JP2006135232A - Method and apparatus for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Ikumi Kashiwagi
郁未 柏木
Junichiro Nakayama
純一郎 中山
Tetsuya Inui
哲也 乾
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein crystal length grown by the influence of substrate heat storage is different for each irradiation shot in a process for repeating crystallization in the irradiation of two kinds of laser beams by an SLS method. <P>SOLUTION: The manufacturing method of a semiconductor device including a process for crystallizing a semiconductor film formed on an insulator substrate with laser beams for crystallization comprises a process for applying first laser beams having a wavelength adsorbed by the insulator substrate or a fused semiconductor film, a process for fusing the semiconductor film by the irradiation of second laser beams having the wavelength adsorbed by the semiconductor film before crystal growth, and a process for expanding a crystallized region by relatively scanning the semiconductor film with laser beams repeatedly. In this case, the substrate scan speed is changed for each irradiation of second laser beams. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーザ光照射を利用して結晶化させた半導体デバイスを製造する方法と装置の改善に関するものである。   The present invention relates to an improvement in a method and apparatus for manufacturing a crystallized semiconductor device using laser light irradiation.

薄膜半導体材料上に形成した薄膜トランジスタ(TFT)は、アクティブマトリクス液晶表示装置における表示部並びに画素コントローラなどに用いられており、薄膜材料としては非晶質材料が主に用いられている。さらに、TFTを高速駆動させるために、従来非晶質半導体膜が用いられていたチャネル領域を結晶化することによって、その材料特性を向上させることが行なわれている。これは、原子配列のそろった結晶部分におけるキャリアの移動度が、非晶質部分におけるそれより数百倍大きくなるからである。しかし、多結晶の場合は結晶粒界においてキャリアの散乱が生じるので、結晶粒をより大きくすることによってチャネル領域を単結晶状にすることが望まれる。長い結晶上にTFTを作製することによってそのTFTを高性能化できるだけでなく、ガラス基板上にプロセッサなどの集積回路を形成することができる。   A thin film transistor (TFT) formed over a thin film semiconductor material is used for a display portion and a pixel controller in an active matrix liquid crystal display device, and an amorphous material is mainly used as a thin film material. Further, in order to drive the TFT at a high speed, the material characteristics are improved by crystallizing a channel region in which an amorphous semiconductor film has been conventionally used. This is because the mobility of carriers in the crystal part with the uniform atomic arrangement is several hundred times greater than that in the amorphous part. However, in the case of polycrystal, carrier scattering occurs at the crystal grain boundary, so it is desirable to make the channel region a single crystal by making the crystal grains larger. By manufacturing a TFT on a long crystal, not only can the TFT have high performance, but also an integrated circuit such as a processor can be formed on a glass substrate.

非晶質半導体膜の結晶化にはいくつかの方法が提案されているが、パルスレーザを用いれば短時間に大きなエネルギを投入でき、基板にダメージなどを与えることなく低温でのプロセスが可能となることから、そのプロセスの開発が進められている。レーザアニールによる結晶化方法において、大粒径の多結晶を作るためには、結晶核と結晶成長速度の制御が重要である。そのような方法中で、結晶の横方向成長法およびこれを利用する逐次横方向結晶化法(SLS: Sequential Lateral Solidification)と呼ばれる方法がある。   Several methods have been proposed for crystallization of an amorphous semiconductor film, but if a pulse laser is used, a large amount of energy can be input in a short time, and a process at a low temperature can be performed without damaging the substrate. Therefore, the process is being developed. In the crystallization method by laser annealing, control of crystal nuclei and crystal growth rate is important in order to produce a polycrystal with a large grain size. Among such methods, there is a method called a lateral growth method of crystals and a sequential lateral crystallization method (SLS) using the method.

横方向成長法とは、基板上に形成された半導体膜にレーザ光照射し、半導体膜の完全溶融したと部分と固体部分との境界から基板表面に沿って横方向に結晶化させ、その横方向への結晶長を大きくする手法である。すなわち、溶融部分と固体部分との界面がその溶融部分中で最も温度が低くてそこで結晶核が発生しやすいので、その溶融領域の端部から中央部へ向かって結晶成長が進む現象を利用している。   In the lateral growth method, a semiconductor film formed on a substrate is irradiated with laser light, and when the semiconductor film is completely melted, it is crystallized laterally along the substrate surface from the boundary between the part and the solid part. This is a technique for increasing the crystal length in the direction. That is, the interface between the melted part and the solid part has the lowest temperature in the melted part, and crystal nuclei are likely to be generated there. Therefore, the phenomenon that crystal growth proceeds from the end of the melted area toward the center is utilized. ing.

図2(a)は、横方向成長法によって結晶化された半導体膜の上方(膜面法線方向)から見た模式的拡大平面図である。レーザ光照射によって溶融した領域21の両側端から横方向結晶成長が始まって中央部で結晶同士がぶつかり合って成長が終了する場合、その領域21全面が横方向結晶22によって埋められる。しかし、照射されたレーザのエネルギ密度が小さいかまたは照射領域の幅が広すぎる場合には、図2(b)に示されているように、異なった方向に成長してきた結晶粒23にによって横方向結晶22の成長が阻害される。すなわち、これらの異方向結晶23は横方向結晶22の成長中に領域21の中央部分の冷却が進んだ結果として生じたものであり、その中央部で溶融した半導体膜と基板との界面において発生した結晶核が半導体膜の表面方向へ成長した縦方向結晶粒である。この縦方向成長では成生する結晶核が多くて、それらの結晶核の成長中に近隣の結晶同士がぶつかり合うので、大きな結晶粒に成長することができない。これに対して、横方向成長においては、成長速度が遅くて大きな結晶粒が得られ、成長方向をTFTのチャネル方向に一致させればキャリアの流れに垂直な粒界が存在しなくて大きな移動度が得られることがわかっている。   FIG. 2A is a schematic enlarged plan view seen from above (film surface normal direction) of the semiconductor film crystallized by the lateral growth method. When the lateral crystal growth starts from both ends of the region 21 melted by the laser light irradiation and the crystals collide with each other at the center portion, the growth is finished, and the entire region 21 is filled with the lateral crystal 22. However, when the energy density of the irradiated laser is small or the width of the irradiated region is too wide, as shown in FIG. The growth of the directional crystal 22 is inhibited. That is, these different-direction crystals 23 are produced as a result of the cooling of the central portion of the region 21 during the growth of the lateral crystal 22, and are generated at the interface between the semiconductor film melted at the central portion and the substrate. The crystal nuclei grown are longitudinal crystal grains grown in the surface direction of the semiconductor film. In this vertical growth, many crystal nuclei are formed and neighboring crystals collide with each other during the growth of these crystal nuclei, so that they cannot grow into large crystal grains. On the other hand, in the lateral growth, a large crystal grain can be obtained at a slow growth rate, and if the growth direction coincides with the channel direction of the TFT, there is no grain boundary perpendicular to the carrier flow and a large movement occurs. The degree is known to be obtained.

図3の模式的平面図は、さらに大きな結晶粒を得る方法であるSLS法を図解している。レーザ光を領域31に照射して横方向結晶成長した半導体膜に対して、図3(a)のように成長した結晶長Aより短い距離Bだけ、たとえば基板を保持したステージ(すなわち半導体膜)をレーザ光に対して相対的に動かし、(ハッチングで示された)領域33に再度レーザ光照射する。そうすれば、半導体膜の溶融部分と固体部分の界面から横方向に結晶成長する際に、一回前のレーザ光照射で成長した結晶粒を核として引き継いで結晶成長が進んでいくので、図3(b)のように一回前照射後の結晶幅から結晶成長させていくことが可能となる。その結果、横方向結晶長Aを伸ばしていくことができる。このように、SLS法では、レーザ光照射とステージ移動による走査(これを1サイクルと呼ぶことにする)を繰り返して、所望の長さまで結晶長を伸ばしていく。この場合に、一回のレーザ光照射による横方向結晶長が長いほど、走査距離を長くとることができ、スループットが高くなる。   The schematic plan view of FIG. 3 illustrates the SLS method, which is a method for obtaining larger crystal grains. For example, a stage (ie, a semiconductor film) holding a substrate by a distance B shorter than the crystal length A grown as shown in FIG. 3A with respect to the semiconductor film grown in the lateral direction by irradiating the region 31 with laser light. Is moved relative to the laser beam, and the region 33 (indicated by hatching) is again irradiated with the laser beam. Then, when the crystal grows laterally from the interface between the melted part and the solid part of the semiconductor film, the crystal growth proceeds by taking over the crystal grains grown by the previous laser light irradiation as the nucleus, As shown in 3 (b), it is possible to grow the crystal from the crystal width after the previous irradiation. As a result, the lateral crystal length A can be increased. As described above, in the SLS method, the crystal length is extended to a desired length by repeating scanning with laser light irradiation and stage movement (hereinafter referred to as one cycle). In this case, the longer the lateral crystal length by one laser light irradiation, the longer the scanning distance, and the higher the throughput.

