JP3671011B2

JP3671011B2 - Laser annealing method for semiconductor film

Info

Publication number: JP3671011B2
Application number: JP2002039684A
Authority: JP
Inventors: 謙秀尾方; 賢脇田; 清米田; 佳宏森本; 努山田; 和博今尾; 隆桑原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2016-08-19
Also published as: JP2002313726A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、特に、液晶表示装置（ＬＣＤ：liquid crystal display）であって、多結晶半導体層を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を表示部及び周辺部に形成した周辺駆動回路一体型ＬＣＤの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＣＤは、小型、薄型、低消費電力などの利点から、ＯＡ機器、ＡＶ機器等の分野で実用化が進められており、特に、各画素に画像情報の書き換えタイミングを制御するスイッチング素子としてＴＦＴを配置したアクティブマトリクス型は、大画面、高精細の動画表示が可能となるため、各種テレビジョン、パーソナルコンピュータなどのディスプレイに用いられている。
【０００３】
ＴＦＴは、絶縁性の基板上に金属層とともに半導体層を所定形状に形成することにより得られる電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：field effect transistor）である。アクティブマトリクス型ＬＣＤにおいては、ＴＦＴは、液晶を挟んだ一対の基板間に形成された、液晶を駆動する画素である各キャパシタの一方の電極に接続されている。
【０００４】
特に、半導体層として、それまで多用されてきた非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）に代わって、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）を用いたＬＣＤが開発され、ｐ−Ｓｉの結晶粒（グレイン）の形成あるいは成長のためにレーザービーム照射を用いたアニールが行われている。一般に、ｐ−Ｓｉはａ−Ｓｉに比べて移動度が高く、ＴＦＴが小型化され、高開口率及び高精細化が実現される。また、ゲートセルフアライン構造による微細化、寄生容量の縮小による高速化が達成されるため、ｎ−ｃｈＴＦＴとｐ−ｃｈＴＦＴの電気的相補結線構造即ちＣＭＯＳを形成することにより、高速駆動回路を構成することができる。このため、駆動回路部を同一基板上に表示画素部と一体形成することにより、製造コストの削減、ＬＣＤモジュールの小型化が実現される。
【０００５】
絶縁性基板上へのｐ−Ｓｉの成膜方法としては、低温で生成したａ−Ｓｉを高温でアニールすることによる再結晶化、あるいは、高温での固相成長法等があるが、いずれの場合も、９００℃以上の処理となるため、耐熱性の点で、絶縁性基板として安価な無アルカリガラス基板を使うことができなかった。このため、基板として高価な石英ガラス基板が必要となり、コストがかかっていた。これに対し、レーザーアニールを用いて、基板温度６００℃以下の比較的低温でのシリコン結晶化処理を行うことで、絶縁性基板として、無アルカリガラス基板を用いる方法が開発されている。ＴＦＴ基板製造の全工程において処理温度を６００℃以下にしたプロセスは、低温プロセスと呼ばれ、低コストのＬＣＤの量産には必須のプロセスである。
【０００６】
図２２は、このようなレーザーアニールを行うためのレーザー光照射装置の構成図である。図中、（５１）はレーザー光発振源、（５２，６１）はミラー、（５３，５４，５５，５６）はシリンドリカルレンズ、（５７，５８，５９，６２，６３）は集光レンズ、（６０）はライン幅方向のスリット、（６５）はライン長方向のスリットである。（６４）は表面にａ−Ｓｉが形成された被処理基板（７０）を支持するステージである。
【０００７】
レーザー光は、例えば、エキシマレーザーであり、レーザー光発振源（５１）から射出されたレーザー光は、シリンドリカルレンズ（５３，５５）及び（５４，５６）からなる２組のコンデンサーレンズにより、各々上下左右方向に対して照射エネルギーの出力分布がフラットな平行光に変形される。この平行光は、図２３に示すように、レンズ（５８，５９，６２，６３）により一方向に収束されるとともに、図２４に示すように、レンズ（５７）により他の一方向に引き延ばされ、被照射領域が帯形のライン状に整形されて被処理基板（７０）に照射される。また、スリット（６０，６５）は、各々ライン幅及びライン長方向の両端部分を遮断して被照射領域形状を明瞭に規定し、有効照射領域の強度を一定にするものである。被処理基板（７０）を載置したステージ（６４）は、（Ｘ，Ｙ）方向に可動で、照射ラインビームが走査され、大面積処理が行われ、高スループットでのレーザーアニールが実現される。なお、本装置においては、レンズ等の光学系の設計により被照射領域を長方形、更には正方形等に整形したシートビーム照射も可能となる。
【０００８】
図２５に、図２２に示される装置を用いたエキシマレーザーアニール（以下、ＥＬＡと称する）における、被処理基板の状態を示している。被処理基板（１）は、普通の無アルカリガラス基板であり、その表面には、ａ−Ｓｉが形成されている。基板（１）は、表示画素がマトリクス状に配置されることになる画素部（２）と、画素部（２）周辺に配置されることになるゲートドライバー（３）及びドレインドライバー（４）とからなるＬＣＤを構成するアクティブマトリクス基板（５）を複数枚含んだマザーガラス基板である。画素部（２）では、液晶を駆動する画素キャパシタの一方の電極である表示電極がマトリクス状に配置形成され、これらに各々ＴＦＴが接続形成されることになる。ゲートドライバー（３）は主にシフトレジスタからなり、ドレインドライバー（４）は、主に、シフトレジスタ及びサンプル・ホールド回路からなっている。これらドライバーは、ＣＭＯＳ等のＴＦＴのアレイにより形成される。
【０００９】
各ＴＦＴは、図２６に示すように、ＥＬＡによりａ−Ｓｉから結晶化されて得られたｐ−Ｓｉを動作層に用いて形成される。即ち、島状にエッチングされたｐ−Ｓｉ（１１）中に、ノンドープのチャンネル領域（ＣＨ）、ライトドープのＬＤ領域（ＬＤ）及びヘビードープのソース・ドレイン領域（Ｓ，Ｄ）が形成され、チャンネル領域（ＣＨ）上には、ゲート絶縁膜を挟んで、ゲート電極（１３）が配されている。そして、ソース及びドレイン領域（Ｓ，Ｄ）には、各々ソース電極及びドレイン電極が接続形成され、周辺駆動回路部においてＣＭＯＳ等の配線、画素部において、信号線、画素電極への接続構造が形成される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図２２の装置により生成されたラインビームは、図２５において、その基板（１）上への帯形の被照射領域のエッジラインをＣで示すように、各照射レーザーパルスを所定のオーバーラップ量をもってずらしていくことにより、矢印で示す如く、走査が行われ、全体がアニールされる。ところが、このようなラインビームが走査された後、形成されたｐ−Ｓｉ中に図のＲに示すような、結晶化が十分に行われずに、グレインが小さいままに残った結晶化不良領域が、被照射領域のラインの長方向に沿ったライン状に生じ、縞模様を呈して存在していた。この結晶化不良領域（Ｒ）は、移動度が低く、高抵抗であるため、この領域で形成されたＴＦＴは、特性の悪いものなる。ＴＦＴの特性が悪化すると、画素部にあっては、画素キャパシタへの充電が十分に行われずコントラスト比が低下したり、周辺駆動回路部においては、誤動作を招くなど、表示へ悪影響を及ぼす。
【００１１】
このような、結晶化不良領域（Ｒ）が生じるのは、図２７に示すような照射レーザービームのエネルギーのばらつきに起因していると推測される。図は、レーザービームの走査進行方向における照射位置に関するエネルギープロファイルを示している。ライン幅Ａのうち、その両端部は、光の回折等により、エネルギーが下がって幅Ｂにわたってエッジがぼやけている。レーザーアニールにおいては、グレインサイズは照射エネルギーが高いほど大きくなるが、ある値を越えると急激に小さくなる。このため、照射レーザーエネルギーのばらつきのために、図のＸで示すような、グレインサイズが急激に小さくなるエネルギーＥuを越えると、これに対応する領域は結晶化不良領域（Ｒ）となる。
図２２に示すような、複数のレンズからなる光学系においては、レンズ表面に存在する微小な凹凸や、異物等により、光の回折、散乱、干渉等が起こり、更にこれがライン幅方向に集光されるとともに、ライン長方向に引き延ばされることにより、ライン状の被照射領域の中に、更に細いライン状の結晶化不良領域が生じるものと考えられる。例えば、レンズ表面に付着するような異物は、クリーンルーム内に僅かに存在していても、レーザーアニール時には、大きな影響を及ぼすことになる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明はこの課題を解決するために成され、本発明の半導体膜のレーザーアニール方法は、基板上の半導体膜にレーザービームを照射して膜質を改良する半導体膜のレーザーアニール方法において、レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーの変化は、レーザービームが走査される進行方向における比較的前方位置よりも比較的後方位置でより小さくされ、前記レーザービームの前記前方位置で大きな粒径を有するグレインを形成し、前記前方位置におけるレーザーエネルギーのばらつきによって生じる微結晶領域を、前記レーザービームの前記後方位置で結晶化するものである。
