JP2009004629A - 多結晶半導体膜形成方法及び多結晶半導体膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜時間を増大することなく、粒径の揃った結晶粒を形成する。
【解決手段】本発明の多結晶半導体膜形成方法は、非晶質半導体膜を、この非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、非晶質半導体膜内に結晶核を発生させる第１熱処理工程と、第１熱処理工程を実施した非晶質半導体膜に、非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる第２熱処理工程と、を備える。本発明の多結晶半導体膜形成装置１０は、上記の第１熱処理工程を実施する第１熱処理装置２０と、上記の第２熱処理工程を実施する第２熱処理装置３０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、非晶質半導体膜を結晶化させる多結晶半導体膜形成方法及び多結晶半導体膜形成装置に関する。

レーザアニールは、低融点ガラス（通常、無アルカリガラス）からなる基板上に形成されたアモルファスシリコン膜（以下、ａ−Ｓｉ膜という）などの非晶質半導体膜にレーザ光を照射し、溶融及び凝固させて再結晶化させることにより多結晶半導体膜を形成する技術である。結晶化したシリコン膜は、ａ−Ｓｉ膜に比べ電気的特性に優れているため、携帯電話やデジタルスチルカメラなどの高精細な表示が要求される液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを駆動する薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）に採用されている。
レーザアニールでは、通常、レーザ光源から出射されたレーザ光を、光学系を用いて断面が線状のビーム（以下、線状ビームという）に加工し、この線状ビームを、ａ−Ｓｉ膜に対して線状ビームの短軸方向に走査する。

レーザアニールのレーザ光源として、従来は主にガスレーザであるエキシマレーザが用いられているが、近年、コスト面、メンテナンス面で有利であり安定したレーザ出力が得られるＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ_４等の固体レーザの基本波を、ａ−Ｓｉ膜に対して吸収率の良い可視領域に波長変換して利用するレーザアニール装置が注目されている。

図４は、結晶粒長とトランジスタ性能の関係を説明する図である。多結晶シリコンのトランジスタ性能は、電子が移動する領域（チャネル）内での結晶粒界の数で決まり、図４に示すように、結晶粒界の数が多いほど電子が移動しにくくなり、トランジスタ性能は低下する。したがって、結晶粒の長さが長い（すなわち結晶粒が大きい）ほど、トランジスタの性能は良くなる。一方、実際に作製されるトランジスタでは、チャネルの向き（電流が流れる方向）が、上述したビーム走査方向と同じ場合や、その垂直方向の場合がある。各トランジスタの性能を揃えるためには、どの向きにチャネルが作られても、同程度の数の結晶粒界をもつような多結晶シリコンを形成する必要がある。そのためには、多結晶シリコンの各結晶粒の長さを、ビーム走査方向とその垂直方向とで同程度とする必要がある。特に、画素間における動作性能、発光性能に対して高レベルの均一性が要求される液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイの画素形成用のトランジスタにおいては、どの方向に対しても均一な結晶粒長の結晶粒が必要となる。

しかし、上述したレーザアニールにより多結晶半導体膜を形成する場合、図５に示すように、レーザ光の膜内への侵入長が長いために、半導体膜が膜厚方向に均一に溶融・結晶化し、そのため、結晶核が膜厚方向にランダムに発生し、粒径が揃わない結晶粒が形成される。その結果、トランジスタの性能が揃わないという問題がある。

一方、下記特許文献１〜３では、結晶核の発生を制御するための技術が提案されている。
特許文献１に記載された方法は、第１のエネルギー密度のレーザ光を重畳照射した後、第１のエネルギー密度よりも高い第２のエネルギー密度のレーザ光を重畳照射して、多結晶半導体膜を形成するものである。
特許文献２，３に記載された方法は、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等により微結晶Ｓｉ膜を形成し、その上にａ−Ｓｉ膜を形成し、レーザアニールを実施することにより、微結晶層を種結晶として結晶粒を成長させ、均一な結晶粒を得ようとするものである。

しかしながら、特許文献１の方法は、レーザ光のエネルギー分布の変動により均一な結晶核を形成することができない問題がある。
また、特許文献２，３の方法は、微結晶層を形成する分、成膜時間が増大するという問題がある。

