WO2007108157A1 - 薄膜トランジスタの製造方法、レーザー結晶化装置及び半導体装置 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法、レーザー結晶化装置及び半導体装置 Download PDF

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Masashi Maekawa
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Sharp Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor, a laser crystallization apparatus, and a semiconductor device. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor including a step of crystallizing an amorphous silicon film into a polycrystalline silicon film, a laser crystallization apparatus, and a semiconductor device.
  • a thin film transistor (hereinafter also referred to as TFT (Thin Film Transistor)) is a semiconductor element having a three-terminal of a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode on a thin film semiconductor, such as a liquid crystal display device. It is used in a wide range of fields, such as being used as a switching element and a control circuit in the active matrix display device.
  • TFT Thin Film Transistor
  • amorphous silicon hereinafter also referred to as amorphous silicon
  • polycrystalline silicon hereinafter also referred to as polysilicon
  • Monolayer silicon has a disordered atomic arrangement
  • polysilicon has a partially ordered crystal structure. Since the mobility of carriers improves as the crystal structure becomes more regular, using polysilicon can improve the ON / OFF characteristics of the switch and reduce the power consumption of the semiconductor device.
  • a polysilicon TFT it is possible to integrate a peripheral drive circuit and to integrate a liquid crystal panel. In order to further improve the ON / OFF characteristics of the switch, reduce the power consumption of the semiconductor device, and promote circuit integration, further enhancement of the performance of the polysilicon TFT is required.
  • the ultimate goal of improving the performance of polysilicon TFTs is to bring them closer to the characteristics of SOI (Silicon On Insulator) using single crystal silicon with a regular crystal structure as a whole.
  • SOI Silicon On Insulator
  • the use of the lateral growth crystallization method is becoming widely recognized as a more realistic method for improving characteristics. This is because the amorphous silicon is irradiated with a high-energy laser and the temperature gradient is used from the boundary between the molten liquid part and the solid part to the inside of the laser irradiation area and to the boundary surface. Crystal at an orthogonal angle It is a technique of growing. Regarding the crystal grains produced by this method, it has been confirmed that the mobility of carriers in the growth direction is high especially in the case of crystal grains grown in one direction.
  • TDX Thin-beam Directional Crystallization
  • This method forms a long beam that can cover the short side of the glass substrate and terminates the entire crystallization of the substrate with a single line of irradiation.
  • a high-power excimer laser is used. According to this method, no ridges (ridge-like ridges) remain in the laser beam scanning direction (crystal growth direction), and the process is completed in one scan, so this occurs when multiple rows are scanned. It is possible to form laterally grown crystal grains without a seam.
  • An example of the expected beam size and scanning method for the 4th generation glass substrate size (730mm x 920mm) is: excimer laser output: 900W, oscillation frequency: 6kHz, beam size: 720mm x 0.01mm, scanning Speed is 12mmZ seconds, one line irradiation, processing time: about 76 seconds.
  • TDX has problems in production technology such as excimer lasers are not sufficient in terms of stability and operability, and gas lasers require high maintenance costs. Therefore, it is expected to be replaced with a solid-state laser that has a more stable output and is easy to maintain.
  • a solid-state laser cannot cover the short side of a glass substrate, which has a smaller output power S than an excimer laser, so it is necessary to scan multiple lines with line breaks.
  • a pulsed solid-state laser or a continuous wave (CW) solid-state laser is used as the solid-state laser.
  • CW continuous wave
  • a pulse solid-state laser that can obtain higher output is generally used for crystallization of the entire surface of the substrate.
  • a CW solid state laser is used to crystallize the region.
  • An example of a solid laser beam size and scanning method assumed for the 4th generation glass substrate size is as follows. With a pulsed solid-state laser, the output is 50 W, the oscillation frequency is 100 kHz, the beam size is 10 mm X O. 01 mm, the scanning speed is 200 mmZ seconds, the irradiation is 72 lines, and the processing time is about 331 seconds.
  • Power 10W
  • beam size 0.2mm X O. 02mm
  • scanning speed 500mmZ seconds 3600 line irradiation
  • processing time about 6700 seconds.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a crystalline semiconductor film in a step of crystallizing a pulsed solid-state laser by scanning a plurality of rows.
  • a rectangular laser beam 41 is scanned in the direction of the arrow in the figure so that it partially overlaps the edge of the already crystallized region 14, but at this time the laser
  • the growth direction of the crystal grain 2 changes in the orthogonal direction at the end of the irradiated region, as shown in FIG. 6 (b).
  • a ridge 23 as shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a crystalline semiconductor film when the beam end is tapered in a technique called 2-shot SLS.
  • This method uses a photomask to provide a plurality of beam irradiation regions, and a region (unit region) that becomes a repeating unit is crystallized by two shots.
  • Fig. 7 (a) By making the end of the photomask that becomes the beam slit taper, as shown in Fig. 7 (a), it is possible to pattern the beam 51 having a tapered tip, which is shown in Fig. 7 (b). ),
  • the crystal grains 12 can be formed in the overlapping portion 15 with the preceding row with minimal disturbance in the crystal grain growth direction.
  • the ridge 33 remains in the crystallization region.
  • the ridge is formed by collision of crystal grain growth from both sides. It corresponds to a large-angle grain boundary (a region where the crystal lattice shift is large) and the silicon film thickness varies greatly. Therefore, if this ridge is included randomly in the channel region of the TFT that will be fabricated later, In particular, the TFT threshold value varies greatly. Therefore, it is possible to keep the crystal direction in one direction and avoid the ridge by means of sweeping a single beam in one direction and continuing the previous shot to the next shot. A method is desired.
  • Such a crystallization method has problems such as a long processing time due to a shortage of available laser output and transmission frequency, and is a powerful technology that has not been noticed so far. With the progress of higher output and higher frequency, the possibility of processing within a practical processing time has emerged, and the value is being reviewed.
  • the laser beam is shaped into one elongated beam, and irradiation is continued while shifting it by a distance smaller than 1 Z2 of the width in the minor axis direction of each shot to grow crystal grains in one direction. The method is known.
  • the growth direction of crystal grains is one direction indicated by the horizontal line in FIG. 9 by both excimer laser and solid laser. Therefore, when the TFT is arranged so that the carrier flow direction is parallel to the crystal growth direction as in the right TFT 17 in FIG. 9, the carrier mobility of the TFT is very high. However, if the carrier flow direction is perpendicular to the crystal growth direction as in the left TFT16, the carrier mobility of the TFT16 drops from 1Z3 to 1Z4 in the TFT17. In this way, there was room for improvement in this point because TFTs made of polysilicon force grown in one direction could have a large difference in characteristics depending on the arrangement direction.
  • Patent Document 1 JP 2003-109903 A
  • Patent Document 2 JP-A-2004-214614
  • Patent Document 3 US Patent No. 6792029 Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above-described situation.
  • laser crystallization of an amorphous semiconductor film even if a plurality of lines are scanned, crystal grains are not disturbed at a line feed portion.
  • a crystal is formed continuously in the crystal and the next row, ensuring the uniformity of TFT characteristics in this part, and the characteristics are the same regardless of whether the TFT is placed vertically or horizontally with respect to the substrate. It is an object of the present invention to provide a thin film transistor manufacturing method, a laser crystallization apparatus, and a semiconductor device.
  • the inventors of the present invention have made various investigations on methods that can ensure the uniformity of TFT characteristics in laser crystallization of amorphous silicon during TFT manufacturing, and have focused on the laser irradiation method. . If the direction in which the beam is moved is a direction perpendicular to the long axis direction of the long beam to be irradiated, ridges may remain in the already crystallized region, and the manufacturing process may cause Since a long crystal parallel to either the vertical direction or the horizontal direction is formed, it is found that there is a difference in characteristics depending on the arrangement direction of the TFT to be manufactured, and the length in which the beam is moved is irradiated.
