JP4255799B2 - Method for producing crystalline silicon film - Google Patents

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Description

本発明は、例えば半導体材料に対して行われるようなアニールを大面積にわたって均一に、かつ効率的に行う技術に関する。また、本明細書で開示する発明は、特定の領域に対して、徐々に照射エネルギー密度を変化させてレーザー光を照射する場合において、作業効率を低下させない技術に関する。   The present invention relates to a technique for uniformly and efficiently performing annealing over a large area, for example, as performed on a semiconductor material. The invention disclosed in the present specification also relates to a technique that does not reduce work efficiency when a specific region is irradiated with laser light while gradually changing the irradiation energy density.

近年、半導体素子プロセスの低温化に関して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、安価で加工性に富んだガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生じたからである。その他にも素子の微小化や素子の多層化に伴う要請もある。   In recent years, active research has been conducted on lowering the temperature of semiconductor device processes. The main reason is that it is necessary to form a semiconductor element on an insulating substrate such as glass that is inexpensive and has high workability. In addition, there is a demand accompanying miniaturization of elements and multilayering of elements.

特にガラス基板上に半導体素子を形成する技術は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置を構成するパネルを作製するために必要とされる。これは、ガラス基板上に薄膜トランジスタを数百×数百以上のマトリクス状に配置する構成である。ガラス基板は、600℃程度以上の温度に長時間曝された場合、変形や縮みが顕著に表れてしまうので、薄膜トランジスタの作製工程における加熱温度は、なるべく低い温度とすることが求められる。   In particular, a technique for forming a semiconductor element over a glass substrate is required for manufacturing a panel constituting an active matrix liquid crystal display device. This is a configuration in which thin film transistors are arranged in a matrix of several hundreds × several hundreds or more on a glass substrate. When a glass substrate is exposed to a temperature of about 600 ° C. or higher for a long time, deformation and shrinkage appear remarkably, so that the heating temperature in the thin film transistor manufacturing process is required to be as low as possible.

高い電気的特性を有する薄膜トランジスタを得るためには、薄膜半導体として、結晶性を有する半導体を用いる必要がある。   In order to obtain a thin film transistor having high electrical characteristics, it is necessary to use a crystalline semiconductor as the thin film semiconductor.

結晶性珪素膜を得る方法としては、プラズマCVD法や500℃程度による減圧熱CVD法によって成膜された非晶質半導体膜を加熱処理によって結晶化させる技術が知られている。この加熱処理は、600℃以上の温度雰囲気下に試料を数時間以上の間放置することによって行われる。例えば、この加熱処理工程の温度が600℃の場合、その処理に要する時間としては、10時間以上が必要とされる。一般的に600℃の温度で10時間以上の時間にわたりガラス基板を加熱すると、基板には変形(歪み)や縮みが顕著に表れてしまう。薄膜トランジスタを構成する薄膜半導体は、その厚さが数百nm、その大きさが数μm〜数十μm程度であるので、基板の変形は、動作不良の原因や電気特性のバラツキ等の要因となってしまう。特に基板を大面積化(対角20インチ以上)した場合にこの基板の変形や縮みが大きな問題となる。   As a method for obtaining a crystalline silicon film, a technique is known in which an amorphous semiconductor film formed by a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method at about 500 ° C. is crystallized by heat treatment. This heat treatment is performed by allowing the sample to stand for several hours or more in a temperature atmosphere of 600 ° C. or higher. For example, when the temperature of this heat treatment process is 600 ° C., the time required for the treatment requires 10 hours or more. Generally, when a glass substrate is heated at a temperature of 600 ° C. for 10 hours or more, deformation (strain) or shrinkage appears remarkably on the substrate. A thin film semiconductor that forms a thin film transistor has a thickness of several hundreds of nanometers and a size of several μm to several tens of μm. Therefore, deformation of the substrate becomes a cause of operation failure and variations in electrical characteristics. End up. In particular, when the area of the substrate is increased (diagonal of 20 inches or more), the deformation or shrinkage of the substrate becomes a serious problem.

また1000℃以上の温度での加熱処理であれば、数時間の処理時間で結晶化を行うことができるが、一般のガラス基板は1000℃程度の温度には短時間であっても耐えることができない。   In addition, if heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C. or higher, crystallization can be performed in a processing time of several hours, but a general glass substrate can withstand a temperature of about 1000 ° C. even for a short time. Can not.

また石英基板を用いれば、1000℃以上の加熱処理を行うことができ、良好な結晶性を有する結晶性珪素膜を得ることができる。しかし、特に大面積の石英基板は高価であり、今後大型化が要求される液晶表示装置に利用することは経済性の観点から困難である。   When a quartz substrate is used, a heat treatment at 1000 ° C. or higher can be performed, and a crystalline silicon film having good crystallinity can be obtained. However, a quartz substrate having a large area is particularly expensive, and it is difficult to use it in a liquid crystal display device that is required to be increased in size from the viewpoint of economy.

このような状況において、薄膜トランジスタの作製に際するプロセスの低温化が要求されている。このプロセスの低温化を実現する技術として、レーザー光の照射によってアニールを行う手法が知られている。このレーザー光の照射技術は究極の低温プロセスと注目されている。レーザー光は熱アニールに匹敵する高いエネルギーを必要とされる箇所にのみ限定して与えることができ、基板全体を高い温度にさらす必要がない。従って、基板としてガラス基板を用いることができる。   Under such circumstances, it is required to lower the temperature of the process for manufacturing the thin film transistor. As a technique for realizing a low temperature of this process, a technique of performing annealing by laser light irradiation is known. This laser irradiation technology is attracting attention as the ultimate low-temperature process. The laser beam can be applied only to a portion where high energy comparable to thermal annealing is required, and it is not necessary to expose the entire substrate to a high temperature. Therefore, a glass substrate can be used as the substrate.

ただし、レーザー光の照射によるアニール技術は、レーザー光の照射エネルギーが一定しないという問題がある。この問題は、必要以上のエネルギーを照射できる装置を用い、その出力を減光装置等で絞って用いることで解決することができる。しかし、装置の大型化に従うコストの増加という問題は残る。   However, the annealing technique by laser light irradiation has a problem that the irradiation energy of laser light is not constant. This problem can be solved by using a device capable of irradiating more energy than necessary and reducing the output with a dimming device or the like. However, the problem of an increase in cost in accordance with the increase in size of the device remains.

このような問題があるにしても、レーザー光の照射によるアニール技術は、基板としてガラスを利用できるという意味で非常に有用なものである。   Even with such problems, the annealing technique by laser light irradiation is very useful in the sense that glass can be used as a substrate.

レーザー光の照射方法としては、大きく分けて以下の2つの方法がある。
第1の方法はアルゴンイオン・レーザー等の連続発振レーザーを用いたものであり、スポット状のビームを半導体材料に照射する方法である。これはビーム内部でのエネルギー分布の差、およびビームの移動によって、半導体材料が溶融した後、緩やかに凝固することによって半導体材料を結晶化させる方法である。
There are roughly the following two methods for irradiating laser light.
The first method uses a continuous wave laser such as an argon ion laser, and irradiates a semiconductor material with a spot beam. This is a method of crystallizing a semiconductor material by slowly solidifying it after the semiconductor material has melted due to the difference in energy distribution inside the beam and the movement of the beam.

