JP2005285827A - Method and device for crystallizing semiconductor thin film, thin film transistor and display device using the thin film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を使用して半導体薄膜を結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置、この技術を利用した薄膜トランジスタ並びにその製造方法半導体装置、および、この薄膜トランジスタを使用した、液晶、有機EL等の表示装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor thin film crystallization method and a crystallization apparatus for crystallizing a semiconductor thin film using laser light, a thin film transistor using this technique and a manufacturing method thereof, a semiconductor device, and a liquid crystal using this thin film transistor, The present invention relates to a display device such as an organic EL.
従来から、ポリシリコン薄膜トランジスタの高移動度化およびしきい電圧のばらつき低減のために、ポリシリコン薄膜(p-シリコン薄膜)の大粒径化、大粒径結晶粒の位置制御性の良いアレイ化、および面方位制御に関する取り組みが、各企業、大学、研究機関等でなされている。その中で、位相シフタを使ったエキシマレーザによる非晶質シリコン薄膜(a−シリコン薄膜)の結晶化については、特開2000-308859(特許文献1)により紹介されている。また、今までに、位相シフタを使ったエキシマレーザによるシリコン薄膜の結晶化に関して、位置制御性良くΔ型あるいは短冊型の大粒径結晶粒アレイを形成できることが、例えば、表面科学21,278(2000)(非特許文献1)により報告されている。
しかし上記従来の技術では、a−シリコン薄膜をp−シリコン薄膜にするのに際して、結晶粒を大粒径化させることはできても、大粒径化した結晶粒の面方位を制御することはできないので、しきい電圧のばらつきを低減させることは難しい。 However, in the above prior art, when the a-silicon thin film is changed to the p-silicon thin film, the crystal grains can be enlarged, but the plane orientation of the enlarged crystal grains cannot be controlled. Since this is not possible, it is difficult to reduce the variation in threshold voltage.
従って本発明の目的は、非結晶半導体薄膜を、大粒径化された結晶粒で、面方位を制御可能に結晶化することの可能な技術を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique capable of crystallizing an amorphous semiconductor thin film with crystal grains having a large grain size so that the plane orientation can be controlled.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係わる半導体薄膜の結晶化方法は、半導体薄膜上に、ライン状の極小温度領域と、この極小温度領域の両側のライン状の極大温度領域とを有する逆ピークパターンの温度分布を形成し、前記温度分布に従った温度勾配の方向が半導体薄膜の面内にあり、かつ温度勾配の方向と直交する半導体薄膜の面内の方向に沿って、前記ライン状の極小温度領域による結晶化開始領域があり、半導体薄膜の膜厚が50ないし200nmの範囲の条件で、かつ前記極小温度領域と極大温度領域との間の距離が3ないし10μmの条件で結晶化させることにより、結晶成長方向すなわち温度勾配の方向に主として{100}配向させて半導体薄膜を結晶化させることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor thin film crystallization method according to one embodiment of the present invention includes a linear minimum temperature region on a semiconductor thin film, and linear maximum temperature regions on both sides of the minimum temperature region. And a temperature gradient direction according to the temperature distribution is in the plane of the semiconductor thin film and along a direction in the plane of the semiconductor thin film perpendicular to the direction of the temperature gradient. There is a crystallization start region in the line-shaped minimum temperature region, the thickness of the semiconductor thin film is in the range of 50 to 200 nm, and the distance between the minimum temperature region and the maximum temperature region is 3 to 10 μm. By crystallizing under conditions, the semiconductor thin film is crystallized mainly in the {100} orientation in the crystal growth direction, that is, the temperature gradient direction.
本発明の他の態様に係わる結晶化装置は、基板に形成され、50ないし200nmの厚さを有する半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化する装置であって、
レーザ光源と、
半導体薄膜の結晶化開始時に、前記半導体薄膜上に、ライン状の極小温度領域と、この極小温度領域の両側のライン状の極大温度領域とを有する逆ピークパターンの温度分布を形成し、この温度分布に従った温度勾配の方向が半導体薄膜の面内にあり、かつ温度勾配の方向と直交する半導体薄膜の面内の方向に沿って、前記ライン状の極小温度領域による結晶化開始領域があり、極小温度領域と極大温度領域との間の距離が3ないし10μmであるように、前記レーザ光源からのレーザ光を光変調する手段とを具備することを特徴とする。
A crystallization apparatus according to another aspect of the present invention is an apparatus for crystallization by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate and having a thickness of 50 to 200 nm with laser light.
A laser light source;
At the start of crystallization of the semiconductor thin film, a temperature distribution of an inverse peak pattern having a line-shaped minimum temperature region and a line-shaped maximum temperature region on both sides of the minimum temperature region is formed on the semiconductor thin film, and this temperature The direction of the temperature gradient according to the distribution is in the plane of the semiconductor thin film, and there is a crystallization start region by the line-shaped minimum temperature region along the direction in the plane of the semiconductor thin film perpendicular to the direction of the temperature gradient. And a means for optically modulating the laser beam from the laser light source so that the distance between the minimum temperature region and the maximum temperature region is 3 to 10 μm.
本発明によれば、1ショットのレーザ照射により位置制御かつ結晶成長方向に面方位制御された、例えば、ほぼ三角形の横方向成長結晶粒アレイ組織の高品質な結晶質の半導体薄膜が得られる。本発明で得た結晶化半導体薄膜を用いる薄膜トランジスタは、チャネル領域内において結晶粒の成長面が{100}に優先配向しているので、電流の方向を結晶成長方向に合わせることで、従来のポリシリコン薄膜トランジスタよりも移動度が高く、特にしきい電圧のばらつきが小さくなる。本発明の薄膜トランジスタを液晶ディスプレイ、有機EL等の表示装置に適用すれば、周辺回路に高機能の演算素子等を形成することが可能になり、システム・オン・パネル化に向け、本発明の効果は大きい。また位相シフタを光路中に挿入するだけの方法なので、光学系が複雑にならず調整に時間がかからないので、量産にも適している。 According to the present invention, it is possible to obtain a high-quality crystalline semiconductor thin film having, for example, a substantially triangular laterally grown crystal grain array structure whose position is controlled by one shot of laser irradiation and whose plane orientation is controlled in the crystal growth direction. In the thin film transistor using the crystallized semiconductor thin film obtained in the present invention, the crystal growth plane is preferentially oriented in {100} in the channel region. Therefore, by adjusting the current direction to the crystal growth direction, The mobility is higher than that of a silicon thin film transistor, and the variation in threshold voltage is particularly small. When the thin film transistor of the present invention is applied to a display device such as a liquid crystal display or an organic EL, it becomes possible to form a high-performance arithmetic element or the like in a peripheral circuit. Is big. In addition, since the phase shifter is simply inserted into the optical path, the optical system is not complicated and adjustment takes less time, which is suitable for mass production.
以下、添付の図面を参照して本発明による半導体薄膜の結晶化の原理について、また本発明の好ましい実施の形態について説明する。 The principle of crystallization of a semiconductor thin film according to the present invention and preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
光変調素子として、後で説明するドット型もしくはライン型の位相シフタを使用して光変調されたレーザ光は、ライン状の極小光強度領域と、この極小光強度領域の両側のライン状の極大光強度領域とを有する逆ピークパターンの光強度分布を有するようになる。尚、位相シフタのドットもしくはラインが繰り返し形成されている場合には、光強度分布も、逆ピークパターンが繰り返されたようになる。このような逆ピークパターンは、本明細書では、説明を容易にするために、ほぼV字型のパターンで説明し、かつ図示している。従って、好ましい光強度分布は、図1の(d)に符号1で示し、図2の(d)に符号53で示すように、ほぼV字型のパターンの繰り返しとなっている。このV字型のパターンで、谷部(ボトム位置)1a,53aが、極小光強度領域に対応し、山部(トップ位置)1b,53bが、極大光強度領域に対応している。これら谷部と山部とは、紙面に対して垂直に延びたライン(一直線)形状をしていることが判った。
Laser light that has been modulated using a dot-type or line-type phase shifter, which will be described later, as a light modulation element is composed of a linear minimum light intensity region and line maximums on both sides of this minimum light intensity region. The light intensity distribution has a reverse peak pattern having a light intensity region. When the phase shifter dots or lines are repeatedly formed, the light intensity distribution also appears to have the reverse peak pattern repeated. In the present specification, such a reverse peak pattern is described and illustrated as a substantially V-shaped pattern for ease of explanation. Therefore, a preferable light intensity distribution is a substantially V-shaped pattern repeat as indicated by reference numeral 1 in FIG. 1D and indicated by
半導体薄膜の結晶化開始時に、このような光強度分布を有するレーザ光で半導体薄膜を照射することにより、半導体薄膜上には、この光強度パターンに対応した温度分布が形成され、温度勾配が半導体薄膜内に生じ、結晶成長方向が一方向に限定される。この結果、結晶の成長方向と、この成長方向に垂直な、膜面の法線方向(膜厚方向)と、結晶粒の幅の方向とで、結晶成長速度に異方性がつけられる。 By irradiating the semiconductor thin film with a laser beam having such a light intensity distribution at the start of crystallization of the semiconductor thin film, a temperature distribution corresponding to the light intensity pattern is formed on the semiconductor thin film, and the temperature gradient is the semiconductor. It occurs in the thin film and the crystal growth direction is limited to one direction. As a result, anisotropy is imparted to the crystal growth rate in the crystal growth direction, the normal direction (film thickness direction) of the film surface perpendicular to the growth direction, and the width direction of the crystal grains.
次に、本発明で使用される位相シフタ(位相シフトマスク)の例を説明する。 Next, an example of a phase shifter (phase shift mask) used in the present invention will be described.
ここで「位相シフタ」とは、光リソグラフィの解像力を向上させるための手段であり、転写パターンに応じて透過光の光強度を変調するとともに位相を変調する機能を有する空間強度変調光学素子のことをいう。 Here, the “phase shifter” is a means for improving the resolving power of optical lithography, and is a spatial intensity modulation optical element that has a function of modulating the light intensity of transmitted light and modulating the phase according to the transfer pattern. Say.
