JP2009164321A - 半導体装置の製造方法とその製造装置、結晶化方法、結晶化装置、半導体装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のＥＬＡ法による結晶化は、得られる結晶粒径が小さかったため、レーザ照射回数を数回以上にして大粒径化が行われているが、出力安定性や生産性、大型化によるＥＬＡ装置価格の上昇等種々の問題が発生している。
【解決手段】発明は、複数個のフラッシュランプ３ａ〜３ｎによる連続的な点灯により、非晶質シリコン層２の被処理面（横）方向に沿って所定の温度勾配を形成するアニール処理を施して、固相が連続的に成長するように、固相から液相に亘って適当な温度勾配を持たせながら、非晶質構造から多結晶構造に変換させて大粒径化された非晶質シリコン層２を有する半導体装置の製造方法、その製造装置、結晶化方法、半導体装置及び表示装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜トランジスタ等の製造工程に用いられる半導体装置の製造方法、その製造装置、結晶化方法、結晶化装置、半導体装置及び表示装置に関する。

一般に、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称する）を利用した装置の一例として、アクティブマトリクス型液晶表示装置が知られている。この表示装置には、さらなる高精細化、高開口率化、軽量化及び、低コスト化などが求められている。これらの要求を実現するものとして、多結晶シリコン半導体膜を用いた技術が注目されている。多結晶シリコンＴＦＴは、高い移動度を有しており、素子サイズを小さくすることができ、駆動回路や演算回路といった集積回路を形成することが可能である。

従来技術によるエキシマレーザ結晶化法による多結晶半導体膜の製造方法について説明する。まず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置やスパッタリング装置を用いて、ガラス基板上に下地保護膜及び非晶質シリコン薄膜を順次、堆積する。

次に、光学系により四角形状あるいは長尺状にビーム整形されたエキシマレーザを非晶質シリコン薄膜の表面を照射する。このエキシマレーザの照射加熱により、非晶質シリコン薄膜は、５０〜１００ｎｓの極短時間における溶融凝固の過程を経て、非晶質構造から多結晶構造に変換される。これを非晶質シリコン膜の表面全体にエキシマレーザを方向に走査しつつ加熱すると、全面が多結晶シリコン薄膜となる。このような製造工程は、エキシマレーザ結晶化技術と呼ばれている。ガラス等の低融点材料の基板上に高品質な多結晶シリコン薄膜を製造するのに好適する。

これらの技術に関しては、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。このエキシマレーザアニール（ＥＬＡ）法は、ＸｅＣｌエキシマレーザ等の短波長、短パルスレーザを試料に照射して短時間に溶融結晶化する方法であり、アモルファスシリコン膜へのレーザ光照射によりガラス基板を損傷させることなく多結晶化でき、高スループットが期待されている。
特開２００２−２５２１７４公報 特開２００３−１９７５２２公報 特開２００２−１５１４２８公報 特開２００２−２４６３１０公報 「日経マイクロデバイス別冊 フラットパネル・ディスプレイ1999」日経BP社、1998年、pp132-139)」 Ｔ．ＩＴＯ et al：Jpn.J.Appl.Phys.41(2002) 2394 「SOI構造形成技術」古川静二郎編著 産業図書 P.16- T.J.Stultz and J.F.Gibbons:Apply.Phys.Let.41 (1982) 824

前述したＥＬＡ法を用いて、多結晶シリコン薄膜を製造する方法では、結晶化の時間は、ナノ秒（ｎsec）台と短く制御が困難であった。つまり、溶融・凝固が数１０ｎｓｅｃの間に生じるので、核生成と結晶成長がほぼ同時に起こることとなり、得られる結晶粒径はせいぜい１００ｎｍ程度であった。そのために、短波長、短パルスレーザ照射前あるいは照射時に、基板温度を４００℃程度に加熱して、結晶成長を阻害する水素、酸素等を十分に除去し、凝固速度を制御する方法でも、粒径が５００ｎｍ以上の結晶を得ることは難しい。半導体結晶粒のサイズが小さいということは、トランジスタの移動度向上を阻害し、閾電圧がばらつく原因ともなっている。

そこで、レーザ照射回数を数回以上、例えば５回〜３０回以上にして結晶成長を起こさせるエネルギーを十分に与え、大粒径多結晶シリコン膜化が行われている。しかし、ＥＬＡにおける出力の安定性や生産性、大型化によるＥＬＡ装置価格の上昇、歩留／品質低下等の種々の問題を解決しなければならない。特に、大型表示装置に用いられる１ｍ×１ｍクラスのガラス基板であった場合には、前述した種々の問題が拡大して、性能／品質向上とコストダウンが一層難しくなっている。

一方、固体レーザを結晶化に用いようとすると、エキシマレーザに比べて出力（照射領域）が小さく、大型基板に対しては適さない。さらに固相成長法では、６００℃以上の１０数時間のアニール処理が必要なため、高価な合成石英ガラスを採用しなければならず、且つスループットが悪い。

これらの技術に対して、特許文献１には、フラッシュランプを用いた半導体薄膜の形成方法が提案されている。このフラッシュランプアニールは、高い照射エネルギーをμsec〜ｍsecの短時間において、１回又は数回繰り返しのフラッシュ照射を行う方法である。この方法では、高い照射エネルギーを非晶質半導体薄膜に与え、これを溶融状態、半溶融状態、又は非溶融状態で加熱した後、冷却することにより、大粒径の高キャリア移動度、高品質の多結晶性シリコン膜等の多結晶性又は単結晶性の半導体薄膜が得られる。その結果、生産性が大幅に向上し、大幅なコストダウンが可能となる。例えば１ｍ×１ｍの大面積においても、μsec〜ｍsecオーダーのパルスで一括フラッシュ照射することによって、スループットの向上が可能な方法として着目されている。

特許文献１においては、成長方向が膜面に対して垂直となっており、冷却速度の制御によってある程度大粒径化は可能である。しかしあくまでも垂直（膜厚）方向の成長であるため、結晶粒径の大きさには限界があり、数μｍまでの達成となっている。この技術に関しては、特許文献２や非特許文献２等にも記載されている。

これらの技術に対して、酸化膜上に単結晶シリコンを形成する方法としてランプアニールを用いたＺＭＲ法があり、例えば、特許文献３や非特許文献３、４に詳しく開示されている。

このＺＭＲ法は、線状にシリコンを溶融し、その溶融領域を移動させることにより多結晶を溶融・固化する過程において単結晶化させる技術である。照射領域における端の点は、結晶核として成長していくため、照射領域を広くすることは結晶成長には何ら影響がなく、被処理基板あるいは発光元との相対速度においてのみ、その結晶制御が可能である。つまり、結晶化に寄与するのは溶融端だけのため、ランプを並べることで照射（溶融）領域を広げてもスループットの向上は見込めない。

従来のＥＬＡなどの手法は、局所的に加熱するため、横（膜面）方向に対して温度勾配を生じにくい。さらに冷却速度が早いため、固相の核の生成密度が高い。これらのことは、物理的にも大粒径化（生成した固相の核が横（膜面）方向に連続的に成長する）が困難であることを示している。

そこで本発明は、大結晶粒を高結晶化率で高品質の多結晶シリコン等の多結晶性又は、単結晶性半導体薄膜を容易かつ低コストで、さらに大面積の形成に対応可能な半導体装置の製造方法とその製造装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、被処理半導体層に光照射して結晶化する半導体装置の製造方法であって、前記光照射は１又は複数個のフラッシュランプによるものであり、前記光照射により被処理半導体層に温度勾配を持たせるように加熱する半導体装置の製造方法とその製造装置、結晶化方法、結晶化装置、半導体装置及び表示装置を提供する。

前記半導体装置の製造方法においては、前記熱処理は、フラッシュランプ光の照射によって、前記半導体層を溶融させた後、この溶融部分が降温する際に、半導体層表面に温度勾配を持たせて結晶化させる。フラッシュランプ照射によって形成される温度勾配は、例えば最高温度と最低温度が前記半導体層の融点より高く、この前記最低温度から最高温度まで連続的に変化する勾配である。フラッシュランプの照射が終了すると、前記温度勾配は、その勾配度をある程度維持したまま、温度が低下していき、前記温度勾配の最低温度が半導体層の凝固点より低くなった点より結晶化を開始する。さらに時間経過によって温度が低下すると、温度勾配の存在によりその半導体層の凝固点となる位置が移動し、結果的に温度勾配に沿って結晶が横方向に成長する（広がる）。つまり、固相から液相へと連続的に変化する温度勾配がその勾配をある程度維持したまま降温させることは、前記半導体層の被処理面に沿って移動させることと、ある位置だけを見れば温度が低下していく現象と同じ現象であり、前記温度勾配を移動させることにより、凝固点が移動するので、結果的に温度勾配に沿って結晶化が横方向に移動する（広がる）。

