JP5236929B2 - Laser annealing method - Google Patents
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Description
本発明は、基板上に形成された非結晶シリコン膜に対してレーザ光を照射し、多結晶化膜を作製するレーザアニール方法に関するものである。 The present invention relates to a laser annealing method for producing a polycrystalline film by irradiating an amorphous silicon film formed on a substrate with laser light.
有機ＥＬなどの表示装置は、基板上に形成された非結晶及び多結晶半導体膜を有する画素表示用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と、この画素表示用ＴＦＴを駆動する駆動回路や信号処理回路、及び画像処理回路などで構成されている。安価なガラスなどの基板上に駆動回路等を形成できれば、製造コスト低減及び信頼性向上が期待できるため、現在結晶化半導体膜の形成において、エキシマレーザなどの高エネルギーパルス光を試料に照射して、基板に影響を与えることなく半導体材料を瞬間的に溶融させ結晶化するレーザアニール法が広く用いられている。 A display device such as an organic EL includes a pixel display thin film transistor (TFT) having an amorphous and polycrystalline semiconductor film formed on a substrate, a drive circuit and a signal processing circuit for driving the pixel display TFT, and image processing. It consists of a circuit. If a drive circuit or the like can be formed on an inexpensive substrate such as glass, manufacturing costs can be reduced and reliability can be improved. Therefore, in the formation of a crystallized semiconductor film, a sample is irradiated with high-energy pulse light such as an excimer laser. A laser annealing method is widely used in which a semiconductor material is instantaneously melted and crystallized without affecting the substrate.
しかし、従来のレーザ発生装置を用いた場合には、１３インチを越える大面積表示装置を作製するに際し、１つの表示装置用パネルを１回の走査で形成することができず、レーザ光端部の照射領域を重ねて、２回以上の走査をする必要があった。しかしながら、このレーザ光が重なる部分では、照射量が他の部分よりも多くなるため再融解等により結晶粒径の標準偏差（ばらつき）増加及び表面平坦性の劣化を招く恐れがある。このように結晶性が不均一な半導体膜上にＴＦＴ等の半導体素子を作製した場合、半導体素子の性能を均一化することができない。この結果、半導体素子の性能の均一性に左右されやすい有機ＥＬなどの表示装置では、点欠陥、線欠陥及びコントラスト等の表示品位を保てなくなる。これらの表示品位を保つ方法として、レーザ光の副相対走査方向であるｙ方向（基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。）の制限された領域内に表示装置用パネルを配置する（つまり、上記重なったレーザ光によって照射された結晶領域を避ける）等が挙げられるが、これでは表示装置のサイズにも制限が設けられ、２０インチ以上などの大型表示装置を作製することができなくなる。 However, when a conventional laser generator is used, when a large-area display device exceeding 13 inches is manufactured, one display device panel cannot be formed by one scan, and the laser beam end portion It was necessary to scan two or more times by overlapping the irradiation areas. However, in the portion where the laser light overlaps, the irradiation amount is larger than in the other portions, so there is a possibility that the standard deviation (variation) of the crystal grain size increases and the surface flatness deteriorates due to remelting or the like. Thus, when a semiconductor element such as a TFT is formed on a semiconductor film having non-uniform crystallinity, the performance of the semiconductor element cannot be made uniform. As a result, a display device such as an organic EL that is easily affected by the uniformity of the performance of the semiconductor elements cannot maintain display quality such as point defects, line defects, and contrast. As a method for maintaining such display quality, the y-direction which is the sub-relative scanning direction of the laser beam (the substrate plane is the xy plane, the main relative scanning direction of the laser beam is the x-direction, and the sub-relative scanning direction is the y-direction). (E.g., avoid the crystal region irradiated with the overlapping laser light), etc., but this also provides a limit on the size of the display device, Large display devices such as 20 inches or more cannot be manufactured.
また、上記のような場合には、有機ＥＬなどの表示装置を製品化する際、電気的特性の標準偏差が小さくなるように、標準偏差を補正する回路を個々設けなくてはならない。しかしながら、補正回路を設けることは、画素小型化の阻害、輝度の低下及び生産コストの増加を招くため、例えばＴＦＴならば実用的にはしきい値の標準偏差を０．１Ｖ程度以下に抑えて補正回路を組み込まないようにする必要がある。 In the above case, when a display device such as an organic EL is commercialized, a circuit for correcting the standard deviation must be individually provided so that the standard deviation of the electrical characteristics becomes small. However, the provision of the correction circuit causes inhibition of pixel miniaturization, reduction in luminance, and increase in production cost. For example, in the case of a TFT, the standard deviation of the threshold is practically suppressed to about 0.1 V or less. It is necessary not to incorporate a correction circuit.
この問題を解決する試みとして、特許文献１及び特許文献２等に示されているような提案がなされている。特許文献１では、複数の半導体レーザ素子を用いてレーザ光の時空間的な強度のゆらぎを５％以内に抑制しかつビームを重ね合わせないことにより、結晶粒径の標準偏差及び表面平坦性を改善しており、また特許文献２では、継ぎ足した尺長形状のレーザ光を２行に渡って並べることにより、照射領域のｙ方向の継ぎ目部分における結晶性の不均一性を低減している。
しかしながら、特許文献１では、１回の走査によるレーザ光の照射を前提としているため、半導体膜の大きさに合わせてその都度半導体レーザ素子を増減させ、さらに照射位置を厳密に制御してアニールする必要がある。また、デバイスの設計の自由度が低くなるため好ましくない。さらに、これを実現するには照射機構が複雑で設備コストがかかるという問題がある。 However, since Patent Document 1 is premised on laser beam irradiation by a single scan, the semiconductor laser element is increased or decreased each time according to the size of the semiconductor film, and the irradiation position is strictly controlled and annealed. There is a need. In addition, the degree of freedom in device design is low, which is not preferable. Furthermore, to realize this, there is a problem that the irradiation mechanism is complicated and the equipment cost is high.
