JP4581764B2 - Method for manufacturing thin film semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜太陽電池、TFT(Thin Film Transistor;薄膜トランジスタ)用基板等の半導体素子基板や半導体素子(以下、これらを薄膜半導体装置と総称する)を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor element substrate such as a thin film solar cell, a TFT (Thin Film Transistor) substrate, or a semiconductor element (hereinafter collectively referred to as a thin film semiconductor device).

近年、非導電性の異種基板、例えばガラス基板などの上にシリコン結晶薄膜を形成する研究が盛んに行なわれている。この異種基板上に形成した結晶シリコン薄膜の用途は広く、TFT、薄膜太陽電池などに用いることができる。   In recent years, research on forming a silicon crystal thin film on a non-conductive heterogeneous substrate such as a glass substrate has been actively conducted. The crystalline silicon thin film formed on this heterogeneous substrate can be used widely for TFTs, thin film solar cells and the like.

薄膜太陽電池は、安価な基板上に低温プロセスで良好な結晶性をもつ結晶シリコン薄膜を形成し、これを光電変換装置に用いて、低コスト化と高性能化を図るものである。この結晶シリコン薄膜を太陽電池に用いることによって、非晶質シリコンからなる太陽電池で問題となっている光劣化が観測されず、さらに非晶質シリコンからなる太陽電池では感度のない、長波長光をも電気的エネルギーに変換することができる。この技術は太陽電池のみならず、光センサなどの光電変換素子への応用も可能であると期待されている。   A thin-film solar cell is formed by forming a crystalline silicon thin film having good crystallinity on an inexpensive substrate by a low-temperature process, and using this for a photoelectric conversion device, thereby reducing cost and improving performance. By using this crystalline silicon thin film for a solar cell, long-wavelength light that is not sensitive to solar cells made of amorphous silicon is not observed. Can also be converted into electrical energy. This technology is expected to be applicable not only to solar cells but also to photoelectric conversion elements such as optical sensors.

この結晶シリコン薄膜からなる太陽電池には、一般的にプラズマCVD法によって直接、結晶シリコン薄膜を堆積させる手法が用いられている。この手法によって、基板上に低温で結晶シリコン薄膜を形成できることが知られており、低コスト化に有効であるとされている。   A solar cell made of this crystalline silicon thin film generally uses a technique of directly depositing a crystalline silicon thin film by a plasma CVD method. It is known that a crystalline silicon thin film can be formed on a substrate at a low temperature by this method, and is said to be effective for cost reduction.

このプラズマCVD法においては、形成条件を、水素でシラン系原料ガスを15倍程度以上に希釈し、プラズマ反応室内圧力を10mTorr〜10Torr、基板温度を150℃〜550℃、望ましくは400℃以下の範囲内とすることにより成膜する。これによって、結晶シリコン薄膜が基板上に形成される。しかし、この方法では結晶粒径は高々数μmで膜厚以上に粒径を大きくすることは困難である。その上、この方法では基板上から柱状の結晶が成長するが、その結晶内部には欠陥が多く存在し、結晶の質としてもさほど良いものではない。また、発電機能の根幹を担うi層は、素子構造最適化のためにドーピングを行なうと品質が急激に低下する。これらのことから、光電変換素子としては低コスト化に有利なシングルセルで10%を大きく上回る効率を達成することは困難であった。また、多結晶シリコンとしては、移動度が10cm2/Vsを超えることが困難であった。 In this plasma CVD method, the silane-based source gas is diluted about 15 times or more with hydrogen, the pressure in the plasma reaction chamber is 10 mTorr to 10 Torr, the substrate temperature is 150 ° C. to 550 ° C., preferably 400 ° C. or less. The film is formed by setting it within the range. Thereby, a crystalline silicon thin film is formed on the substrate. However, with this method, the crystal grain size is at most several μm, and it is difficult to increase the grain size beyond the film thickness. Moreover, in this method, columnar crystals grow on the substrate, but there are many defects inside the crystals, and the quality of the crystals is not so good. In addition, the quality of the i layer, which is the basis of the power generation function, is drastically lowered when doping is performed to optimize the device structure. For these reasons, it has been difficult for a photoelectric conversion element to achieve an efficiency significantly exceeding 10% with a single cell advantageous for cost reduction. In addition, it has been difficult for polycrystalline silicon to have a mobility exceeding 10 cm 2 / Vs.

一方、レーザの走査によって結晶シリコンを形成する試みも種々検討されており、連続波レーザを用いる方法が特開平2001−351863号公報(特許文献1)に開示されている。この方法は異種基板上に非晶質シリコンを形成し、帯状の連続光源を走査することで多結晶シリコンに熔融・結晶化するもので、走査方向に長い結晶粒を成長させることを可能としている。   On the other hand, various attempts to form crystalline silicon by laser scanning have been studied, and a method using a continuous wave laser is disclosed in JP-A-2001-351863 (Patent Document 1). This method forms amorphous silicon on a heterogeneous substrate, and melts and crystallizes into polycrystalline silicon by scanning a strip-like continuous light source, making it possible to grow long crystal grains in the scanning direction. .

この連続波レーザを用いて結晶化を行なう場合、Nd:YAGやNd:YVO4等の固体レーザを用いることが試みられている。これら固体レーザを用いることで、ランニングコストを大幅に低下させると同時に品質の高い多結晶シリコンを形成することが可能となった。 When crystallization is performed using this continuous wave laser, it has been attempted to use a solid-state laser such as Nd: YAG or Nd: YVO 4 . By using these solid-state lasers, it has become possible to significantly reduce running costs and at the same time form high-quality polycrystalline silicon.

上記したように、従来、非晶質シリコンに連続波(CW)レーザ光を照射して結晶化する方法が提案されており、この方法では連続発振するNd:YAGもしくはNd:YVO4レーザの第二高調波を照射する。この方法はディスプレイ用TFT基板向けに開発が進められている。従って、表面にはMOSFETを形成することから平坦であることが求められており、固体レーザ光を用いることで非常に平坦にできることが報告されている(例えば、非特許文献1)。 As described above, a method for crystallizing amorphous silicon by irradiating it with continuous wave (CW) laser light has been proposed. In this method, the first of a continuous oscillation Nd: YAG or Nd: YVO 4 laser is proposed. Irradiate the second harmonic. This method is being developed for display TFT substrates. Therefore, it is required to be flat because a MOSFET is formed on the surface, and it has been reported that it can be made extremely flat by using solid laser light (for example, Non-Patent Document 1).

