JP2005039259A - Crystallization method, crystallization equipment, thin-film transistor (tft), and display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶、有機EL等の表示装置に用いられる薄膜トランジスタおよび表示装置に係り、特にそれらに用いられる結晶化方法および結晶化装置に関する。 The present invention relates to a thin film transistor and a display device used for a display device such as a liquid crystal or an organic EL, and more particularly to a crystallization method and a crystallization device used for them.
液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に形成されていた。IT市場の拡大により取り扱う情報は、デジタル化され、高速化されるため表示装置も高画質化が要求されている。この要求を満足する手段としては、例えば各画素を切換えるスイッチングトランジスタを結晶領域に形成することによりスイッチング速度が高速化され、高画質化が可能となる。 A driving circuit of a display device such as a liquid crystal display device is formed on an amorphous semiconductor film formed on a glass substrate. Since information handled by the expansion of the IT market is digitized and speeded up, display devices are also required to have high image quality. As means for satisfying this requirement, for example, by forming a switching transistor for switching each pixel in the crystal region, the switching speed is increased, and the image quality can be improved.
ガラス基板上に形成された非晶質シリコン層を結晶化する手段としては、エキシマレーザアニール法(ELA法)が知られている。しかしながら、このELA法により得られた結晶の粒径は、0.1μm程度であり、この結晶化された領域に薄膜トランジスタ(TFT)を形成した場合、1個の薄膜トランジスタのチャネル領域に多数の結晶粒界が含まれることになり、移動度が200cm2/Vs、オン・オフ電流比が107程度と、単結晶Siに形成したMOSトランジスタと比較すると大幅に劣る。
An excimer laser annealing method (ELA method) is known as a means for crystallizing an amorphous silicon layer formed on a glass substrate. However, the grain size of crystals obtained by this ELA method is about 0.1 μm, and when a thin film transistor (TFT) is formed in this crystallized region, a large number of crystal grains are formed in the channel region of one thin film transistor. would contain the field,
本発明者等は、非晶質シリコン層にレーザ光を照射することにより少なくとも1個の薄膜トランジスタを形成できる程度大きな結晶粒を形成する技術を開発している。単一の結晶粒内にTFTを形成することにより結晶粒界の悪影響がなく、TFT特性が大幅に改善され、プロセッサ、メモリ、センサなどの機能素子を形成することができる。このような結晶化方法として例えば非特許文献1や非特許文献2に記載された結晶化方法がある。
The present inventors have developed a technique for forming crystal grains that are large enough to form at least one thin film transistor by irradiating the amorphous silicon layer with laser light. By forming a TFT in a single crystal grain, there is no adverse effect of crystal grain boundaries, TFT characteristics are greatly improved, and functional elements such as a processor, a memory, and a sensor can be formed. As such a crystallization method, for example, there are crystallization methods described in
前者の非特許文献1には、SiON/SiO2キャップ層やSiO2キャップ層を介して非晶質シリコン膜に0.8mJ/cm2フルエンスの位相変調したレーザ光を照射することにより、膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。
In the former
また、後者の非特許文献2には、基板加熱下でSiO2キャップ層を介して非晶質シリコン膜にホモジナイズし位相変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜をラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。
In the latter
しかしながら、非特許文献1の方法では、結晶粒径10μm以上の大きな粒径の結晶粒を得ることができるが、大粒径化した結晶粒の近傍に小粒径の微細結晶粒が発生するため、膜組織全体として大粒径の結晶粒を揃えて比較的均一に(すなわち、ち密に)形成することができないという問題点がある。
However, in the method of
また、非特許文献1及び2の方法では、結晶粒を大粒径化させるために、基板を高温域に加熱する必要があり、低温処理の要求を十分に満たすことができないという問題点がある。例えば図8に示す従来の結晶化装置100では、載置台6に内蔵されたヒータ101により被処理基板5を高温域に加熱しながらレーザ光50を照射する。ヒータ101は、コントローラ103で制御される電源102から給電され、基板5を300〜750℃の温度域に加熱する能力を有している。
Further, in the methods of
基板加熱温度は例えば500℃を超えることもあるので、汎用ガラス(例えばソーダガラス)やプラスチックなどは加熱により変質や変形を生じやすく、これらを液晶表示装置(LCD)の基板に採用するためには低温処理は必須条件となる。また、大画面LCDでは軽量化の要望が強いために基板の板厚を薄くする傾向にあり、加熱により変形を生じやすく、薄肉基板の平坦度を確保するためにも低温処理は必須条件となる。 Since the substrate heating temperature may exceed 500 ° C., for example, general-purpose glass (for example, soda glass) and plastic are likely to be altered or deformed by heating, and in order to employ these as substrates for liquid crystal display devices (LCD). Low temperature processing is an essential condition. In addition, there is a strong demand for weight reduction in large-screen LCDs, so there is a tendency to reduce the thickness of the substrate, which tends to cause deformation by heating, and low-temperature processing is an indispensable condition to ensure flatness of thin substrates. .
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、大粒径の結晶粒を膜全体にわたりち密に形成することができ、かつ低温処理の要求を満たすことができる結晶化方法、結晶化装置、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. A crystallization method and a crystal that can form large-sized crystal grains densely over the entire film and satisfy the requirements for low-temperature treatment. It is an object to provide a display device, a thin film transistor, and a display device.
本発明者等は、少なくとも1個の薄膜トランジスタを形成できる程度に大きな結晶粒をち密に形成することに関して鋭意研究した結果、従来の平行パルスレーザ光(ホモジナイズされていないレーザ光)の照射では結晶粒をち密に大粒径化できないという知見を得た。この原因は厳密な意味では明らかにされていないが、以下に述べるようなことがおおよそ推察される。 As a result of diligent research on the formation of crystal grains that are large enough to form at least one thin film transistor, the present inventors have found that crystal grains are not irradiated with conventional parallel pulsed laser light (laser light that has not been homogenized). In other words, it was found that the particle size could not be increased. The cause of this is not clarified in a strict sense, but the following can be presumed.
