JP2007123419A - 半導体デバイスの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ照射による半導体膜の結晶化において、横方向結晶成長過程および横方向成長結晶粒の長さや幅を検知し、得られた検知情報からフィードバック制御を行って半導体膜の所望の領域に一様な横方向結晶長さを実現し、ＳＬＳ法で確実に横方向結晶粒を引き継いで成長させる。
【解決手段】絶縁基板上に形成された半導体膜を第一レーザ光照射によって溶融させて横方向に結晶成長させる過程が、その半導体膜における第二レーザ光の反射光または透過光を用いてモニタリングされる。検出された反射率または透過率の時間変化および変化率から結晶成長過程が横方向か縦方向かを判別でき、凝固時間から横方向成長した結晶長および結晶幅を求めることができ、これらが横方向結晶成長の制御情報として用いられ得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを用いて非晶質半導体材料を結晶化させた半導体デバイスの製造方法およびその製造装置に関するものである。

半導体薄膜材料上に半導体デバイスとして形成した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、アクティブマトリクス液晶表示装置における表示部並びに画素コントローラ等に用いられており、従来では薄膜材料として非晶質材料が主に用いられている。しかし、近年ではＴＦＴを高速駆動させるために、非晶質半導体膜が用いられていた従来のチャネル領域を結晶化することによって、その材料特性を向上させることが行なわれている。これは、原子配列のそろった結晶部分におけるキャリアの移動度が非晶質部分に比べて数百倍大きくなることを利用している。さらに、多結晶の場合は結晶粒界においてキャリアの散乱が生じるので、チャネル領域において結晶粒を大きくすることが望まれ、究極的には単結晶になることが望まれる。大きい結晶粒の半導体薄膜にＴＦＴを作製することでその高性能化を図ることができるだけでなく、ガラス基板上の半導体薄膜にプロセッサ等の集積回路を形成することもできる。

非晶質半導体薄膜の結晶化にはいくつかの方法が提案されているが、パルスレーザを用いれば短時間に大きなエネルギを薄膜に投入できるので、薄膜下の基板にダメージ等を与えることなく低温での結晶化プロセスが可能となることから開発が進められている。そのような方法の中には、結晶の横方向成長法およびこれを利用する逐次横方向結晶化法（ＳＬＳ： Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法がある。

横方向成長法とは、基板上に形成された半導体膜にレーザ照射し、完全溶融した半導体膜と固体部分の境から基板表面に沿って横方向に結晶化させ、成長方向への結晶長を大きくする手法である。この方法においては、溶融した融液部分と溶融していない固体部分との界面が融液部分中で最も温度が低く、その界面において結晶核が発生しやすいので、その界面からレーザ照射領域中央部へ結晶成長が進む現象を利用している。このような横方向成長法により結晶化された膜の一例が、図２（ａ）において、基板面法線方向から見た模式的拡大図で示されている。すなわち、この図において、一回のレーザ照射領域の両端から中央に向けて横方向成長した結晶長さが矢印２１で表されいる。

他方、通常のレーザアニールでは完全溶融した半導体膜と基板との界面に結晶核が発生し、半導体膜の下側（基板側）から上（半導体膜の表面）方向へ結晶成長が進行する。この場合には、近接する結晶同士が成長に伴って互いにぶつかり合うので、大きな結晶粒を得ることが難しい。本願明細書においては、上述の横方向成長と区別して、このような通常の結晶成長を縦方向成長と呼ぶことにする。図２（ｂ）においては、縦方向成長法により結晶化された膜が基板面法線方向から見た拡大模式図で示されている。

横方向成長では、縦方向成長の場合のような障害が起こらなくてより大きな結晶粒が得られ、結晶成長方向にＴＦＴのチャネル方向を一致させればキャリアの流れに垂直な粒界が存在せず、より大きなキャリア移動度が得られることがわかっている。

しかし、さらに横方向に長い結晶粒を得たい場合に、レーザ照射領域幅を広くしても、溶融領域の端から中央へと結晶成長を続ける途中において、その中央部で溶融した半導体膜とその下の基板が冷却され、レーザ照射領域の中央付近で新たな結晶核が発生することがある。これらの結晶核の成長は上述の縦方向成長となり、それらの縦方向成長結晶粒が横方向成長を阻害して結晶成長が終了してしまう。このような膜の一例が、図２（ｃ）において、基板面法線方向から見た模式的拡大図で示されている。すなわち、この図において、矢印２１で示された長さまで成長した横方向結晶の成長が、縦方向結晶によって阻止されていることが分かる。