図1の(a)並びに(b)は、ライン型の位相シフタ6を示す。この位相シフタ6は、透明媒質、例えば、石英基材に厚さの異なる互いに隣合う領域を設け、これら領域間の段差(位相シフト部)の境界で、入射するレーザ光線を回折並びに干渉させて、入射したレーザ光線の強度に周期的な空間分布を付与するものである。この位相シフタ6は、隣接するパターンが逆位相(例えば、180°のずれ)となるように、交互に並べられた位相が例えば、πの第1のストリップ領域(位相領域)6aと、位相が0の第2のストリップ領域(位相領域)6bとを有する。これらストリップ領域(位相シフト線領域)は、6ないし20μm、例えば、10μmの幅を有する。一般にレーザ光の波長をλ、透明媒質の屈折率をnとすると、領域間に180°の位相差をつけるのに必要な透明媒質の膜厚tは、t=λ/2(n−1)で与えられる。従って、石英基材の屈折率を1.5とすると、レーザ光としてKrFエキシマレーザ光を使用した場合には、この波長が248nmであるから、180°の位相差を付けるためには248nmの段差をエッチング等の方法で領域間につければよい。このエッチングにより薄く形成された領域が第1のストリップ領域6aとなり、エッチングされない領域が第2のストリップ領域6bとなっている。
FIGS. 1A and 1B show a line
このような構成の位相シフタにおいては、厚い第2の位相領域6bを通過したレーザ光は、薄い第1の位相領域6aを通過したレーザ光に比較して位相が180°遅れる。この結果、レーザ光間で、干渉と回折とが生じ、図1の(d)に示すような、V字形の連続した光強度分布1が得られる。このような光強度分布のレーザ光で、半導体薄膜を照射すると、結晶化開始時に、前記半導体薄膜上に、ライン状の極小温度領域(ボトム部もしくは谷部)と、この極小温度領域の両側のライン状の極大温度領域(トップ部もしくは山部)とを有する逆ピークパターンの温度分布を形成することができる。
In the phase shifter having such a configuration, the phase of the laser beam that has passed through the thick
次に上記位相シフタの製造方法の他の例を説明する。 Next, another example of the method for manufacturing the phase shifter will be described.
先ず遮光膜パターンを形成し、この上に所定膜厚の透明膜を形成する。透明膜材料としてはSOG(Spin on glass)を用いる。成膜方法としてはスピンコーティング法を用いる。塗布した透明膜を所定温度で焼成する。次いで、透明膜上にレジストを塗布し、レジスト膜を露光して所定のラインとスペース段差とのパターンあるいはドットパターン潜像を形成し、レジスト膜を現像して所定のラインとスペース段差パターンあるいはドットパターンを形成する。ここで所定のパターンは、所定の間隔ごとに周期的に繰り返される。 First, a light shielding film pattern is formed, and a transparent film having a predetermined thickness is formed thereon. SOG (Spin on glass) is used as the transparent film material. A spin coating method is used as a film forming method. The applied transparent film is baked at a predetermined temperature. Next, a resist is applied on the transparent film, and the resist film is exposed to form a pattern or dot pattern latent image of a predetermined line and space step, and the resist film is developed to form a predetermined line and space step pattern or dot. Form a pattern. Here, the predetermined pattern is periodically repeated at predetermined intervals.
次いで、プラズマエッチングなどのドライエッチング法を用いてレジスト膜の開口部分に露出する透明膜を選択的に除去する。さらにアッシング処理等によりレジスト膜および遮光膜を透明膜から除去すると、所定のパターンを有する位相シフタが得られる。 Next, the transparent film exposed to the opening of the resist film is selectively removed using a dry etching method such as plasma etching. Further, when the resist film and the light shielding film are removed from the transparent film by ashing or the like, a phase shifter having a predetermined pattern is obtained.
このようにして作製した位相シフタは、段差のところで分割光線群にそれぞれ独立にフレネル回折を起こさせる。これらの回折パターンは基板表面で多重反射により重畳されるので、基板表面の光強度分布は位相シフタのパラメータ(ギャップdと位相差θ)に依存する度合いが強いが、光強度分布に影響を与える他のパラメータとして位相シフタに入射する光線群の広がり量(ε)や光線間の干渉性が複雑に関係してくる。尚、位相差は必ずしも180°である必要はなく、レーザ光に強弱を実現できる位相差であればよい。このような位相シフタを透過したレーザ光は、図1の(d)に示すV型の繰り返しとなる光強度分布となる。図1の(c)には、このようなレーザ光で照射される半導体薄膜の一例が示されている。この図で、半導体薄膜は、符号4で示され、ガラス等の絶縁基板2上の下層絶縁膜3と上層絶縁膜5との間に形成されている。
The phase shifter thus produced causes Fresnel diffraction to occur independently in the divided light beam group at the level difference. Since these diffraction patterns are superimposed on the substrate surface by multiple reflection, the light intensity distribution on the substrate surface is highly dependent on the phase shifter parameters (gap d and phase difference θ), but affects the light intensity distribution. As other parameters, the spread amount (ε) of light beams incident on the phase shifter and the coherence between the light beams are complicatedly related. The phase difference does not necessarily need to be 180 °, and may be any phase difference that can realize the strength of the laser beam. The laser light transmitted through such a phase shifter has a light intensity distribution that becomes a V-type repetition shown in FIG. FIG. 1C shows an example of a semiconductor thin film irradiated with such a laser beam. In this figure, the semiconductor thin film is denoted by
図2の(a)並びに(b)に示すドット型の位相シフタ51は、透明媒質に、大きさが段々小さくなる、例えば矩形の、ドット段差(凹所)52を周期的に形成したものである。このような位相シフトによって、図2の(d)に示すように、レーザ光を光変調して、最大凹所52に対応して谷部53aが、また、最小凹所52に対応して山部53bが生じるV型の繰り返しの光強度分布53を形成することができる。尚、図2の(c)は、前記図1の(c)と実質的に同一なので説明は省略する。
The dot-
本発明者達は、上記のような位相シフタ6,51を使用して、前記非特許文献1に記載のレーザアニール技術によって、膜厚の異なる非結晶シリコン薄膜を、結晶化した。このときの膜厚が、30nm,50nm,100nm,200nmの場合の結果を図3に示す。この図で、横軸は膜厚(nm)を、また、縦軸は粒幅(μm)を示す。尚、“粒幅”という用語は、本発明では、成長した各結晶粒の結晶成長方向に面内で直交する方向の長さを示し、後で説明する図5の(a)並びに(b)でWで示されている。この図3から、シリコン薄膜の膜厚が、50ないし200nmの範囲では、膜厚の減少に伴い粒幅も減少し、また、30nmに膜厚が減少しても、膜厚が50nmの場合とほとんど変化していないことが判る。
The inventors crystallized amorphous silicon thin films having different thicknesses by the laser annealing technique described in Non-Patent Document 1 using the
さらに、本発明者達は、上記のようにシリコン薄膜の膜厚を変えると共に、位相間隔の異なる種々の位相シフタを使用して、種々のV字間隔を有する温度分布をシリコン薄膜に形成して、結晶化をした。図4は、このときの結果の一例を示している。この図で、(a)は膜厚が200nmの場合を,(b)は100nmの場合を、(c)は50nmの場合を、そして、(d)は30nmの場合を示している。また、横軸のV字間隔とは、V字型の温度分布の谷部と山部との間隔を示している。そして、この図で、ドットは、粒幅の測定結果を、また、直線は、測定結果に基づいて想定した光強度分布の傾き、即ち、温度勾配を示している。この測定結果から、シリコン薄膜の厚さが薄くなると粒幅の変化の程度が小さくなるものの、温度勾配が緩やかになると、粒幅が広くなることがわかる。 Furthermore, the present inventors changed the film thickness of the silicon thin film as described above and formed temperature distributions having various V-shaped intervals on the silicon thin film using various phase shifters having different phase intervals. Crystallized. FIG. 4 shows an example of the result at this time. In this figure, (a) shows the case where the film thickness is 200 nm, (b) shows the case where it is 100 nm, (c) shows the case where it is 50 nm, and (d) shows the case where it is 30 nm. Further, the V-shaped interval on the horizontal axis indicates the interval between the valley and the peak of the V-shaped temperature distribution. In this figure, dots indicate the measurement result of the grain width, and straight lines indicate the inclination of the light intensity distribution assumed based on the measurement result, that is, the temperature gradient. From this measurement result, it can be seen that although the degree of change in grain width decreases as the thickness of the silicon thin film decreases, the grain width increases as the temperature gradient decreases.
上記図3並びに図4に示す結果から、シリコン薄膜の膜厚が薄くなるほど、また、シリコン薄膜の面での温度勾配が急になるほど、成長された結晶粒の粒幅が細くなり結晶成長の異方性が大きくなっていることがわかる。 From the results shown in FIG. 3 and FIG. 4, the thinner the silicon thin film is, and the steeper the temperature gradient on the surface of the silicon thin film is, the narrower the grain width of the grown crystal grains and the different the crystal growth. It can be seen that the directionality has increased.
