JP2004128261A - Method of manufacturing semiconductor thin film and thin-film transistor, electro-optical apparatus, and electronic equipment - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor thin film and thin-film transistor, electro-optical apparatus, and electronic equipment Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a single-crystal-like silicon film at a low process temperature, high throughput rate, and low cost. <P>SOLUTION: A 1st insulating layer, a light absorbing layer shaped in an island shape, and a 2nd insulating layer are provided on a semiconductor layer. Beams emitted from a plurality of linear lamp light sources having their peak wavelength in the vicinity of 1 μm are converged for scanning, thereby growing crystal of a semiconductor. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶半導体基板上あるいは絶縁体上に形成される半導体薄膜、薄膜トランジスタ、およびこれにより形成したロジック回路、メモリ回路、液晶表示装置および有機エレクトロルミネッセンス(EL)表示装置の表示画素または表示装置駆動回路の構成素子として利用される薄膜トランジスタの製造方法および絶縁体上に形成される太陽電池の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、多結晶シリコン(poly−Si)等の半導体薄膜は薄膜トランジスタ(TFT)や太陽電池に広く利用されている。とりわけpoly−SiTFTは、キャリア移動度が高い上、ガラス基板のような透明の絶縁基板上に作製できるという特徴を生かして、液晶表示装置、液晶プロジェクターや有機EL表示装置などのスイッチング素子、或いは液晶駆動用ドライバの回路素子として広く用いられている。
【0003】
ガラス基板上に高性能なTFTを作製する方法としては高温プロセスと呼ばれている製造方法がすでに実用化されている。TFTの製造プロセスの中でも、最高温度が1000℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シリコンの固相成長により比較的良質の多結晶シリコンを成膜する事ができる点、シリコンの熱酸化により良質のゲート絶縁層を得ることができる点、及び清浄な多結晶シリコンとゲート絶縁層との界面を形成できる点である。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも信頼性の高い高性能TFTを安定的に製造することができる。しかし、高温プロセスでは固相成長によりSi膜の結晶化をおこなうために、600℃程度の温度で48時間程度の長時間の熱処理を必要とする。これは大変長時間の工程であり、工程のスループットを上げるためには必然的に熱処理炉を多数必要とし、低コスト化が難しいという点が課題である。加えて、耐熱性の高い絶縁性基板として石英ガラスを使わざるを得ないため基板価格が高く、大面積化には向かないとされている。
【0004】
一方、工程温度を下げ、安価な大面積ガラス基板上にpoly−SiTFTを作製するための技術が低温プロセスと呼ばれる技術である。TFTの製造プロセスの中でも、最高温度が概ね600℃以下の温度環境下において比較的安価な耐熱性ガラス基板上にpoly−SiTFTを製造するプロセスは一般に低温プロセスと呼ばれている。低温プロセスでは発振時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の結晶化をおこなうレーザー結晶化技術が広く使われている。レーザー結晶化とは、基板上のシリコン薄膜に高出力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用する技術である。最近ではガラス基板上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザービームを繰り返し照射しながらスキャンすることによって大面積のpoly−Si膜を作製する技術が広く使われるようになった。また、ゲート絶縁層としてはプラズマCVDを用いた成膜方法により二酸化珪素(SiO)膜が大面積基板上に成膜可能となった。これらの技術によって、現在では一辺が数十センチほどもある大型のガラス基板上にpoly−SiTFTが作製可能となっている。
【0005】
しかし、この低温プロセスで問題となるのは能動層となる半導体層(poly−Si膜)をレーザー結晶化により形成した場合、結晶粒径が高々0.5ミクロンと小さいため、このpoly−Si膜を用いて作製したTFTの閾値電圧が高く移動度が低い事である。またエキシマレーザー結晶化法では結晶化したpoly−Si膜の表面に膜厚の30から40%相当の高さの凹凸が発生するという問題が有った。これは結晶成長核から成長した結晶同士が衝突する結晶粒界で発生する。この突起部分ではゲート絶縁膜厚が実効的に薄くなるため絶縁耐圧が低くなり、特に薄いゲート絶縁膜を有するTFTでは大きな課題となっていた。加えて、レーザー結晶化工程に広く使われているエキシマレーザーはガスレーザーであるためパルス間のエネルギー安定性が低く、TFT素子バラツキを低減するのが難しいという課題を有する。さらにエキシマレーザーは装置単価が高く、レーザーチューブ(発振器)の交換によるランニングコストが高く、またスループットも低いので、製品の製造コストを下げられないという課題を抱えていた。
【0006】
以上のような課題を解決するための手段として、以下のような従来技術がある。
【0007】
特許文献1では絶縁板の一主面上に半導体膜を被着する工程、前記半導体膜上に絶縁膜を被着する工程、該絶縁膜上に光吸収層を被着する工程を含み、光吸収層上からレーザー照射し加熱することにより半導体層の結晶化をおこなう技術が開示されている。
【0008】
特許文献2では非単結晶半導体層上に熱抵抗層を介してエネルギー吸収層を設け、該エネルギー吸収層をエネルギー線照射により昇温せしめることにより前記熱抵抗層を介して該半導体層を加熱溶融して単結晶化する技術が開示されている。
【0009】
特許文献3では絶縁層上に非単結晶半導体よりなる半導体領域を配設し、少なくとも前記半導体領域及びその近傍を被覆する皮膜を形成し、前記皮膜にエネルギー線を照射して該皮膜を加熱することにより前記半導体領域の非単結晶半導体を融解して単結晶化する技術が開示されている。
【0010】
特許文献4では絶縁性基板上に再結晶される非晶質または多結晶の化合物半導体層を設ける工程、この化合物半導体層上に化合物半導体より高い融点を有する加熱層を設ける工程、およびエネルギー線を上記加熱層に照射し吸収させ、上記加熱層の熱を伝導して上記化合物半導体層を加熱し再結晶する工程を施す半導体装置の製造方法が開示されている。
【0011】
特許文献5では部分的に単結晶シードに接した非単結晶半導体層が絶縁膜上に設けられ、該非単結晶半導体層が分離層を介して設けられたエネルギー線吸収層によって被覆された試料の該エネルギー線吸収層にエネルギー線を照射して加熱し、これを熱源としたヒートフローにより、該非単結晶半導体層を溶融し、前記単結晶シードから横方向にエピタキシャル成長させることにより、該非単結晶半導体層を単結晶化する工程が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法が開示されている。
【0012】
特許文献6では絶縁物基体上に熱伝導層として寄与する第一の層を設け、該第一の層上に単結晶化しようとする半導体島状領域を形成し、次いで該半導体島状領域の上表面及び側面を覆いエネルギー線吸収体として寄与する第2の層を形成し、該第2の層上からエネルギー線を照射して該半導体島状領域を単結晶化する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が開示されている。
【0013】
特許文献7では、少なくともその表面がアモルファス絶縁層で覆われた基板上に多結晶あるいは非晶質半導体膜を形成する工程と、該基板上に光吸収係数の異なる少なくとも2種類のアモルファス絶縁膜を形成する工程と、この基板に前記半導体が吸収できる波長成分を持つ光を照射するとともに、電子線を照射することにより、前記半導体膜を溶融再結晶させる肯定を含むことを特徴とする単結晶半導体薄膜の製造方法が開示されている。
【0014】
特許文献8では、基板上にアニールされるべき半導体層を形成し、該半導体層上に高融点金属膜を形成するに際して、半導体層と高融点金属膜との間に中間層を形成しておき、半導体層上に中間層、高融点金属膜を形成後、半導体層をアニールするためのエネルギービームを高融点金属膜側から照射するようになっていることを特徴とする半導体結晶層の製造方法が開示されている。
【0015】
特許文献9では、光照射により薄膜を熱処理するようにした薄膜の熱処理方法において、上記薄膜を加熱層上に積層した構造体を形成した後、上記薄膜に対して実質的に透明でかつ上記加熱層によって吸収される第1の波長を有する第1の光を上記構造体に照射し、次いで上記薄膜によって吸収される第2の波長を有する第2の光を上記構造体に照射するようにしたことを特徴とする薄膜の熱処理方法が開示されている。
【0016】
特許文献10では、絶縁基板上に光反射膜を形成する工程、該反射膜上にバッファ層を形成する工程、該バッファ層上に非晶質シリコン膜を形成する工程、該非晶質シリコン膜にランプ光を極短時間で複数回照射させ該シリコン膜を溶融結晶化させることにより多結晶シリコン膜を形成する技術が開示されている。
【0017】
以上のような技術を用いることにより絶縁基板上であっても結晶粒径が1ミクロン以上のpoly−Si膜を形成することが可能となるのでTFTの能動層領域内の結晶粒界を劇的に低減でき、結果としてTFTの性能を向上させることができる。
【0018】
【特許文献1】
特開昭57−113217
【特許文献2】
特開昭59−158515
【特許文献3】
特開昭59−205712
【特許文献4】
特開昭60−18913
【特許文献5】
特開昭60−126815
【特許文献6】
特開昭60−231319
【特許文献7】
特開昭61−30025
【特許文献8】
特開平4−332120
【特許文献9】
特開平6−291034
【特許文献10】
特開平8−51076
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術は照射光源の光エネルギーの吸収層による吸収効率が低かったため、汎用のハロゲンランプ等低価格の光源から発する光で吸収層温度を十分に上昇させる事が難しかった。加えて従来技術を大面積基板上に形成したpoly−Si膜の熱処理に適用することができないという課題を有していた。さらには結晶成長において発生する結晶粒界の位置はランダムであったため、TFTの能動層に結晶粒界があるものとないものとで特性のバラツキが発生するという重大な課題があった。これら課題の主たる原因は光吸収層にふさわしい材料、吸収層の膜構造や形状が不明確であり、結晶成長時の結晶粒界制御ができなかったことである。結果として、安価なガラス基板上へ大粒径の高品質なpoly−Si膜を形成する事およびTFTのバラツキ制御が不可能であった。
【0020】
そこで本発明は上述の諸課題を鑑み、安価な照射光源をもちいつつ結晶粒界発生が制御されたpoly−Si膜を大面積に形成する技術を開示し、poly−SiTFTおよび回路の特性向上とバラツキ低減を実現する半導体薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法、更にはこれを用いた電気光学装置及び電子機器を低コストで提供する技術を与えるものである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板上に形成された半導体層上に第一絶縁層を形成する工程と、該第一絶縁層上に少なくともW、Ti、Cr、Ta、Moのいずれかの材料を含有する光吸収層を形成する工程と、該光吸収層を複数の島状領域にパターニングする工程と、赤外領域に出力ピーク波長を有する光源と前記基板とを相対的に移動させながら該光源からの照射光を前記光吸収層に照射することによって前記半導体層を結晶化させる工程と、を少なくとも具備する。前記材料を光吸収層として用いることにより、安価で大出力が得られるハロゲンランプのピーク出力である赤外域の光がもっとも効率的に吸収されるとともに、結晶成長領域および結晶粒界位置を光吸収層の形状により制御することが可能となるので、大面積に高品質poly−Si膜を形成することができる。
【0022】
好ましくは前記光照射は不活性ガス中にておこなう。これにより酸化防止のための絶縁層を設ける工程を増やすことなく、光吸収層の酸化を防ぐ事ができるので工程が簡単である。
【0023】
好ましくは、前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して片側15°〜75°の角度を成す一対のV字型斜辺により挟まれた形状におこなわれる。ここで片側の角度とは図12(a)に示す角度406に相当する。しかる光吸収層形状により、結晶粒界の発生を制御しうる。
【0024】
好ましくは前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して第一の幅を有する領域1と、第一の幅より大きい第二の幅を有する領域2からなり、前記領域1と前記領域2は、照射光が基板と相対的に移動する方向に向かって片側15°〜60°のいずれかの角度を成す斜線で結ばれる接続領域によりなる。ここで片側の角度とは図12(b)に示す角度415に相当する。この方法によっても結晶粒界の発生とSi結晶の面方位を制御できるので高品質のSi膜を提供できる。
【0025】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、前記光吸収層の島状領域下に形成された半導体層を能動層として用いる。かかる方法により結晶粒界の制御された高品質Si膜領域を選択的に能動層に用いることが可能となるので、高移動度の薄膜トランジスタをバラツキ少なく提供することができる。
【0026】
本発明の電気光学装置は、上記の方法により製造された薄膜トランジスタを表示画素の駆動素子および周辺回路の構成素子として備える。これによりLCDや有機EL表示装置にメモリーや指紋センサー、更には演算機能を有する回路群を備えることが可能となり、より高機能な表示装置を提供することができる。
