JP3149450B2 - Method and apparatus for manufacturing thin film transistor - Google Patents
Method and apparatus for manufacturing thin film transistorInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、ＳＯ
Ｉ、アクティブマトリックス方方式の薄膜トランジスタ
の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, SO
I. a method of manufacturing an active matrix type thin film transistor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、単結晶絶縁基板上の半導体薄膜
は、ＳＯＳ（サファイア上のシリコン）にみられるよう
にバルク半導体に比べ、次のような利点を有することが
知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, it has been known that a semiconductor thin film on a single crystal insulating substrate has the following advantages as compared with a bulk semiconductor as seen in SOS (silicon on sapphire).
【０００３】島状に切断あるいは誘電体分離をすると
き、素子間の分離を容易かつ確実にできる。Ｐ−Ｎ接
合面積を小さくすることにより、浮遊容量を小さくでき
る。When cutting or dielectric isolation is performed in an island shape, isolation between elements can be easily and reliably performed. The stray capacitance can be reduced by reducing the PN junction area.
【０００４】また、サファイア等の単結晶絶縁基板が高
価であることから、これに代わるものとして、溶融水晶
板や、Ｓｉ基板を１０００℃以上温度で酸化して形成し
た非晶質ＳｉＯ2 膜やＳｉ基板上に堆積した非晶質Ｓｉ
Ｏ2 膜あるいは非晶質ＳｉＮ膜を用い、これらの上に半
導体薄体を形成する方法が提案されている。ところが、
これらＳｉＯ2 膜やＳｉＮ膜は単結晶でないため、その
上シリコン層を被着形成し１０００℃以上の温度のプロ
セスで結晶化すると基板上には多結晶が成長する。この
多結晶の粒径は数１０ｎｍであり、このうえにＭＯＳト
ランジスタを形成しても、そのキャリア移動度はバルク
シリコン上のＭＯＳトランジスタの数分の１程度であ
る。Further, since a single-crystal insulating substrate such as sapphire is expensive, an alternative is to use a fused quartz plate or an amorphous SiO 2 film formed by oxidizing a Si substrate at a temperature of 1000 ° C. or higher. Amorphous Si deposited on Si substrate
A method has been proposed in which an O 2 film or an amorphous SiN film is used and a semiconductor thin body is formed thereon. However,
Since these SiO 2 films and SiN films are not single crystals, if a silicon layer is formed thereon and crystallized by a process at a temperature of 1000 ° C. or more, polycrystals grow on the substrate. The grain size of this polycrystal is several tens of nanometers, and even if a MOS transistor is formed thereon, the carrier mobility is about one-seventh of that of a MOS transistor on bulk silicon.
【０００５】また、液晶表示体のアクティブマトリック
ス基板用に、歪点が８５０℃以下の安価なガラス基板上
のＭＯＳトランジスタでは、１０００℃以上のプロセス
を利用することが出来ないので、減圧化学気相成長法で
シリコン層を堆積しても、多結晶の粒径は高々数ｎｍで
あるため、この上にＭＯＳトランジスタを形成しても、
そのキャリア移動度は、バルクシリコン上のＭＯＳトラ
ンジスタの数十分の１程度である。Further, a MOS transistor on an inexpensive glass substrate having a strain point of 850 ° C. or less for an active matrix substrate of a liquid crystal display cannot use a process at 1000 ° C. or more. Even if a silicon layer is deposited by a growth method, since the grain size of the polycrystal is at most several nm, even if a MOS transistor is formed thereon,
The carrier mobility is about one-tenth of the MOS transistor on bulk silicon.
【０００６】そこで最近、レーザービームや電子ビーム
等をシリコン薄膜上を走査し、該薄膜の溶融再個化を行
うことにより、結晶粒径を増大させ単結晶化あるいは多
結晶化する方法が検討されている。この方法によれば、
絶縁基板上に高品質シリコン単結晶相を、または高品質
多結晶を形成でき、それを用いて作成した素子の特性も
向上し、バルクシリコンに作成した素子の特性と同程度
まで改善される。さらにこの方法では、素子を積層化す
ることが可能となりいわゆる３次元ＩＣの実現が可能と
なる。そして高密度、高速、多機能などの特徴を持つ回
路が得られるようになる。In recent years, a method of scanning a silicon thin film with a laser beam, an electron beam, or the like, and performing melting and re-singulation of the thin film to increase the crystal grain size to form a single crystal or polycrystal has been studied. ing. According to this method,
A high-quality silicon single-crystal phase or a high-quality polycrystal can be formed on an insulating substrate, and the characteristics of a device manufactured using the same can be improved to about the same level as the characteristics of a device formed on bulk silicon. Further, according to this method, the elements can be stacked, and a so-called three-dimensional IC can be realized. Then, a circuit having characteristics such as high density, high speed, and multiple functions can be obtained.
