JP2003163167A - Polycrystal semiconductor film, method for manufacturing polycrystal semiconductor film and thin film semiconductor device which uses it - Google Patents

Polycrystal semiconductor film, method for manufacturing polycrystal semiconductor film and thin film semiconductor device which uses it

Info

Publication number
JP2003163167A
JP2003163167A JP2002102633A JP2002102633A JP2003163167A JP 2003163167 A JP2003163167 A JP 2003163167A JP 2002102633 A JP2002102633 A JP 2002102633A JP 2002102633 A JP2002102633 A JP 2002102633A JP 2003163167 A JP2003163167 A JP 2003163167A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor film
substrate
excimer laser
time
producing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002102633A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hirokatsu Yamaguchi
裕功 山口
Kiyoshi Ogata
潔 尾形
Takuo Tamura
太久夫 田村
Mutsuko Hatano
睦子 波多野
Kazuo Takeda
一男 武田
Ryoji Oritsuki
良二 折付
Masakazu Saito
雅和 斉藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2002102633A priority Critical patent/JP2003163167A/en
Publication of JP2003163167A publication Critical patent/JP2003163167A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate the control of anneal condition by monitoring a laser anneal process in-situ. <P>SOLUTION: An optical system to observe the condition of a surface which a laser beam irradiates and a laser beam irradiation system are installed. A crystallization speed and crystallization time and the like are obtained by the time-sharing measurement of the reflection coefficient image of a silicon film. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶半導体膜の導
電率等の特性を向上させるための好適な成膜方法を用い
た結晶半導体薄膜及びその製造方法及びそれを用いた薄
膜半導体素子に係り、特に、結晶シリコン等の薄膜の形
成プロセスとして、アモルファス薄膜にエキシマレーザ
等を照射してアニールする技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a crystalline semiconductor thin film using a suitable film forming method for improving characteristics such as conductivity of a crystalline semiconductor film, a manufacturing method thereof, and a thin film semiconductor device using the same. In particular, the present invention relates to a technique for irradiating an amorphous thin film with an excimer laser or the like for annealing as a process for forming a thin film of crystalline silicon or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータや情報端
末機器等に用いられる液晶ディスプレイパネルの高精細
化や迅速化を目的として、薄膜トランジスタ等に用いら
れる結晶シリコン膜のプロセス開発が各社で進められて
いる。結晶シリコン膜の製造方法としては、「フラット
パネル・ディスプレイ2001」(日経BP社)などに
記載されているように、基板上に成膜したアモルファス
シリコンにエキシマレーザ光を照射して、結晶化させる
ことが広く行われている。
2. Description of the Related Art In recent years, various companies are proceeding with process development of a crystalline silicon film used for thin film transistors and the like for the purpose of achieving high definition and speeding up of liquid crystal display panels used for personal computers and information terminal equipment. As a method for producing a crystalline silicon film, as described in “Flat Panel Display 2001” (Nikkei BP), etc., amorphous silicon formed on a substrate is irradiated with excimer laser light to be crystallized. Is widely practiced.

【0003】結晶シリコン膜の移動度等電気特性は結晶
粒径に大きく依存するため、各社において大粒径化の制
御手法の研究が行われている。その例として、特開20
00−133614号公報、特開平10−144621
号公報、特開平10−12950号公報、及び特開20
01−338892号公報に記載の技術がある。
Since the electrical characteristics such as the mobility of the crystalline silicon film greatly depend on the crystal grain size, various companies have been researching control methods for increasing the grain size. As an example, Japanese Patent Laid-Open No.
No. 00-133614, JP-A-10-144621.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-12950 and Japanese Patent Laid-Open No. 20950
There is a technique described in JP-A No. 01-338892.

【0004】特開2000−133614号公報にはレ
ーザ光照射により結晶化したシリコン膜の結晶化状態
を、膜の光沢度によって確認する手法について記載され
ている。特開平10−144621号公報にはレーザ光
照射によりシリコン膜の結晶化を行う過程において、反
射光又は透過光の時間プロファイルを測定する手法と、
この手法により、シリコン膜の結晶性を向上させる手法
について記載されている。特開平10−12950号公
報にはエキシマレーザの放電回路の回路定数を可変とす
ることでレーザのパルス幅を可変とする手法、及びこれ
によるシリコン膜の結晶性の最適化に関して記載されて
いる。特開2001−338892号公報にはエキシマ
レーザ光の複数のピーク群間の強度比を規定することに
より、シリコン膜の結晶性を最適化する手法について記
載されている。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-133614 describes a method for confirming the crystallized state of a silicon film crystallized by laser light irradiation by the glossiness of the film. Japanese Patent Laid-Open No. 10-144621 discloses a method of measuring a time profile of reflected light or transmitted light in the process of crystallizing a silicon film by laser light irradiation,
A method for improving the crystallinity of the silicon film by this method is described. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 10-12950 discloses a method of changing the pulse width of the laser by changing the circuit constant of the discharge circuit of the excimer laser, and the optimization of the crystallinity of the silicon film by the method. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-338892 describes a method for optimizing the crystallinity of a silicon film by defining the intensity ratio between a plurality of peak groups of excimer laser light.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記したように、結晶
の大粒径化のための結晶化制御について種々の手法が行
われている。しかし、これらの技術には次のような問題
があることがわかった。
As described above, various techniques have been used to control crystallization for increasing the crystal grain size. However, it has been found that these techniques have the following problems.

【0006】特開2000−133614号公報及び特
開平10−144621号公報記載の技術は光を用いて
シリコン膜の結晶状態をモニタするものである。ところ
が、シリコン膜の膜厚や基板の光学的特性は半導体装置
の製品毎に種々異なる。これらの特性により光の反射率
や透過率は容易に変化するので、この従来技術をどの製
品にも適用するには困難がある。また、レーザ光の照射
条件、基板温度、雰囲気等の結晶化条件により、シリコ
ン膜表面に凹凸が生じる。これは乱反射を起こすため、
膜の光沢度から結晶状態をモニタするのは困難である。
The techniques described in JP-A-2000-133614 and JP-A-10-144621 monitor the crystalline state of a silicon film by using light. However, the film thickness of the silicon film and the optical characteristics of the substrate are different depending on the product of the semiconductor device. Due to these characteristics, the reflectance and the transmittance of light are easily changed, which makes it difficult to apply this conventional technique to any product. In addition, unevenness occurs on the surface of the silicon film depending on the laser light irradiation conditions, the substrate temperature, the crystallization conditions such as the atmosphere. This causes diffuse reflection,
It is difficult to monitor the crystalline state from the glossiness of the film.

【0007】特開平10−12950号公報及び特開2
001−338892号公報記載の技術はレーザ光のパ
ルス波形の制御に関するものである。ところで、エキシ
マレーザはガスの劣化のために、径時的に波形が変化す
る。これはシリコン膜の結晶状態が不均一性となる原因
となるが、これらの従来技術ではこの不均一性を解消す
る方法については述べられていない。
Japanese Unexamined Patent Publication Nos. 10-12950 and 2
The technology described in Japanese Patent Publication No. 001-338892A relates to control of a pulse waveform of laser light. By the way, the waveform of the excimer laser changes temporally due to the deterioration of gas. This causes the crystalline state of the silicon film to become non-uniform, but these prior arts do not describe a method for eliminating this non-uniformity.

【0008】本発明の目的は、膜厚や基板の光学的特
性、膜表面の凹凸の影響を受けにくく、どのような製品
のシリコン膜にも適用可能な結晶状態のモニタ手法を提
供し、シリコン膜の結晶化の制御を可能にする技術を提
供することにある。
An object of the present invention is to provide a method of monitoring a crystalline state that is not easily affected by the film thickness, the optical characteristics of the substrate, and the unevenness of the film surface, and can be applied to the silicon film of any product. It is to provide a technique that enables control of crystallization of a film.

【0009】本発明の他の目的は、エキシマレーザ光の
波形の経時的変化によるシリコン膜の結晶性の不均一を
解消する技術を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a technique for eliminating the non-uniformity of the crystallinity of the silicon film due to the temporal change in the waveform of the excimer laser light.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、シリコン膜の反射光スペクトルが結晶状態のほか
に、膜厚や下地基板の光学特性により異なることに着目
し、バンドパスフィルタを用いて特定の波長の光を観測
することにより、反射率の変化の各要因を識別できるよ
うにした。これにより、結晶粒径の指標である結晶の融
合状態の情報だけを抽出することができるようにした。
In order to achieve the above-mentioned object, the bandpass filter is considered by focusing on the fact that the reflected light spectrum of the silicon film differs depending on the film thickness and the optical characteristics of the underlying substrate in addition to the crystalline state. By observing light of a specific wavelength by using it, each factor of the change in reflectance can be identified. This makes it possible to extract only the information on the crystal fusion state, which is an index of the crystal grain size.

【0011】また、上記他の目的を達成するために、エ
キシマレーザの波形が径時的に変化していくのにともな
う結晶化への影響を打ち消すように、レーザ光路中に入
れた光アッテネ−タの減衰率を変えていくようにフィー
ドバックを行った。
Further, in order to achieve the above-mentioned other objects, an optical attenuator placed in the laser optical path is arranged so as to cancel the influence on the crystallization accompanying the excimer laser waveform changing temporally. Feedback was performed so as to change the attenuation rate of the data.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、幾
つかの実施例を用い図を参照して説明する。以下、本発
明の第1の実施例を、図1〜5を用いて説明する。図1
は本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用いるレーザ
照射及び測定装置の第1の実施例を示す構成図及びタイ
ミングチャートであり、図1(a)はレーザ照射及び測
定装置の構成図を示し、図1(b)はレーザの照射タイ
ミングと観測タイミングを示すタイミングチャートであ
る。図1(a)において、1はエキシマレーザ源、2は
ビームエクスパンダ、3はビームホモジナイザ、4はレ
ーザ照射光学系、5は基板、6はシリコン膜、7はステ
ージ、8は遅延信号発生器、9は光源、91は照明光学
系、10は対物レンズ、11は集光レンズ、12は光検
出器、91は照明光学系である。図1(b)において、
G1及びG2は遅延信号発生器8から出力されるゲート
信号であり、ゲート信号G1に対してゲート信号G2は
時間ΔTdg分だけ遅延されている。即ち、エキシマレ
ーザ源1が放射された後、ΔTdg時間経過後に光検出
器12でシリコン膜6からの光を検出するように構成さ
れている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings using some examples. A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. Figure 1
FIG. 1 is a configuration diagram and a timing chart showing a first embodiment of a laser irradiation and measurement device used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention, and FIG. 1 (a) is a configuration diagram of the laser irradiation and measurement device. 1 (b) is a timing chart showing laser irradiation timing and observation timing. In FIG. 1A, 1 is an excimer laser source, 2 is a beam expander, 3 is a beam homogenizer, 4 is a laser irradiation optical system, 5 is a substrate, 6 is a silicon film, 7 is a stage, and 8 is a delay signal generator. , 9 is a light source, 91 is an illumination optical system, 10 is an objective lens, 11 is a condenser lens, 12 is a photodetector, and 91 is an illumination optical system. In FIG. 1 (b),
G1 and G2 are gate signals output from the delay signal generator 8, and the gate signal G2 is delayed by the time ΔTdg with respect to the gate signal G1. That is, after the excimer laser source 1 is radiated, the photodetector 12 detects the light from the silicon film 6 after a lapse of ΔTdg time.

【0013】エキシマレーザ源1から出た光は、ビーム
エクスパンダ2、ビームホモジナイザ3、及びレーザ照
射光学系4により、強度分布の均一化と整形を行った
後、シリコン膜6に照射される。これにより、シリコン
膜の結晶化が行われる。
The light emitted from the excimer laser source 1 is applied to the silicon film 6 after the intensity distribution is uniformed and shaped by the beam expander 2, the beam homogenizer 3 and the laser irradiation optical system 4. As a result, the silicon film is crystallized.

【0014】また、本実施例では、光源9からの光は照
明光学系91によりシリコン膜6の表面に照射される。
反射光は対物レンズ10と集光レンズ11により、光検
出器12に結像される。照明光学系91及び対物レンズ
10の光路は、レーザ照射光学系4の光路とは異なる角
度でシリコン膜6に入射及び出射するようにし、かつエ
キシマレーザ光路とシリコン膜6上で交差するように配
置する。これにより、エキシマレーザ光照射後のシリコ
ン膜6の結晶化が進行する過程において、光反射率を測
定することが可能である。
Further, in this embodiment, the light from the light source 9 is applied to the surface of the silicon film 6 by the illumination optical system 91.
The reflected light is imaged on the photodetector 12 by the objective lens 10 and the condenser lens 11. The optical paths of the illumination optical system 91 and the objective lens 10 are arranged so that they enter and exit the silicon film 6 at different angles from the optical paths of the laser irradiation optical system 4 and intersect the excimer laser optical path on the silicon film 6. To do. Thereby, the light reflectance can be measured in the process of crystallization of the silicon film 6 after the irradiation of the excimer laser light.

