(57)【要約】【課題】光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うとともに、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる半導体膜の製造方法、および、当該半導体膜の製造方法に使用する光アニール装置を実現する。【解決手段】半導体膜の製造方法は、光源（２）から出射された光を２つ以上のビーム（Ｌ１、Ｌ２）に分割する工程と、前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光（Ｌ１）として基板上に形成された半導体膜に照射することにより前記半導体膜の結晶性を改質する工程と、前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光（Ｌ２）として前記半導体膜に照射し、前記半導体膜から得られる前記検査光（Ｌ２）の照射の応答内容を検出することにより、前記半導体膜の改質状態を評価する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光を２つ以上のビームに分割する工程と、
前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光として基板上に形成された半導体膜に照射することにより前記半導体膜の結晶性を改質する工程と、
前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として前記半導体膜に照射し、前記半導体膜から得られる前記検査光の照射の応答内容を検出することにより、前記半導体膜の改質状態を評価する工程とを含むことを特徴とする半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記半導体膜は非単結晶半導体膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記非単結晶半導体膜は、非晶質シリコン、多結晶シリコン、非晶質ゲルマニウム、多結晶ゲルマニウム、非晶質シリコン・ゲルマニウム、多結晶シリコン・ゲルマニウム、非晶質シリコン・カーバイド、または、多結晶シリコン・カーバイドであることを特徴とする請求項２に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記光源はレーザ光源であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記膜改質光の強度を、前記検査光の強度よりも大きくすることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記応答内容は、前記半導体膜に対する前記検査光の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項７】
光源と、
前記光源から出射された光を２つ以上のビームに分割する光学系である分割光学系と、
前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光として基板上に形成された膜に照射して前記膜を改質する光学系である改質光学系と、
前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として前記膜に照射する光学系である検査光学系と、
前記膜から得られる前記検査光の照射の応答内容を検出する部品とを含むことを特徴とする、光アニール装置。
【請求項８】
前記光源はレーザ光源であることを特徴とする請求項７に記載の光アニール装置。
【請求項９】
前記レーザ光源は、連続発振またはパルス発振の、固体レーザ、半導体レーザ、または、気体レーザであることを特徴とする請求項８に記載の光アニール装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源は、連続発振またはパルス発振の、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ、エキシマレーザ、Ａｒレーザ、または、Ｋｒレーザであることを特徴とする請求項８に記載の光アニール装置。
【請求項１１】
前記膜改質光の強度は、前記検査光の強度よりも大きいことを特徴とする請求項７から１０までのいずれか１項に記載の光アニール装置。
【請求項１２】
前記応答内容は、前記膜に対する前記検査光の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布であることを特徴とする請求項７から１１までのいずれか１項に記載の光アニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板上に形成される結晶性半導体薄膜の製造方法および光アニール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板上に形成したＳｉ材料はプロセスの制約などを受けて膜質の低い非晶質シリコン膜として成長せざるを得ず、移動度が小さいために、ＴＦＴなどの素子を作成する上で十分な特性を得ることができない。そこで、従来、基板上に形成された半導体薄膜をレーザアニールやランプアニールなどによって多結晶シリコンなどの結晶に改質することが行われている。そして、改質した半導体薄膜の結晶性を検査することも行われている。