特開平１０−２２２２３号公報 特開平８−１９５４９２号公報 特開２００３−２８２４４３号公報

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、成膜時間を増大することなく、粒径の揃った結晶粒を形成することができる多結晶半導体膜形成方法及び多結晶半導体膜形成装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の多結晶半導体膜形成方法及び多結晶半導体膜形成装置は、以下の手段を採用する。
本発明の多結晶半導体膜形成方法は、非晶質半導体膜を、該非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、該非晶質半導体膜内に結晶核を発生させる第１熱処理工程と、該第１熱処理工程を実施した前記非晶質半導体膜に、該非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、該非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる第２熱処理工程と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の多結晶半導体膜形成装置は、非晶質半導体膜を、該非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、該非晶質半導体膜内に結晶核を発生させる第１熱処理装置と、該第１熱処理装置により結晶核を発生させた前記非晶質半導体膜に、該非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、該非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる第２熱処理装置と、を備えることを特徴とする。

上記の方法及び装置によれば、まず、非晶質半導体膜を、非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、非晶質半導体膜内に結晶核を発生させるので、溶融させて結晶核を発生させる従来のレーザアニールと異なり、膜厚方向のある程度同じ位置に結晶核が発生する。また、面方向に均一に加熱するので、面方向にもある程度均一に結晶核が発生する。そして、その後に、非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる。このとき、均一に発生させた上記の結晶核を種結晶として結晶粒を成長させるので、粒径の揃った結晶粒を形成することができる。したがって、トランジスタの性能を揃えることができる。また、特許文献２，３の方法と異なり、微結晶層を形成する必要がないので、成膜時間が増大することもない。

また、上記の多結晶半導体膜形成方法において、前記第１熱処理工程における加熱は、高速熱処理（ＲＴＡ）装置または電気加熱炉による加熱である。
また、上記の多結晶半導体膜形成装置において、前記第１熱処理装置は、高速熱処理（ＲＴＡ）装置または電気加熱炉である。

このようにＲＴＡ装置または電気加熱炉を用いることにより、非晶質半導体膜に対する面方向に均一な加熱を容易に行なうことができる。

本発明によれば、成膜時間を増大することなく、粒径の揃った結晶粒を形成することができるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

本発明の多結晶膜半導体形成方法は、非晶質半導体膜の膜内に結晶核を発生させる第１熱処理工程と、非晶質半導体膜にレーザ光を照射して非晶質半導体膜を結晶化させる第２熱処理工程とを備える。

上記の非晶質半導体膜は、例えばａ−Ｓｉ膜であり、基板上に成膜される。この成膜は、例えばＰＶＤ（物理的気相成長法）やＣＶＤ（化学的気相成長法）などを用いて行なうことができる。
上記の基板は、液晶パネル用、有機ＥＬパネル用、ＰＤＰパネル用などのガラス基板である。ガラス基板は、無アルカリガラスがよく用いられるが、石英ガラス、パイレックスガラス、バイコールガラス等の他のガラス基板であってもよい。
なお、上記の非晶質半導体膜は、ａ−Ｓｉ膜以外の非晶質半導体膜であってもよく、例えば、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜であってもよい。

上記の第１熱処理工程では、非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、非晶質半導体膜内に結晶核を発生させる。レーザ光はビームホモジナイザ等の均一化手段により断面内のエネルギー分布の均一化を図ってもある程度の不均一性が残るため、この第１熱処理工程における加熱は、レーザ光による加熱ではなく、レーザ加熱以外の輻射加熱によるのがよい。このような輻射加熱を行なえる装置としては、高速熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｅａｌ）装置または電気加熱炉が例示される。このような加熱手段を用いることにより、非晶質半導体膜に対する面方向に均一な加熱を容易に行なうことができる。第１熱処理工程における処理温度は例えば５００〜７５０℃であり、処理時間は例えば１〜６０分である。この場合、上記のＲＴＡ装置によれば、短時間（例えば数分）で第１熱処理工程を実施することができる。

この第１熱処理工程では、非晶質半導体膜を溶融させることなく、膜内に結晶核を発生させるので、溶融させて結晶核を発生させる従来のレーザアニールと異なり、膜厚方向のある程度同じ位置に結晶核が発生する。また、面方向に均一に加熱するので、面方向にもある程度均一に結晶核が発生する。