【0027】
本発明の電子機器は、上記の電気光学装置を備える。このような電子機器として、例えば、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、プロジェクタ、ファックス装置、デジタルカメラ、携帯型テレビ、携帯情報端末、電子手帳、多機能カードなどが好適である。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1に本発明の半導体薄膜製造工程断面図を示す。
【0029】
(1.半導体層の形成)
本願発明の実施のためには通常、基板(100)の上に下地保護膜(101)を形成しその上に半導体薄膜(102)を形成するので、この一連の形成方法について説明する。
【0030】
本発明を適応し得る基板(100)としては金属等の導電性物質、シリコン・カーバイト(SiC)やアルミナ(Al)や窒化アルミニウム(AlN)等のセラミック材料、溶融石英やガラス等の透明または非透明絶縁性物質、シリコン、ゲルマニウムウェーハー等の半導体物質、並びにそれを加工したLSI基板等が可能である。半導体膜は基板上に直接、又は下地保護膜や下部電極等を介して堆積する。
【0031】
下地保護膜(101)としては酸化硅素膜(SiO:0<x≦2)や窒化硅素膜(Si:0<x≦4)等の絶縁性物質が挙げられる。TFTなどの薄膜半導体装置を通常のガラス基板上に作成する場合の様な半導体膜への不純物制御が重要である時、ガラス基板中に含まれているナトリウム(Na)、カリウム(K)等の可動イオンが半導体膜中に混入しない様に下地保護膜を形成した後に半導体膜を堆積する事が好ましい。金属材料などの導電性材料を基板として用い、且つ半導体膜が金属基板と電気的に絶縁されていなければならない場合には、絶縁性を確保する為に当然下地保護膜は必要不可欠である。更に半導体基板やLSI素子上に半導体膜を形成する時にはトランジスタ間や配線間の層間絶縁膜が同時に下地保護膜でもある。
【0032】
下地保護膜はまず基板を純水やアルコールなどの有機溶剤で洗浄した後、基板上に常圧化学気相堆積法(APCVD法)や低圧化学気相堆積法(LPCVD法)、プラズマ化学気相堆積法(PECVD法)等のCVD法或いはスパッター法等で形成する。 下地保護膜として酸化硅素膜を用いる場合、常圧化学気相堆積法では基板温度を250℃程度から450℃程度としてモノシラン(SiH)や酸素を原料として堆積し得る。プラズマ化学気相堆積法やスパッター法では基板温度は室温から400℃程度である。下地保護膜の膜厚は基板からの不純物元素の拡散と混入を防ぐのに十分な厚さが必要で、その値は最小で100nm程度以上である。ロット間や基板間のばらつきを考慮すると200nm程度以上が好ましく、300nm程度あれば保護膜としての機能を十分に果たし得る。下地保護膜がIC素子間やこれらを結ぶ配線等の層間絶縁膜を兼ねる場合には、通常400nmから600nm程度の膜厚となる。絶縁膜が余りにも厚くなると絶縁膜のストレスに起因するクラックが生ずる。その為最大膜厚は2μm程度が好ましい。生産性を考慮する必要が強い場合、絶縁膜厚は1μm程度が上限である。
【0033】
次に半導体薄膜(102)について説明する。本発明が適用される半導体膜としてはシリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)等の四族単体の半導体膜の他に、シリコン・ゲルマニウム(SiGe1−x:0<x<1)やシリコン・カーバイド(Si1−x:0<x<1)やゲルマニウム・カーバイド(Ge1−x:0<x<1)等の四族元素複合体の半導体膜、ガリウム・ヒ素(GaAs)やインジウム・アンチモン(InSb)等の三族元素と五族元素との複合体化合物半導体膜、またはカドミウム・セレン(CdSe)等の二族元素と六族元素との複合体化合物半導体膜等がある。或いはシリコン・ゲルマニウム・ガリウム・ヒ素(SiGeGaAs:x+y+z=1)と云った更なる複合化合物半導体膜やこれらの半導体膜にリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)などのドナー元素を添加したN型半導体膜、或いはホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)等のアクセプター元素を添加したP型半導体膜に対しても本発明は適応可能である。これら半導体薄膜はAPCVD法やLPCVD法、PECVD法等のCVD法、或いはスパッター法等や蒸着法等のPVD法で形成する。半導体膜としてシリコン膜を用いる場合、LPCVD法では基板温度を400℃程度から700℃程度としてジシラン(Si)などを原料として堆積し得る。PECVD法ではモノシラン(SiH)などを原料として基板温度が100℃程度から500℃程度で堆積可能である。スパッター法を用いる時には基板温度は室温から400℃程度である。この様に堆積された半導体膜の初期状態(as−deposited状態)は非晶質や混晶質、微結晶質、或いは多結晶質等様々な状態があるが、本願発明において初期状態はいずれの状態であっても構わない。尚本願明細書中では非晶質の結晶化のみならず、多結晶質や微結晶質の再結晶化をも含めて総て結晶化と呼ぶ。半導体膜の膜厚はそれをTFTに用いる時には20nm程度から100nm程度が適している。
【0034】
(2.第一絶縁層の形成)
次に前記半導体層上に第一絶縁層(103)を形成する。この絶縁層の役割は次の工程で形成する光吸収層(104)と半導体層(102)を分離することにある。後の熱処理工程で光吸収層から半導体層への不純物の拡散を防ぐために、この絶縁層には酸化硅素膜(SiO:0<x≦2)や窒化硅素膜(Si:0<x≦4)等の絶縁性物質が適用しうる。第一絶縁層の形成は、半導体層上の自然酸化膜をフッ酸でエッチングし、純水洗浄した後、APCVD法やLPCVD法、PECVD法等のCVD法或いはスパッター法等で形成する。絶縁層として酸化硅素膜を用いる場合、常圧化学気相堆積法では基板温度を250℃程度から450℃程度としてSiHや酸素を原料として堆積し得る。PECVD法やスパッター法では基板温度は室温から400℃程度である。第一絶縁層の膜厚は光吸収層からの不純物元素の拡散と混入を防ぐのに十分な厚さが必要である一方、半導体層への光吸収層からの熱伝導が効率的におこなえる程度の厚みであることが条件である。このため絶縁層の膜厚には自ずと最適範囲が存在し、その値は最小で50nm程度であり、最大で熱拡散長と同程度の1μm程度である。
【0035】
(3.光吸収層の形成)
次に第一絶縁層(103)上に光吸収層(104)を形成する。この光吸収層は次の工程で照射する光を効率的に吸収し、これによる発熱と熱伝導により半導体層温度を高温に上昇せしめるという役割を有する。したがって照射する光の波長領域と、その波長領域における反射率、吸収係数の関係および耐熱性が重要となる。このような目的には高融点金属材料が好適である。金属中には高濃度のフリーキャリア(電子)が存在するため、照射光の反射成分以外は完全に吸収される。このため金属薄膜によって効率的に光吸収をさせるためには反射率の低い高融点金属薄膜を用いることが重要となる。図2に種々の高融点金属膜の反射率スペクトルを示す。後述するように本発明では比較的安価で高出力が得られるハロゲンランプを光照射の光源として用いるので、その出力ピーク波長である赤外域、特に波長1μm付近の反射率が低い材料が光吸収層として適している。図2からわかるように、同波長における反射率はTa、Mo、Cr、Ti、Wの順で徐々に低くなる。このような光学的性質に加えて、光吸収層は熱処理によってクラックが発生しない材料である事が要求される。よって、前述のTa、Mo、Cr、Ti、Wを少なくとも含有する合金(例えばシリサイド)を用いるか、あるいはこれら金属や金属合金の積層構造とするのが有効である。
【0036】
吸収層の厚みは、製造工程のタクトタイム短縮のためには薄い方が好ましいが、照射光を十分吸収しうる厚みが最低限必要となる。図3はCrとWを吸収層に用いた場合の波長1μmにおける反射率の膜厚依存性を示したものである。どちらの材料においても膜厚が50nm以下では反射率が非常に小さくなっている。これは膜が薄すぎるため、照射光を吸収しきれず透過成分が発生しているためである。50から100nmの膜厚では膜下面から反射してきた光と膜表面で反射した光の干渉効果により反射率が上昇を示している。これからわかるように、照射光を十分吸収しかつ安定した反射率を実現するためには光吸収層の膜厚は100nm以上、より望ましくは150nm以上であることが重要である。
【0037】
これら材料を光吸収層として絶縁層上に形成する方法としては真空蒸着法やスパッタリング法がある。これら材料は高融点金属なのでスパッタリング方が最も有効で、大面積に高速で成膜しうるという点においてもスパッタリング法が有利である。
【0038】
次に、斯様にして形成した光吸収層を所望の形状を有する島状領域(104)に整形する。これは光照射にともなう結晶成長時に、結晶成長の起点となる場所を制御する目的で行う。その形状としては例えば後述するように図12に示すような光吸収層の形状にパターニングするのが有効である。光吸収層を島状領域に整形しないと、半導体層を結晶化する際に任意の場所に結晶粒界が走るので、このようなpoly−Si膜をTFTの能動層として用いると、ある確率で結晶粒界のないTFTとあるTFTが出来てしまい、これがバラツキの原因となる。本発明の光吸収層の整形により、光吸収層下のpoly−Si膜はほぼ単結晶となり、結晶粒界が全く存在しない領域(109)を形成する事が出来る。加えて、Si結晶の面方位制御が可能となる。光吸収層下にあるpoly−Si膜は結晶粒界が存在しないが、その周辺領域は結晶粒径が小さく、数多くの結晶粒界が存在するので、TFTを作製するときは光吸収層下に形成された単結晶的poly−Si膜の部分を利用する。これにより高性能TFTを制御性よく作製する事が可能となる。
【0039】
(4.第二絶縁層の形成)
斯様にして形成した光吸収層上に、第二絶縁層(105)を形成する。この第二絶縁層には重要な役割が二つある。
【0040】
一つは光照射により吸収層の温度が上昇することによって光吸収層が酸化するのを防ぐ役割である。光照射により吸収層は1000℃以上の温度に容易に上昇し、この処理を大気中でおこなうと大気中の酸素と光吸収層の金属が反応して酸化物を形成する。金属酸化物は光学的に透明になってしまうので処理中に光吸収層の光吸収効率が著しく低下してしまい、半導体層の温度を上昇させることができない、あるいは処理の再現性が確保できないという問題を生じる。第二絶縁層を設けることにより大気と光吸収層を遮断できるので、このような処理中の光吸収層の酸化という問題を完全に防止することができる。第二絶縁層を設けない場合、光照射処理を不活性ガス雰囲気中でおこなうのも有効である。この方法は第二絶縁層を形成する工程を増やすこと無く光吸収層の酸化を防止できるという長所を有する。
【0041】
二絶縁層のもう一つの役割は、反射防止膜効果により光吸収層の反射率を低減することである。図4にCrおよびWを光吸収層に用い、第二絶縁層としてSiO膜(n=1.47)を用いた場合の波長1μmの光の反射率の第二絶縁層膜厚依存性を示す。本発明に好適な光吸収層は金属膜であるため空気との屈折率差がおおきい。よって光吸収層による反射率を低減するためには金属膜より屈折率(n)が空気に近い層を設けるのが極めて有効である。反射防止膜は干渉効果により反射率を下げるものであるから、図4からわかるように光吸収層上の第二絶縁層膜厚によりその反射率は周期的に変化する。当然反射防止膜として機能する条件の膜厚はいくつか有るが、成膜時間が短い最小膜厚が工程タクト短縮のために最も好ましい。第二絶縁膜の材料として何を用いるかにも依存するが、このような条件としておおむね50から250nmの膜厚が好ましい。これにより例えばWを光吸収材料として用いた場合、第二絶縁層として140から150nmのSiO膜を形成すれば反射率を48%から20%未満へと劇的に低下することができ、照射光の光吸収層への効率的吸収の上で極めて効果的である。
【0042】
(5.光照射)
以上のようにして形成した積層構造に光照射をおこなう。先にも述べたように照射光は光吸収層に効率的に吸収されることが求められるので、そのスペクトルが重要である。換言すればどのような種類の光源を用いるかがその光源の波長を大きく左右する。本発明に適用し得る光源としてはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、水銀ランプ、Xeランプ、アークランプ等がある。大面積での処理を可能にするためにはランプ出力が高く、またランプ交換によるランニングコストが低いことが要求される。このような理由から本発明の光源としてはハロゲンランプが最も適している。ハロゲンランプは種々のものが有るが、ピーク波長を1μm付近に有し、出力も8kW以上を容易に達成し得る。また有効光源長さが400mmの線状ランプ光源1本の値段は高々10万円程度であり、エキシマレーザーチューブ1本1500万円と比較すると非常に安価である。
【0043】
本発明では例えば長さ400mmの線状のハロゲンランプ2本(111)を並行にならべ、各々の光源から発した光を放物面を有する反射鏡(112)で被処理基板上に集光(106)する方法を用いる。図1にはこのランプユニット(110)の断面構造が模式的に示してある。放物面(112)は金によりコーティングしてあり、図に示すように2つのハロゲンランプ光源(111)からの光は効率的に基板上の同一箇所に集光される。このとき放物面(112)の一つの焦点位置に線状光源の中心(111)が位置し、他方の焦点位置が光吸収層上の集光点(116)となるような配置とする。よって2本のランプ光源それぞれの反射光学系の楕円面は一つの焦点を光吸収層上の集光点(116)で共有する配置となる。これにより複数の光源から発生した光を最も効率的に集光することができる。
【0044】
本発明の反射光学系と光源の相対的位置は10μmオーダーで調整する必要がある。このためには線状光源の両端にある支持部分に2軸可動なマイクロメータを設けて調整するのが有効である。各線状光源の中心位置と反射光学系の楕円面が理想的位置関係となっていれば光吸収層上に集光される照射光の短軸方向は図5の510に示すようなガウス分布的分布を示す。これが数10μmずれると2つのピークをもつ分布となり、本来の光照射条件より広がった領域への光照射をおこなうことになってしまう。これは基板温度を上昇させてしまう結果となるので、本発明の低温プロセスへの適用上問題となる。よって前述のようにマイクロメータを用いて微妙な調整をおこない理想的な照射光分布を用いて光照射をおこなうのが重要である。特にハロゲンランプなどではランプ投入パワーを上昇させると実効的ランプ中心点がわずかにずれるので、この状態でのランプ位置調整をおこなうことが実用上重要となる。
【0045】
本例では2本の線状光源を用いた場合を示したが、これまで述べたような光学配置は当然3本以上の線状光源を集光する場合にも適用しうる。しかしながら光源数が増えると光吸収層に入射する光の斜め方向性分が増え反射率が増加することと、反射光学系の配置に制限が増えるため各光源からでる光の利用効率が下がるので、実用上は2本の光源がもっとも光利用効率が高い。
