JP2005012030A - Method of manufacturing crystalline semiconductor film, crystalline semiconductor film and method of manufacturing semiconductor device and semiconductor - Google Patents

Method of manufacturing crystalline semiconductor film, crystalline semiconductor film and method of manufacturing semiconductor device and semiconductor Download PDF

Info

Publication number
JP2005012030A
JP2005012030A JP2003175499A JP2003175499A JP2005012030A JP 2005012030 A JP2005012030 A JP 2005012030A JP 2003175499 A JP2003175499 A JP 2003175499A JP 2003175499 A JP2003175499 A JP 2003175499A JP 2005012030 A JP2005012030 A JP 2005012030A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
region
semiconductor film
manufacturing
crystalline semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2003175499A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiichi Fukuyama
恵一 福山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2003175499A priority Critical patent/JP2005012030A/en
Publication of JP2005012030A publication Critical patent/JP2005012030A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a high-performance crystalline semiconductor film by a simple process and at low costs. <P>SOLUTION: This method of manufacturing crystalline semiconductor film is characterised by having a process of forming a semiconductor film 2, a translucent insulating film formation process of forming a translucent insulating film 1 with film thickness so that reflectance with respect to first laser beam may be ≥20% lower than that of a bare area semiconductor film, an energy beam emitting process for emitting a first energy beam 9 by energy larger than a cap area completely melting energy while emitting a second energy beam 8 heating the translucent insulating film 1 and the semiconductor film 2, a cap area crystallization process for crystallizing a cap area semiconductor film based on the bare area semiconductor film crystallized in advance, and a removing process for removing the semiconductor film 2 from above the translucent insulating film 1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜にレーザ光などのエネルギービームを照射することにより熱エネルギーを付与して、非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法およびこれによって製造された結晶性半導体膜、この結晶性半導体膜を用いた半導体装置の製造方法およびこれによって製造された半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、非晶質絶縁基板または基板上に設けられた非晶質絶縁膜(以下、これらを絶縁基板と称する)上に非晶質半導体薄膜を形成し、この非晶質半導体薄膜に対して局所的に熱エネルギーを付与して溶融させ、溶融された部分から結晶化させることにより結晶性の半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法が知られている。このような非晶質半導体膜を結晶化する技術は、既に30年近い研究の歴史を有している。
【0003】
その中でも、熱エネルギー源としてレーザ光を非晶質半導体膜に照射する方法は、1980年代にSOI基板を形成するために研究が進められ、1990年代に入ってからは、低温ポリシリコン技術による液晶パネルの製造方法の開発およびその量産化に用いられており、最も実績のある方法であると言える。特に、ガラス基板などのように、高温プロセスに耐えることができない安価な基板を用いる場合には、極めて短時間内に熱エネルギーを付与する必要があるため、このような熱エネルギー源としては、パルス発振のレーザ光が用いられている。
【0004】
例えば、非特許文献1には、大出力のエキシマレーザを、ガラス基板上に形成された非晶質シリコン薄膜上に照射して結晶化させる方法が開示されている。この非特許文献1に開示された非晶質シリコン薄膜の結晶化方法は、鮫島らによって始められたものであり、この非特許文献1の中で、非晶質シリコン薄膜に照射されるレーザ光のエネルギー密度は、シリコン薄膜の上部が部分的に溶融するような値に選択されている。その後の研究により、照射されるレーザ光のエネルギー密度と、形成される結晶半導体膜の結晶粒径との関係が詳細に検討され、レーザ光のエネルギー密度が増加すると、これに伴って結晶粒径が増大することが明らかにされている。
【0005】
このような結晶粒径の増大については、例えば非特許文献2において詳細に検討されている。この非特許文献2によると、特に、レーザ光の照射によって非晶質半導体膜が溶融される深さは、シリコン薄膜の膜厚と一致する直前、即ち、シリコン薄膜が下層の基板などに達する界面まで溶融する直前である場合に、数ミクロンに達する巨大な結晶粒が形成されるということが報告されている。これは、シリコン薄膜の下層との界面にわずかに残存する結晶粒が、結晶固化を開始する際の結晶核となり、大粒径の結晶粒の成長が可能となるからである。
【0006】
しかしながら、上記非特許文献2に記載された結晶化方法では、レーザ光のエネルギー密度が、シリコン薄膜の界面直前まで溶融される値を超えて、シリコン薄膜の下層に達するまで完全に溶融されると、急激な冷却過程が生じて、ランダムな核発生が起こり、結晶粒は非常に小さいものとなるか、あるいは、再非晶質化が起こる。したがって、実際上は、レーザ光の出力の揺らぎを考慮して、照射されるレーザ光は、完全溶融が起こるエネルギー密度よりわずかに小さい値のエネルギーに設定される。このため、このようなレーザ光の照射条件に応じて、得られる結晶粒の粒径も、数百nm程度になる。
【0007】
この非特許文献2に基づいたレーザ光の照射条件によって、現在、低温ポリシリコン形成技術として結晶性シリコン膜の量産が行われている。この非特許文献2の技術に基づいて製造されたTFTの典型的なキャリアの移動度としては、nチャネル型TFTにおいて、150cm/Vs、pチャネル型チャネルTFTで80cm/Vsが得られている。
【0008】
上述したように、パルスレーザ光の照射によって結晶化されたポリシリコン半導体膜を用いた半導体装置を有する液晶パネルが実現されると、ポリシリコンの半導体薄膜をより高性能にして、さらなる多機能な回路素子を集積したアクティブマトリックスTFT基板を実現するという要望が高くなってきている。
【0009】
このような要望に対して、レーザ光の照射による結晶化を行う際に、非晶質シリコン膜を完全に溶融させ、かつ、結晶化に際してランダム核が発生することを抑制しつつ、横方向成長を制御することにより、単結晶基板に匹敵するTFT特性を得る方法が報告されている。
【0010】
研究段階レベルでは、多種多様な方法が提案されているが、これらは、シリコン薄膜において、完全に溶融された領域に接するように、部分的に溶融された領域を存在させ、部分溶融された領域に存在する結晶核を、完全溶融領域の溶融されたシリコン膜が結晶化を開始する際の核とすることが、基本的な考え方として共通している。以下に、実用レベルに適用可能な方法の例として、二つの方法について説明する。
【0011】
第一の方法として、アスペクト比が極めて高いレーザビームを形成し、このレーザビームが照射される照射領域の半導体膜を完全に溶融させ、その後、レーザビームの照射領域に隣接する、レーザビームが照射されない未照射領域に存在する結晶性の半導体膜から横方向成長の結晶成長を誘起する方法(例えば非特許文献3)が提案されている。
【0012】
この第一の方法では、レーザ光を、一回の溶融によって結晶が横方向成長できる距離と同程度の距離だけずらした領域に走査しながら照射することにより、レーザ光の走査方向に沿って一方向に成長された結晶粒が得られる。このことから、この結晶化方法は、非特許文献3を記載したJ.Imらによって、SLS(Sequential Lateral Solidification)と名づけられている。
【0013】
この第一の方法を用いた場合には、任意の長さの結晶粒を全面に隙間なく形成することができるという利点がある。
【0014】
第二の方法として、例えば非特許文献4には、非晶質シリコン薄膜上にビーム反射膜であるアルミニウム膜をストライプ状に形成する方法が記載されており、これを図14(a)および図14(b)に示している。
【0015】
図14(a)は、非特許文献5に記載された従来の結晶成長方法を示す断面図であり、図14(b)は、この方法により得られる結晶性の半導体膜を示す平面図である。
【0016】
この非特許文献4の方法において、図14(a)に示すように、絶縁ガラス基板5の表面に形成されたアモルファスシリコン薄膜(以下、「a−Si膜」と称する)2上の全面にわたってレーザビームを照射した場合に、ビーム反射膜21が設けられていない領域25では、照射されるレーザ光に対して露出された状態になっているために、レーザ光の照射によって非晶質シリコン膜が完全に溶融される完全溶融領域となり、また、ビーム反射膜21が設けられている領域26では、レーザ光が照射されないため、非晶質シリコン膜2が溶融されない未溶融部となる。
【0017】
このような完全溶融部と未溶融部とは、ビーム反射膜21がストライプ状に設けられていることによって、互いに繰り返して隣接するように配置される。完全溶融される領域25にて溶融されたシリコンは、溶融されない領域26に存在する結晶核に基づいて横方向に結晶成長がなされ、その結果、図14(b)に示すように、溶融領域25において未溶融領域26に接する両端側から、溶融領域25の中央部に向かって、それぞれ結晶成長がなされ、略中央部でそれぞれの結晶粒がぶつかり合った形状に結晶粒が形成される。
【0018】
また、非特許文献5には、ビーム反射膜を設ける代わりに、シリコン薄膜が部分的に厚く形成された領域を形成する方法が記載されている。この非特許文献4の方法では、シリコン薄膜の薄く形成された部分が完全溶融部となり、厚く形成された部分が、部分的に溶融された部分溶融部となる。完全溶融部にて完全溶融されたシリコン薄膜は、部分溶融部に存在する結晶核に基づいて横方向の結晶成長がなされる。
【0019】
これら第二の方法では、シリコン薄膜上に反射膜を所望の形状にパターニングすることにより、または、シリコン薄膜に、厚膜に形成された領域を所望の形状にパターニングすることによって、レーザービームの走査方向とは関係なく、結晶粒が伸長する方向を決めることができ、結晶粒が伸長する方向が互いに直交したシリコン膜を同一基板上に混在して形成することが可能であるという利点がある。
【0020】
しかしながら、上述した第一の方法および第二の方法には、以下に述べるような問題がある。
【0021】
まず、第一の方法では、一回のレーザ光の照射によって、結晶粒が成長する横方向成長の長さが、0.5〜4μmと微細になるため、この程度の長さに合わせた高精細なレーザ光の走査が必要になる。その結果、結晶化のための処理時間が長くなり、また、レーザ光を照射するための特殊な構造を有する装置を準備する必要がある。
【0022】
また、この第一の方法では、レーザ光の走査方向に沿って長くなった極めて細長い結晶粒が得られる。このような結晶粒を有する結晶性のシリコン膜によってTFTを構成した場合に、TFTのチャネルにおいて、キャリアが流れる方向と結晶粒が延びる方向とが一致する場合には、キャリアの移動度が非常に高くなるものの、キャリアが流れる方向が結晶粒が延びる方向に直交する場合には、キャリアが流れる方向と結晶粒が延びる方向とが一致している場合に比較して、キャリアの移動度は、約1/3程度に劣化することが知られている。この第一の方法では、レーザビームの走査方向によって、結晶粒が伸長する方向が決まるため、高い特性が得られるのは一方向のみであり、他の方向に伸長する結晶粒を同一の基板上に混在させることができない。したがって、この第一の方法では、回路素子の設計上の制約を受けるので好ましくない。
【0023】
一方、第二の方法では、結晶粒の長さが、一回の横方向成長距離に限られるという問題がある。
【0024】
また、第二の方法では、未溶融領域に残存する結晶核に基づいて結晶成長が開始されるため、溶融領域に隣接して、所定間隔毎に未溶融領域を形成する必要がある。完全溶融部において横方向成長された結晶粒が、未溶融部を挟んで隣接する他の完全溶融部の結晶粒と可能な限り近接するように、未溶融部を微小に形成し過ぎると、完全溶融部における結晶成長開始時に必要な未溶融部の初期核がレーザ光照射によって消失し、ランダムな核発生による微小な結晶核が形成されるおそれがあるため、未溶融部は、ある程度の大きさに形成する必要がある。このため、この第二の結晶化方法では、未溶融部を形成するために要する面積のために素子寸法が増大するという問題がある。
【0025】
このような問題を解決するための構成が、例えば特許文献1に開示されている。図15および図16は、この特許文献1に開示されている従来の結晶性半導体膜の形成方法を説明するための断面図である。
【0026】
図15に示すように、まず、ガラス基板5上にベースコート膜6を形成する。ベースコート膜6の上にa−Si膜2を形成する。その後、a−Si膜2の上に、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に複数の反射防止膜22を形成する。各反射防止膜22の上に反射膜23を積層する。
【0027】
次に、反射膜23側からa−Si膜2へ1回目のレーザ光を照射する。反射防止膜22によって覆われない反射防止膜22の間のベア領域a−Si膜4は、照射された1回目のレーザ光によって完全溶融される。このとき、反射防止膜22によって覆われたキャップ領域a−Si膜3は、反射膜23によって1回目のレーザ光が反射されるために溶融されない。
【0028】
照射された1回目のレーザ光によって完全溶融されたベア領域a−Si膜4は、反射防止膜22によって覆われているために溶融されていないキャップ領域a−Si膜3を核として、ベア領域a−Si膜4の両端からベア領域a−Si膜4の中央部に向かって横方向に結晶成長されて、結晶粒が形成される。
【0029】
その後、図16に示すように、反射膜23を除去する。さらに、反射防止膜22側からa−Si膜2へ2回目のレーザ光を照射する。照射された2回目のレーザ光は、反射防止膜22によって反射が防止され、反射防止膜92によって覆われたキャップ領域a−Si膜3を完全溶融させる。完全溶融したキャップ領域a−Si膜3は、1回目のレーザ光を照射したときに形成されたベア領域a−Si膜4における結晶粒を核として、キャップ領域a−Si膜3の両側から中央に向かって横方向に結晶成長されて、結晶粒が形成される。
【0030】
このように、上記特許文献1に記載されている従来技術によれば、1回の横方向成長距離の2倍の長さを有する結晶粒を、隙間を空けることなく形成させることができると共に、素子寸法の増大を招くことなく、異なる方向に沿って伸長された結晶粒を同一基板上に形成することが可能となる。
【0031】
【非特許文献1】
IEEE Electron Dev.Lett.,EDL−7,276,1986(鮫島ら)
【非特許文献2】
J.Appl.Phys.82,4086
【非特許文献3】
Appl. Phys. Lett. 69,2864
【非特許文献4】
IEEE Elctron Device Meeting 2000,San Frncisco
【非特許文献5】
AM−LCD 2000 Digest,p281
【特許文献1】
特願2001−292538号
【0032】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1の従来技術においては、反射防止膜22の上にさらに反射膜23を積層する必要があるため、プロセスが複雑になり、コストが増大するという問題がある。
【0033】
また、上記特許文献1の方法では、1回目のレーザ光を照射した後、2回目のレーザ光を照射する前に、反射防止膜22の上に積層された反射膜23を除去する必要がある。このため、レーザ照射装置からガラス基板5を取り出し、反射膜23を除去した後、反射膜23が除去されたガラス基板5を再びレーザ照射装置内へセットする必要がある。したがって、プロセスがさらに複雑になり、その分、生産時間もかかってコストがさらに増大するという問題がある。
【0034】
さらに、上記特許文献1の方法では、1回目のレーザ光を照射したときに、金属によって構成された反射膜23が溶融されてベア領域a−Si膜4上に流れ落ち、または反射膜23が蒸発、気化されてベア領域a−Si膜4上に付着するために、a−Si膜2が汚染されることがある。その結果、このような結晶性半導体膜を用いて作製された薄膜トランジスタ(以下、「TFT」と称する)の特性が低下し、または特性のばらつきが増大するという問題がある。
