JP5255739B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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本発明はレーザー光を用いた半導体膜のアニール(以下、レーザーアニールという)の方法及びそれを行うためのレーザー装置(レーザーと該レーザーから出力されるレーザー光を被処理体まで導くための光学系を含む装置)に関する。  The present invention relates to a method for annealing a semiconductor film using laser light (hereinafter referred to as laser annealing) and a laser apparatus for performing the method (laser and an optical system for guiding laser light output from the laser to an object to be processed). Apparatus).

近年、薄膜トランジスタ(以下、TFTという)の開発が進められ、結晶質半導体膜として多結晶シリコン膜(ポリシリコン膜)を用いたTFTが注目されている。特に、液晶表示装置(液晶ディスプレイ)やEL(エレクトロルミネッセンス)表示装置(ELディスプレイ)においては、画素をスイッチングする素子やその画素を制御するための駆動回路を形成する素子として用いられる。  In recent years, thin film transistors (hereinafter referred to as TFTs) have been developed, and TFTs using a polycrystalline silicon film (polysilicon film) as a crystalline semiconductor film have attracted attention. In particular, liquid crystal display devices (liquid crystal displays) and EL (electroluminescence) display devices (EL displays) are used as elements that form elements that switch pixels and drive circuits that control the pixels.

ポリシリコン膜を得る手段としては、非晶質シリコン膜(アモルファスシリコン膜)を結晶化させてポリシリコン膜とする技術が一般的である。特に、最近ではレーザー光を用いてアモルファスシリコン膜を結晶化する方法が注目されている。本明細書中では、非晶質半導体膜をレーザー光で結晶化し、結晶質半導体膜を得る手段をレーザー結晶化という。  As a means for obtaining a polysilicon film, a technique for crystallizing an amorphous silicon film (amorphous silicon film) to form a polysilicon film is generally used. In particular, recently, a method of crystallizing an amorphous silicon film using laser light has attracted attention. In this specification, means for crystallizing an amorphous semiconductor film with laser light to obtain a crystalline semiconductor film is called laser crystallization.

レーザー結晶化は、半導体膜の瞬間的な加熱が可能であり、ガラス基板やプラスチック基板等の耐熱性の低い基板上に形成された半導体膜のアニール手段として有効な技術である。また、従来の電熱炉を用いた加熱手段(以下、ファーネスアニールという)に比べて格段にスループットが高い。  Laser crystallization is an effective technique for annealing a semiconductor film formed on a substrate having low heat resistance, such as a glass substrate or a plastic substrate, which can instantaneously heat the semiconductor film. Further, the throughput is much higher than that of a heating means using a conventional electric furnace (hereinafter referred to as furnace annealing).

レーザー光にも様々な種類があるが、一般的にはパルス発振型のエキシマレーザーを発振源とするレーザー光(以下、エキシマレーザー光という)を用いたレーザー結晶化が用いられている。エキシマレーザーは出力が大きく、高周波数での繰り返し照射が可能であるという利点を有し、さらにエキシマレーザー光はシリコン膜に対しての吸収係数が高いという利点を有する。  There are various types of laser light. Generally, laser crystallization using laser light (hereinafter referred to as excimer laser light) using a pulsed excimer laser as an oscillation source is used. The excimer laser has the advantage that it has a large output and can be repeatedly irradiated at a high frequency, and the excimer laser light has the advantage that the absorption coefficient for the silicon film is high.

現在、最も注目されている問題はレーザー光で結晶化された結晶質半導体膜の結晶粒径を如何に大きくするかである。当然のことながら、一つの結晶粒(グレインともいう)が大きくなれば、TFTの特にチャネル形成領域を横切る結晶粒界の数が減る。そのため、電界効果移動度やしきい値電圧といったTFTの代表的な電気特性のばらつきを改善することが可能となる。  At present, the most noticeable problem is how to increase the crystal grain size of the crystalline semiconductor film crystallized with laser light. As a matter of course, when one crystal grain (also referred to as a grain) becomes large, the number of crystal grain boundaries that cross the channel formation region of the TFT decreases. Therefore, it is possible to improve variations in typical electrical characteristics of TFT such as field effect mobility and threshold voltage.

また、各結晶粒の内部は、比較的きれいな結晶性を維持しており、上述のTFTの諸特性を向上させるためには、一つの結晶粒の内部に完全にチャネル形成領域が収まるようにしてTFTを形成することが望ましい。  In addition, the inside of each crystal grain maintains relatively clean crystallinity, and in order to improve the various characteristics of the TFT described above, the channel formation region must be completely contained within one crystal grain. It is desirable to form a TFT.

しかしながら、現在の技術では結晶粒径の十分に大きな結晶質半導体膜を得ることは困難であり、実験的に得られたという報告はあるものの、実用化レベルには達していないのが現状である。  However, it is difficult to obtain a crystalline semiconductor film having a sufficiently large crystal grain size with the current technology, and although it has been reported experimentally, it has not reached the practical level. .

実験的には「"High-Mobility Poly-Si Thin-Film Transistors Fabricated bya Novel Excimer Laser Crystallization Method", K.Shimizu, O.Sugiura and M.Matumura, IEEE Transactions on Electron Devices vol.40, No.1, pp112-117,1993」に示されるような結果が得られている。同文献は、基板上にSi/SiO2/n+Siの3層構造を形成し、エキシマレーザー光をSi側とn+Si側の両方向から照射している。そして、このような構成により結晶粒径を大きくできる旨が示されている。Experimentally, "" High-Mobility Poly-Si Thin-Film Transistors Fabricated by a Novel Excimer Laser Crystallization Method "", K. Shimizu, O. Sugiura and M. Matumura, IEEE Transactions on Electron Devices vol.40, No.1, pp112-117, 1993 "has been obtained. In this document, a three-layer structure of Si / SiO 2 / n + Si is formed on a substrate, and excimer laser light is irradiated from both directions of the Si side and the n + Si side. It is shown that the crystal grain size can be increased by such a configuration.

発明が解決しようとする課題Problems to be solved by the invention

本発明は、上記問題点を解決するための技術であり、結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を得るためのレーザーアニール方法及びそのレーザーアニール方法に用いるレーザー装置を提供することを課題とする。  The present invention is a technique for solving the above problems, and an object thereof is to provide a laser annealing method for obtaining a crystalline semiconductor film having a large crystal grain size and a laser apparatus used in the laser annealing method.

課題を解決するための手段Means for solving the problem

本発明の要旨は、非晶質半導体膜を結晶化するにあたって、レーザー光を非晶質半導体膜の表面(上に薄膜が重ねられていく面)及び裏面(表面とは反対側の面)に同時に照射し、且つ、その表面に照射されたレーザー光(以下、第一次レーザー光という)の実効エネルギー強度と裏面に照射されるレーザー光(以下、第二次レーザー光という)の実効エネルギー強度とを異なるものとする点にある。  The gist of the present invention is that, when crystallizing an amorphous semiconductor film, laser light is applied to the surface of the amorphous semiconductor film (the surface on which the thin film is superimposed) and the back surface (the surface opposite to the surface). Effective energy intensity of laser light (hereinafter referred to as “primary laser light”) simultaneously irradiated and irradiated on the front surface and effective energy intensity of laser light (hereinafter referred to as “secondary laser light”) irradiated on the back surface Are different from each other.

即ち、第一次レーザー光の実効エネルギー強度を(I0)とし、第二次レーザー光の実効エネルギー強度を(I0')とした時、実効エネルギー強度比(I0'/I0)に「0<I0'/I0<1」または「1<I0'/I0」の関係が成り立つようにレーザー光を照射することを特徴とする。勿論、I0・I0'≠0である。That is, when the effective energy intensity of the primary laser beam is (I 0 ) and the effective energy intensity of the secondary laser beam is (I 0 ′), the effective energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) is obtained. The laser light is irradiated so that the relationship of “0 <I 0 ′ / I 0 <1” or “1 <I 0 ′ / I 0 ” is satisfied. Of course, I 0 · I 0 ′ ≠ 0.

なお、本明細書中において、「実効エネルギー強度」とはレーザー光が非晶質半導体膜の表面または裏面に達した時に有するエネルギー強度であり、反射等によるエネルギー損失を考慮したエネルギー強度(ここでは、単位は密度:mJ/cm2で表す)と定義する。測定することはできないが、レーザー光の経路に存在する媒質が判れば反射率や透過率の計算から求めることができる。In this specification, the “effective energy intensity” is the energy intensity that the laser light has when it reaches the front or back surface of the amorphous semiconductor film, and the energy intensity that takes into account energy loss due to reflection or the like (here, The unit is defined as density: mJ / cm 2 . Although it cannot be measured, if the medium existing in the laser beam path is known, it can be obtained from the calculation of reflectance and transmittance.

例えば、図6に示す構造に本発明を実施した場合について、実効エネルギー強度の具体的な算出方法を説明する。図6において、601はアルミニウムでなる反射体、602はコーニング社#1737基板(厚さ0.7mm)、603は200nm厚の窒化酸化シリコン膜(以下、SiON膜という)、604は55nm厚のアモルファスシリコン膜である。このような試料に対して空気中で、波長308nmのXeClエキシマレーザー光を照射する場合を例にとる。  For example, a specific method for calculating the effective energy intensity will be described in the case where the present invention is applied to the structure shown in FIG. In FIG. 6, 601 is a reflector made of aluminum, 602 is a Corning # 1737 substrate (thickness 0.7 mm), 603 is a 200 nm thick silicon nitride oxide film (hereinafter referred to as SiON film), and 604 is 55 nm thick amorphous. It is a silicon film. An example in which such a sample is irradiated with XeCl excimer laser light having a wavelength of 308 nm in air is taken as an example.

アモルファスシリコン膜604に到達する直前のレーザー光(波長308nm)のエネルギー強度を(Ia)とする。このとき、第一次レーザー光の実効エネルギー強度(I0)は、アモルファスシリコン膜の表面におけるレーザー光の反射を考慮して、I0=Ia(1−RSi)で表される。但し、RSiはレーザー光の反射率である。この場合、計算ではI0=0.45Iaとなる。The energy intensity of laser light (wavelength 308 nm) immediately before reaching the amorphous silicon film 604 is defined as (I a ). At this time, the effective energy intensity (I 0 ) of the primary laser beam is expressed by I 0 = I a (1−R Si ) in consideration of the reflection of the laser beam on the surface of the amorphous silicon film. Here, R Si is the reflectance of the laser beam. In this case, I 0 = 0.45 I a is calculated.

また、第二次レーザー光の実効エネルギー強度(I0')は、I0'=Ia1737Al1737(1−RSiON-Si)で表される。但し、T1737は#1737基板の透過率、RAlはアルミニウム表面での反射率、RSiON-SiはSiON膜中からアモルファスシリコン膜へ入射する際の反射率である。なお、空気中からSiON膜へ入射する際の反射率、SiON膜中の透過率、SiON膜中から#1737基板へ入射する際の反射率及び#1737基板中からSiON膜へ入射する際の反射率は、実験的に無視しうることが判明したので計算に含めなかった。この場合、計算ではI0'=0.13Iaとなる。The effective energy intensity (I 0 ′) of the secondary laser light is expressed by I 0 ′ = I a T 1737 R Al T 1737 (1-R SiON—Si ). Where T 1737 is the transmittance of the # 1737 substrate, R Al is the reflectance at the aluminum surface, and R SiON—Si is the reflectance when entering the amorphous silicon film from the SiON film. The reflectance when entering the SiON film from the air, the transmittance of the SiON film, the reflectance when entering the # 1737 substrate from the SiON film, and the reflection when entering the SiON film from the # 1737 substrate The rate was not included in the calculation because it was found experimentally negligible. In this case, I 0 ′ = 0.13I a is calculated.

