JP2005268535A - Method and device for manufacturing semiconductor thin film - Google Patents
Method and device for manufacturing semiconductor thin film Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005268535A JP2005268535A JP2004078796A JP2004078796A JP2005268535A JP 2005268535 A JP2005268535 A JP 2005268535A JP 2004078796 A JP2004078796 A JP 2004078796A JP 2004078796 A JP2004078796 A JP 2004078796A JP 2005268535 A JP2005268535 A JP 2005268535A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- semiconductor thin
- energy beam
- energy
- manufacturing
- 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- Withdrawn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
Abstract
Description
本発明は半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置に関し、特に結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor thin film manufacturing method and a semiconductor thin film manufacturing apparatus, and in particular, a semiconductor thin film manufacturing method and a semiconductor thin film manufacturing apparatus capable of increasing the crystal grain size and reducing defects in the crystal grains. About.
近年、液晶や有機エレクトロルミネッセンス等を応用したディスプレイ等の表示装置においては、安価なガラス基板上に多結晶シリコン薄膜が形成されている薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)を用いることに関心が高まっている。 In recent years, in display devices such as displays using liquid crystal or organic electroluminescence, there has been increased interest in using thin film transistors (TFTs) in which a polycrystalline silicon thin film is formed on an inexpensive glass substrate. Yes.
このTFTの製造方法としては、CVD法(化学蒸着法)等を用いてガラス基板上に非晶質シリコン薄膜を形成し、この非晶質シリコン薄膜にエキシマレーザ光を照射することによって約600℃以下の低温で非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法が注目されている。 As a manufacturing method of this TFT, an amorphous silicon thin film is formed on a glass substrate by using a CVD method (chemical vapor deposition method) or the like, and the amorphous silicon thin film is irradiated with an excimer laser beam at about 600 ° C. The following method for polycrystallizing an amorphous silicon thin film at a low temperature has attracted attention.
高性能の表示装置を製造するためには、表示装置に用いられるTFTの多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることによって、多結晶シリコン薄膜における電子の移動度を向上させる必要がある。また、多結晶シリコン薄膜の結晶粒内においては、多数のシリコンの未結合手からなる欠陥が存在し、この欠陥に電子が捕捉されることによって電子の移動が妨げられるため、結晶粒内の欠陥を低減させる必要もある。 In order to manufacture a high-performance display device, it is necessary to increase the mobility of electrons in the polycrystalline silicon thin film by increasing the crystal grain size of the polycrystalline silicon thin film of the TFT used in the display device. In addition, in the crystal grains of the polycrystalline silicon thin film, there are defects consisting of a large number of silicon dangling bonds, and the movement of electrons is hindered by trapping electrons in these defects. It is also necessary to reduce this.
特開平10−172911号公報には、水蒸気雰囲気下で非単結晶半導体薄膜に対してレーザ光を照射して非単結晶半導体薄膜近傍の水蒸気を保温層として非単結晶半導体薄膜を結晶化させる方法が開示されている。しかしながら、この方法においては、保温層としての機能を最大限発揮させるために、水蒸気の温度を−10〜100℃の温度範囲に制御する必要があり、このような雰囲気下では結晶粒内の欠陥を低減させることは到底不可能である。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-172911 discloses a method for crystallizing a non-single crystal semiconductor thin film by irradiating the non-single crystal semiconductor thin film with laser light in a water vapor atmosphere and using water vapor in the vicinity of the non-single crystal semiconductor thin film as a heat retaining layer. Is disclosed. However, in this method, it is necessary to control the temperature of the water vapor within a temperature range of −10 to 100 ° C. in order to maximize the function as the heat retaining layer. It is impossible to reduce this.
また、“Japanese Journal of Applied Physics”には、約260℃の高圧水蒸気処理によって結晶粒内の欠陥を低減させる方法が開示されている。しかしながら、この方法は結晶化工程が終了した後に別途行なわれる必要があることから、製造プロセスが増大することによって半導体薄膜の製造コストが増大するという問題があった。
本発明の目的は、結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor thin film manufacturing method and a semiconductor thin film manufacturing apparatus capable of increasing the crystal grain size and reducing defects in the crystal grains.