また、光吸収層を用いてYAGレーザの基本波で加熱する方法が提案されている。この方法を用いることで上記第二高調波を用いる方法よりも効率良く大粒径多結晶シリコン膜が得られるとされている(例えば、非特許文献2)。   Further, a method of heating with a fundamental wave of a YAG laser using a light absorption layer has been proposed. By using this method, it is said that a polycrystalline silicon film having a large grain size can be obtained more efficiently than the method using the second harmonic (for example, Non-Patent Document 2).

さらに特開平2003−68644号公報(特許文献2)には、複数のパルスレーザを用いてシリコン薄膜を融解、結晶化させる方法について開示されている。この方法は、第1のパルスレーザで一旦融解、結晶化させた箇所に、第2の弱いパルスレーザ光を照射することで、結晶粒を横方向に成長させ、且つこの工程を横方向にずらしながら反復して実施することで、横方向に長い結晶を成長させることを可能としたものである。
特開平2001−351863号公報 特開平2003−68644号公報 電子情報通信学会論文誌vol.j85−cNo.8(2002)p601 第63回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集(2002.9新潟大学)第二分冊26a−G−6(p780)
Furthermore, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-68644 (Patent Document 2) discloses a method for melting and crystallizing a silicon thin film using a plurality of pulse lasers. This method irradiates a second weak pulse laser beam to a portion once melted and crystallized by the first pulse laser to grow crystal grains in the lateral direction and shift this process in the lateral direction. However, iteratively, it is possible to grow a crystal that is long in the lateral direction.
JP 2001-351863 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-68644 IEICE Transactions vol. j85-cNo. 8 (2002) p601 The 63rd Joint Conference on Applied Physics Lecture Proceedings (2002.9 Niigata University) Second Volume 26a-G-6 (p780)

しかしながら、従来技術においては、膜中にクラックが発生し易いという問題がある。   However, the conventional technique has a problem that cracks are likely to occur in the film.

詳述するに、上記のように非晶質シリコン等のプリカーサ膜を直接加熱して融解するレーザ光としては、上記Nd:YAGやNd:YVO4レーザの第二高調波を用いた方法や、パルスレーザであるエキシマレーザを用いて結晶化させる方法が試みられている。 In detail, as the laser beam for directly heating and melting the precursor film such as amorphous silicon as described above, a method using the second harmonic of the Nd: YAG or Nd: YVO 4 laser, Attempts have been made to crystallize using an excimer laser, which is a pulsed laser.

しかし、上記レーザ光を用いて非晶質シリコン膜を融解・結晶化させる方法で太陽電池など、1μmを超える膜厚を結晶化させる場合、1μmを一回の照射で融解させて結晶化させると膜中にクラックが発生する。   However, when crystallizing a film thickness exceeding 1 μm, such as a solar cell, by melting and crystallizing the amorphous silicon film using the laser beam, if 1 μm is melted and crystallized by a single irradiation, Cracks occur in the film.

この原因として、次のように考えられる。レーザ光照射によってプリカーサ膜が融解し、冷却されることによって結晶化する際に、上部のシリコン膜は融点を超えるような温度領域から常温まで温度変化する。これに対して透明基板を用いた場合は、レーザ光による直接加熱は期待できない為、加熱されたシリコン膜からの伝熱のみによって加熱される。しかし一般的にレーザ光で結晶化させる場合は数ミリ秒以下のレーザ光照射時間である為、ほとんど加熱されない状態で上部のシリコン膜が融点から冷却されることとなる。この薄膜と基板の温度変化の差によって薄膜には引張応力が掛かる。この応力が薄膜の臨界引張応力を超えると薄膜にはクラックが生じる。臨界引張応力は薄膜の膜厚の平方根に反比例することから、膜が厚くなる程クラックが生じ易くなる。   This is considered as follows. When the precursor film is melted by laser light irradiation and is crystallized by being cooled, the temperature of the upper silicon film changes from a temperature range exceeding the melting point to room temperature. On the other hand, when a transparent substrate is used, direct heating with a laser beam cannot be expected, and thus heating is performed only by heat transfer from the heated silicon film. However, in general, when crystallization is performed with a laser beam, the irradiation time of the laser beam is several milliseconds or less, so that the upper silicon film is cooled from the melting point in a state of being hardly heated. A tensile stress is applied to the thin film due to a difference in temperature change between the thin film and the substrate. If this stress exceeds the critical tensile stress of the thin film, the thin film will crack. Since the critical tensile stress is inversely proportional to the square root of the film thickness, cracks are more likely to occur as the film becomes thicker.

一般に結晶シリコン薄膜を使用した薄膜太陽電池を作製する場合、十分な光吸収を行うために、2μm程度以上の膜厚を必要とする。しかし、TFT用の多結晶シリコン膜の作製に用いられているレーザ光を使用すると、500nm程度の膜厚でもクラックが生じる。クラックが生じた膜を太陽電池素子に用いるとクラックの端面から流れるリーク電流が極端に多くなる。さらにひどい場合には短絡し、pn素子として機能しない。太陽電池用の多結晶シリコン膜を作製する上でクラックフリーの厚膜な多結晶シリコン膜を作製することは必須条件である。   In general, when a thin film solar cell using a crystalline silicon thin film is produced, a film thickness of about 2 μm or more is required in order to perform sufficient light absorption. However, when the laser beam used for the production of the polycrystalline silicon film for TFT is used, cracks occur even at a film thickness of about 500 nm. When a film having cracks is used for a solar cell element, the leakage current flowing from the end face of the cracks is extremely increased. In a more severe case, it is short-circuited and does not function as a pn element. In order to produce a polycrystalline silicon film for a solar cell, it is an essential condition to produce a crack-free thick polycrystalline silicon film.

横型デバイス、例えばTFT用多結晶シリコン薄膜を作製する場合は、さらに重要である。横型デバイスは横方向にキャリアが移動する。TFTの場合は、ソースとドレインの間に形成されるチャネル部にキャリアが流れることで、電流を制御する。このチャネルは、多結晶シリコン薄膜の表面近傍でゲート電圧によって反転することで形成される。従って、膜にクラックが存在すると、キャリアが走行することは全く不可能となる。   It is even more important when producing a lateral device, for example a polycrystalline silicon thin film for TFT. In the horizontal device, the carrier moves in the horizontal direction. In the case of a TFT, current is controlled by carriers flowing through a channel portion formed between a source and a drain. This channel is formed by reversal by the gate voltage near the surface of the polycrystalline silicon thin film. Therefore, if there is a crack in the film, the carrier cannot travel at all.