  • the present invention is a method for manufacturing a thin film transistor having a crystalline semiconductor film on a substrate.
  • a method of manufacturing a thin film transistor including a step of melting and crystallizing a film to form a crystalline semiconductor film, wherein the long beam is moved in an oblique direction with respect to a major axis direction thereof.
  • the substrate is not particularly limited, and for example, a substrate in which an insulating film is formed on a semiconductor substrate such as a silicon substrate or a glass substrate can be used.
  • a substrate in which an insulating film is formed on a semiconductor substrate such as a silicon substrate or a glass substrate
  • an amorphous silicon film is preferably used as the amorphous semiconductor film.
  • the crystalline semiconductor film For example, a polysilicon film or the like is preferably used.
  • a crystalline semiconductor film is formed by crystallizing an amorphous semiconductor film by laser irradiation.
  • the long beam means a beam whose irradiation region is long in one direction when the substrate is irradiated.
  • the shape of the beam can be shaped by the beam shaping 'uniform optical system of the laser crystallization apparatus.
  • the long beam is preferably elongated in one direction so that it can be crystallized as widely as possible with a single irradiation.
  • the above long beam only needs to hold energy for crystallization to a required depth during the process of forming the crystalline semiconductor film, but usually it reaches the bottom of the amorphous semiconductor film layer. It is assumed that it retains enough energy to crystallize.
  • the amorphous semiconductor film is sequentially melted in accordance with the shape of the laser irradiation region.
  • a boundary between the solid and the liquid of the amorphous semiconductor film is formed, and from this boundary to the inside of the laser irradiation region due to the temperature gradient, the boundary surface
  • the crystal grows at an angle perpendicular to the angle.
  • a crystalline semiconductor film having laterally grown crystal grains that are long in one direction is formed on the substrate.
  • the crystal grains formed by growing long in one direction have higher carrier mobility in the growth direction.
  • To move the long beam in an oblique direction with respect to the long axis direction means that the long beam is in a direction parallel to or orthogonal to the long axis direction. It means moving in a direction other than (minor axis direction).
  • the long beam is moved in a plurality of rows so as to be substantially parallel on the substrate.
  • the long axis direction of the long beam is substantially parallel in each row as in the moving direction of the long beam.
  • substantially parallel means substantially parallel, and includes a shift of parallel force within a range that can be identified as parallel in view of technical significance.
  • the laterally grown crystal grains are grown in an oblique direction with respect to the longitudinal and lateral directions of the substrate.
  • the carrier movement direction is the same for each TFT regardless of whether the TFT is arranged in the vertical or horizontal direction with respect to the substrate, so that variations in characteristics of each TFT can be suppressed. This In this way, by suppressing variations in the characteristics of each TFT, a circuit board with excellent quality performance can be produced.
  • the long beam is moved in a direction substantially 45 ° with the long axis direction.
  • the reason why the long beam is moved obliquely with respect to the major axis direction is to make sure that there is no difference in the characteristics of the TFTs regardless of whether the TFTs are arranged vertically or horizontally with respect to the substrate. . Therefore, it can be said that the 45 ° force, which is intermediate between the vertical direction (90 °) and the horizontal direction (0 °), is the angle at which there is no difference in characteristics between the vertical and horizontal TFTs.
  • the term “approximately 45 °” includes a shift of 45 ° force within the range that can be identified as 45 ° in view of technical significance. Specifically, if it is within 10 ° front to back (35 to 55 °) with respect to 45 °, there may be a case where the difference in characteristics between the vertically and horizontally arranged TFTs can be sufficiently suppressed.
  • the end of the long beam has a tapered shape at the end of the long axis, and the apex of the end of the long axis moves on or longer than the center line of the long beam in the long axis direction. It is preferably located on the direction side.
  • the tapered shape means a shape in which the width of the short axis converges as it approaches the tip portion in the long axis direction. Such shapes can be formed using beam slits or knife edges.
  • the vertex at the end in the long axis direction is positioned on the center line in the long axis direction or on the moving direction side of the center line, so that the next irradiation is performed by superimposing with the pre-irradiation region.
  • the ridge formed in the pre-irradiation area can be lost.
  • the tapered shape of the end of the long beam preferably has an apex angle of 90 ° or less.
  • “below” includes the numerical values. If the apex angle exceeds 90 ° in the tapered shape at the end of the long beam, the beam shape becomes more rectangular, and the crystal grain growth direction at the end becomes non-uniform, The ridge is also discontinuous. The apex angle is more preferably 45 ° or less. As described above, as the tip of the tapered shape becomes thinner, the crystal growth direction at the end of the long beam can be made closer to the growth direction of the crystal grains in the major axis direction. On the other hand, if the apex angle is decreased, the optical system may not be resolved.
  • the apex angle above is a practical slit width of 3-4 m. Experimentally, 20 to 40 ° is particularly preferable.
  • the irradiation and movement of the long beam are performed in a plurality of rows, and the irradiation region of the next row is partially overlapped with the region crystallized by the irradiation of the previous row.
  • Long beam irradiation often requires multiple lines of laser irradiation, depending on the size of the substrate used. Therefore, at the time of irradiation of the next row, it is preferable to irradiate with a part of the previous row so that a non-crystallized region does not occur.
  • the apex angle is 90 ° or less, the continuity with the growth direction of the preceding crystal grains can be maintained, and the entire substrate is uniform. Crystal grains having a proper growth direction can be obtained.
  • the irradiation and movement of the long beam are preferably performed so as to overlap with the irradiation area of the long beam after the movement of the center line force in the long axis direction of the long beam before the movement.
  • the irradiation area of the next shot covers the ridge formed in the previous shot, and the ridge portion can be melted again and disappear.
  • the edge generated in the prior art can be eliminated, and the ridge in the crystalline semiconductor film can be eliminated. It is a big improvement means to prevent the remaining.
  • the height of the ridge at the tip of the major axis which does not have to disappear completely, is the height of the ridge at the portion other than the tip (about 1 to 1 of the original amorphous semiconductor film thickness). If it is lower than 1 Z3, it is acceptable that there will be no difference in TFT characteristics.
  • the region where the amorphous semiconductor film melts depends on the shape (profile) of the irradiated beam, but the actual melted region becomes slightly shorter than the profile at the beam end. It is preferable to do irradiation.
  • the movement of the long beam is performed in a single line as in the raster scan (assuming this is the X direction), stopped at the end of the substrate, and then constant in the Y direction perpendicular to the X direction.
  • a method of scanning by repeating a series of operations of moving a distance, scanning in the X direction in the opposite direction from the previous line, and then moving again in the Y direction at the end is also possible.
  • the long axis direction of the long beam when the substrate is viewed in plan is the same in each row regardless of the moving direction of the long beam. .
  • the moving direction of the long beam is reversed for each row, the moving of the long beam is performed on the next row. It is preferable that the inclination of the major axis direction with respect to the direction differs from the inclination of the preceding line by approximately 90 °.
  • the long beam is moved as long as the position of the long beam on the substrate surface is changed by changing the relative positional relationship between the long beam and the substrate.
  • the long beam is moved by moving the substrate.
  • High-definition technology is used to shape long beams. Therefore, if a long beam is moved without driving the substrate, there is a possibility that the beam shaping will be shifted. Since the substrate can be moved regardless of the shaping of the long beam, it is not necessary to consider the above deviation.
  • a method for moving the substrate in this way for example, a method using a device capable of moving a stage on which the substrate is placed in a three-dimensional direction (XYZ direction) and the like can be mentioned.
  • the long beam is output from a pulse laser, and is preferably moved by a certain distance for each pulse.
  • a pulse laser is suitable for melting an amorphous semiconductor film because it has a high output among solid lasers that have a stable output and are easy to maintain.
