JP4068813B2

JP4068813B2 - Method for manufacturing thin film semiconductor device

Info

Publication number: JP4068813B2
Application number: JP2001108056A
Authority: JP
Inventors: 安広島; 哲也小川; 秀忠時岡
Original assignee: Seiko Epson Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: JP2002305145A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は６００℃程度以下、好ましくは４２５℃程度以下の比較的低温にて結晶性が窮めて優れている多結晶性半導体膜を形成する技術に関する。取り分けこの技術を用いて多結晶珪素薄膜トランジスタに代表される薄膜半導体装置を安定かつ効率よく製造する方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶珪素薄膜トランジスタ（ｐ−ＳｉＴＦＴ）に代表される薄膜半導体装置を汎用ガラス基板を使用し得る６００℃程度以下、或いは非晶質珪素薄膜トランジスタ（ａ−ＳｉＴＦＴ）の製造温度と同程度の４２５℃程度以下の低温にて製造する場合、基板上に堆積された非晶質珪素膜に対してＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を照射し、前記非晶質珪素膜を多結晶珪素膜とするレーザ熱処理技術が用いられている。
【０００３】
このレーザ熱処理技術では、エキシマレーザ装置から出射されたレーザ光を光学装置によって均一な強度分布を有するレーザ光とし、またこのレーザ光のビーム形状を所定の大きさに成形して基板上の非晶質珪素膜に対してパルス状に照射する。このとき、ＸｅＣｌエキシマレーザ光の非晶質珪素および多結晶珪素における吸収係数は其々０．１３９ｎｍ^−１と０．１４９ｎｍ^−１と大きいため、照射されたレーザ光は珪素膜の表面近傍１５ｎｍ付近までで９割程度が吸収される。レーザ光を吸収した珪素膜は温度が上昇して溶融し、その後温度が低下するに従って溶融した珪素が結晶化して、多結晶珪素膜が形成される。
【０００４】
このレーザ熱処理技術を広面積の非晶質珪素膜に対して行う場合は、非晶質珪素膜の同一個所に対してレーザ光を１回または複数回照射し、その後に基板を所定量移動させてレーザ光の照射領域を変え、再度レーザ光を照射する工程を繰り返し行う。一般的には、レーザパルスの間の基板の移動量は、照射されるレーザ光のビーム形状の幅よりも狭く設定され、非晶質珪素膜の同一個所には複数回のレーザ光が照射するようにしている。この主な目的は一個所へのレーザ照射回数を増やすことで珪素膜の結晶性を高めることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれらの従来のレーザ熱処理技術では、エキシマレーザ装置が有する不安定性によりレーザ光のパルスエネルギーの厳密な制御が困難であり、これによる僅かなパルスエネルギーの変動によっても半導体膜質は同一基板内においてすら大きなばらつきを示していた。すなわち前記広面積の非晶質珪素膜に対して行うレーザ熱処理技術において、工程の途中でレーザ光のパルスエネルギーに変動やばらつきがあっても、また更には非晶質珪素膜については同基板内で膜質等のばらつきがあってもこれらを全く考慮せず、すなわちレーザ熱処理中における珪素膜の結晶化状態の変化には関係なく、レーザ光の照射領域を一定の所定量移動させ、レーザ熱処理を行っていた。このため、珪素膜の結晶性の観点から見ると、同一基板内の珪素膜においてもレーザ光の照射量に過不足の部分が発生してしまい、結果として珪素膜中の結晶化状態が安定せず、そこに形成する薄膜半導体装置の特性を均一にすることができない問題があった。
【０００６】
この問題の影響を緩和するため、珪素膜全体に対して必要以上に多くの照射回数のレーザ照射を行い、エキシマレーザ光のパルスエネルギーのばらつきの影響を見かけ上できるだけ小さくしようとする方法もある。しかしこの方法は効率が悪く、処理時間の増大を招き生産性が損なわれてしまう。また珪素膜表面の表面荒れが大きくなり、最悪の場合は珪素膜が部分的にアブレーションされ基板から剥離してしまう。多結晶珪素膜を能動層としてコプレーナ型あるいは正スタガ型ＭＯＳトランジスタを作製する場合、表面荒れが大きいとゲート酸化膜がショートしてしまうという問題があり、また珪素膜が部分的に剥離していると、そもそもＭＯＳトランジスタを形成することができない。
【０００７】
またこの問題の解決を図る別の従来技術として、特開平１１−２０４６０６号公報や、特開２０００−１３３６１４号公報や、特開２０００−１７４２８６号公報等に開示されている方法がある。しかしいずれも熱処理を行うレーザ装置とは別に、珪素膜の結晶性を検出するためのレーザ装置や電子線源を使用する必要がある。
【０００８】
そこで本願発明は上述の諸事情を鑑み、その目的とするところは薄膜半導体装置の製造にけるレーザ熱処理工程において優良な薄膜半導体装置を安定かつ効率的に製造する製造方法および製造装置を提供する事にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明のひとつの薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射する第 1 の工程と、前記パルスレーザ光の、前記半導体膜への入射光パルスエネルギーを検出する第２の工程と、前記パルスレーザ光の、前記基板及び前記半導体膜の透過光パルスエネルギーを検出する第３の工程と、前記パルスレーザ光の、前記半導体膜の反射光パルスエネルギーを検出する第４の工程と、前記第２の工程で検出したパルスエネルギーと、前記第３の工程で検出したパルスエネルギーと、前記第４の工程で検出したパルスエネルギーとから前記基板及び前記半導体膜を透過したレーザ光のパルスエネルギーの割合を算出する第５の工程と、前記割合が所定値に達したかどうかを確認する第６の工程と、を含み、前記第１の工程において、前記パルスレーザは前記基板に対して斜めに入射することを特徴とする。
上記ひとつの薄膜半導体装置の製造方法において、第６の工程で前記割合が前記所定値に達することが確認できた場合に、前記半導体膜において所定の結晶化状態が得られたと判断し、前記パルスレーザ光の照射位置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させる第７の工程を含むことが好ましい。
また、上記ひとつの薄膜半導体装置の製造方法における前記パルスレーザ光はＮｄイオンドープあるいはＹｂイオンドープの結晶あるいはガラスを励起媒質としたＱスイッチ発振固体レーザの高調波であることが好ましい。
さらに、上記ひとつの薄膜半導体装置の製造方法における前記パルスレーザ光はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であってもよい。
さらに、上記ひとつの薄膜半導体装置の製造方法における前記パルスレーザ光の波長が約５３２ｎｍであってもよい。
本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造方法において、前記基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有する第１のパルスレーザ光を照射する工程と、前記第１のパルスレーザ光を照射する工程では、前記半導体膜に入射する前記第１のパルスレーザ光のパルスエネルギーを検出する工程を含み、前記第１のパルスレーザ光が前記半導体膜を透過した第２のパルスレーザ光のパルスエネルギーを検出する工程と、前記第１のパルスレーザ光の第１のパルスエネルギーと、前記第２のパルスレーザ光の第２のパルスエネルギーとを比較することにより、前記第１のパルスエネルギーと前記第２のパルスエネルギーとの割合が所定値を上回ったか確認する工程と、を有することを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有する第１のパルスレーザ光を照射する工程と、前記第１のパルスレーザ光を照射する工程では、前記半導体膜に入射する前記第１のパルスレーザ光のパルスエネルギーを検出する工程を含み、前記第１のパルスレーザ光が前記半導体膜を反射した第２のパルスレーザ光のパルスエネルギーを検出する工程と、前記第１のパルスレーザ光の第１のパルスエネルギーと、前記第２のパルスレーザ光の第２のパルスエネルギーとを比較することにより、前記第１のパルスエネルギーと前記第２のパルスエネルギーとの割合が所定値を上回ったか確認する工程と、を有することを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、上記に記載の製造方法であって、前記半導体膜において、所定の結晶化状態が得られたら、前記第１のパルスレーザ光の照射位置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させることを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、上記に記載の製造方法であって、前記第１のパルスレーザを照射する工程を行いながら、前記第２のパルスレーザ光を検出する工程を行うことを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、上記に記載の製造方法であって、前記第１のパルスレーザと前記第２のパルスレーザとは、同一のレーザ発振装置から発振することを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、上記に記載の製造方法であって、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光はＮｄイオンドープあるいはＹｂイオンドープの結晶あるいはガラスを励起媒質としたＱスイッチ発振固体レーザの高調波であることを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、上記に記載の製造方法であって、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であることを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、上記に記載の製造方法であって、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光の波長が約５３２ｎｍであることを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有する第１のパルスレーザ光を照射する手段と、前記第１のパルスレーザ光の照射位置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させる駆動手段と、前記第１のパルスレーザ光のパルスエネルギーを検出するレーザ光検出手段と、前記第１のパルスレーザ光が前記半導体膜を反射した第２のパルスレーザ光のパルスエネルギーを検出する第２レーザ光検出手段と、前記第１レーザ光検出手段で検出した前記第１のパルスエネルギーと前記第２レーザ光検出手段で検出した前記第２のパルスエネルギーとをを比較することにより、前記第１のパルスエネルギーと前記第２のパルスエネルギーとの割合が所定値を上回ったか確認する半導体膜結晶化状態確認手段と、前記半導体膜結晶化状態確認手段によって前記半導体膜の所定の結晶化状態が得られたら、
前記駆動手段によってパルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させる制御手段を具備していることを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置は、上記に記載の製造装置であって、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光はＮｄイオンドープあるいはＹｂイオンドープの結晶あるいはガラスを励起媒質としたＱスイッチ発振固体レーザの高調波であることを特徴とする。
また、本願発明の薄膜半導体装置は、上記に記載の製造装置であって、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光の波長が約５３２ｎｍであることを特徴とする。