バイポーラトランジスタを作製する場合についてもキャリアが横方向に走行することが困難であるため使用することは不可能である。特にプレーナ型のバイポーラトランジスタを多結晶シリコン薄膜を使用して作製する場合は、膜厚を厚くする必要がある。プレーナ型バイポーラトランジスタはイオン注人もしくは拡散によって表面からpnpもしくはnpnの構造を作製する。この時、膜厚が数十nm程度の薄い膜であると、縦方向に上記の構造を作製することが困難である。ガラス基板上の多結晶シリコン薄膜を使用する場合、ドーピングを行うには高温プロセスを使用することができないことから、イオン注入を用いる必要がある。イオン注入で急峻なpnp接合を作製するには、少なくとも数μm程度の膜厚が必要である。従って、レーザアニールでバイポーラトランジスタを作製するには、一般にTFTで使用されている数十nmの膜厚よりも桁で厚い膜厚を結晶化させる必要がある。   Even in the case of manufacturing a bipolar transistor, it is difficult to use the carrier because it is difficult for the carrier to travel in the lateral direction. In particular, when a planar bipolar transistor is manufactured using a polycrystalline silicon thin film, it is necessary to increase the film thickness. A planar bipolar transistor forms a pnp or npn structure from the surface by ion implantation or diffusion. At this time, if the film thickness is as thin as several tens of nm, it is difficult to produce the above structure in the vertical direction. When using a polycrystalline silicon thin film on a glass substrate, it is necessary to use ion implantation because a high temperature process cannot be used for doping. In order to produce a steep pnp junction by ion implantation, a film thickness of at least several μm is required. Therefore, in order to fabricate a bipolar transistor by laser annealing, it is necessary to crystallize a film thickness that is several orders of magnitude thicker than a film thickness of several tens of nm that is generally used for TFTs.

これらレーザアニールで形成した多結晶シリコン薄膜を各種デバイスに適用するに当たり、厚い膜厚の結晶化を行う必要があるが、上記の問題によるクラックの発生のために使用可能な膜を作製することが不可能であった。   In applying these polycrystalline silicon thin films formed by laser annealing to various devices, it is necessary to perform crystallization with a large film thickness, but it is possible to produce a film that can be used for the generation of cracks due to the above problems. It was impossible.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、クラックを生じさせることなく、レーザアニールで厚膜の多結晶シリコン膜をガラス基板等の異種基板上に作製することを可能とする薄膜半導体装置の製造方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems and to make a thin polycrystalline silicon film on a heterogeneous substrate such as a glass substrate by laser annealing without causing cracks. It is in providing the manufacturing method of.

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、異種基板上に形成されたシリコンを主成分とする膜に連続発振するレーザ光を走査させることにより熱処理を行い、該シリコンを主成分とする膜を融解、結晶化を行う薄膜半導体装置の製造方法において、上記異種基板は上記レーザ光に対して透明なガラス基板からなり、上記シリコンを主成分とする膜は250nm以上に形成され、上記レーザ光は、レーザ光強度の強い領域と、レーザ光強度の弱い領域とからなり、該レーザ光強度の強い領域は、該レーザ光強度の弱い領域よりも走査方向の長さが短く、且つレーザ光を走査させる際、上記レーザ光強度の弱い領域を上記シリコンを主成分とする膜に照射し、上記シリコンを主成分とする膜からの伝熱により上記透明なガラス基板の温度を300℃を超えて上昇させ、600℃以下の温度まで加熱した後、レーザ光強度の強い領域を上記シリコンを主成分とする膜に照射し融解、結晶化を行うことを特徴とする。 In the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention, heat treatment is performed by scanning continuously oscillating laser light on a silicon-based film formed on a different substrate, and the silicon-based film is formed. In the method of manufacturing a thin film semiconductor device that performs melting and crystallization, the heterogeneous substrate is made of a glass substrate that is transparent to the laser beam, the silicon-based film is formed to have a thickness of 250 nm or more, and the laser beam is The region having a high laser beam intensity and the region having a low laser beam intensity have a shorter length in the scanning direction than the region having the low laser beam intensity and scan the laser beam. when to, 30 the temperature of the transparent glass substrate by heat transfer from the film to a weak region the laser beam intensity irradiated to a film mainly containing the silicon, as a main component the above silicon ° C. is raised beyond, after heating to a temperature of 600 ° C. or less, a strong area of the laser light intensity is irradiated to the film mainly composed of the silicon melt, and carrying out crystallization.

上記薄膜半導体装置の製造方法において、レーザ光強度の弱い領域の照射による加熱では、上記透明なガラス基板の温度は450℃を超えない構成としてもよい。 In the method for manufacturing a thin film semiconductor device, the temperature of the transparent glass substrate may not exceed 450 ° C. by heating by irradiation of a region having a weak laser beam intensity .

上記薄膜半導体装置の製造方法において、上記透明なガラス基板とシリコンを主成分とする膜の間には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、またはこれらを積層させた熱緩衝層が形成してもよい。 In the method for manufacturing a thin film semiconductor device, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a thermal buffer layer in which these are laminated is provided between the transparent glass substrate and a film containing silicon as a main component. It may be formed .

上記薄膜半導体装置の製造方法において、熱緩衝層とシリコンを主成分とする膜の間にはタングステンもしくはモリブデンからなる電極層を形成してもよい。 In the method for manufacturing a thin film semiconductor device, an electrode layer made of tungsten or molybdenum may be formed between the thermal buffer layer and the film containing silicon as a main component .

上記薄膜半導体装置の製造方法において、上記レーザ光の走査方向に垂直な方向のレーザ光強度が均一になるようホモジナイザを取り付け、上記レーザ光走査を行ってもよい。 In the method of manufacturing the thin film semiconductor device, the laser beam scanning may be performed by attaching a homogenizer so that the laser beam intensity in a direction perpendicular to the laser beam scanning direction is uniform.

<発明の要点>
本発明は以下の構成からなる。
<Key points of the invention>
The present invention has the following configuration.

本発明では、図1(a)に示すように異種基板01上に、シリコンを主成分とする膜として非晶質シリコン膜03が形成されたサンプルにレーザ光12を照射し、レーザアニールによって溶融・結晶化して多結晶シリコン膜03aとする方法において、レーザ光12は図1(b)に示すように2つのレーザ光領域13、14から構成され、一方の領域14は他方の領域13よりもレーザ光強度の強い領域(レーザ光エネルギー密度の高い領域)とする。   In the present invention, as shown in FIG. 1A, a sample in which an amorphous silicon film 03 having silicon as a main component is formed on a heterogeneous substrate 01 is irradiated with laser light 12 and melted by laser annealing. In the method of crystallizing the polycrystalline silicon film 03a, the laser beam 12 is composed of two laser beam regions 13 and 14 as shown in FIG. 1B, and one region 14 is more than the other region 13. A region having a high laser beam intensity (a region having a high laser beam energy density) is used.

