JP5133548B2 - レーザアニール方法およびそれを用いたレーザアニール装置 - Google Patents
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Description
本発明はまた、上記レーザアニール方法により製造された半導体膜、この半導体膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)等の半導体装置、及びこの半導体装置を用いた電気光学装置に関するものである。
本発明はまた、上記レーザアニール技術を用いることにより、結晶性が高く、薄膜トランジスタ(TFT)の活性層等として好適な半導体膜、これを用いたTFT等の半導体装置及び電気光学装置を提供することを目的とするものである。
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール方法において、
前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とするものである。
非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール装置において、
前記レーザ光の照射条件は、前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件に設定されていることを特徴とするものである。
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3)
本発明の第1の半導体膜は、パターニングされる前のものでもパターニングされた後のものでもよい。本発明の第1の半導体膜によれば、略全面がラテラル結晶からなる半導体膜を提供することができる。
本発明の第2の半導体膜は、基板上に形成されたパターニングされていない半導体膜において、略全面がつなぎ目のないラテラル結晶膜であることを特徴とするものである。
「半導体膜が略全面ラテラル結晶からなる」とは、レーザアニール開始時と終了時に生成され、再度のレーザアニールが実施されずに残る粒状結晶を除いた部分がすべて、ラテラル結晶からなることを意味する。
本発明の電気光学装置は、上記の本発明の半導体装置を備えたことを特徴とするものである。電気光学装置としては、エレクトロルミネッセンス(EL)装置、液晶装置、電気泳動方式表示装置、及びこれらを備えたシートコンピュータ等が挙げられる。
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3)
従来より、非結晶シリコン(a−Si)と多結晶シリコン(poly−Si)とは、レーザ光の波長に対する吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、従来は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン(poly−Si)であり、これらのレーザ光の吸収特性に違いがあるとは考えられていなかった。
吸収係数α=k/4πλ
(式中、kは消衰係数、λは波長である。)
(膜に吸収される光エネルギー)=(膜に照射される光エネルギー)×(表面反射せずに膜に入射する光量の割合)×(膜に吸収される光量の割合)
a=exp−αt
(式中、αは吸収係数、tは膜厚)
b=1−((1−n)/(1+n))2
(式中、nは屈折率である。)
(照射エネルギーE1)=(融解エネルギーE2)+(所望の温度に上昇させるために必要なエネルギーE3)+(放熱エネルギーE4)
E2=(単位融解エネルギー)×(1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiのモル数)=46×103×((2.32 g/cm3)×(10-6×10-6×50×10-9 m3)/28)=1.9×10-10 J
E3=(比熱)×(1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるSiの質量)×(所望の温度)=770J/kg K×(2.32g/cm3×(10-6×10-6×50×10-9 m3))×1400℃=1.3×10-10 J
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
0.85≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1A)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3)
0.44v0.34143≦P≦0.56v0.34143・・・(5)
V=V0×exp(−Ea/kT)
(式中、Vはa−SiからPoly−Siへの固相成長速度(cm/s)である。kはボルツマン定数である。Tはアニール温度(K)である。V0は係数であり、V0=2.3〜3.1×108 cm/sである。Eaは活性化エネルギー(=c−Si中での空孔形成エネルギーに等しい)であり、Ea=2.68〜2.71eVである。)
非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比が0.82以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比が0.70以下となる波長を選択し、
粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約1700〜2200℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約1400℃以下となるようにレーザアニールを行ったときの、
非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図を図9に示す。
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール方法において、
被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施することを特徴とするものである。
図面を参照して、本発明に係る実施形態のレーザアニール装置の構成について、説明する。図10はレーザアニール装置の全体構成図、図11は1個の合波半導体レーザ光源121の内部構成を示す図である。
反射ミラー125A,125Bにより反射されたレーザ光L1,L2が入射する偏光ビームスプリッタ126Aと、
反射ミラー125C,125Dにより反射されたレーザ光L3,L4が入射する偏光ビームスプリッタ126Bとが備えられている。
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2)
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3)
0.44v0.34143≦P≦0.56v0.34143・・・(5)
本実施形態のレーザアニール装置100は上記構成に限らず、適宜設計変更可能である。基板ステージ110の移動と走査光学系140による光走査とにより、被アニール半導体膜20に対するレーザ光Lの相対走査を実施する構成としたが、被アニール半導体膜20に対するレーザ光Lの相対走査は、レーザヘッド120の図示x方向及びy方向の機械的走査、基板ステージ110の図示x方向及びy方向の機械的走査、あるいはレーザ光Lの図示x方向及びy方向の光走査等によっても実施することができる。
図面を参照して、本発明に係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法と構成について説明する。本実施形態では、トップゲート型の画素スイッチング用薄膜トランジスタ(画素スイッチング用TFT)と、これを備えたアクティブマトリクス基板を例として説明する。図13は、工程図(基板の厚み方向の断面図)である。
次に、図13(c)に示す如く、フォトリソグラフィ法により、レーザアニール後の半導体膜21をパターニングして、TFTの素子形成領域以外の領域を除去する。パターニング後の半導体膜に符号22を付してある。
次に、図13(e)に示す如く、電極材料を成膜し、フォトリソグラフィ法によるパターニングを実施することにより、ゲート絶縁膜24上に、ゲート電極25を形成する。
以上の工程により、本実施形態の画素スイッチング用TFT30が製造される。
アクティブマトリクス基板40の製造にあたっては、走査線や信号線等の配線が形成される。ゲート電極25が走査線を兼ねる場合と、ゲート電極25とは別に走査線を形成する場合がある。ドレイン電極28bが信号線を兼ねる場合と、ドレイン電極28bとは別に信号線を形成する場合がある。
図面を参照して、本発明に係る実施形態の電気光学装置の構成について説明する。本発明は、EL装置や液晶装置等に適用可能であり、有機EL装置を例として説明する。図14は有機EL装置の分解斜視図である。
ガラス基板上に、プラズマCVD法にて、酸化シリコンからなる下地膜(200nm厚)と、非結晶シリコン膜(a−Si、50nm厚)とを順次成膜した。その後、約500℃・約10分の熱アニールを実施して、非結晶シリコン膜の脱水素処理を実施した。
