JP2004158584A

JP2004158584A - Apparatus for manufacturing polycrystalline silicon film, manufacturing method by using the same, and semiconductor device

Info

Publication number: JP2004158584A
Application number: JP2002321990A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Sakamoto; 弘美坂本; Shinji Maekawa; 真司前川; Goji Hosoda; 剛司細田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon film excellent in surface flatness without the addition of a separate and independent step. <P>SOLUTION: The polycrystalline silicon film manufacturing apparatus (pulse laser irradiation apparatus) 100 is used for converting an amorphous silicon film 210 into a polycrystalline silicon film 210'. The polycrystalline silicon film manufacturing device 100 has a first laser source 120 that emits a laser beam L1 for heating the amorphous silicon film 210 beyond its melting point for melting the same. It also has a second laser source 130 that emits a laser beam L2 for partly melting the surface of the polycrystalline silicon film 210' before it is completely solidified in the process wherein the silicon melt produced by the heating of the amorphous silicon film 210 by the laser beam L1 from the first laser source 120 is let to solidify for the formation of the polycrystalline silicon film 210'. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶質シリコン膜の製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置に関し、特に、絶縁基板上に設けられた薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」という）等を有する半導体装置に有効であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置などに利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
高性能液晶表示装置などのデバイス実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上に高性能なＴＦＴ等の半導体素子を形成することが試みられている。これらの装置の半導体素子には、非晶質（アモルファス）シリコン膜を多結晶化した薄膜状の多結晶質シリコン半導体を用いるのが一般的である。かかる多結晶質シリコン膜を製造する方法としては、非晶質シリコン膜を成膜しておき、強光を照射して多結晶化させるものが知られており、この方法によれば、溶融固化過程の多結晶化現象を利用するため高品質な多結晶性シリコン膜を得ることができる。また、現在最も一般的に利用されているエキシマーレーザーを例にとると、パルスレーザー光を用いて非晶質シリコン膜を多結晶化する手法は、非晶質シリコン膜を局所的に溶融させ、その溶融した領域を極めて短い時間だけ高温度にするものであるため、高熱が基板には伝わらないことから安価なガラス基板を利用することができ、大面積エレクトロニクスへの応用には最も適している。
【０００３】
ところで、エキシマレーザーを用いて非晶質シリコン半導体膜の多結晶化を行うと、製造された多結晶質シリコン膜の結晶粒界に沿って突起（リッヂ）が形成される。そして、そのような突起が存在すると、突起の先端に電界が集中して絶縁破壊が起こりやすくなるため、突起の大きい多結晶質シリコン膜上にトップゲート構造の高性能ＴＦＴを形成するのが難しくなる。つまり、多結晶質シリコン膜表面に突起があると、ＴＦＴの特性及び信頼性が低いものとなり、ゲート絶縁膜の薄膜化が困難となる。
【０００４】
そこで、非晶質シリコン膜のレーザー結晶化時に発生する表面の突起を低減するため、種々の技術が提案され、多結晶質シリコン膜表面の平坦化が試みられている。
【０００５】
下記特許文献１には、下地基板の表面上に多結晶シリコンからなる第１の層を形成し、次いで、その第１の層の表面を、酸化シリコンをエッチングする環境下に置いて第１の層の表面が酸化シリコン膜で覆われている場合には、その酸化シリコン膜を除去し、次いで、第１の層にシリコン結晶の再成長が起こるエネルギーを与える半導体装置の製造方法が開示されており、このようにすれば、表面平均凹凸の小さい多結晶シリコン膜を形成することが可能になる、と記載されている。
【０００６】
下記特許文献２には、透明絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成した後、その他結晶シリコン膜の表面を酸化して厚い二酸化シリコン膜を形成し、次いで、二酸化シリコン膜を除去した後、多結晶シリコン膜の表面の凹凸をＣＭＰ法により研磨して平坦化し、再度多結晶シリコン膜の表面を酸化して薄い二酸化シリコン膜を形成し、次いで、その二酸化シリコン膜を除去する半導体装置の製造方法が開示されている。
【０００７】
下記特許文献３には、レーザーアニールにより得られたポリＳｉ膜を表面研磨処理することで、膜厚を３０〜５０ｎｍにし、ポリＳｉ膜表面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下にする半導体装置の製造方法が開示されており、このようにすれば、レーザーアニールによって得られるポリＳｉ膜は表面性が悪いが、表面研磨によって平坦性が向上し、平坦化したポリＳｉ膜をチャネルに用いることで優れたＴＦＴ特性を得ることができると共に半導体装置がキャリア注入のない信頼性の優れたものとなる、との内容が記載されている。
【０００８】
下記特許文献４には、基板上に形成された非晶質シリコン層にエネルギービームを照射して非晶質シリコン層を結晶化させて結晶質シリコン層を形成した後、結晶質シリコン層の表面をエッチングして結晶質シリコン表面の凹凸を除去するＴＦＴの製造方法が開示されており、このようにすれば、トランジスタのキャリアが通過する部分の結晶性を損なうことなく、しかも表面の凹凸が少ない多結晶シリコン層を有するＴＦＴを製造することができる、との内容が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−６０５５１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２２１５９号公報
【特許文献３】
特開平１０−２００１２０号公報
【特許文献４】
特開平１１−１８６５５２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のいずれの従来技術も、多結晶質シリコン膜を平坦化させるために研磨等の別個独立した工程を追加する必要のあるものであり、前洗浄なども含めると工程数が多くなる、という問題がある。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、別個独立の工程を追加することなく、表面平坦性の良好な多結晶質シリコン膜を得ることができるその製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、非晶質シリコン膜を溶融固化により多結晶化させる際、シリコン温度が最高温度に達した時点から数十ｎｓｅｃずれてシリコン溶融物が固化することをシミュレーションにより確認した。その一例として図１は、３００ｎｍのベースコート酸化シリコン膜上に成膜した５０ｎｍの非晶質シリコン上に、エネルギー密度４８０ｍＪ／ｃｍ^２で且つパルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザーを照射したときのシリコン温度をシミュレーションにより求めた結果を示す。これによると、パルスレーザー光によりシリコン膜が最高温度に到達してから約３０ｎｓ後にシリコンの温度が融点を下回って固化が完了すると考えられる。
【００１３】
本発明は、非晶質シリコン膜を溶融するまで加熱し、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、その固化完了前の多結晶質シリコン膜にその表面が部分溶融するように加熱することで表面を平坦化させ、それによってシリコン膜の多結晶化と表面平坦化とを別個独立の工程を増やすことなく行うようにしたものである。
【００１４】
本発明の多結晶質シリコン膜製造装置は、非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にするのに用いられるものであって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させる加熱手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の多結晶質シリコン膜の製造方法は、非晶質シリコン膜から多結晶質シリコン膜を製造するものであって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体装置は、絶縁性基板上または絶縁性薄膜上に形成された非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させ、その非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させてなる半導体膜で形成された半導体素子を備えたことを特徴とする。
【００１７】
以上のように、本発明によれば、非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００１８】
本発明の具体的な構成の多結晶質シリコン膜製造装置は、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるレーザー光を発する第１レーザー光源と、
上記第１レーザー光源からのレーザー光で非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜の表面を部分的に溶融させるレーザー光を発する第２レーザー光源と、
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成の場合、上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が低いレーザー光を発するものであってもよい。
【００２０】