【０００３】
特許文献１には、非晶質シリコンをレーザアニールにより結晶化させながら結晶化膜に検査光を照射し、レーザアニール後の膜の光沢度を測定することにより結晶化状態を確認することが記載されている。図３に、特許文献１に記載された結晶化装置（アニール装置）の構成を示す。
【０００４】
当該結晶化装置は、レーザ装置１、反射ミラー２、アッテネータ３、および、ホモジナイザ４からなるレーザ光照射手段Ａを備えている。エキシマレーザからなるレーザ装置１から出射されたレーザ光Ｌは、反射ミラー２で反射され、アッテネータ３、ホモジナイザ４を順に通過して、基板５に対して略垂直に入射する。基板５は、ガラスの上にアンダーコートと非晶質シリコン膜とが積層された構成である。また、基板５はステージ８上に搭載されており、ステージ８は駆動装置９によりＸＹ方向に移動可能である。駆動装置９は制御装置１１により制御される。
【０００５】
また、この結晶化装置は結晶化状態確認手段Ｂとして、薄膜の光沢度を測定する測定手段２５を備えている。また、制御手段１１に、測定された光沢度に基づいて結晶化状態を確認する判定手段としての判定部２６を備えている。測定手段２５には光沢度計が用いられ、基板５の表面に検査光Ｌ３を照射する発光器２７、および、反射する検査光Ｌ３を検出する検出器２８を有する。結晶化された結晶粒径が大きくなりかつ顆粒が発生していない状態であるとき、電子移動度は高くなっていき、かつエキシマレーザアニールされた薄膜表面の光沢度が低くなる傾向があることが実験により判明している。この光沢度が最も低くなる状態が最も電子移動度が良くなることを利用して、結晶化状態を確認する。このように、光沢度を測定することで、実際の結晶化状態を確認し、所望の結晶化状態が確認が得られたらレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させる。
【０００６】
特許文献２には、一つの装置上で、非晶質半導体膜の結晶化と、結晶化させた半導体膜の検査とを行うことが開示されている。検査方法としては、電子線回折法、Ｘ線回折法、ラマン散乱法が提案されている。
【０００７】
特許文献３には、パルスレーザ光を使用して半導体膜を結晶化させながら検査光を照射し、その検査光の反射光の強度を検出して、所定の結晶化状態が得られたかどうかを確認することが提案されている。
【０００８】
特許文献４には、非晶質シリコンや多結晶シリコンにレーザ照射を行ってラテラル結晶を形成しながら、一定時間を置いた後に検査光を照射し、膜質を評価することが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−１３３６１４号公報（２０００年５月１２日公開）
【特許文献２】特開２０００−１７４２８６号公報（２０００年６月２３日公開）
【特許文献３】特開２００２−３０５１４６号公報（２００２年１０月１８日公開）
【特許文献４】特開２００５−２７７０６２号公報（２００５年１０月６日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の、膜質を評価しながらレーザアニールを行う装置および方法では、図３のレーザ装置１と発光器２７とのように、半導体膜を結晶化させるための光源と、結晶化した後の半導体膜の結晶性を評価するための光源とが別々に設けられている。従って、装置のコストが上昇するとともに、構成が複雑になるという問題が生じる。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うとともに、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる半導体膜の製造方法、および、光アニール装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体膜の製造方法は、上記課題を解決するために、光源から出射された光を２つ以上のビームに分割する工程と、前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光として基板上に形成された半導体膜に照射することにより前記半導体膜の結晶性を改質する工程と、前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として前記半導体膜に照射し、前記半導体膜から得られる前記検査光の照射の応答内容を検出することにより、前記半導体膜の改質状態を評価する工程とを含むことを特徴としている。
【００１２】
上記の発明によれば、光源から出射された光を２つ以上のビームに分割し、そのうちの少なくとも１つのビームを膜改質光として基板上に形成された半導体膜に照射して結晶性を改質する一方、膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として半導体膜に照射して応答内容を検出することにより半導体膜の改質状態を評価する。
【００１３】
従って、膜改質光と検査光とを同じ光源で生成するので、従来のように光源を膜改質光と検査光とに別々に設ける必要がない。