【0046】
また集光箇所以外の基板上に照射される光を遮るために、遮光スリット(115)を設けることが有効である。本発明を低温プロセスに適用するためには、後述するように光吸収層上の狭い領域にいかに光を集光し、高パワーの光照射領域を形成するかが重要である。これ以外の領域へ漏れ光が照射されると基板温度を不用意に上昇させてしまうので、光照射時に光吸収層・半導体層のみでなく基板温度までも上昇させる結果となる。これを防止するためには反射光学系と光吸収層の間にスリットを設け、前記漏れ光を完全に遮断するのが有効である。
【0047】
以上のようにしてランプ光を基板上に極めて細い線状に集光した状態で連続的に照射しながら114のように基板とランプユニットを相対的に移動させ処理をおこなう。これにより光吸収層のランプ光集光部分(107)では急激に温度が上昇し、第一絶縁層を介して拡散した熱は半導体層を局所的に昇温せしめる(108)。照射条件を適当に選ぶことにより半導体層の被処理部分108の温度は融点以上に達し、溶融する。この溶融部分108はランプユニットの移動と共に114の方向に移動していくので、その後方には溶融後の冷却過程で連続横方向結晶成長により結晶化した大粒径poly−Si(109)が形成される。このようにして高品質のpoly−Si膜を低コストで容易に提供することができるのである。
【0048】
本発明のランプユニットでは2本のハロゲンランプの中間位置に放射温度計(113)を有し、測定範囲が広がらないように筒状のコリメータまたはレンズを前面に有する。この位置で基板温度測定をすることは、ランプ光源から発する赤外光が直接放射温度計に入り異常に高い温度を示してしまうという問題を回避でき、基板温度を正確に測定できるという利点を有する。これにより被処理基板の温度を測定し、ランプ出力にフィードバックをかけることにより安定したランプ照射処理が可能となり、結果としてえられるpoly−Si膜の品質を安定化できるという利点を有する。
【0049】
ハロゲンランプの長軸方向には上記反射光学系が筒状に形成されており、結果として図5に示すようなライン状で且つ基板上に集光した光照射により大面積の処理が可能となる。図5では前記ライン状照射光(500)を基板(100)に照射しながらスキャン(505)させる様子を示す。先に述べたように、ハロゲンランプでは容易に400mmのライン状光源を構成しうるので、例えば400mm×500mmの大型基板に対して、400mmの辺とハロゲンランプの長軸方向を平行にして1回スキャンをおこなうことによって、この大面積基板上に大粒径の高品質poly−Si膜を形成しうるのである。例えばランプユニットを10mm/sの速度で移動させながら処理した場合、わずか50秒で基板全面の処理が完了するので、本発明の半導体薄膜の製造方法は製造装置コストが低いだけでなく、工程のスループットも高いので、安価で高性能な薄膜トランジスタを提供することが可能である。
【0050】
次に具体的なランプ照射条件について述べる。図5に示すようにランプ光を集光して基板に照射した場合、基板(光吸収層)上(503)でのランプ光の強度分布は典型的には501に示すようにガウス分布的形状となる。本発明に好適な照射光形状は、この空間分布の半値幅が1から10mm程度である。この照射光を一定速度で基板上をスキャンすると、基板上の任意点(例えば504)に照射される光パワーの時間的変化はスキャン速度が速いと511のような照射プロファイルになるし、逆に遅いと512のような照射プロファイルとなる。本発明の光照射では、照射プロファイルのピークパワーと照射時間(本明細書中では照射プロファイルの半値全幅を照射時間と定義する)が重要であり、例えば図6には照射ピークパワー500W/cm、照射時間600msの条件で光照射をおこなった場合の光吸収層・半導体層および各基板深さ位置における温度変化を示している。ここで照射光プロファイルはガウス分布に近い形状である台形型を用いて代用し、また光吸収層はWとし、第二絶縁層を設けることにより実効反射率25%である場合を示している。ここで考えているような時間オーダーでは熱拡散長に比べて光吸収層と半導体層の厚みは十分小さいので、これら二層の温度は全く同じである。図6からわかるように本発明の光照射により光吸収層・半導体層の温度は局所的に急激に上昇し、最高1780K程度に達するのでSi膜は溶融する。照射光が通過し温度が低下するとSi膜は固化と同時に結晶化する。この光照射条件では照射時間が比較的長いので基板温度も高くなり、最終的には1200K程度にまで達する。よって、図6に示す照射条件は基板として石英などの耐熱性基板を用いた場合に適当な条件である。基板温度を上昇させず、光吸収層・半導体層のみを局所的に昇温せしめるためにはより短時間に高いパワーを照射する必要がある。前述の説明で明らかなように、これは照射光の空間分布における半値幅を小さくする(集光する)、あるいはスキャンスピードを早くすると同時にランプ出力を増加させることによって実現可能である。例えば図7に示すように照射ピークパワー700W/cm、照射時間300msとすると、光吸収層・半導体層の温度は1750Kに達するにもかかわらず基板温度は最終的に900K程度にまでしか上昇しない。これは光照射条件がより短時間、高パワーとなったため、基板表面付近の光吸収層・半導体層が非熱平衡的に熱処理されるためである。以上のように本発明の半導体薄膜の製造方法は光照射プロファイルを制御することにより、容易に低温プロセスに適用しうる。
【0051】
加えて本発明の半導体薄膜の製造方法は結晶成長方向が横方向で、しかも半導体層は上下を絶縁層に挟まれているので結晶化後の半導体層の表面は極めて平坦である。これはゲート絶縁膜厚の薄い薄膜トランジスタを作成した場合にも絶縁耐圧を低下させることが無いので、より微細なTFTでより薄いゲート絶縁膜を有するTFTにも適用可能で、結果としてエキシマレーザー結晶化poly−Si膜を用いた場合より高速の回路を形成しうるという利点を有する。斯様にして作製したpoly−Si膜を用いて作製したTFTは面方位が揃っているので移動度ばらつきが極めて小さく、且つ欠陥密度が低いので閾値電圧が低いという特徴を有する。
【0052】
本発明の半導体薄膜の形成方法は照射光源のパワーがkWオーダーのハイパワーで、且つミリ秒オーダーの熱処理時間なので、被処理半導体層の膜厚が100nmを超える厚さでも結晶化が可能である。従来のレーザー結晶化法では1パルスの照射時間がナノ秒と短く、且つ投入するエネルギー密度として1cmあたり1Jが実用上の上限なので、100nm以上の膜厚の半導体層を結晶化するのは原理的に不可能であった。これに対して本発明の半導体薄膜の形成方法は1ミクロン程度の膜厚の半導体層でも十分結晶化ができるので、太陽電池の用途に用いる多結晶シリコン膜の形成にも適用し得るという特徴を有する。
【0053】
本発明の半導体薄膜の製造方法を低温プロセスに適用するには初期基板温度を室温にするか、もしくは処理中に基板冷却をおこなうのも有効である。基板冷却をおこなえば図6に示すような光照射プロファイルを用いても基板温度上昇を防ぎ低温プロセスに適用しうる。基板冷却の方法としてはガスを基板に吹き付けることにより冷却する方法、或いは基板ホルダに基板を静電チャックで完全に密着させ、基板ホルダに冷却水を循環させることによって基板の熱を奪う構造にする方法が有効である。
【0054】
以上は半導体層を溶融させ結晶化させる条件について述べてきたが、本発明の半導体薄膜の製造方法は必ずしも溶融させずとも半導体層を結晶化させることができる。従来の固相成長法は600℃で48時間程度の熱処理をおこなっていたが、本発明の半導体薄膜の製造方法では半導体層の温度が容易に1000℃以上に達するので例えば1秒程度の熱処理時間でも固相成長が起こる。例えば照射ピークパワー400W/cm、照射時間1秒というのがこのような固相成長を起こす照射プロファイルの一例である。溶融・結晶化の場合のような大粒径結晶はえられないものの、結晶粒径が1μm以上で、且つ表面が平坦なpoly−Si膜を容易に得ることができる。ただしこの場合基板温度も高くなるので、高温プロセスへの適用がふさわしい。
【0055】
【実施例1】
本発明の半導体薄膜の製造方法の実施例を図1および図12(a)にそって説明する。本発明で用いられる基板及び下地保護膜に関しては前述の説明に準ずるが、ここでは基板の一例として300mm×300mmの正方形状汎用無アルカリガラス(100)を用いる。まず基板100上に絶縁性物質である下地保護膜(101)を形成する。ここでは基板温度を150℃としてECR−PECVD法にて200nm程度の膜厚を有する酸化硅素膜を堆積する。次に後に薄膜トランジスタの能動層となる真性シリコン膜等の半導体膜(102)を堆積する。半導体層の厚みは50nm程度で有る。本例では高真空型LPCVD装置を用いて、原料ガスで有るジシラン(Si)を200SCCM流し、425℃の堆積温度で非晶質シリコン膜102を堆積する。まず高真空型LPCVD装置の反応室を250℃とした状態で反応室の内部に複数枚(例えば17枚)の基板を表側を下向きとして配置する。こうした後にターボ分子ポンプの運転を開始する。ターボ分子ポンプが定常回転に達した後、反応室内の温度を約1時間掛けて250℃から425℃の堆積温度に迄上昇させる。昇温開始後の最初の10分間は反応室にガスを全く導入せず真空中で昇温を行い、しかる後純度が99.9999%以上の窒素ガスを300SCCM流し続ける。この時の反応室内における平衡圧力は、3.0×10−3Torrで有る。堆積温度に到達した後、原料ガスであるジシラン(Si)を200SCCM流すと共に、純度が99.9999%以上の希釈用ヘリウム(He)を1000SCCM流す。堆積開始直後の反応室内圧力は凡そ0.85Torrで有る。堆積の進行と共に反応室内の圧力は徐々に上昇し、堆積終了直前の圧力は凡そ1.25Torrと成る。斯様に堆積したシリコン膜(102)は基板の周辺部約7mmを除いた286mm角の領域内に於いて、その膜厚変動は±5%以内で有る。次に第一絶縁層(103)を形成する。ここではECR−PECVD法にて100nm程度の膜厚を有するSiO膜を堆積した。原料ガスとしてSiHとOをそれぞれ30sccmおよび40sccm流し、基板を100℃に加熱した状態でプラズマ放電を開始し成膜を行った。次に光吸収層(104)としてTa膜をスパッタリングにより800nm形成した。この膜厚のTaを形成することによって安定的に照射光を吸収させることができ、しかもクラックの発生がないので処理中の光吸収層の温度は極めて安定していた。次に光吸収層の島状パターニングを行った。本実施例では図12(a)に示すV字型の辺によってはさまれた形状に光吸収層をパターニングした。島状領域(400)は頂角部分が光スキャン方向(409)と成す角度(406)が45度となるように形成した。
【0056】
この次に光吸収層上に第二絶縁層(105)としてSiO膜を145nm形成した。これは第一絶縁層とまったく同様の条件にて成膜をおこなった。Taを光吸収材料として用い、第二絶縁層として145nmのSiO膜を形成したので実効反射率を50%程度にすることができた。この後、1μm付近に強度ピークを持つ発光体直径6mm、長さ400mmハロゲンランプ2本を平行に並べ、その背面に楕円面を有する反射光学系を配置できるランプユニットを用いて光を長軸300mm(均一性がえられる有効長さ)、短軸5.5mmのライン状に整形し、パワー密度950W/cmにて光吸収層側から照射した。ランプユニットはアルミニウムで形成し、反射面は金メッキを施した。処理前にランプ線状光源に処理条件と同等のパワーを投入しながら光源と光学系の相対位置をマイクロメータで調整し、集光位置における分布が単一ピークを有するガウス分布に近くなるようにした。基板温度の上昇を抑えるため、基板を毎秒36mmの速度で照射光の短軸方向にスキャンした。任意点における光照射時間は150msである。処理中の光吸収層または第二絶縁層の温度は放射温度計(113)でモニタし、温度が安定するようにランプ光源に投入する電力にフィードバックをかけた。照射光後方部分に溶融シリコン層(108)が形成され、基板の移動とともに固液界面(108と109の境界部分)にて連続横方向結晶成長がおこり、最終的には基板全面に多結晶シリコン層(109)を形成した。先に述べたように光吸収層は図12(a)の形状に形成されており、これに対してライン状のランプ光が図12(a)の410の位置関係になるようにして409の方向にスキャンを行った。これにより光吸収層直下のSi膜は溶融するが、ランプ光が通過した後の結晶成長は必ず頂点部分(405)を起点として起こるので、結果として島状光吸収層下のSiはV字型をした単結晶薄膜となる。光吸収層領域の境界領域(407、408)は多結晶となるので、TFTは光吸収層下のSi膜部分にのみ形成する。よって、島状領域(400)は少なくとも必要な回路ブロックを包含するような大きさに形成した。このような方法により、多くの部分が単結晶Si膜からなるpoly−Si膜を形成できる。本照射プロファイルにおける光吸収層・半導体層および基板各深さにおける温度変化を図8に示す。本発明の半導体薄膜の製造方法では基板温度はたかだか400℃程度にまでしか上昇せず、従来の無アルカリガラスでも十分絶えうる。本実施例には図7に示す照射プロファイル(照射ピークパワー700W/cm、照射時間300ms)でも十分適用可能である。図8の照射プロファイルならば熱的影響が小さいので、基板厚さが0.5mmの薄いガラス基板にも本発明の半導体薄膜の製造方法が適用可能であった。以上の光照射方法により、低温プロセスで単結晶に近いSi膜を容易に形成できた。
【0057】
【実施例2】
本発明の第2の実施例を図1にそって説明する。下地保護膜、半導体層、第一絶縁層、第二絶縁層を形成する方法は実施例1とまったく同様である。光吸収層として図12(b)に示す形状の島状領域に形成したものを用いた。図12(a)のものでは照射光のスキャン方向(409)に島状領域が途切れているので、これにより形成されるSi結晶の面方位の一様性が制御しにくい。これに対して本例のパターンでは照射光のスキャン方向に島状領域がつながっているので、結晶の面方位を揃える事が可能となる。照射光のスキャニングとともに結晶成長距離が伸びると結晶の面方位が徐々に傾いて来たり、あるいは突然別の面方位を持つ結晶成長が始まったりする事がある。これを防止するために、本例の島状パターンは細い領域1(411)と太い領域2(412)およびこれらをつなぐ接続領域(413)とからなる。領域2が長いと先に述べたように結晶の一様性が損なわれるので幅の狭い領域1で優先的な結晶成長面を選択的に成長させ、これを接続領域413を経て面積のより広い領域2(412)へと拡張させる。この結果、領域2としては単結晶でかつ面方位のよく揃った結晶を得る事が出来た。光照射条件は実施例とまったく同じである。これにより実施例1よりさらに高品質なSi膜を得ることができた。本発明の半導体薄膜をTFTに適用する場合には半導体層上に第一絶縁層、光吸収層、第二絶縁層を形成し光照射した後これら三層をエッチングにより除去し半導体層を能動層として利用する。この際にはもちろん、高品質なSi結晶が形成されている光吸収層下の領域にTFTを作製する。
【0058】
【実施例3】
