JP3422290B2 - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は非単結晶半導体薄膜
にパルスレーザ光を照射してアニールを行う半導体薄膜
の製造方法に関し、特に液晶ディスプレイや密着型イメ
ージセンサ等の絶縁性基板上に形成される多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタの活性層を形成する、レーザアニー
ル工程の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ポリシリコン（以下ｐｏｌｙ−Ｓ
ｉと記載する）薄膜トランジスタの製造技術を適用する
ことにより、安価なガラス基板上に駆動回路を備えた液
晶表示装置を形成することが可能となっている。ｐｏｌ
ｙ−Ｓｉ薄膜の形成法としては、プロセス温度の低温化
および高スループット化の観点から、エキシマレーザ光
を照射することによりアモルファスシリコン（以下ａ−
Ｓｉと略称する）薄膜を結晶化させてｐｏｌｙ−Ｓｉ薄
膜を得るエキシマレーザ結晶化法が用いられる。
【０００３】エキシマレーザ結晶化法の欠点として、レ
ーザ光がパルスレーザ光であるために薄膜が熱処理され
る時間が限られてしまい、得られる結晶粒の大きさが制
限されてしまうという問題がある。そのためｐｏｌｙ−
Ｓｉ薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のキャリアの電界効果
移動度が１００ｃｍ2／Ｖｓ程度に留まり、液晶表示装
置等は実現できても、ＤＲＡＭ等の高周波数駆動の高集
積回路は実現不可能であった。
【０００４】ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜の大粒径化技術の第１
の技術としては、例えば、特開平１０−２７５７８１号
公報、或いは、第４２回応用物理学関係連合講演会講演
予稿集第２分冊６９４頁（著者、石原他）により開示さ
れているように、複数のパルスレーザを合成して照射す
る技術が知られている。
【０００５】また、大粒径化技術の第２の技術として
は、例えば、ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ２１巻（１９
９６年）、３月号、３９頁（著者、Ｉｍ他）により開示
されているように、島状に形成した非晶質シリコン薄膜
に、幅５μｍの極めて微細な線状ビームを０．７５μｍ
ピッチでスキャン照射することにより、結晶粒界がほぼ
平行に整列している一方向成長多結晶シリコン薄膜を形
成する技術が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、大粒径
化技術の第１の技術においては、各レーザ照射領域にお
いては大粒径化するものの、液晶表示装置に用いられる
数百ミリメートル四方の面積の基板において、均質に大
粒径化を果たすことは困難であった。又、大粒径化技術
の第２の技術においても、スループットが低下するとい
う問題、サブミクロンのステージ動作精度を確保するた
め搬送系が複雑化するという問題が残る。
【０００７】本発明の目的は、上述の問題を鑑みてなさ
れたものであって、高スループットで大面積基板上、高
均一でかつ高移動度の半導体薄膜の作製方法を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の製
造方法は、非単結晶半導体薄膜に複数のパルスレーザを
連続して同一箇所に照射することにより照射領域中に微
結晶化領域と微結晶化領域に隣接する粗大結晶粒とを有
する半導体薄膜を製造する方法であって、各パルスのエ
ネルギー密度が、前記非単結晶半導体薄膜のパルスレー
ザの照射により微結晶化するエネルギー密度しきい値を
超えないことを特徴とし、前記複数のパルスレーザの各
パルスレーザのエネルギー密度は、前記非単結晶半導体
薄膜がパルスレーザの照射により微結晶化するエネルギ
ー密度しきい値よりも低く、連続する前記複数のパルス
レーザの前後のパルスレーザのうち、前のパルスレーザ
のエネルギー密度は後のパルスレーザのエネルギー密度
以上であり、前記複数のパルスレーザの全てのエネルギ
ー密度の和が前記エネルギー密度しきい値を超え、前記
前後のパルスレーザの照射間隔は、前記前のパルスレー
ザの半値幅であるパルス幅の６倍以下、望ましくは、前
記前後のパルスレーザの照射間隔は、前記前のパルスレ
