【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜半導体装置製造
方法及び半導体薄膜製造装置に関する。より詳しくは、
レーザアニールにより半導体薄膜を結晶化する技術に関
する。The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a thin film semiconductor device. More specifically,
The present invention relates to a technique for crystallizing a semiconductor thin film by laser annealing.
【０００２】[0002]
【従来の技術】薄膜半導体装置の製造工程を低温プロセ
ス化する方法の一環として、レーザ光を用いた結晶化ア
ニールが開発されている。これは、絶縁基板上に成膜さ
れた非晶質シリコンや比較的粒径の小さな多結晶シリコ
ンなど非単結晶性の半導体薄膜にレーザ光を照射して局
部的に加熱した後、その冷却過程で半導体薄膜を比較的
粒径の大きな多結晶に転換（結晶化）するものである。
この結晶化した半導体薄膜を活性層（チャネル領域）と
して薄膜トランジスタを集積形成する。この様なレーザ
アニールを採用することで薄膜半導体装置の低温プロセ
ス化が可能になり、耐熱性に優れた高価な石英基板では
なく、安価なガラス基板が使える様になる。2. Description of the Related Art Crystallization annealing using laser light has been developed as a part of a method for lowering the manufacturing process of a thin film semiconductor device at a low temperature. This is done by irradiating laser light to a non-single-crystal semiconductor thin film such as amorphous silicon or relatively small-diameter polycrystalline silicon formed on an insulating substrate, heating the film locally, and then cooling it. This converts (crystallizes) the semiconductor thin film into polycrystal having a relatively large particle size.
Using the crystallized semiconductor thin film as an active layer (channel region), a thin film transistor is integrated and formed. By employing such laser annealing, a low-temperature process of the thin film semiconductor device can be performed, and an inexpensive glass substrate can be used instead of an expensive quartz substrate having excellent heat resistance.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザアニール
装置は、出力エネルギーが小さい為（０．５Ｊ程度）、
大きな基板の上に形成された半導体薄膜の結晶化を行な
おうとすると、例えば２００ｍｍ×０．６ｍｍ程度のラ
イン状にレーザ光を形成することによりエネルギー密度
を３００ｍＪ／ｃｍ2 程度とし、このレーザ光を短軸方
向に９５％程度の重なりでスキャンさせることにより、
基板全面に亘る結晶化を行なっていた。しかし、この方
法では、レーザの出力安定性が悪く（現状では±１０％
程度）突発的に強くなった部分や弱くなった部分で結晶
の不均一性が生じ、その部分に回路が集積形成されると
動作不良の原因となっていた。又、出力のばらつきを出
来る限り分散させる為にレーザビームの重なりを９９％
程度にすることも考えられる。しかし、この方法ではス
ループットが極端に悪くなり製造コストの増加を招く問
題がある。従来のライン状ビームでオーバーラップを９
５％に設定して結晶化を行なうと、４００ｍｍ×５００
ｍｍの基板を処理する為に約６分必要である。これを、
９９％のオーバーラップでライン状ビームを重ねながら
処理すると３０分必要になる。加えて、レーザアニール
は一般に真空雰囲気下で行なう為基板のローディングと
アンローディングに５分程度は必要である。The conventional laser annealing apparatus has a small output energy (about 0.5 J).
In order to crystallize a semiconductor thin film formed on a large substrate, for example, a laser beam is formed in a line shape of about 200 mm × 0.6 mm to make the energy density about 300 mJ / cm2. By scanning in the minor axis direction with an overlap of about 95%,
Crystallization was performed over the entire surface of the substrate. However, in this method, the output stability of the laser is poor (currently ± 10%
(Degree) Crystal nonuniformity occurs in a suddenly strengthened portion or a weakened portion, and when a circuit is integratedly formed in that portion, it causes a malfunction. Also, in order to disperse the output variation as much as possible, the overlap of the laser beams is 99%.
It is conceivable to make it to the extent. However, this method has a problem that the throughput is extremely deteriorated and the manufacturing cost is increased. 9 overlap with conventional linear beam
When crystallization is performed at 5%, 400 mm × 500
Approximately 6 minutes are required to process mm substrates. this,
It takes 30 minutes to process the linear beams while overlapping with 99% overlap. In addition, since laser annealing is generally performed in a vacuum atmosphere, it takes about 5 minutes to load and unload the substrate.
【０００４】そこで、最近は高出力のレーザ装置を用い
て、ある程度の領域（４０ｍｍ×７０ｍｍ程度）を一度
に一括で結晶化する方法が注目されており、例えば特開
平７−２３５４９０号公報に開示されている。高出力の
レーザ装置（５乃至１０Ｊ以上）を用いて５ｃｍ×５ｃ
ｍを超える面積を一括にて結晶化できる。この方法を用
いれば、レーザアニールのスループットは１分強とな
り、ライン状のレーザビームを重ねてスキャニングする
方法に比べ５倍程度生産性が改善できる。又、比較的広
い領域を一括で結晶化する為、均一性がよく結晶化後の
表面ホモロジーも改善されることが知られている。しか
し、実際は半導体薄膜を成膜した後、基板はレーザアニ
ールを行なうまで大気に晒される為、その表面に大気か
らの汚染物質やダストなどが付着し、その除去工程が必
要となり、一括でアニールを行なってスループットを上
げるメリットが半減してしまうという課題がある。加え
て、半導体薄膜を成膜した後レーザ光を照射して結晶化
を行なうという従来の単純な方式では半導体薄膜の品質
の向上に限界があるという課題があった。Therefore, recently, a method of simultaneously crystallizing a certain area (approximately 40 mm × 70 mm) using a high-power laser device has been attracting attention, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-235490. Have been. 5cm x 5c using a high-power laser device (5 to 10J or more)
The area exceeding m can be crystallized at once. When this method is used, the throughput of laser annealing is slightly more than one minute, and the productivity can be improved about five times as compared with the method of scanning by overlapping linear laser beams. It is also known that since a relatively large area is crystallized at once, the uniformity is good and the surface homology after crystallization is improved. However, in practice, after a semiconductor thin film is formed, the substrate is exposed to the atmosphere until laser annealing is performed. Therefore, contaminants and dust from the air adhere to the surface, and a removal process is required. There is a problem that the merit of increasing the throughput by halving is reduced by half. In addition, there is a problem that there is a limit in improving the quality of the semiconductor thin film in the conventional simple method of performing crystallization by irradiating a laser beam after forming the semiconductor thin film.
