JP2018037628A - Patterning method, method for manufacturing thin film transistor, and patterning device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、簡素簡便な装置構成で非晶質の半導体膜の所望箇所を効率的かつ生産性高く結晶化する方法ないし装置に関し、特に、半導体レーザを用いたパターニング方法、薄膜トランジスタ作製方法、および、パターニング装置に関する。 The present invention relates to a method or apparatus for crystallizing a desired portion of an amorphous semiconductor film efficiently and with high productivity with a simple and simple apparatus configuration, and in particular, a patterning method using a semiconductor laser, a thin film transistor manufacturing method, and The present invention relates to a patterning apparatus.
従来、液晶ディスプレイに応用されるように、Ｓｉ薄膜等のトランジスタの高速駆動化・高集積化（高精細化）が求められており、高キャリア移動度と均一性に関する技術開発がなされている。これらは、結晶質に依存し、単結晶化技術が開発されている。 Conventionally, high-speed driving and high integration (high definition) of transistors such as Si thin films have been required to be applied to liquid crystal displays, and technical development relating to high carrier mobility and uniformity has been made. These depend on the crystal quality, and single crystallization techniques have been developed.
たとえば、最高品質のディスプレイは、Ｓｉ薄膜をまずは非晶質として形成しておき、これを単結晶へと相変換させる方法が知られている。具体的には、大面積Ｓｉ膜上で連続的に結晶成長させる方法として、連続波レーザ結晶化法が提案されている。 For example, for a display of the highest quality, a method is known in which a Si thin film is first formed as an amorphous material and phase-converted into a single crystal. Specifically, a continuous wave laser crystallization method has been proposed as a method for continuously growing crystals on a large area Si film.
しかしながら、薄膜トランジスタは、常に最高品質のものが要求されるのではなく、スペックに応じて、生産性の高い、詰まるところ簡便安価に製造できる技術も探求されている。 However, the thin film transistor is not always required to have the highest quality, and a technology that can be manufactured easily and inexpensively in a highly packed manner is being sought according to specifications.
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、半導体レーザを用いる簡素簡便な方法ないし構成により、非晶質の半導体膜から所望箇所を結晶化してパターニングする技術を提供することを目的とする。
また、フォトマスクやレジストを不要とする新たなパターニング技術を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a technique for crystallizing and patterning a desired portion from an amorphous semiconductor film by a simple and simple method or configuration using a semiconductor laser. .
It is another object of the present invention to provide a new patterning technique that does not require a photomask or a resist.
請求項１に記載のパターニング方法は、半導体レーザ装置からのレーザビームスポットを、基板上または積層体上に形成された非晶質の半導体膜上で相対的に移動させ、当該走査箇所を結晶化し、結晶に対する速度より非晶質に対するエッチング速度が早い剤を用いて、非晶質のままである領域を除去し、基板上または積層体上にパターンを形成することを特徴とする。 The patterning method according to claim 1, wherein a laser beam spot from a semiconductor laser device is relatively moved on an amorphous semiconductor film formed on a substrate or a stacked body, and the scanned portion is crystallized. A region that remains amorphous is removed using an agent whose etching rate for amorphous is higher than that for crystal, and a pattern is formed on a substrate or a stacked body.
すなわち、請求項１に係る発明は、小型かつ安価であって、微細なレーザスポットが形成できる半導体レーザを用い、描画方式によって照射対象を連続的に結晶化していく新規なパターニング技術を提供することができる。
また、従来のパルス発振エキシマレーザや連続発振固体レーザのラインビームを用いた、全面を結晶化し、さらにフォトマスクやレジストを用いて所望箇所を残存させるパターニング技術に比して、レーザ照射箇所がパターン形成箇所のみで済むため、レーザ照射面積を大幅に減らすことができる（投入エネルギーを大幅に低減できる）。また、レジストと現像液を使わないことから使用する材料も大幅に削減することができる。
That is, the invention according to claim 1 provides a novel patterning technique for continuously crystallizing an irradiation target by a drawing method using a semiconductor laser that is small and inexpensive and capable of forming a fine laser spot. Can do.
Compared to the conventional patterning technology that uses the line beam of a pulsed excimer laser or continuous wave solid-state laser to crystallize the entire surface and leave a desired location using a photomask or resist, the laser irradiation location is a pattern. Since only the formation location is required, the laser irradiation area can be greatly reduced (the input energy can be greatly reduced). In addition, since no resist and developer are used, the amount of materials used can be greatly reduced.
なお、非晶質の半導体膜は、本願では、レーザビームにより相変換して結晶性を示すようになれば特限定されず、この意味において、液体シリコン等の液体半導体やナノパウダー状の膜形態も含まれるものとする。半導体膜は、半導体層と言い換えることができる。
結晶化する、とは、生産性や要求物性の観点から、単結晶や粒界の少ない状態までの品質を求める必要は必ずしもなく、微結晶（多結晶）が得られる状態となれば良いものとする。すなわち微結晶化と言い換えることができる。非晶質でなくす、非・非晶質化と言い換えても良い。
相対的に移動する、とは、半導体レーザ装置すなわち光源側が、固定された基板または積層体に対して移動する態様のほか、基板または積層体側が、固定された光源に対して移動する態様であっても良い。
用いる半導体レーザ装置は、出力、ビームスポットの大きさ、移動速度、対象素材の厚み等を考慮し適宜選択すればよく、対象素材を再結晶化（微結晶化）できるのであれば特に限定されない。
In the present application, the amorphous semiconductor film is not particularly limited as long as it exhibits crystallinity by phase conversion by a laser beam. In this sense, a liquid semiconductor such as liquid silicon or a nanopowder film form Is also included. The semiconductor film can be restated as a semiconductor layer.
