JP2005032831A - Crystallization method, crystallization equipment, tft, and display device - Google Patents

Crystallization method, crystallization equipment, tft, and display device Download PDF

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JP2005032831A JP2003193779A JP2003193779A JP2005032831A JP 2005032831 A JP2005032831 A JP 2005032831A JP 2003193779 A JP2003193779 A JP 2003193779A JP 2003193779 A JP2003193779 A JP 2003193779A JP 2005032831 A JP2005032831 A JP 2005032831A
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Masakiyo Matsumura
正清 松村
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嘉伸 木村
Masahito Hiramatsu
雅人 平松
Yukio Taniguchi
幸夫 谷口
Hiroyuki Ogawa
裕之 小川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystallization method wherein laser beam having intensity and distribution which are optimized on a plane of incidence of a substrate is designed, and desired crystallization organization can be formed while restraining generation of the other organization region which is not desirable, and to provide crystallization equipment, a TFT and a display device. <P>SOLUTION: When a non-single crystal semiconductor thin film is irradiated with laser beam and crystallized, irradiation light to the non-single crystal semiconductor thin film has intensity distribution which repeats monotonous increase and monotonous falloff periodically, and has intensity by which the non-single crystal semiconductor thin film is melted. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶半導体薄膜の表層部分に電界効果トランジスタを製造する技術および電界効果トランジスタを製造するための単結晶および多結晶半導体薄膜基板ならびに電界効果トランジスタを組み込んだ液晶表示装置や情報処理装置等の電子装置の製造に適した結晶化方法、結晶化装置、薄膜トランジスタ及び表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在の液晶ディスプレイの表示方式として、個々の画素をスイッチングするアクティブマトリックス方式がある。画素スイッチング素子には、非晶質シリコン薄膜トランジスタ(a−SiTFT)が主に用いられている。
【0003】
液晶ディスプレイ(LCD)の技術開発において、▲1▼高精細化、▲2▼高開口率化、▲3▼軽量化、▲4▼低コスト化などを目標として鋭意研究が進められている。これらの性能を実現するために、多結晶半導体薄膜トランジスタ(poly−SiTFT)を用いた技術が注目されている。Poly−SiTFTは、a−SiTFTに比べて、移動度が2桁以上高いため、素子サイズを小さくすることができ、また集積回路を形成することもできることから、LCDに駆動回路や演算回路も搭載することが可能性である。
【0004】
従来技術によるエキシマレーザ結晶化法による多結晶半導体薄膜トランジスタの製造方法について図12を参照して説明する。図12の(a)に示すように、ガラス基板101の上に下地保護膜(例えばSiO膜、SiN膜、およびSiN/SiO積層膜など)102および非晶質シリコン薄膜103を堆積する。次に図12の(b)に示すように、光学系により四角形状もしくは長尺状にビーム整形されたエキシマレーザ(XeClやKrFなど)104で、非晶質シリコン薄膜の表面を照射すると、非晶質シリコン薄膜103は、エキシマレーザ104の照射加熱により、50〜100ナノ秒の極短時間における溶融凝固の過程を経て、非晶質構造から多結晶構造に変換される。非晶質シリコン膜103の表面全体をエキシマレーザ104で矢印105の方向に走査加熱すると、図12の(c)に示すような多結晶シリコン薄膜106が形成される。
【0005】
以上のプロセスはエキシマレーザ結晶化技術(Excimer Laser Annealing;以下、ELA法)と呼ばれている。ELA法はガラスなどの低融点材料の基板上に高品質な多結晶シリコン薄膜を作製する際に用いられる。これらに関しては、例えば非特許文献1に詳しい。
【0006】
図12の(c)の多結晶シリコン薄膜106を用いて作製したものが、図12の(d)に示す薄膜トランジスタである。このTFTの多結晶シリコン薄膜106の上部には、成膜によりSiO膜などのゲート絶縁膜107が設けられている。さらにソース不純物注入領域108、ドレイン不純物注入領域109が設けられている。ソース、ドレイン領域、およびゲート絶縁膜上にゲート電極110を設け、保護膜111を成膜し、ソース電極113、ドレイン電極114を形成する。以上により、ゲート電極の電圧によって、ソースとドレイン間の電流を制御できるTFTが完成する。
【0007】
さらにTFTの性能を向上させるために、ELA法を発展させた方法として、多結晶シリコンを単結晶化する技術の「位相変調エキシマレーザ結晶化法」が報告されている。位相変調エキシマレーザ結晶化法においては、図2の(a)に示すビームプロファイルAおよび図2の(c)に示すビームプロファイルBを制御することによって、位置制御された横方向成長Si結晶粒r1および結晶粒r2を形成することが可能である。このような位相変調エキシマレーザ結晶化法に関する論文には、例えば非特許文献2がある。位相変調エキシマレーザ結晶化法では、制御されたビームプロファイルを利用して横方向成長Si結晶粒の形成を促す。従来のELA法において、ビームプロファイルと結晶化組織の相関性に関して、例えば非特許文献3があるが、ビームプロファイルは制御されていないので大きな違いがある。
【0008】
【非特許文献1】
日経マイクロデバイス別冊フラットパネルディスプレイ1999(日経BP社、1998年、pp.132−139)
【0009】
【非特許文献2】
The Ninth International Display Workshops (IDW’02) Proceedings pp. 263−266
【0010】
【非特許文献3】
Journal of Applied Physics Vol.88 No9 1Nov 2000 pp. 4994−4999
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の位相変調エキシマレーザ結晶化法を用いてシリコン膜を結晶化すると、図2の(d)に示すように横方向成長Si結晶粒r2のほかに、その周縁に多結晶粒r3が生成され、中央に微結晶粒r4が生成され、さらには結晶粒破壊領域r5を生じることがある。この理由は、光強度分布が最適化されていないからである。
【0012】
実際に位相変調エキシマレーザ結晶化法で結晶化された組織を観察してみると、大粒径の単結晶化領域r2はできているが、同時に好ましくない他の組織r4,r5が発生していた。
【0013】
また、位相変調レーザ結晶化法で結晶化した組織を観察した場合も同様に、大粒径の単結晶シリコン領域r2はできているが、その周辺に結晶粒破壊領域r5や微結晶領域r4が発生していた。
【0014】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、基板の入射面上で最適化された光強度と分布をもつレーザ光を設計し、他の好ましくない組織領域の発生を抑制しつつ所望の結晶化組織を形成することができる結晶化方法、結晶化装置、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成した。あらかじめ、横方向成長を開始するレーザ光強極度JL、および投入可能な光強度JBをそれぞれ調べておく。基板表面と同一面でビームプロファイルを計測し、ビームプロファイルを最小のレーザ強度がJL以上となり、最大レーザ光強度がJB未満となる、単調増加および単調減少となるような波形、例えば三角波とする。このとき、JLとなる位置が結晶化開始位置となるので、結晶位置を規定することが出来る。
【0016】
本発明に係る結晶化方法は、非単結晶半導体薄膜の照射領域において所定の間隔で単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布を有するレーザ光を該非単結晶半導体薄膜に照射する際に、前記光強度分布は、前記非単結晶半導体薄膜を溶融させて横方向に成長させる光強度と等しいか又はそれを上回る光強度を最小値とし、かつ、前記横方向成長結晶粒に破壊を生じる光強度を下回る光強度を最大値とすることを特徴とする。このような光強度分布をもつレーザ光を照射することにより、結晶粒は壊されることなく安定に横方向(ラテラル)成長し、薄膜トランジスタに適した大きさの揃った大結晶粒組織となる(図3の領域3)。
【0017】
また、光強度分布の最小値は、非単結晶半導体薄膜が溶融することを特徴とする。このような光強度分布をもつレーザ光を照射することにより、非単結晶半導体薄膜の組織はすべて結晶化して多結晶組織となる(図3の領域2)
また、光強度分布の最大値は、横方向成長結晶粒に破壊を生じる光強度を下回る光強度範囲で、光強度分布の最小値は非単結晶半導体薄膜が溶融する光強度を下回ることを特徴とする。このような光強度分布をもつレーザ光を照射することにより、多結晶組織と非晶質組織との比率を自在に変えることが可能となる(図3の領域1と領域2)。
【0018】
光強度の最大値および最小値は、少なくとも非単結晶半導体薄膜の膜厚および温度の条件に応じてそれぞれ設定される。例えば基板温度500℃の条件では図9の(b)に示すビームプロファイルBPに設定することができる。なお、図9の(b)に示すビームプロファイルBPは縦軸の光強度が規格化された無次元の指数である。この規格化された光強度指数は実際の単位(J/cm)をもつレーザフルエンスに換算することができる。例えば光強度指数に平均レーザフルエンス(J/cm)を掛ければ、それぞれの位置におけるレーザフルエンス(J/cm)に換算できる。
【0019】
本発明に係る結晶化装置は、非単結晶半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化する装置であって、レーザ光源と、前記非単結晶半導体薄膜を有する基板が載置される載置台と、前記レーザ光源と基板との間に挿入され、基板の入射面における光強度分布を変調する空間強度変調光学素子と、レーザ光を用いて前記基板の入射面におけるレーザ光の強度と分布を測定する(ビームプロファイル測定機)手段と、予め目標とするレーザ光の強度と分布を設定する際に、照射領域において所定の間隔で単調増加および単調減少を周期的に繰り返し、かつ、光強度分布の最小値は、前記非単結晶半導体薄膜が溶融する光強度を上回る値とし、かつ、前記横方向成長結晶粒に破壊を生じる光強度を下回る光強度を最大値とする光強度分布を設計する手段と、測定した光強度と分布が前記設定目標と一致するように、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記基板の入射面に導く手段と、を具備することを特徴とする。
【0020】