レーザ光強度の強い領域(レーザ光エネルギー密度の高い領域)14とレーザ光強度の弱い領域(レーザ光エネルギー密度の低い領域)13を形成する方法としては、一方の領域14のレーザ光照射領域を小さくすることでレーザ光エネルギー密度を高くし、他方の領域13はレーザ光照射領域を広くすることでレーザ光エネルギー密度を低くする方法がある。このようにしてレーザ光照射領域に差を設けた上で、エネルギー密度の高いレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域14)のレーザ光パワーを大きくすることで、その差をより大きくすることが可能である。それぞれの領域(レーザ光強度の弱い領域13、レーザ光強度の強い領域14)のレーザ光の形状には特に制限はなく、図1にサンプルの移動方向Xとして示す走査方向や走査方向に垂直な方向にガウス分布を有した形状に加工することが容易であるが、それ以外にも走査方向に垂直な向きに均一な形状を有するレーザ光を使用してもよい。   As a method of forming the region 14 with high laser beam intensity (region with high laser beam energy density) and the region 13 with low laser beam intensity (region with low laser beam energy density), the laser beam irradiation region of one region 14 is There is a method in which the laser beam energy density is increased by reducing the laser beam energy density, and the laser beam energy density of the other region 13 is decreased by expanding the laser beam irradiation region. In this way, by providing a difference in the laser beam irradiation region, and increasing the laser beam power in the laser beam region having a high energy density (region 14 having a high laser beam intensity), the difference can be further increased. Is possible. There is no particular limitation on the shape of the laser light in each of the regions (the region 13 where the laser light intensity is weak and the region 14 where the laser light intensity is strong). Although it is easy to process into a shape having a Gaussian distribution in the direction, laser light having a uniform shape in a direction perpendicular to the scanning direction may be used.

上記レーザ光の光源であるレーザ光源15にはNd:YVO4レーザを用いることができるが、このレーザ光源15に限ったものではなく、非晶質シリコン膜もしくは結晶シリコン膜を融解させることができる波長の光であればなんでもよい。具体的には半導体レーザ、Nd:YAGレーザ、He−Neレーザ、エキシマレーザ等が使用可能である。本方式は連続発振するレーザ光を用いることが望ましい。 An Nd: YVO 4 laser can be used as the laser light source 15 that is the light source of the laser light, but is not limited to the laser light source 15, and an amorphous silicon film or a crystalline silicon film can be melted. Any light having a wavelength may be used. Specifically, a semiconductor laser, an Nd: YAG laser, a He—Ne laser, an excimer laser, or the like can be used. In this method, it is desirable to use continuously oscillating laser light.

上記のような2つのレーザ光領域13、14を有するレーザ光12を使用してレーザ光照射を実施するにあたり、非晶質シリコン膜03はレーザ光強度の弱い領域13で始めに加熱され、その後、レーザ光強度の強い領域14で加熱される方向に走査する。この順でレーザ光12を照射することで、より厚い膜厚をクラックを生じさせることなく結晶化させることが可能である。   In performing laser beam irradiation using the laser beam 12 having the two laser beam regions 13 and 14 as described above, the amorphous silicon film 03 is first heated in the region 13 where the laser beam intensity is weak, and then The scanning is performed in the heating direction in the region 14 where the laser light intensity is high. By irradiating the laser beam 12 in this order, a thicker film thickness can be crystallized without causing cracks.

非晶質シリコン/ガラスもしくは石英などの透明な異種基板の構造をレーザ光で加熱する際、低いエネルギー密度のレーザ光で長時間加熱する場合と、高いエネルギー密度のレーザ光で短時間加熱する場合とを比較すると、同じエネルギー量を用いた場合、低いエネルギー密度で長時間加熱する方が、ガラスなどの異種基板の温度勾配が緩やかとなる。これは長時間加熱する方が加熱中に伝熱の影響が大きくなることによる。   When heating the structure of a transparent heterogeneous substrate such as amorphous silicon / glass or quartz with a laser beam, when heating for a long time with a laser beam with a low energy density, or when heating with a laser beam with a high energy density for a short time If the same amount of energy is used, the temperature gradient of the dissimilar substrate such as glass becomes gentler when heating at a lower energy density for a longer time. This is because the effect of heat transfer becomes larger during heating for a longer time.

この知見は熱解析によって明らかにできる。図2は、一定のエネルギー量を短時間(10nm)で照射した場合と長時間(100nm)で照射した場合における、加熱終了時の温度分布の解析結果を示したものである。照射する試料は非晶質シリコン膜(膜厚:1μm)に石英からなる異種基板(厚さ:1mm)を仮定した。短時間照射した場合は基板表面側の温度勾配が急峻であり、長時間照射した場合はなだらかになっていることが分かる。   This finding can be clarified by thermal analysis. FIG. 2 shows the analysis results of the temperature distribution at the end of heating when a certain amount of energy is irradiated for a short time (10 nm) and when irradiated for a long time (100 nm). The sample to be irradiated was assumed to be an amorphous silicon film (film thickness: 1 μm) and a heterogeneous substrate (thickness: 1 mm) made of quartz. It can be seen that the temperature gradient on the substrate surface side is steep when irradiated for a short time, and becomes gentle when irradiated for a long time.

通常、レーザ光によるシリコンの結晶化は数nsec〜数μsec程度のレーザ光照射を用いることが一般的である。この程度のレーザ光照射時間では基板全体に熱量が均一に分布せず、基板温度は内部で勾配を持つ。上記数nsec〜数μsecのレーザ光照射時間内では、非晶質シリコン膜の膜厚が1μm以下の場合、基板表面より数十μmよりも深い位置では常温であり、非晶質シリコン膜からの熱は伝わっていない。   In general, the crystallization of silicon by laser light generally uses laser light irradiation of about several nsec to several μsec. With such a laser beam irradiation time, the amount of heat is not uniformly distributed over the entire substrate, and the substrate temperature has an internal gradient. When the film thickness of the amorphous silicon film is 1 μm or less within the laser beam irradiation time of several nsec to several μsec, the film is at room temperature at a position deeper than several tens of μm from the substrate surface. The heat is not transmitted.

