JP2004039890A - Laser irradiating apparatus and semiconductor film crystallizing method using the same and semiconductor device manufacturing process - Google Patents

Laser irradiating apparatus and semiconductor film crystallizing method using the same and semiconductor device manufacturing process Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser irradiating apparatus for providing a crystalline semiconductor film in which, by controlling a Marangoni convection occurring on the surface of a liquid solution in laser annealing, crystallinity is excellent and besides there is less variation in quality, then to provide a semiconductor film crystallizing method using the same, and further to provide a semiconductor device using an FET for attaining high electric field effect mobility by the crystalline semiconductor film made by the crystallizing method. <P>SOLUTION: An amorphous semiconductor film is once molten and when performing crystallization in a subsequent process, a magnetic field is applied to the surface or zone of the molten film with the principal aim of controlling the Marangoni convection in a surface of the molten film. The Maragoni convection is controlled by applying the magnetic field to prevent oxygen that has been taken in the semiconductor from segregating locally even if the molten zone is formed in an atmosphere containing oxygen, enabling the oxygen to be dispersed homogeneously in the formed crystalline semiconductor film. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体膜の結晶化に用いるレーザー照射装置及びそれを用いた半導体膜の結晶化方法、並びにそれを用いた半導体装置の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラス基板上に堆積した非晶質シリコン膜に、レーザー光を照射して多結晶シリコン膜を形成する結晶化技術が知られている。パルス発振するエキシマレーザー発振器はこの結晶化技術において代表的に用いられている光源である。パルスレーザー光の照射によりシリコンは瞬間的に加熱され、一旦溶融し冷却過程で結晶化が起こり、通常は異なる面方位を持った複数の結晶粒が集合した多結晶体が形成される。パルス幅が数十〜数百ナノ秒のパルスレーザー光の照射は、シリコンを選択的に加熱することが可能であり、基板の温度を上昇させずに結晶化が可能である。従って、耐熱温度が低いとされるホウケイ酸ガラスなど安価な基板を適用できるという利点が認識されている。
【0003】
勿論、ガラス基板上における半導体膜の低温での結晶化はパルスレーザー光の照射に限定されず、連続発振レーザー光の照射によっても可能である。例えば、「N. Sasaki et al, 2002 SID International Symposium Digest of Technical Papers, pp.154−157」では連続発振レーザー光の照射によるラテラル結晶成長技術について報告されており、その技術を用いて作製されたシフトレジスタ回路において270MHzの動作周波数が報告されている。
【0004】
上記文献で開示されている連続発振レーザー発振器を用いるレーザーアニールは、エキシマレーザーに代表されるパルスレーザー発振器を光源とする場合と比較して、半導体膜がレーザー光により加熱される時間が長いという特徴がある。また、溶融領域と固相領域との界面(固液界面)が基板表面と概略平行な方向に進み結晶がその方向に延在するという特徴がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの半ば経験的な知見として、レーザーアニールにより非晶質シリコン膜を結晶化するに際し、酸素を含む雰囲気中で結晶化を行うと大粒径化が図られることが知られている(例えば、特開2001−15435号公報を参照)。従って、多くの場合レーザーアニールは大気中で行われていた。
【0006】
結晶の大粒径化の要求は、それを用いて作製するTFTの電界効果移動度を向上させることにあり、単結晶シリコン基板に形成されるMOSトランジスタと同等にすることがその理想的な一形態として捉えられている。連続発振レーザー光を走査して固液界面を連続的に移動させながら結晶化する方法はゾーンメルティング法に近い方法であると考えられ、連続的な結晶成長により大粒径化が可能である。しかしながら、結晶を大粒径化が実現しても、同一基板上に形成した複数のTFT間で特性がばらつくという問題点がしばしば顕在化していた。
【0007】
この問題点に関し、本発明者はレーザーアニール法において、これまでに認識されていない新たな要因を見いだした。つまり、パルスレーザー光より長い時間溶融状態を持つ連続発振レーザー光の結晶化は、外部から不純物が結晶に取り込まれる割合が増加して、それが融液表面での表面張力対流(マランゴニ対流)によって均一に分散せず、局所的に偏析して、結局は結晶の品質が変動する要因となり、それがTFTの特性ばらつきの原因となっていると考えることができた。
【0008】
本発明は、このような問題点に鑑み成されたものであり、レーザーアニール法において融液表面での表面張力対流(マランゴニ対流)を制御して、結晶性に優れ、且つその品質のばらつきが少ない結晶性半導体膜を提供するレーザー照射装置及びそれを用いた半導体膜の結晶化方法、並びに、それにより作製される結晶性半導体膜で高い電界効果移動度を実現する電界効果トランジスタを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、非晶質半導体膜を一旦溶融して、その後の冷却過程で結晶化するに際し、その溶融表面の表面張力対流(マランゴニ対流)を制御することを主たる目的として、溶融表面又は溶融帯に磁場を印加することを特徴とする。磁場の印加により表面張力対流(マランゴニ対流)が抑制され、酸素を含む雰囲気中で溶融帯を形成しても、半導体に取り込まれた酸素が局所的に偏析するのを防ぎ、形成される結晶性半導体膜中に均質に分散させることを可能とする。
【0010】
上記目的を達成する本発明に係るレーザー照射装置は、連続発振レーザー発振器と、それを光源とするレーザー光を照射面において線状に集光する光学系と、被照射体に対して照射面を移動させる走査手段と、照射面又は照射面を含む空間において磁場を形成する磁場印加手段とが備えられたものである。磁場印加手段としては、常伝導コイル、超伝導コイル、永久磁石などが適用可能である。
【0011】
本発明に係る半導体膜の結晶化方法は、半導体膜を部分的に加熱して溶融帯を形成し、その固液界面を連続的に移動させることにより結晶化するに際し、溶融帯若しくは固液界面に磁場を印加して溶融帯表面での表面張力対流(マランゴニ対流)を抑制しつつ半導体膜の結晶化を行うものである。溶融帯は連続発振レーザー光を半導体膜に照射することにより形成され、溶融帯は酸素を含む雰囲気中で形成することが好ましい形態となる。また、半導体膜の溶融時間が、10μsec乃至500μsecとなるように溶融帯若しくは固液界面を移動させることが好ましい形態となる。
【0012】
本発明に係る半導体膜の結晶化方法は、絶縁表面上に形成された半導体膜を部分的に加熱して溶融帯を形成し、その固液界面を連続的に移動させることにより結晶化するに際し、溶融帯若しくは固液界面に磁場を印加して溶融帯表面での表面張力対流を抑制しつつ半導体膜の結晶化を行い、形成された結晶性半導体膜に絶縁ゲート型電界効果トランジスタのチャネル部を形成するものである。溶融帯は連続発振レーザー光を半導体膜に照射することにより形成され、溶融帯は酸素を含む雰囲気中で形成することが好ましい形態となる。また、半導体膜の溶融時間が、10μsec乃至500μsecとなるように溶融帯若しくは固液界面を移動させることが好ましい形態となる。
【0013】
上記本発明の構成において、磁場は照射面若しくは溶融帯に対して、水平磁場、垂直磁場、カプス磁場によって半導体膜に取り込まれる酸素濃度とその分布を制御する。或いは、溶融帯の移動方向に対して、水平磁場、垂直磁場、カプス磁場によって半導体膜に取り込まれる酸素濃度とその分布を制御する。
【0014】
酸素は2配位であるので、4配位のシリコンネットワーク中に取り込まれることにより構造柔軟性が高まり、転移などに起因する未結合手を低減させる作用を持つ。結晶粒界に供給される酸素は、そこに存在する未結合手と反応して結合を形成する。結合に自由度が増すので、格子歪みに起因する欠陥を補償することができる。
