JP2000012461A - Manufacture of crystalline semiconductor thin film - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、広くは光を用いて
物質の改質をを行なう方法に関し、特に、ディスプレイ
表示用薄膜トランジスタに用いられる結晶質半導体薄膜
を、光を用いて作製する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates generally to a method for modifying a substance using light, and more particularly to a method for producing a crystalline semiconductor thin film used for a thin film transistor for display using light. .
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆ
ｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ＝ＴＦＴ）を用いて液晶
や有機ＥＬ等のディスプレイの表示を行う技術分野で
は、概ね６００℃以下の比較的低温でその作製が可能
で、高価な石英基板ではなく安価なガラス基板を使用で
きる多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）薄膜を用いたＴ
ＦＴへの関心が高まっている。2. Description of the Related Art In recent years, thin film transistors (Thin F) have been developed.
In the technical field of displaying a display such as a liquid crystal display or an organic EL display using an ilm transistor (TFT), it can be manufactured at a relatively low temperature of about 600 ° C. or less, and uses an inexpensive glass substrate instead of an expensive quartz substrate. T using a polycrystalline silicon (poly-Si) thin film
Interest in FT is growing.
【０００３】上記のｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜の作製方法とし
ては、ガラス基板上に形成された非晶質シリコン（ａｍ
ｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ＝ａ−Ｓｉ）に紫外光
であるエキシマレーザー光を照射することで多結晶化を
図る方法が注目されている。As a method for producing the above-mentioned poly-Si thin film, amorphous silicon (am) formed on a glass substrate is used.
Attention has been paid to a method of polycrystallizing by irradiating an excimer laser beam, which is ultraviolet light, to an orifice silicon (a-Si).
【０００４】エキシマレーザとしては、ＸｅＣｌ、Ｋｒ
Ｆガス等を用いたものがあるが、いずれもパルス光を発
生し、エキシマレーザーから出射した数ｃｍ角程度のビ
ームはビームホモジナイザーと呼ばれる光学系を用い
て、矩形あるいはライン状の均一な光強度を持つ光ビー
ムに整形され、このビームによりａ−Ｓｉ薄膜の結晶化
が行われる。As excimer lasers, XeCl, Kr
Some of them use F gas, etc., but all generate pulsed light, and a beam of about several cm square emitted from an excimer laser uses an optical system called a beam homogenizer to obtain a rectangular or linear uniform light intensity. Is formed into a light beam having the following formula, and this beam is used to crystallize the a-Si thin film.
【０００５】特に、ディスプレイへの応用においては画
面内の均一性が重要視されるため、比較的大きな光ビー
ムを用いて広い面積に及ぶ均一な結晶化を行なう方法が
適しており、これには主に上記のライン状の光ビームを
スキャンしながら照射する手法が一般に用いられてい
る。[0005] In particular, in application to a display, uniformity in a screen is regarded as important, and a method of performing uniform crystallization over a large area using a relatively large light beam is suitable. In general, a method of irradiating the above-mentioned linear light beam while scanning is generally used.
【０００６】そこで以下では上記した従来の結晶質半導
体薄膜の製造方法について図面を参照しながら説明す
る。Therefore, a conventional method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film will be described below with reference to the drawings.
【０００７】まず従来の結晶質半導体薄膜の製造工程の
概略図を図７に示す。図７に示すように、非晶質シリコ
ン薄膜（ａ−Ｓｉ薄膜）のエキシマレーザを用いた結晶
化においては、通常、基板７０３に対し垂直な方向にレ
ーザの光ビーム７０１を基板７０３上に形成されたａ−
Ｓｉ薄膜７０２に照射して、照射領域内でａ−Ｓｉ薄膜
の結晶化を行う。その際の光ビームの光強度と薄膜温度
の経時変化を図８に示す。なお、図８において、８０１
は照射面の温度経時曲線、８０２は光ビームの光強度経
時曲線、８０３は光ビームの光エネルギー密度を示して
いる。First, a schematic view of a conventional manufacturing process of a crystalline semiconductor thin film is shown in FIG. As shown in FIG. 7, in crystallization of an amorphous silicon thin film (a-Si thin film) using an excimer laser, a laser beam 701 is usually formed on the substrate 703 in a direction perpendicular to the substrate 703. A-
By irradiating the Si thin film 702, the a-Si thin film is crystallized in the irradiation region. FIG. 8 shows the change over time in the light intensity of the light beam and the temperature of the thin film at that time. Note that, in FIG.
Is a curve with time of the temperature of the irradiation surface, 802 is a curve with time of the light intensity of the light beam, and 803 is a light energy density of the light beam.
【０００８】次に以下にエキシマレーザを用いたａ−Ｓ
ｉ薄膜の結晶化の過程について図９に示す断面図を参照
しながら説明する。なお、図９におけるｔ0〜ｔ4は図８
に示すｔ0〜ｔ4に対応している。Next, a-S using an excimer laser will be described below.
The process of crystallization of the i-thin film will be described with reference to the sectional view shown in FIG. Note that t 0 to t 4 in FIG.
Which corresponds to t 0 ~t 4 shown in.
