JP3810903B2

JP3810903B2 - Inspection method of polycrystalline semiconductor film

Info

Publication number: JP3810903B2
Application number: JP26067297A
Authority: JP
Inventors: 康正後藤; 浩三橋; 信雄今井; 尚藤村; 由紀松浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2017-09-25
Also published as: JPH11101742A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶半導体膜の粒径を測定する多結晶半導体膜の検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）（以下、ｐ−Ｓｉ）を用いたＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（以下、ｐ−ＳｉＴＦＴ）は、非晶質シリコン（以下、ａ−Ｓｉ）を用いたＴＦＴ（以下、ａ−ＳｉＴＦＴ）よりも移動度が１０から１００倍程度高い利点を有している。そこで、液晶表示装置（ＬＣＤ）などについて、ｐ−ＳｉＴＦＴを画素スイッチング素子として用いるだけでなく、周辺駆動回路にも用いて、画素ＴＦＴと駆動回路ＴＦＴとを同一基板上に同時に形成した駆動回路一体型ＴＦＴ−ＬＣＤの研究開発が盛んに行われている。この際、図６に示すように、ｐ−ＳｉＴＦＴの結晶の粒径と移動度とは、粒径が大きい程、移動度が高い、という相関があるため、粒径の大きさを測定することが、大きな課題となっている。
【０００３】
従来、結晶の粒径の大きさについては、セコエッチングなどのエッチングにより結晶粒界を選択的に除去した後、走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）などを用いて粒径を測定し、あるいは、基板厚さ方向に沿って切断した断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察を行っていたが、これらの方法では、粒径の観察まで少なくとも２時間以上かかるという問題を有している。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によっても粒径の観察は可能であるが、１点の観察・粒径解析に３０分程度の時間がかかるという問題を有している。
【０００４】
この点、非破壊・非接触で短時間での測定が可能であり、測定時間が１点当たり５秒程度と短い分光エリプソメータを用いた粒径解析が考えられるが、ｐ−Ｓｉの解析のための解析モデルの構築が難しく、すなわち、粒径、移動度などの定量化が困難である問題を有している。特に、エキシマレーザアニール（ＥＬＡ）法により作製したｐ−Ｓｉは、作成条件によっては、例えば５０〔ｎｍ〕程度の膜厚オーダの凹凸が表面に出現するため、定量化が困難である問題を有している。
【０００５】
例えば、駆動回路一体型ＴＦＴ−ＬＣＤを作成する場合、ｐ−Ｓｉの平均粒径は０．２５〜０．４５〔μｍ〕付近が適当である。これは、０．２５〔μｍ〕未満の粒径では、移動度がｎチャンネル低濃度不純物層薄膜トランジスタ（ｎ−ｃｈＬＤＤ一ＴＦＴ）で移動度が６０〔ｃｍ²／Ｖｓ〕未満となり、１２インチクラス以上のＬＣＤの駆動が困難となり、反対に、粒径が０．５〔μｍ〕以上の大結晶になると、ＴＦＴの移動度が高く、電流値がとれすぎるため、ＴＦＴが経時的に劣化するためである。そこで、駆動回路一体型ＴＦＴ−ＬＣＤのｐ−Ｓｉは、０．２５〜０．４５〔μｍ〕付近の粒径に作製することが望ましいが、この範囲のｐ−Ｓｉ膜を高精度かつ短時間で測定することはできなかった。例えば、従来からある技術で、図７に示すように、ｐ−Ｓｉをａ−Ｓｉとｃ−Ｓｉ（結晶シリコン）との混合物として現した場合のｐ−Ｓｉの平均粒径とｐ−Ｓｉの組成比率との関係を利用する方法や、図８に示すように、ｐ−Ｓｉを、ａ−Ｓｉ、ｐ−Ｓｉおよびｃ−Ｓｉの混合物として現した場合のｐ−Ｓｉの平均粒径とｐ−Ｓｉの組成比率との関係を利用する方法では、いずれも、膜厚がプラスマイナス５％異なっているサンプルでは再現性がなく、粒径の測定に利用できる精度を実現できない問題を有している。これは、解析時に膜厚・膜質の両方を同時にパラメータとして計算するためである。すなわち、膜厚だけを決めると膜質が実試料のものと異なり、さらに、今求めた膜厚を用いて膜質を計算すると、もう一度膜厚を計算する必要が生じるといった問題を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の方法では、分光エリプソメータを用いた粒径解析においては、粒径、移動度などの定量化が困難で、粒径を短時間に高精度で測定することは困難な問題を有している。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、多結晶半導体膜の粒径を短時間に高精度で測定できる多結晶半導体膜の検査方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の多結晶半導体膜の検査方法は、所定方法で標準試料である多結晶半導体膜を形成し、この標準試料の屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を光学的に測定し算出するとともに、粒径を測定し、前記所定方法で検査対象となる評価試料である多結晶半導体膜を形成し、この評価試料の屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を光学的に測定し算出し、標準試料の屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性と前記評価試料の屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性とを比較して、前記評価試料の粒径を算出するものである。そして、この構成では、標準試料を形成、測定し、次いで、検査対象となる評価試料を形成、測定することにより、光学的な測定結果の定量化が可能になり、非破壊かつ非接触で、短時間に高精度の粒径の測定が可能になる。
