JP3733022B2

JP3733022B2 - シリコン薄膜の結晶性評価方法および評価装置ならびにレーザアニール法および装置

Info

Publication number: JP3733022B2
Application number: JP2000396474A
Authority: JP
Inventors: 潤一田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2001257176A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体薄膜の結晶性を評価する方法および装置、ならびに当該方法を使用したレーザアニール法およびレーザアニール装置に関し、特に、多結晶シリコン薄膜の結晶性をモニタし、制御することが可能な半導体薄膜結晶性モニタリングシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子の高精細、高画質を実現するためには、各画素における薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の電子の電界効果移動度を向上させることが必要である。そのため、従来のアモルファスシリコン薄膜に代えて、多結晶シリコン薄膜をＴＦＴに応用した多結晶シリコンＴＦＴ技術が急速に成長している。この多結晶シリコンＴＦＴの高歩留まりを保つためには、ＴＦＴ特性に対して最も重要な機能を持つ多結晶シリコン薄膜の品質管理を行なうことが極めて重要になっている。
【０００３】
多結晶シリコンＴＦＴをガラス基板上に形成する際には、予めガラス基板上に形成したアモルファスシリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に改質する方法がある。この方法には、高温（８００〜１０００℃）で加熱し結晶化する方法と、アモルファスシリコン薄膜に対して吸収率の高いレーザ光（たとえば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザ）を照射して結晶化する方法とがある。
【０００４】
前者の加熱して結晶化する方法は、基板全体を高温に加熱する。そのため、石英ガラス等の耐熱性の基板を用いる必要があり、大面積化に伴い高価となるという問題がある。そこで、近年では、後者のレーザビームを照射することにより結晶化するレーザアニール方法が最も一般的である。このレーザアニール法により得られた多結晶シリコン薄膜の結晶性は、レーザエネルギーに敏感に依存するため、レーザエネルギーの最適化は結晶化の際の最も重要な項目である。
【０００５】
従来、最適レーザエネルギーを設定するために、異なるパワーのレーザ光を照射して、結晶化状態の異なる多結晶シリコン薄膜を有するモニタ基板を作製し、ラマン分光法を用いて結晶性の評価をすることにより、レーザパワーの最適化を行なっている。ラマン分光法は、多結晶シリコン薄膜の結晶性を正確に評価するために一般的に用いられている方法である。多結晶シリコン薄膜の結晶性とラマンスペクトルのシリコンのピーク強度との間には相関があり、結晶性がよい膜ほどピーク強度は大きくなる。
【０００６】
図１は、ラマンスペクトルを示すグラフであり、横軸はレーザエネルギー（ｍＪ／ｃｍ2）を示し、縦軸はピーク強度（Ａ．Ｕ．）を示している。
【０００７】
図１に示すように、ラマン分光法は、多結晶シリコン薄膜の膜質の正確な評価が可能な手法であり、この手法を用いて最適レーザエネルギーの設定を行なうことができることがわかる。
【０００８】
また、多結晶シリコン薄膜の結晶性を評価する他の方法として、特開平１１−２０４６０６号公報に示すように、多結晶シリコン薄膜に評価用の光を照射し、その照射光の透過強度によりその結晶性の評価を行なう方法がある。この方法は、透過光強度により結晶性の評価を行なう方法で、透過光強度の波長依存性が結晶性によって変化することを利用したものである。
【０００９】
さらに、特開平６−２２４２７６号公報に示すように、結晶化に用いるレーザの散乱光により、結晶性の評価を行う方法がある。この方法はバンドギャップ分光反射率が結晶性によって変化することを利用したものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ラマン分光法は、正確で、かつ信頼性の高い多結晶シリコン薄膜の結晶性の評価手法であるが、以下のような問題点がある。
【００１１】
すなわち、まず、装置が大掛かりで高価である。次に、光源にアルゴンレーザを用いているため、ランニングコストがかかる。さらに、複雑な光学系を必要とするため、調整に手間と時間がかかる。また、ラマン光は微弱であるため、レーザ光を１μｍ程度に絞る必要があり、測定領域が多結晶シリコンの結晶粒径と同程度になるため、多結晶シリコン薄膜の平均的な結晶性を評価するには複数の測定点を設ける必要があり、モニタに要する時間が長くなるというものである。
【００１２】
