JP2003068644A - Method for crystallizing silicon and laser annealing system - Google Patents

Method for crystallizing silicon and laser annealing system

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for crystallizing silicon which enables to form a silicon film having large grains from an amorphous silicon film. SOLUTION: The method for crystallizing silicon for crystallizing a silicon film of an amorphous layer comprises a process (a) of irradiating the silicon film with a first pulse laser beam having first intensity and first duration for melting it, a process (b) after melting the silicon film, irradiating the silicon film in the middle of a cooling process with second pulse laser light having second intensity and second duration, and growing generated silicon crystal grains without completely melting them, and a process (c) of repeating the processes (a) and (b), partially shifting a pulse laser irradiated region, to enlarge a crystallized region. Each of the first and the second pulse laser light is an integrated laser beam, having a wavelength in the range of 400 to 900 nm, from a plurality of laser diode-pumped solid-state lasers.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン結晶化方法とレーザアニール装置に関し、特に大きな結晶粒を形成可能で、用いる装置のメインテナンスが簡易なシリコン結晶化方法とこの方法に用いられるレーザアニール装置に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] [Technical Field of the Invention The present invention relates to a silicon crystallization method and a laser annealing device, in particular can form large grains, maintenance is simple silicon crystallization apparatus used method and a laser annealing apparatus used in this method. 【0002】 【従来の技術】アモルファスシリコン膜は、太陽電池、 [0002] amorphous silicon films, solar cells,
液晶表示装置、半導体装置等で広く用いられている。 The liquid crystal display device, widely used in the semiconductor device or the like. アモルファスシリコンは、結晶シリコンと較べ、低い移動度を有する。 Amorphous silicon compared with the crystalline silicon has a low mobility. アモルファスシリコンを結晶化することにより、より特性の優れた電子デバイスを作成することができる。 By crystallizing the amorphous silicon, it is possible to create a good electronic device more properties. 【0003】アモルファスシリコンを多結晶化するアニール技術は、種々開発されている。 [0003] Annealing technique of polycrystalline amorphous silicon, it has been developed. 現在、アモルファスシリコンにXeClエキシマレーザ光を照射して多結晶化する技術が広く用いられている。 Currently, technology of polycrystalline by irradiating XeCl excimer laser beam to the amorphous silicon is widely used. XeClエキシマレーザは、メインテナンスに手間とコストがかかる。 XeCl excimer laser, time consuming and costly to maintenance. 得られる多結晶シリコン膜の電気的特性は十分満足できるものではない。 Electrical properties of the resulting polycrystalline silicon film is not sufficiently satisfactory. より良い品質で、かつ低コストの多結晶シリコン膜が求められている。 In better quality, and low cost polycrystalline silicon film has been demanded. 【0004】 【発明が解決しようとする課題】多結晶シリコンは、単結晶化した結晶粒(グレイン)の集合を含む。 [0004] The present invention is to provide a polycrystalline silicon includes a collection of single-crystallized grains (grains). 結晶粒の境界であるグレインバウンダリが多結晶シリコンの電気的特性を左右する。 Grain boundary is a grain boundary affects the electrical properties of the polycrystalline silicon. グレインバウンダリが多い多結晶シリコンの電気的特性は一般的にグレインバウンダリの少ない多結晶シリコンより悪くなり易い。 Grain electrical characteristics of the boundary is large polycrystalline silicon tends generally worse than less polycrystalline silicon of grain boundary. 【0005】各グレインの寸法(グレインサイズ)が大きくなれば、一般的にはグレインバウンダリは減少する。 [0005] The larger size (grain size) of each grain, in general, the grain boundary is reduced. 電気的特性の優れた多結晶シリコンを得るため、グレインサイズの大きな多結晶シリコンを形成する技術が求められている。 For good polycrystalline silicon electrical characteristics, a technique for forming a large polysilicon grain size is required. 【0006】さらに、半導体素子を形成する領域、少なくとも半導体素子の特性を左右する領域(たとえば、薄膜トランジスタ(TFT)のチャネル領域)を1つのグレイン内に形成できれば、半導体素子の特性を大幅に改善できる。 Furthermore, a region for forming a semiconductor device, affects the properties of at least a semiconductor element region (e.g., a thin film transistor (channel region of the TFT)) If forming in one grain, can greatly improve the characteristics of the semiconductor element . 【0007】本発明の目的は、アモルファスシリコン膜から大きなグレインを有するシリコン膜を形成することのできるシリコン結晶化方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a silicon crystallization method capable of forming a silicon film having a large grain of an amorphous silicon film. 【0008】本発明の他の目的は、このようなシリコン結晶化を行うことのできるレーザアニール装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a laser annealing apparatus capable of performing such crystallizing silicon. 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれば、アモルファス層のシリコン膜を結晶化するシリコン結晶化方法であって、(a)シリコン膜に第1の強度と第1の時間長とを有する第1のパルスレーザ光を照射して、前記シリコン膜を溶融する工程と、(b)溶融後、 According to one aspect of the present invention, in order to solve the problems], an amorphous silicon film layer a silicon crystallization process for crystallization, a first intensity (a) a silicon film first by irradiating a first pulse laser beam having a first and a time length, a step of melting the silicon film, (b) after melting,
