JP2005353979A - Manufacturing method of semiconductor thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体薄膜の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、前駆体半導体薄膜におけるレーザ光照射による溶融と再結晶によって形成された多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film having a polycrystalline semiconductor region formed by melting and recrystallization of a precursor semiconductor thin film by laser light irradiation.
液晶やエレクトロルミネッセンス(EL)を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタ(TFT)においては、非晶質または結晶質のシリコン膜が活性層として用いられる場合が多い。この場合に、多結晶または単結晶のような結晶質のシリコン薄膜は、非晶質シリコン薄膜に比較して高い電子移動度を有しているので、多くの長所を発揮し得る。 In a thin film transistor (TFT) used in a display device using liquid crystal or electroluminescence (EL), an amorphous or crystalline silicon film is often used as an active layer. In this case, a crystalline silicon thin film such as a polycrystal or a single crystal has a higher electron mobility than an amorphous silicon thin film, and thus can exhibit many advantages.
たとえば、結晶質シリコンTFTを用いる場合には、表示装置の画素部分にスイッチング素子を形成し得るだけでなく、画素周辺部分に駆動回路や周辺回路を形成することもでき、これらの素子や回路を同一基板上に形成することができる。すなわち、別途のドライバICや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、それらの表示装置を低価格で提供することが可能となる。 For example, when a crystalline silicon TFT is used, not only can a switching element be formed in a pixel portion of a display device, but also a drive circuit and a peripheral circuit can be formed in a peripheral portion of the pixel. They can be formed on the same substrate. That is, since it is not necessary to mount a separate driver IC or drive circuit board on the display device, it is possible to provide these display devices at a low price.
また、結晶質シリコン薄膜を用いればTFTの寸法を微細化できるので、画素部分に形成されるスイッチング素子を小さくすることができ、表示装置の高開口率化が図れる。その結果、高輝度で高精細な表示装置を提供することが可能となる。 In addition, if a crystalline silicon thin film is used, the size of the TFT can be reduced, so that the switching element formed in the pixel portion can be reduced and the aperture ratio of the display device can be increased. As a result, it is possible to provide a display device with high brightness and high definition.
以上のように、結晶質シリコン薄膜を用いたTFTは、非晶質シリコン薄膜を用いたTFTに比べて多くの利点を有している。 As described above, a TFT using a crystalline silicon thin film has many advantages over a TFT using an amorphous silicon thin film.
ところで、多結晶または単結晶のような結晶質のシリコン薄膜の製造方法としては、レーザ光を用いた再結晶化技術が数多く提案されている。 By the way, as a method for producing a crystalline silicon thin film such as a polycrystal or a single crystal, many recrystallization techniques using laser light have been proposed.
最も初期に提案された方法は、連続放射されるレーザ光を走査して、基板上の前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化させるものであり、一般にはZMR(Zone Melting Recrystallization)法と称される。近年では、エキシマレーザを用いて600℃以下の低い基板温で非晶質シリコン薄膜を多結晶化する技術が一般化され、低価格のガラス基板上に形成された多結晶シリコンTFTを含む表示装置が低価格で提供できるようになった。 The earliest proposed method is to scan continuously emitted laser light to melt and recrystallize the precursor semiconductor thin film on the substrate, and is generally referred to as ZMR (Zone Melting Recrystallization). . In recent years, a technique for polycrystallizing an amorphous silicon thin film at a low substrate temperature of 600 ° C. or less using an excimer laser has been generalized, and a display device including a polycrystalline silicon TFT formed on a low-cost glass substrate Can be offered at a low price.
エキシマレーザによる結晶化技術では、非晶質シリコン薄膜を堆積させたガラス基板を400℃程度に加熱し、そのガラス基板を一定速度で移動させながら、長さ200〜400mmで幅0.2〜1.0mm程度の線状断面のエキシマレーザ光がガラス基板上の非晶質シリコン薄膜にパルス照射される。この方法によって、非晶質シリコン薄膜の厚さと同程度の平均結晶粒径を有する多結晶シリコン薄膜が形成され得る。 In the crystallization technique using an excimer laser, a glass substrate on which an amorphous silicon thin film is deposited is heated to about 400 ° C., and the glass substrate is moved at a constant speed, and is 200 to 400 mm in length and 0.2 to 1 in width. An excimer laser beam having a linear cross section of about 0.0 mm is pulsed onto the amorphous silicon thin film on the glass substrate. By this method, a polycrystalline silicon thin film having an average crystal grain size comparable to the thickness of the amorphous silicon thin film can be formed.
このようにエキシマレーザを用いる再結晶化技術は一般的にELA(Excimer Laser Annealing)法と称され、生産性に優れたレーザ結晶化技術として工業的に用いられている。しかしながら、ELA法で形成されるシリコン結晶粒は一般的には数10nm径で小さく、そのように小粒径の多結晶シリコン薄膜に高性能TFTを形成することは困難である。 Thus, the recrystallization technique using an excimer laser is generally referred to as an ELA (Excimer Laser Annealing) method and is industrially used as a laser crystallization technique with excellent productivity. However, silicon crystal grains formed by the ELA method are generally small with a diameter of several tens of nanometers, and it is difficult to form a high performance TFT on such a polycrystalline silicon thin film with a small particle diameter.
この問題を改善するために、主ビームと副ビームを照射して結晶粒径を大きくすることによって単結晶化領域を拡大する種々の方法が、特許文献1、特許文献2、特許文献3などにおいて提案されている。
特許文献1においては、主レーザ(特許文献1の第2光ビーム)および副レーザ(特許文献1の第1光ビーム)の両方にエキシマレーザを用いて、主レーザと副レーザを同時に照射し、かつ副ビーム照射領域内で主ビームを移動させて照射する旨の記載がなされている。
In
特許文献2においては、主レーザ(特許文献2の第2レーザ)としてルビーレーザを用い、副レーザ(特許文献2の第1レーザ)として炭酸ガスレーザを用いて、主レーザと副レーザを同時に照射し、かつ副ビーム照射中に主ビームを照射する旨の記載がなされている。
In
特許文献3においては、主レーザ(特許文献3の第2レーザ)としてエキシマレーザまたはYAGレーザなどを用い、副レーザ(特許文献3の第1レーザ)としてYAGレーザまたは炭酸ガスレーザなどを用いて、副レーザの照射完了後の遅延時間τ後に主レーザを照射する旨の記載がなされている。
In
本発明者らは、特許文献1−3に記載されているように主ビームと副ビームを照射して単結晶化領域を拡大する方法について仔細なる実験を繰返して検討した結果、次の諸点が明らかになった。
(1) 主レーザと副レーザの照射タイミングに依存して単結晶化される面積が大きく異なり、副レーザの照射完了直前に主レーザを照射すれば、単結晶化領域が最大となる。
(2) 前駆体半導体薄膜では、一般に溶融時にレーザ光に対する反射率が極めて高くなり、たとえばシリコンの場合に炭酸ガスレーザに対する非晶質シリコンの反射率が15%程度であるのに対して、溶融シリコンの反射率は80%程度になる。
(3) 主レーザを照射する前に副ビームによる予備加熱を行い、さらに主レーザと副レーザを併用して照射することによって、単結晶化領域を飛躍的に拡大させることが可能になる。または、その予備加熱によって副ビームのエネルギ効率を見かけ上高めることができるので、広い面積に拡張した副ビームを照射することが可能になる。
As a result of repeatedly conducting detailed experiments on a method of expanding a single crystallized region by irradiating a main beam and a sub beam as described in Patent Documents 1-3, the following points were found. It was revealed.
