JPH08241872A - Laser annealing method - Google Patents

Laser annealing method

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JPH08241872A
JPH08241872A JP7068670A JP6867095A JPH08241872A JP H08241872 A JPH08241872 A JP H08241872A JP 7068670 A JP7068670 A JP 7068670A JP 6867095 A JP6867095 A JP 6867095A JP H08241872 A JPH08241872 A JP H08241872A
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irradiated
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energy
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幸一郎 田中
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Abstract

PURPOSE: To make uniform anneal effects by emitting laser beams by a method wherein an energy profile of laser beams is made trapezoidal and pulse lasers are scanned in one direction relative to an object to be emitted while emitting. CONSTITUTION: Laser beams oscillated from an oscillator 2 are amplified by an amplifier 3 via total reflection mirrors 5, 6, and further introduced into an optical system 4 via total reflection mirrors 7, 8. Beams of laser beams are processed to be linear beams by an optical system 4. Further, an energy density distribution in a width direction of linear laser beams after passed through the optical system 4 is trapezoidal. After the linear beams are output from the optical system 4, they are emitted to a sample 11 via total reflection mirrors 9, but as a width of beams is longer than that of the sample 11, the laser beams can be emitted to the sample 11 by moving the sample 11 in one direction. Thus, it is possible to make uniform anneal effects by emitting of the laser beams.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、例え
ば半導体材料に対してレーザー光を照射しアニールを行
う技術に関する。また、広くレーザー光の照射によっ
て、被照射物の各種処理や変質を行う技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The invention disclosed in this specification relates to a technique of irradiating a semiconductor material with a laser beam to anneal it. In addition, the present invention generally relates to a technique of performing various kinds of processing and alteration of an irradiated object by irradiating a laser beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体素子プロセスの低温化に関
して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、
安価で加工性に富んだガラス等の絶縁基板上に半導体素
子を形成する必要が生じたからである。さらにいえばア
クティブマトリクス型の液晶表示装置を作製する際に、
ガラス基板上に数百×数百以上の薄膜トランジスタを形
成する必要が生じたからである。その他にも素子の微小
化や素子の多層化に伴う要請もある。
2. Description of the Related Art In recent years, much research has been conducted on lowering the temperature of semiconductor device processes. The big reason is
This is because it is necessary to form a semiconductor element on an insulating substrate made of glass or the like which is inexpensive and highly workable. Furthermore, when manufacturing an active matrix type liquid crystal display device,
This is because it is necessary to form several hundreds × several hundreds or more thin film transistors on the glass substrate. In addition, there are demands for miniaturization of elements and multilayering of elements.

【0003】半導体装置の作製プロセスにおいては、半
導体材料に含まれる非晶質成分もしくは非晶質半導体材
料を結晶化させることや、もともと結晶性であったもの
の、不純物注入のためのイオンを照射したために結晶性
が低下した半導体材料の結晶性を回復することや、結晶
性であるのだが、より結晶性を向上させることが必要と
されることがある。従来、このような目的のためには熱
的なアニールが用いられていた。半導体材料として珪素
を用いる場合には、600℃から1100℃の温度で
0.1〜48時間、もしくはそれ以上の時間のアニール
をおこなうことによって、非晶質の結晶化、結晶性の回
復、結晶性の向上等がなされてきた。
In the manufacturing process of a semiconductor device, an amorphous component contained in a semiconductor material or an amorphous semiconductor material is crystallized, or although it is originally crystalline, it is irradiated with ions for impurity implantation. It may be necessary to recover the crystallinity of the semiconductor material whose crystallinity has been lowered, or to improve the crystallinity, although it is crystalline. Conventionally, thermal annealing has been used for this purpose. When silicon is used as a semiconductor material, it is annealed at a temperature of 600 ° C. to 1100 ° C. for 0.1 to 48 hours or more to crystallize amorphous, recover the crystallinity, Have been improved.

【0004】このような、熱アニールは、一般に温度が
高いほど処理時間は短くても良かったが、500℃以下
の温度ではほとんど効果はなかった。したがって、プロ
セスの低温化の観点からは、従来、熱アニールによって
なされていた工程を他の手段によって置き換えることが
必要とされる。特に基板としてガラス基板を利用する場
合、熱アニールを温度を600℃以下とすることが求め
られる。しかも、その加熱時間を極力短くすることが求
められる。これは、長時間の加熱によってガラス基板が
変形するからである。液晶表示装置においては、数μm
の隙間を有した一対のガラス基板間に液晶が保持される
ので、基板の変形は液晶表示装置の表示に大きな影響を
与えることとなる。
[0004] In such thermal annealing, in general, the higher the temperature, the shorter the processing time may be, but at a temperature of 500 ° C or lower, there is almost no effect. Therefore, from the viewpoint of reducing the temperature of the process, it is necessary to replace the step conventionally performed by thermal annealing with another means. Especially when a glass substrate is used as the substrate, it is required that the temperature of the thermal annealing be 600 ° C. or lower. Moreover, it is required to shorten the heating time as much as possible. This is because the glass substrate is deformed by heating for a long time. In liquid crystal display devices, several μm
Since the liquid crystal is held between the pair of glass substrates having the gap, the deformation of the substrate greatly affects the display of the liquid crystal display device.

