JP2005064078A - Method and device for crystallizing semiconductor thin film - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device for crystallizing semiconductor thin film for which problems of the conventional technology has been solved. <P>SOLUTION: Incident laser light is modulated into a laser light, having a light intensity distribution having extremely low light intensity lines extended in one direction by means of a first phase shifter 126a and at the same time, into another laser light having a light intensity distribution containing extremely small light intensity lines extended in a direction intersecting the direction mentioned by means of a second phase shifter 127a, arranged at a position which is different from the position of the first phase shifter 126a in the same optical path. Then the crystal grains, corresponding to the minimum light intensity points, are grown in the lateral direction from crystallization starting points, by having a laser light emitted having a light intensity distribution containing minimum light intensity points composed of the intersections of the two kinds of extremely small light intensity lines, and irradiating a thin non-single-crystal semiconductor film with the emitted laser light, from one surface side. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,半導体薄膜の結晶化方法並びに半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
尚、一般的には単結晶でも原子列の乱れ(転位など)が存在しており、“単結晶”と“単結晶に近い結晶”とは、区別が困難なので、本明細書では、“単結晶に近い結晶”も、“単結晶”として説明されている。
【0003】
【従来の技術】
絶縁材料基板,または絶縁膜上に単結晶シリコンを形成するSOI(Silicon On Insulator)技術は,LSI (Ultra large−Scale Integrated circuit)の高集積化,低消費電力や高速化を実現する技術として知られている。この技術のプロセスは,▲1▼単結晶半導体ウエハ、例えば、シリコンウエハの表面下部領域に絶縁膜を形成する方法と,▲2▼絶縁材料基板もしくは絶縁膜の上に形成した非晶質または多結晶半導体薄膜、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン薄膜を結晶化または再結晶化する方法とに分類される。いずれの方法においても,シリコンの結晶性を高めることは極めて重要であり,トランジスタを形成する領域が単結晶であること,さらに,結晶面方位が揃っていて,特に表面が(001)面,電流の流れる方向の結晶方位が(100)面であることが望ましい。このため,単結晶シリコンウエハを用いるSIMOXや貼り合わせ基板のような▲1▼の方法が実用化されている。
【0004】
一方,▲2▼の方法は,今日のシリコンULSI技術では採用されていないが,基板材料に制限なくシリコンなどの高品質の半導体薄膜を形成できれば,さまざまな電子素子や電子装置の応用が可能である。このために、この▲2▼の方法の改良が強く望まれている。
【0005】
1980年代に,面方位の揃った単結晶シリコン薄膜を形成することを目的とした多くの研究が行われた。その中で高周波誘導加熱を用いたゾーンメルティング法は、重要な技術であり,表面の結晶方位が(001)面を有する単結晶シリコン矩形領域を形成することができる技術として知られている。この方法を図1を参照して以下に説明する。なお,詳細は,”深見彰,小林裕,電子通信学会論文誌1986/9vol.J69−C No.9 p.1089−1095.”(非特許文献1)に記載されている。
【0006】
まず、図に示すように石英基板11上に常圧化学気相成長法を用いて多結晶Si薄膜を堆積し,この薄膜を,ネック部14aにより互い連結された2つの矩形領域14となるようにパターニングする。次に、細長い高周波誘導加熱ヒータ17を石英基板11の下側に位置させて、帯状に1412℃以上に加熱し、加熱ヒータ17に対応した個所の多結晶シリコンを溶融させて、帯状のシリコン溶融領域13を形成する。次に、この加熱ヒータ17を矢印15で示す方向に線形に移動させることにより、単結晶シリコンを順次溶融させて矩形領域14全体を溶融させて単結晶化させる。図1は、加熱ヒータ13が、移動の途中にある状態を示し、矩形領域14のうち、符号12で示す部分は、既に単結晶化され、空白の部分は、結晶化されていない。ここで,ネック部14aの寸法(図の長さLと幅W)を変化させると,局部的に熱流が変化し,熱流に依存して結晶方位が変化する。LとWを最適化すると(001)面の方位を有する結晶化矩形領域12を形成することができる。
ところで,ガラスやプラスチック基板上に結晶化シリコン薄膜を形成する技術は,液晶ディスプレイなどの駆動素子に用いられている薄膜トランジスタの高性能化技術に応用されている。例えば,薄膜トランジスタの半導体層を非晶質構造から多結晶構造に変化させると、トランジスタの移動度が100倍以上になる。但し,この場合には,結晶化には基板における熱損傷に注意しなければならない(例えば、一般のガラス基板では600℃以下,プラスチックでは150℃以下にしなければならない)。上記高周波誘導加熱を用いたゾーンメルティング法は、基板(石英基板)を高温にしてしまうため、上記材料で基板が形成されている液晶ディスプレイの分野には適用できない。
【0007】
このために,基板に熱損傷を与えずに非晶質シリコン薄膜を結晶化する方法として,エキシマレーザ結晶化法が開発された。この技術は,図2に示すように、エキシマレーザ光21をホモジナイズ光学系22により光照射断面の強度を均一にし,細長い矩形の開口を有する金属マスク23を通して矩形状に整形(例えば断面形状は,150mm×200μm)して射出させている。この射出されたレーザ光で、ガラス基板26上に堆積した非晶質シリコン薄膜24の表面を矢印27で示す方向に線形的に相対的に走査して、短軸方向に10μm間隔でレーザ照射している。このレーザ光を吸収したシリコン薄膜は溶融シリコン25を経た後,多結晶シリコン28に変換される。この技術では,一般のガラスやプラスチック基板を用いたとしても基板に熱損傷は生じない。なぜなら,エキシマレーザは20ns程度のパルスレーザであり,結晶化は50ないし100ns程度で完了するからである。結晶粒径は、レーザエネルギ密度に依存しており,粒径0.1ないし1μm程度の多結晶薄膜を形成することができる。面方位に関しては,1回のレーザ照射で形成された結晶粒は配向しないが,数百回程度の多数回繰り返しレーザ照射を行うことにより,表面方位が(001)面や(111)面に配向する報告がある。前者は、例えば,D. P. Gosain, A. Machida, T. Fujino, Y. Hitsuda, K. Nakano and J. Sato, “Formation of (100)−Textured Si Film Using an Excimer Laser on a Glass Substrate”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) p.L135−L.137.,(非特許文献2)に記載されている。また、後者は、例えば、H.Kuriyama, et al., “Enlargement of Poly−Si Film Grain Size by Excimer Laser Annealing and Its Application to High−Performance Poly−Si Thin Film Transistor” Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 30(1991) p.3700−3703(非特許文献3)に記
載されている。
【0008】
また,上記エキシマレーザアニールを発展させた技術として,SLS方式(Sequential Lateral Solidification)と呼ばれている技術が知られている。このような技術は、特許第3204986号公報(特許文献1)に開示されている。この技術では、図3(a)に示すように,ホモジナイズ光学系によって光強度が均一化されたエキシマレーザ光31を2ミクロン幅程度の金属細隙を設けたマスク32を通すことにより断面を長方形状に整形する。この細隙を通ったレーザのフルエンス(エネルギー密度)は,非晶質シリコン薄膜33が厚さ方向に全溶融34になるように設定すると、細隙の外側の領域から内側に向かって横方向成長が起こり,結晶化シリコン36が形成される(図3(b))。次に試料を矢印37で示すように2ミクロンだけ左方向に移動させ、レーザ照射すると溶融シリコン34は前照射によって形成された結晶化シリコン36の右端部を種結晶として横方向成長する(図2(c))。このレーザ照射と試料移動のプロセスを繰り返すことによって大粒径の多結晶シリコン薄膜を形成することができる。この場合に、マスク32の平面形状を図2(d)の様に市松状マスク39にして,繰り返しレーザ照射を行うと処理時間が向上し,また結晶化の重なり領域が良好になり,基板面で均一な横方向成多結晶薄膜を形成できる。
【0009】
上記エキシマレーザ結晶化法をさらに発展させた方法として,位相変調エキシマレーザ結晶化法が知られている。この方法の特徴は,図4(a)に示すようにエキシマレーザ光41を、位相シフタ42(例えば,石英板に段差加工を行ったもの)と呼ばれる光学部品を通すことによって、図4(b)の符号43で示すようにレーザ光強度分布を変調させている。このように変調されたレーザ光で,非晶質シリコン薄膜44に一回の照射を行って、図4(c)に示すように、照射領域45を結晶化している。
【0010】
この方法は、上記エキシマレーザ結晶化法と,SLS方式とは、異なり、均一光強度分布を使用せず,また,多数回レーザ照射を行う必要もない。この方法では、変調された光強度分布43により,レーザ照射された薄膜内には傾斜した温度分布が生じ,エネルギーの小さい所47に結晶核が形成され、この位置を正確に定めることができる。また、図4(d)に示すように、この結晶核をもとにした横方向成長により成長距離が増大し大粒径結晶粒46a,46bを得ることができる。この方法により,大粒径の結晶粒が形成され,しかも結晶粒の位置を制御することができる。この技術の詳細は,“松村正清,表面科学 Vol.21,No.5,pp.278−287,2000”(非特許文献4)に記載されている。
【0011】
【特許文献1】
特願平9−542270
【0012】
【非特許文献1】
電子通信学会論文誌1986/9vol.J69−C No.9 p.1089−1095
【0013】
【非特許文献2】
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) p.L135−L.137
【0014】
【非特許文献3】
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 30(1991) p.3700−3703
【0015】
【非特許文献4】
表面科学 Vol.21,No.5,pp.278−287,2000
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基板材料を選択しないで,絶縁層の上に面方位の揃った単結晶領域を形成する技術において,上記4種類の形式の従来技術には夫々以下に述べる課題がある。
【0017】
図1を参照して説明した高周波誘導加熱を用いたゾーンメルティング法に関しては,基板を部分的にシリコンの融点(1410℃)以上に加熱するため,ガラスなどの低融点材料でできた基板を使用する用途には用いることができない。
【0018】
結晶化膜を(001)面方位に配向させるためには,島状シリコンの連結部(ネック部)の形状を最適化する必要があり,後に形成するトランジスタおよび回路のレイアウトに制限が生じる。
【0019】
図2を参照して説明したエキシマレーザ結晶化法に関しては,結晶粒内部の結晶性は単結晶にすることができるが,多数のトランジスタを形成した場合、チャネル領域に粒界が存在するため移動度が低下し,トランジスタ間の性能(閾電圧,サブシュレッド係数,移動度)のばらつきが生ずる。また、結晶粒を大きくするためには,シリコン薄膜が全溶融になる臨界のレーザフルエンスに極限に近づける必要がある。しかしながら,レーザフルエンスが全溶融条件を超えるとシリコン薄膜は微結晶化し、好ましくない。即ち,レーザフルエンスに関しての裕度が狭い。そして、結晶粒サイズが最大で1から2ミクロン程度であるため,トランジスタサイズを小さくしなければならない制約が生ずる。このため、例えば,1 mx1 m程度のディメンションのディスプレイ用大面積基板を用いた場合には極めて高度な微細加工技術が要求される。また、表面方位を(001)にするためには,レーザを200回以上((111)面にするためには10回程度)照射しなければならない。このため結晶化の処理時間が長くなる。また,結晶化膜の上面(一面)となる個々の結晶粒の表面の方位は(001)と一定にすることはできても、表面軸に対しては無秩序に回転した位置関係にあり,薄膜の断面の結晶方位は配向していない。即ち、結晶化膜の表面に直行する面を(001)方位とすることはできない。
【0020】
図3を参照して説明したSLS方式に関しては,レーザ光の半分近くを金属マスクでシールドするため,レーザエネルギを有効に利用することができない。このため結晶化の処理時間が長くなる。また、結晶粒の位置がばらついているため,上記エキシマレーザ結晶化と同様にトランジスタ間の性能のばらつきが生ずる。そして、結晶粒の面方位が一定でないため,トランジスタ間の性能のばらつきが生ずる。
【0021】
図4を参照して説明した位相変調エキシマレーザ結晶化技術に関しては,
結晶粒の表面形状が主に三角形状であるため,トランジスタ回路を形成するさい回路レイアウトに制限が生ずる。また、結晶粒の面方位が一定でないため,トランジスタ間の性能のばらつきが生ずる。
【0022】
本発明は上記の課題に基づいてなされたもので、その目的は、所望の面方向の結晶粒が半導体薄膜に形成される半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置を提供することである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明の一態様に係わる半導体薄膜の結晶化方法は、入射したレーザ光を、一方向に延びた極小光強度線を有する光強度分布のレーザ光に第1の光学変調素子により変調すると共に、入射したレーザ光を前記一方向と交わる方向に延びた極小光強度線を有する光強度分布のレーザ光に、前記第1の光学変調素子とは光路上の異なる位置に配置された第2の光学変調素子により変調して、これら極小光強度線が交差したところの最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を射出する工程と、
この射出されたレーザ光を非単結晶の半導体薄膜に一面側から照射して、結晶開始点から前記最小光強度点と対応した結晶粒を横方向に成長させる第1のレーザ照射工程とを有することを特徴とする。
【0024】
本発明の他の態様に係わる結晶化装置は、均一な光強度分布のレーザ光を射出する射出手段と、
非単結晶の半導体薄膜を支持する支持手段と、
前記射出手段と支持手段との間の光路上の夫々異なる位置に配置され、射出手段から射出されたレーザ光の位相を変調することにより第1並びに第2の極小光強度線を夫々有する光強度分布のレーザ光を夫々射出するための第1並びに第2の光学変調素子とを具備し、
前記第1の光学変調素子と第2の光学変調素子とは、前記第1の極小光強度線と第2の極小光強度線とが交差して最小光強度点を有する光強度分布を有するレーザ光に変調するように配置されており、この変調されたレーザ光が、半導体薄膜に一面側から、結晶成長点から前記最小光強度点と対応した結晶粒を横方向に成長させるように照射されることを特徴とする。
【0025】
上記のような態様の方法並びに装置によれば、非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を、基板に対して結晶方位が規定された結晶化半導体薄膜とすることができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の基本概念を説明する。
【0027】
本願の発明者らは,図14(a)に示すような、光学変調素子として、石英基板表面に直線の段差加工した位相シフタ141を用いて,光源からのレーザ光を図5(a)に示すようなレーザ光強度分布51に変調して、未結晶化薄膜(この場合には、非晶質シリコン薄膜)に照射させて結晶化(この場合には、他結晶シリコン)させた。そして,この結晶化された薄膜の結晶粒の表面形態と個々の結晶粒の結晶学的方位を走査電子顕微鏡(SEM)法と電子後方散乱(EBSP)法を用いて測定した。この結果,結晶粒の形態は、図5(b)に示すように小粒径結晶粒52と,短冊形状結晶粒53と,Δ形状結晶粒54との3種に分類できることが判った。これら3種の結晶粒を図式化し、判った面方位関係を付加すると,図5(c)に示すようになる。図5(c)では、小粒径結晶粒52と,短冊形状結晶粒53と,Δ形状結晶粒54とに対応する結晶粒を、同じ符号に夫々サフィックス“a”を付している。ここで,本発明者達が着目した点は、Δ形状結晶粒54aの成長距離は長く,結晶成長方向の面方位が(100)面であり,結晶成長方向に対しての2つの垂直方向のうち薄膜の面内の垂直方向は(010)面または(011)面であるということである。そこで、本発明者達は,図6(a)に示すように線状の領域61aがレーザ光強度の極小になるような第1の位相変調エキシマレーザ照射を行い(極小光強度線による照射),それによって形成されたΔ形状結晶粒64の底辺領域61bを種結晶、即ち結晶核(結晶成長起点、結晶成長領域)にして,第2の位相変調エキシマレーザ照射を行えば,面方位が揃いしかも結晶粒の形態が方形状64になることを見出した。即ち,図6(b)に示すように,第2位相変調エキシマレーザ照射は,線状の領域61bが極小強度となるようにすればよいことが判った(極小光強度線による照射)。第2位相変調エキシマレーザ照射により,領域61bの左右の領域は全溶融になるため結晶成長は,領域61bの左右の方向に生ずる。この結果,図6(c)のように,少なくとも結晶成長方向の面方位は(001)面を有し,かつ四角形状の結晶粒が形成される。尚、図6は、結晶化膜を上方から見た場合の図である。さらに、図14(a)に示す位相シフタ141を使用して、横方向(左右方向)のピッチPが一定、例えば、10μmの複数の最小光強度点(逆ピーク点)62aを有する図8(a)に示すレーザ光強度分布81のレーザ光で、未結晶膜80を第1の位相変調エキシマレーザ照射し、次に、位相シフタ141と未結晶膜80とをほぼ2/P(約5μm)相対的だけずらせて第2の位相変調エキシマレーザ照射を行えば,図8(b)のように,2次元に位置制御した結晶粒を形成することができる。ここで、ピッチPとは、後で図14を参照して説明するように、入射レーザ光の位相を180°(π)ずらせるために表面に形成された細長い溝と表面との間の段差、即ち、位相シフト線間、の間隔を言う。