【０００９】最初、基板上に形成されたａ−Ｓｉ薄膜９
０１（図３（ａ））に対して光ビームを照射することに
よって極めて短時間でａ−Ｓｉ薄膜９０１が加熱される
（９０２は加熱されている領域）。この様子を図９
（ｂ）に示す。次にｔ2の時間に達すると、ａ−Ｓｉ薄
膜は溶融する（９０３は溶融している領域）。この様子
を図９（ｃ）に示す。光ビームの照射が終了した後、溶
融した薄膜９０３は自然に冷却し結晶化していく（図９
（ｄ）、（ｅ））。なお、図９（ｄ）における９０４は
結晶化する際の結晶核を示しており、図９（ｅ）におけ
る９０５は、上記の冷却の進行に伴って成長した結晶を
示している。First, an a-Si thin film 9 formed on a substrate
The a-Si thin film 901 is heated in an extremely short time by irradiating a light beam to the thin film 01 (FIG. 3A) (902 is a heated region). This situation is shown in FIG.
(B). Now reached the time t 2, a-Si thin film is melted (region 903 are melted). This state is shown in FIG. After the light beam irradiation is completed, the melted thin film 903 cools and crystallizes spontaneously (FIG. 9).
(D), (e)). Note that reference numeral 904 in FIG. 9D indicates a crystal nucleus at the time of crystallization, and reference numeral 905 in FIG. 9E indicates a crystal grown with the progress of the above-described cooling.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような従来のプロセスでは、下記に示すような問題点
が存在する。However, the above-described conventional processes have the following problems.
【００１１】まず第１に、結晶化の過程が数十ナノ秒と
いう極めて短時間に行われるため、照射領域内の薄膜に
結晶性の分布が生じ、面内において均一な結晶性を保つ
ことが困難となってしまう。First, since the crystallization process is performed in a very short time of several tens of nanoseconds, a distribution of crystallinity occurs in the thin film in the irradiation region, and it is necessary to maintain uniform crystallinity in the plane. It will be difficult.
【００１２】第２に、上記のように結晶化の過程が短時
間であることに起因して、個々の結晶核が十分に成長す
る時間がなく、小さな結晶しか形成されず、その結果、
電界効果移動度（以後、移動度と呼ぶ）等の膜の特性を
十分得ることができない。Second, due to the short crystallization process as described above, there is no time for individual crystal nuclei to grow sufficiently, and only small crystals are formed. As a result,
Film properties such as field-effect mobility (hereinafter referred to as mobility) cannot be sufficiently obtained.
【００１３】第３に、結晶化の際に用いる光ビームのエ
ネルギーが有効に活用されていない。この点について図
１０を参照しながら詳細に説明すると、照射した光ビー
ム１００１（１００％）の内、約４０％しか薄膜１００
２の結晶化に用いられておらず（１００３）、残りの光
（約６０％）は反射光１００４として基板（図示せず）
上の薄膜１００２の外へ出ていってしまうので、光を有
効に利用できないのである。Third, the energy of the light beam used for crystallization is not effectively utilized. This point will be described in detail with reference to FIG. 10. Only about 40% of the irradiated light beam 1001 (100%) is thin film 100.
2 is not used for crystallization (1003), and the remaining light (about 60%) is reflected light 1004 as a substrate (not shown).
Since the light goes out of the upper thin film 1002, light cannot be used effectively.
【００１４】そこで本発明は上記の問題点に鑑み、光ビ
ーム照射による結晶性を有する薄膜を形成するにあた
り、面内において均一な結晶性を有し、かつ移動度など
の膜特性に優れた結晶質半導体を得ることの可能な結晶
性半導体薄膜の製造方法を提供することを主たる目的と
し、さらには、結晶化に用いる光をより有効に利用する
ことを目的とするものである。In view of the above problems, the present invention is directed to forming a thin film having crystallinity by irradiating a light beam, the crystal having uniform crystallinity in a plane and having excellent film characteristics such as mobility. It is a main object of the present invention to provide a method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film capable of obtaining a crystalline semiconductor, and to further effectively use light used for crystallization.
【００１５】なお、この本発明で結晶化というときに
は、単結晶化と多結晶化の双方を含めた意味で使用して
あるが、以下に示す本発明の結晶質半導体薄膜の作製方
法はｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜の作製に特に有用である。In the present invention, crystallization is used to include both single crystallization and polycrystallization. However, the method for producing a crystalline semiconductor thin film of the present invention described below is poly-crystalline. It is particularly useful for producing a Si thin film.
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の結晶質半導体薄膜の作製方法は、基板上に
形成された非晶質半導体薄膜に光ビームを照射して前記
非晶質半導体薄膜を結晶化する結晶質半導体薄膜の作製
方法であって、前記非晶質半導体薄膜に照射された前記
光ビームのうちの前記非晶質半導体薄膜表面で反射され
た光ビームを再度結晶化を行う領域に照射することを特
徴とする構成となっている。この構成によれば、一旦溶
融された薄膜の再結晶化の際の冷却速度を遅くして結晶
の均一性や特性の改善を行うことができる。In order to achieve the above object, a method for producing a crystalline semiconductor thin film according to the present invention comprises the steps of: irradiating an amorphous semiconductor thin film formed on a substrate with a light beam; A method for producing a crystalline semiconductor thin film for crystallizing a crystalline semiconductor thin film, wherein the light beam reflected on the surface of the amorphous semiconductor thin film among the light beams irradiated on the amorphous semiconductor thin film is recrystallized. It is configured to irradiate an area to be converted. According to this configuration, the cooling rate at the time of recrystallization of the thin film once melted can be reduced to improve the uniformity and characteristics of the crystal.
