JP2005251789A - Method of manufacturing crystalline semiconductor film, and crystalline semiconductor film - Google Patents

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JP2005251789A JP2004056235A JP2004056235A JP2005251789A JP 2005251789 A JP2005251789 A JP 2005251789A JP 2004056235 A JP2004056235 A JP 2004056235A JP 2004056235 A JP2004056235 A JP 2004056235A JP 2005251789 A JP2005251789 A JP 2005251789A
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靖之 梅中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a crystalline semiconductor film by which crystal grains having a sufficiently large size can be formed without complicating a manufacturing method. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the crystalline semiconductor film comprises a process of forming a cap layer 3C1 having a specific region which has a refractive index distribution, wherein the refractive index varies in a prescribed direction by using an insulation film deposited on top of an amorphous semiconductor film 2; and a crystallization process wherein by irradiating a light beam on the amorphous semiconductor film 2 via the cap layer 3C1 having the specific region, an irradiation energy density distribution corresponding to the refractive index distribution of the cap layer is formed in the amorphous semiconductor film 2 below the specific region, a temperature gradient is formed in the prescribed direction, and then the amorphous semiconductor film 2 is crystallized. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、結晶質半導体膜の製造方法および結晶質半導体膜、ならびに結晶質半導体膜を用いて作製される半導体装置等に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a crystalline semiconductor film, a crystalline semiconductor film, and a semiconductor device manufactured using the crystalline semiconductor film.

近年、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)に代表される薄膜半導体素子が広く用いられている。薄膜半導体素子は、絶縁表面を有する基板上に数十nm〜数百nmの半導体薄膜をCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法等で形成し、この半導体薄膜を活性層として、絶縁ゲート型電界効果半導体装置やダイオード等を構成するものである。TFTの応用分野としては、アクティブマトリクス型の液晶表示装置が知られている。これは、マトリクス状に配置された数十万以上の画素電極のそれぞれに1つ以上のTFTを配置し、画素電極に供給する電荷をTFTによって制御するものである。   In recent years, thin film semiconductor devices typified by thin film transistors (TFTs) have been widely used. In a thin film semiconductor element, a semiconductor thin film of several tens to several hundreds of nanometers is formed on a substrate having an insulating surface by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, etc., and this semiconductor thin film is used as an active layer and an insulating gate Type field effect semiconductor device, diode and the like. As an application field of TFT, an active matrix type liquid crystal display device is known. In this method, one or more TFTs are arranged on each of several hundreds of thousands or more of pixel electrodes arranged in a matrix, and charges supplied to the pixel electrodes are controlled by the TFTs.

TFTの活性層に、成膜が容易な非晶質状態(アモルファス)の半導体を用いることは簡便であるが、電気的特性が低いという問題がある。高いTFT特性を実現するには、結晶質半導体膜を利用すればよい。   Although it is easy to use an amorphous semiconductor that can be easily formed for the active layer of a TFT, there is a problem that electrical characteristics are low. In order to realize high TFT characteristics, a crystalline semiconductor film may be used.

結晶質半導体膜の1つに多結晶半導体膜がある。多結晶半導体膜を形成する方法として、非晶質半導体膜を600℃前後で熱処理することによって結晶成長させる方法(固相成長法)、または、非晶質半導体膜をエキシマレーザ照射することによって溶融(再)結晶化させる方法(エキシマレーザニール法)が知られている。エキシマレーザニール法による多結晶半導体膜の形成は、基板の温度を大きく上昇させずに、非晶質半導体膜のみに高いエネルギーを与えることができるため、ガラス基板を使用できる。そのため、大面積基板による低温プロセスの多結晶シリコンTFTの製造に実用化されている。   One of crystalline semiconductor films is a polycrystalline semiconductor film. As a method for forming a polycrystalline semiconductor film, a method in which an amorphous semiconductor film is crystal-grown by heat treatment at around 600 ° C. (solid phase growth method), or an amorphous semiconductor film is melted by irradiating an excimer laser. A (re) crystallization method (excimer laser neil method) is known. In the formation of a polycrystalline semiconductor film by the excimer laser neil method, a glass substrate can be used because high energy can be given only to the amorphous semiconductor film without greatly increasing the temperature of the substrate. Therefore, it has been put to practical use in the manufacture of low-temperature process polycrystalline silicon TFTs using a large area substrate.

エキシマレーザニール法を用いた様々な結晶質半導体膜の製造方法が研究されている。例えば特許文献1は、非晶質半導体膜の一部分の上に反射防止膜を形成し、レーザ照射を行って結晶化を行う方法を開示している。反射防止膜を介して非晶質半導体膜にレーザ照射すると、反射防止膜の下の半導体膜の領域に入射する光の照射エネルギー密度を選択的に大きくできる。   Various methods for manufacturing crystalline semiconductor films using the excimer laser neil method have been studied. For example, Patent Document 1 discloses a method of forming an antireflection film on a part of an amorphous semiconductor film and performing crystallization by laser irradiation. When the amorphous semiconductor film is irradiated with laser through the antireflection film, the irradiation energy density of light incident on the region of the semiconductor film under the antireflection film can be selectively increased.

特許文献1には、反射防止膜を介して非晶質半導体膜にレーザ照射を行うので、反射防止膜の下の半導体膜の領域を選択的に高温領域にでき、さらに、反射防止膜が半導体膜の保温層としても機能するので、反射防止膜の下の半導体膜の領域の冷却速度が遅くなり、従来よりも大きな結晶粒を形成できると記載されている。
特開2002−260709号公報
In Patent Document 1, since laser irradiation is performed on an amorphous semiconductor film through an antireflection film, a region of the semiconductor film under the antireflection film can be selectively set to a high temperature region, and the antireflection film is a semiconductor. It also describes that since it functions also as a heat insulating layer of the film, the cooling rate of the region of the semiconductor film under the antireflection film is reduced, and larger crystal grains can be formed than before.
JP 2002-260709 A

しかしながら、特許文献1の方法では、半導体膜に形成される結晶粒のサイズは0.8μmから1μmであり、1μmを超える結晶粒を形成できない。また、反射防止膜を形成するためにエッチング工程が必要であるため、製造方法が複雑である。さらに、反射防止膜の膜厚の制御が困難で、所望の反射防止膜を得にくいという問題がある。   However, in the method of Patent Document 1, the size of crystal grains formed in the semiconductor film is 0.8 μm to 1 μm, and crystal grains exceeding 1 μm cannot be formed. Moreover, since an etching process is required to form the antireflection film, the manufacturing method is complicated. Furthermore, there is a problem that it is difficult to control the film thickness of the antireflection film and it is difficult to obtain a desired antireflection film.

本発明は、製造方法を複雑化することなく、十分なサイズの結晶粒を形成することができる結晶質半導体膜の製造方法等を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a crystalline semiconductor film and the like that can form crystal grains of sufficient size without complicating the manufacturing method.

本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、(a)基板の上に非晶質半導体膜を堆積する工程と、(b)前記非晶質半導体膜の上に、屈折率n1を有する絶縁膜を堆積する工程と、(c)前記絶縁膜を用いて、屈折率が第1方向に沿ってn1から変化する屈折率分布を有する第1領域を有するキャップ層を形成する工程と、(d)前記第1領域を含む前記キャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射することにより、前記第1領域の下の前記非晶質半導体膜に、前記キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成して、前記第1方向に沿って温度勾配を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶化する結晶化工程とを包含することを特徴とする。   The method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention includes (a) a step of depositing an amorphous semiconductor film on a substrate, and (b) an insulating film having a refractive index n1 on the amorphous semiconductor film. (C) forming a cap layer having a first region having a refractive index distribution in which the refractive index changes from n1 along the first direction using the insulating film; and (d). By irradiating the amorphous semiconductor film with light through the cap layer including the first region, the amorphous semiconductor film under the first region corresponds to the refractive index distribution of the cap layer. Forming a distribution of irradiation energy density, forming a temperature gradient along the first direction, and crystallizing the amorphous semiconductor film.

ある実施形態では、前記工程(c)は、前記キャップ層の前記第1領域に前記第1方向に沿って変化する濃度分布が形成されるように、前記絶縁膜に不純物元素を付与する工程を含む。   In one embodiment, the step (c) includes a step of applying an impurity element to the insulating film so that a concentration distribution that varies along the first direction is formed in the first region of the cap layer. Including.

ある実施形態では、前記工程(c)は、前記第1方向に直交する第2方向に延びる矩形状の前記第1領域を形成する工程を含み、前記第1領域内で、前記キャップ層の屈折率は前記第2方向においてほぼ一定である。   In one embodiment, the step (c) includes the step of forming the rectangular first region extending in a second direction orthogonal to the first direction, and the refraction of the cap layer within the first region. The rate is substantially constant in the second direction.

ある実施形態では、前記工程(c)は、屈折率n1を有する第2領域を前記第1領域に隣接して形成する工程を含む。   In one embodiment, step (c) includes forming a second region having a refractive index n1 adjacent to the first region.

ある実施形態では、前記工程(b)で形成される前記絶縁膜の膜厚dは、d=(λ/4n1)×(2k+1)(λ:入射光波長、k:0以上の正の整数)で表され、前記工程(d)は、前記キャップ層の前記第1領域の下の半導体膜の領域内で前記第1方向に沿って結晶成長させる工程を含む。   In one embodiment, the thickness d of the insulating film formed in the step (b) is d = (λ / 4n1) × (2k + 1) (λ: incident light wavelength, k: positive integer greater than or equal to 0) The step (d) includes a step of crystal growth along the first direction in a region of the semiconductor film below the first region of the cap layer.

ある実施形態では、前記キャップ層の前記第1領域に、前記不純物元素の濃度を前記第1方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、
前記工程(d)において、前記キャップ層の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が低くなる。
In one embodiment, the concentration distribution of the impurity element is formed in the first region of the cap layer so as to continuously change the concentration of the impurity element along the first direction,
In the step (d), the temperature of the semiconductor film decreases along the direction in which the concentration of the impurity element in the cap layer increases.

ある実施形態では、前記工程(b)で形成される前記絶縁膜の膜厚dは、d=(λ/2n1)×(k+1)(λ:入射光波長、k:k:0以上の正の整数)で表され、前記工程(d)は、前記キャップ層の前記第2領域の下の半導体膜の領域から前記第1領域の下の半導体膜の領域に、前記第1方向に沿って結晶成長させる工程を含む。   In one embodiment, the thickness d of the insulating film formed in the step (b) is d = (λ / 2n1) × (k + 1) (λ: incident light wavelength, k: k = 0 or more positive In the step (d), a crystal is formed along the first direction from the semiconductor film region below the second region of the cap layer to the semiconductor film region below the first region. Including a growth step.

ある実施形態では、前記キャップ層の前記第1領域に、前記不純物元素の濃度を前記第1方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、前記工程(d)において、前記キャップ層の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が高くなる。   In one embodiment, the concentration distribution of the impurity element is formed in the first region of the cap layer so as to continuously change the concentration of the impurity element along the first direction, and the step ( In d), the temperature of the semiconductor film increases along the direction in which the concentration of the impurity element in the cap layer increases.

ある実施形態では、前記工程(d)において形成される前記温度勾配は、前記第1領域の中央に向かって温度が低くなる温度勾配である。   In one embodiment, the temperature gradient formed in the step (d) is a temperature gradient in which the temperature decreases toward the center of the first region.

ある実施形態では、前記キャップ層は、最大濃度と最小濃度との差が10at%以上67at%以下の範囲の前記不純物元素の濃度分布を有する。   In one embodiment, the cap layer has a concentration distribution of the impurity element in which a difference between a maximum concentration and a minimum concentration is in a range of 10 at% to 67 at%.

ある実施形態では、前記工程(c)は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて前記不純物元素を前記絶縁膜に付与する工程を含む。   In one embodiment, the step (c) includes a step of applying the impurity element to the insulating film using an ion implantation method or an ion doping method.

ある実施形態では、前記絶縁膜は、酸化珪素化合物、窒化珪素化合物、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、窒化酸化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物のうち、少なくともいずれか一つを含む。   In one embodiment, the insulating film includes a silicon oxide compound, a silicon nitride compound, a silicon nitride oxide compound, an aluminum oxide compound, an aluminum nitride compound, an aluminum nitride oxide compound, a silicon fluorinated oxide compound, a fluorinated silicon oxynitride compound, and an oxide. At least any one of silicon carbide compounds is included.

ある実施形態では、前記不純物元素は、炭素、窒素、酸素、フッ素、珪素およびアルミニウムのうち、少なくともいずれか一つを含む。   In one embodiment, the impurity element includes at least one of carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, and aluminum.

前記絶縁膜の膜厚は50nm以上であることが好ましい。   The thickness of the insulating film is preferably 50 nm or more.

ある実施形態では、前記半導体膜はシリコンを含む。   In one embodiment, the semiconductor film includes silicon.

ある実施形態では、前記半導体膜の膜厚は、10nm以上200nm以下の範囲であることが好ましい。   In one embodiment, the thickness of the semiconductor film is preferably in the range of 10 nm to 200 nm.

ある実施形態では、前記光線は、波長400nm以下のレーザ光である。   In one embodiment, the light beam is a laser beam having a wavelength of 400 nm or less.

