JP2002083768A - Method of manufacturing single crystal film, and single crystal film substrate, and semiconductor device - Google Patents

Method of manufacturing single crystal film, and single crystal film substrate, and semiconductor device

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JP2002083768A JP2000269261A JP2000269261A JP2002083768A JP 2002083768 A JP2002083768 A JP 2002083768A JP 2000269261 A JP2000269261 A JP 2000269261A JP 2000269261 A JP2000269261 A JP 2000269261A JP 2002083768 A JP2002083768 A JP 2002083768A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single crystal film, which is suitable for making of a device of high performance and stable properties, demarcating with respect to conventional polycrystalline film, and also whose manufacturing process is sufficient with short time, and to provide its manufacturing method. SOLUTION: A single crystal film 34 of a structure, in which the crystallization is advanced is made by making setting conditions of heat treatment, such as laser application, as those where polycrystalline grains are drawn up substantially regularly on an insulating substrate 31 when monocrystalizing a non-single crystal film, and heat-treating it, while keeping the surface condition of the polycrystalline grains being substantially aligned as it is.

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】本発明は液晶ディスプレイな
どに用いられる薄膜トランジスタ(TFT)や、メモリ
ーその他の電子デバイス等に適用される単結晶薄膜の製
造方法、単結晶薄膜基板、及び半導体装置に関するもの
であり、特にガラス基板などの絶縁基体上に単結晶薄膜
を形成する方法と、その単結晶薄膜を有する単結晶薄膜
基板及び半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a thin film transistor (TFT) used for a liquid crystal display, a single crystal thin film applied to a memory and other electronic devices, a single crystal thin film substrate, and a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a method for forming a single crystal thin film on an insulating substrate such as a glass substrate, a single crystal thin film substrate having the single crystal thin film, and a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、絶縁基板上に形成したシリコンな
どの半導体薄膜としては、SOI(Silicon On Insulato
r)構造や、液晶ディスプレイなどに実用化されているガ
ラス基板上のアモルファスシリコン薄膜や多結晶シリコ
ン薄膜などが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a semiconductor thin film such as silicon formed on an insulating substrate, SOI (Silicon On Insulato) is used.
r) A structure, an amorphous silicon thin film, a polycrystalline silicon thin film, etc. on a glass substrate practically used for a liquid crystal display and the like are known.

【0003】SOI構造は単結晶シリコンウエハを貼り
合わせてその後に研磨するなどの各工程を経て形成され
ることが多く、基本的に単結晶シリコンウエハを用いて
いることから、ほぼ完全な単結晶の部分を薄膜トランジ
スタ(TFT)などの能動素子のチャンネル部分等に用
いることができる。このため製造される素子は、移動度
も高くでき電子デバイスとしては良好な特性を有してい
る。しかし、その製造方法は、単結晶シリコンウエハを
貼り合わせたり、研磨したりする工程が入るため、工程
数が増加して生産時間も長くなり、製造のコストも高く
なる傾向がある。
[0003] An SOI structure is often formed through various steps such as bonding a single crystal silicon wafer and then polishing the same. Since a single crystal silicon wafer is basically used, an almost complete single crystal silicon wafer is used. Can be used as a channel portion of an active element such as a thin film transistor (TFT). For this reason, the manufactured element can have high mobility and has good characteristics as an electronic device. However, since the manufacturing method includes a step of bonding and polishing a single crystal silicon wafer, the number of steps increases, the production time increases, and the manufacturing cost tends to increase.

【0004】これに対して、シランガスに水素やSiF
を混合して減圧CVD法やプラズマCVD法を用いる
ことによって堆積する薄膜を結晶化する方法や、アモル
ファスシリコンを前駆体として基板上にアモルファスシ
リコン薄膜を形成し次いでアモルファスシリコン薄膜を
結晶化する方法が知られる。前者の堆積する薄膜を結晶
化する方法では、シリコン薄膜の形成と同時に結晶化を
進めるものであるが、基板自体を比較的高温の600℃
以上にする必要があり、このため高温に耐える高価な石
英基板などを用いる必要があり、安価なガラス基板を用
いた場合は耐熱性の面から基板に変形や歪など問題が発
生してしまう。後者の一旦アモルファスシリコン薄膜を
形成しこれを結晶化する方法としては、長時間(例えば
20時間)のアニ−ルを行う固相成長法も知られている
が、長時間にわたるために、実用性を欠き、また製造コ
ストも高くなるという問題が生ずる。そこで、活発に研
究され開発されている方法として、エキシマレーザーを
照射してそのビームで結晶化を進める方法が知られてい
る。
On the other hand, silane gas contains hydrogen or SiF.
4 is a method of crystallizing a thin film to be deposited by using reduced pressure CVD or plasma CVD, or a method of forming an amorphous silicon thin film on a substrate using amorphous silicon as a precursor and then crystallizing the amorphous silicon thin film Is known. In the former method of crystallizing a thin film to be deposited, crystallization is promoted simultaneously with formation of a silicon thin film.
Therefore, it is necessary to use an expensive quartz substrate or the like that can withstand high temperatures. When an inexpensive glass substrate is used, problems such as deformation and distortion occur in the substrate due to heat resistance. As the latter method of once forming an amorphous silicon thin film and crystallizing the same, a solid phase growth method in which annealing is performed for a long time (for example, 20 hours) is also known. And the problem that the manufacturing cost increases. Therefore, as a method actively researched and developed, there is known a method of irradiating an excimer laser and proceeding crystallization with the beam.

【0005】エキシマレーザーを照射して結晶化する方
法では、基板上にアモルファスシリコン薄膜や多結晶シ
リコン薄膜を形成し、これをエキシマレーザーを照射す
ることで薄膜を加熱して結晶化が行われる。例えば、Xe
Clエキシマレーザーの場合、発光波長が308nmであ
り、その吸収係数は10cm−1程度であることか
ら、アモルファスシリコン薄膜の表面から10nm程度の
領域で吸収され、基板の温度はほとんど上昇することな
く、アモルファスシリコン薄膜の表面付近が結晶化され
る。
In the method of crystallization by irradiating an excimer laser, an amorphous silicon thin film or a polycrystalline silicon thin film is formed on a substrate, and the thin film is heated by excimer laser irradiation to perform crystallization. For example, Xe
In the case of Cl excimer laser, the emission wavelength is 308 nm and its absorption coefficient is about 10 6 cm -1 , so that it is absorbed in the area of about 10 nm from the surface of the amorphous silicon thin film, and the temperature of the substrate almost rises. Instead, the vicinity of the surface of the amorphous silicon thin film is crystallized.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなエキシマレーザーを照射して溶融したものを再結晶
化する技術では、アモルファスシリコン薄膜や多結晶シ
リコン薄膜の多結晶シリコン粒を成長させることはでき
るが、レーザービームのショット回数によって形成され
る薄膜の結晶品質を安定して制御することは極めて難し
く、製造される薄膜トランジスタの閾値電圧にもばらつ
きが生じ易い。
However, in such a technique of recrystallizing a melted material by irradiating an excimer laser, it is possible to grow polycrystalline silicon grains of an amorphous silicon thin film or a polycrystalline silicon thin film. However, it is extremely difficult to stably control the crystal quality of the thin film formed by the number of shots of the laser beam, and the threshold voltage of the manufactured thin film transistor tends to vary.

【0007】そこで、本発明は従来の多結晶薄膜とは一
線を画し高性能で特性の安定したデバイスの作成に好適
であってしかもその製造工程も短い時間で十分な単結晶
薄膜の製造方法を提供することを目的とする。また、本
発明の他の目的は、このような高い結晶品質の単結晶薄
膜を活用した半導体装置および単結晶薄膜基板を提供す
ることである。
Accordingly, the present invention provides a method for producing a single-crystal thin film which is distinct from conventional polycrystalline thin films, is suitable for producing a device having high performance and stable characteristics, and has a sufficient production process in a short time. The purpose is to provide. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device and a single crystal thin film substrate utilizing such a single crystal thin film of high crystal quality.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前述の技術的な課題を解
決するため、本発明者らは鋭意研究を進め、その結果と
して多結晶薄膜の結晶粒径が十分に大きくならない原因
の1つは、そのレーザー照射そのものの照射方法にある
点を見出し、従来の多結晶薄膜とは一線を画した画期的
な半導体薄膜とその製造方法を創出するに至ったもので
ある。すなわち、本発明者らは、レーザー照射による非
単結晶薄膜を結晶化するに際して、レーザー照射の条件
を薄膜表面に略規則的の多結晶粒が整列されて形成され
るように照射し、その突部を有した表面状態のままに熱
処理することで結晶化が進んだ構造の半導体結晶化薄膜
を形成できることを案出したものである。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned technical problems, the present inventors have intensively studied and as a result, one of the reasons why the crystal grain size of the polycrystalline thin film is not sufficiently large is as follows. The present inventors have found a point in the method of laser irradiation itself, and have created an epoch-making semiconductor thin film that is distinct from the conventional polycrystalline thin film and a manufacturing method thereof. That is, the present inventors, when crystallizing a non-single-crystal thin film by laser irradiation, irradiate the laser irradiation conditions so that substantially regular polycrystalline grains are aligned and formed on the thin film surface. The present inventors have devised that a semiconductor crystallized thin film having a structure with advanced crystallization can be formed by performing a heat treatment in a surface state having a portion.

