JP4363878B2

JP4363878B2 - Semiconductor thin film crystallization apparatus and method, and thin film transistor manufacturing method

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Publication number: JP4363878B2
Application number: JP2003095595A
Authority: JP
Inventors: 明人原
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004303972A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶粒径の大きな半導体薄膜を形成しうる半導体薄膜の結晶化装置及び方法、並びにその半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）は、極めて薄く微細な半導体薄膜を用いて形成されるものである。このため、近時の表示装置の大画面化の要請により、大画面の液晶パネル等への薄膜トランジスタの搭載が検討されている。特に、無アルカリガラス等の非晶質基板上に薄膜トランジスタが形成された画素領域及び周辺回路領域を有するいわゆるシステム・オン・パネルへの適用が期待されている。
【０００３】
システム・オン・パネルでは、無アルカリガラス等の非晶質基板上に、多結晶半導体薄膜を用いた複数の薄膜トランジスタが形成される。多結晶半導体薄膜としては、特に、多結晶シリコン薄膜が用いられている。この場合、基板上にアモルファスシリコン薄膜を形成し、このアモルファスシリコン薄膜にレーザビームを照射することにより多結晶シリコン薄膜を形成する方法が主流となっている。照射するレーザビームとしては、エキシマレーザによる短パルスの紫外線波長のものが一般的に用いられている（例えば特許文献１を参照）。この方法によれば、レーザビームにより溶解されたシリコンが固化する過程で、多結晶シリコン薄膜が形成される。レーザビームにより短い時間でアモルファスシリコン薄膜が溶解されるので、基板が高温になってしまうことはない。したがって、基板を変形することなく多結晶シリコン薄膜が形成される。
【０００４】
さらに、これまでに、システム・オン・パネルの大面積化に対応すべく、アモルファスシリコン薄膜の結晶化に用いるレーザとして、高出力かつ線状のレーザビームを出力するエキシマレーザが開発されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許３３４５３６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザを用いて形成した多結晶シリコン薄膜は、照射されるレーザビームのエネルギー密度のみならず、ビームプロファイルや、膜表面の状態によって影響を受けやすい。このため、従来のレーザ光源では、結晶粒径が大きな多結晶ポリシリコン膜を大面積に均一に形成することは困難であった。
【０００７】
例えば、従来のエキシマレーザを用いて形成した多結晶シリコン膜を観察すると、ランダムに発生した核から等方的に成長した結晶粒がそれぞれ正多角形に近い形状を呈しており、結晶粒同士が衝突する結晶粒界に突起が見られる。また、粒径が１μｍに満たない小さな結晶が観察される。
【０００８】
上述のようなエキシマレーザを用いて形成した多結晶シリコン膜を用いて薄膜トランジスタを作製した場合、チャネル領域には種々の粒径の多数の結晶粒が含まれている。このため、チャネル領域となった部分の結晶粒径が大きくチャネル内に存在する粒界が少ないと電子移動度が大きくなる一方、結晶粒径が小さく粒界が少ないと電子移動度が小さくなる。このように従来の多結晶シリコン薄膜を用いた場合には、粒径等に依存して、薄膜トランジスタの特性にばらつきが生じやすいという難点が存在していた。さらに、結晶粒界には欠陥が多いため、チャネル内に粒界が存在することにより、薄膜トランジスタの特性が劣化してしまうということもある。このような従来の多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度は、１５０ｃｍ²／Ｖｓ程度と極めて低かった。
【０００９】
本発明の目的は、結晶粒径が大きく高い電子移動度を実現しうる半導体薄膜を高いスループットで形成しうる半導体薄膜の結晶化装置及び方法、並びにその半導体薄膜を用いることにより、高速駆動が可能な薄膜トランジスタを効率よく製造しうる薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基板上に形成された半導体薄膜にレーザビームを照射することにより、前記半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の結晶化装置であって、連続波発振する半導体励起の固体レーザと、連続波発振する気体レーザと、前記固体レーザから出力される第１のレーザビームと前記気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを出力するレーザビーム合成手段とを有するレーザ光源と、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化する制御手段とを有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置により達成される。
【００１２】
また、上記目的は、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを生成し、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化し、前記第３のレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法により達成される。
【００１３】
また、上記目的は、基板上に半導体薄膜を形成する工程と、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成してなる第３のレーザビームを前記半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化する工程と、結晶化された前記半導体薄膜をパターニングしてチャネル層を形成する工程とを有し、前記半導体薄膜を結晶化する工程では、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法により達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体薄膜の結晶化装置及び半導体薄膜の結晶化方法について図１乃至図４を用いて説明する。図１は本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置の構成を示す概略図、図２は本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置におけるレーザ光源部の構成を示す概略図、図３は結晶化前にパターニングされた半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図、図４は結晶化された半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【００１５】
まず、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置について図１及び図２を用いて説明する。
【００１６】
図１に示すように、チャンバー１０内に、ステージ１２が設けられている。ステージ上には、結晶化すべき半導体薄膜１４が形成された基板１６が載置されている。チャンバー１０には、チャンバー内に置換ガスを導入するための配管１８と、チャンバー１０内を減圧するための真空ポンプ２０とが接続されている。
【００１７】
チャンバー１０近傍には、ミラー２２を介して基板１６にレーザビームを照射するレーザ光源部２４が設けられている。
【００１８】
レーザ光源部２４は、図２に示すように、ＬＤ（Laser Diode）を励起光源とするいわゆる半導体励起の連続波（ＣＷ：Continuous Wave）発振する固体レーザ２６と、連続波発振する気体レーザ２８とを有している。
【００１９】
気体レーザ２８から出力されるレーザビームの光路上には、固体レーザ２６から出力されるレーザビームと、気体レーザ２８から出力されるレーザビームとを合成する光合成手段としてのビームスプリッタ３０が設けられている。ビームスプリッタ３０により合成されたレーザビームの光路上には、チャンバー１０内の基板１６へレーザビームを導く図１に示すミラー２２が設けられている。
【００２０】
固体レーザ２６から出力されるレーザビームの光路上には、固体レーザ２６から出力されるレーザビームを所定の方向に偏光するための偏光フィルタ３２と、偏光フィルタ３２を透過したレーザビームをビームスプリッタ３０に導くミラー３４とが設けられている。
【００２１】
ビームスプリッタ３０により合成されたレーザビームの光路上には、レーザビームの一部を分岐する半透過ミラー３６が設けられている。半透過ミラー３６により分岐されたレーザビームの光路上には、レーザビームの出力を検出するパワーメータ３８が設けられている。パワーメータ２８には、パワーメータ３８の検出結果に基づき固体レーザ２６の出力を調整する電源４０が接続されている。
【００２２】
こうして、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置が構成されている。
【００２３】
次に、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置の構成要素について詳述する。
【００２４】
チャンバー１０は、例えばその内部が減圧可能な真空チャンバーである。チャンバー１０の少なくともレーザビームが入射される部分は、レーザビームを透過する材質よりなり、例えばレーザビームが入射される部分にレーザビームを透過する材料よりなる入射窓が設けられている。
【００２５】
半導体薄膜１４の結晶化を行う際には、チャンバー１０内は、真空ポンプ２０により所定の圧力に減圧される。或いは、配管１８から窒素、酸素、アルゴン、水素等の置換ガスが導入され、チャンバー１０内の気体が所定の置換ガスで置換された状態で半導体薄膜１４の結晶化が行われる。または、所定の置換ガスでチャンバー１０内を置換することなく、大気下で半導体薄膜１４の結晶化が行われる。置換ガス雰囲気又は大気雰囲気下で半導体薄膜１４の結晶化を行う場合は、チャンバー１４は、必ずしも減圧可能な真空チャンバーである必要はない。
【００２６】
チャンバー１０内に設けられたステージ１２上には、アモルファスシリコン膜等の結晶化すべき半導体薄膜１４が形成された基板１６が載置される。ステージ１２は、ｘｙ方向に移動することができ、また、所定の水平面内角度に傾斜することができる。これにより、レーザビームが照射される半導体薄膜１４の位置及び角度を適宜設定することができる。
【００２７】
レーザ光源部２４における固体レーザ２６及び気体レーザ２８は、次のような特徴を有するものである。
【００２８】
連続波発振する固体レーザ２６は、気体レーザ２８に比べてエネルギー安定性が高い。また、ＬＤを励起光源とするいわゆる半導体励起であるために、気体レーザ２８に比べて出力の応答速度が速い。固体レーザ２６としては、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＩＤレーザ等を用いることができる。これらのレーザビームの波長は、結晶化を行う半導体薄膜１４の吸収帯域に応じて設定される。例えば半導体薄膜１４としてアモルファスシリコン膜の結晶化を行う場合、レーザビームは、波長３００〜５５０ｎｍの範囲内、例えば波長５３２ｎｍの第２高調波に設定することができる。
【００２９】
なお、固体レーザ２６の偏光方向は、所定の偏光フィルタ３２を用いることにより設定することができる。
【００３０】
一方、連続波発振する気体レーザ２８は、固体レーザ２８に比べてエネルギー安定性は低いが、固体レーザ２８に比べて高出力を得ることができる。気体レーザ２８としては、例えば、波長４５７．９〜５１４．５ｎｍ、出力２５Ｗのアルゴンレーザを用いることができる。なお、出力は２５Ｗに限定されるものではなく、高出力の気体レーザ２８を用いるほど、より効率的に半導体薄膜１４の結晶化を行うことができる。
【００３１】
レーザ光源部２４は、上記の固体レーザ２６と気体レーザ２８とからそれぞれ出力されるレーザビームを、ビームスプリッタ３０を介して合成する。ビームスプリッタ３０を介したレーザビームの合成は、両レーザビームの偏波方向の差を利用するものである。こうして合成されたレーザビームは、半導体薄膜１４に照射するレーザビームとして出力される。なお、レーザビームの合成に用いる合成光学系には、ビームスプリッタ３０を用いた偏波方向の差を利用するもののみならず、種々の光学系を用いることができる。
【００３２】
また、レーザ光源部２４は、ビームスプリッタ３０を介して合成されたレーザビームの形状を所定の形状に成形することができる。例えば、レーザビームの形状をライン状に成形することができる。この場合、例えばシリンドリカルレンズ２枚を利用して擬線ビームを形成する。
【００３３】
