JP5127111B2 - Manufacturing method of semiconductor substrate - Google Patents

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本発明は、基板上に形成された被照射膜、たとえば、非晶質Si膜のような半導体膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度の決定方法により決定された照射エネルギ密度を有するレーザ光を用いてレーザアニール処理を行う半導体基板の製造方法に関する。 The present invention is an irradiated film formed on a substrate, for example, a laser having a laser beam irradiation energy density that is more determined in determining how the irradiation energy density of the irradiation of the semiconductor film such as amorphous Si film It relates to the production how the semiconductor substrate to perform the laser annealing using light.

レーザ光は、コヒーレント光であり、収束性に優れるので、溶接、切断および表面処理などの様々な加工分野に利用されている。レーザ光を利用する加工分野の1つに、たとえば、基板上に成膜された非晶質シリコン(アモルファスシリコン,a−Si)膜にレーザ光を照射して加熱し、多結晶Si膜を形成するレーザアニール処理がある。このレーザアニール処理は、非晶質Si膜にレーザ光を照射することによって、Siの加熱溶融と凝固との過程を通じてa−Si膜を多結晶Si膜にするものである。   Laser light is coherent light and has excellent convergence, and thus is used in various processing fields such as welding, cutting, and surface treatment. In one of the processing fields using laser light, for example, an amorphous silicon (amorphous silicon, a-Si) film formed on a substrate is irradiated with laser light and heated to form a polycrystalline Si film. There is a laser annealing process. In this laser annealing treatment, an amorphous Si film is irradiated with laser light, whereby the a-Si film is converted into a polycrystalline Si film through the process of heating and melting and solidifying Si.

液晶表示装置のスイッチング素子、シフトレジスタおよびデジタル/アナログ(D/A)コンバータ回路などの高機能半導体集積回路には、多結晶Si膜をトランジスタ能動層として用いた薄層トランジスタ(TFT)素子が利用されている。基板上に成膜されたSi膜が、非晶質Si膜であると、それがトランジスタ能動層を構成するには、キャリア移動度が低すぎて、高速性と高性能とが要求される集積回路への利用は困難である。そこで、Si膜の結晶性を改善するために、基板上に成膜された非晶質Si膜にレーザアニール処理を施す方法、つまり、非晶質Si膜にレーザ光を照射して溶融と凝固との過程を通じて結晶化させることにより多結晶Si膜を形成する方法が用いられている。   Thin-film transistor (TFT) elements using a polycrystalline Si film as a transistor active layer are used in high-performance semiconductor integrated circuits such as switching elements, shift registers, and digital / analog (D / A) converter circuits in liquid crystal display devices. Has been. If the Si film formed on the substrate is an amorphous Si film, the carrier mobility is too low for it to constitute a transistor active layer, and the integration requires high speed and high performance. Use in circuits is difficult. Therefore, in order to improve the crystallinity of the Si film, the amorphous Si film formed on the substrate is subjected to a laser annealing treatment, that is, the amorphous Si film is irradiated with laser light to be melted and solidified. A method of forming a polycrystalline Si film by crystallization through the process is used.

このようなレーザアニール処理によって多結晶Si膜を形成する方法においては、得られる多結晶Si膜の結晶性が、非晶質Si膜に照射されるレーザ光の照射エネルギ密度に大きく影響を受ける。レーザ光の照射エネルギ密度が低すぎる場合、充分に結晶成長が進まず、Si膜に非晶質Si部分が多く残るので、得られる多結晶Si膜の特性は非常に低くなってしまう。また、逆にレーザ光の照射エネルギ密度が高すぎる場合、非晶質Si膜は微結晶粒と呼ばれる粒径が数〜数十nmの微細結晶の集合体となってしまう微結晶化が起こり、得られる多結晶Si膜特性が低下してしまう。つまり、レーザアニール法によって非晶質Si膜を結晶化する場合、照射するレーザ光の照射エネルギ密度を高くするほど、得られるSi膜の結晶性は高くなるが、照射エネルギ密度が高すぎると、得られるSi膜は、微結晶化してしまい、その結晶性を急激に低下させてしまう。したがって、レーザアニール法によって非晶質Si膜を結晶化するに際しては、結晶性が急激に低下しない範囲で最も高い照射エネルギ密度を閾値として、その閾値以下で可能な限り高い照射エネルギ密度に設定されるのが望ましい。   In such a method of forming a polycrystalline Si film by laser annealing, the crystallinity of the obtained polycrystalline Si film is greatly affected by the irradiation energy density of the laser light applied to the amorphous Si film. When the laser beam irradiation energy density is too low, crystal growth does not proceed sufficiently, and many amorphous Si portions remain in the Si film, so that the characteristics of the obtained polycrystalline Si film become very low. On the other hand, when the laser beam irradiation energy density is too high, the amorphous Si film is microcrystallized, which is an aggregate of fine crystals with a grain size of several to several tens of nanometers called microcrystal grains, The characteristics of the obtained polycrystalline Si film are deteriorated. That is, when crystallizing an amorphous Si film by a laser annealing method, the higher the irradiation energy density of the irradiated laser light, the higher the crystallinity of the resulting Si film, but if the irradiation energy density is too high, The obtained Si film is microcrystallized and its crystallinity is drastically lowered. Therefore, when crystallizing an amorphous Si film by the laser annealing method, the highest irradiation energy density is set as a threshold within the range where the crystallinity does not drop rapidly, and the irradiation energy density is set as high as possible below the threshold. Is desirable.

しかしながら、実際には、閾値は、レーザビーム形状、光学系の透過率および非晶質Si膜の膜厚などによって大きく変動してしまう。したがって、レーザアニール法を用いて多結晶Si膜を製造する場合には、まず、基板一枚あるいは数十枚〜数百枚単位ごとに、基板の一部あるいは全体を用いて閾値を判定する。さらに、レーザ光を発振するレーザ光発振器は、設定値通りのエネルギ密度を有するレーザ光を発振するとは限らない。つまり、レーザ発振器は、設定したエネルギ密度より装置マージンと呼ばれる幅で高いまたは低いエネルギ密度を有するレーザ光を発振する。設定値を閾値にすると、閾値より高いエネルギ密度を有するレーザ光を半導体膜に照射することが生じてしまい、このような場合、半導体膜は、微結晶化し、半導体膜の特性を急激に悪化させてしまう。したがって、判定して閾値より、照射されるレーザ光の照射エネルギ密度に対するレーザ発振器による誤差の幅だけ低いエネルギ密度をレーザアニール法の処理条件として設定する方法が用いられている。   However, in practice, the threshold value greatly varies depending on the laser beam shape, the transmittance of the optical system, the film thickness of the amorphous Si film, and the like. Therefore, when a polycrystalline Si film is manufactured by using the laser annealing method, first, a threshold value is determined using a part or the whole of the substrate for each substrate or for every several tens to several hundreds. Furthermore, a laser light oscillator that oscillates laser light does not always oscillate laser light having an energy density as set. That is, the laser oscillator oscillates a laser beam having a higher or lower energy density than a set energy density in a width called an apparatus margin. If the set value is set to a threshold value, the semiconductor film may be irradiated with laser light having an energy density higher than the threshold value. In such a case, the semiconductor film is microcrystallized and the characteristics of the semiconductor film are rapidly deteriorated. End up. Therefore, a method is used in which an energy density lower than the threshold value by an error width by the laser oscillator with respect to the irradiation energy density of the irradiated laser light is set as a processing condition of the laser annealing method.

