JP3289681B2 - Method for forming semiconductor thin film, pulsed laser irradiation device, and semiconductor device - Google Patents
Method for forming semiconductor thin film, pulsed laser irradiation device, and semiconductor deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレイ、セ
ンサー等の駆動素子または駆動回路に用いられている、
例えば結晶性シリコン薄膜トランジスタのシリコン薄膜
を形成する方法およびパルスレーザ照射装置に関する。
さらには、そのような半導体薄膜を備える半導体装置に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for driving elements or driving circuits such as displays and sensors.
For example, the present invention relates to a method for forming a silicon thin film of a crystalline silicon thin film transistor and a pulse laser irradiation apparatus.
Further, the present invention relates to a semiconductor device including such a semiconductor thin film.
【0002】[0002]
【従来の技術】ガラス基板上に薄膜トランジスタ(TF
T)を形成する代表的な技術として、水素化アモルファ
ス半導体TFT技術及び多結晶シリコンTFT技術が知
られている。水素化アモルファス半導体TFT技術にお
いては、作製プロセス中の最高温度が300℃程度であ
り、1cm2/Vsec程度のキャリア移動度が実現さ
れている。多結晶シリコンTFT技術においては、例え
ば石英基板を用い、1000℃程度のLSIと類似した
高温プロセスを用いることで、キャリア移動度30〜1
00cm2/Vsecの性能が得られている。これら高
いキャリア移動度を実現できるTFT技術においては、
例えば液晶ディスプレイに応用した場合に、各画素を駆
動する画素TFTとともに、周辺駆動回路部までもが同
一ガラス基板上に同時に形成することができるため、形
成プロセスコストの低減、小型化を図ることができると
いう利点がある。2. Description of the Related Art A thin film transistor (TF) is formed on a glass substrate.
As typical techniques for forming T), a hydrogenated amorphous semiconductor TFT technique and a polycrystalline silicon TFT technique are known. In the hydrogenated amorphous semiconductor TFT technology, the maximum temperature during the manufacturing process is about 300 ° C., and a carrier mobility of about 1 cm 2 / Vsec is realized. In the polycrystalline silicon TFT technology, for example, using a quartz substrate and using a high-temperature process similar to that of an LSI at about 1000 ° C., a carrier mobility of 30 to 1 is used.
A performance of 00 cm 2 / Vsec has been obtained. In TFT technology that can realize these high carrier mobilities,
For example, in the case of application to a liquid crystal display, the peripheral drive circuit section can be simultaneously formed on the same glass substrate together with the pixel TFT for driving each pixel, so that the formation process cost can be reduced and the size can be reduced. There is an advantage that you can.
【0003】ところで、水素化アモルファス半導体TF
T技術の場合は、作製プロセス最高温度が300℃程度
と低いため、安価な低軟化点ガラスを用いることができ
るが、多結晶シリコンTFT技術の場合には、1000
℃の高温プロセスを伴うため、そのような安価な低軟化
点ガラスを用いることができない。そこで、プロセスの
低温度化を目的に、レーザ結晶化技術を応用した多結晶
シリコン膜の低温形成技術の研究・開発が行われてい
る。Incidentally, hydrogenated amorphous semiconductor TF
In the case of the T technique, since the highest manufacturing process temperature is as low as about 300 ° C., an inexpensive low softening point glass can be used.
Because of the high temperature process of ° C, such inexpensive low softening point glass cannot be used. Therefore, for the purpose of lowering the temperature of the process, research and development of a low-temperature formation technique of a polycrystalline silicon film using a laser crystallization technique have been conducted.
【0004】図17に、レーザ結晶化技術を応用した多
結晶シリコン膜の低温形成を実現する、従来のパルスレ
ーザ照射装置の概略構成を示す。このパルスレーザ照射
装置では、パルスレーザ光源11から供給されるレーザ
光は、3つのミラー12及び空間的な強度の均一化を行
うべく設置されるビームホモジナイザ14等の光学素子
群によって規定される光路17を通って、被照射体であ
るガラス基板15上のシリコン薄膜16に到達する。FIG. 17 shows a schematic configuration of a conventional pulsed laser irradiation apparatus for realizing low-temperature formation of a polycrystalline silicon film using a laser crystallization technique. In this pulse laser irradiation apparatus, a laser beam supplied from a pulse laser light source 11 is an optical path defined by three mirrors 12 and an optical element group such as a beam homogenizer 14 installed to make spatial intensity uniform. 17, the light reaches the silicon thin film 16 on the glass substrate 15 which is the irradiation object.
【0005】このパルスレーザ照射装置の場合、1照射
範囲が小さいため、xyステージ17上のガラス基板を
移動させることにより基板上の任意の位置にレーザ光を
照射することができる。また、カセット内に収納されて
いるシリコン薄膜付きガラス基板のxyステージ17上
への搬送、およびxyステージ17上のガラス基板15
のカセット内への収納は、基板搬送機構によって機械的
に行われる。[0005] In the case of this pulse laser irradiation apparatus, since one irradiation range is small, an arbitrary position on the substrate can be irradiated with laser light by moving the glass substrate on the xy stage 17. Further, the glass substrate with the silicon thin film accommodated in the cassette is transferred onto the xy stage 17 and the glass substrate 15 on the xy stage 17 is moved.
Is mechanically performed by the substrate transfer mechanism.
【0006】なお、上記のパルスレーザ照射装置におい
て、xyステージ17の代わりに照射系の一部の光学素
子群または系全体を移動させるようにしてもよい。ま
た、移動可能に構成された光学素子群とステージとを組
み合わせることも可能である。さらに、レーザ照射につ
いては、真空チャンバー内で真空中あるいは高純度ガス
雰囲気下で行うようにしてもよい。In the above-described pulse laser irradiation apparatus, a part of the irradiation system or a whole optical system may be moved instead of the xy stage 17. Further, it is also possible to combine a movable optical element group and a stage. Further, the laser irradiation may be performed in a vacuum chamber or in a high-purity gas atmosphere in a vacuum chamber.
【0007】レーザ結晶化技術としては、複数のパルス
をある遅延時間をもたせて照射する方法が、「Ryoichi
Ishihara et al. “Effects of light pulse duration
on excimer laser crystallization characteristics o
f silicon thin films”, Japanese journal of applie
d physics, vol. 34, No.4A, (1995) pp1759」に開示さ
れている。この公知文献によれば、レーザ再結晶化プロ
セスにおける溶融シリコンの結晶化固化速度は1m/s
ec以上であり、良好な結晶成長を得るためには、固化
速度の低減が必要であることが述べられている。具体的
には、第1のレーザパルスの照射過程における溶融シリ
コンの固化が完了した直後に、第2のレーザパルスを照
射するようにし、この第2の照射によって、より固化速
度の小さな再結晶化過程を得ることが開示されている。[0007] As a laser crystallization technique, a method of irradiating a plurality of pulses with a certain delay time is disclosed in "Ryoichi.
Ishihara et al. “Effects of light pulse duration
on excimer laser crystallization characteristics o
f silicon thin films ”, Japanese journal of applie
d physics, vol. 34, No. 4A, (1995) pp1759 ". According to this known document, the crystallization solidification rate of molten silicon in the laser recrystallization process is 1 m / s.
ec, and it is stated that the solidification rate must be reduced in order to obtain good crystal growth. Specifically, immediately after the solidification of the molten silicon in the irradiation process of the first laser pulse is completed, the second laser pulse is irradiated, and the second irradiation causes recrystallization with a lower solidification rate. It is disclosed to obtain a process.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、良好
な結晶成長を得るためには固化速度の低減が必要であ
り、そのために従来は、第2のレーザパルスの照射によ
って固化速度の小さな再結晶化過程を得るといった方法
が取られている。しかしながら、この従来の方法は、溶
融・再結晶化過程における過度の過冷却を考慮していな
いため、以下のような問題がある。As described above, it is necessary to reduce the solidification rate in order to obtain good crystal growth. For this reason, conventionally, the irradiation of the second laser pulse requires a low solidification rate. A method of obtaining a crystallization process has been adopted. However, this conventional method has the following problems because it does not consider excessive supercooling in the melting and recrystallization process.
