반도체박막의 개질방법, 개질한 반도체박막과 그 평가방법및 이 반도체박막으로 형성한 박막트랜지스터 및 이박막트랜지스터를 이용해 구성한 회로를 가지는화상표시장치 document_id A220623006491

본 발명은, 비정질반도체박막을 다결정반도체박막에 개질(改質)하기 위한 반도체박막의 개질방법 및 개질한 반도체박막의 평가방법, 그 반도체박막으로 형성한 박막트랜지스터 및 이 박막트랜지스터를 이용해 구성한 회로를 가지는 플랫 패널형의 화상표시장치를 포함한 반도체장치에 매우 적합한 것이다. 예를 들면, 액정표시장치 등의 플랫 패널형의 화상표시장치는 유리가 적합한절연기판(이하, 단지 기판이라고도 칭한다) 상에 성막한 반도체박막에 만든 화소회로나 구동회로를 가진다. 화소회로나 구동회로를 구성하는 구동소자로서는 박막트랜지스터(Thin Film Transistor:TFT)가 많이 이용된다. 이 박막트랜지스터의 활성층으로서 최근에는 비정질반도체박막(전형적으로는 아모르펄스 실리콘반도체박막, 혹은 a-Si막이라고도 칭한다)에 대신해 다결정반도체박막(동일하게 전형적으로는 폴리실리콘반도체박막, 혹은 poly-Si막이라고도 칭한다)을 이용하는 것으로 고정밀로 고화질의 화상 표시를 얻을 수 있다. 박막트랜지스터의 활성층으로서 이용하는 반도체박막을 실리콘반도체박막을 예로하여 설명한다. 이 활성층으로서의 반도체박막을 다결정실리콘반도체박막으로 하는 것이 비정질실리콘반도체박막을 이용하는 것 보다 뛰어난 특성을 얻을 수 있다. 그 이유는, 다결정실리콘반도체박막은 비정질실리콘반도체박막과 비교해 캐리어(n채널에서는 전자, p채널에서는 정공(正孔))의 이동도가 높은 것을 들 수가 있어 그 결과, 셀 사이즈(화소 사이즈)를 작게 할 수 있는 것에 의한 고정밀화가 가능해진다. 더구나 통상의 폴리실리콘반도체박막으로 형성한 박막트랜지스터의 형성으로는 1000℃ 이상의 고온프로세스가 필요하지만 레이저광에 의한 실리콘층만의 어닐에 의해 반도체박막을 지지하는 기판이 고온이 되지 않는 저온 폴리실리콘반도체박막 형성기술에서는 염가의 유리기판의 사용이 가능한 저온프로세스에 있어서 이동도가 높은 박막트랜지스터 TFT의 형성이 가능해진다. 통상, 다결정실리콘반도체박막의 결정의 입경이 클수록 이동도가 높기 때문에 대입경(大粒徑)의 다결정실리콘반도체박막을 형성하는 방법으로서 다양한 기술이 제안되어 왔다. 일반적으로는「특허문헌 1」에 나타나는 바와 같이 펄스레이저광을 라인 빔 형상에 정형해 그 강도분포의 프로파일을 사다리꼴로서 라인 빔의 단축방향으로 단축폭의 약 1/20 정도의 피치로 1 쇼트 단위로 어긋나게 비정질실리콘반도체박막에 펄스 조사의 반복을 실시하는 방법이 취해진다. 비정질실리콘반도체박막은 조사된 레이저광을 흡수하는 것에 의해 온도가 상승하여 녹는 것으로 온도가 저하한다. 이 프로세스에 수반해 실리콘반도체박막의 결정화가 일어나 비정질실리콘반도체박막은 다결정실리콘반도체박막으로 변화한다(여기서, 이것을 개질이라고 칭한다). 