図9に平行パルスレーザ光が位相シフタ4を透過した後の光強度分布を示す。この光強度分布において、ラテラル方向への結晶成長に寄与しうる成分は最初の逆ピーク波91から次のピーク波92までの間である。一方、これより外側の高次の波93(振動;干渉縞)はラテラル方向への結晶成長に寄与しないため、ラテラル成長に寄与する主たる逆ピーク波91以外の高次振動の各逆ピーク波93からは極めて短時間の結晶粒の成長が生じて、微細な結晶粒が生成され、膜全体として均一かつち密に大粒径化できないことがわかった。すなわち、平行パルスレーザ光(ホモジナイズされていない光)を位相変調した光は高次の振動93を含むために、大粒径の結晶粒を形成することができないことが判明した。
FIG. 9 shows the light intensity distribution after the parallel pulse laser beam has passed through the
本発明の結晶化は、ホモジナイズされたパルスレーザ光を位相変調光学系および光吸収特性を有する絶縁膜を介して非晶質半導体膜に入射させることにより大粒径の結晶粒を、ち密に並べて形成することができる。換言すれば、図9(b)の高次振動93を含まない図1(b)に示すような光強度分布をもつパルスレーザ光を非晶質半導体膜に照射することにより、大粒径の結晶粒をち密(均一)に並べて形成することができる。図1(b)に示す光強度分布BPは、斜視図で三次元的に示すと図1の(c)ようにV字状溝の光強度分布となる。この光強度分布BPは断面逆三角形状のピークパターンを複数有するものである。各断面逆三角形状ピークパターンの光強度分布は振幅PHが等しく、ピッチ間隔PWも等しい。
In the crystallization of the present invention, the homogenized pulsed laser light is incident on the amorphous semiconductor film through the phase modulation optical system and the insulating film having the light absorption characteristic, thereby arranging the crystal grains having a large particle size in a dense manner. Can be formed. In other words, by irradiating the amorphous semiconductor film with pulsed laser light having a light intensity distribution as shown in FIG. 1B that does not include the high-
光吸収特性を有する絶縁膜は、入射したホモジナイズされたパルスレーザ光の一部を吸収し、発生した熱を蓄熱する機能を有する厚さが必要である。蓄熱期間は、結晶粒が大きく成長することができる期間である。 The insulating film having the light absorption characteristic needs to have a thickness that has a function of absorbing a part of the incident homogenized pulse laser beam and storing the generated heat. The heat storage period is a period during which crystal grains can grow greatly.
本発明の結晶化方法は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜とを設け、前記レーザ光は、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であることを特徴とする。 The crystallization method of the present invention is a crystallization method in which a non-single crystal semiconductor film is crystallized by irradiating a laser beam, and at least a silicon oxide film and an oxynitride are formed on the laser light incident surface of the non-single crystal semiconductor film. A silicon film is provided, and the laser beam is a laser beam having a light intensity distribution having a plurality of cross-section inverted triangular peak patterns.
本発明の結晶化装置は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化装置であって、レーザ光源と、非単結晶半導体膜を有する基板が載置される載置台と、この載置台と前記レーザ光源との間に設けられ、非単結晶半導体膜を有する基板に対し複数の入射角度を有し、光強度分布に関して前記レーザ光を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザと前記載置台との間に設けられ、前記ホモジナイザで均一化されたレーザ光を位相変調する位相シフタと、を具備することを特徴とする。 The crystallization apparatus of the present invention is a crystallization apparatus for crystallization by irradiating a non-single crystal semiconductor film with laser light, and a laser light source, a mounting table on which a substrate having the non-single crystal semiconductor film is mounted, A homogenizer provided between the mounting table and the laser light source, having a plurality of incident angles with respect to the substrate having the non-single crystal semiconductor film, and homogenizing the laser light with respect to a light intensity distribution, and the homogenizer And a phase shifter provided between the mounting table and phase-modulating the laser beam made uniform by the homogenizer.
本発明では、光強度分布を最適化したパルスレーザ光、すなわち図9に示す高次の振動93の影響を取り除いたパルスレーザ光を、光吸収膜であるSiON膜を介して結晶化しようとする半導体膜(非晶質膜または多結晶膜)に照射する。この結果として、SiON膜は、照射したレーザ光の一部を吸収し、膜全体にわたり発熱し、SiON膜に所定期間蓄熱し、残部のほとんどは、非単結晶半導体膜52に入射し、その照射部のみを溶融させる。この蓄熱されたSiON膜からの熱エネルギは非単結晶半導体膜を蓄熱期間に渉って加熱する。このSiON膜からの加熱により、非単結晶半導体膜のラテラル成長が促進され、その結果として結晶粒を比較的均一に(すなわちち密に)形成できる。
In the present invention, the pulse laser beam with the optimized light intensity distribution, that is, the pulse laser beam from which the influence of the higher-
すなわち、本発明の方法によれば、半導体膜に接する光吸収発熱性の絶縁膜から直接的に熱エネルギを供給する加熱効果により、従来法ほどに基板を高温域に加熱することがなく、単結晶か又はそれに近い大粒径の結晶粒を得ることができる。 That is, according to the method of the present invention, the heating effect of directly supplying heat energy from the light-absorbing exothermic insulating film in contact with the semiconductor film does not cause the substrate to be heated to a high temperature region as in the conventional method, and is simply Crystals having a large grain size close to or close to crystals can be obtained.
