JP2003178978A - Crystalline semiconductor thin film, and method for forming the crystalline semiconductor thin film and apparatus for forming the crystalline semiconductor thin film, and mask for forming the crystalline semiconductor thin film, and further semiconductor device - Google Patents

Crystalline semiconductor thin film, and method for forming the crystalline semiconductor thin film and apparatus for forming the crystalline semiconductor thin film, and mask for forming the crystalline semiconductor thin film, and further semiconductor device

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JP2003178978A
JP2003178978A JP2001379116A JP2001379116A JP2003178978A JP 2003178978 A JP2003178978 A JP 2003178978A JP 2001379116 A JP2001379116 A JP 2001379116A JP 2001379116 A JP2001379116 A JP 2001379116A JP 2003178978 A JP2003178978 A JP 2003178978A
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JP
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thin film
semiconductor thin
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region
light
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Application number
JP2001379116A
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Japanese (ja)
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Shinji Maekawa
真司 前川
Hiromi Sakamoto
弘美 坂本
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure a high carrier mobility in perpendicular directions by forming a wide area single crystal region in a shorter processing time upon forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating a semiconductor thin film with a laser beam and melting and solidifying the semiconductor thin film. <P>SOLUTION: A mask including a lattice shaped transparent section and a rectangular optical shielding section is disposed on an irradiation path for a laser beam. Lateral growth nuclei are ensured along a boundary 25e between a complete molten regions 25b to 25d and a non-molten region 25a, and the lateral growth is controlled mutually perpendicularly to form a crystal region 25d composed of four rectangular single crystal grains 25g. A mask optical shielding section is moved into the crystal region 25d, which is irradiated with a laser beam to obtain crystal growth using the single crystal grains 25g as nucleus. Hereby, rectangular single crystal grains partitioned in <100> and <010> directions with subintergranular regions are formed without any gap over the entire surface of a substrate continuously by the arbitrary number. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁性基板上に設
けられた非晶質半導体薄膜にエネルギービームを照射し
て溶融させた後に、溶融された非晶質半導体膜を固化さ
せることによって形成される結晶性半導体薄膜およびそ
の形成方法、その結晶性半導体薄膜の形成装置および結
晶性半導体薄膜の形成用マスク、並びに半導体装置に関
する。特に、本発明の結晶性半導体薄膜は、絶縁性基板
上に設けられた薄膜トランジスタ(TFT)を用いた半
導体装置に有効であり、アクティブマトリクス型液晶表
示装置、密着型イメージセンサー、三次元IC等に利用
することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is formed by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt it, and then solidifying the melted amorphous semiconductor film. The present invention relates to a crystalline semiconductor thin film, a method for forming the same, a device for forming the crystalline semiconductor thin film, a mask for forming the crystalline semiconductor thin film, and a semiconductor device. In particular, the crystalline semiconductor thin film of the present invention is effective for a semiconductor device using a thin film transistor (TFT) provided on an insulating substrate, and is useful for an active matrix liquid crystal display device, a contact image sensor, a three-dimensional IC, etc. Can be used.

【0002】[0002]

【従来の技術】近時、高解像度の表示が可能な大型の液
晶表示装置、高速動作が可能で高解像度の表示が可能な
密着型イメージセンサー、三次元IC等という半導体装
置を実現するために、ガラス等からなる絶縁性基板上に
高性能な半導体素子を形成することが試みられている。
このような半導体素子としては、通常、薄膜状のシリコ
ン半導体によって形成されるTFTが用いられている。
薄膜状のシリコン半導体は、非晶質シリコン半導体(a
−Si)と、結晶性を有するシリコン半導体との2つに
大別される。また、結晶性を有するシリコン半導体とし
ては、多結晶シリコン半導体、微結晶シリコン半導体等
が知られている。
2. Description of the Related Art Recently, in order to realize a large-sized liquid crystal display device capable of high-resolution display, a contact-type image sensor capable of high-speed operation and high-resolution display, and a semiconductor device such as a three-dimensional IC. Attempts have been made to form high-performance semiconductor elements on an insulating substrate made of glass or the like.
As such a semiconductor element, a TFT formed of a thin film silicon semiconductor is usually used.
The thin film silicon semiconductor is an amorphous silicon semiconductor (a
-Si) and a silicon semiconductor having crystallinity. As a crystalline silicon semiconductor, a polycrystalline silicon semiconductor, a microcrystalline silicon semiconductor, or the like is known.

【0003】非晶質シリコン半導体薄膜は、形成温度が
低く、気相法によって比較的容易に形成することが可能
であり、しかも、量産性に優れているために、最も一般
的に用いられている。しかしながら、非晶質シリコン半
導体薄膜は、導電性等の物性が、結晶性を有するシリコ
ン半導体薄膜に比べて劣っているため、より高速動作が
可能な半導体装置を得るために、結晶性を有するシリコ
ン半導体薄膜をガラス等の絶縁性基板に形成する方法を
確立することが要望されている。
Amorphous silicon semiconductor thin films are the most commonly used because they have a low formation temperature, can be formed relatively easily by a vapor phase method, and have excellent mass productivity. There is. However, since the amorphous silicon semiconductor thin film is inferior in physical properties such as conductivity to the crystalline silicon semiconductor thin film, in order to obtain a semiconductor device capable of operating at higher speed, a crystalline silicon semiconductor film is used. It is desired to establish a method for forming a semiconductor thin film on an insulating substrate such as glass.

【0004】結晶性を有するシリコン半導体薄膜をガラ
ス基板等の絶縁性の基板に形成する方法としては、
(1)成膜時に、結晶性を有するシリコン半導体薄膜を
基板上に直接成膜する、(2)基板上に非晶質シリコン
半導体薄膜を成膜し、熱エネルギーを加えて固相成長さ
せることによって結晶性を有するシリコン半導体薄膜と
する、(3)基板上に非晶質シリコン半導体薄膜を成膜
し、強光を照射して溶融させた後、溶融された非晶質シ
リコン半導体膜を固化させることによって結晶性を有す
るシリコン半導体薄膜とする等の方法が知られている。
As a method for forming a crystalline silicon semiconductor thin film on an insulating substrate such as a glass substrate,
(1) At the time of film formation, a crystalline silicon semiconductor thin film is directly formed on the substrate. (2) An amorphous silicon semiconductor thin film is formed on the substrate and solid phase growth is performed by applying heat energy. (3) Amorphous silicon semiconductor thin film is formed on the substrate by irradiating with strong light to melt, and then the melted amorphous silicon semiconductor film is solidified. There is known a method of forming a crystalline silicon semiconductor thin film by performing the above.

【0005】しかしながら、上記(1)の方法では、成
膜工程と同時に結晶化が進行するため、大粒径を有する
結晶性シリコン半導体薄膜を得るために、結晶性シリコ
ン半導体薄膜を厚く形成する必要がある。しかしなが
ら、良好な半導体物性を有する結晶性シリコン半導体薄
膜を基板の全面に渡って厚く成膜することは、技術的に
容易でないという問題がある。
However, in the above method (1), crystallization progresses at the same time as the film forming step. Therefore, in order to obtain a crystalline silicon semiconductor thin film having a large grain size, it is necessary to form a thick crystalline silicon semiconductor thin film. There is. However, it is technically difficult to form a thick crystalline silicon semiconductor thin film having good semiconductor properties over the entire surface of the substrate.

【0006】上記(2)の方法は、大面積の基板に対応
することができるという利点を有するが、非晶質シリコ
ン半導体薄膜を結晶化するために、600℃以上の高温
で数十時間にわたる加熱処理を行う必要があり、処理時
間が長くなるという問題がある。また、上記(2)の方
法では、固相結晶化現象を利用するために、結晶粒が基
板表面に平行に広がる。この場合、結晶粒の粒径が数μ
mに達すると、成長した結晶粒同士がぶつかり合って粒
界が形成されるおそれがある。このような粒界は、キャ
リアに対するトラップ準位として機能するため、TFT
の移動度を低下させるおそれがある。
The method (2) has an advantage that it can be applied to a large-area substrate, but in order to crystallize the amorphous silicon semiconductor thin film, it is performed at a high temperature of 600 ° C. or higher for several tens of hours. There is a problem in that heat treatment needs to be performed and the treatment time becomes long. Further, in the above method (2), since the solid phase crystallization phenomenon is utilized, the crystal grains spread parallel to the substrate surface. In this case, the grain size of the crystal grain is several μ
When it reaches m, the grown crystal grains may collide with each other to form grain boundaries. Since such a grain boundary functions as a trap level for carriers,
Mobility may be reduced.

【0007】これに対して、上記(3)の方法では、溶
融固化過程における結晶化現象を利用するために、小粒
径の結晶粒を得ることができ、粒界が良好に処理されて
高品質な結晶性シリコン半導体薄膜を得ることができ
る。また、例えば、現在、最も一般的に利用されている
エキシマレーザーを用いて、レーザービームをパルス状
に照射することによって非晶質シリコン半導体薄膜を結
晶化する場合には、非晶質シリコンが局所的に溶融され
るために、溶融時間が極めて短かくなり、局所的に溶融
された領域の温度が基板まで伝わるおそれがない。従っ
て、基板が高温になるおそれがなく、絶縁性の基板とし
て、安価なガラス基板を使用することができるために、
大型の半導体装置を経済的に製造することができる。
On the other hand, in the above method (3), since the crystallization phenomenon in the melting and solidification process is utilized, it is possible to obtain crystal grains having a small grain size, and the grain boundaries are well treated and thus high in grain size. A crystalline silicon semiconductor thin film of high quality can be obtained. Further, for example, when an amorphous silicon semiconductor thin film is crystallized by irradiating a pulsed laser beam with an excimer laser which is most commonly used at present, the amorphous silicon is locally In this case, the melting time becomes extremely short, and the temperature of the locally melted region does not reach the substrate. Therefore, since the substrate does not have a high temperature and an inexpensive glass substrate can be used as the insulating substrate,
A large semiconductor device can be manufactured economically.

【0008】上記(3)の方法として、例えば、T.S
ameshima,S.Usui and M.Seki
ya,IEEE Electron Dev.Let
t.,EDL−7,276,1986,”XeCl e
xcimerlaser annealing used
in the fabriication of pol
y−Si TFT’s”には、ガラス基板上に設けられ
た非晶質シリコン半導体薄膜に、出力が大きいエキシマ
レーザーをパルス状に照射することによって、非晶質シ
リコン半導体膜を加熱して溶融し、その後に、溶融され
たシリコン半導体膜を固化させることによって、結晶性
シリコン半導体薄膜を形成し、さらに、その結晶性シリ
コン半導体膜を用いてTFTを作製する技術が開示され
ている。
As a method of the above (3), for example, TS
ashima, S .; Usui and M.S. Seki
ya, IEEE Electron Dev. Let
t. , EDL-7, 276, 1986, "XeCl e.
xcimer laser annealing used
in the fabrication of pol
For y-Si TFT's ", an amorphous silicon semiconductor thin film provided on a glass substrate is irradiated with a pulsed excimer laser having a large output to heat and melt the amorphous silicon semiconductor film. Then, a technique of forming a crystalline silicon semiconductor thin film by solidifying the melted silicon semiconductor film and then manufacturing a TFT using the crystalline silicon semiconductor film is disclosed.

【0009】このような方法においては、シリコン半導
体薄膜に照射されるレーザービームは、通常、シリコン
半導体薄膜の上部が部分的に溶融するようなエネルギー
密度とされているが、最近では、レーザービームのエネ
ルギー密度と、形成される結晶粒径との関係が詳細に検
討されており、レーザービームのエネルギー密度が増加
すると、形成される結晶性シリコン半導体膜の結晶粒径
も増大することが明らかになっている。このために、形
成される結晶性シリコン半導体膜の結晶粒径の大きさに
基づいて、レーザービームのエネルギー密度が設定され
るようになっている。
In such a method, the laser beam with which the silicon semiconductor thin film is irradiated is usually set to have an energy density such that the upper part of the silicon semiconductor thin film is partially melted. The relationship between the energy density and the crystal grain size to be formed has been studied in detail, and it has been clarified that as the energy density of the laser beam increases, the crystal grain size of the formed crystalline silicon semiconductor film also increases. ing. Therefore, the energy density of the laser beam is set based on the crystal grain size of the crystalline silicon semiconductor film to be formed.

【0010】J.S.Im et al.,Appl.P
hys.Lett.,63,1969,(199
3),”Phase transformation m
echanisms involved in exci
mer laser crystalization o
f amorphous silicon film
s.”には、シリコン半導体膜をレーザービームの照射
によって溶融する際に、その溶融部分が、シリコン半導
体薄膜の下側の界面に到達する直前、すなわち、シリコ
ン半導体薄膜を、その膜厚よりも若干小さな厚さにわた
って溶融することによって、数μmに達する巨大な結晶
粒が形成されることが記載されている。このように、シ
リコン半導体膜を、その膜厚よりも若干小さな深さにわ
たって溶融させると、シリコン半導体薄膜の下側の界面
近傍に、結晶粒が溶融されずにわずかに残り、その結晶
粒が、結晶成長のシード(核)となって、大きな結晶粒
が成長される。
J. S. Im et al. , Appl. P
hys. Lett. , 63, 1969, (199
3), "Phase transformation m
echanims involved in exci
mer laser crystallization o
f amorphous silicon film
s. “When the silicon semiconductor film is melted by irradiation with a laser beam, the melted portion is just before reaching the lower interface of the silicon semiconductor thin film, that is, the silicon semiconductor thin film is slightly smaller than the film thickness. It is described that a huge crystal grain of up to several μm is formed by melting over a thickness. Thus, when a silicon semiconductor film is melted over a depth slightly smaller than its film thickness, In the vicinity of the interface on the lower side of the silicon semiconductor thin film, the crystal grains slightly remain without being melted, and the crystal grains serve as seeds (nucleus) for crystal growth to grow large crystal grains.

【0011】このことから、シリコン半導体薄膜に照射
されるレーザービームのエネルギー密度を、レーザービ
ームによって溶融されるシリコン半導体薄膜の深さが、
その膜厚よりも若干小さくなるように設定すれば、大き
な結晶粒を形成することができる。しかしながら、この
場合には、レーザービームのエネルギー密度が、予め設
定された値よりも僅かでも大きくなると、シリコン半導
体薄膜は、下側の界面まで完全に溶融されるおそれがあ
る。このようなに、シリコン半導体薄膜が完全に溶融さ
れた状態になると、溶融されたシリコン半導体膜は、そ
の後に急激に冷却されるために、結晶成長の核がランダ
ムに発生して結晶粒が非常に小さくなるおそれ、あるい
は、再度、非晶質化するおそれがある。
From this, the energy density of the laser beam with which the silicon semiconductor thin film is irradiated is determined by the depth of the silicon semiconductor thin film melted by the laser beam.
Larger crystal grains can be formed by setting the thickness to be slightly smaller than the film thickness. However, in this case, if the energy density of the laser beam becomes slightly higher than a preset value, the silicon semiconductor thin film may be completely melted to the lower interface. As described above, when the silicon semiconductor thin film is completely melted, the melted silicon semiconductor film is rapidly cooled thereafter, so that nuclei of crystal growth are randomly generated and crystal grains are extremely broken. There is a possibility that it will become very small, or that it will become amorphous again.

【0012】従って、シリコン半導体膜を溶融させる場
合のレーザービームのエネルギー密度は、レーザー出力
が揺らぐことを考慮して、シリコン半導体薄膜が、下側
の界面によりも適当な厚さにわたって溶融されない部分
が残るように設定する必要がある。しかしながら、この
ようにレーザービームのエネルギー密度を設定すると、
大きな結晶粒が形成されずに、得られる結晶粒の粒径も
数百nm程度の小さなものになるおそれがある。
Therefore, the energy density of the laser beam when the silicon semiconductor film is melted is such that, in consideration of the fluctuation of the laser output, there is a portion of the silicon semiconductor thin film which is not melted over an appropriate thickness due to the lower interface. Must be set to remain. However, if the energy density of the laser beam is set in this way,
Large crystal grains may not be formed, and the grain size of the obtained crystal grains may be as small as several hundred nm.

【0013】量産される多結晶シリコン半導体薄膜は、
通常、シリコン半導体薄膜における下側の界面近傍部分
が溶融されないような低温のエネルギー密度に設定し
て、レーザービームをシリコン半導体薄膜にパルス状に
照射することによって製造されている。このような条件
によって形成される結晶性シリコン半導体薄膜は、TF
Tとした場合のキャリア移動度が、n−ch TFTで
は、150cm2/Vs、p−ch TFTでは、80c
2/Vsになる。
The mass-produced polycrystalline silicon semiconductor thin film is
Usually, the silicon semiconductor thin film is manufactured by irradiating the silicon semiconductor thin film in a pulsed manner with a low-temperature energy density so as not to melt the vicinity of the lower interface of the silicon semiconductor thin film. The crystalline silicon semiconductor thin film formed under such conditions is TF
The carrier mobility when T is 150 cm 2 / Vs for the n-ch TFT and 80 c for the p-ch TFT.
It becomes m 2 / Vs.

【0014】このようなキャリア移動度のTFTは、周
辺駆動回路が内蔵された液晶パネルに使用されている
が、より高品質の多結晶シリコン半導体薄膜を形成する
ことによって、多機能を有する回路素子を形成し、その
ような回路素子を、アクティブマトリクスTFT基板に
集積することが要望されている。
A TFT having such carrier mobility is used in a liquid crystal panel having a built-in peripheral driving circuit. By forming a higher quality polycrystalline silicon semiconductor thin film, a circuit element having multiple functions is formed. And to integrate such circuit elements on an active matrix TFT substrate.

【0015】より高品質の多結晶シリコン半導体薄膜を
形成するためには、レーザービームの照射によりシリコ
ン半導体薄膜を溶融させた後に固化させることによって
結晶化させる際に、シリコン半導体薄膜を膜厚方向に完
全に溶融させ、しかも、ランダムな核の発生を抑制し、
さらには、何らかの方法によって、基板表面に対して平
行な方向への結晶の成長(横成長またはラテラル成長と
称される)を制御すればよい。このような方法によっ
て、結晶粒が増大するために、高品質な多結晶シリコン
半導体薄膜を得ることができ、単結晶基板を用いた場合
に匹敵するような特性を有するTFTを得ることができ
る。
In order to form a polycrystalline silicon semiconductor thin film of higher quality, when the silicon semiconductor thin film is melted by laser beam irradiation and then solidified to be crystallized, the silicon semiconductor thin film is formed in the film thickness direction. Completely melt, and suppress the generation of random nuclei,
Furthermore, crystal growth in a direction parallel to the substrate surface (referred to as lateral growth or lateral growth) may be controlled by some method. By such a method, the number of crystal grains increases, so that a high-quality polycrystalline silicon semiconductor thin film can be obtained, and a TFT having characteristics comparable to those when a single crystal substrate is used can be obtained.

【0016】例えば、R.Sposili and J.
Im,Appl.Phys.Lett.69,p286
4,1996,”Sequential latera
l solidification of thin si
licon films onSiO2.”には、非晶質
シリコン半導体膜に対して、レーザービームをパルス状
に照射して溶融する際に、1回の照射によって溶融され
る領域が横成長領域のみとなるように、レーザービーム
の照射領域を数μm程度に限定し、次のレーザービーム
の照射領域が、前の照射領域に僅かに重なるようにし
て、繰り返しレーザービームを照射することによって、
一方向に長く伸びた細長い結晶を成長させる方法が記載
されている。この方法は、SLS(Sequentia
l Lateral Solidification)と
称されており、基本的には、パルスレーザーによる結晶
化とラテラル成長とを組み合わせた手法であるが、レー
ザービームを、1回の照射によるラテラル成長に対して
2倍〜3倍程度に細く絞って照射するという点に特徴が
ある。
For example, R. Sposili and J.
Im, Appl. Phys. Lett. 69, p286
4, 1996, "Sequential latera"
l solidification of thin si
licon films on SiO 2 . “When the amorphous silicon semiconductor film is irradiated with a pulsed laser beam to be melted, the laser beam is applied so that the region to be melted by one irradiation is only the lateral growth region. By irradiating the laser beam repeatedly so that the irradiation region is limited to about several μm and the irradiation region of the next laser beam slightly overlaps with the previous irradiation region,
A method of growing elongated crystals elongated in one direction is described. This method is based on SLS (Sequentia).
(Lateral Solidification), which is basically a method of combining crystallization by pulsed laser and lateral growth, but the laser beam is twice to 3 times as large as the lateral growth by one irradiation. It is characterized in that it is squeezed down to about twice as thin as before.

【0017】また、C.Oh,M.Ozawa and
M.Matsumura,Jpn.J.Appl.Ph
ys.37,L492,(1998),”A nove
l phase−modulated excimer−
Laser crystallization meth
od of silicon thin films.”に
は、シリコン半導体薄膜を厚さ方向に完全に溶融させた
ときに、位相シフトマスクを用いてレーザービームの強
度分布を制御することにより、熱伝導を制御して単結晶
領域を形成することが記載されている。
In addition, C.I. Oh, M. Ozawa and
M. Matsumura, Jpn. J. Appl. Ph
ys. 37, L492, (1998), "A novel
l phase-modulated excimer-
Laser crystallization meth
od of silicon thin films. "In order to form a single crystal region by controlling the heat conduction by controlling the intensity distribution of the laser beam using a phase shift mask when the silicon semiconductor thin film is completely melted in the thickness direction. Is listed.