【００１４】
以上により、光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うとともに、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる半導体膜の製造方法を実現することができるという効果を奏する。
【００１５】
本発明の半導体膜の製造方法は、上記課題を解決するために、前記半導体膜は非単結晶半導体膜であることを特徴としている。
【００１６】
上記の発明によれば、非単結晶半導体膜の結晶性を光アニールにより改質する場合に、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができるという効果を奏する。
【００１７】
本発明の半導体膜の製造方法は、上記課題を解決するために、前記非単結晶半導体膜は、非晶質シリコン、多結晶シリコン、非晶質ゲルマニウム、多結晶ゲルマニウム、非晶質シリコン・ゲルマニウム、多結晶シリコン・ゲルマニウム、非晶質シリコン・カーバイド、または、多結晶シリコン・カーバイドであることを特徴としている。
【００１８】
上記の発明によれば、光アニールにより結晶性を改質する対象として一般的な非単結晶半導体膜に対して、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができるという効果を奏する。
【００１９】
本発明の半導体膜の製造方法は、上記課題を解決するために、前記光源はレーザ光源であることを特徴としている。
【００２０】
上記の発明によれば、レーザアニールによって結晶性を改質する半導体膜に対して、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができるという効果を奏する。また、光源光がレーザ光であるので、膜改質光と検査光とを含む２つ以上のビームに分割しやすいという効果を奏する。
【００２１】
本発明の半導体膜の製造方法は、上記課題を解決するために、前記膜改質光の強度を、前記検査光の強度よりも大きくすることを特徴としている。
【００２２】
上記の発明によれば、膜改質光の強度を検査光の強度よりも大きくするので、大きな強度が必要な結晶性の改質に適した膜改質光を得ることができるという効果を奏する。また、検査光によって半導体膜が改質されてしまうのを防ぐことができるという効果を奏する。
【００２３】
本発明の半導体膜の製造方法は、上記課題を解決するために、前記応答内容は、前記半導体膜に対する前記検査光の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布であることを特徴としている。
【００２４】
上記の発明によれば、半導体膜に検査光を照射したときに半導体膜から得られる応答内容が、半導体膜に対する検査光の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布であるので、半導体膜の改質状態の一般的な評価項目について、膜改質光と共通の光源から得た検査光を利用することができるという効果を奏する。
【００２５】
本発明の光アニール装置は、上記課題を解決するために、光源と、前記光源から出射された光を２つ以上のビームに分割する光学系である分割光学系と、前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光として基板上に形成された膜に照射して前記膜を改質する光学系である改質光学系と、前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として前記膜に照射する光学系である検査光学系と、前記膜から得られる前記検査光の照射の応答内容を検出する部品とを含むことを特徴としている。
【００２６】
上記の発明によれば、光アニール装置を用いて、光源から出射された光を２つ以上のビームに分割し、そのうちの少なくとも１つのビームを膜改質光として基板上に形成された膜に照射して当該膜を改質する一方、膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として当該膜に照射して応答内容を検出することができる。応答内容の検出結果を用いれば、膜の改質状態を評価することができる。
【００２７】
このように、膜改質光と検査光とを同じ光源で生成するので、従来のように光源を膜改質光と検査光とに別々に設ける必要がない。
【００２８】
以上により、光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うのに用いられ、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる光アニール装置を実現することができるという効果を奏する。
【００２９】
本発明の光アニール装置は、上記課題を解決するために、前記光源はレーザ光源であることを特徴としている。
【００３０】
上記の発明によれば、レーザアニールによって改質される膜に対して、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができるという効果を奏する。また、光源光がレーザ光であるので、膜改質光と検査光とを含む２つ以上のビームに分割しやすいという効果を奏する。