【0015】光検出器12としては、イメージインテン
シファイヤ付CCDが最も好適である。これは、ゲート
信号G2を入力することにより、ゲート信号G2のパル
ス幅Wに相当する時間、即ち10ns以下の高速ゲーテ
ィングを行うことができ、しかも短い露光時間でも高感
度な測定を行うことができる。また、1024×102
4ピクセル程度の面測定を行うことができるので、シリ
コン膜6からの反射光の像を1回の露光で測定し、アモ
ルファス領域と結晶領域とを識別することが可能であ
る。図1(a)の対物レンズ10と結像レンズ11との
焦点距離の比を100とすると、像倍率は100倍とな
る。イメージインテンシファイヤ付CCD検出器12の
ピクセルサイズを14μmとすると、1ピクセルあたり
のシリコン膜の領域は0.14μmとなる。実際には、
光の回折限界のため、解像度は0.5〜1μm程度であ
る。
As the photodetector 12, a CCD with an image intensifier is most suitable. This is because by inputting the gate signal G2, high-speed gating for a time corresponding to the pulse width W of the gate signal G2, that is, 10 ns or less can be performed, and highly sensitive measurement can be performed even for a short exposure time. it can. Also, 1024 x 102
Since the surface measurement of about 4 pixels can be performed, it is possible to measure the image of the reflected light from the silicon film 6 by one exposure to distinguish between the amorphous region and the crystalline region. If the ratio of the focal lengths of the objective lens 10 and the imaging lens 11 in FIG. 1A is 100, the image magnification will be 100 times. Assuming that the pixel size of the CCD detector with image intensifier 12 is 14 μm, the area of the silicon film per pixel is 0.14 μm. actually,
The resolution is about 0.5 to 1 μm due to the diffraction limit of light.

【0016】図1(b)は、前述したように、ゲート信
号G1とG2のタイミングを示したものである。ゲート
信号G1とG2との時間差ΔTdg及びパルス幅wは遅
延信号発振器8により可変できる。ここで、ゲート信号
G1の発生からエキシマレーザ源1の光が出るまでの遅
延時間をΔTex、ゲート信号G2の発生から光検出器
12の露光までの遅延時間をΔTdetとすると、シリ
コン膜6にエキシマレーザ光が照射されてから光検出器
12の露光までの経過時間ΔTmeasは(数1)で表
される。 ΔTmeas=ΔTdg+ΔTdet−ΔTex……(数1) ここで、光路長による光の遅延時間は無視できるとし
た。これにより、 ΔTdg=ΔTmeas+ΔTex−ΔTdet……(数2) であり、ΔTexとΔTdetが既知であれば、所望の
ΔTmeasとなるようにΔTdgを設定することがで
きる。
FIG. 1B shows the timing of the gate signals G1 and G2 as described above. The time difference ΔTdg between the gate signals G1 and G2 and the pulse width w can be changed by the delay signal oscillator 8. Here, when the delay time from the generation of the gate signal G1 to the light emitted from the excimer laser source 1 is ΔTex, and the delay time from the generation of the gate signal G2 to the exposure of the photodetector 12 is ΔTdet, the excimer on the silicon film 6 is represented. The elapsed time ΔTmeas from the irradiation of the laser light to the exposure of the photodetector 12 is represented by (Equation 1). ΔTmeas = ΔTdg + ΔTdet−ΔTex (Equation 1) Here, it is assumed that the delay time of light due to the optical path length can be ignored. As a result, ΔTdg = ΔTmeas + ΔTex−ΔTdet (Equation 2), and if ΔTex and ΔTdet are known, ΔTdg can be set so as to obtain a desired ΔTmeas.

【0017】図2はシリコン膜の結晶化状態を示す図で
ある。今、リコン膜6を有する基板5がステージ7上に
搭載され、ステージ7は図に向かって右側の方に移動し
ていると仮定する。図において、101はエキシマレー
ザであり、現在の照射状態が示されている。従って、基
板5の右側はすでにエキシマレーザが照射されており、
結晶化されている。63は結晶化されている部分を示
す。62の部分は結晶化が途中の段階である部分を示し
ている。6はシリコン膜であり、まだエキシマレーザ1
01が照射されていない。
FIG. 2 is a diagram showing a crystallized state of the silicon film. Now, it is assumed that the substrate 5 having the recon film 6 is mounted on the stage 7, and the stage 7 is moving to the right side in the figure. In the figure, 101 is an excimer laser, and the present irradiation state is shown. Therefore, the right side of the substrate 5 is already irradiated with the excimer laser,
It has been crystallized. 63 indicates a crystallized portion. A portion 62 indicates a portion where crystallization is in the middle stage. 6 is a silicon film, which is still an excimer laser 1
01 is not irradiated.

【0018】図3はシリコン膜の反射スペクトル及び光
源の光のスペクトルを示す特性図であり、横軸に波長λ
を、縦軸に反射率R及びフィルタの透過率Tを示す。図
において、特性曲線Iaはアモルファスシリコンの反射
スペクトルを、特性曲線Icは結晶シリコンの反射スペ
クトルである。Iaは450nm付近に、Icは550
nm付近にピークを持つ。本実施例における、光源9の
光のスペクトルはTaまたはTcのいずれかとした。ス
ペクトルTaは430〜470nmに、Tcは515〜
585nmに台形状のピークを持つ。これらの光は、光
源9の出口にTa及びTcの特性を持つバンドパスフィ
ルタを設けることによって得られるので、図では、フィ
ルタの透過率Tとして示した。本実施例では、光のスペ
クトルTaまたはTcの光を用いることにより、アモル
ファスシリコンと結晶シリコンとの識別を高コントラス
トで行うことが可能である。図3から明らかなように、
曲線IcとIaのクロスポイントCPを境に、曲線Ic
とIaの反射率が明確に異なることが分かる。スペクト
ルTaの光をシリコン膜6に照射した場合、結晶シリコ
ンのスペクトルIa反射率の方がアモルファスシリコン
のスペクトラムIcの反射率より高く、スペクトルTc
の光をシリコン膜6に照射した場合、結晶シリコンのス
ペクトルIc反射率の方がアモルファスシリコンのスペ
クトラムIaの反射率より高くなる。よってこの反射率
から結晶化率が分かる。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the reflection spectrum of the silicon film and the spectrum of the light of the light source.
And the vertical axis represents the reflectance R and the transmittance T of the filter. In the figure, the characteristic curve Ia is the reflection spectrum of amorphous silicon, and the characteristic curve Ic is the reflection spectrum of crystalline silicon. Ia is around 450 nm and Ic is 550
It has a peak near nm. In this embodiment, the light spectrum of the light source 9 is either Ta or Tc. Spectrum Ta is 430-470 nm, Tc is 515-515
It has a trapezoidal peak at 585 nm. Since these lights are obtained by providing a bandpass filter having the characteristics of Ta and Tc at the exit of the light source 9, they are shown as the transmittance T of the filter in the figure. In this embodiment, by using the light having the light spectrum Ta or Tc, it is possible to distinguish between amorphous silicon and crystalline silicon with high contrast. As is clear from FIG.
With the cross point CP of the curves Ic and Ia as a boundary, the curve Ic
It can be seen that the reflectances of Ia and Ia are clearly different. When the silicon film 6 is irradiated with the light of the spectrum Ta, the reflectance of the spectrum Ia of the crystalline silicon is higher than that of the spectrum Ic of the amorphous silicon.
When the silicon film 6 is irradiated with this light, the reflectance of the spectrum Ic of crystalline silicon becomes higher than the reflectance of the spectrum Ia of amorphous silicon. Therefore, the crystallization rate can be known from this reflectance.

【0019】ところでシリコンの反射率スペクトルは、
シリコンの膜厚や下地基板の光学的特性によって変わ
る。そこで、あらかじめアモルファスシリコンと結晶シ
リコンの反射率スペクトルIa、Icを測定し、これら
のピーク波長に合せて光源9のスペクトルTa、Tcを
選べば、どのような場合でも結晶化の観測を行うことが
可能である。
By the way, the reflectance spectrum of silicon is
It depends on the film thickness of silicon and the optical characteristics of the underlying substrate. Therefore, if the reflectance spectra Ia and Ic of amorphous silicon and crystalline silicon are measured in advance and the spectra Ta and Tc of the light source 9 are selected according to their peak wavelengths, crystallization can be observed in any case. It is possible.

【0020】図4は図1(a)に示す装置を用いた測定
動作の一実施例を示すフローチャートである。これは、
エキシマレーザ光をシリコン膜6へ照射する毎に、(数
1)及び(数2)に示す、シリコン膜6にエキシマレー
ザ光が照射されてから光検出器12の露光までの経過時
間ΔTmeasを時間ステップΔtずつ増加させていき
ながら、各照射毎にシリコン膜6の反射光の像を取り込
むものである。図において、ステップ301でステージ
を原点に移動させる(この場合、照明光学系91にミラ
ーを設け、このミラーを動かしてシリコン膜の原点に移
動させても良い)。ステップ302でレーザ光の照射回
数Nが0であることを確認して、ステップ303で、Δ
TmeasがΔt×Nとなるように、即ちΔTdgをΔ
t×N+ΔTex-ΔTdetに設定する。この初期値は
0である。ところで、一般にエキシマレーザアニールで
は、レーザ光を多重照射して段階的に結晶させることが
行われる。レーザの照射回数が多重照射の回数Nfir
stに達するまでは測定を行わないため、ステップ30
4で、NがNfirstより少ない場合、即ちYesの
場合、ステップ305で、ゲート信号G1を出力してエ
キシマレーザ光を出射するが、測定のために光検出器1
2を動作させるためのゲート信号G2は発生されない。
ステップ304でNがNfirstより大きい場合、即
ちNoの場合にはステップ306に移行する。測定はN
step回おきに行われるため、ステップ306でN/
Nstepが整数でない場合には測定を行わないため、
ステップ305に移行する。ステップ306でYesの
場合、ステップ307で、まず、ゲート信号G1を発生
して、エキシマレーザ源1を発振して、レーザ光を放射
し、ΔTdg後にゲート信号G2を発生して光検出器1
2の露光を行い、データの取り込みを行う。ステップ3
08で光検出器12から得られたデータをメモリに保存
する。ステップ309で、レーザの照射回数がNに達し
た場合、1をインクリメントする。ステップ310で、
エキシマレーザ光の照射毎にシリコン膜の照射位置を変
えるために、ステージをΔLだけ移動させる。ステップ
311で、測定または観測すべき回数、即ちステージを
ΔLづつ移動させて測定し、試料の全面積の測定が完了
したか否かを判定する。NがNmaxより少ない場合、
即ちYesの場合、再度ΔTdgを設定して測定を繰り
返す。ステップ311で全ての測定が終わった場合、即
ちNoの場合、測定を終了する。
FIG. 4 is a flow chart showing an embodiment of the measuring operation using the apparatus shown in FIG. this is,
Every time the excimer laser light is irradiated to the silicon film 6, the elapsed time ΔTmeas from the irradiation of the excimer laser light to the silicon film 6 to the exposure of the photodetector 12 shown in (Equation 1) and (Equation 2) is The image of the reflected light of the silicon film 6 is captured for each irradiation while increasing step Δt. In the figure, in step 301, the stage is moved to the origin (in this case, the illumination optical system 91 may be provided with a mirror and the mirror may be moved to the origin of the silicon film). In step 302, it is confirmed that the laser light irradiation number N is 0, and in step 303, Δ
Tmeas is Δt × N, that is, ΔTdg is Δ
Set to t × N + ΔTex−ΔTdet. This initial value is 0. By the way, generally, in the excimer laser annealing, laser light is multiply irradiated and crystallized stepwise. The number of laser irradiations is the number of multiple irradiations Nfir
Since measurement is not performed until st is reached, step 30
When N is smaller than Nfirst in 4, ie, Yes, in step 305, the gate signal G1 is output to emit the excimer laser beam, but the photodetector 1 is used for measurement.
The gate signal G2 for operating 2 is not generated.
If N is larger than Nfirst in step 304, that is, if No, the process proceeds to step 306. Measurement is N
Since it is performed every step times, N / in step 306
If Nstep is not an integer, the measurement is not performed.
Go to step 305. If Yes in step 306, in step 307, first, the gate signal G1 is generated to oscillate the excimer laser source 1 to emit laser light, and after ΔTdg, the gate signal G2 is generated to generate the photodetector 1.
2 exposure is performed to capture data. Step 3
At 08, the data obtained from the photodetector 12 is stored in the memory. If the number of laser irradiations reaches N in step 309, 1 is incremented. In step 310,
The stage is moved by ΔL in order to change the irradiation position of the silicon film each time the excimer laser light is irradiated. In step 311, the number of times of measurement or observation, that is, the stage is moved by ΔL and measurement is performed to determine whether or not the measurement of the entire area of the sample is completed. If N is less than Nmax,
That is, in the case of Yes, ΔTdg is set again and the measurement is repeated. If all the measurements are completed in step 311, that is, if the result is No, the measurement is completed.

【0021】図5は測定したデータの一実施例を示す図
である。時間ステップΔtは20ns、ゲート信号G2
のパルス幅、即ちゲート時間幅wは10nsとした。ま
た、Aは光源9を、バンドパスフィルタを通してえたス
ペクトラムTaの光をシリコン膜6に照射した場合の観
測結果であり、Cは光源9を、バンドパスフィルタを通
してえたスペクトラムTcの光をシリコン膜6に照射し
た場合の観測結果である。また、縦方向の各列はΔTm
easを20nsから200nsまでの各値に対応す
る。エキシマレーザ光照射後60nsまでは、Ta、T
cとも反射率が大きい。これは、シリコンが溶融してい
ることを表している。70nsから以降は、Taの反射
率は小さくなり、Tcの反射率は大きくなってくる。こ
れは結晶化が進んでいることを表している。このよう
に、本発明によれば、エキシマレーザアニールによる結
晶化過程をin−situに追跡することが可能であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing an example of measured data. Time step Δt is 20 ns, gate signal G2
Pulse width, that is, the gate time width w was set to 10 ns. Further, A is an observation result when the light of the spectrum Ta obtained by the light source 9 through the bandpass filter is irradiated to the silicon film 6, and C is the light of the spectrum Tc obtained by passing the light source 9 through the bandpass filter in the silicon film 6. It is the result of observation when it was irradiated to. Also, each vertical row has ΔTm
Eas corresponds to each value from 20 ns to 200 ns. Ta, T up to 60 ns after excimer laser light irradiation
Both c and c have high reflectance. This means that the silicon is molten. From 70 ns onward, the reflectance of Ta decreases and the reflectance of Tc increases. This means that crystallization is progressing. As described above, according to the present invention, the crystallization process by excimer laser annealing can be traced in-situ.

