JP2007073941A - 非結晶半導体膜の結晶化方法及び結晶化用被処理基板の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板を熱により損傷及び不純物により汚染させることなく、半導体膜の脱水素を容易に行うことを可能とする半導体膜の結晶化方法及び結晶化用被処理基板の製造装置を提供すること。
【解決手段】 基板上に非単結晶半導体膜を形成すること、前記非単結晶半導体膜表面に、フラッシュランプ光を照射すること及び加熱された不活性ガスを吹き付けることからなる群から選ばれた少なくとも一種の加熱処理により、前記非単結晶半導体膜を脱水素処理すること、前記非単結晶半導体膜上にキャップ膜を形成すること、及び前記キャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に最も小さい光強度の領域から周囲に向かって増加する光強度分布を有するレーザ光を照射し、前記非単結晶半導体膜の被照射領域を結晶化することを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、非結晶半導体膜の結晶化方法及び結晶化用被処理基板の製造装置に係り、特に大粒径の結晶を得るための非単結晶半導体層の結晶化方法及び結晶化用被処理基板の製造装置に関する。

従来、液晶表示装置などの表示装置のスイッチングトランジスタは、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に形成されていた。ＩＴ市場の拡大により、取り扱う情報はデジタル化され、高速化されるため、表示装置も高画質化が要求されている。この要求を満足するため、例えば各画素を切換えるスイッチングトランジスタや駆動回路部のトランジスタは、多結晶半導体膜領域に形成されたものが開発されており、それにより、高画質化や小型化が可能となっている。

ガラス基板上に形成された非晶質シリコン層を結晶化する手段としては、エキシマレーザアニール法（ＥＬＡ法）が知られている。しかしながら、このＥＬＡ法により得られた結晶の粒径は、０．１μｍ程度であり、この結晶化された領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成した場合、１個の薄膜トランジスタのチャネル領域に多数の結晶粒界が含まれることになり、この薄膜トランジスタの特性は、移動度が２００ｃｍ^２ ／Ｖｓ、オン・オフ電流比が１０^７程度と、単結晶Ｓｉに形成したＭＯＳトランジスタの特性と比較すると大幅に劣ってしまう。

本出願人は、先に、非晶質シリコン層にレーザ光を照射することにより、少なくとも１個のＴＦＴを形成できる程度の大きな結晶粒を形成できる製造技術を開発した。このように単一の結晶粒に形成されたＴＦＴは、結晶粒界によるＴＦＴ特性のバラツキなどの悪影響がなくなり、ＴＦＴの特性が大幅に改善される。さらに、このように単一の結晶粒に形成されたＴＦＴは、高性能のプロセッサ、メモリ、センサなどの機能素子を形成することができる。このような非晶質シリコン膜の結晶化方法としては、例えば、非特許文献１及び非特許文献２に記載された方法がある。

非特許文献１には、ＳｉＯ_２膜やＳｉＯＮ／ＳｉＯ_２積層膜からなる キャップ膜を介して非晶質シリコン膜に８００ｍＪ／ｃｍ^２ フルエンスの位相変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。

また、非特許文献２には、基板加熱下でＳｉＯ₂ キャップ膜を介して非晶質シリコン膜に、ホモジナイズし、位相変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜をラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。

更に、特許文献１には、非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に、少なくともＳｉＯｘ膜とＳｉＯＮ膜とを設け、複数の断面逆三角形状のパターンの光強度分布を有するレーザ光を照射することにより非単結晶半導体膜を結晶化する方法が記載されている。

以上のように、上記各文献に記載の方法では、ＳｉＯｘ膜とＳｉＯＮ膜等からなるキャップ膜を介して非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して大粒径の結晶化領域の形成を可能にしている。それは、上記キャップ膜は、レーザー光を吸収するとともに、その蓄熱効果によって、結晶粒の成長を促進させるからである。

上記キャップ膜は、大粒径の結晶化領域を形成するのに大きな効果がある。しかしながら、結晶化工程の前工程である脱水素工程を、上記キャップ膜を形成した後、例えばフラッシュランプアニール装置により実行した場合、非単結晶半導体膜のほぼ全域にアブレーションした領域が存在していた。

アブレーションした領域の非単結晶半導体膜は、特性が悪く、その後結晶化した領域にＴＦＴを形成することが困難であるという問題がある。

本発明者は、このアブレーションの発生について詳細に検討した結果、アブレーションは次の理由により発生することが判った。即ち、非単結晶半導体膜、例えば非晶質シリコン膜は、プラズマＣＶＤ法により成膜されるため、数％の水素を含んでいる。このような水素を含む非晶質シリコン膜をレーザ光の照射により結晶化すると、非晶質シリコン膜がアブレーションするという重大な問題が生ずる。従って、結晶化工程の前工程において、脱水素工程を実行している。