  • pulse lasers emit pulsed light at regular time intervals, when using pulsed lasers, a certain distance is moved for each pulse, and a different region on the substrate is irradiated for each pulse. It is preferable.
  • a preferred embodiment of the intensity distribution of the long beam includes an embodiment in which the long beam is uniform in the long axis direction and a Gaussian distribution in the direction orthogonal thereto.
  • the above homogenization means that the intensity distribution of the beam along the major axis direction is made substantially constant. Specifically, the intensity change of the beam along the major axis direction is changed. It means to within 10%.
  • Such an intensity distribution can be shaped using a fly's eye (an optical component that splits and reconstructs a beam with a small lens). In the long axis direction, it is preferable that the beam be as long as possible within a range where the power density necessary for melting the amorphous semiconductor film layer is satisfied.
  • the Gaussian distribution preferably corresponds to a normal distribution as long as the distribution is high at the center and has tails on both sides.
  • the laser intensity distribution is generally Gaussian.
  • a laser beam is preferred. If the beam is made uniform in the direction perpendicular to the major axis direction, the beam quality deteriorates and the beam converges finely. On the other hand, even if the Gaussian distribution is used, the distance is short, so heat conduction is made somewhat uniform and it can be used without any problem.
  • the present invention is also a laser crystallization apparatus including a laser system for irradiating a long beam and a substrate stage on which the substrate is placed.
  • the laser crystallization apparatus is configured to irradiate a long beam.
  • the substrate stage also moves the substrate in an oblique direction with respect to the long axis direction of the long beam.
  • examples of the laser system include an apparatus including a solid-state laser generator, a beam shaping / homogenizing optical system, a condenser lens, a beam end adjusting slit, a field lens, and a projection lens.
  • the substrate stage means a stage on which a substrate to be irradiated with laser is placed, and it is preferable that the substrate can be fixed and the stage itself can be moved in a three-dimensional direction (XYZ direction).
  • the laser crystallization apparatus of the present invention can be suitably used for the above-described TFT manufacturing method. Therefore, as a preferable mode of the laser crystallization apparatus, a mode in which the long beam is moved in a direction that is approximately 45 ° with respect to the long axis direction, and an end portion in the long axis direction of the long beam is tapered.
  • the apex of the end in the long axis direction is positioned on the long axis in the long axis or on the moving direction side of the center line, and the apex angle of the tapered shape at the end of the long beam Of 90 ° or less, a mode in which irradiation and movement of the long beam are performed in a plurality of rows, and a region in which the irradiation region of the next row is partially overlapped with a region crystallized by irradiation of the previous row, Irradiation and movement are performed so that the center line in the long axis direction of the long beam before movement overlaps the irradiation area of the long beam after movement, and the long beam is moved by moving the substrate.
  • a crystal in the next row and a crystal in the next row are continuously formed without leaving a ridge even when a plurality of rows are scanned. Formation Therefore, the uniformity of the TFT characteristics in this portion can be ensured, and the characteristics can be made equal regardless of whether the TFT is arranged in the vertical or horizontal direction with respect to the substrate.
  • the present invention is also a semiconductor device including a thin film transistor having a crystalline semiconductor film on a substrate, wherein the crystal grain growth direction of the crystalline semiconductor film is oblique with respect to the carrier movement direction. It is also a semiconductor device including a directional region and a parallel region.
  • the semiconductor device of the present invention is preferably manufactured by the above manufacturing method.
  • Such a semiconductor device can be provided with a TFT in which a characteristic difference hardly occurs in a region where the crystal grain growth direction of the crystalline semiconductor film is oblique to the carrier movement direction.
  • a TFT having high characteristics can be provided in a region where the crystal grain growth direction of the crystalline semiconductor film is parallel to the carrier movement direction. Therefore, the semiconductor device of the present invention can be said to be a semiconductor device capable of appropriate TFT layout according to the purpose of use. The invention's effect
  • the method for manufacturing a thin film transistor of the present invention in laser crystallization, even when multiple rows of scanning are used, crystallization can be performed with a uniform growth direction of crystal grains, and crystal grains serving as seams between rows can be obtained.
  • the TFT array substrate can be manufactured without taking into account the adjustment of the above.
  • Example 1 is an example of a crystallization method using a pulsed solid-state laser assuming that the entire surface of the substrate is crystallized.
  • an amorphous silicon film is deposited on a glass substrate via a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a laminated film thereof.
  • the film thickness is preferably 30 to: LOOnm for TFT fabrication.
  • the process proceeds to the crystallization process of the amorphous silicon film by laser irradiation.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing the basic structure of the laser crystallization apparatus.
  • the beam output from the pulsed solid-state laser 100 is passed through a beam shaping / homogenizing optical system 101 using a mirror, etc., and the laser beam with a Gaussian intensity distribution is made uniform in one direction to make a long beam. To shape. At this time, the beam is converged as much as possible in the short axis direction of the long beam. This length in the short axis direction is mainly a force that depends on the quality of the beam, and can usually be 10 m or less. At this time, if a 50 W class laser is used, it is possible to completely melt an amorphous silicon thin film having a thickness of 50 nm to the bottom surface with the length of the major axis being about 10 mm.
  • the pulse width is adjusted to about 300 ns, lateral growth crystallization of about 4 m on one side can be realized.
  • the condenser lens 102 is passed, and the beam is condensed so that the beam end adjusting slit 103 is illuminated uniformly.
  • the beam end adjustment slit 103 is used to change the beam end shape of the long beam into a tapered shape having an apex angle smaller than 90 ° as shown in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a state of forming a crystalline semiconductor film by laser irradiation in Example 1.
  • the amorphous silicon film on the glass substrate 8 is irradiated by moving the beam 1 in the direction of 45 ° with respect to the long axis direction of the beam. Since it is not possible to irradiate the entire glass substrate 8 with a single movement, multiple lines of beam irradiation are performed. At this time, the beam 1 is irradiated so that the beam 1 partially overlaps the already crystallized region 4.
  • the crystal growth proceeds in a direction inclined by 45 ° with respect to the vertical and horizontal axes of the substrate as shown by the oblique lines in FIG. 1 (a).
  • the beam 1 is fixed, and the glass substrate 8 on the XYZ stage 106 is placed at an angle of 45 ° with respect to the long axis direction of the beam in FIG. 1 (b). It is more accurate to move in the direction of the arrow Preferred above.
  • the melting regions 21b and 31b of the next shot are pre-shot.
  • the shape is adjusted so as to cover the center line of the molten regions 21a and 31a.
  • the ridges 3 and 13 of the previous shot can be eliminated, and even in the short axis direction of the beam, the growth of the crystal grains is not significantly disturbed.
  • the short axis direction of the beam is 10 / z m
  • the beam is moved by about 22 m between pulses. Therefore, for example, a solid laser with 100 kHz oscillation moves at a speed of about 280 mmZ seconds.
  • a region to be an active layer of an element is defined by etching.
  • a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a laminated film thereof that becomes a gate insulating film is deposited.
  • an electrode material such as tantalum or molybdenum is deposited and etched into the shape of the gate electrode.
  • a high concentration of phosphorus or boron is implanted into the source and drain regions and activated by annealing.
  • a silicon oxide film is deposited, and contact holes are formed in the silicon oxide film.
  • electrodes such as aluminum and ITO are formed, and a basic TFT is completed.
  • a process such as formation of a pixel electrode follows.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a state of forming a crystalline semiconductor film by laser irradiation in the present invention.
  • A shows the beam irradiation angle and beam moving direction, and
  • B shows the case of moving the substrate.
  • 2 A configuration diagram of a laser crystallization apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 A schematic plan view showing the beam end shape of the long beam used in the present invention.
  • (A) shows the case where the vertex of the end in the major axis direction is located on the center line
  • the arrows in the figure indicate the moving direction of the long beam.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing an overlapping state between the beam end of the previous shot and the beam end of the next shot at the time of a beam shot in the present invention.