【００３１】
本発明の光アニール装置は、上記課題を解決するために、前記レーザ光源は、連続発振またはパルス発振の、固体レーザ、半導体レーザ、または、気体レーザであることを特徴としている。
【００３２】
なお、前記固体レーザとしては、連続発振またはパルス発振の、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ3レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ等があり、前記気体レーザとしては、連続発振またはパルス発振の、エキシマレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ等が挙げられる。また、レーザ作用をする活性種としては、例えば、３価のイオン（Ｃｒ３＋、Ｎｄ３＋、Ｙｂ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｉ３＋）を使用することができる。その他に、半導体レーザやディスクレーザ、ファイバーレーザを使用することもできる。また、上記構成において、前記レーザ光は、非線形光学素子により高調波に変換されていることが望ましい。例えば、ＹＡＧレーザは、基本波として、波長１０６４ｎｍのレーザ光を出すことで知られている。このレーザ光のシリコン膜に対する吸収係数は非常に低く、このままでは半導体膜の１つである非晶質シリコン膜の結晶化を行うことは困難である。ところが、このレーザ光はＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＢＯなどの非線形光学素子を用いることにより、より短波長に変換することができ、高調波として、第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）、第５高調波（２１３ｎｍ）が挙げられる。これらの高調波は非晶質シリコン膜に対し吸収係数が高いので、非晶質シリコン膜の結晶化に用いることができる。
【００３３】
上記の発明によれば、レーザアニールに用いられる一般のレーザ光源に対して、光アニール装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができるという効果を奏する。
【００３４】
本発明の光アニール装置は、上記課題を解決するために、前記膜改質光の強度は、前記検査光の強度よりも大きいことを特徴としている。
【００３５】
上記の発明によれば、膜改質光の強度が検査光の強度よりも大きいので、大きな強度が必要な結晶性の改質に適した膜改質光を得ることができるという効果を奏する。また、検査光によって半導体膜が改質されてしまうのを防ぐことができるという効果を奏する。
【００３６】
本発明の光アニール装置は、上記課題を解決するために、前記応答内容は、前記膜に対する前記検査光の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布であることを特徴としている。
【００３７】
上記の発明によれば、膜に検査光を照射したときに膜から得られる応答内容が、膜に対する検査光の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布であるので、膜の改質状態の一般的な評価項目について、膜改質光と共通の光源から得た検査光を利用することができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の半導体膜の製造方法は、以上のように、光源から出射された光を２つ以上のビームに分割する工程と、前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光として基板上に形成された半導体膜に照射することにより前記半導体膜の結晶性を改質する工程と、前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として前記半導体膜に照射し、前記半導体膜から得られる前記検査光の照射の応答内容を検出することにより、前記半導体膜の改質状態を評価する工程とを含む。
【００３９】
以上により、光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うとともに、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる半導体膜の製造方法を実現することができるという効果を奏する。
【００４０】
本発明の光アニール装置は、以上のように、光源と、前記光源から出射された光を２つ以上のビームに分割する光学系と、前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光として基板上に形成された膜に照射して前記膜を改質する光学系と、前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として前記膜に照射する光学系と、前記膜から得られる前記検査光の照射の応答内容を検出する部品とを含む。
【００４１】