冷却途中の前記シリコン膜に第1の強度より低い第2の強度と第2の時間長とを有する第2のパルスレーザ光を照射して、発生したシリコン結晶粒を完全には溶融せず、結晶粒を成長させる工程と、(c)照射領域を部分的にずらして前記工程(a)と前記工程(b)とを繰り返し、結晶化領域を拡大する工程と、含み、前記第1および第2のパルスレーザ光は共に複数のレーザダイオード励起固体レーザからの波長400nm〜900nmのレーザ光を加算したものであるシリコン結晶化方法が提供される。 By irradiating the second pulse laser beam having the silicon film first intensity lower than the second intensity of cooling the middle and the second time length, not completely melting the silicon crystal grains occurs, growing a crystal grain, (c) an irradiation region partially offset by repeating said steps (a) and said step (b), a step of expanding the crystallization region, wherein said first and second second pulse laser beam are both silicon crystallization method is obtained by adding the laser beam having a wavelength 400nm~900nm from a plurality of laser diode pumped solid-state laser is provided. 【0010】本発明の他の観点によれば、複数のレーザダイオード励起固体レーザを含み、波長400nm〜9 According to another aspect of the present invention, it includes a plurality of laser diode pumped solid-state laser, the wavelength 400nm~9
00nm、第1の強度、第1の時間長を有する第1のパルスレーザ光を発生できる第1のパルスレーザ光源群と、複数のレーザダイオード励起固体レーザを含み、波長400nm〜900nm、第1の強度より低い第2の強度、第2の時間長を有する第2のパルスレーザ光を発生できる第2のパルスレーザ光源群と、前記第1及び第2のパルスレーザ光源群の各レーザダイオード励起固体レーザのパルスレーザ光発生タイミングを制御するタイミング制御手段と、加工対象物を載置し、2次元平面内で駆動できるステージと、前記ステージの駆動を制御できるステージ制御手段と、前記ステージ上に載置される加工対象物の加工対象領域に前記第1のパルスレーザ光または前記第2のパルスレーザ光を照射させる光学系とを有するレーザアニ Nm, the first intensity, a first pulse laser light source group capable of generating a first pulse laser beam having a first duration includes a plurality of laser diode pumped solid-state laser, a wavelength between 400 nm and 900 nm, the first a second intensity less than the intensity, and the second pulse laser light source group capable of generating a second pulse laser beam having a second time length, the laser-diode-pumped solid state of the first and second pulse laser source group and timing control means for controlling the pulsed laser beam generation timing of the laser, a workpiece is placed, a stage that can be driven in a two-dimensional plane, a stage control means for controlling the driving of the stage, placing on the stage Rezaani having an optical system for irradiating the first pulse laser light or the second pulse laser beam to the processing target area of ​​the object to be location ル装置が提供される。 Le device is provided. 【0011】 【発明の実施の形態】図1を参照して、本発明の1実施例であるレーザアニール装置を説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Referring to FIG. 1, illustrating a laser annealing apparatus is an embodiment of the present invention. パルスレーザ光源11、12は、それぞれ所定の強度と所定の時間長を有するパルスレーザビームを発生できる。 Pulsed laser light source 11 and 12 can respectively generate a pulse laser beam having a predetermined intensity and a predetermined time length. パルスレーザ光源11、12の構成については後述する。 It will be described later configuration of the pulse laser light source 11 and 12. 【0012】パルスレーザ光源11からのレーザビームは、たとえばs波であり、λ/2位相板13によってp [0012] The laser beam from the pulsed laser light source 11 is, for example, s-wave, p by lambda / 2 phase plate 13
波に変更され、ミラーM11,M12,アッテネータA Is changed to wave, mirror M11, M12, the attenuator A
1を介し偏光分波器(ポーラリゼーションビームスプリッタ)PBSに入射する。 Through one polarizer demultiplexer incident on (Polarimetric internalization beam splitter) PBS. PBSは、たとえばp偏光を透過させる。 PBS, for example transmits p-polarized light. 【0013】パルスレーザ光源12からのレーザビームは、たとえばs波であり、ミラーM21,M22,アッテネータA2、ミラーM23を介し偏光分波器(ポーラリゼーションビームスプリッタ)PBSに入射する。 [0013] The laser beam from the pulsed laser source 12 is, for example, a s-wave, mirrors M21, M22, attenuator A2, polarizing optical demultiplexer via the mirrors M23 (Polarimetric internalization beam splitter) is incident on the PBS. P
BSは、たとえばs偏光を反射する。 BS, for example, reflects the s-polarized light. このようにして、 In this way,
2つのレーザビームは同一の光路上に出射する。 Two laser beams are emitted to the same optical path. 【0014】PBSの出射光は、ミラーM31,M32 [0014] The light emitted from the PBS, the mirror M31, M32