【0005】熱アニールに変わるプロセスとしては、レ
ーザー光の照射によって各種アニールを行う技術が知ら
れている。レーザー光は熱アニールに匹敵する高いエネ
ルギーを必要とされる箇所にのみ限定して与えることが
でき、基板全体を高い温度にさらす必要がないという特
徴を有している。
As a process that replaces thermal annealing, a technique of performing various types of annealing by irradiation with laser light is known. Laser light has a feature that high energy comparable to thermal annealing can be limitedly applied only to a required portion, and it is not necessary to expose the entire substrate to a high temperature.

【0006】レーザー光の照射に関しては、大きく分け
て2つの方法が提案されている。
With respect to the irradiation of laser light, two methods are roughly classified and proposed.

【0007】第1の方法はアルゴンイオン・レーザー等
の連続発振レーザーを用いたものであり、スポット状の
ビームを半導体材料に照射する方法である。これはビー
ム内部でのエネルギー分布の差、およびビームの移動に
よって、半導体材料が溶融した後、緩やかに凝固するこ
とによって半導体材料を結晶化させる方法である。
The first method uses a continuous wave laser such as an argon ion laser and irradiates a semiconductor material with a spot-like beam. This is a method of crystallizing the semiconductor material by melting the semiconductor material and then slowly solidifying it due to the difference in energy distribution inside the beam and the movement of the beam.

【0008】第2の方法はエキシマーレーザーのごとき
パルス発振レーザーを用いて、大エネルギーレーザーパ
ルスを半導体材料に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融
させ、凝固させることによって半導体材料を結晶化させ
る方法である。
The second method is to crystallize the semiconductor material by irradiating the semiconductor material with a high energy laser pulse by using a pulsed laser such as an excimer laser, instantaneously melting and solidifying the semiconductor material. Is.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】第1の方法の問題点は
処理に時間がかかることであった。これは連続発振レー
ザーの最大エネルギーが限られたものであるため、ビー
ムスポットのサイズがせいぜいmm2 単位となるためで
ある。これに対し、第2の方法ではレーザーの最大エネ
ルギーは非常に大きく、従って、数cm2 以上の大きな
スポットを用いて、より量産性を上げることができる。
The problem of the first method is that the processing takes a long time. This is because the maximum energy of the continuous wave laser is limited and the size of the beam spot is at most mm 2 unit. On the other hand, in the second method, the maximum energy of the laser is very large, and therefore, it is possible to improve the mass productivity by using a large spot of several cm 2 or more.

【0010】しかしながら、通常用いられる正方形もし
くは長方形の形状のビームでは、1枚の大きな面積の基
板を処理するのに、ビームを上下左右に移動させる必要
があり、量産性の面で依然として改善する余地があっ
た。
However, in the case of a square or rectangular beam which is usually used, it is necessary to move the beam vertically and horizontally to process one large area substrate, and there is still room for improvement in terms of mass productivity. was there.

【0011】この点に関しては、ビームを線状に変形
し、ビームの幅を処理すべき基板を越える長さとし、こ
のビームを走査することによって、大きく改善すること
ができる。なお、ここでいう走査とは、線状レーザーを
すこしずつずらして重ねながら照射することを言う。
This point can be greatly improved by deforming the beam linearly so that the width of the beam exceeds the substrate to be processed and scanning the beam. The term "scanning" as used herein refers to irradiating linear lasers while gradually shifting and overlapping.

【0012】改善すべき問題として残されていたことは
レーザー照射効果の均一性である。この均一性を高める
ために以下のような工夫がなされている。1つの工夫と
して、ビームの分布の形状をスリットを介すことによ
り、矩形にできるだけ近づけて、線状ビーム内のばらつ
きを小さくする方法がある。
What remains to be solved as a problem is the uniformity of the laser irradiation effect. The following measures have been taken in order to improve this uniformity. As one measure, there is a method in which the shape of the distribution of the beam is made as close as possible to a rectangle by using a slit to reduce the variation in the linear beam.

【0013】上記技術において、さらに不均一性を緩和
するには、強いパルスレーザー光の照射(以下本照射と
呼ぶ)の前に、それよりも弱いパルスレーザー光の予備
的な照射(以下予備照射と呼ぶ)をおこなうと均一性が
向上することが報告されている。
In the above technique, in order to further reduce the nonuniformity, prior to the irradiation with the strong pulse laser light (hereinafter referred to as main irradiation), the preliminary irradiation with the weaker pulse laser light (hereinafter referred to as the preliminary irradiation) is performed. It is reported that the homogeneity is improved.

