JP2004134577A - Manufacturing method of semiconductor thin film, tft, semiconductor device, thin film solar cell and composite semiconductor device, photoelectric device and electronic device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor thin film, a thin film transistor and a solar cell which release a technique for forming a large grain size poly-Si film on a large area with a high throughput through a cryogenic temperature process, while retaining an inexpensive radiation source and realize the improvement of characteristics of a poly-Si TFT (thin film transistor) and a circuit as well as the reduction of varieties, and a photoelectric device as well as an electronic device at a low cost employing the manufacturing method. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the semiconductor thin film 302 comprises at least a process for forming a semiconductor layer 302 on a substrate, a process for opposing a semiconductor light emitting device to the substrate and applying heat treatment on the semiconductor layer by moving the same relative to the substrate while irradiating light generated from the light emitting device against the semiconductor layer, a process for forming at least a first insulating layer 303 and a light absorbing layer 304 on the semiconductor layer formed on the substrate, and a process for opposing the light emitting device to the substrate and applying heat treatment on the semiconductor layer by moving the light absorbing layer relative to the substrate while irradiating light generated from the light emitting device against the light absorbing layer. <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、絶縁体あるいは金属基板等の基板に形成される半導体薄膜の製造方法、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、液晶装置あるいは有機エレクトロルミネッセンス(EL)装置の表示画素または表示装置等の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および太陽電池の製造方法、薄膜トランジスタと薄膜太陽電池を混載した複合半導体装置の製造方法およびこれらを用いて製造した電気光学装置および電子機器に関する。
【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、キャリア移動度がアモルファスシリコンTFTより高い上、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表示装置用のスイッチング素子、或いは液晶や有機EL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】
poly−SiTFT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TFT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パルスレーザー結晶化技術が広く使われている。パルス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。
【0004】
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)をパルス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100〜200cm−1−1程度と単結晶Si電界効果トランジスタ(MOSFET)の600cm−1−1と比較すると低い事である。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の膜厚が実効的に薄くなるため絶縁破壊が起こり、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素子の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。
【0005】
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。
【0006】
1番目の従来技術としては、連続発振レーザー光のビームスポットを非晶質半導体薄膜に走査しながら照射し、非晶質半導体薄膜の該シリコン薄膜の溶融結晶化をおこなう技術がある(例えば特許文献1および非特許文献1参照)。ここでは例えば波長が532nm(YAG2倍高調波)、幅20μm×400μmのレーザー光スポットを非晶質半導体薄膜に走査しながら照射し、走査スピードを5〜80cm/sとして処理することにより数10μmの大きさを有する大粒径poly−Si膜を形成する技術が開示されている。加えてこのような技術により形成された半導体薄膜表面は極めて平坦な形状を有する。
【0007】
2番目の従来技術としては、絶縁体上に半導体層、絶縁膜層および光吸収層を形成し、これに対してエネルギー線、レーザー光またはランプ光を照射することにより該半導体層を結晶化させる技術が開示されている(例えば特許文献2〜7参照)。ここでは例えばランプ光を用いることによって製造装置の価格やランニングコストを低減することができるので、製品の製造コストを低減することができる。
【0008】
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ミクロン以上で且つ表面が平坦なpoly−Si膜を低コストで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、且つ製造コストを低減することができるのである。
【特許文献1】
特開平8−97141
【特許文献2】
特開昭57−113217
【特許文献3】
特開昭59−158515
【特許文献4】
特開昭59−205712
【特許文献5】
特開平4−332120
【特許文献6】
特開平6−291034
【特許文献7】
特開平8−51076
【非特許文献1】
Hara、他7名、Japanese Journal of Applied Physics、2002年3月、第41巻、ページL311−L313
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来技術には以下に述べる課題を有する。まず1番目の従来技術では連続発振レーザー光を直接Si膜に吸収させ発生する熱により溶融結晶化をおこなっている。したがってSi膜に効率的に吸収される波長のレーザー光を用いる必要があることと、Si膜厚が当該レーザー光の吸収長と同程度であることが必須となる。このため現状で使用しうるレーザー光源はおおむね600nmより短波長のものとなり、従来技術ではArレーザー(488nmまたは514.5nm)およびYAG高調波(532nm)が使用され、Si膜厚も50〜100nm程度に限定される。使用しうる波長が限定されるので、該結晶化処理の工程スループットは単純にレーザー光源の出力により決定される。たとえばYAG高調波レーザーの場合、現状で1台の出力は最大20W程度であり、現在広く使われているエキシマレーザーの1/10程度である。レーザー装置価格も高いので、このようなレーザーを複数台使用して工程スループットを上げようとすると装置価格が高くなってしまう。以上の理由から、基板1枚処理するのに大変長い時間を要し(工程のスループットが低く)、製品コストを下げられないという課題を有する。また照射するSi膜の膜厚に制限が有るので、例えば50nmより薄いSi膜は結晶化できないし、100nmより厚いSi膜も結晶化することができない。よって従来技術により形成したpoly−Si膜は応用範囲が限定されてしまう。具体的には15nmより薄いSi膜を能動層に用いることができないので、量子効果によりユニバーサル移動度より高い移動度を有するTFTを作製することができない。更に100nmより厚いpoly−Si膜を形成できないので太陽電池に応用することができない。以上のような応用範囲の限定という課題を有する。加えて大粒径poly−Si膜が形成される領域はレーザー光の照射位置精度によってのみ決定されているので、μm以下の精度で配置されるTFT素子の形成位置を狙って正確に所望の結晶成長をおこなうという位置制御性を有しておらず、結果としてTFT特性のバラツキを低減できないという課題を有する。
【0010】
次に2番目の従来技術の課題について述べる。2番目の従来技術では光吸収層により光エネルギーを吸収させるため照射する光(あるいはエネルギービーム)の波長や種類に対する制限が少ない。また半導体層の膜厚に対する制限も少ない。しかし、工程のスループットを高めるためにはもっとも高い出力がえられるランプ光源が有効であるのだが、ランプ光は光学系を用いて集光するのがレーザー光に比較して困難である。これはひとえにランプ光は単一波長ではなくブロードな波長分布を有する光であるからである。集光が不十分でパワー密度の低い光照射をおこなうと、光吸収層や半導体層の温度を上げるためには基板温度も上昇せざるを得ない。現状もっとも効率的に集光できるランプ光学系は例えば図1に示すようなものである。このような反射光学系と複数のランプ光源を使用した場合でも光吸収層上におけるパワー密度は実用上はたかだか500W/cmが限界である。これをもちいて半導体層(Si)を融点以上に温度上昇させるためには図2上図に示すような照射プロファイルにより最低1秒間(半値幅では600ms)の光照射時間が必要となり、この場合の基板深さ各位置での温度の時間変化を図2下図に示す。これからわかるように光吸収層温度をSiの融点以上に上げようとすると自ずと基板温度も1200K近くまで上昇してしまうので、耐熱性の低い低価格な無アルカリガラスやプラスティック等の基板は到底使用し得ないのである。すなわち、2つめの従来技術は最適な吸収層材料や光源を明確にできない限り低温プロセスに適用するのが極めて困難であるという課題を有する。
【0011】
以上述べたように、従来技術はそれぞれにいくつかの課題を有する。これら課題の主たる原因は被加熱体の構造と加熱光源の最適な組み合わせが明確にされていないことにある。結果として、安価なガラス基板上へ大粒径poly−Si膜を低温プロセスで且つ高いスループットをもって形成する事が不可能であった。またこれら条件に加えて結晶成長位置を制御することも不可能であった。
【0012】
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つつ大粒径poly−Si膜を大面積に高いスループットを持って低温プロセスで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、太陽電池の製造方法、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。
【0013】
【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、基板に半導体層を形成する工程と、該基板に対して半導体発光素子を対向させ、該半導体発光素子から発生する光を前記半導体層に照射しながら基板と相対的に移動させることによって前記半導体層を熱処理する工程と、を少なくとも具備する。
【0014】
更に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、基板に形成された半導体層上に少なくとも第一絶縁層および光吸収層を形成する工程と、該基板に対して半導体発光素子を対向させ、該半導体発光素子から発生する光を前記光吸収層に照射しながら基板と相対的に移動させることによって前記半導体層を熱処理する工程と、を少なくとも具備する。ここで「半導体発光素子」とは半導体層自身から光を発する半導体素子を指す。またここで「対向させ」、「光吸収層に光照射する」とは半導体発光素子の発光を少なくとも波長を変えることなく前記基板と対向させ光吸収層に光照射することを指す。例えばYAG等の光学結晶や高調波発生器を間に介して波長変換をおこなって半導体発光素子の発光波長と異なる波長の光を光吸収層に照射する従来例のようなレーザー照射方法は含まない。ただし、半導体発光素子と光吸収層のあいだに照射光のパワー密度を調整するためのレンズ等、波長変換を伴わない光学部品を介する場合はここで言う「対向させ」「光吸収層に照射する」ことに含まれるものとする。
【0015】
好ましくは前記光吸収層はCr、Mo、Ta、Ti、Wのいずれかの材料、もしくは少なくとも前記材料のいずれかまたは2つ以上を含有する合金または多層構造である。これにより半導体発光素子の照射光を低い反射率で効率的に吸収し、且つ半導体層を熱処理する場合でも光吸収層がアブレーションしたり剥離したりクラック発生することなく安定した処理が可能となる。
【0016】
好ましくは前記半導体発光素子は200nm乃至2000nmに発振波長を有する半導体レーザーである。ここで「半導体レーザー」とはダブルヘテロ接合あるいは量子井戸構造に加えて光共振器構造を有し、光閉じ込め効果によって光増幅作用、いわゆるレーザー発振をおこなう機能を有する半導体発光素子を指す。該波長領域の光であれば光吸収層に効率的に光吸収しうると同時に、レーザー光であるのでレンズなどの光学部品を用いて光吸収層上に極めて効率的に集光することによって必要となる高い照射パワー密度を容易に達成することができる。ここで半導体レーザーはしばしばレーザーダイオードと呼ばれることがあるが、これも半導体レーザーに含まれるものとする。
【0017】
好ましくは前記熱処理工程は、半導体発光素子から発生する光の光吸収層上でのパワー密度が1800W/cm以上且つ照射領域任意点における光照射時間が300ms以下となるような条件によりおこなう。これにより安価な無アルカリガラスを基板として用いた場合でも基板温度上昇を600℃程度に抑制しつつ半導体層の熱処理が可能となる。
【0018】
好ましくは前記熱処理工程は、半導体発光素子から発生する光の光吸収層上でのパワー密度が3000W/cm以上且つ照射領域任意点における光照射時間が100ms以下となるような条件によりおこなう。これにより基板温度上昇を300℃程度に抑制しつつ半導体層の熱処理が可能となるので基板への熱的負荷が低減され、前記処理条件の場合よりもガラス基板が熱変形したり割れたりする問題を解決できる。
【0019】
より望ましくは前記熱処理工程は、半導体発光素子から発生する光の光吸収層上でのパワー密度が4500W/cm以上且つ照射領域任意点における光照射時間が45ms以下となるような条件によりおこなう。これにより基板温度上昇を200℃程度に抑制できるので、本発明を適用しうる基板としてプラスティック基板を用いることが可能となる。
【0020】
より望ましくは前記基板上の光吸収層とこれに対向する半導体発光素子との距離は1μm以上30cm以下である。このように光源と光吸収層距離を極めて小さくすることによって半導体発光素子からの光が広がる前の高パワー密度状態で直接光吸収層に光照射することが可能となる。
