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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】結晶粒径が十分に小さくて均一な結晶質半導体膜を基板上に得る。
【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

この発明は、非晶質半導体膜にレーザ光を照射して結晶化させる結晶質半導体膜の製造方法、半導体膜の加熱制御方法ならびに半導体結晶化装置に関するものである。
液晶表示装置などの薄型表示器フラットパネルディスプレイに用いられる薄膜トランジスタ(TFT)の結晶化シリコンの製造には、(1)非晶質半導体膜にパルスレーザ光を照射し、溶融、再結晶化させる方法(レーザアニール法)や、(2)加熱炉で基板を加熱して、非晶質半導体膜を溶融させずに固体のまま結晶成長させる固相成長法(SPC;Solid phase crystallization)や、(3)ガラス基板上にCVD法で直接ポリシリコン膜を成長させる方法が一般的である。
さらに、固相成長させたポリシリコンにレーザ光を照射してポリシリコン膜中の不純物を移動させて捕獲する方法(特許文献1参照)や、結晶質シリコン膜にレーザ光を照射して溶融固化工程で結晶欠陥を低減して結晶性を向上させる方法が提案されている(特許文献2参照)。
特開2002−373859号公報 特開2006−108136号公報
ところで、最近、液晶ディスプレイに変わり、次世代ディスプレイとして有力視されている有機ELディスプレイでは、有機EL自体が発光することによってスクリーンの輝度を上げている。有機ELの発光材料はLCDのように電圧駆動ではなく電流駆動であるため、TFTへの要求が異なっている。非晶質半導体によるTFTでは経年変化の抑制が難しく、しきい値電圧(Vth)の大幅なドリフトが発生し、デバイスの寿命が制限される。一方、ポリシリコンは安定材料のため長寿命である。しかしながらポリシリコンによるTFTでは、TFTの特性ばらつきは大きい。このTFT特性のばらつきは、結晶質シリコンの結晶粒の界面(結晶粒界)がTFTのチャネル形成領域に存在すると発生しやすくなる。TFTの特性ばらつきは、主にチャネル間に存在する結晶粒径と結晶粒界の数に左右されやすい。さらに、結晶粒径が大きいと一般に電解電子移動度が大きくなる。有機ELディスプレイ用途のTFTは電解電子移動度の高いものは却って、TFTのチャネル長を長くしなければならず、RGB(赤・緑・青)それぞれの1画素の大きさがTFTのチャネル長に依存してしまい高解像度が得られない。
しかし、従来の結晶化方法では、上記の問題を解決することが困難である。なぜなら、レーザアニール法は、非晶質半導体を一旦溶融させ再結晶化させるプロセスであるため、一般に、形成する結晶粒径は大きく、先に述べたように電界電子移動度が高く、また、複数のTFTのチャネル領域内の結晶粒径の数にばらつきが生まれることや、ランダムな形状、隣り合う結晶の結晶配向性に違いが生じることで、結果TFTの特性ばらつきに大きく影響する。また、表面のコンタミネーションにより、結晶に欠陥が生じるといった問題もある。
一方、固相成長法(SPC法)による結晶は、粒径が小さくTFTばらつきは少なく、上記課題を解決する最も有効な結晶化方法である。しかしながら熱処理による固相成長では結晶形状が一定でなく結晶粒の中に多くの欠陥が見られる。また、結晶化時間が長く、量産用途としては採用しにくい。固相成長法(SPC法)を可能にする熱処理工程では、複数枚の基板を同時に処理するバッチタイプの熱処理装置が使用される。大量の基板を同時に加熱することから、昇温および降温に長時間を要するとともに基板内の温度が不均一になりやすい。また、固相成長法は、ガラス基板の軟化点温度約600℃よりも高い温度で長時間加熱するため、ガラス基板自体の収縮、膨張を引き起こしガラスにダメージを与えやすい。シリコンのSPCにおける結晶化温度は、ガラス軟化点温度より高いので、少しの温度分布でガラス基板のたわみや収縮分布が発生する。その結果、結晶化が可能であっても焦点深度の浅い露光工程などのプロセスに支障が生じてTFTデバイスの作製が困難になる場合がある。一般に結晶化速度は加熱温度に依存し、600℃で数十時間、650℃で数時間、700℃で数十分の処理時間が必要となる。ガラスにダメージを与えることなく処理するためにはガラスの軟化点より低い温度で長時間の処理時間が必要となりこの方法は量産用途としては採用し難い。
また、CVD法によるポリシリコン膜の形成方法では、加熱温度が高く、やはりガラス基板に悪影響を与えてしまう。さらに特許文献1による方法では、不純物の除去は可能であるが、結晶粒径が小さくて均一な結晶質膜を製造することは困難である。また、特許文献2による方法では、欠陥の排除により結晶質膜の結晶性を向上させることは可能であるが、同じく結晶粒径が小さくて均一な結晶質膜を製造することは困難である。
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。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、TFTのチャネル領域に複数の結晶粒が存在し得るような、平均粒形の小さい結晶質半導体膜を均一に作製することができる結晶質半導体膜の製造方法および半導体結晶化装置ならびに半導体膜の加熱に際し最適なレーザ照射条件を容易に導き出すことが可能な半導体膜の加熱制御方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の結晶質半導体膜の製造方法のうち請求項1記載の発明は、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。
請求項2記載の結晶質半導体膜の製造方法の発明は、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。