また、透過光強度によって結晶性を評価する方法についても、以下のような問題点がある。すなわち、光を照射する光源と受光する検出器はそれぞれ基板を介して反対側にあるため、基板を保持するステージにより光が遮断されてしまう。光が遮断されないようにし、測定を実行するためには、基板の周辺のみをステージにより支持する形状にする等の工夫が必要で、このような基板の支持方法では基板の固定が不十分である。さらに、基板の撓み等が生じる等の問題が生じ、装置の使用上の制約が大きくなってしまう。また、基板が光を透過しない材料の場合は原理に測定は不可能である。
【００１３】
他方、バンドギャップ分光反射率により結晶性を評価する方法についても、以下のような問題がある。すなわち、この方法は、結晶化に用いるレーザの散乱光を用いるため、結晶化を行うためにレーザを基板に照射している場合のリアルタイム測定のみ可能であり、結晶化に用いるレーザが基板に照射されない場合のオフライン測定ができない。また、測定する光が散乱光であるため、基板の表面状態などの影響で強度が安定せず測定のばらつきの原因になる等の欠点がある。
【００１４】
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、従来にない簡便な方法で多結晶シリコン薄膜の結晶化のために最適レーザエネルギーの設定を行ない、さらに生産ラインもしくは装置内に組込んでインラインで多結晶シリコン薄膜の結晶性の評価および制御を行ない、不良を未然に防止し、歩留りを向上させることができる半導体薄膜結晶性モニタリングシステムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明により、基板上に形成された多結晶シリコン薄膜の結晶性を評価する方法が提供され、該方法は、基板上に形成された多結晶シリコン薄膜に光を照射する工程と、照射した光の反射光を分光する工程とを備え、分光により得られる反射光の反射強度スペクトルの形状により多結晶シリコンの結晶性を評価する際に、反射強度スペクトルが波長４８０ｎｍ付近に極大値、波長５２０ｎｍ付近に極小値を持つサブピークを持つときは、結晶シリコン薄膜の結晶性が優れるものと判定することを特徴とする。
【００１６】
本発明による方法の好ましい態様において、照射する光は基板に垂直であり、基板に垂直な方向に反射した光を分光する。ここで、「照射光または反射光が基板に垂直である」とは、薄膜が形成される基板の主要面に対して照射光または反射光が垂直であることを意味する。
【００１７】
本発明による方法において、照射する光として可視光を使用することができる。
【００１８】
本発明による方法において、典型的に、多結晶シリコン薄膜は、基板上に形成されたアモルファスシリコン薄膜にレーザ光を照射することにより結晶化されたものである。
【００１９】
また本発明により、上記方法を行うための装置が提供され、該装置は、光源と、光源からの光を基板上に形成された多結晶シリコン薄膜に照射するための光学系と、照射した光の反射光を分析するための分光光度計と、反射光を分光光度計に導くための光学系とを備える。
【００２０】
当該装置において光源にはハロゲンランプ等の可視光源を使用することが好ましい。また、当該装置において、光を照射するための光学系には、光ファイバーを使用することができる。典型的に、分光光度計は、分光器および分光スペクトルを出力するための手段を含む。反射光を分光光度計に導くための光学系にも、光ファイバーを使用することができる。
【００２１】
さらに本発明によりレーザアニール法が提供され、該方法は、基板上に形成されたアモルファスシリコン薄膜にレーザ光を照射することにより該薄膜を結晶化する工程と、結晶化の工程の後、上記評価方法により薄膜の結晶性を評価する工程と、評価の結果に基き、レーザ光を照射して薄膜を結晶化する工程における条件を調節する工程とを備える。特に、該評価の結果は、結晶化に使用されるレーザ光のエネルギー設定にフィードバックされる。このフィードバックにより、レーザエネルギーを変化させて結晶化の条件を改善することができる。
【００２２】
さらに本発明により上記レーザアニール法を行うための装置が提供され、該装置は、基板に形成されたアモルファスシリコン薄膜にレーザアニールを行うための手段と、上述して結晶性を評価する方法を行う装置とを備える。特に、該装置は、評価装置による情報に基き、結晶化に使用されるレーザエネルギーの設定を変化させるフィードバック機能を有することが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明による半導体薄膜結晶性モニタリングシステムの一例の原理を説明するための図である。
【００２４】
図２を参照して、このシステムは、光を投光する光源２５と、反射された光を受光する分光器２６とを備え、光の伝達は、投光用および受光用の光ファイバー２２で行なわれる。投光用および受光用の光ファイバーは、それぞれその先端で１つに束ねられ、投受光器２１に接続されている。
【００２５】
図３は、図２に示す投受光器２１の一部を示す拡大図である。