【００１４】
また、基板上の非晶質半導体膜にレーザービームを照射して多結晶半導体膜を得る半導体膜のレーザーアニール方法において、レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーの変化は、レーザービームが走査される進行方向における比較的前方位置よりも比較的後方位置でより小さくされ、前記レーザービームの前記前方位置で大きな粒径を有するグレインを形成し、前記前方位置におけるレーザーエネルギーのばらつきによって生じる微結晶領域を、前記レーザービームの前記後方位置で結晶化するものである。
更に、本発明の半導体膜のレーザーアニール方法は、前記レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーは、前記レーザービームが走査される進行方向における十分後方位置において、結晶粒径を最大にするエネルギー値よりも十分に小さい半導体膜のレーザーアニール方法である。
【００１５】
更にまた、本発明の半導体膜のレーザーアニール方法は、前記レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーは、前記レーザービームが走査される進行方向における比較的前方位置において、結晶粒径を最大にするエネルギーと同程度か、または、これを越える半導体膜のレーザーアニール方法である。
【００１６】
以上により、半導体層には、レーザービームの進行方向の比較的前方に位置する高エネルギー部が通過した後に、逐次的に、それよりも小さなエネルギー部が通過することになる。このため、初めに大きなエネルギーで大きな結晶粒が形成された後、比較的小さなエネルギーにより、先に形成された大きな結晶粒を保ちながら、残存結晶化不良領域の結晶化が成され、結晶性の向上が図られる。
【００１７】
また、前記レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーは、前記レーザービームが走査される進行方向における十分後方位置において、結晶粒径を最大にするエネルギー値よりも十分に小さい構成であるので、半導体層上を通過する照射レーザービームの、進行方向の十分な後方において、エネルギーが結晶粒径を最大にする値を越えて半導体結晶を再非晶質化させることを防ぐとともに、結晶性の悪い領域の結晶化がある程度成されるので、全域にわたってほぼ結晶粒径の均一な多結晶半導体層が得られる。
【００１８】
また、前記レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーは、前記レーザービームが走査される進行方向における比較的前方位置において、結晶粒径を最大にするエネルギーと同程度か、または、これを越える構成であるので、半導体層上を通過する照射レーザービームは、先に結晶粒径を最大にする閾値付近以上のエネルギーを越えてアニールされるが、その後、逐次エネルギーが低下していき、閾値エネルギーを越えない十分に高い最適エネルギーによるアニール、即ち、結晶粒径を十分に大きくするエネルギー範囲での最良のアニールが行われる。従って、結晶粒径が大きく、かつ、均一性の優れた多結晶半導体層が形成される。
【００１９】
また、前記レーザービームは、発振源から射出されたレーザーを複数のレンズからなる光学系によりその被照射領域を所定の形状に整形して得られ、前記基板上の非晶質半導体膜と前記光学系の焦点位置との距離を調節することで、前記レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーが制御されている構成である。
【００２０】
即ち、本発明の半導体膜のレーザーアニール方法は、前記レーザービームは、発振源から射出されたレーザーを複数のレンズからなる光学系によりその被照射領域を所定の形状に整形して得られ、前記基板上の非晶質半導体膜と前記光学系の焦点位置との距離を調節することで、前記レーザービームの被照射領域における位置に関するエネルギーが制御されている半導体膜のレーザーアニール方法であるので、レーザーアニールすべき非晶質半導体膜が形成された基板と、光学系の焦点位置との距離を変えることで、好適な被照射位置−エネルギー分布を有したレーザービームが得られ、良好なレーザーアニールが行われる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態である、ＥＬＡにおける被処理基板の状態を示す平面図である。被処理基板（１）は、普通の無アルカリガラス基板であり、その表面には、ａ−Ｓｉが形成されている。基板（１）は、表示画素がマトリクス状に配置形成される画素部（２）と、画素部（２）周辺に配置形成されるゲートドライバー（３）及びドレインドライバー（４）からなるＬＣＤを構成するアクティブマトリクス基板（５）を６枚含んだマザーガラス基板である。画素部（２）では、液晶を駆動する画素キャパシタの一方の電極である表示電極がマトリクス状に配置され、これらに各々ＴＦＴが接続形成された構造とされる。ゲートドライバー（３）は主にシフトレジスタからなり、ドレインドライバー（４）は、主に、シフトレジスタ及びサンプル・ホールド回路からなっている。これらドライバーは、ＣＭＯＳ等のＴＦＴのアレイにより形成され、各ＴＦＴは、本発明のＥＬＡ法により形成されたｐ−Ｓｉをチャンネル及びソース・ドレイン層に用いて形成される。
【００２２】
ＥＬＡは図２２に示されるレーザー光照射装置により実現されるライン（シート）ビームの照射及びその走査である。ラインビームは、図１において、その基板（１）上への帯形の被照射領域のエッジラインをＣで示すように、ライン状の各照射レーザーパルスを所定のオーバーラップをもって基板（１）上で順次ずらしていくことで、図の矢印で示す如くに走査が行われ、全面がアニールされる。図２２に示すＥＬＡ装置において、例えば、ラインビームは、ライン長が８０〜３００ｍｍ、ライン幅が０．１〜１ｍｍ程度であり、このラインを、被処理基板（１）上で移動し、ライン幅方向に複数回（ここでは２回）走査することにより、被処理基板（１）の全域がアニールされ、大面積処理を可能としている。
【００２３】
本発明の実施の形態にかかる照射ライン（シート）ビームの、ライン（シート）幅方向における位置−エネルギー関係を表すビームプロファイルを図２から図４に示す。なお、図５は照射ライン（シート）ビームの、ライン（シート）幅方向における位置−エネルギー関係を表すビームプロファイルの参考例を示したものである。図２は、基本的なビームプロファイルを台形に整形した場合、図３は同じく台形のビームプロファイルにおいて、一方のエッジをぼかした場合、図４及び図５はビームプロファイルを明瞭に規定しない場合を示している。いずれの場合も、ビームが走査される進行方向の比較的前方において、シリコン粒を微結晶化させる閾値エネルギーＥthを越えているとともに、それよりも後方では閾値エネルギーＥthを越えることのない形状となっている。このため、閾値エネルギー直下の、十分大きなグレインサイズを得るエネルギー範囲内にあるビームの最適領域（ＧＲ）により、最も良好なレーザーアニールが行われる。
【００２４】
図６は、ＥＬＡにおいて、結晶性がレーザー照射時の膜温度に依存する関係を表している。温度は、パイロメーター等、周知である格子状態の光学的観察による測定値であり、ＥＬＡのエネルギーに関係している。図では、出発膜であるａ−Ｓｉの結晶化態様を、各々照射開始後、時間が経過するに従って膜温度が上昇し、照射終了後、膜温度が下がっていく様子が示されている。図のａでは、膜温度の最高到達点が、グレインが形成され始める膜温度である多結晶化温度Ｔgを越えることが無く、膜温度が下がって不活性化後もａ−Ｓｉのままとなっている。ｂでは、膜温度の最高到達点が多結晶化温度Ｔgを越え、膜温度が下がって不活性化後、グレインサイズの小さなｐ−Ｓｉ（Ｓ）が形成される。ｃでは、膜温度の最高到達点が更に高く、大きなグレインサイズのｐ−Ｓｉ（Ｌ）が形成される。そしてｄでは、照射開始後、多結晶化温度Ｔgを越えた後、更に、グレインが小さくなる微結晶化温度ＴＭを越えており、温度が下がって不活性化後、微結晶シリコン即ちマイクロクリスタル（Ｍ−ｃｒｙ）が形成される。これら、ａ，ｂ，ｃ，ｄの差異はＥＬＡエネルギーにより現れる。良好なアニールを行ってグレインサイズの大きなｐ−Ｓｉ（Ｌ）を得るには、膜温度ＴＭを越えない範囲で、できるだけ高い温度まで上昇させる必要があることが分かる。
【００２５】
図７に、照射時間、即ち、照射レーザーパルスのショット数とグレインサイズの関係を示す。図６における微結晶化温度ＴＭ以下であれば、ショット数及びＥＬＡエネルギーが上昇するに従ってグレインサイズが大きくなる。但し、グレインサイズの増大は、初めの数ショットまでが大きく、その後は、緩やかにグレインサイズが大きくなっていく。
【００２６】
このようなＥＬＡの性質は、以下の実験及びその考察により導かれた。
【００２７】