From the viewpoint of productivity and required physical properties, crystallization means that it is not always necessary to obtain quality up to a single crystal or a state where there are few grain boundaries, and it is sufficient that microcrystals (polycrystals) can be obtained. To do. That is, it can be paraphrased as microcrystallization. It may be rephrased as non-amorphous or non-amorphous.
The term “relatively moving” refers to a mode in which the semiconductor laser device, that is, the light source side moves with respect to the fixed substrate or laminated body, and a mode in which the substrate or laminated body side moves with respect to the fixed light source. May be.
The semiconductor laser device to be used may be appropriately selected in consideration of the output, the size of the beam spot, the moving speed, the thickness of the target material, and the like, and is not particularly limited as long as the target material can be recrystallized (microcrystallized).
請求項２に記載のトランジスタ作製方法は、請求項１に記載のパターニング方法を用いてチャネル領域および／またはソースドレイン領域および／またはゲート電極を形成する工程を含むことを特徴とする。 A transistor manufacturing method according to a second aspect includes a step of forming a channel region and / or a source / drain region and / or a gate electrode using the patterning method according to the first aspect.
すなわち、請求項２に係る発明は、工程数を削減した生産性の高い薄膜トランジスタ製造技術を提供可能となる。 That is, the invention according to claim 2 can provide a highly productive thin film transistor manufacturing technique with a reduced number of steps.
具体的にはたとえば、次のようにして薄膜トランジスタを得ることができる。
まず、絶縁性の基板上に、非晶質Ｓｉ膜を所定の厚さに堆積し、チャネルとソースドレインとなる領域を微結晶化によりパターニングして、後の工程でチャネルとソースドレイン領域となるＳｉアイランドを形成する。
Specifically, for example, a thin film transistor can be obtained as follows.
First, an amorphous Si film is deposited on an insulating substrate to a predetermined thickness, and regions that become channels and source / drain are patterned by microcrystallization, and then channels and source / drain regions are formed in a later step. Si islands are formed.
続いて、ゲート絶縁膜として酸化Ｓｉ膜等を堆積した後、金属とＳｉの積層構造を堆積する。ゲート電極となる領域のＳｉ膜を結晶化により選択的にパターニングし、次に露出した部分の金属膜をエッチングしてゲート電極を完成させる。 Subsequently, after depositing an Si oxide film or the like as a gate insulating film, a stacked structure of metal and Si is deposited. The Si film in the region to be the gate electrode is selectively patterned by crystallization, and then the exposed metal film is etched to complete the gate electrode.
続いてゲート電極形成後に露出したゲート絶縁膜を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法でエッチングして、ソースドレイン領域となる部分のＳｉアイランドを露出させる。不純物、または不純物を高濃度に含んだＳｉ膜を全面に堆積させ、ソースドレイン領域となる部分を選択的にレーザ照射することで、不純物を下の微結晶化Ｓｉ膜に拡散させる、または不純物を高濃度に含んだＳｉ膜を結晶化させて、ソースドレイン領域を完成させる。これらにより薄膜トランジスタを得ることができる。 Subsequently, the gate insulating film exposed after the formation of the gate electrode is etched by a reactive ion etching (RIE) method to expose a portion of the Si island that becomes the source / drain region. An Si film containing impurities or a high concentration of impurities is deposited on the entire surface, and a portion to be a source / drain region is selectively irradiated with a laser to diffuse the impurities into the microcrystalline Si film below or The Si film containing high concentration is crystallized to complete the source / drain region. By these, a thin film transistor can be obtained.
請求項３に記載のパターニング装置は、半導体によるレーザ光を発生させる半導体レーザ部と、半導体レーザ部から出射されたレーザ光を所定形状のレーザビームスポットとして照射対象上に集光する集光部と、基板上または積層体上に形成された、レーザビームスポットの照射対象である非晶質の半導体膜上で、レーザビームスポットを相対的に移動させる移動部と、半導体レーザ部のレーザ光の点滅と、移動部による移動方向および移動速度と、を制御して、走査箇所を結晶へと相変換したパターンとして形成する制御部と、を具備したことを特徴とする。 The patterning apparatus according to claim 3 includes a semiconductor laser unit that generates laser light from a semiconductor, a condensing unit that condenses the laser light emitted from the semiconductor laser unit on a target to be irradiated as a laser beam spot having a predetermined shape, and The moving part for moving the laser beam spot relatively on the amorphous semiconductor film to be irradiated with the laser beam spot formed on the substrate or the laminate, and the flashing of the laser beam of the semiconductor laser part And a control unit that controls a moving direction and a moving speed of the moving unit to form a pattern in which a scanning portion is phase-converted into a crystal.
すなわち、請求項３に係る発明は、小型かつ安価であって、微細なレーザスポットが形成できる半導体レーザを用い、描画方式によって照射対象を連続的に結晶化していき潜在的なパターンを形成する新規なパターニング技術を提供することができる。パターニング用露光装置ということもできる。 That is, the invention according to claim 3 is a novel device that uses a semiconductor laser that is small and inexpensive and can form a fine laser spot, and continuously crystallizes the irradiation object by a drawing method to form a latent pattern. Patterning technology can be provided. It can also be referred to as a patterning exposure apparatus.
集光部は、たとえば、集光レンズにより文字通り集光させる態様とするほか、所定形状のビームスポットが形成されるのであれば、必ずしもビーム強度を高める態様でなく、たとえば、当該ビームスポット形状部分を切り抜いた遮光板等も含まれるものとする。仕様の態様により、拡散する態様も含まれるものとする。すなわち、集光部は、所定強度の所望のレーザビームスポットとして照射対象上に当たるのであれば特に限定されないものとする。ビームスポットの形状は、たとえば、円形状、長方形状、Ｖ字状とすることができる。 For example, the condensing unit literally condenses light by a condensing lens, and if a beam spot having a predetermined shape is formed, the condensing unit is not necessarily an aspect that increases the beam intensity. A cutout light shielding plate or the like is also included. A spreading mode is also included depending on the mode of the specification. That is, the condensing part is not particularly limited as long as it hits the irradiation target as a desired laser beam spot having a predetermined intensity. The shape of the beam spot can be, for example, a circular shape, a rectangular shape, or a V shape.