【０００９】
さらに、多結晶シリコン薄膜をエネルギービームアニール法を用いて形成し、分光エリプソメータを用いて屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を測定することにより、短時間に高精度の粒径の測定が可能になり、例えば、薄膜トランジスタ、液晶表示装置などの品質管理が短時間に高精度で可能になる。
【００１０】
また、互いに粒径の異なる複数の標準試料を用いることにより、高精度の粒径の測定が可能になる。
【００１１】
さらに、平均粒径が約０．３〔μｍ〕の標準試料を用い、あるいは、約０．３〔μｍ〕と約０．５〔μｍ〕との標準試料を用いることにより、平均結晶粒径が０．２５〜０．４５〔μｍ〕の多結晶シリコン薄膜が精度良く選定され、製造効率が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多結晶半導体膜の検査方法の一実施の形態としての多結晶シリコン薄膜の検査方法を図面を参照して説明する。
【００１３】
まず、第１の実施の形態を、図１ないし図３のグラフを参照して説明する。
【００１４】
この第１の実施の形態の評価対象すなわち測定の対象となる検査試料は、ガラス基板上に、約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５５〔ｎｍ〕のｐ−Ｓｉを積層した構造のｐ−Ｓｉの検査方法である。また、このｐ−Ｓｉは、ＥＬＡ法により形成された膜である。
【００１５】
まず、この時点で、ｐ−Ｓｉ膜の平均粒径、表面凹凸が異なる２種類の標準試料を作製する。また、これら標準試料は、検査試料と同じ構造であることが望ましい。そして、本実施の形態では、ガラス基板上に、約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５５〔ｎｍ〕のａ−Ｓｉを積層した構造の試料に、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いたＥＬＡ法により形成したｐ−Ｓｉを用いる。この際、例えば、照射エネルギーはそれぞれ約３４０〔ｍＪ／ｃｍ²〕、３７０〔ｍＪ／ｃｍ²〕として２６回照射し、ｐ−Ｓｉの平均粒径をそれぞれ約０．５１〔μｍ〕、約０．０８〔μｍ〕、表面凹凸をそれぞれ約２１〔ｎｍ〕、約１２〔ｎｍ〕とする。ここで、高い照射エネルギーで形成したｐ−Ｓｉの方が粒径が小さくなるのは、Ｐ−Ｓｉ／ＳｉＯｘ界面に形成された結晶核が完全溶融してしまうためである。また、これら平均粒径および表面凹凸は、走査型電子顕微鏡などにより確認する。
【００１６】
次に、これら標準試料について、分光エリプソメータを用いて偏光特性を測定する。そして、この偏光特性の解析により、それぞれのｐ−Ｓｉのｎ（屈折率）、ｋ（減衰係数）の波長依存性を算出する。その結果、得られた各標準試料のｎ（屈折率）の波長依存性をｎ１（λ）、ｎ２（λ）、ｋ（減衰係数）の波長依存性をｋ１（λ）、ｋ２（λ）という関数で表す。
【００１７】
次に、粒径を測定したいｐ−Ｓｉ、すなわち、ガラス基板上に約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５５〔ｎｍ〕のｐ−Ｓｉを積層した検査試料をＥＬＡ法により製造し、分光エリプソメータを用いて偏光特性を測定する。
【００１８】
なお、この測定の際の測定エネルギー範囲は、２．０〜５．０〔ｅＶ〕が望ましい。なぜなら、通常、市販されている装置では、１・５〜５．０〔ｅＶ〕の範囲が測定できる装置が多いが１．５〜２．０〔ｅＶ〕の範囲は、図２のグラフおよび図３のグラフに示すように、Ｐ−Ｓｉの下地となるＳｉＯｘ、ＳｉＮｘの膜厚のばらつきにより影響を受けることが判明したためである。
【００１９】
そして、この偏光特性から算出した屈折率の波長依存性、滅衰係数の波長依存性を、それぞれｋ（λ）、ｎ（λ）という関数で表すことにする。そして、このｋ（λ）、ｎ（λ）を標準試料のｎ１（λ）、ｎ２（λ）、ｋ１（λ）、ｋ２（λ）で表し、
ｋ（λ）＝ａ＊ｋ１（λ）＋ｂ＊ｋ２（λ）
ｎ（λ）＝ａ＊ｎ１（λ）＋ｂ＊ｎ２（λ）
ａ＋ｂ＝１
を同時に満たすａ、ｂを決定する。
【００２０】
図１に、ａ、すなわち膜厚約０．５〔μｍ〕のｐ−Ｓｉの光学特性関数の係数の値と粒径の関係を示す。そして、この図１のグラフから、ａの値が０．４未満であれば、照射エネルギーが高すぎるために生じる、約０．０８〔μｍ〕の微小結晶領域であることがわかる。そして、ＴＦＴ用のｐ−Ｓｉとしては、このような小粒径のｐ−Ｓｉは移動度が低いため不適である。このようにして、良品と不良品を短時間に高精度に見分けることができる。
【００２１】
なお、ｐ−Ｓｉのｋ（λ）、ｎ（λ）を表現する際に、第３の関数として、ａ−Ｓｉの屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を示す関数として、ｋ_a-Si（λ）、ｎ_a-Si（λ）を用いて、
ｋ（λ）＝ａ＊ｋ１（λ）＋ｂ＊ｋ２（λ）＋ｃ＊ｋ_a-Si（λ）
ｎ（λ）＝ａ＊ｎ１（λ）＋ｂ＊ｎ２（λ）＋ｃ＊ｎ_a-Si（λ）
ａ＋ｂ＋ｃ＝１
とする方法も、ＥＬＡ法により２種類の照射エネルギーで形成したｐ−Ｓｉの関数を使う点で効果は同等である。
【００２２】
次に、第２の実施の形態を、図４のグラフを参照して説明する。
【００２３】
この第２の実施の形態の評価対象すなわち測定の対象となる検査試料は、ガラス基板上に、約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５０〔ｎｍ〕のｐ−Ｓｉを積層した構造のｐ−Ｓｉの検査方法である。また、このｐ−Ｓｉは、ＥＬＡ法により形成された膜である。
