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JP2005175211A - Process and equipment for producing semiconductor film - Google Patents

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JP2005175211A
JP2005175211A JP2003413313A JP2003413313A JP2005175211A JP 2005175211 A JP2005175211 A JP 2005175211A JP 2003413313 A JP2003413313 A JP 2003413313A JP 2003413313 A JP2003413313 A JP 2003413313A JP 2005175211 A JP2005175211 A JP 2005175211A
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JP
Japan
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semiconductor film
diffusion layer
laser
thermal diffusion
region
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Application number
JP2003413313A
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Japanese (ja)
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Tetsuya Inui
哲也 乾
Junichiro Nakayama
純一郎 中山
Kimihiro Taniguchi
仁啓 谷口
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To elongate the crystal growth distance by single irradiation with a laser beam, and to improve the characteristics of a semiconductor element while enhancing production efficiency and lowering production cost. <P>SOLUTION: The process for producing a semiconductor film utilizing a laser beam comprises a step for forming a semiconductor film on a substrate, a step for forming a thermal diffusion layer having thermal conductivity higher than that of the substrate on the semiconductor film, a patterning step for separating a region where the thermal diffusion layer is formed from a region where the thermal diffusion layer is not formed by removing a part of the thermal diffusion layer, a first laser irradiation step for irradiating the region where the thermal diffusion layer is formed with a first laser beam to fuse the semiconductor film, and a step for crystallizing the fused semiconductor. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

基板上の半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する半導体膜の製造方法および製造装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor film manufacturing method and a manufacturing apparatus for crystallizing a semiconductor film on a substrate by laser irradiation.

液晶やエレクトロルミネッセンス(EL)を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタは、非晶質または多結晶のシリコンを活性層として用いる。このうち、多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、電子の移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較して、多くの長所を有している。たとえば、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバICや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。また、その他の長所として、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。   A thin film transistor used in a display device using liquid crystal or electroluminescence (EL) uses amorphous or polycrystalline silicon as an active layer. Among them, a polycrystalline silicon thin film transistor has many advantages over an amorphous silicon thin film transistor because of its high electron mobility. For example, not only a switching element can be formed in the pixel portion, but also a driver circuit and a part of the peripheral circuits can be formed on a single substrate in the peripheral portion of the pixel. For this reason, it is not necessary to separately mount a driver IC or a drive circuit board on the display device, so that the display device can be provided at a low price. Further, as another advantage, since the size of the transistor can be miniaturized, a switching element formed in the pixel portion can be reduced and a high aperture ratio can be achieved. Therefore, it is possible to provide a display device with high brightness and high definition.

多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、ガラス基板にCVD法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、別途、非晶質シリコンを多結晶化する工程が必要である。通常、結晶化のアニール工程は、600℃以上の高温アニ−ル法によって行なう場合、高温に耐える高価な基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となる。このため、近年はレーザを用いて、600℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。   As a method for producing a polycrystalline silicon thin film, an amorphous silicon thin film is formed on a glass substrate by a CVD method or the like, and then a separate step for polycrystallizing amorphous silicon is required. Usually, when the annealing step for crystallization is performed by a high-temperature annealing method at 600 ° C. or higher, it is necessary to use an expensive substrate that can withstand high temperatures, which is an obstacle to reducing the cost of the display device. For this reason, in recent years, a technique for crystallizing amorphous silicon at a low temperature of 600 ° C. or lower using a laser has been generalized, and a display device in which a polycrystalline silicon transistor is formed on a low-cost glass substrate is inexpensive. It can be provided.

レーザによる結晶化技術は、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を400℃程度に加熱し、ガラス基板を走査しながら、長さ200〜400mm、幅0.2〜1.0mm程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径0.2〜0.5μm程度の結晶粒が形成される。このときレーザ光を照射した部分の非晶質シリコンは、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融することによって、レーザ光照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。   The laser crystallization technique is to heat a glass substrate on which an amorphous silicon thin film has been formed to about 400 ° C., and scan the glass substrate to apply a linear laser beam having a length of about 200 to 400 mm and a width of about 0.2 to 1.0 mm to the glass substrate. The method of continuously irradiating the top is common. By this method, crystal grains having a grain size of about 0.2 to 0.5 μm are formed. At this time, the portion of the amorphous silicon irradiated with the laser light is not melted over the entire thickness direction, but is melted over the entire surface of the laser light irradiated region by melting while leaving a part of the amorphous region. Crystal nuclei are generated, and the crystal grows toward the outermost surface layer of the silicon thin film, forming crystal grains with random orientation.

さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることおよび結晶の方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的に、近年、数多くの研究開発がなされている。その中には、特に、スーパーラテラル成長と称する技術がある(特許文献1参照)。スーパーラテラル成長と称する技術は、スリット状ビームのパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、スリット状に照射された部分のシリコン薄膜をレーザ光照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融させ、溶融部分と未溶融部分の境界から横方向、すなわち、ガラス基板に水平な方向に結晶粒の成長を制御し、針状の結晶を得るものである。スーパーラテラル成長は、レーザパルスを1回照射することで完了するが、1回前のレーザ光照射で形成された針状結晶の一部に重複させて、順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った大結晶が得られるといった特徴を有している。   In order to obtain a display device with higher performance, it is necessary to increase the crystal grain size of polycrystalline silicon and to control the crystal orientation. A lot of research and development has been done. Among them, there is a technique called super lateral growth (see Patent Document 1). A technique called super lateral growth irradiates a silicon thin film with a pulsed laser beam of a slit beam, and melts the silicon thin film in the slit-shaped portion over the entire thickness direction of the laser light irradiation region. The growth of crystal grains is controlled in the lateral direction from the boundary of the melted portion, that is, in the direction horizontal to the glass substrate, and needle-like crystals are obtained. Super lateral growth is completed by irradiating the laser pulse once, but when overlapping with a part of the needle-like crystal formed by the previous laser light irradiation, and sequentially irradiating the laser pulse, By taking over the already grown crystal, a longer needle-like crystal grows, and a large crystal having a uniform orientation in the crystal growth direction is obtained.

これとは別に、半導体膜の一部に反射防止膜を形成し、レーザビームをスリット状に照射するのでなく、ある領域全体に照射し、二酸化シリコンなどによる反射防止膜の形成された部分のみを溶融させ、反射防止膜の形成された領域のみを結晶化させる方法がある(特許文献2参照)。また、多結晶シリコンの製造方法の例として、基板上にアモルファスシリコン膜を設け、レーザにより結晶化させる方法であって、基板上に熱伝導率の異なる膜を積層し、その上にシリコン膜を形成して、得られる膜の特性を向上させる方法がある(特許文献3と特許文献4参照)。
特表2000-505241号公報 特開昭57-210624号公報 特開2000-68520号公報 特開平6-296023号公報
Apart from this, an antireflection film is formed on a part of the semiconductor film, and the laser beam is not irradiated in a slit shape, but only on an area where the antireflection film such as silicon dioxide is formed. There is a method of melting and crystallizing only the region where the antireflection film is formed (see Patent Document 2). In addition, as an example of a method for producing polycrystalline silicon, an amorphous silicon film is provided on a substrate and crystallized by a laser. A film having different thermal conductivity is laminated on a substrate, and a silicon film is formed thereon. There is a method of improving the characteristics of the film obtained by forming (see Patent Document 3 and Patent Document 4).
Special Table 2000-505241 JP-A-57-210624 JP 2000-68520 A Japanese Patent Laid-Open No. 6-296023

しかしながら、スーパーラテラル成長による結晶粒の成長距離は、1〜2μmに過ぎず、大結晶粒を得るには、何度もレーザ光の照射を繰り返す必要がある。また、結晶成長距離が1μm程度であるため、結晶を引き継いで成長させるためには、再度照射するビームを、前回の結晶に0.5μm程度オーバーラップさせて照射する必要がある。しかし、常に0.5μmのずらし量を得るためには、送り精度で言えば、0.1μm程度の分解能、すなわち極めて精度の高い送り機構が必要であり、装置コストが大きくなる。また、一回にわずかの量の送り量しか得られないため、処理速度が遅いという欠点がある。   However, the growth distance of crystal grains by super lateral growth is only 1 to 2 μm. In order to obtain large crystal grains, it is necessary to repeat laser light irradiation many times. In addition, since the crystal growth distance is about 1 μm, it is necessary to irradiate a beam to be irradiated again by overlapping the previous crystal by about 0.5 μm in order to succeed and grow the crystal. However, in order to always obtain a shift amount of 0.5 μm, in terms of feed accuracy, a feed mechanism with a resolution of about 0.1 μm, that is, an extremely high accuracy is required, and the cost of the apparatus increases. Further, since only a small amount of feed can be obtained at a time, there is a drawback that the processing speed is slow.