【0021】
より望ましくは前記光吸収層の上に膜厚t、屈折率nの第二絶縁層を形成する工程を有し、該第二絶縁層は前記半導体発光素子の発光波長をλとしたときにt=Nλ/4n(N=1、2、3、…)なる条件を満たすように形成する。これにより光吸収層での半導体発光素子から照射された光の反射率を最小にすることができると同時に、熱処理中の光吸収層の酸化による光吸収効率の低下を防止できる。とりわけ半導体発光素子が半導体レーザーである場合、この効果が顕著であるので効率的なレーザー光の光吸収層への投入が可能となる。
【0022】
好ましくは前記半導体発光素子は線状もしくは格子状に複数配置してなる。これにより半導体発光素子をもちいた照射光の総パワーは容易に大きくすることができる。またここで「複数の半導体発光素子」とは、ダブルヘテロ接合や量子井戸構造へキャリアを注入することによって発光を得る構造に関して半導体素子を1つと数えたうえで複数ということを意味する。すなわち、複数の半導体発光素子を(すなわち前述のダブルヘテロ接合や量子井戸構造を)線上に並べて一つの発光体としたものや、更にこれを積み重ねてスタック構造として一つの発光体としたもの等は一つの半導体発光素子ではなく、すべて複数の半導体発光素子とする。従来のレーザー光はレーザー本体が大きく価格も高いため、多数の光源を近接してならべることは現実的に不可能であった。しかし本発明に使用する半導体発光素子は発光領域が100μm程度と小さいので、0.数mm単位で近接してならべることが可能である。結果として、処理に用いる光源の総パワーはほぼ半導体発光素子を並べた数に比例して増大させることができる。このため本発明の半導体薄膜の製造方法は高い工程スループットを実現しうる。
【0023】
好ましくは前記線状もしくは格子状に配置した複数の半導体発光素子は、該半導体発光素子製造工程においてあらかじめ所望の間隔で線状または格子状にウエハ上で該半導体発光素子を作製し、この素子間隔をそのまま使用したものである。半導体発光素子はもともと化合物半導体基板上にフォトリソグラフィーを用いて形成されるので、これにより複数の半導体発光素子を形成した場合の相互の位置精度はフォトリソグラフィーの精度となる。すなわち、機械的に加工して光源を並べたり、光学系でビーム分割して複数の照射スポットを形成したりした場合よりはるかに高い精度で複数の光源が並んでいることになる。よってウエハ上に形成された半導体発光素子に直接電力投入し得られる発光を光吸収層に照射することによって極めて規則的な間隔を持った領域において半導体薄膜の熱処理をおこなうことが可能となる。これはあらかじめ薄膜トランジスタ形成領域のピッチに合わせて半導体発光素子を形成しておけば必要な領域のみを効率的に熱処理できるので、工程のスループットを更に増加させることが可能となると同時に、同じクオリティーの結晶成長を所望の位置でおこなうことができるので、斯様にして作製した結晶性半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成した場合、そのバラツキを低減することが可能となる。
【0024】
好ましくは前記半導体薄膜の膜厚が100nm以下である領域1と200nm以上である領域2を同一基板上に有する。本発明の半導体薄膜の製造法方によれば熱処理しうる半導体層の膜厚には制限がないので、基板上に膜厚の異なる半導体層を同時形成することによって機能の異なる素子を集積形成しうる。例えば薄い半導体層領域は薄膜トランジスタの能動層として用い、厚い半導体層領域は太陽電池の能動層として用いることができる。
【0025】
本発明は薄膜トランジスタの製造方法にも適用でき、前述の半導体薄膜の製造方法により形成した半導体層を能動層としてもちいる。これにより移動度が高くバラツキの少ない薄膜トランジスタを形成しうる。
【0026】
好ましくは前記半導体薄膜の膜厚が15nm以下である。本発明では15nm以下と薄くても結晶性の優れた半導体薄膜を提供しうるので、これを薄膜トランジスタの能動層として用いることによって量子効果が得られ、移動度の高い薄膜トランジスタを得ることが可能となる。
【0027】
本発明は半導体装置の製造方法にも適用でき、前述の半導体薄膜の製造方法により形成した半導体層を能動層としてもちいる。これにより移動度が高くバラツキの少ない半導体装置を形成しうる。
【0028】
好ましくは前記半導体薄膜の膜厚が15nm以下である。本発明では15nm以下と薄くても結晶性の優れた半導体薄膜を提供しうるので、これを薄膜トランジスタの能動層として用いることによって量子効果が得られ、移動度の高い薄膜トランジスタを得ることが可能となる。また、上述の半導体装置にも適用が可能であることは言うまでもない。
【0029】
本発明は薄膜太陽電池の製造方法にも適用でき、前述の熱処理をおこなった半導体層を能動層として用いる。これによりキャリアライフタイムの長い半導体層を能動層として用いることができるので、極めて光電変換効率の高い太陽電池を提供しうる。
【0030】
好ましくは前記半導体薄膜の膜厚が200nm以上である。本発明では200nm以上の比較的厚い半導体薄膜であっても良好な結晶成長ができるので、これにより太陽光を十分吸収し発電出力の高い太陽電池を提供しうる。
【0031】
本発明の複合半導体装置は同一基板上の半導体層膜厚が100nm以下である半導体薄膜領域1に薄膜トランジスタを形成し、半導体層膜厚が200nm以上である半導体薄膜領域2に薄膜太陽電池を形成する。太陽電池で得られた電力で薄膜半導体回路を駆動できるので、外部から電気配線による電力供給がなくとも、蛍光燈下や外光下であれば半導体素子を駆動することが可能となる。
【0032】
本発明の電気光学装置は、前記製造方法により作製した薄膜トランジスタを表示画素および周辺駆動回路の駆動素子として備える。これにより薄膜トランジスタのバラツキが小さいので表示ムラのない電気光学装置を提供しうる。また低い電源電圧でも十分な回路スピードで周辺回路を駆動できるので電気光学装置モジュールの消費電力が極めて低く、携帯用情報機器の表示装置として用いた場合でも電池を長持ちさせることが可能となる。
【0033】
本発明の電子機器は前記電気光学装置を備える。より望ましくは電気光学装置および薄膜太陽電池を備える。これにより未使用中にも自己充電し必要なときに画面表示が可能な自己完結型電子機器を提供しうる。
【0034】
【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3に本発明の半導体薄膜製造工程断面図を示す。
【0035】
(1.半導体層の形成)
本願発明の実施のためには通常、基板(300)の上に下地保護膜(301)を形成しその上に半導体薄膜(302)を形成するので、この一連の形成方法について説明する。
【0036】
本発明を適応し得る基板(300)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SOI基板や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。
【0037】
下地保護膜(301)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。
【0038】
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。
【0039】
次に半導体薄膜(302)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。
【0040】
(2.第一絶縁層の形成)
次に前記半導体層上に第一絶縁層(303)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(304)と半導体層(302)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(Si3 Nx :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。
【0041】
(3.光吸収層の形成)
次に第一絶縁層(303)上に光吸収層(304)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4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半導体発光素子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700〜1300nm付近の反射率が低い材料が光吸収層として適している。材料の光学特性を議論する上では当然使用する照射光の波長に合わせて検討すべき内容であるが、本明細書中では代表値として100nmの波長を用いる。勿論、異なる波長においても全く同じ議論が成立するので、波長さえ考慮すればすべて本発明の適用範囲となる。図4からわかるように、Ta、Mo、Cr、Ti、Wの材料はいずれも比較的反射率が低く、本発明の光吸収層に適用するのに好適である。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や膜剥がれが起こら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の合金、もしくは少なくともいずれかの金属を含有する化合物(例えばシリサイド)、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。
【0042】
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5上図は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。
【0043】
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。
【0044】
(4.第二絶縁層の形成)
斯様にして形成した光吸収層上に、第二絶縁層を形成する(図3は第二絶縁層のない場合を示している)。この第二絶縁層には重要な役割が二つある。
【0045】
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。また、第二絶縁層を設けない場合も本願発明では考えられ、第二絶縁層を設けない場合には、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。
【0046】
第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5下図に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5下図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、膜厚t、屈折率nの第二絶縁層を形成する工程を有し、該第二絶縁層は前記半導体発光素子の発光波長をλとしたときにt=Nλ/4n(N=1、2、3、…)なる条件を満たすように形成すればよい。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。
【0047】
(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、その波長が重要である。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は半導体発光素子である。この代表的なものには発光ダイオードと半導体レーザー(レーザーダイオードと呼ばれることもある)がある。大面積での処理を可能にするためには出力が高く、また集光することにより光吸収層上で十分なパワー密度を得るためには発光波長幅が狭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半導体レーザーが最も適している。半導体レーザーはGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaN、ZnS等種々の化合物を活性層に使用したものが有り、それぞれのバンドギャップにより発振波長が変化する。現在、もっとも高い出力が得られる半導体レーザーはGaAs系の半導体レーザーで端面発光型のものである。これら高出力半導体レーザーはピーク波長を700〜900nm付近に有し単体出力も2W以上の高出力を容易に達成し得る。またこのような高出力の半導体レーザーでも1個あたりの値段は5万円以下であり、且つ寿命も1万時間以上有るので、仮にこれを100個使用したとしても、3〜4ヶ月で交換が必要なエキシマレーザーチューブ1本1500万円と比較すると格安である。
【0048】
図3において、本発明では例えば単体出力2〜5Wの半導体レーザー(305)を用いる。半導体レーザーは閾値以上の電圧を電源(306)から印加すれば容易に発振し、700〜900nmの波長を有するレーザー光を発生する。半導体レーザーから発生したレーザー光をレンズ(308)で光吸収層上に集光する。レーザー光であるからビームスポットを径300μm以下の微小スポットに絞ることは容易であり、焦点深度も実用上問題のない程度に深い。これにより光吸収層上の照射ポイント(309)は急激に温度上昇し、熱伝導により半導体層にも高温領域(310)が形成される。この状態で基板と半導体レーザーを相対的に移動させることによって半導体層中の高温領域(310)をアモルファスSi層中に移動させる。後述の適当な処理条件を選べば、Si層中の高温領域(310)は溶融Si層となる。よって、あたかもナノメートルの極めて微視的に近接した領域でゾーンメルティングをおこなっているような結晶成長(ここではこの技術をano−Vicinity one elting:NZMと呼ぶ)が起こり、光を走査した後方には液相から結晶成長した大粒径の多結晶Si層(311)が形成されるのである。NZM法をうまく適用するためには、照射レーザー光の光吸収層上におけるパワー密度と、レーザー光の移動速度を適当に選ぶ必要がある。以下、光吸収層の反射率が50%である場合の各処理条件における光吸収層および半導体層の温度上昇と、ガラス基板の表面から各深さにおける温度の時間変化を示す。図6下図は光吸収層上でのレーザー光のパワー密度を1800W/cm、光吸収層上任意点における熱処理時間を300ms(立ち上り130ms、ピーク40ms、立ち下がり130ms:図6上図参照)とした場合を示している。光吸収層の温度は1450Kに達する。この程度の時間スケール(msオーダー)における熱拡散長は光吸収層、第一絶縁層、半導体層の総厚さよりはるかに長いため、これら三層の温度はほぼ同じとなる。すなわち半導体層としてSiを用いた場合、Si層は融点である1687Kよりも上昇するので溶融する。このような状態で半導体レーザー光源と共に溶融層を移動させると、レーザー光源が通り過ぎた冷却過程において横方向結晶成長が起こる。しかしこのような処理条件では基板温度も600℃程度まで上昇するので、本発明を低温プロセスに適用するためには少なくとも照射パワー密度を1800W/cm且つ熱処理時間を300ms以下とすることが必要となる。安価な無アルカリガラス基板を用いて安定的にNZM結晶化を実現するためには基板への熱ストレスのより小さい条件を適用する必要がある。例えば照射パワー密度を3000W/cm、熱処理時間を100msとした場合の温度変化を図7に示す。照射パワー密度を高め、処理時間を短時間化したためより非熱平衡的に半導体層の熱処理が行なわれる。この場合、基板温度は高々300〜400℃程度にしか上昇していないにもかかわらず、光吸収層および半導体層の温度は2100K程度に達している。このような処理条件を用いればガラス基板が反ったり、或いは光吸収層にクラックが入ったり剥がれたりするといった問題を回避しつつ、所望のNZM結晶化を実行することができるのである。更に非熱平衡度をたかめると、プラスティック基板上でもNZM結晶化を実行できる。照射パワー密度を4500W/cm、熱処理時間を45msとした場合の温度変化を図8に示す。この場合光吸収層および半導体層の温度は1950K程度に達しているのでSi層は溶融しNZM結晶化が可能であり、且つ基板温度は210℃程度にしか上昇しない。よって本発明のNZM結晶化は処理条件を適当に選択すればプラスティック基板上であれども高品質の大粒径結晶成長を実現しうる。
【0049】
本発明のNZM結晶化はSi層の温度が融点以上に達すればよいので、照射レーザーのパワー密度の空間的あるいは時間的変動に対するプロセスウインドウが広い。すなわち、常に最低限必要なパワー密度以上のパワーを光吸収層に照射すればよいのであって、従来のパルスレーザー結晶化のような2,3%程度しかエネルギーバラツキが許容できないようなプロセスよりはるかに制御性が高い。
【0050】