【0018】さらに、A.Hara et al.,Te
chnical digest of2000 IED
M,”Selective single−Cryst
alline silicon growth at th
e pre−defined active regio
ns of TFT’s on a glass by a s
canning CW laser irradiati
on.”には、シリコン半導体薄膜をアイランド化して
熱伝導を制御する方法が記載されている。
Furthermore, A. Hara et al. , Te
mechanical digest of2000 IED
M, "Selective single-Cryst
alliline silicon growth at th
e pre-defined active regio
ns of TFT's on a glass by as
canning CW laser irradiati
on. Describes a method for controlling heat conduction by forming a silicon semiconductor thin film into an island.

【0019】しかしながら、シリコン半導体薄膜が完全
に溶融した場合に熱伝導を制御する上述の方法では、光
強度分布、試料形状等によって、条件を一般化すること
が容易でなく、量産化には適していない。さらに、これ
らの技術は、SLSと比較して、シリコン半導体薄膜を
横成長させる際に核となる結晶を確保することについて
は考察されていないために、基板上にどのような単結晶
領域が配置されるかということについては、明確に示さ
れていない。
However, in the above method of controlling the heat conduction when the silicon semiconductor thin film is completely melted, it is not easy to generalize the conditions depending on the light intensity distribution, the sample shape, etc., and it is suitable for mass production. Not not. Furthermore, these techniques have not been considered to secure a crystal that serves as a nucleus when laterally growing a silicon semiconductor thin film, as compared with SLS, and therefore, what single crystal region is arranged on a substrate There is no clear indication as to whether or not it will be done.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】上述したSLSによっ
て得られる結晶は、長手方向が<100>方向に配向す
る傾向があり、<100>方向と平行な方向にTFTの
チャネルを形成することによって、極めて高いキャリア
移動度を得ることができる。しかしながら、<100>
方向と垂直な方向では、結晶粒の粒径が0.5μm程度
と小さく、結晶方位もランダムであるため、<100>
方向にTFTのチャネルを形成した場合に比べて、キャ
リア移動度も1/3程度になる。
The crystal obtained by the above-described SLS has a tendency that the longitudinal direction is oriented in the <100> direction, and by forming a channel of a TFT in a direction parallel to the <100> direction, An extremely high carrier mobility can be obtained. However, <100>
In the direction perpendicular to the direction, the grain size of the crystal grains is as small as about 0.5 μm, and the crystal orientation is random, so <100>
The carrier mobility is also about 1/3 as compared with the case where the TFT channel is formed in the direction.

【0021】また、SLSでは、レーザービームを一方
向に数μm程度の幅に限定して照射することによって、
一方向への横成長を繰り返すために、処理時間が長くか
かるという問題がある。
Further, in SLS, by irradiating the laser beam in one direction with a width of about several μm,
Since the lateral growth in one direction is repeated, there is a problem that the processing time is long.

【0022】さらに、通常のライン状になったレーザー
ビームを用いたSLSでは、粒界がレーザーの走査方向
に対して平行状態に形成されるが、厳密には平行ではな
く、10度程度の角度で傾斜していることが多い。この
ようにレーザビームの走査方向が平行でない場合には、
形成される結晶粒の粒界が乱れるために、単結晶シリコ
ン半導体膜を均一な平面状に形成することができず、従
って、このような単結晶シリコン半導体膜を使用してT
FTを形成すると、形成される部分によってTFT特性
がばらつくという問題がある。TFT特性がばらつかな
いようにするためには、粒界の直線性を高めて、粒界が
形成される位置を制御する必要がある。
Further, in the SLS using a normal linear laser beam, the grain boundaries are formed in a state parallel to the laser scanning direction, but not strictly parallel, an angle of about 10 degrees. It is often inclined at. In this way, when the scanning direction of the laser beam is not parallel,
Since the grain boundaries of the formed crystal grains are disturbed, the single crystal silicon semiconductor film cannot be formed into a uniform flat surface. Therefore, using such a single crystal silicon semiconductor film, T
When the FT is formed, there is a problem that the TFT characteristics vary depending on the formed portion. In order to prevent the TFT characteristics from varying, it is necessary to enhance the linearity of the grain boundary and control the position where the grain boundary is formed.

【0023】粒界の直線性を高めてその位置を制御する
一つの手法として、特表2000−505241号公報
には、マスクを用いてレーザービームの走査領域を山形
状に整形して、単結晶を得る方法が開示されている。
As one method for enhancing the linearity of grain boundaries and controlling their positions, Japanese Patent Publication No. 2000-505241 discloses that a laser beam scanning region is shaped into a mountain shape by using a mask to form a single crystal. Is disclosed.

【0024】この方法では、レーザービームをシリコン
半導体膜に照射して、シリコン半導体膜を溶融させた後
に固化させて結晶化させる局所溶融結晶化法において、
レーザービームが走査方向とは反対側に位置する端部
(trailing edge)が、溶融領域(走査方
向)に対して凹状になるように走査するようになってい
る。このような方法によって、各レーザービームが照射
領域における幅方向の中央部から両側に向かって結晶成
長が起こり、ランダムな核の発生が抑制され、大きな単
結晶領域が形成される。
According to this method, a laser beam is applied to the silicon semiconductor film to melt the silicon semiconductor film, and then the silicon semiconductor film is solidified and crystallized.
The laser beam scans so that the trailing edge located on the side opposite to the scanning direction is concave with respect to the melting region (scanning direction). By such a method, crystal growth of each laser beam occurs from the central portion in the width direction of the irradiation region toward both sides, generation of random nuclei is suppressed, and a large single crystal region is formed.

【0025】しかしながら、上記公報には、マスクを用
いてレーザービームの走査領域を山形状に整形した場合
に得られる実験結果、レーザービームおよび溶融領域に
対する具体的な数値等が記載されていない。
However, the above publication does not describe the experimental results obtained when the scanning area of the laser beam is shaped into a mountain shape using a mask, and specific numerical values for the laser beam and the melting area.

【0026】特願2001−222986号には、粒界
の直線性を向上させて、粒界が形成される位置を高精度
で制御し、しかも、粒界間の間隔を拡大するために、シ
リコン半導体膜の溶融領域を鋸歯(ジグザグ)状として
走査することが記載されている。また、SLSによって
形成される薄膜の結晶方位を完全に制御することによっ
て、TFT特性の面内方向依存性が小さく、より高性能
なTFTを形成することができる擬似単結晶薄膜を形成
することも記載されている。
In Japanese Patent Application No. 2001-222986, in order to improve the linearity of grain boundaries, to control the position where grain boundaries are formed with high accuracy, and to increase the interval between grain boundaries, It is described that the melting region of the semiconductor film is scanned in a sawtooth (zigzag) shape. Further, by completely controlling the crystal orientation of the thin film formed by SLS, it is possible to form a pseudo single crystal thin film which has a small in-plane direction dependence of TFT characteristics and can form a higher performance TFT. Have been described.

【0027】具体的には、粒界の位置および結晶方位を
制御するために、シリコン半導体膜に照射されるレーザ
ービームの形状がジグザグ(鋸歯)状に屈曲された線状
であって、各屈曲部の角度を約90°、所定のラテラル
成長距離とするために、レーザービームの線幅を1μm
〜5μm、結晶粒内に亜粒界が形成されないように、隣
接する屈曲部の間隔を15μm以下にすることが記載さ
れている。
Specifically, in order to control the position and crystal orientation of grain boundaries, the shape of the laser beam applied to the silicon semiconductor film is a linear shape bent in a zigzag (saw tooth) shape, and each bend The line width of the laser beam is 1 μm in order to make the angle of the part about 90 ° and the predetermined lateral growth distance
It is described that the interval between adjacent bent portions is set to 15 μm or less so that a sub-grain boundary is not formed in the crystal grain.

【0028】SLSにおいて、シリコン半導体膜におけ
る溶融領域を所定の形状とするためには、レーザービー
ムの光路に、所定の形状の透光部を有するマスクを設け
て、そのマスクの透光部を通過したレーザービームをシ
リコン半導体膜に照射する方法が最も簡単である。この
ように、レーザービームの照射領域を、マスクを用いて
整形することにより、シリコン半導体膜の溶融領域を所
定の形状とすることができる。
In SLS, in order to make the molten region in the silicon semiconductor film have a predetermined shape, a mask having a light-transmitting portion having a predetermined shape is provided in the optical path of the laser beam, and the light-transmitting portion of the mask is passed through. The simplest method is to irradiate the silicon semiconductor film with the laser beam. As described above, the irradiation region of the laser beam is shaped using the mask, whereby the molten region of the silicon semiconductor film can be formed into a predetermined shape.

【0029】シリコン半導体膜において、マスクを使用
して溶融領域を所定の形状とするためには、実際に必要
とされるマスクの透光部の形状は、光学系等の構成によ
って、形成すべき溶融領域の形状とは異なる。
In the silicon semiconductor film, in order to use the mask to form the melted region into a predetermined shape, the shape of the transparent portion of the mask that is actually required should be formed by the configuration of the optical system or the like. It differs from the shape of the fusion zone.

【0030】例えば、倍率が1:1の投影系では、マス
クにおける透光部のパターンがシリコン半導体膜の表面
に、同様の寸法で投影されるため、シリコン半導体膜の
溶融領域と同様のサイズの透光部がマスクに形成され
る。これに対して、倍率が5:1の縮小投影光学系で
は、シリコン半導体膜上における1μmのサイズは、マ
スクにおいて5μmになる。
For example, in a projection system with a magnification of 1: 1, the pattern of the light-transmitting portion in the mask is projected on the surface of the silicon semiconductor film with the same size, and thus the size of the melted region of the silicon semiconductor film is the same. The transparent portion is formed on the mask. On the other hand, in the reduction projection optical system having the magnification of 5: 1, the size of 1 μm on the silicon semiconductor film becomes 5 μm in the mask.

【0031】シリコン半導体膜にレーザービームを照射
する場合、マスクにおける透光部がジグザグ(鋸歯)状
のスリットになっている場合、ジグザグ状の透光部にお
ける各屈曲部において光の近接効果が生じ、シリコン半
導体膜上に照射されるレーザービームは、マスクにおけ
る透光部のパターンと完全に一致しないという問題があ
る。
When the silicon semiconductor film is irradiated with a laser beam and the light transmitting portion of the mask is a zigzag (saw tooth) slit, a light proximity effect occurs at each bent portion of the zigzag light transmitting portion. However, there is a problem that the laser beam applied to the silicon semiconductor film does not completely match the pattern of the transparent portion of the mask.

【0032】すなわち、各マスクの透光部における所定
の角度に屈曲された各屈曲部を通過したレーザービーム
は、シリコン半導体膜上において、円弧状に湾曲した状
態に照射される。このように、シリコン半導体膜上にお
いて、レーザービームの照射領域が、マスクの透光部の
形状と異なる場合には、レーザービームの照射によって
結晶粒を形成する際に、結晶方位を各自に制御すること
ができないおそれがある。
That is, the laser beam that has passed through each bent portion bent at a predetermined angle in the light-transmitting portion of each mask is irradiated onto the silicon semiconductor film in a state of being curved in an arc shape. As described above, when the irradiation region of the laser beam on the silicon semiconductor film is different from the shape of the light transmitting portion of the mask, the crystal orientation is individually controlled when the crystal grains are formed by the irradiation of the laser beam. It may not be possible.

【0033】また、マスクにおけるジグザグ状の透光部
を通過したレーザービームは、シリコン半導体膜上にお
いて、各屈曲部の中央において、光強度が著しく高くな
るおそれがある。この場合には、光強度が著しく高くな
った屈曲伏せの中央部において、シリコン半導体膜が剥
離するSi膜とびが発生するという問題がある。
The laser beam passing through the zigzag light-transmitting portion of the mask may have a significantly high light intensity at the center of each bent portion on the silicon semiconductor film. In this case, there is a problem in that a Si film skip, which separates the silicon semiconductor film, occurs in the central portion of the bending down where the light intensity is significantly increased.

【0034】図18は、マスクにおけるジグザグ状に屈
曲されたスリット状の透光部を通って、シリコン半導体
膜にレーザービームが照射された場合における屈曲部の
光強度をシミュレーションした結果を示すグラフであ
る。図18のグラフでは、縦軸および横軸によって、シ
リコン半導体膜上の位置が示されており、それぞれの1
0目盛が2μmになっている。
FIG. 18 is a graph showing the result of simulating the light intensity of the bent portion when the laser beam is applied to the silicon semiconductor film through the slit-shaped light transmitting portion bent in the zigzag shape in the mask. is there. In the graph of FIG. 18, the vertical axis and the horizontal axis indicate the position on the silicon semiconductor film.
The 0 scale is 2 μm.

【0035】横軸の6〜16目盛、縦軸のS6〜S16
目盛によって囲まれた部分(太線によって囲まれてい
る)は、マスクのジグザグ状の透光部における屈曲部の
形状に対応しており、シリコン半導体膜上におけるレー
ザービームの設計上の照射領域である。また、記載され
た点の密度が高い部分は、光強度が強いことを示してい
る。
6 to 16 scales on the horizontal axis and S6 to S16 on the vertical axis
The portion surrounded by the scale (enclosed by a thick line) corresponds to the shape of the bent portion in the zigzag light-transmitting portion of the mask, and is a design irradiation area of the laser beam on the silicon semiconductor film. . In addition, a portion where the density of the described points is high indicates that the light intensity is high.

【0036】図18のグラフによれば、マスクのジグザ
グ状の透光部における屈曲部におけるそれぞれが直角に
なった外側および内側の各コーナーに対して、レーザー
ビームは、円弧状に湾曲した状態になっており、マスク
の透光部の形状とは完全に一致していない。また、屈曲
部の中央部における光強度は、スリットが設けられてい
ない場合の光強度の1.2−1.4倍と強くなってい
る。
According to the graph of FIG. 18, the laser beam is curved in an arc shape with respect to each of the outer and inner corners of the bent portion of the zigzag light-transmitting portion of the mask which are at right angles. And does not completely match the shape of the transparent portion of the mask. Further, the light intensity at the central portion of the bent portion is 1.2 to 1.4 times as high as the light intensity when the slit is not provided.

【0037】図19は、マスクにおけるジグザグ状に屈
曲されたスリット状の透光部を通って、シリコン半導体
膜にレーザービームが照射された場合における屈曲部の
顕微鏡写真である。図19の顕微鏡写真によれば、マス
クの透光部における屈曲部の中央部に対応したシリコン
半導体膜の表面部分に、Si膜とび61が生じている。
FIG. 19 is a photomicrograph of a bent portion when a laser beam is applied to the silicon semiconductor film through a slit-shaped light transmitting portion bent in a zigzag shape in the mask. According to the photomicrograph of FIG. 19, the Si film jump 61 is formed on the surface portion of the silicon semiconductor film corresponding to the central portion of the bent portion in the transparent portion of the mask.

【0038】本発明は、このような問題を解決するもの
であり、その目的は、絶縁性基板上に設けられた非晶質
半導体薄膜にエネルギービームを照射して溶融させた
後、溶融された非晶質半導体膜を固化させることによっ
て結晶性半導体薄膜を形成する際に、より広い面積の単
結晶領域を効率よく形成することができるとともに、互
いに直交する方向のいずれにおいても、高いキャリア移
動度を得ることができる高性能な結晶性半導体薄膜およ
びその形成方法、その形成装置および半導体装置を提供
すること、並びに、その結晶性半導体薄膜の形成に用い
られるマスクを提供することにある。
The present invention solves such a problem, and an object thereof is to irradiate an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt the amorphous semiconductor thin film, and then melt it. When a crystalline semiconductor thin film is formed by solidifying an amorphous semiconductor film, a single crystal region having a larger area can be efficiently formed, and high carrier mobility can be obtained in any of the directions orthogonal to each other. To provide a high-performance crystalline semiconductor thin film and a method for forming the same, a forming apparatus and a semiconductor device for the same, and a mask used for forming the crystalline semiconductor thin film.

【0039】[0039]

【課題を解決するための手段】本発明の結晶性半導体薄
膜は、矩形状の複数の結晶粒によって構成され、隣接す
る結晶粒が<100>方向および<010>方向にそれ
ぞれ沿った亜粒界によって区切られており、そのことに
より上記目的が達成される。
The crystalline semiconductor thin film of the present invention is composed of a plurality of rectangular crystal grains, and adjacent crystal grains have subgrain boundaries along the <100> direction and the <010> direction, respectively. The above-mentioned objects are achieved.

【0040】前記矩形状の複数の結晶粒が基板上に互い
に隙間なく、任意の個数だけ連続して、または、全面に
わたって配置されている構成とすることができる。
A plurality of the rectangular crystal grains may be arranged on the substrate in a continuous manner or in an arbitrary number continuously or over the entire surface without any space therebetween.

【0041】本発明の結晶性半導体薄膜の形成方法は、
絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体薄膜にエネルギ
ービームを照射して溶融させた後、固化させることによ
って結晶性半導体薄膜を形成する方法であって、非晶質
半導体薄膜に矩形状のエネルギービームを照射して、行
方向および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の
未溶融領域または部分溶融領域をマトリクス状に形成す
ると共に、格子状に完全溶融領域を形成して、該完全溶
融領域と該未溶融領域または該完全溶融領域と該部分溶
融領域との境界から完全溶融領域に向かってラテラル成
長させることによって、相互に隣接する未溶融領域また
は部分溶融領域と、垂直方向に隣接する未溶融領域また
は部分溶融領域の間に位置する完全溶融領域と、水平方
向に隣接する未溶融領域または部分溶融領域の間に位置
する完全溶融領域とによって囲まれた矩形状の完全溶融
領域に、4つの矩形状単結晶粒からなる矩形状結晶領域
を形成し、そのことにより上記目的が達成される。
The method for forming a crystalline semiconductor thin film of the present invention is
A method for forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidifying the amorphous semiconductor thin film. By irradiating an energy beam, a rectangular unmelted region or a partially melted region is formed in a matrix shape at regular intervals along the row direction and the column direction, and a completely melted region is formed in a lattice shape. By laterally growing from the boundary between the completely melted region and the unmelted region or the completely melted region and the partially melted region toward the completely melted region, the unmelted region or the partially melted region adjacent to each other and the vertical direction Completely melted area located between unmelted areas or partially melted areas adjacent to each other and completely melted area located between horizontally adjacent unmelted areas or partially melted areas A rectangular completely melted region surrounded by, forming a rectangular crystal region consisting of four rectangular single crystal grain, the objects can be achieved.

【0042】本発明の結晶性半導体薄膜の形成方法は、
絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体薄膜にエネルギ
ービームを照射して溶融させた後、固化させることによ
って結晶性半導体薄膜を形成する方法であって、非晶質
半導体薄膜にエネルギービームを照射して、行方向およ
び列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の未溶融領
域または部分溶融領域をマトリクス状に形成すると共
に、格子状に完全溶融領域を形成して、該完全溶融領域
と該未溶融領域または該完全溶融領域と該部分溶融領域
との境界から完全溶融領域に向かってラテラル成長させ
ることによって、相互に隣接する未溶融領域または部分
溶融領域と、垂直方向に隣接する未溶融領域または部分
溶融領域の間に位置する完全溶融領域と、水平方向に隣
接する未溶融領域または部分溶融領域の間に位置する完
全溶融領域とによって囲まれた矩形状の完全溶融領域
に、4つの矩形状単結晶粒からなる矩形状結晶領域を形
成する第1のステップと、該半導体薄膜にエネルギービ
ームを照射して、該第1のステップで形成された矩形状
結晶領域内に、矩形状の未溶融領域または部分溶融領域
を形成すると共に、格子状に完全溶融領域を形成し、該
完全溶融領域と該未溶融領域または該完全溶融領域と該
部分溶融領域との境界から完全溶融領域に向かって結晶
成長させることによって、各矩形状単結晶粒を拡大成長
させる第2のステップと、を含み、そのことにより上記
目的が達成される。
The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the present invention is
A method of forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidifying the amorphous semiconductor thin film. Irradiation is performed to form rectangular unmelted regions or partially melted regions in a matrix form at regular intervals along the row direction and column direction, and also to form completely melted regions in a grid pattern to complete melting. By laterally growing from the boundary between the region and the unmelted region or the completely melted region and the partially melted region toward the completely melted region, the unmelted region or the partially melted region adjacent to each other is vertically adjacent A completely melted region located between the unmelted or partially melted regions and a completely melted region located between the horizontally adjacent unmelted or partially melted regions. In the enclosed rectangular completely melted region, a first step of forming a rectangular crystal region composed of four rectangular single crystal grains, and irradiating the semiconductor thin film with an energy beam, In the formed rectangular crystal region, a rectangular unmelted region or a partially melted region is formed, and a completely melted region is formed in a lattice pattern, and the completely melted region and the unmelted region or the completely melted region are formed. The second step of expanding and growing each rectangular single crystal grain by growing the crystal from the boundary with the partially melted region toward the completely melted region, thereby achieving the above object.