前記測定手段は、前記参照光が入射する入射面に蛍光板を有し、該蛍光板を前記基板の入射面と実質的に同一平面に配置して測定することが望ましい。
【0021】
空間強度変調光学素子は、位相シフタを含む均一化光学系であることが好ましい。均一化光学系は、小レンズ対を備えたホモジナイザおよび複数組のコンデンサレンズなどの光学部品で構成されるものである。なお、空間強度変調光学素子として、半導体デバイスのフォトリソグラフィプロセスの露光に用いられる位相シフトマスクを用いるようにしてもよい。
【0022】
ここで「レーザフルエンス」とは、レーザのエネルギ密度を表わす光強度の尺度をいい、単位面積当たりのエネルギ量を単位時間当たり積分したものをいう。
【0023】
また、「ビームプロファイル」とは、結晶化対象膜に入射されるレーザ光の二次元の光強度分布をいう。なお、プロファイラ(ビームプロファイル測定部)に入射する参照光は、レーザアニールに使用する光源と同一であるが、結晶化対象膜に入射されるレーザの光強度と同じにする必要はなく、規格化するために必要な光強度でもよい。
【0024】
また、「予め設定した目標の光強度と分布」とは、後述する実証試験により、非晶質の半導体薄膜が溶融してラテラル結晶成長すること、結晶化した膜が熱収縮により破壊されないことが確認されたレーザ光の強度(レーザフルエンス)と分布(ビームプロファイル)をいうものとする。
【0025】
図3は縦軸横軸を無次元化して半導体(例えばシリコン)の温度/光強度/組織の定性的な関係を示す状態図である。図中にて特性線JCは非晶質膜(又は非晶質と微細結晶粒とが混在する混合膜)が結晶化(再結晶化)するか否かの境界(結晶化の境界)を、特性線JLは結晶粒が横方向に成長するか否かの境界(ラテラル成長の境界)を、特性線JBは成長した結晶粒が最終的に壊れるか否かの境界(結晶粒破壊の境界)をそれぞれ示す。
【0026】
特性線JCより下方の領域1では、非晶質膜または非晶質中に微細な結晶粒が混在する混合膜の物理的な状態は変化しない。
特性線JC−JL間の領域2では、非晶質膜は結晶化(混合膜は再結晶化)するがラテラル成長しない。
特性線JL−JB間の領域3では、結晶粒が壊れることなく安定にラテラル成長する。
特性線JBより上方の領域4では、結晶粒の成長中または成長後において各種の応力を受けて膜(結晶構造)が破壊される(膜破壊領域)。
【0027】
ここで「膜破壊」とは、広義には膜を構成する規則的な構造(膜構造)が壊れることをいい、狭義には結晶粒が横方向にラテラル成長するときに生じる応力によりキャップ膜が壊されること、あるいはラテラル成長時の発生応力により結晶化対象膜が壊されること、あるいはキャップ膜や結晶化対象膜のなかに含有される水素に起因して結晶粒内または結晶粒界に割れ等の欠陥を生じることをいうものとする。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0029】
図1に、本発明を実施したレーザ結晶化装置の概略図を示す。レーザ結晶化装置はレーザ光源1の光軸aの始端にアッテネータ(減衰器)2とビームプロファイル変調部3を配置し、ミラー4を経由して終端に半導体基板5を設置する。また、半導体基板5にビームプロファイル測定部6を並設し、半導体基板5とビームプロファイル測定部6を移動ステージ7に固定する。
【0030】
また、制御用のパソコン8を設置して入力側にビームプロファイル測定部6を接続し、出力側にアッテネータ2、ビームプロファイル変調部3、移動ステージ7の制御系をそれぞれ接続する。
【0031】
アッテネータ2は、誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザ光の強度(パワー)を光学的に変調するもので、図示しないセンサ、モータ、制御系を備える。
【0032】
ビームプロファイル変調部3は、レーザ光の空間的な強度分布を変調するもので、位相シフタ31と均一化光学系32で構成する。位相シフタ31は、例えば、マスクパターンを通過する光の位相を交互に0、πとずらすことにより、位相シフト部において光強度が極小となる逆ピークパターンを発生し、この逆ピークパターンにより半導体基板5上において最初に凝固する領域(結晶核)を位置制御し、そこから周囲に結晶を横方向に成長させる(ラテラル成長)ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。このとき、位相シフタの形状や半導体基板5との距離、レーザ光の角度分布などにより、所望のビームプロファイルを設定する。位相シフタ31は、また、マスクパターンの交換や光軸方向の位置合わせのための図示しないセンサ、アクチュエータ、制御系を備える。
【0033】
均一化光学系32は、本発明者らが先に出願した特願2003−110861の明細書等に詳しく開示してあり、小レンズ対を備えたホモジナイザおよび複数組のコンデンサレンズなどの光学部品で構成されている。この均一化光学系32の焦点位置からデフォーカスした位置に半導体基板5を保持してレーザ光50を照射する。このときのマスクパターンとデフォーカス量により逆ピークパターンの形状と幅を制御する。逆ピークパターンの幅は、位相シフタ31と半導体基板5間のギャップdの1/2乗に比例して拡大する。
【0034】
ビームプロファイル測定部6は、紫外光のエキシマレーザを蛍光板61に受光して可視光に変換し、ミラー62に反射した可視光をCCD63に受光してレーザ光の強度とビームプロファイルを同時に測定する。レーザ光の強度は、半導体ノーワーメータなどを用いて別々に測定してもよい。また、紫外光のエキシマレーザを直接CCD63に受光してもよい。
【0035】
蛍光板61は、半導体基板5と同一平面上ある心は平行平面上に設置する。蛍光板61を段差のある平行平面上に設置する場合は、移動ステージ7を上下して蛍光板61を半導体基板5と同じ高さに位置付けて測定する。これにより、基板面におけるレーザ光のビームプロファイルを実際の照射時と同条件で測定できるようにする。
【0036】
CCD63で受光した画像は、コンピュータ8に入力して任意の走査線でスライスし、画像信号の強度分布からレーザ光の強度とビームプロファイルを測定する。
【0037】
そして、測定した強度とあらかじめ設定した目標の強度を比較して操作量を計算し、アッテネータ2に操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ2の角度を調節する。
【0038】
また、測定したビームプロファイルとあらかじめ設定した目標のビームプロファイルを比較して操作量を計算し、ビームプロファイル変調部3と移動ステージ7に操作信号を出力して測定したビームプロファイルが目標のビームプロファイルになるようにフィードバックしながら位相シフタ31の位置と移動ステージ7の高さを調節する。
【0039】
移動ステージ7は、前後、左右、上下の3次元方向に移動が可能であり、面内方向や光軸方向の位置合わせのための図示しないセンサ、アクチュエータ、制御系を備えている。この移動ステージ7によりビームプロファイル測定部6はレーザ光照射位置に移動されて位置決めされ、レーザ光を基板に照射する前に予めレーザ光の強度とビームプロファイルが測定されるようになっている。
【0040】
本発明を実施したレーザ結晶化装置は以上のような構成で、レーザ結晶化工程は、最初に移動ステージ7を面内方向に移動してレーザ光源1の光軸aの先端をビームプロファイル測定部6の蛍光板61に位置付け、レーザ光を照射してその強度とビームプロファイルを測定する。
【0041】
次に、測定した強度とビームプロファイルがあらかじめ設定した目標と一致するようにアッテネータ2の角度、位相シフタ31の位置、移動ステージ7の高さをそれぞれ位置合わせする。次に、移動ステージ7を面内方向に移動して今度は光軸aの先端を半導体基板5の所定の結晶領域に位置付け、ギャップdに設定し、あらかじめ設定した強度とビームプロファイルのレーザ光を照射する。
【0042】
以上の測定、位置合わせ、照射を繰り返して同一基板内にTFTのサイズは異なるがチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Naが一定の結晶領域を同時に作り分ける。測定、位置合わせ、照射はこのように交互に行うのではなく、最初にすべての測定を行って位置合わせに必要な操作量を求め、次に結晶領域毎に位置合わせと照射を平行して行うようにしてもよい。
【0043】
【実施例】
まず基板の準備として、図4(a)に示すように、絶縁体基板5(例えばコーニング1737ガラス、溶融石英、サファイア、プラスチック、ポリイミドなど)の表面に第一薄膜102(例えばテトラエチルオルソシリケート(TEOS)、とOのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚300nmのSiO膜、もしくはSiN/SiO積層膜アルミナ、マイカなど)、第一薄膜102の表面に、第二薄膜の非晶質半導体薄膜103(例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚200nmの非晶質Si、非晶質SiGeなど)を成膜する。その上にテトラエチルオルソシリケート(TEOS)とOのプラズマ化学気相成長により、成膜ゲート絶縁膜として例えば膜厚200nmのSiO膜107を成膜する。次に薄膜の脱水素処理を行う(例えば窒素雰囲気で600℃、1時間の加熱処理)。この結晶化用基板で以下の点を調査し、好適なビームプロファイルとなるように調整する。
【0044】
(i)使用する結晶化用基板で、横方向成長の生じるレーザ光強度JLを調査する。
【0045】
(ii)使用する結晶化用基板で、結晶粒の破壊の生じるレーザ光強度JBを調査する。
【0046】
(iii)レーザ光強度の分布は、結晶化開始点としたい位置のレーザ光強度JをJB>J≧JLとし、最大レーザ光強度に向かって単調増加のレーザ強度分布となるようにする。
【0047】
最大レーザ光強度は、JB未満となるようにする。これを満たすような結晶化を行うことで、結晶粒破壊領域と微結晶領域の生じない結晶化が行うことが可能となる。
【0048】
(実証試験)
上記の基板を用いて具体的に実験を行ったところ図6に示すような結果が得られた。図6は横軸に基板温度(℃)をとり、縦軸にレーザフルエンス(相対値)をとって、シリコン薄膜における温度/光強度/組織の定量的な関係を調べた結果を示す状態図である。図から明らかなように、例えば500℃においては、ラテラル成長開始強度JLは相対値で20〜30%(例えば0.4〜0.6J/cmの換算強度に相当)膜破壊発生強度JBは相対値で20〜60%(例えば0.8〜1.2J/cmの換算強度に相当)であった。従って、各基板温度において、網目領域内のレーザ光強度の設定を上記(iii)の条件(JBとJLは網目の内部のレーザ光強度)で照射すればよいことが明らかになった。
【0049】
次に、図1のレーザ結晶化装置を用いてレーザ結晶化を行う。レーザ光源1は、例えばKrFエキシマレーザなどのパルス発振の高エネルギーレーザを用いる。
【0050】
レーザ光源1から発したレーザ光は、パワーおよびビームプロファイルを変調可能なアッテネータ2とビームプロファイル変調部3を透過する。その結果、パワーとビームプロファイルが変調される。その後移動ステージ7へ到達する。移動ステージ7には、半導体基板5が配置されている。レーザ結晶化は、変調されたレーザ光を半導体基板5に照射することで行う。移動ステージ7にはビームプロファイルを測定可能でパワーメータとしても使用可能な、ビームプロファイル測定部6を設置している。この装置は測定用のパーソナルコンピュータ8と連動し、好適なビービームプロファイルを持つように移動ステージ7高さz、パワーおよびビームプロファイルを変調可能な光学系のパラメータ(例えばアッテネータ2の角度と位相シフタ31の位置、ギャップdなど)を設定する。
【0051】
図9の(b)のビームプロファイルBPは、大結晶粒径結晶領域の形成可能なビームプロファイルである。このビームプロファイルBPは、前述の測定用のパソコン8と連動したシステムで条件設定を行う。その結果得られた組織の走査型電子顕微鏡写真を図9の(c)に示す。この場合では、TFTを作製するために必要なプロファイルは、ギャップd=60μmで平均のレーザ光強度Jを0.8J/cm、JL=0.5J/cm、JB=0.9J/cmとすれば良いことが明らかになった。
【0052】
これらの方法で作製された結晶領域は、パターニングを行い、以下のプロセスを行う。