一方、非晶質シリコン膜が融解する温度まで上昇した場合、非晶質シリコン膜は1400℃を超える温度に達する。従って基板の表面側から数十μmの間で1400℃程度の温度差があることとなる。この状態から融解したシリコン膜は冷却されることで凝固し、常温となる。この過程でシリコン膜は熱収縮をする。これに対して、基板の温度上昇は200〜300℃であることから、シリコン膜と比較するとほとんど熱収縮しない。この時にシリコン膜にかかる引張応力によってクラックが生じる。この引張応力は温度差が大きいほど大きくなることから、基板側の温度が高くなるようにする必要がある。そのためには温度勾配が小さくなるように長時間かけて加熱する必要がある。   On the other hand, when the temperature rises to a temperature at which the amorphous silicon film melts, the amorphous silicon film reaches a temperature exceeding 1400 ° C. Therefore, there is a temperature difference of about 1400 ° C. between several tens of μm from the surface side of the substrate. The silicon film melted from this state is solidified by cooling and becomes room temperature. In this process, the silicon film undergoes thermal contraction. On the other hand, since the temperature rise of the substrate is 200 to 300 ° C., it hardly heat shrinks as compared with the silicon film. At this time, a crack is generated by the tensile stress applied to the silicon film. Since the tensile stress increases as the temperature difference increases, it is necessary to increase the temperature on the substrate side. For that purpose, it is necessary to heat for a long time so that a temperature gradient becomes small.

しかし、できるだけ長時間加熱するとよいというわけではない。非常にゆっくりと加熱した場合は、十分に伝熱する時間があるため基板の温度も上昇する。非晶質シリコン膜が融解する温度までゆっくりと加熱した場合は、基板の温度も同様の温度にまで上昇してしまう。安価なガラス基板を使用する場合は最高でも600℃程度、望ましくは450℃以上にできないことから、ゆっくり加熱するにも限界がある。   However, it is not always good to heat as long as possible. When heated very slowly, the temperature of the substrate also rises because there is sufficient time for heat transfer. When it is slowly heated to a temperature at which the amorphous silicon film melts, the temperature of the substrate also rises to a similar temperature. In the case of using an inexpensive glass substrate, since it cannot be raised to about 600 ° C., desirably 450 ° C. or higher, there is a limit to the slow heating.

そこで、基板の表面付近の温度を600℃以下の温度まで上昇させ、且つ基板中の温度勾配をできるだけ小さくするようなレーザ光(レーザ光強度の弱い領域13)を照射し、基板温度を上げておく。その後、非晶質シリコン膜のみを一気に融解させる、短時間でエネルギー密度の高いレーザ光(レーザ光強度の強い領域14)を照射する。   Therefore, the temperature in the vicinity of the surface of the substrate is raised to a temperature of 600 ° C. or lower, and the substrate is irradiated with a laser beam (region 13 where the laser beam intensity is weak) that minimizes the temperature gradient in the substrate. deep. Thereafter, a laser beam with high energy density (region 14 having a high laser beam intensity) is irradiated in a short time to melt only the amorphous silicon film at once.

このように、基板温度を上昇させるレーザ光照射(レーザ光強度の弱い領域13)と非晶質シリコンを融解させるレーザ光照射(レーザ光強度の強い領域14)の二回に分けることで、より厚い膜厚までクラックを生じさせずに結晶化させることが可能となる。   In this way, the laser beam irradiation (region 13 with low laser beam intensity) that raises the substrate temperature and the laser beam irradiation (region 14 with high laser beam intensity) that melts amorphous silicon can be divided into two times. It is possible to crystallize a thick film without causing cracks.

基板温度を上昇させるレーザ光(レーザ光強度の弱い領域13)の照射は一回の照射で行うことに限定するものではなく、何回かに分けて照射してもよい。また、非晶質シリコンを融解させるレーザ光(レーザ光強度の強い領域14)の照射についても一回の照射に限るものではない。   Irradiation with a laser beam for raising the substrate temperature (region 13 where the laser beam intensity is weak) is not limited to being performed once, and may be performed in several times. Further, the irradiation with the laser beam for melting the amorphous silicon (region 14 having a high laser beam intensity) is not limited to one irradiation.

上記のレーザ光照射の方法に加えて、クラックを生じさせない為には更なる工夫が必要である。上記の方法を用いると、基板の表面近傍付近は600℃を超える高温になる。低価格なボロンガラスからなる基板を用いるとガラス中の不純物がシリコン中に拡散する。特に600℃程度まで基板温度を上昇させた上で融解させることから、ガラス基板とシリコン膜が高温で接触している時間が長い。従って、図1(a)に示すように、異種基板01と非晶質シリコン膜03の間に不純物拡散を防止する機能を持つ熱緩衝層として、例えば、酸化シリコン膜02を形成する必要性がある。この熱緩衝層には酸化シリコン膜02を用いることが望ましいが、これに限るものではなく、窒化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜など、高温に耐えて不純物の拡散を防止するものであればよい。   In addition to the laser beam irradiation method described above, further ingenuity is necessary in order not to cause cracks. When the above method is used, the vicinity of the surface of the substrate becomes a high temperature exceeding 600 ° C. When a substrate made of low-cost boron glass is used, impurities in the glass diffuse into the silicon. In particular, since the substrate temperature is raised to about 600 ° C. and then melted, the glass substrate and the silicon film are in contact with each other at a high temperature for a long time. Therefore, as shown in FIG. 1A, for example, it is necessary to form a silicon oxide film 02 as a thermal buffer layer having a function of preventing impurity diffusion between the heterogeneous substrate 01 and the amorphous silicon film 03. is there. Although it is desirable to use the silicon oxide film 02 for this thermal buffer layer, the present invention is not limited to this, and any silicon nitride film or silicon oxynitride film may be used as long as it can withstand high temperatures and prevent diffusion of impurities.

この方法によって形成した多結晶シリコン膜03aを太陽電池やバイポーラデバイスに適用する場合は、シリコン膜の下部の所望の位置に電極構造を形成する必要がある。この電極は融解したシリコン膜に接触することから、高融点の材料からなり、且つ高温のシリコンと反応しないことが必要である。そのような材料として、タングステンやモリブデンを用いることが好ましい。上記の方法によって、従来よりもより厚い膜厚の多結晶シリコン膜をガラス基板上に形成することが可能となり、ガラス基板上に、太陽電池やバイポーラトランジスタを有する電子回路を作製することが可能となった。   When the polycrystalline silicon film 03a formed by this method is applied to a solar cell or a bipolar device, it is necessary to form an electrode structure at a desired position below the silicon film. Since this electrode is in contact with the molten silicon film, it needs to be made of a high melting point material and not to react with high temperature silicon. As such a material, tungsten or molybdenum is preferably used. By the above method, it becomes possible to form a thicker polycrystalline silicon film on a glass substrate than before, and to produce an electronic circuit having a solar cell or a bipolar transistor on the glass substrate. became.

