まえがき＝携帯電話・情報端末・ノートパソコンなどの モニタ画面に用いられているフラットパネルディスプレ イ（Flat Panel Display: FPD）には，多くの文字や緻密な 画像を室外でも見やすく表示する必要があるため，高精 細・高輝度・低消費電力が求められている。低温ポリシ リコン（Low Temperature Poly Silicon: LTPS）により作 成した薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor: TFT）
は，活性領域の移動度が高くサイズを小さくできるた め，表示密度の大きな高精細パネルの製作が可能である とともに，光の透過面積が大きくなるため，高輝度・低 消費電力化が容易になる。さらに，アモルファスシリコ ン（a-Si）TFT では，外付けしていた駆動回路などをパ ネル内に形成できるため，システムオングラス（SOG）
としての期待も高い。従って，LTPS -TFT を用いた液晶 や有機 EL（Electro Luminescence）の FPD は，デジタ ルカメラなどの AV 機器・携帯電話を含めた情報端末・
高精細ノートパソコン用の中小型パネルを中心に需要が 増加している1）。
LTPS -TFT の製造プロセスでは， a-Si にレーザを照射 してアニールする処理や，残留している欠陥を水素で不 活性化して結晶性を高める処理が必要であるが，結晶性 はそれぞれの処理条件の変動により大きく影響される。
その結果，しきい値電圧などのばらつきの増大をもたら し，パネルの品質や歩留まりに大きな影響を及ぼす。
LTPS 薄膜の結晶性の向上や汚染の低減，並びに絶縁膜 との界面の品質確保は量産のキーテクノロジーであり，
レーザアニールや絶縁膜の成膜プロセスなどの各段階に おける結晶性や界面評価が重要である1）。レーザアニー ル効果の確認のため，SEM 写真による結晶粒サイズの 観察が行われることがあるが2），定性的である上，移動
度に直接関与する点欠陥の密度やダングリングボンドの 状態を把握することはできない。我々は，マイクロ波光 導電減衰法（Microwave-Photo-Conductivity Decay：μ-PCD）3）
を応用して，LTPS 薄膜や絶縁膜との界面における上記 の欠陥状態を調べることのできる新しい評価装置を開発 した。本稿では，測定原理と装置構成，及び LTPS -TFT の製造工程における結晶性の評価例について紹介する。
1． μ -PCD 法による LTPS 薄膜の結晶性評価の 原理
シリコン（Si）に光を照射すると過剰キャリア（電子・
正孔）が注入（生成）され，再結合して消滅する。消滅 するまでの平均的寿命はライフタイム（τb）と呼ばれ，
試料の物理的特性によって決まる時間である。過剰キャ リアの生成は抵抗率を減少させるため，同位置に照射し ているマイクロ波の反射率は過剰キャリアの密度に比例 して変化する。μ-PCD 法は，マイクロ波の反射率の時 間変化から，試料の結晶状態を反映するライフタイムを 非接触・非破壊で測定する方法である。
Si 中に存在する欠陥が過剰キャリアを捕獲する時間 は，式（1）によって表される4）。
………（1）
ここで，τn0とτp0はそれぞれ電子と正孔の捕獲時間，
σnとσpはそれぞれ電子と正孔の捕獲断面積，
v
はキャ リアの熱速度，tは欠陥の密度である。過剰キャリアの注入密度が多数キャリア密度に比べて 小さい（低レベル注入）とき，
τb＝τ0＝τp0（n型シリコン）
τb＝τ0＝τn0（p型シリコン） ………（2）
τn0＝ , τ1 p0＝ σn Nt
1 σp Nt
v v
＊㈱コベルコ科研 LEO 事業本部 ＊＊技術開発本部 電子技術研究所
低温ポリシリコンTFTプロセスにおける結晶欠陥の評価
−ライフタイム測定技術の応用−
Crystallinity Evaluation in Low-Temperature-Poly-Silicon TFT Manufacturing Process − Application of Lifetime Measurement −
A novel system for evaluating the crystallinity of LTPS thin films has been developed using the μ-PCD (Microwave-Photo-Conductivity Decay) technique. Peak level analyses of reflected microwave intensity confirmed the characteristics, which influence TFT quality, such as optimum energy for the laser annealing process, anisotropic grain formation resultant from the SLS method, dangling-bond termination effects caused by hydrogen treatment, and ion-doping induced defects. It was also found that differential mapping software was very useful for identifying abnormal equipments.
