JP3197707B2 - シリコン薄膜の結晶化方法および表示装置 - Google Patents
シリコン薄膜の結晶化方法および表示装置Info
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Description
ン薄膜の結晶化(本明細書ではポリシリコンからポリシ
リコンへの再結晶化も含めて、区別せずに結晶化と表現
する)方法と、これを用いた半導体デバイスの製造プロ
セスに関わるものである。なかでも本発明で特に注目し
ているのは、ガラス基板上の薄膜トランジスタ(以下、
TFTという)等に用いるポリシリコン薄膜のパルスレ
ーザーによる結晶化方法と、このTFTを用いた液晶表
示装置(以下、LCDという)である。
作成に使用されているシリコン薄膜の作成方法を例に説
明を行う。
ているのは、アモルファスシリコンTFTを用いたもの
とポリシリコンTFTを用いたものの2種類である。こ
れらのうち、後者のポリシリコンTFTを用いた場合
は、表示画面部の画素用トランジスタと表示画面の周辺
駆動回路用トランジスタを同一基板上で同時に作成する
こともできるので、同じ画面サイズであっても画面周辺
部(非表示部)の面積の小さなコンパクトなLCDを実現
できる。
℃;ここで述べる基板温度は熱平衡が保たれたような状
態での温度である)で作られたポリシリコンTFTの作
成技術は、大版のガラス基板が使えるため大幅なコスト
ダウンを実現する技術として注目されている。なかでも
パルスレーザーによるシリコンのレーザー結晶化法を用
いたポリシリコンTFTプロセスは、さらに低温域(最
高基板温度300℃〜500℃;そのためアモルファスシリコ
ンTFTと同じ比較的安価で大きなガラス基板が使用で
きる)でありながら、高性能なTFTを形成できる技術
として精力的な開発が行われている。
ザーを用いた従来のシリコン薄膜の結晶化方法の様子を
説明する概要斜視図である。基板1上に形成されたシリ
コン薄膜2に対して、長方形に整形されたエキシマレー
ザービーム3を照射する。長方形のエキシマレーザービ
ーム3のビーム内エネルギー分布の一例を図6に示し、
図6(1)はX−Y平面での分布状態図、図6(2)は(1)の
X方向でのエネルギーの大きさを示し、周辺部以外は、
できるだけ均一エネルギー密度になるよう光学部品4を
用いてビーム整形が行われている。多くの場合(特にL
CDの場合)、レーザービームのサイズ(横Bxと縦By)
が実現しようとする半導体装置のサイズより小さいた
め、1回の照射だけでは必要な領域をすべて結晶化する
ことはできない。そのため、レーザービームはX方向に
はdx、Y方向にはdyずつ移動しながら、かつレーザー
ビームの一部分をオーバーラップさせながら複数回照射
される。このとき、相対的に基板の方を動かす場合もあ
る。
ランジスタの性能を高めるためにもレーザービームの一
部分をオーバーラップさせながらの複数回の照射が必要
であり、結果的にそれぞれの薄膜トランジスタが作成さ
れる場所について、総計10〜100ショット程度のレーザ
ー照射が必要となる。
薄膜2は結晶化されポリシリコン薄膜2′が形成され
る。この後、結晶化されたポリシリコン薄膜2′を用い
てTFTを作成し、さらにLCDの構成に組立を行い、
TFT−LCDを完成させる。上記内容に関しては、例
えば、雑誌「フラットパネル・ディスプレイ 1991」P.1
17〜P.128(日経BP社刊:1990年11月26日刊)参照。
ーザーを用いたシリコン薄膜の結晶化方法において、最
も重大な課題の1つがパルスレーザーの照射痕状の結晶
性の不均一性である。図7は従来のシリコン薄膜の結晶
化方法で結晶化されたポリシリコン薄膜を用いた薄膜ト
ランジスタの移動度の分布例の様子を示す。これはX方
向の分布例であり、照射されたレーザービームの周辺部
の部分で非常に大きな特性の不均一性が発生し、ビーム
の移動量dxごとに移動度が落ち込んでいる。これはポリ
シリコン薄膜2′の結晶性の不均一性がそのまま素子
(TFT)特性に反映したためと考えられる。
電圧やオフ電流特性も同様に大きくばらつくことにな
る。この不均一な状態でTFT−LCDを作成すると、
以下のことが問題となる、その第1は、周辺駆動回路部
の動作速度が、ばらついた特性の悪い部分で制限される
ため、回路の動作マージンが小さくなる、あるいは動作
速度の上限が低下する。このことにより高密度表示が行
いにくくなるという課題である。
電圧のばらつきに伴い、表示部内でTFT信号書き込み
能力がばらつく、さらにオフ電流特性のばらつきのため
表示信号の保持能力もばらつき、そのため表示品位が低
下するといった課題である。
均一性を改善する方法は従来も検討されており、レーザ
ー照射時に基板全体を加熱しておく方法等も報告されて
いるが、移動度で依然±10%程度の大きなばらつきが残
っており、十分なものと言えない(例えば、Digest of
Papers MicroProcess′92. The 5thInternational
Micro Process Conference. JULY 13〜16,1992.