【００１７】上記の構成においては、光ビームのうちの
非晶質半導体薄膜表面で反射された光ビームに時間的遅
延を与え、その後、結晶化を行う領域に照射することに
より、結晶が十分に成長するのに必要な冷却時間を確実
に得ることができる。また、光ビームのうちの非晶質半
導体薄膜表面で反射された光ビームを整形した後、結晶
化を行う領域に照射することにより、一旦溶融された薄
膜の再結晶化の際の冷却速度をより制御することができ
る。In the above structure, the light beam reflected on the surface of the amorphous semiconductor thin film out of the light beam is given a time delay, and is then irradiated to the region to be crystallized, so that the crystal is sufficiently formed. The cooling time required for growth can be reliably obtained. Also, after shaping the light beam of the light beam reflected on the surface of the amorphous semiconductor thin film, by irradiating the region to be crystallized, the cooling rate at the time of recrystallization of the thin film once melted is reduced. More control.
【００１８】[0018]
【発明の実施の形態】本発明者らは、結晶を十分に成長
させる方法について鋭意研究した結果、薄膜の表面で一
部反射する上記の光ビームを第２の光ビームとして結晶
化を行う領域の薄膜に再度照射し、結晶化温度を保つこ
とで良好な結晶性薄膜を得る方法を見いだした。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present inventors have conducted intensive studies on a method for sufficiently growing a crystal, and as a result, have found that the above-mentioned light beam partially reflected on the surface of a thin film is used as a second light beam for crystallization. A method of obtaining a good crystalline thin film by irradiating the thin film again and maintaining the crystallization temperature was found.
【００１９】非晶質半導体薄膜の光ビームが照射された
領域では光ビームのエネルギーにより薄膜の溶融・再結
晶化が発生するわけであるが、本発明では、この再結晶
化しようとしている領域に、非晶質薄膜を溶融するため
に用いる光ビームとは異なる光ビームを照射することに
より、再結晶化しようとしている領域を加熱して再結晶
化の際の冷却速度を遅くしようとするものである。この
時、非晶質半導体薄膜の表面で反射した光を再利用し
て、再結晶化しようとしている領域を加熱すると、光エ
ネルギーの有効利用という効果を同時に実現することも
可能となる。In the region of the amorphous semiconductor thin film irradiated with the light beam, the thin film is melted and recrystallized by the energy of the light beam. By irradiating a light beam different from the light beam used to melt the amorphous thin film, the region to be recrystallized is heated to reduce the cooling rate during recrystallization. is there. At this time, when the light reflected on the surface of the amorphous semiconductor thin film is reused and the region to be recrystallized is heated, the effect of effectively utilizing light energy can be realized at the same time.
【００２０】具体的な構成としては意図的に光ビームの
照射方向を斜めにし、薄膜の表面から反射する一部の光
ビームを新たに挿入した反射板によって再度薄膜に入射
させるものであり、これにより結晶化を円滑に進行さ
せ、その結果として良質の結晶質半導体薄膜が得られる
ことを見出した。As a specific configuration, the irradiation direction of the light beam is intentionally made oblique, and a part of the light beam reflected from the surface of the thin film is made incident again on the thin film by a newly inserted reflector. It has been found that crystallization proceeds smoothly, and as a result, a high-quality crystalline semiconductor thin film can be obtained.
【００２１】そこで以下では、本発明の実施の形態にお
ける結晶質半導体薄膜の作製方法について、図面を参照
しながら説明する。なお、本発明の実施の形態では、斜
め方向から照射し、基板からの反射光を反射ミラーを用
いて再び照射する光ビームを用いて結晶化を行う。ま
た、光ビームの発生光源（整形前のもの）としては、例
えばＨｅ−Ｎｅレーザ、アルゴンレーザ、炭酸ガスレー
ザ、ルビーレーザ、エキシマレーザなどの各種のレーザ
が使用可能である。但し、高出力が得られ、シリコンに
よく吸収されることなどから、エキシマレーザを使用す
るのが好ましいため、以下では、エキシマレーザを用い
た場合を取り上げて説明する。Therefore, a method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in the embodiment of the present invention, crystallization is performed using a light beam that is irradiated from an oblique direction and the reflected light from the substrate is again irradiated using a reflection mirror. As a light source for generating a light beam (before shaping), various lasers such as a He-Ne laser, an argon laser, a carbon dioxide laser, a ruby laser, and an excimer laser can be used. However, it is preferable to use an excimer laser because a high output is obtained and the silicon is well absorbed, so that the case where an excimer laser is used will be described below.
【００２２】まず以下では図１及び図２を参照しなが
ら、本実施の形態の結晶質半導体薄膜の作製方法及び作
製装置について説明する。First, a method and an apparatus for manufacturing a crystalline semiconductor thin film according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
【００２３】図１は、レーザアニール法を用いた結晶化
操作の模式図であり、図１において、１００は光ビーム
照射装置、１１０は光ビームが照射される被照射体を示
し、更に１０１は例えばＸｅＣｌを用いたエキシマレー
ザの発生器であり、１０２はミラー、１０３はビームホ
モジナイザーである。この光ビーム照射装置１００で
は、エキシマレーザ発生器１０１で発生させた光をミラ
ー１０２を介してビームホモジナイザー１０３に導き、
ここで所定の光強度パターンに整形した後、出力するよ
うになっている。なお、ビームホモジナイザー１０３に
は、光ビームを整形するための光学系が組み込まれてい
る。FIG. 1 is a schematic diagram of a crystallization operation using a laser annealing method. In FIG. 1, reference numeral 100 denotes a light beam irradiation apparatus, 110 denotes an object to be irradiated with a light beam, and 101 denotes an irradiation target. For example, an excimer laser generator using XeCl, 102 is a mirror, and 103 is a beam homogenizer. In this light beam irradiation apparatus 100, light generated by an excimer laser generator 101 is guided to a beam homogenizer 103 via a mirror 102,
Here, after shaping into a predetermined light intensity pattern, it is output. The beam homogenizer 103 incorporates an optical system for shaping a light beam.