を介してビームエキスパンダ16に入射し、ビーム径が拡げられる。 It enters a beam expander 16 through the beam diameter is expanded. ビーム径の拡がったレーザビームは、空間的可干渉性解消素子17で可干渉性を緩和させ、ビームホモジナイザ18で均一な強度分布を有するビームに変換される。 The laser beam that has spread the beam diameter, to relax the coherence in the spatial coherence depolarizer 17 to be converted into a beam having a uniform intensity distribution in the beam homogenizer 18. 空間的可干渉性解消素子17と、ビームホモジナイザ18についても後述する。 Spatially coherent depolarizer 17, will also be described later beam homogenizer 18. 【0015】ビームホモジナイザ18から出射したレーザビームは、ミラーM40で下方に反射され、ガスカーテン装置20の入射窓22に入射する。 [0015] The laser beam emitted from the beam homogenizer 18, is reflected downward by the mirror M40, it enters the entrance window 22 of the gas curtain device 20. ガスカーテン装置20は、入射窓22とガス導入口23を有する上板2 Gas curtain device 20, the upper plate 2 having an incident window 22 and the gas inlet 23
4と、その周辺部下面に接続された側壁部材25で半密閉空間を画定する。 And 4, to define a semi-enclosed space in the sidewall member 25 connected to the surrounding lower surface. 側壁部材26下部にはガス回収口2 The lower sidewall member 26 gas recovery port 2
6が設けられている。 6 is provided. ここでは、ガス雰囲気形成機構はガスカーテンだけに限定されない。 Here, the gas atmosphere forming mechanism is not limited to the gas curtain. 例えば、ガス交換が可能な真空チェンバでも良い。 For example, it may be a vacuum chamber capable of gas exchange. 【0016】ステージ30は、それぞれステッピングモータ等の駆動手段を備えたXステージ33、Yステージ32を有し、二次元平面内で、移動できる。 [0016] Stage 30 each have an X stage 33, Y stage 32 equipped with a driving means such as a stepping motor, in a two-dimensional plane, it can be moved. Yステージ32上には定盤31が設置されている。 On the Y stage 32 are installed platen 31. 常磐31上には、アモルファスシリコン膜を形成したガラス基板等の加工対象物19が載置される。 On Joban 31, the workpiece 19 such as a glass substrate obtained by forming an amorphous silicon film is placed. なお、Xステージ、Yステージの順序は逆でも良い。 Incidentally, X-stage, the order of the Y stage may be reversed. 【0017】ガスカーテン装置20は、常磐31の上方所定距離に配置される。 The gas curtain device 20 is disposed above the predetermined distance Tokiwa 31. ガス導入口23から不活性ガスを導入すると、上板24、側壁25、常磐31上の加工対象物19で画定される加工空間内は不活性ガスで充填され、外気から遮断される。 The introduction of inert gas from the gas inlet 23, the upper plate 24, side walls 25, the working space defined by the workpiece 19 on the Joban 31 is filled with an inert gas, it is isolated from the atmosphere. この状態でレーザビームを照射すると、加工対象物19のアモルファスシリコン膜は、レーザビームによって溶融し、不活性ガス雰囲気内で固化(結晶化)させることができる。 When irradiating a laser beam in this state, an amorphous silicon film of the workpiece 19, melted by the laser beam can be hardened (crystallization) in an inert gas atmosphere. 【0018】上位制御装置35は、コンピュータなどで構成され、タイミング制御装置36、電源37、38を介してパルスレーザ光源11、12から所望のパルスレーザ光を発生させ、ステージコントローラ39を介してステージ30を所望速度、所望方向に駆動することができる。 The upper level control unit 35 is comprised of a computer, the timing controller 36 generates a desired pulse laser light from the pulsed laser light source 11, 12 through the power 37 and 38, via the stage controller 39 Stage 30 desired speed, can be driven in a desired direction. 【0019】図2(A)は、パルスレーザ光源11、1 [0019] FIG. 2 (A), pulse laser light source 11, 1
2、PBSを含む光学系、ビームエキスパンダ16の構成をより詳細に示す。 2, the optical system including the PBS, shows the configuration of the beam expander 16 in more detail. 複数のレーザ光源11a、11 A plurality of laser light sources 11a, 11
b、. b ,. . 12a、12b、. 12a, 12b ,. . はそれぞれレーザダイオード励起固体レーザを含み、波長400nm〜900n It includes a laser diode pumped solid-state laser, respectively, the wavelength 400nm~900n
mのs偏光レーザ光を発振する。 Oscillating the s-polarized laser beam m. たとえば、Nd:YA For example, Nd: YA
Gレーザと2次高調波発生器、Nd:YLFレーザと2 G laser and second harmonic generator, Nd: YLF laser and 2
次高調波発生器、またはNd:YVO 4レーザと2次高周波発生器で構成される。 Next harmonic generator, or Nd: YVO 4 consists of a laser and a secondary high frequency generator. 各パルスレーザ光源11、1 Each pulse laser light source 11, 1
2が2つのレーザ光源で構成されている場合を図示したが、3つ以上のレーザ光源を用いてもよい。 Although 2 is shown a case that consists of two laser light sources may be used three or more laser light sources. 【0020】レーザ光源11a、11bからの出射光は、λ/2位相板13a、13bによってp波に変換され、ミラーM11a、M11b、およびミラーM12 The laser light source 11a, the light emitted from 11b, lambda / 2 phase plate 13a, is converted into a p-wave by 13b, the mirror M11a, M11b, and the mirror M12
a、M12bで反射され、PBSに入射する。 a, is reflected by M12b, enters the PBS. 【0021】レーザ光源12a、12bからの出射光は、ミラーM23a、M23bで反射され、s偏光のままPBSに入射する。 The light emitted from the laser light source 12a, 12b are mirror M23a, is reflected by M23b, is incident on the left PBS s-polarized light. PBSは、p偏光を透過させ、s PBS is allowed to transmit the p-polarized light, s
