JP2000021775A - ビームアニール法 - Google Patents

ビームアニール法

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JP2000021775A
JP2000021775A JP10190030A JP19003098A JP2000021775A JP 2000021775 A JP2000021775 A JP 2000021775A JP 10190030 A JP10190030 A JP 10190030A JP 19003098 A JP19003098 A JP 19003098A JP 2000021775 A JP2000021775 A JP 2000021775A
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JP
Japan
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thin film
heat
glass substrate
hot bath
interface
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Pending
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JP10190030A
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English (en)
Inventor
Shinichiro Hatta
真一郎 八田
Katsumi Adachi
克己 足達
Yukihiro Morita
幸弘 森田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Si薄膜の表面からのビームアニール照射で
は均一でかつ冷却速度がゆっくりした熱処理が実現でき
ず良質のp−Siを作製することは原理的に困難であっ
た。 【解決手段】 透明物質を密着させた面を透明物質層を
通してビーム照射することにより、薄膜の熱的な緩和時
間を透明物質層のそれに従属せしめて一様でゆっくりし
た徐冷を可能とし、良質のp−Siの作製に応用した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱的性質の異なる
2つの層を接触させ、一方の温度変化を他方のそれに従
属させることを利用して、熱処理を行なうビームアニー
ル方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、高精細のパネルディスプレイの市
場が急速に拡大してきた。なかでもLCDは、高品質の
画面やパネルの薄さ、低消費電力から、大きな可能性が
あると考えられている。液晶ディスプレイでは、何百万
個の画素に別個に駆動電圧を印加して、液晶の配向を制
御しなければならない。
【0003】この駆動方法として、普通、パッシブマト
リックス方式とアクティブマトリックス方式がある。パ
ッシブマトリックス方式では単純に平面格子状に駆動ラ
インが配列されているが、アクティブマトリックス方式
では、画素1つ1つに駆動用の能動素子が付く。
【0004】最近では、画素の駆動速度が速いことや高
コントラストが得られることを理由に、アクティブマト
リックス方式が主流となっている。この駆動用の能動素
子として、アモルファスシリコン(a−Si)を素材と
した薄膜トランジスタ(TFT)が用いられていたが、
最近は、よりキャリアの移動度が大きい多結晶シリコン
(p−Si)を素材としたTFTが用いられ始めてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ここで、液晶デバイス
では、その性質上すべての駆動素子を透明なガラス基板
上に作製しなければならないという要請があるので、長
時間の高温熱処理は都合が悪い。そこで、ガラス基板上
に作製したa−Si薄膜の表面をレーザーアニールでパ
ルス的に熱処理してp−Siに変える方法が用いられて
いる。
【0006】しかしこの方法では、数十ナノ秒(1ナノ
秒=10-9 秒)のパルス幅を持つパルスレーザーを表
面から照射するために、Siの溶融状態から固化するま
での急冷速度が速すぎて固化したSiの材質が不均一と
なったり粒界が多すぎたりして、高い値の移動度を持つ
p−Siを作製することは困難であった。
【0007】このアニール方法の物理的本質を考える
と、熱容量の小さい薄膜に外側からエネルギーを与える
ことにより、本来はより熱容量の大きいガラス基板と熱
平衡であるべき薄膜系を高温状態にして、非平衡状態を
出現させている。
【0008】それゆえ、外からのエネルギー供給が途絶
えると、瞬時に熱平衡状態に復帰してしまう。数十ナノ
秒単位のパルスレーザービームによるアニールでは、溶
融状態からの冷却速度が速すぎて良質のp−Si結晶が
できにくかった理由はこれであろうと推定される。
【0009】
【課題を解決するための手段】透明基板を通して薄膜の
ガラスとの接触面にビームを照射すると、薄膜の境界面
でビームの吸収が起こり、熱が発生する。この境界面
は、薄膜の裸の表面と異なり、ガラス基板という圧倒的
に大きな熱浴と接しているために、薄膜境界面の熱的な
挙動は、これに密着した熱浴表面の非平衡的な熱挙動に
従属せざるをえない。
【0010】そこで、薄膜と熱的な性質が異なった透明
な層を薄膜に重ね合わせ、ビームで薄膜境界面を熱する
ことにより熱浴表面を高温に励起し熱浴自体の緩和時間
で徐冷させるようにする。これに密着した薄膜は、単体
では非常に短い時間内で急冷されるのであるが、境界面
に熱浴が密着しているためにその冷却時間は熱浴のそれ
に従い、より長くなる。