上記特許文献１に記載の方法では、非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上にキャップ膜としての絶縁層を形成した後、例えば５７０℃、２時間の条件で熱処理を行うことにより、非単結晶半導体膜に含まれる水素を除去する脱水素処理を行っている。しかし、キャップ膜の存在下で脱水素処理を行うと、キャップ膜の存在のため水素が抜けにくいために、被処理面全面に渉って十分な脱水素処理が実施されていないということが判った。

また、キャップ膜の存在下にて充分な脱水素処理を実施するためには、高温雰囲気中で、長時間の熱処理が必要となることが判った。このような高温、長時間の熱処理は、基板としてガラスを用いる液晶表示装置の製造プロセスに、適用することが困難であるという問題がある。

また、非単結晶半導体膜形成後にキャップ膜を連続成膜しないと、非単結晶半導体膜が不純物により汚染されるという問題が生ずるため、キャップ膜成膜後に脱水素工程を実施している。
W.Yeh and M.Matsumura Jpn.Appl.Phys.Vol.41(2002)1909. 2002年秋季第６３回応用物理学会学術講演会予稿集２，p779,26a-G-2．平松雅人他 特開２００５−３９２５９ 本発明は、上記事情の下になされたもので、半導体膜が熱により損傷したり、不純物により汚染させることなく、非単結晶半導体膜の脱水素をアブレーションさせることなく行うことを可能とする半導体膜の結晶化方法及び結晶化用被処理基板の製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、基板上に非単結晶半導体膜を形成すること、前記非単結晶半導体膜表面に、フラッシュランプ光を照射すること及び加熱された不活性ガスを吹き付けることからなる群から選ばれた少なくとも一種の加熱処理により、前記非単結晶半導体膜を脱水素処理すること、前記非単結晶半導体膜上にキャップ膜を形成すること、及び前記キャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に最も小さい光強度の領域から周囲に向かって増加する光強度分布を有するレーザ光を照射し、前記非単結晶半導体膜の被照射領域を結晶化することを具備することを特徴とする非単結晶半導体膜の結晶化方法を提供する。

本発明の第１の態様に係る半導体膜の結晶化方法において、非単結晶半導体膜形成工程から前記脱水素処理する工程までの前記基板の移動が、大気に開放することなく行われることが望ましい。

脱水素処理に用いられるフラッシュランプとして、キセノンフラッシュランプを用いることができる。また、脱水素処理に用いられる高温不活性ガスの吹き付けを、アルゴンプラズマジェットを高速スキャンする、もしくは加熱炉で加熱された６００〜７００℃の窒素ガスを吹き付けることにより行うことができる。この加熱処理は、真空中もしくは不活性ガス雰囲気で行われることが望ましい。

キャップ膜は、レーザ光の波長に対して吸収特性を示す膜を含むものとすることができる。また、キャップ膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_x膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、及びこれらの２層以上の積層膜からなる群から選ばれた絶縁膜とすることができる。キャップ膜は、４０〜５００ｎｍの膜厚を有することが望ましい。

非単結晶半導体膜の結晶化に使用されるレーザ光は、複数の断面逆三角形状パターンを有する光強度分布のレーザ光であることが望ましい。非単結晶半導体膜は、３０ないし２００ｎｍの膜厚を有することが望ましい。

本発明の第１の態様に係る半導体膜の結晶化方法は、非単結晶半導体膜の形成前に、前記基板上に下地保護膜を形成する工程を更に具備する構成とすることができる。この場合、下地保護膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_x膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、及びこれらの２層以上の積層膜からなる群から選ばれた絶縁膜とすることができる。下地保護膜は、１００ｎｍ〜８００ｎｍの膜厚を有することが望ましい。

本発明の第２の態様は、気密容器からなる共通室と、この共通室にロードロック機構を介して設けられた気密容器からなる非単結晶半導体膜を成膜するための非単結晶半導体膜成膜室と、前記共通室にロードロック機構を介して設けられた前記非単結晶半導体膜を脱水素処理するための気密容器からなる脱水素処理室と、前記共通室にロードロック機構を介して設けられたキャップ膜及び下地絶縁膜を含む絶縁膜を成膜するための気密容器からなる成膜室とを具備することを特徴とする結晶化用被処理基板の製造装置を提供する。

このような本発明の第２の態様に係る半導体膜の結晶化装置は、非単結晶半導体膜成膜室、脱水素処理室、及び絶縁膜成膜室を、共通室を中心に放射状に配置する構成とすることができる。

この場合、脱水素処理室は、フラッシュランプ光照射手段及び高温不活性ガス吹き付け手段からなる群から選ばれた少なくとも１種の加熱処理手段を具備するものとすることができる。