【0009】出発材料をa−Siとする場合の、レーザ
再結晶化プロセスにおける溶融シリコンの結晶化固化の
温度変化(時間履歴曲線)を図8に示す。この図8に示
す温度変化を参照すると、レーザエネルギーの照射とと
もにシリコンの温度が上昇し、a−Siの融点aを経た
後さらに温度が上昇する。そして、レーザ照射によるエ
ネルギーの供給が温度上昇に必要な値を下回ると、冷却
が始まる。この冷却過程では、結晶Siの凝固点bにお
いて、凝固時間tを経て固化が終了し、その後は雰囲気
温度まで冷却される。この場合における固化速度の平均
値は、以下のような式で表される。FIG. 8 shows a temperature change (time history curve) of crystallization and solidification of molten silicon in the laser recrystallization process when the starting material is a-Si. Referring to the temperature change shown in FIG. 8, the temperature of silicon increases with the irradiation of the laser energy, and further increases after the melting point a of a-Si. Then, when the supply of energy by laser irradiation falls below a value required for temperature rise, cooling starts. In this cooling process, at the solidification point b of the crystal Si, solidification is completed after a solidification time t, and thereafter, the crystal Si is cooled to the ambient temperature. The average value of the solidification rate in this case is represented by the following equation.
【0010】 固化速度の平均値=シリコンの膜厚/凝固時間 上記式から、シリコンの膜厚が一定であれば、固化速度
を小さくするためには凝固時間の長時間化が有効である
ことが分かる。よって、熱平衡学的に理想的な状態を維
持したプロセスであれば、レーザ照射エネルギーを大き
くすることで凝固時間の拡大が可能である。From the above equation, if the silicon film thickness is constant, it is effective to increase the solidification time to reduce the solidification rate. I understand. Therefore, if the process maintains an ideal state of thermal equilibrium, the solidification time can be extended by increasing the laser irradiation energy.
【0011】しかしながら、前述の公知文献においても
指摘されているとおり、照射エネルギーの増大は膜の非
晶質化、微結晶化を引き起こす。現実的な溶融・再結晶
化過程においては、図8に示すような理想的な温度変化
を示さず、加熱時には温度の過上昇過程、冷却時には過
冷却過程を経て安定状態に到達する。特に、冷却時の冷
却速度が大きく、過度の過冷却を経る場合には、凝固点
近傍での結晶化が生ずることなく、冷却固化によりアモ
ルファス(非晶質)固体が形成されてしまう。また、薄
膜形成においては、前述の公知文献中でも述べられてい
るとおり、条件によってはアモルファスではなく、微結
晶体が形成されることもある。この微結晶体は、多結晶
薄膜あるいは単結晶薄膜に比べその粒径が小さいため
に、粒界ポテンシャルの大きな結晶粒界が多数存在し、
例えば薄膜トランジスタへの応用ではオン電流の低下、
あるいはオフリーク電流の増大を招くことになる。However, as pointed out in the above-mentioned known documents, an increase in irradiation energy causes the film to become amorphous and microcrystalline. In a practical melting / recrystallization process, an ideal temperature change as shown in FIG. 8 is not exhibited, and a stable state is reached through a temperature overheating process during heating and a supercooling process during cooling. In particular, when the cooling rate at the time of cooling is high and excessive supercooling is performed, an amorphous solid is formed by cooling and solidifying without crystallization near the freezing point. In addition, in the formation of a thin film, as described in the above-mentioned known literature, a microcrystalline body may be formed instead of an amorphous state depending on conditions. Since this microcrystal has a smaller grain size than a polycrystalline thin film or a single crystal thin film, there are many crystal grain boundaries having a large grain boundary potential,
For example, when applied to a thin film transistor, the on-current decreases,
Alternatively, the off-leak current increases.
【0012】本発明の目的は、上記のようなアモルファ
ス化あるいは微結晶化が生じることがなく、理想的な熱
平衡過程により近い溶融再結晶化過程を経て結晶質シリ
コン薄膜を形成することのできる半導体薄膜の形成方法
およびパルスレーザ照射装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a semiconductor capable of forming a crystalline silicon thin film through a melting and recrystallization process which is closer to an ideal thermal equilibrium process without causing the above-mentioned amorphization or microcrystallization. An object of the present invention is to provide a method for forming a thin film and a pulsed laser irradiation apparatus.
【0013】本発明のさらなる目的は、その半導体薄膜
の形成方法により形成された半導体薄膜を備える半導体
装置を提供することにある。A further object of the present invention is to provide a semiconductor device having a semiconductor thin film formed by the method for forming a semiconductor thin film.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の形
成方法は、シリコンを主成分とする半導体薄膜の形成方
法であって、光照射エネルギーによる少なくとも一回の
溶融固化過程を有し、その最終固化過程における最大冷
却速度を1.6×1010℃/sec以下にすることを
特徴とする。A method for forming a semiconductor thin film according to the present invention is a method for forming a semiconductor thin film containing silicon as a main component, the method comprising at least one melting and solidification process by light irradiation energy. The maximum cooling rate in the final solidification process is set to 1.6 × 10 10 ° C./sec or less.
【0015】上記の場合、前記溶融固化過程は、第1の
パルス光の照射による第1の溶融固化過程と、光強度が
前記第1のパルス光よりも小さな第2のパルス光の照射
による第2の溶融固化過程とを含み、前記第2のパルス
光の照射を、前記第1の溶融固化過程において半導体薄
膜の温度が最高温度に到達した後、その固化が終了する
までの間に行うようにしてもよい。In the above case, the melting and solidifying step includes a first melting and solidifying step by irradiating a first pulse light and a second melting and solidifying step by irradiating a second pulse light whose light intensity is smaller than that of the first pulse light. And the irradiation of the second pulsed light is performed after the temperature of the semiconductor thin film reaches the maximum temperature in the first melt-solidification process and before the solidification is completed. It may be.
【0016】また、上記の場合、前記第1および第2の
パルス光は、発光開始から50nsec以内に最大発光
強度に達し、かつ、発光時間が100nsec以上であ
ることとしてもよい。In the above case, the first and second pulse lights may reach the maximum light emission intensity within 50 nsec from the start of light emission, and the light emission time may be 100 nsec or more.
【0017】また、前記第1および第2のパルス光は、
パルス波形に複数のピークを有するようにしてもよい。Further, the first and second pulsed lights are:
The pulse waveform may have a plurality of peaks.
【0018】本発明の第1のパルスレーザ照射装置は、
絶縁性基板または絶縁性薄膜上に形成された、シリコン
を主成分とする半導体薄膜を照射するパルスレーザ光源
と、前記パルスレーザ光源から射出されたパルス光を第
1および第2のパルス光に分割する分割手段とを有し、
前記第2のパルス光が、前記第1のパルス光の照射によ
る溶融固化過程において前記半導体薄膜の温度が最高温
度に到達した後、その固化が終了するまでの間に照射さ
れるように構成されており、前記第2のパルス光による
加熱−冷却過程における最大冷却速度が、前記第1のパ
ルス光のみの加熱−冷却過程から得られる最大冷却速度
よりも小さくなるように制御されることを特徴とする。The first pulsed laser irradiation apparatus of the present invention comprises:
Formed on an insulating substrate or an insulating thin film, silicon and Rupa Rusureza source to irradiate a semiconductor thin film mainly, the pulsed light emitted from the pulsed laser light source into first and second pulsed light Dividing means for dividing,
The second pulse light is configured to be irradiated after the temperature of the semiconductor thin film reaches a maximum temperature in a melting and solidifying process by irradiation of the first pulse light and before the solidification is completed. And the second pulsed light
The maximum cooling rate in the heating-cooling process depends on the first
Maximum cooling rate obtained from the heating-cooling process using only lusic light
It is characterized by being controlled to be smaller than
【0019】上記の場合、前記第2のパルス光の光路中
に、光強度が前記第1のパルス光よりも小さくなるよう
にフィルタ手段が設けられてもよい。In the above case, a filter means may be provided in the optical path of the second pulsed light so that the light intensity is smaller than that of the first pulsed light.