【0011】このようにして、薄膜の冷却スピードを制
御し、かつ薄膜全体で均一な冷却速度が実現されるよう
にして、良質のp−Siを製造する。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照しながら説明する。
【0013】図5に本発明で取り扱う薄膜と透明基板の
断面図を示す。通常の液晶デバイスでは、透明基板上に
厚さ50−100nm のa−Si層を積む。このアモル
ファスシリコン層を熱処理することにより、多結晶シリ
コン層を作製していた。
【0014】この際、1000度以上の高温で長時間ア
ニールすると、基板のガラスが熱で破壊されてしまうの
で、表面からパルス幅数十ナノ秒のレーザービームを照
射して、短時間のうちにガラス基板を傷めることなく熱
処理を完了させ、p−Siを作製していた。
【0015】ところが、こうして作製されたp−Si
は、表面付近に依然としてアモルファス部分が残ってい
たり、結晶粒のサイズが極端に小さくなって格子欠陥の
密度が多くなり、実用的にはp−Siでも移動度がおお
むね100cm2/Vsec程度にしかあがらず、高速の駆動
用TFTを作製することが困難であった。
【0016】そこで、このような結果が、いかなる熱処
理によってもたらされるのであるかを熱解析により計算
することを試みた。レーザービームのビーム幅はSi薄
膜の厚さに比べて十分に大きいので、1次元の熱拡散方
程式
【0017】
【数1】
【0018】を適当な境界条件のもとに解いてT(x,t)
を計算する。ここにT(x,t) は場所xでの時刻tにおけ
る温度であり、κは物質の熱伝導率、cはgあたりの比
熱、
【0019】
【数2】
【0020】である。この方程式は数学的には、1次元
の放物線型の偏微分方程式である。これをうまく解くた
めに、xの2次微分項を含む偏微分方程式を1次微分項
のみを含む2つの連立方程式に変換する。
【0021】
【数3】
【0022】ここに、jは、熱流速密度に比例する流れ
である。この方程式を、有限要素法の考え方を用いて差
分化する。すなわち全区間をnp等分すると
【0023】
【数4】
【0024】となる。ここで次のような電気回路類推を
行う。
【0025】
【数5】
【0026】すなわち、(数4)を等価回路に変換した
場合、未知数Tは、第i番目の節点での電位Viとみな
される。(数4)での上式はコンデンサーCiに流れ込
む電荷の時間変化を表わす。(数4)での下の式は、第
i+1番目と第i番目の節点間に設定された抵抗Riに
流れる電流Iiを示している。
【0027】図2のように、これをCRのはしご型の等
価回路で表わす。第1段目のパルス電流源はレーザービ
ームによる表面からの熱の湧き出しをあらわす。次のn
p段のCRはSi薄膜の
【0028】
【数6】
【0029】によって決定される。ここで薄膜の厚さを
L0とすると
【0030】
【数7】
【0031】である。更に、中のnp段のCRは、ガラ
ス基板の10×10-6mまでの表面部を表し、CRの回
路定数はガラスの
【0032】
【数8】
【0033】によって決定される。ここでガラスの表面
部分の厚さをL1とすると
【0034】
【数9】
【0035】である。最後のnp段のCRは、ガラス基
板の10×10-6mの深さから0.5mmまでの部分を
表し、CRの回路定数は、ガラスの
【0036】
【数10】
【0037】によって決定される。ここでガラスの厚さ
をL2とすると
【0038】
【数11】
【0039】である。この回路について適当な初期条件
を与え、パルス電流をCR回路に流し込み、各節点の電
位を求める。この計算はすべて回路シミュレーターを用
いた過渡解析として実行される。
【0040】ここで、Si表面から1015 erg/(cm2
秒)程度の割合で約25ナノ秒の間、熱の湧き出しがあ
ると仮定する。初期条件として、すべてのコンデンサー
の電位が室温であったとすると、Si薄膜の各部と、ガ
ラス基板の各部の温度変化は等価回路の過渡解析を行っ
て、図3に示される。
【0041】これによるとSi薄膜の各部分温度変化
は、不均一に、パルス幅の25ナノ秒以内に急上昇した
後、急降下し最後に一定の徐冷曲線に収束してゆく。
【0042】これは、パルス的なエネルギーの薄膜への
注入によって、過渡的に非平衡状態が実現して高温とな
るが、エネルギーの注入がうち切られると、瞬時にして
ガラス表面の温度変化に従属していくことを示してい
る。ガラス表面では、温度が薄膜ほどには上昇せず、冷
却速度もゆっくりしている。
【0043】この結果を見ると、Si薄膜の表面近くで
は大きな急冷速度(1011K/s )で冷却してゆくが、
薄膜の最深部ではそれほど温度が上がらず、全体として
不均一な温度変化となる。このようにして作製された、
あまり結晶質のよくないp−Si薄膜の断面TEM像を
観察すると、表面付近にはアモルファス層が、深部には
多結晶シリコン層が観察される。それゆえこのような熱
処理方法では作製されるp−Siの結晶質には限界があ
る。
【0044】そこで、p−Si薄膜の各部で均一でしか
も、冷却速度がずっとゆっくりした冷却方法を提示する
ことが本発明の主題である。
【0045】今、波長308nmの光に対するガラスの
エネルギー吸収率を約10%とした時、上に述べたパル
スを厚さ0.5mmのガラスに照射しても温度の上昇は
約1K程度であると見積もられる。つまり、単発のビー
ム照射では、エネルギー吸収と熱の湧き出しはほとんど
シリコン薄膜表面で起こるとみなしてよい。
【0046】要請されるような条件を満たす熱処理方法
を実現するために、ガラス基板を通して薄膜の裏側から
レーザービームを照射した時、比較的質のよいp−Si
が得られた。この原因を究明するために、図4のような
等価回路を用いて解析を行った。この場合は、熱の湧き