本発明によると、半導体膜が熱により損傷したり、不純物により汚染させることなく、半導体膜の脱水素を容易に行うことを可能とする半導体膜の結晶化方法及び結晶化装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明の第１の態様に係る半導体膜の結晶化方法は、非単結晶半導体膜表面に所定の加熱処理を施すことにより、非単結晶半導体膜を脱水素処理し、次いで非単結晶半導体膜上にキャップ膜を形成し、その後、このキャップ膜を介して非単結晶半導体膜にレーザ光を照射し、非単結晶半導体膜の被照射領域を結晶化することを特徴とする。脱水素処理のための加熱は、フラッシュランプ光を照射すること又は高温不活性ガスを吹き付けることにより行うことができる。

このような半導体膜の結晶化方法において、非単結晶半導体膜を形成する工程から脱水素処理する工程への基板の移動は、大気に開放することなく行うことが望ましい。大気中での基板の移動の際に、不純物が混入する場合があるからである。

脱水素処理に用いられるフラッシュランプとして、キセノンフラッシュランプを用いることができる。また、脱水素処理に用いられる高温不活性ガスの吹き付けを、アルゴンプラズマジェットを高速スキャンすること、もしくは加熱炉で加熱された高温の窒素ガスを吹き付けることにより行うことができる。

キャップ膜は、レーザ光の波長に対して吸収特性を示す膜を含むものとすることができる。また、キャップ膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_x膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、及びこれらの２層以上の積層膜からなる群から選ばれた絶縁膜とすることができる。

本発明の第１の態様に係る半導体膜の結晶化方法は、基板上に下地保護膜を形成する工程を更に具備することができる。この場合、下地保護膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_x膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、及びこれらの２層以上の積層膜からなる群から選ばれた絶縁膜とすることができる。

非単結晶半導体膜の結晶化に使用されるレーザ光は、複数の断面逆三角形状パターンを有する光強度分布のレーザ光であることが望ましい。

本発明の第２の態様に係る結晶化用被処理基板の製造装置は、気密容器からなる共通室と、この共通室にロードロック機構を介して設けられた気密容器からなる非単結晶半導体膜を成膜するための非単結晶半導体膜成膜室と、前記共通室にロードロック機構を介して設けられた前記非単結晶半導体膜を脱水素処理するための気密容器からなる脱水素処理室と、前記共通室にロードロック機構を介して設けられたキャップ膜及び下地絶縁膜を含む絶縁膜を成膜するための気密容器からなる成膜室とを具備することを特徴とする。

このような結晶化用被処理基板の製造装置は、非単結晶半導体膜成膜室、脱水素処理室、及び絶縁膜成膜室を、共通室を中心に放射状に配置する構成とすることができる。

この場合、脱水素処理室は、フラッシュランプ光照射手段及び高温不活性ガス吹き付け手段からなる群から選ばれた少なくとも１種の加熱処理手段を具備するものとすることができる。

本発明によると、半導体膜が熱により損傷したり、不純物により汚染させることなく、半導体膜の脱水素を容易に行うことを可能とする半導体膜の結晶化方法及び結晶化装置が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明の一実施形態は、非単結晶半導体膜の脱水素工程後にキャップ膜の成膜を可能にした、品質管理された結晶化プロセスである。この結晶化プロセスでは、結晶化工程の前工程である非単結晶半導体膜の脱水素工程は、被処理基板である非単結晶半導体膜を形成した後、非単結晶半導体膜表面を大気に晒すことなく真空雰囲気中にて、非単結晶半導体膜表面に対し実施される。脱水素工程が終了した後、大気に晒すことなく真空雰囲気中にて非単結晶半導体膜上にキャップ膜を成膜することにより、非単結晶半導体膜の脱水素をアブレーションさせることなく行うことが可能である。

次に、この実施形態の詳細を図面を参照して具体的に説明する。各図において同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る非単結晶半導体膜の結晶化方法を工程順に説明するための断面図である。

まず、図１（ａ）に示すような被処理基板１を準備する。被処理基板１は、金属板、絶縁体または半導体からなる基体、例えばガラス基板２の上に、下地保護膜３及び非単結晶半導体膜４を順次大気に晒すことなく積層してなる構造体である。

下地保護膜３としては、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、光吸収特性を有するＳｉＯ_Ｘ膜等を用いることができる。ここで、ＳｉＯ_Ｘ膜は、ｘが２以下のＳｉリッチな酸化膜である。ＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜とＳｉＯ_ｘ膜との積層構造としても良い。これらの膜は、ＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜することができる。下地保護膜３の膜厚は、例えば１００ｎｍ〜８００ｎｍ程度であるのが好ましい。