【0043】エネルギービームの照射経路に、行方向お
よび列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の遮光部
がマトリクス状に設けられ、格子状に遮光部が設けられ
たマスクを配置するか、前記半導体薄膜の上に、行方向
および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の金属
薄膜もしくは第2の半導体薄膜をマトリクス状に設ける
か、または、該半導体薄膜の上に、行方向および列方向
に沿って一定の間隔を開けて矩形状の開口部がマトリク
ス状に設けられた反射防止膜を設けることによって、行
方向および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の
未溶融領域または部分溶融領域をマトリクス状に形成す
ると共に、格子状に完全溶融領域を形成することができ
る。
In the irradiation path of the energy beam, rectangular masking portions are provided in a matrix form at regular intervals along the row direction and the column direction, and a mask having the shielding portions arranged in a grid pattern is arranged. Forming rectangular metal thin films or second semiconductor thin films in a matrix on the semiconductor thin film at regular intervals along the row direction and the column direction, or forming rows on the semiconductor thin film. By providing an antireflection film in which rectangular openings are provided in a matrix at regular intervals along the row and column directions, a rectangular interval is provided at regular intervals along the row and column directions. The unmelted region or the partially melted region can be formed in a matrix, and the completely melted region can be formed in a lattice.

【0044】前記マスクの遮光部、前記金属薄膜もしく
は第2の半導体薄膜、または前記反射防止膜の開口部の
一辺の長さを、隣接する該マスクの遮光部、該反射膜、
または該反射防止膜の開口部の間隔よりも小さく設定
し、前記第1のステップと前記第2のステップとで、該
マスクの遮光部、該金属薄膜もしくは第2の半導体薄
膜、または該反射防止膜の開口部を、(一辺の長さ+間
隔)/2だけ、X方向およびY方向にそれぞれ移動させ
て、該マスク、該金属薄膜もしくは第2の半導体薄膜、
または該反射防止膜を配置することができる。
The light-shielding portion of the mask, the metal thin film or the second semiconductor thin film, or the length of one side of the opening portion of the antireflection film is set so that the light-shielding portion of the adjacent mask, the reflection film,
Alternatively, it is set to be smaller than the distance between the openings of the antireflection film, and the light shielding portion of the mask, the metal thin film or the second semiconductor thin film, or the antireflection film is formed in the first step and the second step. The opening of the film is moved in the X direction and the Y direction by (length of one side + spacing) / 2, respectively, and the mask, the metal thin film or the second semiconductor thin film,
Alternatively, the antireflection film can be provided.

【0045】前記第1のステップと前記第2のステップ
とで、マスクを保持しているビームマスクホルダーを移
動させることによって、前記マスクの遮光部をX方向お
よびY方向にそれぞれ移動させることができる。
By moving the beam mask holder holding the mask in the first step and the second step, the light shielding portion of the mask can be moved in the X and Y directions, respectively. .

【0046】本発明の結晶性半導体薄膜の形成方法は、
絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体薄膜にエネルギ
ービームを照射して溶融させた後、固化させることによ
って結晶性半導体薄膜を形成する方法であって、エネル
ギービームの照射経路に、1つまたは複数の直角に折れ
曲がった部分を有する透光部または遮光部が設けられ、
該直角に折れ曲がった部分のコーナー先端にOPCパタ
ーンが設けられたマスクを配置することによって、半導
体薄膜の溶融領域を、1つまたは複数の直角に折れ曲が
った部分を有する溶融領域を形成し、そのことにより上
記目的が達成される。
The method for forming a crystalline semiconductor thin film of the present invention is
A method for forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt the amorphous semiconductor thin film, and then solidifying the amorphous semiconductor thin film. Alternatively, a light-transmitting portion or a light-shielding portion having a plurality of right-angled bent portions is provided,
By arranging a mask provided with an OPC pattern at a corner tip of the right-angled bent portion, a melted region of the semiconductor thin film is formed, and a melted region having one or more right-angled bent portions is formed. The above object is achieved by the above.

【0047】鋸歯状の透光部が設けられ、鋸歯の頂点部
分にOPCパターンが設けられているマスクを用いる
か、または、行方向および列方向に沿って一定の間隔を
開けて矩形状の遮光部がマトリクス状に設けられ、格子
状に透光部が設けられ、格子の頂点部分にOPCパター
ンが設けられているマスクを用いることができる。
A mask having a sawtooth light-transmitting portion and an OPC pattern provided at the apex of the sawtooth is used, or a rectangular light shield is provided at regular intervals along the row and column directions. It is possible to use a mask in which the parts are provided in a matrix, the light-transmitting parts are provided in a lattice, and the OPC pattern is provided at the apex of the lattice.

【0048】前記OPCパターンが正方形状であって、
該OPCパターンのオフセットhと、該OPCパターン
の1辺の長さgとが、 (−1/2)×g<h<(1/2)×g の関係を満たすマスクを用いることができる。
The OPC pattern has a square shape,
It is possible to use a mask in which the offset h of the OPC pattern and the length g of one side of the OPC pattern satisfy the relationship of (-1/2) * g <h <(1/2) * g.

【0049】前記鋸歯状の透光部が設けられているマス
クを用いて、半導体薄膜の完全溶融領域を、線幅aが1
μm以上5μm以下、頂角bが略90°、各頂点の間隔
cが15μm以下である鋸歯状に形成することが望まし
い。
Using the mask provided with the sawtooth light-transmitting portion, the completely melted region of the semiconductor thin film has a line width a of 1
It is desirable to form them in a saw-tooth shape with a pitch angle of 5 μm or more and 5 μm or less, an apex angle b of approximately 90 °, and a spacing c of each vertex of 15 μm or less.

【0050】前記OPCパターンが正方形状であって、
該OPCパターンの1辺の長さgが、前記鋸歯状の透光
部の線幅dの1/5以上1/2以下であるマスクを用い
ることが望ましい。
The OPC pattern has a square shape,
It is desirable to use a mask in which the length g of one side of the OPC pattern is ⅕ or more and ½ or less of the line width d of the sawtooth light-transmitting portion.

【0051】前記鋸歯状の透光部が設けられているマス
クを用いて、エネルギービームを、半導体薄膜が膜厚方
向に完全に溶融される強度に調整して照射し、ショット
毎に、1ショットの溶融領域内に形成されるラテラル成
長距離よりも小さい距離だけ、半導体薄膜またはエネル
ギービームを一定方向に移動させて、1方向に結晶成長
を行わせることが望ましい。
Using the mask provided with the saw-toothed light-transmitting portion, the energy beam is irradiated with the intensity adjusted so that the semiconductor thin film is completely melted in the film thickness direction, and one shot is taken for each shot. It is desirable to move the semiconductor thin film or the energy beam in a certain direction by a distance smaller than the lateral growth distance formed in the melted region to cause crystal growth in one direction.

【0052】前記格子状の透光部が設けられているマス
クを用いて、半導体薄膜の溶融領域を、線幅Lを2μm
以上5μm以下である格子状に形成し、未溶融領域を、
1辺の長さSがLよりも小さい矩形状に形成することが
望ましい。
Using the mask provided with the above-mentioned lattice-shaped light-transmitting portion, the melted region of the semiconductor thin film has a line width L of 2 μm.
Formed in a lattice shape having a size of 5 μm or less, and the unmelted region,
It is desirable to form a rectangular shape in which the length S of one side is smaller than L.

【0053】前記OPCパターンが正方形状であって、
該OPCパターンの1辺の長さgが、前記矩形状の遮光
部の1辺の長さjの1/5以上1/2以下であるマスク
を用いることが望ましい。
The OPC pattern has a square shape,
It is desirable to use a mask in which the length g of one side of the OPC pattern is 1/5 or more and 1/2 or less of the length j of one side of the rectangular light-shielding portion.

【0054】前記格子状の透光部が設けられているマス
クにおける遮光部の一辺の長さjを、該マスクの遮光部
の開口部の間隔iよりも小さく設定して、ほぼ同一の領
域にエネルギービームを該マスクを介して2回照射し、
1回目の照射時と2回目の照射時とで、該マスクの遮光
部を、(i+j)/2だけ、X方向およびY方向にそれ
ぞれ移動させて、該マスクを配置することが望ましい。
The length j of one side of the light-shielding portion in the mask provided with the lattice-like light-transmitting portion is set to be smaller than the interval i between the openings of the light-shielding portion of the mask so that the mask has almost the same area. Irradiating the energy beam twice through the mask,
It is desirable to dispose the mask by moving the light shielding portion of the mask by (i + j) / 2 in the X direction and the Y direction between the first irradiation and the second irradiation.

【0055】本発明の結晶性半導体薄膜は、本発明の結
晶性半導体薄膜の形成方法によって形成される結晶性半
導体薄膜であって、複数の矩形状の結晶粒によって構成
され、隣接する結晶粒が<100>方向または<110
>方向に沿った亜粒界によって区切られており、該複数
の矩形状の結晶粒が基板上に互いに隙間なく、任意の個
数だけ連続して、または、全面にわたって配置されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。
The crystalline semiconductor thin film of the present invention is a crystalline semiconductor thin film formed by the method for forming a crystalline semiconductor thin film of the present invention, and is composed of a plurality of rectangular crystal grains, and adjacent crystal grains are <100> direction or <110
It is divided by sub-grain boundaries along the> direction, and the plurality of rectangular crystal grains are arranged on the substrate in a continuous manner or in an arbitrary number continuously or over the entire surface, whereby The above object is achieved.

【0056】本発明の結晶性半導体薄膜は、本発明の結
晶性半導体薄膜の形成方法によって形成される結晶性半
導体薄膜であって、複数の矩形状の結晶粒によって構成
され、隣接する結晶粒が<100>方向および<010
>方向にそれぞれ沿った亜粒界によって区切られてお
り、該複数の矩形状の結晶粒が基板上に互いに隙間な
く、任意の個数だけ連続して、または、全面にわたって
配置されており、そのことにより上記目的が達成され
る。
The crystalline semiconductor thin film of the present invention is a crystalline semiconductor thin film formed by the method for forming a crystalline semiconductor thin film of the present invention, and is composed of a plurality of rectangular crystal grains, and adjacent crystal grains are <100> direction and <010
Are separated by sub-grain boundaries along each of the> directions, and the plurality of rectangular crystal grains are arranged on the substrate in a continuous manner or in an arbitrary number continuously or over the entire surface without any gaps between them. The above object is achieved by the above.

【0057】本発明の半導体装置は、本発明の結晶性半
導体薄膜を用いて、ソースからドレインへ向かうチャネ
ル方向が<100>方向に平行なトランジスタと、<0
10>方向に平行なトランジスタとが設けられており、
そのことにより上記目的が達成される。
The semiconductor device of the present invention uses the crystalline semiconductor thin film of the present invention and has a transistor in which the channel direction from the source to the drain is parallel to the <100> direction and <0>.
A transistor parallel to the 10> direction is provided,
Thereby, the above object is achieved.

【0058】本発明の結晶性半導体薄膜の形成装置は、
絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体薄膜にエネルギ
ービームを照射して溶融させた後、固化させることによ
って結晶性半導体薄膜を形成するための装置であって、
非晶質半導体薄膜が設けられた基板を搭載するステージ
と、エネルギービームを発生するエネルギービーム源と
を具備し、エネルギービームの照射経路に、1つまたは
複数の直角に折れ曲がった部分を有する透光部または遮
光部が設けられ、該直角に折れ曲がった部分のコーナー
先端にOPCパターンが設けられたマスクが配置されて
おり、そのことにより上記目的が達成される。
The apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film of the present invention is
An apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidifying the amorphous semiconductor thin film,
A light-transmitting body that includes a stage on which a substrate provided with an amorphous semiconductor thin film is mounted and an energy beam source that generates an energy beam, and has one or more right-angled bent portions in an irradiation path of the energy beam. A mask having an OPC pattern is provided at the corner tip of the bent portion at a right angle, and the above-mentioned object is achieved thereby.

【0059】本発明の結晶性半導体薄膜の形成用マスク
は、絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体薄膜にエネ
ルギービームを照射して溶融させた後、固化させること
によって結晶性半導体薄膜を形成する際に、エネルギー
ビームの照射経路に配置されるマスクであって、1つま
たは複数の直角に折れ曲がった部分を有する透光部また
は遮光部が設けられ、該直角に折れ曲がった部分のコー
ナー先端にOPCパターンが設けられており、そのこと
により上記目的が達成される。
The mask for forming a crystalline semiconductor thin film of the present invention irradiates an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidify the crystalline semiconductor thin film. A mask, which is arranged in the irradiation path of the energy beam during formation, is provided with a light-transmitting portion or a light-shielding portion having one or more right-angled bent portions, and a corner tip of the right-angled bent portions. Is provided with an OPC pattern, which achieves the above object.

【0060】鋸歯状の透光部が設けられ、鋸歯の頂点部
分にOPCパターンが設けられているか、または、行方
向および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の遮
光部がマトリクス状に設けられ、格子状に透光部が設け
られ、格子の頂点部分にOPCパターンが設けられてい
る構成とすることができる。
A saw-toothed light-transmitting portion is provided and an OPC pattern is provided at the apex portion of the sawtooth, or rectangular light-shielding portions are arranged in a matrix at regular intervals along the row and column directions. It is possible to adopt a configuration in which the light-transmitting portion is provided in a lattice shape and the OPC pattern is provided at the apex portion of the lattice.

【0061】前記OPCパターンが正方形状であって、
該OPCパターンのオフセットhと、該OPCパターン
の1辺の長さgとが、 (−1/2)×g<h<(1/2)×g の関係を満たすことが望ましい。
The OPC pattern has a square shape,
It is desirable that the offset h of the OPC pattern and the length g of one side of the OPC pattern satisfy the relationship of (-1/2) * g <h <(1/2) * g.

【0062】前記OPCパターンが正方形状であって、
該OPCパターンの1辺の長さgが、前記鋸歯状の透光
部の線幅dの1/5以上1/2以下であるか、または、
該OPCパターンの1辺の長さgが、前記矩形状の遮光
部の1辺の長さjの1/5以上1/2以下であることが
望ましい。
The OPC pattern has a square shape,
The length g of one side of the OPC pattern is 1/5 or more and 1/2 or less of the line width d of the sawtooth light-transmitting portion, or
It is desirable that the length g of one side of the OPC pattern is 1/5 or more and 1/2 or less of the length j of one side of the rectangular light-shielding portion.

【0063】なお、本明細書では、結晶粒界のうち、そ
の結晶粒界で接している結晶粒間において、結晶方位の
ずれが小さいものを亜粒界と称している。
In the present specification, among the crystal grain boundaries, those having a small deviation in crystal orientation between the crystal grains in contact with each other are called subgrain boundaries.

【0064】以下に、本発明の作用について説明する。The operation of the present invention will be described below.

【0065】本発明にあっては、絶縁性基板上に設けら
れた非晶質半導体薄膜にエネルギービームを照射して溶
融させた後、固化させることによって結晶性半導体薄膜
を形成する方法において、完全溶融領域と未溶融領域
と、または完全溶融領域と部分溶融領域とが接するよう
に配置することによって、その完全溶融領域と未溶融領
域との境界部、または完全溶融領域と部分溶融領域との
境界部に、ラテラル成長の核(シード)となる結晶を確
保することができる。また、行方向および列方向に沿っ
て一定の間隔を開けて矩形状の未溶融領域または部分溶
融領域をマトリクス状に形成し、格子状の完全溶融領域
を形成して、矩形状の完全溶融領域と未溶融領域との境
界部、または完全溶融領域と部分溶融領域との境界部か
ら完全溶融領域に向かってラテラル成長させることによ
って、相互に隣接する未溶融領域または部分溶融領域
と、垂直方向に隣接する未溶融領域または部分溶融領域
の間に位置する完全溶融領域と、水平方向に隣接する未
溶融領域または部分溶融領域の間に位置する完全溶融領
域とによって囲まれた矩形状の完全溶融領域に、互いに
直交するラテラル成長領域が交差する部分を形成して、
4つの矩形状単結晶粒からなる矩形状結晶領域を形成す
ることができる。
According to the present invention, a method for forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidify the amorphous semiconductor thin film is used. By arranging the melted area and the unmelted area or the completely melted area and the partially melted area in contact with each other, the boundary between the completely melted area and the unmelted area, or the boundary between the completely melted area and the partially melted area A crystal that serves as a nucleus (seed) for lateral growth can be secured in the portion. In addition, rectangular unmelted regions or partially melted regions are formed in a matrix shape at regular intervals along the row direction and the column direction, and a grid-shaped completely melted region is formed to form a rectangular completely melted region. And the unmelted region, or the boundary between the completely melted region and the partially melted region, are laterally grown toward the completely melted region, and thus, in the vertical direction with the unmelted region or the partially melted region adjacent to each other. A rectangular completely melted area surrounded by a completely melted area located between adjacent unmelted areas or partially melted areas and a completely melted area located between horizontally adjacent unmelted areas or partially melted areas To form a portion where the lateral growth regions orthogonal to each other intersect,
A rectangular crystal region composed of four rectangular single crystal grains can be formed.

【0066】続いて、半導体薄膜にエネルギービームを
照射して、上記矩形状結晶領域内に矩形状の未溶融領域
または部分溶融領域を形成すると共に、格子状に完全溶
融領域を形成することによって、完全溶融領域と未溶融
領域との境界部、または完全溶融領域と部分溶融領域と
の境界部から、最初に形成された矩形状の単結晶粒を核
として、完全溶融領域に向かって結晶が成長し、矩形状
の単結晶粒のそれぞれを拡大させた結晶粒を、基板上に
互いに隙間なく、任意の個数だけ連続して、または、全
面にわたって形成することができる。
Subsequently, the semiconductor thin film is irradiated with an energy beam to form a rectangular unmelted region or a partially melted region in the rectangular crystal region and a lattice-shaped completely melted region. Crystals grow from the boundary between the completely melted region and the unmelted region, or from the boundary between the completely melted region and the partially melted region, toward the completely melted region, with the rectangular single crystal grain that was first formed as the nucleus. However, the crystal grains obtained by enlarging each of the rectangular single crystal grains can be formed continuously or over the entire surface in any number without any gaps on the substrate.

【0067】このようにして得られる結晶性半導体薄膜
は、隣接する結晶粒が<100>方向および<010>
方向にそれぞれ沿った亜粒界によって区切られているた
め、<100>方向に平行な方向にソースからドレイン
に向かうチャネル方向を設けたTFTと、<010>方
向に平行な方向にソースからドレインに向かうチャネル
方向を設けたTFTとは、それぞれの特性を同等とする
ことができる。
In the crystalline semiconductor thin film thus obtained, adjacent crystal grains have <100> direction and <010>.
Since it is divided by sub-grain boundaries along each direction, a TFT provided with a channel direction from the source to the drain in a direction parallel to the <100> direction and a source to a drain in a direction parallel to the <010> direction. The respective characteristics can be made equal to those of the TFT provided with the channel direction toward which it goes.

【0068】例えば、エネルギービームの照射経路に、
矩形状の遮光部と格子状の透光部とを設けたマスクを配
置するか、半導体薄膜の上に矩形状の金属薄膜もしくは
第2の半導体薄膜を設けるか、または、半導体薄膜の上
に矩形状の開口部を有する反射防止膜を設けることによ
って、互いに直交するラテラル成長領域を制御すること
ができる。
For example, in the irradiation path of the energy beam,
A mask provided with a rectangular light-shielding portion and a lattice-shaped light transmitting portion is arranged, a rectangular metal thin film or a second semiconductor thin film is provided on the semiconductor thin film, or a rectangular metal thin film is formed on the semiconductor thin film. By providing the antireflection film having the shaped openings, it is possible to control the lateral growth regions orthogonal to each other.

【0069】また、本発明にあっては、エネルギービー
ムの照射経路に、1つまたは複数の直角に折れ曲がった
部分を有する透光部または遮光部が設けられたマスクを
挿入してラテラル成長領域を制御する方法において、そ
の直角に折れ曲がった部分のコーナー先端にセリフ(S
erif)と称される微細なOPCパターンを設けたマ
スクを用いる。例えば鋸歯状の透光部が設けられている
マスクでは、鋸歯の頂点部分に微細な突起を有するOP
Cパターンを設ける。また、矩形状の遮光部が設けら
れ、格子状の透光部が設けられているマスクでは、格子
の頂点部分に微細な突起を有するOPCパターンを設け
る。
Further, in the present invention, a lateral growth region is formed by inserting a mask having a light-transmitting portion or a light-shielding portion having one or more right-angled portions into the irradiation path of the energy beam. In the method of controlling, the serif (S
A mask provided with a fine OPC pattern called erif) is used. For example, in a mask provided with a sawtooth light-transmitting part, an OP having fine protrusions at the apex of the sawtooth is used.
The C pattern is provided. Further, in a mask in which a rectangular light-shielding portion is provided and a lattice-shaped light-transmitting portion is provided, an OPC pattern having fine protrusions is provided at the apex portion of the lattice.

