JP2004297058A - Beam homogenizer, laser irradiating device, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Beam homogenizer, laser irradiating device, and method of manufacturing semiconductor device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein a laser varies its oscillation condition, and a beam spot is changed in energy distribution on an irradiation target surface before and after a maintenance operation. <P>SOLUTION: In a beam spot forming optical system, a beam homogenizer is equipped with an optical waveguide that is provided with the two opposed reflecting planes, one end face through which a laser beam is introduced, and the other end face through which the laser beam is projected out. The other end face of the optical waveguide is formed into a curved end face. The optical waveguide is a circuit having a function to trap emitted light in a certain region and guides and transmits the energy flow of the emitted light in parallel with the axis of a route. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布をある特定の領域で均一化するビームホモジナイザに関する。また、前記ビームスポットを前記被照射面に照射するレーザ照射装置及びそれを用いた半導体装置の作製方法に関する。 The present invention relates to a beam homogenizer that makes the energy distribution of a beam spot on an irradiated surface uniform in a specific region. The present invention also relates to a laser irradiation apparatus for irradiating the irradiated surface with the beam spot and a method for manufacturing a semiconductor device using the laser irradiation apparatus.

近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜(単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜)に対し、レーザアニールを施す技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。なお、ここでいうレーザアニールとは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層やアモルファス層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる。 In recent years, there has been a technique for performing laser annealing on an amorphous semiconductor film or a crystalline semiconductor film (a semiconductor film having a crystallinity such as a single crystal, a polycrystal, or a microcrystal) formed on an insulating substrate such as glass. Has been extensively studied. A silicon film is often used as the semiconductor film. The laser annealing here refers to a technique for recrystallizing a damaged layer or an amorphous layer formed on a semiconductor substrate or semiconductor film, or a technique for crystallizing an amorphous semiconductor film formed on a substrate. ing. Moreover, the technique applied to planarization and surface modification of a semiconductor substrate or a semiconductor film is also included.

ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作製できる利点を持っている。このため、上記研究が盛んに行われている。結晶化に好んでレーザが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザは基板の温度をあまり変えずに非単結晶半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。 A glass substrate is cheaper and more workable than a quartz substrate that has been frequently used in the past, and has an advantage that a large-area substrate can be easily manufactured. For this reason, the above research has been actively conducted. Lasers are preferred for crystallization because the glass substrate has a low melting point. The laser can give high energy only to the non-single-crystal semiconductor film without significantly changing the temperature of the substrate.

レーザアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有する。そのため、この結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)は盛んに利用され、例えば、一枚のガラス基板上に、画素用と駆動回路用のTFTを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置や発光装置等に盛んに利用されている。前記結晶性珪素膜は多数の結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。 A crystalline silicon film formed by laser annealing has high mobility. Therefore, a thin film transistor (TFT) using this crystalline silicon film is actively used. For example, a monolithic liquid crystal electro-optical device for manufacturing TFTs for pixels and driving circuits on a single glass substrate, It is actively used for light emitting devices. Since the crystalline silicon film is made of a large number of crystal grains, it is called a polycrystalline silicon film or a polycrystalline semiconductor film.

また、エキシマレーザ等の出力の大きいパルス発振式のレーザビームを、被照射面において、数cm角の四角いスポットや、長辺方向の長さ10cm以上の長方形状となるように光学系にて加工し、ビームスポットの照射位置を被照射面に対して相対的に走査させて、レーザアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。なお、長方形状のビームスポットの内、特にアスペクト比が高いものを線状のビームスポットと呼ぶこととする。 Also, a pulsed laser beam with high output, such as an excimer laser, is processed by an optical system so that a square spot of several cm square or a rectangular shape with a length of 10 cm or more in the long side direction is formed on the irradiated surface. However, a method of performing laser annealing by scanning the irradiation position of the beam spot relative to the surface to be irradiated is preferable because it is excellent in mass productivity and industrially excellent. A rectangular beam spot having a particularly high aspect ratio is referred to as a linear beam spot.

特に、線状のビームスポットを用いると、前後左右の走査が必要な点状のビームスポットを用いた場合とは異なり、線状のビームスポットのビーム幅が長い方向に直角な方向だけの走査で大面積の被照射面にレーザビームを照射することができるため、高い量産性が得られる。ビーム幅の長い方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザアニールにはパルス発振のエキシマレーザのビームスポットを適当な光学系で加工した線状のビームスポットを使用することが主流になりつつある。 In particular, when a linear beam spot is used, scanning is performed only in a direction perpendicular to the direction in which the beam width of the linear beam spot is long, unlike the case of using a dotted beam spot that requires scanning in front, rear, left, and right. Since a laser beam can be irradiated onto a large surface to be irradiated, high mass productivity can be obtained. The reason for scanning in the direction perpendicular to the long beam width is that it is the most efficient scanning direction. Due to this high productivity, it is becoming more common for laser annealing to use a linear beam spot obtained by processing a beam spot of a pulsed excimer laser with an appropriate optical system.

図7に、被照射面においてビームスポットの断面形状を線状に加工するための光学系の例を示す。図7中に示す光学系はきわめて一般的なものである。前記光学系は、ビームスポットの断面形状を線状に変換するだけでなく、同時に、被照射面におけるビームスポットのエネルギー均一化を果たすものである。一般に、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する光学系を、ビームホモジナイザと呼ぶ。図7に示した光学系もビームホモジナイザである。 FIG. 7 shows an example of an optical system for processing the cross-sectional shape of the beam spot into a linear shape on the irradiated surface. The optical system shown in FIG. 7 is very general. The optical system not only converts the cross-sectional shape of the beam spot into a linear shape, but also at the same time achieves uniform energy of the beam spot on the irradiated surface. In general, an optical system that makes the energy distribution of a beam spot uniform is called a beam homogenizer. The optical system shown in FIG. 7 is also a beam homogenizer.

XeClエキシマレーザ(波長308nm)を光源に使用するならば、上記光学系の母材は例えばすべて石英とするとよい。なぜならば、高い透過率が得られるからである。また、コーティングは、使用するエキシマレーザの波長に対する透過率が99%以上得られるものを使用するとよい。その他のエキシマレーザで、さらに短波長のものを光源とする場合は、フローライトやMgF2などの母材を用いれば高い透過率を得ることが可能である。しかしながら、これらの母材は結晶であるため、切断面やコーティングの選択などに注意する必要がある。 If a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm) is used as a light source, the base material of the optical system is preferably all quartz, for example. This is because high transmittance can be obtained. Moreover, it is preferable to use a coating that can obtain a transmittance of 99% or more with respect to the wavelength of the excimer laser used. When another excimer laser having a shorter wavelength is used as a light source, high transmittance can be obtained by using a base material such as fluorite or MgF 2 . However, since these base materials are crystals, it is necessary to pay attention to the selection of the cut surface and coating.

まず、図7(a)の側面図について説明する。レーザ発振器1201から射出されたレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ1202aと1202bにより、前記レーザビームのスポットを1方向に分割する。前記方向を、縦方向と呼ぶことにする。前記縦方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、4分割となっている。これらの分割されたスポットは、シリンドリカルレンズ1204により、いったん1つのスポットにまとめられる。再び分離したスポットはミラー1207で反射され、その後、ダブレットシリンドリカルレンズ1208により、被照射面1209にて再び1つのスポットに集光される。ダブレットシリンドリカルレンズとは、2枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。これにより、線状のビームスポットの縦方向のエネルギー均一化がなされ、縦方向の長さが決定される。 First, the side view of FIG. The laser beam emitted from the laser oscillator 1201 divides the laser beam spot in one direction by cylindrical lens arrays 1202a and 1202b. The direction will be referred to as the vertical direction. The vertical direction is bent in the direction of light bent by the mirror when the mirror enters the middle of the optical system. In this configuration, there are four divisions. These divided spots are once combined into one spot by the cylindrical lens 1204. The spot separated again is reflected by the mirror 1207 and then condensed again into one spot on the irradiated surface 1209 by the doublet cylindrical lens 1208. The doublet cylindrical lens refers to a lens composed of two cylindrical lenses. Thereby, the energy in the vertical direction of the linear beam spot is made uniform, and the length in the vertical direction is determined.

次に、図7(b)の上面図について説明する。レーザ発振器1201から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ1203により、前記レーザビームのスポットを、前記縦方向に対し直角方向に分割する。前記直角方向を、横方向と呼ぶことにする。前記横方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、7分割となっている。その後、シリンドリカルレンズ1205にて、7分割された前記スポットは被照射面1209にて1つに合成される。ミラー1207以降が破線で示されているが、前記破線は、ミラー1207を配置しなかった場合の正確な光路とレンズや被照射面の位置を示している。これにより、線状のビームスポットの横方向のエネルギーの均一化がなされ、横方向の長さが決定される。 Next, a top view of FIG. 7B will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 1201 divides the spot of the laser beam in a direction perpendicular to the vertical direction by a cylindrical lens array 1203. The perpendicular direction is referred to as a lateral direction. The horizontal direction is bent in the direction of light bent by the mirror when the mirror enters the middle of the optical system. In this configuration, there are seven divisions. After that, the spots divided into seven by the cylindrical lens 1205 are combined into one at the irradiated surface 1209. The mirror 1207 and the subsequent lines are indicated by broken lines. The broken line indicates the exact optical path and the position of the lens and the irradiated surface when the mirror 1207 is not disposed. Thereby, the energy in the horizontal direction of the linear beam spot is made uniform, and the length in the horizontal direction is determined.

上述したように、シリンドリカルレンズアレイ1202aとシリンドリカルレンズアレイ1202bとシリンドリカルレンズアレイ1203とがレーザビームのスポットを分割するレンズとなる。これらの分割数により、得られる線状ビームスポットのエネルギー分布の均一性が決まる。 As described above, the cylindrical lens array 1202a, the cylindrical lens array 1202b, and the cylindrical lens array 1203 are lenses that divide the laser beam spot. The uniformity of the energy distribution of the obtained linear beam spot is determined by the number of divisions.

上記の諸レンズは、XeClエキシマレーザに対応するため合成石英製である。また、該エキシマレーザをよく透過するように表面にコーティングを施してあり、これにより、レンズ1つあたりのエキシマレーザの透過率は99%以上となる。 The above lenses are made of synthetic quartz in order to correspond to the XeCl excimer laser. In addition, the surface is coated so as to pass through the excimer laser well, whereby the transmittance of the excimer laser per lens becomes 99% or more.

上記の構成で加工された線状のビームスポットをそのビームスポットの短辺方向に徐々にずらしながら重ねて照射する。そうすると、例えば非単結晶珪素膜全面に対しレーザアニールを施して結晶化させたり結晶性を向上させることができる。 The linear beam spot processed with the above configuration is irradiated while being gradually shifted in the short side direction of the beam spot. Then, for example, laser annealing can be performed on the entire surface of the non-single crystal silicon film to crystallize or improve crystallinity.

ビームホモジナイザには、反射鏡を用いているものがある(例えば、特許文献1参照。)。 Some beam homogenizers use a reflecting mirror (see, for example, Patent Document 1).

特開2001−291681号公報JP 2001-216881 A

現在は、量産工場において、上記のような光学系により長く線状に加工されたビームスポットを使って半導体膜のアニールが行われている。しかしながら、パルス発振式のエキシマレーザの繰り返し周波数により、均一なビームスポットの得られる面の位置が変化したり、エキシマレーザのレーザ媒質であるガスと外気を遮断するウインドウのクリーニングにより、被照射面におけるビームスポットの均一性が悪化したりするなど、量産装置としての完成度はあまり高いものとは言えない。 Currently, in a mass production factory, annealing of a semiconductor film is performed using a beam spot processed into a long line by the optical system as described above. However, the position of the surface where a uniform beam spot can be obtained changes depending on the repetition frequency of the pulsed excimer laser, or the window that blocks the gas and the outside air that is the laser medium of the excimer laser is cleaned. It cannot be said that the completeness as a mass production apparatus is so high that the uniformity of the beam spot deteriorates.

本発明は上記の問題点を鑑みて、エキシマレーザの発振状態の変化や、メンテナンス前後において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布の変化を極力抑えることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to suppress changes in the oscillation state of an excimer laser and changes in the energy distribution of a beam spot on an irradiated surface as much as possible before and after maintenance.

本発明において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布を均一化する方法には、光導波路を用いた。光導波路とは、放射光を一定領域に閉じ込め、そのエネルギーの流れを経路の軸に平行に案内して伝送する能力を持った回路である。 In the present invention, an optical waveguide is used as a method for equalizing the energy distribution of the beam spot on the irradiated surface. An optical waveguide is a circuit that has the capability of confining radiated light in a certain region and guiding and transmitting the energy flow parallel to the axis of the path.

本発明が開示するビームホモジナイザは、向い合う2つの反射面が形成され、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とする。 The beam homogenizer disclosed in the present invention includes an optical waveguide in which two reflecting surfaces facing each other are formed, a laser beam is incident from one end surface, and the laser beam is emitted from the other end surface, and the other end surface is It is formed into a curved surface shape.

