JPH09129573A - Method and apparatus for laser annealing - Google Patents

Method and apparatus for laser annealing

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JPH09129573A
JPH09129573A JP8212060A JP21206096A JPH09129573A JP H09129573 A JPH09129573 A JP H09129573A JP 8212060 A JP8212060 A JP 8212060A JP 21206096 A JP21206096 A JP 21206096A JP H09129573 A JPH09129573 A JP H09129573A
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JP
Japan
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laser
laser beam
irradiation
irradiated
linear
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP8212060A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Naoto Kusumoto
直人 楠本
Koichiro Tanaka
幸一郎 田中
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a laser irradiation effect whose uniformity is high and to make the life of a laser light source long by a method wherein an energy distribution in the direction of a line width in the focus of a linear laser beam used to irradiate a semiconductor film face is specified. SOLUTION: When a face, to be irradiated, composed of a semiconductor film is irradiated with a linear laser beam which uses a pulsed laser as a light source, an energy distribution in the direction of a line width in the focus of the linear laser beam is specified. That is to say, a maximum energy is set at 1, a beam width at an energy of 0.95 is designated as L1, and a beam width at an energy of 0.70 is designated as L1+L2 (a line width on one side) + L3 (a line width on the other side). Then, expressions of inequality of 0.5 L1<=L2<=L1 and 0.5 L1<=L3<=L1 are to be satisfied. The laser beam obtained by this configuration has a depth of focus within about ±400μm, and it is possible to obtain a margin of about two to eight times with reference to the undulation of a substrate or a film.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】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。
TECHNICAL FIELD [0001] The invention disclosed in the present specification is:
For example, the present invention relates to a technique of irradiating a semiconductor material with laser light 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】また、本明細書で開示する発明は、線状の
レーザービームを用いて、半導体材料をアニールする、
レーザーアニール装置およびレーザーアニール方法に関
する。
Further, the invention disclosed in this specification uses a linear laser beam to anneal a semiconductor material,
The present invention relates to a laser annealing device and a laser annealing method.

【0003】また、本明細書で開示する発明は、レーザ
ーアニールによる、アモルファス(非晶質)のシリコン
(珪素)膜を結晶性シリコン膜とする工程や、結晶性シ
リコン膜の結晶性をさらに高める工程や、結晶性シリコ
ン膜に導電性を付与する等の目的で該膜に不純物を打ち
込んだ場合に生じる格子欠陥の修復工程等に特に有効で
ある。
The invention disclosed in the present specification further includes a step of converting an amorphous silicon film into a crystalline silicon film by laser annealing, and further improving the crystallinity of the crystalline silicon film. It is particularly effective for a process, a process for repairing lattice defects generated when an impurity is implanted into the crystalline silicon film for the purpose of imparting conductivity to the crystalline silicon film, and the like.

【0004】[0004]

【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.

【0005】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 implanting impurities. 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 the 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 crystallinity, Have been improved.

【0006】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。
[0006] In general, the higher the temperature, the shorter the treatment time may be, but the thermal annealing has almost no effect at a temperature of 500 ° C or lower. 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.

【0007】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700℃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。
Especially when a glass substrate is used as the substrate, it is required that the temperature of the thermal annealing be 700 ° 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.

【0008】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 replacing the thermal annealing, a technique of performing various annealings by irradiating 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.

【0009】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。
Regarding the irradiation of laser light, two methods have been proposed.

【0010】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 is a method of irradiating 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.

【0011】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 using a pulsed laser such as an excimer laser to instantaneously melt and solidify the semiconductor material. Is.

【0012】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 with the first method is that it takes a long time to process. 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. In contrast,
In the second method, the maximum energy of the laser is very large, so using a large spot of several cm 2 or more,
Mass productivity can be improved.

【0013】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.

【0014】この点に関しては、ビームを線状に変形
し、この線状ビームを、線方向に概略直角方向に走査す
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、線状レーザーを線幅方向(線方向
に対して概略直角方向)にすこしずつずらして重ねなが
ら照射することを言う。
In this respect, a great improvement can be made by deforming the beam linearly and scanning the linear beam in a direction substantially perpendicular to the line direction. In addition,
The term "scanning" as used herein refers to irradiating a linear laser while gradually shifting in the line width direction (a direction substantially perpendicular to the line direction) and overlapping.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】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、スリットを介すことによ
り、ビームのエネルギー分布の形状を矩形にできるだけ
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 has been left to be solved as a problem to be solved 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 energy 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.

【0016】図4に、レーザービームのエネルギー分布
を示す。図4(a)は、エネルギー分布の形状を矩形に
した例である(矩形とは、ここでは、図4(b)にて定
義される長さを用いて、L2、L3≦0. 2L1)。
FIG. 4 shows the energy distribution of the laser beam. FIG. 4A is an example in which the shape of the energy distribution is a rectangle (here, a rectangle is a length defined in FIG. 4B, and L2, L3 ≦ 0.2L1). .

【0017】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 the 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.

【0018】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
ネルギーが異なる2段階のレーザー光を照射すること
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。
This effect is very high, and the characteristics of the semiconductor device can be remarkably improved. This is because the semiconductor film can be crystallized stepwise by irradiating two stages of laser light with different irradiation energies, and a non-uniformity in crystallinity and generation of grain boundaries are followed in accordance with a rapid phase change. ,
Further, it is possible to alleviate the problem of stress concentration. Further, the effect of this stepwise irradiation can be further enhanced by further increasing the number of times and setting it in multiple steps. By these two measures, the uniformity of the laser irradiation effect can be considerably improved.

【0019】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、2段階照射法を行うた
めの設備も、1段階のみ照射を行う場合に比較して複雑
になり、コストアップにつながる。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。
However, when the two-step irradiation method as described above is used, the laser processing time is doubled, and the throughput is lowered. In addition, the equipment for performing the two-step irradiation method becomes complicated as compared with the case where only one step irradiation is performed, leading to an increase in cost. Further, even if the uniformity of the laser irradiation effect could be considerably improved, it was not yet sufficient.

【0020】そこで本発明は、パルスレーザー光を光源
とする線状レーザービームにより、半導体被膜に対する
結晶化を行うに際し、均一性の高いレーザー照射効果を
得ることを第1の課題とする。特に、本照射と予備照射
の2段階に分けることなく、1段階の照射において、均
一性の高いレーザー照射効果を得ることを課題とする。
Therefore, the first object of the present invention is to obtain a highly uniform laser irradiation effect when crystallizing a semiconductor film with a linear laser beam using a pulsed laser light as a light source. In particular, it is an object to obtain a highly uniform laser irradiation effect in one-step irradiation without dividing into two steps of main irradiation and preliminary irradiation.

【0021】また、正方形もしくは長方形の形状のビー
ムを線状に、しかも均質に変形させるには、工夫された
光学系が必要となる。図14に、従来のレーザーアニー
ル装置の光学系の例を示す。図14に示す光学系は、エ
キシマレーザビームを発生するエキシマレーザ発生手段
(A’) と、当該エキシマレーザビームを拡大するビー
ムエキスパンダ(B’) 、(C’)と、ビームエキスパ
ンダ(B’) 、(C’)によって拡大されたビームを分
割拡大する、縦拡大用のフライアイレンズ(D’)と、
横拡大用のフライアイレンズ(D2’)と、フライアイ
レンズ(D’)、(D2’)により分割拡大されたレー
ザービームを線状に集光する第1のシリンドリカルレン
ズ(E’) と、該線状化されたレーザービームの線方向
の均質性を良くする第2のシリンドリカルレンズ
(F’)と、被照射物、あるいは被照射物を有する基板
等を載置して図示矢印方向(J’)に移動するステージ
(I’)とから構成される。なお、図中の折り返しミラ
ー(G’)、および、シリンドリカルレンズ(H’)は
レーザービームの照射をステージ(I’)上の被照射物
に対して行うためのものである。図14において、ビー
ムエキスパンダ(B’)、(C’)を設けない構成もあ
る。
Further, in order to linearly and uniformly deform a square or rectangular beam, a devised optical system is required. FIG. 14 shows an example of an optical system of a conventional laser annealing apparatus. The optical system shown in FIG. 14 includes an excimer laser generating means (A ′) for generating an excimer laser beam, beam expanders (B ′), (C ′) for expanding the excimer laser beam, and a beam expander (B '), A fly-eye lens (D') for vertical expansion that divides and expands the beam expanded by (C '),
A fly-eye lens (D2 ′) for lateral magnification, a first cylindrical lens (E ′) that linearly focuses the laser beam divided and magnified by the fly-eye lenses (D ′) and (D2 ′), A second cylindrical lens (F ') for improving the homogeneity of the linearized laser beam in the line direction, an object to be irradiated, a substrate having the object to be irradiated, or the like is placed, and a direction indicated by an arrow (J). ') Moving to stage (I'). The folding mirror (G ′) and the cylindrical lens (H ′) in the figure are for irradiating the irradiation object on the stage (I ′) with the laser beam. In FIG. 14, there is also a configuration in which the beam expanders (B ′) and (C ′) are not provided.

【0022】このような光学系により、均質な線状レー
ザービームを得ることができる。しかしながら従来は、
レーザービームを分割拡大するフライアイレンズとし
て、縦拡大用(D’)と、横拡大用(D2’)の、2枚
を用いるため、フライアイレンズ全体の透過率が下が
り、レーザービームのエネルギー効率が低下する。その
結果、レーザーアニールにおいて、被照射物に与えるエ
ネルギー量が低下し、アニールが不十分となることがあ
る。これを防ぐためには、レーザー光源の出力を増加さ
せなければないらないが、そうすると、レーザー光源の
負担が増加して、装置としての寿命が短くなってしま
う。
With such an optical system, a uniform linear laser beam can be obtained. However, conventionally,
Two fly-eye lenses, one for vertical expansion (D ') and one for horizontal expansion (D2'), are used as the fly-eye lens that divides and expands the laser beam, so the overall transmittance of the fly-eye lens is reduced, and the laser beam energy efficiency is reduced. Is reduced. As a result, in laser annealing, the amount of energy given to the object to be irradiated decreases, and the annealing may become insufficient. In order to prevent this, it is necessary to increase the output of the laser light source, but if this is done, the load on the laser light source will increase and the life of the device will be shortened.

【0023】そこで本発明は、レーザーアニール、特
に、ガラス等の絶縁基板上に形成されたアモルファスシ
リコン膜の結晶化のためのレーザーアニールや、ガラス
等の絶縁基板上の熱結晶化された結晶性シリコン膜の結
晶性向上等に対するレーザーアニールを行うための、均
質な線状レーザービームを照射するに際し、エネルギー
ロスの小さい光学系とし、被照射物に十分なエネルギー
を与え、またレーザー光源を長寿命として使用できるレ
ーザーアニール装置およびレーザーアニール方法を提供
することを第2の課題とする。
Therefore, the present invention is directed to laser annealing, particularly laser annealing for crystallization of an amorphous silicon film formed on an insulating substrate such as glass, or thermal crystallization of an insulating substrate such as glass. When irradiating a uniform linear laser beam for laser annealing for improving the crystallinity of a silicon film, an optical system with a small energy loss is used to provide sufficient energy to the object to be irradiated and the laser light source has a long life. A second object is to provide a laser annealing apparatus and a laser annealing method that can be used as the above.

【0024】[0024]

【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エネルギー分布を工夫する
ことによって、第1の課題を解決する。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焦点にお
けるエネルギー(密度)分布を、その狭い幅方向(レー
ザービームの走査方向)において疑似台形状にする。そ
して、このようなエネルギー分布(プロファイル)を持
ったレーザービームを半導体材料の被膜上で走査し、結
晶化等の処理を行う。
In the invention disclosed in this specification, the first problem is solved by devising the energy distribution of the linear laser beam. In the invention disclosed in this specification, the energy (density) distribution at the focal point of the linear laser beam described above has a pseudo trapezoidal shape in the narrow width direction (scanning direction of the laser beam). Then, a laser beam having such an energy distribution (profile) is scanned over the film of the semiconductor material to perform a treatment such as crystallization.

【0025】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、パルスレーザーを光源とした線状レーザービーム
を、半導体被膜よりなる被照射面に照射するに際し、前
記線状レーザービームの焦点における線幅方向のエネル
ギー分布は、最大エネルギーを1として、エネルギーが
0. 95であるところのビーム幅をL1とし、エネルギ
ーが0. 70であるところのビーム幅を、L1+L2
(線幅の一方)+L3(線幅の他方)としたとき、不等
式0. 5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L1を
満たすものであることを特徴とするレーザーアニール方
法である。
The main inventions disclosed in this specification will be described below. One of the main inventions disclosed in the present specification is to irradiate a surface to be irradiated of a semiconductor film with a linear laser beam using a pulse laser as a light source, in a line width direction at a focal point of the linear laser beam. The energy distribution is such that the maximum energy is 1, the beam width where the energy is 0.95 is L1, and the beam width where the energy is 0.70 is L1 + L2.
The laser annealing method is characterized by satisfying the inequalities 0.5L1≤L2≤L1 and 0.5L1≤L3≤L1 when (one of the line widths) + L3 (the other of the line widths).

【0026】他の発明の構成は、パルスレーザーを光源
とした線状レーザービームを、該線状レーザービームと
半導体被膜よりなる被照射面とを前記線状レーザービー
ムの線幅方向に相対的に移動させながら、複数回照射す
るに際し、前記線状レーザービームの焦点における線幅
方向のエネルギー分布は、最大エネルギーを1として、
エネルギーが0. 95であるところのビーム幅をL1と
し、エネルギーが0. 70であるところのビーム幅を、
L1+L2(線幅の一方)+L3(線幅の他方)とした
とき、不等式0. 5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L
3≦L1を満たすものであることを特徴とするレーザー
アニール方法である。
According to another aspect of the present invention, a linear laser beam using a pulse laser as a light source is relatively moved in the line width direction of the linear laser beam between the linear laser beam and a surface to be illuminated by a semiconductor coating. When irradiating a plurality of times while moving, the energy distribution in the line width direction at the focal point of the linear laser beam has a maximum energy of 1,
The beam width where the energy is 0.95 is L1, and the beam width where the energy is 0.70 is
When L1 + L2 (one of the line widths) + L3 (the other of the line widths), the inequality is 0.5L1 ≦ L2 ≦ L1, 0.5L1 ≦ L
The laser annealing method is characterized by satisfying 3 ≦ L1.

【0027】図5に、疑似台形のエネルギー分布を有す
る線状レーザービームでレーザー光を照射する様子を示
す。図5に示すように、図4の(b)に示すようなエネ
ルギー密度(ビームの線幅は、レーザービームのエネル
ギー最高値の半値幅)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。
FIG. 5 shows how a laser beam is emitted by a linear laser beam having a pseudo trapezoidal energy distribution. As shown in FIG. 5, while gradually moving a pulsed laser beam having a beam profile having an energy density (the line width of the beam is the half-value width of the maximum energy of the laser beam) as shown in FIG. , When the beams are irradiated so as to partially overlap each other, a pulse is irradiated a plurality of times in a specific linear region, and the irradiation energy density is increased stepwise during the irradiation of the plurality of pulses. The pulse with the increased energy is emitted in the first stage, and the pulse with the irradiation energy density gradually reduced is emitted.

【0028】すなわち、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。
That is, in the step of irradiating the linearly processed pulse laser while displacing it in one direction, when focusing on one point on the irradiation target, the pulse laser is irradiated so that the point is irradiated a plurality of times. It is characterized by repeatedly hitting.

【0029】この場合において、被照射面のある一点に
着目したとき、該パルスレーザーをその一点に3〜10
0回、好ましくは、10〜40回照射する。
In this case, when focusing on one point on the surface to be irradiated, the pulse laser is applied to that point for 3 to 10 points.
Irradiation is performed 0 times, preferably 10 to 40 times.

【0030】上記した発明は、第1の課題を解決するも
のであり、線状にビーム加工されたパルスレーザー光
を、その線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線幅方向において疑似台形状のエ
ネルギー分布を有するものを用いるものである。
The above-mentioned invention is to solve the first problem, and when the pulsed laser beam processed into a linear beam is scanned and irradiated in the line width direction, the linear laser beam The one having a pseudo trapezoidal energy distribution in the line width direction is used.

【0031】疑似台形状のエネルギー分布とは、線状の
レーザービームの線幅方向において、最大エネルギーを
1として、エネルギーが0. 95であるところのビーム
幅をL1、エネルギーが0. 70であるところのビーム
幅を、L1+L2(線幅の一方)+L3(線幅の他方)
としたとき、不等式0. 5L1≦L2≦L1、0. 5L
1≦L3≦L1を共に満たすものである。
In the pseudo trapezoidal energy distribution, in the line width direction of a linear laser beam, the maximum energy is 1, the beam width where the energy is 0.95 is L1, and the energy is 0.70. The beam width is L1 + L2 (one of the line widths) + L3 (the other of the line widths)
, Then the inequality 0.5L1 ≦ L2 ≦ L1, 0.5L
Both satisfy 1 ≦ L3 ≦ L1.

【0032】このようなエネルギー分布を有する線状レ
ーザービームを、走査しながら照射することによって、
被照射領域のある一点において、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、エネルギー密度
が連続的に変化するレーザー光の照射が行われる。
By irradiating the linear laser beam having such energy distribution while scanning,
At one point in the irradiated area, the area with weak energy density at the tail of the trapezoidal energy distribution is first irradiated, and then the laser beam is scanned, so that the irradiation is performed with gradually higher energy density. The laser beam is irradiated with the energy density of the upper side (maximum value), and finally the irradiation with the energy density gradually weakened. In this way, the irradiation of the laser light whose energy density continuously changes corresponding to the trapezoidal energy distribution is performed on one irradiation target area.

【0033】したがって、前述した予備照射と本照射と
を行なう2段階レーザー照射を行う方法で、予備照射の
弱いレーザーエネルギー領域の役割を、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)が実質的に果たすので、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。
Therefore, in the method of performing the two-stage laser irradiation in which the preliminary irradiation and the main irradiation described above are performed, the role of the weak laser energy region of the preliminary irradiation is determined by the portion of the energy distribution (trapezoidal distribution) having the energy gradient. Since the (hem part) is substantially fulfilled, the same effect as when the irradiation energy is changed stepwise can be obtained.

【0034】すなわち、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
場合において、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、さらに徐々にエネルギー密
度が弱いレーザー光が照射され、照射が終了したと同等
な状況を、エネルギー密度の異なる複数のレーザー光を
用いた2段階照射を行わなくても、実現することができ
る。
That is, by irradiating the laser beam in the above-described state, when a certain irradiation target area is focused, the weak laser beam is first irradiated, the strong laser beam is gradually irradiated, and It is possible to realize the same situation as when the irradiation with the laser beam having the weak energy density is gradually performed and the irradiation is completed without performing the two-step irradiation using the plurality of laser beams having different energy densities.