本発明は、被処理半導体層に光照射して結晶化する半導体装置の製造方法であって、前記光照射は１又は複数個のフラッシュランプからなるフラッシュランプセットによるものであり、前記光照射により被処理半導体層の融点を超え、且つ温度勾配を持つように加熱する半導体装置の製造方法を提供する。

本発明は、前記温度勾配は、直線的に傾斜した温度分布又は、階段状に傾斜した温度分布又は、中央が隆起した山形状温度分布又は、中央が沈降した谷形状温度分布のうちのいずれか一つの温度勾配である半導体装置の製造方法を提供する。

さらに本発明は、被照射面が一つの平面をなすように配列された複数のフラッシュランプセットのフラッシュランプを予め定められた速度で連続的に点灯させ被処理半導体層の被照射部を溶融し、被処理半導体層の表面と平行なラテラル方向に結晶化する結晶化方法を提供する。

また、本発明は、被照射面が一つの平面をなすように配列された複数のフラッシュランプが配列され被処理半導体層を加熱するためのランプ光を出射する光源と、前記ランプを点灯させるランプ点灯用電源と、前記ランプ点灯用電源回路に接続され、前記複数のフラッシュランプセットの点灯ランプを予め定められたタイミングで点灯制御するための制御部とを具備してなる半導体装置の製造装置を提供する。
また、被照射面が一つの平面をなすように配列された複数のランプが配列され被処理半導体層を溶融するためのランプ光を出射する光源と、前記ランプを点灯させるランプ点灯用電源と、前記ランプ点灯用電源回路に接続され前記複数のフラッシュランプセットの点灯ランプを予め定められたタイミングで連続的に点灯制御するための制御部とを具備してなる結晶化装置を提供する。

以上詳述したように本発明によれば、大きな結晶粒からなる結晶性半導体薄膜を容易かつ低コストで、さらに大面積形成に対応可能な半導体装置の製造方法、その製造装置、結晶化方法、半導体装置及び表示装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本発明による半導体装置の製造方法の概念について説明する。 本発明は、被処理基板上に成膜した半導体層例えば、非単結晶半導体層（ここでは、非晶質シリコン層とする）のある領域を加熱して溶融させた後、その領域を冷却（自然冷却を含む）させて溶融温度（融点）を下回ると固相の核を生成し、その核を成長させて結晶化を行う。その際に、固相が被処理半導体層の表面と平行な横（ラテラル）方向に連続的に成長するように、液相から固相に亘って適当な温度勾配を持たせながら、非晶質構造から多結晶構造又は単結晶構造に変換させる。

この温度勾配を持たせる加熱とは、例えば、図１のｔ＝ｔ０で示すような温度の特性（図１においては右肩上がりの温度勾配）を非晶質シリコン層に持たせることである。ここで図１において、横軸は非晶質シリコン層の表面上における位置、縦軸は加熱された非晶質シリコン層の温度を示しており、溶融温度をＴMとして示している。

まず、非晶質シリコン層をｔ０に示すように最低温度が溶融温度ＴMを越えるように温度勾配（位置方向における温度差）を持たせるように加熱する。非晶質シリコン層は、所定時間ｔ１後には略同じ傾きを持ったまま全体的に温度が低くなる。そのとき、非晶質シリコン層内の最低温度が溶融温度ＴMを下回った際に、位置Ｘ1における固相化が始まる。

さらに、所定時間ｔ２の経過後には、非晶質シリコン層の冷却化が進み、位置Ｘ2まで固相化が進むこととなる。以降、温度勾配を持ったまま冷却されることにより、あたかも溶融温度ＴMが非晶質シリコン層を移動していくかのように固相化が行われる。このように結晶粒の成長方向即ち、非晶質シリコン層２の被処理面方向（ラテラル方向）に適当な温度勾配を設けながら結晶化させることにより、結晶粒を大粒径化することができる。

図２は、本発明の半導体装置の製造方法を説明するための結晶化装置（以下、ランプアニール処理装置と称する）の概念的な構成を示す斜視図である。
このランプアニール処理装置は、複数のフラッシュランプ３ａ〜３ｎが一方向（例えば、水平方向）に隣接するように配設され、フラッシュランプセット（又はランプ列）３を構成する。このフラッシュランプセット３の配設により、複数のランプ光による被照射面が一面となり、ランプ光の光量が均一になるものとする。また、それぞれにランプ光を効率的に利用するための反射板１０ａ〜１０ｎ及び、ランプ光が所定の幅になるように集光する光学系（凹面鏡、光学レンズ等）４ａ〜４ｎを備えている。

また、被処理基板１として、例えばガラス基板、プラスチック基板などの絶縁基板を用いて、この絶縁基板１上にＣＶＤ等で被処理半導体層、例えば非晶質シリコン層２を成膜し、フラッシュランプセット３によるランプアニール処理で結晶化（結晶成長）を行う。尚、被処理半導体層は、絶縁基板上に形成されることに限定されるものではなく、シリコンウエハ上であってもよい。

このランプアニール処理装置によるランプアニール処理は、各フラッシュランプ３ａ〜３ｎを予め定められたタイミングで連続的に順次、点灯させる。これにより、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの点灯の進行方向に沿って、その照射を受けた直後の非晶質シリコン層２は、部分的なランプ光の照射領域（Ａ1〜Ａn）毎に温度が高くなり、非晶質シリコン層２の被処理面で横方向に沿って所定の温度勾配を形成する。例えば、後述する図６に示すように、この温度が高くなった照射領域は、溶融し、発光終了にともなう消灯により降温して凝固が開始し、降温勾配（温度勾配）を作ると、凝固する部分があたかも水平方向に移動するかのように振る舞う。この結果、大きな粒径の結晶化が行われる。この温度勾配の特徴は、結晶成長時の温度勾配の最高温度が、非晶質シリコン層２の融点より高く、最低温度は非晶質シリコン層２の融点より低い温度となるある緩やかな傾きを持っていることである。

このように点灯するランプを順次、切換えることにより、あたかも照射部が移動したようになり、非晶質シリコン層の溶融位置、凝固位置となっている領域（固液界面：固体状態と液体状態の境界となる面）もまた、同様に移動する。ここで、シリコンの固液界面の移動速度をシリコン結晶の成長速度と同じにすれば、シリコンは、横方向に成長し、大粒径のシリコン結晶を得ることができる。このような温度勾配の形成や固液界面の移動速度の制御は、フラッシュランプ３の照射パワー（ランプ光の光量又は発光強度）、照射プロファイル、照射時間、照射間隔及び照射領域（重畳してもよい）などの制御により達成することができる。

図３は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実現するためのランプアニール処理装置の構成を示し、図４に示すフローチャートを参照して、ランプアニール処理による結晶化について説明する。また図５は、フラッシュランプの点灯／消灯のタイミングを示し、図６は、被処理基板上の非晶質シリコン層に発生する温度分布（温度勾配）を示す図である。

このランプアニール処理装置において、チャンバー１２内には、前述したランプアニール処理例えば非晶質シリコン層２を溶融する光強度を出力するための光源となる複数のフラッシュランプ３ａ〜３ｎが一列に被処理基板１例えばガラス基板上に形成された非晶質シリコン層２に沿って配置されてフラッシュランプセット３を構成している。

各フラッシュランプ３ａ〜３ｎは、ランプ電源１４ａ〜１４ｎにより図５に示すタイミングにより順次点灯される。これらのフラッシュランプ３ａ〜３ｎは、個々にランプホルダ９内に収納されている。各ランプホルダ９内の各フラッシュランプ３ａ〜３ｎの後方には、ランプ光を反射する凹面鏡からなる反射板１０ａ〜１０ｎが設けられている。複数のフラッシュランプ３ａ〜３ｎは、各凹面鏡の焦点位置に設けられていることが望ましい。また、フラッシュランプ３ａ〜３ｎ前方（放射方向側）の光路上には、各ランプ光が所定の幅で非晶質シリコン層２を照射するように集光する光学系（光学レンズ等）４ａ〜４ｎが設けられている。このランプホルダ９と対向する位置には、非晶質シリコン層２が設けられた被処理基板１を載置するためのステージ６が設けられている。