偏光を反射することにより、s偏光とp偏光とを同一の光路上に出射することができる。 By reflecting the polarized light, can be emitted and s-polarized light and p-polarized light in the same light path. PBSから出射したレーザ光はλ/4位相板14で円偏光に変換される。 Laser light emitted from the PBS is converted into circularly polarized light by the lambda / 4 phase plate 14. ビームエキスパンダ16は、たとえば凹レンズと凸レンズの組み合わせを含み、平行光束を一旦発散させ、径の拡大した平行光束にする。 The beam expander 16 includes, for example, a combination of a concave lens and a convex lens, is temporarily diverge parallel light beam, into enlarged collimated light bundles diameter. 【0022】パルスレーザ光源11がs偏光レーザビームを出射している時、λ/4位相板より先(下流)の光学系から反射光がもどると、λ/4位相板でs偏光にされ、PBSで反射される。 [0022] When the pulsed laser light source 11 is emitted s polarized laser beam, the reflected light from the optical system of the prior lambda / 4 phase plate (downstream) of return, is the s-polarized light by the lambda / 4 phase plate, It is reflected by the PBS. パルスレーザ光源12からのs偏光レーザビームの反射光はλ/4位相板により、p The s light reflected polarized laser beam is lambda / 4 phase plate from the pulsed laser source 12, p
偏光に変換され、PBSを透過する。 It is converted into polarized light and transmits PBS. このように、反射光は発振中のレーザ光源には戻らない。 Thus, the reflected light does not return to the laser light source during the oscillation. 【0023】図2(A)の2群のパルスレーザ光源により以下に述べる2種類の特性を有するパルスレーザ光を発生させる。 [0023] The second group pulse laser light source shown in FIG. 2 (A) to generate a pulsed laser beam having two characteristics described below. 2群のパルスレーザ光源の各々は、図1のタイミング制御装置36の制御のもとに動作し、パルスレーザ光発生タイミングが制御される。 Each of the pulsed laser light source 2 group operates under the control of the timing controller 36 of FIG. 1, the pulsed laser beam generation timing is controlled. 【0024】図2(B)は、発生させるダブルパルスレーザ光の強度変化を示すグラフである。 FIG. 2 (B) is a graph showing the change in intensity of the double pulse laser beam to be generated. 横軸が時間を示し、縦軸が強度を示す。 Horizontal axis represents time and the vertical axis represents intensity. 第1パルスレーザ光P1は、アモルファスシリコン膜を十分溶融できるように強度が高く、パルス幅が狭い(時間長が短い)。 The first pulse laser beam P1 is high strength to the amorphous silicon film can be sufficiently melted, a narrow pulse width (time length is short). 第2パルスレーザ光P2は、一旦溶融したシリコンの冷却速度を遅らせ、結晶化速度を緩やかにして結晶粒を成長させるように、強度が低く、パルス幅が長い。 The second pulse laser beam P2, once slow the cooling rate of the molten silicon, so as to grow gently to grain the crystallization rate, the strength is low, the pulse width is long. または、第1パルスレーザ光と第2パルスレーザ光との両者ともパルス幅が長く、第1パルスレーザ光の強度は高く、第2パルスレーザ光の強度は低い。 Or, both the pulse width is long and the first pulse laser light and the second pulse laser beam, the intensity of the first pulsed laser beam is high, the intensity of the second pulsed laser beam is low. 【0025】たとえば、第1の例として、第1パルスレーザ光P1は、時間長14nsec、第2パルスレーザ光P2は、時間長120nsec、その強度比は6.9 [0025] For example, as the first example, the first pulse laser beam P1, the time length 14 nsec, the second pulse laser beam P2, the length of time 120 nsec, the intensity ratio 6.9
である。 It is. 第2の例として、第1パルスレーザ光P1と第2パルスレーザ光P2の時間長は両者共120nse As a second example, the time length of the first pulse laser beam P1 and the second pulse laser beam P2 is Both 120nse
c、その強度比は2.2である。 c, its intensity ratio is 2.2. 【0026】第1パルスレーザ光の時間長は5nsec [0026] The time length of the first pulse laser beam is 5nsec
以上、50nsec未満であり、第2パルスレーザ光時間長は50nsec以上、300nsec未満であることが望ましい。 Or more and less than 50 nsec, the second pulse laser beam length of time than 50 nsec, it is desirable that less than 300 nsec. または、第1パルスレーザ光と第2パルスレーザ光の時間長は両者共50nsec以上、300 Or, the time length of the first pulse laser light and the second pulse laser beam Both 50nsec or more, 300
nsec未満であることが望ましい。 It is desirable that less than nsec. 【0027】実際にアモルファスシリコン膜の結晶化を行う場合には、対象とするアモルファスシリコン膜に種々の条件のパルスレーザ光を照射して最適条件を求めることが好ましい。 [0027] When actually performing the crystallization of the amorphous silicon film is preferably to determine the optimum conditions by irradiating a pulsed laser beam of various conditions in the amorphous silicon film of interest. 【0028】このような、パルス強度、時間長を有するレーザパルスを単独の固体レーザで発生させることは、 [0028] When such a pulse intensity, generating laser pulses having a time length alone of the solid-state laser,
現在では困難である。 It is difficult at present. 複数の固体レーザを用い、複数の固体レーザから同時にパルス光を発生させ、合波することにより十分な強度を有する第1パルスレーザ光P1を発生させることができる。 A plurality of solid state lasers, to generate a pulse light simultaneously from a plurality of solid state lasers, the first pulse laser beam P1 having sufficient strength by multiplexing can be generated. 又、複数の固体レーザをタイミングをずらして発振させ、合波することにより十分な時間長を有する第2パルスレーザ光P2を発生させることができる。 Further, a plurality of solid state laser is oscillated by shifting the timing to generate a second pulsed laser light P2 having a sufficient length of time by multiplexing. 【0029】第1パルスレーザ光P1と第2パルスレーザ光P2の間隔は、時間長に依存して、たとえば(14 The spacing of the first pulse laser beam P1 and the second pulse laser beam P2, depending on the length of time, for example, (14
nsec、120nsec)や(120nsec、12 nsec, 120nsec) and (120nsec, 12
0nsec)の組み合わせではそれぞれ230nse Each in the combination of 0nsec) 230nse