【０００７】レーザービームにより高品質なシリコン層
を形成し薄膜トランジスタを製作した例として、Ｅｘｔ
ｅｎｄｅｄ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ２２ｎ
ｄ（１９９０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）Ｃｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｖ
ｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｅｎｄａ
ｉ，１９９０，ｐｐ．９６７−９７０「ＸｅＣｌ Ｅｘ
ｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ａｍｏｒｐ
ｈｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｒｙｓｔｌｌｉｚａｔｉ
ｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｆｉｌｍｓ」が挙げられ
る。As an example of manufacturing a thin film transistor by forming a high quality silicon layer by a laser beam, Ext
ended Abstracts of the22n
d (1990 International) Conf
erence on Solid State Dev
ices and Materials, Senda
i, 1990, pp. 967-970 "XeCl Ex
cimer Laser-Induced Amorp
hization and Crystallizati
on of Silicon Films ".
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
ービームの照射によってシリコン層を基板全体にわたっ
て均一に結晶化することは困難である。ＰＥＣＶＤ法あ
るいは減圧化学気相成長法などにより形成したシリコン
層をレーザービームにより高品質なシリコン層を得るた
めには、ある適当なエネルギーが必要である。上記の従
来例のように、モノシランをグロー放電により分解して
形成した水素を含有する非晶質なシリコン層の場合に
は、ある適度なビームエネルギーであると、大粒径の多
結晶シリコン膜を形成することができるが、そのエネル
ギーより少ないエネルギーであると、微結晶粒のシリコ
ン層となってしまう。However, it is difficult to uniformly crystallize the silicon layer over the entire substrate by irradiating a laser beam. In order to obtain a high-quality silicon layer by a laser beam from a silicon layer formed by a PECVD method or a low pressure chemical vapor deposition method, a certain appropriate energy is required. In the case of an amorphous silicon layer containing hydrogen formed by decomposing monosilane by glow discharge as in the above-described conventional example, a polycrystalline silicon film having a large grain size can be obtained if a certain appropriate beam energy is applied. Can be formed, but if the energy is lower than the energy, the silicon layer becomes fine crystal grains.
【０００９】上記従来例で使用しているエキシマレーザ
ーでは、ビーム進行方向に対して垂直な断面についての
ビームのエネルギー分布は図４に示すように疑似的なガ
ウス分布をしており、必ずしも一定のエネルギー分布を
有するビームではない。すると、ビームのエネルギー強
度に応じて、大粒径のシリコン層や微結晶のシリコン層
の部分が形成され、均一な品質のシリコン層を得ること
ができない。そこで従来例では、大面積にわたって均一
な多結晶シリコン層を得るために、レーザービームを微
細な間隔に位置をずらしながらアニールする方法を試み
ている。しかしながら、この方法では同一地点のシリコ
ン層を数十回も照射しなければならないためたいへん効
率が低い欠点があった。また、この方法では、本来、大
粒径な粒子を有するシリコン層を得るためのエネルギー
よりも大きな強度のレーザービームを照射するため、シ
リコン層の表面が粗くなったり、シリコン層が被着して
いる薄膜に損傷が発生する欠点があった。In the excimer laser used in the above-mentioned conventional example, the energy distribution of the beam in a cross section perpendicular to the beam traveling direction has a pseudo Gaussian distribution as shown in FIG. It is not a beam having an energy distribution. Then, a silicon layer having a large grain size or a microcrystalline silicon layer is formed in accordance with the energy intensity of the beam, and a silicon layer of uniform quality cannot be obtained. Therefore, in a conventional example, in order to obtain a uniform polycrystalline silicon layer over a large area, a method is attempted in which a laser beam is annealed while shifting the position at a fine interval. However, this method has a drawback that the efficiency is very low because the silicon layer at the same point must be irradiated several tens of times. In addition, in this method, a laser beam having an intensity larger than the energy for obtaining a silicon layer having particles having a large particle diameter is originally irradiated, so that the surface of the silicon layer becomes rough or the silicon layer is adhered. There is a disadvantage that the thin film is damaged.
【００１０】また一方、特殊な光学系をレーザービーム
の発振源とサンプルであるシリコン層の間に設けて、ビ
ームのエネルギー分布を均一化する試みが行われてき
た。On the other hand, attempts have been made to provide a special optical system between the oscillation source of the laser beam and the silicon layer as a sample to make the energy distribution of the beam uniform.