酸窒化シリコン(SiON)膜の膜厚は100〜1000nmの範囲とすることが光吸収特性と蓄熱特性から望ましい。膜厚が100nmを下回ると、総蓄熱量が不十分になるため、所望サイズの大結晶粒を得ることができなくなる。一方、膜厚が1000nmを上回ると、キャップ膜の光吸収により光の透過量が減少して、結晶化しようとする非単結晶半導体膜に十分なフルエンスのパルスレーザ光が到達し難くなるので、結晶化の目的を十分に達成することができなくなる。 The film thickness of the silicon oxynitride (SiON) film is preferably in the range of 100 to 1000 nm from the light absorption characteristics and the heat storage characteristics. When the film thickness is less than 100 nm, the total heat storage amount becomes insufficient, so that large crystal grains having a desired size cannot be obtained. On the other hand, if the film thickness exceeds 1000 nm, the amount of transmitted light decreases due to the light absorption of the cap film, and it becomes difficult for a sufficient fluence pulse laser beam to reach the non-single crystal semiconductor film to be crystallized. The objective of crystallization cannot be fully achieved.
また、パルスレーザ光は、均一化光学系(ホモジナイザ)としての第1のフライアイレンズおよび第1のコンデンサ光学系、さらに第2のフライアイレンズおよび第2のコンデンサ光学系により光強度に関して均一化されることが望ましい。このように光強度に関して均一化されたレーザ光は、図1(a)の位相シフタ4を透過すると、図1(b)に示すように光強度が単調増加と単調減少を繰り返す理想的な光強度分布BPとなる。この図1(b)の光強度分布BPは断面逆三角形形状であり、最大ピーク値と最小ピーク値が突状であり、平坦部を有しないものである。しかも等振幅PHで、かつ等ピッチ間隔PWである。すなわち、位相変調された均一化レーザ光は高次振動成分を含まないために、これを被結晶化膜に照射すると理論的にはビームプロファイルのピッチ間隔PWに応じたサイズの大結晶粒をラテラル成長させることが可能になる。このとき絶縁層の光吸収による発熱効果と蓄熱効果とにより被結晶化膜に熱エネルギが補給されるので、凝固結晶化における結晶粒ラテラル成長の一連のプロセスが促進され、結晶粒のサイズが大きくなる。なお、図1(b)の光強度分布BPにおいてピーク部の角度θが鋭くなると膜破壊を生じ易くなるので、ピーク部の角度θはできるだけ緩やかな角度となるように光強度分布BPを設定することが望ましい。
Further, the pulse laser beam is made uniform in terms of light intensity by the first fly-eye lens and the first condenser optical system as the homogenizer optical system (homogenizer), and further by the second fly-eye lens and the second condenser optical system. It is desirable that When the laser light that has been made uniform with respect to the light intensity passes through the
本明細書において「非単結晶半導体膜」とは、非晶質半導体(例えば非晶質シリコン膜)、多結晶半導体(例えばポリシリコン膜)およびこれらの混合組織など結晶化の対象となる薄膜をいう。 In this specification, “non-single-crystal semiconductor film” refers to a thin film to be crystallized, such as an amorphous semiconductor (eg, an amorphous silicon film), a polycrystalline semiconductor (eg, a polysilicon film), and a mixed structure thereof. Say.
本明細書において「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。 In this specification, “crystallization” refers to crystal growth starting from a crystal nucleus in the process of melting and solidifying a film to be crystallized.
本明細書において「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。 In this specification, “lateral growth” means that the growth of crystal grains proceeds laterally along the film surface in the process of melting and solidifying the film to be crystallized.
本明細書において「レーザフルエンス」とは、レーザ光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギ量を時間積分したものをいい、具体的には光源または照射領域(照射野)において計測されるレーザ光の平均光強度のことをいう。 In this specification, “laser fluence” is a scale representing the energy density of laser light, which is obtained by integrating the amount of energy per unit area over time, and specifically measured in a light source or an irradiation region (irradiation field). This means the average light intensity of the laser beam.
本明細書において「照射レーザフルエンス」とは、位相シフタで変調される前のホモジナイズレーザ光のレーザフルエンスをいうものとする。 In this specification, “irradiation laser fluence” refers to the laser fluence of the homogenized laser light before being modulated by the phase shifter.
本明細書において「位相シフタ」とは、位相変調光学系の一例であり、レーザ光の位相を変調するための空間強度変調光学素子のことをいい、フォトリソグラフィプロセスの露光工程で使用される位相シフトマスクとは区別されるものである。位相シフタは、例えば透明体としての石英基材に段差が形成されたものである。位相シフタの段差は、入射光を所定の位相角、例えば180°に位相変調するサイズに、エッチング等のプロセスにより形成される。 In this specification, the “phase shifter” is an example of a phase modulation optical system, refers to a spatial intensity modulation optical element for modulating the phase of laser light, and is used in an exposure process of a photolithography process. It is distinguished from a shift mask. The phase shifter is, for example, a step formed on a quartz substrate as a transparent body. The step of the phase shifter is formed by a process such as etching so that incident light is phase-modulated to a predetermined phase angle, for example, 180 °.
以上説明したように本発明によれば、膜全体にわたり大粒径の結晶粒を並べて形成することができるので、動作が速く、かつ、しきい電圧のばらつきが少ないTFTを製造することが可能となる。
また、本発明によれば、低温処理することができるので、基板として従来よりも薄肉のガラス板やプラスチック板を採用することが可能となる。
As described above, according to the present invention, since large crystal grains can be formed side by side over the entire film, it is possible to manufacture a TFT that operates fast and has little threshold voltage variation. Become.
Further, according to the present invention, since it can be processed at a low temperature, it is possible to employ a thinner glass plate or plastic plate than the conventional one as the substrate.