本発明の具体的な多結晶質シリコン膜の製造方法は、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用いるものであり、
上記第１レーザー光源からのレーザー光を非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記第２レーザー光源からのレーザー光を、上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後の該シリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の別の具体的な構成の多結晶質シリコン膜製造装置は、
各々、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱するレーザー光を発する第１及び第２レーザー光源を備え、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射するとその非晶質シリコン膜が融点よりも高温に加熱されて溶融し、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、該第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射するとその表面が部分的に溶融するように構成されていることを特徴とする。
【００２２】
この構成の場合、上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が高いレーザー光を発するものであってもよい。
【００２３】
本発明の別の具体的な多結晶質シリコン膜の製造方法は、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用いるものであり、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、上記第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係るパルスレーザー照射装置（多結晶質シリコン膜製造装置）１００を示す。
【００２６】
このパルスレーザー照射装置１００は、一方の表面を覆うように非晶質シリコン膜２２０が設けられた基板２００を載置するためのステージ１１０と、ステージ１１０上の基板２００の非晶質シリコン膜２２０にパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を照射するための第１及び第２レーザー光源１２０，１３０と、それらの第１及び第２レーザー光源１２０，１３０がそれぞれ接続された発振制御器１４０と、を備えている。
【００２７】
ステージ１１０は、加工対象である基板２００の形状に合わせた長方形状に形成されており、大きさは基板２００よりやや大きく構成されている。このステージ１１０は、その長辺方向に沿って移動可能に構成されている。
【００２８】
第１レーザー光源１２０は、発振制御器１４０に接続された第１レーザー発振器１２１と、第１レーザー発振器１２１から発されたパルスレーザー光Ｌ１を受光してそのパワーを所定量減衰させる第１アッテネータ１２２と、第１アッテネータ１２２からのパルスレーザー光Ｌ１を反射して光路を変更する第１ターンミラー１２３と、第１ターンミラー１２３からのパルスレーザー光Ｌ１をステージ１１０に載置された基板２００の短辺方向に均一に照射する第１ホモジナイザー１２４と、で構成されている。また、この第１レーザー光源１２０は、ステージ１１０に載置された基板２００に対し、その短辺方向に均一なパルスレーザー光Ｌ１を照射すると共に、ステージ１１０がその長辺方向に沿って移動することにより、そのパルスレーザー光Ｌ１が基板２００上をその長辺方向に走査するように構成されている。第１レーザー光源１２０として、例えば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーや波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーやＹＡＧ等の固体レーザーが用いられる。第１レーザー光源１２０が発するパルスレーザー光Ｌ１は、パルス幅が比較的短く、基板２００上の非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱して溶融させるエネルギー強度を有するものである（例えば、エネルギー密度４８０ｍＪ／ｃｍ^２、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００２９】
第２レーザー光源１３０は、第１レーザー光源１２０と同様の構成であり、第２レーザー発振器１３１と、第２アッテネータ１３２と、第２ターンミラー１３３と、第２ホモジナイザー１３４と、で構成されており、ステージ１１０に載置された基板２００に対し、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射位置と略同位置にその短辺方向に均一なパルスレーザー光Ｌ２を照射すると共に、ステージ１１０がその長辺方向に沿って移動することにより、そのパルスレーザー光Ｌ２が基板２００上をその長辺方向に走査するように構成されている。第２レーザー光源１３０の発するパルスレーザー光Ｌ２は、パルス幅が第１レーザー光源１２０のものよりも相対的に長く、エネルギー強度が非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱する程のものではなく且つ第１レーザー光源１２０のものよりも相対的に低いものである（例えば、エネルギー密度３８０ｍＪ／ｃｍ^２、パルス幅６０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００３０】
発振制御器１４０は、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０の発振制御、具体的には図３に示すように、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射の後、例えば、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射終了直後から１０ｎｓ以内の短い非照射期間を経て第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２の照射を行う制御を行うものである。
【００３１】
次に、このパルスレーザー照射装置１００を用いた多結晶質シリコン膜２２０’の製造方法について説明する。
【００３２】
まず、絶縁基板（ガラス基板）２１０の一方の表面が厚さ５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質シリコン膜２２０で被覆された基板２００を準備する。非晶質シリコン膜２２０の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いる。絶縁基板２１０としてガラス基板を用いる場合には不純物の拡散を防止するためガラス基板と非晶質シリコン膜２２０との間にベースコートとして例えば厚さ３００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を設けるとよい。
【００３３】
次いで、基板２００に脱水素処理を施した後、表面の自然酸化膜を希フッ酸等により除去する。
【００３４】
次いで、非晶質シリコン膜２２０側が上となるようにその基板２００をステージ１１０に載置する。
【００３５】
次いで、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で基板２００上の非晶質シリコン膜２２０に照射する。ここで、基板２００の長手方向に沿って走査する第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのそれぞれのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を、繰り返し周波数１０〜３００Ｈｚ、オーバーラップ率９０〜９５％に設定しておく。このとき、非晶質シリコン膜２２０には、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１が照射された後、短い非照射期間を経て第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２が照射される。そして、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１が非晶質シリコン膜２２０に照射されて非晶質シリコン膜２２０がその融点よりも高温に加熱されて溶融し、その非晶質シリコン膜２２０を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後であってシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２２０’が形成される過程において、第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２が固化完了前の多結晶質シリコン膜２２０’に照射されてその表面が部分的に溶融して平坦化し、固化する。
【００３６】
以上のようにして基板２００上の非晶質シリコン膜２２０が多結晶質シリコン膜２２０’とされ、これを用いてＴＦＴ等の半導体素子が形成される。そして、かかる半導体素子を備えた半導体装置が構成される。
【００３７】
以上のようなパルスレーザー照射装置１００を用いることにより、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１を非晶質シリコン膜２２０に照射して非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱して溶融させ、第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２を、非晶質シリコン膜２２０を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後のシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２２０’が形成される過程、具体的には、シリコン溶融物が最高温度に達してから約３０ｎｓ後の多結晶質シリコン膜２２０’の固化が完了する時点までにおいて、固化完了前の多結晶質シリコン膜２２０’に照射してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜２２０’が形成され、この多結晶質シリコン膜２２０’を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００３８】
次に具体的に行った実験について説明する。
【００３９】
上記実施形態と同一の方法でガラス基板上の非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にした本発明例と、第２レーザー光源によるパルスレーザー光の照射をせずに第１レーザー光源によるパルスレーザー光の照射のみを行ってガラス基板上の非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にした比較例と、を作製した。
【００４０】
そして、それぞれの多結晶質シリコン膜の最大高さ（Ｐ−Ｖ値）、中心線平均粗さ（Ｒａ値）及び自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ値）を求めた。なお、各表面粗さを１０μｍ×１０μｍ四方、５０μｍ×５０μｍ四方のそれぞれについて測定した。
【００４１】
結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】