P.152参照)。
性ができるだけ小さくなるような、パルスレーザー(エ
キシマレーザー)応用のシリコン薄膜の結晶化方法を提
供し、さらには、作成されたポリシリコン薄膜を用いて
高性能(回路動作が早く動作マージンが大きい,画面の
表示品位が高い)表示装置(例えば、TFT−LCD)を
提供することを目的としている。
し、目的を達成するため、シリコン薄膜の結晶化方法
は、基板上に形成したシリコン薄膜に対し、フラッシュ
ランプアニール法、または赤外線ランプアニール法、ま
たはSOR光照射により前記シリコン薄膜の少なくとも
表面部分を結晶化し、この後、レーザービームサイズが
前記結晶化を行った領域より小さい第1のパルスレーザ
ー光を前記結晶化領域に対して複数回照射し、かつ前記
第1のパルスレーザー光の複数の照射領域を重ね合わせ
ることを特徴とする。
し、第2のパルスレーザー光照射により前記シリコン薄
膜の少なくとも表面部分を結晶化し、その後レーザービ
ームサイズが前記結晶化を行った領域より小さい第1の
パルスレーザー光を前記結晶化領域に対して複数回照射
し、かつ前記第1のパルスレーザー光の複数の照射領域
を重ね合わせることを特徴とする
しようとする半導体装置と同一かまたは大きな領域につ
いて、基板全体が加熱しすぎない短時間アニールを行
い、シリコン薄膜の少なくとも表面部分を一度に結晶化
し、この後、短時間アニールで結晶化を行った領域より
レーザービームサイズが小さいパルスレーザー光(エキ
シマレーザー光)を結晶化領域に対して複数回照射し、
かつパルスレーザー光の複数の照射領域を重ね合わせる
ことである。
コン薄膜が得られる。さらに作成されたポリシリコン薄
膜を用いて高性能(回路動作が早く動作マージンが大き
い,画面の表示品位が高い)な表示装置(例えば、TFT
−LCD)を提供される。
しては、 (A) キセノンランプなどを用いたフラッシュランプアニ
ール法 (B) 赤外線ランプアニール法 (C) SOR光照射による方法 (D) パルスエネルギーの大きなレーザー光照射による方
法 などがあげられる。
コン薄膜の結晶化方法の説明図であり、前述の手段(A)
に相当するものである。図1(a)に示すシリコン薄膜2
(厚さ100nmのアモルファスシリコン薄膜)を表面に被着
した基板1(ガラス基板)に対して複数本のキセノンフラ
ッシュランプ5を同期して発光させ、一度に基板表面を
短時間アニールする。
でヒータブロック6で加熱しておく。また、これらの操
作は真空チャンバー内で行われる。この工程によりシリ
コン薄膜2の表面が均一に結晶化する。
(b))でエキシマレーザービーム3の照射を行うこと
でポリシリコン薄膜2′を得る。レーザー光源は300
Hzのパルスレートで発振する150W(500mJ/
パルス)のXeClエキシマレーザーで行った。光学部
品4により長方形に整形したエキシマレーザービーム3
は、基板1に対してX方向にはdx、Y方向にはdyず
つ相対的に移動しながら複数回照射される。本実施例の
場合は、エキシマレーザービーム3の光軸は固定し、ヒ
ーターブロツク6を備えたXYステージ7に基板1を保
持し、基板の方を移動した。こうしてシリコン薄膜2の
全体に結晶化をすすめポリシリコン薄膜2′を作成し
た。
ランジスタを作成し、特性のばらつきを測定したところ
大幅に均一性が向上した。さらに、このTFTを用いて
LCDを作成すれば、高性能(回路動作が早く動作マー
ジンが大きい,画面の表示品位が高い)なTFT−LC
Dとなった。なお、XYステージ7に組み込まれたヒー
ターブロック6で基板加熱(約400度)を行ったところ、
さらに均一性が改善した。
コン薄膜の結晶化方法の説明図であり、前述の手段(B)
に相当するものである。シリコン薄膜2(厚さ100nmのア
モルファスシリコン薄膜)を表面に被着した基板1(ガラ
ス基板)に対して複数本の赤外線ランプ8を同期して発
光させ、一度に基板表面を短時間アニールする。このと
き、基板1は基板の耐熱温度近くまでヒータブロック6
で加熱しておく。また、これらの操作は真空チャンバー
内で行われる。この工程によりシリコン薄膜2の表面が
均一に結晶化する。続いて第1の実施例(図1(b))と同