【0028】
上記実験並びに測定から以下の結論が,導かれた。
【0029】
表面形態が四角形状の結晶粒が一次元的に位置制御されていて少なくとも成長方向の面方位は(001)となる結晶化膜を製造するには,図14(a)のような一次元の位相シフタ141を用いて,一次元のレーザ光強度分布を形成し,非晶質シリコン薄膜表面にレーザ照射して,一方向成長した結晶粒を形成すればよい(第1のレーザ照射)。このときに、照射するレーザ光は、図5(a)に示すように結晶成長の開始位置と終了位置とは、レーザ光強度の極小値J1と極大値J2になるように設計する。このような第1のレーザ照射による周期的なアニーリングにより,非晶質シリコン薄膜の照射全領域に横方向成長結晶粒が充填される。次に、図7(a)の走査電子顕微鏡写真に示すように,第1のレーザ照射におけるレーザ強度極大領域(Δ形状結晶粒の底辺領域)72が極小領域になるように第2のレーザ照射を行う(極小光強度線による照射)。このとき小結晶粒75や短冊型結晶粒73は全溶融して,Δ形状結晶粒の底辺領域72が種結晶となり,領域72の左右方向に溶融再結晶成長する。第2のレーザ照射後の結晶化薄膜表面の走査電子顕微鏡写真を図7(b)に示す。第2のレーザ照射では,第1のレーザ照射における成長方向が(001)面である三角形状の結晶粒の底辺領域が種結晶となり,第1のレーザ照射で形成された小粒径結晶粒,短冊状結晶粒は再溶融し,種結晶からの結晶成長に取り込まれることを示している。従って,第2のレーザ照射によって,成長方向が(001)面であり,表面形態が四角形状の結晶粒74bが形成される。このことは,電子後方散乱法によって確認した。
【0030】
さらに上記技術思想を発展させて,図14(c)のように、位相シフト部、即ち、位相シフト線、が互いに直交した(a)に示す位相シフタ141と、(b)に示す位相シフタ142とを組合わせることによって,図8(a)に示すような光強度分布81を形成した。この図に示す光強度分布は、3つの極小光強度線と、9つの最小光強度点とを有するが、これらの数は、本発明においては任意である。この光強度分布81は、極小強度領域(線)に最小点が存在することを特徴をしており,結晶成長開始点82を2次元位置制御することによって,5角形状結晶粒83の配列を形成することができる。また、第1の位相シフタの位相シフト線に対応して形成される極小光強度線と第2の位相シフタの位相シフト線に対応して形成される極小光強度線とは、交差していれば、必ずしも直交していなくても良い。前述したような光強度分布81を用いて結晶化したシリコン薄膜の表面形態の走査電子顕微鏡写真を示す図8(b)において、結晶成長開始点82に対応する結晶成長開始点は82aで示し,単結晶化領域は83aで示す。この技術思想と上記2次再結晶化方法を組み合わせれば,成長方位が制御された単結晶領域を二次元的に配列できる。
【0031】
また,上記技術思想を発展させると,あらかじめ使用する基板に方位を示し,それに従って,光強度分布を形成して結晶化を行えば結晶面方位を示す半導体薄膜基板を作製することができる。ほぼ円形の半導体基板を用いた場合は,図9(a)に示すように、基板(半導体ウエハ)にオリフラ91,ノッチ92,基板マーキング93等の方位表示指標を予め形成し、この指標を基準にして,レーザ光強度分布方向(強度勾配方向)を合わせる。また,ガラス基板のように矩形の基板の場合には、図9(b)に示すように,一辺94,角の切りかけ95,基板マーキング96等の方位表示指標を予め形成し、この指標を基準にして,レーザ光強度分布方向(強度勾配方向)を合わせる。このようにして、結晶化を実施することにより、基板から薄膜断面の結晶面方位が判る結晶化半導体薄膜基板を得ることができる。
【0032】
以下に、上記基本概念に基づく実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【0033】
第1の実施の形態
図9(a)に示すようなオリエンテーションフラット91、ノッチ92、基板マーク93等の方位表示指標を有する半導体基板(図10では符号101で示されている)上に、面方位の揃った四角形状の結晶化領域アレイを有する半導体装置およびその製造法、並びに半導体薄膜の結晶化方法に関する実施の形態を図5,図6,図7,図8,図9,図10を用いて、特に、図10を主に参照して説明する。
【0034】
まず、半導体基板101(例えば,Si,Ge,Si1−xGe ,Si1−x−yGe, GaAs, GaP, InAs, GaN, ZnTe, CdSe, CdTeなどの半導体のウエハ)を用意する。この半導体基板101の上に絶縁層102(例えば膜厚500nm)を形成する。この絶縁層102は、例えば、熱酸化または,CVD(例えば,プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など)やスパッタ法を用いて成膜されたSiO膜である。代わって、この絶縁層102は,例えば、SiN膜とSiO膜との組合わせのような積層構造にしたものでもよい。また、絶縁層102は、半導体基板101上の全面に形成し、そのまま残しておいても,パターニングによって部分的に残しておいても良い。ここでは,半導体基板101の全面に設けられている場合について説明する。次に、前記絶縁層102の上に、即ち、半導体基板101の一面側に、非晶質または多結晶構造の半導体薄膜103(例えば,膜厚30ないし200nm程度のSi,Si1−xGe, もしくはSi1−x−yGe膜など)をCVD(例えば,プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など)やスパッタ法を用いて成膜する。この半導体薄膜103は、絶縁層102の全面,または,パターニングによって絶縁層の部分領域に形成してもよい。ここでは,絶縁膜102の全面に形成されている。
【0035】
そして、図10(a)に示すように、半導体薄膜103の表面全面に、保護膜104(例えば,SiO,SiON,SiN、または、これらの積層構造膜)を膜厚約300nmの膜厚で成膜する。前記絶縁層102および半導体薄膜103がパターニングされた場合においては,基板全面に保護膜を形成してもよい。
【0036】
次に、図10(b)に示すように、位相変調エキシマレーザ結晶化法を用いて,保護膜104の表面に図8(a)に示すような光強度分布を有するエキシマレーザ光105を照射する。このレーザ照射を第1のレーザ照射と呼ぶ。ここでは,位相変調エキシマレーザ結晶化法は,第3の実施の形態で説明するレーザ結晶化装置を用いている。このようなレーザ光の照射は、予め基板や半導体ウエハに設けられた合わせマークに従って照射位置が設定され得る。
【0037】
前記第1のレーザ照射は,複数の逆ピークを有する光強度分布を使用しているが、図では簡単のために、3つの逆ピークの場合を示す。この光強度分布には、各逆ピーク点(最小光強度点)を中心として1対の,主勾配方向(光強度が最小光強度点からほぼ線形に強くなる光強度の方向)106並びに/もしくは106aが存在する。1対の主勾配方向106と106aとは、紙面内で互いに180°の回転の関係である。主勾配方向106または106aと半導体基板101の方位表示指標の方向とが所定関係を有するように、半導体基板101と、位相シフタとが予め、設定されている。ここでは,主勾配方向106とオリフラ91とが平行となるように設定されている。
【0038】
この第1のレーザ照射において、レーザ光のエネルギ密度は,図5(a)に示すように、光強度の極小値が横方向成長条件の臨界値j1を越えていて,光強度の極大値が半導体薄膜103の蒸発臨界値j2以下であることが望ましい。これら臨界値j1,J2の値は,主に半導体薄膜103のレーザ光に対する吸収係数と膜厚によって決定される。
【0039】
上記第1のレーザ光105による第1のレーザ照射によって,半導体薄膜103の照射領域は、結晶化され多結晶半導体薄膜107に変換される。この結晶化薄膜107の表面形態は,主勾配方向106,106aに沿って横方向に結晶化されている。この段階で、保護膜をエッチングにより除去して走査電子顕微鏡法と電子後方散乱法によって解析すると,個々の結晶粒は,レーザ光強度の低い位置から結晶成長が始まり,主勾配106,106aの方向に沿って結晶成長したことが判る。個々の結晶粒は一つの結晶核から成長していると推定され,図5(c)に分類されるように、小粒径結晶粒52aと,短冊状結晶粒53aと,Δ形状結晶粒54aとが形成されている。この中で,最も横方向成長距離が長いものはΔ形状結晶粒54aである。電子線後方散乱法で個々の結晶粒の結晶方位を解析すると,Δ形状結晶粒54aの成長方向(即ち、主勾配106,106a)の面方位は(100)となっている。また、このΔ形状結晶粒54aの成長距離は,少なくとも2 mm以上になっており,本実施の形態では,5 mmである。一方,小粒径結晶粒52a,短冊形状結晶粒53aの主勾配方向の結晶面方位は,(111)または,(110)面になっている。
【0040】
次に、図10(c)に示すように,第2のレーザ光108を使用して、第2のレーザ照射を、前記多結晶化された領域に行う。この第2のレーザ照射の光強度分布は, 図10(b)と(c)とを比較してみれば判るように,第1のレーザ照射で用いた光強度の極小値の位置が第2のレーザ照射の極大値になるように、第1のレーザ照射の光強度分布を、極小値のピッチの約1/2だけ平行移動した光強度分布になるように設定されている。即ち、図6(a)に示す領域61(a)が第1のレーザ照射の極小値であり,領域61(b)が第2のレーザ照射の極小値である。ここで,図8(a)に示すレーザ光強度分布81のように、最小光強度点62aの位置にさらに強度が下がり最小値となるような光強度分布にすれば,結晶成長開始点が2次元に制御できる。本実施の形態では,前述したように1/2P(5 mm)だけ主勾配方向に平行移動した光強度分布を用いている。図7(a)は、第1のレーザ照射後の結晶化シリコン薄膜の表面形態を走査電子顕微鏡で観察した結果である。この図で、符号71は、第1のレーザ照射の光強度が極小の領域を示し,符号72は極大の領域を示す。この写真においても,図5(b)で示したように小粒径結晶粒75,短冊形状結晶粒73,Δ形状結晶粒74aが形成されていることが判る。第2のレーザ照射は、符号72で示す領域に光強度が極小になるように行っている。第2のレーザ照射のエネルギ密度は、第1のレーザ照射のエネルギ密度と同等もしくは大きくなるように設定されている。この実施の形態では、第2のレーザ照射は,第1のレーザ照射の光強度分布を用いて,試料表面を5 mmだけ主勾配方向に平行移動してから照射させているけれども。必ずしも同じ位相シフタを使用する必要はなく、前記1/2Pだけ位相がずれた別の位相シフタを使用しても良い。
【0041】
上記第2のレーザ照射により,多結晶半導体領域107は,図10(d)に示すように、結晶粒の大きい半導体領域109に変換されている。このときの光強度が最小であった点は、前述した図7(b)で、符号72で示されている。この図では、第2のレーザ照射によって,領域72の左右に横方向に結晶化したことが示されている。また、この図には、図10(d)に示す半導体領域109の結晶粒に相当する結晶粒74bが示されている。この結晶粒74bの表面形状(半導体領域109を上方から見たときの形状、即ち、水平面内の形状)は、ほぼ四角形(矩形)であり,また、光強度分布の主勾配方向106,106aの結晶粒の面方位は、(100)である。なお,この半導体領域109の結晶化された領域の結晶性は、単結晶になっている。図7(b)では,前述したように、図7(a)で観察された小粒径の結晶粒,短冊状の結晶粒,三角形状の結晶粒はほとんど存在しない。これは,第1のレーザ照射で形成されたΔ形状粒74aの底辺部分が,第2のレーザ照射では完全には溶融せず,一方、小粒径結晶粒75,短冊状結晶粒73は,完全に再溶融するからである。このため,光強度が最小であった領域72を種結晶として、主勾配方向106(または106a)の方向に結晶成長がおこっている。主勾配方向に(111)面または(110)面を有していた小結晶粒75と短冊形状結晶粒73は消滅して、主勾配方向106(または106a)方向において(100)面に配向した結晶粒に変換されている。
【0042】
以上の説明で判るように,本実施の形態の方法で形成された半導体領域109の結晶粒の半導体基板101のオリフラに沿った方向の面方位は(100)面となっている。
【0043】
従って,本実施の形態の方法によって,半導体基板上に、断面の一方向に(100)面方位を有し、ほぼ四角形状の結晶粒により構成された単結晶化領域アレイを形成することができる。以上説明した方法では、図面上では、半導体薄膜103の一部を単結晶化しているように見えるが上記処理を繰り返すことにより、半導体薄膜103全体を単結晶化することも、できる。
【0044】
第2の実施の形態
絶縁材料基板上に面方位の揃った四角形状の結晶化領域アレイを有する半導体装置およびその製造法、並びに半導体薄膜の結晶化方法に関する実施の形態を図9,図11を参照して説明する。
【0045】
まず、図9(b)に示すような辺94,ノッチ95,またはマーキング96(基板の表面でも裏面でもよい)を有する絶縁材料基板111(例えば,石英ガラス,ソーダガラス,ホウケイ酸ガラス,鉛ガラス,フッ化物ガラス,サファイア,プラスチック,ポリイミド,など)を用意する(図11(a))。この絶縁材料基板111の上に、絶縁層112(例えば、膜厚500nm)を形成する。この絶縁層112は、例えば、CVD(例えば,プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など)やスパッタ法を用いて形成されたSiO薄膜である。代わって、この絶縁層112は,例えばSiNやSiOなどの異種の材料により、積層構造にしたものでもよい。絶縁層112は、絶縁材料基板111の全面,または,パターニングによって絶縁材料基板表面の部分領域に形成してもよい。ここでは,絶縁材料基板111の全面に形成している。次に、絶縁層112の上に、非晶質または多結晶構造の半導体薄膜113(例えば,膜厚30ないし200nm程度のSi,Ge,Si1−xGe ,Si1−x−yGeなど)をCVD法(例えば,プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など)やスパッタ法を用いて成膜する。この半導体薄膜113は絶縁層112の全面,または,パターニングによって絶縁層の部分領域に形成してもよい。ここでは,絶縁層112の全面に形成している。
【0046】
そして、図11(a)に示すように、半導体薄膜113の表面全面に保護膜114(例えば,SiO,SiON,SiN、または、これらの積層構造膜)を約300nmの厚さに成膜する。前記絶縁層112および半導体薄膜113がパターニングされた場合においては,基板全面に保護膜を形成してもよい。この後の工程は、前記第1の実施の形態1と実質的に同じであり,簡単に記述する。
【0047】
図11(b)に示すように、保護膜114の表面に、前述したような光強度分布を有する第1のレーザ光115で、第1のレーザ照射を行う。この第1のレーザ照射における光強度の主勾配方向116,116aは,絶縁材料基板111に示された方位表示指標を基準にして設定している。この実施の形態では、主勾配方向116,116aと,方位表示指標が示す方向とを一致させている。この第1のレーザ照射によって、半導体薄膜113の照射領域は、結晶化半導体薄膜117に変換される。
【0048】
次に、図11(c)に示すように、第1の実施の形態と同条件で、ほぼ1/2Pだけ横方向にシフトした第2のレーザ光118により、第2のレーザ照射を行う。この結果、図11(d)に示すように、前記結晶化半導体薄膜117は、単結晶化半導体薄膜109となる。この結晶化半導体薄膜117の結晶粒の表面形態は、四角形状であり、また、絶縁材料基板111の基準に沿った方向の面方位は(100)面となっている。従って,本実施の形態の方法によれば,絶縁材料基板の断面の一方向に(100)面方位を有する四角形状の単結晶化領域アレイを形成できる。
【0049】
第3の実施の形態
半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置の実施の形態を、夫々図12,図13,図14,図15を参照して説明する。これら例では,光源としてエキシマレーザ121(例えば,XeCl,KrF,ArFFなど)を用いているが、必ずしもこれらに限定されることはない。
【0050】
図12(a)に示されるように、パルスレーザ光122aを射出するエキシマレーザ121の出射側には、レーザ光122のエネルギ密度 (図5(a)に示す臨界値j1、臨界値j2)を制御するためのアッテネータ123と,レーザ光の強度を均一化するホモジナイズ光学系124とが順次配設されている。尚、符号120aで示す位置は,ホモジナイズ光学系124の結像面(焦点面)である。このホモジナイズ光学系124の射出側には、90度反射鏡を介して、ホモジナイズ光学系の結像面120aを等倍もしくは縮小する投影レンズ125が配置されている。そして、この投影レンズ125の結像面120b(フォーカス位置)には第1の位相シフタ126aが、また,焦点位置からはずれた位置(デフォーカス位置)には第2の位相シフタ127aが、夫々配置されている。ここで,第2の位相シフタ127aは、複数枚の位相シフタ、例えば、位相シフト方向が互いに直交した2つの位相シフタで構成されてもよい。第1の位相シフタ126aは、図8(a)に示されているレーザ光強度分布81おいて、急峻なボトムを形成するためのものである。第2の位相シフタ127aは、図8(a)に示されているレーザ光強度分布81おいて、横方向の結晶成長に必要な勾配を形成するためのものである。即ち、図8(a)に示されているレーザ光強度分布81おいて、最小光強度点62a部のレーザ光強度分布が急峻なボトムの形状は、第1の位相シフタ126aによって形成される。レーザ光強度分布81おいて、最小光強度点62a部から最大のレーザ光強度分布となる形状は、横方向の結晶成長に必要な勾配であって、第2の位相シフタ127aによって形成される。
【0051】
前記第1並びに第2の位相シフタ126a,127aは,光軸上に、図示しないホルダによって固定されている。このホルダは,光軸に沿った方向と、それに垂直な方向とに移動させる機構と,2軸の回転機構とを有するゴニオメータのような駆動機構DMに組み込まれている。
【0052】
前記第2の位相シフタ127aの射出側には、ステージ129の上に載置された試料128が位置されている。このステージ129は、X方向並びにY方向に移動可能であり、試料128を第2の位相シフタ127aに対して相対的に水平方向にシフトさせることができる。
【0053】
次に上記構成の結晶化装置の作用を以下に説明する。
【0054】
エキシマレーザ121から出射したパルスレーザ光122aは,アッテネータ123によりエネルギ密度が制御されて,ホモジナイズ光学系124に入り、ここで強度が均一化されたレーザ光122bとなって、反射鏡に入射される。ここで、レーザ光122bは、試料128方向へと90度偏向されて、投影レンズ125に入射される。この投影レンズ125は、入射レーザ光122bを第1並びに第2の位相シフタ126a,127aによって変調されたレーザ光122dとして試料表面に入射させる。このための位相シフタ126a,127aの構成は、後で図14を参照して説明する。尚、この試料128は、実際には、例えば、図9に示す基板のいずれかの上に形成され、図10並びに図11に示す半導体薄膜113を有する積層薄膜基板で有り得る。
【0055】