まず、後で詳述するような、比較的高エネルギーのＥＬＡで形成したｐ−Ｓｉ膜にセコエッチを行い、ＳＥＭ、光学顕微鏡等により、膜状態を調べた結果、図８に示すようなＥＬＡの性質が分かった。図の上段は、レーザービームの照射位置−エネルギーの関係を示すビームプロファイルであり、位置はラインビームの幅方向、即ち、進行方向に関する前後位置、温度は格子状態の光学的観察により測定される膜温度であり、ビームエネルギーに関係している。図の下段は、前記ビームプロファイルに対応したＥＬＡ被処理膜の状態図である。ビームプロファイルは台形を呈しており、その頂上部が微結晶化温度ＴＭを越えており、これに対応する膜状態はマイクロクリスタル（Ｍ−ｃｒｙ）となっている。また、台形のプロファイルの側面では、膜温度が直線あるいは緩やかな曲線状の急傾斜になっており、位置に関して、頂上部即ちマイクロクリスタル領域に近づく従って膜温度が上昇し、多結晶化温度Ｔg、次いで微結晶化温度ＴＭを越えている。そして、ビームプロファイルの多結晶化温度Ｔg以下の温度領域に対応する、最も外側の被処理膜状態はａ−Ｓｉとなっており、多結晶化温度Ｔgから微結晶化温度ＴＭまでの温度領域に対応する被処理膜状態はｐ−Ｓｉとなっている。但し、ｐ−Ｓｉのグレインサイズは、ａ−Ｓｉ領域から連続的に、膜温度がＴgを越えて上昇するに従って大きくなっている。最も特徴的な点は、膜温度ＴＭまではグレインサイズは温度の上昇に従って大きくなるが、膜温度ＴＭを越えると急激に小さくなってマイクロクリスタルとなるところである。そして、膜温度ＴＭを越えない最も高い温度領域ＭＸにおいて、最大のグレインサイズが得られることが分かる。
【００２８】
図９は、図８に示すエネルギープロファイルを呈するラインビームを走査して被処理膜を光学顕微鏡で観察することにより判明した膜状態図（中段）と、これに対応するビーム走査進行方向位置とグレインサイズとの関係図（下段）である。エネルギープロファイルを上段に示すラインビームは、図の左側から各照射レーザーパルス位置が順次ずらされて進んできて、現時点で図示の位置にあることを示してる。本実験では、ラインビーム走査は、９５％レーザーパルスオーバーラップによる２０ショット重ね打ちで行われている。レーザーパルスの各ショットにおいて、ビームプロファイルエッジ部のＭＸ領域に当たる膜は、順次、十分大きなグレインサイズＧＭのｐ−Ｓｉが形成されていくが、同時に、エネルギープロファイルのＭＸ領域より進行方向前方にある膜温度ＴＭ以上の温度領域においてＭ−ｃｒｙが形成されて、縞模様を呈している。即ち、より先のショットにおいて形成されたＭ−ｃｒｙは、それに続くショットにより結晶化が図られるが、最大のグレインサイズＧＭを得るための温度領域ＭＸは、膜領域においては細線状に形成されたｐ−Ｓｉとなるに過ぎず、それ以外の領域では、先に形成されたＭ−ｃｒｙのグレインサイズを更に増大するほどのエネルギーは与えられないことがわかる。なお、ビームプロファイルの走査進行方向前方側エッジにも十分大きなグレインサイズＧＭを得るＭＸ領域があるが、その後のビームプロファイルの頂上部が通過する間に、Ｍ−ｃｒｙが形成される。
【００２９】
また、比較的低エネルギーのＥＬＡで形成されたｐ−Ｓｉ膜にセコエッチを施してＳＥＭ、光学顕微鏡等の光学的観察を行った結果、図１０に示すＥＬＡの性質が分かった。図８と同様に、図の上段は、レーザービーム走査の進行方向における照射位置に関するエネルギープロファイルであり、下段は、このビームプロファイルに対応したＥＬＡ被処理膜の状態図である。ビームプロファイルは台形を呈しているが、エネルギーは比較的低いので、その頂上部が微結晶化温度ＴＭを越えることはなく、多結晶化温度Ｔgを越える温度領域に対応する膜領域でそれほど大きくはないグレインサイズのｐ−Ｓｉが形成されている。多結晶化温度Ｔg以下ではａ−Ｓｉの領域となっている。
【００３０】
図１１は、図１０に示すエネルギープロファイルを呈するラインビームを走査して被処理膜を光学顕微鏡で観察することにより判明した膜状態図（中段）と、これに対応するビーム走査進行方向位置とグレインサイズとの関係図（下段）である。図の上段にそのエネルギープロファイルを示すようなラインビームは、図９と同様、９５％レーザーパルスオーバーラップの２０ショット重ね打ち走査により、図の左側から進んできて図示の位置にある。この場合、レーザーエネルギーは、微結晶化温度ＴＭを越えることはないので、再非晶質化によるマイクロクリスタルが形成されることはなく、ショット数が増えるにつれて結晶化され、グレインサイズが大きくなっていく。初めの４ショットで、グレインサイズＧgを示すｐ−Ｓｉが形成された後、更に、ショットが重ねられるに従って比較的緩やかにグレインサイズが大きくなっている。そして、１２ショット目でほぼこのＥＬＡエネルギーにより得られる最大のグレインサイズＧpとなり、その後は大きな変化はない。
【００３１】
以上の実験より次のことが分かった。ＥＬＡにおいて、シリコンのグレインサイズを大きくするためには、エネルギーを上げればいいが、あるエネルギー値よりも大きくなると、再非晶質化が起こり、グレインサイズが急激に小さくなってマイクロクリスタルが生成される。即ち、図１２にＥＬＡエネルギーとグレインサイズとの関係を示すように、エネルギーが高くなるにつれてグレインサイズは大きくなっていき、十分大きなグレインサイズＧＭを得るエネルギーＥdを越えて更に高くなると、グレインサイズは最大となる。更にエネルギーが高くなると、グレインサイズは小さくなり、やがて急激に小さくなる。ここで、このような閾値エネルギーと、グレインサイズを最大にするエネルギーが厳密に一致するかどうかは分かっていないが、グレインサイズを最大にするエネルギーは、閾値エネルギーに極めて近く、かつ、閾値エネルギーの方が大きくなっているので、以下の記述では、グレインサイズを最大にするエネルギーと、グレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーを実施上一致するものとみなし、主に、閾値エネルギーに関して説明していく。
【００３２】
図１２より、グレインサイズＧＭ以上を得るためには、エネルギーはＥdとＥuの間の範囲内にあれば良く、特に、最大のグレインサイズを得るためには、図の関係曲線の形状からして、再非晶質化閾値エネルギーを越えない範囲内で、レーザーエネルギーをできるだけ大きくすればよいことがわかる。しかし、図２７に示すように、照射レーザーエネルギーのばらつきは免れないため、局所的にも、グレインサイズが急激に小さくなる閾値エネルギーを越えると、これに対応する領域が結晶化不良領域となって、この領域に形成されるＴＦＴの特性を悪化させてしまう。
【００３３】
従って、図２から図５に示すように、グレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーＥthに関して、照射レーザービームの走査進行方向の前方から後方に向かって、エネルギーが緩やかに低下し、プロファイルエッジが閾値エネルギーＥthよりも上側の領域から下側の領域へと交差するエネルギープロファイルとすることにより、良好なＥＬＡが行われる。即ち、ビームプロファイルの前方において、閾値エネルギーＥthを越えていることにより、プロファイルエッジの閾値エネルギーＥthとの交差部直後の領域（ＧＲ）で、閾値エネルギーＥthを越えない最大のエネルギーによるアニールが行われ、最大のグレインサイズを有するｐ−Ｓｉ膜の形成が行われる。言い換えれば、グレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーＥth直下のエネルギー領域において、グレインサイズを最も大きくするエネルギー領域（ＧＲ）が存在する。このＧＲ領域よりも前方の閾値エネルギーＥthを越えた領域では、マイクロクリスタルが形成されることになるが、その後、ＧＲ領域が通過することで、グレインサイズは最大にされる。また、ＧＲ領域よりも後方において、閾値エネルギーＥthを越えないので、いったん形成されたグレインが微結晶化することはない。従って、ＧＲ領域が被処理膜の同一領域において、所定回数ショットされるべく、オーバーラップ量及びパルス周波数を設定することで、被処理膜の全域にわたって良好なアニールが行われ、最大のグレインサイズを有するｐ−Ｓｉ膜の形成が可能となる。
【００３４】
【実施例】
まず第１の実施例として、図１３は、図２２のＥＬＡ装置において、レーザービームの焦点位置と被処理基板の距離を３００μｍに設定した時のビームプロファイルである。プロファイルの左側においてエネルギーが跳ね上がった形状を呈している。図１４は、図１３のエネルギープロファイルを呈したラインビームの進行方向を、図１３の左方向にして走査した時の光学顕微鏡写真である。セコエッチを行ってグレインサイズの違いから生じる干渉光が異なっ色を表すようにすることで、膜状態を調べることができる。図１４の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々エネルギー３９０ｍＪ／平方ｃｍ、４００ｍＪ／平方ｃｍ、４１０ｍＪ／平方ｃｍの時のものである。また、図１５には、同じく図１３のラインビームの進行方向を右方向にして走査した時の同様の光学顕微鏡写真である。図１４では、概ね膜質の良好なｐ−Ｓｉ膜が得られていることが分かる。これに対して、図１５では、（ａ）及び（ｂ）で結晶化不良領域が縦に筋状に黒くなっているのが認められる。（ｃ）では更に、結晶化不良領域が黒く目立っており、膜質がかなり悪いことが分かる。
これらの観察から次のことが推察される。即ち、図１３にエネルギープロファイルを示すラインビームでは、エネルギーが跳ね上がった部分が微結晶化温度即ちグレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーＥthを越えやすくなっており、特に、レーザーエネルギーが高くなればなるほど、その確率は高まる。このため、図１３の右方向に進行するラインビームでは、照射領域の最後部で微結晶化を行いながらアニールされるので、ビームの前方で形成されたｐ−Ｓｉが、ビームの後方でマイクロクリスタルになって図１５に示されるように結晶化不良領域として残ってしまう。このようなことは、エネルギーが高い程起こりやすく、大きなグレインサイズを得ようとすると、かえってマイクロクリスタルを生成してしまうという問題を招く。
【００３５】