<条件1>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.1MW/cm2、重ね量75%。
<条件2>
レーザ光の相対走査速度1.0m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.5MW/cm2、重ね量75%。
<条件3>
レーザ光の相対走査速度0.1m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.15MW/cm2、重ね量75%。
<条件4>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.1MW/cm2、重ね量25%。
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例1と同様にレーザアニールを実施した。
<条件5>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.09MW/cm2、重ね量70%。
略全面レーザアニール後の膜表面のSEM写真及びTEM写真を図16(a),(b)に示す。図示するように、本比較例の条件では、粒状結晶部分とラテラル結晶部分がいずれも重ねてレーザ光を照射しても再融解しなかった。そのため、重ねてレーザ光を照射しても粒状結晶部分はラテラル結晶化しなかった。また、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向(レーザ光の走査方向に対して5〜45°の角度方向)にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成した。膜面積に対して、粒状結晶の占める割合は30%以上であった。
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例1と同様にレーザアニールを実施した。
<条件6>
レーザ光の相対走査速度0.01m/s、非結晶部分における吸収パワー密度0.08MW/cm2、重ね量70%。
実施例1の<条件1>のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてTFTを製造し、得られたTFTのVg−Id特性(ゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの関係)を評価した。
同様に、比較例1のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてTFTを製造し、そのVg−Id特性を評価した。比較例1については、2個のTFT(比較例1−A、比較例1−B)について、評価を実施した。
結果を図18に示す。図18において、左右の縦軸はいずれも同じId値を示しているが、右の縦軸は通常表示、左の縦軸は対数表示になっている。図示するように、実施例1で得られたTFTは、比較例1で得られたTFTよりも、キャリア移動度が高く、素子電流特性が良好であった。
21、22 半導体膜
23 半導体膜(活性層)
23a ソース領域(活性領域)
23b ドレイン領域(活性領域)
30 TFT(半導体装置)
40 アクティブマトリクス基板
50 有機EL装置(電気光学装置)
100 レーザアニール装置
110 基板ステージ(相対走査手段)
120 レーザヘッド
121 合波半導体レーザ光源
123(123A〜123D) LDパッケージ
140 走査光学系(相対走査手段)
LD 半導体レーザ(レーザ光発振源)
L レーザ光
Claims (15)
- 非結晶シリコンからなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール方法において、
前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件であって、前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収パワー密度P(MW/cm 2 )と前記レーザ光の相対走査速度v(m/s)とが下記式(5)を充足する条件で、前記レーザ光を相対走査して前記レーザアニールを実施することを特徴とするレーザアニール方法。
0.44v 0.34143 ≦P≦0.56v 0.34143 ・・・(5) - 前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、
前記被アニール半導体膜に対して、先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項1に記載のレーザアニール方法。 - 前記ラテラル結晶部分、前記粒状結晶部分、及び前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、下記式(1)及び(2)の関係を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザアニール方法。
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2) - 前記被アニール半導体膜の膜厚t(nm)と前記レーザ光の波長λ(nm)とが下記式(3)を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項3に記載のレーザアニール方法。
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3) - 前記被アニール半導体膜の膜厚t(nm)が下記式(4)を充足することを特徴とする請求項4に記載のレーザアニール方法。
40≦t≦120・・・(4) - 前記レーザ光として連続発振レーザ光を用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のレーザアニール方法。
- 前記レーザ光として半導体レーザ光を用いることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のレーザアニール方法。
- 単数又は複数のレーザ光発振源を搭載したレーザヘッドを備え、
非結晶シリコンからなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を1回以上実施するレーザアニール装置において、
前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査する相対走査手段を備え、
前記レーザ光の照射条件および相対走査条件は、前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件であって、前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収パワー密度P(MW/cm 2 )と前記レーザ光の相対走査速度v(m/s)とが下記式(5)を充足する条件に設定されていることを特徴とするレーザアニール装置。
0.44v 0.34143 ≦P≦0.56v 0.34143 ・・・(5) - 前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、
先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施するものであることを特徴とする請求項8に記載のレーザアニール装置。 - 前記レーザ光の照射条件は、前記ラテラル結晶部分、前記粒状結晶部分、及び前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、下記式(1)及び(2)の関係を充足する条件に設定されていることを特徴とする請求項8又は9に記載のレーザアニール装置。
0.82≦粒状結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦1.0・・・(1)、
ラテラル結晶部分の吸収率/非結晶部分の吸収率≦0.70・・・(2) - 前記レーザ光の照射条件は、前記被アニール半導体膜の膜厚t(nm)と前記レーザ光の波長λ(nm)とが下記式(3)を充足する条件に設定されていることを特徴とする請求項10に記載のレーザアニール装置。
0.8t+320≦λ≦0.8t+400・・(3) - 前記レーザ光は連続発振レーザ光であることを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載のレーザアニール装置。
- 前記レーザ光発振源は半導体レーザであることを特徴とする請求項8〜12のいずれかに記載のレーザアニール装置。
- 前記レーザ光発振源は、発振波長が350〜500nmの波長域にある半導体レーザであることを特徴とする請求項13に記載のレーザアニール装置。
- 前記レーザ光発振源は、GaN系半導体レーザ又はZnO系半導体レーザであることを特徴とする請求項14に記載のレーザアニール装置。
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