前記第2の位相シフタ127aにより変調されて形成されたレーザ光強度分布(像)の特徴は,例えば,図8(a)に示すレーザ光強度分布81のように,ミリメートルレベルの巨視的には均一強度であり,ミクロンレベルの微視的には強度変調されていることを特徴とする。このようなレーザ光強度分布81のレーザ光で,第1のレーザ照射を行うと,図8(b)の走査電子顕微鏡写真のような結晶粒が位置制御された結晶化薄膜を形成することができる。
【0056】
尚、前記アッテネータ123によって,レーザ光のエネルギ密度を最適化してレーザ光122dを試料128の表面に照射すると、試料128の半導体薄膜はレーザ光122dを吸収することによって温度が上昇する。ここで,レーザ光122dの強度変調領域において,極小強度での半導体薄膜は,下地界面付近まで溶融状態になり,極大強度では,半導体薄膜が蒸発しない温度になっていることが望ましい。
【0057】
前記第1並びに第2の位相シフタ126a,127aは,図14(a)並びに(b)に、符号141並びに142で夫々示すように、透明な基板、例えば、合成石英板141a(142a)の一面に、互いに一定間隔を有する細長い矩形溝141b(142b)が形成されることによって段差を有する構造になっている。この段差の高さ(溝の深さ) Δtが射出レーザ光の位相差θに相当する。この位相差θは,θ=2πΔt(n−1)/λで与えられる。ここで,λは,レーザの波長,nは合成石英板の屈折率である。例えば,波長248nmのKrFエキシマレーザを用いた場合,屈折率は,1.508であり,段差Δtが244nmのとき位相差は180°となる。このような位相シフタ141(126a),142(127a)は、溝が互いに直交するような配置関係で、図12(a)に示すように位置に設けられている。前記合成石英基板141a(142a)の表面に段差を形成する方法として,例えば,反応性イオンエッチングを用いてエッチングする方法,集束イオンビーム法を用いて,直接加工する方法,合成石英基板の上に非晶質シリコン薄膜を成膜してパターニングしたものを熱酸化する方法がある。前記両位相シフタ141,142は、図面上では、溝のデイメンシヨンも、ピッチP(位相シフト線間の間隔)も異なっているが、同じものでも良い。
【0058】
また,位相シフタには,表面段差に加えて,光吸収によって光強度分布を形成する効果を付加してもよい。このためには、例えば、合成石英板141a(142a)の一面に光吸収膜(たとえば,SiN,SiON,Geなどの膜)を成膜してパターニングする。このような位相シフタ141(142)を使用することにより、光吸収膜の吸収係数と膜厚によって光強度分布が変化する。この方法は,光強度振動を抑制したい位相シフタの領域に形成する場合によい。
【0059】
また,位相シフタの表面上にマイクロレンズを形成して,光強度分布を形成する効果を付加してもよい。
【0060】
図15に示すように,一枚の合成石英基板151の表面に異種構造の段差を形成することによって、複数対の位相シフタとしての位相シフタ領域152a,152b,並びに153a,153bを同一基板に設けてもよい。この例では、対間の溝の幅並びに溝間の距離(即ち、位相シフト部ピッチ)が異なる2対の位相シフタ領域152a,152b並びに153a,153bが設けられている。この場合,各位相シフタ領域の面積は,入射レーザ光の断面154よりも大きくなっていなければならない。各対の位相シフタ領域152a(153a)と152b(153b)は、互いに半周期ずれた(1/2位相シフタピッチずれた)構造になっている。このような位相シフタでは、第1照射は、一方の位相シフタ(領域)152aを用い,第2照射は,合成石英基板151を溝の長手方向に移動させて,他方の位相シフタ(領域)152bを用いて結晶化することができる。他方の対の位相シフタ(領域)153aと153bについても同様であり,異なった対の位相シフタを用いることにより、レーザ光を異なったパターンのレーザ光強度分布を有するようにすることができる。
【0061】
前記第1の位相シフタ141と第2の位相シフタ142とは、図14(c)並びに(d)に示すように、隅部に設けられた4つのスペーサ143を挟んで取着することにより、一体的な構造としてもよい。また、位相シフタ間に塵埃等が入るのを防止することもできるように、4つのスペーサの代わりに、枠形のシールドスペーサを4辺間に設けても良い。図14(c)は、第1の位相シフタ141と第2の位相シフタ142とを、一方(この場合には前者)の矩形溝部を内側にし、他方(この場合には後者)の矩形溝部を外側にして組合わせた例を示す。図14(d)は、第1の位相シフタ141と第2の位相シフタ142とを、両者の矩形溝部が内側になるように組合わせた例を示す。勿論、矩形溝部が外側になるように、両位相シフタ141,142を組合わせても良い。代わって,図14(e)に示すように、第1の位相シフタと第2の位相シフタとは、1枚の合成石英基板(共通透明基板)に一体的に形成しても良く、この場合には、一面に第1の位相シフタの溝、即ち、段差が形成され、他面に第2の位相シフタの溝、即ち、段差が形成されている。さらに、第1の位相シフタと第2の位相シフタは、光路における設置位置を入れ換えてもよい。
【0062】
上述したような第1並びに第2の位相シフタ126a,127aによって得られる光強度分布は,透明基板(合成石英基板)の表面段差の幾何学的構造と入射光の角度や光の空間的可干渉性によって決定される。要求する光強度によっては,第2の位相シフタ127aだけでよい場合もある。
【0063】
第4の実施の形態(図示せず)
前記第3の実施の形態において,第4の実施の形態と同様の試料128表面の位置を,投影レンズ125の焦点面に配置し、例えば、ホモジナイズ光学系123の焦点面120aに位相シフタ126aを配置しても良い。この場合には,第3の実施の形態に比べて光強度分布設計の多様化に制限が生じるが,均一性が向上する効果がある。
【0064】
以下に説明する結晶化装置の実施の形態で、前記第3の実施の形態と実質的に同一の個所は、同じ参照符号を付して説明を省略する。
【0065】
第5の実施の形態
この装置では、図12(b)に示すように,ホモジナイズ光学系123の焦点面120aに第1の位相シフタ126aが配置され,結像レンズ125の焦点位置に試料128の表面が位置されている。第2の位相シフタ127aは、結像レンズ125の焦点はずれの位置に配置されている。この場合,前記第4の実施の形態に比べ光強度分布設計の多様性が向上するが,第1の位相シフタ126aの強度変調は投影レンズの分解能の制限を受ける。
【0066】
第6の実施の形態
この装置では、図12(c)に示すように、ホモジナイズ光学系123の焦点面120aに第1の位相シフタ126aが配置され,また、ホモジナイズ光学系123の焦点はずれの位置に、第2の位相シフタ127aが配置されている。試料128の表面は,投影レンズ125の焦点面に配置されている。このような構成の装置では,試料表面付近に位相シフタが存在しないため,ステージ129周辺の自由度が増す。しかし,光強度分布は,投影レンズの分解能の制限を受ける欠点がある。
【0067】
前記第3ないし第6の実施の形態においては,第2のレーザ照射は,試料128と光学系(位相シフタ126a,127aと投影レンズ125)とを相対的に平行移動させて、即ち、ステージ129を光学系に対して移動させるか、光学系(詳しくは、反射鏡からステージ129側の部分)をステージ129に対して移動させるかして、光強度分布を平行移動させている。しかし、このような手法に本発明は限定されることはない。この例を第7並びに第8の実施の形態として以下に説明する。尚、これら実施の形態では、位相シフタとして同じ構成の2つの位相シフタ127c,127dを使用している。一方の位相シフタ127cは、第1のレーザ照射であり、他方の位相シフタ127dは、第2のレーザ照射用である。このために、第1の位相シフタ127cにより変調されたレーザ光の極小光強度線もしくは最小光強度点を結晶成長起点として成長した結晶粒の成長端部が、Δ形状の結晶粒の場合にはこれの底辺領域が、第2の位相シフタ127dにより変調されたレーザ光の極小光強度線もしくは最小光強度点で照射されるように、両位相シフタ127c,127dは、これらの相対位置が設定されている。また、これら位相シフタ127c,127dは、ホモジナイズ光学系の夫々の焦点面に配置されているが、この位置に限定されることはない。
【0068】
第7の実施の形態
図13(a)に示すように、この装置は、第1のエキシマレーザ121aと,第1のアッテネータ123a,第1のホモジナイズ光学系124aと,第1の位相シフタ127cとからなる第1のレーザ照射用の光学系と、第2のエキシマレーザ121bと,第2のアッテネータ123bと,第2のホモジナイズ光学系124bと,第2の位相シフタ127dとからなる第2のレーザ照射用の光学系とを有する。前記第1の位相シフタ127cと第2の位相シフタ127dとは、同じ構造を有するが、表面段差の周期構造が半周期だけずれている。これら位相シフタ127c,127dは、図14(c)並びに(d)に示す複合構造の位相シフタを使用しているが、図14(b)に示す単一構造の位相シフタでも良い。第1の位相シフタ127cの射出側と第2の位相シフタ127dの射出側とには、共通のハーフミラー135が配置されている。このハーフミラー135は、第1の位相シフタ127cからのレーザ光を結像レンズ125へと90°反射させる機能と、第2の位相シフタ127dからのレーザ光を透過して結像レンズ125に導く機能とを有する。この結像レンズ125を通ったレーザ光は、互いに横方向に約1/2P(位相シフタの段差のピッチの1/2)ずれた光変調強度分布で試料128を照射する。
【0069】
上記構造の装置においては、第1のエキシマレーザ121aと第2のエキシマレーザ121bとが交互に発振するよう制御し,ハーフミラー135,投影レンズ136によって,第1のレーザ照射と第2のレーザ照射とをこれら照射が重ならないようにして交互に行うことにより、半導体薄膜を結晶化する。このような方法は,第2のレーザ照射のために位相シフタを動かす必要がないので、光学系に可動部分をなくすことができ、このための駆動機構をなくすことができると共に、光軸が安定になる特徴がある。
【0070】
第8の実施の形態
図13(b)に示すように、エキシマレーザ121の射出側には、アッテネータ123を介してハーフミラー139aのようなビームスプリッタが設けられている。このハーフミラー139aは、入射レーザ光を2つのレーザ光に分岐する。このハーフミラー139aの透過側には、第1のホモジナイズ光学系124a,並びに第1の位相シフタ127cを順次介して共通のハーフミラー135が配設されている。前記分岐用のハーフミラー139aの反射側には、2つのミラー139b,139cを介して第2ホモジナイズ光学系124bが配置されている。またこのホモジナイズ光学系124bの射出側には、第2の位相シフタ127dを介して、前記共通のハーフミラー135が配設されている。この共通のハーフミラー135は、第1の位相シフタ127cからのレーザ光を反射すると共に、第2の位相シフタ127dからのレーザ光を透過して、投影レンズ125に導く。
【0071】
このような装置においては、レーザ121から射出されたパルス状のレーザ光は、ハーフミラー139bによって2つのレーザ光に分岐され、第1のレーザ光は、第1のホモジナイズ光学系124a,第1の位相シフタ127c、共通のハーフミラー135、並びに投影レンズ125を通って試料128に照射される。第2のレーザ光は、ミラー139b,139c,第2のホモジナイズ光学系124b,第2の位相シフタ127d,並びに投影レンズ125を通って試料128に照射される。そして、これら第1のレーザ光と第2のレーザ光の光路長さは、最初に第1のレーザ光で試料を照射し、この照射が終了した後に第2のレーザ光で試料を照射するように、設定されている。
【0072】
このような技術においても、第7の実施の形態の場合と同様の効果を有する。
【0073】
上記実施形態では、第1の位相シフタ126a,127cを急峻なボトムを形成するための構成にし、第2の位相シフタ127a,127dを横方向の結晶成長に必要な勾配を形成するための構成にして例について説明した。さらに、第1の位相シフタ126a,127cおよび第2の位相シフタ127a,127dの両方のシフタを同一の急峻なボトムを形成する構成にしてもよいし、横方向の結晶成長に必要な勾配を形成するための構成にしてもよい。
【0074】
第9の実施の形態
半導体装置並びにその製造方法を図16を参照して以下に説明する。
【0075】
図16(a)に示すように、絶縁材、例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミド等で形成され、図9(b)に示す方位指示指標が形成された透明な矩形の基板301(図では一部のみが示されている)の平坦な一面上に下地層302と非晶質半導体薄膜303と、保護膜304とを順次、化学気相成長法やスパッタ法等の公知の成膜技術を用いて形成する。前記下地層302は、例えば、50nmの厚さのSiN膜302aと300nmの厚さのSiO膜302bとの積層膜により形成されている。前記SiN膜302aは、ガラス等でできた基板301からの不純物が非晶質半導体薄膜303に拡散するのを防止し、また、前記SiO膜302bは、SiN膜302aからの窒素が非晶質半導体薄膜303に拡散するのを防止する。前記非晶質半導体薄膜303は、例えば、厚さが約50nmないし200nmであり、Si,Ge,SiGeのような半導体、この実施の形態ではSiで形成されている。前記保護膜304は、図10を参照して説明した保護膜104と同じである。
【0076】
次に、前記非晶質半導体薄膜303の表面に、保護膜304を介して、第1のレーザ光照射として、位相シフタ(例えば、図14(a)に示す位相シフタ141)により光変調された第1のレーザ光105を、後で詳述するように、各々が照射された領域305(以下に照射領域と称する)と照射されない領域306(以下に非照射領域と称する)とが隣り合わせになった多数のユニット領域を形成するように選択的に照射する(図16(b)は、理解を容易にするために、1つの照射領域と1つの非照射領域とからなる1つのユニット領域のみを示す)。次に、基板301を位相シフタの溝のピッチの約1/2だけ横方向にシフトさせて、第2のレーザ光108により、第2のレーザ照射を行う。このような第1並びに第2のレーザ照射により、照射領域305は、アニール処理されて溶融し、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜か単結晶薄膜に変換される。即ち、照射領域305は、少なくとも結晶成長方向の面方位は(001)面を有し,かつ四角形状の結晶粒により形成される。照射領域306の非晶質半導体はそのままの状態に維持される。例えば、液晶表示装置の製造工程において、照射領域305は、早いスイッチング特性が要求される駆動回路用TFTを形成するための領域である。非照射領域306は、高い耐電圧が要求される画素用TFTを形成するための領域である。次に、エッチングにより、図16(c)に示すように、前記保護膜304を除去して、半導体薄膜を露出させる。
【0077】
そして、フォトリソグラフイ技術を用いて、照射領域305と非照射領域306とを選択的にエッチングして2つの第1の島状領域305aと1つの第2の島状領域306aとを形成する。これら島状領域305a,306a上を含む基板上、(正確には、下地層302上)に、SiOからなり、厚さが約20nmないし300nmのゲート絶縁膜307を上記と同様の成膜技術を用いて形成する。このゲート絶縁膜307の、前記島状領域305a,305bの中央部と対向する部分の上に夫々ゲート電極308を形成する。これらゲート電極308は、シリサイドやMoWの層をパターンニングすることにより形成され得る。
【0078】
次に、図16(d)に示するように、前記ゲート電極308をマスクとして、不純物イオン309を島状領域305a,306aの中に注入し、間にチャネル領域を挟んで、ソース領域とドレイン領域とを形成する。このときに、チャネル領域内で電流の流れる方向の断面が前記(001)面となるようにソース領域とドレイン領域との位置を設定する。この設定は、基板に形成された方位指示指標に基づいて容易になされる。規流れる電流が(001)前記不純物イオンは、NチャネルMOSトランジスタを形成するのであれば、N型の不純物、例えばリンであり、PチャネルMOSトランジスタを形成するのであれば、P型の不純物、例えばホウ素である。この結果の装置を窒素雰囲気でアニール(450℃で、1時間)して、注入された不純物を活性化する。
【0079】
次に、ゲート電極308上も含むゲート絶縁膜307の上に、例えば、SiOからなる層間絶縁膜330を形成する。この層間絶縁膜130並びにゲート絶縁膜307の、前記島状領域305a,306aの不純物がドープされた領域(ソース領域並びにドレイン領域)上の部分を選択エッチングにより除去してコンタクト孔を形成する。
【0080】
次に、図16(e)に示するように、前記ゲート絶縁膜307の上に、コンタクト孔を介して前記ソース領域並びにドレイン領域と電気的に接続されたソース電極311a並びにドレイン電極311bを形成して、薄膜半導体装置を完成させる。
【0081】
図17(a)並びに(b)は、上記薄膜半導体装置を使用して製造された液晶表示装置の一例を示す。
【0082】
液晶表示装置400は、前後1対の透明基体(基層)421,422、液晶層423、画素電極424、走査配線425、信号配線426、対向電極427、及びTFT430等を備えている。
【0083】
1対の透明基体421,422としては、例えば1対のガラス板を用いることができる。これら透明基体421,422は、枠状のシール材を介して接合されている。液晶層423は、1対の透明基体421,422の間のシール材により囲まれた領域に設けられている。
【0084】
前記1対の透明基体421,422のうちの一方の透明基体、例えば後側の透明基体422の内面には、行方向および列方向にマトリックス状に設けられた複数の画素電極424と、複数の画素電極424と夫々電気的に接続された複数のTFT430(前に詳しく説明した本発明に係わる半導体装置)と、複数のTFT430と電気的に接続された走査配線425及び信号配線426とが設けられている。
【0085】
前記走査配線425は、画素電極424の行方向に夫々沿わせて設けられている。これら走査配線425の一端は、後側の透明基体422の一側縁部に設けられた複数の走査配線端子(図示せず)に夫々接続されている。複数の走査配線端子は夫々走査線駆動回路41に接続されている。
【0086】
前記信号配線426は、画素電極424の列方向に夫々沿わせて設けられている。これら信号配線426の一端は、後側の透明基体422の一端縁部に設けられた複数の信号配線426の端子(図示せず)に夫々接続されている。複数の信号配線426端子は夫々信号線駆動回路442に接続されている。
【0087】
前記走査線駆動回路741および信号線駆動回路442は、夫々液晶コントローラ443に接続されている。液晶コントローラ443は、例えば外部から供給される画像信号及び同期信号を受け取り、画素映像信号Vpix、垂直祖歌制御信号YCT、及び水平走査制御信号XCTを発生する。
【0088】
他方の透明基体である前側の透明基体421の内面には、複数の画素電極424に対向する一枚膜状の透明な対向電極427が設けられている。前側の透明基体421の内面には、複数の画素電極424と対向電極427とが互いに対向する複数の画素部に対応させてカラーフィルタを設けるとともに、前記画素部の間の領域に対応させて遮光膜を設けてもよい。
【0089】
1対の透明基体421,422の外側には、図示しない偏光板が設けられている。また、透過型の液晶表示装置400では、後側の透明基体422の後側に図示しない面光源が設けられている。なお、液晶表示装置400は、反射型或いは半透過反射型であってもよい。
【0090】
以上説明した実施の形態においては、半導体装置としてTFTについて説明したが、半導体薄膜を基礎とする他の半導体素子、例えば、ダイオードについても本発明は適用可能である。
【0091】
半導体素子を使用する表示装置として液晶表示装置について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、有機EL表示装置にも適用できる。