【0015】
もっとも、多量の酸素の供給はシリコンの結晶構造の崩壊を招き、かえって欠陥を増大させる。本発明において適用される酸素濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定される平均的な濃度評価法に従えば、5×1017〜2×1019/cmとすることが望ましい。但し、本発明において対象にする酸素は、レーザーアニールに際し雰囲気中(気相中)から取り込まれる酸素の他に、当初から半導体膜に含まれている酸素、半導体膜の表面に形成される自然酸化膜の酸素、半導体膜が接する下地から供給される酸素なども含んでいる。
【0016】
なお、本発明でいう非晶質半導体膜とは、狭義の意味で完全な非晶質構造を有するものだけではなく、微細な結晶粒子が含まれた状態、又はいわゆる微結晶半導体膜、局所的に結晶構造を含む半導体膜を含む。代表的には非晶質シリコン膜が適用され、その他に非晶質シリコンゲルマニウム膜、非晶質シリコンカーバイト膜などを適用することもできる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の態様について図面を参照して詳細に説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、以下に示す実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付するものとする。
【0018】
図6は、本発明のレーザー照射装置の主要な構成要素とその関連を示す図である。当該レーザー照射装置は、レーザー発振器101、波長変換素子102、高変換ミラー103、シリンドリカルレンズ104、105、スリット106などを含み照射面においてレーザー光を線状に集光する光学系100、載置台109、載置台の周辺部に置かれた磁場印加手段107を主要な構成要素としている。その他に付加的な構成要素として、被処理物110が晒される雰囲気を制御するガス供給手段108が備えられていても良い。雰囲気制御は、特に酸素を積極的に含ませる場合、或いは含ませない場合に用いる。
【0019】
レーザー発振器101は矩形ビーム固体レーザー発振器が適用され、特に好ましくはスラブレーザー発振器が適用される。或いは、YAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶にNd、Tm、Hoをドープした結晶を使った固体レーザー発振器にスラブ構造増幅器を組み合わせたものでも良い。スラブ材料としては、Nd:YAG、Nd:GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)、Nd:GsGG(ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)などの結晶が使用される。その他にも、連続発振可能な気体レーザー発振器、固体レーザー発振器を適用することもできる。連続発振固体レーザー発振器としてはYAG、YVO、YLF、YAlOなどの結晶にCr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti又はTmをドープした結晶を使ったレーザー発振器を適用する。発振波長の基本波はドープする材料によっても異なるが、1μmから2μmの波長で発振する。5W以上のより高い出力を得る為には、ダイオード励起の固体レーザー発振器をカスケード接続しても良い。
【0020】
このようなレーザー発振器から出力される円形状又は矩形状のレーザー光は、シリンドリカルレンズ104、105により照射面の断面形状において線状に集光される。また、照射面での干渉を防ぐため、高変換ミラー103を適宜調節して10〜80度の角度を持って斜め方向から入射する構成としても良い。シリンドリカルレンズ104、105は合成石英製とすれば高い透過率が得られ、レンズの表面に施されるコーティングは、レーザー光の波長に対する透過率が99%以上を実現するために適用される。勿論、照射面の断面形状は線状に限定されず、矩形状、楕円形又は長円形など任意な形状としても構わない。いずれにしても短軸と長軸の比が、1対10〜1対100の範囲に含まれるものを指している。また、波長変換素子102は基本波に対する高調波を得るために備えられている。
【0021】
また、載置台109は駆動手段により二軸方向に動かすことにより被処理物110の全面にレーザー処理をすることを可能としている。一方向への移動は基板420の一辺の長さよりも長い距離を1〜200cm/sec、好ましくは5〜50cm/secの等速度で連続的に移動させることが可能であり、他方へは線状ビームの長手方向と同程度の距離を不連続にステップ移動させることが可能となっている。レーザー光の集光幅が概略5〜50μmであり、上記走査速度を適用することにより、
10μsec〜50μsecの溶融時間が達せられる。
【0022】
磁場印加手段は、超伝導コイル又は常伝導コイルなどの電磁石又は永久磁石が適用され、被処理物110の周囲に500〜10000ガウス程度の磁場を形成する目的で配置されている。磁場はレーザー光の照射により被処理物に形成される溶融帯との相対的な位置関係によって、水平磁場、垂直磁場、カスプ磁場の形成を可能とする配置から選択する。
【0023】
大気中で非晶質半導体膜にレーザー光を照射して溶融帯を形成すると、大気と反応して酸素がそこに溶け込む。また、他の酸素流入経路としては、非晶質半導体膜の下地のガラス基板又はその表面に形成した酸化シリコン膜の酸素などがある。磁場の印加は表面張力対流(マランゴニ対流)を抑制して、溶融帯が固化して酸素が局部的に偏析するのを防ぎ、酸素を一様に分散させる作用を呈する。また、磁場の印加方法により、結晶化領域における酸素濃度の制御をすることが可能となる。即ち、酸素を意図的に含ませることもできる。いずれにしても、結晶化の形態によって磁場の印加方法を目的に応じて使い分けることが肝要である。
【0024】
図2に示す磁場印加の形態は、基板110上の半導体膜111に形成される溶融帯112に対して垂直方向に印加する一例である。この場合、溶融帯112は紙面の垂直方向に移動することを想定している。磁場印加手段107としてはトロイダルコイルを適用しても良い。
【0025】
図3に示す磁場印加の形態は、基板110上の半導体膜111に形成される溶融帯112に対して水平方向に印加する一例である。この場合、溶融帯112は紙面の垂直方向に移動することを想定している。図6はこの状態を上面から見た形態である。磁場印加手段107としてはトロイダルコイルを適用しても良い。一方、磁場印加手段の配置の変更により、水平方向の磁場印加の他の形態として、溶融帯112の移動方向と平行な方向に磁場を印加することもできる。
【0026】
図4に示す磁場印加の形態は、基板110上の半導体膜111に形成される溶融帯112に対してカスプ磁場を印加する一例である。この場合、溶融帯112は紙面の垂直方向に移動することを想定している。磁場印加手段107としてはトロイダルコイルを適用しても良い。カスプ磁場中心の位置は、溶融帯112の上方、溶融帯112の中心、溶融帯112の下方の三種類を取り得る。カスプ磁場中心が溶融帯112の中心である場合には、溶融帯112の中心から外側の向きに磁力が作用する。一方、図5のようにして、カスプ磁場を溶融帯112の垂直方向へ作用させることもできる。
【0027】
図8と図9は溶融帯112の移動方向とカスプ磁場の相対的な位置関係を示している。これは、溶融帯112の移動方向と平行な方向に作用する磁場成分Hpと、交差する方向に作用する磁場成分Hcとの向きを異ならせた形態を示している。
【0028】
本発明の半導体装置の作製方法の最も好適な一例として、磁場を印加して非晶質半導体膜に溶融帯を形成し、固液界面を連続的に移動させて結晶成長させる態様においては、吸収係数が5×10〜2×10/cmとなる波長帯域から選ばれた連続発振レーザー光を照射することが望ましい。これは、非晶質半導体膜の内部でレーザー光を吸収して内側から加熱することで完全溶融化することを目的としている。例えば、非晶質シリコン膜に対して、Nd:YVOレーザー発振器の第2高調波(532nm)が適用される。
【0029】
図10は本発明による半導体装置の作製方法を説明する図である。図10(A)において基板201上には窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒酸化シリコン膜の単層又は積層体から成る下地絶縁膜202がされている。基板201となる部材はアルミノシリケートガラスなど市販品で無アルカリガラスと称されるガラス材料が適用可能である。その他に単結晶シリコンなど半導体基板を適用することも可能である。
【0030】
結晶性半導体膜203は、非晶質半導体膜を磁場印加してレーザー光を照射して結晶化させる。非晶質半導体膜はシリコン又はシリコンにゲルマニウムを添加した非晶質材料を用いる。結晶性半導体膜の厚さは30〜200nm、代表的には150nmの厚さとする。
結晶化は連続発振レーザー光を照射するが、その光源はYVOレーザー発振器を用いその第2高調波(532nm)を適用する。光源の出力6W(第2高調波)のレーザー光を約500μm×20μmに集光したビームを5〜100cm/sec、好ましくは25〜50cm/secの速度で走査する。磁場は500〜5000ガウスを印加する。また、結晶性半導体膜203は、非晶質半導体膜を磁場印加してレーザー光を照射して再結晶化させたものでも同等である。
【0031】
次いで、図10(B)に示すように、基板101の下地絶縁膜102上に作製された結晶性半導体膜から、所望の形状にエッチング処理し島状に孤立分離した半導体膜201〜203を形成する。これらの半導体膜201〜203は、チャネル形成領域、ソース及びドレイン領域、低濃度不純物領域などを作り込みTFTの主要な構成要素となる。結晶性半導体膜をエッチングするには、ドライエッチング法を用いてCFとOの混合ガスをエッチングガスとして用い、ゲート絶縁膜の被覆性を良くするために、半導体膜201〜203の端部に30〜60度のテーパー角が付くように加工する。
