(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたアモルファス半導体層からなる堆積層にエキシマレーザ光からなるパルスレーザ光を照射する工程と、前記基板よりも前記堆積層の方が光の吸収係数が大きいランプ光を前記レーザ光の照射に同期させてスリットを通して前記堆積層の少なくとも前記レーザ光の照射位置に照射し且つ前記ランプ光の強度を前記レーザ光の点灯前より漸増させ、前記レーザ光の点灯の直前、同時、又は直後から、漸増の時より緩い傾斜で漸減させる工程とを有し、前記堆積層を前記基板より高い温度で加熱して前記堆積層を結晶化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ランプ光を、前記基板と同じ材質の板を１枚以上重ねたフィルタを通して前記堆積層に照射す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。
【請求項３】
前記基板は可視光に対して透明基板であり、前記ランプ光はアークランプ光またはハロゲンランプ光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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り, 特に多結晶薄膜トランジスタ(TFT) の素子形成層となる半導体薄膜の結晶化方法に関する。
【０００２】
TFT は液晶ディスプレイ(LCD) パネルに組み込まれる駆動回路や表示部マトリクス回路に使用されている。TFT はキャリアの移動度が高いこと，オフ状態でリーク電流が小さいことが要求されるが，多結晶シリコン(p-Si)の結晶内, あるいは結晶粒界における欠陥を十分に低減することが困難であって, 永らく実用化が阻害されていた。
【０００３】
【従来の技術】
液晶ディスプレイ用のTFT は透明基板上に形成され，その結晶材料としては従来はアモルファスシリコン(a-Si)が用いられていたが, これを多結晶シリコン  (p-Si)に置き換えることにより，キャリア移動度を数桁向上させることかでき，その結果, TFT の動作速度が上がり，素子サイズを縮小することができる。
【０００４】
透明基板上のp-Si膜は, a-Si膜を高温で加熱し, 結晶化して作製される場合が多い。従来は透明基板には融点の高い高価な石英板が用いられていたが，今後は安価なガラス板が用いられるようになってきた。ところが，ガラス基板は 600℃以上に加熱すると大きく歪むため，結晶化温度の低下が求められる。
【０００５】
基板温度を 600℃以下に保ったまま結晶化を行うための従来技術の例を図６を用いて説明する。
図６(a) 〜(d) は結晶化方法の従来例の説明図である。
【０００６】
一般に図６(a) に示されるような，パルスレーザ照射が最も有効な方法である。これによれば，ガラス基板 1上のSi膜 3だけをレーザ光 4により選択的に加熱できる。ここで，ガラス基板 1とSi膜 3との間には不純物拡散と熱伝導を抑制するため二酸化シリコン(SiO2)膜 2を挟んでいる。
【０００７】
レーザ光 4は，光吸収効率がSi膜 3に対しては高く基板に対しては低い紫外線領域の光で，パルス出力の大きいエキシマレーザが適している。エキシマレーザは半値幅が10〜20nsの短いパルス光であり，基板 1に熱が伝わる前に消灯するため, 基板温度は上がりにくい。レーザ点灯時にはSi膜 3の一部または全部が溶融し，消灯後の冷却時に結晶化する。
【０００８】
この際, 冷却速度が大きすぎると, Si膜 3はアモルファス化したり，微結晶となり，結晶化しても多くの転移や積層欠陥等が発生する。従って, 冷却速度を制御することが必要となる。原理的には冷却速度小さい方が欠陥の発生は起こりにくく，また, 多結晶の粒径を大きくしやすい。
【０００９】
冷却速度を下げるために従来用いられている方法として，図６(b) のようにヒータ 6により基板温度を上げているものがある  H.Kuriyama et al.,Jan.J.Appl.Phys.Vol.30 (1991) 3700. 。基板温度を 400℃に上げると, Si膜 3の冷却速度は室温のときの約 1/3になるという計算例があるが，これ以上冷却速度を落とすことは困難である。
【００１０】
他の方法として, ダブルパルス・デュアルビームエキシマレーザ法がある（石原  他，95年春季応用物理学会29p-Q-4)。この方法は図６(c) に示されるように，強度の異なる２つのレーザビームを時間をずらせて照射する。一方のレーザ 4を消灯後，Si膜 3の温度が下がるタイミングを見て，これより弱いレーザパルス 7を照射すると, 冷却速度を実効的に落とすことができる。この方法では，２つのレーザ装置が要ること，レーザの点灯，消灯のタイミング合わせが困難なこと，また冷却速度を下げるのにも限度があること等の問題がある。