【0092】
また、均一な光強度分布を有する入射レーザ光を最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光として射出する光学変調素子として、光の回折、干渉を利用した位相シフタを実施の形態では説明したが、例えば、光の反射並びに/もしくは吸収を利用して上記機能を奏させる他の形式の光学変調素子を使用することもできる。このような光学変調素子は、例えば、図14に示す位相シフタ(141,142)で、基板に溝を形成する代わりに、溝に対応する個所に吸収膜もしくは反射膜を設けることにより形成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の技術であるゾーンメルティング法を説明するための図である。
【図2】従来の技術であるエキシマレーザ結晶化法を説明するための図である。
【図3】従来の技術であるSLS方式を説明するための図である。
【図4】従来の技術である位相変調エキシマレーザ結晶化法を説明するための図である。
【図5】本発明の基本となる技術を説明するためのもので、(a)は、使用したレーザ光の光強度分布を示す図、(b)は、結晶化された薄膜の結晶粒の表面形態と個々の結晶粒の結晶学的方位を走査電子顕微鏡(SEM)法と電子後方散乱(EBSP)法を用いて測定した結果を示す図、そして、(c)は、(b)に示す結晶粒を夫々図式化して示す図である。
【図6】本発明の基本となる技術を説明するためのもので、(a)は、第1の位相変調エキシマレーザ照射による結晶粒を概略的に示す上面図、(b)は、第2の位相変調エキシマレーザ照射後の結晶粒を概略的に示す上面図、そして、(c)は、(b)に示す結晶粒の面方位を概略的に示す図である。
【図7】(a)は、第1のレーザ照射におけるレーザ強度極大領域が極小領域になるように第2のレーザ照射を行う状態の走査電子顕微鏡写真を示す図、(b)は、第2のレーザ照射後の結晶化薄膜表面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【図8】本発明の基本となる技術を説明するためのもので、(a)は、第1並びに第2の位相変調エキシマレーザ照射を概略的に示す斜視図、(b)は、第2の位相変調エキシマレーザ照射後の2次元に位置制御された結晶粒を示す図である。
【図9】(a)は、本発明の実施の形態に使用され得る、方位表示指標が形成された円形の基板の3つの例を示す平面図であり、(b)は、方位表示指標が形成された矩形の基板の3つの例を示す平面図である。
【図10】本発明の第1の実施の形態の方法を工程ごとに分けて説明するための図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態の方法を工程ごとに分けて説明するための図である。
【図12】(a)ないし(c)は、本発明の第3ないし第6の実施の形態の半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置を夫々説明するための概略図である。
【図13】(a)並びに(b)は、本発明の第7並びに第8の実施の形態の半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置を夫々説明するための概略図である。
【図14】(a)は、アニール用の位相シフタを示す斜視図であり、(b)は、位置決め用の位相シフタを示す斜視図であり、また、(c)ないし(e)は、アニール用の位相シフタと位置決め用の位相シフタとが一体化された夫々異なる構成を示す斜視図である。
【図15】アニール用の位相シフタと位置決め用の位相シフタとが同一基板に形成されている構成を説明するための平面図である。
【図16】本発明の第9の実施の形態に係わる半導体装置並びにその製造方法を工程に従って説明するための図である。
【図17】本発明で製造された半導体装置を備えた液晶表示装置を説明するための図である。
【符号の説明】
52…小粒径結晶粒,53…短冊形状結晶粒,54…Δ形状結晶粒、81…レーザ光強度分布、82…結晶成長開始点、103…半導体薄膜、105…第1のレーザ照射用レーザ光、106,106a…主勾配方向、107…結晶化され多結晶半導体薄膜、108…第2のレーザ照射用レーザ光、141、142,126a,127a…位相シフタ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for crystallizing a semiconductor thin film and a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
In general, even in a single crystal, disorder of atomic columns (dislocations, etc.) exists, and it is difficult to distinguish between “single crystal” and “crystal close to a single crystal”. “Crystal close to crystal” is also described as “single crystal”.
[0003]
[Prior art]
SOI (Silicon On Insulator) technology for forming single crystal silicon on an insulating material substrate or an insulating film is known as a technology for realizing high integration, low power consumption and high speed of LSI (Ultra large-Scale Integrated circuit). It has been. The process of this technique includes (1) a method of forming an insulating film in a lower surface region of a single crystal semiconductor wafer, for example, a silicon wafer, and (2) an amorphous material or a multi-layer formed on an insulating material substrate or an insulating film. A method of crystallizing or recrystallizing a crystalline semiconductor thin film, for example, a single crystal silicon or polycrystalline silicon thin film. In any of the methods, it is extremely important to improve the crystallinity of silicon. The region in which the transistor is formed is a single crystal, and the crystal plane orientation is uniform, in particular, the surface is the (001) plane and the current. It is desirable that the crystal orientation of the flowing direction is (100) plane. For this reason, the method (1) such as SIMOX using a single crystal silicon wafer or a bonded substrate has been put into practical use.
[0004]
On the other hand, method (2) is not adopted in today's silicon ULSI technology, but it can be applied to various electronic elements and electronic devices if it can form high-quality semiconductor thin films such as silicon without any limitation on the substrate material. is there. For this reason, improvement of the method (2) is strongly desired.
[0005]
In the 1980s, many studies were conducted with the aim of forming single crystal silicon thin films with uniform plane orientation. Among them, the zone melting method using high frequency induction heating is an important technique and is known as a technique capable of forming a single crystal silicon rectangular region having a (001) plane of crystal orientation on the surface. This method will be described below with reference to FIG. Details are described in “Akira Fukami, Hiroshi Kobayashi, Electronic Communication Society Journal 1986/9 vol. J69-C No. 9 p. 1089-1095” (Non-patent Document 1).
[0006]
First, as shown in the drawing, a polycrystalline Si thin film is deposited on a quartz substrate 11 by using an atmospheric pressure chemical vapor deposition method, and this thin film becomes two rectangular regions 14 connected to each other by a neck portion 14a. To pattern. Next, the elongated high-frequency induction heater 17 is positioned below the quartz substrate 11 and heated in a band shape to 1412 ° C. or more, and the polycrystalline silicon at a location corresponding to the heater 17 is melted to melt the band-shaped silicon. Region 13 is formed. Next, by moving the heater 17 linearly in the direction indicated by the arrow 15, the single crystal silicon is sequentially melted to melt the entire rectangular region 14 to be single crystallized. FIG. 1 shows a state in which the heater 13 is in the middle of movement. Of the rectangular region 14, the portion indicated by reference numeral 12 has already been crystallized, and the blank portion has not been crystallized. Here, when the dimensions of the neck portion 14a (length L and width W in the figure) are changed, the heat flow changes locally, and the crystal orientation changes depending on the heat flow. When L and W are optimized, a crystallized rectangular region 12 having a (001) plane orientation can be formed.
By the way, a technique for forming a crystallized silicon thin film on a glass or plastic substrate is applied to a technique for improving the performance of a thin film transistor used for a driving element such as a liquid crystal display. For example, when the semiconductor layer of a thin film transistor is changed from an amorphous structure to a polycrystalline structure, the mobility of the transistor becomes 100 times or more. However, in this case, attention must be paid to thermal damage in the substrate for crystallization (for example, it must be 600 ° C. or lower for a general glass substrate and 150 ° C. or lower for a plastic). The zone melting method using high frequency induction heating raises the temperature of the substrate (quartz substrate), and therefore cannot be applied to the field of liquid crystal displays in which the substrate is formed of the above materials.
[0007]
For this purpose, an excimer laser crystallization method has been developed as a method for crystallizing an amorphous silicon thin film without causing thermal damage to the substrate. In this technique, as shown in FIG. 2, the intensity of the light irradiation cross section of the excimer laser beam 21 is made uniform by a homogenizing optical system 22 and shaped into a rectangular shape through a metal mask 23 having an elongated rectangular opening (for example, the cross sectional shape is (150 mm × 200 μm). With this emitted laser light, the surface of the amorphous silicon thin film 24 deposited on the glass substrate 26 is linearly scanned in the direction indicated by the arrow 27, and laser irradiation is performed at intervals of 10 μm in the minor axis direction. ing. The silicon thin film that has absorbed the laser light is converted into polycrystalline silicon 28 after passing through molten silicon 25. With this technology, even if a general glass or plastic substrate is used, the substrate is not thermally damaged. This is because the excimer laser is a pulse laser of about 20 ns, and crystallization is completed in about 50 to 100 ns. The crystal grain size depends on the laser energy density, and a polycrystalline thin film having a grain size of about 0.1 to 1 μm can be formed. Regarding the plane orientation, the crystal grains formed by one laser irradiation are not oriented, but the surface orientation is oriented to the (001) plane or the (111) plane by performing laser irradiation several times about several hundred times. There is a report to do. The former is, for example, D.I. P. Gosain, A.M. Macida, T .; Fujino, Y. et al. Hitsuda, K.K. Nakano and J.M. Sato, “Formation of (100)-Textured Si Film Using an Excimer Laser on a Glass Substrate”, Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) p. L135-L. 137. (Non-patent Document 2). The latter is described in, for example, H.P. Kuriyama, et al. , “Enlargement of Poly-Si Film Grain Size by Excimer Laser Annealing and Its Application to High-Performance Poly-Si Thin Transist.” J. et al. Appl. Phys. Vol. 30 (1991) p. 3700-3703 (Non-patent Document 3).