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図2に示すように、結晶化装置10は、KrFエキシマレーザ装置1から発振されたパルスレーザ光50を光学系2a,2b,3,4を介して載置台6上の被処理基板5に照射するものである。KrFエキシマレーザ装置1の電源回路はコントローラ8の出力部に接続され、レーザ光50の発振タイミング、パルス間隔、出力の大きさなどが制御されるようになっている。載置台6はヒータ101を内蔵している。ヒータ101の電源102はコントローラ8の出力部に接続され、ヒータ101への給電量が制御されるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
本装置の光学系2a,2b,3,4は、例えば凹レンズ2a、凸レンズ2b、ホモジナイザ3、位相シフタ4などが同一光軸上に配置されたものである。
The
ホモジナイザ3は、照射領域におけるパルスレーザ光50を平準化する機能を備えている。すなわち、ホモジナイザ3を通過したパルスレーザ光50は光強度がホモジナイズ(均一化)される。ホモジナイザ3は、パルスレーザ光50を光強度に関してホモジナイズ(均一化)するための光学系である。
The
さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光50は、位相シフタ4により位相変調されるようになっている。位相シフタ4は、透明体からなり、平行に並ぶ複数の直線状の段差4aを有し、段差4aにおいてパルスレーザ光50に位相差を生じさせる。この位相差によりパルスレーザ光50に位相変調が生じ、その結果、図1(b)に示すように単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布BPが照射部に形成される。なお、本実施形態では位相シフタ4の段差4a−4aの間隔Wを20μmとした。
Further, the homogenized
基板5の上面には光吸収層としてのSiON膜54が設けられている。このSiON膜54から位相シフタ4までの相互間距離は、例えば500μm以下間隔に設定されている。
A
載置台6は、XYZθステージ7の上に搭載され、水平面内でX軸,Y軸方向にそれぞれ可動で、かつ水平面に直交するZ軸方向に可動であるとともに、Z軸まわりにθ回転可能である。XYZθステージ7の電源回路はコントローラ8の出力部に接続され、X軸駆動機構、Y軸駆動機構、Z軸駆動機構、θ回転駆動機構がそれぞれ制御されるようになっている。なお、上記実施例は基板5に近接して位相シフタ4が配置されるプロキシミティ法について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなくプロジェクション法(投影法)にも適用することができる。
The mounting table 6 is mounted on an
次に、この結晶化装置10による結晶化方法を説明する。パルスレーザ光源1からパルス幅例えば30nsec、照射レーザフルエンス例えば1J/cm2のパルスレーザ光50を出射する。このパルスレーザ光50は、凹レンズ2a、凸レンズ2bにより発散収束してホモジナイザ3に入射させる。ホモジナイザ3は、入射したパルスレーザ光50の光強度をホモジナイズ(均一化)する。
Next, a crystallization method by the
ホモジナイザ3は、均一化されたパルスレーザ光50を位相シフタ4に入射させ、位相シフタ4は、逆ピークパターンの光強度分布を有するパルスレーザ光50を出射する。逆ピークパターンの光強度分布を有するパルスレーザ光50の一部は、非単結晶半導体膜のパルスレーザ光入射面上に設けられた光吸収膜54に吸収される。残部のほとんどは、非単結晶半導体膜52に入射し、その照射部のみを溶融させる。非単結晶半導体膜52は、直ちに厚さ方向に溶融し、フルエンスが最小となる逆ピーク点を起点として凝固(結晶化)が開始し、ラテラル方向(膜52の厚みに直交する方向)に結晶粒が成長する。この結晶粒のラテラル成長は光吸収膜54の蓄熱効果により促進されるので、最終凝固後の結晶粒のサイズが大きくなり、照射部において広範囲の単結晶化が実現される。
The
このような結晶化工程は、非単結晶半導体膜52の予め定められた全面にわたって行われる。全面にわたって結晶化工程を行う手段は、パルスレーザ光源1による照射位置に対してステージ7を相対的に移動させて行うことができる。
Such a crystallization step is performed over a predetermined entire surface of the non-single-
次に、図3を参照して光学系について具体的に説明する。
本発明装置の光学系2,3は、パルスレーザ光源として例えば248nm波長のエキシマパルスレーザ光を出射するKrFエキシマレーザ光源1を備えている。なお、光源1として、XeClエキシマレーザ光源やYAGレーザ光源のような他の光源を用いることもできる。光源1から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダからなる光学系2a、2bを介して拡大された後に、第1のフライアレンズ33に入射する。
Next, the optical system will be specifically described with reference to FIG.