【００１１】しかしながら、この特殊な光学系によるビ
ーム強度分布の改良による結果は、ビーム全体に渡って
均一になっていることなく、ビームの縁ではなお依然と
して不均一性が観測される。エネルギー強度が足りない
部分では、ＰＥＣＶＤにより形成されたシリコン層の場
合、ビームのエネルギー強度が足りない部分では微結晶
シリコン層となり、次にこの微結晶シリコン層に、初期
のシリコン層から大粒径粒子を有するシリコン層を形成
するために必要なエネルギーを照射しても、微結晶状態
のままで変化しない。したがって、従来のような不均一
なエネルギー強度分布を有するエネルギービームでは、
パルスレーザーの照射によって、パルスレーザーのビー
ムよりも広い面積のシリコン層を均一に高品質化するこ
とができない欠点があった。However, as a result of the improvement of the beam intensity distribution by this special optical system, non-uniformity is still observed at the beam edge without being uniform over the entire beam. In the portion where the energy intensity is insufficient, in the case of a silicon layer formed by PECVD, the portion where the energy intensity of the beam is insufficient becomes a microcrystalline silicon layer. Irradiation with energy necessary for forming a silicon layer having particles does not change in a microcrystalline state. Therefore, in an energy beam having a non-uniform energy intensity distribution as in the related art,
Irradiation with a pulse laser has a disadvantage that a silicon layer having a larger area than a pulse laser beam cannot be uniformly improved in quality.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜トランジス
タの製造方法は、基板上にシリコン層を有する薄膜トラ
ンジスタの製造方法において、前記基板上に前記シリコ
ン層を形成する工程と、短波長の光線を凸レンズを通過
させ、その後凹レンズを通過させる工程と、遮蔽手段に
より前記並行光線の一部分を遮って前記シリコン層に照
射する工程とを有し、前記シリコン層のレーザービーム
により照射される面は重なるように複数回照射されるこ
とを特徴とする。好ましくは、前記レーザービームは、
矩形状のエネルギー分布を有するパルスビームである。
好ましくは、前記凸レンズと前記凹レンズの距離を変更
することによりビームの大きさを変える工程を備える。
本発明の薄膜トランジスタの製造装置は、レーザー源
と、前記レーザー源からの短波長の光線を受ける凸レン
ズと、前記凸レンズの出射光を受ける凹レンズと、前記
凹レンズの出射光の一部分を遮って基板上のシリコン層
に照射する遮蔽手段とを備えることを特徴とする。According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film transistor having a silicon layer on a substrate, comprising the steps of: forming the silicon layer on the substrate; Passing through the concave lens, and a step of irradiating the silicon layer by blocking a part of the parallel light beam by the shielding means, so that the surface of the silicon layer irradiated by the laser beam overlaps It is characterized by being irradiated a plurality of times. Preferably, the laser beam is
It is a pulse beam having a rectangular energy distribution.
Preferably, the method includes a step of changing a beam size by changing a distance between the convex lens and the concave lens.
The thin film transistor manufacturing apparatus of the present invention includes a laser source, a convex lens that receives a short-wavelength light beam from the laser source, a concave lens that receives light emitted from the convex lens, and a part of the light emitted from the concave lens, Shielding means for irradiating the silicon layer.
【００１３】[0013]
【実施例】以下図面を参照して実施例を詳細に説明す
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments will be described below in detail with reference to the drawings.
【００１４】実施例を図１に示す。An embodiment is shown in FIG.
【００１５】まず、図１ａに示したように透明絶縁基板
１０１に、電子サイクロトロン共鳴スパッタ法により形
成された二酸化珪素膜１０２を２００ｎｍの厚さで形成
する。該二酸化珪素膜の代わりにＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、
ＰＳＧなどの絶縁膜でもよい。First, as shown in FIG. 1A, a silicon dioxide film 102 having a thickness of 200 nm is formed on a transparent insulating substrate 101 by electron cyclotron resonance sputtering. Instead of the silicon dioxide film, SiNx, SiON,
An insulating film such as PSG may be used.
【００１６】次に、例えば、減圧化学気相成長法により
５５０℃の温度で５０ｎｍの厚みで非晶質のシリコン層
１０３を形成する。前記のように減圧化学気相成長法に
よるシリコン層は水素の含有量が原子数比で１％以下で
ある。Next, an amorphous silicon layer 103 having a thickness of 50 nm is formed at a temperature of 550 ° C. by, for example, low pressure chemical vapor deposition. As described above, the silicon layer formed by the low pressure chemical vapor deposition method has a hydrogen content of 1% or less in atomic ratio.
【００１７】次に、図１ｂに示すように、該シリコン層
１０３の表面にレーザービーム１０４を照射する。該レ
ーザービームはＸｅＣｌエキシマレーザーであり、波長
が３０８ｎｍであるので、前記非晶質のシリコン層では
３０８ｎｍの吸収係数が１０6 ｃｍ-1と大きいため、該
レーザービームのエネルギーの大部分が該シリコン層に
吸収される。レーザービームの条件は、半値幅が５０ｎ
ｓであり、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪｃｍ-2
であり、ビームの照射面の幾何学的な大きさは一辺が１
０ｍｍの正方形である。このビームの幾何学的な大きさ
は必要に応じて変更可能である。Next, as shown in FIG. 1B, the surface of the silicon layer 103 is irradiated with a laser beam 104. Since the laser beam is a XeCl excimer laser and has a wavelength of 308 nm, the absorption coefficient of 308 nm is as large as 10 6 cm −1 in the amorphous silicon layer. Absorbed by the layer. The condition of the laser beam is that the half width is 50n.
and the energy density is 200 to 400 mJcm -2
And the geometric size of the beam irradiation surface is 1 on each side.