この閾値を判定する方法として、オペレータによる非晶質Si膜上の予備照射部の目視判断およびラマン分光測定により得られるラマンスペクトルの半値幅解析に基づく結晶性判断によって、選定するという方法がとられていた。しかしながら、目視判断は、オペレータの経験および勘に依存する部分が大きく、客観性に乏しいので、オペレータが異なれば選定値が異なるばかりでなく、同じオペレータであっても体調などによって日ごとに選定値が異なるなど、判断基準の安定性に欠ける。また、半値幅解析は、データ処理および解析に長時間を必要とするので、まさに製造工程中の基板に対するレーザアニール処理条件へのリアルタイムフィードバックには不向きであり、レーザアニール処理後の結晶性の確認に用いられるにすぎなかった。   As a method for determining this threshold value, a method is adopted in which selection is made by visual judgment of the pre-irradiation portion on the amorphous Si film by the operator and crystallinity judgment based on half-value width analysis of the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic measurement. It was. However, the visual judgment largely depends on the experience and intuition of the operator and is not objective.Therefore, not only the selected value differs depending on the operator, but also the selected value for each day depending on the physical condition of the same operator. The judgment criteria are not stable. In addition, half-width analysis requires a long time for data processing and analysis, so it is not suitable for real-time feedback to laser annealing conditions for substrates during the manufacturing process, and confirms crystallinity after laser annealing. It was only used for.

上記のような従来の技術は、特許文献1に記載されている。特許文献1のレーザアニール方法は、基板ごとに基板上に形成された被アニール膜の膜厚をエリプソメータで測定し、膜厚を測定した被アニール膜に種々の照射エネルギを有するレーザ光を照射した後、その結晶化状態を顕微ラマン分光分析によって測定し、最適な結晶化状態となった部分に照射したレーザ光の照射エネルギに基づいて、被アニール膜を結晶化させるのに好適な照射エネルギを決定する方法である。照射後の被アニール膜の結晶化状態は、その膜厚に依存するので、被アニール膜の膜厚に基づく好適な照射エネルギを決定することができる。しかし、顕微ラマン分光分析による結晶化状態の測定およびエリプソメータによる膜厚の測定は、ともに長時間を要するので、製造工程中に、レーザ光の照射エネルギを決定すると、生産性が悪くなる。   The conventional technique as described above is described in Patent Document 1. In the laser annealing method of Patent Document 1, the thickness of the film to be annealed formed on the substrate is measured for each substrate with an ellipsometer, and the film to be annealed whose film thickness is measured is irradiated with laser light having various irradiation energies. After that, the crystallization state is measured by microscopic Raman spectroscopic analysis, and based on the irradiation energy of the laser light applied to the portion where the optimum crystallization state is obtained, the irradiation energy suitable for crystallizing the film to be annealed is obtained. It is a method of determination. Since the crystallization state of the film to be annealed after irradiation depends on the film thickness, a suitable irradiation energy based on the film thickness of the film to be annealed can be determined. However, both the measurement of the crystallization state by micro-Raman spectroscopy and the measurement of the film thickness by an ellipsometer require a long time, so that determining the laser beam irradiation energy during the manufacturing process results in poor productivity.

また他の従来の技術は、特許文献2に記載されている。特許文献2の半導体装置の製造方法は、アモルファスシリコン膜に対して、種々の試行条件でレーザ照射を行った後、そのレーザビームを照射した部分を光学顕微鏡による暗視野像の解析により、照射するレーザ光の照射条件を決め、その照射条件でアモルファスシリコン膜にレーザビームを照射する方法である。光学顕微鏡による暗視野像の解析は、表面の性状に敏感であるため、アモルファスシリコン膜の結晶状態を測定でき、その結晶状態に基づき、レーザ光の好適な照射条件を決定することができる。しかし、光学顕微鏡による暗視野像の解析は、長い時間を要してしまうので、レーザ光の照射条件を製造工程中に決定すると、生産性が悪くなる。   Another conventional technique is described in Patent Document 2. In the method of manufacturing a semiconductor device disclosed in Patent Document 2, after laser irradiation is performed on an amorphous silicon film under various trial conditions, a portion irradiated with the laser beam is irradiated by analyzing a dark field image using an optical microscope. In this method, the laser light irradiation conditions are determined, and the amorphous silicon film is irradiated with a laser beam under the irradiation conditions. Since the analysis of the dark field image by the optical microscope is sensitive to the surface properties, the crystalline state of the amorphous silicon film can be measured, and the suitable irradiation condition of the laser beam can be determined based on the crystalline state. However, since the analysis of the dark field image by the optical microscope takes a long time, if the irradiation condition of the laser beam is determined during the manufacturing process, the productivity is deteriorated.

これらの問題を解決する典型的な従来の技術は、特許文献3に記載されている。特許文献3の半導体膜の製造方法は、基板上の半導体膜にエネルギ光(レーザ光)を照射した後、半導体膜表面の散乱光強度に基づいて、基板ごとに、半導体膜が微結晶化しない最大のエネルギ密度を閾値として判断して、その閾値より一定値低いエネルギ密度を有するエネルギ光を半導体膜に照射する方法である。   A typical conventional technique for solving these problems is described in Patent Document 3. In the method of manufacturing a semiconductor film disclosed in Patent Document 3, the semiconductor film on the substrate is not microcrystallized for each substrate based on the scattered light intensity on the surface of the semiconductor film after the semiconductor film on the substrate is irradiated with energy light (laser light). In this method, the maximum energy density is determined as a threshold value, and the semiconductor film is irradiated with energy light having an energy density lower than the threshold value by a certain value.

また他の従来の技術として、特許文献3の技術に類似の技術が特許文献4に記載されている。特許文献4の液晶表示装置の製造方法は、反応容器内で、基板の表面に形成された非晶質半導体にエキシマレーザを照射してアニール処理を施して、非晶質半導体を多結晶化させる際、非晶質半導体に検査光を照射し、その散乱光を検出器で検出することによって、結晶性を評価しながら、所望の結晶性が得られるまで数回アニール処理をする方法である。   As another conventional technique, a technique similar to the technique of Patent Document 3 is described in Patent Document 4. In the method of manufacturing a liquid crystal display device disclosed in Patent Document 4, an amorphous semiconductor formed on the surface of a substrate is irradiated with an excimer laser to perform annealing in a reaction vessel, thereby polycrystallizing the amorphous semiconductor. In this case, the amorphous semiconductor is irradiated with inspection light and the scattered light is detected by a detector, and the annealing is performed several times until the desired crystallinity is obtained while evaluating the crystallinity.