このような観点から、特許文献1の特開平11−307450号公報では、波長の異なる複数のレーザ発振器を用いた結晶化プロセスが提案されている。このプロセスでは、半導体膜に吸収される波長を有するエキシマレーザと、基板に吸収される波長を有する補助ビームとしての炭酸ガスレーザとを用いることにより、基板を加熱しつつ結晶成長させている。そうすることによって、基板にダメージを与えることなく大きな結晶粒を得ることができると教示されている。しかし、この場合には、新たな問題が生じる。それは、補助ビームによる加熱に関連して、アニール開始時には適切であったアニール条件が次第に過度なものになってしまうことである。
特開平11−307450号公報
From such a viewpoint, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-307450 of Patent Document 1 proposes a crystallization process using a plurality of laser oscillators having different wavelengths. In this process, an excimer laser having a wavelength absorbed by the semiconductor film and a carbon dioxide laser as an auxiliary beam having a wavelength absorbed by the substrate are used to grow the crystal while heating the substrate. By doing so, it is taught that large crystal grains can be obtained without damaging the substrate. In this case, however, a new problem arises. That is, in relation to the heating by the auxiliary beam, the annealing conditions that were appropriate at the start of annealing gradually become excessive.
JP-A-11-307450

本願発明者らも、上述のような複数のレーザを用いた横方向成長法で適切に基板加熱を行い、従来の単独レーザによる横方向成長に比べて結晶長を5〜10倍に伸ばせることを確認した。さらには、基板加熱を行うアシストレーザが半導体膜を溶融させるメインレーザよりも予め或る時間先行して照射されることによって、半導体膜が再結晶化するときの結晶核の総数が少なくなって大きな結晶粒が得られることがわかった。TFTのチャネル部に大きな結晶粒を用いることによって、キャリヤの移動度が数倍になるなど電気特性も向上し、従来の縦方向結晶成長の場合に比べて素子間の特性ばらつきも低減させることができた。また、結晶長を長く伸ばすことによって、スループットの時間短縮が可能となり、生産性が向上するというメリットも得られる。   The inventors of the present application also appropriately heat the substrate by the lateral growth method using a plurality of lasers as described above, and can extend the crystal length by 5 to 10 times compared to the lateral growth by the conventional single laser. confirmed. Furthermore, the assist laser for heating the substrate is irradiated in advance for a certain time before the main laser for melting the semiconductor film, thereby reducing the total number of crystal nuclei when the semiconductor film is recrystallized. It was found that crystal grains were obtained. By using large crystal grains in the channel portion of the TFT, the electrical characteristics can be improved, for example, the carrier mobility can be increased several times, and the characteristic variation between elements can be reduced compared to the case of conventional vertical crystal growth. did it. In addition, by extending the crystal length, the throughput time can be shortened, and the merit of improving productivity can be obtained.

さらに、特許文献1では、結晶を溶融させるメインレーザとしてエキシマレーザを用いているが、エキシマレーザはガスレーザであってガス交換やレーザ共振器のメンテナンスに多大の費用がかかり、生産技術として大きな問題を有している。したがって、本願発明者らは、メインレーザとして固体レーザを用いて横方向成長による結晶化を試みることとした。   Further, in Patent Document 1, an excimer laser is used as a main laser for melting a crystal. However, an excimer laser is a gas laser, which requires a great deal of cost for gas exchange and maintenance of a laser resonator. Have. Therefore, the inventors of the present application tried to perform crystallization by lateral growth using a solid laser as a main laser.

横方向成長の結晶長は溶融時の半導体膜の温度に敏感であり、その温度は、メインレーザとアシストレーザのエネルギ、アシストレーザのパルス幅、およびメインレーザの照射開始時間(照射タイミング)によって正確に制御されなくてはならない。ここで、SLS法では同一箇所が複数回のレーザ光照射を受けるので、基板に蓄熱されて次第に基板温度が上昇していき、生じる結晶長が変化してしまうという問題が生じた。また、半導体膜を変質させたりアブレーションを起こしたり、さらには基板へダメージを与えることもあり得る。   The crystal length of lateral growth is sensitive to the temperature of the semiconductor film at the time of melting, and the temperature depends on the energy of the main laser and assist laser, the pulse width of the assist laser, and the irradiation start time (irradiation timing) of the main laser. Must be controlled. Here, in the SLS method, since the same portion is irradiated with the laser beam a plurality of times, there is a problem that the substrate temperature gradually rises due to heat accumulation in the substrate and the resulting crystal length changes. In addition, the semiconductor film may be altered or ablated, or the substrate may be damaged.

このような問題を防止するために蓄熱の影響を考慮して適切な条件に設定しとしても、レーザ光照射の開始時近くの領域では結晶長がばらついて、結晶成長を順次つないでいくことができない場合が生じ、SLS法による結晶化方法の本質に関わる問題が生じた。   In order to prevent such problems, even if the appropriate conditions are set in consideration of the effect of heat storage, the crystal length varies in the region near the start of laser light irradiation, and crystal growth may be continued sequentially. In some cases, this was not possible, and problems related to the nature of the crystallization method by the SLS method occurred.

図4は、この問題を説明するために、メインレーザの照射領域を模式的平面で示している。この図では、メインレーザの照射領域の幅をAとしてその中央まで横方向結晶成長する場合を示している。すなわち、メインレーザを1回照射した場合の結晶長はA/2である。そして、確実に結晶成長をつないでいくために、幅Aの1/4を基板の送り距離とし(図4中のB)、順次レーザ光照射しながら一定速度で走査して、4回のレーザ光照射で長さAの結晶を形成させる例が示されている。アシストレーザはメインレーザの照射領域をカバーする範囲に照射されるが、ここではメインレーザと同一領域にパルス照射または連続照射されると仮定されている。1サイクル目のレーザ光照射された領域41はただ1回のレーザ光照射を受けるのに対して、次の領域に移動した2サイクル目の領域42は、2回のレーザ光照射を受けることとなる。3サイクル目の領域43は3回のレーザ光照射を受けて、4サイクル目の領域44は4回のレーザ光照射を受けることが示されているが、このようなサイクルを続けるとすれば、4サイクル目以降の領域は常に4回のレーザ光照射を受けることになる。このように、メインレーザとアシストレーザの照射領域と半導体膜上の位置との関係からnサイクル以降にn回のレーザ光照射を受けることになれば、基板はnサイクル以降にほぼ同じ温度に保たれるが、それまでのサイクルでは1回から(n−1)回のショットしかレーザ光照射を受けていないので、基板温度が低くて成長する結晶長が短くなってしまう。   FIG. 4 shows the irradiation area of the main laser in a schematic plane in order to explain this problem. This figure shows a case where the width of the irradiation region of the main laser is A and the lateral crystal is grown to the center. That is, the crystal length when the main laser is irradiated once is A / 2. Then, in order to reliably connect the crystal growth, 1/4 of the width A is set as the substrate feed distance (B in FIG. 4), and scanning is performed at a constant speed while sequentially irradiating the laser beam, and four lasers are performed. An example in which a crystal having a length A is formed by light irradiation is shown. The assist laser is irradiated to a range that covers the irradiation region of the main laser. Here, it is assumed that the same region as the main laser is irradiated with pulses or continuously. The region 41 irradiated with the laser light in the first cycle receives only one laser beam irradiation, whereas the region 42 in the second cycle moved to the next region receives two laser beam irradiations. Become. It is shown that the region 43 in the third cycle is irradiated with the laser beam three times, and the region 44 in the fourth cycle is irradiated with the laser beam four times. The area after the fourth cycle is always subjected to four times of laser beam irradiation. As described above, if the laser light irradiation is performed n times after n cycles from the relationship between the irradiation region of the main laser and the assist laser and the position on the semiconductor film, the substrate is maintained at substantially the same temperature after the n cycles. However, since only 1 to (n-1) shots are irradiated with the laser beam in the previous cycle, the crystal length to grow at a low substrate temperature is shortened.