本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射する工程を含み、その際に前記半導体膜に照射されるパルスレーザ光の状態（入射光状態）を検出し、前記半導体膜を透過したパルスレーザ光の状態（透過光状態）を検出し、前記入射光状態と前記透過光状態から所定の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認し、前記半導体膜に対して所定の結晶化状態が得られたら、パルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させることを特徴としているものである。この様に半導体膜の結晶化状態を確認し、確認が得られたらパルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させることにより、所望の半動体膜の結晶化状態が安定かつ効率的に得られ、半導体膜全体が均一に結晶化される。
【００１０】
ここでパルスレーザ光の状態はパルスレーザ光のパルスエネルギーであり、所定の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する際には、半導体薄膜に対して照射したパルスレーザ光のパルスエネルギー（入射光パルスエネルギー）と、前記半導体薄膜を透過した前記パルスレーザ光のパルスエネルギー（透過光パルスエネルギー）を比較することにより、前記半導体薄膜を透過したパルスエネルギーの割合が所定値を上回ったか確認する。これによりパルスレーザ光のパルスエネルギーが不安定でも、所望の半動体薄膜の結晶化状態が安定して得られる。
【００１１】
また本願発明の薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射する工程を含み、その際に前記半導体膜に照射されるパルスレーザ光の状態（入射光状態）を検出し、前記半導体膜を反射したパルスレーザ光の状態（反射光状態）を検出し、前記半導体膜を透過したパルスレーザ光の状態（透過光状態）を検出し、前記入射光状態と前記反射光状態と前記透過光状態から所定の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認し、前記半導体膜に対して所定の結晶化状態が得られたら、パルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させることを特徴としているものである。この様に半導体膜の結晶化状態を確認し、確認が得られたらパルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させることにより、所望の半動体膜の結晶化状態が安定かつ効率的に得られ、半導体膜全体が均一に結晶化される。
【００１２】
ここでパルスレーザ光の状態はパルスレーザ光のパルスエネルギーであり、所定の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する際には、半導体薄膜に対して照射したパルスレーザ光のパルスエネルギー（入射光パルスエネルギー）と、前記半導体薄膜を反射した前記パルスレーザ光のパルスエネルギー（反射光パルスエネルギー）と、前記半導体薄膜を透過した前記パルスレーザ光のパルスエネルギー（透過光パルスエネルギー）を比較することにより、前記半導体薄膜を透過したパルスエネルギーの割合が所定値を上回ったか確認する。これによりパルスレーザ光のパルスエネルギーが不安定でも、所望の半動体薄膜の結晶化状態が安定して得られる。
【００１３】
この様なパルスレーザ光として最も優れているのがＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（ＹＡＧ２ωと略称する。その波長は５３２ｎｍ）である。
【００１４】
本願発明の薄膜半導体装置の製造装置は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射する手段と、前記パルスレーザ光の照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させる駆動手段と、前記半導体膜に照射されるパルスレーザ光の状態（入射光状態）を検出するレーザ光検出手段と、前記半導体膜を透過したパルスレーザ光の状態（透過光状態）を検出するレーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段で検出された前記入射光状態と前記反射光状態の比較から所定の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する半導体膜結晶化状態確認手段と、前記半導体膜結晶化状態確認手段によって前記半導体膜の所定の結晶化状態が得られたら、前記駆動手段によってパルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させる制御手段を具備していることを特徴とするものである。
【００１５】
ここでレーザ光検出手段は、パルスレーザ光の状態としてパルスエネルギーを検出し、半導体膜結晶化状態確認手段では、半導体薄膜に照射したパルスレーザ光のパルスエネルギー（入射光パルスエネルギー）と、前記半導体薄膜を透過した前記パルスレーザ光のパルスエネルギー（透過光パルスエネルギー）を其々レーザ光検出手段で検出し、前記レーザ光検出手段で検出した前記入射光パルスエネルギーと前記透過光パルスエネルギーを比較することにより、前記半導体薄膜を透過したパルスエネルギーの割合が所定値を上回ったか確認する。これによりパルスレーザ光のパルスエネルギーが不安定でも、所望の半導体薄膜の結晶化状態が安定して得られる。
【００１６】
また本願発明の薄膜半導体装置の製造装置は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射する手段と、前記パルスレーザ光の照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させる駆動手段と、前記半導体膜に照射されるパルスレーザ光の状態（入射光状態）を検出するレーザ光検出手段と、前記半導体膜を反射したパルスレーザ光の状態（反射光状態）を検出するレーザ光検出手段と、前記半導体膜を透過したパルスレーザ光の状態（透過光状態）を検出するレーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段で検出された前記入射光状態と前記反射光状態と前記透過光状態の比較から所定の半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する半導体膜結晶化状態確認手段と、前記半導体膜結晶化状態確認手段によって前記半導体膜の所定の結晶化状態が得られたら、前記駆動手段によってパルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させる制御手段を具備していることを特徴とするものである。
【００１７】
ここでレーザ光検出手段は、パルスレーザ光の状態としてパルスエネルギーを検出し、半導体膜結晶化状態確認手段では、半導体薄膜に照射したパルスレーザ光のパルスエネルギー（入射光パルスエネルギー）と、前記半導体薄膜を反射した前記パルスレーザ光のパルスエネルギー（反射光パルスエネルギー）と、前記半導体薄膜を透過した前記パルスレーザ光のパルスエネルギー（透過光パルスエネルギー）を其々レーザ光検出手段で検出し、前記レーザ光検出手段で検出した前記入射光パルスエネルギーと前記反射光パルスエネルギーと前記透過光パルスエネルギーを比較することにより、前記半導体薄膜を透過したパルスエネルギーの割合が所定値を上回ったか確認する。これによりパルスレーザ光のパルスエネルギーが不安定でも、所望の半導体薄膜の結晶化状態が安定して得られる。
【００１８】
この様な薄膜半導体装置の製造装置におけるパルスレーザ光として最も優れているのがＹＡＧ２ωレーザである。
【００１９】
本願発明は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造方法において、前記基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有する第１のパルスレーザ光を照射する工程と、前記半導体膜を透過した第２のパルスレーザ光の状態を検出する工程と、前記第２のパルスレーザ光の状態から前記半導体膜の所定の結晶化状態が得られたか確認する工程と、を有することを特徴とする。
【００２０】
また、本願発明は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射する工程と、前記半導体膜を反射した第２のパルスレーザ光の状態を検出する工程と、前記第２のパルスレーザ光の状態から所定の前記半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する工程と、を有することを特徴とする。
【００２１】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光を照射する工程では、前記半導体膜に入射する前記第１のパルスレーザ光の状態を検出する工程を含むことを特徴とする。
【００２２】
また、本願発明は、上記の発明において、所定の結晶化状態が得られたら、前記第１のパルスレーザ光の照射位置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させることを特徴とする。
【００２３】
また、本願発明は、上記の発明において、所定の前記半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する工程では、前記第１のパルスレーザ光の第１のパルスエネルギーと、前記第２のパルスレーザ光の第２のパルスエネルギーとを比較することにより、前記第１のパルスエネルギーよりも前記第２のパルスエネルギーの割合が所定値を上回ったか確認することを特徴とする。
【００２４】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザを照射する工程を行いながら、前記第２のパルスレーザ光を検出する工程を行うことを特徴とする。
【００２５】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザと前記第２のパルスレーザとは、同一のレーザ発振装置から発振することを特徴とする。
【００２６】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光はＮｄイオンドープあるいはＹｂイオンドープの結晶あるいはガラスを励起媒質としたＱスイッチ発振固体レーザの高調波であることを特徴とする。
【００２７】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であることを特徴とする。
【００２８】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光の波長が約５３２ｎｍであることを特徴とする。
【００２９】
また、本願発明は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有する第１のパルスレーザ光を照射する手段と、前記第１のパルスレーザ光の照射位置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させる駆動手段と、前記半導体膜を透過した第２のパルスレーザ光の状態を検出する第２レーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段で検出された前記第２のパルスレーザ光の状態から所定の前記半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する半導体膜結晶化状態確認手段と、前記半導体膜結晶化状態確認手段によって前記半導体膜の所定の結晶化状態が得られたら、前記駆動手段によって前記第１のパルスレーザ光の照射位置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させる制御手段を具備していることを特徴とする。
【００３０】
また、本願発明は、基板上に形成された珪素を主体とする結晶性半導体膜を能動層として用いる薄膜半導体装置の製造において、基板上に堆積された前記半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有する第１のパルスレーザ光を照射する手段と、前記第１のパルスレーザ光の照射位置に対する前記半導体膜の位置を相対的に移動させる駆動手段と、前記半導体膜を反射した第２のパルスレーザ光の状態を検出する第２レーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段で検出された前記第２のパルスレーザ光の状態から所定の前記半導体膜の結晶化状態が得られたか確認する半導体膜結晶化状態確認手段と、前記半導体膜結晶化状態確認手段によって前記半導体膜の所定の結晶化状態が得られたら、前記駆動手段によってパルスレーザ光照射位置に対する半導体膜の位置を相対的に移動させる制御手段を具備していることを特徴とする。
【００３１】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光の状態（入射光状態）を検出するレーザ光検出手段をさらに具備することを特徴とする。
