WO2000001866A1 - Method for crystallising a semiconductor material and crystallising system - Google Patents

Method for crystallising a semiconductor material and crystallising system Download PDF

Info

Publication number
WO2000001866A1
WO2000001866A1 PCT/FR1999/001598 FR9901598W WO0001866A1 WO 2000001866 A1 WO2000001866 A1 WO 2000001866A1 FR 9901598 W FR9901598 W FR 9901598W WO 0001866 A1 WO0001866 A1 WO 0001866A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
energy
semiconductor material
layer
zone
displacement
Prior art date
Application number
PCT/FR1999/001598
Other languages
French (fr)
Inventor
Pierre Legagneux
Christian Collet
Didier Pribat
Original Assignee
Thomson-Csf
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson-Csf filed Critical Thomson-Csf
Publication of WO2000001866A1 publication Critical patent/WO2000001866A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02587Structure
    • H01L21/0259Microstructure
    • H01L21/02592Microstructure amorphous
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656Special treatments
    • H01L21/02664Aftertreatments
    • H01L21/02667Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H01L21/02675Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams
    • H01L21/02686Pulsed laser beam
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/16Heating of the molten zone
    • C30B13/22Heating of the molten zone by irradiation or electric discharge
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/28Controlling or regulating
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/06Silicon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/02422Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02524Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532Silicon, silicon germanium, germanium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02587Structure
    • H01L21/0259Microstructure
    • H01L21/02595Microstructure polycrystalline
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656Special treatments
    • H01L21/02664Aftertreatments
    • H01L21/02667Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H01L21/02689Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using particle beams
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656Special treatments
    • H01L21/02664Aftertreatments
    • H01L21/02667Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H01L21/02691Scanning of a beam

Definitions

  • the invention relates to a method for crystallizing a layer of semiconductor material and to a system for carrying out this method.
  • This crystallization can be carried out in the solid phase by means of an oven, around 600 ° C., for several hours or even tens of hours.
  • the grains obtained can be large (up to 5 microns) but unfortunately filled with intra-granular defects, cause of strong electronic degradation of the material and consequently of the devices produced.
  • the short pulses (a few tens of nanoseconds) create weak thermal peaks with little or no damage to the substrates.
  • the family of excimer lasers is grouped on 5 different wavelengths depending on the gases used: F2 (157 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCI (308 nm) and XeF (351 nm).
  • FIG. 1 schematically represents a curve giving the grain sizes of crystallized polysilicon samples as a function of the energy density of laser irradiation of the sample.
  • FIG. 2a represents a layer 1 of amorphous semiconductor material illuminated by a beam F1 supplied by a light source S1.
  • the surface illuminated by the beam has the dimensions I x L.
  • FIG. 2b represents the energy profile of the pulse measured in the direction OX (according to dimension I). Its higher energy level corresponds to the fusion of the amorphous semiconductor Ta.
  • Figure 2c shows in section the semiconductor layer 1 and highlights the action of the light pulse on the semiconductor material.
  • the pulse illuminates an area Z1.
  • D. PRIBAT et al published in “Annales de Physique” C1-213, vol. 22, February / April 1997 describes the problem of crystallization of an amorphous semiconductor material under the action of such a pulse.
  • zone Z'1 It lights up a zone Z'1.
  • the energy of the pulse is insufficient to remelt the already crystallized material up to the interface because the latent heat of transformation of the polycrystal is higher than that of the amorphous.
  • the zone Z1 therefore remains practically intact and in particular the zone z2 of different microstructure. Under these conditions, only the SLG'1 zone gives rise to a coarse-grained crystallization (see FIG. 2e). Zone z'2 becomes similar to zone z2.
  • the spatial stability of excimer lasers in the current state of the art (3rd generation of laser) at ⁇ 5% is insufficient to avoid this type of marking in an industrial approach, large irradiated area (K. YONEDA, State of the art temperature processed Poly-Si TFT Technology, SID Toronto 09/1997). Even reduced to ⁇ 2% by optical homogenization systems (see K. YONEDA already cited), these energy differences result in random grain size variations detrimental to the regularity of the electronic properties of components made from this material .
  • the invention therefore relates to a method for obtaining a uniformly coarse-grained semiconductor layer.
  • the invention therefore relates to a method of crystallization of a layer of semiconductor material using an energy beam illuminating on a surface (L x I) the layer of semiconductor material, the crystallization of the layer being effected by displacement of the beam on the surface of the layer in a determined direction, characterized in that said beam has an energy profile in the direction of movement such that there is at least a first energy level allowing a crystallization to be obtained at large grains (Super Lateral Grow type - SLG) from an amorphous or crystalline phase with small grains of the semiconductor material as well as one or more second energy levels higher than the first energy level and located towards the front of the area illuminated by the beam in the direction of movement of the beam, and allowing a fusion / dissolution of a material comprising both large-grain crystalline phases and s small grain crystalline phases.
  • Super Lateral Grow type - SLG Super Lateral Grow type - SLG
  • the invention also relates to a system for crystallizing a layer of semiconductor material comprising a light source illuminating, using a light beam, a face of the layer of semiconductor material as well as means for moving in one direction and a direction determined the light beam with respect to the layer of semiconductor material characterized in that it comprises means between the source and the layer of semiconductor material for inducing an energy gradient of the beam.
  • the defective crystallized zones such as z2 and z'2 of FIG. 2e, provision is made to illuminate the layer of semiconductor material using a beam having an energy gradient according to the direction beam OX displacement.
  • Each light pulse therefore has an energy profile as shown in FIG. 3a. It comprises at least one energy level allowing a fusion / dissolution of a crystalline material to transform it into homogeneous crystalline material with small grains.
  • these are energy levels between e3 and e4.
  • It also includes at least one energy level allowing the melting / dissolution of a crystalline material with small grains (dimension 50 nm for example) to transform it into crystalline material with large grain (dimensions 1 ⁇ m for example).
  • these are the energy levels between e2 and ⁇ 3.
  • pulses having a linear energy variation according to the direction of movement of the beam with respect to the layer of semiconductor material have been used.
  • the pulses could have any other form, such as for example that shown in FIG. 6a, provided that it has an energy level between e3 and e4 and an energy level between e2 and e3.
  • the layer of semiconductor material 1 is amorphous silicon, previously deposited by a method known to those skilled in the art and containing a residual hydrogen level compatible with laser irradiation (typically of the order 1 to 2%).
  • the light pulse whose energy profile has the form shown in FIG. 3a is transmitted to layer 1.
  • the range of energy levels e0-e1 makes it possible to transform the amorphous silicon of layer 1 into a large grain polycrystal. This is represented by the area a2 in FIG. 3b; this figure shows in section the structure of the material obtained after irradiation. In other words, this energy range makes it possible to melt exactly and up to the interface, layer 1. In this particular case, the solidification of the liquid takes place from crystalline seeds remaining at the liquid interface. / substrate (these crystalline seeds were synthesized beforehand by explosive crystallization, as described in the article already quoted from D. PRIBAT et al.) and one is in the growth regime of the “SLG” type, which has been previously described.
  • the energy range e0-e1 is located around 400-415 mJ / cm 2 , for a semiconductor layer thickness of the order of 80 to 100 nm.
  • the slope of the energy profile is for example 20%, but this is not limiting.
  • Energy levels higher than e1 give rise to the complete fusion of layer 1, with disappearance of the crystalline germs at the interface.
  • the solidification of the liquid phase is now carried out by homogeneous nucleation within this same liquid and the material obtained after crystallization has a microstructure with small grains (see FIG. 1). This is schematically represented by the area a3 in FIG. 3b.
  • the zones corresponding to the sides of the energy profile give rise to a mixed structure, composed of small and large grains (zones ai and a4), phenomenon which has been explained previously.
  • the energy beam has been translated (by means not shown) on the surface of the semiconductor layer, in the direction OX, in such a way that the advance pitch is substantially equal to or less than the projection of the energy zone between e2 and e3, that is to say by a distance corresponding to a6 in FIG. 3d.
  • the range of energy levels between e2 and e3 makes it possible to transform into large-grain polychstal the material with small grains which was synthesized during the first irradiation (region a3 in FIG. 3b). In other words, this range of energy makes it possible to melt the layer of small grain material exactly up to the interface.
  • Zone a6 corresponds to the “SLG” regime for the small grain polycrystal (between e2 and e3) while above e3, there is still total re-melting of the small grain polycrystal (including the interfacial germs) and then, solidification by homogeneous nucleation, which again leads to a material with small grains. It will be noted that the region a4 in FIG. 3b has been completely remelted and transformed into small grain material.
  • FIG. 3f schematizes the situation after the energy beam has been translated by an additional step; for the reasons given above, the parts a5 and a6 of FIG. 3d are only partially melted and their microstructure does not change significantly.
  • the material with small grains located beyond the zone a6 in figure 3d is now lit between e2 and e3 and thus crystallizes out of coarse-grained polycrystal.
  • the area a6 in figure 3d has therefore been enlarged, to give the area a7 in figure 3f.
  • the marking area of the front flank of the laser pulse of FIG. 3d has been redesigned and there is therefore no longer any marking problem.
  • Figure 3h schematizes the situation after a fourth pulse, still shifted by an additional step. It can be seen that the coarse-grained area a7 in FIG. 3f has been further enlarged, transforming into area a8. It is therefore possible to obtain, by using an energy ramp beam, a homogeneous material with large grains, and this, from the second pulse.
  • an energy ramp beam we will begin to use polycrystalline material on the glass plate only from the start of zone a6, zone a5 introducing grain size heterogeneity.
  • the principle of the invention can also be applied to a starting material which is no longer amorphous, but polycrystalline or even microcrystalline; the principle, which in this case is simpler, is described in Figures 4a and 4b.
  • the energy range required to transform the poly or microcrystalline material into coarse-grained material is between e2 and e3.
  • the starting material is transformed into coarse-grained material in the region b2 corresponding to the energy range e2-e3.
  • the energy is just sufficient to completely melt the thickness of the original material, while retaining some germs at the interface, from which crystallization takes place ("SLG" regime).
  • the beam has been translated with a pitch substantially equal to or less than b2. It can be seen that the small grain area illuminated in an energy range between e2 and e3 crystallizes from large grain material, while the defective b4 area has been completely remelted, giving way to homogeneous small grain material. The coarse-grained area has therefore grown and the “front flank” marking has disappeared.
  • the use of an energy ramp also makes it possible, to a certain extent, to compensate for the energy drifts of the pulses delivered by the laser and to control the operation of the laser and / or of the beam scanning system (or else of the XY mobile table supporting the plates to be crystallized). This will be better understood on reading Figures 5a to 5f and their comments.
  • the normal pulse In1 has been shown in dotted lines, as well as the impact which it should have provided on the layer (normal SLGn zone); a pulse with a lower average energy level has also been represented (in solid lines) representing a real pulse Ir which in reality provides an offset SLGr zone and therefore leaves in the layer an zone Z2 of small grain material located between the zone ZO in coarse-grained material and a new zone Z3 in coarse-grained material.
  • a MAR mark has previously been registered on the real-time observation screen, a mark corresponding to the alignment of the border which should have been obtained between the coarse-grained material and the small-grained material .
  • the marking FR2 produced by the pulse at lower average energy will no longer be aligned with the fixed mark on the observation screen and the offset D1 (see FIG. 5f) is perfectly measurable on the screen.
  • This observation can be made by an image processing system. It is therefore sufficient, knowing D1, to command the retraction of the laser spot by an amount D1 on the next pulse to correct the "hole" of crystallization in small grain material which had been left during scanning.
  • D1 The feedback loop providing a feedback signal which allows the beam scanning to be controlled in real time. This enslavement can also lead to modifying the displacement step of the movable table. It is noted that one could also control the discharge voltage of the laser in order to correct the average energy per pulse.
  • FIG. 7 represents a system making it possible to implement the method of the invention.
  • This system comprises between the source S1 and the layer of semiconductor material an absorption device Ab.
  • device is, for example, an absorbent strip having a bevel profile so as to provide an absorption gradient along the axis OX.
  • a slope at 20%, for an “SLG” zone at ⁇ 5% of the width of the laser beam, for a recovery rate of 98 to 99% gives a uniform polycrystalline silicon material of a size average grain size from 0.8 to 1.1 micron in diameter.
  • the invention as described above thus makes it possible to achieve, on a surface made of amorphous semiconductor material, the crystallization of a strip of this material by displacement of the impact of a laser spot on this surface.
  • a first movement of the laser spot along arrow D1 makes it possible to produce a first band B1 of width I.
  • the laser impacts produced for the manufacture of the strip B2 overlapping the strip B1.
  • the energy ramp profile as described above makes it possible to remelt the crystallized material of the band B1 and to recrystallize it.
  • the band B1 is shown produced by a first displacement of the laser impact.
  • Each impact such as the Xth impact has two lateral flanks f1 and f2.
  • the impact has, in the direction parallel to the width of the strip, an energy profile as shown in the upper part of the figure and, in the direction of movement B1 of the impact, a ramp profile as shown in Figures 5a-5f, or irregular ( Figures 6a-Tc).
  • the area "a" corresponds to an area of the sample having been irradiated by an energy gradient due to the flank f1 of the laser beam.
  • This material will be composed of a mixture of small and large grain polysilicon. Since this corresponds to an unusable edge of the sample anyway, this does not matter.
  • Zone b will be composed of a uniform coarse grain material by using the ramp profile.
  • Zone c will be of the same nature as zone a, for the same reasons (right flank).
  • Zone d corresponds to an amorphous silicon which has not yet crystallized.
  • the second strip B2 is produced. Impacts such as the same impact overlap the band B1 so that the flank f1 of each impact is entirely in the area b of the band B1. Zone c of the first scan as well as a small part of zone b will be completely recast thanks to the exposure to the energy level contained in the energy profile.
  • Zone b large grains, will then be extended by the length of zone c 'to become a zone b'.
  • the zone d will have been reduced to a zone of.
  • a new zone c is created at the right end of this second scan.
  • the zone of coarse-grained material b will have been enlarged by pushing the degraded zone laterally (zone c). This will be the case, with each subsequent scan, if necessary, depending on the width of the sample to be crystallized and the length of the laser beam.
  • the step of 10 ⁇ m allows to crystallize 3 mm of material per second, or 100 s required to process a 30 * 30 cm screen. If a recovery rate of 95% is acceptable, then the processing of the same screen would only take 40 s. These times are industrially acceptable. We can act on the energy slope of the laser beam.
  • a light source is used as the energy source, but any other energy source, for example an electron beam, could be used.