【００１１】
また，図６(d) のように, レーザ照射と同時にランプ光 8で加熱する方法もある (石丸  他, 特開平06-29212) 。この方法は結晶核形成をレーザ照射により, 核成長を行うためのアニールをランプ光 8による加熱でそれぞれ行う。ヒータ加熱に比べて, この場合は遮光マスクを使用して選択的に加熱できる利点がある。しかし，ランプ照射は連続的に行っており，冷却速度を小さくするための方法, あるいは欠陥の発生を低減できる方法は提示されておらず, 局所加熱が可能であるという利点を除けば, その効果はヒータ加熱と同様である。
【００１２】
また，TFT 用のp-Siをランプアニールだけで結晶化した例も報告されている  (I.Yudasaka and H.Ohshima, Extended Abstracts of the 1993 Int. Conf. on Solid State Dev.and Mater,1993,pp.1005.)。この方法は，50秒間で 600〜700 ℃まで温度を上げ, その後パワーを切って冷却している。しかし，ランプ加熱で基板に熱歪みを与えることなく結晶化温度まで上げることは至難である。これは，ランプ加熱はレーザ加熱に比し照射時間が３桁以上長く，Si層から基板に伝わる熱量が大きくなるからである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は，装置や工程を複雑化することなく，レーザ消灯後の結晶の冷却速度を大きく低下させて結晶粒径を大きくし，且つ欠陥の発生を抑制することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決は，基板上に形成されたアモルファス半導体層からなる堆積層にエキシマレーザ光からなるパルスレーザ光を照射する工程と，前記基板よりも前記堆積層の方が光の吸収係数が大きいランプ光を前記レーザ光の照射に同期させてスリットを通して前記堆積層の少なくとも前記レーザ光の照射位置に照射し且つ前記ランプ光の強度を前記レーザ光の点灯前より漸増させ，前記レーザ光の点灯の直前、同時、又は直後から、漸増の時より緩い傾斜で漸減させる工程とを有し，前記堆積層を前記基板より高い温度で加熱して前記堆積層を結晶化することを特徴とする半導体装置の製造方法により達成される。また，前記ランプ光を，前記基板と同じ材質の板を１枚以上重ねたフィルタを通して前記堆積層に照射することを特徴とする。さらに，前記基板は可視光に対して透明基板であり，前記ランプ光はアークランプ光またはハロゲンランプ光であることを特徴とする。
【００１５】
本発明では，パルスレーザによる結晶膜の加熱と合わせて，ランプ光の強度の増加と減少を所定時間内に行いながら加熱する。
図１(a) 〜(c) は本発明の原理説明図である。
【００１６】
ランプの加熱は図１に示されるように(a) はレーザ照射後, (b) はレーザ照射と同時, (c) はレーザ照射前の３通りある。(a) はレーザ照射後に発生した欠陥の低減，(b) はレーザ照射後の冷却速度の低下，(c) はa-Siの微結晶化に対してそれぞれ効果がある。
【００１７】
図１(b) のレーザ照射と同時にランプ加熱をすることは前記従来例の図６(d)と同じであるが，ランプ光照射に強度変化をつけて冷却速度を制御する点が異なる。図１(b) のランプ光強度に示されるように，ランプ光強度はレーザ光点灯前より漸増し，レーザ光照射時に最大となり，レーザ消灯後は漸増の時より緩い傾斜で漸減する。
【００１８】
これにより，レーザ照射後の結晶膜の冷却速度を大幅に且つ制御性良く低下させることができるため，結晶のアモルファス化，微結晶化，欠陥の発生等TFT の動作の妨げとなる障害の発生を抑制できる。また，レーザ照射後残留した欠陥の密度を低減させる作用もある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１：
図２(a) 〜(c) は本発明の実施の形態１の説明図である。
【００２０】
図２(a) において，  基板 1は厚さ約 1 mm のガラス板 (Corning 7059) を用い, この上にスパッタ法により厚さ 200nmのSiO2膜 2を堆積し，下地膜とする。次いで，この上にプラズマ気相成長(CVD) 法により, 厚さ80nmのa-Si膜11を堆積する。
【００２１】
図２(b) において, a-Si膜11にレーザ光 4を照射して結晶化する。レーザ光源としてKrF エキシマレーザを用いる。これは発振波長 248nm, 半値幅約20nsのパルス光源である。レーザビームは光学系を用いて矩形に成形して照射する。レーザの照射条件は, 例えば, エネルギー 350 mJ/cm2 で１箇所あたり10パルスずつ照射する。このレーザ照射によりa-Si膜11はp-Si膜12に変化する。
