JP2008311494A - Manufacturing method of crystalline semiconductor film, and laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、結晶性半導体膜の製造方法、及び、レーザー装置に関する。より詳しくは、薄膜トランジスタ等の半導体素子が備える半導体膜を、逐次的横方向成長法を用いて非晶質半導体膜から結晶性半導体膜に変える方法、及び、その方法に好適に用いられるレーザー装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a crystalline semiconductor film and a laser device. More specifically, the present invention relates to a method for changing a semiconductor film included in a semiconductor element such as a thin film transistor from an amorphous semiconductor film to a crystalline semiconductor film using a sequential lateral growth method, and a laser device suitably used for the method. Is.
アクティブマトリクス型の液晶表示装置等の電子装置においては、スイッチング素子や制御回路として薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor;TFT)等の半導体素子が備え付けられる。TFTの構成としては、ガラス基板上に半導体膜を積層して備えるものが一般的であり、半導体膜の材料としては、シリコン(Si)が多く用いられる。 In an electronic device such as an active matrix liquid crystal display device, a semiconductor element such as a thin film transistor (TFT) is provided as a switching element or a control circuit. As a structure of the TFT, a structure in which a semiconductor film is stacked on a glass substrate is generally used, and silicon (Si) is often used as a material of the semiconductor film.
シリコンは、その結晶性の違いから非晶質シリコン(アモルファスシリコン)と結晶性シリコン(ポリシリコン)とに分類される。半導体膜として用いる場合のシリコンとしては、キャリア移動度の点からポリシリコンであることが好ましい。ポリシリコン膜の形成方法としては、まずアモルファスシリコン膜を形成した後、レーザー光を照射してアモルファスシリコン膜を溶融及び固化させて結晶化することで、ポリシリコン膜を形成する方法が知られており、中でも、逐次的横方向成長(SLS;Sequential Lateral Solidification)法によって形成されたポリシリコン膜については、キャリア移動度が特に優れていることが知られている(例えば、特許文献1〜5参照。)。 Silicon is classified into amorphous silicon (amorphous silicon) and crystalline silicon (polysilicon) due to the difference in crystallinity. Silicon used as a semiconductor film is preferably polysilicon from the viewpoint of carrier mobility. As a method for forming a polysilicon film, a method of forming a polysilicon film by first forming an amorphous silicon film and then irradiating a laser beam to melt and solidify the amorphous silicon film to be crystallized is known. Among them, it is known that the carrier mobility is particularly excellent for a polysilicon film formed by a sequential lateral solidification (SLS) method (see, for example, Patent Documents 1 to 5). .)
SLS法は、レーザー光を一方向に移動させながらアモルファスシリコン膜に順次照射して溶融及び固化を繰り返し、横方向(移動方向)に結晶を成長させてポリシリコン膜を形成する方法である。図6は、SLS法によるアモルファスシリコン膜からポリシリコン膜への結晶化の様子を示す模式図である。図6(a)に示すように、レーザー光114をアモルファスシリコン膜113aに照射すると、アモルファスシリコン膜113aは熱溶融される。熱溶融されたアモルファスシリコン膜113aは、照射領域境界から内側(矢印方向)に向かって固化しながら結晶成長が進む。そして、図6(b)に示すように、両側から成長してきた結晶は、照射領域中央部で衝突し、リッジ116と呼ばれる隆起部を形成する。アモルファスシリコン膜113aの溶融及び固化を繰り返すと、レーザー光114の移動方向に長い結晶粒が形成され、ポリシリコン膜113bが形成される。
The SLS method is a method of forming a polysilicon film by sequentially irradiating an amorphous silicon film while moving laser light in one direction, repeatedly melting and solidifying, and growing crystals in the lateral direction (moving direction). FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of crystallization from an amorphous silicon film to a polysilicon film by the SLS method. As shown in FIG. 6A, when the
SLS法は更に、照射領域の重ね合わせ方の違いにより、2shot−SLSとDirectional−SLSとに分類される。2shot−SLSは、1ショット目に形成されたリッジに重ならないように2ショット目を照射する方法である(例えば、特許文献1及び2参照。)。一方、Directional−SLSは、1ショット目に形成されたリッジに重なるように2ショット目を照射する方法である(例えば、特許文献3〜5参照。)。 The SLS method is further classified into 2shot-SLS and Directional-SLS depending on how the irradiation areas are overlapped. 2shot-SLS is a method of irradiating the second shot so as not to overlap the ridge formed in the first shot (see, for example, Patent Documents 1 and 2). On the other hand, Directional-SLS is a method of irradiating the second shot so as to overlap the ridge formed in the first shot (see, for example, Patent Documents 3 to 5).