本発明において、前記光導波路におけるレーザビームの射出側の端面が曲率を有する理由は以下のとおりである。本発明人はレーザビームが光学系によって長方形状に長く伸ばされ、レーザビームの広がる角度が著しく大きくなることがエネルギー分布を不均一にさせる原因の一つではないかと考えた。つまり、長方形状ビームの中央付近と長方形状ビームの長辺方向における両端では、前記光導波路から射出されるレーザビームを被照射面に投影するレンズの焦点の位置が異なっているのではないかと推測した。そこで、長方形状の長辺方向に長く伸ばされた光線と長方形状の中央付近に到達する光線とが同じ被照射面上で焦点を結ぶよう前記光導波路のレーザビームの射出側の端面を曲面形状とし、前記光導波路の射出口から被照射面までの距離を、長方形状ビームスポットの両端部分と中央付近で異なるようにする。これにより、長辺方向全長において、同じ被照射面上が焦点位置となり、エネルギー分布を均一化することが可能となる。 In the present invention, the reason why the end face on the laser beam exit side of the optical waveguide has a curvature is as follows. The present inventor considered that the laser beam is elongated in a rectangular shape by the optical system, and that the spread angle of the laser beam is remarkably increased, which is one of the causes of the non-uniform energy distribution. That is, it is estimated that the focal point of the lens that projects the laser beam emitted from the optical waveguide onto the irradiated surface is different between the center of the rectangular beam and both ends in the long side direction of the rectangular beam. did. Therefore, the end face on the laser beam exit side of the optical waveguide is curved so that the light beam elongated in the long side direction of the rectangular shape and the light beam reaching near the center of the rectangular shape are focused on the same irradiated surface. And the distance from the exit of the optical waveguide to the irradiated surface is made different between the both end portions of the rectangular beam spot and the vicinity of the center. Thereby, in the full length in the long side direction, the same irradiated surface becomes the focal position, and the energy distribution can be made uniform.

つまり、本発明が開示するビームホモジナイザにおけるレーザビームの射出側の端面が有する曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする。 In other words, the curved surface shape of the end surface on the laser beam exit side in the beam homogenizer disclosed in the present invention is such that when the laser beam emitted from the optical waveguide is projected by the projection lens, the focal position of the center and end of the laser beam Is a curved surface shape that fits the irradiated surface.

本発明の他の構成は、上記のビームホモジナイザにおいて、被照射面におけるビームスポットの短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を、ライトパイプに置き換えたものである。ライトパイプとは、通常、全反射によって一端から他端に光を送る円錐形、ピラミッド形、円柱形などの形状に引き出される透明部材のことをいう。なお、光伝送にはミラーによる反射を用いてもよい。 Another configuration of the present invention is such that in the beam homogenizer, the optical waveguide that equalizes the energy distribution in the short side direction of the beam spot on the irradiated surface is replaced with a light pipe. The light pipe usually refers to a transparent member drawn out into a cone shape, a pyramid shape, a cylindrical shape, or the like that transmits light from one end to the other end by total reflection. In addition, you may use the reflection by a mirror for optical transmission.

本発明が開示するレーザ照射装置の構成は、レーザ発振器と、ビームホモジナイザと、前記被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、前記ビームホモジナイザは、向い合う2つの反射面が形成され、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とする。 The configuration of the laser irradiation apparatus disclosed in the present invention includes a laser oscillator, a beam homogenizer, and one or a plurality of cylindrical lenses for condensing the laser beam emitted from the beam homogenizer on the irradiated surface. The beam homogenizer includes an optical waveguide that has two reflecting surfaces facing each other, allows a laser beam to enter from one end surface, and emits the laser beam from the other end surface, and the other end surface has a curved shape. It is characterized by being molded.

上記レーザ照射装置の発明の構成において、前記ビームホモジナイザのレーザビームの射出側の端面が有する曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする。 In the configuration of the invention of the laser irradiation apparatus, the curved shape of the end surface on the laser beam emission side of the beam homogenizer is such that the laser beam emitted from the optical waveguide is projected at the center of the laser beam when projected by a projection lens. It is characterized by a curved surface shape so that the focal position of the end matches the irradiated surface.

上記レーザ照射装置の発明の構成において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴としている。 In the above-described configuration of the laser irradiation apparatus, the laser oscillator is any one of an excimer laser, a YAG laser, a glass laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser.

本発明が開示するレーザ照射装置の他の発明の構成は、上記のビームホモジナイザにおいて、被照射面におけるビームスポットの短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を、ライトパイプに置き換えたものである。 In another embodiment of the laser irradiation apparatus disclosed in the present invention, in the above-mentioned beam homogenizer, an optical waveguide that equalizes the energy distribution in the short side direction of the beam spot on the irradiated surface is replaced with a light pipe. is there.

本発明が開示する半導体装置の作製方法に関する発明の構成は、基板上に非晶質半導体膜を成形する工程と、レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非晶質半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及びビームホモジナイザを用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非晶質半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、前記ビームホモジナイザは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、向い合う2つの反射面が形成され、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は曲面形状に成形されている前記ビームホモジナイザによってエネルギー分布が均一されたレーザビームを用いて、前記非晶質半導体膜をレーザアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 The structure of the invention relating to the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present invention includes a step of forming an amorphous semiconductor film on a substrate, a laser beam oscillated by a laser oscillator, and the amorphous semiconductor film as an irradiated surface. Forming a rectangular beam spot on the irradiated surface using a cylindrical lens array and a beam homogenizer, and laser annealing the amorphous semiconductor film while moving the position of the beam spot, The cylindrical lens array acts in the long side direction of the rectangular beam spot, the beam homogenizer acts in the short side direction of the rectangular beam spot, and two opposing reflecting surfaces are formed. An optical waveguide for allowing the laser beam to enter from the other end face and emitting the laser beam from the other end face. The method for manufacturing a semiconductor device energy distribution by the beam homogenizer being molded into a curved shape with a uniform laser beam, wherein the laser annealing the amorphous semiconductor film.

上記半導体装置の作製方法に関する発明の構成において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴としている。 In the structure of the invention related to the method for manufacturing a semiconductor device, the laser oscillator is any one of an excimer laser, a YAG laser, a glass laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser.

本発明が開示する半導体装置の作製方法の他の発明の構成は、上記のビームホモジナイザにおいて、被照射面におけるビームスポットの短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を、ライトパイプに置き換えたものである。 The structure of another invention of the semiconductor device manufacturing method disclosed in the present invention is such that, in the beam homogenizer, the light waveguide that equalizes the energy distribution in the short side direction of the beam spot on the irradiated surface is replaced with a light pipe. Is.

本発明が開示する光導波路を用いた長方形状のビームスポットを形成するビームホモジナイザを用いれば、短辺方向のエネルギー分布が均一かつ長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能となる。また、被照射面上に形成されるビームスポットの位置及びエネルギー分布がレーザ発振器の発振状態の影響を受けにくくなるため、ビームの安定性を高めることが可能となる。 If a beam homogenizer that forms a rectangular beam spot using an optical waveguide disclosed by the present invention is used, a rectangular beam spot with a uniform energy distribution in the short side direction and a uniform energy distribution in the long side direction is irradiated. It can be formed on the surface. Further, since the position and energy distribution of the beam spot formed on the irradiated surface are less affected by the oscillation state of the laser oscillator, the beam stability can be improved.

本発明が開示する光学系を用いたレーザ照射装置から射出される長方形状のビームスポットを、半導体膜に長方形状の短辺方向に走査すると、ビームスポットのエネルギー分布の不均一性に起因する結晶性の不均一性の発生を抑制することができ、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。また、本発明により、レーザ照射装置としての高い安定性が確保でき、またメンテナンス性の向上により、ランニングコストの低減が図れる。本発明を、低温ポリシリコンTFTの量産ラインに適用すれば、動作特性の高いTFTを効率良く生産することが可能となる。 When a rectangular beam spot emitted from a laser irradiation apparatus using an optical system disclosed by the present invention is scanned in the short side direction of a rectangular shape on a semiconductor film, a crystal due to nonuniformity of the energy distribution of the beam spot Generation of non-uniformity of the crystallinity can be suppressed, and the uniformity of crystallinity within the substrate surface can be improved. Further, according to the present invention, high stability as a laser irradiation apparatus can be ensured, and running costs can be reduced by improving maintainability. If the present invention is applied to a mass production line for low-temperature polysilicon TFTs, it is possible to efficiently produce TFTs with high operating characteristics.

最初に、図6を用いて、光導波路によるビームスポットのエネルギー分布を均一化の方法を説明する。まず、図6(a)の側面図について説明する。向い合う2つの反射面602a、602bを有する光導波路602、被照射面603を用意し、光線を紙面左側から入射させる。前記光線は、光導波路602が存在するときの光線を実線601aで、光導波路602が存在しないときの光線を破線601bで示す。光導波路602が存在しないとき紙面左側から入射する光線は、破線601bで示したように、被照射面603a、603b及び603cの領域に到達する。 First, a method for equalizing the energy distribution of the beam spot by the optical waveguide will be described with reference to FIG. First, the side view of FIG. An optical waveguide 602 having two reflecting surfaces 602a and 602b facing each other and an irradiated surface 603 are prepared, and light is incident from the left side of the paper. The light beam when the optical waveguide 602 exists is indicated by a solid line 601a, and the light beam when the optical waveguide 602 does not exist is indicated by a broken line 601b. When the optical waveguide 602 does not exist, the light beam incident from the left side of the drawing reaches the irradiated surfaces 603a, 603b, and 603c as indicated by the broken line 601b.

一方、光導波路602が存在するときには、実線601aで示したように、光線は光導波路602の反射面によって反射され、すべての光線が被照射面603bの領域に到達する。つまり、光導波路602が存在するときには、光導波路602が存在しないときに被照射面603a及び603cの領域に到達する光線が、すべて被照射面603bの領域に到達する。従って、光導波路602に光線を入射すると、前記光導波路内において反射を繰り返し、射出口に至る。つまり入射する光線が折りたたまれるように、同じ位置である被照射面603bに重ね合わされることになる。この例において、光導波路がない場合の被照射面603での光の拡がり603a、603b、603cをあわせた長さをAとし、光導波路がある場合の被照射面603での光の拡がり603bの長さをBとしたとき、A/Bが従来技術で述べたホモジナイザの分割数に相当する。このように、入射する光線を分割し、分割される光線を同じ位置に重ね合わせることで、重ね合わされた位置における光線のエネルギー分布は均一化される。 On the other hand, when the optical waveguide 602 exists, as indicated by the solid line 601a, the light rays are reflected by the reflection surface of the optical waveguide 602, and all the light rays reach the region of the irradiated surface 603b. That is, when the optical waveguide 602 exists, all the light rays that reach the areas of the irradiated surfaces 603a and 603c when the optical waveguide 602 does not exist reach the area of the irradiated surface 603b. Therefore, when a light beam is incident on the optical waveguide 602, reflection is repeated in the optical waveguide and reaches the exit. That is, it is superimposed on the irradiated surface 603b at the same position so that the incident light beam is folded. In this example, the combined length of the light spreads 603a, 603b, and 603c on the irradiated surface 603 when there is no optical waveguide is A, and the light spread on the irradiated surface 603 when there is an optical waveguide. When the length is B, A / B corresponds to the number of divisions of the homogenizer described in the prior art. In this way, by dividing the incident light beam and superimposing the divided light beams at the same position, the energy distribution of the light beam at the superimposed position is made uniform.

ホモジナイザは一般的に光線の分割数が多くなるほど、分割された光線が重ね合わされた位置でのエネルギー分布の均一性は高くなる。上記光導波路602において、光線の分割数を多くするには、上記光導波路602内での反射回数を多くすることで可能となる。つまり、光導波路が有する2つの反射面の光線入射方向における長さを長くするとよい。また、向い合う反射面の間隔を小さくすることでも分割数を大きくすることができる。あるいは、入射する光線のNA(開口数)を大きくすることによっても分割数を大きくすることができる。 In general, the homogenizer has a higher uniformity of energy distribution at the position where the divided light beams are superimposed as the number of light beam divisions increases. In the optical waveguide 602, the number of light beams can be increased by increasing the number of reflections in the optical waveguide 602. That is, it is preferable to increase the length of the two reflecting surfaces of the optical waveguide in the light incident direction. Also, the number of divisions can be increased by reducing the interval between the reflecting surfaces facing each other. Alternatively, the number of divisions can be increased by increasing the NA (numerical aperture) of incident light.

本発明で開示する長方形状のビームスポット形成光学系を、図3を用いて説明する。まず、図3(b)の側面図について説明する。レーザ発振器131から出たレーザビームは図3中、矢印の方向に伝搬される。まず、レーザビームは球面レンズ132a及び132bにより拡大される。この構成は、レーザ発振器131から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。 A rectangular beam spot forming optical system disclosed in the present invention will be described with reference to FIG. First, the side view of FIG. 3B will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 131 is propagated in the direction of the arrow in FIG. First, the laser beam is expanded by the spherical lenses 132a and 132b. This configuration is not necessary when the beam spot emitted from the laser oscillator 131 is sufficiently large.

レーザビームはシリンドリカルレンズ134により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞られ、シリンドリカルレンズ134の後方に配置された向い合う2つの反射面135a及び135bを有する光導波路135に入射する。前記光導波路135の射出面に長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一面が形成される。 The laser beam is focused in the short side direction of the rectangle by the cylindrical lens 134 and is incident on an optical waveguide 135 having two opposing reflecting surfaces 135a and 135b disposed behind the cylindrical lens 134. A uniform surface with an energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot is formed on the exit surface of the optical waveguide 135.