一方、特許文献２では、ビームプロファイル端のスロープ領域において比較的結晶性の悪い多結晶領域が形成されてしまう。また、非結晶領域と多結晶領域では半導体膜の光エネルギー吸収率が異なるため、同出力では同様な温度分布とならず均一な結晶化ができない。さらに、特許文献１同様、これを実現するには照射機構が複雑で設備コストがかかるという問題がある。 On the other hand, in Patent Document 2, a polycrystalline region having relatively poor crystallinity is formed in the slope region at the end of the beam profile. Further, since the light energy absorption rate of the semiconductor film is different between the amorphous region and the polycrystalline region, the same output does not have the same temperature distribution and uniform crystallization cannot be performed. Further, as in Patent Document 1, there is a problem that the irradiation mechanism is complicated and equipment cost is required to realize this.
このように、上記のような半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させ、かつ従来のレーザアニール装置を使用して安価に多結晶半導体膜を作製する方法が切望されている。 Thus, a method for reducing the standard deviation of electrical characteristics in the semiconductor element as described above and producing a polycrystalline semiconductor film at low cost by using a conventional laser annealing apparatus is desired.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、２度以上レーザ光が照射された領域も均一に結晶化させて、通常のレーザアニール装置を使用しても安価に多結晶シリコン膜の作製を可能とするレーザアニール方法の提供を目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and even if a region irradiated with a laser beam twice or more is uniformly crystallized and a normal laser annealing apparatus is used, a polycrystalline silicon film can be produced at low cost. An object of the present invention is to provide a laser annealing method that enables the above.
上記目的を達成するために、本発明者は、照射するレーザ光の照射条件と形成される結晶粒径サイズとの関係に注目して、本発明に至った。 In order to achieve the above object, the present inventor has reached the present invention by paying attention to the relationship between the irradiation condition of the laser beam to be irradiated and the crystal grain size to be formed.
すなわち、本発明によるレーザアニール方法は、基板上に形成されたシリコン膜中の非結晶領域におけるある一領域を、シリコン膜上方からレーザ光を照射することにより瞬時に多結晶化し、
その後、レーザ光の照射領域を少なくとも一部非結晶領域を含む位置にずらし、同様にレーザ光を照射することにより非結晶領域を瞬時に多結晶化させる工程を１回以上実施するレーザアニール方法において、
シリコン膜中の非結晶領域の到達温度が、非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲に含まれ、
非結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＡと、粒状結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＰとの関係が、下記式（１）を満たすような照射条件でレーザ光を照射することにより、
非結晶領域が平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶で構成される粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている粒状結晶領域が相変化されないようにレーザアニールを実施することを特徴とするものである。
０．８５≦ＥＰ／ＥＡ≦０．９０・・・（１）
That is, in the laser annealing method according to the present invention, a certain region in the amorphous region in the silicon film formed on the substrate is instantly polycrystallized by irradiating laser light from above the silicon film,
Thereafter, in the laser annealing method, the laser light irradiation region is shifted to a position including at least a part of the amorphous region, and similarly, the step of instantly polycrystallizing the amorphous region by irradiating the laser light is performed once or more. ,
The reached temperature of the amorphous region in the silicon film is included in a temperature range from 1250 ° C. at which amorphous silicon starts solid phase growth to 1450 ° C., which is the melting point of polycrystalline silicon,
Laser light is irradiated under irradiation conditions such that the relationship between the light energy absorption amount EA per unit area in the amorphous region and the light energy absorption amount EP per unit area in the granular crystal region satisfies the following formula (1). By
Laser annealing is performed so that the amorphous region is phase-changed into a granular crystal region composed of granular crystals having an average grain size of 0.05 to 0.2 um, and the already formed granular crystal region is not phase-changed. It is characterized by.
0.85 ≦ EP / EA ≦ 0.90 (1)
なお、本発明において「レーザアニール」とは、レーザ光が直接照射される領域のアニールと、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導して結晶状態が変化する領域のアニールとを意味するものとする。 In the present invention, “laser annealing” means annealing of a region directly irradiated with laser light, and annealing of a region not directly irradiated with laser light but conducting heat and changing its crystal state. To do.
また、「シリコン膜」とはシリコンを主成分とする膜である。本発明において「主成分」は含有量５０質量％以上の成分と定義する。ＴＦＴ用のシリコン膜では、シリコン含有量９０質量％以上が望ましい。 The “silicon film” is a film containing silicon as a main component. In the present invention, the “main component” is defined as a component having a content of 50% by mass or more. In the silicon film for TFT, the silicon content is desirably 90% by mass or more.
さらに、シリコン膜に対して、レーザ光を部分的に照射しつつこのレーザ光を相対走査させることが望ましく、レーザ光として連続発振レーザ光を用いることが望ましい。 Further, it is desirable to relatively scan the silicon film while partially irradiating the laser light, and it is desirable to use continuous wave laser light as the laser light.
また、レーザ光として半導体レーザ光を用いることが望ましく、レーザ光の波長が４００〜４２０ｎｍであることが望ましい。 Further, it is desirable to use a semiconductor laser light as the laser light, and it is desirable that the wavelength of the laser light is 400 to 420 nm.
本発明によるレーザアニール方法は、レーザ光の照射が、シリコン膜中の非結晶領域が平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶で構成される粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている粒状結晶領域が相変化されないような照射条件で行われる。このため、前者の照射条件によって、シリコン膜上に形成されうる半導体素子に比して結晶粒径が小さくなるため、半導体素子における電気的特性の標準偏差を増加させる要因となる結晶粒界の不均一が解消される。また、後者の照射条件によって、レーザ光が重なって照射されても、一度形成された粒状結晶が再度相変化しないため、レーザ光の相対走査領域の継ぎ目においても均一な結晶粒径を有する多結晶化を行うことができる。これらの効果により、半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させることが可能となり、補正回路を組み込む必要がなくなり、低コストかつ高品位な表示装置を製造することが可能となる。 In the laser annealing method according to the present invention, irradiation with laser light is phase-changed into a granular crystal region in which an amorphous region in a silicon film is composed of granular crystals having an average particle size of 0.05 to 0.2 um, and is already formed The irradiation is performed under such irradiation conditions that the phase change of the granular crystal region is not changed. For this reason, since the crystal grain size is smaller than that of a semiconductor element that can be formed on the silicon film depending on the former irradiation condition, there is a lack of crystal grain boundaries that cause an increase in the standard deviation of electrical characteristics in the semiconductor element. Uniformity is eliminated. In addition, even if the laser light is overlapped and irradiated under the latter irradiation condition, the once formed granular crystal does not change phase again, so that a polycrystal having a uniform crystal grain size even at the joint of the laser beam relative scanning region Can be made. With these effects, it is possible to reduce the standard deviation of the electrical characteristics in the semiconductor element, and it is not necessary to incorporate a correction circuit, and a low-cost and high-quality display device can be manufactured.
