能としている。用いるレーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザー等の第二高調波波長が５３２ｎｍの波長の光を出力する固体レーザーである。
【００１０】
この方法を用いると、走査方向に２０μｍ、その直角方向に２〜３μｍ程度の単結晶領域が形成されることが報告されている。また、一方方向に長い結晶粒ができるため、その方向にキャリアが移動するデバイスでは、結晶粒界の影響を小さく抑えることが可能となった。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１４４０２７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の非晶質シリコンに連続波レーザーを照射して結晶化する方法は、ディスプレイ用ＴＦＴ基板向けに開発が進められているため、数百ｎｍ程度の膜厚を結晶化させることができれば十分であった。言い換えれば、この方式を用いる場合は、膜厚が数百ｎｍでしか作製できないことを意味している。従来、レーザー結晶化を行う場合、レーザー光照射前のシリコン膜は、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成した非晶質シリコンを用いていた。その場合、膜のレーザー光に対する吸収係数は、ほとんど変化させることができない。数μｍの膜厚を結晶化させようとすると、膜厚に対してレーザー光の進入長が短すぎるために、膜の上部のみを加熱することになる。非晶質膜を完全に融解し、結晶化させるには非常に長い時間レーザー光を照射し、膜の下部を熱伝導で加熱させる必要がある。
【００１３】
したがって、膜全体に非常に大きなエネルギーを投入することとなり、ガラス基板等を用いることが不可能になる。つまり、結晶化に用いるレーザー光と、レーザーを照射する材料によって結晶化が可能なシリコン膜の膜厚は制限があり、半導体装置設計の自由度を狭める要因となっていた。また、太陽電池薄膜への応用等、より多彩な半導体装置への応用の妨げにもなっていた。
【００１４】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、ガラス基板等の異種基板上に積層させた非晶質シリコンをより効果的に結晶化させることができ、これによって、ＴＦＴ用基板や太陽電池等のより厚い膜厚を必要とする半導体装置の作製を可能とする半導体加工方法および半導体加工装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、異種基板上に積層させた非晶質シリコンに、半導体レーザーから発振されたレーザー光を照射することにより結晶シリコンを得る半導体加工方法を提供する。半導体レーザーから発振されたレーザー光を使用することにより、非晶質シリコン膜の厚さ方向全体にエネルギーを効果的に与えることが可能になり、石英基板やガラス基板上に積層された非晶質シリコンを、大きな結晶粒からなる多結晶シリコンに効果的に加工することができるようになる。
【００１６】
また、上記目的を達成するため、本発明は、被加工物である異種基板上に積層させた非晶質シリコンを載置する試料台と、前記被加工物へ照射されるレーザー光を発振し送出する半導体レーザーユニットと、前記レーザー光を走査する走査ユニットとからなる半導体加工装置を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明において、レーザー光は、半導体レーザーを発振源とし、レーザー光が非晶質シリコンに照射されるように設計される。半導体レーザーは、一般的に化合物半導体を活性層に用いる。化合物半導体レーザーは、材料元素や材料混合比を変えることでさまざまな波長の光を出力することができる。現在、ＡｌＧａＡｓを活性層に用いた半導体レーザーには積層させることで波長８００ｎｍで３０Ｗを超える出力を達成している。非晶質シリコン膜を結晶化させる場合、１μｍ前後の吸収長となる。このことから、非晶質シリコン膜全体にエネルギーを与えることが可能となり、従来よりも厚い膜を結晶化させることが可能となる。また、ＡｌＧａＡｓレーザーは、連続発振が可能であることから、１０μｍを大きく超える結晶粒を有する多結晶シリコン膜を形成することができる。このような多結晶シリコンは、粒界が少ないために少数キャリアの拡散長が長くなり、薄膜多結晶シリコン太陽電池等の少数キャリアの挙動が重要な半導体デバイスの製作が可能となる。