【００２４】
まず、この時点で、ｐ−Ｓｉ膜の平均粒径、表面凹凸が異なる２種類の標準試料を作製する。また、これら標準試料は、検査試料と同じ構造であることが望ましい。そして、本実施の形態では、ガラス基板上に、約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５０〔ｎｍ〕のａ−Ｓｉを積層した構造の試料に、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いたＥＬＡ法により形成したｐ−Ｓｉを用いる。この際、例えば、照射エネルギーはそれぞれ約２８０〔ｍＪ／ｃｍ²〕、３１０〔ｍＪ／ｃｍ²〕として２６回照射し、ｐ−Ｓｉの平均粒径をそれぞれ約０．１９〔μｍ〕、約０．３４〔μｍ〕、表面凹凸をそれぞれ約２９〔ｎｍ〕、約５２〔ｎｍ〕とする。また、これら平均粒径および表面凹凸は、走査型電子顕微鏡などにより確認する。
【００２５】
次に、これら標準試料について、分光エリプソメータを用いて偏光特性を測定する。そして、この偏光特性の解析により、それぞれのｐ−Ｓｉのｎ（屈折率）、ｋ（減衰係数）の波長依存性を算出する。その結果、得られた各標準試料のｎ（屈折率）の波長依存性をｎ３（λ）、ｎ４（λ）、ｋ（減衰係数）の波長依存性をｋ３（λ）、ｋ４（λ）という関数で表す。
【００２６】
次に、粒径を測定したいｐ−Ｓｉ、すなわち、ガラス基板上に約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５０〔ｎｍ〕のｐ−Ｓｉを積層した検査試料をＥＬＡ法により製造し、分光エリプソメータを用いて偏光特性を測定する。
【００２７】
そして、この偏光特性から算出した屈折率の波長依存性、滅衰係数の波長依存性を、それぞれｋ（λ）、ｎ（λ）という関数で表すことにする。そして、このｋ（λ）、ｎ（λ）を標準試料のｎ３（λ）、ｎ４（λ）、ｋ３（λ）、ｋ４（λ）で表し、
ｋ（λ）＝ｄ＊ｋ３（λ）＋ｅ＊ｋ４（λ）
ｎ（λ）＝ｄ＊ｎ３（λ）＋ｅ＊ｎ４（λ）
ｄ＋ｅ＝１
を同時に満たすｄ、ｅを決定する。
【００２８】
図４に、ｄ、すなわち膜厚約０．３〔μｍ〕のｐ−Ｓｉの光学特性関数の係数の値と粒径の関係を示す。そして、この図４のグラフから、ｅの値が０．３５未満であれば、平均粒径が０．１０〜０．２４〔μｍ〕であることが示される。そして、ＴＦＴ用のｐ−Ｓｉとしては、このような小粒径のｐ−Ｓｉは移動度が低いため不適である。このようにして、良品と不良品を短時間に高精度に見分けることができる。
【００２９】
なお、ｐ−Ｓｉのｋ（λ）、ｎ（λ）を表現する際に、第３の関数として、ａ−Ｓｉの屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を示す関数として、ｋ_a-Si（λ）、ｎ_a-Si（λ）を用いて、
ｋ（λ）＝ｄ＊ｋ１（λ）＋ｅ＊ｋ２（λ）＋ｆ＊ｋ_a-Si（λ）
ｎ（λ）＝ｄ＊ｎ１（λ）＋ｄ＊ｎ２（λ）＋ｆ＊ｎ_a-Si（λ）
ｄ＋ｅ＋ｆ＝１
とする方法も、ＥＬＡ法により２種類の照射エネルギーで形成し、少なくとも膜厚約０．３〔μｍ〕のｐ−Ｓｉの関数を使う点で効果は同等である。
【００３０】
次に、第３の実施の形態を、図５のグラフを参照して説明する。
【００３１】
この第３の実施の形態の評価対象すなわち測定の対象となる検査試料は、ガラス基板上に、約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５５〔ｎｍ〕のｐ−Ｓｉを積層した構造のｐ−Ｓｉの検査方法である。また、このｐ−Ｓｉは、ＥＬＡ法により形成された膜である。
【００３２】
まず、この時点で、ｐ−Ｓｉ膜の平均粒径、表面凹凸が異なる２種類の標準試料の標準試料およびａ−Ｓｉの試料を作製する。また、これら標準試料は、検査試料と同じ構造であることが望ましい。そして、本実施の形態では、ガラス基板上に、約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５０〔ｎｍ〕のａ−Ｓｉを積層した構造の試料に、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いたＥＬＡ法により形成したｐ−Ｓｉを用いる。この際、例えば、照射エネルギーはそれぞれ約３４２〔ｍＪ／ｃｍ^２〕、３０５〔ｍＪ／ｃｍ^２〕として２６回照射し、ｐ−Ｓｉの平均粒径をそれぞれ約０．５２〔μｍ〕、約０．３１〔μｍ〕、表面凹凸をそれぞれ約２２〔ｎｍ〕、約５３〔ｎｍ〕とする。また、これら平均粒径および表面凹凸は、走査型電子顕微鏡などにより確認する。さらに、この実施の形態では、ガラス基板上に、約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５５〔ｎｍ〕のａ−Ｓｉを積層した構造の試料を準備する。
【００３３】
次に、これら標準試料について、分光エリプソメータを用いて偏光特性を測定する。そして、この偏光特性の解析により、ａ−Ｓｉおよびそれぞれのｐ−Ｓｉのｎ（屈折率）、ｋ（減衰係数）の波長依存性を算出する。その結果、得られた各標準試料のｎ（屈折率）の波長依存性をｎ_ａ−Ｓｉ（λ）、ｎ５（λ）、ｎ６（λ）、ｋ（減衰係数）の波長依存性をｋ_ａ−Ｓｉ（λ）、ｋ５（λ）、ｋ６（λ）という関数で表す。
【００３４】
次に、粒径を測定したいｐ−Ｓｉ、すなわち、ガラス基板上に約５０〔ｎｍ〕のＳｉＮｘ、約１００〔ｎｍ〕のＳｉＯｘ、約５５〔ｎｍ〕のｐ−Ｓｉを積層した検査試料をＥＬＡ法により製造し、分光エリプソメータを用いて偏光特性を測定する。
【００３５】
そして、この偏光特性から算出した屈折率の波長依存性、滅衰係数の波長依存性を、それぞれｋ（λ）、ｎ（λ）という関数で表すことにする。そして、このｋ（λ）、ｎ（λ）を標準試料のｎ_a-Si（λ）、ｎ５（λ）、ｎ６（λ）、ｋ_a-Si（λ）、ｋ５（λ）、ｋ６（λ）という関数で表し、
ｋ（λ）＝ｇ＊ｋ３（λ）＋ｈ＊ｋ４（λ）＋ｉ＊ｋ_a-Si（λ）