【0070】このようなOPCパターンを設けることに
よって、直角に折れ曲がったビーム形状のコーナー部中
央において、光が集中することを緩和して、Si膜とび
を抑制することができる。
By providing such an OPC pattern, it is possible to alleviate the concentration of light at the center of the corner portion of the beam shape bent at a right angle, and suppress the skipping of the Si film.

【0071】[0071]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面に基づいて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0072】(実施形態1)図1は、本実施形態1の結
晶性半導体薄膜における結晶粒の状態を示す模式図であ
る。この結晶性半導体薄膜は、矩形状の複数の結晶粒1
1が基板上に、互いに隙間なく、任意の個数だけ連続し
て、または、全面にわたって配置されており、隣接する
結晶粒11は、<100>方向および<010>方向に
それぞれ沿った亜粒界12によって区切られている。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic view showing the state of crystal grains in the crystalline semiconductor thin film of Embodiment 1. This crystalline semiconductor thin film is composed of a plurality of rectangular crystal grains 1.
1 are arranged on the substrate continuously without gaps, in an arbitrary number, or over the entire surface. Adjacent crystal grains 11 are sub-grain boundaries along the <100> direction and the <010> direction, respectively. Separated by twelve.

【0073】このような結晶性半導体薄膜は、例えば、
絶縁性基板上に成膜された非晶質シリコン半導体薄膜に
レーザービームを照射することによって形成される。
Such a crystalline semiconductor thin film is, for example,
It is formed by irradiating a laser beam on an amorphous silicon semiconductor thin film formed on an insulating substrate.

【0074】図2は、このような結晶性半導体膜の形成
に使用される結晶性半導体薄膜の形成装置の概略構成図
である。この形成装置は、結晶性半導体薄膜とされる非
晶質シリコン半導体薄膜が成膜された絶縁性の基板10
が搭載されるX−Yステージ77と、このX−Yステー
ジの基板10に照射されるレーザービームとされるレー
ザー光を発振するレーザー発振器71とを有している。
レーザー発振器77から出射されたレーザー光は、テレ
スコープ72によって拡大されてアスペクト比が調整さ
れる。アスペクト比が調整されたレーザー光は、ホモジ
ナイザー73に与えられる。
FIG. 2 is a schematic block diagram of an apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film used for forming such a crystalline semiconductor film. This forming apparatus includes an insulating substrate 10 on which an amorphous silicon semiconductor thin film, which is a crystalline semiconductor thin film, is formed.
And an XY stage 77 on which is mounted, and a laser oscillator 71 that oscillates a laser beam that is a laser beam with which the substrate 10 of the XY stage is irradiated.
The laser light emitted from the laser oscillator 77 is enlarged by the telescope 72 and the aspect ratio is adjusted. The laser light whose aspect ratio has been adjusted is given to the homogenizer 73.

【0075】ホモジナイザー73は、レーザー光の強度
分布を、ガウス分布から均一な強度分布へと変換する。
その後、レーザー光は、フィールドレンズ74によって
細長いライン状のビームとされて、マスク15に与えら
れる。マスク15は、細長いライン状ビームを所定のビ
ーム形状に整形し、整形されたレーザービームがプロジ
ェクションレンズ76によって、X−Yステージ77に
搭載された基板10に照射される。
The homogenizer 73 converts the intensity distribution of laser light from a Gaussian distribution to a uniform intensity distribution.
After that, the laser light is made into a long and narrow linear beam by the field lens 74 and applied to the mask 15. The mask 15 shapes an elongated linear beam into a predetermined beam shape, and the shaped laser beam is applied to the substrate 10 mounted on the XY stage 77 by the projection lens 76.

【0076】図3は、この形成装置に使用される金属製
のマスク15の概略平面図である。このマスク15は、
行方向および列方向に沿って一定の間隔を開けて、正方
形状の遮光部15aがマトリクス状に配置されており、
遮光部15a以外の格子状部分が透光部15bになって
いる。このようなマスク15は、例えば通常のフォトマ
スクと同様に、透光性を有する石英基板上に、クロム薄
膜を形成して、複数の遮光部15aがマトリクス状に残
るようにパターニングすることにより形成される。
FIG. 3 is a schematic plan view of the metal mask 15 used in this forming apparatus. This mask 15
Square light-shielding portions 15a are arranged in a matrix at regular intervals along the row and column directions.
The lattice-shaped portion other than the light shielding portion 15a is a light transmitting portion 15b. Such a mask 15 is formed by forming a chromium thin film on a transparent quartz substrate and patterning it so that the plurality of light-shielding portions 15a remain in a matrix, as in a normal photomask. To be done.

【0077】このようなマスク15がレーザービームの
照射経路に設けられた図2に示す結晶性半導体薄膜の形
成装置によって、結晶性半導体薄膜が形成される。結晶
性半導体膜を形成する場合には、非晶質シリコン半導体
膜が予め成膜された基板10が準備される。なお、基板
上に形成された結晶性半導体薄膜を用いてTFTを作製
する場合には、この非晶質シリコン半導体薄膜の膜厚
を、25nm〜100nmとするのが好ましい。本実施
形態では、基板上に、35nmの真性(I)型非晶質シ
リコン半導体薄膜を成膜する。
A crystalline semiconductor thin film is formed by the apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film shown in FIG. 2 in which such a mask 15 is provided in the laser beam irradiation path. When forming a crystalline semiconductor film, the substrate 10 on which an amorphous silicon semiconductor film is formed in advance is prepared. When a TFT is manufactured using a crystalline semiconductor thin film formed on a substrate, the thickness of this amorphous silicon semiconductor thin film is preferably 25 nm to 100 nm. In this embodiment, a 35 nm intrinsic (I) type amorphous silicon semiconductor thin film is formed on the substrate.

【0078】絶縁性の基板10としてガラス基板を用い
る場合には、ガラス基板からの不純物拡散を防止するた
めに、ガラス基板と非晶質シリコン半導体薄膜との界面
に、ベースコート膜として、例えば膜厚300nmの酸
化シリコン膜を設けることが好ましい。
When a glass substrate is used as the insulative substrate 10, in order to prevent impurity diffusion from the glass substrate, a base coat film, for example, a film thickness, is formed at the interface between the glass substrate and the amorphous silicon semiconductor thin film. It is preferable to provide a 300 nm silicon oxide film.

【0079】基板10は、成膜された非晶質シリコン半
導体薄膜を脱水素処理した状態で、図2に示す結晶性半
導体薄膜の形成装置のX−Yステージ77上に搭載され
て、レーザー発振器71から発振されるレーザー光が、
マスク15によって、所定のパターンのレーザービーム
とされて、非晶質シリコン半導体薄膜に照射される。
The substrate 10 is mounted on the XY stage 77 of the apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film shown in FIG. The laser light emitted from 71
The mask 15 forms a laser beam having a predetermined pattern and irradiates the amorphous silicon semiconductor thin film.

【0080】この場合、レーザー発振器71としては、
高出力が得られるエキシマレーザー発振器が好ましく、
特に、容易に高出力を得ることができるXeClレーザ
ー発振器が好適である。レーザー発振器71としては、
このような構成に限らず、ArF、KrF、XeF等の
エキシマレーザー発振器等であってもよい。本実施形態
では、XeClレーザー発振器によって、308nmの
レーザ光を照射するようになっている。
In this case, as the laser oscillator 71,
An excimer laser oscillator that can obtain high output is preferable,
In particular, a XeCl laser oscillator that can easily obtain a high output is preferable. As the laser oscillator 71,
Not limited to such a configuration, an excimer laser oscillator such as ArF, KrF, or XeF may be used. In this embodiment, the XeCl laser oscillator irradiates a laser beam of 308 nm.

【0081】レーザー発振器71から照射されるレーザ
ービームのエネルギー密度は、基板10上の非晶質シリ
コン半導体薄膜が膜厚方向に完全に溶融されるような値
に設定されている。例えば、45nmの非晶質シリコン
半導体薄膜の場合には、430mJ/cm2以上のエネ
ルギー密度に設定される。
The energy density of the laser beam emitted from the laser oscillator 71 is set to such a value that the amorphous silicon semiconductor thin film on the substrate 10 is completely melted in the film thickness direction. For example, in the case of a 45 nm amorphous silicon semiconductor thin film, the energy density is set to 430 mJ / cm 2 or more.

【0082】図4は、非晶質シリコン半導体薄膜にマス
ク15を介してレーザービームが照射された場合の非晶
質シリコン半導体薄膜の状態を説明する模式的な平面図
である。マスク15の透光部15bを通ってレーザービ
ームが照射される格子状の領域は、図4に示すように、
非晶質シリコン半導体薄膜が完全に溶融した完全溶融領
域25b〜25dとなり、マスク15の遮光部15aに
よってレーザービームが照射されない正方形状の領域
は、非晶質シリコン半導体薄膜が溶融しない未溶融領域
25aとなる。
FIG. 4 is a schematic plan view for explaining the state of the amorphous silicon semiconductor thin film when the amorphous silicon semiconductor thin film is irradiated with the laser beam through the mask 15. As shown in FIG. 4, the lattice-shaped region irradiated with the laser beam through the transparent portion 15b of the mask 15 is
The amorphous silicon semiconductor thin film is completely melted to become completely melted regions 25b to 25d, and the square region where the laser beam is not irradiated by the light shielding portion 15a of the mask 15 is an unmelted region 25a where the amorphous silicon semiconductor thin film does not melt. Becomes

【0083】その結果、正方形状の未溶融領域25aと
格子状の完全溶融領域25b〜25dとの境界25eに
おいて非晶質シリコン半導体が爆発的に結晶化して微細
な結晶粒が形成され、この微細な結晶粒を結晶成長核と
して、完全溶融領域25b〜25dに向かってラテラル
成長が起こる。
As a result, the amorphous silicon semiconductor is explosively crystallized at the boundary 25e between the square unmelted region 25a and the lattice-shaped completely melted regions 25b to 25d to form fine crystal grains. Lateral growth occurs toward the completely melted regions 25b to 25d by using such crystal grains as crystal growth nuclei.

【0084】この場合、垂直方向に隣接する未溶融領域
25aの間に位置する完全溶融領域25b、および水平
方向に隣接する未溶融領域25aの間に位置する完全溶
融領域25cでは、それぞれ、正方形状の未溶融領域2
5aの各辺に垂直にラテラル成長が起こり、<010>
方向および<100>方向に結晶が成長される。
In this case, the completely melted region 25b located between the unmelted regions 25a vertically adjacent to each other and the completely melted region 25c located between the unmelted regions 25a horizontally adjacent to each other have a square shape. Unmelted area 2
Lateral growth occurs vertically on each side of 5a, and <010>
Crystal is grown in the <100> direction and the <100> direction.

【0085】これに対して、相互に隣接する4つの未溶
融領域25aと、これら4つの未溶融領域25aにおけ
る垂直方向に隣接する未溶融領域25a間にそれぞれ位
置する完全溶融領域25bおよび水平方向に隣接する未
溶融領域25a間にそれぞれ位置する完全溶融領域25
cとによって囲まれた正方形状の完全溶融領域25dで
は、正方形状の未溶融領域25aの各コーナー部から4
5°方向に向かってラテラル成長が起こる。
On the other hand, four unmelted regions 25a adjacent to each other, a completely melted region 25b located respectively between the unmelted regions 25a vertically adjacent to each other in these four unmelted regions 25a, and a horizontal direction. Completely melted regions 25 respectively located between the adjacent unmelted regions 25a
In the square completely melted region 25d surrounded by c and 4 from each corner of the square unmelted region 25a.
Lateral growth occurs in the 5 ° direction.

【0086】これによって、正方形状の完全溶融領域2
5d内には、<100>方向および<010>方向にそ
れぞれ沿った亜粒界によって区切られた、4つの正方形
状単結晶粒25gからなる正方形状結晶領域25dが形
成される。
As a result, the square completely melted region 2 is formed.
Within 5d, a square-shaped crystal region 25d composed of four square-shaped single crystal grains 25g, which are separated by sub-grain boundaries along the <100> direction and the <010> direction, is formed.

【0087】次に、図3に示すように、第1回目のレー
ザービーム照射時から、マスクの遮光部15aのパター
ンを、マスク15におけるマスクの遮光部15aの間隔
iと、遮光部15aの一辺の長さjとの合計の1/2
((i+j)/2)だけ、X方向およびY方向にそれぞ
れ移動させて、図5に示すように、遮光部15aの投影
パターン25fを4つの正方形状単結晶粒25gが形成
された正方形状結晶領域25dの中央部に配置して、第
2回目のレーザービーム照射を行う。
Next, as shown in FIG. 3, since the first laser beam irradiation, the pattern of the mask light-shielding portion 15a is set to the interval i between the mask light-shielding portions 15a in the mask 15 and one side of the light-shielding portion 15a. 1/2 of the total length of j
By moving ((i + j) / 2) respectively in the X direction and the Y direction, as shown in FIG. 5, the projection pattern 25f of the light shielding portion 15a is formed into a square crystal in which four square single crystal grains 25g are formed. The second laser beam irradiation is performed by arranging the laser beam at the center of the region 25d.

【0088】これにより、図6に示すように、既に形成
された正方形状単結晶粒25gを核として、完全溶融領
域25a〜25cに向かってラテラル成長が起こる。こ
の場合、完全溶融領域25bおよび完全溶融領域25c
では、それぞれ、マスク15の遮光部15aの投影パタ
ーン25fの各辺に垂直にラテラル成長が起こり、<0
10>方向および<100>方向に結晶が成長される。
As a result, as shown in FIG. 6, lateral growth occurs toward the completely melted regions 25a to 25c with the square single crystal grains 25g already formed as nuclei. In this case, the completely melted area 25b and the completely melted area 25c
Then, lateral growth occurs perpendicularly to each side of the projection pattern 25f of the light shielding portion 15a of the mask 15, and <0
Crystals are grown in the 10> direction and the <100> direction.

【0089】これによって、遮光部15aの投影パター
ン25fによって遮光された単結晶粒25gのそれぞれ
が拡大成長されて、図1に示すように、基板上に全面に
わたって、または任意の個数だけ連続して、<100>
方向および<010>方向にそれぞれ沿った亜粒界12
によって区切られた、矩形状の単結晶粒からなる結晶領
域が、互いに隙間無く形成される。
As a result, each of the single crystal grains 25g shielded by the projection pattern 25f of the light shielding portion 15a is expanded and grown, and as shown in FIG. 1, over the entire surface of the substrate or continuously in an arbitrary number. , <100>
Boundaries 12 along the <10> and <10 10> directions, respectively
Crystal regions composed of rectangular single crystal grains, which are separated by, are formed without any gap.

【0090】マスク15において、隣接する遮光部15
aの間隔i、すなわち、透光部15bの幅は、レーザー
ビームを1ショット照射したときに形成可能なラテラル
成長距離に基づいて決定される。このラテラル成長距離
は、照射されるレーザー光のエネルギー密度、パルス
幅、シリコン半導体薄膜の膜厚、基板温度等といった多
くのパラメータに依存しており、一般的には、1μm〜
5μm程度の値である。
In the mask 15, adjacent light-shielding portions 15
The interval i of a, that is, the width of the transparent portion 15b is determined based on the lateral growth distance that can be formed when one shot of the laser beam is irradiated. This lateral growth distance depends on many parameters such as the energy density of the irradiated laser light, the pulse width, the film thickness of the silicon semiconductor thin film, the substrate temperature, etc., and is generally 1 μm to
The value is about 5 μm.

【0091】図7に示すように、矩形状遮光部15aの
投影パターン15cに対してコーナー部から斜め45°
方向に成長する距離Gを最も長くする必要があるため、
これを基準とすると、溶融領域の幅=未溶融領域の間隔
L=2×G/√2となる。例えば、レーザービームを1
ショット照射したときに形成可能なラテラル成長距離が
2μmである場合に、Gを2μm丁度にすると、対向す
る未溶融領域のコーナー部からラテラル成長した結晶の
先端同士がぶつかるため、Gを少し小さ目に設定してG
=1.5μmとすると、L=2×G/√2=2×1.5
/√2≒2μmとなる。
As shown in FIG. 7, the projection pattern 15c of the rectangular light-shielding portion 15a is inclined at an angle of 45 ° from the corner.
Since it is necessary to maximize the distance G that grows in the direction,
Based on this, the width of the melted region = the interval L between the unmelted regions is L = 2 × G / √2. For example, 1 laser beam
If the lateral growth distance that can be formed by shot irradiation is 2 μm and if G is set to 2 μm, the tips of the laterally grown crystals collide with each other from the corners of the unmelted regions facing each other. Set and G
= 1.5 μm, L = 2 × G / √2 = 2 × 1.5
/ √2≈2 μm.

【0092】以上の値は、マスクパターンが半導体薄膜
の表面に投影されたときのものであり、倍率が1:1の
投影系では、ビーム整形のためのマスク15上の値と一
致して遮光部15aの間隔i=上記未溶融領域の間隔L
となるが、縮小投影系では値が異なり、倍率が5:1の
縮小投影系では、上記半導体薄膜の表面に投影されたと
きのサイズ1μmがマスク15上では5μmに相当す
る。
The above values are those when the mask pattern is projected on the surface of the semiconductor thin film, and in the projection system with a magnification of 1: 1 the light is shielded in accordance with the values on the mask 15 for beam shaping. Interval i of portion 15a = interval L of the unmelted region
However, in the reduction projection system, the values are different, and in the reduction projection system with a magnification of 5: 1, the size of 1 μm when projected on the surface of the semiconductor thin film corresponds to 5 μm on the mask 15.

【0093】1回のレーザービーム照射によって結晶領
域を形成する場合には、マスク15において遮光部15
aの間隔iが、上述したように、形成可能なラテラル成
長距離との関係に基づいて設定されていれば、遮光部1
5aの一辺の長さjは自由に設定することができる。し
かしながら、2回のレーザービーム照射によって複数の
結晶領域を互いに隙間無く形成する場合には、遮光部1
5aの一辺の長さiは、遮光部15aの間隔jよりも一
定の大きさmだけ小さく設定して、i=j−mとする。
これは、1回目のレーザービーム照射時に形成される単
結晶領域の内側に、2回目のレーザービーム照射時の遮
光部を設ける必要があるからである。
When the crystal region is formed by one laser beam irradiation, the light shielding portion 15 in the mask 15 is formed.
As described above, if the interval i of a is set based on the relationship with the lateral growth distance that can be formed, the light shielding unit 1
The length j of one side of 5a can be freely set. However, in the case where a plurality of crystal regions are formed without gaps by irradiating the laser beam twice, the light shielding portion 1
The length i of one side of 5a is set to be smaller than the interval j of the light shielding portion 15a by a constant size m, and i = j−m.
This is because it is necessary to provide a light-shielding portion for the second laser beam irradiation inside the single crystal region formed for the first laser beam irradiation.

【0094】この場合のmの値は、0.1μm〜0.5
μm程度の大きさから適宜選択することができるが、上
記Gおよび未溶融領域の幅Sに対して、√2(m+S)
<Gの関係を満たしている必要がある。例えば、S=L
−m=2−0.4=1.6μmとすることができる。こ
の値も、マスクパターンが非晶質シリコン半導体薄膜の
表面に投影されたときのものであり、投影系の倍率によ
ってマスクパターンのサイズが設定される。
The value of m in this case is 0.1 μm to 0.5.
The size can be appropriately selected from a size of about μm, but √2 (m + S) with respect to the above G and the width S of the unmelted region.
<G relationship must be satisfied. For example, S = L
It can be set to −m = 2-0.4 = 1.6 μm. This value is also when the mask pattern is projected on the surface of the amorphous silicon semiconductor thin film, and the size of the mask pattern is set by the magnification of the projection system.

【0095】このようにして、矩形状の単結晶粒によっ
て形成される結晶領域を形成する場合に、必要とされる
エネルギー密度が0.5J/cm2であり、出力が1J
であるレーザビームを用いて光学系におけるエネルギー
ロスが無いものとすると、矩形状ビームでは14mm×
14mm、線状ビームでは300mm×0.66mm程
度の大きさのレーザービームを形成することができる。
従って、本実施形態では、各レーザーショット間で、基
板10が搭載されるX−Yステージ77を14mmまた
は0.66mm程度の値で移動させることができ、レー
ザービームを一方向に数十μmオーダーで移動させる従
来のレーザービーム照射法に比べて、極めて高速に処理
を行うことができる。
In this way, when forming a crystal region formed of rectangular single crystal grains, the required energy density is 0.5 J / cm 2 and the output is 1 J.
Assuming that there is no energy loss in the optical system by using the laser beam, the rectangular beam is 14 mm ×
A laser beam having a size of 14 mm and a linear beam of about 300 mm × 0.66 mm can be formed.
Therefore, in this embodiment, the XY stage 77 on which the substrate 10 is mounted can be moved by a value of about 14 mm or 0.66 mm between the laser shots, and the laser beam is unidirectionally on the order of several tens of μm. The processing can be performed at an extremely high speed as compared with the conventional laser beam irradiation method of moving by.

