JP2005228808A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
Method for manufacturing semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005228808A JP2005228808A JP2004033724A JP2004033724A JP2005228808A JP 2005228808 A JP2005228808 A JP 2005228808A JP 2004033724 A JP2004033724 A JP 2004033724A JP 2004033724 A JP2004033724 A JP 2004033724A JP 2005228808 A JP2005228808 A JP 2005228808A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- semiconductor film
- laser beam
- laser light
- region
- 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- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
Description
本発明は、レーザ光を用いて非晶質半導体膜を結晶化した半導体デバイスの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which an amorphous semiconductor film is crystallized using laser light.
一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコンを用いる方法があるが、この製造方法の他にもガラス基板上にシリコン薄膜を形成したシリコン薄膜を用いる製造方法がある。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いることによって製造された半導体デバイスは、イメージセンサやアクティブマトリクス液晶表示装置の一部として用いられる。 In general, there is a method using single crystal silicon as a method for manufacturing a semiconductor device, but there is a manufacturing method using a silicon thin film in which a silicon thin film is formed on a glass substrate. A semiconductor device manufactured by using a silicon thin film formed on a glass substrate is used as a part of an image sensor or an active matrix liquid crystal display device.
アクティブマトリクス液晶表示装置において、半導体デバイスは、透明な基板上に規則的なアレイとして配列されるTFT(Thin Film Transisitor;薄膜トランジスタ)として用いられる。そして、アクティブマトリクス液晶表示装置における各TFTは、それぞれ画素コントローラとして作用する。 In an active matrix liquid crystal display device, semiconductor devices are used as TFTs (Thin Film Transistors) arranged as a regular array on a transparent substrate. Each TFT in the active matrix liquid crystal display device functions as a pixel controller.
従来、アクティブマトリクス液晶表示装置におけるTFTは、ガラス基板上に非晶質シリコン膜を形成することによって製造されていた。ところが、近年、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに、電子の移動度の高い多結晶シリコン膜を用いて、TFTのスイッチング特性を増強し、表示速度を高速化したTFT液晶表示装置が製造されるようになってきている。ここで、多結晶シリコン膜を製造する方法として、たとえば、ガラス基板上に堆積している非晶質シリコン膜または微結晶シリコン膜にエキシマレーザ光を照射して多結晶シリコン膜を形成する方法(ELC法)がある。 Conventionally, a TFT in an active matrix liquid crystal display device has been manufactured by forming an amorphous silicon film on a glass substrate. However, in recent years, a TFT liquid crystal display that uses a polycrystalline silicon film with high electron mobility instead of an amorphous silicon film with low electron mobility to enhance the switching characteristics of the TFT and increase the display speed. Devices are being manufactured. Here, as a method of manufacturing a polycrystalline silicon film, for example, a method of forming a polycrystalline silicon film by irradiating an amorphous silicon film or a microcrystalline silicon film deposited on a glass substrate with excimer laser light ( ELC method).
ELC法は、ガラス基板上に堆積されている非晶質または微結晶のシリコン膜に対し、一定速度で走査しながら、長さ200〜400mm、幅0.2〜1.0mm程度の線状のレーザ光を連続的に照射する方法である。このときレーザ光が照射された部分は、膜の厚さ方向全域に亘って溶融するのではなく、一部の領域を残したまま溶融する。このため、シリコン膜の未溶融領域と溶融領域との界面全面の至るところに結晶核が発生し、シリコン膜の最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されるため、多結晶シリコン膜の結晶粒径は100〜200nmと非常に小さくなる。 The ELC method uses a linear film having a length of about 200 to 400 mm and a width of about 0.2 to 1.0 mm while scanning an amorphous or microcrystalline silicon film deposited on a glass substrate at a constant speed. In this method, laser light is continuously irradiated. At this time, the portion irradiated with the laser light does not melt over the entire thickness direction of the film, but melts while leaving a partial region. For this reason, crystal nuclei are generated all over the interface between the unmelted region and the molten region of the silicon film, and the crystal grows toward the outermost layer of the silicon film, thereby forming crystal grains with random orientation. The crystal grain size of the polycrystalline silicon film is as very small as 100 to 200 nm.
多結晶シリコン膜の結晶粒界には不対電子が多数存在し、ポテンシャル障壁が形成されるため、多結晶シリコン膜の結晶粒界においては電子がよく散乱される。したがって、結晶粒界が少ない、つまり結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成されたTFTほど、一般に電界効果による電子の移動度が高くなる。 Since many unpaired electrons exist in the crystal grain boundary of the polycrystalline silicon film and a potential barrier is formed, electrons are often scattered in the crystal grain boundary of the polycrystalline silicon film. Therefore, in general, a TFT formed of a polycrystalline silicon film with fewer crystal grain boundaries, that is, a larger crystal grain size, has higher electron mobility due to the electric field effect.
しかしながら、ELC法においては、未溶融領域と溶融領域との界面のランダムな位置で結晶化が起こる縦方向結晶成長となるので、大きな結晶粒径の多結晶シリコン膜を得ることが難しく、電界効果による電子の移動度の高いTFTを得ることが困難であった。また、ランダムに結晶化することに起因して、各TFT間の多結晶シリコン膜の構造に不均一性が生じるとともに、TFTアレイに、スイッチング特性の不均一性が生じてしまうという不具合が生じていた。また、このような不具合が生じると、TFT液晶表示装置において、1つの表示画面中に表示速度の速い画素と表示速度の遅い画素とが並存するという問題もあった。 However, in the ELC method, it is difficult to obtain a polycrystalline silicon film having a large crystal grain size because it causes longitudinal crystal growth in which crystallization occurs at random positions at the interface between the unmelted region and the molten region. It was difficult to obtain a TFT with high electron mobility. In addition, due to the random crystallization, non-uniformity occurs in the structure of the polycrystalline silicon film between the TFTs, and non-uniformity in switching characteristics occurs in the TFT array. It was. In addition, when such a problem occurs, there is a problem in the TFT liquid crystal display device that pixels having a high display speed and pixels having a low display speed coexist in one display screen.
さらに高性能なTFT液晶表示装置を得るためには、多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすることや、結晶の方位を制御することなどが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。その中でも特に、ラテラル成長法に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位が揃った長結晶が得られるため、注目を集めている。 In order to obtain a higher performance TFT liquid crystal display device, it is necessary to increase the crystal grain size of the polycrystalline silicon film and to control the crystal orientation. Therefore, many proposals have been made for the purpose of obtaining a polycrystalline silicon film having performance close to that of single crystal silicon. Among them, the laser crystallization technique classified as the lateral growth method is attracting attention because a long crystal having a uniform orientation in the crystal growth direction can be obtained.
ラテラル成長法の1つに、微細幅のパルスレーザ光を非晶質シリコン膜に照射し、照射された部分の非晶質シリコン膜をレーザ光の照射領域の厚さ方向全域に亘って溶融させ、その後に凝固させることを繰返して結晶化を行なう方法(SLS法)がある(たとえば、特許文献1参照)。この方法は、微細幅のパルスレーザ光を非晶質シリコン膜に照射し、非晶質シリコン膜をパルスレーザ光の照射領域の厚さ方向全域に亘って溶融させた後、凝固させることにより結晶化を行なうものである。 One of the lateral growth methods is to irradiate an amorphous silicon film with a pulsed laser beam having a small width and melt the irradiated portion of the amorphous silicon film over the entire thickness direction of the laser beam irradiation region. Then, there is a method (SLS method) in which crystallization is performed by repeating solidification thereafter (see, for example, Patent Document 1). This method irradiates an amorphous silicon film with a pulse laser beam having a fine width, melts the amorphous silicon film over the entire thickness direction of the irradiation region of the pulse laser beam, and then solidifies the crystal. It is what makes it.