ーザの半値幅であるパルス幅の１倍以上４倍以下であ
る、というものである。
【０００９】又、前記複数のパルスレーザの照射により
前記多結晶又は単結晶半導体薄膜が、長軸方向の結晶粒
の長さが短軸方向の結晶粒の長さの２倍を超え、かつ、
前記結晶粒が前記短軸方向に列を成して並ぶ組織を含
み、前記非単結晶半導体薄膜に前記複数のパルスレーザ
を連続して同一箇所に行う照射が、前記非単結晶半導体
薄膜の上を前記長軸方向の結晶粒の長さ以下のピッチで
前記長軸方向に移動して繰り返し行われるスキャン照射
である、というものである。
【００１０】上記半導体薄膜の製造方法において、前記
非単結晶半導体薄膜が、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶ
Ｄ）法、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法、スパ
ッタ法のいずれかの方法により形成される、或いは、照
射領域中に微結晶化領域と微結晶化領域に隣接する粗大
結晶粒とを有する前記半導体薄膜が、ガラス基板の上に
形成される、という形態をとることもできる、というも
のである。
【００１１】
【発明の実施の形態】まず、本発明の半導体薄膜の製造
方法が主張する基本的な構成について説明する前に、本
発明の背景となる、結晶化現象について図３（ａ）を参
照して説明しておく。
【００１２】非晶質薄膜および多結晶薄膜などの単結晶
構造でない薄膜を非単結晶薄膜というが、非単結晶薄膜
の微結晶化は、薄膜の溶融状態の変化により、再結晶化
時の核発生機構が、基板薄膜界面を核発生サイトとした
不均一核発生から、均一核発生へと変化することにより
発生すると考えられている。この核発生機構の変化は、
薄膜の到達温度と冷却速度に依存する。
【００１３】非単結晶シリコン薄膜に、微結晶化しきい
値Ｅｕを越えるエネルギー密度を有する図３（ａ）のよ
うなビームプロファイルを有する長尺線状レーザ光を照
射したとき、ビームプロファイル上の微結晶化しきい値
Ｅｕの直下となる地点に粗大な結晶粒が形成される。即
ち、平面的な結晶粒径分布を見ると、微結晶化領域９の
隣接地点に粗大結晶粒１０が形成される。従って、ビー
ムプロファイルが非単結晶シリコン薄膜の微結晶化しき
い値以上のレーザ光を非単結晶シリコン薄膜に照射する
とき、形成される結晶粒の粒径および発生位置を一次元
に制御することが可能となる。特にビーム後半部８１に
おいて形成される粗大結晶粒１０を種結晶とし、その粒
径以下でレーザ光をスキャンするとき、種結晶は途切れ
ることなく成長を続ける。ビーム前半部８０で形成され
た粗大結晶粒をも含む多結晶組織は、その後のスキャン
照射により微結晶化されるため、ビーム後半部８１で形
成された種結晶の粒成長を妨げることがない。即ち、微
結晶化現象を利用することにより、パルスレーザ光スキ
ャン照射法における結晶組織の不均質性を回避すること
が可能となる。
【００１４】ここで高スループットを得るためには、ビ
ーム後半部８１で形成される種結晶の結晶粒径を拡大す
れば良く、これには同一箇所に複数個のパルスレーザを
同期させてパルス幅程度の時間内に連続的に照射する、
ダブルパルス法が有効である。薄膜が先発のパルスレー
ザによる溶融中に、次発のパルスレーザを照射すること
により、薄膜の溶融時間が延長され、かつ凝固速度も低
減し、得られる結晶粒径が拡大する。
【００１５】本発明の半導体薄膜の製造方法は、このダ
ブルパルス法において、図１に示すように、ｎを１以上
の整数とするとき、ｎ発目のパルスのエネルギー密度を
Ｅｎ、パルス幅をＷｎ、（ｎ＋１）発目のパルスのエネ
ルギー密度をＥ（ｎ＋１）、ｎ発目のパルスと（ｎ＋
１）発目のパルスとの照射間隔をｔｎ、薄膜の微結晶化
しきい値をＥｕとするとき、Ｅｕ＞Ｅｎ≧Ｅ（ｎ＋
１）、ｔｎ≦６Ｗｎ、Ｅ１＋Ｅ２＋・・・＋Ｅｎ＋Ｅ
（ｎ＋１）＞Ｅｕの条件でスキャン照射することによ
り、大粒径を有する半導体薄膜を大面積に渡り均質に形
成できる。従って本発明により、高均一、高移動度を有
する薄膜トランジスタ素子が大面積基板上に実現可能と
なる。
【００１６】上記本発明の基本的な構成を具体的に展開
させた実施形態について、以下に説明する。
【００１７】まず、本発明の半導体薄膜の製造方法の第
１の実施形態について、図２〜５を参照して説明する。
【００１８】ガラス基板１上に、カバー膜としてシリコ
ン酸化膜２が膜厚２００ｎｍとなるようにプラズマ化学
