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

Method for crystallizing silicon and laser annealing system

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JP2003068644A
JP2003068644A JP2001257628A JP2001257628A JP2003068644A JP 2003068644 A JP2003068644 A JP 2003068644A JP 2001257628 A JP2001257628 A JP 2001257628A JP 2001257628 A JP2001257628 A JP 2001257628A JP 2003068644 A JP2003068644 A JP 2003068644A
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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】Detailed Description of the Invention

【0001】[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 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon crystallization method and a laser annealing apparatus, and particularly to a silicon crystallization method capable of forming large crystal grains and having a simple maintenance of the apparatus used, and a laser annealing apparatus used in this method. Regarding

【0002】[0002]

【従来の技術】アモルファスシリコン膜は、太陽電池、
液晶表示装置、半導体装置等で広く用いられている。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。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。
2. Description of the Related Art Amorphous silicon films are used for solar cells,
Widely used in liquid crystal display devices, semiconductor devices, and the like. Amorphous silicon has a lower mobility than crystalline silicon. By crystallizing the amorphous silicon, an electronic device having more excellent characteristics can be created.

【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。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。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。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。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。
Various annealing techniques for polycrystallizing amorphous silicon have been developed. Currently, a technique of irradiating amorphous silicon with XeCl excimer laser light to polycrystallize it is widely used. The XeCl excimer laser requires time and cost for maintenance. The electrical characteristics of the obtained polycrystalline silicon film are not sufficiently satisfactory. There is a need for better quality, lower cost polycrystalline silicon films.

【0004】[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。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。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。
Polycrystalline silicon contains an aggregate of single-crystallized crystal grains (grains). The grain boundary, which is the boundary between crystal grains, affects the electrical characteristics of polycrystalline silicon. The electrical characteristics of polycrystalline silicon having a large amount of grain boundary are generally more likely to deteriorate than those of polycrystalline silicon having a small amount 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。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。
As the size of each grain (grain size) increases, the grain boundary generally decreases. In order to obtain polycrystalline silicon having excellent electrical characteristics, a technique for forming polycrystalline silicon having a large 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。
Further, if a region for forming a semiconductor element, at least a region that influences the characteristics of the semiconductor element (for example, a channel region of a thin film transistor (TFT)) can be formed in one grain, the characteristics of the semiconductor element can be greatly improved. .

【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。
It is an object of the present invention to provide a silicon crystallization method capable of forming a silicon film having a large grain from 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 silicon crystallization.

【0009】[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、
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。
According to one aspect of the present invention, there is provided a silicon crystallization method for crystallizing a silicon film of an amorphous layer, comprising: (a) a silicon film having a first strength and a first time; Irradiating a first pulsed laser beam having a length to melt the silicon film, and (b) after melting,
The silicon film in the course of cooling is irradiated with a second pulsed laser beam having a second intensity lower than the first intensity and a second time length, and the generated silicon crystal grains are not completely melted, The steps of growing crystal grains, and (c) repeating the steps (a) and (b) by partially shifting the irradiation region to expand the crystallization region, and the first and the first There is provided a silicon crystallization method in which the two pulsed laser lights are the sum of laser lights having wavelengths of 400 nm to 900 nm from a plurality of laser diode pumped solid state lasers.

【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
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ール装置が提供される。
According to another aspect of the present invention, a plurality of laser diode pumped solid state lasers are included, and the wavelength is 400 nm to 9 nm.
00 nm, a first intensity, a first pulse laser light source group capable of generating a first pulse laser light having a first time length, and a plurality of laser diode pumped solid state laser, wavelength 400nm ~ 900nm, the first. A second pulse laser light source group capable of generating a second pulse laser light having a second intensity and a second time length lower than the intensity, and laser diode pumped solids of the first and second pulse laser light source groups Timing control means for controlling the pulsed laser light generation timing of the laser, a stage on which an object to be processed is placed and can be driven in a two-dimensional plane, stage control means for controlling the driving of the stage, and stage mounted on the stage. A laser ani having an optical system for irradiating the processing target region of the processing target to be placed with the first pulse laser light or the second pulse laser light. Le device is provided.

