JP4524413B2 - Crystallization method - Google Patents
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本発明は、液晶、有機EL等の表示装置に用いる被処理基板、薄膜トランジスタおよび表示装置に係り、特にそれらに用いる結晶化方法および結晶化装置に関する。 The present invention relates to a substrate to be processed, a thin film transistor, and a display device used for a display device such as a liquid crystal or an organic EL, and more particularly to a crystallization method and a crystallization device used for them.
液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜など多結晶半導体膜に形成されていた。IT市場の拡大により取り扱う情報は、デジタル化され、高速化されるためこれら情報を表示するための表示装置も高画質化が要求されている。この要求を満足する手段としては、例えば各画素を切換えるスイッチングトランジスタを結晶領域に形成することによりスイッチング速度が高速化され、高画質化が可能となる。 A driving circuit of a display device such as a liquid crystal display device is formed on a polycrystalline semiconductor film such as an amorphous semiconductor film formed on a glass substrate. Since information handled by the expansion of the IT market is digitized and speeded up, a display device for displaying such information is also required to have high image quality. As means for satisfying this requirement, for example, by forming a switching transistor for switching each pixel in the crystal region, the switching speed is increased, and the image quality can be improved.
ガラス基板上に形成された非晶質シリコン層など非単結晶半導体膜を結晶化する手段としては、エキシマレーザアニール法(ELA法)が知られている。しかしながら、このELA法により得られた結晶の粒径は、0.1μm程度であり、この結晶化された領域に薄膜トランジスタ(TFT)を形成した場合、1個の薄膜トランジスタのチャネル領域に多数の結晶粒界が存在することになり、移動度が200cm2/Vs、オン・オフ電流比が107程度と、単結晶Siに形成したMOSトランジスタと比較すると大幅に劣る。結晶粒界数のバラツキにより各薄膜トランジスタの特性にバラツキが発生し特に、一画面内均一な表示が求められる表示装置には、適さない課題がある。
As a means for crystallizing a non-single crystal semiconductor film such as an amorphous silicon layer formed on a glass substrate, an excimer laser annealing method (ELA method) is known. However, the grain size of crystals obtained by this ELA method is about 0.1 μm, and when a thin film transistor (TFT) is formed in this crystallized region, a large number of crystal grains are formed in the channel region of one thin film transistor. will be field exists,
本発明者等は、非晶質シリコン層にレーザ光を照射することにより少なくとも1個の薄膜トランジスタを形成できる程度の大きな結晶粒を形成する技術を開発している。単一の結晶粒内にTFTを形成することにより結晶粒界の悪影響がなく、TFT特性が大幅に改善され、プロセッサ、メモリ、センサなどの機能素子を形成することができる。このような結晶化方法として例えば非特許文献1や非特許文献2に記載された結晶化方法がある。
The present inventors have developed a technique for forming crystal grains large enough to form at least one thin film transistor by irradiating the amorphous silicon layer with laser light. By forming a TFT in a single crystal grain, there is no adverse effect of crystal grain boundaries, TFT characteristics are greatly improved, and functional elements such as a processor, a memory, and a sensor can be formed. As such a crystallization method, for example, there are crystallization methods described in
前者の非特許文献1には、SiON/SiO2膜からなるキャップ膜やSiO2膜からなるキャップ膜を介して非晶質シリコン膜に0.8J/cm2フルエンスの位相変調したレーザ光を照射することにより、キャップ膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。
The former Non-Patent
また、後者の非特許文献2には、基板加熱下でSiO2膜からなるキャップ膜を介して非晶質シリコン膜にホモジナイズし位相変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜の溶融領域をラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。
しかしながら、非特許文献1の方法では、結晶粒径10μm以上の大きな粒径の結晶粒を得ることができるが、大粒径化した結晶粒の近傍に小粒径の微細結晶粒が発生する場合があり、膜組織全体として大粒径の結晶粒を揃えて比較的均一に(すなわち、ち密に)形成したい要求がある。
However, in the method of Non-Patent
また、非特許文献1及び2の方法では、結晶粒を大粒径化させるために、基板の温度に対して、さらに低温又は常温処理の要求がある。例えば図20に示す従来の結晶化装置100では、載置台6に内蔵されたヒータ101により基板5を高温域に加熱しながらレーザ光50を照射する。ヒータ101は、コントローラ103で制御される電源102から給電され、基板5を300〜750℃の温度域に加熱する能力を有している。
In addition, in the methods of
基板加熱温度は例えば500℃を超えることもあるので、汎用ガラス(例えばソーダガラス)やプラスチックなどは加熱により変質や変形を生じやすく、これら汎用ガラスを液晶表示装置(LCD)の基板に採用するためには低温処理は必須条件となる。また、大画面LCDでは軽量化の要望が強いために基板の板厚を薄くする傾向にあり、加熱により変形を生じやすく、薄肉基板の平坦度を確保するためにも低温処理は必須条件となる。 Since the substrate heating temperature may exceed 500 ° C., for example, general-purpose glass (for example, soda glass), plastics, etc. are likely to be altered or deformed by heating, and these general-purpose glasses are used as substrates for liquid crystal display devices (LCD). For this, low temperature treatment is an essential condition. In addition, there is a strong demand for weight reduction in large-screen LCDs, so there is a tendency to reduce the thickness of the substrate, which tends to cause deformation by heating, and low-temperature processing is an indispensable condition to ensure flatness of thin substrates. .
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、大粒径の結晶粒をち密に形成することができ、かつ低温処理の要求を満たすことができる結晶化方法、結晶化装置、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and a crystallization method, a crystallization apparatus, which can form large-sized crystal grains densely and can satisfy the requirements for low-temperature treatment, It is an object to provide a thin film transistor and a display device.
本発明者等は、少なくとも1個の薄膜トランジスタを形成できる程度に大きな結晶粒をち密に形成することに関して鋭意研究した結果、従来の平行パルスレーザ光の照射では結晶粒をち密に大粒径化できないという知見を得た。この原因は厳密な意味では明らかにされていないが、以下に述べるようなことによるものと推察される。 As a result of diligent research regarding the formation of crystal grains that are large enough to form at least one thin film transistor, the present inventors have not been able to increase the crystal grains densely by irradiation with conventional parallel pulse laser light. I got the knowledge. The cause is not clarified in a strict sense, but it is presumed to be as follows.
図21は、位相シフタ4からなる光学系と非単結晶半導体層を有する基板5と、平行パルスレーザ光が位相シフタ4を透過した後の光強度分布を示す特性曲線図である。この光強度分布において最初の逆ピーク波91から次のピーク波92までの成分はラテラル成長に寄与するが、一方、この波形より外側の高次振動波93は逆ピーク波により結晶核が生じて、微細な結晶粒が生成されるために、膜全体として均一かつ、ち密に大粒径の結晶化ができないことがわかった。すなわち、平行パルスレーザ光(ホモジナイズされていない光)では、レーザ光を位相変調した光が高次の振動93を含むために、大粒径の結晶粒をち密に形成することができないことが判明した。
FIG. 21 is a characteristic curve diagram showing the optical intensity distribution after the optical system composed of the
本発明の結晶化方法は、ホモジナイズされたパルスレーザ光を位相変調光学系および絶縁膜として酸化シリコン膜を介して非単結晶半導体膜に入射させることにより比較的大粒径の結晶粒を、ち密に並べて形成することができる。換言すれば、高次振動波93を含まない図1(b)に示すような光強度分布BPをもつ位相変調光学系を透過したレーザ光を非単結晶半導体膜に照射することにより、大粒径の結晶粒をち密(均一)に並べて形成することができる。図1(b)に示す光強度分布BPは、斜視図で三次元的に示すと図1の(c)ようにV字状溝の光強度分布となる。この光強度分布BPは断面逆三角形状のピークパターンを複数有するものである。各断面逆三角形状ピークパターンの光強度分布は振幅PHが等しく、ピッチ間隔PWも等しい。位相変調光学系は、例えば位相シフタである。 According to the crystallization method of the present invention, a homogenized pulse laser beam is incident on a non-single-crystal semiconductor film through a silicon oxide film as a phase modulation optical system and an insulating film, so that relatively large crystal grains are densely packed. Can be formed side by side. In other words, by irradiating the non-single crystal semiconductor film with laser light that has passed through a phase modulation optical system having a light intensity distribution BP as shown in FIG. Crystal grains having a diameter can be formed in a dense (uniform) arrangement. The light intensity distribution BP shown in FIG. 1B is a light intensity distribution of a V-shaped groove as shown in FIG. This light intensity distribution BP has a plurality of peak patterns having an inverted triangular cross section. The light intensity distribution of each inverted triangular peak pattern has the same amplitude PH and the same pitch interval PW. The phase modulation optical system is, for example, a phase shifter.