【００４３】
表１によれば、本発明例は、最大高さ（Ｐ−Ｖ値）、中心線平均粗さ（Ｒａ値）及び自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ値）のいずれにおいても比較例に比べて値が極めて小さく、表面平坦性が著しく優れているということが分かる。
【００４４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係るに係るパルスレーザー照射装置（多結晶質シリコン膜製造装置）の外観構成は図２に示す実施形態１のものと同一である。
【００４５】
このパルスレーザー照射装置では、第１レーザー光源が発するパルスレーザー光は、パルス幅が比較的短く、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱する程度のエネルギー強度を有するものである（例えば、エネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ^２、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。また、第２レーザー光源の発するパルスレーザー光は、パルス幅が第１レーザー光源のものよりも相対的に長く、エネルギー強度が第１レーザー光源のものよりもエネルギー強度が相対的に高いものの、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱する程度のものである（例えば、エネルギー密度３８０ｍＪ／ｃｍ^２、パルス幅９０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００４６】
発振制御器は、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０の発振制御、具体的には図４に示すように、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を同時に照射した後、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射のみを停止し、第２レーザー光源からのパルスレーザー光の照射を継続して行う制御を行うものである。
【００４７】
次に、このパルスレーザー照射装置を用いた多結晶質シリコン膜の製造方法について説明する。
【００４８】
まず、絶縁基板（ガラス基板）の一方の表面が厚さ５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質シリコン膜で被覆された基板を準備する。非晶質シリコン膜の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いる。絶縁基板としてガラス基板を用いる場合には不純物の拡散を防止するためガラス基板と非晶質シリコン膜との間にベースコートとして例えば厚さ３００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を設けるとよい。
【００４９】
次いで、基板に脱水素処理を施した後、表面の自然酸化膜を希フッ酸等により除去する。
【００５０】
次いで、非晶質シリコン膜側が上となるようにその基板をステージに載置する。
【００５１】
次いで、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で基板上の非晶質シリコン膜に照射する。ここで、基板の長手方向に沿って走査する第１及び第２レーザー光源からのそれぞれのパルスレーザー光を、繰り返し周波数１０〜３００Ｈｚ、オーバーラップ率９０〜９５％に設定しておく。このとき、非晶質シリコン膜には、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光が同時に照射された後、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射が停止され、第２レーザー光源からのパルスレーザー光が継続して照射される。そして、第１及び第２レーザー光源からパルスレーザー光が同時に照射されて非晶質シリコン膜がその融点よりも高温に加熱されて溶融する。つまり、非晶質シリコン膜には、第１レーザー光源からのパルスレーザー光のエネルギーと第２レーザー光源からのパルスレーザー光のエネルギーとが合わさって与えられ（図４中の破線）、それによって、非晶質シリコン膜がその融点よりも高温に加熱されて溶融する。また、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射が停止された後には、非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後であってシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、第２レーザー光源からのパルスレーザー光が固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射されてその表面が部分的に溶融して平坦化し、固化する。
【００５２】
以上のようにして基板上の非晶質シリコン膜が多結晶質シリコン膜とされ、これを用いてＴＦＴ等の半導体素子が形成される。そして、かかる半導体素子を備えた半導体装置が構成される。
【００５３】
以上のようなパルスレーザー照射装置を用いることにより、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射して非晶質シリコン膜を融点よりも高温に加熱して溶融させ、非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程、具体的には、シリコン溶融物が最高温度に達してから約３０ｎｓ後の多結晶質シリコン膜の固化が完了する時点までにおいて、第１又は第２レーザー光源からのパルスレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００５４】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態１及び２に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００５５】
例えば、非晶質シリコン膜２２０はプラズマＣＶＤ法により成膜されたものに限定されるものではなく、他の成膜法により成膜してもよい。
【００５６】
また、非晶質シリコン膜２２０の多結晶化の前処理は、基板の脱水素処理及び表面の自然酸化膜の希フッ酸等による除去に限定されるものではなく、他の前処理を施すようにしてもよい。
【００５７】
また、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２の照射を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で行うことに限定されるものではなく、他の雰囲気中で行うようにしてもよい。
【００５８】
また、非晶質シリコン膜２２０として多結晶性を助長する金属元素を添加して固相成長させた多結晶構造を有するものを用いてもよい。
【００５９】
また、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２のエネルギー強度及びパルス幅については非晶質シリコン膜２２０の状態によって決めればよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン膜ににＸｅＣｌエキシマレーザーを照射したシミュレーションにおける経過時間とシリコン温度との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施形態１に係るパルスレーザー照射装置の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態１における第１及び第２レーザー光源からそれぞれ発されるパルスレーザー光のパルス形状を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１における第１及び第２レーザー光源からそれぞれ発されるパルスレーザー光のパルス形状を示す図である。
【符号の説明】
１００パルスレーザー照射装置
１１０ステージ
１２０第１レーザー光源
１２１第１レーザー発振器
１２２第１アッテネータ
１２３第１ターンミラー
１２４第１ホモジナイザー
１３０第２レーザー光源
１３１第２レーザー発振器
１３２第２アッテネータ
１３３第２ターンミラー
１３４第２ホモジナイザー
１４０発振制御器
２００基板
２１０絶縁基板
２２０非晶質シリコン膜
２２０’ 多結晶質シリコン膜
Ｌ１，Ｌ２パルスレーザー光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polycrystalline silicon film manufacturing apparatus, a manufacturing method using the same, and a semiconductor device, and is particularly effective for a semiconductor device having a thin film transistor (hereinafter, referred to as “TFT”) provided on an insulating substrate. And an active matrix type liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
To realize devices such as high-performance liquid crystal display devices, attempts have been made to form high-performance semiconductor elements such as TFTs on insulating substrates such as glass. In general, a thin film polycrystalline silicon semiconductor obtained by polycrystallizing an amorphous silicon film is used as a semiconductor element of these devices. As a method for producing such a polycrystalline silicon film, there is known a method in which an amorphous silicon film is formed and then polycrystallized by irradiating intense light. A high-quality polycrystalline silicon film can be obtained by utilizing the polycrystallization phenomenon in the process. Taking the most commonly used excimer laser as an example, the method of polycrystallizing an amorphous silicon film using pulsed laser light is to locally melt the amorphous silicon film, Since the molten region is heated to a high temperature only for a very short time, high heat is not transmitted to the substrate, so an inexpensive glass substrate can be used, and it is most suitable for application to large area electronics. .
[0003]
By the way, when an amorphous silicon semiconductor film is polycrystallized by using an excimer laser, a protrusion is formed along a crystal grain boundary of a manufactured polycrystalline silicon film. When such projections are present, an electric field is concentrated on the tips of the projections and dielectric breakdown easily occurs. Therefore, it is difficult to form a high-performance TFT having a top gate structure on a polycrystalline silicon film having large projections. Become. That is, if there is a projection on the surface of the polycrystalline silicon film, the characteristics and reliability of the TFT become low, and it becomes difficult to reduce the thickness of the gate insulating film.
