JP3844537B2 - Method for manufacturing polycrystalline semiconductor film - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置等に使用される薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)の製造に好適な多結晶半導体膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示装置は、薄くて軽量であるとともに低電圧で駆動できて消費電力が少ないという長所があり、各種電子機器に広く使用されている。特に、近年、薄膜トランジスタ等の能動素子が画素毎に設けられたアクティブマトリクス方式の液晶表示装置は、表示品質の点でもCRT(cathode-ray tube)に匹敵するほど優れたものが得られるようになり、携帯テレビやパーソナルコンピュータ等のディスプレイにも使用されている。
【0003】
ところで、薄膜トランジスタは、通常、透明ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜を形成し、この多結晶シリコン薄膜を利用して形成される(特開昭64−76715号等)。
図9(a),(b)は従来の多結晶シリコン薄膜の製造方法及びそれに続く薄膜トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図、図10は製造後の薄膜トランジスタを示す断面図である。
【0004】
まず、図9(a)に示すように、透明ガラス基板34上にアモルファスシリコン膜33を形成する。そして、このアモルファスシリコン膜33に、ビームプロファイル(ビーム幅方向のエネルギー分布)が破線で示すように台形状のレーザ光(パルス)51を、1箇所当り20ショット程度繰り返して照射する。これにより、レーザ照射した部分のアモルファス状態のシリコンが多結晶化して、多結晶シリコン膜35を得ることができる。
【0005】
次に、レーザ光51を次の照射領域に移動させて、上記と同様にレーザ光51を照射する。このようにレーザ光51をアモルファスシリコン膜33に照射することによりアモルファスシリコンを多結晶化させて、多結晶シリコン膜35を選択的に形成する。この場合に、1回の照射ではシリコンの結晶粒径が小さく、レーザ光51を繰り返し照射することにより結晶粒径は徐々に大きくなる。なお、レーザ光源としては、通常、基板の温度を上げることなくアモルファス状態のシリコンを多結晶化させることができることから、エキシマレーザが使用される。
【0006】
次に、図9(b)に示すように、薄膜トランジスタを形成すべき領域の多結晶シリコン膜35のみを残存させ、それ以外の部分の多結晶シリコン膜35及びアモルファスシリコン膜33を除去する。その後、全面にゲート絶縁膜40及びゲート電極膜39を順次形成し、これらのゲート絶縁膜40及びゲート電極膜39をパターニングして多結晶シリコン膜35の両端側を露出させる。
【0007】
その後、露出した部分の多結晶シリコン膜35に不純物を高濃度で導入して、ソース・ドレイン領域となる高濃度不純物領域41を形成する。
次いで、全面に層間絶縁膜37を形成し、この層間絶縁膜37に不純物領域41に到達するコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホールを埋め込むようにして全面にアルミニウム(Al)等の金属膜を形成し、前記金属膜を所定の形状にパターニングしてソース・ドレイン電極38及び配線(図示せず)を形成する。これにより、図10に示す薄膜トランジスタが完成する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の薄膜トランジスタの形成方法では、レーザ光を1箇所当り20ショット程度照射しなければ多結晶シリコンの結晶粒が大きくならないため作業性が悪く、製造に長時間を要する。すなわち、薄膜トランジスタのキャリア移動度は多結晶シリコン膜35の結晶粒径に関係し、結晶粒径が大きいほどキャリア移動度が大きくなる。一方、一般的に、アモルファスシリコン膜33に照射するレーザ光51のエネルギー密度が高いほど多結晶シリコンの粒径は大きくなるが、レーザ光51のエネルギー密度がある特定の値(以下、微結晶化しきい値という)を超えてしまうと、多結晶シリコンの粒径は極めて小さくなる。従って、レーザ光51のエネルギー密度は、前記微結晶化しきい値以下で且つできるだけ高いことが好ましい。しかし、レーザ光51のエネルギー密度を精密に制御することは極めて困難であり、そのため、従来は1ショット当りのエネルギー密度が前記微結晶化しきい値よりも低いレーザパルスを多数回繰り返して照射することにより多結晶シリコンの結晶粒径を大きくしている。
【0009】
本発明は、結晶粒径が大きく薄膜トランジスタの製造に好適な多結晶半導体膜を形成することができる多結晶半導体膜の製造方法を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、基板上にアモルファス半導体膜を形成する工程と、ビーム中央部のエネルギー密度が前記アモルファス半導体膜の微結晶化しきい値以上に設定され、且つビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するビームプロファイルのレーザ光を前記アモルファス半導体膜に照射してアモルファス状態の半導体を多結晶化する工程とを有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法により解決する。
【0011】
図11は、ラマン散乱分光法によって調べた単結晶シリコン(c−Si)、多結晶シリコン(p−Si)及びアモルファスシリコン(a−Si)のラマンスペクトルを示す図である。但し、この図11において、横軸は波数であり、縦軸はラマン強度である。この図11から明らかなように、アモルファスシリコン(a−Si)ではブロードなスペクトルしか得られないが、単結晶シリコン(c−Si)では波数が520cm-1付近にピークが観察される。また、多結晶シリコン(p−Si)では520cm-1よりも若干低波数側にピークが現れる。多結晶シリコン(p−Si)のピーク強度及び波数が単結晶シリコン(c−Si)の値に近づくほど多結晶シリコンの結晶性がよく、薄膜トランジスタを形成した場合にキャリア移動度が高くなる。