気相成長（ＰＥＣＶＤ）法により成膜され、その上にａ
−Ｓｉ薄膜３を成膜した。成膜法としては、減圧化学気
相成長（ＬＰＣＶＤ）法、ＰＥＣＶＤ法、スパッタ法な
どが有るが、ここでは膜中にガスを含まないＬＰＣＶＤ
法を用いた。膜厚は５０ｎｍとした（図５（ａ））。
【００１９】次に、膜厚５０ｎｍのａ−Ｓｉ膜３に、長
辺方向が例えば１００ｍｍ、短辺方向が１０〜２０μｍ
のディメンジョンを有する波長３０８ｎｍ、パルス幅
（Ｗ１）５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光５０を照射すると
きの微結晶化しきい値（Ｅｕ）は４７０ｍＪ／ｃｍ2で
ある。ここで図２に示した２個の光源４、５を制御装置
６で同期させ、光学系７を通ってチャンバ８内に設置さ
れたガラス基板１のａ−Ｓｉ薄膜３にダブルパルス照射
を行った。ダブルパルス照射条件としては、第１のレー
ザ光のエネルギー密度（Ｅ１）を４００ｍＪ／ｃｍ2、
第２のレーザ光のエネルギー密度（Ｅ２）を２４０ｍＪ
／ｃｍ2、照射間隔（ｔ１）を１００ｎｓとした（ｔ１
＝２Ｗ１）。
【００２０】その結果、図３（ａ）に示すように、上記
条件のダブルパルス照射を行うと、異方性を有する長円
形状の粗大結晶粒１０が形成され、その隣接領域は微結
晶化領域９となる。粗大結晶粒１０の粒径は長軸方向１
１で２．８μｍ、短軸方向１２で１．２μｍであった。
本ダブルパルス照射条件を用いて、粗大結晶粒径以下の
２．０μｍのスキャンピッチ１３でスキャン照射するこ
とにより、図３（ｂ）に示すような、連続成長した結晶
粒領域１６を得ることができる。このときのステージ動
作精度は、粒径と照射ピッチを考慮すれば０．７μｍ以
下が要求される。
【００２１】一方、本実施形態の利点を説明するための
比較例を図３（ｃ）に示す。レーザ結晶化法を用いて、
５００ｍＪ／ｃｍ2のレーザ光を単発で照射したとき、
図３（ｃ）に示すように、微結晶領域１９の境界部には
粒径０．８μｍのほぼ等軸的な結晶粒２０が形成され
た。本条件で連続成長させるには、スキャンピッチを
０．６μｍ以下とする必要があり、スループットは低下
する。またステージ動作精度は０．２μｍ以下が要求さ
れるため、照射距離全域にわたり連続成長した結晶粒を
安定的に再現性良く得ることは難しい。
【００２２】次に、図４に、レーザ光のエネルギー密度
Ｅ１、Ｅ２およびｔ１を変化させたときに得られる、異
方性を有する粗大結晶粒の長軸方向の粒径を示す。Ｅ１
がＥｕを越えるときはＥ２およびｔ１の如何に関わら
ず、粒径拡大効果は小さい（図４（ａ））。これはＥ１
により既に基板界面近傍の温度が、核発生が過度に抑制
された温度に到達しているためで有ると考えられる。基
板界面での核発生を適度に保持しつつ、粒成長を促進さ
せるためにａ−Ｓｉ薄膜の上層を溶融させて、粗大な結
晶粒を形成するには、Ｅ１をＥｕ以下にする必要がある
（図４（ｂ）、（ｃ））。また（Ｅ１＋Ｅ２）がＥｕ以
下の場合、照射条件によっては、微結晶化せずに連続成
長が阻害されるという問題と、ａ−Ｓｉ薄膜上層の溶融
が不足するために粒径拡大効果が小さくなるという問題
がある。
【００２３】次に、本発明の半導体薄膜の製造方法の第
２の実施形態について、図５（ｂ）を参照して説明す
る。
【００２４】ガラス基板１上にカバー膜としてシリコン
窒化膜２２をＰＥＣＶＤ法により１００ｎｍ、続いてＬ
ＰＣＶＤ法によりａ−Ｓｉ膜２３を７５ｎｍの膜厚に成
膜した。ａ−Ｓｉ膜２３に波長２４８ｎｍでパルス幅
（Ｗ１、Ｗ２）３８ｎｓのＫｒＦレーザ光６０を照射す
るときのＥｕは５００ｍＪ／ｃｍ2である（図５
（ｂ））。ここでＥ１＝３８０ｍＪ／ｃｍ2、Ｅ２＝２
６０ｍＪ／ｃｍ2、Ｅ３＝２００ｍＪ／ｃｍ2、ｔ１＝８
０ｎｓ、ｔ２＝５０ｎｓ（ｔ１＝２．１Ｗ１、ｔ２＝
１．３Ｗ２）、の条件で照射したとき、粗大結晶粒の長
軸および短軸方向の粒径は、それぞれ３．３μｍおよび
１．４μｍとなり、長軸方向、短軸方向共に第１の実施
形態よりも大きい粒径が得られた。従って、第１の実施
形態よりも広いスキャンピッチでスキャン照射すること
が可能となり、ステージ動作精度も、第１の実施形態よ
りも緩和されることになる。
【００２５】次に、本発明の半導体薄膜の製造方法の第
３の実施形態について、図５（ｃ）を参照して説明す
る。
【００２６】ガラス基板１上にシリコン酸化膜４２をＰ
ＥＣＶＤ法により１００ｎｍの膜厚に成膜した後に、同
じくＰＥＣＶＤ法によりａ−Ｓｉ膜４３を５０ｎｍの膜