【0009】すなわち、本発明の単結晶薄膜の製造方法
は、絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する工程と、該非
単結晶薄膜に第1の熱処理を施して多結晶粒が略規則的
に整列した多結晶薄膜を形成する工程と、該多結晶薄膜
に第2の熱処理を施して前記多結晶粒が結合した単結晶
薄膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
That is, in the method for producing a single-crystal thin film of the present invention, a step of forming a non-single-crystal thin film on an insulating substrate and a step of subjecting the non-single-crystal thin film to a first heat treatment so that polycrystalline grains are substantially regularly formed. A step of forming an aligned polycrystalline thin film; and a step of performing a second heat treatment on the polycrystalline thin film to form a single crystal thin film in which the polycrystalline grains are combined.

【0010】多結晶粒が結合した単結晶領域を大きく成
長させるためには、隣接する多結晶粒同士が結合し易い
という状態にあることが好ましく、その前提として多結
晶粒が略規則的に整列した状態を形成することで熱処理
後の再結晶化の際に共通した多結晶粒の結晶方向性、た
とえば(100)面の如き配向面の共通の界面が得ら
れ、その秩序性を利用しながら円滑な多結晶粒同士の結
合が生ずる。従って、熱処理の際には、多結晶粒同士の
結合が容易に進められ、単結晶化が進められる。
[0010] In order to grow a single crystal region in which polycrystal grains are bonded together, it is preferable that adjacent polycrystal grains are easily bonded to each other. By forming such a state, a common crystal orientation of polycrystalline grains during recrystallization after heat treatment, for example, a common interface of an orientation plane such as a (100) plane can be obtained. Smooth bonding between polycrystalline grains occurs. Therefore, at the time of heat treatment, bonding between polycrystalline grains is easily promoted, and single crystallization is promoted.

【0011】本発明の他の単結晶薄膜の製造方法は、絶
縁基体上に非単結晶薄膜を形成する工程と、該非単結晶
薄膜にレーザー光を照射して、前記非単結晶薄膜を単結
晶薄膜に変換する工程とを有することを特徴とする。非
単結晶薄膜にレーザー光を照射することで、非単結晶薄
膜は多結晶半導体膜や単結晶半導体膜に結晶成長して行
き、非単結晶薄膜を単結晶薄膜に変換することが可能と
なる。
Another method for producing a single-crystal thin film according to the present invention comprises the steps of: forming a non-single-crystal thin film on an insulating substrate; And converting to a thin film. By irradiating the non-single-crystal thin film with laser light, the non-single-crystal thin film grows into a polycrystalline semiconductor film or a single-crystal semiconductor film, and the non-single-crystal thin film can be converted into a single-crystal thin film. .

【0012】本発明のさらに他の単結晶薄膜の製造方法
は、絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する工程と、該非
単結晶薄膜に第1の熱処理を施して共通の境界条件を導
入しながら多結晶薄膜を形成する工程と、該多結晶薄膜
に第2の熱処理を施して前記多結晶粒が結晶化した単結
晶薄膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
Still another method of manufacturing a single-crystal thin film according to the present invention comprises the steps of forming a non-single-crystal thin film on an insulating substrate and performing a first heat treatment on the non-single-crystal thin film to introduce a common boundary condition. While forming a polycrystalline thin film, and performing a second heat treatment on the polycrystalline thin film to form a single crystal thin film in which the polycrystalline grains are crystallized.

【0013】第1の熱処理を施して多結晶粒に共通の境
界条件を導入することで、熱処理後の再結晶化の際に共
通した多結晶粒の結晶方向性、たとえば(100)面な
どの配向面の如き共通の界面が得られ、その秩序性を利
用しながら円滑な多結晶粒同士の結合が生ずる。従っ
て、熱処理の際には、多結晶粒同士の結合が容易に進め
られ、単結晶化が進められる。
By performing the first heat treatment to introduce a common boundary condition to the polycrystal grains, the crystal orientation of the polycrystal grains common during recrystallization after the heat treatment, such as the (100) plane, is obtained. A common interface such as an orientation plane is obtained, and smooth bonding between polycrystalline grains occurs while utilizing the order. Therefore, at the time of heat treatment, bonding between polycrystalline grains is easily promoted, and single crystallization is promoted.

【0014】本発明の単結晶薄膜基板は、絶縁基体上に
レーザー照射によって単結晶化された単結晶薄膜を有す
ることを特徴とする。本発明の単結晶薄膜基板の一例に
よれば、単結晶薄膜の結晶化は、多結晶薄膜を該薄膜中
の多結晶粒を略規則的に整列させた後、熱処理を施すこ
とで行われる。
The single-crystal thin-film substrate of the present invention is characterized in that the insulating substrate has a single-crystal thin film that is single-crystallized by laser irradiation. According to an example of the single-crystal thin-film substrate of the present invention, the crystallization of the single-crystal thin film is performed by subjecting the polycrystalline thin film to substantially regular arrangement of the polycrystalline grains in the thin film, and then performing a heat treatment.

【0015】また、本発明は前記単結晶薄膜基板を用い
て形成される半導体装置も含むものである。
The present invention also includes a semiconductor device formed using the single crystal thin film substrate.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の単結晶薄膜の製造
方法、並びに単結晶薄膜基板及びその基板を構造の一部
に用いた半導体装置について図面を参照しながら説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for manufacturing a single crystal thin film of the present invention, a single crystal thin film substrate and a semiconductor device using the substrate as a part of the structure will be described with reference to the drawings.

【0017】先ず、絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成す
る工程と、該非単結晶薄膜に第1の熱処理を施して多結
晶粒が略規則的に整列した多結晶薄膜を形成する工程
と、該多結晶薄膜に第2の熱処理を施して前記多結晶粒
が結合した単結晶薄膜を形成する工程とを有することを
特徴とする。
First, a step of forming a non-single-crystal thin film on an insulating substrate, a step of performing a first heat treatment on the non-single-crystal thin film to form a polycrystalline thin film in which polycrystalline grains are arranged in a substantially regular manner, Subjecting the polycrystalline thin film to a second heat treatment to form a single crystal thin film in which the polycrystalline grains are combined.