【0022】なお、本実施例では光検出器12としてイ
メージインテンシファイヤ付CCDを用いたが、1次元
の分布測定でよい場合は、イメージインテンシファイヤ
付フォトダイオードアレイで代用できることは勿論であ
る。また、フォトンカウンティングレヴェルの非常に微
弱な光を検出可能な、位置敏感型フォトマルチプライヤ
を用いても同じ効果が得られることは勿論である。
Although a CCD with an image intensifier is used as the photodetector 12 in the present embodiment, it is needless to say that a photodiode array with an image intensifier can be substituted if one-dimensional distribution measurement is sufficient. . Further, it goes without saying that the same effect can be obtained by using a position-sensitive photomultiplier capable of detecting very weak light of the photon counting level.

【0023】次に、本発明の第2の実施例について図6
をもちいて説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
To explain.

【0024】図6は図5の反射光強度を像の全体にわた
って積分した値を示した特性図である。横軸はエキシマ
レーザ光照射から検出器12の露光までの経過時間Tm
easを示し、縦軸は積分光強度を示す。ここで、縦軸
は、エキシマレーザ光照射前の値を1として規格化し
た。図中、Taは430〜470nmの光、Tcは51
5〜585nmの光の反射率である。またTc/Taは
これらの反射率の比である。Ta、Tcともエキシマレ
ーザ光照射後、40nsまで減少し、その後Aは減少、
Tcは増加していく。Tc/Taは40nsまでほぼ一
定で、その後増加していく。Ta、Tc、Tc/Taと
もTmeasが140ns以降でほぼ一定となる。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a value obtained by integrating the reflected light intensity of FIG. 5 over the entire image. The horizontal axis indicates the elapsed time Tm from the excimer laser light irradiation to the exposure of the detector 12.
Eas is shown, and the vertical axis shows the integrated light intensity. Here, the vertical axis is normalized by setting the value before the excimer laser light irradiation to 1. In the figure, Ta is light of 430 to 470 nm and Tc is 51.
It is the reflectance of light of 5 to 585 nm. Further, Tc / Ta is the ratio of these reflectances. Both Ta and Tc decreased to 40 ns after the excimer laser irradiation, and A decreased thereafter.
Tc increases. Tc / Ta is almost constant up to 40 ns and then increases. Tmeas of Ta, Tc, and Tc / Ta becomes almost constant after 140 ns.

【0025】これから、40nsまでのTaまたはTc
の値を、シリコンの溶融深さの判定に用いることができ
る。また、その後のTa、Tcの値を、結晶化度の判定
に用いることができる。TaとTcの両方を観測し、T
c/Taを結晶とアモルファスの比率の判定に、Tcと
Taの平均値を溶融深さの判定に用いれば、より的確で
ある。さらに、実験によると、例えばAが0.85に到
達する時間、Tcが1.15に到達する時間、またはT
c/Taが1.35に到達する時間を以って、結晶化時
間とすることが可能である。同様に、TaとTcの平均
値が1.05まで減少する時間を以って、固化時間とす
ることが可能である。また、レーザ光を多重照射して段
階的に結晶化させる場合には、閾値をこれらより小さい
値にして、所望の結晶度が得られているかを判定するこ
とも可能である。さらにまた、Ta、Tc、Tc/Ta
の各軌跡の傾斜を以って、結晶化速度や固化速度を求め
ることも可能である。図6は像の全体にわたる平均的な
固化と結晶化の様子を示しているが、像内の微小領域に
関しても同じ方法で結晶化と固化の様子を調べることが
可能である。このように本発明によれば、レーザアニー
ル結晶化過程において、シリコン膜の任意の領域におけ
る結晶化時間や固化時間、結晶化速度や固化速度をin
−situに求めることが可能である。
From now on, Ta or Tc up to 40 ns
Can be used to determine the melting depth of silicon. Further, the values of Ta and Tc thereafter can be used for the determination of the crystallinity. Observe both Ta and Tc
It is more accurate if c / Ta is used for the determination of the crystal-amorphous ratio and the average value of Tc and Ta is used for the determination of the melting depth. Further, according to experiments, for example, the time when A reaches 0.85, the time when Tc reaches 1.15, or the time T
The crystallization time can be defined as the time required for c / Ta to reach 1.35. Similarly, the solidification time can be defined as the time taken for the average value of Ta and Tc to decrease to 1.05. Further, in the case of irradiating multiple laser beams for crystallization stepwise, it is possible to set a threshold value smaller than these values and determine whether or not a desired crystallinity is obtained. Furthermore, Ta, Tc, Tc / Ta
It is also possible to obtain the crystallization rate and the solidification rate by using the slope of each locus. Although FIG. 6 shows an average solidification and crystallization state over the entire image, the crystallization and solidification state can be examined in the same manner for a minute region in the image. As described above, according to the present invention, in the laser annealing crystallization process, the crystallization time and the solidification time, the crystallization speed and the solidification speed in an arbitrary region of the silicon film are set to
-Situ can be obtained.

【0026】次に、本発明の第3の実施例について、図
1及び図7を用いて説明する。本実施例の装置構成は実
施例2と同じである。本実施例は、シリコン膜6にエキ
シマレーザ1の光を多重照射する際、1照射毎の結晶度
の変化を観測するようにしたものである。すなわち、所
定の照射回数に到達するまで、ステージ7を停止させて
おき、同一個所の像を観測するものである。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The device configuration of this embodiment is the same as that of the second embodiment. In this embodiment, when the silicon film 6 is multiply irradiated with the light of the excimer laser 1, a change in crystallinity for each irradiation is observed. That is, the stage 7 is stopped until the predetermined number of irradiations is reached, and the image at the same position is observed.

【0027】図7はシリコン膜の同一個所にエキシマレ
ーザ光を多重照射した際のエキシマレーザの波長と反射
率を示す特性図であり、結晶化の進行の度合と反射スペ
クトルとの相関を示す。図において、横軸はエキシマレ
ーザの波長λ(nm)を示し、縦軸は反射率を示す。ま
た、曲線71は大粒径結晶の場合の反射率を、曲線72
は小粒径結晶の場合の反射率を、曲線73はアモルファ
スの場合の反射率を示す。図7から分かるように、アモ
ルファスから結晶に移行することで、エキシマレーザの
波長λが490nm以下では大粒径結晶及び小粒結晶の
反射率が低下し、490〜560nmでは反射率がアモ
ルファスより増加するのは、上記各実施例と同様であ
る。図7ではさらに追加してエキシマレーザ光を照射す
ると、490nm以下で反射率が増加に転じ、490〜
560nmで減少に転じる。一方、560nm以上の波
長では、小粒径から大粒径に向って反射率が低下する。
これは、レーザ光の追加照射により結晶粒子の融合が起
り大粒径化することで、膜中の干渉などの影響によりス
ペクトルが変るためである。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the wavelength and reflectance of an excimer laser when multiple excimer laser beams are applied to the same portion of a silicon film, and shows the correlation between the degree of progress of crystallization and the reflection spectrum. In the figure, the horizontal axis represents the wavelength λ (nm) of the excimer laser, and the vertical axis represents the reflectance. Further, a curve 71 indicates the reflectance in the case of a large grain crystal,
Shows the reflectance in the case of a small grain crystal, and the curve 73 shows the reflectance in the case of amorphous. As can be seen from FIG. 7, when the wavelength λ of the excimer laser is 490 nm or less, the reflectance of the large-grain crystal and the small-grain crystal is lowered and the reflectance is increased from 490 to 560 nm as compared with the amorphous state, by transitioning from amorphous to crystalline. Is the same as in each of the above embodiments. In FIG. 7, when the excimer laser light is additionally irradiated, the reflectance starts to increase at 490 nm or less, and
It begins to decrease at 560 nm. On the other hand, at a wavelength of 560 nm or more, the reflectance decreases from a small particle size to a large particle size.
This is because the crystal grains are fused by the additional irradiation of the laser beam to increase the grain size, and the spectrum changes due to the influence of interference in the film.

【0028】本実施例では、560nm以上の波長領域
の反射率と、400〜490nmまたは490〜560
nmのいずれかの波長領域の反射率とを測定することに
より、アモルファスの領域、結晶化の始まった領域、及
び融合により大粒径化した領域を識別することができ
る。
In this embodiment, the reflectance in the wavelength region of 560 nm or more and 400 to 490 nm or 490 to 560 are used.
By measuring the reflectance in any wavelength region of nm, an amorphous region, a region where crystallization has started, and a region where the grain size is increased by fusion can be identified.

【0029】また、実施例1と同様、シリコン膜の膜厚
や下地基板の光学特性が異なる場合は、これらの光学的
性質に応じた波長領域で測定を行えばよい。
Further, similar to the first embodiment, when the film thickness of the silicon film and the optical characteristics of the underlying substrate are different, the measurement may be performed in the wavelength region corresponding to these optical characteristics.

【0030】また、特に図示しないが、図6同様、レー
ザ光照射からの経過時間に伴う反射率の変化を求めるこ
とにより、結晶の融合時間を求めることも可能である。
Although not shown in particular, as in FIG. 6, the crystal fusion time can be obtained by obtaining the change in reflectance with the lapse of time from the laser light irradiation.

【0031】以上のように、本実施例では、シリコン膜
のアモルファス領域、小粒径結晶領域、及び大粒径結晶
領域を識別することができる。
As described above, in this embodiment, the amorphous region, the small grain size crystalline region, and the large grain size crystalline region of the silicon film can be identified.

【0032】以下、本発明の第4の実施例について、図
8及び図9を用いて説明する。図8は光検出器で露光さ
れた反射像であり、図8(a)は光源9としてTcを用
いた場合の反射像であり、図8(b)は図8(a)を2
値化処理した場合の反射像である。図8(a)は照射光
が515〜585nmの光(Tcの光)である場合の反
射像であり、図より明らかなように、図の右側が左側よ
り明るいことがわかる。これから、右側の方で結晶度が
高いことがわかる。図8(b)は図8(a)を、第2の
実施例の結果に基づき、積分光強度(照射前を1とした
場合の強度)が1.15以上の領域が白、それ以下の領
域が黒となるよう、2値化処理したものである。白の領
域が結晶、黒の領域がアモルファスに対応し、2つの領
域の境界が識別できる。この処理は、エキシマレーザ光
照射後のどの時間に取得した像においても可能である。
さらに、エキシマレーザ光照射後の時間Tmeasに伴
う境界の移動を調べることにより、結晶化速度を求める
ことも可能である。
A fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a reflection image exposed by the photodetector, FIG. 8A is a reflection image when Tc is used as the light source 9, and FIG. 8B is a reflection image of FIG.
It is a reflection image in the case of performing the binarization process. FIG. 8A is a reflection image when the irradiation light is light of 515 to 585 nm (light of Tc), and as is clear from the figure, it can be seen that the right side of the figure is brighter than the left side. From this, it can be seen that the crystallinity is higher on the right side. FIG. 8B is based on the result of the second embodiment shown in FIG. 8A, in which the integrated light intensity (intensity when irradiation is 1) is 1.15 or more is white, The binarization processing is performed so that the area becomes black. The white area corresponds to crystal and the black area corresponds to amorphous, and the boundary between the two areas can be identified. This processing can be performed on the image acquired at any time after the irradiation of the excimer laser light.
Further, it is also possible to obtain the crystallization rate by examining the movement of the boundary with the time Tmeas after the excimer laser light irradiation.

【0033】レーザ光を多重照射して段階的に結晶化さ
せる場合、閾値を1.15より小さい値にして、低結晶
度部と高結晶度部とを識別することも可能である。上記
の結晶度分布の解析及び結晶化速度の算出は、430〜
470nmの光(Taの光)の反射像を用いても行うこ
とが可能である。第2の実施例の結果から閾値を0.8
5とすれば、アモルファス領域と結晶領域との識別が可
能である。
In the case where laser light is multiply irradiated and crystallization is performed stepwise, it is possible to set the threshold value to a value smaller than 1.15 to distinguish the low crystallinity portion and the high crystallinity portion. The analysis of the crystallinity distribution and the calculation of the crystallization rate are performed at 430 to 430.
It is also possible to use a reflected image of 470 nm light (Ta light). From the result of the second embodiment, the threshold value is set to 0.8.
When it is 5, it is possible to distinguish between the amorphous region and the crystalline region.

【0034】また、第2の実施例の結果から容易に考え
られるように、515〜585nmの光と430〜47
0nmの光との強度比の像を用いても、結晶度分布の解
析及び結晶化速度の算出が可能である。この場合、閾値
を1.35とすればよい。さらにまた、溶融深さの分布
を求めることや、溶融部と固化部との境界を求めるこ
と、固化速度を求めることも、以上の議論から容易に考
えられることである。
Further, as can be easily considered from the result of the second embodiment, light of 515 to 585 nm and light of 430 to 47 nm are used.
It is also possible to analyze the crystallinity distribution and calculate the crystallization rate by using the image of the intensity ratio with 0 nm light. In this case, the threshold may be set to 1.35. Furthermore, it is easily conceivable from the above discussions to find the distribution of the melting depth, find the boundary between the molten part and the solidified part, and find the solidification rate.