【0035】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るエネルギーが急激に変化すること
がないので、被照射物における急激な相変化等を防ぐこ
とができる。
When such laser light irradiation is carried out, the energy supplied to the irradiated region does not change abruptly, so that abrupt phase changes in the irradiated object can be prevented.

【0036】したがって、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。
Therefore, for example, when an amorphous semiconductor is crystallized by irradiation with a laser beam, it does not undergo a rapid phase change, so that the surface is not roughened and stress is not accumulated inside, so that a uniform surface is obtained. Crystallinity can be imparted. That is, the annealing effect can be made uniform.

【0037】さらに、台形状のエネルギー分布を有する
レーザー光が照射されることで、レーザー光の焦点深度
が、従来のレーザービームと比較して、広がり、レーザ
ー加工がより容易となる。
Further, by irradiating the laser beam having the trapezoidal energy distribution, the depth of focus of the laser beam becomes wider than that of the conventional laser beam, and the laser processing becomes easier.

【0038】従来の、エネルギー分布が矩形状のレーザ
ービームの焦点深度が、±200μm程度であったのに
対し、エネルギー分布が、0. 5L1≦L2≦L1、
0. 5L1≦L3≦L1を満たす台形状のレーザービー
ムにおいては、±約400μm程度が得られる。
Whereas the conventional laser beam having a rectangular energy distribution has a depth of focus of about ± 200 μm, the energy distribution has a distribution of 0.5 L1 ≦ L2 ≦ L1,
With a trapezoidal laser beam satisfying 0.5L1 ≦ L3 ≦ L1, about ± 400 μm is obtained.

【0039】図7にレーザービームのエネルギー分布と
焦点深度(絶対値)の関係を概念的に示す。図7におい
て、斜線領域bが、本発明のレーザービームエネルギー
分布0. 5L1≦L2≦L1、0. 5L1≦L3≦L1
を示したものである。図7の横軸は、L2/L1(また
はL3/L1)であり、この値が0に近づく程、レーザ
ービームのエネルギー分布形状は、矩形に近づく。逆
に、大きくなるほど、台形〜三角形となる。
FIG. 7 conceptually shows the relationship between the energy distribution of the laser beam and the depth of focus (absolute value). In FIG. 7, the hatched region b is the laser beam energy distribution of the present invention 0.5L1 ≦ L2 ≦ L1, 0.5L1 ≦ L3 ≦ L1.
It is shown. The horizontal axis of FIG. 7 is L2 / L1 (or L3 / L1), and as this value approaches 0, the energy distribution shape of the laser beam approaches a rectangle. Conversely, the larger the size, the more trapezoidal to triangular.

【0040】レーザービームの焦点深度が広がると、多
少のうねり、凸凹を持った被照射面に対しても均質にレ
ーザー加工を行うことができるようになる。例えば、ガ
ラス基板上に、0.2μmの酸化珪素膜上に、0.1μ
mの非晶質珪素膜を成膜して、600℃で熱結晶化させ
た後のガラス基板は、300×300mm2 程度の大き
さになると、±数十〜数百μm程度のうねりを有し易
い。
When the depth of focus of the laser beam is widened, it becomes possible to uniformly perform laser processing even on a surface to be irradiated which has some waviness and unevenness. For example, on a glass substrate, on a 0.2 μm silicon oxide film,
After the amorphous silicon film having a thickness of m is formed and thermally crystallized at 600 ° C., the glass substrate has a waviness of about several tens to several hundreds of μm when the size becomes about 300 × 300 mm 2. Easy to do.

【0041】したがって、図7のa領域、すなわち、
0.5L1>L2,L3である従来の矩形状のレーザー
ビームは、焦点深度が±200μm程度であり、前記の
如き珪素膜に対して、結晶化の不均一を招き、その結
果、結晶化された珪素膜は、その移動度が基板面内にお
いて、10%以上のバラツキが生じやすい。一方、図7
のb領域、すなわち、L2,L3>L1として、焦点深
度があまり大きくなると、焦点調整が困難となり、被照
射面のエネルギー密度が不十分となる。その結果、珪素
膜は結晶化が不十分となり、所望の移動度が得られな
い。
Therefore, the area a in FIG. 7, that is,
The conventional rectangular laser beam with 0.5L1> L2, L3 has a depth of focus of about ± 200 μm, which causes non-uniform crystallization of the silicon film as described above, resulting in crystallization. The mobility of the silicon film tends to vary by 10% or more within the substrate surface. On the other hand, FIG.
If the depth of focus becomes too large in the region b, that is, L2, L3> L1, the focus adjustment becomes difficult and the energy density of the irradiated surface becomes insufficient. As a result, the crystallization of the silicon film is insufficient, and the desired mobility cannot be obtained.

【0042】上記構成により得られるレーザービーム
は、±約400μm程度以内の焦点深度を有し、基板や
被膜のうねりに対し約2〜8倍程度のマージンが得ら
れ、前記の如き凹凸を有する珪素膜に対するレーザー加
工は、十分なエネルギー密度にて、極めて均質に行われ
うる。
The laser beam obtained by the above structure has a depth of focus within about ± 400 μm, a margin of about 2 to 8 times with respect to the waviness of the substrate or the coating film, and the above-mentioned uneven silicon. Laser machining of the film can be carried out very homogeneously with sufficient energy density.

【0043】したがって、数百μmのうねりを有する基
板上の珪素膜に対しても、移動度のバラツキが10%以
内の、均一なものとすることができる。かつ、十分な移
動度を有せしめることができる。このように、本発明
の、台形状のエネルギー分布を有するレーザー光は、半
導体被膜等の、うねり、凹凸を有する被照射面に対し、
極めて均質なレーザー照射を行うことができる。
Therefore, even for a silicon film on a substrate having a waviness of several hundreds of μm, it is possible to make the mobility uniform within 10%. Moreover, it is possible to provide sufficient mobility. As described above, the laser light having the trapezoidal energy distribution of the present invention is applied to the surface to be irradiated, which has undulations and irregularities, such as a semiconductor film.
Very homogeneous laser irradiation can be performed.

【0044】これらの効果は、特に基板の面積が大きく
なるほどに、有効となる。上記発明では、±400μm
程度の焦点深度が得られるため、被照射物が、±400
μm程度までの凹凸に対しては、均一な結晶化が可能で
ある。
These effects become more effective as the area of the substrate increases. In the above invention, ± 400 μm
Since a depth of focus of about 4 is obtained, the irradiation target is ± 400
Uniform crystallization is possible for irregularities up to about μm.

【0045】上記焦点深度は、珪素被膜に対するレーザ
ー結晶化の際、該被膜の移動度のバラツキが±10%以
内に収まる範囲に、結晶性を均質化させる。ただし、こ
れらの数値は、パルスレーザーのショットごとのバラツ
キが3σで±3%以内に収まっている物を使用した場合
のものである。前記バラツキが3σで±3%以上のもの
を使用する場合は、焦点深度が減少する。また、該バラ
ツキの3σで±10%以上のものは、半導体の結晶化に
は不向きであった。
The above-mentioned depth of focus homogenizes the crystallinity within a range in which the variation in the mobility of the silicon coating is within ± 10% during the laser crystallization of the silicon coating. However, these numerical values are for the case where the variation of each shot of the pulse laser is within 3% within 3σ. If the variation is 3σ or more and ± 3% or more, the depth of focus is reduced. Further, the variation of 3σ of ± 10% or more was not suitable for crystallization of a semiconductor.

【0046】また、上記第2の課題を解決するために、
本明細書に開示する他の発明は以下の構成を有する。図
9において、パルスーレーザ発生手段(K)と、前記パ
ルスレーザ発生手段から照射されたレーザビームを拡大
するためのビームエキスパンダ(L)、(M)と、前記
拡大されたレーザビームを分割拡大する複眼状のフライ
アイレンズ(N)と、前記分割拡大されたレーザービー
ムを線状に集光する第1のシリンドリカルレンズ(O)
と、前記線状に集光されたレーザービームの線方向の均
質性を良くする第2のシリンドリカルレンズ(P)と、
被照射物を、前記線状に集光されたレーザービームの線
方向とほぼ直角の方向に相対的に移動させるステージ
(S)と、を有することを特徴とするレーザーアニール
装置である。
In order to solve the above second problem,
Another invention disclosed in this specification has the following configuration. In FIG. 9, a pulse-laser generating means (K), beam expanders (L) and (M) for expanding the laser beam emitted from the pulse laser generating means, and the expanded laser beam are divided and expanded. A compound eye fly-eye lens (N) and a first cylindrical lens (O) for linearly focusing the split and expanded laser beam.
And a second cylindrical lens (P) that improves the homogeneity of the linearly focused laser beam in the line direction,
A laser annealing apparatus comprising: a stage (S) that relatively moves an object to be irradiated in a direction substantially perpendicular to the line direction of the linearly focused laser beam.

【0047】本発明の他の構成は、図10において、パ
ルスレーザー発生手段(k)と、前記パルスレーザー発
生手段から照射されたレーザービームを分割拡大する複
眼状のフライアイレンズと(l)、前記分割拡大された
レーザービームを線状に集光する第1のシリンドリカル
レンズ(m)と、前記線状に集光されたレーザービーム
の線方向の均質性を良くする第2のシリンドリカルレン
ズ(n)と、被照射物を、前記線状に集光されたレーザ
ービームの線方向とほぼ直角の方向に相対的に移動させ
るステージ(q)とを有することを特徴とするレーザー
アニール装置である。
Another structure of the present invention is that in FIG. 10, a pulse laser generating means (k), a compound eye fly-eye lens for dividing and expanding the laser beam emitted from the pulse laser generating means (l), A first cylindrical lens (m) for linearly focusing the divided and expanded laser beam, and a second cylindrical lens (n) for improving the homogeneity of the linearly focused laser beam in the linear direction. ) And a stage (q) for relatively moving the irradiation object in a direction substantially perpendicular to the linear direction of the linearly focused laser beam.

【0048】上記構成において、パルスレーザー発生手
段として、エキシマレーザー発生手段を用いることは好
ましい。
In the above structure, it is preferable to use an excimer laser generating means as the pulse laser generating means.

【0049】また、上記構成において、第1のシリンド
リカルレンズの後方に、前記線状レーザビームの縁部を
除去するスリットを設けることは好ましい。
In the above structure, it is preferable to provide a slit behind the first cylindrical lens for removing the edge of the linear laser beam.

【0050】また上記構成において、複眼状のフライア
イレンズは、平面形状が多角形の凸レンズを、複数個規
則的に敷きつめて、平面状に構成されたものが好まし
い。個々の凸レンズは、平面形状が、正方形、長方形、
六角形等が好ましい。
Further, in the above structure, it is preferable that the compound eye fly-eye lens has a planar shape by regularly laying out a plurality of convex lenses having a polygonal planar shape. Each convex lens has a planar shape of square, rectangle,
Hexagons and the like are preferable.

【0051】上記第2の課題を解決する他の構成は、パ
ルスレーザービームを複眼状のフライアイレンズにより
分割拡大し、前記分割拡大されたレーザービームを線状
に集光して、走査しながら被照射物に照射することを特
徴とするレーザーアニール方法である。上記各構成にお
いて、パルスレーザービームは、エキシマレーザービー
ムを用いることは好ましい。
Another configuration for solving the above-mentioned second problem is that the pulsed laser beam is divided and expanded by a compound eye fly-eye lens, and the divided and expanded laser beam is linearly condensed and scanned. This is a laser annealing method characterized by irradiating an object to be irradiated. In each of the above structures, it is preferable to use an excimer laser beam as the pulse laser beam.

【0052】上記レーザーアニール装置または方法は、
エキシマレーザー発生手段から発生されたレーザービー
ム、または該ビームがビームエキスパンダーによって拡
大整形されたレーザービームを、一枚の複眼状フライア
イレンズにより分割拡大するものである。
The above laser annealing apparatus or method is
The laser beam generated by the excimer laser generating means or the laser beam expanded and shaped by the beam expander is divided and expanded by one compound eye fly-eye lens.

【0053】このようにすることで、フライアイレンズ
を、縦拡大用と横拡大用の2枚のフライアイレンズを用
いる場合に比較し、光量損失が少なくて済むため、レー
ザーのエネルギーロスが大幅に減少して、エネルギー効
率が向上し、良好なレーザーアニール、シリコン膜の結
晶化が可能となり、また、レーザー光源の長寿命化を図
ることができる。
By doing so, compared to the case where two fly-eye lenses, one for vertical enlargement and one for horizontal enlargement, are used as the fly-eye lens, the light amount loss can be reduced, so that the energy loss of the laser is greatly reduced. Energy efficiency is improved, good laser annealing and good crystallization of the silicon film are possible, and the life of the laser light source can be extended.

【0054】図8に、複眼状フライアイレンズの例を示
す。図8に示すように、本発明において用いるフライア
イレンズは、平面形状が多角形、例えば正方形を有する
凸レンズ801を、複数個規則的に、平面状に敷きつめ
た、複眼状の構成を有するフライアイレンズである。こ
の、複眼状のフライアイレンズは、一枚で、入射光を、
縦方向と横方向に均質に分割拡大する機能を有する。
FIG. 8 shows an example of a compound eye fly-eye lens. As shown in FIG. 8, the fly-eye lens used in the present invention has a compound-eye configuration in which a plurality of convex lenses 801 each having a polygonal planar shape, for example, a square, are regularly laid in a planar shape. It is a lens. This compound eye-shaped fly-eye lens is a single lens,
It has the function of uniformly dividing and expanding in the vertical and horizontal directions.

【0055】フライアイレンズを構成する個々の凸レン
ズの平面形状は、多角形、特に、長方形、正方形、また
は、六角形等にすると、規則的に配置しやすいため、レ
ンズの作製、加工が容易であり、また、レンズとして高
い精度を有せしめることが容易となるため、好ましい。
If the planar shape of the individual convex lenses constituting the fly-eye lens is polygonal, particularly rectangular, square, or hexagonal, it is easy to arrange them regularly, so that the lenses can be easily manufactured and processed. In addition, it is preferable because it is easy to provide the lens with high accuracy.

【0056】レーザーアニール装置の構成として上記に
列挙したレンズは、レーザビームを線状に集光させ、か
つ、ビーム内の線方向のエネルギー分布を均一にするた
めのもので、ビームエキスパンダやフライアイレンズで
レーザビームの幅を広げた後、その一方向に沿って筒状
の棒状集光レンズ、たとえばシリンドリカルレンズによ
って、レーザビームを線状に集光する。
The lenses listed above as the configuration of the laser annealing apparatus are for concentrating the laser beam linearly and for making the energy distribution in the beam in the linear direction uniform, and include a beam expander and a flyer. After the width of the laser beam is widened by the eye lens, the laser beam is linearly condensed along one direction by a cylindrical rod-shaped condenser lens, for example, a cylindrical lens.

【0057】パルスレーザー光源として、エキシマレー
ザ光は、照射直後のレーザービーム断面の形状が四角形
で、その強さもビームの断面内で概略均一である。ビー
ムエキスパンダは、レーザビームの幅を広げ、ビームの
断面の形状を正方形(もしくは長方形)に拡大整形し、
その面積を大面積化するものである。
As a pulsed laser light source, excimer laser light has a quadrangular laser beam cross section immediately after irradiation, and its intensity is also substantially uniform in the beam cross section. The beam expander widens the width of the laser beam, expands and shapes the cross-sectional shape of the beam into a square (or rectangle),
The area is enlarged.

【0058】ただし、ビームエキスパンダを用いると、
レンズ数が増加する分、レーザービームのエネルギー効
率は低下する。したがって、ビームエキスパンダーを有
しない構成としてもよい。
However, if a beam expander is used,
The energy efficiency of the laser beam decreases as the number of lenses increases. Therefore, a configuration without a beam expander may be adopted.

【0059】フライアイレンズはビーム面積を拡大する
一方で、ビームのエネルギー分布を均一にする作用を有
している。フライアイレンズは本来、ビームの均質化を
目的として開発されたものである。
The fly-eye lens has the effect of making the energy distribution of the beam uniform while expanding the beam area. The fly-eye lens was originally developed for the purpose of homogenizing the beam.

【0060】また、この線状に集光されたレーザビーム
の線幅方向のエネルギー分布は、球面収差により、集光
された光の周辺部にガウス分布に従ったエネルギー密度
の弱くなる領域を発生させる。そのため、線状ビームの
周辺部において、ビーム形状の端部のきれが明確でなく
なる。このため、シリンドリカルレンズを通過後の線状
レーザービームに生じる、上記線幅方向のガウス分布近
似のエネルギー分布の周辺部(すその部分)を、適当な
スリットを用いて取り除いてもよい。
The energy distribution in the line width direction of the linearly focused laser beam causes a region where the energy density according to the Gaussian distribution is weakened in the peripheral portion of the focused light due to spherical aberration. Let Therefore, in the peripheral portion of the linear beam, the break in the end portion of the beam shape becomes unclear. For this reason, the peripheral portion (the tail portion) of the energy distribution of the Gaussian distribution approximation in the line width direction, which occurs in the linear laser beam after passing through the cylindrical lens, may be removed by using an appropriate slit.

【0061】レーザービームは、例えばガラス基板上に
形成されたアモルファスシリコン膜等、被照射物をステ
ージ上に載置し、該ステージを移動させながら、レーザ
ービームを被照射面(被照射物の表面)上で適度に重な
るようにして照射することにより、たとえばアモルファ
スシリコン膜を高速度かつ均質に結晶化することができ
る。
For the laser beam, for example, an object to be irradiated such as an amorphous silicon film formed on a glass substrate is placed on a stage, and while moving the stage, the laser beam is irradiated onto the surface to be irradiated (the surface of the object to be irradiated). ) By irradiating so as to overlap with the above, the amorphous silicon film can be crystallized at high speed and uniformly.

【0062】本明細書に開示されたレーザーアニール装
置、レーザーアニール方法は、レーザーアニールによ
り、アモルファスシリコン膜を結晶性シリコン膜とする
工程、結晶性シリコン膜の結晶性をさらに高める工程、
結晶性シリコン膜に導電性を付与する等の目的で、該膜
に不純物イオンを打ち込んだ場合に生じる、格子欠陥の
修復工程等に用いると、特に有効である。特に、ガラス
基板上に形成されている上記各種膜に対して、有効であ
る。
The laser annealing apparatus and the laser annealing method disclosed in the present specification are the steps of converting an amorphous silicon film into a crystalline silicon film by laser annealing, a step of further enhancing the crystallinity of the crystalline silicon film,
It is particularly effective when used in a process of repairing lattice defects, which occurs when impurity ions are implanted into the crystalline silicon film for the purpose of imparting conductivity to the crystalline silicon film. In particular, it is effective for the above various films formed on the glass substrate.

【0063】[0063]

【実施例】【Example】

〔実施例1〕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。まず装置について説明
する。
Example 1 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. First, the device will be described.