このような基板への蓄熱は、基板または半導体膜に対して吸収長が異なる複数のレーザを用いることに固有の課題であり、半導体膜に吸収されるメインレーザ(たとえばエキシマレーザ)を単独で照射を繰り返しても大きな問題とはならない。なぜならば、溶融に用いるエキシマレーザは十分な照射エネルギを短時間で投入するので、冷却および凝固時間も短くてすみ、基板への蓄熱の影響を無視できるからである。他方、絶縁体基板に吸収されるアシストレーザは、半導体膜に比べて1〜3桁異なる厚さの基板の温度を上げる必要があり、パルス幅もエキシマレーザに比べて3桁以上大きくされる。同一箇所に複数回のアシストレーザ光照射した場合の半導体膜の温度変化が、図5の模式的なグラフに示されている。このグラフからわかるように、アシストレーザ光照射の繰り返し周波数にもよるが、蓄熱の影響は無視できない大きさとなる。   Such heat storage on the substrate is a problem inherent to using a plurality of lasers having different absorption lengths relative to the substrate or the semiconductor film, and the main laser (eg, excimer laser) absorbed by the semiconductor film is irradiated alone. Repeating this will not be a big problem. This is because the excimer laser used for melting inputs sufficient irradiation energy in a short time, so that the cooling and solidification time can be shortened and the influence of heat storage on the substrate can be ignored. On the other hand, the assist laser absorbed by the insulator substrate needs to raise the temperature of the substrate having a thickness that differs by 1 to 3 digits compared to the semiconductor film, and the pulse width is also increased by 3 digits or more compared to the excimer laser. The schematic graph of FIG. 5 shows the temperature change of the semiconductor film when the same location is irradiated with the assist laser light a plurality of times. As can be seen from this graph, although depending on the repetition frequency of the assist laser light irradiation, the influence of the heat storage becomes a magnitude that cannot be ignored.

さらに、メインレーザをエキシマレーザから固体レーザに変更した場合に、この蓄熱の影響が大きくなった。固体レーザはエキシマレーザに比べて波長が長く、半導体膜への吸収長が長い。たとえば、シリコン膜への吸収長は波長248nmの光で5.5nmであるのに対して、波長532nmの光では吸収長が940nmとなって深くまで伝熱する。また、固体レーザは繰り返し周波数を大きくすることができるので、生産性を上げるために高速処理する場合に、固体レーザとアシストレーザの両方の蓄熱を無視できなくなる。すなわち、図4を参照して説明した「nサイクル以降にn回のレーザ光照射を受けることになれば、そのnサイクル以降に基板はほぼ同じ温度に保たれる」ということも成り立たなくなり、熱の投入量と放散がバランスして一定の温度に達するまで成長結晶長が一定にならないことになる。   Furthermore, when the main laser is changed from an excimer laser to a solid-state laser, the effect of this heat storage becomes large. A solid-state laser has a longer wavelength than an excimer laser and a longer absorption length in a semiconductor film. For example, the absorption length to the silicon film is 5.5 nm for light having a wavelength of 248 nm, whereas the absorption length is 940 nm for light having a wavelength of 532 nm, and heat is transferred to a deep depth. In addition, since the solid-state laser can increase the repetition frequency, the heat storage of both the solid-state laser and the assist laser cannot be ignored when high-speed processing is performed to increase productivity. In other words, it is no longer true that “if the laser beam irradiation is performed n times after n cycles, the substrate is maintained at substantially the same temperature after the n cycles” described with reference to FIG. The growth crystal length does not become constant until a constant temperature is reached by balancing the amount of input and diffusion.

このような場合、基板の温度が一定となって半導体膜の成長結晶長も安定して確実にSLS法により結晶成長をつないでいけるようになるまでの領域をレーザ光照射の助走領域と考え、この助走領域は素子作製には利用することなく、基板が一定温度に達したあとの半導体膜の均一な結晶長部分のみを利用しなくてはならなくなる。すなわち、図4中の領域41、42、43およびそれに続く結晶長が短い領域内には素子を作らないように設計しなければならない。しかし、最近では液晶ディスプレイパネルに対する小型化の要求が高まり、額縁部分の面積を減らして基板の端領域までドライバなどの回路を組み込むことが多い。そして、基板上の半導体膜全域を結晶化するためには、助走領域をできるだけ減らす必要がある。   In such a case, the region until the substrate temperature becomes constant and the growth crystal length of the semiconductor film can be stably and reliably connected by the SLS method is considered as a laser beam irradiation run-up region, This run-up region is not used for device fabrication, but only the uniform crystal length portion of the semiconductor film after the substrate reaches a certain temperature must be used. That is, it is necessary to design so that no element is formed in the regions 41, 42, and 43 in FIG. Recently, however, demands for miniaturization of liquid crystal display panels have increased, and in many cases, a circuit such as a driver is incorporated into the end region of the substrate by reducing the area of the frame portion. In order to crystallize the entire semiconductor film on the substrate, it is necessary to reduce the running region as much as possible.

上述ような課題に鑑み、本発明では、助走領域を設けずに半導体膜の所望の面積全体を結晶化する方法と装置を提供することを目的としている。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for crystallizing the entire desired area of a semiconductor film without providing a run-up region.

本発明によれば、絶縁体基板上に形成された半導体膜をレーザ光照射によって結晶化する過程を含む半導体デバイスの製造方法において、絶縁体基板または溶融状態の半導体膜に吸収される波長を有する第一のレーザ光を照射する工程と、半導体膜に吸収される波長を有する第二のレーザ光の照射によって半導体膜を溶融させた後に結晶成長させる工程と、半導体膜をレーザ光に対して相対的に走査してレーザ光照射を繰り返すことにより結晶化された領域を拡大する工程とを含み、第二のレーザ光の照射ごとに基板走査速度を変化させることを特徴としている。   According to the present invention, in a semiconductor device manufacturing method including a process of crystallizing a semiconductor film formed on an insulator substrate by laser light irradiation, the semiconductor device has a wavelength that is absorbed by the insulator substrate or the molten semiconductor film. A step of irradiating the first laser light; a step of crystal growth after melting the semiconductor film by irradiation of a second laser light having a wavelength absorbed by the semiconductor film; and And a step of enlarging the crystallized region by repeating laser beam irradiation, and the substrate scanning speed is changed every time the second laser beam is irradiated.

なお、第一と第二のレーザ光は、紫外から可視光域の範囲内の波長を有するこが好ましい。また、第一のレーザ光は第二のレーザ光よりも所定時間だけ先行して照射され、かつ第一のレーザ光は第二のレーザ光の照射が完了した後に所定時間だけ長く照射した後にその照射が完了することが好ましい。   The first and second laser beams preferably have a wavelength in the range from the ultraviolet to the visible light region. In addition, the first laser beam is irradiated for a predetermined time before the second laser beam, and the first laser beam is irradiated for a predetermined time after the irradiation of the second laser beam is completed. It is preferable that the irradiation is completed.

第二のレーザ光は半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融させ得るパルス当りエネルギ密度を有し、かつ第一のレーザ光は半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融し得ないパルス当りエネルギ密度を有することが好ましい。第一のレーザ光は第二のレーザ光の照射される領域と同一またはそれ以上の面積に照射され、半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、半導体膜の一部が重複してレーザ光照射されることが好ましい。半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、第一と第二のレーザ光の強度は一定であり得る。   The second laser beam has an energy density per pulse that can melt the semiconductor film over the entire thickness direction, and the first laser beam has an energy density per pulse that cannot melt the semiconductor film over the entire thickness direction. It is preferable. The first laser beam is irradiated to the same area as or larger than the region irradiated with the second laser beam, and in the process where the semiconductor film is repeatedly irradiated with the laser beam, a part of the semiconductor film is overlapped with the laser beam. Irradiation is preferred. In the process in which the semiconductor film is repeatedly irradiated with the laser beam, the intensity of the first and second laser beams can be constant.

半導体膜へ第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長よりも短い送り距離だけ第2のレーザ光に対して相対的に基板を移動させ、第2のレーザ光の照射ごとに次第にその移動距離を増やしていくことができる。半導体膜へ第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査の速度を速めた後に一定にしてもよい。半導体膜へ第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にしてもよい。半導体膜へ第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、第一のレーザ光が照射されてから第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にしてもよい。半導体膜へ第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にすること、さらには第一のレーザ光が照射されてから第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にすることを組み合わせてもよい。   The substrate is moved relative to the second laser light by a feeding distance shorter than the crystal length grown when the semiconductor film is irradiated with the second laser light. The moving distance can be increased. The semiconductor film may be made constant after the substrate scanning speed is gradually increased in accordance with the crystal length grown when the second laser light is irradiated to the semiconductor film. The semiconductor film may be made constant after the substrate scanning speed is gradually increased according to the crystal length grown when the second laser light is irradiated to the semiconductor film, and the pulse width of the first laser light may be made constant after being gradually narrowed. . The substrate scan speed is gradually increased in accordance with the crystal length grown when the semiconductor film is irradiated with the second laser beam, and then constant, and the second laser beam is irradiated after the first laser beam is irradiated. It may be made constant after changing the time until. The semiconductor film is made constant after the substrate scanning speed is gradually increased according to the crystal length grown when the second laser light is irradiated, and the pulse width of the first laser light is made constant after being gradually narrowed, Furthermore, it may be combined with changing the time from the irradiation of the first laser light to the irradiation of the second laser light and then making it constant.