ｎ（λ）＝ｇ＊ｎ３（λ）＋ｈ＊ｎ４（λ）＋ｉ＊ｎ_a-Si（λ）
ｇ＋ｈ＋ｉ＝１
を同時に満たすｇ、ｈ、ｉを決定する。
【００３６】
図５に、ｈ、すなわち膜厚約０．３〔μｍ〕のｐ−Ｓｉの光学特性関数の係数の値と粒径の関係を示す。そして、この図５のグラフから、ｈの値が０．３未満であれば、平均粒径が０．２５〜０．４５〔μｍ〕であることが示される。そして、このような粒径のｐ−Ｓｉは移動度が適度に高く、ＴＦＴ用のｐ−Ｓｉとして非常に適している。このようにして、良品と不良品を短時間に高精度に見分けることができる。
【００３７】
なお、ｐ−Ｓｉのｋ（λ）、ｎ（λ）を表現する際に、第３の関数として、ａ−Ｓｉの屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を示す関数として、ｋ_a-Si（λ）、ｎ_a-Si（λ）を導入したが、この関数を用いなくとも充分な検査が可能である。また、第４の関数、第５の関数を導入し、平均が０．２５〜０．４５〔μｍ〕の粒径を判別するという効果を得ることもできる。
【００３８】
このように、各実施の形態の多結晶シリコン薄膜の検査方法によれば、分光エリプソメータによる屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性の測定を用い、評価試料とは平均粒径・表面凹凸が異なる標準試料の作成、測定の後に、検査対象となる評価試料を作成、測定することにより、光学的な測定結果の定量化が可能になり、評価試料について、５秒程度の短時間の測定で、非破壊、非接触、高精度で、ｐ−Ｓｉの平均粒径を測定し、移動度などを算出して、良品と不良品を短時間に高精度に見分けることができる。そこで、例えば、薄膜トランジスタ、液晶表示装置などの品質管理を短時間に高精度にでき、製造効率を向上できる。
【００３９】
また、互いに粒径の異なる複数の標準試料を用いることにより、高精度に粒径を測定できる。さらに、平均粒径が約０．３〔μｍ〕の標準試料を用い、あるいは、約０．３〔μｍ〕と約０．５〔μｍ〕との標準試料を用いることにより、ｐ−ＳｉＴＦＴ−ＬＣＤで用いられている平均結晶粒径が０．２５〜０．４５〔μｍ〕のｐ−Ｓｉを精度良く選定でき、ｐ−Ｓｉの製造工程の品質管理に適用することにより、タイムタクトを改善し、製造コストを低減できる。
【００４０】
なお、上記の各実施の形態では、標準試料について、多結晶シリコンあるいは非晶質シリコンの屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を比較したが、結晶質シリコンの屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性をあわせて測定することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の多結晶半導体膜の検査方法によれば、標準試料を形成、測定し、次いで、検査対象となる評価試料を形成、測定することにより、光学的な測定結果の定量化が可能になり、非破壊かつ非接触で、短時間に高精度で粒径を測定できる。さらに、多結晶シリコン薄膜をエネルギービームアニール法を用いて形成し、分光エリプソメータを用いて屈折率の波長依存性および減衰係数の波長依存性を測定することにより、短時間に高精度の粒径の測定が可能になり、例えば、薄膜トランジスタ、液晶表示装置などの品質管理を短時間に高精度にでき、製造効率を向上できる。また、互いに粒径の異なる複数の標準試料を用いることにより、高精度に粒径を測定できる。さらに、平均粒径が約０．３〔μｍ〕の標準試料を用い、あるいは、約０．３〔μｍ〕と約０．５〔μｍ〕との標準試料を用いることにより、平均結晶粒径が０．２５〜０．４５〔μｍ〕の多結晶シリコン薄膜を精度良く選定でき、製造効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多結晶半導体膜の検査方法の第１の実施の形態を示す、ｐ−Ｓｉ（多結晶シリコン）を、０．５１，０．０８〔μｍ〕ｐ−Ｓｉで表現したときの０．５〔μｍ〕ｐ−Ｓｉ成分比率とｐ−Ｓｉ平均粒径との関係のグラフである。
【図２】ガラス、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ｐ−Ｓｉを積層した構造の屈折率の波長依存性であるｋ値のＳｉＮｘ膜厚依存性を示すグラフである。
【図３】ガラス、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ｐ−Ｓｉを積層した構造の屈折率の波長依存性であるｋ値のＳｉＯｘ膜厚依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の多結晶半導体膜の検査方法の第２の実施の形態を示すｐ−Ｓｉを０．３４，０．１９〔μｍ〕ｐ−Ｓｉで表現したときの０．３〔μｍ〕ｐ−Ｓｉ成分比率とｐ−Ｓｉ平均粒径との関係のグラフである。
【図５】本発明の多結晶半導体膜の検査方法の第３の実施の形態を示すｐ−Ｓｉを０．３４，０．５２〔μｍ〕ｐ−Ｓｉおよびａ−Ｓｉで表現したときの０．３〔μｍ〕ｐ−Ｓｉ成分比率とｐ−Ｓｉ平均粒径との関係のグラフである。
【図６】ｐ−ＳｉＴＦＴの移動度とｐ−Ｓｉの平均粒径との関係を示すグラフである。
【図７】ｐ−Ｓｉをａ−Ｓｉとｃ−Ｓｉとの混合物として現した場合のｐ−Ｓｉの平均粒径とｐ−Ｓｉの組成比率との関係を示すグラフである。
【図８】ｐ−Ｓｉを、ａ−Ｓｉ、ｐ−Ｓｉおよびｃ−Ｓｉの混合物として現した場合のｐ−Ｓｉの平均粒径とｐ−Ｓｉの組成比率との関係をを示すグラフである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for inspecting a polycrystalline semiconductor film for measuring the grain size of the polycrystalline semiconductor film.