【００３２】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第２レーザ光検出手段では、前記第１のパルスレーザ光の第１のパルスエネルギーと、前記第２のパルスレーザ光の第２のパルスエネルギーとを検出し、前記半導体膜結晶化状態確認手段では、前記第２レーザ光検出手段で検出した前記第１のパルスエネルギーと前記第２のパルスエネルギーとをを比較することにより、前記第１のパルスエネルギーよりも前記第２のパルスエネルギーの割合が所定値を上回ったか確認することを特徴とする。
【００３３】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光はＮｄイオンドープあるいはＹｂイオンドープの結晶あるいはガラスを励起媒質としたＱスイッチ発振固体レーザの高調波であることを特徴とする。
【００３４】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であることを特徴とする。
【００３５】
また、本願発明は、上記の発明において、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光の波長が約５３２ｎｍであることを特徴とする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明はガラスの歪点温度が５５０℃程度から６５０℃程度といった低耐熱性ガラス基板、あるいは高耐熱性プラスチック基板などの各種透明基板上に形成された結晶性の半動体膜を能動層として用いている薄膜半導体装置の製造方法および製造装置に関り、基板上に堆積された珪素を主体とした半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射するレーザ熱処理工程において、前記半導体膜を透過した前記パルスレーザ光の状態を検知することにより前記半導体膜の結晶化状態を判定しながら前記工程を進めることをその特徴とする。この様な前記波長を有するパルスレーザ光の内でも、非晶質珪素の吸収係数と多結晶珪素の吸収係数の差が大きい４５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光がより好ましい。
【００３７】
実施の形態１．図１は本願発明の薄膜半導体装置の製造方法を具現化する装置の構成図である。同図において１０１は３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を出射するレーザ発振装置で、ここではＹＡＧ２ωレーザ発振装置を使用した。１０２はレーザ発振装置１０１から出射されたレーザ光、１０３は反射ミラー、１０４はバリアブルアッテネータ、１０５は線状ビームに変換するためのビーム成形光学系、１０７は半導体膜を含む被処理物、１０８は移動ステージである。レーザ光１０２は、バリアブルアッテネータ１０４で所定のパルスエネルギーに調整された後、線状ビーム成形光学系１０５に入射する。線状ビーム成形光学系１０５により線状のビームプロファイルに変換された後、レーザ光１０２は被処理物１０７に照射され、レーザ熱処理が行われる。被処理物１０７は移動ステージ１０８上に設置されており、レーザ光照射時に、レーザ光照射位置に対する被処理物の位置を相対的に移動させることを可能にしている。被処理物１０７の詳細は図２のようであり、ガラス基板１２１上に下地膜１２２として厚さ２００ｎｍの酸化珪素膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成した上に、半導体膜材料として、厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜１２３をＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）により成膜した。
【００３８】
レーザ光は移動ステージ１０８を線状ビームの長手方向に直交した方向、すなわち線状ビームの幅方向に移動させながら照射する。この移動ステージは、駆動手段としての駆動装置１０９により移動されるようになっており、その制御は制御装置１１２により行われる。例えば制御装置１１２によってパルスレーザ光照射の間にステージが移動する距離を線状ビームの幅よりも短くなるように制御すると、被処理物１０７の同一箇所にはレーザ光の異なるビームプロファイル部分が複数回照射される。またパルスレーザ光照射の間にステージが移動する距離を線状ビームの幅よりも長くなるようにすると、被処理物１０７の同一箇所へのレーザ光のパルスは１回のみ照射されることになる。またパルスレーザ光照射の間に移動ステージを移動させなければ、被処理物１０７の同一箇所にはレーザ光の同一のビームプロファイル部分が複数回照射されることになる。
【００３９】
ビーム成形光学系１０５を通過したレーザ光１０２の光路にはビームスプリッター１０６が配置され、このビームスプリッター１０６を透過したレーザ光１０２が被処理物１０７に向かい、またレーザ光１０２の一部はビームスプリッター１０６で反射されてレーザ光検出手段としての検出器１１０に入射される。この検出器１１０はレーザ光の状態（入射光状態）を検出し、ここではレーザ光のパルス波形およびパルスエネルギーが検出できるバイアスフォトディテクタを使用した。
【００４０】
また被処理物１０７を透過したレーザ光１０２は、レーザ光検出手段としての検出器１１１に入射される。この検出器１１１は被処理物１０７を透過したレーザ光の状態（透過光状態）を検出し、ここではレーザ光のパルス波形およびパルスエネルギーが検出できるバイアスフォトディテクタを使用した。
【００４１】
制御装置１１２は、検出器１１０および検出器１１１で検出されるレーザ光１０２のパルスエネルギーから、被処理物１０７における半導体膜が所定の結晶化状態になったか確認する半導体膜結晶化状態確認手段の機能、この半導体膜結晶化状態確認手段によって所定の半導体膜の結晶化状態が得られたことが確認されたら、駆動装置１０９によってレーザ光１０２の照射位置に対する被処理物１０７の位置を相対的に移動させる制御手段の機能を有している。
【００４２】
前記半導体膜結晶化状態確認手段の機能では、検出器１１０および検出器１１１で検出されるパルスエネルギーから、被処理物１０７を透過したレーザ光のパルスエネルギーの割合を算出し、その割合が所定値に達したかを確認する。所定値については、半導体薄膜の結晶化状態とレーザ光の透過の割合の関係から予め求めて設定する。半導体薄膜の結晶化状態とレーザ光の透過の割合に関係がある事については後に述べる。
【００４３】
次に、被処理物１０７の非晶質珪素膜１２３にレーザ光１０２を照射して熱処理することで非晶質珪素膜１２３を多結晶珪素膜に結晶化させる結晶化方法について説明する。
【００４４】
３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を出射するレーザ発振装置１０１からのレーザ光１０２を、反射ミラー１０３、バリアブルアッテネータ１０４、線状ビームに変換するためのビーム成形光学系１０５、およびビームスプリッター１０６を通じて、移動ステージ１０８に載置された被処理物１０７の表面、すなわち半導体膜である非晶質珪素膜１２３に照射して熱処理をする。この熱処理によって非晶質珪素膜１２３が溶融して結晶化する。
【００４５】
この時ビームスプリッター１０６でレーザ光１０２の一部を反射して検出器１１０で検出する。同様に被処理物１０７を透過したレーザ光１０２は検出器１１１で検出する。制御装置１１２は検出器１１０および検出器１１１から入力されるレーザ光１０２のパルスエネルギーから、被処理物１０７を透過したレーザ光のパルスエネルギーの割合を算出し、その割合が所定値に達したかを確認する。
【００４６】
前記割合が所定値に達したことが確認されたら、駆動装置１０９により移動ステージ１０８を、ビーム成形光学系１０５によって線状ビームに成形されたレーザ光１０２の幅方向に例えば１．５μｍ〜３．０μｍ移動させ、レーザ光１０２の照射領域位置に対する被処理物１０７の位置を相対的に移動させて、再度レーザ光１０２の照射によって熱処理を行う。
【００４７】
したがって被処理物１０７を透過するレーザ光のパルスエネルギーの割合が所定値に達していない場合には、仮にある照射領域にレーザ光１０２を所定回数照射したとしても移動ステージは移動せず、非処理物１０７の同一箇所に再度レーザ照射を行い、実際に所定のパルスエネルギーの割合が得られたことが確認されてから、被処理物１０７に対するレーザ光１０２の照射領域を所定量移動させる。これにより、被処理物１０７の非晶質珪素膜１２３全体を均一な結晶化状態にすることができる。
【００４８】
ここで、珪素を主体とした半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射するレーザ熱処理技術について述べる。本技術は特開２０００-２６９１３３号公報にて開示されている。
【００４９】
図３に光の波長に対する非晶質珪素および多結晶珪素の吸収係数を示す。図３の横軸は光の波長で、縦軸が吸収係数である。破線（Amorphous Silicon）が非晶質珪素を表し、実線（Polysilicon）は多結晶珪素を示している。図３から分かるように、３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長領域では光の吸収係数は多結晶珪素中よりも非晶質珪素中での方が大きい。特に４５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長領域の光では、非晶質珪素中の吸収係数が多結晶珪素中の吸収係数の３倍以上大きい。また例えば波長が５３２ｎｍであるＹＡＧ２ωレーザ光の非晶質珪素での吸収係数μａＳｉ（ＹＡＧ２ω）と多結晶珪素での吸収係数μ_pSi(ＹＡＧ２ω)は其々、
μ_aSi（ＹＡＧ２ω）＝０．０１７２３ｎｍ^−１
μ_pSi（ＹＡＧ２ω）＝０．００４２６ｎｍ^−１
と、非晶質珪素での吸収係数の方が多結晶珪素での吸収係数よりも4倍余り大きくなっている。ここで多結晶膜は微視的には結晶成分と非晶質成分とから構成されている。結晶成分とは結晶粒内で積層欠陥等の欠陥が非常に少ない部位で、略単結晶状態にある箇所と言える。一方、非晶質成分とは結晶粒界や結晶粒内の欠陥部などの構造秩序に乱れが見られる部位で、非晶質状態にある箇所と言える。レーザ光を照射して結晶化を進めるレーザ熱処理方法では、非溶融部が冷却固化過程における結晶成長の核となる。高い構造秩序を有する結晶成分が結晶成長核となれば、そこから成長する結晶はやはり高い構造秩序を有する高品質な結晶化膜となる。これに反して構造秩序の乱れた部位が結晶成長核となれば、積層欠陥などが冷却固化過程にそこから成長するので、最終的に得られる結晶化膜は欠陥などを多く含んだ低品質な膜となる。従って優良な結晶化膜を得るには、多結晶膜中の非結晶成分を優先的に溶融させれば良いことになる。本願発明で用いる波長領域のレーザ光では、照射レーザ光の非晶質珪素における吸収係数が多結晶珪素における吸収係数よりも大きいので、非晶質成分が結晶成分に比べて優先的に加熱される。具体的には、結晶粒界や欠陥部が容易に溶融し、略単結晶状態にある良質な結晶成分が結晶成長核となるので、欠陥部や不対結合対等が大幅に低減し、粒界も構造秩序の高い対応粒界が支配的となる。この事は半導体膜の電気特性からすると、エネルギーバンド図における禁制帯中央部付近の捕獲準位密度を大きく減少させるとの効果をもたらす。またこの様な半導体膜を薄膜半導体装置の能動層（ソース領域やドレイン領域、チャネル形成領域）に用いると、オフ電流値が小さく、急峻な閾値下特性を示し（サブスレーシュホールドスィング値が小さく）、閾値電圧の低いトランジスタを得ることになる。エキシマレーザを用いた従来技術でこの様な優れた薄膜半導体装置がなかなか製造できなかったのは、溶融結晶化に適した波長を有するレーザ光を使用しておらず、結晶成分も非晶質成分も一緒に溶融させていたためと言える。
【００５０】
次に、半導体膜に３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下の波長を有するパルスレーザ光を照射するレーザ熱処理技術において、半導体膜の結晶化状態とその半導体膜を透過するレーザ光のパルスエネルギーの割合に関係がある事について説明する。
【００５１】
半導体膜中ではレーザ光は吸収され、入射したレーザ光は指数関数的にその強度が減少する。今、入射したレーザ光の強度をＩ（０）とし、珪素を主体とした半導体膜中での表面からの距離をｘ（ｎｍ）、場所ｘでの強度をＩ（ｘ）とすると、これらの間には吸収係数μ_Siを用いて次の関係式が成り立つ。
Ｉ（ｘ）／Ｉ（０）＝ｅｘｐ（−μ_Si・ｘ）（式１）
吸収係数μ_SiがＹＡＧ２ωレーザ光の非晶質珪素の吸収係数μ_aSi（ＹＡＧ２ω）の場合と、多結晶珪素の吸収係数μ_pSi（ＹＡＧ２ω）の場合、また従来技術のＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）の非晶質珪素の吸収係数μ_aSi（ＸｅＣｌ）と、多結晶珪素の吸収係数μ_pSi（ＸｅＣｌ）の場合について式１の関係を図４に示す。