しかしながら、半導体素子の高性能化が強く求められており、また製造工程の効率化も求められているところ、このような方法によって形成されるシリコン膜の特性及び製造方法については、工夫の余地があった。
本発明者らは、これら2つのSLS法について種々検討したところ、2shot−SLS法によって形成されたポリシリコン膜、及び、Directional−SLS法によって形成されたポリシリコン膜については、以下の特徴があることを見いだした。 As a result of various studies on these two SLS methods, the present inventors have the following characteristics regarding the polysilicon film formed by the 2shot-SLS method and the polysilicon film formed by the Directional-SLS method. I found out.
まず、2shot−SLS法で形成されるポリシリコン膜については、1ショット目により形成されたリッジとは重ならないように2ショット目の照射が行われるので、リッジを境として照射進行方向側の結晶を引き継いだ形で結晶成長が進行する。2shot−SLS法によれば結晶面が一様にばらつくため、そのようにして結晶化されたポリシリコン膜から形成されるTFTは、各TFTでキャリア移動度、閾値(Vth)等の特性ばらつきは小さい。また、1ショット目の照射領域との重ね幅を小さくして2ショット目の照射が行われるため、以下に示すDirectional−SLS法に比べ、処理速度が速い。しかしながら、2shot−SLS法で形成されるポリシリコン膜は、表面にリッジによる大きな凹凸が残ってしまうため、形成されたポリシリコン膜は耐圧性が低いものとなる。また、リッジの存在により、ショット毎に形成される結晶粒が連続性を有さないものとなる。 First, with respect to the polysilicon film formed by the 2shot-SLS method, the second shot is irradiated so as not to overlap the ridge formed by the first shot. Crystal growth proceeds in the form of taking over. According to the 2shot-SLS method, the crystal planes vary uniformly. Therefore, TFTs formed from the polysilicon film crystallized in this way have characteristics variations such as carrier mobility and threshold (Vth) in each TFT. small. In addition, since the second shot is irradiated with the overlap width with the irradiation region of the first shot being reduced, the processing speed is faster than the Directional-SLS method described below. However, since the polysilicon film formed by the 2shot-SLS method has large unevenness due to the ridge on the surface, the formed polysilicon film has low pressure resistance. In addition, due to the presence of the ridge, crystal grains formed for each shot do not have continuity.
一方、Directional−SLS法で形成されるポリシリコン膜については、1ショット目により形成されたリッジと重なるように、かつ、底まで全て溶解するようなエネルギーを有するレーザー光を用いて、完全にシリコン膜が溶融されるので、照射後であっても1ショット目のリッジは残らない。また、2ショット目によってもリッジは生じるが、3ショット目で消えることになる。Directional−SLS法によれば、リッジを境として照射進行方向と反対側の結晶を引き継いで2ショット目による結晶成長が起こるため、2shot−SLS法で形成されるポリシリコン膜よりも成長方向の揃った結晶粒が形成され、キャリア移動度に優れたポリシリコン膜が得られることになる。しかしながら、1ショット目により形成されたリッジと重なるように照射を行うためにレーザー光の送り幅が小さく、2shot−SLS法に比べ処理速度は遅い。また、照射回数が増える分加熱と冷却とが繰り返される回数も多くなるため、熱ストレスが増し、その熱ストレスによって双晶が発生することがある。双晶はある一部の列で生じるものであり、双晶の部分は結晶方位が異なるため、双晶を含んでいるかどうかで、製造されるTFT等の特性にばらつきが生じてしまう。特に、Directional−SLS法で形成されるポリシリコン膜は結晶粒が連続しており、双晶は塊で発生するためTFTの特性に与える影響が大きい。なお、2shot−SLS法によっても双晶が全く発生しないわけではないが、Directional−SLS法に比べ照射回数が少ないため双晶は発生しにくく、また、形成されるポリシリコン膜はリッジにより結晶粒が分断されているため、双晶は小さな領域でばらついて発生する。そのため、双晶が、例えばTFTのチャネル部に含まれることになったとしても、各チャネル部に均等に含まれることになるので、TFTの特性にばらつきは生じにくい。 On the other hand, with respect to the polysilicon film formed by the Directional-SLS method, a silicon film is completely formed by using a laser beam having energy that completely dissolves to the bottom so as to overlap the ridge formed by the first shot. Since the film is melted, the first shot ridge does not remain even after irradiation. The ridge is also generated by the second shot, but disappears at the third shot. According to the Directional-SLS method, crystal growth occurs in the second shot by taking over the crystal on the side opposite to the irradiation progress direction with the ridge as a boundary. Therefore, the growth direction is more uniform than the polysilicon film formed by the 2shot-SLS method. As a result, a polycrystalline silicon film having excellent carrier mobility is obtained. However, since the irradiation is performed so as to overlap with the ridge formed by the first shot, the feed width of the laser beam is small, and the processing speed is slower than that of the 2shot-SLS method. In addition, since the number of times of irradiation increases, the number of times heating and cooling are repeated increases, so that thermal stress increases, and twinning may occur due to the thermal stress. A twin crystal is generated in a certain column, and the twin crystal portion has a different crystal orientation. Therefore, the characteristics of the manufactured TFT and the like vary depending on whether the twin crystal is included. In particular, a polysilicon film formed by the Directional-SLS method has a continuous crystal grain, and twins are generated in a lump, so that the influence on the TFT characteristics is great. Although twins are not generated at all by the 2shot-SLS method, twins are less likely to be generated because the number of times of irradiation is less than that of the Directional-SLS method, and the formed polysilicon film has crystal grains formed by ridges. Are separated, and twins are generated in a small region. For this reason, even if twins are included in the channel portion of the TFT, for example, they are uniformly included in each channel portion, so that variations in TFT characteristics are unlikely to occur.
