JP2641101B2

JP2641101B2 - 半導体装置の製造方法および装置

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Publication number: JP2641101B2
Application number: JP8943688A
Authority: JP
Inventors: 義彦小池; 中行胡; 青山　　隆; 義昭岡島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-04-12
Filing date: 1988-04-12
Publication date: 1997-08-13
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JPH01260812A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は半導体装置の製造方法および装置に係り、特
に薄膜トランジスタに用いる多結晶シリコン膜の結晶性
を向上させるのに好適な半導体装置の製造方法および装
置に関する。

（従来の技術）一般的に、歪温度の低いガラス基板上にアモルファス
あるいは多結晶シリコン膜を成膜し、そのシリコン膜を
用いて例えば薄膜トランジスタ（以下、TFT）を形成す
る場合、その特性はシリコン膜の結晶性に依存する。

結晶性向上のためには高温で熱処理を行なえば良い
が、歪温度の低いガラス基板の場合、その歪点（約600
℃）によって処理温度が制限される。

この問題を解決するために、現在では特開昭62−3031
4号公報に示されるように、シリコン膜の表面で吸収さ
れる紫外光レーザを照射して表面層のみを融解し、再結
晶化時に結晶性を向上させる方法が検討されている。

また、このレーザを用いた再結晶化において、再結晶
化を均一に行う方法としては、特開昭58−56316号公報
に示されるようにし、レーザ光を基板上で走査させる方
法が検討されている。

（発明が解決しようとする課題）上記従来技術では、ビームあるいはパルス当りの平均
光強度が一定強度範囲内のレーザ光を試料に照射するこ
とでシリコン膜の結晶性を向上させていた。しかし、試
料上に集光されるレーザビームの光強度は、ビームの中
心から外れるに従って弱くなるという分布を有するの
で、アモルファス状態のシリコン膜に光強度分布のある
レーザ光を照射すると、そのシリコン膜の結晶性は強度
分布に応じた分布を持ってしまい、シリコン膜を均一に
再結晶化させることは難しかった。

しかも、弱い光強度のレーザビームによって結晶化さ
れた領域は、その後強い光強度のレーザビームを照射し
ても結晶性が向上しないため、前記したようにシリコン
膜上でレーザ光を走査させても均一に再結晶化させるこ
とは難しかった。

第８図は、シリコン膜に照射されるレーザ光の強度と
結晶性との関係を表した図であり、点線11はアモルファ
ス状態のシリコン膜にレーザ光を照射した場合の関係を
示し、実線12はレーザ光を照射することによって点線11
に示す結晶性を有するようになったシリコン膜に再び強
度Ecのレーザ光を照射した後の結晶性を示している。

同図より明らかなように、アモルファス状態のシリコ
ン膜にレーザ光を照射すると、点線11で示されるような
シリコン膜の結晶性はレーザ光の強度に比例して向上す
る。

ところが、点線11で示される結晶性を有するシリコン
膜に再び強度Ecのレーザ光を照射しても、図中実線12の
ように、はじめに照射されたレーザ光によってある程度
の結晶化が行われた領域では、結晶性の向上がほとんど
認められない。

また、はじめに照射されたレーザ光の強度が非常に弱
く、結晶化がほとんど行われなかった領域の結晶性はあ
る程度向上するものの、はじめに強度Ecのレーザ光が照
射された領域ほどの結晶性は得られない。

これは、弱いレーザ光を照射することで結晶性が低い
状態で安定するため、その後で所望の光強度でレーザを
照射しても結晶性が向上しないことによる。すなわち、
レーザ光を走査する場合、単にレーザビームの外周部を
重複させるだけでは、その部分の結晶性は向上しないこ
とになる。

本発明の目的は、上記した課題を解決し、結晶性の優
れたシリコン膜を形成するのに好適な半導体装置の製造
方法および装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記した目的を達成するために、本発明は、試料上に
おけるレーザビームの光強度を測定し、所定の値以上の
光強度を示す領域のレーザビームのみが試料に照射され
るようにした点に特徴がある。