本発明の第3の実施例では、光照射条件を変えて半導体薄膜の作製をおこなった。被処理基板の作成方法は基板に比較的耐熱性の高いプラスティック基板を用いたことを除けば実施例2とまったく同じである。しかるのち、1μm付近に強度ピークを持つハロゲンランプ光を長尺300mm、短軸1mmのライン状に整形し、パワー密度1800W/cmにて光吸収層側から照射した。基板温度の上昇を抑えるため、基板を毎秒23mmの速度で照射光の短軸方向にスキャンした。任意点における光照射時間は44msである。この照射プロファイルによる光吸収層・半導体層および基板各深さにおける温度変化を図9に示す。これにより、基板の温度上昇は更に低下でき、たかだか220℃までしか上昇しない。なお且つ、光吸収層下に形成される単結晶Si領域は実施例2と同品質のものが形成しうる。本実施例ではプラスティック基板を用いても本発明の半導体薄膜の製造法方が適用しうることを確認できた。
【0059】
【実施例4】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法の実施例を図10にそって説明する。本実施例で用いる試料構造は実施例1または2のいずれの構造でも構わないが、ここでは実施例2の構造を用いた。光照射は1μm付近に強度ピークを持つハロゲンランプ光を長尺300mm、短軸5.5mmのライン状に整形し、パワー密度700W/cmにて光吸収層側から移動速度毎秒18mmにて照射した。これにより島状の光吸収層領域直下に単結晶Si膜を形成した。本実施例では斯様に形成した単結晶Si膜を能動層として用いるために第二絶縁層、光吸収層および第一絶縁層をエッチングにより除去した。SiO膜のエッチングには5%HF液を、また光吸収層であるWは塩素系ガスをプラズマ放電させ発生するラジカルを用いてドライエッチングにより除去した。斯様にしてSi膜901が露出した基板をプラズマ処理チャンバーへセットする。プラズマ処理チャンバーでは基板温度は250℃とし、水素ガスを80sccm流し、圧力1Torrで平行平板RF電極を用いて1kWのパワーでプラズマ放電をおこなった。これによりSi膜の捕獲準位(欠陥)不活性化処理および表面の水素終端処理を160秒おこなった。先に述べたように本例で得られるSi膜は単結晶であるが、一部転移や点欠陥などの欠陥が発生しているので、これらをプラズマ処理により不活性化するのが本工程の狙いである。この後、光吸収層下に形成されたSi膜領域に対してフォトリソグラフィーによりフォトレジストパターンを形成し、CFとO混合ガスを用いたリモートプラズマ放電によるドライエッチングをおこなった。島状にパターニングされたSi膜上にゲート絶縁膜(902)を形成するために基板を絶縁膜形成チャンバーへセットする。チャンバー内を10−6(Torr)台の真空度に排気した後、シランガスと酸素ガスを流量比1:6で導入し、チャンバー圧力を2×10 (Torr)に調節する。チャンバー内のガス圧力が安定したらECR放電を開始し、絶縁膜の成膜を開始する。投入したマイクロ波パワーは1kWで、マイクロ波は磁力線に平行に導入窓から導入した。導入窓から14cmの位置にECRポイントがある。成膜は10nm/minの成膜速度でおこなった。これにより、ゲート絶縁膜(902)を100nm形成した。引き続いてゲート電極(905)となる薄膜をPVD法或いはCVD法などで堆積する。通常はゲート電極とゲート配線は同一材料にて同一工程で作られる為、この材質は電気抵抗が低く、350℃程度の熱工程に対して安定である事が望まれる。本例では膜厚が600nmのタンタル薄膜をスパッター法により形成する。タンタル薄膜を形成する際の基板温度は180℃であり、スパッタガスとして窒素ガスを6.7%含むアルゴンガスを用いる。斯様に形成したタンタル薄膜は結晶構造がα構造と成っており、その比抵抗は凡そ40μΩcmである。ゲート電極となる薄膜を堆積後パターニングを行い、引き続いて半導体膜に不純物イオン注入を行ってソース・ドレイン領域(903、904)及びチャンネル領域を形成する。この時ゲート電極がイオン注入のマスクとなっているため、チャンネルはゲート電極下のみに形成される自己整合構造となる。イオン・ドーピング法の原料ガスとしては水素中に希釈された濃度0.1%程度から10%程度のホスフィン(PH)やジボラン(B)等の注入不純物元素の水素化物を用いる。本例ではNMOS形成を目指し、イオン・ドーピング装置を用いて、水素中に希釈された濃度5%のホスフィン(PH)を加速電圧100keVで注入する。PH3+やH2+イオンを含むの全イオン注入量量は1×1016cm−2である。
【0060】
次に層間絶縁膜をPECVD法を用いて形成した。原料ガスはTEOS(テトラエトキシシラン)、NOおよびArガスを用いて圧力1.5Torr、1kWのパワーで放電をおこない、800nmの層間絶縁膜を形成した。次にソース・ドレイン上にコンタクトホールを開孔し、アルミニウムでソース・ドレイン取り出し電極(907、908)と配線をPVD法やCVD法などで形成して薄膜トランジスタが完成する。これにより単結晶SiのMOSFETとほぼ同等性能を有する高性能TFTが極めて均一性よく作製できた。
【0061】
本発明の製造方法により得られた薄膜トランジスタは電気光学装置を備える各種の電子機器に適用可能である。図11に電気光学装置を適用可能な電子機器の例を挙げる。同図(a)は携帯電話への適用例であり、携帯電話230は、アンテナ部231、音声出力部232、音声入力部233、操作部234、及び本発明の電気光学装置10を備えている。このように本発明の電気光学装置10を携帯電話230の表示部として利用可能である。同図(b)はビデオカメラへの適用例であり、ビデオカメラ240は、受像部241、操作部242、及び本発明の電気光学装置10を備えている。このように本発明の電気光学装置は、ファインダや表示部として利用可能である。このほかにも携帯型パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、リア型プロジェクター、フロント型プロジェクターへの適用が可能である。このように本発明の電気光学装置は画像表示源として利用可能である。
【0062】
上記例に限らず本発明の電気光学装置10は、アクティブマトリクス型の電気光学装置を適用可能なあらゆる電子機器に適用可能である。例えば、この他に、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型TV、DSP装置、PDA、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイなどにも活用することができる。
【0063】
以上、従来の技術では、結晶粒径が大きくほぼ単結晶と同等の品質を有し、表面が平坦なSi膜を低温プロセスで、且つ高いスループットで、且つ低コストで形成する有効なプロセスが明確でなかった。しかし、以上述べて来た様に本発明の半導体薄膜および薄膜トランジスタの製造方法を用いることによって極めて高品質なSi膜形成が可能となる。結果として高移動度、低しきい値電圧でなお且つバラツキの極めて少ない薄膜トランジスタの製造が可能となり、超低消費電力回路の実現が可能となり、低価格で多機能の電気光学装置及び電子機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体薄膜の製造方法を示した工程断面図。
【図2】種々の高融点金属膜の反射率スペクトルを示した図。
【図3】CrおよびW膜の波長1μmにおける反射率の膜厚依存性を示す図。
【図4】Cr、W上に設けた第二絶縁層膜厚と波長1μmにおける反射率の関係を示した図。
【図5】本発明の光照射方法を大面積基板に適用する方法および照射プロファイルを説明した図。
【図6】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図7】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図8】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図9】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図10】本発明の薄膜トランジスタの製造方法を示した工程断面図。
【図11】本発明の電気光学装置を備える電子機器の例を示す図。
【図12】本発明の島状光吸収層パターンの例を示す図。
【符号の説明】
100...基板
101...下地保護膜
102...半導体膜
103...第一絶縁層
104...光吸収層
105...第二絶縁層
106...照射光の基板上における集光点
107...光吸収層の温度上昇部分
108...液体シリコン
109...poly−Si
110...ランプユニット
111...ランプ光源
112...反射光学系・反射面
113...放射温度計
114...スキャン方向
115...スリット
400、414...島状光吸収層
410...ライン状ランプ光
500...照射光
501...照射終了領域
502...未照射領域
503...照射光照射位置
504...基板上任意点
510...基板上の照射光強度分布
511、512...照射プロファイル例
901...poly−Si膜
902...ゲート絶縁膜
903、904...ソース、ドレイン領域
905...ゲート電極
906...層間絶縁膜
907、908...ソース、ドレイン電極
10...本発明の半導体薄膜を用いて作製したTFTを利用した電気光学装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor thin film and a thin film transistor formed on a single crystal semiconductor substrate or an insulator, and a logic circuit, a memory circuit, a liquid crystal display device, and a display pixel or a display device of an organic electroluminescence (EL) display device formed thereby. The present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor used as a component of a drive circuit and a method for manufacturing a solar cell formed over an insulator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, semiconductor thin films such as polycrystalline silicon (poly-Si) have been widely used for thin film transistors (TFTs) and solar cells. In particular, a poly-Si TFT has a high carrier mobility and can be manufactured on a transparent insulating substrate such as a glass substrate, so that a switching element such as a liquid crystal display device, a liquid crystal projector or an organic EL display device, or a liquid crystal device is used. It is widely used as a circuit element of a driving driver.
[0003]
As a method for manufacturing a high-performance TFT on a glass substrate, a manufacturing method called a high-temperature process has already been put to practical use. Among the TFT manufacturing processes, a process using a high temperature with a maximum temperature of about 1000 ° C. is generally called a high-temperature process. The features of the high-temperature process are that relatively high-quality polycrystalline silicon can be formed by solid phase growth of silicon, that a high-quality gate insulating layer can be obtained by thermal oxidation of silicon, and that polycrystalline silicon is clean. The point is that an interface between silicon and the gate insulating layer can be formed. Due to these characteristics, a high-performance TFT with high mobility and high reliability can be stably manufactured in a high-temperature process. However, in a high-temperature process, a long-time heat treatment of about 48 hours is required at a temperature of about 600 ° C. in order to crystallize a Si film by solid phase growth. This is a very long process, and in order to increase the throughput of the process, a large number of heat treatment furnaces are inevitably required, which makes it difficult to reduce the cost. In addition, since quartz glass must be used as an insulating substrate having high heat resistance, the cost of the substrate is high, and it is said that it is not suitable for increasing the area.