出しがSi薄膜とガラスとの境界面にあると考えられる
のでパルス電流源は、Si薄膜とガラスのCR回路の境
界に設定される。
【0047】この回路で回路解析を行い、得られたSi
薄膜の各部の温度変化を模式的に図1に示す。この結果
では、Si薄膜の各部の温度変化はほぼ均一となり、か
つ冷却速度も108/s と約1000倍遅くなり、Si薄
膜の表面からレーザーを照射した場合と質的にまったく
異なる結果が得られた。
【0048】この場合の物理的意味を吟味してみると、
基板に密着した薄膜の表面へ透明基板を通してビームを
照射すると、薄膜の境界面でビームの吸収が起こり、熱
が発生する。
【0049】この境界面は、薄膜の裸の表面と異なり、
ガラス基板という圧倒的に大きな熱浴と接しているため
に、薄膜境界面の熱的な挙動はこれに密着した熱浴表面
の非平衡的な熱挙動に従属せざるをえない。そこで、薄
膜と熱的な性質が異なった透明な層を薄膜に重ね合わ
せ、ビームで薄膜境界面を熱することにより熱浴表面を
高温に励起し熱浴自体の緩和時間で徐冷させるようにす
る。
【0050】これに密着した薄膜は、単体では非常に短
い時間内で急冷されるのであるが、境界面に熱浴が密着
しているためにその冷却時間は熱浴のそれに従い、より
長くなり、かつ温度変化も一様となると推察される。こ
の計算結果は調節パラメーターを適当に選ぶことにより
実験結果によく合わせることができる。
【0051】この効果は透明基板を通したビームアニー
ルだけでなく、Si薄膜の上に透明物質層を積層して、
上側からビームを照射した場合も同様の効果が認められ
た。また、この効果は、透明物質層の熱的性質として熱
容量をC,熱伝導率をκとした時、薄膜に比べて透明物
質層のC/κの値が10倍以上である時、効果が大きか
った。
【0052】なお、透明物質としては、各種のガラス、
石英、SnO2,MgO,LiF,CaF2、BaF2,N
aCl,AgClであっても効果が認められた。
【0053】また、熱処理するためのビームとしては、
レーザービームのほかに、X線、電子線、赤外線でも効
果が認められた。さらに、熱処理を受ける薄膜として
は、一般に半導体や金属であれば効果があった。
【0054】以上の効果はパルス的なビームを使用して
得られたものであるが、この効果はたとえば連続発振す
るようなビームの照射時間をうまくコントロールするこ
とによっても得ることができる。
【0055】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、透明物質
を密着させた薄膜表面を照射することにより、均一で、
かつ冷却速度がゆっくりした熱処理条件を実現すること
ができた。良質のp−Siを作製する場合にこの効果は
大きいと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における透明物質層とSi薄膜境界への
ビーム照射の場合のSi薄膜の各部とガラス表面の温度
変化の計算結果を示す図
【図2】表面へのビーム照射の場合の等価回路図
【図3】表面へのビーム照射の場合の、Si薄膜の各部
とガラス表面の温度変化の計算結果を示す図
【図4】透明物質層とSi薄膜境界へのビーム照射の場
合の等価回路図
【図5】Si薄膜と基板の断面およびレーザーアニール
を示す図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 幸弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F052 AA02 AA03 AA06 CA07 DA02 EA02 GB14

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透明物質層と境界をなす薄膜をビームによ
    り熱処理する場合、前記透明物質層を透過するビーム
    で、前記透明物質との境界面側の薄膜を照射して熱処理
    すること特徴としたビームアニール法。
  2. 【請求項2】前記薄膜と前記透明物質層の熱容量をそれ
    ぞれC1,C2、熱伝導率をκ1、κ2とした時、C1
    /κ1に比べてC2/κ2の大きさが10倍以上である
    ことを特徴とした請求項1記載のビームアニール法。
  3. 【請求項3】前記透明物質層をガラス、石英、Sn
    2 、MgO、LiF、CaF2 、BaF2 、NaC
    l、AgClとすることを特徴とする請求項1記載のビ
    ームアニール法。
  4. 【請求項4】前記薄膜の材質が半導体、金属であること
    を特徴とする請求項1記載のビームアニール法。
  5. 【請求項5】前記ビームとして、レーザービーム、X
    線、電子線、赤外線を使用することを特徴とする請求項
    1記載のビームアニール法。
JP10190030A 1998-07-06 1998-07-06 ビームアニール法 Pending JP2000021775A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003031498A (ja) * 2001-05-10 2003-01-31 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置およびその作製方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003031498A (ja) * 2001-05-10 2003-01-31 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置およびその作製方法

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