JP2007287866A - Method for manufacturing semiconductor crystal thin film and manufacturing apparatus thereof, photomask, and semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、エネルギービームとしてレーザを利用した半導体結晶薄膜の製造方法およびそれに用いられる製造装置、フォトマスク、ならびに、半導体素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor crystal thin film using a laser as an energy beam, a manufacturing apparatus used therefor, a photomask, and a semiconductor element.
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話機の表示ディスプレィとして、液晶や有機エレクトロルミネッセンス(有機EL)を用いた平面型の表示装置が多く用いられている。この液晶や有機ELを利用した表示装置には、画素の表示をスイッチングするために非晶質または多結晶のシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタが用いられる。これらの薄膜トランジスタはガラス基板上に形成されており、薄型で軽量の表示装置を得ることが可能となっている。 In recent years, flat display devices using liquid crystal or organic electroluminescence (organic EL) are often used as display displays for personal computers and mobile phones. In a display device using liquid crystal or organic EL, a thin film transistor using amorphous or polycrystalline silicon as an active layer is used to switch display of a pixel. These thin film transistors are formed on a glass substrate, and a thin and lightweight display device can be obtained.
このうち、多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いたトランジスタよりも、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタと比較して、多くの長所を有している。 Among these, polycrystalline silicon thin film transistors have many advantages over amorphous silicon thin film transistors because they have higher mobility of carriers such as electrons and holes than transistors using amorphous silicon. is doing.
たとえば、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いため、高性能のトランジスタを作製することが可能であり、これによって画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分のガラス基板上に、より高性能なトランジスタを必要とする駆動回路や画像処理などの機能を有する周辺回路を形成することができる。このため、ドライバICや駆動回路基板をガラス基板に実装する必要がなく、表示装置を低価格で提供することが可能となる。 For example, since the mobility of carriers such as electrons and holes is high, it is possible to manufacture a high-performance transistor, thereby not only forming a switching element in the pixel portion but also on the glass substrate in the pixel peripheral portion. Accordingly, a driver circuit that requires a higher performance transistor and a peripheral circuit having functions such as image processing can be formed. For this reason, it is not necessary to mount a driver IC or a drive circuit board on a glass substrate, and a display device can be provided at a low price.
また、その他の長所として、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いため、トランジスタの寸法を微細化でき、そのため画素部分に形成するスイッチング素子を小さくできるため、高開口率化が図れる。これによって、高精細であっても高輝度な表示装置を提供することが可能となる。 Further, as another advantage, since the mobility of carriers such as electrons and holes is high, the size of the transistor can be miniaturized. Therefore, the switching element formed in the pixel portion can be made small, so that a high aperture ratio can be achieved. This makes it possible to provide a display device with high brightness even with high definition.
上述したような長所を有する多結晶シリコン薄膜は、通常、ガラス基板にCVD法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、非晶質シリコンを多結晶化する工程を行なうことによって製造することができる。 A polycrystalline silicon thin film having the above-described advantages can be usually manufactured by forming an amorphous silicon thin film on a glass substrate by CVD or the like and then performing a process of polycrystallizing amorphous silicon. it can.
非晶質シリコンを結晶化する工程としては、基板全体を600〜1000℃以上の高温に保ち、非晶質を結晶質へと転換させるアニール法がある。しかしながらアニール法では、安価なガラス基板は使うことができず、上記高温に耐え得る高価な石英基板を使用する必要があり、このことが表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。 As a process for crystallizing amorphous silicon, there is an annealing method in which the entire substrate is kept at a high temperature of 600 to 1000 ° C. or more to convert amorphous to crystalline. However, in the annealing method, an inexpensive glass substrate cannot be used, and it is necessary to use an expensive quartz substrate that can withstand the above-described high temperature, which has been an impediment to reducing the cost of the display device.
そこで近年は、多結晶シリコン薄膜の製造に際し、レーザを用いて600℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。このレーザによる結晶化技術は、長さ200〜400mm、幅0.2〜1.0mm程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径0.2〜0.5μm程度の結晶粒が形成される。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、レーザビームのエネルギにより溶融した後、固化することで結晶となり、非晶質シリコンと比較して数桁程度電子移動度を改善することができる。 In recent years, therefore, a technique for crystallizing amorphous silicon at a low temperature of 600 ° C. or lower using a laser has been generalized in the production of a polycrystalline silicon thin film, and a polycrystalline silicon transistor is formed on a low-cost glass substrate. Display devices can be provided at a low price. This laser crystallization technique is generally a method of continuously irradiating a glass substrate with a linear laser beam having a length of about 200 to 400 mm and a width of about 0.2 to 1.0 mm. By this method, crystal grains having a grain size of about 0.2 to 0.5 μm are formed. At this time, the portion of the amorphous silicon irradiated with the laser is melted by the energy of the laser beam and then solidified to become a crystal, and the electron mobility can be improved by several orders of magnitude compared to amorphous silicon. .
このレーザを用いた方法においては、最初の非晶質シリコン膜を、厚み方向全域にわたって溶融させるのではなく、膜の底部に一部の非晶質領域を残して溶融することで、工業的に有用な結晶を得ることができる。しかしこの方法では、レーザ照射領域全域にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜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ことになる。このように多数の結晶粒が基板上に形成されると、膜中には無数の粒界が存在するため、トランジスタを形成して電気的な駆動を行なう際に、電子やホールなどのキャリアが粒界に散乱されることになり、単結晶基板と比較すると、数分の一程度の電子移動度しか得られない。このような背景に鑑み、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくし、また結晶の方位を制御することにより、単結晶に近い性能を実現できた高性能な表示装置を得るため、近年、数多くの研究開発がなされている。 In the method using this laser, the first amorphous silicon film is not melted over the entire thickness direction, but is melted industrially by leaving a part of the amorphous region at the bottom of the film. Useful crystals can be obtained. However, in this method, crystal nuclei are generated everywhere in the entire laser irradiation region, and the crystal grows toward the outermost layer of the silicon thin film, thereby forming crystal grains with random orientation. When a large number of crystal grains are formed on the substrate in this way, there are innumerable grain boundaries in the film. Therefore, when a transistor is formed and electrically driven, carriers such as electrons and holes are generated. It will be scattered by the grain boundaries, and only about a fraction of the electron mobility can be obtained compared to a single crystal substrate. In view of such a background, in order to obtain a high-performance display device capable of realizing performance close to that of a single crystal by increasing the crystal grain size of polycrystalline silicon and controlling the crystal orientation, Research and development has been done.
この特性改善技術の1つとして、たとえば特許第3204986号(特許文献1)は、スーパーラテラル成長と称する技術を開示している。特許文献1に記載された方法は、微細幅のパルスレーザをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚み方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化を行なうものである。たとえば、2〜3μmの微細幅のレーザ照射によって、レーザ照射領域が溶融し、未溶融領域の境界から横方向(すなわち、基板の厚み方向に略垂直な方向)に結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し、成長が終了する。上記レーザ照射領域は、通常、微細なストライプ状(短冊状)であり、結晶はこのストライプ状の短手方向に沿って成長し、上記溶融領域中央部の両側から成長した結晶は、このストライプ状の長手方向に関する中心線上で衝突することになる。
As one of the characteristic improvement techniques, for example, Japanese Patent No. 3204986 (Patent Document 1) discloses a technique called super lateral growth. In the method described in
またこの方法は、複数のパルスレーザ照射によっても行なうことが可能であり、1回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を次の結晶成長の種として引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方法に方位の揃った長結晶が得られるといった特徴を有している。 This method can also be performed by a plurality of pulsed laser irradiations. When laser pulses are sequentially irradiated so as to overlap a part of the needle-like crystal formed by the previous laser irradiation, It has the feature that a crystal having a longer orientation is obtained by taking over the already grown crystal as a seed for the next crystal growth, thereby growing a longer needle-like crystal.
また、複数のビームを用いて特性改善を行なう試みが、特開平8−186268号公報(特許文献2)、特開2001−176797号公報(特許文献3)などに記載されている。ただし、これら特許文献2、3に記載の技術は、横方向の成長の概念を取り入れたものとはなっていない。
In addition, attempts to improve characteristics using a plurality of beams are described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-186268 (Patent Document 2), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-176797 (Patent Document 3), and the like. However, the techniques described in
また、表面の平坦性を改善する試みが、特開2003−142402号公報(特許文献4)に記載されている。
しかしながら従来のいずれの方法においても、得られた半導体結晶薄膜における結晶粒の大きさを大きくし、かつ、その特性向上を図ることは容易ではなかった。これは、上述した従来の方法では結晶粒の大きさの拡大を十分に図ることができないものであり、また、溶融−凝固に至る過程で半導体結晶薄膜の表面に凹凸が生じるために、半導体結晶薄膜に形成される半導体素子の特性(特に薄膜トランジスタの閾値)のばらつきが大きくなってしまうことに起因する。 However, in any of the conventional methods, it is not easy to increase the size of crystal grains and improve the characteristics of the obtained semiconductor crystal thin film. This is because the conventional method described above cannot sufficiently increase the size of the crystal grains, and the surface of the semiconductor crystal thin film becomes uneven in the process of melting-solidification, so that the semiconductor crystal This is because variation in characteristics of the semiconductor element formed in the thin film (particularly the threshold value of the thin film transistor) is increased.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、結晶粒を大きくでき(結晶長を長くでき)、かつ、その特性向上を図ることができる半導体結晶薄膜の製造方法、およびそれに用いる製造装置、フォトマスクを提供することである。また、本発明は、大きな結晶粒を有し、かつ、その特性が向上された半導体結晶薄膜を用いた半導体素子を提供することもその目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a semiconductor crystal capable of increasing the crystal grain (can increase the crystal length) and improving the characteristics thereof. A thin film manufacturing method, and a manufacturing apparatus and a photomask used therefor are provided. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device using a semiconductor crystal thin film having large crystal grains and improved characteristics.