以上のように半導体レーザー光を集光し照射することによってNZM結晶成長が可能であるが、これは基板上の任意の位置に所望の結晶成長を実現しうるということである。半導体レーザーと基板の相対的な位置決めが可能な機構を有するステージを用いればこれは容易に実現可能となる。よって、高品質な結晶が必要となる基板上の特定箇所のみを選択的に結晶化することも可能である。これにより不要な箇所での結晶成長をおこなう必要が無いので工程スループットを高めることができる。
【0051】
これまでは単体の半導体レーザーを用いた場合を述べてきたが、本発明の半導体薄膜の製造方法は容易に大面積処理に拡張しうる。それは半導体レーザーを複数個使用することで実現しうる。半導体レーザーは化合物半導体結晶を基板としてその上に作製する。これを切り出してきてチップとしたものを図9上図に示すように線状に並べ、これら複数の素子からの発光を用いてNZM結晶化をおこなえば、大面積を一度に処理することが可能となる。線状光源を更にスタックさせれば大出力の線状光源や、あるいは格子状のレーザー光源を用意する事も可能である。図9下図に示すように複数箇所で同時にNZM結晶化をおこなうことは容易に実現しうる。従来のレーザー結晶化技術と異なる点は、半導体レーザー素子自身は極めて小さいのでお互いに非常に小さなピッチで近接して配置しうる点にある。例えば1素子の出力が5Wの半導体レーザーチップを500μmピッチで100個並べると、5cmの幅を持ったライン状光源となりその出力は500Wとなる。これは従来のレーザー結晶化光源よりはるかに高出力である。この場合の基板と半導体レーザーの相対的移動距離は図9下図から分かるように半導体レーザー光源相互の距離分に相当する。よって今の場合は500μmである。よって処理に要する時間は極短時間である。今は一次元に半導体レーザーを配置し、各レーザーからの光を各々集光ケースを示したがこの考え方は容易に大パワー光源に拡張できる。すなわち配置する半導体レーザーの密度を高めてやれば、均一なハイパワー線状光源も容易に実現できるのであり、これは実施例4にてその例を述べる。このように半導体レーザーの出力は単純に素子を増やせばそれに比例して増加させることができる。これは半導体レーザーの単価が安いため実用上も可能な考え方であり、従来のYAG高調波レーザーなどではコスト的に実現し得ない。よって、大面積処理に必要な素子数を有する光源を作製すれば製造コストを抑制しつつ工程のスループットを容易に高めることができるのである。
【0052】
また半導体レーザーをチップとして切り出さずに、ウエハ上に作製された状態で光源として用いることも可能である。この場合、各半導体レーザー光源の位置はその作製工程におけるフォトリソグラフィーにより決定されているので極めて精度が高く配置されている。よってこれから発する光をそのまま利用すれば、被処理基板上で行なわれるNZM結晶化の位置も同程度の高い精度で確定できる。
【0053】
更に本発明のNZM結晶化技術によれば、結晶化しうる半導体層の膜厚に対する制限が従来のレーザー結晶化よりはるかに少ない。例えば15nm程度の薄いSi膜では従来の532nmの波長の光は殆ど吸収されないのでこれを結晶化することができない。しかしNZM結晶化では光吸収は光吸収層により決定されるので、15nmあるいは10nmの薄いSi膜でも大粒径結晶化が可能である。このような薄い大粒径Si結晶をTFTの能動層として用いれば、量子効果による移動度の増大効果が得られる。すなわちキャリアがSi層内に閉じ込められるためSiバンドの縮退が解け、有効質量の低下に伴う移動度増大効果が得られる。一方、厚いSi膜の結晶化も可能である。例えば200nm更に太陽電池への応用を考えた場合1μmの膜厚の結晶Siが必要となる。NZM結晶化技術を適用すれば、このような厚い膜でも前述と全く同じように大粒径の結晶成長が可能であるのでキャリアライフタイムの長い良質のSi結晶を提供しうる。
【0054】
このように本発明のNZM結晶化技術を用いれば、同一基板上に半導体層膜厚の異なる領域がある場合でもまったく問題なく結晶成長がおこなえる。このような膜厚の異なる高品質Si結晶を形成できれば、同一基板上で機能の異なる半導体素子を形成できる。例えばTFTと太陽電池を同一基板上に形成すれば、低消費電力のTFT回路を太陽電池から供給される電力によって駆動できる。そうすると外部から電線により電力を供給する必要がなくなり、極めて携帯性に優れた電子デバイスを実現することができるのである。これは従来にはまったく無い新しい電子デバイスであり、これらを実現する本発明の技術は極めて高い可能性を秘めているものである。
【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10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(300)を用いる。まず基板100上に絶縁性物質である下地保護膜(301)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(302)を堆積する。ここで半導体層の厚みは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(302)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(303)を形成する。ここではECR−PECVD法にて100nm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(304)としてTaNとTaの積層構造膜をスパッタリングによりそれぞれ50nmおよび200nm形成した。TaN膜を形成する目的は光吸収層として主たる役割を果たすTa膜の密着性を高める事にある。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、しかもクラックや膜剥がれ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。
【0056】
この次に、光吸収層上に第二絶縁層(320)としてSiO膜を137nm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137nm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、808nmに強度ピークを持つ半導体レーザー(305)を基板に対向させ、基板との間にNA=0.3のレンズ(308)を設置し、半導体レーザー光(307)を光吸収層上に集光した。光吸収層上におけるレーザー光のビームスポット形状は楕円形である。長軸方向の長さが600μm、短軸方向の長さが300μmであった。このときピークにおけるパワー密度は1800W/cmであった。このような照射条件下で、基板をビーム短軸と平行方向に1mm/sの速度で移動させNZM結晶化により液体Siから横方向結晶成長を誘起し、幅が20μm、長さが100μmのほぼ単結晶からなる結晶粒を有する高品質多結晶領域(311)を形成した。この結晶はTFTの素子サイズより十分大きいので、この結晶粒内にTFTを形成する事で単結晶MOSFETとほぼ同等の性能を有する高性能TFTを作製する事が可能となる。本例の熱処理条件下では基板温度が600℃程度まで上昇するので、無アルカリガラス基板でも適用可能であるが、より耐熱性の高い石英基板もしくは単結晶Si基板上に絶縁層を介して形成したSi膜の結晶化に適用するのが好ましい。
【0057】
【実施例2】
本発明の第2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。下地層、半導体層、第一絶縁層、光吸収層、第二絶縁層形成工程は実施例1と全く同じである。光照射をおこなう半導体レーザーおよび光学系も実施例1と同じである。ここでは半導体レーザーの出力を上げて更に基板との間にNA=0.4のレンズ(308)を設置し、より高パワーの半導体レーザー光(307)を光吸収層上に集光した。光吸収層上におけるレーザー光のビームスポット形状は楕円形である。長軸方向の長さが300μm、短軸方向の長さが150μmであった。このときピークにおけるパワー密度は3000W/cmであった。このような照射条件下で、基板をビーム短軸と平行方向に1.5mm/sの速度で移動させNZM結晶化により液体Siから横方向結晶成長を誘起し、幅が20μm、長さが100μmのほぼ単結晶からなる結晶粒を有する高品質多結晶領域(311)を形成した。この場合基板の温度上昇はたかだか300℃程度であったので無アルカリガラスを用いた場合でも基板の変形もなく、実施例1と同品質のpoly−Si膜を得ることができた。
【0058】
【実施例3】
本発明の第3の実施例では、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。下地層、半導体層、第一絶縁層、光吸収層、第二絶縁層形成工程は実施例1と全く同じである。光照射をおこなう半導体レーザーも実施例1と同じである。ここでは半導体レーザーの出力を上げて更に基板との間にNA=0.5のレンズ(308)を設置し、半導体レーザー光(307)を光吸収層上に集光した。光吸収層上におけるレーザー光のビームスポット形状は楕円形である。長軸方向の長さが150μm、短軸方向の長さが100μmであった。このときピークにおけるパワー密度は4500W/cmであった。このような照射条件下で、基板をビーム短軸と平行方向に2.2mm/sの速度で移動させNZM結晶化により液体Siから横方向結晶成長を誘起し、幅が20μm、長さが100μmのほぼ単結晶からなる結晶粒を有する高品質多結晶領域(311)を形成した。ここではレーザー光照射中に熱伝導率が極めて高いHeガスを吹き付けと冷却水の循環している基板ホルダに真空チャックすることによって基板を密着させる基板冷却方法を併用したので基板の温度上昇はたかだか180℃程度でありプラスティック基板が溶けたり変形したりすることもなく、良質なpoly−Si膜を得ることができた。
【0059】
【実施例4】
本発明の第4の実施例では、複数の半導体レーザー光源を用いて線状のビームを作製し、これを用いて半導体層のNZM結晶化処理をおこなった。十分な半導体レーザー光出力を得るために、半導体レーザー(901)を図9中図に示すように500μm間隔で600個並べた半導体レーザーアレイを互いに167μmずつずらしながら縦に3段スタックし、これに電力供給をおこなうことで、総出力9kWのレーザー光源を作製した。このレーザー光源の長尺方向長さは300mm、幅は6mmである。このレーザー光を長さ330mm、幅30mmのシリンドリカルレンズを通して短軸方向を集光させ光吸収層上に照射した。この際の線状ビームと基板の配置は図11上図に示す通りである。これによって、照射レーザー光(190)は長尺を基板の一辺と平行にし一軸方向(195)に走査することによってNZM結晶成長処理をおこなった。このときの照射レーザー光の短軸方向プロファイルは図11下図に示すようにガウス分布に近いプロファイルとなっている。短軸方向の半値全幅は500μmであった。これにより照射レーザー光の光吸収層上でのパワー密度は4800W/cmであった。線状レーザービームの長尺方向には半導体レーザーの発光モードに起因する周期的強度分布があったが、強度の弱い部分でも半導体層を溶融させるに足りるパワー密度を与えておけば溶融Si層を形成できるので、本発明の結晶化法のプロセスウインドウは極めてひろい。基板を相対的に11mm/sの速度で移動させ、基板上任意点(例えば194)における光照射時間は45msとした。これによって半導体層はビーム内では完全に溶融結晶化し、実施例1〜3と同様に大粒径の高品質poly−Si膜を300mm基板全面に作製することができた。尚、この時の基板1枚の処理時間はわずか27秒であった。これからもわかるように、本発明の半導体薄膜製造方法は非常に高い工程スループットをもっているので、更に大きな大面積基板に対しても十分適用しうる。なお、本実施例では、500μm間隔で600個並べた半導体レーザーアレイを互いに167μmずつずらしながら縦に3段スタックする構成としたが、本発明はこれに限定するものではなく、例えば500μm間隔で500個並べた半導体レーザーアレイを互いに167μmずつずらしながら縦に3段スタックする構成としてもよいし、あるいは550μm間隔で400個並べた半導体レーザーを互いに137μmずつずらしながら縦に4段スタックする構成としてもよく、各半導体レーザー間の間隔、個数およびスタックする数は、レーザー光の総出力に応じて適宜変更が可能である。
【0060】
【実施例5】
本発明における薄膜トランジスタの製造方法の、第5の実施例を図10にそって説明する。本実施例で用いる半導体層の結晶化条件は実施例1乃至実施例5のいずれの条件でも構わないが、ここでは実施例5の条件を用いて高品質半導体層を形成した。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、半導体層(501)を露出させた。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501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、酸素ガスを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膜の所々にある結晶粒界の捕獲準位(欠陥)不活性化処理をおこなった。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、電気的に活性な結晶粒界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。表面に形成された酸化膜をフッ酸ウエットエッチングで除去した後純水で10分間の洗浄をおこない水素終端された清浄な半導体層表面を形成した。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(502)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(502)を100nm形成した。引き続いてゲート電極(505)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(503、504)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(B2H6)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(PH3)を加速電圧100keVで注入する。PH やH イオンを含むの全イオン注入量量は1×1016cm−2である。
【0061】
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(506)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(507、508)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。
【0062】
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。電気光学装置の例として、例えば液晶装置や有機EL装置等が挙げられる。図12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。
【0063】
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。
【0064】
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】従来の高出力ランプ処理装置の断面構造図。
【図2】図1のランプを用いて処理をおこなった場合の投入パワープロファイルとそのときの基板各深さでの温度の時間変化を示す図。
【図3】本発明の半導体薄膜の製造方法を示す図。
【図4】各種高融点金属の反射率スペクトルを示した図。
【図5】光吸収層の膜厚と第二絶縁層の膜厚を変えたときの反射率の変化を示した図。
【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】本発明の複数の半導体発光素子をならべた照射光源とこれをもちいて半導体薄膜の結晶化をおこなう方法を示す図。
【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】本発明の半導体薄膜の製造方法を大面積基板に適用する方法を示した図。
【図12】本発明の薄膜トランジスタを用いた電気光学装置および電子機器への適用を示す図。
【符号の説明】
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
190...本発明のライン状レーザー光
195...ライン状レーザー光の走査方向
300...基板
301...下地絶縁膜