上述のような半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置は、第一のレーザ発振器と、第二のレーザ発振器と、可動サンプルステージとを含み、これら2つのレーザ発振器とサンプルステージ駆動を制御するコントローラをも含み得る。なお、サンプルステージは駆動開始から次第に走査速度を増した後に一定にすること、および第一と第二のレーザ発振器はその照射タイミングとパルス幅の少なくとも一方がサンプルステージ駆動と同期制御されることの少なくともいずれかを実行するようにコントローラが制御することが好ましい。   A semiconductor device manufacturing apparatus used in the semiconductor device manufacturing method as described above includes a first laser oscillator, a second laser oscillator, and a movable sample stage, and controls the driving of these two laser oscillators and the sample stage. May also include a controller. Note that the sample stage is made constant after the scanning speed is gradually increased from the start of driving, and at least one of the irradiation timing and pulse width of the first and second laser oscillators is controlled synchronously with the sample stage driving. The controller preferably controls to execute at least one of them.

本発明によれば、基板上の半導体膜の結晶化において一台のレーザ発振器を用いたレーザ光照射により形成される横方向結晶よりも長い結晶を得ることができ、かつ基板への蓄熱の影響を考慮して効率よく所望の面積全体を結晶化することができる。   According to the present invention, in crystallization of a semiconductor film on a substrate, a crystal longer than a lateral crystal formed by laser light irradiation using a single laser oscillator can be obtained, and the effect of heat storage on the substrate can be obtained. In consideration of the above, it is possible to efficiently crystallize the entire desired area.

本発明では、上述の助走領域を設けることなく、半導体膜の所望の面積全体を結晶化するレーザ光照射の制御方法を提供する。そのための方法は二つあり、一つは各照射サイクルで必ず或る結晶長が得られるように半導体膜の温度を常に一定に制御する方法であり、もう一つは各照射サイクルで結晶長が異なっていてもそれに追従するよう次のサイクルの照射位置を制御する方法である。そのためにコントロールできるパラメータとして、メインレーザとアシストレーザのエネルギ、アシストレーザのパルス幅、およびメインレーザの照射開始時間(照射タイミング)、半導体膜の走査速度がある。   The present invention provides a laser light irradiation control method for crystallizing the entire desired area of a semiconductor film without providing the above-described run-up region. There are two methods for this, one is a method in which the temperature of the semiconductor film is constantly controlled so that a certain crystal length is always obtained in each irradiation cycle, and the other is a method in which the crystal length is changed in each irradiation cycle. This is a method of controlling the irradiation position of the next cycle so as to follow even if different. For this purpose, parameters that can be controlled include the energy of the main laser and the assist laser, the pulse width of the assist laser, the irradiation start time (irradiation timing) of the main laser, and the scanning speed of the semiconductor film.

ここで言う走査においては、固定されたレーザ光照射領域に対して半導体膜が置かれたステージが移動することでもよく、その逆に半導体膜が固定されていてレーザビーム(すなわち照射領域)が移動することでもよく、または両者を同時に移動させることであってもよい。このような相対的移動においては、一定速度で動き続けることでもよく、或る速度で移動させて決められた位置で停止させた後にレーザ光照射されてさらに移動した後に停止してから次のレーザ光照射されることでもよい。   In scanning here, the stage on which the semiconductor film is placed may move relative to the fixed laser beam irradiation region, and conversely, the laser beam (that is, the irradiation region) moves because the semiconductor film is fixed. It may be possible to move the two at the same time. In such relative movement, it may be possible to continue to move at a constant speed. After moving at a certain speed and stopping at a predetermined position, the laser beam is irradiated and further moved and then stopped before the next laser. It may be irradiated with light.

走査速度は、所望の領域を結晶化処理するのにかかる時間に関係し、すなわちスループットに直接関係する。したがって、走査速度としては、メインレーザとアシストレーザの発振周波数やその他の要因で決められる最速の走査速度で一定にすることが望ましい。また移動における位置精度などを考慮すれば、走査と停止を繰り返す方法よりも、或る速度で走査を続けるステージ駆動システムを用いることが好ましい。   The scanning speed is related to the time taken to crystallize the desired area, i.e. directly related to the throughput. Therefore, it is desirable that the scanning speed be constant at the fastest scanning speed determined by the oscillation frequency of the main laser and the assist laser and other factors. In consideration of positional accuracy in movement, it is preferable to use a stage drive system that continues scanning at a certain speed, rather than a method that repeats scanning and stopping.

以上の検討を踏まえて、最初の助走領域の横方向成長結晶長が短いという課題を解決する方法として、レーザ光照射を始めた直後は送り距離を短くし、次第にその距離を長くしていって、その後に走査速度を一定にするようにステージの走査速度を制御することを提案する。このように制御することによって、各レーザ光照射間における半導体膜の温度差を小さくすることができ、かつ成生した結晶長に応じて送り距離を決めることができることから、上で述べた二つの方法のどちらをも実現することができる。次第に走査速度を上げていくことによって、レーザ発振やステージ駆動の安定した立ち上がりをも実現できる。そして、或るサイクル以降は最適な走査速度で一定となるように設計し、生産性よく結晶化を繰り返す。しかし、メインレーザが照射される瞬間に半導体膜の所望の領域に照射領域が合っている必要があり、単純に走査速度を増加させるだけでは最適の結晶を得ることはできない。走査速度の変化はあくまで横方向結晶の結晶長によって決められなくてはならず、かつメインレーザとアシストレーザの照射開始時間(照射タイミング)を設定する必要がある。   Based on the above considerations, as a method to solve the problem of the short laterally grown crystal length of the first run-up region, the feed distance is shortened immediately after laser light irradiation is started, and the distance is gradually lengthened. Then, it is proposed to control the scanning speed of the stage so as to make the scanning speed constant. By controlling in this way, the temperature difference of the semiconductor film between each laser beam irradiation can be reduced, and the feeding distance can be determined according to the crystal length formed. Either of the methods can be realized. By gradually increasing the scanning speed, it is possible to realize stable rising of laser oscillation and stage driving. Then, after a certain cycle, it is designed to be constant at an optimum scanning speed, and crystallization is repeated with high productivity. However, the irradiation region needs to be aligned with a desired region of the semiconductor film at the moment of irradiation with the main laser, and an optimum crystal cannot be obtained simply by increasing the scanning speed. The change in scanning speed must be determined by the crystal length of the lateral crystal, and it is necessary to set the irradiation start time (irradiation timing) of the main laser and the assist laser.

図6は、本発明においてレーザ光照射される半導体デバイスを模式的断面図で示している。この図に示すように、基板61上に下地絶縁膜62と非晶質半導体膜63が積層されて、半導体デバイス65が形成されている。基板61としては絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板などを用いることができるが、安価であることと大面積基板を容易に入手し得る観点からガラス基板を用いることが好ましい。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device irradiated with laser light in the present invention. As shown in this figure, a base device insulating film 62 and an amorphous semiconductor film 63 are laminated on a substrate 61 to form a semiconductor device 65. The substrate 61 is preferably insulative, and a glass substrate, a quartz substrate, or the like can be used, but a glass substrate is preferably used from the viewpoint of being inexpensive and easily obtaining a large-area substrate.

下地絶縁膜62には、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜などを用いることができる。また、その膜厚は50〜200nm程度にすることが好ましいが、これに限定されるわけではない。その下地絶縁膜62は、原料化合物をプラズマエンハンスド化学気相堆積(PECVD)、蒸着、またはスパッタリングなどで堆積することによって形成し得る。   As the base insulating film 62, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon oxide film, or the like can be used. The film thickness is preferably about 50 to 200 nm, but is not limited thereto. The base insulating film 62 can be formed by depositing a raw material compound by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), vapor deposition, sputtering, or the like.