このステージ６の下方には、被処理基板１を処理時に所定の温度まで加熱するためのヒータ５が配設されている。ヒータ５には、結晶化するための予め定められた温度を放熱する電流を供給するためのヒータ駆動部（ヒータ電源）１１が接続される。このヒータ５を設けることにより、ランプ光の照射前に非晶質シリコン層２の温度をある程度上げることにより、フラッシュランプによる溶融を補助することができ、処理時間（加熱時間）の短縮を可能にする。

さらに、チャンバー１２の側壁面には、被処理基板１を搬入搬出するための開口部１３Ａが設けられており、この開口部１３Ａには、ゲート１３が開閉自在に設けられている。

制御部７は、フラッシュランプ３ａ〜３ｎを図５に示すようなタイミングで点灯するように、ランプ電源１４ａ〜１４ｎを制御する。前記制御部７は、結晶化のためにヒータ５フラッシュランプ３ａ〜３ｎ、ゲート１３の開閉などを制御する回路で、例えばコンピュータで構成することが望ましい。

フラッシュランプ３ａ〜３ｎは、例えば、キセノンガス等を封入したランプであり、照射する光を線状（例えば、（５００〜６００mm）×（１〜１０mm））、長方形状（例えば、（２００〜５００mm）×（１０〜１００mm））、正方形状（例えば、（１００mm×１００mm）等の種々の形状に集光整形し、フラッシュ照射を行う。本実施形態では、例えば、５００mm×５mmに形成したランプ光（ビーム）を用いて、ランプ光の照射領域どうしが隙間無く隣接して、ライト光量が均一化するように光学系（凹面鏡、光学レンズ等）４ａ〜４ｎで調整して照射する。尚、ランプ光の照射領域の両端の光量は中央に比べて少なくなるため、ライト光量がほぼ均一であれば、隣接する照射領域どうしに重なり部分を有してもよい。例えば、図３に示すＡ１とＡ２の点線における重なり部分である。

このようなランプ照射は、先の照射により溶融した溶融領域が凝固する前に、隣接する照射領域に対して、次のランプ照射が行われればよい。即ち、シリコン（Ｓｉ）結晶の結晶成長速度は、１〜１０m/sec程度であるため、ランプ光が１／４００secより早く１／４０００secよりも遅い速度で移動すればよい。

従って、照射タイミングが最小で１／４０００secだけずれて発光することが好ましい。このような照射タイミングは、パーソナルコンピュータ等からなる制御部７により上記各ランプ電源１４ａ〜１４ｎが制御されて実現される。

また、図５に示す照射タイミングにより順次、点灯したフラッシュランプ３ａ〜３ｎにより照射された非晶質シリコン層２に発生する温度分布は、図６に示されているように点灯方向に対して順次増加する温度勾配を示す。この加熱された非晶質シリコン層２の温度を測定するために非晶質シリコン層２の近傍側部には、温度センサ８が設けられ、検出された温度データは制御部７へ出力される。この温度センサ８は、赤外線センサなどの非接触のタイプが好ましい。尚、フラッシュランプセット３のランプ数は、限定されるものではなく、被処理基板１の大きさや装置構成に応じて適宜、変更することができる。

次に、第１の実施形態におけるフラッシュランプアニール処理による結晶化について説明する。
ここでは、説明を分かり易くするため、５本のフラッシュランプ３ａ〜３ｅによるランプ光照射を例として説明する。各フラッシュランプ３ａ〜３ｅの点灯によるエネルギー光量は、照射された被処理基板１が溶融する温度のエネルギー光量である。

まず、ステージ６上に非晶質シリコン層２が形成された被処理基板１を載置する（ステップＳ１）。

この被処理基板１に対して、図５（ａ）に示すタイミングで第１番目のフラッシュランプ３ａを点灯して照射する（ステップＳ２）。この点灯により、図６（ａ）に示すように、照射された非晶質シリコン層２の領域Ａ1（図２）が所定の温度まで加熱されて溶融される。この時、制御部７に内蔵されているタイマのカウントをスタートさせて、図５（ａ）に示すようにカウント時間Tが所定時間Ｔ1に達したか否かを判断する（ステップＳ３）。この判断で所定時間Ｔ1に達したならば（ＹＥＳ）、図５（ｂ）に示すタイミングで、第２番目のフラッシュランプ３ｂを点灯させる（ステップＳ４）。

このときフラッシュランプ３ａの点灯期間を終了により領域Ａ1は自然冷却が開始されて温度が降下し、フラッシュランプ３ｂの点灯により、領域Ａ２は加熱されて溶融される。このため、領域Ａ１と領域Ａ２において、図６（ｂ）に示すような温度勾配が非晶質シリコン層２に生じる。このとき、図２に示す領域Ａ１とＡ２の温度は、非晶質シリコン層２の凝固温度よりも高くてもよい。

以下、同様にして、カウント時間Ｔが所定時間Ｔ3、Ｔ4、Ｔ5にそれぞれ達する毎に、フラッシュランプ３ｂ〜３ｅにおける点灯を図５（ｃ）〜（ｅ）に示すように順次行い、図６（ｃ）〜（ｅ）に示すような温度勾配を非晶質シリコン層２内に生じさせる（ステップＳ５〜Ｓ１１）。

このように点灯時間の等しい各フラッシュランプ３ａ〜３ｅの点灯開始時間を等間隔だけずらすことにより、図５（ｅ）の点灯時には、図６（ｅ）に示すような傾きを持った温度勾配（温度分布）が上記被処理基板１に形成される。この温度勾配は、前述した図１における温度勾配と同等である。

被処理基板１においては、図５（ａ）の点灯による被照射面から図５(e)の点灯による非照射面に向かって順次凝固温度に降温することとなり、すなわち順次横方向に結晶化が進行し、フラッシュランプ３ａ〜３ｅに応じた大きな結晶粒の結晶性シリコンを得ることができる。このような温度勾配は、フラッシュランプの点灯方向に対して昇温勾配を呈し、この昇温勾配に対応して結晶化が進行する。非晶質シリコン層２内の固液界面の移動速度が、領域Ａ1で発生した結晶核が横方向に成長していく結晶化速度と等しくしたものが好ましい。

以上説明した第１の実施形態は、フラッシュランプアニール処理における温度勾配を設けた結晶化により、被処理基板１上に形成された非晶質シリコン層２に大きな結晶粒の結晶性シリコン領域を形成することができ、従来のレーザ法に比べて、非晶質シリコン層２の広範囲を一括でアニール処理でき、短時間で結晶化処理を行うことができる。

また、被処理基板１のサイズに応じて適宜、フラッシュランプセット３のランプ数を調整して配置することができ、大型の被処理基板１に対する適応性が高い。また、最大の被処理基板１のサイズに合わせて、フラッシュランプセット３のランプ数を決めることにより、それ以下の被処理基板サイズであれば、そのサイズに合わせてフラッシュランプ数を選択して点灯させることにより、ランプ光の照射範囲を調整することも可能である。さらに、従来のレーザ法による装置構成に比べて、光学系や周辺機器が簡素化され、装置のコストダウンが実現できる。

次に図７を参照して、第１の実施形態における第１の変形例について説明する。
図７は、被処理基板１の上方に対向して設けられるフラッシュランプ３ａ〜３ｎの配置例を示し、図８は、この配置例による被処理基板１上に形成された非晶質シリコン層２の位置と照射されるランプ光の光量との関係を示す図である。本実施形態の構成は、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの配置が異なる以外は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等である。

この第１の変形例は、フラッシュランプ３ａ〜３ｎを被処理基板１（非晶質シリコン層２）に対して前後（遠近）を持たせて複数列に配置した構成である。このようにフラッシュランプ３ａ〜３ｎを配置することにより、前述した実施形態における一列配置と比較すると、フラッシュランプ１本あたりの照射領域を狭くすることができるため、図８に示すように、フラッシュランプ３ａとフラッシュランプ３ｃとの間で上方からフラッシュランプ３ｂによるランプ光の照射があるため、前述した第１の実施形態に比べて連続的な温度勾配を形成することができる。