[0004]
Therefore, various techniques have been proposed to reduce surface protrusions generated during laser crystallization of the amorphous silicon film, and attempts have been made to flatten the surface of the polycrystalline silicon film.
[0005]
In Patent Document 1 below, a first layer made of polycrystalline silicon is formed on a surface of a base substrate, and then the surface of the first layer is placed in an environment for etching silicon oxide to form a first layer. In the case where a surface of a layer is covered with a silicon oxide film, a method for manufacturing a semiconductor device is disclosed in which the silicon oxide film is removed, and then the first layer is given energy for regrowth of silicon crystals. It is described that this makes it possible to form a polycrystalline silicon film having small average surface irregularities.
[0006]
Patent Document 2 below discloses that after a polycrystalline silicon film is formed on a transparent insulating substrate, the surface of the other crystalline silicon film is oxidized to form a thick silicon dioxide film, and then the silicon dioxide film is removed. Manufacturing of a semiconductor device in which irregularities on the surface of a polycrystalline silicon film are polished and flattened by a CMP method, the surface of the polycrystalline silicon film is oxidized again to form a thin silicon dioxide film, and then the silicon dioxide film is removed. A method is disclosed.
[0007]
Patent Document 3 discloses a semiconductor in which a poly-Si film obtained by laser annealing is subjected to a surface polishing treatment so that the film thickness becomes 30 to 50 nm and the average surface roughness (Ra) of the poly-Si film surface is 1 nm or less. A method for manufacturing a device is disclosed, in which a poly-Si film obtained by laser annealing has poor surface properties, but has improved flatness due to surface polishing, and uses a flattened poly-Si film for a channel. It is described that, by doing so, excellent TFT characteristics can be obtained, and the semiconductor device has excellent reliability without carrier injection.
[0008]
Patent Document 4 discloses that an amorphous silicon layer formed on a substrate is irradiated with an energy beam to crystallize the amorphous silicon layer to form a crystalline silicon layer, and then the surface of the crystalline silicon layer is formed. A method of manufacturing a TFT that removes irregularities on the surface of crystalline silicon by etching the surface of the crystalline silicon. In this way, the surface of the transistor passes through without a loss of crystallinity without impairing the crystallinity of a portion where carriers of the transistor pass. It states that a TFT having a polycrystalline silicon layer can be manufactured.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-60551 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-22159 [Patent Document 3]
JP-A-10-200120 [Patent Document 4]
JP-A-11-186552
[Problems to be solved by the invention]
However, in any of the above conventional techniques, it is necessary to add a separate and independent step such as polishing in order to planarize the polycrystalline silicon film, and the number of steps is increased when including the pre-cleaning and the like. There is a problem.
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to manufacture a polycrystalline silicon film having a good surface flatness without adding a separate and independent process. An object of the present invention is to provide a device, a manufacturing method using the same, and a semiconductor device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have confirmed by simulation that when the amorphous silicon film is polycrystallized by melting and solidification, the silicon melt solidifies with a shift of several tens of nsec from the time when the silicon temperature reaches the maximum temperature. As an example, FIG. 1 shows the silicon temperature when a XeCl excimer laser having an energy density of 480 mJ / cm ² and a pulse width of 30 ns is irradiated onto 50 nm amorphous silicon formed on a 300 nm base coat silicon oxide film. The results obtained by simulation are shown. According to this, it is considered that the solidification is completed when the temperature of the silicon falls below the melting point about 30 ns after the silicon film reaches the maximum temperature by the pulsed laser light.
[0013]
The present invention heats an amorphous silicon film until it melts, and in the process of solidifying the silicon melt to form a polycrystalline silicon film, the surface of the polycrystalline silicon film before the solidification is completed The surface is flattened by heating so as to partially melt, so that the polycrystallization of the silicon film and the surface flattening are performed without increasing the number of independent steps.
[0014]
The polycrystalline silicon film manufacturing apparatus of the present invention is used for converting an amorphous silicon film into a polycrystalline silicon film,
After heating the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point and melting it, in the process of solidifying the silicon melt to form a polycrystalline silicon film, the polycrystalline silicon film before solidification is completed It is characterized by comprising heating means for heating to partially melt the surface.
[0015]