【0035】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高性能な結晶性半導体膜を簡単なプロセスで低コストに形成できる結晶性半導体膜の製造方法およびこの方法を用いて製造された結晶性半導体膜、これを用いた半導体装置の製造方法およびこの方法を用いて製造された半導体装置を提供することを目的とする。
【0036】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶性半導体膜の形成方法は、半導体膜上に平行に形成する複数のストライプ状の透光性絶縁膜を用いて該半導体膜から結晶性半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法において、該透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域の半導体膜が完全溶融し、かつ該透光性絶縁膜に覆われていないベア領域の半導体膜は領域全体が完全溶融しないように、該透光性絶縁膜および半導体膜に第1のエネルギービームを照射するエネルギービーム照射工程と、完全溶融した該キャップ領域半導体膜から該ベア領域半導体膜へと広げた溶融領域の位置から該キャップ領域半導体膜へと結晶成長させる結晶化工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。ここで、完全溶融とは、膜がその厚さ方向に全て溶融することをいう。ここでは、第1のエネルギービームのみを照射した場合でも、ベア領域の幅方向には部分的(領域境界部からベア領域の中央部に至る途中まで)に完全溶融していてもよい。
【0037】
また、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における第1のエネルギービームの照射は、前記透光性絶縁膜および半導体膜を加熱するために第2のエネルギービームを照射しながら行う。
【0038】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における結晶化工程において、加熱用の第2のエネルギービームを照射して熱伝導により広げたベア領域半導体膜の中央部の溶融領域から前記キャップ領域半導体膜の中央部に向かって結晶化させる。
【0039】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における前記結晶化工程において、熱伝導により前記半導体膜の溶融領域を広げて前記ベア領域半導体膜を溶融させた後に冷却し、結晶化された該ベア領域半導体膜に基づいて該キャップ領域半導体膜を結晶化させる。
【0040】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における結晶化工程において、前記キャップ領域半導体膜に隣接するベア領域半導体膜において熱伝導により広がった溶融領域から該キャップ領域半導体膜の中央に向かって半導体結晶粒を横方向に結晶成長させる。
【0041】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法におけるエネルギービーム照射工程の前工程として、絶縁基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、該半導体膜上に、それぞれが等しい所定膜厚で所定幅の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてそれぞれ形成する透光性絶縁膜形成工程とを更に有する。
【0042】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における結晶化工程の後工程として、前記透光性絶縁膜を前記半導体膜上から除去する除去工程を更に有する。
【0043】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における第2のエネルギービームはCOレーザ光または赤外光である。
【0044】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における第2のエネルギービームの照射を、前記第1のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始する。
【0045】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法において、第2のエネルギービームの照射を、前記第1のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始し、かつ該第1のエネルギービームの照射終了時点よりも所定時間だけ後の時点で終了する。
【0046】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における透光性絶縁膜の膜厚は、該透光性絶縁膜の前記第1のエネルギービームに対する反射率が、前記ベア領域半導体膜の該第1のエネルギービームに対する反射率よりも20%以上低くなるように設定されている。
【0047】
さらに、好ましくは、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜の何れかによって構成されている。
【0048】
本発明の結晶性半導体膜は、請求項1〜12の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造されており、そのことにより上記目的が達成される。
【0049】
本発明の半導体装置の製造方法は、請求項1〜5の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体薄膜をチャネル領域としてトランジスタを作製するトランジスタ作製工程を有しており、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する。
【0050】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないように前記チャネル領域を形成する。
【0051】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法における透光性絶縁膜形成工程において、前記半導体膜上の第1領域に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第1透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成すると共に、該半導体膜上の第2領域に、該第1透光性絶縁膜と交差する方向に沿ってそれぞれが等しい所定の膜厚の複数の第2透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する。
【0052】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記第1領域では前記第1透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、前記第2領域では前記第2透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する。
【0053】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法におけるトランジスタ作製工程において、前記第1領域では前記第1透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成し、前記第2領域では前記第2透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成する。
【0054】
本発明の半導体装置は、請求項14〜19の何れかに記載の半導体装置の製造方法によって製造されており、そのことにより上記目的が達成される。
【0055】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【0056】
本発明の結晶性半導体膜の製造方法にあっては、絶縁基板上に半導体膜を形成し、その上にストライプ状の透光性絶縁膜を形成して、第2のエネルギービームにより透光性絶縁膜および半導体膜を予め加熱しながら、第1のエネルギービームを透光性絶縁膜側から半導体膜へ照射して透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域の半導体膜を完全溶融し、熱伝導によって半導体膜の溶融領域を広げて透光性絶縁膜に覆われていないベア領域の半導体膜を溶融させた後、冷却(自然冷却)して、結晶化されたベア領域半導体膜に基づいてキャップ領域半導体膜を結晶化させることによって結晶性半導体膜を得る。
【0057】
透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などによって構成され、その膜厚は、透光性絶縁膜の第1のエネルギービームに対する反射率が、ベア領域半導体膜の反射率よりも20%以上低くなるように設定されている。
【0058】
この透光性絶縁膜は、反射防止膜として機能し、KrFレーザ光などの第1のエネルギービームを照射したときに、ベア領域半導体膜が完全溶融されるエネルギーよりもキャップ領域半導体膜が完全溶融されるエネルギーの方が小さくなる。これによって、第1のエネルギービームを照射したときには、ベア領域半導体膜は完全に溶融されず、キャップ領域半導体膜が完全に溶融された状態となる。
【0059】
結晶化工程において、熱容量が大きな透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域半導体膜では、ベア領域半導体膜に比べて温度低下が遅くなるため、キャップ領域半導体膜に隣接するベア領域半導体膜において熱伝導により広がった溶融領域からキャップ領域半導体膜の中央に向かって半導体結晶粒が横方向成長される。したがって、半導体膜上に透光性絶縁膜を所望の形状にパターニングすることにより、結晶粒が伸長する方向を決定することができ、結晶粒が伸長する方向が互いに直交した半導体膜を同一基板上に混在して形成することができる。
【0060】
第1のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から、COレーザ光などの赤外光を照射することにより、第1のエネルギービーム照射前に半導体膜が加熱されているため、熱伝導でベア領域に広がる溶融領域幅を広くすることができる。また、熱容量が大きな透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域半導体膜は、ベア領域半導体膜に比べて温度低下が遅くなるため、横方向成長距離を長くすることができる。
【0061】
第2のエネルギービームの照射を、第1のエネルギービームの照射終了時点よりも後の時点まで照射し続けることにより、溶融領域の冷却速度が低下するため、横方向成長距離を長くすることができる。
【0062】
透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向でかつ基板表面に平行な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成することによって、キャリア移動度が高いトランジスタとしての例えば薄膜トランジスタを作製することができる。
【0063】
また、透光性絶縁膜形成工程において、第1領域と第2領域で透光性絶縁膜を互いに交差する方向(または互いに直交する方向)に沿って形成することによって、第1領域と第2領域とで結晶粒が伸長する方向を互いに交差した方向(または互いに直交する方向)とすることができる。
【0064】
この場合、第1領域および第2領域においてそれぞれ、透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成することによって、第1領域および第2領域のそれぞれにおいて、キャリア移動度が高い例えば薄膜トランジスタを作製することができる。
【0065】
本発明にあっては、特許文献1に記載されている従来技術のように、反射防止膜の上に反射膜を設けていないためにプロセスを簡略化することができる。また、1回目のレーザ光照射後に2回目のレーザ光照射前に反射膜を除去する工程が必要がないためにプロセスを簡略化することができる。さらに、レーザ光照射時に反射膜が溶融または蒸発・気化してベア領域半導体膜に付着することが無いために、トランジスタとしての薄膜トランジスタの特性低下や特性ばらつきを抑制することができる。
【0066】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の結晶性半導体薄膜およびこれを用いた半導体装置の実施形態1〜3について、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態1〜3では、ガラス基板上に結晶性半導体薄膜として多結晶シリコン膜を形成する場合、およびこの多結晶シリコン膜を用いてチャネル領域を形成する半導体装置として薄膜トランジスタを形成する場合について説明する。
【0067】
(実施形態1)
以下に、本実施形態1の結晶性半導体薄膜とその形成方法(結晶性半導体薄膜の製造方法)について説明する。
【0068】
本実施形態1の結晶性半導体膜は、ガラス基板上にa−Si膜を形成し、a−Si膜上にそれぞれが一定の間隔を空けてストライプ状に配置される複数の透光性絶縁膜を形成して、a−Si膜および透光性絶縁膜を加熱する第2のレーザ光を照射しながら透光性絶縁膜で覆われるキャップ領域a−Si膜が完全溶融されるように第1のレーザ光を透光性絶縁膜側からa−Si膜へ照射し、熱伝導によりa−Si膜の溶融領域を広げて透光性絶縁膜に覆われないベア領域a−Si膜を溶融させた後、冷却、結晶化されたベア領域Si膜に基づいてキャップ領域Si膜を結晶化させ、透光性絶縁膜をa−Si膜上から除去することによって形成される。
【0069】
まず、半導体膜形成工程について説明する。
【0070】
図1は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、アモルファスシリコン膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【0071】
図1において、まず、絶縁基板としてのガラス基板5上に、シリコン酸化膜によって構成されるベースコート膜6をP−CVD法によって300nmの厚さに形成する。ガラス基板5は、Courning1737によって構成されている。
【0072】
ベースコート膜6上に、半導体膜としてのa−Si膜2をP−CVD法によって45nmの厚さに形成する。
【0073】
a−Si膜2およびベースコート膜6が形成されたガラス基板5を電気炉の中の窒素雰囲気中において500℃で1時間加熱することによって、a−Si膜2の脱水素を行う。
【0074】
次に、透光性絶縁膜形成工程について説明する。
【0075】
図2は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、透光性絶縁膜を形成する工程を説明するための断面図であり、図3は、その斜視図である。
【0076】
図2において、脱水素処理が行われたa−Si膜2上に、透光性絶縁膜1としてのシリコン酸化膜をP−CVD法によって形成する。
【0077】
その後、a−Si膜2上に形成された透光性絶縁膜1としてのシリコン酸化膜をBHF110(バッファードフッ酸)を用いたエッチングによりパターニングすることによって、膜幅15μmの複数の透光性絶縁膜1をそれぞれ3μmの間隔(平行状態)を空けてストライプ状に形成する。
【0078】
なお、透光性絶縁膜1によって覆われた領域におけるa−Si膜2をキャップ領域a−Si膜3と称し、透光性絶縁膜1によって覆われない透光性絶縁膜1の間のa−Si膜2をベア領域a−Si膜4と称することにする。
【0079】
図4は、図2の透光性絶縁膜の一種であるシリコン酸化膜の膜厚とその反射率との関係を示すグラフである。なお、横軸はa−Si膜2上に形成されたシリコン酸化膜1の膜厚を示しており、縦軸はシリコン酸化膜1としてのシリコン酸化膜の反射率である。
【0080】
図4に示すように、透光性絶縁膜1の反射率はその膜厚によって周期的に変化するため、透光性絶縁膜側からa−Si膜2にレーザ光を照射した場合に、透光性絶縁膜1によって覆われたキャップ領域a−Si膜3に到達するレーザ光のエネルギーは、透光性絶縁膜1の膜厚によって変化し、その反射率が小さくなるほど大きくなる。
【0081】
a−Si膜2上に形成される透光性絶縁膜1の膜厚は、その透光性絶縁膜1の反射率がベア領域半導体膜4の反射率よりも20%以上小さくなる膜厚とすることが好ましい。例えば、透光性絶縁膜1としてシリコン酸化膜を用いる場合には、約115nmの厚さにて形成することができる。
【0082】
次に、エネルギービーム照射工程について説明する。
【0083】
上記約115nmの厚さのシリコン酸化膜からなる透光性絶縁膜1によって覆われたキャップ領域a−Si膜3が完全溶融されるレーザエネルギー(キャップ領域完全溶融エネルギー)は、ベア領域a−Si膜4が完全溶融されるレーザエネルギー(ベア領域完全溶融エネルギー)よりも小さくなる。
【0084】
ここで、第2のエネルギービームとしてCOレーザなどによって赤外光を照射しながら、第1のエネルギービームとしてキャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーのKrFレーザ光を照射する場合に、KrFレーザ光が照射される前にCOレーザ光によりa−Si膜2を加熱しておくことによって、KrFレーザ光単独で照射した場合よりも熱伝導でベア領域に広がる溶融領域幅を広くすることができる。
【0085】
図5は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、レーザ光を照射する工程を説明するための断面図である。
【0086】
図5に示すように、まず、4.0J/cmのエネルギー密度を有する波長10.6μmのCOレーザにより透光性絶縁膜1およびa−Si膜2を加熱する第2のレーザ光9を第1のレーザ光8の照射を開始するよりも前の時点から、例えば3.84msec前から透光性絶縁膜1側の面上からSi膜2へ照射しておく。このように、第2のレーザ光9を照射しながら、ベア領域完全溶融エネルギーよりは小さいがキャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きな150mJ/cmのエネルギー密度を有する第1のレーザ光8を248nmの波長を有するKrFレーザ光によって透光性絶縁膜1側からSi膜2に照射する。
【0087】
第1のレーザ光8のビームサイズは、0.5mm×100mmであり、Repetition Rateは80Hzであり、ステージ送り速度は40mm/秒である。
【0088】
次に、結晶化工程について説明する。
【0089】
