JP4763740B2 - Thin film semiconductor device and image display device using thin film semiconductor device - Google Patents
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Description
本願発明は、多結晶半導体膜を有する薄膜半導体装置、多結晶半導体膜の製造方法及び製造装置などに関するものである。本願発明の薄膜半導体装置は、画像表示装置などに用いて有用である。 The present invention relates to a thin film semiconductor device having a polycrystalline semiconductor film, a method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film, a manufacturing apparatus, and the like. The thin film semiconductor device of the present invention is useful for an image display device or the like.
従来のパルスレーザの走査によるアモルファスシリコン薄膜の結晶化方法を、図7を用いて説明する。図7は、従来最も一般的なエキシマパルスレーザによる結晶化方法を示す図である。基板100上に下地膜101を介して堆積した非結晶シリコン膜102に、この基板上における幅Lが数mm程度の線状のエキシマレーザからなるレーザビーム105を照射して、1及至数パルス毎にレーザ照射位置を移動して、基板全体を結晶化する。この従来方法では、レーザ照射時の結晶核は、ランダムに発生する。しかも、この結晶核の、核発生の平均距離は通常のレーザアニール条件では、0.5ミクロンあるいはそれ以下である。従って、得られる多結晶シリコン膜103の粒径は0.5ミクロン以下で、かつ大きさは揃っていない。
A conventional method for crystallizing an amorphous silicon thin film by scanning with a pulse laser will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing a conventional crystallization method using an excimer pulse laser. The
さらに、国際特許公表、WO9745827には次のような方法が示されている(特許文献1)。即ち、図7に示したレーザビーム105の幅Lを、0.5ミクロン以下に成形し、この形状のレーザビーム5の位置を0.5ミクロン以下毎に移動しながらパルスを照射していくと、最初にできた結晶粒を種に一方向に結晶成長する。前記一方向とは、横方向、即ち、成長膜厚に対して垂直方向のことである。
Furthermore, the following method is disclosed in International Patent Publication WO9745827 (Patent Document 1). That is, when the width L of the
上記従来方法において、結晶成長に要する時間は、100ナノ秒以下であるため得られる結晶粒径は1ミクロン以下であり、粒径のバラツキが大きかった。また、粒の配向が無秩序であり、欠陥密度が大きく、膜表面のラフネスも大きかった。従って大粒径の多結晶シリコンを成長させる、あるいは粒径や粒界の位置を正確に制御する事は不可能であった。このため、チャネル内に粒界がランダムに含まれるようになる。従って、TFTのデバイス特性、信頼性、デバイス間の均一性を向上させることは困難であった。 In the above conventional method, the time required for crystal growth is 100 nanoseconds or less, so that the crystal grain size obtained is 1 micron or less, and the variation in grain size is large. Moreover, the grain orientation was disordered, the defect density was large, and the roughness of the film surface was also large. Therefore, it is impossible to grow polycrystalline silicon having a large grain size, or to accurately control the grain size and grain boundary position. For this reason, the grain boundary is randomly included in the channel. Therefore, it has been difficult to improve TFT device characteristics, reliability, and uniformity between devices.
一方、上記国際特許公表、WO9745827にて開示の技術は、ビームを1ミクロン以下に収束しなければならないので、レーザのエネルギを損失する上、照射レーザの光学系が複雑となる。またレーザパルス間の移動距離が1ミクロン以下であるので、基板全体を結晶化するのに長時間を要し、高スループット化、低コスト化が困難であった。特に、この方法は、大面積基板には適応不可能である。さらに、微小距離の移動は、振動の影響を受けやすく、歩留まりにも課題があった。 On the other hand, the technique disclosed in the above-mentioned international patent publication, WO9745827 requires the beam to be converged to 1 micron or less, and thus the laser energy is lost and the optical system of the irradiation laser becomes complicated. Further, since the moving distance between laser pulses is 1 micron or less, it takes a long time to crystallize the entire substrate, and it is difficult to achieve high throughput and low cost. In particular, this method is not applicable to large area substrates. Furthermore, the movement of a minute distance is easily affected by vibration, and there is a problem in the yield.
本願発明の第1の目的は、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、及び前記多結晶半導体膜を適応した薄膜半導体装置を提供することにある。 The first object of the present invention is to provide a high-quality polycrystal which can control grain boundaries, grain sizes, and crystal orientations on an insulating substrate such as glass, and reduce film roughness and crystal defects caused by the assumption of crystallization. An object of the present invention is to provide a manufacturing method, a manufacturing apparatus, and a thin film semiconductor device to which the polycrystalline semiconductor film is applied.
本発明の第2の目的は、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、及び前記多結晶半導体膜を適応した薄膜半導体装置を提供することにある。 A second object of the present invention is to reduce the number of manufacturing steps, to be easily applied to a large area substrate, to have a high throughput, a low cost, and to produce a high-quality polycrystalline semiconductor film, a manufacturing apparatus, and the polycrystalline semiconductor film. It is an object of the present invention to provide a thin film semiconductor device adapted to the above.
本発明の第3の目的は、ガラスなどの安価な絶縁基板上に高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた、高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、及び前記多結晶半導体膜を適応した薄膜半導体装置を提供することにある。 A third object of the present invention is a manufacturing method and a manufacturing method for forming a high-quality polycrystalline semiconductor film that operates on a low-cost insulating substrate such as glass with high performance and high reliability and excellent uniformity between devices. An object of the present invention is to provide a device and a thin film semiconductor device adapted to the polycrystalline semiconductor film.
本願発明の主な形態を列挙する。 The main forms of the present invention will be listed.
本願発明の第1の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第1の半導体膜と、この第1の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1の半導体膜に所定間隔で設けられた第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段と、前記第1と第2の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第1の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が{110}であることを特徴とする薄膜半導体装置である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an insulating substrate, a first semiconductor film made of a polycrystalline semiconductor film, a gate electrode formed on the first semiconductor film via a gate insulating film, and the first semiconductor film. A first charge transmitting / receiving unit and a second charge transmitting / receiving unit provided in the semiconductor film at a predetermined interval, and a channel region formed between the first and second charge transmitting / receiving units, and The thin film semiconductor device is characterized in that a main orientation of the first semiconductor film constituting the channel region with respect to a main surface of the insulating substrate or the gate insulating film is {110}.
チャネル領域の半導体膜の前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向の選択によって、多結晶半導体膜を用いても信頼性の高い薄膜半導体装置を提供することが可能となる。この多結晶膜の主配向の制御方法については、後述する。 By selecting the main orientation of the semiconductor film in the channel region with respect to the main surface of the insulating substrate or the gate insulating film, a highly reliable thin film semiconductor device can be provided even if a polycrystalline semiconductor film is used. A method for controlling the main orientation of the polycrystalline film will be described later.
又、本願に係わるMIS型薄膜半導体装置は、例えば、次の諸形態を取ることが出来る。
(1)所定の多結晶半導体膜に対して、この上部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を配する形態。
(2)所定の多結晶半導体膜に対して、この下部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を配する形態。
(3)所定の多結晶半導体膜に対して、この側部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を配する形態。
Further, the MIS type thin film semiconductor device according to the present application can take the following various forms, for example.
(1) A mode in which a gate electrode is disposed on a predetermined polycrystalline semiconductor film via a gate insulating film.
(2) A mode in which a gate electrode is disposed below the predetermined polycrystalline semiconductor film via a gate insulating film.
(3) A mode in which a gate electrode is disposed on a side of a predetermined polycrystalline semiconductor film via a gate insulating film.