請求項3記載の結晶質半導体膜の製造方法の発明は、請求項2記載の発明において、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4記載の結晶質半導体膜の製造方法の発明は、請求項2または3に記載の発明において、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5記載の結晶質半導体膜の製造方法の発明は、請求項2〜4のいずれかに記載の発明において、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6記載の結晶質半導体膜の製造方法の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の発明において、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。
また、請求項7記載の半導体膜の加熱制御方法の発明は、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膜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。
さらに、請求項8記載の半導体結晶化装置の発明は、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。
すなわち本発明の結晶質半導体膜の製造方法によれば、ガラス基板を加熱する場合にも、ガラス基板を、ダメージを与えない温度に昇温して加熱維持することができ、この状態を保ったまま、レーザ処理によって表面の非晶質半導体膜のみを溶融しない温度で短時間加熱して非晶質半導体を結晶化させることができる。これにより、ガラス基板の変位(たわみ・変形・内部応力)を抑えてガラス基板にダメージを与えることなく結晶粒径が小さくて均一な高品質の多結晶半導体基板を得ることができる。なお、ガラス基板を予備加熱することなく非晶質半導体膜にレーザ光を照射して融点以下の温度で結晶化させることも可能である。
なお、ガラス基板の昇温および加熱維持は、ガラスの軟化点を越えないか、又は軟化点を越えたとしても超過温度幅が小さいのが望ましく、さらに、ガラス基板の軟化温度を超えないのが一層望ましい。これによりガラス基板の変位をより抑えることができる。
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。
なお、レーザ光はガラス基板をできるだけ加熱することがないように非晶質半導体に対し吸収のよい特性のものが望ましく、例えば適切な波長域のレーザ光の選定を行う。前記レーザ光の光源は、本発明としては特に限定をされるものではないが、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ものが好適である。
また、レーザ光の照射では、レーザ光照射前にガラス基板が加熱維持されているため、レーザ光の光源のエネルギー変動幅を見かけ上より均一にすることができ、レーザ光のショット毎の温度変動を均一にする。この作用を確実に得るためには、ガラス基板の加熱維持を適切にすることが望ましい。ガラス基板の材質にも左右されるが、一般にはガラス基板を(軟化温度:600℃)以上で加熱維持するのが望ましい。
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。
さらに、半導体膜の加熱制御方法および結晶化装置によれば、プローブレーザ光による反射光が検知されてレーザ光の照射条件の設定に利用することができる。
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。
本発明においては、半導体表面からの反射率をリアルタイムに検出するという方法で、非破壊検査を実施することなく、レーザ照射条件を決定することができる。つまり、半導体の融点を超えない温度まで半導体を加熱することが制御可能となる。
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。
以上説明したように、本発明の結晶質半導体膜の製造方法によれば、好適には非晶質半導体膜を上層に有するガラス基板を昇温して加熱状態を維持しつつ、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ので、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、本発明の半導体膜の加熱制御方法によれば、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膜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ので、レーザの最適な照射条件を容易に決定することができ、作業が簡略化されて効率が良くなる効果がある。
また、本発明の半導体結晶化装置によれば、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、該加熱用レーザ光源の照射条件を設定する加熱用レーザ光制御部と、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ので、上記レーザの照射条件の設定を反射光検出手段による検出結果を受けて容易に実行することができる。該設定は、加熱用レーザ光源などに反映させて最適なレーザ照射条件によって、半導体膜の結晶化を融点を超えない温度に加熱して行うことができる。
(実施形態1)
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。
図1は、本発明の一実施形態の結晶質半導体膜の製造方法に用いられるエキシマレーザァニール処理装置1を示すものである。すなわち、該装置1は、アニール室(チャンバー)2とアニール室2外部のKrFエキシマレーザ発生部3aとを有している。アニール室2の上方部には、内側に向けたレーザ照射部3cが設けられており、前記KrFエキシマレーザ発生部(レーザ光源)3aと、このレーザ照射部3cとは、レーザ伝送系3bによって連結されており、これらKrFエキシマレーザ発生部3a、レーザ伝送系3b、レーザ照射部3cとによってレーザ照射手段が構成されている。KrFエキシマレーザは波長が248nmのUV光である。