また、レーザ光に照射された非単結晶半導体膜の溶融部分の凝固開始温度は、対象となる上記半導体膜に固有の物性値を持っている。このことから、本発明者らは、ラテラル成長の開始フルエンスは、上記半導体膜に固有の数値であると考え、パルスレーザのフルエンスによらずほぼ一定値であることを見出した。さらに、ラテラル成長の終了は、冷却速度が成長速度よりも速くなってしまい、成長方向に新規の核発生が生じるような場合だけでなく、瞬間的な加熱によってキャップ膜あるいは上記半導体膜が剥がれてしまうような物理的な要因にも起因することを見出した。特に、剥がれの発生は、上記半導体膜中にあるエネルギ以上が照射された場合に上記半導体膜の剥がれが発生することから逆ピークパターン内のフラットな部分の存在が剥がれに大きく寄与することを見出した。 Further, the solidification start temperature of the melted portion of the non-single-crystal semiconductor film irradiated with the laser light has a physical property value specific to the target semiconductor film. From this, the present inventors considered that the starting fluence of lateral growth is a numerical value unique to the semiconductor film, and found that it was a substantially constant value regardless of the fluence of the pulse laser. Further, the end of the lateral growth is not only when the cooling rate becomes faster than the growth rate and new nucleation occurs in the growth direction, but also the cap film or the semiconductor film is peeled off by instantaneous heating. We found out that it is also caused by physical factors. In particular, the occurrence of peeling is found to occur when the semiconductor film is peeled off when more energy is present in the semiconductor film, and the presence of a flat portion in the reverse peak pattern greatly contributes to peeling. It was.
また、位相変調光学系による最適断面逆三角形状逆ピークパターン光の生成と、適切なキャップ膜の蓄熱効果を利用してラテラル成長距離の基板温度依存性を評価した結果、図8に示すように室温であっても大粒径のSi結晶粒が得られることを見出した。上記最適断面逆三角形状逆ピークパターン光は、断面逆三角形状逆ピークパターンの最大値および最小値を最適に、かつ最大値間の距離が十分大きくする。 In addition, as a result of evaluating the substrate temperature dependence of the lateral growth distance using the generation of the optimal cross-section inverted triangular pattern inverted peak pattern light by the phase modulation optical system and the appropriate heat storage effect of the cap film, as shown in FIG. It has been found that Si crystal grains having a large particle size can be obtained even at room temperature. The optimum cross-section inverted triangular inverted peak pattern light optimizes the maximum and minimum values of the inverted inverted triangle inverted peak pattern and sufficiently increases the distance between the maximum values.
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、以下の構成を有する。 This invention is made | formed based on this knowledge, and has the following structures.
本発明に係る結晶化方法は、レーザ光を発振するタイミングが制御されるレーザ装置と、このレーザ装置から発振されたレーザ光と同一光軸上に配置され入射レーザ光の光強度を均一化するためのホモジナイザと、このホモジナイザと同一光軸上に配置された空間強度変調光学素子と、前記レーザ光の光路に設けられた被処理基板を載置するための載置台と、この載置台上の被処理基板と前記空間強度変調光学素子との間に配置された結像光学系とを有するプロジェクション型結晶化装置を用いて、前記被処理基板に設けられた非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上にキャップ膜を設け、
このキャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に単調増加と単調減少を繰り返す断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光を照射することにより照射部のみを溶融し、降温が開始された後前記照射部の最小となる逆ピーク点の凝固が開始し、この凝固位置が前記断面逆三角形状ピークパターンの勾配に応じて凝固点が移動しラテラル方向に結晶成長させ、
前記載置台と前記レーザ装置からのレーザ光による前記照射位置を相対的に移動させて前記非単結晶半導体膜の予め定められた領域を結晶化することにより前記レーザ光の照射部における最小となる逆ピーク点から結晶化することを特徴とする。
The crystallization method according to the present invention is a laser device in which the timing for oscillating the laser beam is controlled, and is arranged on the same optical axis as the laser beam oscillated from the laser device, and makes the light intensity of the incident laser beam uniform. Homogenizer, a spatial intensity modulation optical element disposed on the same optical axis as the homogenizer, a mounting table for mounting a substrate to be processed provided in the optical path of the laser beam, and a mounting table on the mounting table Using a projection type crystallization apparatus having an imaging optical system disposed between a substrate to be processed and the spatial intensity modulation optical element, laser light is applied to a non-single crystal semiconductor film provided on the substrate to be processed. A crystallization method for crystallizing by irradiation,
A cap film is provided on the laser light incident surface of the non-single crystal semiconductor film,
By irradiating the non-single crystal semiconductor film with the laser beam having a light intensity distribution having a cross-section inverted triangular peak pattern that repeats monotonous increase and decrease through the cap film, only the irradiated portion is melted and temperature drop is started. After that, the solidification of the reverse peak point that becomes the minimum of the irradiation part starts, and the solidification point moves according to the gradient of the cross-section inverted triangular peak pattern, and the crystal grows in the lateral direction,
The irradiation position by the laser beam from the mounting table and the laser device is relatively moved to crystallize a predetermined region of the non-single crystal semiconductor film, thereby minimizing the laser beam irradiation portion. It is characterized by crystallization from the reverse peak point .
本発明に係る結晶化装置は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化装置であって、レーザ光源と、非単結晶半導体膜を有する基板が載置される載置台と、この載置台と前記レーザ光源との間に設けられ、入射角度および光強度に関して前記レーザ光を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザと前記載置台との間に設けられ、前記ホモジナイザで均一化されたレーザ光を位相変調する部分を複数有する位相変調光学系と、を具備することを特徴とする。 A crystallization apparatus according to the present invention is a crystallization apparatus for crystallization by irradiating a non-single crystal semiconductor film with a laser beam, on which a laser light source and a substrate having the non-single crystal semiconductor film are placed. And a homogenizer that is provided between the mounting table and the laser light source and homogenizes the laser light with respect to an incident angle and light intensity, and is provided between the homogenizer and the mounting table, and is homogenized by the homogenizer. And a phase modulation optical system having a plurality of portions for phase-modulating the laser beam.
本発明に係る被処理基板は、絶縁体、半導体、金属のうち少なくとも一つの材料からなる基板と、この基板上に設けられた第1の絶縁層と、この第1の絶縁層上に設けられた非晶質半導体膜又は非単結晶半導体膜と、この非晶質半導体膜又は非単結晶半導体膜上に設けられた厚さ150nm以上350nm以下の第2の絶縁層とを具備してなることを特徴とする。前記第1の絶縁層および第2の絶縁層は、酸化シリコン膜が最適である。 A substrate to be processed according to the present invention is provided on a substrate made of at least one material of an insulator, a semiconductor, and a metal, a first insulating layer provided on the substrate, and the first insulating layer. An amorphous semiconductor film or a non-single crystal semiconductor film, and a second insulating layer having a thickness of 150 nm to 350 nm provided on the amorphous semiconductor film or the non-single crystal semiconductor film. It is characterized by. The first insulating layer and the second insulating layer are optimally silicon oxide films.
本発明に係る薄膜トランジスタは、表示装置の画素及びこれを駆動する薄膜トランジスタであって、絶縁性の基板と、前記基板上に形成された非単結晶半導体膜の上にキャップ膜として酸化シリコン膜を形成し、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光を前記酸化シリコン膜の方から入射させて、前記酸化シリコン膜を介して前記非単結晶半導体膜に前記レーザ光を到達させて該非単結晶半導体膜を溶融させるとともに該非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に設けられた前記酸化シリコン膜に蓄熱させて前記非単結晶半導体膜の凝固速度を遅らせ、前記非単結晶半導体膜を横方向に結晶化させることにより形成された大粒径の結晶粒内に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域を挟むように設けられ、所定の不純物がドープされたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネル領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の側から前記ソース領域に導通するソース電極と、前記層間絶縁膜の側から前記ドレイン領域に導通するドレイン電極と、を具備することを特徴とする。 A thin film transistor according to the present invention is a pixel of a display device and a thin film transistor that drives the pixel, and a silicon oxide film is formed as a cap film on an insulating substrate and a non-single crystal semiconductor film formed on the substrate. Then, laser light having a light intensity distribution having a plurality of cross-section inverted triangular peak patterns is incident from the silicon oxide film, and the laser light reaches the non-single-crystal semiconductor film through the silicon oxide film. Melting the non-single crystal semiconductor film and storing heat in the silicon oxide film provided on the laser light incident surface of the non-single crystal semiconductor film to delay the solidification rate of the non-single crystal semiconductor film, A channel region formed in a crystal grain of a large grain size formed by crystallizing the film in the lateral direction, and the channel region sandwiched between the channel region, A source region and a drain region doped with impurities, a gate insulating film formed on the channel region, a gate electrode formed on the gate insulating film, and an interlayer insulating film covering the gate electrode And a source electrode conducting from the interlayer insulating film side to the source region, and a drain electrode conducting from the interlayer insulating film side to the drain region.