本発明は、基板上に形成された半導体薄膜に、レーザを照射して半導体結晶薄膜を製造する方法であって、半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するようにレーザビームを照射する第1のレーザと、前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する第2のレーザとを用いて、半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程と、前記第1のレーザを用いて、前記第2のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する工程とを含むことを特徴とする。 The present invention is a method for producing a semiconductor crystal thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser, wherein a first laser beam is irradiated so as to form a slit beam group on the semiconductor thin film. Crystallizing a semiconductor thin film by using a laser and a second laser that irradiates a laser beam to an irradiation region including the slit beam group, and using the first laser And a step of reducing the height of the ridge generated in the semiconductor crystal thin film by irradiating a rectangular laser beam including the irradiation region of the second laser.
ここにおいて、前記第2のレーザとして炭酸ガスレーザを用いることが好ましい。
本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクを介して、第1のレーザが半導体薄膜に照射されるものであり、前記半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程では、第1のレーザによりフォトマスクの開口群を介して半導体薄膜にスリットビーム群を照射するとともに、第2のレーザにより半導体薄膜の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射し、前記リッジの高さを低減する工程では、第1のレーザによりフォトマスクの矩形状の開口を介して半導体薄膜の前記第2のレーザによる照射領域に含まれない領域に矩形状のレーザビームを照射し、レーザの照射とフォトマスクの移動を繰り返し行なうことで、前記半導体結晶薄膜を形成する工程および前記リッジの高さを低減する工程を順次行なうことが、好ましい。
Here, it is preferable to use a carbon dioxide laser as the second laser.
The method for manufacturing a semiconductor crystal thin film according to the present invention includes: a plurality of aperture groups arranged so that the slit laser beam can be formed by a first laser; and a rectangular laser beam emitted from the first laser. A semiconductor laser is irradiated with a first laser through a photomask having a rectangular opening. In the step of crystallizing the semiconductor thin film to form a semiconductor crystal thin film, the first laser The semiconductor thin film is irradiated with the slit beam group through the opening group of the photomask, and the irradiation region including the slit beam group of the semiconductor thin film is irradiated with the second laser to reduce the height of the ridge. In the process, the rectangular laser is applied to the region of the semiconductor thin film that is not included in the irradiation region of the second laser through the rectangular opening of the photomask. Irradiating the Zabimu, by repeating the movement of the laser irradiation and photomask, the be sequentially performing process and steps to reduce the height of the ridge to form a semiconductor crystal thin film, preferred.
また本発明の半導体結晶薄膜の製造方法に用いるフォトマスクは、前記開口群と矩形状の開口との間に、レーザを透過しない領域を有するものであることが好ましい。 The photomask used in the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention preferably has a region that does not transmit laser between the opening group and the rectangular opening.
また本発明の半導体結晶薄膜の製造方法において、前記第1のレーザの照射強度は、半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低いことが好ましい。 In the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention, it is preferable that the irradiation intensity of the first laser is lower than the irradiation intensity at which the entire thickness direction of the semiconductor thin film is melted and recrystallized.
本発明はまた、基板上に形成された半導体薄膜にレーザを照射して半導体結晶薄膜を製造するために用いられる装置であって、半導体薄膜上にスリットビーム群および矩形状のレーザビームを照射するための第1のレーザと、半導体薄膜上に前記第1のレーザによるスリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するための第2のレーザと、第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクとを備える半導体結晶薄膜の製造装置も提供する。 The present invention is also an apparatus used for manufacturing a semiconductor crystal thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser, and irradiating a slit beam group and a rectangular laser beam on the semiconductor thin film. Forming a slit beam group by a first laser for irradiation, a second laser for irradiating a laser beam to an irradiation region including a slit beam group by the first laser on a semiconductor thin film, and the first laser There is also provided a semiconductor crystal thin film manufacturing apparatus comprising a plurality of aperture groups arranged in such a manner and a photomask having a rectangular aperture for irradiating a rectangular laser beam with a first laser.
ここにおいて、前記第2のレーザは炭酸ガスレーザであることが好ましい。
また本発明の半導体結晶薄膜の製造装置において、前記フォトマスクが、前記開口群と矩形状の開口との間に、レーザを透過しない領域を有するものであることが好ましい。
Here, the second laser is preferably a carbon dioxide laser.
In the semiconductor crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the photomask has a region that does not transmit laser between the opening group and the rectangular opening.
本発明の半導体結晶薄膜の製造装置における前記第1のレーザの照射強度は、半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低く設定されていることが好ましい。 The irradiation intensity of the first laser in the semiconductor crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention is preferably set lower than the irradiation intensity at which the entire thickness direction of the semiconductor thin film is melted and recrystallized.
また本発明は、基板上に形成された半導体薄膜から半導体結晶薄膜を製造するために用いられるフォトマスクであって、第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口と、前記開口群と矩形状の開口との間に形成されたレーザを透過しない領域とを有するフォトマスクも提供する。 The present invention is also a photomask used for manufacturing a semiconductor crystal thin film from a semiconductor thin film formed on a substrate, and a plurality of slit beams arranged so that the slit beam group can be formed by a first laser. A photomask having an aperture group, a rectangular aperture for irradiating a rectangular laser beam with a first laser, and a region formed between the aperture group and the rectangular aperture that does not transmit a laser Also provide.
本発明のフォトマスクにおいて、前記矩形状の開口の透過率は、前記開口群の透過率よりも低いことが好ましい。 In the photomask of the present invention, it is preferable that the transmittance of the rectangular opening is lower than the transmittance of the opening group.
本発明はさらに、基板上の半導体結晶薄膜に形成された半導体素子であって、前記半導体結晶薄膜が結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有し、当該リッジの高さが半導体結晶薄膜の膜厚の2倍以下である半導体素子も提供する。 The present invention further includes a semiconductor element formed in a semiconductor crystal thin film on a substrate, the semiconductor element having a ridge linearly extending substantially perpendicular to a direction in which the semiconductor crystal thin film is grown, and the height of the ridge being a semiconductor There is also provided a semiconductor element having a thickness of twice or less the thickness of the crystalline thin film.
本発明によれば、第2のレーザを用いて非常に大きな結晶粒を形成するような条件で半導体薄膜の結晶化を行なっても、凹凸の少ない半導体結晶薄膜を得ることができ、これによって結晶粒が大きく(結晶長が長く)、かつ優れた特性を有する半導体素子(特に、閾値のばらつきの小さなトランジスタ)を製造することができる。 According to the present invention, even if the semiconductor thin film is crystallized under the condition that a very large crystal grain is formed using the second laser, a semiconductor crystal thin film with less unevenness can be obtained. A semiconductor element having large grains (long crystal length) and excellent characteristics (particularly, a transistor with small variation in threshold value) can be manufactured.
図1は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法の好ましい一例を説明するための模式図である。本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、基板上に形成された半導体薄膜に、レーザを照射して半導体結晶薄膜を製造する方法であって、(1)半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するようにレーザビームを照射する第1のレーザと、前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する第2のレーザとを用いて、半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程(以下、「結晶化工程」)と、(2)前記第1のレーザを用いて、前記第2のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する工程(以下、「リッジ低減工程」)とを有することを特徴とする。 FIG. 1 is a schematic view for explaining a preferred example of the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention. The method for producing a semiconductor crystal thin film according to the present invention is a method for producing a semiconductor crystal thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser, and (1) forming a slit beam group on the semiconductor thin film. The semiconductor thin film is formed by crystallizing the semiconductor thin film using the first laser for irradiating the laser beam and the second laser for irradiating the irradiation region including the slit beam group with the laser beam. (Hereinafter referred to as “crystallization step”), and (2) the first laser was used to irradiate a rectangular laser beam including the irradiation region of the second laser, thereby generating the semiconductor crystal thin film. And a step of reducing the height of the ridge (hereinafter referred to as “ridge reduction step”).
上述したような結晶化工程およびリッジ低減工程を有する本発明の半導体結晶薄膜の製造方法によれば、結晶化工程において、第1のレーザによりスリットビーム群の照射を行なうとともに、第2のレーザを用いて非常に大きな結晶粒を形成するような条件で半導体薄膜の結晶化を行ったとしても、リッジ低減工程において形成されたリッジの高さを低減させることができる。これによって、結晶粒が大きく(結晶長が長く)、かつ凹凸の少ない半導体結晶薄膜を製造することができる。このようにして得られた半導体結晶薄膜を用いることで、結晶粒が大きく、かつ、優れた特性を有する半導体素子(特に、閾値のばらつきの小さなトランジスタ)を製造することが可能となる。 According to the method of manufacturing a semiconductor crystal thin film of the present invention having the crystallization process and the ridge reduction process as described above, the slit laser beam is irradiated by the first laser and the second laser is used in the crystallization process. Even if the semiconductor thin film is crystallized under such a condition that a very large crystal grain is formed, the height of the ridge formed in the ridge reduction process can be reduced. Thus, a semiconductor crystal thin film having large crystal grains (long crystal length) and few irregularities can be manufactured. By using the semiconductor crystal thin film thus obtained, it is possible to manufacture a semiconductor element having large crystal grains and excellent characteristics (particularly, a transistor having a small variation in threshold value).
本発明に用いる第1のレーザとしては、パルス状のエネルギビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であれば、特に限定されるものではないが、たとえば、エキシマレーザ、YAGレーザに代表される各種固体レーザ、あるいはその高調波などの、紫外域の波長を有する光源を好ましく用いることができる。 The first laser used in the present invention is not particularly limited as long as a pulsed energy beam can be emitted and silicon can be melted. For example, an excimer laser and a YAG laser are representative. A light source having a wavelength in the ultraviolet region such as various solid-state lasers or harmonics thereof can be preferably used.