【０００５】[0005]
【課題を解決する為の手段】上述した従来の技術の課題
を解決する為、本発明はレーザアニールの生産性を高め
るとともに結晶化された半導体薄膜の品質を改善するこ
とを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を
講じた。即ち、本発明は、基板の上に非晶質又は比較的
粒径の小さな多結晶の半導体薄膜を形成する成膜工程
と、所定の断面積を有するレーザ光を該半導体薄膜の所
定の領域に照射して非晶質又は比較的粒径の小さな多結
晶を一括で比較的粒径の大きな多結晶に転換するレーザ
アニール工程とからなる半導体薄膜製造方法において、
該基板を大気に暴露すること無く前記成膜工程と前記レ
ーザアニール工程とを交互に繰り返して半導体薄膜を重
ねていくことを特徴とする。好ましくは、前記レーザア
ニール工程は、その前に成膜された半導体薄膜の厚みを
ｄ（ｎｍ）とし、レーザ光の総エネルギーをＴＥ（Ｊ）
とし、一括照射される領域の面積をＳ（ｃｍ２）とする
と、ＴＥ／（ｄ・Ｓ）が０．０１乃至１の範囲になる条
件でレーザ光の照射を行なうことを特徴とする。又、好
ましくは、前記レーザアニール工程は、回を重ねる毎に
レーザ光のエネルギーを増加すること特徴とする。或い
は、前記成膜工程は、回を重ねる毎に成膜する半導体薄
膜の厚みを減少することを特徴とする。本発明は又、基
板の上に非晶質又は比較的粒径の小さな多結晶の半導体
薄膜を形成する成膜チャンバと、所定の断面積を有する
レーザ光を該半導体薄膜の所定の領域に一括照射して非
晶質又は比較的粒径の小さな多結晶を比較的粒径の大き
な多結晶に転換するレーザアニールチャンバとからなる
半導体薄膜製造装置において、該基板を大気に暴露する
こと無く前記成膜チャンバと前記レーザアニールチャン
バとの間で基板を往復移送する手段を有し、成膜とレー
ザアニールとを交互に繰り返して半導体薄膜を重ねてい
くことを特徴とする。好ましくは、前記レーザアニール
チャンバは、成膜された半導体薄膜の厚みをｄ（ｎｍ）
とし、レーザ光の総エネルギーをＴＥ（Ｊ）とし、一括
照射される領域の面積をＳ（ｃｍ２）とすると、ＴＥ／
（ｄ・Ｓ）が０．０１乃至１の範囲になる条件でレーザ
光の照射を行なうことを特徴とする。又好ましくは、前
記レーザアニールチャンバは、回を重ねる毎にレーザ光
のエネルギーを増加すること特徴とする。或いは、前記
成膜チャンバは、回を重ねる毎に成膜する半導体薄膜の
厚みを減少することを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to increase the productivity of laser annealing and improve the quality of a crystallized semiconductor thin film. The following measures were taken to achieve this purpose. That is, the present invention provides a film forming step of forming an amorphous or relatively small polycrystalline semiconductor thin film on a substrate, and applying a laser beam having a predetermined cross-sectional area to a predetermined region of the semiconductor thin film. A laser thinning step of irradiating the amorphous or relatively small-sized polycrystal into a relatively large-sized polycrystal in a lump in a semiconductor thin film manufacturing method,
The method is characterized in that the film forming step and the laser annealing step are alternately repeated without exposing the substrate to the air to stack semiconductor thin films. Preferably, in the laser annealing step, the thickness of the semiconductor thin film formed before that is d (nm), and the total energy of the laser light is TE (J).
When the area of the region to be collectively irradiated is S (cm2 ), laser light irradiation is performed under the condition that TE / (d · S) is in the range of 0.01 to 1. Preferably, in the laser annealing step, the energy of the laser beam is increased each time the laser annealing step is repeated. Alternatively, in the film forming step, the thickness of the semiconductor thin film formed is reduced each time the film is formed. The present invention also provides a deposition chamber for forming an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film having a relatively small particle size on a substrate, and a method for collectively applying a laser beam having a predetermined cross-sectional area to a predetermined region of the semiconductor thin film. A semiconductor thin film manufacturing apparatus comprising a laser annealing chamber for irradiating an amorphous or polycrystal having a relatively small particle size into a polycrystal having a relatively large particle size by irradiating the substrate without exposing the substrate to the atmosphere. There is a means for reciprocating the substrate between the film chamber and the laser annealing chamber, and the semiconductor thin film is stacked by alternately repeating film formation and laser annealing. Preferably, the laser annealing chamber sets the thickness of the formed semiconductor thin film to d (nm)
If the total energy of the laser beam is TE (J) and the area of the region to be collectively irradiated is S (cm2 ), TE / J
It is characterized in that laser light irradiation is performed under the condition that (d · S) is in the range of 0.01 to 1. Preferably, the laser annealing chamber increases the energy of the laser beam each time the laser annealing chamber is repeated. Alternatively, the film forming chamber is characterized in that the thickness of the semiconductor thin film to be formed is reduced each time the film is formed.