【0014】この効果は非常に高く、半導体デバイスの
特性を著しく向上させることができる。これは、照射エ
ネルギーを2段階に分けることで、半導体膜の結晶化を
段階的に行うことができ、急激な相変化に従う、結晶性
に不均一性や結晶粒界の生成、さらには応力の集中とい
った問題を緩和できるからである。また、この段階的な
照射は、さらにその回数を増やし多段階とすることで、
その効果をより高めることができる。これら2つの工夫
によって、レーザー照射効果の均一性をかなり向上させ
ることができる。しかしながら、上述のような2段階照
射法を用いると、レーザー処理時間が倍になるので、ス
ループットが低下してしまう。また、レーザー照射効果
の均一性も、かなり向上させることができたといっても
まだ十分なものとは言えなかった。
This effect is very high, and the characteristics of the semiconductor device can be remarkably improved. This is because by dividing the irradiation energy into two stages, crystallization of the semiconductor film can be performed in stages, and non-uniformity in crystallinity and generation of grain boundaries, and even stress due to abrupt phase change occur. This is because problems such as concentration can be alleviated. In addition, this stepwise irradiation can be increased by increasing the number of times,
The effect can be further enhanced. By these two measures, the uniformity of the laser irradiation effect can be considerably improved. However, when the two-step irradiation method as described above is used, the laser processing time is doubled, so that the throughput is reduced. Further, even if the uniformity of the laser irradiation effect could be considerably improved, it was not yet sufficient.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
では、線状レーザービームの分布を工夫することによっ
て、この問題を解決する。本明細書で開示する発明で
は、前述した線状レーザービームの分布をその狭い幅方
向(レーザービームの走査方向)において台形状にす
る。そして、このようなエネルギー分布を持ったレーザ
ービームを半導体材料上で走査する。すると、前述した
予備照射と本照射とを行なうレーザー照射方法で、予備
照射の弱いレーザーエネルギーの役割を上述したエネル
ギー分布(台形状分布)のエネルギー勾配の有る部分
(裾の部分)が果たしてくれるので、段階的に照射エネ
ルギーを変化させた場合と同様の効果を得ることができ
る。
In the invention disclosed in this specification, this problem is solved by devising the distribution of the linear laser beam. In the invention disclosed in this specification, the distribution of the linear laser beam described above is trapezoidal in the narrow width direction (the scanning direction of the laser beam). Then, the semiconductor material is scanned with a laser beam having such an energy distribution. Then, in the laser irradiation method that performs the preliminary irradiation and the main irradiation described above, the role of the weak laser energy of the preliminary irradiation is played by the portion with the energy gradient (tail portion) of the energy distribution (trapezoidal distribution) described above. The same effect as when the irradiation energy is changed stepwise can be obtained.

【0016】以下に本明細書で開示する主要な発明につ
いて説明する。本明細書で開示する主要な発明の一つ
は、線状に加工されたパルスレーザービームであって、
前記レーザービームのエネルギープロファイルを台形状
にして、前記パルスレーザーを被照射物に対し相対的に
1方向に走査させながら照射することを特徴とする。
The main inventions disclosed in this specification will be described below. One of the main inventions disclosed in the present specification is a linearly processed pulsed laser beam,
The energy profile of the laser beam is trapezoidal, and the pulsed laser is irradiated while scanning the irradiation target object in one direction relatively.

【0017】上記構成に示すようなエネルギービームプ
ロファイルでレーザー光を照射する様子を図3に示す。
図3に示すのは、線状にビーム加工されたレーザー光の
幅方向(走査される方向)におけるエネルギー密度のビ
ームプロファイル(ビーム内におけるエネルギー密度の
分布状態)である。図3に示すエネルギー密度のビーム
プロファイルは、レーザービームが走査される方向にお
いて、台形状を有している。
FIG. 3 shows how the laser beam is irradiated with the energy beam profile as shown in the above structure.
FIG. 3 shows a beam profile (energy density distribution state in the beam) of energy density in the width direction (scanning direction) of the laser beam linearly processed. The beam profile of the energy density shown in FIG. 3 has a trapezoidal shape in the scanning direction of the laser beam.

【0018】他の発明の構成は、線状に加工されたパル
スレーザーを1方向にずらしながら照射する工程で、被
照射物のある一点に着目したとき、該パルスレーザーが
その一点に複数回照射されるようレーザービームを重ね
て打つことを特徴とする。
According to another aspect of the invention, in the step of irradiating a linearly processed pulse laser while displacing it in one direction, when one point on the irradiation object is focused, the pulse laser irradiates the point a plurality of times. It is characterized by overlapping and striking the laser beam.