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、耐圧性が高く、かつ、領域間で結晶性のばらつきが少ない結晶性半導体膜の製造方法、及び、その製造方法に好適に用いられるレーザー装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described present situation, and has a high pressure resistance and a crystalline semiconductor film manufacturing method with little variation in crystallinity between regions, and a laser suitably used for the manufacturing method. The object is to provide an apparatus.
本発明者らは、リッジと双晶の影響を抑制することが可能な結晶性シリコン膜の製造方法について種々検討したところ、照射するレーザー光の照射条件に着目した。そして、照射領域に1ショット目によって形成されたリッジを含ませるものとし、かつ、1ショット目によって形成された結晶性半導体膜のリッジ下に位置する結晶性半導体膜を一部残す強度で2ショット目のレーザー光の照射を行うことで、リッジの高さを低減しつつ、領域間で結晶性のばらつきが少ない結晶性半導体膜を形成することができることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The inventors of the present invention have studied various methods for producing a crystalline silicon film capable of suppressing the influence of ridges and twins, and have focused on the irradiation conditions of the laser beam to be irradiated. Then, the irradiation region includes the ridge formed by the first shot, and two shots with a strength that leaves a part of the crystalline semiconductor film located under the ridge of the crystalline semiconductor film formed by the first shot. By irradiating the laser light of the eyes, we found that it is possible to form a crystalline semiconductor film with less variation in crystallinity between regions while reducing the height of the ridge, and solve the above problems brilliantly Thus, the present invention has been achieved.
すなわち、本発明は、レーザー光の照射及び移動を交互に繰り返して非晶質半導体膜を溶融し、結晶化して形成される結晶性半導体膜の製造方法であって、上記レーザー光は、直前の照射によって形成された結晶性半導体膜の隆起部を含む領域に、該隆起部の下に位置する結晶性半導体膜を一部残す強度で照射される結晶性半導体膜の製造方法である。
以下、本発明の製造方法について詳述する。
That is, the present invention is a method of manufacturing a crystalline semiconductor film formed by melting and crystallizing an amorphous semiconductor film by alternately repeating irradiation and movement of laser light, and the laser light is emitted immediately before This is a method for manufacturing a crystalline semiconductor film that is irradiated with an intensity that leaves a portion of the crystalline semiconductor film located under the raised portion in a region including the raised portion of the crystalline semiconductor film formed by irradiation.
Hereafter, the manufacturing method of this invention is explained in full detail.