パワーメータ３８は、半透過ミラー３６を介して、上述のようにして合成されたレーザビームの出力を検出する。パワーメータ３８に接続された電源４０は、パワーメータ３８の検出結果に基づき、合成されたレーザビームの出力が安定するように、固体レーザ２６の出力を調整する。例えば、固体レーザ２６として出力１０Ｗ、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを用い、気体レーザ２８として出力２５Ｗのアルゴンレーザを用いた場合、合成されたレーザビームの出力を３３Ｗ±０．１Ｗとすることが可能であり、極めて高いエネルギー安定性を得ることができる。
【００３４】
このように、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置は、エネルギー安定性が高い連続波発振の固体レーザ２６と、高出力が得られるがエネルギー安定性の低い連続波発振の気体レーザ２８とからそれぞれ出力されるレーザビームを、ビームスプリッタ３０を介して合成し、合成されたレーザビームを半導体薄膜１４に照射するレーザ光源部２４を有することに主たる特徴がある。
【００３５】
エネルギー安定性が高い固体レーザ２６により、気体レーザ３８の低いエネルギー安定性を補償するとともに、気体レーザ３８により高い出力を得ることが可能となる。これにより、高いエネルギー安定性を有する高出力のレーザビームを、半導体薄膜１４の結晶化に用いることができる。
【００３６】
さらに、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置は、合成されたレーザビームの出力を検出するパワーメータ３８と、パワーメータ３８の検出結果に基づき半導体励起の固体レーザ２６の出力を調整する電源４０とを有することにも特徴がある。パワーメータ３８による検出結果に基づき、出力の応答速度が速い半導体励起の固体レーザ２６の出力を調整するので、合成されたレーザビームの出力を常時安定に保つことができる。
【００３７】
こうして、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置によれば、高いエネルギー安定性を有する高出力のレーザビームを半導体薄膜の結晶化に用いることができるので、従来のエキシマレーザによる結晶化の場合と比較して、結晶化された半導体薄膜１４の結晶粒径を大きくすることができる。例えば、結晶粒径を１０〜１００倍の大きさにすることができる。また、そのような結晶粒径の大きな半導体薄膜１４を高スループットで形成することができる。
【００３８】
半導体薄膜１４の結晶粒径を大きくすることができるので、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置により結晶化された半導体薄膜を薄膜トランジスタのチャネル層に用いることにより、高い電子移動度を有する薄膜トランジスタを実現することができる。
【００３９】
次に、本実施形態による半導体薄膜の結晶化方法について図１乃至図４を用いて説明する。
【００４０】
まず、チャンバー１０内のステージ１２上に、結晶化すべき半導体薄膜１４が形成された基板１６を載置する。
【００４１】
基板１０としては、例えば、ＮＡ３５ガラス等の無アルカリガラス、石英ガラス、セラミックス、プラスチック等よりなる非晶質基板を用いることができる。また、単結晶基板を用いることもできる。
【００４２】
結晶化すべき半導体薄膜１４は、例えば、シリコン膜、シリコンゲルマニウム膜等のシリコンを含む化合物よりなる膜である。そのほか、ゲルマニウム膜等であってもよい。シリコン膜は、アモルファスシリコン膜のみならず、多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜であってもよい。
【００４３】
なお、半導体薄膜１４の膜厚は、基板１６の破壊を防止するため、２００ｎｍ以下であることが好ましい。一方、半導体薄膜１４が薄すぎるとレーザビームが十分に吸収されず、結晶化が困難となる場合がある。このため、半導体薄膜１４の膜厚は、４０ｎｍ以上であることが好ましい。また、半導体薄膜１４は、例えばシリコン酸化膜等の他の膜を介して基板１０上に形成されていてもよい。
【００４４】
ここで、結晶化に先立ち、半導体薄膜１４を、必要に応じて、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状にパターニングし、パターン部分の間に半導体薄膜１４が形成されていない領域を設けておいてもよい。
【００４５】
例えば、結晶化された半導体薄膜１４をシステム・オン・パネルの周辺回路領域に形成する薄膜トランジスタのチャネル層に用いる場合、図３に示すように、半導体薄膜１４よりなる角の丸められた長方形状パターン部分４２が配列された状態にパターニングしてもよい。半導体薄膜１４の各長方形状パターン部分４２の間は、半導体薄膜１４が除去され、半導体薄膜１４の下地の層が露出している。
【００４６】
このように、半導体薄膜１４を所定の形状にパターニングして半導体薄膜１４が形成されていない領域を基板１６上に設けることにより、レーザビームを吸収する半導体薄膜１４の面積が少なくなる。この結果、基板１６の熱負荷を低減することができ、基板１６の熱変形を確実に抑制することができる。
【００４７】
次いで、レーザ光源部２４おいて、固体レーザ２６及び気体レーザ２８の駆動を開始する。
【００４８】
次いで、連続波発振する半導体励起の固体レーザ２６と、連続波発振する気体レーザ２８とからそれぞれ出力されるレーザビームを、ビームスプリッタ３０を介して合成する。続いて、合成したレーザビームを、ミラー２２を介してチャンバー１０内の基板１６に照射する。ここで、照射するレーザビームの形状は、例えばライン状等の所定の形状に成形する。
【００４９】
なお、図１では、基板１６の半導体薄膜１４が形成されている表面側から照射する場合を示しているが、基板１６の半導体薄膜１４が形成されていない裏面側からレーザビームを照射してもよい。なお、裏面側から照射する場合には、基板１６がレーザビームを透過する材料よりなるものである必要がある。
【００５０】
続いて、基板１６へのレーザビームの照射とともにステージ１２を駆動することにより、基板１６に照射するレーザビームを走査させる。
【００５１】
例えば、図３に示す長方形状にパターニングされた半導体薄膜１４の場合には、照射するレーザビームの形状をライン状に成形する。そして、ライン状のレーザビームの長軸方向と、長方形状パターン部分４２の長軸方向とがほぼ直交するようにレーザビームを照射する。この状態で、ライン状のレーザビームを、長方形状パターン部分４２の長軸方向に沿ってレーザビームを走査させる。
【００５２】
レーザ光源部２４において合成されたレーザビームを基板１６に照射する間、パワーメータ３８により、合成されたレーザビームの出力を検出する。その検出結果に基づき、合成されたレーザビームのエネルギーが安定するように、固体レーザ２６の出力を調整する。
【００５３】
以上のようにして、レーザビームを照射することにより、基板１６上の半導体薄膜１４が結晶化される。
【００５４】
図４は、上述のようにして、図３に示す半導体薄膜１４にレーザビームを照射することにより結晶化された半導体薄膜１４の光学顕微鏡写真を示す図である。レーザビームの走査方向に沿って、光学顕微鏡により観察される程度の大きさの結晶が成長していることが分かる。これは、従来のエキシマレーザ等を用いた結晶化方法により得られる結晶と比較して、１０〜１００倍大きなものである。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、連続波発振する半導体励起の固体レーザ２６から出力されるレーザビームと連続波発振する気体レーザ２８から出力されるレーザビームとを合成するので、半導体薄膜１４を結晶化するためのレーザビームとして、高い安定性を有する高出力のレーザビームを用いることができる。これにより、従来の結晶化方法による場合と比較して、結晶粒径の大きな半導体薄膜を高スループットで形成することができる。
【００５６】
また、パワーメータにより合成されたレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づき、出力の応答速度が速い半導体励起の固体レーザ２６の出力を調整するので、結晶化に用いるレーザビームの出力を常時安定に保つことができる。
【００５７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法について図５乃至図９を用いて説明する。図５及び図７乃至図９は本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図、図６はパターニングされた多結晶シリコン膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【００５８】
本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法は、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法によりアモルファスシリコン膜を結晶化して得られる多結晶シリコン薄膜を薄膜トランジスタのチャネル層として用いることに主な特徴がある。なお、本実施形態では、システム・オン・パネルの周辺回路領域に薄膜トランジスタを形成する場合を例に説明する。
【００５９】
まず、例えばＮＡ３５ガラスよりなるガラス基板４６上に、例えばＰＥＣＶＤ法により、膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜よりなるバッファ層４８を形成する。なお、バッファ層４８は、ＬＰ（Low Pressure、減圧）ＣＶＤ法、スパッタ法等を用いて形成してもよい。また、バッファ層４８は、シリコン酸化膜よりなるものに限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜とシリコン酸化窒化膜との積層膜をバッファ層４８として形成してもよい。
【００６０】
次いで、バッファ層４８上に、例えばＰＥＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition、プラズマ化学気相堆積）法により、膜厚７５ｎｍのアモルファスシリコン膜５０を形成する（図５（ａ）を参照）。
【００６１】
次いで、アモルファスシリコン膜５０を形成したガラス基板４６に対して、脱水素処理を目的として、例えば４５０℃、２時間の熱処理を行う。なお、熱処理のみならず、アモルファスシリコン膜５０にレーザビームを低エネルギー側から徐々に増加させながら多数回照射することにより、脱水素処理を行ってもよい。
【００６２】
次いで、フォトリソグラフィ技術を用い、アモルファスシリコン膜５０をパターニングする。これにより、アモルファスシリコン膜５０を、所定の形状のパターン部分が配列された状態とする。例えば、第１実施形態における図３に示すように、アモルファスシリコン膜５０よりなる角の丸められた複数の長方形状パターン部分４２を形成する。図中に示すように、長方形状パターン部分４２のサイズは、例えば幅５０μｍ、長さ２００μｍとする。各長方形状パターン部分４２間の間隔は、例えば５μｍとする。これにより、各長方形状パターン部分４２の間に、アモルファスシリコン膜５０が除去された領域が形成される。このようにアモルファスシリコン膜５０をパターニングすることにより、アモルファスシリコン膜５０にレーザビームを照射して結晶化する際に、ガラス基板４６に対する熱負荷を低減することができる。これにより、ガラス基板４６の熱変形を抑制することができる。
【００６３】
なお、アモルファスシリコン膜５０をパターニングする形状は、図３に示すような擬長方形に限定されるものではなく、適宜所定の形状にパターニングすることができる。
【００６４】
また、ガラス基板４６には、アモルファスシリコン膜５０等により、位置合わせ用のマーカーを形成しておいてもよい。マーカーを形成しておくことで、以下に述べる第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法において、レーザビームを正確に照射することが可能となる。
【００６５】
次いで、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により、アモルファスシリコン膜５０を結晶化して多結晶シリコン薄膜５２を形成する（図５（ｂ）を参照）。アモルファスシリコン膜５０の結晶化の条件等は、以下のように設定することができる。
【００６６】
固体レーザ２６としては、例えば、波長５３２ｎｍ、出力１０ＷのＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザを用いる。この波長５３２ｎｍは、アモルファスシリコン膜５０の吸収帯域に含まれる波長である。
【００６７】
また、気体レーザ２８としては、例えば、波長４５７．９〜５１４．５ｎｍ、出力２５Ｗのアルゴンレーザを用いる。
【００６８】
なお、上記固体レーザ２６及び気体レーザ２８の波長５３２ｎｍ、４５７．９〜５１４．５ｎｍは、ともにアモルファスシリコン膜５０の吸収帯域に合わせて設定したものである。レーザの波長は、結晶化すべきアモルファスシリコン膜５０の吸収帯域に含まれる波長であればこれらに限定されるものではない。例えば、合波されてアモルファスシリコン膜５０に照射されるレーザビームの波長が、３００〜５５０ｎｍの範囲内にあればよい。
【００６９】
アモルファスシリコン膜５０に照射するレーザビームの形状は、例えば８００μｍ×２０μｍのライン状に成形する。
【００７０】
