WO2008072454A1 - 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

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 Download PDF

Info

Publication number
WO2008072454A1
WO2008072454A1 PCT/JP2007/072512 JP2007072512W WO2008072454A1 WO 2008072454 A1 WO2008072454 A1 WO 2008072454A1 JP 2007072512 W JP2007072512 W JP 2007072512W WO 2008072454 A1 WO2008072454 A1 WO 2008072454A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor film
laser
heating
temperature
glass substrate
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/072512
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ryotaro Togashi
Toshio Inami
Junichi Shida
Akinori Koyano
Original Assignee
The Japan Steel Works, Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by The Japan Steel Works, Ltd. filed Critical The Japan Steel Works, Ltd.
Publication of WO2008072454A1 publication Critical patent/WO2008072454A1/ja

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
    • H01L21/2683—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation using X-ray lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02422—Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment
    • C23C14/5813—Thermal treatment using lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02296—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer
    • H01L21/02318—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment
    • H01L21/02356—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment treatment to change the morphology of the insulating layer, e.g. transformation of an amorphous layer into a crystalline layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656—Special treatments
    • H01L21/02664—Aftertreatments
    • H01L21/02667—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H01L21/02675—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams
    • H01L21/02686—Pulsed laser beam
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering

Definitions

  • Crystalline semiconductor film manufacturing method semiconductor film heating control method, and semiconductor crystallization apparatus
  • the present invention relates to a method for manufacturing a crystalline semiconductor film in which an amorphous semiconductor film is crystallized by irradiating laser light, a method for controlling the heating of a semiconductor film, and a semiconductor crystallization apparatus.
  • TFTs Thin Film Transistors
  • Amorphous semiconductor films are irradiated with a Norlas laser beam. Melting and recrystallization (laser annealing method), and (2) solid phase growth method (solid phase growth method) where the substrate is heated in a heating furnace and the amorphous semiconductor film is grown as a solid without melting. Crystallization: SPC method) and (3) a method of growing a polysilicon film directly on a glass substrate by CVD (Chemical Vapor D mark osition) method.
  • CVD Chemical Vapor D mark osition
  • Patent Document 1 a method of irradiating a solid-phase grown polysilicon with a laser beam to move and capture impurities in the polysilicon film (see Patent Document 1), or a laser beam to a crystalline silicon film
  • Patent Document 2 a method for improving crystallinity by reducing crystal defects in the melting and solidifying process has been proposed (see Patent Document 2).
  • Patent Document 1 JP 2002-373859 A
  • Patent Document 2 JP 2006-108136 A
  • an organic EL (Electroluminescence) display which is regarded as a promising next-generation display instead of a liquid crystal display, increases the brightness of the screen by emitting light from the organic EL itself.
  • organic EL light-emitting materials are not voltage driven but current driven, as in LCDs, the requirements for TFT are different.
  • T by amorphous semiconductor In FT the threshold voltage (Vth) drifts, which is difficult to suppress over time, and the lifetime of the device is limited.
  • polysilicon is a stable material and has a long life. However, with TFTs made of polysilicon, TFT characteristics vary greatly.
  • TFT characteristics tends to occur when the crystal silicon crystal grain interface (grain boundary) exists in the TFT channel formation region. Variations in TFT characteristics tend to depend mainly on the crystal grain size and the number of grain boundaries existing between channels. In addition, when the crystal grain size is large, the electrolytic electron mobility generally increases. TFTs for OLED displays must have a longer TFT channel length than those with high electrolytic electron mobility, and the size of each pixel of RGB (red 'green' blue) is the TFT channel length. I can't get high resolution.
  • the crystal by the solid phase growth method is the most effective crystallization method that solves the above-mentioned problems with small particle size and small TFT variation.
  • the crystal shape is not constant and many defects are observed in the crystal grains.
  • it is difficult to adopt for mass production with a long crystallization time.
  • a batch-type heat treatment device that simultaneously treats multiple substrates is used. Since a large number of substrates are heated at the same time, it takes a long time to raise and lower the temperature, and the temperature inside the substrate tends to be uneven.