【0064】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のレーザーアニール装置
は、マルチチャンバー方式であり、ローダー/アンロー
ダー室11から搬入され、アライメント室12にて位置
決めされた基板を、トランスファー室13を介して、該
トランスファー室に設けられた基板搬送用ロボット14
により、各室に運び、基板毎に連続して処理されるもの
である。
FIG. 1 shows a conceptual diagram of a laser annealing apparatus used in this embodiment. The laser annealing apparatus shown in FIG. 1 is a multi-chamber type, and a substrate loaded from a loader / unloader chamber 11 and positioned in an alignment chamber 12 is placed in the transfer chamber via a transfer chamber 13. Transport robot 14
In this way, it is carried to each chamber and processed successively for each substrate.

【0065】基板は、初めに熱処理室15に搬入され、
熱処理の後、レーザーアニール室16にてレーザーアニ
ールが施され、その後徐冷室17に運ばれて徐冷のの
ち、ローダー/アンローダー室11へと移動される。
The substrate is first carried into the heat treatment chamber 15,
After the heat treatment, laser annealing is performed in the laser annealing chamber 16, and after that, it is carried to the slow cooling chamber 17 and gradually cooled, and then moved to the loader / unloader chamber 11.

【0066】このレーザーアニール装置は周囲に対する
密閉性を有しており、不純物による汚染を防いでいる。
また、レーザー照射時の雰囲気制御機能を有している。
また、基板を加熱する機能も有しており、レーザー照射
時の被照射物を所望の温度に保つことができる。
This laser annealing apparatus has a hermeticity with respect to the surroundings and prevents contamination by impurities.
It also has an atmosphere control function during laser irradiation.
Further, it also has a function of heating the substrate, so that the object to be irradiated can be kept at a desired temperature during laser irradiation.

【0067】なお、該レーザーアニール装置のパルスご
とのエネルギーのバラツキは、3σで±3%以内に収ま
っている。これよりもバラツキの大きいパルスレーザー
を用いても構わないが、焦点深度がせばまる。なお、3
σで±10%以上のものは、本実施例には適さない。
The energy variation for each pulse of the laser annealing apparatus is within ± 3% at 3σ. A pulsed laser with a larger variation than this may be used, but the depth of focus is limited. In addition, 3
Those with σ of ± 10% or more are not suitable for this embodiment.

【0068】また、レーザーアニール装置には、図示し
ないレーザービーム照射手段が設けられており、このレ
ーザービーム照射手段から照射された線状ビームは、レ
ーザアニール室16内入射して、レーザーアニール室1
6のステージ上に載置された試料を照射する。
Further, the laser annealing apparatus is provided with a laser beam irradiating means (not shown), and the linear beam emitted from the laser beam irradiating means enters the laser annealing chamber 16 and the laser annealing chamber 1
The sample mounted on the stage of No. 6 is irradiated.

【0069】レーザービーム照射手段において、発振器
としてLUMNICS社製EX748を用いた。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。
In the laser beam irradiation means, EX748 manufactured by LUMNICS was used as an oscillator. The oscillated laser light 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.

【0070】発振されたレーザー光は、そのビーム形状
の変形のために、図2に示すような光学系に導入され
る。図2に光学系の例を示す。光学系に入射する直前の
レーザー光のビームは、3×2cm2 程度の長方形である
が、該光学系によって、長さ10〜30cm、幅0.01 〜
0.3 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4の(b)に
示すような台形形状となっている。本光学系を経たレー
ザー光のエネルギーは、最大で800mJ/ショットで
ある。
The oscillated laser light is introduced into the optical system as shown in FIG. 2 due to the deformation of its beam shape. FIG. 2 shows an example of the optical system. The beam of laser light immediately before entering the optical system has a rectangular shape of about 3 × 2 cm 2 , and depending on the optical system, the length is 10 to 30 cm and the width is 0.01 to
It is processed into a slender beam (linear beam) of about 0.3 cm. Further, 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 is 800 mJ / shot at the maximum.

【0071】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
状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの長
さが試料の幅よりも長ければ、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。一方、ビームの長さが試料の幅よりも短い場
合でも、長方形のビームと比較すると加工の手間がかか
らない。しかし、この場合、ビームを、試料に対して相
対的に、上下左右に動かす必要性が生じる。
The reason why the laser beam is processed into such an elongated beam is to improve the processability. That is, when the sample is irradiated with a linear beam, if the beam length is longer than the sample width, the sample is moved in one direction to irradiate the sample with laser light. You can On the other hand, even when the length of the beam is shorter than the width of the sample, it does not take much time for processing as compared with the rectangular beam. However, in this case, it is necessary to move the beam vertically and horizontally relative to the sample.

【0072】レーザー光が照射される基板(試料)は、
レーザーアチール室16内のステージに載置されてい
る。このステージはコンピュータにより制御されており
線状レーザービームの線方向に対して直角方向に動くよ
う設計されている。さらに、該ビームの線方向に対して
動く機能をステージにつけておくと、ビーム幅が試料に
対して短い場合でも、試料全体に対するレーザー加工が
可能となる。又、該ステージ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 substrate (sample) irradiated with laser light is
It is mounted on a stage in the laser-achil chamber 16. The stage is controlled by a computer and designed to move in a direction perpendicular to the line direction of the linear laser beam. Further, if the stage is provided with a function of moving in the line direction of the beam, laser processing can be performed on the entire sample even if the beam width is short with respect to the sample. In addition, a heater is built in below the stage so that the sample can be kept at a predetermined temperature during irradiation with laser light.

【0073】レーザービームを線状レーザーに加工する
光学系の内部の光路(図2)の説明をする。該光学系に
入射したレーザー光は、シリンドリカル凹レンズB、シ
リンドリカル凸レンズC(レンズB、Cを総称してビー
ムエキスパンダと呼ぶ)、複眼状フライアイレンズDを
通過する。フライアイレンズとして、複眼状フライアイ
レンズに変えて、縦拡大用と横拡大用の2つのフライア
イレンズを用いてもよい。なお複眼状フライアイレンズ
については、実施例3で詳述する。
The optical path inside the optical system for processing the laser beam into a linear laser (FIG. 2) will be described. The laser light incident on the optical system passes through a cylindrical concave lens B, a cylindrical convex lens C (lenses B, C are collectively called a beam expander), and a compound eye fly-eye lens D. As the fly-eye lens, two fly-eye lenses for vertical magnification and horizontal magnification may be used instead of the compound-eye fly-eye lens. The compound eye fly-eye lens will be described in detail in Example 3.

【0074】レーザー光はさらに、第1のシリンドリカ
ルレンズとして、シリンドリカル凸レンズE、線状化さ
せるビームの線方向の均質性を良くするために設けられ
る第2のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル
凸レンズFを通過し、ミラーGを介して、シリンドリカ
ルレンズHによって集束され、被照射面に照射される。
The laser light further passes through a cylindrical convex lens E as a first cylindrical lens and a cylindrical convex lens F as a second cylindrical lens provided to improve the homogeneity of the beam to be linearized in the line direction. , Is focused by the cylindrical lens H via the mirror G, and the surface to be illuminated is illuminated.

【0075】シリンドリカルレンズA、B間を230m
mとし、フライアイレンズD、D2間を230mmと
し、フライアイレンズDとシリンドリカルレンズEとの
間を650mmとし、シリンドリカルレンズFと被照射
面との間を650mm(それぞれ各レンズの焦点距離の
和)とした。もちろん、これらは、状況に応じて変化さ
せうる。シリンドリカルレンズHには、焦点距離が12
0mmの物を用いる。
230 m between the cylindrical lenses A and B
m, the distance between the fly-eye lenses D and D2 is 230 mm, the distance between the fly-eye lens D and the cylindrical lens E is 650 mm, and the distance between the cylindrical lens F and the illuminated surface is 650 mm (the sum of the focal lengths of the respective lenses). ). Of course, these can be changed depending on the situation. The focal length of the cylindrical lens H is 12
A 0 mm object is used.

【0076】焦点におけるレーザービームのエネルギー
分布の形状を、レンズHを上下(J方向)に変化させる
ことで、台形状にする。被照射面をレンズHに対して相
対的に上下させる(J方向)ことによって、被照射面上
(焦点)でのレーザービームのエネルギー分布の形状
を、矩形に近いものから台形に近いものまで変形させる
ことができる(図2の下図参照。これらの形をよりシャ
ープにするには、レーザー光路の途中にスリットを入れ
るとよい)。光学系は、本発明に必要なビームに変形で
きるのであれば、どの様なものでも良い。
The shape of the energy distribution of the laser beam at the focus is made trapezoidal by changing the lens H up and down (J direction). By changing the irradiated surface up and down relative to the lens H (J direction), the shape of the energy distribution of the laser beam on the irradiated surface (focus) is transformed from a shape close to a rectangle to a shape close to a trapezoid. (See the lower diagram of Fig. 2. To make these shapes sharper, it is better to make a slit in the laser beam path). The optical system may be any optical system as long as it can be transformed into the beam required for the present invention.

【0077】なお光学系として、図2のようなものに限
らず、図3に示すような、レンズB、Cを具備しないも
のを用いることも有効である。
The optical system is not limited to the one shown in FIG. 2, but it is also effective to use an optical system shown in FIG. 3 which does not include the lenses B and C.

【0078】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、30cm角のガ
ラス基板(例えばコーニング7059、1737等)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2000
Å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 30 cm square glass substrate (for example, Corning 7059, 1737, etc.) is prepared. Then, a 2000 silicon oxide film is formed on the glass substrate by a plasma CVD method using TEOS as a raw material.
Å thickness. This silicon oxide film functions as a base film that prevents impurities from diffusing into the semiconductor film from the glass substrate side.

【0079】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.

【0080】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.

【0081】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.

【0082】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。また、このときガラス基板上およびそ
の上の珪素膜の凹凸は±約200μm であった。
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. At this time, the unevenness of the silicon film on the glass substrate and on the glass substrate was ± about 200 μm.

【0083】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.

【0084】レーザービームは線状に整形され、被照射
面でのビーム面積は125mm×1mmとする。ビーム
の線幅は、レーザービームのエネルギー最高値の半値幅
としている。
The laser beam is shaped linearly, and the beam area on the irradiation surface is 125 mm × 1 mm. The line width of the beam is the half width of the maximum energy of the laser beam.

【0085】また線状レーザービームの線幅方向のエネ
ルギープロファイル(エネルギー分布)は、図4(b)
において、L1=0.4mm、L2、L3=0.25m
mと、疑似台形状の分布を有しており、不等式0.5L
1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L1を満たしてい
る。
The energy profile (energy distribution) of the linear laser beam in the line width direction is shown in FIG. 4 (b).
At, L1 = 0.4mm, L2, L3 = 0.25m
m and pseudo-trapezoidal distribution, inequality 0.5L
1 ≦ L2 ≦ L1 and 0.5 L1 ≦ L3 ≦ L1 are satisfied.

【0086】この台形状分布のすその広がりの程度は、
レーザの光学系の最終レンズと照射面までの距離で変化
する。レーザー処理中、被照射物の凹凸により、レーザ
の光学系の最終レンズと照射面までの距離が変化する。
それに伴い、レーザービームの台形状分布のすその広が
りの程度が変化するが、その変化の範囲が、前記した不
等式の範囲に入っていれば均質なレーザー処理が可能と
なる。なお、ここでいうところの均質とは、レーザー照
射された該膜の基板面内における移動度のバラツキが、
±10%以内に収まることを表す。
The extent of the spread of this trapezoidal distribution is
It changes depending on the distance between the final lens of the laser optical system and the irradiation surface. During the laser processing, the distance between the final lens of the optical system of the laser and the irradiation surface changes due to the unevenness of the irradiation target.
Along with this, the extent of the spread of the trapezoidal distribution of the laser beam changes, but if the range of the change falls within the range of the above inequality, uniform laser processing becomes possible. The term "homogeneity" as used herein means that the variation in the mobility of the laser-irradiated film in the substrate surface is
Shows that it falls within ± 10%.

【0087】試料は、図1のレーザーアニール室16内
のステージ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、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1
00〜500mJ/cm2 、ここでは300mJ/cm
2 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 in the laser annealing chamber 16 of FIG. 1, and the stage is set to 2 mm / s.
Irradiation is performed by moving at a speed. The irradiation condition of the laser light is that the energy density of the laser light is 1
00-500 mJ / cm 2 , here 300 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.

【0088】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0.5
秒かかるので、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、最後の数回がエネルギー密度が徐々
に小さくなっていく照射となる。
When laser irradiation is carried out 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 0.5 per beam pass
This is because it takes a second, and irradiation of 15 pulses is performed at one location by one irradiation while scanning the beam. In this case, in the above 15 times of irradiation, the irradiation energy density of the first several times is the irradiation of which the irradiation energy density is gradually increased, and the irradiation energy of the last several times is the energy density of which is gradually decreased. .

【0089】この様子を図5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
5のAに注目)、後半では徐々にそれが下がっていく
(図5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10〜40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. 5), and gradually decreases in the latter half (note B in FIG. 5). 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, 3 to 100 stage irradiation, preferably 10 to 40 stage irradiation gave a silicon film having the best crystallinity.

【0090】レーザー光の照射の際、基板温度は500
℃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。
The substrate temperature was 500 at the time of irradiation with laser light.
It is kept at ° C. 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.

【0091】本実施例では基板温度を500℃に設定し
ているが、実際の実施では室温〜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
気制御はここでは特に行わず、大気中で照射を行う。真
空、アルゴン・ヘリウム等の不活性ガス、水素、窒素等
の雰囲気で行なってもよい。
Although the substrate temperature is set to 500 ° C. in this embodiment, in the actual implementation, the optimum temperature for laser annealing is selected from room temperature to the strain point of the glass substrate. The atmosphere control is not particularly performed here, and irradiation is performed in the atmosphere. It may be performed in a vacuum, an inert gas such as argon or helium, or an atmosphere such as hydrogen or nitrogen.

【0092】本実施例の場合、被照射物の凹凸が±約2
00μm であったが、結晶化された被膜の、基板面内に
おける移動度のバラツキは、±7%程度であり、均質な
レーザー処理ができる。他方、線状レーザービームの線
幅方向のエネルギー分布を、図4(b)において、L1
=0.5mm、L2、L3=0.2mm、すなわち0.
5L1>L2(L3)と、やや矩形に近い疑似台形状の
分布を有するものとし、前記凹凸を有する被照射物(珪
素膜)にレーザーアニールを施したところ、移動度のバ
ラツキは±13%であった。
In the case of this embodiment, the unevenness of the object to be irradiated is ± about 2
Although it was 00 μm, the variation in mobility of the crystallized film in the plane of the substrate was about ± 7%, and uniform laser processing was possible. On the other hand, the energy distribution in the line width direction of the linear laser beam is L1 in FIG.
= 0.5 mm, L2, L3 = 0.2 mm, that is, 0.
5L1> L2 (L3), which has a pseudo trapezoidal distribution that is slightly close to a rectangle, and the object to be irradiated (silicon film) having the unevenness was subjected to laser annealing, the mobility variation was ± 13%. there were.

【0093】また、線状レーザービームの線幅方向のエ
ネルギー分布を、図4(b)において、L1=0.2m
m、L2、L3=0.3mmと(L1>L2(L
3))、やや矩形に近い疑似台形状の分布を有するもの
とし、前記凹凸を有する被照射物(珪素膜)にレーザー
アニールを施したところ、移動度のバラツキは、±約8
%程度であったものの、結晶性珪素膜として極めて低い
移動度となってしまった。
The energy distribution in the line width direction of the linear laser beam is L1 = 0.2 m in FIG. 4 (b).
m, L2, L3 = 0.3 mm and (L1> L2 (L
3)), assuming that it has a pseudo-trapezoidal distribution that is somewhat close to a rectangle, and the object to be irradiated (silicon film) having the irregularities is subjected to laser annealing, the variation in mobility is about ± 8.
%, The mobility of the crystalline silicon film was extremely low.

【0094】〔実施例2〕本実施例では、ガラス基板上
にパターニングされた複数の非晶質珪素膜よりなる島状
領域を、レーザーアニールにより、実質的な単結晶珪素
膜とし、該膜を活性層として用いた薄膜トランジタを形
成した例を示す。
[Embodiment 2] In this embodiment, an island-shaped region made of a plurality of amorphous silicon films patterned on a glass substrate is laser-annealed to form a substantially single crystal silicon film, and the film is formed. An example of forming a thin film transistor used as an active layer is shown.

【0095】実施例1と同様に、図1に示すレーザアニ
ール装置を用いた。発振器として、ここではラムダフィ
ジック社製3000−308を用いた。発振されるレー
ザー光は、XeClエキシマレーザー(波長308n
m、パルス幅26ns)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。
As in Example 1, the laser annealing apparatus shown in FIG. 1 was used. As the oscillator, here, 3000-308 manufactured by Lambda Physics was used. The oscillated laser light is a XeCl excimer laser (wavelength 308n
m, pulse width 26 ns). Of course, other excimer lasers or lasers of other types can be used. However, it is necessary to use pulsed laser light.

【0096】発振されたレーザー光は、そのビーム形状
の変形のために、図3に示すような光学系に入射され
る。図3に光学系の例を示す。光学系に入射する直前の
レーザー光のビームは、3×2cm2 程度の長方形である
が、該光学系によって、長さ10〜30cm、幅0.01〜0.
3 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4の(b)に示す
ような台形形状となっている。本光学系を経たレーザー
光のエネルギーは、最大で1000mJ/ショットであ
る。
The oscillated laser light is incident on the optical system as shown in FIG. 3 due to the deformation of its beam shape. FIG. 3 shows an example of the optical system. The beam of laser light immediately before entering the optical system has a rectangular shape of about 3 × 2 cm 2 , and depending on the optical system, the length is 10 to 30 cm and the width is 0.01 to 0.
It is processed into a slender beam (linear beam) of about 3 cm.
Further, 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 is 1000 mJ / shot at the maximum.

【0097】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
状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの幅
が試料の幅よりも長ければ、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。一方、ビームの幅が試料の幅よりも短い場合で
も、長方形のビームと比較すると加工の手間がかからな
い。しかし、この場合、ビームを、試料に対して相対的
に、上下左右に動かす必要性が生じる。
The reason why the laser beam is processed into such an elongated beam is to improve the processability. That is, when the sample is irradiated with a linear beam, if the beam width is longer than the sample width, the sample can be moved in one direction to irradiate the sample with laser light. it can. On the other hand, even if the width of the beam is shorter than the width of the sample, it does not take much time for processing as compared with the rectangular beam. However, in this case, it is necessary to move the beam vertically and horizontally relative to the sample.

【0098】レーザー光が照射される基板(試料)のス
テージはコンピュータにより制御されており線状レーザ
ービームの線方向に対して直角方向に動くよう設計され
ている。さらに、該ビームの線方向に対して動く機能を
ステージにつけておくと、ビーム幅が試料に対して短い
場合でも、試料全体に対するレーザー加工が可能とな
る。又、該ステージ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 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 line direction of the linear laser beam. Furthermore, if the stage is provided with a function of moving in the line direction of the beam, laser processing can be performed on the entire sample even if the beam width is shorter than the sample. In addition, a heater is built in below the stage so that the sample can be kept at a predetermined temperature during irradiation with laser light.