第2の方法はエキシマーレーザーのごときパルス発振レーザーを用いて、大エネルギーレーザーパルスを半導体材料に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融させ、凝固させることによって半導体材料を結晶化させる方法である。   The second method is a method of crystallizing a semiconductor material by irradiating a semiconductor material with a high energy laser pulse using a pulsed laser such as an excimer laser, instantaneously melting and solidifying the semiconductor material.

第1の方法の問題点は処理に時間がかかることであった。これは連続発振レーザーの最大エネルギーが限られたものであるため、ビームスポットのサイズがせいぜいmm角単位となるためである。これに対し、第2の方法ではレーザーの最大エネルギーは非常に大きく、したがって、数cm以上の大きなスポットを用いて、より量産性を上げることができる。 The problem with the first method is that processing takes time. This is because the maximum energy of the continuous wave laser is limited and the size of the beam spot is at most mm square. On the other hand, in the second method, the maximum energy of the laser is very large, and therefore, mass productivity can be further increased by using a large spot of several cm 2 or more.

しかしながら、通常用いられる正方形もしくは長方形の形状のビームでは、1枚の大きな面積の基板を処理するには、ビームを上下左右に移動させる必要があり、量産性の面で依然として改善する余地がある。   However, with a generally used square or rectangular beam, it is necessary to move the beam up and down and left and right to process a single large area substrate, and there is still room for improvement in terms of mass productivity.

これに関しては、レーザービームを線状に変形し、ビームの幅を処理すべき基板を越える長さとし、このビームを走査することによって、大きく改善することができる。   In this regard, the laser beam can be greatly improved by deforming the laser beam into a linear shape, making the beam width longer than the substrate to be processed, and scanning the beam.

改善すべき問題として残されていたことはレーザー照射効果の均一性である。この均一性を高めるために以下のような工夫が行われる。1つの工夫としては、ビームの分布の形状をスリットを介することにより、矩形にできるだけ近づけて、線状ビーム内のばらつきを小さくする方法である。上記技術において、さらに不均一性を緩和するには、強いパルスレーザー光の照射(以下本照射と呼ぶ)の前に、それよりも弱いパルスレーザー光の予備的な照射(以下予備照射と呼ぶ)を行うと均一性が向上する。この効果は非常に高く、半導体デバイスの特性を著しく向上させることができる。   What remains as a problem to be improved is the uniformity of the laser irradiation effect. In order to improve this uniformity, the following measures are taken. One contrivance is to reduce the variation in the linear beam by making the shape of the distribution of the beam as close as possible to a rectangle by using a slit. In the above technique, in order to further reduce the non-uniformity, preliminary irradiation with weaker pulse laser light (hereinafter referred to as preliminary irradiation) is performed before irradiation with strong pulse laser light (hereinafter referred to as main irradiation). To improve the uniformity. This effect is very high and the characteristics of the semiconductor device can be remarkably improved.

上記の2段階の照射による方法が有効であるのは、非晶質部分を多く含んだ半導体材料の膜は、レーザーエネルギーの吸収率が多結晶膜とかなり異なるような性質を有しているからである。例えば一般的な非晶質珪素膜(a−Si膜)は、内部に20〜30原子%程度の水素を含有しており、いきなり強いエネルギーを有するレーザー光を照射すると、内部から水素が噴出して、その表面は数十nm〜数百nmの凹凸を有する荒れたものとなってしまう。薄膜トランジスタに利用される薄膜半導体は、その厚さが数百nm程度であるので、表面が数十nm〜数百nmの凹凸を有することは、その電気的特性のバラツキ等の大きな原因となる。   The above-described two-stage irradiation method is effective because a film of a semiconductor material containing a lot of amorphous parts has a property that the absorption rate of laser energy is significantly different from that of a polycrystalline film. It is. For example, a general amorphous silicon film (a-Si film) contains about 20 to 30 atomic% of hydrogen inside, and when suddenly irradiated with laser light having strong energy, hydrogen is ejected from the inside. As a result, the surface becomes rough and has unevenness of several tens nm to several hundreds nm. Since a thin film semiconductor used for a thin film transistor has a thickness of about several hundreds of nanometers, the surface having unevenness of several tens to several hundreds of nm is a major cause of variations in electrical characteristics.

しかし、上記2段階の照射を行った場合、最初の弱い予備照射によって、ある程度の水素が脱離し、次の本照射によって、結晶化が行われるというプロセスが進行する。ここで、予備照射においては、その照射エネルギーがそれ程大きくないので、水素の急激な吹き出しによる膜表面の荒れはあまり問題とならない。   However, when the above two-stage irradiation is performed, a process in which a certain amount of hydrogen is desorbed by the first weak preliminary irradiation and crystallization is performed by the next main irradiation proceeds. Here, in the pre-irradiation, since the irradiation energy is not so high, the roughness of the film surface due to the rapid blow-off of hydrogen does not cause much problem.

これら2つの工夫によって、レーザー照射効果の均一性をかなり向上させることができる。しかしながら、上述のような2段階照射法を用いると、レーザー処理時間が倍になるので、スループットが低下してしまう。また、レーザーがパルスレーザーであるので、本照射と予備照射とのレーザーの重なり方によって、レーザーアニールの効果に若干の違いが生じてしまう。この違いは、数十μm角程度の大きさを有する薄膜トランジスタの特性に大きな影響を与える。   By these two ideas, the uniformity of the laser irradiation effect can be considerably improved. However, when the two-stage irradiation method as described above is used, the laser processing time is doubled, resulting in a decrease in throughput. In addition, since the laser is a pulse laser, a slight difference occurs in the effect of laser annealing depending on how the main irradiation and the preliminary irradiation overlap. This difference greatly affects the characteristics of the thin film transistor having a size of about several tens of μm square.

また一般にレーザー光の照射による処理技術(各種材料の変質やレーザーエネルギーを与えることによる処理技術)において、所定の領域において、複数回に渡ってレーザー光の照射エネルギーを変化させて照射したい場合がある。例えば、上述の珪素膜に対するアニール技術はその一つである。   In addition, in general, in processing technology by laser light irradiation (processing technology by altering various materials or applying laser energy), there are cases where it is desired to irradiate by changing the laser light irradiation energy multiple times in a predetermined area. . For example, the above-described annealing technique for the silicon film is one of them.

このような技術において従来においては、レーザー光を複数回に分けて照射する手法が採られていた。しかし、レーザー光の照射を複数回に分けるのは、処理時間がその回数倍になるので、作業効率の大幅な低下を招いてしまう。また、特定の照射領域に対して、複数回に分けてレーザー光を照射することは、レーザー光が照射される領域のズレの問題が生じやすく、技術的に困難な場合、あるいは高コストな技術が必要とされる場合があり、実用的ではなかった。   Conventionally, in such a technique, a method of irradiating a laser beam in a plurality of times has been adopted. However, dividing the laser light irradiation into a plurality of times results in a significant reduction in work efficiency because the processing time is doubled. Also, irradiating laser light to a specific irradiation area in multiple times is likely to cause a problem of misalignment of the area irradiated with laser light, which is technically difficult or expensive. May be required and was not practical.