【0012】
図12は、横軸にビーム幅方向の位置、縦軸にレーザエネルギーをとり、ビーム中央部(平坦部)の平均エネルギー密度が300mJ/cm2 、340mJ/cm2 及び380mJ/cm2 のレーザ光のビームプロファイルを結晶化しきい値及び微結晶化しきい値と併せて示す図である。レーザ光を用いてアモルファスシリコンを多結晶化させる場合には、結晶化しきい値(約180〜200mJ/cm2 )を超えるエネルギーのレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することが必要である。結晶化しきい値以上のエネルギーでは、エネルギーの増加とともに得られる結晶粒径も大きくなる。しかし、レーザ光のエネルギーが微結晶化しきい値(約360mJ/cm2 )を超えると、粒径が極めて小さい微結晶になってしまう。
【0013】
また、図13は図12に示す台形状のビームプロファイルを持つレーザ光をアモルファスシリコンに照射することによって作成した多結晶シリコン膜を、ビーム幅方向にスキャンさせながらラマン測定を行ったときの520cmー1付近に観察されるラマンピーク強度の変化を示す図である。この図13に示すように、ラマン強度分布はビームプロファイルを反映しており、レーザ光のエネルギー密度が300〜340mJ/cm2 の場合、エネルギー密度の増加とともにラマン強度の分布も相似形で増加する。しかし、エネルギー密度が微結晶化しきい値を超えると、微結晶化しきい値を超えた部分のラマン強度は急激に減少する。この境界部分の結晶の状態を透過型顕微鏡(TEM)を用いて観察した結果、ビームプロファイルの平坦部に対応する部分では多結晶シリコンの結晶粒径が約0.01μm又はそれ以下の微結晶になっているのに対し、その両側の領域では結晶粒径が1μm以上と極めて大きくなっているのが観察された。従って、この結晶粒径が大きい領域に薄膜トランジスタを作成すると、キャリア移動度が大きい薄膜トランジスタを得ることができる。
【0014】
すなわち、本発明においては、平均エネルギー密度がアモルファス半導体の微結晶化しきい値以上であり、且つビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するビームプロファイルのレーザ光をアモルファス半導体膜に照射する。そうすると、前記傾斜部には微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分が存在し、結晶粒径が大きな多結晶半導体領域を得ることができる。つまり、本発明によれば、1回のレーザ光の照射でも薄膜トランジスタの形成に好適な多結晶半導体膜を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1,2は本発明の第1の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を工程順に示す断面図である。
【0016】
まず、図1(a)に示すように、プラズマCVD(化学気相成長)法により、透明ガラス基板4上に厚さが約1000Åの酸化シリコン(SiO2 )膜(図示せず)及び厚さが約500Åのアモルファスシリコン(a−Si:H)膜3を連続的に形成する。この場合に、前記酸化シリコン膜形成時の条件は、SiH4 ガスの流量が20sccm、N2 Oガスの流量が2000sccm、圧力が100Paであり、RF(高周波)出力が300Wである。また、アモルファスシリコン膜3の形成時の条件は、例えば、SiH4 ガスの流量が200sccm、H2 ガスの流量が800sccm、圧力が100Paであり、RF出力が80Wである。
【0017】
次に、この基板4を窒素雰囲気中で、約450℃の温度で1時間の条件で熱処理を施すことによって、アモルファスシリコン膜3中の水素出しを行う。その後、レーザアニール処理を施す。すなわち、図1(b)に示すように、窒素雰囲気中で基板4の温度が室温の条件で、XeClエキシマレーザから出力されたレーザ光1(図中破線はビームプロファイルを示す)をアモルファスシリコン膜3に照射して、アモルファスシリコンを多結晶化する。この場合に、レーザ光1は、図3(a),(b)に示すように、ビームプロファイルが比較的緩やかな傾斜部1bを持つ台形状であり、アモルファスシリコン膜3を帯状に照射するようになっている。また、このレーザ光1の平坦部1aの平均エネルギー密度は約380mJ/cm2 である。なお、ビームプロファイルの平坦部1aの幅は、形成すべき薄膜トランジスタの間隔よりも小さいことが必要である。
【0018】
このようなプロファイルのレーザ光1は、レーザ発振器から出力されたレーザ光をビームホモジナイザ、かまぼこ形レンズ及びミラー等により構成されるプロファイラで成形することにより得ることができる。
このレーザ光1を照射した部分のアモルファスシリコンは多結晶化して、多結晶シリコン膜5が得られる。この場合に、ビームプロファイルの傾斜部1bに対応する多結晶シリコン膜5の部分は内側ほど結晶粒径が大きくなり、平坦部1aに対応する部分は結晶粒径が微細になる(図13参照)。
【0019】
次に、図1(c)に示すように、上述のレーザアニールによって形成した多結晶シリコン膜5をアイランド状にパターニングする。すなわち、アモルファスシリコン及び微細なシリコン結晶の部分を選択的に除去して、薄膜トランジスタ形成予定領域にのみ結晶粒径が比較的大きな多結晶シリコンからなる多結晶シリコン膜5aを残存させる。
【0020】
その後、プラズマCVD法によって、基板4上の全面にSiO2 からなるゲート絶縁膜10を約1000Åの厚さに形成した後、スパッタ法によりゲート絶縁膜10上にアルミニウム(Al)からなるゲート電極膜9を3000Åの厚さに形成する。