次に、図９を参照して、第１の実施形態における第２の変形例について説明する。
さらに、このように順次点灯させ点灯順に温度上昇させる温度勾配だけでなく、例えば、図３に示す両端のフラッシュランプ３ａと３ｎとから中央側に向かって順次点灯していき、図９（ａ）に示すように中央が最も温度が高い凸型の温度勾配を生じさせてもよい。この温度勾配によれば、矢印Ｘのように結晶化される方向が両端の双方向から中央に向かって順次生じる。一方、この反対に図９（ｂ）に示すように、非晶質シリコン層２中央をランプ照射するフラッシュランプ３ｃから両外端側のフラッシュランプ３ａと３ｎへ向かうように点灯させて、中央が最も温度が低い凹型の温度勾配を生じさせてもよい。この場合には、中央の最小温度領域から順次凝固温度に降温し、この凝固温度への降温に対応して矢印Ｙで示すように両外側へ向う結晶化（成長）方向が生じる。

次に第１の実施形態における第３の変形例について説明する。
この第３の変形例は、前述した第１の実施形態で説明した装置を用いて、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの点灯・消灯のタイミングを変更したものである。
図１０（ａ）〜（ｅ）は、非晶質シリコン層２の照射位置に対するフラッシュランプ３ａ〜３ｎの点灯・消灯のタイミングを示し、図１１（ａ）〜（ｅ）は、この点灯方法による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。この変形例は、フラッシュランプ３ａ〜３ｅの点灯・消灯のタイミングにおいて、前のフラッシュランプの点灯期間内に次のフラッシュランプを点灯させるケースで、時間的に重なり部分を持たせたものである。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、点灯しているフラッシュランプ３ａが消灯する所定時間Ｔ1に達する前の所定時間Ｔ1’にフラッシュランプ３ｂを点灯させる。以下同様に、前段のフラッシュランプが消灯する前に次のフラッシュランプが点灯する。図１１（ｅ）には、このような発光方法による温度勾配を示す。即ち、第１の実施形態の時よりも短い間隔でランプ光の照射が行われるため、前述した図６（ｅ）における温度勾配よりも段差が無くなり、緩やかな温度勾配となる。但し、フラッシュランプ３ａ〜３ｅのそれぞれの照射時間は同一であり、隣接する各フラッシュランプどうしの点灯が重なる時間も同一であるものとしている。この第３の変形例においても前述した第１の実施形態と同等な作用効果を得ることができる。

また、この第３の変形例においては、フラッシュランプ３ａ〜３ｎを前述した第１の変形例における図７に示すような複数段に配置することにより、より段差の少ないリニアな温度勾配を実現することもできる。

次に第１の実施形態における第４の変形例について説明する。
前述した第１の実施形態及び第１、２，３の変形例では、いずれもステージ６及びフラッシュランプ３ａ〜３ｎは固定された構成である。従って、大型の被処理基板に対応するためには、ランプ光照射範囲を広くする必要があり、フラッシュランプの数を増加させる等が考えられる。しかし、この手法では処理できる被処理基板の大きさに限度があり、フラッシュランプの数が多くなりすぎると、装置コストが高くなる、消費電力が大きくなる等種々の問題が発生する。

本変形例では、逐次移動ランプ光照射、所謂ステップアンドリピートによる結晶化を実施することで装置コストや小型化を図る。ステップアンドリピートを実現する構成としては、被処理基板を載置するステージ６を移動させるか、フラッシュランプセット３を移動する。

図１２には、第４の変形例１として、フラッシュランプセット３即ち、ランプホルダ９全体を移動させるためのランプ移動制御部１５を設けたランプアニール処理装置の構成例を示す。尚、図１２に示す構成部材で図３に示す構成部材と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

ランプ移動制御部１５は、ランプホルダ９を縦横に移動させて、被処理基板上にランプ光照射を繰り返し行い、結晶化領域が整列するようにステップアンドリピートを行う。即ち、ランプ移動制御部１５は、制御部１の指示に従いランプホルダ９全体を移動して、ステージ６に載置される被処理基板１（被結晶化面）に対して、フラッシュランプセット３の照射位置を１回の処理毎に移動させて、被処理基板１の所望する結晶化領域全面を結晶化する。制御部１は、予め設定されたプログラム等に従って、ランプ移動制御部１５を駆動させて、自動的にステップアンドリピートを行うことが可能である。

図１３には、第４の変形例２として、被処理体を載置するステージを移動させるためのステージ移動制御部１６を設けたランプアニール処理装置の構成例を示す。尚、図１３に示す構成部材においても図３に示す構成部材と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

この変形例２におけるステージ６は、水平方向におけるＸ−Ｙ方向に対してステップ移動可能な構成となっている。ステージ移動制御部１６は、ステージ６をＸ，Ｙ方向にステップ移動させて、固定されたフラッシュランプ３ａ〜３ｎの照射領域に１回の処理毎に、被処理基板１の結晶化領域を位置合わせするように制御する。尚、図１２及び図１３に図示する構成において、ランプホルダ９やステージ６の移動に必要なスペース等は省略して記載してある。この変形例においても自動的にステップアンドリピートが行われる。また、ステージ６は、必要に応じて、Ｘ−Ｙ方向だけではなく、上下（Ｚ）方向、回転（θ）方向に移動可能な構成としてもよい。

次に、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図１４（ａ）〜（ｅ）は、非晶質シリコン層２の照射位置に対するフラッシュランプセット３の点灯・消灯のタイミングを示し、図１５（ａ）〜（ｅ）は、その点灯方法による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。本実施形態の構成は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等であり、第１の実施形態とはフラッシュランプ３ａ〜３ｎの点灯期間が異なる。フラッシュランプセットにおいて、発光時間の制御は、主放電コンデンサの容量と、ランプと主放電コンデンサのインダクタンス及び動作電圧等によって行うことができる。

本実施形態は、複数のフラッシュランプ３ａ〜３ｎの照射時間を段階的に変化させることにより非晶質シリコン層２に温度勾配を設けるものである。ここでの説明では、フラッシュランプ３ａ〜３ｅを例としている。まず、図１４（ａ）〜（ｅ）に示すように、全部のフラッシュランプ３ａ〜３ｅを点灯させる。この点灯により、図１５（ａ）に示すように、非晶質シリコン層２の領域Ａ1〜Ａ5までが所望の温度まで加熱されて溶融される。そして、所定時間Ｔ1が経過したときに、フラッシュランプ３ａのみが消灯する。このフラッシュランプ３ａの消灯により、領域Ａ1が冷却され始め、所定時間Ｔ２時には、非晶質シリコン層２内に図１５（ｂ）に示すような温度勾配が生じる。この所定時間Ｔ２に達した際に、フラッシュランプ３ｂも消灯する。

このフラッシュランプ３ｂの消灯により、領域Ａ1に加えて領域Ａ2が冷却され、所定時間Ｔ3後には、図１５（ｃ）に示すような温度勾配となる。以降、所定時間Ｔ3、Ｔ4、Ｔ5の経過後にフラッシュランプ３ｃ、３ｄ、３ｅが順次消灯されると、それぞれ図１５（ｃ）〜（ｅ）に示すように各領域が冷却された温度勾配を生じる。

全部のフラッシュランプ３ａ〜３ｅを消灯後の所定時間T５に達したときには、図１５（ｅ）に示すような温度分布となる。時間T５での温度勾配は、溶融状態の被処理半導体層（非晶質半導体層）が結晶化する傾きである。即ち、フラッシュランプの消灯により下降する温度に応じて凝固し、フラッシュランプ３ａの消灯、フラッシュランプ３ｂの消灯と、順次消灯位置が変化することにより温度勾配が形成され、この温度勾配の位置に対応して順次結晶化位置が変化する。

尚、本実施形態では、最初に非晶質シリコン層２の全面にランプ光を照射して、端のフラッシュランプ３ａから消灯して温度勾配を生じさせたが、反対向きの温度勾配でもよく、この場合には、反対側のフラッシュランプ３ｎから消灯させて、最後にフラッシュランプ３ａを消灯させる順序でもよい。
また、この第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態の第１〜４の変形例を容易に適用することができる。

以上説明したように第２の実施形態は、前述した第１の実施形態と同様に、温度勾配を設けた結晶化により、大きな結晶粒の結晶性シリコン領域を短時間で形成することができる。また被処理基板１のサイズに適応でき、大型の被処理基板１に対してもステップアンドリピートを行うことにより、容易に適用できる。さらに従来のレーザ法による装置構成に比べて、光学系や周辺機器が簡素化され、装置のコストダウンが実現できる。