【００２４】上記の光ビーム照射装置１００では、例え
ば平均的なエネルギー密度（単位面積当たりの照射エネ
ルギー）が３００ｍＪ／ｃｍ2、ビーム断面形状が７ｍ
ｍ×７ｍｍに整形された光ビームが出力でき、この光ビ
ームをアモルファスシリコン薄膜などの被結晶化面に照
射して被結晶化物質を結晶化することができる。In the above light beam irradiation apparatus 100, for example, the average energy density (irradiation energy per unit area) is 300 mJ / cm 2 , and the beam cross-sectional shape is 7 m.
A light beam shaped to m × 7 mm can be output, and this light beam can be irradiated on a surface to be crystallized such as an amorphous silicon thin film to crystallize the material to be crystallized.
【００２５】具体的に本実施の形態における結晶化工程
を説明する。先ず図１の１１０部分に示すように、ガラ
ス基板１１１の上に、例えば減圧ＣＶＤ法（Ｌｏｗ Ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって膜厚が８５ｎｍの非単結
晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１１２を成膜する。より具
体的には、例えば反応ガスとしてのモノシランガス（Ｓ
ｉＨ4）又はジシランガス（Ｓｉ2Ｈ6）を用い、圧力を
数Ｔｏｒｒにして、ガラス基板１１１を３５０℃〜５３
０℃に加熱した状態で、ａ−Ｓｉ膜１１２を成膜する。The crystallization step in this embodiment will be specifically described. First, as shown at 110 in FIG. 1, a low pressure CVD method (Low P
texture Chemical Vapor D
A non-single-crystal silicon (a-Si) film 112 having a thickness of 85 nm is formed by deposition. More specifically, for example, a monosilane gas (S
iH 4 ) or disilane gas (Si 2 H 6 ), the pressure is set to several Torr, and the glass substrate 111 is heated to 350 ° C. to 53 ° C.
The a-Si film 112 is formed while being heated to 0 ° C.
【００２６】なお、ここで、ガラス基板１１１の上に例
えばＳｉＯ2からなる下地層１１３を形成し、この下地
層の上にａ−Ｓｉ膜１１２を成膜してもよい。また、ａ
−Ｓｉ膜１１２の成膜方法としては、減圧ＣＶＤ法に限
定されるものではなく、例えばプラズマＣＶＤ法を用い
てもよい。また、上記のａ−Ｓｉ膜１１２の膜厚は、８
５ｎｍに限らず、適当に設定すればよい。Here, a base layer 113 made of, for example, SiO 2 may be formed on the glass substrate 111, and the a-Si film 112 may be formed on the base layer. Also, a
The method for forming the -Si film 112 is not limited to the low pressure CVD method, and for example, a plasma CVD method may be used. The thickness of the a-Si film 112 is 8
The value is not limited to 5 nm and may be set appropriately.
【００２７】このようにして形成したａ−Ｓｉ膜１１２
の特定の領域（結晶化を行う領域）１０４に対し、エキ
シマレーザ照射装置１００から整形されたエキシマレー
ザを例えば１０ショット照射して当該部分を溶融し、そ
の後、放熱して結晶化する。本実施の形態では、光ビー
ムの照射に際して、被照射体１１０を石英板からなる窓
を有する気密容器に入れ、内部を真空（約１０-6Ｔｏｒ
ｒ）とし、室温（約２３℃）条件下で、上記窓を介して
結晶化領域１０４に光ビームを照射する方法（図２参
照）により行ったが、図１では気密容器を省略して描い
てある。図２において、２００は気密容器、２０１は石
英ガラス窓、２０２は水素ガスボンベ、２０３はアモル
ファスシリコン層、２１０は光ビーム照射装置、２１１
はエキシマレーザ発生器、２１２はミラー、２１３はビ
ームホモジナイザーを示している。The thus formed a-Si film 112
Excimer laser shaped from the excimer laser irradiating apparatus 100 is irradiated with, for example, 10 shots to a specific region (region where crystallization is performed) 104, and the portion is melted. In this embodiment mode, upon irradiation with a light beam, the irradiation target 110 is placed in an airtight container having a window made of a quartz plate, and the inside is evacuated (about 10 −6 Torr).
r) at room temperature (about 23 ° C.) by a method of irradiating the crystallized region 104 with a light beam through the above-mentioned window (see FIG. 2). However, in FIG. 1, the airtight container is omitted. It is. In FIG. 2, 200 is an airtight container, 201 is a quartz glass window, 202 is a hydrogen gas cylinder, 203 is an amorphous silicon layer, 210 is a light beam irradiation device, 211
Denotes an excimer laser generator, 212 denotes a mirror, and 213 denotes a beam homogenizer.