半導体膜63は、膜厚が10nm〜100nmとなるように、プラズマエンハンスド化学気相堆積(PECVD)、触媒化学気相堆積(Cat−CVD)、蒸着、またはスパッタリングなどによって堆積され得る。かかる半導体膜63の材料としては、半導体特性を示す従来公知のものであれば特に限定されないが、結晶成長長さを長くすることによって種々の特性が顕著に向上するアモルファスシリコン膜とすることが好ましい。しかし、アモルファスシリコンのように非晶質のものに限られず、レーザ光照射64によって結晶化される前の半導体膜63は、微結晶や多結晶などの結晶性半導体膜であってもよい。半導体膜63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。   The semiconductor film 63 can be deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), catalytic chemical vapor deposition (Cat-CVD), vapor deposition, sputtering, or the like so that the film thickness becomes 10 nm to 100 nm. The material of the semiconductor film 63 is not particularly limited as long as it is a conventionally known material that exhibits semiconductor characteristics, but it is preferable to use an amorphous silicon film in which various characteristics are remarkably improved by increasing the crystal growth length. . However, the semiconductor film 63 is not limited to an amorphous material such as amorphous silicon, and the semiconductor film 63 before being crystallized by the laser light irradiation 64 may be a crystalline semiconductor film such as a microcrystal or a polycrystal. The material of the semiconductor film 63 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.

図7は、本発明において用いられる半導体デバイス製造装置の模式的なブロック図を示している。このレーザ光照射装置は、半導体デバイス65に含まれる半導体膜63を結晶化させることができ、第一のレーザ発振器79と第二のレーザ発振器72、およびこれらの発振器を制御するコントローラ71を備えている。このコントローラ71は、サンプルステージ83の駆動をも制御する。第二のレーザ発振器72から放射されたレーザ光は、そのエネルギ量が可変減衰器73によって調整される。ビーム整形光学系74と均一照明光学系75は、第二のレーザ発振器から放射されたレーザ光を適当な寸法に整形し、均一な強度の光で照明するように作用する。また、フィールドレンズ76を設置して像側テレセントリック光学系とし、投影レンズ78によってレーザ光が所定倍率で半導体デバイス65に投影されるように設定される。半導体デバイス65上におけるレーザビーム形状の一例としては、概略矩形状であり得る。   FIG. 7 shows a schematic block diagram of a semiconductor device manufacturing apparatus used in the present invention. The laser light irradiation apparatus can crystallize the semiconductor film 63 included in the semiconductor device 65, and includes a first laser oscillator 79, a second laser oscillator 72, and a controller 71 that controls these oscillators. Yes. The controller 71 also controls driving of the sample stage 83. The amount of energy of the laser light emitted from the second laser oscillator 72 is adjusted by the variable attenuator 73. The beam shaping optical system 74 and the uniform illumination optical system 75 function to shape the laser light emitted from the second laser oscillator to an appropriate size and illuminate it with light of uniform intensity. Further, a field lens 76 is installed to form an image side telecentric optical system, and the projection lens 78 is set so that the laser light is projected onto the semiconductor device 65 at a predetermined magnification. An example of the shape of the laser beam on the semiconductor device 65 may be a substantially rectangular shape.

図8において、レーザビームの断面形状とその各辺方向に平行な断面における光強度分布の例が示されている。本発明において用いられるレーザビームの断面では、幅Mを10〜100μmとし長さLを幅Mよりも長く設定することが望ましい。なぜならば、本発明のレーザ光照射装置を用いることで横方向成長距離は数μmから十数μm程度得ることができ、SLS法によって結晶成長をつないでいく場合は幅Mとして横方向成長距離の2倍から4倍程度にすることが適切だからである。また、長さLを幅Mより長くすることによって、処理面積を大きくしてスループットを上げることができる。ここで、矩形の幅Mとはレーザ光の走査方向に沿った長さであり、矩形の長さLとは走査方向に直行した方向への長さである。強度分布としては、横方向成長距離を均一にするために、長さL方向に平行な断面では均一な分布とすることが望ましい。幅方向Mに平行な断面では長さ方向の断面にくらべて厳密でないとしても、均一な分布とすることが望ましく、ガウシアン分布または矩形状分布にすることが望ましい。   FIG. 8 shows an example of the cross-sectional shape of the laser beam and the light intensity distribution in a cross section parallel to each side direction. In the cross section of the laser beam used in the present invention, it is desirable to set the width M to 10 to 100 μm and the length L to be longer than the width M. This is because the lateral growth distance can be obtained from several μm to several tens of μm by using the laser beam irradiation apparatus of the present invention. When crystal growth is connected by the SLS method, the lateral growth distance is set as the width M. It is because it is appropriate to make it about 2 to 4 times. Further, by making the length L longer than the width M, the processing area can be increased and the throughput can be increased. Here, the rectangular width M is a length along the scanning direction of the laser beam, and the rectangular length L is a length in a direction perpendicular to the scanning direction. The intensity distribution is desirably uniform in the cross section parallel to the length L direction in order to make the lateral growth distance uniform. The cross-section parallel to the width direction M is desirably a uniform distribution, even if it is not as strict as the cross-section in the length direction, and is preferably a Gaussian distribution or a rectangular distribution.

第一のレーザ発振器79から放射されたレーザ光は、そのエネルギ量が可変減衰器80によって調整され、ビーム整形光学系81と均一照明光学系82によって適当な寸法に整形されて均一な強度分布を持つよう調整される。これによって、半導体デバイス65上におけるレーザビーム形状は、たとえば矩形状となる。第一のレーザビーム領域は、第二のレーザビーム領域以上の面積を有しかつ均一な光強度分布を有する必要がある。   The amount of energy of the laser light emitted from the first laser oscillator 79 is adjusted by the variable attenuator 80, and is shaped into an appropriate size by the beam shaping optical system 81 and the uniform illumination optical system 82 to obtain a uniform intensity distribution. Adjusted to have. Thereby, the laser beam shape on the semiconductor device 65 becomes, for example, a rectangular shape. The first laser beam region needs to have an area larger than that of the second laser beam region and have a uniform light intensity distribution.

図7のブロック図は簡略に描写されているが、レーザ光路には適宜にミラーを設けることができ、レーザ光を折り返すことができる。それらのミラーの設置箇所や数量に制限はなく、レーザ照射装置の光学設計や機構設計に応じて適宜に配置することが可能である。またビーム断面を矩形状に整形する方法も限定されず、回折光学素子や非球面光学素子を用いることも可能である。   Although the block diagram of FIG. 7 is depicted in a simplified manner, a mirror can be appropriately provided in the laser beam path, and the laser beam can be folded. There are no restrictions on the location and quantity of these mirrors, and they can be appropriately arranged according to the optical design and mechanism design of the laser irradiation apparatus. The method of shaping the beam cross section into a rectangular shape is not limited, and a diffractive optical element or an aspherical optical element can be used.

第一のレーザは、絶縁体基板または溶融した半導体膜に吸収されて、これらを加熱する効果を有するアシストレーザであり、可視光から赤外域の波長を有することが望ましい。第一のレーザはパルス照射と連続照射のいずれでもよいが、本実施例ではガラス基板に吸収される9〜11μmの波長を有していて連続照射する炭酸ガスレーザが用いられる。   The first laser is an assist laser that has the effect of being absorbed by an insulator substrate or a melted semiconductor film and heating them, and preferably has a wavelength from visible light to infrared. The first laser may be either pulsed irradiation or continuous irradiation, but in this embodiment, a carbon dioxide gas laser having a wavelength of 9 to 11 μm absorbed by the glass substrate and continuously irradiated is used.

第二のレーザは、基板にダメージを与えないように、固体の半導体膜における吸収係数が大きい紫外から可視光域の波長を有することが望ましい。また、第二のレーザは半導体膜を溶融させるメインレーザの役割を有するので、一定の発振周波数でパルス照射を繰り返す必要がある。本実施例では波長10.6μmのYAGレーザの基本波を第2高調波の532nmの波長に変換したレーザ光が用いられる。繰り返し周波数は1KHzで、パルス幅は200nsとし得る。   The second laser preferably has a wavelength in the ultraviolet to visible light range where the absorption coefficient of the solid semiconductor film is large so as not to damage the substrate. In addition, since the second laser serves as a main laser for melting the semiconductor film, it is necessary to repeat pulse irradiation at a constant oscillation frequency. In this embodiment, a laser beam obtained by converting a fundamental wave of a YAG laser having a wavelength of 10.6 μm into a second harmonic wave having a wavelength of 532 nm is used. The repetition frequency can be 1 KHz and the pulse width can be 200 ns.

