JPH0521340A - Thin film semiconductor device, method and apparatus for manufacturing the same - Google Patents

Thin film semiconductor device, method and apparatus for manufacturing the same

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JPH0521340A
JPH0521340A JP19590691A JP19590691A JPH0521340A JP H0521340 A JPH0521340 A JP H0521340A JP 19590691 A JP19590691 A JP 19590691A JP 19590691 A JP19590691 A JP 19590691A JP H0521340 A JPH0521340 A JP H0521340A
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JP
Japan
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thin film
layer
laser light
laser
silicon
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JP19590691A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Otaka
剛一 大高
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Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd
Ricoh Co Ltd
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Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd
Ricoh Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To form a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region at arbitrary positions by forming a semiconductor layer of single crystalline thin film semiconductor layers exhibiting P-type and n-type conductivities, and incorporating impurities for deciding conductivities in an insulating board surface formed with the semiconductor layer. CONSTITUTION:A B element invaded layer as an impurity for P-type controlling a conductivity type of a recrystallized film and a P element invaded layer as an impurity for N-type controlling a conductivity type of a recrystallized film are formed as impurity layers 72 on a surface of a glass support board 71. A B element invaded layer 72' and a P element invaded layer 72'' are alternately formed in a board state in a stripe shape. A polycrystalline silicon thin film 72 is formed by a band region melting and recrystallizing method, matched to the layer 72 and formed in a stripe shape. After a surface protective film 74 is formed, a polycrystalline silicon thin film sample is simultaneously irradiated, heated, melted with Ar laser light and a carbon dioxide gas laser light 2, and single crystallized by a band region melting and recrystallizing method.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【技術分野】本発明は、単結晶の薄膜半導体装置、その
製法およびその製造装置に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a single crystal thin film semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus thereof.

【0002】[0002]

【従来技術】絶縁性基板上に単結晶半導体薄膜を形成す
る手法、いわゆるSOI形成法については、従来より数
多く提案されている。これらの多くは絶縁性基板上に非
晶質あるいは多結晶半導体薄膜を形成し、この非晶質あ
るいは多結晶半導体薄膜を種々の熱源により帯域溶融再
結晶化させて単結晶化させるものである。この場合の熱
源としては、レーザ光、電子ビーム、種々のランプ光、
ワイヤー状の形状を持ったカーボンヒータ等がある。こ
れらの従来技術では、溶融再結晶化させる際には半導体
材料に不純物を含まないノンドープの状態で再結晶化さ
せ、この後SOI上にデバイスを形成する際に不純物を
導入していた。これは再結晶化する際に不純物を導入す
ると再結晶化のための条件が変わるため、基板上の任意
の領域にP型半導体領域、N型半導体領域を形成するこ
とが困難だったためである。このため再結晶化膜の基板
を用いてデバイスを形成する際には不純物を導入する工
程が必要となり、工程が煩雑なために歩留まりを下げる
原因になっていた。
2. Description of the Related Art Many methods for forming a single crystal semiconductor thin film on an insulating substrate, that is, a so-called SOI forming method have been proposed in the past. In most of these, an amorphous or polycrystalline semiconductor thin film is formed on an insulating substrate, and the amorphous or polycrystalline semiconductor thin film is zone-melted and recrystallized by various heat sources to be single crystallized. In this case, the heat source includes laser light, electron beam, various lamp lights,
There is a carbon heater having a wire shape. In these conventional techniques, the semiconductor material is recrystallized in a non-doped state in which the semiconductor material does not contain impurities at the time of melting and recrystallization, and then impurities are introduced at the time of forming a device on the SOI. This is because it is difficult to form the P-type semiconductor region and the N-type semiconductor region in an arbitrary region on the substrate because the conditions for recrystallization change if impurities are introduced during recrystallization. Therefore, when a device is formed using a substrate of a recrystallized film, a step of introducing impurities is required, which is a cause of reducing the yield because the step is complicated.

【0003】[0003]

【目的】本発明の目的は、前記のようなSOI基板の欠
点を改善し、任意の位置にP型半導体領域、N型半導体
領域が形成してあるようなSOI基板を提供することで
あり、さらには、SOI形成法における帯域溶融再結晶
化法の熱源としてレーザ光を用いることにより前記のよ
うなSOI基板の製法と装置を提供するものである。
It is an object of the present invention to improve the above-mentioned defects of the SOI substrate and to provide an SOI substrate in which a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region are formed at arbitrary positions. Further, the present invention provides a method and an apparatus for manufacturing an SOI substrate as described above by using laser light as a heat source for the zone melting recrystallization method in the SOI forming method.

【0004】[0004]

【構成】本発明の第1は、絶縁性基板上に、半導体層を
有する薄膜半導体装置において、該半導体層は絶縁性基
板上に島状あるいは帯状に形成されたP型およびn型伝
導性を示す単結晶薄膜半導体層であり、この伝導性を決
める不純物と同一の不純物が少なくとも前記単結晶薄膜
半導体層が形成されている領域の絶縁性基板表面に含ま
れていることを特徴とする薄膜半導体装置に関する。本
発明の第2は、絶縁性基板上に不純物侵入層を形成し、
その上に非晶質または多結晶の薄膜半導体層を島状ある
いは帯状に形成し、ついでその上に表面保護層を形成し
た後、前記薄膜半導体層に吸収される第1のレーザ光
と、絶縁性基板に吸収される第2のレーザ光を用いて、
第2のレーザ光による絶縁性基板の発熱により前記薄膜
半導体層が予熱された状態で第1のレーザ光により加熱
されることにより帯域溶融再結晶化を行うことを特徴と
する前記薄膜半導体装置の製法に関する。本発明の第3
は、非晶質または多結晶の薄膜半導体層に吸収される第
1のレーザ光を発射する第1レーザ光発射手段と、絶縁
性基板に吸収される第2のレーザ光を発射する第2レー
ザ光発射手段を有することを特徴とする前記薄膜半導体
装置を製造するための装置に関する。
According to a first aspect of the present invention, in a thin film semiconductor device having a semiconductor layer on an insulating substrate, the semiconductor layer is formed in an island shape or a band shape on the insulating substrate, and has a p-type conductivity and an n-type conductivity. A thin film semiconductor, wherein the single crystal thin film semiconductor layer shown in the figure contains the same impurities as those determining the conductivity at least on the surface of the insulating substrate in the region where the single crystal thin film semiconductor layer is formed. Regarding the device. The second aspect of the present invention is to form an impurity penetration layer on an insulating substrate,
An amorphous or polycrystalline thin film semiconductor layer is formed thereon in an island shape or a band shape, and then a surface protective layer is formed on the thin film semiconductor layer, and the first laser light absorbed by the thin film semiconductor layer is insulated from the first laser light. Using the second laser light absorbed by the flexible substrate,
The thin-film semiconductor device is heated by the first laser beam in a state where the thin-film semiconductor layer is preheated by the heat generation of the insulating substrate by the second laser beam, thereby performing zone melting recrystallization. Regarding manufacturing method. Third of the present invention
Is a first laser beam emitting means for emitting a first laser beam absorbed by the amorphous or polycrystalline thin film semiconductor layer, and a second laser beam for emitting a second laser beam absorbed by the insulating substrate. The present invention relates to a device for manufacturing the thin film semiconductor device, which has a light emitting means.

【0005】以下、本発明の半導体薄膜層としては、シ
リコンについて詳述するが、本発明はシリコンに限ら
ず、周期率IV族、III-V族、II-VI族の単体、あるいは
化合物半導体であって、その結晶構造がダイヤモンド構
造、あるいはジンクブレンド構造を持つすべての材料に
適用可能であり、具体的には、Siの他Ge,SiC,
BN,BP,BAs,AlP,AlSb,GaP,Ga
As,GaSb,InP,InAs,InSb,Zn
S,ZnSe,ZnTe,CdS,CdSe,CdT
e,CdHg等である。
Silicon will be described in detail below as the semiconductor thin film layer of the present invention. However, the present invention is not limited to silicon, but may be a group IV, III-V, II-VI group simple substance or a compound semiconductor. Therefore, it can be applied to all materials whose crystal structure has a diamond structure or a zinc blend structure. Specifically, in addition to Si, Ge, SiC,
BN, BP, BAs, AlP, AlSb, GaP, Ga
As, GaSb, InP, InAs, InSb, Zn
S, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdT
e, CdHg, etc.

【0006】本発明に開示される薄膜半導体装置の製法
は絶縁性基板上に帯域溶融再結晶化法で単結晶シリコン
薄膜を形成する場合にシリコンに吸収されるレーザ光と
絶縁性基板に吸収されるレーザ光を前述のように照射し
てシリコンを溶融して再結晶させるが、二つのレーザ光
を照射してシリコン層を溶融再結晶化させるときに二つ
のレーザ光の出力、ビーム形状、照射位置等の照射条件
を変えてシリコン層の溶融再結晶化領域の温度プロファ
イルを制御して単結晶シリコン薄膜が島状または帯状の
P型半導体領域またはN型半導体領域をもつように処理
するものである。
According to the method of manufacturing a thin film semiconductor device disclosed in the present invention, when a single crystal silicon thin film is formed on an insulating substrate by a zone melting recrystallization method, the laser light absorbed by silicon and the laser beam absorbed by the insulating substrate are absorbed. The laser light is irradiated as described above to melt and recrystallize silicon, but when the two laser lights are irradiated to melt and recrystallize the silicon layer, the output of the two laser lights, the beam shape, and the irradiation By changing the irradiation conditions such as position and controlling the temperature profile of the molten recrystallized region of the silicon layer, the single crystal silicon thin film is processed to have an island-shaped or strip-shaped P-type semiconductor region or N-type semiconductor region. is there.