ある実施形態では、前記光線は、エネルギー密度が250mJ/cm2以上500mJ/cm2以下のパルスレーザである。 In some embodiments, the light beam has an energy density of 250 mJ / cm 2 or more 500 mJ / cm 2 or less of a pulse laser.

前記結晶化工程は横方向成長工程を含む。   The crystallization process includes a lateral growth process.

本発明の結晶質半導体膜は上記製造方法によって製造されることが好ましい。   The crystalline semiconductor film of the present invention is preferably manufactured by the above manufacturing method.

本発明の半導体装置は上記結晶質半導体膜を用いて作製される。   The semiconductor device of the present invention is manufactured using the crystalline semiconductor film.

本発明の表示装置は上記半導体装置を用いて作製される。   The display device of the present invention is manufactured using the above semiconductor device.

本発明の結晶質半導体膜の製造方法は、屈折率が所定の方向に沿って変化する屈折率分布を有する所定の領域を有するキャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射するので、キャップ層の所定の領域の下の非晶質半導体膜に、キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成できる。このため、半導体膜に従来よりも緩やかな温度勾配を形成できるので、光照射後の冷却過程で結晶化する時間を長くでき、従来よりも大きい結晶粒を形成できる。   In the method for producing a crystalline semiconductor film of the present invention, the amorphous semiconductor film is irradiated with light through a cap layer having a predetermined region having a refractive index distribution whose refractive index changes along a predetermined direction. A distribution of irradiation energy density corresponding to the refractive index distribution of the cap layer can be formed in the amorphous semiconductor film under a predetermined region of the cap layer. For this reason, since a gentler temperature gradient can be formed in the semiconductor film than in the prior art, the crystallization time can be increased in the cooling process after light irradiation, and larger crystal grains can be formed.

本発明の結晶質半導体膜は結晶粒のサイズが従来よりも大きいので、本発明の結晶質半導体膜を用いれば、電気特性が良好で、特性のばらつきが少ない信頼性に優れた薄膜トランジスタなどの半導体素子、半導体装置および表示装置を作製できる。   Since the crystalline semiconductor film of the present invention has a larger crystal grain size than conventional ones, if the crystalline semiconductor film of the present invention is used, a semiconductor such as a thin film transistor having excellent electrical characteristics and less characteristic variations and excellent reliability. An element, a semiconductor device, and a display device can be manufactured.

本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法は、非晶質半導体膜の上に堆積した絶縁膜を用いて、屈折率が所定の方向に沿って変化する屈折率分布を有する所定の領域を有するキャップ層を形成する工程と、上記所定の領域を含むキャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射することにより、上記所定の領域の下の非晶質半導体膜に、キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成して、上記所定の方向に沿って温度勾配を形成し、非晶質半導体膜を結晶化する結晶化工程を含むことを特徴としている。   A method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to an embodiment of the present invention uses a dielectric film deposited on an amorphous semiconductor film, and has a predetermined region having a refractive index distribution in which the refractive index changes along a predetermined direction. And forming a cap layer on the amorphous semiconductor film under the predetermined region by irradiating the amorphous semiconductor film with light through the cap layer including the predetermined region. The method includes a crystallization step of forming an irradiation energy density distribution corresponding to the refractive index distribution, forming a temperature gradient along the predetermined direction, and crystallizing the amorphous semiconductor film.

キャップ層は、所定の領域において、屈折率が所定の方向に沿って変化する屈折率分布を有する。このキャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射するので、キャップ層の所定の領域の下の非晶質半導体膜に、キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成できる。半導体膜の照射エネルギー密度を大きくするほど温度を高くできるので、キャップ層の屈折率が変化する上記所定の方向に沿って、半導体膜に温度勾配を形成できる。この温度勾配は、例えば屈折率が面内で略等しい反射防止膜を介して光照射を行う場合(上記特許文献1)に半導体膜に形成される温度勾配に比べて緩やかである。したがって、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法では、従来よりも、光照射後の冷却過程で半導体膜の冷却速度を遅くして、溶融時間を長くし(より長い時間、溶融領域として維持でき)、結晶化する時間を長くできる。このため、従来よりも大きい結晶粒を形成できる。   The cap layer has a refractive index distribution in which the refractive index changes along a predetermined direction in a predetermined region. Since the amorphous semiconductor film is irradiated with light through the cap layer, a distribution of irradiation energy density corresponding to the refractive index distribution of the cap layer is formed in the amorphous semiconductor film under a predetermined region of the cap layer. it can. Since the temperature can be increased as the irradiation energy density of the semiconductor film is increased, a temperature gradient can be formed in the semiconductor film along the predetermined direction in which the refractive index of the cap layer changes. This temperature gradient is gentler than the temperature gradient formed in the semiconductor film when light irradiation is performed through an antireflection film having substantially the same refractive index in the plane (Patent Document 1). Therefore, in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to the embodiment of the present invention, the cooling time of the semiconductor film is slowed down in the cooling process after light irradiation and the melting time is lengthened (longer time, the melting region). And the crystallization time can be lengthened. For this reason, a crystal grain larger than before can be formed.

後で図4を参照しながら説明するが、特許文献1の製造方法では、半導体膜に形成される温度勾配は、反射防止膜の中央部の下ではほぼ一定であるが、反射防止膜の端部の下では急激に温度が低下するため急である。本実施形態の製造方法では、半導体膜の所定の領域に形成される温度勾配が特許文献1よりも小さいため、光照射後の冷却過程で冷却速度を遅くして、結晶化する時間を長くできる。   As will be described later with reference to FIG. 4, in the manufacturing method of Patent Document 1, the temperature gradient formed in the semiconductor film is substantially constant under the central portion of the antireflection film, but the end of the antireflection film It is steep because the temperature suddenly drops below the part. In the manufacturing method of the present embodiment, since the temperature gradient formed in a predetermined region of the semiconductor film is smaller than that of Patent Document 1, the cooling rate is slowed down in the cooling process after light irradiation, and the crystallization time can be lengthened. .

所定の屈折率分布を有するキャップ層を形成するには、例えば、キャップ層に所定の濃度分布が形成されるように不純物元素を付与すればよい。照射光のエネルギーパターンを制御することによっても、本発明と同様の緩やかな温度勾配を半導体膜に形成することが可能であると考えられるが、照射光のエネルギーパターンを制御するのは困難であり、キャップ層を用いる本発明の製造方法の方が容易である。   In order to form a cap layer having a predetermined refractive index distribution, for example, an impurity element may be added so that a predetermined concentration distribution is formed in the cap layer. By controlling the energy pattern of the irradiated light, it is considered possible to form the same gentle temperature gradient in the semiconductor film as in the present invention, but it is difficult to control the energy pattern of the irradiated light. The production method of the present invention using a cap layer is easier.

膜厚を変化させたキャップ層を用いることによっても、半導体膜に温度勾配を形成することが可能であると考えられるが、例えばエッチング法を用いて膜厚を制御するのは、製造工程数が増加し、製造方法が複雑になる。特に、膜厚を連続的に変化させるのは製造方法が極めて困難であり、膜厚を不連続に変化させれば、本実施形態のような緩やかな温度勾配を半導体膜に形成できない。   Although it is considered that a temperature gradient can be formed in the semiconductor film by using a cap layer with a changed film thickness, for example, the number of manufacturing steps is controlled by using an etching method. It increases and the manufacturing method becomes complicated. In particular, the manufacturing method is extremely difficult to change the film thickness continuously, and if the film thickness is changed discontinuously, a gentle temperature gradient as in this embodiment cannot be formed in the semiconductor film.

また、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法では、半導体膜の全面に形成したキャップ層を用いることができるので、上記特許文献1とは異なり、キャップ層をパターニングするためにエッチング工程が不要で、製造方法が容易である。   Further, in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to the embodiment of the present invention, since a cap layer formed on the entire surface of the semiconductor film can be used, unlike the above-described Patent Document 1, an etching process is performed to pattern the cap layer. Is not required and the manufacturing method is easy.

さらに、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法では、キャップ層の屈折率が変化する所定の領域の位置を制御することによって、半導体膜に温度勾配を形成する位置を制御できる。光照射時に、より低温であった領域に結晶核が生成されるので、キャップ層の屈折率が変化する上記所定の領域の位置を制御することによって、結晶粒の生成位置も制御できる。   Furthermore, in the method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to the embodiment of the present invention, the position where the temperature gradient is formed in the semiconductor film can be controlled by controlling the position of the predetermined region where the refractive index of the cap layer changes. Since crystal nuclei are generated in a lower temperature region during light irradiation, the crystal grain generation position can be controlled by controlling the position of the predetermined region where the refractive index of the cap layer changes.

以下、図1から図7を参照しながら、本実施形態の結晶質半導体膜の製造方法をより詳細に説明する。本実施形態の結晶質半導体膜の製造方法は、非晶質半導体膜の上に形成する絶縁膜3の性質により、2つのタイプに分類できる。すなわち、反射膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層を形成する第1のタイプの製造方法と、反射防止膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層を形成する第2のタイプの製造方法とに分類できる。   Hereinafter, the manufacturing method of the crystalline semiconductor film of the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. The manufacturing method of the crystalline semiconductor film of this embodiment can be classified into two types depending on the properties of the insulating film 3 formed on the amorphous semiconductor film. That is, a first type of manufacturing method that forms a cap layer using an insulating film that functions as a reflective film, and a second type of manufacturing method that forms a cap layer using an insulating film that functions as an antireflection film; Can be classified.

まず、反射膜と反射防止膜を説明する。   First, the reflection film and the antireflection film will be described.

絶縁膜3の屈折率をn1、絶縁膜3の膜厚をd1、入射光波長をλとすると、下記の式(1)を満たす絶縁膜3は、絶縁膜3の下の半導体膜2の領域における入射光の反射率を最も大きくでき、半導体膜2の上に絶縁膜3を設けないで光照射する場合に比べて、より照射エネルギー密度の低い光線を絶縁膜3の下の半導体膜に照射できる。ここで、反射率は、照射光強度(絶縁膜を照射する光の強度)に対する、照射光強度と半導体膜に入射する光の強度との差の比率に等しい。上記のような作用を有する絶縁膜を反射膜という。
n1・d1=(k+1)・(λ/2)・・・式(1)
(k=0,1,2・・・(0以上の正の整数))
When the refractive index of the insulating film 3 is n1, the film thickness of the insulating film 3 is d1, and the incident light wavelength is λ, the insulating film 3 that satisfies the following formula (1) is a region of the semiconductor film 2 below the insulating film 3 The maximum reflectance of incident light can be achieved, and the semiconductor film under the insulating film 3 is irradiated with a light beam having a lower irradiation energy density as compared with the case where light irradiation is performed without providing the insulating film 3 on the semiconductor film 2. it can. Here, the reflectance is equal to the ratio of the difference between the irradiation light intensity and the light intensity incident on the semiconductor film with respect to the irradiation light intensity (the intensity of the light that irradiates the insulating film). The insulating film having the above action is called a reflective film.
n1 · d1 = (k + 1) · (λ / 2) (1)
(K = 0, 1, 2,... (Positive integer greater than or equal to 0))

これに対して、下記の式(2)を満たす絶縁膜3は、絶縁膜3の下の半導体膜領域における入射光の反射率を最も小さくでき、半導体膜の上に絶縁膜3を設けないで光照射する場合に比べて、より照射エネルギー密度の高い光線を絶縁膜3の下の半導体膜に照射できる。上記のような作用を有する絶縁膜を反射防止膜という。
n1・d1=(2k+1)λ/4・・・式(2)
(k=0,1,2・・・(0以上の正の整数))
On the other hand, the insulating film 3 satisfying the following formula (2) can minimize the reflectance of incident light in the semiconductor film region below the insulating film 3, and the insulating film 3 is not provided on the semiconductor film. Compared with light irradiation, the semiconductor film under the insulating film 3 can be irradiated with a light beam having a higher irradiation energy density. The insulating film having the above action is called an antireflection film.
n1 · d1 = (2k + 1) λ / 4 Formula (2)
(K = 0, 1, 2,... (Positive integer greater than or equal to 0))

第1のタイプの結晶質半導体膜の製造方法では、上記式(1)を満たすように絶縁膜3の厚さを設定し、反射膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層3C1を形成する。第2のタイプの結晶質半導体膜の製造方法では、上記式(2)を満たすように絶縁膜3の厚さを設定し、反射防止膜として機能する絶縁膜を用いてキャップ層3C2を形成する。   In the first type crystalline semiconductor film manufacturing method, the thickness of the insulating film 3 is set so as to satisfy the above formula (1), and the cap layer 3C1 is formed using the insulating film functioning as a reflective film. In the second type crystalline semiconductor film manufacturing method, the thickness of the insulating film 3 is set so as to satisfy the above formula (2), and the cap layer 3C2 is formed using the insulating film functioning as an antireflection film. .

以下、第1のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明する。   A method for manufacturing the first type crystalline semiconductor film will be described below.

図1(a)および(b)は、第1のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、非晶質半導体膜2等が積層された基板の断面図を示している。   FIGS. 1A and 1B are views for explaining a manufacturing method of a first type crystalline semiconductor film, showing a cross-sectional view of a substrate on which an amorphous semiconductor film 2 and the like are stacked. Yes.