従って、図6の構造の場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度(I0)は0.45Ia、第二次レーザー光の実効エネルギー強度(I0')は0.13Iaと求められる。即ち、実効エネルギー強度比(I0'/I0)は0.29である。以上のようにして求められる実効エネルギー強度比が、0<I0'/I0<1を満たすという点が本発明の特徴の一つである。Therefore, in the structure of Figure 6, the effective energy intensity of the primary laser beam (I 0) is 0.45I a, the effective energy intensity of the second laser beam (I 0 ') is determined to 0.13I a . That is, the effective energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) is 0.29. One of the features of the present invention is that the effective energy intensity ratio obtained as described above satisfies 0 <I 0 ′ / I 0 <1.

また、第一次レーザー光の強度が第二次レーザー光の強度よりも小さい場合においても本発明は成り立つ。即ち、実効エネルギー強度比が1<I0'/I0を満たす場合においても本発明が成り立つ。Further, the present invention can be realized even when the intensity of the primary laser beam is smaller than the intensity of the secondary laser beam. That is, the present invention can be realized even when the effective energy intensity ratio satisfies 1 <I 0 ′ / I 0 .

第一次レーザー光と第二次レーザー光の実効エネルギー強度を異なるものとするためには、以下の方法が挙げられる。
1)基板の下に設けた反射体を用いて非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射する際に、反射体の反射率を調節することで第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させ、相対的に第一次レーザー光の実効エネルギー強度よりも小さくする方法。
2)第一次レーザー光を途中で分割して第二次レーザー光を形成し、第一次レーザー光の実効エネルギー強度もしくは第二次レーザー光の実効エネルギー強度をフィルター(バリアブルアッテネータ等)で減衰させ、相対的に両者の実効エネルギー強度を異なるものとする方法。
3)非晶質半導体膜を形成する基板の材質によって、第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させ、相対的に第一次レーザー光の実効エネルギー強度よりも小さくする方法。
4)基板と非晶質半導体膜の間に絶縁膜を挟み、第二次レーザー光の実効エネルギー強度をその絶縁膜で減衰させ、相対的に第一次レーザー光の実効エネルギー強度よりも小さくする方法。
5)非晶質半導体膜の表面を絶縁膜で覆っておき、非晶質半導体膜の表面における第一次レーザー光の反射率を小さくすることで、第一次レーザー光の実効エネルギー強度を相対的に第二次レーザー光の実効エネルギー強度よりも大きくなるようにする方法。
6)非晶質半導体膜を絶縁膜で覆っておき、第一次レーザー光の実効エネルギーをその絶縁膜で減衰させ、相対的に第二次レーザー光の実効エネルギーよりも小さくなるようにする方法。
7)第一次レーザー光と第二次レーザー光をそれぞれ別のレーザーを発振源として形成し、両者の実効エネルギー強度を異なるものとする方法。
In order to make the effective energy intensities of the primary laser beam and the secondary laser beam different, the following methods can be mentioned.
1) Effective energy intensity of the secondary laser light by adjusting the reflectance of the reflector when irradiating the surface and back surface of the amorphous semiconductor film with the reflector provided under the substrate Is attenuated so that it is relatively smaller than the effective energy intensity of the primary laser beam.
2) Divide the primary laser beam halfway to form the secondary laser beam, and attenuate the effective energy intensity of the primary laser beam or the effective energy intensity of the secondary laser beam with a filter (variable attenuator, etc.) And relatively different the effective energy intensity of the two.
3) A method in which the effective energy intensity of the secondary laser light is attenuated and made relatively smaller than the effective energy intensity of the primary laser light depending on the material of the substrate on which the amorphous semiconductor film is formed.
4) An insulating film is sandwiched between the substrate and the amorphous semiconductor film, and the effective energy intensity of the secondary laser light is attenuated by the insulating film so as to be relatively smaller than the effective energy intensity of the primary laser light. Method.
5) By covering the surface of the amorphous semiconductor film with an insulating film and reducing the reflectivity of the primary laser beam on the surface of the amorphous semiconductor film, the effective energy intensity of the primary laser beam is made relatively To make it larger than the effective energy intensity of the secondary laser beam.
6) A method in which the amorphous semiconductor film is covered with an insulating film, and the effective energy of the primary laser light is attenuated by the insulating film so as to be relatively smaller than the effective energy of the secondary laser light. .
7) A method in which the primary laser beam and the secondary laser beam are formed using different lasers as oscillation sources, and the effective energy intensities of the laser beams differ from each other.

また、本発明はレーザーの種類によるものではなく、一般的に知られるエキシマレーザー(代表的にはKrFレーザーもしくはXeClレーザー)、固体レーザー(代表的にはNd:YAGレーザーもしくはルビーレーザー)、ガスレーザー(代表的にはアルゴンレーザーもしくはヘリウム・ネオンレーザー)、金属蒸気レーザー(代表的には銅蒸気レーザーもしくはヘリウム・カドミウムレーザー)または半導体レーザーを用いることができる。  The present invention does not depend on the type of laser, but is generally known excimer laser (typically KrF laser or XeCl laser), solid-state laser (typically Nd: YAG laser or ruby laser), gas laser. (Typically, an argon laser or a helium-neon laser), a metal vapor laser (typically a copper vapor laser or a helium-cadmium laser), or a semiconductor laser can be used.

なお、Nd:YAGレーザーのように基本波(第1高調波:波長1064nm)の波長が長いレーザー光を用いる場合は、第2高調波、第3高調波もしくは第4高調波を用いるのが好ましい。これらの高調波は非線形結晶(非線形素子)を用いて得ることができる。また、公知のQスイッチ方式を用いても良い。  In addition, when using a laser beam having a long fundamental wave (first harmonic: wavelength 1064 nm) like an Nd: YAG laser, it is preferable to use the second harmonic, the third harmonic, or the fourth harmonic. . These harmonics can be obtained using a nonlinear crystal (nonlinear element). Further, a known Q switch method may be used.

〔発明に至るまでの経緯〕
ここで、本出願人が本発明に想到した経緯について、実験結果に基づいて説明する。図7に示すSEM(Scanning Electron Microscopy)写真はレーザー結晶化により形成したポリシリコン膜にセコ・エッチングを施した後の写真である。セコ・エッチング技術に関する詳細は、「F.Secco d' Aragona:"Dislocation Etch for (100) Planes in Silicon".J.Electrochem.soc.Vol.119.No.7.pp.948-950(1972)」を参考にすれば良い。
[Background to Invention]
Here, the background that the present applicant has conceived of the present invention will be described based on experimental results. A SEM (Scanning Electron Microscopy) photograph shown in FIG. 7 is a photograph after a seco-etching is performed on a polysilicon film formed by laser crystallization. For more information on Seco etching technology, see “F. Secco d 'Aragona:“ Dislocation Etch for (100) Planes in Silicon ”. J. Electrochem. Soc. Vol. 119. No. 7, pp. 948-950 (1972). Can be referred to.

どちらもコーニング社製#1737基板(厚さ0.7mm)の上に酸化シリコン膜(厚さ200nm)を介してアモルファスシリコン膜(厚さ55nm)を形成し、エキシマレーザー光を照射して得ている。なお、この実験で用いたエキシマレーザー光は、励起ガスとしてXeClガスを用いた波長308nmのパルスレーザー光であり、パルス幅は30ns、ショット数は20ショット、エネルギー密度は370mJ/cm2とした。In both cases, an amorphous silicon film (thickness: 55 nm) is formed on a # 1737 substrate (thickness: 0.7 mm) manufactured by Corning, Inc. via a silicon oxide film (thickness: 200 nm) and irradiated with excimer laser light. Yes. The excimer laser beam used in this experiment was a pulse laser beam having a wavelength of 308 nm using XeCl gas as an excitation gas, the pulse width was 30 ns, the number of shots was 20 shots, and the energy density was 370 mJ / cm 2 .

図7(A)はアモルファスシリコン膜の表面のみにレーザー光を照射して得たポリシリコン膜(平均結晶粒径は約0.3μm)であり、図7(B)はアモルファスシリコン膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して得たポリシリコン膜(平均結晶粒径は約1.5μm)である。これによればアモルファスシリコン膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して得たポリシリコン膜の方が結晶粒径は約5倍も大きく、両面からの照射が非常に効果的であることが確認された。  FIG. 7A shows a polysilicon film (average crystal grain size is about 0.3 μm) obtained by irradiating only the surface of the amorphous silicon film with laser light, and FIG. This is a polysilicon film (average crystal grain size is about 1.5 μm) obtained by irradiating the back surface with laser light. According to this, it is confirmed that the polysilicon film obtained by irradiating the front and back surfaces of the amorphous silicon film has a crystal grain size about 5 times larger, and irradiation from both sides is very effective. It was done.

なお、本明細書中において、平均結晶粒径の定義は特願平10−020566号出願の明細書中における「結晶粒領域の平均径の定義」に準ずるものとする。  In this specification, the definition of the average crystal grain size conforms to the “definition of the average diameter of crystal grain region” in the specification of Japanese Patent Application No. 10-020666.

以上のように、非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射することで結晶粒径を大きくできることが確認された。なお、従来例で示した文献中の実験は、結晶化させようとする半導体膜の裏面に直接レーザー光は照射されず、n+Siの余熱を利用して蓄熱効果を狙っており、本出願人が行った実験とは全く構成が異なっている。As described above, it was confirmed that the crystal grain size can be increased by irradiating the front and back surfaces of the amorphous semiconductor film with laser light. The experiment in the literature shown in the conventional example is aimed at the heat storage effect by using the residual heat of n + Si without directly irradiating the back surface of the semiconductor film to be crystallized with the laser beam. The configuration is completely different from human experiments.

次に、本出願人は、ガラス基板の代わりに石英基板を用いて同様の実験(但し、レーザー光のエネルギー密度は200mJ/cm2とした。)を行った。その結果、図8に示すような結果(セコ・エッチング後のSEM写真)が得られた。Next, the applicant conducted a similar experiment using a quartz substrate instead of the glass substrate (however, the energy density of the laser beam was 200 mJ / cm 2 ). As a result, a result (SEM photograph after Seco-etching) as shown in FIG. 8 was obtained.

図8(A)はアモルファスシリコン膜の表面のみにレーザー光を照射して得られたポリシリコン膜であり、図8(B)はアモルファスシリコン膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して得られたポリシリコン膜である。これによれば基板として石英基板を用いた場合、平均結晶粒径はせいぜい0.4〜0.5μm程度であり、図7(B)に示したような大粒径化は確認できなかった。また、基板の片面から照射しても両面から照射しても結晶粒径に差は見られなかった。即ち、前述と同様に、非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射したにも拘わらず、平均結晶粒径の増大という効果は確認されなかった。  FIG. 8A is a polysilicon film obtained by irradiating only the surface of the amorphous silicon film with laser light, and FIG. 8B is obtained by irradiating the front and back surfaces of the amorphous silicon film with laser light. A polysilicon film. According to this, when a quartz substrate is used as the substrate, the average crystal grain size is at most about 0.4 to 0.5 μm, and an increase in the grain size as shown in FIG. Further, there was no difference in the crystal grain size when irradiated from one side or both sides of the substrate. That is, as described above, the effect of increasing the average crystal grain size was not confirmed despite the irradiation of laser light on the front and back surfaces of the amorphous semiconductor film.

