JP4098377B2 - 多結晶半導体膜の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子等に用いられている多結晶半導体膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子に用いられる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ以下ＴＦＴ）は通常石英基板あるいはガラス基板上に形成した多結晶半導体膜に形成される。
【０００３】
多結晶半導体薄膜の移動度等の半導体特性は、結晶粒が大きいほど向上するため、基板が耐熱性の石英ガラスの場合や、または太陽電池のように基板のダメージが使用上問題にならない場合には、基板上のａ−Ｓｉ膜を基板ごと加熱し融解して多結晶化する各種の方法が用いられる。しかしながら、石英基板は非常に高価であり、その結果ＴＦＴのコストが高くなる。従って従来のＴＦＴはガラス基板上に形成されている。ここで液晶表示素子のＴＦＴ素子として多結晶Ｓｉを用いる場合には、ガラス基板上に多結晶Ｓｉが形成されるため、ガラスの変形や歪みを生じる長時間の高温アニール（例えば５５０〜６００℃の低温の窒素雰囲気中で８時間〜５６時間加熱）をすることができず、ａ−Ｓｉのみを加熱溶解して多結晶化できるエキシマレーザーアニールが通常行われている。
【０００４】
エキシマレーザーアニールは、数１０ｎ秒のレーザーパルスをａ−Ｓｉ膜表面に照射することにより、ａ−Ｓｉ膜のみを融解できるが、基板への熱拡散が非常に速いため、固化時間が短く結晶粒が大きく成長することができないという問題がある。大きな結晶粒を成長させるためには固化時間を長くする必要があり、レーザーのパルス長を長くしたり、複数のレーザーを用いた多重パルスにより熱入力時間を長くすることによりある程度可能であるが、単一のパルスの長さは数倍程度にしか延ばせず、大幅に固化時間を拡大することは不可能である。また複数本のレーザーを用いる多重パルス法は、原理的に有効な方法であるが、不安定な多くのレーザーを同時に制御することは事実上不可能である。
【０００５】
また簡易な方法として、ガラスに影響のない程度の温度（３００〜５００℃）まで基板を加熱した状態で、レーザー照射し固化時間をある程度延ばせるが、この方法の場合、半導体の融点の近くまで加熱しないと大きな効果がなく、ガラス基板の使用上での耐熱温度である３００〜５００℃程度では大幅に固化時間を延ばすことはできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、従来のパルスレーザーアニールでは固化時間が短く結晶粒が大きく成長できないという問題があった。
即ち、パルスレーザーアニールによる多結晶半導体膜の製造において、大型の結晶粒を有する多結晶半導体膜を成長させるために、レーザー照射後の溶融状態から固化・多結晶化するまでの固化時間を長くする必要がある。このために、本発明ではレーザー光の吸収により半導体膜が融解した状態の時のみ、膜からの放熱量より少ない熱量が融解した膜へ供給されるようにし、固化時間を延ばすことのできる多結晶半導体膜の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は電磁誘導法または通電法により半導体膜内に高周波または定電圧の電界を形成することにより、電気抵抗の高い固体状態の半導体膜には電流が流れず熱が発生せず、高エネルギービームを照射して融解状態の半導体膜部分のみに電流が流れ熱を発生させることにより、高エネルギービーム照射だけの場合よりも半導体膜の融解状態を長く保持して固化時間を延ばし、大結晶粒を持つ多結晶半導体膜を製造する。
【０００８】
高エネルギーパルスビームを照射した半導体膜の固化過程を図１に示す。（ａ）はパルスビームにより半導体薄膜を瞬間的に加熱したことを示している。（ｂ）では瞬間的な加熱により昇温した半導体膜の状態を示し、時間Ｏでは半導体膜温度は融点に達しており、膜は液体となっている。時間Ｓでは固体状態でありＯ〜Ｓの間は固体と液体が共存している。この際の放熱速度と時間の関係を（ｃ）に示す。即ち、ビーム照射直後からの急激な熱拡散による放熱速度Ｄで、膜の潜熱量Ｍと放熱総量が等しくなる。（Ｄ・Ｓ₀ ＝Ｍ、Ｓ₀ ：固化時間）まで固液共存状態を経て固体状態時間Ｓ₀ に戻る。固液状態変化により半導体膜の抵抗率の変化を、図２に示す。横軸がシリコンの温度、縦軸がシリコンの抵抗率である。