図1(a)に示すように、基板1の上に非晶質半導体膜2を堆積し、その上に絶縁膜3を形成する。上述したように絶縁膜3の膜厚d1は、上記の式(1)を満たすように設定する。   As shown in FIG. 1A, an amorphous semiconductor film 2 is deposited on a substrate 1, and an insulating film 3 is formed thereon. As described above, the film thickness d1 of the insulating film 3 is set so as to satisfy the above formula (1).

次に、絶縁膜3を用いて、屈折率が所定の領域F1(第1領域)において所定の方向(第1方向)に沿って変化する屈折率分布を有するキャップ層3C1を形成する。   Next, using the insulating film 3, a cap layer 3C1 having a refractive index distribution whose refractive index changes along a predetermined direction (first direction) in a predetermined region F1 (first region) is formed.

図2(a)は図1(b)の基板1の上面図である。   FIG. 2A is a top view of the substrate 1 shown in FIG.

図1(b)および図2(a)に示すように、具体的には、キャップ層3C1の所定の領域F1において、所定の方向D1に沿って変化する濃度分布が形成されるように、絶縁膜3に不純物元素52を付与する。所定の方向D1(第1方向)と交差する第2方向方向D2では、不純物元素52の濃度がほぼ一定になるようにする。   As shown in FIGS. 1B and 2A, specifically, in the predetermined region F1 of the cap layer 3C1, insulation is performed so that a concentration distribution that varies along a predetermined direction D1 is formed. Impurity element 52 is applied to film 3. In the second direction D2 that intersects the predetermined direction D1 (first direction), the concentration of the impurity element 52 is made substantially constant.

第1領域F1以外の領域S1(第2領域)には不純物元素を付与しないので、キャップ層3C1の第2領域S1は、絶縁膜3の屈折率n1と等しい屈折率を有する。   Since no impurity element is added to the region S1 (second region) other than the first region F1, the second region S1 of the cap layer 3C1 has a refractive index equal to the refractive index n1 of the insulating film 3.

図2(b)は、図1(b)および図2(a)に示したキャップ層3C1の第1方向D1における不純物元素52の濃度分布の一例を模式的に示すグラフである。X軸は、図1(b)および図2(a)のキャップ層3C1の第1方向D1における位置を表す。   FIG. 2B is a graph schematically showing an example of the concentration distribution of the impurity element 52 in the first direction D1 of the cap layer 3C1 shown in FIGS. 1B and 2A. The X axis represents the position of the cap layer 3C1 in FIGS. 1B and 2A in the first direction D1.

図2(b)に示すように、キャップ層3C1の不純物元素52の濃度分布は、例えば第1方向D1に沿って連続的に変化し、キャップ層3C1の第1領域F1の中央から両端に、第1方向D1に沿って、徐々に不純物元素52の濃度が増加する。図1(b)および図2(a)において、不純物元素52を示す矢印の長さが長いほど、不純物元素52の導入量が多いことを示す。   As shown in FIG. 2B, the concentration distribution of the impurity element 52 in the cap layer 3C1 continuously changes, for example, along the first direction D1, and from the center of the first region F1 of the cap layer 3C1 to both ends. The concentration of the impurity element 52 gradually increases along the first direction D1. In FIG. 1B and FIG. 2A, the longer the length of the arrow indicating the impurity element 52 is, the more the impurity element 52 is introduced.

キャップ層3C1の膜厚は絶縁膜3の膜厚d1と等しいが、不純物元素52が付与されたキャップ層3C1の第1領域F1の屈折率は絶縁膜3の屈折率n1からずれる。すなわち、不純物元素52を含まないキャップ層3Cの第2領域S1の屈折率は、絶縁膜3の屈折率n1と等しく、上記式(1)を満たすので完全な反射層として機能し得るが、不純物元素52を含むキャップ層3C1の第1領域F1の屈折率は、絶縁膜3の屈折率n1とは異なるため、上記式(1)を満たさない。不純物元素52の濃度が高い領域ほど、絶縁膜3の屈折率n1との差が大きくなり、反射率が小さくなる。   Although the thickness of the cap layer 3C1 is equal to the thickness d1 of the insulating film 3, the refractive index of the first region F1 of the cap layer 3C1 to which the impurity element 52 is added deviates from the refractive index n1 of the insulating film 3. That is, since the refractive index of the second region S1 of the cap layer 3C not including the impurity element 52 is equal to the refractive index n1 of the insulating film 3 and satisfies the above formula (1), it can function as a complete reflective layer. Since the refractive index of the first region F1 of the cap layer 3C1 including the element 52 is different from the refractive index n1 of the insulating film 3, the above formula (1) is not satisfied. As the concentration of the impurity element 52 is higher, the difference from the refractive index n1 of the insulating film 3 increases, and the reflectance decreases.

図3は、例えば、キャップ層3C1(絶縁膜)の膜厚d1=103nmと一定値にしたときに、キャップ層3C1の屈折率nの変化に対応する反射率Rの変化を示すグラフである。なお、入射光の波長はλ=308nmとする。図3に示すように、屈折率n=naのときに式(1)を満たす反射膜として機能するとした場合、n=約1.5naのときに式(2)を満たす反射防止膜として機能するので、例えば、キャップ層3C1の第1領域F1に、na超かつ1.5na以下の範囲で屈折率分布が形成されるように、不純物元素を付与すればよい。   FIG. 3 is a graph showing a change in the reflectance R corresponding to a change in the refractive index n of the cap layer 3C1, for example, when the film thickness d1 of the cap layer 3C1 (insulating film) is set to a constant value of 103 nm. The wavelength of incident light is λ = 308 nm. As shown in FIG. 3, when the refractive index n = na, it functions as a reflection film satisfying the expression (1), and when n = about 1.5 na, it functions as an antireflection film satisfying the expression (2). Therefore, for example, the impurity element may be added to the first region F1 of the cap layer 3C1 so that the refractive index distribution is formed in the range of more than na and 1.5 na or less.

図2(c)はキャップ層3C1の第1方向D1における反射率分布を模式的に示すグラフである。X軸は、図1(b)および図2(a)のキャップ層3C1の第1方向D1における位置を表す。   FIG. 2C is a graph schematically showing the reflectance distribution in the first direction D1 of the cap layer 3C1. The X axis represents the position of the cap layer 3C1 in FIGS. 1B and 2A in the first direction D1.

図2(c)に示すように、キャップ層3C1は、図2(b)に示した濃度分布に対応して、第1方向D1に沿って連続的に変化する反射率分布を形成する。なお、第2方向D2では、反射率はほぼ一定である。   As shown in FIG. 2C, the cap layer 3C1 forms a reflectance distribution that continuously changes along the first direction D1, corresponding to the concentration distribution shown in FIG. Note that the reflectance is substantially constant in the second direction D2.

上記反射率分布を有するキャップ層3C1を介して半導体膜2に光照射を行うと、キャップ層3C1の第1領域F1の下の半導体膜2の領域に、照射エネルギー密度分布が形成される。この照射エネルギー密度分布は、キャップ層3C1の反射率分布(図2(c))に対応する。キャップ層3C1の反射率が大きい領域ほど、その下の半導体膜2の領域の照射エネルギー密度は小さくなるため、キャップ層3C1の第1領域F1の下の半導体膜2の領域では、中央から両側に、所定の方向D1に沿って照射エネルギー密度が徐々に大きくなる。   When the semiconductor film 2 is irradiated with light through the cap layer 3C1 having the reflectance distribution, an irradiation energy density distribution is formed in the region of the semiconductor film 2 below the first region F1 of the cap layer 3C1. This irradiation energy density distribution corresponds to the reflectance distribution (FIG. 2C) of the cap layer 3C1. In the region of the semiconductor film 2 under the first region F1 of the cap layer 3C1, the region of the semiconductor film 2 under the cap layer 3C1 has a lower irradiation energy density in the region of the semiconductor film 2 below the region. The irradiation energy density gradually increases along the predetermined direction D1.

半導体膜2に照射エネルギー密度分布が形成されることにより、温度勾配が形成される。図2(d)は半導体膜2の第1方向D1における温度分布を模式的に示すグラフである。X軸は、図1(b)および図2(a)の半導体膜2の第1方向D1における位置を表す。   A temperature gradient is formed by forming an irradiation energy density distribution in the semiconductor film 2. FIG. 2D is a graph schematically showing a temperature distribution of the semiconductor film 2 in the first direction D1. The X axis represents the position of the semiconductor film 2 in FIGS. 1B and 2A in the first direction D1.

図2(d)に示すように、キャップ層3C1の第1領域F1の下の半導体膜2の領域では、上記照射エネルギー密度分布に対応して、第1方向D1に沿って連続的に変化する温度勾配が形成される。すなわち、キャップ層3C1の第1領域F1に対応する半導体膜2領域では、中央の温度が最も低く、中央から両側に、所定の方向D1に離れるほど連続的に温度が高くなる。例えば5μm程度の結晶粒を形成するには、キャップ層3C1の第1領域F1の短辺の長さLF1を10μm程度に設定すればよい。   As shown in FIG. 2D, the region of the semiconductor film 2 below the first region F1 of the cap layer 3C1 continuously changes along the first direction D1 corresponding to the irradiation energy density distribution. A temperature gradient is formed. That is, in the semiconductor film 2 region corresponding to the first region F1 of the cap layer 3C1, the temperature at the center is the lowest, and the temperature is continuously increased from the center to both sides in the predetermined direction D1. For example, in order to form a crystal grain of about 5 μm, the short side length LF1 of the first region F1 of the cap layer 3C1 may be set to about 10 μm.

なお、半導体膜2に形成する温度勾配は上記に限らず、例えば上記とは逆に、第1領域F1の中央から両端に温度が低下するように形成しても良いが、図2(d)に示す温度勾配を形成すると、第1領域F1の中央から両端に向かって結晶粒を成長させることができるので、より大きいサイズの結晶粒を形成できるという効果がある。   The temperature gradient formed in the semiconductor film 2 is not limited to the above. For example, contrary to the above, the temperature gradient may be formed so that the temperature decreases from the center to both ends of the first region F1, but FIG. When the temperature gradient shown in FIG. 2 is formed, the crystal grains can be grown from the center of the first region F1 toward both ends, so that there is an effect that crystal grains having a larger size can be formed.

上記式(1)において、絶縁膜3をSiO2(屈折率1.5)で形成し、不純物元素52に窒素を用いた場合、キャップ層3C1の屈折率は例えば1.5から2(SiNの屈折率)までの範囲で変化させればよい。また、絶縁膜3をSiN(屈折率2)で形成し、不純物元素52に酸素を用いた場合、キャップ層3C1の屈折率は例えば2から1.5(SiO2の屈折率)までの範囲で変化させればよい。 In the above formula (1), when the insulating film 3 is formed of SiO 2 (refractive index 1.5) and nitrogen is used as the impurity element 52, the refractive index of the cap layer 3C1 is, for example, 1.5 to 2 (SiN What is necessary is just to change in the range to (refractive index). Further, when the insulating film 3 is formed of SiN (refractive index 2) and oxygen is used as the impurity element 52, the refractive index of the cap layer 3C1 is, for example, in the range of 2 to 1.5 (refractive index of SiO 2 ). Change it.

これに対して上記特許文献1の製造方法では、図4に示すように、基板61上に形成した非晶質半導体膜62の所定の領域62Fのみに選択的に反射防止膜63Cを形成し、反射防止膜63Cを介して非晶質半導体膜62に光照射を行う。反射防止膜63Cの下の半導体膜62の領域62Fは、反射防止膜63Cが形成されていない半導体膜62の領域62Sよりも照射エネルギー密度が大きい。しかしながら、本発明の実施形態とは異なり、半導体膜62の領域62Fのほぼ全領域は、略等しい照射エネルギー密度を有する。したがって、半導体膜62の領域62Fのほぼ全領域が略等しい温度(高温)になり、領域62Fのうち領域62S(低温領域)近傍で急激に低下する温度勾配が形成される。   On the other hand, in the manufacturing method of Patent Document 1, an antireflection film 63C is selectively formed only in a predetermined region 62F of the amorphous semiconductor film 62 formed on the substrate 61, as shown in FIG. The amorphous semiconductor film 62 is irradiated with light through the antireflection film 63C. The region 62F of the semiconductor film 62 under the antireflection film 63C has a higher irradiation energy density than the region 62S of the semiconductor film 62 where the antireflection film 63C is not formed. However, unlike the embodiment of the present invention, almost the entire region 62F of the semiconductor film 62 has substantially the same irradiation energy density. Therefore, almost all the regions 62F of the semiconductor film 62 have substantially the same temperature (high temperature), and a temperature gradient that rapidly decreases in the vicinity of the region 62S (low temperature region) in the region 62F is formed.

光照射後の冷却過程で、半導体膜62の領域62Fの端部から、領域62Fの中央に向かって結晶化が進むが、光照射時に半導体膜62の領域62Fのほぼ全領域が略等しい温度(高温)であったため、半導体膜62の領域62Fのほぼ全領域がほぼ一定に急速に冷却されてしまう。図4に、結晶粒の成長方向を矢印Cで示す。   In the cooling process after the light irradiation, crystallization proceeds from the end of the region 62F of the semiconductor film 62 toward the center of the region 62F, but almost all the regions 62F of the semiconductor film 62 have a substantially equal temperature ( Therefore, almost the entire region 62F of the semiconductor film 62 is rapidly cooled almost uniformly. In FIG. 4, the growth direction of crystal grains is indicated by an arrow C.