Abstract

The invention concerns a method for crystallising a semiconductor material layer (1) using an energy beam (F1) illuminating on one surface (L x l) the semiconductor material layer (1). The layer is crystallised by the relative movement of the beam at the layer surface along a specific direction (OX). The beam has an energy profile along the displacement direction (OX) such that there is at least a first energy level for obtaining coarse grain crystal lisation (Super Lateral Grow-SLG) from a small grain amorphous or crystalline phase with of the semiconductor material and one or several second energy levels higher than the first energy level and located towards the front of the zone illuminated by the beam along the beam displacement direction (OX). Said second energy level(s) enable to melt/dissolve a material comprising both coarse grain and small grain crystalline phases. The invention is useful for producing coarse grain crystalline semiconductor material layers.

Description

PROCEDE DE CRISTALLISATION D'UN MATERIAU SEMICONDUCTEUR ET SYSTEME DE CRISTALLISATIONMETHOD OF CRYSTALLIZATION OF A SEMICONDUCTOR MATERIAL AND CRYSTALLIZATION SYSTEM
L'invention concerne un procédé de cristallisation d'une couche de matériau semiconducteur et un système permettant de mettre en oeuvre ce procédé.The invention relates to a method for crystallizing a layer of semiconductor material and to a system for carrying out this method.
Plus particulièrement, il s'agit de réaliser des couches de semiconducteurs présentant une microstructure uniforme à gros grains pour la fabrication de transistors en couches minces à performances améliorées pour des écrans à cristaux liquides grande surface à matrice active en polysilicium par exemple.More particularly, it involves producing semiconductor layers having a uniform coarse-grained microstructure for the manufacture of thin-film transistors with improved performance for large-area liquid crystal displays with an active polysilicon matrix, for example.
Le marché des dispositifs à cristaux liquides est en forte croissance (entre 10 et 20 % ces dernières années) et pourrait doubler d'ici l'an 2000. A une technologie pionnière basée sur le silicium amorphe (aSi), on a vu successivement l'introduction du silicium polycristallin (pSi) :The market for liquid crystal devices is growing rapidly (between 10 and 20% in recent years) and could double by the year 2000. A pioneering technology based on amorphous silicon (aSi), we have successively seen l introduction of polycrystalline silicon (pSi):
1) dans une technologie pSi haute température > 600°C sur substrat de quartz, limité en taille ; 2) dans une approche pSi basse température < 500°C permettant l'introduction de substrats en verre à bas coût et de grande surface. Seule cette dernière approche semble en mesure de surmonter les nouveaux obstacles -que le marché semble vouloir imposer avec des dispositifs à 2000 * 1600 pixels au pas de 200 microns ou moins à l'orée de l'année 2005. On peut envisager des écrans d'une taille allant jusqu'à 40 pouces en 16:9 réalisés sur des plaques de verre dont un comité regroupant 30 grands fabricants dans le domaine a défini la taille à 960mm * 1100mm. Seule l'utilisation du pSi avec des mobilités d'électrons et de trous de 2 ordres de grandeur supérieures à celles du aSi pourrait répondre à cette densification d'intégration avec des circuits de commandes périphériques directement intégrés sur l'écran, des augmentations de taux d'ouverture et de taille d'écran.1) in a high temperature pSi technology> 600 ° C on quartz substrate, limited in size; 2) in a low temperature <500 ° C pSi approach allowing the introduction of glass substrates at low cost and large surface area. Only this last approach seems able to overcome the new obstacles - that the market seems to want to impose with devices at 2000 * 1600 pixels in steps of 200 microns or less at the edge of the year 2005. We can consider screens of '' a size up to 40 inches in 16: 9 made on glass plates which a committee of 30 major manufacturers in the field defined the size at 960mm * 1100mm. Only the use of pSi with mobilities of electrons and holes of 2 orders of magnitude greater than those of aSi could respond to this densification of integration with peripheral control circuits directly integrated on the screen, rate increases aperture and screen size.
Le but est donc d'obtenir des couches de pSi les plus uniformes possibles, composées des plus gros grains, sans défauts internes. La maîtrise technologique d'une grosse taille de grains est une des clés conditionnant l'obtention de hautes mobilités pour les porteurs de charges. L'approche intuitive d'un dépôt chimique direct de pSi en phase vapeur (CVD) autour de 600°C [D. Pribat and al « Science and Technology of Thin Film », F.C. Mattacotta and G. Ottaviani Eds. (Word Scientific, Singapore 1995) p 293,359 (1995)] ne donne pas de résultats satisfaisants du fait d'une forte rugosité de surface perturbatrice d'une haute mobilité. On a donc recourt à une cristallisation d'un précurseur amorphe.The goal is therefore to obtain the most uniform layers of pSi possible, composed of the largest grains, without internal defects. Technological mastery of a large grain size is one of the keys to obtaining high mobility for load carriers. The intuitive approach to direct chemical deposition of pSi in the vapor phase (CVD) around 600 ° C [D. Pribat and al "Science and Technology of Thin Film", FC Mattacotta and G. Ottaviani Eds. (Word Scientific, Singapore 1995) p 293.359 (1995)] does not give satisfactory results due to a high surface roughness disturbing high mobility. We therefore have recourse to a crystallization of an amorphous precursor.
Cette cristallisation peut être effectuée en phase solide au moyen d'un four, autour de 600°C, pendant plusieurs heures voire dizaines d'heures. Les grains obtenus peuvent être gros (jusqu'à 5 microns) mais malheureusement remplis de défauts intra-granulaires, cause de fortes dégradations électroniques du matériau et par voie de conséquence des dispositifs réalisés.This crystallization can be carried out in the solid phase by means of an oven, around 600 ° C., for several hours or even tens of hours. The grains obtained can be large (up to 5 microns) but unfortunately filled with intra-granular defects, cause of strong electronic degradation of the material and consequently of the devices produced.
De plus, pour une approche industrielle cette étape est fortement coûteuse en temps de réalisation. Comme conséquence, une voie de cristallisation par utilisation de laser puisé à excimère [T. Sameshima MRS Symp Proc 71 (1986), 435] a été étudiée et semble emporter actuellement les faveurs des industriels.In addition, for an industrial approach this step is highly costly in terms of production time. As a consequence, a crystallization path using pulsed excimer laser [T. Sameshima MRS Symp Proc 71 (1986), 435] has been studied and seems to currently favor industrialists.
Les courtes impulsions (quelques dizaines de nanosecondes) créent de faibles pics thermiques peu ou pas dommageables pour les substrats. Les fréquences de travail allant à ce jour jusqu'à 300 Hz, raisonnables pour une approche industrielle, rendent ce type de laser très attractif.The short pulses (a few tens of nanoseconds) create weak thermal peaks with little or no damage to the substrates. The working frequencies up to 300 Hz to date, reasonable for an industrial approach, make this type of laser very attractive.
Une approche monoimpulsion (monoshot) semble a priori trèsA single impulse (single shot) approach seems a priori very
2 élégante. Des essais ont été réalisés sur des surfaces 3 * 3 cm . Vu les2 elegant. Tests were carried out on 3 * 3 cm surfaces. Seen the
-2 fluences nécessaires à la cristallisation (300 à 500 mJ.cm ) et l'augmentation de la taille des écrans, ces machines monoshot forte puissance ne semblent pas en mesure de traiter un échantillon en une seule passe, ils perdent donc une bonne partie de leur intérêt et sont d'un coût prohibitif. On s'oriente donc vers des irradiations multishots (c'est-à-dire balayage de la surface) avec des taux de recouvrement par un pinceau de lumière d'une largeur inférieure au mm et le plus long possible (de quelques cms à quelques dizaines de cms), idéalement d'une longueur égale à la plus petite des dimensions des plaques de verre utilisées pour éviter une deuxième passe latérale et un recouvrement supplémentaire. La famille des lasers à excimères se regroupe sur 5 longueurs d'onde différentes selon les gaz utilisés : F2 (157 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCI (308 nm) et XeF (351 nm).-2 fluences necessary for crystallization (300 to 500 mJ.cm) and the increase in the size of the screens, these high-power single-shot machines do not seem able to process a sample in a single pass, so they lose a good part of their interest and are prohibitively expensive. We are therefore moving towards multishot irradiation (that is to say scanning the surface) with recovery rates by a light brush with a width less than 1 mm and as long as possible (from a few cm to a few tens of cms), ideally of a length equal to the smallest of the dimensions of the glass plates used to avoid a second lateral pass and an additional overlap. The family of excimer lasers is grouped on 5 different wavelengths depending on the gases used: F2 (157 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCI (308 nm) and XeF (351 nm).
La figure 1 représente schématiquement une courbe donnant les tailles de grains d'échantillons de polysilicium cristallisés en fonction de la densité d'énergie d'irradiation laser de l'échantillon.FIG. 1 schematically represents a curve giving the grain sizes of crystallized polysilicon samples as a function of the energy density of laser irradiation of the sample.
On voit qu'en montant progressivement la densité d'énergie, dans un premier temps on obtient un matériau de petits grains à la taille plus ou moins constante en légère augmentation sur une gamme énergétique importante (fusion partielle du matériau de plus en plus profonde) puis une brusque augmentation de taille de grain dans une fenêtre énergétique très étroite, zone dite de « SLG » (Super Latéral Grow), limite de fusion totale de l'épaisseur du matériau. Ce régime SLG correspond à la réminiscence de quelques germes disséminés à l'interface, à partir desquels la solidification de la phase liquide va s'effectuer. Lorsque l'énergie augmente encore, ces germes résiduels disparaissent par fusion et on obtient un polycristal à tout petits grains, inexploitable en terme de transport électronique (toute la couche fondue) (voir l'article « Cristallisation du silicium amorphe par laser à excimères de D. PRIBAT et al publié dans les Annales de Physique, C1- 213, vol. 22, février/avril 1997).We see that gradually increasing the energy density, first we obtain a material of small grains with more or less constant size slightly increasing over a large energy range (partial melting of the material more and more deep) then a sudden increase in grain size in a very narrow energy window, the so-called “SLG” (Super Lateral Grow) zone, total melting limit of the thickness of the material. This SLG regime corresponds to the reminiscence of a few germs disseminated at the interface, from which the solidification of the liquid phase will take place. When the energy increases further, these residual germs disappear by fusion and one obtains a polycrystal with very small grains, unusable in term of electronic transport (all the molten layer) (see the article "Crystallization of amorphous silicon by laser with excimers of D. PRIBAT et al published in the Annales de Physique, C1-213, vol. 22, February / April 1997).