【0032】
次いで、半導体膜204〜206を形成し(図10(B))、その上にゲート絶縁膜を形成する酸化シリコン膜207、窒化シリコン膜208を高周波マグネトロンスパッタリング法で形成し、ゲート電極を形成する第1導電膜209、第2導電膜210の4層を大気に触れさせることなく減圧下にて連続的に形成する(図10(C))。
【0033】
まず、半導体膜204〜206の表面の清浄化と平滑化処理を、オゾン水含有水溶液による酸化処理及びフッ酸含有水溶液による酸化膜除去処理で行い、半導体膜の表面をエッチングして表層部を除去する。この処理により半導体膜204〜206の最表面がエッチングされて水素で終端された清浄で不活性な表面を形成することができる。ゲート絶縁膜の成膜段階では、基板及び基板表面に付着している水分を離脱させ清浄化させるために100〜200℃の加熱処理を減圧下で行う。
【0034】
本実施形態におけるゲート絶縁膜は、高周波マグネトロンスパッタリング法によりシリコンをターゲットとして形成される酸化シリコン膜207と、窒化シリコン膜208の二層積層構造である。酸化シリコン膜の主な膜形成条件は、スパッタガスにOとArを用い、基板加熱温度100〜200℃として10〜60nmの厚さで形成する。さらに、その後600〜750℃で30〜180secのランプアニールを行う。この条件により半導体膜と界面準位密度が低く、緻密な酸化シリコン膜207を形成することができる。窒化シリコン膜208は、スパッタガスにNとArを用い、同様に100〜200℃に加熱して10〜30nmの厚さに形成する。酸化シリコンの比誘電率3.8に対し窒化シリコンの比誘電率は約7.5であるので、酸化シリコン膜で形成するゲート絶縁膜に窒化シリコン膜を含ませることで、実質的にはゲート絶縁膜の薄膜化を図るのと同等の効果を得ることができる。ゲート絶縁膜において酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の2層構造とすることで、当該ゲート絶縁膜の全厚さを30〜80nmとしてもゲートリーク電流を低減させ、2.5〜10V、代表的には3.0〜5.5VでTFTを駆動させることができる。
【0035】
この様に本実施形態では二層構造のゲート絶縁膜を採用するが、勿論、プラズマCVD法によりTEOSを用いて形成する酸化シリコン膜や、SiHと窒酸化物ガスを反応させて形成する窒酸化シリコン膜を用いても良い。
【0036】
さらに、ゲート絶縁膜とゲート電極界面の汚染物も、しきい値電圧などを変動させる原因となるのでゲート絶縁膜を形成した後、続けて膜厚10〜50nmの窒化タンタル(TaN)から成る第1導電膜209と、膜厚100〜400nmのタングステン(W)から成る第2導電膜210とを積層形成する。
【0037】
ゲート電極はこの積層膜を加工して形成するが、その他に適用可能な導電性材料としてはTa、W、Ti、Mo、Al、Cuから選ばれた元素、または当該元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料で形成する。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜を用いてもよい。また、第1導電膜をタンタル(Ta)膜で形成し、第2導電膜をW膜とする組み合わせ、第1導電膜を窒化タンタル(TaN)膜で形成し、第2導電膜をAl膜とする組み合わせ、第1導電膜を窒化タンタル(TaN)膜で形成し、第2導電膜をCu膜とする組み合わせとしてもよい。
【0038】
次に、図10(D)に示すように、写真蝕刻をしてゲート電極のパターンを形成するレジストマスク211を形成する。その後、ドライエッチング法により第1エッチング処理を行う。エッチング用ガスに限定はないが、WやTaNのエッチングにはCFとClとOとを用いると良い。第1エッチング処理では、基板側には所定のバイアス電圧を印加して、形成される第1形状のゲート電極パターン212の側面に15〜50度の傾斜角を持たせる。エッチング条件にもよるが、第1エッチング処理によりゲート絶縁膜として形成された窒化シリコン膜208は、第1形状のゲート電極パターン212の下部において残存し、その他の領域では酸化シリコン膜204が露出する。
【0039】
この後、第2エッチング条件に変え、エッチング用ガスにSFとClとOとを用い、基板側に印加するバイアス電圧を所定の値として、W膜の異方性エッチングを行う。こうして、ゲート電極213を形成する。その後、レジストマスク211は除去する(図10(E))。
【0040】
ゲート電極は第1導電膜209と第2導電膜210との積層構造体であり、第1導電膜209が庇のように突出した帽子型(ハットシェイプ)の構造となっている。その後、図10(F)で示すようにドーピング処理を行い、各半導体膜に不純物領域を形成する。ドーピング条件は適宜設定すれば良い。半導体膜204に形成される第1n型不純物領域215は低濃度ドレインを形成し、第2n型不純物領域216はソース又はドレイン領域を形成する。半導体膜205に形成される第1p型不純物領域218はゲート電極とオーバーラップするソース又はドレインを形成し、第2p型不純物領域219はソース又はドレイン領域を形成する。それぞれの半導体膜におけるチャネル形成領域214、217はゲート電極213の第2導電膜とほぼ重なる位置に形成されろことになる。また、半導体膜206は容量部を形成する部材として適用し、第2n型不純物領域又は第2p型不純物領域と同じ濃度で不純物が添加される。
【0041】
そして、図11(A)に示すように水素を含有する酸化窒化シリコン膜220をプラズマCVD法により50nmの厚さで形成し、さらに350〜550℃の加熱処理により半導体膜の水素化を行う。
【0042】
層間絶縁膜221はアクリル又はポリイミドなどを主成分とする感光性の有機樹脂材料で所定のパターンに形成している。そして、ドライエッチングによりコンタクトホールを形成する(図11(B))。
【0043】
その後、図11(C)で示すように、Al、Ti、Mo、Wなどを用いて配線222〜224を形成する。配線構造の一例は、膜厚50〜250nmのTi膜と、膜厚300〜500nmの合金膜(AlとTiとの合金膜)との積層膜を用いる。
【0044】
こうして、nチャネル型TFT301、pチャネル型TFT302、容量部303を形成することができる。各TFTにおいてはゲート絶縁膜に少なくとも1層の窒化シリコン膜が含まれている。また、容量部303において、誘電体膜として少なくとも一層の窒化シリコン膜が含まれている。
【0045】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、非晶質半導体膜を一旦溶融して、その後の冷却過程で結晶化するレーザーアニール法において、レーザー光の照射により形成される溶融表面の表面張力対流(マランゴニ対流)を制御することにより、酸素を含む雰囲気中で溶融帯を形成しても、半導体に取り込まれた酸素が局所的に偏析するのを防ぎ、形成される結晶性半導体膜中に均質に分散させることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレーザー照射装置の構成を示す図である。
【図2】溶融帯に対して垂直に磁場を印加する形態を示す図である。
【図3】溶融帯に対して水平に磁場を印加する形態を示す図である。
【図4】溶融帯に対してカスプ磁場を印加する形態を示す図である。
【図5】溶融帯に対してカスプ磁場を印加する形態を示す図である。
【図6】溶融帯に対して水平に磁場を印加する形態を示す図である。
【図7】溶融帯の移動方向に対して平行に磁場を印加する形態を示す図である。
【図8】溶融帯に対してカスプ磁場を印加する形態を示す図である。
【図9】溶融帯に対してカスプ磁場を印加する形態を示す図である。
【図10】本発明の半導体装置の作製方法を説明する図である。
【図11】本発明の半導体装置の作製方法を説明する図である。
【符号の説明】
107 磁場印加手段
110 基板
111 半導体膜
112 溶融帯
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser irradiation apparatus used for crystallization of a semiconductor film, a semiconductor film crystallization method using the same, and a method for manufacturing a semiconductor device using the same.
[0002]
[Prior art]
There is known a crystallization technique in which an amorphous silicon film deposited on a glass substrate is irradiated with laser light to form a polycrystalline silicon film. An excimer laser oscillator that performs pulse oscillation is a light source typically used in this crystallization technique. The irradiation of the pulsed laser light instantaneously heats the silicon, temporarily melts it, and crystallizes during the cooling process, and usually forms a polycrystal in which a plurality of crystal grains having different plane orientations are aggregated. Irradiation with pulsed laser light having a pulse width of several tens to several hundreds of nanoseconds can selectively heat silicon, and can perform crystallization without increasing the temperature of the substrate. Therefore, the advantage that an inexpensive substrate such as borosilicate glass having a low heat resistance temperature can be applied is recognized.