【0099】レーザービームを線状レーザーに加工する
光学系の内部の光路(図3)の説明をする。レーザー光
源aから発振され、光学系に入射したレーザー光は、ま
ず、フライアイレンズb、cを通過する。フライアイレ
ンズbは縦拡大用、フライアイレンズcは横拡大用であ
る。
The optical path (FIG. 3) inside the optical system for processing the laser beam into a linear laser will be described. The laser light oscillated from the laser light source a and incident on the optical system first passes through the fly-eye lenses b and c. The fly-eye lens b is for vertical magnification, and the fly-eye lens c is for horizontal magnification.

【0100】さらに、第1のシリンドリカルレンズとし
て、シリンドリカル凸レンズd、線状化させるビームの
線方向の均質性を良くするために設けられる第2のシリ
ンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズeを
通過し、ミラーfを介して、シリンドリカルレンズgに
よって集束され、試料に照射される。
Further, as a first cylindrical lens, a cylindrical convex lens d, and as a second cylindrical lens provided to improve the homogeneity of the beam to be linearized in the line direction, it passes through a cylindrical convex lens e and a mirror f. Then, the light is focused by the cylindrical lens g and is irradiated onto the sample.

【0101】光路長は、レーザー光源からミラーgまで
の距離は2000mmであり、ミラーgから被照射面ま
での距離は440mmである。シリンドリカルレンズg
には、焦点距離が100mmの物を用いる。
Regarding the optical path length, the distance from the laser light source to the mirror g is 2000 mm, and the distance from the mirror g to the illuminated surface is 440 mm. Cylindrical lens g
Is used with a focal length of 100 mm.

【0102】焦点におけるレーザービームのエネルギー
分布の形状を、レンズgを上下(j方向)に変化させる
ことで、台形状にする。照射面をレンズgに対して相対
的に上下させる(j方向)ことによって、照射面上(焦
点)でのレーザービームのエネルギー分布の形状を、矩
形に近いものから台形に近いものまで変形させることが
できる(図2の下図参照。これらの形をよりシャープに
するには、レーザー光路の途中にスリットを入れるとよ
い)。光学系は、本発明に必要なビームに変形できれば
どの様なものでも良い。
The shape of the energy distribution of the laser beam at the focal point is made trapezoidal by changing the lens g up and down (direction j). Deforming the shape of the energy distribution of the laser beam on the irradiation surface (focus) from a shape close to a rectangle to a shape close to a trapezoid by moving the irradiation surface up and down relative to the lens g (j direction). (Refer to the lower diagram of Fig. 2. To make these shapes sharper, it is better to make a slit in the laser optical path). The optical system may be of any type as long as it can be transformed into the beam required for the present invention.

【0103】なお光学系として、図3のようなものに限
らず、図2に示すような、レンズB、Cを具備するもの
を用いてもよい。
The optical system is not limited to the one shown in FIG. 3, but an optical system having lenses B and C as shown in FIG. 2 may be used.

【0104】図6を用いて、本実施例の作製工程を説明
する。まず、30cm角のガラス基板601(例えばコ
ーニング7059、1737等)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CV
D法により、酸化珪素膜602を2000Åの厚さに形
成する。この酸化珪素膜602は、ガラス基板601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。
The manufacturing process of this embodiment will be described with reference to FIGS. First, a 30 cm square glass substrate 601 (for example, Corning 7059, 1737, etc.) is prepared. Then, on this glass substrate, a plasma CV made of TEOS as a raw material
A silicon oxide film 602 is formed to a thickness of 2000 Å by the D method. The silicon oxide film 602 functions as a base film that prevents impurities from diffusing into the semiconductor film from the glass substrate 601 side.

【0105】次にプラズマCVD法によって、非晶質珪
素膜603(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603の厚
さは、500Åとする。勿論この厚さは、必要とする厚
さとすればよい。(図6(A))
Next, an amorphous silicon film 603 (amorphous silicon film) is formed by the plasma CVD method.
Here, plasma CVD is used, but low pressure thermal CVD is used.
You may use the method. The thickness of the amorphous silicon film 603 is set to 500Å. Of course, this thickness may be the required thickness. (FIG. 6 (A))

【0106】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603の表面に接して保持された状態と
する。
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 603.

【0107】次にパターニングを行うことにより、1つ
の島状領域が数十〜数百μm角、ここでは90μm角の
大きさとして、ガラス基板上に複数の島状領域を設け
る。これらはそれぞれ、後に形成される複数の薄膜トラ
ンジスタの位置に対応し、薄膜トランジスタの活性層6
04を構成する。この状態においては、活性層604は
非晶質珪素膜で構成されている。(図6(B))
Next, patterning is performed to form a plurality of island-shaped regions on the glass substrate so that one island-shaped region has a size of several tens to several hundreds of μm square, here 90 μm square. These respectively correspond to the positions of a plurality of thin film transistors to be formed later, and the active layer 6 of the thin film transistor is formed.
Make up 04. In this state, active layer 604 is composed of an amorphous silicon film. (Fig. 6 (B))

【0108】この状態で、活性層604に対し、図1に
示す装置を用い、XeClエキシマレーザー(波長30
8nm、パルス幅25ns)を照射して結晶化させる。
レーザービームは線状に整形され、被照射面でのビーム
面積は150mm×0.4mmとする(ビームの線幅は
エネルギーの最大値に対する半値幅)。
In this state, the device shown in FIG. 1 was used for the active layer 604 by using a XeCl excimer laser (wavelength 30 nm).
Crystallization is performed by irradiation with 8 nm and a pulse width of 25 ns).
The laser beam is shaped into a linear shape, and the beam area on the irradiation surface is 150 mm × 0.4 mm (the line width of the beam is the half-value width with respect to the maximum value of energy).

【0109】また線状レーザービームの線幅方向のエネ
ルギープロファイル(エネルギー分布)は、図4(b)
において、L1=0.1mmとし、L2、L3=0.0
8mmと、疑似台形状の分布を有しており、かつ不等式
0.5L1≦L2≦L1、及び0.5L1≦L3≦L1
を満たしている。
The energy profile (energy distribution) of the linear laser beam in the line width direction is shown in FIG.
, L1 = 0.1 mm, L2, L3 = 0.0
It has a pseudo-trapezoidal distribution of 8 mm and the inequalities 0.5L1 ≦ L2 ≦ L1 and 0.5L1 ≦ L3 ≦ L1.
Meets.

【0110】この台形状分布のすその広がりの程度は、
レーザの光学系の最終レンズと照射面までの距離で変化
する。レーザー処理中、被照射物の凹凸により、レーザ
の光学系の最終レンズと照射面までの距離が変化する。
それに伴い、レーザービームの台形状分布のすその広が
りの程度が変化するが、その変化の範囲が、前記した不
等式の範囲に入っていれば均質なレーザー処理が可能と
なる。なお、ここでいうところの均質とは、該膜の移動
度のバラツキが±10%以内に収まることを表す。
The degree of spread of the trapezoidal distribution is
It changes depending on the distance between the final lens of the laser optical system and the irradiation surface. During the laser processing, the distance between the final lens of the optical system of the laser and the irradiation surface changes due to the unevenness of the irradiation target.
Along with this, the extent of the spread of the trapezoidal distribution of the laser beam changes, but if the range of the change falls within the range of the above inequality, uniform laser processing becomes possible. The term “homogeneous” as used herein means that the variation in mobility of the film is within ± 10%.

【0111】ガラス基板601は、ステージ上に載せら
れており、ステージを2.5mm/s速度で移動させる
ことによって照射が行われる。レーザー照射は、活性層
604の一方の辺から対向する辺に向かって、線状レー
ザービームが走査される。
The glass substrate 601 is placed on the stage, and irradiation is performed by moving the stage at a speed of 2.5 mm / s. In laser irradiation, a linear laser beam is scanned from one side of the active layer 604 toward the opposite side.

【0112】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 、ここでは
400mJ/cm2 とし、パルス数を200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
れたレーザービームのエネルギー分布の上底部分(最大
値を有する部分)の密度を指す。
[0112] The laser light irradiation conditions, 100 to 500 mJ / cm 2 energy density of the laser beam, and 400 mJ / cm 2 here, the number of pulses 200 pulses / s. The energy density here means the density of the upper bottom portion (the portion having the maximum value) of the energy distribution of the trapezoidal laser beam.

【0113】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3
2段階照射になる。これは、1回のビームの通過に 0.4
秒かかるので、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32パルスの照射が行われるからであ
る。この場合、上記32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 3 times.
It will be a two-stage irradiation. This is 0.4 for each pass of the beam.
This is because it takes a second, so that irradiation of 32 pulses is performed at one location by one irradiation while scanning the beam. In this case, in the above 32 times of irradiation, the irradiation of the first several times is the irradiation of which the irradiation energy density is gradually increased, and the irradiation of the last several times is the irradiation of which the energy density is gradually decreased. .

【0114】この様子を図5に模式的に示す。32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
5のAに注目)、後半では徐々にそれが下がっていく
(図5のBに注目)。この32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算
出される。
This state is schematically shown in FIG. The laser energy gradually increases in the first half of the 32 stages (note A in FIG. 5), and gradually decreases in the latter half (note B in FIG. 5). The number of times 32 is calculated from the beam width of the laser, the speed of the stage, and the number of pulses of the laser.

【0115】レーザー光の照射の際、基板温度は500
℃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。
The substrate temperature is 500 at the time of laser light irradiation.
It is kept at ° C. 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.

【0116】本実施例では基板温度を500℃に設定し
ているが、実際の実施では室温〜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
気制御はここでは特に行わず、大気中で照射を行う。真
空、アルゴン・ヘリウム等の不活性ガス、水素、窒素等
の雰囲気で行なってもよい。
Although the substrate temperature is set to 500 ° C. in this embodiment, in the actual implementation, the optimum temperature for laser annealing is selected from room temperature to the strain point of the glass substrate. The atmosphere control is not particularly performed here, and irradiation is performed in the atmosphere. It may be performed in a vacuum, an inert gas such as argon or helium, or an atmosphere such as hydrogen or nitrogen.

【0117】非晶質珪素膜である活性層604に対して
線状のレーザー光が照射されると、レーザー光が照射さ
れた領域が瞬間的に溶融する。そして、この線状のレー
ザー光が走査されて照射されることで、結晶成長が徐々
に進行していき、実質的に単結晶と見なせる領域を得る
ことが出来る。
When the active layer 604 which is an amorphous silicon film is irradiated with a linear laser beam, the region irradiated with the laser beam is instantaneously melted. Then, by scanning and irradiating this linear laser light, crystal growth gradually progresses, and a region which can be regarded as a substantially single crystal can be obtained.

【0118】すなわち、図6(C)に示すように、非晶
質珪素膜で構成された活性層604の一方の端部から、
線状のレーザービームが徐々に走査方向に走査しながら
照射されると、605で示されるような実質的に単結晶
とみなせる領域がレーザー光の照射に伴って成長してい
き、最終的に活性層全体を単結晶とみなせる状態とする
ことができる。
That is, as shown in FIG. 6C, from one end of the active layer 604 formed of an amorphous silicon film,
When a linear laser beam is irradiated while scanning in the scanning direction gradually, a region as substantially indicated by 605, which can be regarded as a single crystal, grows with the irradiation of laser light, and finally becomes active. The entire layer can be regarded as a single crystal.

【0119】ここで示す単結晶とみなせる領域605と
いうのは、その領域中において、以下の条件を満たして
いることが必要である。 ・結晶粒界が実質的に存在していない。 ・点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を1
×1015〜1×1020原子cm-3の濃度で含んでいる。 ・炭素及び窒素の原子を1×1016〜5×1018cm-3
の濃度で含んでいる。 ・酸素の原子を1×1017〜5×1019原子cm-3の濃
度で含んでいる。
The region 605 which can be regarded as a single crystal shown here needs to satisfy the following conditions in the region. -Crystal grain boundaries do not substantially exist.・ One hydrogen or halogen element for neutralizing point defects
It is contained at a concentration of × 10 15 to 1 × 10 20 atoms cm -3 .・ Atoms of carbon and nitrogen are 1 × 10 16 to 5 × 10 18 cm −3
It is included in the concentration of. Oxygen atoms and contains a concentration of 1 × 10 17 ~5 × 10 19 atoms cm -3.

【0120】また、本実施例で示すような珪素の結晶化
を助長する金属元素を利用している場合には、その膜中
に当該金属元素を1×1016〜5×1019cm-3の濃度
で含んでいる必要がある。この濃度範囲の意味するとこ
ろは、これ以上の濃度範囲では、金属としての特性が表
れてしまい半導体としての特性が得られず、またこの濃
度範囲以下では、そもそも珪素の結晶化を助長する作用
を得ることができないということである。
When a metal element that promotes crystallization of silicon is used as shown in this embodiment, the metal element is added to the film at 1 × 10 16 to 5 × 10 19 cm -3. Must be included at the concentration of. The meaning of this concentration range is that in the concentration range higher than this, the characteristics as a metal are not exhibited and the characteristics as a semiconductor cannot be obtained, and in the concentration range below this, there is an action to promote crystallization of silicon in the first place. It means that you cannot get it.

【0121】これらのことより分かるように、上記のレ
ーザー光の照射によって得られる単結晶とみなせる珪素
膜の領域は、単結晶ウエハーのような一般的な単結晶と
は本質的に異なるものである。
As can be seen from the above, the region of the silicon film which can be regarded as a single crystal obtained by the irradiation of the laser light is essentially different from a general single crystal such as a single crystal wafer. .

【0122】このレーザー光の照射による結晶化の際に
おいても膜の収縮が発生し、その歪みは活性層の周辺部
に行くほど蓄積する。
The film also contracts during crystallization by the irradiation of the laser beam, and the strain accumulates toward the peripheral portion of the active layer.

【0123】また、一般に活性層の厚さは、数百Å〜数
千Å程度である。またその大きさは数μm角〜数百μm
角である。即ち、非常に薄い薄膜状の形状を有してい
る。このような薄い薄膜状の状態において、図6(C)
に示すような結晶成長が進行すると、その周囲、即ち結
晶成長の成長終点付近やそれ以上結晶成長が進行しない
領域に歪みが集中して発生してしまう。
Further, generally, the thickness of the active layer is about several hundred Å to several thousand Å. The size is several μm square to several hundred μm.
Is the corner. That is, it has a very thin thin film shape. In such a thin thin film state, FIG.
When the crystal growth as shown in (3) progresses, the strain is concentrated around the periphery of the crystal growth, that is, near the growth end point of the crystal growth or a region where the crystal growth does not proceed further.

【0124】このように主に2つの原因により、活性層
の周囲に歪みが集中して存在することとなってしまう。
活性層中にこのような歪みが集中している領域が存在す
ることは、薄膜トランジスタの動作において悪影響を及
ぼす原因となるので、好ましいものではないため、活性
層の周囲全周をエッチング除去することが好ましい。こ
うして図6(D)に示すような実質的に単結晶と見なせ
る領域605で構成され、また応力の影響が低減された
活性層606を得ることができる。
As described above, strain is concentrated around the active layer mainly due to two causes.
The presence of such a region in which strain is concentrated in the active layer is not preferable because it causes a bad influence in the operation of the thin film transistor, and therefore it is not preferable to remove the entire circumference of the active layer by etching. preferable. In this way, the active layer 606 including the region 605 which can be regarded as a substantially single crystal as shown in FIG. 6D and in which the influence of stress is reduced can be obtained.

【0125】活性層606を得た後、活性層606を覆
ってゲイト絶縁膜607として酸化珪素膜を1000Å
の厚さにプラズマCVD法で成膜した。さらにP(リ
ン)を多量にドーピングした多結晶珪素膜を減圧熱CV
D法で5000Åの厚さに成膜し、パターニングを施す
ことにより、ゲイト電極608を形成した。
After obtaining the active layer 606, a silicon oxide film is formed as a gate insulating film 607 by covering the active layer 606 by 1000 Å.
Was formed by the plasma CVD method. Further, a polycrystalline silicon film doped with a large amount of P (phosphorus) is subjected to decompression heat CV.
A gate electrode 608 was formed by forming a film with a thickness of 5000 Å by the D method and performing patterning.

【0126】次にP(リン)イオンの注入をプラズマド
ーピング法またはイオン注入法により行い、自己整合的
にソース領域609とドレイン領域611を形成した。
そしてゲイト電極608がマスクとなることによって不
純物イオンが注入されない領域610をチャネル形成領
域として画定した。(図6(E))
Next, P (phosphorus) ions were implanted by plasma doping or ion implantation to form the source region 609 and the drain region 611 in a self-aligned manner.
Then, the gate electrode 608 serves as a mask to define a region 610 into which impurity ions are not implanted as a channel formation region. (FIG. 6E)

【0127】次に層間絶縁膜612として酸化珪素膜を
TEOSガスを用いたプラズマCVD法で7000Åの
厚さに成膜した。そしてコンタクトホールの形成後、チ
タンとアルミニウムの積層膜を用いて、ソース電極61
3とドレイン電極614の形成を行った。また図面では
示されないが、ゲイト電極608へのコンタクト電極も
同時に形成した。そして最後に350℃の水素雰囲気中
において1時間の加熱処理を加えることにより、図6
(F)に示すような薄膜トランジスタを完成させた。
Next, a silicon oxide film was formed as an interlayer insulating film 612 to a thickness of 7,000 Å by the plasma CVD method using TEOS gas. After forming the contact hole, the source electrode 61 is formed by using a laminated film of titanium and aluminum.
3 and the drain electrode 614 were formed. Although not shown in the drawing, a contact electrode to the gate electrode 608 was also formed at the same time. Finally, by performing heat treatment for 1 hour in a hydrogen atmosphere at 350 ° C., as shown in FIG.
A thin film transistor as shown in (F) was completed.

【0128】このようにして得られた、ガラス基板上に
形成された複数の薄膜トランジスタは、移動度のバラツ
キは±5%程度となっており、均質な結晶化がなされて
いることがわかる。
The plurality of thin film transistors formed on the glass substrate thus obtained have a mobility variation of about ± 5%, indicating that they are homogeneously crystallized.

【0129】また、それぞれの活性層は、極めて良好に
実質的な単結晶となる。活性層が単結晶と見なせるよう
な珪素膜で構成されているので、その電気的な特性もS
OI技術等を利用して作製された単結晶珪素膜を用いた
薄膜トランジスタに匹敵するものとすることができる。
Also, each active layer becomes a substantially single crystal very well. Since the active layer is composed of a silicon film that can be regarded as a single crystal, its electrical characteristics are S
It can be made comparable to a thin film transistor using a single crystal silicon film manufactured by utilizing OI technology or the like.