レーザビームのガラス基板４６への照射は、ライン状に成形されたレーザビームの長軸方向と、長方形状パターン部分４２の長軸方向とがほぼ直交するように行う。この状態で、ガラス基板４６が載置されたステージ１２を駆動することにより、ライン状のレーザビームを、アモルファスシリコン膜５０よりなる長方形状パターン部分４２の長軸方向に沿ってレーザビームを走査させる。走査速度は、例えば２０ｃｍ／ｓとする。このレーザビームの走査方向は、後述するように、薄膜トランジスタのチャネル層の電流経路に沿ったものとなる。なお、ステージ１２を駆動せずに、レーザビーム自体を動かすことにより、長方形状パターン部分４２の長軸方向に沿ってレーザビームを走査させてもよい。
【００７１】
ガラス基板４６にレーザビームを照射する間、パワーメータ３８によりレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づき、照射するレーザビームの出力が安定するように、固体レーザ２６の出力を調整する。これにより、ガラス基板４６に照射するレーザビームの安定性を、例えば、ノイズで＜０．１ｒｍｓ％、出力で＜±１％／ｈと極めて高いものにすることができる。
【００７２】
こうして、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により、長方形状パターン部分４２のアモルファスシリコン膜５０は結晶化され、多結晶シリコン膜５２となる。ここで、得られた多結晶シリコン膜５２では、第１実施形態における図４に示すように、矩形状パターン部分４２の中央付近に、レーザビームの走査方向に長い結晶が成長している。一方、矩形状パターン部分４２の周辺部には、中央付近と比較して小さな結晶が成長している。
【００７３】
次いで、フォトリソグラフィ技術により、多結晶シリコン膜５２の長方形状パターン部分４２をパターンニングし、多結晶シリコン膜５２よりなるチャネル層５４を形成する。（図５（ｃ）を参照）。なお、本願明細書では、便宜上、薄膜トランジスタのチャネル領域のほかにソース／ドレイン拡散層が含まれる半導体層をチャネル層と呼ぶ。
【００７４】
チャネル層５４の平面形状は、例えば図６に示すように、所定の間隔で配置され、ソース／ドレイン拡散層が形成される２つの四角形状パターン部分５５ａと、２つの四角形状パターン５５ａ間を接続し、チャネル領域が形成されるライン状パターン部分５５ｂとからなるものとする。なお、図５（ｃ）の断面図は、図６のＡ−Ａ′線断面に対応している。また、この場合、図３に示す長方形状パターン部分４２の長軸方向の中心軸上に、ライン状パターン部分５５ｂが位置するようにする。
【００７５】
すなわち、長方形状パターン部分４２のレーザビームが走査された方向に沿って、チャネル層５４に電流が流れることとなる。ここで、長方形状パターン部分４２の中央付近の多結晶シリコン膜５２には、周辺部分と比較して粒径が大きく、また、レーザビームの走査方向に長い結晶が成長している。このため、長方形状パターン部分４２の長軸方向の中心軸上にライン状パターン部分５５ｂが位置するように多結晶シリコン膜５２をパターニングすることにより、より高い電子移動度を得ることが可能となる。
【００７６】
なお、一つの長方形状パターン部分４２に形成するチャネル層５４の数は一つに限定されるものではなく、形成すべき薄膜トランジスタの数等に応じて、複数のチャネル層５４を形成することができる。また、チャネル層５４の平面形状は図６に示す形状に限定されるものではなく、適宜所定の形状にパターニングすることができる。
【００７７】
ここで、アモルファスシリコン膜５０の結晶化後に、多結晶シリコン膜５２をパターニングしてチャネル層５４を形成しているのは次のような理由による。すなわち、アモルファスシリコン膜５０を直接図６に示すような形状にパターニングし、その後にアモルファスシリコン膜５０を結晶化したのでは、パターンが微細であるために粒径の大きな結晶の成長が困難となる可能性があるためである。上述のように、アモルファスシリコン膜５０の結晶化後のパターニングによりチャネル層５４を形成することで、結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜５２よりなるチャネル層５４を確実に得ることができる。
【００７８】
次いで、全面に、例えばＰＥＣＶＤ法により、膜厚２００ｎｍのシリコン酸化膜よりなるゲート酸化膜５６を形成する（図５（ｄ）を参照）。なお、ゲート酸化膜５６は、ＬＰ（Low Pressure、減圧）ＣＶＤ法、スパッタ法等を用いて形成してもよい。
【００７９】
次いで、全面に、スパッタ法により、膜厚３００ｎｍのアルミニウム層５８を形成する（図７（ａ）を参照）。
【００８０】
次いで、フォトリソグラフィ技術を用い、アルミニウム層５８をゲート電極６０の形状にパターニングする（図７（ｂ）を参照）。
【００８１】
次に、ゲート電極６０に自己整合でゲート酸化膜５６をエッチングする（図７（ｃ）を参照）。
【００８２】
次いで、ゲート電極６０に自己整合で、チャネル層５４に不純物イオンを注入する。（図７（ｄ）を参照）。不純物としては、例えばリンを用いることができる。
【００８３】
次いで、エキシマレーザにより、ガラス基板１０上からレーザビームを照射し、チャネル層５４に導入された不純物を活性化する。こうしてゲート電極６０に自己整合でソース／ドレイン拡散層６２を形成する（図８（ａ）を参照）。なお、不純物の活性化は、エキシマレーザによるもののほか、ランプ等を用いた熱処理、熱アニール等によって行ってもよい。
【００８４】
次いで、全面に、膜厚３００ｎｍのＳｉＮ膜よりなる層間絶縁膜６４を形成する（図８（ｂ）を参照）。
【００８５】
次いで、層間絶縁膜６４に、ソース／ドレイン拡散層６２、ゲート電極６０に達するコンタクトホール６６をそれぞれ形成する（図９（ａ）を参照）。
【００８６】
次いで、全面に、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜、膜厚２００ｎｍのＡｌ膜、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜が積層されてなる導電層を形成する。
【００８７】
次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて導電層をパターニングし、これにより導電層よりなるゲート電極６８ａ及びソース／ドレイン電極６８ｂを形成する（図９（ｂ）を参照）。
【００８８】
こうして、薄膜トランジスタが製造される。
【００８９】
（評価結果）
次に、本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により製造された薄膜トランジスタのゲート電圧Ｖ_Gに対する電子移動度及び対応するドレイン電流Ｉ_Dを測定した。測定は、ｎチャネル、ｐチャネルの薄膜トランジスタのそれぞれについて行った。図１０は、測定結果を示すグラフである。なお、ドレイン電流Ｉ_Dの測定結果を実線のグラフで示し、電子移動度の測定結果を点線のグラフで示している。また、ｎチャネルの測定結果のグラフには、「ｎ−ｃｈ」を付し、ｐチャネルの測定結果のグラフには、「ｐ−ｃｈ」を付している。
【００９０】
この結果、本実施形態によれば、ｎチャネル、ｐチャネルの薄膜トランジスタのいずれについても、高い電子移動度を得ることができた。電子移動度は、ｎチャネルの薄膜トランジスタで最大約５００ｃｍ²／Ｖｓ、ｐチャネルの薄膜トランジスタで最大約２００ｃｍ²／Ｖｓと非常に高い値であった。
【００９１】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により得られる結晶粒径の大きい多結晶シリコン薄膜をチャネル層として用いるので、電子移動度が高く、高速駆動が可能な薄膜トランジスタを高スループットで製造することができる。
【００９２】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９３】
例えば、上記実施形態では、１つのレーザ光源部２４を有する半導体薄膜の結晶化装置の場合について説明したが、半導体薄膜の結晶化装置は、複数のレーザ光源２４を有していてもよい。複数のレーザ光源部２４により、半導体薄膜が大面積の基板上に形成されている場合であっても、効率的に半導体薄膜を結晶化することができる。
【００９４】
また、第２実施形態では、システム・オン・パネルの周辺回路領域に薄膜トランジスタを形成する場合を例に説明したが、本発明は、あらゆる用途の薄膜トランジスタに適用することができる。
【００９５】
また、第２実施形態では、アモルファスシリコン膜５０を結晶化して薄膜トランジスタに用いる場合を例に説明したが、アモルファスシリコン膜５０にかえて、多結晶シリコン膜、又は微結晶シリコン膜等のシリコン膜を結晶化してもよい。多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜の場合には、本発明を適用することにより再結晶化され、より結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜を得ることができる。また、これらシリコン膜のみならず、本発明により結晶化しうる種々の半導体薄膜を薄膜トランジスタに用いることができる。
【００９６】
（付記１）基板上に形成された半導体薄膜にレーザビームを照射することにより、前記半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の結晶化装置であって、連続波発振する半導体励起の固体レーザと、連続波発振する気体レーザと、前記固体レーザから出力される第１のレーザビームと前記気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを出力するレーザビーム合成手段とを有するレーザ光源を有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【００９７】
（付記２）付記１記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化する制御手段を更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【００９８】
（付記３）付記１又は２記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記気体レーザの出力は、前記固体レーザの出力よりも大きいことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【００９９】
（付記４）付記１乃至３のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第３のレーザビームの形状を、ライン状に成形するレーザビーム成形手段を更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１００】
（付記５）付記１乃至４のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記基板を収容するチャンバーを更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０１】
（付記６）付記５記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記チャンバーは、その内部が減圧可能な真空チャンバーであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０２】
（付記７）付記５又は６記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記チャンバーの内部を所定のガスで置換するガス置換手段を更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０３】
（付記８）付記１乃至７のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、複数の前記レーザ光源を有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０４】
（付記９）付記１乃至８のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第３のレーザビームの波長は、３００〜５５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０５】
（付記１０）付記１乃至９のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記固体レーザは、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、又はＮｄ：ＹＩＤレーザであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０６】
（付記１１）付記１０記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第１のレーザビームは、前記固体レーザの第２高調波であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０７】
（付記１２）付記１乃至１１のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第１のレーザビームの波長は、５３２ｎｍであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０８】