【００２２】
図２(c) において, 結晶化後の基板をランプアニール装置に移す。この装置は図３に示されにように複数の線状のハロゲンランプ21を等間隔に並ぺ, 各ランプの背面には反射ミラー22を配置している。装置内には窒素ガスを流し，照射はSi層12の側から行う。ガラス基板 1上のSi層12の温度を直接測定するのは困難であるので，基板の横に置いたSiチップに熱電対を埋め込んだもの23でモニタする。
【００２３】
ランプ21のピーク波長は, 通電する電流の大きさにより変化するが 1μｍ近辺であり，幅の広いスペクトルを持つ。Si層12は波長が 1μｍ以下の光を吸収して加熱される。ガラス基板 1は 2μｍ以下の波長領域では加熱されにくいが，それ以上の波長領域の光を吸収して温度が上がる。これを防ぐために, 光源22と基板 1との間に, 光学フィルタ24を挿入する。
【００２４】
一般に 2μｍ以上の光は真空蒸着で作製した干渉フィルタでカットできるが，大面積の干渉フィルタの作製は困難であるので，ここでは基板と同材質のガラス板を用い, 表面には反射防止用のコーティングを施す。ガラスフィルタの厚みを基板と同じにすると, フィルタ自体が熱で歪んだり, 破壊する恐れがある。そこで，厚みを基板より小さく, 例えば0.3mm とすると熱吸収量が減少し, また厚み方向の温度差が小さくなるので, 歪みや破損を防ぐことができる。このようなガラス板を複数枚置いて配置することにより赤外光の吸収量を増す。また，光源から離れるに従ってガラス板の厚みを増すようにすると紫外光カットの効果はさらに増す。これらのガラス板に沿って窒素を流して冷却するようにしてもよい。このように，基板と同材質のガラス板をフィルタとして用いることにより，基板の温度上昇を抑え, 結果としてランプ光を強くできる効果が得られる。
【００２５】
ランプの加熱条件は, 装置によって異なるので最適化が必要であるが，例えば以下の手順で行う。
50℃／秒で昇温，900 ℃で10秒保持, 50℃／秒で 600℃まで降温, 20℃／秒で 100℃まで降温。以上の過程を１回または複数回繰り返して，基板を取り出す。温度のシーケンスはランプ加熱電源25の制御装置26のプログラミングによって設定する。ランプの昇温, 降温の最も速い制御は勿論階段状の電流の増減である。
【００２６】
本発明の特徴は, ランプ光強度の時間変化を制御することと, これにより結晶膜の温度を基板の歪み点 (ガラス基板の場合は 600℃) 以上に上昇させることにある。図６(d) の従来例でも，温度上昇, 一定温度での保持, 降温と温度制御がなされているが，本発明は温度変化の速さと最高温度の高さがこの従来例と異なる。
【００２７】
この実施の形態により，得られた効果を図５に示す。
この図は，得られた結晶被膜の結晶品質をラマン散乱を測定して評価した結晶を示す。横軸の設定温度は熱電対を埋め込んだSiチップにより測定したランプ加熱の温度を示し, 縦軸はラマンピーク波数  図５(a) 及び半値幅  図５(b) を示す。１つの試料当たり５点測定し，実際の結晶膜の温度測定はできないが，光吸収率が小さいことからこれより低い温度であると考えられる。ラマンピーク波数及び半値幅は加熱前はばらつきが大きいが，加熱後は値の小さい方に揃い，結晶の均一性が向上したこと及び欠陥密度が低減したことを示す。
【００２８】
実施の形態２：
この例はランプを補助的に照射することにより，レーザ照射後の冷却速度の低減を図るもので，図１(b) に相当する。これに用いた装置の構成を図４に示す。
【００２９】
実施の形態１と同様に，ガラス基板 1上にa-Si層 3を堆積し，これにレーザ光4をa-Si層 3側から，ランプ光 5をガラス基板 1側から照射する。レーザ装置はエキシマレーザ光源31とビーム整形用光学系32とミラー33とからなる。ランプ光 5はフィルタ42, レンズ系43, スリット44を通してガラス基板 1側から照射する。a-Si層 3上のランプ光の形状はレーザビームと同じか，これよりひとまわり大きくする。ランプには電源25と強度制御装置26が接続されている。
【００３０】
次に, 過程のシーケンスを説明する。
まず, ランプ加熱を行う。 200℃／秒で昇温， 800℃に達したら降温段階に移る。降温に移ると同時にパルスレーザを点灯する。エネルギーは実施の形態１より小さく, 例えば, エネルギー 280 mJ/cm2 とする。ランプの降温速度は 200℃／秒で, 100 ℃まで下げる。温度変化の速いステップがあり，また光学系を挿入している関係上温度モニタが困難であるので制御装置26で電源25の出力をプログラミングしておくとよい。この工程を１回，あるいは数回繰り返す。
【００３１】