[0004]
On the other hand, a technique for lowering the process temperature and manufacturing a poly-Si TFT on an inexpensive large-area glass substrate is a technique called a low-temperature process. Among TFT manufacturing processes, a process of manufacturing a poly-Si TFT on a relatively inexpensive heat-resistant glass substrate in a temperature environment having a maximum temperature of approximately 600 ° C. or less is generally called a low-temperature process. In a low-temperature process, a laser crystallization technique for crystallizing a silicon film using a pulse laser having an extremely short oscillation time is widely used. Laser crystallization is a technique that utilizes the property that a silicon thin film on a substrate is instantaneously melted by irradiating a high-power pulsed laser beam and then crystallized in the process of solidification. Recently, a technique for producing a large-area poly-Si film by scanning while repeatedly irradiating an amorphous silicon film on a glass substrate with an excimer laser beam has been widely used. As a gate insulating layer, silicon dioxide (SiO 2) is formed by a film forming method using plasma CVD.2) A film can be formed on a large area substrate. With these techniques, a poly-Si TFT can now be manufactured on a large glass substrate having a side of about several tens of centimeters.
[0005]
However, a problem with this low-temperature process is that when a semiconductor layer (poly-Si film) serving as an active layer is formed by laser crystallization, the crystal grain size is as small as 0.5 μm at most. Is that the threshold voltage of the TFT manufactured using the method is high and the mobility is low. In addition, the excimer laser crystallization method has a problem that irregularities having a height equivalent to 30 to 40% of the film thickness are generated on the surface of the crystallized poly-Si film. This occurs at crystal grain boundaries where crystals grown from crystal growth nuclei collide with each other. Since the thickness of the gate insulating film is effectively reduced at the protruding portion, the withstand voltage is reduced. This is a major problem particularly in a TFT having a thin gate insulating film. In addition, since the excimer laser widely used in the laser crystallization process is a gas laser, there is a problem that energy stability between pulses is low, and it is difficult to reduce variation in TFT elements. Furthermore, excimer lasers have a problem that the unit cost of the excimer laser is high, the running cost by replacing the laser tube (oscillator) is high, and the throughput is low, so that the manufacturing cost of the product cannot be reduced.
[0006]
As means for solving the above problems, there are the following conventional technologies.
[0007]
Patent Document 1 includes a step of depositing a semiconductor film on one main surface of an insulating plate, a step of depositing an insulating film on the semiconductor film, and a step of depositing a light absorbing layer on the insulating film. A technique is disclosed in which a semiconductor layer is crystallized by irradiating a laser from above the absorption layer and heating.
[0008]
In Patent Literature 2, an energy absorption layer is provided on a non-single-crystal semiconductor layer via a heat resistance layer, and the semiconductor layer is heated and melted via the heat resistance layer by heating the energy absorption layer by irradiation with energy rays. A single crystallization technique has been disclosed.
[0009]
In Patent Document 3, a semiconductor region made of a non-single-crystal semiconductor is provided on an insulating layer, a film covering at least the semiconductor region and the vicinity thereof is formed, and the film is irradiated with energy rays to heat the film. Accordingly, a technique for melting a non-single-crystal semiconductor in the semiconductor region to form a single crystal has been disclosed.
[0010]
In Patent Document 4, a step of providing an amorphous or polycrystalline compound semiconductor layer to be recrystallized on an insulating substrate, a step of providing a heating layer having a higher melting point than the compound semiconductor on this compound semiconductor layer, There is disclosed a method of manufacturing a semiconductor device in which a step of irradiating and absorbing the heating layer and conducting heat of the heating layer to heat and recrystallize the compound semiconductor layer is performed.
[0011]
In Patent Document 5, a sample in which a non-single-crystal semiconductor layer partially in contact with a single-crystal seed is provided on an insulating film, and the non-single-crystal semiconductor layer is covered with an energy ray absorbing layer provided via an isolation layer. The energy ray absorbing layer is irradiated with energy rays and heated, and the non-single-crystal semiconductor layer is melted by a heat flow using the energy ray as a heat source, and the non-single-crystal semiconductor layer is laterally epitaxially grown from the single-crystal seed. A method for manufacturing a semiconductor device, which includes a step of single-crystallizing a layer, is disclosed.
[0012]
In Patent Document 6, a first layer serving as a heat conductive layer is provided on an insulator substrate, a semiconductor island region to be monocrystallized is formed on the first layer, and then a semiconductor island region is formed. Forming a second layer covering the upper surface and side surfaces and contributing as an energy ray absorber, and irradiating energy rays from above the second layer to monocrystallize the semiconductor island region. The manufacturing method of the semiconductor device described above is disclosed.
[0013]
Patent Document 7 discloses a process in which a polycrystalline or amorphous semiconductor film is formed on a substrate whose surface is at least covered with an amorphous insulating layer, and at least two types of amorphous insulating films having different light absorption coefficients are formed on the substrate. A single crystal semiconductor, comprising: forming and irradiating the substrate with light having a wavelength component that can be absorbed by the semiconductor, and irradiating the substrate with an electron beam to melt and recrystallize the semiconductor film. A method for manufacturing a thin film is disclosed.
[0014]
In Patent Literature 8, a semiconductor layer to be annealed is formed on a substrate, and when forming a refractory metal film on the semiconductor layer, an intermediate layer is formed between the semiconductor layer and the refractory metal film. Forming an intermediate layer and a refractory metal film on a semiconductor layer, and then irradiating an energy beam for annealing the semiconductor layer from the refractory metal film side. Is disclosed.
[0015]
Patent Document 9 discloses a heat treatment method for a thin film in which a thin film is heat-treated by light irradiation. After forming a structure in which the thin film is laminated on a heating layer, the structure is substantially transparent to the thin film and the heating is performed. Irradiating the structure with a first light having a first wavelength absorbed by the layer, and then irradiating the structure with a second light having a second wavelength absorbed by the thin film. A heat treatment method for a thin film characterized by the above is disclosed.
[0016]
Patent Document 10 discloses a process of forming a light reflection film on an insulating substrate, a process of forming a buffer layer on the reflection film, a process of forming an amorphous silicon film on the buffer layer, There is disclosed a technique for forming a polycrystalline silicon film by irradiating a plurality of times with lamp light in a very short time to melt-crystallize the silicon film.
[0017]
By using the above technique, it is possible to form a poly-Si film having a crystal grain size of 1 μm or more even on an insulating substrate, so that the crystal grain boundaries in the active layer region of the TFT are dramatically increased. And the performance of the TFT can be improved as a result.
[0018]
[Patent Document 1]
JP-A-57-113217
[Patent Document 2]
JP-A-59-158515
[Patent Document 3]
JP-A-59-205712
[Patent Document 4]
JP-A-60-18913
[Patent Document 5]
JP-A-60-126815
[Patent Document 6]
JP-A-60-231319
[Patent Document 7]
JP-A-61-30025
[Patent Document 8]
JP-A-4-332120
[Patent Document 9]
JP-A-6-291034
[Patent Document 10]
JP-A-8-51076
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned prior art, since the absorption efficiency of the light energy of the irradiation light source by the absorption layer was low, it was difficult to sufficiently raise the absorption layer temperature with light emitted from a low-cost light source such as a general-purpose halogen lamp. In addition, there is a problem that the conventional technique cannot be applied to the heat treatment of a poly-Si film formed on a large-area substrate. Further, since the positions of the crystal grain boundaries generated in the crystal growth are random, there is a serious problem that the characteristics of the active layer of the TFT vary depending on whether or not the crystal boundaries are present. The main cause of these problems is that the material suitable for the light absorbing layer, the film structure and the shape of the absorbing layer are unclear, and the crystal grain boundaries cannot be controlled during crystal growth. As a result, it has been impossible to form a high-quality poly-Si film having a large grain size on an inexpensive glass substrate and to control variation in TFT.
[0020]
In view of the above-described problems, the present invention discloses a technique for forming a poly-Si film in which the generation of crystal grain boundaries is controlled in a large area while using an inexpensive irradiation light source to improve the characteristics of poly-Si TFTs and circuits. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor thin film and a thin film transistor which realizes a reduction in variation, and a technique for providing an electro-optical device and an electronic apparatus using the same at low cost.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a method of manufacturing a semiconductor thin film of the present invention includes a step of forming a first insulating layer on a semiconductor layer formed on a substrate, and forming at least W, Ti, Cr on the first insulating layer. Forming a light-absorbing layer containing any of the materials Ta, Mo, patterning the light-absorbing layer into a plurality of island regions, a light source having an output peak wavelength in an infrared region, and the substrate Irradiating the light absorbing layer with irradiation light from the light source while relatively moving the semiconductor layer to crystallize the semiconductor layer. By using the material as the light absorbing layer, the light in the infrared region, which is the peak output of the halogen lamp, which is inexpensive and has a large output, is most efficiently absorbed, and the light is absorbed in the crystal growth region and the crystal grain boundary position. Since control can be performed by the shape of the layer, a high-quality poly-Si film can be formed over a large area.
[0022]
Preferably, the light irradiation is performed in an inert gas. Thus, the oxidation of the light absorbing layer can be prevented without increasing the number of steps of providing an insulating layer for preventing oxidation, and thus the steps are simple.
[0023]
Preferably, the shape of the island region of the light absorbing layer is a shape sandwiched by a pair of V-shaped oblique sides forming an angle of 15 ° to 75 ° on one side with respect to a direction in which the irradiation light moves relative to the substrate. It is performed in. Here, the angle on one side corresponds to the angle 406 shown in FIG. The generation of crystal grain boundaries can be controlled by the appropriate light absorbing layer shape.
[0024]
Preferably, the shape of the island region of the light absorbing layer has a region 1 having a first width with respect to a direction in which irradiation light moves relative to the substrate, and a second width larger than the first width. The region 1 and the region 2 are formed by connecting regions which are connected to each other by a diagonal line having an angle of 15 ° to 60 ° on one side in a direction in which the irradiation light moves relative to the substrate. Here, the angle on one side corresponds to the angle 415 shown in FIG. Even with this method, the generation of crystal grain boundaries and the plane orientation of the Si crystal can be controlled, so that a high quality Si film can be provided.
[0025]
In the method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention, a semiconductor layer formed below the island region of the light absorbing layer is used as an active layer. According to such a method, a high-quality Si film region in which crystal grain boundaries are controlled can be selectively used as an active layer, so that a thin film transistor having high mobility can be provided with less variation.
[0026]
The electro-optical device of the present invention includes the thin film transistor manufactured by the above method as a driving element of a display pixel and a component of a peripheral circuit. This makes it possible to provide the LCD or the organic EL display device with a memory, a fingerprint sensor, and a circuit group having an arithmetic function, thereby providing a more sophisticated display device.
[0027]
An electronic apparatus according to an aspect of the invention includes the above-described electro-optical device. As such an electronic device, for example, a mobile phone, a video camera, a personal computer, a head-mounted display, a projector, a facsimile device, a digital camera, a portable television, a portable information terminal, an electronic organizer, a multifunctional card, and the like are suitable.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor thin film manufacturing process according to the present invention.
[0029]
(1. Formation of semiconductor layer)
In order to carry out the present invention, a base protective film (101) is generally formed on a substrate (100), and a semiconductor thin film (102) is formed thereon. Therefore, a series of forming methods will be described.
[0030]
The substrate (100) to which the present invention can be applied includes a conductive material such as a metal, silicon carbide (SiC), and alumina (Al).2O3), A ceramic material such as aluminum nitride (AlN), a transparent or non-transparent insulating material such as fused quartz or glass, a semiconductor material such as a silicon or germanium wafer, and an LSI substrate obtained by processing the same. The semiconductor film is deposited directly on the substrate or via a base protective film, a lower electrode, and the like.
[0031]
As a base protective film (101), a silicon oxide film (SiOX: 0 <x ≦ 2) or a silicon nitride film (Si3Nx: 0 <x ≦ 4). When it is important to control impurities in a semiconductor film such as when a thin-film semiconductor device such as a TFT is formed on a normal glass substrate, sodium (Na), potassium (K), etc. contained in the glass substrate are required. It is preferable to deposit the semiconductor film after forming the base protective film so that mobile ions do not enter the semiconductor film. In the case where a conductive material such as a metal material is used as the substrate and the semiconductor film must be electrically insulated from the metal substrate, a base protective film is indispensable to ensure insulation. Further, when a semiconductor film is formed on a semiconductor substrate or an LSI element, an interlayer insulating film between transistors and between wirings is also a base protective film.
[0032]
The undercoat protective film is first washed with an organic solvent such as pure water or alcohol, and then is deposited on the substrate by atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), or plasma chemical vapor deposition. It is formed by a CVD method such as a deposition method (PECVD method) or a sputtering method. (4) When a silicon oxide film is used as the underlayer protective film, the atmospheric pressure chemical vapor deposition method uses a monosilane (SiH4) Or oxygen as a raw material. In the plasma chemical vapor deposition method and the sputtering method, the substrate temperature is from room temperature to about 400 ° C. The thickness of the base protective film must be sufficient to prevent diffusion and mixing of the impurity element from the substrate, and the value is at least about 100 nm or more. Considering the variation between lots and substrates, it is preferably about 200 nm or more, and if it is about 300 nm, it can sufficiently function as a protective film. When the underlying protective film also serves as an interlayer insulating film between IC elements and wiring connecting them, the thickness is usually about 400 nm to 600 nm. If the insulating film is too thick, cracks occur due to the stress of the insulating film. Therefore, the maximum thickness is preferably about 2 μm. When it is strongly necessary to consider productivity, the upper limit of the insulating film thickness is about 1 μm.