【０００６】本発明によれば、所定の断面積を有するレ
ーザ光を半導体薄膜の所定の領域に照射して非晶質又は
比較的粒径の小さな多結晶を一括で比較的粒径の大きな
多結晶に転換する際、基板を大気に曝露することなく成
膜工程とレーザアニール工程とを交互に繰り返して半導
体薄膜を重ねていく。基板の上に成膜された半導体薄膜
を大気に曝露することなく直ちにレーザアニールするこ
とで、生産性を改善できるとともに半導体薄膜の表面が
大気により汚染されることが無くなる。更に、成膜工程
とレーザアニール工程を交互に繰り返して半導体薄膜を
重ねていくことにより、非常に結晶性のよい半導体薄膜
が最終的に得られる。According to the present invention, a predetermined region of a semiconductor thin film is irradiated with a laser beam having a predetermined cross-sectional area, and amorphous or polycrystals having a relatively small particle diameter are collectively converted into polycrystals having a relatively large particle diameter. When converting into a crystal, the semiconductor thin film is stacked by repeating the film forming step and the laser annealing step alternately without exposing the substrate to the atmosphere. By immediately performing laser annealing without exposing the semiconductor thin film formed on the substrate to the air, productivity can be improved and the surface of the semiconductor thin film is not contaminated by the air. Further, by repeating the film forming step and the laser annealing step alternately and stacking the semiconductor thin films, a semiconductor thin film having very good crystallinity can be finally obtained.
【０００７】[0007]
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る半導体薄
膜製造方法を示す模式的な工程図である。本半導体薄膜
製造方法は薄膜半導体装置の製造プロセスの一環として
行なわれ、所定の前工程と後工程との間に実施される。
基本的には、基板の上に非晶質又は比較的粒径の小さな
多結晶の半導体薄膜を形成する成膜工程と、所定の断面
積を有するレーザ光を半導体薄膜の所定の領域に照射し
て非晶質又は比較的粒径の小さな多結晶を一括で比較的
粒径の大きな多結晶に転換するレーザアニール工程とか
らなる。特徴事項として、基板を大気に曝露することな
く成膜工程とレーザアニール工程とを交互に繰り返して
半導体薄膜を重ねていく。この様な真空内連続繰返処理
を採用することで、大気からの汚染物質やダストなどを
除去する工程が不要となりスループットの向上は目覚ま
しいものとなる。又、成膜工程とレーザアニール工程を
交互に繰り返すことで、高品質の結晶を形成することが
できる。好ましくは、基板上に成膜された半導体薄膜の
厚みをｄ（ｎｍ）とし、レーザ光の総エネルギーをＴＥ
（Ｊ）とし、一括照射される領域の面積をＳ（ｃｍ2 ）
とすると、ＴＥ／（ｄ・Ｓ）が０．０１乃至１の範囲に
なる条件でレーザ光の照射を行なう。換言すると、半導
体薄膜の単位体積当たりのレーザ光のエネルギー密度を
０．０１乃至１の範囲に設定することで高品質の結晶化
半導体薄膜が得られる。エネルギー密度が０．０１以下
であると半導体薄膜の加熱が不十分であり、エネルギー
密度が１を超えると過剰な熱エネルギーの供給により逆
に結晶が微細化してしまう。成膜工程とレーザアニール
工程とを交互に繰り返す場合、回を重ねる毎にレーザ光
のエネルギーを増加することが好ましい。又、回を重ね
る毎に成膜する半導体薄膜の厚みを減少することが好ま
しい。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic process diagram showing a method for manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention. The present semiconductor thin film manufacturing method is performed as a part of a manufacturing process of a thin film semiconductor device, and is performed between a predetermined pre-process and a post-process.
Basically, a film forming step of forming an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film having a relatively small particle size on a substrate and irradiating a predetermined region of the semiconductor thin film with laser light having a predetermined cross-sectional area. And a laser annealing step for converting polycrystals having an amorphous or relatively small grain size into polycrystals having a relatively large grain size at once. As a feature, the semiconductor thin film is stacked by alternately repeating the film forming step and the laser annealing step without exposing the substrate to the atmosphere. By employing such a continuous repetition process in a vacuum, a step of removing contaminants and dust from the air becomes unnecessary, and the improvement in throughput becomes remarkable. Further, by alternately repeating the film forming step and the laser annealing step, a high-quality crystal can be formed. Preferably, the thickness of the semiconductor thin film formed on the substrate is d (nm), and the total energy of the laser light is TE.
(J), and the area of the region to be collectively irradiated is S (cm2 )
Then, laser light irradiation is performed under the condition that TE / (d · S) is in the range of 0.01 to 1. In other words, a high-quality crystallized semiconductor thin film can be obtained by setting the energy density of the laser light per unit volume of the semiconductor thin film in the range of 0.01 to 1. When the energy density is 0.01 or less, heating of the semiconductor thin film is insufficient, and when the energy density exceeds 1, the crystal becomes finer due to excessive supply of heat energy. In the case where the film forming step and the laser annealing step are alternately repeated, it is preferable to increase the energy of the laser beam each time the steps are repeated. Further, it is preferable to reduce the thickness of the semiconductor thin film formed every time the film is repeated.