さらに、試料上におけるレーザビーム断面の外周部に
相当する領域のレーザビームを遮蔽板によって反射させ
ると共に、反射させたレーザビームの光強度を測定する
ための検知手段を設け、所定の値以上の光強度を示す領
域のレーザビームのみが試料に照射されるようにした点
に特徴がある。

（作用）上記した構成によれば、アモルファス状態の半導体薄
膜を結晶性が低い状態で安定させてしまうような、弱い
光強度を示すレーザビームが試料に照射されなくなるの
で、本発明を用いてアモルファス状態の半導体薄膜を結
晶化させれば、結晶性の高い半導体薄膜を形成すること
ができるようになる。

さらに、上記した構成によれば、前記弱い光強度を示
すレーザビームが試料に照射されないようにするため
に、遮蔽板を設けてレーザビームの一部を反射させると
共に、反射されたレーザビームの光強度を検知手段によ
って測定し、試料に照射されるレーザビームの光強度を
制御するようにしたので、本発明を用いてアモルファス
状態の半導体薄膜を結晶化させれば、自動的かつ正確に
結晶性の高い半導体薄膜を形成することができるように
なる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例のブロック図であり、レー
ザヘッド35より放射されたパルスレーザ光33は、平凸レ
ンズ32によって集光され、その後、中央部に矩形スリッ
トを有するスリット板41により強度の弱い部分、すなわ
ち試料上におけるレーザビーム断面の外周部に相当する
領域をカットされて試料上に照射される。この時、試料
上に照射される光強度は、平凸レンズ32の位置により決
まる。

このような構成を有する本実施例において、試料上に
照射されるレーザ光強度の最低値を150mj/cm²以上とし
たい場合は、初めに試料上のレーザビームの外周部（ス
リット板41によりレーザビームが遮断される領域の境界
部近傍）に相当する位置に検出装置（図示せず）を置
き、その検出値が150mj/cm²以上となるように矩形スリ
ットの大きさを調整する。

一般的に、試料に照射されるレーザビームの強度は、
ビームの中心に近い部分程強く中心から外れるに従っ
て、弱くなるため、検出装置では上記したように試料上
のレーザビームの外周部の光強度を測定する。

なお、矩形スリットの大きさを変化させると、それに
応じて試料上におけるレーザビームの外周部の位置もず
れるため、光強度の検出は検出装置を位置合わせさせな
がら行う。

以上のようにして初期設定を終了した後は、レーザビ
ームを試料上で走査させながらレーザ処理を行う。

上記したように、本実施例によれはアモルファス状態
の半導体薄膜を、結晶性が低い状態で安定させてしまう
ような、弱い光強度を示すレーザビーム外周部をスリッ
ト板41によって遮断することができるようになる。した
がって、本実施例を用いてアモルファス状態の半導体薄
膜を結晶化すれば、結晶性の高い半導体薄膜を形成する
ことができる。

第４図は、本発明のその他の実施例のブロック図であ
り、第１図と同一の符号は同一または同等部分を表して
いる。

本実施例では、パルスレーザ光33の一部は、スリット
板41の中央部付近に形成される可変矩形スリットの外周
近傍に設けられた鏡面状の反射面によって反射され、検
出器81に入射される。

検出器81は検出器コントローラ82に接続されており、
該検出器コントローラ82は、矩形スリットの大きさを変
化させるスリット駆動モータ83、XYステージ86を駆動さ
せるためのXYステージコントローラ87およびレーザ装置
電源84に接続されている。

なお、スリット板41の材質は、入射されたレーザ光を
効率よく検出器に反射させるため、例えば反射率の高い
アルミ材とさ、レーザ光を反射させる領域は鏡面仕上げ
とする。あるいは、光学部品として一般的によく使われ
る、308nmのレーザ光をほぼ100％反射させる反射ミラー
を設けるようにしても良い。