The
第1のフライアイレンズ33の後側焦点面には、複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第1のコンデンサ光学系34を介して第2のフライアイレンズ35の入射面を重畳的に照明する。その結果、第2のフライアレンズ35の後側焦点面には、第1のフライアイレンズ33の後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第2のフライアイレンズ35の後側焦点面に形成された光源からの光束は、第2のコンデンサ光学系36を介して位相変調素子4(位相シフタ)を重畳的に照明する。
A plurality of light sources are formed on the rear focal plane of the first fly-
ここで、第1のフライアイレンズ33および第1のコンデンサ光学系34は第1のホモジナイザを構成し、また、第2のフライアイレンズ35および第2のコンデンサ光学系36は第2のホモジナイザを構成する。この2つのホモジナイザにより位相シフタ4上での面内各位置での光強度(レーザフルエンス)に関する均一化が図られる。このようにして照明系は、実質的に均一な光強度分布(光強度分布)を有する光を位相シフタ4に照射する。
Here, the first fly-
上述の装置を用いてホモジナイズされたパルスレーザ光を位相変調した光を基板に照射して非晶質半導体膜を結晶化した。被処理基板5は、絶縁体または半導体からなる基体例えばシリコン基板48の上に下地保護膜51、非単結晶半導体膜例えば非晶質半導体膜52、第1のキャップ絶縁膜53、第2のキャップ絶縁膜54を順次積層してなる構造体である。下地保護膜51は、シリコン基板48からの不純物の滲透を防止し、非晶質シリコンの結晶化過程で発生する熱を蓄熱する効果を有する材料であり、例えば膜厚1000nmの絶縁性SiO2からなる。非晶質半導体膜52は、結晶化の対象となる膜であり、膜厚50nm〜200nmの非晶質シリコンからなる。第1のキャップ絶縁膜53は、膜厚30nmの絶縁性SiO2からなる。第2のキャップ絶縁膜54は、レーザ光50の一部を吸収して発熱する光吸収膜であり、膜厚500nmのSiON膜からなる。
The amorphous semiconductor film was crystallized by irradiating the substrate with light obtained by phase-modulating the homogenized pulse laser beam using the above-described apparatus. The
このような二重キャップ絶縁膜53,54を有する被処理基板を製造する方法についてさらに具体的に説明する。
A method for manufacturing the substrate to be processed having the double
図4の(b)に示すように、被処理基板5は例えばガラス基板等からなる絶縁基板の上にさらに下地保護膜51としての絶縁層を形成したものである。絶縁基板には、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板の他に、表面に絶縁被膜が形成された金属基板、シリコン基板、或いはセラミック基板などを適用することが可能である。ガラス基板は、例えばコーニング社の#1737基板に代表されるような、低アルカリガラス基板を用いることが望ましい。
As shown in FIG. 4B, the
下地保護膜51の上に非晶質シリコン膜52(例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚200nmの非晶質Si膜)を成膜する。
An amorphous silicon film 52 (for example, an amorphous Si film having a thickness of 200 nm formed by plasma chemical vapor deposition) is formed on the base
その上にキャップ層53としてSiO2膜(例えばSiH4とN2Oのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚30nmのSiO2膜)を形成し、さらにその上に光吸収層54としてSiON膜(例えば、NH3とSiH4とN2Oのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚500nmのSiON膜)を形成した。次いで、基板上に形成した薄膜51〜54の脱水素処理を行なった(例えば窒素雰囲気で570℃×2時間の加熱処理)。
A SiO 2 film (for example, a 30 nm-thick SiO 2 film formed by a plasma chemical vapor deposition method of SiH 4 and N 2 O) is formed thereon as a
このような二重キャップ絶縁膜53,54を有する基板に対して、図2および図3に示す結晶化装置10を用いてホモジナイズされたパルスレーザ光50を位相変調して照射し、非晶質シリコン膜を結晶化させ、ラテラル成長させた。
A substrate having such double
XYZθステージ7により載置台6をX軸,Y軸,Z軸およびθ回転軸の各方向に移動させ、光軸に対して被処理基板5を高精度に位置合せした。
The mounting table 6 was moved in the X axis, Y axis, Z axis, and θ rotation axis directions by the
基板の加熱後に、光源1から照射レーザフルエンスを620mJ/cm2に制御してパルスレーザ光50を出射した。パルスレーザ光50は、ビームエキスパンダ2で拡大され、ホモジナイザ3において光強度に関してホモジナイズし、さらに段差4aをもつ位相シフタ4において位相変調した後に、被処理基板5上のSiONキャップ膜54に入射した。これにより非晶質シリコン膜52はラテラル方向に結晶成長し、その結果、図5に示すように平均結晶粒径が8μm程度の大サイズの結晶粒を得た。
After heating the substrate, the
図5は本発明方法により結晶化させたSi薄膜のSEM像である。SEM像の観察から明らかなように、レーザ光軸(写真中央)から片側8〜9μmの範囲にラテラル成長して大粒径化したSi結晶が生成されていることを確認できた。また、ラテラル成長したSi結晶は、中央付近の結晶核を起点として横方向に非常に良く伸び出しており、かつち密に並んでいることを確認できた。 FIG. 5 is an SEM image of a Si thin film crystallized by the method of the present invention. As is apparent from the observation of the SEM image, it was confirmed that a Si crystal having a large particle size was formed by lateral growth in the range of 8 to 9 μm on one side from the laser optical axis (the center of the photograph). Further, it was confirmed that the laterally grown Si crystals extended very well in the lateral direction starting from the crystal nucleus in the vicinity of the center, and were aligned closely.
パルスレーザ光を1ショット照射後に、基板を所定ピッチ距離だけ平行移動させ、次のショットのパルスレーザ光を基板に照射してラテラル成長により大粒径化したSi結晶を得た。同様の操作を繰り返すことにより、非晶質シリコン膜の素子形成領域を次々に結晶化した。 After irradiating the pulse laser beam for one shot, the substrate was translated by a predetermined pitch distance, and the substrate was irradiated with the pulse laser beam of the next shot to obtain a Si crystal having a large particle size by lateral growth. By repeating the same operation, the element formation region of the amorphous silicon film was crystallized one after another.
図6は、横軸に基板温度(℃)をとり、縦軸にラテラル成長距離(μm)をとって、各種サンプルについて基板温度を様々に変えてキャップ膜の効果およびラテラル成長距離の基板温度依存性を調べた結果を示す特性線図である。図中にて特性線Aは図4の(a)に示したSiON/SiO2二重キャップ膜をもつ実施例サンプルの結果を、特性線Bは膜厚300nmのSiO2キャップ膜をもつ比較例サンプルの結果をそれぞれ示す。なお、実施例サンプルと比較例サンプルとはキャップ膜を除いて他の構成および結晶化条件を同じにした。また、ラテラル成長距離は平均値を求めた。 In FIG. 6, the horizontal axis represents the substrate temperature (° C.), the vertical axis represents the lateral growth distance (μm), and the substrate temperature was varied for various samples, and the effect of the cap film and the lateral growth distance depended on the substrate temperature. It is a characteristic diagram which shows the result of having investigated property. In the figure, the characteristic line A is the result of the example sample having the SiON / SiO 2 double cap film shown in FIG. 4A, and the characteristic line B is the comparative example having the SiO 2 cap film having a film thickness of 300 nm. Sample results are shown respectively. The example sample and the comparative example sample had the same configuration and crystallization conditions except for the cap film. Moreover, the lateral growth distance calculated | required the average value.