以上により、光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うのに用いられ、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる光アニール装置を実現することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の実施形態について、図１および図２を用いて説明すれば、以下の通りである。
【００４３】
図１に、本実施形態に係るレーザアニール装置（光アニール装置）１の構成を示す。
【００４４】
レーザアニール装置１は、レーザ発振器２、ビームスプリッター３、アッテネータ４、ビーム整形光学系５、集光レンズ６、基板走査ステージ８、処理チャンバー９、真空ポンプ１０、アッテネータ１１、ミラー１２、集光レンズ１３、フィルター１４、検出器１５、および、遮蔽チャンバー１６を備えている。
【００４５】
レーザ発振器（レーザ光源）２は、基板上に形成された半導体薄膜の結晶化を行うための光である膜改質光を供給する光源と、結晶化した半導体薄膜の検査を行うための検査光を供給する光源との両方を兼ねている。ここでは、基板上に半導体薄膜が形成されたアニール対象物を被処理基板７と称する。レーザ光（以下、レーザビームとも称する）としては、連続発振（ＣＷ）のＬＤ（レーザダイオード）励起Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザの第二高調波固体レーザ（波長λ＝５３２ｎｍ）を用いることを想定しているが、アモルファスシリコンあるいはポリシリコンの半導体薄膜に対して吸収のある波長が２００ｎｍから７００ｎｍの領域のレーザが望ましい。より具体的には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第二高調波、第三高調波、第四高調波、などが適用可能であるが、出力の大きさ及び安定性を考慮すると、ＬＤ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長λ＝５３２ｎｍ）あるいはＮｄ：ＹＶＯ4レーザの第二高調波が最も望ましい。
【００４６】
一般に、前記のレーザ光源を、固体レーザ、半導体レーザ、または、気体レーザとすることができる。前記固体レーザとしては、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ3レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ等があり、前記気体レーザとしては、エキシマレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ等が挙げられる。また、レーザ作用をする活性種としては、例えば、３価のイオン（Ｃｒ３＋、Ｎｄ３＋、Ｙｂ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｉ３＋）を使用することができる。その他に、半導体レーザやディスクレーザ、ファイバーレーザを使用することもできる。また、上記構成において、前記レーザ光は、非線形光学素子により高調波に変換されていることが望ましい。例えば、ＹＡＧレーザは、基本波として、波長１０６４ｎｍのレーザ光を出すことで知られている。このレーザ光のシリコン膜に対する吸収係数は非常に低く、このままでは半導体膜の１つである非晶質シリコン膜の結晶化を行うことは困難である。ところが、このレーザ光はＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＢＯなどの非線形光学素子を用いることにより、より短波長に変換することができ、高調波として、第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）、第５高調波（２１３ｎｍ）が挙げられる。これらの高調波は非晶質シリコン膜に対し吸収係数が高いので、非晶質シリコン膜の結晶化に用いることができる。
【００４７】
なお、レーザの発振方式は、連続発振型でもよいし、パルス発振型でもよい。レーザビームの照射条件、例えば、周波数、パワー密度、エネルギー密度、ビームプロファイル等は、材料の性質や厚さなどを考慮して適宜調整する。
【００４８】
レーザ発振器２から、基板走査ステージ８上に載置された被処理基板７の半導体薄膜の面に略垂直に向う光路上に、結晶化用の光学系Ｏ１が設けられており、レーザ発振器２側から順に、ビームスプリッター３、アッテネータ４、ビーム整形光学系５、および、集光レンズが並ぶように配置されている。
【００４９】
ビームスプリッター３はレーザ発振器２から出射されたレーザ光Ｌを、結晶化用ビーム（膜改質光）Ｌ１と、検査用ビーム（検査光）Ｌ２との２つのビームに分割する光学系（分割光学系）である。このビームスプリッター３としては、平行平面型、ウェッジ型、キューブ型など、ビームを再現性良く、２分割することができるものなら何でも良い。分割する際には結晶化用ビームＬ１の方が強くなるように分割する。これは結晶化用ビームＬ１を強くして、より効率的な結晶化を行うためと、検査用ビームＬ２が強すぎて、検査光照射時に膜を改質させてしまわないためとである。結晶化に使用するレーザがＣＷレーザの場合は、ＣＷレーザを必要に応じてパルス変調させても良い。