本発明に係る表示装置は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された電気光学物質とを有し、一方の基板には対向電極を形成し、他方の基板には画素及びこれを駆動する薄膜トランジスタで形成される表示装置であって、前記薄膜トランジスタは、絶縁性の基板と、前記基板上に形成された非単結晶半導体膜の上にキャップ膜として酸化シリコン膜を形成し、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光を前記酸化シリコン膜の方から入射させて、前記酸化シリコン膜を介して前記非単結晶半導体膜に前記レーザ光を到達させて該非単結晶半導体膜を溶融させるとともに、該非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に設けられた前記酸化シリコン膜に蓄熱させて前記非単結晶半導体膜の凝固速度を遅らせ、前記非単結晶半導体膜を横方向に結晶化させることにより形成された大粒径の結晶粒領域内に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域を挟むように設けられ、所定の不純物がドープされたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネル領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の側から前記ソース領域に導通するソース電極と、前記層間絶縁膜の側から前記ドレイン領域に導通するドレイン電極と、を具備することを特徴とする。 The display device according to the present invention includes a pair of substrates bonded to each other through a predetermined gap, and an electro-optical material held in the gap, and a counter electrode is formed on one of the substrates, and the other substrate The display device includes a pixel and a thin film transistor that drives the pixel, wherein the thin film transistor includes an insulating substrate and a silicon oxide film as a cap film on the non-single crystal semiconductor film formed on the substrate. The laser light having a light intensity distribution having a plurality of cross-section inverted triangular peak patterns is incident from the silicon oxide film, and the laser light is incident on the non-single-crystal semiconductor film through the silicon oxide film. The non-single-crystal semiconductor film is melted and is stored in the silicon oxide film provided on the laser light incident surface of the non-single-crystal semiconductor film to solidify the non-single-crystal semiconductor film. A channel region formed in a crystal grain region having a large grain size formed by delaying the degree of crystallization and laterally crystallizing the non-single-crystal semiconductor film, and sandwiching the channel region, A source region and a drain region doped with impurities; a gate insulating film formed on the channel region; a gate electrode formed on the gate insulating film; an interlayer insulating film covering the gate electrode; A source electrode conducting from the interlayer insulating film side to the source region and a drain electrode conducting from the interlayer insulating film side to the drain region are provided.
本明細書中において「位相シフタ」とは、位相変調光学系の一例であり、レーザ光の位相を変調するための空間強度変調光学素子のことをいい、フォトリソグラフィプロセスの露光工程で使用される位相シフトマスクとは区別されるものである。位相シフタに進歩的な設計概念を導入することによって、図2(a)に模式的に示す一次元の光強度分布BPを得ることができる。すなわち、異なる強度傾斜角θ、ピッチ幅PWおよびバイアス強度PH(谷での強度)をもつ光強度分布BPを得ることが可能である。位相シフタは、例えば透明体としての石英基材に段差が形成されたものである。位相シフタの段差は、入射光を所定の位相角、例えば180°に位相変調するサイズに、エッチング等のプロセスにより形成される。 In the present specification, the “phase shifter” is an example of a phase modulation optical system, refers to a spatial intensity modulation optical element for modulating the phase of laser light, and is used in an exposure step of a photolithography process. It is distinguished from a phase shift mask. By introducing a progressive design concept into the phase shifter, a one-dimensional light intensity distribution BP schematically shown in FIG. 2A can be obtained. That is, it is possible to obtain light intensity distributions BP having different intensity inclination angles θ, pitch widths PW, and bias intensity PH (intensities at valleys). The phase shifter is, for example, a step formed on a quartz substrate as a transparent body. The step of the phase shifter is formed by a process such as etching so that incident light is phase-modulated to a predetermined phase angle, for example, 180 °.
本発明では、光強度分布を最適化したパルスレーザ光、すなわち高次振動波93の影響を取り除いた図1(b)、図14(a)、図17(c)に示すパルスレーザ光を、酸化シリコン膜を介して結晶化しようとする半導体膜(非晶質膜または多結晶膜)に照射する。図5に示すように、結晶化対象となる非単結晶半導体膜例えば非晶質シリコン膜52はパルスレーザ光50の照射によって加熱され、その温度(TSi)はパルスの最後で高い。パルス照射の間において、結晶化対象の非晶質シリコン膜52に発生した熱は、初期にはキャップ膜53として設けられている例えば低温の酸化シリコン膜(SiO2膜)に移る。パルス照射終了後(レーザ光の照射が遮断された後)に結晶化対象の非晶質シリコン膜52は、冷却が開始され、キャップ膜53に蓄積された熱が結晶化対象の非晶質シリコン膜52に向けて拡散される。このようにキャップ膜53は、ヒートキャパシタとして支配的に働き、非晶質シリコン膜52の高温の液相状態は、キャップ膜53なしの場合よりも長く残留することが可能である。
In the present invention, the pulse laser beam having the optimized light intensity distribution, that is, the pulse laser beam shown in FIG. 1B, FIG. 14A, and FIG. A semiconductor film (amorphous film or polycrystalline film) to be crystallized is irradiated through a silicon oxide film. As shown in FIG. 5, a non-single crystal semiconductor film to be crystallized, such as an
しかし、キャップ膜53は、溶融非晶質シリコン膜52から移された熱を一部のみ返すが、内部になお多量の熱を保有している。このため、溶融非晶質シリコン膜52がキャップ膜53から熱の補給を受け、溶融非晶質シリコン膜52の凝固開始時間を遅らすことができ、その結果として結晶粒のラテラル成長距離が増大し、大粒径の結晶粒がち密に並んで形成される。上記キャップ膜53からの熱の補給は、上記キャップ膜53の膜厚によって大きく異なる。すなわち、本発明の方法によれば、半導体膜である非晶質シリコン膜に接する蓄熱性のキャップ膜53である酸化シリコン膜により半導体膜の冷却速度が緩やかになり、基板を加熱することなく室温において単結晶か又はそれに近い大粒径の結晶粒を得ることができる。
However, the
キャップ膜53の膜厚は、30nm以上500nm以下とすることが蓄熱特性の観点から望ましく、100nm以上370nm以下とすることが最も好ましい(図11、図22参照)。膜厚が30nmを下回ると、SiO2キャップ膜の蓄熱量が不十分になり、所望サイズの大結晶粒を得ることができなくなる。一方、膜厚が500nmを上回ると、結晶化対象膜(非単結晶半導体膜)からSiO2キャップ膜53へ向かう厚さ方向の熱移動量(放熱量;熱拡散量)が増大するので、蓄熱の目的を十分に達成することができなくなる。
The film thickness of the
また、パルスレーザ光は、均一化光学系(ホモジナイザ)としての第1のフライアイレンズおよび第1のコンデンサ光学系により入射角度に関して均一化され、さらに第2のフライアイレンズおよび第2のコンデンサ光学系により光強度に関して均一化されることが望ましい。このように入射角度と光強度に関して均一化されたレーザ光は、図1(a)の位相シフタ4を透過すると、図1(b)に示すように光強度が単調増加と単調減少を繰り返す理想的な光強度分布BPとなる。この図1(b)の光強度分布BPは断面逆三角形形状であり、最大ピーク値と最小ピーク値が突状であり、平坦部を有しないものである。しかも等振幅PHで、かつ等ピッチ間隔PWである。すなわち、位相変調された均一化レーザ光は高次振動成分を含まないために、これを被結晶化膜に照射すると理論的には位相シフタの段差4a−4aの幅間隔Wに応じたサイズの大結晶粒をラテラル成長させることが可能になる。このとき絶縁層の蓄熱効果とにより被結晶化膜に熱エネルギが補給されるので、溶融→凝固結晶化→結晶粒ラテラル成長の一連のプロセスが促進され、結晶粒のサイズが大きくなる。なお、図1(b)の光強度分布BPにおいてピーク部の角度θが緩やかになると非単結晶半導体膜の膜破壊を生じ易くなるので、ピーク部の角度θはできるだけ鋭い角度となるように光強度分布BPを設定することが望ましい。
Further, the pulse laser beam is made uniform with respect to the incident angle by the first fly-eye lens and the first condenser optical system as a homogenizing optical system (homogenizer), and further the second fly-eye lens and the second condenser optical. It is desirable that the light intensity be made uniform by the system. When the laser beam that has been made uniform with respect to the incident angle and the light intensity as described above is transmitted through the
本発明によれば、室温処理で大粒径のSi結晶粒を形成することができ、低温処理の要求を満たすことができるので、基板として従来よりも薄肉のガラス基板やプラスチック基板を採用することが可能となる。 According to the present invention, a Si crystal grain having a large particle size can be formed by room temperature treatment, and the requirement for low temperature treatment can be satisfied. Therefore, a thinner glass substrate or plastic substrate than the conventional one can be used as the substrate. Is possible.