図12に、パルスレーザ光が照射される従来の被処理体の模式的断面図を示す。被処理体50は、光透過性を有する透明基板52と下地膜54と非晶質シリコン膜53とから構成される。そして、図12に示すように、非晶質シリコン膜53の延設方向(図12のAB方向)に沿って結晶領域を形成するにあたり、非晶質シリコン膜53の領域Cに熱を誘導する。熱の誘導は、非晶質シリコン膜53の領域C以外の領域をマスキングした後、非晶質シリコン膜53にレーザ光58を照射することにより行なわれる。これにより、領域Cに照射されたレーザ光58のエネルギが熱エネルギに変換され、領域Cに熱を誘導することができるとともに非晶質シリコン膜53を膜の厚さに亘って溶融することができる。
FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of a conventional object to be processed irradiated with pulsed laser light. The object to be processed 50 includes a
次に、領域Cにおいて溶融している非晶質シリコン膜53を冷却することによって凝固させると、図13(A)の模式的上面図に示すように、領域Cとそれ以外の領域との境界から、領域Cの中心に向かうようにして、結晶が成長する。さらに、図13(B)に示すように、領域Cにおける結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Cと隣り合う新たな領域Dを設定し、領域Cと同様にして領域Dを溶融する。そして、領域Dにて溶融されている部分を凝固させると、図13(C)に示すように領域Dに結晶が成長する。このような手順を繰返し、非晶質シリコン膜53の延設方向に沿って段階的に結晶化させると、図13(D)に示すように、非晶質シリコン膜53の結晶成長領域を拡大することができる。これにより結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を形成することができる。
Next, when the
しかしながら、従来のラテラル成長法により結晶成長させる場合、十分な長さの結晶成長長さの結晶が得られる照射面積あたりのエネルギ量でレーザ光を照射すると、結晶質半導体膜の表面に、結晶質半導体膜の膜厚の1〜2倍程度の高さのリッジが発生する。このリッジは、結晶成長において、隣接する結晶粒が互いに衝突することにより形成されるものである。したがって、このような結晶質半導体膜を活性層に用いたTFTを作製する際に、結晶質半導体膜上にゲート絶縁膜を形成すると、結晶質半導体膜のリッジの上のゲート絶縁膜が薄くなることが推測される。このような局所的なゲート絶縁膜の薄膜化の結果、リッジの上のゲート絶縁膜に電界が集中するため、結晶質半導体膜のリッジには、リッジが形成されていない部分に比べて、低い電圧でリーク電流が流れることになる。このため、このような結晶質半導体膜を活性層に用いたTFTにおいては、ゲート絶縁膜の膜厚を厚くして、リーク電流を低減することが必要となる。しかしながら、ゲート絶縁膜の膜厚が増加するとともに、TFTのオン電流は減少する。したがって、結晶質半導体膜の表面のリッジには、TFTの性能低下を引き起こすという問題があった。 However, in the case of crystal growth by the conventional lateral growth method, if the laser light is irradiated with an energy amount per irradiation area that can obtain a crystal having a sufficiently long crystal growth length, the surface of the crystalline semiconductor film becomes crystalline. A ridge having a height of about 1 to 2 times the film thickness of the semiconductor film is generated. This ridge is formed when adjacent crystal grains collide with each other during crystal growth. Therefore, when forming a TFT using such a crystalline semiconductor film as an active layer, if a gate insulating film is formed on the crystalline semiconductor film, the gate insulating film on the ridge of the crystalline semiconductor film becomes thin. I guess that. As a result of such local thinning of the gate insulating film, the electric field concentrates on the gate insulating film on the ridge, so that the ridge of the crystalline semiconductor film is lower than the portion where the ridge is not formed. Leakage current flows with voltage. For this reason, in a TFT using such a crystalline semiconductor film as an active layer, it is necessary to increase the thickness of the gate insulating film to reduce the leakage current. However, as the thickness of the gate insulating film increases, the on-current of the TFT decreases. Therefore, the ridge on the surface of the crystalline semiconductor film has a problem that the performance of the TFT is lowered.
このような結晶質半導体膜の表面のリッジを低減させる方法として、非晶質半導体膜上にキャップ膜を形成した後にレーザ光を照射して結晶質半導体膜とする方法が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。 As a method for reducing the ridge on the surface of such a crystalline semiconductor film, a method of forming a crystalline semiconductor film by irradiating a laser beam after forming a cap film on the amorphous semiconductor film has been proposed (for example, , See Patent Document 2).
しかしながら、本発明者らが実験を行なったところ、この方法では結晶質半導体膜の表面のリッジは低減されるものの、このときに成長した結晶は多数の亜粒界を含み、これが電子散乱の原因となるため、高移動度のTFTを得ることができなかった。これは、キャップ膜が存在することにより、半導体基板の表面上方への結晶成長が抑制されるため、成長した結晶の内部に大きな内部応力が発生し、この内部応力が緩和された結果、結晶内部に多数の亜粒界が形成されたものと推測される。 However, when the present inventors conducted experiments, this method reduces the ridge on the surface of the crystalline semiconductor film, but the crystal grown at this time contains a large number of subgrain boundaries, which is the cause of electron scattering. Therefore, a high mobility TFT could not be obtained. This is because the growth of crystals above the surface of the semiconductor substrate is suppressed due to the presence of the cap film, so that a large internal stress is generated inside the grown crystal and the internal stress is relaxed. It is estimated that a large number of subgrain boundaries were formed.
このように、従来の半導体デバイスの製造方法においては、表面の平坦性および結晶性に優れた結晶質半導体膜を得ることができなかった。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、半導体基板上に形成された結晶質半導体膜の結晶性が優れ、かつ、結晶質半導体膜の表面が優れた平坦性を有している半導体デバイスの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is a flatness in which the crystalline semiconductor film formed on a semiconductor substrate has excellent crystallinity and the surface of the crystalline semiconductor film is excellent. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device having characteristics.
本発明は、半導体基板上に結晶質半導体膜を形成した半導体デバイスの製造方法であって、半導体基板上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程と、非晶質半導体膜に第1のレーザ光を照射することにより、非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させる第1のレーザ光照射工程と、非晶質半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜に変換する結晶化工程と、結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程と、結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第2のレーザ光を、キャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射する第2のレーザ光照射工程とを含む半導体デバイスの製造方法である。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device in which a crystalline semiconductor film is formed on a semiconductor substrate, the amorphous semiconductor film forming step of forming an amorphous semiconductor film on the semiconductor substrate, and the amorphous semiconductor film Irradiating the first laser beam to the first laser beam irradiation step for melting the amorphous semiconductor film over the thickness of the film, and crystallizing the amorphous semiconductor film to convert it into a crystalline semiconductor film A crystallization step, a cap film formation step of forming a cap film on the crystalline semiconductor film, and a second laser beam having no energy amount for melting the crystalline semiconductor film over the thickness of the film. And a second laser light irradiation step of irradiating the crystalline semiconductor film via the semiconductor device.
ここで、本発明の半導体デバイスの製造方法において、結晶化工程は、第1のレーザ光の照射領域を段階的に移動させて結晶化領域を拡大させることにより行なわれることが好ましい。 Here, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the crystallization step is preferably performed by moving the irradiation region of the first laser light stepwise to enlarge the crystallization region.