そこで本出願人は、以上の実験結果について考察し、図7及び図8に示した実験の差は、ガラス基板の透過率(約50%)と石英基板の透過率(約93%)の差、即ち、非晶質半導体膜の裏面に照射されるレーザー光の実効エネルギー強度の差であると予想した。そして、確認のため以下のような実験を行った。  Therefore, the present applicant considers the above experimental results, and the difference between the experiments shown in FIGS. 7 and 8 is the difference between the transmittance of the glass substrate (about 50%) and the transmittance of the quartz substrate (about 93%). That is, it was expected to be a difference in effective energy intensity of the laser light irradiated on the back surface of the amorphous semiconductor film. And the following experiment was done for confirmation.

まず、本実験では図6に示した構造の試料を、基板602に石英基板を用い、反射体601に窒化タンタル膜を用いて作製した。そして、この試料に対して図7(B)の写真を得たのと同一条件でXeClエキシマレーザー光を照射し、得られたポリシリコン膜の平均結晶粒径をセコ・エッチング後のSEM写真にて確認した。この結果を図9に示す。  First, in this experiment, a sample having the structure shown in FIG. 6 was manufactured using a quartz substrate for the substrate 602 and a tantalum nitride film for the reflector 601. Then, this sample was irradiated with XeCl excimer laser light under the same conditions as those for obtaining the photograph of FIG. 7B, and the average crystal grain size of the obtained polysilicon film was converted into an SEM photograph after the secco-etching. Confirmed. The result is shown in FIG.

図9を見れば判るように、得られたポリシリコン膜の結晶粒は、図7(B)のポリシリコン膜とほぼ同じ様な状態で分布していることが確認された。また、図7(B)の写真を得た試料の場合、第一次レーザー光と第二次レーザー光の実効エネルギー強度比が0.29であることは既に述べた。これは実質的にガラス基板で第二次レーザー光が減衰した結果である。これと同じように本実験の試料について実効エネルギー強度比を計算した結果、0.33という値が得られた。これは実質的に反射体で第二次レーザー光が減衰した結果である。  As can be seen from FIG. 9, it was confirmed that the crystal grains of the obtained polysilicon film were distributed in a state almost the same as that of the polysilicon film of FIG. In the case of the sample obtained from the photograph of FIG. 7B, it has already been described that the effective energy intensity ratio between the primary laser beam and the secondary laser beam is 0.29. This is a result of the secondary laser light being attenuated substantially on the glass substrate. Similarly, as a result of calculating the effective energy intensity ratio for the sample of this experiment, a value of 0.33 was obtained. This is a result of the secondary laser light being substantially attenuated by the reflector.

また、図8(B)の試料(石英とアルミニウムでなる反射体の組み合わせ)と図9の試料(石英と窒化タンタルでなる反射体の組み合わせ)は反射体表面の材質が異なる以外同一構造であり、異なる点は図9の試料では反射体表面の反射率が図8(B)の試料よりも小さい点のみである。  The sample in FIG. 8B (combination of reflectors made of quartz and aluminum) and the sample in FIG. 9 (combination of reflectors made of quartz and tantalum nitride) have the same structure except for the material of the reflector surface. 9 is different from the sample of FIG. 9 in that the reflectance of the reflector surface is smaller than that of the sample of FIG. 8B.

以上の結果を考察すると、非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して結晶化する場合、表面側のレーザー光(第一次レーザー光)の実効エネルギー強度よりも、裏面側のレーザー光(第二次レーザー光)の実効エネルギー強度が小さい場合において平均結晶粒径の増加が確認されることが判った。  Considering the above results, when crystallization is performed by irradiating the surface and back surface of the amorphous semiconductor film with laser light, the effective energy intensity of the laser light on the front surface side (primary laser light) is larger than that on the back surface side. It was found that when the effective energy intensity of the laser beam (secondary laser beam) is small, an increase in the average crystal grain size is confirmed.

〔実施形態1〕
本発明の実施形態の一つについて説明する。図1(A)は本発明のレーザー装置の構成を示す図である。このレーザー装置は、レーザー101、レーザー101を発振源とするレーザー光を線状に変形する光学系201、透光性基板を固定するステージ102を有し、ステージ102にはヒータ103とヒータコントローラー104が具備されて、基板を室温〜550℃の範囲の温度に保持することができる。また、ステージ102上には反射体105が設けられ、その上に非晶質半導体膜が形成された基板106が設置される。
Embodiment 1
One embodiment of the present invention will be described. FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a laser apparatus of the present invention. The laser apparatus includes a laser 101, an optical system 201 that linearly transforms laser light using the laser 101 as an oscillation source, and a stage 102 that fixes a translucent substrate. The stage 102 includes a heater 103 and a heater controller 104. To hold the substrate at a temperature ranging from room temperature to 550 ° C. A reflector 105 is provided on the stage 102, and a substrate 106 on which an amorphous semiconductor film is formed is provided thereon.

次に、図1(A)のような構成のレーザー装置において、基板106の保持方法を図1(B)を用いて説明する。ステージ102に保持された基板106は、反応室107に設置され、レーザー101を発振源とする線状のレーザー光が照射される。反応室内は図示されていない排気系またはガス系により減圧状態または不活性ガス雰囲気とすることができ、半導体膜を汚染させることなく100〜450℃まで加熱することができる。  Next, a method for holding the substrate 106 in the laser device having the structure shown in FIG. 1A will be described with reference to FIG. The substrate 106 held on the stage 102 is set in a reaction chamber 107 and irradiated with linear laser light using the laser 101 as an oscillation source. The reaction chamber can be in a reduced pressure state or an inert gas atmosphere by an exhaust system or a gas system not shown, and can be heated to 100 to 450 ° C. without contaminating the semiconductor film.

また、ステージ102はガイドレール108に沿って反応室内を移動することができ、基板の全面に線状のレーザー光を照射することができる。レーザー光は基板106の上面に設けられた図示されていない石英製の窓から入射する。また、図1(B)ではこの反応室107にトランスファー室109、中間室110、ロード・アンロード室111が接続され、それぞれの室は仕切弁112、113で分離されている。  Further, the stage 102 can move along the guide rail 108 in the reaction chamber, and can irradiate the entire surface of the substrate with linear laser light. The laser light is incident from a quartz window (not shown) provided on the upper surface of the substrate 106. In FIG. 1B, a transfer chamber 109, an intermediate chamber 110, and a load / unload chamber 111 are connected to the reaction chamber 107, and the chambers are separated by gate valves 112 and 113.

ロード・アンロード室111には複数の基板を保持することが可能なカセット114が設置され、トランスファー室109に設けられた搬送ロボット115により基板が搬送される。基板106'は搬送中の基板を表す。このような構成とすることによりレーザーアニールを減圧下または不活性ガス雰囲気中で連続して処理することができる。  A cassette 114 capable of holding a plurality of substrates is installed in the load / unload chamber 111, and the substrates are transferred by a transfer robot 115 provided in the transfer chamber 109. Substrate 106 ′ represents the substrate being transferred. With such a configuration, laser annealing can be continuously processed under reduced pressure or in an inert gas atmosphere.

次に、レーザー光を線状にする光学系201の構成について図2を用いて説明する。図2(A)は光学系201を側面から見た図であり、図2(B)は光学系201を上面から見た図である。  Next, the configuration of the optical system 201 that linearizes laser light will be described with reference to FIG. 2A is a view of the optical system 201 as viewed from the side, and FIG. 2B is a view of the optical system 201 as viewed from the top.

レーザー101を発振源とするレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ202により縦方向に分割される。この分割されたレーザー光はシリンドリカルレンズ203によりさらに横方向に分割される。即ち、レーザー光はシリンドリカルレンズアレイ202、203によって最終的にはマトリクス状に分割されることになる。  Laser light using the laser 101 as an oscillation source is divided in the vertical direction by a cylindrical lens array 202. The divided laser light is further divided in the horizontal direction by the cylindrical lens 203. That is, the laser light is finally divided into a matrix by the cylindrical lens arrays 202 and 203.

そして、レーザー光はシリンドリカルレンズ204により一旦集光される。その際、シリンドリカルレンズ204の直後にシリンドリカルレンズ205を通る。その後、ミラー206で反射され、シリンドリカルレンズ207を通った後、照射面208に達する。  The laser light is once condensed by the cylindrical lens 204. At that time, it passes through the cylindrical lens 205 immediately after the cylindrical lens 204. Thereafter, the light is reflected by the mirror 206, passes through the cylindrical lens 207, and reaches the irradiation surface 208.

このとき、照射面208に投影されたレーザー光は線状の照射面を示す。即ち、シリンドリカルレンズ207を透過したレーザー光の断面形状は線状になっていることを意味する。この線状に変形されたレーザー光の幅方向(短い方向)の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ202、シリンドリカルレンズ204及びシリンドリカルレンズ207で行われる。また、上記レーザー光の長手方向(長い方向)の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ203及びシリンドリカルレンズ205で行われる。  At this time, the laser light projected on the irradiation surface 208 shows a linear irradiation surface. That is, it means that the cross-sectional shape of the laser light transmitted through the cylindrical lens 207 is linear. The homogenization of the linearly deformed laser light in the width direction (short direction) is performed by the cylindrical lens array 202, the cylindrical lens 204, and the cylindrical lens 207. Further, the homogenization of the laser light in the longitudinal direction (long direction) is performed by the cylindrical lens array 203 and the cylindrical lens 205.

次に、基板上に形成された被処理膜の表面及び裏面からレーザー光を照射するための構成について図3を用いて説明する。図3に示したのは、図1における基板106と反射体105との位置関係を示す図である。  Next, a structure for irradiating laser light from the front and back surfaces of the film to be processed formed on the substrate will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the positional relationship between the substrate 106 and the reflector 105 in FIG.

図3において、301は透光性基板であり、その表面(薄膜または素子が形成される側の面)には絶縁膜302、非晶質半導体膜(または微結晶半導体膜)303が形成されている。また、透光性基板301の下にはレーザー光を反射させるための反射体304が配置される。  In FIG. 3, reference numeral 301 denotes a light-transmitting substrate, and an insulating film 302 and an amorphous semiconductor film (or microcrystalline semiconductor film) 303 are formed on the surface (the surface on which a thin film or an element is formed). Yes. A reflector 304 for reflecting the laser light is disposed under the translucent substrate 301.

透光性基板301はガラス基板、石英基板、結晶化ガラス基板若しくはプラスチック基板が用いられる。この透光性基板301自体で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節することが可能である。また、絶縁膜302は酸化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜(SiOxNy)などの珪素を含む絶縁膜を用いれば良く、この絶縁膜302で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節しても良い。また、非晶質半導体膜303はアモルファスシリコン膜の他に、アモルファスシリコンゲルマニウム膜などの化合物半導体膜も含む。  As the light-transmitting substrate 301, a glass substrate, a quartz substrate, a crystallized glass substrate, or a plastic substrate is used. The translucent substrate 301 itself can adjust the effective energy intensity of the secondary laser light. The insulating film 302 may be an insulating film containing silicon such as a silicon oxide film or a silicon nitride oxide film (SiOxNy), and the effective energy intensity of the secondary laser light may be adjusted by the insulating film 302. The amorphous semiconductor film 303 includes a compound semiconductor film such as an amorphous silicon germanium film in addition to the amorphous silicon film.

また、反射体304は表面(レーザー光の反射面)に金属膜を形成した基板であっても良いし、金属元素でなる基板であっても良い。この場合、金属膜としては如何なる材料を用いても良い。代表的には、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)のいずれかの元素を含む金属膜を用いる。例えば、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)を用いても良い。  Further, the reflector 304 may be a substrate on which a metal film is formed on the surface (laser light reflecting surface) or a substrate made of a metal element. In this case, any material may be used for the metal film. Typically, a metal film containing any element of silicon (Si), aluminum (Al), silver (Ag), tungsten (W), titanium (Ti), and tantalum (Ta) is used. For example, tungsten nitride (WN), titanium nitride (TiN), or tantalum nitride (TaN) may be used.