【0020】また、前記パルスレーザ光源から供給され
るパルス光は、発光開始から50nsec以内に最大発
光強度に達し、かつ、発光時間が100nsec以上で
あることが望ましい。It is preferable that the pulsed light supplied from the pulsed laser light source reaches the maximum light emission intensity within 50 nsec from the start of light emission, and the light emission time is 100 nsec or more.
【0021】また本発明の第2のパルスレーザ照射装置
は、絶縁性基板または絶縁性薄膜上に形成された、シリ
コンを主成分とする半導体薄膜を照射する第1および第
2のパルスレーザ光源を有し、前記第1のパルスレーザ
光源から射出されたパルス光の照射による溶融固化過程
において前記半導体薄膜の温度が最高温度に到達した
後、その固化が終了するまでの間に、前記第2のパルス
レーザ光源から射出されたパルス光が照射されるように
構成されており、前記第2のパルスレーザ光源による加
熱−冷却過程における最大冷却速度が、前記第1のパル
スレーザ光源のみの加熱−冷却過程から得られる最大冷
却速度よりも小さくなるように制御されることを特徴と
する。According to the second pulse laser irradiation apparatus of the present invention, the first and second pulse laser light sources for irradiating a semiconductor thin film containing silicon as a main component formed on an insulating substrate or an insulating thin film are provided. The temperature of the semiconductor thin film reaches a maximum temperature in a melting and solidifying process by irradiation of pulsed light emitted from the first pulsed laser light source, and the second solidifying is performed until the solidification is completed. The pulsed light emitted from the pulsed laser light source is configured to be irradiated, and the pulsed light is emitted from the second pulsed laser light source.
The maximum cooling rate in the heat-cooling process is
The maximum cooling obtained from the heating-cooling process using only the laser light source
It is controlled so as to be lower than the reject speed .
【0022】上記の場合、前記第1のパルスレーザ光源
から射出されたパルス光の検知する検知手段と、前記検
知手段の検知タイミングに基づいて、前記第1および第
2のパルスレーザ光源の発光を制御する発光制御手段と
をさらに有し、前記発光制御手段が、前記第1のパルス
レーザ光源から射出されたパルス光の照射による溶融固
化過程において前記半導体薄膜の温度が最高温度に到達
した後、その固化が終了するまでの間に、前記第2のパ
ルスレーザ光源から射出されたパルス光が照射されるよ
うに制御するようにしてもよい。In the above case, the detecting means for detecting the pulsed light emitted from the first pulsed laser light source, and the light emission of the first and second pulsed laser light sources based on the detection timing of the detecting means. Further comprising a light emission control means for controlling, the light emission control means, after the temperature of the semiconductor thin film reaches the highest temperature in the melting and solidification process by irradiation of pulse light emitted from the first pulse laser light source, Until the solidification is completed, the pulse light emitted from the second pulse laser light source may be controlled to be irradiated.
【0023】また、上記の場合、前記第2のパルスレー
ザ光源から供給されるパルス光は、その光強度が前記第
1のパルスレーザ光源から供給されるパルス光よりも小
さくすることが望ましい。さらに、前記第1および第2
のパルスレーザ光源から供給されるパルス光は、発光開
始から50nsec以内に最大発光強度に達し、かつ、
発光時間が100nsec以上であることが望ましい。In the above case, it is preferable that the pulse light supplied from the second pulse laser light source has a light intensity smaller than that of the pulse light supplied from the first pulse laser light source. Further, the first and second
The pulse light supplied from the pulse laser light source reaches the maximum light emission intensity within 50 nsec from the start of light emission, and
It is desirable that the light emission time be 100 nsec or more.
【0024】本発明の半導体装置は、絶縁性基板上また
は絶縁性薄膜上に、上述したいずれかの半導体薄膜の形
成方法により形成された半導体薄膜を備えることを特徴
とする。 (作用)図16に示すように、付加的なエネルギーを投
入することによって再度固化過程が繰り返され、それ以
前の固化過程における急冷による非晶質化、微結晶化が
一旦初期化される。この再度の固化過程は、前に投入さ
れたエネルギーが保存されている(この保存はナノ秒オ
ーダーと短時間のため、基板への熱伝導、雰囲気への放
射の影響が少ない。)ために生じると考えられる。ま
た、図16から分かるように、この付加的なエネルギー
投入による固化過程における冷却速度は、それ以前の固
化過程における冷却速度よりも小さくなる。よって、こ
の再度投入されたエネルギーによる二次加熱終了後の冷
却速度に着目することで、良好な結晶成長を期待でき
る。A semiconductor device according to the present invention is characterized in that a semiconductor thin film formed by any one of the above-described methods for forming a semiconductor thin film is provided on an insulating substrate or an insulating thin film. (Operation) As shown in FIG. 16, the solidification process is repeated again by inputting additional energy, and amorphousization and microcrystallization by rapid cooling in the previous solidification process are once initialized. This re-solidification process occurs because the energy input before is preserved (this storage is a short time of the order of nanoseconds, so there is little effect of heat conduction to the substrate and radiation to the atmosphere). it is conceivable that. Also, as can be seen from FIG. 16, the cooling rate in the solidification process due to the additional energy input is lower than the cooling rate in the solidification process before that. Therefore, good crystal growth can be expected by paying attention to the cooling rate after the end of the secondary heating by the re-input energy.
【0025】上記のように、最終的に投入されたエネル
ギーによりそれ以前の冷却過程が初期化されることか
ら、最終固化過程における冷却速度が結晶化を支配する
ことになる。そして、詳しくは後述の実施形態にて説明
するが、その最終固化過程における最大冷却速度が1.
6×1010℃/sec以下であれば、良好な結晶化が
得られることが実験的に見出されている。本発明では、
最終固化過程における最大冷却速度がその1.6×10
10℃/sec以下に制御されるので、アモルファス化
あるいは微結晶化が生じることはない。As described above, since the cooling process before that is initialized by the finally input energy, the cooling rate in the final solidification process governs the crystallization. As will be described in detail later, the maximum cooling rate in the final solidification process is 1.
It has been experimentally found that good crystallization can be obtained at a temperature of 6 × 10 10 ° C./sec or less. In the present invention,
The maximum cooling rate in the final solidification process is 1.6 × 10
Since the temperature is controlled to 10 ° C./sec or less, no amorphization or microcrystallization occurs.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0027】<第1の実施形態>図2に、本形態で用い
るパルスレーザ光の発光パルス波形を示す。この発光パ
ルス波形は3つの主ピークを有し、その発光時間は約1
20nsecに及ぶ。この発光パルス波形は、前述の公
知文献に記載のレーザの発光パルス(パルス幅が21.
4nsecの矩形パルス)と比べて5倍以上の発光時間
を有するため、単一パルス照射であっても前述の公知文
献中で述べられているような固化速度の低減が可能であ
る。<First Embodiment> FIG. 2 shows an emission pulse waveform of a pulse laser beam used in this embodiment. This emission pulse waveform has three main peaks, and the emission time is about 1
20 nsec. This light emission pulse waveform is a laser light emission pulse (with a pulse width of 21.m) described in the above-mentioned known document.
Since the light emission time is five times or more longer than that of a 4 nsec rectangular pulse, the solidification rate as described in the above-mentioned known document can be reduced even with single pulse irradiation.
【0028】基板表面に膜厚75nmのシリコン膜が形
成されたSiO2基板上に、上記の図2に示したような
発光パルス波形のXeClレーザ(波長308nm)を
照射強度450mJ/cm2で照射した場合の、レーザ
再結晶化時の数値計算から求まるシリコンの温度−時間
曲線を図3に示す。同図3中、実線がシリコン薄膜の温
度、破線がシリコン/基板界面から約100nm下部の
基板温度、一点鎖線がシリコン/基板界面から約1μm
下部の基板温度をそれぞれ示す。A XeCl laser (wavelength: 308 nm) having an emission pulse waveform as shown in FIG. 2 is irradiated at an irradiation intensity of 450 mJ / cm 2 onto an SiO 2 substrate having a silicon film having a thickness of 75 nm formed on the substrate surface. FIG. 3 shows a temperature-time curve of silicon obtained from a numerical calculation at the time of laser recrystallization in the case of performing the above. In FIG. 3, the solid line is the temperature of the silicon thin film, the broken line is the substrate temperature about 100 nm below the silicon / substrate interface, and the dashed line is about 1 μm from the silicon / substrate interface.
