JP2008147487A - 結晶質半導体膜の製造方法および半導体膜の加熱制御方法ならびに半導体結晶化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】好適には非晶質半導体膜9を上層に有するガラス基板8を昇温させて加熱状態を維持する。該ガラス基板8上の前記非晶質半導体膜9にレーザ光20を照射して該非晶質半導体膜を融点を超えない温度に加熱して、前記非晶質半導体膜9を結晶化させる。ガラス基板にダメージを与えることなく、基板上に結晶粒径が小さくて均一な結晶質半導体膜を得ることができる。また、レーザ光照射前にガラス基板を加熱維持しておくことにより、レーザ光のショット毎の温度変動を均一にできる。さらにレーザ光の照射により結晶欠陥を除去し、また非晶質半導体膜内に内在する不純物や表面に付着しているコンタミネーションを除去する。
【選択図】図1
Description
最近では、配線幅がさらに小さくなるとともに、TFTのチャネル形成領域のサイズ(チャネル長、チャネル幅)も小さくなっているため、平均粒径の小さい安定な結晶質半導体膜を基板全域に均一に作製できる方法が強く求められており、特に隣接領域のTFT特性の差を最小にする結晶化技術が求められている。
ガラス基板の昇温は、種々の加熱手段により行うことができ、本発明としては特定のものに限定をされないが、ガラス基板側をヒータの伝熱によって加熱するのが望ましい。
また、前記ガラス基板は、段階的な温度で昇温および温度保持を行いつつ前記維持温度にまで昇温させるのが望ましい。これによりガラス基板の温度の均一化を図り、加熱による変位を最小限に抑えることができる。
さらにレーザ光の照射により結晶欠陥を除去し、またレーザ照射により有機物は分解され、非晶質半導体膜内に内在する不純物や表面に付着しているコンタミネーションを除去する作用が得られる。
従来は、基板温度、半導体の厚み、半導体内不純物含有量などによりレーザの照射条件が異なる為、半導体膜のレーザ加熱時の最適エネルギー密度(F)を得るためにエネルギー密度の値を変えて1ショット毎に半導体表面に照射する、または最適照射回数’(T)を得るために複数回連続で照射し、照射後、走査型電子顕微鏡(SEM)等の基板観察やX線回折等の破壊検査により、照射条件(F)または(T)を決定することが必要である。このような方法では、最適な照射条件をみつける作業は手間が掛かり、非常に効率が悪い。
この方法は、溶融したシリコンの反射率は、可視光の反射率が固体シリコンの反射率よりも数10%高い現象を利用したもので、固相から液相へ、また液相から固相への転移を容易に観測することができる。つまりこの方法を用いれば、レーザ光の照射条件として溶融開始のしきい照射エネルギー密度(Fth)や溶融開始のしきい照射回数(Tth)を容易に知ることができる。本発明では、例えばF<Fth(溶融しきい値Fth:溶融開始の照射エネルギー密度)およびT<Tth(溶融しきい値Tth:溶融開始の照射回数)を同時に満たすように照射条件を設定することができる。なお、反射光の検知は、適宜のフォトダイオードなどを用いることができるが、本発明としては特定のものに限定されるものではなく、反射光の光量を絶対的または相対的に測定できるものであればよい。
レーザ光の照射条件は、加熱用レーザ光源に反映させてレーザ光源の制御を行うことができる。例えばレーザ光のエネルギ密度は、レーザ光出力の調整や集光の度合いなどによって調整することができる。
以下に、本発明の一実施形態を図1に基づいて説明する。
この実施形態の結晶質半導体膜の製造方法では、フラットパネルディスプレイTFTデバイスに用いられる基板を対象にし、該基板上にはアモルファスシリコン薄膜が形成されているものとする。ただし、本発明としては、対象となる基板およびこれに形成された非晶質半導体の種別がこれに限定されるものではない。
ガラス製の基板8の表面には常法によって非晶質シリコン薄膜9が膜厚50nmで形成されている。この基板8を前記基板載置台4上に載置する。次いで、アニール室2内を大気圧程度の圧力とし窒素でパージして窒素雰囲気とし、ヒータ5に通電して、基板載置台4からの熱伝導により基板8を加熱する。この際には、図2に例を示すように、基板8を段階的な温度で昇温、等温保持しつつ所定の維持温度にまで昇温させるのが望ましく、維持温度は、好適には基板8の軟化温度以下とする。この際には、基板8の昇温によって非晶質シリコン薄膜9も伝熱や輻射熱(反射板6による反射熱も含まれる)によって昇温する。