冷却、結晶化過程においては、COレーザ光によって加熱された熱容量の大きなシリコン酸化膜(透光性絶縁膜1)で覆われたキャップ領域はベア領域よりも温度低下が遅くなり、また、KrFレーザ停止後もCOレーザ光を照射し続ければ、溶融されたSi膜の冷却速度が低下する。したがって、キャップ領域中央に向かって横方向成長される距離が長くなる。予備実験によれば、a−Si膜上に約115nmのストライプ状シリコン酸化膜が形成されたサンプルに対して、エネルギー4.0J/cm、パルス幅4.0msecのCOレーザ光を照射しながら、エネルギー150mJ/cm、パルス幅約20nsecのKrFレーザ光をCOレーザ照射開始3.84msec後に照射した場合に、横方向成長距離は約10μm、ベア領域側に広がる溶融領域幅は約2μmであった。
【0090】
図6は、本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、結晶化工程を説明するための斜視図であり、図7は、図6の平面図である。
【0091】
図5〜図7に示すように、上記第1のレーザ光8および第2のレーザ光9が照射されると、キャップ領域Si膜3は完全溶融され、それと共に熱伝導によってベア領域Si膜4側に溶融領域が広がる。この溶融領域の広がりは、上記レーザ照射条件では約2μmであるので、透光性絶縁膜1の間隔が3μmであれば、ベア領域Si膜4は全て溶融される。
【0092】
第1のレーザ光8の照射が終わった後、Si膜2の冷却が始まるが、ベア領域Si4は、熱容量の大きなシリコン酸化膜からなる透光性絶縁膜1で覆われたキャップ領域Si3に比べて、温度低下が早くなる。また、ベア領域Si4では、キャップ領域から離れるほど冷却速度が大きくなるため、ベア領域Si4の中央部から結晶化が始まる。Si膜2は、結晶化されたベア領域Si4を結晶核として、キャップ領域Si膜3の中央に向かって横方向に結晶成長されて結晶化される。
【0093】
横方向結晶成長距離は、KrFレーザ停止後もCOレーザ光を照射し続けることによって、KrFレーザ光単独で照射した場合よりも長くなる。例えば、上記照射条件に加えて、KrFレーザ光停止後もCOレーザ光を0.12msec照射し続けると、横方向結晶成長距離は約10μmとなる。これに対して、150mJ/cmのKrFレーザ光単独で照射した場合には、横方向結晶成長距離は約1μmである。したがって、キャップ領域Si3の幅を20μm以下、例えば15μmに設定すれば、キャップ領域Si3の中央に向かって成長された結晶粒がキャップ領域Si3の中央部で衝突する。
【0094】
その後、BHF110を用いたエッチングによって透光性絶縁膜1をSi膜2上から除去する。
【0095】
このようにして形成された本実施形態1の結晶性半導体膜の平面図を図8に示している。
【0096】
図8は、本発明の結晶性半導体膜の実施形態1を模式的に示す平面図である。ここでは、透光性絶縁膜1が除去された後、SEMによって観察した結晶性シリコン膜の結晶状態を示している。
【0097】
結晶性シリコン膜を構成する結晶粒は、ベア領域Si膜4の中央付近からキャップ領域Si膜3の中央に向かってそれぞれ横方向成長されており、キャップ領域Si膜3の中央において互いにぶつかり合っている。キャップ領域Si膜3の中央において、キャップ領域Si膜3の長手方向に沿って結晶粒界が形成されている。
【0098】
その結果、結晶性シリコン膜には、横方向に成長され、長さが結晶成長距離のほぼ2倍の結晶粒が、隙間なく形成されている。
【0099】
上記構成の本実施形態1の結晶性シリコン膜を用いて、半導体装置およびその製造方法について説明する。
【0100】
以上のようにして形成された本実施形態1の結晶性シリコン膜を用いて、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置されたnチャネル薄膜トランジスタ、および結晶粒の幅方向に沿ってチャネル領域が配置されたnチャネル薄膜トランジスタを作製する。
【0101】
本実施形態1の結晶性シリコン膜では、結晶成長方向における結晶粒の長さが長く、例えば、キャップ領域Si4の幅を15μm、ベア領域Si3の幅を3μmとした場合には結晶粒の長さが約18μmとなる。このため、結晶成長方向に沿ってソース領域およびドレイン領域を設けて結晶成長方向に沿ってチャネル領域を配置することによって、チャネル領域内にキャップ領域Si膜3の長手方向に沿って生成される結晶粒界を含まない薄膜トランジスタを作製することが可能である。
【0102】
結晶粒の幅方向に沿ってチャネル領域が配置されたnチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が110cm/Vsであった。また、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置され、かつ、チャネル領域内にキャップ領域Si膜3の長手方向に沿って生成される結晶粒界を含まないnチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が400cm/Vsであった。
【0103】
閾値電圧のばらつきによって定義される不良率は、0/100であり、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置された100個のnチャネル薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、不良は生じていなかった。
【0104】
以上説明したように、本実施形態1の結晶性半導体膜の形成方法は、ガラス基板5上にa−Si膜2を形成する半導体膜形成工程と、それぞれが一定の間隔を空けてストライプ状にa−Si膜2上に配置される複数の透光性絶縁膜1を形成する透光性絶縁膜形成工程と、透光性絶縁膜1およびa−Si膜2を加熱する第2のレーザ光9を照射しながら透光性絶縁膜1で覆われるキャップ領域a−Si膜3が完全溶融されるように第1のレーザ光8を透光性絶縁膜1側からa−Si膜2へ照射するエネルギービーム照射工程と、熱伝導によりa−Si膜2の溶融領域を広げて透光性絶縁膜1に覆われないベア領域a−Si膜4を溶融させた後、冷却、結晶化されたベア領域Si膜4に基づいてキャップ領域Si膜3を結晶化させる結晶化工程と、透光性絶縁膜1をa−Si膜2上から除去する除去工程とを含んでいる。
【0105】
Si膜2の上には透光性絶縁膜1のみを設ければよく、図15および図16を参照しながら上述した特許文献1の従来技術のように、反射防止膜22と反射膜23とをa−Si膜2の上に積層する必要がない。したがって、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスを単純化することができ、コストを低く抑えることができる。
【0106】
また、特許文献1の従来技術のように、1回目のレーザ光を照射した後、2回目のレーザ光を照射する前に、反射防止膜22の上に積層された反射膜23を除去するために、レーザ光照射装置からガラス基板5を取り出して反射膜23を除去し、反射膜23が除去されたガラス基板5を再びレーザ光照射装置へセットする必要もない。したがって、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスをさらに単純化することができて、コストをさらに低く抑えることができる。
【0107】
さらに、このようにして形成されたSi膜を用いて、チャネル領域内にキャリアの移動方向に直交する結晶粒界が存在しないように、薄膜トランジスタを作製することができるため、キャリアの移動が結晶粒界によって妨げられず、高性能な薄膜トランジスタを作製することができる。
【0108】
なお、上記実施形態1においては、透光性絶縁膜1をシリコン酸化膜によって構成する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、透光性絶縁膜1は、シリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などによって構成してもよい。
【0109】
(比較例1)
以下に、比較例1の結晶性半導体膜とその形成方法について説明する。
【0110】
比較例1の結晶性半導体膜の形成方法と、図1〜図8を参照しながら上述した実施形態1の結晶性半導体膜の形成方法とが異なる点は、透光性絶縁膜1の膜厚をその反射率がベア領域Si膜と同程度となる膜厚である75nmとした点、および、このために第1のレーザ光8のエネルギー密度を200mJ/cmとした点である。その他の点は、上述した実施形態1の結晶性半導体膜の形成方法と同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【0111】
このようにして形成された比較例1の結晶性シリコン膜をSEMによって観察すると、キャップ領域Si膜3においても、ベア領域Si膜4においても、結晶粒が横方向成長されずに微結晶領域となっていた。この理由は、以下の通りである。
【0112】
比較例1では、キャップ領域Si膜3およびベア領域Si膜4の反射率が同程度となるため、透光性絶縁膜1に吸収されるレーザ光エネルギーも同程度となり、キャップ領域Si膜3およびベア領域Si膜4の到達温度も同程度となる。キャップ領域Si膜3上には透光性絶縁膜としてのシリコン酸化膜(透光性絶縁膜1)が設けられているため、キャップ領域Si膜3の冷却速度はベア領域Si膜4に比べて遅くなるが、横方向成長を引き起こすほどの温度勾配は形成されない。これによって、微結晶領域が形成されることになる。
【0113】
(比較例2)
以下に、比較例2の結晶性半導体膜とその製造方法について説明する。
【0114】
図9および図10は、比較例2の結晶性半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。
【0115】
図9に示すように、まず、ガラス基板5上に、シリコン酸化膜によって構成されるベースコート膜6をP−CVD法によって300nmの厚さに形成する。
【0116】
そのベースコート膜6上にa−Si膜2をP−CVD法によって45nmの厚さに形成する。
【0117】
a−Si膜2およびベースコート膜6が形成されたガラス基板5を電気炉の中の窒素雰囲気中において500℃で1時間加熱することによって、a−Si膜2の脱水素を行う。
【0118】
その後、図10に示すように、a−Si膜2の上にP−CVD法によってシリコン酸化膜を32nmの厚さに形成する。
【0119】
シリコン酸化膜22の上にスパッタリング法によってアルミニウム膜を300nmの厚さに蒸着する。BClを用いたドライエッチングによってシリコン酸化膜の上に形成されたアルミニウム膜をパターニングして反射膜23を形成する。
【0120】
パターニングして形成された反射膜23をマスクとしてBHF110を使用したエッチングによってシリコン酸化膜をパターニングして反射防止膜22を形成する。このようにして、反射防止膜22と反射膜23との積層膜が、それぞれ2μmの間隔を空けて2μmの幅(平行状態)を有するストライプ状に、a−Si膜2の上に形成される。
【0121】
次に、200mJ/cmのエネルギー密度を有する1回目のレーザ光を248nmの波長を有するKrFレーザ光によって反射防止膜22と反射膜23との積層膜側からa−Si膜2へ照射する。
【0122】
その後、燐酸と酢酸とを用いたSLAエッチャントによって、反射膜23をエッチングして除去する。
【0123】
160mJ/cmのエネルギー密度を有する2回目のレーザ光を反射防止膜22側からa−Si膜2へ照射する。1回目レーザ光および2回目のレーザ光ともに、ビームサイズは0.5mm×100mmであり、Repetition Rateは80Hzであり、ステージ送り速度は40mm/秒である。BHF110を使用したエッチングによって反射防止膜22をa−Si膜2から除去する。このようにして形成された比較例2の結晶性半導体膜を図11に示している。
【0124】
図11は、比較例2の結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。図11では、反射防止膜22を除去した後、SEMによって観察した結晶性シリコン膜の結晶状態を示している。
【0125】
図11において、キャップ領域Si膜3を構成する結晶粒は、キャップ領域Si膜3の両端から中央に向かってそれぞれ横方向成長されている。ベア領域Si膜4を構成する結晶粒は、ベア領域Si膜4の両端から中央に向かってそれぞれ横方向成長されている。しかしながら、シミ状の斑点24が所々に形成されている。これは、1回目のレーザ光が照射されたときに、金属によって構成された反射膜23が溶融してベア領域Si膜4上に流れ落ち、または反射膜23が蒸発・気化してベア領域Si膜4上に付着するために、Si膜2が汚染されたものである。
【0126】
次に、このようにして形成された結晶性シリコン膜を用いて、幅方向に沿ってチャネル領域が配置されたnチャネル薄膜トランジスタ、および結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置されたnチャネル薄膜トランジスタを作製する。
【0127】
幅方向に沿ってチャネルが配置されたnチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が100cm/Vsであった。また、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたnチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が295cm/Vsであった。
【0128】
しかしながら、閾値電圧のばらつきは、上記実施形態1の薄膜トランジスタの閾値電圧のばらつきよりも大きく、閾値電圧のばらつきによって定義される不良率は、13/100であった。また、結晶成長方向に沿ってチャネル領域が配置された100個のnチャネル薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、13個の不良があった。
【0129】
(実施形態2)
本実施形態2では、上記実施形態1の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体膜をチャネル領域として構成した半導体装置としての薄膜トランジスタとその製造方法について説明する。
【0130】
図12は、本発明の薄膜トランジスタの製造方法の実施形態2を説明するための平面図であり、図13は、本実施形態2の薄膜トランジスタの構成を示す平面図である。
【0131】
まず、上記実施形態1と同様に、ガラス基板5上に、ベースコート膜6を形成する。ベースコート膜6上にa−Si膜2を形成する。次に、a−Si膜およびベースコート膜が形成されたガラス基板を電気炉の中において加熱することによって、a−Si膜の脱水素を行う。
【0132】
図12に示すように、a−Si膜は、互いに隣接するように設けられた略長方形状をした第1の領域10および第2の領域11を有している。第1の領域10には、図12における左右方向に沿って、ストライプ状に一定の間隔を空けて複数の透光性絶縁膜1を平行に形成する。また、第2の領域11には、第1の領域10に形成された透光性絶縁膜1の長手方向に垂直な方向である図12の上下方向に沿って、ストライプ状に一定の間隔を空けて複数の透光性絶縁膜1を平行に形成する。
【0133】
このように、第1の領域10に形成された透光性絶縁膜1の長手方向は、第2の領域11に形成された透光性絶縁膜1の長手方向と直交している。第1の領域10においてキャップ領域Si膜およびベア領域Si膜の結晶粒が成長する方向は、第1の領域10に形成された透光性絶縁膜1の長手方向である図12の左右方向に対して垂直な上下方向である。
【0134】
また、第2の領域11におけるキャップ領域Si膜およびベア領域Si膜の結晶粒が成長する方向は、第2の領域11に形成された透光性絶縁膜1の長手方向の図12の上下方向に対して垂直な左右方向である。
【0135】
したがって、第1の領域10における結晶粒は、第2の領域11における結晶粒が成長する方向と垂直な方向に沿って成長される。
【0136】
このため、図13に示すように、第1の領域10においては結晶粒が成長する上下方向に沿ってソース領域13およびドレイン領域14を設け、かつ、チャネル領域内に左右方向の結晶粒界を含まないようにTFT12を形成する。また、第2の領域11においては結晶粒が成長する左右方向に沿ってソース領域13およびドレイン領域14を設け、かつ、チャネル領域内に上下方向の結晶粒界を含まないようにTFT12を形成する。これによって、キャリア移動度が高いチャネル領域を有するTFTを形成することができ、高性能なTFTを得ることができる。
【0137】
以上により、上記実施形態1.2によれば、半導体膜2を形成する工程と、半導体膜2上に、透光性絶縁膜1を、第1のレーザ光に対する反射率がベア領域半導体膜の反射率よりも20%以上低くなるような膜厚にて形成する透光性絶縁膜形成工程と、透光性絶縁膜1および半導体膜2を加熱する第2のエネルギービーム8を照射しながら、第1のエネルギービーム9をキャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きなエネルギーによって照射するエネルギービーム照射工程と、キャップ領域半導体膜を先に結晶化されたベア領域半導体膜に基づいて結晶化させるキャップ領域結晶化工程と、透光性絶縁膜2を半導体膜1上から除去する除去工程とを有する。したがって、従来のように反射防止膜上に反射膜を設けていないためにプロセスを簡略化することができる。また、1回目のレーザ光照射後に2回目のレーザ光照射前に、従来のように反射膜を除去する工程が必要がないためにプロセスを簡略化することができる。さらに、従来のようにレーザ光照射時に反射膜が溶融または蒸発・気化してベア領域半導体膜に付着することがないために、薄膜トランジスタの特性低下や特性ばらつきを抑制することができる。よって、高性能な結晶性半導体膜を簡単なプロセスで低コストに形成することができる。また、この高性能な結晶性半導体膜を用いて、キャリア移動度が高いチャネル領域を有する高性能な半導体装置として、例えば薄膜トランジスタを低不良率でかつ低コストに作製することができる。
【0138】
なお、上記実施形態1,2では、結晶化工程において、加熱用のエネルギービーム(第2のエネルギービーム)を照射しつつ熱伝導により溶融領域を広げたベア領域Si膜4の中央部からキャップ領域Si膜3の中央部に向かって結晶化させるように構成したが、完全溶融したキャップ領域Si膜3から、溶融していないかまたは不完全に溶融したベア領域Si膜4へと広げた溶融領域の位置からキャップ領域Si膜3へと結晶成長させるようにしてもよい。即ち、ベア領域Si膜4とキャップ領域Si膜3との境界部分を除くベア領域Si膜4の中央部または、中央部までの領域(または中央部を越えた領域)からキャップ領域Si膜3の中央位置に向かって結晶化させるようにすれば本発明の効果を得ることができる。
【0139】
【発明の効果】