なお、相対的に移動させる、には、平面上に広がる半導体膜に垂直な方向、すなわち、積層方向（厚み方向、高さ方向）も含まれる。この場合も光源側が移動する態様のほか、基板または積層体側が移動する態様であってもよい。 Note that the relative movement includes a direction perpendicular to the semiconductor film spreading on a plane, that is, a stacking direction (thickness direction, height direction). In this case, in addition to the mode in which the light source side moves, a mode in which the substrate or laminate side moves may be used.
請求項４に記載のパターニング装置は、請求項３に記載のパターニング装置において、結晶に対する速度より非晶質に対するエッチング速度が早い剤を用いて、非晶質のままである領域を除去する非晶質除去手段と、非晶質除去手段により非晶質が除去された後に、レジスト膜を形成するレジスト膜形成手段と、レジスト膜形成手段によりレジスト膜が形成された後に、前記半導体膜と同種または異種の、非晶質である半導体膜を形成する半導体膜形成手段と、を具備したことを特徴とする。 The patterning device according to claim 4 is the patterning device according to claim 3, wherein an amorphous material that removes a region that remains amorphous by using an agent having an etching rate with respect to the amorphous material higher than that with respect to the crystal. The material removal means, the resist film forming means for forming a resist film after the amorphous is removed by the amorphous removing means, and the resist film forming means by the resist film forming means are the same as or similar to the semiconductor film And a semiconductor film forming means for forming a different kind of amorphous semiconductor film.
すなわち、請求項４に係る発明は、工程数を削減した生産性の高い薄膜トランジスタ製造装置を提供可能となる。
また、従来のパルス発振エキシマレーザや連続発振固体レーザのラインビームを用いた、全面を結晶化し、さらにフォトマスクやレジストを用いて所望箇所を残存させるパターニング技術に比して、レーザ照射箇所がパターン形成箇所のみで済むため、レーザ照射面積を大幅に減らすことができる（投入エネルギーを大幅に低減できる）。また、レジストと現像液を使わないことから使用する材料も大幅に削減することができる。
That is, the invention according to claim 4 can provide a highly productive thin film transistor manufacturing apparatus with a reduced number of steps.
Compared to the conventional patterning technology that uses the line beam of a pulsed excimer laser or continuous wave solid-state laser to crystallize the entire surface and leave a desired location using a photomask or resist, the laser irradiation location is a pattern. Since only the formation location is required, the laser irradiation area can be greatly reduced (the input energy can be greatly reduced). In addition, since no resist and developer are used, the amount of materials used can be greatly reduced.
なお、ゲートは、後工程で適宜設けるようにすればよい。 Note that the gate may be provided as appropriate in a later step.
請求項５に記載のパターニング装置は、請求項３または４に記載のパターニング装置において、制御部によるパターンが、半導体レーザ部の光源が一つであってラスタスキャンにより形成するようにした、または、半導体レーザ部の光源が一列に並んだアレイ構造であって、一つのアレイ構造により、相対的に移動方向を９０度変えることにより形成するようにしたことを特徴とする。 The patterning device according to claim 5 is the patterning device according to claim 3 or 4, wherein the pattern formed by the control unit is formed by raster scanning with one light source of the semiconductor laser unit, or The light source of the semiconductor laser unit is an array structure in which the light sources are arranged in a line, and the light source of the semiconductor laser part is formed by changing the moving direction by 90 degrees relatively by one array structure.
すなわち、請求項５に係る発明は、光源の仕様や設計に基づき、簡便にパターニングすることができる。 That is, the invention according to claim 5 can be easily patterned based on the specification and design of the light source.
なお、ラスタスキャンは、たとえば、横方向の走査→縦方向に所定幅移動→横方向の走査→縦方向に所定幅移動、を繰り返し、対称面全体をスキャンするだけでなく、さらに、（場合により所定の処理を終えて）向きを変えて、縦方向の走査→横方向に所定幅移動→縦方向の走査→横方向に所定幅移動、を繰り返し、走査方向を９０度変えて対称面全体を（二方向から）スキャンできるようにしても良い。
また、相対的に移動方向を９０度変える、とは、アレイ光源が、固定された基板または積層体に対してたとえば横方向に移動した後、９０度向きを変えて縦方向に移動して走査する態様をいう（または、基板または積層体側が、固定されたアレイ光源に対してたとえば横移動した後、９０度台座が回転して縦方向に移動して走査する態様をいう）。
仕様の態様により、半導体レーザ部の光源が一列に並んだアレイ構造であって、直交する位置関係にある二つのアレイ構造によりパターンを形成するようにしてもよい。
Note that the raster scan is not only performed by scanning, for example, horizontal scanning → predetermined width movement in the vertical direction → horizontal scanning → predetermined width movement in the vertical direction to scan the entire symmetry plane, Change the direction (after finishing predetermined processing), repeat vertical scanning → predetermined width movement in the horizontal direction → vertical scanning → predetermined width movement in the horizontal direction, and change the scanning direction by 90 degrees to change the entire symmetry plane. It may be possible to scan (from two directions).
In addition, the relative movement direction is changed by 90 degrees, for example, after the array light source moves in the horizontal direction with respect to the fixed substrate or laminated body, and then moves in the vertical direction by changing the direction by 90 degrees. (Or an aspect in which, after the substrate or laminated body side moves laterally with respect to the fixed array light source, for example, the 90-degree pedestal rotates and moves in the vertical direction to scan).