図4の(b)に示すように、ゲート絶縁膜107の上にゲート電極110(例えば高濃度リンドーブポリシリコン、W、TiW、WSi、MoSi)を設ける。ゲート電極110をマスクにして、イオン注入を行って、ソース領域103b、ドレイン領域103cをそれぞれ形成する。例えばイオン注入は、N型TFTであれば、p+を1015cm−2オーダで注入し、p型TFTでは、BF2+を1015cm−2オーダで注入する。その後、電気炉内で窒素をキャリアガスとして、500℃から600℃で約1時間のアニールを行い不純物の活性化を行う。また、ラピッドサーマルアニーリング(RTA)で700℃×1分間だけ加熱するようにしてもよい。これらソース領域103bおよびドレイン領域103cの間には上述の方法で結晶化されたチャネル領域103aが存在する。
【0053】
最後に、層間絶縁膜111を成膜し、コンタクト穴を形成し、コンタクト穴をメタルCVD成膜法で金属を充填し、ソース電極113とドレイン電極114をそれぞれ形成する。ソース電極113とドレイン電極114の材料には例えばAl/TINを用いる。
【0054】
図7の(a)は、横軸にレーザ光軸aからの距離(μm)をとり、縦軸に規格化されたレーザ強度指数(無単位)をとって、ホモジナイザによるマルチビームがつくるプロファイルを示す特性線図である。縦軸の規格化された強度指数は、結晶化の目安となるパラメータであり、これらを平均化すると1.0に収束する。なお、図7の(a)では強度指数が1.0のところは0.2J/cmのレーザフルエンスに相当し、これに係数0.95を掛けると多結晶化する臨界光強度の0.19J/cmが求まる。
【0055】
図中にて特性線E(細線)はシミュレーション結果を、特性線F(太線)は実測結果をそれぞれ示す。実測結果とシミュレーション結果とは、有限個数のビームに起因する高い空間周波数成分を除いて、良い一致が得られた。
【0056】
図7の(b)は低い平均光強度条件で結晶化した膜モフォロジである。試料は基板温度500℃で、300nm厚SiOキャップ膜/200nm厚a−Si膜/1000nm厚SiO膜/Si構造である。多結晶化が生じた箇所(低い部分)は局所的な高光強度の箇所であり、局所的な低光強度の箇所(黒い部分)は結晶化しなかった領域である。黒い部分は、図7の(a)の特性線Eに0.19J/cmで示した線(強度指数0.95)を下回る位置と良く一致した。多結晶化の生じる臨界光強度は約0.19J/cmであって、この値は均一照射の場合と同じであった。なお、高平均光強度の実験から横方向結晶化の開始と膜不全となる臨界光強度は、それぞれ0.5J/cm、0.9J/cmであることが判明した。さらに、単ショットで成長できる距離が約7ミクロンであることも判明した。
【0057】
図8の(a)は、横軸にレーザ光軸aからの距離(μm)をとり、縦軸に規格化されたレーザ強度指数(無単位)をとって、結晶化したSiがラテラル成長するか否か、また過大な収縮力のためにラテラル成長した結晶膜が破壊するか否かについてレーザフルエンスとの関係を示した特性線図である。図中の特性線Pはラテラル成長の臨界線であり、これより上方の領域ではSi結晶がラテラル成長し、これより下方の領域ではラテラル成長しない。特性線Qは膜破壊の臨界線であり、これより上方の領域ではSi結晶膜が過大な収縮により破壊され、これより下方の領域ではSi結晶膜は破壊されない。両特性線P,Qの指数に係数を掛けたレーザフルエンス換算値は、それぞれ約0.5J/cmと約0.9J/cmであった。特性線Rはレーザ光強度のビームプロファイルである。特性線Rが両特性線P,Qで挟まれた領域にある場合は、膜破壊を生じることなく、安定にラテラル成長する。
【0058】
図8の(b)はラテラル成長過程におけるSi薄膜のSEM像である。レーザ光軸aから片側10μm弱の範囲までにラテラル成長したSi結晶が見られる。しかし、レーザ光軸aから10μm以上の領域ではレーザ強度のバラツキが大きく、膜破壊した組織(図中に点在する白い塊り)がみられる。また、レーザ光軸aの近傍領域はレーザフルエンスの強度不足により結晶化しないで非晶質のままの状態であり、この領域はラテラル成長していない。
【0059】
上記の実験結果を用いて、高充填率で大結晶粒(平均径5ミクロン)を形成できる光学系を求めた。得られた光強度分布と膜モフォロジを図9の(b)(c)にそれぞれ示す。図9の(b)の縦軸は規格化されたレーザ強度(無単位)を示し、結晶化の目安となるパラメータである。これらを平均化すると1.0に収束する。図9の(b)のビームプロファイルBPでは、光強度の最大値を1.4とし、光強度の最小値を0.7とし、5μmの等ピッチ間隔で単調に減少と増加を繰り返すパターンとした。
【0060】
図9の(c)はレーザ照射(J=0.76mJ/cm)領域における繰り返しパターンの一部を拡大して示すSEM像(20μm×20μm)である。レーザ光軸aから片側5μmまでSi結晶粒が安定にラテラル成長していることを観察できた。これから照射領域全面(0.24mm×0.24mm)に高充填率で5μm程度の大結晶粒が均一に形成できた。
【0061】
本発明のビームプロファイルBPには、図5(a)に示す正弦波状波形および図9(c)に示す三角形状波形の他に、種々の波形を採用することができる。例えば、図10(a)に示す山状波の連続波でもよく、図10(b)に示す谷状波の連続波形でもよく、図10(c)に示す鋸歯状波形、図10(d)に示す比較的大きい振幅の大三角形状波形と比較的小さい振幅の小三角形状波形とが交互に繰り返される混在三角形波形でもよく、図10(d)に示す山状の包絡線に沿ってギザギザの三角形状波が重畳した波形でもよく、図10(f)に示す2つのピークをもつツインピーク波形でもよい。このように本発明のビームプロファイルBPは単調増加波形部と単調減少波形を有するV字状波部あるいはU字状波の連続波であれば様々な変形波形を用いることができる。
【0062】
なお、図5(a)に示す正弦波状波形、図9(c)に示す三角形状波形、図10(a)に示す山状波の連続波、図10(b)に示す谷状波の連続波などは、同一振幅、同一周期の単調増加し、単調に減少する照射光である。また、図5(a)に示す正弦波状波形、図9(c)に示す三角形状波形、図10(a)に示す山状波の連続波、図10(b)に示す谷状波の連続波などは、左右対称の波形である。
【0063】
図9(c)に示す三角形状波、図10(c)、(d)、(e)、(f)に示す波形の単調増加および単調減少する光強度分布の波形は、直線状であり、三角形状である。
【0064】
大粒径の結晶化粒を得るには、V字状波、U字状波の連続波のいずれにおいても、単調増加波形から単調減少波形との切換え部は、勾配を有する波形であることが重要である。切換え部に平坦な波形が存在するとその部分で、結晶粒が破壊してしまったり、横方向の結晶化が停止したりする。また、大粒径の結晶化粒を得るには、V字状波、U字状波の連続波のいずれにおいても、単調減少波形から単調増加波形との切換え部は、勾配を有する波形であることが重要である。切換え部に平坦な波形が存在するとその部分で、多結晶粒の領域が生じてしまったり、横方向の結晶化が不十分になったりする。
【0065】
単調増加波形から単調減少波形との切換え部や単調減少波形から単調増加波形との切換え部に勾配を有するとは、切換え部に平坦な波形が存在しないことである。
【0066】
高分解能ビームプロファイラによってエキシマレーザ光の性質を抽出した。この結果、試料表面上光強度分布を設計することが可能となった。さらに、各種臨界光強度を評価して、これらの結果を総合することにより、高充填率で大結晶粒を成長させる光学系を設計した。この有効性を実験によって確認した。
【0067】
図11は、薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型表示装置の一例を示す。薄膜トランジスタ112は、図12に示す工程を経て製造される。図示のように、本表示装置120は一対の絶縁基板121,122と両者の間に保持された電気光学物質123とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質123としては液晶材料が広く用いられている。下側の絶縁基板121には画素アレイ部124と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路125と水平駆動回路126とに分かれている。
【0068】
また、絶縁基板121の周辺部上端には外部接続用の端子部127が形成されている。端子部127は配線128を介して垂直駆動回路125及び水平駆動回路126に接続している。画素アレイ部124には行状のゲート配線129と列状の信号配線130が形成されている。両配線の交差部には画素電極131とこれを駆動する薄膜トランジスタ112が形成されている。この薄膜トランジスタ112は上述の方法を用いて作製されたものである(図4参照)。薄膜トランジスタ112のゲート電極110は対応するゲート配線129に接続され、ドレイン領域103cは対応する画素電極131に接続され、ソース領域103bは対応する信号配線130に接続している。ゲート配線129は垂直駆動回路125に接続する一方、信号配線130は水平駆動回路126に接続している。
【0069】
画素電極131をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ112及び垂直駆動回路125と水平駆動回路126に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能な処理回路を集積形成することも可能である。
【0070】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の入射面上で最適化された光強度と分布をもつレーザ光を設計し、膜破壊などの他の好ましくない組織領域の発生を抑制しつつ所望の結晶化組織を形成することができる。すなわち、結晶粒は壊されることなく安定にラテラル成長し、薄膜トランジスタに適した大きさの揃った大結晶粒組織となる(図3の領域3)。
【0072】
また、本発明によれば、光強度分布を、非単結晶半導体薄膜の組織を結晶化させる光強度と等しいか又はそれを上回る光強度を最小値とし、かつ、結晶化した結晶粒を横方向に成長させる光強度を下回る光強度を最大値とすることにより、非単結晶半導体薄膜の組織はすべて結晶化して多結晶組織とすることができる(図3の領域2)。
【0073】
さらに本発明によれば、光強度分布を、横方向成長結晶粒に破壊を生じる光強度を下回る光強度範囲で、非単結晶半導体薄膜の組織を結晶化させる光強度と等しいか又はそれを上回る光強度を最大値とし、かつ、前記非単結晶半導体薄膜の組織を結晶化させる光強度を下回る光強度を最小値とすることにより、多結晶組織と非晶質組織との比率を自在に変えることが可能となる(図3の領域1と領域2)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の結晶化装置を示す構成ブロック図。
【図2】(a)はビームプロファイルAを示す図、(b)はビームプロファイルAのレーザ光照射により形成される結晶化組織を模式的に示す平面図、(c)はビームプロファイルBを示す図、(d)はビームプロファイルBのレーザ照射で形成される結晶化組織を模式的に示す平面図。
【図3】温度/光強度/組織の定性的な関係を示す状態図。
【図4】(a)および(b)は本発明により半導体素子を作製するときの工程を説明するための断面模式図。
【図5】(a)はビームプロファイルCを示す図、(b)はビームプロファイルCのレーザ光照射により形成される結晶化組織を模式的に示す平面図。
【図6】基板温度/レーザフルエンス/組織の定量的な関係を示す状態図。
【図7】(a)は結晶化に関するシミュレーション結果と実際の結果とを併せて示すビームプロファイル特性線図、(b)はレーザ照射領域の非晶質Siと結晶Siを示すSEM像。
【図8】(a)はラテラル成長/膜破壊とレーザフルエンスとの関係を示す特性線図、(b)はラテラル成長過程におけるSi薄膜のSEM像。
【図9】(a)位相シフタの一部を模式的に示す断面図、(b)は(a)の位相シフタを用いて形成されたビームプロファイル特性線図、(c)は(b)のプロファイルをもつレーザ光照射によりラテラル成長した結晶化組織の繰り返しパターンを示すSEM像。
【図10】(a)〜(f)はビームプロファイルの変形例をそれぞれ示す図。
【図11】表示装置の概略斜視図。
【図12】(a)〜(d)は半導体素子を作製するときの工程を説明するための断面模式図。
【符号の説明】
1…レーザ光源、2…アッテネータ、
3…光強度パターン調整部、
31…位相シフタ(空間強度変調光学素子)、32…均一化光学系、
4…ミラー、5…半導体基板、
6…プロファイラ(光強度パターン測定部)、
61…蛍光板、62…ミラー、63…CCD、
7…移動ステージ、8…コンピュータ、
101…基板、102…下地保護膜、103…非晶質シリコン薄膜、