【0035】図9はエキシマレーザ光照射した場合のシ
リコン膜状態を示す模式図である。図9(a)はガラス
基板にシリコンのアモルファス膜及び結晶膜を形成した
場合の模式図、図9(b)はエキシマレーザ光を照射し
てアモルファス膜の一部を溶融した場合の模式図、図9
(c)は溶融されたアモルファスが結晶化する模式図、
図9(d)は溶融されたアモルファスが結晶となった状
態を示す模式図である。図9(a)に示すように、91
はガラス基板上に形成されたアモルファスであり、92
はエキシマレーザを照射することによって形成された結
晶部分である。このアモルファス91と結晶部分92の
間にエキシマレーザ光を照射すると、図9(b)に示す
ように、レーザの幅に相当する部分は溶融する。93は
溶融部分を示す。溶融されたアモルファスは、周囲から
冷却され、図9(c)に示すように結晶化される。94
は新たに結晶化された結晶部を示す。更に時間が経過す
ると、溶融部分93全てが図9(d)に示すように結晶
化される。このように、エキシマレーザ光の照射に伴い
溶融が起り、これが時間とともに固化した部分が結晶と
なっていくことがわかる。
FIG. 9 is a schematic view showing the state of the silicon film when the excimer laser light is irradiated. FIG. 9A is a schematic diagram when a silicon amorphous film and a crystalline film are formed on a glass substrate, and FIG. 9B is a schematic diagram when a part of the amorphous film is melted by irradiation with excimer laser light. Figure 9
(C) is a schematic diagram in which the molten amorphous is crystallized,
FIG. 9D is a schematic view showing a state in which the melted amorphous material becomes a crystal. As shown in FIG.
Is an amorphous material formed on a glass substrate,
Is a crystal part formed by irradiating an excimer laser. When the excimer laser light is irradiated between the amorphous portion 91 and the crystal portion 92, a portion corresponding to the width of the laser is melted as shown in FIG. 9B. Reference numeral 93 indicates a molten portion. The molten amorphous is cooled from the surroundings and crystallized as shown in FIG. 94
Indicates a newly crystallized crystal part. When the time further passes, the entire melted portion 93 is crystallized as shown in FIG. 9 (d). Thus, it can be seen that melting occurs with the irradiation of the excimer laser light, and the solidified portion becomes a crystal with time.

【0036】このように、本発明によれば、レーザアニ
ール結晶化過程において、レーザ光照射後の任意の時間
における、シリコン膜表面の結晶化度や溶融深さの分布
をin−situに求めることができ、さらに結晶部9
3とアモルファス部91の境界や溶融部と固化部との境
界をin−situに求めることができる。
As described above, according to the present invention, in the laser annealing crystallization process, in-situ determination of the crystallinity and the melting depth distribution of the silicon film surface at an arbitrary time after laser light irradiation is performed. And crystal part 9
The boundary between the amorphous part 91 and the amorphous part 91 and the boundary between the molten part and the solidified part can be obtained in-situ.

【0037】以下、本発明の第5の実施例について図1
0を用いて説明する。図10は本発明による多結晶シリ
コン薄膜製造に用いるレーザ照射及び観測装置の第5の
実施例に用いる構成図である。図において、11a、1
1bは結像レンズ、12a、12bは光検出器、13は
ビームスプリッタ、14a、14bはバンドパスフィル
タである。他の構成要素で図1の実施例と同じものに対
しては同一の符号を付け、その説明を省略する。
A fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
It will be described using 0. FIG. 10 is a constitutional view used in a fifth embodiment of the laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention. In the figure, 11a, 1
Reference numeral 1b is an imaging lens, 12a and 12b are photodetectors, 13 is a beam splitter, and 14a and 14b are bandpass filters. The other components which are the same as those in the embodiment of FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

【0038】第5の本実施例では光検出器12a、12
bの2台用い、バンドパスフィルタ14aと12bとで
異なる帯域の光を通過させるようにしたものである。光
源9は白色光源とし、14aと14bの帯域は図2のT
a及びTcとした。これにより、2つの波長領域での反
射率が同時観測、測定できるので、第2の実施例2及び
第3の実施例で述べた、515〜585nmの光と43
0〜470nmの光との強度比を求めることがより迅速
に行える。
In the fifth embodiment, the photodetectors 12a, 12 are
In this configuration, two units, b, are used, and the bandpass filters 14a and 12b allow light of different bands to pass therethrough. The light source 9 is a white light source, and the bands of 14a and 14b are T in FIG.
a and Tc. Accordingly, the reflectance in two wavelength regions can be observed and measured at the same time, so that the light of 515 to 585 nm and the reflectance of 43 described in the second and third embodiments can be measured.
The intensity ratio with light of 0 to 470 nm can be obtained more quickly.

【0039】本実施例により、第1実施例〜第4実施例
と同じ効果が得られるのは、勿論のことである。
It is needless to say that the same effects as those of the first to fourth embodiments can be obtained by this embodiment.

【0040】次に、本発明の第6の実施例を、図11を
用いて説明する。図11は本発明による多結晶シリコン
薄膜製造に用いるレーザ照射及び観測装置の第6の実施
例に用いる構成図である。図において、光検出器12
a、12bを、イメージインテンシファイヤ付CCDか
ら、イメージインテンシファイヤの無いCCDに置き換
え、光源9をパルスレーザ92に置き換えたものであ
る。他の構成要素は図10と同じであり、同じ符号を付
け、その説明を省略した。イメージインテンシファイヤ
の無いCCD検出器12a、12bでは、nsオーダの
ゲートをかけることはできないが、nsオーダのパルス
幅のパルスレーザ92を光源として用いることにより、
上の各実施例と同様、nsオーダの時間分解能で光の反
射率をin−situに求めることが可能である。な
お、1次元の分布情報だけでよい場合は、フォトダイオ
ードアレイで代用できることは勿論である。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a configuration diagram of a sixth embodiment of a laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention. In the figure, the photodetector 12
The a and 12b are replaced with a CCD with an image intensifier by a CCD without an image intensifier, and the light source 9 is replaced by a pulse laser 92. The other components are the same as those in FIG. 10, and the same reference numerals are given and the description thereof is omitted. The CCD detectors 12a and 12b without the image intensifier cannot be gated in the ns order, but by using the pulse laser 92 having the pulse width in the ns order as the light source,
Similar to each of the above embodiments, it is possible to obtain the reflectance of light in-situ with a time resolution of the order of ns. When only one-dimensional distribution information is required, it goes without saying that a photodiode array can be used instead.

【0041】以下、第7の実施例について、図12を用
いて説明する。図12は本発明による多結晶シリコン薄
膜製造に用いるレーザ照射及び観測装置の第7の実施例
に用いる構成図である。本実施例では、光検出器12
a、12bとして、フォトダイオードまたはフォトマル
チプライヤを用いている。15はオシロスコープであ
る。本実施例では遅延信号発生器8からのゲート信号G
2をオシロスコープのトリガ入力信号とし、これを時間
原点として光検出器12a、12bの信号を観測してい
る。これにより、1回のエキシマレーザ光照射で、図6
と同じデータを取り込むことができる。また、フォトダ
イオードまたはフォトマルチプライヤとオシロスコープ
を組合せる代りに、ストリークカメラを用いれば、1次
元の分布または面分布の時間変化を追跡することができ
る。これにより、図5のデータを1回のエキシマレーザ
光照射で得ることができる。本実施例により、上記の各
実施例と同じ効果が得られるのは、勿論のことである。
The seventh embodiment will be described below with reference to FIG. FIG. 12 is a constitutional view used in a seventh embodiment of the laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention. In this embodiment, the photodetector 12
Photodiodes or photomultipliers are used as a and 12b. Reference numeral 15 is an oscilloscope. In this embodiment, the gate signal G from the delay signal generator 8 is used.
2 is used as a trigger input signal of the oscilloscope, and the signals of the photodetectors 12a and 12b are observed with this as a time origin. As a result, one irradiation of the excimer laser light can be performed as shown in FIG.
Can capture the same data as. Also, instead of combining a photodiode or a photomultiplier with an oscilloscope, a streak camera can be used to track the temporal change of the one-dimensional distribution or surface distribution. As a result, the data of FIG. 5 can be obtained with one irradiation of the excimer laser light. It goes without saying that this embodiment can obtain the same effects as those of the above embodiments.

【0042】以下、図13をもちいて本発明の第8の実
施例について説明する。図13は本発明による多結晶シ
リコン薄膜製造に用いるレーザ照射及び観測装置の第8
の実施例に用いる構成図である。図において、101は
穴開き対物レンズである。図1または図12の構成要素
と同じものについては同一の符号を付け、その説明を省
略する。本実施例では、図1の対物レンズ10を穴開き
対物レンズ101に置き換え、光源9からの光をビーム
スプリッタ13で反射させ、更に反射板で反射してシリ
コン膜6上に照射している。エキシマレーザ源1からの
光は、穴開き対物レンズ101の穴を通してシリコン膜
6に照射されている。この構成によれば、対物レンズの
開口数を大きくできるため、シリコン膜の像を観測する
際の解像度を高くすることができる。これにより、エキ
シマレーザアニールによる結晶化過程をin−situ
に追跡することが可能である。
The eighth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 13 shows an eighth example of the laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention.
It is a block diagram used for the Example of. In the figure, 101 is a perforated objective lens. The same components as those in FIG. 1 or 12 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. In this embodiment, the objective lens 10 in FIG. 1 is replaced with a perforated objective lens 101, the light from the light source 9 is reflected by the beam splitter 13, and further reflected by the reflecting plate to irradiate the silicon film 6 thereon. The light from the excimer laser source 1 is applied to the silicon film 6 through the hole of the perforated objective lens 101. According to this configuration, the numerical aperture of the objective lens can be increased, so that the resolution when observing the image of the silicon film can be increased. As a result, the crystallization process by excimer laser annealing is performed in-situ.
It is possible to track to.

【0043】次に、本発明の第9の実施例について、図
14を用いて説明する。図14は本発明による多結晶シ
リコン薄膜製造に用いるレーザ照射及び観測装置の第9
の実施例に用いる構成図である。図において、92はパ
ルスレーザ、16はノッチフィルタ、17は分光器また
はバンドパスフィルタである。図1、図10または図1
1の構成要素と同じものについては同一の符号を付け、
その説明を省略する。本実施例では、パルスレーザ92
をシリコン膜6に照射して生じたラマン散乱光を、分光
器またはバンドパスフィルタ17と光検出器12で観測
するものである。分光器またはバンドパスフィルタ17
は、521cm-1の結晶シリコンのラマン光または、4
80cm-1のアモルファスシリコンのラマン光を通過さ
せるように設定する。エキシマレーザ光の照射時刻から
ラマン散乱光の観測までの経過時間については、実施例
1で述べた反射光観測についてのTmeasと同じであ
る。これにより、反射光像観測の場合と同様、レーザア
ニール結晶化過程における、シリコンのラマン光の変化
を追跡できる。ラマン光を観測することにより、結晶化
度や結晶方位、粒径、表面凹凸を知ることができる。1
7をバンドパスフィルタとすれば、シリコン膜6からの
ラマン光の像を得ることも可能である。このように、本
実施例によれば、レーザアニール結晶化過程における、
結晶化度や結晶方位、粒径、表面凹凸の変化をin−s
ituに追跡することが可能である。
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 shows a ninth example of the laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention.
It is a block diagram used for the Example of. In the figure, 92 is a pulse laser, 16 is a notch filter, and 17 is a spectroscope or a bandpass filter. 1, FIG. 10 or FIG.
The same components as those of 1 are given the same reference numerals,
The description is omitted. In this embodiment, the pulse laser 92
The Raman scattered light generated by irradiating the silicon film 6 with is observed by the spectroscope or the bandpass filter 17 and the photodetector 12. Spectrometer or bandpass filter 17
Is 521 cm -1 of Raman light of crystalline silicon or 4
It is set so that Raman light of 80 cm −1 amorphous silicon can be transmitted. The elapsed time from the irradiation time of the excimer laser light to the observation of Raman scattered light is the same as Tmeas for the reflected light observation described in the first embodiment. As a result, as in the case of the reflected light image observation, it is possible to trace the change in the Raman light of silicon during the laser annealing crystallization process. By observing Raman light, it is possible to know the crystallinity, crystal orientation, grain size, and surface irregularities. 1
If 7 is a bandpass filter, it is also possible to obtain an image of Raman light from the silicon film 6. Thus, according to this embodiment, in the laser annealing crystallization process,
Changes in crystallinity, crystal orientation, grain size, and surface irregularities are measured in-s
It is possible to track it.

【0044】また、本実施例で、分光器またはバンドパ
スフィルタ17の入射側に偏光子を入れれば偏光ラマン
測定を行なうことも可能である。これにより、(11
1)配向の(220)配向に対する比率が30%以上と
なるように、エキシマレーザの出力を制御することもで
きる。
Further, in the present embodiment, if a polarizer is placed on the incident side of the spectroscope or the bandpass filter 17, it is possible to perform the polarization Raman measurement. This gives (11
The output of the excimer laser can also be controlled so that the ratio of 1) orientation to (220) orientation is 30% or more.