The lower substrate temperature is shown.
【0029】図3を参照すると、シリコン薄膜の温度
は、第2の発光ピークがほぼ終了する約60nsec後
に最高温度に達し、冷却過程へと転じる。ただし、本数
値計算では溶融・凝固点として非晶質シリコンの値を用
いており、凝固点付近における振る舞いは現実のものと
は異なる。特に、結晶化膜が得られる場合は、結晶シリ
コンの凝固点で結晶化が完了する。Referring to FIG. 3, the temperature of the silicon thin film reaches the maximum temperature about 60 nsec after the second emission peak is almost finished, and the process shifts to the cooling process. However, in this numerical calculation, the value of amorphous silicon is used as the melting and freezing point, and the behavior near the freezing point is different from the actual one. In particular, when a crystallized film is obtained, crystallization is completed at the freezing point of crystalline silicon.
【0030】最高温度に達して冷却過程に転じると、温
度−時間曲線は一旦大きな傾きを持って冷却が開始され
るが、第3のピークが存在する100nsec付近で
は、温度−時間曲線の傾きは非常に小さくなる。そし
て、完全に発光が終了する120nsec以降では、再
び急速な冷却過程を経て凝固する。When the temperature reaches the maximum temperature and the cooling process starts, the temperature-time curve starts cooling once with a large slope, but the slope of the temperature-time curve is around 100 nsec where the third peak exists. Very small. After 120 nsec when the light emission completely ends, the solidification is again performed through a rapid cooling process.
【0031】一般に、熱平衡過程を大きくはずれるよう
な“急冷”を経た液体からの固化過程の場合、結晶構造
の形成に必要な十分な凝固時間を得ることができないた
め、非晶質化が生じたり、場合によっては微結晶化が生
じる。以下、この非晶質化、微結晶化と照射エネルギー
との関係について説明する。In general, in the case of a solidification process from a liquid which has undergone "quenching" which greatly deviates from the thermal equilibrium process, a sufficient solidification time required for forming a crystal structure cannot be obtained. In some cases, microcrystallization occurs. Hereinafter, the relationship between the amorphization, microcrystallization, and irradiation energy will be described.
【0032】上述の図3に示したシリコン薄膜の温度変
化の曲線から求まる発光終了後の最大冷却速度と、Xe
Clレーザの照射強度との関係を図1に示す。この図1
から、発光終了後の最大冷却速度は照射強度の増大とと
もに増加することが分かる。図4はXeClレーザの照
射強度を339mJ/cm2,424mJ/cm2,4
70mJ/cm2と変えた場合のレーザ照射後のシリコ
ン薄膜の構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察した写真
で、(a)〜(c)は1ショット(照射パルス数が1パ
ルス)の場合、(d)〜(f)は3ショット(照射パル
ス数が3パルス)の場合を示す。The maximum cooling rate after the end of light emission obtained from the temperature change curve of the silicon thin film shown in FIG.
FIG. 1 shows the relationship with the irradiation intensity of the Cl laser. This figure 1
From this, it can be seen that the maximum cooling rate after the end of light emission increases as the irradiation intensity increases. FIG. 4 shows that the irradiation intensity of the XeCl laser was 339 mJ / cm 2 , 424 mJ / cm 2 , 4
Photographs obtained by observing the structure of the silicon thin film after laser irradiation using a scanning electron microscope when the laser irradiation was changed to 70 mJ / cm 2 , where (a) to (c) show one shot (one irradiation pulse). , (D) to (f) show the case of three shots (the number of irradiation pulses is three).
【0033】図4から分かるように、1ショットの場合
には、粒径は照射強度の増大とともに一旦は増大するも
のの、470mJ/cm2程度の設定照射強度条件にお
いて微結晶化が生じる。これに対して、3ショットの場
合には、470mJ/cm2程度の設定照射強度条件に
おいても、部分的に微結晶化領域が残るものの、1ショ
ットの場合とは異なり粒径の飛躍的な増大が認められ
る。ここで、実照射強度は、エキシマレーザの特に最初
の数パルスにおいて設定値に比べ5〜10%程度高くな
るため、微結晶化の生じるしきい強度は500mJ/c
m2程度と見積もることができる。As can be seen from FIG. 4, in the case of one shot, although the particle size increases once with the increase in irradiation intensity, microcrystallization occurs under the set irradiation intensity condition of about 470 mJ / cm 2 . On the other hand, in the case of three shots, even under the set irradiation intensity condition of about 470 mJ / cm 2 , although the microcrystallized region partially remains, unlike the case of one shot, the particle size is dramatically increased. Is recognized. Here, the actual irradiation intensity is about 5 to 10% higher than the set value, especially in the first few pulses of the excimer laser, so that the threshold intensity at which microcrystallization occurs is 500 mJ / c.
m 2 can be estimated.
【0034】以上の結果を図1に示した最大冷却速度と
照射強度の関係に当てはめて、500mJ/cm2の条
件における微結晶化の生じる冷却速度を見積もると、微
結晶化は約1.6x1010℃/sec以上の冷却速度
条件で生じることが分かる。被照射膜がa−Siの場合
は、約500mJ/cm2以上の照射強度で微結晶化が
生じ、被照射膜がpoly−Siの場合には、その微結
晶化が生じる冷却速度の1.6x1010℃/secを
当てはめると、a−Siの場合の500mJ/cm2と
比べて約30mJ/cm2大きい530mJ/cm2の
照射強度で微結晶化が生じる。By applying the above results to the relationship between the maximum cooling rate and the irradiation intensity shown in FIG. 1 and estimating the cooling rate at which microcrystallization occurs under the condition of 500 mJ / cm 2 , the microcrystallization is about 1.6 × 10 It can be seen that this occurs at a cooling rate condition of 10 ° C./sec or more. When the film to be irradiated is a-Si, microcrystallization occurs at an irradiation intensity of about 500 mJ / cm 2 or more. When the film to be irradiated is poly-Si, the cooling rate is 1. applying 6x10 10 ℃ / sec, microcrystallization occurs at an irradiation intensity of about compared to 500mJ / cm 2 30mJ / cm 2 large 530mJ / cm 2 in the case of a-Si.
【0035】以上のようなことから、冷却速度を1.6
x10 10 ℃/sec以下に制御することによって、微結
晶化、アモルファス化を防ぐことができ、良好な結晶成
長過程を得ることが可能になる。From the above, the cooling rate is set to 1.6.
By controlling the following x 10 10 ℃ / sec, microcrystalline, can prevent amorphous, it is possible to obtain a good crystal growth process.
【0036】<第2の実施形態>ここでは、照射パルス
数を2パルス(第1パルス、第2パルス)とした場合
の、微結晶化、アモルファス化を防ぐことができる冷却
速度について説明する。<Second Embodiment> Here, a description will be given of a cooling rate that can prevent microcrystallization and amorphization when the number of irradiation pulses is two (first pulse and second pulse).
【0037】(1)第2パルスの遅延時間と最大冷却速
度および最小冷却速度との関係:第1パルスの照射強度
を450mJ/cm2とし、第2パルスの照射強度を1
50mJ/cm2とし、第2パルスの第1パルスに対す
る遅延時間をそれぞれ100,200,300nsec
とした場合の、温度−時間変化曲線の計算結果を図5〜
7に示す。図5〜7中、実線がシリコン薄膜の温度、破
線がシリコン/基板界面から約100nm下部の基板温
度、一点鎖線がシリコン/基板界面から約1μm下部の
基板温度をそれぞれ示す。ここでは、シリコン層の膜厚
を75nmとし、計算に用いた材料条件として非晶質シ
リコンのものを用い、基板には二酸化シリコンの材料定
数を用いている。また、前述の図8に示したような、最
も大きな傾きの部分から求められる最大冷却速度及び最
も小さな傾きの部分から求められる最小冷却速度と同様
に定義付けられる、総エネルギー照射完了後の冷却過程
における最大冷却速度および最小冷却速度と、第2パル
スの遅延時間との関係を図9に示す。(1) Relationship between delay time of second pulse and maximum cooling rate and minimum cooling rate: The irradiation intensity of the first pulse is 450 mJ / cm 2, and the irradiation intensity of the second pulse is 1
50 mJ / cm 2, and the delay time of the second pulse with respect to the first pulse is 100, 200, and 300 nsec, respectively.