このような下地保護膜３は、ガラス基板２からの不純物からの汚染防止、拡散防止と共に、後の工程におけるレーザ光の照射による結晶化の際に、その断熱性による蓄熱効果により、冷却（降温）速度を遅らせ、より大きな結晶成長を促進する働きをも有している。

下地保護膜３は、例えばプラズマＣＶＤ法によりガラス基板２の全面に形成し、そのまま残しておいても，パターニングによって部分的に残しておいても良い。ここでは，ガラス基板２の全面にそのまま残した場合について説明する。

下地保護膜３上に形成される非単結晶半導体膜４は、結晶化の対象となる膜であり、例えば、３０ないし２００ｎｍ程度の膜厚に形成される。非単結晶半導体膜４は、例えばＳｉ膜、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ膜、またはＳｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｇｅ_ｘＣ_ｙ膜などである。これら非単結晶半導体膜４は、ＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜される。この非単結晶半導体膜４は、下地保護膜３の全面に、または，パターニングによって下地保護膜３の一部に形成してもよい。ここでは，非単結晶半導体膜４が、下地保護膜３の全面に形成されている。

次に、形成された非単結晶半導体膜４が大気に晒されることなく連続して、図１（ｂ）に示すように、非単結晶半導体膜４の脱水素工程を実施する。脱水素は、フラッシュランプ光を照射する法及び高温不活性ガスを吹き付ける法からなる群から選ばれた少なくとも一種の加熱処理法により実施することができる。フラッシュランプ光を照射する法及び高温不活性ガスを吹き付ける法などによる脱水素工程は、比較的急速な瞬時に加熱する処理法である。さらに、この脱水素工程の特徴は、非単結晶半導体膜４表面に直接、膜が無い状態で実施することである。従って、低温による脱水素プロセスを可能にする。低温による脱水素プロセスが可能になることにより、薄膜トランジスタの製造工程を低温化することが可能となる。薄膜トランジスタの製造工程を低温化することは、表示装置例えば液晶表示装置の材料、例えばガラス基板をプラスチック基板に置換することを可能にする。

この実施形態では、図１（ｂ）に示すように、被処理基板１の非単結晶半導体膜４に、図２に示すような脱水素装置１９例えばフラッシュランプアニール装置により光５を照射し、非単結晶半導体膜４の脱水素処理を行う。このようにフラッシュランプアニール装置により光５を照射すると、フラッシュランプ光は、非単結晶半導体膜４により吸収され、熱伝導係数の低い下地保護膜３及びガラス基板には熱が伝導しないために基板加熱をしなくても効率よく非単結晶半導体膜４のみを加熱することができ、更に非単結晶半導体膜４の上には、膜がないため、水素脱離を短時間で容易に行うことができ、また後述する結晶化工程においてアブレーションも起こりにくい。

フラッシュランプとしては、キセノン（Ｘｅ）ランプや微量のハロゲン化金属や水銀等の金属を含むＸｅランプが、紫外から可視光領域に光強度を有するために好適である。フラッシュランプのパルス半値幅としては、０．１〜１０ｍｓ程度のものを用いるとよい。更に、例えば２ｍｓ以上のパルス幅の広いものを用いる方が、非単結晶半導体膜４の加熱時間を長くすることができるため、水素の脱離には好適である。また、加熱時間がミリ秒オーダーと短くても、水素脱離に十分な高温加熱（５００℃乃至１０００℃）を達成することができる。

フラッシュランプアニールとしては、非単結晶半導体膜４の表面にキャップ膜が形成されていないため真空中もしくは窒素ガス等の不活性ガス雰囲気で行うことが望ましい。このようなプロセスを可能にする結晶化用被処理基板の製造装置としては、特に、後述するような、共通室にそれぞれロードロック機構を介して下地保護膜成膜室、非単結晶半導体膜成膜室及びキャップ膜成膜室を備えるクラスターツール型の装置に付属させて構成することができる。このような結晶化用被処理基板の製造装置では、少なくとも下地保護膜の成膜、非単結晶半導体膜の成膜、脱水素、及びキャップ膜の成膜を、被処理基板を大気に曝すことなく共通室を介して各処理室に移送する枚様式装置で行うことが望ましい。

このフラッシュランプアニールにより脱水素工程を実行するためのフラッシュランプアニール装置は、図２に示すように、被処理基板１２が例えば底部に搬入される気密容器１１と、この容器１１の天井部に透光板１５を介在して設けられたフラッシュランプ例えば複数本の棒状のキセノンフラッシュランプ１３とを備えている。キセノンフラッシュランプ１３の上方気密容器１１内には、上方に放射されたランプ光を被処理基板１２方向に反射させるために、リフレクタ１４が配置されている。キセノンフラッシュランプ１３の光は、例えば石英等の紫外線から可視領域の光の透過性を有する透光板１５を通過して被処理基板１２に照射される。