【0096】また、このようにして大型ガラス基板の全
面にわたって1回目のレーザービーム照射を行った後、
ビームマスクホルダーをX方向およびY方向にそれぞれ
移動させて、2回目のレーザービームを1回目の照射時
と同様に走査して、基板上の全面にわたって照射するこ
とができる。この場合のビームマスクホルダーの移動
は、例えば、(L+S)/2=(2+1.6)/2=
1.8μmである。従って、本実施形態では、従来のS
LS法において必要とされるような、1μm程度といっ
た微細なピッチで移動させることが可能な高精度の走査
系を有する装置は不要であり、安価な装置によって高い
スループットで処理を行うことができる。
After the first laser beam irradiation is performed over the entire surface of the large glass substrate in this way,
The beam mask holder can be moved in the X direction and the Y direction, and the second laser beam can be scanned in the same manner as in the first irradiation to irradiate the entire surface of the substrate. The movement of the beam mask holder in this case is, for example, (L + S) / 2 = (2 + 1.6) / 2 =
It is 1.8 μm. Therefore, in this embodiment, the conventional S
An apparatus having a highly accurate scanning system capable of moving at a fine pitch of about 1 μm, which is required in the LS method, is unnecessary, and an inexpensive apparatus can perform processing with high throughput.

【0097】なお、本発明では、マスクパターンを半導
体薄膜表面上に投影したときに、半導体薄膜表面に形成
される矩形状および格子状の各コーナー部が直交してい
ることが、単結晶粒からなる結晶領域を形成するために
重要であり、このようなコーナー部の直交性を半導体薄
膜表面上で実現することができるように、光学系を設計
することが重要である。
According to the present invention, when the mask pattern is projected onto the surface of the semiconductor thin film, the rectangular and lattice-shaped corners formed on the surface of the semiconductor thin film are orthogonal to each other. It is important to form a crystal region of the following, and it is important to design the optical system so that such orthogonality of the corner portion can be realized on the surface of the semiconductor thin film.

【0098】以上のようにして形成された結晶性シリコ
ン半導体薄膜を用いて、通常の方法によってTFTを作
製することができる。一般に、回路を設計する際には、
複数のTFTが、ソースからドレインへ向かうチャネル
方向が互いに直交するように配置される。従来のSLS
法では、図8(a)に示すように、結晶粒が一方向(図
8(a)では横方向)に伸びて形成されているため、チ
ャネル方向が結晶粒界に直交する方向に配置されたTF
T82では、結晶粒に平行な方向に配置されたTFT8
1に比べて、素子特性が著しく劣るということが知られ
ている。
Using the crystalline silicon semiconductor thin film formed as described above, a TFT can be manufactured by a usual method. Generally, when designing a circuit,
A plurality of TFTs are arranged such that the channel directions from the source to the drain are orthogonal to each other. Conventional SLS
In the method, as shown in FIG. 8A, the crystal grains are formed so as to extend in one direction (horizontal direction in FIG. 8A), so that the channel direction is arranged in a direction orthogonal to the crystal grain boundaries. TF
At T82, the TFT8 arranged in the direction parallel to the crystal grain
It is known that the device characteristics are significantly inferior to those of No. 1.

【0099】これに対して、本実施形態では、図8
(b)に示すように、結晶粒が互いに直交する方向に2
次元的に成長して、矩形状の単結晶粒が形成されるた
め、チャネル方向が<100>方向に平行なトランジス
タ83と、<010>方向に平行なトランジスタ84と
において、同等の素子特性が得られる。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG.
As shown in (b), 2
Since the rectangular single crystal grains are formed by dimensional growth, the transistor 83 whose channel direction is parallel to the <100> direction and the transistor 84 whose channel direction is parallel to the <010> direction have the same device characteristics. can get.

【0100】(実施形態2)図9は、本実施形態2の結
晶性半導体薄膜の形成方法について説明するための模式
的な断面図である。本実施形態2では、実施形態1にお
けるマスク15に代えて、非晶質半導体薄膜91上に金
属薄膜93を形成することによって、行方向および列方
向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の未溶融領域をマ
トリクス状に形成すると共に、格子状の完全溶融領域を
形成する。
(Embodiment 2) FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for forming a crystalline semiconductor thin film according to Embodiment 2. In the second embodiment, instead of the mask 15 in the first embodiment, a metal thin film 93 is formed on the amorphous semiconductor thin film 91 to form a rectangular shape at regular intervals along the row direction and the column direction. The unmelted region is formed in a matrix and the lattice-shaped completely melted region is formed.

【0101】まず、実施形態1と同様に、絶縁性基板1
0上に非晶質シリコン半導体薄膜91を堆積する。TF
Tを作製する場合には、この非晶質シリコン半導体薄膜
91の膜厚を25nm〜100nmとするのが好まし
い。
First, similarly to the first embodiment, the insulating substrate 1
Amorphous silicon semiconductor thin film 91 is deposited on 0. TF
When producing T, it is preferable that the film thickness of the amorphous silicon semiconductor thin film 91 is 25 nm to 100 nm.

【0102】次に、非晶質シリコン半導体薄膜91上
に、SiO2膜92を成膜する。SiO2膜92の膜厚
は、特に限定されないが、使用されるレーザー光に対し
て反射防止機能が得られるように、SiO2膜92の膜
厚を設定することによって、レーザー光のエネルギーを
有効に利用することができる。例えば、XeClレーザ
ーによる308nmのレーザー光を照射する場合には、
SiO2膜92の膜厚を53nmにすることによって、
反射防止機能を得ることができる。
Next, a SiO 2 film 92 is formed on the amorphous silicon semiconductor thin film 91. The film thickness of the SiO 2 film 92 is not particularly limited, but the energy of the laser light is effectively set by setting the film thickness of the SiO 2 film 92 so as to obtain an antireflection function for the laser light used. Can be used for. For example, when irradiating a 308 nm laser beam by a XeCl laser,
By setting the thickness of the SiO 2 film 92 to 53 nm,
An antireflection function can be obtained.

【0103】続いて、SiO2膜92上に、Al膜93
を成膜する。このAl膜93は、レーザー光を反射させ
るために用いられ、図3に示す遮光部15aに相当する
形状にパターニングする。
Then, an Al film 93 is formed on the SiO 2 film 92.
To form a film. The Al film 93 is used to reflect the laser light and is patterned into a shape corresponding to the light shielding portion 15a shown in FIG.

【0104】なお、SiO2膜は、反射防止機能の他
に、Al膜が、直接、シリコン半導体薄膜に接触して、
シリコン半導体薄膜が汚染することを防止している。
In addition to the antireflection function of the SiO 2 film, the Al film is in direct contact with the silicon semiconductor thin film,
It prevents the silicon semiconductor thin film from being contaminated.

【0105】その後、図2に示す結晶性半導体薄膜の形
成装置からマスク15を除いた状態で、X−Yステージ
77上に、非晶質シリコン半導体薄膜91、SiO2
92、およびAl膜93が形成された基板10を搭載し
て、非晶質シリコン半導体薄膜91にレーザー光を照射
する。
After that, the amorphous semiconductor thin film 91, the SiO 2 film 92, and the Al film 93 are placed on the XY stage 77 with the mask 15 removed from the apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film shown in FIG. The substrate 10 on which is formed is mounted, and the amorphous silicon semiconductor thin film 91 is irradiated with laser light.

【0106】照射されるレーザービームのエネルギー密
度は、シリコン半導体薄膜91が膜厚方向に完全に溶融
されるような値に設定する。これによって、図4に示す
ように、Al膜93によってレーザービームが遮光され
ない格子状の領域では、非晶質シリコン半導体薄膜91
が完全に溶融して完全溶融領域25b〜25dとなり、
Al膜93によって遮光されてレーザービームが照射さ
れない正方形状の領域では、非晶質シリコン半導体薄膜
91が溶融せず、未溶融領域25aとなる。その結果、
正方形状の未溶融領域25aと格子状の完全溶融領域2
5b〜25dとの境界25eから完全溶融領域25b〜
25dに向かってラテラル成長が起こり、<100>方
向および<010>方向にそれぞれ沿った亜粒界によっ
て区切られた4つの正方形状単結晶粒25gからなる正
方形状結晶領域25dが形成される。
The energy density of the irradiated laser beam is set to a value such that the silicon semiconductor thin film 91 is completely melted in the film thickness direction. As a result, as shown in FIG. 4, in the lattice-shaped region where the laser beam is not shielded by the Al film 93, the amorphous silicon semiconductor thin film 91 is formed.
Completely melts to become completely melted regions 25b to 25d,
In the square region shielded by the Al film 93 and not irradiated with the laser beam, the amorphous silicon semiconductor thin film 91 does not melt and becomes an unmelted region 25a. as a result,
Square unmelted region 25a and lattice-shaped completely melted region 2
From the boundary 25e with 5b to 25d to the completely melted region 25b to
Lateral growth occurs toward 25d, forming a square crystal region 25d composed of four square single crystal grains 25g divided by subgrain boundaries along the <100> direction and the <010> direction, respectively.

【0107】次に、Al膜93をエッチングにより一旦
除去した後、図5に示すように、第1回目のレーザービ
ーム照射時から、Al膜93のパターンを、{(Al膜
93の一辺の大きさS)+(Al膜93の間隔L)}/
2だけ、X方向およびY方向にそれぞれ移動させて、A
l膜93のパターン25fを、4つの正方形状単結晶粒
25gが形成されている正方形状結晶領域25dの中央
部に配置し、第2回目のレーザービーム照射を行う。
Next, after the Al film 93 is once removed by etching, the pattern of the Al film 93 is changed to {(the size of one side of the Al film 93 from the first laser beam irradiation, as shown in FIG. S) + (interval L of Al film 93)} /
2 only in the X and Y directions to move A
The pattern 25f of the I film 93 is arranged in the central portion of the square crystal region 25d in which the four square single crystal grains 25g are formed, and the second laser beam irradiation is performed.

【0108】これにより、図6に示すように、既に形成
された矩形状の単結晶粒25gを核として、完全溶融領
域25a〜25cに向かってラテラル成長が起こる。完
全溶融領域25bおよび25cでは、それぞれ、Al膜
93のパターン25fの各辺に垂直にラテラル成長が起
こり、<010>方向および<100>方向に結晶が成
長される。また、完全溶融領域25dでは、Al膜93
のパターン25fの各コーナー部から45°方向に向か
ってラテラル成長が起こる。
As a result, as shown in FIG. 6, lateral growth occurs toward the completely melted regions 25a to 25c with the already formed rectangular single crystal grains 25g as nuclei. In the completely melted regions 25b and 25c, lateral growth occurs perpendicularly to each side of the pattern 25f of the Al film 93, and crystals are grown in the <010> direction and the <100> direction. In the completely melted region 25d, the Al film 93
Lateral growth occurs in the 45 ° direction from each corner of the pattern 25f.

【0109】これによって、Al膜93のパターン25
fによって遮光された単結晶粒25gのそれぞれが拡大
成長されて、図1に示すように、基板上の全面にわたっ
て、または任意の個数だけ連続して、<100>方向お
よび<010>方向にそれぞれ沿った亜粒界によって区
切られた矩形状の単結晶領域が、互いに隙間無く形成さ
れる。
As a result, the pattern 25 of the Al film 93 is formed.
The single crystal grains 25g shielded by f are expanded and grown, and as shown in FIG. 1, over the entire surface of the substrate or continuously in an arbitrary number, in the <100> direction and the <010> direction, respectively. Rectangular single crystal regions separated by subgrain boundaries are formed without gaps.

【0110】なお、1回のレーザービーム照射によって
特定の箇所に、矩形状の単結晶粒からなる結晶領域を形
成してTFTを作製する場合には、Al膜93のパター
ンは、加工が可能な大きさであればよく、非常に小さい
サイズに設定することができる。
When a TFT is produced by forming a crystal region made of rectangular single crystal grains at a specific position by one laser beam irradiation, the pattern of the Al film 93 can be processed. It only needs to be large, and can be set to a very small size.

【0111】また、本実施形態2において、Al膜以外
の金属薄膜によってレーザー光を反射させることも可能
である。さらに、非晶質シリコン半導体薄膜91上に、
金属薄膜93の代りにシリコン半導体薄膜等の半導体薄
膜をパターン形成して、パターン下に半導体薄膜91の
部分溶融領域を形成することも可能である。この場合に
は、部分溶融領域に残存している結晶粒を核として完全
溶融領域に向かってラテラル結晶成長が起こり、上記と
同様にして矩形状の単結晶粒からなる結晶領域を得るこ
とができる。
In addition, in the second embodiment, it is possible to reflect the laser beam by a metal thin film other than the Al film. Furthermore, on the amorphous silicon semiconductor thin film 91,
Instead of the metal thin film 93, a semiconductor thin film such as a silicon semiconductor thin film may be patterned to form the partially melted region of the semiconductor thin film 91 under the pattern. In this case, lateral crystal growth occurs toward the completely melted region with the crystal grains remaining in the partially melted region as nuclei, and a crystal region composed of rectangular single crystal grains can be obtained in the same manner as above. .

【0112】以上のようにして形成した結晶性シリコン
半導体薄膜を用いて、通常の方法によってTFTを作製
することができる。本実施形態2においても、実施形態
1と同様に、隣接する単結晶粒が互いに直交する方向に
2次元的に成長して、矩形状の単結晶粒からなる矩形状
の結晶領域が形成される。このため、図8(b)に示す
ように、チャネル方向が<100>方向に平行なトラン
ジスタ83と、チャネル方向が<010>方向に平行な
トランジスタ84とにおいて、同等の素子特性が得られ
る。
Using the crystalline silicon semiconductor thin film formed as described above, a TFT can be manufactured by a usual method. In the second embodiment as well, similar to the first embodiment, adjacent single crystal grains are two-dimensionally grown in a direction orthogonal to each other to form a rectangular crystal region made of rectangular single crystal grains. . Therefore, as shown in FIG. 8B, the transistor 83 whose channel direction is parallel to the <100> direction and the transistor 84 whose channel direction is parallel to the <010> direction can obtain the same element characteristics.

【0113】(実施形態3)図10は、本実施形態3の
結晶性半導体薄膜の形成方法について説明するための断
面図である。本実施形態3では、実施形態1におけるマ
スク15に代えて、非晶質半導体薄膜91上に反射防止
膜94を形成することによって、行方向および列方向に
沿って一定の間隔を開けて矩形状の部分溶融領域をマト
リクス状に形成すると共に、格子状の完全溶融領域を形
成する。
(Third Embodiment) FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the third embodiment. In the third embodiment, instead of the mask 15 in the first embodiment, an antireflection film 94 is formed on the amorphous semiconductor thin film 91 to form a rectangular shape at regular intervals in the row direction and the column direction. The partially melted regions are formed in a matrix and the lattice-shaped completely melted regions are formed.

【0114】まず、実施形態1と同様に、絶縁性基板1
0上に非晶質シリコン半導体薄膜91を堆積する。TF
Tを作製する場合には、この非晶質シリコン半導体薄膜
91の膜厚を25nm〜100nmとするのが好まし
い。
First, similarly to the first embodiment, the insulating substrate 1
Amorphous silicon semiconductor thin film 91 is deposited on 0. TF
When producing T, it is preferable that the film thickness of the amorphous silicon semiconductor thin film 91 is 25 nm to 100 nm.

【0115】次に、非晶質シリコン半導体薄膜91上
に、SiO2膜94を反射防止膜となる膜厚に成膜す
る。このSiO2膜94は、図3に示す遮光部15aに
相当する部分をエッチングして除去することによって開
口させ、透光部15bに相当する形状にパターニングす
る。
Next, a SiO 2 film 94 is formed on the amorphous silicon semiconductor thin film 91 to have a film thickness to be an antireflection film. This SiO 2 film 94 is opened by etching and removing a portion corresponding to the light shielding portion 15a shown in FIG. 3, and is patterned into a shape corresponding to the light transmitting portion 15b.

【0116】その後、図2に示す結晶性半導体薄膜の形
成装置からマスク15を除いた状態で、X−Yステージ
77上に、非晶質シリコン半導体薄膜91およびSiO
2膜94が形成された基板10を搭載して、非晶質シリ
コン半導体薄膜91にレーザー光を照射する。
Then, the amorphous silicon semiconductor thin film 91 and the SiO 2 film are formed on the XY stage 77 with the mask 15 removed from the apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film shown in FIG.
The substrate 10 on which the two films 94 are formed is mounted, and the amorphous silicon semiconductor thin film 91 is irradiated with laser light.

【0117】照射されるレーザービームのエネルギー密
度は、SiO2膜94下でシリコン半導体薄膜91が膜
厚方向に完全に溶融され、SiO2膜94が設けられて
いない開口部において、シリコン半導体薄膜91が部分
溶融されるような値に設定する。例えば、45nmのシ
リコン半導体薄膜91に対しては、430mmJ/cm
2以上のエネルギー密度に設定される。
The energy density of the laser beam applied is such that the silicon semiconductor thin film 91 is completely melted in the film thickness direction under the SiO 2 film 94, and the silicon semiconductor thin film 91 is formed in the opening where the SiO 2 film 94 is not provided. Is set to a value such that is partially melted. For example, for a 45 nm silicon semiconductor thin film 91, 430 mmJ / cm
Set to an energy density of 2 or more.

【0118】これによって、図11に示すように、Si
2膜94が設けられている領域では、レーザービーム
によって非晶質シリコン半導体薄膜91が完全に溶融し
て完全溶融領域35b〜35dとなり、SiO2膜94
の開口部下の領域では、非晶質シリコン半導体薄膜91
が部分的に溶融して、未溶融領域35aとなる。その結
果、完全溶融領域35a〜35dと未溶融領域35aと
の境界から完全溶融領域35b〜35dに向かってラテ
ラル成長が起こり、<100>方向および<010>方
向にそれぞれ沿った亜粒界によって区切られた4つの正
方形状単結晶粒35gからなる正方形状の結晶領域35
dが形成される。
As a result, as shown in FIG.
In the region where the O 2 film 94 is provided, the completely melted region 35b~35d next to the amorphous silicon semiconductor thin film 91 by the laser beam is completely melted, SiO 2 film 94
In the region below the opening of the amorphous silicon semiconductor thin film 91
Partially melts to become the unmelted region 35a. As a result, lateral growth occurs from the boundaries between the completely melted regions 35a to 35d and the unmelted regions 35a toward the completely melted regions 35b to 35d, and is divided by subgrain boundaries along the <100> direction and the <010> direction, respectively. A square crystal region 35 composed of four square single crystal grains 35 g
d is formed.

【0119】次に、SiO2膜94をエッチングにより
一旦除去した後、第1回目のレーザービーム照射時か
ら、SiO2膜94のパターンを{(SiO2膜94の開
口部の一辺の大きさS)+(SiO2膜94の開口部の
間隔L)}/2だけ、X方向およびY方向にそれぞれ移
動させて、SiO2膜94の開口部を、4つの矩形状単
結晶粒35gが形成されている結晶領域35dの中央部
に配置し、第2回目のレーザービーム照射を行う。
[0119] Next, after the SiO 2 film 94 is once removed by etching, from the time of laser beam irradiation of the first round, the pattern of the SiO 2 film 94 {(of one side of the opening of the SiO 2 film 94 size S ) + (Distance L between the openings of the SiO 2 film 94)} / 2 in the X and Y directions, respectively, to form four rectangular single crystal grains 35g in the openings of the SiO 2 film 94. It is arranged in the central portion of the crystal region 35d, and the second laser beam irradiation is performed.

【0120】これによって、既に形成された単結晶粒3
5gを核として、完全溶融領域35a〜35cに向かっ
てラテラル成長が起こる。完全溶融領域35bおよび3
5cでは、それぞれ、SiO2膜94の開口部の各辺に
垂直にラテラル成長が起こり、<010>方向および<
100>方向に結晶が成長される。また、完全溶融領域
35dでは、SiO2膜94の開口部の各コーナー部か
ら45°方向に向かってラテラル成長が起こる。
As a result, the already formed single crystal grains 3
Lateral growth occurs toward the completely melted regions 35a to 35c with 5g as a nucleus. Complete melting regions 35b and 3
5c, lateral growth occurs perpendicularly to each side of the opening of the SiO 2 film 94, and the <010> direction and <
Crystals are grown in the 100> direction. In the completely melted region 35d, lateral growth occurs from the corners of the opening of the SiO 2 film 94 toward the direction of 45 °.