Le problème est d'obtenir un matériau polycristallin à grains uniformes. Pour ce faire, on utilise en général un faisceau laser dont la répartition énergétique est très plate (faisceau « top-hat ») (voir par exemple l'article récent de Kiyoshi YONEDA, dans « Conférence record of the 1997 International Display Research Conférence », édité par le « Society for Information Display », 1526 Brookhollow Drive, Santa A , CA 92705-5421 , page M-40).The problem is to obtain a polycrystalline material with uniform grains. To do this, we generally use a laser beam whose energy distribution is very flat (“top-hat” beam) (see for example the recent article by Kiyoshi YONEDA, in “Conférence record of the 1997 International Display Research Conférence” , published by the "Society for Information Display", 1526 Brookhollow Drive, Santa A, CA 92705-5421, page M-40).
L'inconvénient vient d'un marquage répétitif dû à la pente énergétique du front avant de l'impulsion. La zone irradiée sous ce front avant, aura une structure mixte et complexe (mélange de petits et gros grains). Après avancée du spot laser, l'énergie maximum du laser dans sa partie plate sera insuffisante pour refondre complètement cette zone d'où localement la présence d'une structure cristalline différente génératrice d'un marquage indélébile par cette méthode de cristallisation et ce profil énergétique de faisceau. Cet inconvénient sera mieux compris à la lecture des figures 2a à 2e et de leur commentaire.The disadvantage comes from a repetitive marking due to the energy slope of the front before the impulse. The irradiated area under this front face will have a mixed and complex structure (mixture of small and large grains). After advancing the laser spot, the maximum energy of the laser in its flat part will be insufficient to completely recast this area, hence locally the presence of a different crystalline structure generating an indelible marking by this method of crystallization and this energy profile. beam. This drawback will be better understood on reading Figures 2a to 2e and their commentary.
En effet, les impulsions utilisées ont un profil énergétique tel que représenté en figures 2a et 2b. La figure 2a représente une couche 1 en matériau semiconducteur amorphe éclairé par un faisceau F1 fourni par une source lumineuse S1. La surface éclairée par le faisceau a pour dimensions I x L. La figure 2b représente le profil énergétique de l'impulsion mesurée selon la direction OX (selon la dimension I). Son niveau supérieur d'énergie correspond à la fusion du semiconducteur amorphe Ta.Indeed, the pulses used have an energy profile as shown in Figures 2a and 2b. FIG. 2a represents a layer 1 of amorphous semiconductor material illuminated by a beam F1 supplied by a light source S1. The surface illuminated by the beam has the dimensions I x L. FIG. 2b represents the energy profile of the pulse measured in the direction OX (according to dimension I). Its higher energy level corresponds to the fusion of the amorphous semiconductor Ta.
La figure 2c représente en coupe la couche de semiconducteur 1 et met en évidence l'action de l'impulsion lumineuse sur le matériau semiconducteur. L'impulsion éclaire une zone Z1. Le document de D. PRIBAT et al publié dans des « Annales de Physique » C1-213, vol. 22, février/avril 1997 décrit le problème de cristallisation d'un matériau semiconducteur amorphe sous l'action d'une telle impulsion.Figure 2c shows in section the semiconductor layer 1 and highlights the action of the light pulse on the semiconductor material. The pulse illuminates an area Z1. The document by D. PRIBAT et al published in “Annales de Physique” C1-213, vol. 22, February / April 1997 describes the problem of crystallization of an amorphous semiconductor material under the action of such a pulse.
Dans la zone SLG1 , le matériau originellement amorphe est fondu exactement sur toute l'épaisseur et la cristallisation donne lieu à la formation d'un matériau cristallisé homogène à gros grains. Dans les zones z1 et z2, après fusion, la cristallisation donne lieu à un matériau cristallisé contenant à la fois des gros grains, et des petits grains en raison du fait que dans les flancs avant et arrière de l'impulsion, on est en présence d'un gradient d'énergie. Ces zones sont donc de qualités cristallines médiocres et hétérogènes. Après cette dernière impulsion, si on déplace le faisceau lumineux selon l'axe OX et qu'on éclaire une surface qui chevauche la surface éclairée précédente, on a une configuration représentée en figures 2d et 2e. L'impulsion lumineuse de la figure 2d est décalée par rapport à l'impulsion de la figure 2b. Elle éclaire une zone Z'1. Cependant, l'énergie de l'impulsion est insuffisante pour refondre jusqu'à l'interface le matériau déjà cristallisé car la chaleur latente de transformation du polycristal est plus élevée que celle de l'amorphe. La zone Z1 reste donc pratiquement intacte et en particulier la zone z2 de microstructure différente. Dans ces conditions, seule la zone SLG'1 donne lieu à une cristallisation à gros grains (voir figure 2e). La zone z'2 devient similaire à la zone z2. On voit donc qu'après traitement par une succession d'impulsions lumineuses déplacées à la surface de la couche de matériau semiconducteur, celle-ci présentera une alternance de zones telles que SLG1 et SLG'1 en matériau semiconducteur à gros grains et de zones telles que z2 et z'2 en matériau hétérogène gros grains/petits grains. Cette hétérogénéité de microstructure est extrêmement préjudiciable à l'uniformité des caractéristiques des transistors qui seront ensuite réalisés dans ces couches. A un marquage périodique dont l'origine a été précédemment expliquée pourra se superposer un marquage aléatoire dû aux instabilités puise à puise du laser (instabilité temporelle). Les stabilités spatiales des lasers excimere dans l'état de l'art actuel (3ème génération de laser) à ± 5 % sont insuffisantes pour éviter ce type de marquage dans une approche industrielle, grande surface irradiée (K. YONEDA, State of the art température processed Poly-Si TFT Technology, SID Toronto 09/1997). Même ramenée à ± 2 % par des systèmes optiques d'homogénéisation (voir K. YONEDA déjà cité), ces écarts énergétiques se traduisent par des variations de taille de grains aléatoires préjudiciables à la régularité des propriétés électroniques de composants réalisés à partir de ce matériau. L'invention concerne donc un procédé permettant d'obtenir une couche de semiconducteur cristallisée uniformément à gros grains.In the SLG1 zone, the originally amorphous material is melted exactly over the entire thickness and crystallization gives rise to the formation of a homogeneous crystallized material with large grains. In zones z1 and z2, after fusion, crystallization gives rise to a crystallized material containing both large grains, and small grains due to the fact that in the front and rear flanks of the pulse, we are in the presence of an energy gradient. These zones are therefore of mediocre and heterogeneous crystalline qualities. After this last pulse, if the light beam is displaced along the axis OX and a surface which overlaps the previous illuminated surface is illuminated, we have a configuration shown in FIGS. 2d and 2e. The light pulse of Figure 2d is offset from the pulse of Figure 2b. It lights up a zone Z'1. However, the energy of the pulse is insufficient to remelt the already crystallized material up to the interface because the latent heat of transformation of the polycrystal is higher than that of the amorphous. The zone Z1 therefore remains practically intact and in particular the zone z2 of different microstructure. Under these conditions, only the SLG'1 zone gives rise to a coarse-grained crystallization (see FIG. 2e). Zone z'2 becomes similar to zone z2. So we see that after treatment by a succession of light pulses displaced on the surface of the layer of semiconductor material, this will present an alternation of zones such as SLG1 and SLG'1 made of coarse-grain semiconductor material and zones such as z2 and z'2 made of heterogeneous coarse / small grain material. This heterogeneity of microstructure is extremely detrimental to the uniformity of the characteristics of the transistors which will then be produced in these layers. A periodic marking, the origin of which has been previously explained, may be superimposed on a random marking due to the instabilities from one laser to the next (temporal instability). The spatial stability of excimer lasers in the current state of the art (3rd generation of laser) at ± 5% is insufficient to avoid this type of marking in an industrial approach, large irradiated area (K. YONEDA, State of the art temperature processed Poly-Si TFT Technology, SID Toronto 09/1997). Even reduced to ± 2% by optical homogenization systems (see K. YONEDA already cited), these energy differences result in random grain size variations detrimental to the regularity of the electronic properties of components made from this material . The invention therefore relates to a method for obtaining a uniformly coarse-grained semiconductor layer.
L'invention concerne donc un procédé de cristallisation d'une couche de matériau semiconducteur à l'aide d'un faisceau énergétique éclairant sur une surface (L x I) la couche de matériau semiconducteur, la cristallisation de la couche se faisant par déplacement du faisceau à la surface de la couche selon une direction déterminée, caractérisé en ce que ledit faisceau présente un profil d'énergie selon la direction de déplacement tel qu'on a au moins un premier niveau d'énergie permettant d'obtenir une cristallisation à gros grains (de type Super Latéral Grow - SLG) à partir d'une phase amorphe ou cristalline à petits grains du matériau semiconducteur ainsi qu'un ou plusieurs deuxièmes niveaux d'énergie supérieurs au premier niveau d'énergie et situés vers l'avant de la zone éclairée par le faisceau selon le sens de déplacement du faisceau, et permettant une fusion/dissolution d'un matériau comportant à la fois des phases cristallines à gros grains et des phases cristallines à petits grains. L'invention concerne également un système de cristallisation d'une couche en matériau semiconducteur comprenant une source lumineuse éclairant, à l'aide d'un faisceau lumineux, une face de la couche de matériau semiconducteur ainsi que des moyens pour déplacer selon une direction et un sens déterminés le faisceau lumineux par rapport à la couche de matériau semiconducteur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens entre la source et la couche de matériau semiconducteur pour induire un gradient d'énergie du faisceau.The invention therefore relates to a method of crystallization of a layer of semiconductor material using an energy beam illuminating on a surface (L x I) the layer of semiconductor material, the crystallization of the layer being effected by displacement of the beam on the surface of the layer in a determined direction, characterized in that said beam has an energy profile in the direction of movement such that there is at least a first energy level allowing a crystallization to be obtained at large grains (Super Lateral Grow type - SLG) from an amorphous or crystalline phase with small grains of the semiconductor material as well as one or more second energy levels higher than the first energy level and located towards the front of the area illuminated by the beam in the direction of movement of the beam, and allowing a fusion / dissolution of a material comprising both large-grain crystalline phases and s small grain crystalline phases. The invention also relates to a system for crystallizing a layer of semiconductor material comprising a light source illuminating, using a light beam, a face of the layer of semiconductor material as well as means for moving in one direction and a direction determined the light beam with respect to the layer of semiconductor material characterized in that it comprises means between the source and the layer of semiconductor material for inducing an energy gradient of the beam.
Les différents objets et caractéristiques apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent :The various objects and characteristics will appear more clearly in the description which follows, given by way of example and in the appended figures which represent:
- les figures 1 à 2e, des techniques de l'art connu et décrites précédemment ;- Figures 1 to 2e, techniques of the known art and described above;
- les figures 3a à 3h, le procédé de réalisation selon l'invention ; - les figures 4a et 4b, une variante du procédé des figures 4a à- Figures 3a to 3h, the production method according to the invention; - Figures 4a and 4b, a variant of the process of Figures 4a to
4h ;4h;
- les figures 5a à 5f, un fonctionnement du procédé de l'invention avec des impulsions instables ;- Figures 5a to 5f, an operation of the method of the invention with unstable pulses;
- les figures 6a à 6c, des variantes de profils d'énergies d'une impulsion lumineuse utilisable dans le cadre de l'invention ;- Figures 6a to 6c, alternative energy profiles of a light pulse used in the context of the invention;
- la figure 7, un système mettant en oeuvre l'invention ;- Figure 7, a system implementing the invention;
- la figure 8, une comparaison du fonctionnement du système de l'invention avec des impulsions de gradients d'énergies différents - les figures 9 et 10 représentent une variante de réalisation de l'invention permettant d'obtenir des bandes parallèles cristallisées.- Figure 8, a comparison of the operation of the system of the invention with pulses of different energy gradients - Figures 9 and 10 show an alternative embodiment of the invention for obtaining parallel crystallized bands.
Pour éliminer, par fusion totale, les zones cristallisées défectueuses telles que z2 et z'2 de la figure 2e, on prévoit d'éclairer la couche de matériau semiconducteur à l'aide d'un faisceau présentant un gradient d'énergie selon le sens de déplacement OX du faisceau.To eliminate, by total fusion, the defective crystallized zones such as z2 and z'2 of FIG. 2e, provision is made to illuminate the layer of semiconductor material using a beam having an energy gradient according to the direction beam OX displacement.
Chaque impulsion lumineuse a donc un profil d'énergie tel que représenté en figure 3a. Elle comporte au moins un niveau d'énergie permettant une fusion/dissolution d'un matériau cristallin pour le transformer en matériau cristallin homogène à petits grains. Sur la figure 3a, il s'agit des niveaux d'énergie compris entre e3 et e4. Elle comprend également au moins un niveau d'énergie permettant la fusion/dissolution d'un matériau cristallin à petits grains (de dimension 50 nm par exemple) pour le transformer en matériau cristallin à gros grain (de dimensions 1 μm par exemple). Sur la figure 3a, il s'agit des niveaux d'énergie compris entre e2 et θ3.Each light pulse therefore has an energy profile as shown in FIG. 3a. It comprises at least one energy level allowing a fusion / dissolution of a crystalline material to transform it into homogeneous crystalline material with small grains. In Figure 3a, these are energy levels between e3 and e4. It also includes at least one energy level allowing the melting / dissolution of a crystalline material with small grains (dimension 50 nm for example) to transform it into crystalline material with large grain (dimensions 1 μm for example). In Figure 3a, these are the energy levels between e2 and θ3.
Sur les figures 3a à 3h on a utilisé des impulsions présentant une variation d'énergie linéaire selon la direction de déplacement du faisceau par rapport à la couche de matériau semiconducteur. Mais les impulsions pourraient avoir tout autre forme, telle que par exemple celle représentée en figure 6a, pourvu qu'elle présente un niveau d'énergie compris entre e3 et e4 et un niveau d'énergie compris entre e2 et e3.In FIGS. 3a to 3h, pulses having a linear energy variation according to the direction of movement of the beam with respect to the layer of semiconductor material have been used. However, the pulses could have any other form, such as for example that shown in FIG. 6a, provided that it has an energy level between e3 and e4 and an energy level between e2 and e3.
En se reportant aux figures 3a à 3h, on va maintenant décrire le fonctionnement du procédé de l'invention. On supposera par exemple que la couche de matériau semiconducteur 1 est du silicium amorphe, préalablement déposé par une méthode connue de l'homme de l'art et contenant un taux d'hydrogène résiduel compatible avec l'irradiation laser (typiquement de l'ordre de 1 à 2 %). L'impulsion lumineuse dont le profil d'énergie a la forme représentée en figure 3a est transmise à la couche 1.Referring to Figures 3a to 3h, we will now describe the operation of the method of the invention. Assume for example that the layer of semiconductor material 1 is amorphous silicon, previously deposited by a method known to those skilled in the art and containing a residual hydrogen level compatible with laser irradiation (typically of the order 1 to 2%). The light pulse whose energy profile has the form shown in FIG. 3a is transmitted to layer 1.
La gamme de niveaux d'énergie e0-e1 permet de transformer en polycristal à gros grains le silicium amorphe de la couche 1. Ceci est représenté par la zone a2 sur la figure 3b ; cette figure schématise en coupe la structure du matériau obtenu après irradiation. En d'autres termes, cette gamme d'énergie permet de fondre exactement et jusqu'à l'interface, la couche 1. Dans ce cas particulier, la solidification du liquide s'effectue à partir de germes cristallins subsistant à l'interface liquide/substrat (ces germes cristallins ont été synthétisés préalablement par cristallisation explosive, ainsi que décrit dans l'article déjà cité de D. PRIBAT et al.) et l'on est dans le régime de croissance de type « SLG », qui a été décrit précédemment. Typiquement et sans que ces valeurs soient limitatives, la gamme d'énergie e0-e1 est située aux alentours de 400-415 mJ/cm2, pour une épaisseur de couche de semiconducteur de l'ordre de 80 à 100 nm. La pente du profil énergétique est par exemple de 20 %, mais ceci n'est pas limitatif. Les niveaux d'énergie supérieurs à e1 donnent lieu à la fusion complète de la couche 1 , avec disparition des germes cristallins à l'interface. La solidification de la phase liquide s'effectue maintenant par nucléation homogène au sein de ce même liquide et le matériau obtenu après cristallisation présente une microstructure à petits grains (voir figure 1 ). Ceci est schématiquement représenté par la zone a3 sur la figure 3b. Enfin, on peut aussi voir sur cette même figure 3b que les zones correspondant aux flancs du profil énergétique donnent naissance à une structure mixte, composée de petits et gros grains (zones ai et a4), phénomène qui a été expliqué précédemment.The range of energy levels e0-e1 makes it possible to transform the amorphous silicon of layer 1 into a large grain polycrystal. This is represented by the area a2 in FIG. 3b; this figure shows in section the structure of the material obtained after irradiation. In other words, this energy range makes it possible to melt exactly and up to the interface, layer 1. In this particular case, the solidification of the liquid takes place from crystalline seeds remaining at the liquid interface. / substrate (these crystalline seeds were synthesized beforehand by explosive crystallization, as described in the article already quoted from D. PRIBAT et al.) and one is in the growth regime of the “SLG” type, which has been previously described. Typically and without these values being limiting, the energy range e0-e1 is located around 400-415 mJ / cm 2 , for a semiconductor layer thickness of the order of 80 to 100 nm. The slope of the energy profile is for example 20%, but this is not limiting. Energy levels higher than e1 give rise to the complete fusion of layer 1, with disappearance of the crystalline germs at the interface. The solidification of the liquid phase is now carried out by homogeneous nucleation within this same liquid and the material obtained after crystallization has a microstructure with small grains (see FIG. 1). This is schematically represented by the area a3 in FIG. 3b. Finally, it can also be seen in this same FIG. 3b that the zones corresponding to the sides of the energy profile give rise to a mixed structure, composed of small and large grains (zones ai and a4), phenomenon which has been explained previously.
En figures 3c et 3d, le faisceau énergétique a été translaté (par des moyens non représentés) à la surface de la couche de semiconducteur, dans le sens OX, de telle façon que le pas d'avancée soit sensiblement égal ou inférieur à la projection de la zone énergétique comprise entre e2 et e3, c'est-à-dire d'une distance correspondant à a6 sur la figure 3d. La gamme de niveaux d'énergie comprise entre e2 et e3 permet de transformer en polychstal à gros grains le matériau à petits grains qui a été synthétisé lors de la première irradiation (région a3 de la figure 3b). En d'autres termes, cette gamme d'énergie permet de fondre exactement jusqu'à l'interface la couche de matériau à petits grains. De même que décrit précédemment, dans ce régime énergétique, il subsiste à l'interface liquide/substrat quelques cristallites non fondues, à partir desquelles la solidification pourra s'effectuer. On notera que, du fait que la chaleur latente de fusion du silicium amorphe est plus faible que celle du silicium cristallin, la gamme d'énergie e2-e3 est plus élevée que la gamme e0-e1 qui permettait d'obtenir le même effet de cristallisation à gros grains dans le silicium amorphe de départ. On notera aussi que les zones e0-e1 et e2-e3 sont énergétiquement disjointes.In FIGS. 3c and 3d, the energy beam has been translated (by means not shown) on the surface of the semiconductor layer, in the direction OX, in such a way that the advance pitch is substantially equal to or less than the projection of the energy zone between e2 and e3, that is to say by a distance corresponding to a6 in FIG. 3d. The range of energy levels between e2 and e3 makes it possible to transform into large-grain polychstal the material with small grains which was synthesized during the first irradiation (region a3 in FIG. 3b). In other words, this range of energy makes it possible to melt the layer of small grain material exactly up to the interface. As previously described, in this energy regime, there remain at the liquid / substrate interface some unmelted crystallites, from which solidification can take place. It will be noted that, since the latent heat of fusion of amorphous silicon is lower than that of crystalline silicon, the energy range e2-e3 is higher than the range e0-e1 which made it possible to obtain the same effect of coarse-grained crystallization in the starting amorphous silicon. It will also be noted that the zones e0-e1 and e2-e3 are energetically disjoint.