【０００８】図２は本発明に係る半導体薄膜製造装置の
基本的な構成を示すブロック図である。図示する様に、
本半導体薄膜製造装置は基板の上に非晶質又は比較的粒
径の小さな多結晶の半導体薄膜を形成する成膜チャンバ
１０と、所定の断面積を有するレーザ光を半導体薄膜の
所定の領域に照射して非晶質又は比較的粒径の小さな多
結晶を一括で比較的粒径の大きな多結晶に転換するレー
ザアニールチャンバ５０とからなる。特徴事項として、
成膜チャンバ１０とレーザアニールチャンバ５０との間
に真空搬送チャンバ９０を備えており、基板を大気に曝
露することなく成膜工程とレーザアニール工程とを所望
の回数だけ交互に繰り返すことが可能である。尚、真空
搬送チャンバ９０にはロード／アンロードチャンバ７０
が接続されている。FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of a semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention. As shown
The present semiconductor thin film manufacturing apparatus includes a film forming chamber 10 for forming an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film having a relatively small particle size on a substrate, and a laser beam having a predetermined cross-sectional area in a predetermined region of the semiconductor thin film. A laser annealing chamber 50 for irradiating amorphous or polycrystals having a relatively small particle size into polycrystals having a relatively large particle size at once. As a feature,
A vacuum transfer chamber 90 is provided between the film forming chamber 10 and the laser annealing chamber 50, and the film forming step and the laser annealing step can be alternately repeated a desired number of times without exposing the substrate to the atmosphere. is there. The vacuum transfer chamber 90 has a load / unload chamber 70.
Is connected.
【０００９】図３は本発明に係る半導体薄膜製造装置の
他の例を示す模式図である。図２に示した例では各チャ
ンバが真空搬送チャンバを中心として放射型に配列され
ていたのに対し、本例ではロードチャンバ７１とアンロ
ードチャンバ７２との間に成膜チャンバ１０とレーザア
ニールチャンバ５０が直列に接続された構造となってい
る。但し、成膜工程とレーザアニール工程を繰り返し交
互に行なう為、基板は成膜チャンバ１０とレーザアニー
ルチャンバ５０との間を往復可能である。FIG. 3 is a schematic view showing another example of the semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention. In the example shown in FIG. 2, the respective chambers are arranged radially around the vacuum transfer chamber, whereas in this example, the film forming chamber 10 and the laser annealing chamber are disposed between the load chamber 71 and the unload chamber 72. 50 are connected in series. However, the substrate can reciprocate between the film forming chamber 10 and the laser annealing chamber 50 because the film forming step and the laser annealing step are performed alternately and alternately.
【００１０】本発明に係る半導体薄膜製造装置は成膜チ
ャンバ１０とレーザアニールチャンバ５０の組み合わせ
である。ここで、レーザアニールチャンバ５０に組み込
むレーザ装置として従来のスループットの悪い装置を用
いると、却って成膜工程をも律速することになってしま
う。そこで、本発明では従来の低出力のスキャニング方
式のレーザ装置に代え、高出力の一括レーザ装置を用い
ている。これにより、スループットが大きく改善でき
た。本発明により、成膜工程とレーザアニール工程とを
合わせた工程時間は５分／１枚が可能になる。この場
合、成膜に係る時間（約２分）とレーザアニールに係る
時間（約１．５分）が同程度である為、タクトタイムは
２分／１枚が可能となり、真空接続した効果が大きく表
われる。即ち、タクトタイムは処理時間の長い成膜工程
で律速されることになる。一方、従来のライン状ビーム
のスキャニングを用いたレーザ装置を組み込んだ場合に
は、工程時間は１０分／１枚となり、本発明に係る製造
方法よりも２倍も時間が増えてしまう。この場合、成膜
に係る時間（約２分）とレーザアニールに係る時間（約
６分）が異なる為、タクトタイムはレーザアニールで律
速され６分／１枚となり、真空接続した効果が非常に小
さくなってしまう。ここではライン状レーザ光のオーバ
ーラップ率を９５％で計算したが、信頼性を得る為には
９９％の重なりが必要である。そうするとタクトタイム
は１５分／１枚となってしまい、真空接続の意味は全く
なくなってしまう。更には、従来の真空内処理を行なわ
ない方式を考察すると、レーザアニール工程前の半導体
薄膜表面の清浄処理が必要となる為、タクトタイムは２
時間／１枚程度となり、本発明によれば２０倍以上のタ
クトタイムの改善となることが試算できた。The apparatus for manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention is a combination of a film forming chamber 10 and a laser annealing chamber 50. Here, if a conventional apparatus having a low throughput is used as a laser apparatus to be incorporated in the laser annealing chamber 50, the rate of the film forming process is rather limited. Therefore, in the present invention, a high-output batch laser device is used instead of the conventional low-output scanning laser device. As a result, the throughput was greatly improved. According to the present invention, the total processing time of the film forming step and the laser annealing step can be set to 5 minutes per sheet. In this case, since the time required for film formation (about 2 minutes) and the time required for laser annealing (about 1.5 minutes) are almost the same, the tact time can be set to 2 minutes / 1 sheet, and the effect of vacuum connection can be reduced. Appears greatly. That is, the tact time is determined by the film forming process having a long processing time. On the other hand, when a conventional laser device using scanning of a linear beam is incorporated, the process time is 10 minutes / sheet, which is twice as long as the manufacturing method according to the present invention. In this case, since the time required for film formation (about 2 minutes) and the time required for laser annealing (about 6 minutes) are different, the tact time is determined by laser annealing and becomes 6 minutes / 1 sheet, and the effect of vacuum connection is very large. It will be smaller. Here, the overlap rate of the linear laser light is calculated at 95%, but 99% overlap is required to obtain reliability. Then, the tact time becomes 15 minutes per sheet, and the meaning of vacuum connection is completely lost. Further, when considering a conventional method in which the vacuum treatment is not performed, the tact time becomes 2 because a cleaning treatment of the surface of the semiconductor thin film is required before the laser annealing step.