図２に類似した図３において、さらに大きな横方向成長結晶粒を得る方法であるＳＬＳ法が模式的に図解されている。ＳＬＳ法では、図３（ａ）に示されているように、一回のレーザ照射によって横方向結晶成長させた半導体膜が、その成長した結晶長より短い距離３１だけレーザに対して基板保持ステージによって相対的に移動させられ、領域３２にレーザを再度照射する。そうすれば、半導体膜の溶融部分と固体部分との界面から再度横方向に結晶成長するが、このときには一回前のレーザ照射で成長した結晶粒を核として引き継いでさらに結晶成長していく。すなわち、図３（ｂ）に示されているように、一回前レーザ照射後の横方結晶の成長を引き継いで、さらに長さ２１だけ横方向成長させていくことが可能となる。このようにレーザ照射とステージ移動を繰り返して、所望の横方向長さまで結晶長を伸ばしていくのがＳＬＳ法である。

現在まで、レーザ照射による縦方向成長の結晶について、その結晶成長状態を検査光によってモニタリングする手法が提案されている。特許文献１の特開平１０−１４４６２１号公報では、半導体膜のレーザアニール中にその半導体膜に検査光を照射し、その検査光の透過光または反射光の強度変化プロファイルを検出し、それによって半導体膜の結晶性を知ることができる方法が開示されている。より具体的には、検査光として可視光を有するレーザをサンプル半導体膜の斜め方向から照射すれば、アニール用レーザを照射してサンプル半導体膜が溶融した時点で検査光の反射率が上昇し、冷却されて結晶化が進むにつれて反射率が下降して結晶化シリコンの反射率となる。

このような反射率の変化の一例が図４の模式的グラフに示されており、特許文献１では、Ｔで示される立ち下がり時間（凝固時間）が８０ｎｓ以下であることが好ましい結晶粒径になるための条件であると述べられている。すなわち、図４のグラフにおいて、横軸は時間（ｎｍ）を表し、縦軸は反射率（％）を表している。そして、レーザ照射開始時ｔ１からシリコン膜溶融開始時ｔ２までの時間領域Ａにおては、シリコン膜が固相の反射率Ｒｓを示している。シリコン膜溶融開始時ｔ２からシリコン膜溶融完了時ｔ３までの時間領域Ｂにおいては、シリコン膜の反射率が固相状態におけるＲｓから液相状態におけるＲｌまで上昇する。レーザ照射中でシリコン膜が液相状態にある時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間領域Ｃにおいては、シリコン膜が液相の反射率Ｒｌを示す。レーザ照射が終了してシリコン膜の凝固が開始する時刻ｔ４から終了する時刻ｔ５までの時間領域Ｄにおいては、シリコン膜の反射率が液相状態におけるＲｌから固相状態におけるＲｓまで低下する。
特開平１０−１４４６２１号公報

しかし、特許文献１においては横方向成長法で結晶化することは想定されておらず、本発明者らの検討によれば、特許文献１の条件では正確な横方向結晶長の検出ができないことが分かった。横方向成長法は従来の縦方向成長法と異なる結晶成長方法であり、横方向成長法ではレーザ出力を大きくしたことによる微結晶粒化（特許文献１の段落［０００９］参照）は起こらないが、横方向成長結晶と縦方向成長結晶が混在することがある。この場合には、半導体膜の電気特性が劣化してばらつきも大きくなるので、横方向成長結晶のみの結晶長の見積もりがその後のＴＦＴ製造プロセスにおいて非常に重要となる。この見積ためには、まず横方向成長と縦方向成長の両方が起こったかどうかを知る必要があり、横方向成長による結晶成長の分析によって、最適な成長条件の決定も可能となる。しかし、半導体膜を取り出したり加工したりせずに、レーザ照射直後に結晶成長過程を知ることは非常に困難であった。

特にＳＬＳ法において重要なのは、ステージを移動させてレーザ照射をする際に、確実に結晶粒の横方向成長をつないでいくことである。スループット向上のために、ステージ移動距離は横方向結晶長とほぼ同一にすることが望まれるが、横方向結晶長はレーザエネルギのばらつきや基板への熱の蓄積などの要因に影響されてレーザ照射ごとに変化する。よって、横方向結晶成長過程および結晶長をモニタリングする技術の確立が望まれる。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、半導体膜において横方向成長法により結晶成長する過程および成長した結晶粒の長さや幅を検知する方法を提供することを目的とする。本発明はさらに、得られた検知情報からフィードバック制御を行い、一様な長さの横方向結晶膜を所望の領域に形成することを目的とする。