本願発明の第2の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第1の半導体膜と、この第1の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1の半導体膜に所定間隔で設けられた第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段と、前記第1と第2の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第1の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が{110}であり、前記第1の半導体膜が、前記第1と第2の電荷送受手段を結ぶ方向に対して、前記チャネル領域の結晶粒の長手方向の軸が45度以下の結晶粒を主として構成されることを特徴とする薄膜半導体装置である。本形態は、本願発明のより実用的な形態を示すものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an insulating substrate, a first semiconductor film made of a polycrystalline semiconductor film, a gate electrode formed on the first semiconductor film via a gate insulating film, and the first semiconductor film. A first charge transmitting / receiving unit and a second charge transmitting / receiving unit provided in the semiconductor film at a predetermined interval, and a channel region formed between the first and second charge transmitting / receiving units, and The main orientation of the first semiconductor film constituting the channel region with respect to the main surface of the insulating substrate or the gate insulating film is {110}, and the first semiconductor film includes the first and second semiconductor films. In the thin film semiconductor device, the crystal grains in the longitudinal direction of the crystal grains of the channel region are mainly composed of 45 degrees or less with respect to the direction connecting the charge transmitting / receiving means. This form shows a more practical form of the present invention.
又、本願発明の薄膜半導体装置において、前記第1の半導体膜が、前記第1と第2の電荷送受手段を結ぶ方向に対して、75度以下の小傾角粒界から構成されることも有用である。 In the thin film semiconductor device of the present invention, it is also useful that the first semiconductor film is composed of a low-angle grain boundary of 75 degrees or less with respect to the direction connecting the first and second charge transfer means. It is.
本願発明の第3の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第1の半導体膜と、この第1の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1の半導体膜に所定間隔で設けられた第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段と、前記第1と第2の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第1の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が{110}であり、前記第1の半導体膜の前記チャネル領域は前記第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段とを結ぶ結晶粒を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an insulating substrate, a first semiconductor film made of a polycrystalline semiconductor film, a gate electrode formed on the first semiconductor film via a gate insulating film, and the first semiconductor film. A first charge transmitting / receiving unit and a second charge transmitting / receiving unit provided in the semiconductor film at a predetermined interval, and a channel region formed between the first and second charge transmitting / receiving units, and The main orientation of the first semiconductor film constituting the channel region with respect to the main surface of the insulating substrate or the gate insulating film is {110}, and the channel region of the first semiconductor film is the first semiconductor film. A thin film semiconductor device having crystal grains connecting the charge transfer means and the second charge transfer means.
第3の形態は、更に好ましい形態を示すものである。即ち、前記第1の半導体膜の前記チャネル領域が、前記第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段とを結ぶ程度の長手方向の長さを有する結晶粒によって構成されることによって、更に信頼性の高い薄膜半導体装置を提供することが出来る。 The third form shows a more preferable form. That is, the channel region of the first semiconductor film is constituted by crystal grains having a length in the longitudinal direction enough to connect the first charge transmitting / receiving unit and the second charge transmitting / receiving unit, A highly reliable thin film semiconductor device can be provided.
本願発明の第4の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第1の半導体膜と、この第1の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1の半導体膜に所定間隔で設けられた第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段と、前記第1と第2の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第1の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が{110}であり、前記第1の半導体膜が、前記第1と第2の電荷送受手段を結ぶ方向に略垂直な面の主配向が{100}であることを特徴とする薄膜半導体装置である。そして、前記第1の半導体膜の前記チャネル領域が、前記第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段とを結ぶ程度の長手方向の長さを有する結晶粒によって構成され、当該多結晶膜の主配向が{100}となすことによって、極めて信頼性の高い薄膜半導体装置を提供することが出来る。簡潔に結論を述べれば、それは、第1の半導体膜は多結晶ではあるが、一つの結晶粒に着目すると単結晶と同等の性質を有するからである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an insulating substrate, a first semiconductor film made of a polycrystalline semiconductor film, a gate electrode formed on the first semiconductor film via a gate insulating film, and the first semiconductor film. A first charge transmitting / receiving unit and a second charge transmitting / receiving unit provided in the semiconductor film at a predetermined interval, and a channel region formed between the first and second charge transmitting / receiving units, and The main orientation of the first semiconductor film constituting the channel region with respect to the main surface of the insulating substrate or the gate insulating film is {110}, and the first semiconductor film includes the first and second semiconductor films. The thin film semiconductor device is characterized in that the main orientation of a plane substantially perpendicular to the direction connecting the charge transmitting / receiving means is {100}. The channel region of the first semiconductor film is composed of crystal grains having a length in a longitudinal direction enough to connect the first charge transmitting / receiving unit and the second charge transmitting / receiving unit, and the polycrystalline film By making the main orientation of {100}, a highly reliable thin film semiconductor device can be provided. In brief, the conclusion is that the first semiconductor film is polycrystalline, but if attention is paid to one crystal grain, it has properties equivalent to those of a single crystal.
本願発明の第5の形態は、絶縁性基板に、半導体装置部を少なくとも2つを有し、前記絶縁性基板に、部分的な領域に選択的に第2の半導体層と絶縁膜層が形成され、前記第2の半導体層と絶縁膜層の積層体は第1の半導体層と接し、第1の半導体装置と第2の半導体装置との間には上記第2の半導体層を有せず、且つ前記第1の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1の半導体膜に所定間隔で第1の電荷送受手段と第2の電荷送受手段と、前記第1と第2の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有することを特徴とする薄膜半導体装置である。この形態においても、前記チャネル領域を構成する前記第1の半導体膜の、前記絶縁性非晶質基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が{110}であることが、より好ましい。 According to a fifth aspect of the present invention, an insulating substrate has at least two semiconductor device portions, and a second semiconductor layer and an insulating film layer are selectively formed in a partial region on the insulating substrate. The stacked body of the second semiconductor layer and the insulating film layer is in contact with the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer is not provided between the first semiconductor device and the second semiconductor device. And a gate electrode formed on the first semiconductor film through a gate insulating film, a first charge transmitting / receiving unit and a second charge transmitting / receiving unit at predetermined intervals on the first semiconductor film, and the first And a channel region formed between the second charge transmitting / receiving means. Also in this embodiment, it is more preferable that the main orientation of the first semiconductor film constituting the channel region with respect to the main surface of the insulating amorphous substrate or the gate insulating film is {110}.
本例は、所望の半導体装置部の下部に、第2の半導体層を有する例であって、且つ前記半導体装置部が、前記本願発明の第1の形態を有するものである。更に、本願においては、所望の半導体装置部の下部に、第2の半導体層を有する例であって、且つ前記半導体装置部が、前記本願発明の第2の形態より第4の形態のいずれかを有するものであっても当然良い。更に、本願明細書に開示される半導体装置部の諸形態を用いて実施出来ることはいうまでもない。 This example is an example in which a second semiconductor layer is provided below a desired semiconductor device portion, and the semiconductor device portion has the first aspect of the present invention. Further, the present application is an example in which a second semiconductor layer is provided below a desired semiconductor device portion, and the semiconductor device portion is any one of the fourth to fourth embodiments of the present invention. Of course, it is good even if it has. Furthermore, it goes without saying that the present invention can be implemented by using various forms of the semiconductor device portion disclosed in this specification.