[0008]
Further, as a technique developed from the excimer laser annealing, a technique called SLS (Sequential Lateral Solidification) is known. Such a technique is disclosed in Japanese Patent No. 3204986 (Patent Document 1). In this technique, as shown in FIG. 3A, an excimer laser beam 31 whose light intensity has been made uniform by a homogenizing optical system is passed through a mask 32 provided with a metal slit having a width of about 2 microns. To shape. When the fluence (energy density) of the laser passing through the slit is set so that the amorphous silicon thin film 33 is fully melted 34 in the thickness direction, it grows laterally inward from the outer region of the slit. And crystallized silicon 36 is formed (FIG. 3B). Next, when the sample is moved to the left by 2 microns as shown by an arrow 37 and laser irradiation is performed, the molten silicon 34 grows laterally using the right end portion of the crystallized silicon 36 formed by the pre-irradiation as a seed crystal (FIG. 2). (C)). By repeating this laser irradiation and sample movement process, a polycrystalline silicon thin film having a large grain size can be formed. In this case, if the planar shape of the mask 32 is changed to the checkered mask 39 as shown in FIG. 2D and the laser irradiation is repeated, the processing time is improved and the overlapping region of crystallization is improved, and the substrate surface is improved. A uniform laterally formed polycrystalline thin film can be formed.
[0009]
As a further developed method of the excimer laser crystallization method, a phase modulation excimer laser crystallization method is known. The feature of this method is that, as shown in FIG. 4A, an excimer laser beam 41 is passed through an optical component called a phase shifter 42 (for example, a step processed on a quartz plate), thereby FIG. The laser light intensity distribution is modulated as indicated by reference numeral 43. The amorphous silicon thin film 44 is irradiated once with the laser beam modulated in this way, and the irradiated region 45 is crystallized as shown in FIG.
[0010]
Unlike the excimer laser crystallization method and the SLS method, this method does not use a uniform light intensity distribution and does not require multiple laser irradiations. In this method, an inclined temperature distribution is generated in the laser-irradiated thin film due to the modulated light intensity distribution 43, and crystal nuclei are formed in a portion 47 having a small energy, and this position can be accurately determined. Further, as shown in FIG. 4 (d), the growth distance is increased by lateral growth based on the crystal nuclei, and large grain crystal grains 46a and 46b can be obtained. By this method, large crystal grains are formed, and the position of the crystal grains can be controlled. Details of this technique are described in “Masayoshi Matsumura, Surface Science Vol. 21, No. 5, pp. 278-287, 2000” (Non-patent Document 4).
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application No. 9-542270
[0012]
[Non-Patent Document 1]
IEICE Transactions 1986/9 vol. J69-C No. 9 p. 1089-1095
[0013]
[Non-Patent Document 2]
Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) p. L135-L. 137
[0014]
[Non-Patent Document 3]
Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 30 (1991) p. 3700-3703
[0015]
[Non-Patent Document 4]
Surface Science Vol. 21, no. 5, pp. 278-287, 2000
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique of forming a single crystal region with a uniform plane orientation on an insulating layer without selecting a substrate material, the above four types of conventional techniques have the following problems.
[0017]
In the zone melting method using high-frequency induction heating described with reference to FIG. 1, the substrate is partially heated to a melting point of silicon (1410 ° C.) or higher so that a substrate made of a low melting point material such as glass is used. It cannot be used for the intended use.
[0018]
In order to orient the crystallized film in the (001) plane orientation, it is necessary to optimize the shape of the island-like silicon connecting portion (neck portion), which limits the layout of transistors and circuits to be formed later.
[0019]
With respect to the excimer laser crystallization method described with reference to FIG. 2, the crystallinity inside the crystal grains can be a single crystal. However, when a large number of transistors are formed, there is a grain boundary in the channel region, so that movement occurs. As a result, the performance (threshold voltage, sub-shred coefficient, mobility) varies among transistors. In addition, in order to enlarge the crystal grains, it is necessary to bring them close to the critical laser fluence where the silicon thin film is completely melted. However, when the laser fluence exceeds the total melting condition, the silicon thin film is microcrystallized, which is not preferable. That is, the tolerance for laser fluence is narrow. In addition, since the crystal grain size is about 1 to 2 microns at the maximum, there is a restriction that the transistor size must be reduced. For this reason, for example, when a large-area substrate for display having a dimension of about 1 mx1 m is used, an extremely advanced fine processing technique is required. Further, in order to set the surface orientation to (001), the laser must be irradiated 200 times or more (about 10 times to make the (111) plane). For this reason, the processing time of crystallization becomes long. In addition, although the orientation of the surface of each crystal grain that becomes the upper surface (one surface) of the crystallized film can be made constant (001), it is in a positional relationship that rotates randomly with respect to the surface axis. The crystal orientation of the cross section is not oriented. That is, the plane perpendicular to the surface of the crystallized film cannot be the (001) orientation.
[0020]
With the SLS method described with reference to FIG. 3, nearly half of the laser beam is shielded with a metal mask, so that the laser energy cannot be used effectively. For this reason, the processing time of crystallization becomes long. Further, since the positions of the crystal grains vary, the performance variation between the transistors occurs as in the case of the excimer laser crystallization. And, since the plane orientation of the crystal grains is not constant, the performance varies between transistors.
[0021]
Regarding the phase modulation excimer laser crystallization technology described with reference to FIG.
Since the surface shape of the crystal grains is mainly triangular, there is a limitation on the circuit layout when forming the transistor circuit. In addition, since the plane orientation of the crystal grains is not constant, the performance varies among transistors.
[0022]
The present invention has been made based on the above problems, and an object thereof is to provide a semiconductor thin film crystallization method and a crystallization apparatus in which crystal grains in a desired plane direction are formed in a semiconductor thin film.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
Thus, in the method for crystallizing a semiconductor thin film according to one embodiment of the present invention, the incident laser light is modulated by the first optical modulation element into laser light having a light intensity distribution having a minimum light intensity line extending in one direction. In addition, the laser light having the light intensity distribution having the minimum light intensity line extending in the direction intersecting the one direction of the incident laser light is secondly arranged at a position different from the first optical modulation element on the optical path. A step of emitting a laser beam having a light intensity distribution having a minimum light intensity point where these minimum light intensity lines intersect,
A first laser irradiation step of irradiating a non-single-crystal semiconductor thin film from one side with the emitted laser light and growing crystal grains corresponding to the minimum light intensity point in a lateral direction from a crystal start point; It is characterized by that.
[0024]
A crystallization apparatus according to another aspect of the present invention includes an emission unit that emits laser light having a uniform light intensity distribution, and
A supporting means for supporting the non-single-crystal semiconductor thin film;
Light intensities arranged at different positions on the optical path between the emission means and the support means and having first and second minimum light intensity lines by modulating the phase of the laser light emitted from the emission means. First and second optical modulation elements for emitting laser beams of distribution, respectively,
The first optical modulation element and the second optical modulation element have a light intensity distribution in which the first minimum light intensity line and the second minimum light intensity line intersect to have a minimum light intensity point. The modulated laser beam is irradiated on the semiconductor thin film from one side so that crystal grains corresponding to the minimum light intensity point grow laterally from the crystal growth point to the semiconductor thin film. It is characterized by that.
[0025]
According to the method and apparatus of the above aspect, the amorphous or polycrystalline semiconductor thin film can be a crystallized semiconductor thin film whose crystal orientation is defined with respect to the substrate.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The basic concept of the present invention will be described below.
[0027]
As shown in FIG. 14A, the inventors of the present application use a phase shifter 141 in which a linear step is processed on the surface of a quartz substrate as an optical modulation element, and the laser light from the light source is shown in FIG. It was modulated into a laser light intensity distribution 51 as shown, and irradiated to an uncrystallized thin film (in this case, an amorphous silicon thin film) to crystallize (in this case, other crystalline silicon). Then, the surface morphology of the crystallized crystal grains and the crystallographic orientation of each crystal grain were measured using a scanning electron microscope (SEM) method and an electron backscattering (EBSP) method. As a result, it was found that the form of crystal grains can be classified into three types, that is, small crystal grains 52, strip-shaped crystal grains 53, and Δ-shaped crystal grains 54 as shown in FIG. When these three kinds of crystal grains are schematized and a known plane orientation relationship is added, the result is as shown in FIG. In FIG. 5C, the crystal grains corresponding to the small grain crystal grains 52, the strip-shaped crystal grains 53, and the Δ-shaped crystal grains 54 are given the same reference numerals with suffix “a”. Here, the inventors of the present invention noted that the growth distance of the Δ-shaped crystal grains 54a is long, the plane orientation in the crystal growth direction is the (100) plane, and two perpendicular directions with respect to the crystal growth direction. Of these, the vertical direction in the plane of the thin film is the (010) plane or the (011) plane. Therefore, the present inventors performed the first phase-modulated excimer laser irradiation so that the linear region 61a has the minimum laser light intensity as shown in FIG. 6A (irradiation with the minimum light intensity line). If the bottom region 61b of the Δ-shaped crystal grain 64 formed thereby is used as a seed crystal, that is, a crystal nucleus (crystal growth origin, crystal growth region), and the second phase modulation excimer laser irradiation is performed, the plane orientation is aligned. In addition, the present inventors have found that the crystal grains have a square shape 64. That is, as shown in FIG. 6B, it was found that the second phase modulation excimer laser irradiation should be such that the linear region 61b has a minimum intensity (irradiation with a minimum light intensity line). By the second phase modulation excimer laser irradiation, the left and right regions of the region 61b are completely melted, so that crystal growth occurs in the left and right directions of the region 61b. As a result, as shown in FIG. 6C, at least the plane orientation in the crystal growth direction has a (001) plane, and quadrangular crystal grains are formed. FIG. 6 shows the crystallized film as viewed from above. Further, by using the phase shifter 141 shown in FIG. 14A, the pitch P in the horizontal direction (left-right direction) is constant, for example, a plurality of minimum light intensity points (reverse peak points) 62a of 10 μm are shown in FIG. The amorphous film 80 is irradiated with the first phase-modulated excimer laser with the laser beam having the laser beam intensity distribution 81 shown in a), and then the phase shifter 141 and the amorphous film 80 are approximately 2 / P (approximately 5 μm). If the second phase-modulated excimer laser irradiation is performed with a relative shift, crystal grains whose position is controlled two-dimensionally can be formed as shown in FIG. Here, the pitch P is a step between the elongated groove formed on the surface and the surface so as to shift the phase of the incident laser light by 180 ° (π), as will be described later with reference to FIG. That is, the interval between the phase shift lines.
[0028]
The following conclusions were drawn from the above experiments and measurements.
[0029]
In order to manufacture a crystallized film in which a crystal grain having a rectangular surface shape is one-dimensionally controlled and at least the plane orientation in the growth direction is (001), a one-dimensional as shown in FIG. A phase shifter 141 is used to form a one-dimensional laser light intensity distribution, and the amorphous silicon thin film surface is irradiated with laser to form crystal grains grown in one direction (first laser irradiation). At this time, as shown in FIG. 5A, the laser light to be irradiated is designed so that the start position and the end position of crystal growth become the minimum value J1 and the maximum value J2 of the laser light intensity. By such cyclic annealing by the first laser irradiation, the entire region irradiated with the amorphous silicon thin film is filled with laterally grown crystal grains. Next, as shown in the scanning electron micrograph of FIG. 7A, the second laser irradiation is performed so that the laser intensity maximum region (the bottom region of the Δ-shaped crystal grains) 72 in the first laser irradiation becomes a minimum region. (Irradiation with the minimum light intensity line). At this time, the small crystal grains 75 and the strip-shaped crystal grains 73 are completely melted, and the base region 72 of the Δ-shaped crystal grains becomes a seed crystal, and melted and recrystallized in the horizontal direction of the region 72. A scanning electron micrograph of the surface of the crystallized thin film after the second laser irradiation is shown in FIG. In the second laser irradiation, the bottom region of the triangular crystal grain whose growth direction in the first laser irradiation is the (001) plane becomes a seed crystal, and the small grain crystal grain formed by the first laser irradiation, It shows that the strip-shaped crystal grains are remelted and taken into crystal growth from the seed crystal. Therefore, by the second laser irradiation, crystal grains 74b whose growth direction is the (001) plane and whose surface form is a square shape are formed. This was confirmed by electron backscattering.
[0030]
Further developing the above technical idea, as shown in FIG. 14C, the phase shifter 141, that is, the phase shift line, that is, the phase shift line orthogonal to each other, and the phase shifter 142 shown in FIG. Are combined to form a light intensity distribution 81 as shown in FIG. The light intensity distribution shown in this figure has three minimum light intensity lines and nine minimum light intensity points, but these numbers are arbitrary in the present invention. This light intensity distribution 81 is characterized in that a minimum point exists in the minimum intensity region (line). By controlling the crystal growth start point 82 two-dimensionally, the arrangement of the pentagonal crystal grains 83 is controlled. Can be formed. Further, the minimum light intensity line formed corresponding to the phase shift line of the first phase shifter and the minimum light intensity line formed corresponding to the phase shift line of the second phase shifter should intersect each other. For example, it does not necessarily have to be orthogonal. In FIG. 8 (b) showing a scanning electron micrograph of the surface morphology of a silicon thin film crystallized using the light intensity distribution 81 as described above, the crystal growth start point corresponding to the crystal growth start point 82 is indicated by 82a. The single crystallization region is indicated by 83a. By combining this technical idea with the secondary recrystallization method, single crystal regions with controlled growth orientations can be arranged two-dimensionally.
[0031]
Further, when the above technical idea is developed, a semiconductor thin film substrate having a crystal plane orientation can be produced by indicating the orientation to a substrate to be used in advance, and forming a light intensity distribution in accordance with the orientation to perform crystallization. When a substantially circular semiconductor substrate is used, as shown in FIG. 9A, orientation indication indicators such as orientation flat 91, notch 92, substrate marking 93, etc. are formed in advance on the substrate (semiconductor wafer), and this indicator is used as a reference. Thus, the laser light intensity distribution direction (intensity gradient direction) is matched. In the case of a rectangular substrate such as a glass substrate, as shown in FIG. 9B, orientation indication indicators such as one side 94, corner cut 95, and substrate marking 96 are formed in advance, and this indicator is used as a reference. Thus, the laser light intensity distribution direction (intensity gradient direction) is matched. Thus, by performing crystallization, a crystallized semiconductor thin film substrate in which the crystal plane orientation of the cross section of the thin film is known can be obtained from the substrate.
[0032]
Embodiments based on the above basic concept will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0033]
First Embodiment A surface on a semiconductor substrate (indicated by reference numeral 101 in FIG. 10) having an orientation display index such as an orientation flat 91, a notch 92, a substrate mark 93 and the like as shown in FIG. FIG. 5, FIG. 6, FIG. 7, FIG. 8, FIG. 9, FIG. 10 show embodiments of a semiconductor device having a rectangular crystallized region array with uniform orientation, a method for manufacturing the same, and a method for crystallizing a semiconductor thin film. In particular, it will be described with reference mainly to FIG.
[0034]
First, the semiconductor substrate 101 (e.g., Si, Ge, Si 1- x Ge x, Si 1-x-y Ge x C y, GaAs, GaP, InAs, GaN, ZnTe, CdSe, semiconductor wafers, such as CdTe) a prepare. An insulating layer 102 (for example, a film thickness of 500 nm) is formed on the semiconductor substrate 101. The insulating layer 102 is, for example, a SiO 2 film formed by thermal oxidation, CVD (for example, plasma chemical vapor deposition or low pressure chemical vapor deposition) or sputtering. Instead, the insulating layer 102 may have a laminated structure such as a combination of a SiN film and a SiO 2 film. The insulating layer 102 may be formed over the entire surface of the semiconductor substrate 101 and left as it is or may be left partially by patterning. Here, a case where the semiconductor substrate 101 is provided over the entire surface will be described. Next, an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film 103 (for example, Si, Si 1-x Ge x having a film thickness of about 30 to 200 nm is formed on the insulating layer 102, that is, on one surface side of the semiconductor substrate 101. , Or Si 1-xy Ge x Cy film) is formed using CVD (for example, plasma chemical vapor deposition or low pressure chemical vapor deposition) or sputtering. The semiconductor thin film 103 may be formed on the entire surface of the insulating layer 102 or on a partial region of the insulating layer by patterning. Here, it is formed on the entire surface of the insulating film 102.