【0019】図3に示すようなエネルギー密度のビーム
プロファイルを有するパルスレーザー光を少しづつ移動
させながら、そのビームを一部重なるようにして照射し
た場合、特定の一箇所の線状の領域において、複数回の
パルスが照射され、この複数回のパルスの照射に際し
て、段階的に照射エネルギー密度の大きさが大きくなっ
たパルスが最初の段階で照射され、そして段階的に照射
エネルギー密度が減少したパルスが照射されることにな
る。
When a pulsed laser beam having a beam profile having an energy density as shown in FIG. 3 is moved little by little and the beams are irradiated so as to partially overlap each other, in a specific linear region, A pulse that is irradiated multiple times, and a pulse whose irradiation energy density is gradually increased during the irradiation of these multiple pulses is irradiated at the first stage, and then a pulse whose irradiation energy density is gradually decreased. Will be irradiated.

【0020】他の発明の構成は、線状に加工されたパル
スレーザーを1方向にずらしながら照射する工程で、被
照射物のある一点に着目したとき、該パルスレーザーが
その一点に3〜100回照射されるようレーザービーム
を重ねて打つことを特徴とする。
According to another aspect of the invention, in the step of irradiating a linearly processed pulse laser while shifting it in one direction, when one point on the irradiation target is focused, the pulse laser is 3 to 100 points at that point. It is characterized by overlapping and striking the laser beam so that it is irradiated twice.

【0021】他の発明の構成は、線状に加工されたパル
スレーザーを1方向にずらしながら照射する工程で、被
照射物のある一点に着目したとき、該パルスレーザーが
その一点に10〜20回照射されるようレーザービーム
を重ねて打つことを特徴とする。
According to another aspect of the invention, in the step of irradiating a linearly processed pulse laser while displacing it in one direction, when one point on the irradiation object is focused, the pulse laser is 10 to 20 points at that point. It is characterized by overlapping and striking the laser beam so that it is irradiated twice.

【0022】[0022]

【作用】線状にビーム加工されたパルスレーザー光をそ
の線の幅方向に走査して照射するに際して、その線状の
レーザービームの幅方向において台形のエネルギー分布
を有するものとすることによって、まず台形のエネルギ
ー分布の裾のエネルギー密度の弱い領域が被照射領域に
照射され、引き続いてレーザービームが走査されること
によって、徐々に強いエネルギー密度で照射が行われ、
さらに台形分布の上辺(最大値)のエネルギー密度でレ
ーザー光が照射され、最後に徐々にエネルギー密度が弱
くなる照射が行われる。このようして、ある一点の被照
射領域に対して、台形のエネルギー分布に対応して連続
的に変化するエネルギー密度でレーザー光の照射が行わ
れる。
When a pulsed laser beam processed into a linear beam is scanned and irradiated in the width direction of the line, a trapezoidal energy distribution is provided in the width direction of the linear laser beam. A region with a low energy density at the skirt of the trapezoidal energy distribution is irradiated to the irradiated region, and the laser beam is subsequently scanned, so that irradiation is performed with a gradually higher energy density.
Further, the laser beam is irradiated with the energy density of the upper side (maximum value) of the trapezoidal distribution, and finally the energy density is gradually reduced. In this way, the irradiation of the laser beam is performed on a certain irradiation target area at an energy density that continuously changes corresponding to the trapezoidal energy distribution.

【0023】上記のような状態でレーザー光が照射され
ることで、ある一点の被照射領域に注目した場合、最初
弱いレーザー光が照射され、徐々に強いレーザー光が照
射され、さらに徐々にレーザー光の照射エネルギー密度
が弱まっていき、照射が終了することになる。このよう
なレーザー光の照射を行うと、被照射領域に供給されエ
ネルギーが急激に変化することがないので、被照射領域
の急激な相変化を防ぐことができる。例えば、非晶質半
導体をレーザー光の照射によって結晶化させる場合、急
激な相変化を従わないので、表面が荒れたり、内部に応
力が蓄積したりすることがなく、均一な結晶性を与える
ことができる。即ち、アニール効果を均一なものとする
ことができる。
By irradiating the laser light in the above-mentioned state, when focusing on a certain irradiation area, the weak laser light is first irradiated, the strong laser light is gradually irradiated, and the laser light is gradually further irradiated. The irradiation energy density of light weakens and the irradiation ends. When such laser light irradiation is performed, the energy supplied to the irradiation region does not change rapidly, and thus a rapid phase change in the irradiation region can be prevented. For example, when an amorphous semiconductor is crystallized by irradiation with laser light, it does not undergo abrupt phase change, so it does not have a rough surface or internal stress accumulation, and it must have uniform crystallinity. You can That is, the annealing effect can be made uniform.