(1) The single crystallized area differs greatly depending on the irradiation timing of the main laser and the sub laser. If the main laser is irradiated immediately before the completion of the sub laser irradiation, the single crystallized region is maximized.
(2) The precursor semiconductor thin film generally has a very high reflectivity with respect to laser light when melted. For example, in the case of silicon, the reflectivity of amorphous silicon with respect to a carbon dioxide gas laser is about 15%, whereas molten silicon. The reflectance is about 80%.
(3) By performing preheating with a sub beam before irradiating the main laser, and further irradiating with the main laser and the sub laser in combination, the single crystallized region can be greatly expanded. Alternatively, the energy efficiency of the sub beam can be apparently increased by the preliminary heating, so that it is possible to irradiate the sub beam extended over a wide area.
本発明者らによる上記の実験結果(1)−(3)と比較すれば、特許文献1においては、主ビームと副ビームの空間的強度分布と、副ビームの照射領域内で主ビームを移動させながら照射することに主眼が置かれているだけで、主ビームと副ビームを用いたレーザ結晶化方法において最も重要な照射時刻の概念が含まれていない。したがって、特許文献1においては、単結晶化領域の拡大は限定的である。特許文献2においては、副ビームの照射中に主ビームを照射することの記載がなされているものの、前述の反射率の増大による照射効率(吸収率)の低下が考慮されていない。したがって、特許文献2においても、単結晶化領域の拡大は限定的である。特許文献3においては、副ビームの照射完了後に時間をおいて主レーザ光を照射しているので、単結晶化領域の拡大効果が極めて小さい。また、先行技術においては、副レーザのエネルギ効率を考慮して1度のパルス照射で処理できる領域を拡大するというような工業的に極めて重要な観点からの提案がなされていないなどの種々の課題が存在している。
Compared with the above experimental results (1) to (3) by the present inventors, in
かかる先行技術における現状に鑑み、本発明の主要な目的は、主レーザと副レーザを用いたレーザ結晶化方法において、単結晶化領域を拡大しかつ工業的生産性にも優れた半導体薄膜の製造方法を提供することである。 In view of the current state of the prior art, the main object of the present invention is to manufacture a semiconductor thin film that expands a single crystallization region and is excellent in industrial productivity in a laser crystallization method using a main laser and a sub laser. Is to provide a method.
上述の課題を解決するために、本発明者らは、基本的には主レーザと副レーザを併用して単結晶化領域を拡大する方法を改善して単結晶化領域をさらに拡大し、かつ生産性に優れた製造方法を見出せばよいとの方針の下で、そのようなレーザ再結晶化工程を見出すべく鋭意研究開発に取組んだ。 In order to solve the above-mentioned problem, the present inventors basically improved the method of expanding the single crystallized region by using the main laser and the sub laser together, further expanding the single crystallized region, and Under the policy of finding a production method with excellent productivity, we have intensively researched and developed to find such a laser recrystallization process.
その結果、本発明者らは、前駆体半導体薄膜に吸収される主パルスレーザと前駆体半導体薄膜の下の層に吸収される副パルスレーザとを前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造するに際して、主レーザ光照射に先立って副パルスレーザを少なくとも1回照射することに加えて、副レーザ光照射完了と略同時に主レーザ光を照射することによって、単結晶領域を拡大できること並びに生産性よく多結晶半導体薄膜を形成できることを見出して本発明を完成させた。 As a result, the present inventors irradiate the precursor semiconductor thin film with a main pulse laser absorbed in the precursor semiconductor thin film and a sub-pulse laser absorbed in a layer under the precursor semiconductor thin film, thereby forming a polycrystalline semiconductor thin film. In addition to irradiating the sub-pulse laser at least once prior to the main laser light irradiation, the single laser region can be enlarged by irradiating the main laser light substantially simultaneously with the completion of the sub-laser light irradiation. The present invention was completed by finding that a polycrystalline semiconductor thin film can be formed with high productivity.
すなわち、本発明の一つの態様によれば、前駆体半導体薄膜に吸収される主パルスレーザと前駆体半導体薄膜の下層に吸収される副パルスレーザを時間的・空間的に重ね合わせて前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造する方法であって、主レーザ光照射に先立って副パルスレーザを少なくとも1回照射することを特徴としている。 That is, according to one aspect of the present invention, a precursor semiconductor is formed by superimposing a main pulse laser absorbed in a precursor semiconductor thin film and a sub-pulse laser absorbed in a lower layer of the precursor semiconductor thin film in time and space. A method of manufacturing a polycrystalline semiconductor thin film by irradiating a thin film, characterized in that a sub-pulse laser is irradiated at least once prior to main laser light irradiation.
本発明のもう一つの態様によれば、前駆体半導体薄膜とレーザビームを相対的に移動させながら、主パルスレーザと副パルスレーザを前駆体半導体薄膜に照射して多結晶半導体薄膜を製造する方法であって、主パルスレーザは副パルスレーザが少なくとも1回照射された領域に照射されることを特徴としている。 According to another aspect of the present invention, a method for producing a polycrystalline semiconductor thin film by irradiating a precursor semiconductor thin film with a main pulse laser and a sub-pulse laser while relatively moving the precursor semiconductor thin film and the laser beam. The main pulse laser is characterized in that the region irradiated with the sub-pulse laser is irradiated at least once.
なお、主パルスレーザは、副パルスレーザの照射完了直前に照射されることが好ましい。すなわち、主パルスレーザと副パルスレーザを重ねて照射する際に、主レーザの発振トリガパルスから主レーザ放射開始までの遅延時間をDL1、そのDL1の変動をJ1、副レーザの発振トリガパルスから副レーザ放射開始までの遅延時間をDL2、そのDL2の変動をJ2、副レーザに対する主レーザの発振トリガ遅延時間をTsとしたときに、副レーザパルス照射開始から主レーザパルス放射開始までの時間Trは次式
DL1−DL2−(J1+J2)+Ts<Tr<DL1−DL2+(J1+J2)+Ts
を満たすことが好ましい。
Note that the main pulse laser is preferably irradiated immediately before the completion of the sub-pulse laser irradiation. That is, when irradiating the main pulse laser and the sub pulse laser in an overlapping manner, the delay time from the oscillation trigger pulse of the main laser to the start of main laser radiation is DL1, the fluctuation of DL1 is J1, and the sub laser oscillation trigger pulse is When the delay time until the start of laser emission is DL2, the fluctuation of DL2 is J2, and the oscillation trigger delay time of the main laser for the sub laser is Ts, the time Tr from the start of sub laser pulse irradiation to the start of main laser pulse emission is DL1-DL2- (J1 + J2) + Ts <Tr <DL1-DL2 + (J1 + J2) + Ts
It is preferable to satisfy.