次に、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図１６（ａ）〜（ｅ）は、非晶質シリコン層２の照射位置に対するフラッシュランプ３ａ〜３ｎの点灯・消灯のタイミングを示し、図１７（ａ）〜（ｇ）は、その点灯方法による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。本実施形態の構成は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等であるが、フラッシュランプセット３のフラッシュランプ３ａ〜３ｎによるランプ光の照射方法が異なっている。

本実施形態のフラッシュランプ３ａ〜３ｎは、パルス的に点灯と消灯を繰り返し行い、パルス的な点灯によるランプ光の照射となる。本実施形態では、各フラッシュランプ３ａ〜３ｎの一回の点灯時間と消灯時間は同一である。最初に一斉にフラッシュランプ３ａ〜３ｎを点灯して、非晶質シリコン層２をランプ光の照射により溶融させた後、連続的に複数回点灯させつつ、一端側のフラッシュランプから他端側へ順次消灯して非晶質シリコン層２に温度勾配を設けるものである。

まず、図１６（ａ）〜（ｅ）に示すように、時間Ｔ1までの期間については、全部のフラッシュランプ３ａ〜３ｅを点灯させる。この点灯により図１６（ａ）に示すように、非晶質シリコン層２の領域Ａ1〜Ａ5までが所望の温度まで加熱されて溶融される。そして、非晶質シリコン層２が溶融温度を超えた後、所定時間Ｔ1の間全てのフラッシュランプ３ａ〜３ｅを一旦、消灯する。そして、所定時間Ｔ1の経過後に、フラッシュランプ３ａを除くフラッシュランプ３ｂ〜３ｅを所定時間Ｔ2の間、再点灯させる。この点灯により、領域Ａ1のみが再度加熱されないため、所定時間Ｔ2時には、非晶質シリコン層２内に、図１７（ｂ）に示すような温度勾配が生じる。

次に、所定時間Ｔ2を経過したときに、フラッシュランプ３ｂ〜３ｅを所定時間Ｔ3の間、一斉に消灯する。その後、所定時間Ｔ4の間、フラッシュランプ３ａ、３ｂを除くフラッシュランプ３ｃ〜３ｅを点灯させる。この時のフラッシュランプ３ａ、３ｂの消灯により、領域Ａ1に加えて領域Ａ2が冷却され、所定時間Ｔ4後には、図１７（ｃ）に示すような温度勾配となる。以降、図１６（ｃ）〜（ｅ）に示すように、フラッシュランプ３ｃ〜３ｅを順次消灯する。

このようにフラッシュランプ３ａ〜３ｎのランプ照射回数を変えた点灯・消灯操作により、図１７（ｄ）〜（ｇ）に示すように各領域Ａ1からＡ5が冷却されて、温度勾配を生じさせる。全部のフラッシュランプ３ａ〜３ｅを消灯後には、この温度勾配のまま非晶質シリコン層２は冷却される。このフラッシュランプ３ａ〜３ｅによって温度勾配が形成された領域は、結晶の成長（結晶化）の範囲となる。

尚、この第３の実施形態では、最初に非晶質シリコン層２の全面にランプ光を照射して、一端側のフラッシュランプ３ａから消灯して温度勾配を生じさせたが、反対向きの温度勾配とさせる場合には、他端側のフラッシュランプ３ｎから消灯して、最後にフラッシュランプ３ａを消灯させる順序でもよい。

また、この第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態の第１〜４の変形例を容易に適用することができる。例えば、本実施形態において、フラッシュランプ３ａ〜３ｅによるランプ光の照射範囲を超える半導体形成領域を有する非結晶シリコン層２であった場合には、逐次移動ランプ光照射、所謂ステップアンドリピートによる結晶化を実施することもできる。また、フラッシュランプを消灯させる方向に応じて、結晶方向を設定することができる。

本実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様に、温度勾配を設けた結晶化により、大きな結晶粒の結晶性シリコン領域を短時間で形成することができる。また被処理基板１が大型サイズであってもステップアンドリピートを行うことにより、容易に適用できる。さらに、フラッシュランプがパルス的な点灯を行うため、連続的に点灯されるものよりは、ランプ自体や周辺部位への熱による影響を低くできる。

次に、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図１８は、被処理基板１の上方に対向して設けられるフラッシュランプ３ａ〜３ｎの概念的な配置例を示す図である。本実施形態の構成は、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの配置構成が異なる以外は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等である。

本実施形態におけるフラッシュランプセット３は、実際には前述した図１と同様にランプホルダ９内に一列に配置される。このフラッシュランプセット３が装着されたランプホルダ９の一方（フラッシュランプ３ｎ側）がＯを中心として、ランプ移動部１５によりフラッシュランプ３ａ側が上方に回動可能に構成される。このような構成により、最初、全フラッシュランプ３ａ〜３ｎを点灯させて、被処理基板１上の非晶質シリコン層２を溶融した後、フラッシュランプ３ａ側を持ち上げるように矢印Ｍで示す上方に回動させて、非晶質シリコン層２とそれぞれのフラッシュランプ３ａ〜３ｎと非晶質シリコン層２との距離が異なるようにする。この回動により、非晶質シリコン層２に照射されるランプ光の光量に変化が生じて、温度勾配を生じさせる。その後、全フラッシュランプ３ａ〜３ｎを消灯後、温度勾配を持たせたまま冷却させることができる。本実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。また、この温度勾配は、フラッシュランプ３ａ側の持ち上げ具合（回動の角度）により調整することができる。

従って、第４の実施形態は、前述した第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。さらに、フラッシュランプと非晶質シリコン層２との遠近差により温度勾配を設けているため、装置構成が簡素である。この第４実施形態においても、前述した第１の実施形態の第１及び第４の変形例を容易に適用することができる。つまり、第１の変形例による段差を少なくした連続的な温度勾配を形成したり、第４の変形例のステップアンドリピートにより大型の被処理基板に対する結晶化を実施することもできる。

次に、第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図１９は、非晶質シリコン層２の照射位置に対するフラッシュランプ３ａ〜３ｎによるランプ光が照射する光量（又は発光強度）の差を示し、図２０は、そのランプ光照射による非晶質シリコン層２における温度勾配を示す図である。本実施形態の構成は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等であり、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの点灯方法が異なっている。ここでの説明では、フラッシュランプ３ａ〜３ｅを例としている。

この実施形態では、フラッシュランプの発光量が順次大きくなる（又は小さくなる）ように配設したフラッシュランプセット３を用いる。全フラッシュランプ３ａ〜３ｅを一度に点灯させて、図２０に示す温度勾配のランプ光を非晶質シリコン層２の領域Ａ1からＡ5へ照射する。このフラッシュランプ３ａ〜３ｅの発光量差により、ランプ配列の端側のフラッシュランプ３ａから３ｅに向かってランプ光の照射量（光量）が温度勾配を発生する。この構成において、勿論、最も少ない光量を照射させる端側のフラッシュランプ３ａは少なくとも非晶質シリコン層２の領域Ａ1を溶融させる発光量が必要である。

図１９に示すように、フラッシュランプ３ａの照射による領域Ａ1の温度が低く、フラッシュランプ３ｅの照射による領域Ａ5の温度が高くなるように、前述した本発明の概念で説明した温度勾配と同等の温度勾配を持たせることにより、前述した第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。

以上説明した第５の実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。また、フラッシュランプの発光強度を調整して配設することにより、温度勾配を調整することができる。

さらに、本実施形態は大型の被処理基板１に対しても、前述した第１の実施形態における第４の変形例を適用すれば、ステップアンドリピートを容易に実施することができる。また、大型基板への適用は、ステップアンドリピートだけではなく、スキャン移動で対応することもできる。尚、スキャン移動は、ステップアンドリピートにおけるステップ移動に対するものであり、スムーズな移動を意味している。

スキャン移動を実現するには、ステージ６又はランプセット３へスムーズ（リニア）に平行移動を可能にするランプ移動機構やステージ移動機構を設ける。フラッシュランプ３ａ〜３ｅが照射している状態で、ステージ６及びランプセット３の平行状態を維持したまま、いずれか一方を平行移動又は互いに反対方向に平行移動させることにより、フラッシュランプセット３によるランプ光の照射領域を超える範囲でランプアニール処理を行うことができる。