以上により、本発明によれば、プロセスが単純な結晶性半導体膜の製造方法によって、低コストで横方向に結晶成長された高性能な結晶性半導体膜を隙間なく形成することができる。また、プロセスが単純な半導体装置の製造方法によって、キャリア移動度が高いチャネル領域を有する高性能な半導体装置を、低不良率でかつ、低コストに作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、アモルファスシリコン膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【図2】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、透光性絶縁膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【図3】本実施形態1の透光性絶縁膜形成工程を説明するための斜視図である。
【図4】図2の透光性絶縁膜の一種であるシリコン酸化膜の膜厚とその反射率との関係を示すグラフである。
【図5】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、レーザ光を照射する工程を説明するための断面図である。
【図6】本発明の結晶性半導体膜の製造方法における実施形態1において、結晶化工程を説明するための斜視図である。
【図7】結晶化工程を説明するための図6の平面図である。
【図8】本発明の結晶性半導体膜の実施形態1を模式的に示す平面図である。
【図9】比較例2の結晶性半導体膜の製造方法におけるa−Si膜形成工程を説明するための断面図である。
【図10】比較例2の結晶性半導体膜の製造方法における反射防止膜と反射膜の積層膜形成工程を説明するための断面図である。
【図11】比較例2の結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。
【図12】本発明の薄膜トランジスタの製造方法の実施形態2を説明するための平面図である。
【図13】図12の薄膜トランジスタの平面図である。
【図14】(a)は、従来の結晶性半導体膜の製造方法を説明する断面図であり、(b)は、その平面図である。
【図15】従来の他の結晶性半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図16】従来の他の結晶性半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1 透光性絶縁膜
2 a−Si膜(またはSi膜)
3 キャップ領域a−Si膜(またはキャップ領域Si膜)
4 ベア領域a−Si膜(またはベア領域Si膜)
5 ガラス基板
6 ベースコート膜
8 第1のレーザ光
9 第2のレーザ光
10 第1の領域
11 第2の領域
12 薄膜トランジスタ
13 ソース領域
14 ドレイン領域
22 反射防止膜
23 反射膜
24 シミ状の斑点
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a crystalline semiconductor by crystallizing an amorphous semiconductor film by applying thermal energy to an amorphous semiconductor film formed on an amorphous insulating substrate by irradiating an energy beam such as a laser beam. The present invention relates to a method for manufacturing a crystalline semiconductor film for obtaining a film, a crystalline semiconductor film manufactured thereby, a method for manufacturing a semiconductor device using this crystalline semiconductor film, and a semiconductor device manufactured thereby.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an amorphous semiconductor thin film is formed on an amorphous insulating substrate or an amorphous insulating film (hereinafter referred to as an insulating substrate) provided on the substrate, and the amorphous semiconductor thin film A method of manufacturing a crystalline semiconductor film is known in which a crystalline semiconductor film is obtained by locally applying thermal energy to melt and crystallizing from a melted portion. Such a technique for crystallizing an amorphous semiconductor film has a history of nearly 30 years of research.
[0003]
Among them, a method of irradiating an amorphous semiconductor film with a laser beam as a thermal energy source has been studied for forming an SOI substrate in the 1980s, and since the 1990s, liquid crystal using low-temperature polysilicon technology has been developed. It is used for the development and mass production of panel manufacturing methods, and can be said to be the most proven method. In particular, when using an inexpensive substrate such as a glass substrate that cannot withstand high-temperature processes, it is necessary to apply thermal energy within an extremely short time. Oscillation laser light is used.
[0004]
For example, Non-Patent Document 1 discloses a method for crystallizing an amorphous silicon thin film formed on a glass substrate by irradiating it with a high-power excimer laser. The method for crystallizing an amorphous silicon thin film disclosed in Non-Patent Document 1 was started by Takashima et al., And in this Non-Patent Document 1, a laser beam irradiated on an amorphous silicon thin film The energy density is selected so that the upper part of the silicon thin film partially melts. Subsequent research has examined in detail the relationship between the energy density of the irradiated laser beam and the crystal grain size of the formed crystalline semiconductor film. As the energy density of the laser beam increases, the crystal grain size Has been shown to increase.
[0005]
Such an increase in crystal grain size has been studied in detail in Non-Patent Document 2, for example. According to this Non-Patent Document 2, in particular, the depth at which the amorphous semiconductor film is melted by the laser beam irradiation is just before the film thickness of the silicon thin film coincides, that is, the interface where the silicon thin film reaches the underlying substrate or the like. It is reported that huge crystal grains reaching several microns are formed just before melting. This is because the crystal grains slightly remaining at the interface with the lower layer of the silicon thin film serve as crystal nuclei at the start of crystal solidification, and it is possible to grow large crystal grains.
[0006]
However, in the crystallization method described in Non-Patent Document 2 above, when the energy density of the laser beam exceeds the value melted just before the interface of the silicon thin film and is completely melted until reaching the lower layer of the silicon thin film. A rapid cooling process occurs, random nucleation occurs, and the crystal grains become very small, or re-amorphization occurs. Therefore, in practice, in consideration of fluctuations in the output of the laser beam, the irradiated laser beam is set to an energy value slightly smaller than the energy density at which complete melting occurs. For this reason, the grain size of the crystal grains obtained is about several hundreds of nanometers depending on the laser light irradiation conditions.
[0007]
Under the laser light irradiation conditions based on this non-patent document 2, a crystalline silicon film is currently mass-produced as a low-temperature polysilicon formation technique. A typical carrier mobility of a TFT manufactured based on the technology of Non-Patent Document 2 is 150 cm in an n-channel TFT. 2 / Vs, 80cm with p-channel channel TFT 2 / Vs is obtained.
[0008]
As described above, when a liquid crystal panel having a semiconductor device using a polysilicon semiconductor film crystallized by irradiation with a pulsed laser beam is realized, the performance of the polysilicon semiconductor thin film becomes higher and further multifunctional. There is an increasing demand for realizing an active matrix TFT substrate in which circuit elements are integrated.
[0009]
In response to such a demand, when performing crystallization by laser light irradiation, the amorphous silicon film is completely melted and lateral growth is performed while suppressing the generation of random nuclei during crystallization. A method for obtaining TFT characteristics comparable to those of a single crystal substrate by controlling the above has been reported.
[0010]
At the research stage level, a wide variety of methods have been proposed, but these exist in the silicon thin film in such a way that a partially melted region exists so as to be in contact with the completely melted region. It is common as a basic idea that the crystal nucleus present in is used as a nucleus when the melted silicon film in the completely melted region starts crystallization. Below, two methods are demonstrated as an example of the method applicable to a practical use level.
[0011]
As a first method, a laser beam having an extremely high aspect ratio is formed, and a semiconductor film in an irradiation region irradiated with the laser beam is completely melted, and then irradiated with a laser beam adjacent to the irradiation region of the laser beam. There has been proposed a method (for example, Non-Patent Document 3) for inducing lateral growth of crystal growth from a crystalline semiconductor film existing in an unirradiated region.
[0012]
In this first method, a laser beam is irradiated along a scanning direction of the laser beam by irradiating a region shifted by a distance approximately the same as the distance at which the crystal can grow laterally by one melting. Crystal grains grown in the direction are obtained. For this reason, this crystallization method is described in J. J. et al. Im et al., Named SLS (Sequential Lateral Solidification).
[0013]
When this first method is used, there is an advantage that crystal grains having an arbitrary length can be formed on the entire surface without a gap.
[0014]
As a second method, for example, Non-Patent Document 4 describes a method in which an aluminum film, which is a beam reflecting film, is formed in a stripe shape on an amorphous silicon thin film, which is illustrated in FIG. 14 (b).
[0015]
FIG. 14A is a cross-sectional view showing a conventional crystal growth method described in Non-Patent Document 5, and FIG. 14B is a plan view showing a crystalline semiconductor film obtained by this method. .