本発明は、絶縁性基板上に少なくとも非単結晶半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、非単結晶半導体薄膜に、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第1のエネルギビームと、第1のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第2のエネルギビームとを照射して、非単結晶半導体薄膜を結晶化させる結晶化工程と、を含む半導体薄膜の製造方法であって、結晶化工程は水分子を含むガスの雰囲気下で行なわれる半導体薄膜の製造方法である。 The present invention includes a thin film forming step of forming at least a non-single crystal semiconductor thin film on an insulating substrate, a first energy beam having energy for crystallizing the non-single crystal semiconductor thin film into the non-single crystal semiconductor thin film, The non-single crystal semiconductor is irradiated with a second energy beam having a lower absorption rate than the energy beam of 1 and an energy smaller than the energy for crystallizing the non-single crystal semiconductor thin film. And a crystallization process for crystallizing the thin film, wherein the crystallization process is performed in an atmosphere of a gas containing water molecules.
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、薄膜形成工程と結晶化工程との間に非単結晶半導体薄膜上の少なくとも一部に反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程を含み、反射防止膜を通して、非単結晶半導体薄膜に第1のエネルギビームと第2のエネルギビームとを照射することもできる。 Here, the method for producing a semiconductor thin film of the present invention includes an antireflection film forming step of forming an antireflection film on at least a part of the non-single crystal semiconductor thin film between the thin film formation step and the crystallization step, The first energy beam and the second energy beam can be irradiated to the non-single-crystal semiconductor thin film through the antireflection film.
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、水分子を含むガスは水蒸気であることが好ましい。 In the method for producing a semiconductor thin film of the present invention, the gas containing water molecules is preferably water vapor.
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、結晶化工程は雰囲気制御が可能な照射室内で行なわれることが好ましい。 In the method for producing a semiconductor thin film of the present invention, the crystallization step is preferably performed in an irradiation chamber in which the atmosphere can be controlled.
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第1のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり、第2のエネルギビームは赤外光からなり得る。 In the method of manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, the first energy beam can be a pulsed laser beam, and the second energy beam can be an infrared beam.
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第1のエネルギビームおよび第2のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり得る。 In the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, the first energy beam and the second energy beam can be formed of pulsed laser light.
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第1のエネルギビームはエキシマレーザ光からなることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, it is preferable that the first energy beam is an excimer laser beam.
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第2のエネルギビームのエネルギの少なくとも一部が水分子を含むガスに吸収されることが好ましい。 In the method for producing a semiconductor thin film of the present invention, it is preferable that at least a part of the energy of the second energy beam is absorbed by a gas containing water molecules.
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第2のエネルギビームは炭酸ガスレーザ光からなることが好ましい。 Here, in the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, the second energy beam is preferably made of a carbon dioxide laser beam.
本発明は、照射室と、照射室の壁面に設置された窓部と、窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第1のエネルギビームを照射する第1のエネルギビーム供給源と、第1のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第2のエネルギビームを窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に照射する第2のエネルギビーム供給源と、照射室の内部に水分子を含むガスを供給する手段とを含む半導体薄膜の製造装置である。 The present invention has an energy for crystallizing a non-single crystal semiconductor thin film into an irradiation chamber, a window portion installed on the wall surface of the irradiation chamber, and a non-single crystal semiconductor thin film installed inside the irradiation chamber through the window portion. A first energy beam supply source that irradiates one energy beam, and an energy that is smaller than an energy for crystallization of the non-single-crystal semiconductor thin film and that has a lower absorptance of the non-single-crystal semiconductor thin film than the first energy beam; A second energy beam supply source for irradiating a non-single-crystal semiconductor thin film installed inside the irradiation chamber through the window with a second energy beam, and means for supplying a gas containing water molecules into the irradiation chamber Is a semiconductor thin film manufacturing apparatus.
ここで、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、照射室の内部に第2のエネルギビームの断面を拡大した後に縮小する手段を含むことが好ましい。 Here, in the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable to include means for enlarging the cross section of the second energy beam inside the irradiation chamber and then reducing it.
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、窓部が第1のエネルギビームを透過する第1の窓部と第2のエネルギビームを透過する第2の窓部とからなり得る。 Further, in the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, the window portion may be composed of a first window portion that transmits the first energy beam and a second window portion that transmits the second energy beam.
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第1のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり、第2のエネルギビームは赤外光からなり得る。 In the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, the first energy beam can be a pulsed laser beam, and the second energy beam can be an infrared beam.
ここで、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第2のエネルギビームは炭酸ガスレーザ光からなることが好ましい。 Here, in the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, the second energy beam is preferably made of carbon dioxide laser light.
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第1のエネルギビームおよび第2のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり得る。 In the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, the first energy beam and the second energy beam can be formed of pulsed laser light.
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第1のエネルギビームはエキシマレーザ光からなることが好ましい。 In the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, the first energy beam is preferably made of excimer laser light.
本発明によれば、結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a semiconductor thin film and the manufacturing apparatus of a semiconductor thin film which can enlarge a crystal grain diameter and can reduce the defect in a crystal grain can be provided.