c、450nsecである。 c, it is 450nsec. ダブルパルスの繰り返し周期は、たとえばmsecオーダである。 Repetition period of the double pulse is, for example msec order. なお、第1、第2のパルスレーザ光がそれぞれ複数のレーザパルスを合波したものであるため、厳密には擬似ダブルパルスである。 The first, for the second pulse laser beam is obtained by combining a plurality of laser pulses, respectively, strictly a pseudo double pulse. 【0030】レーザ光は、本来可干渉性を有する。 The laser light has the original coherence. アモルファスシリコン膜を効率的に結晶化するためには、長尺ビームを形成し、広幅の領域を照射しながら走査することが望ましい。 In order to efficiently crystallize the amorphous silicon film forms a elongated beam, it is desirable to scan while irradiating the wide area. 長尺ビーム内で強度分布はできるだけ一定であることが望ましい。 It is desirable elongate intensity distribution in the beam is as constant as possible. 【0031】照射領域内でレーザビームが干渉すると、 [0031] When the laser beam interfere with exposure area,
意図せざる強度分布が発生し、一様なアニール処理を妨げることになる。 Unintended intensity distribution occurs, it would prevent uniform annealing. 空間的可干渉性解消素子は、レーザビームを複数のビーム領域に分割し、ビーム領域間での空間的可干渉性を低減する素子である。 Spatial coherence depolarizer divides the laser beam into a plurality of beams regions, a device for reducing the spatial coherence across the beam area. 【0032】レーザビームは、通常ビーム面積内で強度分布を有する。 The laser beam has an intensity distribution in the normal beam area. ホモジナイザはレーザビームを複数の領域に分割し、各領域内の光束を一定の共通領域内に再分布させることにより、照射面積内での強度を均一化させる素子である。 Homogenizer divides the laser beam into a plurality of regions, by redistributing the light beam in each region in a certain common area, a device for homogenizing the intensity in the irradiation area. 【0033】図3(A),(B)は、空間的可干渉性解消素子17、ホモジナイザ18の構成例を示す。 FIG. 3 (A), (B) shows a configuration example of a spatial coherence depolarizer 17, homogenizer 18. 光軸をZ方向とした場合、図3(A)は、たとえばX方向から見た側面図であり、図3(B)はY方向から見た側面図である。 If the optical axis is a Z-direction, FIG. 3 (A), for example, a side view from the X direction, Fig. 3 (B) is a side view seen from the Y direction. 【0034】空間的可干渉性解消素子17は、Z方向の長さが異なる光学材料の板をY方向に積層した素子とX [0034] Spatial coherence depolarizer 17, elements obtained by laminating a plate of length in the Z direction is different from the optical material in the Y direction and the X
方向に積層した素子とを組み合わせた構成を有する。 It has a configuration in which a combination of the elements stacked in the direction. 光路長の差が生じ、空間的可干渉性が低減する。 The difference in optical path length occurs, it reduces the spatial coherence. 互いに隣接する領域で光路長が徐々に変化する構成を図示したが,光路差の設定は任意である。 Has been shown the configuration in which the optical path length gradually changes in the area adjacent to each other, setting of the optical path difference is arbitrary. たとえば,ランダムな光路差を設定してもよい。 For example, it may be set random optical path difference. 【0035】なお、ビーム断面内を複数の領域に分割でき、各領域に異なる光路差を生じさせる構成であれば図示の構成に限らない。 It should be noted, can divide the inside of the beam cross-section into a plurality of regions, not limited to the illustrated configuration have a configuration to produce a different optical path differences in each region. たとえば、ファイババンドルのような構成であれば、2つの素子を必要とせず、単一の素子で同様の効果を発揮できる。 For example, if the configuration of the fiber bundle, without the need for two elements can exhibit similar effects in a single element. 【0036】ホモジナイザ18は、たとえば、X方向シリンドリカルレンズ18aをY方向に並べ、Y方向に並んだ複数の光束を形成し、他のX方向シリンドリカルレンズ18bで各光束を再分布させ、同様Y方向シリンドリカルレンズ18cをX方向に並べ、X方向に並んだ複数の光束を形成し、他のY方向シリンドリカルレンズ1 The homogenizer 18 may, for example, arranging an X-direction cylindrical lens 18a in the Y direction to form a plurality of light fluxes arranged in the Y direction, to redistribute the light fluxes in the other X-direction cylindrical lens 18b, similar Y-direction arranged cylindrical lenses 18c in the X direction to form a plurality of light fluxes arranged in the X direction, the other Y-direction cylindrical lens 1
8dで各光束を再分布させる。 To re-distribution of the light beams at 8d. 図の構成では、結像レンズ18p、18qで各光束を共通の領域上に結像させている。 In the configuration of FIG, imaging lens 18p, and it is imaged with the light beams in a common area 18q. 【0037】このようにして、照射領域内で一定の強度を有する長尺ビームを形成している。 [0037] In this manner, to form a elongated beam having a constant intensity in the irradiation zone. この長尺ビームが、図1に示すアモルファスシリコン膜を堆積した加工対象物19上に照射される。 The elongated beam is irradiated onto the workpiece 19 has been deposited an amorphous silicon film shown in FIG. 【0038】図4(A)、(B)は、加工対象物19の構成を示す平面図と部分的断面図である。 FIG. 4 (A), (B) is a plan view and a partial sectional view showing the configuration of the object 19. 図4(B)に示すように、ガラス基板40の上に2層の酸化シリコン膜41、43が積層されている。 As shown in FIG. 4 (B), a silicon oxide film 41 and 43 of the two layers on a glass substrate 40 are laminated. 下側酸化シリコン膜4 Lower silicon oxide film 4
1には開口42が形成されている。 Opening 42 is formed in the 1. 上側酸化シリコン膜43は、開口42上で鋭いカスプ44を形成している。 The upper silicon oxide film 43 forms a sharp cusp 44 on the opening 42.