[0016]
In the method of Non-Patent Document 4, as shown in FIG. 14A, a laser is applied over the entire surface of an amorphous silicon thin film (hereinafter referred to as “a-Si film”) 2 formed on the surface of the insulating glass substrate 5. When the beam is irradiated, the region 25 where the beam reflecting film 21 is not provided is exposed to the irradiated laser beam. Therefore, the amorphous silicon film is irradiated by the laser beam irradiation. In the region 26 where the beam reflection film 21 is provided, the region 26 where the beam reflecting film 21 is provided is an unmelted portion where the amorphous silicon film 2 is not melted.
[0017]
Such a completely melted portion and an unmelted portion are disposed so as to be adjacent to each other repeatedly by providing the beam reflecting film 21 in a stripe shape. The silicon melted in the completely melted region 25 undergoes crystal growth in the lateral direction based on the crystal nuclei existing in the unmelted region 26. As a result, as shown in FIG. In FIG. 2, crystal growth is performed from both end sides in contact with the unmelted region 26 toward the center of the melted region 25, and crystal grains are formed in a shape in which the crystal grains collide with each other at the substantially center.
[0018]
Non-Patent Document 5 describes a method of forming a region in which a silicon thin film is partially thick, instead of providing a beam reflecting film. In the method of Non-Patent Document 4, the thinly formed portion of the silicon thin film becomes a completely melted portion, and the thickly formed portion becomes a partially melted partially melted portion. The silicon thin film completely melted in the completely melted portion undergoes lateral crystal growth based on crystal nuclei existing in the partially melted portion.
[0019]
In these second methods, laser beam scanning is performed by patterning a reflective film on a silicon thin film into a desired shape, or by patterning a region formed in a thick film on a silicon thin film into a desired shape. Regardless of the direction, the direction in which the crystal grains extend can be determined, and there is an advantage that silicon films in which the directions in which the crystal grains extend are orthogonal to each other can be formed on the same substrate.
[0020]
However, the first method and the second method described above have the following problems.
[0021]
First, in the first method, the length of the lateral growth in which crystal grains grow by a single laser beam irradiation becomes as fine as 0.5 to 4 μm. Fine laser beam scanning is required. As a result, the processing time for crystallization becomes long, and it is necessary to prepare an apparatus having a special structure for irradiating laser light.
[0022]
In the first method, extremely elongated crystal grains that are elongated in the laser beam scanning direction are obtained. When a TFT is constituted by a crystalline silicon film having such crystal grains, the carrier mobility is very high in the TFT channel if the carrier flow direction and the crystal grain extension direction coincide with each other. Although the carrier flow direction is orthogonal to the direction in which the crystal grains extend, the carrier mobility is approximately equal to the case in which the carrier flow direction and the crystal grain extension direction match. It is known to deteriorate to about 1/3. In this first method, the direction in which crystal grains extend is determined by the scanning direction of the laser beam, so that high characteristics can be obtained only in one direction, and crystal grains extending in the other direction can be placed on the same substrate. Cannot be mixed. Therefore, this first method is not preferable because it is restricted by the design of circuit elements.
[0023]
On the other hand, the second method has a problem that the length of crystal grains is limited to one lateral growth distance.
[0024]
In the second method, since crystal growth is started based on crystal nuclei remaining in the unmelted region, it is necessary to form unmelted regions at predetermined intervals adjacent to the melted region. If the crystal grains grown in the transverse direction in the completely melted part are as close as possible to the crystal grains of the other completely melted part adjacent to the unmelted part, Since the initial nuclei of the unmelted part required at the start of crystal growth in the melted part may disappear due to laser light irradiation and fine crystal nuclei may be formed by random nucleation, the unmelted part has a certain size. Need to be formed. For this reason, the second crystallization method has a problem that the element size increases due to the area required to form the unmelted portion.
[0025]
For example, Patent Document 1 discloses a configuration for solving such a problem. 15 and 16 are cross-sectional views for explaining a conventional method for forming a crystalline semiconductor film disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG.
[0026]
As shown in FIG. 15, first, the base coat film 6 is formed on the glass substrate 5. An a-Si film 2 is formed on the base coat film 6. Thereafter, a plurality of antireflection films 22 are formed in stripes on the a-Si film 2 at regular intervals. A reflection film 23 is laminated on each antireflection film 22.
[0027]
Next, the first laser beam is irradiated from the reflective film 23 side to the a-Si film 2. The bare region a-Si film 4 between the antireflection films 22 not covered by the antireflection film 22 is completely melted by the first irradiated laser beam. At this time, the cap region a-Si film 3 covered with the antireflection film 22 is not melted because the first laser beam is reflected by the reflection film 23.
[0028]
The bare region a-Si film 4 completely melted by the first irradiated laser beam is covered with the antireflection film 22 and thus the bare region a-Si film 4 is formed with the cap region a-Si film 3 not melted as a nucleus. Crystal growth occurs laterally from both ends of the a-Si film 4 toward the center of the bare region a-Si film 4 to form crystal grains.
[0029]
Thereafter, as shown in FIG. 16, the reflective film 23 is removed. Further, the a-Si film 2 is irradiated with the second laser beam from the antireflection film 22 side. The second laser beam irradiated is prevented from being reflected by the antireflection film 22 and completely melts the cap region a-Si film 3 covered by the antireflection film 92. The completely melted cap region a-Si film 3 is centered from both sides of the cap region a-Si film 3 with the crystal grains in the bare region a-Si film 4 formed when the first laser beam is irradiated as a nucleus. The crystal is grown in the lateral direction to form crystal grains.
[0030]
As described above, according to the conventional technique described in Patent Document 1, crystal grains having a length twice as long as one lateral growth distance can be formed without leaving a gap, Crystal grains extended along different directions can be formed on the same substrate without increasing the element size.
[0031]
[Non-Patent Document 1]
IEEE Electron Dev. Lett. , EDL-7, 276, 1986 (Enoshima et al.)
[Non-Patent Document 2]
J. et al. Appl. Phys. 82,4086
[Non-Patent Document 3]
Appl. Phys. Lett. 69,2864
[Non-Patent Document 4]
IEEE Elctron Device Meeting 2000, San Francesco
[Non-Patent Document 5]
AM-LCD 2000 Digest, p281
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application No. 2001-292538
[0032]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art disclosed in Patent Document 1, since it is necessary to further stack the reflection film 23 on the antireflection film 22, there is a problem that the process becomes complicated and the cost increases.
[0033]
In the method of Patent Document 1, it is necessary to remove the reflective film 23 laminated on the antireflection film 22 after the first laser light irradiation and before the second laser light irradiation. . For this reason, after taking out the glass substrate 5 from a laser irradiation apparatus and removing the reflective film 23, it is necessary to set the glass substrate 5 from which the reflective film 23 was removed again in a laser irradiation apparatus. Therefore, there is a problem that the process is further complicated, and the production time is correspondingly increased and the cost is further increased.
[0034]
Furthermore, in the method of Patent Document 1, when the first laser beam is irradiated, the reflective film 23 made of metal is melted and flows down onto the bare region a-Si film 4, or the reflective film 23 evaporates. The a-Si film 2 may be contaminated because it is vaporized and adheres to the bare region a-Si film 4. As a result, there is a problem in that characteristics of a thin film transistor (hereinafter referred to as “TFT”) manufactured using such a crystalline semiconductor film is deteriorated or variation in characteristics is increased.
[0035]
The present invention has been made to solve such problems, and a method for producing a crystalline semiconductor film capable of forming a high-performance crystalline semiconductor film at a low cost by a simple process, and production using this method. It is an object of the present invention to provide a crystalline semiconductor film, a method for manufacturing a semiconductor device using the crystalline semiconductor film, and a semiconductor device manufactured using the method.
[0036]
[Means for Solving the Problems]
The method for forming a crystalline semiconductor film according to the present invention is a method for manufacturing a crystalline semiconductor film in which a plurality of stripe-shaped translucent insulating films formed in parallel on a semiconductor film are used to obtain a crystalline semiconductor film from the semiconductor film. The semiconductor film in the cap region covered with the light-transmitting insulating film is completely melted, and the semiconductor film in the bare region not covered with the light-transmitting insulating film is not completely melted. An energy beam irradiation step of irradiating the light-transmitting insulating film and the semiconductor film with the first energy beam, and the cap region semiconductor from the position of the melted region extending from the completely melted cap region semiconductor film to the bare region semiconductor film A crystallizing step for crystal growth into a film, whereby the above object is achieved. Here, complete melting means that the film is completely melted in the thickness direction. Here, even when only the first energy beam is irradiated, it may be partially melted in the width direction of the bare region (from the region boundary to the middle of the bear region).
[0037]
Preferably, the irradiation with the first energy beam in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention is performed while irradiating the second energy beam to heat the light-transmitting insulating film and the semiconductor film.
[0038]
Further preferably, in the crystallization step in the method for producing a crystalline semiconductor film according to the present invention, the melting region at the center of the bare region semiconductor film spread by heat conduction by irradiation with the second energy beam for heating is preferably used. Crystallization is performed toward the center of the cap region semiconductor film.
[0039]
Further preferably, in the crystallization step in the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention, the molten region of the semiconductor film is expanded by heat conduction to melt the bare region semiconductor film, and then cooled and crystallized. The cap region semiconductor film is crystallized based on the bare region semiconductor film.
[0040]
Further preferably, in the crystallization step in the method for producing a crystalline semiconductor film according to the present invention, from the molten region spread by heat conduction in the bare region semiconductor film adjacent to the cap region semiconductor film, to the center of the cap region semiconductor film. The semiconductor crystal grains are grown in the lateral direction.
[0041]
Further preferably, as a pre-process of the energy beam irradiation step in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention, a semiconductor film forming step of forming a semiconductor film on an insulating substrate and a predetermined equality on each of the semiconductor films The method further includes a translucent insulating film forming step of forming a plurality of translucent insulating films having a predetermined thickness and thickness with a predetermined interval.
[0042]
Further preferably, as a subsequent step of the crystallization step in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention, the method further includes a removal step of removing the translucent insulating film from the semiconductor film.
[0043]
Further preferably, in the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention, the second energy beam is CO 2. 2 Laser light or infrared light.
[0044]
Further preferably, the irradiation of the second energy beam in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention is started from a time point a predetermined time before the start time of the irradiation of the first energy beam.
[0045]
Further preferably, in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention, the irradiation with the second energy beam is started from a time point a predetermined time before the start time of the irradiation with the first energy beam, and The process ends at a time after a predetermined time from the end of irradiation with the first energy beam.
[0046]
Further preferably, the film thickness of the light-transmitting insulating film in the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention is such that the reflectance of the light-transmitting insulating film with respect to the first energy beam is that of the bare region semiconductor film. The reflectance is set to be 20% or more lower than the reflectance with respect to the first energy beam.
[0047]
Further preferably, the light-transmitting insulating film in the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention is configured by any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. Yes.
[0048]
The crystalline semiconductor film of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to any one of claims 1 to 12, thereby achieving the above object.
[0049]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a transistor manufacturing step of manufacturing a transistor using a crystalline semiconductor thin film manufactured by the method of manufacturing a crystalline semiconductor film according to any one of claims 1 to 5 as a channel region. This achieves the above objective.
Preferably, in the transistor manufacturing step in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a source region and a drain region are formed in a direction perpendicular to the long side direction of the striped light-transmitting insulating film.
[0050]
Further preferably, in the transistor manufacturing step in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the channel region is formed so as not to include a crystal grain boundary in a direction parallel to a long side direction of the stripe-shaped light-transmitting insulating film. To do.
[0051]
Further preferably, in the translucent insulating film forming step in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a plurality of first translucent insulating films each having a predetermined thickness equal to each other in the first region on the semiconductor film. Are formed in stripes at regular intervals, and in the second region on the semiconductor film, a plurality of predetermined film thicknesses that are equal to each other along the direction intersecting the first light-transmissive insulating film. The second light-transmitting insulating films are formed in stripes at regular intervals.
[0052]
Further preferably, in the transistor manufacturing step in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the first region, a source region and a drain region are formed in a direction perpendicular to a long side direction of the first light-transmissive insulating film, In the second region, a source region and a drain region are formed in a direction perpendicular to the long side direction of the second light-transmissive insulating film.
[0053]
Further preferably, in the transistor manufacturing step in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first region includes a channel so as not to include a crystal grain boundary in a direction parallel to a long side direction of the first translucent insulating film. A region is formed, and a channel region is formed in the second region so as not to include a crystal grain boundary in a direction parallel to the long side direction of the second light-transmissive insulating film.
[0054]
The semiconductor device of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 14 to 19, and thereby the above-described object is achieved.
[0055]
The operation of the present invention will be described below with the above configuration.
[0056]
In the method for producing a crystalline semiconductor film according to the present invention, a semiconductor film is formed on an insulating substrate, a stripe-shaped light-transmitting insulating film is formed thereon, and the light-transmitting property is obtained by the second energy beam. While preheating the insulating film and the semiconductor film, the semiconductor film in the cap region covered with the light-transmitting insulating film is completely melted by irradiating the semiconductor film with the first energy beam from the light-transmitting insulating film side. Based on the crystallized bare region semiconductor film, the molten region of the semiconductor film is expanded by conduction to melt the bare region semiconductor film not covered by the light-transmitting insulating film, and then cooled (natural cooling). A crystalline semiconductor film is obtained by crystallizing the cap region semiconductor film.