The calculation results of the temperature-time change curve in the case of
FIG. 5-7, the solid line indicates the temperature of the silicon thin film, the broken line indicates the substrate temperature about 100 nm below the silicon / substrate interface, and the dashed line indicates the substrate temperature about 1 μm below the silicon / substrate interface. Here, the thickness of the silicon layer is set to 75 nm, amorphous silicon is used as a material condition used for calculation, and a material constant of silicon dioxide is used for the substrate. Also, as shown in FIG. 8 described above, the cooling process after the completion of the total energy irradiation, which is defined in the same manner as the maximum cooling speed obtained from the portion having the largest inclination and the minimum cooling speed obtained from the portion having the smallest inclination. FIG. 9 shows the relationship between the maximum cooling speed and the minimum cooling speed in the above and the delay time of the second pulse.
【0038】図9から分かるように、第2パルス照射後
の冷却過程における最大冷却速度は、照射パルス数が1
パルスの条件(第2パルス照射のない条件、すなわち第
1パルスのみの条件)で照射した場合の冷却過程におけ
る最大冷却速度よりも低減する。また、第2パルス照射
後の冷却過程における最小冷却速度は、第2パルスの遅
延条件が100〜200nsec程度で最小値をとる。
この遅延条件を超えると、最小冷却速度は再び増加する
ことになる。この遅延時間の増大に伴う最小冷却速度の
増大は、次のようなことによる。すなわち、遅延時間の
増大は、エネルギー伝達時間、すなわち基板に奪われる
エネルギー量の増大を招くため、かえって固化過程での
冷却速度を大きくすることになり、結果的に、最小冷却
速度が増大することになる。As can be seen from FIG. 9, the maximum cooling rate in the cooling process after the irradiation of the second pulse is as follows.
The cooling rate is lower than the maximum cooling rate in the cooling process when irradiation is performed under the pulse condition (the condition without the second pulse irradiation, that is, the condition with only the first pulse). The minimum cooling rate in the cooling process after the irradiation of the second pulse has a minimum value when the delay condition of the second pulse is about 100 to 200 nsec.
Beyond this delay condition, the minimum cooling rate will increase again. The increase in the minimum cooling rate with the increase in the delay time is as follows. In other words, an increase in the delay time causes an increase in the energy transfer time, that is, an increase in the amount of energy deprived to the substrate. become.
【0039】(2)第2パルスの照射強度と最大冷却速
度との関係:第1パルスの照射強度を450mJ/cm
2とし、第1パルスに対する第2パルスの遅延時間を2
00nsecとし、第2パルスの照射強度をそれぞれ1
00mJ/cm2,50mJ/cm2,25mJ/cm
2と変えた場合の、温度−時間変化曲線の計算結果をそ
れぞれ図10〜12に示す。各図10〜12において、
実線がシリコン薄膜の温度、破線がシリコン/基板界面
から約100nm下部の基板温度、一点鎖線がシリコン
/基板界面から約1μm下部の基板温度をそれぞれ示
す。ここでは、シリコン層の膜厚を75nmとし、計算
に用いた材料条件として非晶質シリコンのものを用い、
基板には二酸化シリコンの材料定数を用いている。(2) Relationship between the irradiation intensity of the second pulse and the maximum cooling rate: The irradiation intensity of the first pulse was set to 450 mJ / cm.
2 and the delay time of the second pulse with respect to the first pulse is 2
00 nsec, and the irradiation intensity of the second pulse is 1
00 mJ / cm 2 , 50 mJ / cm 2 , 25 mJ / cm
FIGS. 10 to 12 show the calculation results of the temperature-time change curves when changing to 2 . In each of FIGS.
The solid line indicates the temperature of the silicon thin film, the broken line indicates the substrate temperature about 100 nm below the silicon / substrate interface, and the dashed line indicates the substrate temperature about 1 μm below the silicon / substrate interface. Here, the thickness of the silicon layer is set to 75 nm, and the material conditions used for the calculation are those of amorphous silicon.
The material constant of silicon dioxide is used for the substrate.
【0040】前述の図8に示したような最も大きな傾き
の部分から求められる最大冷却速度と同様に定義付けら
れる、総エネルギー照射完了後の冷却過程における最大
冷却速度と、第2パルスの照射強度との関係を図13に
示す。The maximum cooling rate in the cooling process after the completion of the total energy irradiation and the irradiation intensity of the second pulse, which are defined in the same manner as the maximum cooling rate obtained from the portion having the largest inclination as shown in FIG. Is shown in FIG.
【0041】図13を参照すると、第2パルス照射後の
冷却過程における最大冷却速度は、照射パルス数が1パ
ルスの条件(第2パルス照射のない条件、すなわち第1
パルスのみの条件)で照射した場合の冷却過程における
最大冷却速度よりも低減する。また、図10〜12の各
曲線の第2パルス照射後の冷却過程における最大冷却速
度は、図13に示すようにほぼ一定となっており、これ
は急速な冷却から次第に緩やかな冷却過程に変化する上
述の図5〜7の結果とは異なる。Referring to FIG. 13, the maximum cooling rate in the cooling process after the irradiation of the second pulse is determined under the condition that the number of irradiation pulses is 1 (the condition without the second pulse irradiation, ie, the first cooling pulse).
The cooling rate is lower than the maximum cooling rate in the cooling process when irradiation is performed under the condition of only a pulse. In addition, the maximum cooling rate in the cooling process after the second pulse irradiation of each curve in FIGS. 10 to 12 is almost constant as shown in FIG. 13, and this gradually changes from rapid cooling to a gradual cooling process. 5 to 7 described above.
【0042】以上説明した(1)および(2)の関係か
ら分かるように、第2パルス照射後の冷却過程における
最大冷却速度は、第1パルスのみので照射する場合に比
べて低減する。As can be seen from the relationships (1) and (2) described above, the maximum cooling rate in the cooling process after the irradiation of the second pulse is reduced as compared with the case where irradiation is performed only with the first pulse.
【0043】本形態のように照射パルス数が2パルスの
場合、第2パルスが照射される前に投入されたエネルギ
ーに基づく冷却過程、すなわち第1パルス照射後の冷却
過程は、第2パルスが照射されることにより初期化され
るため、第2パルス照射後の冷却過程における冷却速度
が結晶化を支配することになる。したがって、第2パル
ス照射後の冷却過程における冷却速度が低くなるよう
に、第2パルスの遅延時間および照射強度を設定すれ
ば、良好な結晶成長を得られる。When the number of irradiation pulses is two as in the present embodiment, the cooling process based on the energy input before the irradiation of the second pulse, that is, the cooling process after the irradiation of the first pulse, is performed in the following manner. Since the irradiation is initialized by irradiation, the cooling rate in the cooling process after the irradiation of the second pulse controls the crystallization. Therefore, if the delay time of the second pulse and the irradiation intensity are set so that the cooling rate in the cooling process after the irradiation of the second pulse is reduced, good crystal growth can be obtained.
【0044】また、より良好な結晶成長を得るために
は、第1および第2パルスは、その全体としてのパルス
波形が、発光開始より50nsec以内に発光強度の最
大値に到達し、かつ、発光開始より100nsec以上
の発光時間を有するようにする。そして、第1パルス照
射による溶融再結晶化における最大到達温度に達した後
で、固化が終了するまでの間に、第1パルスの照射強度
よりも小さい第2パルス光が照射されるように設定する
ことが望ましい。Further, in order to obtain better crystal growth, the first and second pulses are such that the pulse waveform as a whole reaches the maximum value of the light emission intensity within 50 nsec from the start of light emission, and The light emission time should be 100 nsec or more from the start. Then, after reaching the maximum attainment temperature in the melting and recrystallization by the first pulse irradiation, the second pulse light smaller than the irradiation intensity of the first pulse is set to be irradiated until the solidification is completed. It is desirable to do.