なお、キセノンフラッシュランプ１３の光路には、光の均一性を高めるために、上記透光板１５の例えば入射光側に光拡散板１６を配置してもよい。また、被処理基板１２を支持するプレート１７に加熱手段を配置して予備加熱（例えば２５０〜５５０℃）を行うようにしてもよい。キセノンフラッシュランプ照射による加熱処理は、ランプ長を長くすることと、複数のランプを用いることにより一括して広い面積の加熱を達成できるが、更に、キセノンフラッシュランプの照射を照射領域が重なるようにして複数回の照射により所望の領域全体を加熱するようにしてもよい。一括して広い面積の加熱が可能であるため、水素脱離のむらの発生が抑制できることから、レーザーアニール時のむらの発生も抑制することができる。

キセノンフラッシュランプ１３は、その内部にキセノンガスが封入され、その両端にコンデンサーに接続された陽極及び陰極が配置されたガラス管であり、駆動電源回路のコンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に流れ、その時に生ずるジュール熱でキセノンガスが加熱されて、光が放出される。

このようなフラッシュランプによる照射は、照射エネルギ密度と予備加熱温度を調整することにより、非単結晶半導体膜４をパルス幅が０．１乃至１０ｍｓ程度のランプ光を１発又は複数発照射することによる短時間の加熱で脱水素を達成する。

なお、非単結晶半導体膜４の脱水素処理は、フラッシュランプアニールによるだけでなく、液晶表示装置の製造技術の分野においてＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）と呼ばれている、加熱炉と加熱配管を用いて高温（例えば、６００〜７００℃）に加熱された窒素ガスを吹き付けることにより、例えば非単結晶半導体膜４を例えば1分〜数分程度の短時間で加熱したり、アルゴンガス等の熱プラズマを微細領域に高密度化させたプラズマジェットを高速スキャンさせることで非単結晶半導体膜４を短時間加熱する方法によっても行うことができる。なお、このように高温の不活性ガスを吹き付けたとしても、処理時間が短いためにガラス基板２が損傷することはない。

アルゴンガス等の熱プラズマ加熱ではスキャン速度を変えることによって高温加熱（５００℃乃至１０００℃）を達成することができるとともに、水素脱離むらも発生しにくい。もちろん、加熱したガスを照射する場合、急激な温度上昇を緩和するために予備加熱をするようにしてもよい。

次いで、水素脱離（脱水素）処理された非単結晶半導体膜４の上に、図１（ｃ）に示すように、キャップ膜６を形成する。キャップ膜６としては、絶縁膜、例えばＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_x膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、又はこれらの積層膜を用いることが出来、その膜厚は、４０〜５００ｎｍが好ましく、例えば約３００ｎｍである。

キャップ膜６は、非単結晶半導体膜４表面の外部からの汚染防止、パーティクル汚染防止と共に、その断熱性による蓄熱効果を呈する。キャップ膜６は、被処理基板２８が、結晶化のためのパルスレーザ光を受光したときその受光領域の非単結晶半導体膜が溶融する。パルスレーザ光による照射後、溶融領域の温度が降温しようとするが、キャップ膜６の蓄熱効果により非単結晶半導体膜４の被照射領域がゆっくりと冷却されるため、固液界面がゆっくり移動し、より大きな結晶粒の成長を得ることができる。なお、結晶粒径拡大の効果を得るためには、キャップ膜６としてＳｉＯ_ｘ膜やＳｉＯＮ膜を用いるのが好ましい。このようにして結晶化用被処理基板１が形成される。表面にキャップ膜６が形成された被処理基板１は、図３に示す結晶化装置２０に搬入される。

次に、結晶化工程を実行する。図１（ｄ）に示すように、キャップ膜６の表面の予め定められた位置に位置合わせして、所定のレーザ光強度分布を有するエキシマパルスレーザ光８を照射する。ここでは，このようなレーザ光の照射は、予め被処理基板１に設けられた位置合わせマークに従って照射位置が設定される。

結晶化工程は、例えば図３に示すレーザ結晶化装置を用いて行われる。図３において、エキシマレーザ２１から出射されたパルスレーザ光２１ａの光路には、レーザ光２１ａのエネルギ密度 （図４に示す極小値Ｊ１、極大値Ｊ２）を制御するためのアッテネータ２２、及びレーザ光の断面内光強度を均一化するホモジナイズ光学系２３が順次配設されている。このホモジナイズ光学系２３の出射側には、９０度反射鏡２４を介して、ホモジナイズ光学系２３の出射側には、光学変調素子として石英基板表面に直線状の段差加工を施した位相シフタ２６が配置されている。