  • A shows the case where the apex of the end of the long beam in the long axis direction is located on the center line.
  • B shows the apex of the end of the long beam in the long axis direction on the moving direction side from the center line.
  • Each case is shown in FIG.
  • the arrows in the figure indicate the moving direction of the long beam.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing the relationship between the crystal grain growth direction and the TFT arrangement direction in the crystalline semiconductor film fabricated using the present invention.
  • the parallel oblique lines in the figure indicate the crystal grain growth directions.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing the growth of crystal grains of a crystalline semiconductor film when a rectangular beam end shape is used in the conventional lateral growth crystallization method.
  • A shows the re Tsu state of di in the line feed portion, an arrow in the drawing indicates the movement direction of the elongated beam.
  • B shows the crystal growth direction in the beam irradiation region.
  • C shows the ridge formation, and the arrows in the figure indicate the crystal growth direction.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing a state of crystal grain growth of a crystalline semiconductor film when 2-shot SL S is performed using a tapered beam end in a conventional lateral growth crystallization method.
  • A shows the state of the ridge at the line feed, and the arrows in the figure indicate the direction of movement of the long beam.
  • B shows the crystal growth direction in the beam irradiation region.
  • FIG. 8 shows the state of crystal growth of a crystalline semiconductor film in the case of continuous irradiation while moving in one direction using a tapered beam end using the conventional lateral growth crystallization method. It is a schematic plan view.
  • A shows the ridge at the line feed, and the arrow in the figure indicates the direction of movement of the long beam.
  • (B) shows the state of ridge formation, and the arrows in the figure indicate the crystal growth direction.

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Abstract

本発明は、非晶質半導体膜のレーザー結晶化において、複数行の走査を行っても、改行部において結晶粒の乱れなく前行の結晶と連続的に次行の結晶が形成され、この部分でのＴＦＴ特性の均一性を確保するとともに、ＴＦＴを、基板に対して縦横どちらの方向に配置したとしても、その特性を同等とすることができる薄膜トランジスタの製造方法、レーザー結晶化装置及び半導体装置を提供する。本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、上記製造方法は、長尺ビームの照射及び移動を繰り返し行い、基板上の非晶質半導体膜を溶融して結晶化させ、結晶性半導体膜を形成する工程を含み、上記長尺ビームは、その長軸方向に対して斜め方向に移動されるものである。

Description

明 細 書
薄膜トランジスタの製造方法、レーザー結晶化装置及び半導体装置 技術分野
[0001] 本発明は、薄膜トランジスタの製造方法、レーザー結晶化装置及び半導体装置に関 する。より詳しくは、非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に結晶化させる工程を含む 薄膜トランジスタの製造方法、レーザー結晶化装置及び半導体装置に関するもので ある。
背景技術
[0002] 薄膜トランジスタ（以下、 TFT (Thin Film Transistor)とも ヽぅ。）は、薄膜半導体に、ゲ ート電極、ソース電極及びドレイン電極の 3端子を備えた半導体素子であり、液晶表 示装置等のアクティブマトリクス型表示装置においてスイッチング素子や制御回路と して用いられる等、幅広い分野で利用されている。
[0003] TFTの半導体材料としては、一般的に非晶質シリコン (以下、アモルファスシリコンと もいう。）又は多結晶シリコン (以下、ポリシリコンともいう。）が用いられる。ァモノレファ スシリコンが無秩序な原子配列構造を有する一方、ポリシリコンは部分的に規則的な 結晶構造を有する。結晶の構造が規則性を有するほどキャリアの移動度は向上する ため、ポリシリコンを用いる方が、スィッチの ON 'OFF特性の向上、半導体装置の低 消費電力化が図れる。また、ポリシリコン TFTを用いることで、周辺駆動回路の集積' 内蔵化、液晶パネルの回路集積化も可能となる。そして、更なるスィッチの ON 'OFF 特性の向上、半導体装置の低消費電力化、回路の集積ィ匕を進めるために、ポリシリ コン TFTの更なる高性能化が求められている。
[0004] ポリシリコン TFTの高性能化を図るうえでの究極の目標は、全体的に規則的な結晶 構造を有する単結晶シリコンを用いた SOI (Silicon On Insulator)の特性に近づけるこ とであるが、より現実的な特性向上の方法として、横成長結晶化法を用いることが広く 認識されはじめている。これは、アモルファスシリコンに高エネルギーを有するレーザ 一を照射し、溶融した液体部分と固体部分との境界から、その温度勾配を利用して、 レーザー照射領域の内側方向に、かつその境界面に対して直交する角度で結晶を 成長させるという手法である。この手法で作られた結晶粒に関し、特に一方向に細長 く成長させた構成の結晶粒において、その成長方向にキャリアの移動度が高くなるこ とが確かめられている。
[0005] このような横成長結晶粒を形成する方法として、最近では、 TDX (Thin-beam Directi onal Crystallization)と呼ばれる手法が提案されている。この手法は、ガラス基板の短 辺をカバーできる長さの長尺ビームを形成し、 1行の照射で基板の全面結晶化を終 了させる手法であり、高出力のエキシマレーザーが用いられる。この方法によれば、 レーザービームの走査方向（結晶成長方向）にリッジ (尾根状隆起部）がまったく残ら ず、かつ一回の走査でプロセスが終了するので複数行の走査を行ったときに生じる 継ぎ目がなく横成長結晶粒を形成させることが可能となる。第 4世代のガラス基板サ ィズ（730mm X 920mm)に対し想定されているビームサイズ及び走査方法の一例 は、エキシマレーザー出力： 900W、発振周波数： 6kHz、ビームサイズ： 720mm X 0 . 01mm,走査速度 12mmZ秒、一行照射、処理時間：約 76秒である。