また、アニール室2の内部には、上記レーザ照射部3cのレーザ照射方向に、基板載置台4が配置されており、この基板載置台4の下方には、内蔵される形で加熱手段であるヒータ5が設けられている。基板載置台4の周囲には、枠状の断熱カバー7が配置されており、該断熱カバー7に接して同じ枠状の反射板6が断熱カバー7上に設置されている。反射板6の内側壁面は、内側下方に傾斜しており、内部の放射熱を反射して反射板6の内側を高温に保持することができる。
次に、上記レーザアニール処理装置1を用いた薄膜の製造方法を説明する。
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。
基板8を所定の温度に維持した状態で、エキシマレーザ発生部3aで発生させたエキシマレーザ光をエキシマレーザ伝送系3bを通してレーザ照射部3cに伝送し、この照射部3cで非晶質シリコン薄膜9に向けてエキシマレーザ光10を照射する。この照射により基板8上の非晶質半導体薄膜9のみが加熱されて多結晶化される。この際に、半導体薄膜9の加熱温度は、その融点を超えない温度とする。その後、好適には、図2に例を示すように、段階的に降温、等温保持しつつ冷却する。その結果得られた多結晶半導体薄膜は、結晶粒径が均一かつ小さくて良質な結晶性を有している。
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。
(実施形態2)
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。
さらに、アニール室22の外部には、可視光の診断用プローブレーザ光を照射可能な診断用レーザ発生部(診断用レーザ光源)30が配置されている。該診断用レーザ発生部30のレーザ光照射方向には、アニール室22のプローブレーザ光照射部27aが設けられており、さらにその照射方向に半導体膜9が表面に設けられた前記基板8が位置する。前記半導体膜9による反射光は、アニール室22の反射光出射部27bに進んでアニール室22外に出射されるように構成されており、その出射方向光路には、ミラー31a、レンズ31bが配置され、さらに該光路の先側にフォトダイオードなどによって構成されるフォトチューブ型の反射光検出器32が配置されている。
次に、上記実施形態におけるエキシマレーザアニール処理装置20の動作について説明する。
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。
上記検出においては、KrFエキシマレーザ発生部23aによる加熱用レーザ光のエネルギ密度やショット数を変えて、反射光30bの検出光量の変化を観察する。この観察において、検出光量が顕著に増加すると非晶質シリコン薄膜9における固相から液相への転移と判定され、検出光量が顕著に減少すると液相から固相への転移であると判定される。これにより非晶質シリコン薄膜9が融点を超えない温度に加熱するための加熱用レーザ光10の照射条件を設定することができる。この設定された照射条件によって、非晶質シリコン薄膜を順次処理することで、最適な処理条件で効率よく半導体薄膜の結晶化処理を行うことが可能になる。
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。
以下に、本発明の実施例について説明する。
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、他の実験例として、室温から350℃まで100℃/分の加熱速度で昇温させた後、10分間保持しつつ、基板に向けて同じくパルス状のエキシマレーザ光10を30ショット照射した。これにより基板8上の非晶質半導体薄膜は多結晶化された。レーザ光照射後は、基板を室温まで100℃/分の冷却速度で冷却した。各実験例におけるレーザ光のエネルギー密度は表1に示すように調整した。
得られた結晶粒の測定結果を表1に示した。それぞれの基板温度において、あるエネルギ密度以上なるとX線回折において結晶性を表す(111)配向のピークが得られた。
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。
また、前もって非晶質シリコンが完全に溶解する条件であるSecco溶液によるエッチング(21秒間)において変化なかったことから、得られた半導体膜は結晶性を有していることも確認できた。これは、Secco溶液の非晶質シリコンと結晶シリコンに対するエッジングレートの割合は極端に異なることを利用している。一般に結晶シリコンのエンジングレートは深さ方向で数Å/secオーダーであり、50nmの膜厚の結晶シリコンを溶融するのに数分必要となる。
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。
(実施例2)
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/cm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/cm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/cm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/cm<Fth <100mJ/cm の範囲にあり最適エネルギー密度(F)は90mJ/cm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。
本発明の一実施形態に使用されるエキシマレーザアニール処理装置を示す縦断面図である。 同じく、一実施形態におけるヒータパターンを示す図である。 同じく、他の実施形態におけるエキシマレーザアニール処理装置を示す縦断面図である。 同じく、実施例におけるヒータパターンを示す図である。 同じく、実施例と従来例における結晶化した半導体膜を示す図面代用の走査型電子顕微鏡写真である。 同じく、他の実施例におけるショット毎の診断用プローブレーザ光による反射光量を示す図である。
符号の説明
1 エキシマレーザアニール処理装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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