厚に成膜した。ここで、ＰＥＣＶＤ法によるａ−Ｓｉ膜
４３は第１、２の実施形態によるａ−Ｓｉ膜よりも多量
の水素を含有しているので、４００℃のアニールを３０
分施し、ａ−Ｓｉ膜３３の脱水素処理を行った。ａ−Ｓ
ｉ膜４３に波長２４８ｎｍでパルス幅（Ｗ１）３８ｎｓ
のＫｒＦレーザ光７０を照射するときのＥｕは４６０ｍ
Ｊ／ｃｍ2である（図５（ｃ））。ＫｒＦレーザ光７０
をａ−Ｓｉ膜４３に、Ｅ１＝３５０ｍＪ／ｃｍ2、Ｅ２
＝２００ｍＪ／ｃｍ2、ｔ１＝６０ｎｓ（ｔ１＝１．６
Ｗ１）、の条件で照射したとき、粗大結晶粒の長軸およ
び短軸方向の粒径は、それぞれ２．５μｍおよび１．２
μｍとなった。本実施形態では、ＰＥＣＶＤ法によるａ
−Ｓｉ膜を用いた場合においても、第１、２の実施形態
におけると同様の粗大結晶粒を得ようとするものであ
る。従って、第１の実施形態にほぼ近いスキャンピッチ
でスキャン照射することが可能となり、ステージ動作精
度も、従来よりは大幅に改善されることになる。
【００２７】以上説明した実施形態では、３つの例を紹
介したに過ぎないが、発明者の経験から、本発明に用い
る複数のパルスレーザの照射間隔ｔｎはパルスレーザの
幅との関係において、ｔｎ≦６Ｗｎの関係を満たしてい
ることが肝要であり、一層望ましい関係としては、Ｗｎ
≦ｔｎ≦４Ｗｎ、の関係を満たしていることである。
【００２８】
【発明の効果】上述のように、本発明の半導体薄膜の製
造方法によれば、ａ−Ｓｉ膜に、前述の条件を満たす複
数のパルスレーザを照射することにより、長軸方向が短
軸方向の２倍を超える粗大結晶粒が得られ、基板の広い
範囲に渡って大きなスキャンピッチでスキャン照射する
ことが可能となり、高いスループットが得られる。
【００２９】又、前述の条件によるパルスレーザ照射に
よって粗大結晶粒が得られることにより、基板をパルス
レーザに対して移動させるステージ動作精度も、従来よ
りも大幅に緩和することができ、ステージの製造コスト
を大幅に下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体薄膜の製造方法の基本的な構成
部分である相前後するパルスレーザの相互関係を示すパ
ルス形状図である。
【図２】本発明の半導体薄膜の製造方法を実現するパル
スレーザの照射装置及び被照射物の様子を模式的に示す
構成図である。
【図３】本発明の半導体薄膜の製造方法により得られる
半導体薄膜の結晶状態を示す半導体薄膜の拡大平面図で
ある。
【図４】本発明の半導体薄膜の製造方法において、パル
スレーザ照射により得られる粗大結晶粒の長軸方向の粒
径とパルスレーザ間隔との関係を、パルスレーザのエネ
ルギー密度をパラメータとして示すグラフである。
【図５】本発明の半導体薄膜の製造方法に用いられるパ
ルスレーザの被照射物の様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ガラス基板 ２、４２ シリコン酸化膜 ３、２３、４３ ａ−Ｓｉ膜 ４、５ 光源 ６ 制御装置 ７ 光学系 ８ チャンバ ９、１９ 微結晶化領域 １０ 粗大結晶粒 １１ 長軸方向 １２ 短軸方向 １３ スキャンピッチ １６ 結晶粒領域 ２０ 結晶粒 ２２ シリコン窒化膜 ５０ ＸｅＣｌレーザ光 ６０、７０ ＫｒＦレーザ光 ８０ ビーム前半部 ８１ ビーム後半部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−335586（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−246183（ＪＰ，Ａ) Ｉｓｈｉｈａｒａ Ｒ．ａｎｄ Ｍａ ｔｓｕｍｕｒａ Ｍ．，Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｄｏｕｂｌｅ−ｐｕｌｓｅ Ｅｘｃｉ ｍｅｒ−Ｌａｓｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌｌ ｉｚａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍｓ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａ ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，1996年 ８月，Ｐ ａｒｔ １，Ｖｏｌ．34，Ｎｏ．８Ａ, ＰＰ．3976−3981 Ｉｓｈｉｈａｒａ Ｒ．