次に、第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
本実施形態は、同じ発光量で複数のフラッシュランプが配設されたフラッシュランプセットを用いて、発光回数を制御することで非晶質シリコン層２へのランプ光の照射量を変化させて温度勾配を持たせるものである。尚、本実施形態のランプアニール処理装置の構成は、前述した図３に示す構成部材と同等であり、同じ参照符号を用いて説明する。

本実施形態は、各フラッシュランプ３ａ〜３ｅをパルス発光のように単位時間当たり、複数回発光させる。この発光回数をフラッシュランプ３ａからフラッシュランプ３ｅへ発光回数を徐々に増加させることにより、ランプ光の照射量を変化させて、非晶質シリコン層２に温度勾配を持たせる。

本実施形態によれば、前述した第１の実施形態における同等の効果を得ることができる。さらに、フラッシュランプ３ａからフラッシュランプ３ｅへの発光回数の変化の度合いにより温度勾配の傾きを自在に制御することができる。

次に、第７の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図２１は、本実施形態における被処理基板１とフラッシュランプセットのフラッシュランプ３ａ〜３ｎとの間に減光板（フィルタ）１７が配置された構成例を示し、図２２（ａ）は、各フラッシュランプにおける光量の分布を示し、図２２（ｂ）は、非晶質シリコン層２に照射される光量の分布を示す図である。本実施形態の構成は、フィルタ板１７を設けた以外は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等である。

本実施形態のフラッシュランプ３ａ〜３ｎは、図２２（ａ）に示すように非晶質シリコン層２に対して、均一な光量でランプ光を照射する。この被処理基板１（非晶質シリコン層２）とフラッシュランプ３ａ〜３ｎとの間には、図２１に示すような透過光量が連続的に変化（グラデーション状に変化）するフィルタ１７を設けて、ランプ光を遮光させる。このフィルタ１７により、非晶質シリコン層２面に照射される光量に図２２（ｂ）に示すように傾いた変化を持たせることができる。この傾きに準じて非晶質シリコン層２に温度勾配が発生する。

また本実施形態は、大型の被処理基板に対しても適用することができる。例えば、図２１に示すように、フラッシュランプ３ａ〜３ｎを点灯させた状態で被処理基板１（ステージ）を矢印ｎが示す方向に平行移動可能な構成とする。この構成において、被処理基板１をステップアンドリピートにおけるステップ移動又は、スキャン移動により、非晶質シリコン層２に温度勾配を生じさせている状態でフラッシュランプセットのランプ光の照射領域を超える範囲でランプアニール処理を行うことができる。尚、移動させるのは、被処理基板１側に限定されるものではなく、ランプセット及びフィルタ１７側に移動機構を設けて移動させてもよい。

また、フィルタ１７の透過率分布を変化させることにより、所望する温度分布（温度勾配）を得ることもできる。さらに、結晶成長を所望のパターン設計した減光膜を用いてもよい。
以上説明した本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。この構成においては、被処理基板１又は、フラッシュランプセット（フィルタ１７を含む）のいずれか一方を移動させる速度により、温度勾配を調整することが可能である。また、フィルタ１７の透過光量を調整してもよい。

次に、第８の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図２３は、被処理基板１の上方に対向して設けられるフラッシュランプ３ａ〜３ｎの配置例を示し、図２４は、この配置例による被処理基板１上に形成された半導体層である非晶質シリコン層２の位置における照射されるランプ光の光量との関係を示す図である。本実施形態の構成は、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの配置が異なる以外は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等である。

この実施形態では、複数のフラッシュランプ３ａ〜３ｎのそれぞれの間隔を異ならせて（粗から密に）配置している。図２３（ａ）に示すように、フラッシュランプ３ａ側の間隔を最も広く（粗の配置）して、フラッシュランプ３ｎへ向かって徐々に間隔を狭める（密な配置）ように配置する。これらの間隔は、前述した固液界面の移動速度と結晶の成長（結晶化）速度とを等しくするような温度勾配を形成するように決定される。

図２４に示すような光量の変化を伴うランプ光の照射によるアニール処理を行う。つまり、フラッシュランプ３ａ〜３ｎを一斉に発光させると、図２４に示す光量変化に従った温度勾配が非晶質シリコン層２に発生する。その後、フラッシュランプ３ａが照射する領域が溶融した後、フラッシュランプ３ａ〜３ｎを一斉に消灯させる。これにより、前述した図１で説明したように、温度勾配を維持した状態で冷却され、結晶化が行われる。

本実施形態においても、ステップアンドリピートにおけるステップ移動又は、スキャン移動を行うことにより、大型の被処理基板に適用することができる。

ステップアンドリピートとして、例えば、被処理基板１が載置されたステージ６をステージ移動制御部１６の制御により、アニール処理が１回終了した毎に、ステップ移動させる。このステップ移動を行うことにより、フラッシュランプ３ａ〜３ｎのランプ光の照射領域を超える範囲でランプアニール処理を行うことができる。

またスキャン移動により、例えば、非晶質シリコン層２の領域Ａ1は、最初フラッシュランプ３ｎからのランプ光により照射されて溶融する。このスキャン移動に従って、非晶質シリコン層２側にとっては、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの間隔が徐々に広がり、図２４に示すように、フラッシュランプ３ｎから３ａに向かう非晶質シリコン層２の先端領域分では照射される光量が徐々に減少して低下してくる。この光量低下により温度勾配が生じて、前述した第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。尚、本実施形態では、被処理基板１（ステージ６）側をスキャン移動させても、光源となるフラッシュランプ３側をスキャン移動させてよい。この実施形態により、フラッシュランプ３によるランプ光の照射範囲を超える半導体形成領域を有する非結晶シリコン層であっても結晶化を実施することができる。

また、ランプ光の照射範囲を超える半導体形成領域を結晶化させる場合には、被処理基板１又はフラッシュランプセット３側を走査移動させなくとも、ステップアンドリピートによる移動であってもよい。この場合には、ランプ光の照射範囲が隣接するようにステップ移動することが好ましい。尚、フラッシュランプ３の点灯間隔（期間）が等しく設計された場合、反射光学系を制御して、各フラッシュランプ３ａ〜３ｎの照射領域を変えることにより、光エネルギー密度の粗密を形成して、温度勾配を形成してもよい。また、このような照射制御を繰り返し照射することにより照射領域に温度勾配を形成してもよい。

次に、第９の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
本実施形態の構成は、フラッシュランプ３ａ〜３ｎの配置構成が異なる以外は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等である。

図２５に示すフラッシュランプセット３は、被処理基板１に対して角度θを持つ斜め方向にランプホルダ９が一列に配置される。このフラッシュランプセット３が装着されたランプホルダ９の一方（フラッシュランプ３ｎ側）がＯを中心として、ランプ移動部１５によりフラッシュランプ３ａ側が上方に回動可能に構成される。このような構成により、最初、全フラッシュランプ３ａ〜３ｎを点灯させて、被処理基板１上の非晶質シリコン層２を溶融した後、フラッシュランプ３ａ側を持ち上げるように矢印Ｍで示す上方に回動させて、非晶質シリコン層２とそれぞれのフラッシュランプ３ａ〜３ｎと非晶質シリコン層２との距離が異なるようにする。この回動により、非晶質シリコン層２に照射されるランプ光の光量に変化が生じて、温度勾配を生じさせる。その後、全フラッシュランプ３ａ〜３ｎを消灯後、温度勾配を持たせたまま冷却させることができる。

次に、第１０の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図２６は、被処理基板１の上方に設けられるフラッシュランプ３ａ〜３ｊの構成例を示す図である。本実施形態の構成は、フラッシュランプ３ａ〜３ｊの構成以外は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等である。本実施形態においては、フラッシュランプ３ａ〜３ｊは、等間隔で円筒形状の円筒ランプホルダ部１８上に配置される。勿論、用いられるフラッシュランプ数は、限定されるものではなく、この例では１０個のフラッシュランプ３ａ〜３ｊを一例としているものである。

この円筒ランプホルダ部１８は、ランプ移動制御部１５の制御により回転されながら被処理基板１の上方あるいは下方を横方向に移動されることにより、非晶質シリコン層２の各領域Ａ1〜Ａnを照射するフラッシュランプ３ａ〜３ｊから順次ランプ光を照射する。この実施形態では、非晶質シリコン層２と向かう側を点灯する側とし、その裏側となる反対側は消灯しつつ充電を行う。つまり、フラッシュランプ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｉ，３ｊが点灯し、フラッシュランプ３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈは点灯待ち状態で各ランプ電源１４は、点灯電力を充電する。勿論、下側のフラッシュランプ全部が点灯するように限定されるものではなく、フラッシュランプ３ａ，３ｂ，３ｊであってもよい。この照射方法によれば、図６で説明したと同等の温度勾配を持たせることができる。