【００５０】
アッテネータ４は結晶化用ビームＬ１の強度を、結晶化に適した値に減衰させる。ビーム整形光学系５は、アッテネータ４を通過した結晶化用ビームＬ１のビーム形状を整形する。ビーム整形光学系５はビームエキスパンダー、ホモジナイザ、回折光学素子、パウエルレンズ、ｆθレンズなどの組合せによりビームを整形する。集光レンズ６は、ビーム整形光学系５を通過した結晶化用ビームＬ１を被処理基板７の面上に集光する。集光レンズ６としてはシリンドリカルレンズなどがあげられるが、シリンドリカルレンズを２枚組み合わせることによりビームを整形し、ビーム整形光学系を省略することも可能である。アッテネータ４、ビーム整形光学系５、および、集光レンズは結晶化を行うための光学系である改質光学系Ｏ１を構成している。これらの組合せにより、結晶化用ビームＬ１の形状を線状、楕円状、矩形状等所望の形状に整形し、結晶化を行う。
【００５１】
基板走査ステージ８はｘｙステージであり、ｘ−ｙ方向に移動することにより、載置された被処理基板７ビーム照射位置を変えることができる。また、あるいは、基板走査ステージ８の位置を固定し、レーザ発振器２から出射されるビームＬが被処理基板７の面上を走査できるようになっていてもよい。基板走査ステージ８は処理チャンバー９内に設けられている。また、基板走査ステージ８は基板加熱が可能であり、被処理基板７へのレーザ光照射時の基板温度は室温から５００℃程度とされる。処理チャンバー９は真空ポンプ１０によって真空引きが可能であり、これによって、被処理基板７へのレーザ照射時の処理チャンバー９内の雰囲気を、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンなどの不活性ガス雰囲気としたり、水素雰囲気としたり、真空としたり、大気雰囲気としたりすることができる。
【００５２】
ビームスプリッター３により分割されて生成された検査用ビームＬ２の光路は、アッテネータ１１、ミラー１２、および、集光レンズ１３を順に通過して被処理基板７の面上に斜め方向に入射する入射光路と、被処理基板７の面で反射された検査用ビームＬ２が、フィルター１４を通過して検出器１５に至る反射光路とからなる。これらの入射光路上および反射光路上の光学系は、半導体薄膜の結晶化状態すなわち改質状態を検査するための検査光学系Ｏ２を構成している。
【００５３】
アッテネータ１１は、検査用ビームＬ２を検査用に適した強度に減衰させる。ミラー１２は、アッテネータ１１を通過した検査用ビームＬ２を反射させて、被処理基板７に向うように進路を変える。集光レンズ１３は、必要に応じて設けられ、ミラー１２で反射された検査用Ｌ２を、被処理基板７の面上の結晶化用ビームＬ１が照射されている箇所に集光させる。フィルター１４は、被処理基板７から反射された検査用ビームＬ２に対して、精度のよい検出が可能となるように、ノイズ光を除去して検出器１５で使用される波長に絞る処理を行う。
【００５４】
検出器１５は、フィルター１４を通過した検査用ビームＬ２を受光して、検査用ビームＬ２の照射に対する被処理基板７からの応答内容を検出する部品である。上記応答内容は、例えば、被処理基板７に対する検査用ビームＬ２の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布である。ラマン散乱光を検出する場合には、散乱した光を、入射光と波長が同じレーリー散乱光と波長の異なるラマン散乱光とに分離するために、ノッチフィルターやエッジフィルターなどのフィルターを通し、通過させた光を分光して検出する。このラマン散乱スペクトルを解析することにより、結晶の良否を判定することができる。また、検出器１５あるいは検出器１５に接続される解析器が、上記応答内容を検出することにより半導体薄膜の改質状態を評価する。
【００５５】
なお、ビームスプリッター３の分割比の調整、あるいはレーザ発振器の出力の調整次第では、アッテネータ４、アッテネータ１１の少なくとも一方を省略しても良い。また、検査用ビームＬ２においても、結晶化用ビームＬ１と同様にビーム整形光学系を挿入し、ビームスポットではなく、線状や矩形状にすることにより、ある広さを持った領域の結晶性の分布を一度に検出することも可能である。
【００５６】
遮蔽チャンバー１６は、上述したレーザアニール装置１の外周を囲む、金属などの遮蔽板を供えたチャンバーである。上記遮蔽板は、レーザアニール装置１内のレーザ光が外部に漏れるのを防ぐ。さらには、レーザアニール装置１内に真空チャンバーを備え、チャンバー内を真空引きできるようにすることが望ましいが、レーザアニール装置１内を常圧としてもよい。また、チャンバーは雰囲気汚染がないように、ケミカルフィルター、パーティクルフィルターなどを備えていることが望ましい。
【００５７】
なお、結晶化用ビームＬ１および検査用ビームＬ２のそれぞれについて、さらに分割して複数の領域を照射できるようにしても良い。すなわち、レーザ装置１から出射されたビームＬを２つ以上のビームに分割してもよい。分割して得られたビームの中には、結晶化用ビームＬ１および検査用ビームＬ２の両者以外として用いられるものがあってもよい。また、複数のレーザ発振器を使用することによって、処理時間を短くすることも可能である。複数のレーザ発振器を使用する場合には、１つの整形光学系に複数のレーザビームを入射させても良い。