次に、図2(a)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極膜9及びゲート絶縁膜10を所定の形状にパターニングして多結晶シリコン膜5aの両端部を露出させ、この露出させた部分にリン(P)を高濃度にドーピングして、ソース・ドレイン領域となるn+ 領域11を形成する。
【0021】
次に、図2(b)に示すように、プラズマCVD法によって、全面にSiNからなる層間絶縁膜7を3500Åの厚さに形成した後、この層間絶縁膜7のn+ 領域11に整合する部分にコンタクトホール12を形成する。
次いで、図2(c)に示すように、全面にアルミニウムをスパッタリングしてコンタクトホール12をアルミニウムで埋め込むとともに層間絶縁膜7上に配線用アルミニウム膜を形成し、このアルミニウム膜を所定の形状にパターニングして、配線(図示せず)及びソース・ドレイン電極8を形成する。これにより、薄膜トランジスタが完成する。
【0022】
本実施の形態においては、台形状のビームプロファイルを持ち、且つビーム中央部(平坦部)の平均エネルギー密度が微結晶化しきい値よりも若干大きいレーザ光1を用いてアモルファスシリコンを多結晶化するので、1回のレーザ光1の照射で、レーザ光1のビームプロファイルの傾斜部1bに対応する部分に結晶粒径が大きな多結晶シリコンからなる多結晶シリコン膜5aを形成できる。従って、従来のように同じ部分に何度もレーザ光を繰り返し照射する必要がなく、作業性が著しく向上するという効果を奏する。
【0023】
なお、本実施の形態では、窒素雰囲気中でレーザアニールを行っているが、これに替えて真空中でレーザアニールを実施してもよい。また、本実施の形態ではレーザアニール中の基板温度を室温としたが、基板を加熱しながらレーザーアニールを実施してもよい。また、本実施の形態ではビームプロファイルが台形状のレーザ光を用いて多結晶シリコン膜を形成したが、レーザ光のビームプロファイルは、例えば図4に示すように三角形状でもよく、また図5に示すように、ガウシァン(正規曲線)形状であってもよい。
【0024】
(第2の実施の形態)
図6,7は本発明の第2の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を工程順に示す断面図である。
まず、図6(a)に示すように、プラズマCVD法を使用して、透明ガラス基板24上に厚さが約1000Åの第1の酸化シリコン膜(SiO2 )膜(図示せず)、厚さが約500Åのアモルファスシリコン(a−Si:H)膜23及び厚さが約500Åの第2の酸化シリコン膜26を連続的に形成する。この場合に、前記第1の酸化シリコン膜形成時の条件は、SiH4 ガスの流量が20sccm、N2 Oガスの流量が2000sccm、圧力が100Pa、RF出力が300Wである。また、アモルファスシリコン膜26の形成時の条件は、SiH4 ガスの流量が200sccm、H2 ガスの流量が800sccm、圧力が100Pa、RF出力が80Wとする。更に、第2の酸化シリコン膜23の形成時の条件は、SiH4 ガスの流量が20sccm、N2 Oガスの流量が2000sccm、圧力が100Pa、RF出力が300Wとする。
【0025】
次に、図6(b)に示すように、窒素雰囲気中で450℃の温度で1時間の熱処理を施すことによって、アモルファスシリコン膜23中の水素出しを行った後、窒素雰囲気中で、XeClエキシマレーザを用いて、基板温度が室温の条件でアモルファスシリコン膜23の表面にビーム中央部のエネルギー密度が340mJ/cm2 のレーザ光1を照射する。この場合に、レーザ光1のビームプロファイルは、第1の実施の形態と同様に台形状とする。また、本実施の形態においては、アモルファスシリコン膜23上にアモルファスシリコン膜23よりも屈折率が低い酸化シリコン膜26を形成しているので、レーザ光1の反射を低減することができる。このため、第1の実施の形態に比べて、レーザ光1のエネルギーが低くてもアモルファスシリコンが多結晶化して多結晶シリコン膜25が得られる。なお、酸化シリコン膜26に替えて窒化シリコン膜を形成しても、同様の効果が得られる。
【0026】
次に、図6(c)に示すように、酸化シリコン膜26を除去する。その後、図7(a)に示すように、多結晶シリコン膜25をアイランド状にパターニングする。すなわち、アモルファスシリコン及び微細なシリコン結晶部分を選択的に除去して、薄膜トランジスタ形成予定領域にのみ結晶粒径が比較的大きな多結晶シリコンからなる多結晶シリコン膜25aを残存させる。その後、プラズマCVD法により、全面にSiO2 からなるゲート絶縁膜30を1000Åの厚さに形成する。そして、スパッタ法により、ゲート絶縁膜30上にアルミニウムからなるゲート電極膜29を3000Åの厚さに形成する。
【0027】
次に、図7(b)に示すように、ゲート電極膜29及びゲート絶縁膜30を所定の形状にパターニングして多結晶シリコン膜25aの両端部を露出させ、この露出させた部分にn型不純物を高濃度にイオンドーピングして、ソース・ドレイン領域となるn+ 領域31を形成する。
次いで、プラズマCVD法により、全面にSiNからなる層間絶縁膜27を形成した後、この層間絶縁膜27にn+ 領域31に到達するコンタクトホールを選択的に形成する。そして、このコンタクトホールをアルミニウム等により埋め込むとともに前記層間絶縁膜27上を被覆する配線層を形成し、該配線層をパターニングして、ソース・ドレイン電極28及び配線(図示せず)を形成する。これにより、薄膜トランジスタが完成する。
【0028】
本実施の形態においては、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、アモルファスシリコン膜23上に形成された酸化シリコン膜26によりレーザ光の反射が抑制されるので、レーザ光のエネルギーを低くしても、アモルファスシリコンが多結晶化するという効果を奏する。
(第3の実施の形態)
図8は本発明の第3の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を示す模式図である。