，Ｙｅｈ Ｗ．Ｃ．，Ｈａｔｔｏｒｉ Ｔ．ａｎｄ Ｍａｔｓｕｍｕｒａ Ｍ．，Ｅｆｆｅ ｃｔｓ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｐｕｌｓｅ Ｄｕｒａｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｘｉｍｅ ｒ−Ｌａｓｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚ ａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔ ｉｃｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｈｉ ｎ Ｆｉｌｍ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ．，1995年 ４月，Ｐａｒｔ １，Ｎｏ．４Ａ，，ｐｐ．1759−1764 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268 H01L 21/336 H01L 27/12 H01L 29/786

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 非単結晶半導体薄膜に複数のパルスレー
    ザを連続して同一箇所に照射することにより照射領域中
    に微結晶化領域と微結晶化領域に隣接する粗大結晶粒と
    を有する半導体薄膜を製造する方法であって、各パルス
    のエネルギー密度が、前記非単結晶半導体薄膜のパルス
    レーザの照射により微結晶化するエネルギー密度しきい
    値を超えないことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記複数のパルスレーザの各パルスレー
    ザのエネルギー密度は、前記非単結晶半導体薄膜がパル
    スレーザの照射により微結晶化するエネルギー密度しき
    い値よりも低く、連続する前記複数のパルスレーザの前
    後のパルスレーザのうち、前のパルスレーザのエネルギ
    ー密度は後のパルスレーザのエネルギー密度以上であ
    り、前記複数のパルスレーザの全てのエネルギー密度の
    和が前記エネルギー密度しきい値を超える請求項１記載
    の半導体薄膜の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記前後のパルスレーザの照射間隔は、
    前記前のパルスレーザの半値幅であるパルス幅の６倍以
    下である請求項２記載の半導体薄膜の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記前後のパルスレーザの照射間隔は、
    前記前のパルスレーザの半値幅であるパルス幅の１倍以
    上４倍以下である請求項２記載の半導体薄膜の製造方
    法。
  5. 【請求項５】 前記複数のパルスレーザの照射により前
    記多結晶又は単結晶半導体薄膜が、長軸方向の結晶粒の
    長さが短軸方向の結晶粒の長さの２倍を超え、かつ、前
    記結晶粒が前記短軸方向に列を成して並ぶ組織を含む請
    求項１、２、３又は４記載の半導体薄膜の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記非単結晶半導体薄膜に前記複数のパ
    ルスレーザを連続して同一箇所に行う照射が、前記非単
    結晶半導体薄膜の上を前記長軸方向の結晶粒の長さ以下
    のピッチで前記長軸方向に移動して繰り返し行われるス
    キャン照射である請求項５記載の半導体薄膜の製造方
    法。
  7. 【請求項７】 前記非単結晶半導体薄膜が、減圧化学気
    相成長（ＬＰＣＶＤ）法、プラズマ化学気相成長（ＰＥ
    ＣＶＤ）法、スパッタ法のいずれかの方法により形成さ
    れる請求項１、２、３、４、５又は６記載の半導体薄膜
    の製造方法。
  8. 【請求項８】 照射領域中に微結晶化領域と微結晶化領
    域に隣接する粗大結晶粒とを有する前記半導体薄膜が、
    ガラス基板の上に形成される請求項１、２、３、４、
    ５、６又は７記載の半導体薄膜の製造方法。
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