【0024】[0024]

【実施例】本実施例では、半導体材料として珪素膜を用
いる。そして、レーザー光の照射によって、珪素膜の結
晶性を高める構成を説明する。
EXAMPLE In this example, a silicon film is used as a semiconductor material. Then, a structure in which the crystallinity of the silicon film is increased by irradiation with laser light will be described.

【0025】まず装置について説明する。図1には本実
施例で使用するレーザーアニール装置の概念図を示す。
図1に示すレーザアニール装置においては、主な構成が
台1上に配置されている。図1に示す構成においては、
レーザー光は発振器2で発振される。発振器2で発振さ
れるレーザー光は、KrFエキシマレーザー(波長24
8nm、パルス幅25ns)である。勿論、他のエキシ
マレーザーさらには他の方式のレーザーを用いることも
できる。ただし、パルス発振のレーザー光を用いる必要
がある。
First, the device will be described. FIG. 1 shows a conceptual diagram of a laser annealing apparatus used in this embodiment.
In the laser annealing apparatus shown in FIG. 1, the main components are arranged on a table 1. In the configuration shown in FIG.
The laser light is oscillated by the oscillator 2. The laser light oscillated by the oscillator 2 is a KrF excimer laser (wavelength 24
8 nm, pulse width 25 ns). Of course, other excimer lasers or lasers of other types can be used. However, it is necessary to use pulsed laser light.

【0026】発振器2で発振されたレーザー光は、全反
射ミラー5、6を経由して増幅器3で増幅され、さらに
全反射ミラー7、8を経由して光学系4に導入される。
光学系に入射する直前のレーザー光のビームは、3×2
cm2 程度の長方形であるが、光学系4によって、長さ1
0〜30cm、幅0.1 〜1 cm 程度の細長いビーム(線状
ビーム)に加工される。また、この光学系を通った後の
線状レーザービームの幅方向におけるエネルギー密度分
布は図3に示すような台形形状となっている。この光学
系4を経たレーザー光のエネルギーは最大で1000m
J/ショットである。
The laser light oscillated by the oscillator 2 is amplified by the amplifier 3 via the total reflection mirrors 5 and 6, and is further introduced into the optical system 4 via the total reflection mirrors 7 and 8.
The beam of laser light just before entering the optical system is 3 × 2
It is a rectangle with a size of about cm 2 , but it has a length of 1 due to the optical system 4.
It is processed into an elongated beam (linear beam) having a width of 0 to 30 cm and a width of 0.1 to 1 cm. The energy density distribution in the width direction of the linear laser beam after passing through this optical system has a trapezoidal shape as shown in FIG. The energy of the laser beam that has passed through this optical system 4 is 1000 m at maximum.
J / shot.

【0027】レーザー光をこのような細長いビームに加
工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線
状のビームは光学系4を出た後、全反射ミラー9を経
て、試料11に照射されるが、ビームの幅は試料の幅よ
りも長いので、試料を1方向に移動させることで、試料
全体に対してレーザー光を照射することができる。従っ
て、試料のステージ及び駆動装置10は構造が簡単で保
守も用意である。また、試料をセットする際の位置合わ
せの操作(アラインメント)も容易である。
The reason why the laser beam is processed into such an elongated beam is to improve the workability. That is, the linear beam exits the optical system 4, passes through the total reflection mirror 9, and is irradiated on the sample 11. However, since the width of the beam is longer than the width of the sample, the sample should be moved in one direction. Thus, the entire sample can be irradiated with laser light. Therefore, the sample stage and the driving device 10 have a simple structure and are easy to maintain. In addition, the positioning operation (alignment) when setting the sample is easy.

【0028】レーザー光が照射される基板(試料)のス
テージ10はコンピュータにより制御されており線状の
レーザー光に対して直角方向に動くよう設計されてい
る。さらに、基板を置くテーブルがそのテーブル面内で
回転する機能をつけておくとレーザービームの走査方向
を変更する場合に便利である。又、ステージ10の下に
はヒーターが内臓されており、レーザー光の照射時に試
料を所定の温度に保つことができる。
The stage 10 of the substrate (sample) irradiated with the laser light is controlled by a computer and is designed to move in a direction perpendicular to the linear laser light. Furthermore, it is convenient to change the scanning direction of the laser beam by providing the table on which the substrate is placed with a function of rotating within the table surface. Further, a heater is built in below the stage 10 so that the sample can be kept at a predetermined temperature when the laser beam is irradiated.