It is a square of 0 mm. The geometric size of this beam can be changed as needed.
【００１８】つぎに、該レーザービーム１０４のエネル
ギー分布の改良について図に示しながら説明する。図２
に示すレーザー源２０１から発射されたレーザービーム
２０２のエネルギー分布は図２に示すように疑似的なガ
ウス分布をしている。該レーザービーム２０２はアッテ
ネーター２０３と、例えばフライアイレンズのような特
殊な光学レンズ２０４を通過する。該アッテネーター２
０３でレーザービームのエネルギーを必要に応じて減衰
させる。該特殊な光学レンズ２０４で、該レーザービー
ムのエネルギー分布を、疑似的なガウス分布から図３ａ
に示すようにエネルギー密度が一定のピークＥMAX を持
つ疑似台形状のエネルギー分布に改良する。次に、該エ
ネルギー分布が疑似台形状に改良されたレーザービーム
を凸レンズ２０５に通過させる。次に、該凸レンズ２０
５を通過したレーザービームを凹レンズ２０６に通過さ
せる。次に該凸レンズ２０５と該凹レンズ２０６の距離
を変更することによりビームの大きさを変えられる。ま
た、該凹レンズ２０６を通過したレーザービームは平行
光線となる。該凹レンズ２０６を通過したレーザービー
ムを、マスク２０７に通過させる。該マスク２０７の基
板の材質は良質の石英であり、図４に示すようにレーザ
ー光を遮るマスクの描画部分４０１は、タングステンな
どの高融点金属である。または波長３０８ｎｍの光につ
いて反射係数の大きな金属薄膜であってもよい。該マス
ク２０７を通過することにより、図５に示すようにビー
ムの縁が極めて急峻であり縁以外の部分のエネルギー密
度が均一な矩形状のエネルギー分布のレーザービーム２
０８が得られる。Next, improvement of the energy distribution of the laser beam 104 will be described with reference to the drawings. FIG.
The energy distribution of the laser beam 202 emitted from the laser source 201 shown in FIG. 2 has a pseudo Gaussian distribution as shown in FIG. The laser beam 202 passes through an attenuator 203 and a special optical lens 204 such as a fly-eye lens. The attenuator 2
At 03, the energy of the laser beam is attenuated as required. With the special optical lens 204, the energy distribution of the laser beam is changed from the pseudo Gaussian distribution in FIG.
The energy density is improved to a pseudo trapezoidal energy distribution having a constant peak EMAX as shown in FIG. Next, the laser beam whose energy distribution has been improved into a pseudo trapezoidal shape is passed through the convex lens 205. Next, the convex lens 20
The laser beam that has passed through 5 passes through the concave lens 206. Next, the beam size can be changed by changing the distance between the convex lens 205 and the concave lens 206. The laser beam that has passed through the concave lens 206 becomes a parallel light beam. The laser beam that has passed through the concave lens 206 is passed through a mask 207. The material of the substrate of the mask 207 is high quality quartz, and as shown in FIG. 4, the drawing portion 401 of the mask that blocks laser light is a refractory metal such as tungsten. Alternatively, a metal thin film having a large reflection coefficient for light having a wavelength of 308 nm may be used. By passing through the mask 207, the laser beam 2 having a rectangular energy distribution in which the edge of the beam is extremely steep and the energy density of the portion other than the edge is uniform as shown in FIG.
08 is obtained.
【００１９】該シリコン層１０３をビームアニールする
時の該シリコン層１０３周辺の雰囲気は、真空あるいは
不活性ガス雰囲気、あるいは窒素雰囲気、あるいは大気
の雰囲気である。The atmosphere around the silicon layer 103 when the silicon layer 103 is subjected to beam annealing is a vacuum, an inert gas atmosphere, a nitrogen atmosphere, or an air atmosphere.
【００２０】また、該レーザービーム１０４の強度は、
該アッテネーター２０３と該凸レンズ２０５と該凹レン
ズ２０６の距離を変更することにより適宜調整すること
ができる。The intensity of the laser beam 104 is
By changing the distance between the attenuator 203, the convex lens 205, and the concave lens 206, it can be adjusted as appropriate.