本発明の結晶性半導体膜の製造方法は、レーザー光の照射及び移動を繰り返して非晶質半導体膜(アモルファスシリコン膜)を溶融し、結晶化して結晶性半導体膜(ポリシリコン膜)を形成する製造方法である。したがって、本発明の製造方法は、SLS法による結晶性半導体膜の製造方法の一形態ということができる。本発明の製造方法によれば、横方向(レーザー光の移動方向)に結晶を成長させて結晶性半導体膜を形成することができる。このようにして形成された結晶構造はキャリア移動度に優れているため、この結晶性半導体膜を、例えば、TFTが備える半導体膜に用いることで、応答特性に優れたTFTが得られることとなる。半導体材料としてはシリコン、ゲルマニウム、セレン等が挙げられるが、シリコンが特に好ましい。レーザー光の種類としては、シリコン等の半導体材料を溶融することができるものであれば特に限定されず、そのようなレーザー光として、例えば、固体レーザー、エキシマレーザー等が挙げられるが、半導体層材料としてシリコンを用いる場合はシリコン吸収係数の高い第二高調波及び第三高調波が得られる固体レーザーが好ましい。レーザー光の形状としては特に限定されないが、製造効率の点から長尺状が好ましい。レーザー光の整形方法としては、例えば、マスクを用いる方法が挙げられる。エネルギー分布がガウス分布のものを用いる場合には、マスクを用いることで裾野部分を削ることができる。エネルギー分布が台形状のものを用いる場合には、マスクを用いる必要はない。レーザー光の調整は、レーザー及び光学系の種類、並びに、要求されるプロファイルに応じて適宜行えばよい。レーザー光の移動方法としては、レーザー光の発射口を移動させる方法を用いてもよいし、照射される結晶性半導体膜を移動させる方法を用いてもよい。 According to the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention, the amorphous semiconductor film (amorphous silicon film) is melted by repeating irradiation and movement of laser light, and crystallized to form a crystalline semiconductor film (polysilicon film). It is a manufacturing method. Therefore, it can be said that the manufacturing method of the present invention is an embodiment of a method for manufacturing a crystalline semiconductor film by the SLS method. According to the manufacturing method of the present invention, a crystalline semiconductor film can be formed by growing a crystal in a lateral direction (moving direction of laser light). Since the crystal structure thus formed has excellent carrier mobility, a TFT having excellent response characteristics can be obtained by using this crystalline semiconductor film, for example, as a semiconductor film included in the TFT. . Examples of the semiconductor material include silicon, germanium, selenium, and the like, but silicon is particularly preferable. The type of laser light is not particularly limited as long as it can melt a semiconductor material such as silicon, and examples of such laser light include a solid-state laser and an excimer laser. In the case of using silicon, a solid laser capable of obtaining second and third harmonics having a high silicon absorption coefficient is preferable. The shape of the laser beam is not particularly limited, but a long shape is preferable from the viewpoint of production efficiency. Examples of the laser beam shaping method include a method using a mask. When using an energy distribution having a Gaussian distribution, the base can be cut by using a mask. When a trapezoidal energy distribution is used, it is not necessary to use a mask. The adjustment of the laser beam may be appropriately performed according to the types of laser and optical system and the required profile. As a method of moving the laser light, a method of moving the laser light emission port may be used, or a method of moving the irradiated crystalline semiconductor film may be used.
上記レーザー光は、直前の照射によって形成された結晶性半導体膜(ポリシリコン膜)の隆起部(リッジ)を含む領域に照射される。本発明の製造方法では、レーザー光の1つ前の照射領域に形成されたリッジと重なるように照射を行うので、リッジを一度消失させることができる。なお、再度リッジは形成されることになるが、本発明の製造方法によって形成されるリッジの高さは低いものとなるため、全体として表面に大きな凹凸を有さない結晶性半導体膜が形成されることとなる。 The laser beam is applied to a region including a raised portion (ridge) of a crystalline semiconductor film (polysilicon film) formed by the last irradiation. In the manufacturing method of the present invention, since the irradiation is performed so as to overlap with the ridge formed in the irradiation region immediately before the laser beam, the ridge can be lost once. Although the ridge is formed again, the height of the ridge formed by the manufacturing method of the present invention is low, so that a crystalline semiconductor film having no large unevenness on the surface as a whole is formed. The Rukoto.
上記レーザー光は、上記隆起部の下に位置する結晶性半導体膜を一部残す強度で照射される。溶融される結晶性半導体膜の深さは、照射されるレーザー光のエネルギーにより決定される。本発明の製造方法では、1ショット目で形成されたリッジを消失させるのに充分なエネルギーであって、かつリッジが形成された領域下において結晶性半導体膜の固体領域が一部残るようなエネルギーを有するレーザー光を選択して照射を行う。 The laser light is irradiated with an intensity that leaves a part of the crystalline semiconductor film located under the raised portion. The depth of the crystalline semiconductor film to be melted is determined by the energy of the irradiated laser beam. In the manufacturing method of the present invention, the energy is sufficient for erasing the ridge formed in the first shot and the solid region of the crystalline semiconductor film partially remains under the region where the ridge is formed. Irradiation is performed by selecting a laser beam having
本発明の製造方法によれば、2ショット目以降の結晶成長は、照射領域境界と、リッジの下に位置する固体領域表面とからそれぞれ進行する。照射領域境界からは膜断面から見て水平方向に、リッジ部底面の固体領域表面からは膜断面から見て垂直方向に、それぞれ結晶の成長は進行する。そして、これら水平方向の結晶成長と垂直方向の結晶成長とは互いにぶつかり合い、結果として高さの低いリッジが形成されることになる。リッジの高さは結晶が成長してきた距離に依存するので、本発明によって形成されるリッジの高さは、従来の2shot−SLS法で形成されるリッジよりも充分に低いものとなる。 According to the manufacturing method of the present invention, the crystal growth after the second shot proceeds from the boundary of the irradiation region and the surface of the solid region located under the ridge. Crystal growth proceeds in the horizontal direction as viewed from the cross section of the film from the boundary of the irradiation region, and in the vertical direction from the surface of the solid region at the bottom of the ridge portion as viewed from the cross section of the film. The horizontal crystal growth and the vertical crystal growth collide with each other, and as a result, a ridge having a low height is formed. Since the height of the ridge depends on the distance over which the crystal has grown, the height of the ridge formed by the present invention is sufficiently lower than that of the ridge formed by the conventional 2shot-SLS method.