さらに、この反射体304は透光性基板301に接して設けても良いし、離して設けても良い。また、反射体304を配置する代わりに、基板301の裏面(表面の反対側の面)に直接上述のような金属膜を形成し、そこでレーザー光を反射させることも可能である。いずれにしても、この反射体304の反射率で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節することができる。また、反射体304を透光性基板301と離して設置する場合、その隙間に充填する気体(ガス)で第二次レーザー光のエネルギー強度を制御することも可能である。  Further, the reflector 304 may be provided in contact with the translucent substrate 301 or may be provided separately. Further, instead of disposing the reflector 304, it is also possible to form the metal film as described above directly on the back surface (surface opposite to the front surface) of the substrate 301 and reflect the laser beam there. In any case, the effective energy intensity of the secondary laser light can be adjusted by the reflectance of the reflector 304. In the case where the reflector 304 is placed away from the light-transmitting substrate 301, the energy intensity of the secondary laser light can be controlled by a gas (gas) filling the gap.

そして、図2で説明した光学系201(図中ではシリンドリカルレンズ207のみを示す。)を経由して線状に変形されたレーザー光が、非晶質半導体膜303に照射される。この線状に変形されたレーザー光の照射はレーザー光を走査することによって行われる。  Then, the amorphous semiconductor film 303 is irradiated with linearly deformed laser light via the optical system 201 described in FIG. 2 (only the cylindrical lens 207 is shown in the drawing). Irradiation of the laser beam transformed into a linear shape is performed by scanning the laser beam.

いずれにしても、シリンドリカルレンズ207を透過して非晶質半導体膜303の表面に照射される第一次レーザー光305と、反射体304で一旦反射されて非晶質半導体膜303の裏面に照射される第二次レーザー光306との実効エネルギー強度比(I0'/I0)が、0<I0'/I0<1または1<I0'/I0の関係を満たすことが重要である。このためには、反射体304のレーザー光に対する反射率は20〜80%であることが好ましい。また、このとき、本実施形態でいくつか述べた第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させる手段を、複数組み合わせて所望の強度比としても良い。In any case, the primary laser beam 305 that passes through the cylindrical lens 207 and is irradiated on the surface of the amorphous semiconductor film 303, and is once reflected by the reflector 304 and irradiated on the back surface of the amorphous semiconductor film 303. It is important that the effective energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) with the secondary laser beam 306 to satisfy the relationship 0 <I 0 ′ / I 0 <1 or 1 <I 0 ′ / I 0 It is. For this purpose, the reflectance of the reflector 304 to the laser light is preferably 20 to 80%. At this time, a plurality of means for attenuating the effective energy intensity of the secondary laser light described in the present embodiment may be combined to obtain a desired intensity ratio.

また、シリンドリカルレンズ207を通過したレーザー光は、集光される過程で基板表面に対して45〜90°の入射角を持つ。そのため、第二次レーザー光306は非晶質半導体膜303の裏面側にも回り込んで照射される。また、反射体304の反射面に起伏部を設けてレーザー光を乱反射させることで、第二次レーザー光306をさらに効率良く得ることができる。  The laser beam that has passed through the cylindrical lens 207 has an incident angle of 45 to 90 ° with respect to the substrate surface in the process of being condensed. Therefore, the secondary laser light 306 irradiates around the back surface side of the amorphous semiconductor film 303. Moreover, the secondary laser beam 306 can be obtained more efficiently by providing the undulating portion on the reflecting surface of the reflector 304 to diffusely reflect the laser beam.

〔実施形態2〕
本実施形態ではの実施形態1と異なる実施の形態について説明する。本実施形態では、実施形態1のような反射体を用いず、光学系の途中で分光した二系統のレーザー光を非晶質半導体膜の表面及び裏面から照射する例を示す。
[Embodiment 2]
In the present embodiment, an embodiment different from the first embodiment will be described. In this embodiment, an example is shown in which a two-system laser beam dispersed in the middle of an optical system is irradiated from the front and back surfaces of an amorphous semiconductor film without using a reflector as in the first embodiment.

図4(A)は本実施形態のレーザー装置の構成を示す図である。基本的な構成は実施形態1で説明した図1のレーザー装置と同様であるので異なる部分の符号を変えて説明する。  FIG. 4A is a diagram showing the configuration of the laser apparatus of this embodiment. Since the basic configuration is the same as that of the laser apparatus of FIG. 1 described in the first embodiment, different reference numerals are used for the description.

このレーザー装置は、レーザー101、レーザー101を発振源とするレーザー光を線状に変形し、且つ、二系統に分光する光学系401、透光性基板を固定する透光性のステージ402を有する。また、ステージ402上には基板403aが設置され、その上に非晶質半導体膜403bが形成されている。  The laser apparatus includes a laser 101, an optical system 401 that linearly transforms laser light using the laser 101 as an oscillation source and splits the laser light into two lines, and a translucent stage 402 that fixes a translucent substrate. . A substrate 403a is provided over the stage 402, and an amorphous semiconductor film 403b is formed thereon.

本実施形態の場合、ステージ402を透過したレーザー光を非晶質半導体膜403bに照射するため、ステージ402は透光性を有してなければならない。また、ステージ402側から照射されるレーザー光(第二次レーザー光)はステージ402を透過するので、その実効エネルギー強度はステージ402を透過する際の減衰を考慮しなければならない。  In the case of this embodiment, the stage 402 must have a light-transmitting property in order to irradiate the amorphous semiconductor film 403b with the laser light transmitted through the stage 402. Further, since the laser light (secondary laser light) irradiated from the stage 402 side passes through the stage 402, the effective energy intensity must consider the attenuation when passing through the stage 402.

また、図4(B)は図4(A)に示したレーザー装置における基板403aの保持方法を説明する図面であるが、透光性ステージ402を用いること以外は図1(B)に示した構成と同一であるので説明は省略する。  FIG. 4B illustrates a method for holding the substrate 403a in the laser apparatus illustrated in FIG. 4A. FIG. 4B illustrates the method except that the light-transmitting stage 402 is used. Since the configuration is the same, the description thereof is omitted.

次に、図4(A)に示した光学系401の構成について図5を用いて説明する。図5は光学系401を側面から見た図である。レーザー501を発振源とするレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ502により縦方向に分割される。この分割されたレーザー光はシリンドリカルレンズ503によりさらに横方向に分割される。こうしてレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ502、503によってマトリクス状に分割される。  Next, the structure of the optical system 401 illustrated in FIG. 4A will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a side view of the optical system 401. Laser light using the laser 501 as an oscillation source is divided in the vertical direction by a cylindrical lens array 502. This divided laser beam is further divided in the lateral direction by a cylindrical lens 503. In this way, the laser light is divided into a matrix by the cylindrical lens arrays 502 and 503.

そして、レーザー光はシリンドリカルレンズ504により一旦集光される。その際、シリンドリカルレンズ504の直後にシリンドリカルレンズ505を通る。ここまでは図2に示した光学系と同様である。  The laser light is once condensed by the cylindrical lens 504. At that time, it passes through the cylindrical lens 505 immediately after the cylindrical lens 504. Up to this point, the optical system is the same as that shown in FIG.

その後、レーザー光はハーフミラー506に入射し、ここでレーザー光は第一次レーザー光507と第二次レーザー光508とに分光される。そして、第一次レーザー光507はミラー509、510で反射され、シリンドリカルレンズ511を通った後、非晶質半導体膜403bの表面に達する。  Thereafter, the laser light enters the half mirror 506, where the laser light is split into a primary laser light 507 and a secondary laser light 508. The primary laser beam 507 is reflected by the mirrors 509 and 510, passes through the cylindrical lens 511, and then reaches the surface of the amorphous semiconductor film 403b.

また、ハーフミラー506で分光された第二次レーザー光508はミラー512、513、514で反射され、シリンドリカルレンズ515を通った後、基板403aを透過して非晶質半導体膜403bの裏面に達する。  The secondary laser light 508 dispersed by the half mirror 506 is reflected by the mirrors 512, 513, and 514, passes through the cylindrical lens 515, passes through the substrate 403a, and reaches the back surface of the amorphous semiconductor film 403b. .

このとき、実施形態1と同様に基板の照射面に投影されたレーザー光は線状の照射面を示す。また、この線状に変形されたレーザー光の幅方向(短い方向)の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ502、シリンドリカルレンズ504及びシリンドリカルレンズ515で行われる。また、上記レーザー光の長手方向(長い方向)の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ503、シリンドリカルレンズ505及びシリンドリカルレンズ511で行われる。  At this time, similarly to the first embodiment, the laser light projected on the irradiation surface of the substrate shows a linear irradiation surface. Further, the homogenization in the width direction (short direction) of the laser beam deformed linearly is performed by the cylindrical lens array 502, the cylindrical lens 504, and the cylindrical lens 515. The laser beam is homogenized in the longitudinal direction (long direction) by the cylindrical lens array 503, the cylindrical lens 505, and the cylindrical lens 511.

いずれにしても、シリンドリカルレンズ511を透過して非晶質半導体膜403bの表面に照射される第一次レーザー光と、シリンドリカルレンズ515を透過して非晶質半導体膜403bの裏面に照射される第二次レーザー光との実効エネルギー強度比(I0'/I0)が、0<I0'/I0<1または1<I0'/I0の関係を満たすことが重要である。In any case, the primary laser light that is transmitted through the cylindrical lens 511 and applied to the surface of the amorphous semiconductor film 403b, and the back surface of the amorphous semiconductor film 403b that is transmitted through the cylindrical lens 515 and applied to the back surface of the amorphous semiconductor film 403b. It is important that the effective energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) with the secondary laser light satisfies the relationship 0 <I 0 ′ / I 0 <1 or 1 <I 0 ′ / I 0 .

本実施形態では基板403aとしてガラス基板(ここで用いるレーザー光の透過率が約50%の材料でなるもの)を用いることで、上述の関係式を満たすようにしている。勿論、基板以外にも基板403a上に設けた絶縁膜(図示せず)や、基板403aを設置するステージ(図示せず)の透過率や界面の反射率を調節して第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させても良い。  In the present embodiment, a glass substrate (made of a material having a laser beam transmittance of about 50% used here) is used as the substrate 403a so that the above relational expression is satisfied. Of course, besides the substrate, the transmittance of the insulating film (not shown) provided on the substrate 403a, the stage (not shown) on which the substrate 403a is installed, and the reflectance of the interface are adjusted to adjust the secondary laser light. The effective energy intensity may be attenuated.

また、光学系401の第二次レーザー光の光路において、任意の場所に減光フィルターを設けて、第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させることも可能であるし、逆に光学系401の第一次レーザー光の光路において、任意の場所に減光フィルターを設けて、第一次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させることも可能である。  In addition, a neutral density filter may be provided at an arbitrary position in the optical path of the secondary laser light of the optical system 401 to attenuate the effective energy intensity of the secondary laser light. It is also possible to attenuate the effective energy intensity of the primary laser light by providing a neutral density filter at an arbitrary place in the optical path of the primary laser light.

また、本実施形態でいくつか述べた第一次レーザー光もしくは第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させる手段を、複数組み合わせて所望の強度比としても良い。  Further, a plurality of means for attenuating the effective energy intensity of the primary laser light or the secondary laser light described in some embodiments may be combined to obtain a desired intensity ratio.

〔実施例1〕
本実施例では、実施形態1に示した構成でアモルファスシリコン膜の結晶化を行った例を示す。説明には図3を用いる。
[Example 1]
In this example, an example in which the amorphous silicon film is crystallized with the structure shown in Embodiment Mode 1 is shown. FIG. 3 is used for the description.