【0045】<第3の実施形態>ここでは、正規分布型
の発光パルス波形を仮定して説明する。正規分布型の発
光パルスを照射した場合の最大冷却速度と凝固点付近の
最小冷却速度をプロットしたものを図14に示す。パル
ス光の照射強度は、パルス幅の増大に伴って完全溶融に
至らなくなるといったことが起きないように、600m
J/cm2としている。この設定により、600nse
c程度までの評価が可能となる。<Third Embodiment> Here, a description will be given assuming a normal distribution type emission pulse waveform. FIG. 14 shows a plot of the maximum cooling rate and the minimum cooling rate near the freezing point when a normally distributed light emission pulse is irradiated. The irradiation intensity of the pulse light is set to 600 m so that the complete melting does not occur as the pulse width increases.
J / cm 2 . With this setting, 600 ns
Evaluation up to about c is possible.
【0046】図14を参照すると、パルスの半値幅が1
00nsec程度では急峻な冷却の様子が見られ、この
場合の最大冷却速度は、1.6x1010℃/secを
超え、微結晶化が発生する領域に入る。パルスの半値幅
が100nsecより長くなると、最大冷却速度は小さ
くなり、凝固点付近の冷却速度と同じ値に近づく。そし
て、パルスの半値幅が600nsecになると、冷却速
度はさらに1.0×109℃/sec以下にまで低下す
る。Referring to FIG. 14, the half width of the pulse is 1
At about 00 nsec, a steep cooling state is observed. In this case, the maximum cooling rate exceeds 1.6 × 10 10 ° C./sec, and enters a region where microcrystallization occurs. When the half width of the pulse is longer than 100 nsec, the maximum cooling rate decreases and approaches the same value as the cooling rate near the freezing point. When the half width of the pulse becomes 600 nsec, the cooling rate further decreases to 1.0 × 10 9 ° C./sec or less.
【0047】本形態のように正規分布型の発光パルス波
形を持つ場合、半値幅を長くすることで、パルス波形の
後半部の照射エネルギーによって冷却速度の増大が緩和
される。したがって、本形態の場合においても、上述の
各形態の場合と同様、最終的に投入された照射エネルギ
ーによりそれ以前の冷却過程が初期化されることから、
照射終了後における冷却速度が結晶化を支配する。よっ
て、最終固化過程における最大冷却速度を1.0×10
9℃/sec以下に制御することで、良好な結晶化を得
ることができる。In the case of having a normal distribution type emission pulse waveform as in this embodiment, by increasing the half width, the increase in the cooling rate is reduced by the irradiation energy in the latter half of the pulse waveform. Therefore, also in the case of the present embodiment, similarly to the case of each of the above-described embodiments, the cooling process before that is initialized by the irradiation energy finally input,
The cooling rate after the end of the irradiation governs the crystallization. Therefore, the maximum cooling rate in the final solidification process is set to 1.0 × 10
By controlling the temperature to 9 ° C./sec or less, good crystallization can be obtained.
【0048】以上説明した第1〜3の実施形態から分か
るように、シリコンを主成分とする半導体薄膜を光照射
エネルギーによる少なくとも一回の溶融固化過程にって
結晶化する場合、その最終固化過程における最大冷却速
度を1.6×1010℃/sec以下にすることで良好
な結晶成長を得ることができる。As can be seen from the first to third embodiments described above, when a semiconductor thin film containing silicon as a main component is crystallized in at least one melting and solidifying process by light irradiation energy, the final solidifying process is performed. By setting the maximum cooling rate at 1.6 × 10 10 ° C./sec or less, favorable crystal growth can be obtained.
【0049】また、第2の実施形態のように、照射パル
ス数が2パルスの場合、第2パルス光はその光強度が第
1パルス光よりも小さくなるように、第1パルス光の照
射による溶融固化過程において半導体薄膜の温度が最高
温度に到達した後、その固化が終了するまでの間に第2
パルス光を照射するようにすれば、より良好な結晶成長
を得ることができる。この場合、第1パルス光および第
2パルス光は、発光開始から50nsec以内に最大発
光強度に達し、かつ、発光時間が100nsec以上で
あることが望ましい。When the number of irradiation pulses is two as in the second embodiment, the second pulse light is irradiated with the first pulse light so that its light intensity is smaller than that of the first pulse light. After the temperature of the semiconductor thin film reaches the maximum temperature in the melting and solidification process, the second
By irradiating pulsed light, better crystal growth can be obtained. In this case, it is desirable that the first pulse light and the second pulse light reach the maximum light emission intensity within 50 nsec from the start of light emission, and the light emission time is 100 nsec or more.
【0050】さらに、パルス波形に第1の実施形態で説
明したような複数のピークを持たせるようにすれば、よ
り良好な結晶成長を得ることができる。Further, if the pulse waveform has a plurality of peaks as described in the first embodiment, better crystal growth can be obtained.
【0051】<パルスレーザ照射装置>図15に、上述
したような半導体薄膜の形成方法を適用したパルスレー
ザ照射装置の一形態を示す。このレーザ照射装置は、発
光制御装置2によって駆動パルス波形が制御される2つ
のパルスレーザ光源1a,1bを備える。各パルスレー
ザ光源1a,1bは、発光開始から50nsec以内に
最大発光強度に達し、かつ、発光時間が100nsec
以上のパルス光を射出するように構成されている。パル
スレーザ光源1bは、パルス光の光強度がパルスレーザ
光源1aよりも小さい。<Pulse Laser Irradiation Apparatus> FIG. 15 shows an embodiment of a pulse laser irradiation apparatus to which the above-described method of forming a semiconductor thin film is applied. This laser irradiation device includes two pulse laser light sources 1a and 1b whose drive pulse waveforms are controlled by a light emission control device 2. Each pulse laser light source 1a, 1b reaches the maximum light emission intensity within 50 nsec from the start of light emission, and the light emission time is 100 nsec.
It is configured to emit the above pulse light. The pulse laser light source 1b has a smaller light intensity of the pulse light than the pulse laser light source 1a.
【0052】パルスレーザ光源1aから供給されるレー
ザ光はハーフミラー3で分割され、ハーフミラー3で反
射された光が空間的な強度の均一化を行うべく設置され
るビームホモジナイザ6およびミラー4a,4bの光学
素子群によって規定される光路7を通って被照射体であ
るガラス基板8上のシリコン薄膜9に到達する。一方の
ハーフミラー3を透過した光は光センサ5に達する。The laser light supplied from the pulse laser light source 1a is split by the half mirror 3, and the light reflected by the half mirror 3 is provided with a beam homogenizer 6 and mirrors 4a and 4a, which are installed to equalize the spatial intensity. The light reaches a silicon thin film 9 on a glass substrate 8 as an irradiation object through an optical path 7 defined by the optical element group 4b. The light transmitted through one half mirror 3 reaches the optical sensor 5.
【0053】パルスレーザ光源1bから供給されるレー
ザ光は、ミラー4cで反射されてハーフミラー3へ達
し、該ハーフミラー3を透過しレーザ光が、パルスレー
ザ光源1aから供給されたレーザ光とともに光路7を通
ってシリコン薄膜9に達する。光センサ5は、パルスレ
ーザ光源1aから供給されるレーザ光を検知し、その検
知信号を発光制御装置2に送出する。発光制御装置2
は、光センサ5がパルスレーザ光源1aから供給された
レーザ光を検出した時刻から所定の時間分だけ遅れてパ
ルスレーザ光源1bからのレーザ光の供給を行わせる。
具体的には、発光制御装置2は、光センサ5における検
知タイミングに基づいて、パルスレーザ光源1aから射
出されたパルス光の照射による溶融固化過程においてシ
リコン薄膜9の温度が最高温度に到達した後、その固化
が終了するまでの間に、パルスレーザ光源1bから射出
されたパルス光がシリコン薄膜9へ照射されるように制
御する。これにより、前述したような半導体薄膜の形成
に相当するレーザ光照射を実現できる。The laser light supplied from the pulse laser light source 1b is reflected by the mirror 4c and reaches the half mirror 3, and passes through the half mirror 3 so that the laser light is transmitted along with the laser light supplied from the pulse laser light source 1a. 7 and reaches the silicon thin film 9. The optical sensor 5 detects a laser beam supplied from the pulse laser light source 1a and sends a detection signal to the light emission control device 2. Light emission control device 2
Causes the supply of the laser light from the pulse laser light source 1b to be delayed by a predetermined time from the time when the optical sensor 5 detects the laser light supplied from the pulse laser light source 1a.