一方、反射防止膜を形成し、反射防止膜を形成した領域のみを結晶化させる前述の方法は、スーパーラテラル成長とは異なり、各領域への照射は一回で完結するため、処理速度は速いが、一回の成長距離が1μm程度に限られる。しかし、通常のトランジスタのチャンネルは、チャンネル長でおよそ1μm以上、たとえば、数μm〜十数μm程度であるため、このようなチャンネルの作製は困難である。   On the other hand, the above-described method of forming an antireflection film and crystallizing only the region where the antireflection film is formed is different from the super lateral growth, and irradiation to each region is completed at one time, so the processing speed is high. However, the growth distance of one time is limited to about 1 μm. However, since the channel of a normal transistor is about 1 μm or more in channel length, for example, about several μm to several tens of μm, it is difficult to manufacture such a channel.

また、半導体膜の下部に熱伝導度の高い膜を形成することにより結晶の特性を向上させる方法は、半導体膜の下部に熱伝導度の高い膜を形成する結果、基板への熱伝導度が増して熱が拡散しやすく、半導体膜を溶融させるために必要なレーザビームのエネルギーが増加するという欠点がある。   In addition, the method of improving the crystal characteristics by forming a film with high thermal conductivity under the semiconductor film forms a film with high thermal conductivity under the semiconductor film, resulting in high thermal conductivity to the substrate. In addition, there is a drawback that heat is easily diffused and the energy of the laser beam necessary for melting the semiconductor film is increased.

本発明の課題は、一回のレーザ光の照射による結晶の成長距離を伸長し、半導体素子の特性を改善するとともに、製造効率を高め、製造コストを低減することにある。   An object of the present invention is to extend a crystal growth distance by one-time laser light irradiation, improve characteristics of a semiconductor element, increase manufacturing efficiency, and reduce manufacturing cost.

本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成工程と、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、熱拡散層が形成されている領域に第1のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第1のレーザ光照射工程と、溶融した半導体を結晶化する結晶化工程とを備えることを特徴とする。   The manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor film using laser light, a semiconductor film forming step of forming a semiconductor film on a substrate, and a thermal diffusion layer having a higher thermal conductivity than the substrate on the semiconductor film. A thermal diffusion layer forming step to be formed, a patterning step in which a part of the thermal diffusion layer is removed to divide into a region where the thermal diffusion layer is formed and a region where the thermal diffusion layer is not formed, and thermal diffusion A first laser beam irradiation step of melting the semiconductor film by irradiating the region where the layer is formed with a first laser beam; and a crystallization step of crystallizing the melted semiconductor. To do.

本発明の半導体膜の製造装置は、基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成手段と、基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成手段と、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング手段と、熱拡散層が形成されている領域に第1のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第1のレーザ光照射手段と、溶融した半導体を結晶化する結晶化手段とを備える製造装置であって、第1のレーザ光照射手段において、第1のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする。   The semiconductor film manufacturing apparatus of the present invention includes a semiconductor film forming unit that forms a semiconductor film on a substrate, a thermal diffusion layer forming unit that forms a thermal diffusion layer having a higher thermal conductivity than the substrate, and a thermal diffusion unit. By removing a part of the layer, patterning means for dividing the region in which the thermal diffusion layer is formed and the region in which the thermal diffusion layer is not formed, and the region in which the thermal diffusion layer is formed in the first region A manufacturing apparatus comprising a first laser light irradiation means for melting a semiconductor film by irradiating laser light, and a crystallization means for crystallizing the molten semiconductor, wherein the first laser light irradiation means: An opening of the photomask through which the first laser beam passes is imaged on the substrate surface by the objective lens.

本発明によれば、従来より結晶の長さを長くすることができ、製造するデバイスの特性の向上が図れるとともに、製造効率を高め、低コストのデバイスを製造できる。   According to the present invention, the length of the crystal can be made longer than before, the characteristics of the device to be manufactured can be improved, the manufacturing efficiency can be increased, and a low-cost device can be manufactured.