この結晶質半導体膜は、有機ELディスプレイに好適に使用することができる。ただし、本発明としては、使用用途がこれに限定されるものではなく、その他の液晶ディスプレイや電子材料として利用することが可能である。
次に、診断用プローブレーザ光の照射及び検出を可能としたエキシマレーザアニール処理装置の実施形態について図3に基づいて説明する。なお、この実施形態2においてに前記実施形態1と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
このエキシマレーザアニール処理装置20では、アニール室22の外部に、KrFエキシマレーザ発生部(加熱用レーザ光源)23aが設置されており、該KrFエキシマレーザ発生部23aの照射方向には第1ハーフミラー23b、第2ハーフミラー23cが配置されて、第2ハーフミラー23cで反射されたレーザ光10が、レンズ23dを介してアニール室22のレーザ照射部23eに照射されるように構成されており、さらにその照射方向先方に非晶質シリコン薄膜9を表面に設けた基板8が配置される。なお、第1ハーフミラー23bの反射側にエネルギメータ25aが配置されて、KrFエキシマレーザ発生部23aの出力検知が可能になっており、該検知結果は、出力表示部25bに表示可能になっている。また、第2ハーフミラー23cの透過側には、トリガ信号用バイプラナ光電管26が配置されており、KrFエキシマレーザ発生部23aからのレーザ光出力の検知を反射光検知用トリガ信号に用いることが可能になっている。
アニール室22内には、前記した基板8が非晶質シリコン薄膜9を上面にして設置され、前記実施形態1と同様にアニール室22内の雰囲気調整を行うとともに図示しない加熱手段によって前記基板8を加熱する。KrFエキシマレーザ発生部23aからは、加熱用エキシマレーザ光が出力され、第1ハーフミラー23b、第2ハーフミラー23c、レンズ23dを介してレーザ照射部23eからアニール室22内に導入され、アニール室22内の非晶質シリコン薄膜9に照射される、上記加熱用エキシマレーザ光は、第1ハーフミラー23bで一部が反射してエネルギメータ25aによりエネルギが測定され、測定結果が出力表示部25bに表示される。また、第2ハーフミラー23cでは、レーザ光の一部が透過して、トリガ信号用バイプラナ光電管26で検知され、これをトリガ信号として、診断用レーザ発生部30を動作させて可視光の診断用レーザを出力する。診断用レーザ発生部30から出力されたプローブレーザ光30aは、プローブレーザ光照射部27aを通してアニール室22内の上記非晶質シリコン薄膜9に照射され、該非晶質シリコン薄膜9で反射された反射光30bは反射光出射部27bを通してアニール室22外に出射される。さらに反射光30bは、ミラー31a、レンズ31bを通して反射光検出器32で光量が検出される。上記診断用レーザ光の出力および検出は、上記加熱用レーザ光10による加熱処理と同時期にリアルタイムで行われる。
以上、上記各実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜の変更が可能である。
前記実施形態に示す結晶化処理装置を用いて、ガラス基板に非晶質シリコン薄膜(融点1200℃)が膜厚50nmで形成された供試材を用意した。
先ず、ガラス基板に反りが生じないようにするため、図4に示すように、ヒータによって室温から400℃までの範囲を100℃/分の加熱速度で昇温させた後、5分間保持した。その後50℃/分の加熱速度で500℃または650℃まで昇温し保持した。以上の方法により、ガラス基板8の温度を500℃または650℃程度に制御しつつ10分間保持しつつ、レーザ照射部3cより基板8に向けてパルス状のエキシマレーザ光10を30ショット照射した。基板8上の非晶質半導体薄膜は、850〜1000℃に加熱されて多結晶化された。レーザ照射後は、50℃/分の冷却速度で400℃まで冷却した後、400℃で5分間保持し、その後、室温まで100℃/分の冷却速度で冷却した(図4参照)。