また、主パルスレーザは前駆体半導体薄膜に吸収される波長と前駆体半導体薄膜および多結晶半導体薄膜を溶融させ得るエネルギとを有し、副パルスレーザは前駆体半導体薄膜とその下層との少なくとも一方を加熱できる波長を有することが好ましい。さらに、主パルスレーザは紫外域から可視域までの範囲内の波長を有し、副パルスレーザは赤外域から遠赤外域までの範囲内の波長を有することが好ましい。 The main pulse laser has a wavelength absorbed by the precursor semiconductor thin film and energy capable of melting the precursor semiconductor thin film and the polycrystalline semiconductor thin film, and the sub-pulse laser has at least one of the precursor semiconductor thin film and its lower layer. It is preferable to have a wavelength that can be heated. Further, the main pulse laser preferably has a wavelength in the range from the ultraviolet region to the visible region, and the sub-pulse laser preferably has a wavelength in the range from the infrared region to the far infrared region.
このような本発明によって、主レーザと副レーザを用いたレーザ結晶化方法において、単結晶化領域を拡大しかつ工業的生産性にも優れた半導体薄膜の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, in the laser crystallization method using the main laser and the sub laser, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor thin film that expands a single crystallization region and is excellent in industrial productivity.
<本発明による結晶質半導体薄膜の製造方法の概要>
図2の模式的断面図に示すように、本発明による半導体薄膜の製造方法では、基板21上の下地層22上に堆積された前駆体半導体薄膜23(以下、これらを合せて「基板複合体」とも称す)に主レーザ光24と副レーザ光25を照射することによって、前駆体半導体薄膜23を溶融させて再結晶化させる。主レーザ光24は前駆体半導体薄膜23に吸収される波長を有し、前駆体半導体薄膜23を溶融させるために用いられる。副レーザ25は前駆体半導体薄膜23の下層22に吸収される波長を有し、前駆体半導体薄膜23を予備加熱するとともに、前駆半導体薄膜23の溶融状態から凝固に至るまでの時間を延長させ、形成される多結晶半導体膜の単結晶化領域を拡大させるために用いられる。
<Outline of Manufacturing Method of Crystalline Semiconductor Thin Film According to the Present Invention>
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2, in the method for producing a semiconductor thin film according to the present invention, a precursor semiconductor thin film 23 (hereinafter referred to as “substrate composite”) deposited on an underlayer 22 on a
図1は、本発明による主レーザパルス11と副レーザパルス12の照射様式を説明するタイミングチャートである。本発明においては、主レーザパルスの1回の照射に関して、副レーザパルスは2回以上照射される。図1に示す本発明の一実施形態では、主レーザパルス11の1回の照射につき副レーザパルス12を3回照射する一連の工程を有し、その工程を繰り返すことによって所望領域に多結晶半導体薄膜を形成することができる。主レーザの照射は副レーザの照射に同期させて行うが、図1においては、主レーザパルス11の照射に先立って副レーザパルス12を2回照射する第一工程と、副レーザパルス11と主レーザパルス12を時間的・空間的に重ねて前駆体半導体薄膜23に照射する第二工程を含む一連の工程を有している。
FIG. 1 is a timing chart for explaining an irradiation mode of the main laser pulse 11 and the
主レーザパルス11の照射に先立って副レーザパルス12を照射することによって前駆体半導体薄膜23の下層22が加熱され、間接的に前駆体半導体薄膜23を予備加熱することになり、形成される多結晶半導体薄膜の単結晶化領域を拡大することが可能になる。また、副レーザパルス12の照射と主レーザパルス11の照射を時間的に重ねて行うことで、予備加熱効果をさらに促進することが可能になるとともに、溶融した前駆体半導体薄膜が凝固完了するまでの時間が遅延するので、単結晶化領域をさらに拡大することが可能になる。
By irradiating the
本発明者らは、第二工程において主レーザと副レーザの照射タイミングを制御して単結晶化領域を拡大する方法についても仔細に検討した結果、副レーザの照射完了直前の時刻(正確には、副レーザの出力が急激に低下し始める瞬間)に主レーザの出力が最大になるように制御することによって、単結晶化領域を最も拡大できることを見出した。図5のグラフは、副レーザパルスの比強度の時間変化と主レーザ照射時刻による結晶粒径の変化の一例を示している。図5(a)では、副レーザ照射終了時刻(600μs)の直前の時刻500μsにおいて、副レーザ比強度が急激に減少し始める。この時刻は、レーザ発振器に印加する高電圧をオフにした時刻に相当する。図5(b)では、主レーザ照射時刻が500μsの場合において結晶粒径が最大になることがわかる。なお、本実験において、主レーザのパルス幅(半値全幅)は15ns程度であり、副レーザのパルス幅に比べて充分に小さいので、副レーザの出力が急激に低下し始める一瞬の間に主レーザパルスの照射が完了すると考えて差し支えない。 As a result of careful examination of a method for expanding the single crystallized region by controlling the irradiation timing of the main laser and the sub laser in the second step, the present inventors have determined that the time immediately before the completion of the sub laser irradiation (to be precise, It was found that the single crystallized region can be expanded most by controlling so that the output of the main laser is maximized at the moment when the output of the sub-laser starts to drop rapidly. The graph of FIG. 5 shows an example of the change in the specific intensity of the sub laser pulse with time and the change in the crystal grain size with the main laser irradiation time. In FIG. 5A, the sub-laser specific intensity starts to rapidly decrease at a time of 500 μs immediately before the sub-laser irradiation end time (600 μs). This time corresponds to the time when the high voltage applied to the laser oscillator is turned off. FIG. 5B shows that the crystal grain size becomes maximum when the main laser irradiation time is 500 μs. In this experiment, the pulse width (full width at half maximum) of the main laser is about 15 ns, which is sufficiently smaller than the pulse width of the sub laser, so that the output of the sub laser starts in a moment. You can safely assume that the pulse irradiation is complete.
次に、一般的なレーザの発振制御方法について説明する。レーザ光の発振時刻、繰返周波数、繰返数などを制御する方法としては、次の2つの方法が一般的に用いられる。
(a) 発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数/繰返数などを制御し、(ピーク)出力とパルス幅は発振器の高圧電源回路の特性や発振器のその他の特性に依存して一意的に決められる方法。
(b) 発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数/繰返数などを制御することに加えて、(ピーク)出力とパルス幅をも制御する方法(出力とパルス幅の制御は、発振器の高圧電源の電圧と印加時間をトリガパルスで規定することによって達成される)。
Next, a general laser oscillation control method will be described. The following two methods are generally used as a method for controlling the laser light oscillation time, repetition frequency, number of repetitions, and the like.
(A) Oscillation trigger pulse controls oscillation time, repetition frequency / number of repetitions, etc. (peak) output and pulse width are uniquely dependent on the characteristics of the high voltage power supply circuit of the oscillator and other characteristics of the oscillator How to be decided.
(B) In addition to controlling the oscillation time, repetition frequency / number of repetitions, etc. by the oscillation trigger pulse, a method for controlling the (peak) output and the pulse width (the output and pulse width are controlled by the high voltage of the oscillator) Achieved by defining the voltage and application time of the power supply with a trigger pulse).