本実施例では、基板301として1.1mm厚の石英基板、絶縁膜302として200nm厚の窒化酸化シリコン膜(SiON膜)、非晶質半導体膜303としてアモルファスシリコン膜を用いた。このとき、SiON膜302とアモルファスシリコン膜303はプラズマCVD法を用いて形成した。  In this embodiment, a 1.1 mm thick quartz substrate is used as the substrate 301, a 200 nm thick silicon nitride oxide film (SiON film) is used as the insulating film 302, and an amorphous silicon film is used as the amorphous semiconductor film 303. At this time, the SiON film 302 and the amorphous silicon film 303 were formed using a plasma CVD method.

本実施例では、まずSiH4を4SCCM、N2Oを400SCCMとして反応室に導入し、成膜温度400℃、反応圧力30Pa、放電電力密度0.41W/cm2、放電周波数60MHzとしてSiON膜302を形成した。次に、SiH4を100SCCMで反応室に導入し、成膜温度300℃、反応圧力45Pa、放電電力密度0.037W/cm2、放電周波数13.56MHzとしてアモルファスシリコン膜303を形成した。なお、実際にはアモルファスシリコン膜をパターニングして島状パターンとした。In this embodiment, SiH 4 is introduced into the reaction chamber as 4 SCCM and N 2 O as 400 SCCM, and the SiON film 302 is formed with a film forming temperature of 400 ° C., a reaction pressure of 30 Pa, a discharge power density of 0.41 W / cm 2 and a discharge frequency of 60 MHz. Formed. Next, SiH 4 was introduced into the reaction chamber at 100 SCCM, and an amorphous silicon film 303 was formed with a film forming temperature of 300 ° C., a reaction pressure of 45 Pa, a discharge power density of 0.037 W / cm 2 , and a discharge frequency of 13.56 MHz. In practice, the amorphous silicon film was patterned into an island pattern.

次に、図1(B)に示したようなエキシマレーザー装置を用いてアモルファスシリコン膜303のレーザー結晶化を行った。このとき、図3の反射体304としては、シリコン基板上に窒化タングステン膜を形成したものを用いた。また、反射体304と石英基板301との間には150μmの隙間を空けた。  Next, laser crystallization of the amorphous silicon film 303 was performed using an excimer laser apparatus as shown in FIG. At this time, the reflector 304 shown in FIG. 3 was formed by forming a tungsten nitride film on a silicon substrate. A 150 μm gap was left between the reflector 304 and the quartz substrate 301.

この状態で図3に示すようにエキシマレーザー光(第一次レーザー光305と第二次レーザー光306)をアモルファスシリコン膜303に対して室温、大気雰囲気中で照射した。エキシマレーザー光は図2に示した光学系により断面形状を線状(0.4mm×160mm)に変形し、基板の一端から他端まで走査した。また、走査速度は1mm/sとし、エネルギー密度(図6のIaに想到するエネルギー強度)は336mJ/cm2、パルス幅は30ns、繰り返し周波数は30Hz、重ね合わせ率は90%とした。これにより一カ所に20ショットのレーザー光を照射することができた。In this state, as shown in FIG. 3, excimer laser light (primary laser light 305 and secondary laser light 306) was irradiated to the amorphous silicon film 303 at room temperature in the atmosphere. The excimer laser light was scanned from one end of the substrate to the other end by deforming the cross-sectional shape into a linear shape (0.4 mm × 160 mm) by the optical system shown in FIG. The scanning speed was 1 mm / s, the energy density (energy intensity conceived of I a in FIG. 6) was 336 mJ / cm 2 , the pulse width was 30 ns, the repetition frequency was 30 Hz, and the overlay rate was 90%. As a result, 20 shots of laser light could be irradiated to one place.

なお、本実施例の構成でレーザー結晶化を行う場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度(I0)は151.2mJ/cm2であり、第二次レーザー光の実効エネルギー強度(I0')は77.3mJ/cm2であった。従って、実効エネルギー強度比(I0'/I0)は0.51であった。In the case of performing laser crystallization in the configuration of this embodiment, the effective energy intensity of the primary laser beam (I 0) is 151.2mJ / cm 2, the effective energy intensity of the second laser beam (I 0 ') Was 77.3 mJ / cm 2 . Therefore, the effective energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) was 0.51.

ここで本実施例に従って結晶化させたポリシリコン膜のSEM写真を図10に示す。なお、図10はセコ・エッチング後の状態である。このセコ・エッチングはフッ化水素酸溶液50ccと水25ccと1.14gのクロム酸カリウム(二価)とを加えた室温のエッチャントを用いた。  Here, an SEM photograph of the polysilicon film crystallized according to the present embodiment is shown in FIG. FIG. 10 shows a state after Secco etching. In this secco etching, a room temperature etchant to which 50 cc of hydrofluoric acid solution, 25 cc of water, and 1.14 g of potassium chromate (divalent) were added was used.

その結果、図10に示すように、島状パターンの中心付近に平均結晶粒径が0.5〜0.6μm程度の比較的大きな結晶粒が確認できた。島状パターンの端部には結晶粒径の小さな結晶粒が存在するが、レーザーエネルギー密度を変えることで形成される位置が変化する。実際に本実施例によって形成したポリシリコン膜をTFTの活性層として用いる場合には、このような結晶粒径の小さな部分がチャネル形成領域に当たらないように設計すれば良い。  As a result, as shown in FIG. 10, relatively large crystal grains having an average crystal grain size of about 0.5 to 0.6 μm were confirmed near the center of the island pattern. There are crystal grains having a small crystal grain size at the end of the island pattern, but the position formed by changing the laser energy density changes. When the polysilicon film actually formed according to the present embodiment is used as the active layer of the TFT, it may be designed so that such a portion having a small crystal grain size does not hit the channel formation region.

〔実施例2〕
本実施例では、実施形態1に示した構成でアモルファスシリコン膜の結晶化を行った例を示す。なお、本実施例で行ったレーザー結晶化は実施例1において反射体304の表面に形成する膜をタングステン膜に、レーザーエネルギー密度を369mJ/cm2に変更しただけであるので、他の条件の詳細な説明は実施例1を参考にすれば良い。
[Example 2]
In this example, an example in which the amorphous silicon film is crystallized with the structure shown in Embodiment Mode 1 is shown. Note that the laser crystallization performed in this example is merely changing the film formed on the surface of the reflector 304 in Example 1 to a tungsten film and the laser energy density to 369 mJ / cm 2 . The detailed description may be referred to the first embodiment.

本実施例に従って結晶化させたポリシリコン膜のSEM写真を図11に示す。なお、実施例1と同様に図11はセコ・エッチング後の状態である。セコ・エッチングの条件は実施例1を参考にすれば良い。  FIG. 11 shows a SEM photograph of the polysilicon film crystallized according to this example. As in the first embodiment, FIG. 11 shows a state after secco-etching. Example 1 may be referred to for the conditions for the secco etching.

なお、本実施例の構成でレーザー結晶化を行う場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度(I0)は166.1mJ/cm2であり、第二次レーザー光の実効エネルギー強度(I0')は88.6mJ/cm2であった。従って、実効エネルギー強度比(I0'/I0)は0.53であった。In the case of performing laser crystallization in the configuration of this embodiment, the effective energy intensity of the primary laser beam (I 0) is 166.1mJ / cm 2, the effective energy intensity of the second laser beam (I 0 ') Was 88.6 mJ / cm 2 . Therefore, the effective energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) was 0.53.

その結果、図11に示すように、島状パターン全体に平均結晶粒径が0.6〜0.7μm程度の比較的大きな結晶粒が確認できた。なお、図11では図10に見られたような島状パターンの端部の小さな結晶粒は顕著に見られなかった。しかしながら、レーザーエネルギー密度を変えることで顕著に見られる条件もあったため、レーザーエネルギー密度の最適化が必要である。また、結晶粒径の小さな部分があっても、実施例1と同様にTFTのチャネル形成領域に当たらないように設計すれば問題はない。  As a result, as shown in FIG. 11, relatively large crystal grains having an average crystal grain size of about 0.6 to 0.7 μm were confirmed in the entire island pattern. In FIG. 11, small crystal grains at the end of the island pattern as seen in FIG. 10 were not noticeable. However, there are some conditions that are noticeable by changing the laser energy density, so it is necessary to optimize the laser energy density. Further, even if there is a portion with a small crystal grain size, there is no problem if it is designed so that it does not hit the channel formation region of the TFT as in the first embodiment.

〔実施例3〕
本実施例では、実施形態1に示した構成でアモルファスシリコン膜の結晶化を行った例を示す。なお、本実施例で行ったレーザー結晶化は実施例1において反射体304の表面に形成する膜を窒化チタン膜に、レーザーエネルギー密度を384mJ/cm2に変更しただけであるので、他の条件の詳細な説明は実施例1を参考にすれば良い。
Example 3
In this example, an example in which the amorphous silicon film is crystallized with the structure shown in Embodiment Mode 1 is shown. Note that the laser crystallization performed in this example is merely changing the film formed on the surface of the reflector 304 in Example 1 to a titanium nitride film and the laser energy density to 384 mJ / cm 2. The detailed description may be made with reference to the first embodiment.

本実施例に従って結晶化させたポリシリコン膜のSEM写真を図12に示す。なお、実施例1と同様に図12はセコ・エッチング後の状態である。セコ・エッチングの条件は実施例1を参考にすれば良い。  FIG. 12 shows an SEM photograph of the polysilicon film crystallized according to this example. As in the first embodiment, FIG. 12 shows a state after secco-etching. Example 1 may be referred to for the conditions for the secco etching.

なお、本実施例の構成でレーザー結晶化を行う場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度(I0)は172.8mJ/cm2であり、第二次レーザー光の実効エネルギー強度(I0')は57.6mJ/cm2であった。従って、実効エネルギー強度比(I0'/I0)は0.33であった。In the case of performing laser crystallization in the configuration of this embodiment, the effective energy intensity of the primary laser beam (I 0) is 172.8mJ / cm 2, the effective energy intensity of the second laser beam (I 0 ') Was 57.6 mJ / cm 2 . Therefore, the effective energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) was 0.33.

その結果、図12に示すように、島状パターン全体に平均結晶粒径が0.8〜1.0μm程度の大きな結晶粒が確認できた。この結晶粒は紙面に向かって横方向に長い形状であり、島状パターンの横方向の端部から結晶化が進行した可能性を示唆するものと思われる。この傾向は図11においても若干確認される。  As a result, as shown in FIG. 12, large crystal grains having an average crystal grain size of about 0.8 to 1.0 μm were confirmed in the entire island pattern. These crystal grains have a shape that is long in the horizontal direction toward the paper surface, and it seems that crystallization may have progressed from the horizontal ends of the island pattern. This tendency is slightly confirmed also in FIG.

また、やはりレーザーエネルギー密度を変えることで顕著に見られる条件もあったため、レーザーエネルギー密度の最適化が必要である。また、結晶粒径の小さな部分があっても、実施例1と同様にTFTのチャネル形成領域に当たらないように設計すれば問題はない。  In addition, since there are conditions that are noticeable by changing the laser energy density, it is necessary to optimize the laser energy density. Further, even if there is a portion with a small crystal grain size, there is no problem if it is designed so that it does not hit the channel formation region of the TFT as in the first embodiment.

〔実施例4〕
本実施例では、実施形態1または実施形態2の方法により、TFTの活性層となるポリシリコン膜を形成する例について説明する。説明には図13を用いる。
Example 4
In this example, an example in which a polysilicon film serving as an active layer of a TFT is formed by the method of Embodiment 1 or Embodiment 2 will be described. FIG. 13 is used for the description.