本願発明の第6の形態は、絶縁性基板に、半導体装置部を少なくとも2つを有し、第1の熱伝導率を有する第1の薄膜の上に、前記第1の熱伝導率より大きな第2の熱伝導率を有する第2の薄膜が選択的に形成され、前記第2の薄膜は半導体層と接しておらず、第1の半導体装置部と第2の半導体装置部の間には上記第2の薄膜が配置され、且つ前記半導体装置部が前記第1より第4のいずれかの形態に記載の薄膜半導体装置で構成されていることを特徴とする薄膜半導体装置である。 According to a sixth aspect of the present invention, the insulating substrate has at least two semiconductor device portions, and is larger than the first thermal conductivity on the first thin film having the first thermal conductivity. A second thin film having a second thermal conductivity is selectively formed, and the second thin film is not in contact with the semiconductor layer, and is between the first semiconductor device portion and the second semiconductor device portion. The thin film semiconductor device is characterized in that the second thin film is disposed and the semiconductor device portion is constituted by the thin film semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects.
本願の第7の形態は、絶縁性基板上に前記半導体装置を少なくとも2つを有し、第1の熱伝導率を有する第1の薄膜の上に、前記第1の熱伝導率より小さな第2の熱伝導率を有する第2の薄膜が選択的に形成され、前記第2の薄膜は上記半導体層と接しており、前記第1の半導体装置と第2の半導体装置の間には上記第2の絶縁層が設けられておらず、且つ前記半導体装置部が前記第1より第4の形態請に記載の薄膜半導体装置で構成されていることを特徴とする薄膜半導体装置である。 According to a seventh aspect of the present application, the semiconductor device has at least two semiconductor devices on an insulating substrate, and has a first thermal conductivity smaller than the first thermal conductivity on the first thin film having the first thermal conductivity. A second thin film having a thermal conductivity of 2 is selectively formed, the second thin film is in contact with the semiconductor layer, and the second thin film is interposed between the first semiconductor device and the second semiconductor device. No. 2 insulating layer is provided, and the semiconductor device portion is constituted by the thin film semiconductor device described in the first to fourth embodiments.
更に、多岐に渡る実用的な諸形態は、後述される。 Further, various practical forms will be described later.
次に、本願発明に係わる半導体膜の製造方法に関する主な形態を列挙する。下記の諸方法を用いることによって、本願の目的に適う多結晶半導体膜を得ることが出来る。 Next, main modes related to the semiconductor film manufacturing method according to the present invention will be listed. By using the following methods, a polycrystalline semiconductor film suitable for the purpose of the present application can be obtained.
本願の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第8の形態は、絶縁性基板上の半導体層中に結晶核を生成する工程と、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して結晶粒を成長する工程とを分離して遂行されることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法である。 The eighth embodiment related to the polycrystalline semiconductor film manufacturing method of the present application is the step of generating crystal nuclei in the semiconductor layer on the insulating substrate, and the crystal grains are grown by melting and recrystallizing the semiconductor thin film by laser beam irradiation. A method of manufacturing a polycrystalline semiconductor film, wherein the process is performed separately.
本願発明の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第9の形態は、絶縁性基板上の非結晶半導体膜に、レーザビーム照射で半導体薄膜を溶融再結晶化して結晶粒を成長することを特徴とする前記第1の形態に記載の多結晶半導体膜の製造方法である。 According to a ninth embodiment of the method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film of the present invention, a crystal grain is grown by melting and recrystallizing a semiconductor thin film by laser beam irradiation on an amorphous semiconductor film on an insulating substrate. A method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film according to the first embodiment.
本願発明の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第10の形態は、上記レーザビームの波長は、240nm以上600nm以下範囲から選択され、前記波長の非晶質半導体膜に対する吸収係数が多結晶半導体膜の吸収係数よりも大きいことを特徴とする前記第8に記載の多結晶半導体膜の製造方法である。 According to a tenth aspect of the method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film of the present invention, the wavelength of the laser beam is selected from a range of 240 nm to 600 nm, and the absorption coefficient of the amorphous semiconductor film having the wavelength is a polycrystalline semiconductor film. 9. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to the eighth item, wherein the absorption coefficient is larger than the absorption coefficient of.
本願発明の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第11の形態は、上記絶縁性基板上の上記多晶質シリコン膜の上記結晶核は、レーザ照射による溶融再結晶化によりを生成される特徴とする前記第8の形態に記載の多結晶半導体膜の製造方法である。 According to an eleventh aspect of the method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film of the present invention, the crystal nucleus of the polycrystalline silicon film on the insulating substrate is generated by melt recrystallization by laser irradiation. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to the eighth embodiment.
本願発明に係わる上記上記絶縁性基板上の上記多晶質シリコン膜の上記結晶核は、カタリティク ケミカル ベーパー デポジション(CatalyticChemical Deposition)法により生成されることが好ましい。 It is preferable that the crystal nucleus of the polycrystalline silicon film on the insulating substrate according to the present invention is generated by a catalytic chemical deposition method.
又、本願発明の係わる製造装置は、レーザビームのパルス幅と、レーザビーム強度の時間依存の形状と、レーザビーム・パルスの間隔とを変調する手段と、発振源から射出された前記レーザビームのプロファイルをその被照射領域を所定の形状に整形した後、被照射体に結像させる手段と、前記レーザビームの照射と同期して前記絶縁性基板を所定の速度とピッチで移動する手段とを有することを具備することを特徴とする多結晶半導体薄膜の製造装置である。 The manufacturing apparatus according to the present invention also includes means for modulating the pulse width of the laser beam, the time-dependent shape of the laser beam intensity, and the interval between the laser beams and pulses, and the laser beam emitted from the oscillation source. Means for shaping the profile of the irradiated region into a predetermined shape and then forming an image on the irradiated object; and means for moving the insulating substrate at a predetermined speed and pitch in synchronization with the irradiation of the laser beam. It is the manufacturing apparatus of the polycrystalline semiconductor thin film characterized by having having.
尚、本願明細書において、「電荷送受手段」は、通例、ソースあるいはドレイン称される領域を意味する。 In the present specification, the “charge transmitting / receiving means” usually means a region called a source or a drain.
本願発明によれば、非晶質基板に高品質な薄膜半導体装置を実現することが出来る。更に、これに供し得る多結晶半導体薄膜の製造方法を提供する。更には、こうした製造方法に有用な製造装置を提供する。 According to the present invention, a high-quality thin film semiconductor device can be realized on an amorphous substrate. Furthermore, the manufacturing method of the polycrystalline semiconductor thin film which can be used for this is provided. Furthermore, a manufacturing apparatus useful for such a manufacturing method is provided.
本願発明の具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明の代表的な実施の形態に関する補足説明を行う。 Prior to the description of specific embodiments of the present invention, supplementary explanation will be given regarding typical embodiments of the present invention.
前記本願発明の第1、2の目的を達するために、以下に示す手段が有用である。 In order to achieve the first and second objects of the present invention, the following means are useful.
半導体層を構成するドレインもしくはソース領域の一部に、前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域を設けることである。このことによって、極めて有用な、多結晶半導体膜を得ることが出来る。 A region thicker than the channel region is provided in part of the drain or source region constituting the semiconductor layer. As a result, a very useful polycrystalline semiconductor film can be obtained.
さらに以下の手段により、前記目的は容易に達成される。 Further, the object can be easily achieved by the following means.