また、本発明によれば、膜全体にわたり大粒径のち密な結晶粒を並べて形成することができるので、動作が速く、かつ、しきい電圧のばらつきが少ない大画面LCD用TFTを製造することが可能となる。 Further, according to the present invention, dense crystal grains having a large grain size can be formed side by side over the entire film, so that a TFT for a large screen LCD that operates fast and has little variation in threshold voltage is manufactured. Is possible.
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。図1乃至図19において、同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は、重複する場合省略する。図3に示すように、結晶化装置10は、KrFエキシマレーザ装置1から発振されたパルスレーザ光50が、この光路に順次設けられた光学系2a,2b,ホモジナイザ3,結像光学系43、位相シフタ4を介して載置台6上の被処理基板40を照射して結晶化するものである。KrFエキシマレーザ装置1の電源回路は、コントローラ8の出力信号が供給されるように出力部と接続されている。コントローラ8は、レーザ光50の発振タイミング、パルス幅、パルス間隔、出力の大きさなどを制御する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In FIG. 1 to FIG. 19, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted when overlapping. As shown in FIG. 3, the
本装置の光学系は、例えば凹レンズ2a、凸レンズ2b、ホモジナイザ3、位相シフタ4などが同一光軸上に配置されたものである。この結晶化装置10は、プロキシミティ型の光学系である。
The optical system of this apparatus is one in which, for example, a
ホモジナイザ3は、照射領域におけるパルスレーザ光を平準化する機能を備えている。すなわち、ホモジナイザ3を通過したパルスレーザ光50は入射角度と光強度がホモジナイズ(均一化)される。ホモジナイザ3は、パルスレーザ光50を入射角度と光強度とに関してホモジナイズ(均一化)するための光学系である。
The
さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光50は、位相シフタ4により位相変調される。例えば、位相シフタ4は、平行に並ぶ複数の直線状の段差4aを有するラインアンドスペース型(In-plane-cross-coupled型)であり、かつ載置台6上の被処理基板40に近接して配置されるプロキシミティ型結晶化装置である。位相シフタ4は、透明体からなり、段差4aにおいてパルスレーザ光50に位相差を生じさせる。位相シフタ4は、上記位相差によりパルスレーザ光50にフレネル回折を生じさせ、パルスレーザ光50を光強度変調する。その結果、位相シフタ4は、図1(b)に示すように単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布BPを照射部に形成する。なお、本実施形態では位相シフタ4の段差4a−4aの間隔Wを100μmとした。上記プロキシミティ型結晶化装置において、大粒径化のためのキャップ膜53の膜厚は、30nm以上500nm以下において良好な蓄熱作用を出力する。よって、プロキシミティ方式の結晶化方法では、キャップ膜53の最適膜厚は30nm以上500nm以下である。
Further, the homogenized
被処理基板の上面には例えばキャップ膜53が設けられている。このキャップ膜53から位相シフタ4までの相互間距離は、例えば500μm以下の所定間隔に設定されている。積載台6および載置台6以外の周囲装置は基板加熱機構(内蔵ヒータなど)を備えていない。
For example, a
載置台6は、XYZθステージ7の上に搭載され、水平面内でX軸,Y軸方向にそれぞれ可動で、かつ水平面に直交するZ軸方向に可動であるとともに、Z軸まわりにθ回転可能である。XYZθステージ7の電源回路は、コントローラ8の出力部と接続されている。XYZθステージ7には、X軸駆動機構、Y軸駆動機構、Z軸駆動機構、θ回転駆動機構が設けられ、XYZθステージ7は、それぞれX,Y,Z,θ方向に制御されるようになっている。なお、上記例はプロキシミティ型光学系によるの結晶化方法であるが、プロジェクション型の光学系による結晶化方法でもよい。プロジェクション方式の結晶方法では、キャップ膜53の最適膜厚は80nm以上400nm以下である。
The mounting table 6 is mounted on an
次に、図3に示す上記プロキシミティ型結晶化装置10による結晶化方法を説明する。パルスレーザ光源1からパルス幅例えば30nsec、光強度例えば1J/cm2のパルスレーザ光を出射する。このパルスレーザ光は、凹レンズ2a、凸レンズ2bにより発散収束してホモジナイザ3に入射させる。ホモジナイザ3は、入射したパルスレーザ光50の入射角度と光強度をホモジナイズ(均一化)する。
Next, the crystallization method by the proximity
ホモジナイザ3は、均一化されたパルスレーザ光50を位相シフタ4に入射させ、位相シフタ4は、断面逆三角形状逆ピークパターンの光強度分布を有するパルスレーザ光を出射する。このときの断面逆三角形状逆ピークパターンの最大最小値は、非単結晶半導体膜の種類や膜厚によって規定される値に設計されている。断面逆三角形状逆ピークパターンの光強度分布を有する均一化パルスレーザ光は、非晶質シリコン膜52に入射し、その照射部のみを溶融し結晶化させる。非晶質シリコン膜52は薄いため、直ちに照射部分で厚さ方向に溶融し、フルエンスが最小となる逆ピーク点を起点として溶融部分の降温が開始されて凝固(結晶化)が開始する。この凝固位置は、断面逆三角形状逆ピークパターンの勾配に応じて順次凝固点が移動する。この凝固点の移動により、ラテラル方向(非晶質シリコン膜52の厚みに直交する方向)に結晶粒が成長する。この結晶粒のラテラル成長は、キャップ膜53の蓄熱効果により降温勾配が長期的にわたって維持されるので、結晶化が促進されるので、最終凝固後の結晶粒のサイズが大きくなり、照射部において広範囲の単結晶化が実現される。
The
このような結晶化工程は、非晶質シリコン膜52の予め定められた領域行われる。全面にわたって結晶化工程を行う手段は、上記ステージ7とパルスレーザ光源1による照射位置とを相対的に移動させて行うことができる。
Such a crystallization process is performed in a predetermined region of the
次に、図4を参照して光学系について具体的に説明する。図4は、上記プロキシミティ型光学系の構成図である。パルスレーザ光源1として例えば248nm波長のエキシマパルスレーザ光を出射するKrFエキシマレーザ光源1を備えている。なお、この光源1として、XeClエキシマパルスレーザ光源やYAGレーザ光源のような他の光源を用いることもできる。上記光源1から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ2からなる光学系2a,2bを介して拡大された後に、第1のフライアイレンズ33に入射する。
Next, the optical system will be specifically described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of the proximity optical system. For example, a KrF excimer
第1のフライアイレンズ33の後側焦点面には、複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第1のコンデンサ光学系34を介して第2のフライアイレンズ35の入射面を重畳的に照明する。その結果、第2フライアレンズ35の後側焦点面には、第1フライアイレンズ33の後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第2フライアイレンズ35の後側焦点面に形成された光源からの光束は、第2のコンデンサ光学系36を介して位相変調光学系4(位相シフタ)を重畳的に照明する。
A plurality of light sources are formed on the rear focal plane of the first fly-
ここで、第1フライアイレンズ33および第1コンデンサ光学系34は第1のホモジナイザを構成し、この第1のホモジナイザにより位相シフタ4上での入射角度に関する均一化が図られる。
Here, the first fly-
また、第2フライアイレンズ35および第2コンデンサ光学系36は第2のホモジナイザを構成し、この第2のホモジナイザにより位相シフタ4上での面内各位置での光強度(レーザフルエンス)に関する均一化が図られる。このようにして照明系は、実質的に均一な光強度分布(光強度分布)を有する光を位相シフタ4に照射する。
The second fly-
[実施例]
上述の図3に示すプロキシミティ型結晶化装置10を用いてホモジナイズされた位相変調パルスレーザ光を被処理基板40の一方面に照射して非晶質シリコン膜52を結晶化した。被処理基板40は、図5に示すようにキャップ膜53として酸化シリコン膜を形成したものである。すなわち、被処理基板40は、絶縁体叉は半導体からなる基体例えばシリコン基板48の上にさらに絶縁層例えば下地保護膜51、非晶質シリコン膜52、キャップ膜53を順次積層してなる構造体である。下地保護膜51は膜厚例えば1000nmの第1の絶縁層例えば絶縁性SiO2からなる。非晶質シリコン膜52は、結晶化の対象となる膜であり、例えば膜厚200nmの非晶質シリコンからなる。キャップ膜53は、第2の絶縁層例えば膜厚300nmの絶縁性SiO2である。
[Example]
The
このようなキャップ膜53を有する結晶化処理される被処理基板40を製造する方法についてさらに具体的に説明する。
A method for manufacturing the substrate to be processed 40 having such a
絶縁体叉は半導体からなる基体には、シリコン基板48を用い、膜厚1000nmのSiO2からなる下地保護膜51を熱酸化法により形成した。
A
下地保護膜51の上に非晶質半導体膜又は非単結晶半導体例えば非晶質シリコン膜52(例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚200nmの非晶質Si膜)を成膜する。
An amorphous semiconductor film or a non-single crystal semiconductor such as an amorphous silicon film 52 (for example, an amorphous Si film having a thickness of 200 nm formed by plasma chemical vapor deposition) is formed on the base
その上にキャップ膜53として第2の絶縁層例えばSiO2膜(例えばSiH4とN2Oとのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚300nmのSiO2膜)を形成した。次いで、シリコン基板48上に形成した薄膜51〜53に対して脱水素処理を行った。この処理は、500〜600℃の温度域で行うことが望ましく、例えば窒素雰囲気で570℃×2時間の加熱処理を行った。
Moreover the formation of the second insulating layer such as SiO 2 film as a cap film 53 (e.g., SiH 4 and N 2 O and the plasma chemical vapor deposition SiO 2 film having a thickness of 300nm was deposited by) the. Next, dehydrogenation treatment was performed on the
図6は本実施形態方法により室温条件下で結晶化させたSi薄膜のSEM像の写真である。SEM像の観察から明らかなように、レーザ光軸(写真中央)から片側4〜5μmの範囲にラテラル成長して大結晶粒化したSi結晶が生成されていることを確認できた。また、ラテラル成長したSi結晶は、中央の結晶核を起点として横方向に非常に良く伸び出しており、かつち密に並んでいることを確認できた。 FIG. 6 is a photograph of an SEM image of a Si thin film crystallized at room temperature by the method of this embodiment. As is apparent from the observation of the SEM image, it was confirmed that a Si crystal having a large crystal grain size was formed by lateral growth in the range of 4 to 5 μm on one side from the laser optical axis (the center of the photograph). In addition, it was confirmed that the laterally grown Si crystals extended very well in the lateral direction starting from the central crystal nucleus and were aligned closely.