本発明による半導体デバイスの製造方法は、基板上に形成された半導体膜に第一レーザ光を照射してその半導体膜を溶融する工程と、半導体膜へ第二レーザ光を照射してその反射率または透過率を検出するモニタリング工程と、第一および第二のレーザ光に対して半導体膜を相対的に移動させる工程とを含み、モニタリング工程は、第二レーザ光の反射率または透過率の時間変化とその変化率から結晶成長過程が半導体膜の厚さ方向断面において横方向か縦方向かを識別した後に、横方向成長時間のみを抽出して横方向結晶長を見積もる工程を含むことを特徴としている。

なお、半導体膜を移動させる工程に伴って、半導体膜の横方向成長した結晶領域の一部分に引き続くように重複してレーザ光照射を繰り返すことが好ましい。また、第一レーザ光は紫外光域から可視光域の範囲内の波長を有し、第二レーザ光は可視光域から赤外光域の範囲内の波長を有することが好ましい。

第二レーザ光は第一レーザ光より弱いエネルギで照射され、かつ第一レーザ光と第二レーザ光とのエネルギ量の合計によって半導体膜が溶融するように、それぞれのレーザ光のエネルギ密度を設定することができる。第二レーザ光は第一レーザ光に比べて所定時間だけ先行したタイミングで照射開始され、第一レーザ光の照射が終了した後に第二レーザ光の照射を終了させることが好ましい。また、第二レーザ光は第一レーザ光の照射領域に比べて同一または広い面積に対して照射されることが好ましい。

少なくとも一回の横方向成長をさせた直後にレーザ光に対して相対的に半導体膜を移動させる工程において、検出された反射率または透過率の時間変化プロファイルおよび見積もられた横方向結晶長に基づいて、半導体膜を相対的に移動させる量を最適化させることができる。また、横方向成長した結晶長に基づいて、その次のレーザ照射において、第一または第二のレーザ光の照射エネルギ量を最適化させることができる。

上述のような半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置は、第一レーザ発振器と、第二レーザ発振器と、これら２つのレーザ発振器を制御するコントローラと、半導体膜における第二レーザ光の反射率または透過率の時間変化および変化率を検出して記録する手段と、半導体膜を移動させるステージと、第一および第二のレーザ発振器とステージとの相対的な移動を制御する手段とを含み、第二レーザ光の反射率または透過率の時間変化及び変化率から結晶成長過程が横方向成長か縦方向成長かを識別する手段と、横方向成長した結晶長を見積もる手段とをさらに含むことを特徴としている。

なお、少なくとも一回の横方向成長をさせた直後にレーザ光に対して半導体膜を相対的に移動させる工程において、検出された反射率または透過率の時間変化プロファイルおよび見積もられた横方向結晶長に基づいて、半導体膜を相対的に移動させる量を最適化させる手段をさらに含むことができる。また、少なくとも一回の横方向成長をさせた次のレーザ照射において、第一または第二のレーザ光の照射エネルギ量を最適化させる手段をさらに含むこともできる。

以上のような本発明により、横方向結晶成長の過程を追跡することが可能であり、横方向成長と下からの縦方向成長による結晶化の両方が起こった場合でも、これらを判別することができる。また、形成された横方向結晶の粒長をレーザ照射後直ちに知ることができる。これによってＳＬＳ法において横方向成長結晶を確実につないでいくことが可能となり、スループットを最大に設定しながら一様に結晶化されかつ均一な結晶粒を持つ半導体薄膜を得ることができる。

（実施例１）
図５は、本発明の実施例１において用いられる結晶膜製造システムの一例を模式的なブロック図で示している。この結晶膜製造システムは、半導体デバイス５８に含まれる半導体薄膜を溶融させて再結晶化させる第一レーザ発振器５２ａ、モニタリング用の第二レーザ発振器５２ｂ、可変減衰器５３ａ、５３ｂ、フィールドレンズ５４ａ、５４ｂ、マスク５５ａ、５５ｂ、結像レンズ５６ａ、５６ｂ、サンプルステージ５７、光検出器５９、および複数のミラーを含んでいる。そして、これらの光学部材は、コントローラ５１によって総合的に制御される。この結晶膜製造システムを用いることにより、ステージ５７上の半導体デバイス５８にレーザ放射パルスを供給することができる。本実施例では第二レーザ５２ｂの反射光を光検出器５９でモニタリングする方法が説明されるが、透過光を用いる場合でもほぼ同様の方法でモニタリングを行うことができる。