[0003]
Needless to say, the crystallization of the semiconductor film on the glass substrate at low temperature is not limited to irradiation with pulsed laser light, but can also be performed by irradiation with continuous oscillation laser light. For example, in "N. Sasaki et al, 2002 SID International Symposium Digest of Technical Papers, pp. 154-157", a lateral crystal growth technique by irradiation of continuous wave laser light is reported, and the technique is manufactured using the technique. An operating frequency of 270 MHz has been reported for shift register circuits.
[0004]
Laser annealing using a continuous wave laser oscillator disclosed in the above document is characterized in that a semiconductor film is heated for a longer time by a laser beam as compared with a case where a pulse laser oscillator represented by an excimer laser is used as a light source. There is. Another feature is that the interface (solid-liquid interface) between the melting region and the solid phase region proceeds in a direction substantially parallel to the substrate surface, and the crystal extends in that direction.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It has been known from past empirical knowledge that when crystallization of an amorphous silicon film by laser annealing is performed in an atmosphere containing oxygen, a large grain size can be achieved (for example, And JP-A-2001-15435). Therefore, in many cases, laser annealing was performed in the air.
[0006]
The demand for a larger crystal grain is to improve the field-effect mobility of a TFT manufactured using the crystal, and an ideal one is to make it equivalent to a MOS transistor formed on a single crystal silicon substrate. It is perceived as a form. The method of crystallization while continuously moving the solid-liquid interface by scanning with a continuous wave laser beam is considered to be a method similar to the zone melting method, and it is possible to increase the particle size by continuous crystal growth. . However, even if the crystal has a large grain size, the problem that the characteristics vary among a plurality of TFTs formed on the same substrate has often become apparent.
[0007]
Regarding this problem, the present inventor has found a new factor that has not been recognized so far in the laser annealing method. In other words, the crystallization of a continuous wave laser beam that has a melting state longer than the pulse laser beam increases the rate at which impurities are taken into the crystal from the outside, and this is caused by surface tension convection (Marangoni convection) on the melt surface. It did not disperse uniformly but segregated locally, which eventually resulted in a change in crystal quality, which could be considered to be a cause of TFT characteristic variations.
[0008]
The present invention has been made in view of such a problem. The present invention controls surface tension convection (Marangoni convection) on the surface of a melt in a laser annealing method, and has excellent crystallinity and a variation in quality. A laser irradiation apparatus for providing a small number of crystalline semiconductor films, a method for crystallizing a semiconductor film using the same, and a semiconductor using a field-effect transistor for realizing high field-effect mobility in a crystalline semiconductor film produced by the laser irradiation apparatus It is intended to provide a device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention mainly controls the surface tension convection (Marangoni convection) of the molten surface when the amorphous semiconductor film is once melted and crystallized in a subsequent cooling process. For the purpose, a magnetic field is applied to a molten surface or a molten zone. By applying a magnetic field, surface tension convection (Marangoni convection) is suppressed, and even if a molten zone is formed in an atmosphere containing oxygen, oxygen sequestered in the semiconductor is prevented from locally segregating, and the crystallinity formed is reduced. It is possible to uniformly disperse in a semiconductor film.