[0033]
Next, the semiconductor thin film (102) will be described. As a semiconductor film to which the present invention is applied, in addition to a semiconductor film of a group 4 element such as silicon (Si) and germanium (Ge), silicon germanium (Si)xGe1-x: 0 <x <1) or silicon carbide (SixC1-x: 0 <x <1) or germanium carbide (GexC1-x: A semiconductor film of a group 4 element complex such as 0 <x <1), a compound semiconductor film of a group 3 element such as gallium arsenide (GaAs) or indium antimony (InSb) and a group 5 element, or cadmium. -There is a composite compound semiconductor film of a group II element such as selenium (CdSe) and a group VI element. Alternatively, silicon, germanium, gallium, arsenic (SixGeyGazAsz: X + y + z = 1), an N-type semiconductor film in which a donor element such as phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) is added to these compound semiconductor films, or boron (B). The present invention is also applicable to a P-type semiconductor film to which an acceptor element such as), aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In) is added. These semiconductor thin films are formed by a CVD method such as an APCVD method, an LPCVD method, or a PECVD method, or a PVD method such as a sputtering method or an evaporation method. In the case where a silicon film is used as a semiconductor film, in the LPCVD method, the substrate temperature is set to about 400 ° C. to about 700 ° C. and disilane (Si2H6) Can be deposited as a raw material. In the PECVD method, monosilane (SiH4) Can be deposited at a substrate temperature of about 100 ° C. to about 500 ° C. When using the sputter method, the substrate temperature is from room temperature to about 400 ° C. The initial state (as-deposited state) of the semiconductor film thus deposited includes various states such as amorphous, mixed crystal, microcrystalline, and polycrystalline. In the present invention, the initial state is any one. It may be in the state. In the specification of the present application, not only amorphous crystallization but also polycrystalline or microcrystalline recrystallization is referred to as crystallization. When the semiconductor film is used for a TFT, the thickness is suitably about 20 nm to about 100 nm.
[0034]
(2. Formation of first insulating layer)
Next, a first insulating layer (103) is formed on the semiconductor layer. The role of this insulating layer is to separate the light absorbing layer (104) and the semiconductor layer (102) formed in the next step. In order to prevent diffusion of impurities from the light absorbing layer to the semiconductor layer in a later heat treatment step, a silicon oxide film (SiOX: 0 <x ≦ 2) or a silicon nitride film (Si3Nx: 0 <x ≦ 4). The first insulating layer is formed by etching a natural oxide film on the semiconductor layer with hydrofluoric acid, washing with pure water, and then performing a CVD method such as an APCVD method, an LPCVD method, a PECVD method, or a sputtering method. When a silicon oxide film is used as the insulating layer, the substrate temperature is set to about 250 ° C. to about 450 ° C. in the atmospheric pressure chemical vapor deposition method.4And oxygen can be deposited as a raw material. In the PECVD method and the sputtering method, the substrate temperature is from room temperature to about 400 ° C. The thickness of the first insulating layer must be large enough to prevent the diffusion and mixing of the impurity element from the light absorbing layer, while the heat insulating layer from the light absorbing layer can efficiently conduct heat to the semiconductor layer. Is a condition. For this reason, there is naturally an optimum range for the thickness of the insulating layer, and its value is at least about 50 nm and at most about 1 μm, which is about the same as the thermal diffusion length.
[0035]
(3. Formation of light absorption layer)
Next, a light absorption layer (104) is formed on the first insulating layer (103). The light absorbing layer has a role of efficiently absorbing the light irradiated in the next step, and raising the temperature of the semiconductor layer to a high temperature by heat generation and heat conduction. Therefore, the relationship between the wavelength region of the irradiated light, the reflectance and the absorption coefficient in that wavelength region, and the heat resistance are important. A refractory metal material is suitable for such a purpose. Since a high concentration of free carriers (electrons) exists in the metal, the components other than the reflection component of the irradiation light are completely absorbed. For this reason, it is important to use a high melting point metal thin film having a low reflectance in order to efficiently absorb light by the metal thin film. FIG. 2 shows reflectance spectra of various refractory metal films. As will be described later, in the present invention, a halogen lamp which is relatively inexpensive and provides high output is used as a light source for light irradiation. Suitable as. As can be seen from FIG. 2, the reflectance at the same wavelength gradually decreases in the order of Ta, Mo, Cr, Ti, and W. In addition to such optical properties, the light absorbing layer is required to be a material that does not generate cracks due to heat treatment. Therefore, it is effective to use an alloy (for example, silicide) containing at least the above-mentioned Ta, Mo, Cr, Ti, and W, or to form a laminated structure of these metals and metal alloys.
[0036]
The thickness of the absorbing layer is preferably thinner in order to reduce the tact time in the manufacturing process, but a minimum thickness that can sufficiently absorb the irradiation light is required. FIG. 3 shows the dependency of the reflectance on the film thickness at a wavelength of 1 μm when Cr and W are used for the absorption layer. In both materials, when the film thickness is 50 nm or less, the reflectance is extremely small. This is because the film is too thin to absorb the irradiation light and generate a transmission component. At a film thickness of 50 to 100 nm, the reflectance increases due to the interference effect between light reflected from the film lower surface and light reflected from the film surface. As can be seen from the above, it is important that the light absorbing layer has a thickness of 100 nm or more, more preferably 150 nm or more, in order to sufficiently absorb the irradiation light and realize a stable reflectance.
[0037]
As a method for forming these materials as a light absorbing layer on an insulating layer, there are a vacuum evaporation method and a sputtering method. Since these materials are high melting point metals, sputtering is most effective, and the sputtering method is also advantageous in that a film can be formed over a large area at high speed.
[0038]
Next, the light absorbing layer thus formed is shaped into an island region (104) having a desired shape. This is performed for the purpose of controlling a place that becomes a starting point of crystal growth during crystal growth accompanying light irradiation. As its shape, for example, it is effective to pattern it into the shape of a light absorbing layer as shown in FIG. If the light absorbing layer is not shaped into an island region, a crystal grain boundary runs at an arbitrary position when the semiconductor layer is crystallized. Therefore, if such a poly-Si film is used as an active layer of a TFT, there is a certain probability. A TFT without a crystal grain boundary and a certain TFT are formed, and this causes variation. By shaping the light absorbing layer of the present invention, the poly-Si film under the light absorbing layer becomes almost single crystal, and a region (109) having no crystal grain boundary can be formed. In addition, the plane orientation of the Si crystal can be controlled. Although the poly-Si film under the light absorption layer has no crystal grain boundaries, the peripheral region has a small crystal grain size and has many crystal grain boundaries. A portion of the formed monocrystalline poly-Si film is used. This makes it possible to manufacture a high-performance TFT with good controllability.
[0039]
(4. Formation of second insulating layer)
A second insulating layer (105) is formed on the light absorbing layer thus formed. This second insulating layer has two important roles.
[0040]
One is to prevent the light absorbing layer from being oxidized due to an increase in the temperature of the absorbing layer due to light irradiation. The light irradiation easily raises the temperature of the absorption layer to 1000 ° C. or higher. When this treatment is performed in the air, oxygen in the air reacts with the metal of the light absorption layer to form an oxide. Since the metal oxide becomes optically transparent, the light absorption efficiency of the light absorbing layer is significantly reduced during processing, and the temperature of the semiconductor layer cannot be increased or the reproducibility of the processing cannot be secured. Cause problems. By providing the second insulating layer, the atmosphere and the light absorbing layer can be shut off, so that the problem of oxidation of the light absorbing layer during such processing can be completely prevented. When the second insulating layer is not provided, it is effective to perform the light irradiation treatment in an inert gas atmosphere. This method has an advantage that oxidation of the light absorbing layer can be prevented without increasing the number of steps for forming the second insulating layer.
[0041]
Another role of the two insulating layers is to reduce the reflectance of the light absorbing layer by an anti-reflection film effect. In FIG. 4, Cr and W are used for the light absorbing layer, and SiO 2 is used as the second insulating layer.24 shows the dependency of the reflectance of light having a wavelength of 1 μm on the thickness of the second insulating layer when a film (n = 1.47) is used. Since the light absorption layer suitable for the present invention is a metal film, the refractive index difference from air is large. Therefore, in order to reduce the reflectance by the light absorbing layer, it is extremely effective to provide a layer having a refractive index (n) closer to air than a metal film. Since the antireflection film lowers the reflectance by the interference effect, the reflectance periodically changes depending on the thickness of the second insulating layer on the light absorbing layer as can be seen from FIG. Of course, there are several film thicknesses that can function as an anti-reflection film, but a minimum film thickness with a short film formation time is most preferable for shortening the process tact. Although it depends on what is used as the material of the second insulating film, a film thickness of approximately 50 to 250 nm is preferable as such a condition. Thus, for example, when W is used as the light absorbing material, 140 to 150 nm SiO 2 is used as the second insulating layer.2If a film is formed, the reflectance can be drastically reduced from 48% to less than 20%, which is extremely effective in efficiently absorbing irradiation light to the light absorbing layer.
[0042]
(5. Light irradiation)
Light irradiation is performed on the laminated structure formed as described above. As described above, since the irradiation light is required to be efficiently absorbed by the light absorbing layer, its spectrum is important. In other words, what kind of light source is used largely determines the wavelength of the light source. The light source applicable to the present invention includes a halogen lamp, a metal halide lamp, a mercury lamp, a Xe lamp, an arc lamp, and the like. In order to enable processing in a large area, it is required that the lamp output be high and the running cost due to lamp replacement be low. For these reasons, a halogen lamp is most suitable as the light source of the present invention. Although there are various types of halogen lamps, they have a peak wavelength near 1 μm and can easily achieve an output of 8 kW or more. The cost of one linear lamp light source having an effective light source length of 400 mm is at most about 100,000 yen, which is extremely low as compared with an excimer laser tube of 15 million yen.
[0043]
In the present invention, for example, two linear halogen lamps (111) having a length of 400 mm are arranged in parallel, and light emitted from each light source is condensed on a substrate to be processed by a reflecting mirror (112) having a paraboloid. 106) is used. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of the lamp unit (110). The paraboloid (112) is coated with gold, and light from the two halogen lamp light sources (111) is efficiently focused on the same location on the substrate as shown in the figure. At this time, the arrangement is such that the center (111) of the linear light source is located at one focal position on the paraboloid (112), and the other focal position is the light-converging point (116) on the light absorbing layer. Therefore, the elliptical surfaces of the reflection optical systems of the two lamp light sources are arranged such that one focal point is shared by the light condensing points (116) on the light absorbing layer. Thus, light generated from a plurality of light sources can be most efficiently collected.
[0044]
It is necessary to adjust the relative position between the reflecting optical system of the present invention and the light source on the order of 10 μm. For this purpose, it is effective to provide a biaxially movable micrometer at the support portions at both ends of the linear light source for adjustment. If the central position of each linear light source and the elliptical surface of the reflection optical system have an ideal positional relationship, the short axis direction of the irradiation light condensed on the light absorption layer has a Gaussian distribution as shown by 510 in FIG. Show the distribution. If this shifts by several tens of μm, the distribution has two peaks, and light irradiation is performed on a region wider than the original light irradiation conditions. This results in an increase in the substrate temperature, which is a problem in applying the present invention to a low-temperature process. Therefore, as described above, it is important to perform fine adjustment using a micrometer and perform light irradiation using an ideal irradiation light distribution. Particularly, in the case of a halogen lamp or the like, when the lamp input power is increased, the effective lamp center point slightly shifts. Therefore, it is practically important to adjust the lamp position in this state.
[0045]
In this example, a case where two linear light sources are used is shown, but the optical arrangement as described above can be applied to a case where three or more linear light sources are condensed. However, when the number of light sources increases, the oblique direction component of the light incident on the light absorption layer increases and the reflectivity increases, and the use efficiency of the light emitted from each light source decreases because the restriction on the arrangement of the reflection optical system increases, In practice, two light sources have the highest light use efficiency.
[0046]
Further, it is effective to provide a light shielding slit (115) in order to block the light irradiated on the substrate other than the light condensing portion. In order to apply the present invention to a low-temperature process, it is important how light is condensed in a narrow area on the light absorption layer to form a high-power light irradiation area, as described later. Irradiation of the leaked light to the other regions may cause the substrate temperature to be inadvertently increased, so that not only the light absorbing layer / semiconductor layer but also the substrate temperature is increased during the light irradiation. To prevent this, it is effective to provide a slit between the reflecting optical system and the light absorbing layer to completely block the leaked light.
[0047]
As described above, the substrate and the lamp unit are moved relative to each other as indicated by 114, and the processing is performed while continuously irradiating the lamp light on the substrate in a very thin linear shape. As a result, the temperature rises abruptly at the lamp light converging portion (107) of the light absorbing layer, and the heat diffused through the first insulating layer locally raises the temperature of the semiconductor layer (108). By appropriately selecting the irradiation conditions, the temperature of the portion to be processed 108 of the semiconductor layer reaches the melting point or higher and is melted. Since the melted portion 108 moves in the direction of 114 along with the movement of the lamp unit, large grain size poly-Si (109) crystallized by continuous lateral crystal growth in the cooling process after melting is formed behind the melted portion 108. Is done. Thus, a high quality poly-Si film can be easily provided at low cost.