302...半導体層
303...第一絶縁層
304...光吸収層
305...半導体発光素子(半導体レーザー)
306...電源
307...照射光
308...レンズ
309...光吸収層の高温領域
310...溶融Si層
311...大粒径poly−Si層
312...半導体発光素子と基板の相対的移動方向
901...半導体レーザー
902...レーザー光
903...レンズ
501...本発明のNZM結晶化により形成したpoly−Si膜
502...ゲート絶縁膜
503、904...ソース、ドレイン領域
505...ゲート電極
506...層間絶縁膜
507、508...ソース、ドレイン電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film formed on a substrate such as a single crystal semiconductor substrate, an insulator or a metal substrate, a thin film transistor, and a logic circuit, a memory circuit, a liquid crystal device or an organic electroluminescence (EL) device formed by the thin film transistor. Method for manufacturing thin film transistor and solar cell used as a component of drive circuit such as display pixel or display device, method for manufacturing composite semiconductor device in which thin film transistor and thin film solar cell are mixed, and electro-optical device and electronic device manufactured using these Equipment related.
[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, poly-Si TFTs have a higher carrier mobility than amorphous silicon TFTs and can be manufactured on a transparent insulating substrate such as a glass substrate, so that switching for liquid crystal display devices, liquid crystal projectors and organic EL display devices can be achieved. It is widely used as an element or a circuit element of a driver for driving a liquid crystal or an organic EL.
[0003]
Among poly-Si TFT manufacturing processes, a process of manufacturing a 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 pulse laser crystallization technique for crystallizing a silicon film using a pulse laser having an extremely short oscillation time is widely used. Pulsed laser crystallization is a technique that utilizes the property of instantaneously melting a silicon thin film on a substrate by irradiating it with a high-powered pulsed laser beam and then crystallizing the solidified process. 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.
[0004]
However, a problem with this low-temperature process is that when a semiconductor layer (poly-Si film) to be an active layer is formed by pulse laser crystallization, the crystal grain size is as small as 0.5 μm at most, so that the poly- High threshold voltage of TFT manufactured using Si film and mobility of 100 to 200 cm2V-1s-1Degree and 600cm of single crystal Si field effect transistor (MOSFET)2V-1s-1It is low compared to. 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. At the protruding portion, the thickness of the gate insulating film is effectively reduced, so that dielectric breakdown occurs. This has been 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.
[0005]
As means for solving the above problems, there are the following conventional technologies.
[0006]
As a first conventional technique, there is a technique of irradiating a beam spot of a continuous wave laser beam onto an amorphous semiconductor thin film while scanning the amorphous semiconductor thin film to melt-crystallize the amorphous semiconductor thin film into a silicon thin film (for example, see Patent Document 1). 1 and Non-Patent Document 1). Here, for example, a laser beam spot having a wavelength of 532 nm (the second harmonic of YAG) and a width of 20 μm × 400 μm is irradiated on the amorphous semiconductor thin film while scanning, and the scanning speed is set to 5 to 80 cm / s, thereby processing several tens μm. A technique for forming a large-sized poly-Si film having a large size is disclosed. In addition, the surface of the semiconductor thin film formed by such a technique has an extremely flat shape.
[0007]
As a second conventional technique, a semiconductor layer, an insulating film layer, and a light absorbing layer are formed on an insulator, and the semiconductor layer is crystallized by irradiating the semiconductor layer with an energy ray, a laser beam, or a lamp beam. Techniques are disclosed (for example, see Patent Documents 2 to 7). Here, for example, by using lamp light, the price and running cost of the manufacturing apparatus can be reduced, so that the manufacturing cost of the product can be reduced.
[0008]
The use of the above-described technique makes it possible to form a poly-Si film having a crystal grain size of 1 μm or more and a flat surface at a low cost even on an insulating substrate. It is possible to dramatically reduce the crystal grain boundaries inside, thereby improving the performance of the TFT and reducing the manufacturing cost.
[Patent Document 1]
JP-A-8-97141
[Patent Document 2]
JP-A-57-113217
[Patent Document 3]
JP-A-59-158515
[Patent Document 4]
JP-A-59-205712
[Patent Document 5]
JP-A-4-332120
[Patent Document 6]
JP-A-6-291034
[Patent Document 7]
JP-A-8-51076
[Non-patent document 1]
Hara, 7 others, Japanese Journal of Applied Physics, March 2002, Volume 41, pages L311-L313
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above prior art has the following problems. First, in the first conventional technique, a continuous oscillation laser beam is directly absorbed by a Si film and melt crystallization is performed by generated heat. Therefore, it is necessary to use a laser beam having a wavelength that can be efficiently absorbed by the Si film, and it is essential that the Si film thickness is approximately equal to the absorption length of the laser beam. For this reason, the laser light source that can be used at present has a wavelength shorter than about 600 nm. In the conventional technology, an Ar laser (488 nm or 514.5 nm) and a YAG harmonic (532 nm) are used, and the Si film thickness is about 50 to 100 nm. Limited to. Since the usable wavelength is limited, the process throughput of the crystallization process is simply determined by the output of the laser light source. For example, in the case of a YAG harmonic laser, the output of one unit at present is about 20 W at the maximum, which is about 1/10 of the excimer laser widely used at present. Since the price of the laser device is high, if the process throughput is increased by using a plurality of such lasers, the price of the device increases. For the above reasons, it takes a very long time to process one substrate (the throughput of the process is low), and there is a problem that the product cost cannot be reduced. Further, since the thickness of the irradiated Si film is limited, for example, a Si film thinner than 50 nm cannot be crystallized, and a Si film thicker than 100 nm cannot be crystallized. Therefore, the application range of the poly-Si film formed by the conventional technique is limited. Specifically, since a Si film thinner than 15 nm cannot be used for the active layer, a TFT having a mobility higher than the universal mobility cannot be manufactured due to a quantum effect. Further, since a poly-Si film thicker than 100 nm cannot be formed, it cannot be applied to a solar cell. There is a problem of limiting the application range as described above. In addition, since the region where the large-grain poly-Si film is formed is determined only by the accuracy of the irradiation position of the laser beam, the desired crystal can be accurately formed by aiming at the formation position of the TFT element arranged with an accuracy of μm or less. There is no position controllability for growth, and as a result, there is a problem that variations in TFT characteristics cannot be reduced.