【0018】次に、図1乃至図6を参照しながら、本発
明の単結晶薄膜の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing a single crystal thin film of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0019】図1は本発明の半導体薄膜の製造方法に用
いられるエキシマレーザー照射装置の一例を示してい
る。先ず、このエキシマレーザー照射装置について説明
すると、ガラス基板などの低耐熱性の絶縁基板21上に
形成された半導体薄膜22にエキシマレーザーを照射す
るための装置であって、チャンバ20内に半導体薄膜2
2を形成した低耐熱性絶縁基板21が載置される。この
エキシマレーザー照射装置は、チャンバ20外にレーザ
ー発振器23と、アッテネータ(減衰器)24と、ホモ
ジナイザーを含む光学系25とを有している。チャンバ
20内には、XY方向に移動可能なステージ27が設けら
れており、そのステージ27に半導体薄膜22を形成し
た絶縁基板21が載置されている。レーザー発振器23
はエキシマレーザー光源を含み、例えばパルス幅が60
ナノ秒以上のレーザー光26を間欠的に放射する。例え
ばホモジナイザーを含む光学系25はレーザー発振器2
3から放射されたレーザー光をアッテネータ24を介し
て受け入れ、各辺が10mm以上の矩形断面となるよう
に整形して半導体薄膜22に照射する。アッテネータ2
4はレーザー発振器23から放射されたレーザー光のエ
ネルギーを調整する。光学系25はレーザー光を矩形断
面に整形すると共に矩形断面内ではエネルギーが均一に
分布するように調整する。チャンバ20内は窒素ガス等
不活性雰囲気に保たれている。レーザー光26の照射時
には、ステージ27がビームの端部同士が重なるように
移動し、半導体薄膜22の表面を間欠的に逐次照射す
る。このエキシマレーザー照射装置のチャンバ20内に
置かれた絶縁基板21の主面上に形成されている半導体
薄膜22はプラズマCVD装置によって形成された非晶質
シリコン膜である。
FIG. 1 shows an example of an excimer laser irradiation apparatus used in the method of manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention. First, the excimer laser irradiation device will be described. The excimer laser irradiation device is a device for irradiating a semiconductor thin film 22 formed on a low heat-resistant insulating substrate 21 such as a glass substrate with an excimer laser.
The low heat-resistant insulating substrate 21 on which the substrate 2 is formed is placed. The excimer laser irradiation apparatus has a laser oscillator 23, an attenuator (attenuator) 24, and an optical system 25 including a homogenizer outside the chamber 20. A stage 27 movable in the XY direction is provided in the chamber 20, and the insulating substrate 21 on which the semiconductor thin film 22 is formed is mounted on the stage 27. Laser oscillator 23
Includes an excimer laser light source, for example, a pulse width of 60
The laser light 26 of nanoseconds or more is emitted intermittently. For example, the optical system 25 including the homogenizer is a laser oscillator 2
The laser light emitted from 3 is received via the attenuator 24, and is shaped so that each side has a rectangular cross section of 10 mm or more, and is irradiated on the semiconductor thin film 22. Attenuator 2
4 adjusts the energy of the laser light emitted from the laser oscillator 23. The optical system 25 shapes the laser light into a rectangular cross section and adjusts the energy so that the energy is uniformly distributed in the rectangular cross section. The inside of the chamber 20 is maintained in an inert atmosphere such as nitrogen gas. At the time of irradiation with the laser light 26, the stage 27 moves so that the ends of the beam overlap each other, and irradiates the surface of the semiconductor thin film 22 intermittently. The semiconductor thin film 22 formed on the main surface of the insulating substrate 21 placed in the chamber 20 of the excimer laser irradiation device is an amorphous silicon film formed by a plasma CVD device.

【0020】レーザー発振器23に使用されるエキシマ
レーザーは、微小突部を伴った表面状態の半導体薄膜を
形成可能なエキシマレーザー光源であれば、種々の光源
を用いることができ、例示すると、KrF、XeCl、XeF、Ar
Fの中から選ばれた1つまたは2以上のエキシマレーザ
ーを用いることができる。
As the excimer laser used for the laser oscillator 23, various light sources can be used as long as they can form a semiconductor thin film having a surface state with minute projections. XeCl, XeF, Ar
One or more excimer lasers selected from F can be used.

【0021】エキシマレーザーは大別すると、線状レー
ザー光を照射するエキシマレーザーと、面状レーザー光
を照射するエキシマレーザーとに分けることができる。
線状レーザー光を照射するエキシマレーザーは、照射す
るレーザー光のパターンが線状であり、所定の広がりを
持った領域を照射する場合には、一定方向に基板側や光
源側を移動させることが行われる。すなわち、線状レー
ザー光照射を光照射の長手方向に垂直な走査方向に重ね
合わせ照射することが行われる。面状レーザー光を照射
するエキシマレーザーは、照射するレーザー光のパター
ンが面状であり、その照射面を端部で重ねながら基板側
や光源側を移動させることが行われる。線状レーザー光
を照射するエキシマレーザーとしては、典型的にはエネ
ルギー密度が350mJ/cmとされパルス幅が20
ナノ秒程度と比較的に短い例えばラムダ社製のエキシマ
レーザーを使用することができる。また、面状レーザー
光を照射するエキシマレーザーとしては、典型的にはエ
ネルギー密度が480mJ/cmとされパルス幅が1
50ナノ秒から200ナノ秒程度と比較的に長い例えば
ソプラ社製のエキシマレーザーを使用することができ
る。
Excimer lasers can be broadly classified into excimer lasers that emit linear laser light and excimer lasers that emit planar laser light.
Excimer lasers that irradiate linear laser light have a linear pattern of laser light to irradiate, and when irradiating an area with a predetermined spread, the substrate side or light source side can be moved in a certain direction. Done. That is, linear laser light irradiation is performed by overlapping irradiation in a scanning direction perpendicular to the longitudinal direction of light irradiation. An excimer laser that irradiates a planar laser beam has a planar pattern of the laser beam to be radiated, and is moved on the substrate side or the light source side while overlapping the irradiation surface at an end. An excimer laser that emits a linear laser beam typically has an energy density of 350 mJ / cm 2 and a pulse width of 20 mJ / cm 2.
For example, an excimer laser manufactured by Lambda, which is relatively short, such as about nanoseconds, can be used. An excimer laser that emits a planar laser beam typically has an energy density of 480 mJ / cm 2 and a pulse width of 1.
For example, an excimer laser manufactured by Sopra, which is relatively long, for example, about 50 to 200 nanoseconds can be used.

【0022】次に、図2から図6までを参照しながら、
本発明による半導体薄膜の製造方法の一例について説明
する。先ず、図2に示すように、ガラス、石英、セラミ
ック又はサファイヤなどの絶縁基板31を用意し、その
主面上に例えばプラズマエンハンストCVD法などにより
非晶質半導体薄膜32を形成する。絶縁基板31として
は、エキシマレーザーを光源とすることから低耐熱性
(低融点)のいわゆる白板ガラスを用いても良い。非晶
質半導体薄膜32としては一例としてプラズマエンハン
ストCVD法などを用いて非晶質シリコン膜が形成され
る。この非晶質半導体薄膜32の膜厚は例えば50nm
程度であるが、好適な膜厚は製造すべきデバイスの特性
に応じて調整可能である。非晶質半導体薄膜32の膜厚
の一例としては、約500nm以下であり、通常は約10
0nm以下好ましくは80nm以下であり、より好ましくは
60nm以下である。
Next, referring to FIGS. 2 to 6,
An example of the method for manufacturing a semiconductor thin film according to the present invention will be described. First, as shown in FIG. 2, an insulating substrate 31 such as glass, quartz, ceramic, or sapphire is prepared, and an amorphous semiconductor thin film 32 is formed on a main surface thereof by, for example, a plasma enhanced CVD method. Since the excimer laser is used as the light source, so-called white glass having low heat resistance (low melting point) may be used as the insulating substrate 31. As an example of the amorphous semiconductor thin film 32, an amorphous silicon film is formed by using a plasma enhanced CVD method or the like. The thickness of the amorphous semiconductor thin film 32 is, for example, 50 nm.
To a lesser extent, the preferred film thickness can be adjusted according to the characteristics of the device to be manufactured. An example of the thickness of the amorphous semiconductor thin film 32 is about 500 nm or less, and usually about 10 nm.
It is 0 nm or less, preferably 80 nm or less, and more preferably 60 nm or less.

【0023】非晶質半導体薄膜32の形成後、図1に示
した如きエキシマレーザー照射装置に非晶質半導体薄膜
32を形成した絶縁基板31を装着し、第1の熱処理と
してエキシマレーザーの照射を行う。この時のレーザー
照射条件は、エキシマレーザーとして波長308nmのX
eClエキシマレーザーが使用され、エネルギー強度3
40mJ/cmで走査方向のオーバーラップ率が95
%である。このエキシマレーザー照射によって、非晶質
半導体薄膜32が溶融再結晶化され、ほぼ整列した多結
晶粒からなる多結晶半導体薄膜33が形成される。多結
晶半導体薄膜33の各多結晶粒の形状はほぼ矩形状であ
り、その大きさは対角線の長さで0.2μmから0.6
μm程度である。エキシマレーザー照射によって結晶粒
界も形成され、粒界部では結晶の衝突による隆起から微
小突部35が少なくとも3個以上の多結晶粒が境界をな
す位置に存在する。この微小突部35の高さは大きいも
のでは50nm程度のサイズを有し、概ね高さは25nm以
上のものとなっている。
After the formation of the amorphous semiconductor thin film 32, the insulating substrate 31 on which the amorphous semiconductor thin film 32 is formed is mounted on an excimer laser irradiation apparatus as shown in FIG. 1, and the excimer laser irradiation is performed as a first heat treatment. Do. The laser irradiation conditions at this time were as follows: an X-ray having a wavelength of 308 nm as an excimer laser.
eCl excimer laser is used and energy intensity 3
At 40 mJ / cm 2 , the overlap ratio in the scanning direction is 95
%. By this excimer laser irradiation, the amorphous semiconductor thin film 32 is melted and recrystallized, and a polycrystalline semiconductor thin film 33 composed of substantially aligned polycrystalline grains is formed. The shape of each polycrystalline particle of the polycrystalline semiconductor thin film 33 is substantially rectangular, and its size is 0.2 μm to 0.6 μm in diagonal length.
It is about μm. A crystal grain boundary is also formed by excimer laser irradiation, and a microprojection 35 exists at a position where at least three or more polycrystalline grains form a boundary at the grain boundary portion due to a bump caused by crystal collision. When the height of the minute projection 35 is large, it has a size of about 50 nm, and the height is generally about 25 nm or more.