図から明らかなように、実施例サンプルでは基板温度を室温(15℃〜28℃)にした場合であっても最長で4μm程度のラテラル成長距離が得られた。基板温度を上昇させるに従ってラテラル成長距離は長くなり、基板温度を300℃とした場合のラテラル成長距離は8μm近くまで伸び、基板温度を500℃とした場合のラテラル成長距離は8μmを超えた。これに対して比較例サンプルのラテラル成長距離は、基板温度が室温で1μm、300℃で1μm強、500℃も3μm弱であった。 As is apparent from the figure, in the example samples, a lateral growth distance of about 4 μm at the longest was obtained even when the substrate temperature was room temperature (15 ° C. to 28 ° C.). As the substrate temperature was raised, the lateral growth distance became longer, the lateral growth distance when the substrate temperature was 300 ° C. increased to nearly 8 μm, and the lateral growth distance when the substrate temperature was 500 ° C. exceeded 8 μm. On the other hand, the lateral growth distance of the comparative sample was 1 μm at room temperature, slightly over 1 μm at 300 ° C., and less than 3 μm at 500 ° C.
以上のことから本発明方法を用いて、高充填率で大結晶粒(平均結晶粒径4〜8ミクロン)をラテラル成長させることが可能であることを確認した。 From the above, it was confirmed that it was possible to laterally grow large crystal grains (average crystal grain size of 4 to 8 microns) with a high filling rate by using the method of the present invention.
次に、図4の(b)を参照して本発明の薄膜トランジスタ(TFT)の構成およびその製造方法について説明する。上述の結晶化方法により大粒径化した半導体膜をもつ基板を利用して薄膜トランジスタを作製した。 Next, the configuration of the thin film transistor (TFT) of the present invention and the manufacturing method thereof will be described with reference to FIG. A thin film transistor was manufactured using a substrate having a semiconductor film having a large particle size by the crystallization method described above.
絶縁体叉は半導体からなる基体には、ガラス基板49、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板の他に、表面に絶縁被膜が形成された金属基板、シリコン基板、或いはセラミック基板などを適用することが可能である。ガラス基板49は、例えばコーニング社の#1737基板に代表されるような、低アルカリガラス基板を用いることが望ましい。下地保護膜51は酸化シリコン(SiO2)または窒化シリコンを主成分として含む絶縁膜、例えば膜厚300nmの酸化シリコン膜であり、さらに、ガラス基板49に密接して形成されていると好ましい。上記下地保護膜51は、基体例えばガラス基板49から上記非単結晶半導体膜に不純物が拡散しないように阻止する作用をする膜である。
In addition to an insulating substrate such as a
下地保護膜51の上に非晶質半導体膜又は非単結晶半導体例えば非晶質シリコン膜52(例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚200nmの非晶質Si膜)を成膜する
An amorphous semiconductor film or a non-single crystal semiconductor such as an amorphous silicon film 52 (for example, an amorphous Si film having a thickness of 200 nm formed by plasma chemical vapor deposition) is formed on the base
非晶質シリコン膜52上にキャップ膜53,54を形成後、脱水素処理を行い、被処理基板40を形成する。この被処理基板40は、図3に示された光学系によってホモジナイズされたパルスレーザ光を位相シフタ4に入射させ位相変調したレーザ光50により結晶化工程が行われる。
After the
結晶化処理後に、その結晶化した半導体膜の上からキャップ絶縁膜53,54をエッチングにより除去する。次に、非晶質シリコン膜52の結晶化された領域に位置合わせして半導体回路例えば図4(b)に示す薄膜トランジスタを次のようにして製造する。まず活性領域の形状を規定するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングし、平面視野内でチャネル領域52a、ソース領域52bおよびドレイン領域52cのそれぞれに略対応する所定パターンのSiアイランドを形成した。このとき、チャネル領域52aは、キャップ絶縁膜53,54を介して非単結晶半導体膜52にホモジナイズされたパルスレーザ光50を位相変調した光を到達させることにより、非単結晶半導体膜52をラテラル方向に結晶成長させた領域である。
After the crystallization process, the
次に、チャネル領域52a、ソース領域52bおよびドレイン領域52c上にゲート絶縁膜59を形成する。ゲート絶縁膜59は、酸化シリコン(SiO2)あるいは酸窒化シリコン(SiON)を主成分とする材料で、厚さ10〜200nmである。例えば、プラズマCVD法で、SiH4とN2Oを原料とした酸化シリコン膜を50nmの厚さで形成してゲート絶縁膜59とした。
Next, a
次に、ゲート絶縁層59上にゲート電極55を形成するための導電層を形成した。導電層は、Ta、Ti、W、Mo、Al等の元素を主成分とする材料を用い、スパッタ法や真空蒸着法などの公知の成膜法を用いて形成した。例えばAl−Ti合金とした。フォトリソグラフィを用いてゲート電極用金属層をパターニングし、所定パターンのゲート電極55を形成した。
Next, a conductive layer for forming the
次に、ゲート電極55をマスクとして不純物を注入することによりソース領域52bおよびドレイン領域52cを形成した。例えば、pチャネル型TFTを形成する場合、イオン注入法を用いて例えばボロンイオン等のp型不純物の注入を行う。この領域のボロン濃度は、例えば1.5×1020〜3×1021となるようにした。このようにしてpチャネル型TFTのソース領域およびドレイン領域を構成する高濃度p型不純物領域を形成する。このとき、n型不純物の注入を行えばnチャネル型TFTが形成されることはいうまでもない。
Next, the
次いで、イオン注入法により注入した不純物元素を活性化するために熱処理工程を行う。この工程は、ファーネスアニール法、レーザアニール法、ラピッドサーマルアニール法などの方法で行うことができる。本実施の形態では、ファーネスアニール法で活性化工程を行った。加熱処理は、窒素雰囲気中において300〜650℃の温度域で行うことが望ましく、本実施例では500℃で4時間の熱処理を行った。 Next, a heat treatment step is performed to activate the impurity element implanted by the ion implantation method. This step can be performed by methods such as furnace annealing, laser annealing, and rapid thermal annealing. In the present embodiment, the activation process is performed by furnace annealing. The heat treatment is desirably performed in a temperature range of 300 to 650 ° C. in a nitrogen atmosphere. In this example, heat treatment was performed at 500 ° C. for 4 hours.