[0010]
Next, the second problem of the prior art will be described. In the second prior art, there is little restriction on the wavelength and type of light (or energy beam) to be irradiated in order to absorb light energy by the light absorbing layer. In addition, there are few restrictions on the thickness of the semiconductor layer. However, although a lamp light source that can obtain the highest output is effective to increase the throughput of the process, it is more difficult to condense the lamp light using an optical system as compared with laser light. This is because the lamp light is not a single wavelength but a light having a broad wavelength distribution. When light irradiation with insufficient power and low power density is performed, the substrate temperature must be increased in order to increase the temperature of the light absorption layer and the semiconductor layer. At present, a lamp optical system which can collect light most efficiently is, for example, as shown in FIG. Even when such a reflection optical system and a plurality of lamp light sources are used, the power density on the light absorption layer is practically at most 500 W / cm.2Is the limit. In order to raise the temperature of the semiconductor layer (Si) to a temperature equal to or higher than the melting point by using this, a light irradiation time of at least 1 second (600 ms in half width) is required according to the irradiation profile shown in the upper diagram of FIG. The time change of the temperature at each position of the substrate depth is shown in the lower diagram of FIG. As can be seen from this, if the temperature of the light absorbing layer is raised above the melting point of Si, the substrate temperature naturally rises to near 1200 K. Therefore, low-heat-resistant low-cost substrates made of non-alkali glass or plastic are not used at all. I can't get it. That is, the second conventional technique has a problem that it is extremely difficult to apply it to a low-temperature process unless the optimum absorbing layer material and light source can be defined.
[0011]
As described above, each of the conventional techniques has several problems. The main cause of these problems is that the optimal combination of the structure of the object to be heated and the heating light source has not been clarified. As a result, it has not been possible to form a large grain size poly-Si film on an inexpensive glass substrate by a low-temperature process and with high throughput. In addition to these conditions, it was impossible to control the crystal growth position.
[0012]
In view of the above problems, the present invention discloses a technique for forming a large-grain poly-Si film in a large area with a high throughput by using a low-temperature process while using an inexpensive irradiation light source. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor thin film, a thin film transistor, and a solar cell which realizes improvement of characteristics and reduction of variation, and a technique of providing an electro-optical device and an electronic apparatus using the thin film at low cost.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a method of manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention includes a step of forming a semiconductor layer on a substrate, a step of causing a semiconductor light emitting element to face the substrate, and transmitting light generated from the semiconductor light emitting element to the semiconductor Heat-treating the semiconductor layer by moving the layer relative to the substrate while irradiating the layer.
[0014]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor thin film, comprising: forming at least a first insulating layer and a light absorbing layer on a semiconductor layer formed on a substrate; And heat-treating the semiconductor layer by moving the light-absorbing layer relative to the substrate while irradiating the light-absorbing layer with light generated from the semiconductor light-emitting element. Here, the “semiconductor light emitting element” refers to a semiconductor element that emits light from the semiconductor layer itself. The terms “facing” and “irradiating light to the light absorbing layer” here refer to irradiating the light absorbing layer with light by facing the substrate at least without changing the wavelength of light emitted from the semiconductor light emitting element. For example, it does not include a laser irradiation method such as a conventional example in which wavelength conversion is performed through an optical crystal such as YAG or a harmonic generator to irradiate a light absorption layer with light having a wavelength different from the emission wavelength of a semiconductor light emitting element. . However, when an optical component that does not involve wavelength conversion, such as a lens for adjusting the power density of the irradiation light, is used between the semiconductor light emitting element and the light absorbing layer, the light is applied to the light absorbing layer. ".
[0015]
Preferably, the light absorbing layer is made of any material of Cr, Mo, Ta, Ti, and W, or an alloy or a multilayer structure containing at least one of the materials or two or more of them. Thereby, the irradiation light of the semiconductor light emitting element is efficiently absorbed at a low reflectance, and even when the semiconductor layer is subjected to the heat treatment, the light absorbing layer can be stably processed without ablation, peeling, or cracking.
[0016]
Preferably, the semiconductor light emitting device is a semiconductor laser having an oscillation wavelength between 200 nm and 2000 nm. Here, the “semiconductor laser” refers to a semiconductor light emitting device having an optical resonator structure in addition to a double heterojunction or a quantum well structure, and having a function of performing a laser amplification by an optical confinement effect. If the light is in the wavelength range, the light can be efficiently absorbed by the light absorbing layer. At the same time, since the light is a laser beam, it is necessary to extremely efficiently condense the light on the light absorbing layer using an optical component such as a lens. High irradiation power density can be easily achieved. Here, the semiconductor laser is often called a laser diode, and this is also included in the semiconductor laser.
[0017]
Preferably, in the heat treatment step, the power density of light generated from the semiconductor light emitting element on the light absorption layer is 1800 W / cm.2Above and under the condition that the light irradiation time at an arbitrary point of the irradiation area is 300 ms or less. Thus, even when inexpensive non-alkali glass is used as the substrate, heat treatment of the semiconductor layer can be performed while suppressing the temperature rise of the substrate to about 600 ° C.
[0018]
Preferably, in the heat treatment step, the power density of light generated from the semiconductor light emitting element on the light absorbing layer is 3000 W / cm.2The irradiation is performed under the condition that the light irradiation time at an arbitrary point of the irradiation area is 100 ms or less. This makes it possible to heat-treat the semiconductor layer while suppressing the temperature rise of the substrate to about 300 ° C., so that the thermal load on the substrate is reduced and the glass substrate is more thermally deformed or cracked than under the above processing conditions. Can be solved.
[0019]
More preferably, in the heat treatment step, the power density of light generated from the semiconductor light emitting element on the light absorbing layer is 4500 W / cm.2Above and under the condition that the light irradiation time at an arbitrary point of the irradiation area is 45 ms or less. As a result, the temperature rise of the substrate can be suppressed to about 200 ° C., so that a plastic substrate can be used as a substrate to which the present invention can be applied.
[0020]
More preferably, the distance between the light absorbing layer on the substrate and the semiconductor light emitting element facing the light absorbing layer is 1 μm or more and 30 cm or less. By making the distance between the light source and the light absorbing layer extremely small as described above, it is possible to directly irradiate the light absorbing layer with light at a high power density before the light from the semiconductor light emitting element spreads.
[0021]
More preferably, the method further includes a step of forming a second insulating layer having a thickness of t and a refractive index of n on the light absorbing layer, wherein the second insulating layer has a thickness of t when the emission wavelength of the semiconductor light emitting element is λ. = Nλ / 4n (N = 1, 2, 3,...). This can minimize the reflectance of the light emitted from the semiconductor light emitting element in the light absorbing layer, and at the same time, prevent a decrease in light absorption efficiency due to oxidation of the light absorbing layer during the heat treatment. In particular, when the semiconductor light emitting element is a semiconductor laser, this effect is remarkable, so that efficient injection of laser light into the light absorbing layer becomes possible.
[0022]
Preferably, a plurality of the semiconductor light emitting elements are arranged in a linear or lattice shape. This makes it possible to easily increase the total power of the irradiation light using the semiconductor light emitting element. The term "a plurality of semiconductor light-emitting elements" means that a plurality of semiconductor elements are counted as one semiconductor element with respect to a structure for obtaining light emission by injecting carriers into a double hetero junction or a quantum well structure. That is, a plurality of semiconductor light-emitting elements are arranged on a line (that is, the above-described double heterojunction or quantum well structure) to form a single light-emitting body, or a light-emitting body in which these are stacked to form a single light-emitting body as a stacked structure. Instead of one semiconductor light-emitting element, all are a plurality of semiconductor light-emitting elements. Since conventional laser light has a large laser body and is expensive, it is practically impossible to arrange many light sources in close proximity. However, the semiconductor light emitting device used in the present invention has a light emitting area as small as about 100 μm. It is possible to perform close proximity in units of several mm. As a result, the total power of the light source used for processing can be increased substantially in proportion to the number of semiconductor light emitting devices arranged. Therefore, the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention can realize a high process throughput.
[0023]
Preferably, the plurality of semiconductor light emitting devices arranged in a linear or lattice shape are prepared in advance in the semiconductor light emitting device manufacturing process by forming the semiconductor light emitting devices on a wafer in a linear or lattice shape at a desired interval. Is used as it is. Since a semiconductor light emitting device is originally formed on a compound semiconductor substrate by using photolithography, the mutual positional accuracy when a plurality of semiconductor light emitting devices are formed becomes the accuracy of photolithography. That is, a plurality of light sources are arranged with much higher precision than when a plurality of light sources are arranged by mechanical processing or a plurality of irradiation spots are formed by dividing a beam with an optical system. Therefore, by irradiating the light absorbing layer with light obtained by directly applying power to the semiconductor light emitting element formed on the wafer, heat treatment of the semiconductor thin film can be performed in regions having extremely regular intervals. This is because if a semiconductor light emitting element is formed in advance in accordance with the pitch of a thin film transistor forming region, only a necessary region can be efficiently heat-treated, so that the throughput of the process can be further increased and, at the same time, a crystal of the same quality can be obtained. Since the growth can be performed at a desired position, when a thin film transistor is formed using the crystalline semiconductor thin film thus manufactured, the variation can be reduced.
[0024]
Preferably, the semiconductor thin film has a region 1 having a thickness of 100 nm or less and a region 2 having a thickness of 200 nm or more on the same substrate. According to the method of manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, there is no limitation on the thickness of a semiconductor layer that can be heat-treated, so that elements having different functions are integrated by simultaneously forming semiconductor layers having different thicknesses on a substrate. sell. For example, a thin semiconductor layer region can be used as an active layer of a thin film transistor, and a thick semiconductor layer region can be used as an active layer of a solar cell.
[0025]
The present invention can also be applied to a method for manufacturing a thin film transistor, and uses a semiconductor layer formed by the above-described method for manufacturing a semiconductor thin film as an active layer. Accordingly, a thin film transistor having high mobility and small variation can be formed.
[0026]
Preferably, the thickness of the semiconductor thin film is 15 nm or less. In the present invention, a semiconductor thin film having excellent crystallinity can be provided even if it is as thin as 15 nm or less. Therefore, by using this as an active layer of a thin film transistor, a quantum effect can be obtained, and a thin film transistor with high mobility can be obtained. .
[0027]
The present invention is also applicable to a method for manufacturing a semiconductor device, and uses a semiconductor layer formed by the above-described method for manufacturing a semiconductor thin film as an active layer. Thus, a semiconductor device with high mobility and small variation can be formed.
[0028]
Preferably, the thickness of the semiconductor thin film is 15 nm or less. In the present invention, a semiconductor thin film having excellent crystallinity can be provided even if it is as thin as 15 nm or less. Therefore, by using this as an active layer of a thin film transistor, a quantum effect can be obtained, and a thin film transistor with high mobility can be obtained. . Needless to say, the present invention can be applied to the above-described semiconductor device.