【0007】絶縁性基板上に形成された非晶質あるいは
多結晶シリコンの溶融再結晶化法による単結晶シリコン
の形成の様子については以下のように説明できる。種々
の熱源により絶縁性基板上に形成された非晶質あるいは
多結晶シリコンを加熱溶融し(シリコンの融点1412
℃)、その加熱個所をシリコン層上で相対的に走査した
場合、溶融したシリコンはその熱源の移動に伴い冷却固
化し、再結晶化する。この時加熱により溶融している部
分の温度分布が図1に示すごとく中央部が高くて周辺部
が低くなっている状況では溶融シリコンの再結晶化は溶
融部の周辺から多数同時に開始し、その結果再結晶化シ
リコンは多結晶体となってしまう。そのような多結晶化
を防いで再結晶化を行なうためには、溶融領域における
温度プロファイル(本発明の中で述べられる温度プロフ
ァイルとはシリコンの溶融再結晶化過程、即ち加熱、溶
融、冷却、固化の一連の現象における温度の変化を表わ
し、具体的には前記の一つあるいは複数の状態における
温度、あるいは温度を表わす物理量を計測することで表
わされる。)を中央部が周辺より低い状態にすれば良い
ことが知られている。こうすることにより図2に示すご
とく再結晶化は常に中央部より始まることになり、再結
晶化シリコンは単結晶として得られることになる。これ
らの加熱源としてはレーザ光が主に用いられ、熱源の走
査速度は概ね数10cm/sec程度である。さらに絶縁性基
板上で溶融再結晶化法により単結晶シリコン薄膜を形成
するもう一つの方法としては帯域溶融再結晶化法(Zone
Melting Recrystallization)がある。この方法に単結
晶シリコンの形成の様子は以下のように述べられてい
る。図3にその概略を示したが溶融再結晶化を行なうシ
リコン層を帯状に加熱溶融するときに、帯状に溶融して
いる領域8以外のシリコン層はシリコンの融点近傍の温
度まで加熱しておいて、その溶融領域を移動させること
によりシリコンを固化再結晶させて単結晶シリコンを得
るものである。この時溶融シリコンの凝固の固液界面に
は図4に示すようにシリコンの融点1412℃を過ぎても液
体の状態を保っている過冷却状態の領域が存在し、シリ
コンの再結晶化の固液界面はこの過冷却領域の中でシリ
コンの結晶面の中で一番成長が遅い(111)面のファセ
ット(小さな結晶面)の集まりにより形成されるといわ
れている。単結晶シリコンの形成は帯状の溶融領域8の
移動に伴い、過冷却領域が移動しこの過冷却領域の中で
シリコンの(111)面で構成されるファセット面が連続
的に成長することによりなされるものである。この帯状
の溶融領域を形成する手法としては基板上に近接して置
かれた線状のカーボンヒータで加熱する方法、あるいは
RF誘導加熱法等がある。この手法における帯状の溶融
領域の移動速度は概ね数mm/sec程度であり、再結晶化
の固液界面においては熱平衡に近い状態が実現されてい
ることがこの手法の特徴であるといえる。このような帯
域溶融再結晶化法により形成された再結晶単結晶シリコ
ン薄膜で絶縁性基板が石英ガラスで(あるいはSiO2
層)、かつ再結晶化時の表面保護膜として熱CVDで形
成したSiO2の場合には種結晶を使用しないのにもか
かわらず再結晶化膜の結晶配向面は(100)面であるこ
とが知られている。
The formation of single crystal silicon by the melt recrystallization method of amorphous or polycrystalline silicon formed on an insulating substrate can be explained as follows. Amorphous or polycrystalline silicon formed on an insulating substrate by various heat sources is heated and melted (melting point of silicon 1412
C.), when the heated portion is relatively scanned on the silicon layer, the molten silicon is cooled and solidified and recrystallized as the heat source moves. At this time, when the temperature distribution of the part melted by heating is high in the central part and low in the peripheral part as shown in FIG. 1, recrystallization of the molten silicon starts simultaneously from the periphery of the molten part. As a result, the recrystallized silicon becomes polycrystalline. In order to prevent such polycrystallization and perform recrystallization, the temperature profile in the melting region (the temperature profile described in the present invention means the melting recrystallization process of silicon, that is, heating, melting, cooling, The change in temperature in a series of phenomena of solidification is represented by measuring the temperature in one or more of the above-mentioned states, or by measuring the physical quantity representing the temperature.) It is known to do well. By doing so, recrystallization always starts from the central portion as shown in FIG. 2, and recrystallized silicon is obtained as a single crystal. Laser light is mainly used as the heating source, and the scanning speed of the heat source is about several tens cm / sec. Another method of forming a single-crystal silicon thin film on an insulating substrate by the melt recrystallization method is the zone melt recrystallization method (Zone
Melting Recrystallization). The state of formation of single crystal silicon by this method is described as follows. The outline is shown in FIG. 3. When the silicon layer to be melted and recrystallized is heated and melted in a band shape, the silicon layers other than the region 8 melted in the band shape are heated to a temperature near the melting point of silicon. Then, the molten region is moved to solidify and recrystallize silicon to obtain single crystal silicon. At this time, as shown in FIG. 4, there is a supercooled region in which the liquid state is maintained even after the melting point of silicon exceeds 1412 ° C. at the solid-liquid interface of the solidification of the molten silicon, and the solidification of the recrystallization of silicon occurs. It is said that the liquid interface is formed by a collection of facets (small crystal faces) of the (111) face, which is the slowest growing crystal face of silicon in the supercooled region. The formation of single crystal silicon is performed by moving the supercooled region along with the movement of the band-shaped melting region 8 and continuously growing the facet plane composed of the (111) face of silicon in the supercooled region. It is something. As a method of forming the band-shaped molten region, there is a method of heating with a linear carbon heater placed in proximity to the substrate, an RF induction heating method, or the like. The moving speed of the band-shaped melting region in this method is approximately several mm / sec, and it can be said that the characteristic of this method is that a state close to thermal equilibrium is realized at the solid-liquid interface of recrystallization. A recrystallized single crystal silicon thin film formed by such a zone melting recrystallization method is used as the insulating substrate made of quartz glass (or SiO 2
Layer), and in the case of SiO 2 formed by thermal CVD as a surface protection film at the time of recrystallization, the crystal orientation plane of the recrystallized film should be the (100) plane even though a seed crystal is not used. It has been known.

【0008】本発明者らはこの帯域溶融再結晶化法に着
目し、従来の加熱法とは異なった機能を持った加熱手段
を用いた帯域溶融再結晶化法を発明した。その結果、本
発明方法を用いて従来の帯域溶融再結晶化法においては
困難であったP型半導体領域およびN型半導体領域を同
一基板上にもつ薄膜単結晶半導体層をもつ薄膜半導体装
置を得ることができた。本発明の技術的背景について述
べる。本発明においては加熱源としてシリコンに吸収さ
れるレーザ光(以下第1のレーザ光)と絶縁性基板に吸
収されるレーザ光(以下第2のレーザ光)の2種類のレ
ーザ光を用いている。これはこれらのレーザ光が絶縁性
基板上に帯域溶融再結晶化法で単結晶シリコンを形成す
るのに極めて適した熱源であることによる。最初に帯域
溶融再結晶化法においてレーザ加熱法が他の加熱法に比
べて有利な点について述べる。図10は従来法による帯域
溶融再結晶化で加熱源として一般的に使用される線状の
ヒータによる加熱の様子を示したものである。シリコン
の溶融点に近い温度領域においては熱源の線状ヒータか
らの加熱は輻射加熱が主体であり、このような場合基板
上の任意の点の熱源から受ける熱量は下記の式(1)によ
り算出される。
The present inventors have paid attention to this zone melting recrystallization method and have invented a zone melting recrystallization method using a heating means having a function different from the conventional heating method. As a result, using the method of the present invention, a thin film semiconductor device having a thin film single crystal semiconductor layer having a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region on the same substrate, which was difficult in the conventional zone melting recrystallization method, is obtained. I was able to. The technical background of the present invention will be described. In the present invention, two types of laser light are used as a heating source: laser light absorbed by silicon (hereinafter referred to as first laser light) and laser light absorbed by the insulating substrate (hereinafter referred to as second laser light). . This is because these laser beams are extremely suitable heat sources for forming single crystal silicon on the insulating substrate by the zone melting recrystallization method. First, the advantages of the laser heating method in comparison with other heating methods in the zone melting recrystallization method will be described. FIG. 10 shows a heating state by a linear heater generally used as a heating source in the zone melting recrystallization by the conventional method. In the temperature range near the melting point of silicon, the heating from the linear heater of the heat source is mainly radiant heating. In such a case, the amount of heat received from the heat source at any point on the substrate is calculated by the following formula (1). To be done.