  • the glass substrate since the glass substrate is heated for a long time at a temperature higher than the softening point temperature of about 600 ° C., the glass substrate itself contracts and expands and is easily damaged. Since the crystallization temperature in SPC of silicon is higher than the glass softening point temperature, the glass substrate is bent and contracted with a slight temperature distribution. As a result, even if crystallization is possible, such as an exposure process with a shallow depth of focus. The process may be hindered, making it difficult to fabricate TFT devices. In general, the crystallization rate depends on the heating temperature, and requires several tens of hours at 600 ° C, several hours at 650 ° C, and several tens of hours at 700 ° C. In order to process glass without damaging it, a long processing time is required at a temperature lower than the glass softening point, and this method is difficult to adopt for mass production.
  • the glass substrate is also adversely affected by the high heating temperature.
  • the method according to Patent Document 1 can remove impurities, but it is difficult to produce a uniform crystalline film with a small crystal grain size. Also
  • Patent Document 2 can improve the crystallinity of the crystalline film by eliminating defects, it is difficult to produce a uniform crystalline film with a small crystal grain size.
  • the size of the TFT channel formation region (channel length, channel width) has also become smaller, so a stable crystalline semiconductor film with a small average grain size can be produced uniformly throughout the substrate.
  • a crystallization technique that minimizes the difference in TFT characteristics between adjacent regions.
  • the present invention has been made against the background of the above circumstances, and it is possible to uniformly produce a crystalline semiconductor film having a small average grain shape such that a plurality of crystal grains may exist in a channel region of a TFT.
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a crystalline semiconductor film, a semiconductor crystallization apparatus, and a semiconductor film heating control method capable of easily deriving optimum laser irradiation conditions when heating the semiconductor film.
  • the first invention relates to a method for irradiating an amorphous semiconductor film on an upper layer of a glass substrate with a laser beam.
  • the amorphous semiconductor film is crystallized by heating to a temperature not exceeding the melting point.
  • the glass substrate having an amorphous semiconductor film as an upper layer is heated to maintain the heated state, and the amorphous substrate film on the glass substrate is maintained.
  • the amorphous semiconductor film is crystallized by irradiating the semiconductor film with laser light and heating the amorphous semiconductor film to a temperature not exceeding the melting point.
  • the method for producing a crystalline semiconductor film of the third aspect of the present invention is the method according to the second aspect of the present invention, wherein maintaining the heated state of the glass substrate does not exceed the softening temperature of the glass substrate. It is characterized by being made.
  • a fourth aspect of the invention of a method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention is characterized in that, in the second or third aspect of the present invention, the glass substrate is heated by heating with a heater.
  • a method for producing a crystalline semiconductor film according to the second to fourth aspects of the present invention.
  • the temperature is raised and maintained at a temperature while the temperature is raised to the maintenance temperature.
  • a method for producing a crystalline semiconductor film according to a sixth aspect of the present invention is the method according to any one of the first to fifth aspects, wherein the laser beam is a Norlas laser such as an excimer laser oscillation device or a YAG laser oscillation device. Is a light source.
  • the laser beam is a Norlas laser such as an excimer laser oscillation device or a YAG laser oscillation device. Is a light source.
  • the seventh method for controlling the heating of a semiconductor film of the present invention when the semiconductor film is heated by irradiating the semiconductor film with a heating laser beam, the surface of the semiconductor film is subjected to the laser treatment. Visible light diagnostic probe laser light is incident, reflected light from the semiconductor film by the probe laser light is detected, and based on the detection result, the semiconductor film is heated at a temperature not exceeding the melting point in the laser processing. As described above, the irradiation condition of the heating laser beam is derived.
  • the semiconductor crystallization apparatus of the eighth aspect of the present invention includes a heating laser light source for irradiating a semiconductor film with a heating laser beam, and a diagnosis for irradiating the semiconductor film with a visible diagnostic laser beam. And a reflected light detector for detecting reflected light of the diagnostic probe laser light reflected by the semiconductor film.
  • the glass substrate can be heated and maintained at a temperature that does not cause damage. While maintaining the state, the amorphous semiconductor can be crystallized by heating for a short time at a temperature at which only the amorphous semiconductor film on the surface is not melted by laser treatment. As a result, it is possible to obtain a high-quality polycrystalline semiconductor substrate having a small crystal grain size and a uniform quality without suppressing the glass substrate displacement (deflection / deformation / internal stress) and damaging the glass substrate. Na It is also possible to crystallize the amorphous semiconductor film at a temperature below the melting point by irradiating the amorphous semiconductor film with laser light without preheating the glass substrate.