【0045】以下、本発明の第10の実施例について、
図1を用いて説明する。本実施例では、光源9からシリ
コン膜6に入射される光路と、シリコン膜6から光検出
器12に出射される光路とが、正反射の関係にならない
ように配置する。すなわち、試料を暗視野照明する。こ
れにより、シリコン膜6の粒界や凹凸、結晶核の生成個
所、異常結晶成長などを検出することが可能である。ま
た、光源9を消灯すれば、シリコン膜6からの放射を光
検出器12により検出することも可能である。これか
ら、シリコン膜6の温度を求めることができる。さらに
また、図示しないが、光源9からの光がシリコン膜6及
び基板5を透過した光路上に、対物レンズ10、結像レ
ンズ11、及び光検出器12を置けば、シリコン膜6の
透過率を観測することも可能である。この透過率からも
また、シリコンの結晶化に関する有用な情報が得られ
る。さらにまた、上記の各実施例で述べた、反射率、ラ
マン散乱、放射、透過率の観測を組合せて、シリコン膜
6の状態を総合的に観測することも可能である。このよ
うに、本実施例によれば、レーザアニール結晶化過程に
おける、粒界や凹凸、結晶核の生成個所、異常結晶成
長、温度などをin−situに追跡することが可能で
ある。
The tenth embodiment of the present invention will be described below.
This will be described with reference to FIG. In this embodiment, the optical path from the light source 9 to the silicon film 6 and the optical path from the silicon film 6 to the photodetector 12 are arranged so as not to have a specular reflection relationship. That is, the sample is dark-field illuminated. As a result, it is possible to detect grain boundaries and irregularities of the silicon film 6, generation sites of crystal nuclei, abnormal crystal growth, and the like. Further, if the light source 9 is turned off, the radiation from the silicon film 6 can be detected by the photodetector 12. From this, the temperature of the silicon film 6 can be obtained. Further, although not shown, if the objective lens 10, the imaging lens 11 and the photodetector 12 are placed on the optical path where the light from the light source 9 passes through the silicon film 6 and the substrate 5, the transmittance of the silicon film 6 is reduced. It is also possible to observe. This transmission also provides useful information regarding the crystallization of silicon. Furthermore, it is also possible to comprehensively observe the state of the silicon film 6 by combining the observations of reflectance, Raman scattering, radiation, and transmittance described in each of the above embodiments. As described above, according to the present embodiment, it is possible to trace in-situ the grain boundaries and the irregularities, the generation sites of crystal nuclei, the abnormal crystal growth, and the temperature during the laser annealing crystallization process.

【0046】以下、本発明の第11及び第12の実施例
について、図15〜20を用いて説明する。図15は本
発明による多結晶シリコン薄膜製造に用いるレーザ照射
及び観測装置の第11の実施例に用いる構成図である。
図において、1はエキシマレーザ、3はビームホモジナ
イザ、4はレーザ照射光学系、5は基板、6はシリコン
膜、7はステージ、21はレーザコントローラ、22は
可変アッテネ−タ、23はエキシマガス、24はヴァル
ヴ、25は排気ポンプ、26はヴァルヴ、PDはフォト
ダイオードである。図の実施例では、エキシマレーザの
強度はフォトダイオードによって電圧として検出され、
レーザコントローラ21に供給される。コントローラ2
1はエキシマレーザの強度に応じて可変アッテネータ2
2を制御する。可変アッテネータ22としては、例え
ば、レーザの透過量を徐々に変えることができるフィル
タで構成し、レーザコントローラ21の出力によって、
可変アッテネータ22を移動させてレーザの透過量を制
御するようにしても良い。レーザコントローラ21で制
御が出来ないほどエキシマレーザの強度が少なくなった
場合には、レーザコントローラ21からの出力によっ
て、ヴァルヴ26を開けて排気ポンプ25でエキシマレ
ーザ1のチャンバ内のエキシマガスを排気し、ヴァルヴ
24を開けてエキシマガス23をチャンバからエキシマ
レーザ1のチャンバに供給する。このようにすることに
よって、再びレーザ強度を増すことができる。
The eleventh and twelfth embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 15 is a constitutional view used in the eleventh embodiment of the laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention.
In the figure, 1 is an excimer laser, 3 is a beam homogenizer, 4 is a laser irradiation optical system, 5 is a substrate, 6 is a silicon film, 7 is a stage, 21 is a laser controller, 22 is a variable attenuator, and 23 is an excimer gas. 24 is a valve, 25 is an exhaust pump, 26 is a valve, and PD is a photodiode. In the illustrated embodiment, the intensity of the excimer laser is detected as a voltage by the photodiode,
It is supplied to the laser controller 21. Controller 2
1 is a variable attenuator according to the intensity of the excimer laser 2
Control 2 As the variable attenuator 22, for example, a filter capable of gradually changing the amount of laser transmission is used, and according to the output of the laser controller 21,
The variable attenuator 22 may be moved to control the laser transmission amount. When the intensity of the excimer laser becomes too low to be controlled by the laser controller 21, the output from the laser controller 21 opens the valve 26 and the exhaust pump 25 exhausts the excimer gas in the chamber of the excimer laser 1. , The valve 24 is opened to supply the excimer gas 23 from the chamber to the chamber of the excimer laser 1. By doing so, the laser intensity can be increased again.

【0047】図16は本発明による多結晶シリコン薄膜
製造に用いるレーザ照射及び観測装置の第12の実施例
に用いる構成図である。図において、図15と同じ構成
要素については、同一の符号を付しその説明を省略す
る。図において、31はレーザチューブであり、本実施
例では、エキシマレーザ1のチャンバ内にレーザチュー
ブ31とレーザコントローラが備えられている。
FIG. 16 is a constitutional view used in a twelfth embodiment of the laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. 15 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. In the figure, 31 is a laser tube, and in this embodiment, a laser tube 31 and a laser controller are provided in the chamber of the excimer laser 1.

【0048】また、図中23a、23b、23c、23
dは各々HCl、Xe、Ne、Heのガスで、24a〜
24dは各ガスに対応するヴァルヴである。24a〜2
4dの各ヴァルヴを個別に開閉することにより、レーザ
チューブ31内の各ガス成分の分圧を制御可能である。
これにより、ガス成分の分圧が径時的に変化して、レー
ザ光の時間プロファイルが変化しても、PDでモニタし
た時間プロファイルをもとにレーザコントローラ21に
より各ガス成分の分圧を制御して、レーザ光の時間プロ
ファイルを元に戻すことが可能である。
Further, in the figure, 23a, 23b, 23c, 23
d is a gas of HCl, Xe, Ne, and He, and 24a to
24d is a valve corresponding to each gas. 24a-2
The partial pressure of each gas component in the laser tube 31 can be controlled by individually opening and closing each valve of 4d.
As a result, even if the partial pressure of the gas component changes with time and the time profile of the laser light changes, the laser controller 21 controls the partial pressure of each gas component based on the time profile monitored by the PD. Then, the time profile of the laser light can be restored.

【0049】図17はレーザ光の時間プロファイルの他
の制御方式を示す構成図である。図において、レーザ光
の時間プロファイルはレーザコントローラ21によって
制御される。HVは高電圧電源、Sはスイッチ、Cはキ
ャパシタ、Lはインダクタンス、RDは放電電極であ
る。スイッチSとしてはサイラトロンなどが用いられ
る。キャパシタC及びインダクタンスLを変えること
で、放電回路の時定数が変化し、レーザ光の時間プロフ
ァイルが変化する。したがって、フォトダイオードPD
(図16参照)で観測した時間プロファイルをレーザコ
ントローラ21によりC及びLにフィードバックするこ
とにより、レーザ光の時間プロファイルの径時変化を打
ち消すことが可能である。
FIG. 17 is a block diagram showing another control method of the time profile of laser light. In the figure, the time profile of the laser light is controlled by the laser controller 21. HV is a high voltage power source, S is a switch, C is a capacitor, L is an inductance, and RD is a discharge electrode. As the switch S, a thyratron or the like is used. By changing the capacitor C and the inductance L, the time constant of the discharge circuit changes and the time profile of the laser light changes. Therefore, the photodiode PD
By feeding back the time profile observed in (see FIG. 16) to C and L by the laser controller 21, it is possible to cancel the temporal change of the time profile of the laser light.

【0050】図18はエキシマレーザの時間に対する発
振強度特性を示す波形図であり、横軸に時間T(ns)
を示し、縦軸はレーザの強度をフォトダイオードPDを
用いて検出した電圧V、intensity(V)を示
す。また、破線は発振開始直後の発振強度特性を示し、
実線は10時間経過後の発振強度特性を示す波形図であ
る。図18において、I1は第1番目、I2は第2番目
のピークの強度を示す。通常エキシマレーザは放電回路
にキャパシタ、インダクタを用いているため、図18に
示すように出力光波形に複数のピークが表れる。ここ
で、発振開始直後と10h経過後との比較から明らかな
ように、第2ピークの強度I2が、経時的に大きくなっ
ていくことがわかる。これはエキシマガスの劣化ととも
に、放電空間のキャパシタンスや直流抵抗が変わってい
くため、放電回路の時定数が変わっていくためと考えら
れる。この出力光波形の変化は結晶化されたシリコン膜
の結晶性に影響を与える。
FIG. 18 is a waveform diagram showing the oscillation intensity characteristic of the excimer laser with respect to time, where the horizontal axis represents time T (ns).
The vertical axis indicates the voltage V and intensity (V) obtained by detecting the laser intensity using the photodiode PD. The broken line shows the oscillation strength characteristic immediately after the start of oscillation.
The solid line is a waveform diagram showing the oscillation intensity characteristic after 10 hours have passed. In FIG. 18, I1 indicates the intensity of the first peak and I2 indicates the intensity of the second peak. Since an excimer laser normally uses a capacitor and an inductor in the discharge circuit, a plurality of peaks appear in the output light waveform as shown in FIG. Here, as is clear from the comparison between immediately after the start of oscillation and after 10 hours, the intensity I2 of the second peak increases with time. It is considered that this is because the capacitance of the discharge space and the DC resistance change with the deterioration of the excimer gas, so that the time constant of the discharge circuit changes. This change in the output light waveform affects the crystallinity of the crystallized silicon film.

【0051】本実施例では、図15、図17に示すよう
に、エキシマレーザ1から出た光がシリコン膜6に到達
するまでの光路中に可変アッテネ−タ22を入れてい
る。そして、ピーク強度I1、I2が変化するのに伴
い、可変アッテネ−タ22の透過率を変えるようにして
いるため、時間が経過しても結晶粒径はあまり変化しな
い。また、上記で述べたように、放電回路の時定数にフ
ィードバックを行うことによって、発振ピークが発生す
る時間を一定にすることもできるので、結晶粒径への影
響を低減することができる.本実施例により、長時間に
わたって結晶粒径を一定に保つことが可能となり、液晶
表示素子などの多結晶シリコン膜における粒径のばらつ
きを低減することができる。
In this embodiment, as shown in FIGS. 15 and 17, the variable attenuator 22 is inserted in the optical path until the light emitted from the excimer laser 1 reaches the silicon film 6. Since the transmittance of the variable attenuator 22 is changed as the peak intensities I1 and I2 change, the crystal grain size does not change much even with the passage of time. Further, as described above, by feeding back to the time constant of the discharge circuit, it is possible to make the time at which the oscillation peak occurs constant, it is possible to reduce the effect on the crystal grain size. According to the embodiment, it is possible to keep the crystal grain size constant for a long time, and it is possible to reduce the variation of the grain size in the polycrystalline silicon film of the liquid crystal display element or the like.

【0052】以下、本発明の第13の実施例を図19
(a)、(b)、図20、図21、図23、図24で説
明する。
A thirteenth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
This will be described with reference to (a), (b), FIG. 20, FIG. 21, FIG. 23, and FIG.

【0053】図19は薄膜トランジスタの断面構造を示
す断面図及びシリコン膜が形成された段階の断面図であ
り、図19(a)は薄膜トランジスタの断面図、図19
(b)はシリコン膜が形成された段階の断面図である。
左側はpチャンネル、右側はnチャンネルである。Uは
下地膜、Sはソース、Dはドレイン、Gはゲート、SI
はシリコン膜、LはLDD、Oはゲート酸化膜、Mは層
間膜、SIGは信号線、Pは保護膜である。図19
(b)は図19(a)のシリコン膜SIが形成された段
階の断面図である。5は基板、66は下地膜、6はシリ
コン膜である。
FIG. 19 is a sectional view showing a sectional structure of a thin film transistor and a sectional view at a stage where a silicon film is formed, and FIG. 19A is a sectional view of the thin film transistor.
(B) is a cross-sectional view at a stage where a silicon film is formed.
The left side is the p channel and the right side is the n channel. U is a base film, S is a source, D is a drain, G is a gate, and SI.
Is a silicon film, L is LDD, O is a gate oxide film, M is an interlayer film, SIG is a signal line, and P is a protective film. FIG. 19
19B is a cross-sectional view at the stage where the silicon film SI of FIG. 19A is formed. Reference numeral 5 is a substrate, 66 is a base film, and 6 is a silicon film.

【0054】本実施例では図19(b)のシリコン膜6
にエキシマレーザ光を照射して、結晶化させた例を示
す。
In this embodiment, the silicon film 6 shown in FIG. 19B is used.
An example of crystallization by irradiating with excimer laser light is shown below.