このようなカスプを形成した酸化シリコン膜43の全面上にアモルファスシリコン膜46が堆積されている。 Amorphous silicon film 46 is deposited on such cusp the formed silicon oxide film 43 on the entire surface. 【0039】図4(A)に示すように、加工対象物19 As shown in FIG. 4 (A), the workpiece 19
の一対の対向辺に沿ってカスプ44が一定の間隔で形成されている。 It is cusp 44 are formed at regular intervals along the pair of opposing sides. 例えば、右辺から左辺に向かってレーザビームを走査し、左辺で折り返し、左辺から右辺に向かって走査し、ジグザグ状に走査を繰り返す。 For example, by scanning the laser beam from the right side toward the left side, folded at the left side, and scanned toward the right side from the left side, repeat the scan in a zigzag shape. 【0040】図4(C)に示すように、各走査の初期において、レーザビームLB照射領域には複数のカスプ4 [0040] Figure 4 (C), the at the beginning of each scan, a plurality of cusp 4 in the laser beam LB irradiated region
4が含まれる。 4 is included. カスプ44は、アモルファスシリコン膜46が溶融し、固化する際、結晶核発生を誘起する。 Cusp 44, an amorphous silicon film 46 is melted, when solidified, to induce crystal nucleation. カスプ44の底に結晶核が発生してフィルタ効果によって1つの大きな種結晶が成長する。 Large seed one by the filter effect bottom crystal nuclei cusp 44 occurs and grows. レーザビームLBを走査することにより、それぞれの種結晶を元に単結晶領域が走査方向に拡がる。 By scanning the laser beam LB, the single crystal region spreads in the scanning direction based on each of the seed crystal. 【0041】なお、図4(D)に示すように、基板を複数のセクションSに分割し、各セクションの周辺部にカスプ44を形成してもよい。 [0041] Incidentally, as shown in FIG. 4 (D), dividing the substrate into a plurality of sections S, it may be formed cusp 44 to the peripheral portion of each section. 結晶成長を開始する部分にカスプを形成することにより、カスプから種結晶を成長させ、広い単結晶領域を形成させる。 By forming the cusp in part to initiate crystal growth, to grow the seed crystal from the cusp to form a wide single crystal regions. 【0042】レーザ照射は、重複照射によって同一位置に何回か繰り返し行われる。 The laser irradiation is repeated several times in the same position by overlapping irradiation. 一回の照射により結晶化できなかった部分も複数回の照射で結晶化が進行する。 Also crystallize in multiple irradiation proceeds parts which could not be crystallized by irradiation of one. 【0043】図4(E)は、アモルファスシリコンと結晶シリコンとの光吸収係数を概略的に示す。 [0043] FIG. 4 (E) shows the optical absorption coefficient of amorphous silicon and crystalline silicon schematically. 横軸がフォトンエネルギEを示し、縦軸が吸収係数αを示す。 The abscissa represents a photon energy E, the vertical axis represents α absorption coefficient. 曲線Qcが結晶シリコンの吸収係数であり、曲線Qαがアモルファスシリコンの吸収係数である。 Curve Qc is the absorption coefficient of crystalline silicon, curve Qα is the absorption coefficient of amorphous silicon. 本実施例で用いたレーザ光の波長では、アモルファスシリコンの吸収係数Qαは結晶シリコンの吸収係数より1桁以上大きい。 The wavelength of the laser beam used in this embodiment, the absorption coefficient Qα of amorphous silicon is larger by one digit or more than the absorption coefficient of crystalline silicon. 波長400〜900nmの領域では、このようにアモルファスシリコンの吸収係数が結晶シリコンの吸収係数より大きい。 In the wavelength range of 400~900nm, the absorption coefficient of such amorphous silicon is greater than the absorption coefficient of crystalline silicon. 【0044】図4(F)に示すように、レーザ照射領域内に大小様々の結晶化領域、グレインバウンダリ(アモルファス領域)がある場合、グレインバウンダリはより多くのレーザ光を吸収し、優先的に溶融する。 [0044] As shown in FIG. 4 (F), various sizes of the crystallization region in the laser irradiation region, if there is a grain boundary (amorphous region), the grain boundary will absorb more laser beams, preferentially to melt. 【0045】図4(G)に示すように、溶融領域が広がると、比較的大きな結晶化領域のみが固相で残る。 [0045] As shown in FIG. 4 (G), the spread molten region, only a relatively large crystallization region remains in the solid phase. このような状態から結晶化が再開すれば、前よりも大きなグレインサイズが得られるであろう。 If crystallization resumed from this state, it will obtain a large grain size than before. 【0046】図4(A)に示すように、ストライプ状領域を端部を重ねて走査した場合、重なり部分は、上下の結晶領域からの影響が及び、歪みが蓄積しやすい。 [0046] As shown in FIG. 4 (A), if scanning the stripe regions overlapping the end overlap portion, are affected from the upper and lower crystal region, the distortion is likely to accumulate. 本実施例の場合、歪みが蓄積され結晶性が劣化した領域はアモルファス的となり、優先的に溶融する。 In this embodiment, regions crystalline distortion is accumulated is deteriorated becomes amorphous, the melting preferentially. 再び結晶化すると、歪みは緩和される。 Crystallization again, strain is relieved. 【0047】なお、実験の結果、XeClエキシマレーザ光を用いた場合より大きなグレインサイズが得られた。 [0047] As a result of experiments, larger grain size than with an XeCl excimer laser beam is obtained. XeClエキシマレーザ光の波長では、アモルファスシリコンと結晶シリコンは、ほぼ同等の吸収係数を有する。 The wavelength of the XeCl excimer laser beam, the amorphous silicon and crystalline silicon have almost the same absorption coefficient. 従って、図4(G)に示すような状態は実現困難であろう。 Thus, the state as shown in FIG. 4 (G) would be difficult to achieve. 【0048】図4(H),(I)は、結晶化シリコン膜を用いた薄膜トランジスタの構成を概略的に示す。 [0048] FIG. 4 (H), (I) shows schematically a thin film transistor configuration using the crystallized silicon film. 図4 Figure 4