以下、本発明における最良の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。 Hereinafter, although the best embodiment in the present invention is described using a drawing, the present invention is not limited to this.
まず、本発明において、半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させるため、シリコン膜中に平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶を形成すると規定した理由を以下に示す。 First, the reason why it is specified in the present invention to form granular crystals having an average particle size of 0.05 to 0.2 μm in the silicon film in order to reduce the standard deviation of the electrical characteristics in the semiconductor element will be described below.
本発明者は、走査照射可能な半導体レーザを用いて、波長が４００ｎｍ〜４２０ｎｍのレーザ光における時空間的な強度分布を２％以内に抑制し、そのレーザ光強度及び走査速度を変えてアニールを実施して、シリコンの結晶粒径サイズを変え半導体素子としてＴＦＴを作成し、そのしきい値（Ｖｔｈ）の標準偏差を検討した結果、Ｖｔｈの標準偏差と結晶粒径サイズとの間に図１のような関係があることを発見した。 The present inventor uses a semiconductor laser capable of scanning irradiation to suppress the spatio-temporal intensity distribution in laser light having a wavelength of 400 nm to 420 nm within 2%, and change the laser light intensity and scanning speed to perform annealing. As a result of changing the crystal grain size of silicon to produce a TFT as a semiconductor element and examining the standard deviation of the threshold value (Vth), there is a difference between the standard deviation of Vth and the crystal grain size. I discovered that there is a relationship.
この図より、ＴＦＴにおけるＶｔｈの標準偏差を０．１Ｖ程度以下にするには、結晶粒径サイズを０．２ｕｍ以下に抑制すればよいことがわかる。これは、前述したようにシリコン膜上に形成されうる半導体素子に比して結晶粒径が小さくなるため、電気的特性の標準偏差を増加させる要因となる結晶粒界の不均一が解消されるためである。 From this figure, it is understood that the crystal grain size should be suppressed to 0.2 μm or less in order to make the standard deviation of Vth in the TFT about 0.1 V or less. This is because, as described above, the crystal grain size is smaller than that of a semiconductor element that can be formed on a silicon film, so that the non-uniformity of crystal grain boundaries, which causes an increase in the standard deviation of electrical characteristics, is eliminated. Because.
一方、下限の０．０５ｕｍは、有機ＥＬ等の表示装置を駆動させるのに最低限必要な電気的特性を有するＴＦＴを考慮した場合の結晶粒径サイズである。 On the other hand, the lower limit of 0.05 μm is the crystal grain size when considering a TFT having the minimum electrical characteristics required to drive a display device such as an organic EL.
さらに図１は、同じ結晶粒径サイズで比べた場合に、上記ＴＦＴにおけるＶｔｈの標準偏差が、エキシマレーザを用いる従来のＥＬＡ（Ｅｘｉｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法によって作製されたＴＦＴにおけるＶｔｈの標準偏差よりも小さいことを表している。詳細については後述するが、これはレーザ光の相対走査領域の継ぎ目部分における結晶の均一性の差に起因するものである。 Furthermore, FIG. 1 shows that when compared with the same crystal grain size, the standard deviation of Vth in the TFT is larger than the standard deviation of Vth in a TFT manufactured by a conventional ELA (Excimer Laser Annealing) method using an excimer laser. It is small. Although details will be described later, this is caused by a difference in crystal uniformity in the joint portion of the relative scanning region of the laser beam.
したがって、上記Ｖｔｈの標準偏差と結晶粒径サイズとの関係を考慮し、本実施形態によるレーザアニール方法は、
基板上に形成されたシリコン膜中の非結晶領域におけるある一領域を、このシリコン膜上方からレーザ光を照射することにより瞬時に多結晶化し、
その後、レーザ光の照射領域を少なくとも一部非結晶領域を含む位置にずらし、同様にレーザ光を照射することにより非結晶領域を瞬時に多結晶化させる工程を１回以上実施するレーザアニール方法において、
波長が４００〜４２０ｎｍのレーザ光を用いて、シリコン膜中の非結晶領域の到達温度が、非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲に含まれるような照射条件でレーザ光を照射することにより、
非結晶領域が平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶で構成される粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている粒状結晶領域が相変化されないようにレーザアニールを実施することを特徴とするものである。
Therefore, in consideration of the relationship between the standard deviation of Vth and the crystal grain size, the laser annealing method according to the present embodiment is:
A certain region in the amorphous region in the silicon film formed on the substrate is instantly polycrystallized by irradiating laser light from above the silicon film,
Thereafter, in the laser annealing method, the laser light irradiation region is shifted to a position including at least a part of the amorphous region, and similarly, the step of instantly polycrystallizing the amorphous region by irradiating the laser light is performed once or more. ,
Using a laser beam having a wavelength of 400 to 420 nm, the temperature reached in the amorphous region in the silicon film ranges from 1250 ° C. at which amorphous silicon starts solid phase growth to 1450 ° C., which is the melting point of polycrystalline silicon. By irradiating with laser light under the irradiation conditions included in
Laser annealing is performed so that the amorphous region is phase-changed into a granular crystal region composed of granular crystals having an average grain size of 0.05 to 0.2 um, and the already formed granular crystal region is not phase-changed. It is characterized by.
基板は、シリコン基板及び金属基板や、石英基板、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス等のガラスからなる基板や、ステンレス基板等に表面に絶縁膜を形成しガラス同等以上の断熱性を得たもの、及び本発明における熱処理に耐えうる耐熱性を有し、かつガラス同等以上の断熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。 The substrate was made of silicon substrate, metal substrate, quartz substrate, barium borosilicate glass, alumino borosilicate glass, etc., or an insulating film was formed on the surface of a stainless steel substrate, etc. to obtain heat insulation equivalent to or better than glass. And a plastic substrate having heat resistance that can withstand the heat treatment in the present invention and heat insulation equivalent to or higher than glass can be used.