（付記１３）付記１乃至１２のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記気体レーザは、アルゴンレーザであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０９】
（付記１４）付記１乃至１３のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記半導体薄膜の膜厚は、４０〜２００ｎｍの範囲内であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１１０】
（付記１５）付記１乃至１４のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記半導体薄膜は、シリコン又はシリコンを含む化合物よりなる膜であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１１１】
（付記１６）連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを生成し、前記第３のレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１２】
（付記１７）付記１６記載の半導体薄膜の結晶化方法において、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１３】
（付記１８）付記１６又は１７記載の半導体薄膜の結晶化方法において、前記第３のレーザビームの形状を、ライン状に成形することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１４】
（付記１９）請求項１６乃至１８のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法において、前記半導体薄膜は、所定形状にパターニングされていることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１５】
（付記２０）基板上に半導体薄膜を形成する工程と、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成してなる第３のレーザビームを前記半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化する工程と、結晶化された前記半導体薄膜をパターニングしてチャネル層を形成する工程とを有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１６】
（付記２１）付記２０記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程の前に、前記半導体薄膜を、前記チャネル層の形成領域を含む所定形状にパターニングする工程を更に有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１７】
（付記２２）付記２１記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜をパターニングする工程では、前記半導体薄膜を擬長方形状にパターニングすることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１８】
（付記２３）付記２２記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程では、前記第３のレーザビームを前記長方形状の長軸方向に沿って走査することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１９】
（付記２４）付記２３記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程では、前記第３のレーザビームの形状をライン状に成形し、前記長方形状の長軸方向に対して、ライン状の前記第３のレーザビームがほぼ垂直になるように、前記第３のレーザビームを照射することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１２０】
（付記２５）付記２３又は２４記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程では、前記チャネル層の電流経路に沿って、前記第３のレーザビームを走査することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１２１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力されるレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力されるレーザビームとを合成し、合成されたレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射して半導体薄膜を結晶化するので、高いエネルギー安定性を有する高出力のレーザビームを半導体薄膜の結晶化に用いることができる。したがって、結晶粒径が大きく、高い電子移動度を得ることができる半導体薄膜を高スループットで形成することができる。
【０１２２】
また、本発明によれば、結晶粒径の大きい半導体薄膜をチャネル層として用いることができるので、高い電子移動度を有する薄膜トランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体薄膜の結晶化装置の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態における半導体薄膜の結晶化装置におけるレーザ光源部の構造を示す概略図である。
【図３】パターニングされた半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【図４】本実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により結晶化された半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図６】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法においてパターニングされた多結晶シリコン膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図８】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図９】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図１０】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により製造された薄膜トランジスタの電子移動度の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…チャンバー
１２…ステージ
１４…半導体薄膜
１６…基板
１８…配管
２０…真空ポンプ
２２…ミラー
２４…レーザ光源部
２６…固体レーザ
２８…気体レーザ
３０…ビームスプリッタ
３２…偏光フィルタ
３４…ミラー
３６…半透過ミラー
３８…パワーメータ
４０…電源
４２…長方形状パターン部分
４６…ガラス基板
４８…バッファ層
５０…アモルファスシリコン膜
５２…多結晶シリコン膜
５４…チャネル層
５５ａ…四角形状パターン部分
５５ｂ…ライン状パターン部分
５６…ゲート酸化膜
５８…アルミニウム層
６０…ゲート電極
６２…ソース／ドレイン拡散層
６４…層間絶縁膜
６６…コンタクトホール
６８ａ…ゲート電極
６８ｂ…ソース／ドレイン電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor thin film crystallization apparatus and method capable of forming a semiconductor thin film having a large crystal grain size, and a method of manufacturing a thin film transistor using the semiconductor thin film.
[0002]
[Prior art]
A thin film transistor (TFT) is formed using a very thin and fine semiconductor thin film. For this reason, mounting of a thin film transistor on a large-screen liquid crystal panel or the like has been studied in response to the recent demand for a large-screen display device. In particular, application to a so-called system-on-panel having a pixel region in which a thin film transistor is formed on an amorphous substrate such as an alkali-free glass and a peripheral circuit region is expected.
[0003]
In the system on panel, a plurality of thin film transistors using a polycrystalline semiconductor thin film are formed on an amorphous substrate such as an alkali-free glass. In particular, a polycrystalline silicon thin film is used as the polycrystalline semiconductor thin film. In this case, a method of forming a polycrystalline silicon thin film by forming an amorphous silicon thin film on a substrate and irradiating the amorphous silicon thin film with a laser beam has become the mainstream. As the laser beam to be irradiated, an excimer laser with a short pulse ultraviolet wavelength is generally used (see, for example, Patent Document 1). According to this method, a polycrystalline silicon thin film is formed in the process of solidifying silicon melted by a laser beam. Since the amorphous silicon thin film is dissolved in a short time by the laser beam, the substrate does not become high temperature. Therefore, a polycrystalline silicon thin film is formed without deforming the substrate.
[0004]
Furthermore, an excimer laser that outputs a high-power and linear laser beam has been developed as a laser used for crystallization of an amorphous silicon thin film so as to cope with an increase in the area of the system-on-panel.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3345363
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, a polycrystalline silicon thin film formed using a laser is easily affected not only by the energy density of the irradiated laser beam but also by the beam profile and the state of the film surface. For this reason, it is difficult for a conventional laser light source to uniformly form a polycrystalline polysilicon film having a large crystal grain size over a large area.