【００５２】
ＹＡＧ２ωレーザ光を非晶質珪素膜に照射した場合（ａＳｉ（ＹＡＧ２ω））、その膜厚を５０ｎｍとすると、透過するレーザ光は入射したレーザ光の約４割の強度となる。一方多結晶珪素膜（ｐＳｉ（ＹＡＧ２ω））では、ＹＡＧ２ωレーザ光の吸収係数が小さいため、膜厚５０ｎｍの多結晶珪素膜を透過するレーザ光は、入射したレーザ光の約８割の強度となる。
【００５３】
図５に発明者等による実験データを示す。図５（ａ）は実験に使用したＹＡＧ２ωレーザ光のパルス波形で、図１における検出器１１０より検出した信号に相当する。図５（ｂ）は前記ＹＡＧ２ωレーザ光を非晶質珪素膜に照射し、透過したＹＡＧ２ωレーザ光のパルス波形、図５（ｃ）は前記ＹＡＧ２ωレーザ光を非晶質珪素膜の同一個所に複数回照射してこれを結晶化し、再度、前記同一個所に前記ＹＡＧ２ωレーザ光を照射した時に透過したＹＡＧ２ωレーザ光のパルス波形である。珪素膜が非晶質の場合に透過するレーザ光のパルス波形の強度は小さく、一方、結晶化した珪素膜を透過するレーザ光のパルス波形の強度は大きい。すなわち珪素膜の結晶性により、透過するＹＡＧ２ωレーザ光のパルス波形の強度は明らかに変化する。ここで１パルスのパルス波形を積分した値はレーザ光１パルスのパルスエネルギーに相当するから、珪素膜を透過するＹＡＧ２ωレーザ光のパルスエネルギーの変化は、珪素膜の結晶性の変化を反映していると言える。
【００５４】
図５では同一のパルスエネルギーをもつＹＡＧ２ωレーザ光を結晶性の異なる珪素膜に照射したが、レーザ発振装置のパルスエネルギーの変動などによって異なるパルスエネルギーが珪素膜に照射された場合については、照射したレーザ光のパルスエネルギーと、珪素膜を透過したパルスエネルギーを其々検出し、それらの割合を算出することで、珪素膜を透過したパルスエネルギーの割合として珪素膜の結晶性と対応つけることができる。
【００５５】
図１に示す実施の形態１では、検出器１１０および検出器１１１で検出した信号を用いることによって珪素膜を透過したＹＡＧ２ωレーザ光のパルスエネルギーの割合を算出し、これらから珪素膜の結晶化状態を把握することができる。そして把握した結晶化状態に応じて即時にレーザ光の照射条件を変更することができる。つまりレーザ熱処理工程中にレーザ光自身の出力変動等の変動要因があっても、珪素膜の結晶化状態をモニタリングしているため、被処理物１０７に結晶化不良が発生する領域を最小限にすることができ、更には結晶化不良が発生しているにも拘わらず、被処理物１０７を次工程に送ることを防止することができる。
【００５６】
これまで述べた本願発明の原理が最も効果的に働くのは、非晶質珪素での吸収係数と多結晶珪素の吸収係数の比（μ_aSi／μ_pSi）が大きい時である。図３を見ると、光の波長が４５０ｎｍ程度以上６５０ｎｍ程度以下の時に先の比が大きくなることがわかる。従って本願発明で用いるパルスレーザ光のより好ましい波長領域は４５０ｎｍ程度以上６５０ｎｍ程度以下と言える。
【００５７】
これに対しＸｅＣｌエキシマレーザを用いた従来技術では、非晶質珪素と多結晶珪素の吸収係数は先に述べたように其々０．１３９ｎｍ^−１と０．１４９ｎｍ^−１と大きく、またその差は約７％程度と小さい。よって、このレーザ光を珪素膜に照射しても表面近傍１５ｎｍ付近までで９割程度が吸収されるため透過光はほとんど検出できず、また非晶質成分と結晶成分の吸収係数はほとんど同じであるから、照射したエキシマレーザ光を用いて珪素膜の結晶化状態を検出することは非常に困難である。
【００５８】
以上述べたように、本願発明では非晶質珪素と多結晶珪素の吸収係数の異なるレーザ光を用いて良好な結晶化膜を形成すべくレーザ熱処理を行い、その際には前記吸収係数の違いを積極的に利用して珪素膜の結晶状態を検出し、そしてその検出結果を用いて、良好な結晶状態を有する珪素膜を安定かつ効率的に形成するために前記レーザ熱処理工程の制御を行う。
【００５９】
実施の形態２．図６に実施の形態２の薄膜半導体装置の製造方法を具現化する装置の構成図を示す。なお、実施の形態１と同様の構成については、同一符号を用いてその説明を省略する。
【００６０】
この装置は、レーザ光１０２が非処理物１０７に対して斜めに入射し、非処理物１０７を反射したレーザ光の状態（反射光状態）を検出する検出器１１３を備えている。ここで検出器１１３には、レーザ光のパルス波形およびパルスエネルギーが検出できるバイアスフォトディテクタを使用した。またこの実施の形態では、非処理物１０７の法線に対して、例えば約２０°の角度からレーザ光を非処理物に照射した。
【００６１】
制御装置１１２は、検出器１１０、検出器１１１、検出器１１３で検出されるレーザ光１０２の状態から、被処理物１０７における半導体膜が所定の結晶化状態になったか確認する半導体膜結晶化状態確認手段の機能、この半導体膜結晶化状態確認手段によって所定の半導体膜の結晶化状態が得られたことが確認されたら、駆動装置１０９によってレーザ光１０２の照射位置に対する被処理物１０７の位置を相対的に移動させる制御手段の機能を有している。
【００６２】
半導体膜結晶化状態確認手段の機能では、検出器１１０、検出器１１１、検出器１１３で検出されるレーザ光１０２の状態、すなわち入射光パルスエネルギーと透過光パルスエネルギーと反射光パルスエネルギーから、被処理物１０７を透過したレーザ光のパルスエネルギーの割合を算出し、その割合が所定値に達したかを確認する。所定値については、半導体薄膜の結晶化状態とレーザ光の透過の割合を予め求めて設定する。
【００６３】
被処理物１０７から反射したレーザ光のパルスエネルギーを検出することで、より正確にレーザ光１０２の被処理物１０７を透過したパルスエネルギーの割合を算出できる。すなわち、被処理物１０７にレーザ光１０２を複数回照射した際は被処理物１０７中の非晶質珪素膜１２３の表面荒れが顕著になり、また前記非晶質珪素膜が結晶化することで膜質が変化するため、被処理物１０７に対するレーザ光１０２の反射係数が変化し、これによって実質的に被処理物１０７内に入射するレーザ光のパルスエネルギーは変化する。
【００６４】
この実施の形態２では、レーザ光１０２の一部をビームスプリッター１０６で反射して被処理物１０７を照射する前記レーザ光のパルスエネルギー（入射光パルスエネルギー）を検出器１１０で検出し、また前記レーザ光１０２を前記被処理物１０７に対して斜めに照射することで、前記被処理物１０７の表面で反射した前記レーザ光１０２のパルスエネルギー（反射光パルスエネルギー）を検出器１１３で検出し、其々の検出器で検出された前記入射光パルスエネルギーと前記反射光パルスエネルギーから実質的に前記被処理物１０７の中に入射したレーザ光のパルスエネルギーを算出する。そしてこの算出されたパルスエネルギーと、検出器１１１によって検出される前記被処理物１０７を透過したレーザ光１０２のパルスエネルギー（透過光パルスエネルギー）とから、実施の形態１と同様に、前記被処理物１０７を透過したレーザ光のパルスエネルギーの割合を算出し、その割合が所定値に達したかを確認する。
【００６５】
この透過したパルスエネルギーの割合が所定値に達したことが確認されたら、駆動装置１０９によって移動ステージ１０８を、ビーム成形光学系１０５により線状ビームに成形されたレーザ光１０２の幅方向に例えば１．５μｍ〜３．０μｍ移動させ、被処理物１０７に対するレーザ光１０２の照射領域を移動させ、再度同様のレーザ光１０２の照射によって熱処理する。
【００６６】
実施の形態２の薄膜半導体装置の製造方法および製造装置は、レーザ光の照射によって被処理物の反射率が著しく変化する場合、また被処理物を透過するレーザ光のパルスエネルギーの割合をより正確に検出する場合に効果が認められる。
【００６７】
実施の形態３．実施の形態３では使用するレーザについて説明する。実施の形態１および実施の形態２ではＹＡＧ２ωレーザによるレーザ照射について説明した。ＹＡＧ２ωレーザは効率が良く、高出力のものが得られるため、レーザ熱処理の生産性が良いものが得られるというメリットがある。本願発明の主旨によれば、照射するレーザ光に関しては、基本的に非晶質珪素と多結晶珪素に対するレーザ光の吸収係数の差で決まることで、図３に示すように、３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下のパルスレーザ光であれば、実施の形態１および実施の形態２で述べたＹＡＧ２ωレーザの場合と同様の効果が得られる。従ってＹＡＧ２ωレーザのみならず、他のＮｄイオンドープの固体レーザの高調波、すなわちＮｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧやＹｂ：ガラスといったＹｂイオンドープの固体レーザの第２高調波や、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの基本波または第２高調波を用いてレーザ熱処理を行っても良い。これらのレーザは高効率で比較的安定な発振が可能であるため、信頼性の高いレーザ熱処理方法や装置を提供できる。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳述してきたように、従来ばらつきの大きかった結晶性半導体膜を本願発明では結晶化工程を工夫することにより、均一で高品質な結晶性半導体膜とすることができる。これにより薄膜トランジスタに代表される薄膜半導体装置の電気特性を著しく向上させ、同時にこのような薄膜半導体装置を安定的に製造し得るとの効果が認められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施の形態１を示すレーザ熱処理装置の構成図である。
【図２】図１におけるレーザ熱処理を施す被処理物の構造を示す模式図である。
【図３】光の波長と半導体における吸収係数との関係を示した図である。
【図４】半導体膜厚と膜中での光強度との関係を説明した図である。
【図５】（ａ）は珪素膜に照射したＹＡＧ２2ωレーザ光のパルス波形図、（ｂ）および（ｃ）は其々非晶質珪素膜および多結晶珪素膜を透過した前記レーザ光のパルス波形図である。
【図６】本願発明の実施の形態２を示すレーザ熱処理装置の構成図である。
【符号の説明】
１０１ＹＡＧ２ωレーザの発振装置
１０２ＹＡＧ２ωレーザの発振装置から出射されたレーザ光
１０３反射ミラー
１０４バリアブルアッテネータ
１０５ビーム成形光学系
１０６ビームスプリッター
１０７被処理物
１０８移動ステージ
１０９駆動装置
１１０検出器
１１１検出器
１１２制御装置
１１３検出器
１２１ガラス基板
１２２下地膜
１２３半導体膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a technique for forming a polycrystalline semiconductor film having excellent crystallinity at a relatively low temperature of about 600 ° C. or lower, preferably about 425 ° C. or lower. In particular, the present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a thin film semiconductor device typified by a polycrystalline silicon thin film transistor stably and efficiently using this technique.
[0002]
[Prior art]
  A thin film semiconductor device typified by a polycrystalline silicon thin film transistor (p-Si TFT) can be used with a general-purpose glass substrate at about 600 ° C. or lower, or 425 which is about the same as the manufacturing temperature of an amorphous silicon thin film transistor (a-Si TFT). In the case of manufacturing at a low temperature of about 0 ° C. or less, the amorphous silicon film deposited on the substrate is irradiated with a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm) to make the amorphous silicon film a polycrystalline silicon film. Heat treatment technology is used.