本明細書で開示する発明では、レーザー光の照射に際するアニール効果の不均一性の問題を解決することを課題とする。また、レーザー光の照射に際しての経済性を改善することを課題とする。   In the invention disclosed in this specification, it is an object to solve the problem of non-uniformity of the annealing effect upon laser light irradiation. It is another object of the present invention to improve the economic efficiency at the time of laser light irradiation.

本明細書で開示する発明では、線状レーザービームの分布を工夫することによって、上述のような問題を解決する。即ち、本明細書で開示する発明では線状レーザービームの分布を例えば正規分布のような形にする。このようなエネルギー分布を持ったレーザービームを半導体材料上で走査しながら照射する。すると、前述した予備照射と本照射とを行なうレーザー照射方法で、予備照射の弱いレーザーエネルギーの役割を上述したエネルギー分布(正規分布)の山の中腹から裾の部分が果たしてくれるので、1回のレーザー照射で2段階、あるいは多段階のレーザー照射を行った場合と同様の効果を得ることができる。   In the invention disclosed in this specification, the above-described problems are solved by devising the distribution of the linear laser beam. That is, in the invention disclosed in this specification, the distribution of the linear laser beam is formed into a shape like a normal distribution, for example. The laser beam having such an energy distribution is irradiated while scanning on the semiconductor material. Then, in the laser irradiation method that performs the preliminary irradiation and the main irradiation described above, the role of the weak laser energy of the preliminary irradiation is played by the portion of the energy distribution (normal distribution) from the middle of the mountain to the bottom of the mountain. The same effects as those obtained when two-stage or multi-stage laser irradiation is performed by laser irradiation can be obtained.

ただし、必要とするアニール効果を得るためには、特定の条件を満たした上でレーザー光の照射を行うことが好ましい。以下にその条件を列挙する。
(1)被照射対象として、厚さ15〜100nmの珪素膜とする。
(2)幅Lの正規分布またはそれに準ずるビームプロファイル(ビーム形状)を有した1秒間当たりの発振数がN回のパルス発振の線状のレーザー光を用いる。
(3)正規分布を有した方向に速度Vでレーザービームを被照射面に対して走査しながら照射する。
(4)1パルス当たりの平均のエネルギー密度を100〜500mJ/cmとする。
(5)10≦(LN/V)≦30を満たした条件でレーザー光を照射する。
However, in order to obtain the required annealing effect, it is preferable to perform laser irradiation after satisfying specific conditions. The conditions are listed below.
(1) A silicon film having a thickness of 15 to 100 nm is used as an irradiation target.
(2) A linear laser beam having a pulse width of N oscillations per second and having a normal distribution with a width L or a beam profile (beam shape) equivalent thereto is used.
(3) Irradiate the surface to be irradiated with scanning with a laser beam at a velocity V in a direction having a normal distribution.
(4) The average energy density per pulse is set to 100 to 500 mJ / cm 2 .
(5) Laser light irradiation is performed under conditions satisfying 10 ≦ (LN / V) ≦ 30.

上記の条件の中で、厚さ15〜100nmの珪素膜を被照射対象としているのは、実験的に珪素膜を対象したアニールにおいて、その厚さが15nm以下の場合は、成膜の均一性やアニール効果の均一性、さらには再現性の点で問題があること、さらに100nm以上の厚さを有する場合は、レーザー光の大出力化が要求され現実的ではなく、また薄膜トランジスタに利用される結晶性珪素膜の厚さとしてそのような厚さは必要されないこと、による。   Under the above conditions, a silicon film having a thickness of 15 to 100 nm is an object to be irradiated. If the thickness is 15 nm or less in experimental annealing of a silicon film, the uniformity of film formation In addition, there is a problem in the uniformity of the annealing effect and also in the reproducibility, and when the thickness is 100 nm or more, it is not practical because it is required to increase the output of the laser beam and is used for a thin film transistor This is because such a thickness is not required as the thickness of the crystalline silicon film.

1パルス当たりのエネルギー密度を100〜500mJ/cmとするのは、実験的に、厚さ100nm以下の珪素膜に対するレーザーアニールにおいては、100〜500mJ/cmのエネルギー密度でレーザー光を照射することが効果的であることが判明しているからである。なお、このエネルギー密度というのは、正規分布またはそれに相似な形状を有するビームプロファイルの頂上部分の値として定義される。 The energy density per pulse is set to 100 to 500 mJ / cm 2 , experimentally, in laser annealing for a silicon film having a thickness of 100 nm or less, laser light is irradiated at an energy density of 100 to 500 mJ / cm 2. This is because it has been proved to be effective. This energy density is defined as the value of the top portion of a beam profile having a normal distribution or a similar shape.

上記構成において、LN/Vで示されるパラメータは、その幅方向のエネルギー密度の分布が正規分布または正規分布に準ずる(または正規分布と見なせる)ビームプロファイルを有する線状のパルスレーザー光を1回走査した場合において、特定の1箇所の線状の領域に照射されるパルスの回数を示すものである。   In the above configuration, the parameter indicated by LN / V is a single scan of a linear pulsed laser beam having a beam profile whose energy density distribution in the width direction conforms to (or can be considered as a normal distribution) or a normal distribution. In this case, the number of pulses irradiated to one specific linear region is shown.

下記に本明細書で開示する各発明についてそれぞれ説明する。
本明細書で開示する発明の一つは、
非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を保持し、
前記非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、
パルス発振方式のレーザーを線状ビームに加工し、前記線状ビームを前記結晶性珪素膜に照射する結晶性珪素膜の作製方法であって、
前記線状ビームは、レーザービームの走査方向に平行な断面でのエネルギー分布が、正規分布または正規分布に似た分布であり、
前記線状ビームを用いて、前記レーザービームの走査方向に沿って前記結晶性珪素膜を走査する際に、前記線状ビームの一部を重ねながら前記結晶性珪素膜に対して照射することにより、前記結晶性珪素膜の一点に対して、前記線状ビームを3回〜100回照射することを特徴とする。
Each invention disclosed in this specification will be described below.
One of the inventions disclosed in this specification is:
Forming an amorphous silicon film;
Holding a metal element for promoting crystallization of silicon on the surface of the amorphous silicon film;
Heating the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
A method for producing a crystalline silicon film by processing a pulsed laser into a linear beam and irradiating the crystalline silicon film with the linear beam,
In the linear beam, the energy distribution in a cross section parallel to the scanning direction of the laser beam is a normal distribution or a distribution similar to a normal distribution,
When scanning the crystalline silicon film along the scanning direction of the laser beam using the linear beam, by irradiating the crystalline silicon film while overlapping a part of the linear beam The point of the crystalline silicon film is irradiated with the linear beam 3 to 100 times.