本発明は、絶縁性基板上に少なくとも非単結晶半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、非単結晶半導体薄膜に、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第1のエネルギビームと、第1のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第2のエネルギビームとを照射して、非単結晶半導体薄膜を結晶化させる結晶化工程とを含み、結晶化工程は水分子を含むガスの雰囲気下で行なわれる半導体薄膜の製造方法である。 The present invention includes a thin film forming step of forming at least a non-single crystal semiconductor thin film on an insulating substrate, a first energy beam having energy for crystallizing the non-single crystal semiconductor thin film into the non-single crystal semiconductor thin film, The non-single crystal semiconductor is irradiated with a second energy beam having a lower absorption rate than the energy beam of 1 and an energy smaller than the energy for crystallizing the non-single crystal semiconductor thin film. A crystallization step of crystallizing the thin film, and the crystallization step is a method for manufacturing a semiconductor thin film performed in an atmosphere of a gas containing water molecules.
本発明においては、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第1のエネルギビームを非単結晶半導体薄膜に照射することによって非単結晶半導体薄膜を結晶化すると共に、第1のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第2のエネルギビームを照射する。これによって、非単結晶半導体薄膜に吸収されなかった第2のエネルギビームが非単結晶半導体薄膜の下方にある絶縁性基板等に吸収されて絶縁性基板等の温度が上昇し、非単結晶半導体薄膜の温度が高温に保持される。そして、非単結晶半導体薄膜の結晶化時間を長くすることによって、半導体薄膜中の結晶粒径を大きくすることができる。さらに、第1のエネルギビームおよび第2のエネルギビームの照射を水分子を含むガスの雰囲気下で行なうことによって、半導体薄膜中の未結合手を終端して結晶粒内の欠陥を低減させることもできる。 In the present invention, the non-single-crystal semiconductor thin film is crystallized by irradiating the non-single-crystal semiconductor thin film with a first energy beam having an energy for crystallizing the non-single-crystal semiconductor thin film. The non-single crystal semiconductor thin film has a low absorptance and is irradiated with a second energy beam having energy lower than the energy for crystallizing the non-single crystal semiconductor thin film. As a result, the second energy beam that has not been absorbed by the non-single-crystal semiconductor thin film is absorbed by the insulating substrate or the like below the non-single-crystal semiconductor thin film, and the temperature of the insulating substrate or the like rises. The temperature of the thin film is kept high. And the crystal grain size in a semiconductor thin film can be enlarged by lengthening the crystallization time of a non-single-crystal semiconductor thin film. Further, by performing irradiation of the first energy beam and the second energy beam in an atmosphere of a gas containing water molecules, it is possible to terminate dangling bonds in the semiconductor thin film and reduce defects in the crystal grains. it can.
ここで、「絶縁性基板」とは、静電場を印加したときに誘電分極を生じるが直流電流を生じない基板のことをいう。また、「非単結晶半導体薄膜」とは、単結晶でない半導体薄膜のことをいう。また、「非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギ」とは、そのエネルギを非単結晶半導体薄膜に与えることによって非単結晶半導体薄膜の結晶化を進行させることができるエネルギのことをいう。また、「吸収率」とは、非単結晶半導体薄膜に照射されたエネルギ全体に対する非単結晶半導体薄膜が吸収したエネルギの割合のことをいう。 Here, the “insulating substrate” refers to a substrate that generates dielectric polarization but does not generate direct current when an electrostatic field is applied. The “non-single-crystal semiconductor thin film” refers to a semiconductor thin film that is not a single crystal. In addition, “energy for crystallizing a non-single crystal semiconductor thin film” refers to energy that can cause crystallization of the non-single crystal semiconductor thin film by applying the energy to the non-single crystal semiconductor thin film. The “absorption rate” refers to the ratio of energy absorbed by the non-single-crystal semiconductor thin film to the entire energy irradiated to the non-single-crystal semiconductor thin film.
また、本発明においては、非単結晶半導体薄膜上に第1のエネルギビームを透過し、第1のエネルギビームの反射を抑制する反射防止膜を形成することもできる傾向にある。これにより、反射防止膜を通して、反射防止膜の下方にある非単結晶半導体薄膜により多くの第1のエネルギビームが照射されることになることから、反射防止膜の下方にある非単結晶半導体薄膜の結晶化をより促進し得る。 In the present invention, it is also possible to form an antireflection film that transmits the first energy beam and suppresses the reflection of the first energy beam on the non-single-crystal semiconductor thin film. Accordingly, since the first energy beam is irradiated through the antireflection film to the non-single crystal semiconductor thin film below the antireflection film, the non-single crystal semiconductor thin film below the antireflection film is irradiated. Crystallization can be further promoted.