[0029]
The present invention can also be applied to a method for manufacturing a thin-film solar cell, and uses the semiconductor layer subjected to the above-described heat treatment as an active layer. Thus, a semiconductor layer having a long carrier lifetime can be used as an active layer, so that a solar cell with extremely high photoelectric conversion efficiency can be provided.
[0030]
Preferably, the semiconductor thin film has a thickness of 200 nm or more. In the present invention, good crystal growth can be achieved even with a relatively thick semiconductor thin film of 200 nm or more, whereby a solar cell with sufficient power generation output with sufficient absorption of sunlight can be provided.
[0031]
In the composite semiconductor device of the present invention, a thin film transistor is formed in a semiconductor thin film region 1 having a semiconductor layer thickness of 100 nm or less on the same substrate, and a thin film solar cell is formed in a semiconductor thin film region 2 having a semiconductor layer thickness of 200 nm or more. . Since the thin-film semiconductor circuit can be driven by the power obtained from the solar cell, the semiconductor element can be driven under fluorescent light or under external light without external power supply from an electric wiring.
[0032]
The electro-optical device according to the present invention includes the thin film transistor manufactured by the manufacturing method as a driving element of a display pixel and a peripheral driving circuit. Accordingly, an electro-optical device with no display unevenness can be provided because variation in thin film transistors is small. Further, since the peripheral circuits can be driven at a sufficient circuit speed even with a low power supply voltage, the power consumption of the electro-optical device module is extremely low, and the battery can be used for a long time even when used as a display device of a portable information device.
[0033]
Electronic equipment of the present invention includes the electro-optical device. More preferably, it comprises an electro-optical device and a thin-film solar cell. This makes it possible to provide a self-contained electronic device capable of self-charging even when not in use and displaying a screen when necessary.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a sectional view showing a semiconductor thin film manufacturing process according to the present invention.
[0035]
(1. Formation of semiconductor layer)
In order to carry out the present invention, a base protective film (301) is usually formed on a substrate (300) and a semiconductor thin film (302) is formed thereon. Therefore, a series of forming methods will be described.
[0036]
Examples of the substrate (300) to which the present invention can be applied include conductive materials such as metals, 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 SOI substrate or 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.
[0037]
As a base protective film (301), 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.
[0038]
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.
[0039]
Next, the semiconductor thin film (302) 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.
[0040]
(2. Formation of first insulating layer)
Next, a first insulating layer (303) is formed on the semiconductor layer. The role of this insulating layer is to separate the light absorbing layer (304) and the semiconductor layer (302) 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 an insulating material such as a silicon nitride film (Si3 {Nx}: 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. (4) 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.
[0041]
(3. Formation of light absorption layer)
Next, a light absorption layer (304) is formed on the first insulating layer (303). 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. 4 shows reflectance spectra of various refractory metal films. As will be described later, in the present invention, a semiconductor light emitting device which is relatively inexpensive and can provide high output is used as a light source for light irradiation. ing. In discussing the optical characteristics of the material, it is a matter of course that the wavelength should be considered in accordance with the wavelength of the irradiation light to be used. In this specification, a wavelength of 100 nm is used as a representative value. Of course, the same argument holds true for different wavelengths, so that even if wavelengths are taken into consideration, the scope of the present invention is all applicable. As can be seen from FIG. 4, the materials of Ta, Mo, Cr, Ti, and W all have relatively low reflectance, and are suitable for application to the light absorbing layer of the present invention. In addition to such optical properties, the light absorbing layer is required to be a material that does not generate cracks or peel off due to heat treatment. Therefore, it is effective to use the above-mentioned alloy of Ta, Mo, Cr, Ti, and W, or a compound containing at least one metal (for example, silicide), or a laminated structure of these metals and metal alloys.
[0042]
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. The upper part of FIG. 5 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.
[0043]
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.
[0044]
(4. Formation of second insulating layer)
A second insulating layer is formed on the light absorbing layer thus formed (FIG. 3 shows a case without the second insulating layer). This second insulating layer has two important roles.
[0045]
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. Further, the case where the second insulating layer is not provided is also considered in the present invention, and 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.
[0046]
Another role of the second insulating layer is to reduce the reflectance of the light absorbing layer by an anti-reflection film effect. In the lower diagram of FIG. 5, Cr and W are used for the light absorbing layer, and SiO 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 the lower diagram of 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, the method includes a step of forming a second insulating layer having a thickness t and a refractive index n, and the second insulating layer has an emission wavelength of the semiconductor light emitting element. May be formed so as to satisfy a condition of t = Nλ / 4n (N = 1, 2, 3,...). 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.
[0047]
(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 wavelength 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 is a semiconductor light emitting device. Typical examples include light emitting diodes and semiconductor lasers (sometimes called laser diodes). In order to enable processing in a large area, the output must be high, and in order to obtain sufficient power density on the light absorbing layer by condensing light, the emission wavelength width must be narrow. For these reasons, a semiconductor laser is most suitable as the light source of the present invention. Some semiconductor lasers use various compounds such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, GaN, and ZnS for the active layer, and the oscillation wavelength changes depending on the band gap of each. At present, the semiconductor laser which can obtain the highest output is a GaAs-based semiconductor laser of an edge emitting type. These high-power semiconductor lasers have a peak wavelength in the vicinity of 700 to 900 nm, and can easily achieve a high output of 2 W or more as a single unit output. Also, even such a high-power semiconductor laser costs less than 50,000 yen per laser diode and has a lifetime of 10,000 hours or more. Therefore, even if 100 laser diodes are used, it can be replaced in three to four months. It is cheap compared to the required excimer laser tube of 15 million yen.
[0048]
In FIG. 3, in the present invention, for example, a semiconductor laser (305) having a single output of 2 to 5 W is used. The semiconductor laser easily oscillates when a voltage equal to or higher than a threshold is applied from a power supply (306), and generates laser light having a wavelength of 700 to 900 nm. Laser light generated from the semiconductor laser is focused on the light absorbing layer by the lens (308). Since it is a laser beam, it is easy to narrow the beam spot to a minute spot having a diameter of 300 μm or less, and the depth of focus is deep enough to cause no practical problem. As a result, the temperature of the irradiation point (309) on the light absorption layer rapidly rises, and a high-temperature region (310) is also formed in the semiconductor layer by heat conduction. In this state, the high-temperature region (310) in the semiconductor layer is moved into the amorphous Si layer by relatively moving the substrate and the semiconductor laser. If appropriate processing conditions described later are selected, the high-temperature region (310) in the Si layer becomes a molten Si layer. Therefore, crystal growth as if zone melting is performed in a very microscopically close area of nanometers (this technologyNnano-VicinityZoneMAfter the scanning with light, a polycrystalline Si layer (311) having a large grain size formed by crystal growth from a liquid phase is formed. In order to successfully apply the NZM method, it is necessary to appropriately select the power density of the irradiation laser light on the light absorption layer and the moving speed of the laser light. Hereinafter, the temperature rise of the light absorption layer and the semiconductor layer under each processing condition when the reflectance of the light absorption layer is 50%, and the time change of the temperature at each depth from the surface of the glass substrate are shown. The lower diagram in FIG. 6 shows that the power density of the laser beam on the light absorbing layer is 1800 W / cm.26 shows a case where the heat treatment time at an arbitrary point on the light absorption layer is 300 ms (rise 130 ms, peak 40 ms, fall 130 ms: see the upper diagram in FIG. 6). The temperature of the light absorbing layer reaches 1450K. Since the thermal diffusion length on this time scale (on the order of ms) is much longer than the total thickness of the light absorbing layer, the first insulating layer, and the semiconductor layer, the temperatures of these three layers are almost the same. That is, when Si is used as the semiconductor layer, the Si layer is melted because it rises above the melting point of 1687K. When the molten layer is moved together with the semiconductor laser light source in such a state, lateral crystal growth occurs in a cooling process in which the laser light source has passed. However, since the substrate temperature also rises to about 600 ° C. under such processing conditions, at least the irradiation power density must be 1800 W / cm to apply the present invention to a low-temperature process.2In addition, it is necessary to set the heat treatment time to 300 ms or less. In order to stably realize NZM crystallization using an inexpensive alkali-free glass substrate, it is necessary to apply a condition in which thermal stress on the substrate is smaller. For example, the irradiation power density is 3000 W / cm2FIG. 7 shows the temperature change when the heat treatment time is 100 ms. Since the irradiation power density is increased and the processing time is shortened, the heat treatment of the semiconductor layer is performed in a non-thermal equilibrium. In this case, the temperature of the light-absorbing layer and the semiconductor layer has reached about 2100 K, although the substrate temperature has risen only to about 300 to 400 ° C. at the most. By using such processing conditions, desired NZM crystallization can be performed while avoiding the problem that the glass substrate warps or the light absorbing layer is cracked or peeled off. Further, if the degree of non-thermal equilibrium is increased, NZM crystallization can be performed even on a plastic substrate. Irradiation power density of 4500 W / cm2FIG. 8 shows a temperature change when the heat treatment time is 45 ms. In this case, since the temperatures of the light absorption layer and the semiconductor layer have reached about 1950 K, the Si layer is melted and NZM crystallization is possible, and the substrate temperature rises only to about 210 ° C. Therefore, the NZM crystallization of the present invention can realize high-quality large-grain crystal growth even on a plastic substrate by appropriately selecting the processing conditions.
[0049]
In the NZM crystallization of the present invention, since the temperature of the Si layer only needs to reach the melting point or more, the process window for the spatial or temporal fluctuation of the power density of the irradiation laser is wide. That is, it is only necessary to always irradiate the light absorption layer with a power higher than the minimum required power density, which is far more than a process in which the energy variation can be tolerated by only about 2 to 3% as in the conventional pulse laser crystallization. High controllability.
[0050]
As described above, NZM crystal growth is possible by condensing and irradiating the semiconductor laser light, which means that desired crystal growth can be realized at an arbitrary position on the substrate. This can be easily realized by using a stage having a mechanism capable of relative positioning between the semiconductor laser and the substrate. Therefore, it is also possible to selectively crystallize only a specific portion on the substrate where a high-quality crystal is required. As a result, it is not necessary to grow a crystal at an unnecessary portion, so that the process throughput can be increased.
[0051]
Although the case where a single semiconductor laser is used has been described above, the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention can be easily extended to large-area processing. This can be realized by using a plurality of semiconductor lasers. A semiconductor laser is formed on a compound semiconductor crystal as a substrate. By cutting out these chips and arranging them in a line as shown in the upper diagram of FIG. 9, and performing NZM crystallization using light emission from these multiple elements, it is possible to process a large area at once It becomes. If the linear light sources are further stacked, a high-output linear light source or a lattice laser light source can be prepared. Simultaneously performing NZM crystallization at a plurality of locations as shown in the lower diagram of FIG. 9 can be easily realized. The difference from the conventional laser crystallization technique is that the semiconductor laser elements themselves are extremely small and can be arranged close to each other at a very small pitch. For example, if 100 semiconductor laser chips each having an output of 5 W are arranged at a pitch of 500 μm, a linear light source having a width of 5 cm is obtained, and the output is 500 W. This is much higher power than conventional laser crystallization light sources. In this case, the relative movement distance between the substrate and the semiconductor laser corresponds to the distance between the semiconductor laser light sources as can be seen from the lower diagram of FIG. Therefore, in this case, it is 500 μm. Therefore, the time required for the processing is extremely short. Now, semiconductor lasers are arranged one-dimensionally and the light from each laser is focused individually. However, this idea can be easily extended to a high power light source. That is, if the density of the semiconductor lasers to be arranged is increased, a uniform high-power linear light source can be easily realized, and this will be described in a fourth embodiment. As described above, the output of the semiconductor laser can be increased in proportion to the number of elements simply. This is a practically feasible concept because the unit price of the semiconductor laser is low, and it cannot be realized in terms of cost with a conventional YAG harmonic laser or the like. Therefore, if a light source having the number of elements required for large-area processing is manufactured, it is possible to easily increase the process throughput while suppressing the manufacturing cost.