上記構成は、線状に加工されたレーザービームが重なるように照射することで、特定の領域に複数回に渡って、レーザー光が照射することを特徴とする。   The above-described configuration is characterized in that the laser beam is irradiated over a specific region a plurality of times by irradiating the laser beam processed into a linear shape.

他の発明の構成は、
非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を保持し、
前記非晶質珪素膜を加熱して水素を脱離させ、
前記非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、
パルス発振方式のレーザーを線状ビームに加工し、前記線状ビームを前記結晶性珪素膜に照射する結晶性珪素膜の作製方法であって、
前記線状ビームは、レーザービームの走査方向に平行な断面でのエネルギー分布が、正規分布または正規分布に似た分布であり、
前記線状ビームを用いて、前記レーザービームの走査方向に沿って前記結晶性珪素膜を走査する際に、前記線状ビームの一部を重ねながら前記結晶性珪素膜に対して照射することにより、前記結晶性珪素膜の一点に対して、前記線状ビームを3回〜100回照射することを特徴とする。
Other aspects of the invention are:
Forming an amorphous silicon film;
Holding a metal element for promoting crystallization of silicon on the surface of the amorphous silicon film;
Heating the amorphous silicon film to desorb hydrogen;
Heating the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
A method for producing a crystalline silicon film by processing a pulsed laser into a linear beam and irradiating the crystalline silicon film with the linear beam,
In the linear beam, the energy distribution in a cross section parallel to the scanning direction of the laser beam is a normal distribution or a distribution similar to a normal distribution,
When scanning the crystalline silicon film along the scanning direction of the laser beam using the linear beam, by irradiating the crystalline silicon film while overlapping a part of the linear beam The point of the crystalline silicon film is irradiated with the linear beam 3 to 100 times.

他の発明の構成は、
結晶性珪素膜は、金属元素を1×1016〜5×1019原子/cmの濃度で含むことを特徴とする。
Other aspects of the invention are:
The crystalline silicon film includes a metal element at a concentration of 1 × 10 16 to 5 × 10 19 atoms / cm 3 .

他の発明の構成は、
非晶質珪素膜は、厚さ15〜100nmであることを特徴とする。
Other aspects of the invention are:
The amorphous silicon film has a thickness of 15 to 100 nm.

他の発明の構成は、
線状ビームは、1パルス当たりの平均のエネルギー密度が100〜500mJ/cmであり、或いは、線状ビームの走査方向の長さは、レーザービームのエネルギーが最大エネルギーの5%以上である部分の長さとし、或いは、パルス発振方式のレーザーはエキシマレーザーであることを特徴とする。
Other aspects of the invention are:
The linear beam has an average energy density per pulse of 100 to 500 mJ / cm 2 , or the length of the linear beam in the scanning direction is a portion where the energy of the laser beam is 5% or more of the maximum energy. Or a pulse oscillation type laser is an excimer laser.

この構成を採用すると、特定の領域に対して、徐々にエネルギー密度の変化したレーザー光をn回照射することができる。また、上記構成においては、レーザービームの照射エネルギープロファイルは、正規分布に限定されるものではない、例えば、階段状に段階的にエネルギー密度が変化したビーム形状でもよい。また三角状のようなエネルギープロファイルを有したものでもよい。   When this configuration is adopted, it is possible to irradiate a specific region with laser light whose energy density is gradually changed n times. In the above configuration, the irradiation energy profile of the laser beam is not limited to a normal distribution, and may be, for example, a beam shape in which the energy density is changed stepwise. It may also have a triangular energy profile.

例えば、図3に示すような幅方向に正規分布を有した線状のレーザービームを、ある条件を満たした上でその幅方向に走査させながら照射すると、最初エネルギー分布の裾の部分の弱いエネルギーが照射され、徐々に強いエネルギーが照射されていく。そして、ある一定の値の照射が行われた後、徐々に照射エネルギーは弱くなっていき、照射は終了する。   For example, when a linear laser beam having a normal distribution in the width direction as shown in FIG. 3 is irradiated while scanning in the width direction after satisfying certain conditions, the weak energy at the bottom of the initial energy distribution Is gradually irradiated with strong energy. And after irradiation of a fixed value is performed, irradiation energy becomes weak gradually and irradiation is complete | finished.

例えば、その幅方向に照射エネルギーが正規分布を有している線状のパルスレーザービームを用い、ビームの幅をL、1秒当たりの発振数をN、走査速度をVとして、LN/V=15とした場合、レーザービームの1回の走査で、線状の1か所の領域に15回のパルスが照射されることなる。この15回の照射は、正規分布を15分割したものに相当するエネルギー密度で次々と照射される。例えば特定の線状の領域(この線状の領域の幅はかなり狭いものとなる)には、図4に示すようなE〜E15のエネルギー密度を有したパルスレーザー光が次々と照射されることとなる。この際、E〜Eのレーザーパルスは、照射されていくにつれて徐々にその照射エネルギー密度が増加していく、そしてE〜E15レーザーパルスは、照射されていくにつれて徐々にその照射エネルギー密度が減少していく。 For example, a linear pulsed laser beam whose irradiation energy has a normal distribution in the width direction is used, the beam width is L, the number of oscillations per second is N, the scanning speed is V, and LN / V = In the case of 15, the pulse is irradiated 15 times in one linear region by one scanning of the laser beam. These 15 irradiations are performed one after another at an energy density corresponding to 15 divided normal distributions. For example, a specific linear region (the width of the linear region is considerably narrow) is successively irradiated with pulsed laser light having an energy density of E 1 to E 15 as shown in FIG. The Rukoto. At this time, the irradiation energy density of the laser pulses E 1 to E 8 gradually increases as they are irradiated, and the irradiation energy of the E 8 to E 15 laser pulses gradually increases as they are irradiated. Density decreases.

このように弱いエネルギーの照射から徐々に強いエネルギーの照射とし、さらに徐々に照射エネルギーを弱めていくプロセスは、珪素膜の表面を荒らすことを抑制しつつ、所定のアニール効果を得ることができる。また、複数回に分けてレーザー光を照射するのではなく、走査しながらの1回のレーザー照射によって、所定の効果を得ることができるので、高い作業効率を得ることができる。   Thus, the process of gradually irradiating the irradiation energy gradually from the weak energy irradiation and further gradually decreasing the irradiation energy can obtain a predetermined annealing effect while suppressing the roughening of the surface of the silicon film. In addition, since a predetermined effect can be obtained by one-time laser irradiation while scanning instead of irradiating the laser beam in a plurality of times, high working efficiency can be obtained.

特に連続的にそのエネルギー密度が変化したレーザービームを用いることにより、多段階的にエネルギーを変化させて照射した場合と同様な効果を得ることができる。そしてこのような作用は、珪素膜に対するアニール効果以外においても同様にいえることである。   In particular, by using a laser beam whose energy density is continuously changed, it is possible to obtain the same effect as when irradiation is performed while changing energy in multiple steps. Such an action can be said similarly except for the annealing effect on the silicon film.