【0029】
まず、透明ガラス基板4上にアモルファスシリコン膜3を形成する。次に、レーザ光1を図中破線で示すように、ビーム幅方向にビーム傾斜部1bよりも短い間隔毎に移動させる。この場合に、レーザ光1は、第1及び第2の実施の形態と同様に、ビーム中央部の平均エネルギー密度が微結晶化しきい値よりも若干大きく、ビームプロファイルは台形状ものを使用する。これにより、傾斜部1bで照射された部分が順次結晶粒径が大きい多結晶シリコンに変わって、結晶粒径が大きく且つ均一であり、しかも大面積の多結晶シリコン膜5を形成することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ビーム中央部のエネルギー密度がアモルファス半導体層の微結晶化しきい値以上であり、ビームプロファイルにビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するレーザ光をアモルファス半導体層に照射してアモルファス状態の半導体を多結晶化させるので、1回のレーザ光の照射で結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。これにより、作業性が向上して製造に要する時間を著しく短縮できる。また、本発明方法により製造した多結晶半導体膜を使用することにより、キャリアの移動度が高い薄膜トランジスタを形成することができて、液晶表示装置等のより一層の高性能化が図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図(その1)である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図(その2)である。
【図3】本発明に適用可能なレーザ光のビームプロファイルを示す図である。
【図4】本発明に適用可能なレーザ光のビームプロファイルの他の例を示す図である。
【図5】本発明に適用可能なレーザ光のビームプロファイルの更に他の例を示す図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図(その1)である。
【図7】本発明の第2の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図(その2)である。
【図8】本発明の第3の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を示す模式図である。
【図9】従来の多結晶シリコン薄膜の製造方法及びそれに続く薄膜トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図10】製造後の薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図11】ラマン散乱分光法によって調べた単結晶シリコン(c−Si)、多結晶シリコン(p−Si)及びアモルファスシリコン(a−Si)のラマンスペクトルを示す図である。
【図12】レーザ光のビームプロファイルを結晶化しきい値及び微結晶化しきい値と併せて示す図である。
【図13】図12に示す台形状のビームプロファイルを持つレーザ光をアモルファスシリコンに照射することによって作成した多結晶シリコン膜をビーム幅方向にスキャンさせながらラマン測定を行ったときの520cmー1付近に観察されるラマンピーク強度の変化を示す図である。
【符号の説明】
1,51 レーザ光
4,24,34 透明ガラス基板
3,23,33 アモルファスシリコン膜
5,25,25a,35 多結晶シリコン膜
7,37,37 層間絶縁膜
8,28,38 ソース・ドレイン電極
9,29,39 ゲート電極膜
10,30,40 ゲート絶縁膜
11,31 n+ 領域
12 コンタクトホール
26 酸化シリコン膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film suitable for manufacturing a thin film transistor (TFT) used in an active matrix type liquid crystal display device or the like.
[0002]
[Prior art]
A liquid crystal display device is advantageous in that it is thin and lightweight, can be driven at a low voltage and consumes less power, and is widely used in various electronic devices. In particular, in recent years, an active matrix type liquid crystal display device in which an active element such as a thin film transistor is provided for each pixel has come to be superior in terms of display quality, comparable to a CRT (cathode-ray tube). It is also used for displays such as portable televisions and personal computers.
[0003]
By the way, the thin film transistor is usually formed by forming a polycrystalline silicon thin film on a transparent glass substrate and using the polycrystalline silicon thin film (Japanese Patent Laid-Open No. 64-76715, etc.).