【0011】[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。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。パルスレー
ザ光源11、12の構成については後述する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A laser annealing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The pulse laser light sources 11 and 12 can generate a pulse laser beam having a predetermined intensity and a predetermined time length, respectively. The configurations of the pulse laser light sources 11 and 12 will be described later.

【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
波に変更され、ミラーM11,M12,アッテネータ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。PBSは、たとえばp偏光を
透過させる。
The laser beam from the pulsed laser light source 11 is, for example, an s-wave, and the λ / 2 phase plate 13 causes the laser beam to emit light.
Changed to waves, mirrors M11, M12, attenuator A
It is incident on the polarization demultiplexer (polarization beam splitter) PBS via 1. PBS transmits, for example, 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。P
BSは、たとえばs偏光を反射する。このようにして、
2つのレーザビームは同一の光路上に出射する。
The laser beam from the pulse laser light source 12 is, for example, an s wave, and is incident on the polarization demultiplexer (polarization beam splitter) PBS via the mirrors M21 and M22, the attenuator A2, and the mirror M23. P
The BS reflects, for example, s-polarized light. In this way
The two laser beams are emitted on the same optical path.

【0014】PBSの出射光は、ミラー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。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。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。
The light emitted from the PBS is mirrors M31 and M32.
It is incident on the beam expander 16 via the and the beam diameter is expanded. The laser beam having the expanded beam diameter is relieved of coherence by the spatial coherence canceling element 17, and is converted into a beam having a uniform intensity distribution by the beam homogenizer 18. The spatial coherence canceling element 17 and the beam homogenizer 18 will also be described later.

【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。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
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。側壁部材26下部にはガス回収口2
6が設けられている。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。例えば、ガス交換が
可能な真空チェンバでも良い。
The laser beam emitted from the beam homogenizer 18 is reflected downward by the mirror M40 and enters the entrance window 22 of the gas curtain device 20. The gas curtain device 20 includes an upper plate 2 having an entrance window 22 and a gas inlet 23.
4 and the side wall member 25 connected to the lower surface of the peripheral portion thereof define a semi-enclosed space. The gas recovery port 2 is provided below the side wall member 26.
6 is provided. Here, the gas atmosphere forming mechanism is not limited to the gas curtain. For example, a vacuum chamber capable of gas exchange may be used.

【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。Yステージ
32上には定盤31が設置されている。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。なお、Xステージ、Yス
テージの順序は逆でも良い。
The stage 30 has an X stage 33 and a Y stage 32 each equipped with a driving means such as a stepping motor, and is movable in a two-dimensional plane. A surface plate 31 is installed on the Y stage 32. An object 19 such as a glass substrate having an amorphous silicon film formed thereon is placed on the job board 31. The order of the X stage and 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。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。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。
The gas curtain device 20 is arranged at a predetermined distance above the Joban 31. When the inert gas is introduced from the gas introduction port 23, the processing space defined by the upper plate 24, the side wall 25, and the processing object 19 on the Joban 31 is filled with the inert gas and is shielded from the outside air. When the laser beam is irradiated in this state, the amorphous silicon film of the processing object 19 can be melted by the laser beam and solidified (crystallized) in the 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 host controller 35 is composed of a computer or the like, generates desired pulse laser light from the pulse laser light sources 11 and 12 through the timing controller 36 and power supplies 37 and 38, and the stage controller 39 through the stage controller 39. The 30 can be driven at a desired speed and in a desired direction.

【0019】図2(A)は、パルスレーザ光源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。複数のレーザ光源11a、11
b、..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
mのs偏光レーザ光を発振する。たとえば、Nd:YA
Gレーザと2次高調波発生器、Nd:YLFレーザと2
次高調波発生器、またはNd:YVO4レーザと2次高
周波発生器で構成される。各パルスレーザ光源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。
FIG. 2A shows the pulse laser light sources 11 and 1.
2, the configuration of the optical system including the PBS and the beam expander 16 will be described in more detail. A plurality of laser light sources 11a, 11
b ,. . 12a, 12b ,. . Each includes a laser diode pumped solid state laser, and has a wavelength of 400 nm to 900 n.
The s-polarized laser light of m is emitted. For example, Nd: YA
G laser and second harmonic generator, Nd: YLF laser and 2
A second harmonic generator, or Nd: YVO 4 laser and secondary high frequency generator. Each pulsed laser light source 11, 1
Although the case where 2 is composed of two laser light sources is illustrated, three or more laser light sources may be used.