【００２８】なお、上記した各条件はあくまでも例示で
あり、斜め方向から照射し、基板からの反射光を反射ミ
ラーを用いて再び照射する光ビームを用いる点を除き、
その他の条件は特に限定されるものではない。例えば、
光エネルギー密度としては、ａ−Ｓｉ薄膜１１２を結晶
化させるために十分な光強度をもたせたものであればよ
く、結晶を固相成長させる場合においては、必ずしもａ
−Ｓｉ膜を溶融させる必要はない。また、光の照射の入
射角の程度についても特に制限されることはなく、ａ−
Ｓｉ薄膜の材質や厚み等を考慮して結晶化を好適に誘導
・制御できる入射角を設定すればよい。更に、照射する
光ビームのビーム幅、および照射回数（ショット回数）
も、上記に限られず、例えばより強い強度のレーザ光を
１ショットだけ照射するようにしてもよい。さらに、光
ビームの断面形状についても、特に限定されるものでは
なく、例えば三角形、円形等であってもよい。The above conditions are merely examples, except that a light beam is used to irradiate the light obliquely and irradiate the reflected light from the substrate again using a reflecting mirror.
Other conditions are not particularly limited. For example,
The light energy density may be any one having sufficient light intensity to crystallize the a-Si thin film 112. In the case of growing a crystal in a solid phase, a
-It is not necessary to melt the Si film. Also, the degree of the incident angle of light irradiation is not particularly limited, and a-
The incident angle at which crystallization can be suitably induced and controlled may be set in consideration of the material and thickness of the Si thin film. Furthermore, the beam width of the light beam to be irradiated and the number of irradiations (the number of shots)
However, the present invention is not limited to the above. For example, a laser beam having a higher intensity may be irradiated only for one shot. Further, the sectional shape of the light beam is not particularly limited, and may be, for example, a triangle, a circle, or the like.
【００２９】次に以下では図３〜図６を参照しながら、
本実施の形態の結晶質半導体薄膜の作製方法（斜め方向
から光ビームを照射し、基板からの反射光を反射ミラー
を用いて再び照射する光ビームを用いた結晶質半導体薄
膜の作製方法）における結晶の成長挙動について説明す
る。Next, referring to FIGS. 3 to 6,
In the method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film of the present embodiment (a method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film using a light beam that irradiates a light beam from an oblique direction and irradiates reflected light from a substrate again using a reflecting mirror) The crystal growth behavior will be described.
【００３０】まず説明に先だって、図３に、本実施の形
態において使用する光ビーム照射系の概略図を示す。基
板３０３に対し、斜め方向に光ビーム３０１を基板３０
３上の薄膜３０２に照射して、薄膜３０２を結晶化す
る。しかし、単に光３０１の照射方向を変えても、光の
大半は反射光３０４として基板３０３の外へ出ていって
しまう。そこで、反射ミラー３０５を配置することによ
って、図３の照射系、即ち上記の反射光３０４を反射ミ
ラー３０５で更に反射して、再び薄膜に光ビーム３０６
を照射する照射系が構成される。Prior to the description, FIG. 3 shows a schematic diagram of a light beam irradiation system used in the present embodiment. The light beam 301 is applied obliquely to the substrate 303.
Irradiate the thin film 302 on 3 to crystallize the thin film 302. However, even if the irradiation direction of the light 301 is simply changed, most of the light goes out of the substrate 303 as reflected light 304. Therefore, by disposing the reflection mirror 305, the irradiation system of FIG. 3, that is, the reflected light 304 is further reflected by the reflection mirror 305, and the light beam 306 is again reflected on the thin film.
Is configured.
【００３１】この照射手法により得られる光ビーム３０
１、３０６のビーム幅内における光エネルギー強度（単
位面積当たりの光エネルギー、以下、単に光強度とす
る）と照射面の薄膜の温度の経時変化を図４に示す。な
お、図４において、４０１は照射面の温度経時曲線、４
０２は光ビームの光強度経時曲線、４０３は光ビームの
光エネルギー密度、４０４は第２光ビームの光強度経時
曲線、４０５は第２光ビームの光エネルギー密度を示し
ている。The light beam 30 obtained by this irradiation method
FIG. 4 shows the change over time of the light energy intensity (light energy per unit area, hereinafter simply referred to as light intensity) and the temperature of the thin film on the irradiation surface within the beam width of 1, 306. In FIG. 4, reference numeral 401 denotes a temperature aging curve of the irradiated surface;
Numeral 02 indicates a light intensity temporal curve of the light beam, 403 indicates a light energy density of the light beam, 404 indicates a light intensity temporal curve of the second light beam, and 405 indicates a light energy density of the second light beam.
【００３２】以上のような光ビームの照射方法により下
記に示すような反応が生じる（図５参照）。なお、図５
におけるｔ0〜ｔ6は図４に示すｔ0〜ｔ6に対応してい
る。The following reaction occurs by the light beam irradiation method as described above (see FIG. 5). FIG.
T 0 ~t 6 corresponds to t 0 ~t 6 shown in FIG. 4 in.
【００３３】まず、非単結晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）薄
膜５０１（図５（ａ））に光ビームを照射すると、ａ−
Ｓｉ薄膜は極く短時間で加熱される（図５（ｂ））。加
熱された領域が５０２である。さらに、この領域は溶融
され（図５（ｃ））、溶融された領域５０３が形成され
る。First, when a non-single-crystal silicon (a-Si) thin film 501 (FIG. 5A) is irradiated with a light beam,
The Si thin film is heated in a very short time (FIG. 5B). The heated area is 502. Further, this region is melted (FIG. 5C), and a melted region 503 is formed.