特開平10−284433号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-284433 特開2002−8976号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-8976 特開2000−114174号公報JP 2000-114174 A 特開2002−9012号公報JP 2002-9012 A

結晶性の高い半導体膜を効率的に得るためには、半導体膜に照射するレーザ光の最適な照射エネルギ密度を容易に決定することができる必要がある。   In order to efficiently obtain a semiconductor film with high crystallinity, it is necessary to be able to easily determine the optimum irradiation energy density of the laser light with which the semiconductor film is irradiated.

特許文献3に開示されている半導体装置の製造方法によると、微結晶化の閾値を判定し、その閾値より一定値低いエネルギ密度を有するレーザ光を半導体膜に照射するので、半導体膜は、微結晶化せずに結晶性の高いものにすることができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in Patent Document 3, the threshold for microcrystallization is determined, and the semiconductor film is irradiated with laser light having an energy density lower than the threshold by a certain value. High crystallinity can be achieved without crystallization.

以下に、特許文献3に開示されている半導体装置の製造方法を詳細に説明する。まず、種々のエネルギ密度を有するレーザ光を基板上に形成されている半導体膜に照射し、半導体膜表面の散乱光強度を測定することによって、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との関係を示すグラフを求めることができる。   Below, the manufacturing method of the semiconductor device currently disclosed by patent document 3 is demonstrated in detail. First, by irradiating a semiconductor film formed on the substrate with laser light having various energy densities and measuring the scattered light intensity on the surface of the semiconductor film, the energy density and surface scattered light intensity of the irradiated laser light A graph showing the relationship can be obtained.

図6は、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との関係を示すグラフの一例である。横軸は、半導体膜に照射したレーザ光のエネルギ密度(mJ/cm)を示し、縦軸は、表面散乱光強度を示す。ライン31は、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。図からわかるように、エネルギ密度が増加すると、表面散乱光強度は増加する。つまり、表面散乱光強度の増加は、半導体膜の結晶性の向上を表わしているので、照射するレーザ光のエネルギ密度が増加すると、得られる半導体膜は、結晶性の高いものとなる。しかし、閾値である約360mJ/cmより高いと、半導体膜は、微結晶化してしまい、表面散乱光強度が急激に低下する。したがって、閾値であるエネルギ密度を有するレーザ光が、半導体膜を製造するために最も好ましいが、レーザ発振器には、マージンがあるので、レーザ光のエネルギ密度の設定値を閾値より矢符33で示す装置マージンの約15mJ/cmの分だけ低いエネルギ密度である約345mJ/cmに設定する。そうすることによって、閾値より高いエネルギ密度になることはなく、さらに閾値より高くない範囲内で可能な限り高いエネルギ密度を有するレーザ光を半導体膜に照射することができるので、得られた半導体膜は、微結晶化することなく、結晶性の高い好ましいものとなる。 FIG. 6 is an example of a graph showing the relationship between the energy density of the laser beam to be irradiated and the surface scattered light intensity. The horizontal axis represents the energy density (mJ / cm 2 ) of the laser light applied to the semiconductor film, and the vertical axis represents the surface scattered light intensity. Line 31 is a characteristic curve of the energy density of the laser beam to be irradiated and the surface scattered light intensity. As can be seen from the figure, as the energy density increases, the surface scattered light intensity increases. That is, an increase in the intensity of the surface scattered light represents an improvement in the crystallinity of the semiconductor film. Therefore, when the energy density of the irradiated laser light increases, the obtained semiconductor film has a high crystallinity. However, if it is higher than the threshold value of about 360 mJ / cm 2 , the semiconductor film is microcrystallized, and the surface scattered light intensity rapidly decreases. Therefore, a laser beam having an energy density that is a threshold is most preferable for manufacturing a semiconductor film. However, since the laser oscillator has a margin, a set value of the energy density of the laser beam is indicated by an arrow 33 from the threshold. The energy density is set to about 345 mJ / cm 2 , which is lower by the device margin of about 15 mJ / cm 2 . By doing so, it is possible to irradiate the semiconductor film with a laser beam having an energy density as high as possible within a range not higher than the threshold, and thus the obtained semiconductor film. Is preferable because of high crystallinity without microcrystallization.

しかし、実際には、所定枚数の基板を処理した後、または、所定回数レーザ光を発振した後には、レーザ発振器内のレーザガスが劣化してしまい、レーザガスを新しいガスに交換するという作業が必要不可欠である。このレーザガス交換の際、レーザ発振器状態が微妙に変化してしまうことにより、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化してしまう。   However, in practice, after processing a predetermined number of substrates or oscillating a laser beam a predetermined number of times, the laser gas in the laser oscillator deteriorates, and it is essential to replace the laser gas with a new gas. It is. When the laser gas is exchanged, the laser oscillator state slightly changes, so that the characteristic curve between the energy density of the irradiated laser light and the surface scattered light intensity changes.

図7は、レーザガス交換したレーザ発振器を用いて照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報である。図6と同様に、横軸は、半導体膜に照射したレーザ光のエネルギ密度(mJ/cm)を示し、縦軸は、表面散乱光強度を示す。ライン41は、図6のライン31であり、照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線の一例である。ライン42および43は、レーザ発振器のレーザガスを交換した際のエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。図からわかるように、レーザガスが交換されてレーザ発振器の状態が変化すると、閾値であるエネルギ密度を有するレーザ光を照射したときの表面散乱光強度はほぼ一定となるが、エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線は、変化してしまう。なお、レーザガスの交換と比較すれば、その度合いは小さいが、被アニール膜である非晶質Si膜の膜厚、レーザガスの経時的劣化およびレーザアニール装置の光学系透過率の変化によってもエネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化してしまう場合もある。 FIG. 7 shows correspondence information between the energy density of the laser beam irradiated using the laser oscillator whose laser gas is exchanged and the surface scattered light intensity. Similar to FIG. 6, the horizontal axis represents the energy density (mJ / cm 2 ) of the laser light applied to the semiconductor film, and the vertical axis represents the surface scattered light intensity. Line 41 is line 31 in FIG. 6, and is an example of a characteristic curve between the energy density of the irradiated laser beam and the surface scattered light intensity. Lines 42 and 43 are characteristic curves of energy density and surface scattered light intensity when the laser gas of the laser oscillator is exchanged. As can be seen from the figure, when the laser gas is exchanged and the state of the laser oscillator changes, the intensity of the surface scattered light when irradiated with the laser beam having the energy density that is the threshold value becomes substantially constant. The characteristic curve with the strength changes. Compared with the exchange of laser gas, the degree of energy density is small, but the energy density also depends on the film thickness of the amorphous Si film that is the film to be annealed, the deterioration of the laser gas over time and the optical system transmittance of the laser annealing apparatus. And the characteristic curve of the surface scattered light intensity may change.