  • the glass substrate is heated up to the maintenance temperature while being heated and maintained at a stepped temperature. Thereby, the temperature of the glass substrate can be made uniform and the displacement due to heating can be minimized.
  • the laser light has a property of absorbing the amorphous semiconductor so that the glass substrate is not heated as much as possible.
  • the laser light having an appropriate wavelength region is selected.
  • the light source of the laser light is not particularly limited in the present invention, but a laser light source such as an excimer laser oscillation device or a YAG laser oscillation device is preferable.
  • the glass substrate is heated and maintained before the laser light irradiation! /, So that the energy fluctuation range of the light source of the laser light can be apparently made uniform, and the Uniform temperature fluctuation for each shot of the light.
  • it depends on the material of the glass substrate it is generally desirable to keep the glass substrate heated above (softening temperature: 600 ° C)! /.
  • crystal defects are removed by laser irradiation, and organic substances are decomposed by laser irradiation, so that an effect of removing impurities present in the amorphous semiconductor film and contamination adhering to the surface can be obtained.
  • the reflected light by the probe laser light can be detected and used for setting the irradiation condition of the laser light.
  • the laser irradiation depends on the substrate temperature, semiconductor thickness, impurity content in the semiconductor, etc. Because the irradiation conditions are different, in order to obtain the optimum energy density (F) during laser heating of the semiconductor film, the value of the energy density is changed, and the semiconductor surface is irradiated for each shot, or the optimum number of times of irradiation (T) is obtained.
  • the laser irradiation conditions without performing the nondestructive inspection can be determined by the method of detecting the reflectance from the semiconductor surface in real time. In other words, it is possible to control the heating of the semiconductor to a temperature not exceeding the melting point of the semiconductor!
  • This method utilizes the phenomenon that the reflectivity of molten silicon is several tens of percent higher than that of solid silicon, and the reflectivity of molten silicon is from solid phase to liquid phase and from liquid phase to solid phase. Can be easily observed.
  • the melting start threshold, the irradiation energy density (Fth), the melting start threshold /, and the number of irradiation times (Tth) can be easily known as the laser light irradiation conditions.
  • irradiation conditions are set so that F ⁇ Fth (melting threshold Fth: irradiation energy density at the start of melting) and T ⁇ Tth (melting threshold!
  • the detection of reflected light is a force that can use an appropriate photodiode or the like.
  • the present invention is not limited to a specific one as long as the amount of reflected light can be measured absolutely or relatively. Good.
  • the laser light source can be controlled by reflecting the laser light irradiation conditions in the heating laser light source.
  • the energy density of the laser beam can be adjusted by adjusting the laser beam output or the degree of focusing.
  • the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention it is preferable to raise the temperature of the glass substrate having the amorphous semiconductor film as an upper layer while maintaining the heated state.
  • the amorphous semiconductor film on the upper layer of the substrate is irradiated with laser light, and the amorphous semiconductor film is heated to a temperature not exceeding the melting point to crystallize the amorphous semiconductor film. Crystalline semiconductor film with a small crystal grain size and uniform on the substrate that does not damage the substrate Get power S to get.
  • the heating control method of a semiconductor film of the present invention when the semiconductor film is heated by irradiating the semiconductor film with a heating laser beam, the surface of the semiconductor film can be applied during the laser treatment.
  • a diagnostic probe laser beam for visual light is incident, light reflected from the semiconductor film by the probe laser beam is detected, and the semiconductor film is heated at a temperature not exceeding the melting point in the laser processing based on the detection result.
  • the irradiation condition of the heating laser beam is derived, the optimum irradiation condition of the laser can be easily determined, and the work is simplified and the efficiency is improved.
  • a heating laser light source for irradiating the semiconductor film with the heating laser light and a heating laser light control unit for setting the irradiation conditions of the heating laser light source
  • a diagnostic laser light source for irradiating the semiconductor film with a visible diagnostic probe laser beam and a reflected light detection unit for detecting the reflected light reflected by the semiconductor film from the diagnostic probe laser beam.