位相シフタ２６の出射側には、等倍もしくは縮小する投影（結像）レンズ２５が配置されている。投影レンズ２５の出射側の焦点位置には、ステージ２７の上に設けられる被処理基板１が載置されている。このステージ２７は、Ｘ方向、Ｙ方向、θ回転並びにZ方向に移動可能であり、被処理基板１を位相シフタ２６に対して相対的に水平方向にシフトさせることができる。

このようなレーザ結晶化装置２０を用いたレーザ照射においては、レーザ光２１ａが位相シフタ２６を通ることにより、レーザ光のエネルギ密度は、図４に示すように、最小光強度Ｊ１と最大光強度Ｊ２間を三角形状に変化するレーザ光強度分布３１に位相変調される。レーザ光強度分布３１は、断面逆三角形状パターンを有する光強度分布のレーザ光である。レーザ光強度分布３１は、最も小さい光強度の領域から周囲に向かって増加する光強度分布である。この場合、光強度の極小値が横方向成長条件の臨界値ｊ１を越えていて且つ非溶融温度であり、光強度の極大値が半導体膜４の蒸発臨界値ｊ２以下で且つ溶融温度であることが望ましい。これら臨界値であるｊ１、ｊ２の値は，主に半導体膜４のレーザ光に対する吸収係数と膜厚によって決定される。

このようなパルスレーザ光８の照射によって、半導体膜４の照射領域は溶融し、レーザ光による照射が遮断されたとき、溶融領域は降温する。この降温過程は、図４の光強度分布に応じて固液界面が移動し降温するが、下地保護膜３とキャップ膜６の蓄熱機能により、降温速度が大きく緩和され、極小値Ｊ１位置から極大値Ｊ２方向に横方向の結晶成長が行われる。この結果、半導体膜４の照射領域７は結晶化される。

以上のように、本発明の第１の 実施形態に係る半導体膜の結晶化方法によると、キャップ膜６を形成する前の非単結晶半導体膜４に対し、図２に示すような複数本の棒状のキセノンフラッシュランプ１３を備えるフラッシュランプ装置を用いて急速加熱による脱水素処理を行っているため、処理時間は極めて短時間であり、アブレーションが生ずることなく、かつ、ガラス基板２の損傷なしに、効果的な脱水素処理を行うことができた。

次に、本発明の第２の実施形態に係る結晶化用被処理基板の製造装置について説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る、クラスターツール型の枚様式結晶化用被処理基板製造装置４０を示す。この結晶化用被処理基板製造装置の基本構造は、気密容器からなる搬送室（共通室）４１と、この搬送室（共通室）４１にロードロック機構４２Ａを介して設けられた気密容器からなる下地保護膜を成膜するための下地保護膜成膜室４３と、上記搬送室（共通室）４１にロードロック機構４２Ｂを介して設けられた気密容器からなる非単結晶半導体膜を成膜するための非単結晶半導体膜成膜室４４と、上記搬送室（共通室）４１にロードロック機構４２Ｃを介して設けられた気密容器からなる前記非単結晶半導体膜を脱水素処理するための脱水素処理室４５と、上記搬送室（共通室）４１にロードロック機構４２Ｆを介して設けられた気密容器からなるキャップ膜成膜室４８と、上記搬送室（共通室）４１にロードロック機構４２Ｄを介して設けられた気密容器からなる上記被処理ガラス基板１を搬入するためのローダ室４６と、上記搬送室（共通室）４１にロードロック機構４２Ｅを介して設けられた気密容器からなる上記ガラス基板１を搬出するためのアンローダ室４７と、からなる。さらに、ローダ室４６には、キャリア（図示せず）に収納された次に処理される被処理ガラス基板１を受け入れるためのロードロック機構４２Ｇが設けられている。さらに、アンローダ室４７には、表面にキャップ膜６が形成された処理済みの被処理基板１を搬出するためのロードロック機構４２Ｈが設けられている。このようにしてクラスタツール構造の結晶化用被処理基板の製造装置４０が構成されている。

下地保護膜成膜室４３は、この実施形態では、ＳｉＯ_２膜のプラズマＣＶＤを行う成膜室であり、下地保護膜３としてのＳｉＯ_２膜を成膜する。なお、図５では、キャップ膜６を成膜するための成膜室４８が独立に設けられているが、下地保護膜成膜室とキャップ膜成膜室の両方を兼ねる絶縁膜成膜室４３において、下地保護膜３及びキャップ膜６を成膜してもよい。