【００２１】図２に示すように該シリコン層１０３が形
成されている基板２０９をステージ２１０に載せて、ビ
ームの進行方向に対して垂直または斜めに設置してある
駆動系２１１を接続している該ステージ２１０を、該レ
ーザー源２０１のレーザー発振周波数およびレーザーの
発信するタイミングと該駆動系の動作をコントロールす
るコンピューター２１２によりコントロールしながらパ
ルスビームの照射位置を変更できる。As shown in FIG. 2, a substrate 209 on which the silicon layer 103 is formed is placed on a stage 210, and a driving system 211 installed perpendicularly or obliquely to the beam traveling direction is connected. The irradiation position of the pulse beam can be changed while the stage 210 is controlled by the computer 212 which controls the laser oscillation frequency of the laser source 201, the laser transmission timing, and the operation of the drive system.
【００２２】該レーザービーム１０４の幾何学的大きさ
よりも広い面積の該シリコン層１０３をアニールする場
合には、該シリコン層表面において照射位置を変えた複
数回のパルスビームを照射しなければならない。When annealing the silicon layer 103 having an area larger than the geometric size of the laser beam 104, it is necessary to irradiate the surface of the silicon layer with a plurality of pulse beams of different irradiation positions.
【００２３】図６に照射位置を変えた場合のシリコン層
の結晶化の様子を示す。FIG. 6 shows how the silicon layer is crystallized when the irradiation position is changed.
【００２４】図６ａの例は、該特殊な光学レンズ２０４
と該凸レンズ２０５と該凹レンズ２０６を通過させるが
該マスク２０７を通過させないレーザービームを照射位
置を変えてシリコン層をアニールした場合の例を示す。
このレーザービームは図３ａに示すような台形状のエネ
ルギー分布を有する。FIG. 6A shows an example of the special optical lens 204.
An example is shown in which the irradiation position of a laser beam that passes through the convex lens 205 and the concave lens 206 but does not pass through the mask 207 is changed and the silicon layer is annealed.
This laser beam has a trapezoidal energy distribution as shown in FIG. 3a.
【００２５】図３ｂに該台形状のエネルギー分布を有す
るパルスビームを照射した場合のシリコン層の様子を示
す。図３ａに示すように、パルスレーザーのエネルギー
密度ＥがＯ≦Ｅ≦Ｅ1 の範囲では、該シリコン層１０３
は変化しない。該パルスレーザーのエネルギー密度Ｅが
Ｅ2 ≦Ｅ≦Ｅ3の範囲にある場合には該シリコン層１０
３は大粒径の結晶を有する良質な多結晶シリコン層３０
１に変化する。また該パルスレーザーのエネルギー密度
ＥがＥ1 ≦Ｅ≦Ｅ2 の範囲にある場合には該シリコン層
１０３は微結晶粒子を有するシリコン層３０２に変化す
る。また、該パルスレーザーのエネルギー密度Ｅが、Ｅ
3 ≦Ｅの範囲にある場合には、エネルギー密度が大きす
ぎる場合であり、該シリコン層は非晶質なシリコン層に
変化する。そこで図３ｂには、パルスレーザーの最大の
エネルギー密度ＥMAX がＥ3 よりも小さい場合を示し
た。図３ｂに示したようにビームが照射された部分のう
ち中心部３０１には多結晶シリコン層が形成されるが、
周辺部３０２は微結晶粒子を有するシリコン層が形成さ
れる。FIG. 3B shows a state of the silicon layer when a pulse beam having the trapezoidal energy distribution is irradiated. As shown in Figure 3a, in the range the energy density E is O ≦ E ≦ E 1 pulse lasers, the silicon layer 103
Does not change. When the energy density E of the pulse laser is in the range of E 2 ≦ E ≦ E 3 , the silicon layer 10
3 is a high-quality polycrystalline silicon layer 30 having a crystal having a large grain size.
Changes to 1. When the energy density E of the pulse laser is in the range of E 1 ≦ E ≦ E 2 , the silicon layer 103 changes to a silicon layer 302 having microcrystalline particles. Further, the energy density E of the pulse laser is E
In the case of 3 ≦ E, the energy density is too large, and the silicon layer changes to an amorphous silicon layer. Therefore, FIG. 3B shows a case where the maximum energy density E MAX of the pulse laser is smaller than E 3 . As shown in FIG. 3B, a polycrystalline silicon layer is formed in a central portion 301 of the irradiated portion,
In the peripheral portion 302, a silicon layer having microcrystalline particles is formed.