また本発明に用いる第2のレーザとしては、第1のレーザ1による半導体薄膜の溶融、固化の過程を効果的に補助し得るものであればよく、たとえば、炭酸ガスレーザ、YAGレーザなどを用いることができ、特にガラス基板に対する吸収率が高い波長を有しており、瞬時に基板温度を高くすることが可能であることから、炭酸ガスレーザを好ましく用いることができる。
The second laser used in the present invention may be any laser capable of effectively assisting the process of melting and solidifying the semiconductor thin film by the
本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、第1のレーザが、図1に示すような特定の形状を有するフォトマスクを介して、基板上に形成された半導体薄膜に照射されることが好ましい。すなわち、フォトマスクとして、第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクを用い、結晶化工程では、第1のレーザによりフォトマスクの開口群を介して半導体薄膜にスリットビーム群を照射するとともに、第2のレーザにより半導体薄膜の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射し、リッジ低減工程では、第1のレーザによりフォトマスクの矩形状の開口を介して半導体薄膜の前記第2のレーザによる照射領域に含まれない領域に矩形状のレーザビームを照射するように実現されることが、好ましい。さらに、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法では、上述のような結晶化工程およびリッジ低減工程を、レーザの照射とフォトマスクの移動を繰り返し行なうことで順次行なうことが好ましい。換言すると、半導体薄膜上の別個の領域(スリットビーム群を含む照射領域、ならびに、矩形状のレーザビームが照射される領域)において、それぞれ結晶化工程およびリッジ低減工程が同時に行なわれ、フォトマスクの移動により、半導体薄膜の全面にわたり結晶化工程およびリッジ低減工程が順次行なっていくことが好ましい。 In the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention, it is preferable that the first laser is applied to the semiconductor thin film formed on the substrate through a photomask having a specific shape as shown in FIG. That is, as a photomask, a plurality of aperture groups arranged so that the slit beam group can be formed by a first laser, and a rectangular aperture for irradiating a rectangular laser beam by the first laser, In the crystallization process, the semiconductor laser thin film is irradiated with the slit beam group through the opening group of the photomask and the second laser includes the slit beam group of the semiconductor thin film. The irradiation region is irradiated with a laser beam, and in the ridge reduction process, a rectangular laser is applied to a region not included in the irradiation region of the semiconductor thin film by the first laser through the rectangular opening of the photomask. It is preferably realized to irradiate the beam. Furthermore, in the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention, it is preferable to sequentially perform the crystallization process and the ridge reduction process as described above by repeatedly performing laser irradiation and photomask movement. In other words, the crystallization process and the ridge reduction process are simultaneously performed in separate areas on the semiconductor thin film (the irradiation area including the slit beam group and the area irradiated with the rectangular laser beam), respectively. It is preferable that the crystallization process and the ridge reduction process are sequentially performed over the entire surface of the semiconductor thin film by the movement.
以下、まずは結晶化工程について、具体的に説明する。図1には、たとえば、2つの開口群12a,12b(以下、これらの総称を「開口群13」と呼称する)が形成されたフォトマスク11を用い、当該フォトマスク11を介して第1のレーザにより半導体薄膜上にレーザビームを照射することで、前記結晶化工程において第1のレーザにより半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するように実現した例を示している。フォトマスク11に形成された開口群13を通して複数のスリットビーム像(これらの総称を「スリットビーム群」と呼称する)を半導体薄膜に照射することで、半導体薄膜を溶融、固化させて結晶化させて、スーパーラテラル成長を生じさせる。この方法自体は、上述した特許文献1に記載されたいわゆる基板の面内方向に横方向の結晶成長を生じさせる方法である。本発明は、後述するようにこの横方向成長を行なう際の結晶特性の改善に極めて有効な方法である。
Hereinafter, first, the crystallization process will be specifically described. In FIG. 1, for example, a
図1に示す例では、たとえば、長さがL、ピッチがP、幅がDの開口が、各開口の幅方向に関し複数配列されるようにして開口群13が形成されたフォトマスク11を用いている。これにより、半導体薄膜上には、フォトマスク11の開口群13に相当するスリットビーム像が形成され、前記開口群13の各開口の幅Dに対応するスリットビーム像の幅D’で溶融、固化が生じ、結晶成長が生じて、スリットビーム像の縁部から内側に向かって(図1に示す例では、白抜きの矢符の方向S1,S2にそれぞれ向かって)、結晶4が生じる。ここで、開口群13の各開口の幅Dと、スリットビーム像の幅D’は、後述する光学系の設計によって決まる倍率により適宜決定され、特に制限されるものではない。また、開口群13の各開口の長さL、ピッチPについても、上記倍率と概ね同等の倍率で半導体薄膜上に結像されることになる。
In the example shown in FIG. 1, for example, a
この際、生じる結晶4の長さは、条件によって異なるが、たとえば、ガラス基板上に形成された厚み50nmのアモルファスシリコン薄膜に、波長308nmのエキシマレレーザを500mJ/cm2程度のエネルギでパルス幅50nsで与えた場合には、ほぼ1〜2ミクロンの間となる。このことより分かるように、特許文献1に開示された方法では、1回の照射で成長する結晶長はわずかであるため、このままではデバイスの作製に実用的でない。
At this time, the length of the generated
そこで、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法における結晶化工程では、上述のように第1のレーザにより半導体薄膜上にスリットビーム群を照射するとともに、第2のレーザを用いて、半導体薄膜上の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するようにする。これにより、第1のレーザを単独で用いた照射と比較すると、格段に長い結晶長を有する結晶4を得ることができるものである。
Therefore, in the crystallization step in the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention, the slit beam group is irradiated onto the semiconductor thin film by the first laser as described above, and the second laser is used to irradiate the semiconductor thin film on the semiconductor thin film. A laser beam is irradiated to an irradiation region including the slit beam group. As a result, a
たとえば、ガラス基板上に形成された半導体薄膜(アモルファスシリコン薄膜またはシリコン薄膜)に対して、第1のレーザとして波長308nmのエキシマレレーザを用いて上述した条件にてスリットビーム群を形成するように照射を行ない、第2のレーザとして炭酸ガスレーザを用いて波長10.6ミクロンの光を前記スリットビーム群を含む照射領域に照射すると、結晶長として5〜10ミクロン以上という通常の数倍から10倍程度の結晶長を得ることができる。これは、前記半導体薄膜は、炭酸ガスレーザにより発振される10.6ミクロンの波長に対しては吸収がなく、かつ、基板に対しては吸収が大きいため、このような炭酸ガスレーザを第2のレーザとして用いることで、基板と半導体薄膜との間の界面付近を加熱することが可能であるためであると考えられる。 For example, a slit beam group is formed on a semiconductor thin film (amorphous silicon thin film or silicon thin film) formed on a glass substrate using an excimer laser having a wavelength of 308 nm as the first laser under the above-described conditions. When irradiation is performed, and the irradiation region including the slit beam group is irradiated with light having a wavelength of 10.6 microns using a carbon dioxide gas laser as the second laser, the crystal length of 5 to 10 microns or more is usually several times to 10 times. About a crystal length can be obtained. This is because the semiconductor thin film has no absorption with respect to the wavelength of 10.6 microns oscillated by the carbon dioxide laser and has a large absorption with respect to the substrate. This is considered to be because it is possible to heat the vicinity of the interface between the substrate and the semiconductor thin film.
上述したように、第1のレーザとしてエキシマレーザを用い、第2のレーザを用いずに第1のレーザ単独で照射を行った場合には、十分な結晶長を得ることができない。これは、第1のレーザとして用いたエキシマレーザは、そのパルス幅が通常10〜1000nsの間であり、極めて短時間に溶融が行った後、短時間で冷却が行なわれる結果、結晶長が1ミクロンと限定された値しか得ることができないためである。これに対し、本発明のように第1のレーザによる照射に加え、第2のレーザによる前記照射領域への照射を行なうことで、半導体薄膜が溶融した後も基板の温度が保持される結果、結晶の成長が持続し、大きな結晶が成長するという結果を得ることができる。なお、図1に示す例では、半導体薄膜には、幅が10ミクロン程度の狭いスリットビームの光源像を照射し、その像の周辺部分から、横方向に結晶が成長するようにしている。 As described above, when an excimer laser is used as the first laser and irradiation is performed with the first laser alone without using the second laser, a sufficient crystal length cannot be obtained. This is because the excimer laser used as the first laser usually has a pulse width of 10 to 1000 ns, and after melting in an extremely short time, cooling is performed in a short time, resulting in a crystal length of 1 This is because only a value limited to micron can be obtained. On the other hand, in addition to the irradiation with the first laser as in the present invention, the temperature of the substrate is maintained even after the semiconductor thin film is melted by irradiating the irradiation region with the second laser. The result is that crystal growth continues and large crystals grow. In the example shown in FIG. 1, the semiconductor thin film is irradiated with a light source image of a narrow slit beam having a width of about 10 microns, and crystals are grown in the lateral direction from the peripheral portion of the image.
結晶化工程における第1のレーザおよび第2のレーザの照射の条件は、たとえば次のように設定することが可能である。 The irradiation conditions of the first laser and the second laser in the crystallization process can be set as follows, for example.
まず、照射強度については、第1のレーザの照射強度は、基板上に形成された半導体薄膜が第1のレーザのエネルギ単独では厚み方向全域で溶融しないように加熱し得る程度であることが好ましく、第2のレーザの照射強度は、基板上に形成された半導体薄膜が第2のレーザのエネルギー単独では溶融しないように加熱し得る程度であることが好ましい。具体的には、第1のレーザの照射強度は好ましくは150〜450mJ/cm2の範囲内、より好ましくは200〜350mJ/cm2の範囲内であり、また、第2のレーザの照射強度は10〜500W/mm2の範囲内、より好ましくは100〜200W/mm2の範囲内である。第1のレーザおよび第2のレーザの照射強度をそれぞれこのように設定することで、両者のエネルギが加えられた半導体薄膜は、その厚み方向全域に溶融が生じることになる。 First, as for the irradiation intensity, the irradiation intensity of the first laser is preferably such that the semiconductor thin film formed on the substrate can be heated so as not to melt in the entire thickness direction by the energy of the first laser alone. The irradiation intensity of the second laser is preferably such that the semiconductor thin film formed on the substrate can be heated so that it is not melted by the energy of the second laser alone. Specifically, the irradiation intensity of the first laser is preferably in the range of 150 to 450 mJ / cm 2 , more preferably in the range of 200 to 350 mJ / cm 2 , and the irradiation intensity of the second laser is in the range of 10~500W / mm 2, more preferably in the range of 100 to 200 W / mm 2. By setting the irradiation intensity of the first laser and the second laser in this way, the semiconductor thin film to which both energies are applied is melted in the entire thickness direction.