■特集：神戸製鋼グループにおける技術連携 FEATURE : Technological Cooperation in the Kobe Steel Group
（論文）
住江伸吾＊（工博）
Dr. Shingo Sumie
山下圭三＊ Keizo Yamashita
尾嶋 太＊ Futoshi Ojima
高松弘行＊＊（工博）
Dr. Hiroyuki Takamatsu
であり，それぞれの導電型における少数キャリアのライ フタイムとなる4）。
一方，高レベル注入では，
τb＝τ∞＝τp0＋τn0 ………（3）
となる。
（2）と（3）の中間では，
………（4）
と表すことができる4）。ここでηは注入割合（過剰キャ リア密度と多数キャリア密度の比）である。いずれの場 合にもτbは欠陥の密度tに反比例するので，τbの測定 により Si 中の欠陥や混入した金属汚染などを評価する ことができる。
図 1は，光の波長と Si への侵入深さの関係を表してい る5）。厚さが約 50nm の LTPS 薄膜中に過剰キャリアを有 効に生成するためには，光の侵入深さを膜厚より浅くす る必要がある。波長が 350nm 程度のレーザ光であれば，
侵入深さは約 10nm で LTPS 薄膜にすべて吸収されるた め，μ-PCD による LTPS 薄膜の結晶性評価に適してい る。
図 2は，Si の抵抗率をパラメータとしたときのマイク ロ波（周波数 26GHz）の反射率と Si の厚さの関係を，
フレネルの反射理論6）を用いて計算したものである。一 般に，Si 薄膜の上下面での多重反射による干渉のため，
マイクロ波の反射率は Si 膜厚に対して単調に変化せず，
特に抵抗率が高いときにはキャリアによるマイクロ波の 吸収が少ないため，膜厚とともに周期的に変動する（図 2
（a））。しかし，Si 膜厚がマイクロ波の波長に比べて十 τ0＋ητ∞
τb＝ 1＋η
分薄くなると，干渉の影響が無視できる程度に小さくな るため，反射率は膜厚に比例して増加する（図 2（b））。 表 1には，直径が 200mm の Si ウェーハの厚さである 725μm と，LTPS 薄膜の代表的な厚さである 50nm につ いて，反射率の値を整理して示した。厚さ 725μm では キャリア数が多いため，反射率そのものの値及び 200 Ω・
cm からの増加分も大きいが，50nm になると，両者とも 極端に小さくなり，増加分で比較すると数％以下にな る。従って，LTPS 薄膜の結晶性をμ-PCD 法で評価する ためには，バルクウェーハ用の装置に比べて 100 倍以上
図 1 光の波長と Si への侵入深さの関係
Relation between light penetration depth into silicon and light wavelength
Light wavelength (μm)
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
Penetration depth (μm)
10,000 1,000 100 10 1 0.1 0.01 0.001
Light penetration depth into silicon
(Hanndbook of optical constants of solid / Academic Press 1985)
図 2 種々の抵抗率の試料におけるマイクロ波の反射率と試料厚 さの関係
Relation between microwave reflectivity and silicon film thickness for various resistivity
i
ε0ρω ε0：Dielectric constant in vacuum ρ：Resistivity
ω：Microwave frequency (26 GHz) Microwave
Reflected Irradiated
0.02Ω・cm 2Ω・cm 200Ω・cm
0.02Ω・cm 2Ω・cm 200Ω・cm
Microwave reflectivity
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
725μm
1.5E−03 1.0E−03
5.0E−04 0.0E＋00
Silicon film thickness (m)
0.14
0.13
0.12
0.11
8.0E−08 6.0E−08 4.0E−08 2.0E−08 0.0E＋00
Silicon film thickness (m)
Microwave reflectivity
50nm Si film：Dielectric constant＝11.8＋
Glass substrate：Refractive index＝2
(a)
(b)
Silicon thickness (m) Resistivity (Ω・cm)
50×10−9 725×10−6
Reflectivity increase from 200Ω・cm (ratio to 725×10−6) Reflectivity
Reflectivity increase from 200Ω・cm Reflectivity
0.0139 (3％) 0.1250
0.4668 0.9530
0.02
0.0014 (1％) 0.1125
0.1252 0.6114
2
− 0.1111
− 0.4862
200
表 1 Si 薄膜の抵抗率とマイクロ波の反射率の関係（厚さ 725μm と 50nm について整理）
Dependence of microwave reflectivity on Si-film resistivity (calculated results for thicknesses of 725μm and 50 nm )
の感度向上が必要である。
τbは試料の結晶性にのみ依存する物理量であるが，
μ-PCD 法を含む現実のライフタイム測定系により得ら れた 1 次モードライフタイム（τ1）は，表面で過剰キャ リアが再結合して消滅する現象（表面再結合）を含むた めτbより短くなる。表面再結合の程度を表す量である 表面再結合速度（）が，拡散定数（）と試料の厚さ の比より十分に小さいとき，τ1とτbの関係は（5）式で 表される7）｡