このような構成を有する本実施例において、試料上に
照射されるレーザ光強度を、例えば150mj/cm²以上とす
る場合は、初めに試料位置に検出装置（図示せず）を置
き、試料85に照射される光強度の最低値が150mj/cm²以
上となる時にスリット板41から反射されるレーザ光34
を、あらかじめ検出器81で検出して検出器コントローラ
82に記憶させておく（ここでは、この値をEcとする）。

なお、この場合も検出装置では試料上のレーザビーム
の外周部の光強度を測定し、その値が150mj/cm²となる
ときの検出器81での値を検出コントローラ82において記
憶する。

以上のようにして初期設定を終了した後、実際の試料
のレーザ光を走査させながら照射してレーザ処理を行な
う場合、例えば検出器81での検出値がEc±５％の範囲外
になると、検出器コントローラ82はその差分を計算し、
反射光34の強度がEc±５％の値となる様、スリット駆動
モータ83を制御して矩形スリットの大きさを変化させ
る。すなわち、検出値が所定の値以上であればスリット
を広げ、所定の値以下であればスリットを閉じて弱い光
強度のレーザ光が試料に照射されないようにする。

スリット駆動モータ83を制御する信号はXYステージコ
ントローラ87および検出器81にも送られる。XYステージ
コントローラ87では、スリットの形状が変化することで
試料上でのレーザ光照射領域が変化するのに合せてXYス
テージ86の移動ピッチを制御する。

同時に検出器81は、スリット形状の変化によるスリッ
ト板41からの反射光34の照射角度の変化に合わせて、該
反射光を必ず検知できるように、あらかじめ設計された
カム、あるいは駆動モータ等により、その位置や姿勢、
たとえば光軸に対する設置位置を制御する。

なお、このスリット制御範囲では試料上での光強度を
調整し切れない場合は、検出器コントローラ82よりレー
ザ装置電源84に信号を送り、充電電圧あるいはパルスレ
ーザの照射時間を制御してレーザ光33の光強度を変化さ
せる。

レーザ光強度を変化させた場合も、検出器コントロー
ラ82は検出器81で検出される反射光34の光強度がEc±５
％となるような矩形スリットの大きさを制御し、常に同
一条件でレーザ光が試料に照射されるようにする。

ここでは、レーザ光強度の制御方法として、矩形スリ
ットの形状を先に変化させる実施例について説明した
が、逆に、レーザ装置電源84の充電電圧を先に変化さ
せ、それでは対応し切れない場合に矩形スリットの大き
さを変化させるようにしても良い。

又、例えば、変化量が±３％以内であればスリット板
41を制御し、それ以上であればレーザ装置電源84の充電
電圧を制御するという具合に、レーザ光強度の変化量に
よって、その２つの制御方法を使い別けるようにしても
良い。

なお、スリット板が平面状であると、第３図に示すよ
うにスリット板31による反射光がレンズ系32を介してレ
ーザ発振装置35に入射され損傷を与えてしまう。したが
って、本実施例では第４図に示したようにスリット板41
を擂鉢状とし、その底部にスリットを設けた。

また、スリット板の形状は、第７図に示したようにそ
の反射部分を曲面状にしても良い。すなわち、反射光34
がレンズ系32へ入射されないようにレーザビームを反射
させるような形状であれば、スリット板はどのような形
状であっても構わない。

また、上記した実施例においては、スリット板に設け
られたスリットの大きさを小さくすることによって光強
度の弱いレーザビームの外周部を遮断するものとして説
明したが、レンズとスリット板との距離を制御、すなわ
ちレンズとスリット板との距離を調整することによって
レーザビームの外周部を遮断するようにしても良い。

また、上記した実施例においては、初めに試料位置で
のレーザ光強度を測定し、そのときのスリット板41によ
る反射光34を検出器81で検出して矩形スリットの大き
さ、その他を制御するものとして説明したが、はじめか
らスリット板41による反射光34を検出器81で検出し、そ
の値が所定の強度以下であれば上記と同様の制御を逐一
行うようにしても良い。