まず、ガラス基板上に厚さ200nmの窒化酸化シリコン膜(図示せず)を形成し、その上に50nm厚のアモルファスシリコン膜(図示せず)を形成する。次に、アモルファスシリコン膜をパターニングしてアモルファスシリコン膜でなる島状パターン701a、701bを形成する。(図13(A))  First, a silicon nitride oxide film (not shown) having a thickness of 200 nm is formed on a glass substrate, and an amorphous silicon film (not shown) having a thickness of 50 nm is formed thereon. Next, the amorphous silicon film is patterned to form island patterns 701a and 701b made of an amorphous silicon film. (FIG. 13 (A))

次に、島状パターン701a、701bを、実施形態1または実施形態2の方法によってレーザー結晶化する。レーザー結晶化によって得られたポリシリコン膜でなる島状パターン702a、702bは端部に結晶粒の小さな領域703a、703bを有することがある。また、島状パターン702a、702bの端部は結晶欠陥や格子歪みを多く含む領域でもある。(図13(B))  Next, the island-shaped patterns 701a and 701b are laser crystallized by the method of the first embodiment or the second embodiment. The island-like patterns 702a and 702b made of a polysilicon film obtained by laser crystallization may have regions 703a and 703b with small crystal grains at the ends. Further, the end portions of the island-like patterns 702a and 702b are regions containing a lot of crystal defects and lattice distortions. (Fig. 13B)

なお、704a、704bで示された点線は、アモルファスシリコン膜でなる島状パターン701a、701bの跡であり、レーザー結晶化によって島状パターンが1〜15%ほど縮小化することを意味する。この縮小化はシリコン膜の緻密化と気化によって起こると考えられるが詳細は明らかではない。  Note that dotted lines indicated by 704a and 704b are traces of the island-shaped patterns 701a and 701b made of an amorphous silicon film, which means that the island-shaped pattern is reduced by about 1 to 15% by laser crystallization. This reduction is thought to occur due to the densification and vaporization of the silicon film, but the details are not clear.

次に、ポリシリコン膜でなる島状パターン702a、702bを再びパターニングして活性層705a、705bを形成する。なお、706a、706bで示された点線は結晶粒の小さな領域703a、703bの跡である。(図13(C))  Next, the island-like patterns 702a and 702b made of a polysilicon film are patterned again to form active layers 705a and 705b. Note that dotted lines indicated by 706a and 706b are traces of regions 703a and 703b having small crystal grains. (Fig. 13 (C))

次に、活性層705a、705bを覆って80nm厚の窒化酸化シリコン膜でなるゲート絶縁膜を形成し、その上にゲート電極707を形成する。ゲート電極707は窒化タングステン膜とタングステン膜との積層構造で形成し、膜厚は300nmとする。(図13(D))  Next, a gate insulating film made of a silicon nitride oxide film having a thickness of 80 nm is formed so as to cover the active layers 705a and 705b, and a gate electrode 707 is formed thereon. The gate electrode 707 is formed with a stacked structure of a tungsten nitride film and a tungsten film, and has a thickness of 300 nm. (Fig. 13D)

ゲート電極707を形成したら、n型を付与する不純物元素の添加工程を行い、ソース領域708a、ドレイン領域709a、LDD領域710を形成する。さらに、選択的にp型を付与する不純物元素の添加工程を行い、ソース領域708b、ドレイン領域709bを形成する。また同時に、チャネル形成領域711a、711b(活性層のうち不純物元素が添加されなかった領域)が形成される。  When the gate electrode 707 is formed, an impurity element imparting n-type conductivity is added to form a source region 708a, a drain region 709a, and an LDD region 710. Further, an impurity element imparting p-type conductivity is selectively performed, so that a source region 708b and a drain region 709b are formed. At the same time, channel formation regions 711a and 711b (regions in which no impurity element is added in the active layer) are formed.

次に、酸化シリコン膜でなる層間絶縁膜(図示せず)を1μmの厚さに形成した後、コンタクトホールを開けて、ソース配線712a、712b、ドレイン配線713を形成する。これら配線はアルミニウム膜を主体とする低抵抗な導電膜で形成すれば良い。(図13(E))  Next, an interlayer insulating film (not shown) made of a silicon oxide film is formed to a thickness of 1 μm, and then contact holes are opened to form source wirings 712a and 712b and a drain wiring 713. These wirings may be formed of a low resistance conductive film mainly composed of an aluminum film. (Fig. 13 (E))

以上の工程によって、図13(E)に示すような構造のnチャネル型TFT714及びpチャネル型TFT715を相補的に組み合わせたCMOS回路716が形成される。  Through the above steps, a CMOS circuit 716 in which an n-channel TFT 714 and a p-channel TFT 715 having a structure as shown in FIG.

なお、本実施例は本発明をTFTの活性層を形成する際に実施した一実施例であり、この作製工程に限定する必要はない。本発明は、公知のあらゆるTFTの作製工程に用いることができる。但し、活性層の下に遮光膜等を設ける場合、即ち、非晶質半導体膜の表面及び裏面を同時にレーザーアニールすることが不可能な場合を除く。  Note that this embodiment is an embodiment in which the present invention is implemented when forming an active layer of a TFT, and is not necessarily limited to this manufacturing process. The present invention can be used in any known TFT manufacturing process. However, the case where a light shielding film or the like is provided under the active layer, that is, the case where it is impossible to perform laser annealing simultaneously on the front surface and the back surface of the amorphous semiconductor film is excluded.

また、本実施例ではCMOS回路を形成する例を示しているが、アクティブマトリクス型画像表示装置の画素部に設けられる画素TFTも、公知の技術を用いれば容易に作製することが可能である。  In this embodiment, an example in which a CMOS circuit is formed is shown, but a pixel TFT provided in a pixel portion of an active matrix image display device can be easily manufactured by using a known technique.

〔実施例5〕
実施例4ではTFTの活性層の形成に本発明を実施した例を示したが、このようにTFTを用いる半導体装置全ての本発明を実施することができる。即ち、アクティブマトリクス型液晶ディスプレイ、アクティブマトリクス型EL(エレクトロルミネッセンス)ディスプレイ、アクティブマトリクス型EC(エレクトロクロミクス)ディスプレイに実施しても良い。
Example 5
In the fourth embodiment, an example in which the present invention is implemented for forming an active layer of a TFT has been described. However, the present invention can be implemented for all semiconductor devices using a TFT. That is, an active matrix liquid crystal display, an active matrix EL (electroluminescence) display, and an active matrix EC (electrochromic) display may be used.

さらに、ICやLSIに使われるSRAMの負荷トランジスタを形成する際に本発明を実施することもできるし、ICやLSIの上に三次元構造でTFTを形成する場合においても本発明は有効である。  Furthermore, the present invention can be implemented when forming an SRAM load transistor used in an IC or LSI, and the present invention is also effective when forming a TFT with a three-dimensional structure on an IC or LSI. .

〔実施例6〕
本実施例では、図14(A)、(B)に示した構造に対して、実施例1に示した条件でレーザー光を照射した場合について説明する。
Example 6
In this embodiment, the case where the structure shown in FIGS. 14A and 14B is irradiated with laser light under the conditions shown in Embodiment 1 will be described.

図14(A)の構造において、801は1.1mm厚の石英基板、802は200nm厚の窒化酸化シリコン膜、803は55nm厚のアモルファスシリコン膜である。即ち、図14(A)の構造では通常のレーザー結晶化を行った。  In the structure of FIG. 14A, reference numeral 801 denotes a 1.1 mm thick quartz substrate, 802 denotes a 200 nm thick silicon nitride oxide film, and 803 denotes a 55 nm thick amorphous silicon film. That is, normal laser crystallization was performed in the structure of FIG.

また、図14(B)の構造において、804は表面(反射面)が窒化タンタル膜でなる反射体、805は1.1mm厚の石英基板、806は200nm厚の窒化酸化シリコン膜、807は55nm厚のアモルファスシリコン膜である。即ち、図14(B)の構造では本発明を実施してレーザー結晶化を行った。  In the structure of FIG. 14B, 804 is a reflector whose surface (reflection surface) is a tantalum nitride film, 805 is a 1.1 mm thick quartz substrate, 806 is a 200 nm thick silicon nitride oxide film, and 807 is 55 nm. It is a thick amorphous silicon film. That is, in the structure of FIG. 14B, laser crystallization was performed by implementing the present invention.

その結果得られたポリシリコン膜のTEM(Transmission Electron Microscopy)写真を図15(A)、(B)に示す。図15(A)は、図14(A)の構造でアモルファスシリコン膜803を結晶化して得たポリシリコン膜のTEM写真であり、図15(B)は、図14(B)の構造でアモルファスシリコン膜807を結晶化して得たポリシリコン膜のTEM写真である。  15A and 15B show TEM (Transmission Electron Microscopy) photographs of the resulting polysilicon film. 15A is a TEM photograph of a polysilicon film obtained by crystallizing the amorphous silicon film 803 with the structure of FIG. 14A, and FIG. 15B is an amorphous structure with the structure of FIG. 4 is a TEM photograph of a polysilicon film obtained by crystallizing a silicon film 807.

図15(A)と図15(B)とを比較すると、本発明を実施した図15(B)のポリシリコン膜の方が明らかに結晶粒径が大きいことを確認できる。以上のように、本発明を実施することで結晶質半導体膜の平均結晶粒径を拡大することができることがTEM写真からも確かめられた。  Comparing FIG. 15A and FIG. 15B, it can be confirmed that the polysilicon film of FIG. 15B embodying the present invention clearly has a larger crystal grain size. As described above, it was confirmed from a TEM photograph that the average crystal grain size of the crystalline semiconductor film can be increased by implementing the present invention.

〔実施例7〕
本出願人の実験によれば、実効エネルギー強度比(I0'/I0)が0<I0'/I0<1または1<I0'/I0の関係を満たす場合において、特に平均結晶粒径の拡大が顕著な条件が存在した。
Example 7
According to the experiments conducted by the present applicant, the average energy intensity ratio (I 0 ′ / I 0 ) is particularly average when the relationship 0 <I 0 ′ / I 0 <1 or 1 <I 0 ′ / I 0 is satisfied. There was a condition where the crystal grain size was significantly increased.

本実施例では、図6に示した構造において基板(全て1.1mm厚)または反射体(厳密には反射体の反射面)の材質を様々に変えて行った実験について説明する。まず、実験に用いた試料(A)〜(B)における基板及び反射体とその時の実効エネルギー強度比を表1に示す。  In this embodiment, an experiment will be described in which the substrate (all 1.1 mm thick) or the reflector (strictly speaking, the reflecting surface of the reflector) is changed in various ways in the structure shown in FIG. First, Table 1 shows the substrate and reflector in the samples (A) to (B) used in the experiment and the effective energy intensity ratio at that time.

Figure 0005255739
Figure 0005255739

なお、表1において、#1737はコーニング社製ガラス基板の商品名であり、AN100は旭ガラス社製ガラス基板の商品名である。  In Table 1, # 1737 is a product name of a glass substrate manufactured by Corning, and AN100 is a product name of a glass substrate manufactured by Asahi Glass.

このように実効エネルギー強度比が0.07〜1.0の範囲で作製された試料に対して実施例1〜3と同様の条件でXeClエキシマレーザー光を照射し、その結果得られたポリシリコン膜をSEM写真にて観察した。  Thus, the sample obtained in the effective energy intensity ratio range of 0.07 to 1.0 is irradiated with XeCl excimer laser light under the same conditions as in Examples 1 to 3, and the resulting polysilicon is obtained. The film was observed with a SEM photograph.