従って、本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同等な効果を得ることができる。また、円筒ランプホルダ部１８の回転速度及び移動速度、又は発光光量を調整することにより、温度勾配を変化させることが容易にできる。また、円筒ランプホルダ部１８を固定位置で回転させて、被処理基板１を移動させてもよいし、回転する円筒ランプホルダ部１８を移動させつつ、被処理基板１とすれ違う方向に移動させてもよい。

尚、本実施形態では、フラッシュランプ３ａ〜３ｎを円筒ランプホルダ部１８の外周に沿って配置したが、円筒だけに限らず、多角形でもよく、それぞれの面にフラッシュランプ３ａ〜３ｎを配置してもよい。

次に、第１１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図２７は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を実現するためのランプアニール処理装置の概念的な構成を示す図である。この装置の構成において、前述した図３に示す構成と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。このランプアニール処理装置は、ステージ６に対向するように上方に、１つのフラッシュランプ３を収納するランプホルダ９が配置されている。このランプホルダ９は、ランプ移動制御部１９により被処理基板１の処理面に対して一定の間隔を維持して移動（水平移動）するように構成されている。このランプホルダ９の移動方向は、Ｘ−Ｙ方向に移動可能に構成することもできる。

このような構成により、フラッシュランプ３は連続的にフラッシュ発光して、非晶質シリコン層２にランプ光を照射しつつ移動して、図７に示したような傾きを持った温度勾配（温度分布）を作りだし、大きな結晶粒の結晶性シリコンを得ることができる。この温度勾配は、非晶質シリコン層２内の固液界面の移動速度が、領域Ａ1で発生した結晶核が横方向に成長していく結晶化速度と等しくしたものが好ましい。

またこの例では、ステージ６を固定し、ランプ移動部１９によりフラッシュランプ３を移動させたが、反対に、図５に示したように、フラッシュランプ３を固定し、ステージ６をステージ移動部１６により同様な温度勾配ができるように移動させてもよい。

次に、第１２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図２８は、被処理基板１の上方に対向して設けられる各フラッシュランプ３ａ〜３ｎから照射されたランプ光による非晶質シリコン層２の温度変化を測定するための温度センサ８ａ〜８ｎを設けた構成例を示す図である。図２９は、図２８の点灯方法による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。本実施形態の構成は、温度センサ８ａ〜８ｎ以外は、前述した第１の実施形態で説明した装置の構成と同等である。

前述した第１の実施形態では、ランプ光を照射して非晶質シリコン層２に温度勾配を持たせるために点灯時間（点灯のタイミング）を制御することにより実現していた。本実施形態は、各フラッシュランプ３ａ〜３ｎによりそれぞれランプ光が照射される非晶質シリコン層２の各領域Ａ1〜Ａnの温度を温度センサ８ａ〜８ｎにより測定して、温度勾配を実現するものである。

まず、図２９（ａ）に示すように、フラッシュランプ３ａを点灯させて、非晶質シリコン膜２の照射された領域Ａ１を溶融させる。この領域Ａ1を温度センサ８ａで測定を行う。次に、フラッシュランプ３ａの光路を図示しないシャッターにより遮光することにより、図２９（ｂ）に示すように、領域Ａ1が予め定めた所定温度taまで冷却された時に、フラッシュランプ３ｂを点灯させる。この点灯により、領域Ａ2が溶融し且つ領域Ａ1が冷却されているため、被処理基板（非晶質シリコン膜２）上に温度勾配が生じる。

さらに、フラッシュランプ３ｂの光路を遮光すると、領域Ａ2及び領域Ａ1が冷却され、領域Ａ2の温度が所定温度taまで冷却される。この時に、フラッシュランプ３ｃを点灯させる。この点灯により、図２８（ｃ）に示すように領域Ａ3が溶融する。以下、同様にランプ光が照射による非晶質シリコン層２の溶融後と、消灯による冷却を繰り返して行うことにより、温度勾配を生じさせることができる。尚、所定温度taは、温度勾配を生じさせるために実測等を行い経験的に設定される値である。

また変形例として、前述した第２の実施形態にように全部のフラッシュランプ３ａ〜３ｎを点灯させておき、非晶質シリコン層２の全領域Ａ1〜Ａnが溶解した後、フラッシュランプ３ａの光路を遮光して、領域Ａ1を温度センサ８ａで温度測定する。

そして、領域Ａ1が所定温度taまで冷却されたならば、フラッシュランプ３ｂの光路を遮光して、領域Ａ2の温度を測定する。以下同様にして、測定している領域Ａxが所定温度まで冷却されたならば、次のフラッシュランプ３を順次予め定められたタイミングで遮光させていくことで温度勾配を生じさせることができる。

また本実施形態は、非晶質シリコン層２自体や外部環境の影響により、ある領域Ａxのみ温度が下がり過ぎてしまいリニア（直線的）な温度勾配が崩れる場合においては、その領域Ａxのみを必要な光量（温度）に応じて、再度ランプ光を照射して、温度勾配を補正することもできる。

以上説明したように本実施形態によれば非晶質シリコン層２の領域毎の温度管理によるランプ光照射のタイミングを調整して非晶質シリコン層２に温度勾配を生じさせることができ、前述した第１の実施形態の効果を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、非晶質シリコン層２の実測値に基づき、ランプ光の照射を制御できるため、所望する結晶粒径をより正確に実現することができる。

次に、第１３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図３０は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を実現するためのランプアニール処理装置の概念的な構成を示す図である。この装置は、チャンバー１２内の上方に被処理基板１を所定温度（非晶質シリコン層２が融解し、且つ被処理基板１が溶融しない温度）まで加熱可能なヒータ２１と、このヒータ２１を駆動するヒータ制御部２２とが、チャンバー１２内の底部に固定されている。チャンバー１２内には、被処理基板１の端部を載置して被処理基板１を支持する基板支持部２３が設けられる。この基板支持部２３は、被処理基板１を支持する以外の部分が開口されて、ランプ光が照射できるようになっている。この開口に光が透過する石英ガラス等を嵌めてもよい。但し、被処理基板１がこの石英ガラス等による温度低下が発生しないように考慮する必要がある。

この基板支持部２３内部で被処理基板１の下方には、光源となるフラッシュランプ３ａ〜３ｎが設けられている。これらのフラッシュランプ３ａ〜３ｎは、図６示したと同様な温度勾配を非晶質シリコン層２に作り出すように、ランプ電源１４によりこれまでの実施例に示すような方法で順次発光駆動される。

また、前述した第１〜１３の実施形態及び各変形例において、フラッシュランプ３ａ〜３ｎに接続されるそれぞれの電源ラインの途中にＬＣ回路を介在させることにより、図３１（ａ）に示すようなフラッシュランプ３ａ〜３ｎの発光量が１つのピークを有する光量特性を平坦化し、図３１（ｂ）に示すような大小の２つのピークを有する光量特性に変化させることにより、温度勾配を生じさせるようにしてもよい。
以上説明したような第１乃至第１２の実施形態によれば、被処理基板１に対して、一括的なアニール処理で非晶質シリコン層２に比較的大きな結晶粒の結晶性シリコンを形成することができる。

この温度勾配により結晶化させた半導体層は、回路素子、例えばＴＦＴが少なくとも１個以上入る多結晶性又は単結晶性の結晶粒を得ることができる。又は、結晶成長の方向とその垂直な方向との結晶粒径の比が３：２以上となる結晶粒の得ることができる。

また、光源として複数のフラッシュランプの配列を用いているため、被処理基板１のサイズに応じて適宜、調整でき、サイズに対して適応性が高い。

また複数のフラッシュランプの配列により、ランプ光の照射面を広くでき、被処理基板１の移動を最小限にすることができる。さらに装置構成がレーザを光源とするものよりも簡単であり、交換やメンテナンスの点においても扱いが容易である。

さらに、上記各実施形態では、フラッシュランプ３を被処理基板１と同室に設けた例について説明したが、図３２に示すように別の室６０内に設けてもよい。この場合、室６０内に設けられたフラッシュランプ３の光路で室６０の仕切り板は、透明体例えば石英ガラス板６１で構成することにより光量の損失を少量にすることができる。