Depending on the specification, the pattern may be formed by two array structures in which the light sources of the semiconductor laser units are arranged in a line and are orthogonal to each other.
請求項６に記載のパターニング装置は、請求項３、４または５に記載のパターニング装置において、照射対象上に照射されたレーザビームスポットまたは既に形成されたパターンを顕微観察するモニタ部を具備し、制御部は、モニタ部による顕微観察に基づいて移動部を制御して、位置あわせをおこなうことを特徴とする。 The patterning device according to claim 6 is the patterning device according to claim 3, 4 or 5, further comprising a monitor unit for microscopically observing the laser beam spot irradiated on the irradiation target or the already formed pattern, The control unit controls the moving unit based on microscopic observation by the monitor unit to perform alignment.
すなわち、請求項６に係る発明は、積層方向に積み上がっていくパターンないし表層膜等に対して、モニタリングにより焦点を適正に合わることができるとともに、微細回路を形成する際に現物をモニタリングしながら正確な原点だしないし位置あわせをして正確なパターン形成ないし回路形成が可能となる。位置あわせ機能を有することから、パターニング用アライメント露光装置ということもできる。 That is, the invention according to claim 6 can properly focus on the pattern or surface layer film stacked in the stacking direction by monitoring and monitor the actual product when forming a fine circuit. However, it is possible to form an accurate pattern or circuit by making an accurate origin and positioning. Since it has an alignment function, it can also be referred to as a patterning alignment exposure apparatus.
位置あわせは、焦点あわせも含む。すなわち、移動部は、高さ方向の距離調整も可能であるものとする。
モニタ部は、たとえば、画像撮像に基づく画像認識技術を採用できるが、焦点が適正な位置にあるか、ビームスポットが既に形成された下層のパターン上に位置しているか、等を判断でるのであれば、その構成は特に限定されるものではない。
The alignment includes focusing. That is, the moving unit can also adjust the distance in the height direction.
The monitor unit can employ, for example, an image recognition technique based on image capturing, but can determine whether the focal point is at an appropriate position, whether the beam spot is positioned on a lower layer pattern already formed, or the like. For example, the configuration is not particularly limited.
請求項７に記載のパターニング装置は、請求項３〜６のいずれか一つに記載のパターニング装置において、レーザビームスポットのパワー密度が１０００００Ｗ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。 The patterning device according to claim 7 is the patterning device according to any one of claims 3 to 6, wherein the power density of the laser beam spot is 100,000 W / cm 2 or more.
すなわち、請求項７に係る発明は、一般的な厚さの非晶質半導体膜を相応の走査速度で結晶質へ相変換する（従来の露光機装置の光源の一般的なパワー密度はおよそ０．０１Ｗ／ｃｍ２である）。 That is, the invention according to claim 7 phase-converts an amorphous semiconductor film having a general thickness into a crystalline state at an appropriate scanning speed (the general power density of a light source of a conventional exposure apparatus is approximately 0). 0.01 W / cm 2 ).
なお、上限目安としては、照射対象の薄膜にアブレーションが起こるパワー密度である。これは、走査速度や膜厚や波長に依存するが、たとえば、１０００００００Ｗ／ｃｍ２とすることができる。 The upper limit is the power density at which ablation occurs in the thin film to be irradiated. This depends on the scanning speed, film thickness, and wavelength, but can be set to, for example, 10000000 W / cm 2 .
本発明によれば、半導体レーザを用いる簡素簡便な方法ないし構成により、非晶質の半導体膜から所望箇所を結晶化して、生産性の高いパターニング技術を提供することができる。また、フォトマスクやレジストを不要とする新たなパターニング技術を提供することができる。 According to the present invention, a patterning technique with high productivity can be provided by crystallizing a desired portion from an amorphous semiconductor film by a simple and simple method or configuration using a semiconductor laser. In addition, a new patterning technique that does not require a photomask or a resist can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、非晶質シリコン膜（Ｓｉ膜）上でビームスポットを移動させ、所定幅の線状の微結晶領域（多結晶領域）を形成するパターニング技術および薄膜トランジスタ作製方法を説明する。図１は、本発明のパターニング装置の概要図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, a patterning technique and a thin film transistor manufacturing method for forming a linear microcrystalline region (polycrystalline region) having a predetermined width by moving a beam spot on an amorphous silicon film (Si film) will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of a patterning apparatus of the present invention.
パターニング装置１は、図１に示したように、露光ライン１０と、エッチングライン２０と、成膜ライン３０と、から形成される。 As shown in FIG. 1, the patterning apparatus 1 is formed from an exposure line 10, an etching line 20, and a film forming line 30.
まず、露光ライン１０について説明する。
露光ライン１０は、半導体レーザ部１０１と、ビームスポット形成部１０２と、移動機構部１０３と、駆動制御部１０４と、載置台１０５と、モニタ部１０６と、を主要な構成としている。
First, the exposure line 10 will be described.
The exposure line 10 has a semiconductor laser unit 101, a beam spot forming unit 102, a moving mechanism unit 103, a drive control unit 104, a mounting table 105, and a monitor unit 106 as main components.
載置台１０５は、非晶質のＳｉ膜（膜厚６０ｎｍ）が形成されたガラス基板Ｇを載置する。 The mounting table 105 mounts a glass substrate G on which an amorphous Si film (film thickness 60 nm) is formed.