【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
a、M12bで反射され、PBSに入射する。
Light emitted from the laser light sources 11a and 11b is converted into p-waves by the λ / 2 phase plates 13a and 13b, and the mirrors M11a and M11b and the mirror M12.
The light is reflected by a and M12b and 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。PBSは、p偏光を透過させ、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。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。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。
Light emitted from the laser light sources 12a and 12b is reflected by the mirrors M23a and M23b, and enters the PBS as s-polarized light. PBS transmits p-polarized light, and
By reflecting the polarized light, the s-polarized light and the p-polarized light can be emitted on the same optical path. The laser light emitted from the PBS is converted into circularly polarized light by the λ / 4 phase plate 14. The beam expander 16 includes, for example, a combination of a concave lens and a convex lens, and once diverges a parallel light beam to form a parallel light beam having an enlarged 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。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
偏光に変換され、PBSを透過する。このように、反射
光は発振中のレーザ光源には戻らない。
When the pulsed laser light source 11 emits an s-polarized laser beam, if the reflected light returns from the optical system ahead (downstream) of the λ / 4 phase plate, it is s-polarized by the λ / 4 phase plate. It is reflected by PBS. The reflected light of the s-polarized laser beam from the pulse laser light source 12 is reflected by the λ / 4 phase plate,
It is converted to polarized light and transmitted through PBS. In this way, the reflected light does not return to the lasing laser light source.

【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。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。
Pulse laser light having the following two types of characteristics is generated by the two groups of pulse laser light sources shown in FIG. Each of the two groups of pulsed laser light sources operates under the control of the timing control device 36 of FIG. 1, and the pulsed laser light 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。横軸が時間を示
し、縦軸が強度を示す。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)。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。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。
FIG. 2B is a graph showing the change in intensity of the double pulse laser light generated. The horizontal axis represents time and the vertical axis represents intensity. The first pulse laser beam P1 has high intensity and a narrow pulse width (short time length) so that the amorphous silicon film can be sufficiently melted. The second pulsed laser light P2 has a low intensity and a long pulse width so that the cooling rate of the once melted silicon is delayed and the crystallization rate is slowed to grow crystal grains. Alternatively, both the first pulse laser light and the second pulse laser light have long pulse widths, the intensity of the first pulse laser light is high, and the intensity of the second pulse laser light 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
である。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
c、その強度比は2.2である。
For example, as a first example, the first pulse laser light P1 has a time length of 14 nsec, the second pulse laser light P2 has a time length of 120 nsec, and the intensity ratio thereof is 6.9.
Is. As a second example, the time lengths of the first pulse laser beam P1 and the second pulse laser beam P2 are both 120 nse.
c, the intensity ratio is 2.2.

【0026】第1パルスレーザ光の時間長は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。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
nsec未満であることが望ましい。
The time length of the first pulsed laser light is 5 nsec.
As described above, it is preferable that the time length is less than 50 nsec and the second pulsed laser light time length is 50 nsec or more and less than 300 nsec. Alternatively, the time lengths of the first pulse laser light and the second pulse laser light are both 50 nsec or more and 300
It is preferably 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。
When the amorphous silicon film is actually crystallized, it is preferable to obtain optimum conditions by irradiating the target amorphous silicon film with pulsed laser light under various conditions.

【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、
現在では困難である。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。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。
Generating a laser pulse having such pulse intensity and time length with a single solid-state laser is as follows.
Now it's difficult. By using a plurality of solid-state lasers and simultaneously generating pulsed lights from the plurality of solid-state lasers and combining them, the first pulsed laser light P1 having sufficient intensity can be generated. Further, the second pulsed laser light P2 having a sufficient time length can be generated by oscillating and multiplexing the plurality of solid-state lasers at different timings.