レーザ光は、波長が４００〜４２０ｎｍ帯（この数値限定の理由は語述する）のものであって、ＧａＮ系半導体レーザ等によって得られる半導体レーザ光を用いることが望ましい。 The laser light has a wavelength band of 400 to 420 nm (the reason for limiting this numerical value will be described), and it is desirable to use a semiconductor laser light obtained by a GaN-based semiconductor laser or the like.
シリコン膜中の非結晶領域の到達温度範囲を、上記のように１２５０℃から１４５０℃までに規定した理由は、この温度範囲であれば粒状結晶（多結晶）部分を相変化させずに非結晶領域のみを相変化させることが可能となるためである。これは、図２に示すように、非結晶シリコンが１２５０℃という比較的低い温度から固相成長によって相変化を始めるためである。 The reason why the reachable temperature range of the amorphous region in the silicon film is defined from 1250 ° C. to 1450 ° C. as described above is that if it is within this temperature range, the crystalline (polycrystalline) portion is not phase-changed without changing the phase. This is because it is possible to change the phase of only the region. This is because, as shown in FIG. 2, amorphous silicon starts phase change by solid phase growth from a relatively low temperature of 1250 ° C.
なお、到達温度は、シリコン膜に入射する光量（この光量は、レーザヘッドからの出射光量から、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる光量損失、及び膜表面におけるフレネル反射による光量損失を差し引いて求められる。）、及びシリコン膜の光エネルギー吸収率から、理論的に求められる。 The ultimate temperature is the amount of light incident on the silicon film (this amount of light is lost from the amount of light emitted from the laser head and transmitted through various optical systems incorporated in the laser annealing device, and the Fresnel reflection on the film surface). It is obtained theoretically from the light energy absorption rate of the silicon film.
レーザ光の到達温度を所望の温度とするのに、必要な照射エネルギーは下記式（２）で概念的に表される。なお、各エネルギーは、時間変化及び温度変化するため、単純には表記できないが、ここでは概念的に示してある。式中、融解エネルギーは、融点にて必要なエネルギーである。
（照射エネルギー）＝（融解エネルギー）＋（所望の温度に上昇させるために必要なエネルギー）＋（放熱エネルギー）・・・（２）
In order to set the laser beam arrival temperature to a desired temperature, the irradiation energy necessary is conceptually expressed by the following formula (2). Since each energy changes with time and temperature, it cannot be simply expressed, but is shown here conceptually. In the formula, the melting energy is energy required at the melting point.
(Irradiation energy) = (Melting energy) + (Energy necessary for raising to a desired temperature) + (Heat radiation energy) (2)
ただし、非結晶シリコンの到達温度が１２５０℃から１４５０℃までの温度範囲にあったとしても、シリコン膜中に平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶を形成するためには、レーザ光の照射条件を適宜選択しなければならない。その概要を以下に示す。 However, in order to form a granular crystal having an average particle diameter of 0.05 to 0.2 μm in the silicon film even if the temperature reached by amorphous silicon is in the temperature range from 1250 ° C. to 1450 ° C., laser light is used. The irradiation conditions must be selected as appropriate. The outline is shown below.
結晶粒径サイズＬは、結晶成長速度をＳ、多結晶シリコンの融点１４００℃から結晶成長が止まる温度１０００℃程度に冷却されるまでの時間をｔとすると、Ｌ∝Ｓ＊ｔの相関があると考える。そこで、さらに時間ｔは、レーザ光の走査速度との間に相関があると仮定して、その真偽を熱シミュレーション解析を用いて確かめた。その結果、シリコン膜中の非結晶領域の到達温度が１４５０℃となる照射パワーを与えてアニールを実施した場合、図３のような関係があることがわかった。つまり、これはレーザ光の走査速度によって結晶粒径サイズを制御できることを示唆している。 The crystal grain size L has a relationship of L∝S * t, where S is the crystal growth rate and t is the time from the melting point 1400 ° C. of the polycrystalline silicon until the crystal growth is stopped to about 1000 ° C. I think. Therefore, assuming that there is a correlation between the time t and the scanning speed of the laser beam, the true / false of the time t was confirmed using thermal simulation analysis. As a result, it was found that there is a relationship as shown in FIG. 3 when annealing is performed with an irradiation power at which the ultimate temperature of the amorphous region in the silicon film is 1450 ° C. That is, this suggests that the crystal grain size can be controlled by the scanning speed of the laser beam.
そこで、この結果を利用してレーザ光の走査速度により冷却時間を制御し、結晶粒径サイズを実際に制御できるか検討を行った結果、図４のような結果を得た。これから、非結晶シリコンの到達温度が１２５０℃となる照射パワーを与えてアニールを実施する場合、シリコン膜中に平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶を形成するための最適な走査速度はおよそ０．２〜６．０ｍ／ｓとなる。一方、非結晶シリコンの到達温度が１４５０℃となる照射パワーを与えてアニールを実施する場合は、およそ６．０〜１０．０ｍ／ｓとなる。これは、従来のレーザアニール装置における現実的な走査速度が０．１〜１０．０ｍ／ｓであることを考慮している。なお、レーザ強度は、上記の条件を満たすように適宜選択することができる。 Therefore, using this result, the cooling time was controlled by the scanning speed of the laser beam, and it was examined whether the crystal grain size could actually be controlled. As a result, the result shown in FIG. 4 was obtained. From this, when performing annealing by applying irradiation power at which the arrival temperature of amorphous silicon is 1250 ° C., the optimum scanning speed for forming granular crystals having an average grain size of 0.05 to 0.2 μm in the silicon film Is approximately 0.2 to 6.0 m / s. On the other hand, when annealing is performed with an irradiation power at which the amorphous silicon reaches 1450 ° C., the temperature is approximately 6.0 to 10.0 m / s. This takes into account that the practical scanning speed in the conventional laser annealing apparatus is 0.1 to 10.0 m / s. The laser intensity can be appropriately selected so as to satisfy the above conditions.