パルスレーザ光を1ショット照射後に、基板を所定ピッチ距離だけ平行移動させ、次のショットのパルスレーザ光を基板に照射してラテラル成長により大結晶粒化したSi結晶を得た。同様の操作を繰り返すことにより、非晶質シリコン膜の素子形成領域を次々に結晶化した。 After irradiating the pulse laser beam for one shot, the substrate was moved in parallel by a predetermined pitch distance, and the substrate was irradiated with the pulse laser beam of the next shot to obtain a Si crystal having a large crystal grain size by lateral growth. By repeating the same operation, the element formation region of the amorphous silicon film was crystallized one after another.
図7〜図9は、位相シフタ4を図3に示したプロキシミティ型結晶化装置10に配置して、室温において、1ショットのエキシマレーザのパルス光を被処理基板40に照射したときの結晶化特性を示している。図7は、横軸にキャップ膜53として酸化シリコン膜(SiO2の膜厚(nm)をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離(μm)をとって、各種サンプルについてキャップ膜53として酸化シリコン膜の膜厚を様々に変えてラテラル成長距離のキャップ膜厚依存性を調べた結果を示す特性図である。なお、ラテラル成長距離は平均値を求めた。ここでは結晶とトランジスタのチャネル部との位置合せ精度の関係から、ラテラル成長距離が4.0μm以上を合格基準とした。
7 to 9 show the crystals when the
図7に示すように、実施例サンプルではプロキシミティ型結晶化装置において、キャップ膜53の膜厚が30nm以上かつ略340nm以下の場合に、室温においても最長で4μm以上のラテラル成長距離が得られた。また、キャップ膜53の膜厚が30nm、80nmの場合であってもそれぞれ最長で3μm、2μm程度のラテラル成長距離が得られた。また、キャップ膜53の膜厚が390nmの場合であっても最長で1.5μm程度のラテラル成長距離が得られた。一方、キャップ膜53の膜厚が480nmの場合は、ラテラル成長距離が1.5μmを下回った。ラテラル成長距離が5μm以上の大粒径の結晶化領域は、キャップ膜53の膜厚が100μm以上340μm以下のときに得られている。このキャップ膜53の膜厚は、位相シフタ4を介してレーザ光により照射された非単結晶半導体膜が加熱され、この加熱されたことにより溶融された非単結晶半導体膜の降温速度を遅くさせることにより大粒径の結晶化が得られる膜厚である。降温速度をゆっくりさせるためには、キャップ膜53(第2の絶縁層)を適切な厚さに選択すること、結晶化するためのレーザ光の光エネルギおよび強度分布BPを適切に選択することである。
As shown in FIG. 7, in the proximity type crystallization apparatus, when the thickness of the
図8は、横軸に被処理基板40の温度(℃)をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離(μm)をとって、位相シフタ4を図3に示すようにプロキシミティ型の結晶化装置10に配置してキャップ膜53として膜厚300nmのSiO2膜からなるキャップ膜53を有する被処理基板40の温度を様々に変えてラテラル成長距離の基板温度依存性を調べた結果を示す特性図である。図から明らかなように、キャップ膜53として十分な厚みのSiO2からなるキャップ膜53を有する被処理基板40では、基板温度は、室温から数百℃までラテラル成長距離の基板温度依存性がほとんど無く、室温であっても十分な長さのラテラル成長距離を得ることが可能であることが判明した。この現象は、明らかではないが、キャップ膜による蓄熱効果によるものと思われる。
In FIG. 8, the horizontal axis indicates the temperature (° C.) of the
図9は、横軸に光強度指数(相対量)をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離(μm)をとって、位相シフタ4を図3に示すようにプロキシミティ型に配置して各種サンプルにレーザ光の光強度を様々に変えてラテラル成長距離の光強度指数依存性を調べた結果を示す特性図である。図から明らかなように、光強度が相対量で0.9を超えるあたりからラテラル成長距離が急激に増大することが判明した。具体的には、室温で、被処理基板40にエキシマレーザのパルス光を1ショット照射によっても4μm以上の大きなラテラル成長距離が得られた。
In FIG. 9, the horizontal axis represents the light intensity index (relative amount), the vertical axis represents the lateral growth distance (μm) of the crystallized crystal grains, and the
本明細書中において「光強度指数」とは、結晶粒の成長中または成長後において種々の応力を受けても膜(結晶構造)が破壊されないで膜の形態形質が維持されるぎりぎりのエネルギ光の照射強度を基準とし、この基準に対する光強度の値をいうものとする。ここで「膜破壊」とは、広義には膜を構成する規則的な構造(膜構造)が壊れることをいい、狭義には結晶粒がラテラル成長するときに生じる応力によりキャップ膜53が壊されること、あるいはラテラル成長時の発生応力により結晶化対象膜が壊されること、あるいはキャップ膜53や結晶化対象膜のなかに含まれる水素に起因して結晶粒内または結晶粒界に割れなどの欠陥を生じることをいうものと定義する。
In the present specification, the “light intensity index” means the energy light that can maintain the morphological characteristics of the film without breaking the film (crystal structure) even when subjected to various stresses during or after the growth of crystal grains. The light intensity value with respect to this reference is assumed. Here, “film breakdown” means that the regular structure (film structure) constituting the film is broken in a broad sense, and in a narrow sense, the
以上のことから本発明方法を用いて、室温において高充填率で大結晶粒(平均結晶粒径4μm〜)をラテラル成長させることが可能であることを確認した。
From the above, using the method of the present invention, it was confirmed that it is possible to laterally grow large crystal grains (average
上記実施形態では、位相シフタ4をプロキシミティ型に配置した例について説明したが、位相シフタ4を図10に示すようにプロジェクション型に配置してもよい。即ち、このプロジェクション型の結晶化装置10Aは、位相シフタ4と被処理基板40との間に結像光学系43が配置された装置である。
In the above embodiment, the example in which the
次に、上記プロジェクション型結晶化装置10Aを利用した位相変調エキシマレーザアニール(以下PMELAと略す)により、Si膜を結晶化する実施例について説明する。図5に示すように、被処理基板40は、シリコン(Si)基板50上に膜厚1000nmのSiO2からなる下地保護膜51を熱酸化法により形成した後、膜厚200nmの非晶質シリコン膜52およびキャップ膜53としてSiO2膜53をPE−CVD(Plasma Enhanced-CVD)法で順次積み重ねた積層構造とした。また、下地保護膜51から非晶質Si膜52、キャップ膜53をPE−CVD(Plasma Enhanced-CVD)法で連続成膜により形成してもよい。PMELA前に、被処理基板40をアニール炉において窒素ガス雰囲気下で2時間×550℃の脱水素処理を行った。
Next, an embodiment in which the Si film is crystallized by phase modulation excimer laser annealing (hereinafter abbreviated as PMELA) using the projection
PMELAにおいては、被処理基板40に対してKrFエキシマレーザを、例えばパルス幅30nsec、単一ショット照射した。結晶化されたSi膜のミクロ構造的な分析は、セコエッチング後に、走査型電子顕微鏡(SEM)によって実行した。図2(b)は、ピッチ幅PWを様々に変えた光強度分布BPを用いたパルスレーザ光を単一ショット照射することにより結晶化されたサンプルを示す走査型電子顕微鏡(SEM)像の一例である。
In PMELA, a
上記のプロジェクション型の結晶化装置10Aにより被処理基板40の結晶化工程を実施したときの結晶化特性を、図11および図12に示す。
FIG. 11 and FIG. 12 show crystallization characteristics when the crystallization process of the substrate to be processed 40 is performed by the projection
図11は、位相変調光学系である位相シフタ4を図10に示すようにプロジェクション型の結晶化装置10Aに配置したときのラテラル成長距離とキャップ膜53の膜厚との関係について調べた結果を示す特性図である。即ち、図11は横軸にキャップ膜53の厚さ(nm)をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離(μm)をとった図である。図11には、キャップ膜53の各膜厚での最大ラテラル成長距離が示されている。また、図中の曲線は、各キャップ膜厚でのラテラル成長距離を結んだものである。図11から明らかなようにキャップ膜53の厚さが増大するとラテラル成長距離も増大し、キャップ膜53の膜厚が130〜400nmの範囲ではラテラル成長距離が4μmを超えた。特にキャップ膜53の厚さが250nmのときにラテラル成長距離は最大約7μmに達した。この図12に示したように本実施例では、室温で、エキシマレーザのパルス光を被処理基板40に対して照射したとき6μm以上の大きなラテラル成長距離が得られた。
FIG. 11 shows the result of examining the relationship between the lateral growth distance and the film thickness of the