図3のグラフはレーザの発振トリガパルス(上段)とレーザパルス強度の時間変化(下段)を図解しており、上記のレーザ発振制御方法(b)の一例を示している。一般的に、レーザの発振は、発振トリガパルスがレーザ発振器の高圧電源回路に入力(時刻t1)されてから一定の遅延時間(t3−t1)を経過後にレーザ出力が立上り開始し(時刻t3)、高電圧印加時間(t2−t1)終了時点で出力の立下り開始(時刻t4)が生じる。なお、高電圧加時間はレーザ立上り開始時からレーザ立下り開始時までであるので、t2−t1=t4−t3となる。本発明では、高圧電源が印可されている時間をレーザのパルス幅と定義する。 The graph of FIG. 3 illustrates the laser oscillation trigger pulse (upper stage) and the temporal change (lower stage) of the laser pulse intensity, and shows an example of the laser oscillation control method (b). In general, laser oscillation starts rising after a certain delay time (t 3 -t 1 ) has elapsed since the oscillation trigger pulse was input to the high voltage power supply circuit of the laser oscillator (time t 1 ) ( At time t 3 ), at the end of the high voltage application time (t 2 −t 1 ), the output starts to fall (time t 4 ). Since the high voltage application time is from the start of laser rise to the start of laser fall, t 2 −t 1 = t 4 −t 3 . In the present invention, the time during which the high voltage power source is applied is defined as the pulse width of the laser.
図4のタイミングチャートは、本発明による主レーザと副レーザの照射制御方法を図解している。図4(a)は副レーザ発振器に入力する発振トリガパルスを示し、図4(b)は副レーザパルスの時間的強度変化を示し、図4(c)は主レーザ発振器に入力する発振トリガパルスを示し、そして図4(d)は主レーザパルスの時間的強度変化を示している。なお、本実施形態では、主レーザとしてエキシマレーザを用い、副レーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合が説明される。 The timing chart of FIG. 4 illustrates the main laser and sub laser irradiation control method according to the present invention. 4A shows the oscillation trigger pulse input to the sub laser oscillator, FIG. 4B shows the temporal intensity change of the sub laser pulse, and FIG. 4C shows the oscillation trigger pulse input to the main laser oscillator. And FIG. 4 (d) shows the temporal intensity change of the main laser pulse. In the present embodiment, a case where an excimer laser is used as the main laser and a carbon dioxide gas laser is used as the sub laser will be described.
一般に、エキシマレーザは、上述の発振制御方法(a)のように「発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数/繰返数などを制御し、(ピーク)出力とパルス幅は発振器の高圧電源回路の特性や発振器のその他の特性に依存して一意的に決められる方法」によってレーザ発振し、そのパルス幅は50〜200ns程度である。一般に、炭酸ガスレーザは、上述の発振制御方法(b)のように「発振トリガパルスによって発振時刻、繰返周波数/繰返数などを制御することに加えて、(ピーク)出力とパルス幅をも制御する方法」によってレーザ発振し、本実施形態ではパルス幅1μsの発振から連続発振までが利用される。
In general, the excimer laser, as in the above-described oscillation control method (a), “controls oscillation time, repetition frequency / number of repetitions by oscillation trigger pulse, and (peak) output and pulse width are the high voltage power supply circuit of the oscillator. The laser oscillates by a method uniquely determined depending on the characteristics of the oscillator and other characteristics of the oscillator, and the pulse width is about 50 to 200 ns. In general, a carbon dioxide laser has a (peak) output and a pulse width in addition to controlling the oscillation time, repetition frequency / number of repetitions, etc. by the oscillation trigger pulse as in the oscillation control method (b) described above. Laser oscillation is performed by a “control method”, and in this embodiment, oscillation from
前駆体半導体薄膜を溶融させるために工業的に広く使用されているエキシマレーザは、そのピーク強度とパルス幅が充分であり、またその発振波長も紫外域にあるので前駆体半導体薄膜として代表的な非晶質シリコン薄膜に吸収される。これらの理由によって、本発明においても、エキシマレーザが好ましく利用され得る。 An excimer laser widely used industrially for melting a precursor semiconductor thin film has a sufficient peak intensity and pulse width, and its oscillation wavelength is in the ultraviolet region, and is therefore a typical precursor semiconductor thin film. Absorbed by the amorphous silicon thin film. For these reasons, an excimer laser can be preferably used also in the present invention.
前駆体半導体薄膜の下層を加熱するために工業的に広く使用されている炭酸ガスレーザは、遠赤外域の波長を有するので非晶質シリコン薄膜を透過し、その下層を形成する代表的材料である酸化シリコンやガラスなどに吸収される特性を有している。また、本発明者らの実験によれば、単結晶化領域の拡大を効果的に行うための炭酸ガスレーザの照射条件は、レーザのパルス幅を少なくとも数μs以上に長くする必要がある。これらの理由によって、本発明においても、炭酸ガスレーザが好ましく利用され得る。 Carbon dioxide laser, which is widely used industrially to heat the lower layer of the precursor semiconductor thin film, has a far-infrared wavelength and is therefore a representative material that transmits the amorphous silicon thin film and forms the lower layer. It has the characteristic of being absorbed by silicon oxide or glass. Further, according to the experiments by the present inventors, the irradiation condition of the carbon dioxide laser for effectively expanding the single crystallized region needs to increase the laser pulse width to at least several μs or more. For these reasons, the carbon dioxide laser can be preferably used also in the present invention.
図4の(a)から(d)において、次式(1)が成立する。 From (a) to (d) in FIG. 4, the following equation (1) is established.
DL2+Tr=Ts+DL1+δτ (1)
ただし、δτは主レーザパルスが照射開始されてから最大ピーク強度に達するま
でに要する時間とする。この式(1)を変形して、次式(2)が得られる。
DL 2 + Tr = Ts + DL 1 + δτ (1)
However, δτ is the time required to reach the maximum peak intensity from the start of irradiation of the main laser pulse. By transforming this equation (1), the following equation (2) is obtained.
Tr−Ts=(DL1−DL2)+δτ (2)
主レーザのパルス幅が副レーザのパルス幅に比べて充分に小さいときにδτ=0とみなすことができ(前述のパルス幅の関係からこのように考えることは妥当である)、また前述のように副レーザの照射完了直前の時刻(正確には、副レーザの出力が急激に低下し始める瞬間)に主レーザの出力が最大になるように制御することによって単結晶化領域を最も拡大できるので、これらの条件下で次式(3)が成立する。
Tr−Ts = (DL 1 −DL 2 ) + δτ (2)
When the pulse width of the main laser is sufficiently smaller than the pulse width of the sub laser, it can be regarded as δτ = 0 (it is appropriate to think in this way from the relationship of the pulse width described above). In addition, the single crystallized region can be expanded most by controlling the main laser output to be maximized at the time immediately before the completion of the secondary laser irradiation (more precisely, the moment when the secondary laser output starts to drop sharply). The following equation (3) is established under these conditions.
Tr−Ts=DL1−DL2 (3)
また、トリガ入力からレーザ立上り開始までに要する時間(DL1、DL2)の変動(ジッター(±J1、±J2)を考慮すれば、図4(a)〜(d)から次式(4)と(5)が得られる。
Tr-Ts = DL 1 -DL 2 (3)
In consideration of fluctuations (jitter (± J 1 , ± J 2 )) of the time (DL1, DL2) required from the trigger input to the start of laser rise, the following equation (4) is obtained from FIGS. And (5) are obtained.