【0024】図5は薄膜がレーザー照射によって多結晶
半導体薄膜となった時点での走査電子線顕微鏡写真であ
る。図中鰐皮状に展開している多結晶粒(ポリシリコン
粒)は縦横に略規則的に整列されており、少なくとも3
個以上の多結晶粒が境界をなす位置に複数の微小突部が
形成されている。このような略規則的な多結晶粒の整列
は、線状レーザー照射時における開口部等のエッジでの
回折や、面状レーザー照射時には強度変調マスク、例え
ば位相シフトマスクなどの干渉現象や回折現象によって
光強度に周期的なパターンを与えるようにすることで現
れる現象として捉えることができ、より包括的にはレー
ザー照射によって多結晶粒に共通の境界条件を導入して
いるものと把握することができる。多結晶粒が結合した
単結晶領域を大きく成長させるためには、隣接する多結
晶粒同士が結合し易いという状態にあることが好まし
く、その前提として多結晶粒が略規則的に整列した状態
を形成することで熱処理後の再結晶化の際に共通した多
結晶粒の結晶方向性、たとえば(100)面の如き配向
面の共通の界面が得られ、その秩序性を利用しながら円
滑な多結晶粒同士の結合が生ずる。従って、次の第2の
熱処理の際には、多結晶粒同士の結合が容易に進めら
れ、単結晶化が進められる。
FIG. 5 is a scanning electron micrograph at the time when the thin film becomes a polycrystalline semiconductor thin film by laser irradiation. In the figure, the polycrystalline grains (polysilicon grains) developed in a crocodile pattern are arranged substantially regularly in the vertical and horizontal directions.
A plurality of minute protrusions are formed at positions where at least one polycrystalline grain forms a boundary. Such approximately regular alignment of polycrystalline grains can be caused by diffraction at the edge of an opening or the like when irradiating a linear laser or interference or diffraction phenomena such as an intensity modulation mask such as a phase shift mask when irradiating a planar laser. It can be understood as a phenomenon that appears by giving a periodic pattern to the light intensity, and more comprehensively it can be understood that a common boundary condition is introduced to polycrystal grains by laser irradiation. it can. In order to grow a single crystal region in which the polycrystal grains are bonded to each other, it is preferable that adjacent polycrystal grains are easily bonded to each other. By forming them, a common crystal orientation of polycrystalline grains during recrystallization after heat treatment, for example, a common interface of oriented planes such as (100) plane can be obtained, and smooth polycrystalline grains can be obtained by utilizing the order. Bonding of crystal grains occurs. Therefore, in the next second heat treatment, the bonding between the polycrystalline grains is easily promoted, and the single crystallization is promoted.

【0025】このようなレーザー照射による第1の熱処
理に引き続いて、第2の熱処理が同じくエキシマレーザ
ー照射によって行われる。このエキシマレーザー照射の
照射条件は、エキシマレーザーとして波長308nmのX
eClエキシマレーザーが使用され、エネルギー強度3
00mJ/cmで走査方向のオーバーラップ率が95
%である。当該第2の熱処理としてのエキシマレーザー
照射は、第1の熱処理のエキシマレーザー照射よりも低
エネルギーであって第1の熱処理のエキシマレーザー照
射時よりも多結晶半導体薄膜33の熱処理温度が低くさ
れる。また、この熱処理温度は多結晶シリコンの融点よ
りも低い温度となるように設定されてもよい。
Subsequent to the first heat treatment by laser irradiation, a second heat treatment is also performed by excimer laser irradiation. The irradiation conditions of this excimer laser irradiation are as follows:
eCl excimer laser is used and energy intensity 3
00mJ / cm 2 with 95% overlap in scanning direction
%. The energy of the excimer laser irradiation as the second heat treatment is lower than that of the excimer laser irradiation of the first heat treatment, and the heat treatment temperature of the polycrystalline semiconductor thin film 33 is lower than that of the excimer laser irradiation of the first heat treatment. Further, the heat treatment temperature may be set to be lower than the melting point of polycrystalline silicon.

【0026】この第2の熱処理としてのエキシマレーザ
ー照射によって、図4に示すように、多結晶半導体薄膜
33から単結晶薄膜34に変換される。すなわち、エキ
シマレーザー照射によって、第1の熱処理で形成された
多結晶半導体薄膜33の隣接する多結晶粒同士が結合
し、少なくとも1x10−9cm以上の大きなサイズ
の単結晶領域を含み好ましくは1x10−8cm
上、さらに好ましくは全体が単結晶である単結晶薄膜3
4が形成される。なお、単結晶薄膜34としては、多結
晶や非晶質の半導体領域が混在していても良い。この第
2の熱処理としてのエキシマレーザー照射後において
は、微小突部36が多結晶半導体薄膜33の表面の微小
突部35よりは高さが低くなって形成されており、微小
突部36の高さの範囲としては20nmから5nm以下の極
めて低いものとなっている。また、微小突部36の径も
0.1μm以下となっている。この単結晶薄膜34の表
面上の微小突部36は、第1の熱処理で得られた多結晶
粒の少なくとも3個以上の界面同士が衝突して隆起する
位置と対応した位置に形成されており、従って、多結晶
半導体薄膜33の面の微小突部35が平坦化し、隆起と
して残ったところが単結晶薄膜34の表面上の微小突部
36となっている。
By the excimer laser irradiation as the second heat treatment, the polycrystalline semiconductor thin film 33 is converted into a single crystal thin film 34 as shown in FIG. That is, by excimer laser irradiation, adjacent polycrystalline grains of the polycrystalline semiconductor thin film 33 formed by the first heat treatment are bonded to each other, and include at least a large single crystal region of 1 × 10 −9 cm 2 or more, preferably 1 × 10 −9 cm 2 or more. −8 cm 2 or more, more preferably a single crystal thin film 3 that is entirely a single crystal
4 are formed. The single-crystal thin film 34 may include a mixture of polycrystalline and amorphous semiconductor regions. After the excimer laser irradiation as the second heat treatment, the minute protrusions 36 are formed to be lower in height than the minute protrusions 35 on the surface of the polycrystalline semiconductor thin film 33. The range is extremely low from 20 nm to 5 nm or less. Further, the diameter of the minute projection 36 is also 0.1 μm or less. The minute protrusions 36 on the surface of the single crystal thin film 34 are formed at positions corresponding to positions where at least three or more interfaces of the polycrystalline grains obtained by the first heat treatment collide and protrude. Therefore, the minute protrusions 35 on the surface of the polycrystalline semiconductor thin film 33 are flattened, and the portions that remain as protrusions are minute protrusions 36 on the surface of the single crystal thin film 34.

【0027】単結晶薄膜34の表面上の微小突部36は
その密度も低下したものとされ、例えば1x10/c
以下とされる。また、微小突部36においては、多
結晶半導体薄膜33の面の微小突部35の曲率半径も大
きくなっており、微小突部36の曲率半径は60nm以
上であり、好ましくは180nm以上であり、より好ま
しくは250nm以上である。
The small protrusions 36 on the surface of the single crystal thin film 34 are also assumed to have a reduced density, for example, 1 × 10 9 / c.
m 2 or less. In the microprojection 36, the radius of curvature of the microprojection 35 on the surface of the polycrystalline semiconductor thin film 33 is also large, and the radius of curvature of the microprojection 36 is 60 nm or more, preferably 180 nm or more, It is more preferably at least 250 nm.

【0028】図6は薄膜が多結晶半導体薄膜33から単
結晶薄膜34となった時点での走査電子線顕微鏡写真で
ある。図5の写真で見られた鰐皮状の多結晶粒は消失
し、複数の微小突部もほぼ消失して、大きな単結晶領域
からなる単結晶薄膜34が得られているのが分かる。こ
の大きな単結晶領域のサイズは2μm程度であり、薄膜
トランジスタのチャンネル領域としては十分な大きさで
ある。
FIG. 6 is a scanning electron micrograph at the time when the thin film is changed from the polycrystalline semiconductor thin film 33 to the single crystal thin film 34. It can be seen that the crocodile-like polycrystal grains seen in the photograph of FIG. 5 disappear, and the plurality of minute projections almost disappear, and a single crystal thin film 34 composed of a large single crystal region is obtained. The size of this large single crystal region is about 2 μm, which is sufficient for a channel region of a thin film transistor.