[0035]
Then, as shown in FIG. 10A, a protective film 104 (for example, SiO 2 , SiON, SiN, or a laminated structure film thereof) is formed on the entire surface of the semiconductor thin film 103 with a film thickness of about 300 nm. Form a film. When the insulating layer 102 and the semiconductor thin film 103 are patterned, a protective film may be formed on the entire surface of the substrate.
[0036]
Next, as shown in FIG. 10B, the surface of the protective film 104 is irradiated with an excimer laser beam 105 having a light intensity distribution as shown in FIG. 8A by using a phase modulation excimer laser crystallization method. To do. This laser irradiation is called first laser irradiation. Here, the phase modulation excimer laser crystallization method uses the laser crystallization apparatus described in the third embodiment. For such laser light irradiation, the irradiation position can be set in accordance with an alignment mark provided in advance on the substrate or semiconductor wafer.
[0037]
Although the first laser irradiation uses a light intensity distribution having a plurality of reverse peaks, the case of three reverse peaks is shown in the figure for simplicity. This light intensity distribution includes a pair of main gradient directions (light intensity directions in which the light intensity increases almost linearly from the minimum light intensity point) 106 and / or around each reverse peak point (minimum light intensity point). 106a exists. The pair of main gradient directions 106 and 106a are in a 180 ° rotation relationship with each other in the drawing. The semiconductor substrate 101 and the phase shifter are set in advance so that the main gradient direction 106 or 106a and the direction of the orientation display index of the semiconductor substrate 101 have a predetermined relationship. Here, the main gradient direction 106 and the orientation flat 91 are set to be parallel.
[0038]
In this first laser irradiation, as shown in FIG. 5A, the energy density of the laser beam is such that the minimum value of the light intensity exceeds the critical value j1 of the lateral growth condition, and the maximum value of the light intensity is It is desirable that the vaporization critical value j2 or less of the semiconductor thin film 103 is not greater. The values of these critical values j1 and J2 are mainly determined by the absorption coefficient and film thickness of the semiconductor thin film 103 with respect to the laser beam.
[0039]
By irradiation of the first laser beam 105 with the first laser beam 105, the irradiated region of the semiconductor thin film 103 is crystallized and converted into the polycrystalline semiconductor thin film 107. The surface form of the crystallized thin film 107 is crystallized in the lateral direction along the main gradient directions 106 and 106a. At this stage, when the protective film is removed by etching and analyzed by scanning electron microscopy and electron backscattering, each crystal grain starts crystal growth from a position where the laser light intensity is low, and the direction of the main gradient 106, 106a is reached. It can be seen that the crystal has grown along. Each crystal grain is presumed to have grown from one crystal nucleus, and as classified in FIG. 5C, small grain crystal grains 52a, strip-shaped crystal grains 53a, and Δ-shaped crystal grains 54a. And are formed. Among them, the Δ-shaped crystal grain 54a has the longest lateral growth distance. When the crystal orientation of each crystal grain is analyzed by the electron beam backscattering method, the plane orientation of the growth direction (that is, main gradient 106, 106a) of the Δ-shaped crystal grain 54a is (100). The growth distance of the Δ-shaped crystal grains 54a is at least 2 mm or more, and is 5 mm in this embodiment. On the other hand, the crystal plane orientation in the main gradient direction of the small grain crystal grains 52a and the strip-shaped crystal grains 53a is the (111) or (110) plane.
[0040]
Next, as shown in FIG. 10C, second laser irradiation is performed on the polycrystalline region using the second laser beam 108. The light intensity distribution of the second laser irradiation can be understood by comparing FIGS. 10B and 10C, where the position of the minimum value of the light intensity used in the first laser irradiation is the second. The light intensity distribution of the first laser irradiation is set so as to be a light intensity distribution translated by about ½ of the minimum value pitch. That is, the region 61 (a) shown in FIG. 6A is the minimum value of the first laser irradiation, and the region 61 (b) is the minimum value of the second laser irradiation. Here, if the light intensity distribution is such that the intensity further decreases to the position of the minimum light intensity point 62a as shown in the laser light intensity distribution 81 shown in FIG. Can be controlled to dimensions. In the present embodiment, as described above, a light intensity distribution that is translated in the main gradient direction by ½P (5 mm) is used. FIG. 7A shows the result of observing the surface morphology of the crystallized silicon thin film after the first laser irradiation with a scanning electron microscope. In this figure, reference numeral 71 indicates a region where the light intensity of the first laser irradiation is minimal, and reference symbol 72 indicates a maximum region. Also in this photograph, as shown in FIG. 5B, it can be seen that small grain crystal grains 75, strip-shaped crystal grains 73, and Δ-shaped crystal grains 74a are formed. The second laser irradiation is performed so that the light intensity is minimized in the region indicated by reference numeral 72. The energy density of the second laser irradiation is set to be equal to or greater than the energy density of the first laser irradiation. In this embodiment, the second laser irradiation is performed by using the light intensity distribution of the first laser irradiation and translating the sample surface by 5 mm in the main gradient direction. It is not always necessary to use the same phase shifter, and another phase shifter whose phase is shifted by 1 / 2P may be used.
[0041]
By the second laser irradiation, the polycrystalline semiconductor region 107 is converted into a semiconductor region 109 having large crystal grains as shown in FIG. The point where the light intensity at this time is the minimum is indicated by reference numeral 72 in FIG. In this figure, it is shown that the second laser irradiation crystallizes in the lateral direction to the left and right of the region 72. Further, in this drawing, crystal grains 74b corresponding to the crystal grains of the semiconductor region 109 shown in FIG. The surface shape of the crystal grain 74b (the shape when the semiconductor region 109 is viewed from above, that is, the shape in the horizontal plane) is substantially square (rectangular), and the main gradient directions 106 and 106a of the light intensity distribution The plane orientation of the crystal grains is (100). Note that the crystallinity of the crystallized region of the semiconductor region 109 is a single crystal. In FIG. 7B, as described above, there are almost no small crystal grains, strip crystal grains, or triangular crystal grains observed in FIG. This is because the bottom part of the Δ-shaped grains 74a formed by the first laser irradiation is not completely melted by the second laser irradiation, while the small grain crystal grains 75 and the strip crystal grains 73 are It is because it completely remelts. For this reason, crystal growth occurs in the direction of the main gradient direction 106 (or 106a) using the region 72 where the light intensity is minimum as a seed crystal. The small crystal grains 75 and the strip-shaped crystal grains 73 having the (111) plane or the (110) plane in the main gradient direction disappear and are oriented in the (100) plane in the main gradient direction 106 (or 106a) direction. It has been converted to crystal grains.
[0042]
As can be seen from the above description, the plane orientation of the crystal grains of the semiconductor region 109 formed by the method of this embodiment along the orientation flat of the semiconductor substrate 101 is the (100) plane.
[0043]
Therefore, according to the method of the present embodiment, a single crystallized region array having a (100) plane orientation in one direction of the cross section and composed of substantially rectangular crystal grains can be formed on the semiconductor substrate. . In the method described above, it seems that a part of the semiconductor thin film 103 is single-crystallized in the drawing, but the entire semiconductor thin film 103 can be single-crystallized by repeating the above process.
[0044]
Second Embodiment FIGS. 9 and 11 show an embodiment relating to a semiconductor device having a rectangular crystallized region array with a uniform plane orientation on an insulating material substrate, a method for manufacturing the same, and a method for crystallizing a semiconductor thin film. The description will be given with reference.
[0045]
First, an insulating material substrate 111 (for example, quartz glass, soda glass, borosilicate glass, lead glass) having sides 94, notches 95, or markings 96 (which may be the front surface or the back surface of the substrate) as shown in FIG. 9B. , Fluoride glass, sapphire, plastic, polyimide, etc.) are prepared (FIG. 11A). An insulating layer 112 (for example, a film thickness of 500 nm) is formed over the insulating material substrate 111. The insulating layer 112 is a SiO 2 thin film formed using, for example, CVD (for example, plasma chemical vapor deposition or low pressure chemical vapor deposition) or sputtering. Instead, the insulating layer 112 may have a laminated structure made of different materials such as SiN and SiO 2 . The insulating layer 112 may be formed on the entire surface of the insulating material substrate 111 or on a partial region on the surface of the insulating material substrate by patterning. Here, the insulating material substrate 111 is formed on the entire surface. Next, an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film 113 (for example, Si, Ge, Si 1-x Ge x , Si 1-xy Ge x having a thickness of about 30 to 200 nm is formed on the insulating layer 112. Cy or the like) is formed using a CVD method (for example, a plasma chemical vapor deposition method or a low pressure chemical vapor deposition method) or a sputtering method. The semiconductor thin film 113 may be formed on the entire surface of the insulating layer 112 or on a partial region of the insulating layer by patterning. Here, the insulating layer 112 is formed on the entire surface.
[0046]
Then, as shown in FIG. 11A, a protective film 114 (for example, SiO 2 , SiON, SiN, or a laminated structure film thereof) is formed to a thickness of about 300 nm on the entire surface of the semiconductor thin film 113. . When the insulating layer 112 and the semiconductor thin film 113 are patterned, a protective film may be formed on the entire surface of the substrate. The subsequent steps are substantially the same as those in the first embodiment, and will be described briefly.
[0047]
As shown in FIG. 11B, the surface of the protective film 114 is irradiated with the first laser beam with the first laser beam 115 having the light intensity distribution as described above. The main gradient directions 116 and 116a of the light intensity in the first laser irradiation are set based on the azimuth display index shown on the insulating material substrate 111. In this embodiment, the main gradient directions 116 and 116a and the direction indicated by the azimuth display index are made to coincide. By this first laser irradiation, the irradiation region of the semiconductor thin film 113 is converted into the crystallized semiconductor thin film 117.
[0048]
Next, as shown in FIG. 11C, under the same conditions as in the first embodiment, the second laser irradiation is performed with the second laser light 118 shifted in the lateral direction by about 1 / 2P. As a result, as shown in FIG. 11 (d), the crystallized semiconductor thin film 117 becomes a single crystallized semiconductor thin film 109. The crystal grain surface form of the crystallized semiconductor thin film 117 is a quadrangular shape, and the plane orientation along the reference of the insulating material substrate 111 is a (100) plane. Therefore, according to the method of the present embodiment, a rectangular single crystallized region array having a (100) plane orientation in one direction of the cross section of the insulating material substrate can be formed.
[0049]
Third Embodiment A semiconductor thin film crystallization method and a crystallization apparatus according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 12, 13, 14, and 15, respectively. In these examples, an excimer laser 121 (for example, XeCl, KrF, ArFF, etc.) is used as a light source, but is not necessarily limited thereto.
[0050]
As shown in FIG. 12A, on the exit side of the excimer laser 121 that emits the pulsed laser beam 122a, the energy density of the laser beam 122 (critical value j1 and critical value j2 shown in FIG. 5A) is set. An attenuator 123 for controlling and a homogenizing optical system 124 for making the intensity of the laser light uniform are sequentially arranged. The position indicated by reference numeral 120a is the image plane (focal plane) of the homogenizing optical system 124. On the exit side of the homogenizing optical system 124, a projection lens 125 that arranges the image forming surface 120a of the homogenizing optical system at the same magnification or reduction is disposed via a 90-degree reflecting mirror. The first phase shifter 126a is disposed on the image forming surface 120b (focus position) of the projection lens 125, and the second phase shifter 127a is disposed at a position deviated from the focus position (defocus position). Has been. Here, the second phase shifter 127a may be composed of a plurality of phase shifters, for example, two phase shifters whose phase shift directions are orthogonal to each other. The first phase shifter 126a is for forming a steep bottom in the laser light intensity distribution 81 shown in FIG. The second phase shifter 127a is for forming a gradient necessary for crystal growth in the horizontal direction in the laser light intensity distribution 81 shown in FIG. That is, in the laser light intensity distribution 81 shown in FIG. 8A, the bottom shape having a steep laser light intensity distribution at the minimum light intensity point 62a is formed by the first phase shifter 126a. In the laser light intensity distribution 81, the shape that becomes the maximum laser light intensity distribution from the minimum light intensity point 62a is a gradient necessary for crystal growth in the lateral direction, and is formed by the second phase shifter 127a.
[0051]
The first and second phase shifters 126a and 127a are fixed on the optical axis by a holder (not shown). This holder is incorporated in a drive mechanism DM such as a goniometer having a mechanism for moving in a direction along the optical axis and a direction perpendicular thereto, and a biaxial rotation mechanism.
[0052]
A sample 128 placed on the stage 129 is positioned on the emission side of the second phase shifter 127a. The stage 129 is movable in the X direction and the Y direction, and the sample 128 can be shifted in the horizontal direction relative to the second phase shifter 127a.
[0053]
Next, the operation of the crystallization apparatus having the above configuration will be described below.
[0054]
The pulsed laser beam 122a emitted from the excimer laser 121 is controlled in energy density by an attenuator 123 and enters a homogenizing optical system 124, where it becomes a laser beam 122b having a uniform intensity and is incident on a reflecting mirror. . Here, the laser beam 122b is deflected by 90 degrees in the direction of the sample 128 and is incident on the projection lens 125. The projection lens 125 causes the incident laser light 122b to be incident on the sample surface as laser light 122d modulated by the first and second phase shifters 126a and 127a. The configuration of the phase shifters 126a and 127a for this purpose will be described later with reference to FIG. Note that the sample 128 may actually be, for example, a laminated thin film substrate formed on any of the substrates shown in FIG. 9 and having the semiconductor thin film 113 shown in FIGS. 10 and 11.
[0055]
The characteristic of the laser light intensity distribution (image) formed by being modulated by the second phase shifter 127a is, for example, macroscopically at the millimeter level, such as a laser light intensity distribution 81 shown in FIG. It has uniform intensity and is micron-level microscopically intensity-modulated. When the first laser irradiation is performed with the laser light having such a laser light intensity distribution 81, a crystallized thin film in which the position of crystal grains is controlled as shown in the scanning electron micrograph of FIG. 8B may be formed. it can.
[0056]
When the energy density of the laser beam is optimized by the attenuator 123 and the surface of the sample 128 is irradiated with the laser beam 122d, the semiconductor thin film of the sample 128 rises in temperature by absorbing the laser beam 122d. Here, in the intensity modulation region of the laser beam 122d, it is desirable that the semiconductor thin film at the minimum intensity is in a molten state up to the vicinity of the base interface, and at the maximum intensity, the temperature is such that the semiconductor thin film does not evaporate.
[0057]
The first and second phase shifters 126a and 127a are formed on one surface of a transparent substrate, for example, a synthetic quartz plate 141a (142a) as shown by reference numerals 141 and 142 in FIGS. 14 (a) and 14 (b), respectively. In addition, an elongated rectangular groove 141b (142b) having a predetermined interval from each other is formed to form a stepped structure. The height of the step (groove depth) Δt corresponds to the phase difference θ of the emitted laser light. This phase difference θ is given by θ = 2πΔt (n−1) / λ. Here, λ is the wavelength of the laser, and n is the refractive index of the synthetic quartz plate. For example, when a KrF excimer laser with a wavelength of 248 nm is used, the refractive index is 1.508, and the phase difference is 180 ° when the step Δt is 244 nm. Such phase shifters 141 (126a) and 142 (127a) are provided at positions as shown in FIG. 12A in such a positional relationship that the grooves are orthogonal to each other. As a method of forming a step on the surface of the synthetic quartz substrate 141a (142a), for example, a method of etching using reactive ion etching, a method of direct processing using a focused ion beam method, a method of forming on the synthetic quartz substrate There is a method of thermally oxidizing an amorphous silicon thin film formed and patterned. The phase shifters 141 and 142 are different in groove dimension and pitch P (interval between phase shift lines) in the drawing, but may be the same.
[0058]
In addition to the surface step, the phase shifter may have an effect of forming a light intensity distribution by light absorption. For this purpose, for example, a light absorption film (for example, a film of SiN, SiON, Ge or the like) is formed on one surface of the synthetic quartz plate 141a (142a) and patterned. By using such a phase shifter 141 (142), the light intensity distribution changes depending on the absorption coefficient and the film thickness of the light absorption film. This method is preferable when forming in the region of the phase shifter where it is desired to suppress the light intensity vibration.
[0059]
In addition, an effect of forming a light intensity distribution may be added by forming a microlens on the surface of the phase shifter.