DL2+J2+Trmin=Ts+DL1−J1 (4)
DL2−J2+Trmax=Ts+DL1+J1 (5)
これらの式(4)と(5)を変形して、次式(6)と(7)が得られる。
DL 2 + J 2 + Tr min = Ts + DL 1 −J 1 (4)
DL 2 −J 2 + Tr max = Ts + DL 1 + J 1 (5)
By transforming these equations (4) and (5), the following equations (6) and (7) are obtained.
Trmin=(DL1−DL2)−(J1+J2)+Ts (6)
Trmax=(DL1−DL2)+(J1+J2)+Ts (7)
ここで、Trmin<Tr<Trmaxであるから、次の不等式(8)が得られる。
(DL1−DL2)−(J1+J2)+Ts<Tr<(DL1−DL2)+(J1+J2)+Ts (8)
すなわち、単結晶化領域を極力大きくするために、この不等式(8)を満たす条件で、主レーザと副レーザの照射タイミングを決定すればよい。
Tr min = (DL 1 −DL 2 ) − (J 1 + J 2 ) + Ts (6)
Tr max = (DL 1 −DL 2 ) + (J 1 + J 2 ) + Ts (7)
Here, since Tr min <Tr <Tr max , the following inequality (8) is obtained.
(DL 1 −DL 2 ) − (J 1 + J 2 ) + Ts <Tr <(DL 1 −DL 2 ) + (J 1 + J 2 ) + Ts (8)
That is, in order to enlarge the single crystallized region as much as possible, the irradiation timing of the main laser and the sub laser may be determined under the condition satisfying the inequality (8).
<前駆体半導体薄膜の詳細>
図8の模式的斜視図は本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる基板複合体を示し、絶縁性基板801としてガラスや石英などを含む材質を好適に用いることができる。また、これらの材質の中でも、安価である点、大面積の絶縁性基板を容易に製造できる点などの理由から、ガラスを用いることが望ましい。なお、基板の厚さが特に限定される理由はないが、薄い場合は、基板が軽量になるという利点の反面で割れやすくなるという欠点を生じる。本実施形態の絶縁性基板には、現在工業的に最も一般的に使用されている0.7mm厚のガラス基板を利用し得る。
<Details of precursor semiconductor thin film>
The schematic perspective view of FIG. 8 shows a substrate composite used in the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, and a material containing glass, quartz, or the like can be suitably used as the insulating substrate 801. Among these materials, it is desirable to use glass because it is inexpensive and can easily produce a large-area insulating substrate. There is no particular limitation on the thickness of the substrate, but if it is thin, the substrate is lighter, but it has the disadvantage of being easily broken. As the insulating substrate of the present embodiment, a glass substrate having a thickness of 0.7 mm that is currently most commonly used in industry can be used.
また、基板複合体においては、バッファ層802(前述の下地層に対応)が形成されることが好ましい。なぜならば、バッファ層は、レーザ光照射で溶融した前駆体半導体薄膜803の熱影響がガラス基板801に及ばないように作用し、さらにガラス基板から前駆体半導体薄膜への不純物拡散を防止するように作用し得るからである。バッファ層の材料が特に限定される理由はなく、酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁膜が工業的に好ましく採用されている。バッファ層の膜厚は、成膜時間を極力短くして工業的に効率よく生産するという観点から、基板への熱影響抑制と不純物拡散防止効果を損なわない程度に薄くすることが好ましい。経験的に、100〜500nmの厚さが好適である。成膜方法としては、CVD(化学気相堆積)法、スパッタリング法、PVD(物理気相堆積)法などか採用され得る。これらのなかで最も高速成膜が可能なCVD法が、工業的に好ましく使用されている。なお、本実施形態においては、CVD法により形成された200nm厚の酸化シリコン層がバッファ層として用いられ得る。 In the substrate composite, a buffer layer 802 (corresponding to the above-described base layer) is preferably formed. This is because the buffer layer acts so that the thermal effect of the precursor semiconductor thin film 803 melted by laser light irradiation does not reach the glass substrate 801, and further prevents impurity diffusion from the glass substrate to the precursor semiconductor thin film. It is because it can act. There is no particular limitation on the material of the buffer layer, and an insulating film such as silicon oxide or silicon nitride is preferably employed industrially. The thickness of the buffer layer is preferably reduced so as not to impair the effect of suppressing thermal influence on the substrate and preventing impurity diffusion from the viewpoint of industrially efficient production by shortening the film formation time as much as possible. Empirically, a thickness of 100 to 500 nm is suitable. As a film forming method, a CVD (chemical vapor deposition) method, a sputtering method, a PVD (physical vapor deposition) method or the like can be employed. Among these, the CVD method capable of forming the film at the highest speed is preferably used industrially. In the present embodiment, a 200 nm thick silicon oxide layer formed by a CVD method can be used as the buffer layer.
さらに、基板複合体において、前駆体半導体薄膜803の材質は、非晶質半導体または結晶質半導体であれば特に限定されず、任意の半導体材料を用いることができる。前駆体半導体薄膜803の材質の具体例としては、水和した非晶質シリコン(a−Si:H)をはじめとする非晶質シリコンを含む材質が好ましいが、結晶性に劣る多結晶シリコンを含む材質であってもよく、微結晶シリコンを含む材質であってもよい。さらに、前駆体半導体薄膜の材質は、シリコンのみからなる材質に限られず、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質であってもよい。たとえば、ゲルマニウムを添加することによって前駆体半導体薄膜の禁制帯幅を任意に制御することができる。 Further, in the substrate composite, the material of the precursor semiconductor thin film 803 is not particularly limited as long as it is an amorphous semiconductor or a crystalline semiconductor, and any semiconductor material can be used. As a specific example of the material of the precursor semiconductor thin film 803, a material containing amorphous silicon such as hydrated amorphous silicon (a-Si: H) is preferable, but polycrystalline silicon having poor crystallinity is used. It may be a material containing, or a material containing microcrystalline silicon. Furthermore, the material of the precursor semiconductor thin film is not limited to a material made only of silicon, and may be a material mainly composed of silicon containing other elements such as germanium. For example, the forbidden band width of the precursor semiconductor thin film can be arbitrarily controlled by adding germanium.
さらに、前駆体半導体薄膜の膜厚は薄いほど成膜時間が短くて生産性に優れるが、反面でその半導体薄膜の電気的特性が低下するという欠点が生じる。したがって、前駆体半導体薄膜厚は、所望の電気的特性を満足できる範囲内で極力薄いことが望まれる。その厚さは、経験的には30nm〜200nmの範囲内であることが一般的であるが、特にこの範囲に限定されるものではない。本実施形態では、CVD法により形成された非晶質シリコンを材質とする50nm厚の前駆体半導体薄膜が用いられ得る。 Further, the thinner the precursor semiconductor thin film, the shorter the film formation time and the better the productivity. On the other hand, there is a drawback that the electrical characteristics of the semiconductor thin film are lowered. Therefore, it is desirable that the thickness of the precursor semiconductor thin film be as thin as possible within a range that can satisfy desired electrical characteristics. The thickness is generally empirically within the range of 30 nm to 200 nm, but is not particularly limited to this range. In this embodiment, a 50 nm thick precursor semiconductor thin film made of amorphous silicon formed by a CVD method can be used.