上記の第２熱処理工程では、第１熱処理工程を実施した非晶質半導体膜に、この非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる。すなわち、第２熱処理工程では、非晶質半導体膜中の非晶質半導体を溶融させ且つ結晶核を溶融させないエネルギー密度のレーザ光を、非晶質半導体膜に照射する。第１熱処理工程において発生させた結晶核は、レーザ光の吸収係数が非晶質半導体のそれよりも一桁程度低いため、レーザ出力を、上記のようなエネルギー密度の範囲に容易に調整することができる。

レーザ光は、通常のレーザアニールと同様に、線状ビームに整形して非晶質半導体膜に照射するのがよい。また、照射するレーザ光は、連続光、パルス光のいずれでもよいが、結晶粒径は、溶融及び凝固した回数すなわちレーザ光の入射回数に応じて大きくなるため、パルス光を用い、単位領域あたりのパルス光の照射回数が複数回となるようにレーザ光を非晶質半導体膜の面方向に走査することにより、効率的に粒径の大きな結晶粒を得ることができる。

上述した本発明の多結晶半導体膜形成方法によれば、第１熱処理工程により非晶質半導体膜を、非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、非晶質半導体膜内に結晶核を発生させるので、溶融させて結晶核を発生させる従来のレーザアニールと異なり、膜厚方向のある程度同じ位置に結晶核が発生する。また、面方向に均一に加熱するので、面方向にもある程度均一に結晶核が発生する。そして、第２熱処理工程により、非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させ、このとき、均一に発生させた上記の結晶核を種結晶として結晶粒を成長させるので、粒径の揃った結晶粒を形成することができる、したがって、トランジスタの性能を揃えることができる。
また、本発明の上記方法によれば、特許文献２，３の方法と異なり、微結晶層を形成する必要がないので、成膜時間が増大することもない。

次に、図１〜３を参照して、本発明の実施形態にかかる多結晶半導体膜形成装置１０について説明する。この多結晶半導体膜形成装置１０により、上述した多結晶半導体膜形成方法を実施することができる。
図１に示すように、多結晶半導体膜形成装置１０は、非晶質半導体膜３の膜内に結晶核を発生させる第１熱処理装置２０と、非晶質半導体膜３にレーザ光１を照射して非晶質半導体膜３を結晶化させる第２熱処理装置３０とを備える。第１熱処理装置２０と第２熱処理装置３０との間には、図示しない適宜の基板搬送装置が設けられ、第１熱処理装置２０により処理した基板４を、第２熱処理装置３０へ搬送するようになっている。

図２は、第１熱処理装置２０の構成例を示す図である。
図２に示す第１熱処理装置２０は、ＲＴＡ装置として以下のように構成されている。処理チャンバー２１の内部に基板４を載せるステージ２２が設けられている。基板４上には非晶質半導体膜３が形成されている。また処理チャンバー２１の内部上方にはハロゲンランプ２３が複数配置されている。ハロゲンランプ２３はヒータ電源２４から電力供給を受けて点灯される。ヒータ電源２４は制御装置２５によって制御され、ハロゲンランプ２３による非晶質半導体膜３に対する加熱温度が制御される。

このように構成された第１熱処理装置２０は、非晶質半導体膜３を、この非晶質半導体膜３が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、非晶質半導体膜３内に結晶核を発生させる。このときの処理温度は例えば５００〜７５０℃であり、処理時間は例えば１〜６０分である。このように、第１熱処理装置２０により、上述した多結晶半導体膜形成方法の第１熱処理工程を実施することができる。
なお、第１熱処理装置２０は、ＲＴＡ装置に限られず、通常の抵抗加熱ヒータを用いた電気加熱炉であってもよいが、ＲＴＡ装置によれば、短時間（例えば数分）で結晶核を発生させることができる。

図３は、第２熱処理装置３０の構成例を示す図である。
図３に示す第２熱処理装置３０は、非晶質半導体膜３にレーザ光１を照射して非晶質半導体膜３を結晶化させるレーザアニール装置として以下のように構成されている。

レーザ発信器３１から発振されたレーザ光１は、ビームホモジナイザ３２によって非晶質半導体膜３の表面で線状ビームになるように整形された後、ミラー３３により基板４の方向へ反射され、集光レンズ３４により集光されて、上記の結晶核を含む非晶質半導体膜３に照射される。