103a…チャネル領域、103b…ソース領域、103c…ドレイン領域、
104…エキシマレーザ、105…走査加熱方向を示す矢印、
106…多結晶シリコン薄膜(チャネル領域)、
107…ゲート絶縁膜、108…ソース領域、109…ドレイン領域、
110…ゲート電極、111…保護膜、
112…薄膜トランジスタ、
113…ソース電極、114…ドレイン電極、
r1…小結晶粒径領域、r2…大結晶粒径領域、
r3…多結晶粒領域、r4…微結晶粒領域、r5…結晶粒破壊領域。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for manufacturing a field effect transistor on a surface layer portion of a polycrystalline semiconductor thin film, a single crystal and polycrystalline semiconductor thin film substrate for manufacturing the field effect transistor, and a liquid crystal display device and an information processing apparatus incorporating the field effect transistor. The present invention relates to a crystallization method, a crystallization device, a thin film transistor, and a display device suitable for manufacturing an electronic device such as the above.
[0002]
[Prior art]
As a display method of the current liquid crystal display, there is an active matrix method in which individual pixels are switched. As the pixel switching element, an amorphous silicon thin film transistor (a-Si TFT) is mainly used.
[0003]
In the technical development of the liquid crystal display (LCD), intensive research is being conducted with the aim of (1) high definition, (2) high aperture ratio, (3) light weight, and (4) cost reduction. In order to realize these performances, a technique using a polycrystalline semiconductor thin film transistor (poly-Si TFT) has attracted attention. Poly-Si TFTs have a mobility that is two orders of magnitude higher than a-Si TFTs, so the device size can be reduced and integrated circuits can be formed. It is possible to do.
[0004]
A method of manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film transistor by an excimer laser crystallization method according to the prior art will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12A, a base protective film (for example, SiO 2) is formed on the glass substrate 101. 2 Films, SiN films, and SiN / SiO 2 A laminated film 102) and an amorphous silicon thin film 103 are deposited. Next, as shown in FIG. 12B, when the surface of the amorphous silicon thin film is irradiated with an excimer laser (XeCl, KrF, etc.) 104 which has been shaped into a square shape or a long shape by an optical system, The crystalline silicon thin film 103 is converted from an amorphous structure to a polycrystalline structure through a melting and solidifying process in an extremely short time of 50 to 100 nanoseconds by irradiation and heating of the excimer laser 104. When the entire surface of the amorphous silicon film 103 is scanned and heated by the excimer laser 104 in the direction of the arrow 105, a polycrystalline silicon thin film 106 as shown in FIG. 12C is formed.
[0005]
The above process is called an excimer laser crystallization technique (hereinafter referred to as ELA method). The ELA method is used when a high-quality polycrystalline silicon thin film is formed on a substrate made of a low melting point material such as glass. Regarding these, for example, see Non-Patent Document 1.
[0006]
A thin film transistor shown in FIG. 12D is manufactured using the polycrystalline silicon thin film 106 in FIG. On top of the polycrystalline silicon thin film 106 of this TFT, SiO 2 is formed by film formation. 2 A gate insulating film 107 such as a film is provided. Further, a source impurity implantation region 108 and a drain impurity implantation region 109 are provided. A gate electrode 110 is provided over the source and drain regions and the gate insulating film, a protective film 111 is formed, and a source electrode 113 and a drain electrode 114 are formed. Thus, a TFT capable of controlling the current between the source and the drain by the voltage of the gate electrode is completed.
[0007]
Furthermore, in order to improve the performance of the TFT, a “phase modulation excimer laser crystallization method”, which is a technique for crystallizing polycrystalline silicon, has been reported as a method developed from the ELA method. In the phase modulation excimer laser crystallization method, the position-controlled laterally grown Si crystal grains r1 are controlled by controlling the beam profile A shown in FIG. 2A and the beam profile B shown in FIG. It is possible to form crystal grains r2. Non-patent document 2 is an example of a paper on such a phase modulation excimer laser crystallization method. In the phase modulation excimer laser crystallization method, formation of laterally grown Si crystal grains is promoted using a controlled beam profile. In the conventional ELA method, for example, Non-Patent Document 3 relates to the correlation between the beam profile and the crystallized structure, but there is a great difference because the beam profile is not controlled.
[0008]
[Non-Patent Document 1]
Nikkei Microdevices separate volume flat panel display 1999 (Nikkei BP, 1998, pp. 132-139)
[0009]
[Non-Patent Document 2]
The Ninth International Display Worksshop (IDW'02) Proceedings pp. 263-266
[0010]
[Non-Patent Document 3]
Journal of Applied Physics Vol. 88 No9 1Nov 2000 pp. 4994-4999
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the silicon film is crystallized by using the conventional phase modulation excimer laser crystallization method, polycrystalline silicon grains r3 are formed at the periphery in addition to the laterally grown Si crystal grains r2, as shown in FIG. In some cases, a fine crystal grain r4 is generated at the center, and further a crystal grain breaking region r5 is generated. This is because the light intensity distribution is not optimized.