次に、図3の結果を基にして、シリコン薄膜厚が30および200nmの範囲において厚い場合と薄い場合とにおける結晶形態や結晶化過程を比較して、シリコン薄膜厚が薄いときの特徴を図5に示す。シリコン薄膜4bが30nmの場合(b)は、シリコン薄膜4aが200nmの場合(a)と比較して、Si層の熱容量が小さく、結晶化の際の冷却速度が大きい。どちらの場合もV型光強度分布(温度分布)に従って、強度分布の谷部(極小温度領域)の位置に対応するライン状(破線で示す)に成長性の結晶核12a,12bが最初に発生する。しかし、200nmの場合には、熱容量が大きく冷却速度が小さいために結晶核発生時の潜熱が逃げにくく、結果として成長性の核の発生間隔が広くなる。このため粒幅W方向への成長も、成長性結晶核の間隔の範囲で可能であり、(a)に示すように、Δ型の横方向成長粒13aが生成する。一方、30nmの場合には、潜熱が逃げやすいので成長性結晶核の発生間隔が狭くなる。このために、(b)に示すように、粒幅方向の成長が制限されて、横方向成長粒13bの幅は細くなる。尚、図5において、試料並びにレーザ光の温度分布は、図1並びに図2に示すものと同じなので、シリコン薄膜が4a,4bで示されている以外は、同一符号を付して説明は省略している。
Next, based on the results of FIG. 3, the characteristics of the thin silicon thin film are shown by comparing the crystal morphology and crystallization process when the silicon thin film is thick and thin within the range of 30 and 200 nm. As shown in FIG. When the silicon
図6は図4の結果を基に、V型光強度分布の傾きの違いによる結晶形態や結晶化過程の違いを比較したものである。(a)に示すように、温度勾配が緩やかになると、(b)に示す急な場合に比較して、結晶成長方向の温度勾配方向からの揺らぎ範囲が大きくなり、粒幅Wが大きくなる。 FIG. 6 compares the difference in crystal form and crystallization process due to the difference in the slope of the V-type light intensity distribution based on the result of FIG. As shown in (a), when the temperature gradient becomes gentler, the fluctuation range from the temperature gradient direction in the crystal growth direction becomes larger and the grain width W becomes larger as compared with the steep case shown in (b).
図7は、シリコン膜厚や光強度分布の傾き、即ち、温度勾配と、結晶組織の成長方向の面方位との関係を示している。尚、この図は、結晶化したシリコン薄膜の表面を所定距離エッチングし、Electron Back Scattering Pattern(EBSP)法により測定した結果を逆極点図を簡略化した図である。この図において、各頂点は、{001},{101},{111}の各面方位を示し、この領域の中のハッチングの領域の位置により配向性が決定される。この図は、膜厚を薄く、また傾きを急にしていくと、膜厚100nm、傾き5μmで{100}に配向し始め、また膜厚30nmでは{110}に配向することを示している。図8は、各シリコン薄膜の厚さおよび光強度分布の傾きと関係した、結晶形態と横方向成長粒の成長方向の結晶方位との関係について説明したものである。膜厚が薄くなり(膜厚方向は、紙面の垂直方向)、傾きが急になるのに伴い、粒幅が狭くなる。膜厚200nm、傾き10μmでは成長方向の結晶方位は{100}か{110}に配向しやすいが、膜厚100nm、傾き5μmでは{100}に配向しやすくなる。これは成長の方向の範囲が狭くなることにより、成長方向には最も成長の速い{100}に限られて形成されやすくなることによる。膜厚が30nmになると、成長方向の優先配向が{100}から{110}に変わる。この理由を以下に説明する。 FIG. 7 shows the relationship between the slope of the silicon film thickness and the light intensity distribution, that is, the temperature gradient, and the plane orientation in the growth direction of the crystal structure. In this figure, the surface of the crystallized silicon thin film is etched by a predetermined distance, and the result measured by the Electron Back Scattering Pattern (EBSP) method is a simplified diagram of the inverse pole figure. In this figure, each vertex indicates each plane orientation of {001}, {101}, {111}, and the orientation is determined by the position of the hatched area in this area. This figure shows that when the film thickness is reduced and the inclination is made steep, the film starts to be oriented to {100} at a film thickness of 100 nm and an inclination of 5 μm, and is oriented to {110} at a film thickness of 30 nm. FIG. 8 illustrates the relationship between the crystal form and the crystal orientation in the growth direction of the laterally grown grains in relation to the thickness of each silicon thin film and the slope of the light intensity distribution. As the film thickness becomes thinner (the film thickness direction is perpendicular to the paper surface) and the inclination becomes steep, the grain width becomes narrower. When the film thickness is 200 nm and the inclination is 10 μm, the crystal orientation in the growth direction is easily oriented to {100} or {110}, but when the film thickness is 100 nm and the inclination is 5 μm, the crystal orientation is easily oriented to {100}. This is because the range of the growth direction is narrowed, and the growth direction is limited to {100}, which is the fastest growing, and is easily formed. When the film thickness is 30 nm, the preferred orientation in the growth direction changes from {100} to {110}. The reason for this will be described below.
各方向について単独で考えると、法線(膜厚)方向は膜厚による成長の制限、および膜厚減少に伴うSi/SiO2界面(シリコン薄膜4と絶縁膜3との界面)の影響の増大から、最も遅い成長端の{111}および最もSi/SiO2界面エネルギーが小さくなる{001}に配向しやすい。粒幅方向も隣接して発生する成長性の結晶核が同時に横方向成長するために成長が制限され、最も遅い成長端の{111}に配向しやすい。横方向成長方向は超急冷凝固系の温度勾配の方向であり、速度の大きな成長端の{001},{101}に配向しやすい。
Considering each direction independently, the normal (film thickness) direction is limited by the growth of the film thickness, and the influence of the Si / SiO 2 interface (the interface between the silicon
ここで幾何学的条件を考えると、法線方向や粒幅方向が{111}に配向する場合、横方向成長方向は{001}にはなり得ない。これは直交しないからである。この結果、{110}に配向することになる。また同じ理由で、法線方向と粒幅方向が同時に{111}に配向することもあり得ない。従って、法線方向と粒幅方向のどちらか、あるいは両方が{111}から傾くことになるが、法線方向は{101}になりにくい性質から、粒幅方向は{001}にはなりにくく、{111},{101}に配向しやすい。 Considering the geometric conditions here, when the normal direction and the grain width direction are oriented in {111}, the lateral growth direction cannot be {001}. This is because they are not orthogonal. As a result, the orientation is {110}. For the same reason, the normal direction and the grain width direction cannot be simultaneously oriented to {111}. Therefore, either or both of the normal direction and the grain width direction are inclined from {111}, but the normal direction is less likely to be {101}, so the grain width direction is less likely to be {001}. , {111}, {101}.
レーザ結晶化シリコン薄膜の法線方向の面方位に関しては、{100}がSi/SiO2界面エネルギーを最小にするという特徴がある。また一方で薄い膜ではシリコン結晶のようなダイヤモンド構造の最密面である{111}に配向するという特徴がある。 Regarding the plane orientation in the normal direction of the laser crystallized silicon thin film, {100} has a feature that the Si / SiO 2 interface energy is minimized. On the other hand, a thin film is characterized by being oriented in {111}, which is the closest packed surface of a diamond structure such as a silicon crystal.
上記を考慮すると、法線方向は薄い膜の効果とSi/SiO2界面エネルギーの効果で膜厚方向が{111},{001}に配向する。また結果として、粒幅方向は{111}{101}に配向する。 Considering the above, the film thickness direction is oriented to {111} and {001} by the effect of the thin film and the effect of the Si / SiO 2 interface energy in the normal direction. As a result, the grain width direction is oriented in {111} {101}.
即ち、膜面の法線方向や粒幅方向が{111}になりにくい条件で、一方向に急速に結晶化する系とすれば、成長方向は{100}に優先配向する。 That is, the growth direction is preferentially oriented to {100} if a system that rapidly crystallizes in one direction under the condition that the normal direction and the grain width direction of the film surface are not easily {111}.
レーザ光として、波長248nmのKrFエキシマレーザ光を使用し、1ショットのパルス継続時間は20ないし200nsとした。上記条件で、位相シフタ6を、レーザ光源とガラス等の絶縁基板2上の下層絶縁膜3、非晶質半導体薄膜(シリコン薄膜)4、上層絶縁膜5からなる試料との間に挿入し、パルスレーザ光を照射すると、位相シフタ6を通過したレーザ光は段差部で回折と干渉を起こし周期的に強弱がつく。レーザ光が強い部位では半導体薄膜4は完全に溶融し、レーザ光が弱い部位との間で温度勾配が生ずる。レーザ光が最も弱い部位に結晶核が生成し、時間の経過とともに温度勾配に沿って溶融シリコンが凝固し、1次元の横方向の結晶成長が進むことが判った。
As a laser beam, a KrF excimer laser beam having a wavelength of 248 nm was used, and the pulse duration of one shot was set to 20 to 200 ns. Under the above conditions, the
本発明において結晶化の対象となる非単結晶半導体層は、所定膜厚の非晶質シリコン(a-Si)膜を用いることが一般的であるが、非晶質シリコン中に若干量の微結晶シリコンを含む混合組織であってもよく、また多結晶シリコン(poly−Si)膜であってもよい。また、シリコンに限られず、他の半導体薄膜にも適用可能である。 In the present invention, the non-single-crystal semiconductor layer to be crystallized is generally an amorphous silicon (a-Si) film having a predetermined thickness. It may be a mixed structure containing crystalline silicon, or may be a polycrystalline silicon (poly-Si) film. Further, the present invention is not limited to silicon and can be applied to other semiconductor thin films.
本発明は、上述したような考察から、非単結晶半導体層の膜厚は50ないし200nmの範囲としている。この膜厚が50nmを下回ると、図8で説明したように結晶化の際に膜厚が薄いことの効果で成長方向が{100}に配向しなくなる。一方膜厚が200nmを上回ると結晶成長の方向の範囲が広くなってしまい、成長方向の配向がなくなってしまうからである。上記膜厚の範囲は、50nmuないし100nmであることが好ましい。膜厚が100nmを上回ると、結晶化の際に、最終凝固部が盛り上がって凹凸が大きくなる恐れがあるからである。このような凹凸が生じると、後の配線プロセスに不都合が生じる場合がある。
本発明では、絶縁性のキャップ膜を介して非単結晶半導体層に光強度分布を有するレーザ光を照射することが好ましい。キャップ膜には所定膜厚のSiO2膜またはSiON膜を用いることが好ましい。キャップ膜の膜厚は50ないし500nmの範囲とすることができる。この膜厚が50nmを下回るとキャップ膜としての機能を失うからであり、一方膜厚が500nmを上回るとレーザ光強度の減衰が過大になるからである。
In the present invention, the film thickness of the non-single-crystal semiconductor layer is in the range of 50 to 200 nm from the above consideration. If the film thickness is less than 50 nm, the growth direction is not oriented to {100} due to the effect of the thin film thickness during crystallization as described in FIG. On the other hand, if the film thickness exceeds 200 nm, the range of the crystal growth direction becomes wide, and the orientation in the growth direction is lost. The range of the film thickness is preferably 50 nmu to 100 nm. This is because if the film thickness exceeds 100 nm, the final solidified portion may rise during crystallization, and the unevenness may increase. If such unevenness occurs, there may be a problem in the subsequent wiring process.