光導波路135の入射方向への長さが長いければ長いほど、また、シリンドリカルレンズ134の焦点距離が短ければ短いほどエネルギー分布の均一化は進む。しかしながら、光学系の大きさを考えて実際の系は作製されなければならないため、前記光導波路の長さや、前記焦点距離は系の大きさに合わせて実際的なものとしなくてはならない。 As the length of the optical waveguide 135 in the incident direction is longer, and as the focal length of the cylindrical lens 134 is shorter, the energy distribution becomes more uniform. However, since the actual system must be manufactured in consideration of the size of the optical system, the length of the optical waveguide and the focal length must be practical according to the size of the system.

図3中、光導波路135の後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ136により、前記ダブレットシリンドリカルレンズの後方に配置した被照射面に光導波路135直後に形成された前記均一面を投影する。ダブレットシリンドリカルレンズとは、2枚のシリンドリカルレンズ136a、136bで構成されているレンズのことをいう。これにより、光導波路135の射出面に形成された均一面を他の面(被照射面)に投影することができる。すなわち、前記均一な面と、被照射面137とは、ダブレットシリンドリカルレンズ136に対して共役な位置にある。光導波路135とダブレットシリンドリカルレンズ136により、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。なお、被照射面においてビームスポットの均一性をあまり要求しない場合、あるいはダブレットシリンドリカルレンズのF値が非常に大きい場合は、シングレットシリンドリカルレンズを用いても良い。 In FIG. 3, the uniform surface formed immediately after the optical waveguide 135 is projected onto the irradiated surface disposed behind the doublet cylindrical lens by the doublet cylindrical lens 136 disposed behind the optical waveguide 135. The doublet cylindrical lens is a lens composed of two cylindrical lenses 136a and 136b. Thereby, the uniform surface formed on the exit surface of the optical waveguide 135 can be projected onto another surface (irradiated surface). That is, the uniform surface and the irradiated surface 137 are in a conjugate position with respect to the doublet cylindrical lens 136. By the optical waveguide 135 and the doublet cylindrical lens 136, the energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot is made uniform, and the length in the short side direction is determined. Note that a singlet cylindrical lens may be used when the uniformity of the beam spot is not so required on the surface to be irradiated, or when the F value of the doublet cylindrical lens is very large.

次に、図3(a)の上面図について説明する。レーザ発振器131から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ133により、スポットが長方形の長辺方向に分割される。シリンドリカルレンズアレイ133は、シリンドリカルレンズを曲率方向に並べたものである。本実施形態においては、5個シリンドリカルレンズを並べたシリンドリカルレンズアレイを用いている。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。なお、シリンドリカルレンズアレイの後方に前記シリンドリカルレンズアレイによって分割された光線を合成するシリンドリカルレンズを配置してもよい。 Next, the top view of FIG. The laser beam emitted from the laser oscillator 131 is divided into a rectangular long side direction by a cylindrical lens array 133. The cylindrical lens array 133 is configured by arranging cylindrical lenses in the curvature direction. In the present embodiment, a cylindrical lens array in which five cylindrical lenses are arranged is used. Thereby, the energy distribution in the long side direction of the rectangular beam spot is made uniform, and the length in the long side direction is determined. A cylindrical lens that synthesizes the light beams divided by the cylindrical lens array may be disposed behind the cylindrical lens array.

シリンドリカルレンズアレイ133から出たレーザビームは後方に配置した光導波路135に入射する。光導波路135を構成する向い合う2つの反射面135a及び135bのレーザビームの射出側の端面に曲率を持たせる。図1及び図2を用いて、光導波路135のレーザビームの射出側の端面に曲率をつける理由を説明する。図2において、実線で示した光線101は長方形状ビームの中央付近を形成する光線であり、点線で示した光線102は長方形状ビームの長辺方向における両端部分を形成する光線である。向い合う2つの反射面を有する光導波路103から射出した光線は、投影レンズ104によって被照射面105に長方形状ビームを形成する。光線102は被照射面105上において焦点を結んでいるのに対して、光線101は被照射面105の手前で焦点を結んでいる。 The laser beam emitted from the cylindrical lens array 133 is incident on the optical waveguide 135 disposed behind. The end faces on the laser beam exit side of the two opposing reflecting surfaces 135a and 135b constituting the optical waveguide 135 have a curvature. The reason why the end face of the optical waveguide 135 on the emission side of the laser beam is curved will be described with reference to FIGS. In FIG. 2, a light beam 101 indicated by a solid line is a light beam that forms the vicinity of the center of the rectangular beam, and a light beam 102 indicated by a dotted line is a light beam that forms both end portions in the long side direction of the rectangular beam. A light beam emitted from the optical waveguide 103 having two reflecting surfaces facing each other forms a rectangular beam on the irradiated surface 105 by the projection lens 104. The light beam 102 is focused on the irradiated surface 105, while the light beam 101 is focused before the irradiated surface 105.

一方、図1は、光導波路113の形状以外は図2で示した光学系と同じ構成を示し、長方形状の長辺方向に長く伸ばされた光線112と長方形状の中央付近に到達する光線111とが同じ照射面上で焦点を結ぶよう光導波路113の光線の射出側の端面を曲面とする。曲面は、長辺方向のみに曲率を付けた円筒面とする。 On the other hand, FIG. 1 shows the same configuration as the optical system shown in FIG. 2 except for the shape of the optical waveguide 113, and a light beam 112 elongated in the long side direction of the rectangular shape and a light beam 111 reaching near the center of the rectangular shape. The end surface on the light exit side of the optical waveguide 113 is a curved surface so as to focus on the same irradiation surface. The curved surface is a cylindrical surface with a curvature only in the long side direction.

図1に示されるような構成により、向い合う2つの反射面を有する光導波路113からの光線の射出位置を、長方形状の長辺方向における中央と両端とで差をつけることができる。これにより、投影レンズ114による被照射面115上での焦点位置を長方形状の長辺方向における中央と両端とで同一にすることが可能となる。したがって、長辺方向全長においてエネルギー分布が均一化された長方形状のビームスポットを成形することができる。 With the configuration as shown in FIG. 1, it is possible to make a difference between the center and both ends of the light beam from the optical waveguide 113 having two reflecting surfaces facing each other in the long side direction of the rectangular shape. As a result, the focal position of the projection lens 114 on the irradiated surface 115 can be made the same at the center and both ends in the long side direction of the rectangular shape. Therefore, a rectangular beam spot having a uniform energy distribution over the entire length in the long side direction can be formed.

光導波路を使用する利点は、均一面の位置が光学系により完全に固定されることである。すなわち、光導波路の射出面に均一面が形成されるため、レーザ発振器から射出されるビームの特性がパルス毎及びメンテナンス等によって変化しても前記均一面の位置は全く変化しない。つまりポインティングスタビリティーの影響を受けにくい。これにより、レーザ発振器の状態の変化に左右されない均一なビームを被照射面に得ることが可能となる。 The advantage of using an optical waveguide is that the position of the uniform surface is completely fixed by the optical system. In other words, since a uniform surface is formed on the exit surface of the optical waveguide, the position of the uniform surface does not change at all even if the characteristics of the beam emitted from the laser oscillator is changed for each pulse or maintenance. In other words, it is not easily affected by pointing stability. This makes it possible to obtain a uniform beam on the irradiated surface that is not affected by changes in the state of the laser oscillator.

本発明のビームホモジナイザと組み合わせるレーザ発振器は、大出力でかつ半導体膜によく吸収される波長域が好ましい。半導体膜として珪素膜を用いた場合、吸収率を考慮し、用いるレーザ発振器の出すレーザビームの波長は600nm以下であることが好ましい。このようなレーザビームを出すレーザ発振器には、例えば、エキシマレーザ、YAGレーザ(高調波)、ガラスレーザ(高調波)がある。 The laser oscillator combined with the beam homogenizer of the present invention preferably has a wavelength region that has a large output and is well absorbed by the semiconductor film. When a silicon film is used as the semiconductor film, the wavelength of the laser beam emitted from the laser oscillator to be used is preferably 600 nm or less in consideration of the absorption rate. Examples of the laser oscillator that emits such a laser beam include an excimer laser, a YAG laser (harmonic), and a glass laser (harmonic).

また、現在の技術ではまだ大出力は得られていないが、珪素膜の結晶化に適当な波長のレーザビームを発振するレーザ発振器として、例えば、YVO4レーザ(高調波)、YLFレーザ(高調波)、Arレーザがある。 Further, although the present technology has not yet obtained a large output, as a laser oscillator that oscillates a laser beam having a wavelength suitable for crystallization of a silicon film, for example, a YVO 4 laser (harmonic), a YLF laser (harmonic) ) Ar laser.

以下、本発明のビームホモジナイザ及びレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板としてガラス基板を用意する。この基板には600℃までの温度であれば充分な耐久性のあるものを使用する。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を200nm成膜する。さらに、その上から非晶質珪素膜を成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマCVD法にて成膜してもよい。 Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device of the present invention using the beam homogenizer and the laser irradiation apparatus of the present invention will be described. First, a glass substrate is prepared as a substrate. As this substrate, a substrate having sufficient durability as long as the temperature is up to 600 ° C. is used. A silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed on the glass substrate as a base film. Further, an amorphous silicon film is formed thereon. Both films are formed by sputtering. Or you may form into a film by plasma CVD method.

次に、上記成膜済の基板に、窒素雰囲気中で加熱処理を施す。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれる。 前記膜内の水素の濃度は1020atoms/cm3オーダーが適当である。ここで、1020atoms/cm3とは、1cm3あたりに水素原子が1020個存在するという意味である。 Next, the film-formed substrate is subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere. This step is a step for reducing the hydrogen concentration in the amorphous silicon film. If there is too much hydrogen in the film, the film cannot withstand the laser energy, so this step can be entered. The hydrogen concentration in the film is suitably on the order of 10 20 atoms / cm 3 . Here, 10 20 atoms / cm 3 means that 10 20 hydrogen atoms exist per 1 cm 3 .

本実施の形態では、レーザ発振器として、XeClエキシマレーザを使う。前記エキシマレーザは、パルスレーザである(発振波長は308nm)。基板1枚をレーザ処理する間、該パルスレーザの1パルスごとのエネルギー変動は、±5%以内、好ましくは±2%以内に収まっていると、均一な結晶化が行える。 In this embodiment, a XeCl excimer laser is used as the laser oscillator. The excimer laser is a pulse laser (oscillation wavelength is 308 nm). During the laser processing of one substrate, uniform crystallization can be performed when the energy fluctuation for each pulse of the pulse laser is within ± 5%, preferably within ± 2%.

ここで述べているレーザエネルギーの変動は、以下のように定義する。すなわち、基板1枚を照射している期間のレーザエネルギーの平均値を基準とし、その期間の最小エネルギーまたは最大エネルギーと前記平均値との差を%で表したものである。 The fluctuation of the laser energy described here is defined as follows. That is, the average value of the laser energy during the period during which one substrate is irradiated is used as a reference, and the difference between the minimum energy or the maximum energy during the period and the average value is expressed in%.

レーザビームの照射は例えば、図3に示した被照射面137をのせたステージを長方形の短辺方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。だいたいの目安は、エネルギー密度200mJ/cm2〜1000mJ/cm2の範囲である。走査のスピードは、長方形状のビームスポットの短辺方向の幅が90%程度もしくはそれ以上で互いに重なり合う範囲で適当なものを選ぶと、均一なレーザアニールを行える可能性が高い。最適な走査スピードは、レーザ発振器の周波数に依存し、前記周波数に比例すると考えてよい。 The laser beam irradiation is performed, for example, while scanning the stage on which the irradiated surface 137 shown in FIG. At this time, the practitioner may appropriately determine the energy density of the beam spot on the irradiated surface and the scanning speed. Rule of thumb is the range of the energy density of 200mJ / cm 2 ~1000mJ / cm 2 . If an appropriate scanning speed is selected in a range where the width of the rectangular beam spot in the short side direction is about 90% or more and overlaps each other, there is a high possibility that uniform laser annealing can be performed. The optimum scanning speed depends on the frequency of the laser oscillator and may be considered to be proportional to the frequency.

こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイや、発光素子として有機EL素子を用いた有機ELディスプレイ等を公知の方法に従って作製することができる。 Thus, the laser annealing process is completed. A large number of substrates can be processed by repeating the above steps. By using the substrate, for example, an active matrix liquid crystal display, an organic EL display using an organic EL element as a light emitting element, and the like can be manufactured according to a known method.