半導体レーザ部１０１は、載置台１０５上の基板Ｇへ向けて線分状の半導体レーザ光を出射する（なお、線状、Ｉ字状とも表現できるが本願では線分状と称することとする）。用いた光源は、４０５ｎｍ紫外ダイオードレーザ（日亜化学社製：型番ＮＤＶ７３７５Ｅ）である。この時のダイオードレーザ駆動電流値は４００ｍＡ、Ｓｉ膜へ照射された紫外光パワーは１５０ｍｗとした。 The semiconductor laser unit 101 emits a line-shaped semiconductor laser beam toward the substrate G on the mounting table 105 (note that it can also be expressed as a line shape or an I shape, but is referred to as a line shape in the present application). . The light source used was a 405 nm ultraviolet diode laser (manufactured by Nichia Corporation: model number NDV7375E). The diode laser drive current value at this time was 400 mA, and the ultraviolet light power applied to the Si film was 150 mw.
ビームスポット形成部１０２は、それぞれコリメートレンズと集光レンズとして機能する二枚の凸レンズであって、半導体レーザ部１０１から出射されたレーザ光を照射対象であるＳｉ膜上に集光する。すなわち、焦点がＳｉ膜表面となるように位置調整する。図２にＳｉ膜上に形成されるレーザスポット光学顕微鏡写真を示した。図示したように、ビームスポットの形状は１〜２μｍ×１０μｍの細長い長方形（線分状）である。 The beam spot forming unit 102 is two convex lenses that function as a collimator lens and a condensing lens, respectively, and condenses the laser light emitted from the semiconductor laser unit 101 on the Si film to be irradiated. That is, the position is adjusted so that the focal point is the surface of the Si film. FIG. 2 shows a laser spot optical micrograph formed on the Si film. As shown in the figure, the shape of the beam spot is a long and thin rectangle (line segment) of 1 to 2 μm × 10 μm.
ビームスポット形成部１０２によりレーザ光はミクロオーダーに集光され、光パワー密度は７５００００Ｗ／ｃｍ２〜１５０００００Ｗ／ｃｍ２に高まり、Ｓｉ膜を効率的に結晶化できる。すなわち、走査速度を速めることもでき、また、高価な高出力半導体レーザでなくてもコストパフォーマンスの良い半導体レーザを採用することもできる。微細なパターニングを実現できる、ともいえる。 The laser beam is condensed on the micro order by the beam spot forming unit 102, the optical power density is increased to 750000 W / cm 2 to 1500,000 W / cm 2 , and the Si film can be efficiently crystallized. That is, it is possible to increase the scanning speed, and it is possible to employ a semiconductor laser with good cost performance even if it is not an expensive high-power semiconductor laser. It can be said that fine patterning can be realized.
ここで非晶質Ｓｉ膜を結晶相に相変換するのに必要なレーザ光のパワー密度は、Ｓｉ膜厚が６０ｎｍ、波長４０５ｎｍ、レーザ走査速度が０．０２ｍ/ｓの時には７５００００Ｗ／ｃｍ２以上が必要となるが、Ｓｉ膜厚を薄くする、又はレーザ波長を小さくする、又は走査速度を遅くした場合では、必要となるパワー密度は小さくなる。ただし、諸条件によって必要パワー密度が小さくなるとしても、従来のレジスト露光装置の０．０１Ｗ/ｃｍ2と比較するとまだ７桁も大きく、従って本発明は従来のレジスト露光機またはマスクアライナーとは明確に違うものといえる。 Here, the power density of the laser beam necessary for phase conversion of the amorphous Si film to the crystal phase is 750000 W / cm 2 or more when the Si film thickness is 60 nm, the wavelength is 405 nm, and the laser scanning speed is 0.02 m / s. However, when the Si film thickness is decreased, the laser wavelength is decreased, or the scanning speed is decreased, the required power density is decreased. However, even if the required power density is reduced depending on various conditions, it is still 7 orders of magnitude larger than 0.01 W / cm 2 of the conventional resist exposure apparatus. Therefore, the present invention is clearly different from the conventional resist exposure apparatus or mask aligner. It can be said that it is different.
移動機構部１０３は、半導体レーザ部１０１とビームスポット形成部１０２とを収容する筐体１３１と、筐体１３１を照射対象（Ｓｉ膜ないし表層膜）に対して一定の距離を保ちながら当該照射対称面に平行に移動させる移動部１３２と、により構成される。なお、移動部１３２は、平面走査の際はＳｉ膜ないし表層膜との間で距離は一定に保つが、筐体１３１を高さ方向にも調整可能、すなわち、載置台１０５との距離も調整できるようにしている。以降では、移動部１３２を３軸移動部と適宜称することとする。３軸移動部１３２により、ビームスポットの焦点が適正な位置（主に表層）にあるように調整可能としている。 The moving mechanism unit 103 includes a housing 131 that houses the semiconductor laser unit 101 and the beam spot forming unit 102, and the irradiation symmetry of the housing 131 while maintaining a certain distance from the irradiation target (Si film or surface layer film). And a moving unit 132 that moves in parallel to the surface. Note that the distance between the moving unit 132 and the Si film or the surface layer film is constant during the plane scanning, but the casing 131 can be adjusted in the height direction, that is, the distance from the mounting table 105 is also adjusted. I can do it. Hereinafter, the moving unit 132 will be appropriately referred to as a triaxial moving unit. The triaxial moving unit 132 can be adjusted so that the focal point of the beam spot is at an appropriate position (mainly the surface layer).
移動機構部１０３により、ビームスポットがＳｉ膜上を走査し、そのエネルギーにより、非晶質が微結晶に連続的に相変換される。 The moving mechanism 103 scans the beam spot on the Si film, and amorphous energy is continuously phase-converted into microcrystals by the energy.
モニタ部１０６は、Ｓｉ膜に照射されたレーザビームスポットまたは既に形成されたパターンを顕微撮像し、画像処理をおこなう。画像処理結果は、駆動制御部１０４に出力される。 The monitor unit 106 performs microscopic imaging of the laser beam spot irradiated on the Si film or the already formed pattern, and performs image processing. The image processing result is output to the drive control unit 104.