また、本発明の半導体デバイスの製造方法において、結晶化工程は、非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第3のレーザ光を非晶質半導体膜に照射した状態で行なわれることが好ましい。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, in the crystallization step, the amorphous semiconductor film is irradiated with a third laser beam having no energy amount for melting the amorphous semiconductor film over the thickness of the film. It is preferable to be performed in a state.
また、本発明の半導体デバイスの製造方法において、キャップ膜形成工程は、第2のレーザ光の照射領域のうち一部の領域における反射率をその他の領域における反射率よりも低くする工程であることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the cap film forming step is a step of making the reflectance in a part of the second laser light irradiation region lower than the reflectance in the other region. Is preferred.
本発明によれば、半導体基板上に形成された結晶質半導体膜の結晶性が優れ、かつ、結晶質半導体膜の表面が優れた平坦性を有している半導体デバイスの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device in which a crystalline semiconductor film formed on a semiconductor substrate has excellent crystallinity and the surface of the crystalline semiconductor film has excellent flatness. Can do.
したがって、本発明によれば、結晶性に優れた結晶質半導体膜を活性層に用いることにより、電子の移動度が高いTFTを製造することができる。 Therefore, according to the present invention, a TFT having high electron mobility can be manufactured by using a crystalline semiconductor film having excellent crystallinity for the active layer.
また、本発明によれば、表面が優れた平坦性を有している結晶質半導体膜を活性層に用いることにより、活性層上に形成するゲート絶縁膜を厚くする必要がないため、TFTの性能低下を防止することができる。 Further, according to the present invention, since a crystalline semiconductor film having excellent surface flatness is used for the active layer, it is not necessary to increase the thickness of the gate insulating film formed on the active layer. Performance degradation can be prevented.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present application, the same reference numerals denote the same or corresponding parts.
図1に、本発明の半導体デバイスの製造方法の好ましい一例のフローチャートを示す。ここで、本発明の半導体デバイスの製造方法は、半導体基板上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程S101と、非晶質半導体膜に第1のレーザ光を照射することにより非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させる第1のレーザ光照射工程S102と、非晶質半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜に変換する結晶化工程S103と、結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程S104と、結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第2のレーザ光をキャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射する第2のレーザ光照射工程S105とを含む。 FIG. 1 shows a flowchart of a preferred example of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. Here, in the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the amorphous semiconductor film forming step S101 for forming the amorphous semiconductor film on the semiconductor substrate, and the first laser beam is irradiated to the amorphous semiconductor film. A first laser light irradiation step S102 for melting the amorphous semiconductor film over the thickness of the film, a crystallization step S103 for crystallizing the amorphous semiconductor film into a crystalline semiconductor film, and a crystalline semiconductor Cap film forming step S104 for forming a cap film on the film, and irradiation of the crystalline semiconductor film through the cap film with a second laser beam having no energy amount for melting the crystalline semiconductor film over the thickness of the film Second laser light irradiation step S105.
本発明の半導体デバイスの製造方法においては、非晶質半導体膜上にキャップ膜を形成することなく非晶質半導体膜に第1のレーザ光を照射して結晶化することによって、キャップ膜による半導体基板の表面上方への結晶成長が抑制されず、結晶質半導体膜を構成する結晶粒内に内部応力が発生しにくくなるため、従来よりも結晶粒内に亜粒界が形成されない傾向にある。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the amorphous semiconductor film is crystallized by irradiating the first laser light without forming the cap film on the amorphous semiconductor film, so that the semiconductor by the cap film is formed. Since crystal growth above the surface of the substrate is not suppressed and internal stress is less likely to occur in the crystal grains constituting the crystalline semiconductor film, subgrain boundaries tend not to be formed in the crystal grains than in the prior art.
また、本発明の半導体デバイスの製造方法においては、結晶質半導体膜を形成した後に結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成し、結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第2のレーザ光をキャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射することによって、結晶質半導体膜の表面のリッジをなくし、結晶質半導体膜の表面を平坦化することもできる。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a cap film is formed on the crystalline semiconductor film after the crystalline semiconductor film is formed, and has an energy amount for melting the crystalline semiconductor film over the thickness of the film. By irradiating the crystalline semiconductor film with the second laser light that does not pass through the cap film, the ridge on the surface of the crystalline semiconductor film can be eliminated, and the surface of the crystalline semiconductor film can be planarized.
ここで、本発明において、「半導体デバイス」とは、半導体基板上に結晶質半導体膜が形成されている構造を含むデバイスのことであり、半導体基板と結晶質半導体膜以外の構造を有していてもよく、半導体基板と結晶質半導体膜との間に他の半導体膜を有していてもよい。また、「非晶質半導体膜」とは、非晶質である部分が結晶質である部分よりも多い半導体膜のことであり、半導体膜全体がすべて非晶質となっていなくてもよい。また、「結晶質半導体膜」とは、結晶質である部分が非晶質である部分よりも多い半導体膜のことであり、半導体膜全体がすべて結晶質となっていなくてもよい。 Here, in the present invention, the “semiconductor device” is a device including a structure in which a crystalline semiconductor film is formed on a semiconductor substrate, and has a structure other than the semiconductor substrate and the crystalline semiconductor film. Alternatively, another semiconductor film may be provided between the semiconductor substrate and the crystalline semiconductor film. Further, the “amorphous semiconductor film” is a semiconductor film in which an amorphous part is more than a crystalline part, and the entire semiconductor film may not be amorphous. Further, the “crystalline semiconductor film” is a semiconductor film in which a crystalline part is more than an amorphous part, and the entire semiconductor film may not be crystalline.