【0130】〔実施例3〕本実施例では、レーザーアニ
ール装置として図1に示したものを用いる。図9に、実
施例におけるレーザーアニールを行うための光学系の例
を示す。
[Embodiment 3] In this embodiment, the laser annealing apparatus shown in FIG. 1 is used. FIG. 9 shows an example of an optical system for performing laser annealing in the example.

【0131】図9において、レーザーアニール装置は、
パルスレーザー発生手段として、エキシマレーザビーム
を発生するエキシマレーザ発生手段Kと、当該エキシマ
レーザビームを拡大するビームエキスパンダL、Mと、
ビームエキスパンダL、Mによって拡大されたビームを
分割拡大する複眼状のフライアイレンズNと、該複眼状
フライアイレンズにより分割拡大されたレーザビームを
線状に集光する第1のシリンドリカルレンズOと、該線
状化されたレーザービームの線方向の均質性を良くする
第2のシリンドリカルレンズPと、表面上に被照射物を
有する基板を載置して図示矢印T方向に移動するステー
ジSとから構成される。
In FIG. 9, the laser annealing apparatus is
Excimer laser generating means K for generating an excimer laser beam as the pulse laser generating means, and beam expanders L, M for expanding the excimer laser beam,
A compound eye fly-eye lens N that divides and expands the beam expanded by the beam expanders L and M, and a first cylindrical lens O that linearly focuses the laser beam that is split and expanded by the compound eye fly-eye lens. A second cylindrical lens P for improving the homogeneity of the linearized laser beam in the line direction, and a stage S for mounting a substrate having an object to be irradiated on its surface and moving it in the direction of arrow T in the figure. Composed of and.

【0132】なお、図中の折り返しミラーQ、および、
シリンドリカルレンズRはレーザー加工をステージS上
で行うためのものである。
The folding mirror Q in the figure, and
The cylindrical lens R is for performing laser processing on the stage S.

【0133】ここでは、レーザー光源Kとシリンドリカ
ルレンズL間の距離が230mm、フライアイレンズN
と第1のシリンドリカルレンズOとの間が650mm、
シリンドリカルレンズPと被照射面との間が650mm
(それぞれ各レンズの焦点距離の和)とする。もちろ
ん、これらは、状況に応じて変化させうる。シリンドリ
カルレンズRには、焦点距離が120mmの物を用い
る。
Here, the distance between the laser light source K and the cylindrical lens L is 230 mm, and the fly-eye lens N.
And 650 mm between the first cylindrical lens O and
650 mm between the cylindrical lens P and the illuminated surface
(Sum of focal length of each lens). Of course, these can be changed depending on the situation. As the cylindrical lens R, an object having a focal length of 120 mm is used.

【0134】上記光学系に入射するエキシマレーザビー
ム光源としては、たとえば、LUMNICS社製EX7
48(KrFエキシマレーザー、波長248 nm、エネル
ギーバンド(Eg)=5.0eV 、パルス幅25ns)を発振
器として用いる。他に、ラムダフィジック社製3000
−308(XeClエキシマレーザー、波長308n
m、パルス幅26ns)等を用いてもよい。もちろん、
パルス発振のレーザー光であれば、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。
この光学系を経たレーザー光のエネルギーは、最大で8
00mJ/ショットである。
The excimer laser beam light source incident on the optical system is, for example, EX7 manufactured by LUMNICS.
48 (KrF excimer laser, wavelength 248 nm, energy band (Eg) = 5.0 eV, pulse width 25 ns) is used as an oscillator. In addition, 3000 made by Lambda Physics
-308 (XeCl excimer laser, wavelength 308n
m, pulse width 26 ns) or the like may be used. of course,
Other excimer lasers and lasers of other methods can be used as long as they are pulsed laser light.
The maximum energy of laser light that passes through this optical system is 8
It is 00 mJ / shot.

【0135】また、光源から出力されるエキシマレーザ
ビームの平面形状は、大きさが20mm×30mmであ
る。さらに、このエキシマレーザビームは、ビームエキ
スパンダL、Mによって、正方形状に整形、拡大され
る。すなわち、拡大された後のエキシマレーザビームの
大きさは、30mm×30mmと正方形にする。
The planar shape of the excimer laser beam output from the light source has a size of 20 mm × 30 mm. Further, the excimer laser beam is shaped and expanded into a square shape by the beam expanders L and M. That is, the size of the excimer laser beam after being expanded is 30 mm × 30 mm, which is a square.

【0136】このように、レーザービームを概略正方形
に整形しておくのは、後にレーザービームが通過する複
眼状フライアイレンズNの平面形状が、概略正方形状を
なしているからである。複眼状フライアイレンズの平面
形状に、当該フライアイレンズに入射する直前のレーザ
ービームの平面形状(断面形状)を似せておけば、該フ
ライアイレンズの能力を最大限に引き出せるのでビーム
の分割をより容易かつ均一に行うことができ、最終的に
得られる線状レーザービームの均一性を高めることがで
きる。もちろん、レーザービームを必ずしも正方形状に
整形する必要はない。
The reason why the laser beam is shaped into a substantially square shape is that the plane shape of the compound-eye fly-eye lens N through which the laser beam passes later is a substantially square shape. If the plane shape (cross-sectional shape) of the laser beam immediately before entering the fly-eye lens is made similar to the plane shape of the compound-eye fly-eye lens, the ability of the fly-eye lens will be maximized, so the beam splitting will be possible. It can be performed more easily and uniformly, and the uniformity of the finally obtained linear laser beam can be improved. Of course, it is not always necessary to shape the laser beam into a square shape.

【0137】ただし、ビームを複眼状フライアイレンズ
に通す前に、ビームをある程度拡大しておくと、複眼状
フライアイレンズとして大きさが大きいものを使用する
ことができるので、複眼状フライアイレンズを作製する
際の微細加工の精度を低くすることができる。
However, if the beam is expanded to some extent before passing the beam through the compound-eye fly-eye lens, a compound-eye fly-eye lens having a large size can be used. It is possible to reduce the precision of microfabrication when manufacturing the.

【0138】上記のように整形拡大されたレーザービー
ムを、図8に示す複眼状のフライアイレンズに通すこと
により、ビームを分割拡大する。
The laser beam shaped and expanded as described above is passed through the compound eye fly-eye lens shown in FIG. 8 to divide and expand the beam.

【0139】図8に示すように、複眼状フライアイレン
ズの全体の平面形状は、多角形、ここでは概略正方形状
である。複眼状フライアイレンズは、平面形状が多角形
の凸レンズ801を、複数個、規則的に敷きつめて配置
された構成をなしている。ここでは、複眼状フライアイ
レンズは、平面形状が正方形の凸レンズを、マトリクス
状に敷きつめた構成をなしている。
As shown in FIG. 8, the overall planar shape of the compound-eye fly-eye lens is polygonal, here approximately square. The compound eye fly-eye lens has a configuration in which a plurality of convex lenses 801 each having a polygonal planar shape are regularly laid and arranged. Here, the compound eye fly-eye lens has a configuration in which convex lenses each having a square planar shape are spread in a matrix.

【0140】個々の凸レンズの平面形状は、正方形以外
でもよく、例えば、長方形、三角形、六角形といった多
角形が、規則的に並べやすいため好ましい。この複眼状
フライアイレンズにより、レーザービームを分割拡大す
ることにより均質なレーザービームを作ることができ
る。
The planar shape of each convex lens may be other than a square, and for example, a polygon such as a rectangle, a triangle, or a hexagon is preferable because it can be regularly arranged. This compound-eye fly-eye lens makes it possible to make a uniform laser beam by dividing and expanding the laser beam.

【0141】さらに、上記レーザビームは、シリンドリ
カルレンズOによって横長に集光され、被照射面でのビ
ーム幅(線幅)が1mm程度、ビーム長さが120mm
程度の、線状のレーザビームとなる(ビーム幅はエネル
ギー密度の半値幅とする)。
Further, the laser beam is condensed laterally by the cylindrical lens O, and the beam width (line width) on the irradiated surface is about 1 mm and the beam length is 120 mm.
The laser beam becomes a linear laser beam (the beam width is the half width of the energy density).

【0142】当該線状レーザーの線幅方向のエネルギー
密度の分布は疑似正規分布をなしていた。処理の目的に
より、線状レーザーの線幅方向の疑似正規分布のエネル
ギー密度の分布が、不都合な場合、スリットを用いるこ
とにより、エネルギー密度分布を矩形に近づけることも
可能である。この場合、該スリットは、シリンドリカル
レンズOよりも後方、例えば、シリンドリカルレンズD
と、ミラーQとの間に設置する。当該スリットの位置及
びスリット幅は必要に応じ決定する。
The distribution of energy density in the line width direction of the linear laser was a pseudo normal distribution. When the energy density distribution of the pseudo-normal distribution in the line width direction of the linear laser is inconvenient for the purpose of processing, it is possible to make the energy density distribution close to a rectangle by using a slit. In this case, the slit is behind the cylindrical lens O, for example, the cylindrical lens D.
And the mirror Q. The position of the slit and the slit width are determined as necessary.

【0143】一方、線状レーザービームの線方向の均質
性を整えるため、シリンドリカルレンズPを用いる。図
11にシリンドリカルレンズの作用を示す。
On the other hand, a cylindrical lens P is used to adjust the homogeneity of the linear laser beam in the line direction. FIG. 11 shows the operation of the cylindrical lens.

【0144】図11に示すように、当該シリンドリカル
レンズ1103は、フライアイレンズ1102を構成す
る1つ1つのレンズを通ってきたレーザー光1101を
それぞれ被照射面1104のほぼ同じ場所に到達させる
役割を果たす。これにより、レーザー光は被照射面上で
均質に合成される。
As shown in FIG. 11, the cylindrical lens 1103 plays a role of making the laser beams 1101 having passed through the individual lenses forming the fly-eye lens 1102 reach substantially the same position on the irradiated surface 1104. Fulfill As a result, the laser light is uniformly synthesized on the surface to be irradiated.

【0145】光学系は、本実施例に必要なビームに変形
できればどの様なものでもよい。例えば、図9のような
ものに限らず、図10に示すような、レンズL、Mを具
備しないものを用いることも有効である。
The optical system may be of any type as long as it can be transformed into the beam required for this embodiment. For example, not only the one shown in FIG. 9 but also the one shown in FIG. 10 which does not include the lenses L and M is effective.

【0146】図12は、線状レーザービームを用いてレ
ーザー照射する様子を示す。図12に示すように、線状
のレーザビーム1201は、長さ120mm、幅1mm
の集光されている。線状のレーザビーム1201は、該
ビームの線方向と直角方向を走査方向1203(図9に
おいてはT方向)として走査しながら、基板上の被照射
物1202に照射される。
FIG. 12 shows how laser irradiation is performed using a linear laser beam. As shown in FIG. 12, the linear laser beam 1201 has a length of 120 mm and a width of 1 mm.
Has been collected. The linear laser beam 1201 is irradiated on the irradiation target 1202 on the substrate while scanning in a direction perpendicular to the line direction of the beam as a scanning direction 1203 (T direction in FIG. 9).

【0147】該レーザーはパルスレーザーなので、該レ
ーザーを発振させながら、該線状レーザービームを被照
射物に対して相対的に図12中→(矢印)の走査方向1
203にずらしてゆくと、該パルスレーザーの1ショッ
ト1ショットが1方向にずれながら重なり合い、その結
果被照射物に均質なレーザーアニールをもたらす。
Since the laser is a pulse laser, while oscillating the laser, the linear laser beam is moved relative to the object to be irradiated in the scanning direction 1 in FIG. 12 (arrow).
When it is shifted to 203, each shot of the pulsed laser overlaps while shifting in one direction, and as a result, uniform laser annealing is performed on the object to be irradiated.

【0148】このように、線状のレーザービームが被照
射物に照射されるとき、ビームの長さが、被照射物の幅
よりも長ければ、被照射物を1方向に移動させること
で、被照射物全体に対して均質なレーザー照射を行うこ
とができ、長方形等のスポット形状のレーザービームを
用いた場合に比較して、高い処理能力を有せしめること
ができる。
As described above, when the linear laser beam is applied to the object to be irradiated, if the length of the beam is longer than the width of the object to be irradiated, the object to be irradiated is moved in one direction. It is possible to perform uniform laser irradiation on the entire object to be irradiated, and it is possible to provide a high processing capacity as compared with the case of using a laser beam having a spot shape such as a rectangle.

【0149】一方、ビームの長さが被照射物の幅よりも
短い場合でも、スポット形状のビームと比較すると加工
の手間はかからない。しかし、この場合、レーザービー
ムを、被照射物に対して、相対的に、前後左右に動かす
必要が生じる。
On the other hand, even if the length of the beam is shorter than the width of the object to be irradiated, it does not take much time and labor as compared with the spot-shaped beam. However, in this case, it is necessary to move the laser beam forward, backward, leftward and rightward with respect to the irradiation target.

【0150】基板が載置されるステージは、コンピュー
タにより動作が制御されており、線状レーザービームの
線方向に対して、直角方向に動くように設計されてい
る。さらに、該ビームの線方向に対して動く機能をステ
ージに付加しておくと、ビームの長さが被照射物に対し
て短い場合でも、被照射物全体に対するレーザー加工が
可能となる。又、ステージの下は、ヒーターが内蔵され
ており、レーザー光の照射時に被照射物を所定の温度に
保つことができる。
The operation of the stage on which the substrate is placed is controlled by a computer, and is designed to move in a direction perpendicular to the line direction of the linear laser beam. Furthermore, if a function of moving the beam in the line direction is added to the stage, even if the length of the beam is shorter than that of the irradiation target, laser processing can be performed on the entire irradiation target. Further, a heater is built in below the stage so that the object to be irradiated can be kept at a predetermined temperature when the laser beam is irradiated.

【0151】このレーザーアニール装置を用い、ガラス
基板上に結晶性シリコンTFTを作製する。図13に実
施例における作製工程を示す。
Using this laser annealing apparatus, a crystalline silicon TFT is manufactured on a glass substrate. FIG. 13 shows a manufacturing process in the example.

【0152】まず、ガラス基板101(本実施例では1
00mm角のコーニング7059を用いる)上に、厚さ
2000Åの下地酸化珪素膜102と、そのさらに上に
厚さ500Åのアモルファスシリコン膜103を、プラ
ズマCVD法により連続的に成膜した。そして、10p
pmの酢酸ニッケル水溶液をシリコン表面に塗布し、ス
ピンコート法により酢酸ニッケル層を形成した。このニ
ッケルは、上記シリコン膜の結晶化を促進する役割を果
たす。酢酸ニッケル水溶液には界面活性剤を添加すると
よりよかった。酢酸ニッケル層は極めて薄いので、膜状
となっているとは限らないが、以後の工程に於ける問題
はない。(図13(A))
First, the glass substrate 101 (in this embodiment, 1
On a 00 mm square Corning 7059), a 2000 Å-thick underlying silicon oxide film 102 and a 500 Å-thick amorphous silicon film 103 are successively formed thereon by a plasma CVD method. And 10p
A nickel acetate aqueous solution of pm was applied to the silicon surface, and a nickel acetate layer was formed by spin coating. This nickel plays a role of promoting crystallization of the silicon film. It was better to add a surfactant to the nickel acetate aqueous solution. Since the nickel acetate layer is extremely thin, it is not always in the form of a film, but there is no problem in the subsequent steps. (Fig. 13 (A))

【0153】そして、550℃で4時間熱アニールする
ことにより、シリコン膜を結晶化させる。このとき、ニ
ッケルが結晶の核の役割を果たし、シリコン膜の結晶化
を促進させる。550℃、4時間という低温(コーニン
グ7059の歪み点温度以下)、短時間で処理できるの
はニッケルの機能による。詳細については特開平6ー2
44104号公報に記されている。
Then, thermal annealing is performed at 550 ° C. for 4 hours to crystallize the silicon film. At this time, nickel plays a role of a crystal nucleus and promotes crystallization of the silicon film. It is a function of nickel that it can be processed at a low temperature of 550 ° C. for 4 hours (below the strain point temperature of Corning 7059) and in a short time. For details, see JP-A-6-2.
It is described in Japanese Patent No. 44104.

【0154】触媒元素の濃度は、1×1015〜1×10
19原子/cm3 であると好ましかった。1×1019原子
/cm3 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れ
て、半導体特性が消滅してしまった。本実施例記載のシ
リコン膜中の触媒元素の濃度は、膜中における最小値で
1×1017〜5×1018原子/cm3 であった。なお、
これらの値は、2次イオン質量分析法(TEM)により
分析、測定したシリコン膜中の触媒元素の濃度の最小値
である。
The concentration of the catalytic element is 1 × 10 15 to 1 × 10.
19 atoms / cm 3 was preferred. At a high concentration of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, metallic properties appeared in silicon and the semiconductor properties disappeared. The concentration of the catalytic element in the silicon film described in this example was 1 × 10 17 to 5 × 10 18 atoms / cm 3 as the minimum value in the film. In addition,
These values are the minimum values of the concentration of the catalytic element in the silicon film analyzed and measured by the secondary ion mass spectrometry (TEM).

【0155】このようにして得られた結晶性シリコン膜
の結晶性をさらに高めると同時に、該膜中のニッケルの
偏析を拡散させるために、大出力パルスレーザーである
エキシマレーザーを該膜に照射する。ビーム型は線状に
加工されており、ビームサイズは1×120mm2 とし
た。
In order to further enhance the crystallinity of the crystalline silicon film thus obtained and to diffuse the segregation of nickel in the film, the film is irradiated with an excimer laser which is a high-power pulse laser. . The beam type is processed into a linear shape, and the beam size is 1 × 120 mm 2 .

【0156】ガラス基板101をステージ上に置き、ス
テージをレーザービームに対して相対的に動かすことに
より照射を行った。本実施例ではレーザービームの照射
位置を固定し、該ステージを該レーザービームの線方向
(長辺)に対し概略直角方向(この方向が最も効率よく
レーザー加工できる)に走査させることにより照射を行
う。
Irradiation was performed by placing the glass substrate 101 on a stage and moving the stage relative to the laser beam. In this embodiment, the irradiation position of the laser beam is fixed, and irradiation is performed by scanning the stage in a direction substantially perpendicular to the line direction (long side) of the laser beam (this direction allows the most efficient laser processing). .

【0157】レーザーのパルス数は30/sパルスと
し、ステージの速度を2mm/sとした。このとき、被
照射物の1点に注目すると、15ショットのレーザー光
が照射されている。このショット数を2〜20の範囲に
しておけば、レーザー照射後のシリコン膜の均質性がよ
かった。また、レーザー照射時の基板温度は200℃と
した。
The number of laser pulses was 30 / s and the stage speed was 2 mm / s. At this time, focusing on one point of the irradiation target object, 15 shots of laser light are irradiated. When the number of shots was set in the range of 2 to 20, the uniformity of the silicon film after laser irradiation was good. The substrate temperature during laser irradiation was 200 ° C.