The method for producing a polycrystalline silicon film of the present invention is for producing a polycrystalline silicon film from an amorphous silicon film,
Heating the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point to melt it;
In the process in which the silicon melt obtained by heating the amorphous silicon film is solidified to form a polycrystalline silicon film, the surface of the polycrystalline silicon film before the solidification is completed is partially melted by heating. The step of causing
It is characterized by having.
[0016]
The semiconductor device of the present invention is characterized in that an amorphous silicon film formed on an insulating substrate or an insulating thin film is heated to a temperature higher than its melting point and melted, and the amorphous silicon film is heated. In the process where the melt is solidified to form a polycrystalline silicon film, a semiconductor element formed of a semiconductor film formed by heating the polycrystalline silicon film before solidification is completed and partially melting the surface thereof It is characterized by having.
[0017]
As described above, according to the present invention, after the amorphous silicon film is heated to a temperature higher than its melting point and melted, the silicon melt is solidified to form a polycrystalline silicon film. Since the surface of the polycrystalline silicon film before the completion of solidification is heated and the surface is partially melted to planarize the surface, the polycrystalline silicon film having small surface irregularities without increasing the number of independent steps A film is formed, and a highly reliable semiconductor device including a semiconductor element such as a TFT can be obtained using the polycrystalline silicon film.
[0018]
A polycrystalline silicon film manufacturing apparatus having a specific configuration according to the present invention includes:
A first laser light source that emits laser light for heating and melting the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point;
In the process in which the silicon melt obtained by heating the amorphous silicon film with the laser light from the first laser light source is solidified to form the polycrystalline silicon film, the surface of the polycrystalline silicon film before solidification is completed A second laser light source that emits a laser beam that partially melts the
It is characterized by having.
[0019]
In the case of this configuration, the second laser light source may emit laser light having lower energy intensity than the laser light emitted from the first laser light source to the amorphous silicon film.
[0020]
A specific method for producing a polycrystalline silicon film according to the present invention includes:
Using a polycrystalline silicon film manufacturing apparatus having first and second laser light sources,
Irradiating the amorphous silicon film with laser light from the first laser light source to heat and melt the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point;
The laser light from the second laser light source is used to heat the amorphous silicon film, and after the silicon melt has reached the maximum temperature, the silicon melt solidifies to form a polycrystalline silicon film. In the process, irradiating the polycrystalline silicon film before solidification is completed to partially melt the surface thereof,
It is characterized by having.
[0021]
Another specific configuration of the polycrystalline silicon film manufacturing apparatus of the present invention,
Each comprising a first and a second laser light source for emitting laser light for heating the amorphous silicon film to a temperature below its melting point,
When the amorphous silicon film is irradiated with laser light from the first and second laser light sources at the same time, the amorphous silicon film is heated to a temperature higher than the melting point and melts, and the silicon melt solidifies and becomes polycrystalline. In the process of forming the polycrystalline silicon film, when the polycrystalline silicon film before solidification is irradiated with the laser light from the first or second laser light source, the surface thereof is partially melted. It is characterized by.
[0022]
In the case of this configuration, the second laser light source may emit laser light having a higher energy intensity than the laser light emitted from the first laser light source to the amorphous silicon film.
[0023]
Another specific method for producing a polycrystalline silicon film of the present invention,
Using a polycrystalline silicon film manufacturing apparatus having first and second laser light sources,
Simultaneously irradiating the amorphous silicon film with laser light from the first and second laser light sources to heat and melt the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point;
In the process in which the silicon melt obtained by heating the amorphous silicon film is solidified to form the polycrystalline silicon film, the laser light from the first or second laser light source is irradiated with the polycrystalline silicon film before solidification is completed. Irradiating the silicon film to partially melt its surface;
It is characterized by having.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0025]
(Embodiment 1)
FIG. 2 shows a pulse laser irradiation apparatus (polycrystalline silicon film manufacturing apparatus) 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
[0026]
The pulse laser irradiation apparatus 100 includes a stage 110 for mounting a substrate 200 provided with an amorphous silicon film 220 so as to cover one surface, and an amorphous silicon film 220 of the substrate 200 on the stage 110. And first and second