図2の模式的断面図に本発明の半導体デバイスの製造方法の製造工程の好ましい一例を示す。図2(A)において、本発明の半導体デバイスの製造方法に用いられる被処理体100は、半導体基板2上に形成されたバッファ膜5と、バッファ膜5上に形成された非晶質半導体膜3とからなる。ここで、半導体基板2は絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板などを用いることができるが、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点からガラス基板を用いることが好適である。
A schematic cross-sectional view of FIG. 2 shows a preferred example of the manufacturing process of the semiconductor device manufacturing method of the present invention. In FIG. 2A, an object to be processed 100 used in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a buffer film 5 formed on a
バッファ膜5は、主としてレーザ光による非晶質半導体膜3の溶融、結晶化の際に、溶融した非晶質半導体膜3の熱による影響が半導体基板2に及ばないようにするために形成される。さらに、バッファ膜5を形成することにより、半導体基板2から非晶質半導体膜3への不純物の拡散を防止することもできる。バッファ膜5としては、たとえば、膜厚が100〜300nmの、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより形成された、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
The buffer film 5 is formed in order to prevent the
非晶質半導体膜3は、たとえば、膜厚が10nm〜100nmとなるように、プラズマエンハンスド化学気相成長(PECVD)、蒸着、またはスパッタリングなどにより形成される。非晶質半導体膜3としては、結晶質半導体膜における結晶成長長さを長くすることにより種々の特性(たとえば、電界効果による電子の移動度、閾値電圧などの値、およびこれらの値のばらつき)が顕著に向上するアモルファスシリコン膜を用いることが好ましい。非晶質半導体膜3の材質は、シリコンからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質を用いることもできる。
The
次に、図2(B)に示すように、非晶質半導体膜3に第1のレーザ光7を照射して非晶質半導体膜3を溶融させて液体状態とする。
Next, as shown in FIG. 2B, the
図3は、本発明に用いられるレーザ光照射装置の構成図を示しており、このレーザ光照射装置は、第1のレーザ光発振器11と、可変減衰器12と、フィールドレンズ13と、投影マスク14と、結像レンズ15と、サンプルステージ16と、ミラー10a、10b、10cとを含んでいる。第1のレーザ光発振器11およびサンプルステージ16は、コントローラ17により制御されていて、第1のレーザ光7の照射タイミングおよびサンプルステージ16の位置を調整することができる。これにより、サンプルステージ16を図3中の矢印の方向に移動させることによって、第1のレーザ光7が照射されるエリアを移動させることができる。
FIG. 3 shows a configuration diagram of a laser beam irradiation apparatus used in the present invention. This laser beam irradiation apparatus includes a first
このレーザ光照射装置において、第1のレーザ光発振器11から発振された第1のレーザ光7は可変減衰器12を通過した後に、ミラー10a、10bによって反射される。その後、第1のレーザ光7はフィールドレンズ13と投影マスク14とを通過する。そして、投影マスク14を通過した第1のレーザ光7は、結像レンズ15によって、投影マスク14の像として結像させられ、非晶質半導体膜3に照射される。
In this laser beam irradiation apparatus, the
そして、第1のレーザ光7が照射された非晶質半導体膜3は溶融して液体状態となり、その後、液体状態にある非晶質半導体膜3は冷却されて固化することによって結晶化し、図2(C)に示す結晶質半導体膜4に変換される。
Then, the
ここで、第1のレーザ光7は、1回の照射および照射面積あたり、固体状態にある非晶質半導体膜3を溶融させるエネルギ量を有している。具体的には、第1のレーザ光7は、非晶質半導体膜3を、全膜厚において融点以上の温度に加熱することのできるエネルギ量を有していることが推奨される。
Here, the
第1のレーザ光7は、非晶質半導体膜3を溶融することが可能であれば特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ光、YAGレーザに代表される各種固体レーザから発振されるレーザ光の三倍波などの紫外領域の波長を有することが好ましい。第1のレーザ光7が紫外領域の波長を有する場合には、第1のレーザ光7のエネルギ量が大きくなるため、容易に非晶質半導体膜3を結晶質半導体膜4に変換することができる傾向にあるためである。中でも、第1のレーザ光7は、パルス放射可能な波長308nmのエキシマレーザ光であることが特に好ましい。第1のレーザ光7がエキシマレーザ光である場合には、本発明に必要となるエネルギ量を有するレーザ光を安定して発振することができるレーザ光発振器を比較的容易に安価で入手することが可能であるためである。
The
また、非晶質半導体膜3を結晶質半導体膜4に変換する結晶化工程は、第1のレーザ光の照射領域を段階的に移動させて結晶化領域を拡大させること(SLS法)により行なわれることが好ましい。第1のレーザ光7の照射による溶融後に非晶質半導体膜3を冷却することによって凝固させると、第1のレーザ光7の照射領域とそれ以外の領域との境界から、第1のレーザ光7の照射領域の中心に向かうようにして、結晶が成長する。次いで、第1のレーザ光7の照射領域における結晶が形成されていない部分が含まれるようにして、この領域と隣り合う新たな領域を設定し、この新たな領域に第1のレーザ光7を照射して溶融させた後に凝固させると、この新たな領域に結晶が成長する。このような手順を繰返し、非晶質半導体膜3の延設方向に沿って段階的に結晶化させると、結晶成長領域を拡大することができる。これにより、結晶成長方向が揃った、結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を形成することができる。
The crystallization process for converting the
図4に本発明に用いられるレーザ光照射装置の他の好ましい一例の構成図を示す。このレーザ光照射装置は、第1のレーザ光発振器11とともに第3のレーザ光発振器20を備えていることに特徴がある。
FIG. 4 shows a configuration diagram of another preferred example of the laser beam irradiation apparatus used in the present invention. This laser beam irradiation apparatus is characterized by including a third
すなわち、図4に示すレーザ光照射装置において、第1のレーザ光発振器11から発振された第1のレーザ光7が非晶質半導体膜3に照射され、非晶質半導体膜3を溶融させて液体状態にするとともに、液体状態にある非晶質半導体膜3の固化による結晶化の際に、第3のレーザ光発振器20から、非晶質半導体膜3を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第3のレーザ光8が発振され、第3のレーザ光8はエキスパンダやホモジナイザ等から構成される光学素子群21を通過してミラー10dによって反射された後に非晶質半導体膜3に照射される。これにより、液体状態にある非晶質半導体膜3の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を長くすることができるため、液体状態にある非晶質半導体膜3の固化により生成する結晶質半導体膜4を構成する結晶の結晶成長長さを大幅に伸ばすことができる。
That is, in the laser beam irradiation apparatus shown in FIG. 4, the
ここで、第3のレーザ光8は、第1のレーザ光7よりも、固体状態にある非晶質半導体膜3への吸収率が低い範囲の波長を有することが好ましい。この場合には、第3のレーザ光8は、非晶質半導体膜3を溶融することに寄与せず、非晶質半導体膜3の降温速度を低下させることにのみ寄与する傾向が大きくなるためである。
Here, it is preferable that the
また、第3のレーザ光8は、第1のレーザ光7よりも、液体状態にある非晶質半導体膜3への吸収率が高い範囲の波長を有することが好ましい。この場合には、液体状態にある非晶質半導体膜3の降温速度をより効率的に低下させることができる傾向が大きくなるためである。
Further, it is preferable that the
特に、第3のレーザ光8は、可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。たとえば、第3のレーザ光8としては、波長532nmのYAGレーザ光、波長1064nmのYAGレーザ光または波長10.6μmの炭酸ガスレーザ光などがある。
In particular, the
さらに、第3のレーザ光8の1回の照射および照射面積あたりのエネルギ量は、固体状態にある非晶質半導体膜3を溶融させるエネルギ量未満である。特に、第3のレーザ光8は、非晶質半導体膜3を融点以上の温度に加熱することのできないエネルギ量を有していることが推奨される。また、本発明においては、たとえば、図4に示すように、第1のレーザ光7を垂直方向から入射させ、第3のレーザ光8を斜め方向から入射させることもできる。
Further, the amount of energy per irradiation and irradiation area of the
また、第1のレーザ光7は、たとえば、所定のパターンを形成した投影マスク14の像を、非晶質半導体膜3の表面上に第1のレーザ光7の照射領域として縮小投影するように照射される。この際、第3のレーザ光8の照射領域は、第1のレーザ光7の照射領域を包含する、第1のレーザ光7の照射領域よりも広い面積を有することが好ましい。この場合には、溶融して液体状態にある非晶質半導体膜3のすべての溶融領域の降温速度を低下させることができるため、均一な大きさの結晶が得られやすいためである。
Further, the
また、第1のレーザ光7および第3のレーザ光8の照射時間と出力との関係は、図5に示す関係と同様の関係にあることが望ましい。ここで、第1のレーザ光7のパルス波形23は、時刻t=0の時点において第1のレーザ光7の照射が開始されることを示し、第3のレーザ光8のパルス波形24は、第3のレーザ光8が、時刻t=t1〜t2を除く時間帯では低出力で照射され、時刻t=t1〜t2の時間帯において高出力で照射されることを示している。
Further, it is desirable that the relationship between the irradiation time of the
時刻t1の時点においては、第1のレーザ光7が照射されているため、非晶質半導体膜3は溶融し、液体状態にある。この液体状態にある非晶質半導体膜3に対して、第1のレーザ光7に加えて第3のレーザ光8を照射することにより、非晶質半導体膜3の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を長くすることができることから、結晶質半導体膜4を構成する結晶の結晶成長長さを大幅に伸ばすことができる。
At time t1, since the
また、第1のレーザ光8の照射領域を移動させた後に、その移動前の照射領域に第3のレーザ光を照射して結晶化することを複数回繰り返すことによって、結晶成長方向の揃った、大きな結晶粒径の結晶を成長させることができる。
Further, after moving the irradiation region of the
以上のようにして、図2(C)に示す結晶質半導体膜4を形成すると、成長した結晶が互いに衝突することによって、第1のレーザ光7の照射領域中央部付近に結晶質半導体膜4の表面から上方に突起するリッジ9が形成される。
When the crystalline semiconductor film 4 shown in FIG. 2C is formed as described above, the grown crystals collide with each other, so that the crystalline semiconductor film 4 is located near the center of the irradiation region of the
そして、図2(D)に示すように、結晶質半導体膜4上にキャップ膜6が形成される。キャップ膜6は、所定の膜厚となるように、プラズマエンハンスド化学気相成長(PECVD)、蒸着、またはスパッタリングなどにより形成される。キャップ膜6は、たとえば二酸化シリコンからなる。 Then, a cap film 6 is formed on the crystalline semiconductor film 4 as shown in FIG. The cap film 6 is formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), vapor deposition, sputtering, or the like so as to have a predetermined film thickness. The cap film 6 is made of, for example, silicon dioxide.