On va maintenant expliquer en détails les différentes microstructures obtenues sur la figure 3d, en fonction de l'énergie du faisceau et de la microstructure préexistante, c'est-à-dire créée lors de la première irradiation. La région à gros grains synthétisée lors de la première irradiation (région a2 de la figure 3b) n'est pas refondue en totalité, car la densité d'énergie n'est jamais suffisante en-dessous de e2 (on rappelle ici que le seuil énergétique de fusion totale du matériau polycristallin avec réminiscence de germes épars qui permet une croissance gros grains est e2 et que le seuil de fusion totale qui conduit à une nucléation homogène petits grains est e3) ; il y a fusion superficielle, mais la microstructure du polycristal reste inchangée, car lors de la resolidification, il y a épitaxie du liquide sur la partie non fondue du grain sous-jacent et pratiquement la taille des grains reste invariante. La région notée a5 sur la figure 3d correspond à l'irradiation en-dessous de e2 de la couche de polycristal à petits grains. Il y a fusion partielle et recroissance à partir des cristallites originelles. Durant cette recroissance, certains grains vont croître plus vite (en fonction de leur orientation cristallographique) et on obtient une microstructure stratifiée, avec des grains plus gros en surface. La zone a6 correspond au régime « SLG » pour le polycristal à petits grains (entre e2 et e3) tandis que au- dessus de e3, il y a encore refusion totale du polycristal à petits grains (y compris les germes interfaciaux) et ensuite, solidification par nucléation homogène, ce qui de nouveau conduit à un matériau à petits grains. On notera que la région a4 de la figure 3b a été entièrement refondue et transformée en matériau à petits grains.We will now explain in detail the different microstructures obtained in Figure 3d, depending on the energy of the beam and the pre-existing microstructure, that is to say created during the first irradiation. The coarse-grained region synthesized during the first irradiation (region a2 in FIG. 3b) is not completely remelted, because the energy density is never sufficient below e2 (it is recalled here that the threshold total melting energy of the polycrystalline material with reminiscence of scattered seeds which allows coarse grain growth is e2 and that the total fusion threshold which leads to homogeneous nucleation of small grains is e3); there is superficial fusion, but the microstructure of the polycrystal remains unchanged, because during resolidification, there is epitaxy of the liquid on the unmelted part of the underlying grain and practically the size of the grains remains invariant. The region denoted a5 in FIG. 3d corresponds to the irradiation below e2 of the small-grain polycrystal layer. There is partial fusion and regrowth from the original crystallites. During this regrowth, some grains will grow faster (depending on their crystallographic orientation) and a stratified microstructure is obtained, with larger grains on the surface. Zone a6 corresponds to the “SLG” regime for the small grain polycrystal (between e2 and e3) while above e3, there is still total re-melting of the small grain polycrystal (including the interfacial germs) and then, solidification by homogeneous nucleation, which again leads to a material with small grains. It will be noted that the region a4 in FIG. 3b has been completely remelted and transformed into small grain material.
La figure 3f schématise la situation après que le faisceau énergétique ait été translaté d'un pas supplémentaire ; pour les raisons avancées précédemment, les parties a5 et a6 de la figure 3d ne sont que partiellement fondues et leur microstructure n'évolue pas de façon significative. Par contre, le matériau à petits grains situé au-delà de la zone a6 sur la figure 3d est maintenant éclairée entre e2 et e3 et cristallise donc en polycristal à gros grains. La zone a6 de la figure 3d s'est donc agrandie, pour donner la zone a7 de la figure 3f. De plus, la zone de marquage du flanc avant de l'impulsion laser de la figure 3d a été refondue et il n'y a par conséquent plus de problème de marquage.FIG. 3f schematizes the situation after the energy beam has been translated by an additional step; for the reasons given above, the parts a5 and a6 of FIG. 3d are only partially melted and their microstructure does not change significantly. On the other hand, the material with small grains located beyond the zone a6 in figure 3d is now lit between e2 and e3 and thus crystallizes out of coarse-grained polycrystal. The area a6 in figure 3d has therefore been enlarged, to give the area a7 in figure 3f. In addition, the marking area of the front flank of the laser pulse of FIG. 3d has been redesigned and there is therefore no longer any marking problem.
Finalement, la figure 3h schématise la situation après une quatrième impulsion, encore décalée d'un pas supplémentaire. On voit que la zone à gros grains a7 de la figure 3f s'est encore agrandie, se transformant en zone a8. On peut donc obtenir en utilisant un faisceau à rampe énergétique un matériau homogène à gros grains, et ce, à partir de la deuxième impulsion. En pratique, pour réaliser des circuits électroniques, on commencera à utiliser le matériau polycristallin sur la plaque de verre seulement à partir du début de la zone a6, la zone a5 introduisant une hétérogénéité de taille de grain.Finally, Figure 3h schematizes the situation after a fourth pulse, still shifted by an additional step. It can be seen that the coarse-grained area a7 in FIG. 3f has been further enlarged, transforming into area a8. It is therefore possible to obtain, by using an energy ramp beam, a homogeneous material with large grains, and this, from the second pulse. In practice, to make electronic circuits, we will begin to use polycrystalline material on the glass plate only from the start of zone a6, zone a5 introducing grain size heterogeneity.
On notera ici que le principe de l'invention peut aussi s'appliquer à un matériau de départ non plus amorphe, mais polycristallin ou encore microcristallin ; le principe, qui dans ce cas est plus simple, est décrit sur les figures 4a et 4b. De même que ci-dessus, la gamme d'énergie nécessaire à transformer le matériau poly ou microcristallin en matériau à gros grains est comprise entre e2 et e3. Après la première impulsion (figure 4a), le matériau de départ est transformé en matériau à gros grains dans la région b2 correspondant à la plage énergétique e2-e3. L'énergie est juste suffisante pour fondre totalement l'épaisseur de matériau originel, en conservant toutefois quelques germes à l'interface, à partir desquels la cristallisation s'effectue (régime « SLG »). Dans les régions b1 et b4 (flancs de l'impulsion), il y a fusion partielle et l'on obtient après solidification une structure stratifiée, avec des grains plus gros en surface. Enfin dans la région b3, la fusion a été totale, faisant disparaître les cristallites résiduelles à l'interface, la solidification s'effectue par nucléation homogène en phase liquide et l'on obtient un matériau homogène à petits grains.It will be noted here that the principle of the invention can also be applied to a starting material which is no longer amorphous, but polycrystalline or even microcrystalline; the principle, which in this case is simpler, is described in Figures 4a and 4b. As above, the energy range required to transform the poly or microcrystalline material into coarse-grained material is between e2 and e3. After the first pulse (FIG. 4a), the starting material is transformed into coarse-grained material in the region b2 corresponding to the energy range e2-e3. The energy is just sufficient to completely melt the thickness of the original material, while retaining some germs at the interface, from which crystallization takes place ("SLG" regime). In the regions b1 and b4 (flanks of the pulse), there is partial fusion and a stratified structure is obtained after solidification, with larger grains on the surface. Finally, in region b3, the fusion was complete, eliminating the residual crystallites at the interface, solidification takes place by homogeneous nucleation in the liquid phase and a homogeneous material with small grains is obtained.
Sur la figure 4b, le faisceau a été translaté d'un pas sensiblement égal ou inférieur à b2. On voit que la zone à petits grains éclairée dans une gamme énergétique comprise entre e2 et e3 cristallise en matériau à gros grains, tandis que la zone b4 défectueuse a été intégralement refondue, laissant place à du matériau homogène à petits grains. La zone à gros grains s'est donc agrandie et le marquage « flanc avant » a disparu. L'utilisation d'une rampe énergétique permet aussi, dans une certaine mesure, de pallier les dérives en énergie des impulsions délivrées par le laser et d'asservir le fonctionnement du laser et/ou du système de balayage du faisceau (ou bien de la table mobile X-Y supportant les plaques à cristalliser). Ceci sera mieux compris à la lecture des figures 5a à 5f et de leurs commentaires.In FIG. 4b, the beam has been translated with a pitch substantially equal to or less than b2. It can be seen that the small grain area illuminated in an energy range between e2 and e3 crystallizes from large grain material, while the defective b4 area has been completely remelted, giving way to homogeneous small grain material. The coarse-grained area has therefore grown and the “front flank” marking has disappeared. The use of an energy ramp also makes it possible, to a certain extent, to compensate for the energy drifts of the pulses delivered by the laser and to control the operation of the laser and / or of the beam scanning system (or else of the XY mobile table supporting the plates to be crystallized). This will be better understood on reading Figures 5a to 5f and their comments.
Tout d'abord, en référence à la figure 1 , rappelons que la transition entre matériau « SLG » et matériau à petits grains est très raide (la partie droite de la courbe de la figure 1 tombe très rapidement), phénomène qui fournit un contraste optique facilement exploitable. En d'autres termes, la transition de phase entre le matériau à gros et le matériau à petits grains produit un marquage sur la plaque en cours de cristallisation, qui peut être suivi optiquement, à l'aide par exemple d'une caméra vidéo et d'un écran cathodique ou autre.First, with reference to Figure 1, remember that the transition between “SLG” material and small grain material is very steep (the right part of the curve in Figure 1 falls very quickly), a phenomenon that provides contrast easily exploitable optics. In other words, the phase transition between the large material and the small grain material produces a marking on the plate during crystallization, which can be followed optically, using for example a video camera and a cathode-ray screen or the like.
On a représenté sur les figures 5a, 5b et 5c une impulsion normale et son impact sur la couche en cours de cristallisation en vue de coupe (figure 5b) et en vue de dessus (figure 5c). On constate dans la pratique que la frontière FR1 entre la zone en matériau à gros grains ZO et la zone en matériau à petits grains Z1 est très nette et s'étend sur quelques microns à peine, à l'échelle microscopique. Sur la figure 5d, on a représenté, après un déplacement d'un pas, l'impulsion normale In1 en traits pointillés, ainsi que l'impact qu'elle aurait dû fournir sur la couche (zone SLGn normale) ; on a aussi représenté une impulsion avec un niveau moyen d'énergie plus faible (en trait plein) représentant une impulsion réelle Ir qui fournit en réalité une zone SLGr décalée et donc laisse dans la couche une zone Z2 en matériau à petits grains située entre la zone ZO en matériau à gros grains et une nouvelle zone Z3 en matériau à gros grains. Supposons maintenant que l'on ait préalablement inscrit une marque MAR sur l'écran d'observation en temps réel, marque correspondant à l'alignement de la frontière qu'on aurait dû obtenir entre le matériau à gros grain et le matériau à petits grains. Le marquage FR2 produit par l'impulsion à plus faible énergie moyenne ne sera plus aligné avec la marque fixe sur l'écran d'observation et le décalage D1 (voir figure 5f) est parfaitement mesurable sur l'écran. Cette observation peut être faite par un système de traitement d'image. Il suffit donc, connaissant D1 , de commander le recul du spot laser d'une quantité D1 sur l'impulsion suivante pour corriger le « trou » de cristallisation en matériau à petits grains qui avait été laissé en cours de balayage. On a ainsi introduit une boucle de contre réaction fournissant un signal de contre réaction qui permet d'asservir en temps réel le balayage du faisceau. Cet asservissement peut également conduire à modifier le pas de déplacement de la table mobile. On note que l'on pourrait aussi asservir la tension de décharge du laser afin de corriger l'énergie moyenne par impulsion.There is shown in Figures 5a, 5b and 5c a normal pulse and its impact on the layer being crystallized in section view (Figure 5b) and in top view (Figure 5c). It is observed in practice that the border FR1 between the zone of coarse-grained material ZO and the zone of small-grained material Z1 is very clear and extends over a few microns barely, on a microscopic scale. In FIG. 5d, after a displacement of one step, the normal pulse In1 has been shown in dotted lines, as well as the impact which it should have provided on the layer (normal SLGn zone); a pulse with a lower average energy level has also been represented (in solid lines) representing a real pulse Ir which in reality provides an offset SLGr zone and therefore leaves in the layer an zone Z2 of small grain material located between the zone ZO in coarse-grained material and a new zone Z3 in coarse-grained material. Suppose now that a MAR mark has previously been registered on the real-time observation screen, a mark corresponding to the alignment of the border which should have been obtained between the coarse-grained material and the small-grained material . The marking FR2 produced by the pulse at lower average energy will no longer be aligned with the fixed mark on the observation screen and the offset D1 (see FIG. 5f) is perfectly measurable on the screen. This observation can be made by an image processing system. It is therefore sufficient, knowing D1, to command the retraction of the laser spot by an amount D1 on the next pulse to correct the "hole" of crystallization in small grain material which had been left during scanning. We thus introduced a feedback loop providing a feedback signal which allows the beam scanning to be controlled in real time. This enslavement can also lead to modifying the displacement step of the movable table. It is noted that one could also control the discharge voltage of the laser in order to correct the average energy per pulse.