【００１８】
同じ連続波レーザーであるＹＡＧレーザーは、レーザー発振装置の大きさが問題となる。ＹＡＧレーザーは、１０Ｗクラスの出力を有するものでも５０（ｃｍ）×１５（ｃｍ）×１５（ｃｍ）程度の大きさである。このレーザーで照射可能な範囲は、数百μｍである。したがって、大面積を照射するには、多くのレーザーを並べる必要があるが、その大きさから限界がある。それに対して、半導体レーザーは、サイズが小さいために並べやすく、大面積照射に適している。
【００１９】
ＧａＮを活性層に用いた半導体レーザーは、発振波長４００ｎｍ程度のレーザー光を発振する。薄い非晶質シリコンを結晶化するには、このように短波長のレーザーを発振する半導体レーザーを用いることが有効である。ＧａＮレーザーも連続発振可能であり、かつ薄い膜をも結晶化可能であることから、ＴＦＴ用多結晶シリコン基板の作製に好適である。
【００２０】
レーザー光の照射は、不活性ガス雰囲気中、例えば、窒素、水素、窒素と水素の混合気体、アルゴンまたはヘリウム等の雰囲気中で行うことが好ましい。酸素が存在する雰囲気中でレーザー光を照射すると、膜中に酸素が混入し、半導体のキャリア移動度の低下や少数キャリア寿命の低下を招きやすくなる。
【００２１】
半導体レーザーから発振されたレーザー光は、レンズ系により集光する方法が一般的である。この方法は、単数または複数個のレンズ等の光学系によって所望の大きさのレーザー光に集光させることが可能である。ガウシアン分布を有する半導体レーザーを用いる場合、レンズを用いて集光させると、集光光もガウシアン分布を有したレーザー光となる。均一光を有するレーザー光を照射した場合は、半導体レーザーから発振されたレーザー光をビームホモジナイザを通すことが有効である。このようにして変質させたレーザー光は、整形が容易である。例えば、矩形の光に変形して半導体または半導体材料に照射することが可能である。なお、ここで均一光とは、ビーム光の断面面内の光の強度が均一である光の性質を持ったレーザー光のことをいう。
【００２２】
このように、均一な出力を有するレーザー光を用い、走査方向に対して直角をなす方向に対して並んでいる状態でレーザー光を照射し走査させることにより、結晶はレーザー光が移動する向き（走査方向）に成長するため、走査方向に１００μｍ以上の長い結晶粒を有する結晶シリコンを得ることが可能になる。すなわち、図３に示すように、均一なレーザー光Ｌが、走査方向Ａに対して直角に並んでいる状態で照射されることにより、結晶はＢ方向に長く成長するようになる。
【００２３】
レーザー光の走査には、非晶質シリコンに対してレーザー光を移動させる方法と、レーザー光に対して非晶質シリコンを移動させる方法がある。
【００２４】
前者の場合には、非晶質シリコンを試料台に固定し、レーザーユニットを移動させるようにすることが好ましい。移動には、試料台の平面をＸＹ平面とすると、Ｘ軸Ｙ軸それぞれを駆動させる機構が必要である。このような動作を可能とする機構であれば限定されないが、リニアモーターを用いて動作させる機構が好ましい。リニアモーターを用いることで、移動方向に対して横向きの方向の精度を１μｍ以下に抑えることが可能になる。また、機械的な駆動部が少ないため、金属系の粒子が発生しにくいことから、不純物の混入を極力減らしたい半導体加工装置には好適である。
【００２５】
装置をさらにコンパクト化するためには、レーザー光を光学系を用いて移動させる方法も採用可能である。これは、２軸のミラーを用いてレーザー光を移動させることにより、レーザー光を走査する方法である。この方法では、レーザーユニットを移動させる必要がないために、装置の規模を小さくでき、被加工半導体または半導体材料が大きく、大面積を照射したい場合に有効である。
【００２６】