【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
nsec、120nsec)や(120nsec、12
0nsec)の組み合わせではそれぞれ230nse
c、450nsecである。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。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 interval between the first pulsed laser light P1 and the second pulsed laser light P2 depends on the time length and is, for example, (14
nsec, 120nsec) or (120nsec, 12
(0 nsec) is 230 nse each.
c, 450 nsec. The repetition cycle of the double pulse is, for example, on the order of msec. Note that the first and second pulsed laser lights are a combination of a plurality of laser pulses, and thus are strictly pseudo double pulses.

【0030】レーザ光は、本来可干渉性を有する。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。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。
Laser light has coherence by nature. In order to efficiently crystallize the amorphous silicon film, it is desirable to form a long beam and scan while irradiating a wide area. It is desirable that the intensity distribution within the long beam be as constant as possible.

【0031】照射領域内でレーザビームが干渉すると、
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。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。
When the laser beams interfere in the irradiation area,
An unintended intensity distribution is generated, which prevents a uniform annealing process. The spatial coherence canceling element is an element that divides the laser beam into a plurality of beam regions and reduces the spatial coherence between the beam regions.

【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。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。
The laser beam usually has an intensity distribution within the beam area. The homogenizer is an element that divides the laser beam into a plurality of regions and redistributes the light flux in each region into a certain common region to uniformize the intensity within 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。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。
FIGS. 3A and 3B show examples of the configurations of the spatial coherence canceling element 17 and the homogenizer 18. When the optical axis is in the Z direction, FIG. 3A is a side view seen from the X direction, and FIG. 3B 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
方向に積層した素子とを組み合わせた構成を有する。光
路長の差が生じ、空間的可干渉性が低減する。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。たとえば,ランダムな
光路差を設定してもよい。
The spatial coherence canceling element 17 is an element in which plates of optical materials having different lengths in the Z direction are laminated in the Y direction, and an element in the X direction.
It has a configuration in which elements stacked in the direction are combined. A difference in optical path length is generated, and spatial coherence is reduced. Although the configuration is shown in which the optical path length gradually changes in the areas adjacent to each other, the optical path difference can be set arbitrarily. For example, a random optical path difference may be set.

【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。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。
The structure of the beam is not limited to the illustrated structure as long as it can be divided into a plurality of regions within the beam cross section and different optical path differences are generated in the respective regions. For example, in the case of a configuration such as a fiber bundle, two elements are not required, and the same effect can be achieved with 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
8dで各光束を再分布させる。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。
The homogenizer 18 forms, for example, a plurality of light fluxes arranged in the Y direction by arranging the X direction cylindrical lenses 18a in the Y direction, and redistributes each light flux in the other X direction cylindrical lenses 18b. The cylindrical lenses 18c are arranged in the X direction to form a plurality of light beams arranged in the X direction, and the other Y-direction cylindrical lens 1 is formed.
Each light flux is redistributed at 8d. In the configuration shown in the figure, each of the light fluxes is imaged on a common region by the imaging lenses 18p and 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。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。
In this way, a long beam having a constant intensity is formed within the irradiation area. This long beam is irradiated onto the processing object 19 on which the amorphous silicon film shown in FIG. 1 is deposited.

【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。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。下側酸化シリコン膜4
1には開口42が形成されている。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。
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。
FIGS. 4A and 4B are a plan view and a partial sectional view showing the structure of the object to be processed 19. As shown in FIG. 4B, two layers of silicon oxide films 41 and 43 are laminated on the glass substrate 40. Lower silicon oxide film 4
1 has an opening 42 formed therein. The upper silicon oxide film 43 forms a sharp cusp 44 on the opening 42.
An amorphous silicon film 46 is deposited on the entire surface of the silicon oxide film 43 having such cusps.

【0039】図4(A)に示すように、加工対象物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。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。
As shown in FIG. 4A, the object to be processed 19
The cusps 44 are formed at regular intervals along the pair of opposite sides. For example, the laser beam is scanned from the right side to the left side, folded back at the left side, scanned from the left side to the right side, and the scanning is repeated zigzag.