[0012]
When the structure crystallized by the phase modulation excimer laser crystallization method is actually observed, a single crystallized region r2 having a large grain size is formed, but other undesirable structures r4 and r5 are simultaneously generated. It was.
[0013]
Similarly, when a structure crystallized by the phase modulation laser crystallization method is observed, a single crystal silicon region r2 having a large grain size is formed, but a crystal grain breakdown region r5 and a microcrystal region r4 are formed around the single crystal silicon region r2. It has occurred.
[0014]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and designed a laser beam having an optimized light intensity and distribution on the incident surface of the substrate to suppress the generation of other undesirable tissue regions. It is another object of the present invention to provide a crystallization method, a crystallization apparatus, a thin film transistor, and a display device that can form a desired crystallized structure.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention is configured as follows. In advance, the laser beam intensity JL for starting the lateral growth and the light intensity JB that can be input are respectively examined. A beam profile is measured on the same plane as the substrate surface, and the beam profile is set to a waveform that monotonously increases and monotonously decreases, for example, a triangular wave, with a minimum laser intensity of JL or more and a maximum laser light intensity of less than JB. At this time, since the position where JL is the crystallization start position, the crystal position can be defined.
[0016]
In the crystallization method according to the present invention, when the non-single crystal semiconductor thin film is irradiated with laser light having a light intensity distribution that periodically repeats monotonous increase and monotone decrease at predetermined intervals in the irradiation region of the non-single crystal semiconductor thin film. The light intensity distribution is such that the light intensity equal to or exceeding the light intensity obtained by melting the non-single crystal semiconductor thin film and growing in the lateral direction is minimized, and the laterally grown crystal grains are broken. The light intensity lower than the light intensity is set to the maximum value. By irradiating a laser beam having such a light intensity distribution, the crystal grains grow stably in a lateral direction (lateral) without being broken, resulting in a large grain structure having a uniform size suitable for a thin film transistor (see FIG. 3) 3).
[0017]
The minimum value of the light intensity distribution is characterized in that the non-single crystal semiconductor thin film is melted. By irradiating laser light having such a light intensity distribution, the entire structure of the non-single-crystal semiconductor thin film is crystallized into a polycrystalline structure (region 2 in FIG. 3).
In addition, the maximum value of the light intensity distribution is in the light intensity range below the light intensity that causes breakage in the laterally grown crystal grains, and the minimum value of the light intensity distribution is below the light intensity at which the non-single crystal semiconductor thin film melts. And By irradiating laser light having such a light intensity distribution, the ratio of the polycrystalline structure to the amorphous structure can be freely changed (region 1 and region 2 in FIG. 3).
[0018]
The maximum value and the minimum value of light intensity are set according to at least the film thickness and temperature conditions of the non-single-crystal semiconductor thin film. For example, under the condition of the substrate temperature of 500 ° C., the beam profile BP shown in FIG. 9B can be set. The beam profile BP shown in FIG. 9B is a dimensionless index in which the light intensity on the vertical axis is normalized. This normalized light intensity index is the actual unit (J / cm 2 ) Can be converted into a laser fluence. For example, the average laser fluence (J / cm 2 ), The laser fluence at each position (J / cm 2 ).
[0019]
A crystallization apparatus according to the present invention is an apparatus for crystallizing a non-single-crystal semiconductor thin film by irradiating a laser beam, a laser light source, and a mounting table on which a substrate having the non-single-crystal semiconductor thin film is placed; A spatial intensity modulation optical element that is inserted between the laser light source and the substrate and modulates the light intensity distribution on the incident surface of the substrate, and measures the intensity and distribution of the laser light on the incident surface of the substrate using laser light (Beam profile measuring machine) means to set the target laser light intensity and distribution in advance, and periodically repeat monotonously increasing and decreasing monotonically at a predetermined interval in the irradiation area, and A means for designing a light intensity distribution in which the minimum value is a value that exceeds the light intensity at which the non-single crystal semiconductor thin film melts, and the light intensity that is lower than the light intensity that causes breakage in the laterally grown crystal grains is the maximum value. As distribution and the measured light intensity coincides with the set target, characterized by comprising, a means for guiding the laser light modulated by the spatial intensity modulation optical element on the incident surface of the substrate.
[0020]
It is desirable that the measuring unit has a fluorescent plate on an incident surface on which the reference light is incident, and the fluorescent plate is arranged in substantially the same plane as the incident surface of the substrate.
[0021]
The spatial intensity modulation optical element is preferably a uniform optical system including a phase shifter. The homogenizing optical system is composed of optical components such as a homogenizer having a pair of small lenses and a plurality of sets of condenser lenses. Note that a phase shift mask used for exposure in a photolithography process of a semiconductor device may be used as the spatial intensity modulation optical element.
[0022]
Here, “laser fluence” refers to a measure of light intensity that represents the energy density of a laser, and refers to an integral of the amount of energy per unit area per unit time.
[0023]
The “beam profile” refers to a two-dimensional light intensity distribution of laser light incident on the crystallization target film. The reference light incident on the profiler (beam profile measurement unit) is the same as the light source used for laser annealing, but it does not have to be the same as the light intensity of the laser incident on the film to be crystallized. The light intensity required to do so may be used.
[0024]
In addition, “predetermined target light intensity and distribution” means that an amorphous semiconductor thin film melts and lateral crystal grows by a verification test described later, and a crystallized film is not destroyed by thermal contraction. The confirmed intensity (laser fluence) and distribution (beam profile) of the laser beam shall be said.
[0025]
FIG. 3 is a state diagram showing the qualitative relationship of the temperature / light intensity / structure of a semiconductor (for example, silicon) by making the vertical axis and the horizontal axis dimensionless. In the figure, the characteristic line JC indicates a boundary (crystallization boundary) whether or not an amorphous film (or a mixed film in which amorphous and fine crystal grains are mixed) is crystallized (recrystallization). The characteristic line JL is the boundary whether or not the crystal grain grows in the lateral direction (lateral growth boundary), and the characteristic line JB is the boundary whether or not the grown crystal grain is finally broken (boundary for crystal grain destruction). Respectively.
[0026]
In the region 1 below the characteristic line JC, the physical state of the amorphous film or the mixed film in which fine crystal grains are mixed in the amorphous material does not change.
In the region 2 between the characteristic lines JC-JL, the amorphous film crystallizes (the mixed film recrystallizes) but does not grow laterally.
In the region 3 between the characteristic lines JL-JB, the crystal grains stably grow laterally without breaking.
In the region 4 above the characteristic line JB, the film (crystal structure) is destroyed (film destruction region) by receiving various stresses during or after the growth of crystal grains.
[0027]
Here, “film breakdown” means that the regular structure (film structure) constituting the film is broken in a broad sense, and in a narrow sense, the cap film is caused by stress generated when the crystal grains laterally grow laterally. The film to be crystallized is broken by the stress generated during lateral growth, or cracks in the crystal grains or the grain boundaries due to hydrogen contained in the cap film or the film to be crystallized, etc. It shall mean that the above defect is produced.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0029]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser crystallization apparatus embodying the present invention. In the laser crystallization apparatus, an attenuator (attenuator) 2 and a beam profile modulator 3 are arranged at the beginning of the optical axis a of the laser light source 1, and a semiconductor substrate 5 is installed at the end via a mirror 4. In addition, the beam profile measuring unit 6 is arranged in parallel on the semiconductor substrate 5, and the semiconductor substrate 5 and the beam profile measuring unit 6 are fixed to the moving stage 7.
[0030]
Further, a control personal computer 8 is installed, the beam profile measuring unit 6 is connected to the input side, and the control system of the attenuator 2, the beam profile modulating unit 3, and the moving stage 7 is connected to the output side.
[0031]
The attenuator 2 optically modulates the intensity (power) of laser light by adjusting the angle of the dielectric multilayer coating filter, and includes a sensor, a motor, and a control system (not shown).
[0032]
The beam profile modulation unit 3 modulates the spatial intensity distribution of the laser light, and includes a phase shifter 31 and a uniformizing optical system 32. For example, the phase shifter 31 generates a reverse peak pattern in which the light intensity is minimized in the phase shift unit by alternately shifting the phase of the light passing through the mask pattern to 0 and π. 5, the first solidified region (crystal nucleus) is controlled in position, and then a crystal is laterally grown from there (lateral growth), thereby providing a crystal grain having a large grain size at a designated position. At this time, a desired beam profile is set according to the shape of the phase shifter, the distance from the semiconductor substrate 5, the angular distribution of the laser light, and the like. The phase shifter 31 also includes a sensor, an actuator, and a control system (not shown) for exchanging mask patterns and aligning in the optical axis direction.
[0033]
The homogenizing optical system 32 is disclosed in detail in the specification of Japanese Patent Application No. 2003-110861 filed earlier by the present inventors, and is an optical component such as a homogenizer having a pair of small lenses and a plurality of condenser lenses. It is configured. The semiconductor substrate 5 is held at a position defocused from the focal position of the uniformizing optical system 32 and the laser beam 50 is irradiated. The shape and width of the reverse peak pattern are controlled by the mask pattern and the defocus amount at this time. The width of the reverse peak pattern increases in proportion to the 1/2 power of the gap d between the phase shifter 31 and the semiconductor substrate 5.
[0034]
The beam profile measuring unit 6 receives an ultraviolet excimer laser on the fluorescent plate 61 and converts it into visible light, and the visible light reflected on the mirror 62 is received on the CCD 63 and simultaneously measures the intensity and beam profile of the laser light. You may measure the intensity | strength of a laser beam separately using a semiconductor lower meter etc. FIG. Alternatively, an ultraviolet excimer laser may be directly received by the CCD 63.
[0035]
The fluorescent plate 61 is placed on a plane parallel to the center on the same plane as the semiconductor substrate 5. When the fluorescent plate 61 is installed on a parallel plane with a step, the movable stage 7 is moved up and down to position the fluorescent plate 61 at the same height as the semiconductor substrate 5 and perform measurement. Thereby, the beam profile of the laser beam on the substrate surface can be measured under the same conditions as in actual irradiation.