後者の場合には、半導体レーザーユニットを固定し、非晶質シリコンを移動させることになるが、この場合、複雑な構成の半導体レーザーユニットを移動させる必要がないことから、より安価な装置構成となる。したがって、処理量を多くするために半導体レーザーを複数搭載する場合には、レーザーユニットを固定できるため有利である。半導体または半導体材料の移動には、固定台平面をＸＹ平面とすると、Ｘ軸Ｙ軸それぞれを駆動させる機構が必要となるが、この場合にもリニアモーターを使用することが好ましい。また、半導体または半導体材料を移動台上に強固に固定する必要があり、固定には、真空吸着法などが好適であるが、これに限定されるものではない。
【００２７】
上記の移動機構および固定台は、動作時に動作時に振動が発生しないような重量であることが好ましい。動作時の振動は加工精度を低下させる原因となるばかりでなく、駆動部の耐久性を著しく低下させる。
【００２８】
非晶質シリコンにレーザー光を照射する加工部には、レーザー光を遮蔽する遮蔽板を設置することが望ましい。本発明のような加工を行う装置のレーザー光は高出力のレーザー光となる。したがって、外部へレーザー光が漏れないように遮蔽板を取り付けることが望ましい。加工中の動作確認は、加工室内部にカメラを取り付けて観察できるようにすることも可能である。
【００２９】
半導体レーザーユニットには恒温ユニットを付与することが望ましい。半導体レーザーは、温度によって発振する波長が変化するためである。これは、半導体レーザーの温度が変化すると、半導体のバンドギャップ幅が変わることに起因する。これを防止するために、例えば水冷によって温度を一定に保持することが有効である。
【００３０】
上記各装置は、コンピュータと接続することで集中的に監視、走査することが可能である。コンピュータと接続することで、量産性、保安性を向上させることができる。
【００３１】
（実施例１）
図１は、本発明の一実施の形態の説明図であり、図１（ａ）は正面説明図、図１（ｂ）は平面説明図である。本実施の形態は、半導体レーザーユニット１を移動させるものである。地面に平行な面をＸＹ平面とすると、Ｘ方向走査機構４とＹ方向走査機構５を有し、ＸＹ軸に移動させることが可能な走査ユニット３を用意し、これに半導体レーザーユニット１が取り付けられている。半導体レーザーユニット１は、ＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザー本体と、レーザー光を集光するレンズ系とからなり、地面に対して直角にレーザー光８を照射できるように設置されている。この走査系は、Ｘ軸Ｙ軸方向とは別にＺ軸方向にも調整でき、レンズの焦点の調整が可能となっている。試料台６は、レーザー光８の走査系の下に地面と平行になるように設置されており、この上に被加工材料である非晶質シリコンが置かれる。半導体レーザー電源部２は、走査系とは別に設置されている。
【００３２】
この加工機を用いて、石英基板上に形成した１μｍの厚さの非晶質シリコンを照射したところ、レーザーを照射した部分が多結晶シリコンに加工された。この多結晶シリコンは、粒径が４０μｍ以上の多結晶シリコンとなり、高品質の多結晶シリコン薄膜が得られた。
【００３３】
（実施例２）
図２は、本発明の他の実施の形態の説明図である。本実施の形態は、試料台２６を地面に対して平行に設置し、この面をＸＹ軸とすると、ＸＹＺ軸それぞれに移動できる機構とした。ＸＹ軸は、３０ｃｍ／ｓｅｃで移動できるよう、リニアモーター２７で駆動するようにした。半導体レーザーユニット２１は、３０Ｗの半導体レーザーアレイを２０個並べて設置し、それぞれをホモジナイザ２２、ミラー２３、レンズ２４によって、試料台２６に垂直に均一となったレーザー光２５を照射できるようになっている。この半導体レーザーユニット２１から照射されたレーザー光２５は、長軸方向に１ｃｍ、短軸方向に０．２μｍの大きさとした。半導体レーザーユニット２１には、冷却ユニット２８を冷却ライン２９を介して連結し、半導体レーザーの温度を一定に保つようにした。また、試料台２６は、２０ｃｍ角の石英基板またはガラス基板を設置できるようにし、基板の固定は、真空吸着により行うようにした。レーザー照射室３４は、窒素ガスまたはアルゴンガスを充填できる構造とし、ガス供給ライン３６および排出ライン３５を具備している。また、半導体レーザー電源部３０およびリニアモーター制御部３１を制御用コンピュータ３３と接続し、コンピュータにより移動速度、レーザー光パワーなどを制御できるようになっている。