[0060]
As shown in FIG. 15, a plurality of pairs of phase shifters 152a and 152b, and 153a and 153b are provided on the same substrate by forming steps of different structures on the surface of a single synthetic quartz substrate 151. May be. In this example, two pairs of phase shifter regions 152a and 152b and 153a and 153b having different groove widths and distances between grooves (ie, phase shift portion pitch) are provided. In this case, the area of each phase shifter region must be larger than the cross section 154 of the incident laser light. Each pair of phase shifter regions 152a (153a) and 152b (153b) has a structure that is shifted by a half cycle (shifted by 1/2 phase shifter pitch). In such a phase shifter, the first irradiation uses one phase shifter (region) 152a, and the second irradiation moves the synthetic quartz substrate 151 in the longitudinal direction of the groove and the other phase shifter (region) 152b. Can be used for crystallization. The same applies to the other pair of phase shifters (regions) 153a and 153b. By using different pairs of phase shifters, the laser light can have different patterns of laser light intensity distribution.
[0061]
As shown in FIGS. 14C and 14D, the first phase shifter 141 and the second phase shifter 142 are attached by sandwiching four spacers 143 provided at the corners. An integral structure may be used. Further, a frame-shaped shield spacer may be provided between the four sides in place of the four spacers so that dust and the like can be prevented from entering between the phase shifters. In FIG. 14C, the first phase shifter 141 and the second phase shifter 142 are arranged such that one (in this case, the former) rectangular groove is inside and the other (in this case, the latter) rectangular groove is An example of combination on the outside is shown. FIG. 14D shows an example in which the first phase shifter 141 and the second phase shifter 142 are combined so that the rectangular grooves of both are inside. Of course, both phase shifters 141 and 142 may be combined so that the rectangular groove is on the outside. Instead, as shown in FIG. 14 (e), the first phase shifter and the second phase shifter may be integrally formed on one synthetic quartz substrate (common transparent substrate). The first phase shifter groove, that is, a step is formed on one surface, and the second phase shifter groove, that is, a step is formed on the other surface. Furthermore, the first phase shifter and the second phase shifter may interchange the installation positions in the optical path.
[0062]
The light intensity distribution obtained by the first and second phase shifters 126a and 127a as described above is the geometric structure of the surface step of the transparent substrate (synthetic quartz substrate), the angle of incident light, and the spatial coherence of light. Determined by gender. Depending on the required light intensity, only the second phase shifter 127a may be required.
[0063]
Fourth embodiment (not shown)
In the third embodiment, the same position of the surface of the sample 128 as that of the fourth embodiment is arranged on the focal plane of the projection lens 125. For example, the phase shifter 126a is provided on the focal plane 120a of the homogenizing optical system 123. It may be arranged. In this case, the diversification of the light intensity distribution design is limited as compared with the third embodiment, but there is an effect of improving the uniformity.
[0064]
In the embodiment of the crystallization apparatus described below, the same reference numerals are assigned to the substantially same portions as those in the third embodiment, and the description thereof is omitted.
[0065]
Fifth Embodiment In this apparatus, as shown in FIG. 12B, the first phase shifter 126a is arranged on the focal plane 120a of the homogenizing optical system 123, and the sample 128 is placed at the focal position of the imaging lens 125. The surface is located. The second phase shifter 127a is disposed at a position out of focus of the imaging lens 125. In this case, the diversity of the light intensity distribution design is improved as compared with the fourth embodiment, but the intensity modulation of the first phase shifter 126a is limited by the resolution of the projection lens.
[0066]
Sixth Embodiment In this apparatus, as shown in FIG. 12 (c), the first phase shifter 126a is disposed on the focal plane 120a of the homogenizing optical system 123, and the defocusing position of the homogenizing optical system 123 is shifted. In addition, a second phase shifter 127a is arranged. The surface of the sample 128 is disposed on the focal plane of the projection lens 125. In the apparatus having such a configuration, since there is no phase shifter near the sample surface, the degree of freedom around the stage 129 is increased. However, the light intensity distribution has a drawback of being limited by the resolution of the projection lens.
[0067]
In the third to sixth embodiments, the second laser irradiation is performed by relatively translating the sample 128 and the optical system (the phase shifters 126a and 127a and the projection lens 125), that is, the stage 129. Is moved relative to the optical system, or the optical system (specifically, the portion on the stage 129 side from the reflecting mirror) is moved relative to the stage 129 to translate the light intensity distribution. However, the present invention is not limited to such a method. This example will be described below as seventh and eighth embodiments. In these embodiments, two phase shifters 127c and 127d having the same configuration are used as the phase shifter. One phase shifter 127c is for the first laser irradiation, and the other phase shifter 127d is for the second laser irradiation. For this reason, when the growth edge of a crystal grain grown from the minimum light intensity line or the minimum light intensity point of the laser light modulated by the first phase shifter 127c is a Δ-shaped crystal grain, The relative positions of the phase shifters 127c and 127d are set so that the base region of the laser beam is irradiated with the minimum light intensity line or the minimum light intensity point of the laser light modulated by the second phase shifter 127d. ing. Further, the phase shifters 127c and 127d are arranged on the respective focal planes of the homogenizing optical system, but are not limited to these positions.
[0068]
Seventh Embodiment As shown in FIG. 13A, this apparatus includes a first excimer laser 121a, a first attenuator 123a, a first homogenizing optical system 124a, and a first phase shifter 127c. A second laser comprising a first laser irradiation optical system comprising: a second excimer laser 121b; a second attenuator 123b; a second homogenizing optical system 124b; and a second phase shifter 127d. And an optical system for irradiation. The first phase shifter 127c and the second phase shifter 127d have the same structure, but the periodic structure of the surface step is shifted by a half period. These phase shifters 127c and 127d use the phase shifter having the composite structure shown in FIGS. 14C and 14D, but may be a single structure phase shifter shown in FIG. 14B. A common half mirror 135 is disposed on the emission side of the first phase shifter 127c and the emission side of the second phase shifter 127d. The half mirror 135 has a function of reflecting the laser beam from the first phase shifter 127c by 90 ° to the imaging lens 125, and transmits the laser beam from the second phase shifter 127d to guide it to the imaging lens 125. With functions. The laser light that has passed through the imaging lens 125 irradiates the sample 128 with a light modulation intensity distribution that is shifted by about ½ P (1/2 of the phase shifter step pitch) in the lateral direction.
[0069]
In the apparatus having the above structure, the first excimer laser 121a and the second excimer laser 121b are controlled to oscillate alternately, and the first laser irradiation and the second laser irradiation are performed by the half mirror 135 and the projection lens 136. Are alternately performed so that these irradiations do not overlap with each other, thereby crystallizing the semiconductor thin film. In such a method, since it is not necessary to move the phase shifter for the second laser irradiation, it is possible to eliminate the movable part in the optical system, to eliminate the drive mechanism for this, and to stabilize the optical axis. There is a feature to become.
[0070]
Eighth Embodiment As shown in FIG. 13B, a beam splitter such as a half mirror 139 a is provided on the exit side of the excimer laser 121 via an attenuator 123. The half mirror 139a branches the incident laser light into two laser lights. On the transmission side of the half mirror 139a, a common half mirror 135 is disposed through a first homogenizing optical system 124a and a first phase shifter 127c in this order. A second homogenizing optical system 124b is arranged on the reflection side of the branching half mirror 139a via two mirrors 139b and 139c. The common half mirror 135 is disposed on the exit side of the homogenizing optical system 124b via a second phase shifter 127d. The common half mirror 135 reflects the laser light from the first phase shifter 127 c and transmits the laser light from the second phase shifter 127 d to guide it to the projection lens 125.
[0071]
In such an apparatus, the pulsed laser beam emitted from the laser 121 is branched into two laser beams by the half mirror 139b, and the first laser beam is transmitted through the first homogenizing optical system 124a and the first laser beam. The sample 128 is irradiated through the phase shifter 127c, the common half mirror 135, and the projection lens 125. The second laser light is applied to the sample 128 through the mirrors 139b and 139c, the second homogenizing optical system 124b, the second phase shifter 127d, and the projection lens 125. The optical path lengths of the first laser beam and the second laser beam are such that the sample is first irradiated with the first laser beam, and the sample is irradiated with the second laser beam after the irradiation is completed. Is set.
[0072]
Such a technique also has the same effect as that of the seventh embodiment.
[0073]
In the above embodiment, the first phase shifters 126a and 127c are configured to form a steep bottom, and the second phase shifters 127a and 127d are configured to form a gradient necessary for lateral crystal growth. An example was described. Furthermore, both the first phase shifters 126a and 127c and the second phase shifters 127a and 127d may be configured to form the same steep bottom, or a gradient necessary for lateral crystal growth may be formed. You may make it the structure for doing.
[0074]
A semiconductor device according to a ninth embodiment and a manufacturing method thereof will be described below with reference to FIG.
[0075]
As shown in FIG. 16A, a transparent rectangular substrate 301 (formed of an orientation indicator shown in FIG. 9B is formed of an insulating material such as alkali glass, quartz glass, plastic, polyimide, or the like. The underlayer 302, the amorphous semiconductor thin film 303, and the protective film 304 are sequentially formed on a flat surface (only a part of which is shown in the figure) in the order of known film formation such as chemical vapor deposition and sputtering. Form using technology. The underlayer 302 is formed of, for example, a laminated film of a SiN film 302a having a thickness of 50 nm and a SiO 2 film 302b having a thickness of 300 nm. The SiN film 302a prevents impurities from the substrate 301 made of glass or the like from diffusing into the amorphous semiconductor thin film 303, and the SiO 2 film 302b is formed of nitrogen from the SiN film 302a that is amorphous. The diffusion to the semiconductor thin film 303 is prevented. The amorphous semiconductor thin film 303 has a thickness of about 50 nm to 200 nm, for example, and is made of a semiconductor such as Si, Ge, or SiGe, in this embodiment, Si. The protective film 304 is the same as the protective film 104 described with reference to FIG.
[0076]
Next, the surface of the amorphous semiconductor thin film 303 was optically modulated by a phase shifter (for example, the phase shifter 141 shown in FIG. 14A) as the first laser light irradiation through the protective film 304. As will be described in detail later, a region 305 (hereinafter referred to as an irradiation region) irradiated with each of the first laser beams 105 and a region 306 (hereinafter referred to as a non-irradiation region) that are not irradiated are adjacent to each other. In order to facilitate understanding, only one unit region consisting of one irradiation region and one non-irradiation region is selectively irradiated so as to form a large number of unit regions. Show). Next, the substrate 301 is shifted laterally by about ½ of the pitch of the groove of the phase shifter, and the second laser beam 108 is used for the second laser irradiation. By such first and second laser irradiations, the irradiated region 305 is annealed and melted, and is converted into an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film or a single crystal thin film. That is, the irradiation region 305 is formed of quadrangular crystal grains having a (001) plane at least in the crystal growth direction. The amorphous semiconductor in the irradiation region 306 is maintained as it is. For example, in the manufacturing process of the liquid crystal display device, the irradiation region 305 is a region for forming a driving circuit TFT that requires fast switching characteristics. The non-irradiation region 306 is a region for forming a pixel TFT that requires a high withstand voltage. Next, as shown in FIG. 16C, the protective film 304 is removed by etching to expose the semiconductor thin film.
[0077]
Then, using the photolithography technique, the irradiated region 305 and the non-irradiated region 306 are selectively etched to form two first island regions 305a and one second island region 306a. A gate insulating film 307 made of SiO 2 and having a thickness of about 20 nm to 300 nm is formed on the substrate including the island-like regions 305a and 306a (precisely, on the base layer 302) as described above. It forms using. Gate electrodes 308 are formed on portions of the gate insulating film 307 facing the central portions of the island regions 305a and 305b, respectively. These gate electrodes 308 can be formed by patterning a layer of silicide or MoW.
[0078]
Next, as shown in FIG. 16D, impurity ions 309 are implanted into the island regions 305a and 306a using the gate electrode 308 as a mask, and a channel region is sandwiched between the source region and the drain region. Forming a region. At this time, the positions of the source region and the drain region are set so that the cross section in the direction of current flow in the channel region becomes the (001) plane. This setting is easily made based on the orientation instruction index formed on the substrate. The current that flows is (001) The impurity ion is an N-type impurity, for example, phosphorus if an N-channel MOS transistor is formed, and a P-type impurity, for example, if a P-channel MOS transistor is formed. Boron. The resulting device is annealed (at 450 ° C. for 1 hour) in a nitrogen atmosphere to activate the implanted impurities.
[0079]
Next, an interlayer insulating film 330 made of, for example, SiO 2 is formed on the gate insulating film 307 including the gate electrode 308. The portions of the interlayer insulating film 130 and the gate insulating film 307 on the regions (source region and drain region) doped with impurities in the island regions 305a and 306a are removed by selective etching to form contact holes.
[0080]
Next, as shown in FIG. 16E, a source electrode 311a and a drain electrode 311b electrically connected to the source region and the drain region through contact holes are formed on the gate insulating film 307. Thus, a thin film semiconductor device is completed.
[0081]
FIGS. 17A and 17B show an example of a liquid crystal display device manufactured using the thin film semiconductor device.
[0082]
The liquid crystal display device 400 includes a pair of front and rear transparent substrates (base layers) 421 and 422, a liquid crystal layer 423, a pixel electrode 424, a scanning wiring 425, a signal wiring 426, a counter electrode 427, a TFT 430, and the like.
[0083]
As the pair of transparent substrates 421 and 422, for example, a pair of glass plates can be used. The transparent bases 421 and 422 are joined via a frame-shaped sealing material. The liquid crystal layer 423 is provided in a region surrounded by a sealing material between the pair of transparent substrates 421 and 422.
[0084]
A plurality of pixel electrodes 424 provided in a matrix in the row direction and the column direction on one transparent substrate of the pair of transparent substrates 421 and 422, for example, the inner surface of the rear transparent substrate 422, and a plurality of pixel electrodes 424 A plurality of TFTs 430 (semiconductor devices according to the present invention described in detail above) electrically connected to the pixel electrode 424 and scanning wirings 425 and signal wirings 426 electrically connected to the plurality of TFTs 430 are provided. ing.
[0085]
The scanning wiring 425 is provided along the row direction of the pixel electrode 424. One ends of these scanning wirings 425 are respectively connected to a plurality of scanning wiring terminals (not shown) provided at one side edge of the transparent substrate 422 on the rear side. The plurality of scanning wiring terminals are connected to the scanning line driving circuit 41, respectively.
[0086]
The signal wiring 426 is provided along the column direction of the pixel electrode 424. One ends of these signal wirings 426 are connected to terminals (not shown) of a plurality of signal wirings 426 provided at one end edge of the transparent substrate 422 on the rear side. The plurality of signal wirings 426 terminals are connected to the signal line driving circuit 442, respectively.
[0087]
The scanning line driving circuit 741 and the signal line driving circuit 442 are connected to the liquid crystal controller 443, respectively. The liquid crystal controller 443 receives, for example, an image signal and a synchronization signal supplied from the outside, and generates a pixel video signal Vpix, a vertical anthem control signal YCT, and a horizontal scanning control signal XCT.
[0088]
On the inner surface of the transparent substrate 421 on the front side, which is the other transparent substrate, a single film-like transparent counter electrode 427 facing the plurality of pixel electrodes 424 is provided. A color filter is provided on the inner surface of the transparent substrate 421 on the front side so as to correspond to the plurality of pixel portions where the plurality of pixel electrodes 424 and the counter electrode 427 face each other, and light shielding is performed corresponding to the region between the pixel portions. A film may be provided.
[0089]
A polarizing plate (not shown) is provided outside the pair of transparent substrates 421 and 422. In the transmissive liquid crystal display device 400, a surface light source (not shown) is provided on the rear side of the transparent substrate 422 on the rear side. Note that the liquid crystal display device 400 may be a reflective type or a transflective type.
[0090]
In the embodiment described above, the TFT is described as the semiconductor device. However, the present invention can be applied to other semiconductor elements based on a semiconductor thin film, for example, a diode.