………（5）
バルクウェーハの結晶性をライフタイムにより評価す る場合には，1,000℃程度の高温に数〜十数分晒して表裏 面を熱酸化膜で覆う方法が用いられている。熱酸化膜の 形成によりを 20cm/s 程度に抑制することができるこ とに加えて，も数百μm 程度と大きいため，τ1とτbは 比較的近い値になる。ところが，LTPS 薄膜では，ガラス 基板の特性上高温環境に置くことができない，すなわち 熱酸化膜を付けることができないため，界面再結合速度 は数万 cm/s と非常に大きくなる7）。更に，厚さが数十 nm と極めて薄いことから，τ1は著しく短くなる。例え ば，τb＝1μs，＝20,000cm/s，＝50nm の と き，τ1
≒ 125ps であり，このように短いライフタイムを直接的 に高精度で測定することは困難である。
レーザを照射している最中の過剰キャリア密度Δの 変化は，キャリアの拡散を無視すると（6）式で与えられ る。
………（6）
ここで，及びΔ/τ1は，それぞれ過剰キャリアの注入 速度と消失速度を表している（速度は単位時間あたりの 密度変化）。Δの最大値をピーク値（）とすると，
ピーク値はレーザのパルス幅0を用いて（7）式で表され る。
………（7）
上記のように，LTPS 薄膜ではτ1は数百 ps 以下である ため，0が数 ns より長いレーザを用いて測定したマイク ロ波反射率の最大値は，結晶性を反映するτ1に比例する ことになる。τ1がこのように短いときには，ピーク値の 測定精度はτ1を直接測定するよりはるかに高い。従っ て，ピーク値は LTPS 薄膜の結晶性の評価に適していて，
ピーク値が高いほど結晶性が良いことになる。図 3は，
式（6），（7）で示したレーザ照射中のΔの変化の様子を 表している。過剰キャリア密度が増加して消失速度が増 え，注入速度に等しくなったときに，Δは一定の値（ピ ーク値）になる。
レーザにより生成された過剰キャリアにマイクロ波が 照射されると，過剰キャリアはマイクロ波の電界方向に 振動して同じ周波数の電磁波を放出する。このとき，過 剰キャリアが動き易いほど振動振幅が大きくなるため，
放出する電磁波（反射マイクロ波）の強度は大きくなる。
1
τ1＝ 1 ＋ (S≪ ) τb
2S w
2D w
dΔn
dt ＝g− Δn (Δn＝0 at t＝0) τ1
t0 τ1
Peak＝Δnmax＝gτ1(1−exp(− ))
〜〜gτ1 (τ1≪t0)
｝
図 4に示すように，レーザアニールプロセスで p-Si 結 晶粒の形状に方向性（異方性）が生じた場合，マイクロ 波の電界方向が結晶の長軸方向に平行なとき（図 4（a）） には，垂直なとき（図 4（ｂ））に比べて過剰キャリアが 動きやすいため，反射率変化が大きくなる。従って，照 射マイクロ波の電界方向を制御することにより，結晶異 方性の度合いを評価することができる。
2．測定装置の構成
図 5に，LTPS 薄膜の結晶性評価装置の構成を示す。
前述のように，LTPS 薄膜の結晶性を評価するには，過 剰キャリア注入によるマイクロ波の反射率変化を高感度 に検出する必要がある。そこで，マイクロ波検出系に，
バルクウェーハ用のμ-PCD 法に比べて約 500 倍の/ 比を有する差動μ-PCD 法を用いた7）。ガンダイオード により発振された周波数 26GHz のマイクロ波は，方向性 結合器を通過してマジックティーにより信号用導波管と 参照用導波管に分岐される。参照用導波管から放射され たマイクロ波は，試料の自由キャリア密度で決まる抵抗 率に基づいた反射率で反射される。
一方，信号用導波管には半導体レーザ励起 YLF 3 倍高 調波パルスレーザ光（波長 349nm，パルス幅数十 ns）を 導き，試料上にビーム径 1.5mm で繰返し照射することが で き る。照 射 さ れ た レ ー ザ 光 は LTPS 薄 膜 の 表 層 約 10nm で吸収されて過剰キャリアを生成し，生成と消滅
図 3 ピーク値による結晶性の評価 Crystallinity evaluation using peak level Excess carrier density
τ1
t0 Time
g ：Carrier injection velocity τ1：Primary mode lifetime t0 ：Laser pulse width
gτ1/e Peak(gτ1)
0 Δn
Laser OFF Laser ON
図 4 マイクロ波の電界方向制御による異方性の評価 Evaluation of anisotropic grain by controlling microwave
electric field direction
Grain
(a) Parallel Large
Large
(b) Perpendicular Small
Small Carrier oscillation
amplitude
Microwave reflectivity
Electron Hole Microwave electric field
の速度が等しくなると飽和して一定の値（ピーク値）に 落着く。
過剰キャリアは拡散により 1ps 以内に薄膜の裏面に達 し7），これはレーザの照射時間より十分短い時間である ため，ピーク値は薄膜の深さ方向全体の物理的性質を反 映することになる。過剰キャリアの生成は抵抗率を減少 させるため，信号用導波管から放射されたマイクロ波の 反射率は増加する。試料で反射された信号及び参照マイ クロ波は再び元の導波管を通過してマジックティーに戻 り，それぞれの強度の差がミキサに送られ，位相調整し たマイクロ波と混合されて反射率信号になる。このよう に，差動μ-PCD 法はレーザ光の照射による試料の抵抗 率の変化分のみを抽出する手法であるため，マイクロ波 発振器のノイズや機械的振動による外乱をキャンセルで き，過剰キャリア注入による LTPS 薄膜の僅かな反射率 変化を高い/比で検出することができる。