次に、照射のタイミングについては、第1のレーザの照射開始時刻および照射終了時刻、第2のレーザの照射開始時刻および照射終了時刻は、適宜設定することが可能である。 Next, with respect to the irradiation timing, the irradiation start time and irradiation end time of the first laser, and the irradiation start time and irradiation end time of the second laser can be set as appropriate.
照射のタイミングの好ましい第1の例としては、少なくとも第2のレーザの照射を開始後、第2のレーザの照射を終了すると同時に、第1のレーザの照射を開始する場合が挙げられる。このような第1の例に従ったタイミングで照射を行なう場合、第2のレーザ照射により基板が最高温度に到達すると同時に第1のレーザが照射されるので、基板への熱の投入を最小限に抑えたかたちで半導体薄膜の結晶化を最大限に行なうことができるという利点がある。 As a preferable first example of the irradiation timing, there is a case where the irradiation of the first laser is started at the same time as the irradiation of the second laser is completed after the irradiation of the second laser is started. When irradiation is performed at the timing according to the first example, since the first laser is irradiated at the same time as the substrate reaches the maximum temperature by the second laser irradiation, the heat input to the substrate is minimized. There is an advantage that the crystallization of the semiconductor thin film can be performed to the maximum in such a manner as to be suppressed.
照射のタイミングの好ましい第2の例としては、少なくとも第2のレーザの照射を開始してから、第1のレーザの照射を開始する場合が挙げられる。この場合、第2のレーザは、第1のレーザの照射が終了した後も照射を継続してもよいし、あるいは、第1のレーザの照射が開始されるまでに終了してもよい。このような第2の例に従ったタイミングで照射を行なう場合、上述した第1の例と比較して、第2のレーザによる基板への熱の投入は多くなるが、第1のレーザ照射による半導体薄膜の溶融・再結晶化の過程においても基板温度を上げ続けることができるため、より大きな結晶粒を得ることができるという利点がある。 As a second preferable example of the irradiation timing, there is a case where irradiation of the first laser is started after at least irradiation of the second laser is started. In this case, the second laser may continue irradiation after the first laser irradiation ends, or may end before the first laser irradiation starts. When the irradiation is performed at the timing according to the second example as described above, the heat input to the substrate by the second laser is increased as compared with the first example described above, but the first laser irradiation is performed. Since the substrate temperature can be continuously raised even in the process of melting and recrystallization of the semiconductor thin film, there is an advantage that larger crystal grains can be obtained.
また照射のタイミングの好ましい第3の例としては、第1のレーザの照射を開始してから、第2のレーザの照射を開始する場合が挙げられる。この場合、第2のレーザは、第1のレーザの照射が終了してからも照射を継続してもよいし、あるいは、第1のレーザの照射が終了するまでに終了してもよいが、第2のレーザを併用することによる上述した効果を十分に発揮するためには、第1のレーザの照射が概ね終了しても、第2のレーザの照射を継続することが好ましい。このような第3の例に従ったタイミングで照射を行なう場合、主に第1のレーザの照射による半導体薄膜の溶融後の凝固過程に着目し、第1のレーザ照射終了後に第2のレーザを照射することで、前記凝固時間を長くすることができ、結晶粒を大きくすることができるという利点がある。 As a third preferable example of the irradiation timing, there is a case where the irradiation of the second laser is started after the irradiation of the first laser is started. In this case, the second laser may continue irradiation after the first laser irradiation ends, or may end before the first laser irradiation ends, In order to sufficiently exhibit the above-described effect by using the second laser together, it is preferable to continue the irradiation of the second laser even when the irradiation of the first laser is almost completed. When irradiating at the timing according to the third example, paying attention mainly to the solidification process after melting of the semiconductor thin film by the first laser irradiation, the second laser is turned on after the first laser irradiation is completed. Irradiation is advantageous in that the solidification time can be extended and the crystal grains can be enlarged.
なお、上述したいずれの場合でも、第2のレーザが長時間にわたって半導体薄膜に照射されると、半導体薄膜を形成した基板の温度が上がりすぎ、基板に損傷を与える場合があるため、第2のレーザを用いた加熱の程度は最小に留める必要がある。 Note that in any of the above cases, if the semiconductor laser is irradiated on the semiconductor thin film for a long time, the temperature of the substrate on which the semiconductor thin film is formed may be excessively increased and the substrate may be damaged. The degree of heating with a laser should be kept to a minimum.
結晶化工程により半導体薄膜の全面を結晶化するためには、たとえば図1に示す例のように、開口群13が、その長さ方向に関し2つの開口群12a,12bが互いに隣接して形成されるように、同一の長さL、幅D、ピッチPを有する開口が複数配列してなるフォトマスク11を用いることが好ましい。図1に示す例のフォトマスク11は、長さ方向に関する2つの開口群12a,12bの各開口が、その幅方向に関し一部重複して互いにずれて配列されてなる。
In order to crystallize the entire surface of the semiconductor thin film by the crystallization process, for example, as shown in FIG. 1, the
このようなフォトマスク11を用いて、第1のビームにより半導体薄膜上に開口群12aを介したスリットビーム群を照射した(1回目の照射)後、スリットビームの長さ方向Xに、スリットビームの長さだけ移動させ、開口群12bを介したスリットビーム群を半導体薄膜上に照射する。これを半導体薄膜の大きさに応じて順次繰り返すことで、半導体薄膜を全面にわたって結晶化させることができる。そしてその際、第2のレーザによる照射領域が、上述した2つの開口群12a,12bに対応するスリットビーム群を含むように設定することで、上述したように結晶長を飛躍的に増大させることができる。
Using such a
ここで、図2は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法における結晶化工程による半導体薄膜から半導体結晶薄膜への変化を段階的に示す断面図である。なお、図2は、図2の紙面に関し垂直な方向が、図1に示した例での開口群13の各開口の長さ方向に対応している。
Here, FIG. 2 is a cross-sectional view showing stepwise the change from the semiconductor thin film to the semiconductor crystal thin film by the crystallization step in the method of manufacturing a semiconductor crystal thin film of the present invention. In FIG. 2, the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2 corresponds to the length direction of each opening of the
まず、図2(a)は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法を行なう前の状態であり、基板2上に半導体薄膜1が形成された構造物を示している。半導体薄膜1としては、たとえば、シリコン薄膜やアモルファスシリコン薄膜が用いられる。また基板2としては、ガラス基板や石英基板などが用いられ、特に制限されるものではないが、耐熱性の観点からガラス基板が好ましく用いられる。また、通常、図2(a)に示す例のように、基板2から半導体薄膜1への不純物の拡散を防止する目的で、基板2と半導体薄膜1との間に、二酸化シリコンなどにより形成された下地層3が介在される。
First, FIG. 2A shows a structure in which the semiconductor
次に、上述したようにフォトマスク11の開口群12aを介した第1のレーザによるスリットビーム群の照射および照射領域への第2のレーザの照射を行なう(1回目の照射)と、図2(b)に示すように、半導体薄膜1のうち開口群12aに対応するスリットビーム群が照射された領域にのみ結晶4が形成される。結晶4は、スリットビーム群が照射された領域の両端から、互いに対向する方向S1,S2に結晶化が進行し、結晶4が中央で衝突する結果、当該結晶4が形成された領域の中央部分にはリッジと呼ばれる隆起部分(リッジ5)が生じる。このリッジ5が生じる位置は、上記結晶4が形成された領域の幅方向に関する中心線上であり、この中心線は各スリットビームの幅方向に関する中心を通る長さ方向に沿った線と概ね等しい。
Next, as described above, the irradiation of the slit beam group by the first laser and the irradiation of the second laser to the irradiation region through the
次に、図1に示した例のフォトマスク11を、方向Xに開口の長さLに対応する半導体薄膜1上のスリットビームの長さだけ移動させた後に、再度、第1のレーザおよび第2のレーザを用いて照射を行なう(2回目の照射)。この際、フォトマスク11の移動によって、開口群12aに対して各開口がその幅方向に関してずれて配列された開口群12bを介して、第1のレーザによる照射が行なわれることになる。ここで、開口群12aの各開口と開口群12bの各開口との幅方向に関するずれは、2回目の照射により形成されるスリットビーム群により結晶化される位置が、上述した1回目の照射で結晶化された領域に挟まれた、1回目の照射では結晶化されなかった領域の中間となるように設定し、かつ、1回目の照射で結晶化された領域と再度の照射で結晶化された領域とが若干重なるように設定する必要がある。具体的には、上述したように、フォトマスク11における開口群13の各開口の幅Dを、当該開口の幅方向に関するピッチPの1/2より大きくすることで、概ね達成することができる。
Next, after moving the
このように互いに幅方向にずれた2つの開口群12a,12bが開口の長手方向に互いに隣接して形成されたフォトマスク11を用いた2回の照射の重ね合わせを繰り返して半導体薄膜の全面に関して行なうことで、図2(c)に示すように、その全面が結晶化された半導体結晶薄膜を形成することができる。
In this way, two irradiation groups using the
しかしながら、結晶化工程により、半導体薄膜の全面を結晶化して半導体結晶薄膜を形成した後には、図2(c)に示すように、結晶化された領域のそれぞれの中央部分に、リッジ5が生じる。このリッジ5は、形成される半導体素子の特性に極めて大きな影響を与える(特に、薄膜トランジスタの閾値電圧の変動)。通常、形成される薄膜トランジスタの閾値電圧は、一定であることが望ましく、前記リッジ5の影響によりばらつきが生じると、電源電圧を低くすることが困難となり、たとえばこれを液晶表示素子に適用した場合には、消費電力の低減を行なうことが困難となる。
However, after the entire surface of the semiconductor thin film is crystallized by the crystallization process to form the semiconductor crystal thin film, as shown in FIG. 2C, a
本発明者らは、この隆起部分が薄膜トランジスタのチャンネル領域に含まれる半導体素子と、含まれない半導体素子とを試作して特性を比較することにより、隆起部分を含まない方が、閾値電圧の変化が少なく、かつ、そのばらつきが小さいことを見出した。つまり、隆起部分がないか、あるいは隆起部分の高さが低いほど、そこに形成される半導体素子の特性が良いことが確認された。 The inventors of the present invention have made a prototype of a semiconductor element in which this raised portion is included in the channel region of the thin film transistor and a semiconductor element that is not included, and compared the characteristics. We found that there was little and the variation was small. That is, it was confirmed that the characteristics of the semiconductor element formed there were better as there was no raised portion or the height of the raised portion was lower.