[0052]
Further, it is also possible to use the semiconductor laser as a light source in a state of being manufactured on a wafer without cutting out the semiconductor laser as a chip. In this case, since the position of each semiconductor laser light source is determined by photolithography in its manufacturing process, it is arranged with extremely high accuracy. Therefore, if the light to be emitted is used as it is, the position of NZM crystallization performed on the substrate to be processed can be determined with the same high accuracy.
[0053]
Further, according to the NZM crystallization technique of the present invention, the limit on the thickness of the semiconductor layer that can be crystallized is much smaller than that of the conventional laser crystallization. For example, in the case of a thin Si film having a thickness of about 15 nm, the conventional light having a wavelength of 532 nm is hardly absorbed, so that it cannot be crystallized. However, in NZM crystallization, light absorption is determined by the light absorption layer, and therefore a large grain crystallization can be achieved even with a thin Si film of 15 nm or 10 nm. When such a thin large-diameter Si crystal is used as an active layer of a TFT, an effect of increasing mobility by a quantum effect can be obtained. That is, since the carriers are confined in the Si layer, the degeneracy of the Si band is released, and an effect of increasing the mobility accompanying a decrease in the effective mass is obtained. On the other hand, crystallization of a thick Si film is also possible. For example, in consideration of application to a solar cell having a thickness of 200 nm, crystalline Si having a thickness of 1 μm is required. If the NZM crystallization technique is applied, even with such a thick film, crystal growth of a large grain size can be performed in exactly the same manner as described above, so that a high-quality Si crystal having a long carrier lifetime can be provided.
[0054]
As described above, by using the NZM crystallization technique of the present invention, crystal growth can be performed without any problem even when there are regions having different semiconductor layer thicknesses on the same substrate. If such high-quality Si crystals having different film thicknesses can be formed, semiconductor elements having different functions can be formed on the same substrate. For example, when a TFT and a solar cell are formed on the same substrate, a low power consumption TFT circuit can be driven by power supplied from the solar cell. Then, there is no need to supply power from the outside with electric wires, and an extremely portable electronic device can be realized. This is a new electronic device that has never existed before, and the technology of the present invention for realizing them has extremely high potential.
[0055]
Embodiment 1
An embodiment of the method for manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention will be described with reference to FIG. The substrate and the underlayer protective film used in the present invention are in accordance with the above description, but here, a 300 mm × 300 mm square general-purpose non-alkali glass (300) is used as an example of the substrate. First, a base protective film (301), 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 (302), such as an intrinsic silicon film, which will be an active layer of the thin film transistor later, is deposited. Here, 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 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 is approximately 1.25 Torr. The silicon film (302) thus deposited has a thickness variation within ± 5% within a 286 mm square region excluding the peripheral portion of about 7 mm of the substrate. Next, a first insulating layer (303) is formed. Here, SiO having a thickness of 100 nm is formed by ECR-PECVD.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, as a light absorption layer (304), a laminated structure film of TaN and Ta was formed to 50 nm and 200 nm by sputtering, respectively. The purpose of forming a TaN film is to increase the adhesion of the Ta film which plays a major role as a light absorbing layer. Irradiation light can be stably absorbed by forming Ta having this thickness, and the temperature of the light absorbing layer during processing was extremely stable because cracks and film peeling did not occur.
[0056]
Next, a second insulating layer (320) is formed on the light absorbing layer by SiO 2.2A film was formed at 137 nm. This was formed under exactly the same conditions as the first insulating layer. 137 nm of SiO is used as a second insulating layer using Ta as a light absorbing material.2Since the film was formed, the effective reflectance could be reduced to about 50%. Thereafter, a semiconductor laser (305) having an intensity peak at 808 nm is opposed to the substrate, a lens (308) having an NA of 0.3 is provided between the semiconductor laser (305) and the substrate, and a semiconductor laser beam (307) is applied to the light absorbing layer. Was collected. The beam spot shape of the laser light on the light absorbing layer is elliptical. The length in the major axis direction was 600 μm, and the length in the minor axis direction was 300 μm. At this time, the power density at the peak is 1800 W / cm2Met. Under such irradiation conditions, the substrate is moved at a speed of 1 mm / s in a direction parallel to the short axis of the beam to induce lateral crystal growth from liquid Si by NZM crystallization, and has a width of about 20 μm and a length of about 100 μm. A high quality polycrystalline region (311) having single crystal grains was formed. Since this crystal is sufficiently larger than the element size of the TFT, it is possible to manufacture a high-performance TFT having almost the same performance as a single-crystal MOSFET by forming a TFT in this crystal grain. Since the substrate temperature rises to about 600 ° C. under the heat treatment conditions of this example, it is applicable to a non-alkali glass substrate, but it was formed on a quartz substrate or a single crystal Si substrate having higher heat resistance via an insulating layer. It is preferably applied to crystallization of a Si film.
[0057]
Embodiment 2
In the second embodiment of the present invention, a semiconductor thin film was manufactured under different light irradiation conditions. The steps of forming the underlayer, the semiconductor layer, the first insulating layer, the light absorbing layer, and the second insulating layer are exactly the same as those in the first embodiment. The semiconductor laser and the optical system for irradiating light are the same as in the first embodiment. Here, the output of the semiconductor laser was increased, and a lens (308) with NA = 0.4 was further installed between the semiconductor laser and the substrate, so that a higher power semiconductor laser beam (307) was focused on the light absorption layer. The beam spot shape of the laser light on the light absorbing layer is elliptical. The length in the major axis direction was 300 μm, and the length in the minor axis direction was 150 μm. At this time, the power density at the peak is 3000 W / cm.2Met. Under such irradiation conditions, the substrate is moved in a direction parallel to the short axis of the beam at a speed of 1.5 mm / s to induce lateral crystal growth from liquid Si by NZM crystallization, and has a width of 20 μm and a length of 100 μm. A high quality polycrystalline region (311) having crystal grains substantially consisting of a single crystal was formed. In this case, the temperature rise of the substrate was at most about 300 ° C., so that even when non-alkali glass was used, the substrate was not deformed, and a poly-Si film of the same quality as that of Example 1 could be obtained.
[0058]
Embodiment 3
In the third embodiment of the present invention, a plastic substrate having relatively high heat resistance is used as the substrate. The steps of forming the underlayer, the semiconductor layer, the first insulating layer, the light absorbing layer, and the second insulating layer are exactly the same as those in the first embodiment. The semiconductor laser that irradiates light is the same as in the first embodiment. Here, the output of the semiconductor laser was increased, and a lens (308) with NA = 0.5 was further installed between the semiconductor laser and the substrate, and the semiconductor laser light (307) was focused on the light absorbing layer. The beam spot shape of the laser light on the light absorbing layer is elliptical. The length in the major axis direction was 150 μm, and the length in the minor axis direction was 100 μm. At this time, the power density at the peak is 4500 W / cm.2Met. Under such irradiation conditions, the substrate is moved in a direction parallel to the short axis of the beam at a speed of 2.2 mm / s to induce lateral crystal growth from liquid Si by NZM crystallization, and has a width of 20 μm and a length of 100 μm. A high quality polycrystalline region (311) having crystal grains substantially consisting of a single crystal was formed. Here, during the laser beam irradiation, a substrate cooling method of spraying He gas having an extremely high thermal conductivity and vacuum-chucking the substrate holder circulating the cooling water to adhere the substrate in close contact is used, so that the temperature of the substrate rises at a maximum. The temperature was about 180 ° C., and the plastic substrate was not melted or deformed, and a high-quality poly-Si film could be obtained.
[0059]
Embodiment 4
In the fourth embodiment of the present invention, a linear beam was produced using a plurality of semiconductor laser light sources, and the NZM crystallization treatment of the semiconductor layer was performed using the linear beam. In order to obtain a sufficient semiconductor laser light output, as shown in FIG. 9, three semiconductor laser arrays in which 600 semiconductor lasers (901) are arranged at 500 μm intervals are vertically stacked while being shifted by 167 μm. By supplying power, a laser light source having a total output of 9 kW was produced. The length in the longitudinal direction of this laser light source is 300 mm, and the width is 6 mm. This laser light was condensed in the short axis direction through a cylindrical lens having a length of 330 mm and a width of 30 mm, and was irradiated onto the light absorbing layer. The arrangement of the linear beam and the substrate at this time is as shown in the upper diagram of FIG. As a result, the irradiation laser light (190) made the NZM crystal growth process by scanning the laser beam in the uniaxial direction (195) with the length being parallel to one side of the substrate. At this time, the profile of the irradiation laser light in the minor axis direction is a profile close to a Gaussian distribution as shown in the lower diagram of FIG. The full width at half maximum in the minor axis direction was 500 μm. Thereby, the power density of the irradiation laser light on the light absorption layer is 4800 W / cm.2Met. In the longitudinal direction of the linear laser beam, there was a periodic intensity distribution due to the emission mode of the semiconductor laser.However, if a power density sufficient to melt the semiconductor layer was given even in a portion where the intensity was low, the molten Si layer could be formed. Because it can be formed, the process window of the crystallization method of the present invention is extremely wide. The substrate was relatively moved at a speed of 11 mm / s, and the light irradiation time at an arbitrary point (for example, 194) on the substrate was 45 ms. As a result, the semiconductor layer was completely melt-crystallized in the beam, and a high-quality poly-Si film having a large grain size could be formed on the entire 300 mm substrate as in Examples 1 to 3. At this time, the processing time for one substrate was only 27 seconds. As can be seen from the above, since the semiconductor thin film manufacturing method of the present invention has a very high process throughput, it can be sufficiently applied to even larger large-area substrates. In the present embodiment, three semiconductor laser arrays arranged at 500 μm intervals are vertically stacked in three stages while being shifted from each other by 167 μm. However, the present invention is not limited to this. For example, 500 semiconductor laser arrays are arranged at 500 μm intervals. The semiconductor laser arrays arranged in this manner may be vertically stacked in three stages while being shifted from each other by 167 μm, or the semiconductor laser arrays arranged in 400 at 550 μm intervals may be vertically stacked in four stages while being shifted by 137 μm from each other. The distance between semiconductor lasers, the number of semiconductor lasers, and the number of stacked semiconductor lasers can be appropriately changed according to the total output of laser light.