前記レーザビームのパルス幅は100ns以上であり1ms以下、エネルギ密度は200mJ/cm2以上10J/cm2以下である。レーザビームの強度分布は、ビーム幅内における強度が均一、あるいは一方から他方へ単調に増加、単調に減少する分布パターンである。 The pulse width of the laser beam is 100 ns or more and 1 ms or less, and the energy density is 200 mJ / cm 2 or more and 10 J / cm 2 or less. The intensity distribution of the laser beam is a distribution pattern in which the intensity within the beam width is uniform, or increases monotonously from one to the other and monotonously decreases.
更に、前記第3の目的は、絶縁性基板上の多結晶半導体膜からなる第1の半導体層上にゲート絶縁膜を介して設けたゲート電極と、上記半導体層に設けたチャネル領域と、前記チャネル領域の両側に配置されたソース領域とドレイン領域とを有するMIS型電界効果トランジスタにおいて、少なくとも上記チャネル領域を構成する結晶粒の該基板もしくはゲート絶縁膜の表面に対する主配向が{110}であり、かつ上記ソースとドレイン領域を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が{100}である多結晶半導体膜からなる半導体層をの半導体装置のチャネルに適応することにより達成できる。 Furthermore, the third object is to provide a gate electrode provided on a first semiconductor layer made of a polycrystalline semiconductor film on an insulating substrate via a gate insulating film, a channel region provided in the semiconductor layer, In a MIS field effect transistor having a source region and a drain region disposed on both sides of a channel region, the main orientation of at least crystal grains constituting the channel region with respect to the surface of the substrate or the gate insulating film is {110}. Further, this can be achieved by adapting a semiconductor layer made of a polycrystalline semiconductor film having a main orientation of {100} in a plane substantially perpendicular to the direction connecting the source and drain regions to the channel of the semiconductor device.
さらに、以下の特徴を多結晶半導体膜を適応することにより、目的は容易に達成できる。 Furthermore, the object can be easily achieved by applying the following characteristics to the polycrystalline semiconductor film.
第1は、チャネル領域のソースとドレイン領域間には、75度以下の小傾角粒界から構成されることである。 The first is that a low-angle grain boundary of 75 degrees or less is formed between the source and drain regions of the channel region.
第2は、チャネル領域の表面凹凸は20nmより小さく、チャネル領域の内部引っ張り応力は109dyn/cm2以上である。 Second, the surface irregularity of the channel region is smaller than 20 nm, and the internal tensile stress of the channel region is 10 9 dyn / cm 2 or more.
第3は、半導体層に含まれる金属元素は1019cm―3以下であり、チャネル領域に含まれる結晶欠陥密度は1017cm―3以下である。 Third, the metal element contained in the semiconductor layer is 10 19 cm −3 or less, and the crystal defect density contained in the channel region is 10 17 cm −3 or less.
本願発明の薄膜半導体装置において、上記絶縁性基板が低融点ガラス基板であることを特徴とする薄膜半導体装置は、好ましい例である。絶縁性基板は非晶質基板、例えば、ガラス基板、わけても低融点ガラス基板が代表的な例である。 In the thin film semiconductor device of the present invention, the thin film semiconductor device is characterized in that the insulating substrate is a low melting point glass substrate. A typical example of the insulating substrate is an amorphous substrate, for example, a glass substrate, especially a low melting point glass substrate.
更に、本願発明の諸形態を列挙すれば、次の通りです。
(1)本願発明に係わる薄膜半導体装置において、前記半導体層と接する前記絶縁基板の表面に、10nm以上の高さの高低部を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。これは、ガラス基板など、絶縁性基板が、10nm以上の高さのうねりのごとき、高低部を有する実際的な形態である。
(2)本願発明に係わる薄膜半導体装置において、上記の半導体層を構成する前記電荷送受手段、即ち、ドレイン領域もしくはソース領域の一部に、前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。
(3)本願発明に係わる薄膜半導体装置において、前記の半導体層の同一平面内の周縁部に、幅5ミクロン以下、突出長さ5ミクロン以下の少なくとも一つの突起を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。
Furthermore, the various forms of the present invention are listed as follows.
(1) The thin film semiconductor device according to the present invention is characterized in that the surface of the insulating substrate in contact with the semiconductor layer has a height portion having a height of 10 nm or more. This is a practical form in which an insulating substrate such as a glass substrate has a height portion such as a swell of 10 nm or higher.
(2) In the thin film semiconductor device according to the present invention, the charge transmitting / receiving means constituting the semiconductor layer, that is, a drain region or a part of the source region has a region thicker than the channel region. Is a thin film semiconductor device.
(3) In the thin film semiconductor device according to the present invention, a thin film semiconductor having at least one protrusion having a width of 5 microns or less and a protrusion length of 5 microns or less at a peripheral portion in the same plane of the semiconductor layer. Device.
本願発明の薄膜半導体装置では、チャネル領域の半導体結晶の粒径が電荷送受手段、即ち、ソース、ドレイン領域の結晶粒の粒径より大きい形態も、実用的である。 In the thin film semiconductor device of the present invention, a mode in which the grain size of the semiconductor crystal in the channel region is larger than the grain size of the crystal grains in the charge transmitting / receiving means, that is, the source and drain regions is also practical.
多結晶半導体薄膜の製造方法に関しては、次のような形態をあげることが出来る。
(4)本願発明に係わる多結晶半導体薄膜の製造方法において、照射レーザビームのパルス幅は100ns以上であり1ms以下であることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法である。
(5)絶縁性基板上に形成された非晶質あるいは多結晶の半導体薄膜にレーザビームを照射して前記半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成する製造方法において、前記レーザビームのパルス幅と時間依存の形状と間隔を変調する手段と、発振源から射出された前記レーザビームのプロファイルを複数のレンズからなる光学系によりその被照射領域を所定の形状に整形した後前記半導体薄膜上で結像させる手段と、前記レーザビームの照射と同期して前記絶縁性基板を所定の速度とピッチで移動する手段とを有することを具備することを特徴とする多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置である。
(6)前記(5)に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームの照射と同期して前記絶縁性基板または光学系を所定の速度と間隔で移動すると同時に、前記絶縁性基板上の合わせパターンを検出する手段と、前記レーザビームを干渉計により基板と位置合わせを行う手段を有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法および製造装置である。
(7)前記(5)あるいは(6)に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームのパルス幅は100ns以上であり1ms以下、エネルギ密度は200mJ/cm2以上10J/cm2以下であり、前記レーザビームの立ち上り時間、立下り時間、パルス幅、パルス間隔はEO変調器よる偏光により外部電圧で制御されることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法および製造装置である。
(8)前記多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームの強度分布は、ビーム幅内における強度が均一、あるいは一方から他方へ単調に増加、単調に減少する分布パターンであることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法である。
(9)尚、本願発明の多結晶半導体薄膜の製造に用いる、レーザ装置は、固体レーザ装置、あるいは半導体レーザ装置が好適である。
(10)前記多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームの強度分布は、ソースドとレイン方向と平行な方向に光エネルギの強度勾配を有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法および製造装置である。
With respect to the method of manufacturing the polycrystalline semiconductor thin film, the following forms can be given.
(4) In the method for manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film according to the present invention, the pulse width of the irradiation laser beam is not less than 100 ns and not more than 1 ms.
(5) In the manufacturing method of forming a polycrystalline semiconductor film by irradiating an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film formed on an insulating substrate with a laser beam to melt and recrystallize the semiconductor thin film, the laser beam Means for modulating the pulse width and time-dependent shape and interval of the laser beam, and shaping the irradiated region into a predetermined shape by an optical system comprising a plurality of lenses of the profile of the laser beam emitted from the oscillation source. A method for producing a polycrystalline semiconductor thin film, comprising: means for forming an image on the thin film; and means for moving the insulating substrate at a predetermined speed and pitch in synchronization with the irradiation of the laser beam. Method and manufacturing apparatus.