【0029】上述の如き、第1の熱処理と第2の熱処理
を加えることで、微小突部36を伴った単結晶薄膜34
が形成されるが、第1の熱処理と第2の熱処理はエキシ
マレーザーの照射に限らず、他のレーザー光の照射、例
えば希ガスレーザー、YAGレーザーなどのレーザーや、
透過させないことを前提としたX線、電子線等の他のエ
ネルギービームの照射などであっても良い。また、第2
の熱処理は加熱によるアニールであるので、レーザーに
限定されずに、ランプアニールや、比較的に長時間のフ
ァーネスアニールやストリップヒーターを用いることも
できる。
By applying the first heat treatment and the second heat treatment as described above, the single crystal thin film 34
Is formed, but the first heat treatment and the second heat treatment are not limited to irradiation with excimer laser, and irradiation with other laser light, for example, a laser such as a rare gas laser or a YAG laser,
Irradiation with other energy beams such as X-rays and electron beams that do not transmit light may be used. Also, the second
Since the heat treatment is annealing by heating, lamp annealing, furnace annealing for a relatively long time, and strip heater can be used without being limited to laser.

【0030】第1の熱処理では、第2の熱処理のアニー
ル処理とは異なり、絶縁基板上に多結晶粒が略規則的に
整列された多結晶薄膜を形成することが、微小突部を形
成する上で好ましい。このため、第1の熱処理ではエネ
ルギーの大きなレーザー照射がなされるが、略規則的に
整列された多結晶粒を得るためには、線状レーザー照射
時における開口部等のエッジでの回折や、面状レーザー
照射時には位相シフトマスクなどの干渉現象や回折現象
によって光強度に周期的なパターンを与えるようにする
こともできる。光強度に周期的なパターンを与えること
で、多結晶粒のもととなる核成長も周期的なパターンの
影響を受け、結果として絶縁基板上に多結晶粒が略規則
的に整列された多結晶薄膜が形成される。
In the first heat treatment, unlike the annealing treatment of the second heat treatment, forming a polycrystalline thin film in which polycrystalline grains are arranged in a substantially regular manner on an insulating substrate forms minute projections. Preferred above. For this reason, in the first heat treatment, high-energy laser irradiation is performed. However, in order to obtain polycrystalline grains that are substantially regularly aligned, diffraction at the edge of an opening or the like during linear laser irradiation, When irradiating a planar laser, a periodic pattern can be given to the light intensity by an interference phenomenon or a diffraction phenomenon of a phase shift mask or the like. By giving a periodic pattern to the light intensity, the nucleus growth, which is the source of the polycrystalline grains, is also affected by the periodic pattern, and as a result, the polycrystalline grains having a substantially regular arrangement on the insulating substrate are obtained. A crystalline thin film is formed.

【0031】第1の熱処理と第2の熱処理は、少なくと
もいずれかは、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、
若しくは非酸化性ガス雰囲気中で行うことができる。特
に、最初に絶縁基板上に非晶質半導体薄膜を形成した
後、或いは第1の熱処理と第2の熱処理の間で、雰囲気
ガスを同じものに維持し、あるいは大気開放しないでチ
ャンバを移動することで処理をする場合には、雰囲気ガ
スの調整に伴う生産時間の浪費を防ぐことができる。
At least one of the first heat treatment and the second heat treatment is substantially performed in a vacuum, in an inert gas atmosphere,
Alternatively, it can be performed in a non-oxidizing gas atmosphere. In particular, after the amorphous semiconductor thin film is first formed on the insulating substrate, or between the first heat treatment and the second heat treatment, the chamber gas is kept the same or the chamber is moved without opening to the atmosphere. In this case, waste of production time due to adjustment of the atmosphere gas can be prevented.

【0032】なお、絶縁基板31は所要の剛性と耐熱性
を有したガラス基板や所謂白板ガラス基板、プラスチッ
ク、セラミックなどの基板材料から、石英基板や、シリ
コンウエハやその他の半導体ウエハ上に酸化膜や窒化膜
を形成した基板などの種々のものを用いることができ、
特に熱処理は極めて短い時間での処理が可能なことか
ら、低耐熱性(例えば600℃)程度の基板も十分に使
用することができる。なお、絶縁基板31の薄膜形成面
には種々の中間層や反射層、その他の機能層を設けるこ
とも可能である。
The insulating substrate 31 may be made of a glass substrate having required rigidity and heat resistance, a so-called white glass substrate, plastic, ceramic, or other substrate material, or a quartz substrate, a silicon wafer, or another semiconductor wafer. And various substrates such as a substrate on which a nitride film is formed,
In particular, since heat treatment can be performed in a very short time, a substrate having low heat resistance (for example, 600 ° C.) can be sufficiently used. Note that various intermediate layers, reflective layers, and other functional layers can be provided on the thin film forming surface of the insulating substrate 31.

【0033】この絶縁基板31上に形成される単結晶薄
膜34は、アモルファスシリコン膜や多結晶シリコン膜
などの非単結晶シリコン膜から結晶化した単結晶薄膜で
あり、その膜厚は一例として40nmから50nm程度
の大きさとされる。半導体結晶化薄膜は熱処理前の段階
では多結晶薄膜とされ、その場合において略規則的な多
結晶粒が整列された状態であることが好ましい。シリコ
ン以外の材料としては、たとえばSiGe,SiCなどの材料を
用いることも可能である。
The single-crystal thin film 34 formed on the insulating substrate 31 is a single-crystal thin film crystallized from a non-single-crystal silicon film such as an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film. And a size of about 50 nm. The crystallized semiconductor thin film is a polycrystalline thin film before the heat treatment, and in that case, it is preferable that substantially regular polycrystalline grains are aligned. As a material other than silicon, for example, a material such as SiGe or SiC can be used.

【0034】単結晶薄膜34は多結晶領域、多結晶粒が
結合した単結晶領域、非結晶領域などが混在した状態で
あっても良い。多結晶粒が結合した単結晶領域の大きさ
は、例えば、1x10−9cm以上であって、好まし
くは1x10−8cm以上、さらに好ましくは16x
10−8cm以上である。形成される単結晶薄膜の内
の単結晶領域が大きい程、結晶特性は完全な単結晶に近
いものとなって行き、同時に特性もより安定したものと
なる。この単結晶薄膜は絶縁基板上の全面に形成される
必要はなく、多結晶薄膜の一部に存在する構造であって
も良い。また、単結晶薄膜の単結晶領域は好ましくは
(100)、(111)、(110)のいずれかの配向
面を有する。なお、本実施例ではエキシマレーザーを走
査させた例を説明したが必ずしも走査させなくても構わ
ない。この場合も、多結晶粒は略規則的に整列する。ま
た、第一の熱処理と第二の熱処理は別々に行う例を説明
したが、共通の境界条件を与えるための第一の熱処理と
単結晶化のための第二の熱処理をほぼ同じに行ってもよ
い。
The single-crystal thin film 34 may have a mixed state of a polycrystalline region, a single-crystal region in which polycrystalline grains are combined, an amorphous region, and the like. The size of the single crystal region in which the polycrystalline grains are combined is, for example, 1 × 10 −9 cm 2 or more, preferably 1 × 10 −8 cm 2 or more, and more preferably 16 × 10 −8 cm 2 or more.
10 −8 cm 2 or more. The larger the single crystal region in the formed single crystal thin film, the closer the crystal characteristics are to those of a perfect single crystal, and the more stable the characteristics are at the same time. The single-crystal thin film does not need to be formed on the entire surface of the insulating substrate, and may have a structure existing in a part of the polycrystalline thin film. Further, the single crystal region of the single crystal thin film preferably has one of (100), (111) and (110) orientation planes. In this embodiment, the example in which the excimer laser is scanned is described, but the scanning is not necessarily performed. Also in this case, the polycrystal grains are arranged substantially regularly. Also, an example in which the first heat treatment and the second heat treatment are performed separately has been described, but the first heat treatment for providing a common boundary condition and the second heat treatment for single crystallization are performed in substantially the same manner. Is also good.