【数1】 式(1)の記述からも明らかなように熱源と基板との距離
が2乗の重みで影響する。即ち輻射加熱により帯域溶融
再結晶を安定に行なうための温度プロファイルを実現す
る場合には熱源と基板との距離を精緻にコントロールし
なければならない。この熱源に対する要求は線状ヒータ
の場合に留まらず、他の熱源の場合でもその加熱の様式
が輻射加熱による限り必然的なものである。これに対し
て加熱源をレーザ光とする場合には熱の発生はレーザ光
の吸収によりなされるので、基板上の温度プロファイル
が基板とレーザ光源との距離に影響を受けず、またレー
ザ光の優れた平行性を考慮するならば光源を任意の位置
から基板上まで導くことが可能である。また従来の加熱
法を用いた帯域溶融再結晶化法では再結晶化の固液界面
において過冷却領域を形成する必要から冷却速度を小さ
くしなければならない。従って固液界面の熱勾配を小さ
くするために基板全体をシリコンの融点近傍まで加熱す
る必要があった。そのために帯域溶融再結晶化を行なっ
た後の基板は長時間にわたる高温の加熱のため熱変形を
引き起こすことがしばしばあった。また加熱装置が大が
かりになり、あるいは装置上の制約から基板の寸法が制
約される場合もある。これに対してレーザ光を熱源とす
る場合にはレーザ光が他の加熱法に比べて充分に高いエ
ネルギー密度を持っているために、レーザ照射領域は周
囲への熱の逃げに抗して、充分に高い温度に保つことが
可能である。よって基板全体をシリコンの融点近傍まで
高温に加熱する必要はなく、従来の帯域溶融再結晶化法
に見られた高温加熱による基板の変形の問題はなく、ま
た基板加熱のための装置上の制限もない。以上のような
レーザ光を加熱源とする場合の特徴に加え、レーザ光は
レンズ、ミラーといった種々の光学部品の組合せにより
その大きさを任意に変えることができ、また任意の場所
に導くことができるので従来の加熱法では実現が困難で
あった基板内の一部分のみを選択的に帯域溶融再結晶化
のプロセスを行なうことが可能である。更には材料への
レーザ光の吸収は概ね材料の表面より数10μmの深さで
留まるのでレーザを加熱源とする場合には基板のごく表
面のみを加熱しているのに過ぎない。このことにより基
板表面に適切な耐熱層を形成することにより従来の帯域
溶融再結晶化法では実現できなかったシリコンの融点よ
り低い融点あるいは軟化点を持つ基板を支持体基板とし
て使用することも可能である。
[Equation 1] As is clear from the description of equation (1), the distance between the heat source and the substrate influences the squared weight. That is, in order to realize a temperature profile for stably performing zone melting recrystallization by radiant heating, it is necessary to precisely control the distance between the heat source and the substrate. The requirement for this heat source is not limited to the case of the linear heater, and even in the case of other heat sources, the heating method is inevitable as long as the heating method is radiant heating. On the other hand, when the heating source is laser light, heat is generated by absorption of the laser light, so the temperature profile on the substrate is not affected by the distance between the substrate and the laser light source, and the laser light If excellent parallelism is taken into consideration, it is possible to guide the light source from any position onto the substrate. Further, in the zone melting recrystallization method using the conventional heating method, it is necessary to form a supercooled region at the solid-liquid interface of recrystallization, and therefore the cooling rate must be reduced. Therefore, it was necessary to heat the entire substrate to near the melting point of silicon in order to reduce the thermal gradient at the solid-liquid interface. Therefore, the substrate after the zone melt recrystallization was often heated and deformed by heating at a high temperature for a long time. In addition, the size of the substrate may be restricted due to the size of the heating device becoming large or restrictions on the device. On the other hand, when laser light is used as the heat source, the laser light has a sufficiently high energy density compared to other heating methods, so the laser irradiation area resists the escape of heat to the surroundings, It is possible to maintain a sufficiently high temperature. Therefore, it is not necessary to heat the entire substrate to a high temperature near the melting point of silicon, there is no problem of deformation of the substrate due to high temperature heating that has been observed in the conventional zone melting recrystallization method, and there is a limitation on the apparatus for heating the substrate. Nor. In addition to the above characteristics of using laser light as a heating source, the size of laser light can be changed arbitrarily by combining various optical parts such as lenses and mirrors, and it is possible to guide the laser light to any place. Therefore, it is possible to selectively perform the zone melting recrystallization process on only a part of the substrate, which has been difficult to realize by the conventional heating method. Further, the absorption of laser light into the material generally remains at a depth of several tens of μm from the surface of the material, so that when the laser is used as the heating source, only the very surface of the substrate is heated. By forming an appropriate heat-resistant layer on the substrate surface by this, it is possible to use a substrate having a melting point or a softening point lower than that of silicon, which could not be realized by the conventional zone melting recrystallization method, as a support substrate. Is.

【0009】本発明は以上のような帯域溶融再結晶化に
おいてレーザ光を加熱源とすることの利点に加えて上述
の2種類のレーザ光を使用したことから新たな特徴を有
している。図8に本発明が開示するような方法による帯
域溶融再結晶化の様子を示した。絶縁性基板1上に形成
されたシリコン層(半導体層)2に上述の第1のレーザ
光4および第2のレーザ光5を同時に照射すると第1の
レーザ光4はシリコン層2で吸収されここで発熱が生ず
る。また第2のレーザ光5は基板1内で吸収され発熱を
生ずる。即ちシリコン層2は第2のレーザ光5による予
備加熱を受けた状態で第1のレーザ光4により加熱され
ることになる。この時の2種類のレーザ光での加熱領域
の温度プロファイルは図9に示すように第2のレーザ光
のビーム径(α2)を大きく、第1のレーザビーム径
(α1)を狭くし、2種類のレーザ光の出力を最適化す
ることによりシリコンの溶融領域を形成することができ
る。このような温度プロファイルはレーザ光で加熱され
る領域においては先の図3に示したような帯域溶融再結
晶化を実現する温度プロファイルと本質的に同じであ
り、このような温度プロファイルを保持しつつビームを
基板と相対的に走査することにより前述の帯域溶融再結
晶化のメカニズムにより再結晶化単結晶シリコンが得ら
れる。さらに本手法では第1のレーザ光の照射による熱
の発生はシリコン薄膜層内で起こり、第2のレーザ光の
照射による熱の発生は絶縁性基板内で起こるというよう
な異なる場所での熱の発生を起こさせることが可能であ
る点に大きな特徴がある。本発明者らはこの2波長レー
ザ帯域溶融再結晶化法の特徴に着目し本手法による絶縁
性基板上にシリコン薄膜の帯域溶融再結晶化法を詳細に
検討し、無定形の絶縁性基板上にP型およびN型半導体
領域をもつ単結晶シリコン薄膜を得ることができた。
The present invention has a new feature in addition to the advantage of using a laser beam as a heating source in the above-mentioned zone melting recrystallization, since it uses the above two types of laser beams. FIG. 8 shows a state of zone melting recrystallization by the method disclosed in the present invention. When the silicon layer (semiconductor layer) 2 formed on the insulating substrate 1 is simultaneously irradiated with the above-mentioned first laser beam 4 and second laser beam 5, the first laser beam 4 is absorbed by the silicon layer 2. Generates heat. The second laser light 5 is absorbed in the substrate 1 to generate heat. That is, the silicon layer 2 is heated by the first laser light 4 in a state of being preheated by the second laser light 5. As shown in FIG. 9, the temperature profile of the heating region with the two types of laser light at this time is such that the beam diameter (α 2 ) of the second laser light is large and the first laser beam diameter (α 1 ) is narrow. A molten region of silicon can be formed by optimizing the outputs of two types of laser light. Such a temperature profile is essentially the same as the temperature profile for realizing the zone melting recrystallization as shown in FIG. 3 in the region heated by the laser light, and such a temperature profile is maintained. By reciprocally scanning the beam with respect to the substrate, recrystallized single crystal silicon can be obtained by the mechanism of the zone melting recrystallization described above. Furthermore, in this method, heat generation by irradiation of the first laser light occurs in the silicon thin film layer, and heat generation by irradiation of the second laser light occurs in the insulating substrate. It has a great feature that it can be generated. The present inventors have paid attention to the characteristics of this two-wavelength laser zone melting recrystallization method, and have studied in detail the zone melting recrystallization method of a silicon thin film on an insulating substrate by this method. A single crystal silicon thin film having P-type and N-type semiconductor regions was obtained.