本発明の実施形態では、半導体膜2の所定の領域(キャップ層の第1領域F1の下の領域)に、特許文献1よりも緩やかな温度勾配を形成できるので、光照射後の冷却過程において、半導体膜2の所定の領域において、より広い面積の溶融領域を、より長い時間維持でき、結晶粒の成長速度を遅くできる。したがって、特許文献1よりも大きな結晶粒を形成できる。図1(b)に結晶粒の成長方向を矢印Cで示すように、結晶粒は、半導体膜2の面内方向に(横方向に)成長する。   In the embodiment of the present invention, a gentler temperature gradient than that in Patent Document 1 can be formed in a predetermined region of the semiconductor film 2 (region under the first region F1 of the cap layer). In a predetermined region of the semiconductor film 2, a melted region having a larger area can be maintained for a longer time, and the growth rate of crystal grains can be reduced. Therefore, a crystal grain larger than patent document 1 can be formed. As shown in FIG. 1B by the arrow C, the crystal grain grows in the in-plane direction (lateral direction) of the semiconductor film 2.

また、本発明の実施形態では、キャップ層の第2領域S1、すなわち、反射膜として機能するキャップ層の下の半導体膜2の領域に、結晶核を生成させることができるので、結晶粒の生成位置を制御することもできる。   In the embodiment of the present invention, since crystal nuclei can be generated in the second region S1 of the cap layer, that is, the region of the semiconductor film 2 under the cap layer that functions as a reflective film, generation of crystal grains The position can also be controlled.

次に第2のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the second type crystalline semiconductor film will be described.

図5(a)および(b)は、第2のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、非晶質半導体膜2等が積層された基板の断面図を示している。   FIGS. 5A and 5B are views for explaining a manufacturing method of the second type crystalline semiconductor film, showing a cross-sectional view of the substrate on which the amorphous semiconductor film 2 and the like are stacked. Yes.

図5(a)に示すように、基板1の上に非晶質半導体膜2を堆積し、その上に絶縁膜3を形成する。絶縁膜3の膜厚d1は、上記の式(2)を満たすように設定する。   As shown in FIG. 5A, an amorphous semiconductor film 2 is deposited on a substrate 1, and an insulating film 3 is formed thereon. The film thickness d1 of the insulating film 3 is set so as to satisfy the above formula (2).

次に、絶縁膜3を用いて、屈折率が所定の領域F2(第1領域)において所定の方向(第1方向)D1に沿って変化する屈折率分布を有するキャップ層3C2を形成する。   Next, using the insulating film 3, a cap layer 3C2 having a refractive index distribution whose refractive index changes along a predetermined direction (first direction) D1 in a predetermined region F2 (first region) is formed.

図5(b)に示すように、具体的にはキャップ層3C2の所定の領域F2において、所定の方向D1に沿って変化する濃度分布が形成されるように、絶縁膜3に不純物元素52を付与する。所定の方向D1(第1方向)と交差する第2方向D2では、不純物元素52の濃度がほぼ一定になるようにする。   As shown in FIG. 5B, specifically, in the predetermined region F2 of the cap layer 3C2, the impurity element 52 is added to the insulating film 3 so that a concentration distribution that varies along the predetermined direction D1 is formed. Give. In the second direction D2 intersecting the predetermined direction D1 (first direction), the concentration of the impurity element 52 is made substantially constant.

第1領域F1以外の領域S1(第2領域)には不純物元素を付与しないので、キャップ層3C2の第2領域S2は、絶縁膜3の屈折率n1と等しい屈折率を有する。   Since no impurity element is added to the region S1 (second region) other than the first region F1, the second region S2 of the cap layer 3C2 has a refractive index equal to the refractive index n1 of the insulating film 3.

図5(c)は、図5(b)に示したキャップ層3C2の第1方向D1における不純物元素52の濃度分布の一例を模式的に示すグラフである。X軸は、図5(b)のキャップ層3C2の第1方向D1における位置を表す。   FIG. 5C is a graph schematically showing an example of the concentration distribution of the impurity element 52 in the first direction D1 of the cap layer 3C2 shown in FIG. The X axis represents the position in the first direction D1 of the cap layer 3C2 in FIG.

図5(c)に示すように、キャップ層3C2の不純物元素52の濃度分布は、例えば第1方向D1に沿って連続的に変化し、キャップ層3C2の第1領域F2の中央から両端に、第1方向D1に沿って、徐々に不純物元素52の濃度が低下する。   As shown in FIG. 5C, the concentration distribution of the impurity element 52 of the cap layer 3C2 continuously changes, for example, along the first direction D1, and from the center of the first region F2 of the cap layer 3C2 to both ends. The concentration of the impurity element 52 gradually decreases along the first direction D1.

なお、図5(b)において、不純物元素52を示す矢印の長さが長いほど、不純物元素52の導入量が多いことを示す。   Note that in FIG. 5B, the longer the length of the arrow indicating the impurity element 52 is, the more the impurity element 52 is introduced.

キャップ層3C2の膜厚は絶縁膜3の膜厚d1と等しいが、不純物元素52が付与されたキャップ層3C2の第1領域F2の屈折率は絶縁膜3の屈折率n1からずれる。すなわち、不純物元素52を含まないキャップ層3C2の第2領域S2の屈折率は、絶縁膜3の屈折率n1と等しく、上記式(2)を満たすので完全な反射防止層として機能し得るが、不純物元素52を含むキャップ層3C2の第1領域F2の屈折率は、絶縁膜3の屈折率n1とは異なるため、上記式(2)を満たさない。不純物元素52の濃度が高い領域ほど、絶縁膜3の屈折率n1との差が大きくなり、反射率が大きくなる。図5(d)に示すように、キャップ層3C2は、図5(c)に示した濃度分布に対応して、第1方向D1に沿って連続的に変化する反射率分布を形成する。なお、第2方向D2では、反射率はほぼ一定である。   The film thickness of the cap layer 3C2 is equal to the film thickness d1 of the insulating film 3, but the refractive index of the first region F2 of the cap layer 3C2 to which the impurity element 52 is added deviates from the refractive index n1 of the insulating film 3. That is, since the refractive index of the second region S2 of the cap layer 3C2 that does not include the impurity element 52 is equal to the refractive index n1 of the insulating film 3 and satisfies the above formula (2), it can function as a complete antireflection layer. Since the refractive index of the first region F2 of the cap layer 3C2 including the impurity element 52 is different from the refractive index n1 of the insulating film 3, the above formula (2) is not satisfied. As the concentration of the impurity element 52 is higher, the difference from the refractive index n1 of the insulating film 3 increases, and the reflectance increases. As shown in FIG. 5D, the cap layer 3C2 forms a reflectance distribution that continuously changes along the first direction D1 corresponding to the concentration distribution shown in FIG. Note that the reflectance is substantially constant in the second direction D2.

上記反射率分布を有するキャップ層3C2を介して半導体膜2に光照射を行うと、キャップ層3C2の第1領域F2の下の半導体膜2の領域に、照射エネルギー密度分布が形成される。この照射エネルギー密度分布は、キャップ層3C2の反射率分布(図5(d))に対応する。キャップ層3C2の反射率が大きい領域ほど、その下の半導体膜2の領域の照射エネルギー密度は小さくなるため、キャップ層3C2の第1領域F2の下の半導体膜2の領域では、両側から中央に、所定の方向D1に沿って照射エネルギー密度が徐々に小さくなる。   When the semiconductor film 2 is irradiated with light through the cap layer 3C2 having the reflectance distribution, an irradiation energy density distribution is formed in the region of the semiconductor film 2 below the first region F2 of the cap layer 3C2. This irradiation energy density distribution corresponds to the reflectance distribution (FIG. 5D) of the cap layer 3C2. Since the irradiation energy density of the region of the semiconductor film 2 below the region where the reflectance of the cap layer 3C2 is large, the region of the semiconductor film 2 below the first region F2 of the cap layer 3C2 decreases from both sides to the center. The irradiation energy density gradually decreases along the predetermined direction D1.

半導体膜2に照射エネルギー密度分布が形成されることにより、温度勾配が形成される。図5(e)は半導体膜2の第1方向D1における温度分布を模式的に示すグラフである。X軸は、図5(b)の半導体膜2の第1方向D1における位置を表す。   A temperature gradient is formed by forming an irradiation energy density distribution in the semiconductor film 2. FIG. 5E is a graph schematically showing the temperature distribution of the semiconductor film 2 in the first direction D1. The X axis represents the position of the semiconductor film 2 in FIG. 5B in the first direction D1.

図5(e)に示すように、キャップ層3C2の第1領域F2の下の半導体膜2の領域では、上記照射エネルギー密度分布に対応して、第1方向D1に沿って連続的に変化する温度分布が形成される。すなわち、キャップ層3C2の第1領域F2に対応する半導体膜2領域では、中央の温度が最も低く、中央から両側に、所定の方向D1に離れるほど連続的に温度が高くなる。例えば5μm程度の結晶粒を形成するには、キャップ層3C1の第1領域F1の短辺の長さLF1を10μm程度に設定すればよい。   As shown in FIG. 5E, in the region of the semiconductor film 2 below the first region F2 of the cap layer 3C2, it continuously changes along the first direction D1 corresponding to the irradiation energy density distribution. A temperature distribution is formed. That is, in the semiconductor film 2 region corresponding to the first region F2 of the cap layer 3C2, the temperature at the center is the lowest, and the temperature is continuously increased from the center to both sides in the predetermined direction D1. For example, in order to form a crystal grain of about 5 μm, the short side length LF1 of the first region F1 of the cap layer 3C1 may be set to about 10 μm.

なお、半導体膜2に形成する温度勾配は上記に限らず、例えば上記とは逆に、第1領域F1の中央から両端に温度が低下するように形成しても良いが、図5(e)に示す温度勾配を形成すると、第1領域F1の中央から両端に向かって結晶粒を成長させることができるので、より大きいサイズの結晶粒を形成できるという効果がある。   Note that the temperature gradient formed in the semiconductor film 2 is not limited to the above. For example, contrary to the above, the temperature gradient may be formed so that the temperature decreases from the center to both ends of the first region F1, but FIG. When the temperature gradient shown in FIG. 2 is formed, the crystal grains can be grown from the center of the first region F1 toward both ends, so that there is an effect that crystal grains having a larger size can be formed.

上記式(2)において、絶縁膜3をSiO2(屈折率1.5)で形成し、不純物元素に窒素を用いる場合、キャップ層3C2の屈折率は例えば1.5から2(SiNの屈折率)までの範囲で変化させればよい。また、絶縁膜3をSiN(屈折率2)で形成し、不純物元素に酸素を用いる場合、キャップ層3C2の屈折率は例えば2から1.5(SiO2の屈折率)までの範囲で変化させればよい。 In the above formula (2), when the insulating film 3 is formed of SiO 2 (refractive index 1.5) and nitrogen is used as the impurity element, the refractive index of the cap layer 3C2 is, for example, 1.5 to 2 (refractive index of SiN). ). When the insulating film 3 is formed of SiN (refractive index 2) and oxygen is used as the impurity element, the refractive index of the cap layer 3C2 is changed in a range of 2 to 1.5 (refractive index of SiO 2 ), for example. Just do it.

図6に示す比較例の製造方法では、基板71上に形成した非晶質半導体膜72の所定の領域72Fのみに選択的に反射膜73Cを形成し、反射膜73Cを介して非晶質半導体膜72に光照射を行う。反射膜73Cの下の半導体膜72の領域72Fは、反射膜73Cが形成されていない半導体膜72の領域72Sよりも照射エネルギー密度が小さい。しかしながら、本発明の実施形態とは異なり、半導体膜72の領域72Fのほぼ全領域は、略等しい照射エネルギー密度を有する。したがって、半導体膜72の領域72Fのほぼ全領域が略等しい温度(低温)になり、領域72Fのうち領域72S(高温領域)近傍で急激に上昇する温度勾配が形成される。   In the manufacturing method of the comparative example shown in FIG. 6, the reflective film 73C is selectively formed only in the predetermined region 72F of the amorphous semiconductor film 72 formed on the substrate 71, and the amorphous semiconductor is interposed via the reflective film 73C. The film 72 is irradiated with light. The region 72F of the semiconductor film 72 under the reflective film 73C has a lower irradiation energy density than the region 72S of the semiconductor film 72 where the reflective film 73C is not formed. However, unlike the embodiment of the present invention, almost the entire region 72F of the semiconductor film 72 has substantially the same irradiation energy density. Therefore, almost the entire region 72F of the semiconductor film 72 has substantially the same temperature (low temperature), and a temperature gradient that rapidly increases in the vicinity of the region 72S (high temperature region) in the region 72F is formed.

光照射後の冷却過程で、半導体膜72の領域72Fに結晶粒が形成されるが、光照射時に半導体膜72の領域72Fのほぼ全領域が略等しい温度であったため、半導体膜72の領域72Fのほぼ全領域がほぼ一定に急速に冷却されてしまう。図6に、結晶粒の成長方向を矢印Cで示す。   In the cooling process after the light irradiation, crystal grains are formed in the region 72F of the semiconductor film 72. Since almost all the regions of the region 72F of the semiconductor film 72 were at substantially the same temperature during the light irradiation, the region 72F of the semiconductor film 72 was. Almost all of the area is cooled to a constant and rapid rate. In FIG. 6, the growth direction of crystal grains is indicated by an arrow C.