これに対して、ラインビームの進行方向を図１３の左方向にとると、ビームの前方でマイクロクリスタルが生成されやすくなるが、その後、ビームが通過している間に閾値エネルギー直下のエネルギー領域により良好な結晶化が行われて、グレインサイズの大きなｐ−Ｓｉが形成される。図１４（ｃ）では、僅かに結晶化不良域が黒く生じているのが認められ、レーザーエネルギーが４１０ｍＪ／平方ｃｍの付近に、グレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーＥthがあることが分かる。
【００３６】
従って、図１３にエネルギープロファイルを示すラインビームは、そのエネルギーを４１０ｍＪ／平方ｃｍ程度に設定し、かつ、図の左方向に進行方向をとって走査することにより、最良の結晶化アニールが行えることが分かる。即ち、この時、ビームの前方でマイクロクリスタルが形成されるが、その後、ビームの中央部から後方にかけて、グレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーＥthよりも高いエネルギー領域から、閾値エネルギーＥthよりも低いエネルギー領域へと移行する部分があり、図４に示すような、最も良好なアニールが行われる最適ビーム領域（ＧＲ）が存在している。本実施例では、２０ショット重ね打ちを行っており、最適ビーム領域（ＧＲ）によるショット数はそれよりも減るが、図６、図７及び図１１に示しているように、グレインの形成は初めの数ショットでほぼ完成されるので、所望のショット数が得られるように、レーザーパルスのオーバーラップ量と周波数を最適に設定することで、良好なアニールを行うことができる。
【００３７】
次に第２の実施例として、図１６は、図２２のＥＬＡ装置において、レーザービームの焦点位置と被処理基板の距離を６００μｍに設定した時のビームプロファイルである。このように、焦点距離を変えることで、回折及び干渉時の極微の光のずれを利用してビームプロファイルを変形することができる。また、図１７は、図１６にエネルギープロファイルを示すラインビームの進行方向を図の左方向にとった場合の顕微鏡写真、図１８は、同じく右方向の顕微鏡写真である。図１７及び図１８において、（ａ）（ｂ）（ｃ）は、レーザーエネルギーが各々３９０ｍＪ／平方ｃｍ、４００ｍＪ／平方ｃｍ、４１０ｍＪ／平方ｃｍの場合である。両図とも、（ａ）（ｂ）では良好な結晶状態が示されているが、（ｃ）を比べると、図１７において結晶化不良領域が目立っている。即ち、エネルギー４１０ｍＪ／平方ｃｍ付近に、グレインサイズを急激に小さくなる閾値エネルギーがある。このビームプロファイルは、図１６に示すように、比較的右側にエネルギーが高くなった領域があるので、左方向に走査した場合は、レーザービームの後の方でマイクロクリスタルが形成され、その後、グレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーＥth直下の良好なアニールを行う最適ビーム領域（ＧＲ）が短くなり、マイクロクリスタルの結晶化が十分に行われずに図１７に示すように結晶化不良領域が生成してしまう。
【００３８】
これに対して、ラインビームを右方向に走査した場合は、レーザーエネルギー照射の初めの方で、グレインサイズを急激に小さくする閾値エネルギーＥthを越えたアニールが行われ、その後、図４と同様、閾値エネルギーＥth直下の最良のアニールが行われる最適ビーム領域（ＧＲ）が十分に長くなるので、図１８に示されるような結晶性の良好な膜がｐ−Ｓｉ膜が得られる。
【００３９】
続いて、参考例として、図１９は、レーザーの焦点位置と被処理基板の距離を９００・高ニした時のビームプロファイルの参考例である。また、図２０及び図２１は、図１９のエネルギープロファイルを呈するラインビームの進行方向を各々左方向及び右方向にとった場合の顕微鏡写真である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は、先の実施例と同様、レーザーエネルギーが各々３９０ｍＪ／平方ｃｍ、４００ｍＪ／平方ｃｍ、４１０ｍＪ／平方ｃｍの場合である。図２０及び図２１のいずれも良好な結晶性が示されている。図１９のビームプロファイルを見ると、中央やや右にエネルギーが突出した部分があり、これを頂点として、その両側で緩やかにエネルギーが低下した、図５に類似の形状となっている。このため、ラインビームの走査方向を左方向あるいは右方向のいずれにとっても、グレインサイズを最大にするエネルギーＥthよりも高い領域からエネルギーＥthよりも低い領域へと移行する、グレインサイズを十分に大きくする最適ビーム領域（ＧＲ）が存在しており、良好なアニールが行われている。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな如く、本発明で、基板上に形成された非晶質半導体層をレーザーアニールにより結晶化して得られる多結晶半導体層を用いた半導体装置の製造方法において、照射レーザービームの走査進行位置に関して、比較的前方において、グレインサイズを最大にする閾値エネルギーを越えるエネルギー領域が存在し、かつ、十分後方において、グレインサイズを最大にする閾値エネルギーを越えないエネルギー領域が存在する位置−エネルギー関係のプロファイルを呈したレーザービーム照射を行う。これにより、閾値エネルギー直下の、グレインサイズを十分に大きくするエネルギー領域において最良のアニールが成され、結晶性の極めて良好な多結晶半導体層を形成することができる。従って、画素部とともに、周辺駆動回路部を同一基板上に形成した駆動回路一体型液晶表示装置において、画素部及び駆動回路部を構成する多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性が向上され、表示品位の良い表示装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡ時の被処理基板の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるレーザービームの走査進行方向の位置−エネルギー関係を表すビームプロファイルである。
【図３】本発明の実施の形態にかかるレーザービームの走査進行方向の位置−エネルギー関係を表すビームプロファイルである。
【図４】本発明の実施の形態にかかるレーザービームの走査進行方向の位置−エネルギー関係を表すビームプロファイルである。
【図５】レーザービームの走査進行方向の位置−エネルギー関係を表すビームプロファイルの参考例である。
【図６】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡにおける照射時間（パルスショット数）−膜温度の関係図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡにおける照射時間（パルスショット数）−グレインサイズの関係図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡにおけるビームプロファイルと膜状態との対応関係図である。
【図９】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡにおけるビームプロファイル、膜状態及び位置−グレインサイズ関係の対応関係図である。
【図１０】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡにおけるビームプロファイルと膜状態との対応関係図である。
【図１１】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡにおけるビームプロファイル、膜状態及び位置−グレインサイズ関係の対応関係図である。
【図１２】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡにおけるレーザーエネルギー−グレインサイズの関係図である。
【図１３】本発明の第１の実施例にかかるＥＬＡにおける位置−エネルギーの関係を表すビームプロファイルである。
【図１４】本発明の第１の実施例にかかるＥＬＡにより形成されたｐ−Ｓｉ膜の顕微鏡写真である。
【図１５】本発明の第１の実施例にかかるＥＬＡにより形成されたｐ−Ｓｉ膜の顕微鏡写真である。
【図１６】本発明の第２の実施例にかかるＥＬＡにおける位置−エネルギーの関係を表すビームプロファイルである。
【図１７】本発明の第２の実施例にかかるＥＬＡにより形成されたｐ−Ｓｉ膜の顕微鏡写真である。
【図１８】本発明の第２の実施例にかかるＥＬＡにより形成されたｐ−Ｓｉ膜の顕微鏡写真である。
【図１９】ＥＬＡにおける位置−エネルギーの関係を表すビームプロファイルの参考例である。
【図２０】本発明の第３の実施例にかかるＥＬＡにより形成されたｐ−Ｓｉ膜の顕微鏡写真である。
【図２１】本発明の第３の実施例にかかるＥＬＡにより形成されたｐ−Ｓｉ膜の顕微鏡写真である。
【図２２】従来のＥＬＡにおける被処理基板の平面図である。
【図２３】ＥＬＡ装置の構成図である。
【図２４】ＥＬＡ装置の光学系の原理図である。
【図２５】ＥＬＡ装置の光学系の原理図である。
【図２６】ＴＦＴ部の平面図である。
【図２７】ＥＬＡにおける照射位置−エネルギー関係を表すビームプロファイルである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, in particular, a liquid crystal display (LCD), and a peripheral driver circuit in which thin film transistors (TFTs) using a polycrystalline semiconductor layer are formed in a display portion and a peripheral portion. The present invention relates to a method for manufacturing an integrated LCD.