[0007]
For example, when a polycrystalline silicon film formed using a conventional excimer laser is observed, crystal grains that are isotropically grown from randomly generated nuclei each have a shape close to a regular polygon. Protrusions are seen at the colliding grain boundaries. In addition, small crystals with a particle size of less than 1 μm are observed.
[0008]
In the case where a thin film transistor is manufactured using a polycrystalline silicon film formed using an excimer laser as described above, the channel region includes a large number of crystal grains having various grain sizes. For this reason, when the crystal grain size of the portion that has become the channel region is large and the number of grain boundaries existing in the channel is small, the electron mobility increases. On the other hand, when the crystal grain size is small and the grain boundaries are small, the electron mobility decreases. As described above, when the conventional polycrystalline silicon thin film is used, there is a difficulty that the characteristics of the thin film transistor are likely to vary depending on the grain size and the like. Furthermore, since there are many defects in the crystal grain boundary, the presence of the grain boundary in the channel may deteriorate the characteristics of the thin film transistor. The electron mobility of a thin film transistor using such a conventional polycrystalline silicon thin film is 150 cm. ² / Vs was very low.
[0009]
An object of the present invention is to provide a semiconductor thin film crystallization apparatus and method capable of forming a semiconductor thin film having a large crystal grain size and high electron mobility at a high throughput, and to enable high-speed driving by using the semiconductor thin film. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thin film transistor that can efficiently manufacture a thin film transistor.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is a semiconductor thin film crystallization apparatus for crystallizing the semiconductor thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser beam. A gas laser that oscillates, and a laser beam combining unit that combines a first laser beam output from the solid-state laser and a second laser beam output from the gas laser to output a third laser beam; Laser light source having And a control means for stabilizing the output of the third laser beam by detecting the output of the third laser beam and adjusting the output of the solid-state laser based on the detection result. It is achieved by a semiconductor thin film crystallization apparatus characterized by comprising:
[0012]
Another object of the present invention is to synthesize a first laser beam output from a semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously and a second laser beam output from a gas laser that oscillates continuously to generate a third laser beam. Produces By detecting the output of the third laser beam and adjusting the output of the solid-state laser based on the detection result, the output of the third laser beam is stabilized, This is achieved by a method for crystallizing a semiconductor thin film characterized by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with the third laser beam to crystallize the semiconductor thin film.
[0013]
In addition, the object is to form a semiconductor thin film on a substrate, a first laser beam output from a semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously, and a second laser that is output from a gas laser that oscillates continuously. A step of irradiating the semiconductor thin film with a third laser beam synthesized with a beam to crystallize the semiconductor thin film, and a step of patterning the crystallized semiconductor thin film to form a channel layer. And in the step of crystallizing the semiconductor thin film, the output of the third laser beam is detected by detecting the output of the third laser beam and adjusting the output of the solid-state laser based on the detection result. Stabilize This is achieved by a method for manufacturing a thin film transistor.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
A semiconductor thin film crystallization apparatus and a semiconductor thin film crystallization method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the laser light source unit in the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing an optical micrograph of the semiconductor thin film patterned, and FIG. 4 is a diagram showing an optical micrograph of the crystallized semiconductor thin film.
[0015]
First, the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0016]
As shown in FIG. 1, a stage 12 is provided in the chamber 10. A substrate 16 on which a semiconductor thin film 14 to be crystallized is formed is placed on the stage. Connected to the chamber 10 are a pipe 18 for introducing a replacement gas into the chamber and a vacuum pump 20 for reducing the pressure in the chamber 10.
[0017]
In the vicinity of the chamber 10, a laser light source unit 24 for irradiating the substrate 16 with a laser beam via a mirror 22 is provided.
[0018]
As shown in FIG. 2, the laser light source unit 24 includes a solid-state laser 26 that emits a so-called semiconductor-excited continuous wave (CW) using an LD (Laser Diode) as an excitation light source, and a gas laser 28 that oscillates continuously. have.
[0019]
On the optical path of the laser beam output from the gas laser 28, a beam splitter 30 is provided as light combining means for combining the laser beam output from the solid-state laser 26 and the laser beam output from the gas laser 28. Yes. On the optical path of the laser beam synthesized by the beam splitter 30, a mirror 22 shown in FIG. 1 for guiding the laser beam to the substrate 16 in the chamber 10 is provided.
[0020]
On the optical path of the laser beam output from the solid-state laser 26, a polarization filter 32 for polarizing the laser beam output from the solid-state laser 26 in a predetermined direction, and the laser beam transmitted through the polarization filter 32 is a beam splitter 30. And a mirror 34 for guiding to the center.
[0021]
On the optical path of the laser beam synthesized by the beam splitter 30, a semi-transmissive mirror 36 that branches a part of the laser beam is provided. On the optical path of the laser beam branched by the semi-transmissive mirror 36, a power meter 38 for detecting the output of the laser beam is provided. A power source 40 is connected to the power meter 28 for adjusting the output of the solid-state laser 26 based on the detection result of the power meter 38.
[0022]
Thus, the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment is constituted.
[0023]
Next, the components of the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment will be described in detail.
[0024]
The chamber 10 is, for example, a vacuum chamber that can be decompressed. At least a portion of the chamber 10 where the laser beam is incident is made of a material that transmits the laser beam. For example, an incident window made of a material that transmits the laser beam is provided at a portion where the laser beam is incident.
[0025]
When crystallization of the semiconductor thin film 14 is performed, the inside of the chamber 10 is depressurized to a predetermined pressure by the vacuum pump 20. Alternatively, a replacement gas such as nitrogen, oxygen, argon, or hydrogen is introduced from the pipe 18, and the semiconductor thin film 14 is crystallized while the gas in the chamber 10 is replaced with a predetermined replacement gas. Alternatively, the semiconductor thin film 14 is crystallized in the atmosphere without replacing the inside of the chamber 10 with a predetermined replacement gas. When crystallization of the semiconductor thin film 14 is performed in a replacement gas atmosphere or an air atmosphere, the chamber 14 does not necessarily need to be a vacuum chamber that can be decompressed.
[0026]
A substrate 16 on which a semiconductor thin film 14 to be crystallized such as an amorphous silicon film is formed is placed on a stage 12 provided in the chamber 10. The stage 12 can move in the xy direction, and can be inclined at a predetermined horizontal plane angle. Thereby, the position and angle of the semiconductor thin film 14 irradiated with the laser beam can be appropriately set.
[0027]
The solid-state laser 26 and the gas laser 28 in the laser light source unit 24 have the following characteristics.
[0028]
The solid-state laser 26 that oscillates continuously has higher energy stability than the gas laser 28. In addition, because of so-called semiconductor excitation using an LD as an excitation light source, output response speed is faster than that of the gas laser 28. As the solid-state laser 26, for example, Nd: YVO _Four A laser, an Nd: YAG laser, an Nd: YID laser, or the like can be used. The wavelengths of these laser beams are set according to the absorption band of the semiconductor thin film 14 to be crystallized. For example, when an amorphous silicon film is crystallized as the semiconductor thin film 14, the laser beam can be set to a second harmonic of a wavelength in the range of 300 to 550 nm, for example, a wavelength of 532 nm.
[0029]
The polarization direction of the solid-state laser 26 can be set by using a predetermined polarization filter 32.
[0030]
On the other hand, the gas laser 28 that oscillates continuously has lower energy stability than the solid-state laser 28, but can obtain a higher output than the solid-state laser 28. As the gas laser 28, for example, an argon laser having a wavelength of 457.9 to 514.5 nm and an output of 25 W can be used. The output is not limited to 25 W, and the semiconductor thin film 14 can be crystallized more efficiently as the high-power gas laser 28 is used.
[0031]
The laser light source unit 24 synthesizes the laser beams respectively output from the solid-state laser 26 and the gas laser 28 via the beam splitter 30. The synthesis of the laser beams via the beam splitter 30 utilizes the difference in the polarization direction of both laser beams. The combined laser beam is output as a laser beam for irradiating the semiconductor thin film 14. In addition, not only what utilizes the difference of the polarization direction using the beam splitter 30 but a various optical system can be used for the synthetic | combination optical system used for the synthesis | combination of a laser beam.
[0032]
In addition, the laser light source unit 24 can shape the shape of the laser beam synthesized via the beam splitter 30 into a predetermined shape. For example, the shape of the laser beam can be formed into a line shape. In this case, for example, a pseudo beam is formed using two cylindrical lenses.
[0033]
The power meter 38 detects the output of the laser beam synthesized as described above via the semi-transmissive mirror 36. The power source 40 connected to the power meter 38 adjusts the output of the solid-state laser 26 based on the detection result of the power meter 38 so that the output of the synthesized laser beam is stabilized. For example, Nd: YVO having an output of 10 W and a wavelength of 532 nm as the solid-state laser 26 _Four When a laser is used and an argon laser with an output of 25 W is used as the gas laser 28, the output of the synthesized laser beam can be 33 W ± 0.1 W, and extremely high energy stability can be obtained.
[0034]
As described above, the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment includes the continuous wave oscillation solid-state laser 26 with high energy stability and the continuous wave oscillation gas laser 28 with high output but low energy stability. The main feature is to have a laser light source unit 24 that synthesizes the output laser beams via a beam splitter 30 and irradiates the semiconductor thin film 14 with the synthesized laser beam.
[0035]
The solid-state laser 26 having high energy stability can compensate for the low energy stability of the gas laser 38 and can obtain a high output from the gas laser 38. Thereby, a high-power laser beam having high energy stability can be used for crystallization of the semiconductor thin film 14.