ただし、この場合はあらかじめスリット板41の反射効
率ηを求め、試料に照射されるレーザ光の強度を150mj/
cm²以上としたいのであれば、150×ηで与えられる値を
前記所定の強度として設定する。

このように、本実施例によれば光強度の弱いレーザ光
を試料面に照射させないように矩形スリットの大きさを
制御できるようになると共に、それに合わせてレーザ光
の強度、検出器の設置位置およびレーザビームを試料上
で走査する場合の移動ピッチ等を自動的に制御すること
ができるようになる。

なお、上記した説明においてはレーザをパルスレーザ
であるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定
されるものでは無く、連続発振するレーザであっても良
い。

また、この場合は試料上に照射されるレーザ光強度の
制御を、試料上でのレーザビームの走査速度を制御する
ことによって行っても良い。

続いて、本実施例の装置を用いてアモルファス状態の
半導体薄膜を結晶化させる実施例について説明する。

まず第５図に示すように、絶縁基板51上に下地膜とし
て熱伝導率がシリコンより大きい酸化シリコン膜52を、
例えば常圧化学気相成長（以下、CVD）法において4000
Åの厚さで成膜する。続いて、シリコン膜53を、例えば
減圧CVD法において1500Åの厚さで成膜する。

更に、表面保護膜として酸化シリコン膜54を、例えば
常圧CVD法において1000Åの厚さに成膜する。この様に
して形成した試料の表面側より、例えばXeClをガス源と
したエキシマレーザを用いて紫外光パルスレーザ55を照
射する。

本発明のポイントは、試料上に照射される紫外光パル
スレーザの光強度を制御することにある。

まず、試料面上でレーザ光強度分布を測定し、例えば
150mj/cm²以上のレーザ光強度を示すレーザビーム外周
部をスリット板41によりカットする。

この様にして一定エネルギ以上のレーザ光を試料上で
走査させる場合、その間隔は第６図に示すようにレーザ
光の重り部分63を縦、横とも1mm程度取れば十分とな
り、これはパルスレーザ光を照射する周期と試料移動ピ
ッチとを調整することにより達成される。

また、連続発振するレーザを用いる場合は、その走査
間隔を調整することによって達成される。

以下に、本実施例によって半導体薄膜を結晶化した場
合の結晶性と従来技術のそれとの違いを、第２図を用い
て説明する。

同図において、（ａ）は従来技術のように、その外周
部に結晶性を低い状態で安定させてしまう弱い光強度分
布を有するレーザビームを照射した場合の結晶性と試料
位置との関係を示した図であり、同図（ｂ）は、上記弱
い光強度分布を有しないレーザビームを照射した場合の
関係を示した図である。

同図（ａ）において、個々のレーザ光による結晶性
は、照射するレーザ光に重なりが無い場合はそれぞれの
位置において点線21で示されるような結晶性を示すが、
外周部を重ねながら走査させると、最初のレーザ光照射
（左端）では高い結晶性が得られるものの、それ以降の
レーザ光照射では、先のレーザ光照射によって結晶性が
低い状態で安定してしまった領域の結晶性が向上せず、
結果として実線22で示されるような結晶性を示す。

一方、本発明を適用した実施例では、結晶性を低い状
態で安定させてしまう弱いレーザ光、例えば150mj/cm²
以上のレーザ光は矩形スリットによってカットされるた
め、同図（ｂ）に示されるように、結晶性が低い状態で
安定してしまう領域は小さくなる。したがって、外周部
を重ねながら走査しても実線23で示されるように高い結
晶性が得られる。

なお、以上のようにして結晶化を行なった多結晶膜を
用いてTFTを形成し、その特性分布を測定したところ、
そのばらつきが大幅に減少し、特性の一つを示す移動度
もこれまでの３倍程度の値が得られた。