本発明で処理される半導体デバイスとしては、基板上に下地絶縁膜と非晶質半導体膜を順次堆積した構造のものを例示することができる。基板としては絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板などを用いることができるが、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点でガラス基板を用いることが好適である。下地絶縁膜には、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または酸化シリコン膜などを用いることができる。また、下地絶縁膜の厚さは５０〜２００ｎｍ程度にすることが好ましいが、これに限定されるわけではない。なお、下地絶縁膜の形成のためには、上述の材料をプラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどにより堆積することができる。

半導体膜は、その厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、ＰＥＣＶＤ、触媒化学気相堆積（Ｃａｔ−ＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどにより堆積され得る。かかる半導体膜の材料としては、半導体特性を示す従来公知のものであれば特に限定されないが、結晶成長長さを長くすることにより種々の特性が顕著に向上するアモルファスシリコン膜とすることが好ましい。しかし、アモルファスシリコンのように非晶質のものに限らず、レーザ照射によって結晶化される前の半導体膜は、微結晶や多結晶などの結晶性半導体膜であってもよい。半導体膜の材質は、シリコンのみからなる材質に限られず、シリコンを主成分としてゲルマニウムなどの他の元素を含んだ材質であってもよい。

第一レーザ５２ａは、基板にダメージを与えないように、半導体膜における吸収係数が大きい紫外光から可視光までの領域内の波長を有することが望ましい。また、第一レーザ５２ａは、それ単体で一回照射することによって固体状態の半導体膜を溶融させ得る照射面積あたりのエネルギ量を有することが望ましい。このエネルギ量は半導体膜の材質の種類、半導体膜の厚さ、結晶化領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできないので、適宜適当なエネルギ量を有するレーザ光を用いることが望ましい。本実施例では波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスを用い、エネルギ量は０．２〜０．５Ｊ／ｃｍ²とした。

半導体膜に第一レーザ光を照射する際のモニタリング方法では、図５に示すように、半導体デバイス５８の斜め方向から第二レーザを照射し、反射光を検出器５９で検出してその信号はコントローラ５１に入力される。第二レーザの照射は、第一レーザの照射期間より前に照射を開始して後に停止させる。第二レーザとしては、次の条件を満たすことが必要である。まず、厚さ１０〜１００ｎｍの半導体膜に照射した場合に、固体状態と溶融状態の反射率が判別できる程度の差を生じるべきことが挙げられる。これを満たすのは、可視光から赤外光までの領域内の波長をもつレーザ光である。また、そのエネルギは第一レーザによる半導体膜アニールに影響を与えないか、または補助する作用がある程度の大きさであることが好ましい。この補助とは、第二レーザが第一レーザより前に照射を開始して後に停止するという限定されたタイミングを利用して、半導体膜、下地絶縁膜、およびガラス基板を適度に加熱することを意味し、結晶長を長くする効果を生じる。結晶長が長くなれば、この半導体膜を用いたＴＦＴなどの半導体デバイスの動作特性を向上させることができる。ＳＬＳ法により横方向成長を繰り返す場合では、結晶長が長くなることで処理面積速度が上がり、スループットが向上する。

このことから、本実施例ではガラス基板に吸収のある波長９〜１１μｍの炭酸ガスレーザを第二レーザとして用い、そのエネルギ量は０．１〜０．４Ｊ／ｃｍ²とした。この場合、第一レーザであるエキシマレーザのエネルギ量も、半導体膜の溶融に過剰とならないよう、適宜変更することが望ましい。炭酸ガスレーザは、半導体膜の反射率を測定するために、ステージ上の半導体膜へ斜め方向から入射させる必要がある。この場合に、そのレーザ入射角度に依存して反射率が変わってくる。固体の半導体膜と溶融状態の半導体膜の反射率比が最大となる入射角度が望ましいが、他の光学機器との影響も考えて、本実施例では半導体膜から斜め上方に４５度の角度で入射させた。炭酸ガスレーザの照射領域は、基板の温度不均一が発生しないように、第一レーザであるエキシマレーザと同一面積かそれ以上の大きさであることが望ましい。他方、炭酸ガスレーザとエキシマレーザの面積比が大きすぎれば、半導体膜が溶融した時点の反射率が検出できない可能性がある。検出器５９としては、結晶成長過程をモニタリングするためにｎｓ以下の時間分解能を持つことが望まれ、また検出器のＳ／Ｎ比を考慮して炭酸ガスレーザとエキシマレーザの面積比に留意することが望まれる。