【0121】これによって、SiO2膜94の開口部下
に配置された単結晶領域35dのそれぞれが拡大成長さ
れて、図1に示すように、<100>方向および<01
0>方向にそれぞれ沿った亜粒界によって区切られた矩
形状の単結晶領域が、基板上に全面にわたって、または
任意の個数だけ連続して、互いに隙間無く形成される。
As a result, each of the single crystal regions 35d arranged under the opening of the SiO 2 film 94 is expanded and grown, and as shown in FIG. 1, the <100> direction and the <01> direction.
Rectangular single crystal regions separated by sub-grain boundaries respectively along the 0> direction are formed on the entire surface of the substrate or continuously in an arbitrary number without gaps.

【0122】以上のようにして形成した結晶性シリコン
半導体薄膜を用いて、通常の方法によってTFTを作製
することができる。本実施形態3においても、実施形態
1と同様に、結晶粒が互いに直交する方向に2次元的に
成長して、矩形状の単結晶粒からなる矩形状の結晶領域
が形成される。このため、図8(b)に示すように、チ
ャネル方向が<100>方向に平行なトランジスタ83
と、<010>方向に平行なトランジスタ84とにおい
て、同様の素子特性が得られる。
Using the crystalline silicon semiconductor thin film formed as described above, a TFT can be manufactured by a usual method. Also in the third embodiment, similarly to the first embodiment, the crystal grains are two-dimensionally grown in the directions orthogonal to each other to form a rectangular crystal region made of rectangular single crystal grains. Therefore, as shown in FIG. 8B, the transistor 83 whose channel direction is parallel to the <100> direction.
And the transistor 84 parallel to the <010> direction, similar element characteristics can be obtained.

【0123】(実施形態4)本実施形態では、図2に示
す結晶性シリコン半導体膜の形成装置において、図3に
示すマスク15に代えて、図12に示すマスクが使用さ
れる。図12(a)は、本実施形態4における結晶性半
導体薄膜の形成用マスクのパターン形状について説明す
るための要部の平面図であり、図12(b)はその部分
拡大図である。本実施形態4では、このマスク40が使
用される。
(Embodiment 4) In the present embodiment, the mask shown in FIG. 12 is used in place of the mask 15 shown in FIG. 3 in the apparatus for forming a crystalline silicon semiconductor film shown in FIG. FIG. 12A is a plan view of an essential part for explaining the pattern shape of the crystalline semiconductor thin film forming mask in the fourth embodiment, and FIG. 12B is a partially enlarged view thereof. In the fourth embodiment, this mask 40 is used.

【0124】このマスク40は、遮光部44に、ジグザ
グに屈曲された鋸歯状のスリットの透光部43が設けら
れている。透光部44は、各屈曲部においてほぼ直角に
屈曲されている。各屈曲部における外側のコーナー部
に、透光部44を拡張するように、透光性のOPC(O
ptical Proximity Correctio
n、近接効果補正)パターン45がそれぞれ設けられて
おり、また、各屈曲部における内側のコーナー部に、遮
光部44を拡張するように、遮光性のOPCパターン4
6が、それぞれ設けられている。
In this mask 40, a light-shielding portion 44 is provided with a light-transmitting portion 43 having a saw-tooth slit bent in zigzag. The translucent portion 44 is bent at a substantially right angle at each bent portion. A translucent OPC (OPC (O
optical Proximity Correctio
n, proximity effect correction) pattern 45, and the light-shielding OPC pattern 4 is formed so as to extend the light-shielding portion 44 at the inner corner of each bent portion.
6 are provided respectively.

【0125】透光性の各OPCパターン45は、ジグザ
グ状の透光部43における各屈曲部の外側のコーナー部
に、一つのコーナー部が重なった正方形状にそれぞれ形
成されている。同様に、遮光性の各OPCパターン46
は、ジグザグ状の透光部43における各屈曲部の外側の
コーナー部に、一つのコーナー部が重なった正方形状に
それぞれ形成されている。各OPCパターン45および
46は、透光部43における外側のおよび内側それぞれ
のコーナー部における頂点からOPCパターン45およ
び46を形成する正方形の中心までの距離hのオフセッ
トとなるように、それぞれ配置されている。
Each translucent OPC pattern 45 is formed in a square shape in which one corner portion is overlapped with a corner portion outside each bent portion in the zigzag light transmissive portion 43. Similarly, each of the OPC patterns 46 having a light shielding property
Is formed in a square shape in which one corner portion is overlapped with the outer corner portion of each bent portion in the zigzag light transmitting portion 43. The OPC patterns 45 and 46 are arranged so as to be offset by a distance h from the vertices at the outer and inner corners of the translucent portion 43 to the centers of the squares forming the OPC patterns 45 and 46, respectively. There is.

【0126】このような構成のマスク40が、図2に示
す結晶性半導体薄膜の形成装置において、マスク15に
代えて使用される。
The mask 40 having such a structure is used in place of the mask 15 in the crystalline semiconductor thin film forming apparatus shown in FIG.

【0127】図2に示す形成装置において、このような
構成のマスク40を使用して、結晶性半導体薄膜を形成
する場合には、まず、実施形態1と同様に、絶縁性基板
上に非晶質シリコン半導体薄膜を堆積する。TFTを作
製する場合には、この非晶質シリコン半導体薄膜の膜厚
を25nm〜100nmとするのが好ましく、本実施形
態では35nmの真性(I)型非晶質シリコン半導体薄
膜を成膜する。
In the forming apparatus shown in FIG. 2, when a crystalline semiconductor thin film is formed using the mask 40 having such a structure, first, as in the first embodiment, an amorphous substrate is formed on the insulating substrate. A thin silicon semiconductor thin film. When manufacturing a TFT, the film thickness of this amorphous silicon semiconductor thin film is preferably 25 nm to 100 nm. In this embodiment, an intrinsic (I) type amorphous silicon semiconductor thin film of 35 nm is formed.

【0128】その後、図2に示す結晶性半導体薄膜の形
成装置によって、非晶質シリコン半導体薄膜にレーザー
光を照射する。本実施形態では、XeClレーザーを用
いて308nmの光を照射するが、その他にも、Ar
F、KrF、XeF等といったエキシマレーザーを用い
ることができる。
After that, the amorphous silicon semiconductor thin film is irradiated with laser light by the apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film shown in FIG. In the present embodiment, XeCl laser is used to irradiate light of 308 nm.
An excimer laser such as F, KrF or XeF can be used.

【0129】レーザービームは、マスク40の透光部4
3を通って、非晶質シリコン半導体薄膜にパルス状に照
射される。
The laser beam is transmitted through the transparent portion 4 of the mask 40.
The amorphous silicon semiconductor thin film is irradiated in a pulsed manner through 3.

【0130】照射されるレーザービームのエネルギー密
度は、シリコン半導体薄膜が膜厚方向に完全に溶融され
るような値に設定される。これにより、図13に示すよ
うに、非晶質シリコン半導体薄膜には、ジグザグのスリ
ット状の溶融領域41が形成され、それ以外の部分が未
溶融領域42となる。
The energy density of the irradiated laser beam is set to a value such that the silicon semiconductor thin film is completely melted in the film thickness direction. As a result, as shown in FIG. 13, a zigzag slit-shaped melted region 41 is formed in the amorphous silicon semiconductor thin film, and the other part becomes an unmelted region 42.

【0131】この場合、図14に示すように、レーザー
ビームの1ショット毎に、1ショットの溶融領域内に形
成されるラテラル成長距離よりも小さい距離だけ、非晶
質シリコン半導体薄膜またはレーザービームを、マスク
40における透光部43の直角に屈曲された各屈曲部の
角度を二等分する線に沿った方向に移動させて、1方向
に結晶を成長させる。
In this case, as shown in FIG. 14, for each shot of the laser beam, the amorphous silicon semiconductor thin film or the laser beam is irradiated by a distance smaller than the lateral growth distance formed in the molten region of one shot. , The crystal is grown in one direction by moving the angle of each bent portion of the mask 40, which is bent at a right angle of the transparent portion 43, in a direction along a line that bisects the angle.

【0132】非晶質シリコン半導体薄膜に対してレーザ
ービームが相対的に移動されると、レーザービームが走
査された溶融領域46には、矩形状の単結晶粒が形成さ
れる。これにより、レーザービームの走査方向に沿って
形成された亜粒界47によって区切られた長方形状の擬
似単結晶粒48が、基板上の全面に、または任意の個数
だけ連続して、互いに隙間無く配置されて形成される。
亜粒界47の方向は、シリコン半導体薄膜の膜厚が35
μmよりも厚い場合には<110>方向に平行になり、
シリコン半導体薄膜の膜厚が35μm以下である場合に
は<100>方向に平行になる。
When the laser beam is moved relative to the amorphous silicon semiconductor thin film, rectangular single crystal grains are formed in the molten region 46 scanned by the laser beam. As a result, the rectangular pseudo single crystal grains 48, which are separated by the sub-grain boundaries 47 formed along the scanning direction of the laser beam, are formed on the entire surface of the substrate or continuously in an arbitrary number, without any gap. It is arranged and formed.
In the direction of the sub-grain boundary 47, the film thickness of the silicon semiconductor thin film is 35
When it is thicker than μm, it becomes parallel to <110> direction,
When the film thickness of the silicon semiconductor thin film is 35 μm or less, it becomes parallel to the <100> direction.

【0133】マスク40の透光部43を通過したレーザ
ービームによる非晶質半導体シリコン薄膜の溶融領域4
1の形状は、ジグザグ状であって、粒界の位置制御およ
び結晶方位制御の観点から、各屈曲部の屈曲角度(頂
角)bが略90度、ラテラル成長距離の観点から、幅a
が1μm〜5μm、また、結晶粒内に亜粒界が形成され
ないように、レーザービームの走査方向と直交する方向
に沿って隣接する各コーナー部の間隔、すなわち、各コ
ーナー部の二等分線とは直交する方向に沿って隣接する
各コーナー部の間隔c、すなわち、亜粒界47の間隔
(trailingedge)の幅が15μm以下にな
るように、マスク40の透光部43のパターンを形成す
ることが望ましい。
Melting region 4 of the amorphous semiconductor silicon thin film due to the laser beam passing through the light transmitting portion 43 of the mask 40.
The shape of 1 is a zigzag shape, the bending angle (apex angle) b of each bent portion is about 90 degrees from the viewpoint of grain boundary position control and crystal orientation control, and the width a from the viewpoint of lateral growth distance.
Is 1 μm to 5 μm, and the distance between adjacent corners along the direction orthogonal to the scanning direction of the laser beam, that is, the bisector of each corner, so that subgrain boundaries are not formed in the crystal grains. The pattern of the translucent portion 43 of the mask 40 is formed so that the interval c between adjacent corners along the direction orthogonal to the, ie, the width of the trailing edge of the sub-grain boundary 47 is 15 μm or less. Is desirable.

【0134】本実施形態では、溶融領域41において、
各コーナー部の屈曲角度bを90度、幅aを2μm、各
コーナー部の二等分線とは直交する方向に沿って隣接す
る各コーナー部の間隔(亜粒界47の間隔)cを10μ
mとするために、例えば5:1の縮小投影系において、
以下のような形状のマスク40が使用される。
In this embodiment, in the melting region 41,
The bending angle b of each corner portion is 90 degrees, the width a is 2 μm, and the spacing (distance between subgrain boundaries 47) c between adjacent corner portions along the direction orthogonal to the bisector of each corner portion is 10 μ.
In order to obtain m, for example, in a reduced projection system of 5: 1,
A mask 40 having the following shape is used.

【0135】図12に示すように、マスク40のジグザ
グ状の透光部43における各コーナー部の屈曲角度eを
90度、透光部43のスリットの幅dを10μm、各コ
ーナー部の二等分線とは直交する方向に沿って隣接する
各コーナー部の間隔fを50μmに設定する。ジグザグ
状の透光部43の各コーナー部にそれぞれ設けられた正
方形状のOPCパターン45および46は、1辺の長さ
gが、透光部43の幅dの1/5以上1/2以下とされ
る。
As shown in FIG. 12, the bending angle e of each corner portion of the zigzag light-transmitting portion 43 of the mask 40 is 90 degrees, the slit width d of the light-transmitting portion 43 is 10 μm, and the like of each corner portion. The interval f between adjacent corners along the direction orthogonal to the line is set to 50 μm. The square-shaped OPC patterns 45 and 46 provided at the respective corners of the zigzag light-transmitting portion 43 have one side length g that is not less than 1/5 and not more than 1/2 of the width d of the light-transmitting portion 43. It is said that

【0136】OPCパターン45および46のオフセッ
トh(透光部43のコーナー部における頂点からOPC
パターン45および46の中心までの距離)と、OPC
パターン45の1辺の長さgとは、(−1/2)×g<
h<(1/2)×gの関係を満たすように設定すること
が望ましい。
Offset h of the OPC patterns 45 and 46 (from the apex at the corner of the transparent portion 43 to the OPC
Distance to the center of patterns 45 and 46) and OPC
The length g of one side of the pattern 45 is (−1/2) × g <
It is desirable to set so as to satisfy the relationship of h <(1/2) × g.

【0137】本実施形態では、一辺gが4μmである正
方形状のOPCパターン45および46を、透光部43
の各コーナー部における頂点と、OPCパターン45お
よび46の中心とを一致させてオフセットh=0の状態
に配置している。
In this embodiment, the transparent OPC patterns 45 and 46 each having a side g of 4 μm are formed on the transparent portion 43.
And the centers of the OPC patterns 45 and 46 are made to coincide with each other and arranged in a state of offset h = 0.

【0138】図15は、非晶質シリコン半導体薄膜にジ
グザグ状に照射されるレーザービームにおけるコーナー
部の光強度をシミュレーションした結果を示すグラフで
ある。この図15において、縦軸および横軸は表室シリ
コン半導体薄膜上の位置を示しており、10目盛が2μ
mになっている。
FIG. 15 is a graph showing the results of simulating the light intensity at the corners of a laser beam applied in a zigzag pattern to an amorphous silicon semiconductor thin film. In FIG. 15, the vertical axis and the horizontal axis represent the positions on the front surface silicon semiconductor thin film, and 10 scale is 2 μm.
It has become m.

【0139】図15において、横軸の目盛6〜16、縦
軸の目盛S6〜S16の太線で囲まれた部分が、非晶質
シリコン半導体薄膜上に照射されるレーザービームの屈
曲部の理想的な形状を示している。また、屈曲部におけ
る点が高密度であって濃くなっている領域ほど、光強度
が強いことを示している。
In FIG. 15, the portion surrounded by the thick lines of the horizontal axis scales 6 to 16 and the vertical axis scales S6 to S16 is an ideal bent portion of the laser beam with which the amorphous silicon semiconductor thin film is irradiated. Shows a simple shape. Further, it is shown that the light intensity is higher in the region where the points in the bent portion are denser and darker.

【0140】図15に示すグラフでは、非晶質シリコン
半導体薄膜上に照射されるレーザービームのジグザグ状
のパターンは、マスク40の透光部43のパターンが良
好に再現されており、図18に示すグラフに対して、各
屈曲部における外側および内側のコーナー部における丸
みが小さくなっている。また、屈曲部の中央部における
光強度が、スリットが設けられていない場合の光強度に
対して、1〜1.2倍と、図18に示すグラフに比べて
小さくなっており、屈曲部における光強度の分布が集中
することが緩和されて、屈曲部の中央部に光が集中する
ことが低減されている。これによって、図19に示すよ
うな、コーナー部の中央において生じるSi膜とびを防
ぐことができる。
In the graph shown in FIG. 15, the zigzag pattern of the laser beam with which the amorphous silicon semiconductor thin film is irradiated is well reproduced from the pattern of the transparent portion 43 of the mask 40. As compared with the graph shown, the roundness at the outer and inner corners of each bent portion is smaller. In addition, the light intensity in the central portion of the bent portion is 1 to 1.2 times the light intensity in the case where the slit is not provided, which is smaller than that in the graph shown in FIG. The concentration of the light intensity distribution is alleviated, and the concentration of light on the central portion of the bent portion is reduced. As a result, it is possible to prevent the Si film from jumping at the center of the corner as shown in FIG.

【0141】以上のようにして形成された結晶性シリコ
ン半導体薄膜を用いて、通常の方法によって、ソースか
らドレインへ向かうチャネル方向が互いに直交する複数
のトランジスタを設けた半導体装置を作製することがで
きる。
Using the crystalline silicon semiconductor thin film formed as described above, a semiconductor device having a plurality of transistors in which the channel directions from the source to the drain are orthogonal to each other can be manufactured by an ordinary method. .

【0142】なお、本実施形態4において、マスク40
における透光部43のジグザグ形状およびOPCパター
ン45の形状は、上述した形状に限定されるものではな
く、光学系の構成によって最適なマスク形状を適宜設計
することができる。
In the fourth embodiment, the mask 40
The zigzag shape of the light transmitting portion 43 and the shape of the OPC pattern 45 are not limited to the above-described shapes, and an optimum mask shape can be appropriately designed depending on the configuration of the optical system.

【0143】(実施形態5)本実施形態では、図2に示
す結晶性シリコン半導体膜の形成装置において、図3に
示すマスク15に代えて、図16に示すマスク50が使
用される。図16(a)は、そのマスク50のパターン
形状を説明するための要部の平面図であり、図16
(b)はその部分拡大図である。本実施形態5では、こ
のマスク50が使用される。
(Embodiment 5) In the present embodiment, in the crystalline silicon semiconductor film forming apparatus shown in FIG. 2, a mask 50 shown in FIG. 16 is used instead of the mask 15 shown in FIG. FIG. 16A is a plan view of an essential part for explaining the pattern shape of the mask 50.
(B) is the elements on larger scale. In the fifth embodiment, this mask 50 is used.

【0144】このマスク50は、透光部53に、行方向
および列方向に沿って一定の間隔を開けて正方形状の遮
光部54がマトリクス状に設けられて、透光部53が格
子状になっている。正方形状の遮光部54の各コーナー
部には、遮光部54を拡張するように、正方形状のOP
Cパターン55がそれぞれ設けられている。各OPCパ
ターン55は、正方形状の遮光部54の各コーナー部
に、正方形状の一つのコーナー部がそれぞれ重なり合う
ように、それぞれ配置されている。
In the mask 50, square light-shielding portions 54 are provided in a matrix on the light-transmitting portions 53 at regular intervals along the row and column directions, and the light-transmitting portions 53 are arranged in a grid pattern. Has become. At each corner of the square light shielding portion 54, a square OP is formed so as to extend the light shielding portion 54.
C patterns 55 are provided respectively. The respective OPC patterns 55 are arranged so that one square corner portion overlaps each corner portion of the square light shielding portion 54.

【0145】このような構成のマスク50が、図2に示
す結晶性半導体薄膜の形成装置において、マスク15に
代えて使用される。
The mask 50 having such a structure is used in place of the mask 15 in the apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film shown in FIG.

【0146】図2に示す形成装置において、このような
構成のマスク50を使用して、結晶性半導体薄膜を形成
する場合には、まず、実施形態1と同様に、絶縁性基板
上に非晶質シリコン半導体薄膜を堆積する。TFTを作
製する場合には、この非晶質シリコン半導体薄膜の膜厚
を25nm〜100nmとするのが好ましく、本実施形
態では35nmの真性(I)型非晶質シリコン半導体薄
膜を成膜する。
In the forming apparatus shown in FIG. 2, when the crystalline semiconductor thin film is formed by using the mask 50 having such a structure, first, as in the first embodiment, the amorphous semiconductor is formed on the insulating substrate. A thin silicon semiconductor thin film. When manufacturing a TFT, the film thickness of this amorphous silicon semiconductor thin film is preferably 25 nm to 100 nm. In this embodiment, an intrinsic (I) type amorphous silicon semiconductor thin film of 35 nm is formed.

【0147】その後、図2に示す結晶性半導体薄膜の形
成装置を用いて、非晶質シリコン半導体薄膜にレーザー
光を照射する。本実施形態では、XeClレーザーを用
いて308nmの光を照射するが、その他にも、Ar
F、KrF、XeF等といったエキシマレーザーを用い
ることができる。
Thereafter, the amorphous silicon semiconductor thin film is irradiated with laser light by using the crystalline semiconductor thin film forming apparatus shown in FIG. In the present embodiment, XeCl laser is used to irradiate light of 308 nm.
An excimer laser such as F, KrF or XeF can be used.

【0148】レーザービームは、マスク50の透光部5
3を通って、非晶質シリコン半導体薄膜に照射される。
これにより、非晶質シリコン半導体薄膜60には、行方
向および列方向に沿って一定の間隔を開けて正方形状の
複数の溶融領域52がマトリクス状に形成され、溶融領
域52以外の部分が未溶融領域51となる。
The laser beam is transmitted through the transparent portion 5 of the mask 50.
Then, the amorphous silicon semiconductor thin film is irradiated with the light through 3.
As a result, in the amorphous silicon semiconductor thin film 60, a plurality of square melting regions 52 are formed in a matrix at regular intervals along the row direction and the column direction, and a portion other than the melting regions 52 is not formed. It becomes the melting region 51.