<半導体薄膜の製造装置の詳細>
図6は、本発明に好適に用いられる半導体薄膜の製造装置の一例を示すブロック図である。この半導体薄膜の製造装置において、主レーザ発振器601は、レーザビームを放出して前駆体半導体薄膜を溶融することが可能であれば特に限定されないが、たとえばエキシマレーザ、またはYAGレーザ(第2および第3高調波)に代表される各種固体レーザなどのように、紫外域レーザ光を放射する発振器であることが望ましい。なぜならば、本実施形態の前駆体半導体薄膜として用いる非晶質シリコン薄膜は、紫外域の光または可視域でも短波長側の光を吸収する特性を有するからである。
<Details of semiconductor thin film manufacturing equipment>
FIG. 6 is a block diagram showing an example of a semiconductor thin film manufacturing apparatus suitably used in the present invention. In this semiconductor thin film manufacturing apparatus, the main laser oscillator 601 is not particularly limited as long as it can emit a laser beam to melt the precursor semiconductor thin film. For example, an excimer laser or a YAG laser (second and second lasers) An oscillator that emits ultraviolet laser light, such as various solid-state lasers represented by the third harmonic), is desirable. This is because the amorphous silicon thin film used as the precursor semiconductor thin film of this embodiment has a characteristic of absorbing light in the ultraviolet region or light on the short wavelength side even in the visible region.
可変減衰器602は、基板複合体607に到達するレーザ光のエネルギ密度を調整する機能を有する。レーザ光路に設けられたビーム整形光学系603と均一照明光学系604は、主レーザ発振器601から出射した主レーザ光を適当な寸法に整形した後、マスク605のパターン形成面に均一に主レーザ光を照明する機能を有する。レーザ光路中に設けられたマスク605の像は、結像レンズ606によって、基板複合体607上に所定倍率で結像される。
The
図6に示す半導体薄膜の製造装置において、結像レンズ606の倍率はたとえば1/5とし得る。なお、マスク605と均一照明光学系604の間にフィールドレンズを設置して、結像系を像側テレセントリック系にすることも可能である。レーザ光路に設けられた複数のミラー608はレーザ光を折返すために用いられるが、それらの配置箇所や数量などに制限はなく、装置の光学設計や機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
In the semiconductor thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 6, the magnification of the
他方、副レーザ発振器611はレーザビームを放出し、前駆体半導体薄膜の下層を加熱することが可能であれば特に限定されないが、たとえば炭酸ガスレーザやYAGレーザに代表されるように赤外から遠赤外域の波長を有するレーザが望ましい。なぜならば、赤外から遠赤外の光は、本実施形態の前駆体半導体薄膜として用いる非晶質シリコン薄膜を透過し、その非晶質シリコン薄膜の下に形成したバッファ層(酸化シリコン)および基板(ガラス)に吸収されるからである。 On the other hand, the secondary laser oscillator 611 is not particularly limited as long as it can emit a laser beam and heat the lower layer of the precursor semiconductor thin film. A laser having an outer wavelength is desirable. This is because infrared to far-infrared light is transmitted through the amorphous silicon thin film used as the precursor semiconductor thin film of this embodiment, and a buffer layer (silicon oxide) formed under the amorphous silicon thin film and This is because it is absorbed by the substrate (glass).
ビーム整形光学系612は、強度均一化光学系613に入射するレーザ光の径を調整するために配置されている。なぜならば、基板複合体607に照射されるレーザ光の強度分布を高精度に均一化するためには、入射するレーザ光の寸法を精密に調整する必要があるからである。強度均一化光学系613は、基板複合体607上に均一な強度分布の副レーザ光を照射する機能を有する。 The beam shaping optical system 612 is arranged to adjust the diameter of the laser light incident on the intensity uniformizing optical system 613. This is because, in order to make the intensity distribution of the laser beam irradiated to the substrate composite 607 uniform with high accuracy, it is necessary to precisely adjust the size of the incident laser beam. The intensity uniformizing optical system 613 has a function of irradiating the substrate composite 607 with the sub laser light having a uniform intensity distribution.
レーザ光路に設けられた複数のミラー614もレーザ光を折返すために用いるが、それらの配置箇所や数量に制限はなく、装置の光学設計や機構設計に応じて適切に配置することが可能である。また、主レーザ光の光路に配置したような可変減衰器を設置することも可能であるが、本実施形態においては副レーザ発振器611に出力可変機能を有するものが採用されている。 A plurality of mirrors 614 provided in the laser beam path are also used to fold the laser beam, but there are no restrictions on the arrangement location and quantity thereof, and it is possible to arrange them appropriately according to the optical design and mechanism design of the apparatus. is there. Although a variable attenuator arranged in the optical path of the main laser light can be installed, in the present embodiment, the auxiliary laser oscillator 611 having an output variable function is employed.
なお、図6の装置では主レーザ光を基板複合体の鉛直方向から照射して副レーザ光を基板複合体の斜め方向から照射するように構成されているが、図7のブロック図に示すように、ビームスプリッタ709で主レーザ光と副レーザ光をカップリングして両方のレーザ光を基板複合体707の鉛直方向から照射するように構成することも可能である。ここで、図6の装置と図7の装置との関係において、構成要素701−708は構成要素601−608にそれぞれ対応し、構成要素711−714は構成要素611−614にそれぞれ対応している。
6 is configured to irradiate the main laser light from the vertical direction of the substrate composite and irradiate the sub laser light from the oblique direction of the substrate composite, as shown in the block diagram of FIG. In addition, it is possible to couple the main laser beam and the sub laser beam by the
(実施例1)
従来のELA法に本発明を応用した例:
図9(a)は、従来のELA法に本発明を適用した例を示す模式的平面図である。前述のように、ELA法では、基板を一定速度で移動させながら、長さ200〜400mmで幅0.2〜1.0mm程度の線状断面のエキシマレーザが基板上の前駆体半導体薄膜にパルス照射される。前駆体半導体薄膜が全厚にわたって溶融させ得ないエネルギを有するレーザ光を照射すれば、図10(c)の模式的断面図に示すように、基板121上においてバッファ層122と前駆体半導体薄膜123との境界近傍に無数の結晶核が形成され、再結晶化領域124内で矢印の方向に結晶が成長する。
Example 1
Example of applying the present invention to a conventional ELA method:
FIG. 9A is a schematic plan view showing an example in which the present invention is applied to a conventional ELA method. As described above, in the ELA method, an excimer laser having a linear cross section having a length of 200 to 400 mm and a width of about 0.2 to 1.0 mm is pulsed on the precursor semiconductor thin film on the substrate while moving the substrate at a constant speed. Irradiated. When the precursor semiconductor thin film is irradiated with laser light having energy that cannot be melted over the entire thickness, the buffer layer 122 and the precursor semiconductor thin film 123 are formed on the