このように、エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化し、さらに、閾値が、ライン41の場合、約360mJ/cm、ライン42の場合、約350mJ/cm、ライン43の場合は、約340mJ/cmと変化する。このような場合であっても、矢符44で示す装置マージンである約15mJ/cm分だけそれぞれの閾値より低いエネルギ密度を照射するレーザ光のエネルギ密度として決定する。このようにして決定したエネルギ密度は、それぞれの特性曲線においては、閾値より高いエネルギ密度にならない範囲で設定できるので好ましいが、得られた半導体膜の散乱光強度は、ライン41の場合、約60、ライン42の場合、約65、ライン43の場合、約70となり、半導体膜の表面散乱光強度にばらつきが生じてしまう。つまり、レーザガスの交換などの際、レーザ発振器の状態が変化することによって、エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線が変化してしまうにもかかわらず、そのことを考慮せずに、閾値より一定値だけ低いエネルギ密度を設定しているために、得られる半導体膜の結晶性にばらつきが発生してしまう。このようなばらつきは、多結晶Si膜を用いたTFT素子特性にも大きなばらつきが生じてしまい、この能動素子により構成される駆動回路、シフトレジスタおよびD/Aコンバータなどの高機能回路を設計する際の大きな障害となってしまう危険性がある。 Thus, the characteristic curve of the energy density and the surface scattered light intensity is changed, further, the threshold is, the case of line 41, about 360 mJ / cm 2, when the line 42, about 350 mJ / cm 2, if the line 43 Varies with about 340 mJ / cm 2 . Even in such a case, it is determined as the energy density of the laser beam that irradiates the energy density lower than the respective threshold by about 15 mJ / cm 2 that is the apparatus margin indicated by the arrow 44. The energy density thus determined can be set in each characteristic curve because it can be set in a range where the energy density is not higher than the threshold value. However, the scattered light intensity of the obtained semiconductor film is about 60 in the case of the line 41. In the case of the line 42, it becomes about 65, and in the case of the line 43, it becomes about 70, and the surface scattered light intensity of the semiconductor film varies. In other words, the characteristic curve between the energy density and the surface scattered light intensity changes due to the state of the laser oscillator changing when the laser gas is exchanged, etc. Since the energy density is set lower by a certain value, the crystallinity of the obtained semiconductor film varies. Such a variation causes a large variation in TFT element characteristics using the polycrystalline Si film, and a high-function circuit such as a drive circuit, a shift register, and a D / A converter constituted by the active element is designed. There is a danger of becoming a major obstacle.

特許文献4に開示されている液晶表示装置の製造方法によると、反応容器内で、非晶質半導体にエキシマレーザを照射してアニール処理を施して、非晶質半導体に検査光を照射し、その散乱光を検出器で検出することによって、非晶質半導体の結晶性を評価しながら、所望の結晶性が得られるまでアニール処理をするので、得られた半導体は、結晶性の高いものとなる。しかし、1回のアニール処理で用いるエキシマレーザの出力が、非晶質半導体に対して大きすぎると、所望の結晶性が得られるまでに、微結晶化してしまい、著しく結晶性が劣ってしまう。また、1回のアニール処理で用いるエキシマレーザの出力が、小さいと、所望の結晶性が得られるまでに、数回アニール処理をしなければならず、時間がかかってしまう。   According to the method of manufacturing a liquid crystal display device disclosed in Patent Document 4, an amorphous semiconductor is irradiated with an excimer laser to perform an annealing treatment in a reaction vessel, and the amorphous semiconductor is irradiated with inspection light. By detecting the scattered light with a detector, the crystallinity of the amorphous semiconductor is evaluated, and annealing treatment is performed until the desired crystallinity is obtained, so that the obtained semiconductor has high crystallinity. Become. However, if the output of the excimer laser used in one annealing process is too large for the amorphous semiconductor, the crystallinity is remarkably deteriorated until the desired crystallinity is obtained. Further, if the output of the excimer laser used in one annealing process is small, the annealing process must be performed several times until the desired crystallinity is obtained, which takes time.

本発明の目的は、レーザ光を照射することによって被照射膜の結晶性を高める際に、レーザ発振器の状態の変化などの影響によって、得られる被照射膜の結晶性にばらつき生じさせないレーザ光の照射エネルギ密度を決定する方法を用いた半導体基板の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to increase the crystallinity of a film to be irradiated by irradiating laser light, so that the laser light does not cause variations in the crystallinity of the film to be obtained due to the influence of a change in the state of a laser oscillator. is to provide a manufacturing how the semiconductor substrate using the way of determining the irradiation energy density of.

また本発明は、基板上に形成された非晶質Si膜に対して種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する予備照射工程と、
照射エネルギ密度ごとにレーザ光が照射された非晶質Si膜の表面散乱光強度を測定する表面散乱光強度測定工程と、
前記照射エネルギ密度と前記表面散乱光強度との対応関係からレーザ特性曲線を作成するレーザ特性曲線作成工程と、
前記レーザ特性曲線に基づいて、あらかじめ目標設定された表面散乱光強度が得られる照射エネルギ密度を決定する照射エネルギ密度決定工程とを含む処理条件決定工程と、
決定したエネルギ密度を有するレーザ光を非晶質Si膜に照射してレーザアニール処理を行い、多結晶Si膜を形成するレーザアニール工程とを有し、
所定の条件が満たされたときに、再度、処理条件決定工程を行って、レーザ光の照射エネルギ密度を再決定する半導体基板の製造方法であって、
所定の条件が満たされた後の照射エネルギ密度決定工程では、所定の条件が満たされた後のレーザ特性曲線作成工程で作成されたレーザ特性曲線に基づいて、所定の条件が満たされる前の処理条件決定工程における照射エネルギ密度決定工程において用いられた前記あらかじめ目標設定された表面散乱光強度が得られる照射エネルギ密度を決定することを特徴とする半導体基板の製造方法である。
The present invention also includes a preliminary irradiation step of irradiating the amorphous Si film formed on the substrate with laser beams having various irradiation energy densities;
A surface scattered light intensity measuring step for measuring the surface scattered light intensity of the amorphous Si film irradiated with laser light for each irradiation energy density;
A laser characteristic curve creating step of creating a laser characteristic curve from the correspondence between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity;
A process condition determining step including an irradiation energy density determining step for determining an irradiation energy density at which a surface scattering light intensity set in advance as a target is obtained based on the laser characteristic curve ;
The laser beam with an energy density determined perform laser annealing process by irradiating the amorphous Si film, to have a laser annealing to form a polycrystalline Si film,
When a predetermined condition is satisfied, a process condition determining step is performed again to re-determine the irradiation energy density of the laser beam,
In the irradiation energy density determination step after the predetermined condition is satisfied, the process before the predetermined condition is satisfied based on the laser characteristic curve generated in the laser characteristic curve generation step after the predetermined condition is satisfied A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising: determining an irradiation energy density that is used in the irradiation energy density determination step in the condition determination step to obtain the surface scattering light intensity set in advance as a target .

また本発明は、所定の条件は、レーザ発振器のレーザガスが交換されたことであることを特徴とする。   According to the present invention, the predetermined condition is that the laser gas of the laser oscillator is exchanged.

また本発明は、所定の条件は、一枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the predetermined condition is that one substrate is laser-annealed.

また本発明は、前記所定の条件は、複数枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the predetermined condition is that a plurality of substrates are laser-annealed.