[0036]
The image received by the CCD 63 is input to the computer 8 and sliced by an arbitrary scanning line, and the intensity of the laser beam and the beam profile are measured from the intensity distribution of the image signal.
[0037]
Then, the manipulated variable is calculated by comparing the measured intensity with a preset target intensity, and the angle of the attenuator 2 is adjusted while feeding back the measured intensity to the target intensity by outputting an operation signal to the attenuator 2. Adjust.
[0038]
Further, an operation amount is calculated by comparing the measured beam profile with a preset target beam profile, and an operation signal is output to the beam profile modulation unit 3 and the moving stage 7 so that the measured beam profile becomes the target beam profile. The position of the phase shifter 31 and the height of the moving stage 7 are adjusted with feedback.
[0039]
The moving stage 7 can move in the front-rear, left-right, and upper-lower three-dimensional directions, and includes sensors, actuators, and a control system (not shown) for alignment in the in-plane direction and the optical axis direction. The beam profile measuring unit 6 is moved to and positioned at the laser beam irradiation position by the moving stage 7, and the intensity and beam profile of the laser beam are measured in advance before the laser beam is irradiated onto the substrate.
[0040]
The laser crystallization apparatus embodying the present invention is configured as described above. In the laser crystallization process, first, the moving stage 7 is moved in the in-plane direction, and the tip of the optical axis a of the laser light source 1 is set as a beam profile measuring unit. 6 is positioned on the fluorescent plate 61 and irradiated with laser light to measure its intensity and beam profile.
[0041]
Next, the angle of the attenuator 2, the position of the phase shifter 31, and the height of the moving stage 7 are aligned so that the measured intensity and beam profile coincide with a preset target. Next, the moving stage 7 is moved in the in-plane direction, this time the tip of the optical axis a is positioned in a predetermined crystal region of the semiconductor substrate 5, set to a gap d, and laser light having a preset intensity and beam profile is set. Irradiate.
[0042]
By repeating the above measurement, alignment, and irradiation, crystal regions having different average sizes Na of the number of crystal grain boundaries crossing the current direction in the channel region but having different TFT sizes are formed simultaneously. Measurement, alignment, and irradiation are not performed alternately in this way. First, all measurements are performed to determine the amount of operation necessary for alignment, and then alignment and irradiation are performed in parallel for each crystal region. You may do it.
[0043]
【Example】
First, as shown in FIG. 4A, as a substrate preparation, a first thin film 102 (for example, tetraethylorthosilicate (TEOS) is formed on the surface of an insulator substrate 5 (for example, Corning 1737 glass, fused silica, sapphire, plastic, polyimide, etc.). ), And O 2 300 nm-thickness SiO 2 deposited by plasma chemical vapor deposition 2 Film or SiN / SiO 2 (A laminated film alumina, mica, etc.), on the surface of the first thin film 102, a second thin film amorphous semiconductor thin film 103 (for example, 200 nm thick amorphous Si, amorphous SiGe, etc. by plasma chemical vapor deposition) Is deposited. On top of that, tetraethyl orthosilicate (TEOS) and O 2 For example, SiO film having a film thickness of 200 nm is formed as a gate insulating film by plasma chemical vapor deposition. 2 A film 107 is formed. Next, dehydrogenation treatment of the thin film is performed (for example, heat treatment at 600 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere). The following points are investigated on this crystallization substrate and adjusted so as to obtain a suitable beam profile.
[0044]
(I) The laser beam intensity JL at which lateral growth occurs on the crystallization substrate to be used is investigated.
[0045]
(Ii) Investigate the laser beam intensity JB at which crystal grain breakage occurs in the crystallization substrate to be used.
[0046]
(Iii) The distribution of the laser beam intensity is such that the laser beam intensity J at the position desired to be the crystallization start point is JB> J ≧ JL, and the laser intensity distribution monotonously increases toward the maximum laser beam intensity.
[0047]
The maximum laser beam intensity is set to be less than JB. By performing crystallization that satisfies this requirement, it is possible to perform crystallization without generating a crystal grain breakdown region and a microcrystalline region.
[0048]
(Verification test)
When a specific experiment was performed using the above substrate, results as shown in FIG. 6 were obtained. FIG. 6 is a state diagram showing the results of examining the quantitative relationship of temperature / light intensity / structure in a silicon thin film with the substrate temperature (° C.) on the horizontal axis and the laser fluence (relative value) on the vertical axis. is there. As is apparent from the figure, at 500 ° C., for example, the lateral growth starting strength JL is 20-30% (for example, 0.4-0.6 J / cm) as a relative value. 2 The film breaking occurrence strength JB is 20 to 60% (for example, 0.8 to 1.2 J / cm) as a relative value. 2 Equivalent to the converted intensity). Therefore, it has been clarified that the laser light intensity in the mesh region should be set under the condition (iii) (JB and JL are the laser light intensity inside the mesh) at each substrate temperature.
[0049]
Next, laser crystallization is performed using the laser crystallization apparatus of FIG. The laser light source 1 uses a pulsed high energy laser such as a KrF excimer laser.
[0050]
The laser light emitted from the laser light source 1 passes through the attenuator 2 and the beam profile modulation unit 3 that can modulate the power and the beam profile. As a result, the power and beam profile are modulated. Thereafter, the mobile stage 7 is reached. A semiconductor substrate 5 is disposed on the moving stage 7. Laser crystallization is performed by irradiating the semiconductor substrate 5 with modulated laser light. The moving stage 7 is provided with a beam profile measuring unit 6 that can measure a beam profile and can also be used as a power meter. This apparatus is linked with a personal computer 8 for measurement, and parameters of an optical system (for example, angle of the attenuator 2 and phase shifter) that can modulate the moving stage 7 height z, power, and beam profile so as to have a suitable bee beam profile. 31 position, gap d, etc.) are set.
[0051]
The beam profile BP of FIG. 9B is a beam profile that can form a large crystal grain region. The beam profile BP is set with a system linked to the above-described measurement personal computer 8. A scanning electron micrograph of the resulting tissue is shown in FIG. In this case, the profile necessary for manufacturing the TFT is that the gap d = 60 μm and the average laser light intensity J is 0.8 J / cm. 2 , JL = 0.5J / cm 2 , JB = 0.9J / cm 2 It became clear that this should be done.
[0052]
The crystal region manufactured by these methods is subjected to patterning and the following process is performed.
As shown in FIG. 4B, a gate electrode 110 (for example, high-concentration Lindo polysilicon, W, TiW, WSi is formed on the gate insulating film 107. 2 , MoSi 2 ). Using the gate electrode 110 as a mask, ion implantation is performed to form a source region 103b and a drain region 103c, respectively. For example, if ion implantation is an N-type TFT, p + is set to 10 15 cm -2 Implanted on the order, BF in p-type TFT 2+ 10 15 cm -2 Inject on order. Thereafter, annealing is performed for about 1 hour at 500 to 600 ° C. using nitrogen as a carrier gas in an electric furnace to activate the impurities. Moreover, you may make it heat only by 700 degreeC x 1 minute by rapid thermal annealing (RTA). Between the source region 103b and the drain region 103c is a channel region 103a crystallized by the above-described method.
[0053]
Finally, an interlayer insulating film 111 is formed, contact holes are formed, the contact holes are filled with metal by a metal CVD film forming method, and a source electrode 113 and a drain electrode 114 are formed. For example, Al / TIN is used as the material of the source electrode 113 and the drain electrode 114.
[0054]
In FIG. 7A, the horizontal axis is the distance (μm) from the laser optical axis a, and the vertical axis is the normalized laser intensity index (no unit), and the profile created by the multi-beam by the homogenizer is shown. FIG. The normalized strength index on the vertical axis is a parameter that serves as a guide for crystallization, and when these are averaged, they converge to 1.0. In FIG. 7A, when the strength index is 1.0, 0.2 J / cm. 2 Is equivalent to a laser fluence of 0.19 J / cm, which is a critical light intensity of polycrystallizing when this is multiplied by a coefficient of 0.95. 2 Is obtained.
[0055]
In the figure, a characteristic line E (thin line) indicates a simulation result, and a characteristic line F (thick line) indicates an actual measurement result. The measured results and the simulation results were in good agreement except for the high spatial frequency components caused by a finite number of beams.
[0056]
FIG. 7B shows a film morphology crystallized under a low average light intensity condition. The sample is 300 nm thick at a substrate temperature of 500 ° C. 2 Cap film / 200 nm thick a-Si film / 1000 nm thick SiO 2 Film / Si structure. A portion where the polycrystallization occurs (low portion) is a local high light intensity portion, and a local low light intensity portion (black portion) is a region where crystallization has not occurred. The black part is 0.19 J / cm on the characteristic line E in FIG. 2 It was in good agreement with the position below the line indicated by (intensity index 0.95). The critical light intensity at which polycrystallization occurs is about 0.19 J / cm 2 This value was the same as in the case of uniform irradiation. Note that the critical light intensity at which lateral crystallization starts and film failure occurs from experiments with a high average light intensity is 0.5 J / cm, respectively. 2 0.9J / cm 2 It turned out to be. It has also been found that the distance that can be grown in a single shot is about 7 microns.