このように、一旦弱いレーザ光を照射することによっ
て微細な結晶構造となった多結晶シリコン膜、すなわち
結晶性が低い状態で安定してしまった多結晶シリコン膜
は、その後更に強い強度のレーザ光を照射しても結晶性
は向上しない。

このことはアモルファス状態のシリコン膜を結晶化し
て多結晶シリコン膜とする場合、そのシリコン膜を中途
半端に結晶化することなく、アモルファス状態のシリコ
ン膜に所定の値以上の光強度を有するレーザ光を照射
し、一度に結晶化した方が結晶性が向上することを意味
する。

したがって、前記第５図に示したシリコン膜53を減圧
CVD法により成膜する際、成膜時の基板温度を600℃で行
なったシリコン膜と、50℃で行なったシリコン膜とを比
較すると、成膜後では600℃で成膜したシリコン膜の方
が結晶性は良いものの、両シリコン膜に例えば200mj/cm
²の光強度の紫外光パルスレーザ光55を照射して再結晶
化させると、その結晶性は550℃で成膜したシリコン膜
の方が逆転して良くなる。

このこのは、TFTを形成した場合に、特性の良いトラ
ンジスタが得られることにつながる。

（発明の効果）本発明によれば、光強度の強いレーザ光を試料面に照
射させないので、多結晶シリコン膜を結晶性の低い状態
で安定させてしまうことを防止できる。

したがって、レーザ光を照射した場合の多結晶シリコ
ン膜の結晶性をより向上させ、特性の良いTFTを提供す
ることができるようになる。

さらに、本発明によれば、上記したような光強度の弱
いレーザ光を試料面に照射させない処理を、スリットの
大きさを制御し、かつ、それに合わせてレーザ光の強
度、検出器の設置位置およびレーザビームを試料上で走
査する場合の走査速度等を自動的に制御しながら行うの
で、簡単かつ正確に上記レーザ処理を行うことができる
ようになる。

また、レーザ光をカットするスリット板に角度を持た
せたので、スリット板による反射光がレンズ系に入射し
なくなり、レンズ系の損傷を防ぐ効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図である。第２図はレーザ光を移動させながら照射した場合の試料
位置と結晶性との関係を示した図である。第３図は反射したレーザ光がレンズに入射する状態を示
した模式図である。第4,7図は本発明のその他の実施例のブロック図であ
る。第５図は試料の断面構造を示した図である。第６図はレーザビームの走査方法を示した図である。第８図はレーザ光強度と結晶性との関係を示した図であ
る。 31,41,71……スリット板、32……凸レンズ、33……入射
光、34……スリットによる反射光、35……レーザ発振装
置、51……絶縁基板、52……下地酸化シリコン膜、53…
…多結晶シリコン膜、54……酸化シリコン保護膜、55…
…紫外光パルスレーザ、63……レーザ光照射重り部分、
81……レーザ光強度検出器、82……検出器コントロー
ラ、83……スリット駆動モータ、84……レーザ装置電
源、85……試料、86……XYステージ、87……XYステージ
コントローラ