図２および図３を参照して、このシステムによるモニタリングの原理を説明する。まず、光源２５から投光された光は、投光用の光ファイバー２２を通して基板２４上の多結晶シリコン薄膜２３に垂直に投光される。投光された光は、多結晶シリコン薄膜２３の表面で反射され、受光用光ファイバー２２を通して分光器２６で分光されることによって、スペクトルが得られる。
【００２６】
図４は、レーザエネルギーを３１０ｍＪ／ｃｍ²から４１０ｍＪ／ｃｍ²まで変化させて結晶化を行った場合の多結晶シリコン薄膜について、図２および図３に示すシステムを使用して測定された反射強度のスペクトルを示す。これらのスペクトルのうち、スペクトル４１は、レーザエネルギーを３７０ｍＪ／ｃｍ²に設定して結晶化を行った場合の多結晶シリコン薄膜の反射強度分布を示す。このスペクトルには、波長４８０ｎｍ付近に極大値、波長５２０ｎｍ付近に極小値を持つサブピークが現れる。スペクトル４２、スペクトル４３、スペクトル４４およびスペクトル４５は、レーザエネルギーをそれぞれ３１０ｍＪ／ｃｍ²、３４０ｍＪ／ｃｍ²、３９０ｍＪ／ｃｍ²および４１０ｍＪ／ｃｍ²に設定して結晶化を行った場合の多結晶シリコン薄膜の反射強度分布を示す。これらのスペクトルでは、スペクトル４１に見られるようなサブピークは見られない。サブピークは、レーザエネルギーを３７０ｍＪ／ｃｍ²に設定して結晶化を行った場合の多結晶シリコン薄膜についてのみ観察される特徴であることがわかる。
【００２７】
一方、レーザエネルギーを３７０ｍＪ／ｃｍ²に設定して結晶化を行った場合の多結晶シリコン薄膜をラマン分光法で評価した場合、図１に示すようにピーク強度が最大となり、最も優れた結晶性を有する膜であることがわかる。したがって、以上のように最適レーザエネルギーで結晶化を行った場合にのみ反射強度のスペクトルはサブピークを持つ特徴的な形状となり、反射強度スペクトルの変化から最適レーザエネルギーの判定を行うことができる。
【００２８】
このように構成される本発明の多結晶シリコン薄膜結晶性モニタリングシステムは、装置が簡便で、かつ安価である。また、測定に可視光を用いることができるため、たとえば光源にハロゲンランプを使用することができ、ランニングコストがかからない。さらに、測定領域は、対物レンズの焦点距離を変化させることで、数ｍｍφ〜１０数ｍｍφに調整することが可能で、多結晶シリコンの結晶粒径より十分大きいため、一点測定で平均的な結晶性を測定することができる。したがって、従来のラマン分光法のように、レーザ発振器や複雑な光学系を必要とせず、投受光用ファイバーを試料の上部に設置するだけで、多結晶シリコン薄膜の結晶性を急速に、かつ高精度で測定することが可能である。
【００２９】
図５は、本発明による多結晶シリコン薄膜結晶性モニタリングシステムを備えた薄膜レーザアニール装置の一例の構成を示す図である。
【００３０】
図５を参照して、この装置は、光を基板２４に投光する投受光器２１、光を伝達するための光ファイバー２０、光源２５、および分光器２６を有する図２に示すモニタリングシステムと、ゲートバルブ５４を有するレーザアニール装置部５１とを備えている。
【００３１】
本実施の形態では、図２および図３を用いて説明した多結晶シリコン薄膜結晶性モニタリングシステムを用いて、アモルファスシリコン薄膜をレーザアニール装置部で結晶化した後の多結晶シリコン薄膜の結晶性を測定する。
【００３２】
図５に示す装置では、まず、レーザアニール装置部５１で、ガラス基板２４上に形成したアモルファスシリコン薄膜に、ガラス基板２４を移動させながらレーザ光を照射して、多結晶シリコン薄膜２３に変換する。結晶化工程を終え、ロボットハンド５３でロードロック基板２４を搬送する途中で、ロードロック上部に設置した投受光用光ファイバー２２を用いて測定を行なう。光源２５から投光された光は、光ファイバー２２により投光器２１より基板２４に対して垂直に投光されて、多結晶シリコン薄膜２３表面で反射する。反射された光は、受光器２１により受光されて、光ファイバー２２により分光器２６に伝達される。
【００３３】
投受光器２１は、図３に示すように、投光用および受光用の光ファイバー２２がそれぞれその先端で１つに束ねられている構造になっているため、設置を正確かつ容易に行なうことができる。この分光器２６により、図４に示す反射強度スペクトルが得られる。このスペクトルから、結晶化の際に照射されたレーザエネルギーが最適値、過大、過小のいずれかであることが判定される。この判定をもとに、レーザアニール装置部５１に適正なレーザエネルギーが照射されるようにフィードバックをかけることにより、不良基板の発生を最小限にし、歩留り向上に貢献することができる。
【００３４】
図６は、本発明による多結晶シリコン薄膜結晶性モニタリングシステムを備えた薄膜レーザアニール装置の他の例の構成を示す図である。
【００３５】
図６を参照して、この装置は、光を基板２０に投受光する投受光器２１、光を伝達するための光ファイバー２２、光源２５、および分光器２６とを有する図２に示すモニタリングシステムと、レーザアニール装置部とを備えている。
【００３６】
本実施の形態では、図２および図３を用いて説明した多結晶シリコン薄膜結晶性モニタリングシステムを用いて、アモルファスシリコン薄膜をレーザアニール装置部で結晶化した直後の多結晶シリコン薄膜の結晶性を測定する。