LTPS 薄膜の結晶性を評価する際は，エキシマレーザ アニール直後のようにポリシリコン（p-Si）がむき出しに なっている場合だけでなく，SiO や SiN などの CVD プロ セスを経て表面がゲート絶縁膜・層間絶縁膜・パッシベ ーション膜などに覆われていることがある。絶縁膜の存 在により励起光の干渉が生じるため，LTPS 薄膜で吸収 される光量が変化する。そのため，反射光量をモニタし て吸収光量が一定になるように光量調節する機能を有し ている。更に，差動導波管を回転できる機構を備えてい て，試料に対してマイクロ波を任意の電界方向で照射で きるため，回転角度とピーク値の関係から結晶粒の異方 性を把握することができる。
試料基板は，外付けあるいは内蔵の基板搬送ロボット に よ り，自 動 X-Y ス テ ー ジ 上 に 設 置 さ れ る。730 × 920mm サイズの基板をピッチ 10mm でマッピングする 場合，通常モードでは 10 分以内，注入量補正を行うとき には 20 分以内で測定することができる。
3．レーザアニールによる結晶化の評価
多結晶化の方法には，大別してレーザアニール法と固 相成長法があるが，後者は長時間を要する。従って，量
産段階の LTPS -TFT に用いられているほとんどの p-Si 薄 膜は，ガラス基板上にプラズマ CVD（PECVD）法で成 膜されたプリカーサとしての a-Si 薄膜に，吸収の大きな 波長 308nm の XeCl エキシマレーザビームを線状に整形 して，ステップ状に移動させながら多重照射することに より作成される（Excimer Laser Annealing: ELA）1）。a- Si が溶融するエネルギーを投入することで結晶化が始ま るが，エネルギーが小さいと膜の上層しか結晶化せず，
粒も小さい。照射エネルギーの増大に対応して結晶粒径 が大きくなり，a-Si 薄膜全体が溶融して再結晶化すると きに最大粒径となる。それ以上にエネルギーを増やす と，Si の固化温度以下になっても溶融状態のままで，さ らに温度が下がると突然固化が始まる過冷却状態に移行 するため，粒径の小さな結晶が急激に増えるようにな る1）。このように，LTPS 薄膜の結晶性はレーザエネルギ ーと強い相関があるが，一般にエキシマレーザの出力の 安定度は不十分である上，長軸（ライン）方向のビーム プロファイルは長時間使用すると不均一になるため，大 面積にわたって LTPS 薄膜の結晶性を確保することがで きないことが多い。従って，ELA 後にパネル全体の結晶 性をモニタする必要がある。
図 6は，ELA 装置でエキシマレーザの照射エネルギー を変化させながらアニールした LTPS 基板の測定結果で ある（元の a-Si 薄膜の膜厚は 50nm で，他の試料もすべ て同じ）。マップでは，赤色はピーク値（結晶性）が高く，
青色は低いことを表している。（a），（b）とも，マップの X 軸に沿って照射エネルギーが増えるとピーク値が増加 し，最大値を取った後急激に減少することがわかる。こ の結果は，前記の結晶粒径の変化と良く一致している。
Y 軸方向の分布を見ると，（a）では ELA エネルギーが小 さいときには中央部のピーク値が低く，エネルギーが増 加すると逆転するという結果が得られた。これは，ライ ンビームの長軸（マップの Y 軸）方向のプロファイルが 不均一で，中央部のエネルギー密度が低い（凹型）こと に起因していると考えられる。（b）では（a）と逆に，
ラインビーム中央部のエネルギー密度が周辺より高くな っている（凸型）と思われる。
図 5 LTPS の結晶性評価装置の装置構成 Configuration of LTPS crystallinity evaluation system
━
Automatic X-Ystage LTPS sample
Laser reflectivity Laser energy Signal waveguide
Microwave oscillator (26GHz)
Directional
coupler Phase shifter
Microwave reflectivity Peak detection Amplifier
Mixer Reference waveguide
Adjuster YLF-3HG Laser (λ＝349nm) Magic-tee
Waveguide rotation
図 7は，量産されている LTPS パネル用基板（730 × 920mm）に結晶化のための ELA を行った試料の測定結 果である。（a）に現れている中央の横線は，ELA スキャ ン（X 軸方向）を 2 回行った際にラインビームが重なっ た部分で，エネルギーの過剰注入により結晶性が悪くな っている。また，基板の四隅にピーク値の低い領域があ るのは，フッ酸のスピン洗浄による a-Si 薄膜表面の自然 酸化膜の除去が不十分であったことにより，ELA の際に エキシマレーザ光の干渉が生じ，a-Si 薄膜に到達するエ ネルギーが最適値からずれて，結晶性が向上しなかった ことが原因と考えられる。（b）では，ELA スキャン（Y 軸方向）を 3 回行っているため，ラインビームの重なり により結晶性が劣化した縦線が 2 本生じている。ピーク 値に生じているムラは，a-Si 薄膜の厚さ変動に起因して いると考えられる。
ELA を応用して大粒径の p-Si を形成する方法として，
SLS 法（Sequential Lateral Solidification）8）が提案されて いる。レーザと試料間に装着したマスクを利用して，既 に結晶化した領域から次の結晶化が始まるように働くた め，レーザショットを繰返すだけで結晶を長くできると いう特徴を有している。量産プロセスで実用的なスルー プットを実現できる 2 ショット SLS 8）により，エネルギ ーを変化させながら結晶化した試料について，結晶粒の 長軸方向とマイクロ波の電界方向を平行（parallel 配置）
及び垂直（perpendicular 配置）にしてピーク値を測定し