また、本発明において、水分子を含むガスは水蒸気であることが好ましい。この場合には、半導体薄膜中の未結合手をより多く終端することができる傾向にあることから、効率的に結晶粒内の欠陥を低減させることができる。 In the present invention, the gas containing water molecules is preferably water vapor. In this case, the number of dangling bonds in the semiconductor thin film tends to be terminated, so that defects in crystal grains can be efficiently reduced.
また、本発明において、雰囲気制御が可能なエネルギビームの照射室内で非単結晶半導体薄膜の結晶化が行なわれることが好ましい。この場合には、半導体薄膜中の未結合手の終端をより好適な雰囲気下で行なうことができることから、効率的に結晶粒内の欠陥を低減させることができる。 In the present invention, it is preferable that the non-single-crystal semiconductor thin film is crystallized in an energy beam irradiation chamber in which the atmosphere can be controlled. In this case, since the termination of the dangling bonds in the semiconductor thin film can be performed in a more suitable atmosphere, defects in the crystal grains can be efficiently reduced.
また、本発明は、照射室と、照射室の壁面に設置された窓部と、窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第1のエネルギビームを照射する第1のエネルギビーム供給源と、第1のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第2のエネルギビームを窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に照射する第2のエネルギビーム供給源と、照射室の内部に水分子を含むガスを供給する手段とを含む半導体薄膜の製造装置である。 The present invention also provides energy for crystallizing a non-single-crystal semiconductor thin film into an irradiation chamber, a window installed on the wall of the irradiation chamber, and a non-single-crystal semiconductor thin film installed inside the irradiation chamber through the window. A first energy beam supply source for irradiating the first energy beam, a non-single-crystal semiconductor thin film having a lower absorptance than the first energy beam, and an energy for crystallizing the non-single-crystal semiconductor thin film; A second energy beam supply source for irradiating a non-single crystal semiconductor thin film installed inside the irradiation chamber through a window with a second energy beam having a small energy, and a gas containing water molecules inside the irradiation chamber An apparatus for manufacturing a semiconductor thin film.
すなわち、水分子を含むガスを供給する手段を用いて照射室の内部を水分子を含むガス雰囲気とし、第1のエネルギビーム供給源から照射される第1のエネルギビームと第2のエネルギビーム供給源から照射される第2のエネルギビームとを非単結晶半導体薄膜に照射することによって、半導体薄膜中の結晶粒径を大きくし、また、結晶粒内の欠陥を低減させることができる。 That is, the first energy beam and the second energy beam supplied from the first energy beam supply source are formed by using a means for supplying a gas containing water molecules to make the inside of the irradiation chamber a gas atmosphere containing water molecules. By irradiating the non-single-crystal semiconductor thin film with the second energy beam irradiated from the source, the crystal grain size in the semiconductor thin film can be increased, and defects in the crystal grains can be reduced.
また、本発明においては、照射室の内部に第2のエネルギビームの断面を拡大した後に縮小する手段を含むことが好ましい。照射室の内部で第2のエネルギビームの断面を拡大した後に縮小した場合には、第2のエネルギビームが照射室の内部の水蒸気に吸収されやすくなることから、結晶粒内の欠陥をより低減させることができる傾向にある。ここで、「第2のエネルギビームの断面」とは、第2のエネルギビームの進行方向に対して垂直な方向に第2のエネルギビームを切断したときの切断面のことをいう。 In the present invention, it is preferable to include means for enlarging the cross section of the second energy beam inside the irradiation chamber and then reducing it. When the cross section of the second energy beam is enlarged inside the irradiation chamber and then reduced, the second energy beam is easily absorbed by the water vapor inside the irradiation chamber, thereby further reducing defects in the crystal grains. It tends to be able to be made. Here, the “cross section of the second energy beam” refers to a cut surface when the second energy beam is cut in a direction perpendicular to the traveling direction of the second energy beam.
また、本発明において、第1のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光、例えばエキシマレーザ光からなることが好ましい。エキシマレーザ光は波長1nm以上400nm以下の範囲にピーク波長を有する紫外光であることから非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを十分に有している点で好ましい。また、第1のエネルギビームはシリコンを溶融することができるエネルギを有するエネルギビームであることがシリコンの結晶化の観点から好ましい。 In the present invention, the first energy beam is preferably composed of pulsed laser light, for example, excimer laser light. Excimer laser light is preferable in that it has sufficient energy to crystallize a non-single-crystal semiconductor thin film because it is ultraviolet light having a peak wavelength in a wavelength range of 1 nm to 400 nm. The first energy beam is preferably an energy beam having an energy capable of melting silicon from the viewpoint of crystallization of silicon.