本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法によれば、ガラスなどからなる異種基板上に形成されたシリコンを主成分とする膜にレーザ光を走査させることにより熱処理を行い、該シリコンを主成分とする膜を融解、結晶化を行う薄膜半導体装置の製造方法において、上記レーザ光は、レーザ光強度の強い領域と、レーザ光強度の弱い領域とからなり、該レーザ光強度の強い領域は、該レーザ光強度の弱い領域よりも走査方向の長さが短く、且つレーザ光を走査させる際、レーザ光強度の弱い領域が照射された後、レーザ光強度の強い領域が照射されるようにしたので、より厚い膜厚までクラックを生じさせずに結晶化させることができる。   According to the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention, heat treatment is performed by causing a laser beam to scan a film containing silicon as a main component, which is formed on a heterogeneous substrate made of glass or the like. In the method of manufacturing a thin film semiconductor device in which a film to be melted and crystallized, the laser beam includes a region having a high laser beam intensity and a region having a low laser beam intensity. When scanning the laser beam, the length in the scanning direction is shorter than the region where the laser beam intensity is weak, and the region where the laser beam intensity is strong is irradiated after the region where the laser beam intensity is weak. It is possible to crystallize without causing cracks to a thicker film thickness.

この作用は、特にレーザ光強度の弱い領域のレーザ光走査による加熱では、シリコンを主成分とする膜の融点を超えないようにし、また、レーザ光強度の強い領域のレーザ光走査による加熱によって、シリコンを主成分とする膜が融解するようにすることによって、効果的に営まれる。   This action is achieved especially by heating by laser beam scanning in a region where the laser beam intensity is weak, so as not to exceed the melting point of the film mainly composed of silicon, and by heating by laser beam scanning in a region where the laser beam intensity is strong, It works effectively by melting the silicon-based film.

また、本発明の別の特徴によれば、異種基板とシリコンを主成分とする膜の間に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、またはこれらを積層させた熱緩衝層を形成するので、シリコン膜への不純物拡散を防止することができる。   According to another feature of the present invention, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a thermal buffer layer formed by laminating these is formed between a heterogeneous substrate and a film containing silicon as a main component. Therefore, impurity diffusion into the silicon film can be prevented.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below. In addition, the following Examples show an example of this invention and this invention is not limited to these.

本発明の実施例を図1に従って説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図1(a)に示すように、異種基板01としてのアルミノシリケートガラス基板上に酸化シリコン膜(SiO2膜)02を形成し、その上部に1μmの非晶質シリコン膜(シリコンを主成分とする膜)03を形成した。酸化シリコン膜(SiO2膜)02の形成はプラズマCVD法を用いた。原料ガスにはSiH4とN2Oの混合ガスを用いた。非晶質シリコン膜03の形成にはCat−CVD(Catalytic−Chemical Vapor Deposition)法を用い、原料ガスにはSiH4とH2の混合ガスを用いた。 As shown in FIG. 1A, a silicon oxide film (SiO 2 film) 02 is formed on an aluminosilicate glass substrate as a heterogeneous substrate 01, and a 1 μm amorphous silicon film (with silicon as a main component) is formed thereon. Film) 03 was formed. The formation of the silicon oxide film (SiO 2 film) 02 was performed using a plasma CVD method. A mixed gas of SiH 4 and N 2 O was used as the source gas. The amorphous silicon film 03 was formed by a Cat-CVD (Catalytic-Chemical Vapor Deposition) method, and a mixed gas of SiH 4 and H 2 was used as a source gas.

このサンプルにレーザ光12を照射して結晶化を行った。その際、2種類のレーザ光を用いて結晶化の試作を行った。用いたレーザ光の仕様は次の通りである。   Crystallization was performed by irradiating the sample with laser light 12. At that time, a crystallization trial was made using two kinds of laser beams. The specifications of the used laser beam are as follows.

(A)2つのシリンドリカルレンズを用いて、図5の如く楕円形に整形したレーザ光(長軸:200μm、短軸:30μm)。   (A) Laser light (long axis: 200 μm, short axis: 30 μm) shaped into an ellipse as shown in FIG. 5 using two cylindrical lenses.

(B)二つの領域を有するレーザ光で、図6の如く、一方のレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域04)が円形(直径φ300μm)で、もう一つのレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域05)がシリンドリカルレンズを用いて整形した楕円形(長軸:200μm、短軸:30μm)であるレーザ光。   (B) In a laser beam having two regions, as shown in FIG. 6, one laser beam region (region 04 with low laser beam intensity) is circular (diameter φ300 μm), and another laser beam region (with laser beam intensity of Laser light having an elliptical shape (long axis: 200 μm, short axis: 30 μm) in which the strong region 05) is shaped using a cylindrical lens.

上記のレーザの光源にはダイオード励起Nd:YVO4レーザ光を用いた。上記のレーザ光(A)を用いて結晶化を行った場合、非晶質シリコン膜が500nmを超えるサンプルを結晶化させたとき、シリコン膜中にクラックが発生した(図3の写真参照)。 Diode-excited Nd: YVO 4 laser light was used as the laser light source. When crystallization was performed using the above laser beam (A), cracks occurred in the silicon film when a sample having an amorphous silicon film exceeding 500 nm was crystallized (see the photograph in FIG. 3).

レーザ光(B)を使用し、短軸が長いレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域04)を先に照射し、その後、短軸が短いレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域05)を照射した場合、1.1μmまでクラックフリーにすることが可能であった(図4の写真参照)。   Using the laser beam (B), a laser beam region having a long short axis (region 04 having a low laser beam intensity) is irradiated first, and then a laser beam region having a short short axis (region 05 having a high laser beam intensity) is irradiated. When irradiated, it was possible to make crack-free up to 1.1 μm (see the photograph in FIG. 4).