シリコンは１４２０℃付近で固体から液体に変化しており、抵抗率は５×１０^-2［Ω・ｃｍ］から１×１０^-4［Ω・ｃｍ］と低下する。さらに図３にＳｉ中の不純物濃度と抵抗率との関係を示す。室温下の固体（不純物濃度≦１０¹⁷ｃｍ^-3）では、例えば不純物濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型Ｓｉで抵抗率は１Ω・ｃｍとなっている。つまり高エネルギービーム未照射部のシリコン固体（〜室温）に対する照射部のシリコン融解部との抵抗率は１［Ω・ｃｍ］から１×１０^-4［Ω・ｃｍ］と１／１００００になることが判る。
【０００９】
ところで、定電圧（Ｅ（Ｖ））を印加した抵抗体（Ｒ（Ω））に単位時間当たり発生する熱量は、Ｑ＝Ｉ・Ｅ＝Ｅ² ／Ｒとなる（Ｉ（Ａ））は抵抗体に流れる電流）。したがって、固体と液体の半導体膜に同電圧を印加した場合に、発生する熱量比ｒは、液体と固体の半導体の抵抗値比をＳ（液体／固体）とすると、ｒ＝Ｓとなることが判る。シリコンの場合には、室温の固体の抵抗値に比べ融点下の液体では４桁近くも電気抵抗が低いことから、発熱量も液体の方が固体に比べ１００００倍にもなることが判る。
【００１０】
つまり半導体膜を適当な電界中で、高エネルギーパルスビームを照射した場合に、ビーム照射により融解した半導体膜のみが固体部に比べ効率的に加熱されることになる。
【００１１】
発生熱量は、電界Ｅの二乗に比例することから、適当な電界を選ぶことにより、液体と固体の発生熱量を制御することは可能であり、融液中に発生する熱量を、放熱量より僅かに小さくすることにより、液体状態のシリコンを徐々に固化させることができ、融解状態の持続時間つまり固化時間を延ばすことが可能である。
【００１２】
次に、電界の印加により延長される固化時間を、（１）定電界の場合と（２）定発熱の場合、について算出する。
（１）定電界印加の場合
定電界の場合について、固化過程における半導体膜の発熱と温度変化を図４に示す。
【００１３】
半導体膜の融液と固体の電気抵抗をそれぞれＲ_L とＲ_S に、放熱速度をＤに、電界下での固化時間をＳにした。固化開始時のためには、放熱速度Ｄよりも発熱速度（Ｅ² ／Ｒ_L ）が小さい必要があるため、加熱用の電界強度の上限はＥ＜ （ＤＲ_L ）となる。固化にともない、半導体膜の抵抗値は（Ｒ_S −Ｒ_L ）×＋Ｒ_L 、（ｘ：固化率（０≦ｘ≦１））に従い上昇（Ｒ_L →Ｒ_S ）し、急激に発熱量Ｑは低下するため、Ｍ＝ＤＳ−Ｑとなる固化時間の上限はＳ＜２Ｓ₀ となる。つまり定電界印加では固化時間を最大で２倍近くまで延長できる。この場合の半導体膜の冷却速度はＤ−Ｅ² ／｛（Ｒ_S −Ｒ_L ）ｘ＋Ｒ_L ｝であることから、固化の進行とともに増加することが判る。
（２）電界制御による定発熱の場合
固化時間内で一定の熱が発生するように印加する電界強度を制御した場合について図５を用いて説明する。融点下での放熱速度を一定と過程すると、定発熱の場合には、固化中の半導体膜の冷却速度は、常に一定になる。このような定発熱条件を実現するための電界強度の時間変化、レーザー照射後からの時間をｔ、半導体膜の潜熱量Ｍとすると、Ｅ² ＝（Ｄ−Ｍ／Ｓ）｛（Ｒ_S −Ｒ_L ）ｔ／Ｓ＋Ｒ_L ｝の関係式から算出され、電界、放熱・発熱速度と、温度変化の関係は図５に示したとおりである。つまり電界強度をレーザー照射に同期して２次関数的に制御すれば、任意の固化時間を得られるとともに、任意の冷却速度が得られることが判る。
【００１４】
半導体膜に電界を発生させる方法としては、通電加熱法または電磁誘導法があるが、前者の場合には高エネルギービーム内部に通電域を形成しなくてはならないが、後者は高周波電界内に試料を置くだけで良く、さらにガラス基板は絶縁体であり、透磁率も高いことから半導体膜の付いていない裏面側に誘導コイルを設置することにより、レーザー照射の妨害にならない。
【００１５】
また両方とも、上記の（２）に示したように、電界強度を高エネルギーパルスビーム照射に同期させ変動させることにより、融液内に発生する熱量を制御することによって固化時間と冷却速度を任意に選定することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
【００１７】
【実施例１】