[0048]
The lamp unit of the present invention has a radiation thermometer (113) at an intermediate position between the two halogen lamps, and has a cylindrical collimator or lens on the front surface so that the measurement range is not widened. Measuring the substrate temperature at this position has the advantage that the problem that infrared light emitted from the lamp light source directly enters the radiation thermometer and exhibits an abnormally high temperature can be avoided, and the substrate temperature can be accurately measured. . Thus, by measuring the temperature of the substrate to be processed and applying feedback to the lamp output, a stable lamp irradiation process can be performed, and there is an advantage that the quality of the resulting poly-Si film can be stabilized.
[0049]
The above-mentioned reflection optical system is formed in a cylindrical shape in the major axis direction of the halogen lamp, and as a result, a large area processing can be performed by irradiating light having a line shape as shown in FIG. . FIG. 5 shows a state in which scanning (505) is performed while irradiating the substrate (100) with the linear irradiation light (500). As described above, a 400-mm line light source can be easily formed with a halogen lamp. For example, a large-sized substrate having a size of 400 mm × 500 mm may be formed once with a 400 mm side parallel to the long axis direction of the halogen lamp. By performing scanning, a high-quality poly-Si film having a large grain size can be formed on the large-area substrate. For example, when processing is performed while moving the lamp unit at a speed of 10 mm / s, the processing of the entire surface of the substrate is completed in only 50 seconds. Therefore, the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention not only reduces the manufacturing apparatus cost, but also reduces the process cost. Since the throughput is high, an inexpensive and high-performance thin film transistor can be provided.
[0050]
Next, specific lamp irradiation conditions will be described. When the lamp light is condensed and irradiated on the substrate as shown in FIG. 5, the intensity distribution of the lamp light on the substrate (light absorbing layer) (503) typically has a Gaussian distribution shape as shown by 501. It becomes. The irradiation light shape suitable for the present invention has a half width of this spatial distribution of about 1 to 10 mm. When the irradiation light is scanned over the substrate at a constant speed, the temporal change of the light power applied to an arbitrary point (e.g., 504) on the substrate becomes an irradiation profile like 511 at a high scanning speed, and conversely. If it is slow, an irradiation profile like 512 is obtained. In the light irradiation of the present invention, the peak power of the irradiation profile and the irradiation time (the full width at half maximum of the irradiation profile is defined as the irradiation time in this specification) are important. For example, FIG. 6 shows the irradiation peak power of 500 W / cm.2And temperature changes at the light absorbing layer / semiconductor layer and each substrate depth position when light irradiation is performed under the irradiation time of 600 ms. Here, a case is shown in which the irradiation light profile is substituted by using a trapezoidal shape having a shape close to a Gaussian distribution, the light absorption layer is W, and the effective reflectance is 25% by providing a second insulating layer. In the time order as considered here, the thicknesses of the light absorption layer and the semiconductor layer are sufficiently smaller than the thermal diffusion length, so that the temperatures of these two layers are exactly the same. As can be seen from FIG. 6, the temperature of the light absorbing layer / semiconductor layer sharply rises locally by the light irradiation of the present invention and reaches a maximum of about 1780 K, so that the Si film is melted. When the irradiation light passes and the temperature decreases, the Si film crystallizes simultaneously with solidification. Under these light irradiation conditions, since the irradiation time is relatively long, the substrate temperature also increases, and eventually reaches about 1200K. Therefore, the irradiation conditions shown in FIG. 6 are appropriate when a heat-resistant substrate such as quartz is used as the substrate. In order to locally increase the temperature of only the light absorption layer and the semiconductor layer without increasing the substrate temperature, it is necessary to irradiate a high power in a shorter time. As is apparent from the above description, this can be realized by reducing the half width of the irradiation light in the spatial distribution (focusing) or increasing the scan speed and simultaneously increasing the lamp output. For example, as shown in FIG.2Assuming that the irradiation time is 300 ms, the substrate temperature eventually rises only to about 900 K even though the temperature of the light absorption layer / semiconductor layer reaches 1750 K. This is because the light-absorbing layer / semiconductor layer near the surface of the substrate is heat-treated in a non-thermal equilibrium because the light irradiation condition has a higher power for a shorter time. As described above, the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention can be easily applied to a low-temperature process by controlling a light irradiation profile.
[0051]
In addition, in the method of manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention, the crystal growth direction is the horizontal direction, and the semiconductor layer is sandwiched between the insulating layers on the upper and lower sides. Therefore, the surface of the semiconductor layer after crystallization is extremely flat. Since this does not lower the withstand voltage even when a thin-film transistor having a thin gate insulating film is formed, it can be applied to a finer TFT and a TFT having a thinner gate insulating film. There is an advantage that a higher-speed circuit can be formed than when a poly-Si film is used. The TFT manufactured using the poly-Si film manufactured in this manner has a feature that the mobility is extremely small because the plane orientation is uniform, and the threshold voltage is low because the defect density is low.
[0052]
According to the method for forming a semiconductor thin film of the present invention, since the power of the irradiation light source is a high power of the order of kW and the heat treatment time is of the order of milliseconds, crystallization is possible even if the thickness of the semiconductor layer to be processed exceeds 100 nm. . In the conventional laser crystallization method, the irradiation time of one pulse is as short as nanoseconds, and the input energy density is 1 cm.2Since 1J is a practical upper limit, it was theoretically impossible to crystallize a semiconductor layer having a thickness of 100 nm or more. On the other hand, the method for forming a semiconductor thin film of the present invention can sufficiently crystallize even a semiconductor layer having a thickness of about 1 micron, and thus can be applied to the formation of a polycrystalline silicon film used for solar cells. Have.
[0053]
In order to apply the method for producing a semiconductor thin film of the present invention to a low-temperature process, it is effective to set the initial substrate temperature to room temperature or to cool the substrate during processing. If the substrate is cooled, a rise in the substrate temperature can be prevented even if a light irradiation profile as shown in FIG. As a method of cooling the substrate, a method of cooling by spraying a gas to the substrate, or a structure in which the substrate is completely adhered to the substrate holder with an electrostatic chuck and cooling water is circulated through the substrate holder to take heat of the substrate. The method is effective.
[0054]
Although the conditions for melting and crystallizing the semiconductor layer have been described above, the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention can crystallize the semiconductor layer without necessarily melting it. In the conventional solid phase growth method, heat treatment was performed at 600 ° C. for about 48 hours. However, in the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, the temperature of the semiconductor layer easily reached 1000 ° C. or more. However, solid phase growth occurs. For example, irradiation peak power 400 W / cm2An irradiation time of 1 second is an example of an irradiation profile that causes such solid phase growth. Although a crystal having a large grain size as in the case of melting and crystallization cannot be obtained, a poly-Si film having a crystal grain size of 1 μm or more and a flat surface can be easily obtained. However, in this case, since the substrate temperature is also high, application to a high-temperature process is appropriate.
[0055]
Embodiment 1
An embodiment of the method for producing a semiconductor thin film according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 12 (a). The substrate and the underlying protective film used in the present invention are in accordance with the above description, but here, a 300 mm × 300 mm square general-purpose alkali-free glass (100) is used as an example of the substrate. First, a base protective film (101), which is an insulating material, is formed on a substrate 100. Here, a silicon oxide film having a thickness of about 200 nm is deposited by an ECR-PECVD method at a substrate temperature of 150 ° C. Next, a semiconductor film (102), such as an intrinsic silicon film, to be an active layer of the thin film transistor later is deposited. The thickness of the semiconductor layer is about 50 nm. In this example, a high-vacuum type LPCVD apparatus is used, and disilane (Si2H6) Is flowed at 200 SCCM, and an amorphous silicon film 102 is deposited at a deposition temperature of 425 ° C. First, a plurality of (eg, 17) substrates are placed inside a reaction chamber of a high vacuum LPCVD apparatus with the reaction chamber at 250 ° C., with the front side facing downward. After this, the operation of the turbo-molecular pump is started. After the turbo-molecular pump has reached steady rotation, the temperature in the reaction chamber is raised from 250 ° C. to a deposition temperature of 425 ° C. over about one hour. During the first 10 minutes after the start of the temperature rise, the temperature is raised in a vacuum without introducing any gas into the reaction chamber. Thereafter, nitrogen gas having a purity of 99.9999% or more is continuously supplied at 300 SCCM. The equilibrium pressure in the reaction chamber at this time was 3.0 × 10-3Torr. After reaching the deposition temperature, disilane (Si2H6) At 200 SCCM and helium (He) for dilution having a purity of 99.9999% or more at 1000 SCCM. The pressure in the reaction chamber immediately after the start of the deposition is about 0.85 Torr. As the deposition proceeds, the pressure in the reaction chamber gradually increases, and the pressure immediately before the end of the deposition becomes approximately 1.25 Torr. The silicon film (102) thus deposited has a thickness variation within ± 5% within a 286 mm square area excluding the peripheral portion of about 7 mm of the substrate. Next, a first insulating layer (103) is formed. Here, SiO having a thickness of about 100 nm by ECR-PECVD is used.2The film was deposited. SiH as source gas4And O2Were flowed at 30 sccm and 40 sccm, respectively, and plasma discharge was started while the substrate was heated to 100 ° C. to form a film. Next, a Ta film was formed to a thickness of 800 nm as a light absorbing layer (104) by sputtering. Irradiation light could be stably absorbed by forming Ta with this thickness, and the temperature of the light absorbing layer during processing was extremely stable because cracks did not occur. Next, island patterning of the light absorbing layer was performed. In this example, the light absorbing layer was patterned into a shape sandwiched between the V-shaped sides shown in FIG. The island region (400) was formed such that the angle (406) between the apex portion and the light scanning direction (409) was 45 degrees.
[0056]
Next, on the light absorbing layer, SiO 2 is used as a second insulating layer (105).2A film was formed at 145 nm. This was formed under exactly the same conditions as the first insulating layer. Ta is used as a light absorbing material, and 145 nm SiO 2 is used as a second insulating layer.2Since the film was formed, the effective reflectance could be reduced to about 50%. Thereafter, two halogen lamps each having a diameter of 6 mm and a length of 400 mm having an intensity peak near 1 μm are arranged in parallel, and the light is converted to a long axis of 300 mm by using a lamp unit capable of disposing a reflection optical system having an elliptical surface on the back. (Effective length for obtaining uniformity), shaped into a line with a short axis of 5.5 mm, and a power density of 950 W / cm2Irradiated from the light absorbing layer side. The lamp unit was made of aluminum, and the reflecting surface was plated with gold. Adjust the relative position of the light source and the optical system with a micrometer while applying power equivalent to the processing conditions to the lamp linear light source before processing, so that the distribution at the focusing position is close to a Gaussian distribution having a single peak. did. In order to suppress a rise in the substrate temperature, the substrate was scanned in the short-axis direction of the irradiation light at a speed of 36 mm per second. The light irradiation time at an arbitrary point is 150 ms. The temperature of the light absorbing layer or the second insulating layer during the processing was monitored by a radiation thermometer (113), and the power supplied to the lamp light source was fed back so that the temperature was stabilized. A molten silicon layer (108) is formed behind the irradiation light, and continuous lateral crystal growth occurs at the solid-liquid interface (boundary between 108 and 109) with the movement of the substrate. A layer (109) was formed. As described above, the light-absorbing layer is formed in the shape of FIG. 12A, and the linear lamp light has the positional relationship of 410 in FIG. Scanning was performed in the direction. As a result, the Si film immediately below the light absorbing layer is melted, but the crystal growth after the passage of the lamp light always occurs from the apex (405) as a starting point. As a result, the Si under the island-shaped light absorbing layer becomes V-shaped. This results in a single crystal thin film. Since the boundary region (407, 408) of the light absorbing layer region is polycrystalline, the TFT is formed only on the Si film portion under the light absorbing layer. Therefore, the island region (400) is formed to have at least the necessary circuit block. By such a method, a poly-Si film in which many portions are formed of a single-crystal Si film can be formed. FIG. 8 shows a temperature change at each depth of the light absorption layer / semiconductor layer and the substrate in the irradiation profile. In the method of manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention, the substrate temperature rises only up to about 400 ° C., and conventional alkali-free glass can be cut off sufficiently. In this embodiment, the irradiation profile (irradiation peak power 700 W / cm) shown in FIG.2, Irradiation time of 300 ms) is sufficiently applicable. Since the thermal effect is small in the irradiation profile of FIG. 8, the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention was applicable to a thin glass substrate having a thickness of 0.5 mm. By the above light irradiation method, a Si film close to a single crystal could be easily formed by a low-temperature process.