本実施例では、図9(a)における主レーザの照射パターン901を長さ300mmで幅0.5mmの長方形とし、副レーザの照射パターン902を長さ300.2mmで幅0.7mmとした。主レーザは副レーザ照射領域に重ねて照射されるが、副レーザ照射領域を主レーザ照射領域よりも大きくしておくことによって、主レーザ照射領域全体にわたって均一な粒径の多結晶を形成することが可能になる。この場合に、図1に示した一連の工程を繰返して前駆体半導体薄膜の所望領域を結晶化するのであるが、その一連の工程毎に図9(a)の矢印方向に0.1mmずつ照射領域をステップ移動させながらレーザ照射された。レーザ照射条件は、表1に要約されている。ただし、副レーザ照射から主レーザ照射までの遅延時間は、前述の不等式(8)を満たす条件に設定された。
In this embodiment, the main
本実施例によって得られた多結晶半導体薄膜と従来技術によって得られた多結晶半導体薄膜とにおける結晶粒径の比較が、表2に示されている。表2にはまた、従来技術2と本実施例による方法の生産性の比較に関連して、副レーザの照射可能な面積も示されている。なお、表2において、従来技術1は従来のELA法を意味し、従来技術2は従来の主レーザと副レーザを重ねて照射する方法であって特許文献2に記載の技術を意味している。
Table 2 shows a comparison of crystal grain sizes between the polycrystalline semiconductor thin film obtained by this example and the polycrystalline semiconductor thin film obtained by the conventional technique. Table 2 also shows the area that can be irradiated by the secondary laser in relation to the comparison of productivity between the
表2から明らかなように、従来技術1に比べて、本発明によって単結晶化領域が大幅に拡大される。また、従来技術2と比較しても、本発明では、約8倍の単結晶化領域の拡大効果に加えて、副レーザのエネルギ密度を小さくすることが可能になる。副レーザのエネルギ密度を低減させ得ることは、同じレーザ源の下で副レーザの照射面積を拡大させ得ることを意味し、より効率的な結晶化処理が可能になる。
As is clear from Table 2, the single crystallized region is greatly expanded by the present invention as compared with the
図11は、本実施例における別のレーザ照射領域を示す模式的平面図である。図11に示すように主レーザ31と副レーザ32の照射面積と照射位置をあらかじめ定めておけば、基板とレーザ光の相対移動に伴って、主レーザの照射位置31は副レーザが少なくとも1回照射された位置32内に照射されることになる。その結果、図1の第一工程(における副レーザの複数回パルス照射)を省略しても、単結晶領域の拡大には同等の効果が認められる。
FIG. 11 is a schematic plan view showing another laser irradiation region in the present embodiment. As shown in FIG. 11, if the irradiation areas and irradiation positions of the main laser 31 and the
(実施例2)
従来のスーパーラテラル成長法に本発明を応用した例:
スーパーラテラル成長法は、数μmオーダの微細幅のスリット状レーザ光を前駆体半導体薄膜に照射し、前駆体半導体薄膜を全厚にわたって溶融させて結晶化を行う方法である。図10(a)の模式的断面図に示すように、基板101上のバッファ層102上に形成された前駆体半導体薄膜103を数μm長さの領域で全厚にわたって溶融すれば、溶融した前駆体半導体薄膜領域と溶融しない前駆体半導体薄膜領域との境界に無数の結晶核が形成され、結晶化領域104内に示す矢印の方向に結晶が成長する。
(Example 2)
Example of applying the present invention to a conventional super lateral growth method:
The super lateral growth method is a method of performing crystallization by irradiating a precursor semiconductor thin film with a slit-shaped laser beam having a fine width on the order of several μm and melting the precursor semiconductor thin film over the entire thickness. As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 10A, if the precursor semiconductor thin film 103 formed on the
図9(b)から(e)の模式的平面図は、従来のスーパーラテラル成長法に本発明を適用する場合の主レーザと副レーザの照射パターンを図解している。本実施例では、図9(b)における主レーザの照射パターン911を長さ1mmで幅0.04mmの長方形とし、副レーザの照射パターン912を長さ1.2mmで幅0.14mmの長方形とした。この長方形パターンを3つ等間隔に並べた照射パターンが採用された。実施例1と同様に、本実施例2においても、副レーザの照射領域912が主レーザの照射領域911よりも大きくされた。主レーザ911の照射の度に、図9(b)の矢印方向に0.015mmずつ照射領域をステップ移動させながらレーザ照射された。この場合のレーザ照射条件が、表3に要約されている。ただし、この場合にも、副レーザ照射から主レーザ照射までの遅延時間は、前述の不等式(8)を満たす条件に設定された。 The schematic plan views of FIGS. 9B to 9E illustrate the irradiation patterns of the main laser and the sub laser when the present invention is applied to the conventional super lateral growth method. In this example, the main laser irradiation pattern 911 in FIG. 9B is a rectangle having a length of 1 mm and a width of 0.04 mm, and the sub laser irradiation pattern 912 is a rectangle having a length of 1.2 mm and a width of 0.14 mm. did. An irradiation pattern in which three rectangular patterns were arranged at equal intervals was employed. Similar to the first embodiment, also in the second embodiment, the irradiation region 912 of the sub laser is made larger than the irradiation region 911 of the main laser. Each time the main laser 911 was irradiated, laser irradiation was performed while stepping the irradiation region by 0.015 mm in the direction of the arrow in FIG. The laser irradiation conditions in this case are summarized in Table 3. However, also in this case, the delay time from the sub laser irradiation to the main laser irradiation was set to satisfy the above inequality (8).
本実施例によって得られた多結晶半導体薄膜と従来技術によって得られた多結晶半導体薄膜とにおける結晶粒径の比較が、表4に示されている。表4にはまた、従来技術4と本実施例とにおける生産性の比較に関連して、副レーザの照射可能な面積も示されている。なお、表4において、従来技術3は従来のスーパーラテラル成長法を意味し、従来技術4は従来の主レーザと副レーザを重ねて照射する方法であって特許文献2に記載の技術を従来のスーパーラテラル成長法に適用した例を意味している。また、表4中において、平均結晶長は、主レーザ1パルスあたりに成長する結晶の長さを表している。
Table 4 shows a comparison of crystal grain sizes between the polycrystalline semiconductor thin film obtained by this example and the polycrystalline semiconductor thin film obtained by the prior art. Table 4 also shows the area that can be irradiated with the secondary laser in relation to the comparison of productivity between the
表4から明らかなように、従来技術に比べて、本発明によって単結晶化領域が大幅に拡大される。さらに、従来技術4と比較しても、約7倍の単結晶化領域の拡大効果が得られる。さらに実施例1と同様に、副レーザのエネルギ密度を小さくすることができ、副レーザの照射面積を拡大できるので、より効率的な結晶化処理が可能になる。
As is apparent from Table 4, the single crystallized region is greatly expanded by the present invention as compared with the prior art. Furthermore, compared with the
なお、実施例1の場合と同様に、本実施例2においても、図11に示されているように、基板とレーザ光の相対移動に伴って、副レーザが少なくとも1回照射された領域31内に主レーザ31が照射されるように設定することも可能である。また、本実施例2は図9(b)のパターンについて説明されが、図9(c)から(e)の照射パターンについても同様に本発明の効果を得ることが可能である。すなわち、図9(c)から(e)において、参照符号921、931、941、951は主レーザ照射領域を表し、参照符号922、932、942、952は副レーザ照射領域を表している。
As in the case of the first embodiment, also in the second embodiment, as shown in FIG. 11, the region 31 irradiated with the sub laser at least once with the relative movement of the substrate and the laser light. It is also possible to set so that the main laser 31 is irradiated inside. Further, in the second embodiment, the pattern of FIG. 9B is described, but the effects of the present invention can be similarly obtained for the irradiation patterns of FIGS. 9C to 9E. That is, in FIGS. 9C to 9E,
(実施例3)
従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法に本発明を応用した例:
キャッピング技術とは、図8(b)の模式的斜視図に示すように、基板811上のバッファ層812上に形成された前駆体半導体薄膜813上にキャップ層814を設けて結晶化を行う方法である。キャップ層814としては、主レーザ光に対して反射防止効果を有する薄膜、たとえば酸化シリコンなどを好適に用いることができる。キャップ層814下の領域のみにおいて、前駆体半導体薄膜が選択的に溶融されて結晶化が行われる。
Example 3
Example of applying the present invention to a super lateral growth method combined with a conventional capping technique:
The capping technique is a method of performing crystallization by providing a cap layer 814 on a precursor semiconductor thin film 813 formed on a
図10(b)の模式的断面図は、キャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法の概要を図解している。図10(b)において、基板複合体は、基板111、バッファ層112、前駆体半導体薄膜113、およびキャップ層115を含んでいる。キャップ層115はレーザ光に対する反射防止効果を有するので、前駆体半導体薄膜113は、キャップ層に覆われている領域において、他の領域に比べて大きなレーザエネルギを吸収することができる。したがって、適切なレーザエネルギの設定によって、キャップ層115下のみに限定された領域において前駆体半導体薄膜113を溶融させて結晶化させ得ることになる。この場合に、実施例2の場合と同様に、前駆体半導体薄膜113を数μm長さの領域で全厚にわたって溶融すれば、前駆体半導体薄膜の溶融領域と非溶融領域との境界に無数の結晶核が形成され、結晶化領域114内に示す矢印の方向に結晶が成長する。
The schematic cross-sectional view of FIG. 10B illustrates the outline of the super lateral growth method using the capping technique together. 10B, the substrate composite includes a substrate 111, a buffer layer 112, a precursor semiconductor thin film 113, and a
図9(f)の模式的な平面図は、従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法に本発明を応用する場合の主レーザと副レーザの照射パターンを図解している。本実施例では、主レーザの照射パターン951が0.8mm×1.8mmの長方形にされ、副レーザの照射パターンが1.0mm×2.0mmの長方形にされる。実施例1および2の場合と同様に、本実施例3においても、副レーザの照射領域952が主レーザの照射領域951よりも大きくされた。主レーザの照射の度に、その照射領域が重ならないように照射領域がステップ移動させられた。レーザ照射条件は、表5に要約されれいる。ただし、この場合にも、副レーザ照射から主レーザ照射までの遅延時間は、前述の不等式(8)を満たす条件に設定された。
The schematic plan view of FIG. 9 (f) illustrates the irradiation pattern of the main laser and the sub laser when the present invention is applied to a super lateral growth method using a conventional capping technique together. In this embodiment, the main laser irradiation pattern 951 is a rectangle of 0.8 mm × 1.8 mm, and the sub laser irradiation pattern is a rectangle of 1.0 mm × 2.0 mm. As in the case of Examples 1 and 2, also in Example 3, the sub
本発明によって得られた多結晶半導体薄膜と従来技術によって得られた多結晶半導体薄膜とにおける結晶粒径の比較が、表6に示されている。表6にはまた、従来技術6と本発明における生産性の比較に関連して、副レーザの照射可能な面積も示されている。なお、表6において、従来技術5は従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法を意味し、従来技術6は従来の主レーザと副レーザを重ねて照射する方法によるものであって特許文献2に記載の技術が従来のキャッピング技術を併用したスーパーラテラル成長法に適用された例である。
Table 6 shows a comparison of crystal grain sizes between the polycrystalline semiconductor thin film obtained by the present invention and the polycrystalline semiconductor thin film obtained by the prior art. Table 6 also shows the area that can be irradiated with the sub-laser in relation to the comparison of productivity between the
表6から明らかなように、従来技術に比べて、本発明によって単結晶化領域が大幅に拡大され得ることがわかる。また、従来技術6と比較しても、本発明では約4倍の単結晶化領域の拡大効果が得られている。さらに、実施例1および2の場合と同様に、本実施例3においても、副レーザのエネルギ密度を小さくすることができて、副レーザの照射面積を拡大できるので、より効率的な結晶化処理が可能になる。
As is apparent from Table 6, it can be seen that the single crystallized region can be greatly expanded by the present invention as compared with the prior art. Compared with the
以上のように、本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、従来技術に比べて、レーザを用いた再結晶化領域を拡大することが可能になり、種々の大きさの薄膜半導体装置を製造することが可能になる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor thin film of the present invention, it becomes possible to expand a recrystallization region using a laser as compared with the prior art, and manufacture thin film semiconductor devices of various sizes. It becomes possible to do.
11 主レーザパルス、12 副レーザパルス、21 絶縁性基板、22 バッファ層、23 前駆体半導体薄膜、24 主レーザ光、25 副レーザ光、601、701 主レーザ発振器、602、702 可変減衰器、603、612、703、712 ビーム整形光学系、604、704 均一照明光学系、605、705 マスク、606、706 結像レンズ、607、707 基板複合体、608、708 ミラー、611、711 副レーザ発振器、613、713 強度均一化光学系、614、714 ミラー、709 ビームスプリッタ、801、811 絶縁性基板、802、812 バッファ層、803、813 前駆体半導体薄膜、814 キャップ層、901、911、921、931、941、951 主レーザ照射パターン、902、912、922、932、942、952 副レーザ照射パターン、101、111、121 絶縁性基板、102、112、122 バッファ層、103、113、123 前駆体半導体薄膜、104、114、124 結晶化領域、115 キャップ層。 11 Main laser pulse, 12 Sub laser pulse, 21 Insulating substrate, 22 Buffer layer, 23 Precursor semiconductor thin film, 24 Main laser beam, 25 Sub laser beam, 601 and 701 Main laser oscillator, 602 and 702 Variable attenuator, 603 , 612, 703, 712 Beam shaping optical system, 604, 704 Uniform illumination optical system, 605, 705 Mask, 606, 706 Imaging lens, 607, 707 Substrate complex, 608, 708 Mirror, 611, 711 Sub laser oscillator, 613, 713 Intensity equalizing optical system, 614, 714 Mirror, 709 Beam splitter, 801, 811 Insulating substrate, 802, 812 Buffer layer, 803, 813 Precursor semiconductor thin film, 814 Cap layer, 901, 911, 921, 931 941, 951 Main laser irradiation pattern, 02, 912, 922, 932, 942, 952 Sub laser irradiation pattern, 101, 111, 121 Insulating substrate, 102, 112, 122 Buffer layer, 103, 113, 123 Precursor semiconductor thin film, 104, 114, 124 Crystallization Region, 115 cap layer.
Claims (6)
DL1−DL2−(J1+J2)+Ts<Tr<DL1−DL2+(J1+J2)+Ts
の不等式を満たすことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。 When irradiating the main pulse laser and the sub pulse laser, the delay time from the oscillation trigger pulse of the main laser to the start of main laser radiation is DL1, the fluctuation of DL1 is J1, and the sub laser oscillation trigger pulse is When the delay time until the start of laser emission is DL2, the fluctuation of DL2 is J2, and the oscillation trigger delay time of the main laser for the sub laser is Ts, the time Tr from the start of sub laser pulse irradiation to the start of main laser pulse emission is ,
DL1-DL2- (J1 + J2) + Ts <Tr <DL1-DL2 + (J1 + J2) + Ts
The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the inequality is satisfied.
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