レーザ光の一回の照射に関しては、第一と第二のレーザ光のエネルギの合計によって固体状態にある半導体膜を溶融させ得るエネルギ量を有し、かつ半導体膜を凝集させたり基板にダメージを与えたりしないようにそのエネルギ量を設定することが好ましい。これらのエネルギ量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化領域の面積などに依存して変化して一義的に定めることはできないので、本発明の半導体膜の製造方法における実施形態に合わせて適宜に適当なエネルギ量を有するレーザ光を用いることが望ましい。本実施例では第二のレーザエネルギを0.4〜0.7J/cm2とし、第一のレーザ光のパルス幅は30〜200μs(半値全幅)としてそのエネルギ量は0.75〜1.0J/cm2とした。 With respect to one irradiation of the laser beam, it has an energy amount capable of melting the semiconductor film in the solid state by the sum of the energy of the first and second laser beams, and the semiconductor film is aggregated or the substrate is damaged. It is preferable to set the amount of energy so as not to give it. These amounts of energy vary depending on the type of material of the semiconductor film, the thickness of the semiconductor film, the area of the crystallization region, etc., and cannot be uniquely determined. Therefore, in the method of manufacturing a semiconductor film of the present invention, It is desirable to use a laser beam having an appropriate amount of energy appropriately according to the embodiment. In this embodiment, the second laser energy is 0.4 to 0.7 J / cm 2 , the pulse width of the first laser beam is 30 to 200 μs (full width at half maximum), and the energy amount is 0.75 to 1.0 J. / Cm 2 .

図1の模式的なグラフは、第一と第二のレーザ光の照射タイミングと走査速度を示している。このグラフは、第一と第二のレーザ光の照射領域と位置に関して、第4サイクル以降は全て4回ずつ第一と第二のレーザ光照射を受ける例を示している。従来の方法では一定の送り距離(一定走査速度)でレーザ光照射を繰り返していたが、本発明では横方向成長の結晶長に応じた送り距離を設定することを特徴としている。すなわち、図9の模式的な平面図に示すように、少なくともB1<B2<B3<B4の関係が満たされる。   The schematic graph of FIG. 1 shows the irradiation timing and scanning speed of the first and second laser beams. This graph shows an example in which the first and second laser light irradiations are performed four times after the fourth cycle with respect to the irradiation regions and positions of the first and second laser light. In the conventional method, laser light irradiation is repeated at a constant feed distance (a constant scanning speed). However, the present invention is characterized in that a feed distance is set according to the crystal length of lateral growth. That is, as shown in the schematic plan view of FIG. 9, at least the relationship of B1 <B2 <B3 <B4 is satisfied.

より具体的には、第二のレーザの1ショット目を照射した際、横方向の結晶長がL1(μm)であり、確実に結晶成長をつなぐためには送り距離B1をL1より短くすればよい。第二のレーザ光を周波数f(Hz)の一定周期で照射する場合は、ステージ速度v1(μm/s)は
v1=B1/f
となる。
More specifically, when the first shot of the second laser is irradiated, the lateral crystal length is L1 (μm), and in order to reliably connect the crystal growth, the feed distance B1 should be shorter than L1. Good. When the second laser light is irradiated at a constant period of frequency f (Hz), the stage speed v1 (μm / s) is v1 = B1 / f
It becomes.

2サイクル目では、横方向の結晶長L2はL2>L1の関係にあり、送り距離B2もB2>B1を満たすように設定される。したがって、ステージ速度v2は
v2=B2/f
となり、v2>v1であるから速度を増加させることとなる。
In the second cycle, the lateral crystal length L2 has a relationship of L2> L1, and the feed distance B2 is also set to satisfy B2> B1. Therefore, the stage speed v2 is v2 = B2 / f
Thus, since v2> v1, the speed is increased.

同様に3サイクル目では
v3=B3/f
となり、4サイクル目では
v4=B4/f
である。5サイクル目以降は、それ以前ほど大きな速度変化ではないが、徐々に速度変化量を減少させていって一定にする。このようにサイクルごとに送り距離を長くすることによって、送り距離を固定する場合に比べてレーザ光照射が重なる領域が少なくてすみ、より蓄熱の影響が小さくなる。ここでは、第一と第二のレーザが同期制御され、発振周波数、パルス幅、および第二レーザの照射タイミング(第一のレーザ光照射から第二のレーザ光照射までのディレイ時間)は一定に設定された。走査速度は最初に遅くするものの、一定となった定常状態の速度は従来の方法に比べて速いので、スループットを向上させることができる。適切な走査速度変化(すなわち、加速度)は、結晶長のサイクルごとの変化から逆算して用いることができる。
Similarly, in the third cycle, v3 = B3 / f
And in the fourth cycle, v4 = B4 / f
It is. After the fifth cycle, the speed change is not as great as before, but the speed change amount is gradually decreased to be constant. By increasing the feed distance for each cycle in this way, the area where the laser beam irradiation overlaps can be reduced as compared with the case where the feed distance is fixed, and the influence of heat storage is further reduced. Here, the first and second lasers are controlled synchronously, and the oscillation frequency, pulse width, and irradiation timing of the second laser (delay time from the first laser light irradiation to the second laser light irradiation) are constant. Was set. Although the scanning speed is initially slowed down, the steady state speed, which is constant, is faster than the conventional method, so that the throughput can be improved. An appropriate change in scanning speed (ie acceleration) can be used by back-calculating the change in crystal length from cycle to cycle.

他方、第二のレーザ光を走査速度に合わせて照射タイミングを変化させる方法の場合には、レーザ光の発振を促すトリガパルスのタイミングを適切に設定してやればよい。図10の模式的なグラフにおいて、第一と第二のレーザ光の照射タイミングおよび走査速度が示されている。この場合は半導体膜が適度に加熱されたタイミングで第二のレーザ光照射を行うので、図11の模式的な平面図に示されているように、各サイクルごとに必ず同じ長さBの結晶粒を得ることができる。半導体膜の温度をモニタリングしてその結果を反映させて結晶長を制御する場合などのように、より適切に照射タイミングを反映させたい場合はこのような制御が望ましい。   On the other hand, in the method of changing the irradiation timing of the second laser light in accordance with the scanning speed, the timing of the trigger pulse that promotes the oscillation of the laser light may be set appropriately. In the schematic graph of FIG. 10, the irradiation timing and scanning speed of the first and second laser beams are shown. In this case, since the second laser light irradiation is performed at a timing when the semiconductor film is appropriately heated, as shown in the schematic plan view of FIG. Grains can be obtained. Such control is desirable when it is desired to reflect the irradiation timing more appropriately, such as when the crystal length is controlled by monitoring the temperature of the semiconductor film and reflecting the result.

1サイクル目は最初のレーザ光照射であり、半導体膜が適度に加熱されるまで時間がかかるので、送り距離Bを時間P1かけて走査する。すなわち、
v1=B/P1
である。
The first cycle is the first laser beam irradiation, and since it takes time until the semiconductor film is heated appropriately, the feed distance B is scanned over time P1. That is,
v1 = B / P1
It is.

2サイクル目では、時間P2で適度に過熱されたとして、ステージ速度v2は
v2=B/P2
となり、P1>P2であるからv2>v1となり、速度を増加させることとなる。
In the second cycle, it is assumed that the stage speed v2 is v2 = B / P2 assuming that it is appropriately heated at time P2.
Since P1> P2, v2> v1, and the speed is increased.

以降同様に、第二のレーザ光照射タイミングPを所望の結晶長から逆算して求め、これから適当な走査速度を決めればよい。   Thereafter, similarly, the second laser beam irradiation timing P is obtained by calculating backward from the desired crystal length, and an appropriate scanning speed may be determined from this.

ここで示した走査速度の変化は一例であって、限定されるものではない。すなわち、上述の例は、SLS法において確実に結晶をつないでいくために走査速度を変更するコンセプトを説明したものである。   The change in the scanning speed shown here is an example and is not limited. That is, the above-described example explains the concept of changing the scanning speed in order to surely connect crystals in the SLS method.

実施例2では、第一のレーザ光が一定の発振周波数でパルス照射される。この場合の半導体デバイスとその作製方法およびレーザ照射装置は先に述べた実施例1と同様であるので、それらの説明は繰り返されない。ただし、第一のレーザとしては、ガラス基板に吸収される9〜11μmの波長を有していて一定の発振周波数でパルス照射する炭酸ガスレーザが用いられる。そのパルス幅は、レーザの発振周波数にも依存するが、10μs〜100msの範囲内で半導体膜にとって最適な値が採用され得る。   In the second embodiment, the first laser beam is irradiated with pulses at a constant oscillation frequency. Since the semiconductor device, the manufacturing method thereof, and the laser irradiation apparatus in this case are the same as those in the first embodiment, description thereof will not be repeated. However, as the first laser, a carbon dioxide gas laser having a wavelength of 9 to 11 μm absorbed by the glass substrate and irradiating with a pulse at a constant oscillation frequency is used. The pulse width depends on the oscillation frequency of the laser, but an optimum value for the semiconductor film can be adopted within a range of 10 μs to 100 ms.