[0002]
[Prior art]
Polycrystalline silicon (poly-Si) (hereinafter, p-Si) TFT using (Thin Film Transistor) (hereinafter, p-SiTFT) is non AkiraTadashishi silicon (hereinafter, a-Si) was used TFT ( Hereinafter, it has an advantage that the mobility is about 10 to 100 times higher than that of a-Si TFT). Therefore, in a liquid crystal display device (LCD) or the like, not only a p-Si TFT is used as a pixel switching element but also a peripheral drive circuit, and a drive circuit in which a pixel TFT and a drive circuit TFT are simultaneously formed on the same substrate. Research and development of body-type TFT-LCDs are actively conducted. At this time, as shown in FIG. 6, the particle diameter and the mobility of the crystals of p-SiTFT, as the particle size is large, the mobility is high, there is a correlation that, to measure the size of the particle size However, it is a big issue.
[0003]
Conventionally, for the size of the particle diameter of the crystal, after selectively removing the grain boundary by an etching such as Secco etching, by using a scanning electron microscope (FE-SEM) to measure the particle size, or, While the cross section cut along the substrate thickness direction has been performed the observation using a transmission electron microscope (TEM), these methods have a problem that it takes at least 2 hours or more to the observation of the particle size . In addition, although the particle size can be observed with an atomic force microscope (AFM), it has a problem that it takes about 30 minutes for one point of observation and particle size analysis.
[0004]
In this respect, non-destructive and non-contact measurement is possible in a short time, and particle size analysis using a spectroscopic ellipsometer with a measurement time as short as about 5 seconds per point is conceivable, but for p-Si analysis It is difficult to construct an analysis model, that is, it is difficult to quantify the particle size, mobility, and the like. In particular, p-Si produced by the excimer laser annealing (ELA) method has a problem that, depending on the production conditions, irregularities with a film thickness order of, for example, about 50 [nm] appear on the surface, which makes it difficult to quantify. is doing.
[0005]
For example, when a drive circuit integrated TFT-LCD is produced, the average particle size of p-Si is suitably around 0.25 to 0.45 [μm]. This is because when the particle size is less than 0.25 [μm], the mobility is less than 60 [cm ² / Vs] in an n-channel low-concentration impurity layer thin film transistor (n-chLDD one TFT), and the 12-inch class or more. On the other hand, when a large crystal having a particle size of 0.5 [μm] or more is used, the TFT mobility is high and the current value is too large, so that the TFT deteriorates with time. is there. Therefore, it is desirable that the p-Si of the TFT-LCD integrated with the drive circuit is manufactured to have a particle size in the vicinity of 0.25 to 0.45 [μm]. It was not possible to measure with. For example, with a conventional technique, as shown in FIG. 7, when p-Si is expressed as a mixture of a-Si and c-Si (crystalline silicon), the average particle size of p-Si and p-Si The method using the relationship with the composition ratio, and as shown in FIG. 8, the average particle diameter of p-Si and p when p-Si is expressed as a mixture of a-Si, p-Si and c-Si. -All the methods using the relationship with the composition ratio of Si have the problem that there is no reproducibility in samples with different film thicknesses of plus or minus 5%, and the accuracy that can be used for measuring the particle size cannot be realized. Yes. This is because both the film thickness and film quality are calculated simultaneously as parameters during analysis. That is, if only the film thickness is determined, the film quality is different from that of the actual sample, and further, there is a problem that if the film quality is calculated using the obtained film thickness, it is necessary to calculate the film thickness once again.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional method, in particle size analysis using a spectroscopic ellipsometer, it is difficult to quantify the particle size, mobility, etc., and it is difficult to measure the particle size with high accuracy in a short time. have.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a method for inspecting a polycrystalline semiconductor film capable of measuring the grain size of the polycrystalline semiconductor film in a short time with high accuracy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Inspection method of the polycrystalline semiconductor film of the present invention, the optical standard polycrystalline semiconductor film is a specimen was formed, the wavelength dependency of the wavelength dependence and the damping coefficient of the refractive index of the standard specimen in a predetermined way with measured is calculated, the measured particle size, the is an evaluation specimen to be inspected in a predetermined way polycrystalline semiconductor film is formed, the evaluation specimen of wavelength dependence and attenuation coefficient of the refractive index the wavelength dependence optically measured to calculate a standard specimen having a refractive index wavelength dependence and damping coefficient of the wavelength dependence and the evaluation specimen of wavelength dependence and damping coefficient of the wavelength dependence of the refractive index of the compared bets, and calculates the particle size of the evaluation specimen. Then, in this configuration, forming the standard specimen was measured, and then, forming an evaluation specimen to be tested, by measuring, it enables quantification of optical measurement, non-destructive and non-contact Thus, it is possible to measure the particle size with high accuracy in a short time.
[0009]
Furthermore, the polycrystalline silicon thin film was formed by using an energy beam annealing method, by measuring the wavelength dependency and the damping coefficient of the wavelength dependence of the refractive index using a spectroscopic ellipsometer, a high-precision particle size of the short For example, quality control of a thin film transistor, a liquid crystal display device, and the like can be performed with high accuracy in a short time.
[0010]
Also, by using a plurality of different standard specimen particle sizes from each other, it is possible to measure the particle diameter of the high precision.