本発明の結晶性半導体膜の製造方法の構成としては、このような工程を必須として形成されるものである限り、その他の工程を含んでいても含んでいなくてもよく、例えば、レーザー照射前に触媒元素を添加する等の処理を行うこともできる。 The structure of the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention may or may not include other steps as long as such steps are formed as essential, for example, laser irradiation. It is also possible to perform a treatment such as adding a catalyst element in advance.
本発明によれば、表面に高さの低いリッジが形成されるため、全体として平坦な結晶性半導体膜となり、その結果、結晶性半導体膜の耐圧性が向上したものとなる。また、双晶が塊となって形成されることはなく、双晶が形成されたとしても微小領域がばらついて形成されることになるため、全体として結晶性のばらつきは小さい。そのため、例えば、この結晶性半導体膜をTFTに備え付け、かつ、そのTFTのサイズを小さくしたとしても、各TFT間でキャリア移動度、閾値等の特性にばらつきが生じにくいものとなる。 According to the present invention, since the ridge having a low height is formed on the surface, the crystalline semiconductor film is flat as a whole, and as a result, the pressure resistance of the crystalline semiconductor film is improved. In addition, the twins are not formed as a lump, and even if the twins are formed, the microregions are dispersed and formed, so that the variation in crystallinity is small as a whole. For this reason, for example, even if this crystalline semiconductor film is provided in a TFT and the size of the TFT is reduced, characteristics such as carrier mobility and threshold value hardly vary between TFTs.
本発明はまた、レーザー光により非晶質半導体膜を溶融し、結晶化して形成される結晶性半導体膜製造用のレーザー装置であって、上記レーザー装置は、レーザー光の照射及び移動を交互に繰り返す機構と、直前の照射によって形成された結晶性半導体膜の隆起部を含む領域に、該隆起部の下に位置する結晶性半導体膜を一部残す強度でレーザー光を照射する機構とを有するレーザー装置でもある。 The present invention is also a laser device for producing a crystalline semiconductor film formed by melting and crystallizing an amorphous semiconductor film with a laser beam, the laser device alternately irradiating and moving the laser beam. A mechanism for repeating, and a mechanism for irradiating a laser beam with an intensity that leaves a part of the crystalline semiconductor film located under the raised portion in the region including the raised portion of the crystalline semiconductor film formed by the last irradiation. It is also a laser device.
本発明のレーザー装置は、上記本発明の製造方法に好適に用いられるものであり、レーザー光の移動の調整、及び、照射強度の調整が可能なものである。レーザー光の照射及び移動を繰り返す機構としては、レーザー光の発射部自体が移動可能な機構であってもよいし、例えば、XYZステージ等により、その上に載置される結晶性半導体膜付き基板が移動される機構であってもよい。そして、この機構を用いてレーザー光を、直前の照射によって形成されたリッジと重なるように移動調整を行う。レーザー光の照射強度の調整機構としては、アッテネーター(減衰器)によってレーザー光のエネルギーを調節する機構が挙げられる。 The laser device of the present invention is suitably used in the production method of the present invention, and can adjust the movement of the laser beam and the irradiation intensity. The mechanism for repeating the irradiation and movement of the laser beam may be a mechanism in which the laser beam emitting section itself can move, for example, a substrate with a crystalline semiconductor film placed thereon by an XYZ stage or the like It may be a mechanism in which is moved. Then, using this mechanism, the movement of the laser beam is adjusted so as to overlap the ridge formed by the last irradiation. As a mechanism for adjusting the irradiation intensity of laser light, there is a mechanism for adjusting the energy of laser light by an attenuator (attenuator).