【0010】以下図13を用いて本発明における薄膜半導
体装置の構成要素について述べる。支持体基板1は絶縁
性材料で構成される。単体材料としては石英ガラス、セ
ラミック等の耐熱性の有する絶縁性材料が用いられる
が、金属、あるいは半導体の上に適当な絶縁膜を形成し
た基板もまた本発明の支持体基板として用いることがで
きる。具体的にはシリコンウエハー上に絶縁性材料とし
てSiO2,Si34等を形成したものである。あるい
はFe,Al,Cu等の金属の上にSiO2,Si34
等の絶縁性材料を形成したものもまた支持体基板として
使用可能である。さらには耐熱層を形成することにより
シリコンの融点より低い材料も支持体基板として用いる
ことができる。耐熱層を構成する材料としては絶縁性の
ものではSiO2,Al23,TiO2,ZrO2,Si3
4,BN等、また導電性のものではTiC,SiC等
がある。耐熱層を導電性のもので構成する場合には上記
の絶縁性材料と組み合わせて用いる必要がある。また場
合によっては耐熱性材料を複数組み合わせて使用するこ
ともできる。これらの材料をプラズマCVD法、熱CV
D法、光CVD法、LP-CVD法、MO-CVD法、ス
パッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラスタ成膜法等
の各種成膜法や、イオン注入法等の各種材料改質のため
の手法を用いて形成する。半導体あるいは金属材料上に
絶縁性材料を形成して支持体基板として用いる場合、あ
るいは低融点材料上に耐熱層あるいは絶縁層を形成して
支持体基板として用いる場合には絶縁層、耐熱層の厚さ
は用いる材料の第2のレーザ光の吸収を考慮にいれて定
めることが望ましく、例えば第2のレーザ光に炭酸ガス
レーザ光を用い、絶縁層あるいは耐熱層材料としてSi
2を形成する場合にはその膜厚は50μm程度である。石
英ガラス基板のような絶縁性材料を単体で支持体基板と
して用いる場合にはその機械的強度を保つ要求から通例
レーザの吸収厚さに比べて充分に厚い寸法が選ばれる。
その値は通常0.3mm〜5.0mmであり、望ましくは0.5mm〜
2.0mmである。不純物侵入層1′は再結晶化膜の伝導型
を制御するために形成される層である。再結晶化膜がシ
リコンでP型伝導を希望する場合の不純物としては周期
率表III族元素が選ばれる。具体的にはB、Al、G
a、In等である。またN型伝導を希望する場合の不純
物としては周期率表V族原子が選ばれる。具体的には、
P、As、Sb等である。これらの元素を含んだ層を支
持体基板上に形成する手法としては様々な手法が可能で
ある。例えば前記の元素をイオン化し真空中で電界の効
果により高速に加速して基板に衝突させる方法、いわゆ
るイオン注入法によって不純物侵入層を形成することが
できる。この方法はイオンビームを精度良く制御可能で
あるので基板上に任意の位置に異なる元素からなる不純
物侵入層を形成することが可能である。この方法により
形成した不純物侵入層は支持体基板との区別が明瞭でな
く、実質的には支持体基板の変性層と考えることができ
る。また前記不純物を含む膜を成膜手法により形成する
ことも可能である。例えばPH3、SiH4、O2を原料
ガスとして熱CVDの手法によりPを不純物として含む
層を形成することができる。この層はこの上に形成され
る再結晶化膜の伝導型をN型に制御する。この不純物侵
入層の厚みはその形成手法に依存して比較的大きな範囲
を取り、イオン注入法等により直接支持体基板中に不純
物侵入層を形成する場合にはその厚みは数十Åから数百
Å程度であるが成膜手法により形成する場合にはその厚
みは数μmに達する。この不純物侵入層1′中に存在す
る不純物原子は次の工程であるレーザ光の照射の工程に
おいて基板に吸収されるレーザ光により加熱され、シリ
コン層に拡散することにより、シリコン層の伝導型を決
める。支持体基板1上で2波長レーザ帯域溶融再結晶化
法により単結晶化されるシリコン層2は多結晶シリコン
あるいは非晶質シリコンで構成される。このシリコン層
2はプラズマCVD法、熱CVD法、光CVD法、LP
-CVD法、MO-CVD法、スパッタ法、真空蒸着法、
イオンビームクラスタ成膜法等の各種成膜法や、イオン
注入法等の各種材料改質のための手法を用いて形成す
る。またこのシリコン層2は帯域溶融再結晶化過程にお
いて必要と判断される場合には通常のフォトリソグラフ
ィーの手法を用いて任意の形状に加工される場合もあ
る。具体的には図5、図6、図7のようなストライプ状
あるいは島状、あるいは連結島状であるが、これらの目
的はいずれも支持体基板1上でシリコン融液の移動を制
限し、よってファセット成長の安定性の向上を目的とし
たものであり、従来より帯域溶融再結晶化法によってし
ばしば用いられる手法である。このようなシリコン層2
の加工は再結晶化により得られる単結晶シリコン層の膜
厚の均一性の向上には寄与するが、配向性を決定するも
のではない。シリコン層2の膜厚は0.1μm〜5.0μmの範
囲で再結晶化に使用でき、望ましくは0.3μm〜1.0μmの
範囲である。表面保護膜3は帯域溶融再結晶化手法によ
る単結晶シリコン薄膜の形成において不可欠なものであ
る。これは帯域溶融再結晶化過程において溶融シリコン
の蒸発あるいは表面張力による丸まり現象(ビードアッ
プ現象)を防ぐ目的で形成される。この表面保護層3は
絶縁性材料により構成され、望ましい材料としてはSi
2,SiO,Si34,SiNであり、これらを単独
にあるいは複数組み合わせてシリコン層2に形成する。
表面保護膜3の形成方法としてはプラズマCVD法、熱
CVD法、光CVD法、LP-CVD法、MO-CVD
法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラスタ成
膜法等の各種成膜法や、イオン注入法等の各種材料改質
のための手法等である。膜厚は概ね0.5μm〜5.0μmの範
囲で最適化されて形成されるが、望ましくは1.0μm〜2.
0μmである。この表面保護層3は本発明による薄膜半導
体装置を原料として半導体素子を形成する工程において
除去される場合もある。
The components of the thin film semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to FIG. The support substrate 1 is made of an insulating material. An insulating material having heat resistance such as quartz glass or ceramics is used as the simple substance, but a substrate having a suitable insulating film formed on a metal or a semiconductor can also be used as the support substrate of the present invention. . Specifically, SiO 2 , Si 3 N 4, etc. are formed as an insulating material on a silicon wafer. Alternatively, on a metal such as Fe, Al, or Cu, SiO 2 , Si 3 N 4
Those formed with an insulating material such as can also be used as the support substrate. Further, by forming the heat resistant layer, a material having a lower melting point than silicon can be used as the support substrate. Insulating materials for the heat-resistant layer include SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , and Si 3.
N 4 , BN and the like, and conductive ones such as TiC and SiC. When the heat resistant layer is made of a conductive material, it must be used in combination with the above insulating material. In some cases, a plurality of heat resistant materials can be used in combination. Plasma CVD, thermal CV for these materials
D method, photo CVD method, LP-CVD method, MO-CVD method, sputtering method, vacuum deposition method, various deposition methods such as ion beam cluster deposition method, and various material modification such as ion implantation method It is formed using a method. When an insulating material is formed on a semiconductor or metal material to be used as a support substrate, or when a heat-resistant layer or an insulating layer is formed on a low-melting-point material to be used as a support substrate, the thickness of the insulating layer or heat-resistant layer It is desirable to determine the thickness in consideration of the absorption of the second laser light of the material used. For example, carbon dioxide gas laser light is used as the second laser light, and Si is used as the insulating layer or heat-resistant layer material.
When O 2 is formed, its thickness is about 50 μm. When an insulating material such as a quartz glass substrate is used alone as a support substrate, a dimension sufficiently thicker than the absorption thickness of the laser is usually selected because of the requirement of maintaining its mechanical strength.
Its value is usually 0.3mm ~ 5.0mm, preferably 0.5mm ~
It is 2.0 mm. The impurity penetration layer 1'is a layer formed to control the conductivity type of the recrystallized film. When the recrystallized film is silicon and p-type conduction is desired, a group III element of the periodic table is selected as an impurity. Specifically, B, Al, G
a, In and the like. Further, when the N-type conduction is desired, a group V atom of the periodic table is selected as an impurity. In particular,
P, As, Sb, etc. Various methods are possible as a method for forming a layer containing these elements on a support substrate. For example, the impurity intrusion layer can be formed by a method of ionizing the above-mentioned elements and accelerating them in a vacuum at high speed by the effect of an electric field so as to collide with the substrate, that is, an ion implantation method. Since this method can control the ion beam with high precision, it is possible to form an impurity invasion layer made of different elements at arbitrary positions on the substrate. The impurity intrusion layer formed by this method is not clearly distinguished from the support substrate, and can be considered to be substantially a modified layer of the support substrate. It is also possible to form the film containing the impurities by a film forming method. For example, a layer containing P as an impurity can be formed by a thermal CVD method using PH 3 , SiH 4 , and O 2 as source gases. This layer controls the conductivity type of the recrystallized film formed thereon to be N type. The thickness of this impurity penetration layer takes a relatively large range depending on the formation method, and when the impurity penetration layer is formed directly in the support substrate by the ion implantation method or the like, the thickness is several tens to several hundreds. Although the thickness is about Å, when it is formed by the film forming method, the thickness reaches several μm. Impurity atoms existing in the impurity intrusion layer 1'are heated by the laser light absorbed by the substrate in the next step of irradiating the laser beam and diffused into the silicon layer, so that the conductivity type of the silicon layer is changed. Decide The silicon layer 2 single-crystallized on the support substrate 1 by the two-wavelength laser zone melting recrystallization method is composed of polycrystalline silicon or amorphous silicon. This silicon layer 2 is formed by plasma CVD method, thermal CVD method, photo CVD method, LP
-CVD method, MO-CVD method, sputtering method, vacuum deposition method,
It is formed by using various film forming methods such as an ion beam cluster film forming method, and various material modifying methods such as an ion implantation method. Further, the silicon layer 2 may be processed into an arbitrary shape by using a usual photolithography method when it is judged necessary in the zone melting recrystallization process. Specifically, it has a stripe shape, an island shape, or a connection island shape as shown in FIGS. 5, 6, and 7, but any of these purposes limits movement of the silicon melt on the support substrate 1. Therefore, it is intended to improve the stability of facet growth, and is a technique often used conventionally by the zone melting recrystallization method. Such a silicon layer 2
Although the above process contributes to the improvement of the film thickness uniformity of the single crystal silicon layer obtained by recrystallization, it does not determine the orientation. The film thickness of the silicon layer 2 can be used for recrystallization in the range of 0.1 μm to 5.0 μm, and is preferably in the range of 0.3 μm to 1.0 μm. The surface protection film 3 is indispensable for forming a single crystal silicon thin film by the zone melting recrystallization method. This is formed for the purpose of preventing a rounding phenomenon (bead-up phenomenon) due to evaporation of molten silicon or surface tension in the zone melting recrystallization process. The surface protection layer 3 is made of an insulating material, and a desirable material is Si.
O 2 , SiO, Si 3 N 4 , and SiN, which are formed alone or in combination in the silicon layer 2.
As the method for forming the surface protective film 3, there are plasma CVD method, thermal CVD method, photo CVD method, LP-CVD method, MO-CVD method.
Methods, sputtering methods, vacuum evaporation methods, various film forming methods such as ion beam cluster film forming methods, and methods for modifying various materials such as ion implantation methods. The film thickness is generally optimized in the range of 0.5 μm to 5.0 μm, and is preferably 1.0 μm to 2.
It is 0 μm. The surface protective layer 3 may be removed in the step of forming a semiconductor element using the thin film semiconductor device according to the present invention as a raw material.