[0057]
Embodiment 2
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The method of forming the underlying protective film, the semiconductor layer, the first insulating layer, and the second insulating layer is exactly the same as in the first embodiment. As the light absorbing layer, one formed in an island region having the shape shown in FIG. 12B was used. In FIG. 12A, since the island region is interrupted in the scanning direction (409) of the irradiation light, it is difficult to control the uniformity of the plane orientation of the Si crystal formed thereby. On the other hand, in the pattern of this example, since the island regions are connected in the scanning direction of the irradiation light, it is possible to make the plane orientations of the crystals uniform. When the crystal growth distance increases with the scanning of the irradiation light, the plane orientation of the crystal may be gradually inclined, or crystal growth with another plane orientation may start suddenly. In order to prevent this, the island pattern of the present example is composed of a thin area 1 (411), a thick area 2 (412), and a connection area (413) connecting them. As described above, if the region 2 is long, the uniformity of the crystal is impaired, so that a preferential crystal growth surface is selectively grown in the narrow region 1, and this is formed through the connection region 413 to have a larger area. The area is expanded to the area 2 (412). As a result, as the region 2, a single crystal having a well-oriented crystal plane could be obtained. The light irradiation conditions are exactly the same as in the example. As a result, a higher quality Si film than in Example 1 could be obtained. When the semiconductor thin film of the present invention is applied to a TFT, a first insulating layer, a light absorbing layer, and a second insulating layer are formed on the semiconductor layer, and after irradiating light, these three layers are removed by etching to form the semiconductor layer as an active layer. Use as In this case, of course, a TFT is manufactured in a region below the light absorption layer where a high-quality Si crystal is formed.
[0058]
Embodiment 3
In the third embodiment of the present invention, a semiconductor thin film was manufactured under different light irradiation conditions. The method of forming the substrate to be processed is exactly the same as that of Example 2 except that a plastic substrate having relatively high heat resistance was used as the substrate. Thereafter, the halogen lamp light having an intensity peak near 1 μm is shaped into a long line having a length of 300 mm and a short axis of 1 mm, and a power density of 1800 W / cm.2Irradiated from the light absorbing layer side. In order to suppress a rise in the substrate temperature, the substrate was scanned in the short-axis direction of the irradiation light at a speed of 23 mm per second. The light irradiation time at an arbitrary point is 44 ms. FIG. 9 shows a temperature change at each depth of the light absorption layer / semiconductor layer and the substrate due to the irradiation profile. As a result, the temperature rise of the substrate can be further reduced, and only rises up to 220 ° C. In addition, a single-crystal Si region formed under the light absorption layer can be of the same quality as that of the second embodiment. In this example, it was confirmed that the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention can be applied even when a plastic substrate is used.
[0059]
Embodiment 4
An embodiment of the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention will be described with reference to FIG. The structure of the sample used in the present embodiment may be either the structure of the embodiment 1 or 2, but the structure of the embodiment 2 is used here. Light irradiation is performed by shaping a halogen lamp having an intensity peak near 1 μm into a long line having a length of 300 mm and a short axis of 5.5 mm, and a power density of 700 W / cm.2Irradiated from the light absorbing layer side at a moving speed of 18 mm per second. Thus, a single-crystal Si film was formed immediately below the island-shaped light absorbing layer region. In this embodiment, the second insulating layer, the light absorbing layer and the first insulating layer were removed by etching in order to use the thus formed single crystal Si film as an active layer. SiO2The film was etched with a 5% HF solution, and the light absorbing layer W was removed by dry etching using radicals generated by plasma discharge of a chlorine-based gas. The substrate on which the Si film 901 is exposed is set in the plasma processing chamber. In the plasma processing chamber, the substrate temperature was set to 250 ° C., hydrogen gas was flowed at 80 sccm, and plasma discharge was performed at a pressure of 1 Torr and a power of 1 kW using a parallel plate RF electrode. As a result, the trap level (defect) passivation treatment of the Si film and the hydrogen termination treatment of the surface were performed for 160 seconds. As described above, the Si film obtained in this example is a single crystal, but some defects such as dislocations and point defects have occurred. Therefore, it is necessary to inactivate these by plasma treatment in this step. It is aim. Thereafter, a photoresist pattern is formed by photolithography on the Si film region formed under the light absorbing layer, and CF is formed.4And O2Dry etching by remote plasma discharge using a mixed gas was performed. The substrate is set in an insulating film forming chamber to form a gate insulating film (902) on the Si film patterned in an island shape. 10 in the chamber-6(Torr), the chamber was evacuated to a vacuum degree, silane gas and oxygen gas were introduced at a flow ratio of 1: 6, and the chamber pressure was set to 2 × 10 3(Torr). When the gas pressure in the chamber is stabilized, the ECR discharge is started, and the formation of the insulating film is started. The inputted microwave power was 1 kW, and the microwave was introduced from the introduction window in parallel with the magnetic force lines. There is an ECR point at a position 14 cm from the introduction window. The film was formed at a film formation rate of 10 nm / min. As a result, a gate insulating film (902) was formed to a thickness of 100 nm. Subsequently, a thin film to be a gate electrode (905) is deposited by a PVD method or a CVD method. Normally, since the gate electrode and the gate wiring are made of the same material in the same process, it is desired that this material has low electric resistance and is stable to a heat process at about 350 ° C. In this example, a tantalum thin film having a thickness of 600 nm is formed by a sputtering method. The substrate temperature when forming the tantalum thin film is 180 ° C., and an argon gas containing 6.7% of a nitrogen gas is used as a sputtering gas. The tantalum thin film thus formed has an α-structure crystal structure, and its specific resistance is about 40 μΩcm. After depositing a thin film to be a gate electrode, patterning is performed, and then impurity ions are implanted into the semiconductor film to form source / drain regions (903, 904) and a channel region. At this time, since the gate electrode serves as a mask for ion implantation, the channel has a self-aligned structure formed only under the gate electrode. As a source gas for the ion doping method, phosphine (PH) having a concentration of about 0.1% to about 10% diluted in hydrogen is used.3) And diborane (B2H6) And the like are used. In this example, a 5% concentration phosphine (PH) diluted in hydrogen is used by using an ion doping apparatus with the aim of forming an NMOS.3) Is injected at an acceleration voltage of 100 keV. Total ion implantation amount including PH3 + and H2 + ions is 1 × 1016cm-2It is.
[0060]
Next, an interlayer insulating film was formed by using the PECVD method. The source gas is TEOS (tetraethoxysilane), N2Electric discharge was performed using O and Ar gases at a pressure of 1.5 Torr and a power of 1 kW to form an 800 nm interlayer insulating film. Next, a contact hole is formed on the source / drain, and a source / drain extraction electrode (907, 908) and a wiring are formed of aluminum by a PVD method, a CVD method, or the like, thereby completing a thin film transistor. As a result, a high-performance TFT having almost the same performance as that of a single-crystal Si MOSFET could be manufactured with extremely uniformity.
[0061]
The thin film transistor obtained by the manufacturing method of the present invention is applicable to various electronic devices including an electro-optical device. FIG. 11 illustrates an example of an electronic device to which the electro-optical device can be applied. FIG. 9A shows an example of application to a mobile phone. A mobile phone 230 includes an antenna unit 231, an audio output unit 232, an audio input unit 233, an operation unit 234, and the electro-optical device 10 of the present invention. . Thus, the electro-optical device 10 of the present invention can be used as a display unit of the mobile phone 230. FIG. 8B shows an example of application to a video camera. The video camera 240 includes an image receiving unit 241, an operation unit 242, and the electro-optical device 10 of the present invention. As described above, the electro-optical device according to the invention can be used as a finder or a display unit. In addition, the present invention can be applied to portable personal computers, head mounted displays, rear projectors, and front projectors. As described above, the electro-optical device of the present invention can be used as an image display source.
[0062]
The electro-optical device 10 of the present invention is not limited to the above example, and can be applied to any electronic device to which an active matrix type electro-optical device can be applied. For example, in addition to the above, the present invention can be applied to a fax device with a display function, a finder of a digital camera, a portable TV, a DSP device, a PDA, an electronic organizer, an electronic bulletin board, and a display for advertising.
[0063]
As described above, according to the conventional technology, an effective process for forming a Si film having a large crystal grain size and substantially the same quality as a single crystal and having a flat surface with a low temperature process, a high throughput, and a low cost is clearly defined. Was not. However, as described above, an extremely high-quality Si film can be formed by using the method for manufacturing a semiconductor thin film and a thin film transistor according to the present invention. As a result, it is possible to manufacture a thin film transistor having a high mobility, a low threshold voltage and an extremely small variation, realize an ultra-low power consumption circuit, and provide a multifunctional electro-optical device and an electronic device at a low price. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing reflectance spectra of various refractory metal films.
FIG. 3 is a diagram showing the film thickness dependence of the reflectance at a wavelength of 1 μm of the Cr and W films.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of a second insulating layer provided on Cr and W and the reflectance at a wavelength of 1 μm.
FIG. 5 is a diagram illustrating a method of applying the light irradiation method of the present invention to a large-area substrate and an irradiation profile.
FIG. 6 is a diagram showing a light irradiation profile of the present invention and a temperature rise at each depth of a light absorbing layer / semiconductor layer and a glass substrate.
FIG. 7 is a diagram showing a light irradiation profile of the present invention and a temperature rise at each depth of a light absorbing layer / semiconductor layer and a glass substrate.
FIG. 8 is a diagram showing a light irradiation profile of the present invention and a temperature rise at each depth of a light absorbing layer / semiconductor layer and a glass substrate.
FIG. 9 is a diagram showing a light irradiation profile of the present invention and a temperature rise at each depth of a light absorbing layer / semiconductor layer and a glass substrate.
FIG. 10 is a process sectional view showing the method for manufacturing the thin film transistor of the present invention.
FIG. 11 illustrates an example of an electronic apparatus including the electro-optical device according to the invention.
FIG. 12 is a diagram showing an example of an island-shaped light absorbing layer pattern of the present invention.
[Explanation of symbols]
100. . . substrate
101. . . Underlayer protective film
102. . . Semiconductor film
103. . . First insulating layer
104. . . Light absorbing layer
105. . . Second insulating layer
106. . . Focus point of irradiation light on substrate
107. . . Temperature rise part of light absorption layer
108. . . Liquid silicon
109. . . poly-Si
110. . . Lamp unit
111. . . Lamp light source
112. . . Reflective optical system / reflective surface
113. . . Radiation thermometer
114. . . Scan direction
115. . . slit
400, 414. . . Island-shaped light absorption layer
410. . . Linear lamp light
500. . . Irradiation light
501. . . Irradiation end area
502. . . Unirradiated area
503. . . Irradiation light irradiation position
504. . . Arbitrary point on substrate
510. . . Irradiation light intensity distribution on substrate
511, 512. . . Irradiation profile example
901. . . poly-Si film
902. . . Gate insulating film
903, 904. . . Source and drain regions
905. . . Gate electrode
906. . . Interlayer insulating film
907, 908. . . Source and drain electrodes
10. . . Electro-optical device using TFT manufactured using semiconductor thin film of the present invention

Claims (7)

基板上に形成された半導体層上に第一絶縁層を形成する工程と、該第一絶縁層上に少なくともW、Ti、Cr、Ta、Moのいずれかの材料を含有する光吸収層を形成する工程と、該光吸収層を複数の島状領域にパターニングする工程と、赤外領域に出力ピーク波長を有する光源と前記基板とを相対的に移動させながら該光源からの照射光を前記光吸収層に照射することによって前記半導体層を結晶化させる工程と、を少なくとも具備する半導体薄膜の製造方法。Forming a first insulating layer on the semiconductor layer formed on the substrate, and forming a light absorbing layer containing at least one of W, Ti, Cr, Ta, and Mo on the first insulating layer Performing the step of patterning the light-absorbing layer into a plurality of island regions, and irradiating the light from the light source while relatively moving a light source having an output peak wavelength in an infrared region and the substrate. Crystallizing the semiconductor layer by irradiating the absorption layer with a semiconductor thin film. 前記光照射は、不活性ガス雰囲気中にておこなう請求項1記載の半導体薄膜の製造方法。The method according to claim 1, wherein the light irradiation is performed in an inert gas atmosphere. 前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して片側15°〜75°の角度を成す一対のV字型斜辺により挟まれた形状である、請求項1乃至請求項2のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。The shape of the island region of the light absorbing layer is a shape sandwiched by a pair of V-shaped oblique sides forming an angle of 15 ° to 75 ° on one side with respect to the direction in which the irradiation light moves relative to the substrate. The method for manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1. 前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して第一の幅を有する領域1と、第一の幅より大きい第二の幅を有する領域2からなり、前記領域1と前記領域2は、照射光が基板と相対的に移動する方向に向かって片側15°〜60°のいずれかの角度を成す斜線で結ばれる接続領域によりなる、請求項1乃至請求項2のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。The shape of the island-shaped region of the light absorbing layer includes a region 1 having a first width in a direction in which irradiation light moves relative to the substrate, and a region 2 having a second width larger than the first width. The region 1 and the region 2 are formed by connecting regions which are connected to each other by an oblique line which forms an angle of 15 ° to 60 ° on one side in a direction in which the irradiation light moves relative to the substrate. The method for producing a semiconductor thin film according to claim 1. 前記光吸収層の島状領域下に形成された半導体層を能動層として用いることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。A method for manufacturing a thin film transistor, wherein a semiconductor layer formed below an island region of the light absorption layer is used as an active layer. 請求項5に記載の方法により製造された薄膜トランジスタを表示画素の駆動素子として備える、電気光学装置。An electro-optical device comprising a thin film transistor manufactured by the method according to claim 5 as a driving element of a display pixel. 請求項6に記載の電気光学装置を備える、電子機器。An electronic apparatus comprising the electro-optical device according to claim 6.
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