た。パネル全面のピーク値の平均値とエネルギーの関係 を図 8に示す。どのエネルギーにおいても，parallel 配置 の方が perpendicular 配置よりピーク値が高く，その比率 は同程度であった。これより，SLS で形成された p-Si 結 晶粒の縦横長さ比率（アスペクト比）は，エキシマレー ザのエネルギーによらずおおむね一定であると考えて良 い。エネルギーが増加するとピーク値は増加し，最大値 を示した後急激に低下するのは，通常の ELA と同様であ 図 6 ELA の照射レーザエネルギーを変化させた試料のピーク値のマップ
Peak level map of LTPS crystallized with different excimer laser energy in ELA process
1,690 1,690 2,010 2,010 1,500 1,500 1,225 1,225 988 988 1,182 1,182 1,080 1,080 1,132 1,132 1,331 1,331 3,959 3,959 17,585 17,585 42 42
(Small)
163.910 147.620 131.330 115.040 98.740 82.450 66.160 49.870 33.580 15.000 1.000
×100（％）
Microwave electric field: Y-axis Measuring pitch: 2 mm
91.050 82.433 73.817 65.200 58.563 47.557 39.350 30.733 22.117 13.500 4.883
（mV）
−460 0
−460
＋460
0 ＋460
X-axis
X-axis Y-axis
Y-axis
Line beam profile:
Concave
Laser illumination energy in ELA process
(a) Concave line beam energy profile (b) Convex line beam energy profile
Line beam profile:
Convex Microwave electric
field: Y-axis Measuring pitch: 5 mm
Laser illumination energy in ELA process
(Large) (Small) (Large)
1,690 2,010 1,600 1,225 988 1,182 1,080 1,132 1,331 3,959 17,585 42
728 1,027 759 842 488 322 282 286 647 2,162 5,320 731
図 7 ELA 後のピーク値のマップ Peak level map of LTPS crystallized by ELA
109.000 105.600 102.200 98.800 95.400 92.000 88.600 85.200 81.800 78.400 75.000
（mV）
286 367 664 969 1,130 1,102 867 571 264 115 43 83
Microwave electric field: Y-axis Measuring pitch: 10 mm Mean peak: 80.3 mV
−450 0
−450 450
0 450
X-axis X-axis
(a) Example 1 (b) Example 2
Y-axis Y-axis
Microwave electric field: Y-axis Measuring pitch: 3 mm Mean peak: 176.7 mV
214.010 209.500 205.500 200.200 194.000 188.300 183.500 177.200 171.000 164.000 140.000
（mV）
2,598 3,025 4,011 4,852 5,405 6,435 5,075 4,391 4,339 4,444 3,739 3,633
図 8 SLS による結晶化試料のピーク値測定結果（アニールエネル ギーと結晶異方性の影響）
Peak level measured results for LTPS crystallized by SLS (influence of excimer laser energy and direction of anisotropic grain)
Parallel Perpendicular 350
300 250 200 150 100 50 0
Peak (mV)
Evaluation of SLS crystallization (Excimer laser energy dependence)
Microwave EF Microwave EF Perpendicular Perpendicular
Microwave EF Parallel
7 6 5 4 3 2 1
Sample (Excimer laser energy)
ることがわかった。
エキシマレーザは，紫外線が誘起するレーザ窓の曇り や電極の劣化への対応，及び頻繁なガス交換の必要性か ら，保守に長時間・高コストを要する。また，僅かなレ ーザエネルギーの変化に対して移動度が大きく変化す る，すなわち，プロセスウインドウが狭いことが問題に なっている。これらを解決するために，半導体レーザ励 起の Nd：YAG レーザの第 2 高調波（波長 532nm）を光 源とするグリーンレーザアニール装置が提案されてい る2）。この装置では，可視固体レーザを用いるため保守 時間や費用の低減が期待できるとともに，光の侵入深さ が大きいことにより a-Si 薄膜の深さ方向全体が一挙に溶 融して結晶成長するため，結晶性がエネルギー変化に鈍 感になり，プロセスウインドウが広くなると言われてい る。
