JP4947667B2 - 結晶半導体膜の製造方法 - Google Patents
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Description
このレーザアニール法では、高いパルスエネルギを持つエキシマレーザを非単結晶半導体膜に照射することで、光エネルギを吸収した半導体が溶融または半溶融状態になり、その後急速に冷却され凝固する際に結晶化する仕組みである。この際には、広い領域を処理するために、ラインビーム形状に整形したパルスレーザを相対的に短軸方向に走査しながら照射する。通常は、単結晶半導体膜を設置した設置台を移動させることでパルスレーザの走査が行われる。
例えば、LCD用の半導体膜では、オーバーラップ率を92〜95%(照射回数12〜20回、走査ピッチ32〜20μm)、OLED半導体膜では、オーバーラップ率93.8〜97%(照射回数16〜33回、走査ピッチ25〜12μm)に設定している。
また、ビーム幅を必要以上に大きくすると、レーザパルスエネルギは一定であることから所定のエネルギ密度を得るためには必然的にラインビーム長を短くする必要があり、サイズの大きな半導体膜を処理する場合には、処理効率が低下する。
前記パルスレーザは、走査方向のビーム断面形状に強度の均一な平坦部を有し、該パルスレーザの照射によって結晶化した半導体膜により形成されるトランジスタの前記走査方向のチャンネル領域幅(1mm以下)をbとして、
前記パルスレーザは、該パルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギ密度よりも低く、かつ複数回数の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギ密度Eを有し、
前記パルスレーザの照射回数nは、前記照射パルスエネルギ密度Eのパルスレーザの照射によって前記結晶粒径成長が飽和する際の照射回数をn0として(n0−1)以上とし、
前記パルスレーザの前記走査方向におけるパルス毎の移動量cをb/2以下とする、
ことを特徴とする。
上記パルスレーザの照射パルスエネルギ密度Eのパルスレーザの照射によって結晶粒径成長が飽和する照射回数をn0とする。なお、照射パルスエネルギ密度Eは、パルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギ密度よりも低い値とする。微結晶化が生じるか否かは、電子顕微鏡写真等により判定することができる。
照射パルスエネルギ密度を微結晶化が生じる値よりも大きな値とすると、結晶粒径が極端に小さくなり、半導体としての電子移動度が1/10程度になってしまう。
また、照射パルスエネルギ密度Eのパルスレーザの照射によって結晶粒径成長が飽和するとは、個々の粒径が揃い、照射回数を増しても粒径が大きくならない状態をいう。
さらに、レーザ照射回数が、(n0−1)に達しないと、結晶粒径の成長が十分になされず、異なる粒径の結晶が混在し、電子移動度のバラツキが生じる。同様の理由で望ましくはn0以上である。
また、レーザ照射回数nは、3・n0以下とするのが望ましい。3・n0を越えると、著しく生産性が低下する。さらには、同様の理由で、2・n0以下が一層望ましい。
前記パルスレーザは、走査方向のビーム断面形状に強度の均一な平坦部を有し、該パルスレーザの照射によって結晶化した半導体膜により形成されるトランジスタの前記走査方向のチャンネル領域幅(1mm以下)をbとして、
前記パルスレーザは、該パルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギ密度よりも低く、かつ複数回数の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギ密度Eを有し、
前記パルスレーザの照射回数nは、前記照射パルスエネルギ密度Eのパルスレーザの照射によって前記結晶粒径成長が飽和する際の照射回数をn0として(n0−1)以上とし、
前記パルスレーザの前記走査方向におけるパルス毎の移動量cをb/2以下とするので、適正なパルスレーザ照射回数およびパルス毎の移動量により効率的にレーザアニール処理を行うことができる。また、パルスレーザのビーム幅を適正な値にして、十分なラインビーム長を得ることができ、さらに効率的な処理が可能になる効果がある。
図1は、移動台1上に載置された基板にラインビーム状のエキシマレーザからなるパルスレーザ3が照射されている状態を示している。基板には、Siアモルファスなどの非単結晶半導体膜2が形成されている。パルスレーザ3は、ラインビーム長Lおよびビーム幅aを有しており、移動台1を所定のピッチで移動させることで、パルスレーザ3が走査されつつ、所定のピッチおよび照射回数で非単結晶半導体膜2上に照射される。
図2は、パルスレーザ3の走査方向のビーム断面形状を示すものである。最大エネルギ強度に対し、90%以上のエネルギ強度を有する平坦部を有しており、該平坦部の幅がビーム幅aとして示される。