続いて、キャップ膜6を介して、結晶質半導体膜4に第2のレーザ光18の照射を行なう。このとき、照射される第2のレーザ光18のエネルギ量は、1回の照射および照射面積あたり、固体状態にある結晶質半導体膜4のうち、リッジ9が形成されていない領域を膜の厚みに亘って溶融することができるエネルギ量未満である。
Subsequently, the second laser beam 18 is irradiated to the crystalline semiconductor film 4 through the cap film 6. At this time, the amount of energy of the second laser light 18 to be irradiated is the thickness of the crystalline semiconductor film 4 in the solid state per one irradiation and irradiation area in the region where the
ここで、結晶質半導体膜4上にキャップ膜6を形成することにより、リッジ9が発生している第1のレーザ光照射領域中央部付近における第2のレーザ光18に対する反射率が、リッジ9が発生していない第1のレーザ光照射領域中央部付近以外の領域における第2のレーザ光18に対する反射率よりも低くなっていることが好ましい。この場合には、リッジ9が発生している第1のレーザ光照射領域中央部付近に第2のレーザ光18がよく吸収されるため、リッジ9をより効率的に溶融させることができる。
Here, by forming the cap film 6 on the crystalline semiconductor film 4, the reflectance with respect to the second laser light 18 in the vicinity of the central portion of the first laser light irradiation region where the
たとえば、図6の模式的上面図に示すように、第1のレーザ光照射領域の幅25がW、結晶成長長さ29がLで表わされる場合に、第1のレーザ光照射領域中央部27から第1のレーザ光照射領域端部28に向かって、少なくとも(W/2−9L/10)だけ離れた地点19a、19bまで第2のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜が形成され、それ以外の領域には、第2のレーザ光に対する反射率の高いキャップ膜が形成されているか、またはキャップ膜が形成されていないことによって第2のレーザ光に対する反射率を高くすることが好ましい。第2のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜を形成する領域がこれよりも狭い場合には、リッジを完全にキャップ膜で覆うことができなくなり、結晶質半導体膜4の表面の平坦化効果が小さくなる傾向にある。また、第2のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜を形成する領域がこれよりも広い場合にも、結晶質半導体膜4が再度、溶融し、結晶化する領域が広くなって、結晶質半導体膜4の表面上に新たなリッジが形成されるため、結晶質半導体膜4の表面の平坦化効果が小さくなる。
For example, as shown in the schematic top view of FIG. 6, when the
また、この場合には、第2のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜が形成されている低反射率領域26を選択的に加熱することができる。このため、リッジが形成されていない領域を溶融することなく、リッジが形成されている領域を溶融するように、第2のレーザ光のエネルギ量を調整することが容易になる。ここで、結晶成長長さ29とは、結晶成長が開始する第1のレーザ光照射端部28から、結晶成長が完了している部分までの長さのことをいう。
In this case, the
このように第2のレーザ光をキャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射すると、リッジが再度溶融し、結晶化して、結晶質半導体膜全体としての表面の平坦性が改善される。 When the crystalline laser film is irradiated with the second laser light through the cap film in this way, the ridge is melted again and crystallized, and the surface flatness of the entire crystalline semiconductor film is improved.
その後、キャップ膜が除去されて、図2(E)に示す半導体デバイス1が完成する。
Thereafter, the cap film is removed to complete the
(実施の形態1)
まず、図2(A)に示すように、ガラスからなる半導体基板2上に、二酸化シリコン膜からなるバッファ膜5を形成し、バッファ膜5上に、アモルファスシリコン膜からなる非晶質半導体膜3を形成して被処理体100を形成する。
(Embodiment 1)
First, as shown in FIG. 2A, a buffer film 5 made of a silicon dioxide film is formed on a
バッファ膜5は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより、半導体基板2上に、300nmの膜厚で積層される。そして、非晶質半導体膜3は、プラズマエンハンスド化学気相堆積(PECVD)、蒸着、またはスパッタリングなどによりバッファ膜5上に、50nmの膜厚で積層される。
The buffer film 5 is laminated with a film thickness of 300 nm on the
次に、図3に示すレーザ光照射装置のサンプルステージ16に図2(A)に示す被処理体100を設置する。そして、図2(B)に示すように、非晶質半導体膜3に対し、第1のレーザ光7を照射し、非晶質半導体膜3を溶融させた後に固化することによって、多結晶シリコン膜からなる図2(C)に示す結晶質半導体膜4に変換する。
Next, the
ここで、第1のレーザ光7として波長308nmのエキシマレーザ光を用い、1回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を200mJ/cm2、照射時間を約50nsとする。また、本実施の形態においては、第1のレーザ光7が照射される領域以外の領域における半導体基板2の温度を、室温(25℃)と同等の温度に維持した状態で第1のレーザ光7の照射を行なう。
Here, an excimer laser beam having a wavelength of 308 nm is used as the
すると、図2(C)に示すように、第1のレーザ光7の照射領域中央部付近にリッジ9が発生する。
Then, as shown in FIG. 2C, a
続いて、HF洗浄によって結晶質半導体膜4の表面の自然酸化膜を除去した後、図2(D)に示すように、二酸化シリコン膜からなるキャップ膜6が形成される。 Subsequently, after removing the natural oxide film on the surface of the crystalline semiconductor film 4 by HF cleaning, a cap film 6 made of a silicon dioxide film is formed as shown in FIG.