図 9は，グリーンレーザアニール装置でエネルギーを 変えながらアニールした LTPS 薄膜について，ピーク値 を測定した結果である9）。図 9 には，LTPS 薄膜の SEM 写 真も載せた。レーザエネルギーの増加とともに結晶粒径 は増大し，ピーク値もサイズを反映して増加することが わかる。また，レーザエネルギーの最適値を超えてから のピーク値の減少割合が小さいことから，広いプロセス ウインドウとの関連があると考えられる10）。
4．プラズマ CVD を用いた絶縁膜の形成におけ る欠陥不活性化の評価
LTPS -TFT が形成された後，TFT を確実に動作させる ために，p-Si の粒界や LTPS 薄膜とゲート絶縁膜の界面 に水素を注入して，欠陥の不活性化処理（水素ターミネ ーション）を行う必要がある。プラズマ CVD（PECVD）
法により成膜した膜中には水素が豊富に含まれているの
で，本来は欠陥となるダングリングボンド（未結合手）
を終端化して不活性にすることができる。パッシベーシ ョン膜として用いられる SiN を成膜する際には，水素に よる欠陥の不活性化が同時に行われるため，量産現場で も水素ターミネーションを兼ねる工程として用いられて いる1）。
図10は，PECVD による SiN の形成時における水素タ ー ミ ネ ー シ ョ ン の 効 果 を 調 べ た 結 果 で あ る（730 × 920mm）。（a）は通常のピーク値マップであるが，SiN 薄膜は 300nm と厚いため励起光の干渉が生じて，LTPS 薄膜への注入量が変化して，SiN の膜厚変化の影響を受 けている。（b）の反射率マップからわかるように，SiN 膜厚の違いによる大きな反射率変化（マップ右上と右下 は高く，中央から左の領域は低い）が生じていた。反射 率は 0.1 以下から 0.5 以上まで変化しているため，p-Si へ の注入量への影響は無視できない。（c）には，各点の反 射率の測定値を用いて LTPS 薄膜への注入量が一定にな るように励起光強度を調整しながら測定したピーク値マ ップを示す。反射率マップと逆相関で生じていた（a）の 分布は消え，PECVD 中のプラズマの形状に近いピーク 値分布が得られた。同じ条件で ELA のみを行った図 7
（a）では平均 80mV であるのに対し，図 10 （c）では平 均 1,800mV という高い値が得られており，水素ターミネ ーションの効果が歴然と現れていることがわかった。
LTPS 薄膜上に形成するゲート絶縁膜には，p-Si の優 れた特性を損なわないような高い品質が求められてい る。LTPS -TFT プロセスでは SiO2が用いられることが多 く，TEOS（TetraEthyl OrthoSilicate）や SiH4＋N2O を用 いた PECVD によって成膜される。CVD により形成され るため，LSI に用いられている熱酸化膜に比べて界面特 性が悪い上，成膜中にプラズマ衝撃が発生する。これら
400 500
Energy density (mJ/cm2)
600 700
K. Tamagawa et al.: “Solid State YAG2ω Laser Annealing System for the Fabrication of Poly-Si TFT-FPDs”, FMC6-1, IDW’04.
522 mJ/cm2
489 mJ/cm2
468 mJ/cm2
446 mJ/cm2
300 300
250 250
200 200
150 150
100 100 300
250
200
150
100
Peak levelPeak level (au)(au)Peak level (au)
図 9 YAG2 ωレーザアニールのエネルギー密度による結晶サイズとピーク値の関係 Relation between grain size and peak level of LTPS crystallized by YAG2ω laser annealing system
はしきい値電圧や移動度などのトランジスタ特性や素子 の信頼性に影響を及ぼすため，SiO2膜と LTPS 薄膜の界 面準位密度の低減や，LTPS 薄膜へのダメージを軽減す るプロセスの維持が要求されている。
図 11には，LTPS 薄膜上にゲート酸化膜としての TEOS 膜（100nm）と，相関絶縁膜としての SiO2膜（500nm）， 保護膜としての SiN（300nm）を順次成膜した試料のピー ク値の測定結果を示す（730 × 920mm）。図 10 と同様に，
図10 LTPS 薄膜の上に SiN を成膜した試料の測定結果 Measured results of LTPS with SiN film deposition (a) Peak level map (raw data)
3,233.467 3,105.196 2,976.925 2,848.654 2,720.384 2,592.113 2,463.842 2,335.571 2,207.300 2,079.030 1,950.759 (mV)
321 1,317 724 917 642 679 484 345 247 254 207 324 450
0
−450
−450 0
X-axis Y-axis
450
(c) Peak level map (injection level compensation)
1,983.890 1,935.500 1,887.110 1,838.720 1,790.330 1,741.540 1,699.550 1,645.170 1,596.780 1,548.390 1,500.000 (mV)
338 473 846 1,247 1,483 839 387 278 164 97 82 227 450
0
−450
−450 0
X-axis Y-axis
450
0.486 0.445 0.405 0.364 0.323 0.283 0.242 0.201 0.160 0.120 0.079
×100(％) 255 480 393 308 320 467 736 697 664 759 1,168 214 450
0
−450
−450 0
X-axis Y-axis
450
(b) Reflectivity map