[0036]
Furthermore, the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment includes a power meter 38 that detects the output of the synthesized laser beam, and a power source 40 that adjusts the output of the semiconductor-excited solid-state laser 26 based on the detection result of the power meter 38. It has the feature in having. Based on the detection result by the power meter 38, the output of the semiconductor-pumped solid-state laser 26 having a high output response speed is adjusted, so that the output of the synthesized laser beam can be kept stable at all times.
[0037]
Thus, according to the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment, a high-power laser beam having high energy stability can be used for crystallization of the semiconductor thin film. In comparison, the crystal grain size of the crystallized semiconductor thin film 14 can be increased. For example, the crystal grain size can be made 10 to 100 times larger. In addition, such a semiconductor thin film 14 having a large crystal grain size can be formed with high throughput.
[0038]
Since the crystal grain size of the semiconductor thin film 14 can be increased, the thin film transistor having high electron mobility can be obtained by using the semiconductor thin film crystallized by the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present embodiment for the channel layer of the thin film transistor. Can be realized.
[0039]
Next, the semiconductor thin film crystallization method according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0040]
First, the substrate 16 on which the semiconductor thin film 14 to be crystallized is placed on the stage 12 in the chamber 10.
[0041]
As the substrate 10, for example, an amorphous substrate made of alkali-free glass such as NA35 glass, quartz glass, ceramics, plastic, or the like can be used. A single crystal substrate can also be used.
[0042]
The semiconductor thin film 14 to be crystallized is a film made of a compound containing silicon, such as a silicon film or a silicon germanium film. In addition, a germanium film or the like may be used. The silicon film may be not only an amorphous silicon film but also a polycrystalline silicon film or a microcrystalline silicon film.
[0043]
The film thickness of the semiconductor thin film 14 is preferably 200 nm or less in order to prevent the substrate 16 from being destroyed. On the other hand, if the semiconductor thin film 14 is too thin, the laser beam may not be sufficiently absorbed and crystallization may be difficult. For this reason, it is preferable that the film thickness of the semiconductor thin film 14 is 40 nm or more. The semiconductor thin film 14 may be formed on the substrate 10 via another film such as a silicon oxide film.
[0044]
Here, prior to crystallization, the semiconductor thin film 14 may be patterned into a predetermined shape by a photolithography technique or the like, if necessary, and a region where the semiconductor thin film 14 is not formed may be provided between the pattern portions. Good.
[0045]
For example, when the crystallized semiconductor thin film 14 is used as a channel layer of a thin film transistor formed in the peripheral circuit region of the system on panel, as shown in FIG. You may pattern in the state in which the part 42 was arranged. Between each rectangular pattern portion 42 of the semiconductor thin film 14, the semiconductor thin film 14 is removed, and the underlying layer of the semiconductor thin film 14 is exposed.
[0046]
Thus, by patterning the semiconductor thin film 14 into a predetermined shape and providing a region on the substrate 16 where the semiconductor thin film 14 is not formed, the area of the semiconductor thin film 14 that absorbs the laser beam is reduced. As a result, the thermal load on the substrate 16 can be reduced, and thermal deformation of the substrate 16 can be reliably suppressed.
[0047]
Next, the laser light source unit 24 starts driving the solid-state laser 26 and the gas laser 28.
[0048]
Next, laser beams respectively output from a semiconductor-excited solid-state laser 26 that oscillates continuously and a gas laser 28 that oscillates continuously are combined via a beam splitter 30. Subsequently, the combined laser beam is irradiated onto the substrate 16 in the chamber 10 through the mirror 22. Here, the shape of the laser beam to be irradiated is formed into a predetermined shape such as a line shape.
[0049]
Although FIG. 1 shows the case where irradiation is performed from the front surface side of the substrate 16 where the semiconductor thin film 14 is formed, even if the laser beam is irradiated from the back surface side of the substrate 16 where the semiconductor thin film 14 is not formed. Good. In addition, when irradiating from the back surface side, the board | substrate 16 needs to consist of a material which permeate | transmits a laser beam.
[0050]
Subsequently, by driving the stage 12 together with the irradiation of the laser beam onto the substrate 16, the laser beam irradiated onto the substrate 16 is scanned.
[0051]
For example, in the case of the semiconductor thin film 14 patterned into a rectangular shape shown in FIG. 3, the shape of the laser beam to be irradiated is formed into a line shape. Then, the laser beam is irradiated so that the major axis direction of the line-shaped laser beam and the major axis direction of the rectangular pattern portion 42 are substantially orthogonal. In this state, the line-shaped laser beam is scanned with the laser beam along the long axis direction of the rectangular pattern portion 42.
[0052]
While the laser beam synthesized by the laser light source unit 24 is irradiated onto the substrate 16, the output of the synthesized laser beam is detected by the power meter 38. Based on the detection result, the output of the solid-state laser 26 is adjusted so that the energy of the synthesized laser beam is stabilized.
[0053]
As described above, the semiconductor thin film 14 on the substrate 16 is crystallized by irradiating the laser beam.
[0054]
FIG. 4 is a view showing an optical micrograph of the semiconductor thin film 14 crystallized by irradiating the semiconductor thin film 14 shown in FIG. 3 with a laser beam as described above. It can be seen that a crystal having a size that can be observed by an optical microscope grows along the scanning direction of the laser beam. This is 10 to 100 times larger than a crystal obtained by a crystallization method using a conventional excimer laser or the like.
[0055]
As described above, according to the present embodiment, the laser beam output from the semiconductor-excited solid-state laser 26 that oscillates continuously and the laser beam that is output from the gas laser 28 that oscillates continuously are combined. A high-power laser beam having high stability can be used as the laser beam for crystallizing the crystal. As a result, a semiconductor thin film having a large crystal grain size can be formed with high throughput as compared with the case of the conventional crystallization method.
[0056]
Further, the output of the laser beam synthesized by the power meter is detected, and the output of the semiconductor-excited solid-state laser 26 having a high output response speed is adjusted based on the detection result. It can be kept stable at all times.
[0057]
[Second Embodiment]
A method of manufacturing a thin film transistor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 7 to 9 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the thin film transistor according to the present embodiment, and FIG. 6 is a view illustrating an optical micrograph of the patterned polycrystalline silicon film.
[0058]
The thin film transistor manufacturing method according to the present embodiment is mainly characterized in that a polycrystalline silicon thin film obtained by crystallizing an amorphous silicon film by the semiconductor thin film crystallization method according to the first embodiment is used as a channel layer of the thin film transistor. In this embodiment, a case where a thin film transistor is formed in the peripheral circuit region of the system-on-panel will be described as an example.
[0059]
First, a buffer layer 48 made of a silicon oxide film having a thickness of 400 nm is formed on a glass substrate 46 made of NA35 glass, for example, by PECVD, for example. The buffer layer 48 may be formed using LP (Low Pressure, Low Pressure) CVD, sputtering, or the like. The buffer layer 48 is not limited to a silicon oxide film, and for example, a laminated film of a silicon oxide film and a silicon oxynitride film may be formed as the buffer layer 48.
[0060]
Next, an amorphous silicon film 50 having a film thickness of 75 nm is formed on the buffer layer 48 by, for example, PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) (see FIG. 5A).
[0061]
Next, heat treatment is performed on the glass substrate 46 on which the amorphous silicon film 50 is formed, for example, at 450 ° C. for 2 hours for the purpose of dehydrogenation treatment. In addition to the heat treatment, the dehydrogenation treatment may be performed by irradiating the amorphous silicon film 50 with the laser beam many times while gradually increasing from the low energy side.
[0062]
Next, the amorphous silicon film 50 is patterned by using a photolithography technique. As a result, the amorphous silicon film 50 is in a state in which pattern portions having a predetermined shape are arranged. For example, as shown in FIG. 3 in the first embodiment, a plurality of rectangular pattern portions 42 with rounded corners made of the amorphous silicon film 50 are formed. As shown in the figure, the size of the rectangular pattern portion 42 is, for example, 50 μm wide and 200 μm long. The interval between the rectangular pattern portions 42 is, for example, 5 μm. Thereby, a region from which the amorphous silicon film 50 is removed is formed between the rectangular pattern portions 42. By patterning the amorphous silicon film 50 in this manner, the thermal load on the glass substrate 46 can be reduced when the amorphous silicon film 50 is crystallized by being irradiated with a laser beam. Thereby, the thermal deformation of the glass substrate 46 can be suppressed.
[0063]
Note that the shape of patterning the amorphous silicon film 50 is not limited to the pseudo-rectangular shape as shown in FIG. 3, and can be appropriately patterned into a predetermined shape.
[0064]
In addition, an alignment marker may be formed on the glass substrate 46 using an amorphous silicon film 50 or the like. By forming the marker, the laser beam can be accurately irradiated in the semiconductor thin film crystallization method according to the first embodiment described below.
[0065]
Next, the amorphous silicon film 50 is crystallized to form a polycrystalline silicon thin film 52 by the semiconductor thin film crystallization method according to the first embodiment (see FIG. 5B). The conditions for crystallization of the amorphous silicon film 50 can be set as follows.
[0066]
As the solid state laser 26, for example, a DPSS (Diode Pumped Solid State) laser having a wavelength of 532 nm and an output of 10 W is used. This wavelength of 532 nm is a wavelength included in the absorption band of the amorphous silicon film 50.