다결정실리콘반도체박막의 평균입경은 조사한 레이저광의 에너지밀도에 의존해 변화하지만 비정질실리콘반도체박막의 결정화에 필요한 최저에너지밀도 이상에서는 에너지밀도를 올리면 입경이 커지지만 어느 한계치이상에서는 입경이 평균 1OOnm(나노미터) 이하의 미결정이 된다. 그 때문에 이 미결정의 한계치이하의 에너지밀도로 조사를 실시하지 않으면 안된다. 이것에 대해서「특허문헌 2」에서는 펄스레이저의 조사영역의 강도분포의 프로파일을 사다리꼴로서 최대강도를 비정질실리콘반도체박막이 미결정의 다결정실리콘반도체박막으로 변화하는 한계치 이상의 값을 가지는 강도분포 프로파일로서 해당 프로파일의 가장자리 강도분포로 대입경화 하는 방법을 개시하고 있다. 이상은 평균입경이 1㎛(미크론 미터) 정도의 기술이고 예를 들면 막두께 50 nm의 비정질실리콘반도체박막을 다결정실리콘반도체박막으로 변화하는 경우에 0.3㎛ 이상의 입경이 되는 레이저 에너지밀도의 마진은 약 10% 정도이지만 그 중 반정도는 돌기의 PV값이 70nm 이상이 된다. 덧붙여 PV값과는 측정범위내의 최고값과 최저값의 차이로 정의된다. 실리콘반도체박막의 대입경화 기술의 다른 방법으로서 광강도분포를 제어하는 방법이 있다. 이 종래 기술의 하나로는「특허문헌 3」에 개시되고 있는 바와 같이 순차적 횡방향 결정성장법(SLS법)으로 불리는 방법이 있다. 이 방법은 면내방향으로 레이저광의 강도분포를 미크론 미터 사이즈의 복수의 빔 요소로 가늘게 잘린것에 의해 면내방향에 온도균배를 형성해 강제적으로 횡방향의 결정성장을 촉진하는 방법이다. 이 방법에서는 복수의 결정입의 결정성장의 방향이 서로 부딪쳐 만나는 경계에 있어서 표면에 돌기가 형성된다. 이 돌기가 형성되는 위치는 각 빔구성의 광강도의 피크위치에 대응한다. 왜냐하면, 이 위치가 가장 온도가 높아지므로 해당 피크위치의 양측으로부터 결정화가 이 피크위치로 향하여 진행하고 피크위치에 있어서 결정성장이 부딪치기 때문이다. 이 돌기는 전술의 사다리꼴 프로파일의 라인빔정형한 레이저 광조사에 의한 다결정실리콘반도체박막의 돌기보다 높고 PV값으로 1OOnm 이상이 되는 경우가 있다. 「특허문헌 4」와「특허문헌 7」에서 제안되는 방법은 「특허문헌 2」에 개시되는 방법의 개량기술이고 레이저광을 최초로 고강도의 에너지로 조사한 후 그것보다 낮은 강도의 에너지로 조사하는 강도분포제어에 의해 결정화하는 것으로 결정입을 크게하는 방법이다. 이 분포제어의 방법에 대해서는 초점위치와 기판표면의 위치를 변화시키는 것으로 비대칭적인 강도분포를 얻을 수 있다고 하고 있다. 단, 이 방법에 의해 비대칭적인 분포형상의 변화를 얻을 수 있는 인과관계는 개시되어 있지 않다. 이것에 대해서「특허문헌 5」에서와 같이 초점위치와 기판표면의 위치를 변화시키는 것으로 사다리꼴 형상으로부터 역종형상이 되도록 하고 있어「특허문헌 4」의 결과와 모순된다. 「특허문헌 6」에도 같은 조사분포로 대입경의 결정을 얻을 수 있다고 하고 있지만 레이저광의 빔 형성 방법에 관한 기술은 없다. 상기한 종래 기술은 레이저광으로서 펄스레이저를 이용한 것이다. 