【００３４】光ビームの照射が終了した後、溶融した薄
膜５０３は自然に冷却し、結晶化していくわけである
が、その過程において、反射ミラーからの第２の光ビー
ムを照射することにより、結晶化を行う領域の薄膜は加
熱され、その結果、薄膜の冷却速度は遅くなり、より緩
やかに冷却、結晶化が進行する（図７（ｄ））。５０４
は再結晶化の際の結晶核である。After the irradiation of the light beam is completed, the melted thin film 503 is naturally cooled and crystallized. In the process, by irradiating the second light beam from the reflecting mirror, The thin film in the region to be crystallized is heated, and as a result, the cooling rate of the thin film is reduced, and the cooling and crystallization progress more slowly (FIG. 7D). 504
Is a crystal nucleus at the time of recrystallization.
【００３５】従って、薄膜に加えられて残った熱によ
り、先に形成された結晶核５０４の成長が促進され、薄
膜全体の温度が十分に下がるまで、その成長は続く（図
５（ｅ）、（ｆ）、（ｇ））。なお、５０５は短時間で
成長した結晶、５０６は十分成長しつつある結晶、５０
７は十分成長した結晶を示している。Therefore, the remaining heat applied to the thin film promotes the growth of the previously formed crystal nuclei 504, and the growth continues until the temperature of the entire thin film is sufficiently lowered (FIG. 5E). (F), (g)). 505 is a crystal grown in a short time, 506 is a crystal that is growing sufficiently, 50
Reference numeral 7 denotes a sufficiently grown crystal.
【００３６】以上のようなメカニズムによって照射領域
内の結晶性の向上が実現される。すなわち本実施の形態
によれば、再結晶化の際の冷却速度が下がるため、十分
に結晶成長が起こり、粒の成長に伴って面内で均一な特
性を有する多結晶シリコン薄膜が得られるとともに、移
動度も高くなる。With the above-described mechanism, the crystallinity in the irradiation region is improved. That is, according to the present embodiment, since the cooling rate at the time of recrystallization is reduced, sufficient crystal growth occurs, and a polycrystalline silicon thin film having in-plane uniform characteristics with the growth of grains is obtained. , The mobility also increases.
【００３７】次に以下では、上記のように反射ミラーを
用いた場合の光ビームの利用効率について図６を参照し
ながら説明する。例えば、薄膜の特性として、照射した
光の内、約４０％が結晶化に用いられ、残りの約６０％
が反射光として出ていくものとし、また、反射ミラーは
１００％光を反射するものとすると、最初に薄膜６０２
に照射した光ビーム６０１の内、約４０％が薄膜の結晶
化に使われる（６０６）。反射光ビーム６０３として出
ていった残りの光は、反射ミラー６０４で反射されて再
び薄膜６０２に照射される（６０５）。その内、結晶化
に利用される光は約２４％である（６０７）。従って、
全体として約６４％の光が結晶化に用いられる。これ
は、単に照射した場合、結晶化に用いられる約４０％の
光と比べて、約１．６倍も有効であることを示してい
る。Next, the light beam utilization efficiency when the reflecting mirror is used as described above will be described with reference to FIG. For example, as a characteristic of the thin film, about 40% of the irradiated light is used for crystallization, and the remaining about 60%
Out as reflected light, and the reflecting mirror reflects 100% of the light.
Approximately 40% of the light beam 601 applied to the substrate is used for crystallization of the thin film (606). The remaining light that has exited as the reflected light beam 603 is reflected by the reflecting mirror 604 and is again applied to the thin film 602 (605). The light used for crystallization is about 24% (607). Therefore,
Overall, about 64% of the light is used for crystallization. This indicates that, when simply irradiated, it is about 1.6 times as effective as about 40% of the light used for crystallization.
【００３８】上記のようにして作製したｐｏｌｙ−Ｓｉ
薄膜は一般に、その中央部をチャネル領域とし、この両
端部分にリンやボロンなどの不純物をイオン注入してソ
ース領域およびドレイン領域を形成するなどしてＴＦＴ
と為すことができる。そして、本実施の形態で説明した
照射系の光ビームは、ＡＭ−ＬＣＤ（ＡｃｔｉｖｅＭａ
ｔｒｉｘ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌ
ａｙ）の周辺回路などを形成するための、比較的幅の狭
い領域の結晶化に有効である。The poly-Si fabricated as described above
In general, a thin film is formed by forming a source region and a drain region by ion-implanting impurities such as phosphorus and boron into both ends of the thin film as a channel region at a center portion thereof.
Can be done. The light beam of the irradiation system described in this embodiment is applied to an AM-LCD (Active Ma).
trix Liquid Crystal Displ
This is effective for crystallization of a relatively narrow region for forming a peripheral circuit or the like in ay).
【００３９】また、以上では、光ビームとしてエキシマ
レーザを用いたが、本発明で使用する光ビームはエキシ
マレーザに限定されるものではない。例えば前記したよ
うなＨｅ−Ｎｅレーザ、アルゴンレーザ等の連続発振を
するレーザのみならず、紫外線ランプなどの光も使用可
能である。In the above description, an excimer laser is used as the light beam, but the light beam used in the present invention is not limited to the excimer laser. For example, not only a laser that emits continuously such as a He-Ne laser and an argon laser as described above, but also light such as an ultraviolet lamp can be used.
【００４０】また、本発明は、多結晶化法として特に有
用であるが、単結晶化を作製する方法として利用できる
ことは勿論である。Although the present invention is particularly useful as a polycrystallization method, it is needless to say that it can be used as a method for producing single crystallization.