[0010]
A laser irradiation apparatus according to the present invention that achieves the above object includes a continuous wave laser oscillator, an optical system that linearly condenses laser light using the same as a light source on an irradiation surface, and an irradiation surface for an object to be irradiated. The apparatus includes scanning means for moving, and magnetic field applying means for forming a magnetic field in an irradiation surface or a space including the irradiation surface. As the magnetic field applying means, a normal conducting coil, a superconducting coil, a permanent magnet and the like can be applied.
[0011]
The method for crystallizing a semiconductor film according to the present invention is characterized in that the semiconductor film is partially heated to form a molten zone, and the solid-liquid interface is continuously moved to be crystallized. And crystallization of the semiconductor film while suppressing a surface tension convection (Marangoni convection) on the surface of the molten zone by applying a magnetic field to the semiconductor layer. The molten zone is formed by irradiating a semiconductor film with continuous wave laser light, and the molten zone is preferably formed in an atmosphere containing oxygen. It is preferable that the melting zone or the solid-liquid interface is moved so that the melting time of the semiconductor film is 10 μsec to 500 μsec.
[0012]
The method for crystallizing a semiconductor film according to the present invention is characterized in that a semiconductor layer formed on an insulating surface is partially heated to form a molten zone, and the solid-liquid interface is continuously moved for crystallization. A magnetic field is applied to the melt zone or the solid-liquid interface to crystallize the semiconductor film while suppressing surface tension convection on the melt zone surface, and the channel portion of the insulated gate field effect transistor is formed on the formed crystalline semiconductor film. Is formed. The molten zone is formed by irradiating a semiconductor film with continuous wave laser light, and the molten zone is preferably formed in an atmosphere containing oxygen. It is preferable that the melting zone or the solid-liquid interface is moved so that the melting time of the semiconductor film is 10 μsec to 500 μsec.
[0013]
In the above structure of the present invention, the magnetic field controls the concentration and distribution of oxygen taken into the semiconductor film by the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field, and the caps magnetic field with respect to the irradiation surface or the melting zone. Alternatively, the concentration and distribution of oxygen taken into the semiconductor film by a horizontal magnetic field, a vertical magnetic field, and a caps magnetic field in the moving direction of the melting zone are controlled.
[0014]
Since oxygen has two coordinates, it is incorporated into a four-coordinate silicon network to increase structural flexibility and to reduce dangling bonds caused by dislocation and the like. Oxygen supplied to the crystal grain boundaries reacts with dangling bonds existing there to form bonds. Since the degree of freedom in coupling is increased, defects caused by lattice distortion can be compensated.
[0015]
However, the supply of a large amount of oxygen causes the crystal structure of silicon to collapse, and on the contrary, increases defects. According to an average concentration evaluation method measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS), the oxygen concentration applied in the present invention is desirably 5 × 10 17 to 2 × 10 19 / cm 3. . However, in addition to oxygen taken in from the atmosphere (in the gas phase) at the time of laser annealing, oxygen included in the semiconductor film from the beginning, and natural oxidation formed on the surface of the semiconductor film are used in the present invention. It also includes oxygen in the film, oxygen supplied from a base in contact with the semiconductor film, and the like.
[0016]
Note that the term “amorphous semiconductor film” in the present invention means not only a film having a completely amorphous structure in a narrow sense, but also a state in which fine crystal grains are contained, or a so-called microcrystalline semiconductor film, Includes a semiconductor film having a crystal structure. Typically, an amorphous silicon film is applied. In addition, an amorphous silicon germanium film, an amorphous silicon carbide film, or the like can be used.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in many different modes, and that the form and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments. The same elements are denoted by the same reference numerals throughout the embodiments described below.
[0018]
FIG. 6 is a diagram showing main components of the laser irradiation apparatus according to the present invention and their relationships. The laser irradiation apparatus includes an optical system 100 including a laser oscillator 101, a wavelength conversion element 102, a high conversion mirror 103, cylindrical lenses 104 and 105, a slit 106, and the like, for condensing laser light linearly on an irradiation surface, a mounting table 109. The main component is the magnetic field applying means 107 placed on the periphery of the mounting table. In addition, a gas supply unit 108 for controlling an atmosphere to which the object 110 is exposed may be provided as an additional component. Atmosphere control is used particularly when oxygen is positively contained or not.
[0019]
As the laser oscillator 101, a rectangular beam solid laser oscillator is applied, and particularly preferably, a slab laser oscillator is applied. Alternatively, a solid-state laser oscillator using a crystal in which Nd, Tm, or Ho is doped with a crystal such as YAG, YVO 4 , YLF, or YAlO 3 may be combined with a slab structure amplifier. As the slab material, a crystal such as Nd: YAG, Nd: GGG (gadolinium gallium garnet), or Nd: GsGG (gadolinium scandium gallium garnet) is used. In addition, a gas laser oscillator or a solid laser oscillator capable of continuous oscillation can be used. As a continuous wave solid laser oscillator, a laser oscillator using a crystal such as YAG, YVO 4 , YLF, or YAlO 3 doped with Cr, Nd, Er, Ho, Ce, Co, Ti, or Tm is used. The fundamental wave of the oscillation wavelength varies depending on the material to be doped, but oscillates at a wavelength of 1 μm to 2 μm. In order to obtain a higher output of 5 W or more, a diode-pumped solid-state laser oscillator may be cascaded.
[0020]
The circular or rectangular laser light output from such a laser oscillator is condensed linearly by the cylindrical lenses 104 and 105 in the cross-sectional shape of the irradiation surface. Further, in order to prevent interference on the irradiation surface, the high-conversion mirror 103 may be appropriately adjusted so that the light enters from an oblique direction at an angle of 10 to 80 degrees. If the cylindrical lenses 104 and 105 are made of synthetic quartz, a high transmittance can be obtained, and a coating applied to the lens surface is applied to achieve a transmittance of 99% or more with respect to the wavelength of laser light. Of course, the cross-sectional shape of the irradiation surface is not limited to a linear shape, and may be an arbitrary shape such as a rectangular shape, an elliptical shape, or an oval shape. In any case, the ratio of the short axis to the long axis is in the range of 1:10 to 1: 1100. Further, the wavelength conversion element 102 is provided for obtaining a harmonic with respect to the fundamental wave.
[0021]
Further, the mounting table 109 can be subjected to laser processing on the entire surface of the processing object 110 by moving the mounting table 109 in two axial directions by a driving unit. The movement in one direction can be continuously performed at a constant speed of 1 to 200 cm / sec, preferably 5 to 50 cm / sec over a distance longer than the length of one side of the substrate 420, and linear in the other direction. It is possible to step-discontinuously move the same distance as the longitudinal direction of the beam. The focusing width of the laser light is approximately 5 to 50 μm, and by applying the above scanning speed,
A melting time of 10 μsec to 50 μsec is achieved.