Time / one sheet, and it was estimated that according to the present invention, the tact time can be improved by 20 times or more.
【００１１】図４は、本発明に係る半導体薄膜製造装置
に組み込まれる成膜チャンバ１０の一例を示す模式図で
ある。成膜チャンバ１０は真空排気可能な反応室１２か
らなり、その内部に高周波を印加する電極１３と、処理
対象となる絶縁基板１を載置するステージ１４とを収納
しており、所謂プラズマＣＶＤ装置である。但し、本発
明はこれに限られるものではなく、他の方式の成膜チャ
ンバを用いてもよいことは言うまでもない。ノズル状に
なった電極１３の上部には導入管１４が接続しており、
バルブを介して所望の反応ガスが導入される。導入管１
４には高周波電源１９が接続されており、電極１３に高
周波を印加する。一方ステージ１４は接地電位に保持さ
れており、その内部には絶縁基板１を加熱する為のヒー
ター１５が格納されている。処理対象となる絶縁基板１
はゲートバルブ１６を介して真空搬送チャンバ（図示せ
ず）から反応室１２に送り込まれる。処理が終わった
後、絶縁基板１はゲートバルブ１６を介して取り出さ
れ、真空搬送チャンバによりレーザアニールチャンバに
転送される。反応室１２に収納されたステージ１４の上
に絶縁基板１を載置するとともに、これと対向するノズ
ル状の電極１３から反応室１２内に所望の反応ガスを供
給しながら、高周波電源１９で高周波を上部平板電極１
３に印加すると、プラズマが発生し、絶縁基板１の上に
所望の半導体薄膜が形成される。この際には、ステージ
１４をヒータ１５で加熱し、絶縁基板１を所定の温度に
保持しておく。FIG. 4 is a schematic view showing an example of a film forming chamber 10 incorporated in a semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention. The film forming chamber 10 includes a reaction chamber 12 that can be evacuated, and houses therein an electrode 13 for applying a high frequency and a stage 14 on which the insulating substrate 1 to be processed is mounted. It is. However, the present invention is not limited to this, and it goes without saying that another type of film forming chamber may be used. An introduction pipe 14 is connected to an upper part of the electrode 13 in a nozzle shape,
The desired reaction gas is introduced via the valve. Introductory pipe 1
A high frequency power supply 19 is connected to 4 and applies a high frequency to the electrode 13. On the other hand, the stage 14 is maintained at the ground potential, and a heater 15 for heating the insulating substrate 1 is stored in the stage 14. Insulating substrate 1 to be processed
Is sent from the vacuum transfer chamber (not shown) to the reaction chamber 12 via the gate valve 16. After the processing, the insulating substrate 1 is taken out through the gate valve 16 and transferred to the laser annealing chamber by the vacuum transfer chamber. The insulating substrate 1 is placed on the stage 14 housed in the reaction chamber 12, and a desired reaction gas is supplied into the reaction chamber 12 from the nozzle-shaped electrode 13 facing the insulating substrate 1. To the upper plate electrode 1
3, a plasma is generated, and a desired semiconductor thin film is formed on the insulating substrate 1. At this time, the stage 14 is heated by the heater 15 to keep the insulating substrate 1 at a predetermined temperature.
【００１２】図５は、本発明に係る半導体薄膜製造装置
に組み込まれるレーザアニールチャンバ５０の具体的な
構成を示す模式図である。レーザアニールチャンバ５０
は、高出力のレーザ発振器５１と、アッテネータ（減衰
器）５２と、ホモジナイザを含む光学系５３と、処理室
５４と、ステージ５５とを備えている。レーザ発振器５
１はエキシマレーザ光源を含んでおり、パルス幅が５０
ｎｓ以上のレーザ光を間欠的に放射可能である。ホモジ
ナイザなどを含む光学系５３はレーザ発振器５１から放
射されたレーザ光をアッテネータ５２を介して受け入
れ、例えば各辺が１０ｍｍ以上の矩形断面となる様に整
形して、半導体薄膜２に照射する。非単結晶性の半導体
薄膜２が予め形成された絶縁基板１は処理室５４内のス
テージ５５に搭載されている。ステージ５５はＸＹ方向
に移動可能である。本例では、ステージ５５を駆動する
ことにより、矩形断面のレーザ光を半導体薄膜２に対し
て相対的にステップ移動しながら、その表面を逐次照射
する。尚、アッテネータ５２はレーザ発振器５１から放
出したレーザ光のエネルギーを調整する為に用いられ
る。光学系５３はレーザ光を矩形断面に整形するととも
に、矩形断面内でエネルギーが均一に分布する様に調整
する。処理室５４は真空もしくは窒素ガスなど不活性雰
囲気に保たれている。FIG. 5 is a schematic diagram showing a specific configuration of the laser annealing chamber 50 incorporated in the semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention. Laser annealing chamber 50
Includes a high-output laser oscillator 51, an attenuator (attenuator) 52, an optical system 53 including a homogenizer, a processing chamber 54, and a stage 55. Laser oscillator 5
1 includes an excimer laser light source and has a pulse width of 50
It is possible to intermittently emit laser light of ns or more. An optical system 53 including a homogenizer or the like receives the laser light emitted from the laser oscillator 51 via an attenuator 52, shapes the laser light into, for example, a rectangular cross section of 10 mm or more on each side, and irradiates the semiconductor thin film 2. The insulating substrate 1 on which the non-single-crystal semiconductor thin film 2 is formed in advance is mounted on a stage 55 in a processing chamber 54. The stage 55 is movable in the XY directions. In this example, by driving the stage 55, the laser light having a rectangular cross section is stepwise moved relative to the semiconductor thin film 2 while sequentially irradiating the surface thereof. The attenuator 52 is used for adjusting the energy of the laser light emitted from the laser oscillator 51. The optical system 53 shapes the laser beam into a rectangular cross section and adjusts the energy so that the energy is uniformly distributed in the rectangular cross section. The processing chamber 54 is kept in an inert atmosphere such as vacuum or nitrogen gas.