また得られた結晶粒の走査型電子顕微鏡(SEM)観察からは、あるエネルギ密度になると、固相成長の結晶(SPC)ではなく溶融・再結晶化する通常のレーザアニーリングの結晶になることが確認された。また、本実施例で得られた固相成長による結晶と通常のレーザアニーリングによる溶融・再結晶化した結晶のSEM写真を図5に示す。
このように得られた多結晶半導体薄膜は、条件により結晶粒径のバラツキが少なく、面全体で均質に多結晶化されており、かつ良質の多結晶 半導体薄膜を得ることができた。いずれの基板温度の条件においても、少なくとも30mJcm−2以上のエネルギーマージンが得られた。
本発明によれば、結晶粒は100nm以下と小さく結晶質半導体膜が均一に得られるため、TFT特性のばらつきの少ない半導体膜を提供できることが明らかとなった。
次に、上記実施形態と同様にシリコン膜厚:50nmの非晶質シリコン薄膜を用意し、前記実施形態2の装置を用いて、シリコン基板温度を500℃とし、照射エネルギー密度を70、80、90、100mJ/cm2で変化させて、1ショット毎に、反射光検出器によって反射光量を検出し、その結果を図6に示した。
90mJ/cm2までの照射エネルギ密度では、反射光の強度にほぼ変化はみられない(ノイズレベル)が、100mJ/cm2で約20mVの変化が観察された。つまり、この条件(基板)での溶融しきい値(Fth)は90mJ/cm2<Fth <100mJ/cm2 の範囲にあり最適エネルギー密度(F)は90mJ/cm2であることが判断でき、最適なレーザ照射条件(照射エネルギ密度)が容易に判明した。
2 アニール室
3a エキシマレーザ発生部
3b エキシマレーザ伝送系
3c レーザ照射部
4 基板載置台
5 ヒータ
6 反射板
8 基板
9 非晶質シリコン薄膜
10 レーザ光
20 エキシマレーザアニール処理装置
22 アニール室
23a エキシマレーザ発生部
30 診断用レーザ発生部
32 反射光検出器
Claims (8)
- ガラス基板の上層に有る非晶質半導体膜にレーザ光を照射して、該非晶質半導体膜を融点を超えない温度に加熱して、前記非晶質半導体膜を結晶化させることを特徴とする結晶質半導体膜の製造方法。
- 非晶質半導体膜を上層に有するガラス基板を昇温させて加熱状態を維持しつつ、該ガラス基板上の前記非晶質半導体膜にレーザ光を照射して該非晶質半導体膜を融点を超えない温度に加熱して、前記非晶質半導体膜を結晶化させることを特徴とする結晶質半導体膜の製造方法。
- 前記ガラス基板の加熱状態の維持は、該ガラス基板の軟化温度を超えない温度でなされることを特徴とする請求項2記載の結晶質半導体膜の製造方法。
- 前記ガラス基板の昇温は、ヒータによる加熱により行うことを特徴とする請求項2または3に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
- 前記ガラス基板は、段階的な温度で昇温および温度保持を行いつつ前記維持温度に昇温させることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
- 前記レーザ光は、エキシマレーザ発振装置、YAGレーザ発振装置などのパルスレーザを光源とすることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
- 半導体膜に加熱用レーザ光を照射して該半導体膜を加熱する際に、前記レーザ処理中に該半導体膜の表面へ可視光の診断用プローブレーザ光を入射し、該プローブレーザ光による半導体膜からの反射光を検出して、該検出結果に基づき、前記レーザ処理において前記半導体が融点を超えない温度で加熱されるように前記加熱用レーザ光の照射条件を導出することを特徴とする半導体膜の加熱制御方法。
- 半導体膜に加熱用レーザ光を照射する加熱用レーザ光源と、前記半導体膜に可視光の診断用プローブレーザ光を照射する診断用レーザ光源と、前記診断用プローブレーザ光が半導体膜で反射した反射光を検出する反射光検出手段とを備えることを特徴とする半導体結晶化装置。
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