JPH08293466A

JPH08293466A - 半導体薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH08293466A
Application number: JP9715395A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Mitani; 康弘三谷; Tadayoshi Miyamoto; 忠芳宮本; Yasushi Hatada; 泰志畑田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 1996-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】走査による寸法精度を向上させるとともに、
大面積基板全面にわたって、均一で良質の半導体薄膜を
得る。【構成】トレー１１上の照射基板１２の非単結晶半導
体膜に高出力のレーザ光Ｃを連続的に照射して、この薄
膜の結晶粒径拡大または単結晶化を図るとともに、レー
ザアニール装置において、レーザ光Ｃと同時に基板面積
よりも大きく、レーザ光Ｃの照射時間よりも長く、レー
ザ光Ｃの照射エネルギー密度よりも低い強光Ｂを強光ユ
ニット１３から照射し、非単結晶半導体膜の熔融再結晶
化で結晶成長させることにより、均一な物性で良質の結
晶性を有する半導体薄膜結晶層を得る。また、照射基板
１２全体の加熱を強光Ｂにより行うため、レーザアニー
ル装置のトレー走査機構には、従来のように加熱機構を
持たせる必要がなく、走査機構のみ持たせれば良いの
で、走査による高い寸法精度が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばアクティブマト
リックス型の画像表示装置やイメージセンサなどの薄膜
トランジスタ（以下ＴＦＴという）などに用いられる、
非単結晶半導体薄膜の多結晶化を行う半導体薄膜の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、硝子などの絶縁性基板上にＴ
ＦＴを有する半導体装置としては、ＴＦＴを画素の駆動
に用いるアクティブマトリクス型液晶表示装置やイメー
ジセンサーなどが知られている。これらの装置に用いら
れるＴＦＴには、薄膜状のシリコン半導体を用いるのが
一般的である。この薄膜状のシリコン半導体としては、
非晶質シリコン半導体（ａ−Ｓｉ）からなるものと結晶
性を有するシリコン半導体からなるものの２つに大別さ
れる。この非晶質シリコン半導体は成膜温度が低く、気
相法で比較的容易に作製することが可能で量産性に富む
ため、最も一般的に用いられているが、導電性などの物
性が結晶性を有するシリコン半導体に比べて劣るため、
今後、より高速特性を得るためには、結晶性を有するシ
リコン半導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求
められていた。なお、結晶性を有するシリコン半導体と
しては、多結晶シリコン、微結晶シリコン、結晶成分を
含む非晶質シリコン、結晶性と非晶質性の中間の状態を
有するセミアモルファスシリコンなどが知られている。
これら結晶性を有する薄膜状のシリコン半導体を得る方
法としては、（１）成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。

【０００３】（２）半導体膜を成膜しておき、熱エネル
ギーを加えることにより結晶性を有せしめる。

【０００４】（３）半導体膜を成膜しておき、レーザー
光のエネルギーにより結晶性を有せしめる。

【０００５】といった上記（１）〜（３）の方法が知ら
れている。

【０００６】しかしながら、（１）の方法では、成膜工
程と同時に結晶化が進行するので、大粒径の結晶性シリ
コンを得るにはシリコン膜の厚膜化が不可欠であり、良
好な半導体物性を有する膜を基板上の全面に渡って均一
に成膜することが技術上困難である。また、成膜温度が
６００℃以上と高いので、安価な硝子基板が使用できな
いというコスト上の問題があった。

【０００７】また、（２）の方法では、大面積に対応で
きるという利点はあるが、結晶化に際し６００℃以上の
高温にて数十時間にわたる加熱処理が必要である。即
ち、安価な硝子板の使用とスループットの向上を考える
と、加熱温度を下げ、さらに短時間で結晶化させるとい
う相反する問題点を同時に解決する必要があった。

【０００８】さらに、（３）の方法では、基板上の多結
晶または非晶質半導体に高エネルギービームのレーザ光
を照射しながら走査して、粒界のきれいな粗大粒の多結
晶または単結晶の半導体層を形成する結晶化処理方法
（特開昭５６−１０３４１７号公報）が提案されてい
る。ただし、基板全体を一度に照射できるほど出力を得
ることができないのでビームを重ね合わせて照射する場
合、均一性を良くするのが難しい。結晶性を有する半導
体層を得るために、従来の方法でよく用いられている高
エネルギービームのレーザ光の走査方法を図４に示す。