【００４１】更に、以上では結晶質半導体薄膜の形成方
法を中心として本発明の内容を説明したが、本発明にか
かる技術は、光エネルギーを用いて行う物質の改質、例
えばポリマーの溶融成形、合金に対する熱アニール操作
等に広く適用できる。Further, the content of the present invention has been described above mainly on the method of forming a crystalline semiconductor thin film. However, the technology according to the present invention is directed to the modification of a substance using light energy, for example, the melt molding of a polymer, Widely applicable to thermal annealing operation for alloys.
【００４２】[0042]
【発明の効果】本発明の光ビーム照射による結晶質半導
体薄膜の作製方法によれば、一旦溶融され、再結晶化の
過程が進行している領域の薄膜を加熱しているため、冷
却速度が低下し、面内で均一で、かつ、結晶粒が大きく
なることに起因して移動度等の特性が良好な結晶質半導
体薄膜を得ることができる。また、反射ミラーを用いて
薄膜表面で反射した光ビームを再利用すれば、効率も改
善される。According to the method for producing a crystalline semiconductor thin film by light beam irradiation of the present invention, the thin film is heated once in the region where it is melted and the recrystallization process is proceeding. It is possible to obtain a crystalline semiconductor thin film which is reduced, is uniform in the plane, and has good characteristics such as mobility due to the increase of crystal grains. Further, the efficiency can be improved by reusing the light beam reflected on the thin film surface using the reflection mirror.
【図１】本発明の実施の形態におけるエキシマレーザを
用いた結晶化の様子を示す模式図FIG. 1 is a schematic diagram showing a state of crystallization using an excimer laser according to an embodiment of the present invention.
【図２】レーザアニールにおける雰囲気圧力と結晶化度
との関係を調べるための実験装置の概略図FIG. 2 is a schematic diagram of an experimental apparatus for examining a relationship between an ambient pressure and a crystallinity in laser annealing.
【図３】本発明の実施の形態における結晶質半導体薄膜
の作製方法における光ビーム照射系を示す概略図FIG. 3 is a schematic view showing a light beam irradiation system in a method for manufacturing a crystalline semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施の形態における照射面における光
ビームと第２光ビームの光強度の経時曲線とエネルギー
密度、及び薄膜温度の経時曲線を示す図FIG. 4 is a diagram showing a time curve of light intensity and energy density of a light beam and a second light beam on an irradiation surface and a time curve of a thin film temperature in an embodiment of the present invention.
【図５】本発明の実施の形態における光ビーム照射系を
用いたａ−Ｓｉ薄膜の結晶化の進行状況を示す断面図FIG. 5 is a sectional view showing the progress of crystallization of an a-Si thin film using a light beam irradiation system according to an embodiment of the present invention.
【図６】本発明の実施の形態における光ビーム照射系に
おける光の利用効率を示す模式図FIG. 6 is a schematic diagram showing light utilization efficiency in a light beam irradiation system according to an embodiment of the present invention.
【図７】従来の結晶質半導体薄膜の作製の際の光ビーム
照射工程の概略図FIG. 7 is a schematic view of a conventional light beam irradiation step for producing a crystalline semiconductor thin film.
【図８】照射面における光ビームの光強度の経時曲線と
エネルギー密度、及び薄膜温度の経時曲線を示す図FIG. 8 is a diagram showing a time curve of the light intensity of the light beam on the irradiation surface, the energy density, and the time curve of the thin film temperature.
【図９】従来の光ビーム照射系を用いたａ−Ｓｉ薄膜の
結晶化の進行状況を示す断面図FIG. 9 is a cross-sectional view showing the progress of crystallization of an a-Si thin film using a conventional light beam irradiation system.
【図１０】従来の光ビーム照射における光の利用効率を
示す模式図FIG. 10 is a schematic diagram showing light use efficiency in conventional light beam irradiation.
１００ 光ビーム照射装置 １０１ エキシマレーザ発生器 １０２ ミラー １０３ ビームホモジナイザー １０４ 結晶化領域 １１０ 被照射体 １１１ ガラス基板 １１２ 非単結晶質シリコン層 １１３ 下地層 ２００ 気密容器 ２０１ 石英ガラス窓 ２０２ 水素ガスボンベ ２０３ アモルファスシリコン層 ２１０ 光ビーム照射装置 ２１１ エキシマレーザ発生器 ２１２ ミラー ２１３ ビームホモジナイザー ３０１ 光ビーム ３０２ 薄膜 ３０３ 基板 ３０４ 反射する光ビーム ３０５ 反射ミラー ３０６ 反射ミラーから照射する光ビーム ４０１ 照射面の温度経時曲線 ４０２ 光ビームの光強度経時曲線 ４０３ 光ビームの光エネルギー密度 ４０４ 第２光ビームの光強度経時曲線 ４０５ 第２光ビームの光エネルギー密度 ５０１ アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ） ５０２ 加熱されたａ−Ｓｉ ５０３ 溶融されたａ−Ｓｉ ５０４ 結晶核 ５０５ 短時間で成長した結晶 ５０６ 十分成長しつつある結晶 ５０７ 十分成長した結晶 ６０１ 照射された光ビーム ６０２ 薄膜 ６０３ 反射した光ビーム ６０４ 反射ミラー ６０５ 反射ミラーから照射された光ビーム（第２光ビ
ーム） ６０６ 結晶化に用いられる光ビーム ６０７ 結晶化に用いられる第２光ビーム ７０１ 光ビーム ７０２ ａ−Ｓｉ薄膜 ７０３ 基板 ８０１ 照射面の温度経時曲線 ８０２ 光ビームの光強度経時曲線 ８０３ 光ビームの光エネルギー密度 ９０１ アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ） ９０２ 加熱されたａ−Ｓｉ ９０３ 溶融されたａ−Ｓｉ ９０４ 結晶核 ９０５ 成長した結晶 １００１ 光ビーム １００２ 薄膜 １００３ 結晶化に用いられる光ビーム １００４ 反射する光ビームREFERENCE SIGNS LIST 100 Light beam irradiation device 101 Excimer laser generator 102 Mirror 103 Beam homogenizer 104 Crystallized region 110 Irradiated object 111 Glass substrate 112 Non-single-crystalline silicon layer 113 Underlayer 200 Airtight container 201 Quartz glass window 202 Hydrogen gas cylinder 203 Amorphous silicon layer 210 Light Beam Irradiation Device 211 Excimer Laser Generator 212 Mirror 213 Beam