9A and 9B are cross-sectional views showing a conventional polycrystalline silicon thin film manufacturing method and a subsequent thin film transistor manufacturing method in the order of steps, and FIG. 10 is a cross-sectional view showing the manufactured thin film transistor.
[0004]
First, as shown in FIG. 9A, an amorphous silicon film 33 is formed on a transparent glass substrate 34. Then, the amorphous silicon film 33 is repeatedly irradiated with a trapezoidal laser beam (pulse) 51 about 20 shots per location as indicated by a broken line in the beam profile (energy distribution in the beam width direction). Thereby, the amorphous silicon in the portion irradiated with the laser is polycrystallized, and the polycrystalline silicon film 35 can be obtained.
[0005]
Next, the laser beam 51 is moved to the next irradiation region, and the laser beam 51 is irradiated in the same manner as described above. By irradiating the amorphous silicon film 33 with the laser light 51 in this manner, the amorphous silicon is polycrystallized to selectively form the polycrystalline silicon film 35. In this case, the crystal grain size of silicon is small in one irradiation, and the crystal grain size gradually increases by repeatedly irradiating the laser beam 51. As the laser light source, an excimer laser is usually used because amorphous silicon can be polycrystallized without increasing the temperature of the substrate.
[0006]
Next, as shown in FIG. 9B, only the polycrystalline silicon film 35 in the region where the thin film transistor is to be formed is left, and the remaining portions of the polycrystalline silicon film 35 and the amorphous silicon film 33 are removed. Thereafter, a gate insulating film 40 and a gate electrode film 39 are sequentially formed on the entire surface, and the gate insulating film 40 and the gate electrode film 39 are patterned to expose both end sides of the polycrystalline silicon film 35.
[0007]
Thereafter, impurities are introduced at a high concentration into the exposed polycrystalline silicon film 35 to form a high-concentration impurity region 41 to be a source / drain region.
Next, an interlayer insulating film 37 is formed on the entire surface, a contact hole reaching the impurity region 41 is formed in the interlayer insulating film 37, and then a metal film such as aluminum (Al) is embedded on the entire surface so as to fill the contact hole. Then, the metal film is patterned into a predetermined shape to form source / drain electrodes 38 and wiring (not shown). Thereby, the thin film transistor shown in FIG. 10 is completed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method for forming a thin film transistor described above, the polycrystalline silicon crystal grains do not become large unless laser light is irradiated for about 20 shots per part, so that workability is poor and a long time is required for manufacturing. That is, the carrier mobility of the thin film transistor is related to the crystal grain size of the polycrystalline silicon film 35, and the carrier mobility increases as the crystal grain size increases. On the other hand, generally, the higher the energy density of the laser beam 51 irradiating the amorphous silicon film 33, the larger the grain size of the polycrystalline silicon. However, the energy density of the laser beam 51 has a certain value (hereinafter referred to as microcrystallization). If the threshold value is exceeded, the grain size of polycrystalline silicon becomes extremely small. Therefore, the energy density of the laser beam 51 is preferably as high as possible below the microcrystallization threshold. However, it is extremely difficult to precisely control the energy density of the laser beam 51. For this reason, conventionally, a laser pulse whose energy density per shot is lower than the microcrystallization threshold is repeatedly irradiated many times. This increases the crystal grain size of polycrystalline silicon.
[0009]
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film, which can form a polycrystalline semiconductor film having a large crystal grain size and suitable for manufacturing a thin film transistor.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The problems described above are the step of forming an amorphous semiconductor film on the substrate, the energy density at the center of the beam is set to be equal to or higher than the microcrystallization threshold of the amorphous semiconductor film, and the energy is increased toward the end in the beam width direction. A method of manufacturing a polycrystalline semiconductor film comprising the step of irradiating the amorphous semiconductor film with a laser beam having a beam profile having a lower inclined portion to polycrystallize the amorphous semiconductor.
[0011]
FIG. 11 is a diagram illustrating Raman spectra of single crystal silicon (c-Si), polycrystalline silicon (p-Si), and amorphous silicon (a-Si) examined by Raman scattering spectroscopy. However, in FIG. 11, the horizontal axis is the wave number, and the vertical axis is the Raman intensity. As is apparent from FIG. 11, only a broad spectrum can be obtained with amorphous silicon (a-Si), but a peak is observed in the vicinity of 520 cm -1 with single crystal silicon (c-Si). In polycrystalline silicon (p-Si), a peak appears slightly on the lower wavenumber side than 520 cm −1 . The closer the peak intensity and wave number of polycrystalline silicon (p-Si) are to the value of single crystal silicon (c-Si), the better the crystallinity of polycrystalline silicon, and the higher the carrier mobility when a thin film transistor is formed.
[0012]
12, the position of the beam width direction on the horizontal axis, taking the laser energy on the vertical axis, the beam center portion average energy density of 300mJ / cm 2, 340mJ / cm 2 and the laser light of 380 mJ / cm 2 of (flat portion) FIG. 5 is a diagram showing the beam profile of FIG. 1 together with a crystallization threshold value and a microcrystallization threshold value. When polycrystallizing amorphous silicon using a laser beam, it is necessary to irradiate the amorphous silicon film with a laser beam having an energy exceeding a crystallization threshold (about 180 to 200 mJ / cm 2 ). For energy above the crystallization threshold, the crystal grain size obtained increases with increasing energy. However, when the energy of the laser light exceeds the microcrystallization threshold (about 360 mJ / cm 2 ), the crystal becomes very small in size.