[0022]
As the magnetic field applying means, an electromagnet such as a superconducting coil or a normal conducting coil or a permanent magnet is applied, and the magnetic field applying means is arranged around the object 110 to form a magnetic field of about 500 to 10,000 gauss. The magnetic field is selected from an arrangement that enables formation of a horizontal magnetic field, a vertical magnetic field, and a cusp magnetic field, depending on the relative positional relationship with the molten zone formed on the workpiece by laser light irradiation.
[0023]
When the amorphous semiconductor film is irradiated with laser light in the air to form a molten zone, oxygen reacts with the air to be dissolved therein. As another oxygen inflow route, there is oxygen in a glass substrate underlying the amorphous semiconductor film or a silicon oxide film formed on the surface thereof. The application of the magnetic field suppresses the surface tension convection (Marangoni convection), prevents the molten zone from solidifying and locally segregates oxygen, and has the effect of uniformly dispersing oxygen. In addition, it becomes possible to control the oxygen concentration in the crystallization region by the method of applying a magnetic field. That is, oxygen can be intentionally included. In any case, it is important to properly use the method of applying a magnetic field according to the purpose depending on the form of crystallization.
[0024]
The form of applying a magnetic field shown in FIG. 2 is an example in which a magnetic field is applied in a direction perpendicular to a molten zone 112 formed in a semiconductor film 111 on a substrate 110. In this case, it is assumed that the molten zone 112 moves in a direction perpendicular to the plane of the drawing. As the magnetic field applying means 107, a toroidal coil may be applied.
[0025]
The form of applying a magnetic field shown in FIG. 3 is an example in which a magnetic field is applied in a horizontal direction to a molten zone 112 formed in a semiconductor film 111 on a substrate 110. In this case, it is assumed that the molten zone 112 moves in a direction perpendicular to the plane of the drawing. FIG. 6 shows this state as viewed from above. As the magnetic field applying means 107, a toroidal coil may be applied. On the other hand, by changing the arrangement of the magnetic field applying means, as another mode of applying a magnetic field in the horizontal direction, a magnetic field can be applied in a direction parallel to the moving direction of the molten zone 112.
[0026]
The form of applying a magnetic field shown in FIG. 4 is an example in which a cusp magnetic field is applied to a molten zone 112 formed in a semiconductor film 111 on a substrate 110. In this case, it is assumed that the molten zone 112 moves in a direction perpendicular to the plane of the drawing. As the magnetic field applying means 107, a toroidal coil may be applied. The position of the cusp magnetic field center can take three types: above the melting zone 112, at the center of the melting zone 112, and below the melting zone 112. When the center of the cusp magnetic field is the center of the melting zone 112, a magnetic force acts outward from the center of the melting zone 112. On the other hand, as shown in FIG. 5, a cusp magnetic field can be applied in a direction perpendicular to the melting zone 112.
[0027]
FIGS. 8 and 9 show the relative positional relationship between the moving direction of the melting zone 112 and the cusp magnetic field. This shows a mode in which the direction of the magnetic field component Hp acting in a direction parallel to the moving direction of the melting zone 112 and the direction of the magnetic field component Hc acting in the direction intersecting are made different.
[0028]
As a most preferred example of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in a mode in which a magnetic field is applied to form a molten zone in an amorphous semiconductor film and a solid-liquid interface is continuously moved to grow a crystal, It is desirable to irradiate continuous wave laser light selected from a wavelength band having a coefficient of 5 × 10 4 to 2 × 10 5 / cm. This aims at completely melting the amorphous semiconductor film by absorbing the laser light inside the amorphous semiconductor film and heating it from the inside. For example, the second harmonic (532 nm) of a Nd: YVO 4 laser oscillator is applied to an amorphous silicon film.
[0029]
FIG. 10 illustrates a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. In FIG. 10A, a base insulating film 202 including a single layer or a stack of a silicon nitride film, a silicon oxide film, and a silicon oxynitride film is formed over a substrate 201. As a member to be the substrate 201, a glass material called a non-alkali glass, which is a commercially available product such as aluminosilicate glass, can be applied. Alternatively, a semiconductor substrate such as single crystal silicon can be used.
[0030]
The crystalline semiconductor film 203 is crystallized by applying a magnetic field to the amorphous semiconductor film and irradiating the amorphous semiconductor film with laser light. As the amorphous semiconductor film, silicon or an amorphous material in which germanium is added to silicon is used. The thickness of the crystalline semiconductor film is 30 to 200 nm, typically 150 nm.
For crystallization, continuous wave laser light is irradiated, and the second harmonic (532 nm) is applied using a YVO 4 laser oscillator as a light source. A beam obtained by condensing a laser beam having an output of 6 W (second harmonic) of a light source at about 500 μm × 20 μm is scanned at a speed of 5 to 100 cm / sec, preferably 25 to 50 cm / sec. A magnetic field of 500 to 5000 Gauss is applied. Further, the crystalline semiconductor film 203 is the same as that obtained by recrystallizing an amorphous semiconductor film by applying a magnetic field and irradiating a laser beam.
[0031]
Next, as shown in FIG. 10B, semiconductor films 201 to 203 which are isolated and isolated in an island shape by etching into a desired shape are formed from the crystalline semiconductor film formed over the base insulating film 102 of the substrate 101. I do. These semiconductor films 201 to 203 form channel forming regions, source and drain regions, low-concentration impurity regions, and the like, and become main components of a TFT. In order to etch the crystalline semiconductor film, a mixed gas of CF 4 and O 2 is used as an etching gas by using a dry etching method, and the end portions of the semiconductor films 201 to 203 are formed in order to improve the coverage of the gate insulating film. Is processed so as to have a taper angle of 30 to 60 degrees.
[0032]
Next, semiconductor films 204 to 206 are formed (FIG. 10B), and a silicon oxide film 207 and a silicon nitride film 208 for forming a gate insulating film are formed thereon by a high-frequency magnetron sputtering method to form a gate electrode. Four layers of the first conductive film 209 and the second conductive film 210 are continuously formed under reduced pressure without exposure to the air (FIG. 10C).
[0033]
First, the surfaces of the semiconductor films 204 to 206 are cleaned and smoothed by an oxidation treatment using an aqueous solution containing ozone water and an oxide film removal treatment using an aqueous solution containing hydrofluoric acid, and the surface of the semiconductor film is etched to remove a surface layer portion. I do. By this treatment, the outermost surfaces of the semiconductor films 204 to 206 are etched, so that a clean and inert surface terminated with hydrogen can be formed. In the step of forming the gate insulating film, heat treatment at 100 to 200 ° C. is performed under reduced pressure in order to remove moisture attached to the substrate and the surface of the substrate and to clean the substrate.