【0158】レーザーの照射方法は、2段階照射とし
た。レーザー照射効果の不均一性を緩和するには、強い
パルスレーザー光を照射する走査(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
射をする走査(以下予備照射と呼ぶ)を行うと均一性が
向上する。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。つまり、1回目の照射で膜に残
っているアモルファス部分を結晶化して、さらに2回目
の照射では全体的な結晶化を促進させるのが、2段階照
射の作用である。
The laser irradiation method was two-step irradiation. To reduce the non-uniformity of the laser irradiation effect, scanning with strong pulsed laser light (hereinafter called main irradiation)
Prior to the above step, the uniformity is improved by performing a scan (hereinafter referred to as a preliminary irradiation) for performing a preliminary irradiation of a weaker pulsed laser light. This effect is very high and significantly improves the characteristics of the semiconductor device. That is, the effect of the two-step irradiation is to crystallize the amorphous portion remaining in the film by the first irradiation and promote the overall crystallization in the second irradiation.

【0159】このように、ゆるやかに結晶化を促進させ
ることで、線状レーザー照射によりシリコン膜上にでる
縞状のむらをある程度抑えることができた。なお、レー
ザーのエネルギー密度は100mJ/cm2 〜500m
J/cm2の範囲で照射を行い、例えば1回目220m
J/cm2 、2回目365mJ/cm2 で、照射を行っ
た。
As described above, by gently promoting the crystallization, it was possible to suppress the striped unevenness on the silicon film due to the linear laser irradiation to some extent. The energy density of the laser is 100 mJ / cm 2 to 500 m.
Irradiation is performed in the range of J / cm 2 , for example, 220 m for the first time
Irradiation was performed at J / cm 2 and the second time at 365 mJ / cm 2 .

【0160】本実施例では、結晶性触媒元素としてニッ
ケルのみにふれたが、ニッケル、鉄、コバルト、白金、
パラジュウム等の元素のうち、少なくとも1つをニッケ
ルの代わりに用いても良い。(図13(B))
In this example, only nickel was mentioned as the crystalline catalytic element, but nickel, iron, cobalt, platinum,
At least one of the elements such as palladium may be used instead of nickel. (FIG. 13 (B))

【0161】このようにして作製された結晶性シリコン
膜を用いて薄膜トランジスタを作製する。まず、該結晶
性シリコン膜をエッチングして、島状シリコン領域10
5を形成した。次に、プラズマCVD法によって厚さ1
200Åの酸化珪素膜106をゲイト絶縁膜として堆積
した。プラズマCVDの原料ガスとしては、TEOSと
酸素を用いた。成膜時の基板温度は250〜380℃、
例えば、300℃とした。
A thin film transistor is manufactured using the crystalline silicon film manufactured in this manner. First, the crystalline silicon film is etched to form the island-shaped silicon region 10
5 was formed. Next, a thickness of 1 is formed by the plasma CVD method.
A 200 Å silicon oxide film 106 was deposited as a gate insulating film. TEOS and oxygen were used as source gases for plasma CVD. The substrate temperature during film formation is 250 to 380 ° C.,
For example, it was set to 300 ° C.

【0162】引き続いてスパッタ法によって、厚さ30
00〜8000Å、例えば6000Åのアルミニウム膜
(0. 1〜2%のシリコンを含む)を堆積した。そし
て、アルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極10
7を形成した。(図13(C))
Subsequently, the thickness 30 is obtained by the sputtering method.
An aluminum film (containing 0.1 to 2% of silicon) having a thickness of 00 to 8000Å, for example, 6000Å was deposited. Then, the aluminum film is etched to form the gate electrode 10
7 was formed. (Figure 13 (C))

【0163】次に、イオンドーピング法によって、シリ
コン領域にゲイト電極をマスクとして不純物(ボロン)
を注入した。ドーピングガスとして、水素で1〜10%
に希釈されたジボラン(B26 )、例えば5%のもの
を用いた。加速電圧は60〜90kV、例えば65k
V、ドーズ量は2×1015〜5×1015原子/cm2 、例
えば、3×1015原子/cm2 とした。イオンドーピング
時の基板温度は室温とした。この結果、P型の不純物領
域108(ソース)、109(ドレイン)が形成され
た。(図13(D))
Next, by an ion doping method, impurities (boron) are formed in the silicon region using the gate electrode as a mask.
Was injected. Hydrogen as a doping gas 1-10%
Diborane (B 2 H 6 ) diluted to 5%, for example, 5% was used. The acceleration voltage is 60 to 90 kV, for example 65 k
V and the dose amount were 2 × 10 15 to 5 × 10 15 atoms / cm 2 , for example, 3 × 10 15 atoms / cm 2 . The substrate temperature during ion doping was room temperature. As a result, P-type impurity regions 108 (source) and 109 (drain) were formed. (Figure 13 (D))

【0164】そして、ドーピングされたボロンを活性化
するために、前述したレーザーアニール装置を用いて、
同様なレーザーアニールを行なった。レーザーのエネル
ギー密度は100〜350mJ/cm2 、例えば、250
mJ/cm2 とした。このとき、被照射物の1点に注目す
ると、2〜20ショットのレーザー光が照射されるよう
にした。また、レーザー照射時の基板温度は200℃と
した。その後、窒素雰囲気中で2時間、450℃の熱ア
ニールを行った。本工程では、レーザーアニールと熱ア
ニールとの両方を行ったが、どちらか片方だけ行っても
よい。(図13(E))
Then, in order to activate the doped boron, using the above-described laser annealing apparatus,
Similar laser annealing was performed. The energy density of the laser is 100 to 350 mJ / cm 2 , for example, 250
It was set to mJ / cm 2 . At this time, focusing on one point of the object to be irradiated, laser light of 2 to 20 shots was irradiated. The substrate temperature during laser irradiation was 200 ° C. Then, thermal annealing was performed at 450 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. In this step, both laser annealing and thermal annealing are performed, but only one of them may be performed. (Fig. 13 (E))

【0165】続いて、厚さ6000Åの酸化珪素膜11
0を層間絶縁物としてプラズマCVD法によって形成
し、これにコンタクトホールを開孔した。そして、金属
材料、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜によって
TFTのソース、ドレインの電極・配線111、112
を形成した。最後に、1気圧の水素雰囲気で200〜3
50℃の熱アニールを行なった。(図13(F))
Subsequently, a silicon oxide film 11 having a thickness of 6000Å is formed.
0 was used as an interlayer insulator by a plasma CVD method, and a contact hole was opened therein. Then, the source / drain electrodes 111 and 112 of the TFT are made of a metal material, for example, a multilayer film of titanium and aluminum.
Was formed. Finally, 200 to 3 in 1 atmosphere of hydrogen atmosphere
Thermal annealing at 50 ° C. was performed. (Figure 13 (F))

【0166】このようにして作製されたTFTは移動度
が100 cm2 / Vs 程度もしくはそれ以上と大変高く、
例えば液晶ディスプレイのシフトレジスタのごとき高い
移動度を要求するものにも十分に対応できるものであ
る。また、レーザーアニール装置のレーザー光源の寿命
は、フライアイレンズが2枚の構成に比較して、5〜1
0%延ばすことができる。
The TFT manufactured in this manner has a mobility as high as about 100 cm 2 / Vs or higher,
For example, it can sufficiently deal with a liquid crystal display shift register that requires high mobility. In addition, the life of the laser light source of the laser annealing device is 5 to 1 compared to the configuration with two fly-eye lenses.
It can be extended by 0%.

【0167】〔実施例4〕本実施例では、実施例3とは
配置の異なる光学系を用い、さらに線状レーザービーム
の線幅方向のエネルギー密度の分布を台形状として、結
晶性シリコンTFTを作製した例を示す。
[Embodiment 4] In this embodiment, an optical system different in arrangement from that in Embodiment 3 is used, and the distribution of energy density in the line width direction of the linear laser beam is made trapezoidal to form a crystalline silicon TFT. The produced example is shown.

【0168】実施例3と同様に、図13を用いて実施例
の作製工程を示す。まず、ガラス基板(ここでは300
mm角、厚さ0.7mmのコーニング1737を用い
る。他に、コーニング7059、OA2、NA45等を
用いてもよい)101上に、厚さ2000Åの下地酸化
珪素膜102と、そのさらに上に厚さ500Åのアモル
ファスシリコン膜103をプラズマCVD法により連続
的に成膜した。
Similar to the third embodiment, the manufacturing process of the embodiment will be described with reference to FIGS. First, a glass substrate (here, 300
Corning 1737 having a square shape of 0.7 mm and a thickness of 0.7 mm is used. Besides, Corning 7059, OA2, NA45, etc. may be used) 101, a base silicon oxide film 102 having a thickness of 2000 Å and an amorphous silicon film 103 having a thickness of 500 Å are continuously formed thereon by a plasma CVD method. It was formed into a film.

【0169】そして、10ppmの酢酸ニッケル水溶液
をアモルファスシリコン膜103表面に塗布し、スピン
コート法により酢酸ニッケル層を形成した。酢酸ニッケ
ル水溶液には界面活性剤を添加するとよりよかった。酢
酸ニッケル層は極めて薄いので、膜状となっているとは
限らないが、以後の工程における問題はない。(図13
(A))
Then, a 10 ppm nickel acetate aqueous solution was applied to the surface of the amorphous silicon film 103, and a nickel acetate layer was formed by spin coating. It was better to add a surfactant to the nickel acetate aqueous solution. Since the nickel acetate layer is extremely thin, it is not always in the form of a film, but there is no problem in the subsequent steps. (FIG. 13
(A))

【0170】そして、550℃で4時間熱アニールする
ことにより、アモルファスシリコン膜を結晶化させる。
このとき、ニッケルが結晶の核の役割を果たし、シリコ
ン膜の結晶化を促進させる。550℃、4時間という低
温(コーニング1737の歪み点温度以下)、短時間で
処理できるのは、ニッケルの機能による。
Then, the amorphous silicon film is crystallized by thermal annealing at 550 ° C. for 4 hours.
At this time, nickel plays a role of a crystal nucleus and promotes crystallization of the silicon film. The low temperature of 550 ° C. for 4 hours (below the strain point temperature of Corning 1737) and the treatment in a short time are due to the function of nickel.

【0171】触媒元素の濃度は、1×1015〜1×10
19原子/cm3 であると好ましかった。1×1019原子
/cm3 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れ
て、半導体特性が消滅してしまった。
The concentration of the catalyst element is 1 × 10 15 to 1 × 10.
19 atoms / cm 3 was preferred. At a high concentration of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, metallic properties appeared in silicon and the semiconductor properties disappeared.

【0172】本実施例記載のシリコン膜中の触媒元素の
濃度は、膜中における最小値で1×1017〜5×1018
原子/cm3 であった。なお、これらの値は、2次イオ
ン質量分析法(TEM)により分析、測定したシリコン
膜中の触媒元素の濃度の最小値である。
The concentration of the catalytic element in the silicon film described in this example is 1 × 10 17 to 5 × 10 18 at the minimum value in the film.
It was atoms / cm 3 . It should be noted that these values are the minimum values of the concentration of the catalytic element in the silicon film analyzed and measured by the secondary ion mass spectrometry (TEM).

【0173】このようにして結晶性シリコン膜が得られ
る。このとき、ガラス基板は、結晶性シリコン膜が設け
られている面側に、凹型にそっている。ここでは、ガラ
ス基板の中心部と周辺部とにおいて、約300μm程度
の高低差を有している。
In this way, a crystalline silicon film is obtained. At this time, the glass substrate has a concave shape on the surface side on which the crystalline silicon film is provided. Here, there is a height difference of about 300 μm between the central portion and the peripheral portion of the glass substrate.

【0174】そりの程度は、ガラス基板の大きさや厚
さ、種類により異なる。100mm角の基板であれば2
0〜200μm程度、500mm角になると、1〜2m
m程度になることもある。このようにして得られた結晶
性シリコン膜の結晶性をさらに高めるために、大出力パ
ルスレーザーであるエキシマレーザーを該膜に照射す
る。
The degree of warpage depends on the size, thickness, and type of the glass substrate. 2 if the substrate is 100 mm square
About 0-200 μm, 1-2 mm at 500 mm square
It may be about m. In order to further enhance the crystallinity of the crystalline silicon film thus obtained, the film is irradiated with an excimer laser which is a high-power pulse laser.

【0175】ここでは、実施例3と同じく、図1に示す
レーザーアニール装置を用いる。なお、該レーザーアニ
ール装置の、レーザービームのパルス毎のエネルギーの
バラツキは、3σで±3%以内に納まっている。これよ
りバラツキの大きいパルスレーザーを用いても構わない
が、1走査におけるレーザー照射工程全体のレーザービ
ームの焦点深度が狭まってしまう。なお、3σで±10
%以上のものは、本実施例には適していない。
Here, as in the third embodiment, the laser annealing apparatus shown in FIG. 1 is used. The energy variation of each pulse of the laser beam of the laser annealing apparatus is within ± 3% at 3σ. A pulsed laser having a larger variation than this may be used, but the focal depth of the laser beam in the entire laser irradiation process in one scanning is narrowed. It is ± 10 for 3σ
% Or more is not suitable for this embodiment.

【0176】本実施例では、発振器として、ラムダフィ
ジック社製3000−308を用いた。発振されるレー
ザー光は、XeClエキシマレーザー(波長308n
m、パルス幅26nsec)である。もちろん、他の方
式のパルス発振のレーザー光を用いてもよい。
In this embodiment, the oscillator 3000-308 manufactured by Lambda Physics was used. The oscillated laser light is a XeCl excimer laser (wavelength 308n
m, pulse width 26 nsec). Of course, other types of pulsed laser light may be used.

【0177】光学系に入射する直前のレーザー光のビー
ムは、3×2cm2 程度の長方形であるが、該光学系によ
って、長さ10〜30cm、幅0.01〜0.3 cm程度の細長い
ビーム(線状ビーム)に加工される。
The beam of the laser light immediately before entering the optical system is a rectangle of about 3 × 2 cm 2 , and depending on the optical system, an elongated beam (length of 10 to 30 cm, width of 0.01 to 0.3 cm) (linear shape) is used. Beam).

【0178】発振されたレーザー光は、そのビーム形状
の変形のために、図10に示すような光学系に導入され
る。図10に、実施例におけるレーザーアニールを行う
ための光学系の例を示す。レーザービームを線状レーザ
ーに加工する光学系の内部の光路(図10)の説明をす
る。
The oscillated laser light is introduced into the optical system as shown in FIG. 10 due to the deformation of the beam shape. FIG. 10 shows an example of an optical system for performing laser annealing in the example. The optical path (FIG. 10) inside the optical system for processing the laser beam into the linear laser will be described.

【0179】レーザー光源kから発振され、光学系に、
入射したレーザー光は、まず、図8に示す構造を有する
複眼状のフライアイレンズiを通過する。さらに、第1
のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レン
ズm、線状化させるビームの線方向の均質性を良くする
ために設けられる第2のシリンドリカルレンズとして、
シリンドリカル凸レンズnを通過し、ミラーoを介し
て、シリンドリカルレンズpによって集束され、被照射
物に照射される。光路長は、レーザー光源からミラーo
までの距離が、2000mm、ミラーoから被照射面ま
での距離は、440mmを有する。シリンドリカルレン
ズpには、焦点距離が約100mmの物を用いる。
The laser light source k oscillates and the optical system
The incident laser light first passes through the compound eye fly-eye lens i having the structure shown in FIG. Furthermore, the first
As the cylindrical lens of, the cylindrical convex lens m, and the second cylindrical lens provided to improve the homogeneity of the beam to be linearized in the line direction,
The light passes through the cylindrical convex lens n, is focused by the cylindrical lens p via the mirror o, and is irradiated onto the irradiation target. The optical path length is from the laser light source to the mirror o
Is 2000 mm, and the distance from the mirror o to the illuminated surface is 440 mm. As the cylindrical lens p, an object having a focal length of about 100 mm is used.

【0180】レーザービームの線幅方向のエネルギー分
布の形を、線幅の周辺部においてシャープにするため
に、レーザー光路の途中にスリットを設ける。スリット
を設ける位置は、図10においては、シリンドリカルレ
ンズlの後が好ましく、例えば、シリンドリカルレンズ
nと、ミラーoとの間、あるいは、シリンドリカルレン
ズpと被照射面との間等が好ましい。
To make the shape of the energy distribution of the laser beam in the line width direction sharp at the peripheral portion of the line width, a slit is provided in the middle of the laser optical path. In FIG. 10, the position where the slit is provided is preferably after the cylindrical lens 1, for example, between the cylindrical lens n and the mirror o, or between the cylindrical lens p and the illuminated surface.

【0181】この光学系は、複眼状のフライアイレンズ
を一枚用いて、かつビームエキスパンダも備えていない
ため、レーザービームのエネルギー効率の低下を防ぐに
は最も適した構成の一つである。もちろん、本実施例に
おいて、図9に示すようなビームエキスパンダーを備え
た構成を用いてもよい。
This optical system uses one compound-eye fly-eye lens and is not equipped with a beam expander. Therefore, this optical system is one of the most suitable configurations for preventing the reduction of the energy efficiency of the laser beam. . Of course, in this embodiment, a configuration including a beam expander as shown in FIG. 9 may be used.

【0182】本光学系を経たレーザービームは線状に整
形され、被照射面でのビーム面積は、300mm×0.
4mmとする(ビームの線幅は、照射エネルギー分布に
おいて、半値幅とする)。本光学系を経たレーザー光の
エネルギーは、最大で1000mJ/ショットである。
光学系は、必要なビーム形状に変形できれば、どの様な
ものでもよい。
The laser beam that has passed through this optical system is shaped into a linear shape, and the beam area on the irradiated surface is 300 mm × 0.
4 mm (the line width of the beam is a half width in the irradiation energy distribution). The energy of the laser beam that has passed through this optical system is 1000 mJ / shot at the maximum.
Any optical system may be used as long as it can be transformed into a required beam shape.

【0183】レーザー照射は、図12に示すように、線
状レーザービームを被照射物に対し相対的にずらしなが
ら照射を行う。線状レーザーをずらしていく方向(基板
の移動方向)は線状レーザーと概略直角(図10、r方
向)とする。
As shown in FIG. 12, the laser irradiation is performed while shifting the linear laser beam relative to the object to be irradiated. The direction in which the linear laser is displaced (the moving direction of the substrate) is approximately perpendicular to the linear laser (direction r in FIG. 10).

【0184】次に、被照射面における線状レーザービー
ムの、線幅方向におけるエネルギー密度の分布を示す。
図4にレーザービームのエネルギー分布を示す。本実施
例においては、レーザービームの被照射面における線幅
方向のエネルギー分布を、スリットを用いて形成され
る、図4(a)に示す一般的な矩形のエネルギー分布で
はなく、図4(b)に示す、台形状のエネルギー分布を
用いる。
Next, the energy density distribution of the linear laser beam on the irradiated surface in the line width direction is shown.
FIG. 4 shows the energy distribution of the laser beam. In the present embodiment, the energy distribution in the line width direction on the irradiated surface of the laser beam is not the general rectangular energy distribution shown in FIG. ), A trapezoidal energy distribution is used.