(6) In the method and apparatus for manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film according to (5), the insulating substrate or the optical system is moved at a predetermined speed and interval in synchronization with the irradiation of the laser beam. A method and an apparatus for manufacturing a polycrystalline semiconductor film, comprising: means for detecting an alignment pattern on an insulating substrate; and means for aligning the laser beam with the substrate using an interferometer.
(7) In the method and apparatus for manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film according to (5) or (6), the pulse width of the laser beam is 100 ns or more and 1 ms or less, and the energy density is 200 mJ / cm 2 or more and 10 J / cm 2 or less, the rise time of the laser beam, fall time, pulse width, pulse interval method and apparatus for manufacturing a polycrystalline semiconductor film, which is controlled by an external voltage by polarization by EO modulator It is.
(8) In the method and apparatus for manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film, the intensity distribution of the laser beam is a distribution pattern in which the intensity within the beam width is uniform, or increases monotonously from one to the other, and decreases monotonously. A method for producing a polycrystalline semiconductor film.
(9) The laser device used for manufacturing the polycrystalline semiconductor thin film of the present invention is preferably a solid-state laser device or a semiconductor laser device.
(10) In the method and apparatus for manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film, the intensity distribution of the laser beam has a light energy intensity gradient in a direction parallel to the source and rain directions. A manufacturing method and a manufacturing apparatus.
以下、本発明の実施の形態における薄膜半導体装置、製造方法、及び製造装置について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a thin film semiconductor device, a manufacturing method, and a manufacturing apparatus according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1における薄膜半導体装置を説明するための図である。図1は3つの多結晶シリコン薄膜トランジスタを有する例を示している。図1の(a)は断面構造図、図1の(b)は平面構造図を示す。図1の(a)、(b)において、100は絶縁性基板、101は下層膜、18はゲート電極、17はゲート絶縁膜である。絶縁性基板は、ガラス基板が多用される。又、前記下層膜は通例、二酸化珪素(SiO2)膜が用いられる。
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FIG. 1 is a diagram for explaining a thin film semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an example having three polycrystalline silicon thin film transistors. 1A is a cross-sectional structure diagram, and FIG. 1B is a plan structure diagram. In FIGS. 1A and 1B, 100 is an insulating substrate, 101 is a lower layer film, 18 is a gate electrode, and 17 is a gate insulating film. As the insulating substrate, a glass substrate is often used. The lower layer film is usually a silicon dioxide (SiO 2 ) film.
各シリコン半導体層は、チャネル領域12、ソース領域20、ドレイン領域19、突起状の結晶核領域30から構成される。チャネル領域12は大粒径の多結晶シリコン膜、結晶核領域30は、通例小粒径の多結晶シリコン膜からなる。
Each silicon semiconductor layer includes a
本例は、図1の(b)の平面図にみられるように、ゲート電極18が共通に接続され例である。勿論、本願発明は単独にゲート電極が形成された形態でも実施することが出来る。
In this example, as shown in the plan view of FIG. 1B, the
大粒径を有するチャネル領域12は、図1の(c)に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに、図1の(c)に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。図1の(c)に符号105として、傾斜型形状を示したのは、このレーザ光の模式的な強度分布を示すものである。レーザ光のパルス幅は100ナノ秒以上、1ミリ秒以下の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が300nm以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば5ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、例えば、パルス幅が10マイクロ秒、パワーは1wである。このような条件でレーザビームを照射すると、シリコン膜の厚さが周囲よりも厚い結晶核領域30から結晶化が開始される。即ち、温度の低い領域から結晶成長が進行する。図1の(c)に示す矢印の方向に、結晶成長し、チャネル領域よりも大きな粒径を有する多結晶シリコン膜31が形成される。
The
図3は、本例の薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図である。ガラスなどの非結晶質基板100に、二酸化珪素膜101の下地層、更に、非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜110を形成する(図3の(a))。この非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜110に通例のフォトレジストを用いたエッチングにより3つの領域に加工する。この時、結晶核領域30を形成する(図3の(b))。この状態を準備した基体に、前述した傾斜型の発光強度を有するレーザ光を照射する(図3の(c))。この場合、各半導体装置の領域に応じて、レーザ光は、各傾斜型の発光強度を有するごとくに調整する。半導体薄膜の溶融再結晶化を図った後、ゲート絶縁膜17、ゲート電極18を形成する(図3(d))。ソース、ドレインは通例のイオン・インプランテイションによってなされる。不純物としては、リン、ボロンなどが多用される。(図3(e))。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the thin film semiconductor device of this example. An underlayer of the
本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域30を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して前記結晶核から粒を成長する工程を分離遂行することができる。結晶粒を高効率で、選択的に成長するために適したレーザビームの波長は、240nm以上600nm以下範囲から選択されることが望ましい。なぜならば、例えば波長500nmにおける非晶質シリコン膜の吸収係数は、多結晶シリコン膜の吸収係数よりも約5倍大きい。したがって多結晶シリコン膜からなる結晶核をシードとしてそれ以外の半導体層領域を選択的に溶融再結晶化することが容易である。一方、絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、通例のエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。
In the present embodiment, after the polycrystalline silicon film including the
図2に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の状態を模式的に示す。図2の(a)は、一つのトランジスタ部の断面図、図2の(b)は半導体層の模式的な斜視図である。図2の(a)と(b)における対応する領域を点線で対応付けた。各符号の意味は、図1と同様である。本例は、本願発明の最も好ましい例を例示している。 FIG. 2 schematically shows the crystalline state of the semiconductor layer, particularly the channel region. 2A is a cross-sectional view of one transistor portion, and FIG. 2B is a schematic perspective view of a semiconductor layer. The corresponding areas in FIGS. 2A and 2B are associated with dotted lines. The meaning of each symbol is the same as in FIG. This example illustrates the most preferred example of the present invention.