【００１３】図６は、本発明に係る薄膜トランジスタの
製造方法を示す工程図である。薄膜トランジスタは、半
導体薄膜２と、その一面に重ねられたゲート絶縁膜３
と、ゲート絶縁膜３を介して半導体薄膜２に重ねられた
ゲート電極５とを含む積層構造を有し、絶縁基板１上に
形成される。まず工程（１）で、非晶質性の半導体薄膜
２又は比較的小粒径の結晶粒からなる多結晶性の半導体
薄膜２を所望の厚みで絶縁基板１上に堆積する。例えば
ＬＰＣＶＤ法で多結晶シリコンからなる半導体薄膜２を
例えば２０ｎｍの厚みで成膜する。この後電界加速され
たＳｉ＋イオンを半導体薄膜２に注入し、これを一旦非
晶質化する。続いて工程（２）に進み、半導体薄膜２に
エキシマレーザ光を照射して半導体薄膜２を結晶化す
る。所謂エキシマレーザアニール（ＥＬＡ）を行なう。
この時、工程（１）で成膜チャンバに投入された絶縁基
板１は前述した様に大気に曝露されることなく工程
（２）でレーザアニールチャンバに搬送される。ここで
ＥＬＡを経た後、再び成膜チャンバに戻って工程（３）
に進み、結晶化された半導体薄膜の上に更に結晶化され
ていない半導体薄膜２を工程（１）と同様にして積層す
る。工程（４）に進み、真空を破ることなく絶縁基板１
を成膜チャンバからレーザアニールチャンバに移し、Ｅ
ＬＡを行なう。これにより、二層に重ねられた半導体薄
膜２は全体が結晶化される。以上の成膜工程とレーザア
ニール工程を必要な回数だけ交互に繰り返すことで、半
導体薄膜２を必要な膜厚まで積層することが可能であ
る。この後工程（５）に進み、半導体薄膜２を素子領域
の形状に合わせてパタニングする。島状にパタニングさ
れた半導体薄膜２をゲート絶縁膜３で被覆する。最後に
工程（６）に進み、ゲート絶縁膜３の上にゲート電極５
を形成する。ゲート電極５をマスクとしてセルフアライ
メントにより不純物を半導体薄膜２に注入することで、
トップゲート構造の薄膜トランジスタが得られる。尚、
本発明はトップゲート構造の薄膜トランジスタだけでな
く、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタにも応用可能
であることは言うまでもない。FIG. 6 is a process chart showing a method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention. The thin film transistor includes a semiconductor thin film 2 and a gate insulating film 3 overlaid on one surface thereof.
And a gate electrode 5 superposed on the semiconductor thin film 2 with the gate insulating film 3 interposed therebetween, and is formed on the insulating substrate 1. First, in a step (1), an amorphous semiconductor thin film 2 or a polycrystalline semiconductor thin film 2 composed of crystal grains having a relatively small grain size is deposited on an insulating substrate 1 with a desired thickness. For example, a semiconductor thin film 2 made of polycrystalline silicon is formed to a thickness of, for example, 20 nm by LPCVD. Thereafter, the Si + ions subjected to the electric field acceleration are implanted into the semiconductor thin film 2 and are once made amorphous. Subsequently, the process proceeds to step (2), where the semiconductor thin film 2 is irradiated with excimer laser light to crystallize the semiconductor thin film 2. A so-called excimer laser annealing (ELA) is performed.
At this time, the insulating substrate 1 put into the film forming chamber in the step (1) is transferred to the laser annealing chamber in the step (2) without being exposed to the air as described above. Here, after passing through the ELA, the process returns to the film forming chamber again, and the process (3) is performed.
The semiconductor thin film 2 that has not been further crystallized is stacked on the crystallized semiconductor thin film in the same manner as in the step (1). Proceeding to step (4), insulating substrate 1 without breaking vacuum
From the film forming chamber to the laser annealing chamber,
Perform LA. As a result, the semiconductor thin film 2 stacked in two layers is entirely crystallized. The semiconductor thin film 2 can be laminated to a required thickness by alternately repeating the film forming process and the laser annealing process as many times as necessary. Thereafter, the process proceeds to step (5), in which the semiconductor thin film 2 is patterned according to the shape of the element region. The semiconductor thin film 2 patterned in an island shape is covered with the gate insulating film 3. Finally, proceeding to step (6), the gate electrode 5 is formed on the gate insulating film 3.
To form By implanting impurities into the semiconductor thin film 2 by self-alignment using the gate electrode 5 as a mask,
A thin film transistor having a top gate structure is obtained. still,
Needless to say, the present invention can be applied to not only a thin film transistor having a top gate structure but also a thin film transistor having a bottom gate structure.