【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
4が含まれる。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。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。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。
As shown in FIG. 4C, a plurality of cusps 4 are formed in the laser beam LB irradiation area at the beginning of each scan.
4 is included. The cusp 44 induces crystal nucleus generation when the amorphous silicon film 46 is melted and solidified. Crystal nuclei are generated at the bottom of the cusp 44 and one large seed crystal grows due to the filter effect. By scanning the laser beam LB, the single crystal region expands in the scanning direction based on each 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。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。
Note that, as shown in FIG. 4D, the substrate may be divided into a plurality of sections S, and the cusps 44 may be formed in the peripheral portion of each section. By forming a cusp at a portion where crystal growth starts, a seed crystal is grown from the cusp and a wide single crystal region is formed.

【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。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。
Laser irradiation is repeated several times at the same position by overlapping irradiation. The part which could not be crystallized by one irradiation is also crystallized by a plurality of irradiations.

【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。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。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。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。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。
FIG. 4E schematically shows the light absorption coefficients of amorphous silicon and crystalline silicon. The horizontal axis indicates the photon energy E, and the vertical axis indicates the absorption coefficient α. The curve Qc is the absorption coefficient of crystalline silicon, and the curve Qα is the absorption coefficient of amorphous silicon. At the wavelength of the laser light used in this example, the absorption coefficient Qα of amorphous silicon is larger than that of crystalline silicon by one digit or more. In the wavelength range of 400 to 900 nm, the absorption coefficient of amorphous silicon is larger than that 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。
As shown in FIG. 4 (F), when there are various crystallized regions and grain boundaries (amorphous regions) in the laser irradiation region, the grain boundary absorbs more laser light and 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。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。
As shown in FIG. 4 (G), when the molten region expands, only a relatively large crystallization region remains in the solid phase. If crystallization resumes from such a state, a larger grain size than before will be obtained.

【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。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。再び結晶化す
ると、歪みは緩和される。
As shown in FIG. 4A, when the stripe-shaped regions are scanned with their ends overlapped, the overlapping portions are affected by the upper and lower crystal regions, and distortion is likely to accumulate. In the case of this embodiment, the region where strain is accumulated and the crystallinity is deteriorated becomes amorphous and preferentially melts. When crystallized again, the strain is relaxed.

【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。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。従って、図4(G)に示すような状態は実現困難
であろう。
As a result of the experiment, a larger grain size was obtained than when the XeCl excimer laser beam was used. At the wavelength of XeCl excimer laser light, amorphous silicon and crystalline silicon have almost the same absorption coefficient. Therefore, it may be difficult to realize the state shown in FIG.

【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。図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。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。
FIGS. 4H and 4I schematically show the structure of a thin film transistor using a crystallized silicon film. Figure 4
As shown in (H), the island-shaped active region AR is formed by patterning the crystallized silicon. The 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。
As shown in FIG. 4 (I), the insulated gate electrode is formed by forming an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film on a silicon region, and forming a gate of a conductive material such as Cr or Al on the insulating film. It is formed by arranging electrodes.

【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。例え
ば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは、
当業者に自明であろう。
Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these. For example, various changes, improvements, combinations, etc. are possible.
It will be obvious to those skilled in the art.

【0051】[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。
A crystallized silicon film having a large grain size can be obtained.

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

【図1】本発明の実施例によるレーザアニール装置を示
す。
FIG. 1 shows a laser annealing apparatus according to an embodiment of the 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。
FIG. 2 is an enlarged view of a portion from a light source unit to a beam expander of FIG. 1 and a graph showing a pulse waveform.

【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。
FIG. 3 is an enlarged view of a portion of a coherence canceling element and a 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。
4A and 4B are a plan view, a cross-sectional view, a graph for explaining a crystallization process, a plan view, a plan view of a thin film transistor, and a cross-sectional view showing a structure of a processed object.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 11, 12 pulse laser light source 13, 14 Phase plate M mirror PBS polarization demultiplexer A Attenuator 16 beam expander 17 Spatial coherence canceling element 18 Homogenizer 20 gas curtain device 30 stages