図3は、照射パルスエネルギ密度とレーザパルスの照射による結晶粒径の大きさの関係を示す図である。照射パルスエネルギ密度が低い領域では、照射パルスエネルギ密度が増すに連れて結晶粒径が大きくなっている。例えば、その途中の照射パルスエネルギ密度E1よりも照射パルスエネルギ密度が大きくなると結晶粒径が急激に大きくなる。一方、照射パルスエネルギ密度がある程度に迄大きくなると、それ以上に照射パルスエネルギ密度が大きくなっても結晶粒径の増大は殆どなく、ある照射パルスエネルギ密度E2を越えると、結晶粒径が急激に小さくなって微結晶化が生じる。したがって上記照射パルスエネルギ密度Eは、E≦E2で示すことができる。
図4は、照射パルスエネルギ密度Eを、上記照射パルスエネルギ密度E1または照射パルスエネルギ密度E2に設定した場合に、照射回数に対する結晶粒径の関係を示す図である。いずれの照射パルスエネルギ密度の場合も、ある照射回数までは、照射回数が増加するに連れて結晶粒径が大きくなるが、ある照射回数になると結晶粒径成長はそれ以上には進行せず飽和する。この照射回数が本発明における照射回数n0として示される。
実際の照射回数nは、前記照射回数n0に対し、(n0−1)以上、3・n0以下に設定する。これにより、非単結晶半導体膜2を効果的かつ効率的に結晶化することができる。
非単結晶半導体膜2上における薄膜半導体10の配列予定状態を図5に示す。各薄膜半導体10では、ソース11、ドレイン12、ソース、ドレイン間に位置するチャンネル部13を有しており、該チャンネル部13のパルスレーザの走査方向幅が、チャンネル領域幅bとなっている。上記非単結晶半導体膜2に対し走査ピッチ(パルス毎の移動量)cによってパルスレーザ3を照射、移動させると、パルス毎の移動に応じて結晶化半導体膜上にビームの継ぎ目3aが現れる。
図5(b)は、パルス毎の移動量cを前記チャンネル領域幅bの1/2よりも大きくした場合のビーム継ぎ目3aの発生状況を示している。この例では、ビーム継ぎ目3aは、チャンネル部13に1本または2本現れることになり、薄膜半導体10の性能ばらつきは低減されるものの、十分に低減されるものではない。
図5(c)は、本発明で規定されているものであり、パルス毎の移動量cを前記チャンネル領域幅bの1/2以下にした場合のビーム継ぎ目3aの発生状況を示している。この例では、ビーム継ぎ目3aは、チャンネル部13に2本または3本現れることになり、薄膜半導体10の性能ばらつきは効果的に低減される。
50nm厚のSiアモルファスを非単結晶半導体膜として、以下の条件で照射回数を変えてパルスレーザの照射を行った。
エキシマレーザ :LSX315C/波長308nm、周波数300Hz
ビームサイズ :ビーム長500mm×ビーム幅0.13mm
ビーム幅は、最大エネルギ強度90%以上の平坦部
スキャンピッチ :32.5μm〜6.5μm
照射パルスエネルギ密度
:320mJ/cm2
チャンネル領域幅:40μm
図7は、照射回数に応じた結晶粒径の変化を示すものであり、照射回数8回に至るまでは、照射回数の増加に応じて結晶粒径が増大している。照射回数8回以降では結晶粒径の増大は見られなかった。
2 非単結晶半導体膜
3 パルスレーザ
3a ビーム継ぎ目
10 薄膜半導体
11 ソース
12 ドレイン
13 チャンネル部
Claims (6)
- 非単結晶半導体膜上に、ビーム幅500μm以下のラインビーム形状のパルスレーザを相対的に走査しつつパルス毎に移動させ、照射回数nでオーバーラップ照射して結晶化を行う結晶半導体膜の製造方法において、
前記パルスレーザは、走査方向のビーム断面形状に強度の均一な平坦部を有し、該パルスレーザの照射によって結晶化した半導体膜により形成されるトランジスタの前記走査方向のチャンネル領域幅(1mm以下)をbとして、
前記パルスレーザは、該パルスレーザの照射によって前記非単結晶半導体膜に微結晶化が生じる照射パルスエネルギ密度よりも低く、かつ複数回数の照射によって結晶粒径成長が飽和する照射パルスエネルギ密度Eを有し、
前記パルスレーザの照射回数nは、前記照射パルスエネルギ密度Eのパルスレーザの照射によって前記結晶粒径成長が飽和する際の照射回数をn0として(n0−1)以上とし、
前記パルスレーザの前記走査方向におけるパルス毎の移動量cをb/2以下とする、
ことを特徴とする結晶半導体膜の製造方法。 - 前記パルスレーザ照射回数nは、(n0−1)以上、3・n0以下であることを特徴とする請求項1記載の結晶半導体膜の製造方法。
- 前記ビーム幅が500μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の結晶半導体膜の製造方法。
- 前記チャンネル領域幅が1mm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。
- 前記非単結晶半導体がSiであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。
- 前記パルスレーザがエキシマレーザであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の結晶半導体膜の製造方法。
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