また、本発明者らは、このリッジの高さと、そのときに形成されている横方向成長をしてできた結晶の長さとの関連を調べたところ、図3に示すグラフのような関係を示すことが判明した。図3のグラフにおいて、縦軸はリッジの高さ、横軸は横方向の結晶長である。なお、図3のグラフの横軸に関し、横方向の結晶長が大きいほど、第2のレーザによる照射強度が大きいことを示している。図3のグラフにおいて示される点線から分かるように、結晶長とリッジの高さとは密接な関係があり、リッジの高さはほぼ結晶長に比例して増加する。すなわち、結晶長が短い場合にはリッジの高さは低く(たとえば図3中の点Bの状態)、結晶長を長く伸ばすような条件になればなるほど(換言すれば、第2のレーザによる照射強度を大きくするほど)、リッジは高くなり、図3に示す点Bの状態から点Cの状態に至る傾向になる。 Further, the present inventors examined the relationship between the height of the ridge and the length of the crystal formed by lateral growth formed at that time, and found the relationship shown in the graph of FIG. Turned out to show. In the graph of FIG. 3, the vertical axis represents the height of the ridge, and the horizontal axis represents the crystal length in the horizontal direction. In addition, regarding the horizontal axis of the graph of FIG. 3, it shows that irradiation intensity | strength by a 2nd laser is so large that the crystal length of a horizontal direction is large. As can be seen from the dotted line shown in the graph of FIG. 3, the crystal length and the height of the ridge are closely related, and the height of the ridge increases in proportion to the crystal length. In other words, when the crystal length is short, the height of the ridge is low (for example, the state at point B in FIG. 3), and the longer the crystal length is, the more the condition becomes longer (in other words, irradiation by the second laser). The higher the strength, the higher the ridge, and the tendency from the state of point B to the state of point C shown in FIG.
また、結晶長と第2レーザの照射強度とは、図4に示すグラフのような関係を示すことも判明した。図4のグラフにおいて、縦軸は横方向の結晶長、横軸は第2のレーザの照射強度である。図4のグラフから、第2のレーザの照射強度を高めることにより、得られる結晶長は加速度的に増大する傾向にあることが分かる。 It has also been found that the crystal length and the irradiation intensity of the second laser show a relationship like the graph shown in FIG. In the graph of FIG. 4, the vertical axis represents the crystal length in the horizontal direction, and the horizontal axis represents the irradiation intensity of the second laser. From the graph of FIG. 4, it can be seen that the crystal length obtained tends to increase at an accelerated rate by increasing the irradiation intensity of the second laser.
また、図3に示すグラフでは、結晶長がD’/2(すなわち、図1に示したスリットビームの幅D’の1/2)になると(図3中、点Cの状態)、理論的にはそれ以上結晶長は増加しない筈であるが、それ以上に第2のレーザの照射強度を高めると、結晶長は結果的に増加していく。これは、半導体薄膜上に過剰に投与された第2のレーザのエネルギのために、溶融領域が広がり、スリットビームの幅以上に溶融領域が広がることで、結果的に結晶長が長くなるためである。この場合に、リッジの高さは、図3に示す点Bから点Cに至る点線の延長上ではなく、点Cから点Aに至るように、前記点線の勾配がより大きくなる傾向を示す。すなわち、スリットビームの幅D’の1/2よりも長く伸ばすような照射条件を設定して結晶化を行なうと、リッジの高さの増大が過剰に生じることになる。 Further, in the graph shown in FIG. 3, when the crystal length becomes D ′ / 2 (that is, ½ of the width D ′ of the slit beam shown in FIG. 1) (the state at the point C in FIG. 3), it is theoretical. However, if the irradiation intensity of the second laser is further increased, the crystal length will eventually increase. This is because the melting region is expanded due to the energy of the second laser dosed excessively on the semiconductor thin film, and the melting region is expanded beyond the width of the slit beam, resulting in a longer crystal length. is there. In this case, the height of the ridge shows a tendency that the gradient of the dotted line becomes larger from the point C to the point A, not on the extension of the dotted line from the point B to the point C shown in FIG. That is, if crystallization is performed under an irradiation condition that extends longer than ½ of the width D ′ of the slit beam, the height of the ridge is excessively increased.
また、通常、スリットビーム幅の中央まで結晶化しかつ、安定的に(すなわち照射強度のふらつきや、膜厚変動や、反射率変動などを避けるために)結晶化させるためには、やや過剰に照射強度を定める必要がある。このためリッジ高さとしては、図3に示す点Aの条件で生じることになる。 Also, in order to crystallize normally to the center of the slit beam width and to crystallize stably (that is, to avoid fluctuations in irradiation intensity, film thickness fluctuations, reflectance fluctuations, etc.), irradiation is slightly excessive. It is necessary to determine the strength. Therefore, the ridge height is generated under the condition of point A shown in FIG.
そこで、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法では、上述した結晶化工程の後、前記第1のレーザを用いて、半導体薄膜上における前記第2のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する、リッジ低減工程を行なう。このように本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、リッジ高さの低減のために、図3における点Aの条件で生じたリッジを含む結晶化領域全体に再度矩形状のレーザビームを照射し、リッジ高さの低減を図ることを特徴とする。この場合、図3における点Aの条件とは、図4でいえば概ね点Dでの条件に相当する。すなわち、第2のレーザの照射強度が大きく、横方向成長の結晶長が大きい場合である。 Therefore, in the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention, a rectangular laser beam including an irradiation region of the second laser on the semiconductor thin film is formed using the first laser after the crystallization step described above. Irradiation is performed to reduce the height of the ridge generated in the semiconductor crystal thin film. As described above, in the method of manufacturing a semiconductor crystal thin film according to the present invention, in order to reduce the ridge height, the entire crystallized region including the ridge generated under the condition of the point A in FIG. The ridge height is reduced. In this case, the condition at point A in FIG. 3 generally corresponds to the condition at point D in FIG. That is, this is a case where the irradiation intensity of the second laser is large and the crystal length of the lateral growth is large.
このように、前記結晶化工程の後、第1のレーザを用いて前記第2のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することで、図3の点Aの条件で形成されたリッジを含む結晶化領域全体に、半導体結晶薄膜の厚み方向全域で溶融・再結晶化しない程度の照射強度でレーザビームを照射する。これによって、半導体結晶薄膜の膜厚の大きいリッジが部分的に溶融・凝固し、リッジの高さの低減を図ることができる。なお、この第1のレーザによる矩形状のレーザビームの照射強度は、図4に示すように、第2のレーザの照射強度を非常に低く(またはゼロにして)、たとえば点E以下の横方向成長しない条件で照射することに対応する。 Thus, after the crystallization step, the first laser was used to irradiate the rectangular laser beam including the irradiation region of the second laser, thereby forming the film under the condition of point A in FIG. The entire crystallization region including the ridge is irradiated with a laser beam with an irradiation intensity that does not melt and recrystallize in the entire thickness direction of the semiconductor crystal thin film. As a result, the ridge having a large thickness of the semiconductor crystal thin film is partially melted and solidified, and the height of the ridge can be reduced. Note that the irradiation intensity of the rectangular laser beam by the first laser is very low (or zero) as shown in FIG. Corresponds to irradiation under non-growing conditions.