[0006] しかしながら、 TDXは、エキシマレーザーが安定性や稼動性の点で充分ではないこ とや、ガスレーザーであるためにメンテナンスコストが多く必要となること等の生産技 術の面での課題があることから、より出力が安定しており、維持が容易な固体レーザ 一への置き換えが期待されて 、る。
[0007] これに対しては、 YAG (Yttrium Aluminum Garnet)、 YV04 (Yttrium Vanadate)、 Y LF (Yttrium Lithium Fluoride)等を用いた固体レーザーの第 2高調波を用いることが 提案されている。し力しながら、固体レーザーでは、エキシマレーザーと比べると出力 力 S小さぐガラス基板の短辺をカバーできないため、改行して複数行の走査を行うこと が必要となる。固体レーザーとしては、パルス固体レーザー、連続発振 (CW)固体レ 一ザ一が用いられるが、一般的に、基板全面の結晶化にはより高出力を得られるパ ルス固体レーザーが用いられ、限定した領域の結晶化には CW固体レーザーが用い られる。第 4世代のガラス基板サイズに対し想定されて ヽる固体レーザーのビームサ ィズ及び走査方法の一例は、次の通りである。パルス固体レーザーでは、出力： 50 W、発振周波数 100kHz、ビームサイズ： 10mm X O. 01mm,走査速度 200mmZ 秒、 72行照射、処理時間：約 331秒の条件で行われる。 CW固体レーザーでは、出 力： 10W、ビームサイズ： 0. 2mm X O. 02mm,走査速度 500mmZ秒、 3600行照 射、処理時間：約 6700秒の条件で行われる。
[0008] 図 6は、パルス固体レーザーを複数行走査して結晶化する工程における結晶性半導 体膜の一例を示した模式図である。図 6 (a)に示すように、すでに結晶化された領域 14の端部と一部重複するように矩形のレーザービーム 41が図中の矢印の方向に走 查されていくが、このときレーザービーム 41のビーム端が矩形のまま次行の結晶化を 行うと、図 6 (b)に示すように、照射領域の端部で結晶粒 2の成長方向が直交方向に 変化する。更に、照射領域周辺部力 の結晶粒の成長により、図 6 (c)に示すようなリ ッジ 23が形成されるが、照射領域の端部ではリッジ 23が Y字型に枝分かれする。こ のようにレーザービーム 41のビーム端が矩形であると、前行の照射領域と次行の照 射領域との間に結晶粒 2やリッジ 23の不連続性及び不均一性が発生することになる 。なお、図 6 (c)では、リッジ 23の高さを均一としている力 実際にはこの高さは変動 する。
[0009] これに対しては、 SLS (Sequential Lateral Solidification；逐次的横成長結晶法）と呼 ばれる方法が開示されている（例えば、特許文献 1〜3参照。 ) 0 SLSでは、フォトマス クを用いてレーザービームの透過部と遮蔽部を規定するので、容易に所望のビーム 形状に整形できる。図 7は、 2— shotSLSと呼ばれる手法において、ビーム端を先細 り形状にした場合における結晶性半導体膜の一例を示した模式図である。この手法 は、フォトマスクを用いてビーム照射領域を複数設け、繰り返しの単位となる領域 (単 位領域)を 2回のショットにより結晶化させる手法である。ビームスリットとなるフォトマス クの端部を先細り形状とすることで、図 7 (a)に示すように、先端が先細り形状となった ビーム 51をパターユングでき、これによつて図 7 (b)に示すように、前行との重畳部 15 において、結晶粒の成長方向の乱れを最小限に抑えた結晶粒 12を形成させること ができる。
[0010] しかしながら 2— shotSLSによっても、リッジ 33は結晶化領域に残存してしまう。リツ ジは両側からの結晶粒の成長が衝突して形成されるものであり、大傾角粒界 (結晶 格子のずれが大きい領域）に対応しているうえに、シリコン膜厚が大きく変動している ため、後に作製される TFTのチャネル領域にこのリッジがランダムに含まれる場合、 特に TFTの閾値が大きく変動するという悪影響を及ぼす。したがってやはり、単一の ビームを一方向に掃引し、前ショットを次ショットが継いでいくような手段で、結晶の方 向が一方向となって、かつリッジが生じないようにすることができる方法が望まれる。
[0011] このような結晶化法は、利用できるレーザーの出力不足や発信周波数不足のために 処理時間が長い等の課題があり、これまで注目されていな力つた技術である力 近年 、レーザーの高出力化、高周波数化が進展し、実用的な処理時間内で処理できる可 能性が出てきており、その価値が見直されようとしている。特に最近では、レーザービ ームを一本の細長いビームに整形し、それをショット毎にビームの短軸方向の幅の 1 Z2より小さい距離ずつずらしながら照射を続け、結晶粒を一方向に成長させる方法 が知られている。
[0012] しかしながら、たとえ図 8 (a)に示すように、スリット又はナイフエッジを用いてビーム端 を先細り形状に調整したビームを整形としたとしても、単一のビームを一方向に掃引 していく方法では、前ショット 61aの先細り形状の先端部分を、次ショット 61bにより再 溶融することはできず、図 8 (b)で示すように高さはやや低いものの、図 8 (a)に示す ビーム先端の点線部分にリッジ 43が残ってしまうことになり、この点で未だ改善の余 地が残っていた。
[0013] 更に、図 9に示すように、エキシマレーザー、固体レーザーのいずれによっても結晶 粒の成長方向は、図 9の横線で示した一方向となる。したがって、図 9における右側 の TFT17のようにキャリアの流れる方向が結晶成長の方向と平行になるように TFT を配置した場合には、 TFTのキャリア移動度は非常に高い値が得られる。し力しなが ら、左側の TFT16のようにキャリアの流れる方向が結晶成長の方向と垂直になるよう に配置した場合では、 TFT16のキャリア移動度は TFT17の 1Z3から 1Z4に落ち 込んでしまう。このように、一方向に成長したポリシリコン力 作製する TFTはその配 置方向によって特性に大きな差ができることとなっていたため、この点についても改 善の余地があった。
特許文献 1 :特開 2003— 109903号公報
特許文献 2 :特開 2004— 214614号公報
特許文献 3：米国特許第 6792029号明細書 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0014] 本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、非晶質半導体膜のレーザー結晶 化において、複数行の走査を行っても、改行部において結晶粒が乱れることなく前 行の結晶と次行の連続的に結晶が形成され、この部分での TFT特性の均一性を確 保するとともに、 TFTを、基板に対して縦横どちらの方向に配置したとしても、その特 性を同等とすることができる薄膜トランジスタの製造方法、レーザー結晶化装置及び 半導体装置を提供することを目的とするものである。
課題を解決するための手段
[0015] 本発明者らは、 TFT製造時のアモルファスシリコンのレーザー結晶化において、 TF T特性の均一性を確保することができる方法にっ 、て種々検討したところ、レーザー の照射方法に着目した。そして、ビームを移動させる方向が照射する長尺ビームの 長軸方向と直交する方向である場合には、既に結晶化された領域にリッジが残ってし まうこと、及び、製造プロセス上、基板の縦方向又は横方向のいずれか一方向に平 行な長い結晶ができるために、作製される TFTの配置方向により特性に差が生じて しまうことを見いだすとともに、ビームを移動させる方向を照射する長尺ビームの長軸 方向に対して斜め方向にすることにより、リッジを消失させることが可能であり、かつ T FTを基板に対して縦又は横の 、ずれの方向に配置したとしてもその特性に差がで きな 、ようにすることができることを見 、だし、上記課題をみごとに解決することができ ることに想到し、本発明に到達したものである。
[0016] すなわち、本発明は、基板上に結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの製造方 法であって、上記製造方法は、長尺ビームの照射及び移動を繰り返し行い、基板上 の非晶質半導体膜を溶融して結晶化させ、結晶性半導体膜を形成する工程を含み 、上記長尺ビームは、その長軸方向に対して斜め方向に移動される薄膜トランジスタ の製造方法である。