本明細書で開示する発明のレーザー照射技術によって、量産性を向上させ、半導体デバイスとなるべき膜の均一性を高めることができる。本明細書で開示する発明は半導体デバイスのプロセスに利用される全てのレーザー処理プロセスに利用できるが、中でも半導体デバイスとして薄膜トランジスタの作製プロセスに利用する場合、その特性の高さと均一性の良さを得ることができる。また、所定の領域に照射エネルギー密度の異なるレーザー光を多段階に渡って照射する場合、レーザービームの重なりがずれてしまうことがない状態でレーザー照射を行うことができる。このことは、半導体デバイスを作製する場合には、素子の特性の均一性という点で大きな効果を有する。   With the laser irradiation technique of the invention disclosed in this specification, mass productivity can be improved and uniformity of a film to be a semiconductor device can be improved. The invention disclosed in this specification can be used for all laser processing processes used in the process of semiconductor devices. In particular, when used as a semiconductor device in a thin film transistor manufacturing process, high characteristics and good uniformity are obtained. be able to. Further, in the case where laser beams having different irradiation energy densities are irradiated to a predetermined region in multiple stages, laser irradiation can be performed in a state where the overlap of laser beams is not shifted. This has a great effect on the uniformity of the characteristics of the elements when manufacturing semiconductor devices.

さらに所定の領域に照射されるレーザー光のエネルギー密度を複数回の照射において徐々に変化させる工程において、本明細書で開示した構成を利用することで、その作業効率を大きく向上させることができる。即ち、従来のように複数回に分けて異なるエネルギー密度のレーザービームを照射することなく、1回のレーザービームの走査しながらの照射によって、段階的に照射エネルギー密度を変化させてレーザー光を照射した場合と同様の効果を得ることができる。   Further, in the step of gradually changing the energy density of the laser light irradiated to a predetermined region in a plurality of times of irradiation, the working efficiency can be greatly improved by utilizing the configuration disclosed in this specification. In other words, without irradiating laser beams with different energy densities in multiple steps as in the past, the irradiation energy density is changed stepwise by irradiating while scanning one laser beam. The same effect as that obtained can be obtained.

本実施例では、半導体材料として珪素膜を用いる。レーザー光を非晶質状態もしくは結晶性を有する状態の珪素膜または珪素化合物膜に照射することによりこの膜の結晶性を高める過程で、膜表面の均質性が低下する傾向がみられる。その低下を極力抑さえ、かつレーザー照射の処理時間を前記〔従来技術〕に記したレーザーの2段階照射における場合よりも短縮し、かつ同程度以上の効果を得ることができる例を以下に示す。   In this embodiment, a silicon film is used as a semiconductor material. In the process of increasing the crystallinity of this film by irradiating a laser beam to a silicon film or silicon compound film in an amorphous state or crystallinity, the homogeneity of the film surface tends to decrease. The following shows an example in which the reduction can be suppressed as much as possible, and the laser irradiation processing time can be shortened compared to the case of the two-stage laser irradiation described in [Prior Art], and the same or higher effect can be obtained. .

まず装置について説明する。図1には本実施例で使用するレーザーアニール装置の概念図を示す。このレーザーアニール装置の主要な構成は台1上に配置されている。レーザー光は発振器2で発振される。発振器2で発振されるレーザー光は、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅25ns)である。勿論、他のエキシマレーザーさらには他の方式のパルスレーザーを用いることもできる。   First, the apparatus will be described. FIG. 1 shows a conceptual diagram of a laser annealing apparatus used in this embodiment. The main structure of this laser annealing apparatus is arranged on a table 1. Laser light is oscillated by an oscillator 2. The laser light oscillated by the oscillator 2 is a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns). Of course, other excimer lasers and even other types of pulsed lasers can be used.

発振器2で発振されたレーザー光は、全反射ミラー5、6を経由して増幅器3で増幅され、さらに全反射ミラー7、8を経由して光学系4に導入される。   The laser light oscillated by the oscillator 2 is amplified by the amplifier 3 via the total reflection mirrors 5 and 6 and further introduced into the optical system 4 via the total reflection mirrors 7 and 8.

光学系4に入射する直前のレーザー光のビームは、3×2cm程度の長方形であるが、光学系4によって、長さ10〜30cm、幅0.1 〜1cm程度の細長いビーム(線状ビーム)に加工される。この線状のレーザービームは、図3に示すようにその幅方向にほぼ正規分布を有したビームプロファイルを有している。この光学系4を経たレーザー光のエネルギーは最大で1000mJ/ショットである。 The laser beam just before entering the optical system 4 has a rectangular shape of about 3 × 2 cm 2 , but the optical system 4 converts the beam into a narrow beam (linear beam) having a length of about 10 to 30 cm and a width of about 0.1 to 1 cm. Processed. As shown in FIG. 3, the linear laser beam has a beam profile having a substantially normal distribution in the width direction. The energy of the laser beam that has passed through the optical system 4 is 1000 mJ / shot at the maximum.

レーザー光をこのような細長いビームに加工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線状のビームは光学系4を出た後、全反射ミラー9を経て、試料11に照射される。ここで、ビームの幅は試料11の幅よりも長いので、試料を1方向に移動させることで、試料全体に対してレーザー光を照射することができる。従って、試料のステージ及び駆動装置10は構造が簡単で保守も用意である。また、試料をセットする際の位置合わせの操作(アラインメント)も容易である。   The reason why the laser beam is processed into such an elongated beam is to improve the processability. That is, the linear beam exits the optical system 4 and then irradiates the sample 11 through the total reflection mirror 9. Here, since the width of the beam is longer than the width of the sample 11, the entire sample can be irradiated with laser light by moving the sample in one direction. Therefore, the sample stage and the driving device 10 have a simple structure and are ready for maintenance. In addition, positioning operation (alignment) when setting the sample is easy.

レーザー光が照射される試料のステージ10はコンピュータにより制御されており線状のレーザー光に対して直角方向に動くよう設計されている。さらに、基板を置くテーブルがそのテーブル面内で回転する機能をつけておくとレーザービームの走査方向の変更に便利である。又、ステージ10の下にはヒーターが内蔵されており、レーザー光の照射時に試料を所定の温度に保つことができる。   The stage 10 of the sample irradiated with the laser beam is controlled by a computer and designed to move in a direction perpendicular to the linear laser beam. Furthermore, if the table on which the substrate is placed has a function of rotating within the table surface, it is convenient for changing the scanning direction of the laser beam. A heater is built under the stage 10 so that the sample can be kept at a predetermined temperature when the laser beam is irradiated.