[0057]
In FIG. 8A, the horizontal axis indicates the distance (μm) from the laser optical axis a, and the vertical axis indicates the normalized laser intensity index (unitless), so that crystallized Si grows laterally. FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship with laser fluence regarding whether or not a laterally grown crystal film breaks due to excessive contraction force. A characteristic line P in the figure is a critical line for lateral growth, and the Si crystal grows laterally in the region above this, and does not grow laterally in the region below this. The characteristic line Q is a critical line for film destruction. In the region above this, the Si crystal film is destroyed by excessive shrinkage, and in the region below this, the Si crystal film is not destroyed. The laser fluence conversion value obtained by multiplying the index of both characteristic lines P and Q by a coefficient is about 0.5 J / cm, respectively. 2 And about 0.9 J / cm 2 Met. The characteristic line R is the beam profile of the laser light intensity. When the characteristic line R is in a region sandwiched between both characteristic lines P and Q, the lateral growth is stably performed without causing film destruction.
[0058]
FIG. 8B is an SEM image of the Si thin film in the lateral growth process. A laterally grown Si crystal can be seen from the laser optical axis a to a range of less than 10 μm on one side. However, in the region of 10 μm or more from the laser optical axis a, the laser intensity varies greatly, and a film-breaking structure (white lump scattered in the figure) is observed. In addition, the region near the laser optical axis a is not crystallized due to insufficient laser fluence intensity and remains amorphous, and this region is not laterally grown.
[0059]
Using the above experimental results, an optical system capable of forming large crystal grains (average diameter 5 microns) with a high filling rate was obtained. The obtained light intensity distribution and film morphology are shown in FIGS. 9B and 9C, respectively. The vertical axis of (b) in FIG. 9 indicates the normalized laser intensity (unitless), which is a parameter that serves as a standard for crystallization. When these are averaged, they converge to 1.0. In the beam profile BP of FIG. 9B, the maximum value of the light intensity is set to 1.4, the minimum value of the light intensity is set to 0.7, and a pattern in which the decrease and increase are monotonically repeated at equal pitch intervals of 5 μm. .
[0060]
FIG. 9C shows laser irradiation (J = 0.76 mJ / cm 2 ) Is an SEM image (20 μm × 20 μm) showing an enlarged part of the repetitive pattern in the region. It was observed that Si crystal grains were stably laterally grown from the laser optical axis a to 5 μm on one side. From this, large crystal grains of about 5 μm with a high filling rate could be uniformly formed on the entire irradiation region (0.24 mm × 0.24 mm).
[0061]
In addition to the sinusoidal waveform shown in FIG. 5A and the triangular waveform shown in FIG. 9C, various waveforms can be adopted for the beam profile BP of the present invention. For example, it may be a continuous wave of a mountain wave shown in FIG. 10 (a), a continuous waveform of a valley wave shown in FIG. 10 (b), a sawtooth waveform shown in FIG. 10 (c), or FIG. 10 (d). A mixed triangular waveform in which a large triangular waveform with a relatively large amplitude and a small triangular waveform with a relatively small amplitude shown in FIG. 10 are alternately repeated may be used, and a jagged shape is formed along a mountain-shaped envelope shown in FIG. A waveform in which triangular waves are superimposed may be used, or a twin peak waveform having two peaks shown in FIG. As described above, the beam profile BP of the present invention can use various modified waveforms as long as it is a continuous wave of a V-shaped wave portion or a U-shaped wave having a monotonously increasing waveform portion and a monotone decreasing waveform.
[0062]
In addition, the sine wave waveform shown in FIG. 5A, the triangular waveform shown in FIG. 9C, the continuous wave of the mountain wave shown in FIG. 10A, and the continuous wave of the valley wave shown in FIG. A wave or the like is irradiation light that monotonously increases and monotonously decreases with the same amplitude and the same period. Also, a sinusoidal waveform shown in FIG. 5 (a), a triangular waveform shown in FIG. 9 (c), a continuous wave of a mountain wave shown in FIG. 10 (a), and a continuous wave of a valley wave shown in FIG. 10 (b). Waves and the like are symmetrical waveforms.
[0063]
The waveform of the triangular wave shown in FIG. 9 (c), the monotonically increasing and monotonically decreasing light intensity distributions of the waveforms shown in FIGS. 10 (c), (d), (e), and (f) are linear, It is triangular.
[0064]
In order to obtain large-sized crystallized grains, the switching portion between the monotonically increasing waveform and the monotonically decreasing waveform may be a waveform having a gradient in both the V-shaped wave and the U-shaped continuous wave. is important. If a flat waveform exists in the switching portion, the crystal grains are broken or the crystallization in the lateral direction is stopped at that portion. Further, in order to obtain a crystallized grain having a large grain size, the switching portion between the monotonically decreasing waveform and the monotonically increasing waveform is a waveform having a gradient in both the V-shaped wave and the U-shaped continuous wave. This is very important. If a flat waveform is present in the switching portion, a polycrystalline grain region is generated in that portion, or lateral crystallization is insufficient.
[0065]
The fact that there is a slope in the switching portion between the monotonically increasing waveform and the monotonically decreasing waveform and the switching portion between the monotonically decreasing waveform and the monotonically increasing waveform means that there is no flat waveform in the switching portion.
[0066]
The properties of excimer laser light were extracted by high resolution beam profiler. As a result, the light intensity distribution on the sample surface can be designed. Furthermore, by evaluating various critical light intensities and combining these results, an optical system for growing large crystal grains with a high filling rate was designed. This effectiveness was confirmed by experiments.
[0067]
FIG. 11 illustrates an example of an active matrix display device using a thin film transistor. The thin film transistor 112 is manufactured through the steps shown in FIG. As shown in the figure, the display device 120 has a panel structure including a pair of insulating substrates 121 and 122 and an electro-optical material 123 held therebetween. As the electro-optical substance 123, a liquid crystal material is widely used. A pixel array portion 124 and a drive circuit portion are integrated on the lower insulating substrate 121. The drive circuit section is divided into a vertical drive circuit 125 and a horizontal drive circuit 126.
[0068]
Further, a terminal portion 127 for external connection is formed at the upper end of the peripheral portion of the insulating substrate 121. The terminal portion 127 is connected to the vertical drive circuit 125 and the horizontal drive circuit 126 through the wiring 128. In the pixel array portion 124, row-shaped gate wirings 129 and column-shaped signal wirings 130 are formed. A pixel electrode 131 and a thin film transistor 112 for driving the pixel electrode 131 are formed at the intersection of both wirings. The thin film transistor 112 is manufactured using the above-described method (see FIG. 4). The gate electrode 110 of the thin film transistor 112 is connected to the corresponding gate wiring 129, the drain region 103 c is connected to the corresponding pixel electrode 131, and the source region 103 b is connected to the corresponding signal wiring 130. The gate wiring 129 is connected to the vertical driving circuit 125, while the signal wiring 130 is connected to the horizontal driving circuit 126.
[0069]
The thin film transistor 112 for switching and driving the pixel electrode 131 and the thin film transistor included in the vertical drive circuit 125 and the horizontal drive circuit 126 are manufactured according to the present invention and have higher mobility than the conventional one. Therefore, not only the drive circuit but also a higher-performance processing circuit can be integrated.
[0070]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a laser beam having an optimized light intensity and distribution is designed on the incident surface of the substrate, while suppressing generation of other undesirable tissue regions such as film breakage. A desired crystallized structure can be formed. That is, the crystal grains are stably laterally grown without being broken, and a large grain structure having a uniform size suitable for a thin film transistor is obtained (region 3 in FIG. 3).
[0072]
Further, according to the present invention, the light intensity distribution is set to a light intensity equal to or exceeding the light intensity for crystallizing the structure of the non-single crystal semiconductor thin film, and the crystallized crystal grains are laterally aligned. By setting the light intensity lower than the light intensity to be grown to the maximum value, the structure of the non-single-crystal semiconductor thin film can be crystallized into a polycrystalline structure (region 2 in FIG. 3).
[0073]
Furthermore, according to the present invention, the light intensity distribution is equal to or higher than the light intensity for crystallizing the structure of the non-single-crystal semiconductor thin film in a light intensity range that is lower than the light intensity that causes destruction in the laterally grown crystal grains. By setting the light intensity to the maximum value and the light intensity below the light intensity for crystallizing the structure of the non-single crystal semiconductor thin film to the minimum value, the ratio between the polycrystalline structure and the amorphous structure can be freely changed. (Region 1 and region 2 in FIG. 3).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural block diagram showing a crystallization apparatus of the present invention.
2A is a diagram showing a beam profile A, FIG. 2B is a plan view schematically showing a crystallized structure formed by laser beam irradiation of the beam profile A, and FIG. 2C is a beam profile B; FIG. 4D is a plan view schematically showing a crystallized structure formed by laser irradiation of the beam profile B. FIG.
FIG. 3 is a state diagram showing a qualitative relationship of temperature / light intensity / tissue.
FIGS. 4A and 4B are schematic cross-sectional views for explaining a process for manufacturing a semiconductor element according to the present invention. FIGS.
5A is a diagram showing a beam profile C, and FIG. 5B is a plan view schematically showing a crystallized structure formed by laser beam irradiation of the beam profile C;
FIG. 6 is a state diagram showing a quantitative relationship of substrate temperature / laser fluence / tissue.
7A is a beam profile characteristic diagram showing a simulation result and an actual result relating to crystallization, and FIG. 7B is an SEM image showing amorphous Si and crystalline Si in a laser irradiation region.
8A is a characteristic diagram showing the relationship between lateral growth / film destruction and laser fluence, and FIG. 8B is an SEM image of a Si thin film during the lateral growth process.
9A is a cross-sectional view schematically showing a part of the phase shifter, FIG. 9B is a beam profile characteristic diagram formed using the phase shifter of FIG. 9A, and FIG. The SEM image which shows the repetitive pattern of the crystallized structure laterally grown by laser beam irradiation with a profile.
FIGS. 10A to 10F are diagrams showing modifications of beam profiles, respectively.
FIG. 11 is a schematic perspective view of a display device.
12A to 12D are schematic cross-sectional views for explaining a process for manufacturing a semiconductor element.