【0011】本発明の2波長レーザ帯域溶融再結晶化法
における第1のレーザ光としてはシリコンに吸収帯域
(おおよそ1.2μmより短波長側)にある波長の光を出す
レーザ光を広く使用できる。具体的には短波長領域の各
種のエキシマレーザ、He-Cdレーザ、Arレーザ、
He-Neレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライト
レーザ、YAGレーザ、あるいは半導体レーザ等が使用
可能である。帯域溶融再結晶化に必要な温度プロファイ
ルを形成する熱源とするという観点からは取りだし可能
な出力が比較的大きいこと、また連続発振が可能なレー
ザであることが望ましく、Arレーザ、YAGレーザ、
あるいは高出力の半導体レーザから選ぶことが望まし
い。これらのレーザ光はその照射領域を広くするためビ
ームの途中にレーザビームエクスパンダを挿入しビーム
を拡大することも可能であり、さらにはレーザビームを
複数本用いてビームを合成して使用することも可能であ
る。シリコン層に照射する場合のビーム形状としては帯
域溶融再結晶化法の実現に好適なように均一な線状ビー
ムが好ましい。種々の光学機械を用いてビーム形状を線
状で均一にすることが可能である。また前述のごとく複
数本のビームにより均一で線状のビームを形成すること
が可能である。さらにはビームの高速走査により擬似的
に線状のビームを形成することも可能である。基板の予
備加熱に用いられる第2のレーザ光としては絶縁性材料
に吸収のあるレーザ光を広く使用することができる。赤
外領域のレーザ光は広く絶縁性材料に吸収されるので第
2のレーザ光としては好適である。具体的には炭酸ガス
レーザあるいは一酸化炭素ガスレーザ等が使用できる。
第2のレーザビームのビーム形状としては必ずしも線状
である必要はない。前述の第1のレーザビームに重ねて
照射する場合において、第1のレーザの加熱により溶融
してシリコンの再結晶化の熱プロファイルを制御するの
に充分な大きさのビーム形状であれば良く図14のごとく
線状に形成した第1のレーザビームの長さをL1とする
と第2のレーザのこの方向での長さL2はL2>L1が必
要であり、望ましくはL2>1.2L1である。なお、レー
ザビームは通常は丸形で得られるが、種々の手段により
細長い楕円状や実質長方形の形状にしたりして使用する
ことができる。
As the first laser beam in the two-wavelength laser band melting recrystallization method of the present invention, a laser beam which emits light having a wavelength in the absorption band (wavelength side shorter than about 1.2 μm) to silicon can be widely used. Specifically, various excimer lasers in the short wavelength region, He-Cd lasers, Ar lasers,
A He-Ne laser, a ruby laser, an alexandrite laser, a YAG laser, a semiconductor laser, or the like can be used. From the viewpoint of using as a heat source that forms the temperature profile necessary for zone melting recrystallization, it is desirable that the output that can be taken out is relatively large, and that a laser capable of continuous oscillation is used. Ar laser, YAG laser,
Alternatively, it is desirable to select from high-power semiconductor lasers. These laser lights can be expanded by inserting a laser beam expander in the middle of the beam in order to widen the irradiation area. Furthermore, it is also possible to combine multiple laser beams to use them. Is also possible. As a beam shape for irradiating the silicon layer, a uniform linear beam is preferable as it is suitable for realizing the zone melting recrystallization method. It is possible to make the beam shape linear and uniform using various optical machines. Further, as described above, it is possible to form a uniform and linear beam from a plurality of beams. Further, it is also possible to form a pseudo linear beam by high-speed scanning of the beam. As the second laser light used for preheating the substrate, laser light having absorption in the insulating material can be widely used. Laser light in the infrared region is widely absorbed by the insulating material, and is suitable as the second laser light. Specifically, a carbon dioxide gas laser or a carbon monoxide gas laser can be used.
The beam shape of the second laser beam does not necessarily have to be linear. In the case of irradiating with the first laser beam described above, it is sufficient if the beam shape is large enough to control the thermal profile of recrystallization of silicon by melting due to heating of the first laser. Assuming that the length of the first laser beam linearly formed as 14 is L 1 , the length L 2 of the second laser in this direction needs to be L 2 > L 1 , and preferably L 2 >. It is 1.2L 1 . The laser beam is usually obtained in a round shape, but it can be used in various shapes such as an elongated elliptical shape or a substantially rectangular shape.

【0012】第2のレーザは第1のレーザ光と共にシリ
コン層の帯域溶融再結晶化の熱源として用いられるが、
第1のレーザ光での加熱が主としてシリコンを溶融する
ことを目的として用いられるのに対して第2のレーザ光
での加熱は溶融シリコンの冷却固化再結晶化過程を制御
するために用いられる。そのため第2のレーザ光で加熱
される領域は均一な温度プロファイルを示すようにしな
ければならない。そのために第2のレーザ光のビームは
第1のレーザ光のビームに比べて広い領域で均一なパワ
ー密度であることが必要である。カライドスコープ、セ
グメントミラー等の種々の光学機器を用いてビーム出力
を平坦化することが可能である。また前述の第1のレー
ザ光の場合と同様に複数のレーザビームを合成して平坦
な合成ビームを形成しても良い。またビームを走査する
ことで加熱部の温度プロファイルを平坦化することも可
能である。またこれらのレーザ光としては連続発振型の
他にパルス発振型のレーザ光を使用することも可能であ
る。このようにして第2のレーザ光のビームは概ね第1
のレーザ光のビームを囲うような配置で基板上に照射さ
れるが、第2のレーザ光のビームの外周近傍においては
ビーム内部とビーム外部の大きな温度差によりたとえビ
ーム強度が均一であっても温度勾配が生ずる場合があ
る。このような場合にはビームの外周部を強調したビー
ムプロファイルを用いて温度の平坦化を図ることもでき
る。
The second laser is used as a heat source for the zone melting recrystallization of the silicon layer together with the first laser light.
The heating with the first laser light is mainly used for melting the silicon, while the heating with the second laser light is used for controlling the cooling solidification recrystallization process of the molten silicon. Therefore, the region heated by the second laser light must have a uniform temperature profile. Therefore, the beam of the second laser light needs to have a uniform power density in a wider area than the beam of the first laser light. It is possible to flatten the beam output using various optical devices such as a kaleidoscope and a segment mirror. Further, as in the case of the above-mentioned first laser light, a plurality of laser beams may be combined to form a flat combined beam. It is also possible to flatten the temperature profile of the heating part by scanning the beam. Further, as the laser light, it is also possible to use pulsed laser light in addition to continuous wave laser light. In this way, the beam of the second laser light is approximately the first beam.
Is irradiated onto the substrate in such a manner as to surround the beam of the laser light of the second laser beam. Even if the beam intensity is uniform in the vicinity of the outer periphery of the beam of the second laser light due to a large temperature difference inside and outside the beam. A temperature gradient may occur. In such a case, the temperature can be flattened by using a beam profile in which the outer peripheral portion of the beam is emphasized.