[0060]
Embodiment 5
A fifth embodiment of the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention will be described with reference to FIG. Although the crystallization condition of the semiconductor layer used in this embodiment may be any of the conditions of Embodiments 1 to 5, a high-quality semiconductor layer is formed under the conditions of Embodiment 5. 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, exposing the semiconductor layer (501). 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 with the exposed Si film 501 is set in the plasma processing chamber. In the plasma processing chamber, the substrate temperature was set to 250 ° C., oxygen 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, a trap level (defect) passivation process for the crystal grain boundaries at various places in the Si film was performed. As described above, the Si film obtained in this example is a single crystal, but some defects such as dislocations, point defects, and electrically active crystal grain boundaries have occurred. The purpose of this step is to inactivate. After removing the oxide film formed on the surface by hydrofluoric acid wet etching, the surface was washed with pure water for 10 minutes to form a hydrogen-terminated clean semiconductor layer surface. 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 (502) on the island-shaped patterned Si film. 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. Thus, a gate insulating film (502) was formed to a thickness of 100 nm. Subsequently, a thin film serving as a gate electrode (505) 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 (503, 504) 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) Or a hydride of an implantation impurity element such as diborane (B2H6). In this example, phosphine (PH3) having a concentration of 5% diluted in hydrogen is injected at an accelerating voltage of 100 keV by using an ion doping apparatus in order to form an NMOS. PH3 +And H2 +Total ion implantation amount including ions is 1 × 1016cm-2It is.
[0061]
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 interlayer insulating film (506) of 800 nm. Next, a contact hole is formed on the source / drain, and the source / drain extraction electrodes (507, 508) and 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.
[0062]
The thin film transistor obtained by the manufacturing method of the present invention is applicable to various electronic devices including an electro-optical device. Examples of the electro-optical device include a liquid crystal device and an organic EL device. FIG. 12 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.
[0063]
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.
[0064]
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 sectional structural view of a conventional high-power lamp processing apparatus.
FIG. 2 is a diagram showing an input power profile when processing is performed using the lamp of FIG. 1 and a temporal change in temperature at each depth of a substrate at that time.
FIG. 3 is a view showing a method of manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing reflectance spectra of various refractory metals.
FIG. 5 is a diagram showing a change in reflectance when the thickness of a light absorbing layer and the thickness of a second insulating layer are changed.
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 view showing an irradiation light source in which a plurality of semiconductor light emitting devices are arranged according to the present invention and a method for crystallizing a semiconductor thin film using the irradiation light source.
FIG. 10 is a process sectional view showing the method for manufacturing the thin film transistor of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a method of applying the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention to a large-area substrate.
FIG. 12 is a diagram showing an application to an electro-optical device and an electronic apparatus using the thin film transistor of the invention.
[Explanation of symbols]
110. . . Lamp unit
111. . . Lamp light source
112. . . Reflective optical system / reflective surface
113. . . Radiation thermometer
114. . . Scan direction
115. . . slit
190. . . The linear laser light of the present invention
195. . . Scanning direction of linear laser light
300. . . substrate
301. . . Base insulating film
302. . . Semiconductor layer
303. . . First insulating layer
304. . . Light absorbing layer
305. . . Semiconductor light emitting device (semiconductor laser)
306. . . Power supply
307. . . Irradiation light
308. . . lens
309. . . High temperature region of light absorption layer
310. . . Fused Si layer
311. . . Large particle size poly-Si layer
312. . . Direction of relative movement between semiconductor light emitting device and substrate
901. . . Semiconductor laser
902. . . Laser light
903. . . lens
501. . . Poly-Si film formed by NZM crystallization of the present invention
502. . . Gate insulating film
503, 904. . . Source and drain regions
505. . . Gate electrode
506. . . Interlayer insulating film
507, 508. . . Source and drain electrodes

Claims (22)

基板に半導体層を形成する工程と、該基板に対して半導体発光素子を対向させ、該半導体発光素子から発生する光を前記半導体層に照射しながら基板と相対的に移動させることによって前記半導体層を熱処理する工程と、を少なくとも具備する半導体薄膜の製造方法。Forming a semiconductor layer on a substrate; and causing the semiconductor light emitting element to face the substrate, and moving the semiconductor light emitting element relative to the substrate while irradiating the semiconductor layer with light generated from the semiconductor light emitting element. And a heat treatment of the semiconductor thin film. 基板に形成された半導体層上に少なくとも第一絶縁層および光吸収層を形成する工程と、該基板に対して半導体発光素子を対向させ、該半導体発光素子から発生する光を前記光吸収層に照射しながら基板と相対的に移動させることによって前記半導体層を熱処理する工程と、を少なくとも具備する半導体薄膜の製造方法。A step of forming at least a first insulating layer and a light absorbing layer on a semiconductor layer formed on a substrate, and a semiconductor light emitting element opposed to the substrate, and light generated from the semiconductor light emitting element is applied to the light absorbing layer. Heat-treating the semiconductor layer by moving the semiconductor layer relatively to the substrate while irradiating the semiconductor layer. 前記光吸収層はCr、Mo、Ta、Ti、Wのいずれかの材料もしくは少なくとも前記材料のいずれかまたは2つ以上を含有する合金または多層構造である、請求項2に記載の半導体薄膜の製造方法。3. The manufacturing of a semiconductor thin film according to claim 2, wherein the light absorbing layer is a material of any one of Cr, Mo, Ta, Ti, and W, or an alloy containing at least one of the materials or two or more, or a multilayer structure. 4. Method. 前記半導体発光素子は200nm乃至2000nmに発振波長を有する半導体レーザーである、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is a semiconductor laser having an oscillation wavelength between 200 nm and 2000 nm. 5. 前記熱処理工程は、半導体発光素子から発生する光の光吸収層上でのパワー密度が1800W/cm以上且つ照射領域任意点における光照射時間が300ms以下となるような条件によりおこなう、請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。3. The heat treatment step is performed under conditions such that the power density of light generated from the semiconductor light emitting element on the light absorption layer is 1800 W / cm 2 or more and the light irradiation time at an arbitrary point in the irradiation region is 300 ms or less. The method for manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1. 前記熱処理工程は、半導体発光素子から発生する光の光吸収層上でのパワー密度が3000W/cm以上且つ照射領域任意点における光照射時間が100ms以下となるような条件によりおこなう、請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。3. The heat treatment step is performed under conditions such that the power density of light generated from the semiconductor light emitting element on the light absorption layer is 3000 W / cm 2 or more and the light irradiation time at an arbitrary point in the irradiation region is 100 ms or less. The method for manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1. 前記熱処理工程は、半導体発光素子から発生する光の光吸収層上でのパワー密度が4500W/cm以上且つ照射領域任意点における光照射時間が45ms以下となるような条件によりおこなう、請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。3. The heat treatment step is performed under conditions such that the power density of light generated from the semiconductor light emitting element on the light absorption layer is 4500 W / cm 2 or more and the light irradiation time at an arbitrary point in the irradiation area is 45 ms or less. The method for manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1. 前記基板上の光吸収層とこれに対向する半導体発光素子との距離は1μm以上30cm以下である、請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。The method according to claim 1, wherein a distance between the light absorbing layer on the substrate and the semiconductor light emitting element facing the light absorbing layer is 1 μm or more and 30 cm or less. 前記光吸収層の上に膜厚t、屈折率nの第二絶縁層を形成する工程を有し、該第二絶縁層は前記半導体発光素子の発光波長をλとしたときにt=Nλ/4n(N=1、2、3、…)となる条件を満たすように形成する、請求項2乃至8のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。Forming a second insulating layer having a thickness of t and a refractive index of n on the light absorbing layer, wherein the second insulating layer has a wavelength of t = Nλ / 9. The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 2, wherein the semiconductor thin film is formed so as to satisfy a condition of 4n (N = 1, 2, 3,...). 前記半導体発光素子は線状もしくは格子状に複数配置してなる、請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein a plurality of the semiconductor light emitting devices are arranged in a linear or lattice shape. 前記線状もしくは格子状に配置した複数の半導体発光素子は、ウエハ上であらかじめ所望の間隔で線状または格子状に作製されたものである、請求項10に記載の半導体薄膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 10, wherein the plurality of semiconductor light-emitting elements arranged in a line or in a lattice are formed in advance in a line or in a lattice at desired intervals on a wafer. 前記半導体薄膜の膜厚が100nm以下である領域1と200nm以上である領域2を同一基板上に有する、請求項2乃至請求項11のいずれか1項に記載の半導体薄膜の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 2, wherein a region 1 having a thickness of 100 nm or less and a region 2 having a thickness of 200 nm or more are provided on the same substrate. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の熱処理をおこなっ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。A thin film transistor using the semiconductor layer subjected to the heat treatment according to claim 1 as an active layer. 前記半導体薄膜の膜厚が15nm以下である請求項13記載の薄膜トランジスタ14. The thin film transistor according to claim 13, wherein the semiconductor thin film has a thickness of 15 nm or less. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の熱処理をおこなった半導体層を備えた半導体装置。A semiconductor device comprising a semiconductor layer subjected to the heat treatment according to claim 1. 基板に半導体層を形成する工程と、該基板に対して半導体発光素子を対向させ、該半導体発光素子から発生する光を前記半導体層に照射しながら基板と相対的に移動させることによって前記半導体層を熱処理する工程と、を少なくとも具備する薄膜トランジスタの製造方法。Forming a semiconductor layer on a substrate; and causing the semiconductor light emitting element to face the substrate, and moving the semiconductor light emitting element relative to the substrate while irradiating the semiconductor layer with light generated from the semiconductor light emitting element. And a heat treatment of the thin film transistor. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の熱処理をおこなっ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太陽電池13. A thin-film solar cell using the semiconductor layer subjected to the heat treatment according to claim 1 as an active layer. 前記半導体層の膜厚が200nm以上である請求項17記載の薄膜太陽電池。The thin-film solar cell according to claim 17, wherein the semiconductor layer has a thickness of 200 nm or more. 同一基板に形成された半導体層の膜厚が100nm以下である半導体薄膜領域1に薄膜トランジスタを形成し、半導体層膜厚が200nm以上である半導体薄膜領域2に薄膜太陽電池を形成する、複合半導体装置の製造方法。A composite semiconductor device in which a thin film transistor is formed in a semiconductor thin film region 1 in which the thickness of a semiconductor layer formed on the same substrate is 100 nm or less and a thin film solar cell is formed in a semiconductor thin film region 2 in which the semiconductor layer thickness is 200 nm or more. Manufacturing method. 請求項13または請求項14に記載の薄膜トランジスタを表示画素および周辺駆動回路の駆動素子として備える、電気光学装置。An electro-optical device comprising the thin film transistor according to claim 13 as a driving element for a display pixel and a peripheral driving circuit. 請求項20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 20. 請求項17又は請求項18に記載の薄膜太陽電池を備える、電子機器。An electronic device comprising the thin-film solar cell according to claim 17.
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