【0149】本実施形態において、照射されるレーザー
ビームのエネルギー密度は、シリコン半導体薄膜が膜厚
方向に完全に溶融されるような値に設定される。これに
より、図4に示すように、マスク50の透光部53を通
ってレーザービームが照射される格子状の領域では、非
晶質シリコン半導体薄膜が完全に溶融して完全溶融領域
25b〜25dとなり、マスク50の遮光部54によっ
てレーザービームが照射されない正方形状の領域では、
非晶質シリコン半導体薄膜が溶融せずに正方形状の未溶
融領域25aとなる。
In this embodiment, the energy density of the irradiated laser beam is set to such a value that the silicon semiconductor thin film is completely melted in the film thickness direction. As a result, as shown in FIG. 4, the amorphous silicon semiconductor thin film is completely melted and completely melted in the lattice-shaped region where the laser beam is irradiated through the light transmitting portion 53 of the mask 50. Therefore, in the square area where the laser beam is not irradiated by the light shielding portion 54 of the mask 50,
The amorphous silicon semiconductor thin film does not melt and becomes a square unmelted region 25a.

【0150】その結果、正方形状の未溶融領域25aと
格子状の完全溶融領域25b〜25dとの境界25eに
おいて非晶質シリコン半導体が爆発的に結晶化して微細
な結晶粒が形成され、この微細な結晶粒を結晶成長核と
して、完全溶融領域25b〜25dに向かってラテラル
成長が起こる。そして、<100>方向および<010
>方向にそれぞれ沿った亜粒界によって区切られた4つ
の正方形状単結晶粒25gからなる正方形状の結晶領域
25dが形成される。
As a result, the amorphous silicon semiconductor is explosively crystallized at the boundary 25e between the square unmelted region 25a and the lattice-shaped completely melted regions 25b to 25d to form fine crystal grains. Lateral growth occurs toward the completely melted regions 25b to 25d by using such crystal grains as crystal growth nuclei. Then, the <100> direction and <010
A square crystal region 25d composed of four square single crystal grains 25g separated by sub-grain boundaries along the> direction is formed.

【0151】次に、図5に示すように、第1回目のレー
ザービーム照射時から、マスクの遮光部54のパターン
を(遮光部54の間隔i+遮光部54の幅j)/2だ
け、X方向およびY方向にそれぞれ移動させて、遮光部
54の投影パターン25fを4つの正方形状単結晶粒2
5gが形成されている結晶領域25dの中央部に配置
し、第2回目のレーザービーム照射を行う。これによっ
て、図6に示すように、既に形成された単結晶粒25g
を核として、完全溶融領域25a〜25cに向かってラ
テラル成長が起こる。完全溶融領域25bおよび25c
では、それぞれ、遮光部の投影パターン25fの各辺に
垂直にラテラル成長が起こり、<010>方向および<
100>方向に結晶が成長される。また、完全溶融領域
25dでは、遮光部の投影パターン25fの各コーナー
部から45°方向に向かってラテラル成長が起こる。こ
れによって、遮光部54の投影パターン25fによって
遮光された単結晶粒25gのそれぞれが拡大成長され
て、図1に示すように、<100>方向および<010
>方向にそれぞれ沿った亜粒界によって区切られた矩形
状の単結晶粒が、基板上に全面にわたって、または任意
の個数だけ連続して、互いに隙間無く配置されて形成さ
れる。
Next, as shown in FIG. 5, from the time of the first laser beam irradiation, the pattern of the light shielding portion 54 of the mask is X (interval i of the light shielding portion 54 + width j of the light shielding portion 54) / 2. The projection pattern 25f of the light-shielding portion 54 by moving the four square single-crystal grains 2 respectively.
The second laser beam irradiation is carried out by arranging it in the central portion of the crystal region 25d in which 5 g is formed. As a result, as shown in FIG. 6, 25 g of already formed single crystal grains
With n as a nucleus, lateral growth occurs toward the completely melted regions 25a to 25c. Fully melted areas 25b and 25c
Then, lateral growth occurs in each of the sides of the projection pattern 25f of the light-shielding portion perpendicularly to the <010> direction and <
Crystals are grown in the 100> direction. Further, in the completely melted region 25d, lateral growth occurs in the 45 ° direction from each corner of the projection pattern 25f of the light shielding part. As a result, each of the single crystal grains 25g shielded by the projection pattern 25f of the light shielding portion 54 is expanded and grown, and as shown in FIG. 1, the <100> direction and the <010> direction.
Rectangular single crystal grains separated by sub-grain boundaries along the> direction are formed on the entire surface of the substrate or continuously in an arbitrary number and are arranged without any gap therebetween.

【0152】半導体シリコン薄膜において、レーザービ
ームを1ショット照射したときに形成可能なラテラル成
長距離を考慮すると、例えば溶融領域51の線幅Lは2
μm以上5μm以下と設定される。また、2回のレーザ
ービーム照射によって複数の結晶領域を互いに隙間無く
形成する場合には、未溶融領域52の1辺の長さSはL
よりも小さく設定される。
Considering the lateral growth distance that can be formed in the semiconductor silicon thin film when one shot of the laser beam is applied, for example, the line width L of the molten region 51 is 2
It is set to be not less than μm and not more than 5 μm. Further, when a plurality of crystal regions are formed without gaps by laser beam irradiation twice, the length S of one side of the unmelted region 52 is L.
Is set smaller than.

【0153】本実施形態では、溶融領域51の線幅Lを
4μm、未溶融領域52の位置辺の長さSを3.6μm
とする。この形状の溶融領域51を形成するために、例
えば5:1の縮小投影系において、以下のような形状の
マスク50が使用される。
In this embodiment, the line width L of the melted region 51 is 4 μm, and the length S of the position side of the unmelted region 52 is 3.6 μm.
And In order to form the melted region 51 having this shape, a mask 50 having the following shape is used, for example, in a reduction projection system of 5: 1.

【0154】このマスク50において、透光部53の幅
i=遮光部54の間隔は20μm、遮光部54の一辺の
長さjは18μmに設定される。OPCパターン55が
正方形状である場合、OPCパターン55の1辺の長さ
gは矩形状遮光部54の1辺の長さjの1/5以上1/
2以下とされる。また、OPCパターン55のオフセッ
トh(遮光部54のコーナー部における頂点からOPC
パターン55の中心までの距離)と、OPCパターンの
1辺の長さgとが、(−1/2)×g<h<(1/2)
×gの関係を満たすように設定することが望ましい。本
実施形態では、一辺gが8μmである正方形状のOPC
パターン55を、遮光部54のコーナー部における頂点
と、OPCパターン55の中心とを一致させて、オフセ
ットh=0の状態に配置している。
In this mask 50, the width i of the transparent portion 53 = the interval between the light shielding portions 54 is set to 20 μm, and the length j of one side of the light shielding portion 54 is set to 18 μm. When the OPC pattern 55 has a square shape, the length g of one side of the OPC pattern 55 is ⅕ or more of the length j of one side of the rectangular light-shielding portion 54 and 1 /.
It is set to 2 or less. In addition, the offset h of the OPC pattern 55 (from the apex of the corner of the light shielding portion 54 to the OPC
The distance to the center of the pattern 55) and the length g of one side of the OPC pattern are (-1/2) * g <h <(1/2).
It is desirable to set so as to satisfy the relationship of xg. In this embodiment, a square OPC having a side g of 8 μm.
The pattern 55 is arranged in a state where the offset h = 0 with the apex of the corner portion of the light shielding portion 54 and the center of the OPC pattern 55 aligned.

【0155】以上のようにして形成された結晶性シリコ
ン半導体薄膜を用いて、通常の方法によって、図8
(b)に示すように、チャネル方向が<100>方向に
平行なトランジスタ83と、<010>方向に平行なト
ランジスタ84とを設けた半導体装置を作製することが
できる。
Using the crystalline silicon semiconductor thin film formed as described above, a conventional method shown in FIG.
As shown in (b), a semiconductor device including a transistor 83 whose channel direction is parallel to the <100> direction and a transistor 84 whose channel direction is parallel to the <010> direction can be manufactured.

【0156】なお、本実施形態5において、マスク50
における透光部53および遮光部54の形状は、上述し
た形状に限定されるものではなく、1ショットのレーザ
ービームの照射で形成可能なラテラル成長領域に応じ
て、最適なマスク形状を適宜設計することができる。ま
た、OPCパターン55の形状も、上述した形状に限定
されるものではなく、光学系の構成に応じて、最適なマ
スク形状を適宜設計することができる。
In the fifth embodiment, the mask 50 is used.
The shapes of the light-transmitting portion 53 and the light-shielding portion 54 are not limited to the above-described shapes, and an optimum mask shape is appropriately designed according to the lateral growth region that can be formed by irradiating a one-shot laser beam. be able to. Further, the shape of the OPC pattern 55 is not limited to the above-mentioned shape, and an optimum mask shape can be appropriately designed according to the configuration of the optical system.

【0157】[0157]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体薄膜にエネルギ
ービームを照射して溶融させた後、固化させることによ
って結晶性半導体薄膜を形成する方法において、完全溶
融領域と未溶融領域と、または完全溶融領域と部分溶融
領域とが接するように配置することによって、ラテラル
成長の核(シード)となる結晶を確保することができ
る。また、行方向および列方向に沿って一定の間隔を開
けて未溶融領域または部分溶融領域をマトリクス状に形
成し、完全溶融領域を格子状に形成して、矩形状の完全
溶融領域と未溶融領域との境界部、または完全溶融領域
と部分溶融領域との境界部から完全溶融領域に向かって
ラテラル成長させることによって、相互に隣接する未溶
融領域または部分溶融領域と、垂直方向に隣接する未溶
融領域または部分溶融領域の間に位置する完全溶融領域
と、水平方向に隣接する未溶融領域または部分溶融領域
の間に位置する完全溶融領域とで囲まれた矩形状の完全
溶融領域に、互いに直交するラテラル成長が交差する部
分を形成して、矩形状の単結晶粒からなる矩形状結晶領
域を高いスループットで形成することができる。このよ
うにして得られる矩形状の結晶領域において、ソースか
らドレインに向かうチャネル方向を<100>方向に平
行に設けたトランジスタと、<010>方向に平行に設
けたトランジスタとは、それぞれの素子特性を同等とす
ることができるので、高性能な半導体装置を実現するこ
とができる。
As described in detail above, according to the present invention,
In a method of forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidifying the amorphous semiconductor thin film, a completely melted region and an unmelted region, or a completely melted region is formed. By arranging the melted region and the partially melted region in contact with each other, it is possible to secure a crystal that serves as a nucleus (seed) for lateral growth. In addition, the unmelted regions or partially melted regions are formed in a matrix shape at regular intervals along the row direction and the column direction, and the completely melted regions are formed in a grid pattern to form rectangular completely melted regions and unmelted regions. By laterally growing from the boundary with the region or from the boundary between the completely melted region and the partially melted region toward the completely melted region, the unmelted region or the partially melted region adjacent to each other and the vertically adjacent unmelted region A rectangular completely melted region surrounded by a completely melted region located between the melted regions or the partially melted regions and a horizontally melted completely unmelted region or partially melted regions adjacent to each other, It is possible to form a rectangular crystal region composed of rectangular single crystal grains with a high throughput by forming a portion where the lateral growth intersects at right angles. In the rectangular crystal region thus obtained, the transistor provided with the channel direction from the source to the drain parallel to the <100> direction and the transistor provided parallel to the <010> direction have respective device characteristics. Can be made equal to each other, so that a high-performance semiconductor device can be realized.

【0158】また、本発明によれば、エネルギービーム
の照射経路に、1つまたは複数の直角に折れ曲がった部
分を有する透光部または遮光部が設けられたマスクを挿
入してラテラル成長領域を制御する方法において、その
直角に折れ曲がった部分のコーナー先端にOPCパター
ンが設けられたマスクを用いることによって、直角に折
れ曲がったビーム形状のコーナー部において光強度の鈍
りを改善すると共に、コーナー部中央において光の集中
を緩和することができる。これによって、Si膜とびを
抑制して所望のビーム形状を得ることができるので、完
全溶融領域においてラテラル成長を正確に制御すること
が可能となり、ガラス等の絶縁性基板上に、容易なレー
ザービーム走査方法によって、高品質な結晶性半導体薄
膜を形成して、高性能な半導体装置を実現することがで
きる。
Further, according to the present invention, a lateral growth region is controlled by inserting a mask having a light-transmitting portion or a light-shielding portion having one or more right-angled bent portions into the irradiation path of the energy beam. In the method described above, by using a mask having an OPC pattern provided at the corner tip of the portion bent at a right angle, the dullness of the light intensity is improved at the corner portion of the beam shape bent at a right angle, and the light intensity at the center of the corner portion is improved. The concentration of can be eased. As a result, it is possible to suppress the Si film skip and obtain a desired beam shape, so that it becomes possible to accurately control the lateral growth in the completely melted region, and an easy laser beam can be formed on an insulating substrate such as glass. By the scanning method, a high-quality crystalline semiconductor thin film can be formed and a high-performance semiconductor device can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施形態1の結晶性半導体薄膜における結晶粒
の構成を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of crystal grains in a crystalline semiconductor thin film according to a first embodiment.

【図2】実施形態1で用いられる結晶性半導体薄膜の形
成装置の概略構成を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a crystalline semiconductor thin film forming apparatus used in the first embodiment.

【図3】実施形態1で用いられる結晶性半導体薄膜の形
成用マスクのパターン例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a pattern example of a mask for forming a crystalline semiconductor thin film used in the first embodiment.

【図4】実施形態1の結晶性半導体薄膜の形成方法にお
いて、1回目のレーザービーム照射時に半導体薄膜上に
投影されるマスクパターンの配置とラテラル成長との関
係を説明するための模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the relationship between the layout and the lateral growth of the mask pattern projected on the semiconductor thin film during the first laser beam irradiation in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the first embodiment. .

【図5】実施形態1の結晶性半導体薄膜の形成方法にお
いて、2回目のレーザービーム照射時に半導体薄膜上に
投影されたマスクパターンの配置を説明するための模式
図である。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the arrangement of mask patterns projected on the semiconductor thin film during the second laser beam irradiation in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the first embodiment.

【図6】実施形態1の結晶性半導体薄膜の形成方法にお
いて、2回目のレーザービーム照射時に半導体薄膜上に
投影されたマスクパターンの配置とラテラル成長との関
係を説明するための模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the relationship between the layout and the lateral growth of the mask pattern projected on the semiconductor thin film during the second laser beam irradiation in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the first embodiment. .

【図7】実施形態1の結晶性半導体薄膜の形成方法にお
けるラテラル成長距離について説明するための図であ
る。
FIG. 7 is a diagram for explaining a lateral growth distance in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the first embodiment.

【図8】(a)は従来のSLS法によって形成された結
晶性半導体薄膜を用いて複数のTFTのチャネル方向が
互いに直交するように配置された半導体装置について説
明するための模式図であり、(b)は実施形態1の結晶
性半導体薄膜を用いて複数のTFTのチャネル方向が互
いに直交するように配置された半導体装置について説明
するための模式図である。
FIG. 8A is a schematic diagram for explaining a semiconductor device in which a plurality of TFTs are arranged so that channel directions thereof are orthogonal to each other using a crystalline semiconductor thin film formed by a conventional SLS method, (B) is a schematic diagram for explaining a semiconductor device in which the crystalline semiconductor thin film of Embodiment 1 is used and the plurality of TFTs are arranged such that their channel directions are orthogonal to each other.

【図9】実施形態2の結晶性半導体薄膜の形成方法につ
いて説明するための断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the second embodiment.

【図10】実施形態2の結晶性半導体薄膜の形成方法に
ついて説明するための断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the second embodiment.

【図11】実施形態3の結晶性半導体薄膜の形成方法に
おいて、1回目のレーザービーム照射時に形成される部
分溶融領域と完全溶融領域との配置とラテラル成長との
関係を説明するための模式図である。
FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the relationship between the lateral growth and the arrangement of partially melted regions and completely melted regions formed during the first laser beam irradiation in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the third embodiment. Is.

【図12】(a)および(b)は実施形態4の結晶性半
導体薄膜の形成用マスクのパターン例を示す模式図であ
る。
12A and 12B are schematic diagrams showing pattern examples of a mask for forming a crystalline semiconductor thin film according to the fourth embodiment.

【図13】実施形態4の結晶性半導体薄膜の形成方法に
おける半導体薄膜の溶融領域を示す模式図である。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a molten region of a semiconductor thin film in the method for forming a crystalline semiconductor thin film of Embodiment 4.

【図14】実施形態4の結晶性半導体薄膜の形成方法に
おけるビーム走査方向と形成される擬似単結晶の構成と
を示す模式図である。
FIG. 14 is a schematic diagram showing a beam scanning direction and a configuration of a pseudo single crystal to be formed in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the fourth embodiment.

【図15】実施形態4の結晶性半導体薄膜の形成方法に
おける鋸歯状コーナー部の光強度をシミュレーションし
た結果を示すグラフである。
FIG. 15 is a graph showing a result of simulating the light intensity of a sawtooth-shaped corner portion in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the fourth embodiment.

【図16】(a)および(b)は実施形態5の結晶性半
導体薄膜の形成用マスクのパターン例を示す模式図であ
る。
16A and 16B are schematic diagrams showing pattern examples of a mask for forming a crystalline semiconductor thin film according to the fifth embodiment.

【図17】実施形態5の結晶性半導体薄膜の形成方法に
おける半導体薄膜の溶融領域を示す模式図である。
FIG. 17 is a schematic diagram showing a molten region of a semiconductor thin film in the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to the fifth embodiment.

【図18】従来の結晶性半導体薄膜の形成方法における
鋸歯状コーナー部の光強度をシミュレーションした結果
を示すグラフである。
FIG. 18 is a graph showing a result of simulating the light intensity of a sawtooth-shaped corner portion in the conventional method for forming a crystalline semiconductor thin film.

【図19】従来の結晶性半導体薄膜の形成方法において
生じるSi膜とびを示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing a Si film jump that occurs in a conventional method for forming a crystalline semiconductor thin film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 結晶粒 12 結晶粒界 10 半導体薄膜が形成された基板 15、40、50 マスク 15a 遮光部 15b 透光部 25a1回目のレーザービーム照射時に遮光され、2回
目のレーザービーム照射時にレーザービームが照射され
てラテラル成長が起こる領域 25b、25c1回目および2回目のレーザービーム照
射時にレーザービームが照射されてラテラル成長が起こ
る領域 25d1回目のレーザービーム照射時にレーザービーム
が照射されてラテラル成長が起こり、矩形状単結晶粒が
形成される領域 25e1回目のレーザービーム照射時における完全溶融
領域と未溶融領域との境界 25f2回目のレーザービーム照射時に遮光される領域 25g、35g 矩形状単結晶粒 35a1回目のレーザービーム照射時に部分溶融され、
2回目のレーザービーム照射時に完全に溶融されてラテ
ラル成長が起こる領域 35b、35c1回目および2回目のレーザービーム照
射時に完全に溶融されてラテラル成長が起こる領域 35d1回目のレーザービーム照射時に完全に溶融され
てラテラル成長が起こり、矩形状単結晶粒が形成される
領域 41、51 溶融領域 42、52 未溶融領域 43、53 透光部 44、54 遮光部 45、46、55 OPCパターン 47 亜粒界 48 結晶粒 60、91 非晶質シリコン半導体薄膜 61 Si膜とび 71 レーザー 72 テレスコープ 73 ホモジナイザー 74 フィールドレンズ 75 マスク 76 プロジェクションレンズ 77 X−Yステージ 81、82、83、84 TFT 92、94 SiO2膜 93 Al膜
11 crystal grains 12 crystal grain boundaries 10 substrates 15, 40, 50 on which a semiconductor thin film is formed mask 15a light shielding portion 15b light transmitting portion 25a shielded during the first laser beam irradiation and irradiated during the second laser beam irradiation Areas 25b, 25c in which lateral growth occurs are irradiated with a laser beam during the first and second laser beam irradiations. Areas 25d in which lateral growth occurs During the first laser beam irradiation, lateral growth occurs and lateral growth occurs. Region 25e where crystal grains are formed 25e Boundary between completely melted region and unmelted region during first laser beam irradiation 25f Regions shielded during second laser beam irradiation 25g, 35g Rectangular single crystal grains 35a First laser beam irradiation Sometimes partially melted,
Regions 35b, 35c that are completely melted and laterally grown during the second laser beam irradiation. Regions 35b and 35c that are completely melted and laterally grown during the second laser beam irradiation are melted during the first laser beam irradiation. Lateral growth occurs and rectangular single crystal grains are formed 41, 51 Melted regions 42, 52 Unmelted regions 43, 53 Light transmitting parts 44, 54 Light shielding parts 45, 46, 55 OPC pattern 47 Subgrain boundary 48 Crystal grains 60, 91 Amorphous silicon semiconductor thin film 61 Si film jump 71 Laser 72 Telescope 73 Homogenizer 74 Field lens 75 Mask 76 Projection lens 77 XY stage 81, 82, 83, 84 TFT 92, 94 SiO 2 film 93 Al film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F052 AA02 BA01 BA08 BA12 BA18 BB07 CA04 CA10 DA02 FA01 JA01 5F110 AA01 BB01 BB10 BB11 DD02 DD13 GG02 GG13 GG15 GG17 GG25 GG35 PP03 PP04 PP05 PP06 PP11 PP24    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 5F052 AA02 BA01 BA08 BA12 BA18                       BB07 CA04 CA10 DA02 FA01                       JA01                 5F110 AA01 BB01 BB10 BB11 DD02                       DD13 GG02 GG13 GG15 GG17                       GG25 GG35 PP03 PP04 PP05                       PP06 PP11 PP24