【0013】2波長レーザ帯域溶融再結晶化法において
用いられる第1のレーザ光と第2のレーザ光は前述の構
成の他にそれぞれのレーザ光の強度が照射している場所
の温度の変化に応じて変調できなければならない。本発
明は帯域溶融再結晶化法により単結晶シリコンの再結晶
化膜を安定して得ることに基礎がある。このような安定
な溶融再結晶化を実現するためには照射するレーザ光の
出力をフィードバックにより制御することが必要であ
る。何故なら第1のレーザ光あるいは第2のレーザ光の
吸収により発生する熱量は吸収する層の膜厚、表面の反
射率等様々な要因により変化する。従って帯域溶融再結
晶化過程を通じて温度プロファイルを安定に制御するた
めには光強度のフィードバック制御が必要である。更に
は前に述べた理由により配向性の制御のためには温度プ
ロファイルのコントロールが必要である。このようなレ
ーザの光強度のフィードバック制御としては図15のごと
く照射部の温度情報を帰還信号としてレーザ電源回路に
取り込みレーザ出力を制御する方法がある。あるいは図
16に示すようにレーザ発振器12と試料との間に光の強度
を外部信号により連続的に変化させる機構を置き照射部
の温度変化に応じてこの機構を制御する方法も可能であ
る。光の強度を連続的に変化させる機構としては例えば
2枚の偏向板の組合せを利用しても良い。このような光
出力のフィードバック制御機構を備えた第1及び第2の
レーザ光の照射の方法は基板上で二つのレーザ光の照射
で図9に示したような熱プロファイルが形成され帯域溶
融再結晶化法が実現できる照射の方法であれば特に制限
はない。更には図9に示す熱プロファイルに関しても帯
域溶融再結晶化について重要なのは溶融状態から固化に
いたる過程であるので、熱プロファイルがビームの走査
方向について対称形である必要もない。以下に本発明の
具体的な実施例について述べる。
The first laser beam and the second laser beam used in the two-wavelength laser band melting recrystallization method are not only the above-mentioned configuration but also change in temperature of the place where each laser beam is irradiated. Must be able to modulate accordingly. The present invention is based on stably obtaining a recrystallized film of single crystal silicon by the zone melting recrystallization method. In order to realize such stable melt recrystallization, it is necessary to control the output of the laser light to be irradiated by feedback. This is because the amount of heat generated by the absorption of the first laser light or the second laser light changes due to various factors such as the film thickness of the absorbing layer and the reflectance of the surface. Therefore, the feedback control of the light intensity is necessary to stably control the temperature profile through the zone melting and recrystallization process. Furthermore, for the reasons described above, it is necessary to control the temperature profile in order to control the orientation. As such a feedback control of the light intensity of the laser, there is a method in which the temperature information of the irradiation unit is taken in as a feedback signal into the laser power supply circuit to control the laser output as shown in FIG. Or figure
As shown in 16, it is also possible to place a mechanism for continuously changing the light intensity between the laser oscillator 12 and the sample by an external signal and control this mechanism according to the temperature change of the irradiation unit. As a mechanism for continuously changing the light intensity, for example, a combination of two deflecting plates may be used. The method of irradiating the first and second laser beams having such a feedback control mechanism of the optical output is such that the thermal profile as shown in FIG. There is no particular limitation as long as the irradiation method can realize the crystallization method. Further, regarding the thermal profile shown in FIG. 9, it is not necessary for the thermal profile to be symmetrical with respect to the scanning direction of the beam, since the process from the molten state to the solidification is important for the zone melting recrystallization. Specific examples of the present invention will be described below.

【0014】[0014]