図５に示すように、結晶化用被処理基板の製造装置４０は、搬送室（共通室）４１を中心に、それぞれロードロック機構４２Ａ〜４２Ｆを介して下地保護膜成膜室４３、非単結晶半導体膜成膜室４４、脱水素処理室４５、キャップ膜成膜室４８、ローダ室４６、及びアンローダ室４７が放射状に配置されており、各室４３〜４７には、排気ポンプが接続され、各所望する処理や被処理基板１の搬入・搬出が実行できる圧力に調整されるように構成されている。

各工程を実行することは、被処理基板１が搬送室（共通室）４１を介して次の工程の室に移動することである。被処理基板１が搬送室（共通室）４１は、各処理の室より僅かに陽圧に設定されコンタミネーションが発生しないように調整される。被処理基板１は、被処理基板１が搬送室（共通室）４１が陽圧に設定されたのちに、処理室を出入りする。

次に、図５を参照して結晶化用被処理基板の製造方法を説明する。図５に示す装置４０において、最初にローダー室４６に搬入されたガラス基板２は、搬送室４１を経由して下地保護膜成膜室４３に搬送される。下地保護膜成膜室４３に搬送されたガラス基板２上には、下地保護膜３例えばＳｉＯ_Ｘ膜がプラズマＣＶＤ法により成膜される。下地保護膜３が成膜されたガラス基板２は、次いで、搬送室４１に戻された後、非単結晶半導体膜成膜室４４に搬送される。非単結晶半導体膜成膜室４４に搬送された基板２は、下地保護膜３上に非単結晶半導体膜４、例えば非晶質シリコン膜がプラズマＣＶＤ法により成膜され、被処理基板１が得られる。

非単結晶半導体膜４が成膜された被処理基板１は、次に、搬送室４１に戻された後、脱水素処理室４５に搬送される。脱水素処理室４５に搬送された被処理基板１は、例えば図２に示す脱水素装置１９によりフラッシュランプアニールプロセスにより脱水素処理される。脱水素処理された被処理基板１は、更に搬送室４１に戻された後、キャップ膜成膜室４８に搬送される。キャップ膜成膜室４８に搬送された被処理基板１上には、キャップ膜６例えばＳｉＯ_Ｘ膜が成膜される。キャップ膜６が成膜された基板１は、搬送室４１を経由してアンローダー室４７に戻された後、最後に、別途配置された図３に示すレーザ結晶化装置２０に搬送され、そこで非単結晶半導体膜の結晶化が行われる。

このような半導体膜の形成装置において、下地保護膜成膜室４３における下地保護膜３の形成からキャップ膜成膜室４８におけるキャップ膜６の形成に到るプロセスは、被処理基板１が大気にさらされることなく気密に保持されている。従って、キャップ膜６が形成される前の非晶質シリコン基板が露出した状態で脱水素工程を実施しても、非晶質シリコン基板に異物が付着するのを回避することができる。

このように、特に、非単結晶半導体膜を形成する工程から脱水素処理する工程までの基板１の処理及び移動が大気に開放することなく行われているため、脱水素処理室４５における脱水素処理の際に、従来の方法のようにキャップ膜が存在しなくても、大気から混入した不純物により非単結晶半導体膜４が汚染されることがない。

なお、図５に示す例では、搬送室４１を中心に各成膜室及び処理室が放射状に配置された実施例について説明したが、本発明はこれに限らず、中心に搬送室４１を設けずに、被処理基板が順次隣接する各成膜室と処理室の間を直接移送される構成とし、それらの間に必要に応じて搬送室を設けてもよい。また、各成膜室及び処理室をロードロック機構を介して直線状に配置してもよい。さらにまた、直線状に設けられた搬送室の左右側端縁に、ロードロック機構を介して各成膜室及び各処理室を設けてもよい。また、もちろん、レーザ光を照射する結晶化室を併設するようにしてもよいことは言うまでも無い。

加熱工程の雰囲気としては、真空中もしくは不活性ガスからなる雰囲気で行うことが望ましい。しかし、このような手法に本発明は限定されることはない。

以上説明したように、上記実施形態によれば、キャップ膜を形成する前の非単結晶半導体膜に対し、急速加熱処理による脱水素処理を行っているため、アブレーションが生ずることなく、かつ、基板の損傷なしに、効果的な脱水素処理を行うことができる。また、非単結晶半導体膜の成膜から脱水素処理までの経路を気密に保持することにより、キャップ膜がなくても不純物による汚染なしに脱水素処理を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る半導体膜の結晶化方法を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体膜の結晶化方法に用いるフラッシュランプ装置の構成の概略を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体膜の結晶化方法に用いるレーザ照射装置の構成の概略を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体膜の結晶化方法に用いるレーザ光の光強度分布を示す特性図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体膜の形成装置を示す図である。