【0029】光学系4の内部の光路を図2に示す。光学
系4に入射したレーザー光はシリンドリカル凹レンズ
A、シリンドリカル凸レンズB、横方向のフライアイレ
ンズC、Dを通過し、さらにシリンドリカル凸レンズ
E、Fを通過してミラーG(図1ではミラー9に相当)
を介して、シリンドリカルレンズHによって集束され、
試料に照射される。レンズHを照射面に対して相対的に
上下させることによって、照射面上でのレーザービーム
の分布の形状を矩形に近いものから正規分布に近いもの
まで変形させることができる。
The optical path inside the optical system 4 is shown in FIG. The laser light incident on the optical system 4 passes through a cylindrical concave lens A, a cylindrical convex lens B, and lateral fly-eye lenses C and D, and further passes through cylindrical convex lenses E and F, and a mirror G (corresponding to the mirror 9 in FIG. 1). )
Is focused by the cylindrical lens H via
The sample is irradiated. By moving the lens H up and down relatively to the irradiation surface, the shape of the laser beam distribution on the irradiation surface can be changed from a shape close to a rectangle to a shape close to a normal distribution.

【0030】以下に本明細書で開示する発明を用いて、
レーザー光の照射によって、ガラス基板上に結晶性を有
する珪素膜を形成する例を示す。まず、10cm角のガ
ラス基板(例えばコーニング7959ガラス基板)を用
意する。そしてこのガラス基板上に、TEOSを原料と
したプラズマCVD法により、酸化珪素膜を2000Å
の厚さに形成する。この酸化珪素膜は、ガラス基板側か
ら不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下地
膜として機能する。
Using the invention disclosed in the present specification,
An example of forming a crystalline silicon film on a glass substrate by irradiation with laser light will be described. First, a 10 cm square glass substrate (for example, Corning 7959 glass substrate) is prepared. Then, a silicon oxide film of 2000 Å is formed on this glass substrate by a plasma CVD method using TEOS as a raw material.
To the thickness of. This silicon oxide film functions as a base film that prevents impurities from diffusing into the semiconductor film from the glass substrate side.

【0031】次にプラズマCVD法によって、非晶質珪
素膜(アモルファスシリコン膜)の成膜を行う。ここで
は、プラズマCVD法を用いるが、減圧熱CVD法を用
いるのでもよい。なお、非晶質珪素膜の厚さは、500
Åとする。勿論この厚さは、必要とする厚さとすればよ
い。
Next, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) is formed by the plasma CVD method. Although a plasma CVD method is used here, a low pressure thermal CVD method may be used. The thickness of the amorphous silicon film is 500
Å. Of course, this thickness may be the required thickness.

【0032】次に窒素雰囲気中において、450℃の温
度で1時間保持することにより、非晶質珪素膜中の水素
を離脱させる。これは、非晶質珪素膜中に不対結合手を
意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのし
きい値エネルギーを下げるためである。
Next, in a nitrogen atmosphere, the temperature of 450 ° C. is maintained for 1 hour to release hydrogen in the amorphous silicon film. This is because by intentionally forming dangling bonds in the amorphous silicon film, the threshold energy at the time of subsequent crystallization is lowered.

【0033】次に珪素の結晶化を助長する金属元素を導
入する。ここでは、当該金属元素としてニッケルを用
い、このニッケル元素を導入するためにニッケル酢酸塩
溶液を非晶質珪素膜上に塗布する。そしてニッケル元素
が非晶質珪素膜の表面に接して保持された状態とする。
そして窒素雰囲気中において、550℃、4時間の加熱
処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させる。
Next, a metal element that promotes crystallization of silicon is introduced. Here, nickel is used as the metal element, and a nickel acetate solution is applied onto the amorphous silicon film in order to introduce the nickel element. Then, the nickel element is held in contact with the surface of the amorphous silicon film.
Then, the amorphous silicon film is crystallized by performing heat treatment at 550 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere.

【0034】こうして、ガラス基板上に結晶性を有する
珪素膜を得ることができる。しかし、このようにして得
られた結晶性珪素膜は、内部に非晶質成分を多く含んで
おり、このような状態は電気特性の劣化や変化の要因と
なる。そこで本実施例においては、上記の加熱処理によ
る結晶化に加えて、レーザー光の照射を行い、その結晶
性を向上させる。
Thus, a crystalline silicon film can be obtained on the glass substrate. However, the crystalline silicon film thus obtained contains a large amount of amorphous components inside, and such a state causes deterioration or change of electric characteristics. Therefore, in this embodiment, in addition to crystallization by the above heat treatment, laser light irradiation is performed to improve the crystallinity.

【0035】ここでは、図1に示す装置を用い、KrF
エキシマレーザー(波長248nm、パルス幅25n
s)を前記結晶性を有する珪素膜に照射する。このレー
ザー光の照射によって、結晶性をさらに高めることがで
きる。
Here, using the apparatus shown in FIG.
Excimer laser (wavelength 248nm, pulse width 25n
s) is applied to the crystalline silicon film. By irradiating with this laser light, the crystallinity can be further enhanced.