また、ＥＡ及びＥＰの満たすべき関係式を、上記式（１）と規定した理由を以下に示す。 The reason why the relational expression to be satisfied by EA and EP is defined as the above expression (1) is shown below.
従来、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）と多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とは、レーザ光の波長に対する光エネルギー吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、本発明者は、多結晶シリコンの中でも粒状結晶シリコン（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とラテラル結晶シリコン（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）とについて、レーザ光の波長に対する光エネルギー吸収特性が異なることを見出した。そして、これらの吸収特性に着目し詳細に検討を行うことにより、これまでラテラル結晶シリコンにより構成される多結晶シリコンの均一性を向上させる方法を提供してきた（特願２００６−２６９０２９、特願２００６−２６９０３０、特願２００６−２６９０３１等）。本発明においては、粒状結晶シリコンにより構成される多結晶シリコンの均一性を向上させるために、これらの知見を応用することができる。 Conventionally, it has been known that non-crystalline silicon (a-Si) and polycrystalline silicon (poly-Si) have different light energy absorption characteristics with respect to the wavelength of laser light. However, the present inventor has found that, among polycrystalline silicon, granular crystalline silicon (granular poly-Si) and lateral crystalline silicon (lateral poly-Si) have different light energy absorption characteristics with respect to the wavelength of laser light. Then, by paying attention to these absorption characteristics and conducting a detailed study, a method for improving the uniformity of polycrystalline silicon composed of lateral crystalline silicon has been provided so far (Japanese Patent Application No. 2006-269029, Japanese Patent Application No. 2006). -26930, Japanese Patent Application No. 2006-269031, etc.). In the present invention, these findings can be applied to improve the uniformity of polycrystalline silicon composed of granular crystalline silicon.
以下、本発明者が行った評価について説明する。
ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン膜に対して細長い矩形状のレーザ光を相対走査しながら連続照射して、レーザアニールを行った。図５に示すように、基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施すると、レーザ光Ｌの主相対走査方向ｘに延びる横方向成長のラテラル結晶シリコンが生成し、ラテラル結晶シリコンの生成領域の外側に、結晶粒径の小さい粒状結晶シリコンが生成される。この１回だけのレーザ光Ｌの相対走査後には、帯状に延びるラテラル結晶シリコンの領域を挟んで両側に、粒状結晶シリコンが生成される。
Hereinafter, the evaluation performed by the present inventor will be described.
Laser annealing was performed by using a GaN-based semiconductor laser (oscillation wavelength of 405 nm) and continuously irradiating an amorphous silicon film with an elongated rectangular laser beam while relatively scanning. As shown in FIG. 5, the substrate plane is the xy plane, the main relative scanning direction of the laser light is the x direction, and the sub relative scanning direction is the y direction. When the x-direction relative scanning of the laser beam L is performed once at a certain y position, laterally grown lateral crystal silicon extending in the main relative scanning direction x of the laser beam L is generated, and outside the lateral crystal silicon generation region, Granular crystalline silicon with a small crystal grain size is produced. After the relative scanning of the laser beam L only once, granular crystalline silicon is generated on both sides of the lateral crystalline silicon region extending in a band shape.
そして、これらラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、測定光の波長を変えて、エリプソメータにて複素屈折率ｎ＋ｉｋ（ｋは消衰係数であり、ｉｋは虚数部を示す。）を測定した。この結果得られた、各結晶状態における波長と屈折率ｎとの関係を図６に示す。また、下記式（３）に基づいて、各結晶状態における波長と吸収係数αとの関係を求め、その結果を図７に示す。いずれの結晶状態においても、４００ｎｍ付近で吸収係数が大きく低下する傾向にあることが明らかとなった。
吸収係数α=ｋ／４πλ・・・（３）
（式中、ｋは消衰係数、λは波長である。）
The lateral crystal silicon, the granular crystal silicon, and the amorphous silicon are each changed in wavelength of the measurement light, and complex refractive index n + ik (k is an extinction coefficient, and ik represents an imaginary part) with an ellipsometer. Was measured. FIG. 6 shows the relationship between the wavelength and the refractive index n in each crystal state obtained as a result. Further, based on the following formula (3), the relationship between the wavelength and the absorption coefficient α in each crystal state is obtained, and the result is shown in FIG. In any crystal state, it has been clarified that the absorption coefficient tends to greatly decrease around 400 nm.
Absorption coefficient α = k / 4πλ (3)
(In the formula, k is an extinction coefficient and λ is a wavelength.)
次に、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、各波長におけるシリコン膜の吸収率を求めた。 Next, the absorption rate of the silicon film at each wavelength was determined for lateral crystalline silicon, granular crystalline silicon, and amorphous silicon.
レーザヘッドからの出射エネルギーは、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる損失、及び膜表面でのフレネル反射による損失によって減衰して、膜に吸収される。膜に吸収される光エネルギーは下記式（４）で表される。
（膜に吸収される光エネルギー）＝（膜に照射される光エネルギー）×（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）・・・（４）
The energy emitted from the laser head is attenuated by the loss generated during transmission through various optical systems incorporated in the laser annealing apparatus and the loss due to Fresnel reflection on the film surface, and is absorbed by the film. The light energy absorbed by the film is expressed by the following formula (4).
(Light energy absorbed by the film) = (Light energy irradiated on the film) × (Ratio of the amount of light incident on the film without surface reflection) × (Ratio of the amount of light absorbed by the film) (4) )
上記式（４）中の（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）が吸収率である。吸収率は、膜に照射されたレーザ光の光量に対して膜に吸収される光量の割合であり下記式（５）で表される。
吸収率＝ａ×ｂ・・・（５）
In the above formula (4), (the ratio of the amount of light incident on the film without being surface-reflected) × (the ratio of the amount of light absorbed by the film) is the absorption rate. The absorptance is a ratio of the amount of light absorbed by the film to the amount of laser light irradiated on the film, and is represented by the following formula (5).
