JP2709376B2 - 非単結晶半導体の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 『産業上の利用分野』 本発明は薄膜トランジスタ（以下にTFTともいう）等
に応用可能なキャリアの移動度の高い非単結晶半導体の
作製方法に関する。

『従来の技術』 最近、化学的気相法等によって、作製された非単結晶
半導体薄膜を利用した薄膜トランジスタが注目されてい
る。

この薄膜トランジスタは、絶縁性基板上に前述の如く
化学的気相法等を用いて形成されるので、その作製雰囲
気温度が最高で450℃程度と低温で形成でき、安価なソ
ーダガラス，ホウケイ酸ガラス等を基板として用いるこ
とができる。

この薄膜トランジスタは電界効果型であり、いわゆる
MOSFETと同様の機能を有しているが、前述の如く安価な
絶縁性基板上に低温で形成でき、さらにその作製する最
大面積は薄膜半導体を形成する装置の寸法にのみ限定さ
れるもので、容易に大面積基板上にトランジスタを作製
できるという利点を持っていた。このため多量の画素を
持つマトリクス構造の液晶ディスプレーのスイッチング
素子や一次元又は二次元のイメージセンサ等のスイッチ
ング素子として極めて有望である。

この薄膜トランジスタを作製するにはすでに確立され
た技術であるフォトリソグラフィーが応用可能で、いわ
ゆる微細加工が狩野であり、IC等と同様に集積化を図る
ことも可能であった。この従来より知られた薄膜トラン
ジスタの代表的な構造を第２図に概略的に示す。

（20）はガラスよりなる絶縁性基板であり、（21）は
非単結晶半導体よりなる薄膜半導体、（22）、（23）は
ソースドレイン領域で、（24）、（25）はソースドレイ
ン電極、（26）はゲート絶縁膜で（27）はゲート電極で
あります。

このように構成された薄膜トランジスタはゲート電極
（27）に電圧を加えることにより、ソースドレイン（2
2）、（23）間に流れる電流を調整するものでありま
す。

この時、この薄膜トランジスタの応答速度は次式で与
えられる。

Ｓ＝μ・V/L² ここでＬはチャネル長、μはキャリアの移動度、Ｖは
ゲート電圧。

この薄膜トランジスタに用いられる非単結晶半導体層
は、半導体層中に多量の再結合中心や結晶粒界等を含ん
でおり、これらが原因で単結晶の半導体に比べてキャリ
アの移動度が非常に小さく上式より判るようにトランジ
スタの応答速度が非常に遅いという問題が発生してい
た。特にアモルファスシリコン半導体を用いた時、その
移動度はだいたい0.1〜１（cm²/V・Sec）程度で、ほと
んどTFTとして動作しない程度のものであった。

このような問題を解決するには上式より明らかなよう
にチャネル長を短くすることと、キャリアの移動度を大
きくすることが知られ、種々の改良が行われている。

特に、移動度を向上させることは、従来より種々の方
法によって行われていた。代表的には、非単結晶半導体
をアニールして、単結晶化又は多結晶のグレインサイズ
を大きくすることが行われていた。

これら従来例では、高温下でアニールするために、高
価な耐熱性基板を使用しなければならなかったり、基板
上全面の半導体層を単結晶化又は多結晶化するため、処
理時間が長くなるという問題が発生していた。

『発明の目的』 本発明は、前述の如き問題を解決するものであり、従
来より知られた方法に比べて、低温でより短時間で容易
にキャリアの移動度の高い非単結晶半導体を作製する方
法を提供することを、その目的とするものである。

『発明の構成』 本発明における非単結晶半導体の作製方法は、一つの
光学系を第１の光ビームと第２の光ビームとに分けて非
単結晶半導体をアニール処理する際に、ガラス基板上に
形成された非単結晶半導体被膜に対し、当該非単結晶半
導体被膜が溶融されない程度の均一またはゆるやかなビ
ーム内エネルギー分布を有する第１の光ビームを照射
し、前記第１の光ビームにより予備加熱されて非単結晶
半導体被膜が温められている間に、第１の光ビームと合
わせてより高いエネルギーを有し、かつ第１の光ビーム
より狭い照射面積を有する第２の光ビームを照射するこ
とにより、前記第２の光ビームが照射された部分の前記
非単結晶半導体被膜をアニールすることを特徴とする。