[0011]
Further, the average particle diameter using a standard specimen of about 0.3 [μm], or by using standard specimen of about 0.3 [μm] and 0.5 [μm], the average crystal grain A polycrystalline silicon thin film having a diameter of 0.25 to 0.45 [μm] is selected with high accuracy, and the manufacturing efficiency is improved.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a polycrystalline silicon thin film inspection method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
First, a first embodiment will be described with reference to the graphs of FIGS.
[0014]
An inspection sample to be evaluated, that is, a measurement target in the first embodiment is a SiNx of about 50 [nm], SiOx of about 100 [nm], and p-Si of about 55 [nm] on a glass substrate. This is a method for inspecting p-Si having a structure in which layers are stacked. The p-Si is a film formed by the ELA method.
[0015]
First, at this time, two kinds of standard samples having different average particle diameters and surface irregularities of the p-Si film are prepared. Moreover, it is desirable that these standard samples have the same structure as the inspection sample. In this embodiment, a XeCl excimer laser is applied to a sample having a structure in which about 50 [nm] SiNx, about 100 [nm] SiOx, and about 55 [nm] a-Si are stacked on a glass substrate. The p-Si formed by the ELA method used is used. In this case, for example, the irradiation energy is about 340 [mJ / cm ² ] and 370 [mJ / cm ² ] for 26 times, respectively, and the average particle size of p-Si is about 0.51 [μm] and about 0, respectively. 0.08 [μm] and surface irregularities of about 21 [nm] and about 12 [nm], respectively. Here, the grain size of p-Si formed with high irradiation energy is smaller because crystal nuclei formed at the P-Si / SiOx interface are completely melted. Further, these average particle diameter and surface irregularity are confirmed by a scanning electron microscope or the like.
[0016]
Next, the polarization characteristics of these standard samples are measured using a spectroscopic ellipsometer. By analysis of the polarization characteristics, n (refractive index) of each of the p-Si, and calculates the wavelength dependence of k (attenuation coefficient). As a result, the wavelength dependency of n (refractive index) of each standard sample obtained is referred to as n1 (λ), n2 (λ), and the wavelength dependency of k (attenuation coefficient) as k1 (λ) and k2 (λ). Expressed as a function.
[0017]
Next, p-Si whose particle size is to be measured, that is, a test sample in which SiNx of about 50 [nm], SiOx of about 100 [nm], and p-Si of about 55 [nm] are laminated on a glass substrate is ELA. The polarization characteristics are measured using a spectroscopic ellipsometer.
[0018]
In addition, as for the measurement energy range in the case of this measurement, 2.0-5.0 [eV] is desirable. This is because many commercially available devices can measure a range of 1.5 to 5.0 [eV], but the range of 1.5 to 2.0 [eV] is shown in the graph and FIG. This is because, as shown in the graph 3, it has been found that the film is affected by variations in the film thickness of SiOx and SiNx serving as the base of P-Si.
[0019]
The wavelength dependency of the refractive index and the wavelength dependency of the extinction coefficient calculated from the polarization characteristics are expressed by functions k (λ) and n (λ), respectively. The k (λ) and n (λ) are represented by the standard samples n1 (λ), n2 (λ), k1 (λ), and k2 (λ),
k (λ) = a * k1 (λ) + b * k2 (λ)
n (λ) = a * n1 (λ) + b * n2 (λ)
a + b = 1
A and b satisfying are simultaneously determined.
[0020]
FIG. 1 shows the relationship between the particle size of a and the coefficient value of the optical characteristic function of p-Si having a film thickness of about 0.5 [μm]. From the graph of FIG. 1, it can be seen that if the value of a is less than 0.4, it is a microcrystalline region of about 0.08 [μm] that is generated because the irradiation energy is too high. As p-Si for TFT, p-Si having such a small particle diameter is not suitable because of its low mobility. In this way, good products and defective products can be distinguished with high accuracy in a short time.
[0021]
When expressing k (λ) and n (λ) of p-Si, as a third function, k is a function indicating the wavelength dependence of the refractive index of a-Si and the wavelength dependence of the attenuation coefficient. _{Using a-Si} (λ) and n _a-Si (λ),
k (λ) = a * k1 (λ) + b * k2 (λ) + c * ka _-Si (λ)
n (λ) = a * n1 (λ) + b * n2 (λ) + c * na _-Si (λ)
a + b + c = 1
The method is also equivalent in that it uses a p-Si function formed by two types of irradiation energy by the ELA method.
[0022]
Next, a second embodiment will be described with reference to the graph of FIG.
[0023]
The test sample to be evaluated, i.e., the measurement target of the second embodiment, is about 50 [nm] SiNx, about 100 [nm] SiOx, and about 50 [nm] p-Si on a glass substrate. This is a method for inspecting p-Si having a structure in which layers are stacked. The p-Si is a film formed by the ELA method.
[0024]
First, at this time, two kinds of standard samples having different average particle diameters and surface irregularities of the p-Si film are prepared. Moreover, it is desirable that these standard samples have the same structure as the inspection sample. In this embodiment, an XeCl excimer laser is applied to a sample having a structure in which about 50 [nm] SiNx, about 100 [nm] SiOx, and about 50 [nm] a-Si are stacked on a glass substrate. The p-Si formed by the ELA method used is used. In this case, for example, the irradiation energy is about 280 [mJ / cm ² ] and 310 [mJ / cm ² ] for 26 times, respectively, and the average particle size of p-Si is about 0.19 [μm] and about 0, respectively. .34 [μm] and surface irregularities are about 29 [nm] and about 52 [nm], respectively. Further, these average particle diameter and surface irregularity are confirmed by a scanning electron microscope or the like.