【０００９】図４は従来の半導体薄膜の製造方法の概要
を示す図であって、ａはレーザ光を照射する基板を含む
装置の上面図、ｂはレーザ光を照射する基板を含む装置
の側面図、ｃはレーザ光の発振時間とエネルギー出力の
関係を示す図、ｄはレーザ光を順次照射した場合の基板
を含む装置の上面図である。

【００１０】図４ａに示すようにトレー１上に照射基板
２が載置され、この照射基板２の表面に、図４ｃに示す
発振時間を持つレーザ光３が帯状に照射される。また、
図４ｄに示すように矢印方向へのトレー１の走査によっ
てレーザ光３の未照射領域を形成しないようにレーザ光
３の照射領域４を順次重ね合わせながら繰り返し照射す
る必要がある（特開昭６０−２４５１２４号公報および
特開平３−２８６５１８号公報）。また、図４ｂに示す
ようにトレー１上の照射基板２を、トレー１の下方に設
けられた電熱線よりなる加熱機構５によって加熱しなが
らレーザ光３を照射することにより、良質の結晶性を有
する半導体薄膜を得ることができることが知られている
（特開平１−１９６１１６号公報）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の半導体薄膜
の製造方法において、均一な物性で良質の結晶性を有す
る半導体層を得るためには、レーザ光の形状、エネルギ
ー均一性、ビーム内均一性の良いレーザ光を基板に対し
て高い精度で走査する必要がある。特に、硝子などの絶
縁性基板上に設けられたアクティブマトリックス型の画
像表示装置やイメージセンサーなどに利用できるＴＦＴ
に用いる半導体薄膜においては、ＴＦＴの間隔が数十μ
ｍ単位となって狭くて要求される精度は高く、レーザア
ニール装置のトレー走査機構には、半導体薄膜をパター
ニングする露光機と同程度の寸法精度が要求される。し
かし、照射基板を加熱しながら搬送する機構を持つトレ
ーでは高い精度のレーザ光の走査は困難となっていた。

【００１２】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、走査による寸法精度を向上させるとともに、大面積
基板全面にわたって、均一で良質の半導体薄膜を得るこ
とができる半導体薄膜の製造方法を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の製
造方法は、非単結晶半導体膜をレーザ光によりアニール
して多結晶化する半導体薄膜の製造方法において、該非
単結晶半導体膜全体に強光を照射して加熱する加熱工程
と、該加熱工程の後、該非単結晶半導体膜上に該強光と
同時に、強光照射領域中に該レーザ光を照射し、該非単
結晶半導体膜の多結晶化を行う多結晶化工程とを有する
ものであり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１４】また、本発明の半導体薄膜の製造方法は、
非単結晶半導体膜をレーザ光によりアニールして多結晶
化する半導体薄膜の製造方法において、該非単結晶半導
体膜全体に、照射エネルギー密度が該レーザ光の照射エ
ネルギー密度よりも低い強光を照射して加熱する加熱工
程と、該加熱工程の後、該非単結晶半導体膜上に該強光
と同時に、強光照射領域中に該レーザ光を照射し、該非
単結晶半導体膜の多結晶化を行う多結晶化工程とを有す
るものであり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１５】さらに、本発明の半導体薄膜の製造方法
は、絶縁性基板上または該絶縁性基板上に設けられた絶
縁膜上に非単結晶半導体膜を形成し、該非単結晶半導体
膜をレーザ光によりアニールして多結晶化する半導体薄
膜の製造方法において、該絶縁性基板よりも照射面積が
大きくなるように、照射エネルギー密度が該レーザ光の
照射エネルギー密度よりも低い強光を照射して加熱する
加熱工程と、該加熱工程の後、該非単結晶半導体膜上に
該強光と同時に、強光照射領域中に該レーザ光を照射
し、該非単結晶半導体膜の多結晶化を行う多結晶化工程
とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成
される。

【００１６】また、好ましくは、本発明の半導体薄膜の
製造方法における強光の照射時間がレーザ光の照射時間
よりも長い。

【００１７】さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜
の製造方法におけるレーザ光として、波長が４００ｎｍ
以下の紫外線を使用する。また、好ましくは、本発明の
半導体薄膜の製造方法におけるレーザ光として、発振時
間が６０ｎｓｅｃ（秒）以下の紫外線を使用する。

【００１８】

【作用】本発明においては、非単結晶半導体膜に高出力
のエネルギービームのレーザ光を連続的に照射し、この
レーザ光と同時に絶縁性基板面積よりも大きく、レーザ
光の照射時間よりも長く、レーザ光の照射エネルギー密
度よりも低い強光を非単結晶半導体膜全体に照射し、こ
の非単結晶半導体膜の多結晶化を行う。