フロントページの続き (72)発明者岡島義昭茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開昭58−197816（ＪＰ，Ａ) 特開平１−145532（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板上に半導体薄膜を形成し、この
半導体薄膜にレーザビームを走査しながら照射して前記
半導体薄膜を結晶化させる半導体装置の製造方法におい
て、該レーザビームの外周部を、開口部を有する遮蔽部材よ
って遮断した後、該レーザビームを試料上に照射し、試料上におけるレーザビーム断面の外周部の光強度を測
定し、前記外周部の光強度が所定の値より低い場合には、遮蔽
部材による遮断領域およびレーザビーム強度の少なくと
も一方を制御して、所定の値以上の光強度を示す領域の
レーザビームのみを試料上に照射するようにしたことを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】絶縁性基板上に半導体薄膜を形成し、この
半導体薄膜にレーザビームを走査しながら照射して前記
半導体薄膜を結晶化させる半導体装置の製造方法におい
て、該レーザビームの外周部を、開口部を有する遮蔽部材よ
って反射させた後、該レーザビームを試料上に照射し、反射したレーザビームの光強度を測定し、前記反射したレーザビームの光強度が所定の値より低い
場合には、遮蔽部材による遮断領域およびレーザビーム
強度の少なくとも一方を制御して、所定の値以上の光強
度を示す領域のレーザビームのみを試料上に照射するよ
うにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記遮蔽部材による遮断領域は、遮蔽部材
の光軸上での位置および前記開口部の寸法の少なくとも
一方により制御されることを特徴とする特許請求の範囲
第１項または第２項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記レーザビーム外周部が遮蔽部材により
遮断され、試料上でのレーザビーム断面の大きさが変化
することに応じて、レーザビームが試料上を隙間無く走
査されるようにレーザビームの走査間隔を制御すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
れかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記レーザビームの光強度に応じて、レー
ザビームを試料に照射する時間を制御することを特徴と
する特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記レーザビームはパルスレーザであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のい
ずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記所定の値は、レーザビームをアモルフ
ァス状態の半導体薄膜に照射した場合に、該アモルファ
ス状態の半導体薄膜を十分多結晶化するに足る光強度の
範囲内において最低の光強度であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項８】前記所定の値は150mj/cm²であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか
に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】レーザビームを照射する手段と、レーザビームを集光するためのレンズと、試料上におけるレーザビーム断面に相当する開口部を有
すると共に、レーザビーム入射側の少なくとも一端がレ
ーザビームを反射するようにされた遮蔽部材と、レーザビームを試料に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に
相対的に走査させる手段と、遮蔽部材によって反射されたレーザビームの強度を測定
する検知手段と、検知手段からの信号に応じて、遮蔽部材による遮断領域
およびレーザビーム強度の少なくとも一方を制御する手
段とを具備したことを特徴とする半導体装置の製造装
置。
【請求項１０】前記遮蔽部材による遮断領域を制御する
手段は、遮蔽部材の光軸上での位置を制御する手段であ
るとを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の半導体装
置の製造装置。
【請求項１１】前記遮蔽部材による遮断領域を制御する
手段は、前記開口部の寸法を制御する手段であるとを特
徴とする特許請求の範囲第９項記載の半導体装置の製造
装置。
【請求項１２】前記検知手段からの信号に応じて前記走
査手段の走査速度および走査間隔の少なくとも一方を制
御する手段を具備したことを特徴とする特許請求の範囲
第９項ないし第11項のいずれかに記載の半導体装置の製
造装置。
【請求項１３】前記遮蔽部材は、レーザ光入射側の開口
部の外周近傍に反射性の部分を有することを特徴とする
特許請求の範囲第９項ないし第12項のいずれかに記載の
半導体装置の製造装置。
【請求項１４】前記遮蔽部材の光軸上での位置および前
記開口部の寸法の少なくとも一方の変化に伴なって遮蔽
部材からのレーザビームの反射光の光路が変化するのに
応じて、該レーザビームの反射光が前記検出手段におい
て必ず検知されるように、該検出手段の位置および姿勢
の少なくとも一方を制御する手段を具備したことを特徴
とする特許請求の範囲第９項ないし第13項のいずれかに
記載の半導体装置の製造装置。
【請求項１５】前記遮蔽部材は、反射したレーザビーム
が前記レンズを介してレーザビームを照射する手段に入
射されないように位置決めされていることを特徴とする
特許請求の範囲第９項ないし第14項のいずれかに記載の
半導体装置の製造装置。
【請求項１６】前記遮蔽部材は擂鉢状であり、その底部
に開口部が形成されていることを特徴とする特許請求の
範囲第15項記載の半導体装置の製造装置。
【請求項１７】前記遮蔽部材は曲面状であり、その中央
部に開口部が形成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第15項記載の半導体装置の製造装置。
【請求項１８】前記開口部は矩形スリットであることを
特徴とする特許請求の範囲第９項ないし第17項のいずれ
かに記載の半導体装置の製造装置。