JP5053610B2 - レーザアニール方法、半導体膜、半導体装置、及び電気光学装置 - Google Patents
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Description
本発明はまた、上記レーザアニール方法により製造された半導体膜、この半導体膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)等の半導体装置、及びこの半導体装置を用いた電気光学装置に関するものである。
本発明はまた、上記レーザアニール方法を用いることにより、結晶性が高く、薄膜トランジスタ(TFT)の活性層等として好適な半導体膜、これを用いたTFT等の半導体装置及び電気光学装置を提供することを目的とするものである。
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール方法において、
前記被アニール半導体膜の表面の少なくとも前記レーザアニールを実施する領域に、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分における前記レーザ光の反射率が下記式(1)又は(2)を充足する単層構造又は複層構造の反射制御膜を成膜し、
該反射制御膜の上から前記被アニール半導体膜に対して前記レーザ光を照射し、前記粒状結晶部分及び前記非結晶部分が融解し、かつ前記ラテラル結晶部分が融解しない条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とするものである。
RP≦RA≦RL・・・(1)、
RP≦RL≦RA・・・(2)
(式(1)及び(2)中、RAは非結晶部分におけるレーザ光の反射率、RPは粒状結晶部分におけるレーザ光の反射率、RLはラテラル結晶部分におけるレーザ光の反射率を、各々示す。)
本明細書において、「レーザアニール」には、レーザ光が直接照射される領域のアニールと、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導して結晶状態が変化する領域のアニールとが含まれるものとする。
0.82≦EP/EA≦1.0、又は0.82≦EA/EP≦1.0・・・(3)、
EL/EA≦0.70・・・(4)
(式(3)及び(4)中、
EAは非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
EPは粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ELはラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギーを、各々示す。)
反射制御膜が複層構造である場合、各層の組成は同一でも非同一でもよい。
本発明のレーザアニール装置において、前記レーザ光として半導体レーザ光を用いることが好ましい。前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合、前記レーザ光として、350〜600nmの波長域にあるレーザ光を用いることが好ましく、350〜500nmの波長域にあるレーザ光を用いることがより好ましい。前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合、前記レーザ光として、GaN系半導体レーザ光又はZnO系半導体レーザ光を用いることが好ましい。
本発明の半導体膜は、パターニングされる前のものでもパターニングされた後のものでもよい。本発明によれば、略全面がラテラル結晶からなる半導体膜を提供することができる。
「半導体膜が略全面ラテラル結晶からなる」とは、レーザアニール開始時と終了時に生成され、再度のレーザアニールが実施されずに残る粒状結晶を除いた部分がすべて、ラテラル結晶からなることを意味する。
この反射制御膜の上から被アニール半導体膜に対してレーザ光を照射し、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施する構成としている。
RP≦RA≦RL・・・(1)、
RP≦RL≦RA・・・(2)
(式(1)及び(2)中、RAは非結晶部分におけるレーザ光の反射率、RPは粒状結晶部分におけるレーザ光の反射率、RLはラテラル結晶部分におけるレーザ光の反射率を、各々示す。)
従来より、非結晶シリコン(a−Si)と多結晶シリコン(poly−Si)とは、レーザ光の波長に対する吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、従来は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン(poly−Si)であり、これらのレーザ光の吸収特性に違いがあるとは考えられていなかった。
吸収係数α=k/4πλ
(式中、kは消衰係数、λは波長である。)
(膜に吸収される光エネルギー)=(膜に照射される光エネルギー)×(表面反射せずに膜に入射する光量の割合)×(膜に吸収される光量の割合)
a=exp−αt
(式中、αは吸収係数、tは膜厚)
b=1−((1−n)/(1+n))2
(式中、nは屈折率である。)
(照射エネルギーE1)=(融解エネルギーE2)+(所望の温度に上昇させるために必要なエネルギーE3)+(放熱エネルギーE4)
E2=(単位融解エネルギー)×(1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiのモル数)=46×103×((2.32 g/cm3)×(10-6×10-6×50×10-9 m3)/28)=1.9×10-10 J
E3=(比熱)×(1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiの質量)×(所望の温度)=770J/kg K×(2.32g/cm3×(10-6×10-6×50×10-9 m3))×1400℃=1.3×10-10 J
0.82≦EP/EA≦1.0、又は0.82≦EA/EP≦1.0・・・(3)、
EL/EA≦0.70・・・(4)
(式(3)及び(4)中、
EAは非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
EPは粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ELはラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギーを、各々示す。)
0.85≦EP/EA≦1.0、又は0.85≦EA/EP≦1.0・・・(3A)、
EL/EA≦0.70・・・(4)
0.44v0.34143≦P≦0.56v0.34143・・・(5)
V=V0×exp(−Ea/kT)