本発明の結晶性半導体膜の製造方法によれば、表面に形成されるリッジの高さを低減し、全体として平坦な結晶性半導体膜を形成することができ、耐圧性が向上したものとなる。また、双晶の発生が抑制されるため、形成された結晶性半導体膜をTFTに備え付け、かつ、そのTFTのサイズを小さくしたとしても、キャリア移動度、閾値等のTFTの特性ばらつきは小さく抑えられる。このように、本発明の製造方法は、2shot−SLS法及びDirectional−SLS法のそれぞれの良い点が採用され、かつ、それぞれの欠点が改善された方法ということができる。 According to the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention, the height of the ridge formed on the surface can be reduced, and a flat crystalline semiconductor film can be formed as a whole, and the pressure resistance is improved. . In addition, since the generation of twins is suppressed, even if the formed crystalline semiconductor film is provided in a TFT and the size of the TFT is reduced, variation in TFT characteristics such as carrier mobility and threshold value is suppressed to a low level. It is done. Thus, the production method of the present invention can be said to be a method in which the good points of the 2shot-SLS method and the Directional-SLS method are adopted and the respective defects are improved.
以下に実施例を掲げ、本発明について図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited only to these examples.
(実施例1)
図1(a)〜(g)及び図2は、本実施例のポリシリコン膜(結晶性半導体膜)の形成方法を示す模式図である。図1(a)〜(g)は各製造段階の断面図であり、図2は図1(e)に示すレーザー光照射の様子をより詳細に示す斜視図である。
Example 1
FIGS. 1A to 1G and FIG. 2 are schematic views showing a method for forming a polysilicon film (crystalline semiconductor film) of this example. 1 (a) to 1 (g) are cross-sectional views at each manufacturing stage, and FIG. 2 is a perspective view showing the state of laser light irradiation shown in FIG. 1 (e) in more detail.
まず、図1(a)に示すように、基板11上に汚染拡散防止用のベースコート膜12を形成する。基板11としては、ガラス基板等を用いることができる。ベースコート膜12は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ法等によって形成することができる。ベースコート膜12の材料としては、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiNx)等を用いることができる。本実施例においてベースコート膜12は膜厚150nmで形成した。
First, as shown in FIG. 1A, a
次に、図1(b)に示すように、アモルファスシリコン膜(非晶質半導体膜)13aをベースコート膜12上全体に形成する。アモルファスシリコン膜13aは、CVD法、スパッタ法等によって形成することができる。本実施例においてアモルファスシリコン膜13aは膜厚50nmで形成した。続いて、ポリシリコン膜形成のためのレーザー光照射工程へと進む。
Next, as shown in FIG. 1B, an amorphous silicon film (amorphous semiconductor film) 13 a is formed on the entire
図1(c)に示すように、アモルファスシリコン膜13aに1ショット目のレーザー光14をレーザー発射口15から照射する。本実施例においては、平均照射エネルギー1000mJ/cm2、照射領域幅5.7μmの固体レーザー(YAG;Yttrium Aluminum Garnet)を用いた。本実施例においては、YAGレーザーの第2高調波を用いた。なお、YAGレーザーは、基本波長が1060nmであり、その第二高調波が530nmであり、その第三高調波が353nmである。レーザー光14の形状としては、長尺状のものを用い、エネルギー分布はガウス分布であるが裾野部分を急峻に調整したものを用いた。本実施例においてはアモルファスシリコン膜13aの膜厚は50nmで形成されているので、この条件でレーザー光14を照射することで、照射領域のアモルファスシリコン膜13aを底面まで充分に溶融させることができる。溶融した後は、図1(d)に示すように、照射領域境界から横方向(図の矢印方向)に結晶化が進行し、ポリシリコン膜13bが形成される。そして、照射領域境界においてアモルファスシリコン膜13aが沈降し、照射領域の中央付近において両側から進行してきた結晶成長が衝突し合い、ポリシリコン膜13b表面に、ポリシリコン膜厚の1.5〜2.0倍の高さのリッジ16が形成される。本実施例においては、高さ75〜100nmのリッジ16が形成された。
As shown in FIG. 1C, the
次に、図1(e)及び図2に示すように、照射領域が1ショット目により形成されたリッジ16と重なるようにレーザー発射口15を移動し、1ショット目と同様、平均照射エネルギー1000mJ/cm2、照射領域幅5.7μmのYAGレーザーの第2高調波でアモルファスシリコン膜13a及びポリシリコン膜13bに向かって2ショット目のレーザー光14を照射する。好ましくは、レーザー光14の照射領域の進行方向と逆側の端部がリッジの裾野部分に合わさる位置にレーザー発射口15を移動して2ショット目のレーザー光14を照射する。これにより、リッジ16を消失させつつ、処理速度を速くすることができる。
Next, as shown in FIG. 1 (e) and FIG. 2, the
この工程により、リッジ16が形成されていなかった領域においては、アモルファスシリコン膜13a及びポリシリコン膜13bの底面(基板側)まで充分に溶融することになる。そして、図1(f)に示すように、1ショット目と同様のリッジ16が形成される。一方、1ショット目によってリッジ16が形成されていた領域においては、底面にまでエネルギーが行き渡らず、底面にポリシリコンの固体領域17が残ることになる。そして、照射領域境界とリッジ部底面の固体領域表面とからそれぞれ境界面に対し垂直方向(図中の矢印方向)に結晶の成長が進行してこれらは衝突し合い、その結果、高さが充分に低いリッジ18が形成されることになる。固体領域17はリッジ16下に形成されるため、高さが充分に低いリッジ18は、リッジ16が形成されていた位置よりも、レーザー光の進行方向と逆側に形成され、このリッジ18により結晶粒は連続しないことになる。