Claims (24)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 矩形状の複数の結晶粒によって構成さ
れ、隣接する結晶粒が<100>方向および<010>
方向にそれぞれ沿った亜粒界によって区切られている結
晶性半導体薄膜。
1. A plurality of rectangular crystal grains are formed, and adjacent crystal grains have a <100> direction and a <010> direction.
A crystalline semiconductor thin film separated by subgrain boundaries along each direction.
【請求項2】 前記矩形状の複数の結晶粒が基板上に互
いに隙間なく、任意の個数だけ連続して、または、全面
にわたって配置されている請求項1に記載の結晶性半導
体薄膜。
2. The crystalline semiconductor thin film according to claim 1, wherein the plurality of rectangular crystal grains are arranged on the substrate in a continuous manner or in an arbitrary number continuously or over the entire surface without a gap.
【請求項3】 絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体
薄膜にエネルギービームを照射して溶融させた後、固化
させることによって結晶性半導体薄膜を形成する方法で
あって、 非晶質半導体薄膜に矩形状のエネルギービームを照射し
て、行方向および列方向に沿って一定の間隔を開けてマ
トリクス状に配置された複数の矩形状の未溶融領域また
は部分溶融領域を形成すると共に、格子状に完全溶融領
域を形成して、該完全溶融領域と該未溶融領域または該
完全溶融領域と該部分溶融領域との境界から完全溶融領
域に向かってラテラル成長させることによって、相互に
隣接する未溶融領域または部分溶融領域と、垂直方向に
隣接する未溶融領域または部分溶融領域の間に位置する
完全溶融領域と、水平方向に隣接する未溶融領域または
部分溶融領域の間に位置する完全溶融領域とによって囲
まれた矩形状の完全溶融領域に、4つの矩形状単結晶粒
からなる矩形状結晶領域を形成する結晶性半導体薄膜の
形成方法。
3. A method for forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidify the amorphous semiconductor thin film. Irradiating the thin film with a rectangular energy beam to form a plurality of rectangular unmelted regions or partially melted regions arranged in a matrix at regular intervals along the row and column directions, and also to form a lattice. By forming a completely melted region in the shape of a circle and laterally growing from the boundary between the completely melted region and the unmelted region or the completely melted region and the partially melted region toward the completely melted region. A melted or partially melted area, a completely melted area located between vertically adjacent unmelted or partially melted areas, and a horizontally adjacent unmelted or partially melted area A rectangular completely melted region surrounded by the completely melted region located between the band, the method of forming the crystalline semiconductor film to form a rectangular crystal region consisting of four rectangular single crystal grain.
【請求項4】 絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体
薄膜にエネルギービームを照射して溶融させた後、固化
させることによって結晶性半導体薄膜を形成する方法で
あって、 非晶質半導体薄膜にエネルギービームを照射して、行方
向および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の未
溶融領域または部分溶融領域をマトリクス状に形成する
と共に、格子状に完全溶融領域を形成して、該完全溶融
領域と該未溶融領域または該完全溶融領域と該部分溶融
領域との境界から完全溶融領域に向かってラテラル成長
させることによって、相互に隣接する未溶融領域または
部分溶融領域と、垂直方向に隣接する未溶融領域または
部分溶融領域の間に位置する完全溶融領域と、水平方向
に隣接する未溶融領域または部分溶融領域の間に位置す
る完全溶融領域とによって囲まれた矩形状の完全溶融領
域に、4つの矩形状単結晶粒からなる結晶領域を形成す
る第1のステップと、 該半導体薄膜にエネルギービームを照射して、該第1の
ステップで形成された矩形状結晶領域内に、矩形状の未
溶融領域または部分溶融領域を形成すると共に、格子状
に完全溶融領域を形成し、該完全溶融領域と該未溶融領
域または該完全溶融領域と該部分溶融領域との境界から
完全溶融領域に向かって結晶成長させることによって、
各矩形状単結晶粒を拡大成長させる第2のステップと、
を含む結晶性半導体薄膜の形成方法。
4. A method of forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidify the amorphous semiconductor thin film. The thin film is irradiated with an energy beam to form rectangular unmelted regions or partially melted regions in a matrix at regular intervals along the row and column directions, and to form a completely melted region in a grid. By the lateral growth from the boundary between the completely melted region and the unmelted region or the completely melted region and the partially melted region toward the completely melted region, the unmelted region or the partially melted region adjacent to each other, Fully melted area located between vertically adjacent unmelted or partially melted areas and completely melted area between horizontally adjacent unmelted or partially melted areas A first step of forming a crystal region composed of four rectangular single crystal grains in a rectangular completely melted region surrounded by a region, and irradiating the semiconductor thin film with an energy beam to perform the first step. Forming a rectangular unmelted region or a partially melted region in the rectangular crystal region formed by, and forming a completely melted region in a lattice pattern, the completely melted region and the unmelted region or the completely melted region. By growing crystals from the boundary between the partial melting region and the partial melting region,
A second step of expanding and growing each rectangular single crystal grain,
A method for forming a crystalline semiconductor thin film containing:
【請求項5】 エネルギービームの照射経路に、行方向
および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の遮光
部がマトリクス状に設けられ、格子状に遮光部が設けら
れたマスクを配置するか、前記半導体薄膜の上に、行方
向および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の金
属薄膜もしくは第2の半導体薄膜をマトリクス状に設け
るか、または、該半導体薄膜の上に、行方向および列方
向に沿って一定の間隔を開けて矩形状の開口部がマトリ
クス状に設けられた反射防止膜を設けることによって、
行方向および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状
の未溶融領域または部分溶融領域をマトリクス状に形成
すると共に、格子状に完全溶融領域を形成する請求項3
または請求項4に記載の結晶性半導体薄膜の形成方法。
5. A mask having rectangular light-shielding portions arranged in a matrix in the irradiation path of the energy beam at regular intervals along the row direction and the column direction, and the mask having the light-shielding portions arranged in a grid pattern is arranged. Alternatively, rectangular metal thin films or second semiconductor thin films are provided in a matrix on the semiconductor thin film at regular intervals along the row direction and the column direction, or on the semiconductor thin film. By providing an antireflection film in which rectangular openings are provided in a matrix at regular intervals along the row direction and the column direction,
4. A rectangular unmelted region or a partially melted region is formed in a matrix form at regular intervals along the row direction and the column direction, and a completely melted region is formed in a lattice form.
Alternatively, the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 4.
【請求項6】 前記マスクの遮光部、前記金属薄膜もし
くは第2の半導体薄膜、または前記反射防止膜の開口部
の一辺の長さを、隣接する該マスクの遮光部、該反射
膜、または該反射防止膜の開口部の間隔よりも小さく設
定し、前記第1のステップと前記第2のステップとで、
該マスクの遮光部、該金属薄膜もしくは第2の半導体薄
膜、または該反射防止膜の開口部を、(一辺の長さ+間
隔)/2だけ、X方向およびY方向にそれぞれ移動させ
て、該マスク、該金属薄膜もしくは第2の半導体薄膜、
または該反射防止膜を配置する請求項4に記載の結晶性
半導体薄膜の形成方法。
6. The light-shielding portion of the mask, the metal thin film or the second semiconductor thin film, or the length of one side of the opening of the antireflection film is set so that the light-shielding portion of the adjacent mask, the reflective film, or the It is set to be smaller than the distance between the openings of the antireflection film, and in the first step and the second step,
The light shielding portion of the mask, the metal thin film or the second semiconductor thin film, or the opening of the antireflection film is moved by (length of one side + interval) / 2 in the X direction and the Y direction, respectively, A mask, the metal thin film or the second semiconductor thin film,
Alternatively, the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 4, wherein the antireflection film is disposed.
【請求項7】 前記第1のステップと前記第2のステッ
プとで、マスクを保持しているビームマスクホルダーを
移動させることによって、前記マスクの遮光部をX方向
およびY方向にそれぞれ移動させる請求項6に記載の結
晶性半導体薄膜の形成方法。
7. The light-shielding portion of the mask is moved in the X direction and the Y direction by moving the beam mask holder holding the mask in the first step and the second step. Item 7. A method for forming a crystalline semiconductor thin film according to item 6.
【請求項8】 絶縁性基板上に設けられた非晶質半導体
薄膜にエネルギービームを照射して溶融させた後、固化
させることによって結晶性半導体薄膜を形成する方法で
あって、 エネルギービームの照射経路に、1つまたは複数の直角
に折れ曲がった部分を有する透光部または遮光部が設け
られ、該直角に折れ曲がった部分のコーナー先端にOP
C(Optical Proximity Correc
tion)パターンが設けられたマスクを配置すること
によって、半導体薄膜の溶融領域を、1つまたは複数の
直角に折れ曲がった部分を有する溶融領域を形成する結
晶性半導体薄膜の形成方法。
8. A method for forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidify the amorphous semiconductor thin film. The path is provided with a light-transmitting portion or a light-shielding portion having one or more right-angled bent portions, and OP is provided at a corner tip of the right-angled bent portions.
C (Optical Proximity Correc
section), a method for forming a crystalline semiconductor thin film, wherein a melted region of a semiconductor thin film is formed by arranging a mask provided with a pattern.
【請求項9】 鋸歯状の透光部が設けられ、鋸歯の頂点
部分にOPCパターンが設けられているマスクを用いる
か、または、行方向および列方向に沿って一定の間隔を
開けて矩形状の遮光部がマトリクス状に設けられ、格子
状に透光部が設けられ、格子の頂点部分にOPCパター
ンが設けられているマスクを用いる請求項8に記載の結
晶性半導体薄膜の形成方法。
9. A mask having a sawtooth light-transmitting portion and an OPC pattern provided at the apex of the sawtooth is used, or a rectangular shape is formed at regular intervals along the row and column directions. 9. The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 8, wherein the light-shielding portion is provided in a matrix, the light-transmitting portion is provided in a lattice, and an OPC pattern is provided at a vertex of the lattice.
【請求項10】 前記OPCパターンが正方形状であっ
て、該OPCパターンのオフセットhと、該OPCパタ
ーンの1辺の長さgとが、 (−1/2)×g<h<(1/2)×g の関係を満たすマスクを用いる請求項9に記載の結晶性
半導体薄膜の形成方法。
10. The OPC pattern has a square shape, and an offset h of the OPC pattern and a length g of one side of the OPC pattern are (−1/2) × g <h <(1 / The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein a mask that satisfies the relationship 2) × g 2 is used.
【請求項11】 前記鋸歯状の透光部が設けられている
マスクを用いて、半導体薄膜の完全溶融領域を、線幅a
が1μm以上5μm以下、頂角bが略90°、各頂点の
間隔cが15μm以下である鋸歯状に形成する請求項9
に記載の結晶性半導体薄膜の形成方法。
11. A completely melted region of a semiconductor thin film is formed with a line width a by using a mask provided with the sawtooth light-transmitting portion.
Is 1 μm or more and 5 μm or less, the apex angle b is approximately 90 °, and the spacing c between the vertices is 15 μm or less.
7. The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to.
【請求項12】 前記OPCパターンが正方形状であっ
て、該OPCパターンの1辺の長さgが、前記鋸歯状の
透光部の線幅dの1/5以上1/2以下であるマスクを
用いる請求項9に記載の結晶性半導体薄膜の形成方法。
12. A mask in which the OPC pattern has a square shape, and a length g of one side of the OPC pattern is ⅕ or more and ½ or less of a line width d of the sawtooth light transmitting portion. The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the method is used.
【請求項13】 前記鋸歯状の透光部が設けられている
マスクを用いて、エネルギービームを、半導体薄膜が膜
厚方向に完全に溶融される強度に調整して照射し、ショ
ット毎に、1ショットの溶融領域内に形成されるラテラ
ル成長距離よりも小さい距離だけ、半導体薄膜またはエ
ネルギービームを一定方向に移動させて、1方向に結晶
成長を行わせる請求項9に記載の結晶性半導体薄膜の形
成方法。
13. The mask is provided with the saw-toothed light-transmitting portion, and the energy beam is radiated by adjusting the intensity so that the semiconductor thin film is completely melted in the film thickness direction. The crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the semiconductor thin film or the energy beam is moved in a certain direction by a distance smaller than a lateral growth distance formed in one shot molten region to perform crystal growth in one direction. Forming method.
【請求項14】 前記格子状の透光部が設けられている
マスクを用いて、半導体薄膜の溶融領域を、線幅Lを2
μm以上5μm以下である格子状に形成し、未溶融領域
を、1辺の長さSがLよりも小さい矩形状に形成する請
求項9に記載の結晶性半導体薄膜の形成方法。
14. A molten region of a semiconductor thin film having a line width L of 2 using a mask provided with the lattice-shaped light-transmitting portion.
The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the crystalline semiconductor thin film is formed in a grid shape having a size of from 5 μm to 5 μm, and the unmelted region is formed into a rectangular shape having a side length S smaller than L.
【請求項15】 前記OPCパターンが正方形状であっ
て、該OPCパターンの1辺の長さgが、前記矩形状の
遮光部の1辺の長さjの1/5以上1/2以下であるマ
スクを用いる請求項9に記載の結晶性半導体薄膜の形成
方法。
15. The OPC pattern has a square shape, and a length g of one side of the OPC pattern is 1/5 or more and 1/2 or less of a length j of one side of the rectangular light-shielding portion. The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein a certain mask is used.
【請求項16】 前記格子状の透光部が設けられている
マスクにおける遮光部の一辺の長さjを、該マスクの遮
光部の開口部の間隔iよりも小さく設定して、ほぼ同一
の領域にエネルギービームを該マスクを介して2回照射
し、1回目の照射時と2回目の照射時とで、該マスクの
遮光部を、(i+j)/2だけ、X方向およびY方向に
それぞれ移動させて、該マスクを配置する請求項9に記
載の結晶性半導体薄膜の形成方法。
16. The mask is provided with the light-transmitting portion in the form of a grid, and the length j of one side of the light-shielding portion is set to be smaller than the interval i between the openings of the light-shielding portion of the mask, and the mask has substantially the same length. The region is irradiated with the energy beam twice through the mask, and the light-shielding portion of the mask is (i + j) / 2 in the X direction and the Y direction during the first irradiation and the second irradiation, respectively. The method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the mask is moved to dispose the mask.
【請求項17】 請求項9に記載の結晶性半導体薄膜の
形成方法によって形成される結晶性半導体薄膜であっ
て、複数の矩形状の結晶粒によって構成され、隣接する
結晶粒が<100>方向または<110>方向に沿った
亜粒界によって区切られており、該複数の矩形状の結晶
粒が基板上に互いに隙間なく、任意の個数だけ連続し
て、または、全面にわたって配置されている結晶性半導
体薄膜。
17. A crystalline semiconductor thin film formed by the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the crystalline semiconductor thin film is composed of a plurality of rectangular crystal grains, and adjacent crystal grains have a <100> direction. Alternatively, a crystal which is divided by sub-grain boundaries along the <110> direction and in which the plurality of rectangular crystal grains are arranged on the substrate in a continuous manner or in an arbitrary number continuously or over the entire surface. Thin semiconductor film.
【請求項18】 請求項9に記載の結晶性半導体薄膜の
形成方法によって形成される結晶性半導体薄膜であっ
て、複数の矩形状の結晶粒によって構成され、隣接する
結晶粒が<100>方向および<010>方向にそれぞ
れ沿った亜粒界によって区切られており、該複数の矩形
状の結晶粒が基板上に互いに隙間なく、任意の個数だけ
連続して、または、全面にわたって配置されている結晶
性半導体薄膜。
18. A crystalline semiconductor thin film formed by the method for forming a crystalline semiconductor thin film according to claim 9, wherein the crystalline semiconductor thin film is composed of a plurality of rectangular crystal grains, and adjacent crystal grains have a <100> direction. And a plurality of rectangular crystal grains, which are separated by sub-grain boundaries along the <010> direction and on the substrate, are arranged continuously or over the entire surface in any number without gaps. Crystalline semiconductor thin film.
【請求項19】 請求項2、請求項17または請求項1
8に記載の結晶性半導体薄膜を用いて、ソースからドレ
インへ向かうチャネル方向が<100>方向に平行なト
ランジスタと、<010>方向に平行なトランジスタと
が設けられている半導体装置。
19. A claim 2, a claim 17, or a claim 1.
8. A semiconductor device using the crystalline semiconductor thin film according to 8, wherein a transistor whose channel direction from a source to a drain is parallel to the <100> direction and a transistor whose channel direction is parallel to the <010> direction.
【請求項20】 絶縁性基板上に設けられた非晶質半導
体薄膜にエネルギービームを照射して溶融させた後、固
化させることによって結晶性半導体薄膜を形成するため
の装置であって、 非晶質半導体薄膜が設けられた基板を搭載するステージ
と、 エネルギービームを発生するエネルギービーム源とを具
備し、 エネルギービームの照射経路に、1つまたは複数の直角
に折れ曲がった部分を有する透光部または遮光部が設け
られ、該直角に折れ曲がった部分のコーナー先端にOP
Cパターンが設けられたマスクが配置されている結晶性
半導体薄膜の形成装置。
20. An apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film by irradiating an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate with an energy beam to melt and then solidify the amorphous semiconductor thin film, which is amorphous. A stage on which a substrate provided with a high quality semiconductor thin film is mounted, and an energy beam source for generating an energy beam, and a light transmitting portion having one or more bent portions at right angles in an irradiation path of the energy beam or A light-shielding portion is provided, and OP is provided at the corner tip of the bent portion at a right angle.
An apparatus for forming a crystalline semiconductor thin film, in which a mask having a C pattern is arranged.
【請求項21】 絶縁性基板上に設けられた非晶質半導
体薄膜にエネルギービームを照射して溶融させた後、固
化させることによって結晶性半導体薄膜を形成する際
に、エネルギービームの照射経路に配置されるマスクで
あって、 1つまたは複数の直角に折れ曲がった部分を有する透光
部または遮光部が設けられ、該直角に折れ曲がった部分
のコーナー先端にOPCパターンが設けられている結晶
性半導体薄膜の形成用マスク。
21. When an amorphous semiconductor thin film provided on an insulating substrate is irradiated with an energy beam to be melted and then solidified to form a crystalline semiconductor thin film, an irradiation path of the energy beam is used. A crystalline semiconductor in which a mask to be arranged is provided with a light-transmitting portion or a light-shielding portion having one or more right-angled bent portions, and an OPC pattern is provided at a corner tip of the right-angled bent portions. Mask for thin film formation.
【請求項22】 鋸歯状の透光部が設けられ、鋸歯の頂
点部分にOPCパターンが設けられているか、または、
行方向および列方向に沿って一定の間隔を開けて矩形状
の遮光部がマトリクス状に設けられ、格子状に透光部が
設けられ、格子の頂点部分にOPCパターンが設けられ
ている請求項21に記載の結晶性半導体薄膜の形成用マ
スク。
22. A sawtooth light-transmitting portion is provided, and an OPC pattern is provided at the top of the sawtooth, or
The rectangular light-shielding portions are provided in a matrix form at regular intervals along the row direction and the column direction, the light-transmitting portions are provided in a lattice shape, and the OPC pattern is provided at the apex portion of the lattice. 21. A mask for forming the crystalline semiconductor thin film according to 21.
【請求項23】 前記OPCパターンが正方形状であっ
て、該OPCパターンのオフセットhと、該OPCパタ
ーンの1辺の長さgとが、 (−1/2)×g<h<(1/2)×g の関係を満たす請求項22に記載の結晶性半導体薄膜の
形成用マスク。
23. The OPC pattern has a square shape, and an offset h of the OPC pattern and a length g of one side of the OPC pattern are (−1/2) × g <h <(1 / The crystalline semiconductor thin film formation mask according to claim 22, wherein the relationship of 2) × g 2 is satisfied.
【請求項24】 前記OPCパターンが正方形状であっ
て、該OPCパターンの1辺の長さgが、前記鋸歯状の
透光部の線幅dの1/5以上1/2以下であるか、また
は、該OPCパターンの1辺の長さgが、前記矩形状の
遮光部の1辺の長さjの1/5以上1/2以下である請
求項23に記載の結晶性半導体薄膜の形成用マスク。
24. The OPC pattern has a square shape, and the length g of one side of the OPC pattern is not less than ⅕ and not more than ½ of the line width d of the sawtooth light-transmitting portion. 24. The crystalline semiconductor thin film according to claim 23, wherein the length g of one side of the OPC pattern is ⅕ or more and ½ or less of the length j of one side of the rectangular light-shielding portion. Forming mask.
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