[0034]
The gate insulating film in this embodiment has a two-layer structure of a silicon oxide film 207 formed using silicon as a target by a high-frequency magnetron sputtering method and a silicon nitride film 208. The main film formation conditions of the silicon oxide film, using O 2 and Ar as the sputtering gas, is formed to a thickness of 10~60nm as the substrate heating temperature 100 to 200 ° C.. Thereafter, lamp annealing is performed at 600 to 750 ° C. for 30 to 180 seconds. Under these conditions, a dense silicon oxide film 207 having a low interface state density with the semiconductor film can be formed. Silicon nitride film 208, using N 2 and Ar as the sputtering gas, likewise heated to 100 to 200 ° C. to a thickness of 10 to 30 nm. Since the relative permittivity of silicon nitride is about 7.5 in comparison to the relative permittivity of silicon oxide of 3.8, by including a silicon nitride film in a gate insulating film formed of a silicon oxide film, It is possible to obtain the same effect as reducing the thickness of the insulating film. With a two-layer structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film in the gate insulating film, the gate leakage current is reduced even when the total thickness of the gate insulating film is 30 to 80 nm, and the gate insulating film has a typical thickness of 2.5 to 10 V, typically 2.5 to 10 V. Can drive the TFT at 3.0 to 5.5V.
[0035]
As described above, in this embodiment, a gate insulating film having a two-layer structure is employed. However, a silicon oxide film formed using TEOS by a plasma CVD method or a nitride film formed by reacting SiH 4 with a nitric oxide gas is used. A silicon oxide film may be used.
[0036]
Further, contaminants at the interface between the gate insulating film and the gate electrode also cause a change in the threshold voltage or the like. Therefore, after forming the gate insulating film, a 10- to 50-nm-thick tantalum nitride (TaN) film is successively formed. One conductive film 209 and a second conductive film 210 made of tungsten (W) with a thickness of 100 to 400 nm are formed by lamination.
[0037]
The gate electrode is formed by processing this laminated film. Other applicable conductive materials are elements selected from Ta, W, Ti, Mo, Al, and Cu, or alloys containing the element as a main component. It is formed of a material or a compound material. Alternatively, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus may be used. The first conductive film is formed of a tantalum (Ta) film, the second conductive film is formed of a W film, the first conductive film is formed of a tantalum nitride (TaN) film, and the second conductive film is formed of an Al film. Alternatively, the first conductive film may be formed of a tantalum nitride (TaN) film, and the second conductive film may be formed of a Cu film.
[0038]
Next, as shown in FIG. 10D, a resist mask 211 for forming a gate electrode pattern by photolithography is formed. After that, a first etching process is performed by a dry etching method. Although there is no limitation on the etching gas, it is preferable to use CF 4 , Cl 2, and O 2 for etching W or TaN. In the first etching process, a predetermined bias voltage is applied to the substrate side so that the side surface of the formed first-shaped gate electrode pattern 212 has a tilt angle of 15 to 50 degrees. Although depending on the etching conditions, the silicon nitride film 208 formed as the gate insulating film by the first etching process remains under the first shape gate electrode pattern 212, and the silicon oxide film 204 is exposed in other regions. .
[0039]
Thereafter, the W film is anisotropically etched by changing to the second etching condition, using SF 6 , Cl 2, and O 2 as the etching gas and setting the bias voltage applied to the substrate side to a predetermined value. Thus, the gate electrode 213 is formed. After that, the resist mask 211 is removed (FIG. 10E).
[0040]
The gate electrode is a laminated structure of the first conductive film 209 and the second conductive film 210, and has a hat-shaped structure in which the first conductive film 209 protrudes like an eave. After that, as shown in FIG. 10F, a doping process is performed to form an impurity region in each semiconductor film. Doping conditions may be set as appropriate. The first n-type impurity region 215 formed in the semiconductor film 204 forms a low concentration drain, and the second n-type impurity region 216 forms a source or drain region. The first p-type impurity region 218 formed in the semiconductor film 205 forms a source or a drain overlapping the gate electrode, and the second p-type impurity region 219 forms a source or a drain region. The channel formation regions 214 and 217 in each semiconductor film are to be formed at positions substantially overlapping the second conductive film of the gate electrode 213. The semiconductor film 206 is used as a member for forming a capacitor portion, and an impurity is added at the same concentration as the second n-type impurity region or the second p-type impurity region.
[0041]
Then, as shown in FIG. 11A, a silicon oxynitride film 220 containing hydrogen is formed with a thickness of 50 nm by a plasma CVD method, and the semiconductor film is hydrogenated by a heat treatment at 350 to 550 ° C.
[0042]
The interlayer insulating film 221 is formed in a predetermined pattern using a photosensitive organic resin material containing acrylic or polyimide as a main component. Then, a contact hole is formed by dry etching (FIG. 11B).
[0043]
Thereafter, as shown in FIG. 11C, wirings 222 to 224 are formed using Al, Ti, Mo, W, or the like. As an example of the wiring structure, a laminated film of a Ti film having a thickness of 50 to 250 nm and an alloy film (an alloy film of Al and Ti) having a thickness of 300 to 500 nm is used.
[0044]
Thus, an n-channel TFT 301, a p-channel TFT 302, and a capacitor 303 can be formed. In each TFT, at least one silicon nitride film is included in the gate insulating film. Further, in the capacitor portion 303, at least one layer of a silicon nitride film is included as a dielectric film.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the laser annealing method in which an amorphous semiconductor film is once melted and then crystallized in a cooling process, the surface tension convection ( By controlling Marangoni convection), even if a molten zone is formed in an atmosphere containing oxygen, oxygen sequestered in the semiconductor is prevented from being locally segregated, and homogeneously formed in the formed crystalline semiconductor film. It is possible to disperse.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser irradiation apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a form in which a magnetic field is applied perpendicularly to a melting zone.
FIG. 3 is a diagram showing a mode in which a magnetic field is applied horizontally to a melting zone.
FIG. 4 is a diagram showing a form in which a cusp magnetic field is applied to a melting zone.
FIG. 5 is a diagram showing a form in which a cusp magnetic field is applied to a melting zone.
FIG. 6 is a diagram showing a mode in which a magnetic field is applied horizontally to a melting zone.
FIG. 7 is a diagram showing a form in which a magnetic field is applied in parallel to the moving direction of the melting zone.
FIG. 8 is a diagram showing a form in which a cusp magnetic field is applied to a melting zone.
FIG. 9 is a diagram showing a form in which a cusp magnetic field is applied to a melting zone.