【0035】このような単結晶薄膜は絶縁基板上に形成
された状態で、半導体基板として半導体装置の製造に適
用され得る。このような半導体装置としては、薄膜トラ
ンジスタやその他の電子デバイスが挙げられ、特に後述
するような液晶ディスプレイの駆動回路の薄膜トランジ
スタなどに応用できる。単結晶薄膜には単結晶領域が含
まれており、デバイスとして利用した場合にはデバイス
特性が安定したものとなり、例えば薄膜トランジスタを
作成した時ではその閾値のばらつきが抑制されることに
なると共に移動度が高くされデバイスは高速動作に対応
できることになる。
Such a single crystal thin film formed on an insulating substrate can be used as a semiconductor substrate in the manufacture of a semiconductor device. Such a semiconductor device includes a thin film transistor and other electronic devices, and is particularly applicable to a thin film transistor of a driving circuit of a liquid crystal display as described later. The single-crystal thin film contains a single-crystal region, and when used as a device, device characteristics become stable. For example, when a thin film transistor is manufactured, variation in the threshold value is suppressed and mobility is reduced. And the device can support high-speed operation.

【0036】次に、図7を参照しながら、本発明に従っ
て製造した薄膜トランジスタを用いるところの半導体装
置としてのアクティブマトリクス型表示装置の一例を説
明する。本実施形態はその微小突部を伴う薄膜をチャン
ネルとして利用して半導体装置を構成した例である。図
示するように、本表示装置は一対の絶縁基板51、52
と両者の間に保持された電気光学物質53とを備えたパ
ネル構造を有する。電気光学物質53としては、例えば
液晶材料を用いる。下側の絶縁基板51には画素アレイ
部54と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路
部は垂直スキャナ55と水平スキャナ56とに分かれて
いる。また、絶縁基板51の周辺部上端には外部接続用
の端子部57が形成されている。端子部57は配線58
を介して垂直スキャナ55及び水平スキャナ56に接続
している。画素アレイ部54には行状のゲート配線59
と列状の信号配線60が形成されている。両配線の交差
部には画素電極61とこれを駆動する薄膜トランジスタ
62が形成されている。薄膜トランジスタ62のゲート
電極は対応するゲート配線59に接続され、ドレイン領
域は対応する画素電極61に接続され、ソース領域は対
応する信号配線60に接続している。ゲート配線59は
垂直スキャナ55に接続する一方、信号配線60は水平
スキャナ56に接続している。画素電極61をスイッチ
ング駆動する薄膜トランジスタ62及び垂直スキャナ5
5と水平スキャナ56に含まれる薄膜トランジスタは、
その薄膜のチャンネル部分が微小突部を伴って単結晶に
より近い結晶特性をもって作製されたものである。更に
は、垂直スキャナや水平スキャナに加え、ビデオドライ
バやタイミングジェネレータも絶縁基板51内に集積形
成することも可能である。
Next, an example of an active matrix type display device as a semiconductor device using a thin film transistor manufactured according to the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is an example in which a semiconductor device is configured by using a thin film having the minute projections as a channel. As shown in the drawing, the display device has a pair of insulating substrates 51 and 52.
And a panel structure including an electro-optical material 53 held therebetween. As the electro-optical material 53, for example, a liquid crystal material is used. On the lower insulating substrate 51, a pixel array section 54 and a drive circuit section are integrally formed. The drive circuit is divided into a vertical scanner 55 and a horizontal scanner 56. Further, a terminal portion 57 for external connection is formed at the upper end of the peripheral portion of the insulating substrate 51. The terminal part 57 is a wiring 58
To the vertical scanner 55 and the horizontal scanner 56. A row-shaped gate wiring 59 is provided in the pixel array section 54.
And a column-shaped signal wiring 60 are formed. A pixel electrode 61 and a thin film transistor 62 for driving the pixel electrode 61 are formed at the intersection of the two wires. The gate electrode of the thin film transistor 62 is connected to the corresponding gate line 59, the drain region is connected to the corresponding pixel electrode 61, and the source region is connected to the corresponding signal line 60. The gate wiring 59 is connected to the vertical scanner 55, while the signal wiring 60 is connected to the horizontal scanner 56. Thin film transistor 62 for switching driving pixel electrode 61 and vertical scanner 5
5 and the thin film transistor included in the horizontal scanner 56 are:
The channel portion of the thin film is formed with a crystal characteristic closer to a single crystal with a minute projection. Further, in addition to the vertical scanner and the horizontal scanner, a video driver and a timing generator can also be integrally formed in the insulating substrate 51.

【0037】[0037]

【発明の効果】上述のように、本発明の単結晶薄膜の製
造方法では、第1の熱処理で略規則的に多結晶粒が整列
され、第2の熱処理で結晶化が進められて単結晶薄膜が
形成される。このため、その単結晶薄膜を用いて半導体
装置を製造した場合では、その半導体装置については高
い移動度による高速動作を期待することができ、また、
閾値電圧のばらつきなども抑えることができる。また、
製造工程においては、エキシマレーザーなどを用いて短
時間の処理が可能であり、大幅な製造工程にかかる時間
を短縮することができる。
As described above, in the method for producing a single crystal thin film according to the present invention, the polycrystalline grains are substantially regularly arranged in the first heat treatment, and the crystallization is advanced in the second heat treatment. A thin film is formed. Therefore, when a semiconductor device is manufactured using the single-crystal thin film, high-speed operation with high mobility can be expected for the semiconductor device.
Variations in threshold voltage and the like can also be suppressed. Also,
In the manufacturing process, short-time processing can be performed using an excimer laser or the like, and the time required for a significant manufacturing process can be reduced.

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

【図1】本発明の単結晶薄膜の製造方法に用いられるエ
キシマレーザー照射装置の模式図である。
FIG. 1 is a schematic view of an excimer laser irradiation apparatus used in the method for producing a single crystal thin film of the present invention.

【図2】本発明の単結晶薄膜の製造方法の一例における
非晶質半導体薄膜の形成工程を示す工程斜視断面図であ
る。
FIG. 2 is a process perspective sectional view showing a process of forming an amorphous semiconductor thin film in an example of the method for manufacturing a single crystal thin film of the present invention.

【図3】本発明の単結晶薄膜の製造方法の一例における
多結晶半導体薄膜の形成工程を示す工程斜視断面図であ
る。
FIG. 3 is a perspective sectional view showing a step of forming a polycrystalline semiconductor thin film in an example of the method for producing a single crystal thin film of the present invention.

【図4】本発明の単結晶薄膜の製造方法の一例における
単結晶薄膜の形成工程を示す工程斜視断面図である。
FIG. 4 is a process perspective sectional view showing a process of forming a single-crystal thin film in an example of the method for manufacturing a single-crystal thin film of the present invention.

【図5】前記本発明の単結晶薄膜の製造方法の一例にお
ける多結晶半導体薄膜の形成時の様子を示す走査電子線
顕微鏡写真である。
FIG. 5 is a scanning electron micrograph showing a state when a polycrystalline semiconductor thin film is formed in an example of the method for producing a single crystal thin film of the present invention.

【図6】前記本発明の単結晶薄膜の製造方法の一例にお
ける単結晶薄膜の形成時の様子を示す走査電子線顕微鏡
写真である。
FIG. 6 is a scanning electron micrograph showing a state when a single crystal thin film is formed in one example of the method for producing a single crystal thin film of the present invention.

【図7】本発明の単結晶薄膜によって製造される半導体
装置を用いたアクティブマトリクス型表示装置を示す模
式的な斜視図である。
FIG. 7 is a schematic perspective view showing an active matrix display device using a semiconductor device manufactured by using the single crystal thin film of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

31 絶縁基板 34 単結晶薄膜 35、36 微小突部 32 非晶質半導体薄膜 33 多結晶半導体薄膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 Insulating substrate 34 Single crystal thin film 35, 36 Micro protrusion 32 Amorphous semiconductor thin film 33 Polycrystalline semiconductor thin film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 安広 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 森 芳文 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 4G077 AA03 BA04 BE05 BE08 CA03 CA10 EA10 ED06 EJ04 HA12 JB02 JB06 5F052 AA02 AA03 AA06 AA12 AA17 AA24 BA02 BA07 BB02 BB07 CA08 DA01 DA03 DA10 DB03 FA19 JA01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yasuhiro Sakamoto 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Inside Sony Corporation (72) Inventor Yoshifumi Mori 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation F term (reference) 4G077 AA03 BA04 BE05 BE08 CA03 CA10 EA10 ED06 EJ04 HA12 JB02 JB06 5F052 AA02 AA03 AA06 AA12 AA17 AA24 BA02 BA07 BB02 BB07 CA08 DA01 DA03 DA10 DB03 FA19 JA01