本発明の実施形態では、半導体膜2の所定の領域(キャップ層の第1領域F2の下の領域)に、上記比較例よりも緩やかな温度勾配を形成できるので、光照射後の冷却過程において、半導体膜2の所定の領域において、より広い面積の溶融領域を、より長い時間維持でき、結晶粒の成長速度を遅くできる。したがって、比較例よりも大きな結晶粒を形成できる。図5(b)に結晶粒の成長方向を矢印Cで示すように、結晶粒は、半導体膜2の面内方向に(横方向に)成長する。   In the embodiment of the present invention, a gentler temperature gradient than the comparative example can be formed in a predetermined region of the semiconductor film 2 (region under the first region F2 of the cap layer). In a predetermined region of the semiconductor film 2, a melted region having a larger area can be maintained for a longer time, and the growth rate of crystal grains can be reduced. Therefore, larger crystal grains than the comparative example can be formed. As shown in FIG. 5B by the arrow C, the crystal grain grows in the in-plane direction (lateral direction) of the semiconductor film 2.

また、本発明の実施形態では、キャップ層の第1領域F2の下の半導体膜2の領域の中央付近(最も低温領域)に、結晶核を生成させることができるので、結晶粒の生成位置を制御することもできる。   In the embodiment of the present invention, crystal nuclei can be generated near the center of the region of the semiconductor film 2 below the first region F2 of the cap layer (lowest temperature region). It can also be controlled.

本実施形態の製造方法は、図7に示す大基板に好適に適用できる。図7は、上記キャップ層および半導体膜2が積層された基板の上面図である。以下では、上記第1のタイプの製造方法を適用する場合を説明するが、第2のタイプの製造方法を適用しても同様の効果を得ることができる。   The manufacturing method of this embodiment can be suitably applied to the large substrate shown in FIG. FIG. 7 is a top view of the substrate on which the cap layer and the semiconductor film 2 are stacked. Although the case where the said 1st type manufacturing method is applied is demonstrated below, even if it applies a 2nd type manufacturing method, the same effect can be acquired.

図7(a)に示すように、キャップ層3C1は、例えば、屈折率分布を有する第1領域F1と、屈折率が絶縁膜3の屈折率n1に等しい第2領域S1とを複数有する。第1領域F1および第2領域S1は、例えば第1方向D1に沿って延びる短辺と、第1方向D1に略直交する第2方向D2に延びる長辺とを有する矩形状であり、第1方向D1に沿って交互に設けられている。上述したように、キャップ層3C1の第2領域S1は反射膜として機能し、第1領域F1は第1方向D1に沿って変化する屈折率分布を有する。第1領域F1内で、キャップ層3C1の屈折率は、第2方向D2においてほぼ一定である。   As shown in FIG. 7A, the cap layer 3C1 includes, for example, a plurality of first regions F1 having a refractive index distribution and second regions S1 having a refractive index equal to the refractive index n1 of the insulating film 3. The first region F1 and the second region S1, for example, have a rectangular shape having a short side extending along the first direction D1 and a long side extending in the second direction D2 substantially perpendicular to the first direction D1. They are provided alternately along the direction D1. As described above, the second region S1 of the cap layer 3C1 functions as a reflective film, and the first region F1 has a refractive index distribution that varies along the first direction D1. Within the first region F1, the refractive index of the cap layer 3C1 is substantially constant in the second direction D2.

光照射には、例えば、照射領域の形状が長辺300mm程度、短辺0.4mm程度の長方形状で、フラットな強度分布を有する(一様な強度分布を有する)ビームプロファイルを有するエキシマレーザを用いて、基板全面を1回照射する。例えば5μm程度の結晶粒を形成するには、キャップ層3C1の第1領域F1の短辺LF1の長さを10μm程度に設定する。   For the light irradiation, for example, an excimer laser having a beam profile having a flat intensity distribution (having a uniform intensity distribution) having a rectangular shape with a long side of about 300 mm and a short side of about 0.4 mm is used. Use to irradiate the entire surface of the substrate once. For example, in order to form crystal grains of about 5 μm, the length of the short side LF1 of the first region F1 of the cap layer 3C1 is set to about 10 μm.

上記キャップ層3C1を介して半導体膜2を光照射すると、図7(a)に示すように、キャップ層3C1の第1領域F1の下の半導体膜2の領域のそれぞれにおいて、第1領域F1の中央から両側に第1方向D1に沿って結晶粒Cを形成できる。また、第1領域F1に形成される結晶粒Cは、第1領域F1の中央部分で形成される結晶核から成長するので、結晶粒Cの生成位置が制御されている。したがって、第1領域F1の下の半導体膜2の各領域に、例えば第1方向D1をチャネル方向とするTFTを、第2方向D2に沿って高密度に形成できる。レーザビームを所定の方向にステップ走査しながら半導体膜に照射して、走査方向に成長した結晶を得る方法(いわゆるSLS法)では、高精細なレーザ光の走査が必要であるが、本実施形態の方法では、一回のレーザ照射で、簡易に、多数の半導体素子を作製できるというメリットがある。   When the semiconductor film 2 is irradiated with light through the cap layer 3C1, as shown in FIG. 7A, in each of the regions of the semiconductor film 2 below the first region F1 of the cap layer 3C1, the first region F1 Crystal grains C can be formed along the first direction D1 from the center to both sides. Further, since the crystal grains C formed in the first region F1 grow from the crystal nucleus formed in the central portion of the first region F1, the generation position of the crystal grains C is controlled. Therefore, for example, TFTs having the first direction D1 as the channel direction can be formed in each region of the semiconductor film 2 below the first region F1 along the second direction D2 with high density. In a method of obtaining a crystal grown in a scanning direction by irradiating a semiconductor film while step-scanning a laser beam in a predetermined direction (so-called SLS method), high-definition laser light scanning is necessary. This method has an advantage that a large number of semiconductor elements can be easily produced by a single laser irradiation.

また、キャップ層3C1に形成する第1領域F1の位置と、第1領域F1における屈折率分布が変化する方向を適宜制御すれば、チャネル領域の方向が互いに異なる複数のTFTを同一の半導体膜に形成できる。具体的には、例えば図7(b)に示すように、屈折率分布が変化する方向が互いに直交するように、第1領域F1aと第1領域F1bとを形成すれば、チャネル領域の方向が互いに直交する複数のTFTを1枚の半導体膜の上に形成できる。   Further, if the position of the first region F1 formed in the cap layer 3C1 and the direction in which the refractive index distribution in the first region F1 changes are appropriately controlled, a plurality of TFTs having different channel region directions can be formed on the same semiconductor film. Can be formed. Specifically, for example, as shown in FIG. 7B, if the first region F1a and the first region F1b are formed so that the directions in which the refractive index distribution changes are orthogonal to each other, the direction of the channel region is changed. A plurality of TFTs orthogonal to each other can be formed on one semiconductor film.

絶縁膜3には、SiO2(酸化珪素)膜、またはSiN(窒化珪素)膜を用いることができる。あるいは、上記以外の酸化珪素化合物または窒化珪素化合物、その他、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、窒化酸化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物などを用いても、同様の効果を得ることができる。 As the insulating film 3, a SiO 2 (silicon oxide) film or a SiN (silicon nitride) film can be used. Alternatively, silicon oxide compounds or silicon nitride compounds other than the above, silicon nitride oxide compounds, aluminum oxide compounds, aluminum nitride compounds, aluminum nitride oxide compounds, fluorinated silicon oxide compounds, fluorinated silicon oxynitride compounds, and silicon carbide compounds The same effect can be obtained even using the above.

絶縁膜3に付与する不純物元素52としては、例えば、窒素、酸素、炭素、フッ素、珪素およびアルミニウムなどを用いることができる。これらの元素は、単独で絶縁膜3に付与してもよいし、複数の元素を混合して絶縁膜3に付与してもよい。   As the impurity element 52 applied to the insulating film 3, for example, nitrogen, oxygen, carbon, fluorine, silicon, and aluminum can be used. These elements may be applied alone to the insulating film 3, or a plurality of elements may be mixed and applied to the insulating film 3.

キャップ層の所定の領域に含まれる不純物元素は、最大濃度と最小濃度との差が10at%以上67at%以下の範囲になるように設定することが好ましい。ここで「濃度」は全組成に対する不純物元素のat%を指す。10at%未満では、反射率が十分変化しないという問題があり、67at%超では膜の作製が困難だからである。   The impurity element contained in the predetermined region of the cap layer is preferably set so that the difference between the maximum concentration and the minimum concentration is in the range of 10 at% to 67 at%. Here, “concentration” refers to at% of the impurity element with respect to the total composition. If it is less than 10 at%, there is a problem that the reflectance does not change sufficiently, and if it exceeds 67 at%, it is difficult to produce a film.

絶縁膜3の厚さは、50nm以上であることが好ましい。絶縁膜3の膜厚が50nmより薄いと、絶縁膜3に付与した不純物元素が半導体膜2内に入り込んでしまう可能性があるためである。絶縁膜3の膜厚が50nm以上であれば、キャップ層中の不純物元素の濃度分布により、半導体膜の所定の領域における温度勾配を十分に緩やかにできる。   The thickness of the insulating film 3 is preferably 50 nm or more. This is because if the thickness of the insulating film 3 is less than 50 nm, the impurity element imparted to the insulating film 3 may enter the semiconductor film 2. If the film thickness of the insulating film 3 is 50 nm or more, the temperature gradient in a predetermined region of the semiconductor film can be made sufficiently gentle due to the concentration distribution of the impurity element in the cap layer.

絶縁膜3に不純物元素52を付与する方法には、イオン注入法あるいはイオンドーピング法等を用いることができる。   As a method for applying the impurity element 52 to the insulating film 3, an ion implantation method, an ion doping method, or the like can be used.

上述した第1のタイプまたは第2のタイプの製造方法では、絶縁膜3が上記式(1)または(2)を満たす場合を説明したが、不純物元素の濃度勾配、照射光の波長またはエネルギーなどのパラメータを制御することによって、絶縁膜3を用いて形成されるキャップ層に所望の屈折率分布を形成することにより、従来よりも緩やかな温度勾配を半導体膜に形成できれば、絶縁膜3はこれらの式を満たさなくてもよい。   In the above-described first type or second type manufacturing method, the case where the insulating film 3 satisfies the above formula (1) or (2) has been described. However, the impurity element concentration gradient, the wavelength or energy of irradiation light, and the like. If the desired refractive index profile is formed in the cap layer formed using the insulating film 3 by controlling the parameters of the insulating film 3, the insulating film 3 can be formed if a gradual temperature gradient can be formed in the semiconductor film. It is not necessary to satisfy the expression.

キャップ層を介して半導体膜に照射する光線には、例えば紫外線を用いることができる。半導体膜に対する紫外線照射は、例えばレーザビームを照射することによって行われる。レーザビームには、例えば波長400nm以下、エネルギー密度が250mJ/cm2以上500mJ/cm2以下のレーザビームが好適に利用される。レーザビームのエネルギー密度が上記の範囲内である場合、半導体膜を十分に溶融でき、半導体膜の一部に飛散が生じることもない。 For example, ultraviolet rays can be used as the light rays applied to the semiconductor film through the cap layer. The semiconductor film is irradiated with ultraviolet rays, for example, by irradiating a laser beam. The laser beam, a wavelength 400nm or less, the energy density of 250 mJ / cm 2 or more 500 mJ / cm 2 or less of the laser beam is preferably used. When the energy density of the laser beam is within the above range, the semiconductor film can be sufficiently melted and scattering of part of the semiconductor film does not occur.

本発明の結晶質半導体膜の製造方法に、レーザビームを所定の方向にステップ走査しながら半導体膜に照射して、走査方向に成長した結晶を得る方法(SLS)を適用してもよいが、一回のレーザ照射による結晶成長距離を特許文献1よりも大きくできるので、一回のレーザ照射による結晶成長距離で十分な場合には、結晶質半導体膜を複数回レーザ照射する必要はなく、所望の位置に十分大きな結晶粒を形成できる。   A method (SLS) of obtaining a crystal grown in a scanning direction by irradiating a semiconductor film while step-scanning a laser beam in a predetermined direction may be applied to the method for manufacturing a crystalline semiconductor film of the present invention. Since the crystal growth distance by one laser irradiation can be made larger than that of Patent Document 1, if the crystal growth distance by one laser irradiation is sufficient, it is not necessary to irradiate the crystalline semiconductor film a plurality of times. A sufficiently large crystal grain can be formed at this position.

半導体膜2には、珪素(Si)膜の他、SiGe膜、GaAs膜、GaP膜、InP膜等を用いることができる。   As the semiconductor film 2, a SiGe film, a GaAs film, a GaP film, an InP film, or the like can be used in addition to a silicon (Si) film.