이와 같은 펄스레이저를 이용한 실리콘반도체박막의 결정화방법 즉, 여기서 말하는 개질방법으로는 결정화 후의 다결정실리콘반도체박막의 표면에 돌기가 형성되기 때문에 그 표면요철이 크다. 그 때문에, 이 반도체박막에 예를 들면 박막트랜지스터를 만드는 경우에는 다결정실리콘반도체박막 상에 형성하는 게이트절연막을 두껍게 할 필요가 있다. 그 결과, 게이트절연막의 막두께에 반비례 해 트랜지스터의 온(on) 전류가 작아진다는 문제가 있다. 사다리꼴 프로파일로 한 레이저광의 라인 빔 조사로 형성된 다결정실리콘박막의 돌기를 저감하기 위한 개량된 방법으로서 레이저어닐을 여러 차례 실시해, 각각 다른 에너지밀도로 조사하는 방법에 의해 돌기를 저감하는 방법이 「특허문헌 8」에 개시되고 있다. 특허문헌 8에 개시된 내용은 다음과 같다. 즉, 비정질실리콘반도체박막의 성막시에 포함되는 수소가 레이저어닐에 의해 급격하게 방출되어 막표면이 거칠어진다. 이 때, 결정화가 일어나는 한계치이하의 저에너지밀도의 레이저광을 조사해 결정화어닐 전에 수소를 방출시키는 것에 의해 막표면의 거침을 방지한다는 것이다. 또, SLS법에 있어서의 돌기저감방법으로서 레이저 광조사로 결정화어닐을 실시한 후에 완전용해의 에너지밀도 25% 에서 75%의 값으로 2회째에서 레이저광조사 함으로서 돌기를 저감 하는 방법이 「특허문헌 9」에 개시되고 있다. 그러나, 이상의 방법에는 이하와 같은 결점이 있다. 즉, 레이저광을 다단으로 조사하기 위해 기판 상을 몇번이나 레이저광을 주사 할 필요가 있어 어닐공정에 필요로 하는 시간이 길어진다는 결점이 있다. 더구나 복수의 에너지밀도를 각각 다른 조사시간에 복수주사로 실시하는 경우는 펄스레이저의 반복주파수가 일정하기 때문에 조사시간의 상이는 주사속도를 바꾸게 되어 반도체박막을 성막한 기판 상에 있어서의 각 주사의 레이저광의 조사펄스를 중복한 경우 돌기저감 효과가 기판 상에서 남게되는 결점이 있다. 돌기저감이 효과적인 방법을 이용해 다결정실리콘반도체박막을 형성해도, 레이저 출력의 시간변동이나 결정화 전의 비정질실리콘박막두께의 면내변동이 존재하기 때문에 결정화 후에 돌기검사를 실시해 돌기가 높은 영역 바꾸어 말하면 표면거칠기가 큰 영역을 검출해 그 영역을 재차 결정화하는 등의 공정을 포함하지 않으면 기판 전체면에서 관리기준 이하의 표면거칠기로 할 수가 없다. 이러한 표면거칠기를 계측하는 공지기술로서는 원자간력현미경에 의한 평가방법이 있다. 그러나, 이 방법에서는 1O㎛x1O㎛의 미소 영역을 평가하는데 적어도 몇분 정도를 필요로 하므로 기판전체면의 표면거칠기를 평가하는 것은 시간적으로 불가능하다. 이 표면거칠기를 고속으로 평가하는 방법으로서는 표면광택도(반사율)로 평가하는 방법이「특허문헌 10」에 나타나고 있다. 이 방법은 반사율로 평가하므로 다결정실리콘반도체박막의 두께나 유리기판과 다결정실리콘반도체박막의 사이의 하지막의 두께에 의한 간섭의 영향이 존재한다는 결점이 있다. 다결정실리콘반도체박막의 입경의 면내분포를 고속으로 평가하는 방법에 관해서는 「특허문헌 11」에 개시되고 있는바와 같이 산란광의 각도분포의 확대폭으로 입경을 계측하는 방법이 알려져 있다.