[0003]
  In this laser heat treatment technology, laser light emitted from an excimer laser device is converted into laser light having a uniform intensity distribution by an optical device, and the beam shape of this laser light is shaped to a predetermined size to form an amorphous material on a substrate. Irradiate the porous silicon film in pulses. At this time, the absorption coefficient of XeCl excimer laser light in amorphous silicon and polycrystalline silicon is 0.139 nm, respectively.^-1And 0.149nm^-1Therefore, about 90% of the irradiated laser light is absorbed up to about 15 nm near the surface of the silicon film. The silicon film that has absorbed the laser light is melted at an elevated temperature, and then the melted silicon is crystallized as the temperature is lowered to form a polycrystalline silicon film.
[0004]
  When this laser heat treatment technique is performed on an amorphous silicon film having a large area, the same portion of the amorphous silicon film is irradiated with laser light one or more times, and then the substrate is moved by a predetermined amount. Then, the laser light irradiation region is changed, and the step of irradiating the laser light again is repeated. In general, the amount of movement of the substrate between laser pulses is set to be narrower than the width of the beam shape of the irradiated laser light, and the same portion of the amorphous silicon film is irradiated with the laser light multiple times. I am doing so. The main purpose is to increase the crystallinity of the silicon film by increasing the number of times of laser irradiation to one place.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
  However, in these conventional laser heat treatment techniques, it is difficult to strictly control the pulse energy of the laser beam due to the instability of the excimer laser device, and the semiconductor film quality is even within the same substrate due to slight fluctuations in the pulse energy. It showed a large variation. That is, in the laser heat treatment technique performed on the amorphous silicon film having a large area, even if the pulse energy of the laser beam fluctuates or varies during the process, the amorphous silicon film is not processed within the same substrate. Even if there are variations in film quality, etc., these are not taken into account at all, that is, regardless of the change in the crystallization state of the silicon film during laser heat treatment, the laser irradiation region is moved by a predetermined amount, and laser heat treatment is performed. I was going. For this reason, from the viewpoint of the crystallinity of the silicon film, an excessive or insufficient portion of the laser beam irradiation amount occurs even in the silicon film on the same substrate, and as a result, the crystallization state in the silicon film is stabilized. However, there is a problem that the characteristics of the thin film semiconductor device formed there cannot be made uniform.
[0006]
  In order to alleviate the influence of this problem, there is a method in which the entire silicon film is irradiated with laser more times than necessary, and the influence of variations in the pulse energy of the excimer laser light is apparently made as small as possible. However, this method is inefficient, increases the processing time, and impairs productivity. Further, the surface roughness of the silicon film increases, and in the worst case, the silicon film is partially ablated and peeled off from the substrate. When a coplanar type or positive stagger type MOS transistor is manufactured using a polycrystalline silicon film as an active layer, there is a problem that the gate oxide film is short-circuited if the surface roughness is large, and the silicon film is partially peeled off. In the first place, a MOS transistor cannot be formed.
[0007]
  As another conventional technique for solving this problem, there are methods disclosed in JP-A-11-204606, JP-A-2000-133614, JP-A-2000-174286, and the like. However, in any case, it is necessary to use a laser device or an electron beam source for detecting the crystallinity of the silicon film separately from the laser device that performs the heat treatment.
[0008]
  Accordingly, in view of the above-mentioned circumstances, the present invention aims to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for stably and efficiently manufacturing an excellent thin film semiconductor device in a laser heat treatment process in the manufacture of a thin film semiconductor device. It is in.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  One method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention is to manufacture a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer. Irradiation with pulsed laser light having a wavelength of 710 nm or less 1 A second step of detecting incident light pulse energy of the pulsed laser light on the semiconductor film, and a third step of detecting transmitted light pulse energy of the pulsed laser light through the substrate and the semiconductor film. The fourth step of detecting the reflected light pulse energy of the semiconductor film, the pulse energy detected in the second step, and the pulse energy detected in the third step A fifth step of calculating a ratio of the pulse energy of the laser light transmitted through the substrate and the semiconductor film from the pulse energy detected in the fourth step, and confirming whether the ratio has reached a predetermined value And in the first step, the pulse laser is incident on the substrate obliquely.
In the manufacturing method of one thin film semiconductor device, when it is confirmed in the sixth step that the ratio reaches the predetermined value, it is determined that a predetermined crystallization state is obtained in the semiconductor film, and the pulse It is preferable to include a seventh step of moving the position of the semiconductor film relative to the irradiation position of the laser beam.
Further, it is preferable that the pulse laser beam in the one method for manufacturing a thin film semiconductor device is a harmonic of a Q-switch oscillation solid-state laser using Nd ion-doped or Yb ion-doped crystal or glass as an excitation medium.
Further, the pulse laser beam in the one method of manufacturing a thin film semiconductor device may be a second harmonic of a Q-switched Nd: YAG laser.
Further, the wavelength of the pulse laser beam in the one method for manufacturing a thin film semiconductor device may be about 532 nm.
  The method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, wherein the semiconductor film deposited on the substrate is formed on the semiconductor film. In the step of irradiating the first pulse laser beam having a wavelength of 370 nm to 710 nm and the step of irradiating the first pulse laser beam, pulse energy of the first pulse laser beam incident on the semiconductor film is changed. Detecting a pulse energy of a second pulsed laser beam transmitted through the semiconductor film, and a first pulsed energy of the first pulsed laser beam, By comparing the second pulse energy of the second pulse laser beam, the first pulse energy and the second pulse energy are compared. Ratio of the is characterized in that and a step of confirming whether or exceeds a predetermined value.
  Further, the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention provides a method for manufacturing a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, on the semiconductor film deposited on the substrate. In the step of irradiating the first pulse laser beam having a wavelength of 370 nm to 710 nm and the step of irradiating the first pulse laser beam, pulse energy of the first pulse laser beam incident on the semiconductor film is changed. Detecting a pulse energy of a second pulsed laser beam reflected by the semiconductor film by the first pulsed laser beam; a first pulsed energy of the first pulsed laser beam; By comparing the second pulse energy of the second pulse laser beam, the first pulse energy and the second pulse energy Ratio of is characterized in that and a step of confirming whether or exceeds a predetermined value.
  Moreover, the manufacturing method of the thin film semiconductor device according to the present invention is the manufacturing method described above, and when a predetermined crystallization state is obtained in the semiconductor film, the irradiation with the first pulsed laser beam is performed. The position of the semiconductor film is relatively moved.
  Moreover, the manufacturing method of the thin film semiconductor device of the present invention is the manufacturing method described above, wherein the step of detecting the second pulse laser beam is performed while performing the step of irradiating the first pulse laser. It is characterized by that.
  The thin film semiconductor device manufacturing method of the present invention is the manufacturing method described above, wherein the first pulse laser and the second pulse laser oscillate from the same laser oscillation device. And
  Further, the manufacturing method of the thin film semiconductor device of the present invention is the manufacturing method described above, wherein the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are Nd ion-doped or Yb ion-doped crystal or glass. It is a harmonic of a Q-switched oscillation solid-state laser using as a pumping medium.
  The thin film semiconductor device manufacturing method according to the present invention is the manufacturing method described above, wherein the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are second harmonics of a Q-switched Nd: YAG laser. It is characterized by being.
  The thin film semiconductor device manufacturing method of the present invention is the manufacturing method described above, wherein the wavelengths of the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are about 532 nm. .
  The thin film semiconductor device according to the present invention is a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer. The semiconductor film deposited on the substrate has a thickness of 370 nm to 710 nm. Means for irradiating a first pulse laser beam having the following wavelength; drive means for moving the position of the semiconductor film relative to the irradiation position of the first pulse laser light; and the first pulse laser light. Laser light detecting means for detecting the pulse energy of the second laser light detecting means for detecting the pulse energy of the second pulse laser light reflected from the semiconductor film by the first pulse laser light, and the first laser The first pulse energy detected by the light detection means is compared with the second pulse energy detected by the second laser light detection means. The semiconductor film crystallization state confirmation means for confirming whether the ratio of the first pulse energy and the second pulse energy exceeds a predetermined value, and the semiconductor film crystallization state confirmation means Once the crystallization state is obtained,
The driving means includes control means for moving the position of the semiconductor film relative to the pulse laser light irradiation position.
  The thin film semiconductor device of the present invention is the manufacturing apparatus described above, wherein the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are made of Nd ion-doped or Yb ion-doped crystal or glass as an excitation medium. It is a harmonic of the Q-switch oscillation solid-state laser.
  The thin film semiconductor device of the present invention is the manufacturing apparatus described above, wherein the first pulsed laser beam and the second pulsed laser beam have a wavelength of about 532 nm.
  The method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, and the semiconductor film deposited on the substrate has a thickness of 370 nm or more. Including a step of irradiating pulsed laser light having a wavelength of 710 nm or less, detecting a state of the pulsed laser light (incident light state) irradiated to the semiconductor film at that time, and detecting the pulsed laser light transmitted through the semiconductor film The state (transmitted light state) is detected, and it is confirmed whether a predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained from the incident light state and the transmitted light state. When a predetermined crystallization state is obtained for the semiconductor film The semiconductor film is moved relative to the pulse laser beam irradiation position. In this way, the crystallization state of the semiconductor film is confirmed, and if confirmation is obtained, the position of the semiconductor film is moved relative to the irradiation position of the pulsed laser beam, so that the crystallization state of the desired semi-moving body film is stable and efficient. The entire semiconductor film is crystallized uniformly.
[0010]
  Here, the state of the pulsed laser beam is the pulsed energy of the pulsed laser beam. When confirming whether a predetermined crystallization state of the semiconductor film has been obtained, the pulsed energy (incident incident) of the pulsed laser beam applied to the semiconductor thin film is confirmed. It is confirmed whether the ratio of the pulse energy transmitted through the semiconductor thin film exceeds a predetermined value by comparing the light pulse energy) with the pulse energy of the pulse laser light transmitted through the semiconductor thin film (transmitted light pulse energy). Thereby, even if the pulse energy of the pulse laser beam is unstable, the desired crystallization state of the semi-moving body thin film can be stably obtained.
[0011]
  The method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, and 370 nm on the semiconductor film deposited on the substrate. Including a step of irradiating a pulse laser beam having a wavelength of 710 nm or less, detecting a state (incident light state) of the pulse laser beam irradiated to the semiconductor film at that time, and reflecting the semiconductor film The state (reflected light state) is detected, the state of the pulsed laser light (transmitted light state) transmitted through the semiconductor film is detected, and a predetermined semiconductor film is determined from the incident light state, the reflected light state, and the transmitted light state. If a predetermined crystallization state is obtained with respect to the semiconductor film, the position of the semiconductor film is moved relative to the pulse laser light irradiation position. It is intended that characterized. In this way, the crystallization state of the semiconductor film is confirmed, and if confirmation is obtained, the position of the semiconductor film is moved relative to the irradiation position of the pulsed laser beam, so that the crystallization state of the desired semi-moving body film is stable and efficient. The entire semiconductor film is crystallized uniformly.