また、第2のエネルギビームは赤外光、例えば炭酸ガスレーザ光からなることが好ましい。炭酸ガスレーザ光等の赤外光は水蒸気が吸収しやすく結晶粒内の欠陥をより効率的に低減させることができる傾向にある。また、第2のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光、例えばホルミウム・ヤグ(Ho:YAG)レーザ光等からなることもできる。 The second energy beam is preferably composed of infrared light, for example, carbon dioxide laser light. Infrared light such as carbon dioxide laser light tends to absorb water vapor and tend to reduce defects in crystal grains more efficiently. The second energy beam can also be formed of pulsed laser light, such as holmium yag (Ho: YAG) laser light.
図1に本発明に用いられる非単結晶半導体薄膜を含む被処理体の好ましい一例の模式的な断面図を示す。この被処理体29は、ガラス基板11と、ガラス基板11上に形成された下地膜12と、下地膜12上に形成された非単結晶半導体薄膜としての非晶質シリコン薄膜13とから構成されている。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。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a preferred example of an object to be processed including a non-single crystal semiconductor thin film used in the present invention. The object to be processed 29 includes a
ここで、下地膜12は二酸化シリコン(SiO2)からなっており、下地膜12は蒸着法、スパッタリング法またはCVD法等を用いて形成される。この下地膜12はガラス基板11からの不純物の拡散を防止するために形成されるものである。また、下地膜12にはSiO2に代えて、他の材料を用いることもできる。
Here, the
また、非晶質シリコン薄膜13は、蒸着法、スパッタリング法またはCVD法等を用いて、30nm〜100nmの厚みで形成されることが高性能のTFT等の半導体装置を製造する観点から好ましい。この被処理体29を本発明の半導体薄膜の製造装置に設置して、非晶質シリコン薄膜13の多結晶化が行なわれる。
The amorphous silicon
図2に本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい一例の模式的な断面図を示す。本発明の半導体薄膜の製造装置は、照射室21と、照射室21の壁面に設置された窓部としての第1の透過窓28および第2の透過窓31と、被処理体29が設置される照射室21の内部のステージ32と、ステージ32の移動を可能とする移動機構33と、照射室21の内部に水分子を含むガスを供給する手段としてのガス供給口35と、照射室21の外部にガスを排出する手段としてのガス排出口34と、第1のエネルギビーム供給源としての第1のレーザ光発振器22と、第1の光学素子群23と、第1のミラー24と、第1のフィールドレンズ25と、第1のフォトマスク26と、第1の結像レンズ27と、第2のエネルギビーム供給源としての赤外線ランプ30とを含む。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a preferred example of the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention. In the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, an
本発明の半導体薄膜の製造装置において、ガス供給口35から照射室21の内部に水蒸気が導入されることによって、照射室21の内部が水蒸気雰囲気とされる。ここで、本発明においては、水蒸気に代えて、水分子を含む空気または水分子を含む窒素等を導入することもできる。
In the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention, the interior of the
そして、第1のレーザ光発振器22から第1のエネルギビームとしてのXeClを用いたエキシマレーザ光が発振され、このエキシマレーザ光は第1の光学素子群23中のエキスパンダによって適当な大きさに整形されると共に第1の光学素子群23中のホモジナイザによってエキシマレーザ光の照射領域内における放射照度の一様化が図られる。
Then, excimer laser light using XeCl as the first energy beam is oscillated from the first
次いで、第1の光学素子群23を通過したエキシマレーザ光は、第1のミラー24によって反射され、第1のフィールドレンズ25と第1のフォトマスク26とを通過する。そして、第1のフォトマスク26を通過したエキシマレーザ光は、第1の結像レンズ27で第1のフォトマスク26の像として結像させられ、溶融石英からなる第1の透過窓28を通して非晶質シリコン薄膜13に照射されて、非晶質シリコン薄膜13が溶融する。
Next, the excimer laser light that has passed through the first
これに加えて、赤外線ランプ30から第2のエネルギビームとして波長2.5μm〜8.0μmの範囲にピーク波長を有する赤外光が発振され、セレン化亜鉛等からなる第2の透過窓31を通して非晶質シリコン薄膜13に照射される。ここで、赤外線ランプ30から発振される赤外光は、非晶質シリコン薄膜13の下方にある下地膜12およびガラス基板11に吸収されて、非晶質シリコン薄膜13の温度を高温に保つことができる。それゆえ、非晶質シリコン薄膜13が溶融している時間を長くすることができ、溶融した非晶質シリコン薄膜13の結晶化速度が遅くなるため、結晶粒径の大きい多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
In addition, infrared light having a peak wavelength in the range of 2.5 μm to 8.0 μm is oscillated from the