(半導体膜の製造方法)
本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、基板上に半導体膜を形成する工程と、半導体膜上に熱拡散層を形成する工程と、熱拡散層の一部を除去するパターニング工程と、第1のレーザ光を照射することにより半導体膜を溶融する工程と、溶融した半導体を結晶化する工程とを備えることを特徴とする。半導体膜上に形成する熱拡散層は、基板より熱伝導度が高く、パターニング工程は、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けることにより行なう。つづく第1のレーザ光照射工程では、熱拡散層を形成されている領域に第1のレーザ光を照射することにより、照射領域にある半導体膜を溶融する。かかる製造方法により、半導体結晶の長さを従来より長くすることができ、製造するデバイスの特性を向上することができる。また、製造効率を高め、製造コストを低減することができる。
(Semiconductor film manufacturing method)
The manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor film using laser light, and includes a step of forming a semiconductor film on a substrate, a step of forming a thermal diffusion layer on the semiconductor film, and a thermal diffusion layer. A patterning step of removing the portion, a step of melting the semiconductor film by irradiating the first laser beam, and a step of crystallizing the molten semiconductor. The thermal diffusion layer formed on the semiconductor film has a higher thermal conductivity than the substrate, and the patterning process removes a part of the thermal diffusion layer, so that the region where the thermal diffusion layer is formed and the thermal diffusion layer This is done by dividing it into regions that are not formed. In the subsequent first laser light irradiation step, the semiconductor film in the irradiated region is melted by irradiating the region where the thermal diffusion layer is formed with the first laser light. By this manufacturing method, the length of the semiconductor crystal can be made longer than before, and the characteristics of the device to be manufactured can be improved. Moreover, manufacturing efficiency can be improved and manufacturing cost can be reduced.

図1に、本発明の製造方法により得られる半導体素子の典型的な例を示す。この半導体素子は、図1に示すように、ガラス基板4の上に、拡散防止層3が形成されている。拡散防止層3は、ガラス基板4からの不純物の拡散を防ぐために形成する。具体的には、拡散防止層3として、たとえば二酸化シリコン膜を用いることができるが、これに限るものではなく、ガラス基板4からの不純物の拡散を防ぐことができれば、他の材料からなる膜であっても良い。二酸化シリコン膜は、蒸着、スパッタ成膜、CVDなどの方法により形成することができる。   FIG. 1 shows a typical example of a semiconductor element obtained by the manufacturing method of the present invention. In this semiconductor element, a diffusion prevention layer 3 is formed on a glass substrate 4 as shown in FIG. The diffusion prevention layer 3 is formed to prevent diffusion of impurities from the glass substrate 4. Specifically, for example, a silicon dioxide film can be used as the diffusion preventing layer 3. However, the present invention is not limited to this, and a film made of another material can be used as long as the diffusion of impurities from the glass substrate 4 can be prevented. There may be. The silicon dioxide film can be formed by a method such as vapor deposition, sputter deposition, or CVD.

拡散防止層3の上に、半導体膜2を設ける。半導体膜2は、通常、アモルファスシリコンを用い、CVD法により形成するが、成膜方法としては、スパッタ、蒸着法などを用いることも可能である。半導体膜2の厚さは、求められるトランジスタの特性や、プロセス条件などにより任意に設計することができるが、数十nm〜数百nmの厚さが好ましく、たとえば30nm〜100nmの膜厚とすることができる。   A semiconductor film 2 is provided on the diffusion prevention layer 3. The semiconductor film 2 is usually formed using amorphous silicon by a CVD method, but a sputtering method, a vapor deposition method, or the like can also be used as a film forming method. The thickness of the semiconductor film 2 can be arbitrarily designed depending on the required transistor characteristics, process conditions, etc., but a thickness of several tens of nm to several hundreds of nm is preferable, for example, a film thickness of 30 nm to 100 nm. be able to.

成膜直後の半導体膜2は、通常はアモルファスであり、結晶化していない。また、ある種の成膜方法によれば、非常に小さい結晶の集合(微結晶)を得ることもできるが、いずれにせよ、それほど大きな結晶粒を得ることは困難である。したがって、成膜直後の半導体膜2により、直接、トランジスタを製造すると、トランジスタの電子移動度は低くなってしまう。   The semiconductor film 2 immediately after film formation is usually amorphous and not crystallized. In addition, according to a certain film forming method, it is possible to obtain a very small collection of crystals (microcrystals), but in any case, it is difficult to obtain such a large crystal grain. Therefore, when a transistor is directly manufactured using the semiconductor film 2 immediately after film formation, the electron mobility of the transistor is lowered.