Absorption rate = a × b (5)
上記式（５）中、ａは膜に吸収される光量の割合であり、下記式（６）から求められる。膜厚ｔは、レーザアニールにより結晶化を行って多結晶シリコンＴＦＴを形成する場合に一般的な５０ｎｍとした。
ａ＝ｅｘｐ（−αｔ）・・・（６）
（式中、αは吸収係数、ｔは膜厚）
In the above formula (5), a is the ratio of the amount of light absorbed by the film, and is obtained from the following formula (6). The film thickness t was set to 50 nm, which is common when crystallization is performed by laser annealing to form a polycrystalline silicon TFT.
a = exp (−αt) (6)
(Where α is the absorption coefficient and t is the film thickness)
また上記式（５）中、ｂは表面反射せずに膜に入射する光量の割合であり、下記式（７）から求められる。ｂはレーザヘッドから出射されたレーザ光の光量からフレネル反射による膜表面での損失分を差し引いて求められる量である。
ｂ＝１−（（１−ｎ）／（１＋ｎ））２・・・（７）
（式中、ｎは屈折率である。）
Moreover, in said formula (5), b is the ratio of the light quantity which injects into a film | membrane without surface reflection, and is calculated | required from following formula (7). b is an amount obtained by subtracting the loss on the film surface due to Fresnel reflection from the amount of laser light emitted from the laser head.
b = 1-((1-n) / (1 + n)) 2 (7)
(In the formula, n is a refractive index.)
さらに、各波長において、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状結晶シリコンの吸収率／非結晶シリコンの吸収率）、及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラル結晶シリコンの吸収率／非結晶シリコンの吸収率）を求めた。これらの吸収率比は、非結晶シリコンの吸収率を１としたときの、粒状結晶シリコンの相対吸収率及びラテラル結晶シリコンの相対吸収率である。結果を図８に示す。 Furthermore, at each wavelength, the ratio of the absorption ratio of granular crystalline silicon to the absorption ratio of amorphous silicon (= absorption ratio of granular crystalline silicon / absorption ratio of amorphous silicon), and the absorption of lateral crystalline silicon relative to the absorption ratio of amorphous silicon Rate ratio (= absorption rate of lateral crystalline silicon / absorption rate of amorphous silicon) was determined. These absorptance ratios are the relative absorptance of granular crystalline silicon and the lateral absorptive silicon when the absorptivity of amorphous silicon is 1. The results are shown in FIG.
粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコンであるが、図８には、レーザ光の波長に対するこれらのレーザ光の吸収特性が大きく異なることが示されている。 Although both granular crystalline silicon and lateral crystalline silicon are polycrystalline silicon, FIG. 8 shows that the absorption characteristics of these laser beams greatly differ with respect to the wavelength of the laser beams.
すなわち、３５０ｎｍ未満の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの吸収特性に大きな差はなく、いずれも、非結晶シリコンの吸収率の０．７〜０．９倍程度の高い吸収率を示すことが明らかとなった。これに対して、３５０ｎｍ以上の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも、長波長になるにつれて非結晶シリコンに対する吸収率比が低下する傾向にあるが、ラテラル結晶シリコンの方が、非結晶シリコンに対する吸収率比の低下のレベルがより大きく、しかもその低下がより短波長側で起こることが明らかとなった。３５０〜６５０ｎｍの波長域では、非結晶シリコンに対する粒状結晶シリコンの吸収率比と、非結晶シリコンに対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との差が大きくなっている。 That is, in the wavelength region of less than 350 nm, there is no significant difference in the absorption characteristics between granular crystalline silicon and lateral crystalline silicon, and both have a high absorptance of about 0.7 to 0.9 times that of amorphous silicon. It became clear to show. On the other hand, in the wavelength region of 350 nm or more, both the granular crystalline silicon and the lateral crystalline silicon tend to decrease in the absorption ratio with respect to the amorphous silicon as the wavelength becomes longer. It has been clarified that the level of decrease in the absorptance ratio with respect to amorphous silicon is larger and that the decrease occurs on the shorter wavelength side. In the wavelength range of 350 to 650 nm, the difference between the absorption ratio of granular crystalline silicon to amorphous silicon and the absorption ratio of lateral crystalline silicon to amorphous silicon is large.
また、図８は非結晶シリコンの吸収率を基準とした相対的な吸収率比を示すものであるが、図７に示すように、絶対的な吸収率の値で見れば、５００ｎｍ以上の波長域においては、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンのすべての吸収率が著しく小さくなる。 FIG. 8 shows a relative absorptivity ratio based on the absorptivity of amorphous silicon. As shown in FIG. 7, when viewed in terms of absolute absorptivity, the wavelength is 500 nm or more. In the region, all the absorption rates of lateral crystalline silicon, granular crystalline silicon, and amorphous silicon are significantly reduced.
以上のように、図６〜図８から結晶粒径の小さい粒状結晶シリコンは、非結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの中間的な特性を示すことが明らかとなった。このように、ラテラル結晶シリコンと粒状結晶シリコンとを分けて、吸収特性を評価した例は、過去には見当たらない。 As described above, it is clear from FIGS. 6 to 8 that granular crystalline silicon having a small crystal grain size exhibits intermediate characteristics between amorphous silicon and lateral crystalline silicon. In this way, no example has been found in the past in which absorption characteristics are evaluated by dividing lateral crystalline silicon and granular crystalline silicon.
一方、レーザ光の吸収率は、シリコン膜の膜厚ｔによって変化する。レーザアニールにより結晶化を行って多結晶シリコンＴＦＴを形成する場合、ｔ＞１２０ｎｍでは、ＴＦＴの素子形成が難しくなると共にリーク電流も多くなり、ｔ＜４０ｎｍでは、活性層の膜厚が薄くなりすぎて素子の信頼性が低下する。したがって、ＴＦＴ用では４０ｎｍ≦ｔ≦１２０ｎｍが好ましい。そして、レーザアニールにより結晶化を行って多結晶シリコンＴＦＴを形成する場合には、非結晶シリコン膜の膜厚ｔは５０ｎｍ程度が最も一般的である。 On the other hand, the absorptance of laser light varies depending on the film thickness t of the silicon film. When a polycrystalline silicon TFT is formed by crystallization by laser annealing, TFT element formation becomes difficult and leakage current increases at t> 120 nm, and the film thickness of the active layer becomes too thin at t <40 nm. This reduces the reliability of the device. Therefore, 40 nm ≦ t ≦ 120 nm is preferable for TFT. When the polycrystalline silicon TFT is formed by crystallization by laser annealing, the film thickness t of the amorphous silicon film is most commonly about 50 nm.