[0013]
Further, 520 cm over time 13 to the polycrystalline silicon film produced by a laser beam having a trapezoidal beam profile shown in FIG. 12 is irradiated to the amorphous silicon, was subjected to Raman measurement while scanning the beam width direction It is a figure which shows the change of the Raman peak intensity observed in 1 vicinity. As shown in FIG. 13, the Raman intensity distribution reflects the beam profile. When the energy density of the laser beam is 300 to 340 mJ / cm 2 , the Raman intensity distribution increases in a similar manner as the energy density increases. . However, when the energy density exceeds the microcrystallization threshold, the Raman intensity in the portion exceeding the microcrystallization threshold decreases rapidly. As a result of observing the crystal state of this boundary portion using a transmission microscope (TEM), the crystal grain size of polycrystalline silicon is about 0.01 μm or less in the portion corresponding to the flat portion of the beam profile. In contrast, it was observed that the crystal grain size was extremely large at 1 μm or more in the regions on both sides. Therefore, when a thin film transistor is formed in a region where the crystal grain size is large, a thin film transistor having a high carrier mobility can be obtained.
[0014]
That is, in the present invention, laser light having a beam profile having an inclined portion in which the average energy density is equal to or higher than the microcrystallization threshold value of the amorphous semiconductor and the energy decreases toward the end in the beam width direction is applied to the amorphous semiconductor film. Irradiate. Then, there is a portion of energy slightly lower than the microcrystallization threshold in the inclined portion, and a polycrystalline semiconductor region having a large crystal grain size can be obtained. That is, according to the present invention, a polycrystalline semiconductor film suitable for forming a thin film transistor can be obtained even by one-time laser light irradiation.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(First embodiment)
1 and 2 are cross-sectional views showing an example in which the method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film according to the first embodiment of the present invention is applied to the manufacture of a thin film transistor in the order of steps.
[0016]
First, as shown in FIG. 1A, a silicon oxide (SiO 2 ) film (not shown) having a thickness of about 1000 mm and a thickness are formed on a transparent glass substrate 4 by plasma CVD (chemical vapor deposition). The amorphous silicon (a-Si: H) film 3 having a thickness of about 500 mm is continuously formed. In this case, the conditions for forming the silicon oxide film are as follows: the flow rate of SiH 4 gas is 20 sccm, the flow rate of N 2 O gas is 2000 sccm, the pressure is 100 Pa, and the RF (high frequency) output is 300 W. The conditions for forming the amorphous silicon film 3 are, for example, that the flow rate of SiH 4 gas is 200 sccm, the flow rate of H 2 gas is 800 sccm, the pressure is 100 Pa, and the RF output is 80 W.
[0017]
Next, the substrate 4 is subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at a temperature of about 450 ° C. for 1 hour, thereby dehydrogenating the amorphous silicon film 3. Thereafter, laser annealing is performed. That is, as shown in FIG. 1B, the laser beam 1 (the broken line in the figure indicates the beam profile) output from the XeCl excimer laser under the condition that the temperature of the substrate 4 is room temperature in a nitrogen atmosphere is converted to an amorphous silicon film. 3 is irradiated to polycrystallize amorphous silicon. In this case, as shown in FIGS. 3A and 3B, the laser beam 1 has a trapezoidal shape having a slope portion 1b having a relatively gentle beam profile, and irradiates the amorphous silicon film 3 in a band shape. It has become. The average energy density of the flat portion 1a of the laser beam 1 is about 380 mJ / cm 2 . Note that the width of the flat portion 1a of the beam profile needs to be smaller than the interval between the thin film transistors to be formed.
[0018]
The laser beam 1 having such a profile can be obtained by shaping the laser beam output from the laser oscillator with a profiler including a beam homogenizer, a kamaboko lens, a mirror, and the like.
A portion of the amorphous silicon irradiated with the laser beam 1 is polycrystallized to obtain a polycrystalline silicon film 5. In this case, the portion of the polycrystalline silicon film 5 corresponding to the inclined portion 1b of the beam profile has a larger crystal grain size toward the inner side, and the portion corresponding to the flat portion 1a has a smaller crystal grain size (see FIG. 13). .
[0019]
Next, as shown in FIG. 1C, the polycrystalline silicon film 5 formed by the laser annealing described above is patterned into an island shape. That is, the amorphous silicon and fine silicon crystal portions are selectively removed to leave the polycrystalline silicon film 5a made of polycrystalline silicon having a relatively large crystal grain size only in the region where the thin film transistor is to be formed.
[0020]
Thereafter, a gate insulating film 10 made of SiO 2 is formed to a thickness of about 1000 mm on the entire surface of the substrate 4 by plasma CVD, and then a gate electrode film made of aluminum (Al) is formed on the gate insulating film 10 by sputtering. 9 is formed to a thickness of 3000 mm.