半導体膜2の膜厚は、10nm以上200nm以下の範囲であることが好ましい。半導体膜2の膜厚が10nmよりも薄いと、エネルギービームが充分吸収されないため、半導体膜を溶融させることが困難となるからである。また、半導体膜の膜厚が200nmよりも厚いと、半導体薄膜を溶融させるために過大なエネルギーのエネルギービームが必要となり、半導体膜を安定して溶融させることができず、結晶化領域において緩やかな温度勾配を形成させることが困難になるからである。半導体膜の膜厚が10nm以上200nm以下の範囲であれば、半導体膜を安定して溶融させることができ、かつ、結晶化領域内に緩やかな温度勾配を形成させることができる。   The film thickness of the semiconductor film 2 is preferably in the range of 10 nm to 200 nm. This is because if the thickness of the semiconductor film 2 is less than 10 nm, the energy beam is not sufficiently absorbed, and it becomes difficult to melt the semiconductor film. On the other hand, if the thickness of the semiconductor film is greater than 200 nm, an energy beam with excessive energy is required to melt the semiconductor thin film, and the semiconductor film cannot be stably melted. This is because it becomes difficult to form a temperature gradient. When the thickness of the semiconductor film is in the range of 10 nm to 200 nm, the semiconductor film can be stably melted and a gentle temperature gradient can be formed in the crystallization region.

以上説明したように、本実施形態の製造方法を用いれば、屈折率分布を有するキャップ層の所定の領域の下の半導体膜の領域に、生成位置を制御しながら、サイズの大きい結晶粒を形成できる。したがって、本発明の結晶質半導体膜を用いて半導体装置を構成すれば、特許文献1の結晶質半導体膜を用いた場合に比べて、キャリアの移動度が高く、しきい値電圧の低い、高性能な半導体装置を得ることができる。従って、例えば本発明の結晶質半導体膜を用いてトランジスタを作製することによって、従来よりも高性能なトランジスタを得ることができる。また、1枚の結晶質半導体膜を用いて、特性のばらつきが抑制された、高性能な半導体素子を高密度で作製することができる。この結晶質半導体膜は、例えば表示装置に好適に利用される。例えば、この結晶質半導体膜は、アクティブマトリクス型液晶表示装置の画素TFTや、駆動回路のTFTを作製するのに好適に用いられる。   As described above, when the manufacturing method of this embodiment is used, large-sized crystal grains are formed in the semiconductor film region under the predetermined region of the cap layer having a refractive index distribution while controlling the generation position. it can. Therefore, if a semiconductor device is configured using the crystalline semiconductor film of the present invention, the carrier mobility is higher and the threshold voltage is lower than that when the crystalline semiconductor film of Patent Document 1 is used. A high performance semiconductor device can be obtained. Therefore, for example, a transistor with higher performance than the conventional one can be obtained by manufacturing a transistor using the crystalline semiconductor film of the present invention. In addition, a high-performance semiconductor element in which variation in characteristics is suppressed can be manufactured with high density by using one crystalline semiconductor film. This crystalline semiconductor film is suitably used for a display device, for example. For example, this crystalline semiconductor film is suitably used for manufacturing a pixel TFT of an active matrix liquid crystal display device and a TFT of a drive circuit.

以下、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。   Hereinafter, although embodiment of this invention is described concretely, this invention is not limited to these embodiment.

(実施形態1)
図8および図9は、それぞれ、本発明の実施形態1の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図である。
(Embodiment 1)
8 and 9 are diagrams for explaining the method for manufacturing the crystalline semiconductor film according to the first embodiment of the present invention.

まず、図8(a)に示すように、80cm×60cmのガラス基板13上に膜厚200nmのSiO2膜14を形成する。SiO2膜14は、TEOS(テトラエトキシシラン)ガスとO3ガスとを用いたプラズマCVD法によって形成する。 First, as shown in FIG. 8A, a 200 nm thick SiO 2 film 14 is formed on an 80 cm × 60 cm glass substrate 13. The SiO 2 film 14 is formed by a plasma CVD method using TEOS (tetraethoxysilane) gas and O 3 gas.

次に、図8(b)に示すように、SiO2膜14の全面に、厚さ50nmの非晶質珪素膜15を形成する。非晶質珪素膜15は、例えばSi26ガスを用いた減圧CVD法によって形成する。 Next, as shown in FIG. 8B, an amorphous silicon film 15 having a thickness of 50 nm is formed on the entire surface of the SiO 2 film 14. The amorphous silicon film 15 is formed, for example, by a low pressure CVD method using Si 2 H 6 gas.

次に、図8(c)に示すように、非晶質珪素膜15上にプラズマCVD法によってSiO2膜16を形成する。なお、後の工程で、SiO2膜16を用いてキャップ層が形成される。 Next, as shown in FIG. 8C, a SiO 2 film 16 is formed on the amorphous silicon film 15 by plasma CVD. Note that a cap layer is formed using the SiO 2 film 16 in a later step.

SiO2膜16の膜厚は、反射防止膜として機能する式(2)を満たすように、155nm(SiO2の屈折率を1.5、結晶化に使用するエキシマレーザのλを308nmとして算出)とした。 The thickness of the SiO 2 film 16 is 155 nm (calculated assuming that the refractive index of SiO 2 is 1.5 and the λ of the excimer laser used for crystallization is 308 nm) so as to satisfy the formula (2) that functions as an antireflection film It was.

次に、SiO2膜16の所定の領域に、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素としての窒素17を導入する。基板を走査してライン状にドーピングする際に、基板の走査速度を変化させることによってドーピング濃度を制御し、所望の濃度分布を形成する。 Next, nitrogen 17 as an impurity element is introduced into a predetermined region of the SiO 2 film 16 by ion implantation or ion doping. When the substrate is scanned and doped in a line shape, the doping concentration is controlled by changing the scanning speed of the substrate to form a desired concentration distribution.

不純物元素としての窒素17は、図9(b)に示すように、SiO2膜16の面内において、非晶質珪素膜15の結晶化方向に濃度勾配18が形成されるように導入する。具体的には、SiO2膜16の10μm×30cmの所定の領域に、窒素17を導入する。窒素17は、最大濃度(58at%)と最小濃度(10at%)との差が48at%で、4.8at%/μm程度の濃度勾配が形成されるように、SiO2膜16に導入する。 Nitrogen 17 as an impurity element is introduced so that a concentration gradient 18 is formed in the crystallization direction of the amorphous silicon film 15 within the surface of the SiO 2 film 16 as shown in FIG. 9B. Specifically, nitrogen 17 is introduced into a predetermined region of 10 μm × 30 cm of the SiO 2 film 16. Nitrogen 17 is introduced into the SiO 2 film 16 so that the difference between the maximum concentration (58 at%) and the minimum concentration (10 at%) is 48 at% and a concentration gradient of about 4.8 at% / μm is formed.

SiO2膜16の屈折率は、窒素17の濃度が高い領域ほど高くなり、図9(c)に示すような屈折率の分布19が形成される。これは、SiO2膜16に窒素17が導入することによって、屈折率がSiO2よりも高いSiN膜に近づくためである。また、本実施形態1では、SiO2膜16が反射防止膜になっているため、成膜時のSiO2膜16の反射率は最小になっており、この状態で、窒素17を濃度勾配18をつけて導入すると、この膜厚(155nm)では、SiO2膜16の反射率は窒素濃度が高い領域ほど大きくなり、図9(d)に示すような反射率の分布20が生じる。よって、レーザを照射した際、窒素17の濃度が最も高い領域において非晶質珪素膜15の温度が最も低くなり、図9(e)に示すような温度分布21が非晶質珪素膜15中に形成され、温度の低い領域で核発生が起こり、温度の高い領域へと結晶が成長する。温度勾配は緩やかに形成されるので、非晶質珪素膜15の溶融領域を拡大することができ、その結果、結晶粒の大きい結晶質珪素膜を作製することができる。本実施形態では、結晶粒のサイズが5μm程度の結晶質珪素膜を得ることができた。 The refractive index of the SiO 2 film 16 increases as the concentration of nitrogen 17 increases, and a refractive index distribution 19 as shown in FIG. 9C is formed. This is because the introduction of nitrogen 17 into the SiO 2 film 16 approaches the SiN film having a refractive index higher than that of SiO 2 . In the first embodiment, since the SiO 2 film 16 is an antireflection film, the reflectance of the SiO 2 film 16 at the time of film formation is minimized. In this state, the nitrogen 17 is changed to a concentration gradient 18. When this is introduced, the reflectivity of the SiO 2 film 16 increases as the nitrogen concentration increases in this film thickness (155 nm), resulting in a reflectivity distribution 20 as shown in FIG. Therefore, when the laser is irradiated, the temperature of the amorphous silicon film 15 becomes the lowest in the region where the concentration of nitrogen 17 is the highest, and a temperature distribution 21 as shown in FIG. The nucleation occurs in the low temperature region, and the crystal grows to the high temperature region. Since the temperature gradient is gently formed, the melting region of the amorphous silicon film 15 can be expanded, and as a result, a crystalline silicon film having large crystal grains can be produced. In this embodiment, a crystalline silicon film having a crystal grain size of about 5 μm can be obtained.

また、導入した窒素17が最も高い濃度の領域で結晶核が発生するので、結晶粒の位置制御も行うことができる。   Further, since crystal nuclei are generated in a region where the introduced nitrogen 17 is at the highest concentration, it is possible to control the position of crystal grains.

このようにして形成された結晶質珪素膜は、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。   The crystalline silicon film thus formed can be used as an active layer of a semiconductor element such as a thin film transistor. The semiconductor element can be used in a semiconductor device such as a driver of a liquid crystal display device, a semiconductor memory, or a semiconductor logic circuit.

(実施形態2)
図8および図10は、実施形態2の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図である。
(Embodiment 2)
8 and 10 are diagrams for explaining the method for manufacturing the crystalline semiconductor film of the second embodiment.

まず、実施形態1と同様の方法で、図8(a)から図8(c)に示すように、基板13上にSiO2膜14およびSiO2膜16を形成する。 First, as shown in FIGS. 8A to 8C, the SiO 2 film 14 and the SiO 2 film 16 are formed on the substrate 13 by the same method as in the first embodiment.

ただし、SiO2膜16の膜厚は、反射膜として機能する式(1)を満たす103nm(SiO2の屈折率を1.5、結晶化に使用するエキシマレーザのλを308nmとして算出)とする。 However, the film thickness of the SiO 2 film 16 is 103 nm (calculated assuming that the refractive index of SiO 2 is 1.5 and the λ of the excimer laser used for crystallization is 308 nm) that satisfies the formula (1) functioning as a reflective film. .

次に、図10(a)に示すように、SiO2膜16に、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素としての窒素21を導入する。不純物元素としての窒素22は、図10(b)に示すように、SiO2膜16の面内において、非晶質珪素膜15の結晶化方向に濃度勾配23が形成されるように導入する。具体的には、SiO2膜16の10μm×30cmの所定の領域に、窒素17を導入する。窒素21は、最大濃度(58at%)と最小濃度(10at%)との差が48at%で、4.8at%/μm程度の濃度勾配が形成されるように、SiO2膜16に導入する。 Next, as shown in FIG. 10A, nitrogen 21 as an impurity element is introduced into the SiO 2 film 16 by ion implantation or ion doping. Nitrogen 22 as an impurity element is introduced so that a concentration gradient 23 is formed in the crystallization direction of the amorphous silicon film 15 in the plane of the SiO 2 film 16 as shown in FIG. Specifically, nitrogen 17 is introduced into a predetermined region of 10 μm × 30 cm of the SiO 2 film 16. Nitrogen 21 is introduced into the SiO 2 film 16 so that the difference between the maximum concentration (58 at%) and the minimum concentration (10 at%) is 48 at% and a concentration gradient of about 4.8 at% / μm is formed.

SiO2膜16の屈折率は、窒素22の濃度が高い領域ほど高くなり、図10(c)に示すような屈折率の分布24が形成される。これは、SiO2膜16に窒素22が導入することによって、屈折率がSiO2よりも高いSiN膜に近づくためである。また、本実施形態2では、SiO2膜16が反射膜になっているため、成膜時のSiO2膜16の反射率は最大になっており、この状態で、窒素22を濃度勾配23をつけて導入すると、この膜厚(103nm)では、SiO2膜16の反射率は窒素濃度が高い領域ほど小さくなり、図10(d)に示すような反射率の分布25が生じる。よって、レーザを照射した際、窒素22の濃度が低い領域において非晶質珪素膜15の温度が最も低くなり、図10(e)に示すような温度分布26が非晶質珪素膜15中に形成され、温度の低い領域で核発生が起こり、温度の高い領域へと結晶が成長する。温度勾配は緩やかに形成されるので、非晶質珪素膜15の溶融領域を拡大することができ、その結果、結晶粒の大きい結晶質珪素膜を作製することができる。また、導入した窒素22が最も低い濃度の領域で結晶核が発生するので、結晶粒の位置制御も行うことができる。 The refractive index of the SiO 2 film 16 increases as the concentration of nitrogen 22 increases, and a refractive index distribution 24 as shown in FIG. 10C is formed. This is because the introduction of nitrogen 22 into the SiO 2 film 16 approaches the SiN film having a refractive index higher than that of SiO 2 . In the second embodiment, since the SiO 2 film 16 is a reflective film, the reflectance of the SiO 2 film 16 at the time of film formation is maximized. In this state, the nitrogen 22 has a concentration gradient 23. When the film is introduced, the reflectance of the SiO 2 film 16 becomes smaller as the nitrogen concentration is higher at this film thickness (103 nm), and the reflectance distribution 25 as shown in FIG. Therefore, when the laser is irradiated, the temperature of the amorphous silicon film 15 is lowest in the region where the concentration of nitrogen 22 is low, and a temperature distribution 26 as shown in FIG. As a result, nucleation occurs in the low temperature region, and crystals grow into the high temperature region. Since the temperature gradient is gently formed, the melting region of the amorphous silicon film 15 can be expanded, and as a result, a crystalline silicon film having large crystal grains can be produced. Further, since crystal nuclei are generated in a region where the introduced nitrogen 22 is at the lowest concentration, the position control of the crystal grains can be performed.