光学系4の内部の光路例を図2に示す。光学系4に入射したレーザー光はシリンドリカル凹レンズA、シリンドリカル凸レンズB、横方向のフライアイレンズC、Dを通過し、さらにシリンドリカル凸レンズE、Fを通過してミラーG(図1ではミラー9に相当)を介して、シリンドリカルレンズHによって集束され、試料に照射される。レンズHを照射面に対して相対的に上下させることによって、照射面上でのレーザービームの分布の形状を矩形に近いものから正規分布に近いものまで変形させることができる。図2における全反射ミラーGが図1における全反射ミラー9に相当する。従って、実際には全反射ミラー9と試料11との間には、レンズHが配置されている。   An example of the optical path inside the optical system 4 is shown in FIG. The laser light incident on the optical system 4 passes through the cylindrical concave lens A, the cylindrical convex lens B, the lateral fly-eye lenses C and D, and further passes through the cylindrical convex lenses E and F to correspond to the mirror G (corresponding to the mirror 9 in FIG. 1). ) Through the cylindrical lens H, and the sample is irradiated. By moving the lens H up and down relatively with respect to the irradiation surface, the shape of the laser beam distribution on the irradiation surface can be changed from a shape close to a rectangle to a shape close to a normal distribution. The total reflection mirror G in FIG. 2 corresponds to the total reflection mirror 9 in FIG. Therefore, the lens H is actually disposed between the total reflection mirror 9 and the sample 11.

以下に本明細書で開示する発明を用いて、レーザー光の照射によって、ガラス基板上に結晶性を有する珪素膜を形成する例を示す。まず、10cm角のガラス基板(例えばコーニング7059ガラス基板またはコーニング1737ガラス基板)を用意する。そしてこのガラス基板上に、TEOSを原料としたプラズマCVD法により、酸化珪素膜を200nmの厚さに形成する。この酸化珪素膜は、ガラス基板側から不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下地膜として機能する。   Hereinafter, an example in which a crystalline silicon film is formed over a glass substrate by laser light irradiation using the invention disclosed in this specification will be described. First, a 10 cm square glass substrate (for example, Corning 7059 glass substrate or Corning 1737 glass substrate) is prepared. A silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed on the glass substrate by plasma CVD using TEOS as a raw material. This silicon oxide film functions as a base film that prevents impurities from diffusing into the semiconductor film from the glass substrate side.

次にプラズマCVD法または減圧熱CVD法により、非晶質珪素膜(アモルファスシリコン膜)の成膜を行う。ここでは、プラズマCVD法を用いるが、減圧熱CVD法を用いるものでもよい。なお、非晶質珪素膜の厚さは、50nmとする。またレーザー光の照射によるアニールを施し、結晶性珪素膜を得る場合には、出発としての非晶質珪素膜は、その厚さを100nm以下とすることが望ましい。これは、100nm以上の膜厚があると、所定のアニール効果が得られないからである。   Next, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) is formed by plasma CVD or low pressure thermal CVD. Although the plasma CVD method is used here, a low pressure thermal CVD method may be used. Note that the thickness of the amorphous silicon film is 50 nm. When annealing is performed by laser light irradiation to obtain a crystalline silicon film, the starting amorphous silicon film is preferably 100 nm or less in thickness. This is because if the film thickness is 100 nm or more, a predetermined annealing effect cannot be obtained.

こうして、ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜を得ることができる。次に図1に示す装置を用い、KrFエキシマレーザー(波長248nm、パルス幅25ns)を前記結晶性を有する珪素膜に照射する。このレーザー光の照射によって、結晶性珪素膜を得ることができる。   Thus, an amorphous silicon film formed on the glass substrate can be obtained. Next, using the apparatus shown in FIG. 1, the silicon film having crystallinity is irradiated with a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns). A crystalline silicon film can be obtained by this laser light irradiation.

レーザービームはビーム形状変換レンズを用いて線状の形状に整形し、被照射部分でのビーム面積は125mm×1mmとする。なお、線状レーザーのビームプロファイルが正規分布状である関係上ビームの端が不明瞭となっている。よって、ここではビームプロファイル中、最大エネルギーの5%以上のエネルギーを持つ部分をビームと定義する。   The laser beam is shaped into a linear shape using a beam shape conversion lens, and the beam area at the irradiated portion is set to 125 mm × 1 mm. Note that the end of the beam is unclear because the beam profile of the linear laser is normally distributed. Therefore, in this case, a portion having 5% or more of the maximum energy in the beam profile is defined as a beam.

試料は、ステージ10上に載せられており、ステージを2mm/s速度で移動させることによって、その全面に照射が行われる。レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度を300mJ/cmとし、パルス数(1秒間当たりのパルス発振数)を30パルス/sとする。なお、ここでいうエネルギー密度とは正規分布に近い形に作られたビームの山の頂上部分の密度を指す。 The sample is placed on the stage 10, and the entire surface is irradiated by moving the stage at a speed of 2 mm / s. The laser light irradiation conditions are such that the energy density of the laser light is 300 mJ / cm 2 and the number of pulses (number of pulse oscillations per second) is 30 pulses / s. Here, the energy density refers to the density of the peak portion of the peak of the beam formed in a shape close to a normal distribution.

上述の条件を作用した場合、V=2×10−3(m/s)、N=30(1/S)、L=1×10−3(m)となるので、(LN/V)=15となり、本明細書で開示する条件を満たす。 When the above conditions are applied, V = 2 × 10 −3 (m / s), N = 30 (1 / S), and L = 1 × 10 −3 (m), so (LN / V) = 15, which satisfies the conditions disclosed in this specification.

上述のような条件でレーザー照射を行なうと、試料のある一点(線状の領域)に着目した場合、レーザー照射は15段階照射になる。この15段階のパルスの各エネルギー密度は、図4に示す正規分布の各エネルギー密度E〜E15に相当する。上記の条件で線状のレーザー光が照射されると、エネルギー密度E〜E15のレーザーパルスが次々と125mm×1mmの線状の領域に照射される。 When laser irradiation is performed under the above-described conditions, when attention is paid to one point (linear region) of the sample, laser irradiation is performed in 15 stages. The energy densities of the 15-stage pulses correspond to the energy densities E 1 to E 15 of the normal distribution shown in FIG. When linear laser light is irradiated under the above conditions, laser pulses with energy densities E 1 to E 15 are sequentially irradiated onto a linear region of 125 mm × 1 mm.

この線状のレーザー光が走査されながら照射される様子を図3に示す。例えばAで示される線状に領域に注目すると、まず正規分布の裾の部分に相当する弱いエネルギー密度のパルスから徐々にエネルギー密度の大きいパルスが照射されていくことが分かる。またBで示される線状に領域に注目すると、正規分布の頂上のエネルギー密度の最大のレーザーパルスが照射された後、徐々にエネルギー密度の小さいパルスが照射されていくことが分かる。   FIG. 3 shows how the linear laser light is irradiated while being scanned. For example, when attention is paid to the region indicated by the line A, it can be seen that a pulse having a high energy density is gradually irradiated from a pulse having a weak energy density corresponding to the bottom portion of the normal distribution. When attention is paid to the region indicated by the line B, it can be seen that a pulse having a small energy density is gradually irradiated after the laser pulse having the maximum energy density at the top of the normal distribution is irradiated.