Next, as shown in FIG. 2A, the gate electrode film 9 and the gate insulating film 10 are patterned into a predetermined shape by using a photolithography technique to expose both ends of the polycrystalline silicon film 5a. The exposed portion is doped with phosphorus (P) at a high concentration to form an n + region 11 to be a source / drain region.
[0021]
Next, as shown in FIG. 2B, an interlayer insulating film 7 made of SiN is formed on the entire surface by plasma CVD to a thickness of 3500 mm, and then aligned with the n + region 11 of the interlayer insulating film 7. A contact hole 12 is formed in the portion.
Next, as shown in FIG. 2C, aluminum is sputtered over the entire surface to fill the contact holes 12 with aluminum, and an aluminum film for wiring is formed on the interlayer insulating film 7, and this aluminum film is patterned into a predetermined shape. Then, wiring (not shown) and source / drain electrodes 8 are formed. Thereby, the thin film transistor is completed.
[0022]
In the present embodiment, amorphous silicon is polycrystallized using a laser beam 1 having a trapezoidal beam profile and having an average energy density at the beam central portion (flat portion) slightly larger than the microcrystallization threshold. Therefore, the polycrystalline silicon film 5a made of polycrystalline silicon having a large crystal grain size can be formed in the portion corresponding to the inclined portion 1b of the beam profile of the laser beam 1 by one irradiation of the laser beam 1. Therefore, there is no need to repeatedly irradiate the same portion with the laser beam over and over as in the conventional case, and the workability is significantly improved.
[0023]
In the present embodiment, laser annealing is performed in a nitrogen atmosphere, but laser annealing may be performed in vacuum instead. In this embodiment, the substrate temperature during laser annealing is set to room temperature, but laser annealing may be performed while heating the substrate. In this embodiment, a polycrystalline silicon film is formed using a laser beam having a trapezoidal beam profile. However, the beam profile of the laser beam may be triangular as shown in FIG. 4, for example. As shown, it may be Gaussian (regular curve) shape.
[0024]
(Second Embodiment)
6 and 7 are cross-sectional views showing an example in which the method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film according to the second embodiment of the present invention is applied to the manufacture of a thin film transistor in the order of steps.
First, as shown in FIG. 6A, a plasma CVD method is used to form a first silicon oxide film (SiO 2 ) film (not shown) having a thickness of about 1000 mm on the transparent glass substrate 24. An amorphous silicon (a-Si: H) film 23 having a thickness of about 500 and a second silicon oxide film 26 having a thickness of about 500 are continuously formed. In this case, the conditions for forming the first silicon oxide film are as follows: the flow rate of SiH 4 gas is 20 sccm, the flow rate of N 2 O gas is 2000 sccm, the pressure is 100 Pa, and the RF output is 300 W. The conditions for forming the amorphous silicon film 26 are as follows: the flow rate of SiH 4 gas is 200 sccm, the flow rate of H 2 gas is 800 sccm, the pressure is 100 Pa, and the RF output is 80 W. Further, the conditions for forming the second silicon oxide film 23 are as follows: the flow rate of SiH 4 gas is 20 sccm, the flow rate of N 2 O gas is 2000 sccm, the pressure is 100 Pa, and the RF output is 300 W.
[0025]
Next, as shown in FIG. 6B, the amorphous silicon film 23 is dehydrogenated by performing a heat treatment for 1 hour at a temperature of 450 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then in a nitrogen atmosphere, XeCl An excimer laser is used to irradiate the surface of the amorphous silicon film 23 with the laser beam 1 having an energy density of 340 mJ / cm 2 at the center of the beam under the condition that the substrate temperature is room temperature. In this case, the beam profile of the laser beam 1 has a trapezoidal shape as in the first embodiment. In the present embodiment, since the silicon oxide film 26 having a refractive index lower than that of the amorphous silicon film 23 is formed on the amorphous silicon film 23, reflection of the laser light 1 can be reduced. Therefore, compared to the first embodiment, even if the energy of the laser beam 1 is low, the amorphous silicon is polycrystallized and the polycrystalline silicon film 25 is obtained. Even if a silicon nitride film is formed instead of the silicon oxide film 26, the same effect can be obtained.
[0026]
Next, as shown in FIG. 6C, the silicon oxide film 26 is removed. Thereafter, as shown in FIG. 7A, the polycrystalline silicon film 25 is patterned into an island shape. That is, the amorphous silicon and the fine silicon crystal portion are selectively removed to leave the polycrystalline silicon film 25a made of polycrystalline silicon having a relatively large crystal grain size only in the region where the thin film transistor is to be formed. Thereafter, a gate insulating film 30 made of SiO 2 is formed to a thickness of 1000 mm on the entire surface by plasma CVD. Then, a gate electrode film 29 made of aluminum is formed on the gate insulating film 30 to a thickness of 3000 mm by sputtering.