Claims (52)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する工
程と、 該非単結晶薄膜に第1の熱処理を施して多結晶粒が略規
則的に整列した多結晶薄膜を形成する工程と、 該多結晶薄膜に第2の熱処理を施して前記多結晶粒が結
合した単結晶薄膜を形成する工程とを有することを特徴
とする単結晶薄膜の製造方法。
A step of forming a non-single-crystal thin film on an insulating substrate; a step of performing a first heat treatment on the non-single-crystal thin film to form a polycrystalline thin film in which polycrystalline grains are arranged substantially regularly; Subjecting the polycrystalline thin film to a second heat treatment to form a single crystal thin film in which the polycrystalline grains are combined.
【請求項2】 前記第1及び第2の熱処理の少なくとも
いずれかがレーザー光照射であることを特徴とする請求
項1記載の単結晶薄膜の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein at least one of the first and second heat treatments is laser light irradiation.
【請求項3】 前記第1及び第2の熱処理はレーザー光
照射により行われ、前記第2の熱処理におけるレーザー
光強度は前記第1の熱処理におけるレーザー光強度より
も低いことを特徴とする請求項1記載の単結晶薄膜の製
造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the first and second heat treatments are performed by laser light irradiation, and the laser light intensity in the second heat treatment is lower than the laser light intensity in the first heat treatment. 2. The method for producing a single crystal thin film according to 1.
【請求項4】 前記第2の熱処理は多結晶薄膜の融点よ
りも低い温度であることを特徴とする請求項1記載の単
結晶薄膜の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the second heat treatment is performed at a temperature lower than a melting point of the polycrystalline thin film.
【請求項5】 前記第1及び第2の熱処理の少なくとも
いずれかがエキシマレーザーのレーザー光照射であるこ
とを特徴とする請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein at least one of the first and second heat treatments is irradiation with an excimer laser.
【請求項6】 前記第1及び第2の熱処理の少なくとも
いずれかが線状レーザー光照射であることを特徴とする
請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法。
6. The method according to claim 1, wherein at least one of the first and second heat treatments is irradiation with a linear laser beam.
【請求項7】 前記線状レーザー光照射を光照射の長手
方向に垂直な走査方向に重ね合わせ照射することを特徴
とする請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法。
7. The method for producing a single crystal thin film according to claim 1, wherein the linear laser light irradiation is superposed and irradiated in a scanning direction perpendicular to the longitudinal direction of the light irradiation.
【請求項8】 前記第1及び第2の熱処理の少なくとも
いずれかが面状レーザー光照射であることを特徴とする
請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法。
8. The method according to claim 1, wherein at least one of the first and second heat treatments is irradiation with a planar laser beam.
【請求項9】 前記面状レーザー光照射はマスクを用い
て照射することを特徴とする請求項1記載の単結晶薄膜
の製造方法。
9. The method according to claim 1, wherein the irradiation of the planar laser light is performed using a mask.
【請求項10】 前記第2の熱処理はファーネスアニ−
ル、ランプアニ−ルまたはストリップヒーターアニール
であることを特徴とする請求項1記載の単結晶薄膜の製
造方法。
10. The method according to claim 1, wherein the second heat treatment is performed by furnace annealing.
2. The method for producing a single-crystal thin film according to claim 1, wherein the method is annealing using a lamp, lamp annealing or strip heater annealing.
【請求項11】 前記第1及び第2の熱処理の少なくと
もいずれかは、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、
若しくは非酸化性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする
請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法。
11. At least one of the first and second heat treatments is performed substantially in a vacuum, in an inert gas atmosphere,
2. The method according to claim 1, wherein the method is performed in a non-oxidizing gas atmosphere.
【請求項12】 絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する
工程と、 該非単結晶薄膜にレーザー光を照射して、前記非単結晶
薄膜を単結晶薄膜に変換する工程とを有することを特徴
とする単結晶薄膜の製造方法。
12. A method of forming a non-single-crystal thin film on an insulating substrate, and irradiating the non-single-crystal thin film with a laser beam to convert the non-single-crystal thin film into a single-crystal thin film. A method for producing a single crystal thin film.
【請求項13】 前記レーザー光はエキシマレーザー光
であることを特徴とする請求項12記載の単結晶薄膜の
製造方法。
13. The method according to claim 12, wherein the laser light is an excimer laser light.
【請求項14】 前記レーザー光の照射は第1のレーザ
ー照射と第2のレーザー照射とからなることを特徴とす
る請求項12記載の単結晶薄膜の製造方法。
14. The method for producing a single crystal thin film according to claim 12, wherein the irradiation of the laser beam comprises a first laser irradiation and a second laser irradiation.
【請求項15】 前記第2のレーザー照射は前記第1の
レーザー照射よりもエネルギー密度が低いことを特徴と
する請求項12記載の単結晶薄膜の製造方法。
15. The method of claim 12, wherein the second laser irradiation has a lower energy density than the first laser irradiation.
【請求項16】 前記第2のレーザー照射によって照射
された領域は非単結晶薄膜の融点よりも低い温度である
ことを特徴とする請求項12記載の単結晶薄膜の製造方
法。
16. The method according to claim 12, wherein the region irradiated by the second laser irradiation is at a temperature lower than the melting point of the non-single-crystal thin film.
【請求項17】 前記第1及び第2のレーザー照射の少
なくともいずれかが線状レーザー光照射であることを特
徴とする請求項12記載の単結晶薄膜の製造方法。
17. The method according to claim 12, wherein at least one of the first and second laser irradiations is linear laser light irradiation.
【請求項18】 前記線状レーザー光照射を光照射の長
手方向に垂直な走査方向に重ね合わせ照射することを特
徴とする請求項12記載の単結晶薄膜の製造方法。
18. The method for producing a single crystal thin film according to claim 12, wherein the linear laser beam irradiation is superposed and irradiated in a scanning direction perpendicular to the longitudinal direction of the light irradiation.
【請求項19】 前記第1及び第2のレーザー照射の少
なくともいずれかが面状レーザー光照射であることを特
徴とする請求項12記載の単結晶薄膜の製造方法。
19. The method of manufacturing a single-crystal thin film according to claim 12, wherein at least one of the first and second laser irradiations is irradiation with a planar laser beam.
【請求項20】 前記面状レーザー光照射はマスクを用
いて照射することを特徴とする請求項12記載の単結晶
薄膜の製造方法。
20. The method for producing a single crystal thin film according to claim 12, wherein the irradiation of the planar laser light is performed using a mask.
【請求項21】 前記レーザー光照射は、実質的に真空
中、不活性ガス雰囲気中、若しくは非酸化性ガス雰囲気
中で行うことを特徴とする請求項12記載の単結晶薄膜
の製造方法。
21. The method for producing a single crystal thin film according to claim 12, wherein the laser beam irradiation is performed substantially in a vacuum, in an inert gas atmosphere, or in a non-oxidizing gas atmosphere.
【請求項22】 前記レーザー光照射の後に熱処理を行
うことを特徴とする請求項12記載の単結晶薄膜の製造
方法。
22. The method according to claim 12, wherein a heat treatment is performed after the laser beam irradiation.
【請求項23】 前記熱処理はファーネスアニ−ル、ラ
ンプアニ−ルまたはストリップヒーターアニールである
ことを特徴とする請求項22記載の単結晶薄膜の製造方
法。
23. The method according to claim 22, wherein the heat treatment is furnace annealing, lamp annealing, or strip heater annealing.
【請求項24】 前記レーザー光照射及び前記熱処理
は、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、若しくは非
酸化性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項22
記載の単結晶薄膜の製造方法。
24. The method according to claim 22, wherein the laser beam irradiation and the heat treatment are performed substantially in a vacuum, in an inert gas atmosphere, or in a non-oxidizing gas atmosphere.
The method for producing a single-crystal thin film according to the above.
【請求項25】 絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する
工程と、該非単結晶薄膜に第1の熱処理を施して共通の
境界条件を導入しながら多結晶薄膜を形成する工程と、
該多結晶薄膜に第2の熱処理を施して前記多結晶粒が結
晶化した単結晶薄膜を形成する工程とを有することを特
徴とする単結晶薄膜の製造方法。
25. A step of forming a non-single-crystal thin film on an insulating substrate; a step of performing a first heat treatment on the non-single-crystal thin film to form a polycrystalline thin film while introducing common boundary conditions;
Subjecting the polycrystalline thin film to a second heat treatment to form a single crystal thin film in which the polycrystalline grains are crystallized.