[0012]
  Here, the state of the pulsed laser beam is the pulsed energy of the pulsed laser beam. When confirming whether a predetermined crystallization state of the semiconductor film has been obtained, the pulsed energy (incident incident) of the pulsed laser beam applied to the semiconductor thin film is confirmed. Optical pulse energy), pulse energy of the pulsed laser light reflected from the semiconductor thin film (reflected light pulse energy), and pulse energy of the pulsed laser light transmitted through the semiconductor thin film (transmitted light pulse energy). Thus, it is confirmed whether the ratio of the pulse energy transmitted through the semiconductor thin film exceeds a predetermined value. Thereby, even if the pulse energy of the pulse laser beam is unstable, the desired crystallization state of the semi-moving body thin film can be stably obtained.
[0013]
  The most excellent as such a pulse laser beam is the second harmonic (abbreviated as YAG2ω. Its wavelength is 532 nm) of the Nd: YAG laser.
[0014]
  An apparatus for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention provides a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer. The semiconductor film deposited on the substrate has a thickness of 370 nm or more. Means for irradiating pulsed laser light having a wavelength of 710 nm or less; driving means for moving the position of the semiconductor film relative to the irradiation position of the pulsed laser light; and state of pulsed laser light applied to the semiconductor film ( Laser light detecting means for detecting the incident light state), laser light detecting means for detecting the state of the pulsed laser light transmitted through the semiconductor film (transmitted light state), and the incident light detected by the laser light detecting means. A semiconductor film crystallization state confirmation means for confirming whether a predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained from a comparison between the state and the reflected light state, and the semiconductor film crystallization state When a predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained by the confirmation unit, the driving unit includes a control unit that moves the position of the semiconductor film relative to the pulse laser beam irradiation position. It is.
[0015]
  Here, the laser light detection means detects the pulse energy as the state of the pulse laser light, and the semiconductor film crystallization state confirmation means detects the pulse energy (incident light pulse energy) of the pulse laser light applied to the semiconductor thin film, and the semiconductor Pulse energy (transmitted light pulse energy) of the pulsed laser light transmitted through the thin film is detected by laser light detecting means, and the incident light pulse energy detected by the laser light detecting means is compared with the transmitted light pulse energy. Thus, it is confirmed whether the ratio of the pulse energy transmitted through the semiconductor thin film exceeds a predetermined value. Thereby, even if the pulse energy of the pulse laser beam is unstable, a desired crystallized state of the semiconductor thin film can be stably obtained.
[0016]
  The thin film semiconductor device manufacturing apparatus according to the present invention provides a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, and the semiconductor film deposited on the substrate has a thickness of 370 nm. A means for irradiating a pulsed laser beam having a wavelength of 710 nm or less; a driving means for moving the position of the semiconductor film relative to the irradiation position of the pulsed laser light; and a state of the pulsed laser light applied to the semiconductor film Laser light detecting means for detecting (incident light state), laser light detecting means for detecting the state (reflected light state) of pulsed laser light reflected on the semiconductor film, and state of pulsed laser light transmitted through the semiconductor film Laser light detecting means for detecting (transmitted light state), the incident light state detected by the laser light detecting means, the reflected light state, and the transmitted light state The semiconductor film crystallization state confirming means for confirming whether or not a predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained from the comparison, and when the predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained by the semiconductor film crystallization state confirmation means, the driving Control means for moving the position of the semiconductor film relative to the irradiation position of the pulse laser beam by the means is provided.
[0017]
  Here, the laser light detection means detects the pulse energy as the state of the pulse laser light, and the semiconductor film crystallization state confirmation means detects the pulse energy (incident light pulse energy) of the pulse laser light applied to the semiconductor thin film, and the semiconductor The pulse energy of the pulsed laser light reflected from the thin film (reflected light pulse energy) and the pulsed energy of the pulsed laser light transmitted through the semiconductor thin film (transmitted light pulse energy) are detected by laser light detection means, respectively, By comparing the incident light pulse energy detected by the laser light detection means, the reflected light pulse energy, and the transmitted light pulse energy, it is confirmed whether the ratio of the pulse energy transmitted through the semiconductor thin film exceeds a predetermined value. Thereby, even if the pulse energy of the pulse laser beam is unstable, a desired crystallized state of the semiconductor thin film can be stably obtained.
[0018]
  The YAG 2ω laser is the most excellent as the pulse laser beam in such a thin film semiconductor device manufacturing apparatus.
[0019]
  The present invention relates to a method of manufacturing a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, wherein the semiconductor film deposited on the substrate has a wavelength of 370 nm to 710 nm. A step of irradiating the first pulsed laser light, a step of detecting a state of the second pulsed laser light transmitted through the semiconductor film, and a predetermined crystal of the semiconductor film from the state of the second pulsed laser light. And a step of confirming whether or not a converted state has been obtained.
[0020]
  In the present invention, in the manufacture of a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, a wavelength of 370 nm to 710 nm is applied to the semiconductor film deposited on the substrate. A step of irradiating a pulsed laser beam, a step of detecting a state of the second pulsed laser beam reflected from the semiconductor film, and a predetermined crystallization state of the semiconductor film from the state of the second pulsed laser beam. And a step of confirming whether it has been obtained.
[0021]
  In the present invention, in the above invention, the step of irradiating the first pulse laser beam includes a step of detecting a state of the first pulse laser beam incident on the semiconductor film. .
[0022]
  The present invention is characterized in that, in the above invention, when a predetermined crystallization state is obtained, the position of the semiconductor film is moved relative to the irradiation position of the first pulse laser beam.
[0023]
  According to the present invention, in the above-described invention, in the step of confirming whether a predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained, the first pulse energy of the first pulse laser beam and the second pulse laser By comparing with the second pulse energy of light, it is confirmed whether the ratio of the second pulse energy exceeds a predetermined value with respect to the first pulse energy.
[0024]
  The invention of the present application is characterized in that, in the above invention, the step of detecting the second pulse laser beam is performed while performing the step of irradiating the first pulse laser.
[0025]
  In the invention of the present application, the first pulse laser and the second pulse laser oscillate from the same laser oscillation device.
[0026]
  The present invention is the above-described invention, wherein the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are harmonics of a Q-switch oscillation solid-state laser using Nd ion-doped or Yb ion-doped crystal or glass as an excitation medium. It is a wave.
[0027]
  Further, the invention of the present application is characterized in that, in the above invention, the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are second harmonics of a Q-switched Nd: YAG laser.
[0028]
  Further, the invention of the present application is characterized in that, in the above invention, the wavelengths of the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are about 532 nm.
[0029]
  In the present invention, in the manufacture of a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, a wavelength of 370 nm to 710 nm is applied to the semiconductor film deposited on the substrate. Means for irradiating the first pulsed laser light, driving means for moving the position of the semiconductor film relative to the irradiation position of the first pulsed laser light, and a second pulsed laser transmitted through the semiconductor film Second laser light detecting means for detecting the state of light, and a semiconductor film for confirming whether a predetermined crystallization state of the semiconductor film has been obtained from the state of the second pulse laser light detected by the laser light detecting means When the predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained by the crystallization state confirmation unit and the semiconductor film crystallization state confirmation unit, the driving unit performs the first pulse. Characterized in that it comprises a control means for relatively moving the position of the semiconductor film with respect to the irradiation position of the laser light.
[0030]
  In the present invention, in the manufacture of a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer, a wavelength of 370 nm to 710 nm is applied to the semiconductor film deposited on the substrate. Means for irradiating the first pulse laser beam, driving means for moving the position of the semiconductor film relative to the irradiation position of the first pulse laser light, and a second pulse laser reflecting the semiconductor film. Second laser light detecting means for detecting the state of light, and a semiconductor film for confirming whether a predetermined crystallization state of the semiconductor film has been obtained from the state of the second pulse laser light detected by the laser light detecting means When a predetermined crystallization state of the semiconductor film is obtained by the crystallization state confirmation unit and the semiconductor film crystallization state confirmation unit, the driving unit irradiates pulse laser light. Characterized in that it comprises a control means for relatively moving the position of the semiconductor film with respect to the position.
[0031]
  The invention of the present application is characterized in that, in the above invention, further comprises a laser light detecting means for detecting a state (incident light state) of the first pulse laser light.
[0032]
  Further, in the present invention according to the above-mentioned invention, the second laser light detection means obtains the first pulse energy of the first pulse laser light and the second pulse energy of the second pulse laser light. The semiconductor film crystallization state confirmation means detects the first pulse energy by comparing the first pulse energy detected by the second laser light detection means with the second pulse energy. It is characterized in that it is confirmed whether the ratio of the second pulse energy exceeds a predetermined value.
[0033]
  The present invention is the above-described invention, wherein the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are harmonics of a Q-switch oscillation solid-state laser using Nd ion-doped or Yb ion-doped crystal or glass as an excitation medium. It is a wave.
[0034]
  Further, the invention of the present application is characterized in that, in the above invention, the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are second harmonics of a Q-switched Nd: YAG laser.
[0035]
  Further, the invention of the present application is characterized in that, in the above invention, the wavelengths of the first pulse laser beam and the second pulse laser beam are about 532 nm.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The present invention uses, as an active layer, a crystalline semi-moving body film formed on various transparent substrates such as a low heat resistant glass substrate having a glass strain point temperature of about 550 ° C. to about 650 ° C. or a high heat resistant plastic substrate. In a laser heat treatment step of irradiating a semiconductor film mainly composed of silicon deposited on a substrate with a pulsed laser beam having a wavelength of 370 nm or more and 710 nm or less. The step is advanced while determining the crystallization state of the semiconductor film by detecting the state of the pulsed laser light transmitted through the film. Among the pulsed laser beams having such a wavelength, a pulsed laser beam having a wavelength of 450 nm or more and 650 nm or less having a large difference between the absorption coefficient of amorphous silicon and that of polycrystalline silicon is more preferable.