図5は、本発明のリッジ低減工程により、リッジが低減される様子を段階的に示す断面図であり、また図6は図5(b)の上面斜視図である。図5(a)は、リッジ低減工程を行なう前の半導体結晶薄膜を示しており、リッジ5の高さはH1で示されている。このリッジ5の高さH1は、たとえば原子間力顕微鏡により突起部と平坦部との高さの差から測定され、通常、150〜250nmの範囲内である。このような高さのリッジ5を有する半導体結晶薄膜に、第1のレーザを用いて、半導体結晶薄膜の厚み方向全域で溶融・再結晶化しない程度の照射強度で矩形状レーザビーム10を照射する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing how the ridge is reduced by the ridge reduction process of the present invention, and FIG. 6 is a top perspective view of FIG. 5 (b). FIG. 5A shows the semiconductor crystal thin film before the ridge reduction process, and the height of the
その結果、図5(b)に示すように、矩形状レーザビーム10の照射によって半導体結晶薄膜におけるリッジ5が部分的に溶融・凝固され、高さH2にまで低減されたリッジ6が形成される。ここで、リッジ低減工程後のリッジ6の高さH2は、上述したリッジ5の高さH1と同様にして測定された値が、50〜100nmの範囲内、好ましくは20〜50nmの範囲内となる。このように、本発明のリッジ低減工程を経ることで、好ましくは半導体結晶薄膜の膜厚の2倍以下にまで低減された高さH2を有するリッジ6を形成することができる。そして、図5(b)の上面斜視図である図6に示されるように、このリッジ低減工程後の半導体結晶薄膜は、結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有するという、特徴的な外観を呈することになる。このように本発明の方法で製造された半導体結晶薄膜は、上述のようにリッジの高さを低減できることに加え凹凸も低下させることができ、その上にトランジスタなどの半導体素子を形成した場合には、特性の向上された半導体素子を得ることができる。
As a result, as shown in FIG. 5B, the
矩形状ビームの照射は、たとえば図1に示すような、上述したスリットビーム群に相当する開口群12bに隣接して矩形状の開口14を有するフォトマスク11を用い、開口群12bを介した第1のレーザビームの照射および照射領域への第2のレーザビームの照射による結晶化工程後、フォトマスク11を開口の長さLに対応する半導体薄膜上のスリットビームの長さだけ方向Xに移動させ、当該矩形状の開口14を介して半導体結晶薄膜上に矩形状ビーム10を照射するようにする。ここで、上述のように、矩形状ビームは、結晶化工程にてスリットビーム群が照射された領域を含む領域に照射するため、フォトマスク11における矩形状の開口14は、開口群12a,12bの幅方向に関する全長さよりも長い幅を有し、かつ、開口群12a,12bの各開口の長さLと少なくとも等しい長さ(図1に示す例では、同じ長さL)を有するように形成される。
Irradiation of the rectangular beam is performed using a
ここで、図1に示すフォトマスク11を用いる場合には、半導体薄膜上の別個の領域(すなわち、スリットビーム群を含む照射領域、および、矩形状のレーザビームが照射される領域)において、それぞれ結晶化工程およびリッジ低減工程が同時に行なわれ、フォトマスク11の移動により、半導体薄膜の全面にわたり結晶化工程およびリッジ低減工程が順次行なわれていくように実現される。すなわち、図1に示すようなフォトマスク11を用いる場合には、開口群13を介した第1のレーザによるスリットビーム群の照射および第2のレーザによる当該スリットビーム群を含む照射領域への照射を行なう半導体薄膜上の領域には含まれない領域に、第1のレーザによる矩形状の開口14を介した矩形状のレーザビームを照射するようにし、このレーザの照射とフォトマスク11との移動とを繰り返すようにする。このように半導体薄膜上の別個の領域において同時に結晶化工程およびリッジ低減工程を行なうことで、リッジ低減工程において、高さの大きなリッジ5の部分についてのみ選択的に溶融・凝固させ、より高さの小さいリッジ6を形成することができる。
Here, in the case where the
このように第2のレーザによる照射領域の外側となるように矩形状のレーザビームを照射するようにして、半導体薄膜上の別個の領域で同時に結晶化工程およびリッジ低減工程を行なうことにより、効果的にリッジ高さの低減を図ることができる。特に、第2のレーザの照射強度を適当な範囲内で高くすることは、1回の照射にて大きな結晶を形成できることを示し、したがって大きな結晶が形成された半導体結晶薄膜を用いた半導体素子の特性の向上につながる効果がある。またこの場合、第2のレーザを用いずに同じ大きさの結晶を形成する場合と比較すると、劇的なスループットの向上を図ることができる。本発明の半導体結晶薄膜の製造方法によれば、このように適当な範囲内で照射強度を高くした第2のレーザを用いた場合であっても、第2のレーザによる照射領域の外側となるように矩形状のレーザビームを照射するようにして、半導体薄膜上の別個の領域で同時に結晶化工程およびリッジ低減工程を行なうようにすることで、リッジ高さ低減のための矩形ビームの照射条件を効果的にリッジ高さを低減し得るような条件に設定することができる。これによって、リッジの高さが大きくなって薄膜トランジスタの特性(特に閾値電圧のばらつき)が悪化するのを防ぐことができ、結果として、スループットが高く、高品質な半導体結晶薄膜をより平坦に作製することができる。 By irradiating a rectangular laser beam so as to be outside the irradiation region by the second laser in this way, the crystallization step and the ridge reduction step are simultaneously performed in separate regions on the semiconductor thin film, thereby providing an effect. In particular, the height of the ridge can be reduced. In particular, increasing the irradiation intensity of the second laser within an appropriate range indicates that a large crystal can be formed by a single irradiation, and therefore, a semiconductor device using a semiconductor crystal thin film having a large crystal formed therein. This has the effect of improving the characteristics. In this case, the throughput can be dramatically improved as compared with the case where crystals of the same size are formed without using the second laser. According to the method for manufacturing a semiconductor crystal thin film of the present invention, even when the second laser having a high irradiation intensity within such an appropriate range is used, it is outside the region irradiated with the second laser. By irradiating a rectangular laser beam as described above, the crystallization process and the ridge reduction process are simultaneously performed in separate regions on the semiconductor thin film, so that the irradiation condition of the rectangular beam for reducing the ridge height is achieved. Can be set to conditions that can effectively reduce the ridge height. As a result, the height of the ridge can be prevented from deteriorating the characteristics of the thin film transistor (especially variations in threshold voltage), and as a result, a high-quality semiconductor crystal thin film with high throughput can be produced more flatly. be able to.
図7は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法の好ましい他の例を説明するための模式図である。本発明の半導体結晶薄膜は、図1に示した例のフォトマスク11に換えて、図7に示す例のようなフォトマスク21を用いて、上述した結晶化工程およびリッジ低減工程を行なってもよい。なお、図7に示す例のフォトマスク21は、図1に示した例のフォトマスク11と一部を除いては同様の構造を有し、同様の構造を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining another preferred example of the method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention. The semiconductor crystal thin film of the present invention may be subjected to the above-described crystallization step and ridge reduction step using the
図7に示す例のフォトマスク21は、結晶化工程において第1のレーザによりスリットビーム群を照射するための開口群12bと、リッジ低減工程において第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口14との間に、レーザを透過しない領域領域22が設けられてなる点において、図1に示した例のフォトマスク11と相違する。ここで、スリットビーム群を含む照射領域に照射される第2のレーザは、通常、その照射領域の縁部においては、強度分布がシャープではなくある分布を有する場合がある。そのため、図7に示す例のように開口12bと矩形状の開口14との間に、上述のような領域22を有するフォトマスク21を用いることで、半導体薄膜上において第2のレーザによる照射領域の縁部における強度分布が変化を有する場合であっても、当該縁部が矩形状のレーザビームの照射領域と重複してしまうことを防ぐことができる。これにより、半導体薄膜上の結晶化工程を行なっている領域には、スリットビーム群を含む照射領域に一様な強度にて第2のレーザを照射し得、かつ、リッジ低減工程を行なっている領域には、矩形状のレーザビーム10が照射される領域における第2のレーザの照射強度を実質的にゼロに設定することが可能となる。
The
図7に示す例のフォトマスク21において、領域22の長さは、スリットビームを照射するための開口群12a、12bの各開口の長さLと等しい長さLに設定されることが好ましい。これによって、結晶化工程を行なう領域において、方向Xに長さLに対応する半導体薄膜上の長さだけ移動するたびに第1のレーザによるスリットビーム群の照射および第2のレーザによる照射領域への照射を行なうことができ、リッジ低減工程を行なう領域において矩形状の開口14を介した矩形状のレーザビーム10を、結晶化工程にて形成された結晶化領域に合致させて照射してリッジの低減を図ることができるようになる。
In the
また図8は、本発明の半導体結晶薄膜の好ましいさらに他の例を説明するための模式図である。本発明の半導体結晶薄膜は、図1に示した例のフォトマスク11に換えて、図8に示す例のようなフォトマスク31を用いて、上述した結晶化工程およびリッジ低減工程を行なってもよい。なお、図8に示す例のフォトマスク31は、図1に示した例のフォトマスク11と一部を除いては同様の構造を有し、同様の構造を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining still another preferred example of the semiconductor crystal thin film of the present invention. The semiconductor crystal thin film of the present invention may be subjected to the above-described crystallization step and ridge reduction step using a
図8に示す例のフォトマスク31は、結晶化工程において半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するための段階的に形成された4つの開口群32a,32b,32c,32dを有する(これらの総称を「開口群33」と呼称する)。開口群33は、図1に示した例のフォトマスク11における開口群13とは異なり、開口群32aから、長手方向に関し順に隣接する開口群32b,32c,32dに向かって幅方向に順次ずれて配置され、その幅方向に関するずれ量が、開口の幅の概ね1/4〜1/2に設定されている。
The
図9は、図8に示した例のフォトマスク31を用いて本発明の半導体結晶化薄膜の製造方法を行った場合の変化を段階的に示す断面図である。まず、図9(a)に示すように、開口群32aを介した第1のレーザによるスリットビーム群の照射により、当該開口群32aに相当する半導体薄膜上のスリットビーム群が照射された領域が結晶化され、結晶34が形成される。ここで、フォトマスク31において開口群32bは、開口群32aに対して幅方向に関してほぼD/4だけずれて形成されている。このため、当該フォトマスク31を介した結晶化工程では、開口群32aを介した第1のレーザによるスリットビーム群の照射後、フォトマスク31を方向Xに長さLに対応する半導体薄膜上のスリットビームの長さだけ移動させて、開口群32bを介したスリットビーム群の照射を行った際には、上記開口群32aの幅に相当するスリットビームの幅D’について、開口群32bを介したスリットビーム群は開口群32aを介したスリットビーム群の幅方向に関してほぼD’/4だけずれて照射されることになる(図9(b))。このため、図9(a)の段階で第1のレーザによる開口群32aを介したスリットビーム群の照射により形成された結晶化領域の中央付近のリッジ35に、図9(b)の段階で第1のレーザによる開口群32bを介したスリットビーム群が当該リッジ35に重なって形成される結果、リッジ35は溶融し、新たにリッジ36がもとのリッジ35からスリットビーム群の幅方向に関しD’/4だけずれて形成され、横方向に長く成長した結晶37が形成される。続いて開口群32c,32dを介した第1のレーザによるスリットビーム群はさらにD’/4だけ順次ずれて照射されることになり、結果、開口群32dに相当するスリットビーム群における長手方向に関する中心線にのみリッジが形成され、結晶37はさらに横方向(幅方向に関するずれの方向)に関してさらに長く成長することになる。このように形成されたリッジに、フォトマスク31を方向Xに長さLに対応する半導体薄膜上のスリットビームの長さだけ移動させ、矩形状の開口14を介して第1のレーザにより矩形状のビームを照射することによるリッジ低減工程を行なうことで、最終的に形成されたリッジの高さの低減を図る。このようなフォトマスク31を用いて本発明の半導体結晶薄膜の製造方法を行なうことで、上述した場合と比較して、より大きな結晶粒を形成した場合においてもリッジ高さの低減を図ることができ、厚みの均一な半導体結晶薄膜を得ることができるという利点がある。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing step-by-step changes when the method for producing a semiconductor crystallized thin film of the present invention is performed using the
本発明の半導体結晶薄膜の製造方法において、レーザ照射の諸条件、用いるフォトマスクの形状(開口の数、大きさ、位置、形状など)について、上述したのはあくまでも例示であって、本発明はこれに制限されることはない。また、リッジ低減工程における矩形状のレーザビームの照射が1回である場合を例に挙げて説明したが、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを複数回照射するようにしても勿論よい。矩形状のビームを複数回照射することで、半導体薄膜の膜厚の大きなリッジのみを複数回溶融・凝固させることができ、さらなるリッジ高さの低減を図ることが可能である。このような場合、たとえば、第1のレーザによる矩形状のレーザビームを矩形状の開口が複数個形成されたフォトマスクを用いることができる。 In the method of manufacturing a semiconductor crystal thin film of the present invention, the above-described conditions are only exemplary for the conditions of laser irradiation and the shape of the photomask used (number of openings, size, position, shape, etc.). This is not a limitation. Further, the case where the irradiation of the rectangular laser beam in the ridge reduction process is performed once has been described as an example, but it is of course possible to irradiate the rectangular laser beam a plurality of times with the first laser. By irradiating the rectangular beam a plurality of times, only the ridge having a large thickness of the semiconductor thin film can be melted and solidified a plurality of times, and the ridge height can be further reduced. In such a case, for example, a photomask in which a rectangular laser beam by the first laser is formed with a plurality of rectangular openings can be used.