【００１４】本発明では、成膜工程とレーザアニール工
程を交互に繰り返すことにより、非常に結晶性のよい半
導体薄膜が得られた。例えば、１ｎｍの非晶質シリコン
を成膜した後、総エネルギーが１５Ｊで３０ｃｍ×３５
ｃｍの領域に１５ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度で照射
したところ、厚みが１ｎｍの半導体薄膜は結晶化した。
その後同じ成膜工程とレーザアニール工程を４０回繰り
返したところ、厚みが４０ｎｍの非常に結晶性のよい半
導体薄膜が得られた。この半導体薄膜を用いてトップゲ
ート型の薄膜トランジスタを作成したところ、Ｎチャネ
ル型で移動度が４００ｃｍ2 ／Ｖｓに達した。In the present invention, a film forming step and a laser annealing step
By repeating the process alternately, a very crystalline half
A conductor thin film was obtained. For example, 1nm amorphous silicon
After forming a film, the total energy is 30 cm × 35 at 15 J.
15mJ / cm in the area of cmTwo Irradiation at energy density of
As a result, the semiconductor thin film having a thickness of 1 nm was crystallized.
After that, the same film forming process and laser annealing process were repeated 40 times.
When turned over, the half with a very good crystallinity with a thickness of 40 nm
A conductor thin film was obtained. Using this semiconductor thin film
N-channel thin-film transistor
400cm mobilityTwo / Vs.
【００１５】又、厚みが１０ｎｍの非晶質シリコンを成
膜した後、総エネルギーが１５Ｊのレーザ照射装置を用
いて、１０ｃｍ×１５ｃｍの矩形領域に１００ｍＪ／ｃ
ｍ2のエネルギー密度で照射したところ、半導体薄膜は
結晶化した。その後、同一の成膜工程とレーザアニール
工程を交互に４回繰り返したところ、４０ｎｍの厚みで
非常に結晶性のよい半導体薄膜が得られた。この半導体
薄膜を用いて薄膜トランジスタを作成したところ、Ｎチ
ャネル型で移動度が３５０ｃｍ2 ／Ｖｓに達した。この
時の処理時間は８分／１枚であり、十分製造レベルに達
していることが分かった。After forming an amorphous silicon film having a thickness of 10 nm, 100 mJ / c is applied to a rectangular region of 10 cm × 15 cm using a laser irradiation device having a total energy of 15 J.
Upon irradiation at an energy density of m2 , the semiconductor thin film crystallized. Thereafter, the same film forming step and laser annealing step were alternately repeated four times. As a result, a semiconductor thin film having a thickness of 40 nm and having excellent crystallinity was obtained. When a thin film transistor was formed using this semiconductor thin film, the mobility reached 350 cm2 / Vs in the N-channel type. The processing time at this time was 8 minutes / sheet, and it was found that the production level was sufficiently reached.
【００１６】又、発明者が行なった実験の結果、成膜工
程における一回当たりの成膜膜厚ｄ（ｎｍ）と、レーザ
アニール工程における総エネルギーＴＥ（Ｊ）と、一括
照射領域の面積Ｓ（ｃｍ2 ）とをパラメータにすると、
ＴＥ／（ｄ・Ｓ）の値（即ち単位体積当たりのレーザエ
ネルギーの密度）が０．０１〜１の範囲で、半導体薄膜
を結晶化することにより、得られた薄膜トランジスタの
移動度が２００ｃｍ2／Ｖｓを超えた。又、一回目で成
膜する半導体薄膜の膜厚を薄め（例えば５ｎｍ）に設定
することにより、結晶の発生確率を制御し、その後二回
目の成膜における膜厚を３５ｎｍとすれば、全体として
大きな結晶が得られ、薄膜トランジスタの移動度は２５
０ｃｍ2 ／Ｖｓ以上になった。尚、成膜工程とレーザア
ニール工程とを交互に繰り返す方法で、成膜を繰り返す
毎に実効的に膜に照射するエネルギーを増加させること
により、結晶性の改善効果が得られた。この場合、薄膜
トランジスタの移動度は４００ｃｍ2 ／Ｖｓ以上であっ
た。具体的には、処理を重ねる毎に半導体薄膜の膜厚を
薄くするか、レーザ光の出力エネルギーを増加させれば
よい。Further, as a result of an experiment conducted by the inventor, the film thickness d (nm) per one time in the film forming step, the total energy TE (J) in the laser annealing step, and the area S (Cm2 ) as a parameter,
When the value of TE / (d · S) (that is, the density of laser energy per unit volume) is in the range of 0.01 to 1, the mobility of the obtained thin film transistor is 200 cm2 / by crystallizing the semiconductor thin film. Vs was exceeded. Further, by setting the thickness of the semiconductor thin film to be formed in the first time to be thin (for example, 5 nm), the probability of occurrence of crystals is controlled, and thereafter, when the film thickness in the second film formation is set to 35 nm, the overall Large crystals are obtained, and the mobility of the thin film transistor is 25
0 cm2 / Vs or more. The effect of improving the crystallinity was obtained by effectively increasing the energy applied to the film each time the film formation was repeated by alternately repeating the film forming step and the laser annealing step. In this case, the mobility of the thin film transistor was 400 cm2 / Vs or more. Specifically, the thickness of the semiconductor thin film may be reduced or the output energy of the laser beam may be increased each time the processing is repeated.