[0002]
[Prior art]
In recent years, LCDs have been put into practical use in the fields of OA equipment, AV equipment and the like because of their advantages such as small size, thinness, and low power consumption. In particular, as a switching element that controls the timing of rewriting image information in each pixel. The active matrix type in which TFTs are arranged can display a large screen and high-definition moving images, and is therefore used for displays such as various televisions and personal computers.
[0003]
A TFT is a field effect transistor (FET) obtained by forming a semiconductor layer in a predetermined shape together with a metal layer on an insulating substrate. In the active matrix LCD, the TFT is connected to one electrode of each capacitor, which is a pixel for driving the liquid crystal, formed between a pair of substrates sandwiching the liquid crystal.
[0004]
In particular, LCDs using polycrystalline silicon (p-Si) instead of amorphous silicon (a-Si), which has been widely used as a semiconductor layer, have been developed, and p-Si crystal grains have been developed. Annealing using laser beam irradiation is performed for the formation or growth. In general, p-Si has higher mobility than a-Si, the TFT is miniaturized, and a high aperture ratio and high definition are realized. Further, since miniaturization by the gate self-alignment structure and high speed by reduction of the parasitic capacitance are achieved, a high-speed driving circuit is configured by forming an electrically complementary connection structure, that is, a CMOS of n-ch TFT and p-ch TFT. be able to. For this reason, by forming the drive circuit portion integrally with the display pixel portion on the same substrate, the manufacturing cost can be reduced and the LCD module can be downsized.
[0005]
As a method for forming p-Si on an insulating substrate, there are recrystallization by annealing a-Si generated at a low temperature at a high temperature, or a solid phase growth method at a high temperature. In this case, since the treatment is performed at 900 ° C. or higher, an inexpensive non-alkali glass substrate cannot be used as the insulating substrate in terms of heat resistance. For this reason, an expensive quartz glass substrate is required as a substrate, which is expensive. On the other hand, a method of using an alkali-free glass substrate as an insulating substrate has been developed by performing a silicon crystallization process at a relatively low temperature of a substrate temperature of 600 ° C. or less using laser annealing. A process in which the processing temperature is set to 600 ° C. or lower in all steps of manufacturing the TFT substrate is called a low-temperature process, and is an essential process for mass production of a low-cost LCD.
[0006]
FIG. 22 is a configuration diagram of a laser beam irradiation apparatus for performing such laser annealing. In the figure, (51) is a laser beam oscillation source, (52, 61) is a mirror, (53, 54, 55, 56) is a cylindrical lens, (57, 58, 59, 62, 63) is a condenser lens, ( 60) is a slit in the line width direction, and (65) is a slit in the line length direction. (64) is a stage for supporting the substrate to be processed (70) having a-Si formed on the surface.
[0007]
The laser light is, for example, an excimer laser, and the laser light emitted from the laser light oscillation source (51) is vertically moved by two sets of condenser lenses composed of cylindrical lenses (53, 55) and (54, 56). The output distribution of irradiation energy with respect to the left-right direction is deformed into flat parallel light. The parallel light is converged in one direction by the lens (58, 59, 62, 63) as shown in FIG. 23, and extended in the other direction by the lens (57) as shown in FIG. Then, the irradiated region is shaped into a band-shaped line and irradiated to the substrate to be processed (70). In addition, the slits (60, 65) are configured to clearly define the shape of the irradiated region by blocking both end portions in the line width and line length directions, and to make the intensity of the effective irradiation region constant. The stage (64) on which the substrate to be processed (70) is mounted is movable in the (X, Y) direction, scanned with the irradiation line beam, performs large area processing, and realizes high-throughput laser annealing. . In this apparatus, it is possible to irradiate a sheet beam in which the irradiated area is shaped into a rectangle, further a square, etc. by designing an optical system such as a lens.
[0008]
FIG. 25 shows the state of the substrate to be processed in excimer laser annealing (hereinafter referred to as ELA) using the apparatus shown in FIG. The substrate to be processed (1) is an ordinary non-alkali glass substrate, and a-Si is formed on the surface thereof. The substrate (1) includes a pixel unit (2) in which display pixels are arranged in a matrix, a gate driver (3) and a drain driver (4) that are arranged around the pixel unit (2). A mother glass substrate including a plurality of active matrix substrates (5) constituting an LCD comprising: In the pixel portion (2), display electrodes, which are one electrode of a pixel capacitor for driving liquid crystal, are arranged and formed in a matrix, and TFTs are connected to each of them. The gate driver (3) is mainly composed of a shift register, and the drain driver (4) is mainly composed of a shift register and a sample / hold circuit. These drivers are formed by an array of TFTs such as CMOS.
[0009]
As shown in FIG. 26, each TFT is formed using p-Si obtained by crystallization from a-Si by ELA as an operation layer. That is, a non-doped channel region (CH), a light-doped LD region (LD), and a heavy-doped source / drain region (S, D) are formed in the p-Si (11) etched into an island shape. A gate electrode (13) is disposed on the region (CH) with a gate insulating film interposed therebetween. A source electrode and a drain electrode are connected to the source and drain regions (S, D), respectively, a wiring such as a CMOS is formed in the peripheral drive circuit portion, and a connection structure to the signal line and the pixel electrode is formed in the pixel portion. Is done.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The line beam generated by the apparatus of FIG. 22 has a predetermined overlap amount for each irradiation laser pulse, as indicated by C in FIG. 25, where the edge line of the band-shaped irradiated region on the substrate (1) is indicated by C. As shown by the arrows, scanning is performed and the whole is annealed. However, after such a line beam is scanned, a poorly crystallized region in which the crystallization is not sufficiently performed and the grains remain small as shown in R of the figure in the formed p-Si. It occurred in the shape of a line along the long direction of the line of the irradiated region and was present with a striped pattern. Since this poor crystallization region (R) has low mobility and high resistance, the TFT formed in this region has poor characteristics. When the characteristics of the TFT deteriorate, the pixel capacitor is not sufficiently charged in the pixel portion, the contrast ratio is lowered, and the peripheral drive circuit portion has an adverse effect on the display such as malfunction.
[0011]
The occurrence of such a poorly crystallized region (R) is presumed to be caused by variations in the energy of the irradiation laser beam as shown in FIG. The figure shows an energy profile related to the irradiation position in the scanning direction of the laser beam. At both ends of the line width A, the energy decreases due to light diffraction and the edges are blurred over the width B. In laser annealing, the grain size increases as the irradiation energy increases, but suddenly decreases beyond a certain value. For this reason, if the grain size exceeds the energy Eu that rapidly decreases as shown by X in the figure due to variations in the irradiation laser energy, the corresponding region becomes a defective crystallization region (R).