In the present invention, it is preferable that the non-single-crystal semiconductor layer is irradiated with laser light having a light intensity distribution through an insulating cap film. It is preferable to use a SiO 2 film or a SiON film having a predetermined thickness for the cap film. The thickness of the cap film can be in the range of 50 to 500 nm. This is because when the film thickness is less than 50 nm, the function as a cap film is lost, and when the film thickness exceeds 500 nm, the attenuation of the laser beam intensity becomes excessive.
図1の光強度分布のV字の周期、即ち、間隔は6ないし20μm(山部と谷部との間の距離は、3ないし10μm)の範囲が望ましい。6μm未満にすると、横方向成長粒の粒長が短くなり、大結晶粒を形成するという本発明の目的に反することになるからであり、一方20μmを超えると、横方向成長が途中で止まってしまうため、結晶粒で膜を充填することができなくなる。繰り返しV型光強度分布の間隔は、最終的に形成したい組織の粒長と密接な関係があり、隣接する横方向成長粒がちょうど出会うことができる距離とするか、又はそれより少し短めの距離とすることが最も望ましい。 The V-shaped period of the light intensity distribution in FIG. 1, that is, the interval is preferably 6 to 20 μm (the distance between the peak and valley is 3 to 10 μm). If the thickness is less than 6 μm, the grain length of the laterally grown grains is shortened, which is contrary to the object of the present invention of forming large crystal grains. On the other hand, if the grain size exceeds 20 μm, the lateral growth stops halfway. Therefore, the film cannot be filled with crystal grains. The interval of the repetitive V-shaped light intensity distribution is closely related to the grain length of the structure to be finally formed, and is a distance at which adjacent laterally grown grains can just meet each other, or a distance slightly shorter than that. Is most desirable.
また、光強度分布を有するレーザ光のトップ位置のフルエンスを700ないし1300mJ/cm2の範囲とすることが好ましい。ここで「フルエンス」とは、レーザのエネルギー密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギー量を時間積分したものをいう。平均フルエンスが700mJ/cm2を下回ると、結晶化されない未結晶部分が残りやすくなるからであり、一方、平均フルエンスが1300mJ/cm2を上回ると半導体薄膜が蒸散してしまうからである。 Further, the fluence at the top position of the laser beam having the light intensity distribution is preferably set in a range of 700 to 1300 mJ / cm 2 . Here, “fluence” is a scale representing the energy density of the laser, and refers to a time integral of the amount of energy per unit area. This is because if the average fluence is less than 700 mJ / cm 2 , an uncrystallized non-crystallized portion tends to remain, whereas if the average fluence exceeds 1300 mJ / cm 2 , the semiconductor thin film evaporates.
本発明の光変調素子としては、光透過性の材料からなり、光透過面側に所定のパターンの段差が周期的に繰り返し配置されている位相シフタが好ましい。そのパターンはV型光強度分布を形成するものであればよい。例えばプロキシミティ方式の位相変調光学系の結晶化装置を用いて、ラインとスペース段差との繰り返しからなるライン型の位相シフタを用いる場合は、ラインとスペース段差との間隔を6μm以上20μm未満とすることが好ましい。この数値限定理由は、上述したV型光強度分布の間隔の数値限定理由と同じである。このような間隔の位相シフタを使用することにより横方向成長長さが3ないし10μmのほぼΔ型の結晶粒を形成することができる。 The light modulation element of the present invention is preferably a phase shifter made of a light-transmitting material and having steps of a predetermined pattern periodically and repeatedly arranged on the light transmission surface side. The pattern only needs to form a V-type light intensity distribution. For example, when a line type phase shifter composed of repetition of a line and a space step is used by using a proximity type phase modulation optical system crystallization apparatus, the distance between the line and the space step is set to 6 μm or more and less than 20 μm. It is preferable. The reason for limiting the numerical value is the same as the reason for limiting the numerical value of the interval of the V-type light intensity distribution described above. By using a phase shifter with such an interval, approximately Δ-type crystal grains having a lateral growth length of 3 to 10 μm can be formed.
尚、プロキシミティ方式の光学系で位相シフタを用いる場合、位相シフタの光透過面から基板の入射面までの距離dを種々変えることができるが、50ないし500μmの範囲に調整することが最も望ましい。距離dを50μm未満にすると、位相シフタと基板との間での多重反射が強くなりすぎて、基板面上でフルエンスに大きなばらつきがある光強度分布となってしまうからである。一方、距離dが500μmを超えると、プロキシミティ方式で位相シフタを用いる場合の利点である鮮明なビームプロファイルが得られ難くなるからである。 When a phase shifter is used in a proximity optical system, the distance d from the light transmission surface of the phase shifter to the incident surface of the substrate can be variously changed, but is most preferably adjusted to a range of 50 to 500 μm. . This is because if the distance d is less than 50 μm, the multiple reflection between the phase shifter and the substrate becomes too strong, resulting in a light intensity distribution with a large variation in fluence on the substrate surface. On the other hand, if the distance d exceeds 500 μm, it becomes difficult to obtain a clear beam profile which is an advantage when using the phase shifter in the proximity method.
本発明において、例えばプロジェクション方式の光学系(投影法)で位相シフタを用いて、ライン型の位相シフタを用いる場合は、ラインとスペース段差との間隔と縮小レンズの縮小倍率とを掛けた値を6μm以上、好ましくは、8μm以上20μm未満とすることが好ましい。縮小レンズの縮小倍率は、1/1から1/20までの範囲で種々変えることができるが、1/4から1/8までの範囲とすることが好ましく、1/5程度とすることが最も好ましい。投影法に用いる光学系は、位相シフタの他に、エキシマレーザ光を発生させるためのエキシマレーザ発生装置、発生したレーザ光を分割し均一にするためのホモジナイザ、分割したレーザ光をマスク面の中心領域に集めるための凸レンズ、照射領域を定めるためのマスク、マスク面の照射領域を基板面で縮小した領域にするためのテレセントリック縮小レンズ、位相シフタ、XYZ基板ステージを含むものである。なお、投影法では位相シフタをマスク面のところに位置させる。 In the present invention, for example, when a phase shifter is used in a projection type optical system (projection method) and a line type phase shifter is used, a value obtained by multiplying the interval between the line and the space step by the reduction magnification of the reduction lens is obtained. The thickness is 6 μm or more, preferably 8 μm or more and less than 20 μm. The reduction magnification of the reduction lens can be variously changed in the range from 1/1 to 1/20, but is preferably in the range from 1/4 to 1/8, most preferably about 1/5. preferable. In addition to the phase shifter, the optical system used for the projection method is an excimer laser generator for generating excimer laser light, a homogenizer for dividing and making the generated laser light uniform, and the divided laser light at the center of the mask surface. It includes a convex lens for collecting the region, a mask for determining the irradiation region, a telecentric reduction lens for reducing the irradiation region of the mask surface on the substrate surface, a phase shifter, and an XYZ substrate stage. In the projection method, the phase shifter is positioned at the mask surface.
以下、添付の図面を参照して本発明の種々の好ましい実施の形態について説明する。 Hereinafter, various preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
第1の実施の形態
図9に示すように、レーザアニール装置、即ち、結晶化装置20は、プロキシミティ方式の光学系31を備えている。この光学系31は、レーザ光軸24に沿って、KrFエキシマレーザ発振器(発生装置)21と、ホモジナイザ22と、第1のコンデンサレンズ23と、第2のコンデンサレンズ26と、マスク27と、テレセントリック型の縮小レンズ28と、位相シフタ6とが順次設けられた構成である。そして、前記テレセントリック縮小レンズ28の結像位置には、被処理体32が位置合わせされるように、XYZθステージ29が配置されている。
First Embodiment As shown in FIG. 9, a laser annealing apparatus, that is, a
前記KrFエキシマレーザ発振器21としては、被処理体32の後述する非晶質シリコン薄膜4の照射領域を溶融するのに十分なエネルギー、例えば被処理体32上における値で700ないし1300(好ましくは1000)mj/cm2となるレーザ光を出力するように設定されている。
The KrF
前記ホモジナイザ22は、上記レーザ発振器21から射出されたレーザ光の面内光強度を均一化するためのものであり、例えば、集光レンズと2つの魚の目レンズとからなり、入射したレーザ光を分割し光強度を均一にするように構成されている。
The
前記第1のコンデンサレンズ(凸レンズ)23は、ホモジナイザ22からのレーザ光を集光するものであり、第2のコンデンサレンズ26(凸レンズ)と共役関係に配置されている。この第2のコンデンサレンズ26の射出側光路に配置された前記マスク27は、このレンズ26を通ったレーザ光のうち、非有効レーザ光を遮断して、有効レーザ光のみを照射するものであり、照射領域を定めるように設定された照射領域を有する。
The first condenser lens (convex lens) 23 condenses the laser light from the
前記縮小レンズ28は、1/1ないし1/20、例えば1/5倍に縮小するレンズであり、被処理体32の表面と共役関係に配置されている。この縮小レンズ28は、マスク27の照射領域を通ったレーザ光を基板面に縮小した領域で入射させるためのテレセントリック縮小レンズにより構成されている。
The
前記位相シフタ6は、縮小レンズ28とXYZθステージ29との間に配置され、XYZθステージ29上に載置された被処理体32の上面に近接して設けられている。本実施形態のプロキシミティ方式では、位相シフタ6と被処理体32の上面との近接間隔dは、例えば、300μmに設定されている。この実施形態では、位相シフタ6としては、図1の(a),(b)に示す位相シフタ6が使用されているが、他の形態の位相シフタ、例えば、図2の(a),(b)に示す位相シフタ51でも良い。本実施形態の位相シフタ6では10μm間隔のラインとスペース段差(L&S段差)が配列されており、この段差は、248nmに加工され、180°の位相差が付けられている。
The
前記XYZθステージ29は、XYZの各軸方向およびZ軸を中心軸としたθ方向に回転可能に位置調整され得る。また、このXYZθステージ29は、ヒータ30を内蔵し、被処理体32を所定の温度に加熱可能である。
The
前記被処理体32は、基板2と、この上に順次積層されたバッファ層3と、非晶質シリコン薄膜4と、絶縁性キャップ膜5との積層構造となっている。
The object to be processed 32 has a laminated structure of a
基板2としては、表示装置を形成する場合には、ガラス基板やプラスチック基板などの透過性絶縁基板が使用され得る。バッファ層3は、例えば、SiO2層とSiN層の2層構造となっており、基板2からの不純物の拡散を防止する機能と、結晶化プロセス時に基板2を熱から保護する機能とを有している。非晶質シリコン薄膜4は、多結晶もしくは単結晶化して薄膜トランジスタなど機能素子を形成する半導体層である。そして、絶縁性キャップ膜5は、例えば、SiO2膜により形成されており、非晶質シリコン薄膜4を、照射により発生する熱を数十n秒間のパルスレーザ光を所定期間蓄熱して大きな結晶粒を成長させるための結晶化のための保温効果を持たせる絶縁層である。
As the
次に、上記の装置を用いて非単結晶半導体薄膜としての非晶質シリコン薄膜を結晶化する方法を説明する。 Next, a method for crystallizing an amorphous silicon thin film as a non-single-crystal semiconductor thin film using the above apparatus will be described.