[0037]
  Embodiment 1 FIG. FIG. 1 is a block diagram of an apparatus embodying a method for manufacturing a thin film semiconductor device of the present invention. In the figure, reference numeral 101 denotes a laser oscillation device that emits a pulsed laser beam having a wavelength of 370 nm or more and 710 nm or less. Here, a YAG2ω laser oscillation device is used. 102 is a laser beam emitted from the laser oscillation device 101, 103 is a reflecting mirror, 104 is a variable attenuator, 105 is a beam shaping optical system for converting into a linear beam, 107 is an object to be processed including a semiconductor film, and 108 is It is a moving stage. The laser beam 102 is adjusted to a predetermined pulse energy by the variable attenuator 104 and then enters the linear beam shaping optical system 105. After being converted into a linear beam profile by the linear beam shaping optical system 105, the laser beam 102 is irradiated onto the workpiece 107, and laser heat treatment is performed. The object to be processed 107 is installed on the moving stage 108, and the position of the object to be processed can be moved relative to the laser light irradiation position at the time of laser light irradiation. The details of the object to be processed 107 are as shown in FIG. 2. A silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed as a base film 122 on a glass substrate 121 by CVD (Chemical Vapor Deposition), and then a thickness of a semiconductor film material is formed. A 50 nm amorphous silicon film 123 was formed by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
[0038]
  The laser beam is irradiated while moving the moving stage 108 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the linear beam, that is, in the width direction of the linear beam. This moving stage is moved by a driving device 109 as driving means, and the control is performed by the control device 112. For example, when the control device 112 controls the distance that the stage moves during pulsed laser beam irradiation to be shorter than the width of the linear beam, a plurality of beam profile portions with different laser beams are provided at the same position of the workpiece 107. Irradiated once. Further, if the distance that the stage moves during the pulse laser beam irradiation is made longer than the width of the linear beam, the laser beam pulse to the same portion of the workpiece 107 is irradiated only once. . Further, if the moving stage is not moved during the pulse laser beam irradiation, the same portion of the workpiece 107 is irradiated with the same beam profile portion of the laser beam a plurality of times.
[0039]
  A beam splitter 106 is disposed in the optical path of the laser beam 102 that has passed through the beam shaping optical system 105, the laser beam 102 that has passed through the beam splitter 106 is directed to the object 107, and a part of the laser beam 102 is a beam splitter. The light is reflected by 106 and is incident on a detector 110 serving as a laser light detecting means. The detector 110 detects the state of the laser light (incident light state). Here, a bias photodetector capable of detecting the pulse waveform and pulse energy of the laser light is used.
[0040]
  The laser beam 102 that has passed through the workpiece 107 is incident on a detector 111 that serves as a laser beam detector. This detector 111 detects the state (transmitted light state) of the laser beam that has passed through the workpiece 107, and here, a bias photodetector that can detect the pulse waveform and pulse energy of the laser beam was used.
[0041]
  The control device 112 is a semiconductor film crystallization state confirmation unit for confirming whether the semiconductor film in the object 107 is in a predetermined crystallization state from the pulse energy of the laser light 102 detected by the detector 110 and the detector 111. If the semiconductor device crystallization state confirmation means confirms that a predetermined crystallization state of the semiconductor film has been obtained, the drive device 109 moves the position of the workpiece 107 relative to the irradiation position of the laser beam 102. It has the function of the control means to move.
[0042]
  In the function of the semiconductor film crystallization state confirmation means, the ratio of the pulse energy of the laser light transmitted through the workpiece 107 is calculated from the pulse energy detected by the detector 110 and the detector 111, and the ratio is a predetermined value. Check if you have reached. The predetermined value is determined and set in advance from the relationship between the crystallization state of the semiconductor thin film and the transmission ratio of the laser beam. The relationship between the crystallization state of the semiconductor thin film and the transmission rate of laser light will be described later.
[0043]
  Next, a crystallization method for crystallizing the amorphous silicon film 123 into a polycrystalline silicon film by irradiating the amorphous silicon film 123 of the workpiece 107 with a laser beam 102 and performing heat treatment will be described.
[0044]
  A reflection mirror 103, a variable attenuator 104, a beam shaping optical system 105 for converting a laser beam 102 from a laser oscillation device 101 that emits a pulse laser beam having a wavelength of 370 nm to 710 nm into a linear beam, and a beam splitter Through 106, heat treatment is performed by irradiating the surface of the workpiece 107 placed on the moving stage 108, that is, the amorphous silicon film 123 which is a semiconductor film. By this heat treatment, the amorphous silicon film 123 is melted and crystallized.
[0045]
  At this time, a part of the laser beam 102 is reflected by the beam splitter 106 and detected by the detector 110. Similarly, the laser beam 102 that has passed through the workpiece 107 is detected by the detector 111. The control device 112 calculates the ratio of the pulse energy of the laser light transmitted through the workpiece 107 from the pulse energy of the laser light 102 input from the detector 110 and the detector 111, and whether the ratio has reached a predetermined value. Confirm.
[0046]
  When it is confirmed that the ratio has reached the predetermined value, the moving stage 108 is moved by the driving device 109 in the width direction of the laser beam 102 formed into a linear beam by the beam shaping optical system 105, for example, 1.5 μm to 3.m. The position of the workpiece 107 is moved relative to the irradiation region position of the laser beam 102 by moving 0 μm, and heat treatment is performed again by irradiation with the laser beam 102.
[0047]
  Therefore, if the ratio of the pulse energy of the laser light that passes through the workpiece 107 does not reach the predetermined value, the moving stage does not move even if the laser light 102 is irradiated a predetermined number of times to a certain irradiation region, and the non-processing Laser irradiation is performed again on the same part of the object 107, and after it is confirmed that a predetermined ratio of pulse energy is actually obtained, the irradiation region of the laser beam 102 on the object 107 is moved by a predetermined amount. As a result, the entire amorphous silicon film 123 of the workpiece 107 can be brought into a uniform crystallization state.
[0048]
  Here, a laser heat treatment technique for irradiating a semiconductor film mainly composed of silicon with pulsed laser light having a wavelength of 370 nm to 710 nm will be described. This technique is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-269133.
[0049]
  FIG. 3 shows absorption coefficients of amorphous silicon and polycrystalline silicon with respect to the wavelength of light. The horizontal axis in FIG. 3 is the wavelength of light, and the vertical axis is the absorption coefficient. A broken line (Amorphous Silicon) represents amorphous silicon, and a solid line (Polysilicon) represents polycrystalline silicon. As can be seen from FIG. 3, in the wavelength region of 370 nm or more and 710 nm or less, the light absorption coefficient is larger in amorphous silicon than in polycrystalline silicon. In particular, for light in the wavelength region of 450 nm or more and 650 nm or less, the absorption coefficient in amorphous silicon is three times or more larger than the absorption coefficient in polycrystalline silicon. For example, the absorption coefficient μaSi (YAG2ω) of amorphous silicon of YAG2ω laser light having a wavelength of 532 nm and the absorption coefficient μ of polycrystalline silicon_pSi(YAG2ω) is
μ_aSi(YAG2ω) = 0.01723 nm^-1
μ_pSi(YAG2ω) = 0.00426 nm^-1
And, the absorption coefficient in amorphous silicon is about four times larger than the absorption coefficient in polycrystalline silicon. Here, the polycrystalline film is microscopically composed of a crystalline component and an amorphous component. The crystal component is a portion having very few defects such as stacking faults in the crystal grains, and can be said to be a portion in a substantially single crystal state. On the other hand, an amorphous component is a part where disorder is found in the structural order such as a crystal grain boundary or a defect in the crystal grain, and can be said to be a part in an amorphous state. In a laser heat treatment method in which crystallization is performed by irradiating a laser beam, the non-molten portion becomes the nucleus of crystal growth in the cooling and solidification process. If a crystal component having a high structural order becomes a crystal growth nucleus, a crystal grown from the crystal component becomes a high-quality crystallized film having a high structural order. On the other hand, if the site where the structural order is disordered becomes the crystal growth nucleus, stacking faults grow from the cooling solidification process, so the crystallized film finally obtained is of low quality containing many defects. Become a film. Therefore, in order to obtain an excellent crystallized film, it is sufficient to preferentially melt the amorphous component in the polycrystalline film. In the laser light of the wavelength region used in the present invention, the absorption coefficient in the amorphous silicon of the irradiation laser light is larger than the absorption coefficient in the polycrystalline silicon, so that the amorphous component is preferentially heated compared to the crystalline component. . Specifically, since the crystal grain boundary and the defect part are easily melted and a high-quality crystal component in a substantially single crystal state becomes a crystal growth nucleus, the defect part and the unpaired bond pair are greatly reduced, and the grain boundary However, the corresponding grain boundaries with high structural order are dominant. From the electrical characteristics of the semiconductor film, this has the effect of greatly reducing the trap level density near the forbidden band center in the energy band diagram. In addition, when such a semiconductor film is used for an active layer (a source region, a drain region, or a channel formation region) of a thin film semiconductor device, the off-current value is small and a steep subthreshold characteristic is exhibited (the subthreshold hold swing value is small). ), A transistor having a low threshold voltage is obtained. The reason why such an excellent thin-film semiconductor device could not be easily manufactured by the conventional technology using an excimer laser is that a laser beam having a wavelength suitable for melt crystallization is not used, and the crystalline component is also an amorphous component. It can be said that they were also melted together.
[0050]
  Next, in a laser heat treatment technique in which a semiconductor film is irradiated with pulsed laser light having a wavelength of 370 nm or more and 710 nm or less, there is a relationship between the crystallization state of the semiconductor film and the ratio of pulse energy of the laser light transmitted through the semiconductor film. Will be described.
[0051]
  Laser light is absorbed in the semiconductor film, and the intensity of the incident laser light decreases exponentially. Now, assuming that the intensity of the incident laser beam is I (0), the distance from the surface in the semiconductor film mainly composed of silicon is x (nm), and the intensity at the place x is I (x). Between absorption coefficient μ_SiThe following relational expression is established using
I (x) / I (0) = exp (−μ_SiX) (Formula 1)
Absorption coefficient μ_SiIs the absorption coefficient μ of amorphous silicon of YAG2ω laser light_aSi(YAG2ω) and the absorption coefficient μ of polycrystalline silicon_pSiIn the case of (YAG2ω), the absorption coefficient μ of amorphous silicon of the prior art XeCl excimer laser (wavelength 308 nm)_aSi(XeCl) and the absorption coefficient μ of polycrystalline silicon_pSiThe relationship of Equation 1 for the case of (XeCl) is shown in FIG.
[0052]
  When the amorphous silicon film is irradiated with YAG2ω laser light (aSi (YAG2ω)), when the film thickness is 50 nm, the transmitted laser light has an intensity of about 40% of the incident laser light. On the other hand, in the polycrystalline silicon film (pSi (YAG2ω)), the absorption coefficient of the YAG2ω laser light is small, so that the laser light transmitted through the 50 nm-thick polycrystalline silicon film has an intensity of about 80% of the incident laser light. .
[0053]
  FIG. 5 shows experimental data by the inventors. FIG. 5A shows the pulse waveform of the YAG2ω laser light used in the experiment, which corresponds to the signal detected by the detector 110 in FIG. FIG. 5B shows the pulse waveform of the transmitted YAG2ω laser light by irradiating the YAG2ω laser light to the amorphous silicon film, and FIG. 5C shows a plurality of YAG2ω laser light at the same location of the amorphous silicon film. This is a pulse waveform of the YAG2ω laser beam that is transmitted when the YAG2ω laser beam is irradiated again to the same location. The intensity of the pulse waveform of the laser beam transmitted when the silicon film is amorphous is small, while the intensity of the pulse waveform of the laser beam transmitted through the crystallized silicon film is large. That is, the intensity of the pulse waveform of the transmitted YAG2ω laser light clearly changes depending on the crystallinity of the silicon film. Since the value obtained by integrating the pulse waveform of one pulse corresponds to the pulse energy of one pulse of laser light, the change in the pulse energy of the YAG2ω laser light passing through the silicon film reflects the change in crystallinity of the silicon film. I can say that.