laser light sources

120 and 130 for irradiating the first and second

laser light sources

120 and 130 with pulse laser light L1 and L2, respectively, and an oscillation controller 140 to which the first and second

laser light sources

120 and 130 are respectively connected. I have.
[0027]
The stage 110 is formed in a rectangular shape that matches the shape of the substrate 200 to be processed, and is slightly larger than the substrate 200. The stage 110 is configured to be movable along the long side direction.
[0028]
The first laser light source 120 includes a first laser oscillator 121 connected to the oscillation controller 140, and a first attenuator 122 that receives the pulse laser light L1 emitted from the first laser oscillator 121 and attenuates the power thereof by a predetermined amount. A first turn mirror 123 that reflects the pulse laser beam L1 from the first attenuator 122 to change the optical path, and a pulse laser beam L1 from the first turn mirror 123 that transmits the pulse laser beam L1 from the first And a first homogenizer 124 that uniformly irradiates in the side direction. The first laser light source 120 irradiates the substrate 200 mounted on the stage 110 with a uniform pulsed laser beam L1 in the short side direction, and the stage 110 moves along the long side direction. Thus, the pulse laser beam L1 scans the substrate 200 in the long side direction. As the first laser light source 120, for example, an XeCl excimer laser having a wavelength of 308 nm, an excimer laser having a wavelength of 400 nm or less, or a solid laser such as YAG is used. The pulse laser beam L1 emitted from the first laser light source 120 has a relatively short pulse width, and has an energy intensity for heating and melting the amorphous silicon film 220 on the substrate 200 to a temperature higher than its melting point ( For example, the energy density is 480 mJ / cm ² , the pulse width is 30 ns, and the repetition frequency is 30 Hz.
[0029]
The second laser light source 130 has the same configuration as the first laser light source 120, and includes a second laser oscillator 131, a second attenuator 132, a second turn mirror 133, and a second homogenizer 134. The substrate 200 mounted on the stage 110 is irradiated with the pulse laser light L2 uniform in the short side direction at substantially the same position as the irradiation position of the pulse laser light L1 from the first laser light source 120, and the stage 110 Is moved along the long side direction, so that the pulse laser beam L2 scans the substrate 200 in the long side direction. The pulse laser beam L2 emitted from the second laser light source 130 has a pulse width relatively longer than that of the first laser light source 120, and has an energy intensity enough to heat the amorphous silicon film 220 to a temperature higher than its melting point. However, it is relatively lower than that of the first laser light source 120 (for example, the energy density is 380 mJ / cm ² , the pulse width is 60 ns, and the repetition frequency is 30 Hz).
[0030]
The oscillation controller 140 controls the oscillation of the first and second

laser light sources

120 and 130, specifically, as shown in FIG. 3, after the irradiation of the pulse laser light L1 from the first laser light source 120, for example, Immediately after the end of the irradiation of the pulse laser beam L1 from the first laser light source 120, a control is performed to perform the irradiation of the pulse laser beam L2 from the second laser light source 130 after a short non-irradiation period within 10 ns.
[0031]
Next, a method of manufacturing the polycrystalline silicon film 220 'using the pulse laser irradiation device 100 will be described.
[0032]
First, a substrate 200 is prepared in which one surface of an insulating substrate (glass substrate) 210 is covered with an intrinsic (I-type) amorphous silicon film 220 having a thickness of 50 nm. The amorphous silicon film 220 is formed by, for example, a plasma CVD method. When a glass substrate is used as the insulating substrate 210, a silicon oxide film with a thickness of, for example, about 300 nm may be provided as a base coat between the glass substrate and the amorphous silicon film 220 in order to prevent diffusion of impurities.
[0033]
Next, after subjecting the substrate 200 to a dehydrogenation treatment, the natural oxide film on the surface is removed with dilute hydrofluoric acid or the like.
[0034]
Next, the substrate 200 is mounted on the stage 110 such that the amorphous silicon film 220 side faces upward.
[0035]
Next, the amorphous silicon film 220 on the substrate 200 is irradiated with pulsed laser beams L1 and L2 from the first and second

laser light sources

120 and 130 in an atmosphere having the same oxygen / nitrogen mixture ratio as the atmosphere. Here, the pulse laser beams L1 and L2 from the first and second

laser light sources

120 and 130 that scan along the longitudinal direction of the substrate 200 are set to a repetition frequency of 10 to 300 Hz and an overlap ratio of 90 to 95%. Keep it. At this time, after the pulse laser beam L1 from the first laser light source 120 is irradiated to the amorphous silicon film 220, the pulse laser beam L2 from the second laser light source 130 is irradiated after a short non-irradiation period. . Then, the amorphous silicon film 220 is irradiated with the pulse laser beam L1 from the first laser light source 120, and the amorphous silicon film 220 is heated to a temperature higher than its melting point and melted. After the silicon melt obtained by heating the silicon melt reaches the maximum temperature and in the process of solidifying the silicon melt and forming the polycrystalline silicon film 220 ′, the pulsed laser light L2 from the second laser light source 130 Is irradiated to the polycrystalline silicon film 220 ′ before the solidification is completed, and the surface thereof is partially melted, flattened, and solidified.
[0036]
As described above, the amorphous silicon film 220 on the substrate 200 is changed to a polycrystalline silicon film 220 ', and a semiconductor element such as a TFT is formed using the film. Then, a semiconductor device having such a semiconductor element is configured.
[0037]
By using the pulse laser irradiation apparatus 100 as described above, the amorphous silicon film 220 is irradiated with the pulse laser beam L1 from the first laser light source 120 to heat the amorphous silicon film 220 to a temperature higher than its melting point. And the pulsed laser beam L2 from the second laser light source 130 is heated to heat the amorphous silicon film 220. After the silicon melt reaches the maximum temperature, the silicon melt solidifies and becomes polycrystalline. In the process of forming the silicon film 220 ′, specifically, by the time when the solidification of the polycrystalline silicon film 220 ′ is completed about 30 ns after the temperature of the silicon melt reaches the maximum temperature, The crystalline silicon film 220 'is irradiated to irradiate the surface thereof to partially melt the surface, thereby flattening the surface. 'Is formed, the polycrystalline silicon film 220' is multi-crystalline silicon film 220 can be obtained a semiconductor device having a semiconductor element such as a highly reliable fine TFT using.
[0038]
Next, a specific experiment will be described.
[0039]
An example of the present invention in which an amorphous silicon film on a glass substrate is made into a polycrystalline silicon film by the same method as the above embodiment, and a pulse by the first laser light source without irradiating the pulse laser light by the second laser light source A comparative example in which the amorphous silicon film on the glass substrate was changed to a polycrystalline silicon film by performing only laser light irradiation was manufactured.
[0040]
Then, the maximum height (PV value), center line average roughness (Ra value) and root mean square roughness (Rms value) of each polycrystalline silicon film were obtained. The surface roughness was measured for each of 10 μm × 10 μm square and 50 μm × 50 μm square.
[0041]
Table 1 shows the results.
[0042]
[Table 1]