本発明によれば、基板上に形成された非晶質Si膜に対して、種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射し、照射エネルギ密度ごとにレーザ光が照射された非晶質Si膜の表面散乱光強度を測定することによって、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係からレーザ特性曲線を作成する。このレーザ特性曲線に基づいて、あらかじめ目標設定された表面散乱光強度が得られる照射エネルギ密度を決定する。 According to the present invention, the amorphous Si film formed on the substrate is irradiated with laser light having various irradiation energy densities, and the amorphous Si film is irradiated with the laser light for each irradiation energy density. By measuring the surface scattered light intensity, a laser characteristic curve is created from the correspondence between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity. Based on the laser characteristic curve, an irradiation energy density that can obtain a surface scattered light intensity set in advance as a target is determined.

予備照射工程で実際にレーザ光を照射して作成されたレーザ特性曲線に基づいて、あらかじめ目標設定された表面散乱光強度が得られる照射エネルギ密度を決定しているので、得られる多結晶Si膜の結晶性のばらつきを小さくすることができる。
前記の方法によって決定された照射エネルギ強度を有するレーザ光を非晶質Si膜に照射してレーザアニール処理をすることによって、特性曲線の変化に応じた照射エネルギ密度を決定することができるので、表面散乱光強度のばらつきの小さい、つまり、結晶性のばらつきが少ない多結晶Si膜を形成することができる。
またレーザ発振器の状態が変化するなどの所定の条件が満たされたときに、再度、上記の方法によってレーザ光の照射エネルギ密度を再決定するので、得られる多結晶Si膜の表面散乱光強度があらかじめ設定した目標値付近のばらつきの小さいものになり、結晶性のばらつきが少ない多結晶Si膜を形成することができる。
Based on the laser characteristic curve created by actually irradiating the laser beam in the preliminary irradiation process, the irradiation energy density for obtaining the surface scattering light intensity set in advance as a target is determined, so that the obtained polycrystalline Si film The variation in crystallinity can be reduced.
By irradiating the amorphous Si film with the laser beam having the irradiation energy intensity determined by the above method and performing the laser annealing treatment, the irradiation energy density according to the change in the characteristic curve can be determined. A polycrystalline Si film having a small variation in surface scattered light intensity, that is, a small variation in crystallinity can be formed.
Also, when a predetermined condition such as a change in the state of the laser oscillator is satisfied, the irradiation energy density of the laser beam is determined again by the above method, so that the surface scattered light intensity of the obtained polycrystalline Si film is It is possible to form a polycrystal Si film having a small variation around a preset target value and a small variation in crystallinity.

また本発明によれば、レーザ発振器の状態が最も変化するレーザガスの交換を行うたびに、上記の方法で照射エネルギ密度を再決定するので、結晶性のばらつきが小さい多結晶Si膜を効率的に得ることができる。 Further, according to the present invention, the irradiation energy density is re-determined by the above method every time the laser gas whose laser oscillator state changes most is changed, so that a polycrystalline Si film having a small variation in crystallinity can be efficiently formed. Can be obtained.

また本発明によれば、一枚の基板にレーザアニール処理を行うたびに、上記の方法で照射エネルギ密度を再決定するので、結晶性のばらつきが非常に小さい多結晶Si膜を形成することができ、さらに非晶質Si膜の膜厚の変化、レーザビーム形状および光学系の透過率の変化など種々の変化に影響されずに結晶性のばらつきが小さい多結晶Si膜を形成することができる。 According to the present invention, the irradiation energy density is re-determined by the above method every time laser annealing is performed on a single substrate, so that it is possible to form a polycrystalline Si film with extremely small variation in crystallinity. In addition, it is possible to form a polycrystalline Si film having a small variation in crystallinity without being affected by various changes such as a change in the thickness of the amorphous Si film, a change in the laser beam shape and the transmittance of the optical system. .

また本発明によれば、複数枚の基板にレーザアニール処理を行うたびに、たとえば、レーザ発振器の特性に応じて、レーザ発振器の状態が変化する頃に、上記の方法で照射エネルギ密度を再決定するので、レーザ発振器の特性に応じて、結晶性のばらつきが小さい多結晶Si膜を効率的に得ることができる。 In addition, according to the present invention, each time laser annealing is performed on a plurality of substrates, for example, when the state of the laser oscillator changes according to the characteristics of the laser oscillator, the irradiation energy density is determined again by the above method. Therefore, a polycrystalline Si film having a small variation in crystallinity can be efficiently obtained according to the characteristics of the laser oscillator.

本発明は、レーザアニール処理において、被照射膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する方法に特徴があり、所定の条件を満たすたびに、再決定を行う。   The present invention is characterized in a method of determining an irradiation energy density of laser light applied to a film to be irradiated in laser annealing, and re-determination is performed every time a predetermined condition is satisfied.

図1は、本発明の第1の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。ここで、所定の条件は、レーザ発振器のレーザガスが交換されたことであり、被照射膜は、半導体ウエハおよびガラス基板などの基板上に形成された半導体薄膜である。製造を開始すると、まず、ステップA1の処理が行われる。ステップA1では、後述する方法によって半導体薄膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する。ステップA2では、ステップA1で決定された照射エネルギ密度を有するレーザ光を半導体薄膜に照射して一枚の基板にレーザアニール処理を行う。ステップA3では、レーザアニール処理をすべき基板が残っているとCPU(Central Processing Unit)が判断すると、ステップA4に進み、レーザアニール処理をすべき基板が残っていないとCPUが判断すると、半導体基板の製造を終了する。ステップA4では、レーザガスが交換されたとCPUが判断すると、A1に戻って、照射エネルギ密度を再決定する。また、レーザガスが交換されていないとCPUが判断すると、A2に戻り、次の基板にレーザアニール処理を行う。   FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. Here, the predetermined condition is that the laser gas of the laser oscillator is exchanged, and the irradiated film is a semiconductor thin film formed on a substrate such as a semiconductor wafer or a glass substrate. When manufacturing is started, first, the process of step A1 is performed. In step A1, the irradiation energy density of the laser light irradiated to the semiconductor thin film is determined by a method described later. In step A2, laser annealing is performed on one substrate by irradiating the semiconductor thin film with laser light having the irradiation energy density determined in step A1. In step A3, when a CPU (Central Processing Unit) determines that there is a substrate to be subjected to laser annealing, the process proceeds to step A4. When the CPU determines that there is no substrate to be subjected to laser annealing, End of production. In step A4, when the CPU determines that the laser gas has been replaced, the process returns to A1 and the irradiation energy density is determined again. If the CPU determines that the laser gas has not been replaced, the process returns to A2, and laser annealing is performed on the next substrate.

レーザ発振器のレーザガスを交換すると、レーザ発振器の状態が大きく変化してしまうが、そのたびごとに照射するレーザ光の照射エネルギ密度を再決定する。こうすることによって、レーザ発振器の状態が最も変化するときに、照射エネルギ密度の決定を行うので、効率よくレーザアニール処理を行うことができ、さらに被照射膜の結晶性のばらつきの小さいものを得ることができる。また、被照射膜は、具体的には、Siウエハおよびガラス基板などの上に形成されていた半導体膜、特に非晶質Si膜であり、本発明であるレーザアニール方法による処理後には、結晶性のばらつきの小さいポリSi膜が得られる。   When the laser gas of the laser oscillator is changed, the state of the laser oscillator changes greatly, but the irradiation energy density of the laser beam to be irradiated is re-determined each time. By doing so, the irradiation energy density is determined when the state of the laser oscillator changes the most, so that laser annealing can be performed efficiently, and a film with a small variation in crystallinity of the irradiated film is obtained. be able to. Further, the irradiated film is specifically a semiconductor film formed on a Si wafer, a glass substrate, etc., in particular an amorphous Si film, and after treatment by the laser annealing method of the present invention, A poly-Si film with small variation in properties can be obtained.