[Explanation of symbols]
1 ... laser light source, 2 ... attenuator,
3. Light intensity pattern adjustment unit,
31 ... Phase shifter (spatial intensity modulation optical element), 32 ... Uniform optical system,
4 ... mirror, 5 ... semiconductor substrate,
6 ... Profiler (light intensity pattern measurement unit),
61 ... Fluorescent screen, 62 ... Mirror, 63 ... CCD,
7 ... Movement stage, 8 ... Computer,
101 ... Substrate, 102 ... Base protective film, 103 ... Amorphous silicon thin film,
103a ... channel region, 103b ... source region, 103c ... drain region,
104 ... excimer laser, 105 ... arrow indicating scanning heating direction,
106 ... polycrystalline silicon thin film (channel region),
107: Gate insulating film, 108: Source region, 109: Drain region,
110 ... Gate electrode, 111 ... Protective film,
112 ... Thin film transistor,
113 ... Source electrode, 114 ... Drain electrode,
r1 ... small crystal grain size region, r2 ... large crystal grain size region,
r3 ... polycrystalline grain region, r4 ... microcrystalline grain region, r5 ... crystal grain breaking region.

Claims (18)

レーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化するに際し、前記非単結晶半導体薄膜への照射光は、単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布を有し、前記非単結晶半導体薄膜を溶融させる光強度であることを特徴とする結晶化方法。When the non-single crystal semiconductor thin film is crystallized by irradiating the non-single crystal semiconductor thin film, the irradiation light to the non-single crystal semiconductor thin film has a light intensity distribution that periodically repeats monotonic increase and monotonic decrease, A crystallization method characterized by light intensity for melting a semiconductor thin film. 前記光強度の最大値は、照射されて結晶化された結晶粒に破壊を生じる光強度を下回ることを特徴とする結晶化方法。The crystallization method according to claim 1, wherein the maximum value of the light intensity is lower than the light intensity at which the crystal grains irradiated and crystallized are broken. 前記光強度の最大値は、照射されて結晶化された結晶粒に破壊を生じる光強度を下回る光強度範囲で、前記光強度の最小値は前記非単結晶半導体薄膜を溶融させる光強度と等しいか又はそれを上回ることを特徴とする結晶化方法。The maximum value of the light intensity is a light intensity range that is lower than the light intensity that causes the crystal grains that have been irradiated and crystallized to break, and the minimum value of the light intensity is equal to the light intensity that melts the non-single-crystal semiconductor thin film. A crystallization method characterized in that it exceeds or exceeds that. 前記光強度分布は、同一振幅かつ同一周期で単調増加し、単調に減少する照射光であることを特徴とする請求項1乃至3のうちのいずれか1項記載の結晶化方法。The crystallization method according to claim 1, wherein the light intensity distribution is irradiation light that monotonously increases and monotonously decreases with the same amplitude and the same period. 前記単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布の1周期の距離は、0.001mmから1mmであることを特徴とする請求項1乃至4のうちのいずれか1項記載の結晶化方法。The crystallization method according to any one of claims 1 to 4, wherein a distance of one period of the light intensity distribution in which the monotonous increase and the monotonic decrease are periodically repeated is 0.001 mm to 1 mm. . 前記単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布は、1周期において直線的に増加量しかつ直線的に減少することを特徴とする請求項1乃至5のうちのいずれか1項記載の結晶化方法。The light intensity distribution in which the monotonous increase and the monotonous decrease are periodically repeated increases linearly and decreases linearly in one cycle. Crystallization method. 前記単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布は、1周期において左右対称の波形であることを特徴とする請求項1乃至5のうちのいずれか1項記載の結晶化方法。6. The crystallization method according to claim 1, wherein the light intensity distribution in which the monotonous increase and the monotonic decrease are periodically repeated is a waveform that is symmetrical in one cycle. 前記単調増加および単調減少する光強度分布は、三角波形であることを特徴とする請求項1乃至7のうちのいずれか1項記載の結晶化方法。The crystallization method according to any one of claims 1 to 7, wherein the monotonously increasing and monotonically decreasing light intensity distribution is a triangular waveform. 前記単調増加および単調減少する光強度分布において、前記単調増加波形から単調減少波形との切換え部に、勾配を有することを特徴とする請求項1乃至8のうちのいずれか1項記載の結晶化方法。9. The crystallization according to claim 1, wherein the monotonously increasing and monotonically decreasing light intensity distribution has a gradient at a switching portion between the monotonically increasing waveform and the monotonically decreasing waveform. Method. 前記単調増加および単調減少する光強度分布において、前記単調減少波形から単調増加波形との切換え部に、勾配を有することを特徴とする請求項1乃至9のうちのいずれか1項記載の結晶化方法。10. The crystallization according to claim 1, wherein the monotonously increasing and monotonically decreasing light intensity distribution has a gradient at a switching portion between the monotonically decreasing waveform and the monotonically increasing waveform. Method. レーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する結晶化装置であって、前記非単結晶半導体薄膜に対して単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布を有し、前記非単結晶半導体薄膜を溶融させる光強度の照射光を照射するための照射手段を具備してなることを特徴とする結晶化装置。A crystallization apparatus for crystallizing a non-single crystal semiconductor thin film by irradiating a laser beam with a laser beam, wherein the non-single crystal semiconductor thin film has a light intensity distribution that periodically repeats monotonic increase and decrease, A crystallization apparatus comprising irradiation means for irradiating light having light intensity for melting a single crystal semiconductor thin film. レーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する結晶化装置であって、
前記非単結晶半導体薄膜に対して単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布を有し、前記非単結晶半導体薄膜を溶融させる光強度の照射光を照射するための照射手段と、
前記照射光の光強度分布を計測するために設けられたビームプロファイル計測機と、
を具備してなることを特徴とする結晶化装置。
A crystallization apparatus for crystallization by irradiating a non-single crystal semiconductor thin film with laser light,
Irradiation means for irradiating the non-single crystal semiconductor thin film with a light intensity distribution that periodically repeats monotonic increase and monotonic decrease, and irradiating light of light intensity that melts the non-single crystal semiconductor thin film;
A beam profile measuring instrument provided for measuring the light intensity distribution of the irradiation light;
A crystallization apparatus comprising:
前記レーザ光はホモジナイズ(均一化)されたレーザ光であることを特徴とする請求項11または12のいずれか1項記載の結晶化装置。The crystallization apparatus according to claim 11, wherein the laser beam is a homogenized laser beam. 前記非単結晶半導体薄膜に対して単調増加および単調減少を周期的に繰り返す光強度分布を有し、前記非単結晶半導体薄膜を溶融させる光強度の照射光を照射するための照射手段は、空間強度変調光学素子であることを特徴とする請求項11乃至13のうちのいずれか1項に記載の結晶化装置。Irradiation means for irradiating the non-single crystal semiconductor thin film with a light intensity distribution that periodically repeats monotonic increase and monotonic decrease, and irradiating light of light intensity that melts the non-single crystal semiconductor thin film is a space The crystallization apparatus according to claim 11, wherein the crystallization apparatus is an intensity modulation optical element. 前記空間強度変調光学素子は、入射した前記レーザ光を位相変調する位相シフタを含む均一化光学系であることを特徴とする請求項14記載の装置。15. The apparatus according to claim 14, wherein the spatial intensity modulation optical element is a homogenization optical system including a phase shifter that phase-modulates the incident laser beam. 絶縁基板上に形成されたソース、ドレイン、チャネル領域を含む半導体薄膜と、前記半導体薄膜の上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体薄膜の上に設けられたゲート電極とを具備するトップゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記半導体薄膜は、
照射領域において単調増加および単調減少を周期的に繰り返し、かつ、非単結晶半導体薄膜を溶融させる光強度分布を有するレーザ光の照射により結晶化されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A semiconductor thin film including source, drain, and channel regions formed on an insulating substrate, a gate insulating film provided on the semiconductor thin film, and a gate provided on the semiconductor thin film through the gate insulating film A top gate type thin film transistor comprising an electrode,
The semiconductor thin film is
A thin film transistor characterized in that it is crystallized by irradiation with laser light having a light intensity distribution that periodically monotonously increases and decreases monotonically in an irradiation region and melts a non-single-crystal semiconductor thin film.
絶縁基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の上に設けられたゲート絶縁膜と、ソース、ドレイン、チャネル領域を含み、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を覆うように設けられた半導体薄膜とを具備するボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記半導体薄膜は、
照射領域において単調増加および単調減少を周期的に繰り返し、かつ、非単結晶半導体薄膜を溶融させる光強度分布を有するレーザ光の照射により結晶化されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A gate electrode formed on an insulating substrate; a gate insulating film provided on the gate electrode; a source, a drain, and a channel region; provided to cover the gate electrode through the gate insulating film A bottom gate type thin film transistor comprising a semiconductor thin film,
The semiconductor thin film is
A thin film transistor characterized in that it is crystallized by irradiation with laser light having a light intensity distribution that periodically monotonously increases and decreases monotonically in an irradiation region and melts a non-single-crystal semiconductor thin film.
所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された電気光学物質とを有し、一方の基板には対向電極を形成し、他方の基板には画素電極及びこれを駆動する半導体薄膜で形成される表示装置であって、
前記半導体薄膜は、
照射領域において単調増加および単調減少を周期的に繰り返し、かつ、該半導体薄膜を溶融させる光強度分布を有するレーザ光の照射により結晶化されていることを特徴とする表示装置。
It has a pair of substrates bonded to each other through a predetermined gap and an electro-optic material held in the gap. One substrate is formed with a counter electrode, and the other substrate is driven with a pixel electrode. A display device formed of a semiconductor thin film,
The semiconductor thin film is
A display device characterized in that it is crystallized by irradiation with laser light having a light intensity distribution that periodically repeats monotonous increase and monotonic decrease in an irradiation region and melts the semiconductor thin film.
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