Specifically, based on the detection timing of the optical sensor 5, the light emission control device 2 sets the temperature of the silicon thin film 9 after reaching the maximum temperature in the melting and solidifying process by irradiation of the pulsed light emitted from the pulsed laser light source 1a. The pulse light emitted from the pulse laser light source 1b is controlled so as to irradiate the silicon thin film 9 until the solidification is completed. Thereby, laser light irradiation corresponding to the formation of the semiconductor thin film as described above can be realized.
【0054】このレーザ照射装置の場合、照射範囲が小
さいため、ガラス基板8が固定されるxyステージ10
を移動させることにより、ガラス基板8上の任意の位置
にレーザ光を照射することができる。また、xyステー
ジ10の代わりに、上述の光学素子群を移動させること
や、光学素子群とステージを組み合わせることも可能で
ある。また、レーザ照射が真空チャンバ内で真空中ある
いは高純度ガス雰囲気下で行われることもある。In the case of this laser irradiation apparatus, since the irradiation range is small, the xy stage 10 on which the glass substrate 8 is fixed
Is moved, an arbitrary position on the glass substrate 8 can be irradiated with laser light. Further, instead of the xy stage 10, the above-described optical element group can be moved, or the optical element group and the stage can be combined. Further, laser irradiation may be performed in a vacuum chamber or in a high-purity gas atmosphere in a vacuum chamber.
【0055】さらに、必要に応じてシリコン薄膜付きガ
ラス基板入りカセット11と基板搬送機構12を設け、
カセット内に収納されているシリコン薄膜付きガラス基
板のxyステージ10上への搬送、およびxyステージ
10上のガラス基板のカセット11内への収納を基板搬
送機構によって機械的に行うこともできる。Further, if necessary, a cassette 11 containing a glass substrate with a silicon thin film and a substrate transport mechanism 12 are provided.
The transfer of the glass substrate with the silicon thin film stored in the cassette onto the xy stage 10 and the storage of the glass substrate on the xy stage 10 in the cassette 11 can also be performed mechanically by a substrate transfer mechanism.
【0056】遅延を制御する方法は、上記のほかに、パ
ルスレーザ光源1bから供給されるレーザ光の光路長を
変化させる(パルスレーザ光源1aから供給されるレー
ザ光の光路長よりも長くする)ことで行うことも可能で
ある。As a method of controlling the delay, in addition to the above, the optical path length of the laser light supplied from the pulse laser light source 1b is changed (to be longer than the optical path length of the laser light supplied from the pulse laser light source 1a). It is also possible to do this.
【0057】本形態のような2台の光源を用いた場合
は、パルス波形が異なる光源を用いても、パルス波形が
類似した光源を用いてもよい。When two light sources are used as in this embodiment, light sources having different pulse waveforms or light sources having similar pulse waveforms may be used.
【0058】また、上述のような2光源を用いるのでは
なく、1つのレーザ光源から供給されるレーザ光を2つ
に分割し、一方のレーザ光の光路長を変化させることで
も、上述のレーザ照射装置と同様の装置を実現すること
も可能である。具体的には、第1および第2のパルスに
分割されたとすると、第2のパルス光が、第1のパルス
光の照射による溶融固化過程において半導体薄膜の温度
が最高温度に到達した後、その固化が終了するまでの間
に照射されるようにすればよい。この場合、第2のパル
ス光の光路中に、光強度が第1のパルス光よりも小さく
なるようにフィルタを設ける必要がある。Also, instead of using the two light sources as described above, the laser light supplied from one laser light source is divided into two and the optical path length of one laser light is changed. It is also possible to realize a device similar to the irradiation device. Specifically, assuming that the pulse is divided into the first pulse and the second pulse, the second pulse light is applied after the temperature of the semiconductor thin film reaches the maximum temperature in the melting and solidifying process by the irradiation of the first pulse light. Irradiation may be performed before solidification is completed. In this case, it is necessary to provide a filter in the optical path of the second pulsed light so that the light intensity is smaller than that of the first pulsed light.
【0059】[0059]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ再結晶化過程におけるアモルファス化あるいは微
結晶化を防ぎ、理想的な熱平衡過程により近い溶融再結
晶化過程を経て形成された結晶質シリコン薄膜を提供す
ることができる。As described above, according to the present invention,
It is possible to provide a crystalline silicon thin film formed through a melt recrystallization process that is closer to an ideal thermal equilibrium process while preventing amorphization or microcrystallization in the laser recrystallization process.
【0060】また、軟化点の低いガラス基板上において
も、理想的な熱平衡過程により近い溶融再結晶化過程を
経て結晶性シリコンを形成することができる。Further, even on a glass substrate having a low softening point, crystalline silicon can be formed through a melting and recrystallization process closer to an ideal thermal equilibrium process.
【0061】さらに、本発明の半導体薄膜の形成方法に
基づいて得られた半導体薄膜を有する半導体装置におい
ては、例えば薄膜トランジスタへ応用した場合、オン電
流の低下、あるいはオフリーク電流の増大を招くことを
防止することができ、動作の安定性に優れたものを提供
することができる。Further, in a semiconductor device having a semiconductor thin film obtained according to the method of forming a semiconductor thin film of the present invention, for example, when applied to a thin film transistor, it is possible to prevent a decrease in on-current or an increase in off-leakage current. And a device having excellent operation stability can be provided.
【図1】発光終了後の最大冷却速度と、XeClレーザ
の照射強度との関係を説明するための図ある。FIG. 1 is a diagram for explaining the relationship between the maximum cooling rate after the end of light emission and the irradiation intensity of a XeCl laser.
【図2】本発明の第1の実施形態の半導体薄膜の形成方
法に使用されるパルス波形を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a pulse waveform used in the method for forming a semiconductor thin film according to the first embodiment of the present invention.
【図3】照射強度450mJ/cm2のパルス光を照射
した場合のシリコン膜の温度変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a temperature change of a silicon film when a pulse light having an irradiation intensity of 450 mJ / cm 2 is irradiated.
【図4】レーザ再結晶化膜の構造を走査型電子顕微鏡を
用いて観察した図面代用写真で、(a)〜(c)は1シ
ョット(照射パルス数が1パルス)の場合、(d)〜
(f)は3ショット(照射パルス数が3パルス)の場合
を示す。FIG. 4 is a drawing-substitute photograph obtained by observing the structure of a laser recrystallized film using a scanning electron microscope, wherein (a) to (c) show one shot (one irradiation pulse number) and (d) ~
(F) shows a case of three shots (the number of irradiation pulses is three).
【図5】第1パルスの照射強度を450mJ/cm2、
第2パルスの照射強度を150mJ/cm2、その遅延
時間を100nsecとした場合のシリコン膜の温度変
化を示す図である。FIG. 5 shows that the irradiation intensity of the first pulse is 450 mJ / cm 2 ,
FIG. 9 is a diagram illustrating a temperature change of the silicon film when the irradiation intensity of the second pulse is 150 mJ / cm 2 and the delay time is 100 nsec.
【図6】第1パルスの照射強度を450mJ/cm2、
第2パルスの照射強度を150mJ/cm2、その遅延
時間を200nsecとした場合のシリコン膜の温度変
化を示す図である。FIG. 6 shows an irradiation intensity of a first pulse of 450 mJ / cm 2 ,
FIG. 7 is a diagram showing a temperature change of a silicon film when the irradiation intensity of the second pulse is 150 mJ / cm 2 and the delay time is 200 nsec.
