[发明专利]形成晶体性半导体膜的方法

说明书

本发明涉及一种晶体性半导体膜的形成方法，和利用这些晶体性半导体膜的薄膜晶体管、有源阵列型液晶装置及太阳能电池的制造方法。

多晶硅等的半导体膜，正广泛利用于薄膜晶体管(在本说明书中，以下称为TFT)和太阳能电池。这些半导体装置的性能，强烈地依赖于构成该半导体装置有源区的半导体膜好坏。不言而喻，如能获得高质量的半导体膜，随之就可获得高性能的半导体装置。例如，可以获得用于液晶显示装置等多晶硅薄膜晶体管(Poly-Si TFT)中的优良多晶硅(poly-Si)膜质有较高开关工作速度的良好TFT。并且，若光吸收效率无显著不同，可获得用结晶率高的半导体膜的较高能量转换效率的太阳能电池。在很多的工业领域范围正强烈需要这种高质量晶体性半导体膜。

然而，形成这种高质量半导体膜一般相当困难，而且存在很多限制。在TFT领域，在工艺最高温度约1000℃的高温处理下制成晶体管并形成迁移率比较高的多晶硅膜。因而，对可制成半导体膜或半导体装置的基板，受该基板能经受高温热过程的耐热性制约。而且最近的poly-Si TFT全部都在价格昂贵的小石英玻璃基板上制成。同样理由，通常把非晶质硅(α-Si)用于太阳能电池。

以这样的情况作为背景，正进行各种研究在尽可能的低温下形成高质量半导体膜的方法。作为第一种方法就是固相生长法。该方法是在基板上形成α-Si膜后，在温度约600C下对该硅膜进行约十个小时以上的热处理，把以前的α-Si膜改质为poly-Si膜。作为第二种方法，可以认为是激光结晶法。就该方法来说，首先淀积α-Si膜，然后把激光照射到α-Si膜上而进行硅膜结晶化。

然而，现有技术的第一种方法(固相生长法)，必须进行十多小时的长时间热处理，存在生产性极差的那样的问题。并且，在该方法中，由于长时间加热整个基板而引起，基板热变形成为大问题，就发生实际上不能使用便宜的大型玻璃基板的问题。对现有技术的第二种方法(激光结晶法)来说，如激光照射能量低，就不能进行结晶，另一方面，如能量高，又损伤到半导体膜，就存在任何照射条件下也不能满足进行膜高质量结晶化的问题。进而还知道，每次激光照射的结晶性有离散大的问题。其结果，即使使这种半导体膜适用于TFT，也不能得到良好的晶体管特性。

在这里，让我们研究把现有技术的第二种方法(激光结晶法)和第一种方法的变形(炉热处理)进行组合的第三种方法。这是进行半导体膜激光结晶化后，将热处理温度设定在比固相生长法低(从约450℃到约550℃)，而且对半导体膜施行热处理，其处理时间也缩短了(从1小时到5小时)。然而这种方法，本质上仍带有第一种方法同样的问题。就是，即使将热处理温度降到约450C，也因为约需要连续进行几小时以上的热处理，所以生产性依然恶劣，而基板的热变形仍不能忽视。

因此，本发明旨在解决上述各问题，其目的在于提供一种对基板不会施加大的热应力，且具有高生产性并形成高质量晶体性半导体膜的方法，以及利用该方法，制造高性能薄膜晶体管或太阳能电池的方法。

为解决上述问题，本发明，在基板上形成结晶性半导体膜的方法中，其特征在于，具有：在基板上淀积半导体膜的半导体膜淀积工艺、反复进行使该半导体膜的一部分熔融结晶化处理而使该半导体膜结晶的第1退火工艺、以及对该已结晶半导体膜施行快速热处理(rapidthermal anneal)的第2退火工艺。这时，把上述第2退火工艺的热处理温度表示为绝对温度T[K]，设热处理时间为t时，则热处理温度T与热处理时间t，其特征在于满足关系式：

1.72×10^-21[秒]＜t·exp(-ε/kT)

(ε＝3.01[eV]、k＝8.617×10^-5[eV/K]：波尔兹曼常数)或者，其特征在于满足关系式：

5×10^-18[秒]＜t·exp(-ε/kT)或者，其特征在于满足关系式：

1.72×10^-21[秒]＜t·exp(-ε/kT)＜4.63×10^-14[秒]或者，其特征在于满足关系式：

5×10^-18[秒]＜t·exp(-ε/kT)＜4.63×10^-14[秒]或者，其特征在于满足关系式：

1.72×10^-21[秒]＜t·exp(-ε/kT)＜1.09×10^-15[秒]或者，其特征在于满足关系式：