その結果、実効エネルギー強度比が0.29、0.33、0.53または0.67では平均結晶粒径が1μm程度となることが確認され、実効エネルギー強度比が1.0、0.16、0.11、0.07の場合においては、平均結晶粒径が0.3μm程度であることが確認された。即ち、第一次レーザー光と第二次レーザー光とで実効エネルギー強度が20%以上違う条件において、平均結晶粒径の拡大が顕著に起こると考えられる。従って、以上の結果は、実効エネルギー強度比がI0'/I0=0.2〜0.9(好ましくは0.3〜0.7)である時に最適な結晶化条件が存在することを示唆していると考えられる。As a result, when the effective energy intensity ratio is 0.29, 0.33, 0.53 or 0.67, it is confirmed that the average crystal grain size is about 1 μm, and the effective energy intensity ratio is 1.0, 0.16. , 0.11, 0.07, it was confirmed that the average crystal grain size was about 0.3 μm. That is, it is considered that the average crystal grain size significantly increases under the condition that the effective energy intensity differs between the primary laser beam and the secondary laser beam by 20% or more. Therefore, the above results show that there is an optimum crystallization condition when the effective energy intensity ratio is I 0 ′ / I 0 = 0.2 to 0.9 (preferably 0.3 to 0.7). It seems to suggest.

〔実施例8〕
本実施例では、実施形態2とは異なる構造の光学系を用いた場合の例について図16を用いて説明する。具体的には線状レーザー光の長手方向または幅方向の長さを可変にする構成例を示す。
Example 8
In this example, an example in which an optical system having a structure different from that in Embodiment 2 is used will be described with reference to FIG. Specifically, a configuration example in which the length of the linear laser beam in the longitudinal direction or the width direction is made variable is shown.

本実施例に示す光学系10を用いた場合、結晶化のためにより高いエネルギーを要する半導体膜に対しては線状レーザー光の長手方向の長さを短く、比較的低いエネルギーで結晶化できる半導体膜には線状レーザー光の長手方向の長さを長く設定できる。これによりエネルギー効率をいつでも最大にすることができる。また、線状レーザー光の幅方向の長さを可変にすることにより半導体膜の結晶化に最も適した幅方向の長さを決定することができる。  When the optical system 10 shown in this embodiment is used, a semiconductor film that requires a higher energy for crystallization, a semiconductor that can be crystallized with a relatively low energy by reducing the length of the linear laser beam in the longitudinal direction. The length of the linear laser beam in the longitudinal direction can be set long for the film. This maximizes energy efficiency at any time. Further, by making the length of the linear laser light in the width direction variable, the length in the width direction most suitable for crystallization of the semiconductor film can be determined.

図16に示した光学系と図5に示した光学系とで異なる点は、図16に示した光学系では、レーザー光を幅方向に分割する役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ502に加えて同様の役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ11と、長手方向に分割する役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ503に加えて同様の役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ12とを用いている点である。  The optical system shown in FIG. 16 differs from the optical system shown in FIG. 5 in that the optical system shown in FIG. 16 is similar to the cylindrical array lens 502 that plays the role of dividing the laser light in the width direction. The cylindrical array lens 11 that plays a role, and the cylindrical array lens 12 that plays a similar role in addition to the cylindrical array lens 503 that plays a role of dividing in the longitudinal direction are used.

本実施例において、線状レーザー光の断面形状を変更する方法は長手方向も幅方向も同じ方法をとっているので、ここでは長手方向に分割する役割を果たす2つのシリンドリカルアレイレンズについてのみ説明する。  In the present embodiment, the method for changing the cross-sectional shape of the linear laser beam is the same in both the longitudinal direction and the width direction, and therefore only two cylindrical array lenses that play a role in the longitudinal direction will be described here. .

シリンドリカルアレイレンズ503でレーザー光の長手方向に分割された個々のレーザー光は、シリンドリカルアレイレンズ12を形成する対応する個々のシリンドリカルレンズに入射する。具体的には、シリンドリカルアレイレンズ503が7つに分割されていればシリンドリカルアレイレンズ12も7つに分割されたものを用いる。なお、シリンドリカルアレイレンズ503とシリンドリカルアレイレンズ12とは同一形状であってもよいし、シリンドリカルレンズの曲率半径のみ異なっていてもよい。  The individual laser beams divided in the longitudinal direction of the laser beam by the cylindrical array lens 503 are incident on the corresponding individual cylindrical lenses forming the cylindrical array lens 12. Specifically, if the cylindrical array lens 503 is divided into seven, the cylindrical array lens 12 is also divided into seven. The cylindrical array lens 503 and the cylindrical array lens 12 may have the same shape, or only the curvature radius of the cylindrical lens may be different.

このとき、焦点距離の組み合わせによりレーザー光の長さの可変領域を決定できる。即ち、シリンドリカルアレイレンズ503とシリンドリカルアレイレンズ12との距離を変化させることにより、線状レーザー光の長手方向の長さを制御することができる。  At this time, the variable region of the length of the laser beam can be determined by the combination of the focal lengths. That is, the length of the linear laser beam in the longitudinal direction can be controlled by changing the distance between the cylindrical array lens 503 and the cylindrical array lens 12.

また、シリンドリカルアレイレンズ503とシリンドリカルアレイレンズ12との間の距離は、シリンドリカルアレイレンズ503の焦点距離の2倍よりも短くすることが好ましい。これによりシリンドリカルアレイレンズ503で分割されたレーザー光は、シリンドリカルアレイレンズ12を形成する個々のシリンドリカルレンズに1対1で対応させて入射させることができる。  In addition, the distance between the cylindrical array lens 503 and the cylindrical array lens 12 is preferably shorter than twice the focal length of the cylindrical array lens 503. As a result, the laser light divided by the cylindrical array lens 503 can be incident on the individual cylindrical lenses forming the cylindrical array lens 12 in a one-to-one correspondence.

また、本実施例では、ハーフミラー13として透過率可変型ハーフミラーを用いている。ここで透過率可変型ハーフミラーの構成について図17を用いて説明する。まず図17(A)の透過率可変型ハーフミラーの例を示す。  In this embodiment, a variable transmittance half mirror is used as the half mirror 13. Here, the configuration of the variable transmittance half mirror will be described with reference to FIG. First, an example of the variable transmittance half mirror shown in FIG.

紙面左から入射するレーザー光902は、透過率可変型ハーフミラー901によりレーザー光903とレーザビーム904に分離される。また、透過率可変型ハーフミラー901には、各々透過率の異なる領域905〜908が設けられた構造となっている。  The laser beam 902 incident from the left side of the paper is separated into a laser beam 903 and a laser beam 904 by a variable transmittance half mirror 901. Further, the variable transmittance half mirror 901 has a structure in which regions 905 to 908 having different transmittances are provided.

図中の透過率可変型ハーフミラー901に平行な矢印909の方向に前記透過率可変型ハーフミラー901を動かすことで、透過したレーザー光903と反射したレーザー光904とのエネルギー強度を異なるものとすることができる。なお、図17(A)では、4つの透過率の異なる領域905〜908を示したが、この領域は二つ以上であればいくつでも構わない。  By moving the variable transmittance half mirror 901 in the direction of the arrow 909 parallel to the variable transmittance half mirror 901 in the figure, the energy intensity of the transmitted laser beam 903 and the reflected laser beam 904 is different. can do. In FIG. 17A, four regions 905 to 908 having different transmittances are shown, but any number of these regions may be used as long as there are two or more.

次に、別の例を図17(B)に示す。紙面左から入射するレーザー光912は、透過率可変型ハーフミラー911によりレーザー光913とレーザー光914に分離される。透過率可変型ハーフミラー911は図17(A)の透過率可変型ハーフミラー901よりもさらに複数の領域に分割され、各領域では細かく段階的に透過率が変化していくような構造となっている。  Next, another example is shown in FIG. The laser beam 912 incident from the left side of the paper is separated into a laser beam 913 and a laser beam 914 by a transmittance variable half mirror 911. The variable transmittance half mirror 911 is further divided into a plurality of regions as compared with the variable transmittance half mirror 901 of FIG. 17A, and has a structure in which the transmittance changes finely and stepwise in each region. ing.

このような透過率可変型ハーフミラーは市販されているが、このように透過率の異なる領域が段階的に細かく設けられていても、矢印915の方向に動かすことで、透過したレーザー光913と反射したレーザー光914とのエネルギー強度を異なるものとすることができる。  Although such a variable transmittance half mirror is commercially available, even if the regions having different transmittances are provided in steps, the laser beam 913 transmitted through is moved by moving in the direction of the arrow 915. The energy intensity of the reflected laser beam 914 can be different.

以上に示した光学系を用いることで、最終的に半導体膜に照射されるレーザー光のエネルギー強度を調節することが可能となる。この構成は実施形態1に対して用いることも可能である。  By using the optical system described above, it is possible to adjust the energy intensity of the laser light finally irradiated to the semiconductor film. This configuration can also be used for the first embodiment.

〔実施例9〕
本実施例では、実施例7において、反射体の反射面における多重反射の影響を考慮して実効エネルギー強度比を求めた例を示す。なお、実験に用いた試料(A)〜(H)は実施例7と同一のものである。また、本実施例の場合、第二次レーザー光の実効エネルギー強度(I0')は、I0'=Iasubmirrorsub(1−RSiON-Si)/1−RSiON-Sisubmirrorsubで表される。
Example 9
In this embodiment, an example in which the effective energy intensity ratio is obtained in consideration of the influence of multiple reflection on the reflecting surface of the reflector in the seventh embodiment will be described. The samples (A) to (H) used in the experiment are the same as those in Example 7. In the case of this example, the effective energy intensity (I 0 ′) of the secondary laser beam is I 0 ′ = I a T sub R mirror T sub (1-R SiON-Si ) / 1-R SiON- Si T sub R mirror T sub

但し、Tsubは基板の透過率、Rmirrorは反射体の表面での反射率、RSiON-SiはSiON膜中からアモルファスシリコン膜へ入射する際の反射率である。なお、空気中からSiON膜へ入射する際の反射率、SiON膜中の透過率、SiON膜中から基板へ入射する際の反射率及び基板中からSiON膜へ入射する際の反射率は、実験的に無視しうることが判明したので計算に含めなかった。Where T sub is the transmittance of the substrate, R mirror is the reflectance at the surface of the reflector, and R SiON-Si is the reflectance when entering the amorphous silicon film from the SiON film. The reflectivity when entering the SiON film from the air, the transmittance of the SiON film, the reflectivity when entering the substrate from the SiON film, and the reflectivity when entering the SiON film from the substrate are experimental values. Was not included in the calculation.

上記数式から計算されたデータを表2に示す。表2に示すデータは表1のデータに多重反射の影響を考慮して修正を加えたものである。  Table 2 shows data calculated from the above formula. The data shown in Table 2 is obtained by modifying the data in Table 1 in consideration of the influence of multiple reflection.

Figure 0005255739
Figure 0005255739

表2に示したデータを基にしても実施例7で述べた最適な結晶化条件、即ち実効エネルギー強度比がI0′/I0=0.2〜0.9(好ましくは0.3〜0.7)を満たす条件は変わらなかった。Based on the data shown in Table 2, the optimum crystallization conditions described in Example 7, that is, the effective energy intensity ratio is I 0 '/ I 0 = 0.2 to 0.9 (preferably 0.3 to The condition satisfying 0.7) was not changed.

〔実施例10〕
本実施例では、本発明の効果について実験結果に基づいて説明を行う。なお、本実施例では、結晶性を相対的に5段階に分けて評価した。本明細書中において結晶状態は以下のように区別して評価することにした。
Example 10
In this embodiment, the effect of the present invention will be described based on experimental results. In this example, the crystallinity was evaluated in five stages. In the present specification, the crystal state is distinguished and evaluated as follows.