[0017] 上記基板としては特に限定されず、例えば、シリコン基板等の半導体基板上やガラス 基板上に、絶縁膜を形成したもの等を用いることができる。上記非晶質半導体膜とし ては、例えば、アモルファスシリコン膜等が好適に用いられる。上記結晶性半導体膜 としては、ポリシリコン膜等が好適に用いられる。結晶性半導体膜の形成には、非晶 質半導体膜をレーザー照射して結晶化する方法が一般的である。
[0018] 本発明において長尺ビームとは、基板に照射されたときに、その照射領域が一方向 に長いビームを意味する。ビームの形状は、レーザー結晶化装置のビーム整形'均 一光学系で整形することができる。上記長尺ビームは、一度の照射でできるだけ広く 基板上を結晶化できるよう、一方向に長く引き伸ばした形状とすることが好ましい。上 記長尺ビームは、結晶性半導体膜を形成する工程にぉ 、て必要とされる深さまで結 晶化させるエネルギーを保持すればよいが、通常では、非晶質半導体膜層の底面ま で結晶化させるだけのエネルギーを保持するものとする。
[0019] 上記長尺ビームの照射及び移動が連続的に行われるのに伴い、非晶質半導体膜は レーザー照射領域の形状にあわせて、順々に溶融されていく。長尺ビームが照射さ れた領域の外縁には、非晶質半導体膜の固体と液体との境界が生じ、この境界から 温度勾配に起因してレーザー照射領域の内側方向に、かつその境界面に対して直 交する角度で結晶が成長していく。こうして、基板上には一方向に長い横成長結晶 粒を有する結晶性半導体膜が形成されることになる。このように一方向に長く成長し て形成された結晶粒は、その成長方向にキャリアの移動度が高くなる。
[0020] 上記長尺ビームをその長軸方向（長尺ビームの照射領域の長手方向）に対して斜め 方向に移動させるとは、長尺ビームをその長軸方向と平行な方向又は直交する方向 (短軸方向）以外の方向に移動させることを意味する。なお、本発明では、通常、長 尺ビームは、基板上で略平行となるように複数行移動される。このとき、長尺ビームの 長軸方向についても、長尺ビームの移動方向と同様に、各行において略平行となる ようにすることが好ましい。なお、本明細書において、略平行とは、実質的に平行であ ることを意味し、技術的意義に鑑みて平行と同一視できる範囲の平行力ものずれを 含むことを意味する。
[0021] 上記長尺ビームをその長軸方向に対して斜め方向に移動させることで、横成長結晶 粒は、基板の縦方向及び横方向に対して斜め方向に長く成長した形になる。これに よって、 TFTを基板に対して縦横どちらの方向に配置したとしてもキャリアの移動方 向は各 TFTで同様となるため、各 TFTの特性のばらつきを抑制することができる。こ のように各 TFTの特性ばらつきを抑制することによって、品質性能に優れた回路基 板を作製することができる。
[0022] 上記長尺ビームは、その長軸方向と略 45° をなす方向に移動されることが好ましい 。長尺ビームを長軸方向に対して斜め方向に移動させるのは、 TFTを基板に対して 縦横どちらの方向に配置したとしても各 TFTの特性に差が出な 、ようにするためであ る。したがって、縦方向（90° )と横方向（0° )との中間である 45° 力 最も縦配置と 横配置の TFTに特性差が生じない角度といえる。なお、本明細書において、略 45° とは、技術的意義に鑑みて 45° と同一視できる範囲の 45° 力ものずれを含むもの である。具体的には、 45° に対して前後 10° 以内（35〜55° )であれば、縦配置と 横配置の TFTにおける特性差を充分に抑制することができる場合がある。
[0023] 上記長尺ビームは、その長軸方向の端部が先細り形状を有し、上記長軸方向の端 部の頂点は、長尺ビームにおける長軸方向の中心線上又は中心線よりも移動方向 側に位置することが好ましい。本発明において先細り形状とは、長軸方向の先端部 分に近づくに従って短軸の幅が収束していく形状を意味する。このような形状は、ビ 一ムスリット又はナイフエッジを用いて形成することができる。長尺ビームの長軸方向 の端部を先細り形状とすることで、長尺ビーム端部の結晶粒の成長方向を、長軸方 向の結晶粒の成長方向により近づけることができる。また、上記長軸方向の端部の頂 点は、長軸方向の中心線上又は中心線よりも移動方向側に位置することで、次照射 時において前照射領域と重畳させて照射することにより、前照射領域に形成されたリ ッジを消失させることができる。
[0024] 上記長尺ビーム端部の先細り形状は、頂角が 90° 以下であることが好ましい。なお、 本願明細書における「以下」は、当該数値を含むものである。長尺ビーム端部の先細 り形状において頂角が 90° を超えると、逆にビーム形状がより矩形に近づくことにな り、端部での結晶粒の成長方向が不均一になってしまい、かつリッジも不連続となる。 上記頂角は、 45° 以下であることがより好ましい。上述の通り、上記先細り形状は、 その先端を細くすればするほど、長尺ビーム端部の結晶成長方向を長軸方向の結 晶粒の成長方向により近づけることができる。一方で、頂角を小さくしていくと、光学 系が解像しなくなるおそれもある。上記頂角は、実用的なスリットの幅 3〜4 mに対 して、実験的に 20〜40° が特に好ましい。
[0025] 上記長尺ビームの照射及び移動は、複数行行われ、かつ前行の照射により結晶化さ れた領域に、次行の照射領域を一部重畳させるものであることが好ましい。長尺ビー ムの照射は、用いる基板の大きさによっては、複数行のレーザー照射を行う必要があ る場合が多い。したがって、次行の照射時においては、結晶化されない領域が生じ ないよう前行の一部と重複して照射することが好ましい。またこのとき、上述のように長 軸方向の端部を頂角 90° 以下の先細り形状とすれば、前行の結晶粒の成長方向と の連続性を維持することができ、基板全体で均一な成長方向を有する結晶粒を得る ことができる。
[0026] 上記長尺ビームの照射及び移動は、移動前の長尺ビームにおける長軸方向の中心 線力 移動後の長尺ビームの照射領域と重畳するように行われることが好ましい。こう することで、前ショットで形成されたリッジを次ショットの照射領域が覆うこととなり、リツ ジ部分を再溶融させて消失させることが可能となる。またこのとき、長軸方向の端部の 頂点を次ショットが覆う形状とすれば、従来では生じて 、た先細り先端部分に生じるリ ッジも消失させることができ、結晶性半導体膜中にリッジが残るのを防ぐ大きな改善 手段となる。なお、リッジは完全に消失しなくてもよぐ長軸方向の先端部のリッジの高 さが、先端部以外の部分のリッジの高さ (元の非晶質半導体膜膜厚の約 1〜2倍)の 1 Z3より低ければ、 TFTの特性に差は生じないものと許容できる。また、非晶質半導 体膜が溶融する領域は照射されるビームの形状 (プロファイル）に依存するが、実際 の溶融領域は、ビーム端においてプロファイルよりなまって、僅かに短くなるのでこれ を考慮して照射を行うことが好まし 、。
[0027] 上記長尺ビームの移動は、ラスタースキャンのように、 1行走査し (仮にこれを X方向と する）、基板の終端で停止した後、 X方向に対して直交する Y方向に一定距離移動し 、そこから前行とは逆向きに X方向に走査し、再び終端で Y方向に一定距離移動す るという一連の動作を繰り返して走査する方法であってもよい。リッジの先端が次のシ ヨットで覆われるようにするために、基板を平面視したときの長尺ビームの長軸方向は 、長尺ビームの移動方向に関わらず各行とも同じであることが好ましい。したがって、 長尺ビームの移動方向を行ごとに反転させる場合には、次行では長尺ビームの移動 方向に対する長軸方向の傾きを前行の傾きと略 90° 異ならせることが好ましい。
[0028] 本発明において、長尺ビームの移動は、長尺ビームと基板との相対位置関係が変化 することにより、基板面上での長尺ビームの位置が変化するのであれば、長尺ビーム を走査させるものであっても、基板を移動させるものであってもよいが、好ましくは、上 記長尺ビームの移動は、基板を移動させることにより行われる。長尺ビームの整形に は、高精細の技術が用いられている。したがって、基板を動力さずに長尺ビームを走 查させると、ビームの整形にずれが生じる可能性がある。基板を動かすことは、長尺 ビームの整形に関わらず行うことができるため、上記のようなずれを考慮する必要は ない。このように基板を動かす方法としては、例えば、基板を載置する台を三次元方 向 (XYZ方向）に動かすことができる装置を用いる方法等が挙げられる。