【0055】図20はシリコン膜に照射されるレーザ光
のエネルギ密度を変化させた場合の、シリコン膜の結晶
状態を原子間力顕微鏡で観察した図であり、図20
(a)は380mJ/cm2の場合を、図20(b)は
385mJ/cm2の場合を、図20(c)は390m
J/cm2の場合を、図20(d)は395mJ/cm2
の場合を、図20(e)は400mJ/cm2の場合
を、図20(f)は405mJ/cm2の場合を示す。
図20(a)〜(f)は図19(b)のシリコン膜6に
照射されるレーザ光のエネルギ密度を各々、380、3
85、390、395、400、405mJ/cm2
設定した場合の、シリコン膜の結晶状態を原子間力顕微
鏡で観察したものである。図20の視野は□10μmで
ある。レーザ光の照射は、図20(a)〜(f)の各図
の左側から右側に向かって長方形のレーザ光を走査しな
がら行った。レーザ光の走査速度は、40パルスの発振
の間に視野の左端から右端までレーザ光が通過するよう
にした。また各データ間でレーザの径時変化の影響が現
れないよう、レーザ光の発振開始後約10分以内に全試
料の結晶化を完了させた。この像の、白く見える線を粒
界と考え、粒径を算出した。
FIG. 20 is a view of observing the crystalline state of the silicon film with an atomic force microscope when the energy density of the laser light with which the silicon film is irradiated is changed.
(A) shows the case of a 380 mJ / cm 2, in the case of FIG. 20 (b) 385mJ / cm 2, FIG. 20 (c) is 390m
In the case of J / cm 2 , FIG. 20D shows 395 mJ / cm 2.
The case of FIG. 20 (e) shows the case of a 400 mJ / cm 2, FIG. 20 (f) shows the case of 405mJ / cm 2.
20A to 20F show the energy densities of the laser light with which the silicon film 6 of FIG.
This is an image obtained by observing the crystalline state of the silicon film with an atomic force microscope when set to 85, 390, 395, 400, and 405 mJ / cm 2 . The visual field in FIG. 20 is 10 μm. The irradiation with the laser light was performed while scanning the rectangular laser light from the left side to the right side in each of FIGS. 20 (a) to 20 (f). The scanning speed of the laser light was such that the laser light passed from the left end to the right end of the visual field during the oscillation of 40 pulses. In addition, crystallization of all samples was completed within about 10 minutes after the start of oscillation of the laser light so that the influence of the change with time of the laser did not appear between data. The white line of this image was considered as a grain boundary, and the grain size was calculated.

【0056】図21はレーザ光のエネルギ密度に対する
平均粒径を示す特性図であり、横軸にエネルギ密度Em
J/cm2を縦軸に平均粒径R(um)を示す。照射エ
ネルギが大きくなるに従い、390〜395mJまでは
平均粒径Rが大きくなっていくが、それより大きいエネ
ルギでは平均粒径Rが小さくなっていく。
FIG. 21 is a characteristic diagram showing the average particle size with respect to the energy density of laser light, with the horizontal axis representing the energy density Em.
The vertical axis of J / cm 2 shows the average particle size R (um). The average particle diameter R increases from 390 to 395 mJ as the irradiation energy increases, but the average particle diameter R decreases with higher energy.

【0057】図22は固化時間に対する平均粒径を示す
特性図であり、横軸は固化時間(ns)を、縦軸は平均
粒径R(um)を示す。結晶化を行うにあたり、第2の
実施例で述べた方法で固化時間を求め、これと上記粒径
Rとの相関をプロットしたものである。これから、粒径
を最大にするためには固化時間を43〜45nsとすれ
ばよいことがわかった。これは、図18に示した第1ピ
ークのパルス幅とも一致する。これから、結晶化に寄与
するのは主に第1ピークと考えられる。
FIG. 22 is a characteristic diagram showing the average particle size with respect to the solidification time, where the horizontal axis represents the solidification time (ns) and the vertical axis represents the average particle size R (um). In performing crystallization, the solidification time is obtained by the method described in the second embodiment, and the correlation between the solidification time and the particle size R is plotted. From this, it was found that the solidification time should be 43 to 45 ns to maximize the particle size. This matches the pulse width of the first peak shown in FIG. From this, it is considered that the first peak mainly contributes to crystallization.

【0058】図23はレーザ光発振開始からの経過時間
にともなう粒径の変化と第1のピーク強度の変化を示す
特性図であり、横軸に時間(Hour)を、縦軸に第1
のピーク強度I1、平均粒径Rを示す。図において、破
線は平均粒径Rを示す。平均粒径Rは発振開始直後から
増加した後、減少に転じた。図23の実線は、図18に
示した第1のピーク強度I1の経時変化を示したもので
ある。このようにエキシマガスの劣化にともない、第2
ピークの強度I2が増加して、第1ピークの強度I1が
減少することがわかる。また、これから、結晶粒径Rに
影響を与えるのは、主として第1ピーク強度I1と考え
られる。つまり、レーザ光の時間プロファイルの最初か
ら40ns以内の強度を用いてレーザ光の照射強度を管
理すれば良いことがわかる。
FIG. 23 is a characteristic diagram showing a change in particle size and a change in first peak intensity with the lapse of time from the start of laser light oscillation. The horizontal axis represents time (Hour) and the vertical axis represents first time.
The peak intensity I1 and the average particle size R of are shown. In the figure, the broken line indicates the average particle size R. The average particle diameter R increased immediately after the start of oscillation and then decreased. The solid line in FIG. 23 shows the change over time of the first peak intensity I1 shown in FIG. In this way, as the excimer gas deteriorates, the second
It can be seen that the peak intensity I2 increases and the first peak intensity I1 decreases. From this, it is considered that it is mainly the first peak intensity I1 that affects the crystal grain size R. That is, it is understood that the irradiation intensity of the laser light may be managed using the intensity within 40 ns from the beginning of the time profile of the laser light.

【0059】図24はシリコン膜に照射されるレーザ光
の第1ピーク強度が一定となるよう、光アッテネ−タ2
2を制御した場合のアッテネータの透過率と平均粒径を
示す特性図であり、横軸に時間(Hour)を、縦軸に
透過率(%)、平均粒径Rを示す。図24は、図16に
示す装置を用い、フォトダイオードPDで第1ピーク強
度I1をモニタし、シリコン膜6における第1ピーク強
度が一定となるよう、光アッテネ−タ22を制御した結
果を示すもので、実線は光アッテネ−タ22の透過率
を、破線は平均粒径Rを示す。図に示すように、径時変
化にともない第1ピークが減少するのを補償するように
光アッテネ−タの透過率を上げている。これにより、図
の破線のように、結晶粒径をほぼ一定とすることができ
た。
FIG. 24 shows the optical attenuator 2 so that the first peak intensity of the laser light with which the silicon film is irradiated becomes constant.
It is a characteristic view which shows the transmittance | permeability and average particle diameter of an attenuator when 2 is controlled, A horizontal axis shows time (Hour), a vertical axis | shaft shows transmittance (%), and average particle diameter R is shown. FIG. 24 shows a result of controlling the optical attenuator 22 so that the first peak intensity I1 is monitored by the photodiode PD and the first peak intensity in the silicon film 6 becomes constant by using the device shown in FIG. The solid line shows the transmittance of the optical attenuator 22, and the broken line shows the average particle size R. As shown in the figure, the transmittance of the optical attenuator is increased so as to compensate for the decrease in the first peak due to the change with time. As a result, the crystal grain size could be made almost constant as indicated by the broken line in the figure.

【0060】また、図24から明らかなように、結晶シ
リコン膜の結晶状態を原子間力顕微鏡で観察したとこ
ろ、全時間にわたって図20の390mJ/cm2と同
様な表面状態が観察された。これから、シリコン膜に照
射される第1ピーク強度が一定となるようフィードバッ
クをおこなうことで、ほぼ一定な結晶粒径を得られるこ
とがわかった。
Further, as is apparent from FIG. 24, when the crystalline state of the crystalline silicon film was observed with an atomic force microscope, the same surface state as 390 mJ / cm 2 in FIG. 20 was observed over the entire time. From this, it was found that by performing feedback so that the first peak intensity with which the silicon film was irradiated was constant, a substantially constant crystal grain size could be obtained.

【0061】図25はシリコン膜に照射するレーザ光の
エネルギ密度に対する図20の結晶粒径のヒストグラム
であり、縦軸は粒径毎の占有面積を、縦軸は粒径毎の占
有面積比を示す。図25(a)は380mJ/cm2
場合を、図25(b)は385mJ/cm2の場合を、
図25(c)は390mJ/cm2の場合を、図25
(d)は395mJ/cm2の場合を、図25(e)は
400mJ/cm2の場合を、図25(f)は405m
J/cm2の場合を示す。エネルギ密度が380から3
90mJ/cm2へと大きくなっていくに従い、0μm付
近のピークが減少し、1μm付近に新たなピークが生じ
る。これは、エネルギ密度が大きくなるに従い結晶の融
合が起り、大粒径の結晶が生成されるためである。平均
粒径が大きくしかも粒径ばらつきが小さいと考えられる
のは、上記で得られた390mJ/cm2のエネルギ密
度のもので、結晶粒径の平均値に対する標準偏差の比
が、正方向で100%、負方向で50%以下となってい
る。また、微小粒径の結晶が存在すると素子特性を低下
させる要因となるが、390〜400mJ/cm2のエ
ネルギ密度では、粒径が0.25μm以上の結晶が90
%以上を占め、また0.25μm以下の結晶が5%以下
であるので、得られた薄膜トランジスタは良好な素子特
性が得られる。
FIG. 25 is a histogram of the crystal grain size of FIG. 20 with respect to the energy density of the laser beam with which the silicon film is irradiated. The vertical axis represents the occupied area for each grain size, and the vertical axis represents the occupied area ratio for each grain size. Show. FIG. 25 (a) shows the case of 380 mJ / cm 2 , and FIG. 25 (b) shows the case of 385 mJ / cm 2 .
Figure 25 (c) shows the case of 390mJ / cm 2, FIG. 25
(D) shows the case of 395mJ / cm 2, in the case of FIG. 25 (e) is 400 mJ / cm 2, FIG. 25 (f) is 405m
The case of J / cm 2 is shown. Energy density from 380 to 3
As it increases to 90 mJ / cm 2 , the peak around 0 μm decreases and a new peak appears around 1 μm. This is because as the energy density increases, crystal fusion occurs and crystals with large grain size are generated. It is considered that the average grain size is large and the variation in grain size is small in the energy density of 390 mJ / cm 2 obtained above, and the ratio of the standard deviation to the average value of the crystal grain is 100% in the positive direction. , 50% or less in the negative direction. Further, the presence of crystals having a minute grain size causes deterioration of device characteristics, but at an energy density of 390 to 400 mJ / cm 2, 90 grains of crystals having a grain size of 0.25 μm or more are present.
%, And 5% or less of crystals having a size of 0.25 μm or less, the thin film transistor obtained has good device characteristics.

【0062】そして好ましくは、薄膜半導体の粒径が
0.5μm以上である結晶の占める面積が90%以上で
あり、また、0.5μm以上の結晶であって、結晶粒径
の平均値に対する標準偏差の比が、正方向で100%、
負方向で50%以下であれば、薄膜トランジスタの特性
は更に向上する。更に好ましくは、薄膜半導体の平均粒
径が1.0μm以上であり、かつ、その粒径が0.3μ
m以下の結晶が占める面積が0.1%以下であるように
すれば、薄膜トランジスタの特性、特に電子移動度が単
結晶の場合に限りなく近づいた極めて良好な特性を示
す。
Preferably, the area occupied by the crystal having the grain size of the thin film semiconductor of 0.5 μm or more is 90% or more, and the crystal having the grain size of 0.5 μm or more, which is a standard for the average value of the crystal grain size. The deviation ratio is 100% in the positive direction,
If it is 50% or less in the negative direction, the characteristics of the thin film transistor are further improved. More preferably, the average particle size of the thin film semiconductor is 1.0 μm or more, and the particle size is 0.3 μm.
When the area occupied by the crystals of m or less is 0.1% or less, the characteristics of the thin film transistor, particularly, the electron mobility of which is extremely close to that of a single crystal, is extremely good.

【0063】上記に説明したように、本発明によれば、
多結晶シリコン膜の粒径が大きく、均一度が高いものが
得られる。これを液晶ディスプレイ等の薄膜トランジス
タに用いることにより、電子移動度等の性能の良好な製
品を得ることが出来る。
As explained above, according to the present invention,
A polycrystalline silicon film having a large grain size and high uniformity can be obtained. By using this for a thin film transistor such as a liquid crystal display, it is possible to obtain a product having good performance such as electron mobility.

【0064】ところで、上記各実施例は、シリコン膜に
ついて適用したものであるが、同じ結晶構造をもつゲル
マニウムや、シリコンとゲルマニウムの混合物、さらに
これらの物質に種々の元素を添加した膜などについても
同様の結果が得られることは勿論である。
Although each of the above-described embodiments is applied to a silicon film, germanium having the same crystal structure, a mixture of silicon and germanium, a film in which various elements are added to these substances, and the like are also applied. Of course, similar results can be obtained.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、レ
ーザアニールによるシリコン膜の結晶化過程をin−s
ituに観測することが可能である。また、薄膜トラン
ジスタなどの品質向上や品質管理手法の確立に寄与する
ことができる。
As described above, according to the present invention, the crystallization process of a silicon film by laser annealing is performed in-s.
It can be observed in situ. In addition, it can contribute to quality improvement of thin film transistors and the like and establishment of quality control methods.

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

【図1】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用いる
レーザ照射及び測定装置の第1の実施例を示す構成図及
びタイミングチャートである。
FIG. 1 is a configuration diagram and a timing chart showing a first embodiment of a laser irradiation and measurement apparatus used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention.