La figure 7 représente un système permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Ce système comporte entre la source S1 et la couche de matériau semiconducteur un dispositif d'absorption Ab. Ce dispositif est, par exemple, une lame absorbante présentant un profil en biseau de façon à fournir un gradient d'absorption selon l'axe OX.FIG. 7 represents a system making it possible to implement the method of the invention. This system comprises between the source S1 and the layer of semiconductor material an absorption device Ab. device is, for example, an absorbent strip having a bevel profile so as to provide an absorption gradient along the axis OX.
A titre d'exemple, une pente à 20 %, pour une zone « SLG » à ± 5 % de la largeur du faisceau laser, pour un taux de recouvrement de 98 à 99 %, donne un matériau silicium polycristallin uniforme d'une taille de grains moyenne de 0.8 à 1.1 micron de diamètre.For example, a slope at 20%, for an “SLG” zone at ± 5% of the width of the laser beam, for a recovery rate of 98 to 99%, gives a uniform polycrystalline silicon material of a size average grain size from 0.8 to 1.1 micron in diameter.
Une stabilité puise à puise même faible (par exemple ± 1 %) dans une configuration de profil de faisceau type « top-hat » générera des marquages aléatoires du matériau irradié. La rampe permet de s'affranchir de cet inconvénient. En effet, il suffit d'adapter la pente de la rampe à la stabilité puise à puise du laser. Sachant que 10 % de la surface de la largeur de la rampe est cristallisé de type « SLG » il suffit de choisir la pente de la rampe en fonction de ces instabilités. De fortes instabilités impliqueront donc de préférence l'utilisation d'une forte rampe.Even weak draw-to-draw stability (eg ± 1%) in a top-hat beam profile configuration will generate random markings of the irradiated material. The ramp eliminates this drawback. In fact, it suffices to adapt the slope of the ramp to the laser-to-laser stability. Knowing that 10% of the surface of the ramp width is crystallized of the “SLG” type, it suffices to choose the slope of the ramp as a function of these instabilities. Strong instabilities will therefore preferably involve the use of a strong ramp.
Toute amélioration de la stabilité puise à puise du laser permet l'utilisation d'une pente moins forte (figure 8) en conséquence, la zone « SLG » est plus large et l'utilisation d'un taux de recouvrement inférieur est possible, soit un gain de temps de cristallisation à fréquence de laser constante.Any improvement in the laser-to-laser stability allows the use of a less steep slope (figure 8) as a result, the “SLG” zone is wider and the use of a lower recovery rate is possible, ie saving crystallization time at constant laser frequency.
Selon des variantes de réalisation représentées en figures 6b et 6c, on peut prévoir que l'impulsion présente, en amont de l'impulsion (selon le sens de déplacement de l'impulsion) un profil de niveau d'énergie décroissant compris entre e4 et e5 dans la zone a7 qui permet une déshydrogénation in situ du matériau juste avant sa cristallisation par l'impulsion précédemment définie. Cela permet de s'affranchir d'une étape technologique extérieure (recuit thermique de plusieurs heures dans un four). L'invention telle que décrite précédemment permet ainsi de réaliser, sur une surface en matériau semiconducteur amorphe, la cristallisation d'une bande de ce matériau par déplacement de l'impact d'un spot laser sur cette surface. Comme cela est représenté en figure 9, un premier déplacement du spot laser selon la flèche D1 permet de réaliser une première bande B1 de largeur I. Pour réaliser la cristallisation de toute une surface dont la largeur L est supérieure à la largeur de la bande B1 , il faut cristalliser plusieurs bandes côte à côte. Après avoir réalisé la bande B1 , on réalise donc une deuxième bande B2, etc. Cependant, la frontière b12 entre deux bandes peut être de mauvaise qualité cristallographique. Selon l'invention, les impacts lasers réalisés pour la fabrication de la bande B2 chevauchant la bande B1. Le profil en rampe d'énergie tel que décrit précédemment permet de refondre le matériau cristallisé de la bande B1 et de le recristalliser.According to variant embodiments shown in FIGS. 6b and 6c, provision can be made for the pulse to present, upstream of the pulse (in the direction of movement of the pulse) a decreasing energy level profile comprised between e4 and e5 in zone a7 which allows an in situ dehydrogenation of the material just before its crystallization by the previously defined pulse. This eliminates an external technological stage (thermal annealing for several hours in an oven). The invention as described above thus makes it possible to achieve, on a surface made of amorphous semiconductor material, the crystallization of a strip of this material by displacement of the impact of a laser spot on this surface. As shown in FIG. 9, a first movement of the laser spot along arrow D1 makes it possible to produce a first band B1 of width I. To carry out the crystallization of a whole surface whose width L is greater than the width of the band B1, it is necessary to crystallize several bands side by side. After having made strip B1, a second strip B2 is therefore made, etc. However, the b12 border between two bands may be of poor crystallographic quality. According to the invention, the laser impacts produced for the manufacture of the strip B2 overlapping the strip B1. The energy ramp profile as described above makes it possible to remelt the crystallized material of the band B1 and to recrystallize it.
En se reportant à la figure 10, on va décrire ce processus de cristallisation.Referring to Figure 10, we will describe this crystallization process.
Sur cette figure, on a représenté la bande B1 réalisée par un premier déplacement de l'impact laser. Chaque impact tel que le Xième impact comporte deux flancs latéraux f1 et f2. L'impact présente selon la direction parallèle à la largeur de la bande, un profil d'énergie tel que représenté sur la partie supérieure de la figure et, selon la direction de déplacement B1 de l'impact, un profil en rampe tel que représenté en figures 5a-5f, ou irrégulier (figures 6a-Tc).In this figure, the band B1 is shown produced by a first displacement of the laser impact. Each impact such as the Xth impact has two lateral flanks f1 and f2. The impact has, in the direction parallel to the width of the strip, an energy profile as shown in the upper part of the figure and, in the direction of movement B1 of the impact, a ramp profile as shown in Figures 5a-5f, or irregular (Figures 6a-Tc).
Dans la bande B1 , la zone « a » correspond à une zone de l'échantillon ayant été irradiée par un gradient d'énergie dû au flanc f1 du faisceau laser. Ce matériau sera composé d'un mélange polysilicium petits et gros grains. Dans la mesure ou cela correspond à un bord de l'échantillon de toute façon inutilisable, ceci n'a aucune importance. La zone b sera composée d'un matériau gros grain uniforme par utilisation du profil en rampe. La zone c sera de la même nature que la zone a, pour les mêmes raisons (flanc droit). La zone d correspond à un silicium amorphe non encore cristallisé.In the band B1, the area "a" corresponds to an area of the sample having been irradiated by an energy gradient due to the flank f1 of the laser beam. This material will be composed of a mixture of small and large grain polysilicon. Since this corresponds to an unusable edge of the sample anyway, this does not matter. Zone b will be composed of a uniform coarse grain material by using the ramp profile. Zone c will be of the same nature as zone a, for the same reasons (right flank). Zone d corresponds to an amorphous silicon which has not yet crystallized.
Lors du deuxième balayage effectué parallèlement au premier balayage et dont on a représenté le mιeme impact, on réalise la deuxième bande B2. Les impacts tels que le mlème impact chevauchent la bande B1 de telle façon que le flanc f1 de chaque impact soit entièrement dans la zone b de la bande B1. La zone c du premier balayage ainsi qu'une petite partie de la zone b va être totalement refondue grâce à l'exposition au niveau d'énergie contenu dans le profil d'énergie.During the second scan carried out parallel to the first scan and of which the same impact has been shown, the second strip B2 is produced. Impacts such as the same impact overlap the band B1 so that the flank f1 of each impact is entirely in the area b of the band B1. Zone c of the first scan as well as a small part of zone b will be completely recast thanks to the exposure to the energy level contained in the energy profile.
La zone b, gros grains, sera alors rallongée de la longueur de la zone c' pour devenir une zone b'. La zone d aura été réduite en une zone d'. Une nouvelle zone c étant créée à l'extrémité droite de ce deuxième balayage. La zone de matériau gros grains b aura été élargie en repoussant latéralement la zone dégradée (zone c). Il en sera ainsi, à chaque balayage suivant, si nécessaire, selon la largeur de l'échantillon à critalliser et la longueur du faisceau laser.Zone b, large grains, will then be extended by the length of zone c 'to become a zone b'. The zone d will have been reduced to a zone of. A new zone c is created at the right end of this second scan. The zone of coarse-grained material b will have been enlarged by pushing the degraded zone laterally (zone c). This will be the case, with each subsequent scan, if necessary, depending on the width of the sample to be crystallized and the length of the laser beam.
On aura alors, par cette méthode, cristallisé de manière uniforme un échantillon dont les dimensions peuvent être bien supérieures à la largeur du faisceau laser en s'affranchissant des problèmes de raboutage faisceau.By this method, we will then have uniformly crystallized a sample whose dimensions may be much greater than the width of the laser beam while eliminating the problems of beam splicing.
Exemple d'applicationApplication example
Pour un faisceau laser de 30 cm * 0.5 mm et un laser industriel fonctionnant à 300 Hz avec un taux de recouvrement de 98 % (50 coups par unité de surface) le pas de 10 μm permet de cristalliser 3 mm de matériau à la seconde, soit 100 s nécessaires pour traiter un écran de 30 * 30 cms. Si un taux de recouvrement de 95 % est acceptable, le traitement du même écran ne prendrait alors que 40 s. Ces temps sont industriellement acceptables. On peut agir sur la pente énergétique du faisceau laser.For a laser beam of 30 cm * 0.5 mm and an industrial laser operating at 300 Hz with a recovery rate of 98% (50 shots per unit of area) the step of 10 μm allows to crystallize 3 mm of material per second, or 100 s required to process a 30 * 30 cm screen. If a recovery rate of 95% is acceptable, then the processing of the same screen would only take 40 s. These times are industrially acceptable. We can act on the energy slope of the laser beam.