キャップ膜6は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより、結晶質半導体膜4上に形成される。また、ここでは、図6に示す第1のレーザ光照射領域の幅25が20μmであり、一回の第1のレーザ光照射による結晶成長長さ29が2μmとなるため、第1のレーザ光照射領域中央部27から第1のレーザ光照射領域端部28に向かって8.2μmだけ離れた地点19a、19bまでを低反射率領域26とし、低反射率領域26には50nmの膜厚で、低反射率領域26以外の領域には100nmの膜厚でキャップ膜6を形成する。
The cap film 6 is formed on the crystalline semiconductor film 4 by vapor deposition, ion plating, sputtering, or the like. Further, here, the
ここで、キャップ膜6を介して結晶質半導体膜4に第2のレーザ光18の照射を行なう場合には、第2のレーザ光18の種類、キャップ膜6の種類および膜厚、結晶質半導体膜4の膜厚などに依存して、反射率が変化する。図7に、二酸化シリコンからなるキャップ膜の膜厚とエキシマレーザ光の反射率との関係を示す。キャップ膜の膜厚が100nmの場合には、エキシマレーザ光に対する反射率は最大となり、キャップ膜の膜厚が50nmの場合には、エキシマレーザ光に対する反射率は最低となる。したがって、この結果、低反射率領域26を選択的に加熱することができる。
When the crystalline semiconductor film 4 is irradiated with the second laser light 18 through the cap film 6, the type of the second laser light 18, the type and thickness of the cap film 6, the crystalline semiconductor The reflectivity changes depending on the film thickness of the film 4 and the like. FIG. 7 shows the relationship between the thickness of the cap film made of silicon dioxide and the excimer laser beam reflectance. When the thickness of the cap film is 100 nm, the reflectivity with respect to the excimer laser beam is maximized, and when the thickness of the cap film is 50 nm, the reflectivity with respect to the excimer laser beam is minimized. Therefore, as a result, the
そして、図2(D)に示すように、第2のレーザ光18の照射を行なう。ここで、第2のレーザ光18としては、波長308nmのエキシマレーザ光を用い、一回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を150mJ/cm2とし、照射時間を約50nsとする。また、本実施の形態においては、第2のレーザ光18が照射される領域以外の領域における半導体基板2の温度を室温(25℃)と同等の温度に維持した状態で第2のレーザ光18の照射を行なう。
Then, as shown in FIG. 2D, the second laser beam 18 is irradiated. Here, an excimer laser beam having a wavelength of 308 nm is used as the second laser beam 18, the energy amount per irradiation area per irradiation is 150 mJ / cm 2 , and the irradiation time is about 50 ns. In the present embodiment, the second laser beam 18 is maintained in a state where the temperature of the
第2のレーザ光18の照射後、キャップ膜6をHFにより除去することによって、図2(E)に示す半導体デバイス1が完成する。
After the irradiation with the second laser beam 18, the cap film 6 is removed by HF, whereby the
ここで、図8に、第2のレーザ光を照射していない平坦化前の多結晶シリコン膜からなる結晶質半導体膜(シリコン膜A)、第2のレーザ光を照射して平坦化した後の結晶質半導体膜(シリコン膜B)、および、従来技術に従って平坦化した後の結晶質半導体膜(シリコン膜C)の膜表面の凹凸について、原子間力顕微鏡により測定した結果を示す。なお、図8に示す結晶質半導体膜表面の凹凸は、リッジ部分と非リッジ部分間の距離で表記してある。また、シリコン膜Cは、ガラス基板上に50nmの膜厚であるアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜上に50nmの膜厚である二酸化シリコンからなるキャップ膜を形成した後、レーザ光を照射して結晶化された多結晶シリコン膜である。その他の製造方法、製造条件は、本実施の形態と同様である。 Here, FIG. 8 shows a crystalline semiconductor film (silicon film A) made of a polycrystalline silicon film before flattening that has not been irradiated with the second laser light, and after flattening by irradiation with the second laser light. 2 shows the results of measuring the surface roughness of the crystalline semiconductor film (silicon film B) and the crystalline semiconductor film (silicon film C) after planarization according to the prior art, using an atomic force microscope. Note that the unevenness on the surface of the crystalline semiconductor film shown in FIG. 8 is represented by the distance between the ridge portion and the non-ridge portion. As the silicon film C, an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is formed on a glass substrate, a cap film made of silicon dioxide having a thickness of 50 nm is formed on the amorphous silicon film, and then laser light is emitted. It is a polycrystalline silicon film crystallized by irradiation. Other manufacturing methods and manufacturing conditions are the same as in the present embodiment.
図8に示すように、平坦化前のシリコン膜Aでは高かったリッジが、シリコン膜Bでは、シリコン膜C程度まで低減されている。これは、本実施の形態においては、キャップ膜を形成した後に第2のレーザ光を照射したため、リッジが形成されている領域が、再度、溶融、結晶化することにより、微小な凸凹に変化したためである。 As shown in FIG. 8, the ridge that was high in the silicon film A before planarization is reduced to about the silicon film C in the silicon film B. In this embodiment, since the second laser light is irradiated after the cap film is formed, the region where the ridge is formed is changed to minute unevenness by melting and crystallizing again. It is.
次に、シリコン膜A、シリコン膜Bおよびシリコン膜Cの表面をSEM(Scanning Electron Microscope)により結晶観察を行なった。その結果を図9に示す。なお、結晶観察は、各シリコン膜(シリコン膜A、シリコン膜B、シリコン膜C)についてSECCOエッチングを行なった後の表面について行なった。また、図9(A)はシリコン膜Aの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像であり、図9(B)はシリコン膜Bの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像であり、図9(C)はシリコン膜Cの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像である。 Next, the surfaces of the silicon film A, the silicon film B, and the silicon film C were observed with a SEM (Scanning Electron Microscope). The result is shown in FIG. The crystal observation was performed on the surface of each silicon film (silicon film A, silicon film B, silicon film C) after performing SECCO etching. 9A is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film A by SEM, and FIG. 9B is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film B by SEM. (C) is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film C by SEM.
図9に示すように、本実施の形態に従うシリコン膜Aおよびシリコン膜Bにおいては、従来技術に従うシリコン膜Cに比べて、結晶粒30内に形成される亜粒界31の数が極めて少なかった。これは、本実施の形態による結晶化によれば、結晶化時に非晶質半導体膜3上にキャップ膜が形成されていないため、半導体基板の表面から上方に向かう方向の結晶成長が抑制されず、成長結晶内に発生する内部応力が非常に小さく、結晶粒30内に亜粒界31が形成されないことによるものと考えられる。
As shown in FIG. 9, in the silicon film A and the silicon film B according to the present embodiment, the number of
(実施の形態2)
本実施の形態においては、結晶を成長させる方法として、SLS法を用いることに特徴がある。SLS法によれば、1回の第1のレーザ光の照射によって、結晶を延設方向に成長させることができる。したがって、第1のレーザ光の照射が行なわれる毎に、第1のレーザ光の照射領域を段階的に移動(ステップ移動)させることで、結晶領域を段階的に拡大することができる。これにより、本発明によって得られる半導体デバイスにおける各結晶の成長方向を延設方向に揃えることが可能となる。
(Embodiment 2)
The present embodiment is characterized in that an SLS method is used as a method for growing a crystal. According to the SLS method, the crystal can be grown in the extending direction by one irradiation of the first laser beam. Therefore, each time the first laser light is irradiated, the crystal region can be enlarged stepwise by moving the irradiation region of the first laser light stepwise (step movement). This makes it possible to align the growth direction of each crystal in the semiconductor device obtained by the present invention with the extending direction.