FIG. 10 illustrates a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 11 illustrates a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
[Explanation of symbols]
107 Magnetic field applying means 110 Substrate 111 Semiconductor film 112 Melt zone

Claims (10)

連続発振レーザー発振器と、それを光源とするレーザー光を被照射体の照射面において線状に集光する光学系と、前記照射面を移動させる走査手段と、前記照射面において磁場を形成する磁場印加手段とが備えられたことを特徴とするレーザー照射装置。A continuous wave laser oscillator, an optical system that condenses laser light using the continuous wave laser as a light source on an irradiation surface of an irradiation object, a scanning unit that moves the irradiation surface, and a magnetic field that forms a magnetic field on the irradiation surface A laser irradiation device, comprising: an application unit. 連続発振レーザー発振器と、それを光源とするレーザー光を被照射体の照射面において線状に集光する光学系と、前記照射面を移動させる走査手段と、前記照射面を含む空間において磁場を形成する磁場印加手段とが備えられたことを特徴とするレーザー照射装置。A continuous wave laser oscillator, an optical system that linearly condenses laser light using the light source as a light source on an irradiation surface of an irradiation target, scanning means for moving the irradiation surface, and a magnetic field in a space including the irradiation surface. A laser irradiation apparatus, comprising: a magnetic field applying means for forming. 半導体膜を部分的に加熱して溶融帯を形成し、その固液界面を連続的に移動させることにより結晶化するに際し、前記溶融帯若しくは固液界面に磁場を印加して前記溶融帯表面での表面張力対流を抑制しつつ前記半導体膜の結晶化を行うことを特徴とする半導体膜の結晶化方法。A semiconductor layer is partially heated to form a molten zone, and upon crystallization by continuously moving the solid-liquid interface, a magnetic field is applied to the molten zone or the solid-liquid interface to apply a magnetic field to the molten zone surface. Crystallizing the semiconductor film while suppressing surface tension convection of the semiconductor film. 連続発振レーザー光を半導体膜に照射して溶融帯を形成し、その固液界面を連続的に移動させることにより結晶化するに際し、当該レーザー光の照射部若しくは固液界面に磁場を印加して前記溶融帯での表面張力対流を抑制しつつ前記半導体膜の結晶化を行うことを特徴とする半導体膜の結晶化方法。When a continuous oscillation laser beam is applied to the semiconductor film to form a molten zone, and the solid-liquid interface is continuously moved to be crystallized, a magnetic field is applied to the irradiated portion of the laser beam or the solid-liquid interface. A method for crystallizing a semiconductor film, comprising crystallizing the semiconductor film while suppressing surface tension convection in the melting zone. 請求項3又は4において、前記溶融帯は酸素を含む雰囲気中で形成することを特徴とする半導体膜の結晶化方法。5. The method according to claim 3, wherein the melting zone is formed in an atmosphere containing oxygen. 請求項3又は4において、前記半導体膜の溶融時間が、10乃至500μsecとなるように前記溶融帯若しくは固液界面を移動させることを特徴とする半導体膜の結晶化方法。5. The method according to claim 3, wherein the melting zone or the solid-liquid interface is moved so that the melting time of the semiconductor film is 10 to 500 [mu] sec. 絶縁表面上に形成された半導体膜を部分的に加熱して溶融帯を形成し、その固液界面を連続的に移動させることにより結晶化するに際し、前記溶融帯若しくは固液界面に磁場を印加して前記溶融帯表面での表面張力対流を抑制しつつ前記半導体膜の結晶化を行い、形成された結晶性半導体膜に絶縁ゲート型電界効果トランジスタのチャネル部を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A magnetic field is applied to the molten zone or the solid-liquid interface during crystallization by partially heating the semiconductor film formed on the insulating surface to form a molten zone and continuously moving the solid-liquid interface. A crystallization of the semiconductor film while suppressing surface tension convection on the surface of the molten zone, thereby forming a channel portion of an insulated gate field effect transistor in the formed crystalline semiconductor film. Method for manufacturing the device. 絶縁表面上に形成された半導体膜に、連続発振レーザー光を照射して溶融帯を形成し、その固液界面を連続的に移動させることにより結晶化するに際し、当該レーザー光の照射部若しくは固液界面に磁場を印加して前記溶融帯での表面張力対流を抑制しつつ前記半導体膜の結晶化を行い、形成された結晶性半導体膜に絶縁ゲート型電界効果トランジスタのチャネル部を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。The semiconductor film formed on the insulating surface is irradiated with a continuous wave laser beam to form a molten zone, and when the solid-liquid interface is continuously moved to be crystallized, the laser beam is irradiated or solidified. Crystallizing the semiconductor film while applying a magnetic field to a liquid interface to suppress surface tension convection in the melting zone, and forming a channel portion of an insulated gate field effect transistor in the formed crystalline semiconductor film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: 請求項7又は8において、前記溶融帯は酸素を含む雰囲気中で形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。9. The method according to claim 7, wherein the melting zone is formed in an atmosphere containing oxygen. 請求項7又は8において、前記半導体膜の溶融時間が、10乃至500μsecとなるように前記溶融帯若しくは固液界面を移動させることを特徴とする半導体装置の作製方法。9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the melting zone or the solid-liquid interface is moved so that a melting time of the semiconductor film is 10 to 500 μsec.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005101487A1 (en) * 2004-04-19 2005-10-27 Eo Technics Co., Ltd. Laser processing apparatus
US7067403B2 (en) 2002-11-08 2006-06-27 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for manufacturing a semiconductor device that includes adding noble gas to a semiconductor film and then irradiating the semiconductor film with laser light in the presence of a magnetic field
US7160762B2 (en) 2002-11-08 2007-01-09 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and laser irradiation apparatus
JP2008262961A (en) * 2007-04-10 2008-10-30 Ihi Corp Method and apparatus of manufacturing magnetic semiconductor
US20130300040A1 (en) * 2012-05-08 2013-11-14 Stephen Moffatt Magneto-thermal processing apparatus and methods

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7067403B2 (en) 2002-11-08 2006-06-27 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for manufacturing a semiconductor device that includes adding noble gas to a semiconductor film and then irradiating the semiconductor film with laser light in the presence of a magnetic field
US7160762B2 (en) 2002-11-08 2007-01-09 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and laser irradiation apparatus
US7585714B2 (en) 2002-11-08 2009-09-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for manufacturing semiconductor device, semiconductor device, and laser irradiation apparatus
US7629235B2 (en) 2002-11-08 2009-12-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method for manufacturing a semiconductor device that includes adding noble gas to a semiconductor film and then irradiating the semiconductor film with laser light in the presence of a magnetic field
US7842589B2 (en) 2002-11-08 2010-11-30 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus with means for applying magnetic field
WO2005101487A1 (en) * 2004-04-19 2005-10-27 Eo Technics Co., Ltd. Laser processing apparatus
US7688492B2 (en) 2004-04-19 2010-03-30 Eo Technics Co., Ltd. Laser processing apparatus
JP2008262961A (en) * 2007-04-10 2008-10-30 Ihi Corp Method and apparatus of manufacturing magnetic semiconductor
US20130300040A1 (en) * 2012-05-08 2013-11-14 Stephen Moffatt Magneto-thermal processing apparatus and methods
US9376731B2 (en) * 2012-05-08 2016-06-28 Applied Materials, Inc. Magneto-thermal processing apparatus and methods
TWI588266B (en) * 2012-05-08 2017-06-21 應用材料股份有限公司 Magneto-thermal processing apparatus and methods
TWI612142B (en) * 2012-05-08 2018-01-21 應用材料股份有限公司 Apparatus for annealing substrates

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