さらに、第１乃至第１３の実施形態及び各変形例によれば、フラッシュランプを結晶化用光源とすることにより、次のような効果を得ることができる。
（１）被処理基板１の大きさに応じてフラッシュランプ３を複数配置することによって、被処理基板１の非晶質シリコン層２を一括でランプアニール処理できるのでスループットに優れる。
（２）光源を複数のフラッシュランプ３により構成することが可能であり、大型基板に対する適応性が高い。
（３）ランプ照射面を広く構成できるので、被処理基板１を移動させるスキャン機構が小型化でき、装置の占有床面積や作業場内の配置に有利である。
（４）ランプ照射面を広く構成できるので、ランプセット３を移動させるスキャン機構が小型化でき、装置の占有床面積や作業場内の配置に有利である。
（５）従来のレーザ法に比べ、光学系が簡素であり、装置のコストダウンが実現できる。

本発明の半導体装置の製造方法における半導体層に対する温度勾配を伴う固相化について説明するための図である。 本発明による半導体装置の製造方法を実現するための結晶化装置の概念的な構成を示す図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実現するためのランプアニール処理装置の構成を示す図である。 第１の実施形態のランプアニール処理による結晶化について説明するためのフローチャートである。 第１の実施形態におけるフラッシュランプ３ａ〜３ｎの点灯・消灯のタイミングについて説明するための図である。 図６に示した点灯・消灯方法による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。 第１の実施形態における第１の変形例について説明するための図である。 第１の変形例における被処理基板１上に形成された非晶質シリコン層２の領域（位置）と照射されるランプ光の光量との関係を示す図である。 第１の実施形態における第２の変形例について説明するための図である。 第１の実施形態における第３の変形例について説明するための図である。 図１０に示した点灯・消灯方法による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。 第１の実施形態における第４の変形例１の概念的な構成を示す図である。 第１の実施形態における第４の変形例２の概念的な構成を示す図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第２の実施形態による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。 第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第３の実施形態による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。 第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第５の実施形態のランプ光照射による非晶質シリコン層２における温度勾配を示す図である 第７の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第７の実施形態において被処理基板１に設けられた非晶質シリコン層２の位置と照射されるランプ光の光量との関係を示す図である。 第８の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第８の実施形態による被処理基板１上に形成された非晶質シリコン層２の位置と照射されるランプ光の光量との関係を示す図である 第９の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。 第１０の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第１１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第１２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 第１２の実施形態においてランプ点灯・消灯の方法による非晶質シリコン層２における温度変化（温度勾配）を示す図である。 第１３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明するための図である。 フラッシュランプ３ａ〜３ｎに接続されるそれぞれの電源ラインの途中にＬＣ回路を介在させた発光量の特性について説明するための図である。 半導体製造装置において、フラッシュランプが配置された室とは異なる室に被処理基板１を配置する構成例を示す図である。

符号の説明

１…被処理基板、２…半導体層（非晶質シリコン層、多結晶シリコン）、３，３ａ〜３ｎ…フラッシュランプ、４ａ〜４ｂ…光学系、９…ランプホルダ、１０ａ〜１０ｎ…反射板、Ａ1〜Ａn…領域（ランプ光の照射領域）。

Claims (27)

1. 被処理半導体層に光照射して結晶化する半導体装置の製造方法であって、前記光照射は１又は複数個のフラッシュランプからなるフラッシュランプセットによるものであり、前記光照射により被処理半導体層の溶融温度を超え、且つ温度勾配を持つように加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記温度勾配は、直線的に傾斜した温度分布又は、階段状に傾斜した温度分布のうちのいずれか一つの温度勾配であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
   前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプを一方方向に順次、点灯・消灯させて照射させることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
   前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ階層的で交互に配列された前記複数のフラッシュランプを順次、点灯・消灯させてランプ光を照射させることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記温度勾配は、中央が隆起した山形状温度分布又は、中央が沈降した谷形状温度分布のうちのいずれか一つの温度勾配であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
   前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプのうち中央に配置されたフラッシュランプを点灯し、以後両端側に向かって順次、点灯・消灯させてランプ光を照射させることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
   前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプのうち両側端に配置されたフラッシュランプを点灯し、以後両端側から中央に向かって順次、点灯・消灯させてランプ光を照射させることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
   前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプが隣接するフラッシュランプの点灯状態が重なりを持ち且つ、連続して一方方向へ順次、点灯・消灯させてランプ光を照射させることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
   前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで発光強度が異なる複数個のフラッシュランプを発光強度順に配列し、全フラッシュランプを同時に点灯させることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプが隣接するフラッシュランプの点灯状態が重なりを持ちつつ、一方方向へ順次、点灯・消灯させてランプ光を照射させることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプの全ランプを点灯させた後、いずれか一端側から前記フラッシュランプを順次、消灯することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプが、一端側から他端側へ発光回数を増加又は減少するように変化することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記フラッシュランプセットの光照射が、照射処理後にステップ移動するステップアンドリピートにより、前記フラッシュランプセットの照射可能領域を超える大きさの被処理半導体層の領域に対して、光照射して結晶化することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
14. 被照射面が一つの平面をなすように配列された複数のフラッシュランプからなるフラッシュランプセットから照射される光量が密から粗になるように配列され、温度勾配を持たせることを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と角度を有するように斜めに配置され、直線的に配列された前記各フラッシュランプを一斉に点灯して照射することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記各フラッシュランプが、透過光量が段階的に変化する減光部材を透過させて、該前記被処理半導体層へランプ光を照射することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的で隣接するフラッシュランプの間隔が段階的に変化するように配列された前記各フラッシュランプを一方方向に順次、点灯・消灯させて照射させることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットが前記被処理半導体層表面と平行するように対向して全フラッシュランプを点灯させた後、ライト光を照射しつつ前記被処理半導体層表面と徐々に角度を有するように回動することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、複数のフラッシュランプが環状に配置された前記フラッシュランプセットが、前記被処理半導体層と平行するように対向して、前記被処理半導体層と対峙するフラッシュランプを点灯させてライト光を照射しつつ、前記被処理半導体層上方を回動移動することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
20. 前記フラッシュランプセットの照射可能領域において、
    前記温度勾配を形成するために、前記フラッシュランプセットで、前記被処理半導体層表面と平行するように対向し、且つ直線的に配列された前記全フラッシュランプを一斉に点灯し、光照射領域の温度に従い、各フラッシュランプが順次、消灯されることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
21. 前記フラッシュランプセットの光照射による処理後にステップ移動するステップアンドリピート若しくは、フラッシュランプセットの光照射を行いつつ被処理半導体層又はフラッシュランプセットを移動することにより、前記フラッシュランプセットの照射可能領域を超える大きさの被処理半導体層の領域に対して、光照射して結晶化することを特徴とする請求項１４乃至２０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
22. 前記温度勾配を持たせるように配置した前記フラッシュランプによる加熱により、非単結晶からなる前記被処理半導体層上の溶解する領域が移動しつつ、結晶化することを特徴とする請求項１乃至２１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
23. 被照射面が一つの平面をなすように配列された複数のフラッシュランプセットのフラッシュランプを予め定められた速度で連続的に点灯させ被処理半導体層の被照射部を溶融し、被処理半導体層の表面と平行なラテラル方向に結晶化することを特徴とする結晶化方法。
24. 被照射面が一つの平面をなすように配列された複数のフラッシュランプが配列され被処理半導体層を加熱するためのランプ光を出射する光源と、
    前記ランプを点灯させるランプ点灯用電源と、
    前記ランプ点灯用電源回路に接続され、前記複数のフラッシュランプセットの点灯ランプを予め定められたタイミングで点灯制御するための制御部と、
    を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造装置。
25. 被照射面が一つの平面をなすように配列された複数のランプが配列され被処理半導体層を溶融するためのランプ光を出射する光源と、
    前記ランプを点灯させるランプ点灯用電源と、
    前記ランプ点灯用電源回路に接続され前記複数のフラッシュランプセットの点灯ランプを予め定められたタイミングで連続的に点灯制御するための制御部と、
    を具備してなることを特徴とする結晶化装置。
26. 請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法により結晶化された半導体層上に薄膜トランジスタが形成された半導体装置。
27. 請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法により結晶化された半導体層上に画素駆動素子として機能する薄膜トランジスタが形成された表示装置。

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