【００５８】
また、被処理基板７は、下地保護膜が形成された基板上に半導体薄膜が形成されたものである。基板としては、石英、ガラス、プラスチック、シリコンウェハー、金属、セラミックなどが挙げられる。下地保護膜としてはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などの絶縁性物質からなる膜が挙げられ、またそれらの積層膜でも構わない。この下地保護膜は基板からの不純物拡散を防ぐための膜であり、その恐れがない場合などは無くても構わない。下地保護膜の厚さは、積層膜の場合も含めて、全体として１００ｎｍ〜２μｍ程度である。基板上にＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法等により、下地保護膜を形成し、次にＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法等により、非単結晶半導体薄膜を３０ｎｍ〜２５０ｎｍ程度、例えば５０ｎｍの厚さに形成する。
【００５９】
非単結晶半導体薄膜としては非晶質シリコン、多結晶シリコン、非晶質ゲルマニウム、多結晶ゲルマニウム、非晶質シリコン・ゲルマニウム、多結晶シリコン・ゲルマニウム、非晶質シリコン・カーバイド、多結晶シリコン・カーバイドなどが挙げられる。非単結晶半導体薄膜の形成をプラズマＣＶＤ法などで行った場合は、その後４００℃〜６００℃程度の脱水素処理を行っても良い。また、非単結晶半導体薄膜の上に２ｎｍ〜１００ｎｍ程度のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはそれらの積層膜を形成しても良い。続いて必要に応じてフォトリソグラフィ法により島状領域を形成する。この工程は省略することが可能である。
【００６０】
続いて、このようにして形成された非単結晶半導体薄膜の結晶化を行うが、以下では、レーザビームにＣＷのＮｄ：ＹＶＯ4レーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた例について説明する。結晶化用ビームＬ１は、ビーム整形光学系５により例えば５００μｍ×２０μｍの線状に整形し、ビーム短軸方向を走査方向とする。線走査速度は、毎秒１０ｃｍ〜１００ｍ程度が可能であるがここでは一定で５０ｃｍ／ｓとする。レーザパワーは１０Ｗ、基板サイズは７３０×９２０ｍｍ2とする。走査は基板位置を固定としてレーザ光を走査しても、基板を乗せたステージを動かしても良いが、結晶化用ビームＬ１と検査用ビームＬ２とを被処理基板７の非単結晶半導体薄膜の面上の同じ箇所に照射することを考慮すると、本発明においては基板走査ステージ８側を動かした方が望ましい。
【００６１】
検出器１５は、非単結晶半導体薄膜の面に斜めから照射される検査用ビームＬ２の、散乱光、反射光、回折光、および透過光のうちの、少なくともいずれか１つの強度もしくは強度分布を検出する。散乱光にはラマン散乱光も含み得る。
【００６２】
なお、被処理基板７の基板が透明な場合には、当該基板の裏側から非単結晶半導体薄膜にレーザを照射してもよい。また、レーザ走査は複数回行ってもよい。さらに、結晶化用ビームＬ１を少しずつ重ねながら全面の結晶改質を行っても、必要な部分だけ結晶改質を行ってもよい。
【００６３】
このＣＷレーザの照射により、非単結晶半導体薄膜中が多結晶化して、多結晶半導体薄膜が得られる。この多結晶半導体薄膜中の結晶は、従来のエキシマレーザによるパルス状の照射により得られる結晶の１０〜１００倍の大きさであり、レーザ走査方向に細長い流線形の結晶となり、結晶粒径を５μｍ以上とすることができる。
【００６４】
次に、図２を用いて、このようにして形成した多結晶半導体薄膜によりＴＦＴを作成する工程について説明する。
【００６５】
結晶化が終了した後の被処理基板７は、基板２１、下地保護膜２２、および、島状の多結晶半導体薄膜２３が順に積層された構成であるが、図２（ａ）に示すように、この多結晶半導体薄膜２３を、さらに所望のＴＦＴの形状にパターニングする。このとき、多結晶半導体中の結晶の長軸方向が電流の流れる方向となるようにすることが好ましい。
【００６６】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板上側全面に、ゲート絶縁膜２４、例えばＳｉＯ2 膜を、約２００ｎｍ又はそれ以下の厚さに形成し、このゲート絶縁膜２４によって多結晶半導体薄膜２３を覆う。その後、ゲート絶縁膜２４の上に、導電膜２５、例えばアルミニウム膜を、３００ｎｍの厚さに形成する。そして、フォトレジストを使用して、導電膜２５の上に、所望のゲート電極形状のレジストパターン２６を形成する。
【００６７】
次に、図２（ｃ）に示すように、レジストパターン２６をマスクにして導電膜２５をエッチングすることにより、ゲート電極２５ａを形成する。その後、レジストパターン２６を除去する。
【００６８】
次に、図２（ｄ）に示すように、ゲート電極２５ａをマスクとしてゲート絶縁膜２４をパターニングし、ゲート電極２５ａの下以外の部分のゲート絶縁膜２４を除去する。