図６の模式的グラフは、第一レーザと第二レーザのタイミングおよび波形と、そのときの反射率変化の一例を示している。すなわち、図６中の下段のグラフにおいて、実線６０は第一レーザの強度と照射期間を表し、実線６１は第二レーザの強度と照射期間を表している。図６中の上段のグラフに示されているように、第一レーザの照射前は非結晶半導体膜の低い反射率が検出され、第一レーザの照射によって溶融した半導体膜の高い反射率が検出される。そして、冷却して再結晶化した後は、多結晶半導体膜の低い反射率が検出される。

図７の模式的グラフを参照して、横方向成長法における半導体膜の溶融から再結晶までの過程の反射率変化を詳しく説明する。時刻ｔ１で第一レーザが照射され、時刻ｔ２で半導体膜の溶融が始まる。これによって反射率はＲｓから上昇し、時刻ｔ３で半導体膜が完全溶融してから横方向成長の核が発生する時刻ｔ４まで反射率は一定のＲｌとなる。すなわち、図７のグラフ中で、時間領域Ａでは膜が固体、領域Ｂでは膜が固体および液体の混合、領域Ｃでは膜が液体であることが分かる。そして、結晶核が発生して横方向成長が開始した直後に反射率Ｒｌからの低下が始まり、その後はほぼ一定速度で反射率が低下し、横方向結晶成長は等速で進むことが分かった。この期間が、時間領域Ｅに相当している。この場合、横方向成長は、時刻ｔ５でマスク幅中央において両側からの成長結晶がぶつかることによって終了している。よって、横方向結晶長は、マスク幅の２分の１であることが分かる。

図１の模式的グラフを参照して、図７の場合よりマスク幅を長くした場合の横方向成長と反射率変化を説明する。図１においても、横方向成長が開始するまでは図７の場合と同様である。しかし、図１では、時刻ｔ６において半導体膜と直下の下地絶縁膜との界面に結晶核が発生し、半導体膜の縦方向への結晶成長が始まる。この発生核数は横方向成長の場合に比べて非常に多く、結晶化する面積も急激に増える。したがって、反射率は急に減少する。このような反射率の時間変化から、結晶成長過程を分析することができる。

図８の模式的グラフを参照して、結晶成長過程を分析について、より詳しく説明する。時刻ｔ_nにおける反射率Ｒ_nの変化率、すなわち微分値ｄＲ_n／ｄｔ_nと時刻ｔ_n+1における反射率Ｒ_n+1の微分値ｄＲ_n+1／ｄｔ_n+1とにおいて｜ｄＲ_n／ｄｔ_n｜＜｜ｄＲ_n+1／ｄｔ_n+1｜となったことで、縦方向結晶成長が開始したことが分かり、横方向結晶長がマスク幅の２分の１より小さいと分かる。逆に｜ｄＲ_n／ｄｔ_n｜＞｜ｄＲ_n+1／ｄｔ_n+1｜となった場合、横方向結晶の成長速度が低下したことを示しており、これから縦方向結晶成長なく横方向結晶成長が終了することが分かる。

このときの横方向結晶長は、横方向成長を始めてから縦方向成長が開始するまでの時間をＴとすれば、その時間Ｔに対して図９のグラフに示されているような関係にあることが見出された。このように、Ｔを凝固完了までの時間全体とはせずに、横方向成長が起こっている間の時間とすることによって、より正確に横方向結晶長を見積もることができる。

得られた横方向結晶長のデータはコントローラ５１に蓄積され、ステージ５７の移動制御および第一と第二のレーザ５２ａ、５２ｂの制御に利用することができる。例えば、ＳＬＳ法を用いて所望の領域を結晶化する際に、繰り返し横方向成長させる結晶間を確実につなげるように、モニタリングで得られた結晶長のデータを利用することができる。そして、第一と第二のレーザの出力がばらついて横方向結晶長が短くなった場合には、ステージの移動距離が短くなるように制御され得る。