ここで，ランプ強度の増減とパルスレーザの点灯のタイミングは，電気的に同期をとるようにする。ランプ強度を減少させるタイミングはパルスレーザの点灯直前，点灯と同時，点灯直後の３種類があるが，通常は同時とする。
【００３２】
上記の工程を繰り返す際には，ランプ出力とレーザ出力をサイクルごとに最適化する必要がある。特に，最初のサイクルではa-Siからp-Siへ結晶の相が大きく変化するので, 最適条件が以降のサイクルと大きく異なる。このような場合には，レーザビームを小刻みに移動しながら繰り返しパルスを照射するステップスキャンと呼ばれる方法    I.Asai et al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.32 (1993) 474.  で，スキャンを２回以上行うようにし，最初のスキャンと次のスキャンで強度を変えるようにすればよい。
【００３３】
実施の形態２では，レーザとランプの配置は，▲１▼別々に基板の両側から，▲２▼両方とも結晶膜側から，▲３▼両方とも基板側からの３通りある。▲１▼は光学設計が容易であり，▲２▼は基板裏面にスペースがない場合あるいは基板をヒータ等で加熱する場合に有効であり，この場合はレーザ装置は成るべく長波長のXeF エキシマレーザ(351nm) を用いる。
【００３４】
実施の形態３：
ランプ加熱をパルスレーザの照射前に行うとa-Siの結晶化がおこり，レーザによる結晶化の補助の作用がある。この方法は図１(c) に相当する。
【００３５】
ガラス基板上にa-Siを堆積後，実施の形態１と同様なランプ加熱装置に基板を置き，結晶層を加熱する。
加熱は，例えば， 200℃／秒で1000℃まで昇温, １秒間はそのままにして，   200℃／秒で 100℃まで降温する。この工程を１回あるいは複数回行う。
【００３６】
類似の公知の工程では，小さな強度のパルスレーザでa-Siを結晶化後，レーザ光の強度を上げて再結晶化する方法がある。この場合は冷却速度が大きいので，堆積膜の全部または一部がa-Siに戻る可能性がある。これに対して，ランプ加熱は冷却速度が小さいので，このようなことは起こりにくい。
【００３７】
実施の形態４：
上記の種々の実施の形態は単独ではなく図１(a) から(c) までの加熱方法を組み合わせることにより，一層効果が増す。
【００３８】
例えば，図１(b) により，レーザによる結晶化の冷却速度を制御した後，図１(a) によりランプ照射だけで欠陥の低減が図れる。この場合のランプ照射は，▲１▼図３の装置を用いる，▲２▼図４の装置を用いる，▲３▼図４のランプ装置を図３の装置で置き換える等の方法で行う。
【００３９】
結晶化する半導体層はSiの他に, Ge, SiGe等のIV族半導体, II-VI 族, III-V 族半導体等にも適用できる。また，基板はガラスの他に石英, サファイヤ, 表面に絶縁膜を被着したシリコンでもよい。また今後高分子体基板が用いられるようになっても, 加熱状件や赤外カットフィルタを偏光することで本発明は適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば，結晶化の制御と装置の安定性維持の困難なパルスレーザ加熱に, 所定時間内に強度を増減させたランプ加熱を加えることにより, 次のような効果がえられる。
【００４１】
▲１▼レーザ消灯後の冷却速度を制御して落とすことにより，結晶化された膜のアモルファス化, 微結晶化, 積層欠陥や転移等の欠陥発生を抑制できる。
▲２▼レーザ加熱工程の後に, 基板温度を歪み点以上に上げることなく結晶膜をアニールできるため, 欠陥の低減が図れる。
【００４２】
▲３▼レーザ加熱前に, 基板温度を歪み点以上に上げることなく  a-Siの予備的な結晶化が行えるため，レーザによる結晶化の効率が向上する。
この結果, キャリアの移動度が高く, リーク電流の小さいTFT が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理説明図
【図２】  本発明の実施の形態１の説明図
【図３】  本発明の実施の形態１の装置の説明図
【図４】  本発明の実施の形態２の装置の説明図
【図５】  本発明の効果の説明図
【図６】  従来例の説明図
【符号の説明】
1  ガラス基板
2  SiO2膜
3  Si膜
4  レーザ光
11  a-Si膜
12  結晶化されたp-Si膜
21  ランプ光源 (大面積照射用)
24  赤外光カットフィルタ（光学フィルタ）
26  ランプ強度の時間変化制御装置
41  ランプ光源 (小面積照射用)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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