[0057]
The light-transmitting insulating film is composed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the film thickness is the reflectance of the light-transmitting insulating film with respect to the first energy beam. Is set to be 20% or more lower than the reflectance of the bare region semiconductor film.
[0058]
This translucent insulating film functions as an antireflection film, and when the first energy beam such as KrF laser light is irradiated, the cap region semiconductor film is completely melted than the energy at which the bare region semiconductor film is completely melted. The energy that is used is smaller. As a result, when the first energy beam is irradiated, the bare region semiconductor film is not completely melted, and the cap region semiconductor film is completely melted.
[0059]
In the crystallization process, the cap region semiconductor film covered with the light-transmitting insulating film having a large heat capacity has a lower temperature drop than the bare region semiconductor film, so that heat is generated in the bare region semiconductor film adjacent to the cap region semiconductor film. Semiconductor crystal grains are laterally grown from the melted region spread by conduction toward the center of the cap region semiconductor film. Therefore, by patterning the light-transmitting insulating film on the semiconductor film into a desired shape, the direction in which the crystal grains extend can be determined, and the semiconductor films in which the crystal grain extending directions are orthogonal to each other can be formed on the same substrate. Can be mixed.
[0060]
From a time point a predetermined time before the irradiation start time point of the first energy beam, CO 2 By irradiating infrared light such as laser light, the semiconductor film is heated before the first energy beam irradiation, so that the width of the melted region extending in the bare region by heat conduction can be increased. In addition, the cap region semiconductor film covered with the light-transmitting insulating film having a large heat capacity has a lower temperature drop than the bare region semiconductor film, and thus the lateral growth distance can be increased.
[0061]
By continuing to irradiate the second energy beam until a time point after the end of the first energy beam irradiation, the cooling rate of the molten region is reduced, so that the lateral growth distance can be increased. .
[0062]
A source region and a drain region are formed in a direction perpendicular to the long-side direction of the light-transmitting insulating film and parallel to the substrate surface, and includes a crystal grain boundary in a direction parallel to the long-side direction of the light-transmitting insulating film By forming the channel region so as not to exist, for example, a thin film transistor as a transistor with high carrier mobility can be manufactured.
[0063]
Further, in the translucent insulating film forming step, the first region and the second region are formed by forming the translucent insulating film in the first region and the second region along a direction intersecting each other (or a direction orthogonal to each other). The direction in which the crystal grains extend between the regions can be directions intersecting each other (or directions orthogonal to each other).
[0064]
In this case, in each of the first region and the second region, a source region and a drain region are formed in a direction perpendicular to the long-side direction of the light-transmitting insulating film, and a direction parallel to the long-side direction of the light-transmitting insulating film is formed. By forming the channel region so as not to include a crystal grain boundary, for example, a thin film transistor with high carrier mobility can be manufactured in each of the first region and the second region.
[0065]
In the present invention, unlike the prior art described in Patent Document 1, the process can be simplified because no reflection film is provided on the antireflection film. Further, since there is no need to remove the reflective film after the first laser beam irradiation and before the second laser beam irradiation, the process can be simplified. Furthermore, since the reflective film does not melt or evaporate / vaporize and adhere to the bare region semiconductor film during laser light irradiation, it is possible to suppress deterioration in characteristics and variation in characteristics of the thin film transistor as a transistor.
[0066]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments 1 to 3 of the crystalline semiconductor thin film and the semiconductor device using the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following first to third embodiments, a case where a polycrystalline silicon film is formed as a crystalline semiconductor thin film on a glass substrate, and a case where a thin film transistor is formed as a semiconductor device which forms a channel region using this polycrystalline silicon film. explain.
[0067]
(Embodiment 1)
Hereinafter, the crystalline semiconductor thin film of Embodiment 1 and a method for forming the crystalline semiconductor thin film (a method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film) will be described.
[0068]
The crystalline semiconductor film according to the first embodiment includes an a-Si film formed on a glass substrate, and a plurality of light-transmitting insulating films arranged on the a-Si film in a stripe pattern with a certain interval between each film. The cap region a-Si film covered with the light-transmitting insulating film is completely melted while irradiating the second laser light for heating the a-Si film and the light-transmitting insulating film. Is irradiated to the a-Si film from the translucent insulating film side, and the melting region of the a-Si film is expanded by heat conduction to melt the bare region a-Si film not covered by the translucent insulating film. Thereafter, the cap region Si film is crystallized based on the cooled and crystallized bare region Si film, and the light-transmitting insulating film is removed from the a-Si film.
[0069]
First, the semiconductor film forming process will be described.
[0070]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a step of forming an amorphous silicon film in the first embodiment of the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention.
[0071]
In FIG. 1, first, a base coat film 6 composed of a silicon oxide film is formed on a glass substrate 5 as an insulating substrate to a thickness of 300 nm by a P-CVD method. The glass substrate 5 is configured by Curing 1737.
[0072]
On the base coat film 6, an a-Si film 2 as a semiconductor film is formed to a thickness of 45 nm by P-CVD.
[0073]
The a-Si film 2 is dehydrogenated by heating the glass substrate 5 on which the a-Si film 2 and the base coat film 6 are formed at 500 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere in an electric furnace.
[0074]
Next, the translucent insulating film forming process will be described.
[0075]
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a step of forming a translucent insulating film in Embodiment 1 in the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention, and FIG. 3 is a perspective view thereof.
[0076]
In FIG. 2, a silicon oxide film as a light-transmitting insulating film 1 is formed on the a-Si film 2 subjected to the dehydrogenation process by a P-CVD method.
[0077]
Thereafter, the silicon oxide film as the light-transmitting insulating film 1 formed on the a-Si film 2 is patterned by etching using BHF110 (buffered hydrofluoric acid), so that a plurality of light-transmitting films having a film width of 15 μm are obtained. The insulating films 1 are formed in stripes with an interval (parallel state) of 3 μm.
[0078]
The a-Si film 2 in the region covered with the light-transmitting insulating film 1 is referred to as a cap region a-Si film 3, and a between the light-transmitting insulating films 1 that are not covered with the light-transmitting insulating film 1. The -Si film 2 will be referred to as a bare region a-Si film 4.
[0079]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of a silicon oxide film, which is a kind of the translucent insulating film of FIG. The horizontal axis indicates the film thickness of the silicon oxide film 1 formed on the a-Si film 2, and the vertical axis indicates the reflectance of the silicon oxide film as the silicon oxide film 1.
[0080]
As shown in FIG. 4, the reflectivity of the translucent insulating film 1 periodically changes depending on the film thickness. Therefore, when the a-Si film 2 is irradiated with laser light from the translucent insulating film side, The energy of the laser light reaching the cap region a-Si film 3 covered with the light-insulating film 1 varies depending on the film thickness of the light-transmitting insulating film 1, and increases as the reflectance decreases.
[0081]
The thickness of the translucent insulating film 1 formed on the a-Si film 2 is such that the reflectance of the translucent insulating film 1 is 20% or more smaller than the reflectance of the bare region semiconductor film 4. It is preferable to do. For example, when a silicon oxide film is used as the translucent insulating film 1, it can be formed with a thickness of about 115 nm.
[0082]
Next, the energy beam irradiation process will be described.
[0083]
The laser energy (cap region complete melting energy) at which the cap region a-Si film 3 covered with the translucent insulating film 1 made of the silicon oxide film having a thickness of about 115 nm is completely melted is the bare region a-Si. This is smaller than the laser energy at which the film 4 is completely melted (bearing region complete melting energy).
[0084]
Here, CO as the second energy beam 2 When irradiating KrF laser light having an energy larger than the cap region complete melting energy and smaller than the bare region complete melting energy as the first energy beam while irradiating infrared light with a laser or the like, CO before being irradiated 2 By heating the a-Si film 2 with laser light, it is possible to increase the width of the melted region that spreads in the bare region by heat conduction, compared to the case of irradiation with KrF laser light alone.
[0085]
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a step of irradiating laser light in the first embodiment of the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention.
[0086]
As shown in FIG. 5, first, 4.0 J / cm 2 CO with a wavelength of 10.6 μm and an energy density of 2 The second laser beam 9 for heating the translucent insulating film 1 and the a-Si film 2 by the laser is transmitted from the time before the start of the irradiation of the first laser beam 8, for example, 3.84 msec. The Si film 2 is irradiated from the surface on the conductive insulating film 1 side. In this way, while irradiating the second laser light 9, 150 mJ / cm which is smaller than the bare region complete melting energy but larger than the cap region complete melting energy. 2 The Si film 2 is irradiated from the translucent insulating film 1 side with the first laser light 8 having the energy density of KrF laser light having a wavelength of 248 nm.
[0087]
The beam size of the first laser light 8 is 0.5 mm × 100 mm, the repetition rate is 80 Hz, and the stage feed speed is 40 mm / second.
[0088]
Next, the crystallization process will be described.
[0089]
In the cooling and crystallization process, CO 2 The cap region covered with the silicon oxide film (translucent insulating film 1) having a large heat capacity heated by the laser beam has a lower temperature drop than the bare region, and the CO region is stopped even after the KrF laser is stopped. 2 If the laser beam is continuously irradiated, the cooling rate of the melted Si film decreases. Therefore, the distance of lateral growth toward the center of the cap region becomes longer. According to a preliminary experiment, an energy of 4.0 J / cm is obtained for a sample in which a striped silicon oxide film of about 115 nm is formed on an a-Si film. 2 CO with a pulse width of 4.0 msec 2 While irradiating laser light, energy 150mJ / cm 2 , KrF laser light with a pulse width of about 20 nsec 2 When irradiation was performed 3.84 msec after the start of laser irradiation, the lateral growth distance was about 10 μm, and the width of the molten region spreading to the bare region side was about 2 μm.
[0090]
6 is a perspective view for explaining a crystallization step in the first embodiment of the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention, and FIG. 7 is a plan view of FIG.
[0091]
As shown in FIGS. 5 to 7, when the first laser beam 8 and the second laser beam 9 are irradiated, the cap region Si film 3 is completely melted, and at the same time, the bare region Si film 4 is formed by heat conduction. The melting area spreads to the side. Since the spread of the melted region is about 2 μm under the laser irradiation condition, if the distance between the translucent insulating films 1 is 3 μm, all the bare region Si film 4 is melted.
[0092]
After the irradiation with the first laser beam 8, the cooling of the Si film 2 starts, but the bare region Si4 is compared with the cap region Si3 covered with the translucent insulating film 1 made of a silicon oxide film having a large heat capacity. As a result, the temperature drops faster. In the bare region Si4, since the cooling rate increases as the distance from the cap region increases, crystallization starts from the center of the bare region Si4. The Si film 2 is crystallized by crystal growth in the lateral direction toward the center of the cap region Si film 3 using the crystallized bare region Si4 as a crystal nucleus.
[0093]
The crystal growth distance in the lateral direction is maintained even after the KrF laser is stopped. 2 By continuing to irradiate the laser beam, it becomes longer than the case of irradiating with the KrF laser beam alone. For example, in addition to the above irradiation conditions, the COr laser beam is stopped 2 If the laser beam is continuously irradiated for 0.12 msec, the lateral crystal growth distance becomes about 10 μm. In contrast, 150 mJ / cm 2 When the KrF laser beam alone is irradiated, the lateral crystal growth distance is about 1 μm. Therefore, if the width of the cap region Si3 is set to 20 μm or less, for example, 15 μm, crystal grains grown toward the center of the cap region Si3 collide with each other at the center of the cap region Si3.
[0094]
Thereafter, the translucent insulating film 1 is removed from the Si film 2 by etching using BHF110.
[0095]
FIG. 8 shows a plan view of the crystalline semiconductor film of the first embodiment formed as described above.
[0096]
FIG. 8 is a plan view schematically showing Embodiment 1 of the crystalline semiconductor film of the present invention. Here, the crystalline state of the crystalline silicon film observed by SEM after the light-transmitting insulating film 1 is removed is shown.
[0097]
The crystal grains constituting the crystalline silicon film are respectively grown laterally from the vicinity of the center of the bare region Si film 4 toward the center of the cap region Si film 3, and collide with each other at the center of the cap region Si film 3. Yes. A crystal grain boundary is formed in the center of the cap region Si film 3 along the longitudinal direction of the cap region Si film 3.
[0098]
As a result, in the crystalline silicon film, crystal grains grown in the lateral direction and having a length approximately twice the crystal growth distance are formed without a gap.
[0099]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof will be described using the crystalline silicon film of the first embodiment having the above-described configuration.
[0100]
Using the crystalline silicon film of the first embodiment formed as described above, an n-channel thin film transistor in which a channel region is disposed along the crystal growth direction, and a channel region is disposed along the width direction of the crystal grains. An n-channel thin film transistor is manufactured.
[0101]
In the crystalline silicon film of the first embodiment, the length of the crystal grains in the crystal growth direction is long. For example, when the width of the cap region Si4 is 15 μm and the width of the bare region Si3 is 3 μm, the length of the crystal grains Is about 18 μm. Therefore, by providing the source region and the drain region along the crystal growth direction and arranging the channel region along the crystal growth direction, a crystal generated along the longitudinal direction of the cap region Si film 3 in the channel region A thin film transistor including no grain boundary can be manufactured.