なお、ＳＬＳ法におけるステージの移動とは相対的移動を意味し、固定されたレーザ光に対してステージが移動してもよく、固定されたステージに対してレーザ光が移動してもよく、または両方が移動してもよい。また、ＳＬＳ法におけるステージ移動の時間変化に関しては、ある速度で移動させて決められた位置に停止させた後にレーザ照射し、また移動させて次の位置に停止させた後に次のレーザ照射してもよく、連続的に移動させ続けながらレーザを繰り返し照射することも可能である。連続的に移動させる場合は、得られた横方向結晶長のデータに基づいて走査速度（移動速度）を制御することによって、繰り返し横方成長する結晶間を確実につないでいくことができる。他方、ＳＬＳ法で結晶化と移動を続けていく過程で、基板の蓄熱などの影響によって横方向結晶長が長くなることがある。このような場合には、スループットを向上させるために、ステージの移動距離を長く変更していくことができる。

さらに、半導体膜や基板が過剰に温められれば、第一レーザ光の照射によって半導体膜が凝集したり剥離したりする場合がある。このように半導体膜や基板にダメージを与えることのないように、コントローラ５１はモニタリングのデータを用いて第一および第二のレーザ光の出力を変更することができる。第一および第二のレーザ光の出力を変更する方法として、一回前の結晶成長の経過時間モニタリングおよび結晶長のデータから、レーザ照射位置を移動してから次の照射における第一および第二のレーザ光のパルス強度、パルス幅、照射タイミングなどをそれぞれ変更することができる。または、コントローラ５１は、一定時間照射と照射位置の移動とを繰り返す間にモニタリングおよび結晶長のデータを蓄積して分析した後に、次の一定時間における第一と第二のレーザ光のパルス強度、パルス幅、照射タイミングなどをそれぞれ変更することもできる。

さらに、別の方法として、コントローラ５１は、結晶成長の経過時間のモニタリングおよび結晶長のデータを分析し、それぞれの位置における結晶状態を蓄積しておき、全体のレーザ照射エリアにおける不良領域率の検出にその蓄積データを利用することも可能である。

（実施例２）
図１０は、本発明の実施例２において用いられる結晶膜製造システムの一例を模式的なブロック図で示している。この結晶膜製造システムは、半導体デバイス５８に含まれる半導体薄膜を溶融させて再結晶化させる第一レーザ発振器５２ａ、モニタリング用の第二レーザ発振器５２ｂ、可変減衰器５３ａ、５３ｂ、フィールドレンズ５４ａ、５４ｂ、マスク５５ａ、５５ｂ、結像レンズ５６ａ、５６ｂ、サンプルステージ５７、光検出器５９、および複数のミラーを含んでいる。そして、これらの光学部材がコントローラ５１によって総合的に制御されることは、上述の実施例１の場合と同様である。しかし、本実施例２では第二レーザの透過光をモニタリングする方法が実施例１の場合と異なっている。

本実施例２で用いる半導体デバイスと第一のレーザ光は実施例１の場合と同様であるので、それらの説明は繰り返されない。第二のレーザ光は半導体膜に対して斜め方向から照射され、その透過光が基板側から光検出器５９によって検出される。第二レーザの照射は、第一レーザの照射より前に開始されて後に停止される。第二レーザとしては、次の条件を満たすことが必要である。まず、厚さ１０〜１００ｎｍの半導体膜に照射した場合に、固体状態と溶融状態における透過率が判別できる程度の差を生じるべきことが挙げられる。これを満たすのは、可視光から赤外光までの領域内の波長をもつレーザ光である。また、そのエネルギは第一レーザによる半導体膜アニールに影響を与えないか、または補助する作用がある程度の大きさで、それ以上でも以下でもあっても好ましくない。この補助とは、第二レーザが第一レーザより前に照射を開始して後に停止するという限定されたタイミングを利用して、半導体膜を適度に加熱することを意味し、結晶長を長くする効果を生じる。

本実施例２では第二レーザとして波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザを用い、そのエネルギ量は０．２〜０．５Ｊ／ｃｍ²とした。この場合、第一レーザであるエキシマレーザのエネルギ量も、半導体膜の溶融に過剰とならないように適宜変更することが望ましい。ＹＡＧレーザは、半導体膜の透過率を測定するために、ステージ５７上の半導体膜の斜め上方向から入射させる必要があるが、この入射角度に依存して透過率が変わる。固体の半導体膜と溶融状態の半導体膜との透過率比が最大になることが望ましいが、他の光学機器との関係も考慮して、本実施例２では半導体膜から斜め上方に４５度の角度で入射させた。ＹＡＧレーザの照射領域は、基板の温度不均一が発生しないように、第一レーザであるエキシマレーザと同一面積かそれ以上の大きさであることが望まれる。他方、ＹＡＧレーザとエキシマレーザの面積比が大きすぎれば、半導体膜が溶融した時点の透過率が検出できない可能性がある。検出器５９は、結晶成長過程をモニタリングするために、ｎｓ以下の時間分解能を持つことが望まれる。さらに、検出器５９のＳ／Ｎ比を考慮して、ＹＡＧレーザとエキシマレーザの面積比に留意することが望まれる。