次に、ゲート電極55およびゲート絶縁膜59の上に層間絶縁膜56を形成した。層間絶縁膜56は窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜またはそれらを組み合わせた積層膜で形成すれば良い。また、膜厚は200〜600nmとすれば良く、本実施例では400nmとした。
Next, an
次に、層間絶縁膜56における予め定められた所定の位置にコンタクトホールを開口する。そして、コンタクトホールの内部および層間絶縁層56の表面上に導電層を形成し、所定の形状にパターニングする。本実施例ではこのソース・ドレイン電極57,58を、Ti膜を100nm、Tiを含むアルミニウム膜300nm、Ti膜150nmをスパッタ法で連続して形成した3層構造の積層膜とした。
Next, a contact hole is opened at a predetermined position in the
このようにして図4の(b)に示す薄膜トランジスタを得た。 Thus, the thin film transistor shown in FIG. 4B was obtained.
以下、上述の実施形態で得られるような薄膜トランジスタを実際にアクティブマトリクス型液晶表示装置に適用した例について説明する。 Hereinafter, an example in which the thin film transistor obtained in the above-described embodiment is actually applied to an active matrix liquid crystal display device will be described.
図7は薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型表示装置の一例を示す図である。表示装置70は一対の絶縁基板71,72と両者の間に保持された電気光学物質73とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質73としては液晶材料が広く用いられている。下側の絶縁基板71には画素アレイ部74と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路75と水平駆動回路76とに分かれている。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an active matrix display device using thin film transistors. The
また、絶縁基板71の周辺部上端には外部接続用の端子部77が形成されている。端子部77は配線78を介して垂直駆動回路75及び水平駆動回路76に接続している。画素アレイ部74には行状のゲート配線79と列状の信号配線80が形成されている。両配線の交差部には画素電極81とこれを駆動する薄膜トランジスタ82が形成されている。薄膜トランジスタ82のゲート電極は対応するゲート配線79に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極81に接続され、ソース領域は対応する信号配線80に接続されている。ゲート配線79は垂直駆動回路75に接続する一方、信号配線80は水平駆動回路76に接続している。
Further, a terminal portion 77 for external connection is formed at the upper end of the peripheral portion of the insulating
画素電極81をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ82及び垂直駆動回路75と水平駆動回路76に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能な処理回路を集積形成することも可能である。
The
以上説明したように上記実施形態によれば、光強度が単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布となるように変調されたパルスレーザ光を非単結晶半導体膜に照射するので、高次の振動成分が低減され、その振動成分に起因する小粒径結晶の出現が有効に抑制されるとともに、さらに光吸収発熱性の膜の方からパルスレーザ光を入射して、光吸収発熱性の膜の疑似基板加熱効果により結晶化対象である半導体膜を昇温するので、結晶粒のラテラル成長が大幅に促進され、その結果、ラテラル成長距離が長くなり、大粒径の結晶粒をち密に形成することができる。 As described above, according to the above embodiment, the non-single-crystal semiconductor film is irradiated with the pulsed laser light that is modulated so that the light intensity has a repeated pattern of light intensity distribution that repeats monotonous increase and monotonous decrease. The next vibration component is reduced, and the appearance of small grain crystals due to the vibration component is effectively suppressed, and further, the pulsed laser light is incident from the light-absorbing heat-generating film, and the light-absorbing heat-generating property. As the temperature of the semiconductor film to be crystallized is raised due to the effect of the pseudo substrate heating of the film, lateral growth of the crystal grains is greatly promoted, and as a result, the lateral growth distance becomes longer, and the large-grain crystal grains are densely packed. Can be formed.
また、結晶化工程において低温、例えば室温およびその近傍の温度域(例えば5℃〜50℃)のような低温であっても大粒径の結晶化を行なうことができる。さらに、レーザ光エネルギを低フルエンス化することができる。 Further, in a crystallization step, crystallization with a large particle size can be performed even at a low temperature such as room temperature and a temperature range in the vicinity thereof (for example, 5 ° C. to 50 ° C.). Furthermore, the laser light energy can be reduced to a low fluence.
1…エキシマレーザ装置、 2a,2b…光学レンズ、
3…ホモジナイザ(照明系)、 33,35…フライアイレンズ、
34,36…コンデンサ光学系、 4…位相シフタ(空間強度変調光学素子)、
48…シリコン基板、 49…ガラス基板、
5…被処理基板、 50…レーザ光、 51…下地保護膜、
52…非晶質シリコン膜(非単結晶半導体膜)、 52a…チャネル領域、
52b…ソース領域、 52c…ドレイン領域、
53…キャップ層(SiO2膜、第1のキャップ絶縁膜)、
54…光吸収層(SiON膜、第2のキャップ絶縁膜)、
55…ゲート電極、 56…層間絶縁膜、
57…ソース電極、 58…ドレイン電極、 59…ゲート絶縁膜、
6…載置台、 7…X,Y,Z,θステージ、
10…結晶化装置。
DESCRIPTION OF
3 ... Homogenizer (illumination system) 33, 35 ... Fly eye lens,
34, 36 ... condenser optical system, 4 ... phase shifter (spatial intensity modulation optical element),
48 ... Silicon substrate, 49 ... Glass substrate,
5 ... Substrate to be processed, 50 ... Laser light, 51 ... Base protective film,
52 ... Amorphous silicon film (non-single crystal semiconductor film) 52a ... Channel region,
52b ... source region, 52c ... drain region,
53... Cap layer (SiO 2 film, first cap insulating film),
54 ... Light absorption layer (SiON film, second cap insulating film),
55 ... Gate electrode, 56 ... Interlayer insulating film,
57 ... Source electrode, 58 ... Drain electrode, 59 ... Gate insulating film,
6 ... mounting table, 7 ... X, Y, Z, θ stage,
10: Crystallizer.