Homogenizer 301 Light Beam 302 Thin Film 303 Substrate 304 Reflected Light Beam 305 Reflecting Mirror 306 Light Beam Irradiated from Reflecting Mirror 401 Irradiation Surface Temperature Curve 402 Light Beam Light Intensity time curve 403 Light energy density of light beam 404 Light intensity time curve of second light beam 405 Light energy density of second light beam 501 Amorphous silicon a-Si) 502 Heated a-Si 503 Melted a-Si 504 Crystal nucleus 505 Short-growing crystal 506 Well-growing crystal 507 Well-grown crystal 601 Irradiated light beam 602 Thin film 603 Reflection Light beam 604 Reflecting mirror 605 Light beam (second light beam) emitted from the reflecting mirror 606 Light beam used for crystallization 607 Second light beam used for crystallization 701 Light beam 702 a-Si thin film 703 Substrate 801 Temperature aging curve of irradiation surface 802 Light intensity aging curve of light beam 803 Light energy density of light beam 901 Amorphous silicon (a-Si) 902 Heated a-Si 903 Melted a-Si 904 Crystal nucleus 905 Grown crystal 1001 light beam 1002 thin film 1003 crystallization Light beam 1004 reflected light beam used
Claims (6)
ビームを照射して前記非晶質半導体薄膜を結晶化する結
晶質半導体薄膜の作製方法であって、前記非晶質半導体
薄膜に照射された前記光ビームのうちの前記非晶質半導
体薄膜表面で反射された光ビームを再度結晶化を行う領
域に照射することを特徴とする結晶質半導体薄膜の作製
方法。1. A method for producing a crystalline semiconductor thin film, wherein the amorphous semiconductor thin film formed on a substrate is irradiated with a light beam to crystallize the amorphous semiconductor thin film. A method of irradiating a region to be recrystallized with a light beam reflected on the surface of the amorphous semiconductor thin film out of the light beam irradiated on the substrate.
反射された光ビームに時間的遅延を与え、その後、結晶
化を行う領域に照射することを特徴とする請求項１に記
載の結晶質薄膜の作製方法。2. The method according to claim 1, wherein a time delay is given to a light beam of the light beam reflected on the surface of the amorphous semiconductor thin film, and thereafter the light beam is irradiated to a region to be crystallized. A method for producing a crystalline thin film.
反射された光ビームを整形した後、結晶化を行う領域に
照射することを特徴とする請求項１に記載の結晶質薄膜
の作製方法。3. The crystalline thin film according to claim 1, wherein after shaping the light beam reflected from the surface of the amorphous semiconductor thin film, the light beam is irradiated to a region to be crystallized. Production method.
て傾けて照射することを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載の結晶質半導体薄膜の作製方法。4. The method for producing a crystalline semiconductor thin film according to claim 1, wherein a light beam is irradiated on the surface of the amorphous semiconductor thin film at an angle.
照射された光ビームのうちの非晶質半導体薄膜表面で反
射された光ビームを結晶化を行う領域に照射することを
特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の結晶質半導
体薄膜の作製方法。5. The method according to claim 1, wherein a light beam reflected on the surface of the amorphous semiconductor thin film out of the light beam irradiated on the amorphous semiconductor thin film is irradiated to a region to be crystallized using a reflection mirror. The method for producing a crystalline semiconductor thin film according to claim 1.
あり、結晶質半導体薄膜が多結晶シリコン薄膜であるこ
とを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の結晶質半
導体薄膜の作製方法。6. The crystalline semiconductor thin film according to claim 1, wherein the amorphous semiconductor thin film is an amorphous silicon thin film, and the crystalline semiconductor thin film is a polycrystalline silicon thin film. Production method.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16963398A JP2000012461A (en) | 1998-06-17 | 1998-06-17 | Manufacture of crystalline semiconductor thin film |
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|---|---|
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|---|---|
| JP (1) | JP2000012461A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1097814A2 (en) | 1999-11-05 | 2001-05-09 | Seiko Epson Corporation | Ink-jet recording apparatus |
| KR20030036034A (en) * | 2001-10-30 | 2003-05-09 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | Laser irradiation method and laser irradiation apparatus, and method for fabricating semiconductor device |
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| US7494942B2 (en) | 2003-09-29 | 2009-02-24 | Ultratech, Inc. | Laser thermal annealing of lightly doped silicon substrates |
| US9010155B2 (en) | 2013-01-22 | 2015-04-21 | Samsung Display Co., Ltd. | Laser annealing apparatus |
-
1998
- 1998-06-17 JP JP16963398A patent/JP2000012461A/en active Pending
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