Microwave electric field: Y-axis Measuring pitch: 10 mm Mean peak: 1,800.6 mV
SiN (300 nm) p-Si (50 nm) Glass substrate (d) Structure
3,632.830 3,469.550 3,306.260 3,142.980 2,979.700 2,816.420 2,653.130 2,489.850 2,326.570 2,163.280 2,000.000 (mV)
339 694 1,132 1,290 1,364 798 411 263 87 12 0 71 450
0
−450
−450 0
X-axis Y-axis
450
(a) Peak level map (raw data)
2,358.790 2,292.910 2,227.030 2,161.150 2,095.270 2,029.390 1,963.510 1,897.640 1,831.760 1,765.880 1,700.000 (mV)
338 286 476 726 1,325 1,092 896 736 388 107 12 79 450
0
−450
−450 0
X-axis Y-axis
450
(c) Peak level map (injection level compensation)
0.444 0.408 0.372 0.336 0.300 0.264 0.228 0.192 0.156 0.120 0.084
×100(％) 270 179 253 321 300 326 357 388 490 848 2,507 222 450
0
−450
−450 0
X-axis Y-axis
450
(b) Reflectivity map
Microwave electric field: Y-axis Measuring pitch: 10 mm Mean peak: 2,073.6 mV
SiN (300 nm) SiO2 (500 nm) TEOS (100 nm)
p-Si (50 nm) Glass substrate (d) Structure
図11 LTPS 薄膜の上に種々の絶縁膜を成膜した試料の測定結果 Measured results of LTPS with various insulating film deposition
各点ごとに励起光の p-Si への注入量を補正しながらピー ク値を測定した。（b）の反射率マップは図 10 とほぼ同 じであるため，共通のプロセスである SiN 膜の CVD 装置 にこのような膜厚分布があると考えられる。注入量補正 測定のピーク値マップ（c）から，外周部に比べて中央部 には欠陥が多く入っていることがわかる。ピーク値の平 均値は約 2,100mV と図 10 （c）の平均値に比べて高かっ た。これは，SiN 成膜での水素ターミネーション効果に加 えて，TEOS や SiO2の成膜時に生じた水素が TEOS/p-Si 界面や LTPS 薄膜中のダングリングボンドを不活性化し たためと考えられる。
5．イオンドーピングによる欠陥と成膜プロセス による回復の評価
LTPS -TFT の製造プロセスには，イオン源から引出し た不純物イオンを加速して大面積に一挙に，あるいは幅 広の長方形状のビームにより走査注入するイオンドーピ ングが必要である。ドーピングのドーズ量としては，チ ャネルドープの場合は 5E11 〜 5E12/cm2，Lightly doped drain（LDD）の領域で 1 〜 5E13/cm2，ソース・ドレイ ンでは 1 〜 5E15/cm2程度が用いられている1）。
図 12は，ELA により形成した LTPS 薄膜に対し，チ ャネルドープと LDD ドープに相当するドーズ量で不純 物をドーピングし，その後，ゲート酸化膜を 2 種類の厚 さで形成したときのピーク値の変化である。ELA 直後
（＃1）では 97mV を示していたピーク値は，チャネルド ープ（＃2）で 17mV に低下した。これは，ドーピングに よるイオン衝撃で格子間 Si や空孔などの結晶欠陥が生 じたためである。次に通常用いられている厚さのゲート 絶縁膜を PECVD で形成すると（＃3），成膜時の温度上 昇（300〜400℃）による欠陥回復と水素ターミネーショ ンの効果により，ピーク値は飛躍的に伸びて 2,019mV と なった。通常より薄い絶縁膜を形成した試料（＃4）では 1,751mV とやや低かったが，これは成膜時間が短く上記
の回復効果が不十分であったためと推測される。LDD ドープ後に同様な絶縁膜を成膜した試料（＃5, 6）では，
ともにチャネルドープ後の試料より低いピーク値を示し た。これは，LDD のドーズ量が 10 〜 100 倍程度多いた め，欠陥が十分に回復しておらず，そのため水素による 欠陥の不活性化効果も小さいことが理由と考えられる。
6．差分マップによる装置の異常の早期検出
LTPS を用いた TFT パネルの量産効率を高めるために は，トラブルを起こした装置を早急に突止め，速やかに 対処しなければならない。しかし，TFT が完成するまで には多くの製造装置が関与するため，異常な装置を見つ けるのは容易でないことが多い。製造装置で処理する前 と後にピーク値マップを測定し，マップの各測定点どう しの差のマップ（差分マップ）を観察することで異常の 発生を見出すことができる場合がある。図 13は，アッシング装置でのレジスト剥離処理の際 に生じたトラブルを，差分マップにより顕在化した例で ある（730 × 920mm）。（a）はアッシング前（ELA 直後）
のマップで，中央部にプリカーサの a-Si 膜厚分布に起因 すると思われるピーク値の低い領域があり，また基板の 四隅には，図 7（a）と同じ原因で発生したと思われる ELA 不良の領域が現れている。アッシング後のマップ
（b）にも（a）の形状がほとんどそのまま現れていて，