さらに、赤外線ランプ30から発振された赤外光の一部は照射室21の内部の水蒸気にも吸収される。したがって、体積が一定に保たれた照射室21の内部では、赤外光を吸収して温度が上昇した水蒸気によって照射室21の内部の圧力が上昇する。これにより、非晶質シリコン薄膜13の多結晶化と同時に水蒸気中の水素がシリコンの未結合手を終端し、結晶粒内の欠陥を低減させることができる。
Further, a part of the infrared light oscillated from the
そして、移動機構33によってステージ32上の被処理体29を水平方向に移動させることで、エキシマレーザ光を非晶質シリコン薄膜13に対して走査しながら照射し、非晶質シリコン薄膜13の全体にわたって多結晶化を行なうことができる。
Then, the
ここで、本発明においては、赤外線ランプ30として、波長2.5μm〜8.0μmの範囲にピーク波長を有する赤外光を発振する発振器(例えば、カーボンランプヒータ)を用いた場合には、第1の透過窓28および第2の透過窓31の材質に波長10μmまでの光が透過可能であるフッ化カルシウムを用いることが好ましい。この場合には、第1の透過窓と第2の透過窓とを兼ねたより広い透過窓を設置することによって、本発明の半導体薄膜の製造装置の製造コストを低減させることができる。
In the present invention, when an oscillator (for example, a carbon lamp heater) that oscillates infrared light having a peak wavelength in a wavelength range of 2.5 μm to 8.0 μm is used as the
また、第1の光学素子群23中のエキスパンダは望遠系若しくは縮小系を有する光学系であって、第1のフォトマスク26上におけるエキシマレーザ光の照射領域を決定するものである。また、ホモジナイザは、レンズアレーまたはシリンドリカルレンズアレーによって構成されており、エキシマレーザ光を分割した後に再度合成することで、第1のフォトマスク26上の照射領域内における放射照度の一様化を図るものである。また、第1のフィールドレンズ25は、第1のフォトマスク26を透過したエキシマレーザ光を結像面に垂直に照射させる機能を有するものである。
The expander in the first
また、第1のフォトマスク26は、例えば、複数のスリット状の開口部を有している。第1のフォトマスク26のスリット状の開口部の幅を20μmに設定し、光学倍率を1/4倍とした第1の結像レンズ27を設置することによって、非晶質シリコン薄膜13において幅5μmのスリット状の結晶化領域が複数形成される。このとき、スリット状の開口部の幅方向に結晶が成長することによって柱状の結晶が得られるが、移動機構33によってステージ32を移動させることによってエキシマレーザ光の照射領域を一部重ね合わせて逐次エキシマレーザ光の照射を行なうことで、スリット状の開口部の幅方向に揃った結晶を形成することができる。
Further, the
また、第2のエネルギビームとしての赤外光の照射領域を、第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射領域よりも広い領域とすることが好ましい。この場合には、安定して結晶粒径を大きくすることができる傾向にある。また、第2のエネルギビームとしての赤外光の照射時間を、第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射時間よりも長くすることによって、結晶粒径をより大きくすることができる。さらに、結晶粒径をより大きくする観点からは、第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射は、第2のエネルギビームとしての赤外光の照射中、照射直前または照射直後のいずれかの時期に行なわれることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the irradiation area of the infrared light as the second energy beam is wider than the irradiation area of the excimer laser light as the first energy beam. In this case, the crystal grain size tends to be increased stably. Moreover, the crystal grain size can be increased by making the irradiation time of the infrared light as the second energy beam longer than the irradiation time of the excimer laser light as the first energy beam. Further, from the viewpoint of increasing the crystal grain size, the excimer laser light irradiation as the first energy beam is performed either during irradiation of infrared light as the second energy beam, immediately before irradiation or immediately after irradiation. It is preferred to be done at the time.
図3に、本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい他の一例の模式的な断面図を示す。この半導体薄膜の製造装置においては、第2のエネルギビームとして波長10.6μmの炭酸ガスレーザを用いることに特徴がある。 FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of another preferred example of the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention. This semiconductor thin film manufacturing apparatus is characterized in that a carbon dioxide laser with a wavelength of 10.6 μm is used as the second energy beam.