[0102]
In an n-channel thin film transistor in which a channel region is arranged along the width direction of crystal grains, the carrier mobility is 110 cm. 2 / Vs. In the n-channel thin film transistor in which the channel region is arranged along the crystal growth direction and does not include the crystal grain boundary generated along the longitudinal direction of the cap region Si film 3 in the channel region, the carrier mobility Is 400cm 2 / Vs.
[0103]
The defect rate defined by the variation in the threshold voltage is 0/100, and as a result of measuring the threshold voltage of 100 n-channel thin film transistors in which the channel regions are arranged along the crystal growth direction, no defect occurred. .
[0104]
As described above, the method for forming a crystalline semiconductor film according to the first embodiment includes a semiconductor film forming process for forming the a-Si film 2 on the glass substrate 5 and stripes with a predetermined interval between them. a translucent insulating film forming step for forming a plurality of translucent insulating films 1 disposed on the a-Si film 2, and a second laser beam for heating the translucent insulating film 1 and the a-Si film 2 The first laser beam 8 is irradiated from the translucent insulating film 1 side to the a-Si film 2 so that the cap region a-Si film 3 covered with the translucent insulating film 1 is completely melted while irradiating 9. The a-Si film 2 is expanded by expanding the melting region of the a-Si film 2 by heat conduction and the bare region a-Si film 4 not covered by the translucent insulating film 1 is melted, and then cooled and crystallized. A crystallization step of crystallizing the cap region Si film 3 based on the bare region Si film 4; The translucent insulating film 1 and a removal step of removing from the top a-Si film 2.
[0105]
Only the translucent insulating film 1 needs to be provided on the Si film 2, and the antireflection film 22, the reflective film 23, and the like as in the prior art of Patent Document 1 described above with reference to FIGS. 15 and 16. Is not required to be stacked on the a-Si film 2. Therefore, the process in the method for forming the crystalline semiconductor film can be simplified, and the cost can be reduced.
[0106]
Further, as in the prior art of Patent Document 1, after the first laser light irradiation and before the second laser light irradiation, the reflection film 23 stacked on the antireflection film 22 is removed. In addition, it is not necessary to take out the glass substrate 5 from the laser beam irradiation apparatus, remove the reflection film 23, and set the glass substrate 5 from which the reflection film 23 has been removed to the laser beam irradiation apparatus again. Therefore, the process in the method for forming the crystalline semiconductor film can be further simplified, and the cost can be further reduced.
[0107]
Furthermore, since the thin film transistor can be manufactured using the Si film formed in this manner so that there is no crystal grain boundary perpendicular to the carrier movement direction in the channel region, A high-performance thin film transistor can be manufactured without being hindered by the boundary.
[0108]
In the first embodiment, the example in which the translucent insulating film 1 is formed of a silicon oxide film has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the translucent insulating film 1 may be constituted by a silicon nitride film or a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
[0109]
(Comparative Example 1)
Hereinafter, the crystalline semiconductor film of Comparative Example 1 and a method for forming the crystalline semiconductor film will be described.
[0110]
The difference between the method for forming the crystalline semiconductor film of Comparative Example 1 and the method for forming the crystalline semiconductor film of Embodiment 1 described above with reference to FIGS. 1 to 8 is that the film thickness of the translucent insulating film 1 is different. And the energy density of the first laser beam 8 is set to 200 mJ / cm for the reason that the reflectance is set to 75 nm, which is a film thickness at which the reflectance is comparable to that of the bare region Si film. 2 This is the point. Since the other points are the same as the method for forming the crystalline semiconductor film of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0111]
When the crystalline silicon film of Comparative Example 1 formed in this way is observed by SEM, crystal grains are not laterally grown in the cap region Si film 3 and the bare region Si film 4, and the microcrystalline regions are not grown. It was. The reason for this is as follows.
[0112]
In Comparative Example 1, since the reflectances of the cap region Si film 3 and the bare region Si film 4 are approximately the same, the laser light energy absorbed by the translucent insulating film 1 is also approximately the same, and the cap region Si film 3 and The temperature reached by the bare region Si film 4 is about the same. Since a silicon oxide film (translucent insulating film 1) as a translucent insulating film is provided on the cap region Si film 3, the cooling rate of the cap region Si film 3 is higher than that of the bare region Si film 4. Slowly, but not enough temperature gradients to cause lateral growth. As a result, a microcrystalline region is formed.
[0113]
(Comparative Example 2)
Hereinafter, the crystalline semiconductor film of Comparative Example 2 and the manufacturing method thereof will be described.
[0114]
9 and 10 are cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the crystalline semiconductor film of Comparative Example 2. FIG.
[0115]
As shown in FIG. 9, first, a base coat film 6 composed of a silicon oxide film is formed on a glass substrate 5 to a thickness of 300 nm by a P-CVD method.
[0116]
An a-Si film 2 is formed on the base coat film 6 to a thickness of 45 nm by P-CVD.
[0117]
The a-Si film 2 is dehydrogenated by heating the glass substrate 5 on which the a-Si film 2 and the base coat film 6 are formed at 500 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere in an electric furnace.
[0118]
Thereafter, as shown in FIG. 10, a silicon oxide film is formed to a thickness of 32 nm on the a-Si film 2 by P-CVD.
[0119]
An aluminum film is deposited on the silicon oxide film 22 to a thickness of 300 nm by sputtering. BCl 3 The reflective film 23 is formed by patterning the aluminum film formed on the silicon oxide film by dry etching using silicon.
[0120]
The antireflection film 22 is formed by patterning the silicon oxide film by etching using the BHF 110 with the reflective film 23 formed by patterning as a mask. In this way, the laminated film of the antireflection film 22 and the reflection film 23 is formed on the a-Si film 2 in a stripe shape having a width (parallel state) of 2 μm with a spacing of 2 μm. .
[0121]
Next, 200 mJ / cm 2 The a-Si film 2 is irradiated from the laminated film side of the antireflection film 22 and the reflection film 23 with the first laser light having an energy density of KrF laser light having a wavelength of 248 nm.
[0122]
Thereafter, the reflective film 23 is removed by etching with an SLA etchant using phosphoric acid and acetic acid.
[0123]
160mJ / cm 2 The a-Si film 2 is irradiated from the antireflection film 22 side with a second laser beam having an energy density of 2 nm. For both the first laser beam and the second laser beam, the beam size is 0.5 mm × 100 mm, the repetition rate is 80 Hz, and the stage feed speed is 40 mm / second. The antireflection film 22 is removed from the a-Si film 2 by etching using BHF110. The crystalline semiconductor film of Comparative Example 2 formed in this way is shown in FIG.
[0124]
FIG. 11 is a plan view schematically showing the crystalline semiconductor film of Comparative Example 2. FIG. 11 shows the crystalline state of the crystalline silicon film observed by SEM after removing the antireflection film 22.
[0125]
In FIG. 11, the crystal grains constituting the cap region Si film 3 are laterally grown from both ends of the cap region Si film 3 toward the center. The crystal grains constituting the bare region Si film 4 are laterally grown from both ends of the bare region Si film 4 toward the center. However, spot-like spots 24 are formed in some places. This is because when the first laser beam is irradiated, the reflective film 23 made of metal melts and flows down onto the bare region Si film 4, or the reflective film 23 evaporates and vaporizes to cause the bare region Si film. The Si film 2 is contaminated because it adheres to the surface 4.
[0126]
Next, using the crystalline silicon film thus formed, an n-channel thin film transistor in which a channel region is disposed along the width direction and an n-channel thin film transistor in which a channel region is disposed along the crystal growth direction Make it.
[0127]
In an n-channel thin film transistor in which a channel is arranged along the width direction, the carrier mobility is 100 cm. 2 / Vs. In the n-channel thin film transistor in which the channel is arranged along the crystal growth direction, the carrier mobility is 295 cm. 2 / Vs.
[0128]
However, the variation in threshold voltage is larger than the variation in threshold voltage of the thin film transistor of the first embodiment, and the defect rate defined by the variation in threshold voltage is 13/100. Further, as a result of measuring the threshold voltage of 100 n-channel thin film transistors in which channel regions are arranged along the crystal growth direction, there were 13 defects.
[0129]
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a thin film transistor as a semiconductor device in which a crystalline semiconductor film manufactured by the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the first embodiment is configured as a channel region and a manufacturing method thereof will be described.
[0130]
FIG. 12 is a plan view for explaining the second embodiment of the thin film transistor manufacturing method of the present invention, and FIG. 13 is a plan view showing the configuration of the thin film transistor of the second embodiment.
[0131]
First, the base coat film 6 is formed on the glass substrate 5 as in the first embodiment. An a-Si film 2 is formed on the base coat film 6. Next, the a-Si film is dehydrogenated by heating the glass substrate on which the a-Si film and the base coat film are formed in an electric furnace.
[0132]
As shown in FIG. 12, the a-Si film has a first region 10 and a second region 11 each having a substantially rectangular shape provided so as to be adjacent to each other. In the first region 10, a plurality of light-transmissive insulating films 1 are formed in parallel along the left-right direction in FIG. In the second region 11, a certain interval is formed in a stripe shape along the vertical direction in FIG. 12, which is a direction perpendicular to the longitudinal direction of the translucent insulating film 1 formed in the first region 10. A plurality of light-transmitting insulating films 1 are formed in parallel.
[0133]
Thus, the longitudinal direction of the translucent insulating film 1 formed in the first region 10 is orthogonal to the longitudinal direction of the translucent insulating film 1 formed in the second region 11. The direction in which the crystal grains of the cap region Si film and the bare region Si film grow in the first region 10 is the longitudinal direction of the translucent insulating film 1 formed in the first region 10, which is the left-right direction in FIG. The vertical direction is perpendicular to the vertical direction.
[0134]
The direction in which the crystal grains of the cap region Si film and the bare region Si film grow in the second region 11 is the vertical direction of FIG. 12 in the longitudinal direction of the translucent insulating film 1 formed in the second region 11. The horizontal direction is perpendicular to.
[0135]
Accordingly, the crystal grains in the first region 10 are grown along a direction perpendicular to the direction in which the crystal grains in the second region 11 grow.
[0136]
Therefore, as shown in FIG. 13, in the first region 10, the source region 13 and the drain region 14 are provided along the vertical direction in which the crystal grains grow, and the lateral grain boundaries are formed in the channel region. The TFT 12 is formed so as not to be included. In the second region 11, the source region 13 and the drain region 14 are provided along the left-right direction in which crystal grains grow, and the TFT 12 is formed so as not to include the vertical crystal grain boundary in the channel region. . Accordingly, a TFT having a channel region with high carrier mobility can be formed, and a high-performance TFT can be obtained.
[0137]
As described above, according to the embodiment 1.2, the step of forming the semiconductor film 2, the translucent insulating film 1 on the semiconductor film 2, and the reflectivity for the first laser light of the bare region semiconductor film A light-transmitting insulating film forming step of forming a film thickness that is 20% or more lower than the reflectance, and irradiating the second energy beam 8 for heating the light-transmitting insulating film 1 and the semiconductor film 2, An energy beam irradiation step of irradiating the first energy beam 9 with energy larger than the cap region complete melting energy, and cap region crystallization for crystallizing the cap region semiconductor film based on the previously crystallized bare region semiconductor film A process and a removing process of removing the translucent insulating film 2 from the semiconductor film 1. Therefore, the process can be simplified because no reflection film is provided on the antireflection film as in the prior art. Further, since there is no need to remove the reflective film as in the prior art after the first laser beam irradiation and before the second laser beam irradiation, the process can be simplified. Furthermore, since the reflective film does not melt or evaporate / vaporize and adhere to the bare region semiconductor film when irradiated with laser light as in the prior art, it is possible to suppress deterioration in characteristics and variation in characteristics of the thin film transistor. Therefore, a high-performance crystalline semiconductor film can be formed at a low cost with a simple process. Further, using this high-performance crystalline semiconductor film, for example, a thin film transistor can be manufactured with a low defect rate and low cost as a high-performance semiconductor device having a channel region with high carrier mobility.
[0138]
In the first and second embodiments, in the crystallization step, the cap region starts from the central portion of the bare region Si film 4 in which the melting region is expanded by heat conduction while irradiating the heating energy beam (second energy beam). Although it is configured to crystallize toward the central portion of the Si film 3, the melted region spread from the completely melted cap region Si film 3 to the bare or incompletely melted bare region Si film 4. Crystal growth from the position to the cap region Si film 3 may be performed. That is, from the central part of the bare region Si film 4 excluding the boundary part between the bare region Si film 4 and the cap region Si film 3 or from the region up to the central portion (or the region beyond the central portion) of the cap region Si film 3. The effect of the present invention can be obtained by crystallization toward the center position.
[0139]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a high-performance crystalline semiconductor film grown in a lateral direction at low cost can be formed without gaps by a crystalline semiconductor film manufacturing method with a simple process. In addition, a high-performance semiconductor device having a channel region with high carrier mobility can be manufactured with a low defect rate and low cost by a method for manufacturing a semiconductor device with a simple process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a step of forming an amorphous silicon film in a first embodiment of a method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a step of forming a translucent insulating film in the first embodiment of the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view for explaining a translucent insulating film forming step of the first embodiment.
4 is a graph showing the relationship between the thickness of a silicon oxide film, which is a kind of the light-transmitting insulating film in FIG. 2, and its reflectance.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a step of irradiating laser light in the first embodiment of the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view for explaining a crystallization step in the first embodiment of the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention.
7 is a plan view of FIG. 6 for explaining a crystallization step. FIG.