このようにして形成された結晶質珪素膜は、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。   The crystalline silicon film thus formed can be used as an active layer of a semiconductor element such as a thin film transistor. The semiconductor element can be used in a semiconductor device such as a driver of a liquid crystal display device, a semiconductor memory, or a semiconductor logic circuit.

(実施形態3)
図11および図12は、実施形態3の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図である。
(Embodiment 3)
11 and 12 are diagrams for explaining the method for manufacturing the crystalline semiconductor film of the third embodiment.

まず、図11(a)に示すように、ガラス基板27上に例えば膜厚200nmのSiO2膜28を形成する。SiO2膜28は、TEOS(テトラエトキシシラン)ガスとO3ガスとを用いたプラズマCVD法によって形成する。 First, as shown in FIG. 11A, an SiO 2 film 28 of, eg, a 200 nm-thickness is formed on a glass substrate 27. The SiO 2 film 28 is formed by plasma CVD using TEOS (tetraethoxysilane) gas and O 3 gas.

次に、図11(b)に示すように、SiO2膜28の全面に、非晶質珪素膜29を形成する。非晶質珪素膜29は、例えば、Si26ガスを用いた減圧CVD法によって、厚さ50nmに形成する。 Next, as shown in FIG. 11B, an amorphous silicon film 29 is formed on the entire surface of the SiO 2 film 28. The amorphous silicon film 29 is formed to a thickness of 50 nm by, for example, a low pressure CVD method using Si 2 H 6 gas.

次に、図11(c)に示すように、非晶質珪素膜29上にプラズマCVD法によってSiN膜30を形成する。なお、後の工程で、このSiN膜30を用いてキャップ層が形成される。   Next, as shown in FIG. 11C, a SiN film 30 is formed on the amorphous silicon film 29 by plasma CVD. Note that a cap layer is formed using this SiN film 30 in a later step.

SiN膜30の膜厚は、反射防止膜として機能する式(2)を満たす、115nm(SiNの屈折率を2、結晶化に使用するエキシマレーザのλを308nmとして算出)とした。   The film thickness of the SiN film 30 was 115 nm (calculated assuming that the refractive index of SiN is 2 and the λ of the excimer laser used for crystallization is 308 nm) that satisfies the formula (2) that functions as an antireflection film.

次に、図12(a)に示すように、SiN膜30に、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素としての酸素31を導入する。不純物元素としての酸素31は、図12(b)に示すように、SiN膜30の面内において、非晶質珪素膜29の結晶化方向に濃度勾配32が形成されるように導入する。具体的には、SiN膜30の10μm×30cmの所定の領域に、酸素31を導入する。酸素31は、最大濃度(67at%)と最小濃度(10at%)との差が57at%で、5.7at%/μm程度の濃度勾配が形成されるように、SiO2膜16に導入する。 Next, as shown in FIG. 12A, oxygen 31 as an impurity element is introduced into the SiN film 30 by ion implantation or ion doping. Oxygen 31 as an impurity element is introduced so that a concentration gradient 32 is formed in the crystallization direction of the amorphous silicon film 29 in the plane of the SiN film 30 as shown in FIG. Specifically, oxygen 31 is introduced into a predetermined region of 10 μm × 30 cm of the SiN film 30. Oxygen 31 is introduced into the SiO 2 film 16 so that the difference between the maximum concentration (67 at%) and the minimum concentration (10 at%) is 57 at% and a concentration gradient of about 5.7 at% / μm is formed.

SiN膜30の屈折率は、酸素31の濃度が高い領域ほど低くなり、図12(c)に示すような屈折率の分布33が形成される。これは、SiN膜30に酸素31が導入することによって、屈折率がSiNよりも低いSiO2膜に近づくためである。また、本実施形態3では、SiN膜30が反射防止膜になっているため、成膜時のSiN膜30の反射率は最小になっており、この状態で、酸素31を濃度勾配32をつけて導入すると、この膜厚(115nm)では、SiN膜30の反射率は酸素濃度が高い領域ほど大きくなり、図12(d)に示すような反射率の分布34が生じる。よって、レーザを照射した際、酸素31の濃度が高い領域において非晶質珪素膜29の温度が最も低くなり、図12(e)に示すような温度分布35が非晶質珪素膜29中に形成され、温度の低い領域で核発生が起こり、温度の高い領域へと結晶が成長する。温度勾配は緩やかに形成されるので、非晶質珪素膜29の溶融領域を拡大することができ、その結果、結晶粒の大きい結晶質珪素膜を作製することができる。また、導入した酸素31が最も高濃度の領域で結晶核が発生するので、結晶粒の位置制御も行うことができる。 The refractive index of the SiN film 30 decreases as the concentration of oxygen 31 increases, and a refractive index distribution 33 as shown in FIG. 12C is formed. This is because oxygen 31 is introduced into the SiN film 30 to approach the SiO 2 film having a refractive index lower than that of SiN. In the third embodiment, since the SiN film 30 is an antireflection film, the reflectance of the SiN film 30 at the time of film formation is minimized. In this state, the oxygen 31 is given a concentration gradient 32. Then, at this film thickness (115 nm), the reflectance of the SiN film 30 increases as the oxygen concentration increases, and a reflectance distribution 34 as shown in FIG. Therefore, when the laser is irradiated, the temperature of the amorphous silicon film 29 is lowest in the region where the concentration of oxygen 31 is high, and a temperature distribution 35 as shown in FIG. As a result, nucleation occurs in the low temperature region, and crystals grow into the high temperature region. Since the temperature gradient is gently formed, the melting region of the amorphous silicon film 29 can be expanded, and as a result, a crystalline silicon film having large crystal grains can be produced. Further, since crystal nuclei are generated in the region where the introduced oxygen 31 is the highest concentration, the position control of the crystal grains can be performed.

このようにして形成された結晶質珪素膜は、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。   The crystalline silicon film thus formed can be used as an active layer of a semiconductor element such as a thin film transistor. The semiconductor element can be used in a semiconductor device such as a driver of a liquid crystal display device, a semiconductor memory, or a semiconductor logic circuit.

(実施形態4)
図13は、本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。実施形態4の半導体装置は、上述の実施形態1または実施形態2または実施形態3で作製された結晶質珪素膜を用いて形成される、薄膜トランジスタ等を用いた液晶ドライバーや半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置である。
(Embodiment 4)
FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device of the embodiment of the present invention. The semiconductor device of Embodiment 4 includes a liquid crystal driver, a semiconductor memory, and a semiconductor logic circuit using a thin film transistor or the like formed using the crystalline silicon film manufactured in Embodiment 1 or Embodiment 2 or Embodiment 3 described above. Or the like.

まず、実施形態1の方法で結晶Si薄膜36を作製し、Si薄膜36の上層部のSiO2を用いたRIE法でパターニングした後、通常の薄膜トランジスタと同様、TEOSガスとO3ガスを用いたプラズマCVD法でゲートSiO2膜37を形成し、さらにスパッタリング法でWSi2/多結晶Siゲート電極38を形成した後、CF4ガスとO2ガスを用いたRIE法でパターニングする。 First, a crystalline Si thin film 36 is prepared by the method of Embodiment 1, and after patterning by RIE using SiO 2 in the upper layer of the Si thin film 36, TEOS gas and O 3 gas are used as in a normal thin film transistor. A gate SiO 2 film 37 is formed by plasma CVD, and a WSi 2 / polycrystalline Si gate electrode 38 is formed by sputtering, followed by patterning by RIE using CF 4 gas and O 2 gas.

次に、ソース・ドレインにイオンドーピング法でP、Bの注入を行い、TEOSガスとO3ガスを用いたプラズマCVD法でSiO2膜39を形成した後、CF4ガスとCHF3ガスを用いたRIE法でコンタクトホールエッチングを行う。これにスパッタリング法でAl配線40を形成し、BCl3ガスとCl2ガスを用いたRIE法でパターニングした後、SiH4ガスとNH3ガス及びN2ガスを用いたプラズマCVD法でSiN保護膜41を形成し、最後にSiN保護膜41の一部をCF4ガスとCHF3ガスを用いたRIE法でエッチング窓開けして、薄膜トランジスタや抵抗、キャパシタ等の半導体素子からなる液晶ドライバーや半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置を作製する。 Next, P and B are implanted into the source and drain by an ion doping method, a SiO 2 film 39 is formed by a plasma CVD method using TEOS gas and O 3 gas, and then CF 4 gas and CHF 3 gas are used. Contact hole etching is performed by the conventional RIE method. An Al wiring 40 is formed thereon by sputtering, patterned by RIE using BCl 3 gas and Cl 2 gas, and then a SiN protective film formed by plasma CVD using SiH 4 gas, NH 3 gas and N 2 gas. 41, and finally, a portion of the SiN protective film 41 is etched by an RIE method using CF 4 gas and CHF 3 gas to form a liquid crystal driver or semiconductor memory comprising semiconductor elements such as thin film transistors, resistors, capacitors, etc. A semiconductor device such as a semiconductor logic circuit is manufactured.

(実施形態5)
図14は、本発明の実施形態の半導体装置を備える表示装置の製造方法を説明するための断面図である。
(Embodiment 5)
FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a display device including the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

実施形態5の液晶表示装置は、上述の実施形態4の半導体装置を用いて作製される液晶表示装置である。   The liquid crystal display device of Embodiment 5 is a liquid crystal display device manufactured using the semiconductor device of Embodiment 4 described above.

具体的には、図14(a)に示すように、上述した実施形態4でAl配線40まで作製した半導体装置上にTEOSガスとO3ガスを用いたプラズマCVD法でSiO2膜42を形成し、CF4ガスとCHF3ガスを用いたRIE法でスルーホールエッチングを行う。次にスパッタリング法で画素電極としてITO膜43を形成し、HClとFeCl3を用いてパターニングした後、SiH4ガスとNH3ガス及びN2ガスを用いたプラズマCVD法でSiN保護膜44を形成する。その上に配向膜としてポリイミド膜45をオフセット印刷法で形成し、ラビング処理を行う。 Specifically, as shown in FIG. 14A, an SiO 2 film 42 is formed by plasma CVD using TEOS gas and O 3 gas on the semiconductor device manufactured up to the Al wiring 40 in the fourth embodiment. Then, through-hole etching is performed by the RIE method using CF 4 gas and CHF 3 gas. Next, an ITO film 43 is formed as a pixel electrode by sputtering, patterned after using HCl and FeCl 3 , and then a SiN protective film 44 is formed by plasma CVD using SiH 4 gas, NH 3 gas, and N 2 gas. To do. A polyimide film 45 is formed thereon as an alignment film by an offset printing method, and a rubbing process is performed.

一方、図14(b)に示すように、別のガラス基板等の絶縁基板46に、赤、緑、青の各感光性樹脂薄膜の付いたフィルムを熱圧着して転写、フォトリソグラフィー工程によるパターニングを行い、さらに赤、緑、青間のスペースにブラックマトリクス部を同様に形成して、カラーフィルタ47を作製する。この上にスパッタリング法でITO膜48を形成し、さらに配向膜としてポリイミド膜49をオフセット印刷法で形成した後、ラビング処理を行う。   On the other hand, as shown in FIG. 14B, a film with a photosensitive resin thin film of red, green, and blue is transferred onto an insulating substrate 46 such as another glass substrate by thermocompression, and patterned by a photolithography process. Then, a black matrix portion is similarly formed in the space between red, green, and blue, and the color filter 47 is manufactured. An ITO film 48 is formed thereon by sputtering, and a polyimide film 49 is formed as an alignment film by offset printing, followed by rubbing.

上記カラーフィルタ47を形成したガラス基板等の絶縁基板46と、薄膜トランジスタ等の半導体装置を形成したガラス基板等の絶縁基板13をシール樹脂で張り合わせる。この際、2枚のガラス基板間のスペースを一定にするため、真球状のシリカを散布しておく。両基板間に液晶を注入した後、偏光板を張り付け、周辺にドライバーIC等を実装して液晶表示装置を作製する。   An insulating substrate 46 such as a glass substrate on which the color filter 47 is formed and an insulating substrate 13 such as a glass substrate on which a semiconductor device such as a thin film transistor is formed are bonded together with a sealing resin. At this time, in order to make the space between the two glass substrates constant, spherical silica is sprayed. After injecting liquid crystal between both substrates, a polarizing plate is pasted, and a driver IC or the like is mounted on the periphery to manufacture a liquid crystal display device.