図１１の模式的グラフにおいては、第一レーザ６０と第二レーザ６１のタイミングおよび波形と、それに対応した透過率変化の一例が示されている。図１１に見られるように、第一レーザ６０の照射前は非結晶半導体膜の高い透過率が検出され、第一レーザ６０の照射によって溶融した半導体膜の低い透過率が検出される。そして、冷却して再結晶化した後は、多結晶半導体膜の高い透過率が検出される。

図１２を参照して、横方向成長法における半導体膜の溶融から再結晶までの過程の透過率変化を詳しく説明する。時刻ｔ１で第一レーザの照射が開始され、時刻ｔ２で半導体膜の溶融が始まる。これによって透過率が固相状態におけるＴｓから低下し、時刻ｔ３で半導体膜が完全溶融してから横方向成長の結晶核が発生する時刻ｔ４まで透過率が液相状態におけるＴｌで一定となる。すなわち、図１２中の時間領域Ａでは膜が固体状態、領域Ｂでは膜が固体および液体の混合状態、領域Ｃでは膜が液体状態であることが分かる。結晶核が発生して横方向成長が開始した時刻ｔ４直後に透過率の上昇が始まり、その後はほぼ一定速度で透過率が上昇するので、横方向成長は等速で進むことが分かった。すなわち、この横方向成長の期間Ｔが、図１２中の時間領域Ｅに相当している。この場合、横方向成長は、時刻ｔ５においてマスク幅中央で両側からの成長結晶がぶつかることによって終了している。よって、横方向結晶長は、マスク幅の２分の１であることが分かる。

図１３の模式的グラフを参照して、図１２の場合に比べてマスク幅を長くした場合の横方向成長と透過率変化を説明する。図１３においても、横方向成長が進むまでは図１２の場合と同様である。しかし、図１３では、時刻ｔ６において半導体膜と直下の下地絶縁膜との界面に結晶核が発生し、半導体膜の下から上方向への結晶成長が始まる。この発生核数は横方向結晶の場合に比べて非常に多く、結晶化する面積も急激に増える。よって、膜の透過率は急に増大する。このように、透過率変化のプロファイルによって、結晶成長過程において、横方向成長か縦方向成長かを分析することができる。

なお、本実施例２においても結晶長の見積もり方やその見積データを利用した制御方法は実施例１の場合と同様なので、それらの説明は繰り返されない。本実施例２では第二レーザにＹＡＧレーザを選択してその透過光を利用する場合を説明したが、その反射光を利用しても同様にモニタリングすることができる。

半導体膜の溶融および再結晶化する過程における第二レーザ光の反射率変化を示す模式的グラフである。 レーザ照射で一旦溶融させて結晶化させた半導体膜を示す模式的上面図である。 ＳＬＳ法を用いて半導体膜を結晶化する過程を説明するための模式的上面図である。 従来の方法でレーザアニールした場合における第二光レーザの反射率変化を示す模式的グラフである。 本発明の半導体デバイスの製造方法に用い得るレーザ照射システムの一例を示す模式的ブロック図である。 図５のレーザ照射システムにおける第一レーザ光と第二レーザ光のタイミングおよび第二レーザ光の反射率変化の一例を示す模式的グラフである。 半導体膜の横方向結晶成長の場合の溶融および再結晶化の過程における第二レーザ光の反射率変化の一例を示す模式的グラフである。 結晶の横方向成長と縦方向成長を第二レーザ光の反射率変化から判別する方法を説明するための模式的グラフである。 凝固時間と横方向結晶長の関係を示すグラフである。 本発明の半導体デバイスの製造方法に用い得るレーザ照射システムの他の例を示す模式的ブロック図である。 図１０のレーザ照射システムにおける第一レーザ光と第二レーザ光のタイミングおよび第二レーザ光の透過率変化の一例を示す模式的グラフである。 半導体膜の横方向結晶成長の場合の溶融および再結晶化の過程における第二レーザ光の透過率変化の一例を示す模式的グラフである。 結晶の横方向成長と縦方向成長を第二レーザ光の透過率変化から判別する方法を説明するための模式的グラフである。