───────────────────────────────────────────────────── 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    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    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 (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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
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。
1. A method for crystallizing a silicon film of an amorphous layer, comprising: (a) irradiating the silicon film with a first pulse laser beam having a first intensity and a first time length. And (b) after the melting, a second pulsed laser beam having a second intensity lower than the first intensity and a second time length is applied to the silicon film being cooled. Irradiation does not completely melt the generated silicon crystal grains, but grows the crystal grains, and (c) the irradiation region is partially shifted, and the steps (a) and (b) are repeated. And expanding the crystallization region, wherein the first and second pulsed laser lights are both wavelengths 4 from a plurality of laser diode pumped solid state lasers.
A silicon crystallization method in which laser light of 00 nm to 900 nm is added.
【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。
2. The method of crystallizing silicon according to claim 1, wherein the silicon film which is irradiated with the first and second pulsed laser beams is shielded from the outside air by an inert gas atmosphere mechanism.
【請求項3】 前記第1及び第2のパルスレーザ光は、
Nd:YAGの第2高調波またはNd:YLFの第2高
調波またはNd:YVO4の第2高調波である請求項1
または2記載のシリコン結晶化方法。
3. The first and second pulsed laser lights are:
The second harmonic of Nd: YAG, the second harmonic of Nd: YLF, or the second harmonic of Nd: YVO 4 .
Alternatively, the method for crystallizing silicon according to 2.
【請求項4】 前記第1の時間長は5nsec以上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。
4. The first time length is 5 nsec or more 50.
4. The method according to claim 1, wherein the second time length is less than nsec and the second time length is 50 nsec or more and less than 300 nsec, or the first and second time lengths are both 50 nsec or more and less than 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。
5. The silicon crystallization method according to claim 1, wherein the first and second pulsed laser lights are irradiated through a common spatial coherence canceling element and a homogenizer. .
【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. The scanning according to the irradiation of the first and second pulsed laser beams is performed in a stripe shape, and the stripe-shaped crystallization regions contacting each other are formed by folding back at the stripe end portions to form stripe-shaped crystallization regions. The described silicon crystallization method.
【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
〜6のいずれか1項記載のシリコン結晶化方法。
7. The amorphous-phase silicon film is deposited on a silicon oxide film formed on a glass substrate, and the silicon oxide film forms a cusp or crystal seed to form a seed crystal. Claim 1 having a step
7. The method for crystallizing silicon according to any one of 6 to 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
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。
8. A first pulse laser light source group including a plurality of laser diode pumped solid-state lasers, capable of generating a first pulse laser light having a wavelength of 400 nm to 900 nm, a first intensity, and a first time length, Includes multiple laser diode pumped solid state lasers with wavelength 4
A second pulse laser light source group capable of generating a second pulse laser light having a second intensity lower than the first intensity and a second time length of 00 nm to 900 nm; and the first and second pulse laser light sources Timing control means for controlling the pulsed laser light generation timing of each laser diode pumped solid-state laser of the group, a stage on which an object to be processed is placed and driven in a two-dimensional plane, and stage control means for controlling the drive of the stage And a laser annealing device having an optical system for irradiating the processing target area of the processing target placed on the stage with the first pulse laser light or the second pulse laser light.
【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. The laser annealing apparatus according to claim 8, further comprising a mechanism capable of forming an inert gas atmosphere that shields the processing target region from the outside air around the processing target region.
【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:YVO4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。
10. The first and second pulse laser light source groups respectively include a plurality of Nd: YAG laser light sources and second harmonic generation means, a plurality of Nd: YLF laser light sources and second harmonic generation means, or The laser annealing apparatus according to claim 8 or 9, comprising a plurality of Nd: YVO 4 laser light sources and second harmonic generation means.
【請求項11】 前記第1の時間長は5nsec以上5
0nsec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の時間長が、共に50nsec以上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。
11. The first time length is 5 nsec or more 5
Less than 0 nsec, and the second time length is 50 nsec
Or more and less than 300 nsec, or the first and second time lengths are both 50 nsec or more and 300 nsec
The laser annealing device according to any one of claims 8 to 10, which 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 laser annealing apparatus according to claim 8, wherein the optical system includes a spatial coherence canceling element and a homogenizer which are common to the first and second pulsed laser beams. .
【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。
13. The laser annealing apparatus according to claim 12, wherein the spatial coherence canceling element divides the laser beam into a plurality of regions and forms an optical path that gives different retardations to the respective regions.
【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
項記載のレーザアニール装置。
14. The stage control means can scan the processing target area on the processing target in a folded stripe shape.
The laser annealing apparatus according to the item.
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