【0036】レーザービームは光学系3を通すことによ
り長方形に整形し、被照射部分でのビーム面積は125
mm×1mmとする。なお、線状レーザーのビームプロ
ファイルがその性質上ビームの端が不明瞭となってい
る。よって、本明細書ではビームプロファイル中、最大
エネルギーの5%以上のエネルギーを持つ部分をビーム
と定義する。また線状の幅方向のエネルギープロファイ
ル(エネルギー分布)は、図3に示すような台形の分布
を有している。
The laser beam is shaped into a rectangle by passing through the optical system 3, and the beam area at the irradiated portion is 125.
mm × 1 mm. The beam profile of the linear laser has a characteristic that the end of the beam is unclear. Therefore, in this specification, a portion having an energy of 5% or more of the maximum energy in the beam profile is defined as a beam. The linear energy profile (energy distribution) in the width direction has a trapezoidal distribution as shown in FIG.

【0037】試料は、ステージ10上に載せられてお
り、ステージを2mm/s速度で移動させることによっ
て、その全面に照射が行われる。レーザー光の照射条件
は、レーザー光のエネルギー密度を100〜500mJ
/cm2 とし、パルス数を30パルス/sとする。なお、こ
こでいうエネルギー密度とは台形状に作られたビームの
上底部分(最大値を有する部分)の密度を指す。
The sample is placed on the stage 10, and the entire surface of the sample is irradiated by moving the stage at a speed of 2 mm / s. The irradiation condition of the laser light is such that the energy density of the laser light is 100 to 500 mJ.
/ Cm 2 and the number of pulses is 30 pulses / s. The energy density here means the density of the upper bottom portion (portion having the maximum value) of the trapezoidal beam.

【0038】上述のような条件でレーザー照射を行なう
と、試料のある一点に着目した場合、レーザー照射は1
5段階照射になる。これは、1回のビームの通過に0.5s
かかるので、1回のビームの走査しながらの照射によっ
て、一箇所には15パルスの照射が行われるからであ
る。この場合、上記15回の照射において、最初の数回
の照射は徐々にその照射エネルギー密度が大きくなって
いく照射であって、最後の数回が徐々にエネルギー密度
が小さくなっていく照射となる。
When laser irradiation is performed under the above-mentioned conditions, if one point on the sample is focused, the laser irradiation is 1
It will be a 5-step irradiation. This is 0.5s per beam pass
Because of this, irradiation of 15 pulses is performed at one location by one irradiation while scanning the beam. In this case, in the above 15 irradiations, the irradiation of the first several times is the irradiation whose irradiation energy density is gradually increased, and the irradiation of the last several times is the irradiation whose energy density is gradually decreased. .

【0039】この様子を図3に模式的に示す。15段階
の前半は徐々にレーザーエネルギーが上がっていき(図
3のAに注目)、後半では徐々にそれが下がっていく
(図3のBに注目)。この15という回数はレーザーの
ビーム幅とステージの速度とレーザーのパルス数から容
易に算出できる。我々の実験によると3〜100段階照
射、好ましくは10〜20段階照射が最もよい結晶性の
ある珪素膜が得られた。
This state is schematically shown in FIG. The laser energy gradually increases in the first half of the fifteen stages (note A in FIG. 3), and gradually decreases in the latter half (note B in FIG. 3). The number of times of 15 can be easily calculated from the beam width of the laser, the speed of the stage, and the number of pulses of the laser. According to our experiments, a 3 to 100 step irradiation, preferably 10 to 20 step irradiation gave a silicon film having the best crystallinity.

【0040】レーザー光の照射の際、基板温度は550
℃に保たれている。これは、レーザーによる基板表面温
度の上昇と下降の速度を和らげるために行われている。
一般に環境の急激な変化は物質の均一性を損なわれるこ
とが知られているが、基板温度を高く保つことでレーザ
ー照射による基板表面の均一性の劣化を極力抑えてい
る。本実施例では基板温度を500度に設定している
が、実際の実施では450℃〜ガラス基板の歪点までの
間でレーザーアニールに最適な温度を選ぶ。また雰囲気
制御は特に行わず、大気中で照射を行う。
The substrate temperature is 550 during the laser irradiation.
It is kept at ℃. This is done in order to moderate the rate of rise and fall of the substrate surface temperature by the laser.
It is generally known that rapid changes in the environment impair the uniformity of the substance, but by keeping the substrate temperature high, deterioration of the uniformity of the substrate surface due to laser irradiation is suppressed as much as possible. In the present embodiment, the substrate temperature is set to 500 degrees, but in actual implementation, the optimum temperature for laser annealing is selected from 450 ° C. to the strain point of the glass substrate. Irradiation is performed in the atmosphere without any particular atmosphere control.