  • the setting of the laser irradiation condition can be easily executed in response to the detection result by the reflected light detection unit. This setting can be performed by heating the semiconductor film to a temperature that does not exceed the melting point under optimum laser irradiation conditions reflected in a heating laser light source or the like.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an excimer laser annealing apparatus used in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a heater pattern in the same embodiment.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an excimer laser annealing apparatus according to another embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a heater pattern in the same example.
  • FIG. 5 is a scanning electron micrograph in place of a drawing, showing a crystallized semiconductor film in the same example and conventional example.
  • FIG. 6 is a diagram showing the amount of reflected light by a diagnostic probe laser beam for each shot in the same other embodiment.
  • the target substrate and the type of the amorphous semiconductor formed thereon are not limited thereto.
  • FIG. 1 shows an excimer laser annealing apparatus 1 used in a method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to an embodiment of the present invention. That is, the excimer laser annealing apparatus 1 has an annealing chamber (chamber 1) 2 and a KrF excimer laser generating unit 3a outside the annealing chamber 2. The upper part of the annealing chamber 2 is provided with an inward laser irradiation part 3c.
  • the irradiation unit 3c is connected by a laser transmission system 3b, and the KrF excimer laser generation unit 3a, the laser transmission system 3b, and the laser irradiation unit 3c constitute a laser irradiation apparatus.
  • KrF excimer laser is UV light with a wavelength of 248nm.
  • a substrate mounting table 4 is disposed in the annealing chamber 2 in the laser irradiation direction of the laser irradiation unit 3c, and below the substrate mounting table 4, the substrate mounting table 4 is connected to the substrate mounting table 4.
  • a heater 5 is provided as a built-in heater.
  • a frame-shaped heat insulating cover 7 is disposed around the substrate mounting table 4, and the same frame-shaped reflector 6 is placed on the heat insulating cover 7 in contact with the heat insulating cover 7.
  • the inner wall surface of the reflecting plate 6 is inclined inward and downward, and can reflect internal radiant heat to keep the inner side of the reflecting plate 6 at a high temperature.
  • An amorphous silicon thin film 9 having a thickness of 50 nm is formed on the surface of the glass substrate 8 by a conventional method.
  • the substrate 8 is mounted on the substrate mounting table 4.
  • the inside of the annealing chamber 2 is set to a pressure of about atmospheric pressure, purged with nitrogen to form a nitrogen atmosphere, the heater 5 is energized, and the substrate 8 is heated by heat conduction from the substrate mounting table 4.
  • the maintenance temperature that is desired to be raised to a predetermined maintenance temperature while raising the temperature of the substrate 8 at a stepwise temperature and holding it isothermally is suitably set. Is below the softening temperature of the substrate 8.
  • the amorphous silicon thin film 9 is also heated by heat transfer or radiant heat (including the heat reflected by the reflector 6) as the substrate 8 is heated.
  • excimer laser light generated by the excimer laser generation unit 3a is transmitted to the laser irradiation unit 3c through the excimer laser transmission system 3b, and the irradiation unit 3c is amorphous.
  • Excimer laser light 10 is irradiated toward the silicon thin film 9.
  • the heating temperature of the semiconductor thin film 9 is set so as not to exceed the melting point.
  • cooling is preferably performed while the temperature is lowered and kept isothermal in steps.
  • the resulting polycrystalline semiconductor thin film has a uniform and small crystal grain size and high quality crystallinity.
  • This crystalline semiconductor film can be suitably used for an organic EL display.
  • the present invention can be used as other liquid crystal displays and electronic materials whose usage is not limited to this. [0033] (Embodiment 2)
  • a KrF excimer laser generator (heating laser light source) 23a is installed outside the annealing chamber 22, and the first irradiation direction of the KrF excimer laser generator 23a is the first direction.
  • the half mirror 23b and the second half mirror 23c are arranged so that the laser beam reflected by the second half mirror 23c is irradiated to the laser irradiation section 23e of the annealing chamber 22 through the 10-force lens 23d.
  • a substrate 8 provided with an amorphous silicon thin film 9 on the surface thereof is disposed at the tip of the irradiation direction.
  • the energy meter 25a is arranged on the reflection side of the first half mirror 23b, and the output of the KrF excimer laser generator 23a can be detected, and the detection result can be displayed on the output display 25b.
  • a trigger signal pipeline phototube 26 is disposed on the transmission side of the second half mirror 23c, and the detection of the laser beam output from the KrF excimer laser generator 23a can be used as a trigger signal for reflected light detection. It is possible.