上記の例ではレーザ発振器にエキシマレーザを用いた。エキシマレーザはコヒーレント長が数μmと非常に小さいため、上記例の光学系に適している。以下に示すレーザにはコヒーレント長が長いものもあるが、作為的にコヒーレント長を変えたものを用いればよい。YAGレーザの高調波やガラスレーザの高調波を用いても同様な大出力が得られ、かつ珪素膜にレーザビームのエネルギーが良く吸収されるので好ましい。珪素膜の結晶化に適当なレーザ発振器として、YVO4レーザ(高調波)、YLFレーザ(高調波)、Arレーザなどがある。これらのレーザビームの波長域は珪素膜によく吸収される。 In the above example, an excimer laser is used as the laser oscillator. An excimer laser has a very small coherence length of several μm and is suitable for the optical system in the above example. Some of the lasers shown below have a long coherent length, but a laser whose coherent length is intentionally changed may be used. Even if a harmonic of a YAG laser or a harmonic of a glass laser is used, the same large output can be obtained, and the energy of the laser beam is well absorbed by the silicon film, which is preferable. As a laser oscillator suitable for crystallization of a silicon film, there are a YVO 4 laser (harmonic), a YLF laser (harmonic), an Ar laser, and the like. The wavelength range of these laser beams is well absorbed by the silicon film.

上記の例では、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよい。
〔比較例〕
In the above example, an amorphous silicon film is used as the non-single crystal semiconductor film, but it can be easily estimated that the present invention can be applied to other non-single crystal semiconductors. For example, a compound semiconductor film having an amorphous structure such as an amorphous silicon germanium film may be used as the non-single-crystal semiconductor film. Alternatively, a polycrystalline silicon film may be used for the non-single-crystal semiconductor film.
[Comparative example]

本比較例では、レーザビームの照射対象となる半導体膜の典型的な作製方法を示す。まず基板として、厚さ0.7mm、127mm角のコーニング1737基板を用意した。基板にプラズマCVD装置を用いて、厚さ200nmのSiO2膜(酸化珪素膜)を成膜し、SiO2膜表面に厚さ50nmの非晶質珪素膜(以下、a-Si膜と表記する)を成膜した。基板を、温度500℃の窒素雰囲気に1時間さらして、膜中の水素濃度を減らした。前記膜内の水素の濃度は1020atoms/cm3オーダーが適当である。ここで、1020atoms/cm3とは、1cm3あたりに水素原子が1020個存在するという意味である。これにより、膜の耐レーザ性が著しく向上した。 This comparative example shows a typical method for manufacturing a semiconductor film to be irradiated with a laser beam. First, a Corning 1737 substrate having a thickness of 0.7 mm and a 127 mm square was prepared as a substrate. A SiO 2 film (silicon oxide film) having a thickness of 200 nm is formed on the substrate using a plasma CVD apparatus, and an amorphous silicon film (hereinafter referred to as an a-Si film) having a thickness of 50 nm is formed on the surface of the SiO 2 film. ) Was formed. The substrate was exposed to a nitrogen atmosphere at a temperature of 500 ° C. for 1 hour to reduce the hydrogen concentration in the film. An appropriate hydrogen concentration in the film is on the order of 10 20 atoms / cm 3 . Here, 10 20 atoms / cm 3 means that 10 20 hydrogen atoms exist per 1 cm 3 . This significantly improved the laser resistance of the film.

次に、前記a-Si膜をレーザアニールするのに適当なレーザの仕様の例を示す。レーザ発振器は、例えば、ラムダ社製のXeClエキシマレーザ(波長308nm、パルス幅30ns)L4308を使用すると十分な出力とスループットが得られるため好ましい。前記レーザ発振器はパルス発振レーザを発し、1パルスあたり670mJのエネルギーを出す能力を持っている。レーザビームのスポットサイズは、レーザビームの出口で、およそ10×30mm(共に半値幅)である。レーザビームの出口は、レーザ発振器からレーザビームが出た直後における、レーザビームの進行方向に垂直な平面で定義する。 Next, an example of a laser specification suitable for laser annealing the a-Si film will be shown. As the laser oscillator, for example, use of a Lambda XeCl excimer laser (wavelength 308 nm, pulse width 30 ns) L4308 is preferable because sufficient output and throughput can be obtained. The laser oscillator emits a pulsed laser and has an ability to emit energy of 670 mJ per pulse. The spot size of the laser beam is approximately 10 × 30 mm (both half-value width) at the exit of the laser beam. The exit of the laser beam is defined by a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam immediately after the laser beam is emitted from the laser oscillator.

エキシマレーザの発生するレーザビームの形状は一般的に長方形状であり、アスペクト比で表現すると、1〜5位の範囲に入る。レーザビームのスポットの強度は、レーザビームのスポットの中央ほど強い、ガウシアンの分布を示す。前記レーザビームのスポットサイズは、図7に示した光学系により、エネルギー分布が一様のスポット形状125mm×0.4mmの線状のビームスポットに変換される。 The shape of the laser beam generated by the excimer laser is generally rectangular and falls within the range of 1 to 5 when expressed in terms of aspect ratio. The intensity of the laser beam spot shows a Gaussian distribution that is stronger toward the center of the laser beam spot. The spot size of the laser beam is converted into a linear beam spot having a uniform spot shape of 125 mm × 0.4 mm by the optical system shown in FIG.

本発明人の実験によると、上述の半導体膜に対しレーザビームを照射する場合、重ね合わせのピッチは線状のビームスポットの短幅(半値幅)の1/10前後が最も適当であった。これにより、前記半導体膜内における結晶性の均一性が向上した。上記の例では、前記半値幅が0.4mmであったので、エキシマレーザのパルス周波数を30Hz、走査速度を1.0mm/sとし、レーザビームを照射した。このとき、レーザビームの被照射面におけるエネルギー密度は450mJ/cm2とした。これまで述べた方法は線状のビームスポットを使って半導体膜を結晶化するために用いられる極めて一般的なものである。 According to the experiment by the present inventors, when the above-mentioned semiconductor film is irradiated with a laser beam, the overlay pitch is most suitable around 1/10 of the short width (half width) of the linear beam spot. Thereby, the uniformity of crystallinity in the semiconductor film was improved. In the above example, since the half width was 0.4 mm, the pulse frequency of the excimer laser was 30 Hz, the scanning speed was 1.0 mm / s, and the laser beam was irradiated. At this time, the energy density on the surface irradiated with the laser beam was set to 450 mJ / cm 2 . The method described so far is a very general method used for crystallizing a semiconductor film using a linear beam spot.

図4に本実施例で説明する光学系の例を示す。まず、図4(b)の側面図について説明する。レーザ発振器151から出たレーザビームは図4中、矢印の方向に伝搬される。まず、レーザビームは球面レンズ152a及び152bにより拡大される。この構成は、レーザ発振器151から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。 FIG. 4 shows an example of an optical system described in this embodiment. First, the side view of FIG. 4B will be described. The laser beam emitted from the laser oscillator 151 is propagated in the direction of the arrow in FIG. First, the laser beam is expanded by the spherical lenses 152a and 152b. This configuration is not necessary when the beam spot emitted from the laser oscillator 151 is sufficiently large.

第2面が曲率半径−194.25mm、厚さ20mmのシリンドリカルレンズ155により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞る。曲率半径の符号は、曲率中心がレンズ面に対して光線の射出側にある時が正、曲率中心がレンズ面に対して入射側にある時を負とする。また、レンズ面は光が入射する面を第1面、射出する面を第2面とする。シリンドリカルレンズ155の後方428.8mmに配置された向い合う2つの反射面156a及び156bを有する光導波路156により、被照射面における長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一化される。こうして、光導波路156の射出口に均一な面が形成される。前記光導波路156は光線の入射方向に長さ300mm、反射面間の距離が0.4mmとする。 A beam spot is narrowed in the short side direction of the rectangle by a cylindrical lens 155 having a curvature radius of −194.25 mm and a thickness of 20 mm on the second surface. The sign of the radius of curvature is positive when the center of curvature is on the light exit side with respect to the lens surface, and negative when the center of curvature is on the incident side with respect to the lens surface. In addition, the lens surface is a surface on which light is incident as a first surface and an exit surface as a second surface. The optical waveguide 156 having the two reflecting surfaces 156a and 156b facing each other arranged 428.8 mm behind the cylindrical lens 155 makes the energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot on the irradiated surface uniform. In this way, a uniform surface is formed at the exit of the optical waveguide 156. The optical waveguide 156 has a length of 300 mm in the light incident direction and a distance between the reflecting surfaces of 0.4 mm.

光導波路156の400mm後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ157(2枚のシリンドリカルレンズ157a及び157bからなる)により、前記ダブレットシリンドリカルレンズ157から後方416.9mmに配置した被照射面158に長方形の短辺方向に光導波路156から射出される光線を集光する。ダブレットシリンドリカルレンズとは、2枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。前記ダブレットシリンドリカルレンズを構成する2枚のシリンドリカルレンズは、1枚は第1面の曲率半径が+122.99mm、第2面の曲率半径が+90.12mm、厚さ10mmのシリンドリカルレンズであり、もう1枚は第1面の曲率半径が+142.32mm、第2面の曲率半径が−165.54mm、厚さ20mmのシリンドリカルレンズであり、2枚のシリンドリカルレンズの間隔は5mmである。これにより、光導波路156の射出面に形成された均一面を被照射面に投影することができる。光導波路156とダブレットシリンドリカルレンズ157により、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。 A rectangular short-side direction is formed on the irradiated surface 158 arranged 416.9 mm behind the doublet cylindrical lens 157 by a doublet cylindrical lens 157 (consisting of two cylindrical lenses 157a and 157b) arranged 400 mm behind the optical waveguide 156. The light beam emitted from the optical waveguide 156 is condensed. The doublet cylindrical lens refers to a lens composed of two cylindrical lenses. The two cylindrical lenses constituting the doublet cylindrical lens are one in which the first surface has a curvature radius of +122.99 mm, the second surface has a curvature radius of +90.12 mm, and a thickness of 10 mm. Each of the lenses is a cylindrical lens having a curvature radius of the first surface of +142.32 mm, a curvature radius of the second surface of −165.54 mm, and a thickness of 20 mm, and the interval between the two cylindrical lenses is 5 mm. Thereby, the uniform surface formed on the exit surface of the optical waveguide 156 can be projected onto the irradiated surface. By the optical waveguide 156 and the doublet cylindrical lens 157, the energy distribution in the short side direction of the rectangular beam spot is made uniform, and the length in the short side direction is determined.

次に、図4(a)の上面図について説明する。レーザ発振器151から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ153により、スポットが長方形の長辺方向に分割される。シリンドリカルレンズアレイ153は、第1面の曲率半径が+24.5mmで、厚さが5mm、幅6.5mmのシリンドリカルレンズを曲率方向に5個並べたものである。 Next, the top view of FIG. A laser beam emitted from the laser oscillator 151 is divided into spots in the long side direction of a rectangle by a cylindrical lens array 153. The cylindrical lens array 153 has a first surface with a radius of curvature of +24.5 mm, a thickness of 5 mm, and a width of 6.5 mm, in which five cylindrical lenses are arranged in the curvature direction.

シリンドリカルレンズアレイ153の後方500mmに配置されたシリンドリカルレンズ154によって前記シリンドリカルレンズアレイ153によって分割された光線が被照射面158上で重ね合わされる。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。シリンドリカルレンズ154は、発明実施の形態においては、用いていない。このレンズが入ることにより長方形のビームスポットの長辺方向における両端で発生する、エネルギーの減衰部分を少なくすることが可能になる。しかしながら、装置構成上、本レンズの焦点距離が著しく長くなる場合があり、このようなときは、本レンズの効果が薄くなるため用いなくてもよいことがある。 Light beams divided by the cylindrical lens array 153 are superimposed on the irradiated surface 158 by a cylindrical lens 154 disposed 500 mm behind the cylindrical lens array 153. Thereby, the energy distribution in the long side direction of the rectangular beam spot is made uniform, and the length in the long side direction is determined. The cylindrical lens 154 is not used in the embodiment of the invention. By entering this lens, it is possible to reduce the energy attenuation portion generated at both ends in the long side direction of the rectangular beam spot. However, the focal length of the present lens may be remarkably increased due to the configuration of the apparatus. In such a case, the effect of the present lens may be reduced and may not be used.

シリンドリカルレンズ154から出たレーザビームは1900.8mm後方に配置した光導波路156に入射する。光導波路156を構成する向い合う2つの反射面156a及び156bの後面に+3751.5mmの曲率を持たせる。これにより、長方形状の長辺方向における中央と両端部分で入射位置に差を設けることができる。よって、被照射面上が、長方形状の長辺方向における中央及び両端ともに焦点位置にすることが可能となり、長辺方向全長においてエネルギー分布が均一化された長方形状(300mm×0.4mm)のビームスポットを成形することができる。 The laser beam emitted from the cylindrical lens 154 enters an optical waveguide 156 disposed behind 1900.8 mm. A curvature of +3751.5 mm is given to the rear surfaces of the two reflecting surfaces 156a and 156b facing each other constituting the optical waveguide 156. Thereby, a difference can be provided in an incident position in the center and both ends part in a rectangular long side direction. Therefore, the center and both ends in the long side direction of the rectangular shape can be focused on the irradiated surface, and the rectangular shape (300 mm × 0.4 mm) in which the energy distribution is uniform over the entire length in the long side direction. A beam spot can be shaped.

本実施例で示した光学系を利用して、例えば発明実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型のディスプレイや発光装置を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。 Utilizing the optical system shown in this example, laser annealing of the semiconductor film is performed by the method according to the embodiment of the invention, for example. For example, an active matrix display or a light-emitting device can be manufactured using the semiconductor film. The production may be performed by a practitioner according to a known method.