本発明者は、上記の各結晶状態における光エネルギーの吸収率差を踏まえ、粒状結晶シリコンと非結晶シリコンの間には、均一な粒状結晶化ができる最適な吸収率差があると考えた。そこで、非結晶シリコン膜の膜厚とレーザ光の波長を変えて、所望の粒状結晶からなる均一な多結晶が形成可能か否かを検討した結果、表１に示すような結果を得た。
この結果、一般的な膜厚である５０ｎｍにおいて、所望の粒状結晶からなる均一な多結晶が形成できたのは、４０５ｎｍ帯のレーザ光を用いた場合のみであることがわかる。 As a result, it can be seen that a uniform polycrystal composed of a desired granular crystal can be formed only when a laser beam in the 405 nm band is used at a general film thickness of 50 nm.
これは以下のように説明される。
エキシマレーザのような波長３０８ｎｍ帯の超短波長光では、多結晶シリコンと非結晶シリコンがほぼ同等の光エネルギー吸収率を持つため、レーザビームのプロファイルをいかに制御しても、照射されている領域から照射されていない領域に熱が拡散してしまう。これにより、照射領域の端部はなだらかに温度低下してしまい、再度照射される多結晶部は再融解し、その端部は多結晶粒を種結晶として横成長し結晶粒径サイズにばらつきが生じることになる。
This is explained as follows.
In ultra-short wavelength light with a wavelength of 308 nm, such as an excimer laser, polycrystalline silicon and amorphous silicon have almost the same light energy absorption rate. Therefore, no matter how the laser beam profile is controlled, from the irradiated region. Heat diffuses to the unirradiated area. As a result, the temperature of the end of the irradiated region gradually decreases, the polycrystalline portion irradiated again is remelted, and the end grows laterally using the polycrystalline grains as seed crystals, resulting in variations in crystal grain size. Will occur.
一方、波長５３２ｎｍ帯のグリーンレーザでは、多結晶シリコンと非結晶シリコンで光エネルギー吸収率が異なりすぎるため、再度照射される多結晶領域は充分熱されることがない。これにより、隣接する非結晶領域とそれ以外の非結晶領域とでは放熱性が異なるため、均一な温度分布とならず粒径サイズにばらつきが生じることになる。 On the other hand, in a green laser with a wavelength of 532 nm, the polycrystalline silicon and the amorphous silicon have too different optical energy absorption rates, so that the polycrystalline region irradiated again is not heated sufficiently. As a result, heat dissipation is different between the adjacent non-crystalline regions and the other non-crystalline regions, so that the temperature distribution is not uniform and the grain size varies.
すなわち、所望の０．０５〜０．２ｕｍ程度の粒状結晶からなる均一な多結晶を得るためには、多結晶領域と非結晶領域との間に、等しくもなくかつ大きく異なることもない適度な光エネルギー吸収率差となる波長で照射することが必要であることを示唆している。そして、半導体膜がシリコン膜であるような本発明の場合には、図８からその適度な吸収率差は１０〜１５％程度（すなわち、０．８５≦ＥＰ／ＥＡ≦０．９０）であり、その光エネルギー吸収率差と対応する波長が前述の４００〜４２０ｎｍ帯の波長域であることがわかる。 That is, in order to obtain a desired uniform polycrystal composed of about 0.05 to 0.2 um granular crystals, it is appropriate that the polycrystalline region and the non-crystalline region are not equal and are not significantly different. This suggests that it is necessary to irradiate at a wavelength that results in a difference in light energy absorption rate. In the case of the present invention in which the semiconductor film is a silicon film, the appropriate difference in absorption rate is about 10 to 15% (that is, 0.85 ≦ EP / EA ≦ 0.90) from FIG. It can be seen that the wavelength corresponding to the difference in the light energy absorption rate is the above-mentioned wavelength range of 400 to 420 nm.
以上により、上記式（１）が導出されることとなる。 Thus, the above formula (1) is derived.
これらの条件を考慮し、具体的なレーザ光の照射条件は、レーザ光の波長を４０５ｎｍ帯とし、例えば走査速度が０．１ｍ／ｓならば、光エネルギー密度を１．０ｍＷ／ｕｍ２としたり、また走査速度が１０ｍ／ｓならば、光エネルギー密度を６．７ｍＷ／ｕｍ２としたりすることにより適宜選択することができる。 Considering these conditions, specific laser light irradiation conditions are such that the wavelength of the laser light is in the 405 nm band, for example, if the scanning speed is 0.1 m / s, the light energy density is 1.0 mW / um 2. If the scanning speed is 10 m / s, the light energy density can be appropriately selected by setting it to 6.7 mW / um 2 .
以下、本実施形態における作用を説明する。 Hereinafter, the operation in the present embodiment will be described.
本実施形態において図８と表１から、半導体膜がシリコン膜の場合には、光エネルギー吸収率差が１０〜１５％程度となる、すなわち上記式（１）を満たす波長４００〜４２０ｎｍのレーザ光を用いてアニールすればよいことがわかった。このときの様子を図９に示す。 In this embodiment, from FIG. 8 and Table 1, when the semiconductor film is a silicon film, the difference in light energy absorption rate is about 10 to 15%, that is, laser light with a wavelength of 400 to 420 nm that satisfies the above formula (1). It has been found that annealing may be used. The state at this time is shown in FIG.
図９は、レーザ光強度分布が均一なレーザ光を照射した場合に、光エネルギー吸収率の違いから最終的に適度な温度分布が生じることを示している。 FIG. 9 shows that when a laser beam having a uniform laser beam intensity distribution is irradiated, an appropriate temperature distribution is finally generated due to the difference in the light energy absorption rate.