図2は、本発明の実施の一形態である照射エネルギ密度の決定方法を示すフローチャートである。まず、ステップB1では、被照射膜に種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する。ステップB2では、照射エネルギごとに被照射膜の表面散乱光強度を測定する。ステップB3では、照射したレーザ光の照射エネルギ密度と測定した表面散乱光強度とに基づいて、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報を作成する。その情報は、図3に示す。ステップB4では、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報に基づいて、あらかじめ設定された目標値である表面散乱光強度から照射エネルギ密度を決定する。ここで、対応関係情報とは、たとえば、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線であってもよいし、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との関係式であってもよい。以下では、対応関係情報は、特性曲線として説明する。なお、目標値である表面散乱光強度は、製品スペックに基づく値を後述の装置に入力し、メモリに記憶しておく。また、ステップB4で決定される表面散乱光強度が目標値となるような照射エネルギ密度が複数ある場合は、最も小さい照射エネルギ密度に決定する。   FIG. 2 is a flowchart showing a method for determining an irradiation energy density according to an embodiment of the present invention. First, in step B1, the irradiated film is irradiated with laser light having various irradiation energy densities. In step B2, the surface scattered light intensity of the irradiated film is measured for each irradiation energy. In step B3, correspondence information between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity is created based on the irradiation energy density of the irradiated laser light and the measured surface scattered light intensity. The information is shown in FIG. In step B4, the irradiation energy density is determined from the surface scattered light intensity, which is a preset target value, based on correspondence information between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity. Here, the correspondence relationship information may be, for example, a characteristic curve between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity, or may be a relational expression between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity. Hereinafter, the correspondence relationship information will be described as a characteristic curve. Note that the surface scattered light intensity, which is a target value, is input to a device to be described later and stored in a memory. Further, when there are a plurality of irradiation energy densities such that the surface scattered light intensity determined in step B4 becomes a target value, the lowest irradiation energy density is determined.

図3は、レーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。横軸は、半導体膜に照射したレーザ光のエネルギ密度(mJ/cm)を示し、縦軸は、表面散乱光強度を示す。ライン1,2および3は、レーザ発振器のレーザガスを交換することによるレーザ発振器の状態が変化した際の照射するレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線である。図3に示すように、レーザ発振器の状態が変化すると、閾値となる照射エネルギ密度を照射したときの表面散乱光強度はほぼ一定であるが、照射エネルギ密度と表面散乱光強度との特性曲線は、ライン1,2および3のように変化する。たとえば、表面散乱光強度の目標値を60とすると、照射エネルギ密度は、ライン1の場合、約345mJ/cm,ライン2の場合、約330mJ/cm,ライン3の場合、約315mJ/cmとなる。このような照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射すると、得られる被照射膜の表面散乱光強度は、すべて約60となる。縦軸である表面散乱光強度は、計測する機器に依存する値であるが、一定の条件の下では、被照射膜の結晶化状態を反映させた値となるので、結晶性の均一な被照射膜を得ることができたことがわかる。 FIG. 3 is a characteristic curve of the laser beam irradiation energy density and the surface scattered light intensity. The horizontal axis represents the energy density (mJ / cm 2 ) of the laser light applied to the semiconductor film, and the vertical axis represents the surface scattered light intensity. Lines 1, 2 and 3 are characteristic curves of the irradiation energy density of the laser beam to be irradiated and the surface scattered light intensity when the state of the laser oscillator is changed by exchanging the laser gas of the laser oscillator. As shown in FIG. 3, when the state of the laser oscillator changes, the surface scattered light intensity when irradiated with the irradiation energy density that is a threshold is substantially constant, but the characteristic curve between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity is , Changes as lines 1, 2 and 3. For example, if the target value of the surface scattered light intensity and 60, the irradiation energy density in the case of line 1, from about 345mJ / cm 2, the case of line 2, from about 330 mJ / cm 2, the case of line 3, from about 315mJ / cm 2 . When the laser beam having such an irradiation energy density is irradiated, the surface scattered light intensity of the irradiated film obtained is about 60 in all cases. The surface scattered light intensity on the vertical axis is a value that depends on the instrument to be measured, but under a certain condition, it is a value that reflects the crystallization state of the irradiated film. It can be seen that an irradiation film could be obtained.

図4は、本発明の実施の一形態であるレーザアニール装置11の構成を簡略化して示す系統図である。レーザアニール装置11は、レーザ光を出射するレーザ発振器12と、被照射膜17をその平面状において複数の領域に区分し、区分された領域ごとに、レーザ発振器12から出射されるレーザ光を導くとともに、レーザ光の光量を領域ごとに可変に調整することのできる照射光学系13と、被照射膜の表面散乱光強度を領域ごとに測定する表面散乱光強度測定手段14と、被照射膜に照射されたレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度測定手段14の出力との関係に基づいて、レーザ発振器12の発振出力または照射光学系13の光量を調整することによって、レーザ光の被照射膜に対する照射エネルギ密度を制御する制御手段15とを含む。   FIG. 4 is a system diagram showing a simplified configuration of the laser annealing apparatus 11 according to one embodiment of the present invention. The laser annealing apparatus 11 divides a laser oscillator 12 that emits laser light and an irradiated film 17 into a plurality of regions in a planar shape, and guides the laser light emitted from the laser oscillator 12 for each of the divided regions. At the same time, the irradiation optical system 13 capable of variably adjusting the amount of laser light for each region, the surface scattered light intensity measuring means 14 for measuring the surface scattered light intensity of the irradiated film for each region, and the irradiated film Based on the relationship between the irradiation energy density of the irradiated laser light and the output of the surface scattered light intensity measuring means 14, the oscillation output of the laser oscillator 12 or the amount of light of the irradiation optical system 13 is adjusted to thereby irradiate the laser light. And control means 15 for controlling the irradiation energy density for the film.

本実施の形態のレーザアニール装置11は、たとえばガラス製の基板16の上に形成された被照射膜である非晶質Si膜17に対して、レーザ光を照射してアニール処理を施すことに用いられる。非晶質Si膜17の形成された基板16である半導体基板21は、少なくとも2軸方向に移動可能なX−Yテーブル18上に載置される。X−Yテーブル18には、図示を省略する駆動手段と、駆動手段の動作を制御してテーブル上の基板16を所望の位置に移動させることのできる駆動手段の制御部とが備えられている。非晶質Si膜17の形成された基板16およびX−Yテーブル18は、加工容器である処理チャンバ19の内部空間20に収容される。   The laser annealing apparatus 11 according to the present embodiment performs an annealing process by irradiating a laser beam to an amorphous Si film 17 that is an irradiated film formed on a glass substrate 16, for example. Used. A semiconductor substrate 21, which is a substrate 16 on which an amorphous Si film 17 is formed, is placed on an XY table 18 that can move in at least two axial directions. The XY table 18 includes a driving unit (not shown) and a control unit for the driving unit that can control the operation of the driving unit to move the substrate 16 on the table to a desired position. . The substrate 16 on which the amorphous Si film 17 is formed and the XY table 18 are accommodated in an internal space 20 of a processing chamber 19 that is a processing container.