[0029] 上記長尺ビームは、パルスレーザーから出力されたものであり、パルス毎に一定の距 離移動されることが好ましい。パルスレーザーは、出力が安定であり維持も容易であ る固体レーザーの中でも高出力であることから、非晶質半導体膜を溶融させるのに 好適である。また、パルスレーザーは一定時間間隔でパルス光を照射するものである ことから、パルスレーザーを用いる場合、パルス毎に一定の距離の移動を行い、パル ス毎に基板上の異なる領域を光照射することが好ましい。
[0030] 上記長尺ビームの強度分布の好ましい態様としては、長軸方向では均一化されてお り、それと直交する方向ではガウス分布である態様が挙げられる。ここで、本発明に おいて上記均一化とは、長軸方向に沿ったビームの強度分布を略一定にすることを 意味し、具体的には、長軸方向に沿ったビームの強度変化を 10%以内にすることを 意味する。このような強度分布は、フライアイ (小さなレンズでビームを分割、再構成 する光学部品)等を用いて整形することができる。長軸方向は、非晶質半導体膜層を 溶融させるのに必要なパワー密度が満たされる範囲内で、できるだけ長いビームとす ることが好ましい。なお、本発明においてガウス分布とは、中央が高く両側に裾を引 いている分布であればよぐ正規分布に一致するものであることが好ましい。単一モ ード発振のレーザーの場合は、レーザーの強度分布は一般的にガウス分布となる。 また、長軸方向と直交する方向は、回折限界投影レンズによりできるだけ細く収束さ せることでエネルギーの利用効率を高くすることが好ましいことから、ビーム品質のよ いレーザー光が好適である。なお、長軸方向と直交する方向にも均一化するとビーム 品質が劣化し、細く収束しに《なる。逆にガウス分布のまま使っても距離が短いため 熱伝導で多少均一化され問題なく使うことができるので、わざわざ均一化をしなくても よい。
[0031] 本発明はまた、長尺ビームを照射するレーザーシステムと、基板が載置される基板ス テージとを備えるレーザー結晶化装置であって、上記レーザー結晶化装置は、長尺 ビームの照射及び基板の移動を繰り返し行うものであり、上記基板ステージは、長尺 ビームの長軸方向に対して斜め方向に基板を移動させるものでもある。ここで、レー ザ一システムとしては、例えば、固体レーザー発生装置、ビーム整形'均一化光学系 、コンデンサーレンズ、ビーム端調整スリット、フィールドレンズ及び投影レンズ等を備 えた装置が挙げられる。また、基板ステージとは、レーザーを照射する基板を載せる ためのステージを意味し、基板を固定することができ、かつステージ自身を三次元方 向（XYZ方向）に動かすことができることが好ましい。
[0032] 本発明のレーザー結晶化装置は、上述の TFTの製造方法に好適に用いることがで きるものである。したがって、上記レーザー結晶化装置の好ましい形態としては、上記 長尺ビームをその長軸方向に対して略 45° となる方向に移動させる形態、上記長尺 ビームの長軸方向の端部を先細り形状にし、上記長軸方向の端部の頂点を、長尺ビ ームにおける長軸方向の中心線上又は中心線よりも移動方向側に位置させる形態、 上記長尺ビーム端部の先細り形状の頂角を 90° 以下にする形態、上記長尺ビーム の照射及び移動を複数行行わせかつ前行の照射により結晶化された領域に次行の 照射領域を一部重畳させる形態、上記長尺ビームの照射及び移動を移動前の長尺 ビームにおける長軸方向の中心線が移動後の長尺ビームの照射領域と重畳するよう に行わせる形態、上記長尺ビームの移動を基板を移動させることにより行わせる形態 、上記長尺ビームをパルスレーザーから出力させかつ上記ビームをパルス毎に一定 の距離移動させる形態、及び、上記長尺ビームの強度分布を長軸方向では均一化 させそれと直交する方向ではガウス分布とする形態等が挙げられる。
[0033] このような結晶化装置によれば、非晶質半導体膜のレーザー結晶化において、複数 行の走査を行ってもリッジを残すことなぐ前行の結晶と連続的に次行の結晶が形成 され、この部分での TFT特性の均一性を確保するとともに、 TFTを基板に対して縦 横どちらの方向に配置したとしても、その特性を同等とすることができる。
[0034] 本発明はまた、結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタを基板上に備える半導体 装置であって、上記半導体装置は、結晶性半導体膜の結晶粒の成長方向がキャリア の移動方向に対して斜め方向の領域と、平行方向の領域とを含む半導体装置でもあ る。本発明の半導体装置は、上記製造方法によって好適に製造される。このような半 導体装置は、結晶性半導体膜の結晶粒の成長方向がキャリアの移動方向に対して 斜め方向の領域では、特性差が生じにくい TFTを設けることができる。一方、結晶性 半導体膜の結晶粒の成長方向がキャリアの移動方向に対して平行方向の領域では 、高い特性を有する TFTを設けることができる。したがって本発明の半導体装置は、 使用目的に応じて適切な TFTのレイアウトが可能な半導体装置ということができる。 発明の効果
[0035] 本発明の薄膜トランジスタの製造方法によれば、レーザー結晶化において、複数行 の走査を用いても結晶粒の成長方向が均一な結晶化が可能であり、行間の継ぎ目と なる結晶粒との調整を考慮することなく TFTアレイ基板の作製が可能となる。また、 T FTを基板に対して縦と横と配置した場合でそれらの特性に差がなぐ駆動回路やそ の他の周辺回路、機能回路のレイアウトを自由に最適化させることができるため、回 路の面積を小さくすることができる。
発明を実施するための最良の形態
[0036] 以下に実施例を掲げ、本発明について図面を参照して更に詳細に説明する力 本 発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
[0037] (実施例 1)
本発明の実施例 1の薄膜トランジスタの製造方法を以下に示す。実施例 1は、基板の 全面結晶化を想定した、パルス固体レーザーを用いる結晶化法の一例である。 まず、ガラス基板上にシリコン酸ィ匕膜、シリコン窒化膜、又は、これらの積層膜を介し て、アモルファスシリコン膜を堆積する。膜厚は、 30〜： LOOnmとするのが TFTの作製 には好ましい。続いて、レーザー照射によるアモルファスシリコン膜の結晶化工程に 進む。 [0038] 図 2は、レーザー結晶化装置の基本的構造を示す構成図である。まず、パルス固体 レーザー 100から出力されたビームをミラー等を使ってビーム整形 ·均一化光学系 1 01に通し、強度分布がガウス分布となっているレーザーの一方向を均一化させて長 尺ビームに整形する。このとき長尺ビームの短軸方向には、できるだけ収束させる。こ の短軸方向の長さは主としてビームの品質に依存する力 通常は 10 m以下にする ことが可能である。またこのとき、 50Wクラスのレーザーを用いれば、長軸方向を 10 mm程度の長さとして、 50nmの厚みのアモルファスシリコン薄膜を底面まで完全に 溶融させることが可能である。更にこのとき、パルス幅を 300ns程度に調整すれば、 片側 4 m程度の横成長結晶化を実現することができる。次に、ミラー等を使ってコン デンサ一レンズ 102を通過させ、ビーム端調整スリット 103を均一に照らすようにビー ムを集光させる。続いて、ビーム端調整スリット 103で、長尺ビームのビーム端形状を 、図 3 (a)に示すように頂角が 90° より小さい角度を有する先細り形状であって、かつ 長軸方向の端部の頂点力 図 3 (a)の点線で示す長軸方向の中心線上に位置する 長尺ビーム l la、又は、図 3 (b)に示すように長軸方向の端部の頂点力 図 3 (b)の点 線で示す長軸方向の中心線よりも移動方向側に位置する長尺ビーム 1 lbを整形す る。なお、長尺ビームの端部における頂角の角度の調整は、実際にはビーム照射光 学系の解像度により大きく影響される。続いて、ミラー等を使ってフィールドレンズ 10 4及び投影レンズ 105を通して、以下に示す要領で、 XYZステージ 106上のガラス基 板 8にビームを照射させる。
[0039] 図 1は、実施例 1におけるレーザー照射による結晶性半導体膜形成の様子を示す平 面模式図である。図 1 (a)に示すように、ビーム 1をビームの長軸方向に対し 45° の 方向に移動させてガラス基板 8上のアモルファスシリコン膜に照射を行う。一回の移 動ではガラス基板 8全体を照射できないので、複数行のビーム照射を行う。このとき、 ビーム 1がすでに結晶化された領域 4と一部重畳するようにビームを照射する。結晶 粒の成長は照射領域に直交する方向に進むので、図 1 (a)の斜線で示すように、基 板の縦及び横軸に対して 45° 傾いた方向に結晶成長は進行する。ただし実際には 、図 1 (b)のように、ビーム 1を固定し、 XYZステージ 106上のガラス基板 8を、ビーム の長軸方向に対し 45° の角度で、図 1 (b)中の矢印方向に移動させる方が精度の 上で好ましい。