  • a diagnostic laser generator (diagnostic laser light source) 30 capable of irradiating visible probe laser light for diagnosis is disposed outside the annealing chamber 22.
  • a probe laser beam irradiation unit 27a of the annealing chamber 22 is provided in the laser beam irradiation direction of the diagnostic laser generating unit 30, and the substrate 8 on which the semiconductor film 9 is provided on the surface is further positioned in the irradiation direction. To do.
  • the reflected light from the semiconductor film 9 travels to the reflected light emitting part 27b of the annealing chamber 22 and is emitted to the outside of the annealing chamber 22, and a mirror 31a and a lens 31b are arranged in the emission direction optical path.
  • a phototube type reflected light detector 32 constituted by a photodiode or the like is arranged on the front side of the optical path!
  • the reflected light detector of the present invention is configured by the mirror 3 la, the lens 31 b, and the reflected light detector 32.
  • the substrate 8 is placed with the amorphous silicon thin film 9 as an upper surface, and the atmosphere in the annealing chamber 22 is adjusted and not shown in the same manner as in the first embodiment.
  • the substrate 8 is heated with a heating device.
  • the KrF excimer laser generator 23a outputs heating excimer laser light, which is introduced into the annealing chamber 22 from the laser irradiation section 23e through the first half mirror 23b , the second half mirror 23c , and the lens 23d.
  • the above excimer laser light for heating which is irradiated to the amorphous silicon thin film 9 in 22, is partially reflected by the first and first mirrors 23b and the energy is measured by the energy meter 25a, and the measurement result is output. Displayed on the display unit 25b.
  • the second half mirror 23c a part of the laser light is transmitted and detected by the trigger signal piper photoelectric tube 26, and this is used as a trigger signal to operate the diagnostic laser generator 30 to transmit visible light.
  • the probe laser beam 30a output from the diagnostic laser generator 30 is irradiated to the amorphous silicon thin film 9 in the annealing chamber 22 through the probe laser beam irradiation unit 27a, and is reflected by the amorphous silicon thin film 9.
  • the light 30b is emitted outside the annealing chamber 22 through the reflected light emitting portion 27b. Further, the amount of the reflected light 30b is detected by the reflected light detector 32 through the mirror 31a and the lens 31b.
  • the output and detection of the diagnostic laser beam are performed in real time at the same time as the heat treatment with the heating laser beam 10.
  • the change in the detected light amount of the reflected light 30b is observed by changing the energy density and the number of shots of the heating laser beam by the KrF excimer laser generator 23a.
  • the irradiation conditions of the heating laser beam 10 for heating the amorphous silicon thin film 9 to a temperature not exceeding the melting point can be set.
  • Example 1 [0037] Examples of the present invention will be described below.
  • a test material in which an amorphous silicon thin film (melting point 1200 ° C.) was formed to a thickness of 50 nm on a glass substrate was prepared.
  • the temperature was raised from room temperature to 400 ° C with a heater at a heating rate of 100 ° C / min. Hold for 5 minutes. Thereafter, the temperature was raised to 500 ° C or 650 ° C at a heating rate of 50 ° C / min and held.
  • the laser irradiation unit 3c irradiates the substrate 8 with pulsed excimer laser light 10 for 30 shots. did.
  • the amorphous semiconductor thin film on the substrate 8 was polycrystallized by heating to 850-1000 ° C.
  • Table 1 shows the measurement results of the obtained crystal grains. At each substrate temperature, and above a certain energy density, a peak of (111) orientation indicating crystallinity was obtained in X-ray diffraction.
  • Fig. 5 shows SEM photographs of crystals obtained by solid phase growth obtained in this example and crystals melted and recrystallized by ordinary laser annealing. It was possible to obtain a polycrystalline semiconductor thin film with high quality and uniform polycrystallization over the entire surface with small particle size variation. Energy of at least 30mjcm— 2 or more at any substrate temperature A margin was obtained.
  • a semiconductor film with small variation in TFT characteristics can be provided because a crystalline semiconductor film can be obtained uniformly with crystal grains as small as lOOnm or less.
  • an amorphous silicon thin film having a silicon film thickness of 50 nm is prepared in the same manner as in the above embodiment.
  • the silicon substrate temperature is set to 500 ° C.
  • the irradiation energy density is set to 70
  • the amount of reflected light was detected by the reflected light detector for each shot while changing at 80, 90, and lOOmj / cm 2 , and the results are shown in FIG.
  • irradiation energy densities up to 90 mj / cm 2 almost no change was observed in the intensity of reflected light (noise level), but a change of about 20 mV was observed at 100 mj / cm 2 .
  • the melting threshold (Fth) under this condition (substrate) is in the range of 90 mj / cm 2 ⁇ Fth ⁇ 100 mj / cm 2 and the optimum energy density (F) is 90 mj / cm 2.
  • the optimum laser irradiation conditions irradiation energy density