【００１９】このように、非単結晶半導体膜の加熱を強
光により行うため、レーザアニール装置のトレー走査機
構には、従来のように加熱機構を持たせる必要がなくな
り、走査機構のみ持たせれば良いので、半導体薄膜をパ
ターニングする露光機と同等の寸法精度でレーザ光を走
査させることが可能となる。また、基板よりも大きな面
積に強光を照射して基板全体を一度に加熱するので、基
板温度の均一性も良く、スループットの上でも、例えば
トレーを予備加熱する必要がないので有利である。さら
に、例えば基板のトレーに走査機構を設ければ、光学系
を固定することができるので、レーザ光の形状、エネル
ギー均一性、ビーム内均一性の良いレーザ光を形成する
ことも可能となる。

【００２０】また、このレーザ光として、波長が４００
ｎｍ以下の紫外線を使用すれば、例えば半導体シリコン
膜の吸収係数にマッチングした波長であって、半導体シ
リコン膜の効率の良い加熱が可能となる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２２】図１は本発明の一実施例における半導体薄
膜の製造方法の概要を示す図であって、レーザアニール
装置の構成図である。

【００２３】図１において、トレー１１上に照射基板１
２が載置され、矢印Ａの左右方向（走査方向）に搬送さ
れる。このトレー１１上の照射基板１２上方に、斜め方
向から紫外線の強光Ｂを照射して基板全体を加熱する強
光ユニット１３が設けられている。この強光ユニット１
３の紫外線（ＵＶ）ランプ１３ａによって、照射基板１
２の全面、好ましくは、照射基板１２よりも照射面積が
大きくなるように、照射エネルギー密度がレーザ光の照
射エネルギー密度よりも低い強光Ｂを照射して照射基板
１２を所定温度まで加熱する。また、トレー１１上の照
射基板１２の真上には、例えばホモジナイザーであるビ
ーム整形ユニット１４が設けられ、レーザ発振器１５か
らの多結晶化用のレーザ光Ｃを反射鏡１６で反射させて
ビーム整形ユニット１４に導き、このビーム整形ユニッ
ト１４で所定のビームに整形して照射基板１２上に照射
する。このとき、レーザ光Ｃは、その波長が４００ｎｍ
以下で、その発振時間が６０ｎｓｅｃ以下とする。以上
によりレーザアニール装置が構成される。

【００２４】このように、基板を加熱しながらレーザ照
射することにより、良質の結晶性を有する半導体薄膜の
結晶層を得ることができる。また、レーザアニール装置
のトレー走査機構には従来のように加熱機構を有する必
要はなく、強光Ｂによって基板全体を加熱するので、ト
レー走査機構や光学系の精度を上げることができる。

【００２５】ここで、まず、上記照射基板１２につい
て、以下に説明する。

【００２６】図２は図１の照射基板１２の断面図であ
る。

【００２７】図２において、絶縁性基板２１上にベース
コート膜２２が設けられ、このベースコート膜２２上
に、レーザ光Ｃによって半導体薄膜としての例えば多結
晶シリコン膜となる非晶質シリコン膜２３が設けられて
いる。これにより、照射基板１２が構成されている。

【００２８】この照射基板１２の製造方法について説明
する。

【００２９】図２に示すように、３００ｍｍ□程度の絶
縁性基板（例えば硝子基板）２１表面を洗浄後、絶縁性
基板２１上にベースコート膜２２として二酸化シリコン
を、スパッタリング装置を用いて厚さ３００ｎｍ程度堆
積させる。このベースコート膜２２の必要膜厚は、絶縁
性基板２１の表面状態によって異なり、十分に平坦で、
かつナトリウムイオンなどの半導体特性に悪影響を与え
るイオンの濃度が十分に低い基板であれば、省略するこ
とも可能であり、逆に表面の状態が、傷や凹凸の激しい
ものであれば上記の膜厚よりも厚く堆積させる必要があ
る。このベースコート膜２２上に化学的気相成長法（Ｃ
ＶＤ法）やスパッタリング法を用いて非晶質シリコン膜
２３を５０ｎｍ程度の厚さに堆積させる。以上によって
照射基板１２が得られる。

【００３０】次に、本発明の半導体薄膜の製造方法につ
いて、以下に説明する。

【００３１】図３は本発明の一実施例における半導体薄
膜の製造方法の概要を示す図であって、ａはレーザ光Ｃ
および強光Ｂを照射する基板を含む装置の上面図、ｂは
レーザ光Ｃおよび強光Ｂを照射する基板を含む装置の側
面図、ｃはレーザ光Ｃおよび強光Ｂの時間とエネルギー
出力の関係を示す図である。