(式中、Vはa−SiからPoly−Siへの固相成長速度(cm/s)である。kはボルツマン定数である。Tはアニール温度(K)である。V0は係数であり、V0=2.3〜3.1×108 cm/sである。Eaは活性化エネルギー(=c−Si中での空孔形成エネルギーに等しい)であり、Ea=2.68〜2.71eVである。)
非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上の単位面積当たりのレーザ光照射強度の分布、レーザ光の単位面積当たりの吸収エネルギーの分布、及び温度分布のイメージ図である。
RP≦RA≦RL・・・(1)、
RP≦RL≦RA・・・(2)
(式(1)及び(2)中、RAは非結晶部分におけるレーザ光の反射率、RPは粒状結晶部分におけるレーザ光の反射率、RLはラテラル結晶部分におけるレーザ光の反射率を、各々示す。)
反射制御膜としては、Al2O3、AlN、SiO2、Si3N4、Ta2O3、TiO2、及びHfO2からなる群より選択される少なくとも1種を主成分とする誘電体膜、又は該誘電体膜の積層膜であることが好ましい。反射制御膜が複層構造である場合、各層の組成は同一でも非同一でもよい。
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール方法において、
被アニール半導体膜の表面の少なくともレーザアニールを実施する領域に、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の反射率が下記式(1)又は(2)を充足する単層構造又は複層構造の反射制御膜を成膜し、
該反射制御膜の上から被アニール半導体膜に対してレーザ光を照射し、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施することを特徴とするものである。
RP≦RA≦RL・・・(1)、
RP≦RL≦RA・・・(2)
(式(1)及び(2)中、RAは非結晶部分におけるレーザ光の反射率、RPは粒状結晶部分におけるレーザ光の反射率、RLはラテラル結晶部分におけるレーザ光の反射率を、各々示す。)
図面を参照して、上記の本発明のレーザアニール方法を実施するのに用いて好適なレーザアニール装置の構成について、説明する。図12はレーザアニール装置の全体構成図、図13は1個の合波半導体レーザ光源121の内部構成を示す図である。
反射ミラー125A,125Bにより反射されたレーザ光L1,L2が入射する偏光ビームスプリッタ126Aと、
反射ミラー125C,125Dにより反射されたレーザ光L3,L4が入射する偏光ビームスプリッタ126Bとが備えられている。
RP≦RA≦RL・・・(1)、
RP≦RL≦RA・・・(2)
(式(1)及び(2)中、RAは非結晶部分におけるレーザ光の反射率、RPは粒状結晶部分におけるレーザ光の反射率、RLはラテラル結晶部分におけるレーザ光の反射率を、各々示す。)
レーザアニール装置100は上記構成に限らず、適宜設計変更可能である。基板ステージ110の移動と走査光学系140による光走査とにより、被アニール半導体膜20に対するレーザ光Lの相対走査を実施する構成としたが、被アニール半導体膜20に対するレーザ光Lの相対走査は、レーザヘッド120の図示x方向及びy方向の機械的走査、基板ステージ110の図示x方向及びy方向の機械的走査、あるいはレーザ光Lの図示x方向及びy方向の光走査等によっても実施することができる。
図面を参照して、本発明に係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法と構成について説明する。本実施形態では、トップゲート型の画素スイッチング用薄膜トランジスタ(画素スイッチング用TFT)と、これを備えたアクティブマトリクス基板を例として説明する。図15は、工程図(基板の厚み方向の断面図)である。
RP≦RA≦RL・・・(1)、
RP≦RL≦RA・・・(2)
(式(1)及び(2)中、RAは非結晶部分におけるレーザ光の反射率、RPは粒状結晶部分におけるレーザ光の反射率、RLはラテラル結晶部分におけるレーザ光の反射率を、各々示す。)
次に、図15(c)に示す如く、フォトリソグラフィ法により、レーザアニール後の半導体膜21及び反射制御膜24をパターニングして、TFTの素子形成領域以外の領域を除去する。パターニング後の半導体膜に符号22を付してある。パターニング後の反射制御膜24がゲート絶縁膜となる。
次に、図15(e)に示す如く、ゲート電極25をマスクとして、半導体膜22にP,B等のドーパントをドープし、活性領域であるソース領域23aとドレイン領域23bとを有する活性層23を形成する。ドーパントがPの場合について図示してある。活性層23において、ソース領域23aとドレイン領域23bとの間の領域がチャネル領域23cとなる。ドープ量は、例えば3.0×1015ions/cm2程度が好ましい。この工程により、TFTの活性層をなす半導体膜23が形成される。
以上の工程により、本実施形態の画素スイッチング用TFT30が製造される。
アクティブマトリクス基板40の製造にあたっては、走査線や信号線等の配線が形成される。ゲート電極25が走査線を兼ねる場合と、ゲート電極25とは別に走査線を形成する場合がある。ドレイン電極28bが信号線を兼ねる場合と、ドレイン電極28bとは別に信号線を形成する場合がある。
図面を参照して、本発明に係る実施形態の電気光学装置の構成について説明する。本発明は、EL装置や液晶装置等に適用可能であり、有機EL装置を例として説明する。図16は有機EL装置の分解斜視図である。
ガラス基板上に、プラズマCVD法にて、SiO2からなる下地膜(200nm厚)と、非結晶シリコン膜(a−Si、50nm厚)とを順次成膜した。次いで、IAD法にて、レーザ光の波長405nmの条件において、粒状結晶部分におけるレーザ光の吸収率と非結晶部分におけるレーザ光の吸収率とが略一致するように、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の反射率を調整する反射制御膜を成膜した。反射制御膜として、Ta2O3膜(138.4nm厚)の単層構造の誘電体膜を成膜した。その後、約500℃・約10分の熱アニールを実施して、非結晶シリコン膜の脱水素処理を実施した。
<条件1>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.09MW/cm2、重ね量75%。
反射制御膜を設けず、下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例1と同様にレーザアニールを実施した。
<条件2>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.09MW/cm2、重ね量70%。
実施例1のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてTFTを製造し、得られたTFTのVg−Id特性(ゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの関係)を評価した。