処理チャンバ19は、たとえば金属製の箱型容器である。処理チャンバ19には、図示を省略する真空ポンプとその配管系および不活性ガスまたは活性ガスの供給源とその配管系が設けられ、真空雰囲気またはその他任意のガス雰囲気中で、非晶質Si膜のレーザアニール処理が可能なように構成される。   The processing chamber 19 is, for example, a metal box container. The processing chamber 19 is provided with a vacuum pump (not shown), its piping system, a supply source of inert gas or active gas, and its piping system, and an amorphous Si film in a vacuum atmosphere or any other gas atmosphere. The laser annealing process is possible.

レーザ光を出射するレーザ発振器12は、本実施の形態では希ガスとハロゲン化物とのエキシマを利用したXeClエキシマレーザを発振するものである。レーザ発振器12は、制御手段15からの制御信号によって、その発振出力が可変なように構成される。なお、XeClエキシマレーザを発振するレーザ発振器以外にもKrFエキシマレーザ、ArFエキシマレーザおよびその他のエキシマレーザなどを発振するレーザ発振器も用いることができる。   In this embodiment, the laser oscillator 12 that emits laser light oscillates an XeCl excimer laser using an excimer of a rare gas and a halide. The laser oscillator 12 is configured such that its oscillation output is variable by a control signal from the control means 15. In addition to the laser oscillator that oscillates the XeCl excimer laser, a laser oscillator that oscillates a KrF excimer laser, an ArF excimer laser, and other excimer lasers can also be used.

照射光学系13は、レーザ発振器12から出射されるレーザ光の光路を曲げて、処理チャンバ19内の非晶質Si膜17へ導く光反射部材と、レーザ光の光量を可変に調整する光量調整部材とを含んで構成される。本実施の形態では、レーザ発振器12から出射されるレーザ光の光量を減衰させることによって、光量を可変に調整する方法を採っているので、図4では、照射光学系13を光量調整機能で代表し、減衰器を表すアッテネータと表記している。照射光学系13に備わる光量調整部材(アッテネータ)には、(a)透過率の異なる複数の部分透過ミラーを備え、この部分ミラーを選択して光路に挿入するもの、(b)ハーフミラーを光路に挿入し、このハーフミラーとレーザ光のビームとの角度を変えるもの、(c)偏光板を光路に挿入し、その偏光軸の方向を変えるものなどのうち、いずれを用いてもよい。   The irradiation optical system 13 bends the optical path of the laser light emitted from the laser oscillator 12 and guides it to the amorphous Si film 17 in the processing chamber 19, and the light amount adjustment for variably adjusting the light amount of the laser light. And a member. In the present embodiment, a method of variably adjusting the light amount by attenuating the light amount of the laser light emitted from the laser oscillator 12 is employed. Therefore, in FIG. 4, the irradiation optical system 13 is represented by a light amount adjustment function. It is written as an attenuator that represents an attenuator. The light amount adjusting member (attenuator) provided in the irradiation optical system 13 includes (a) a plurality of partial transmission mirrors having different transmittances, and these partial mirrors are selected and inserted into the optical path. (B) the half mirror is provided in the optical path. Any one of the one that changes the angle between the half mirror and the laser beam and (c) the one that inserts the polarizing plate into the optical path and changes the direction of its polarization axis may be used.

表面散乱光強度測定手段14は、測定用のレーザ光を所定の入射角で非晶質Si膜17に照射して、入射角に対応した角度以外の角度に設置した検知器により非晶質Si膜17表面での散乱光強度を検出することにより、非晶質Si膜17の結晶化状態を測定することができる装置である。   The surface scattered light intensity measuring means 14 irradiates the amorphous Si film 17 with a laser beam for measurement at a predetermined incident angle, and the amorphous Si film 17 is detected by a detector installed at an angle other than the angle corresponding to the incident angle. This is an apparatus capable of measuring the crystallization state of the amorphous Si film 17 by detecting the scattered light intensity on the surface of the film 17.

制御手段15は、CPUを備える処理回路であり、たとえばマイクロコンピュータなどによって実現される。メモリ21には、たとえばROM(Read Only Memory)またはRAM(Random Access Memory)などの公知のものを用いることができる。   The control means 15 is a processing circuit including a CPU, and is realized by, for example, a microcomputer. As the memory 21, for example, a known memory such as ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory) can be used.

メモリ21は、非晶質Si膜17に照射したレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との関係をストアする。この照射エネルギ密度と表面散乱光強度との関係に基づいて、上記のような照射エネルギ密度の決定方法によって、照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する。また、メモリ21は、目標値として入力された表面散乱光強度およびレーザアニール処理をした枚数を記憶する。   The memory 21 stores the relationship between the irradiation energy density of the laser light applied to the amorphous Si film 17 and the surface scattered light intensity. Based on the relationship between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity, the irradiation energy density of the laser beam to be irradiated is determined by the method for determining the irradiation energy density as described above. Further, the memory 21 stores the surface scattered light intensity inputted as the target value and the number of pieces subjected to laser annealing.

したがって、この装置を用いると、結晶性にばらつきが少ない被照射膜を形成することができる。   Therefore, when this apparatus is used, an irradiated film with little variation in crystallinity can be formed.

図5は、本発明の第2の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。ここで、所定の条件は、第1の実施形態とは異なり、レーザ発振器のレーザガスを交換されたことではなく、所定枚数の基板がレーザアニール処理されたことである。所定枚数とは、複数枚であって、あらかじめメモリ21に記憶されている。製造を開始すると、まず、ステップC1の処理が行われる。ステップC1では、上記の照射エネルギ密度の決定方法によって、被照射膜に照射するレーザ光の照射エネルギ密度を決定する。ステップC2では、ステップC1で決定された照射エネルギ密度を有するレーザ光を半導体薄膜に照射して、一枚の基板をレーザアニール処理する。また、メモリに記憶している処理枚数の値を+1する。ステップC3では、レーザアニール処理をすべき基板が残っているとCPUが判断すると、ステップC4に進み、レーザアニール処理をすべき基板が残っていないとCPUが判断すると、半導体装置の製造を終了する。ステップC4では、所定枚数と処理枚数とを比較して、所定枚数と処理枚数とが同じであるとCPUが判断すると、ステップC1に戻る。なお、ステップC1では、照射エネルギ密度を再決定し、メモリに記憶している処理枚数をゼロにする。所定枚数のほうが処理枚数より大きいと、CPUが判断すると、ステップC2に戻る。   FIG. 5 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Here, unlike the first embodiment, the predetermined condition is not that the laser gas of the laser oscillator is replaced, but that a predetermined number of substrates are laser-annealed. The predetermined number is a plurality of sheets and is stored in the memory 21 in advance. When manufacturing is started, first, the process of step C1 is performed. In step C1, the irradiation energy density of the laser beam irradiated onto the film to be irradiated is determined by the above-described irradiation energy density determination method. In Step C2, the semiconductor thin film is irradiated with laser light having the irradiation energy density determined in Step C1, and one substrate is subjected to laser annealing. Also, the value of the number of processed sheets stored in the memory is incremented by one. In step C3, when the CPU determines that there is a substrate to be subjected to laser annealing, the process proceeds to step C4. When the CPU determines that there is no substrate to be subjected to laser annealing, the manufacturing of the semiconductor device is finished. . In step C4, the CPU compares the predetermined number with the processed number, and if the CPU determines that the predetermined number and the processed number are the same, the process returns to step C1. In step C1, the irradiation energy density is determined again, and the number of processed sheets stored in the memory is set to zero. If the CPU determines that the predetermined number is larger than the processed number, the process returns to step C2.