[0025]
Next, the polarization characteristics of these standard samples are measured using a spectroscopic ellipsometer. By analysis of the polarization characteristics, n (refractive index) of each of the p-Si, and calculates the wavelength dependence of k (attenuation coefficient). As a result, the wavelength dependence of n (refractive index) of each obtained standard sample is referred to as n3 (λ), n4 (λ), and the wavelength dependence of k (attenuation coefficient) is referred to as k3 (λ) and k4 (λ). Expressed as a function.
[0026]
Next, p-Si whose particle size is to be measured, that is, an inspection sample in which about 50 [nm] SiNx, about 100 [nm] SiOx, and about 50 [nm] p-Si are laminated on a glass substrate is ELA. The polarization characteristics are measured using a spectroscopic ellipsometer.
[0027]
The wavelength dependency of the refractive index and the wavelength dependency of the extinction coefficient calculated from the polarization characteristics are expressed by functions k (λ) and n (λ), respectively. These k (λ) and n (λ) are represented by standard samples n3 (λ), n4 (λ), k3 (λ), and k4 (λ),
k (λ) = d * k3 (λ) + e * k4 (λ)
n (λ) = d * n3 (λ) + e * n4 (λ)
d + e = 1
D and e satisfying
[0028]
FIG. 4 shows the relationship between d and the value of the coefficient of the optical characteristic function of p-Si having a film thickness of about 0.3 [μm] and the particle diameter. Then, the graph of FIG. 4 indicates that if the value of e is less than 0.35, the average particle size is 0.10 to 0.24 [μm]. As p-Si for TFT, p-Si having such a small particle diameter is not suitable because of its low mobility. In this way, good products and defective products can be distinguished with high accuracy in a short time.
[0029]
When expressing k (λ) and n (λ) of p-Si, as a third function, k is a function indicating the wavelength dependence of the refractive index of a-Si and the wavelength dependence of the attenuation coefficient. _{Using a-Si} (λ) and n _a-Si (λ),
k (λ) = d * k1 (λ) + e * k2 (λ) + f * ka _-Si (λ)
n (λ) = d * n1 (λ) + d * n2 (λ) + f * n _a-Si (λ)
d + e + f = 1
The method is also equivalent in that it is formed by two types of irradiation energy by the ELA method and uses a p-Si function having a film thickness of about 0.3 [μm].
[0030]
Next, a third embodiment will be described with reference to the graph of FIG.
[0031]
The test sample to be evaluated, i.e., the measurement target of the third embodiment, is a SiNx of about 50 [nm], a SiOx of about 100 [nm], and a p-Si of about 55 [nm] on a glass substrate. This is a method for inspecting p-Si having a structure in which layers are stacked. The p-Si is a film formed by the ELA method.
[0032]
First, at this point, the average particle size of the p-Si film, the surface irregularities to produce two different samples of the standard specimen contact and a-Si standard samples. Moreover, it is desirable that these standard samples have the same structure as the inspection sample. In this embodiment, an XeCl excimer laser is applied to a sample having a structure in which about 50 [nm] SiNx, about 100 [nm] SiOx, and about 50 [nm] a-Si are stacked on a glass substrate. The p-Si formed by the ELA method used is used. In this case, for example, the irradiation energy is about 342 [mJ / cm ² ] and 305 [mJ / cm ² ] for 26 times, respectively, and the average particle size of p-Si is about 0.52 [μm] and about 0, respectively. .31 [μm] and surface irregularities are about 22 [nm] and about 53 [nm], respectively. Further, these average particle diameter and surface irregularity are confirmed by a scanning electron microscope or the like. Furthermore, in this embodiment, a sample having a structure in which SiNx of about 50 [nm], SiOx of about 100 [nm], and a-Si of about 55 [nm] is laminated on a glass substrate is prepared.
[0033]
Next, the polarization characteristics of these standard samples are measured using a spectroscopic ellipsometer. By analysis of the polarization characteristics, n (refractive index) of a-Si and the respective p-Si, and calculates the wavelength dependence of k (attenuation coefficient). As a result, n of each standard sample obtained wavelength dependency _{n a-Si} of the (refractive index) (λ), n5 (λ ), n6 (λ), k the wavelength dependence of the (attenuation coefficient) _{k a -Si} (λ), k5 (λ), and k6 (λ).
[0034]
Next, p-Si whose particle size is to be measured, that is, a test sample in which SiNx of about 50 [nm], SiOx of about 100 [nm], and p-Si of about 55 [nm] are laminated on a glass substrate is ELA. The polarization characteristics are measured using a spectroscopic ellipsometer.
[0035]
The wavelength dependency of the refractive index and the wavelength dependency of the extinction coefficient calculated from the polarization characteristics are expressed by functions k (λ) and n (λ), respectively. Then, k (λ) and n (λ) are used as standard samples n _a-Si (λ), n5 (λ), n6 (λ), k _a-Si (λ), k5 (λ), k6 (λ )
k (λ) = g * k3 (λ) + h * k4 (λ) + i * ka _-Si (λ)
n (λ) = g * n3 (λ) + h * n4 (λ) + i * n _a-Si (λ)
g + h + i = 1
G, h, and i that satisfy simultaneously are determined.
[0036]
FIG. 5 shows the relationship between the particle size of h, that is, the coefficient value of the optical characteristic function of p-Si having a film thickness of about 0.3 [μm]. The graph of FIG. 5 shows that if the value of h is less than 0.3, the average particle size is 0.25 to 0.45 [μm]. Further, p-Si having such a particle size has a moderately high mobility and is very suitable as p-Si for TFT. In this way, good products and defective products can be distinguished with high accuracy in a short time.
[0037]
When expressing k (λ) and n (λ) of p-Si, as a third function, k is a function indicating the wavelength dependence of the refractive index of a-Si and the wavelength dependence of the attenuation coefficient. _{Although a-Si} (λ) and na _-Si (λ) have been introduced, sufficient inspection is possible without using this function. Further, by introducing the fourth function and the fifth function, it is possible to obtain the effect of discriminating the particle diameter having an average of 0.25 to 0.45 [μm].