[0027]
Next, as shown in FIG. 7B, the gate electrode film 29 and the gate insulating film 30 are patterned into a predetermined shape to expose both ends of the polycrystalline silicon film 25a, and n-type is exposed to the exposed portions. Impurities are ion-doped at a high concentration to form n + regions 31 to be source / drain regions.
Next, after an interlayer insulating film 27 made of SiN is formed on the entire surface by plasma CVD, a contact hole reaching the n + region 31 is selectively formed in the interlayer insulating film 27. Then, a wiring layer that fills the contact hole with aluminum or the like and covers the interlayer insulating film 27 is formed, and the wiring layer is patterned to form a source / drain electrode 28 and wiring (not shown). Thereby, the thin film transistor is completed.
[0028]
In the present embodiment, in addition to obtaining the same effect as in the first embodiment, the reflection of laser light is suppressed by the silicon oxide film 26 formed on the amorphous silicon film 23. Even if the energy of the laser light is lowered, the amorphous silicon is polycrystallized.
(Third embodiment)
FIG. 8 is a schematic view showing a method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film according to the third embodiment of the present invention.
[0029]
First, the amorphous silicon film 3 is formed on the transparent glass substrate 4. Next, as indicated by a broken line in the figure, the laser beam 1 is moved in the beam width direction at intervals shorter than the beam inclined portion 1b. In this case, as in the first and second embodiments, the laser beam 1 has an average energy density at the center of the beam that is slightly larger than the microcrystallization threshold, and uses a trapezoidal beam profile. As a result, the portion irradiated by the inclined portion 1b is sequentially changed to polycrystalline silicon having a large crystal grain size, so that a polycrystalline silicon film 5 having a large and uniform crystal grain size and a large area can be formed. .
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the energy density at the center of the beam is equal to or higher than the microcrystallization threshold of the amorphous semiconductor layer, and the beam profile has an inclined portion where the energy decreases toward the end in the beam width direction. Since the amorphous semiconductor layer is irradiated with the laser beam having the amorphous semiconductor layer, the amorphous semiconductor layer is polycrystallized, so that a polycrystalline silicon film having a large crystal grain size can be formed by one laser beam irradiation. Thereby, workability | operativity improves and the time which manufacture requires can be shortened remarkably. In addition, by using a polycrystalline semiconductor film manufactured by the method of the present invention, a thin film transistor with high carrier mobility can be formed, and the performance of a liquid crystal display device or the like can be further improved. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view (No. 1) showing an example in which a method for producing a polycrystalline semiconductor film according to a first embodiment of the present invention is applied to the production of a thin film transistor.
FIG. 2 is a sectional view (No. 2) showing an example in which the method for producing a polycrystalline semiconductor film according to the first embodiment of the present invention is applied to the production of a thin film transistor.
FIG. 3 is a diagram showing a beam profile of laser light applicable to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing another example of a beam profile of laser light applicable to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing still another example of a beam profile of laser light applicable to the present invention.
6 is a cross-sectional view (No. 1) showing an example in which the method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film according to the second embodiment of the present invention is applied to the manufacture of a thin film transistor. FIG.
FIG. 7 is a sectional view (No. 2) showing an example in which the method for producing a polycrystalline semiconductor film according to the second embodiment of the present invention is applied to the production of a thin film transistor.
FIG. 8 is a schematic view showing a method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a conventional polycrystalline silicon thin film manufacturing method and a subsequent thin film transistor manufacturing method in the order of steps.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a thin film transistor after manufacture.
FIG. 11 is a diagram showing Raman spectra of single crystal silicon (c-Si), polycrystalline silicon (p-Si), and amorphous silicon (a-Si) examined by Raman scattering spectroscopy.
FIG. 12 is a diagram showing a beam profile of a laser beam together with a crystallization threshold value and a microcrystallization threshold value.
13 is around 520 cm −1 when Raman measurement is performed while scanning a polycrystalline silicon film formed by irradiating amorphous silicon with a laser beam having the trapezoidal beam profile shown in FIG. 12; It is a figure which shows the change of the Raman peak intensity observed in this.
[Explanation of symbols]
1, 51 Laser beam 4, 24, 34 Transparent glass substrate 3, 23, 33 Amorphous silicon film 5, 25, 25a, 35 Polycrystalline silicon film 7, 37, 37 Interlayer insulating film 8, 28, 38 Source / drain electrode 9 , 29, 39 Gate electrode film 10, 30, 40 Gate insulating film 11, 31 n + region 12 Contact hole 26 Silicon oxide film
Claims (6)
ビーム中央部のエネルギー密度が前記アモルファス半導体膜の微結晶化しきい値以上に設定され、且つビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するビームプロファイルのレーザ光を前記アモルファス半導体膜に照射してアモルファス状態の半導体を多結晶化する工程と
を有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法。Forming an amorphous semiconductor film on the substrate;
A laser beam having a beam profile in which the energy density at the center of the beam is set to be equal to or higher than the microcrystallization threshold of the amorphous semiconductor film and has an inclined portion whose energy decreases toward the end in the beam width direction is applied to the amorphous semiconductor film. And a step of polycrystallizing an amorphous semiconductor by irradiation.
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