【００３２】図３ａ〜図３ｃに示すように、照射基板１
２の非晶質シリコン膜２３上全体に強光Ｂを照射して照
射基板１２を所定温度に加熱する。この加熱の後にも、
非晶質シリコン膜２３上に強光Ｂが照射され、この強光
照射領域中にレーザ光Ｃを強光Ｂの照射と同時に照射し
て、シリコンの熔融再結晶化で結晶成長させることによ
り、均一な物性で良質の結晶性を有する半導体薄膜の結
晶層を得る。

【００３３】このとき、レーザ光Ｃの照射領域１７は、
強光Ｂの照射領域１８に含まれている。このレーザ光Ｃ
の発振波長はＸｅＣｌエキシマレーザの３０８ｎｍ、エ
ネルギー出力は７００ｍＪ／パルスで、発振時間（パル
ス幅）は約５０ｎｓであり、発振周波数は３００Ｈｚと
した。また、ビーム形状は３００×０．５ｍｍで基板表
面のエネルギー密度は３００ｍＪ／ｃｍ²程度とする。

【００３４】また、照射基板１２の走査方法として、矢
印Ａの左右方向に１５ｍｍ／ｓｅｃの速度でトレー１１
を動作させてレーザ光Ｃを順次走査させる。

【００３５】さらに、強光Ｂについては、ＵＶランプ１
３ａである毛細管型高圧水銀ランプを用いて、レーザ光
Ｃを照射する以前に、３５０ｍｍ□程度の範囲で、基板
面積よりも照射面積が大きくなるように照射して加熱
し、照射基板１２の表面が所定温度の４００℃程度とな
るようにした。また、図３ｃに示すように、点線の強光
Ｂの照射時間は実線のレーザ光Ｃの発振照射時間より長
くしている。これにより、均一な物性で良質の結晶性を
有する半導体薄膜結晶層が得られるアニールが可能とな
った。また、強光Ｂはレーザ光Ｃの照射が完了した後も
ある一定時間照射しておいても良い。実際のレーザ光Ｃ
の照射条件は、膜厚などにより最適値は異なるが、レー
ザ光Ｃのエネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ²
程度で、強光Ｂによる照射基板１２の表面温度が２００
〜５００℃程度になるようにする。

【００３６】以上により、本発明の半導体薄膜結晶層の
製造方法におけるレーザアニール装置の加熱機構を用い
て、絶縁性基板２１上に堆積された非晶質シリコン膜２
３にレーザ光Ｃを連続的に照射し、レーザ光Ｃと同時に
絶縁性基板１１の面積よりも大きく、レーザ光Ｃの発振
照射時間よりも長く、レーザ光Ｃの照射エネルギー密度
よりも低い強光Ｂを照射して、非単結晶半導体膜の多結
晶化を行う。

【００３７】つまり、本発明においては、非晶質シリコ
ン膜２３に高出力のエネルギービームのレーザ光Ｃを連
続的に順次照射し、膜の結晶粒径拡大または単結晶化を
図る半導体薄膜のレーザ光の照射方法と、レーザアニー
ル装置において、レーザ光Ｃと同時に基板面積よりも大
きく、レーザ光Ｃの照射時間よりも長く、レーザ光Ｃの
照射エネルギー密度よりも低い強光Ｂを照射し、非単結
晶半導体膜である非晶質シリコン膜２３の熔融再結晶化
で結晶成長させることにより、均一な物性で良質の結晶
性を有する半導体薄膜結晶層を得るレーザアニール装置
による加熱方法とを有している。

【００３８】上記構成により、照射基板１２全体の加熱
を強光Ｂにより行うため、レーザアニール装置のトレー
走査機構には、従来のように加熱機構を持たせる必要が
なく、走査機構のみ持たせれば良いので、半導体薄膜を
パターニングする露光機と同等の走査精度が可能であ
る。また、照射基板１２よりも大きな面積に強光Ｂを照
射して基板全体を一度に加熱するので、基板温度の均一
性も良く、スループットの上でも、トレーを予備加熱す
る必要がないので有利である。その上、基板のトレーに
走査機構を設けることにより、光学系を固定することが
できるので、レーザ光の形状、エネルギー均一性、ビー
ム内均一性の良いレーザ光を形成することが可能とな
る。

【００３９】なお、本実施例では、強光Ｂの光源は紫外
線（ＵＶ）ランプ１３ａとしたが、レーザ光、赤外線ラ
ンプ、可視光ランプなどが考えられ、基板全体を、照射
エネルギー密度がレーザ光Ｃの照射エネルギー密度より
も低い強光Ｂが照射できればよい。また、イオン注入層
の活性化に本発明を適用し、アニール領域を均一にする
ことも可能である。