By this step, in the region where the
この工程において平均照射エネルギー及び照射領域幅は、シリコン膜厚に応じて適宜変更すればよい。固体領域17と照射領域の各境界から始まる結晶成長が衝突することで結晶粒が分断されればよいので、リッジ16部分は全層溶融されなければよく、原子レベルでも残っていればよい。本発明において、リッジ16部分を最低限溶融させつつ、底面の固体領域17を残すエネルギーの一つの目安としては、レーザー波長が500〜550nmの場合、50nm程度のアモルファスシリコン膜に対して1000〜1500J/cm2程度とすることが挙げられるが、ビームプロファイル、シリコン膜表面処理方法によっても最適エネルギーは異なるため、このような範囲に特に限定されない。
In this step, the average irradiation energy and the irradiation region width may be appropriately changed according to the silicon film thickness. Since the crystal grains need only be divided by collision of crystal growth starting from each boundary between the
なお、アモルファスシリコンとポリシリコンとでは、同じエネルギーで照射を行ったとしてもアモルファスシリコンの方が光の吸収係数が大きいため溶融しやすいが、本実施例の条件であれば、リッジ16が形成されていない領域においては、アモルファスシリコン膜13a及びポリシリコン膜13bのいずれも底面までエネルギーを行き渡らせることが可能であり、かつ、リッジ16が形成されている領域において、底面までエネルギーを行き渡らせなくすることが可能である。
Note that amorphous silicon and polysilicon are more likely to melt because amorphous silicon has a higher light absorption coefficient even when irradiated with the same energy, but the
3ショット目以降は、図1(g)に示すように、2ショット目と同様のレーザー光14の照射方式を繰り返す。これにより、リッジ16を境として照射進行方向と反対側の結晶を引き継いで3ショット目以降の結晶成長が進行し、ポリシリコン膜13bが形成される。
After the third shot, as shown in FIG. 1 (g), the
ポリシリコン膜の形成工程が完了した後は、例えば、フォトリソグラフィー法等により、ポリシリコン膜を島状等の所望の形状にパターニングし、そのポリシリコン膜上にゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、その他絶縁膜をパターニングして、TFTを形成することができる。本実施例によって作製されたTFTは、領域間で結晶性ばらつきは小さいため、キャリア移動度、閾値等の特性にもばらつきが生じにくいTFTが形成されることとなる。 After the formation process of the polysilicon film is completed, the polysilicon film is patterned into a desired shape such as an island shape by photolithography, for example, and a gate insulating film, a gate electrode, and a source electrode are formed on the polysilicon film. The TFT can be formed by patterning the drain electrode and other insulating films. Since the TFT manufactured according to this embodiment has a small variation in crystallinity between regions, a TFT that hardly causes variations in characteristics such as carrier mobility and threshold value is formed.
図3は、本実施例のレーザー光の照射及び移動プロファイルを示すシリコン膜13の断面模式図である。図3(a)は1ショット目を示し、図3(b)は2ショット目以降を示す。本実施例によるレーザー光の照射条件では、図3(a)に示すように、レーザー光の照射領域幅Lを5.7μmとしているので、リッジの横方向の幅Rは1.5μm程度となる。この場合、図3(b)に示すように、レーザー光の送り幅Mは、M=(5.7−1.5)/2で算出される2.1μm程度とすることが好ましい。なお、リッジの横方向の幅Rとは、リッジを挟んで両側に位置するリッジの裾野と膜表面の平坦部との境界部間の幅をいう。最適な送り幅はレーザービームプロファイルによって変わるため、レーザー装置・光学系に合った送り幅の条件出しが必要である。
最適送り幅:M=(L−R)/2
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
Optimum feed width: M = (LR) / 2
図4は、本実施例によって形成されるポリシリコン膜を備えるTFTと、従来のDirectional−SLS法によって形成されるポリシリコン膜を備えるTFTとのTFTチャネル幅Wに対する閾値電圧のばらつき(ΔVth)依存性を示すグラフである。図4に示すように本実施例によれば、閾値変動に対するTFTチャネル幅Wの許容範囲が広くなる。具体的には、従来の場合よりトランジスタサイズを小さくした場合であっても閾値変動が大きくならない。 FIG. 4 shows the threshold voltage variation (ΔVth) dependence on the TFT channel width W between the TFT having the polysilicon film formed according to this embodiment and the TFT having the polysilicon film formed by the conventional Directional-SLS method. It is a graph which shows sex. As shown in FIG. 4, according to this embodiment, the allowable range of the TFT channel width W with respect to threshold fluctuation is widened. Specifically, the threshold fluctuation does not increase even when the transistor size is smaller than in the conventional case.