(H)に示すように結晶化シリコンをパターニングして島状の活性領域ARが形成されている。 By patterning the crystallized silicon as shown in (H) is an island-like active regions AR are formed. このシリコン領域を横断するように絶縁ゲート電極Gが配置される。 Insulated gate electrode G is arranged so as to cross the silicon region. 【0049】図4(I)に示すように、絶縁ゲート電極は、シリコン領域上に酸化シリコン膜、窒化シリコン膜等の絶縁膜を形成し、その上にCr,Al等の導電性材料のゲート電極を配置して形成される。 [0049] As shown in FIG. 4 (I), the insulated gate electrode, a silicon oxide film on a silicon region, an insulating film such as a silicon nitride film, Cr thereon, a gate of conductive material such as Al It is formed by placing the electrode. 【0050】以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。 [0050] Although the invention has been described along the embodiments, the present invention is not limited thereto. 例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは、 For example, various modifications, improvements, which can be combined or the like,
当業者に自明であろう。 It will be apparent to those skilled in the art. 【0051】 【発明の効果】グレインサイズの大きな結晶化シリコン膜を得ることができる。 [0051] [Effect of the Invention] It is possible to obtain a large crystallized silicon film grain size.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例によるレーザアニール装置を示す。 It shows a laser annealing apparatus according to an embodiment of the BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [Figure 1] present invention. 【図2】図1の光源部からビームエキスパンダまでの部分の拡大図とパルス波形を示すグラフである。 2 is a graph showing an enlarged view and a pulse waveform portion up to the beam expander from the light source unit of FIG. 【図3】図1の可干渉性解消素子とホモジナイザの部分の拡大図である。 3 is an enlarged view of a coherent vanishing element and part of the homogenizer of FIG. 【図4】加工対象物の構成を示す平面図、断面図、結晶化過程を説明するためのグラフ、平面図、薄膜トランジスタの平面図、断面図である。 Figure 4 is a plan view showing a configuration of the object, cross-sectional view, a graph for explaining a crystallization process, a plan view, a plan view of the thin film transistor, a cross-sectional view. 【符号の説明】 11、12 パルスレーザ光源13、14 位相板M ミラーPBS 偏光分波器A アッテネータ16 ビームエキスパンダ17 空間的可干渉性解消素子18 ホモジナイザ20 ガスカーテン装置30 ステージ [Description of Reference Numerals] 11, 12 pulsed laser light source 13, 14 a phase plate M mirror PBS polarizer demultiplexer A attenuator 16 beam expander 17 spatial coherence depolarizer 18 homogenizer 20 Gas curtain device 30 Stage

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F052 AA02 BA01 BA07 BA14 BB02 BB03 BB07 CA04 DA01 EA15 HA01 JA01 JA09 5F110 AA16 CC01 DD02 DD13 DD17 DD30 EE03 EE04 FF02 FF03 GG02 GG13 PP03 PP04 PP05 PP07 PP23 PP36 PP40 ────────────────────────────────────────────────── ─── front page of continued F-term (reference) 5F052 AA02 BA01 BA07 BA14 BB02 BB03 BB07 CA04 DA01 EA15 HA01 JA01 JA09 5F110 AA16 CC01 DD02 DD13 DD17 DD30 EE03 EE04 FF02 FF03 GG02 GG13 PP03 PP04 PP05 PP07 PP23 PP36 PP40

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 アモルファス層のシリコン膜を結晶化するシリコン結晶化方法であって、 (a)シリコン膜に第1の強度と第1の時間長とを有する第1のパルスレーザ光を照射して、前記シリコン膜を溶融する工程と、 (b)溶融後、冷却途中の前記シリコン膜に第1の強度より低い第2の強度と第2の時間長とを有する第2のパルスレーザ光を照射して、発生したシリコン結晶粒を完全には溶融せず、結晶粒を成長させる工程と、 (c)照射領域を部分的にずらして前記工程(a)と前記工程(b)とを繰り返し、結晶化領域を拡大する工程と、を含み、前記第1および第2のパルスレーザ光は共に複数のレーザダイオード励起固体レーザからの波長4 A Claims 1. A silicon crystallization method for crystallizing an amorphous silicon film layer, a first having a first strength and first time length (a) a silicon film by irradiating a pulsed laser beam, a and a step of melting the silicon film, and (b) after melting, a first lower intensity second intensity and a second time length in the silicon film in the middle of cooling by irradiating the second pulse laser beam, not completely melted in a silicon crystal grains occurs, the a step of growing crystal grains, and (c) the step of irradiating region partially staggered step (a) (b) and repeatedly, and a step of expanding the crystallization region, the wavelength from the first and second pulse laser beam are both a plurality of laser diode pumped solid-state laser 4
    00nm〜900nmのレーザ光を加算したものであるシリコン結晶化方法。 Silicon crystallization method in which a laser beam obtained by adding the 00Nm~900nm. 【請求項2】 前記第1及び第2のパルスレーザ光の照射を受ける前記シリコン膜は不活性ガス雰囲気機構により外気から遮断されている請求項1に記載のシリコン結晶化方法。 Wherein said first and said silicon film is a silicon crystallization method according to claim 1 which is isolated from the atmosphere by an inert gas atmosphere mechanism receiving irradiation of the second pulse laser beam. 【請求項3】 前記第1及び第2のパルスレーザ光は、 Wherein the first and second pulse laser beam,
    Nd:YAGの第2高調波またはNd:YLFの第2高調波またはNd:YVO 4の第2高調波である請求項1 Nd: second harmonic or Nd in YAG: second harmonic or Nd of YLF: Claim 1 which is a second harmonic of YVO 4
    または2記載のシリコン結晶化方法。 Or silicon crystallization method according. 【請求項4】 前記第1の時間長は5nsec以上50 Wherein said first duration is more than 5 nsec 50