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

　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。 　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。

Description

明 細 書
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
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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（Thin Film Transistor : TFT)の結晶化シリコンの製造には、（1)非晶質半導体 膜にノ ルスレーザ光を照射し、溶融、再結晶化させる方法（レーザァニール法)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（Solid phase crystallization： SPC法）や、（3)ガラス基板上に CVD (Chemical Vapor D印 osition)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。
[0003] 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）。
特許文献 1 :特開 2002— 373859号公報
特許文献 2 :特開 2006— 108136号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 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 (Electroluminescence)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 T FTでは経年変化の抑制が難しぐしきい値電圧 (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 れなレ、。
[0005] 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、レーザァニール法は、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ぐ先に述べたように電界電子移動度が 高ぐまた、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ヨンにより、結晶に欠 陥が生じるとレ、つた問題もある。
[0006] 一方、固相成長法（SPC法）による結晶は、粒径が小さく TFTばらつきは少なぐ上 記課題を解決する最も有効な結晶化方法である。し力、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 間が長ぐ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°C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°Cで数十時間、 650°Cで数時間、 700°C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。
[0007] また、 CVD法によるポリシリコン膜の形成方法では、加熱温度が高ぐやはりガラス 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）も小さくなつているため、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。
[0008] 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。
課題を解決するための手段
[0009] すなわち、本発明の結晶質半導体膜の製造方法のうち、第 1の本発明は、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。
[0010] 第 2の本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、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。 [0011] 第 3の本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、前記第 2の本発明において、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!/、温度でなされ ることを特徴とする。
[0012] 第 4の本発明の結晶質半導体膜の製造方法の発明は、前記第 2または第 3の本発 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
[0013] 第 5の本発明の結晶質半導体膜の製造方法の発明は、前記第 2〜第 4の本発明の V、ずれかにお!/、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!/、 つつ前記維持温度に昇温させることを特徴とする。
[0014] 第 6の本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、前記第 1〜第 5の本発明のいずれ かにおいて、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 のノ ルスレーザを光源とすることを特徴とする。
[0015] また、第 7の本発明の半導体膜の加熱制御方法は、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。
[0016] さらに、第 8の本発明の半導体結晶化装置は、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部とを備えることを特徴とする。
[0017] 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。
[0018] 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!/、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ぐさらに、ガラス基板の軟化温 度を超えなレ、のが一層望まし!/、。これによりガラス基板の変位をより抑えることができ ガラス基板の昇温は、種々の加熱器具など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。
[0019] 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ぐ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、ェ キシマレーザ発振装置、 YAGレーザ発振装置などのノ ルスレーザを光源とするもの が好適である。
[0020] 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!/、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°C)以上で加熱維持するのが望まし!/、。 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 ヨンを除去する作用が得られる。
[0021] 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。
[0022] 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ぐ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!/、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レ、照射エネルギー密度（Fth)や溶融開始のしき!/、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!/、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力 本発明としては特定の ものに限定されるものではなぐ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 合レ、などによって調整することができる。
発明の効果
[0023] 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ぐ基板上に結晶粒径が小さくて均一な結晶質半導体膜 を得ること力 Sでさる。
[0024] 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。
[0025] 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 出する反射光検出部とを備えるので、上記レーザの照射条件の設定を反射光検出 部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。
図面の簡単な説明
[0026] [図 1]本発明の一実施形態に使用されるエキシマレーザァニール処理装置を示す縦 断面図である。
[図 2]同じぐ一実施形態におけるヒータパターンを示す図である。
[図 3]同じぐ他の実施形態におけるエキシマレーザァニール処理装置を示す縦断面 図である。
[図 4]同じぐ実施例におけるヒータパターンを示す図である。
[図 5]同じぐ実施例と従来例における結晶化した半導体膜を示す図面代用の走査 型電子顕微鏡写真である。
[図 6]同じぐ他の実施例におけるショット毎の診断用プローブレーザ光による反射光 量を示す図である。
符号の説明 [0027] 1 エキシマレーザァニール処理装置
2 ァニール室
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 エキシマレーザァニール処理装置
22 ァニール室
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
発明を実施するための最良の形態
[0028] (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。
[0029] 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、該エキシマレーザァニール 処理装置 1は、ァニール室（チャンバ一） 2とァニール室 2外部の KrFエキシマレーザ 発生部 3aとを有している。ァニール室 2の上方部には、内側に向けたレーザ照射部 3 c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装置が構成さ れてレ、る。 KrFエキシマレーザは波長が 248nmの UV光である。
[0030] また、ァニール室 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、該基板載置台 4に内蔵さ れる形で加熱器具であるヒータ 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。
[0031] 次に、上記レーザァニール処理装置 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、ァニール室 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 るのが望ましぐ維持温度は、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。
[0032] 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で発生させたェ 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ぐ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。 [0033] (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ァニ 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ァニール処理装置 20では、ァニール室 22の外部に、 KrFェキ 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力 レンズ 23dを介してァニー 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 2 3a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、トリガ信号用パイプラナ光電 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。
[0034] さらに、ァニール室 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、ァニール室 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、ァニール室 22の反射光出射部 27bに 進んでァニール室 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 つ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!/、る。上記ミラー 3 la、レンズ 31b、反射光検出器 32によって本発明の反射光検出部が構成されている
[0035] 次に、上記実施形態におけるエキシマレーザァニール処理装置 20の動作につい て説明する。 ァニール室 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と同様にァニール室 22内の雰囲気調整を行うとともに図示しな
V、加熱器具によって前記基板 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からァニール室 22内に導入され、ァニール室 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ノ、 一フミラー 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、トリガ信号用パイプラナ光電管 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を通してァニール室 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を通してァニール室 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 一ザ光 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ェ 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ぐ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。
実施例 1 [0037] 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°C)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、ヒータによつ て室温から 400°Cまでの範囲を 100°C/分の加熱速度で昇温させた後、 5分間保持 した。その後 50°C/分の加熱速度で 500°Cまたは 650°C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°Cまたは 650°C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°Cに加熱されて 多結晶化された。レーザ照射後は、 50°C/分の冷却速度で 400°Cまで冷却した後、 400°Cで 5分間保持し、その後、室温まで 100°C/分の冷却速度で冷却した（図 4参 昭）
[0038] また、他の実験例として、室温から 350°Cまで 100°C/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 ヨット照射した。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°C/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。
[0039] 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!/、て、あるェ ネルギ密度以上なると X線回折にお!/、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ァユーリン 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ぐ 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 一マージンが得られた。
[0040] 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溶液によるエツ 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 A/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 lOOnm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。
[0041] [表 1]
Figure imgf000015_0001
[0042] (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°Cとし、照射エネルギー密 度を 70、 80、 90、 lOOmj/cm2で変化させて、 1ショット毎に、反射光検出器によつ 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。