【実施例】実施例1 本実施例では第1のレーザ光としてArレーザ光、第2
のレーザ光として炭酸ガスレーザ光を用いた。図17に示
すようにArレーザ発振器27より発射されたArレーザ
光51はビーム径1.9mmのものをマルチラインの発振状態
で用い、線状のビーム形状を形成するために凸レンズ26
を試料21上で焦点を結ぶように配置し更に振動機構27を
備えたミラー28を凸レンズ26と試料21の中間に配し、試
料21上でビームスポットをレーザ光の走査方向と直交す
る方向に振動させて試料21上で線状の熱プロファイルを
形成する。炭酸ガスレーザ光は4台の炭酸ガスレーザ発
振器35,36,37,38を用いてそれぞれミラー31,32,33,34を
介して試料21上に導いた。炭酸ガスレーザ光のビーム径
はそれぞれ5mmのものを用い、凸レンズ(47,48,49,50)
を介して基板上でビーム径が200μmになるように集光し
た。Arレーザ光51は放射温度計からなる温度検出部29
とフィードバック制御部24よりレーザ電源23を制御し、
ビームの走査を通じて測定部の温度が一定になるように
その出力を制御されている。また炭酸ガスレーザ光52,5
3,54,55もArレーザ光51と同様に放射温度計からなる
温度検出部30とフィードバック制御部43を通じて各々の
レーザ電源39,40,41,42が制御される。再結晶化膜を形
成する基板は以下のようにして作成する。図11において
支持体基板71は厚さ1.0mmの透明石英ガラス基板を用い
た。このガラス支持体基板71を常法により洗浄したのち
この表面にイオン注入法を用いて再結晶化膜の伝導型を
P型に制御する不純物としてB元素の侵入層と、再結晶
化膜の伝導型をN型に制御する不純物としてP元素の侵
入層を不純物層72として同一基板上に形成した。イオン
注入はビームのX軸及びY軸の2軸に偏向することで行
ない、図12に示すようにB元素の侵入層72′とP元素の
侵入層72″を基板状で交互にそれぞれ幅100μmのストラ
イプ状でストライプの間隔を100μmになるように形成し
た。それぞれの不純物の注入条件はB元素については加
速電圧80keV、打ち込み量5×1014/cm2でありP元
素については加速電圧50keV、打ち込み量5×1015
cm2である。減圧化学気相成長装置(LPCVD装置)
を用い帯域溶融再結晶化法により単結晶化されるシリコ
ン層として多結晶シリコン薄膜73を形成した。その膜厚
は3500Åである。つぎにこの多結晶シリコン薄膜73をフ
ォトリソグラフィーの手法により前記不純物層72に整合
させて72′、72″のように巾100μmのストライプでスト
ライプ間隔100μmに加工した。ついでこのストライプ状
の多結晶シリコン72′、72″の上にLPCVD装置を用
いて帯域溶融再結晶化の時の表面保護層としてSiO2
薄膜74を厚さ1.2μmに形成した。このように形成した多
結晶シリコン薄膜試料を前述のArレーザ光(第1のレ
ーザ光)と炭酸ガスレーザ光(第2のレーザ光)で同時
に照射加熱溶融し帯域溶融再結晶化法により単結晶化す
る。第1のレーザ光と第2のレーザ光の配置は次のよう
である。多結晶シリコンストライプに直交するようにA
rレーザ光51はミラー28を用いて振動させた。この時の
ミラーの振動周波数は1kHzに設定した。またミラーの
振幅はシリコン層上でArレーザ光51のビームの振れ幅
が110μmになるように設定した。4つの炭酸ガスレーザ
発振器35,36,37,38より発射された4本の炭酸ガスレー
ザ光52,53,54,55は図18に示すごとく線状のArレーザ
光51の照射位置を囲うように対峙するビーム間隔200μm
で配置した(図18は図14の関係を満した具体例であ
る)。Arレーザ光51の出力を2.0W一定とし、ビーム
を振動させながら4本の炭酸ガスレーザ光52,53,54,55
の出力を上昇していくと振動するArレーザ光51のビー
ムの照射する位置のシリコン層が溶融する。この状態に
おいて図9に示したような帯域溶融再結晶化のための熱
プロファイルが基板71上で実現されている。ついでステ
ージ25に備えた試料移動機構により試料21を線状のAr
レーザビームが多結晶シリコンストライプ72′、72″に
直交するように移動させるとArレーザ光51の照射部の
シリコンの溶融帯域8は試料21上でのレーザビームの相
対的な走査に伴い、走査方向の下流側まで伸びていき、
4本の炭酸ガスレーザ光52,53,54,55で熱的にガードさ
れている周囲に熱を放出しながら冷却固化再結晶を行な
い、幅100μmの単結晶ストライプとなる。この時のシリ
コン溶融部の下流側への伸びは試料の移動速度、炭酸ガ
スレーザ光の出力等により異なるが、試料21の移動速度
1mm/s、4本の炭酸ガスレーザ光52,53,54,55の出力
が各々15Wのとき、溶融シリコンの下流側への伸びはお
およそ0.5mmであった。ついで温度検出部29でArレー
ザ光51の照射部のシリコンの融液の温度を検知し(測温
部A)、前述の制御法により温度が一定になるようにA
rレーザ光51の出力を制御し、更にもう一つの温度検出
部30で試料21の走査に伴って下流側に伸びてくるシリコ
ン融液の固化部より更に下流側500μmの位置の温度を検
知し(測温部B)、同様に前述の制御法により温度が一
定になるように4本の炭酸ガスレーザ光52,53,54,55の
出力を制御した。このように測温部A、Bの2ヵ所の温
度を一定に制御することによりレーザ光の基板上の走査
全般に渡って安定な再結晶化膜を得ることができた。本
実施例ではB元素の侵入層上での再結晶化の温度条件、
及びP元素の侵入層上での再結晶化の温度条件を共に測
温部Aで1423〜1427℃、測温部Bで1345〜1350℃に設定
すると同一基板上でレーザビームの走査により得られた
単結晶シリコンの配向面は(100)面配向であり、この時
B元素の侵入層上での再結晶化、及びP元素の侵入層上
での再結晶化の時のレーザー出力条件は表1に示す範囲
であった。以上の操作の繰返しにより2波長レーザー帯
域溶融再結晶化法により基板上の多結晶シリコンストラ
イプを単結晶化した。この後、表面保護層のSiO2
膜を緩衝フッ酸溶液にてエッチング除去した。得られた
再結晶化シリコン薄膜はホール測定の結果、B元素の侵
入層上での再結晶化シリコンはP型伝導を示しP元素の
侵入層上の再結晶化シリコンはN型伝導を示すことが判
った。以上により本発明の請求項1が開示する薄膜半導
体装置が完成した。
EXAMPLES Example 1 In this example, an Ar laser beam and a second laser beam were used as the first laser beam.
Carbon dioxide laser light was used as the laser light. As shown in FIG. 17, the Ar laser beam 51 emitted from the Ar laser oscillator 27 has a beam diameter of 1.9 mm in a multi-line oscillation state, and a convex lens 26 is used to form a linear beam shape.
Is arranged so as to form a focus on the sample 21, and a mirror 28 provided with a vibrating mechanism 27 is arranged between the convex lens 26 and the sample 21, and the beam spot on the sample 21 is in a direction orthogonal to the scanning direction of the laser light. Vibrate to form a linear thermal profile on sample 21. The carbon dioxide gas laser light was guided onto the sample 21 via four mirrors 31, 32, 33 and 34 using four carbon dioxide gas laser oscillators 35, 36, 37 and 38, respectively. The beam diameter of the carbon dioxide laser light is 5 mm, and the convex lens (47,48,49,50)
The beam was focused on the substrate through the so that the beam diameter would be 200 μm. The Ar laser beam 51 is used for the temperature detection unit 29 including a radiation thermometer.
And control the laser power supply 23 from the feedback control unit 24,
The output is controlled so that the temperature of the measuring unit becomes constant through the scanning of the beam. Also carbon dioxide laser light 52,5
Similarly to the Ar laser light 51, the laser power sources 39, 40, 41 and 42 are controlled by the temperature detection unit 30 and the feedback control unit 43 which are radiation thermometers. The substrate on which the recrystallized film is formed is prepared as follows. In FIG. 11, as the support substrate 71, a transparent quartz glass substrate having a thickness of 1.0 mm was used. After the glass support substrate 71 is washed by a conventional method, an ion implantation method is applied to the surface of the glass support substrate 71 to inject the B element as an impurity for controlling the conduction type of the recrystallized film into the P type and the conduction of the recrystallized film. An intrusion layer of P element as an impurity for controlling the type to N type was formed on the same substrate as an impurity layer 72. Ion implantation is performed by deflecting the beam into two axes, the X-axis and the Y-axis. As shown in FIG. 12, a B element intrusion layer 72 ′ and a P element intrusion layer 72 ″ are alternately formed on the substrate in a width of 100 μm. was formed to the spacing of the stripes 100μm in stripe. injection conditions of the respective impurity acceleration voltage 80keV for element B, implantation of 5 × 10 14 / cm 2 and is for P element accelerating voltage 50 keV, Driving amount 5 × 10 15 /
It is cm 2 . Low pressure chemical vapor deposition equipment (LPCVD equipment)
Was used to form a polycrystalline silicon thin film 73 as a silicon layer to be single-crystallized by the zone melting recrystallization method. Its film thickness is 3500Å. Next, the polycrystalline silicon thin film 73 was processed by photolithography to be aligned with the impurity layer 72 and processed into stripes having a width of 100 μm, such as 72 ′ and 72 ″, with a stripe interval of 100 μm. SiO 2 as a surface protection layer at the time of zone melting recrystallization using LPCVD equipment on 72 ′, 72 ″
The thin film 74 was formed to a thickness of 1.2 μm. The polycrystalline silicon thin film sample thus formed is irradiated with the aforementioned Ar laser light (first laser light) and carbon dioxide gas laser light (second laser light) at the same time, heated, melted, and monocrystallized by the zone melting recrystallization method. To do. The arrangement of the first laser light and the second laser light is as follows. A so that it is orthogonal to the polycrystalline silicon stripe
The r laser light 51 was vibrated using the mirror 28. The vibration frequency of the mirror at this time was set to 1 kHz. The amplitude of the mirror was set so that the deflection width of the beam of the Ar laser light 51 was 110 μm on the silicon layer. The four carbon dioxide gas laser beams 52,53,54,55 emitted from the four carbon dioxide laser oscillators 35,36,37,38 face each other so as to surround the irradiation position of the linear Ar laser beam 51 as shown in FIG. Beam spacing 200μm
(Fig. 18 is a specific example satisfying the relationship of Fig. 14). The output of Ar laser light 51 is kept constant at 2.0 W and four carbon dioxide gas laser lights 52, 53, 54, 55 are generated while oscillating the beam.
The silicon layer at the position irradiated by the oscillating beam of the Ar laser light 51 is melted as the output of the laser is increased. In this state, the thermal profile for zone melting recrystallization as shown in FIG. 9 is realized on the substrate 71. Then, the sample 21 is moved into a linear Ar sample by the sample moving mechanism provided on the stage 25.
When the laser beam is moved so as to be orthogonal to the polycrystalline silicon stripes 72 ′ and 72 ″, the melting zone 8 of silicon at the irradiation portion of the Ar laser light 51 is scanned along with the relative scanning of the laser beam on the sample 21. To the downstream side of the direction,
Cooling and solidification recrystallization is performed while releasing heat to the surroundings that are thermally guarded by the four carbon dioxide laser beams 52, 53, 54 and 55 to form a single crystal stripe with a width of 100 μm. The extension of the silicon melt portion to the downstream side at this time varies depending on the moving speed of the sample, the output of the carbon dioxide laser light, etc., but the moving speed of the sample 21 is 1 mm / s, and the four carbon dioxide laser lights 52,53,54,55. When the output of each was 15 W, the extension of the molten silicon to the downstream side was about 0.5 mm. Then, the temperature detecting unit 29 detects the temperature of the silicon melt in the irradiation portion of the Ar laser light 51 (temperature measuring unit A), and the temperature is kept constant by the control method described above.
The output of the r laser light 51 is controlled, and the temperature at a position of 500 μm further downstream from the solidification portion of the silicon melt which extends downstream with the scanning of the sample 21 is detected by another temperature detection unit 30. (Temperature measuring section B) Similarly, the outputs of the four carbon dioxide gas laser beams 52, 53, 54 and 55 were controlled by the above-mentioned control method so that the temperature was kept constant. In this way, by controlling the temperatures at the two temperature measuring portions A and B to be constant, it was possible to obtain a stable recrystallized film over the entire scanning of the laser light on the substrate. In this example, the temperature condition for recrystallization of the element B on the intrusion layer,
When the temperature conditions for recrystallization of the P element and the P element on the penetration layer are set to 1423 to 1427 ° C in the temperature measuring section A and 1345 to 1350 ° C in the temperature measuring section B, the laser beam scanning is performed on the same substrate. The orientation plane of the single crystal silicon is (100) plane orientation. At this time, the laser output conditions at the time of recrystallization on the penetration layer of B element and recrystallization on the penetration layer of P element are shown in the table below. It was the range shown in 1. By repeating the above operation, the polycrystalline silicon stripe on the substrate was single-crystallized by the two-wavelength laser zone melting recrystallization method. After that, the SiO 2 thin film of the surface protective layer was removed by etching with a buffered hydrofluoric acid solution. As a result of hole measurement, the obtained recrystallized silicon thin film shows that the recrystallized silicon on the B element intrusion layer exhibits P-type conduction and the recrystallized silicon on the P element intrusion layer exhibits N-type conduction. I understood. As described above, the thin film semiconductor device disclosed in claim 1 of the present invention is completed.

【表1】 [Table 1]

【0015】[0015]

【効果】本発明の請求項1の開示する薄膜半導体装置は
同一の絶縁性基板上にP型とN型の異なる伝導型を有し
ているので、この部材を用いて半導体デバイスを形成す
る場合に不純物導入への工程を簡素化でき、歩留りの向
上が可能となる。また、請求項2の開示する製法によれ
ば請求項1の薄膜半導体装置を効率よく得ることができ
る。請求項3は、そのための製造装置を提供するもので
ある。
Since the thin film semiconductor device disclosed in claim 1 of the present invention has different conductivity types of P type and N type on the same insulating substrate, when a semiconductor device is formed using this member. Moreover, the process for introducing impurities can be simplified, and the yield can be improved. According to the manufacturing method disclosed in claim 2, the thin film semiconductor device according to claim 1 can be efficiently obtained. Claim 3 provides a manufacturing apparatus therefor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】溶融再結晶法における温度分布の具合によって
は多結晶化することを示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing polycrystallization depending on the temperature distribution in the melt recrystallization method.

【図2】溶融再結晶法における温度分布の具合によって
は単結晶化することを示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view showing single crystallization depending on the temperature distribution in the melt recrystallization method.