【００２６】次に、図６ａに示すように照射位置を変え
て、１回目の照射部分と重なる部分６０３を形成するよ
うに、２回目のパルスビームを照射する。１回目のパル
スビームと２回目のパルスビームの最大エネルギーＥ
MAX エネルギーが等しければ、領域６０１と領域６０２
のシリコン層は同じ結晶状態である。また、上記のよう
に減圧化学気相成長法などによる水素の含有量が少ない
非晶質のシリコン層の場合には、該レーザービーム１０
４の照射するパルスビームの回数にかかわらず同じ状態
の結晶が得られる。したがって、領域６０１および領域
６０２および領域６０３のシリコン層は同じ結晶状態で
ある。ところが周辺部３０２の微結晶粒子を有するシリ
コン層に、上記のＥ2 ≦Ｅ≦Ｅ3 の範囲にあるエネルギ
ーＥのレーザービームを照射しても、微結晶粒子を有す
るシリコン層のままで変化しない。また、上記のＥ1 ≦
Ｅ≦Ｅ2 の範囲にあるエネルギーのパルスレーザーを中
心部３０１の多結晶シリコン層に照射しても、変化は認
められない。図６ａにおいて１回目と２回目のパルスビ
ームのエネルギーがＥ1 ≦Ｅ≦Ｅ2 の照射領域を６０４
と示した。Next, as shown in FIG. 6A, the irradiation position is changed, and a second pulse beam irradiation is performed so as to form a portion 603 overlapping the first irradiation portion. Maximum energy E of the first pulse beam and the second pulse beam
If the MAX energies are equal, region 601 and region 602
Are in the same crystalline state. As described above, in the case of an amorphous silicon layer having a low hydrogen content by a low pressure chemical vapor deposition method or the like, the laser beam 10
Crystals in the same state can be obtained irrespective of the number of times of irradiation of the pulse beam of No. 4. Therefore, the silicon layers in the region 601, the region 602, and the region 603 are in the same crystalline state. However, even when the silicon layer having the microcrystalline particles in the peripheral portion 302 is irradiated with the laser beam having the energy E in the range of E 2 ≦ E ≦ E 3 , the silicon layer having the microcrystalline particles remains unchanged. . In addition, the above E 1 ≦
Even if a pulse laser having an energy in the range of E ≦ E 2 is applied to the polycrystalline silicon layer in the central portion 301, no change is recognized. In FIG. 6A, the irradiation area where the energy of the first and second pulse beams is E 1 ≦ E ≦ E 2 is set to 604.
It was shown.
【００２７】したがって、図３ａのエネルギー分布を有
するパルスビームを照射位置を変えてシリコン層をアニ
ールすると上記に示した理由で図６ｂに示すように微結
晶粒子を有するシリコン層の領域６０６が形成される。Therefore, when the silicon layer is annealed by changing the irradiation position of the pulse beam having the energy distribution shown in FIG. 3A, a region 606 of the silicon layer having fine crystal grains is formed as shown in FIG. 6B for the above-described reason. You.
【００２８】すなわち、図３ａに示すようなＥ1 ≦Ｅ≦
Ｅ2 のエネルギーを有する台形状のあるいはそれに類似
のエネルギー分布のパルスビームを照射位置を変えて該
シリコン層１０３に複数回照射すると、結晶状態が不均
一なシリコン層が形成され、このように形成された不均
一な結晶状態のシリコン層を材料にした薄膜トランジス
タの特性は基板全体で不均一な分布となってしまう。That is, E 1 ≦ E ≦ as shown in FIG.
When a pulse beam of an energy distribution or similar thereto trapezoidal shape having an energy of E 2 by changing the irradiation position is irradiated a plurality of times in the silicon layer 103, the crystal state is uneven silicon layer is formed, thus forming The characteristics of the thin film transistor using the obtained non-uniform crystalline silicon layer as a material have a non-uniform distribution over the entire substrate.
【００２９】図６ａの様に照射された場合のシリコン層
の結晶状態の分布の模式図を図６ｂに示す。大粒径の粒
子を有する良質なシリコン層の領域６０５と微結晶粒子
を有するシリコン層６０６が形成される。FIG. 6B is a schematic diagram showing the distribution of the crystalline state of the silicon layer when irradiated as shown in FIG. 6A. A high-quality silicon layer region 605 having large-sized particles and a silicon layer 606 having microcrystalline particles are formed.
【００３０】図７の例は、レーザービームのエネルギー
分布を上記の方法により改良した場合のシリコン層の様
子を示す。１回目のパルスビームの照射により該シリコ
ン層１０３は多結晶シリコン層７０１に変化する。次に
照射位置を変えて、１回目の照射部分と重なる部分７０
３を形成するように、２回目のパルスビームを照射す
る。１回目のパルスビームと２回目のパルスビームのエ
ネルギーが等しければ、７０１と領域７０２のシリコン
層は同じ結晶状態である。FIG. 7 shows the state of the silicon layer when the energy distribution of the laser beam is improved by the above method. The first irradiation with the pulse beam changes the silicon layer 103 into a polycrystalline silicon layer 701. Next, the irradiation position is changed, and a portion 70 overlapping with the first irradiation portion is obtained.
A second pulse beam irradiation is performed to form No. 3. If the first pulse beam and the second pulse beam have the same energy, the silicon layers 701 and 702 have the same crystal state.