【００３７】
図６に示す装置では、まず、ガラス基板２４上に形成したアモルファスシリコン薄膜に、ガラス基板２４を移動させながら、レーザ発振器６１より発生しホモジナイザ６２で整形されたレーザ光を照射して、多結晶シリコン薄膜２３に変換する。この結晶化した直後の多結晶シリコン薄膜２３について、投受光用の光ファイバー２２を用いて測定を行なう。
【００３８】
すなわち、光源２５から投光された光は、光ファイバー２２により投光器２１より基板２４に対して垂直に投光されて、多結晶シリコン薄膜２３表面で反射される。反射された光は、受光器２１により受光されて、光ファイバー２２により分光器２６に伝達される。投受光器２１は、図３に示すように、投光用および受光用の光ファイバー２２がそれぞれその先端で１つに束ねられている構造になっている。この分光器２６により、図４に示す反射強度スペクトルが得られる。このスペクトルから、結晶化の際に照射されたレーザエネルギーが最適値、過大、過小のいずれかであることが判定される。この判定をもとに、レーザアニール装置部に適正なレーザエネルギーが照射されるようにフィードバックをかけることにより、基板面内に最適条件で均一に結晶化された多結晶シリコン薄膜を得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体薄膜結晶性モニタリングシステムは、多結晶シリコン薄膜表面の反射光を分光分析することにより、結晶化レーザエネルギーが最適値か、もしくは過大または過小であるかを判定することができる。また、生産ラインもしくは装置に組込むことにより、インラインでの結晶性の評価および制御が可能である。その結果、不良を未然に防止し、歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラマンスペクトルを示すグラフである。
【図２】本発明による半導体薄膜結晶性モニタリングシステムの一例の原理を説明するための図である。
【図３】図２に示す投受光器の一部を示す拡大図である。
【図４】反射スペクトルを示す図である。
【図５】本発明による多結晶シリコン薄膜結晶性モニタリングシステムを備えた薄膜レーザアニール装置の一例の構成を示す図である。
【図６】本発明による多結晶シリコン薄膜結晶性モニタリングシステムを備えた薄膜レーザアニール装置の他の例の構成を示す図である。
【符号の説明】
２１投受光器、２２光ファイバー、２３多結晶シリコン薄膜、２４ガラス基板、２５光源、２６分光器、４１適正レーザエネルギーの反射スペクトル、４２，４３過小レーザエネルギーの反射スペクトル、４４，４５過大レーザエネルギーの反射スペクトル、５１レーザアニール装置部、５２ガラス基板、５３ロボットハンド、５４ゲートバルブ、６１レーザ発振器、６２ホモジナイザ。

Claims

基板上に形成された多結晶シリコン薄膜の結晶性を評価する方法であって、
前記基板上に形成された前記多結晶シリコン薄膜に光を照射する工程と、
前記照射した光の反射光を分光する工程とを備え、
前記分光により得られる前記反射光の反射強度スペクトルの形状により前記多結晶シリコンの結晶性を評価する際に、
前記反射強度スペクトルが波長４８０ｎｍ付近に極大値、波長５２０ｎｍ付近に極小値を持つサブピークを持つときは、前記多結晶シリコン薄膜の結晶性が優れるものと判定することを特徴とする、シリコン薄膜の結晶性評価方法。
前記照射する光は前記基板に垂直であり、
前記基板に垂直な方向に反射した光を分光することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記照射する光が可視光であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
前記多結晶シリコン薄膜が、前記基板上に形成されたアモルファスシリコン薄膜にレーザ光を照射することにより結晶化されたものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法を行うための装置であって、
光源と、
前記光源からの光を基板上に形成された多結晶シリコン薄膜に照射するための光学系と、
前記照射した光の反射光を分析するための分光光度計と、
前記反射光を前記分光光度計に導くための光学系とを備えることを特徴とする、シリコン薄膜の結晶性評価装置。
基板上に形成されたアモルファスシリコン薄膜にレーザ光を照射することにより前記薄膜を結晶化する工程と、
前記結晶化の工程の後、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法により前記薄膜の結晶性を評価する工程と、
前記評価の結果に基き、前記レーザ光を照射して前記薄膜を結晶化する工程における条件を調節する工程とを備えることを特徴とする、レーザアニール法。
請求項６に記載のレーザアニール法を行うための装置であって、
基板に形成されたアモルファスシリコン薄膜にレーザアニールを行うための手段と、
請求項５に記載のシリコン薄膜の結晶性評価装置とを備えることを特徴とする、レーザアニール装置。