【００１７】最後に図７を参照して、本発明に従って製
造した薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス
型表示装置の一例を説明する。図示する様に、本表示装
置は一対の絶縁基板１０１，１０２と両者の間に保持さ
れた電気光学物質１０３とを備えたパネル構造を有す
る。電気光学物質１０３としては例えば液晶材料を用い
る。下側の絶縁基板１０１には画素アレイ部１０４と駆
動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直ス
キャナ１０５と水平スキャナ１０６とに分かれている。
又、絶縁基板１０１の周辺部上端には外部接続用の端子
部１０７が形成されている。端子部１０７は配線１０８
を介して垂直スキャナ１０５及び水平スキャナ１０６に
接続している。画素アレイ部１０４には行状のゲート配
線１０９と列状の信号配線１１０が形成されている。両
配線の交差部には画素電極１１１とこれを駆動する薄膜
トランジスタ１１２が形成されている。薄膜トランジス
タ１１２のゲート電極は対応するゲート配線１０９に接
続され、ドレイン領域は対応する画素電極１１１に接続
され、ソース領域は対応する信号配線１１０に接続して
いる。ゲート配線１０９は垂直スキャナ１０５に接続す
る一方、信号配線１１０は水平スキャナ１０６に接続し
ている。画素電極１１１をスイッチング駆動する薄膜ト
ランジスタ１１２及び垂直スキャナ１０５と水平スキャ
ナ１０６に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従っ
て作成されたものである。更には、垂直スキャナや水平
スキャナに加え、ビデオドライバやタイミングジェネレ
ータを絶縁基板１０１内に集積形成することも可能であ
る。Finally, with reference to FIG. 7, an example of an active matrix type display device using a thin film transistor manufactured according to the present invention will be described. As illustrated, the display device has a panel structure including a pair of insulating substrates 101 and 102 and an electro-optical material 103 held between the pair of insulating substrates 101 and 102. As the electro-optical material 103, for example, a liquid crystal material is used. On the lower insulating substrate 101, a pixel array section 104 and a drive circuit section are integrally formed. The drive circuit is divided into a vertical scanner 105 and a horizontal scanner 106.
A terminal 107 for external connection is formed at the upper end of the peripheral portion of the insulating substrate 101. The terminal 107 is a wiring 108
Are connected to the vertical scanner 105 and the horizontal scanner 106 via the. A row-shaped gate wiring 109 and a column-shaped signal wiring 110 are formed in the pixel array unit 104. A pixel electrode 111 and a thin film transistor 112 for driving the pixel electrode 111 are formed at the intersection of the two wires. The gate electrode of the thin film transistor 112 is connected to the corresponding gate wiring 109, the drain region is connected to the corresponding pixel electrode 111, and the source region is connected to the corresponding signal wiring 110. The gate wiring 109 is connected to the vertical scanner 105, while the signal wiring 110 is connected to the horizontal scanner 106. The thin film transistor 112 for switchingly driving the pixel electrode 111 and the thin film transistors included in the vertical scanner 105 and the horizontal scanner 106 are made according to the present invention. Further, in addition to the vertical scanner and the horizontal scanner, a video driver and a timing generator can be integrally formed in the insulating substrate 101.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
成膜工程と一括照射のレーザアニール工程とを真空内で
連続に行なうことにより、スループットの向上が図れ
る。成膜工程とレーザアニール工程とを真空内で交互に
繰り返すことにより、高品質の半導体薄膜を高スループ
ットで形成することが可能になる。本発明により作成し
た半導体薄膜を活性層とするトランジスタを用いて、ア
クティブマトリクス型表示装置を作成したところ、非常
に歩留りがよく欠陥の少ない高信頼性のパネルが得られ
た。As described above, according to the present invention,
By continuously performing the film forming step and the laser annealing step of collective irradiation in a vacuum, the throughput can be improved. By alternately repeating the film forming step and the laser annealing step in a vacuum, a high-quality semiconductor thin film can be formed at a high throughput. When an active matrix type display device was manufactured using a transistor having a semiconductor thin film as an active layer manufactured according to the present invention, a highly reliable panel with very good yield and few defects was obtained.
【図１】本発明に係る半導体薄膜製造方法を示す工程図
である。FIG. 1 is a process chart showing a semiconductor thin film manufacturing method according to the present invention.
【図２】本発明に係る半導体薄膜製造装置の一例を示す
ブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention.
【図３】本発明に係る半導体薄膜製造装置の他の例を示
すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing another example of the semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention.
【図４】半導体薄膜製造装置に組み込まれる成膜チャン
バの一例を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a film forming chamber incorporated in the semiconductor thin film manufacturing apparatus.
【図５】半導体薄膜製造装置に組み込まれるレーザアニ
ールチャンバの一例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing an example of a laser annealing chamber incorporated in a semiconductor thin film manufacturing apparatus.
【図６】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法を示
す工程図である。FIG. 6 is a process chart showing a method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention.
【図７】本発明に係る表示装置を示す模式的な斜視図で
ある。FIG. 7 is a schematic perspective view showing a display device according to the present invention.
１・・・絶縁基板、２・・・半導体薄膜、３・・・ゲー
ト絶縁膜、５・・・ゲート電極、１０・・・成膜チャン
バ、５０・・・レーザアニールチャンバ、７０・・・ロ
ード／アンロードチャンバ、９０・・・真空搬送チャン
バDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulating substrate, 2 ... Semiconductor thin film, 3 ... Gate insulating film, 5 ... Gate electrode, 10 ... Film formation chamber, 50 ... Laser annealing chamber, 70 ... Load / Unload chamber, 90 ... Vacuum transfer chamber
フロントページの続き (72)発明者 眞野 三千雄 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 浅野 明彦 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 猪野 益充 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA20 CA02 CA10 DA01 FA07 HA01 JA10 5F110 AA16 BB02 CC02 GG02 GG13 PP03 PP29 QQ09 QQ10Continuing on the front page (72) Inventor Michio Mano 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Inside Sony Corporation (72) Inventor Akihiko Asano 6-35-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Stock In-house (72) Inventor Masumitsu Ino 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo F-term in Sony Corporation (reference) 5F052 AA02 BA20 CA02 CA10 DA01 FA07 HA01 JA10 5F110 AA16 BB02 CC02 GG02 GG13 PP03 PP29 QQ09 QQ10
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