少なくともチャネル領域12における多結晶体の主配向が、上記ゲート絶縁膜の表面及び基板に対して{110}である。且つ、この多結晶体は、上記ソース領域20とドレイン領域19を結ぶ方向に、ほぼ垂直な面の主配向が{100}である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域12を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が70度以下の小傾角粒界からなる。
The main orientation of the polycrystalline body at least in the
更に、チャネル領域12の表面凹凸は20nmより小さく、その内部引っ張り応力は109dyn/cm2以上、含まれる結晶欠陥密度は1017cm−3以下である。又、チャネル領域12を含む当該半導体層全体に含まれる金属元素は1019cm−3以下である。
Furthermore, the surface irregularities of the
図4は、本願発明の実施に用いる製造装置の例である。本装置は、図2に示したような絶縁性基板205上に形成された非晶質あるいは多結晶の半導体薄膜に、レーザビームを照射して半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するに好適である。本例は、CWレーザ装置200、レーザビームのパルス幅と時間依存の形状と間隔を変調する変調手段(201、202、203)、発振源からレーザビームを結像させるに至る光学系、レーザビームと被照射体との位置を相対的な移動を可能とする移動手段とを有する。前記変調手段は、EO変調器201、偏光板202、ドライバ203を有して構成される。前記光学系は、発振源から射出されたレーザビームのプロファイルを複数のレンズからなる光学系、あるいは回折光学素子により適切な形状に整形するビーム整形ユニット204、走査機能のついたミラー208、レーザビームを結像させる結像レンズ系207、などである。又、前記移動手段は、レーザビームの照射と同期して絶縁性基板205を所定のピッチで移動することが可能である。
FIG. 4 shows an example of a manufacturing apparatus used for carrying out the present invention. In this apparatus, an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film formed on an insulating
レーザビームのパルス幅、時間依存形状、パルス間隔の諸例は、図5の(a)及び(b)に示す。図5の(a)は、EO変調器201に印加する電圧波形、(b)は、偏光子を介したビーム強度の波形である。ビーム強度は外部からの電圧により、立上り時間、パルス幅、立下り時間、パルス間隔などを制御できる。図5の各々は、前記パルスの制御の為のパルス幅の異なる二つのパルス例、及び傾斜型のパルスの例を示す。
Examples of the pulse width, time-dependent shape, and pulse interval of the laser beam are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). FIG. 5A shows a voltage waveform applied to the
又、図6の(a)、(b)は、レーザビームの形状の例を示す。各斜視図は、レーザビームを、ビーム整形ユニット204にて、所望の形状にビーム整形し、結像レンズを介して、試料上に結像せれたビームの形状である。図6(a)は、一方から他方へ単調に強度が増加する分布パターンを示す図、図6の(b)はビーム幅内における強度が均一な例である。本願に係わる薄膜半導体装置を製造する際、レーザビームの幅方向、及びレーザビームの強度分布は、ソースドとレイン方向と平行な方向であると、効率良く大きな結晶粒が得られる。
6A and 6B show examples of the shape of the laser beam. In each perspective view, the laser beam is shaped into a desired shape by the
レーザビームの照射と同期して、絶縁性基板206あるいはミラー208を所定の速度と間隔で移動することにより、所望の領域を結晶化させることができる。
A desired region can be crystallized by moving the insulating substrate 206 or the
本発明では、絶縁性基板上の合わせパターンは、例えば、半導体層膜の段差、図1における結晶核領域30の段差で検出することができる。具体的にはレーザビームを干渉計により基板と位置合わせを行うことができる。
In the present invention, the alignment pattern on the insulating substrate can be detected by, for example, a step in the semiconductor layer film or a step in the
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成することが出来る製造方法、製造装置を実現した。 This implementation forms a high-quality polycrystalline semiconductor film on an insulating substrate such as glass, which can control grain boundaries, grain size, and crystal orientation, and reduce film roughness and crystal defects caused by the assumption of crystallization. I was able to. Further, according to this embodiment, a manufacturing method and a manufacturing apparatus capable of forming a high-quality polycrystalline semiconductor film with a reduced number of manufacturing steps, easy application to a large-area substrate, high throughput, and low cost have been realized.
さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をMIS型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約300cm2/V・s以上、しきい電圧のバラツキを±0.2V以下に抑制することができる。こうして、本願発明によれば、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた薄膜半導体装置を得ることができる。 Further, when the polycrystalline semiconductor film described in this embodiment is applied to a MIS field effect transistor, the field effect mobility is about 300 cm 2 / V · s or more, and the threshold voltage variation is suppressed to ± 0.2 V or less. can do. Thus, according to the present invention, it is possible to obtain a thin film semiconductor device that operates with high performance and high reliability and excellent uniformity between devices.
本実施例では、レーザ照射前の半導体膜に多結晶シリコン膜を用いたが、非晶質シリコン膜を用いても同様の効果が得られる。本実施の形態では、傾斜型のレーザビームを用いたが、均一ビームを用いても同様の効果が得られる。さらに本実施例では、結晶核領域30を起点に結晶を成長させたが、レーザビームの形状を最適化することにより、前記突起上の結晶核30を含まない構造においても同様の効果が得られる。この場合、初期半導体膜は結晶核を含む多晶質シリコン膜であり、この膜はエキシマレーザなどの照射による溶融再結晶化によりを得ることができる。また、上記多晶質シリコン膜は、CAT−CVD(Catalytic―Chemical Vaapour Deposition)方法により低温成膜しても同様の効果が得られる。
In this embodiment, a polycrystalline silicon film is used as the semiconductor film before laser irradiation, but the same effect can be obtained even if an amorphous silicon film is used. In this embodiment, an inclined laser beam is used, but the same effect can be obtained even when a uniform beam is used. Further, in this embodiment, the crystal is grown from the
<実施の形態2>
図7は、本発明の実施の形態2における半導体装置を説明するための図である。本例は、結晶成長の観点から、チャネルを構成する半導体層の下部に、第2の半導体層を形成する例である。図は3つの多結晶シリコン薄膜トランジスタが搭載された例を示している。図7の(a)は断面構造図、(b)は平面構造図である。図7の(c)はレーザビームの照射方法を説明する為の断面図である。
<Embodiment 2>
FIG. 7 is a diagram for explaining the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In this example, the second semiconductor layer is formed below the semiconductor layer constituting the channel from the viewpoint of crystal growth. The figure shows an example in which three polycrystalline silicon thin film transistors are mounted. 7A is a cross-sectional structure diagram, and FIG. 7B is a plan structure diagram. FIG. 7C is a cross-sectional view for explaining a laser beam irradiation method.
図7(a)、(b)において、100は絶縁性基板、101は下層膜、18はゲート電極、17はゲート絶縁膜である。絶縁性基板は、ガラス基板が多用される。又、下層膜は、通例二酸化珪素膜が用いられる。 7A and 7B, 100 is an insulating substrate, 101 is a lower layer film, 18 is a gate electrode, and 17 is a gate insulating film. As the insulating substrate, a glass substrate is often used. As the lower layer film, a silicon dioxide film is usually used.