レーザ光(B)を用い、短軸が長いレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域04)のみを非晶質シリコン膜に照射させた場合、非晶質シリコン膜が結晶シリコン膜に変化する条件にてレーザ光(B)を照射させたときは、クラックはレーザ光(A)の場合と同等の膜厚からクラックが発生した。また、この時のレーザ光(B)の短軸が長いレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域04)の出力で、短軸が短いレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域05)も合わせて照射してもクラックが生じた。クラックを生じさせない短軸が長いレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域04)の出力について熱解析シミュレーションを実施したところ、レーザ光はシリコンの融点を超えないことが必要であった。   When laser light (B) is used and the amorphous silicon film is irradiated only with a laser light region having a long short axis (region 04 with low laser light intensity), the condition for changing the amorphous silicon film to a crystalline silicon film When the laser beam (B) was irradiated at, cracks were generated from the same film thickness as that of the laser beam (A). At this time, the output of the laser beam region (the laser beam intensity region 04) having a long short axis and the laser beam region (the laser beam intensity region 05) having a short minor axis are also combined. Cracks occurred even after irradiation. When thermal analysis simulation was performed on the output of a laser beam region having a long short axis that does not cause cracking (region 04 where the laser beam intensity is weak), the laser beam was required not to exceed the melting point of silicon.

また、短軸が長いレーザ光領域がシリコンの融点を超えないという条件を満たした上で、短軸が短いレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域05)を照射した場合においても、短軸が短いレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域05)の出力が大きい場合にはクラックが発生していることが分かった。その場合についても熱解析シミュレーションを実施したところ、レーザ光を照射した際にクラックが発生する場合には、ガラス基板のいずれかの場所で歪点を超える温度となっていることが分かった。   In addition, when the laser beam region having a short minor axis does not exceed the melting point of silicon and the laser beam region having a short minor axis (region 05 having a strong laser beam intensity) is irradiated, It was found that cracks occurred when the output of the short laser beam region (region 05 where the laser beam intensity was strong) was large. Also in that case, a thermal analysis simulation was performed. As a result, it was found that when a crack was generated when the laser beam was irradiated, the temperature exceeded the strain point at any location on the glass substrate.

従って、クラックを発生させないようにするには、短軸が長いレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域04)については、これによる加熱によってシリコンの融点を超えない出力とし、且つ短軸が短いレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域05)については、ガラス基板の歪点を超えない出力とすることが必要であることを見出した。   Therefore, in order to prevent cracks from occurring, a laser beam region having a long short axis (region 04 having a low laser beam intensity) is heated so that the output does not exceed the melting point of silicon, and a laser having a short short axis. It has been found that it is necessary for the optical region (region 05 where the laser light intensity is strong) to have an output that does not exceed the strain point of the glass substrate.

次に、より厚い膜厚のシリコン膜を結晶化させる為にレーザ光をより適切な形状にすることを試みた。   Next, in order to crystallize a thicker silicon film, an attempt was made to make the laser beam into a more appropriate shape.

図7にこの実施例2におけるレーザ光の形状を示す。横方向つまり走査方向に垂直な方向のレーザ光強度が均一になるようなホモジナイザを取り付けて、レーザ光を照射した。レーザ光は実施例1と同様に2種類の領域(レーザ光強度の弱い領域06、レーザ光強度の強い領域07)を使用した。ホモジナイザは2種類のレーザ光に対して使用した。   FIG. 7 shows the shape of the laser beam in the second embodiment. A homogenizer was attached so that the laser beam intensity in the horizontal direction, that is, the direction perpendicular to the scanning direction was uniform, and the laser beam was irradiated. As in the case of Example 1, two types of regions (regions 06 having a low laser beam intensity and regions 07 having a high laser beam intensity) were used as the laser beam. The homogenizer was used for two types of laser beams.

実施例1と同様に、非晶質シリコン膜(シリコンを主成分とする膜)03に始めに照射されるレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域06)は、その後に照射されるレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域07)よりも弱い出力としたところ、クラックが低減した。二つのレーザ光領域のサイズは、図7に示すように、始めに照射される箇所のレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域06)は走査方向に500μm、その後に照射される箇所のレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域07)は10μmで、走査方向に垂直方向には共に300μmである。   As in the first embodiment, the laser beam region (region 06 where the laser beam intensity is low) irradiated first to the amorphous silicon film (film containing silicon as a main component) 03 is the laser beam region irradiated thereafter. When the output was weaker than (region 07 where the laser beam intensity was strong), cracks were reduced. As shown in FIG. 7, the size of the two laser beam regions is as follows. The first laser beam region irradiated with the laser beam region (region 06 where the laser beam intensity is weak) is 500 μm in the scanning direction, and the laser beam irradiated thereafter is laser beam. The region (region 07 where the laser beam intensity is strong) is 10 μm, and both are 300 μm in the direction perpendicular to the scanning direction.

上記クラックの低減する出力について熱解析を行ったところ、始めに照射するレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域06)については非晶質シリコン03を融解させない出力で、その後照射するレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域07)については、シリコンの融点以上とする出力とした場合であることが判った。この方法によって2.4μmの膜厚までクラックフリーで多結晶化させることが可能であった。   As a result of thermal analysis of the output for reducing the cracks, the laser beam region (region 06 where the laser beam intensity is low) to be irradiated first is an output that does not melt the amorphous silicon 03, and the laser beam region to be irradiated thereafter ( It was found that the region 07) where the laser light intensity is strong is a case where the output is set to be equal to or higher than the melting point of silicon. By this method, it was possible to make a polycrystal without cracks to a film thickness of 2.4 μm.

次にガラス基板と非晶質シリコン基板の間に電極構造を作成した場合についても同様の実験を行った。   Next, a similar experiment was performed when an electrode structure was formed between a glass substrate and an amorphous silicon substrate.

レーザ光は実施例2で使用したもの(図7参照)を用いた。試料は図8に示すように、異種基板08としてアルミノシリケートガラス基板を用い、その上部に酸化シリコン膜(SiO2膜)09を2μm、タングステン膜10を100nm形成した。タングステン膜10はスパッタリングデポジション法を用いて形成した。さらにその上部に非晶質シリコン膜(シリコンを主成分とする膜)11を2μm形成した。 The laser beam used in Example 2 (see FIG. 7) was used. As shown in FIG. 8, an aluminosilicate glass substrate was used as the heterogeneous substrate 08 as shown in FIG. 8, and a silicon oxide film (SiO 2 film) 09 of 2 μm and a tungsten film 10 of 100 nm were formed thereon. The tungsten film 10 was formed using a sputtering deposition method. Further, an amorphous silicon film (a film containing silicon as a main component) 11 was formed to 2 μm thereon.

