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
【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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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／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。
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。
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
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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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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