In an optical system composed of a plurality of lenses as shown in FIG. 22, light diffraction, scattering, interference, and the like occur due to minute irregularities and foreign matters existing on the lens surface, and this is further condensed in the line width direction. At the same time, it is considered that by extending in the line length direction, a finer line-shaped defective crystallization region is generated in the line-shaped irradiated region. For example, even if a foreign substance adhering to the lens surface is slightly present in the clean room, it will have a significant effect during laser annealing.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention was made to solve this problem, and a semiconductor film laser annealing method of the present invention is a semiconductor film laser annealing method for improving film quality by irradiating a semiconductor film on a substrate with a laser beam. The energy change with respect to the position in the irradiated region of the laser beam is smaller at a relatively rear position than a relatively front position in the traveling direction in which the laser beam is scanned, and has a grain having a large particle size at the front position of the laser beam. , And crystallizes a microcrystalline region caused by a variation in laser energy at the front position at the rear position of the laser beam.
[0014]
In addition, in the laser annealing method of a semiconductor film in which a polycrystalline semiconductor film is obtained by irradiating a laser beam to an amorphous semiconductor film on a substrate, the laser beam is scanned for a change in energy related to the position in the irradiated region of the laser beam. A crystallite region that is made smaller at a relatively rear position than a relatively front position in a traveling direction, forms a grain having a large grain size at the front position of the laser beam, and is caused by variations in laser energy at the front position Is crystallized at the rear position of the laser beam.
Furthermore, in the laser annealing method for a semiconductor film of the present invention, the energy related to the position in the irradiated region of the laser beam is an energy value that maximizes the crystal grain size at a sufficiently rear position in the traveling direction in which the laser beam is scanned. This is a laser annealing method for a semiconductor film sufficiently smaller than that.
[0015]
Furthermore, in the laser annealing method for a semiconductor film of the present invention, the energy related to the position in the irradiated region of the laser beam maximizes the crystal grain size at a relatively forward position in the traveling direction in which the laser beam is scanned. This is a laser annealing method for a semiconductor film that is equal to or exceeds energy.
[0016]
As described above, after the high energy portion located relatively forward in the traveling direction of the laser beam passes through the semiconductor layer, the smaller energy portion sequentially passes. For this reason, after a large crystal grain is initially formed with a large energy, the remaining crystallized defective region is crystallized with a relatively small energy while maintaining the previously formed large crystal grain. Improvement is achieved.
[0017]
Further, the energy related to the position in the irradiated region of the laser beam is configured to be sufficiently smaller than the energy value that maximizes the crystal grain size at a sufficiently rear position in the traveling direction in which the laser beam is scanned. In the region of poor crystallinity, the semiconductor laser is prevented from being re-amorphized beyond the value that maximizes the crystal grain size, sufficiently behind the irradiation laser beam passing over the layer. Thus, a polycrystalline semiconductor layer having a substantially uniform crystal grain size can be obtained over the entire area.
[0018]
Further, the energy related to the position in the irradiated region of the laser beam is equal to or exceeds the energy that maximizes the crystal grain size at a relatively forward position in the traveling direction in which the laser beam is scanned. Therefore, the irradiation laser beam passing over the semiconductor layer is annealed above the energy near the threshold value that maximizes the crystal grain size first, but then the energy gradually decreases and the threshold energy is reduced. An annealing with a sufficiently high optimum energy that does not exceed, that is, the best annealing in an energy range that makes the crystal grain size sufficiently large is performed. Therefore, a polycrystalline semiconductor layer having a large crystal grain size and excellent uniformity is formed.
[0019]
Further, the laser beam is obtained by shaping the irradiated region of the laser emitted from the oscillation source into a predetermined shape by an optical system including a plurality of lenses, and the amorphous semiconductor film on the substrate and the optical By adjusting the distance from the focal position of the system, the energy related to the position in the irradiated region of the laser beam is controlled.
[0020]
That is, in the laser annealing method for a semiconductor film of the present invention, the laser beam is obtained by shaping the irradiated region into a predetermined shape by an optical system composed of a plurality of lenses from a laser emitted from an oscillation source, By adjusting the distance between the amorphous semiconductor film on the substrate and the focal position of the optical system, this is a laser annealing method for a semiconductor film in which the energy related to the position in the irradiated region of the laser beam is controlled. By changing the distance between the substrate on which the amorphous semiconductor film to be laser-annealed is formed and the focal position of the optical system, a laser beam having a suitable irradiated position-energy distribution can be obtained and good laser annealing is performed. Is done.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a plan view showing a state of a substrate to be processed in ELA according to an embodiment of the present invention. The substrate to be processed (1) is an ordinary non-alkali glass substrate, and a-Si is formed on the surface thereof. The substrate (1) constitutes an LCD comprising a pixel part (2) in which display pixels are arranged and formed in a matrix, and a gate driver (3) and a drain driver (4) arranged around the pixel part (2). A mother glass substrate including six active matrix substrates (5). The pixel portion (2) has a structure in which display electrodes, which are one electrode of a pixel capacitor that drives a liquid crystal, are arranged in a matrix, and TFTs are connected to each of them. The gate driver (3) is mainly composed of a shift register, and the drain driver (4) is mainly composed of a shift register and a sample / hold circuit. These drivers are formed by an array of TFTs such as CMOS, and each TFT is formed using p-Si formed by the ELA method of the present invention as a channel and source / drain layers.
[0022]
ELA is irradiation (scanning) of a line (sheet) beam realized by the laser beam irradiation apparatus shown in FIG. In FIG. 1, the line beam is formed on the substrate (1) with a predetermined overlap of each irradiation laser pulse, as indicated by C in the edge line of the band-shaped irradiated region on the substrate (1). Are sequentially shifted, scanning is performed as indicated by arrows in the figure, and the entire surface is annealed. In the ELA apparatus shown in FIG. 22, for example, the line beam has a line length of about 80 to 300 mm and a line width of about 0.1 to 1 mm. The line is moved on the substrate to be processed (1), and the line width is By scanning in the direction a plurality of times (here, twice), the entire area of the substrate to be processed (1) is annealed to enable large area processing.
[0023]
FIG. 2 to FIG. 4 show beam profiles representing the position-energy relationship of the irradiation line (sheet) beam according to the embodiment of the present invention in the line (sheet) width direction. FIG. 5 shows a reference example of a beam profile representing the position-energy relationship of the irradiation line (sheet) beam in the line (sheet) width direction. FIG. 2 shows a case where a basic beam profile is shaped into a trapezoid, FIG. 3 shows a case where one of the trapezoidal beam profiles is blurred, and FIGS. 4 and 5 show cases where the beam profile is not clearly defined. ing. In either case, the shape is such that the threshold energy Eth for microcrystallization of silicon grains is exceeded relatively forward in the traveling direction in which the beam is scanned, and the threshold energy Eth is not exceeded behind it. ing. For this reason, the best laser annealing is performed by the optimum region (GR) of the beam that is in the energy range for obtaining a sufficiently large grain size immediately below the threshold energy.
[0024]
FIG. 6 shows the relationship in which the crystallinity depends on the film temperature during laser irradiation in ELA. The temperature is a measured value by optical observation of a well-known lattice state such as a pyrometer, and is related to the energy of ELA. In the figure, the crystallization mode of a-Si, which is the starting film, shows a state in which the film temperature increases as time elapses after the start of irradiation, and the film temperature decreases after the end of irradiation. In the figure a, the highest point of the film temperature does not exceed the polycrystallization temperature Tg, which is the film temperature at which grains begin to form, and remains a-Si after the film temperature is lowered and deactivated. ing. In b, the highest point of the film temperature exceeds the polycrystallization temperature Tg, and after the film temperature is lowered and inactivated, p-Si (S) having a small grain size is formed. In c, the maximum reaching point of the film temperature is higher, and large grain size p-Si (L) is formed. At d, after the start of irradiation, after the polycrystallization temperature Tg is exceeded, the grain has further exceeded the microcrystallization temperature TM where the grains become small, and after the temperature is lowered and inactivated, microcrystalline silicon, that is, microcrystal ( M-cry) is formed. These differences between a, b, c, and d appear due to ELA energy. It can be seen that in order to obtain p-Si (L) having a large grain size by performing good annealing, it is necessary to raise the temperature as high as possible without exceeding the film temperature TM.
[0025]
FIG. 7 shows the relationship between the irradiation time, that is, the number of shots of the irradiation laser pulse and the grain size. When the temperature is equal to or lower than the microcrystallization temperature TM in FIG. 6, the grain size increases as the number of shots and ELA energy increase. However, the increase in grain size is large until the first few shots, and thereafter the grain size gradually increases.
[0026]
Such ELA properties were derived from the following experiments and discussions.