本実施例では、実施の形態に記載した光学系とは別の光学系の例を挙げる。図5に本実施例で説明する光学系の例を示す。 In this example, an example of an optical system different from the optical system described in the embodiment is given. FIG. 5 shows an example of an optical system described in this embodiment.

図5中、光導波路165以外は、図3に示した光学系と全く同じ光路を通る。つまり、レーザ発振器161から出たレーザビームは球面レンズ162a及び162bにより拡大され、シリンドリカルレンズアレイ163により長辺方向のエネルギー分布が均一化される。そして、シリンドリカルレンズ164により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞られ、シリンドリカルレンズ164の後方に配置された光導波路165に入射する。そして、光導波路165の後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ166(シリンドリカルレンズ166a、166bで構成されている)により、前記ダブレットシリンドリカルレンズの後方に配置した被照射面167に光導波路135直後に形成された前記均一面を投影する。 In FIG. 5, the optical path other than the optical waveguide 165 passes through exactly the same optical path as the optical system shown in FIG. That is, the laser beam emitted from the laser oscillator 161 is expanded by the spherical lenses 162a and 162b, and the energy distribution in the long side direction is made uniform by the cylindrical lens array 163. Then, the beam spot is narrowed in the short side direction of the rectangle by the cylindrical lens 164 and is incident on the optical waveguide 165 arranged behind the cylindrical lens 164. Then, a doublet cylindrical lens 166 (consisting of cylindrical lenses 166a and 166b) disposed behind the optical waveguide 165 is formed immediately after the optical waveguide 135 on the irradiated surface 167 disposed behind the doublet cylindrical lens. The uniform surface is projected.

光導波路165は、光導波路135と同様に向い合う2つの反射面165a及び165bを有する。光導波路135は向い合う2つの反射面間の空間が中空である一方で、光導波路165の反射面間の空間は屈折率nの媒質165cで満たされている。この点で両者は異なる。媒質の屈折率nが反射面の材質の屈折率よりも大きければ、光線が臨界角以下の角度で前記光導波路165に入射すると、反射面において光線は全反射する。つまり、このときは光導波路の光線の透過率は全反射しない場合と比べて高くなる。従って、より高効率で光源であるレーザ発振器161からの光線を被照射面167に集光することができる。 The optical waveguide 165 has two reflecting surfaces 165a and 165b facing each other in the same manner as the optical waveguide 135. The space between the two reflecting surfaces facing each other is hollow in the optical waveguide 135, while the space between the reflecting surfaces of the optical waveguide 165 is filled with a medium 165c having a refractive index n. They are different in this respect. If the refractive index n of the medium is larger than the refractive index of the material of the reflecting surface, when the light beam enters the optical waveguide 165 at an angle less than the critical angle, the light beam is totally reflected on the reflecting surface. That is, at this time, the light transmittance of the optical waveguide is higher than that in the case where the light is not totally reflected. Therefore, the light from the laser oscillator 161 which is a light source can be condensed on the irradiated surface 167 with higher efficiency.

図5に示した光学系により、短辺方向の長さが0.4mm、長辺方向の長さが300mmのエネルギー分布が均一な長方形状ビームスポットを形成することができる。例えば媒質には、紫外光に対する屈折率が1.52であり、透過率が高いHOYA製BSC7などを用いるのがよい。 With the optical system shown in FIG. 5, a rectangular beam spot having a uniform energy distribution with a length in the short side direction of 0.4 mm and a length in the long side direction of 300 mm can be formed. For example, it is preferable to use a HOYA BSC7 having a refractive index of 1.52 for ultraviolet light and a high transmittance.

本実施例で示した光学系を利用して、例えば発明実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイや、発光素子として有機EL素子を用いた有機ELディスプレイ等を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。 Utilizing the optical system shown in this example, laser annealing of the semiconductor film is performed by the method according to the embodiment of the invention, for example. For example, an active matrix liquid crystal display or an organic EL display using an organic EL element as a light emitting element can be manufactured using the semiconductor film. The production may be performed by a practitioner according to a known method.

本実施例では、本発明のレーザ照射装置を用いて結晶性半導体膜を作製し、半導体装置とするところまでを図8及び図9を参照しながら述べる。   In this embodiment, a process for manufacturing a crystalline semiconductor film by using the laser irradiation apparatus of the present invention and forming a semiconductor device will be described with reference to FIGS.

まず、基板1100上に下地絶縁膜1101a、1101bを形成する。基板の材料としては、ガラス基板、石英基板、結晶性ガラスなどの絶縁性基板や、セラミック基板、ステンレス基板、金属基板(タンタル、タングステン、モリブデン等)、半導体基板、プラスチック基板(ポリイミド、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン等)等を用いることができるが、少なくともプロセス中に発生する熱に耐えうる材料を使用する。本実施例においてはガラス基板を使用する。   First, base insulating films 1101 a and 1101 b are formed over the substrate 1100. Substrate materials include glass substrates, quartz substrates, crystalline glass and other insulating substrates, ceramic substrates, stainless steel substrates, metal substrates (tantalum, tungsten, molybdenum, etc.), semiconductor substrates, plastic substrates (polyimide, acrylic, polyethylene) Terephthalate, polycarbonate, polyarylate, polyethersulfone, etc.) can be used, but at least a material that can withstand the heat generated during the process is used. In this embodiment, a glass substrate is used.

下地絶縁膜1101a、1101bとしては酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜などが使用でき、これら絶縁膜を単層又は2以上の複数層で形成する。これらはスパッタ法や減圧CVD法、プラズマCVD法等公知の方法を用いて形成する。本実施例では2層の積層構造としているが、もちろん単層でも3層以上の複数層でも構わない。本実施例においては1層目の絶縁膜1101aとして窒化酸化シリコン膜を50nm、2層目の絶縁膜1101bとして酸化窒化シリコン膜を100nmで形成した。なお、窒化酸化シリコン膜と酸化窒化シリコン膜はその窒素と酸素の割合が異なっていることを意味しており、前者の方がより窒素の含有量が高いことを示している。   As the base insulating films 1101a and 1101b, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or the like can be used. These insulating films are formed as a single layer or two or more layers. These are formed by using a known method such as a sputtering method, a low pressure CVD method, or a plasma CVD method. In this embodiment, a two-layer structure is used, but it is of course possible to use a single layer or a plurality of layers of three or more layers. In this embodiment, a silicon nitride oxide film is formed with a thickness of 50 nm as the first insulating film 1101a, and a silicon oxynitride film is formed with a thickness of 100 nm as the second insulating film 1101b. Note that the silicon nitride oxide film and the silicon oxynitride film have different ratios of nitrogen and oxygen, and the former indicates that the nitrogen content is higher.

次いで、非晶質半導体膜を形成する。非晶質半導体膜はシリコンまたはシリコンを主成分とする材料(例えばSixGe1-x等)で25〜80nmの厚さに形成すればよい。作製方法としては、公知の方法、例えばスパッタ法、減圧CVD法、またはプラズマCVD法等が使用できる。本実施例では、アモルファスシリコンにより膜厚66nmに形成する。 Next, an amorphous semiconductor film is formed. The amorphous semiconductor film may be formed to a thickness of 25 to 80 nm using silicon or a material containing silicon as a main component (for example, Si x Ge 1 -x ). As a manufacturing method, a known method such as a sputtering method, a low pressure CVD method, or a plasma CVD method can be used. In this embodiment, the film is formed with amorphous silicon to a film thickness of 66 nm.

続いて、アモルファスシリコンの結晶化を行う。本実施例においては、レーザアニールし結晶化を行う工程を説明する。   Subsequently, crystallization of amorphous silicon is performed. In this embodiment, a process of crystallizing by laser annealing will be described.

レーザアニールは、本発明のレーザ照射装置を用いる。レーザ発振装置としては、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザ等を用いればよい。 Laser annealing uses the laser irradiation apparatus of the present invention. As a laser oscillation device, an excimer laser, a YAG laser, a glass laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, an Ar laser, or the like may be used.

本発明のレーザ照射装置を用いてレーザアニールしアモルファスシリコンの結晶化を行う。より具体的には、実施例1及び実施例2に記載されている方法で行えばよい。例えば、エネルギー密度200mJ/cm2〜1000mJ/cm2で、ショット数10〜50shotsで行えばよい。 Amorphous silicon is crystallized by laser annealing using the laser irradiation apparatus of the present invention. More specifically, the method described in Example 1 and Example 2 may be performed. For example, the energy density may be 200 mJ / cm 2 to 1000 mJ / cm 2 and the number of shots may be 10 to 50 shots.

次いで、結晶性半導体膜をエッチングにより所望の形状1102a〜1102dとする。続いて、ゲート絶縁膜1103を形成する。膜厚は115nm程度とし、減圧CVD法またはプラズマCVD法、スパッタ法などでシリコンを含む絶縁膜を形成すれば良い。本実施例では酸化シリコン膜を形成する。この場合、プラズマCVD法でTEOS(Tetraethyl Ortho Silicate)とO2とを混合し、反応圧力40Pa、基板温度300〜400℃の条件下で、高周波(13.56MHz)電力密度0.5〜0.8W/cm2で放電させることで形成する。このようにして作製される酸化シリコン膜は、その後400〜500℃の加熱処理によりゲート絶縁膜として良好な特性を得ることができる。 Next, the crystalline semiconductor film is etched into desired shapes 1102a to 1102d. Subsequently, a gate insulating film 1103 is formed. The thickness may be approximately 115 nm, and an insulating film containing silicon may be formed by a low pressure CVD method, a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. In this embodiment, a silicon oxide film is formed. In this case, TEOS (Tetraethyl Ortho Silicate) and O 2 are mixed by a plasma CVD method, and a high frequency (13.56 MHz) power density of 0.5 to 0.00 is obtained under a reaction pressure of 40 Pa and a substrate temperature of 300 to 400 ° C. It is formed by discharging at 8 W / cm 2 . The silicon oxide film thus manufactured can obtain favorable characteristics as a gate insulating film by subsequent heat treatment at 400 to 500 ° C.

本発明のレーザ照射装置を用いて半導体膜を結晶化することにより、ビームスポットのエネルギー分布の不均一性に起因する結晶性の不均一性を抑制することができ、良好で均一な特性を持つ結晶質半導体を得ることができる。   By crystallizing the semiconductor film using the laser irradiation apparatus of the present invention, it is possible to suppress the crystallinity non-uniformity due to the non-uniformity of the energy distribution of the beam spot, and to have good and uniform characteristics. A crystalline semiconductor can be obtained.

次いで、ゲート絶縁膜上に第1の導電層として膜厚30nmの窒化タンタル(TaN)とその上に第2の導電層として膜厚370nmのタングステン(W)を形成する。TaN膜、W膜共スパッタ法で形成すればよく、TaN膜はTaのターゲットを用いて窒素雰囲気中で、W膜はWのターゲットを用いて成膜すれば良い。ゲート電極として使用するには抵抗が低いことが要求され、特にW膜の抵抗率は20μΩcm以下であることが望ましいため、Wのターゲットは高純度(99.99%)のターゲットを用いることが望ましく、成膜時の不純物混入にも注意をはらわなければならない。こうして形成されたW膜の抵抗率は9〜20μΩcmとすることが可能である。   Next, tantalum nitride (TaN) with a thickness of 30 nm is formed as a first conductive layer over the gate insulating film, and tungsten (W) with a thickness of 370 nm is formed as a second conductive layer thereon. The TaN film and the W film may be formed by co-sputtering, the TaN film may be formed in a nitrogen atmosphere using a Ta target, and the W film may be formed using a W target. In order to use it as a gate electrode, it is required that the resistance is low. In particular, since the resistivity of the W film is desirably 20 μΩcm or less, it is desirable to use a high purity (99.99%) target for the W target. Also, attention must be paid to the contamination of impurities during film formation. The resistivity of the W film thus formed can be 9 to 20 μΩcm.

なお、本実例では第1の導電層を膜厚30nmのTaN、第2の導電層を膜厚370nmのWとしたが、これに限定されず、第1の導電層と第2の導電層は共にTa、W、Ti、Mo、Al、Cu、Cr、Ndから選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成してもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶珪素膜に代表される半導体膜を用いてもよい。また、AgPdCu合金を用いてもよい。さらに、その組み合わせも適宜選択すればよい。膜厚は第1の導電層が20〜100nm、第2の導電層が100〜400nmの範囲で形成すれば良い。また、本実施例では、2層の積層構造としたが、1層としてもよいし、もしくは3層以上の積層構造としてもよい。   In this example, the first conductive layer is TaN having a thickness of 30 nm and the second conductive layer is W having a thickness of 370 nm. However, the present invention is not limited to this, and the first conductive layer and the second conductive layer are Both may be formed of an element selected from Ta, W, Ti, Mo, Al, Cu, Cr, and Nd, or an alloy material or a compound material containing the element as a main component. Alternatively, a semiconductor film typified by a polycrystalline silicon film doped with an impurity element such as phosphorus may be used. Further, an AgPdCu alloy may be used. Furthermore, the combination may be selected as appropriate. The film thickness may be in the range of 20 to 100 nm for the first conductive layer and 100 to 400 nm for the second conductive layer. In this embodiment, a two-layer structure is used, but a single layer may be used, or a three-layer or more structure may be used.