[0067]
As the gas laser 28, for example, an argon laser having a wavelength of 457.9 to 514.5 nm and an output of 25 W is used.
[0068]
The wavelengths 532 nm and 457.9 to 514.5 nm of the solid laser 26 and the gas laser 28 are both set in accordance with the absorption band of the amorphous silicon film 50. The wavelength of the laser is not limited to this as long as it is within the absorption band of the amorphous silicon film 50 to be crystallized. For example, the wavelength of the laser beam that is combined and applied to the amorphous silicon film 50 may be in the range of 300 to 550 nm.
[0069]
The shape of the laser beam applied to the amorphous silicon film 50 is formed into a line shape of, for example, 800 μm × 20 μm.
[0070]
Irradiation of the laser beam onto the glass substrate 46 is performed so that the major axis direction of the laser beam formed in a line shape and the major axis direction of the rectangular pattern portion 42 are substantially orthogonal. In this state, by driving the stage 12 on which the glass substrate 46 is placed, the line-shaped laser beam is scanned along the long axis direction of the rectangular pattern portion 42 made of the amorphous silicon film 50. . The scanning speed is 20 cm / s, for example. The scanning direction of this laser beam is along the current path of the channel layer of the thin film transistor, as will be described later. Note that the laser beam may be scanned along the long axis direction of the rectangular pattern portion 42 by moving the laser beam itself without driving the stage 12.
[0071]
While the glass substrate 46 is irradiated with the laser beam, the output of the laser beam is detected by the power meter 38, and the output of the solid-state laser 26 is adjusted based on the detection result so that the output of the irradiated laser beam is stabilized. As a result, the stability of the laser beam applied to the glass substrate 46 can be made extremely high, for example, <0.1 rms% for noise and <± 1% / h for output.
[0072]
Thus, the amorphous silicon film 50 in the rectangular pattern portion 42 is crystallized into the polycrystalline silicon film 52 by the semiconductor thin film crystallization method according to the first embodiment. Here, in the obtained polycrystalline silicon film 52, as shown in FIG. 4 in the first embodiment, a crystal that is long in the laser beam scanning direction is grown near the center of the rectangular pattern portion. On the other hand, a small crystal grows around the rectangular pattern portion 42 as compared with the vicinity of the center.
[0073]
Next, the rectangular pattern portion 42 of the polycrystalline silicon film 52 is patterned by photolithography to form a channel layer 54 made of the polycrystalline silicon film 52. (See FIG. 5 (c)). Note that in this specification, for convenience, a semiconductor layer including a source / drain diffusion layer in addition to a channel region of a thin film transistor is referred to as a channel layer.
[0074]
For example, as shown in FIG. 6, the planar shape of the channel layer 54 is arranged at a predetermined interval, and connects the two rectangular pattern portions 55a where the source / drain diffusion layers are formed and the two rectangular patterns 55a. And a line-shaped pattern portion 55b where a channel region is formed. Note that the cross-sectional view of FIG. 5C corresponds to the cross section taken along the line AA ′ of FIG. In this case, the line-shaped pattern portion 55b is positioned on the central axis in the major axis direction of the rectangular pattern portion 42 shown in FIG.
[0075]
That is, a current flows through the channel layer 54 along the direction in which the laser beam of the rectangular pattern portion 42 is scanned. Here, in the polycrystalline silicon film 52 in the vicinity of the center of the rectangular pattern portion 42, a crystal having a larger particle size than that in the peripheral portion and growing in the laser beam scanning direction is grown. For this reason, it is possible to obtain higher electron mobility by patterning the polycrystalline silicon film 52 so that the line-shaped pattern portion 55b is positioned on the central axis in the major axis direction of the rectangular pattern portion 42. .
[0076]
The number of channel layers 54 formed in one rectangular pattern portion 42 is not limited to one, and a plurality of channel layers 54 can be formed according to the number of thin film transistors to be formed. . Further, the planar shape of the channel layer 54 is not limited to the shape shown in FIG. 6, and can be appropriately patterned into a predetermined shape.
[0077]
Here, after the amorphous silicon film 50 is crystallized, the polycrystalline silicon film 52 is patterned to form the channel layer 54 for the following reason. That is, if the amorphous silicon film 50 is directly patterned into a shape as shown in FIG. 6 and then the amorphous silicon film 50 is crystallized, it is difficult to grow a crystal having a large grain size because the pattern is fine. This is because there is a possibility. As described above, by forming the channel layer 54 by patterning after the amorphous silicon film 50 is crystallized, the channel layer 54 made of the polycrystalline silicon film 52 having a large crystal grain size can be reliably obtained.
[0078]
Next, a gate oxide film 56 made of a silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed on the entire surface by, eg, PECVD (see FIG. 5D). The gate oxide film 56 may be formed using LP (Low Pressure, Low Pressure) CVD, sputtering, or the like.
[0079]
Next, an aluminum layer 58 having a thickness of 300 nm is formed on the entire surface by sputtering (see FIG. 7A).
[0080]
Next, the aluminum layer 58 is patterned into the shape of the gate electrode 60 by using a photolithography technique (see FIG. 7B).
[0081]
Next, the gate oxide film 56 is etched in self alignment with the gate electrode 60 (see FIG. 7C).
[0082]
Next, impurity ions are implanted into the channel layer 54 in a self-aligned manner with the gate electrode 60. (See FIG. 7 (d)). As the impurity, for example, phosphorus can be used.
[0083]
Next, a laser beam is irradiated from above the glass substrate 10 by an excimer laser, and the impurities introduced into the channel layer 54 are activated. Thus, the source / drain diffusion layer 62 is formed in self-alignment with the gate electrode 60 (see FIG. 8A). The activation of the impurities may be performed by heat treatment using a lamp or the like, thermal annealing, etc. in addition to the excimer laser.
[0084]
Next, an interlayer insulating film 64 made of a 300 nm-thickness SiN film is formed on the entire surface (see FIG. 8B).
[0085]
Next, contact holes 66 reaching the source / drain diffusion layers 62 and the gate electrode 60 are formed in the interlayer insulating film 64 (see FIG. 9A).
[0086]
Next, a conductive layer in which a Ti film with a thickness of 100 nm, an Al film with a thickness of 200 nm, and a Ti film with a thickness of 100 nm are stacked is formed on the entire surface.
[0087]
Next, the conductive layer is patterned using a photolithography technique, thereby forming a gate electrode 68a and a source / drain electrode 68b made of the conductive layer (see FIG. 9B).
[0088]
Thus, a thin film transistor is manufactured.
[0089]
(Evaluation results)
Next, the gate voltage V of the thin film transistor manufactured by the method of manufacturing the thin film transistor according to the present embodiment. _G Mobility and corresponding drain current I _D Was measured. The measurement was performed for each of the n-channel and p-channel thin film transistors. FIG. 10 is a graph showing the measurement results. The drain current I _D The measurement result is shown by a solid line graph, and the measurement result of electron mobility is shown by a dotted line graph. Further, “n-ch” is attached to the graph of the n-channel measurement result, and “p-ch” is attached to the graph of the p-channel measurement result.
[0090]
As a result, according to the present embodiment, high electron mobility could be obtained for both the n-channel and p-channel thin film transistors. The electron mobility is about 500 cm at maximum with an n-channel thin film transistor. ² / Vs, p-channel thin film transistor up to about 200cm ² / Vs and a very high value.
[0091]
As described above, according to the present embodiment, since the polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size obtained by the semiconductor thin film crystallization method according to the first embodiment is used as the channel layer, the electron mobility is high and high speed driving is possible. Possible thin film transistors can be manufactured with high throughput.
[0092]
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0093]
For example, in the above-described embodiment, the case of a semiconductor thin film crystallization apparatus having one laser light source unit 24 has been described, but the semiconductor thin film crystallization apparatus may have a plurality of laser light sources 24. Even if the semiconductor thin film is formed on a large-area substrate by the plurality of laser light source sections 24, the semiconductor thin film can be efficiently crystallized.
[0094]
In the second embodiment, the case where a thin film transistor is formed in the peripheral circuit region of the system-on-panel has been described as an example. However, the present invention can be applied to a thin film transistor for any application.
[0095]
In the second embodiment, the case where the amorphous silicon film 50 is crystallized and used for a thin film transistor has been described as an example. However, instead of the amorphous silicon film 50, a silicon film such as a polycrystalline silicon film or a microcrystalline silicon film is used. It may be crystallized. In the case of a polycrystalline silicon film or a microcrystalline silicon film, recrystallization is performed by applying the present invention, and a polycrystalline silicon film having a larger crystal grain size can be obtained. In addition to these silicon films, various semiconductor thin films that can be crystallized according to the present invention can be used for the thin film transistors.
[0096]
(Appendix 1) A semiconductor thin film crystallization apparatus for crystallizing a semiconductor thin film by irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser beam, the semiconductor excited solid state laser oscillating continuously, A gas laser that oscillates, and a laser beam combining unit that combines a first laser beam output from the solid-state laser and a second laser beam output from the gas laser to output a third laser beam; An apparatus for crystallizing a semiconductor thin film, comprising: a laser light source comprising:
[0097]
(Supplementary note 2) In the semiconductor thin film crystallization apparatus according to supplementary note 1, the output of the third laser beam is detected, and the output of the solid-state laser is adjusted based on the detection result. An apparatus for crystallizing a semiconductor thin film, further comprising control means for stabilizing the beam output.