また、実際の溶融領域はビーム端にぉ 、てビームプロファイルよりなまって僅かに短 くなるので、図 4 (a)及び (b)に示すように、次ショットの溶融領域 21b、 31bが前ショッ トの溶融領域 21a、 31aの中心線をカバーするような形状に調整する。このように調整 することにより、前ショットのリッジ 3、 13を消失させることができ、更にビームの短軸方 向にお 、ても結晶粒の成長が大きく乱されることなく結晶粒の成長を継続して 、くこ とが可能になる。実施例 1ではビームの短軸方向が 10 /z mであるので、パルス間で 約 2 2 mずつ移動させる。したがって、例えば 100kHz発振の固体レーザーであ れば、約 280mmZ秒の速度で移動させることになる。
このようにして、図 5の斜線で示すような均一な結晶粒の成長方向を持つ結晶性シリ コン薄膜を形成することができ、これにより結晶粒との特殊なァライメントの必要なぐ 以下に示すように縦配置の TFT6及び横配置の TFT7の作製が可能になる。
[0040] TFTアレイ基板の作製方法としては、まず、シリコン薄膜を結晶化させた後、素子の 活性層となる領域をエッチングにより規定する。洗浄後、ゲート絶縁膜となるシリコン 酸化膜、シリコン窒化膜、又は、これらの積層膜を堆積する。次にタンタル、モリブデ ン等の電極材料を堆積し、ゲート電極の形状にエッチングする。このゲート電極をマ スクとして、ソース領域及びドレイン領域に燐又はボロンを高濃度注入し、ァニールに より活性化させる。その後シリコン酸ィ匕膜を堆積し、これにコンタクトホールを形成する 。ここにアルミニウム、 ITO等の電極を形成し、基本的な TFTが完成する。液晶ディス プレイの駆動素子として応用する場合は、画素電極の形成等のプロセスがこれに続 くことになる。
[0041] なお、本願は、 2006年 3月 17日に出願された日本国特許出願 2006— 75247号を 基礎として、パリ条約ないし移行する国における法規に基づく優先権を主張するもの である。該出願の内容は、その全体が本願中に参照として組み込まれている。
図面の簡単な説明
[0042] [図 1]本発明におけるレーザー照射による結晶性半導体膜形成の様子を示す平面模 式図である。（a)は、ビームを照射する角度及びビームの移動方向を、（b)は、基板 を移動させる場合を示す。 圆 2]本発明におけるレーザー結晶化装置の構成図である。
圆 3]本発明で用いる長尺ビームの、ビーム端形状を示す平面模式図である。（a)は 、長軸方向の端部の頂点が中心線上に位置する場合を、（b)は、長軸方向の端部の 頂点が中心線より移動方向側に位置する場合をそれぞれ示す。なお、図中の矢印 は、長尺ビームの移動方向を示している。
[図 4]本発明におけるビームショット時の、前ショットのビーム端と次ショットのビーム端 との重なり合いの様子を示す平面模式図である。（a)は、長尺ビームの長軸方向の 端部の頂点が中心線上に位置する場合を、（b)は、長尺ビームの長軸方向の端部の 頂点が中心線より移動方向側に位置する場合をそれぞれ示す。なお、図中の矢印 は、長尺ビームの移動方向を示している。
圆 5]本発明を用いて作製した結晶性半導体膜の、結晶粒の成長方向と TFTの配置 方向との関係を示す平面模式図である。なお、図中の平行な斜線は、それぞれ結晶 粒の成長方向を示して 、る。
圆 6]従来の横成長結晶化法において、矩形のビーム端形状を用いた場合の、結晶 性半導体膜の結晶粒の成長の様子を示す平面模式図である。（a)は、改行部でのリ ッジの様子を示し、図中の矢印は、長尺ビームの移動方向を示している。（b)は、ビ ーム照射領域の結晶成長方向を示す。（c)は、リッジの形成の様子を示し、図中の矢 印は、結晶の成長方向を示している。
[図 7]従来の横成長結晶化法において、先細り形状のビーム端を用いて 2— shotSL Sを行った場合の、結晶性半導体膜の結晶粒の成長の様子を示す平面模式図であ る。（a)は、改行部でのリッジの様子を示し、図中の矢印は、長尺ビームの移動方向 を示している。（b)は、ビーム照射領域の結晶成長方向を示す。
[図 8]従来の横成長結晶化法にぉ 、て、先細り形状のビーム端を用いて一方向に移 動しながら継続して照射する場合の、結晶性半導体膜の結晶成長の様子を示す平 面模式図である。（a)は、改行部でのリッジの様子を示し、図中の矢印は、長尺ビー ムの移動方向を示している。（b)は、リッジの形成の様子を示し、図中の矢印は、結 晶の成長方向を示している。
圆 9]従来の横成長結晶化法を用いて作製した結晶性半導体膜の、結晶粒の成長 方向と TFTの配置方向との関係を示す平面模式図である。なお、図中の平行な横 線は、それぞれ結晶粒の成長方向を示している。
符号の説明
1、 11a, lib, 21a, 21b、 31a, 31b、 41、 51、 61a, 61b:ビーム照射領域
2、 12:結晶粒
3、 13、 23、 33、 43:リッジ
4、 14:結晶化領域
5、 15:重畳部
6、 16:TFT (縦配置）
7、 17:TFT (横配置）
8:ガラス基板
100:パルス固体レーザー
101:ビーム整形 ·均一化光学系
102：コンデンサーレンズ
103:ビーム端調整スリット
104:フィールドレンズ
105:投影レンズ
106 :XYZステージ

Claims

請求の範囲
[1] 基板上に結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
該製造方法は、長尺ビームの照射及び移動を繰り返し行い、基板上の非晶質半導 体膜を溶融して結晶化させ、結晶性半導体膜を形成する工程を含み、
該長尺ビームは、その長軸方向に対して斜め方向に移動される
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
[2] 前記長尺ビームは、その長軸方向と略 45° をなす方向に移動されることを特徴とす る請求項 1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[3] 前記長尺ビームは、その長軸方向の端部が先細り形状を有し、
該長軸方向の端部の頂点は、長尺ビームにおける長軸方向の中心線上又は中心線 よりも移動方向側に位置する
ことを特徴とする請求項 1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[4] 前記長尺ビーム端部の先細り形状は、頂角が 90° 以下であることを特徴とする請求 項 3記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[5] 前記長尺ビームの照射及び移動は、複数行行われ、かつ前行の照射により結晶化さ れた領域に、次行の照射領域を一部重畳させるものであることを特徴とする請求項 1 記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[6] 前記長尺ビームの照射及び移動は、移動前の長尺ビームにおける長軸方向の中心 線が、移動後の長尺ビームの照射領域と重畳するように行われることを特徴とする請 求項 1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[7] 前記長尺ビームの移動は、基板を移動させることにより行われることを特徴とする請 求項 1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[8] 前記長尺ビームは、パルスレーザーから出力されたものであり、パルス毎に一定の距 離移動されることを特徴とする請求項 1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
[9] 前記長尺ビームの強度分布は、長軸方向では均一化されており、それと直交する方 向ではガウス分布であることを特徴とする請求項 1記載の薄膜トランジスタの製造方 法。
[10] 長尺ビームを照射するレーザーシステムと、基板が載置される基板ステージとを備え るレーザー結晶化装置であって、
該レーザー結晶化装置は、長尺ビームの照射及び基板の移動を繰り返し行うもので あり、
該基板ステージは、長尺ビームの長軸方向に対して斜め方向に基板を移動させる ことを特徴とするレーザー結晶化装置。
結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタを基板上に備える半導体装置であって、 該半導体装置は、結晶性半導体膜の結晶粒の成長方向がキャリアの移動方向に対 して斜め方向の領域と、平行方向の領域とを含むことを特徴とする半導体装置。
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