様の工程でエキシマレーザービーム3の照射を行い、ポ
リシリコン薄膜2′を作成した。このポリシリコン薄膜
2′を使ってTFTを作成し、特性のばらつきを測定し
たところ均一性が向上した。
コン薄膜の結晶化方法の説明図であり、前述の手段(C)
に相当するものである。シリコン薄膜2(厚さ100nmのア
モルファスシリコン薄膜)を表面に被着した基板1(ガラ
ス基板)を基板ホルダー9に固定し、これに対してSO
R光10を照射する。この工程によりシリコン薄膜2の表
面が均一に結晶化する。続いて第1の実施例の(図1
(b))と同様の工程でエキシマレーザービーム3の照射を
行い、ポリシリコン薄膜2′を作成する。このポリシリ
コン薄膜2′を使ってTFTを作成し、特性のばらつき
を測定すれば均一性が向上する。
コン薄膜の結晶化方法の説明図であり、先述の手段(D)
に相当するものである。シリコン薄膜2(厚さ100nmのア
モルファスシリコン薄膜)を表面に被着した基板1(ガラ
ス基板)に対して単位時間あたりの発振数は少ないが、
1ショット(パルス)あたりのエネルギーが大きい大出力
エキシマレーザービーム11(数J/パルス)を照射する。
この場合も長方形に整形されている。このとき、ビーム
サイズは液晶パネルのサイズより大きい。
示装置のサイズを一度に照射できる。現状ではパルスレ
ートが小さいため、1パルスあたりのレーザーエネルギ
ーの大きなエキシマレーザーのみでは生産性が悪い。続
いて第1の実施例の(図1(b))と同様の工程でエキシマ
レーザービーム3の照射を行い、ポリシリコン薄膜2′
を作成した。このポリシリコン薄膜2′を使ってTFT
を作成し、特性のばらつきを測定したところ大幅に均一
性が向上した。
得られることについての本発明の実験結果を示す図8お
よび図9により説明する。
ン薄膜の結晶化を行う場合、先にも述べたように、照射
ビームの周辺部分で不均一性が起こる。まだ一度もレー
ザー照射されていないアモルファスシリコン薄膜2に、
図6(2)のようなエネルギー分布を持ったレーザービー
ムを1ショット照射した場合、図8に示した模式図のよ
うに、ビームが照射された場所(中央部と周辺部)により
シリコン薄膜2の結晶化状況が異なり、表面凹凸や結晶
粒径の違いが観察された。
結晶性を示すのに対し、エネルギー分布が変化する周辺
部が照射された領域13は不均一な結晶性を示し、悪かっ
た。次に、レーザービームを少しずつずらしながら照射
したところ、図9に示すような不均一性な結晶性を示す
領域13が観察された。これはシリコン薄膜にとって最初
のレーザー照射(第1照射)による結晶性の不均一性が、
その後、繰り返しレーザー照射を行っても改善が進ま
ず、そのまま最後まで影響が残り、最終的な不均一性
(例えば、図7)を生む原因となっていることを示してい
る。
手段(A)〜(D)により、実現しようとする半導体装置のサ
イズより大面積で均一な結晶化がまず行われるため、従
来問題となっていた最初の結晶化(第1照射)の不均一性
が発生しないことになる。したがって、この後、移動度
を高めるために、パルスレーザーの一部分をオーバーラ
ップさせながらの複数回の照射を行っても最初の結晶化
の均一性が保たれるので、大幅に結晶化の均一性が向上
する。
のシリコン薄膜に対し、実現しようとする半導体装置と
同一かまたは大きな領域について、基板全体が加熱しす
ぎない短時間アニールを行い、シリコン薄膜の少なくと
も表面部分を一度に結晶化する。この後、短時間アニー
ルで結晶化を行った領域よりレーザービームサイズが小
さいパルスレーザー光(エキシマレーザー光)を結晶化領
域に対して複数回照射し、かつパルスレーザー光の複数
の照射領域を重ね合わせることにより、従来より均質な
ポリシリコン薄膜が得られる。さらに作成されたポリシ
リコン薄膜を用いてTFTを作成し、高性能(回路動作
が早く動作マージンが大きい,画面の表示品位が高い)
な表示装置(例えば、TFT−LCD)を提供される。
結晶化方法の説明図である。
結晶化方法の説明図である。
結晶化方法の説明図である。
結晶化方法の説明図である。
する概要斜視図である。
ザー光のビーム内エネルギー分布の一例図である。