KrFエキシマレーザ発振器21から出射された波長248nmで、断面が長方形のレーザ光15は、ホモジナイザ22によって発散ビームに分割される。なお、1ショットのパルス継続時間は30ナノ秒である。分割されたビームの各中軸光線は、第1のコンデンサレンズ23によって マスク27の中心(照射領域)に集光されるが、それぞれのレーザビームは、僅かに発散型になっているために、マスク27全面を照明する。分割された微小出射領域を出た全ての光線群25は、それぞれマスク27上の全ての点を照射するので、レーザ出射面上の光強度に面内揺らぎがあっても、マスク27での光強度は均一になる。そして、マスク27の各領域を通過した光線群の中心光線、すなわちホモジナイザ22の中心部分のレンズ対を通ってきた発散光線群は、マスク27の近くに配置された第2のコンデンサレンズ26に入射し、光強度が均一な平行光線として射出される。この平行光線は、テレセントリック型の縮小レンズ28を通って、XYZθステージ29上に位置合わせされて載置された被処理体32に垂直に入射する。そして、レーザ発振器21からのパルスレーザ光の出射タイミングに応じて、XYZθステージ29は、所定ピッチ距離ずつX方向並びにY方向にステップ移動されて、被処理体32の照射領域がシフトされる。このようにして、アニールが繰り返されて、基板2上の非晶質シリコン薄膜4の照射領域が順次結晶化されて、所定の大きさもしくはシリコン薄膜全体に渡って結晶化領域が形成される。このようにして、例えば一辺が1mを超えるような大面積LCD基板上の非晶質シリコン薄膜の非晶質シリコンを、多結晶シリコンへと結晶化することが可能である。前記照射領域をシフトさせるためには、被処理体32とこれに入射するレーザ光とが、被処理体32の面に沿う方向(X,Y方向)に相対的に移動させることができれば、どのような方法および手段を採用しても良い。
上記構成の装置では、前記マスク27の同一箇所を通過した光線群は被処理体(詳しくは非晶質シリコン薄膜4)の面一点に集められる。即ち、マスク27の縮小像が、均一な光強度で非晶質シリコン薄膜4の上面に投影される。このときの非晶質シリコン薄膜4の上面の任意の点を照射する光線群は、中心光線を含めて分割された光線から作られている。或る光線と中心光線のなす角度は、ホモジナイザ22の幾何学的形状で決まる角度、すなわちマスク27での当該光線と中心光線とが作る角の角度に、テレセントリック型レンズ28の倍率を掛けた値になる。被処理体32に近接配置された位相シフタ6は、分割された光線群にそれぞれ独立にフレネル回折を起こさせる。これら回折パターンは、非晶質シリコン薄膜4の上面で重畳されるので、非晶質シリコン薄膜4の上面の光強度分布には、位相シフタ6のパラメータ(被処理体32と位相シフタ6との間隔d、位相差θ)だけではなく、位相シフタ6に入射する光線群の広がり量(ε)や、光線間の干渉性が複雑に関係する。
In the apparatus having the above-described configuration, a group of light beams that have passed through the same portion of the
プロキシミティ法によるレーザアニールの場合にも、位相シフタのL&S間隔(ライン型の位相シフタ)あるいはドット配列の周期(ドット型の位相シフタ)は、前に説明した理由により、6ないし20μmの範囲に設定してある。 Even in the case of laser annealing by proximity method, the L & S interval of the phase shifter (line type phase shifter) or the period of the dot arrangement (dot type phase shifter) is in the range of 6 to 20 μm for the reason described above. It is set.
プロジェクション法によるレーザアニールの場合には、位相シフタのL&S間隔あるいはドット配列の周期と縮小レンズ28の倍率とを掛けた値が、6ないし20μmの範囲であることが望ましい。プロジェクション法を用いると、XYZθステージ29により被処理体32をステップ移動させるのが比較的簡単であり大量生産のプロセスとしては有効である。位相差は必ずしも180°である必要はなく、また位相シフトパターンも必ずしもL&Sである必要はなく、V型の繰り返しとなるレーザ光強度分布を実現できる位相差、位相シフトパターンであればよい。またレーザアニールの際の膜構造は、シリコン薄膜がレーザ光を吸収して溶融するときに、シリコン薄膜中に熱を保持するため、およびシリコン薄膜からの熱拡散により急激に基板を熱することのないように、上面と下面とを絶縁性の膜で被覆しておくのが好ましく、この例では、このために、非晶質半導体薄膜4の上面にキャップ層5が、また下面にバッファ層3が夫々形成されている。
In the case of laser annealing by the projection method, it is desirable that the value obtained by multiplying the L & S interval of the phase shifter or the dot array period by the magnification of the
第2の実施の形態
図10に示すレーザアニール装置40は、図9に示すプロキシミティ型の装置とは異なり、位相シフタ51をマスク27の付近に配置し、位相シフタ51の像を被処理体32に結像させるようにした光学系を使用している。即ち、この光学系は、位相シフタ6を被処理体32の表面に投影した光学系で共役関係にある。また、位相シフタは、図2に示すドットパターン段差を配置しドット型の位相シフタ51を用いた。その他は図9の装置と実質的に同じであので、図9と同一部分は同一符号を付し、その詳細な説明は重複するので省略する。
Second Embodiment A
実施例1
本実施例1においては、図9に示すプロキシミティ方式の光学系を用い、また図1で示したライン型の位相シフタ6を用いた。この位相シフタ6のL&S間隔は10μm、段差深さtを248nmとした(位相差は180°)。
Example 1
In the first embodiment, the proximity optical system shown in FIG. 9 is used, and the line
結晶化の条件として、試料としての被処理体32の膜構造(キャップ層5/非晶質半導体薄膜(シリコン薄膜)4/バッファ層3/基板2)は、SiO2(300nm)/a-Si(100nm)/SiO2(1000nm)/ガラス基板とした。平均のレーザフルエンスは980mJ/cm2とした。基板上面と位相シフタ6との間隔dは300μmとした。レーザ光は、波長248nmのKrFエキシマレーザ光で、1ショットのパルス継続時間は30ナノ秒とした。
As a crystallization condition, the film structure of the object to be processed 32 as a sample (
エキシマレーザ発信器21から射出されたレーザ光は、ホモジナイザ22と2つのレンズ23,26とにより強度が均一となり、位相シフタ6により変調されて、図1の(d)に示すように、V型の繰り返しの光強度分布を有して被処理体32を照射する。
The laser light emitted from the
図11は、本実施例1で得られた結晶組織の配向性を膜面の法線方向と結晶粒の成長方向と、結晶粒の幅方向(結晶粒の成長方向に直行する方向)とについて、図7と同様に、EBSPにより解析した逆極点図の簡略図である。このEBSPの解析は、配向性がわかるように、粒幅方向に長く領域指定して、多くの結晶粒が入るようにした。各方向の逆極点図からは、ハッチングで示す領域の偏りで判るように、結晶成長方向が{100}に配向していることがわかる。 FIG. 11 shows the orientation of the crystal structure obtained in Example 1 with respect to the normal direction of the film surface, the crystal grain growth direction, and the crystal grain width direction (direction perpendicular to the crystal grain growth direction). FIG. 8 is a simplified diagram of an inverted pole figure analyzed by EBSP, as in FIG. 7. In this EBSP analysis, a region was specified long in the grain width direction so that orientation could be understood, so that many crystal grains entered. From the inverse pole figure in each direction, it can be seen that the crystal growth direction is oriented to {100}, as can be seen from the deviation of the area indicated by hatching.