なお、図11は、参考データとしてキャップ膜53が無いときの試料例えば非単結晶半導体膜のラテラル成長距離を図中に黒丸で表示してある。キャップ膜53無しの非単結晶半導体膜のラテラル成長距離は、キャップ膜53有りの非単結晶半導体膜のラテラル成長距離に比べて短かった。
In FIG. 11, as reference data, the lateral growth distance of a sample, for example, a non-single crystal semiconductor film, without the
図12は、非晶質シリコン膜52の膜厚200nmのサンプルにおいて、横軸に光強度指数(相対値)をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離(μm)をとって、位相シフタ4を図10に示すようにプロジェクション型に配置したときの結晶粒のラテラル成長距離と光強度との関係について調べた結果を示す特性図である。図から明らかなように、光強度が相対量で0.9を超えるあたりからラテラル成長距離が急激に増大することがプロジェクション法によっても確認できた。
FIG. 12 shows a
次に、図5に示すキャップ膜53を有する被処理基板40において、非晶質シリコン膜52の膜厚を変えて上記結晶化工程を行い、最大ラテラル成長距離との関係を観察した。
Next, in the substrate to be processed 40 having the
図22は、非晶質シリコン膜52の膜厚と最大ラテラル成長距離との関係を示す特性図である。キャップ膜53が無い場合は、図7および図11に示されているように非晶質シリコン膜52の膜厚が200nmの場合において、最大ラテラル成長距離は2.5μmであった。しかし、図21に示すように、図5に示すキャップ膜53を有する被処理基板40においては、例えば非晶質シリコン膜52の膜厚が30nmと薄い場合であっても、3μm以上のラテラル成長した結晶粒が得られる。この図7と図11、および図22の結果からキャップ膜53を設けることが、最大ラテラル成長距離の大きさに効果のあることが判明した。
FIG. 22 is a characteristic diagram showing the relationship between the film thickness of the
さらに図22は、非晶質シリコン膜52の膜厚を厚くすると、最大ラテラル成長距離が長くなり、また非晶質シリコン膜52の膜厚が200nm程度になると最大ラテラル成長距離の伸びが飽和してくることを示している。
Further, in FIG. 22, when the thickness of the
次に、図22に示す最大ラテラル成長距離を達成するキャップ膜厚の条件について説明する。図23は最大ラテラル成長距離を達成する、非晶質シリコン膜52の膜厚da-Siとキャップ膜53の膜厚dcapとの関係を示す特性図である。この結果、非晶質シリコン膜52の膜厚da-Siが厚くなるにしたがって、必要なキャップ膜53の膜厚dcapが厚くなることを見出した。図23は、非晶質シリコン膜52が厚くなると、上記シリコン層52中の熱量が多くなり、この増加した熱の蓄熱を行う為には、厚いキャップ膜53が必要であることを示している。図23の非晶質シリコン膜52の膜厚da-Siと、キャップ膜53の膜厚dcapとの関係を示す特性図において、キャップ膜53の膜厚は各非晶質シリコン膜厚に対応して、直線dcap=0.568da-Si+60と直線dcap=0.568da-Si+160で囲まれる範囲に選択されることにより各非晶質シリコン膜52の膜厚da-Siにおける最長のラテラル方向の結晶成長をさせることができる。上記式において、dcapは、第2の絶縁層(キャップ膜53)の膜厚(nm)であり、da-Siは非晶質半導体膜又は非単結晶半導体膜(非晶質シリコン膜52)の膜厚(nm)である。
Next, the conditions for the cap film thickness to achieve the maximum lateral growth distance shown in FIG. 22 will be described. FIG. 23 is a characteristic diagram showing the relationship between the film thickness d a-Si of the
[実証試験]
(蓄熱効果)
次に、図13〜図16を参照してキャップ膜53の蓄熱効果について実証試験した結果を説明する。実証試験はSi膜厚200nmのサンプルを用いて実施した。図13は、横軸に平均の光強度(mJ/cm2)をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離(μm)をとって、光強度分布のピッチ幅PWを一定値(28μm)としたときのキャップ膜53の蓄熱効果を示す特性図である。図中にて白四角はキャップ膜53の厚さを130nmとしたときの結果を、白三角はキャップ膜53の膜厚を220nmとしたときの結果を、黒丸はキャップ膜53の厚さを300nmとしたときの結果を、黒三角はキャップ膜53の厚さを390nmとしたときの結果をそれぞれ示す。
[Verification test]
(Heat storage effect)
Next, the results of a verification test on the heat storage effect of the
キャップ膜53の厚さ130nm(白四角)および厚さ220nm(白三角)のような薄いキャップ膜53では、膜破壊が発生するまで、結晶粒のラテラル成長距離は光強度の上昇に伴って徐々に増大した。このときのラテラル成長距離の最大値は約6μmであった。これより厚い厚さ300nm(黒丸)のキャップ膜53の場合、ラテラル成長距離は最初に約2μmまで増大し、次いで急激に増加して6μmを超えた。一方、厚さ390nm(黒三角)のように極度に厚いキャップ膜53の場合、ラテラル成長距離は2μmを超えなかった。
In a
図14(a)に模式的に示す光強度分布のレーザ光を照射して結晶化工程を行い、セコエッチングされたシリコン膜のSEM像を図14(b)と(c)に示す。図14(b)は、キャップ膜53の厚さを300nmにして結晶化工程を行ったときのシリコン膜のSEM像である。図14(b)中の矢印は、ラテラル成長の方向を示す。顕微鏡観察の結果、ラテラル成長距離は、最大値で7μmを超え、平均値で約6μmであった。
FIGS. 14B and 14C show SEM images of the silicon film subjected to the crystallization process by irradiating the laser beam having the light intensity distribution schematically shown in FIG. FIG. 14B is an SEM image of the silicon film when the crystallization process is performed with the
図14(c)は、キャップ膜53の厚さが暑い試料をセコエッチングしてその結晶化形態を示すSEM像である。図ではラテラル成長領域が焼結晶領域によっていくつかに分断されている。これは溶融非晶質シリコン膜52内の温度勾配が比較的長時間存在できたことを示している。しかし、固液界面の前面において温度は急激に下がり、自然核生成する臨界的な温度を下回った。自然核発生は、この固液界面の前面近傍で起こり、ラテラル成長する結晶粒を互いの衝突により停止させる。同時に、いくつかの新しい核が新たなラテラル成長の発生源として働く、このような状況は溶融非晶質シリコン膜52内の温度勾配がより緩やかな場合にしばしば発生し、最終的には均一な小結晶粒をもたらす。この効果はキャップ膜53が厚くなるほどより著しくなる。非常に厚いキャップ膜53では、Si層の熱量のほとんどがキャップ膜53を加熱するために使用されるため、Si層の液相の存続期間をかえって減少させる。
FIG. 14C is an SEM image showing a crystallized form of a sample with a
また、結晶のラテラル成長特性は、220nm厚さのキャップ膜53と300nm厚さのキャップ膜53との間では明らかに異なっていることが確認された。キャップ膜53の厚さ220nm試料(被処理基板40)では、結晶粒サイズは光強度とともに増大する。これに対してキャップ膜53の厚さ300nmキャップ試料(被処理基板40)の場合は、結晶のラテラル成長特性が急減に変化する臨界強度が存在した。
Further, it was confirmed that the lateral growth characteristics of the crystal clearly differ between the
図15はこの急激な変化を説明する模式図である。図15は、横軸に基板上の各膜層の位置をとり、縦軸に温度(無単位)をとって、SiO2下地保護膜51の上に結晶化対象の非晶質シリコン膜52が、この非晶質シリコン膜52上にSiO2キャップ膜53が形成された被処理基板40の膜厚方向の温度分布を示す一次元温度分布図である。ここではパルス照射の間に結晶化対象の非晶質シリコン膜52の温度TSiが時間とともに増大すると単純化して想定することとする。パルス的に照射されたレーザ光のパルスの終端ではSiO2キャップ膜53と下地保護膜51における温度分布は同じ形状となるが、図で概略的に示されるとおり非晶質シリコン膜52の温度TSiに比例する。強い照射(実線A)の場合には、非晶質シリコン膜52の温度TSiは高くなるので、非晶質シリコン膜52の温度TSiによるキャップ膜53の加熱された結果、キャップ膜53の温度は、被結晶化対象化膜の非晶質シリコン膜52の融点TMを厚さ方向に対して広い領域で上回り、キャップ膜53は、ヒートキャパシタとして機能する。
FIG. 15 is a schematic diagram for explaining this sudden change. In FIG. 15, the horizontal axis represents the position of each film layer on the substrate, and the vertical axis represents temperature (unitless), so that the
一方、弱い照射(破線B)の場合には、上記非晶質シリコン膜52の温度TSiは、キャップ膜53を十分に加熱するに足るほど高くない。上記非晶質シリコン層52近傍のキャップ膜53の一部のみが融点TMを超えるほど加熱される。キャップ膜53の一部は、低温(融点TM以下)のままであり、この低温領域(冷領域)がヒートシンクとして作用する。
On the other hand, in the case of weak irradiation (broken line B), the temperature T Si of the
図10に示すようなプロジェクション型結晶化装置による実験の結果、ラテラル成長距離を長くするための好ましいキャップ膜53の厚さは100〜370nmの範囲であった。
As a result of an experiment using a projection-type crystallization apparatus as shown in FIG. 10, the preferable thickness of the
図16は、横軸に平均の光強度(mJ/cm2)をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離(μm)をとって、キャップ膜53の厚さを一定値(300nm)として光強度分布のピッチ幅PWを様々に変えたときのキャップ膜53の蓄熱効果を示す特性図である。図中にて白丸はピッチ幅PWを20μmとしたときの結果を、黒丸はピッチ幅PWを28μmとしたときの結果を、白三角はピッチ幅PWを36μmとしたときの結果をそれぞれ示す。