符号の説明

Ａ 第一レーザ照射されてから半導体膜が溶融するまでの時間領域、Ｂ 半導体膜が溶融を開始してから膜全体が溶融するまでの時間領域、Ｃ 半導体膜が溶融している時間領域、Ｄ 縦方向成長の結晶核が半導体膜と下地絶縁膜との界面に生成してから結晶成長が終了するまでの時間領域、Ｅ 横方向成長の結晶核が生成してから結晶成長が終了するまでの時間領域、Ｆ 第二レーザが照射される時間領域、Ｇ 第一レーザが照射される時間領域、Ｔ 凝固期間、２１ 横方向成長結晶長、３１ 距離、３２ レーザ照射部分、５１ コントローラ、５２ａ、５２ｂ レーザ発振器、５３ａ、５３ｂ 可変減衰器、５４ａ、５４ｂ フィールドレンズ、５５ａ、５５ｂ マスク、５６ａ、５６ｂ 結像レンズ、５７ サンプルステージ、５８ 半導体デバイス、５９ 光検出器、６０ 第一レーザ波形、６１ 第二レーザ波形。

Claims (11)

1. 基板上に形成された半導体膜に第一レーザ光を照射してその半導体膜を溶融する工程と、
   前記半導体膜へ第二レーザ光を照射してその反射率または透過率を検出するモニタリング工程と、
   前記第一および前記第二のレーザ光に対して前記半導体膜を相対的に移動させる工程とを含む半導体デバイスの製造方法において、
   前記モニタリング工程は、前記第二レーザ光の前記反射率または前記透過率の時間変化とその変化率から結晶成長過程が前記半導体膜の厚さ方向断面において横方向か縦方向かを識別した後に、横方向成長時間のみを抽出して横方向結晶長を見積もる工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
2. 前記半導体膜を移動させる工程に伴って、前記半導体膜の前記横方向成長した結晶領域の一部分に引き続くように重複してレーザ光照射を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
3. 前記第一レーザ光は紫外光域から可視光域の範囲内の波長を有し、前記第二レーザ光は可視光域から赤外光域の範囲内の波長を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法。
4. 前記第二レーザ光は前記第一レーザ光より弱いエネルギで照射され、かつ前記第一レーザ光と前記第二レーザ光とのエネルギ量の合計によって前記半導体膜が溶融するように、それぞれのレーザ光のエネルギ密度を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
5. 前記第二レーザ光は前記第一レーザ光に比べて所定時間だけ先行したタイミングで照射開始され、前記第一レーザ光の照射が終了した後に前記第二レーザ光の照射を終了させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
6. 前記第二レーザ光は前記第一レーザ光の照射領域に比べて同一または広い面積に対して照射されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
7. 少なくとも一回の前記横方向成長をさせた直後にレーザ光に対して相対的に前記半導体膜を移動させる工程において、検出された前記反射率または前記透過率の時間変化プロファイルおよび前記見積もられた横方向結晶長に基づいて、前記半導体膜を相対的に移動させる量を最適化させることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
8. 前記横方向成長した結晶長に基づいて、その次のレーザ照射において、前記第一または前記第二のレーザ光の照射エネルギ量を最適化させることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
9. 請求項１から８のいずれかの半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置であって、
   第一レーザ発振器と、第二レーザ発振器と、これら２つのレーザ発振器を制御するコントローラと、前記半導体膜における前記第二レーザ光の反射率または透過率の時間変化および変化率を検出して記録する手段と、前記半導体膜を移動させるステージと、前記第一および前記第二のレーザ発振器と前記ステージとの相対的な移動を制御する手段とを含み、
   前記第二レーザ光の反射率または透過率の時間変化及び変化率から結晶成長過程が横方向成長か縦方向成長かを識別する手段と、
   前記横方向成長した結晶長を見積もる手段とをさらに含むことを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
10. 少なくとも一回の前記横方向成長をさせた直後に前記レーザ光に対して前記半導体膜を相対的に移動させる工程において、検出された前記反射率または前記透過率の時間変化プロファイルおよび前記見積もられた横方向結晶長に基づいて、前記半導体膜を相対的に移動させる量を最適化させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体デバイスの製造装置。
11. 少なくとも一回の前記横方向成長をさせた次のレーザ照射において、前記第一または前記第二のレーザ光の照射エネルギ量を最適化させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体デバイスの製造装置。

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