駆動制御部１０４は、半導体レーザ部１０１のレーザ光の点滅と、３軸移動部１３２による筐体１３１の移動方向および移動速度と、を制御して、走査箇所を非晶質から結晶へと相変換したパターンとして形成する。
また、駆動制御部１０４は、モニタ部１０６による顕微観察に基づいて３軸移動部１３２を制御して、焦点調整と、アライメント調整をおこなう。焦点調整は、筐体１３１を基板面垂直方向に前後させ、レーザビームスポットがシャープかつ最小になる位置を画像処理によって割り出しおこなう。アライメント調整は、既設パターンがそのまま把握できるのであれば、その画像情報を用い、また、複数方向から別途光を照射して、その印影により正確な位置把握をおこない、原点だしないし位置あわせをおこなうようにする。
The drive control unit 104 controls the blinking of the laser light of the semiconductor laser unit 101 and the moving direction and moving speed of the casing 131 by the triaxial moving unit 132, so that the scanning position is changed from amorphous to crystalline. It is formed as a converted pattern.
Further, the drive control unit 104 controls the triaxial moving unit 132 based on microscopic observation by the monitor unit 106 to perform focus adjustment and alignment adjustment. In the focus adjustment, the housing 131 is moved back and forth in the direction perpendicular to the substrate surface, and the position where the laser beam spot is sharp and minimized is determined by image processing. For alignment adjustment, if the existing pattern can be grasped as it is, use the image information, irradiate light separately from multiple directions, and grasp the exact position by the imprint, do not do the origin and do the alignment To.
図３に制御例の概念を示した。
制御は、Ｉ字状のビームスポットの短手方向（短手長さ：ｗ２）をｘ方向、長手方向（長手長さ：ｗ１）をｙ方向とすると、まず、筐体１３１をｘ方向に一定速度ｖ１で走査する。同時に、所定の点灯・消灯プログラムにしたがって、半導体レーザ部１０１を駆動する。
続いて、筐体１３１をｙ方向に所定間隔ずらした後、再びｘ方向に一定速度ｖ１で走査しながら半導体レーザ部１０１を駆動する（筐体１３１を予めスタート位置に引き戻してから走査しても良いし、引き戻しながら半導体レーザ部１０１を駆動しても良い）。
この動作を繰り返して、ｘ方向の走査を総て終える。
FIG. 3 shows the concept of the control example.
In the control, assuming that the short direction (short length: w2) of the I-shaped beam spot is the x direction and the long direction (long length: w1) is the y direction, first, the housing 131 is moved at a constant speed in the x direction. Scan with v1. At the same time, the semiconductor laser unit 101 is driven in accordance with a predetermined lighting / extinguishing program.
Subsequently, after the housing 131 is shifted in the y direction by a predetermined interval, the semiconductor laser unit 101 is driven while scanning in the x direction at a constant speed v1 again (even if scanning is performed after the housing 131 is pulled back to the start position in advance). The semiconductor laser unit 101 may be driven while pulling back).
This operation is repeated to complete all scanning in the x direction.
ｙ方向についても同様であり、筐体１３１をｙ方向に一定速度ｖ２で走査する。同時に、所定の点灯・消灯プログラムにしたがって、半導体レーザ部１０１を駆動する。
続いて、筐体１３１をｘ方向に所定間隔ずらした後、再びｙ方向に一定速度ｖ２で走査しながら半導体レーザ部１０１を駆動する（筐体１３１を予めスタート位置に引き戻してから走査しても良いし、引き戻しながら半導体レーザ部１０１を駆動しても良い）。
この動作を繰り返して、ｘ方向の走査を総て終える。
The same applies to the y direction, and the housing 131 is scanned in the y direction at a constant speed v2. At the same time, the semiconductor laser unit 101 is driven in accordance with a predetermined lighting / extinguishing program.
Subsequently, after the housing 131 is shifted by a predetermined interval in the x direction, the semiconductor laser unit 101 is driven while scanning in the y direction at a constant speed v2 (even if scanning is performed after the housing 131 is pulled back to the start position in advance). The semiconductor laser unit 101 may be driven while pulling back).
This operation is repeated to complete all scanning in the x direction.
なお、ｘ方向の照射領域（照射線分）とｙ方向の照射領域（照射線分）とは、移動機構部１０３やモニタ部１０６などを介して駆動制御部１０４により適宜正確な位置あわせをするものとする。
また、ｘ方向の一連の走査とｙ方向の一連の走査との間に、次に説明する非晶質の除去→絶縁膜の形成→次に照射すべき半導体膜の形成、という処理をおこない、回路形成をおこなってもよい。
The x-direction irradiation region (irradiation line segment) and the y-direction irradiation region (irradiation line segment) are appropriately accurately aligned by the drive control unit 104 via the movement mechanism unit 103, the monitor unit 106, and the like. Shall.
Further, between the series of scans in the x direction and the series of scans in the y direction, the following process of removing amorphous, forming an insulating film, and forming a semiconductor film to be irradiated next is performed. Circuit formation may be performed.
次に、エッチングライン２０を説明する。
エッチングライン２０は、露光ライン１０にて照射作業が終了した載置台１０５上の基板Ｇを引き受け、エッチングプールに浸して、非晶質のままである領域を除去する。用いるエッチング液は、微結晶に対する速度より非晶質に対するエッチング速度が早い剤であり、たとえば、フッ硝酸、もしくはＤａｓｈ液（ＣＨ３ＣＯＯＨ：ＨＮＯ３：ＨＦ：Ｉ２＝１００ｍＬ：４０ｍＬ：１０ｍＬ：５４ｍｇ）とすることができる。使用の態様により、水素プラズマや原子状水素を用いてもよい。
Next, the etching line 20 will be described.