次に、前記導電層をエッチングして電極及び配線を形成するため、フォトリソグラフィーにより露光工程を経てレジストからなるマスクを形成する。第1のエッチング処理では第1のエッチング条件と第2のエッチング条件でエッチングを行う。レジストによるマスクを用い、エッチングし、ゲート電極及び配線を形成する。エッチング条件は適宜選択すれば良い。   Next, in order to form the electrode and the wiring by etching the conductive layer, a mask made of a resist is formed through an exposure process by photolithography. In the first etching process, etching is performed under the first etching condition and the second etching condition. Etching is performed using a resist mask to form gate electrodes and wirings. Etching conditions may be selected as appropriate.

本法では、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)エッチング法を使用した。第1のエッチング条件として、エッチング用ガスにCF4、Cl2とO2を用い、それぞれのガス流量を25/25/10(sccm)とし、1.0Paの圧力でコイル型電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行う。基板側(試料ステージ)にも150WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。この第1のエッチング条件によりW膜をエッチングして第1の導電層の端部をテーパー形状とする。第1のエッチング条件でのW膜に対するエッチング速度は200nm/min、TaNに対するエッチング速度は80nm/min、でありTaNに対するWの選択比は約2.5である。また、この第1のエッチング条件によって、W膜のテーパー角度は約26°となる。 In this method, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method was used. As the first etching condition, CF 4 , Cl 2 and O 2 are used as etching gases, the respective gas flow rates are set to 25/25/10 (sccm), and 500 W RF is applied to the coil-type electrode at a pressure of 1.0 Pa. (13.56 MHz) Electric power is applied to generate plasma and perform etching. 150 W RF (13.56 MHz) power is also applied to the substrate side (sample stage), and a substantially negative self-bias voltage is applied. The W film is etched under the first etching condition so that the end portion of the first conductive layer is tapered. Under the first etching conditions, the etching rate for the W film is 200 nm / min, the etching rate for TaN is 80 nm / min, and the selection ratio of W to TaN is about 2.5. Further, the taper angle of the W film is about 26 ° under this first etching condition.

続いて、第2のエッチング条件に移ってエッチングを行う。レジストからなるマスクを除去せず、のこしたまま、エッチング用ガスにCF4とCl2を用い、それぞれのガス流量を30/30(sccm)、圧力1.0Paでコイル型の電極に500WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを生成して約15秒程度のエッチングを行う。基板側(試料ステージ)にも20WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。CF4とCl2を混合した第2のエッチング条件ではW膜及びTaN膜とも同程度にエッチングされる。 Subsequently, the etching is performed under the second etching condition. Without removing the resist mask, CF 4 and Cl 2 are used as etching gases while leaving the mask, and each gas flow rate is 30/30 (sccm), the pressure is 1.0 Pa, and the coil type electrode is 500 W. RF (13.56 MHz) power is applied to generate plasma, and etching is performed for about 15 seconds. 20 W RF (13.56 MHz) power is also applied to the substrate side (sample stage), and a substantially negative self-bias voltage is applied. Under the second etching condition in which CF 4 and Cl 2 are mixed, the W film and the TaN film are etched to the same extent.

第2のエッチング条件でのWに対するエッチング速度は59nm/min、TaNに対するエッチング速度は66nm/minである。なお、ゲート絶縁膜上に残渣を残すことなくエッチングするためには、10〜20%程度の割合でエッチング時間を増加させると良い。この第1のエッチング処理において、電極に覆われていないゲート絶縁膜は20nm〜50nm程度エッチングされる。   The etching rate for W under the second etching condition is 59 nm / min, and the etching rate for TaN is 66 nm / min. Note that in order to perform etching without leaving a residue on the gate insulating film, it is preferable to increase the etching time at a rate of about 10 to 20%. In this first etching process, the gate insulating film not covered with the electrode is etched by about 20 nm to 50 nm.

上記の第1のエッチング処理においては、基板側に印加されたバイアス電圧の効果により第1の導電層及び第2の導電層の端部はテーパー状となる。   In the first etching process, the end portions of the first conductive layer and the second conductive layer are tapered due to the effect of the bias voltage applied to the substrate side.

次いで、レジストからなるマスクを除去せずに第2のエッチング処理を行う。第2のエッチング処理では、エッチング用のガスにSF6とCl2とO2を用い、それぞれのガス流量を24/12/24(sccm)とし、1.3Paの圧力でコイル側の電力に700WのRF(13.56MHz)電力を投入してプラズマを発生して25秒程度エッチングを行う。基板側(試料ステージ)にも10WのRF(13.56MHz)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加した。このエッチング条件ではW膜が選択的にエッチングされ、第2形状の導電層を形成した。このとき第1の導電層はほとんどエッチングされない。第1、第2のエッチング処理によって第1の導電層1104a〜1104d、第2の導電層1105a〜1105dよりなるゲート電極が形成される。 Next, a second etching process is performed without removing the resist mask. In the second etching process, SF 6 , Cl 2, and O 2 are used as etching gases, the respective gas flow rates are set to 24/12/24 (sccm), and the power on the coil side is 700 W at a pressure of 1.3 Pa. The RF (13.56 MHz) power is applied to generate plasma, and etching is performed for about 25 seconds. 10 W RF (13.56 MHz) power was also applied to the substrate side (sample stage), and a substantially negative self-bias voltage was applied. Under this etching condition, the W film was selectively etched to form a second shape conductive layer. At this time, the first conductive layer is hardly etched. A gate electrode including the first conductive layers 1104a to 1104d and the second conductive layers 1105a to 1105d is formed by the first and second etching processes.

そして、レジストからなるマスクを除去せず、第1のドーピング処理を行う。これにより、結晶性半導体層にN型を付与する不純物が低濃度に添加される。第1のドーピング処理はイオンドープ法又はイオン注入法で行えば良い。イオンドープ法の条件はドーズ量が1×1013〜5×1014ions/cm2、加速電圧が40〜80kVで行えばよい。本実施例では加速電圧を50kVとして行った。N型を付与する不純物元素としては15族に属する元素を用いることができ、代表的にはリン(P)または砒素(As)が用いられる。本実施例ではリン(P)を使用した。その際、第1の導電層をマスクとして、自己整合的に低濃度の不純物が添加されている第1の不純物領域(N--領域)を形成した。 Then, the first doping process is performed without removing the resist mask. Thereby, an impurity imparting N-type is added to the crystalline semiconductor layer at a low concentration. The first doping process may be performed by an ion doping method or an ion implantation method. The ion doping method may be performed at a dose of 1 × 10 13 to 5 × 10 14 ions / cm 2 and an acceleration voltage of 40 to 80 kV. In this embodiment, the acceleration voltage is 50 kV. As the impurity element imparting N-type, an element belonging to Group 15 can be used, and typically phosphorus (P) or arsenic (As) is used. In this example, phosphorus (P) was used. At that time, the first conductive layer as a mask, a first impurity region self-aligned manner low concentration impurity is added - to form a (N region).

続き、レジストからなるマスクを除去する。そして新たにレジストからなるマスクを形成して第1のドーピング処理よりも高い加速電圧で、第2のドーピング処理を行う。第2のドーピング処理もN型を付与する不純物を添加する。イオンドープ法の条件はドーズ量を1×1013〜3×1015ions/cm2、加速電圧を60〜120kVとすれば良い。本実施例ではドーズ量を3.0×1015ions/cm2とし、加速電圧を65kVとして行った。第2のドーピング処理は第2の導電層を不純物元素に対するマスクとして用い、第1の導電層の下方に位置する半導体層にも不純物元素が添加されるようにドーピングを行う。 Subsequently, the resist mask is removed. Then, a new mask made of resist is formed, and the second doping process is performed at a higher acceleration voltage than the first doping process. In the second doping process, an impurity imparting N-type is added. The conditions for the ion doping method may be that the dose is 1 × 10 13 to 3 × 10 15 ions / cm 2 and the acceleration voltage is 60 to 120 kV. In this embodiment, the dose is set to 3.0 × 10 15 ions / cm 2 and the acceleration voltage is set to 65 kV. In the second doping treatment, the second conductive layer is used as a mask for the impurity element, and doping is performed so that the impurity element is also added to the semiconductor layer located below the first conductive layer.

第2のドーピングを行うと、結晶性半導体層の第1の導電層と重なっている部分のうち、第2の導電層に重なっていない部分もしくはマスクに覆われていない部分に、第2の不純物領域(N-領域、Lov領域)が形成される。第2の不純物領域には1×1018〜5×1019atoms/cm3の濃度範囲でN型を付与する不純物が添加される。また、結晶性半導体膜のうち、第1形状の導電層にもマスクにも覆われておらず、露出している部分(第3の不純物領域:N+領域)には1×1019〜5×1021atom/cm3の範囲で高濃度にN型を付与する不純物が添加される。また、半導体層にはN+領域が存在するが、一部マスクのみに覆われている部分がある。この部分のN型を付与する不純物の濃度は、第1のドーピング処理で添加された不純物濃度のままであるので、引き続き第1の不純物領域(N--領域)と呼ぶことにする。 When the second doping is performed, a portion of the crystalline semiconductor layer that overlaps with the first conductive layer does not overlap with the second conductive layer or a portion that is not covered with the mask. Regions (N region, Lov region) are formed. An impurity imparting N-type is added to the second impurity region in a concentration range of 1 × 10 18 to 5 × 10 19 atoms / cm 3 . Further, in the crystalline semiconductor film, the exposed portion (third impurity region: N + region) which is not covered with the first shape conductive layer or the mask and is exposed to 1 × 10 19 to 5 Impurities imparting N-type are added at a high concentration in the range of × 10 21 atoms / cm 3 . In addition, the semiconductor layer has an N + region, but there is a portion that is partially covered only by the mask. The concentration of impurity imparting N-type in this portion, since the remains of the impurity concentration added in the first doping process, subsequently the first impurity regions - is referred to as (N region).

なお、本実施例では2回のドーピング処理により各不純物領域を形成したが、これに限定されることは無く、適宜条件を設定して、一回もしくは複数回のドーピングによって所望の不純物濃度を有する不純物領域を形成すれば良い。   In this embodiment, each impurity region is formed by two doping processes, but the present invention is not limited to this, and a desired impurity concentration is obtained by performing doping once or a plurality of times by appropriately setting conditions. An impurity region may be formed.

次いで、レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスクを形成し、第3のドーピング処理を行う。第3のドーピング処理により、Pチャネル型TFTとなる半導体層に前記第1の導電型及び前記第2の導電型とは逆の導電型を付与する不純物元素が添加された第4の不純物領域(P+領域)及び第5の不純物領域(P-領域)が形成される。 Next, after removing the resist mask, a new resist mask is formed, and a third doping process is performed. A fourth impurity region (impurity element imparting a conductivity type opposite to the first conductivity type and the second conductivity type is added to the semiconductor layer to be a P-channel TFT by the third doping treatment ( P + region) and a fifth impurity region (P region) are formed.

第3のドーピング処理では、レジストからなるマスクに覆われておらず、更に第1の導電層とも重なっていない部分に、第4の不純物領域(P+領域)が形成され、レジストからなるマスクに覆われておらず、且つ第1の導電層と重なっており、第2の導電層と重なっていない部分に第5の不純物領域(P-領域)が形成される。P型を付与する不純物元素としては、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)など周期律表第13族の元素が知られている。 In the third doping process, a fourth impurity region (P + region) is formed in a portion that is not covered with the resist mask and does not overlap with the first conductive layer. A fifth impurity region (P region) is formed in a portion that is not covered and overlaps with the first conductive layer and does not overlap with the second conductive layer. As the impurity element imparting P-type, elements of Group 13 of the periodic table such as boron (B), aluminum (Al), and gallium (Ga) are known.

本実施例では、第4の不純物領域及び第5の不純物領域を形成するP型の不純物元素としてはホウ素(B)を選択し、ジボラン(B26)を用いたイオンドープ法で形成した。イオンドープ法の条件としては、ドーズ量を1×1016ions/cm2とし、加速電圧を80kVとした。 In this embodiment, boron (B) is selected as the P-type impurity element for forming the fourth impurity region and the fifth impurity region, and is formed by ion doping using diborane (B 2 H 6 ). . As conditions for the ion doping method, the dose was 1 × 10 16 ions / cm 2 and the acceleration voltage was 80 kV.

なお、第3のドーピング処理の際には、Nチャネル型TFTを形成する半導体層A,Cはレジストからなるマスクに覆われている。   In the third doping process, the semiconductor layers A and C forming the N-channel TFT are covered with a resist mask.