【0185】被照射面における線幅方向のエネルギー分
布が台形状のレーザービームは、矩形のエネルギー分布
のものに比較して、 1)焦点深度が広くなる。 2)1回の走査で、従来の2段階照射と同等な効果を与
える。 という長所がある。
A laser beam having a trapezoidal energy distribution in the line width direction on the surface to be irradiated has 1) a wider depth of focus than a laser beam having a rectangular energy distribution. 2) One scan provides the same effect as the conventional two-stage irradiation. There is an advantage called.

【0186】一般的に使用されるレーザービームの線幅
方向のエネルギー密度分布は、図4(a)に示す、矩形
である。この、矩形状のレーザービームは、被照射面に
おけるエネルギー密度は高いが、焦点深度が狭くなる傾
向がある。具体的には、焦点深度が±約200μm以下
となり、被照射面が凹凸やうねりを有する場合におい
て、前記した台形状のエネルギー分布を有するレーザー
ビームに比較して、結晶性が不均一になりやすい。こう
して得られる結晶性シリコン膜を用いて複数の薄膜トラ
ンジスタを形成した場合、各々のしきい値電圧(Vth
が不均一となっていしまう。
The energy density distribution in the line width direction of a commonly used laser beam is rectangular as shown in FIG. 4 (a). This rectangular laser beam has a high energy density on the surface to be irradiated, but tends to have a narrow depth of focus. Specifically, in the case where the depth of focus is ± 200 μm or less and the surface to be irradiated has irregularities and undulations, the crystallinity tends to be non-uniform as compared with the laser beam having the trapezoidal energy distribution described above. . When a plurality of thin film transistors are formed using the crystalline silicon film thus obtained, the threshold voltage (V th ) of each
Becomes uneven.

【0187】一方、図4(b)に示すエネルギー分布
は、線状レーザービームの線幅方向において、不等式
0.5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L1を共
に満たすものである。この台形状のエネルギー分布を有
するレーザービームは、焦点深度が広くなる。具体的に
は、±約400μm以内程度を有せしめることができ、
エネルギー分布が矩形のレーザービームに比較して、被
照射面が凹凸やうねりを有する場合において、結晶性を
均質にし、また、結晶化に十分なエネルギー密度をも与
えうる。
On the other hand, the energy distribution shown in FIG. 4B satisfies the inequalities 0.5L1≤L2≤L1 and 0.5L1≤L3≤L1 in the line width direction of the linear laser beam. The laser beam having this trapezoidal energy distribution has a wide depth of focus. Specifically, it can have a thickness within about ± 400 μm,
Compared with a laser beam having a rectangular energy distribution, when the surface to be irradiated has irregularities and undulations, the crystallinity can be made uniform and an energy density sufficient for crystallization can be provided.

【0188】他方、L2(L3)>L1として、台形〜
三角形状のエネルギー分布とすると、焦点深度は±40
0μmより大きくとれるが、焦点調整は困難となり、ま
たエネルギー密度が小さくなるため、シリコン膜は結晶
化が不十分となりやすく、所望の移動度は得られないこ
とがある。
On the other hand, when L2 (L3)> L1, the trapezoid
If the energy distribution is triangular, the depth of focus is ± 40
Although it can be made larger than 0 μm, focus adjustment becomes difficult and the energy density becomes small, so that the silicon film is likely to be insufficiently crystallized and the desired mobility may not be obtained.

【0189】したがって、凹凸や、そり、ゆがみ、撓み
等を有する基板等、高低差の激しい被照射面に対して、
線状レーザービームの照射をする場合において、線幅方
向のエネルギー分布を、広い焦点深度を有する、前述の
不等式を満たす台形状のエネルギー分布とすることによ
り、従来の矩形状のエネルギー分布を有するレーザービ
ームを用いた場合に比較して、被照射面に均一なエネル
ギーを与え、結果として、均質な結晶性を有するシリコ
ン膜を得ることができる。
Therefore, with respect to a surface to be irradiated having a large height difference, such as a substrate having unevenness, warpage, distortion, bending, etc.,
In the case of irradiating a linear laser beam, a laser having a conventional rectangular energy distribution by making the energy distribution in the line width direction a trapezoidal energy distribution having a wide depth of focus and satisfying the above inequality. Compared with the case of using a beam, uniform energy is applied to the irradiated surface, and as a result, a silicon film having uniform crystallinity can be obtained.

【0190】本実施例では、被照射面におけるレーザー
ビームの、線幅方向のエネルギー密度分布の形状を台形
状にするために、レンズpの位置を上下(図10、s方
向)に変化させる。
In this embodiment, the position of the lens p is changed up and down (direction s in FIG. 10) in order to make the shape of the energy density distribution of the laser beam on the surface to be irradiated in the line width direction trapezoidal.

【0191】被照射面をレンズpに対して相対的に上下
させる(図10、s方向)ことによっても、照射面上で
のレーザービームのエネルギー分布の形状を、矩形に近
いものから台形に近いものまで変形させることができ
る。
Also by moving the irradiation surface up and down relative to the lens p (direction s in FIG. 10), the energy distribution shape of the laser beam on the irradiation surface is changed from a shape close to a rectangle to a shape close to a trapezoid. Even things can be transformed.

【0192】ここでは、線状レーザービームの線幅方向
のエネルギー密度の分布(エネルギープロファイル)
は、図4(b)において、L1=0.4mm、L2、L
3=0.25と、台形状の分布を有しており、不等式、
0.5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L1を満
たしている。
Here, the energy density distribution (energy profile) of the linear laser beam in the line width direction.
4B, L1 = 0.4 mm, L2, L
3 = 0.25, which has a trapezoidal distribution, and the inequality,
0.5L1 ≦ L2 ≦ L1 and 0.5L1 ≦ L3 ≦ L1 are satisfied.

【0193】この台形状分布のすその広がりの程度は、
レーザの光学系の最終レンズと被照射面までの距離で変
化する。レーザー処理中、被照射面(物)の高低によ
り、レーザーの光学系の最終レンズと被照射面までの距
離が変化する。それに伴い、レーザービームの台形状分
布のすその広がりの程度が変化するが、その変化の範囲
が、不等式0.5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3
≦L1の範囲に入っていれば、焦点深度が適度に広が
り、結果として均質なレーザー処理が可能となる。な
お、ここでいうところの均質とは、レーザー照射された
結晶性シリコン膜の基板面内における移動度のバラツキ
が、±10%以内に納まることを表す。
The degree of spread of this trapezoidal distribution is
It changes depending on the distance between the final lens of the laser optical system and the illuminated surface. During the laser processing, the distance between the final lens of the optical system of the laser and the irradiated surface changes depending on the height of the irradiated surface (object). Along with this, the extent of the spread of the trapezoidal distribution of the laser beam changes, but the range of the change is the inequalities 0.5L1 ≦ L2 ≦ L1, 0.5L1 ≦ L3.
If it is within the range of ≦ L1, the depth of focus is appropriately widened, and as a result, uniform laser processing becomes possible. The term "homogeneous" as used herein means that the variation in the mobility of the crystalline silicon film irradiated with the laser within the substrate surface is within ± 10%.

【0194】ガラス基板101は、ステージ上に載置さ
れており、ステージを2.5mm/s速度で移動させる
ことによって照射が行われる。レーザービームの照射条
件は、レーザービームのエネルギー密度を100〜50
0mJ/cm2 、ここでは、400mJ/cm2 とし、
パルス数を200パルス/sとする。なお、ここでいう
エネルギー密度とは、台形状のレーザービームのエネル
ギー分布の上底部分(最大値を有する部分)の密度を示
す。
The glass substrate 101 is placed on the stage, and irradiation is performed by moving the stage at a speed of 2.5 mm / s. The laser beam irradiation conditions are such that the energy density of the laser beam is 100 to 50.
0 mJ / cm 2 , here 400 mJ / cm 2 ,
The number of pulses is 200 pulses / s. The energy density mentioned here indicates the density of the upper bottom portion (the portion having the maximum value) of the energy distribution of the trapezoidal laser beam.

【0195】上述のような条件でレーザー照射を行う
と、被照射面のある一点に着目した場合、レーザー照射
は32段階照射になる。これは、1回のビームの通過
に、0.4秒かかるので、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32パルスの照射が行われ
るからである。レーザー照射は、3〜100段階照射、
好ましくは、10〜40段階照射が、最もよい結晶性を
有するシリコン膜が得られる。
When laser irradiation is carried out under the above-mentioned conditions, if one point on the surface to be irradiated is focused, the laser irradiation is 32 steps irradiation. This is because it takes 0.4 seconds to pass a beam once, and thus 32 pulses are radiated to one place by the irradiation while scanning the beam once. Laser irradiation is 3 to 100 steps irradiation,
Preferably, irradiation with 10 to 40 stages gives a silicon film having the best crystallinity.

【0196】本実施例のように、台形状のエネルギー分
布を有する線状レーザービームを、基板に対して、レー
ザービームの線幅方向(線方向に対し直角)に相対的に
移動し、ビームを重ねながら照射した際、レーザービー
ムのエネルギー分布に勾配があるために、被照射面のあ
る一点に注目すると、最初に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、やがて徐々に弱
いレーザー光が照射され、照射が終了した、という状況
となる。
As in this example, a linear laser beam having a trapezoidal energy distribution is moved relative to the substrate in the laser beam line width direction (right angle to the line direction) to form a beam. When irradiating while overlapping, there is a gradient in the energy distribution of the laser beam, so if you focus on one point on the surface to be irradiated, weak laser light will be irradiated first, gradually stronger laser light will be irradiated, and gradually weaker. The situation is that the laser light is irradiated and the irradiation is completed.

【0197】図5に、台形状のエネルギー分布を有する
線状レーザービームでレーザー照射をする様子を示す。
図5において、レーザービーム照射の前半は、レーザー
エネルギーが徐々に上がっていき(Aに注目)、後半で
は徐々に下がっていく(Bに注目)。したがって、前記
した台形状のエネルギー分布を有する線状レーザービー
ムを用いると、被照射領域に供給されるエネルギーの変
化が、従来の矩形のエネルギー分布を有する線状レーザ
ービームを用いた場合に比較して、極めて緩やかにな
る。
FIG. 5 shows how laser irradiation is performed with a linear laser beam having a trapezoidal energy distribution.
In FIG. 5, the laser energy gradually increases in the first half of the laser beam irradiation (note A) and gradually decreases in the latter half (note B). Therefore, when the linear laser beam having the trapezoidal energy distribution described above is used, the change in the energy supplied to the irradiation region is compared with the case where the conventional linear laser beam having the rectangular energy distribution is used. It becomes extremely gentle.

【0198】これにより、従来、エネルギー密度の弱い
レーザー光を最初に照射し(予備照射)、次にエネルギ
ー密度の強いレーザー光ーを照射(本照射)して行われ
た、2段階照射と同等な状況を実現できる。結果とし
て、レーザー照射されたシリコン膜において、急激な相
変化の発生を防ぎ、表面の荒れや、内部応力の蓄積を防
いで、均一な結晶性を有せしめることができる。
As a result, it is equivalent to the two-step irradiation which is conventionally performed by first irradiating a laser beam having a low energy density (pre-irradiation) and then irradiating a laser beam having a high energy density (main irradiation). Can be realized. As a result, it is possible to prevent abrupt phase change from occurring in the laser-irradiated silicon film, prevent surface roughness and accumulation of internal stress, and provide uniform crystallinity.

【0199】レーザービーム照射の際、基板温度は、5
00℃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、被照射物の均一性
の劣化を抑えるためである。基板温度は、室温〜ガラス
基板の歪み点までの間で、レーザーアニールに適した温
度を選ぶ。また雰囲気制御はここでは特に行わず、大気
中で行う。真空、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、
水素、窒素等の雰囲気で行ってもよい。(図13
(B))このようにして得られた結晶性シリコン膜は、
ガラス基板がそりを有しているにも係わらず、均質な結
晶性を有している。
When the laser beam is irradiated, the substrate temperature is 5
It is kept at 00 ° C. This is to reduce the rate of rise and fall of the substrate surface temperature due to the laser, and suppress the deterioration of the uniformity of the irradiated object. As the substrate temperature, a temperature suitable for laser annealing is selected from room temperature to the strain point of the glass substrate. Atmosphere control is not performed here, but is performed in the atmosphere. Vacuum, argon, inert gas such as helium,
You may perform in atmosphere, such as hydrogen and nitrogen. (FIG. 13
(B)) The crystalline silicon film thus obtained is
Even though the glass substrate has a warp, it has a homogeneous crystallinity.

【0200】その後、実施例3と同様にしてTFTを作
製する。該作製工程において、不純物イオン打ち込み後
の結晶性回復工程においても、図1で示したレーザーア
ニール装置を用いる。このようにして、得られた複数の
TFTのしきい値電圧は、ガラス基板がそりを有してい
たにもかかわらず、しきい値電圧の分布が、基板面内に
おいて±5%と、極めて均一化される。一方、線状レー
ザービームの線幅方向のエネルギー分布を、従来一般的
な矩形とした場合、基板中央部分と周辺部において、T
FTのしきい値電圧が大きく異なり、基板面内におい
て、しきい値の分布が±15〜20%となってしまう。
また、レーザーアニール装置のレーザー光源の寿命は、
フライアイレンズが2枚の構成に比較して、5〜10%
延ばすことができる。
Then, a TFT is manufactured in the same manner as in Example 3. In the manufacturing process, the laser annealing apparatus shown in FIG. 1 is used also in the crystallinity recovery process after implanting impurity ions. In this way, the threshold voltages of the plurality of TFTs thus obtained have a distribution of the threshold voltage of ± 5% in the plane of the substrate, which is extremely high, even though the glass substrate has a warp. Be homogenized. On the other hand, when the energy distribution in the line width direction of the linear laser beam is a conventional rectangular shape, the T
The threshold voltage of the FT is greatly different, and the distribution of the threshold is ± 15 to 20% within the substrate surface.
Also, the life of the laser light source of the laser annealing device is
5-10% compared to the configuration with two fly-eye lenses
Can be extended.

【0201】[0201]

【発明の効果】本発明によって、半導体被膜を結晶化す
る際の量産性を向上させ、半導体被膜の結晶性の均一性
を高めることができる。
According to the present invention, mass productivity in crystallizing a semiconductor film can be improved and the uniformity of crystallinity of the semiconductor film can be improved.

【0202】また、本発明は、焦点深度が大きく得られ
るため、特に凹凸の大きい膜( ±400μm 以内の面)
に対しても、均質なレーザーアニールを可能とする。
Further, in the present invention, since a large depth of focus can be obtained, a film having particularly large unevenness (a surface within ± 400 μm)
Even with respect to, it is possible to perform uniform laser annealing.

【0203】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
作製する場合、TFTのしきい値電圧の基板面内におけ
る均一性を向上させ、さらには特性の均一性を向上させ
ることができる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The invention disclosed in this specification can be applied to all laser processing processes used in semiconductor device processes. Above all, when a TFT is manufactured as a semiconductor device, the threshold voltage of the TFT is in the plane of the substrate. It is possible to improve the uniformity in the above, and further improve the uniformity of the characteristics.

【0204】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、
基板面内における均一性を高めることができる。
When the invention disclosed in this specification is used for the activation process of the impurity element of the source / drain of the TFT, the field effect mobility of the TFT or the on-current
It is possible to improve the uniformity within the plane of the substrate.

【0205】また、レーザーアニール装置において、複
眼状のフライアイレンズを用いることにより、縦拡大用
と横拡大用の2枚のフライアイレンズを用いる場合に比
較し、光量損失を減少させ、レーザービームのエネルギ
ーロスが大幅に減少して、エネルギー効率が向上し、良
好なレーザーアニール、シリコン膜の結晶化が可能とな
り、また、レーザー光源の長寿命化を図ることができ
る。
Further, in the laser annealing apparatus, by using the compound eye fly-eye lens, the light amount loss can be reduced and the laser beam can be reduced as compared with the case where two fly-eye lenses for vertical magnification and horizontal magnification are used. The energy loss is significantly reduced, the energy efficiency is improved, good laser annealing and crystallization of the silicon film are possible, and the life of the laser light source can be extended.

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

【図1】 実施例で使用するレーザーアニール装置の概
念図。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a laser annealing apparatus used in an example.

【図2】 光学系の例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an example of an optical system.

【図3】 光学系の例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an example of an optical system.

【図4】 レーザービームのエネルギー分布を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an energy distribution of a laser beam.

【図5】 線状に加工されたレーザー光の線幅方向(走
査される方向)におけるエネルギー密度の分布を示す
図。
FIG. 5 is a diagram showing a distribution of energy density in a line width direction (scanning direction) of a linearly processed laser beam.

【図6】 実施例の作製工程を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of an example.

【図7】 レーザービームのエネルギー分布と焦点深度
の関係を概念的に示す図。
FIG. 7 is a diagram conceptually showing the relationship between the energy distribution of a laser beam and the depth of focus.

【図8】 複眼状フライアイレンズの例を示す図。FIG. 8 is a diagram showing an example of a compound eye fly-eye lens.

【図9】 実施例におけるレーザーアニールを行うため
の光学系の例を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing an example of an optical system for performing laser annealing in an example.

【図10】 実施例におけるレーザーアニールを行うた
めの光学系の例を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing an example of an optical system for performing laser annealing in an example.

【図11】 シリンドリカルレンズの作用を示す図。FIG. 11 is a diagram showing an operation of a cylindrical lens.

【図12】 線状レーザービームを用いてレーザー照射
する様子を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a state of laser irradiation using a linear laser beam.

【図13】 実施例における作製工程を示す図。FIG. 13 is a diagram showing a manufacturing process in an example.