[0043]
According to Table 1, in the present invention example, the maximum height (PV value), the center line average roughness (Ra value) and the root mean square roughness (Rms value) were all higher than those of the comparative example. Is extremely small and the surface flatness is remarkably excellent.
[0044]
(Embodiment 2)
The external configuration of a pulse laser irradiation apparatus (polycrystalline silicon film manufacturing apparatus) according to Embodiment 2 of the present invention is the same as that of Embodiment 1 shown in FIG.
[0045]
In this pulsed laser irradiation apparatus, the pulsed laser light emitted from the first laser light source has a relatively short pulse width and an energy intensity enough to heat the amorphous silicon film to a temperature lower than its melting point (for example, , Energy density 100 mJ / cm ² , pulse width 30 ns, repetition frequency 30 Hz). Further, the pulse laser light emitted from the second laser light source has a pulse width relatively longer than that of the first laser light source and an energy intensity relatively higher than that of the first laser light source. The amorphous silicon film is heated to a temperature lower than its melting point (for example, the energy density is 380 mJ / cm ² , the pulse width is 90 ns, and the repetition frequency is 30 Hz).
[0046]
The oscillation controller controls the oscillation of the first and second

laser light sources

120 and 130, specifically, as shown in FIG. 4, after simultaneously irradiating the pulse laser light from the first and second laser light sources, The control is performed such that only the irradiation of the pulse laser light from the laser light source is stopped, and the irradiation of the pulse laser light from the second laser light source is continued.
[0047]
Next, a method for manufacturing a polycrystalline silicon film using this pulsed laser irradiation apparatus will be described.
[0048]
First, a substrate in which one surface of an insulating substrate (glass substrate) is covered with an intrinsic (I-type) amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is prepared. The amorphous silicon film is formed by, for example, a plasma CVD method. When a glass substrate is used as the insulating substrate, a silicon oxide film with a thickness of, for example, about 300 nm may be provided as a base coat between the glass substrate and the amorphous silicon film in order to prevent diffusion of impurities.
[0049]
Next, after the substrate is subjected to a dehydrogenation treatment, the natural oxide film on the surface is removed with dilute hydrofluoric acid or the like.
[0050]
Next, the substrate is placed on a stage such that the amorphous silicon film side faces upward.
[0051]
Next, the amorphous silicon film on the substrate is irradiated with pulsed laser light from the first and second laser light sources in an atmosphere having the same oxygen / nitrogen mixture ratio as the atmosphere. Here, the respective pulse laser beams from the first and second laser light sources that scan along the longitudinal direction of the substrate are set to a repetition frequency of 10 to 300 Hz and an overlap ratio of 90 to 95%. At this time, after the amorphous silicon film is simultaneously irradiated with the pulse laser light from the first and second laser light sources, the irradiation of the pulse laser light from the first laser light source is stopped, and the amorphous silicon film is irradiated with the pulse laser light from the second laser light source. Is continuously irradiated. Then, pulse laser light is simultaneously irradiated from the first and second laser light sources, and the amorphous silicon film is heated to a temperature higher than its melting point and melted. That is, the energy of the pulsed laser light from the first laser light source and the energy of the pulsed laser light from the second laser light source are combined and given to the amorphous silicon film (broken line in FIG. 4). The amorphous silicon film is heated to a temperature higher than its melting point and melts. Further, after the irradiation of the pulse laser beam from the first laser light source is stopped, the silicon melt obtained by heating the amorphous silicon film reaches the maximum temperature, and the silicon melt solidifies. In the process of forming the polycrystalline silicon film, the pulsed laser light from the second laser light source is applied to the polycrystalline silicon film before solidification is completed, and the surface is partially melted, flattened, and solidified.
[0052]
As described above, the amorphous silicon film on the substrate is converted into a polycrystalline silicon film, and a semiconductor element such as a TFT is formed using the polycrystalline silicon film. Then, a semiconductor device having such a semiconductor element is configured.
[0053]
By using the pulse laser irradiation apparatus as described above, the amorphous silicon film is irradiated with the pulse laser light from the first and second laser light sources simultaneously to heat the amorphous silicon film to a temperature higher than the melting point. A process in which a silicon melt obtained by melting and heating an amorphous silicon film is solidified to form a polycrystalline silicon film, specifically, about 30 ns after the silicon melt reaches the maximum temperature. By the time the solidification of the polycrystalline silicon film is completed, a pulse laser beam from the first or second laser light source is irradiated on the polycrystalline silicon film before the solidification is completed to partially melt the surface, Because of the planarization, a polycrystalline silicon film with small surface irregularities is formed without increasing the number of independent steps, and a highly reliable fine It is possible to obtain a semiconductor device having a semiconductor element FT like.
[0054]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the first and second embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
[0055]
For example, the amorphous silicon film 220 is not limited to a film formed by the plasma CVD method, but may be formed by another film forming method.
[0056]
In addition, the pretreatment for polycrystallization of the amorphous silicon film 220 is not limited to dehydrogenation of the substrate and removal of the natural oxide film on the surface by dilute hydrofluoric acid or the like. It may be.
[0057]
Further, the irradiation of the pulse laser beams L1 and L2 from the first and second