第1の半導体層は、チャネル領域12、ソース領域20、ドレイン領域19を有する。そして、チャネル領域12は大粒径の多結晶シリコン膜からなる。シリコン半導体層と下層膜101の間には、選択的に絶縁膜40を介して第2の半導体層41が挿入されている。一方、複数の半導体装置の間の領域には、第2の半導体層41が設置されていない。
The first semiconductor layer has a
図8は、本例の薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図である。ガラスなどの非結晶質基板100に、二酸化珪素膜101の下地層、第2の半導体層41として非晶質シリコン、更に、二酸化珪素の層40を形成する(図8の(a))。前記層40、41を、所定の薄膜半導体装置の3つの領域にエッチングによって加工する(図8の(b))。この上部に、非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜110を形成する(図8の(c))。この状態を準備した基体に、前述した傾斜型の発光強度を有するレーザ光105を照射する(図8の(d))。この場合、各半導体装置の領域に応じて、レーザ光は、各傾斜型の発光強度を有するごとくに調整する。この例では、第2の半導体膜40の存在しない領域が、結晶核領域となる。第1の半導体薄膜の溶融再結晶化を図った後、第1の半導体薄膜を所望形状に加工する(図8(e))。この第1の半導体薄膜に、ゲート絶縁膜17、ゲート電極18を形成する。ソース、ドレインを通例の方法で形成する(図8(f))。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the thin film semiconductor device of this example. On the
大粒径を有するチャネル領域12は、図7の(c)に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに図7の(c)に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。レーザのパルス幅は100ナノ秒以上、1ミリ秒以下の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が100nm以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば5ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、パルス幅が10マイクロ秒、パワーは1wである。
The
このような条件で、レーザビームを照射すると、シリコン半導体層において、下方に第2のシリコン半導体層が設置されていない領域から結晶化が開始される。なぜならば、レーザビーム照射時に、第1のシリコン半導体膜を透過したレーザビームは第2のシリコン半導体膜まで到達する。第2のシリコン半導体膜において、レーザビームは吸収され、半導体層の温度が上昇する。この温度上昇は、ヒートシンクの役割を果たし、急冷却を抑制することができる。第1のシリコン半導体層の下層にこのヒートシンクが設置されていない領域では、温度の低く、結晶化開始時間も早い。よって、第1のシリコン半導体層の下方に第2の半導体層が設置されていない領域から、結晶化が開始され、結晶核領域42となる。結晶粒を高効率で、選択的に成長するために適したレーザビームの波長は、240nm以上600nm以下範囲から選択されることが望ましい。本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域30を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して、前記結晶核から粒を成長する工程を分離して、遂行することができる。絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、従来技術であるエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。
When the laser beam is irradiated under such conditions, crystallization is started from a region where the second silicon semiconductor layer is not provided below the silicon semiconductor layer. This is because the laser beam transmitted through the first silicon semiconductor film reaches the second silicon semiconductor film at the time of laser beam irradiation. In the second silicon semiconductor film, the laser beam is absorbed, and the temperature of the semiconductor layer rises. This temperature rise plays a role of a heat sink and can suppress rapid cooling. In a region where the heat sink is not provided under the first silicon semiconductor layer, the temperature is low and the crystallization start time is also fast. Therefore, crystallization starts from a region where the second semiconductor layer is not provided below the first silicon semiconductor layer, and becomes a
図2に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の様子を示す。少なくともチャネル領域12の主配向が上記ゲート絶縁膜の表面に対して{110}であり、かつ上記ソース領域20とドレイン領域19を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が{100}である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域12を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が75度以下の小傾角粒界からなる。さらに、チャネル領域12の表面凹凸は20nmより小さく、その内部引っ張り応力は109dyn/cm2以上、含まれる結晶欠陥密度は1017cm−3以下である。又、チャネル領域12を含む当該半導体層全体に含まれる金属元素は1019cm−3以下である。
FIG. 2 shows the crystallinity of the semiconductor layer, particularly the channel region. At least the main orientation of the
半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するための製造方法と製造装置については、第1の実施の形態で図4に示したものを適応することにより、同様の効果が得られる。本実施例では、絶縁性基板上の合わせパターンは、第2の半導体層膜41と絶縁膜40の段差、図4における結晶核領域42の段差で検出することができる。
With respect to the manufacturing method and manufacturing apparatus for melting and recrystallizing a semiconductor thin film to form a polycrystalline semiconductor film, the same effect can be obtained by applying the one shown in FIG. 4 in the first embodiment. . In the present embodiment, the alignment pattern on the insulating substrate can be detected by the step between the second semiconductor layer film 41 and the insulating
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置を実現した。さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をMIS型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約300cm2/V・s以上、しきい電圧のバラツキを±0.2V以下に抑制することができる。本例によれば、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた半導体装置が得られる効果がある。 This implementation forms a high-quality polycrystalline semiconductor film on an insulating substrate such as glass, which can control grain boundaries, grain size, and crystal orientation, and reduce film roughness and crystal defects caused by the assumption of crystallization. I was able to. In addition, the present embodiment realized a manufacturing method and a manufacturing apparatus for forming a high-quality polycrystalline semiconductor film with a reduced number of manufacturing steps, easy application to a large area substrate, high throughput, and low cost. Furthermore, when the polycrystalline semiconductor film described in this embodiment is applied to a MIS field effect transistor, the field effect mobility is about 300 cm 2 / V · s or more, and the threshold voltage variation is suppressed to ± 0.2 V or less. can do. According to this example, there is an effect that a semiconductor device that operates with high performance and high reliability and excellent uniformity between devices can be obtained.
<実施の形態3>
図9は、本発明の実施の形態3における半導体装置を説明するための図である。本例は、結晶成長に際して、部分的に熱の放出を容易にする部材を用いた例である。
<Embodiment 3>
FIG. 9 is a diagram for explaining the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. This example is an example using a member that partially facilitates heat release during crystal growth.
図9の例は3つの多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した例を示している。図9の(a)は断面構造図、(b)は平面構造図を示す。 The example of FIG. 9 shows an example in which three polycrystalline silicon thin film transistors are formed. 9A is a sectional structural view, and FIG. 9B is a plan structural view.
図9の(a)、(b)において、100は絶縁性基板、101は下層膜、18はゲート電極、17はゲート絶縁膜である。半導体層は、チャネル領域12、ソース領域20、ドレイン領域19から構成され、チャネル領域12は大粒径の多結晶シリコン膜からなる。複数の半導体装置の間の下層膜101上に、絶縁膜50が選択的に設置されている。絶縁膜50の熱伝導率は、下層膜101と絶縁性基板100の熱伝導率よりも大きい。
9A and 9B, 100 is an insulating substrate, 101 is a lower layer film, 18 is a gate electrode, and 17 is a gate insulating film. The semiconductor layer is composed of a
図10は、本例の薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図である。ガラスなどの非結晶質基板100に、二酸化珪素膜101の下地層、下層膜101より熱伝導率の高い絶縁膜50として、Si3N4層を形成する(図10(a))。各薄膜半導体装置の領域に対応して、この絶縁膜50を加工する。この絶縁膜50を設けた領域が、結晶核領域となる。こうして準備した基体上部に、非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜110を形成する(図10の(b))。この状態を準備した基体に、前述した傾斜型の発光強度を有するレーザ光105を照射する(図10の(c))。この場合、各半導体装置の領域に応じて、レーザ光は、各傾斜型の発光強度を有するごとくに調整する。第1の半導体薄膜の溶融再結晶化を図った後、第1の半導体薄膜を所望形状に加工する(図10(d))。この第1の半導体薄膜に、ゲート絶縁膜17、ゲート電極18を形成する。ソース、ドレインを通例の方法で形成する(図10(e))。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the thin film semiconductor device of this example. An Si 3 N 4 layer is formed on the
大粒径を有するチャネル領域12は、図9の(c)に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに図9の(c)に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。レーザのパルス幅は100ナノ秒以上、1ミリ秒の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が100nm以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば5ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、パルス幅が10マイクロ秒、パワーは1wである。このような条件でレーザビームを照射すると、シリコン半導体層において、下方に絶縁膜50が設けられている領域から結晶化か開始される。なぜならば、絶縁膜50の熱伝導率が下層膜101、絶縁性基板100の熱伝導率よりも高いため、下方に絶縁膜50が設置されている半導体領域は、他の半導体膜領域と比較すると下方に放出される熱量が多くなり、温度の低下が早く起こり、結晶化開始時間も早いので結晶核領域となる。本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域30を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して前記結晶核から粒を成長する工程を分離遂行することができる。絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、従来技術であるエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。本実施形態では、絶縁膜50を矩形上に加工したが、線状であっても同様の効果が得られる。絶縁膜50はシリコン窒化膜などが適している。
The
図2に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の様子を示す。少なくともチャネル領域12の主配向が上記ゲート絶縁膜の表面に対して{110}であり、かつ上記ソース領域20とドレイン領域19を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が{100}である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域12を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が70度以下の小傾角粒界からなる。さらに、チャネル領域12の表面凹凸は20nmより小さく、内部引っ張り応力は109dyn/cm−2以上、含まれる結晶欠陥密度は1017cm−3以下であり、チャネル領域12を含む半導体層全体に含まれる金属元素は1019cm−3以下である。
FIG. 2 shows the crystallinity of the semiconductor layer, particularly the channel region. At least the main orientation of the
半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するための製造方法と製造装置については、第1の実施の形態で図3に示したものを適応することにより、同様の効果が得られる。本実施例では、絶縁性基板上の合わせパターンは、図11における絶縁膜51の段差で検出することができる。
With respect to the manufacturing method and the manufacturing apparatus for forming a polycrystalline semiconductor film by melting and recrystallizing a semiconductor thin film, the same effect can be obtained by applying the one shown in FIG. 3 in the first embodiment. . In this embodiment, the alignment pattern on the insulating substrate can be detected by the step of the insulating
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置を実現した。さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をMIS型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約300cm2/V・s以上、しきい電圧のバラツキを±0.2V以下に抑制することができ、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた半導体装置が得られる効果がある。 This implementation forms a high-quality polycrystalline semiconductor film on an insulating substrate such as glass, which can control grain boundaries, grain size, and crystal orientation, and reduce film roughness and crystal defects caused by the assumption of crystallization. I was able to. In addition, the present embodiment realized a manufacturing method and a manufacturing apparatus for forming a high-quality polycrystalline semiconductor film with a reduced number of manufacturing steps, easy application to a large area substrate, high throughput, and low cost. Furthermore, when the polycrystalline semiconductor film described in this embodiment is applied to an MIS field effect transistor, the field effect mobility is about 300 cm 2 / V · s or more, and the threshold voltage variation is suppressed to ± 0.2 V or less. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor device that operates with high performance and high reliability and excellent uniformity between devices.