結晶状態(0):膜がアブレーションにより消失するに至った状態。
結晶状態(1):図18(A)に示されるように、細かい結晶粒が見受けられる微結晶状態。
結晶状態(2):図18(B)に示されるように、平均結晶粒径が300〜450nm程度の結晶粒が見受けられる結晶状態。
結晶状態(3):図19(A)に示されるように、平均結晶粒径が600〜800nm程度の比較的大きな結晶粒が見受けられる結晶状態。
結晶状態(4):図19(B)に示されるように、長径で3μm程度を超える非常に大きな結晶粒が見受けられる結晶状態。なお、本実施例ではこの状態の結晶粒をSLG(Super Lateral Growth)により形成された結晶粒と呼ぶことにする。
Crystalline state (0): State in which the film has disappeared due to ablation.
Crystalline state (1): A microcrystalline state in which fine crystal grains are observed as shown in FIG.
Crystal state (2): As shown in FIG. 18B, a crystal state in which crystal grains having an average crystal grain size of about 300 to 450 nm are observed.
Crystal state (3): As shown in FIG. 19A, a crystal state in which relatively large crystal grains having an average crystal grain size of about 600 to 800 nm are observed.
Crystal state (4): As shown in FIG. 19B, a crystal state in which very large crystal grains having a major axis exceeding about 3 μm are observed. In this embodiment, the crystal grains in this state are called crystal grains formed by SLG (Super Lateral Growth).

以上の評価に基づき、レーザー結晶化の条件と結晶状態の関係を調べた。図20に示されるデータは、照射エネルギー(アモルファスシリコン膜に到達する直前のレーザー光のエネルギー強度Iaに相当する)と結晶状態の関係をシングル照射とデュアル照射とで比較した結果である。なお、シングル照射とは表面のみへレーザー光を照射した場合であり、デュアル照射とは表面および裏面へレーザー光を照射した場合を指す。Based on the above evaluation, the relationship between the laser crystallization conditions and the crystal state was examined. The data shown in FIG. 20 is a result of comparison with the irradiation energy (corresponding to the energy intensity I a of the laser beam just before reaching the amorphous silicon film) and a single irradiation and dual irradiating relationship crystalline state. In addition, single irradiation is a case where the laser beam is irradiated only on the front surface, and dual irradiation indicates a case where the laser beam is irradiated on the front surface and the back surface.

図20から明らかなように、デュアル照射の方が低い照射エネルギーで結晶状態の良好な膜が得られる。即ち、シングル照射の場合はSLGを起こすために510mJ/cm2前後の照射エネルギーが必要であるが、デュアル照射の場合は440〜460mJ/cm2前後の照射エネルギーで良い。このことは従来のシングル照射に比べて本発明で用いるデュアル照射の方が低い照射エネルギーでより結晶性の高い半導体膜が得られることを示している。As can be seen from FIG. 20, a film with a good crystal state can be obtained with a lower irradiation energy in the dual irradiation. That is, in the case of single irradiation, an irradiation energy of about 510 mJ / cm 2 is required to cause SLG, but in the case of dual irradiation, an irradiation energy of about 440 to 460 mJ / cm 2 is sufficient. This indicates that a semiconductor film having higher crystallinity can be obtained with lower irradiation energy in the dual irradiation used in the present invention than in the conventional single irradiation.

また、実験的には照射エネルギーが高いほど第一次レーザー光の実効エネルギーが高くなり、形成された結晶質半導体膜の表面荒れが増すことが判っている。このことはSLGにより形成された結晶を得るにあたって、デュアル照射の方が膜表面に与えるダメージを少なくできることを示唆している。  Experimentally, it has been found that the higher the irradiation energy, the higher the effective energy of the primary laser light, and the surface roughness of the formed crystalline semiconductor film increases. This suggests that the dual irradiation can reduce the damage to the film surface in obtaining a crystal formed by SLG.

次に、デュアル照射の場合において、反射体の反射率を変えて実効エネルギー強度比を変えた実験結果を示す。図21(A)は照射エネルギーと結晶状態の関係を、図21(B)は実効入射エネルギーと結晶状態の関係を示している。  Next, an experimental result in which the effective energy intensity ratio is changed by changing the reflectance of the reflector in the case of dual irradiation will be shown. FIG. 21A shows the relationship between irradiation energy and crystal state, and FIG. 21B shows the relationship between effective incident energy and crystal state.

図21(A)に示すように、反射体の反射率が高くなるほど(第二次レーザー光の実効エネルギー強度が強くなるほど)、同じ照射エネルギーでも結晶状態が良くなる結果が得られた。これは同じ照射エネルギーの場合、デュアル照射の方が実効入射エネルギーが高いためと考えられる。なお、実効入射エネルギーとは、非晶質半導体膜に入射した実効エネルギーの総和であり、第一次レーザー光の実効エネルギー強度と第二次実効エネルギー強度の和に相当する。  As shown in FIG. 21A, the higher the reflectivity of the reflector (the higher the effective energy intensity of the secondary laser light), the better the crystal state with the same irradiation energy. This is presumably because, in the case of the same irradiation energy, the effective irradiation energy is higher in dual irradiation. The effective incident energy is the total effective energy incident on the amorphous semiconductor film, and corresponds to the sum of the effective energy intensity and the secondary effective energy intensity of the primary laser beam.

そこで、同じ照射エネルギーに固定して実効入射エネルギーと結晶状態の関係を調べた。すると図21(B)に示すように、反射率が高くなるほどSLGにより形成された結晶(結晶状態4)を得るために必要な実効入射エネルギーが高エネルギー側へシフトしていた。換言すれば、反射体の反射率は低い方が、より少ない実効入射エネルギーでSLGにより形成された結晶粒を得やすい、即ちエネルギー損失の少ない結晶化が可能であることを意味している。  Therefore, the relationship between the effective incident energy and the crystal state was investigated with the same irradiation energy fixed. Then, as shown in FIG. 21B, the higher the reflectivity, the more the effective incident energy necessary to obtain a crystal formed by SLG (crystalline state 4) is shifted to a higher energy side. In other words, the lower the reflectance of the reflector, the easier it is to obtain crystal grains formed by SLG with less effective incident energy, that is, crystallization with less energy loss is possible.

また、図21(B)に示すように、反射体の反射率の低くしていくとSLGに至る実効入射エネルギーも低くなっていくが、反射率がゼロではSLGは発生しないことが確認されている。このことから反射体の反射率には、SLGが発生する上での最適値が存在すると考えられる。  Further, as shown in FIG. 21B, it is confirmed that when the reflectance of the reflector is lowered, the effective incident energy reaching the SLG is also lowered, but no SLG is generated when the reflectance is zero. Yes. Therefore, it is considered that there is an optimum value for the reflectance of the reflector when SLG is generated.

発明の効果Effect of the invention

本発明に示したように、非晶質半導体膜をレーザー結晶化する際に、レーザー光を非晶質半導体膜の表面及び裏面を同時に照射し、且つ、裏面側に照射される実効エネルギー強度と表面側に照射される実効エネルギー強度とを異なるものとすることにより、従来に比べて平均結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を得ることが可能となる。  As shown in the present invention, when laser-crystallizing an amorphous semiconductor film, laser light is irradiated simultaneously on the front surface and the back surface of the amorphous semiconductor film, and the effective energy intensity irradiated on the back surface side By making the effective energy intensity irradiated to the surface side different, it becomes possible to obtain a crystalline semiconductor film having a larger average crystal grain size than the conventional one.

そして、結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を得ることにより、TFT又はTFTで形成されたアクティブマトリクス型表示装置に代表される半導体装置の性能を大幅に向上させうる。  By obtaining a crystalline semiconductor film having a large crystal grain size, the performance of a semiconductor device typified by a TFT or an active matrix display device formed of TFTs can be greatly improved.

レーザー装置の構成を示す図。    The figure which shows the structure of a laser apparatus. レーザー装置の光学系の構成を示す図。    The figure which shows the structure of the optical system of a laser apparatus. レーザーアニールの方法を示す図。    The figure which shows the method of laser annealing. レーザー装置の構成を示す図。    The figure which shows the structure of a laser apparatus. レーザー装置の光学系の構成を示す図。    The figure which shows the structure of the optical system of a laser apparatus. 第一次レーザー光と第二次レーザー光を説明するための図。    The figure for demonstrating a primary laser beam and a secondary laser beam. ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すSEM写真。    The SEM photograph which shows the mode of the crystal grain of a polysilicon film. ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すSEM写真。    The SEM photograph which shows the mode of the crystal grain of a polysilicon film. ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すSEM写真。    The SEM photograph which shows the mode of the crystal grain of a polysilicon film. ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すSEM写真。  The SEM photograph which shows the mode of the crystal grain of a polysilicon film. ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すSEM写真。  The SEM photograph which shows the mode of the crystal grain of a polysilicon film. ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すSEM写真。  The SEM photograph which shows the mode of the crystal grain of a polysilicon film. TFTを用いたCMOS回路の作製工程を示す図。  10A and 10B illustrate a manufacturing process of a CMOS circuit using a TFT. 試料構造を示す図。  The figure which shows a sample structure. ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すTEM写真  TEM photograph showing the appearance of crystal grains in the polysilicon film レーザー装置の光学系の構成を示す図。  The figure which shows the structure of the optical system of a laser apparatus. 透過率可変型ハーフミラーを説明する図。  The figure explaining a transmissivity half mirror. ポリシリコン膜の結晶状態を示すSEM写真。  The SEM photograph which shows the crystalline state of a polysilicon film. ポリシリコン膜の結晶状態を示すSEM写真。  The SEM photograph which shows the crystalline state of a polysilicon film. 照射エネルギーと結晶状態の関係を示す図。  The figure which shows the relationship between irradiation energy and a crystal state. 照射エネルギーまたは実効入射エネルギーと結晶状態の関係を示す図。  The figure which shows the relationship between irradiation energy or effective incident energy, and a crystal state.

Claims (1)

透光性基板上に非晶質又は微結晶の半導体膜を形成し、
前記半導体膜にレーザー光を照射して前記半導体膜を結晶化する半導体装置の作製方法であって、
前記結晶化は、前記半導体膜の表面に照射される第1のレーザー光と、前記半導体膜の裏面に照射される第2のレーザー光とを、同時に照射することによって行われ、
前記第2のレーザー光は、反射体で反射されてから、前記反射体と前記透光性基板との間に設けられたガスを通ることで実効エネルギー強度が減衰された後、前記裏面に照射され、
前記第1のレーザー光の実効エネルギー強度(I)と、前記第2のレーザー光の前記実効エネルギー強度(I’)との間に、0<I’/I<1の関係があり、
前記第1のレーザー光は、線状レーザー光であり、前記半導体膜の結晶化条件に応じて、長手方向の長さ及び幅方向の長さが可変であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an amorphous or microcrystalline semiconductor film on a light-transmitting substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor film is irradiated with laser light to crystallize the semiconductor film,
The crystallization is performed by simultaneously irradiating a first laser beam irradiated on the surface of the semiconductor film and a second laser beam irradiated on the back surface of the semiconductor film,
The second laser light is reflected by a reflector, and after the effective energy intensity is attenuated by passing a gas provided between the reflector and the translucent substrate, the second laser light is irradiated on the back surface. And
There is a relationship of 0 <I 0 ′ / I 0 <1 between the effective energy intensity (I 0 ) of the first laser beam and the effective energy intensity (I 0 ′) of the second laser beam. Yes,
The first laser beam is a linear laser beam, and the length in the longitudinal direction and the length in the width direction are variable in accordance with the crystallization conditions of the semiconductor film. Method.
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