上記のレーザ発振器３１としては、エキシマレーザの他、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ_４等の固体レーザ、半導体レーザ、ＣＯ_２レーザが例示される。より具体的には、波長２４８ｎｍや３０８ｎｍのエキシマレーザ、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍや３５５ｎｍのＹＡＧレーザ、波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍの半導体レーザ（レーザダイオード）、波長１０.６μｍのＣＯ_２レーザが例示される。また、上述したように、レーザ光１は、連続光、パルス光のいずれでもよい。

基板４は、処理チャンバー３５の内部に設けられた基板ステージ３６によって支持される。処理チャンバー３５にはレーザ光１を透過させる透過窓３７が設けられており、透過窓３７を透過したレーザ光１が基板４上の非晶質半導体膜３に照射されるようになっている。
処理チャンバー３５は、内部を真空状態または不活性ガス雰囲気とすることができる。これによりレーザ照射中における非晶質半導体膜３の酸化を防止することができる。なお、処理チャンバー３５の構成に代えて、レーザ光１の照射部分に不活性ガスを吹き付ける方式を採用してもよい。

基板ステージ３６は、線状ビームの短軸方向に移動可能に構成されており、基板ステージ３６が移動することにより、レーザ光１を非晶質半導体膜３に対してその面方向に走査することができる。ただし、基板ステージ３６の位置を固定し、レーザ光１の照射位置を移動させることにより、上記の走査を行なってもよい。
上記のレーザ発信器３１および基板ステージ３６は、制御装置３８によって制御される。

上記の如き構成された第２熱処理装置３０は、第１熱処理装置２０により結晶核を発生させた非晶質半導体膜３に、非晶質半導体膜３中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光１を照射し、非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる。このように、第２熱処理装置３０により、上述した多結晶半導体膜形成方法の第２熱処理工程を実施することができる。

上述した本発明の多結晶半導体膜形成装置１０によれば、第１熱処理装置２０により非晶質半導体膜３の膜内に均一に結晶核を発生させ、第２熱処理装置３０により非晶質半導体膜３にレーザ光１を照射して、均一に発生させた結晶核を種結晶として結晶成長させて非晶質半導体膜３を結晶化させるので、成膜時間を増大することなく、粒径の揃った結晶粒を形成することができる。したがって、トランジスタの性能を揃えることができる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施形態にかかる多結晶半導体膜形成装置の構成図である。 多結晶半導体膜形成装置の第１熱処理装置の構成図である。 多結晶半導体膜形成装置の第２熱処理装置の構成図である。 結晶粒長とトランジスタ性能の関係を説明する図である。 従来のレーザアニール方法によりランダムな結晶粒が形成される過程を説明する図である。

符号の説明

１ レーザ光
３ 非晶質半導体膜
４ 基板
１０ 多結晶半導体膜形成装置
２０ 第１熱処理装置
２１ 処理チャンバー
２２ ステージ
２３ ハロゲンランプ
２４ ヒータ電源
２５ 制御装置
３０ 第２熱処理装置
３１ レーザ発振器
３２ ビームホモジナイザ
３３ ミラー
３４ 集光レンズ
３５ 処理チャンバー
３６ 基板ステージ
３７ 透過窓
３８ 制御装置

Claims (4)

1. 非晶質半導体膜を、該非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、該非晶質半導体膜内に結晶核を発生させる第１熱処理工程と、
   該第１熱処理工程を実施した前記非晶質半導体膜に、該非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、該非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる第２熱処理工程と、を備えることを特徴とする多結晶半導体膜形成方法。
2. 前記第１熱処理工程における加熱は、高速熱処理（ＲＴＡ）装置または電気加熱炉による加熱である、請求項１記載の多結晶半導体膜形成方法。
3. 非晶質半導体膜を、該非晶質半導体膜が溶融しない条件で面方向に均一に加熱して、該非晶質半導体膜内に結晶核を発生させる第１熱処理装置と、
   該第１熱処理装置により結晶核を発生させた前記非晶質半導体膜に、該非晶質半導体膜中の結晶核が溶融せず且つ非晶質半導体が溶融する条件でレーザ光を照射し、該非晶質半導体を溶融及び凝固させることにより結晶化させる第２熱処理装置と、を備えることを特徴とする多結晶半導体膜形成装置。
4. 前記第１熱処理装置は、高速熱処理（ＲＴＡ）装置または電気加熱炉である、請求項３記載の多結晶半導体膜形成装置。

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