In FIG. 16, the horizontal axis represents the average light intensity (mJ / cm 2 ), the vertical axis represents the lateral growth distance (μm) of the crystal grains, and the thickness of the
図から明らかなように、ピッチ幅PWが20μmの場合、ラテラル成長距離は光強度とともに一定に増大し、光強度が1000mJ/cm2のところで最大約4μmに到達した。一方、ピッチ幅PWが大きい36μmの場合、ラテラル成長距離は短いままであった。また、ピッチ幅PWが中程度の28μmでは、急激に成長する光強度を経て、ラテラル成長距離は6μmに達した。 As is apparent from the figure, when the pitch width PW is 20 μm, the lateral growth distance increases constantly with the light intensity, and reaches a maximum of about 4 μm when the light intensity is 1000 mJ / cm 2 . On the other hand, when the pitch width PW was 36 μm, the lateral growth distance remained short. In addition, when the pitch width PW was 28 μm, the lateral growth distance reached 6 μm through the light intensity that grew rapidly.
図17(a)に大結晶粒をち密に配列したサンプルのSEM像を、同図(b)に(a)のサンプルの一部を拡大したSEM像を、同図(c)に(b)のサンプルに照射されたレーザ光の光強度分布図をそれぞれ示す。 FIG. 17A shows an SEM image of a sample in which large crystal grains are densely arranged, FIG. 17B shows an SEM image obtained by enlarging a part of the sample shown in FIG. 17B, and FIG. The light intensity distribution diagrams of the laser light irradiated on the sample are respectively shown.
望ましいビームプロファイルは山強度と谷強度との比率が約2となる三角形の形状であることを、本実証試験により確認できた。このようなビームプロファイルは位相シフタにより生じさせるように設定される。図17(a)に示すように、サンプル表面の全体に亘って5μm程度の大結晶粒がち密に充填された。このように大結晶粒がち密に充填配列された形態に類似する形態を再現性よく生産することができた。 It was confirmed by this verification test that the desirable beam profile is a triangular shape with a ratio of peak intensity to valley intensity of about 2. Such a beam profile is set to be generated by a phase shifter. As shown in FIG. 17A, large crystal grains of about 5 μm were densely packed over the entire sample surface. In this way, it was possible to produce a form resembling a form in which large grains were densely packed and arranged with high reproducibility.
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。以上のことから本発明方法を用いて、高充填率で大結晶粒(平均結晶粒径4.0〜6ミクロン)をラテラル成長させることが可能であることを確認した。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment. From the above, it was confirmed that it was possible to laterally grow large crystal grains (average crystal grain size of 4.0 to 6 microns) with a high filling rate using the method of the present invention.
次に、図18を参照して本発明の薄膜トランジスタ(TFT)の構成およびその製造方法について説明する。上述の結晶化方法により大結晶粒化した半導体膜をもつ基板を利用して薄膜トランジスタを作製した。 Next, the structure of the thin film transistor (TFT) of the present invention and the manufacturing method thereof will be described with reference to FIG. A thin film transistor was manufactured using a substrate having a semiconductor film which was crystallized by the above crystallization method.
絶縁体又は半導体から成る基板には、ガラス基板49、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板の他に、表面に絶縁被膜が形成された金属基板、シリコン基板、或いはセラミック基板などを適用することが可能である。ガラス基板49は、例えばコーニング社の#1737基板に代表されるような、低アルカリガラス基板を用いることが望ましい。下地保護膜51は酸化シリコン(SiO2)または窒化シリコンを主成分として含む絶縁膜、例えば膜厚300nmの酸化シリコン膜であり、さらに、ガラス基板49に密接して形成されていると好ましい。上記下地保護膜51は、ガラス基板から上記非単結晶半導体膜に不純物が拡散しないように阻止する作用をする膜である。
In addition to an insulating substrate such as a
下地保護膜51の上に非晶質半導体膜又は非単結晶半導体例えば非晶質シリコン膜52(例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚200nmの非晶質Si膜)を成膜する。
An amorphous semiconductor film or a non-single crystal semiconductor such as an amorphous silicon film 52 (for example, an amorphous Si film having a thickness of 200 nm formed by plasma chemical vapor deposition) is formed on the base
非晶質シリコン膜52上にキャップ膜53を形成して、被処理基板40を形成する。この被処理基板40は、図4に示された光学系によってホモジナイズされたパルスレーザ光を位相シフタ4に入射させ位相変調したレーザ光50により結晶化工程が行われる。
A
結晶化した単結晶半導体膜上のキャップ膜53をエッチングにより除去する。次に、非晶質シリコン膜52の結晶化された領域に位置合わせして半導体回路例えば図18に示す薄膜トランジスタを次のようにして製造する。まず活性領域の形状を規定するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングし、平面視野内でチャネル領域52aおよびソース領域52bおよびドレイン領域52cに略対応する所定パターンのSiアイランドを形成した。
The
次に、チャネル領域52a、ソース領域52bおよびドレイン領域52c上にゲート絶縁膜54を形成する。ゲート絶縁膜54は、酸化シリコン(SiO2)あるいは酸窒化シリコン(SiON)を主成分とする材料で、厚さ30〜120nmの酸化シリコン膜を形成する。ゲート絶縁膜54の形成は、例えば、プラズマCVD法で、SiH4とN2Oを原料とした酸化シリコン膜を50nmの厚さで形成してゲート絶縁膜54とした。
Next, the gate insulating film 54 is formed over the
次に、ゲート絶縁層54上にゲート電極55を形成するための導電層を形成した。導電層は、Ta、Ti、W、Mo、Al等の元素を主成分とする材料を用い、スパッタ法や真空蒸着法などの公知の成膜法を用いて形成した。例えばAl−Ti合金とした。フォトリソグラフィを用いてゲート電極用金属層をパターニングし、所定パターンのゲート電極55を形成した。
Next, a conductive layer for forming the
次に、ゲート電極55をマスクとして不純物を注入することによりソース領域52bおよびドレイン領域52cを形成した。例えば、Pチャネル型TFTを形成する場合、イオン注入法を用いて例えばボロンイオン等のP型不純物の注入を行う。この領域のボロン濃度は、例えば1.5×1020〜3×1021となるようにした。このようにしてPチャネル型TFTのソース領域52bおよびドレイン領域52cを構成する高濃度p型不純物領域を形成する。このとき、n型不純物の注入を行えばnチャネル型TFTが形成されることはいうまでもない。
Next, the
次いで、イオン注入法により注入した不純物元素を活性化するために熱処理工程を行う。この工程は、ファーネスアニール法、レーザアニール法、ラピッドサーマルアニール法などの方法で行うことができる。本実施の形態では、ファーネスアニール化法で活性化工程を行った。加熱処理は、窒素雰囲気中において300〜650℃の温度域で行うことが望ましく、本実施例では500℃で4時間の熱処理を行った。 Next, a heat treatment step is performed to activate the impurity element implanted by the ion implantation method. This step can be performed by methods such as furnace annealing, laser annealing, and rapid thermal annealing. In the present embodiment, the activation process is performed by the furnace annealing method. The heat treatment is desirably performed in a temperature range of 300 to 650 ° C. in a nitrogen atmosphere. In this example, heat treatment was performed at 500 ° C. for 4 hours.