同様に、比較例1のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてTFTを製造し、そのVg−Id特性を評価した。比較例1については、2個のTFT(比較例1−A、比較例1−B)について、評価を実施した。
結果を図19に示す。図19において、左右の縦軸はいずれも同じId値を示しているが、右の縦軸は通常表示、左の縦軸は対数表示になっている。図示するように、実施例1で得られたTFTは、比較例1で得られたTFTよりも、キャリア移動度が高く、素子電流特性が良好であった。
21、22 半導体膜
23 半導体膜(活性層)
23a ソース領域(活性領域)
23b ドレイン領域(活性領域)
24 反射制御膜、ゲート絶縁膜
30 TFT(半導体装置)
40 アクティブマトリクス基板
50 有機EL装置(電気光学装置)
100 レーザアニール装置
L レーザ光
Claims (18)
- 非結晶シリコン膜からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール方法において、
前記被アニール半導体膜の表面の少なくとも前記レーザアニールを実施する領域に、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分における前記レーザ光の反射率が下記式(1)又は(2)を充足する単層構造又は複層構造の反射制御膜を成膜し、
該反射制御膜の上から前記被アニール半導体膜に対して波長350nm以上500nm以下の前記レーザ光を照射し、前記非結晶部分及び前記粒状結晶部分における前記レーザ光の表面到達温度が2000±200℃となり、前記ラテラル結晶部分における前記レーザ光の表面到達温度が1400℃以下となる条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とするレーザアニール方法。
RP≦RA≦RL・・・(1)、
RP≦RL≦RA・・・(2)
(式(1)及び(2)中、RAは非結晶部分におけるレーザ光の反射率、RPは粒状結晶部分におけるレーザ光の反射率、RLはラテラル結晶部分におけるレーザ光の反射率を、各々示す。) - 前記反射制御膜によって、前記粒状結晶部分における前記レーザ光の吸収率と前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収率とが略一致するように、前記ラテラル結晶部分、前記粒状結晶部分、及び前記非結晶部分における前記レーザ光の反射率を設定することを特徴とする請求項1に記載のレーザアニール方法。
- 下記式(3)及び(4)を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザアニール方法。
0.82≦EP/EA≦1.0、又は0.82≦EA/EP≦1.0・・・(3)、
EL/EA≦0.70・・・(4)
(式(3)及び(4)中、
EAは非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
EPは粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ELはラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギーを、各々示す。) - 前記被アニール半導体膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査して、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザアニール方法。
- 前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収パワー密度P(MW/cm2)と前記レーザ光の相対走査速度v(m/s)とが下記式(5)を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項4に記載のレーザアニール方法。
0.44v0.34143≦P≦0.56v0.34143・・・(5) - 前記被アニール半導体膜の膜厚が40nm以上120nm以下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レーザアニール方法。
- 前記反射制御膜は、単層構造又は複層構造の誘電体膜であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のレーザアニール方法。
- 前記反射制御膜は、Al2O3、AlN、SiO2、Si3N4、Ta2O3、TiO2、及びHfO2からなる群より選択される少なくとも1種を主成分とする誘電体膜、又は該誘電体膜の積層膜であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のレーザアニール方法。
- 前記レーザ光として連続発振レーザ光を用いることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のレーザアニール方法。
- 前記レーザ光として半導体レーザ光を用いることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のレーザアニール方法。
- 前記レーザ光として、GaN系半導体レーザ光又はZnO系半導体レーザ光を用いることを特徴とする請求項9又は10に記載のレーザアニール方法。
- 前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、
前記被アニール半導体膜に対して、先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のレーザアニール方法。 - 非結晶半導体からなる被アニール半導体膜に対して、請求項1〜12のいずれかに記載のレーザアニール方法を実施して製造されたものであることを特徴とする半導体膜。
- 略全面がラテラル結晶からなることを特徴とする請求項13に記載の半導体膜。
- 請求項13又は14に記載の半導体膜を用いて得られた活性層を備えたことを特徴とする半導体装置。
- 前記活性層上に前記反射制御膜が残っていることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
- 請求項13又は14に記載の半導体膜を用いて得られた活性層と、前記反射制御膜により形成されたゲート絶縁膜とを備えたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 請求項15又は16に記載の半導体装置、若しくは請求項18に記載の薄膜トランジスタを備えたことを特徴とする電気光学装置。
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