[0091]
Although a liquid crystal display device has been described as a display device using a semiconductor element, the present invention is not limited to this and can be applied to, for example, an organic EL display device.
[0092]
Further, the phase shifter using light diffraction and interference has been described in the embodiment as an optical modulation element that emits incident laser light having a uniform light intensity distribution as laser light having a light intensity distribution having a minimum light intensity point. However, for example, other types of optical modulation elements that exhibit the above functions by utilizing reflection and / or absorption of light can also be used. Such an optical modulation element is formed, for example, by providing an absorption film or a reflection film at a position corresponding to a groove instead of forming a groove in the substrate with the phase shifters (141, 142) shown in FIG. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional zone melting method.
FIG. 2 is a diagram for explaining an excimer laser crystallization method which is a conventional technique.
FIG. 3 is a diagram for explaining an SLS system that is a conventional technique;
FIG. 4 is a diagram for explaining a conventional phase modulation excimer laser crystallization method.
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the technology underlying the present invention, in which FIG. 5A is a diagram showing the light intensity distribution of a used laser beam, and FIG. 5B is a diagram of crystal grains of a crystallized thin film; The figure which shows the result of having measured the surface form and the crystallographic orientation of each crystal grain using the scanning electron microscope (SEM) method and the electron backscattering (EBSP) method, and (c) shows in (b) It is a figure which shows each crystal grain as a diagram.
FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining a technique that is the basis of the present invention, in which FIG. 6A is a top view schematically showing crystal grains produced by first phase modulation excimer laser irradiation, and FIG. FIG. 6C is a top view schematically showing crystal grains after irradiation of the phase-modulated excimer laser, and FIG. 6C is a diagram schematically showing the plane orientation of the crystal grains shown in FIG.
FIG. 7A is a view showing a scanning electron micrograph in a state where the second laser irradiation is performed so that the laser intensity maximum region in the first laser irradiation becomes a minimum region; FIG. It is a figure which shows the scanning electron micrograph of the crystallized thin film surface after laser irradiation.
FIGS. 8A and 8B are views for explaining the technology underlying the present invention, wherein FIG. 8A is a perspective view schematically showing first and second phase modulation excimer laser irradiations, and FIG. 8B is a second view. It is a figure which shows the crystal grain by which position control was carried out two-dimensionally after the phase-modulation excimer laser irradiation.
FIG. 9A is a plan view showing three examples of a circular substrate on which an orientation display index is formed, which can be used in the embodiment of the present invention, and FIG. It is a top view which shows three examples of the formed rectangular board | substrate.
FIG. 10 is a diagram for explaining the method according to the first embodiment of the present invention for each process.
FIG. 11 is a diagram for explaining the method according to the second embodiment of the present invention for each process.
FIGS. 12A to 12C are schematic diagrams for explaining a semiconductor thin film crystallization method and a crystallization apparatus according to third to sixth embodiments of the present invention, respectively.
FIGS. 13A and 13B are schematic views for explaining a semiconductor thin film crystallization method and a crystallization apparatus according to seventh and eighth embodiments of the present invention, respectively.
14 (a) is a perspective view showing a phase shifter for annealing, FIG. 14 (b) is a perspective view showing a phase shifter for positioning, and FIGS. 14 (c) to (e) are annealing views. FIG. 6 is a perspective view showing different configurations in which a phase shifter for positioning and a phase shifter for positioning are integrated.
FIG. 15 is a plan view for explaining a configuration in which an annealing phase shifter and a positioning phase shifter are formed on the same substrate;
FIG. 16 is a diagram for explaining the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the ninth embodiment of the present invention according to the process.
FIG. 17 is a diagram for explaining a liquid crystal display device including a semiconductor device manufactured according to the present invention.
[Explanation of symbols]
52 ... Small grain crystal grains, 53 ... Strip crystal grains, 54 ... Delta crystal grains, 81 ... Laser light intensity distribution, 82 ... Crystal growth start point, 103 ... Semiconductor thin film, 105 ... First laser irradiation laser Light, 106, 106a, main gradient direction, 107, crystallized polycrystalline semiconductor thin film, 108, second laser irradiation laser light, 141, 142, 126a, 127a, phase shifter.

Claims (19)

入射したレーザ光を、一方向に延びた極小光強度線を有する光強度分布のレーザ光に第1の光学変調素子により変調すると共に、入射したレーザ光を前記一方向と交わる方向に延びた極小光強度線を有する光強度分布のレーザ光に、前記第1の光学変調素子とは光路上の異なる位置に配置された第2の光学変調素子により変調して、これら極小光強度線が交差したところの最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を射出する工程と、
この射出されたレーザ光を非単結晶の半導体薄膜に一面側から照射して、結晶開始点から前記最小光強度点と対応した結晶粒を横方向に成長させる第1のレーザ照射工程とを有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
The incident laser beam is modulated by the first optical modulation element into a laser beam having a light intensity distribution having a minimal light intensity line extending in one direction, and the incident laser beam extends in a direction intersecting the one direction. Light intensity distribution laser light having light intensity lines is modulated by a second optical modulation element disposed at a different position on the optical path from the first optical modulation element, and these minimum light intensity lines intersect. Emitting a laser beam having a light intensity distribution having a minimum light intensity point;
A first laser irradiation step of irradiating a non-single-crystal semiconductor thin film from one side with the emitted laser light and growing crystal grains corresponding to the minimum light intensity point in a lateral direction from a crystal start point; A method for crystallizing a semiconductor thin film.
前記レーザ照射工程の後に、レーザ光を、前記結晶粒に照射して前記結晶粒をさらに成長させることにより、前記半導体薄膜を結晶化する第2のレーザ照射工程をさらに具備することを特徴とする請求項1の半導体薄膜の結晶化方法。After the laser irradiation step, the method further comprises a second laser irradiation step of crystallizing the semiconductor thin film by irradiating the crystal grains with laser light to further grow the crystal grains. The method for crystallizing a semiconductor thin film according to claim 1. 前記レーザ照射工程の後に、前記第1並びに第2の光学変調素子と、半導体薄膜とを半導体薄膜の面に沿う方向に相対的に移動させて、 前記半導体薄膜に、最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を、最小光強度点が前記結晶粒の成長端部とほぼ対応させて、照射して、この成長端部を結晶成長起点にして前記半導体薄膜に結晶粒を成長させることにより、前記半導体薄膜を結晶化する第2のレーザ照射工程をさらに具備することを特徴とする請求項1の半導体薄膜の結晶化方法。After the laser irradiation step, the first and second optical modulation elements and the semiconductor thin film are relatively moved in a direction along the surface of the semiconductor thin film, and light having a minimum light intensity point in the semiconductor thin film By irradiating laser light of intensity distribution with the minimum light intensity point substantially corresponding to the growth edge of the crystal grain, and growing the crystal grain on the semiconductor thin film using the growth edge as the crystal growth starting point. 2. The semiconductor thin film crystallization method according to claim 1, further comprising a second laser irradiation step of crystallizing the semiconductor thin film. 前記第1のレーザ照射工程は、前記結晶粒の成長方向の面方位が所定の面で、他の結晶粒よりも成長の早い結晶粒を形成する工程を有し、
前記第2のレーザ照射工程は、前記最小光強度点が前記成長の早い結晶粒の成長端部にほぼ対応させて、照射して、この成長端部を結晶成長起点にして前記半導体薄膜に結晶成長方向の面方位が前記所定の面である結晶粒を成長させる工程を有することを特徴とする請求項3の半導体薄膜の結晶化方法。
The first laser irradiation step includes a step of forming crystal grains having a predetermined plane orientation in the growth direction of the crystal grains and growing faster than other crystal grains,
In the second laser irradiation step, irradiation is performed such that the minimum light intensity point substantially corresponds to the growth end portion of the crystal grain that grows quickly, and the semiconductor thin film is crystallized using the growth end portion as a crystal growth starting point. 4. The method of crystallizing a semiconductor thin film according to claim 3, further comprising the step of growing crystal grains whose plane orientation in the growth direction is the predetermined plane.
前記第1のレーザ照射工程は、前記結晶粒の成長方向の面方位が(100)面で、一面側から見てΔ形状の結晶粒を形成する工程を有し、
前記第2のレーザ照射工程は、最小光強度点が前記Δ形状の結晶粒の底辺領域にほぼ対応させて、照射して、この底辺領域を結晶成長領域にして前記半導体薄膜に結晶成長方向の面方位が(100)面で、一面側から見て表面形状がほぼ矩形を有している結晶粒を成長させる工程を有することを特徴とする請求項3の半導体薄膜の結晶化方法。
The first laser irradiation step includes a step of forming a crystal grain having a Δ shape when viewed from one side, with the plane orientation in the growth direction of the crystal grain being a (100) plane,
In the second laser irradiation step, irradiation is performed such that the minimum light intensity point substantially corresponds to the bottom region of the Δ-shaped crystal grains, and the bottom region is set as a crystal growth region to the semiconductor thin film in the crystal growth direction. 4. The method for crystallizing a semiconductor thin film according to claim 3, further comprising the step of growing crystal grains having a (100) plane orientation and a surface shape that is substantially rectangular when viewed from one side.
均一な光強度分布のレーザ光を射出する射出手段と、
非単結晶の半導体薄膜を支持する支持手段と、
前記射出手段と支持手段との間の光路上の夫々異なる位置に配置され、射出手段から射出されたレーザ光の位相を変調することにより第1並びに第2の極小光強度線を夫々有する光強度分布のレーザ光を夫々射出するための第1並びに第2の光学変調素子とを具備し、
前記第1の光学変調素子と第2の光学変調素子とは、前記第1の極小光強度線と第2の極小光強度線とが交差して最小光強度点を有する光強度分布を有するレーザ光に変調するように配置されており、この変調されたレーザ光が、半導体薄膜に一面側から、結晶成長点から前記最小光強度点と対応した結晶粒を横方向に成長させるように照射されることを特徴とする結晶化装置。
An emission means for emitting laser light having a uniform light intensity distribution;
A supporting means for supporting the non-single-crystal semiconductor thin film;
Light intensities arranged at different positions on the optical path between the emission means and the support means and having first and second minimum light intensity lines by modulating the phase of the laser light emitted from the emission means. First and second optical modulation elements for emitting laser beams of distribution, respectively,
The first optical modulation element and the second optical modulation element have a light intensity distribution in which the first minimum light intensity line and the second minimum light intensity line intersect to have a minimum light intensity point. The modulated laser beam is irradiated on the semiconductor thin film from one side so that crystal grains corresponding to the minimum light intensity point grow laterally from the crystal growth point to the semiconductor thin film. A crystallization apparatus.
前記射出手段と支持手段とを半導体薄膜の面に沿う方向に相対的に移動させる駆動手段をさらに具備し、
この駆動手段は、前記半導体薄膜に、最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を、最小光強度点が前記結晶粒の成長端部とほぼ対応させて、照射して、この成長端部を結晶成長起点にして前記半導体薄膜に結晶粒を成長させるように、前記第1並びに第2の光学変調素子と、半導体薄膜とを半導体薄膜の面に沿う方向に相対的に移動させて位置させることを特徴とする請求項6の結晶化装置。
Drive means for relatively moving the injection means and the support means in a direction along the surface of the semiconductor thin film;
The driving means irradiates the semiconductor thin film with a laser beam having a light intensity distribution having a minimum light intensity point, with the minimum light intensity point substantially corresponding to the growth edge of the crystal grain, and the growth edge. The first and second optical modulation elements and the semiconductor thin film are relatively moved in the direction along the surface of the semiconductor thin film so as to grow crystal grains on the semiconductor thin film starting from the crystal growth origin. The crystallization apparatus according to claim 6.
前記駆動手段は、前記射出手段と支持手段との少なくとも一方を移動させることを特徴とする請求項7の結晶化装置。The crystallization apparatus according to claim 7, wherein the driving unit moves at least one of the injection unit and the support unit. 前記光路上に夫々設けられ、前記射出手段から射出されたレーザ光の光強度を均一化するホモジナイズ光学系、並びにホモジナイズ光学系の結像面を等倍もしくは縮小する投影レンズとを有することを特徴とする請求項6ないし8のいずれか1の結晶化装置。A homogenizing optical system that is provided on each of the optical paths and uniformizes the light intensity of the laser light emitted from the emitting means; and a projection lens that equalizes or reduces the imaging surface of the homogenizing optical system. The crystallization apparatus according to any one of claims 6 to 8. 前記第1の光学変調素子は、前記ホモジナイズ光学系の結像面に配置されていることを特徴とする請求項9の結晶化装置。The crystallization apparatus according to claim 9, wherein the first optical modulation element is disposed on an imaging plane of the homogenizing optical system. 前記第1の光学変調素子は、前記投影レンズの結像面に配置されていることを特徴とする請求項9の結晶化装置。The crystallization apparatus according to claim 9, wherein the first optical modulation element is disposed on an imaging plane of the projection lens. 前記第1の光学変調素子は、前記ホモジナイズ光学系の結像面に配置されており、また、前記第2の光学変調素子は、前記投影レンズの結像面に配置されていることを特徴とする請求項9の結晶化装置。The first optical modulation element is disposed on an image plane of the homogenizing optical system, and the second optical modulation element is disposed on an image plane of the projection lens. The crystallization apparatus according to claim 9. 前記投影レンズの結像面には、前記半導体薄膜の一面が位置され、また、前記ホモジナイズ光学系の結像面に第1の位相シフタが配置されていることを特徴とする請求項9の結晶化装置。10. The crystal according to claim 9, wherein one surface of the semiconductor thin film is positioned on the imaging surface of the projection lens, and a first phase shifter is disposed on the imaging surface of the homogenizing optical system. Device. 前記第1並びに第2の光学変調素子は、入射レーザ光を変調することにより極小光強度線を有する光強度分布のレーザ光を射出する第1並びに第2の位相シフタを夫々要する請求項6ないし13のいずれか1の結晶化装置。The first and second optical modulation elements respectively require first and second phase shifters for emitting laser light having a light intensity distribution having a minimum light intensity line by modulating incident laser light. The crystallization apparatus according to any one of 13. 前記第1の位相シフタと第2の位相シフタとの各々は、一面を有する透明の基板と、この基板の一面に互いに所定間隔を有して平行に、かつ一方向の延びた矩形の細長い溝とを有し、これら溝は、前記基板の一面に対してπの深さを有し、溝と前記一面との間に位相シフト部を規定していることを特徴とする請求項14の結晶化装置。Each of the first phase shifter and the second phase shifter includes a transparent substrate having one surface, and a rectangular elongated groove extending in one direction parallel to the surface of the substrate at a predetermined interval. 15. The crystal according to claim 14, wherein the grooves have a depth of π with respect to one surface of the substrate, and a phase shift portion is defined between the grooves and the one surface. Device. 前記第1の位相シフタと第2の位相シフタとは、位相シフト部のピッチが異なることを特徴とする請求項15の結晶化装置。16. The crystallization apparatus according to claim 15, wherein the first phase shifter and the second phase shifter have different phase shift portions. 前記第1の位相シフタと第2の位相シフタとは、これらの位相シフト部が直交するように配設されていることを特徴とする請求項15もしくは16の結晶化装置。The crystallization apparatus according to claim 15 or 16, wherein the first phase shifter and the second phase shifter are disposed so that their phase shift portions are orthogonal to each other. 前記第1の位相シフタと第2の位相シフタとは、これらの間に配置されたスペーサ手段により取着されていることを特徴とする請求項14ないし17のいずれか1の結晶化装置。The crystallization apparatus according to any one of claims 14 to 17, wherein the first phase shifter and the second phase shifter are attached by spacer means arranged therebetween. 前記第1の位相シフタの基板と第2の位相シフタの基板とは、共通透明基板により一体的に形成され、前記第1の位相シフタの溝は、共通透明基板の一面に形成され、また、前記第2の位相シフタの溝は、共通透明基板の他面に形成されている請求項14ないし17のいずれか1の結晶化装置。The substrate of the first phase shifter and the substrate of the second phase shifter are integrally formed of a common transparent substrate, and the groove of the first phase shifter is formed on one surface of the common transparent substrate, The crystallization apparatus according to claim 14, wherein the groove of the second phase shifter is formed on the other surface of the common transparent substrate.
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