図12と図13の模式的なグラフは、第一と第二のレーザ光の照射タイミングおよび波形を示している。図13に示されているように、第一のレーザ121は時刻t=0で照射開始されてそのパルス幅はt2であり、第二のレーザ122は時刻t1で照射されるように設定された。このように第一のレーザ光121は第二のレーザ光122より早いタイミングでその照射が開始され、第二のレーザ光照射によって半導体膜が溶融した後も照射し続けることによって、半導体膜が再結晶化するときの結晶核の総数が少なくなりかつ凝固時間が長くなって大粒径の多結晶を得ることができる。第一と第二のレーザはこのように照射タイミングを同期制御され、一定の繰り返し周波数で発振させられる。これらのレーザ光照射を1サイクルとして、レーザは半導体膜を走査して所定の送り距離分だけ移動した後に、次のレーザ光照射を行う。これを所望の回数だけ繰り返すことによって、SLS法による或る長さの結晶粒を得ることができる。   The schematic graphs of FIGS. 12 and 13 show the irradiation timings and waveforms of the first and second laser beams. As shown in FIG. 13, the first laser 121 was started to irradiate at time t = 0, its pulse width was t2, and the second laser 122 was set to irradiate at time t1. . In this way, irradiation of the first laser beam 121 is started at an earlier timing than the second laser beam 122. By continuing irradiation even after the semiconductor film is melted by the second laser beam irradiation, the semiconductor film is regenerated. The total number of crystal nuclei when crystallizing is reduced and the solidification time is lengthened, so that a polycrystal having a large grain size can be obtained. Thus, the irradiation timings of the first and second lasers are synchronously controlled and oscillated at a constant repetition frequency. With these laser light irradiations as one cycle, the laser scans the semiconductor film and moves by a predetermined feeding distance, and then performs the next laser light irradiation. By repeating this a desired number of times, crystal grains having a certain length can be obtained by the SLS method.

このことは実施例1の前半で述べたのと同様の効果であり、成生する結晶領域は図9に示されているのと同様である。他方、パルス照射する第一のレーザ光を用いることによって、過剰なエネルギ投入を防ぐことができる。   This is the same effect as described in the first half of Example 1, and the crystal region to be formed is the same as that shown in FIG. On the other hand, excessive energy input can be prevented by using the first laser beam for pulse irradiation.

図12のレーザ照射の更なる改善として図14の模式的なグラフに示されたレーザ照射を提案することができる。この場合、第一と第二のレーザ光は一定周波数で照射されるが、走査速度の増大と共に第一のレーザのパルス幅を次第に小さくすることによって、過剰な基板加熱を防いで蓄熱の影響を小さくすることができる。また、走査速度をより速く一定速度にすることができるので、スループットも向上する。   The laser irradiation shown in the schematic graph of FIG. 14 can be proposed as a further improvement of the laser irradiation of FIG. In this case, the first and second laser beams are irradiated at a constant frequency, but by gradually reducing the pulse width of the first laser as the scanning speed increases, excessive substrate heating is prevented and the effect of heat storage is reduced. Can be small. Further, since the scanning speed can be made faster and constant, the throughput is also improved.

逆に、走査速度を急激に変化させることが困難な場合に、他の更なる改善方法として、図15の模式的なグラフに示すように第二のレーザ光の照射タイミングを走査速度の増大と共に変化させる方法がある。この場合には、走査速度の変化を緩くすることによってスループットの低下を招くので、これを防ぐために速度変化と同時に第二のレーザ光照射タイミングを早くしていき、すなわち図13に示されている時刻t1をサイクルごとに短くしていく。そして、図15の場合は、第一のレーザの照射周波数が一定となって、第一のレーザの照射がしやすいという利点がある。   Conversely, when it is difficult to change the scanning speed abruptly, as another improvement method, as shown in the schematic graph of FIG. There are ways to change. In this case, slowing the change in the scanning speed causes a decrease in throughput, and in order to prevent this, the second laser beam irradiation timing is advanced simultaneously with the speed change, that is, as shown in FIG. Time t1 is shortened for each cycle. And in the case of FIG. 15, there exists an advantage that the irradiation frequency of a 1st laser becomes fixed and it is easy to irradiate a 1st laser.

図14と図15のアイディアを組み合わせて、第一のレーザ光のパルス幅と第二のレーザ光の照射タイミングとの両方とも変調させるように図16の模式的グラフに示されたレーザ照射方法も考えられるが、本発明に提案されたレーザ照射方法のうちで構成装置や各レーザの制御性を考慮して最も安定運用できる制御方法を用いることが望ましい。   The laser irradiation method shown in the schematic graph of FIG. 16 is also configured so that both the pulse width of the first laser beam and the irradiation timing of the second laser beam are modulated by combining the ideas of FIG. 14 and FIG. Though conceivable, it is desirable to use a control method that can operate most stably in consideration of the controllability of the constituent devices and each laser among the laser irradiation methods proposed in the present invention.

本発明によれば、半導体膜の所望の面積全体を結晶化する方法と装置を提供することができ、そのように結晶化された半導体結晶化領域はたとえばTFTの形成領域として好ましく利用され得る。   According to the present invention, it is possible to provide a method and an apparatus for crystallizing the entire desired area of a semiconductor film, and the crystallized semiconductor crystallized region can be preferably used as a TFT formation region, for example.

第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化の一例を示す模式的グラフである。It is a schematic graph which shows an example of the time change of the irradiation intensity | strength, irradiation timing, and scanning speed in the repetition irradiation process of the 1st and 2nd laser beam. 横方向結晶成長を説明するための模式的拡大平面図である。It is a typical enlarged plan view for demonstrating lateral direction crystal growth. SLS法によって横方向結晶成長をつないでいく方法を説明するための模式的平面図である。It is a typical top view for demonstrating the method of connecting a horizontal direction crystal growth by SLS method. 一定速度によるレーザ照射の走査を図解する模式的平面図である。It is a schematic plan view illustrating scanning of laser irradiation at a constant speed. 第一のレーザの照射のタイミングと半導体膜温度との関係を示す模式的グラフである。It is a schematic graph which shows the relationship between the timing of irradiation of a 1st laser, and semiconductor film temperature. 本発明においてレーザ照射される半導体デバイスの模式的断面図である。It is a typical sectional view of a semiconductor device irradiated with a laser in the present invention. 本発明において半導体デバイスの製造方法に用いることができるレーザ照射装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser irradiation apparatus which can be used for the manufacturing method of a semiconductor device in this invention. 本発明において半導体デバイスの製造方法に用いることができる第二のレーザビームの照射領域の形状と強度分布を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shape and intensity distribution of the irradiation area | region of the 2nd laser beam which can be used for the manufacturing method of a semiconductor device in this invention. 図1のレーザ照射方法で結晶化された半導体膜領域を示す模式的平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing a semiconductor film region crystallized by the laser irradiation method of FIG. 1. 第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化の他の一例を示す模式的平面図である。It is a schematic top view which shows another example of the time change of the irradiation intensity | strength, irradiation timing, and scanning speed in the repetition irradiation process of the 1st and 2nd laser beam. 図10のレーザ照射方法で結晶化された半導体膜領域を示す模式的平面図である。FIG. 11 is a schematic plan view showing a semiconductor film region crystallized by the laser irradiation method of FIG. 10. 第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。It is a schematic graph which shows another example of the time change of the irradiation intensity | strength in the repetition irradiation process of a 1st and 2nd laser beam, irradiation timing, and a scanning speed. 第一と第二のレーザ光の照射タイミングおよび波形の一例を示す模式的グラフである。It is a schematic graph which shows an example of the irradiation timing of a 1st and 2nd laser beam, and a waveform. 第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。It is a schematic graph which shows another example of the time change of the irradiation intensity | strength in the repetition irradiation process of a 1st and 2nd laser beam, irradiation timing, and a scanning speed. 第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。It is a schematic graph which shows another example of the time change of the irradiation intensity | strength in the repetition irradiation process of a 1st and 2nd laser beam, irradiation timing, and a scanning speed. 第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。It is a schematic graph which shows another example of the time change of the irradiation intensity | strength in the repetition irradiation process of a 1st and 2nd laser beam, irradiation timing, and a scanning speed.