ここで、第1及び第2のドーピング処理によって、第4の不純物領域(P+領域)及び第5の不純物領域(P-領域)にはそれぞれ異なる濃度でリンが添加されている。しかし、第4の不純物領域(P+領域)及び第5の不純物領域(P-領域)のいずれの領域においても、第3のドーピング処理によって、P型を付与する不純物元素の濃度が1×1019〜5×1021atoms/cm3となるようにドーピング処理される。そのため、第4の不純物領域(P+領域)及び第5の不純物領域(P-領域)は、Pチャネル型TFTのソース領域及びドレイン領域として問題無く機能する。 Here, phosphorus is added to the fourth impurity region (P + region) and the fifth impurity region (P region) at different concentrations by the first and second doping processes. However, in any of the fourth impurity region (P + region) and the fifth impurity region (P region), the concentration of the impurity element imparting P-type is 1 × 10 5 by the third doping treatment. Doping treatment is performed so as to be 19 to 5 × 10 21 atoms / cm 3 . Therefore, the fourth impurity region (P + region) and the fifth impurity region (P region) function without problems as the source region and the drain region of the P-channel TFT.

なお、本実施例では、第3のドーピング一回で、第4の不純物領域(P+領域)及び第5の不純物領域(P-領域)を形成したが、これに限定はされない。ドーピング処理の条件によって適宜複数回のドーピング処理により第4の不純物領域(P+領域)及び第5の不純物領域(P-領域)を形成してもよい。 In this embodiment, the fourth impurity region (P + region) and the fifth impurity region (P region) are formed by one third doping, but the present invention is not limited to this. The fourth impurity region (P + region) and the fifth impurity region (P region) may be formed by a plurality of doping processes as appropriate depending on the conditions of the doping process.

これらのドーピング処理によって、第1の不純物領域(N--領域)1112b、第2の不純物領域(N-領域、Lov領域)1111b、第3の不純物領域(N+領域)1111a、1112a、第4の不純物領域(P+領域)1113a、1114a、及び第5の不純物領域(P-領域)1113b、1114bが形成される。 By these doping treatments, the first impurity region (N region) 1112b, the second impurity region (N region, Lov region) 1111b, the third impurity region (N + region) 1111a, 1112a, the fourth Impurity regions (P + regions) 1113a and 1114a and fifth impurity regions (P regions) 1113b and 1114b are formed.

次いで、レジストからなるマスクを除去して第1のパッシベーション膜1120を形成する。この第1のパッシベーション膜としてはシリコンを含む絶縁膜を100〜200nmの厚さに形成する。成膜法としてはプラズマCVD法や、スパッタ法を用いればよい。本実施例では、プラズマCVD法により膜厚100nmの酸化窒化珪素膜を形成した。酸化窒化シリコン膜を用いる場合には、プラズマCVD法でSiH4、N2O、NH3から作製される酸化窒化シリコン膜、またはSiH4、N2Oから作製される酸化窒化シリコン膜を形成すれば良い。この場合の作製条件は反応圧力20〜200Pa、基板温度300〜400℃とし、高周波(60MHz)電力密度0.1〜1.0W/cm2である。また、第1のパッシベーション膜としてSiH4、N2O、H2から作製される酸化窒化水素化シリコン膜を適用しても良い。もちろん、第1のパッシベーション膜1120は、本実施例のような酸化窒化シリコン膜の単層構造に限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層構造、もしくは積層構造として用いても良い。 Next, the resist mask is removed to form a first passivation film 1120. As this first passivation film, an insulating film containing silicon is formed to a thickness of 100 to 200 nm. As a film forming method, a plasma CVD method or a sputtering method may be used. In this embodiment, a silicon oxynitride film having a thickness of 100 nm is formed by plasma CVD. In the case of using a silicon oxynitride film, SiH 4, N 2 O, a silicon oxynitride film formed from NH 3, or by SiH 4, N form a silicon oxynitride film formed from the 2 O by plasma CVD It ’s fine. The production conditions in this case are a reaction pressure of 20 to 200 Pa, a substrate temperature of 300 to 400 ° C., and a high frequency (60 MHz) power density of 0.1 to 1.0 W / cm 2 . Alternatively, a silicon oxynitride silicon film formed from SiH 4 , N 2 O, and H 2 may be used as the first passivation film. Needless to say, the first passivation film 1120 is not limited to the single layer structure of the silicon oxynitride film as in this embodiment, and other insulating films containing silicon are used as a single layer structure or a stacked structure. Also good.

その後、本発明のレーザ照射装置を用いてレーザアニール法を行い、半導体層の結晶性の回復、半導体層に添加された不純物元素の活性化を行う。例えば、エネルギー密度100mJ/cm2〜1000mJ/cm2で、ショット数10〜50shotsで行えばよい。なお、レーザアニール法の他に、熱処理法、又はラピッドサーマルアニール法(RTA法)を適用することができる。 After that, laser annealing is performed using the laser irradiation apparatus of the present invention to recover the crystallinity of the semiconductor layer and activate the impurity element added to the semiconductor layer. For example, the energy density may be 100 mJ / cm 2 to 1000 mJ / cm 2 and the number of shots may be 10 to 50 shots. In addition to the laser annealing method, a heat treatment method or a rapid thermal annealing method (RTA method) can be applied.

また、第1のパッシベーション膜1120を形成した後で熱処理を行うことで、活性化処理と同時に半導体層の水素化も行うことができる。水素化は、第1のパッシベーション膜に含まれる水素によって、半導体層のダングリングボンドを終端するものである。   Further, by performing heat treatment after the first passivation film 1120 is formed, the semiconductor layer can be hydrogenated simultaneously with the activation treatment. In hydrogenation, dangling bonds in a semiconductor layer are terminated by hydrogen contained in the first passivation film.

また、第1のパッシベーション膜1120を形成する前に加熱処理を行ってもよい。但し、第1の導電層1104a〜1104d及び第2の導電層1105a〜1105dを構成する材料が熱に弱い場合には、本実施例のように配線などを保護するため、第1のパッシベーション膜1120を形成した後で熱処理を行うことが望ましい。さらに、この場合、第1のパッシベーション膜がないため、当然パッシベーション膜に含まれる水素を利用しての水素化は行うことができない。   In addition, heat treatment may be performed before the first passivation film 1120 is formed. However, when the materials forming the first conductive layers 1104a to 1104d and the second conductive layers 1105a to 1105d are weak against heat, the first passivation film 1120 is used to protect the wiring and the like as in this embodiment. It is desirable to perform heat treatment after forming the film. Further, in this case, since there is no first passivation film, naturally hydrogenation using hydrogen contained in the passivation film cannot be performed.

この場合は、プラズマにより励起された水素を用いる手段(プラズマ水素化)を用いての水素化や、3〜100%の水素を含む雰囲気中において、300〜450℃で1〜12時間の加熱処理による水素化を用いれば良い。   In this case, hydrogenation using means excited by plasma (plasma hydrogenation) or heat treatment at 300 to 450 ° C. for 1 to 12 hours in an atmosphere containing 3 to 100% hydrogen Hydrogenation by the method may be used.

次いで、第1のパッシベーション膜1120上に、第1の層間絶縁膜1121を形成する。第1の層間絶縁膜としては、無機絶縁膜や有機絶縁膜を用いることができる。無機絶縁膜としては、CVD法により形成された酸化シリコン膜や、SOG(Spin On Glass)法により塗布された酸化シリコン膜などを用いることができ、有機絶縁膜としてはポリイミド、ポリアミド、BCB(ベンゾシクロブテン)、アクリルまたはポジ型感光性有機樹脂、ネガ型感光性有機樹脂等の膜を用いることができる。また、アクリル膜と酸化窒化シリコン膜の積層構造を用いても良い。   Next, a first interlayer insulating film 1121 is formed over the first passivation film 1120. An inorganic insulating film or an organic insulating film can be used as the first interlayer insulating film. As the inorganic insulating film, a silicon oxide film formed by a CVD method, a silicon oxide film applied by an SOG (Spin On Glass) method, or the like can be used. As an organic insulating film, polyimide, polyamide, BCB (benzoic acid) is used. A film such as cyclobutene), acrylic or positive photosensitive organic resin, or negative photosensitive organic resin can be used. Alternatively, a stacked structure of an acrylic film and a silicon oxynitride film may be used.

また、層間絶縁膜は、シリコン(Si)と酸素(O)との結合で骨格構造が構成され、置換基に少なくとも水素を含む材料で形成することができる。さらには、置換基にフッ素、アルキル基、または芳香族炭化水素のうち少なくとも1種を有する材料で形成することができる。これらの材料の代表例としては、シロキサン系ポリマーが挙げられる。   The interlayer insulating film can be formed using a material having a skeleton structure of a bond of silicon (Si) and oxygen (O) and containing at least hydrogen as a substituent. Furthermore, it can be formed of a material having at least one of fluorine, alkyl group, and aromatic hydrocarbon as a substituent. Representative examples of these materials include siloxane polymers.

シロキサン系ポリマーは、その構造により、例えば、シリカガラス、アルキルシロキサンポリマー、アルキルシルセスキオキサンポリマー、水素化シルセスキオキサンポリマー、水素化アルキルシルセスキオキサンポリマーなどに分類することができる。   Siloxane polymers can be classified according to their structures into, for example, silica glass, alkylsiloxane polymers, alkylsilsesquioxane polymers, hydrogenated silsesquioxane polymers, hydrogenated alkylsilsesquioxane polymers, and the like.

また、Si−N結合を有するポリマー(ポリシラザン)を含む材料で層間絶縁膜を形成してもよい。 Alternatively, the interlayer insulating film may be formed using a material containing a polymer (polysilazane) having a Si—N bond.

上記の材料を用いることで、膜厚を薄くしても十分な絶縁性および平坦性を有する層間絶縁膜を得ることができる。また、上記の材料は耐熱性が高いため、多層配線におけるリフロー処理にも耐えうる層間絶縁膜を得ることができる。さらに、吸湿性が低いため、脱水量の少ない層間絶縁膜を形成することができる。   By using the above material, an interlayer insulating film having sufficient insulation and flatness can be obtained even when the film thickness is reduced. In addition, since the above material has high heat resistance, an interlayer insulating film that can withstand reflow processing in a multilayer wiring can be obtained. Further, since the hygroscopic property is low, an interlayer insulating film with a small amount of dehydration can be formed.

本実施例では、膜厚1.6μmの非感光性アクリル膜を形成した。第1の層間絶縁膜によって、基板上に形成されたTFTによる凹凸を緩和し、平坦化することができる。とくに、第1の層間絶縁膜は平坦化の意味合いが強いので、平坦化されやすい材質の絶縁膜を用いることが好ましい。   In this embodiment, a non-photosensitive acrylic film having a thickness of 1.6 μm is formed. With the first interlayer insulating film, unevenness due to the TFT formed on the substrate can be relaxed and planarized. In particular, since the first interlayer insulating film has a strong meaning of flattening, it is preferable to use an insulating film made of a material that is easily flattened.

その後、第1の層間絶縁膜上に窒化酸化シリコン膜等からなる第2のパッシベーション膜(図示せず)を形成する。膜厚は10〜200nm程度で形成すれば良く、第2のパッシベーション膜によって第1の層間絶縁膜へ水分が出入りすることを抑制することができる。第2のパッシベーション膜には、他にも窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜やカーボンナイトライド(CN)膜も同様に使用できる。   Thereafter, a second passivation film (not shown) made of a silicon nitride oxide film or the like is formed on the first interlayer insulating film. The film thickness may be about 10 to 200 nm, and the second passivation film can prevent moisture from entering and exiting the first interlayer insulating film. In addition, a silicon nitride film, an aluminum nitride film, an aluminum oxynitride film, a diamond-like carbon (DLC) film, and a carbon nitride (CN) film can be used as the second passivation film.

またRFスパッタ法を用いて成膜された膜は緻密性が高く、バリア性に優れている。RFスパッタの条件は、例えば酸化窒化珪素膜を成膜する場合、Siターゲットで、N2、Ar、N2Oをガスの流量比が31:5:4となるように流し、圧力0.4Pa、電力3000Wとして成膜する。また、例えば窒化珪素膜を成膜する場合、Siターゲットで、チャンバー内のN2、Arをガスの流量比が1:1となるように流し、圧力0.8Pa、電力3000W、成膜温度を215℃として成膜する。本実施例では、RFスパッタ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を70nmの膜厚で形成した。 A film formed using an RF sputtering method has high density and excellent barrier properties. For example, when a silicon oxynitride film is formed, RF sputtering is performed by flowing N 2 , Ar, and N 2 O at a gas flow ratio of 31: 5: 4 using a Si target and a pressure of 0.4 Pa. The film is formed with an electric power of 3000 W. Further, for example, when a silicon nitride film is formed, N 2 and Ar in the chamber are flowed so that the gas flow ratio is 1: 1 with a Si target, the pressure is 0.8 Pa, the power is 3000 W, and the film formation temperature is set. The film is formed at 215 ° C. In this embodiment, a silicon oxynitride film is formed with a thickness of 70 nm by RF sputtering.

次いで、エッチングにより第2のパッシベーション膜、第1の層間絶縁膜及び第1のパッシベーション膜をエッチングし、第3の不純物領域及び第4の不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。   Next, the second passivation film, the first interlayer insulating film, and the first passivation film are etched by etching to form contact holes that reach the third impurity region and the fourth impurity region.