【００３１】また、上記のように減圧化学気相成長法な
どによる水素の含有量が少ない非晶質のシリコン層の場
合には、該レーザービーム１０４の照射するパルスの回
数にかかわらず同じ状態の結晶が得られる。したがっ
て、図７ａに示す領域７０３の結晶状態は領域７０１お
よび領域７０２と同じである。さらに、前述のように矩
形型のエネルギー分布を持つレーザービームのため境界
７０４には微結晶粒子が形成されないため実質的に領域
７０１と領域７０２と領域７０３の間には境界状態のな
い均一な多結晶シリコン層が形成される。図７ａの様に
照射された場合のシリコン層の結晶状態の分布の模式図
を図７ｂに示す。大粒径の粒子を有する良質なシリコン
層の領域７０５のみが形成され、微結晶粒子を有するシ
リコン層は形成されない。したがって、図５に示す矩形
状のエネルギー分布を有する、適度なエネルギーのパル
スビームで、照射位置を変えて個々のパルスビームが重
なり部分を形成するように基板全体の該シリコン層１０
３をアニールすると、図１ｃに示すように、基板全体に
渡って均一な大きな結晶粒を有する良質なシリコン層１
０５を得ることができる。したがって、該レーザービー
ム２０８すなわち該レーザービーム１０４を該シリコン
層１０３に照射することによって、基板全体に渡って均
一な多結晶シリコン層１０５が得られ、これによって、
基板全体に渡って均一な特性を有する移動度が高い高性
能な薄膜トランジスタを製造することができる。As described above, in the case of an amorphous silicon layer having a low hydrogen content by a low pressure chemical vapor deposition method or the like, the same state is maintained regardless of the number of pulses of the laser beam 104. Crystals are obtained. Therefore, the crystal state of the region 703 shown in FIG. 7A is the same as that of the region 701 and the region 702. Further, as described above, since the crystal beam is not formed at the boundary 704 due to the laser beam having a rectangular energy distribution, there is substantially no boundary state between the region 701, the region 702, and the region 703. A crystalline silicon layer is formed. FIG. 7B is a schematic diagram showing the distribution of the crystalline state of the silicon layer when irradiated as shown in FIG. 7A. Only a high-quality silicon layer region 705 having large-sized particles is formed, and a silicon layer having microcrystalline particles is not formed. Therefore, a pulse beam having a rectangular energy distribution as shown in FIG. 5 and having an appropriate energy is applied to the silicon layer 10 of the entire substrate so that the irradiation positions are changed and the individual pulse beams form overlapping portions.
3 is annealed, as shown in FIG. 1c, a good quality silicon layer 1 having uniform large crystal grains over the entire substrate.
05 can be obtained. Thus, by irradiating the silicon layer 103 with the laser beam 208, ie, the laser beam 104, a uniform polycrystalline silicon layer 105 is obtained over the entire substrate,
A high-performance thin film transistor having high mobility and uniform characteristics over the entire substrate can be manufactured.
【００３２】上記の実施例は減圧化学気相成長法によっ
て形成されたシリコン層の結晶化について説明したが、
ＰＥＣＶＤによって形成されたシリコン層でも、４５０
℃で窒素雰囲気で６０分のアニールを施すと水素の含有
量が１％以下になるので、ＰＥＣＶＤによって形成され
たシリコン層でも本発明は適用できる。無論スパッタ法
により形成されたシリコン層でも本発明は適用できる。Although the above embodiment describes the crystallization of the silicon layer formed by the low pressure chemical vapor deposition method,
Even a silicon layer formed by PECVD has a 450
Since annealing at 60 ° C. in a nitrogen atmosphere for 60 minutes reduces the hydrogen content to 1% or less, the present invention can be applied to a silicon layer formed by PECVD. Of course, the present invention can be applied to a silicon layer formed by a sputtering method.
【００３３】上記の実施例は、シリコン層の結晶化につ
いて説明したが、上記の実施例に限らず、パルスレーザ
ービームにより薄膜あるいは基体などを大面積に渡って
均一に改質する場合でも本発明は適用できる。In the above embodiment, the crystallization of the silicon layer was described. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and the present invention can be applied to a case where a thin film or a substrate is uniformly modified over a large area by a pulsed laser beam. Is applicable.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザービームの幾何学的形状よりも広い面積のシリコン
層を均一に結晶化することができるので、大面積の基板
上にレーザービームの照射によって結晶粒径の大きな良
質なシリコン層を均一に形成することができる。したが
って、基板全面に移動度の高い高性能の薄膜トランジス
タを室温のレーザーアニールにより基板全面に形成する
ことができるので、駆動回路を内蔵したアクティブマト
リックス方式の平面表示体を、石英ではなくガラス基板
に製造することができる。この結果、平面表示体のコス
トは、基板に効果な石英基板でなく安価なガラス基板に
形成することができるので、平面表示体のコストが安価
になる。As described above, according to the present invention, a silicon layer having an area larger than the geometrical shape of a laser beam can be uniformly crystallized. By irradiation, a high-quality silicon layer having a large crystal grain size can be uniformly formed. Therefore, a high-performance thin film transistor with high mobility can be formed on the entire surface of the substrate by laser annealing at room temperature over the entire surface of the substrate, so that an active matrix type flat display body with a built-in drive circuit is manufactured on a glass substrate instead of quartz. can do. As a result, the cost of the flat display body can be reduced to an inexpensive glass substrate instead of a quartz substrate that is effective for the substrate, so that the cost of the flat display body is reduced.