領域Ａ（すなわち、シリコン膜中の非結晶領域）では、レーザ光の照射により非結晶領域が０．０５〜０．２ｕｍ程度の粒状結晶粒からなる粒状結晶領域へと相変化する。一方、領域Ｐ（すなわち、既に形成されたシリコン膜中の粒状結晶領域）では、到達温度が非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲であることに加え、光エネルギー吸収率が領域Ａよりも小さいため、相変化するのに必要なエネルギーを吸収できない。その結果、レーザ照射領域の重なり度合いによらず、結晶状態はそのままとなる。 In the region A (that is, the non-crystalline region in the silicon film), the non-crystalline region changes into a granular crystal region composed of granular crystal grains of about 0.05 to 0.2 μm by laser light irradiation. On the other hand, in the region P (that is, the granular crystal region in the already formed silicon film), the temperature reaches from 1250 ° C. at which the amorphous silicon starts solid phase growth to 1450 ° C., which is the melting point of polycrystalline silicon. In addition, since the light energy absorption rate is smaller than that of the region A, energy necessary for phase change cannot be absorbed. As a result, the crystal state remains the same regardless of the overlapping degree of the laser irradiation regions.
以上により、シリコン結晶化膜を作製するレーザアニール方法において、０．０５〜０．２ｕｍ程度の粒状結晶からなる多結晶の均一性の向上を可能とする。これにより、この多結晶上に形成された半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させることが可能となり、補正回路を組み込む必要がなくなり、低コストかつ高品位な表示装置を製造することが可能となる。 As described above, in the laser annealing method for producing a silicon crystallized film, it is possible to improve the uniformity of a polycrystal composed of granular crystals of about 0.05 to 0.2 μm. As a result, it is possible to reduce the standard deviation of the electrical characteristics of the semiconductor element formed on this polycrystal, eliminating the need to incorporate a correction circuit, and manufacturing a low-cost and high-quality display device. It becomes.
ガラス上に２００ｎｍの酸化珪素、５０ｎｍの非結晶シリコンをプラズマＣＶＤ法にて成膜する。そして、非結晶シリコン膜に脱水素化処理(約５００℃ 約１０分)を行なう。この基板は基板搬送ステージ上に位置調整し固定される。この基板搬送ステージはステージ制御駆動系により可動されるようになっており、これにより、照射されたレーザ光が非結晶シリコン膜上を走査できるようになっている。 A 200 nm silicon oxide film and a 50 nm amorphous silicon film are formed on glass by a plasma CVD method. Then, a dehydrogenation process (about 500 ° C. for about 10 minutes) is performed on the amorphous silicon film. The position of the substrate is adjusted and fixed on the substrate transfer stage. This substrate transfer stage is moved by a stage control drive system, so that the irradiated laser beam can scan the amorphous silicon film.
さらに、ブロードエリア半導体レーザから放出された線状のレーザ光は、コリメートレンズ、プリズム ホモジナイザーコリメートレンズ 動的偏向素子、集光レンズ、動的偏向素子を介することで、ステージ制御駆動による走査方向とは直交方向に走査できるようにもなっている。これにより、照射されたレーザ光が、ガラス基板上に成膜された非結晶シリコン膜上を全面スキャンできるようにされている。また、ブロードエリア半導体レーザは、ＬＤ駆動電源により駆動されている。 Furthermore, the linear laser light emitted from the broad area semiconductor laser passes through the collimating lens, prism homogenizer collimating lens, dynamic deflection element, condensing lens, and dynamic deflection element. Scanning in the orthogonal direction is also possible. Thereby, the irradiated laser light can scan the entire surface of the amorphous silicon film formed on the glass substrate. The broad area semiconductor laser is driven by an LD drive power source.
レーザ光波長４０５ｎｍ、走査速度０．１ｍ／ｓ、光エネルギー密度１ｍＷ／ｕｍ２の照射条件で、非結晶シリコンに対し本発明によるレーザアニール方法を実施した。このとき得られた多結晶シリコン膜の断面写真を図１０に示す。これより、本発明によるレーザアニール方法によって、従来のＥＬＡ法よりも均一性の高い多結晶膜を形成できていることがわかる。 The laser annealing method according to the present invention was performed on amorphous silicon under irradiation conditions of a laser beam wavelength of 405 nm, a scanning speed of 0.1 m / s, and a light energy density of 1 mW / um 2 . A cross-sectional photograph of the polycrystalline silicon film obtained at this time is shown in FIG. From this, it can be seen that a polycrystalline film having higher uniformity than the conventional ELA method can be formed by the laser annealing method according to the present invention.
２０ シリコン膜
１１０ 基板ステージ（相対走査手段）
１２０ レーザヘッド
Ｌ レーザ光
20 Silicon film 110 Substrate stage (relative scanning means)
120 Laser head L Laser light
Claims (5)
その後、前記レーザ光の照射領域が少なくとも一部に非結晶領域を含む位置に前記レーザ光の照射領域をずらし、同様に前記レーザ光を照射することにより前記非結晶領域を瞬時に多結晶化させる工程を１回以上実施するレーザアニール方法において、
前記シリコン膜中の前記非結晶領域の到達温度が、非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲に含まれ、
非結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＡと、平均粒径が０．０５〜０．２ｕｍである粒状結晶で構成される粒状結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＰとの関係が、下記式（１）を満たすような照射条件でレーザ光を照射することにより、
前記非結晶領域が前記粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている前記粒状結晶領域が相変化されないようにレーザアニールを実施することを特徴とするレーザアニール方法。
０．８５≦ＥＰ／ＥＡ≦０．９０・・・（１） A certain region in the amorphous region in the silicon film formed on the substrate is instantly polycrystallized by irradiating laser light from above the silicon film,
Thereafter, the laser light irradiation region is shifted to a position where the laser light irradiation region includes at least a part of the amorphous region , and similarly the laser light is irradiated to instantly polycrystallize the amorphous region. In the laser annealing method for performing the process once or more,
The temperature reached by the amorphous region in the silicon film is included in a temperature range from 1250 ° C. at which amorphous silicon starts solid phase growth to 1450 ° C., which is a melting point of polycrystalline silicon,
Relationship between light energy absorption amount EA per unit area in an amorphous region and light energy absorption amount EP per unit area in a granular crystal region composed of granular crystals having an average particle size of 0.05 to 0.2 μm However, by irradiating laser light under irradiation conditions that satisfy the following formula (1),
Laser annealing method, wherein the non-crystalline region has the be phase-changed into granular crystalline region, and the granular crystalline region that has already been formed to practice the laser annealing so as not to change phase.
0.85 ≦ EP / EA ≦ 0.90 (1)
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