実施例2
図10に示す第2の実施の形態の装置を使用して結晶化の試験を以下のようにして行った。この実証試験の結晶化の条件として、試料としての被処理体32の膜構造(キャップ層5/非晶質半導体薄膜4/バッファ層3/基板2)は、SiO2(300nm)/a-Si/SiO2(1000nm)/ガラス基板として、a-Si層の膜厚を30,50,100,200nmと変化させた。尚、テレセントリック縮小レンズ28は、1/5倍のものを使用したので、位相シフタ51のパターンは、非処理体32上で1/5のパターンに変換された。
Example 2
The crystallization test was performed as follows using the apparatus of the second embodiment shown in FIG. As a condition for crystallization in this demonstration test, the film structure (
エキシマレーザ発信器21から射出されたレーザ光は、ホモジナイザ22により強度が均一となり、位相シフタ51により変調されて、図2の(d)に示すように、V型の繰り返しの光強度分布を有して被処理体32を照射する。尚、位相シフタ51としては、結晶粒の粒長が5μmと10μmの横方向成長粒で夫々照射膜面を充填するように、V型光強度分布の周期が10μmと20μmとなるようにドット段差の周期を設定している2種類ものを使用した。また、位相シフタ51の位相差は180゜とした。非晶質半導体薄膜4(a-Si層)の膜厚は、夫々30,50,100,200nmにし、夫々に対して、照射するレーザフルエンスは、820,920,1040,1280mJ/cm2とした。また、レーザ光は、波長が248nmのKrFエキシマレーザ光で、1ショットのパルス継続時間を30ナノ秒とした。
The laser light emitted from the
上記条件で、膜厚が、夫々30,50,100,200nmの4つの非晶質半導体薄膜4の結晶化を果たし、得られた結晶を解析した。この結果は、前に説明した図7に示してある。この図から、シリコン薄膜の厚さと光強度分布の周期との組み合わせが、100nmと5μm、50nmと10μm、並びに50nmと5μmの場合には、夫々結晶粒の成長方向が{100}に配向していることが判る。また、膜厚が30nmでは、光強度分布の周期がいずれの場合でも、結晶粒の成長方向は{110}に配向していることが判る。このとき膜面の法線方向は{110}にはなりにくく、成長方向と垂直な粒幅方向は{100}になりにくい。これは図5、図8、図8で説明した結晶化過程を経ることによる。
Under the above conditions, four amorphous semiconductor
実施例3
本実施例3においては、図10のプロジェクション方式の光学系を用いた。ただし、位相シフタ51は、ドット配列の周期が50μm、段差深さtが83nm(位相差は60°)のものを使用した。
Example 3
In Example 3, the projection type optical system shown in FIG. 10 was used. However, the
結晶化の条件として、試料の膜構造は、SiO2(300nm)/a-Si(100nm)/SiO2(1000nm)/ガラス基板とした。光強度分布のトップ位置(極大強度位置)のレーザフルエンスは1040mJ/cm2とした。テレセントリック縮小レンズの倍率は1/5とした。レーザ光は、波長248nmのKrFエキシマレーザ光で、1ショットのパルス継続時間は30ナノ秒とした。 As a crystallization condition, the film structure of the sample was SiO 2 (300 nm) / a-Si (100 nm) / SiO 2 (1000 nm) / glass substrate. The laser fluence at the top position (maximum intensity position) of the light intensity distribution was 1040 mJ / cm 2 . The magnification of the telecentric reduction lens was 1/5. The laser beam was a KrF excimer laser beam with a wavelength of 248 nm, and the pulse duration of one shot was 30 nanoseconds.
図12は、本実施例3で得られた結晶組織の配向性を示す逆極点図を示している。EBSPの解析は配向性がわかるように、粒幅方向に長く領域指定して、多くの結晶粒が入るようにした。各方向の逆極点図からは、結晶成長方向が{100}に配向していることがわかる。また膜面の法線方向は{111}にはなりにくく、{100}から{110}への回転軸を回転する際に得られる結晶方位に配向していることが判る。しかし、成長方向と垂直な粒幅方向の配向ははっきりとは見られない。 FIG. 12 shows an inverted pole figure showing the orientation of the crystal structure obtained in Example 3. In the EBSP analysis, a region was specified long in the grain width direction so that orientation could be understood, so that many crystal grains entered. From the reverse pole figure in each direction, it can be seen that the crystal growth direction is oriented in {100}. It can also be seen that the normal direction of the film surface is unlikely to be {111}, and is oriented in the crystal orientation obtained when the rotation axis from {100} to {110} is rotated. However, the orientation in the grain width direction perpendicular to the growth direction is not clearly seen.
実施例4
本実施例4においても、図10のプロジェクション方式の光学系を用い、テレセントリック縮小レンズの倍率は1/5とし、位相シフタ51との組合せによりV型光強度分布の周期が20μmとなるようにした。位相シフタ51は、段差深さtを83nm(位相差は60°)とした。
Example 4
Also in the fourth embodiment, the projection type optical system of FIG. 10 is used, the magnification of the telecentric reduction lens is set to 1/5, and the period of the V-type light intensity distribution is set to 20 μm in combination with the
結晶化の条件として、試料の膜構造は、SiO2(300nm)/a-Si(50nm)/SiO2(1000nm)/ガラス基板とした。光強度分布のトップ位置(極大光強度位置)のレーザフルエンスは920mJ/cm2とした。レーザ光は波長248nmのKrFエキシマレーザ光で、1ショットのパルス継続時間は30ナノ秒とした。 As a crystallization condition, the film structure of the sample was SiO 2 (300 nm) / a-Si (50 nm) / SiO 2 (1000 nm) / glass substrate. The laser fluence at the top position (maximum light intensity position) of the light intensity distribution was 920 mJ / cm 2 . The laser beam was a KrF excimer laser beam with a wavelength of 248 nm, and the pulse duration of one shot was 30 nanoseconds.
図13は、本実施例4で得られた結晶組織の配向性を示す逆極点図である。EBSPの解析は配向性がわかるように、粒幅方向に長く領域指定して、多くの結晶粒が入るようにした。各方向の逆極点図から、結晶成長方向が{100}に配向していることがわかる。また膜面の法線方向は{111}にはなりにくく、{100}から{110}への回転軸を回転する際に得られる結晶方位に配向していることが判る。尚、成長方向と垂直な粒幅方向ははっきりとした配向は見られない。 FIG. 13 is an inverted pole figure showing the orientation of the crystal structure obtained in Example 4. In the EBSP analysis, a region was specified long in the grain width direction so that orientation could be understood, so that many crystal grains entered. From the inverse pole figure of each direction, it can be seen that the crystal growth direction is oriented to {100}. It can also be seen that the normal direction of the film surface is unlikely to be {111}, and is oriented in the crystal orientation obtained when the rotation axis from {100} to {110} is rotated. Note that no clear orientation is observed in the grain width direction perpendicular to the growth direction.
第3の実施の形態
次に、図14の(a)ないし(d)を参照して、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタをその製造方法と共に説明する。なお、本実施の形態では、便宜上Nチャネル型の薄膜トランジスタの製造方法について説明するが、Pチャネル型でも不純物種(ドーパント種)を変えるだけで他は実質的に同じである。尚、図では、1つのトランジスタを形成するように示されているが、実際には、多数のトランジスタが一度に同一の絶縁基板上に形成されるのが一般的である。
Third embodiment
Next, with reference to FIGS. 14A to 14D, a thin film transistor having a bottom gate structure will be described together with a manufacturing method thereof. Note that although a manufacturing method of an N-channel thin film transistor is described in this embodiment for convenience, the P-channel type is substantially the same except that the impurity species (dopant species) are changed. In the drawing, one transistor is shown to be formed. However, in practice, a large number of transistors are generally formed on the same insulating substrate at one time.
図14の(a)に示すように、XYZθステージ29(図9並びに10)の上に支持されたガラスなどの透明材料からなる絶縁基板2の上に、Al,Ta,Mo,W,Cr,Cu又はこれらの合金からなる金属膜を100ないし300nmの厚みで形成し、パターニングしてゲート電極101に加工する。
As shown in FIG. 14A, on the insulating
次いで、図14の(b)に示すように、ゲート電極101の上を含む絶縁基板2の上に、ゲート絶縁膜102,103を順次形成する。本実施形態のゲート絶縁膜102,103は、ゲート窒化膜(SiNx )/ゲート酸化膜(SiO2 )の二層構造としている。下層のゲート窒化膜102は、SiH4 ガスとNH3 ガスの混合物を原料気体として用い、プラズマCVD法(PE-CVD法)で50nmの厚みに成膜する。なお、プラズマCVDに代えて常圧CVDあるいは減圧CVD等他の方法を用いてもよい。
Next, as illustrated in FIG. 14B,
前記ゲート窒化膜102の成膜に引き続き、連続して、上層のゲート酸化膜103を約200nmの厚みで成膜する。さらに、ゲート酸化膜103の上に、連続的に非晶質シリコン薄膜4を100nmの厚みで成膜する。この成膜後に、550℃の温度で窒素雰囲気中での2時間程度の加熱処理により脱水素アニールし、非晶質半導体薄膜4に含まれる水素を放出させる。そして、この非晶質シリコン薄膜4の上に、SiO2からなるキャップ膜5を300nmの厚みで成膜する。
Following the formation of the
尚、前記二層構造のゲート絶縁膜102,103と、非晶質シリコン薄膜4と、キャップ膜5とは、成膜チャンバの真空系を破らず同一のチャンバで、処理ガスを代えて連続して成膜することが好ましい。
The two-layered
次に、図14の(b)に示すように、例えば、前記実施の形態1並びに2で説明した結晶化装置を使用して、レーザ光25を非晶質半導体薄膜4に照射して、非晶質半導体薄膜4を以下のようにして結晶化する。このときのレーザ光25としては例えば、波長が248nmのKrFエキシマレーザビームを用いることが好ましいが、これに限定されることはない。そして、レーザ光25の非晶質半導体薄膜4への照射領域を調整した後に、照射領域に位相シフタの周期的なパターンを転写可能なようにレーザ光25の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないように、XYZθステージをX方向とY方向とに間欠的に移動させることにより、照射領域をずらして繰り返し照射して、所定の大きさの領域を結晶化する。
Next, as shown in FIG. 14B, the amorphous semiconductor
次いで、キャップ絶縁膜5をエッチング法により剥離すると共に、前記結晶化された半導体薄膜4(以後、多結晶半導体薄膜105と称する)を、図14の(c)に示すように、パターンニングする。そして、薄膜トランジスタのVthを制御する目的で、Vthイオンインプランテーションを行なう。この実施の形態では、B+をドーズ量が5×1011ないし4×1012/cm2 程度となるように、多結晶半導体薄膜105中にイオン注入(矢印104で示されている)する。このVthイオンインプランテーションでは、例えば、10KeVで加速されたイオンビームを用いる。
Next, the