[0038]
Thus, according to the inspection method of the polycrystalline silicon thin film according to the embodiments, using the measurement of the wavelength dependence of the wavelength dependence and the damping coefficient of the refractive index by spectroscopic ellipsometer, the average particle size evaluation specimen creating and surface irregularities of different standard samples, after measurement, creating an evaluation specimen to be tested, by measuring, it enables quantification of optical measurement, evaluation specimen, approximately 5 seconds By measuring the average particle size of p-Si with non-destructive, non-contact, high-accuracy and calculating mobility etc., it is possible to distinguish between good and defective products in a short time with high accuracy. it can. Therefore, for example, quality control of a thin film transistor, a liquid crystal display device, and the like can be performed with high accuracy in a short time, and manufacturing efficiency can be improved.
[0039]
Also, by using a plurality of different standard specimen particle sizes from each other can be measured particle size with high accuracy. Moreover, using a standard specimen having an average particle size of about 0.3 [μm], or by using about 0.3 [μm] and a standard specimen of approximately 0.5 [μm], p-SiTFT -The p-Si with an average crystal grain size of 0.25 to 0.45 [μm] used in LCD can be selected with high accuracy, and the time tact can be reduced by applying it to the quality control of the manufacturing process of p-Si. Improve and reduce manufacturing costs.
[0040]
In the above embodiments, the standard specimen, polycrystalline silicon, or has been compared the wavelength dependence of the wavelength dependence and the damping coefficient of the refractive index of amorphous silicon, the refractive index of the crystalline silicon It can be measured together the wavelength dependence of the wavelength dependence and the attenuation coefficient.
[0041]
【The invention's effect】
According to the inspection method of the polycrystalline semiconductor film of the present invention, forming the standard specimen was measured, and then, forming an evaluation specimen to be tested, by measuring, enables quantification of the optical measurement results Therefore, the particle size can be measured with high accuracy in a short time without breaking and non-contacting. Furthermore, the polycrystalline silicon thin film was formed by using an energy beam annealing method, by measuring the wavelength dependency and the damping coefficient of the wavelength dependence of the refractive index using a spectroscopic ellipsometer, a high-precision particle size of the short For example, quality control of a thin film transistor, a liquid crystal display device, and the like can be performed with high accuracy in a short time, and manufacturing efficiency can be improved. Also, by using a plurality of different standard specimen particle sizes from each other can be measured particle size with high accuracy. Further, the average particle diameter using a standard specimen of about 0.3 [μm], or by using standard specimen of about 0.3 [μm] and 0.5 [μm], the average crystal grain A polycrystalline silicon thin film having a diameter of 0.25 to 0.45 [μm] can be selected with high accuracy, and manufacturing efficiency can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows p-Si (polycrystalline silicon) in a first embodiment of a method for inspecting a polycrystalline semiconductor film according to the present invention expressed as 0.51, 0.08 [μm] p-Si. It is a graph of the relationship between a 0.5 [micrometer] p-Si component ratio and p-Si average particle diameter.
FIG. 2 is a graph showing the SiNx film thickness dependence of the k value, which is the wavelength dependence of the refractive index of a structure in which glass, SiNx, SiOx, and p-Si are laminated.
FIG. 3 is a graph showing the dependence of the k value on the SiOx film thickness, which is the wavelength dependence of the refractive index of a structure in which glass, SiNx, SiOx, and p-Si are laminated.
FIG. 4 shows 0.3 [μm] when p-Si representing a second embodiment of the method for inspecting a polycrystalline semiconductor film of the present invention is expressed by 0.34, 0.19 [μm] p-Si. ] A graph showing the relationship between the p-Si component ratio and the p-Si average particle diameter.
FIG. 5 shows 0 when p-Si representing the third embodiment of the method for inspecting a polycrystalline semiconductor film of the present invention is expressed by 0.34, 0.52 [μm] p-Si and a-Si. .3 [μm] p-Si component ratio and p-Si average particle size.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the mobility of p-Si TFTs and the average particle diameter of p-Si.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the average particle diameter of p-Si and the composition ratio of p-Si when p-Si is expressed as a mixture of a-Si and c-Si.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the average particle diameter of p-Si and the composition ratio of p-Si when p-Si is expressed as a mixture of a-Si, p-Si and c-Si. .

Claims

Forming a polycrystalline semiconductor film, which is a standard specimen in a predetermined way,
The wavelength dependence of the attenuation coefficient and the wavelength dependence of the refractive index of the standard specimen as well as measures calculated optically, measuring a particle size,
Forming said an evaluation specimen to be inspected in a predetermined way polycrystalline semiconductor film,
A step of the evaluation specimen of refractive index wavelength dependence and damping coefficient of the wavelength dependency of the optically measured calculated,
By comparing the standard specimen in the refractive index of the wavelength dependence and the damping coefficient of the wavelength dependence and the evaluation specimen of refractive index wavelength dependence of wavelength dependence and attenuation coefficient of the evaluation specimen A method for inspecting a polycrystalline semiconductor film, comprising: a step of calculating a grain size.

The polycrystalline semiconductor film is a polycrystalline silicon thin film,
For the formation of this polycrystalline silicon thin film, an energy beam annealing method is used,
For the measurement of the wavelength dependence of the wavelength dependence and the damping coefficient of the refractive index, the inspection method of the polycrystalline semiconductor film according to claim 1, characterized by using a spectroscopic ellipsometer.

Inspection method of the polycrystalline semiconductor film of claim 1, wherein the use of different standard specimen particle sizes from each other.

Inspection method of the polycrystalline semiconductor film according to any one of claims 1 to 3 mean particle size is characterized by using a standard specimen of about 0.3 [μm].

Claims 1, characterized by using a standard specimen of the standard specimen and the average particle size of about 0.5 with an average particle size of about 0.3 [μm] [μm] 4 polycrystalline semiconductor according to any one Membrane inspection method.