符号の説明Explanation of symbols

A 横方向結晶長、B 送り距離、B1 1サイクル目の送り距離、B2 2サイクル目の送り距離、B3 3サイクル目の送り距離、B4 4サイクル目の送り距離、F レーザ光照射方向、L レーザビーム照射領域における走査方向と直行する方向の長さ、M レーザビーム照射領域における走査方向に平行な方向の長さ、P1 1サイクル目における第2のレーザの照射タイミング、P2 2サイクル目における第2のレーザの照射タイミング、P3 3サイクル目における第2のレーザの照射タイミング、P4 4サイクル目における第2のレーザの照射タイミング、21 レーザ光照射領域、22 横方向成長により結晶化した領域、23 縦方向成長により結晶化した領域、31 メインレーザ光の照射領域、32 アシストレーザ光の照射領域、33 走査後のメインレーザ光照射領域、34 走査後のアシストレーザ光照射領域、41 1サイクル目のレーザ光照射領域、42 2サイクル目のレーザ光照射領域、43 3サイクル目のレーザ光照射領域、44 4サイクル目のレーザ光照射領域、61 基板、62 下地絶縁膜、63 非晶質半導体膜、64 レーザ光、65 半導体デバイス、71 コントローラ、72 第二のレーザ発振器、73 可変減衰器、74 ビーム整形光学系、75 均一照明光学系、76 フィールドレンズ、78 投影レンズ、79 第一のレーザ発振器、80 可変減衰器、81 ビーム整形光学系、82 ビーム強度均一化光学系、83 サンプルステージ、121 第一のレーザの強度波形、122 第二のレーザの強度波形。   A Crystal length in the transverse direction, B feed distance, B1 1st cycle feed distance, B2 2nd cycle feed distance, B3 3rd cycle feed distance, B4 4th cycle feed distance, F laser light irradiation direction, L laser The length in the direction perpendicular to the scanning direction in the beam irradiation region, the length in the direction parallel to the scanning direction in the M laser beam irradiation region, the irradiation timing of the second laser in the first cycle of P1, the second in the second cycle of P2 Irradiation timing of the second laser, irradiation timing of the second laser in the third cycle of P3, irradiation timing of the second laser in the fourth cycle of P4, 21 laser light irradiation region, 22 region crystallized by lateral growth, 23 vertical Area crystallized by directional growth, 31 Main laser light irradiation area, 32 Assist laser light irradiation Area, 33 main laser light irradiation area after scanning, 34 assist laser light irradiation area after scanning, 41 1st cycle laser light irradiation area, 422 2nd cycle laser light irradiation area, 433 3rd cycle laser light irradiation Area, 44 4th cycle laser light irradiation area, 61 substrate, 62 base insulating film, 63 amorphous semiconductor film, 64 laser light, 65 semiconductor device, 71 controller, 72 second laser oscillator, 73 variable attenuator, 74 beam shaping optical system, 75 uniform illumination optical system, 76 field lens, 78 projection lens, 79 first laser oscillator, 80 variable attenuator, 81 beam shaping optical system, 82 beam intensity uniformizing optical system, 83 sample stage, 121 intensity waveform of the first laser, 122 intensity waveform of the second laser.

Claims (13)

絶縁体基板上に形成された半導体膜をレーザ光照射によって結晶化する過程を含む半導体デバイスの製造方法において、
前記絶縁体基板または溶融状態の前記半導体膜に吸収される波長を有する第一のレーザ光を照射する工程と、
前記半導体膜に吸収される波長を有する第二のレーザ光の照射によって前記半導体膜を溶融させた後に結晶成長させる工程と、
前記半導体膜をレーザ光に対して相対的に走査してレーザ光照射を繰り返すことにより結晶化された領域を拡大する工程とを含み、
前記第二のレーザ光の照射ごとに基板走査速度を変化させることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
In a semiconductor device manufacturing method including a process of crystallizing a semiconductor film formed on an insulator substrate by laser light irradiation,
Irradiating a first laser beam having a wavelength absorbed by the insulator substrate or the molten semiconductor film;
A step of crystal growth after melting the semiconductor film by irradiation with a second laser beam having a wavelength absorbed by the semiconductor film;
Expanding the crystallized region by scanning the semiconductor film relative to the laser beam and repeating the laser beam irradiation,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the substrate scanning speed is changed for each irradiation of the second laser beam.
前記第一のレーザ光は紫外から可視光域の範囲内の波長を有し、前記第二のレーザ光は可視光から赤外域の範囲内の波長を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。   The first laser light has a wavelength in a range from ultraviolet to visible light, and the second laser light has a wavelength in a range from visible light to infrared. Semiconductor device manufacturing method. 前記第一のレーザ光は前記第二のレーザ光よりも所定時間だけ先行して照射され、かつ前記第一のレーザ光は前記第二のレーザ光の照射が完了した後に所定時間だけ長く照射した後にその照射が完了することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体デバイスの製造方法。   The first laser beam is irradiated for a predetermined time before the second laser beam, and the first laser beam is irradiated for a predetermined time after the irradiation of the second laser beam is completed. 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the irradiation is completed later. 前記第二のレーザ光は前記半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融させ得るパルス当りエネルギ密度を有し、かつ前記第一のレーザ光は前記半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融し得ないパルス当りエネルギ密度を有する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デバイスの製造方法。   The second laser beam has an energy density per pulse that can melt the semiconductor film over the entire thickness direction, and the first laser beam per pulse that cannot melt the semiconductor film over the entire thickness direction. 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has an energy density. 前記第一のレーザ光は前記第二のレーザ光の照射される領域と同一またはそれ以上の面積に照射され、前記半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、前記半導体膜の一部が重複して複数回レーザ光照射されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。   The first laser light is irradiated to an area equal to or larger than a region irradiated with the second laser light, and a part of the semiconductor film overlaps in the process of repeatedly irradiating the semiconductor film with the laser light. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the laser beam is irradiated a plurality of times. 前記半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、前記第一と前記第二のレーザ光の強度は一定であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein intensities of the first and second laser beams are constant in a process in which the semiconductor film is repeatedly irradiated with a laser beam. . 前記半導体膜へ前記第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長よりも短い送り距離だけ前記第2のレーザ光に対して相対的に前記基板を移動させ、前記第2のレーザ光の照射ごとに次第にその移動距離を増やしていくことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。   The substrate is moved relative to the second laser beam by a feeding distance shorter than a crystal length grown when the second laser beam is irradiated onto the semiconductor film, and the second laser beam 7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the moving distance is gradually increased for each irradiation. 前記半導体膜へ前記第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査の速度を速めた後に一定にすることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。   6. The semiconductor film according to claim 1, wherein the semiconductor film is made constant after the substrate scanning speed is gradually increased in accordance with a crystal length grown when the second laser light is irradiated onto the semiconductor film. Semiconductor device manufacturing method. 前記半導体膜へ前記第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、前記第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にすることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。   The semiconductor film is made constant after the substrate scanning speed is gradually increased in accordance with the crystal length grown when the second laser light is irradiated to the semiconductor film, and is made constant after the pulse width of the first laser light is gradually narrowed. 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記半導体膜へ前記第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、前記第一のレーザ光が照射されてから前記第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にすることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。   The semiconductor film is made constant after the substrate scanning speed is gradually increased in accordance with the crystal length grown when the second laser light is applied to the semiconductor film, and the second laser light is applied after the first laser light is applied. 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the time until the laser beam is irradiated is made constant after being changed. 前記半導体膜へ前記第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、前記第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にすること、さらには前記第一のレーザ光が照射されてから前記第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にすることを組み合わせることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。   The semiconductor film is made constant after the substrate scanning speed is gradually increased in accordance with the crystal length grown when the second laser light is irradiated to the semiconductor film, and is made constant after the pulse width of the first laser light is gradually narrowed. And further, making the time constant after changing the time from the irradiation of the first laser beam to the irradiation of the second laser beam. 6. A method for producing a semiconductor device according to any one of 5 above. 請求項1から11のいずれかに記載された半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置であって、第一のレーザ発振器と、第二のレーザ発振器と、可動サンプルステージとを含み、これら2つのレーザ発振器とサンプルステージ駆動を制御するコントローラをも含むことを特徴とする半導体デバイスの製造装置。   12. A semiconductor device manufacturing apparatus for use in the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, comprising a first laser oscillator, a second laser oscillator, and a movable sample stage. An apparatus for manufacturing a semiconductor device, comprising a controller for controlling two laser oscillators and driving of a sample stage. 前記サンプルステージは駆動開始から次第に走査速度を増した後に一定にすること、および前記第一と第二のレーザ発振器はその照射タイミングとパルス幅の少なくとも一方がサンプルステージ駆動と同期制御されることの少なくともいずれかを実行するように前記コントローラが制御することを特徴とする請求項12に記載の半導体デバイスの製造装置。   The sample stage is made constant after the scanning speed is gradually increased from the start of driving, and at least one of the irradiation timing and pulse width of the first and second laser oscillators is controlled synchronously with the sample stage driving. 13. The semiconductor device manufacturing apparatus according to claim 12, wherein the controller controls to execute at least one of them.
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