続いて、各不純物領域とそれぞれ電気的に接続する配線及び電極1122〜1128を形成する。なお、これらの配線は、膜厚50nmのTi膜と膜厚500nmの合金膜(AlとTi)との積層膜をパターニングして形成する。もちろん、に2層構造に限らず、単層構造でも良いし、3層以上の積層構造にしても良い。また、配線材料としては、AlとTiに限らない。例えばTaN膜上にAl膜やCu膜を形成し、更にTi膜を形成した積層膜をパターニングして配線を形成しても良い。   Subsequently, wirings and electrodes 1122 to 1128 that are electrically connected to the respective impurity regions are formed. Note that these wirings are formed by patterning a laminated film of a Ti film having a thickness of 50 nm and an alloy film (Al and Ti) having a thickness of 500 nm. Of course, it is not limited to a two-layer structure, and may be a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers. Further, the wiring material is not limited to Al and Ti. For example, the wiring may be formed by forming an Al film or a Cu film on the TaN film and then patterning a laminated film formed with a Ti film.

このように本発明のレーザ照射装置を用いて作製された半導体装置は良好で均一な特性をしめすため、様々な電子機器や特に表示装置に好適に利用することができる。また、製品の信頼性も高くなる。   As described above, a semiconductor device manufactured using the laser irradiation apparatus of the present invention exhibits favorable and uniform characteristics, and thus can be suitably used for various electronic devices and particularly display devices. In addition, the reliability of the product is increased.

本発明の手段を説明する図。The figure explaining the means of this invention. 本発明の課題を説明する図。The figure explaining the subject of this invention. 本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。The figure which shows the example of the laser irradiation apparatus which this invention discloses. 本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。The figure which shows the example of the laser irradiation apparatus which this invention discloses. 本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。The figure which shows the example of the laser irradiation apparatus which this invention discloses. 光導波路によるエネルギー分布の均一化を説明する図。The figure explaining equalization of energy distribution by an optical waveguide. 従来技術を説明する図。The figure explaining a prior art. 本発明が開示する半導体装置の作製方法を示す図。4A and 4B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present invention. 本発明が開示する半導体装置の作製方法を示す図。4A and 4B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present invention.

Claims (34)

向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
An optical waveguide having two reflecting surfaces facing each other, allowing a laser beam to enter from one end face, and emitting the laser beam from the other end face;
The beam homogenizer is characterized in that the other end surface is formed into a curved surface shape.
向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを長方形状のレーザビームに成形し射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
An optical waveguide having two reflecting surfaces facing each other, allowing a laser beam to be incident from one end face, and shaping and emitting the laser beam into a rectangular laser beam from the other end face;
The beam homogenizer is characterized in that the other end surface is formed into a curved surface shape.
請求項1又は2において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。 3. The curved surface shape according to claim 1 or 2, wherein the curved surface shape is such that when the laser beam emitted from the optical waveguide is projected by a projection lens, the focal position of the center and the end of the laser beam are aligned with the irradiated surface. A beam homogenizer characterized by 請求項2において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記長方形状のレーザビームの長辺方向における中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。 3. The curved surface according to claim 2, wherein when the laser beam emitted from the optical waveguide is projected by a projection lens, the focal positions of the center and the end in the long side direction of the rectangular laser beam match the irradiated surface. A beam homogenizer characterized by a curved shape. 請求項2又は請求項4において、前記長方形状のレーザビームの短辺方向のエネルギー分布を均一化することを特徴とするビームホモジナイザ。 5. The beam homogenizer according to claim 2, wherein an energy distribution in a short side direction of the rectangular laser beam is made uniform. 請求項2乃至請求項5において、前記長方形状のアスペクト比は10以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。 6. The beam homogenizer according to claim 2, wherein the rectangular aspect ratio is 10 or more. 請求項2乃至請求項5において、前記長方形状のアスペクト比は100以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。 6. The beam homogenizer according to claim 2, wherein the rectangular aspect ratio is 100 or more. 向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
A light pipe having two reflecting surfaces facing each other, allowing a laser beam to be incident from one end face, and emitting the laser beam from the other end face;
The beam homogenizer is characterized in that the other end surface is formed into a curved surface shape.
向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを長方形状のレーザビームに成形し射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
A light pipe having two reflecting surfaces facing each other, allowing a laser beam to be incident from one end face, and shaping and emitting the laser beam into a rectangular laser beam from the other end face;
The beam homogenizer is characterized in that the other end surface is formed into a curved surface shape.
請求項8又は9において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。 10. The curved surface shape according to claim 8, wherein the curved surface shape is formed so that a focal position of a center and an end of the laser beam is aligned with an irradiated surface when the laser beam emitted from the light pipe is projected by a projection lens. A beam homogenizer characterized by 請求項9において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記長方形状のレーザビームの長辺方向における中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。 10. The curved surface according to claim 9, wherein when the laser beam emitted from the light pipe is projected by a projection lens, the focal positions of the center and the end in the long side direction of the rectangular laser beam match the irradiated surface. A beam homogenizer characterized by a curved shape. 請求項9又は請求項11において、前記長方形状のレーザビームの短辺方向のエネルギー分布を均一化することを特徴とするビームホモジナイザ。 12. The beam homogenizer according to claim 9 or 11, wherein an energy distribution in a short side direction of the rectangular laser beam is uniformized. 請求項9乃至請求項12において、前記長方形状のアスペクト比は10以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。 The beam homogenizer according to any one of claims 9 to 12, wherein the rectangular aspect ratio is 10 or more. 請求項9乃至請求項12において、前記長方形状のアスペクト比は100以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。 The beam homogenizer according to any one of claims 9 to 12, wherein the rectangular aspect ratio is 100 or more. レーザ発振器と、
ビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
A laser oscillator;
A beam homogenizer,
One or a plurality of cylindrical lenses for condensing the laser beam emitted from the beam homogenizer on the irradiated surface;
The beam homogenizer has two reflection surfaces facing each other, and includes an optical waveguide that allows a laser beam to be incident from one end face and to emit the laser beam from the other end face,
2. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the other end surface is formed into a curved surface shape.
レーザ発振器と、
レーザ発振器から射出されたレーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段と、
前記レーザビームの前記一方向と直交する方向におけるエネルギー分布を均一化するビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを前記一方向と直交する方向に集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
A laser oscillator;
Means for uniformizing the energy distribution in one direction of the laser beam emitted from the laser oscillator;
A beam homogenizer for homogenizing energy distribution in a direction orthogonal to the one direction of the laser beam;
One or a plurality of cylindrical lenses for condensing the laser beam emitted from the beam homogenizer in a direction orthogonal to the one direction on the irradiated surface;
The beam homogenizer has two reflection surfaces facing each other, and includes an optical waveguide that allows a laser beam to be incident from one end face and to emit the laser beam from the other end face,
2. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the other end surface is formed into a curved surface shape.
請求項16において、前記レーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段は、少なくともシリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするレーザ照射装置。 17. The laser irradiation apparatus according to claim 16, wherein the means for uniformizing the energy distribution in one direction of the laser beam includes at least a cylindrical lens array. 請求項15乃至請求項17のいずれか一項において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするレーザ照射装置。 18. The curved surface shape according to claim 15, wherein when the laser beam emitted from the optical waveguide is projected onto a surface to be irradiated by a projection lens, the focal positions of the center and end of the laser beam are as follows. A laser irradiation apparatus characterized by having a curved surface shape that fits the irradiated surface. レーザ発振器と、
ビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
A laser oscillator;
A beam homogenizer,
One or a plurality of cylindrical lenses for condensing the laser beam emitted from the beam homogenizer on the irradiated surface;
The beam homogenizer includes two light-reflecting surfaces facing each other, and includes a light pipe that allows a laser beam to enter from one end face and emits the laser beam from the other end face,
2. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the other end surface is formed into a curved surface shape.
レーザ発振器と、
レーザ発振器から射出されたレーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段と、
前記レーザビームの前記一方向と直交する方向におけるエネルギー分布を均一化するビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを前記一方向と直交する方向に集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
A laser oscillator;
Means for uniformizing the energy distribution in one direction of the laser beam emitted from the laser oscillator;
A beam homogenizer for homogenizing energy distribution in a direction orthogonal to the one direction of the laser beam;
One or a plurality of cylindrical lenses for condensing the laser beam emitted from the beam homogenizer in a direction orthogonal to the one direction on the irradiated surface;
The beam homogenizer includes two light-reflecting surfaces facing each other, and includes a light pipe that allows a laser beam to enter from one end face and emits the laser beam from the other end face,
2. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the other end surface is formed into a curved surface shape.
請求項20において、前記レーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段は、少なくともシリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするレーザ照射装置。 21. The laser irradiation apparatus according to claim 20, wherein the means for uniformizing the energy distribution in one direction of the laser beam includes at least a cylindrical lens array. 請求項19乃至請求項21のいずれか一項において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするレーザ照射装置。 The curved surface shape according to any one of claims 19 to 21, wherein the curved surface has a focal position at a center and an end of the laser beam when the laser beam emitted from the light pipe is projected onto an irradiated surface by a projection lens. A laser irradiation apparatus characterized by having a curved surface shape that fits the irradiated surface. 請求項15乃至請求項22のいずれか一項において、前記レーザビームは長方形状であることを特徴とするレーザ照射装置。 23. The laser irradiation apparatus according to claim 15, wherein the laser beam has a rectangular shape. 請求項23において、前記ビームホモジナイザは、前記レーザビームの短辺方向のエネルギー分布を均一化することを特徴とするレーザ照射装置。 24. The laser irradiation apparatus according to claim 23, wherein the beam homogenizer uniformizes an energy distribution in a short side direction of the laser beam. 請求項23又は請求項24において、前記長方形状のアスペクト比は10以上であることを特徴とするレーザ照射装置。 25. The laser irradiation apparatus according to claim 23 or 24, wherein the rectangular aspect ratio is 10 or more. 請求項23又は請求項24において、前記長方形状のアスペクト比は100以上であることを特徴とするレーザ照射装置。 25. The laser irradiation apparatus according to claim 23 or 24, wherein the rectangular aspect ratio is 100 or more. 請求項15乃至請求項24のいずれか一項において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴とするレーザ照射装置。 25. The laser irradiation apparatus according to claim 15, wherein the laser oscillator is any one of an excimer laser, a YAG laser, a glass laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser. . 基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非晶質半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及びビームホモジナイザを用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非晶質半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、
前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、前記ビームホモジナイザは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、
向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は曲面形状に成形されている前記ビームホモジナイザによってエネルギー分布が均一されたレーザビームを用いて、前記非晶質半導体膜をレーザアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an amorphous semiconductor film on the substrate;
A laser beam oscillated by a laser oscillator is shaped into a rectangular beam spot on the irradiated surface using a cylindrical lens array and a beam homogenizer with the amorphous semiconductor film as the irradiated surface, and the position of the beam spot Annealing the amorphous semiconductor film while moving
The cylindrical lens array acts in the long side direction of the rectangular beam spot, the beam homogenizer acts in the short side direction of the rectangular beam spot,
The beam homogenizer having two reflecting surfaces facing each other, including an optical waveguide that allows a laser beam to enter from one end surface and to emit the laser beam from the other end surface, and the other end surface is formed into a curved shape A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the amorphous semiconductor film is laser-annealed using a laser beam whose energy distribution is uniformed by the step.
請求項28において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 29. The curved surface according to claim 28, wherein when the laser beam emitted from the optical waveguide is projected onto the irradiated surface by a projection lens, the focal positions of the center and the end of the laser beam are aligned with the irradiated surface. A method for manufacturing a semiconductor device, which has a curved shape. 基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非晶質半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及びビームホモジナイザを用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非晶質半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、
前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、前記ビームホモジナイザは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、
向い合う2つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、前記他方の端面は曲面形状に成形されている前記ビームホモジナイザによってエネルギー分布が均一されたレーザビームを用いて、前記非晶質半導体膜をレーザアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an amorphous semiconductor film on the substrate;
A laser beam oscillated by a laser oscillator is shaped into a rectangular beam spot on the irradiated surface using a cylindrical lens array and a beam homogenizer with the amorphous semiconductor film as the irradiated surface, and the position of the beam spot Annealing the amorphous semiconductor film while moving
The cylindrical lens array acts in the long side direction of the rectangular beam spot, the beam homogenizer acts in the short side direction of the rectangular beam spot,
The beam homogenizer having two reflecting surfaces facing each other, including a light pipe that allows a laser beam to enter from one end surface and to emit the laser beam from the other end surface, and the other end surface is formed into a curved shape A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the amorphous semiconductor film is laser-annealed using a laser beam whose energy distribution is uniformed by the step.
請求項30において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 32. The curved surface shape according to claim 30, wherein when the laser beam emitted from the light pipe is projected onto the irradiated surface by a projection lens, the focal positions of the center and the end of the laser beam are aligned with the irradiated surface. A method for manufacturing a semiconductor device, which has a curved shape. 請求項28乃至31のいずれか一項において、前記レーザビームの発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴とする半導体装置の作製方法。 32. The semiconductor device according to claim 28, wherein the laser beam oscillator is any one of an excimer laser, a YAG laser, a glass laser, a YVO 4 laser, a YLF laser, and an Ar laser. Manufacturing method. 請求項28乃至請求項32のいずれか一項において、前記長方形状のアスペクト比は10以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 33. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the rectangular aspect ratio is 10 or more. 請求項28乃至請求項32のいずれか一項において、前記長方形状のアスペクト比は100以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。

33. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein the rectangular aspect ratio is 100 or more.

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