【００３５】また、シリコン層の吸収係数が大きな波長
を有するパルスエキシマレーザーによりシリコン層を良
質化できるので、３次元半導体集積回路を形成すること
もできる。Further, since the quality of the silicon layer can be improved by a pulse excimer laser having a wavelength having a large absorption coefficient of the silicon layer, a three-dimensional semiconductor integrated circuit can also be formed.
【図１】本発明のシリコン半導体層を形成する実施例の
工程図である。FIG. 1 is a process chart of an embodiment for forming a silicon semiconductor layer of the present invention.
【図２】本発明の、パルスレーザービームのエネルギー
分布を矩形状に改良する方法の光学系の図である。FIG. 2 is a diagram of an optical system of a method for improving the energy distribution of a pulsed laser beam into a rectangular shape according to the present invention.
【図３】エネルギーの分布を改良する前のレーザービー
ムのエネルギー強度分布と、エネルギー強度に対するシ
リコン層の変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an energy intensity distribution of a laser beam before the energy distribution is improved, and a change of a silicon layer with respect to the energy intensity.
【図４】本発明の、パルスレーザービームのエネルギー
強度分布を矩形状に改良するためのマスクの図である。FIG. 4 is a view of a mask for improving the energy intensity distribution of the pulse laser beam into a rectangular shape according to the present invention.
【図５】本発明により、改良されたパルスレーザービー
ムのエネルギー強度分布を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an energy intensity distribution of a pulsed laser beam improved according to the present invention.
【図６】従来のエネルギー強度分布を有するパルスレー
ザービームを複数回照射した場合のシリコン層の変化を
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a change in a silicon layer when a conventional pulse laser beam having an energy intensity distribution is irradiated a plurality of times.
【図７】本発明により、改良されたパルスレーザービー
ムを複数回照射した場合のシリコン層の変化を示す図で
ある。FIG. 7 is a diagram illustrating a change in a silicon layer when a pulse laser beam improved according to the present invention is irradiated a plurality of times.
１０１ 透明絶縁基板 １０２ 二酸化珪素膜 １０３ シリコン層 １０４ レーザービーム １０５ 多結晶シリコン層 ２０１ レーザー源 ２０２ 改良前のレーザービーム ２０３ アッテネーター ２０４ 特殊な光学レンズ ２０５ 凸レンズ ２０６ 凹レンズ ２０７ マスク ２０８ 矩形状のエネルギー分布のレーザービーム REFERENCE SIGNS LIST 101 transparent insulating substrate 102 silicon dioxide film 103 silicon layer 104 laser beam 105 polycrystalline silicon layer 201 laser source 202 laser beam before improvement 203 attenuator 204 special optical lens 205 convex lens 206 concave lens 207 mask 208 rectangular laser beam with energy distribution
Claims (4)
ジスタの製造方法において、前記基板上に前記シリコン
層を形成する工程と、短波長の光線を凸レンズを通過さ
せ、その後凹レンズを通過させる工程と、遮蔽手段によ
り前記並行光線の一部分を遮って前記シリコン層に照射
する工程とを有し、前記シリコン層のレーザービームに
より照射される面は重なるように複数回照射されること
を特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。1. A method of manufacturing a thin film transistor having a silicon layer on a substrate, wherein the step of forming the silicon layer on the substrate, the step of passing short-wavelength light through a convex lens, and thereafter the concave lens, Irradiating the silicon layer by irradiating the silicon layer while blocking a part of the parallel light beam by means, and irradiating the silicon layer with the laser beam a plurality of times so as to overlap each other. Method.
ギー分布を有するパルスビーム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。2. The method according to claim 1, wherein the laser beam is a pulse beam having a rectangular energy distribution.
更することによりビームの大きさを変える工程を備える
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. The method according to claim 1, further comprising a step of changing a beam size by changing a distance between the convex lens and the concave lens.
波長の光線を受ける凸レンズと、前記凸レンズの出射光
を受ける凹レンズと、前記凹レンズの出射光の一部分を
遮って基板上のシリコン層に照射する遮蔽手段とを備え
ることを特徴とする薄膜トランジスタの製造装置。4. A laser source, a convex lens receiving a short-wavelength light beam from the laser source, a concave lens receiving light emitted from the convex lens, and irradiating a silicon layer on a substrate with a part of the light emitted from the concave lens blocked. An apparatus for manufacturing a thin film transistor, comprising:
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Cited By (1)
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