そして、本発明は、上記構成により、非単結晶半導体
のキャリアの移動度を向上させるものである。

第１図に本発明の光ビームの様子を示します。同図
（ａ）は光ビームの照射面の形状を示し第１の光ビーム
は（１）のように広い照射面を持っており、第２の光ビ
ームは（２）のように第１の光ビームに比べて狭い照射
面を有している。

一方同図（ｂ）は光ビームの持つエネルギー分布の様
子を示している。

第１の光ビームは（３）のように均一あるいはゆるや
かなエネルギー分布をもっており、第２の光ビームはこ
れに比べて急峻でとがったエネルギー分布（４）を有し
ております。

この様な状態の光ビームを用いることにより非単結晶
半導体のキャリアの移動度の向上を行うもので、第１の
光ビームを非単結晶半導体に照射したこの照射により非
単結晶半導体が温められた状態で第２の光ビームを照射
することにより非単結晶半導体をアニールし、キャリア
の移動度を向上させるものであります。

この時、光ビームの照射時間、エネルギーと非単結晶
半導体の関係において、第１の光ビームは非単結晶半導
体が溶融されない程度の照射時間、エネルギー量にし
て、第２の光ビームが照射されたときに初めて非単結晶
半導体はアニールされるようなエネルギーが選ばれる。

また、下地基板に耐熱性がなくても、必要な部分だけ
短時間で非単結晶半導体のキャリアの移動度を向上させ
ることができるものであります。これにより、TFTの応
答速度を増大せしめ、その結果従来適用できなかった液
晶ディスプレー、イメージセンサー等にTFT素子を適用
可能とし得るものであります。

以下に実施例を示し本発明を説明する。

『実施例』 本実施例においては、基板として石英基板を用いた、
この基板上に公知のプラズマCVD法にてＩ型の非単結晶
半導体被膜を8000Å形成した。

この時の作製条件を以下に示す。

基板温度 250℃ 反応圧力 0.05Torr 高周波出力 100W 使用ガス SiH₄ この被膜形成直後の非単結晶半導体膜のキャリアの移
動度は約0.5（cm²/V・sec）であった。この被膜に対し
エキシマレーザ光を光学系にて分割し第１の光ビームを
照射面として1mm²となるようにし第２の光ビームとして
照射面40μm²とし第１の光ビームと第２の光ビームを同
時に照射し、第２の光ビームを第１の光ビーム照射領域
内を移動して照射した。

この時レーザ光のエネルギーは第２の光ビームが照射
された部分が第１の光ビームによって与えられたエネル
ギーと合わせて約10Jを100μsecの間に被膜に照射する
ように調整し、この部分の非単結晶半導体がアニールさ
れ、移動度を向上させることができた。

アニール後の非単結晶半導体のキャリアの移動度は約
240（cm²/V・sec）程度の値が得られた。

本実施例においては第１の光ビームと第２の光ビーム
とをほぼ同時に照射したが、第１の光ビームを照射した
後に被膜の温度が下がりきらない内に第２の光ビームを
照射して、アニールを行ってもよい。

『効果』 本発明のような状態の光ビームを用いることにより第
１の光ビームを非単結晶半導体に照射しこの照射により
非単結晶半導体が温められた状態で第２の光ビームを照
射することにより非単結晶半導体をアニールし、キャリ
アの移動度を向上させるものであります。

また、レーザ光を用いて瞬時にアニールすることがで
きるので、下地基板に耐熱性がなくても、十分に非単結
晶半導体のアニールを行うことができた。

これにより、TFTの応答速度を増大せしめ、その結果
従来適用できなかった液晶ディスプレー、イメージセン
サー等にTFT素子を適用可能とし得るものであります。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用する光ビームの様子を示す概略図 第２図は従来のTFTの概略断面図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−160781（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−106836（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−135627（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−104117（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一つの光学系を第１の光ビームと第２の光
   ビームとに分けて非単結晶半導体をアニール処理する非
   単結晶半導体の作製方法において、 ガラス基板上に形成された非単結晶半導体被膜に対し、
   当該非単結晶半導体被膜が溶融されない程度の均一また
   はゆるやかなビーム内エネルギー分布を有する第１の光
   ビームを照射し、 前記第１の光ビームにより予備加熱されて非単結晶半導
   体被膜が温められている間に、第１の光ビームと合わせ
   てより高いエネルギーを有し、かつ第１の光ビームより
   狭い照射面積を有する第２の光ビームを照射することに
   より、 前記第２の光ビームが照射された部分の前記非単結晶半
   導体被膜をアニールすることを特徴とする非単結晶半導
   体の作製方法。