<実施の形態4>
図11は、本発明の実施の形態3における半導体装置を説明するための図である。3つの多結晶シリコン薄膜トランジスタの(a)は断面構造図、(b)は平面構造図を示す。図11(a)、(b)において、は、100は絶縁性基板、101は下層膜、51は絶縁膜、18はゲート電極、17はゲート絶縁膜である。半導体層は、チャネル領域12、ソース領域20、ドレイン領域19から構成され、チャネル領域12は大粒径の多結晶シリコン膜からなる。シリコン半導体層と下層膜101の間には、選択的に絶縁膜51が挿入されている。絶縁膜51の熱伝導率は、下層膜101と絶縁性基板100の熱伝導率よりも小さい。
<Embodiment 4>
FIG. 11 is a diagram for explaining the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. (A) of three polycrystalline silicon thin film transistors is a cross-sectional structure diagram, and (b) is a plan structure diagram. In FIGS. 11A and 11B, 100 is an insulating substrate, 101 is a lower layer film, 51 is an insulating film, 18 is a gate electrode, and 17 is a gate insulating film. The semiconductor layer is composed of a
大粒径を有するチャネル領域12は、図11の(c)に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに図11の(c)に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。レーザのパルス幅は100ナノ秒以上、1ミリ秒の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が100nm以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば5ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、パルス幅が10マイクロ秒、パワーは1wである。このような条件でレーザビームを照射すると、シリコン半導体層において、下方に絶縁膜51が設けられてない空隙領域から結晶化か開始される。なぜならば、絶縁膜51の熱伝導率が下層膜101、絶縁性基板100の熱伝導率よりも高いため、下方に絶縁膜51が設置されている半導体領域は、他の半導体膜領域と比較すると下方に放出される熱量が多くなり、温度の低下が早く起こり、結晶化開始時間も早いので結晶核領域42となる。本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域42を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して前記結晶核から粒を成長する工程を分離遂行することができる。絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、従来技術であるエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。絶縁膜51は密度が小さく、誘電率が小さい絶縁膜、ポーラスなシリコン酸化膜などが適している。
The
図2に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の様子を示す。少なくともチャネル領域12の主配向が上記ゲート絶縁膜の表面に対して{110}であり、かつ上記ソース領域20とドレイン領域19を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が{100}である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域12を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が70度以下の小傾角粒界からなる。さらに、チャネル領域12の表面凹凸は20nmより小さく、内部引っ張り応力は109dyn/cm−2以上、含まれる結晶欠陥密度は1017cm−3以下であり、チャネル領域12を含む半導体層全体に含まれる金属元素は1019cm−3以下である。
FIG. 2 shows the crystallinity of the semiconductor layer, particularly the channel region. At least the main orientation of the
半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するための製造方法と製造装置については、第1の実施の形態で図3に示したものを適応することにより、同様の効果が得られる。本実施例では、絶縁性基板上の合わせパターンは、図11における絶縁膜50の段差で検出することができる。
With respect to the manufacturing method and the manufacturing apparatus for forming a polycrystalline semiconductor film by melting and recrystallizing a semiconductor thin film, the same effect can be obtained by applying the one shown in FIG. 3 in the first embodiment. . In this embodiment, the alignment pattern on the insulating substrate can be detected by the step of the insulating
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置を実現した。さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をMIS型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約300cm2/V・s以上、しきい電圧のバラツキを±0.2V以下に抑制することができ、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた半導体装置が得られる効果がある。 This implementation forms a high-quality polycrystalline semiconductor film on an insulating substrate such as glass, which can control grain boundaries, grain size, and crystal orientation, and reduce film roughness and crystal defects caused by the assumption of crystallization. I was able to. In addition, the present embodiment realized a manufacturing method and a manufacturing apparatus for forming a high-quality polycrystalline semiconductor film with a reduced number of manufacturing steps, easy application to a large area substrate, high throughput, and low cost. Furthermore, when the polycrystalline semiconductor film described in this embodiment is applied to an MIS field effect transistor, the field effect mobility is about 300 cm 2 / V · s or more, and the threshold voltage variation is suppressed to ± 0.2 V or less. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor device that operates with high performance and high reliability and excellent uniformity between devices.
本願発明によれば、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を有する半導体装置が得られる効果がある。また、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法と製造装置を実現できる効果がある。さらに、ガラスなどの安価な絶縁基板上に高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた、高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、前記多結晶半導体膜を適応した半導体装置が得られる効果がある。 According to the present invention, a high-quality polycrystalline semiconductor film that can control grain boundaries, grain sizes, and crystal orientations on an insulating substrate such as glass, and that reduces film roughness and crystal defects caused by the assumption of crystallization. There is an effect that a semiconductor device having the same can be obtained. In addition, there is an effect that a manufacturing method and a manufacturing apparatus for forming a high-quality polycrystalline semiconductor film with a reduced number of manufacturing steps, easy application to a large area substrate, high throughput, and low cost can be realized. Furthermore, a manufacturing method, a manufacturing apparatus, and the polycrystalline semiconductor film for forming a high-quality polycrystalline semiconductor film that operates with high performance and high reliability on an inexpensive insulating substrate such as glass and has excellent uniformity between devices. There is an effect that a semiconductor device adapted to the above can be obtained.
100……絶縁性基板、101……下層膜、102……非晶質シリコン膜、103……多結晶シリコン膜、105……レーザビーム、10……半導体層、12……チャネル領域、17……ゲート絶縁膜、18……ゲート電極、19……ドレイン領域、20……ソース領域、30……結晶核領域、31−−−40……絶縁膜、41……半導体層、42……結晶核領域、50、51……絶縁膜、200……CWレーザ、201……EO変調器、202……偏光子、204……ビーム整形ユニット、205……基板走査ユニット、206……絶縁性基板、207……結像レンズ、209……ミラー、207……結像レンズ、110……半導体層。
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