L'utilisation d'une forte pente tolérera des variations énergétiques puise à puise importantes à contrario d'un profil plus doux qui nécessitera une meilleure stabilité énergétique puise à puise du laser.The use of a steep slope will tolerate large variations in energy from source to source in contrast to a softer profile which will require better energy stability since it draws from the laser.
Ce choix sera fonctionThis choice will depend
- de la précision énergétique puise à puise du laser- energy accuracy from laser to laser
- de la largeur de la zone de gros grains (« SLG ») réalisée- the width of the coarse grain zone (“SLG”) produced
- du taux de recouvrement puise à puise (nombre de coups vus par unité de surface)- the catch-by-sink recovery rate (number of strokes seen per unit of area)
Dans ce qui précède, on utilise comme source d'énergie une source lumineuse mais on pourrait utiliser toute autre source d'énergie, par exemple un faisceau d'électrons. In the foregoing, a light source is used as the energy source, but any other energy source, for example an electron beam, could be used.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de cristallisation d'une couche de matériau semiconducteur (1 ) à l'aide d'un faisceau énergétique (F1 ) éclairant sur une surface (L x I) la couche de matériau semiconducteur (1 ), la cristallisation de la couche se faisant par déplacement relatif du faisceau à la surface de la couche selon une direction déterminée (OX), caractérisé en ce que ledit faisceau présente un profil d'énergie selon la direction de déplacement (OX) tel qu'on a au moins un premier niveau d'énergie permettant d'obtenir une cristallisation à gros grains (Super Latéral Grow - SLG) à partir d'une phase amorphe ou cristalline à petits grains du matériau semiconducteur ainsi qu'un ou plusieurs deuxièmes niveaux d'énergie supérieurs au premier niveau d'énergie et situés vers l'avant de la zone éclairée par le faisceau selon le sens de déplacement (OX) du faisceau et permettant une fusion/dissolution d'un matériau comportant à la fois des phases cristallines à gros grains et des phases cristallines à petits grains. 1. Method for crystallizing a layer of semiconductor material (1) using an energy beam (F1) illuminating on a surface (L x I) the layer of semiconductor material (1), the crystallization of the layer by relative displacement of the beam on the surface of the layer in a determined direction (OX), characterized in that said beam has an energy profile in the direction of displacement (OX) such that there is at least a first energy level allowing to obtain a large grain crystallization (Super Lateral Grow - SLG) from an amorphous or small grain crystalline phase of the semiconductor material as well as one or more second energy levels higher than the first level of energy and located towards the front of the area illuminated by the beam in the direction of movement (OX) of the beam and allowing a fusion / dissolution of a material comprising both large grain crystalline phases e t small grain crystal phases.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins un deuxième niveau d'énergie est voisin géographiquement du premier niveau d'énergie et en ce que le faisceau énergétique est impulsionnel de façon qu'après une première illumination d'une première zone, le faisceau est déplacé à la surface de la couche de matériau semiconducteur et qu'une deuxième illumination d'une deuxième zone induise suffisamment d'énergie en aval de la première zone pour réaliser la fusion/dissolution du matériau semiconducteur.2. Method according to claim 1, characterized in that at least a second energy level is geographically close to the first energy level and in that the energy beam is impulse so that after a first illumination of a first zone, the beam is displaced on the surface of the layer of semiconductor material and that a second illumination of a second zone induces sufficient energy downstream of the first zone to carry out the fusion / dissolution of the semiconductor material.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une impulsion énergétique comporte un flanc avant présentant un gradient d'énergie et en ce que le déplacement du faisceau entre la première illumination et la deuxième illumination est tel que, lors de la deuxième illumination, la portion de faisceau présentant un deuxième niveau d'énergie éclaire la zone (a4) éclairée précédemment par le flanc avant de l'impulsion lors de la première impulsion. 3. Method according to claim 2, characterized in that an energy pulse comprises a front flank having an energy gradient and in that the displacement of the beam between the first illumination and the second illumination is such that, during the second illumination, the beam portion having a second energy level illuminates the zone (a4) previously illuminated by the front edge of the pulse during the first pulse.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le premier niveau d'énergie permet la fusion/dissolution d'une phase cristalline à petits grains du matériau semiconducteur.4. Method according to claim 1, characterized in that the first energy level allows the fusion / dissolution of a crystalline phase with small grains of the semiconductor material.
5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau énergétique est un faisceau lumineux. 5. Method according to claim 2, characterized in that the energy beam is a light beam.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le faisceau énergétique présente un gradient d'énergie contenant lesdits premier et deuxième niveaux d'énergie.6. Method according to claim 5, characterized in that the energy beam has an energy gradient containing said first and second energy levels.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gradient d'énergie est linéaire.7. Method according to claim 6, characterized in that the energy gradient is linear.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le profil d'énergie du faisceau présente un palier d'énergie correspondant au premier niveau d'énergie précédé dans le sens de déplacement du faisceau par un pic d'énergie correspondant au deuxième niveau d'énergie. 8. Method according to claim 6, characterized in that the energy profile of the beam has an energy level corresponding to the first energy level preceded in the direction of movement of the beam by an energy peak corresponding to the second level of energy.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le flanc avant du faisceau énergétique selon son sens de déplacement présente un gradient d'énergie décroissant vers le flanc avant de façon à provoquer un échauffement de ladite couche durant un temps suffisant pour permettre sa déshydrogénation. 9. Method according to claim 6, characterized in that the front flank of the energy beam in its direction of movement has a decreasing energy gradient towards the front flank so as to cause heating of said layer for a time sufficient to allow its dehydrogenation.
10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit de visualiser les zones cristallines à gros grains et les zones cristallines à petits grains et de détecter leurs frontières (FR1 , FR2) ; en ce qu'on détermine en fonction de la forme du faisceau énergétique, la position théorique (MAR) de chaque frontière et en ce qu'on compare la position de chaque frontière (FR2) avec sa position théorique (MAR) de façon à réaliser un système de contre réaction dérivant, de la distance séparant la position théorique (MAR) de la position de ladite frontière (FR2), un signal de contre réaction agissant soit sur la position du faisceau laser, soit sur le déplacement selon ladite direction (OX) de la couche de matériau semiconducteur (1) à traiter, soit sur la tension de décharge du laser pour corriger toute discontinuité dans le matériau à gros grains du à des dérives énergétiques des impulsions délivrées par le laser.10. Method according to claim 1, characterized in that it provides for viewing the crystalline zones with large grains and the crystalline zones with small grains and for detecting their borders (FR1, FR2); in that we determine according to the shape of the energy beam, the theoretical position (MAR) of each border and in that we compare the position of each border (FR2) with its theoretical position (MAR) so as to achieve a feedback system deriving from the distance separating the theoretical position (MAR) from the position of said boundary (FR2), a feedback signal acting either on the position of the laser beam, or on the displacement in said direction (OX ) of the layer of semiconductor material (1) to be treated, or on the discharge voltage of the laser to correct any discontinuity in the coarse-grained material due to energetic drifts of the pulses delivered by the laser.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un premier déplacement (D1) selon ladite direction (OX) de façon à réaliser une cristallisation d'une première bande, puis au moins un deuxième déplacement (D2) parallèlement à ladite direction, l'éclairement de la couche de matériau semiconducteur lors de ce deuxième déplacement chevauchant la première bande qui a été éclairée lors du premier déplacement de façon qu'un flanc latéral situé d'un côté du faisceau d'éclairement perpendiculairement au sens de déplacement du faisceau éclaire la zone cristalline à gros grains du premier déplacement (B1).11. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that it comprises a first displacement (D1) in said direction (OX) so as to achieve crystallization of a first band, then at least a second displacement (D2) parallel to said direction, the illumination of the layer of semiconductor material during this second movement overlapping the first strip which was illuminated during the first movement so that a lateral flank located on one side of the beam of illumination perpendicular to the direction of movement of the beam illuminates the crystalline zone with large grains of the first displacement (B1).
12. Système de cristallisation d'une couche en matériau semiconducteur comprenant une source lumineuse éclairant, à l'aide d'un faisceau lumineux, une face de la couche de matériau semiconducteur ainsi que des moyens pour déplacer selon une direction et un sens déterminé le faisceau lumineux par rapport à la couche de matériau semiconducteur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (Ab) entre la source et la couche de matériau semiconducteur pour induire un gradient d'énergie du niveau.12. A crystallization system for a layer of semiconductor material comprising a light source illuminating, using a light beam, one face of the layer of semiconductor material as well as means for moving in a determined direction and direction the light beam with respect to the layer of semiconductor material characterized in that it comprises means (Ab) between the source and the layer of semiconductor material for inducing an energy gradient of the level.
13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits moyens situés entre la source lumineuse et la couche de matériau semiconducteur comportent un élément fonctionnant en transmission et présentant un gradient d'absorption. 13. System according to claim 12, characterized in that said means located between the light source and the layer of semiconductor material comprise an element operating in transmission and having an absorption gradient.
PCT/FR1999/001598 1998-07-03 1999-07-02 Method for crystallising a semiconductor material and crystallising system WO2000001866A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR98/08556 1998-07-03
FR9808556A FR2780736B1 (en) 1998-07-03 1998-07-03 METHOD OF CRYSTALLIZATION OF A SEMICONDUCTOR MATERIAL AND CRYSTALLIZATION SYSTEM