上述した本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、従来公知の適宜の装置を組み合わせて行なうことができ、当該製造方法に用いる装置としては特に制限されるものではないが、本発明では当該製造方法に好適に用いることができる装置についても提供するものである。すなわち、本発明は、基板上に形成された半導体薄膜にレーザを照射して半導体結晶薄膜を製造するために用いられる装置であって、半導体薄膜上にスリットビーム群および矩形状のレーザビームを照射するための第1のレーザと、半導体薄膜上に前記第1のレーザによるスリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するための第2のレーザと、第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクとを備える、半導体結晶薄膜の製造装置についても提供する。 The semiconductor crystal thin film manufacturing method of the present invention described above can be carried out in combination with a conventionally known appropriate device, and the device used in the manufacturing method is not particularly limited. The present invention also provides an apparatus that can be suitably used for the above. That is, the present invention is an apparatus used for producing a semiconductor crystal thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser, and irradiating a slit beam group and a rectangular laser beam on the semiconductor thin film. A second laser for irradiating a laser beam onto an irradiation region including a slit beam group by the first laser on the semiconductor thin film, and the slit beam group by the first laser. An apparatus for manufacturing a semiconductor crystal thin film, comprising a photomask having a plurality of aperture groups arranged so as to be formed and a rectangular aperture for irradiating a rectangular laser beam with a first laser provide.
図10は、本発明の好ましい一例の半導体結晶薄膜の製造装置51を概念的に示す図である。図10に示す例の装置51は、第1のレーザ52と、第2のレーザ53と、フォトマスク(たとえば図1に示した例のフォトマスク11)とを基本的に備え、第1のレーザ52からのレーザビームが上述したフォトマスク11を介して基板上に形成された半導体薄膜1に照射されるように構成されるとともに、第2のレーザ53からのレーザビームも半導体薄膜1に照射されるように構成されている。このような基本構成を備える装置51によって、上述したように、第1のレーザ52にてフォトマスク11の開口群13を介して半導体薄膜上にスリットビーム群を照射するとともに、第2のレーザ53にて当該スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する上述した結晶化工程、ならびに、第1のレーザ52にてフォトマスク11の矩形状の開口14を介して半導体薄膜上において前記照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射するリッジ低減工程を有する、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法を好適に行なうことができる。
FIG. 10 is a diagram conceptually showing a semiconductor crystal thin
本発明の半導体結晶薄膜製造装置51において、第1のレーザ52としては、上述したようにパルス状のエネルギビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であれば、特に限定されるものではないが、たとえば、エキシマレーザ、YAGレーザに代表される各種固体レーザ、あるいはその高調波などの、紫外域の波長を有する光源を好ましく用いることができ、具体的には波長308nmのエキシマレーザが例示される。また第1のレーザ52としては、上述したように照射強度が半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低く設定されたものを用いることが好ましい。
In the semiconductor crystal thin
本発明の半導体結晶薄膜製造装置51において、第2のレーザ53としては、上述したように第1のレーザ52による半導体薄膜1の溶融、固化の過程を効果的に補助し得るものであれば特に制限されるものではないが、たとえば、炭酸ガスレーザ、YAGレーザなどを用いることができ、炭酸ガスレーザを特に好ましく用いることができる。
In the semiconductor crystal thin
また本発明の半導体結晶薄膜製造装置51において用いられるフォトマスクとしては、図10には図1に示した例のフォトマスク11を用いた例を示しているが、これに制限されるものではなく、上述したような本発明の半導体結晶薄膜の製造方法に好ましく適用できるものであればよい。中でも、たとえば図7に示されたように、開口群12bと矩形状の開口14との間にレーザを透過しない領域22が形成されたフォトマスク21を用いると、第2のレーザ53による照射領域の縁部における強度分布が変化を有する場合でも当該縁部が矩形状のレーザビームの照射領域と重複することを防止でき、結晶化工程の際には第1のレーザ52によるスリットビーム群を含む照射領域に一様な強度にて第2のレーザ53を照射し得、かつリッジ低減工程の際には矩形状の開口14における第2のレーザの照射強度を実質的にゼロに設定することができるという利点があり、好ましい。
Further, as a photomask used in the semiconductor crystal thin
図10に示す例の装置51では、第1のレーザ52とフォトマスク11との間には、光学系として、マスク面均一照射素子54,55、フィールドレンズ56、折返しミラー57が介在され、また、フォトマスク11と半導体薄膜1との間には対物レンズ58が介在されている。また、第2のレーザ53と半導体薄膜1との間には、第2レーザ照射光学系59が介在されている。本発明の装置は、上述した以外にも、図10には示していないが、ビーム強度を補正する可変減衰器、ビーム形状を補正するビーム整形素子、基板または光学系を走査する駆動系、それらを制御する制御系などを適宜備えていても勿論よい。
In the
図10に示す例において、第1のレーザ52とフォトマスク11との間に介在されるマスク面均一照射素子54,55は、第1のレーザ52から出射されたレーザビームをマスク11面に均一に照射させる機能を有する。このようなマスク面均一照射素子54,55としては、たとえばシリンドリカルレンズアレイを用いることができ、これによってガウシアン型強度分布の第1のレーザ52からのレーザビームを分割してマスク面に重ね合わせて照明することで、均一な強度分布のマスク照明とすることができる。
In the example shown in FIG. 10, the mask surface uniform irradiation elements 54 and 55 interposed between the
図10に示す例において、マスク面均一照射素子54,55を透過したレーザビームは、フィールドレンズ56を通過後、折り返しミラー57を介してフォトマスク11上に照射される。ここで、フィールドレンズ56は、フォトマスク11を透過した主光線を半導体薄膜1上の結像面に垂直に入射させる機能を有するものである。また、折返しミラー57は、レーザビームを折り返すために用いられるものであり、図10にはフィールドレンズ56とフォトマスク11との間に配置された例を示しているが、配置箇所、数量は特に制限されるものではなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することができる。フォトマスク11を透過後の第1のレーザ52からのレーザビームは、フォトマスク11上の開口群13に応じた形状の像を形成し、この像が対物レンズ58を介して半導体薄膜1上に所定倍率にて結像され、スリットビーム群として照射される。このようにフォトマスクのマスクパターンは、一定倍率で半導体薄膜上に結像され、マスクパターンと半導体薄膜上に照射される像とは相似となる。これにより、上述のように半導体薄膜1を溶融・固化させて結晶化させ、スーパーラテラル成長を生じさせる。
In the example shown in FIG. 10, the laser beam that has passed through the mask surface uniform irradiation elements 54 and 55 passes through the field lens 56 and is then irradiated onto the
また、図10に示す例において、第2のレーザ53からのレーザビームは、第2レーザ照明光学系59を介して半導体薄膜1上に照射される。第2レーザ照明光学系59は、第2のレーザ53のビームの形状、強度分布などを適正化して、半導体薄膜1上で最も効果的な照射が行えるようにするものであり、従来公知の適宜の手段を用いて実現することができる。
In the example shown in FIG. 10, the laser beam from the
また本発明は、上述した本発明の半導体結晶薄膜の製造方法、製造装置に好適に用いられるフォトマスクをも提供するものである。すなわち、本発明のフォトマスクは、基板上に形成された半導体薄膜から半導体結晶薄膜を製造するための第1のレーザおよび第2のレーザの照射に用いるためのフォトマスクであって、第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口と、前記開口群と矩形状の開口との間に形成されたレーザを透過しない領域とを有することを特徴とするものである。このような本発明のフォトマスクの好ましい例としては、上述したような図7に示したようなフォトマスク21を挙げることができるが、勿論これに限定されるものではない。本発明のフォトマスクは、上述した開口群および矩形状の開口を除く部分(図7に示す例では領域22を含む)がレーザを透過しないように、従来公知のたとえばクロムなどの材料を用いて形成されたものを用いることができる。
The present invention also provides a photomask suitably used in the above-described method and apparatus for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention. That is, the photomask of the present invention is a photomask for use in irradiation with a first laser and a second laser for producing a semiconductor crystal thin film from a semiconductor thin film formed on a substrate, A plurality of aperture groups arranged so that the slit beam group can be formed by a laser, a rectangular aperture for irradiating a rectangular laser beam by the first laser, and the aperture group and the rectangular aperture And a region which does not transmit the laser formed between the two. As a preferred example of the photomask of the present invention, there can be mentioned the
本発明のフォトマスクにおいて、第1のレーザにより半導体薄膜上にスリットビーム群を照射するための開口群および第1のレーザにより半導体結晶薄膜上に矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口は、その透過率について特に制限されるものではないが、矩形状の開口の透過率が開口群の透過率よりも低く実現されることが好ましい。これにより、スリットビーム群の照射により結晶化された半導体結晶薄膜が、矩形状の開口により照射されたレーザビームによって、厚み方向全域にわたって溶融してしまい、微細な多結晶が形成されることを確実に防止することができるという利点がある。 In the photomask of the present invention, an opening group for irradiating a slit beam group on a semiconductor thin film by a first laser and a rectangular shape for irradiating a rectangular laser beam on a semiconductor crystal thin film by a first laser are provided. The aperture is not particularly limited with respect to the transmittance, but it is preferable that the transmittance of the rectangular aperture is realized to be lower than the transmittance of the aperture group. This ensures that the semiconductor crystal thin film crystallized by irradiation with the slit beam group is melted over the entire thickness direction by the laser beam irradiated through the rectangular opening, and a fine polycrystal is formed. There is an advantage that can be prevented.