FIG. 8 is a plan view schematically showing Embodiment 1 of the crystalline semiconductor film of the present invention.
9 is a cross-sectional view for explaining an a-Si film forming step in the method for producing a crystalline semiconductor film of Comparative Example 2. FIG.
10 is a cross-sectional view for explaining a laminated film forming step of an antireflection film and a reflection film in the method for producing a crystalline semiconductor film of Comparative Example 2. FIG.
11 is a plan view schematically showing a crystalline semiconductor film of Comparative Example 2. FIG.
FIG. 12 is a plan view for explaining Embodiment 2 of the method for producing a thin film transistor of the present invention.
13 is a plan view of the thin film transistor of FIG. 12. FIG.
14A is a cross-sectional view illustrating a conventional method for manufacturing a crystalline semiconductor film, and FIG. 14B is a plan view thereof.
FIG. 15 is a cross-sectional view for explaining another conventional method for manufacturing a crystalline semiconductor film.
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining another conventional method for manufacturing a crystalline semiconductor film.
[Explanation of symbols]
1 Translucent insulating film
2 a-Si film (or Si film)
3 Cap region a-Si film (or cap region Si film)
4 Bare region a-Si film (or bare region Si film)
5 Glass substrate
6 Base coat film
8 First laser beam
9 Second laser beam
10 First region
11 Second region
12 Thin film transistor
13 Source area
14 Drain region
22 Anti-reflective coating
23 Reflective film
24 Spot-like spots

Claims (20)

半導体膜上に平行に形成する複数のストライプ状の透光性絶縁膜を用いて該半導体膜から結晶性半導体膜を得る結晶性半導体膜の製造方法において、
該透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域の半導体膜が完全溶融し、かつ該透光性絶縁膜に覆われていないベア領域の半導体膜は領域全体が完全溶融しないように、該透光性絶縁膜および半導体膜に第1のエネルギービームを照射するエネルギービーム照射工程と、
完全溶融した該キャップ領域半導体膜から該ベア領域半導体膜へと広げた溶融領域の位置から該キャップ領域半導体膜へと結晶成長させる結晶化工程とを有する結晶性半導体膜の製造方法。
In a method for manufacturing a crystalline semiconductor film, a crystalline semiconductor film is obtained from the semiconductor film using a plurality of stripe-shaped translucent insulating films formed in parallel on the semiconductor film.
The translucent semiconductor film in the cap region covered with the translucent insulating film is completely melted, and the bare region semiconductor film not covered with the translucent insulating film is not completely melted. An energy beam irradiation step of irradiating the conductive film and the semiconductor film with the first energy beam;
A method for producing a crystalline semiconductor film, comprising: a crystallization step of growing a crystal from the position of the melted region that has spread from the completely melted cap region semiconductor film to the bare region semiconductor film to the cap region semiconductor film.
前記第1のエネルギービームの照射は、前記透光性絶縁膜および半導体膜を加熱するために第2のエネルギービームを照射しながら行う請求項1に記載の結晶性半導体膜の製造方法。2. The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the irradiation with the first energy beam is performed while irradiating the second energy beam to heat the light-transmitting insulating film and the semiconductor film. 前記結晶化工程において、加熱用の第2のエネルギービームを照射して熱伝導により広げたベア領域半導体膜の中央部の溶融領域から前記キャップ領域半導体膜の中央部に向かって結晶化させる請求項1または2に記載の結晶性半導体膜の製造方法。The crystallization step includes crystallizing from a molten region at a central portion of the bare region semiconductor film, which is spread by heat conduction by irradiation with a second energy beam for heating, toward a central portion of the cap region semiconductor film. 3. A method for producing a crystalline semiconductor film according to 1 or 2. 前記結晶化工程において、熱伝導により前記半導体膜の溶融領域を広げて前記ベア領域半導体膜を溶融させた後に冷却し、結晶化された該ベア領域半導体膜に基づいて該キャップ領域半導体膜を結晶化させる請求項1に記載の結晶性半導体膜の製造方法。In the crystallization step, the molten region of the semiconductor film is expanded by heat conduction to melt the bare region semiconductor film, and then cooled, and the cap region semiconductor film is crystallized based on the crystallized bare region semiconductor film. The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1. 前記結晶化工程において、前記キャップ領域半導体膜に隣接するベア領域半導体膜において熱伝導により広がった溶融領域から該キャップ領域半導体膜の中央に向かって半導体結晶粒を横方向に結晶成長させる請求項1または4に記載の結晶性半導体膜の製造方法。2. In the crystallization step, semiconductor crystal grains are grown in a lateral direction from a molten region spread by heat conduction in a bare region semiconductor film adjacent to the cap region semiconductor film toward a center of the cap region semiconductor film. Or 4. A method for producing a crystalline semiconductor film according to 4. 前記エネルギービーム照射工程の前工程として、
絶縁基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
該半導体膜上に、それぞれが等しい所定膜厚で所定幅の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてそれぞれ形成する透光性絶縁膜形成工程とを更に有する請求項1、4および5の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法。
As a pre-process of the energy beam irradiation process,
A semiconductor film forming step of forming a semiconductor film on the insulating substrate;
2. A translucent insulating film forming step of forming a plurality of translucent insulating films each having a predetermined thickness and a predetermined width on the semiconductor film with a predetermined interval, respectively. 6. A method for producing a crystalline semiconductor film according to any one of 4 and 5.
前記結晶化工程の後工程として、前記透光性絶縁膜を前記半導体膜上から除去する除去工程を更に有する請求項1または6に記載の結晶性半導体膜の製造方法。The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, further comprising a removing step of removing the translucent insulating film from the semiconductor film as a subsequent step of the crystallization step. 前記第2のエネルギービームは、赤外光またはCOレーザ光である請求項2に記載の結晶性半導体膜の製造方法。The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 2, wherein the second energy beam is infrared light or CO 2 laser light. 前記第2のエネルギービームの照射を、前記第1のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始する請求項2または8に記載の結晶性半導体膜の製造方法。9. The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 2, wherein the irradiation of the second energy beam is started from a time point a predetermined time before the irradiation start time of the first energy beam. 前記第2のエネルギービームの照射を、前記第1のエネルギービームの照射開始時点よりも所定時間だけ前の時点から開始し、かつ該第1のエネルギービームの照射終了時点よりも所定時間だけ後の時点で終了する請求項2または8に記載の結晶性半導体膜の製造方法。The irradiation of the second energy beam is started from a time point that is a predetermined time before the irradiation start time point of the first energy beam, and after a predetermined time period after the irradiation end time point of the first energy beam. The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 2, wherein the method is completed at the time. 前記透光性絶縁膜の膜厚は、該透光性絶縁膜の前記第1のエネルギービームに対する反射率が、前記ベア領域半導体膜の該第1のエネルギービームに対する反射率よりも20%以上低くなるように設定されている請求項1〜6の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法。The film thickness of the light transmitting insulating film is such that the reflectance of the light transmitting insulating film with respect to the first energy beam is 20% or more lower than the reflectance of the bare region semiconductor film with respect to the first energy beam. The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, which is set to be 前記透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜の何れかによって構成されている請求項1または6に記載の結晶性半導体膜の製造方法。7. The crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the translucent insulating film is formed of any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. Method. 請求項1〜12の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体膜。A crystalline semiconductor film manufactured by the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1. 請求項1〜6の何れかに記載の結晶性半導体膜の製造方法によって製造された結晶性半導体薄膜をチャネル領域としてトランジスタを作製するトランジスタ作製工程を有する半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a transistor manufacturing step for manufacturing a transistor using the crystalline semiconductor thin film manufactured by the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1 as a channel region. 前記トランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する請求項14に記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein in the transistor manufacturing step, a source region and a drain region are formed in a direction perpendicular to a long side direction of the stripe-shaped translucent insulating film. 前記トランジスタ作製工程において、前記ストライプ状の透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないように前記チャネル領域を形成する請求項14または15に記載の半導体装置の製造方法。16. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 14, wherein in the transistor manufacturing step, the channel region is formed so as not to include a crystal grain boundary in a direction parallel to a long side direction of the stripe-shaped translucent insulating film. Method. 前記透光性絶縁膜形成工程において、前記半導体膜上の第1領域に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第1透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成すると共に、該半導体膜上の第2領域に、該第1透光性絶縁膜と交差する方向に沿ってそれぞれが等しい所定の膜厚の複数の第2透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する請求項14に記載の半導体装置の製造方法。In the light-transmitting insulating film forming step, a plurality of first light-transmitting insulating films each having a predetermined film thickness equal to each other are formed in a stripe shape in the first region on the semiconductor film, with a predetermined interval between them. In addition, a plurality of second light-transmitting insulating films each having a predetermined thickness equal to each other along the direction intersecting the first light-transmitting insulating film are fixed to the second region on the semiconductor film. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein the semiconductor device is formed in a stripe shape with an interval. 前記トランジスタ作製工程において、前記第1領域では前記第1透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成し、前記第2領域では前記第2透光性絶縁膜の長辺方向と垂直な方向にソース領域およびドレイン領域を形成する請求項17に記載の半導体装置の製造方法。In the transistor manufacturing process, a source region and a drain region are formed in a direction perpendicular to a long side direction of the first light-transmissive insulating film in the first region, and the second light-transmissive insulating film is formed in the second region. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 17, wherein the source region and the drain region are formed in a direction perpendicular to the long side direction. 前記トランジスタ作製工程において、前記第1領域では前記第1透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成し、前記第2領域では前記第2透光性絶縁膜の長辺方向と平行な方向の結晶粒界を含まないようにチャネル領域を形成する請求項17または18に記載の半導体装置の製造方法。In the transistor manufacturing step, a channel region is formed in the first region so as not to include a crystal grain boundary in a direction parallel to a long side direction of the first light-transmitting insulating film, and the second region includes the second region. 19. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 17, wherein the channel region is formed so as not to include a crystal grain boundary in a direction parallel to the long side direction of the light-transmitting insulating film. 請求項14〜19の何れかに記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置。A semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14.
JP2003175499A 2003-06-19 2003-06-19 Method of manufacturing crystalline semiconductor film, crystalline semiconductor film and method of manufacturing semiconductor device and semiconductor Withdrawn JP2005012030A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003175499A JP2005012030A (en) 2003-06-19 2003-06-19 Method of manufacturing crystalline semiconductor film, crystalline semiconductor film and method of manufacturing semiconductor device and semiconductor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003175499A JP2005012030A (en) 2003-06-19 2003-06-19 Method of manufacturing crystalline semiconductor film, crystalline semiconductor film and method of manufacturing semiconductor device and semiconductor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005012030A true JP2005012030A (en) 2005-01-13

Family

ID=34098670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003175499A Withdrawn JP2005012030A (en) 2003-06-19 2003-06-19 Method of manufacturing crystalline semiconductor film, crystalline semiconductor film and method of manufacturing semiconductor device and semiconductor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005012030A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7521712B2 (en) 2006-03-13 2009-04-21 Sony Corporation Thin film semiconductor device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7521712B2 (en) 2006-03-13 2009-04-21 Sony Corporation Thin film semiconductor device
KR101360302B1 (en) * 2006-03-13 2014-02-10 재팬 디스프레이 웨스트 인코포레이트 Thin film semiconductor device and method for manufacturing same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7153359B2 (en) Crystalline semiconductor film and production method thereof, and semiconductor device and production method thereof
US6169014B1 (en) Laser crystallization of thin films
JP4744700B2 (en) Thin film semiconductor device and image display device including thin film semiconductor device
US20030003636A1 (en) Thin film crystal growth by laser annealing
US20010001745A1 (en) Crystallization processing of semiconductor film regions on a substrate, and devices made therewith
JP2000068520A (en) Semiconductor thin film, manufacture thereof and manufacturing device, and semiconductor element and manufacture thereof
JP2002261015A (en) Semiconductor thin film, method of manufacturing it, manufacturing device, semiconductor element and method of manufacturing it
KR100915073B1 (en) Method for crystallizing semiconductor film and semiconductor film crystallized by the method
US6861668B2 (en) Thin film transistor (TFT) and method for fabricating the TFT
JP2005012030A (en) Method of manufacturing crystalline semiconductor film, crystalline semiconductor film and method of manufacturing semiconductor device and semiconductor
JP2003309068A (en) Semiconductor film and forming method therefor, and semiconductor device and manufacturing method therefor
JPH06140321A (en) Method of crystallizing of semiconductor film
JP2004119902A (en) Crystalline semiconductor film and forming method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2003257859A (en) Crystalline semiconductor film and method for forming the same, and semiconductor device and method for producing the same
JPH05315361A (en) Manufacture of semiconductor thin film and semiconductor element
JPS6159820A (en) Manufacture of semiconductor device
JPH09306839A (en) Method for melting/crystallizing semiconductor and method for activating semiconductor impurity
JP2004158584A (en) Apparatus for manufacturing polycrystalline silicon film, manufacturing method by using the same, and semiconductor device
JP2003151904A (en) Crystallizing method of semiconductor thin film, the semiconductor thin film, and thin-film semiconductor device
JPS61251115A (en) Growth of semiconductor single crystal on insulating film
JP2004134523A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JPH09232584A (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP2004253539A (en) Manufacturing method of semiconductor thin film
JPH0442358B2 (en)
JP2003124117A (en) Semiconductor device and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20060905