本発明者らの実験によると(LN/V)で示される値が、10〜30の場合に最もよい結晶性珪素膜が得られることが判明している。即ち、線状の所定の領域に10〜30回の照射が行われるようにすることが、珪素膜の結晶化を行う際には、最適なことが判明している。なお照射されるレーザービームのエネルギー密度は100〜500mJ/cmの範囲、好ましくは300〜400mJ/cmの範囲とすることがよい。 According to the experiments by the present inventors, it has been found that the best crystalline silicon film can be obtained when the value indicated by (LN / V) is 10-30. In other words, it has been found that it is optimal to crystallize a silicon film so that a predetermined linear region is irradiated 10 to 30 times. The energy density of the irradiated laser beam is in the range of 100 to 500 mJ / cm 2 , preferably in the range of 300 to 400 mJ / cm 2 .

なお、レーザー光の照射の際、基板温度は200℃に保たれている。これは、レーザー光の照射による基板表面温度の上昇と下降の速度を和らげるために行われる。一般に環境の急激な変化は物質の均一性を損なわれることが知られているが、基板温度を高く保つことでレーザー照射による基板表面の均一性の劣化を極力抑えている。本実施例では基板温度を200度に設定しているが、実際の実施では100度から600度までの間でレーザーアニールに最適な温度を選ぶ。また雰囲気制御は特に行わず、大気中で照射を行うことができる。   Note that the substrate temperature is kept at 200 ° C. during the laser light irradiation. This is performed in order to moderate the rise and fall speeds of the substrate surface temperature due to laser light irradiation. In general, it is known that an abrupt change in the environment impairs the uniformity of a substance. However, by keeping the substrate temperature high, deterioration of the uniformity of the substrate surface due to laser irradiation is suppressed as much as possible. In this embodiment, the substrate temperature is set to 200 degrees, but in the actual implementation, the optimum temperature for laser annealing is selected from 100 degrees to 600 degrees. Further, the atmosphere control is not particularly performed, and irradiation can be performed in the air.

本実施例においては、まず加熱により結晶化が成された結晶性珪素膜に対してレーザー光を照射し、その結晶性と均質性をさらに向上させる例を示す。本発明者らの研究によると、珪素の結晶化を助長する金属元素を用いることにより、550℃、4時間程度の加熱処理によって、結晶性珪素膜が得られることが判明している。この技術は、特開平6−232059号公報、特開平6−244103号公報に記載されている。   In this embodiment, an example is shown in which laser light is first irradiated to a crystalline silicon film that has been crystallized by heating to further improve its crystallinity and homogeneity. According to studies by the present inventors, it has been found that a crystalline silicon film can be obtained by heat treatment at 550 ° C. for about 4 hours by using a metal element that promotes crystallization of silicon. This technique is described in JP-A-6-232059 and JP-A-6-244103.

上記の技術を利用することによって、大面積のガラス基板であっても歪み等がそれほど問題とならない温度範囲において結晶性珪素膜を得ることができる。そして、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタを作製することで、従来の非晶質珪素膜を用いた薄膜トランジスタに比較して飛躍的に特性の向上したものを得ることができる。具体的には、非晶質珪素膜を用いた薄膜トランジスタでは、その移動度が1(cm/Vs)以下であるが、上記金属元素の利用による結晶化技術を利用すると、数十(cm/Vs)以上の移動度を有する薄膜トランジスタを得ることができる。 By utilizing the above technique, a crystalline silicon film can be obtained in a temperature range where distortion or the like is not a problem even with a large-area glass substrate. By manufacturing a thin film transistor using this crystalline silicon film, it is possible to obtain a film whose characteristics are dramatically improved as compared with a thin film transistor using a conventional amorphous silicon film. Specifically, a thin film transistor using an amorphous silicon film has a mobility of 1 (cm 2 / Vs) or less. However, when a crystallization technique using the metal element is used, the mobility is several tens (cm 2 / Vs) or higher mobility can be obtained.

しかし、上記技術を用いて得られた結晶性珪素膜中には、非晶質成分が多く残存していることが電子顕微鏡写真による観察やラマン分光法による観察から明らかになっている。そしてこの残存した非晶質成分をレーザー光の照射によって結晶化させることによって、得られる薄膜トランジスタの特性をさらに高めることができることが判明している。   However, it has been clarified from observation by electron micrographs and observation by Raman spectroscopy that many amorphous components remain in the crystalline silicon film obtained by using the above technique. It has been found that the characteristics of the obtained thin film transistor can be further improved by crystallizing the remaining amorphous component by laser light irradiation.

以下に本実施例で示す結晶性珪素膜の作製工程を示す。まずガラス基板上に下地膜とした酸化珪素膜を200nmの厚さに成膜する。次にプラズマCVD法で非晶質珪素膜を50nmの厚さに成膜する。そしてニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜の表面にスピンコータを用いて塗布する。このニッケル酢酸塩溶液中のニッケル元素の濃度は、最終的に珪素膜中に残存するニッケル元素の濃度が1×1016〜5×1019cm−3となるように調整する。これは、この濃度範囲以上となると、金属シリサイドとしての性質が表れてしまい。また、この濃度範囲以下であると、結晶化を助長する効果が得られないからである。なお、このニッケル元素の濃度は、SIMS(2次イオン分析法)による測定の最大値として定義される。 A manufacturing process of the crystalline silicon film described in this embodiment will be described below. First, a silicon oxide film as a base film is formed to a thickness of 200 nm on a glass substrate. Next, an amorphous silicon film is formed to a thickness of 50 nm by plasma CVD. Then, a nickel acetate solution is applied to the surface of the amorphous silicon film using a spin coater. The concentration of nickel element in the nickel acetate solution is adjusted so that the concentration of nickel element remaining in the silicon film finally becomes 1 × 10 16 to 5 × 10 19 cm −3 . When the concentration is higher than this range, the properties as a metal silicide appear. Moreover, it is because the effect which promotes crystallization is not acquired as it is below this concentration range. The nickel element concentration is defined as the maximum value measured by SIMS (secondary ion analysis).

珪素の結晶化を助長する金属元素としては、ニッケルを用いることがその再現性や効果の点で一番有用である。しかし、他にFe、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類の元素を用いることができる。特にFeやCuやPd、さらにPtは、十分実用になる効果を得ることができる。   As a metal element that promotes crystallization of silicon, nickel is most useful in terms of reproducibility and effects. However, one or more elements selected from Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au can be used. In particular, Fe, Cu, Pd, and further Pt can provide an effect that is sufficiently practical.

非晶質珪素膜の表面にニッケル元素を接して保持させた状態としたら、次に窒素雰囲気中において、450℃の温度で1時間保持することにより、非晶質珪素膜中の水素を離脱させる。この加熱処理は、非晶質珪素膜中に不対結合手を意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるためである。   Once the surface of the amorphous silicon film is held in contact with nickel element, the hydrogen in the amorphous silicon film is released by holding it at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. . This heat treatment is for intentionally forming a dangling bond in the amorphous silicon film to lower the threshold energy for subsequent crystallization.