本実施例のポリシリコン膜形成方法によれば、表面にリッジが残らない平坦なポリシリコン膜を形成することができ、耐圧性が向上する。また、双晶の発生が抑制されるため、このようにして作製されたポリシリコン膜をTFTに備え付け、そのTFTのサイズを小さくしたとしても、キャリア移動度、閾値等のTFTの特性にばらつきが生じにくい。 According to the polysilicon film forming method of this embodiment, a flat polysilicon film having no ridges on the surface can be formed, and the pressure resistance is improved. In addition, since the generation of twins is suppressed, even if the TFT is provided with a polysilicon film manufactured in this way and the size of the TFT is reduced, variations in TFT characteristics such as carrier mobility and threshold value are not uniform. Hard to occur.
本実施例では、レーザー光の移動の調整、及び、照射強度の調整が高精度で可能なレーザー装置を用いてアモルファスシリコン膜からポリシリコン膜への結晶化を行った。本実施例においてレーザー光の移動は、ポリシリコン膜付き基板が載置されたXYZステージの移動によって行った。図5は、本実施例で用いたレーザー装置の全体的構成を示す模式図である。図5に示すように、励起したレーザー光は、ビーム強度減衰手段、ビーム均一化手段及び結像手段を経て、XYZステージ20上の基板21に照射される。本実施例において、ビーム強度減衰手段にはアッテネーター、ビーム均一化手段にはホモジナイザー、結像手段には集光レンズを用いた。
In this embodiment, crystallization from an amorphous silicon film to a polysilicon film was performed using a laser apparatus capable of adjusting movement of laser light and adjusting irradiation intensity with high accuracy. In this example, the laser beam was moved by moving an XYZ stage on which a substrate with a polysilicon film was placed. FIG. 5 is a schematic diagram showing the overall configuration of the laser apparatus used in this example. As shown in FIG. 5, the excited laser light is irradiated onto the
11、21:基板
12:ベースコート膜
13:シリコン膜
13a、113a:アモルファスシリコン膜(非晶質半導体膜)
13b、113b:ポリシリコン膜(結晶性半導体膜)
14、114:レーザー光
15:レーザー発射口
16、116:リッジ
17:固体領域
18:リッジ(高さが充分に低い)
20:XYZステージ
L:レーザー光の照射領域幅
R:リッジの横方向の幅
M:レーザー光の送り幅
11, 21: substrate 12: base coat film 13:
13b, 113b: polysilicon film (crystalline semiconductor film)
14, 114: Laser beam 15:
20: XYZ stage L: laser beam irradiation area width R: lateral width of ridge M: laser beam feed width
Claims (2)
該レーザー光は、直前の照射によって形成された結晶性半導体膜の隆起部を含む領域に、該隆起部の下に位置する結晶性半導体膜を一部残す強度で照射される
ことを特徴とする結晶性半導体膜の製造方法。 A method for producing a crystalline semiconductor film formed by melting and crystallizing an amorphous semiconductor film by alternately repeating irradiation and movement of laser light,
The laser light is irradiated with an intensity that leaves a part of the crystalline semiconductor film located under the raised portion in a region including the raised portion of the crystalline semiconductor film formed by the last irradiation. A method for manufacturing a crystalline semiconductor film.
該レーザー装置は、レーザー光の照射及び移動を交互に繰り返す機構と、直前の照射によって形成された結晶性半導体膜の隆起部を含む領域に、該隆起部の下に位置する結晶性半導体膜を一部残す強度でレーザー光を照射する機構とを有する
ことを特徴とするレーザー装置。 A laser device for producing a crystalline semiconductor film formed by melting and crystallizing an amorphous semiconductor film with laser light,
The laser device includes a mechanism for repeating irradiation and movement of laser light alternately, and a crystalline semiconductor film positioned under the raised portion in a region including the raised portion of the crystalline semiconductor film formed by the immediately preceding irradiation. A laser device characterized by having a mechanism for irradiating a laser beam with an intensity that remains partially.
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