リシリコン薄膜を用いたTFTの移動度の分布例の様子
を示す図である。
の説明図である。
の説明図である。
薄膜、 3…長方形に整形されたエキシマレーザービー
ム、 4…光学部品、 5…キセノンフラッシュラン
プ、 6…ヒーターブロック、 7…XYステージ、
8…赤外線ランプ、9…基板ホルダー、 10…SOR
光、 11…大出力エキシマレーザービーム、12…均質な
結晶性を示す領域、 13…不均一な結晶性を示す領域。
Claims (7)
- 【請求項1】 基板上に形成したシリコン薄膜に対し、
フラッシュランプアニール法により前記シリコン薄膜の
少なくとも表面部分を結晶化し、この後、レーザービー
ムサイズが前記結晶化を行った領域より小さい第1のパ
ルスレーザー光を前記結晶化領域に対して複数回照射
し、かつ前記第1のパルスレーザー光の複数の照射領域
を重ね合わせることを特徴とするシリコン薄膜の結晶化
方法。 - 【請求項2】 基板上に形成したシリコン薄膜に対し、
赤外線ランプアニール法により前記シリコン薄膜の少な
くとも表面部分を結晶化し、この後、レーザービームサ
イズが前記結晶化を行った領域より小さい第1のパルス
レーザー光を前記結晶化領域に対して複数回照射し、か
つ前記第1のパルスレーザー光の複数の照射領域を重ね
合わせることを特徴とするシリコン薄膜の結晶化方法。 - 【請求項3】 基板上に形成したシリコン薄膜に対し、
SOR光照射により前記シリコン薄膜の少なくとも表面
部分を結晶化し、この後、レーザービームサイズが前記
結晶化を行った領域より小さい第1のパルスレーザー光
を前記結晶化領域に対して複数回照射し、かつ前記第1
のパルスレーザー光の複数の照射領域を重ね合わせるこ
とを特徴とするシリコン薄膜の結晶化方法。 - 【請求項4】 基板上に形成したシリコン薄膜に対し、
第2のパルスレーザー光照射により前記シリコン薄膜の
少なくとも表面部分を結晶化し、その後レーザービーム
サイズが前記結晶化を行った領域より小さい第1のパル
スレーザー光を前記結晶化領域に対して複数回照射し、
かつ前記第1のパルスレーザー光の複数の照射領域を重
ね合わせることを特徴とするシリコン薄膜の結晶化方
法。 - 【請求項5】 第1のパルスレーザー光がエキシマレー
ザー光であることを特徴とする請求項1,2,3または
4記載のシリコン薄膜の結晶化方法。 - 【請求項6】 エキシマレーザー光を徐々に移動しつ
つ、被照射物に対してレーザー光をオーバーラップさせ
ながら複数回照射を行うことを特徴とする請求項5記載
のシリコン薄膜の結晶化方法。 - 【請求項7】 請求項1ないし4記載のいずれかのシリ
コン薄膜の結晶化方法で結晶化を行った基板上のシリコ
ン薄膜を用いたことを特徴とする表示装置。
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JP25068193A JP3197707B2 (ja) | 1993-10-06 | 1993-10-06 | シリコン薄膜の結晶化方法および表示装置 |
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JP25068193A JP3197707B2 (ja) | 1993-10-06 | 1993-10-06 | シリコン薄膜の結晶化方法および表示装置 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP4493752B2 (ja) * | 1998-07-17 | 2010-06-30 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置の作製方法 |
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-
1993
- 1993-10-06 JP JP25068193A patent/JP3197707B2/ja not_active Expired - Fee Related
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