第2のレーザ光発振器41から発振された炭酸ガスレーザ光は、エキスパンダやホモジナイザ等から構成される第2の光学素子群42を通過し、第2のミラー43で反射された後、第2のフィールドレンズ44および第2の結像レンズ45を通過して第2の透過窓31を通して被処理体29に照射される。そして、炭酸ガスレーザ光は、被処理体29の下地膜12およびガラス基板11に吸収され、下地膜12およびガラス基板11の温度を上昇させることによって、非晶質シリコン薄膜13の温度を高温に保つことができる。それゆえ、この場合においても、非晶質シリコン薄膜13の溶融時間を長くすることができ、溶融した非晶質シリコン薄膜13の結晶化速度が遅くなるため、結晶粒径の大きい多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
The carbon dioxide laser light oscillated from the second
ここで、図示はしないが、第2の光学素子群42、第2のフィールドレンズ44または第2の結像レンズ45等の光学系を照射室21の内部に設置して、第2のレーザ光発振器41から発振された炭酸ガスレーザ光の断面を照射室21の内部で一旦拡大させた後、再度縮小して結像させる。すると、照射室21の内部の水蒸気による炭酸ガスレーザ光の吸収の効果がさらに増大するため、シリコンの未結合手の終端を効果的に行なうことができ、結晶粒内の欠陥の低減を図ることができる。
Here, although not shown, an optical system such as the second
図4に、本発明に用いられる被処理体の他の好ましい一例の模式的な断面図を示す。被処理体29は、ガラス基板11上に順次形成された下地膜12と非晶質シリコン薄膜13と、非晶質シリコン薄膜13上の少なくとも一部にパターンニングされた反射防止膜14とから構成される。
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of another preferred example of the object to be processed used in the present invention. The
この反射防止膜14は、第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光を透過する材質からなっており、被処理体29の表面にエキシマレーザ光を照射したときにエキシマレーザ光の反射を抑制するパターンを有している。
The
この反射防止膜14を有する被処理体29の上方から、非晶質シリコン薄膜13を結晶化させ得るエネルギを有する第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光と、エキシマレーザ光よりも非晶質シリコン薄膜13に吸収されにくく、かつエネルギの小さい第2のエネルギビームとを水蒸気雰囲気の照射室12の内部で照射する。
An excimer laser beam as a first energy beam having an energy capable of crystallizing the amorphous silicon
このように反射防止膜14を通して非晶質シリコン薄膜13に第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光を照射することによって、反射防止膜14の下方にある非晶質シリコン薄膜13が溶融しやすくなって、反射防止膜14の端部から中央部に向かって非晶質シリコン薄膜13の厚み方向に対して垂直方向に結晶化するため、結晶化領域を任意の位置に均一に形成することが可能となる。また、被処理体29には第2のエネルギビームも照射されることから、結晶粒径を大きくすることもできるだけでなく、反射防止膜14の幅を大きくすることも可能となり、TFT等の半導体装置の高性能化に加えて、半導体装置設計の自由度も向上させることができる。
By irradiating the amorphous silicon
ここで、反射防止膜14の厚みdは、第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の波長をλとし、反射防止膜14の屈折率をnとした場合に、λ/(4n)−λ/(8n)≦d≦λ/(4n)+λ/(8n)の関係が成立するように設定されることが好ましい。この場合には、反射防止膜14に吸収される第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の量が増加する傾向にあるためである。また、反射防止膜14の材質としては、SiO2等を用いることができる。すなわち、エキシマレーザ光として、XeClを用いたエキシマレーザ光(λ=308nm)をSiO2(n=1.54)からなる反射防止膜14に照射する場合には反射防止膜14の厚さd(nm)は25≦d≦75の関係を満たすことが好適である。
Here, the thickness d of the
非晶質シリコン薄膜13の結晶化の後、ゲート絶縁膜の形成、電極配線および不純物のドーピング等が行なわれて、TFT等の半導体装置が製造される。ここで、反射防止膜14をゲート絶縁膜として使用すると、被処理体29は反射防止膜14を含んだ状態で水蒸気雰囲気の照射室21の内部で結晶化処理がされているため、結晶中の欠陥の低減に加えて、シリコン結晶とゲート絶縁膜との界面の欠陥も低減されるため、さらに高品質の結晶を得ることができる。
After the amorphous silicon
上記においては、第1のレーザ光発振器22として、非晶質シリコン薄膜13に吸収されやすいXeClエキシマレーザ光(波長308nm)を発振するレーザ光発振器を用いたが、本発明においてはKrFエキシマレーザ光(波長248nm)またはYAGレーザ光の三倍波等の発振が可能なレーザ光発振器を用いることもできる。
In the above description, a laser light oscillator that oscillates XeCl excimer laser light (wavelength 308 nm) that is easily absorbed by the amorphous silicon
また、上記において、結晶化工程における照射室21内の温度は、200℃以上400℃以下であることが好ましい。この場合には、シリコンの未結合手の終端をより効果的に行なうことができる傾向にある。また、図示しないが、照射室21内の温度を制御するため、ヒータ等の加熱源を設置することもできる。
In the above, the temperature in the
また、上記において、第1のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射は、パルス幅が1〜90nsecであって、長さが200〜400mmで、幅が0.2〜1.0mmの線状のエキシマレーザ光を一方向に走査して行なうこともできる。 In the above, the irradiation with the excimer laser beam as the first energy beam is a linear shape having a pulse width of 1 to 90 nsec, a length of 200 to 400 mm, and a width of 0.2 to 1.0 mm. An excimer laser beam can be scanned in one direction.