次に非晶質珪素膜の表面にニッケル元素が接して保持された状態において、加熱処理を行い、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成する。この加熱処理工程は、550℃、4時間の条件で行う。この加熱処理は500℃以上の温度で行うことができるが、ガラス基板の歪点以下の温度とすることが重要である。   Next, in a state where the nickel element is held in contact with the surface of the amorphous silicon film, heat treatment is performed to transform the amorphous silicon film into a crystalline silicon film. This heat treatment step is performed at 550 ° C. for 4 hours. Although this heat treatment can be performed at a temperature of 500 ° C. or higher, it is important to set the temperature below the strain point of the glass substrate.

こうしてガラス基板上に結晶性珪素膜を得ることができる。そして、実施例1に示したのと同様な方法および条件により、レーザー光を照射する。このレーザー光の照射工程で、さらに結晶性とその均一性が助長された結晶性珪素膜を得ることができる。なお、レーザー光のエネルギー密度は、実施例1の場合に比較した20%〜50%程高くした方が、より高い効果を得られることが実験により判明している。   Thus, a crystalline silicon film can be obtained on the glass substrate. Then, laser light is irradiated by the same method and conditions as shown in the first embodiment. In this laser light irradiation step, a crystalline silicon film with further enhanced crystallinity and uniformity can be obtained. In addition, it has been proved by experiment that the energy density of the laser beam can be improved by increasing the energy density by 20% to 50% compared to the case of Example 1.

本実施例のように、珪素の結晶化を助長する金属元素を用いて加熱により得られた結晶性珪素膜に対して、さらにレーザー光を照射して、その結晶性を向上させる技術は、加熱のみ、あるいはレーザー光の照射のみによって、得られた結晶性珪素膜に比較して、その結晶性の良さや均一性、さらに生産性に優れたものを得ることができる。   As in this example, a technique for improving the crystallinity of a crystalline silicon film obtained by heating using a metal element that promotes crystallization of silicon by further irradiating laser light is As a result, it is possible to obtain a film having excellent crystallinity, uniformity, and productivity as compared with the obtained crystalline silicon film only by laser light irradiation.

なお、ニッケル等の金属元素の導入より、加熱により結晶化された結晶性珪素膜に対して、普通の方法でレーザー光を照射した場合、当該金属元素の偏析や部分的な凝集等の現象が見られてしまう。このような当該金属元素の偏析や部分的な凝集は、トラップセンターとなるので、半導体デバイスに利用する場合、その電気的な特性が大きく低下する要因となる。しかし、本明細書に開示するレーザー光の照射方法を採用した場合、そのような現象が見られない。これは、徐々に弱いレーザーエネルギーを段階的に与えることによって、当該金属元素の偏析や部分的な凝集が行われることを抑制することができるためである。   In addition, when a laser beam is irradiated to a crystalline silicon film crystallized by heating from the introduction of a metal element such as nickel, a phenomenon such as segregation or partial aggregation of the metal element occurs. It will be seen. Such segregation or partial agglomeration of the metal element becomes a trap center, and therefore, when used for a semiconductor device, the electrical characteristics thereof are greatly reduced. However, such a phenomenon is not observed when the laser light irradiation method disclosed in this specification is employed. This is because it is possible to suppress the segregation and partial aggregation of the metal element by gradually applying weak laser energy step by step.

レーザー光を照射するための装置の概要を示す。An outline of an apparatus for irradiating laser light is shown. レーザー光を線状に加工するための光学系を示す。An optical system for processing laser light into a linear shape is shown. 正規分布を有する線状のレーザー光を走査して照射した場合の状態を示す。The state in the case of scanning and irradiating linear laser light having a normal distribution is shown. 線状のレーザー光のエネルギー強度のビームプロファイルの概要を示す。The outline of the beam profile of the energy intensity of a linear laser beam is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 台
2 レーザー発進器
3 増幅器
4 光学系
5 全反射ミラー
6 全反射ミラー
7 全反射ミラー
8 全反射ミラー
10 試料ステージの移動機構
11 試料
1 unit 2 Laser starter 3 Amplifier 4 Optical system 5 Total reflection mirror 6 Total reflection mirror 7 Total reflection mirror 8 Total reflection mirror 10 Sample stage moving mechanism 11 Sample

Claims (6)

非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長する金属元素を保持し、
前記非晶質珪素膜を加熱して水素を脱離させ、
前記非晶質珪素膜を加熱して結晶性珪素膜を形成し、
パルス発振方式のレーザーを線状ビームに加工し、前記線状ビームを前記結晶性珪素膜に照射する結晶性珪素膜の作製方法であって、
前記線状ビームは、レーザービームの走査方向に平行な断面でのエネルギー分布が、正規分布であり、
前記線状ビームを用いて、前記レーザービームの走査方向に沿って前記結晶性珪素膜を走査する際に、前記線状ビームの一部を重ねながら前記結晶性珪素膜に対して照射することにより、前記結晶性珪素膜の一点に対して、前記線状ビームを3回〜100回照射することを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。
Forming an amorphous silicon film;
Holding a metal element for promoting crystallization of silicon on the surface of the amorphous silicon film;
Heating the amorphous silicon film to desorb hydrogen;
Heating the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
A method for producing a crystalline silicon film by processing a pulsed laser into a linear beam and irradiating the crystalline silicon film with the linear beam,
The linear beam, the energy distribution at a cross section parallel to the scanning direction of the laser beam is a normal distribution,
When scanning the crystalline silicon film along the scanning direction of the laser beam using the linear beam, by irradiating the crystalline silicon film while overlapping a part of the linear beam A method for producing a crystalline silicon film, wherein one point of the crystalline silicon film is irradiated with the linear beam 3 to 100 times.
請求項1において、前記結晶性珪素膜は、前記金属元素を1×1016〜5×1019原子/cmの濃度で含むことを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。 2. The method for manufacturing a crystalline silicon film according to claim 1, wherein the crystalline silicon film contains the metal element at a concentration of 1 × 10 16 to 5 × 10 19 atoms / cm 3 . 請求項1または2において、前記非晶質珪素膜は、厚さ15〜100nmであることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。   3. The method for manufacturing a crystalline silicon film according to claim 1, wherein the amorphous silicon film has a thickness of 15 to 100 nm. 請求項1乃至3のいずれか一において、前記線状ビームは、1パルス当たりの平均のエネルギー密度が100〜500mJ/cmであることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。 4. The method for manufacturing a crystalline silicon film according to claim 1, wherein the linear beam has an average energy density per pulse of 100 to 500 mJ / cm 2. 5 . 請求項1乃至4のいずれか一において、前記線状ビームの走査方向の長さは、レーザービームのエネルギーが最大エネルギーの5%以上である部分の長さとすることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。   5. The crystalline silicon film according to claim 1, wherein the length of the linear beam in the scanning direction is a length of a portion where the energy of the laser beam is 5% or more of the maximum energy. Manufacturing method. 請求項1乃至5のいずれか一において、前記パルス発振方式のレーザーはエキシマレーザーであることを特徴とする結晶性珪素膜の作製方法。   6. The method for manufacturing a crystalline silicon film according to claim 1, wherein the pulsed laser is an excimer laser.
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