The etching line 20 takes the substrate G on the mounting table 105 for which the irradiation operation has been completed in the exposure line 10 and immerses it in the etching pool to remove the region that remains amorphous. The etching solution used is an agent having a higher etching rate for amorphous than the rate for microcrystals. For example, hydrofluoric acid or Dash solution (CH 3 COOH: HNO 3 : HF: I 2 = 100 mL: 40 mL: 10 mL: 54 mg) ). Depending on the mode of use, hydrogen plasma or atomic hydrogen may be used.
成膜ライン３０は、絶縁膜形成部３１と、半導体膜形成部３２と、により構成される。絶縁膜も半導体膜も汎用技術により形成可能であるため詳細な説明を省略するが、たとえば、ＣＶＤ装置を採用することができる。使用の態様により、装置一つで絶縁膜と半導体膜とを形成するようにしても良い。 The film forming line 30 includes an insulating film forming unit 31 and a semiconductor film forming unit 32. Since the insulating film and the semiconductor film can be formed by general-purpose technology, a detailed description is omitted, but for example, a CVD apparatus can be employed. Depending on the mode of use, the insulating film and the semiconductor film may be formed by a single device.
パターニング装置１は、以上の構成であるので、薄膜トランジスタを形成することができる。具体的には、絶縁膜を適宜介在させながら、非晶質半導体膜を形成後、所望箇所の結晶化→非晶質部分（および絶縁膜部分）のエッチング除去、を繰り返すことで、チャネル、ソースドレイン、電極等の形成が可能となる。レジストやフォトマスクを不要とするため、生産性に優れる。
なお、図４に、回路形成例を示した。
Since the patterning apparatus 1 has the above configuration, a thin film transistor can be formed. Specifically, after an amorphous semiconductor film is formed with an insulating film interposed as appropriate, crystallization of a desired location → etching removal of an amorphous portion (and an insulating film portion) is repeated, whereby a channel and a source A drain, an electrode, and the like can be formed. Since no resist or photomask is required, productivity is excellent.
FIG. 4 shows an example of circuit formation.
また、図５に、パターニング装置１を用いた多結晶シリコンからなる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の光学顕微鏡写真を示した。
まず１４０μｍ厚のフレキシブルガラス基板上にパシベーション膜としてＳｉＮｘ膜を反応性スパッタ堆積法により３００ｎｍ堆積した。続いて直流スパッタ堆積法によりＳｉ膜を１００ｎｍ堆積し、パターニング装置１によって、長さ２００μｍ、幅１０μｍにパターニングして、チャネル領域およびソースドレイン領域となるＳｉアイランドを形成した。ここでＳｉ膜のエッチング液はＤａｓｈ液を使った。続いてゲートＳｉＯ２膜を反応性スパッタ堆積法によって８０ｎｍ堆積し、その上にゲート電極膜として、Ｓｂ１０ｎｍとＳｉ３００ｎｍの二層積層膜を直流スパッタ法により堆積し、パターニング装置１によって、長さ２００μｍ、幅１.５μｍにパターニングして、ゲート電極となるＳｂ/Ｓｉアイランドを形成した。ここでもＳｂ/Ｓｉ積層膜のエッチング液はＤａｓｈ液を使った。続いてＲＩＥによって、ゲート電極に被覆されていないゲートＳｉＯ２膜を自己整合でエッチングしてソース／ドレイン領域のＳｉ膜を露出させた後、５−２０ｎｍ程度のＳｂ膜を堆積して、パターニング装置１によってシリコンアイランドをレーザビームスポットで走査することでＳｂをソース／ドレイン領域のＳｉ膜に拡散させて低抵抗化させた。余剰ＳｂはＨＦ水溶液により除去した。次に、ソース領域、ドレイン領域、ゲート領域との接続電極として、メタルマスクにより、それぞれの領域と接触するようにＡｌ電極を蒸着堆積した。最後に４００℃の温度でフォーミングガスアニールを行った。なお、最高プロセス温度は４００℃であった。
FIG. 5 shows an optical micrograph of a thin film transistor (TFT) made of polycrystalline silicon using the patterning device 1.
First, a SiNx film as a passivation film was deposited to a thickness of 300 nm on a 140 μm thick flexible glass substrate by a reactive sputter deposition method. Subsequently, a Si film was deposited to a thickness of 100 nm by direct current sputter deposition, and patterned to a length of 200 μm and a width of 10 μm by the patterning apparatus 1 to form Si islands serving as a channel region and a source / drain region. Here, a Dash solution was used as the etching solution for the Si film. Subsequently, a gate SiO 2 film is deposited by reactive sputtering deposition to a thickness of 80 nm, and a two-layer laminated film of Sb 10 nm and Si 300 nm is deposited as a gate electrode film thereon by a direct current sputtering method. By patterning to a width of 1.5 μm, an Sb / Si island to be a gate electrode was formed. Again, the Dash solution was used as the etchant for the Sb / Si laminated film. Subsequently, the gate SiO 2 film not covered with the gate electrode is etched by self-alignment by RIE to expose the Si film in the source / drain region, and then an Sb film of about 5 to 20 nm is deposited. 1, the silicon island was scanned with a laser beam spot to diffuse Sb into the Si film in the source / drain region to reduce the resistance. Excess Sb was removed with an aqueous HF solution. Next, as a connection electrode for the source region, drain region, and gate region, an Al electrode was deposited by vapor deposition so as to be in contact with each region using a metal mask. Finally, forming gas annealing was performed at a temperature of 400 ° C. The maximum process temperature was 400 ° C.