【図3】(a)は、再結晶化の方向(矢印)におけるシリコ
ン薄膜の好ましい温度分布を示し、シリコンの融点1412
℃を上まわる温度の個所が溶融再結晶化が行われている
個所である。 (b)は、シリコン薄膜の層を有する絶縁性基板よりなる
薄膜半導体装置の概略図であり、8はシリコンの溶融部
分を示す。
FIG. 3 (a) shows a preferable temperature distribution of a silicon thin film in the direction of recrystallization (arrow), and the melting point of silicon is 1412.
The point where the temperature exceeds ℃ is the point where melt recrystallization is performed. (b) is a schematic view of a thin film semiconductor device made of an insulating substrate having a layer of a silicon thin film, and 8 shows a molten portion of silicon.

【図4】溶融シリコンの固液界面の状態図である。FIG. 4 is a state diagram of a solid-liquid interface of molten silicon.

【図5】絶縁性基板上に設けられたシリコン層の形状が
ストライプ状の場合を示す薄膜半導体装置の平面図であ
る。
FIG. 5 is a plan view of a thin film semiconductor device showing a case where a silicon layer provided on an insulating substrate has a stripe shape.

【図6】本発明のシリコン層の平面的配置の1例を示す
平面図である。
FIG. 6 is a plan view showing an example of a planar arrangement of silicon layers of the present invention.

【図7】本発明のシリコン層の平面的配置の1例を示す
平面図である。
FIG. 7 is a plan view showing an example of a planar arrangement of silicon layers of the present invention.

【図8】本発明の帯域溶融再結晶化の状態を示す薄膜半
導体の断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a thin film semiconductor showing a state of zone melting recrystallization according to the present invention.

【図9】本発明の2種類のレーザ光による加熱領域の温
度プロファイルを示す。
FIG. 9 shows temperature profiles of a heating region by two types of laser beams of the present invention.

【図10】線状ヒータを用いた帯域溶融法の概略図を示
す。
FIG. 10 shows a schematic view of a zone melting method using a linear heater.

【図11】本発明実施例の薄膜半導体装置の断面図であ
る。
FIG. 11 is a sectional view of a thin film semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図12】本発明実施例におけるP型およびN型伝導層
の配置状態を示す。
FIG. 12 shows an arrangement state of P-type and N-type conductive layers in an example of the present invention.

【図13】本発明の薄膜半導体装置の1例を示す断面図
である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of a thin film semiconductor device of the present invention.

【図14】本発明の薄膜半導体装置に用いる2波長レー
ザ帯域溶融再結晶法が可能な第1レーザ光と第2レーザ
光との好適な相対的位置関係を示した図である。
FIG. 14 is a diagram showing a preferable relative positional relationship between a first laser beam and a second laser beam capable of performing a two-wavelength laser band melting recrystallization method used in the thin film semiconductor device of the present invention.

【図15】レーザの光強度のフィードバックシステムの
1例を示す。
FIG. 15 shows an example of a laser light intensity feedback system.

【図16】レーザの光強度のフィードバックシステムの
他の1例を示す。
FIG. 16 shows another example of a laser light intensity feedback system.

【図17】本発明実施例におけるレーザ照射システムを
示す。
FIG. 17 shows a laser irradiation system according to an embodiment of the present invention.

【図18】第1レーザと第2レーザの組合せ照射例を示
す。
FIG. 18 shows an example of combined irradiation of a first laser and a second laser.

【図19】本発明実施例のレーザ光の配置で行われる帯
域溶融再結晶化の様子を模式的に示す図である。
FIG. 19 is a diagram schematically showing how zone melting and recrystallization is performed with the arrangement of laser light according to the example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 絶縁性基板 1′ 不純物侵入層 2 半導体層(シリコン層) 3 表面保護層 4 第1のレーザ光 5 第2のレーザ光 8 溶融帯域 11 絶縁性基板 12 レーザ発振器 13 レーザ電源 14 フィードバック制御部 15 温度検知部 16 光変調部 21 試料 22 Arレーザ発振器 23 Arレーザ電源 24 Arレーザ用フィードバック制御部 25 ステージ 26 凸レンズ 27 ミラー振動機構 28 Arレーザ用ミラー 29 Arレーザ用温度検知部 30 炭酸ガスレーザ用温度検知部 31 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部 32 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部 33 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部 34 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部 35 炭酸ガスレーザ発振器 36 炭酸ガスレーザ発振器 37 炭酸ガスレーザ発振器 38 炭酸ガスレーザ発振器 39 炭酸ガスレーザ電源 40 炭酸ガスレーザ電源 41 炭酸ガスレーザ電源 42 炭酸ガスレーザ電源 43 炭酸ガスレーザ用フィードバツク制御部 44 測温部A 45 測温部B 46 溶融領域 47 凸レンズ 48 凸レンズ 49 凸レンズ 50 凸レンズ 51 Arレーザビーム 52 炭酸ガスレーザビーム 53 炭酸ガスレーザビーム 54 炭酸ガスレーザビーム 55 炭酸ガスレーザビーム 71 透明石英ガラス基板 72 不純物層 72′ P型伝導層(B元素侵入層) 72″ N型伝導層(P元素侵入層) 73 多結晶シリコン薄膜 74 表面保護層 1 Insulating substrate 1'impurity penetration layer 2 Semiconductor layer (silicon layer) 3 Surface protection layer 4 First laser light 5 Second laser light 8 melting zone 11 Insulating substrate 12 Laser oscillator 13 Laser power supply 14 Feedback control unit 15 Temperature detector 16 Light modulator 21 samples 22 Ar laser oscillator 23 Ar laser power supply 24 Ar laser feedback controller 25 stages 26 Convex lens 27 Mirror vibration mechanism 28 Ar laser mirror 29 Ar laser temperature detector 30 Carbon dioxide laser temperature detector 31 Carbon dioxide laser mirror detector 32 Carbon dioxide laser mirror detector 33 Mirror detector for carbon dioxide laser 34 Carbon dioxide laser mirror detector 35 Carbon dioxide laser oscillator 36 Carbon dioxide laser oscillator 37 Carbon dioxide laser oscillator 38 Carbon dioxide laser oscillator 39 Carbon dioxide laser power supply 40 Carbon dioxide laser power supply 41 Carbon dioxide laser power supply 42 Carbon dioxide laser power supply 43 Feed back controller for carbon dioxide laser 44 Temperature measuring unit A 45 Thermometer B 46 Melting area 47 convex lens 48 convex lens 49 convex lens 50 convex lens 51 Ar laser beam 52 Carbon dioxide laser beam 53 Carbon dioxide laser beam 54 Carbon dioxide laser beam 55 Carbon dioxide laser beam 71 Transparent quartz glass substrate 72 Impurity layer 72 'P-type conductive layer (B element penetration layer) 72 ″ N-type conductive layer (P element penetration layer) 73 Polycrystalline silicon thin film 74 Surface protection layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // H01L 21/268 B 8617−4M ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Office reference number FI technical display location // H01L 21/268 B 8617-4M

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁性基板上に、半導体層を有する薄膜
半導体装置において、該半導体層は絶縁性基板上に島状
あるいは帯状に形成されたP型およびn型伝導性を示す
単結晶薄膜半導体層であり、この伝導性を決める不純物
と同一の不純物が少なくとも前記単結晶薄膜半導体層が
形成されている領域の絶縁性基板表面に含まれているこ
とを特徴とする薄膜半導体装置。
1. A thin film semiconductor device having a semiconductor layer on an insulating substrate, wherein the semiconductor layer is formed in an island shape or a band shape on the insulating substrate, and is a single crystal thin film semiconductor exhibiting P-type and n-type conductivity. A thin film semiconductor device, comprising a layer, and the same impurities as those determining conductivity are contained in at least the surface of the insulating substrate in the region where the single crystal thin film semiconductor layer is formed.
【請求項2】 絶縁性基板上に不純物侵入層を形成し、
その上に非晶質または多結晶の薄膜半導体層を島状ある
いは帯状に形成し、ついでその上に表面保護層を形成し
た後、前記薄膜半導体層に吸収される第1のレーザ光
と、絶縁性基板に吸収される第2のレーザ光を用いて、
第2のレーザ光による絶縁性基板の発熱により前記薄膜
半導体層が予熱された状態で第1のレーザ光により加熱
されることにより帯域溶融再結晶化を行うことを特徴と
する請求項1記載の薄膜半導体装置の製法。
2. An impurity penetration layer is formed on an insulating substrate,
An amorphous or polycrystalline thin film semiconductor layer is formed thereon in an island shape or a band shape, and then a surface protective layer is formed on the thin film semiconductor layer, and the first laser light absorbed by the thin film semiconductor layer is insulated from the first laser light. Using the second laser light absorbed by the flexible substrate,
2. The zone melting recrystallization is performed by heating the thin film semiconductor layer with the first laser light in a state where the thin film semiconductor layer is preheated by the heat generation of the insulating substrate by the second laser light. Manufacturing method of thin film semiconductor device.
【請求項3】 非晶質または多結晶の薄膜半導体層に吸
収される第1のレーザ光を発射する第1レーザ光発射手
段と、絶縁性基板に吸収される第2のレーザ光を発射す
る第2レーザ光発射手段を有することを特徴とする請求
項1記載の薄膜半導体装置を製造するための装置。
3. A first laser beam emitting means for emitting a first laser beam absorbed by an amorphous or polycrystalline thin film semiconductor layer, and a second laser beam emitted by an insulating substrate. 2. The apparatus for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1, further comprising a second laser beam emitting means.
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