したがって、レーザ発振器に応じて、レーザ発振器の状態が変化する頃に、照射エネルギ強度が最適化されるので、結晶性のばらつきが小さい被照射膜を効率的に得ることができる。   Therefore, since the irradiation energy intensity is optimized when the state of the laser oscillator changes in accordance with the laser oscillator, it is possible to efficiently obtain a film to be irradiated with small variations in crystallinity.

また、所定枚数というのは、一枚であってもよい。この場合、基板ごとに照射エネルギ密度を再決定する。そうすることによって、結晶性のばらつきが非常に小さい被照射膜を得ることができる。   Further, the predetermined number may be one. In this case, the irradiation energy density is determined again for each substrate. By doing so, it is possible to obtain a film to be irradiated with extremely small variation in crystallinity.

なお、レーザガスの交換した後、または、所定枚数の基板を処理した後に照射エネルギ密度の決定方法を行う場合は、基板上の被照射膜の一部を用いて行ってもよいし、全部を用いて行ってもよいが、基板ごとに照射エネルギ密度の決定方法を行う場合は、基板上の被照射膜の一部を用いて行う必要がある。   Note that when the irradiation energy density is determined after exchanging the laser gas or after processing a predetermined number of substrates, a part of the irradiated film on the substrate may be used or all of the film may be used. However, when the irradiation energy density determination method is performed for each substrate, it is necessary to use a part of the irradiated film on the substrate.

本発明の第1の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の一形態である照射エネルギ密度の決定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the determination method of the irradiation energy density which is one Embodiment of this invention. 照射したレーザ光の照射エネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報である。This is correspondence information between the irradiation energy density of the irradiated laser beam and the surface scattered light intensity. 本発明の実施の一形態であるレーザアニール装置11の構成を簡略化して示す系統図である。It is a systematic diagram which simplifies and shows the structure of the laser annealing apparatus 11 which is one Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention. 照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との関係を示すグラフの一例である。It is an example of the graph which shows the relationship between the energy density of the laser beam to irradiate, and surface scattered light intensity | strength. レーザガス交換したレーザ発振器を用いて照射するレーザ光のエネルギ密度と表面散乱光強度との対応関係情報である。This is correspondence information between the energy density of the laser beam irradiated using the laser oscillator whose laser gas is exchanged and the surface scattered light intensity.

符号の説明Explanation of symbols

11 レーザアニール装置
12 レーザ発振器
13 照射光学系
14 表面散乱光強度測定手段
15 制御手段
16 基板
17 非晶質Si膜
18 X−Yテーブル
19 処理チャンバ
20 内部空間
21 メモリ
22 半導体基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Laser annealing apparatus 12 Laser oscillator 13 Irradiation optical system 14 Surface scattered light intensity measurement means 15 Control means 16 Substrate 17 Amorphous Si film 18 XY table 19 Processing chamber 20 Internal space 21 Memory 22 Semiconductor substrate

Claims (4)

基板上に形成された非晶質Si膜に対して種々の照射エネルギ密度を有するレーザ光を照射する予備照射工程と、
照射エネルギ密度ごとにレーザ光が照射された非晶質Si膜の表面散乱光強度を測定する表面散乱光強度測定工程と、
前記照射エネルギ密度と前記表面散乱光強度との対応関係からレーザ特性曲線を作成するレーザ特性曲線作成工程と、
前記レーザ特性曲線に基づいて、あらかじめ目標設定された表面散乱光強度が得られる照射エネルギ密度を決定する照射エネルギ密度決定工程とを含む処理条件決定工程と、
決定した照射エネルギ密度を有するレーザ光を非晶質Si膜に照射してレーザアニール処理を行い、多結晶Si膜を形成するレーザアニール工程とを有し、
所定の条件が満たされたときに、再度、処理条件決定工程を行って、レーザ光の照射エネルギ密度を再決定する半導体基板の製造方法であって、
所定の条件が満たされた後の照射エネルギ密度決定工程では、所定の条件が満たされた後のレーザ特性曲線作成工程で作成されたレーザ特性曲線に基づいて、所定の条件が満たされる前の処理条件決定工程における照射エネルギ密度決定工程において用いられた前記あらかじめ目標設定された表面散乱光強度が得られる照射エネルギ密度を決定することを特徴とする半導体基板の製造方法。
A preliminary irradiation step of irradiating the amorphous Si film formed on the substrate with laser beams having various irradiation energy densities;
A surface scattered light intensity measuring step for measuring the surface scattered light intensity of the amorphous Si film irradiated with laser light for each irradiation energy density;
A laser characteristic curve creating step of creating a laser characteristic curve from the correspondence between the irradiation energy density and the surface scattered light intensity;
A process condition determining step including an irradiation energy density determining step for determining an irradiation energy density at which a surface scattering light intensity set in advance as a target is obtained based on the laser characteristic curve ;
A laser beam having an irradiation energy density determined perform laser annealing process by irradiating the amorphous Si film, to have a laser annealing to form a polycrystalline Si film,
When a predetermined condition is satisfied, a process condition determining step is performed again to re-determine the irradiation energy density of the laser beam,
In the irradiation energy density determination step after the predetermined condition is satisfied, the process before the predetermined condition is satisfied based on the laser characteristic curve generated in the laser characteristic curve generation step after the predetermined condition is satisfied A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising: determining an irradiation energy density at which the previously set target scattered light intensity used in the irradiation energy density determination step in the condition determination step is obtained .
所定の条件は、レーザ発振器のレーザガスが交換されたことであることを特徴とする請求項記載の半導体基板の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1 , wherein the predetermined condition is that the laser gas of the laser oscillator is exchanged. 所定の条件は、一枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする請求項記載の半導体基板の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1 , wherein the predetermined condition is that one substrate is subjected to laser annealing. 所定の条件は、複数枚の基板がレーザアニール処理されたことであることを特徴とする請求項記載の半導体基板の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1 , wherein the predetermined condition is that a plurality of substrates are laser-annealed.
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