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、結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することができるので、本発明は、TFT等の半導体装置の製造に好適に用いられる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor thin film manufacturing method and a semiconductor thin film manufacturing apparatus capable of increasing the crystal grain size and reducing defects in the crystal grains. It is suitably used for manufacturing semiconductor devices such as TFTs.
11 ガラス基板、12 下地膜、13 非晶質シリコン薄膜、14 反射防止膜、21 照射室、22 第1のレーザ光発振器、23 第1の光学素子群、24 第1のミラー、25 第1のフィールドレンズ、26 第1のフォトマスク、27 第1の結像レンズ、28 第1の透過窓、29 被処理体、30 赤外線ランプ、31 第2の透過窓、32 ステージ、33 移動機構、34 ガス排出口、35 ガス供給口、41 第2のレーザ光発振器、42 第2の光学素子群、43 第2のミラー、44 第2のフィールドレンズ、45 第2の結像レンズ。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004078796A JP2005268535A (en) | 2004-03-18 | 2004-03-18 | Method and device for manufacturing semiconductor thin film |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004078796A JP2005268535A (en) | 2004-03-18 | 2004-03-18 | Method and device for manufacturing semiconductor thin film |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005268535A true JP2005268535A (en) | 2005-09-29 |
Family
ID=35092766
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004078796A Withdrawn JP2005268535A (en) | 2004-03-18 | 2004-03-18 | Method and device for manufacturing semiconductor thin film |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005268535A (en) |
-
2004
- 2004-03-18 JP JP2004078796A patent/JP2005268535A/en not_active Withdrawn
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7551655B2 (en) | Laser irradiation apparatus, laser irradiation method and method for manufacturing semiconductor device | |
JP3586558B2 (en) | Method for reforming thin film and apparatus used for implementing the method | |
US8034698B2 (en) | Systems and methods for inducing crystallization of thin films using multiple optical paths | |
US7396712B2 (en) | Thin film processing method and thin processing apparatus | |
KR101025776B1 (en) | Laser irradiation apparatus, laser irradiation method, and method for manufacturing a semiconductor device | |
US20090218577A1 (en) | High throughput crystallization of thin films | |
US20130161312A1 (en) | Laser-irradiated thin films having variable thickness | |
US20080087895A1 (en) | Polysilicon thin film transistor and method of fabricating the same | |
US20040053480A1 (en) | Method for processing thin film and apparatus for processing thin film | |
US20050211987A1 (en) | Semiconductor device, manufacturing method thereof and manufacturing apparatus therefor | |
JP4494045B2 (en) | Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and method for manufacturing semiconductor device | |
JP3587900B2 (en) | Method for manufacturing crystalline silicon film | |
JP4769491B2 (en) | Crystallization method, thin film transistor manufacturing method, thin film transistor, and display device | |
US20050055016A1 (en) | Laser irradiation apparatus, laser irradiation method, and method for manufacturing semiconductor device | |
JP2000216088A (en) | Method of forming semiconductor thin film and laser irradiator | |
JP2002057105A (en) | Method and device for manufacturing semiconductor thin film, and matrix circuit-driving device | |
JP2003243322A (en) | Method of manufacturing semiconductor device | |
JP2005268535A (en) | Method and device for manufacturing semiconductor thin film | |
JP2009004629A (en) | Method and apparatus for forming polycrystalline semiconductor film | |
JP2004260144A (en) | Laser annealing method and device | |
JP2009111206A (en) | Laser annealing method | |
JP4255799B2 (en) | Method for producing crystalline silicon film | |
JP2005228808A (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
KR100553761B1 (en) | Method and apparatus for laser annealing | |
JP2008311494A (en) | Manufacturing method of crystalline semiconductor film, and laser device |
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: 20070605 |