本発明は、上述の実施の形態に限定されない。
たとえば、照射対象は基板上のシリコン膜に限定されず、他の半導体、たとえば酸化チタンや酸化亜鉛を用いることもできる。半導体中にドーパントが含まれていてもよい。
基板はガラスではなく、プラスチックでもよく、極薄としたフレキシブル基板とすることもできる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment.
For example, the irradiation target is not limited to the silicon film on the substrate, and other semiconductors such as titanium oxide and zinc oxide can also be used. A dopant may be contained in the semiconductor.
The substrate may be plastic instead of glass, and can be a very thin flexible substrate.
このほか、複数の半導体レーザをアレイ化して、これによりパターニングしてもよい。
また、ビームスポット形成部のレンズを変えたり、所定形状が開口した遮蔽板を介在させたりすることで、露光幅（回路幅）を変えることもできる。
In addition, a plurality of semiconductor lasers may be arrayed and patterned.
Also, the exposure width (circuit width) can be changed by changing the lens of the beam spot forming portion or by interposing a shielding plate having a predetermined shape opened.
本発明によれば、半導体レーザを用いて非晶質の半導体膜の所望箇所を効率的かつ簡便に結晶化することができる。また、フォトマスクやレジストを不要とする新たなパターニング方法およびその応用製品を提供することができる。
なお、高出力の半導体レーザであれば、逆に、光学系を用いてレーザスポットの幅を広げるなどして、大面積を微結晶化することもできる。
According to the present invention, a desired portion of an amorphous semiconductor film can be crystallized efficiently and easily using a semiconductor laser. In addition, a new patterning method that eliminates the need for a photomask or a resist and an application product thereof can be provided.
In the case of a high-power semiconductor laser, conversely, a large area can be microcrystallized by increasing the width of the laser spot using an optical system.
１ パターニング装置
１０ 露光ライン
２０ エッチングライン
３０ 成膜ライン
３１ 絶縁膜形成部
３２ 半導体膜形成部
１０１ 半導体レーザ部
１０２ ビームスポット形成部
１０３ 移動機構部
１０４ 駆動制御部
１０５ 載置台
１０６モニタ部
１３１ 筐体
１３２ ３軸移動部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Patterning apparatus 10 Exposure line 20 Etching line 30 Film-forming line 31 Insulating film formation part 32 Semiconductor film formation part 101 Semiconductor laser part 102 Beam spot formation part 103 Movement mechanism part 104 Drive control part 105 Mounting stand 106 Monitor part 131 Case 132 3-axis moving part
Claims (7)
結晶に対する速度より非晶質に対するエッチング速度が早い剤を用いて、非晶質のままである領域を除去し、
基板上または積層体上にパターンを形成することを特徴とするパターニング方法。 The laser beam spot from the semiconductor laser device is relatively moved on the amorphous semiconductor film formed on the substrate or the laminated body, and the scanned portion is crystallized.
Using an agent that has a higher etch rate for amorphous than the rate for crystals, remove regions that remain amorphous,
A patterning method comprising forming a pattern on a substrate or a laminate.
半導体レーザ部から出射されたレーザ光を所定形状のレーザビームスポットとして照射対象上に集光する集光部と、
基板上または積層体上に形成された、レーザビームスポットの照射対象である非晶質の半導体膜上で、レーザビームスポットを相対的に移動させる移動部と、
半導体レーザ部のレーザ光の点滅と、移動部による移動方向および移動速度と、を制御して、走査箇所を非晶質から結晶へと相変換したパターンとして形成する制御部と、
を具備したことを特徴とするパターニング装置。 A semiconductor laser section for generating laser light from a semiconductor;
A condensing unit for condensing the laser beam emitted from the semiconductor laser unit on the irradiation target as a laser beam spot of a predetermined shape;
A moving unit that relatively moves the laser beam spot on the amorphous semiconductor film that is an irradiation target of the laser beam spot formed on the substrate or the stacked body;
A control unit for controlling the blinking of the laser light of the semiconductor laser unit, the moving direction and the moving speed by the moving unit, and forming a pattern in which the scanning portion is phase-converted from amorphous to crystal;
A patterning apparatus comprising:
非晶質除去手段により非晶質が除去された後に、絶縁膜を形成する絶縁膜形成手段と、
絶縁膜形成手段により絶縁膜が形成された後に、前記半導体膜と同種または異種の、非晶質である半導体膜を形成する半導体膜形成手段と、
を具備したことを特徴とする請求項３に記載のパターニング装置。 Using an agent whose etching rate for amorphous material is faster than that for crystal, an amorphous removing means for removing regions that remain amorphous;
An insulating film forming means for forming an insulating film after the amorphous is removed by the amorphous removing means;
A semiconductor film forming means for forming an amorphous semiconductor film of the same type or different from the semiconductor film after the insulating film is formed by the insulating film forming means;
The patterning apparatus according to claim 3, further comprising:
半導体レーザ部の光源が一つであってラスタスキャンにより形成するようにした、または、
半導体レーザ部の光源が一列に並んだアレイ構造であって、一つのアレイ構造により、相対的に移動方向を９０度変えることにより形成するようにしたことを特徴とする請求項３または４に記載のパターニング装置 The pattern by the control unit is
The semiconductor laser unit has one light source and is formed by raster scanning, or
The light source of the semiconductor laser section is an array structure arranged in a line, and is formed by changing the moving direction relatively by 90 degrees with one array structure. Patterning equipment
制御部は、モニタ部による顕微観察に基づいて移動部を制御して、位置あわせをおこなうことを特徴とする請求項３、４または５に記載のパターニング装置。 A monitor unit for microscopically observing a laser beam spot or an already formed pattern irradiated on an irradiation target;
The patterning apparatus according to claim 3, wherein the control unit controls the moving unit based on microscopic observation by the monitor unit to perform alignment.
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