【0041】[0041]

【発明の効果】本明細書で開示するレーザー光の照射技
術によって、量産性を向上させ、半導体デバイスとなる
べき膜の均一性を高めることができる。本明細書で開示
する発明は、半導体デバイスのプロセスに利用される全
てのレーザー処理プロセスに利用できるが、中でも半導
体デバイスとしてTFTを取り上げる場合、TFTのし
きい値電圧の均一性を向上させ、さらには特性の均一性
を向上させることができる。また、TFTのソース/ド
レインの不純物元素の活性化工程に本明細書で開示する
発明を使用した場合、TFTの電界効果移動度、あるい
はオン電流の均一性を高めることができる。
According to the laser light irradiation technique disclosed in this specification, mass productivity can be improved and uniformity of a film to be a semiconductor device can be improved. INDUSTRIAL APPLICABILITY The invention disclosed in the present specification can be used for all laser processing processes used for semiconductor device processes, but when a TFT is taken as a semiconductor device, the uniformity of the threshold voltage of the TFT is improved, Can improve the uniformity of properties. Further, when the invention disclosed in this specification is used in the activation process of the impurity element of the source / drain of the TFT, the field effect mobility of the TFT or the uniformity of the on-current can be increased.

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

【図1】レーザーアニール装置の概要を示す。FIG. 1 shows an outline of a laser annealing apparatus.

【図2】レーザー光を線状に加工する光学系を概要を示
す。
FIG. 2 shows an outline of an optical system that processes laser light into a linear shape.

【図3】台形のエネルギープロファイルを有するレーザ
ーが照射される場合の状態を模式的に示す。
FIG. 3 schematically shows a state in which a laser having a trapezoidal energy profile is irradiated.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 台 2 レーザー発振器 3 増幅器 4 光学系 5、6、7、8、9 全反射ミラー 10 駆動装置 11 試料 1 unit 2 Laser oscillator 3 Amplifier 4 Optical system 5, 6, 7, 8, 9 Total reflection mirror 10 Driving device 11 Sample

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】線状に加工されたパルスレーザービームで
あって、 前記レーザービームのエネルギープロファイルを台形状
にして、前記パルスレーザーを被照射物に対し相対的に
1方向に走査させながら照射することを特徴とするレー
ザーアニール方法。
1. A linearly processed pulsed laser beam, wherein the energy profile of the laser beam is trapezoidal, and the pulsed laser is irradiated while scanning the object in one direction relatively. A laser annealing method characterized by the above.
【請求項2】線状に加工されたパルスレーザーを1方向
にずらしながら照射する工程で、被照射物のある一点に
着目したとき、該パルスレーザーがその一点に複数回照
射されるようレーザービームを重ねて打つことを特徴と
するレーザーアニール方法。
2. A laser beam for irradiating a linearly processed pulse laser while displacing it in one direction, and when focusing on one point on an object to be irradiated, the pulse laser is irradiated to the point a plurality of times. A laser annealing method characterized in that a plurality of layers are hit.
【請求項3】請求項2において、ビームのエネルギープ
ロファイルが台形状であることを特徴とするレーザーア
ニール方法。
3. The laser annealing method according to claim 2, wherein the energy profile of the beam is trapezoidal.
【請求項4】線状に加工されたパルスレーザーを1方向
にずらしながら照射する工程で、被照射物のある一点に
着目したとき、該パルスレーザーがその一点に3〜10
0回照射されるようレーザービームを重ねて打つことを
特徴とするレーザーアニール方法。
4. A step of irradiating a linearly processed pulse laser while displacing it in one direction, and when focusing on one point on an object to be irradiated, the pulse laser is 3-10 at that point.
A laser annealing method characterized in that a laser beam is overlapped and hit so as to be irradiated 0 times.
【請求項5】請求項4において、レーザービームのエネ
ルギープロファイルが台形状であることを特徴とするレ
ーザーアニール方法。
5. The laser annealing method according to claim 4, wherein the energy profile of the laser beam is trapezoidal.
【請求項6】線状に加工されたパルスレーザーを1方向
にずらしながら照射する工程で、被照射物のある一点に
着目したとき、該パルスレーザーがその一点に10〜2
0回照射されるようレーザービームを重ねて打つことを
特徴とするレーザーアニール方法。
6. A step of irradiating a linearly processed pulse laser while shifting it in one direction, and when focusing on one point on an object to be irradiated, the pulse laser is 10-2 at that point.
A laser annealing method characterized in that a laser beam is overlapped and hit so as to be irradiated 0 times.
【請求項7】請求項6において、レーザービームのエネ
ルギープロファイルが台形状であることを特徴とするレ
ーザーアニール方法。
7. The laser annealing method according to claim 6, wherein the energy profile of the laser beam is trapezoidal.
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