以下、本発明の実施例を図６に基づいて説明する。図６は、本発明の多結晶半導体膜の製造法を実施するレーザー照射装置と電磁誘導加熱装置の配置図を示した模式図である。単一光源からの高エネルギービーム（本実施例ではエキシマパルスレーザービームを使用）１が、ガラス基板２上に半導体膜３に、垂直に照射される。高エネルギービーム照射部のガラス基板下には誘導加熱コイル４が、配置されており、コイルには高周波電源５から高周波電流が流されており、基板自体が高エネルギーパルスビームに同期して移動することにより、基板全体を高エネルギービームの照射と誘導加熱することが可能である。
【００１８】
高エネルギービームの照射により発生した半導体膜の融解部６の抵抗値が低下することにより、誘導加熱コイルにより半導体膜中に発生した交流電界により、半導体膜内に渦電流が流れ、溶融部のみが誘導加熱されることになり、固化時間が延びることになる。誘導加熱からの熱発生速度は、液体状態のシリコンを徐々に固化させる為、融解部の温度を上昇させないほど、つまり放熱速度より小さい必要がある。融解部の発熱速度は、照射部全てが融解した状態の抵抗値が最も低くなり、発熱速度は最大になるため、この時の発熱量が放熱速度を越えないように高周波電界や高周波周波数を設定する必要がある。このような定電圧の定出力の高周波誘導加熱により、固化時間は上限２倍まで延ばすことができ、この固化時間内に成長できる結晶粒の粒径を２倍近くまで大きくすることが可能となり、移動度などのＴＦＴ素子特性を改善することができる。また高周波誘導の電圧や周波数を高エネルギービームの照射と同期して制御し、半導体膜の固化にともなう抵抗値の増加により発熱効率の低下を補い、固化時間中において定発熱状態を維持できるようにすることにより、任意の固化時間を選ぶことができ、さらに大きな結晶粒を成長せしめることが可能になる。
【００１９】
なお、本発明に使用できる高周波帯域は、１ｋＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で可能であり、電界の制御の場合には、１００ｎｓｅｃ程度の固化時間より十分に速い応答が可能な１００ＭＨｚ（１周期：１０ｎｓｅｃ）以上の周波数帯域を使用することが望ましい。
【００２０】
さらに１ＧＨｚ以上のマイクロ波を、導波路を用いて、高エネルギービーム照射領域に照射することにより、誘導加熱と同様な効果（マイクロ波加熱）が得られる。
【００２１】
【実施例２】
以下、本発明の実施例を図７に基づいて説明する。図７は、本発明の多結晶半導体膜の製造方法を実施するレーザー照射装置と通電加熱機構の配置図を示した模式図である。単一光源からの高エネルギービーム（本実施例ではエキシマパルスレーザービームを使用）１が、ガラス基板２上の半導体薄膜３に、垂直に照射される。高エネルギービーム照射部の長辺の両端にあたる半導体薄膜の上または下には、Ａｌなどの金属配線７、８が基板を横断するように成膜されており、この配線には電源９から電圧が印加された状態である。電極を含む電極間の半導体膜に高エネルギービームが照射されることにより、半導体膜が溶融すると、半導体膜の抵抗値が低下し、電極間の半導体膜の溶融部６を通して電流が流れ、溶融半導体膜自身が抵抗加熱される。この発熱量は、印加している電圧の二乗に比例するため、電圧制御可能であり、定電圧の場合には、発熱速度は融点下での放熱速度Ｄよりも小さい必要がある。つまりＤ≧（Ｅ² ／Ｒ_L ）に従い電圧を設定する必要がある。また電圧を高エネルギーパルスビームに同期して制御することにより、半導体膜の固化にともない抵抗値の上昇による発熱量の低下を補い定発熱状態に制御することにより、任意の固化時間まで延ばすことが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体膜を高エネルギーパルスレーザー照射により融解・結晶化して多結晶半導体膜を製造する処理において、固化時間をパルスレーザーのパルスの長さに関わらず、任意に延ばすことができ、大粒径の多結晶半導体膜を安定に製造することができ、多結晶半導体膜の結晶性とＴＦＴ特性を向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 無電界下のレーザー融解半導体膜の固化過程を示す図
【図２】 Ｓｉの抵抗率の温度変化（９００〜１５００℃）を示す図
【図３】 Ｓｉ中の不純物濃度と抵抗率との関係（室温）を示す図
【図４】 定電界下のレーザー融解半導体膜の固化過程を示す図
【図５】 電界制御（定発熱）下のレーザー融解半導体膜の固化過程を示す図