[0027]
First, as will be described in detail later, a p-Si film formed by a relatively high energy ELA was subjected to a seco etch, and the film state was examined by an SEM, an optical microscope, etc. As a result, an ELA as shown in FIG. I understood the nature. The upper part of the figure is a beam profile showing the relationship between the irradiation position and energy of the laser beam, where the position is the width direction of the line beam, that is, the front and rear positions with respect to the traveling direction, and the temperature is measured by optical observation of the lattice state. Temperature and is related to beam energy. The lower part of the figure is a state diagram of the ELA film to be processed corresponding to the beam profile. The beam profile has a trapezoidal shape, the top of which exceeds the microcrystallization temperature TM, and the film state corresponding to this is a microcrystal (M-cry). Further, on the side of the trapezoidal profile, the film temperature has a steep slope of a straight line or a gentle curve, and the film temperature rises as the position approaches the top, that is, the microcrystal region, and the polycrystallization temperature Tg, Next, the microcrystallization temperature TM is exceeded. The outermost film state corresponding to the temperature region below the polycrystallization temperature Tg of the beam profile is a-Si, and the temperature region is from the polycrystallization temperature Tg to the microcrystallization temperature TM. The corresponding film state to be processed is p-Si. However, the grain size of p-Si increases as the film temperature rises beyond Tg continuously from the a-Si region. The most characteristic point is that the grain size increases as the temperature rises up to the film temperature TM, but when the temperature exceeds the film temperature TM, it rapidly decreases and becomes a microcrystal. It can be seen that the maximum grain size can be obtained in the highest temperature region MX not exceeding the film temperature TM.
[0028]
FIG. 9 is a film state diagram (middle stage) that was found by scanning a line beam exhibiting the energy profile shown in FIG. 8 and observing the film to be processed with an optical microscope, and the corresponding beam scanning direction position and grain. It is a relationship figure (lower stage) with size. The line beam whose energy profile is shown in the upper stage indicates that each irradiation laser pulse position is sequentially shifted from the left side of the drawing and is at the position shown in the drawing at the present time. In this experiment, the line beam scanning is performed by 20 shot overstrike with 95% laser pulse overlap. In each shot of the laser pulse, p-Si having a sufficiently large grain size GM is sequentially formed in the film corresponding to the MX region of the beam profile edge portion. At the same time, the film is ahead in the traveling direction from the MX region of the energy profile. M-cry is formed in a temperature region equal to or higher than the temperature TM and exhibits a striped pattern. That is, the M-cry formed in the earlier shot is crystallized by the subsequent shot, but the temperature region MX for obtaining the maximum grain size GM is formed in a thin line shape in the film region. It turns out that it becomes only p-Si, and in the other region, the energy that further increases the grain size of the previously formed M-cry is not given. Although there is an MX region that obtains a sufficiently large grain size GM at the front edge in the scanning direction of the beam profile, M-cry is formed while the top of the subsequent beam profile passes.
[0029]
Moreover, as a result of performing optical observation, such as SEM and an optical microscope, p-Si film formed with relatively low energy ELA was subjected to seco-etching, the properties of ELA shown in FIG. 10 were found. Similarly to FIG. 8, the upper part of the figure is an energy profile relating to the irradiation position in the direction of laser beam scanning, and the lower part is a state diagram of the ELA film to be processed corresponding to this beam profile. Although the beam profile has a trapezoidal shape, the energy is relatively low, so that the top of the beam profile does not exceed the microcrystallization temperature TM, and is not so large in the film region corresponding to the temperature region exceeding the polycrystallization temperature Tg. P-Si with no grain size is formed. Below the polycrystallization temperature Tg, it is an a-Si region.
[0030]
FIG. 11 is a film state diagram (middle stage) which was found by scanning a line beam exhibiting the energy profile shown in FIG. 10 and observing the film to be processed with an optical microscope, and the corresponding beam scanning direction position and grain. It is a relationship figure (lower stage) with size. The line beam whose energy profile is shown in the upper part of the figure is advanced from the left side of the figure by the 20-shot overlap scanning with 95% laser pulse overlap as in FIG. In this case, since the laser energy does not exceed the microcrystallization temperature TM, microcrystals due to re-amorphization are not formed, and crystallization is performed as the number of shots increases, and the grain size increases. Go. After p-Si indicating the grain size Gg is formed in the first four shots, the grain size increases relatively gradually as the shots are further overlapped. Then, at the 12th shot, the maximum grain size Gp obtained by this ELA energy is obtained, and there is no significant change thereafter.
[0031]
From the above experiment, the following was found. In ELA, in order to increase the grain size of silicon, it is sufficient to increase the energy. However, when the energy becomes larger than a certain energy value, re-amorphization occurs, and the grain size is drastically decreased to produce microcrystals. The That is, as shown in the relationship between ELA energy and grain size in FIG. 12, the grain size increases as the energy increases, and when the energy Ed is further increased beyond the energy Ed to obtain a sufficiently large grain size GM, the grain size is Maximum. As the energy increases further, the grain size decreases and eventually decreases rapidly. Here, it is not known whether such threshold energy and the energy that maximizes the grain size exactly match, but the energy that maximizes the grain size is very close to the threshold energy and the threshold energy In the following description, the energy that maximizes the grain size and the threshold energy that sharply reduces the grain size are considered to be practically the same, and the threshold energy will be mainly described. .
[0032]
From FIG. 12, the energy needs to be within the range between Ed and Eu in order to obtain the grain size GM or more. In particular, in order to obtain the maximum grain size, the shape of the relationship curve in the figure is used. It can be seen that the laser energy should be as large as possible within the range not exceeding the re-amorphization threshold energy. However, as shown in FIG. 27, since the variation in irradiation laser energy is inevitable, even when locally exceeding the threshold energy at which the grain size rapidly decreases, the corresponding region becomes a poor crystallization region. This deteriorates the characteristics of the TFT formed in this region.
[0033]
Accordingly, as shown in FIGS. 2 to 5, with respect to the threshold energy Eth that sharply decreases the grain size, the energy gradually decreases from the front to the back in the scanning direction of the irradiation laser beam, and the profile edge becomes the threshold value. By setting the energy profile to intersect from the region above the energy Eth to the region below, good ELA is performed. That is, since the threshold energy Eth is exceeded in front of the beam profile, annealing is performed with the maximum energy not exceeding the threshold energy Eth in the region (GR) immediately after the intersection with the threshold energy Eth of the profile edge. Then, a p-Si film having the maximum grain size is formed. In other words, there is an energy region (GR) in which the grain size is maximized in the energy region immediately below the threshold energy Eth that sharply decreases the grain size. In the region exceeding the threshold energy Eth ahead of the GR region, microcrystals are formed, but the grain size is maximized by passing the GR region thereafter. Further, since the threshold energy Eth is not exceeded behind the GR region, the grains once formed do not crystallize. Therefore, by setting the overlap amount and the pulse frequency so that the GR region is shot a predetermined number of times in the same region of the film to be processed, good annealing is performed over the entire area of the film to be processed, and the maximum grain size is set. The p-Si film can be formed.
[0034]
【Example】
First, as a first embodiment, FIG. 13 shows a beam profile when the distance between the focal position of the laser beam and the substrate to be processed is set to 300 μm in the ELA apparatus of FIG. On the left side of the profile, it has a shape in which energy jumps up. FIG. 14 is an optical micrograph when scanning is performed with the traveling direction of the line beam having the energy profile of FIG. 13 set to the left of FIG. The film state can be examined by performing the seco-etching so that the interference light resulting from the difference in grain size represents a different color. (A), (b), and (c) in FIG. 14 are for energy 390 mJ / square cm, 400 mJ / square cm, and 410 mJ / square cm, respectively. FIG. 15 is a similar optical micrograph when the line beam of FIG. 13 is scanned in the right direction. In FIG. 14, it can be seen that a p-Si film with good film quality is obtained. On the other hand, in FIG. 15, it is recognized that the defective crystallization region is vertically blackened in (a) and (b). Further, in (c), the poorly crystallized region is conspicuous in black and it can be seen that the film quality is considerably poor.
The following can be inferred from these observations. That is, in the line beam whose energy profile is shown in FIG. 13, the portion where the energy jumps easily exceeds the threshold energy Eth that sharply decreases the microcrystallization temperature, that is, the grain size, and in particular, the higher the laser energy, the higher the laser energy. The probability increases. For this reason, the line beam traveling in the right direction in FIG. 13 is annealed while performing microcrystallization at the rearmost part of the irradiation region, so that p-Si formed in front of the beam is converted into microcrystals behind the beam. Thus, as shown in FIG. 15, it remains as a defective crystallization region. Such a phenomenon is more likely to occur as the energy is higher. If an attempt is made to obtain a large grain size, the problem arises that microcrystals are generated.
[0035]
On the other hand, when the traveling direction of the line beam is taken to the left in FIG. 13, microcrystals are likely to be generated in front of the beam. Thereafter, while the beam is passing, the energy region immediately below the threshold energy is used. Good crystallization is performed and p-Si with a large grain size is formed. In FIG. 14 (c), it is recognized that the crystallization defective area is slightly black, and it can be seen that there is a threshold energy Eth for rapidly reducing the grain size in the vicinity of the laser energy of 410 mJ / square cm.