本実施の形態においては、図6に示す第1のレーザ光照射領域の幅25を20μmとし、ステップ移動量を1μmとして、10回のステップ移動が行なわれる。
In the present embodiment, the step movement is performed 10 times with the
すると、10回目の第1のレーザ光照射領域中央部付近にリッジが形成され、このリッジを実施の形態1と同様にして結晶質半導体膜の表面を平坦化する。その結果、本実施の形態においても、図7に示すように、平坦化前の結晶質半導体膜(シリコン膜A)、平坦化後の結晶質半導体膜(シリコン膜B)および従来のシリコン膜Cの関係は、シリコン膜Bはシリコン膜Aよりも平坦化し、シリコン膜Cと同等程度になった。なお、シリコン膜Cは、ガラス基板上に50nmの膜厚であるアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜上に50nmの膜厚である二酸化シリコンからなるキャップ膜を形成した後、SLS法によりレーザ光を照射して形成された多結晶シリコン膜である。 Then, a ridge is formed near the center of the first laser light irradiation region for the tenth time, and the surface of the crystalline semiconductor film is flattened in the same manner as in the first embodiment. As a result, also in this embodiment, as shown in FIG. 7, the crystalline semiconductor film (silicon film A) before planarization, the crystalline semiconductor film (silicon film B) after planarization, and the conventional silicon film C The silicon film B is flattened more than the silicon film A, and is equivalent to the silicon film C. As the silicon film C, an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is formed on a glass substrate, a cap film made of silicon dioxide having a thickness of 50 nm is formed on the amorphous silicon film, and then the SLS method is used. It is a polycrystalline silicon film formed by irradiating with laser light.
次に、シリコン膜A、シリコン膜Bおよびシリコン膜Cの表面をSEM(Scanning Electron Microscope)により結晶観察を行なった。その結果を図10に示す。なお、結晶観察は、各シリコン膜(シリコン膜A、シリコン膜B、シリコン膜C)についてSECCOエッチングを行なった後の表面について行なった。また、図10(A)はシリコン膜Aの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像であり、図10(B)はシリコン膜Bの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像であり、図10(C)はシリコン膜Cの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像である。 Next, the surfaces of the silicon film A, the silicon film B, and the silicon film C were observed with a SEM (Scanning Electron Microscope). The result is shown in FIG. The crystal observation was performed on the surface of each silicon film (silicon film A, silicon film B, silicon film C) after performing SECCO etching. 10A is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film A by SEM, and FIG. 10B is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film B by SEM. (C) is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film C by SEM.
図10に示すように、本実施の形態に従うシリコン膜Aおよびシリコン膜Bにおいては、従来技術に従うシリコン膜Cに比べて、結晶粒30内に形成される亜粒界の数が極めて少なかった。これは、本実施の形態による結晶化によれば、結晶化時に非晶質半導体膜上にキャップ膜が形成されていないため、半導体基板の表面から上方に向かう方向の結晶成長が抑制されず、成長結晶内に発生する内部応力が非常に小さく、結晶粒30内に亜粒界31が形成されないことによるものと考えられる。
As shown in FIG. 10, in the silicon film A and the silicon film B according to the present embodiment, the number of subgrain boundaries formed in the
(実施の形態3)
本実施の形態においては、図4に示すレーザ光照射装置を用いて、アモルファスシリコン膜からなる非晶質半導体膜3に対し、第1のレーザ光7と第3のレーザ光8とを照射し、非晶質半導体膜3を多結晶シリコン膜からなる結晶質半導体膜に変換したことに特徴がある。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, the
ここで、本実施の形態においては、図5に示す第1のレーザ光7と第3のレーザ光8との照射時間と出力との関係において、第1のレーザ光7としては、波長308nmのエキシマレーザ光を用い、1回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を200mJ/cm2とし、照射時間を約50nsとしている。また、第3のレーザ光8としては、波長10.6μmの炭酸ガスレーザ光を用い、1回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を約5mJ/cm2とし、照射時間を約3msとしている。
Here, in this embodiment, in the relationship between the irradiation time and the output of the
さらに、本実施の形態においては、第1のレーザ光7と第3のレーザ光8との照射領域以外の領域における半導体基板2の温度を、室温(25℃)と同等の温度に維持した状態で第1のレーザ光7と第3のレーザ光8の照射を行なう。
Further, in the present embodiment, the temperature of the
また、本実施の形態においては、第1のレーザ光7を半導体基板2の表面に対して垂直な方向から照射し、第3のレーザ光8を半導体基板2の表面に対して垂直な方向と30°の角度を為す角度で照射する。
In the present embodiment, the
このように、本実施の形態においては、第3のレーザ光8は、非晶質半導体膜3が溶融している間に照射される。そして、液体状態にある非晶質半導体膜3に対して、第1のレーザ光7に加えて第3のレーザ光8の照射を行なうことにより、非晶質半導体膜3の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるため、さらに大粒径の結晶を有する結晶質半導体膜を効率良く得ることができる。たとえば、20μmのスリット幅の第1のレーザ光を照射して結晶成長させた場合には、その結晶成長長さは約2μm程度となるが、本実施の形態によれば結晶成長長さを10μmとすることができる。
Thus, in the present embodiment, the
上述したように、非晶質半導体膜を結晶質半導体膜に変換した結果、第1のレーザ光の照射領域中央部付近にリッジが形成され、このリッジを実施の形態1と同様にして結晶質半導体膜の表面を平坦化する。その結果、本実施の形態においても、図7に示すように、平坦化前の結晶質半導体膜(シリコン膜A)、平坦化後の結晶質半導体膜(シリコン膜B)および従来のシリコン膜Cの関係は、シリコン膜Bはシリコン膜Aよりも平坦化し、シリコン膜Cと同等程度になった。なお、シリコン膜Cは、ガラス基板上に50nmの膜厚であるアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜上に50nmの膜厚である二酸化シリコンからなるキャップ膜を形成した後、レーザ光を照射して形成された多結晶シリコン膜である。 As described above, as a result of converting the amorphous semiconductor film into the crystalline semiconductor film, a ridge is formed in the vicinity of the central portion of the irradiation region of the first laser beam, and this ridge is made crystalline as in the first embodiment. The surface of the semiconductor film is planarized. As a result, also in this embodiment, as shown in FIG. 7, the crystalline semiconductor film (silicon film A) before planarization, the crystalline semiconductor film (silicon film B) after planarization, and the conventional silicon film C The silicon film B is flattened more than the silicon film A, and is equivalent to the silicon film C. As the silicon film C, an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is formed on a glass substrate, a cap film made of silicon dioxide having a thickness of 50 nm is formed on the amorphous silicon film, and then laser light is emitted. It is a polycrystalline silicon film formed by irradiation.
次に、シリコン膜A、シリコン膜Bおよびシリコン膜Cの表面をSEM(Scanning Electron Microscope)により結晶観察を行なった。その結果を図11に示す。なお、結晶観察は、各シリコン膜(シリコン膜A、シリコン膜B、シリコン膜C)についてSECCOエッチングを行なった後の表面について行なった。また、図11(A)はシリコン膜Aの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像であり、図11(B)はシリコン膜Bの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像であり、図11(C)はシリコン膜Cの膜表面をSEMによって撮影した膜表面像である。 Next, the surfaces of the silicon film A, the silicon film B, and the silicon film C were observed with a SEM (Scanning Electron Microscope). The result is shown in FIG. The crystal observation was performed on the surface of each silicon film (silicon film A, silicon film B, silicon film C) after performing SECCO etching. 11A is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film A by SEM, and FIG. 11B is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film B by SEM. (C) is a film surface image obtained by photographing the film surface of the silicon film C by SEM.