【図６】 本発明の多結晶半導体膜の製造方法を実施するレーザー照射装置と誘導加熱装置の配置図
【図７】 本発明の多結晶半導体膜の製造方法を実施するレーザー照射装置と通電加熱装置の配置図
【符号の説明】
１ エキシマレーザービーム
２ ガラス基板
３ 半導体膜
４ 誘導加熱コイル
５ 高周波電源
６ 溶融部
７ 金属配線
８ 金属配線
９ 電圧制御電源

Claims (8)

1. 非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に、結晶化または結晶性改善のため高エネルギーパルスビームを照射して融解し、電気抵抗率が固体状態に比べ低下した融解部分のみを電磁誘導加熱し、固化時間を延ばすことを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法。
2. 非晶質半導体膜に照射する高エネルギーパルスビームが、非晶質膜または多結晶膜を融解し、液体または固液共存状態にできるエネルギー密度以上であるとともに、電磁誘導加熱が、固体状態の非晶質半導体膜または多結晶半導体膜を融解できない出力以下であり、かつ融点下にある液体状態または固液共存状態の半導体膜の温度を更に上昇させない出力であり、かつその固液共存状態を任意の時間保持できる以上の出力を有することを特徴とする請求項１に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
3. 非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照射する高エネルギーパルスビームの照射領域よりも加熱用に形成される電磁誘導電界領域が広く、高エネルギービームの照射により融解・液化し低抵抗化した部分のみの半導体膜が電磁誘導加熱されることを特徴とする請求項１に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
4. 非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照射する高エネルギーパルスビームと同期して、半導体膜を電磁誘導加熱するために電界または周波数を制御し、固化の進行にともない固化率が変化し高抵抗化することによる発熱効率の低下を補正し、定発熱状態にすることを特徴とする請求項１に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
5. 非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に、結晶化または結晶性改善のため高エネルギーパルスビームを照射して融解し、電気抵抗率が固体状態に比べ低下した融解部分のみを通電加熱し、固化時間を延ばすことを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法。
6. 非晶質半導体膜に照射する高エネルギーパルスビームが、非晶質膜または多結晶膜を融解し、液体または固液共存状態にできるエネルギー密度以上であるとともに、通電加熱が、固体状態の非晶質半導体膜または多結晶半導体膜を融解できない電圧以下であり、かつ融点下にある液体状態または固液共存状態の半導体膜の温度を更に上昇させない電圧であり、かつその液体状態を任意の時間保持できる以上の電圧を有することを特徴とする請求項５に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
7. 非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照射する高エネルギーパルスビームの照射領域と、加熱用に形成される通電領域との重複する半導体膜領域部分のみが、通電加熱されることを特徴する請求項５に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
8. 非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照射する高エネルギーパルスビームと同期して、半導体膜を通電加熱するために電圧を制御し、固化の進行にともない固化率が変化し高抵抗化することによる発熱効率の低下を補正し、定発熱状態にすることを特徴とする請求項５に記載の多結晶半導体膜の製造方法。

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