【図14】 従来のレーザーアニール装置の光学系の例
を示す図。
FIG. 14 is a diagram showing an example of an optical system of a conventional laser annealing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 ガラス基板 102 下地酸化珪素膜 103 アモルファスシリコン膜 105 島状シリコン領域 106 酸化珪素膜 107 ゲイト電極 108 ソース 109 ドレイン 110 酸化珪素膜 111 ソース電極・配線 112 ドレイン電極・配線 601 ガラス基板 602 酸化珪素膜(下地膜) 603 非晶質珪素膜 604 活性層(非晶質珪素) 605 実質的な単結晶領域 606 活性層(実質的な単結晶珪素) 607 ゲイト絶縁膜 608 ゲイト電極 609 ソース領域 610 チャネル形成領域 611 ドレイン領域 612 層間絶縁膜 613 ソース電極 614 ドレイン電極 101 glass substrate 102 base silicon oxide film 103 amorphous silicon film 105 island-shaped silicon region 106 silicon oxide film 107 gate electrode 108 source 109 drain 110 silicon oxide film 111 source electrode / wiring 112 drain electrode / wiring 601 glass substrate 602 silicon oxide film ( Base film) 603 Amorphous silicon film 604 Active layer (amorphous silicon) 605 Substantial single crystal region 606 Active layer (substantial single crystal silicon) 607 Gate insulating film 608 Gate electrode 609 Source region 610 Channel formation region 611 Drain region 612 Interlayer insulating film 613 Source electrode 614 Drain electrode

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/12 H01L 27/12 R 29/786 29/78 627G 21/336 H01S 3/097 F H01S 3/0979 Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI Technical display location H01L 27/12 H01L 27/12 R 29/786 29/78 627G 21/336 H01S 3/097 F H01S 3/0979

Claims (31)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】パルスレーザーを光源とした線状レーザー
ビームを、半導体被膜よりなる被照射面に照射するに際
し、 線状レーザービームの焦点における線幅方向のエネルギ
ー分布は、 最大エネルギーを1として、エネルギーが0. 95であ
るところのビーム幅をL1とし、 エネルギーが0. 70であるところのビーム幅を、L1
+L2(線幅の一方)+L3(線幅の他方)としたと
き、 不等式0. 5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L
1を満たし、 焦点深度が±約400μm以内であることを特徴とする
レーザーアニール方法。
1. When a linear laser beam using a pulsed laser as a light source is irradiated onto a surface to be irradiated composed of a semiconductor film, the energy distribution in the line width direction at the focal point of the linear laser beam has a maximum energy of 1, The beam width where the energy is 0.95 is L1, and the beam width where the energy is 0.70 is L1.
+ L2 (one of the line widths) + L3 (the other of the line widths), the inequality 0.5L1≤L2≤L1, 0.5L1≤L3≤L
1. A laser annealing method, wherein the depth of focus is within ± 400 μm.
【請求項2】エキシマレーザビームを発生させ、当該エ
キシマレーザビームをビームエキスパンダによって拡大
する工程と、 前記ビームエキスパンダによって、拡大整形されたレー
ザビームをフライアイレンズにより分割拡大する工程
と、 前記フライアイレンズにより分割拡大されたレーザービ
ームを第1のシリンドリカルレンズにより線状に集光す
る工程と、 該線状に集光されたレーザービームを、第2のシリンド
リカルレンズにより当該レーザビームの線状化される該
線方向の均質性を良くする工程と、 加工位置に配置された被照射面の当該レーザービームの
焦点に対する位置を調節することにより、前記被照射面
上でのレーザービームのエネルギー分布を疑似台形状に
加工する工程と、 前記被照射面を、前記線状化されたレーザー光の線方向
とほぼ直角の方向に相対的に移動する工程と、 からなることを特徴とするレーザーアニール方法。
2. A step of generating an excimer laser beam and expanding the excimer laser beam by a beam expander; a step of dividing and expanding a laser beam expanded and shaped by the beam expander by a fly-eye lens; A step of linearly converging the laser beam divided and expanded by the fly-eye lens by the first cylindrical lens, and a linear beam of the laser beam converging the linearly condensed laser beam by the second cylindrical lens Energy distribution of the laser beam on the irradiation surface by adjusting the position of the irradiation surface arranged at the processing position with respect to the focus of the laser beam Process into a pseudo trapezoidal shape, and the irradiation surface is the linearized laser Laser annealing method according to the linear direction comprising the steps of relatively moving substantially perpendicular direction, characterized in that it consists of.
【請求項3】エキシマレーザビームを発生させ、当該エ
キシマレーザビームをビームエキスパンダによって拡大
する工程と、 前記ビームエキスパンダによって、拡大整形されたレー
ザビームを複眼状のフライアイレンズにより分割拡大す
る工程と、 前記フライアイレンズにより分割拡大されたレーザービ
ームを第1のシリンドリカルレンズにより線状に集光す
る工程と、 シリンドリカルレンズによって集光する際にスリットを
用いて絞る工程と、 当該分割拡大されたレーザービームを第2のシリンドリ
カルレンズにより当該レーザビームの線状化される該線
方向の均質性を良くする工程と、 照射位置に配置された被照射面の当該レーザービームの
焦点に対する位置を調節することにより、前記被照射面
上でのレーザービームのエネルギー分布を疑似台形状に
加工する工程と、 前記被照射面を、前記線状化されたレーザー光の線方向
とほぼ直角の方向に相対的に移動する工程と、 からなることを特徴とするレーザーアニール方法。
3. A step of generating an excimer laser beam and expanding the excimer laser beam by a beam expander; and a step of dividing and expanding the laser beam expanded and shaped by the beam expander by a compound eye fly-eye lens. And a step of linearly converging the laser beam divided and expanded by the fly-eye lens by the first cylindrical lens, a step of narrowing it using a slit when converging by the cylindrical lens, and the divided and expanded A step of improving homogeneity of the laser beam linearized by the second cylindrical lens in the linear direction of the laser beam, and adjusting the position of the irradiated surface arranged at the irradiation position with respect to the focus of the laser beam Energy of the laser beam on the irradiated surface A step of processing a cloth into a pseudo trapezoidal shape; and a step of relatively moving the irradiated surface in a direction substantially perpendicular to the linear direction of the linearized laser light, Annealing method.
【請求項4】エキシマレーザビームを発生させ、当該エ
キシマレーザビームをフライアイレンズにより分割拡大
する工程と、 前記フライアイレンズにより分割拡大されたレーザービ
ームを第1のシリンドリカルレンズにより線状に集光す
る工程と、 該線状に集光されたレーザービームを、第2のシリンド
リカルレンズにより当該レーザビームの線状化される該
線方向の均質性を良くする工程と、 加工位置に配置された被照射面の当該レーザービームの
焦点に対する位置を調節することにより、前記被照射面
上でのレーザービームのエネルギー分布を疑似台形状に
加工する工程と、 前記被照射面を、前記線状化されたレーザー光の線方向
とほぼ直角の方向に相対的に移動する工程と、 からなることを特徴とするレーザーアニール方法。
4. A step of generating an excimer laser beam and splitting and expanding the excimer laser beam by a fly-eye lens; and a step of linearly focusing the laser beam split and expanded by the fly-eye lens by a first cylindrical lens. And a step of improving the homogeneity of the linearly focused laser beam by the second cylindrical lens in the linear direction of the laser beam, and the object placed at the processing position. By adjusting the position of the irradiation surface with respect to the focus of the laser beam, a step of processing the energy distribution of the laser beam on the irradiation surface into a pseudo-trapezoid, and the irradiation surface being linearized. A laser annealing method comprising: a step of relatively moving in a direction substantially perpendicular to a laser beam line direction.
【請求項5】エキシマレーザビームを発生させ、当該エ
キシマレーザビームを複眼状のフライアイレンズにより
分割拡大する工程と、 前記フライアイレンズにより分割拡大されたレーザービ
ームを第1のシリンドリカルレンズにより線状に集光す
る工程と、 シリンドリカルレンズによって集光する際にスリットを
用いて絞る工程と、 当該分割拡大されたレーザービームを第2のシリンドリ
カルレンズにより当該レーザビームの線状化される該線
方向の均質性を良くする工程と、 照射位置に配置された被照射面の当該レーザービームの
焦点に対する位置を調節することにより、前記被照射面
上でのレーザービームのエネルギー分布を疑似台形状に
加工する工程と、 前記被照射面を、前記線状化されたレーザー光の線方向
とほぼ直角の方向に相対的に移動する工程と、 からなることを特徴とするレーザーアニール方法。
5. A step of generating an excimer laser beam and dividing and expanding the excimer laser beam by a compound eye fly-eye lens; and a linear beam of the laser beam divided and expanded by the fly-eye lens by a first cylindrical lens. In the line direction, a step of using a slit to condense the light by a cylindrical lens, and a step of making the divided and expanded laser beam linear by the second cylindrical lens. The energy distribution of the laser beam on the irradiated surface is processed into a pseudo trapezoidal shape by improving the homogeneity and adjusting the position of the irradiated surface arranged at the irradiation position with respect to the focus of the laser beam. Step, the surface to be irradiated, in a direction substantially perpendicular to the linear direction of the linearized laser light Laser annealing method comprising the steps of moving pairs manner, in that it consists of.
【請求項6】請求項2〜請求項5のいずれかにおいて、
前記疑似台形状エネルギー分布は、最大エネルギーを1
として、エネルギーが0. 95であるところのビーム幅
をL1とし、 エネルギーが0. 70であるところのビーム幅を、L1
+L2(線幅の一方)+L3(線幅の他方)としたと
き、 不等式0. 5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L
1を満たすものであることを特徴とするレーザーアニー
ル方法。
6. The method according to any one of claims 2 to 5,
The pseudo trapezoidal energy distribution has a maximum energy of 1
Let L1 be the beam width where the energy is 0.95, and L1 be the beam width where the energy is 0.70.
+ L2 (one of the line widths) + L3 (the other of the line widths), the inequality 0.5L1≤L2≤L1, 0.5L1≤L3≤L
1. A laser annealing method characterized by satisfying 1.
【請求項7】パルスレーザーを光源とした線状レーザー
ビームを、半導体被膜よりなる被照射面に照射するに際
し、 前記線状レーザービームの焦点における線幅方向のエネ
ルギー分布は、 最大エネルギーを1として、エネルギーが0. 95であ
るところのビーム幅をL1とし、 エネルギーが0. 70であるところのビーム幅を、L1
+L2(線幅の一方)+L3(線幅の他方)としたと
き、 不等式0. 5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L
1を満たすものであること を特徴とするレーザーアニ
ール方法。
7. When irradiating a linear laser beam using a pulse laser as a light source on a surface to be irradiated which is a semiconductor film, the energy distribution in the line width direction at the focal point of the linear laser beam has a maximum energy of 1. , L1 is the beam width where the energy is 0.95, and L1 is the beam width where the energy is 0.70.
+ L2 (one of the line widths) + L3 (the other of the line widths), the inequality 0.5L1≤L2≤L1, 0.5L1≤L3≤L
1. A laser annealing method characterized by satisfying 1.
【請求項8】パルスレーザーを光源とした線状レーザー
ビームを、該線状レーザービームと半導体被膜よりなる
被照射面とを前記線状レーザービームの線幅方向に相対
的に移動させながら、複数回照射するに際し、 前記線状レーザービームの焦点における線幅方向のエネ
ルギー分布は、 最大エネルギーを1として、エネルギーが0. 95であ
るところのビーム幅をL1とし、 エネルギーが0. 70であるところのビーム幅を、L1
+L2(線幅の一方)+L3(線幅の他方)としたと
き、 不等式0. 5L1≦L2≦L1、0.5L1≦L3≦L
1を満たすものであることを特徴とするレーザーアニー
ル方法。
8. A plurality of linear laser beams using a pulse laser as a light source are relatively moved in the line width direction of the linear laser beam between the linear laser beam and a surface to be irradiated made of a semiconductor film. Upon irradiation once, the energy distribution in the line width direction at the focal point of the linear laser beam has a maximum energy of 1 and a beam width of L1 at an energy of 0.95 and an energy of 0.70. Beam width of L1
+ L2 (one of the line widths) + L3 (the other of the line widths), the inequality 0.5L1≤L2≤L1, 0.5L1≤L3≤L
1. A laser annealing method characterized by satisfying 1.
【請求項9】請求項7または請求項8において、線状レ
ーザービームは、エキシマレーザーであることを特徴と
するレーザーアニール方法。
9. The laser annealing method according to claim 7 or 8, wherein the linear laser beam is an excimer laser.
【請求項10】請求項7または請求項8において、半導
体被膜は、ガラス基板上に形成されたものであることを
特徴とするレーザーアニール方法。
10. The laser annealing method according to claim 7 or 8, wherein the semiconductor film is formed on a glass substrate.
【請求項11】請求項7または請求項8において、半導
体被膜は、結晶性珪素膜であることを特徴とするレーザ
ーアニール方法。
11. The laser annealing method according to claim 7, wherein the semiconductor film is a crystalline silicon film.
【請求項12】請求項7または請求項8において、半導
体被膜は、非晶質珪素膜であることを特徴とするレーザ
ーアニール方法。
12. The laser annealing method according to claim 7 or 8, wherein the semiconductor film is an amorphous silicon film.
【請求項13】請求項7または請求項8において、半導
体被膜は、薄膜トランジスタが形成される箇所に設けら
れたパターニングされた非晶質珪素膜であることを特徴
とするレーザーアニール方法。
13. The laser annealing method according to claim 7 or 8, wherein the semiconductor film is a patterned amorphous silicon film provided at a position where a thin film transistor is formed.
【請求項14】請求項7または請求項8において、被照
射面は、±約400μm以内の凹凸を有していることを
特徴とするレーザーアニール方法。
14. The laser annealing method according to claim 7, wherein the surface to be irradiated has irregularities within ± 400 μm.
【請求項15】請求項8において、線状レーザービーム
の照射は、被照射面上の一点に対し、複数回照射するこ
とを特徴とするレーザーアニール方法。
15. The laser annealing method according to claim 8, wherein the irradiation of the linear laser beam is performed a plurality of times on one point on the surface to be irradiated.
【請求項16】パルスーレーザ発生手段と、 前記パルスレーザ発生手段から照射されたレーザビーム
を拡大するためのビームエキスパンダと、 前記拡大されたレーザビームを分割拡大する複眼状のフ
ライアイレンズと、 前記分割拡大されたレーザービームを線状に集光する第
1のシリンドリカルレンズと、 前記線状に集光されたレーザービームの線方向の均質性
を良くする第2のシリンドリカルレンズと、 被照射物を、前記線状に集光されたレーザービームの線
方向とほぼ直角の方向に相対的に移動させるステージ
と、 を有することを特徴とするレーザーアニール装置。
16. A pulse-laser generator, a beam expander for expanding the laser beam emitted from the pulse laser generator, a compound eye fly-eye lens for dividing and expanding the expanded laser beam, A first cylindrical lens that linearly focuses the split and expanded laser beam, a second cylindrical lens that improves the homogeneity in the linear direction of the linearly focused laser beam, and an irradiation target A stage for moving the linearly focused laser beam in a direction substantially perpendicular to the linear direction, and a laser annealing apparatus.
【請求項17】パルスレーザー発生手段と、 前記パルスレーザー発生手段から照射されたレーザービ
ームを分割拡大する複眼状のフライアイレンズと、 前記分割拡大されたレーザービームを線状に集光する第
1のシリンドリカルレンズと、 前記線状に集光されたレーザービームの線方向の均質性
を良くする第2のシリンドリカルレンズと、 被照射物を、前記線状に集光されたレーザービームの線
方向とほぼ直角の方向に相対的に移動させるステージ
と、 を有することを特徴とするレーザーアニール装置。
17. A pulse laser generating means, a compound eye fly-eye lens for dividing and expanding the laser beam emitted from said pulse laser generating means, and a first means for linearly focusing said divided and expanded laser beam. A cylindrical lens, a second cylindrical lens that improves the homogeneity of the linearly focused laser beam in the line direction, and an object to be irradiated with the linear direction of the linearly focused laser beam. A laser annealing apparatus comprising: a stage that relatively moves in a direction at substantially right angles.
【請求項18】請求項16または17において、被照射
物は、アモルファスシリコン膜であることを特徴とする
レーザーアニール装置。
18. A laser annealing apparatus according to claim 16 or 17, wherein the object to be irradiated is an amorphous silicon film.
【請求項19】請求項16または17において、被照射
物は、結晶性シリコン膜であることを特徴とするレーザ
ーアニール装置。
19. The laser annealing apparatus according to claim 16 or 17, wherein the object to be irradiated is a crystalline silicon film.
【請求項20】請求項16または17において、被照射
物は、不純物イオンが打ち込まれた結晶性シリコン膜で
あることを特徴とするレーザーアニール装置。
20. The laser annealing apparatus according to claim 16 or 17, wherein the irradiation object is a crystalline silicon film into which impurity ions are implanted.
【請求項21】請求項16または17において、パルス
レーザー発生手段は、エキシマレーザー発生手段である
ことを特徴とするレーザーアニール装置。
21. The laser annealing apparatus according to claim 16 or 17, wherein the pulse laser generating means is an excimer laser generating means.
【請求項22】請求項16または17において、前記第
1のシリンドリカルレンズの後方に、前記線状レーザー
ビームの縁部を除去するスリットが設けられていること
を特徴とするレーザーアニール装置。
22. The laser annealing device according to claim 16 or 17, wherein a slit for removing an edge portion of the linear laser beam is provided behind the first cylindrical lens.
【請求項23】請求項16または17において、複眼状
のフライアイレンズは、平面形状が多角形の凸レンズ
を、複数個規則的に敷きつめて、平面状に構成されたも
のであることを特徴とするレーザーアニール装置。
23. The compound eye fly-eye lens according to claim 16 or 17, wherein a plurality of convex lenses each having a polygonal planar shape are regularly laid out to form a planar shape. Laser annealing equipment.
【請求項24】請求項23において、凸レンズは、平面
形状が、正方形であることを特徴とするレーザーアニー
ル装置。
24. The laser annealing apparatus according to claim 23, wherein the convex lens has a square planar shape.
【請求項25】請求項23において、凸レンズは、平面
形状が、長方形であることを特徴とするレーザーアニー
ル装置。
25. The laser annealing apparatus according to claim 23, wherein the convex lens has a rectangular planar shape.
【請求項26】請求項23において、凸レンズは、平面
形状が、六角形であることを特徴とするレーザーアニー
ル装置。
26. The laser annealing apparatus according to claim 23, wherein the convex lens has a hexagonal planar shape.
【請求項27】パルスレーザービームを複眼状のフライ
アイレンズにより分割拡大し、前記分割拡大されたレー
ザービームを線状に集光して、走査しながら被照射物に
照射することを特徴とするレーザーアニール方法。
27. A pulsed laser beam is divided and enlarged by a compound eye fly-eye lens, and the divided and enlarged laser beam is linearly condensed and irradiated onto an irradiation object while scanning. Laser annealing method.
【請求項28】請求項27において、パルスレーザービ
ームは、エキシマレーザービームであることを特徴とす
るレーザーアニール方法。
28. The laser annealing method according to claim 27, wherein the pulsed laser beam is an excimer laser beam.
【請求項29】請求項27において、被照射物は、アモ
ルファスシリコン膜であることを特徴とするレーザーア
ニール方法。
29. The laser annealing method according to claim 27, wherein the object to be irradiated is an amorphous silicon film.
【請求項30】請求項27において、被照射物は、結晶
性シリコン膜であることを特徴とするレーザーアニール
方法。
30. The laser annealing method according to claim 27, wherein the irradiation object is a crystalline silicon film.
【請求項31】請求項27において、被照射物は、不純
物イオンが打ち込まれた結晶性シリコン膜であることを
特徴とするレーザーアニール方法。
31. The laser annealing method according to claim 27, wherein the object to be irradiated is a crystalline silicon film into which impurity ions are implanted.
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