laser light sources

120 and 130 is not limited to being performed in an atmosphere having the same oxygen / nitrogen mixture ratio as the air, but may be performed in another atmosphere. It may be performed.
[0058]
Alternatively, the amorphous silicon film 220 may have a polycrystalline structure in which a metal element that promotes polycrystalline properties is added and solid phase growth is performed.
[0059]
The energy intensity and pulse width of the pulse laser beams L1 and L2 from the first and second

laser light sources

120 and 130 may be determined according to the state of the amorphous silicon film 220.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after the amorphous silicon film is heated to a temperature higher than its melting point and melted, the silicon melt is solidified to form a polycrystalline silicon film. In the above, since the polycrystalline silicon film before the completion of solidification is heated to partially melt the surface and flatten the surface, the polycrystalline silicon film having a small surface irregularity without increasing the number of independent steps A silicon film is formed, and a highly reliable semiconductor device including a semiconductor element such as a TFT can be obtained using the polycrystalline silicon film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between elapsed time and silicon temperature in a simulation in which a 50 nm-thick amorphous silicon film is irradiated with a XeCl excimer laser.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a pulse laser irradiation device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating pulse shapes of pulsed laser beams emitted from first and second laser light sources according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing pulse shapes of pulse laser beams emitted from first and second laser light sources according to the first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 100 pulse laser irradiation device 110 stage 120 first laser light source 121 first laser oscillator 122 first attenuator 123 first turn mirror 124 first homogenizer 130 second laser light source 131 second laser oscillator 132 second attenuator 133 second turn mirror 134 Second homogenizer 140 Oscillation controller 200 Substrate 210 Insulating substrate 220 Amorphous silicon film 220 ′ Polycrystalline silicon films L1, L2 Pulsed laser light

Claims

An apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon film used to convert an amorphous silicon film into a polycrystalline silicon film,
After heating the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point and melting it, in the process of solidifying the silicon melt to form a polycrystalline silicon film, the polycrystalline silicon film before solidification is completed An apparatus for producing a polycrystalline silicon film, comprising a heating means for heating and partially melting the surface.

An apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon film used to convert an amorphous silicon film into a polycrystalline silicon film,
A first laser light source that emits laser light for heating and melting the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point;
In the process in which the silicon melt obtained by heating the amorphous silicon film with the laser light from the first laser light source is solidified to form the polycrystalline silicon film, the surface of the polycrystalline silicon film before solidification is completed A second laser light source that emits a laser beam that partially melts the
An apparatus for producing a polycrystalline silicon film, comprising:

The polycrystalline silicon film manufacturing apparatus according to claim 2,
The said 2nd laser light source emits laser light whose energy intensity is lower than the laser light which the said 1st laser light source emits with respect to an amorphous silicon film, The polycrystalline silicon film manufacturing apparatus characterized by the above-mentioned.

An apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon film used to convert an amorphous silicon film into a polycrystalline silicon film,
Each comprising a first and a second laser light source for emitting laser light for heating the amorphous silicon film to a temperature below its melting point,
When the amorphous silicon film is irradiated with laser light from the first and second laser light sources at the same time, the amorphous silicon film is heated to a temperature higher than the melting point and melts, and the silicon melt solidifies and becomes polycrystalline. In the process of forming the polycrystalline silicon film, when the polycrystalline silicon film before solidification is irradiated with the laser light from the first or second laser light source, the surface thereof is partially melted. An apparatus for producing a polycrystalline silicon film.

The polycrystalline silicon film manufacturing apparatus according to claim 4,
An apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon film, wherein the second laser light source emits laser light having a higher energy intensity than the laser light emitted from the first laser light source to the amorphous silicon film.

A method for producing a polycrystalline silicon film from an amorphous silicon film,
Heating the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point to melt it;
In the process in which the silicon melt obtained by heating the amorphous silicon film is solidified to form a polycrystalline silicon film, the surface of the polycrystalline silicon film before the solidification is completed is partially melted by heating. The step of causing
A method for producing a polycrystalline silicon film, comprising:

A method for producing a polycrystalline silicon film from an amorphous silicon film,
Using a polycrystalline silicon film manufacturing apparatus having first and second laser light sources,
Irradiating the amorphous silicon film with laser light from the first laser light source to heat and melt the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point;
The laser light from the second laser light source is used to heat the amorphous silicon film, and after the silicon melt has reached the maximum temperature, the silicon melt solidifies to form a polycrystalline silicon film. In the process, irradiating the polycrystalline silicon film before solidification is completed to partially melt the surface thereof,
A method for producing a polycrystalline silicon film, comprising:

A method for producing a polycrystalline silicon film from an amorphous silicon film,
Using a polycrystalline silicon film manufacturing apparatus having first and second laser light sources,
Simultaneously irradiating the amorphous silicon film with laser light from the first and second laser light sources to heat and melt the amorphous silicon film to a temperature higher than its melting point;
In the process in which the silicon melt obtained by heating the amorphous silicon film is solidified to form the polycrystalline silicon film, the laser light from the first or second laser light source is irradiated with the polycrystalline silicon film before solidification is completed. Irradiating the silicon film to partially melt its surface;
A method for producing a polycrystalline silicon film, comprising:

An amorphous silicon film formed on an insulating substrate or an insulating thin film is heated to a temperature higher than its melting point to be melted. In the process of forming the crystalline silicon film, a semiconductor element formed of a semiconductor film obtained by heating the polycrystalline silicon film before solidification is completed and partially melting the surface thereof is provided. Semiconductor device.