【００４０】また、本実施例では、レーザ光の発振波長
をＸｅＣｌエキシマレーザの３０８ｎｍとし、レーザ光
の発振波長を４００ｎｍ以下としたが、これは、半導体
膜、例えば半導体シリコン膜などの吸収係数にマッチン
グした波長であることが必要であり、また、半導体シリ
コン膜の効率の良い加熱を行うためには、発振波長が４
００ｎｍ以下の紫外線を照射することが必要であるため
である。例えば、ハロゲンランプなどの光の波長が１μ
ｍ程度にピークを持つ幅広い波長である場合、この光の
大部分（恐らく９０パーセント以上）が半導体シリコン
膜を透過してしまい、半導体シリコン膜の充分な加熱が
行われない。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、基板や非
単結晶半導体膜全体の加熱を強光で行うため、基板のト
レー走査機構には、従来のように加熱機構を持たせる必
要がなく、走査機構のみを設ければよく、走査における
寸法精度を向上させることができる。このため、レーザ
照射の重複部分の寸法精度の向上と均一な加熱によりア
ニール領域における半導体薄膜の物性のばらつきもなく
なる。これによって、均一で良質の半導体薄膜の結晶層
を形成することができ、例えば高精細で大面積なアクテ
ィブマトリクス基板で、実用上十分なＴＦＴ特性を持た
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における半導体薄膜の製造方
法の概要を示す図であって、レーザアニール装置の構成
図である。

【図２】図１の照射基板１２の断面図である。

【図３】本発明の一実施例における半導体薄膜の製造方
法の概要を示す図であって、ａはレーザ光および強光を
照射する基板を含む装置の上面図、ｂはレーザ光および
強光を照射する基板を含む装置の側面図、ｃはレーザ光
および強光の時間とエネルギー出力の関係を示す図であ
る。

【図４】従来の半導体薄膜の製造方法の概要を示す図で
あって、ａはレーザ光を照射する基板を含む装置の上面
図、ｂはレーザ光を照射する基板を含む装置の側面図、
ｃはレーザ光の発振時間とエネルギー出力の関係を示す
図、ｄはレーザ光を照射した場合の基板を含む装置の上
面図である。

【符号の説明】

１２照射基板１７レーザ光Ｃの照射領域１８強光Ｂの照射領域２３非晶質シリコン膜（非単結晶半導体膜）Ｂ強光Ｃレーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/336

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非単結晶半導体膜をレーザ光によりアニ
ールして多結晶化する半導体薄膜の製造方法において、該非単結晶半導体膜全体に強光を照射して加熱する加熱
工程と、該加熱工程の後、該非単結晶半導体膜上に該強光と同時
に、強光照射領域中に該レーザ光を照射し、該非単結晶
半導体膜の多結晶化を行う多結晶化工程とを有する半導
体薄膜の製造方法。
【請求項２】非単結晶半導体膜をレーザ光によりアニ
ールして多結晶化する半導体薄膜の製造方法において、該非単結晶半導体膜全体に、照射エネルギー密度が該レ
ーザ光の照射エネルギー密度よりも低い強光を照射して
加熱する加熱工程と、該加熱工程の後、該非単結晶半導体膜上に該強光と同時
に、強光照射領域中に該レーザ光を照射し、該非単結晶
半導体膜の多結晶化を行う多結晶化工程とを有する半導
体薄膜の製造方法。
【請求項３】絶縁性基板上または該絶縁性基板上に設
けられた絶縁膜上に非単結晶半導体膜を形成し、該非単
結晶半導体膜をレーザ光によりアニールして多結晶化す
る半導体薄膜の製造方法において、該絶縁性基板よりも照射面積が大きくなるように、照射
エネルギー密度が該レーザ光の照射エネルギー密度より
も低い強光を照射して加熱する加熱工程と、該加熱工程の後、該非単結晶半導体膜上に該強光と同時
に、強光照射領域中に該レーザ光を照射し、該非単結晶
半導体膜の多結晶化を行う多結晶化工程とを有する半導
体薄膜の製造方法。
【請求項４】前記強光の照射時間がレーザ光の照射時
間よりも長い請求項１または２、３記載の半導体薄膜の
製造方法。
【請求項５】前記レーザ光として、波長が４００ｎｍ
以下の紫外線を使用する請求項１または２、３記載の半
導体薄膜の製造方法。