符号の説明

１・・・被処理基板、２・・・ガラス基板、３・・・下地保護膜、４・・・非単結晶半導体膜、５・・・レーザ光、６・・・キャップ膜、７・・・結晶化領域、１１・・・気密容器、１２・・・被処理基板、１３・・・キセノンフラッシュランプ、１４・・・リフレクタ、１５・・・透光板、１６・・・光拡散板、１７・・・プレート、１９・・・脱水素装置、２１・・・エキシマレーザ、２１ａ・・・レーザ光、２２・・・アッテネータ、２３・・・ホモジナイズ光学系、２４・・・９０度反射鏡、２５・・・投影レンズ、２６・・・位相シフタ、２７・・・ステージ、２８・・・被処理基板、３１・・・レーザ光強度分布、４０・・・結晶化用被処理基板製造装置、４１・・・・搬送室、４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ、４２Ｅ，４２Ｆ，４２Ｇ，４２Ｈ・・・ロードロック機構、４３・・下地保護膜成膜室、４４・・・非単結晶半導体膜成膜室、４５・・・脱水素処理室、４６・・・ローダ室、４７・・・アンローダ室、４８・・・キャップ膜成膜室。

Claims (17)

1. 基板上に非単結晶半導体膜を形成すること、
   前記非単結晶半導体膜表面に、フラッシュランプ光を照射すること及び加熱された不活性ガスを吹き付けることからなる群から選ばれた少なくとも一種の加熱処理により、前記非単結晶半導体膜を脱水素処理すること、
   前記非単結晶半導体膜上にキャップ膜を形成すること、及び
   前記キャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に最も小さい光強度の領域から周囲に向かって増加する光強度分布を有するレーザ光を照射し、前記非単結晶半導体膜の被照射領域を結晶化すること
   を具備することを特徴とする非単結晶半導体膜の結晶化方法。
2. 前記非単結晶半導体膜形成工程から前記脱水素処理する工程までの前記基板の移動が、大気に開放することなく行われることを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
3. 前記フラッシュランプは、キセノンフラッシュランプであることを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
4. 前記不活性ガスの吹き付けは、アルゴンプラズマジェットを高速スキャンする、もしくは加熱炉で加熱された６００〜７００℃の窒素ガスを吹き付けることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
5. 前記加熱処理は、真空中もしくは不活性ガス雰囲気で行われることを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
6. 前記キャップ膜は、前記レーザ光の波長に対して吸収特性を示す膜であることを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
7. 前記キャップ膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_x膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、及びこれらの２層以上の積層膜からなる群から選ばれた絶縁膜であることを特徴とする請求項６に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
8. 前記キャップ膜は、４０〜５００ｎｍの膜厚を有することを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
9. 前記レーザ光は、複数の断面逆三角形状パターンを有する光強度分布のレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
10. 前記非単結晶半導体膜は、Ｓｉ膜、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ膜、及びＳｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｇｅ_ｘＣ_ｙ膜からなる群から選ばれた膜であることを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
11. 前記非単結晶半導体膜は、３０ないし２００ｎｍの膜厚を有することを特徴とする請求項１１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
12. 前記非単結晶半導体膜の形成前に、前記基板上に下地保護膜を形成することを含むことを特徴とする請求項１に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
13. 前記下地保護膜は、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_Ｘ（ｘは２以下の数）膜、ＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜の積層構造、及びＳｉＮ膜とＳｉＯ_ｘ膜の積層構造であることを特徴とする請求項１２に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
14. 前記下地保護膜は、１００ｎｍ〜８００ｎｍの膜厚を有することを特徴とする請求項１２に記載の非単結晶半導体膜の結晶化方法。
15. 気密容器からなる共通室と、
    この共通室にロードロック機構を介して設けられた気密容器からなる非単結晶半導体膜を成膜するための非単結晶半導体膜成膜室と、
    前記共通室にロードロック機構を介して設けられた前記非単結晶半導体膜を脱水素処理するための気密容器からなる脱水素処理室と、
    前記共通室にロードロック機構を介して設けられたキャップ膜及び下地絶縁膜を含む絶縁膜を成膜するための気密容器からなる成膜室と
    を具備することを特徴とする結晶化用被処理基板の製造装置。
16. 前記脱水素処理室は、フラッシュランプ光照射手段及び高温不活性ガス吹き付け手段からなる群から選ばれた少なくとも１種の加熱処理手段を具備することを特徴とする請求項１５に記載の結晶化用被処理基板の製造装置。
17. 前記成膜室は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＯ_x膜、ＳｉＯＮ膜、及びＳｉＮ膜からなる郡から選ばれた少なくとも１層からなる絶縁膜を成膜するプラズマＣＶＤ室であることを特徴とする請求項１５に記載の結晶化用被処理基板の製造装置。

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