本発明の結晶質半導体膜は、例えば薄膜トランジスタ等の半導体素子に使用できる。半導体素子は、液晶表示装置のドライバ、半導体メモリ、半導体論理回路等の半導体装置に使用できる。   The crystalline semiconductor film of the present invention can be used for a semiconductor element such as a thin film transistor. The semiconductor element can be used in a semiconductor device such as a driver of a liquid crystal display device, a semiconductor memory, or a semiconductor logic circuit.

(a)および(b)は、本発明の実施形態の結晶質半導体膜の製造方法を説明するための断面図である。(A) And (b) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the crystalline semiconductor film of embodiment of this invention. (a)は図1(b)の上面図であり、(b)はキャップ層の第1方向D1における不純物元素の濃度分布を示すグラフであり、(c)はキャップ層の第1方向D1における反射率分布を模式的に示すグラフであり、(d)は半導体膜の第1方向D1における温度分布を模式的に示すグラフである。(A) is a top view of FIG. 1 (b), (b) is a graph showing the concentration distribution of the impurity element in the first direction D1 of the cap layer, and (c) is a graph in the first direction D1 of the cap layer. It is a graph which shows typically reflectance distribution, (d) is a graph which shows typically temperature distribution in the 1st direction D1 of a semiconductor film. キャップ層の屈折率nの変化に対応する反射率Rの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the reflectance R corresponding to the change of the refractive index n of a cap layer. 特許文献1の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of patent document 1. FIG. (a)および(b)は、第2のタイプの結晶質半導体膜の製造方法を説明するための図であり、(c)はキャップ層の第1方向D1における不純物元素の濃度分布を示すグラフであり(d)はキャップ層の第1方向D1における反射率分布を模式的に示すグラフであり、(e)は半導体膜の第1方向D1における温度分布を模式的に示すグラフである。(A) And (b) is a figure for demonstrating the manufacturing method of a 2nd type crystalline semiconductor film, (c) is a graph which shows concentration distribution of the impurity element in the 1st direction D1 of a cap layer. (D) is a graph schematically showing the reflectance distribution in the first direction D1 of the cap layer, and (e) is a graph schematically showing the temperature distribution in the first direction D1 of the semiconductor film. 比較例の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a comparative example. (a)および(b)は、本発明の実施形態を大基板に適用した場合を説明するための図である。(A) And (b) is a figure for demonstrating the case where embodiment of this invention is applied to a large board | substrate. (a)〜(c)は、それぞれ、実施形態1および実施形態2の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。(A)-(c) is sectional drawing for demonstrating the preparation methods of the crystalline-semiconductor film of Embodiment 1 and Embodiment 2, respectively. (a)〜(e)は、それぞれ、実施形態1の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。(A)-(e) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the crystalline-semiconductor film of Embodiment 1, respectively. (a)〜(e)は、それぞれ、実施形態2の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。(A)-(e) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the crystalline-semiconductor film of Embodiment 2, respectively. (a)〜(c)は、それぞれ、実施形態3の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。(A)-(c) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the crystalline-semiconductor film of Embodiment 3, respectively. (a)〜(e)は、それぞれ、実施形態3の結晶質半導体膜の作製方法を説明するための断面図である。(A)-(e) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the crystalline-semiconductor film of Embodiment 3, respectively. 実施形態4による半導体装置の製造方法を示すための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view for illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a fourth embodiment. (a)および(b)は、実施形態5による液晶表示装置の製造方法を示すための断面図である。(A) And (b) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the liquid crystal display device by Embodiment 5. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 半導体膜
3 絶縁膜
3C1 キャップ層
3C2 キャップ層
13 基板
14 SiO2
15 非晶質珪素膜
16 SiO2
17 窒素
18 濃度勾配
19 屈折率分布
20 反射率の分布
21 温度分布
22 窒素
23 濃度勾配
24 屈折率分布
25 反射率の分布
26 温度分布
27 基板
28 SiO2
29 非晶質珪素膜
30 SiN膜
31 酸素
32 濃度勾配
33 屈折率分布
34 反射率の分布
35 温度分布
36 結晶質珪素膜
37 ゲートSiO2
38 ゲート電極
40 Al配線
41 SiN保護膜
43 ITO膜
44 SiN保護膜
45 ポリイミド膜
46 ガラス基板
47 カラーフィルタ
48 ITO膜
49 ポリイミド膜
61 基板
62 半導体膜
63C 反射防止膜
71 基板
72 半導体膜
73C 反射膜
F1 第1領域
F2 第1領域
F1a 第1領域
F1b 第1領域
S1 第2領域
S2 第2領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Semiconductor film 3 Insulating film 3C1 Cap layer 3C2 Cap layer 13 Substrate 14 SiO 2 film 15 Amorphous silicon film 16 SiO 2 film 17 Nitrogen 18 Concentration gradient 19 Refractive index distribution 20 Reflectance distribution 21 Temperature distribution 22 Nitrogen 23 Concentration gradient 24 Refractive index distribution 25 Reflectance distribution 26 Temperature distribution 27 Substrate 28 SiO 2 film 29 Amorphous silicon film 30 SiN film 31 Oxygen 32 Concentration gradient 33 Refractive index distribution 34 Reflectance distribution 35 Temperature distribution 36 Crystalline silicon Film 37 Gate SiO 2 film 38 Gate electrode 40 Al wiring 41 SiN protective film 43 ITO film 44 SiN protective film 45 Polyimide film 46 Glass substrate 47 Color filter 48 ITO film 49 Polyimide film 61 Substrate 62 Semiconductor film 63C Antireflection film 71 Substrate 72 Semiconductor film 73C Reflective film F1 First region 2 the first region F1a first region F1b first regions S1 second region S2 second region

Claims (22)

(a)基板の上に非晶質半導体膜を堆積する工程と、
(b)前記非晶質半導体膜の上に、屈折率n1を有する絶縁膜を堆積する工程と、
(c)前記絶縁膜を用いて、屈折率が第1方向に沿ってn1から変化する屈折率分布を有する第1領域を有するキャップ層を形成する工程と、
(d)前記第1領域を含む前記キャップ層を介して非晶質半導体膜に光線を照射することにより、前記第1領域の下の前記非晶質半導体膜に、前記キャップ層の屈折率分布に対応した照射エネルギー密度の分布を形成して、前記第1方向に沿って温度勾配を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶化する結晶化工程とを包含する、結晶質半導体膜の製造方法。
(A) depositing an amorphous semiconductor film on the substrate;
(B) depositing an insulating film having a refractive index n1 on the amorphous semiconductor film;
(C) forming a cap layer having a first region having a refractive index distribution in which the refractive index changes from n1 along the first direction using the insulating film;
(D) A refractive index profile of the cap layer is applied to the amorphous semiconductor film under the first region by irradiating the amorphous semiconductor film with light through the cap layer including the first region. Forming a distribution of irradiation energy density corresponding to the above, forming a temperature gradient along the first direction, and crystallizing the amorphous semiconductor film. Method.
前記工程(c)は、前記キャップ層の前記第1領域に前記第1方向に沿って変化する濃度分布が形成されるように、前記絶縁膜に不純物元素を付与する工程を含む、請求項1に記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The step (c) includes a step of applying an impurity element to the insulating film so that a concentration distribution that varies along the first direction is formed in the first region of the cap layer. A method for producing a crystalline semiconductor film as described in 1. above. 前記工程(c)は、前記第1方向に直交する第2方向に延びる矩形状の前記第1領域を形成する工程を含み、
前記第1領域内で、前記キャップ層の屈折率は前記第2方向においてほぼ一定である、請求項2に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
The step (c) includes a step of forming the rectangular first region extending in a second direction orthogonal to the first direction,
The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 2, wherein a refractive index of the cap layer is substantially constant in the second direction in the first region.
前記工程(c)は、屈折率n1を有する第2領域を前記第1領域に隣接して形成する工程を含む、請求項1から3のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the step (c) includes a step of forming a second region having a refractive index n1 adjacent to the first region. 前記工程(b)で形成される前記絶縁膜の膜厚dは、d=(λ/4n1)×(2k+1)(λ:入射光波長、k:0以上の正の整数)で表され、
前記工程(d)は、前記キャップ層の前記第1領域の下の半導体膜の領域内で前記第1方向に沿って結晶成長させる工程を含む、請求項1から4のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
The film thickness d of the insulating film formed in the step (b) is expressed by d = (λ / 4n1) × (2k + 1) (λ: incident light wavelength, k: positive integer greater than or equal to 0),
5. The crystal according to claim 1, wherein the step (d) includes a step of crystal growth along the first direction in a region of the semiconductor film under the first region of the cap layer. For producing a high-quality semiconductor film.
前記キャップ層の前記第1領域に、前記不純物元素の濃度を前記第1方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、
前記工程(d)において、前記キャップ層の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が低くなる、請求項5に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
Forming the concentration distribution of the impurity element in the first region of the cap layer so as to continuously change the concentration of the impurity element along the first direction;
The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 5, wherein in the step (d), the temperature of the semiconductor film decreases along the direction in which the concentration of the impurity element in the cap layer increases.
前記工程(b)で形成される前記絶縁膜の膜厚dは、d=(λ/2n1)×(k+1)(λ:入射光波長、k:k:0以上の正の整数)で表され、
前記工程(d)は、前記キャップ層の前記第2領域の下の半導体膜の領域から前記第1領域の下の半導体膜の領域に、前記第1方向に沿って結晶成長させる工程を含む、請求項1から4のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。
The film thickness d of the insulating film formed in the step (b) is expressed by d = (λ / 2n1) × (k + 1) (λ: incident light wavelength, k: k: positive integer greater than or equal to 0). ,
The step (d) includes a step of crystal growth from the region of the semiconductor film under the second region of the cap layer to the region of the semiconductor film under the first region along the first direction. The manufacturing method of the crystalline semiconductor film in any one of Claim 1 to 4.
前記キャップ層の前記第1領域に、前記不純物元素の濃度を前記第1方向に沿って連続的に変化させるように、前記不純物元素の前記濃度分布を形成し、
前記工程(d)において、前記キャップ層の前記不純物元素の濃度が高くなる方向に沿って、前記半導体膜の温度が高くなる、請求項7に記載の結晶質半導体膜の製造方法。
Forming the concentration distribution of the impurity element in the first region of the cap layer so as to continuously change the concentration of the impurity element along the first direction;
The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 7, wherein in the step (d), the temperature of the semiconductor film increases along a direction in which the concentration of the impurity element in the cap layer increases.
前記工程(d)において形成される前記温度勾配は、前記第1領域の中央に向かって温度が低くなる温度勾配である、請求項1から8のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the temperature gradient formed in the step (d) is a temperature gradient in which the temperature decreases toward the center of the first region. . 前記キャップ層は、最大濃度と最小濃度との差が10at%以上67at%以下の範囲の前記不純物元素の濃度分布を有する、請求項2から9のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   10. The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 2, wherein the cap layer has a concentration distribution of the impurity element in which a difference between a maximum concentration and a minimum concentration is in a range of 10 at% to 67 at%. . 前記工程(c)は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて前記不純物元素を前記絶縁膜に付与する工程を含む、請求項2から10のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 2, wherein the step (c) includes a step of applying the impurity element to the insulating film using an ion implantation method or an ion doping method. 前記絶縁膜は、酸化珪素化合物、窒化珪素化合物、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、窒化酸化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物のうち、少なくともいずれか一つを含む、請求項1から11のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The insulating film includes a silicon oxide compound, a silicon nitride compound, a silicon nitride oxide compound, an aluminum oxide compound, an aluminum nitride compound, an aluminum nitride oxide compound, a fluorinated silicon oxide compound, a fluorinated silicon oxynitride compound, and a silicon oxycarbide compound. The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, comprising at least one of them. 前記不純物元素は、炭素、窒素、酸素、フッ素、珪素およびアルミニウムのうち、少なくともいずれか一つを含む、請求項1から12のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the impurity element includes at least one of carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, and aluminum. 前記絶縁膜の膜厚は50nm以上である、請求項1から13のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the insulating film has a thickness of 50 nm or more. 前記半導体膜はシリコンを含む、請求項1から14のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the semiconductor film contains silicon. 前記半導体膜の膜厚は、10nm以上200nm以下の範囲である、請求項1から15のいずれかに記載の結晶質半導体膜の作製方法。   The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the thickness of the semiconductor film is in a range of 10 nm to 200 nm. 前記光線は、波長400nm以下のレーザ光である、請求項1から16のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for producing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the light beam is a laser beam having a wavelength of 400 nm or less. 前記光線は、エネルギー密度が250mJ/cm2以上500mJ/cm2以下のパルスレーザである、請求項1から17のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。 The light beam, the energy density of 250 mJ / cm 2 or more 500 mJ / cm 2 or less of a pulse laser method for producing a crystalline semiconductor film according to any of claims 1-17. 前記結晶化工程は横方向成長工程を含む、請求項1から18のいずれかに記載の結晶質半導体膜の製造方法。   The method for manufacturing a crystalline semiconductor film according to claim 1, wherein the crystallization step includes a lateral growth step. 請求項1から19のいずれかに記載の製造方法によって製造される結晶質半導体膜。   A crystalline semiconductor film manufactured by the manufacturing method according to claim 1. 請求項20に記載の結晶質半導体膜を用いた半導体装置。   21. A semiconductor device using the crystalline semiconductor film according to claim 20. 請求項21に記載の半導体装置を備える表示装置。
A display device comprising the semiconductor device according to claim 21.
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