この場合、フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率と開口群の透過率との差は、10〜60%の範囲内であるのが好ましく、20〜40%の範囲内であることが好ましい。フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率と開口群の透過率との差が10%未満であると、上述したとおり、矩形状の開口によるレーザビームの照射により、先にスリットビーム群の照射により形成された半導体結晶薄膜が再度厚み方向全域にわたって溶融し、微細な多結晶が形成されてしまう傾向にあり、また、フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率と開口群の透過率との差が60%を超えると、矩形状の開口によるレーザ照射強度が弱く、先のスリットビーム群の照射により形成された半導体結晶薄膜のリッジ低減が十分に行なわれなくなる傾向にあるためである。具体的には、フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率が40〜90%、開口群の透過率が100%であり、上記範囲内の差を有するように実現されることが好ましい。なお、前記透過率はたとえばフォトマスクを光路上に設置しない場合に照射面で測定されたレーザエネルギ値と、フォトマスクを設置して照射面で測定されたレーザエネルギ値との比から算出された値を指す。また、フォトマスクにおける開口群および矩形状の開口の前記透過率は、たとえば光学解像度以下の微細パターンを開口領域内に適宜形成し、ハーフトーン状とすることで上述の範囲内となるように実現することができる。 In this case, the difference between the transmittance of the rectangular opening in the photomask and the transmittance of the aperture group is preferably in the range of 10 to 60%, and more preferably in the range of 20 to 40%. When the difference between the transmittance of the rectangular aperture in the photomask and the transmittance of the aperture group is less than 10%, as described above, the laser beam is irradiated by the rectangular aperture and the slit beam group is irradiated first. The formed semiconductor crystal thin film tends to melt again in the entire thickness direction to form fine polycrystals, and there is a difference between the transmittance of the rectangular opening and the transmittance of the aperture group in the photomask. If it exceeds 60%, the laser irradiation intensity by the rectangular opening is weak, and the ridge reduction of the semiconductor crystal thin film formed by irradiation of the previous slit beam group tends to be insufficient. Specifically, the transmittance of the rectangular opening in the photomask is preferably 40 to 90%, and the transmittance of the aperture group is 100%, which is preferably realized so as to have a difference within the above range. The transmittance was calculated from, for example, the ratio of the laser energy value measured on the irradiated surface when a photomask was not installed on the optical path to the laser energy value measured on the irradiated surface with the photomask installed. Points to the value. Further, the transmittance of the aperture group and the rectangular aperture in the photomask is realized to be within the above-mentioned range by appropriately forming, for example, a fine pattern less than the optical resolution in the aperture region and forming a halftone shape. can do.
本発明は、さらに、上述した本発明の半導体結晶薄膜の製造方法にて製造された半導体結晶薄膜を用いた半導体素子も提供するものである。上述したように、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法にて製造された半導体結晶薄膜は、結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有するという、特徴的な外観を呈することになる(図6を参照)。本発明の半導体素子では、このように半導体結晶薄膜が結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有し、当該リッジの高さが半導体結晶薄膜の膜厚の2倍以下(好ましくは1倍以下)であることを特徴とする。このような半導体結晶薄膜に形成された本発明の半導体素子は、従来よりも格段に向上された特性を有するものである。 The present invention further provides a semiconductor element using the semiconductor crystal thin film produced by the above-described method for producing a semiconductor crystal thin film of the present invention. As described above, the semiconductor crystal thin film manufactured by the method of manufacturing a semiconductor crystal thin film of the present invention has a characteristic appearance of having ridges that are linearly connected substantially perpendicular to the crystal growth direction. (See FIG. 6). In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor crystal thin film has a ridge that is linearly connected substantially perpendicular to the crystal growth direction, and the height of the ridge is not more than twice the film thickness of the semiconductor crystal thin film (preferably 1 or less). The semiconductor element of the present invention formed on such a semiconductor crystal thin film has characteristics that are remarkably improved as compared with the conventional one.
本発明の半導体素子としては、具体的には、薄膜トランジスタ、当該薄膜トランジスタの駆動回路などが挙げられ、特に、閾値電圧のばらつきの特性が改善される点で、薄膜トランジスタとして実現されることが好ましい。本発明の半導体素子は、表示装置などに好適に適用することができる。 Specific examples of the semiconductor element of the present invention include a thin film transistor, a driving circuit for the thin film transistor, and the like. In particular, the semiconductor element is preferably realized as a thin film transistor from the viewpoint that characteristics of variation in threshold voltage are improved. The semiconductor element of the present invention can be suitably applied to a display device or the like.
1 半導体薄膜、2 基板、3 下地層、4,34,37 結晶、5,6,35,36 リッジ、10 矩形状ビーム、11,21,31 フォトマスク、12a,12b,13,32a,32b,32c,32d,33 開口群、14 矩形状の開口、22 領域、51 半導体結晶薄膜製造装置、52 第1のレーザ、53 第2のレーザ、54,55 マスク面均一照射素子、56 フィールドレンズ、57 折返しミラー、58 対物レンズ、59 第2レーザ照射光学系。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するようにレーザビームを照射する第1のレーザと、前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する第2のレーザとを用いて、半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程と、
前記第1のレーザを用いて、前記第2のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する工程とを含む、半導体結晶薄膜の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor crystal thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser,
A semiconductor thin film is crystallized using a first laser that irradiates a laser beam so as to form a slit beam group on the semiconductor thin film, and a second laser that irradiates a laser beam to an irradiation region including the slit beam group. Forming a semiconductor crystal thin film,
A step of reducing a height of a ridge generated in the semiconductor crystal thin film by irradiating a rectangular laser beam including an irradiation region of the second laser with the first laser. Thin film manufacturing method.
前記半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程では、第1のレーザによりフォトマスクの開口群を介して半導体薄膜にスリットビーム群を照射するとともに、第2のレーザにより半導体薄膜の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射し、
前記リッジの高さを低減する工程では、第1のレーザによりフォトマスクの矩形状の開口を介して半導体薄膜の前記第2のレーザによる照射領域に含まれない領域に矩形状のレーザビームを照射し、
レーザの照射とフォトマスクの移動を繰り返し行うことで、前記半導体結晶薄膜を形成する工程および前記リッジの高さを低減する工程を順次行うことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。 Through a photomask having a plurality of aperture groups arranged so that the slit laser beam can be formed by a first laser and a rectangular aperture for irradiating a rectangular laser beam by the first laser. The first laser is applied to the semiconductor thin film,
In the step of crystallizing the semiconductor thin film to form the semiconductor crystal thin film, the first laser irradiates the semiconductor thin film with a slit beam group through the opening group of the photomask, and the second laser emits the semiconductor thin film. Irradiate the irradiation area including the slit beam group with a laser beam,
In the step of reducing the height of the ridge, the first laser irradiates a rectangular laser beam to a region not included in the irradiation region of the semiconductor thin film through the rectangular opening of the photomask. And
3. The method according to claim 1, wherein the step of forming the semiconductor crystal thin film and the step of reducing the height of the ridge are sequentially performed by repeatedly performing laser irradiation and photomask movement. 4. .
半導体薄膜上にスリットビーム群および矩形状のレーザビームを照射するための第1のレーザと、
半導体薄膜上に前記第1のレーザによるスリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するための第2のレーザと、
第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクとを備える、半導体結晶薄膜の製造装置。 An apparatus used for manufacturing a semiconductor crystal thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser,
A first laser for irradiating the semiconductor thin film with a slit beam group and a rectangular laser beam;
A second laser for irradiating a laser beam onto an irradiation region including a slit beam group of the first laser on a semiconductor thin film;
A photomask having a plurality of aperture groups arranged so as to form the slit beam group by a first laser and a rectangular aperture for irradiating a rectangular laser beam by the first laser; An apparatus for manufacturing a semiconductor crystal thin film.
第1のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、
第1のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口と、
前記開口群と矩形状の開口との間に形成されたレーザを透過しない領域とを有することを特徴とするフォトマスク。 A photomask used for manufacturing a semiconductor crystal thin film from a semiconductor thin film formed on a substrate,
A plurality of aperture groups arranged to form the slit beam groups with a first laser;
A rectangular opening for irradiating a rectangular laser beam with the first laser;
A photomask comprising: a region formed between the opening group and a rectangular opening that does not transmit a laser.
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