次に、ゲート絶縁膜54およびゲート電極55上に層間絶縁膜56を形成した。層間絶縁膜56は窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜またはそれらを組み合せた積層膜で形成すれば良い。また、膜厚は200〜600nmとすれば良く、本実施例では400nmとした。
Next, an
次に、層間絶縁膜56における予め定められた所定の位置にコンタクトホールを開口する。そして、コンタクトホールの内部および層間絶縁層56の表面上に導電層を形成し、所定の形状にパターニングする。本実施例ではこのソース・ドレイン電極57,58を、Ti膜を100nm、Tiを含むアルミニウム膜300nm、Ti膜150nmをスパッタ法で連続して形成した3層構造の積層膜とした。このようにして図18に示す薄膜トランジスタを得た。
Next, a contact hole is opened at a predetermined position in the
以下、上述の実施形態で得られるような薄膜トランジスタを実際にアクティブマトリクス型液晶表示装置に適用した例について説明する。図19は薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型表示装置の一例を示す図である。表示装置70は一対の絶縁基板71,72と両者の間に保持された電気光学物質73とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質73としては液晶材料が広く用いられている。下側の絶縁基板71には画素アレイ部74と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路75と水平駆動回路76とに分かれている。
Hereinafter, an example in which the thin film transistor obtained in the above-described embodiment is actually applied to an active matrix liquid crystal display device will be described. FIG. 19 is a diagram illustrating an example of an active matrix display device using a thin film transistor. The
また、絶縁基板71の周辺部上端には外部接続用の端子部77が形成されている。端子部77は配線78を介して垂直駆動回路75及び水平駆動回路76に接続している。画素アレイ部74には行状のゲート配線79と列状の信号配線80が形成されている。両配線の交差部には画素電極81とこれを駆動する薄膜トランジスタ82が形成されている。薄膜トランジスタ82のゲート電極は対応するゲート配線79に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極81に接続され、ソース領域は対応する信号配線80に接続されている。ゲート配線79は垂直駆動回路75に接続する一方、信号配線80は水平駆動回路76に接続している。
Further, a
画素電極81をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ82及び垂直駆動回路75と水平駆動回路76に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能な処理回路を集積形成することも可能である。
The thin film transistor 82 for switching and driving the
以上説明したように上記実施形態によれば、結晶化処理時に低温、例えば室温またはその近傍の温度域(例えば5〜50℃)であっても大粒径の結晶化を行なうことができる。位相変調した光を非単結晶半導体膜に照射するので、高次の振動成分が低減される。 As described above, according to the above embodiment, crystallization with a large particle size can be performed even at a low temperature, for example, room temperature or a temperature range in the vicinity thereof (for example, 5 to 50 ° C.) during the crystallization process. Since the non-single crystal semiconductor film is irradiated with phase-modulated light, higher-order vibration components are reduced.
本発明は、液晶表示装置ばかりでなく有機エレクトロルミネッセンス表示装置,電子回路装置にも適用することが可能である。 The present invention can be applied not only to a liquid crystal display device but also to an organic electroluminescence display device and an electronic circuit device.
1…エキシマレーザ装置、2a,2b…光学レンズ、
3…ホモジナイザ(照明系)33,35…フライアイレンズ、
34,36…コンデンサ光学系、
4…位相シフタ(空間強度変調光学素子)、
5、40…被処理基板、43…結像光学系、48…シリコン基板、
49…ガラス基板、50…レーザ光、51…下地保護膜(第1の絶縁層)、
52…非晶質シリコン膜(非単結晶半導体膜、a−Si膜)、
52a…チャネル領域、52b…ソース領域、52c…ドレイン領域、
53…キャップ膜(SiO2膜;第2の絶縁層)、
54…ゲート絶縁膜、55…ゲート電極、56…層間絶縁膜、
57…ソース電極、58…ドレイン電極、
6…載置台、7…X,Y,Z,θステージ。
DESCRIPTION OF
3 ... Homogenizer (lighting system) 33, 35 ... Fly eye lens,
34, 36 ... condenser optical system,
4 ... Phase shifter (spatial intensity modulation optical element),
5, 40 ... Substrate to be processed, 43 ... Imaging optical system, 48 ... Silicon substrate,
49 ... Glass substrate, 50 ... Laser beam, 51 ... Underlying protective film (first insulating layer),
52 ... Amorphous silicon film (non-single crystal semiconductor film, a-Si film),
52a ... channel region, 52b ... source region, 52c ... drain region,
53. Cap film (SiO 2 film; second insulating layer),
54 ... Gate insulating film, 55 ... Gate electrode, 56 ... Interlayer insulating film,
57 ... Source electrode, 58 ... Drain electrode,
6: mounting table, 7 ... X, Y, Z, θ stage.
Claims (4)
前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上にキャップ膜を設け、
このキャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に単調増加と単調減少を繰り返す断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光を照射することにより照射部のみを溶融し、降温が開始された後前記照射部の最小となる逆ピーク点の凝固が開始し、この凝固位置が前記断面逆三角形状ピークパターンの勾配に応じて凝固点が移動しラテラル方向に結晶成長させ、
前記載置台と前記レーザ装置からのレーザ光による前記照射位置を相対的に移動させて前記非単結晶半導体膜の予め定められた領域を結晶化することにより前記レーザ光の照射部における最小となる逆ピーク点から結晶化することを特徴とする結晶化方法。 A laser device in which the timing of oscillating the laser beam is controlled, a homogenizer arranged on the same optical axis as the laser beam oscillated from the laser device, and the same intensity as the homogenizer A spatial intensity modulation optical element disposed on the optical axis, a mounting table for mounting a substrate to be processed provided in the optical path of the laser beam, a substrate to be processed on the mounting table, and the spatial intensity modulation optics A crystallization method for crystallization by irradiating a non-single crystal semiconductor film provided on the substrate to be processed with a laser beam using a projection type crystallization apparatus having an imaging optical system disposed between the elements Because
A cap film is provided on the laser light incident surface of the non-single crystal semiconductor film,
By irradiating the non-single crystal semiconductor film through this cap film with a laser beam having a light intensity distribution having an inverted triangular peak pattern that repeats monotonous increase and decrease, only the irradiated part is melted and temperature drop is started. After that, the solidification of the reverse peak point that becomes the minimum of the irradiation part starts, and the solidification point moves according to the gradient of the cross-section inverted triangular peak pattern, and the crystal grows in the lateral direction,
The irradiation position by the laser beam from the mounting table and the laser device is relatively moved to crystallize a predetermined region of the non-single crystal semiconductor film, thereby minimizing the laser beam irradiation portion. A crystallization method comprising crystallization from an inverse peak point .
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