Claims

請求の範囲
[1] 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。
[2] 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。
[3] 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。
[4] 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記 載の結晶質半導体膜の製造方法。
[5] 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 3記 載の結晶質半導体膜の製造方法。
[6] 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!/、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 2〜5のいずれかに記載の結晶質半導体膜 の製造方法。
[7] 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ノ ルスレ 一ザを光源とすることを特徴とする請求項;!〜 5のいずれかに記載の結晶質半導体 膜の製造方法。
[8] 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ノ ルスレ 一ザを光源とす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。
[9] 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 一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 レーザ処理にぉレ、て前記半導体が融点を超えなレ、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。
[10] 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、前記診断用プロ一 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部とを備えることを 特徴とする半導体結晶化装置。
PCT/JP2007/072512 2006-12-12 2007-11-21 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 WO2008072454A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006-334236 2006-12-12
JP2006334236A JP5004160B2 (ja) 2006-12-12 2006-12-12 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

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008072454A1 true WO2008072454A1 (ja) 2008-06-19

Family

ID=39511479

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2007/072512 WO2008072454A1 (ja) 2006-12-12 2007-11-21 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

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP5004160B2 (ja)
KR (2) KR20090097145A (ja)
WO (1) WO2008072454A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102067285A (zh) * 2009-05-01 2011-05-18 株式会社日本制钢所 结晶膜的制造方法及制造装置
EP2741314A3 (en) * 2012-12-06 2014-07-23 Samsung Display Co., Ltd. Method of manufacturing a poly-crystalline silicon layer, method of manufacturing an organic light-emitting display apparatus including the same, and organic light-emitting display apparatus manufactured by using the same