[0036]
Therefore, the line beam whose energy profile is shown in FIG. 13 can perform the best crystallization annealing by setting the energy to about 410 mJ / square cm and scanning in the left direction of the figure with the traveling direction. I understand. That is, at this time, microcrystals are formed in front of the beam, but thereafter, from the center to the rear of the beam, the energy is higher than the threshold energy Eth that rapidly reduces the grain size, and is lower than the threshold energy Eth. There is a portion that moves to the energy region, and there is an optimum beam region (GR) in which the best annealing is performed as shown in FIG. In this embodiment, 20 shots are overprinted, and the number of shots in the optimum beam region (GR) is smaller than that. However, as shown in FIGS. Thus, good annealing can be performed by optimally setting the overlap amount and the frequency of the laser pulses so that a desired number of shots can be obtained.
[0037]
Next, as a second embodiment, FIG. 16 shows a beam profile when the distance between the focal position of the laser beam and the substrate to be processed is set to 600 μm in the ELA apparatus of FIG. In this way, by changing the focal length, the beam profile can be deformed by utilizing the slight light shift during diffraction and interference. FIG. 17 is a photomicrograph when the traveling direction of the line beam whose energy profile is shown in FIG. 16 is taken to the left of the drawing, and FIG. 18 is a photomicrograph of the right direction. 17 and 18, (a), (b), and (c) are cases where the laser energy is 390 mJ / square cm, 400 mJ / square cm, and 410 mJ / square cm, respectively. In both figures, a good crystal state is shown in (a) and (b), but when compared with (c), a defective crystallization region is conspicuous in FIG. That is, there is a threshold energy in the vicinity of the energy of 410 mJ / square cm, at which the grain size decreases rapidly. In this beam profile, as shown in FIG. 16, there is a region where the energy is relatively high on the right side. Therefore, when scanning in the left direction, a microcrystal is formed later in the laser beam, and then the grain is formed. The optimum beam region (GR) for performing good annealing immediately below the threshold energy Eth that rapidly reduces the size is shortened, and the microcrystal is not sufficiently crystallized, resulting in a poorly crystallized region as shown in FIG. End up.
[0038]
On the other hand, when the line beam is scanned in the right direction, annealing exceeding the threshold energy Eth that rapidly decreases the grain size is performed at the beginning of the laser energy irradiation, and thereafter, as in FIG. Since the optimum beam region (GR) in which the best annealing immediately below the threshold energy Eth is performed becomes sufficiently long, a p-Si film having a good crystallinity as shown in FIG. 18 can be obtained.
[0039]
Subsequently, as a reference example , FIG. 19 is a reference example of a beam profile when the distance between the focal position of the laser and the substrate to be processed is 900 · high. 20 and 21 are photomicrographs when the traveling direction of the line beam exhibiting the energy profile of FIG. 19 is taken in the left direction and the right direction, respectively. (A), (b), and (c) are the cases where the laser energy is 390 mJ / square cm, 400 mJ / square cm, and 410 mJ / square cm, respectively, as in the previous embodiment. Both FIG. 20 and FIG. 21 show good crystallinity. Looking at the beam profile in FIG. 19, there is a portion where energy protrudes slightly to the center, and the shape is similar to that in FIG. 5, with the energy gradually decreasing on both sides. For this reason, in either the left direction or the right direction of the scanning direction of the line beam, the grain size is changed sufficiently from the region higher than the energy Eth that maximizes the grain size to the region lower than the energy Eth. An optimum beam region (GR) exists and good annealing is performed.
[0040]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, in the present invention, in a method for manufacturing a semiconductor device using a polycrystalline semiconductor layer obtained by crystallizing an amorphous semiconductor layer formed on a substrate by laser annealing, A position where an energy region exceeding the threshold energy that maximizes the grain size exists relatively forward and an energy region that does not exceed the threshold energy that maximizes the grain size exists relatively forward with respect to the scanning advance position− Laser beam irradiation with an energy-related profile is performed. As a result, the best annealing is performed in the energy region immediately below the threshold energy and in which the grain size is sufficiently increased, and a polycrystalline semiconductor layer with extremely good crystallinity can be formed. Therefore, in the liquid crystal display device integrated with a drive circuit in which the peripheral drive circuit portion is formed on the same substrate as the pixel portion, the characteristics of the polycrystalline silicon thin film transistors constituting the pixel portion and the drive circuit portion are improved, and display with good display quality is achieved. A device is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a substrate to be processed during ELA according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a beam profile representing a position-energy relationship in the scanning direction of a laser beam according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a beam profile representing a position-energy relationship in the scanning direction of a laser beam according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a beam profile representing a position-energy relationship in a scanning direction of a laser beam according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a reference example of a beam profile representing a position-energy relationship in the scanning direction of a laser beam.
FIG. 6 is a relationship diagram of irradiation time (number of pulse shots) -film temperature in ELA according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a relationship diagram of irradiation time (number of pulse shots) −grain size in the ELA according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a correspondence diagram between a beam profile and a film state in the ELA according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a correspondence diagram of a beam profile, a film state, and a position-grain size relationship in the ELA according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a correspondence diagram between a beam profile and a film state in the ELA according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a correspondence diagram of a beam profile, a film state, and a position-grain size relationship in the ELA according to the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a relationship diagram of laser energy-grain size in the ELA according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a beam profile showing a position-energy relationship in ELA according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a micrograph of a p-Si film formed by ELA according to the first example of the present invention.
FIG. 15 is a micrograph of a p-Si film formed by ELA according to the first example of the present invention.
FIG. 16 is a beam profile showing a position-energy relationship in ELA according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a micrograph of a p-Si film formed by ELA according to a second example of the present invention.
FIG. 18 is a micrograph of a p-Si film formed by ELA according to a second example of the present invention.
FIG. 19 is a reference example of a beam profile representing a position-energy relationship in ELA.
FIG. 20 is a micrograph of a p-Si film formed by ELA according to a third example of the present invention.
FIG. 21 is a micrograph of a p-Si film formed by ELA according to a third example of the present invention.
FIG. 22 is a plan view of a substrate to be processed in a conventional ELA.
FIG. 23 is a block diagram of an ELA device.
FIG. 24 is a principle diagram of an optical system of an ELA apparatus.
FIG. 25 is a principle diagram of an optical system of an ELA apparatus.
FIG. 26 is a plan view of a TFT portion.
FIG. 27 is a beam profile showing an irradiation position-energy relationship in ELA.

Claims

In a semiconductor film laser annealing method for improving film quality by irradiating a semiconductor film on a substrate with a pulsed laser beam,
The magnitude of energy related to the position in the irradiated region of the pulse laser beam is made smaller at a relatively rear position than at a relatively front position in the traveling direction in which the pulse laser beam is scanned,
A grain having a large particle diameter is formed at the front position of the pulsed laser beam, and a microcrystalline region caused by a variation in laser energy at the front position is crystallized at the rear position of the pulsed laser beam. Laser annealing method for semiconductor film.

In a semiconductor film laser annealing method for obtaining a polycrystalline semiconductor film by irradiating an amorphous semiconductor film on a substrate with a pulsed laser beam,
The magnitude of energy related to the position in the irradiated region of the pulse laser beam is made smaller at a relatively rear position than at a relatively front position in the traveling direction in which the pulse laser beam is scanned,
A grain having a large particle diameter is formed at the front position of the pulse laser beam, and a microcrystalline region caused by a variation in laser energy at the front position is crystallized at the rear position of the pulse laser beam. Laser annealing method for semiconductor film.

The energy related to the position of the pulse laser beam in the irradiated region is sufficiently smaller than an energy value that maximizes the crystal grain size at a sufficiently rearward position in the traveling direction in which the laser beam is scanned. 3. A laser annealing method for a semiconductor film according to claim 1 or 2.

The energy related to the position in the irradiated region of the pulsed laser beam is equal to or exceeds the energy that maximizes the crystal grain size at a relatively forward position in the traveling direction in which the pulsed laser beam is scanned. The laser annealing method for a semiconductor film according to claim 1, claim 2, or claim 3.

The pulsed laser beam is obtained by shaping a region irradiated with a laser emitted from an oscillation source into a predetermined shape by an optical system including a plurality of lenses, and the amorphous semiconductor film on the substrate and the optical system. 5. The semiconductor film laser according to claim 1, wherein the energy related to the position of the pulsed laser beam in the irradiated region is controlled by adjusting the distance from the focal position of the semiconductor film. Annealing method.