アッシングによるピーク値の特徴的な変化は顕在化して いないが，差分マップ（c）では，中央部と右上にピーク 値の低い領域がはっきりと現れている。中央部の形状は アッシング装置のプラズマの形と良く似ているので，プ ラズマ衝撃によりダメージが導入されたと思われる。後 の調査で，アッシング装置に装備されている一部のリフ トピンに昇降動作不良があり，その場所がマップ右上に あるピーク値の低い領域に一致していることがわかった
（d）。このことから，同領域は基板がプラズマに近づい たことで生じたダメージと考えることができる。このよ うに，差分マップから製造装置の不具合を早期に発見す ることができる場合がある。
むすび＝μ-PCD 法を応用した新しい LTPS 薄膜の結晶 性評価装置を開発した。
①評価パラメータのピーク値は，LTPS 薄膜のライフタ イムに比例するため，LTPS 薄膜中の結晶欠陥やダン グリングボンドの密度に対応することを理論的に明ら かにした。
②ピーク値による評価により，エキシマレーザや YAG2ω レーザでアニールした試料では，エネルギーが増加す ると結晶性が向上した後に劣化に転じるため，エネル ギーの最適値があることがわかった。
③マイクロ波の電界方向制御により，SLS 法により生じ た結晶の異方性を評価することができた。
④プラズマ CVD により SiO2や SiN などの絶縁膜を成膜 する際には，水素が LTPS 薄膜や絶縁膜との界面の欠 陥をターミネートするため，結晶欠陥が不活性化され ることが確認できた。
図12 イオンドーピング及びゲート酸化膜形成によるピーク値の 変化
Variation of peak level by ion doping and gate insulator deposition
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
＃6
＃5
＃4
＃3
＃2
＃1
＃1 ＃2 ＃3 ＃4 ＃5 ＃6
Peak level (mV)
2,500
2,000
1,500
1,000
500
0
ELA Channel dope
LDD dope Gate insulator (normal)
Gate insulator (thin)
⑤イオンドーピングのドーズ量が増えるほど多くの欠陥 が発生するため，熱やプラズマ処理により回復しにく いことがわかった。
⑥製造装置で処理する前後の差分マップにより，装置異 常を早期に発見できる場合があることも明らかになっ た。
本装置が，LTPS-TFT 製造プロセスの工程改善に役立 つことを期待したい。
参 考 文 献
1 ） 電子ジャーナル：2003FPD テクノロジー大全．
2 ） 岡本達樹ほか：レーザ研究，第34巻，第10号（2006）, p.693.
3 ） 住江伸吾ほか：R&D 神戸製鋼技報，Vol.52, No.2（2002）, p.87.
4 ） SEMI Standard：SEMI MF1535-1104（Document Number 4906）．
5 ） E. D. Palik：Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press, New York（1985）, p.547.
6 ） M. Born et al.：Principle of Optics, Pregamon Press（1975）, § XIII.
7 ） S. Sumie et al.：J. Electrochem. Soc., Vol.152（2005）, G99.
8 ） C. W. Kim et al.：Process Scheme of TS-SLS（2-Shot Sequential Lateral Solidification）, SID04 DIGEST（2004）, p.868.
9 ） K. Tamagawa et al.：Solid State YAG2ω Laser Annealing System dor the Fabrication of Poly-Si TFT-FPDs, IDW04
（2004）, FMC6-1.
10） K. Morikawa et al.：Comparison of Poly-Si TFT Characteristics Crystallized by a YAG2ω Laser and an Excimer laser, SID04
（2004）, p.1088.
図13 アッシャのリフトピントラブルによるピーク値マップと差分マップ Peak level map and differential map for LTPS that experienced lift pin trouble in asher
Stage Panel
118.0 115.9 113.8 111.7 109.6 107.5 105.4 103.3 101.3 99.2 97.1 (mV)
322 412 773 965 1,050 813 630 431 307 249 173 328 730
365
0
0 460 920
Lift pin (Abnormal) Plasma
Lift pin (Normal) (d) Lift pin trouble in Asher Microwave electric field: Y-axis Measuring pitch: 10 mm
5.6 3.9 2.3 0.6
−1.1
−2.7
−4.4
−6.0
−7.7
−9.3
−11.0 (mV)
322 234 364 535 647 761 882 843 731 461 350 323 730
365
0
0 460 920
117.8 115.2 112.6 110.0 107.4 104.8 102.2 99.6 97.0 94.4 91.8 (mV)
327 411 644 831 831 874 627 529 452 357 243 327 730
365
0
0 460 920
(a) Before ashing (only ELA) (c)(b) −(a) =Ashing damage
(b) After ashing
X-axis X-axis
X-axis
Y-axis Y-axis
Y-axis