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102165561A (zh) * 2008-09-25 2011-08-24 应用材料股份有限公司 使用十八硼烷自我非晶体化注入物的无缺陷接点形成
JP5594741B2 (ja) * 2009-03-05 2014-09-24 株式会社日本製鋼所 結晶質膜の製造方法および結晶質膜製造装置
CN104392913B (zh) * 2014-10-10 2017-12-22 京东方科技集团股份有限公司 准分子激光退火装置及低温多晶硅薄膜的制备方法
KR102416569B1 (ko) 2015-08-27 2022-07-04 삼성디스플레이 주식회사 레이저 결정화 장치
US9991122B2 (en) 2016-08-31 2018-06-05 Micron Technology, Inc. Methods of forming semiconductor device structures including two-dimensional material structures
CN106981416B (zh) * 2017-05-17 2019-11-26 武汉华星光电技术有限公司 利用准分子激光退火制作低温多晶硅的系统及其承载装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0594959A (ja) * 1991-10-01 1993-04-16 Sharp Corp 薄膜半導体成長法
JP2003289046A (ja) * 1995-12-14 2003-10-10 Seiko Epson Corp 半導体装置、半導体装置の製造方法、表示装置、電子機器
JP2004342785A (ja) * 2003-05-15 2004-12-02 Sony Corp 半導体製造方法および半導体製造装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPO347196A0 (en) * 1996-11-06 1996-12-05 Pacific Solar Pty Limited Improved method of forming polycrystalline-silicon films on glass

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0594959A (ja) * 1991-10-01 1993-04-16 Sharp Corp 薄膜半導体成長法
JP2003289046A (ja) * 1995-12-14 2003-10-10 Seiko Epson Corp 半導体装置、半導体装置の製造方法、表示装置、電子機器
JP2004342785A (ja) * 2003-05-15 2004-12-02 Sony Corp 半導体製造方法および半導体製造装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102067285A (zh) * 2009-05-01 2011-05-18 株式会社日本制钢所 结晶膜的制造方法及制造装置
EP2741314A3 (en) * 2012-12-06 2014-07-23 Samsung Display Co., Ltd. Method of manufacturing a poly-crystalline silicon layer, method of manufacturing an organic light-emitting display apparatus including the same, and organic light-emitting display apparatus manufactured by using the same
US9012916B2 (en) 2012-12-06 2015-04-21 Samsung Display Co., Ltd. Organic light-emitting display apparatus
US9202828B2 (en) 2012-12-06 2015-12-01 Samsung Display Co., Ltd. Organic light-emitting display apparatus
US9685326B2 (en) 2012-12-06 2017-06-20 Samsung Display Co., Ltd. Method of manufacturing a polysilicon (poly-Si) layer

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090097145A (ko) 2009-09-15
KR20110131289A (ko) 2011-12-06
JP2008147487A (ja) 2008-06-26
JP5004160B2 (ja) 2012-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5004160B2 (ja) 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
US20050272185A1 (en) Method of fabricating a semiconductor thin film and semiconductor thin film fabrication apparatus
US20050282364A1 (en) Method of fabricating a semiconductor thin film and semiconductor thin film fabrication apparatus
US20080087895A1 (en) Polysilicon thin film transistor and method of fabricating the same
KR20070049310A (ko) 다결정 실리콘 및 그의 결정화 방법
JP2011165717A (ja) 表示装置及び表示装置の製造方法
JP4408667B2 (ja) 薄膜半導体の製造方法
JP2008016717A (ja) 多結晶シリコン膜の製造方法
JP5594741B2 (ja) 結晶質膜の製造方法および結晶質膜製造装置
JP2006196534A (ja) 半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置
CN1739187A (zh) 结晶半导体元件及其制造方法以及结晶装置
KR101411188B1 (ko) 레이저 어닐 방법
JP5213192B2 (ja) 結晶質膜の製造方法および製造装置
JP2009004629A (ja) 多結晶半導体膜形成方法及び多結晶半導体膜形成装置
Morikawa et al. 33.3: Comparison of Poly‐Si TFT Characteristics Crystallized by a YAG2ω Laser and an Excimer Laser
JP2007208044A (ja) 半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置
JP2000012461A (ja) 結晶質半導体薄膜の作製方法
Paetzel et al. Laser annealing of LTPS
JP2010114472A (ja) 結晶化方法
Fiebig TFT annealing
Endo et al. Characterization of pseudo‐single‐nucleus lateral crystallization method for silicon thin film
US20060065644A1 (en) Semiconductor device, method of measuring light intensity distribution of laser light, laser annealing apparatus, and crystallization method
JP2005191510A (ja) 結晶化方法、結晶化装置、被処理基板、薄膜トランジスタおよび表示装置
KR20120119367A (ko) 레이저 빔 조사 장치

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07832242

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020097009069

Country of ref document: KR

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07832242

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020117024292

Country of ref document: KR