【００６９】
その後、図２（ｅ）に示すように、ゲート電極２５ａをマスクとして多結晶半導体薄膜２３に、例えばｎ型不純物としてＰ（リン）を、加速エネルギーが例えば１０ｋｅＶ、ドーズ量が４×１０13ｃｍ-2の条件でイオンドープし、ソース・ドレイン領域２３ａ・２３ａを形成する。更に、４００℃〜６００℃の熱アニール、あるいはランプアニール、あるいはレーザアニールなどによりソース・ドレイン領域２３ａの不純物を活性化させる。
【００７０】
次に、図２（ｆ）に示すように、ＣＶＤ法により、基板の上側全面に、層間絶縁膜２７として、酸化シリコン膜、あるいは、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を２００ｎｍ〜９００ｎｍの厚さに形成する。
【００７１】
次いで、図２（ｇ）に示すように、層間絶縁膜２７に、ソース・ドレイン領域２３ａ・２３ａに通じるコンタクトホール２８・２８を形成した後、スパッタ法により、基板の上側全面に金属膜２９を形成する。
【００７２】
その後、図２（ｈ）に示すように、フォトリソグラフィ法により金属膜２９をパターニングして、ソース・ドレイン電極２９ａ・２９ａを形成する。このようにして、ＴＦＴ３０が完成する。
【００７３】
本実施形態によれば、光源から出射された光を２つ以上のビームに分割し、そのうちの少なくとも１つのビームを膜改質光として基板上に形成された半導体膜に照射して結晶性を改質する一方、膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光として半導体膜に照射して応答内容を検出することにより半導体膜の改質状態を評価する。
【００７４】
従って、膜改質光と検査光とを同じ光源で生成するので、従来のように光源を膜改質光と検査光とに別々に設ける必要がない。結晶化と検査とを同一装置内で行うことにより、薄膜トランジスタ、液晶表示装置や有機ＥＬなどのアクティブマトリクス型表示装置の製造装置コストの抑制、製造・検査時間の短縮、歩留の向上を達成することができる。
【００７５】
以上により、光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うとともに、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる半導体膜の製造方法を実現することができる。
【００７６】
また、本実施形態によれば、光源（レーザ発振器２）と、前記光源から出射された光（ビームＬ）を２つ以上のビーム（結晶化用ビームＬ１、検査用ビームＬ２）に分割する光学系である分割光学系（ビームスプリッター３）と、前記２つ以上のビームのうちの少なくとも１つを膜改質光（結晶化用ビームＬ１）として基板（基板２１、あるいは、下地保護膜２２が形成された基板２１）上に形成された膜（非単結晶半導体薄膜）に照射して前記膜を改質する光学系である改質光学系（改質光学系Ｏ１）と、前記２つ以上のビームのうちの、前記膜改質光以外の少なくとも１つのビームを検査光（検査用ビームＬ２）として前記膜に照射する光学系である検査光学系（検査光学系Ｏ２）と、前記膜から得られる前記検査光の照射の応答内容を検出する部品（検出器１５）とを含む光アニール装置（レーザアニール装置１）が提供される。
【００７７】
従って、光アニールおよび当該光アニールにより得られる膜質の評価を行うのに用いられ、装置のコスト抑制および構成簡略化を図ることができる光アニール装置を実現することができる。
【００７８】
なお、上記光源として、ランプアニールに用いられるフラッシュランプなどのランプ光源を用いることもできる。ランプ光のビームを細く絞りたいときにはコリメート処理を施せばよい。
【００７９】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬなどの画像表示装置、および、基板上に表示装置、駆動回路、メモリ、ＣＰＵなどが集積されたシステム・オン・パネルや、イメージセンサなどに用いられる結晶性半導体薄膜を製造するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、光アニール装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）ないし（ｈ）は、図１の光アニール装置によって結晶性を改質した半導体膜を用いてＴＦＴを製造する工程を示すフロー図である。
【図３】従来技術を示すものであり、レーザアニール装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
１            レーザアニール装置（光アニール装置）
２            レーザ発振器（光源、レーザ光源）
１５          検出器（部品）
２１          基板
２３          多結晶半導体薄膜（（製造された）半導体膜）
Ｏ１          改質光学系
Ｏ２          検査光学系
【図１】
2009182147.tif 000003
【図２】
2009182147.tif 000004
【図３】
2009182147.tif 000005