【図7】第1パルスの照射強度を450mJ/cm2、
第2パルスの照射強度を150mJ/cm2、その遅延
時間を300nsecとした場合のシリコン膜の温度変
化を示す図である。FIG. 7 shows that the irradiation intensity of the first pulse is 450 mJ / cm 2 ,
FIG. 9 is a diagram illustrating a temperature change of the silicon film when the irradiation intensity of the second pulse is 150 mJ / cm 2 and the delay time is 300 nsec.
【図8】出発材料をa−Siとした場合の、レーザ再結
晶化プロセスにおける溶融シリコンの結晶化固化の温度
変化を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a temperature change of crystallization and solidification of molten silicon in a laser recrystallization process when a starting material is a-Si.
【図9】総エネルギー照射完了後の冷却過程における最
大冷却速度および最小冷却速度と第2パルスの遅延時間
との関係を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a relationship between a maximum cooling rate and a minimum cooling rate and a delay time of a second pulse in a cooling process after completion of total energy irradiation.
【図10】第1パルスの照射強度を450mJ/c
m2、第2パルスの照射強度をそれぞれ100mJ/c
m2、その遅延時間を200nsecとした場合のシリ
コン膜の温度変化を示す図である。FIG. 10 shows an irradiation intensity of the first pulse of 450 mJ / c.
m 2 and the irradiation intensity of the second pulse are each 100 mJ / c.
FIG. 3 is a diagram showing a temperature change of a silicon film when m 2 and its delay time are 200 nsec.
【図11】第1パルスの照射強度を450mJ/c
m2、第2パルスの照射強度をそれぞれ50mJ/cm
2、その遅延時間を200nsecとした場合のシリコ
ン膜の温度変化を示す図である。FIG. 11 shows an irradiation intensity of the first pulse of 450 mJ / c.
m 2 and the irradiation intensity of the second pulse were each 50 mJ / cm.
2 is a diagram showing a temperature change of the silicon film when the delay time is set to 200 nsec.
【図12】第1パルスの照射強度を450mJ/c
m2、第2パルスの照射強度をそれぞれ25mJ/cm
2、その遅延時間を200nsecとした場合のシリコ
ン膜の温度変化を示す図である。FIG. 12 shows an irradiation intensity of the first pulse of 450 mJ / c.
m 2 and the irradiation intensity of the second pulse were 25 mJ / cm, respectively.
2 is a diagram showing a temperature change of the silicon film when the delay time is set to 200 nsec.
【図13】総エネルギー照射完了後の冷却過程における
最大冷却速度と第2パルスの照射強度との関係を説明す
るための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the relationship between the maximum cooling rate and the irradiation intensity of the second pulse in the cooling process after the completion of the total energy irradiation.
【図14】正規分布型の発光パルスを照射した場合の最
大冷却速度と凝固点付近の最小冷却速度との関係を示す
図である。FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the maximum cooling rate and the minimum cooling rate near the freezing point when a normally distributed light emission pulse is irradiated.
【図15】本発明の半導体薄膜の形成方法を適用したパ
ルスレーザ照射装置の一形態を示す構成図である。FIG. 15 is a configuration diagram showing one embodiment of a pulsed laser irradiation apparatus to which the method for forming a semiconductor thin film of the present invention is applied.
【図16】二次エネルギーを投入した場合のシリコン膜
の温度変化を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a temperature change of a silicon film when secondary energy is applied.
【図17】従来のパルスレーザ照射装置を示す構成図で
ある。FIG. 17 is a configuration diagram showing a conventional pulse laser irradiation device.
1a,1b パルスレーザ光源 2 発光制御装置 3 ハーフミラー 4a,4b,4c ミラー 5 光センサ 6 ビームホモジナイザ 7 光路 8 ガラス基板 9 シリコン薄膜 10 xyステージ 1a, 1b pulse laser light source 2 light emission control device 3 half mirror 4a, 4b, 4c mirror 5 optical sensor 6 beam homogenizer 7 optical path 8 glass substrate 9 silicon thin film 10 xy stage
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−306839(JP,A) 特開 平9−162121(JP,A) 特開 平10−12549(JP,A) 特開 平9−213651(JP,A) 特開 平3−25920(JP,A) 特開 平6−61172(JP,A) Jpn.J.Appl.Phys.V ol.34,Part 1,No.8A pp.3976−3981(1 Jpn.J.Appl.Phys.V ol.34,Part 1,No.4A pp.1759−1764(1 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-9-306839 (JP, A) JP-A-9-162121 (JP, A) JP-A-10-12549 (JP, A) JP-A-9-92 213651 (JP, A) JP-A-3-25920 (JP, A) JP-A-6-61172 (JP, A) Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34, Part 1, No. 8A pp. 3976-3981 (1 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34, Part 1, No. 4A pp. 1759-1764 (1 (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21 / 20
Claims (3)
れた、シリコンを主成分とする半導体薄膜を照射する第
1および第2のパルスレーザ光源を有し、前記第1のパ
ルスレーザ光源から射出されたパルス光の照射による溶
融固化過程において前記半導体薄膜の温度が最高温度に
到達した後、その固化が終了するまでの間に、前記第2
のパルスレーザ光源から射出されたパルス光が照射され
るように構成されており、前記第2のパルスレーザ光源
による加熱−冷却過程における最大冷却速度が、前記第
1のパルスレーザ光源のみの加熱−冷却過程から得られ
る最大冷却速度よりも小さくなるように制御されること
を特徴とするパルスレーザ照射装置において、前記第1
のパルスレーザ光源から射出されたパルス光を検知する
検知手段と、前記検知手段の検知タイミングに基づい
て、前記第1および第2のパルスレーザ光源の発光を制
御する発光制御手段とをさらに有し、前記発光制御手段
が、前記第1のパルスレーザ光源から射出されたパルス
光の照射による溶融固化過程において前記半導体薄膜の
温度が最高温度に到達した後、その固化が終了するまで
の間に、前記第2のパルスレーザ光源から射出されたパ
ルス光が照射されるように制御することを特徴とするパ
ルスレーザ照射装置。1. The method according to claim 1, wherein the insulating film is formed on an insulating substrate or an insulating thin film.
Irradiates a semiconductor thin film containing silicon as a main component
First and second pulsed laser light sources,
Melting by irradiation of pulsed light emitted from a laser light source
During the solidification process, the temperature of the semiconductor thin film reaches the maximum temperature.
After the arrival, the solidification of the second
Pulsed light emitted from the pulsed laser light source
The second pulsed laser light source
The maximum cooling rate in the heating-cooling process by
Obtained from the heating-cooling process of only one pulsed laser light source
Controlled to be less than the maximum cooling rate
In the pulse laser irradiation apparatus, the first
Detecting means for detecting pulsed light emitted from the pulsed laser light source, and light emission controlling means for controlling light emission of the first and second pulsed laser light sources based on the detection timing of the detecting means. The light emission control means, after the temperature of the semiconductor thin film reaches the maximum temperature in the melting and solidification process by irradiation of the pulse light emitted from the first pulse laser light source, until the solidification is completed, A pulse laser irradiation device, which controls so as to emit pulse light emitted from the second pulse laser light source.
において、前記第2のパルスレーザ光源から供給される
パルス光は、その光強度が前記第1のパルスレーザ光源
から供給されるパルス光よりも小さいことを特徴とする
パルスレーザ照射装置。2. The pulse laser irradiation apparatus according to claim 1 , wherein the pulse light supplied from the second pulse laser light source has a light intensity higher than that of the pulse light supplied from the first pulse laser light source. A pulsed laser irradiation apparatus characterized in that it is also small.
において、前記第1および第2のパルスレーザ光源から
供給されるパルス光は、発光開始から50nsec以内
に最大発光強度に達し、かつ、発光時間が100nse
c以上であることを特徴とするパルスレーザ照射装置。3. The pulse laser irradiation apparatus according to claim 1 , wherein the pulse light supplied from the first and second pulse laser light sources reaches a maximum light emission intensity within 50 nsec from the start of light emission and emits light. Time is 100 ns
A pulse laser irradiation device, wherein the number is not less than c.
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