続いて、多結晶半導体薄膜105の上に、プラズマCVD法でSiO2 層を約100nmないし300nmの厚みで形成する。本例では、この層は、シランガスSH4 と酸素ガスとをプラズマ分解してSiO2 を堆積させることにより形成している。このようにして成膜されたSiO2 層を所定の形状にパターニングして、図14の(c)に示されるように、ストッパ膜106に加工する。この場合、裏面露光技術を用いて後で形成されるゲート電極101(図14の(d))と整合する様にストッパ膜106をパターニングしている。この結果、多結晶半導体薄膜105は、ストッパ膜106の直下に位置する部分が、チャネル領域Chとして保護され、他の部分の上面は露出している。前述した様に、チャネル領域Chには予めVthイオンインプランテーションによりB+イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。続いて、ストッパ膜106をマスクとして、イオンドーピングにより不純物(ここではP+イオン)を半導体薄膜105に注入し、ストッパ膜106の両側にLDD領域を形成する。この時のドーズ量は、例えば、5×1012ないし1×1013/cm2 とし、加速電圧は、例えば10KeVとしている。
Subsequently, an SiO 2 layer having a thickness of about 100 nm to 300 nm is formed on the polycrystalline semiconductor
さらに、ストッパ膜106及びその両側のLDD領域を被覆するようにパターンニングされたフォトレジストを形成した後、これをマスクとして、不純物(ここではP+イオン)を高濃度で半導体薄膜105注入して、ソース領域S及びドレイン領域Dを形成する。この不純物注入は、種々の方法が適用できるが、ここではイオンドーピング(イオンシャワー)を用いている。この方法は、質量分離を掛けることなく電界加速で不純物を注入するものであり、本実施例では1×1015/cm2 程度のドーズ量で不純物を、10KeVの加速電圧を使用して、注入し、ソース領域S及びドレイン領域Dを形成している。尚、図示しないが、Pチャネルの薄膜トランジスタを形成する場合には、Nチャネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆した後、不純物をP+イオンからB+イオンに切り換えドーズ量1×1015/cm2 程度でイオンドーピングすればよい。尚、ここでは質量分離型のイオンインプランテーション装置を用いて不純物を注入してもよい。
Further, after forming a photoresist patterned so as to cover the
この後、紫外線ランプ(図示せず)からの紫外線104により熱を加えるRTA(急速熱アニール)により、多結晶半導体薄膜105に注入された不純物を活性化する。これに代えて、エキシマレーザを用いたレーザ活性化アニール(ELA)を行なっても良い。この後、半導体薄膜105とストッパ膜106の不要な部分を同時にパターニングし、素子領域毎に薄膜トランジスタを分離する。
Thereafter, the impurities implanted into the polycrystalline semiconductor
最後に、図14の(d)に示すように、層間絶縁膜107として、SiO2膜 を約100ないし200nmの厚みで成膜する。この層間絶縁膜107の上に、パシベーション膜108として、SiNx をプラズマCVD法で約200ないし400nm成膜する。次に、真空雰囲気(窒素ガス又はフォーミングガス中でも良い)下で350ないし400℃程度の温度で1時間加熱処理し、層間絶縁膜107に含まれる水素原子を半導体薄膜105中に拡散させる。この後、コンタクトホールを、層間絶縁膜107並びにパシベーション膜108に開口させ、さらに、Mo,Alなどを100ないし200nmの厚みでスパッタした後、所定の形状にパターニングして配線電極109を形成して、薄膜トランジスタ112を完成させる。さらに、アクリル樹脂からなる平坦化層110を、配線電極109を含むパシベーション膜108上に1μm程度の厚みで塗布し、これら層間絶縁膜107、パシベーション膜108並びに平坦化層110に連続したコンタクトホールを形成する。
Finally, as shown in FIG. 14D, a SiO 2 film having a thickness of about 100 to 200 nm is formed as the
次に、平坦化層110の上にITOなどからなる透明導電膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして画素電極111に加工する。
Next, a transparent conductive film made of ITO or the like is sputtered on the
以上のような方法で、絶縁基板2上に形成されたゲート電極101と、このゲート電極の上に設けられたゲート絶縁膜102,103と、ソース領域S、ドレイン領域D、並びにチャネル領域Chを含み、前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極を覆うように設けられた結晶化半導体薄膜とを具備するボトムゲート型の薄膜トランジスタが形成される。このようなトランジスタでは、前記結晶化半導体薄膜の結晶組織が、結晶成長方向に{100}配向したほぼ三角形の結晶粒の周期的な配列からなり、かつ結晶成長方向{100}が電流の方向となるように前記チャネル領域Chと、ソース領域Sと、ドレイン領域Dとが配置されている。
With the above method, the
第4の実施の形態
次に、トップゲート構造の薄膜トランジスタをその製造方法と共に図15の(a)ないし(c)を参照して説明する。
Fourth Embodiment Next, a thin film transistor having a top gate structure will be described together with a manufacturing method thereof with reference to FIGS.
先ず図15の(a)に示すように、透明の絶縁基板2の上にバッファ層となる二層構造の下地膜121,122をプラズマCVD法により順次成膜する。このときの一層目の下地膜121は、SiNx からなり、その膜厚は100ないし500nmである。また、二層目の下地膜122は、SiO2 からなり、その膜厚は同じく100nmないし500nmである。この下地膜122の上に、非晶質シリコンからなる半導体薄膜4を50nmの厚みでプラズマCVD法もしくはLPCVD法により成膜する。さらに、この半導体薄膜4の上に、SiO2からなるキャップ膜5を、300nmの厚みで成膜する。前記半導体薄膜4の成膜にプラズマCVD法を用いた場合には、膜中の水素を脱離させるために、窒素雰囲気中で400ないし450℃の条件で1時間程度アニールする。
First, as shown in FIG. 15 (a),
次に、前記第3の実施の形態で使用した結晶化方法を利用して、非晶質半導体薄膜4を結晶化する。このときには、レーザ光25の照射領域を調整した後、照射領域に位相シフタの周期的なパターンの配列を転写可能なようにレーザ光25の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないように領域をずらして繰り返し照射して、所定の面積を結晶化する(この結晶化された非晶質半導体薄膜4は、以下では、多結晶半導薄膜105(図15の(b)に示されている)として説明する)。
Next, the amorphous semiconductor
続いて、キャップ膜5をエッチング等の方法で非晶質半導体薄膜4上から剥離する。ここで必要ならば、前記実施の形態と同様に、Vthイオンインプランテーションを行ない、B+イオンを、例えば、ドーズ量5×1011ないし4×1012/cm2 程度で多結晶半導薄膜105中に注入する。この場合の加速電圧は10KeV程度である。
Subsequently, the
続いて、図15の(b)に示すように、多結晶半導薄膜105をアイランド状にパターニングする。次に、この多結晶半導薄膜105を含む下地膜122の上に、プラズマCVD法、常圧CVD法、減圧CVD法、ECR−CVD法、スパッタ法などでSiO2 を100ないし400nm成長させて、ゲート絶縁膜103を形成する。この実施の形態では、ゲート絶縁膜103の厚みを100nmにしている。
Subsequently, as shown in FIG. 15B, the polycrystalline semiconductor
次いで、ゲート絶縁膜103の上にAl,Ti,Mo,W,Ta,不純物がドープされた多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金もしくは複合層を200ないし800nmの厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電極101に加工する。
Next, Al, Ti, Mo, W, Ta, polycrystalline silicon doped with impurities, or an alloy or composite layer thereof is formed to a thickness of 200 to 800 nm on the
次いで、P+イオンを質量分離を用いたイオン注入法で、多結晶半導薄膜105中に注入し、LDD領域を形成する。このイオン注入は、ゲート電極101をマスクとして絶縁基板2の全面に対して行なっている。このときのドーズ量は、6×1012ないし5×1013/cm2、加速電圧は、例えば90KeVである。なお、ゲート電極101の直下に位置するチャネル領域Chは、このゲート電極101で保護されており、Vthイオンインプランテーションで予め注入されたB+イオンがそのまま保持されている。
Next, P + ions are implanted into the polycrystalline semiconductor
前記LDD領域に対するイオン注入後、ゲート電極101とその周囲を被覆するようにレジストパタンを形成し、P+イオンを質量非分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入して、ソース領域S及びドレイン領域Dを形成する。この場合のドーズ量は、例えば、1×1015/cm2 程度、また、加速電圧は、例えば90KeVとしている。また、ドーピングガスとしては、水素希釈の20%PH3 ガスを用いることができる。そして、CMOS回路を形成する場合には、Pチャネル薄膜トランジスタ用のレジストパタンを形成後、ドーピングガスを5ないし20%のB2H6/H2 ガス系に切り換え、ドーズ量を1×1015ないし3×1015/cm2 程度、加速電圧を例えば90KeVとしてイオン注入すればよい。なお、前記ソース領域S及びドレイン領域Dの形成は、質量分離型のイオン注入装置を用いてもよい。この後、多結晶半導薄膜105に注入されたドーパントの活性化処理を行う。この活性化処理としては、上記実施の形態と同様に、紫外線104によるRTAを用いることができる。
After ion implantation into the LDD region, a resist pattern is formed so as to cover the
最後に、図15の(c)に示すように、ゲート電極101を被覆するようにPSGなどからなる層間絶縁膜107をゲート絶縁膜103上に成膜する。この後、SiNx をプラズマCVD法で層間絶縁膜107上に約200ないし400nm堆積して、パシベーション膜108を形成する。この段階で、窒素ガス中350℃の温度で1時間程度アニールし、層間絶縁膜107に含有された水素を多結晶半導体薄膜105中に拡散させる。この後、層間絶縁膜107並びにパシベーション膜108に、ソース領域Sを露出するように、コンタクトホールを形成する。さらに、パシベーション膜108の上にAl−Siなどの金属膜をスパッタリングで成膜した後、これを所定の形状にパターニングして配線電極109に加工して、薄膜トランジスタ123を完成させる。さらに、アクリル樹脂からなる平坦化層110を、配線電極109を含むパシベーション膜108上に1μm程度の厚みで塗布し、これら層間絶縁膜107、パシベーション膜108並びに平坦化層110に連続したコンタクトホールを形成する。次に、平坦化層110の上にITOなどからなる透明導電膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして画素電極111に加工する。
Finally, as shown in FIG. 15C, an
このようにして形成されたトップゲート型の薄膜トランジスタは、絶縁基板2上に形成され、ソース領域S、ドレイン領域D、並びにチャネル領域Chを含む結晶化半導体薄膜105と、この結晶化半導体薄膜の上に設けられたゲート絶縁膜103と、このゲート絶縁膜を介して前記結晶化半導体薄膜の上に設けられたゲート電極101とを有する。このトランジスタでは、前記結晶化半導体薄膜の結晶組織は、結晶成長方向に{100}配向したほぼ三角形の結晶粒の周期的な配列からなり、かつ{100}の結晶成長方向が電流の方向となるように前記チャネル領域Chと、ソース領域Sと、ドレイン領域Dとが配置されている。
The top-gate thin film transistor thus formed is formed on the insulating
図15を参照して説明した製造方法では、図14を参照して説明した製造方法と同様にして、非晶質半導体薄膜4を結晶化させている。但し、トップゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法に関する本実施の形態では、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法に係わる前の実施の形態と異なり、ゲート電極101のパターンが形成される前の工程で結晶化を行なうために、ガラスなどからなる絶縁基板の収縮についてはボトムゲート構造の半導体装置よりも許容度が大きい。このため、より大出力のレーザ照射装置を用いて結晶化処理を行なえる効果がある。
In the manufacturing method described with reference to FIG. 15, the amorphous semiconductor
第5の実施の形態
図16は、第3並びに第4の実施の形態に係わる方法により製造された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。この表示装置130は、1対の透明の絶縁基板131,132(下側の絶縁基板131は、前記絶縁基板2に対応している)と、両者の間に保持された電気光学物質133とを備えたパネル構造を有している。この電気光学物質133としては、有機EL材料や液晶材料が広く用いられている。下側の絶縁基板131には、画素アレイ部134と駆動回路部とが集積形成されている。この駆動回路部は、垂直駆動回路135と水平駆動回路136とに分かれている。
Fifth embodiment
FIG. 16 shows an example of an active matrix display device using thin film transistors manufactured by the methods according to the third and fourth embodiments. The
また、下側の絶縁基板131の周辺部上端には、外部接続用の端子部137が形成されている。これら端子部137は、配線138を介して垂直駆動回路135及び水平駆動回路136に接続されている。前記画素アレイ部134には、行状のゲート配線139と列状の信号配線140が形成されている。これら両配線の各交差部には、画素電極111と、これを駆動する薄膜トランジスタ112(または123)が形成されている。薄膜トランジスタ112(または123)のゲート電極は対応するゲート配線139に接続され、ドレイン領域Dは対応する画素電極111に接続され、また、ソース領域Sは、対応する信号配線140に接続されている。そして、前記ゲート配線139は、垂直駆動回路135に接続され、信号配線140は、水平駆動回路136に接続されている。
A
前記画素電極111をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ112(または123)以外にも、垂直駆動回路135と水平駆動回路136に含まれる薄膜トランジスタも、本発明に従って薄膜トランジスタの製造方法で製造され得る。従って、これら薄膜トランジスタは、晶成長方向、即ち、温度勾配の方向に主として{100}配向させて結晶化された半導体薄膜を使用しているので、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。