図11に示すように、本実施の形態に従うシリコン膜Aおよびシリコン膜Bにおいては、従来技術に従うシリコン膜Cに比べて、結晶粒30内に形成される亜粒界の数が極めて少なかった。これは、本実施の形態による結晶化によれば、結晶化時に非晶質半導体膜上にキャップ膜が形成されていないため、半導体基板の表面から上方に向かう方向の結晶成長が抑制されず、成長結晶内に発生する内部応力が非常に小さく、結晶粒30内に亜粒界31が形成されないことによるものと考えられる。
As shown in FIG. 11, in the silicon film A and the silicon film B according to the present embodiment, the number of subgrain boundaries formed in the
上述したように、実施の形態1〜3によれば、結晶粒が格段に大きく、かつ結晶性に優れた結晶で構成されている多結晶シリコン膜を得ることができる。このため、このような多結晶シリコン膜を活性層に用いることにより、電子の移動度が高いTFTを製造することができる。 As described above, according to the first to third embodiments, it is possible to obtain a polycrystalline silicon film composed of crystals with significantly large crystal grains and excellent crystallinity. Therefore, a TFT having a high electron mobility can be manufactured by using such a polycrystalline silicon film as an active layer.
また、実施の形態1〜3によれば、表面が優れた平坦性を有している多結晶シリコン膜を得ることができる。このため、このような多結晶シリコン膜を活性層に用いたTFTを製造する場合、活性層上に形成するゲート絶縁膜を厚くする必要がない。したがって、TFTの性能低下を防止することができる。 In addition, according to the first to third embodiments, a polycrystalline silicon film having excellent flatness on the surface can be obtained. Therefore, when manufacturing a TFT using such a polycrystalline silicon film as an active layer, it is not necessary to increase the thickness of the gate insulating film formed on the active layer. Therefore, it is possible to prevent the performance degradation of the TFT.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明によれば、結晶性および表面の平坦性に優れた結晶質半導体膜を得ることができるので、本発明によって製造された半導体デバイスの一例であるTFTは、液晶表示装置の画素コントローラなどの表示素子として好適に利用される。 According to the present invention, since a crystalline semiconductor film having excellent crystallinity and surface flatness can be obtained, a TFT as an example of a semiconductor device manufactured according to the present invention can be used as a pixel controller of a liquid crystal display device. It is suitably used as a display element.
1 半導体デバイス、2 半導体基板、3 非晶質半導体膜、4 結晶質半導体膜、5 バッファ膜、6 キャップ膜、7 第1のレーザ光、8 第3のレーザ光、9 リッジ、10a,10b,10c,10d ミラー、11 第1のレーザ光発振器、12 可変減衰器、13 フィールドレンズ、14 投影マスク、15 結像レンズ、16 サンプルステージ、17 コントローラ、18 第2のレーザ光、19a,19b 地点、20 第3のレーザ光発振器、21 光学素子群、23 第1のレーザ光のパルス波形、24 第3のレーザ光のパルス波形、25 第1のレーザ光照射領域の幅、26 低反射率領域、27 第1のレーザ光照射領域中央部、28 第1のレーザ光照射領域端部、29 結晶成長長さ、30 結晶粒、31 亜粒界、50,100 被処理体、52 透明基板、53 非晶質シリコン膜、54 下地膜、58 レーザ光。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体基板上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程と、
前記非晶質半導体膜に第1のレーザ光を照射することにより、前記非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させる第1のレーザ光照射工程と、
前記非晶質半導体膜を結晶化して前記結晶質半導体膜に変換する結晶化工程と、
前記結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程と、
前記結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第2のレーザ光を、前記キャップ膜を介して前記結晶質半導体膜に照射する第2のレーザ光照射工程と、
を含むことを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a crystalline semiconductor film is formed on a semiconductor substrate,
An amorphous semiconductor film forming step of forming an amorphous semiconductor film on the semiconductor substrate;
Irradiating the amorphous semiconductor film with a first laser beam to melt the amorphous semiconductor film over the thickness of the film; and
A crystallization step of crystallizing the amorphous semiconductor film and converting it to the crystalline semiconductor film;
A cap film forming step of forming a cap film on the crystalline semiconductor film;
A second laser beam irradiation step of irradiating the crystalline semiconductor film through the cap film with a second laser beam having no energy amount for melting the crystalline semiconductor film over the thickness of the film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004033724A JP2005228808A (en) | 2004-02-10 | 2004-02-10 | Method for manufacturing semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004033724A JP2005228808A (en) | 2004-02-10 | 2004-02-10 | Method for manufacturing semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005228808A true JP2005228808A (en) | 2005-08-25 |
Family
ID=35003301
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004033724A Withdrawn JP2005228808A (en) | 2004-02-10 | 2004-02-10 | Method for manufacturing semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005228808A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011249607A (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-08 | V Technology Co Ltd | Method and apparatus for laser annealing |
JP2013157549A (en) * | 2012-01-31 | 2013-08-15 | V Technology Co Ltd | Laser annealing device and laser annealing method |
-
2004
- 2004-02-10 JP JP2004033724A patent/JP2005228808A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011249607A (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-08 | V Technology Co Ltd | Method and apparatus for laser annealing |
JP2013157549A (en) * | 2012-01-31 | 2013-08-15 | V Technology Co Ltd | Laser annealing device and laser annealing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3586558B2 (en) | Method for reforming thin film and apparatus used for implementing the method | |
US20080087895A1 (en) | Polysilicon thin film transistor and method of fabricating the same | |
JP2001007045A (en) | Optical system for laser thermal treatment and laser thermal treatment apparatus | |
WO2012164626A1 (en) | Thin film semiconductor device manufacturing method, thin film semiconductor array substrate manufacturing method, crystal silicon thin film forming method, and crystal silicon thin film forming device | |
JP3859978B2 (en) | Device for forming a laterally extending crystal region in a semiconductor material film on a substrate | |
KR100674061B1 (en) | Semiconductor devices and methods of manufacture thereof | |
JP2006196539A (en) | Method and device for manufacturing polycrystalline semiconductor thin film | |
JP4769491B2 (en) | Crystallization method, thin film transistor manufacturing method, thin film transistor, and display device | |
JP2002057105A (en) | Method and device for manufacturing semiconductor thin film, and matrix circuit-driving device | |
JP2005228808A (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JP2004265897A (en) | Crystallized semiconductor element, its manufacturing method, and crystallization equipment | |
US7828894B2 (en) | Method for crystallizing silicon using a ramp shaped laser beam | |
JP2005276944A (en) | Semiconductor device, and device and method for manufacturing the same | |
JP4503246B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JP2009152224A (en) | Process for fabricating semiconductor element, process for producing active matrix substrate, process for manufacturing display unit, and laser crystallization apparatus | |
JP2007207896A (en) | Laser beam projection mask, laser processing method using same, laser processing apparatus | |
JP2006086447A (en) | Method and apparatus for manufacturing semiconductor thin film | |
JP2003257861A (en) | Semiconductor element and method for manufacturing the same | |
JP2009032814A (en) | Laser-light irradiation apparatus, and crystal growing method | |
JP2005150438A (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP2005123262A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
JP2004260144A (en) | Laser annealing method and device | |
JP2007305852A (en) | Semiconductor thin film manufacturing method and semiconductor device | |
JP2005123475A (en) | Semiconductor thin film, its manufacturing method, and thin film transistor using thin film | |
JP4467276B2 (en) | Method and apparatus for manufacturing semiconductor thin films |
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: 20070501 |