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2000001866A1 true WO2000001866A1 (en) 2000-01-13

Family

ID=9528248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR1999/001598 WO2000001866A1 (en) 1998-07-03 1999-07-02 Method for crystallising a semiconductor material and crystallising system

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2780736B1 (en)
WO (1) WO2000001866A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001053020A (en) 1999-08-06 2001-02-23 Sony Corp Crystallization of semiconductor thin film and manufacture of thin film semiconductor device
GB0009280D0 (en) * 2000-04-15 2000-05-31 Koninkl Philips Electronics Nv Method of cystallising a semiconductor film

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5432122A (en) * 1992-11-03 1995-07-11 Gold Star Co., Ltd. Method of making a thin film transistor by overlapping annealing using lasers
DE19651003A1 (en) * 1996-11-29 1998-06-04 Hahn Meitner Inst Berlin Gmbh Large single crystal layer production
US5766989A (en) * 1994-12-27 1998-06-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for forming polycrystalline thin film and method for fabricating thin-film transistor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5432122A (en) * 1992-11-03 1995-07-11 Gold Star Co., Ltd. Method of making a thin film transistor by overlapping annealing using lasers
US5766989A (en) * 1994-12-27 1998-06-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for forming polycrystalline thin film and method for fabricating thin-film transistor
DE19651003A1 (en) * 1996-11-29 1998-06-04 Hahn Meitner Inst Berlin Gmbh Large single crystal layer production

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ASAI I ET AL: "A FABRICATION OF HOMOGENIOUS POLY-SI TFT'S USING EXCIMER LASER ANNEALING", INTERNATIONAL CONFERENCE ON SOLID STATE DEVICES AND MATERIALS, 1 August 1992 (1992-08-01), pages 55 - 57, XP000312174 *
IM ET AL.: "On the super lateral growth phenomenon observed in excimer laser induced crystallisation of thin Si films", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 64, no. 17, 25 April 1994 (1994-04-25), NEW YORK US, pages 2303 - 2305, XP002095730 *
PLAIS ET AL.: "Low temperature polysilicon TFTs: a comparison of solid phase and laser crystallisation", MICROELECTRONIC ENGINEERING, vol. 28, 1995, pages 443 - 446, XP002095731 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR2780736B1 (en) 2000-09-29
FR2780736A1 (en) 2000-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7345746B2 (en) Method of and apparatus for in-situ monitoring of crystallization state
JP3204986B2 (en) Crystallization of semiconductor film region on substrate and device manufactured by this method
US6169014B1 (en) Laser crystallization of thin films
AU2005256723B8 (en) Method for producing a multilayer structure comprising a separating layer
US9087696B2 (en) Systems and methods for non-periodic pulse partial melt film processing
WO2011056787A1 (en) Systems and methods for non-periodic pulse partial melt film processing
FR2548219A1 (en) METHOD FOR FORMING A LAYER OF MATERIAL WITH MULTIPLE CONSTITUENTS
EP0199638B1 (en) Process for producing on an insulator substrate an oriented single silicon crystal film with localized faults
JP3859978B2 (en) Device for forming a laterally extending crystal region in a semiconductor material film on a substrate
JP2002280570A (en) Method for forming thin film transistor on polycrystalline silicon film mainly oriented in &lt;100&gt; plane
JP2002280569A (en) Method for forming thin film transistor on polycrystalline silicon film mainly oriented in &lt;100&gt; plane
EP0819782A1 (en) Process of forming a thin film by laser ablation
Hirai et al. Diamond slicing using ultrashort laser-induced graphitization and additional nanosecond laser illumination
FR2836594A1 (en) Formation of semiconductor thin film comprises modulating amplitude of homogenized light in direction of relative motion of light to base layer and projecting amplitude-modulated light on non-single crystal semiconductor layer
US20050211987A1 (en) Semiconductor device, manufacturing method thereof and manufacturing apparatus therefor
WO2000001866A1 (en) Method for crystallising a semiconductor material and crystallising system
KR20150013731A (en) Advanced excimer laser annealing for thin films
EP0202977B1 (en) Process for producing on an insulator substrate an oriented single silicon crystal film with localized faults
JPH10256152A (en) Manufacture of polycrystalline semiconductor film
EP1169732A1 (en) Method and device for treating thin layers of amorphous silicon
Pecora et al. Observation of super lateral growth in long pulse (170 ns) excimer laser crystallization of a-Si films
JP2004221597A (en) Apparatus and method for crystallizing amorphous semiconductor layer
EP0140774B1 (en) Process for making a single-crystal semiconductor layer on an insulating substrate
Yura et al. Crystallization of amorphous‐Si films by pulsed YAG2ω green laser for polycrystalline Si TFT fabrication
EP4060716A1 (en) Method for modifying a state of stress of at least one semiconductor layer

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP KR US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
ENP Entry into the national phase

Ref country code: KR

Ref document number: 2000 2000712952

Kind code of ref document: A

Format of ref document f/p: F

122 Ep: pct application non-entry in european phase