【請求項26】 前記第1及び第2の熱処理の少なくと
もいずれかがレーザー光照射であることを特徴とする請
求項25記載の単結晶薄膜の製造方法。
26. The method according to claim 25, wherein at least one of the first and second heat treatments is laser light irradiation.
【請求項27】 前記第1及び第2の熱処理はレーザー
光照射により行われ、前記第2の熱処理におけるレーザ
ー光強度は前記第1の熱処理におけるレーザー光強度よ
りも低いことを特徴とする請求項25記載の単結晶薄膜
の製造方法。
27. The method according to claim 27, wherein the first and second heat treatments are performed by laser light irradiation, and a laser light intensity in the second heat treatment is lower than a laser light intensity in the first heat treatment. 26. The method for producing a single crystal thin film according to 25.
【請求項28】 前記第2の熱処理は多結晶薄膜の融点
よりも低い温度であることを特徴とする請求項25記載
の単結晶薄膜の製造方法。
28. The method according to claim 25, wherein the second heat treatment is performed at a temperature lower than a melting point of the polycrystalline thin film.
【請求項29】 前記第1及び第2の熱処理の少なくと
もいずれかがエキシマレーザーのレーザー光照射である
ことを特徴とする請求項25記載の単結晶薄膜の製造方
法。
29. The method according to claim 25, wherein at least one of the first and second heat treatments is irradiation with laser light from an excimer laser.
【請求項30】 前記第1及び第2の熱処理の少なくと
もいずれかが線状レーザー光照射であることを特徴とす
る請求項25記載の単結晶薄膜の製造方法。
30. The method according to claim 25, wherein at least one of the first and second heat treatments is irradiation with a linear laser beam.
【請求項31】 前記線状レーザー光照射を光照射の長
手方向に垂直な走査方向に重ね合わせ照射することを特
徴とする請求項25記載の単結晶薄膜の製造方法。
31. The method for producing a single crystal thin film according to claim 25, wherein the linear laser light irradiation is superposed and irradiated in a scanning direction perpendicular to the longitudinal direction of the light irradiation.
【請求項32】 前記第1及び第2の熱処理の少なくと
もいずれかが面状レーザー光照射であることを特徴とす
る請求項25記載の単結晶薄膜の製造方法。
32. The method according to claim 25, wherein at least one of the first and second heat treatments is irradiation with a planar laser beam.
【請求項33】 前記面状レーザー光照射はマスクを用
いて照射することを特徴とする請求項25記載の単結晶
薄膜の製造方法。
33. The method for producing a single crystal thin film according to claim 25, wherein the irradiation of the planar laser light is performed using a mask.
【請求項34】 前記第2の熱処理はファーネスアニ−
ル、ランプアニ−ルまたはストリップヒーターアニール
であることを特徴とする請求項25記載の単結晶薄膜の
製造方法。
34. The method according to claim 34, wherein the second heat treatment is performed by furnace annealing.
26. The method for producing a single crystal thin film according to claim 25, wherein the method is annealing by annealing, lamp annealing or strip heater annealing.
【請求項35】 前記第1及び第2の熱処理の少なくと
もいずれかは、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、
若しくは非酸化性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする
請求項25記載の単結晶薄膜の製造方法。
35. At least one of the first and second heat treatments is performed substantially in a vacuum, in an inert gas atmosphere,
26. The method for producing a single crystal thin film according to claim 25, wherein the method is performed in a non-oxidizing gas atmosphere.
【請求項36】 絶縁基体上にレーザー照射によって単
結晶化された単結晶薄膜を有することを特徴とする単結
晶薄膜基板。
36. A single-crystal thin-film substrate having a single-crystal thin film that is single-crystallized by laser irradiation on an insulating substrate.
【請求項37】 前記単結晶薄膜の膜厚は500nm以下
であることを特徴とする請求項36記載の単結晶薄膜基
板。
37. The single crystal thin film substrate according to claim 36, wherein said single crystal thin film has a thickness of 500 nm or less.
【請求項38】 前記絶縁基体はガラス、石英、または
セラミックのいずれかからなることを特徴とする請求項
36記載の単結晶薄膜基板。
38. The single-crystal thin-film substrate according to claim 36, wherein the insulating base is made of one of glass, quartz, and ceramic.
【請求項39】 前記単結晶薄膜はSi,SiGe,SiCのいず
れかからなることを特徴とする請求項36記載の単結晶
薄膜基板。
39. The single crystal thin film substrate according to claim 36, wherein said single crystal thin film is made of any one of Si, SiGe, and SiC.
【請求項40】 前記単結晶薄膜の結晶化は、多結晶薄
膜を該薄膜中の多結晶粒を略規則的に整列させた後、熱
処理を施すことで行われることを特徴とする請求項36
記載の単結晶薄膜基板。
40. The method according to claim 36, wherein the crystallization of the single crystal thin film is performed by subjecting the polycrystalline thin film to substantially regular alignment of polycrystalline grains in the thin film and then performing a heat treatment.
A single-crystal thin-film substrate according to the above.
【請求項41】 絶縁基体上にレーザー照射によって少
なくとも一部が単結晶領域となるように結晶化された半
導体薄膜を有することを特徴とする単結晶薄膜基板。
41. A single-crystal thin-film substrate comprising a semiconductor thin film crystallized on an insulating substrate by laser irradiation so that at least a part thereof becomes a single-crystal region.
【請求項42】 前記半導体薄膜は前記単結晶領域と多
結晶半導体領域及び非結晶半導体領域が混在された膜で
あることを特徴とする請求項41記載の単結晶薄膜基
板。
42. The single crystal thin film substrate according to claim 41, wherein said semiconductor thin film is a film in which said single crystal region, polycrystalline semiconductor region and amorphous semiconductor region are mixed.
【請求項43】 前記半導体薄膜の膜厚は500nm以下
であることを特徴とする請求項41記載の単結晶薄膜基
板。
43. The single crystal thin film substrate according to claim 41, wherein said semiconductor thin film has a thickness of 500 nm or less.
【請求項44】 前記絶縁基体はガラス、石英、または
セラミックのいずれかからなることを特徴とする請求項
41記載の単結晶薄膜基板。
44. The single crystal thin film substrate according to claim 41, wherein said insulating base is made of one of glass, quartz, and ceramic.
【請求項45】 前記半導体薄膜はSi,SiGe,SiCのいず
れかからなることを特徴とする請求項41記載の単結晶
薄膜基板。
45. The single crystal thin film substrate according to claim 41, wherein said semiconductor thin film is made of any one of Si, SiGe, and SiC.
【請求項46】 前記単結晶薄膜の結晶化は、多結晶薄
膜を該薄膜中の多結晶粒を略規則的に整列させた後、熱
処理を施すことで行われることを特徴とする請求項41
記載の単結晶薄膜基板。
46. The method according to claim 41, wherein the crystallization of the single crystal thin film is performed by subjecting the polycrystalline thin film to substantially regular alignment of polycrystalline grains in the thin film and then performing a heat treatment.
The single crystal thin film substrate according to the above.
【請求項47】 絶縁基体上にレーザー照射によって単
結晶化された単結晶薄膜を有し、該単結晶薄膜の表面に
は絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体装
置。
47. A semiconductor device having a single-crystal thin film which is single-crystallized by laser irradiation on an insulating base, and an insulating film is formed on a surface of the single-crystal thin film.
【請求項48】 前記半導体薄膜は前記単結晶領域と多
結晶半導体領域及び非結晶半導体領域が混在された膜で
あることを特徴とする請求項47記載の半導体装置。
48. The semiconductor device according to claim 47, wherein the semiconductor thin film is a film in which the single crystal region, the polycrystalline semiconductor region, and the amorphous semiconductor region are mixed.
【請求項49】 前記半導体薄膜の膜厚は500nm以下
であることを特徴とする請求項47記載の半導体装置。
49. The semiconductor device according to claim 47, wherein the semiconductor thin film has a thickness of 500 nm or less.
【請求項50】 前記絶縁基体はガラス、石英、または
セラミックのいずれかからなることを特徴とする請求項
47記載の半導体装置。
50. The semiconductor device according to claim 47, wherein said insulating base is made of one of glass, quartz, and ceramic.
【請求項51】 前記半導体薄膜はSi,SiGe,SiCのいず
れかからなることを特徴とする請求項47記載の半導体
装置。
51. The semiconductor device according to claim 47, wherein said semiconductor thin film is made of one of Si, SiGe, and SiC.
【請求項52】 前記単結晶薄膜の結晶化は、多結晶薄
膜を該薄膜中の多結晶粒を略規則的に整列させた後、熱
処理を施すことで行われることを特徴とする請求項47
記載の半導体装置。
52. The method according to claim 47, wherein the crystallization of the single-crystal thin film is performed by subjecting the polycrystalline thin film to substantially regular polycrystalline grains in the thin film and then performing a heat treatment.
13. The semiconductor device according to claim 1.
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