[0098]
(Appendix 3) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to appendix 1 or 2, wherein an output of the gas laser is larger than an output of the solid-state laser.
[0099]
(Supplementary note 4) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 3, further comprising laser beam shaping means for shaping the third laser beam into a line shape. Thin film crystallization equipment.
[0100]
(Appendix 5) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of appendices 1 to 4, further comprising a chamber for accommodating the substrate.
[0101]
(Appendix 6) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to appendix 5, wherein the chamber is a vacuum chamber in which the inside can be decompressed.
[0102]
(Supplementary note 7) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to supplementary note 5 or 6, further comprising gas replacement means for replacing the inside of the chamber with a predetermined gas.
[0103]
(Additional remark 8) The semiconductor thin film crystallization apparatus in any one of Additional remark 1 thru | or 7 WHEREIN: It has several said laser light sources, The semiconductor thin film crystallization apparatus characterized by the above-mentioned.
[0104]
(Supplementary Note 9) In the semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of Supplementary notes 1 to 8, the wavelength of the third laser beam is in a range of 300 to 550 nm. apparatus.
[0105]
(Supplementary Note 10) In the semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 9, the solid-state laser is Nd: YVO. _Four A semiconductor thin film crystallization apparatus, which is a laser, an Nd: YAG laser, or an Nd: YID laser.
[0106]
(Supplementary note 11) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to supplementary note 10, wherein the first laser beam is a second harmonic of the solid-state laser.
[0107]
(Supplementary note 12) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 11, wherein the wavelength of the first laser beam is 532 nm.
[0108]
(Supplementary note 13) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 12, wherein the gas laser is an argon laser.
[0109]
(Appendix 14) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of appendices 1 to 13, wherein the semiconductor thin film has a thickness in a range of 40 to 200 nm.
[0110]
(Supplementary note 15) The semiconductor thin film crystallization apparatus according to any one of supplementary notes 1 to 14, wherein the semiconductor thin film is a film made of silicon or a compound containing silicon.
[0111]
(Supplementary Note 16) A third laser beam is generated by synthesizing a first laser beam output from a semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously and a second laser beam output from a gas laser that oscillates continuously. And irradiating the semiconductor thin film formed on the substrate with the third laser beam to crystallize the semiconductor thin film.
[0112]
(Supplementary note 17) In the method for crystallizing a semiconductor thin film according to supplementary note 16, the third laser beam is detected by detecting the output of the third laser beam and adjusting the output of the solid-state laser based on the detection result. A method of crystallizing a semiconductor thin film characterized by stabilizing beam output.
[0113]
(Supplementary note 18) The semiconductor thin film crystallization method according to supplementary note 16 or 17, wherein the third laser beam is shaped into a line.
[0114]
(Supplementary note 19) The semiconductor thin film crystallization method according to any one of claims 16 to 18, wherein the semiconductor thin film is patterned into a predetermined shape.
[0115]
(Supplementary Note 20) A step of forming a semiconductor thin film on a substrate, a first laser beam output from a semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously, and a second laser beam that is output from a gas laser that oscillates continuously Irradiating the semiconductor thin film with a third laser beam formed by synthesizing the semiconductor thin film, and crystallizing the semiconductor thin film; and patterning the crystallized semiconductor thin film to form a channel layer. A method for manufacturing a thin film transistor.
[0116]
(Supplementary note 21) The method for manufacturing a thin film transistor according to supplementary note 20, further comprising a step of patterning the semiconductor thin film into a predetermined shape including a region where the channel layer is formed before the step of crystallizing the semiconductor thin film. A method for manufacturing a thin film transistor.
[0117]
(Additional remark 22) The manufacturing method of the thin-film transistor of Additional remark 21 WHEREIN: In the process of patterning the said semiconductor thin film, the said semiconductor thin film is patterned to a pseudo-rectangular shape, The manufacturing method of the thin film transistor characterized by the above-mentioned.
[0118]
(Supplementary note 23) In the method of manufacturing a thin film transistor according to supplementary note 22, in the step of crystallizing the semiconductor thin film, the third laser beam is scanned along the long axis direction of the rectangular shape. Production method.
[0119]
(Supplementary Note 24) In the method of manufacturing a thin film transistor according to supplementary note 23, in the step of crystallizing the semiconductor thin film, the shape of the third laser beam is formed in a line shape, and the long axis direction of the rectangular shape is A method of manufacturing a thin film transistor, wherein the third laser beam is irradiated so that the line-shaped third laser beam is substantially vertical.
[0120]
(Supplementary Note 25) In the method for manufacturing a thin film transistor according to Supplementary Note 23 or 24, in the step of crystallizing the semiconductor thin film, the third laser beam is scanned along the current path of the channel layer. A method for manufacturing a thin film transistor.
[0121]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a laser beam output from a semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously and a laser beam that is output from a gas laser that oscillates continuously are combined, and the combined laser beam is formed on the substrate. Since the semiconductor thin film formed thereon is irradiated to crystallize the semiconductor thin film, a high-power laser beam having high energy stability can be used for crystallization of the semiconductor thin film. Therefore, a semiconductor thin film having a large crystal grain size and high electron mobility can be formed with high throughput.
[0122]
In addition, according to the present invention, since a semiconductor thin film having a large crystal grain size can be used as a channel layer, a thin film transistor having high electron mobility can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a semiconductor thin film crystallization apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a structure of a laser light source unit in the semiconductor thin film crystallization apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an optical micrograph of a patterned semiconductor thin film.
FIG. 4 is an optical micrograph of a semiconductor thin film crystallized by the semiconductor thin film crystallization method according to the present embodiment.
FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating a method of manufacturing a thin film transistor according to a second embodiment of the invention.
FIG. 6 is a view showing an optical micrograph of a polycrystalline silicon film patterned in the method of manufacturing a thin film transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the thin film transistor according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the thin film transistor according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the thin film transistor according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a graph showing a measurement result of electron mobility of a thin film transistor manufactured by the method of manufacturing a thin film transistor according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 ... Chamber
12 ... Stage
14 ... Semiconductor thin film
16 ... Board
18 ... Piping
20 ... Vacuum pump
22 ... Mirror
24 ... Laser light source
26 ... Solid state laser
28 ... Gas laser
30 ... Beam splitter
32 ... Polarizing filter
34 ... Mirror
36 ... Transflective mirror
38 ... Power meter
40 ... Power supply
42 ... rectangular pattern part
46 ... Glass substrate
48 ... Buffer layer
50 ... Amorphous silicon film
52. Polycrystalline silicon film
54 ... Channel layer
55a ... Rectangular pattern part
55b ... Line pattern part
56 ... Gate oxide film
58 ... Aluminum layer
60 ... Gate electrode
62 ... Source / drain diffusion layer
64 ... interlayer insulating film
66 ... Contact hole
68a ... Gate electrode
68b ... Source / drain electrode

Claims

A semiconductor thin film crystallization apparatus that crystallizes the semiconductor thin film by irradiating the semiconductor thin film formed on the substrate with a laser beam,
A semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously, a gas laser that oscillates continuously, a first laser beam output from the solid-state laser, and a second laser beam output from the gas laser are combined to form a first laser beam. A laser light source having laser beam combining means for outputting three laser beams ;
Control means for stabilizing the output of the third laser beam by detecting the output of the third laser beam and adjusting the output of the solid-state laser based on the detection result. Semiconductor thin film crystallization equipment.

In the crystallization apparatus for a semiconductor thin film according to claim 1 Symbol placement,
The semiconductor thin film crystallization apparatus, wherein an output of the gas laser is larger than an output of the solid-state laser.

The crystallization apparatus for a semiconductor thin film according to claim 1 or 2 ,
A semiconductor thin film crystallization apparatus, further comprising laser beam shaping means for shaping the third laser beam into a line shape.

Combining a first laser beam output from a semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously and a second laser beam output from a gas laser that oscillates continuously to generate a third laser beam;
By detecting the output of the third laser beam and adjusting the output of the solid-state laser based on the detection result, the output of the third laser beam is stabilized,
A method of crystallizing a semiconductor thin film, comprising: irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with the third laser beam to crystallize the semiconductor thin film.

The method for crystallizing a semiconductor thin film according to claim 4 .
A method for crystallizing a semiconductor thin film, wherein the third laser beam is shaped into a line.

Forming a semiconductor thin film on the substrate;
A third laser beam formed by synthesizing a first laser beam output from a semiconductor-excited solid-state laser that oscillates continuously and a second laser beam output from a gas laser that oscillates continuously is applied to the semiconductor thin film. Irradiating and crystallizing the semiconductor thin film;
Patterning the crystallized semiconductor thin film to form a channel layer ,
In the step of crystallizing the semiconductor thin film, the output of the third laser beam is stabilized by detecting the output of the third laser beam and adjusting the output of the solid-state laser based on the detection result. A method of manufacturing a thin film transistor, comprising:

In the manufacturing method of the thin-film transistor of Claim 6 ,
Prior to the step of crystallizing the semiconductor thin film, the method further comprises the step of patterning the semiconductor thin film into a predetermined shape including the channel layer forming region.

In the manufacturing method of the thin-film transistor of Claim 7 ,
In the step of patterning the semiconductor thin film, the semiconductor thin film is patterned into a pseudo-rectangular shape.