【００３４】
この加工機を用いて、１０ｃｍ角のガラス基板上に形成した１μｍの厚さの非晶質シリコンを照射したところ、１０回の走査で全面を結晶化できた。走査速度を３０ｃｍ／ｓｅｃとした場合、５ｓｅｃ以下で全面を結晶化することができた。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明は、異種基板上に積層させた非晶質シリコンに、半導体レーザーから発振されたレーザー光を照射することにより結晶シリコンを得る半導体加工方法および半導体加工装置を提供するものであり、石英基板やガラス基板上に積層された非晶質シリコンを、大きな結晶粒からなる多結晶シリコンに効果的に加工することができるようになる。
【００３６】
また、レーザー光の照射は、不活性ガス雰囲気中で行うことにより、酸素が存在する雰囲気中でレーザー光を照射すると、結晶膜中に酸素が混入しにくくなり、半導体のキャリア移動度の低下や少数キャリア寿命の低下を防止できる。
【００３７】
また、均一な出力を有するレーザー光を用い、走査方向に対して直角をなす方向に対して並んでいる状態でレーザー光を照射し走査させると、結晶はレーザー光の走査方向に成長するため、走査方向に１００μｍ以上の長い結晶粒を有する結晶シリコンを得ることができる。
【００３８】
また、ＡｌＧａＡｓを活性層とする半導体レーザーから発振されるレーザー光で照射することにより、厚い膜の結晶化が可能となり、ＧａＮを活性層とする半導体レーザーから発振されるレーザー光を照射することにより、薄い膜を効果的に結晶化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の説明図。
【図２】本発明の他の実施の形態の説明図。
【図３】レーザー光の走査方向と結晶成長方向の関係の説明図。
【符号の説明】
１：半導体レーザーユニット
２：半導体レーザー電源部
３：走査ユニット
４：Ｘ方向走査機構
５：Ｙ方向走査機構
６：試料台
７：非晶質シリコン
８：レーザー光

Claims (12)

1. 異種基板上に積層させた非晶質シリコンに、半導体レーザーから発振されたレーザー光を照射し、結晶シリコンを得ることを特徴とする半導体加工方法。
2. 前記レーザー光の照射は、不活性ガス雰囲気中で行われる請求項１記載の半導体加工方法。
3. 前記レーザー光を走査して照射を行う請求項１記載の半導体加工方法。
4. 前記レーザー光は、前記半導体レーザーから発振された後、所望のレーザー光に変形されたものである請求項１記載の半導体加工方法。
5. 前記レーザー光は、均一光である請求項１記載の半導体加工方法。
6. 前記半導体レーザーは、一定温度に保持された状態で前記レーザー光を発振する請求項１記載の半導体加工方法。
7. 前記レーザー光は、走査方向に対して直角をなす方向に対して並んでいる状態で前記非晶質シリコンに照射される請求項３記載の半導体加工方法。
8. 前記レーザー光は、ＡｌＧａＡｓを活性層とする半導体レーザーから発振される請求項１記載の半導体加工方法。
9. 前記レーザー光は、ＧａＮを活性層とする半導体レーザーから発振される請求項１記載の半導体加工方法。
10. 被加工物である異種基板上に積層させた非晶質シリコンを載置する試料台と、前記被加工物へ照射されるレーザー光を発振し送出する半導体レーザーユニットと、前記レーザー光を走査する走査ユニットとからなることを特徴とする半導体加工装置。
11. 前記被加工物、前記試料台および前記半導体レーザーユニットは、筺体で覆われ、不活性ガス雰囲気中でレーザー光の照射が行われるように構成されている請求項１０記載の半導体加工装置。
12. 前記半導体レーザーは、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＮを活性層としている請求項１０記載の半導体加工装置。

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