    nsec未満、かつ前記第2の時間長は50nsec以上300nsec未満であるか、または前記第1及び第2の時間長は、共に50nsec以上300nsec未満である請求項1〜3のいずれか1項記載のシリコン結晶化方法。 Less nsec, and the one second time length is less than or 50 nsec 300 nsec, or the first and second duration are both any one of claims 1 to 3 or more and less than 50 nsec 300 nsec silicon crystallization method. 【請求項5】 前記第1及び第2のパルスレーザ光は共通の空間的可干渉性解消素子とホモジナイザとを介して照射される請求項1〜4のいずれか1項記載のシリコン結晶化方法。 Wherein said first and second pulse laser beam is a common spatial coherence depolarizer and homogenizer and any one silicon crystallization method according to claim 1 which is irradiated through the . 【請求項6】 前記第1及び第2のパルスレーザ光照射による走査をストライプ状に行ない、ストライプ端部で折り返し、互いに接するストライプ状結晶化領域を形成する請求項1〜5のいずれか1項記載のシリコン結晶化方法。 6. performs scanning by the first and second pulse laser beam irradiated in stripes, folded stripe edge, claim 1, to form a stripe-shaped crystallized region in contact with each other silicon crystallization method described. 【請求項7】 前記アモルファス相のシリコン膜は、ガラス基板上に形成された酸化シリコン膜上に堆積されたものであり、前記酸化シリコン膜が、結晶核を発生させ種結晶を形成させるカスプまたは段差を有する請求項1 Silicon film wherein said amorphous phase has been deposited on the silicon oxide film formed on a glass substrate, the silicon oxide film, cusp to form generated was seed crystal crystal nuclei or claim has a step 1
    〜6のいずれか1項記載のシリコン結晶化方法。 Silicon crystallization method according to any one of 6. 【請求項8】 複数のレーザダイオード励起固体レーザを含み、波長400nm〜900nm、第1の強度、第1の時間長を有する第1のパルスレーザ光を発生できる第1のパルスレーザ光源群と、 複数のレーザダイオード励起固体レーザを含み、波長4 8. includes a plurality of laser diode pumped solid-state laser, a first pulse laser light source group capable of generating a wavelength between 400 nm and 900 nm, the first intensity, a first pulse laser beam having a first time length, It includes a plurality of laser diode pumped solid-state laser, the wavelength 4
    00nm〜900nm、第1の強度より低い第2の強度、第2の時間長を有する第2のパルスレーザ光を発生できる第2のパルスレーザ光源群と、 前記第1及び第2のパルスレーザ光源群の各レーザダイオード励起固体レーザのパルスレーザ光発生タイミングを制御するタイミング制御手段と、 加工対象物を載置し、2次元平面内で駆動できるステージと、 前記ステージの駆動を制御できるステージ制御手段と、 前記ステージ上に載置される加工対象物の加工対象領域に前記第1のパルスレーザ光または前記第2のパルスレーザ光を照射させる光学系とを有するレーザアニール装置。 00Nm~900nm, a second intensity less than the first intensity, a second pulse laser source group capable of generating a second pulse laser beam having a second time length, said first and second pulse laser source and timing control means for controlling the pulsed laser beam generation timing of the laser diode pumped solid-state laser of the group, a workpiece is placed, a stage that can be driven in a two-dimensional plane, stage control means for controlling driving of the stage When the laser annealing apparatus having an optical system for irradiating the first pulse laser light or the second pulse laser beam to the processing target area of ​​the workpiece to be placed on the stage. 【請求項9】 さらに、前記加工対象領域周囲に、加工対象領域を外気から遮断する不活性ガス雰囲気を形成できる機構を有する請求項8記載のレーザアニール装置。 9. Further, the processing target area around, laser annealing device of claim 8, having a mechanism capable of forming an inert gas atmosphere to cut off the processing target area from the outside air. 【請求項10】 前記第1及び第2のパルスレーザ光源群は、それぞれ複数のNd:YAGレーザ光源と第2高調波発生手段、複数のNd:YLFレーザ光源と第2高調波発生手段、または複数のNd:YVO 4レーザ光源と第2高調波発生手段を有する請求項8または9記載のレーザアニール装置。 Wherein said first and second pulse laser light source groups, each of the plurality of Nd: YAG laser light source and the second harmonic wave generating means, a plurality of Nd: YLF laser light source and the second harmonic wave generating means or, a plurality of Nd: YVO 4 laser light source and a laser annealing device according to claim 8 or 9, wherein a second harmonic generator. 【請求項11】 前記第1の時間長は5nsec以上5 Wherein said first duration is more than 5 nsec 5
    0nsec未満、かつ前記第2の時間長は50nsec Less than 0 nsec, and said second time length is 50nsec
    以上300nsec未満であるか、または前記第1及び第2の時間長が、共に50nsec以上300nsec More 300nsec less or where the first and second time length, both 50nsec than 300nsec
    未満である請求項8〜10のいずれか1項記載のレーザアニール装置。 The laser annealing apparatus according to any one of claims 8 to 10 is less than. 【請求項12】 前記光学系は、前記第1及び第2のパルスレーザ光に共通の空間的可干渉性解消素子とホモジナイザとを含む請求項8〜11のいずれか1項記載のレーザアニール装置。 12. The optical system, a laser annealing apparatus of any one of claims 8 to 11 and a common spatial coherence depolarizer and homogenizer in the first and second pulse laser beam . 【請求項13】 前記空間的可干渉性解消素子は、レーザビームを複数の領域に分割し、各領域に対して異なるリターデーションを与える光路を形成する請求項12記載のレーザアニール装置。 Wherein said spatial coherence depolarizer divides the laser beam into a plurality of regions, the laser annealing device according to claim 12 for forming an optical path to provide different retardation for each region. 【請求項14】 前記ステージ制御手段が、前記加工対象物上での前記加工対象領域の走査を折り返しストライプ形状に行うことができる請求項8〜13のいずれか1 14. The stage control unit, any one of claims 8 to 13 can be performed in a stripe shape folded scan of the processing target area on the object 1
    項記載のレーザアニール装置。 Laser annealing apparatus of claim wherein.
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