[0054]
  In FIG. 5, the YAG2ω laser light having the same pulse energy was irradiated to the silicon film having different crystallinity. However, when the silicon film was irradiated with different pulse energy due to the fluctuation of the pulse energy of the laser oscillation device, the irradiation was performed. By detecting the pulse energy of the laser beam and the pulse energy transmitted through the silicon film and calculating the ratio thereof, the ratio of the pulse energy transmitted through the silicon film can be associated with the crystallinity of the silicon film. .
[0055]
  In the first embodiment shown in FIG. 1, the ratio of the pulse energy of the YAG2ω laser light transmitted through the silicon film is calculated by using the signals detected by the detector 110 and the detector 111, and the crystallization state of the silicon film is calculated from these. Can be grasped. The irradiation condition of the laser beam can be changed immediately according to the grasped crystallization state. In other words, even if there is a fluctuation factor such as output fluctuation of the laser beam itself during the laser heat treatment process, the crystallization state of the silicon film is monitored, so that the region where the crystallization defect occurs in the workpiece 107 is minimized. Further, it is possible to prevent the workpiece 107 from being sent to the next process despite the occurrence of defective crystallization.
[0056]
  The principle of the present invention described so far works most effectively when the ratio between the absorption coefficient of amorphous silicon and the absorption coefficient of polycrystalline silicon (μ_aSi/ Μ_pSi) Is big. FIG. 3 shows that the above ratio increases when the wavelength of light is about 450 nm or more and about 650 nm or less. Accordingly, it can be said that a more preferable wavelength region of the pulse laser beam used in the present invention is about 450 nm or more and about 650 nm or less.
[0057]
  On the other hand, in the prior art using the XeCl excimer laser, the absorption coefficients of amorphous silicon and polycrystalline silicon are 0.139 nm respectively as described above.^-1And 0.149nm^-1The difference is as small as about 7%. Therefore, even if this laser beam is irradiated on the silicon film, about 90% is absorbed up to 15 nm near the surface, so that almost no transmitted light can be detected, and the absorption coefficients of the amorphous component and the crystal component are almost the same. Therefore, it is very difficult to detect the crystallization state of the silicon film using the irradiated excimer laser light.
[0058]
  As described above, in the present invention, laser heat treatment is performed to form a good crystallized film using laser beams having different absorption coefficients of amorphous silicon and polycrystalline silicon, and in that case, the difference in the absorption coefficient Is used to detect the crystal state of the silicon film, and the detection result is used to control the laser heat treatment process in order to stably and efficiently form a silicon film having a good crystal state. .
[0059]
  Embodiment 2. FIG. FIG. 6 shows a configuration diagram of an apparatus that embodies the method of manufacturing the thin film semiconductor device of the second embodiment. In addition, about the structure similar to Embodiment 1, the description is abbreviate | omitted using the same code | symbol.
[0060]
  This apparatus includes a detector 113 that detects the state (reflected light state) of laser light that is incident on the non-processed object 107 at an angle and is reflected by the non-processed object 107. Here, a bias photodetector that can detect the pulse waveform and pulse energy of the laser beam was used as the detector 113. Further, in this embodiment, the non-processed object is irradiated with laser light from an angle of about 20 ° with respect to the normal line of the non-processed object 107, for example.
[0061]
  The control device 112 confirms whether the semiconductor film in the object 107 is in a predetermined crystallization state from the state of the laser light 102 detected by the detector 110, the detector 111, and the detector 113. When the semiconductor device crystallization state confirmation means confirms that the predetermined crystallization state of the semiconductor film has been obtained, the driving device 109 determines the position of the object 107 to be irradiated with respect to the irradiation position of the laser beam 102. It has the function of the control means to move relatively.
[0062]
  The function of the semiconductor film crystallization state confirmation means is based on the state of the laser light 102 detected by the detector 110, the detector 111, and the detector 113, that is, the incident light pulse energy, the transmitted light pulse energy, and the reflected light pulse energy. The ratio of the pulse energy of the laser beam that has passed through the workpiece 107 is calculated, and it is confirmed whether the ratio has reached a predetermined value. About a predetermined value, the crystallinity state of a semiconductor thin film and the ratio of the transmission of a laser beam are calculated | required previously and set.
[0063]
  By detecting the pulse energy of the laser beam reflected from the workpiece 107, the ratio of the pulse energy transmitted through the workpiece 107 of the laser beam 102 can be calculated more accurately. That is, when the workpiece 107 is irradiated with the laser beam 102 a plurality of times, the surface roughness of the amorphous silicon film 123 in the workpiece 107 becomes significant, and the amorphous silicon film crystallizes. Since the film quality changes, the reflection coefficient of the laser beam 102 with respect to the object to be processed 107 changes, and thereby the pulse energy of the laser beam incident on the object to be processed 107 changes substantially.
[0064]
  In the second embodiment, a pulse energy (incident light pulse energy) of the laser light that reflects a part of the laser light 102 by the beam splitter 106 and irradiates the workpiece 107 is detected by the detector 110, and By irradiating the workpiece 107 with the laser beam 102 obliquely, the pulse energy (reflected light pulse energy) of the laser beam 102 reflected by the surface of the workpiece 107 is detected by the detector 113. From the incident light pulse energy and the reflected light pulse energy detected by the respective detectors, the pulse energy of the laser light substantially incident on the object 107 is calculated. Then, from the calculated pulse energy and the pulse energy (transmitted light pulse energy) of the laser beam 102 transmitted through the object 107 detected by the detector 111, the object to be processed is the same as in the first embodiment. The ratio of the pulse energy of the laser beam transmitted through the object 107 is calculated, and it is confirmed whether the ratio has reached a predetermined value.
[0065]
  When it is confirmed that the ratio of the transmitted pulse energy has reached a predetermined value, the driving stage 109 moves the moving stage 108 to, for example, 1 in the width direction of the laser beam 102 formed into a linear beam by the beam shaping optical system 105. The substrate is moved by 5 μm to 3.0 μm, the irradiation region of the laser beam 102 on the object 107 is moved, and heat treatment is performed again by irradiation with the same laser beam 102.
[0066]
  The method and apparatus for manufacturing a thin film semiconductor device according to the second embodiment is more accurate in the case where the reflectance of the object to be processed changes significantly due to the irradiation of the laser light, and the ratio of the pulse energy of the laser light that transmits the object to be processed The effect is recognized in the case of detection.
[0067]
  Embodiment 3 FIG. In Embodiment 3, a laser to be used will be described. In the first and second embodiments, the laser irradiation by the YAG2ω laser has been described. Since the YAG2ω laser has high efficiency and high output, a laser with high laser heat treatment productivity can be obtained. According to the gist of the present invention, the laser beam to be irradiated is basically determined by the difference in the absorption coefficient of the laser beam with respect to amorphous silicon and polycrystalline silicon, and as shown in FIG. In the case of the pulsed laser beam, the same effect as in the case of the YAG2ω laser described in the first and second embodiments can be obtained. Therefore, not only the YAG2ω laser, but also other harmonics of Nd ion-doped solid-state lasers, that is, Nd: second harmonic of glass laser, Nd: second harmonic of YLF laser, Yb ions such as Yb: YAG and Yb: glass. Laser heat treatment may be performed using the second harmonic of a doped solid-state laser or the fundamental or second harmonic of a Ti: Sapphire laser. Since these lasers can oscillate with high efficiency and relatively stable, a highly reliable laser heat treatment method and apparatus can be provided.
[0068]
【The invention's effect】
As described above in detail, a crystalline semiconductor film having a large variation in the prior art can be made into a uniform and high-quality crystalline semiconductor film by devising a crystallization process in the present invention. As a result, it is recognized that the electrical characteristics of the thin film semiconductor device represented by the thin film transistor are remarkably improved, and at the same time, such a thin film semiconductor device can be stably manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser heat treatment apparatus showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a structure of an object to be processed with laser heat treatment in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a wavelength of light and an absorption coefficient in a semiconductor.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a semiconductor film thickness and light intensity in the film.
5A is a pulse waveform diagram of YAG2 2ω laser light irradiated on a silicon film, and FIG. 5B is a pulse waveform of the laser light transmitted through an amorphous silicon film and a polycrystalline silicon film, respectively. FIG.
FIG. 6 is a configuration diagram of a laser heat treatment apparatus showing a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 YAG2ω laser oscillator
102 Laser light emitted from the YAG2ω laser oscillator
103 reflection mirror
104 Variable attenuator
105 Beam shaping optical system
106 Beam splitter
107 Workpiece
108 Moving stage
109 Drive device
110 Detector
111 detector
112 Control device
113 detector
121 glass substrate
122 Base film
123 Semiconductor film

Claims

In manufacturing a thin film semiconductor device using a crystalline semiconductor film mainly composed of silicon formed on a substrate as an active layer,
A first step of irradiating a pulsed laser beam having a 710nm wavelength below than 370nm in deposited semiconductor film on a substrate,
A second step of detecting an incident light pulse energy of the pulsed laser light on the semiconductor film;
A third step of detecting transmitted pulse energy of the pulse laser beam through the substrate and the semiconductor film;
A fourth step of detecting the pulsed laser beam, the reflected light pulse energy of the semiconductor film,
Pulse energy of laser light transmitted through the substrate and the semiconductor film from the pulse energy detected in the second step, the pulse energy detected in the third step, and the pulse energy detected in the fourth step A fifth step of calculating the ratio of
A sixth step of checking whether the ratio has reached a predetermined value;
Including
In the first step, the pulse laser is incident on the substrate obliquely .

When the ratio in the sixth step that reaches the predetermined value has been confirmed, the semiconductor film is determined that the predetermined crystalline state has been obtained, the semiconductor film with respect to the irradiation position of the pulsed laser beam The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1 , further comprising a seventh step of relatively moving the position of the thin film semiconductor device.

3. The thin film semiconductor device according to claim 1, wherein the pulsed laser light is a harmonic of a Q-switched oscillation solid-state laser using Nd ion-doped or Yb ion-doped crystal or glass as an excitation medium. Manufacturing method.

The pulsed laser light is Q-switched Nd: method of manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1及至3, characterized in that the second harmonic of a YAG laser.

Method of manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1及至4, wherein the wavelength of the pulsed laser beam is about 532 nm.