In addition to the thin film transistor 112 (or 123) for switching and driving the
本発明の薄膜トランジスタを液晶ディスプレイ、有機EL等の表示装置に適用すれば、周辺回路に高機能の演算素子等を形成することが可能になり、システム・オン・パネル化に向け、本発明の効果は大きい。また、本発明は位相シフタを光路中に挿入するだけの方法なので、光学系が複雑にならずその調整に時間がかからないので、量産にも適している。 When the thin film transistor of the present invention is applied to a display device such as a liquid crystal display or an organic EL, it becomes possible to form a high-performance arithmetic element or the like in a peripheral circuit. Is big. Further, since the present invention is a method in which the phase shifter is simply inserted into the optical path, the optical system is not complicated and adjustment thereof does not take time, so that it is suitable for mass production.
1,53…ほぼV字型のパターン、1a,53a…谷部(ボトム位置、極小光強度領域)、1b,53b…山部(トップ位置、極大光強度領域)2…基板、3…バッファ層(下地保護膜)、4…非晶質半導体層(シリコン薄膜)、5…キャップ膜、6…位相シフタ(空間強度変調光学素子)、
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記位相シフタを前記マスクのマスク面の位置に挿入する投影法を使用し、かつ前記位相シフタのドット配置の周期またはラインとスペースとの間隔と、縮小レンズの縮小倍率とを掛けた値を6μm以上20μm以下とすることを特徴とする請求項4に記載の半導体薄膜の結晶化方法。 An excimer laser generator for emitting an excimer laser beam, a homogenizer for making the light intensity of the emitted laser beam uniform, a mask for defining an irradiation area on the semiconductor thin film, and the light intensity made uniform An optical element for condensing the laser light on the mask, a telecentric reduction lens for making the laser light that has passed through the irradiation area of the mask incident on the reduced area of the semiconductor thin film, and the light of the laser light that irradiates the semiconductor thin film Using a device comprising a phase shifter that modulates the intensity distribution,
A projection method in which the phase shifter is inserted at the position of the mask surface of the mask is used, and a value obtained by multiplying the period of dot arrangement of the phase shifter or the interval between the line and the space and the reduction magnification of the reduction lens is 6 μm. The method for crystallizing a semiconductor thin film according to claim 4, wherein the thickness is 20 μm or less.
レーザ光源と、
半導体薄膜の結晶化開始時に、前記半導体薄膜上に、ライン状の極小温度領域と、この極小温度領域の両側のライン状の極大温度領域とを有する逆ピークパターンの温度分布を形成し、この温度分布に従った温度勾配の方向が半導体薄膜の面内にあり、かつ温度勾配の方向と直交する半導体薄膜の面内の方向に沿って、前記ライン状の極小温度領域による結晶化開始領域があり、極小温度領域と極大温度領域との間の距離が3ないし10μmであるように、前記レーザ光源からのレーザ光を光変調する手段とを具備することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。 An apparatus for crystallizing a semiconductor thin film formed on a substrate and irradiating a semiconductor thin film having a thickness of 50 to 200 nm with laser light,
A laser light source;
At the start of crystallization of the semiconductor thin film, a temperature distribution of an inverse peak pattern having a line-shaped minimum temperature region and a line-shaped maximum temperature region on both sides of the minimum temperature region is formed on the semiconductor thin film, and this temperature The direction of the temperature gradient according to the distribution is in the plane of the semiconductor thin film, and there is a crystallization start region by the line-shaped minimum temperature region along the direction in the plane of the semiconductor thin film perpendicular to the direction of the temperature gradient. And a means for optically modulating laser light from the laser light source so that the distance between the minimum temperature region and the maximum temperature region is 3 to 10 μm.
前記位相シフタは、周期的なドット段差を有するドット型の位相シフタ、またはラインとスペース段差とが配列してあるライン型の位相シフタであり、前記マスクのマスク面の位置に配置され、この位相シフタのドット段差の周期またはラインとスペース段差との間隔と、前記縮小レンズの縮小倍率とを掛けた値が6μmないし20μmに設定されていることを特徴とする請求項8に記載の装置。 Further, a homogenizer for making the light intensity of the laser light from the laser light source uniform, a mask for determining the irradiation area, and a laser light whose light intensity is made uniform by the homogenizer are collected in the irradiation area of the mask. An optical system comprising: a convex lens; and a telecentric reduction lens for reducing the irradiation area of the mask to an area reduced on the imaging surface of the semiconductor thin film,
The phase shifter is a dot type phase shifter having a periodic dot step or a line type phase shifter in which lines and space steps are arranged, and is arranged at a position of the mask surface of the mask. 9. The apparatus according to claim 8, wherein a value obtained by multiplying a period of a dot step of a shifter or an interval between a line and a space step and a reduction magnification of the reduction lens is set to 6 μm to 20 μm.
前記結晶化半導体薄膜の上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜を介して前記結晶化半導体薄膜の上に設けられたゲート電極とを具備するトップゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記結晶化半導体薄膜の結晶組織は、結晶成長方向に{100}配向したほぼ三角形の結晶粒の周期的な配列からなり、かつ{100}の結晶成長方向が電流の方向となるように前記チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とが配置されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。 A crystallized semiconductor thin film formed on an insulating substrate and including a source, a drain, and a channel region;
A top gate type thin film transistor comprising a gate insulating film provided on the crystallized semiconductor thin film and a gate electrode provided on the crystallized semiconductor thin film through the gate insulating film;
The crystal structure of the crystallized semiconductor thin film is a periodic arrangement of substantially triangular crystal grains {100} oriented in the crystal growth direction, and the channel so that the {100} crystal growth direction is the current direction. A thin film transistor comprising a region, a source region, and a drain region.
前記結晶化半導体薄膜の結晶組織が、結晶成長方向に{100}配向したほぼ三角形の結晶粒の周期的な配列からなり、かつ結晶成長方向{100}が電流の方向となるように前記チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とが配置されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。 A gate electrode formed on an insulating substrate, a gate insulating film provided on the gate electrode, a source, a drain, and a channel region are provided so as to cover the gate electrode through the gate insulating film A bottom gate type thin film transistor comprising the crystallized semiconductor thin film obtained,
The channel region is formed such that the crystallographic structure of the crystallized semiconductor thin film is a periodic arrangement of substantially triangular crystal grains {100} oriented in the crystal growth direction, and the crystal growth direction {100} is the current direction. And a source region and a drain region.
前記結晶化半導体薄膜の結晶組織が、{100}の結晶成長方向に{100}配向したほぼ三角形の結晶粒の周期的な配列からなり、かつ結晶成長方向が電流の方向となるように前記チャネル領域と、ソース領域と、ドレイン領域とが配置されてい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 electrode and the electrode are formed on the other substrate A thin film transistor to be driven is formed, and the thin film transistor is a display device including a crystallized semiconductor thin film including a source, a drain, and a channel region, a gate insulating film, and a gate electrode,
The crystal structure of the crystallized semiconductor thin film is composed of a periodic array of substantially triangular crystal grains {100} oriented in the {100} crystal growth direction, and the channel is set such that the crystal growth direction is a current direction. A display device comprising a region, a source region, and a drain region.
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