これに2種類のレーザ光(レーザ光強度の弱い領域06、レーザ光強度の強い領域07)を照射することで結晶化を行った。その結果、実施例1と同様に、第一に照射するレーザ光領域(レーザ光強度の弱い領域06)はシリコン膜を融解させない出力、第二に照射するレーザ光領域(レーザ光強度の強い領域07)はシリコン膜を融解させる出力とすることで、結晶化後のシリコン膜をクラックフリーにすることができた。また、タングステン膜10は異種基板08上全体に形成してもよいが、一部に島状に整形した後に非晶質シリコン膜11を形成してレーザ光照射をした場合についても結果は同様であった。   Crystallization was performed by irradiating this with two types of laser light (region 06 with low laser light intensity and region 07 with high laser light intensity). As a result, as in Example 1, the first laser beam region (region 06 with low laser beam intensity) is an output that does not melt the silicon film, and the second laser beam region (region with high laser beam intensity). 07) was able to make the silicon film after crystallization crack-free by setting the output to melt the silicon film. The tungsten film 10 may be formed on the entire different substrate 08, but the result is the same when the amorphous silicon film 11 is formed after being partially shaped into an island shape and irradiated with laser light. there were.

本発明の実施例1に係る結晶シリコン系薄膜半導体装置の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the crystalline silicon type thin film semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention. 一定のエネルギー量を短時間で照射した場合と長時間で照射した場合における基板表面側の温度勾配の違いを示した図である。It is the figure which showed the difference in the temperature gradient on the substrate surface side when the fixed amount of energy is irradiated for a short time and when irradiated for a long time. 図5のレーザ光を用いて結晶化した結晶シリコン膜の表面を示す図面代用写真である。6 is a drawing-substituting photograph showing the surface of a crystalline silicon film crystallized using the laser beam of FIG. 図6のレーザ光を用いて結晶化した結晶シリコン膜の表面を示す図面代用写真である。FIG. 7 is a drawing-substituting photograph showing the surface of a crystalline silicon film crystallized using the laser beam of FIG. 6. 本発明の比較として用いたレーザ光(A)の形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape of the laser beam (A) used as a comparison of this invention. 本発明の実施例1で用いたレーザ光(B)の形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape of the laser beam (B) used in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2で用いたレーザ光の形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape of the laser beam used in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における結晶シリコン系薄膜半導体装置の作成途中の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure in the middle of preparation of the crystalline silicon type thin film semiconductor device in Example 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

01 異種基板
02 酸化シリコン膜(SiO2膜)
03 非晶質シリコン膜(シリコンを主成分とする膜)
03a 多結晶シリコン膜
04 レーザ光強度の弱い領域
05 レーザ光強度の強い領域
06 レーザ光強度の弱い領域
07 レーザ光強度の強い領域
08 異種基板
09 酸化シリコン膜(SiO2膜)
10 タングステン膜
11 非晶質シリコン膜(シリコンを主成分とする膜)
12 レーザ光
13 レーザ光強度の弱い領域
14 レーザ光強度の強い領域
15 レーザ光源
01 Dissimilar substrate 02 Silicon oxide film (SiO 2 film)
03 Amorphous silicon film (film mainly composed of silicon)
03a Polycrystalline silicon film 04 Low laser light intensity area 05 High laser light intensity area 06 Low laser light intensity area 07 High laser light intensity area 08 Heterogeneous substrate 09 Silicon oxide film (SiO 2 film)
10 Tungsten film 11 Amorphous silicon film (film mainly composed of silicon)
12 Laser light 13 Region with low laser light intensity 14 Region with high laser light intensity 15 Laser light source

Claims (5)

異種基板上に形成されたシリコンを主成分とする膜に連続発振するレーザ光を走査させることにより熱処理を行い、該シリコンを主成分とする膜を融解、結晶化を行う薄膜半導体装置の製造方法において、
上記異種基板は上記レーザ光に対して透明なガラス基板からなり、上記シリコンを主成分とする膜は250nm以上に形成され、上記レーザ光は、レーザ光強度の強い領域と、レーザ光強度の弱い領域とからなり、該レーザ光強度の強い領域は、該レーザ光強度の弱い領域よりも走査方向の長さが短く、且つレーザ光を走査させる際、上記レーザ光強度の弱い領域を上記シリコンを主成分とする膜に照射し、上記シリコンを主成分とする膜からの伝熱により上記透明なガラス基板の温度を300℃を超えて上昇させ、600℃以下の温度まで加熱した後、レーザ光強度の強い領域を上記シリコンを主成分とする膜に照射し融解、結晶化を行うことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a thin film semiconductor device in which heat treatment is performed by scanning continuously oscillating laser light on a silicon-based film formed on a different substrate, and the silicon-based film is melted and crystallized. In
The heterogeneous substrate is made of a glass substrate that is transparent to the laser beam, the film containing silicon as a main component is formed to have a thickness of 250 nm or more, and the laser beam has a region having a high laser beam intensity and a low laser beam intensity. consists of a region, a strong region the laser beam intensity, short length of the scanning direction than the areas of weak the laser light intensity, and when the laser light is scanned, the silicon weak region the laser beam intensity After irradiating the film having the main component, the temperature of the transparent glass substrate is raised to over 300 ° C. by heat transfer from the film having the silicon as the main component, and heated to a temperature of 600 ° C. or lower. A method of manufacturing a thin film semiconductor device, wherein a region having high strength is irradiated to the film containing silicon as a main component to melt and crystallize the film.
請求項1に記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
レーザ光強度の弱い領域の照射による加熱では、上記透明なガラス基板の温度は450℃を超えないことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the thin film semiconductor device according to claim 1,
A method of manufacturing a thin film semiconductor device, wherein the temperature of the transparent glass substrate does not exceed 450 ° C. in heating by irradiation of a region having a low laser light intensity.
請求項1又は2に記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
上記透明なガラス基板とシリコンを主成分とする膜の間には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、またはこれらを積層させた熱緩衝層が形成されていることを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the thin film semiconductor device according to claim 1 or 2,
A silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a thermal buffer layer formed by laminating these is formed between the transparent glass substrate and a film containing silicon as a main component. A method for manufacturing a thin film semiconductor device.
請求項3に記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
熱緩衝層とシリコンを主成分とする膜の間にはタングステンもしくはモリブデンからなる電極層が形成されていることを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the thin film semiconductor device according to claim 3 ,
A method of manufacturing a thin film semiconductor device, wherein an electrode layer made of tungsten or molybdenum is formed between a thermal buffer layer and a film containing silicon as a main component .
請求項1〜4のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
上記レーザ光の走査方向に垂直な方向のレーザ光強度が均一になるようホモジナイザを取り付け、上記レーザ光走査を行うことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the thin film semiconductor device in any one of Claims 1-4,
A method of manufacturing a thin film semiconductor device, comprising: attaching a homogenizer so that laser light intensity in a direction perpendicular to the laser light scanning direction is uniform, and performing the laser light scanning .
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