【図2】シリコン膜の結晶化状態を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a crystallized state of a silicon film.

【図3】シリコン膜の反射スペクトル及び光源の光のス
ペクトルを示す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a reflection spectrum of a silicon film and a light spectrum of a light source.

【図4】図1(a)に示す装置を用いた測定動作の一実
施例を示すフローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing an example of a measurement operation using the apparatus shown in FIG.

【図5】測定したデータの一実施例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of measured data.

【図6】図5の反射光強度を像の全体にわたって積分し
た値を示した特性図である。
6 is a characteristic diagram showing a value obtained by integrating the reflected light intensity of FIG. 5 over the entire image.

【図7】シリコン膜の同一個所にエキシマレーザ光を多
重照射した際のエキシマレーザの波長と反射率を示す特
性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the wavelength and reflectance of an excimer laser when multiple excimer laser beams are applied to the same portion of a silicon film.

【図8】光検出器で露光された反射像である。FIG. 8 is a reflection image exposed by a photodetector.

【図9】エキシマレーザ光照射した場合のシリコン膜状
態を示す模式図である。
FIG. 9 is a schematic view showing a state of a silicon film when irradiated with excimer laser light.

【図10】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用い
るレーザ照射及び観測装置の第5の実施例に用いる構成
図である。
FIG. 10 is a structural diagram used in a fifth embodiment of a laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention.

【図11】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用い
るレーザ照射及び観測装置の第6の実施例に用いる構成
図である。
FIG. 11 is a structural diagram used in a sixth embodiment of a laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention.

【図12】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用い
るレーザ照射及び観測装置の第7の実施例に用いる構成
図である。
FIG. 12 is a structural diagram used in a seventh embodiment of a laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention.

【図13】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用い
るレーザ照射及び観測装置の第8の実施例に用いる構成
図である。
FIG. 13 is a structural diagram used in an eighth embodiment of the laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing the polycrystalline silicon thin film according to the present invention.

【図14】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用い
るレーザ照射及び観測装置の第9の実施例に用いる構成
図である。
FIG. 14 is a configuration diagram of a laser irradiation and observation apparatus used in a ninth embodiment of the present invention for producing a polycrystalline silicon thin film.

【図15】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用い
るレーザ照射及び観測装置の第11の実施例に用いる構
成図である。
FIG. 15 is a structural diagram used in an eleventh embodiment of a laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention.

【図16】本発明による多結晶シリコン薄膜製造に用い
るレーザ照射及び観測装置の第12の実施例に用いる構
成図である。
FIG. 16 is a structural diagram used in a twelfth embodiment of a laser irradiation and observation apparatus used for manufacturing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention.

【図17】レーザ光の時間プロファイルの他の制御方式
を示す構成図である。
FIG. 17 is a configuration diagram showing another control method of the time profile of laser light.

【図18】エキシマレーザの時間に対する発振強度特性
を示す波形図である。
FIG. 18 is a waveform diagram showing an oscillation intensity characteristic of an excimer laser with respect to time.

【図19】薄膜トランジスタの断面構造を示す断面図及
びシリコン膜が形成された段階の断面図である。
19A and 19B are a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a thin film transistor and a cross-sectional view at a stage where a silicon film is formed.

【図20】シリコン膜に照射されるレーザ光のエネルギ
密度を変化させた場合の、シリコン膜の結晶状態を原子
間力顕微鏡で観察した図である。
FIG. 20 is a diagram obtained by observing the crystalline state of a silicon film with an atomic force microscope when the energy density of laser light with which the silicon film is irradiated is changed.

【図21】レーザ光のエネルギ密度に対する平均粒径を
示す特性図である。
FIG. 21 is a characteristic diagram showing the average particle diameter with respect to the energy density of laser light.

【図22】固化時間に対する平均粒径を示す特性図であ
る。
FIG. 22 is a characteristic diagram showing an average particle diameter with respect to solidification time.

【図23】レーザ光発振開始からの経過時間にともなう
粒径の変化と第1のピーク強度の変化を示す特性図であ
る。
FIG. 23 is a characteristic diagram showing a change in particle size and a change in first peak intensity with the lapse of time from the start of laser light oscillation.

【図24】シリコン膜に照射されるレーザ光の第1ピー
ク強度が一定となるよう、光アッテネ−タ22を制御し
た場合のアッテネータの透過率と平均粒径を示す特性図
である。
FIG. 24 is a characteristic diagram showing the transmittance and average particle diameter of the attenuator when the optical attenuator 22 is controlled so that the first peak intensity of the laser light with which the silicon film is irradiated becomes constant.

【図25】シリコン膜に照射するレーザ光のエネルギ密
度に対する図20の結晶粒径のヒストグラムである。
25 is a histogram of the crystal grain size of FIG. 20 with respect to the energy density of the laser light with which the silicon film is irradiated.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…エキシマレーザ、2…ビームエクスパンダ、3…ビ
ームホモジナイザ、4…レーザ照射光学系、5…基板、
6…シリコン膜、7…ステージ、8…遅延信号発生器、
9…光源、91…照明光学系、92…パルスレーザ、1
0…対物レンズ、101…穴開き対物レンズ、11、1
1a、11b…集光レンズ、12、12a、12b…光
検出器、13…ビームスプリッタ、14a、14b…バ
ンドパスフィルタ、15…オシロスコープ、16…ノッ
チフィルタ、17…分光器またはバンドパスフィルタ、
G1、G2…ゲート信号、Ia…アモルファスシリコン
の反射率スペクトル、Ic…結晶シリコンの反射率スペ
クトル、Ta、Tc…照明光強度スペクトル。
1 ... Excimer laser, 2 ... Beam expander, 3 ... Beam homogenizer, 4 ... Laser irradiation optical system, 5 ... Substrate,
6 ... Silicon film, 7 ... Stage, 8 ... Delay signal generator,
9 ... Light source, 91 ... Illumination optical system, 92 ... Pulse laser, 1
0 ... Objective lens, 101 ... Perforated objective lens, 11, 1
1a, 11b ... Condensing lens, 12, 12a, 12b ... Photodetector, 13 ... Beam splitter, 14a, 14b ... Bandpass filter, 15 ... Oscilloscope, 16 ... Notch filter, 17 ... Spectrometer or bandpass filter,
G1, G2 ... Gate signal, Ia ... Amorphous silicon reflectance spectrum, Ic ... Crystal silicon reflectance spectrum, Ta, Tc ... Illumination light intensity spectrum.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 太久夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 波多野 睦子 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 武田 一男 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 折付 良二 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 (72)発明者 斉藤 雅和 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 Fターム(参考) 5F052 AA02 BA01 BA02 BB07 DA02 DA03 JA01 5F110 AA16 AA24 BB01 CC02 DD02 DD11 FF02 GG01 GG02 GG03 GG13 GG16 HM15 NN01 NN03 PP03 PP05 PP06    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Takuo Tamura             292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa             Inside the Hitachi, Ltd. production technology laboratory (72) Inventor Mutsuko Hatano             1-280, Higashikoigakubo, Kokubunji, Tokyo             Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Kazuo Takeda             1-280, Higashikoigakubo, Kokubunji, Tokyo             Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Ryoji Oritsuki             Hitachi, Ltd. 3300 Hayano, Mobara-shi, Chiba             Factory Display Group (72) Inventor Masakazu Saito             Hitachi, Ltd. 3300 Hayano, Mobara-shi, Chiba             Factory Display Group F-term (reference) 5F052 AA02 BA01 BA02 BB07 DA02                       DA03 JA01                 5F110 AA16 AA24 BB01 CC02 DD02                       DD11 FF02 GG01 GG02 GG03                       GG13 GG16 HM15 NN01 NN03                       PP03 PP05 PP06