Claims (8)
前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜とを設け、
前記レーザ光は、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であることを特徴とする結晶化方法。 A crystallization method for crystallizing a non-single crystal semiconductor film by irradiating a laser beam,
At least a silicon oxide film and a silicon oxynitride film are provided on the laser light incident surface of the non-single-crystal semiconductor film,
The crystallization method, wherein the laser beam is a laser beam having a light intensity distribution having a plurality of cross-section inverted triangular peak patterns.
レーザ光源と、
非単結晶半導体膜を有する基板が載置される載置台と、
この載置台と前記レーザ光源との間に設けられ、光強度に関して前記レーザ光を均一化するホモジナイザと、
このホモジナイザと前記載置台との間に設けられ、前記ホモジナイザで均一化されたレーザ光を位相変調する位相シフタと、
を具備することを特徴とする結晶化装置。 A crystallization apparatus for crystallizing a non-single crystal semiconductor film by irradiating a laser beam,
A laser light source;
A mounting table on which a substrate having a non-single crystal semiconductor film is mounted;
A homogenizer provided between the mounting table and the laser light source, for homogenizing the laser light with respect to light intensity;
A phase shifter that is provided between the homogenizer and the mounting table and that modulates the phase of the laser beam that has been uniformized by the homogenizer;
A crystallization apparatus comprising:
絶縁性の基板と、
前記基板上に形成された非単結晶半導体膜の上にキャップ層としてSiO2膜を形成し、さらに前記SiO2膜の上に光吸収層としてSiON膜を形成し、ホモジナイズしたパルスレーザ光を前記SiON膜のほうから入射して、該ホモジナイズしたパルスレーザ光の吸収により前記SiON膜を発熱させるとともに、前記SiON膜および前記SiO2膜を介して前記非単結晶半導体膜に前記ホモジナイズしたパルスレーザ光を到達させ、前記非単結晶半導体膜を横方向に結晶化させることにより形成された大粒径の結晶粒内に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域を挟むように設けられ、所定の不純物がドープされたソース領域およびドレイン領域と、
前記チャネル領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の側から前記ソース領域に導通するソース電極と、
前記層間絶縁膜の側から前記ドレイン領域に導通するドレイン電極と、
を具備することを特徴とする薄膜トランジスタ。 A pixel of a display device and a thin film transistor for driving the pixel,
An insulating substrate;
A SiO 2 film is formed as a cap layer on the non-single-crystal semiconductor film formed on the substrate, and a SiON film is further formed as a light absorption layer on the SiO 2 film. Incident light from the SiON film causes the SiON film to generate heat by absorption of the homogenized pulse laser light, and the homogenized pulse laser light to the non-single-crystal semiconductor film via the SiON film and the SiO 2 film. A channel region formed in a crystal grain having a large grain size formed by laterally crystallizing the non-single crystal semiconductor film,
A source region and a drain region which are provided so as to sandwich the channel region and are doped with a predetermined impurity;
A gate insulating film formed on the channel region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
An interlayer insulating film covering the gate electrode;
A source electrode conducting from the interlayer insulating film side to the source region;
A drain electrode conducting from the interlayer insulating film side to the drain region;
A thin film transistor comprising:
前記薄膜トランジスタは、
絶縁性の基板と、
前記基板上に形成された非単結晶半導体膜の上にキャップ層としてSiO2膜を形成し、さらに前記SiO2膜の上に光吸収層としてSiON膜を形成し、ホモジナイズしたパルスレーザ光を前記SiON膜のほうから入射して、該ホモジナイズしたパルスレーザ光の吸収により前記SiON膜を発熱させるとともに、前記SiON膜および前記SiO2膜を介して前記非単結晶半導体膜に前記ホモジナイズしたパルスレーザ光を到達させ、前記非単結晶半導体膜を横方向に結晶化させることにより形成された大粒径の結晶粒内に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域を挟むように設けられ、所定の不純物がドープされたソース領域およびドレイン領域と、
前記チャネル領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の側から前記ソース領域に導通するソース電極と、
前記層間絶縁膜の側から前記ドレイン領域に導通するドレイン電極と、
を具備することを特徴とする表示装置。 A pair of substrates bonded to each other through a predetermined gap and an electro-optic material held in the gap, a counter electrode is formed on one substrate, and a pixel and this are driven on the other substrate A display device formed of a thin film transistor,
The thin film transistor
An insulating substrate;
A SiO 2 film is formed as a cap layer on the non-single-crystal semiconductor film formed on the substrate, and a SiON film is further formed as a light absorption layer on the SiO 2 film. Incident light from the SiON film causes the SiON film to generate heat by absorption of the homogenized pulse laser light, and the homogenized pulse laser light to the non-single-crystal semiconductor film via the SiON film and the SiO 2 film. A channel region formed in a crystal grain having a large grain size formed by laterally crystallizing the non-single crystal semiconductor film,
A source region and a drain region which are provided so as to sandwich the channel region and are doped with a predetermined impurity;
A gate insulating film formed on the channel region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
An interlayer insulating film covering the gate electrode;
A source electrode conducting from the interlayer insulating film side to the source region;
A drain electrode conducting from the interlayer insulating film side to the drain region;
A display device comprising:
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