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも基板と、該基板上に成膜された
絶縁膜と、該基板上に成膜された半導体膜と、及び該基
板上に成膜されたゲート電極とを有する薄膜半導体素子
であって、該半導体薄膜の結晶粒径の平均値に対する標
準偏差の比が、正方向で100%、負方向で50%以下
であることを特徴とする薄膜半導体素子。
1. A thin film semiconductor device having at least a substrate, an insulating film formed on the substrate, a semiconductor film formed on the substrate, and a gate electrode formed on the substrate. The thin film semiconductor element is characterized in that the ratio of the standard deviation to the average value of the crystal grain size of the semiconductor thin film is 100% in the positive direction and 50% or less in the negative direction.
【請求項2】少なくとも基板と、該基板上に成膜された
絶縁膜と、該基板上に成膜された半導体膜と、該基板上
に成膜されたゲート電極とを有する薄膜半導体素子の半
導体膜であって、該半導体薄膜の粒経が0.25μm以
上の結晶の占める面積が90%以上であることを特徴と
する半導体膜。
2. A thin film semiconductor device having at least a substrate, an insulating film formed on the substrate, a semiconductor film formed on the substrate, and a gate electrode formed on the substrate. A semiconductor film, wherein the area occupied by crystals having a grain size of 0.25 μm or more in the semiconductor thin film is 90% or more.
【請求項3】少なくとも基板と、該基板上に成膜された
絶縁膜と、該基板上に成膜された半導体膜と、該基板上
に成膜されたゲート電極とを有する薄膜半導体素子の半
導体膜であって、該半導体薄膜の粒径が0.5μm以上
の結晶が90%以上を占め、かつ該0.5μm以上の結
晶であって、結晶粒径の平均値に対する標準偏差の比
が、正方向で100%、負方向で50%以下であること
を特徴とする半導体膜。
3. A thin film semiconductor device having at least a substrate, an insulating film formed on the substrate, a semiconductor film formed on the substrate, and a gate electrode formed on the substrate. In the case of a semiconductor film, 90% or more of the crystals have a grain size of 0.5 μm or more, and the ratio of the standard deviation to the average value of the grain size of the crystals is 0.5 μm or more. A semiconductor film having a positive direction of 100% and a negative direction of 50% or less.
【請求項4】少なくとも基板と、該基板上に成膜された
絶縁膜と、該基板上に成膜された半導体膜と、該基板上
に成膜されたゲート電極とを有する薄膜半導体素子の半
導体膜であって、該半導体膜の平均粒径が1.0μm以
上であり、かつ粒径が0.25μm以下の結晶が占める
面積が5%以下であることを特徴とする半導体膜。
4. A thin film semiconductor device having at least a substrate, an insulating film formed on the substrate, a semiconductor film formed on the substrate, and a gate electrode formed on the substrate. A semiconductor film, wherein the semiconductor film has an average grain size of 1.0 μm or more and an area occupied by crystals having a grain size of 0.25 μm or less is 5% or less.
【請求項5】上記各請求項記載の半導体膜は少なくとも
シリコン、ゲルマニウム、またはゲルマニウムとシリコ
ンの混合物を含むことを特徴とする半導体膜。
5. The semiconductor film according to each of the above claims, containing at least silicon, germanium, or a mixture of germanium and silicon.
【請求項6】基板上のアモルファス半導体膜にエキシマ
レーザ光を照射して多結晶半導体膜を製造する方法であ
って、 該基板に照射される該エキシマレーザ光の時間プロファ
イルに現れる複数のピークの強度比を求める工程と、 該ピークの強度比が経時的に変化するのに伴い、該光ア
ッテネータの透過率を制御する工程とを備えることを特
徴とする多結晶半導体膜製造方法。
6. A method for producing a polycrystalline semiconductor film by irradiating an amorphous semiconductor film on a substrate with an excimer laser beam, comprising a plurality of peaks appearing in a time profile of the excimer laser beam with which the substrate is irradiated. A method for producing a polycrystalline semiconductor film, comprising: a step of obtaining an intensity ratio; and a step of controlling the transmittance of the optical attenuator as the intensity ratio of the peak changes with time.
【請求項7】基板上のアモルファス半導体膜にエキシマ
レーザ光を照射して多結晶半導体膜を製造する方法であ
って、 該エキシマレーザを照射することによって形成される結
晶粒径または結晶配向と、該基板に照射される該エキシ
マレーザ光の時間プロファイルに現れる複数のピークの
強度比との相関を求める工程と、 該エキシマレーザ光の時間プロファイルに現れる複数の
ピークの強度比が経時的に変化するのに伴い、該結晶粒
径または該結晶配向が一定となるよう、該光アッテネー
タの透過率を制御する工程とを備えることを特徴とする
多結晶半導体膜製造方法。
7. A method for producing a polycrystalline semiconductor film by irradiating an amorphous semiconductor film on a substrate with excimer laser light, comprising a crystal grain size or crystal orientation formed by irradiating the excimer laser, A step of obtaining a correlation with an intensity ratio of a plurality of peaks appearing in a time profile of the excimer laser light with which the substrate is irradiated; and an intensity ratio of a plurality of peaks appearing in a time profile of the excimer laser light changes with time. And a step of controlling the transmittance of the optical attenuator so that the crystal grain size or the crystal orientation becomes constant.
【請求項8】請求項6記載の多結晶半導体膜製造方法に
おいて、 上記光アッテネータの透過率の制御は、上記半導体膜に
照射されるエキシマレーザ光の時間プロファイルのう
ち、最初の極大から40nsまでの積分強度が一定とな
るように行うものであることを特徴とする多結晶半導体
膜製造方法。
8. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 6, wherein the transmittance of the optical attenuator is controlled from the first maximum to 40 ns in the time profile of the excimer laser light with which the semiconductor film is irradiated. The method for producing a polycrystalline semiconductor film is characterized in that the integrated intensity of is constant.
【請求項9】基板上のアモルファス半導体膜に該基板よ
り小さい長方形に整形したエキシマレーザ光を照射して
走査し多結晶化を行う工程と、該エキシマレーザ光の時
間プロファイルに現れる複数のピークの強度比が基準値
を越えた時点で該エキシマレーザ光の光源のガスを交換
することを特徴とする多結晶半導体膜製造方法。
9. A step of irradiating an amorphous semiconductor film on a substrate with an excimer laser beam shaped into a rectangle smaller than the substrate to perform scanning for polycrystallization, and a plurality of peaks appearing in a time profile of the excimer laser beam. A method for producing a polycrystalline semiconductor film, characterized in that the gas of the light source of the excimer laser light is exchanged when the intensity ratio exceeds a reference value.
【請求項10】請求項6記載の多結晶半導体膜製造方法
において、各エキシマレーザ光の照射回毎に該複数のピ
ークの強度比が基準値を超えているか否かの確認を行う
工程を設け、該エキシマレーザ光を照射する工程は、該
長方形に整形された該エキシマレーザ光の短辺の長さよ
り短いステップで走査を行うことにより、基板上の同じ
箇所に複数回エキシマレーザ光を重畳して照射し結晶化
を行うことを特徴とする多結晶半導体膜製造方法。
10. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 6, further comprising a step of confirming whether or not the intensity ratio of the plurality of peaks exceeds a reference value for each irradiation of each excimer laser beam. In the step of irradiating the excimer laser light, scanning is performed in a step shorter than the length of the short side of the excimer laser light shaped into the rectangle, thereby superimposing the excimer laser light on the same position on the substrate a plurality of times. A method for producing a polycrystalline semiconductor film, which comprises irradiating and crystallization.
【請求項11】請求項7記載の多結晶半導体膜製造方法
において、該結晶の融合状態は半導体膜の反射率を時分
解で測定して求めることを特徴とする多結晶半導体膜製
造方法。
11. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 7, wherein the fused state of the crystals is determined by measuring the reflectance of the semiconductor film by time resolution.
【請求項12】請求項7記載の多結晶半導体膜製造方法
において、該半導体膜の反射率は、2つ以上の波長領域
で測定し、両者の比から結晶とアモルファスの比率また
は結晶の融合状態を求めることを特徴とする多結晶半導
体膜製造方法。
12. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 7, wherein the reflectance of the semiconductor film is measured in two or more wavelength regions, and the ratio of the two measures the ratio of crystal and amorphous or the fused state of crystals. A method for producing a polycrystalline semiconductor film, which comprises:
【請求項13】請求項7記載の多結晶半導体膜製造方法
において、該2つ以上の波長領域で測定した反射率の比
から求めた、該結晶と該アモルファスの比率または結晶
の融合状態の、レーザ光照射時刻からの経過時間に対す
るプロファイルから結晶化時間または結晶群の融合時間
を求める工程を設けることを特徴とする多結晶半導体膜
製造方法。
13. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 7, wherein a ratio of the crystal and the amorphous or a fused state of the crystal, which is obtained from a ratio of reflectances measured in the two or more wavelength regions, A method for producing a polycrystalline semiconductor film, comprising a step of obtaining a crystallization time or a crystal group fusion time from a profile with respect to an elapsed time from a laser light irradiation time.
【請求項14】請求項7記載の多結晶半導体膜製造方法
において、該結晶化時間と該結晶群の該融合時間と、結
晶化終了後の結晶粒径または粒径ばらつきとの相関を求
める工程を設け、該結晶粒径が最大、または該結晶粒径
ばらつきが最小となるよう、該結晶化時間と該結晶群の
該融合時間を設定することを特徴とする多結晶半導体膜
製造方法。
14. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 7, wherein a step of obtaining a correlation between the crystallization time, the fusion time of the crystal groups, and the crystal grain size or grain size variation after completion of crystallization. Is provided, and the crystallization time and the fusion time of the crystal groups are set so that the crystal grain size is maximum or the crystal grain size variation is minimum.
【請求項15】請求項7記載の多結晶半導体膜製造方法
において、該結晶化時間または該結晶群の該融合時間
と、該エキシマレーザ光の該時間プロファイルに現れる
複数のピークの強度比との相関を求める工程を設け、該
結晶粒径が最大、または該結晶粒径ばらつきが最小とな
るよう、該複数のピークの強度比を設定することを特徴
とする多結晶半導体膜製造方法。
15. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 7, wherein the crystallization time or the fusion time of the crystal groups and the intensity ratio of a plurality of peaks appearing in the time profile of the excimer laser light. A method for producing a polycrystalline semiconductor film, comprising the step of obtaining a correlation, and setting the intensity ratio of the plurality of peaks so that the crystal grain size is maximum or the crystal grain size variation is minimum.
【請求項16】請求項14または15記載の多結晶半導
体膜製造方法において、各エキシマレーザ光の照射回毎
に該結晶化時間と該結晶群の該融合時間の設定、または
複数のピークの強度比の設定を行う工程を設け、該エキ
シマレーザ光を照射する工程は、該長方形に整形された
該エキシマレーザ光の短辺の長さより短いステップで走
査を行うことにより、基板上の同じ箇所に複数回エキシ
マレーザ光を重畳して照射し結晶化を行うことを特徴と
する多結晶半導体膜製造方法。
16. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 14 or 15, wherein the crystallization time and the fusion time of the crystal groups are set or the intensities of a plurality of peaks are set for each irradiation time of each excimer laser beam. Providing a step of setting the ratio, the step of irradiating the excimer laser light, by scanning in a step shorter than the length of the short side of the excimer laser light shaped into the rectangle, to the same place on the substrate A method for producing a polycrystalline semiconductor film, which comprises irradiating a plurality of excimer laser beams in a superimposed manner for crystallization.
【請求項17】請求項15記載の多結晶半導体膜製造方
法において、該複数ピークの強度比の設定は、エキシマ
レーザ光源の回路定数またはエキシマガス成分の分圧の
制御により行うことを特徴とする多結晶半導体膜製造方
法。
17. The method for producing a polycrystalline semiconductor film according to claim 15, wherein the intensity ratio of the plurality of peaks is set by controlling the circuit constant of the excimer laser light source or the partial pressure of the excimer gas component. Method for manufacturing polycrystalline semiconductor film.
JP2002102633A 2001-09-12 2002-04-04 Polycrystal semiconductor film, method for manufacturing polycrystal semiconductor film and thin film semiconductor device which uses it Pending JP2003163167A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002102633A JP2003163167A (en) 2001-09-12 2002-04-04 Polycrystal semiconductor film, method for manufacturing polycrystal semiconductor film and thin film semiconductor device which uses it

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001276849 2001-09-12
JP2001-276849 2001-09-12
JP2001-276753 2001-09-12
JP2001276753 2001-09-12
JP2002102633A JP2003163167A (en) 2001-09-12 2002-04-04 Polycrystal semiconductor film, method for manufacturing polycrystal semiconductor film and thin film semiconductor device which uses it

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003163167A true JP2003163167A (en) 2003-06-06

Family

ID=27347486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002102633A Pending JP2003163167A (en) 2001-09-12 2002-04-04 Polycrystal semiconductor film, method for manufacturing polycrystal semiconductor film and thin film semiconductor device which uses it

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2003163167A (en)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008117877A (en) * 2006-11-02 2008-05-22 Sumitomo Heavy Ind Ltd Laser annealing device, annealing method, and melting-depth measuring device
JP2008116269A (en) * 2006-11-02 2008-05-22 Sumitomo Heavy Ind Ltd Temperature measuring device and temperature calculation method
JP2008211136A (en) * 2007-02-28 2008-09-11 Sumitomo Heavy Ind Ltd Laser annealing device and method
JP2009158822A (en) * 2007-12-27 2009-07-16 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Method of evaluating semiconductor layer, and method of manufacturing semiconductor substrate
WO2010087299A1 (en) * 2009-02-02 2010-08-05 株式会社日本製鋼所 Method and apparatus for laser-annealing semiconductor film
JP2011054861A (en) * 2009-09-04 2011-03-17 Sony Corp Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor inspection device, and crystallinity inspection method
JP2011228734A (en) * 2011-06-30 2011-11-10 Japan Steel Works Ltd:The Annealing device for semiconductor film
WO2011142154A1 (en) * 2010-05-11 2011-11-17 株式会社日本製鋼所 Laser annealing device, method for manufacturing laser-annealed object, and laser annealing program
US8346497B2 (en) 2003-03-26 2013-01-01 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for testing semiconductor film, semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2014029965A (en) * 2012-07-31 2014-02-13 Japan Steel Works Ltd:The Method for monitoring surface of object to be processed, and monitoring device
WO2014156818A1 (en) * 2013-03-27 2014-10-02 国立大学法人九州大学 Laser annealing device
US9245757B2 (en) 2010-07-05 2016-01-26 The Japan Steel Works, Ltd Laser annealing treatment apparatus and laser annealing treatment method

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8346497B2 (en) 2003-03-26 2013-01-01 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for testing semiconductor film, semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2008116269A (en) * 2006-11-02 2008-05-22 Sumitomo Heavy Ind Ltd Temperature measuring device and temperature calculation method
JP2008117877A (en) * 2006-11-02 2008-05-22 Sumitomo Heavy Ind Ltd Laser annealing device, annealing method, and melting-depth measuring device
JP2008211136A (en) * 2007-02-28 2008-09-11 Sumitomo Heavy Ind Ltd Laser annealing device and method
JP2009158822A (en) * 2007-12-27 2009-07-16 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Method of evaluating semiconductor layer, and method of manufacturing semiconductor substrate
WO2010087299A1 (en) * 2009-02-02 2010-08-05 株式会社日本製鋼所 Method and apparatus for laser-annealing semiconductor film
JP2010177609A (en) * 2009-02-02 2010-08-12 Japan Steel Works Ltd:The Method of laser-annealing semiconductor film and annealing device
TWI512827B (en) * 2009-02-02 2015-12-11 Japan Steel Works Ltd Laser annealing method of semiconductor film and annealing apparatus
KR101347138B1 (en) 2009-02-02 2014-01-07 가부시끼가이샤 니혼 세이꼬쇼 Laser annealing method and annealing device for semiconductor film
JP2011054861A (en) * 2009-09-04 2011-03-17 Sony Corp Method of manufacturing semiconductor device, semiconductor inspection device, and crystallinity inspection method
WO2011142154A1 (en) * 2010-05-11 2011-11-17 株式会社日本製鋼所 Laser annealing device, method for manufacturing laser-annealed object, and laser annealing program
JP2011238804A (en) * 2010-05-11 2011-11-24 Japan Steel Works Ltd:The Laser annealing treatment device, method of manufacturing laser annealed object and laser annealing treatment program
US9245757B2 (en) 2010-07-05 2016-01-26 The Japan Steel Works, Ltd Laser annealing treatment apparatus and laser annealing treatment method
JP2011228734A (en) * 2011-06-30 2011-11-10 Japan Steel Works Ltd:The Annealing device for semiconductor film
JP2014029965A (en) * 2012-07-31 2014-02-13 Japan Steel Works Ltd:The Method for monitoring surface of object to be processed, and monitoring device
WO2014156818A1 (en) * 2013-03-27 2014-10-02 国立大学法人九州大学 Laser annealing device
JPWO2014156818A1 (en) * 2013-03-27 2017-02-16 国立大学法人九州大学 Laser annealing equipment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7345746B2 (en) Method of and apparatus for in-situ monitoring of crystallization state
KR102111050B1 (en) Monitoring method and apparatus for excimer laser annealing process
KR102154495B1 (en) Monitoring method and apparatus for control of excimer laser annealing
US7247813B2 (en) Crystallization apparatus using pulsed laser beam
KR100833761B1 (en) Process for producing polysilicon film
JP2003163167A (en) Polycrystal semiconductor film, method for manufacturing polycrystal semiconductor film and thin film semiconductor device which uses it
JP2006237525A (en) Laser irradiation method and equipment
KR20060043822A (en) Laser crystallization apparatus and laser crystallization method
JP3996641B2 (en) Laser surface treatment apparatus and method
JP2012516041A (en) Method and apparatus for irradiating the surface of a semiconductor material with laser energy
US7307727B2 (en) Method and apparatus for forming substrate for semiconductor or the like
US9257288B2 (en) Method and system for monitoring crystallization of amorphous silicon thin film, and method of manufacturing thin film transistor by using the method and system
JP2003234288A (en) Polycrystal semiconductor film and manufacturing method, and manufacturing device for semiconductor element
JP2916452B1 (en) Evaluation method of crystalline semiconductor thin film and laser annealing apparatus
JPH09243569A (en) Apparatus and method for evaluating semiconductor substrate
Wakeham et al. Femtosecond time-resolved spectroscopy of energetic materials
JP3305592B2 (en) Method for managing quality of crystalline semiconductor film, computer software for managing quality of crystalline semiconductor film, crystalline silicon film, semiconductor device, and thin film transistor
US9508608B2 (en) Monitoring laser processing of semiconductors by raman spectroscopy
TW202410232A (en) Scatter melt detection systems and methods of using the same
JP2004193589A (en) Method for monitoring treated state or processed state of thin film or treated object and its apparatus
Hu et al. Avoiding Self-Reversed D Lines in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy of Trace-Level Sodium in Soil
Rabasovic et al. SPATIAL MEASUREMENTS OF LASER-INDUCED BREAKDOWN IN AIR
WO2023215046A1 (en) Scatter melt detection systems and methods of using the same
JPH03109719A (en) Manufacture of semiconductor device
JP2010135850A (en) Method and apparatus for deciding occurrence of microcrystals