本発明では、半導体膜2の上に、さらに熱拡散層1を設ける。熱拡散層1は、半導体膜に垂直な方向における熱伝導性を高め、半導体膜に垂直な方向における温度分布を均一化し、結晶成長を促進するために、ガラス基板4あるいは拡散防止層3に比して、熱伝導度が大きい材料を用いる。かかる観点から、熱拡散層には、10W/mK以上の熱伝導度を有する材料が好ましく、20W/mK以上の熱伝導度を有する材料がより好ましい。また、熱拡散層1には、後述するレーザアニール処理において照射する第1のレーザ光に対する光吸収率が、半導体膜材料などの光吸収率よりも小さい材料を用いることが、結晶化効率を高める点で、好ましい。具体的には、熱拡散層1の材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウム、などの窒化物、酸化アルミニウムなどの酸化物が適している。熱拡散層は、スパッタ、蒸着法、CVD法などにより形成することができる。   In the present invention, the thermal diffusion layer 1 is further provided on the semiconductor film 2. The thermal diffusion layer 1 is higher than the glass substrate 4 or the diffusion prevention layer 3 in order to enhance the thermal conductivity in the direction perpendicular to the semiconductor film, uniform the temperature distribution in the direction perpendicular to the semiconductor film, and promote crystal growth. Thus, a material having a high thermal conductivity is used. From such a viewpoint, a material having a thermal conductivity of 10 W / mK or higher is preferable for the thermal diffusion layer, and a material having a thermal conductivity of 20 W / mK or higher is more preferable. Further, for the thermal diffusion layer 1, it is possible to increase the crystallization efficiency by using a material whose light absorptance with respect to the first laser light irradiated in the laser annealing treatment described later is smaller than the light absorptivity such as a semiconductor film material. In terms, it is preferable. Specifically, suitable materials for the thermal diffusion layer 1 are nitrides such as silicon nitride and aluminum nitride, and oxides such as aluminum oxide. The thermal diffusion layer can be formed by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like.

図3に、熱拡散層の平面図を示す。図3に示すように、熱拡散層は、熱拡散層が形成されている領域301a、301bと、熱拡散層が形成されていないその他の領域とにパターニングされている。パターニングの方法としては、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチングあるいはドライエッチングを用いたエッチング法を組み合せて、熱拡散層に所望のパターニングをすることができる。   FIG. 3 shows a plan view of the thermal diffusion layer. As shown in FIG. 3, the thermal diffusion layer is patterned into regions 301a and 301b where the thermal diffusion layer is formed and other regions where the thermal diffusion layer is not formed. As a patterning method, desired patterning can be performed on the thermal diffusion layer by combining lithography using a photoresist and an etching method using wet etching or dry etching.

熱拡散層の厚さは、5nm〜200nmに設定することができるが、後述のレーザ光照射に用いるレーザ光の波長により、もっとも反射率が低く、いいかえれば、半導体膜に光の吸収がもっとも大きくなる膜厚を選定するのが好ましい。具体的には、熱拡散層の厚さは、熱拡散層の表面と半導体膜の表面からの反射光の位相差をおおむね1/2波長とし、それらの反射光が弱めあう条件の近傍に設定するのが好ましい。これにより、反射光を低く、半導体膜への光の吸収を大きくすることができ、半導体膜の溶融、結晶化に必要なレーザ光のエネルギーを低減することができる。また、溶融に用いるレーザ装置を小型化することが可能になるという利点がある。   The thickness of the thermal diffusion layer can be set to 5 nm to 200 nm, but the reflectance is the lowest depending on the wavelength of the laser beam used for laser beam irradiation described later. In other words, the semiconductor film has the largest light absorption. It is preferable to select a film thickness. Specifically, the thickness of the thermal diffusion layer is set to be near the condition where the phase difference between the reflected light from the surface of the thermal diffusion layer and the surface of the semiconductor film is approximately 1/2 wavelength and the reflected light is weakened. It is preferable to do this. As a result, the reflected light can be lowered, the absorption of light into the semiconductor film can be increased, and the energy of the laser light necessary for melting and crystallization of the semiconductor film can be reduced. Further, there is an advantage that the laser device used for melting can be downsized.

つぎに、基板に対して、第1のレーザ光によりアニール処理を施す。レーザアニール処理のために用いる装置の例を図2に示す。この装置は、第1のレーザ光源205と、反射ミラー207と、開口部を形成したフォトマスク208と、対物レンズ209と、ステージ211を有し、必要に応じてホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群206を取り付けることができる。ステージ211には、図1に示すような多層からなる薄膜を積層したガラス基板210を設置し、ガラス基板210を駆動することができる。なお、レーザアニール処理に用いる装置は、基板上の所定の位置に、所定の放射照度の光を所定のパターンで照射できればよく、図2に示す構成に限るものではない。   Next, the substrate is annealed by the first laser beam. An example of an apparatus used for the laser annealing process is shown in FIG. This apparatus has a first laser light source 205, a reflection mirror 207, a photomask 208 having an opening, an objective lens 209, and a stage 211, and optical elements such as a homogenizer and an expander as necessary. Group 206 can be attached. On the stage 211, a glass substrate 210 on which thin films made of multiple layers as shown in FIG. 1 are stacked can be installed, and the glass substrate 210 can be driven. The apparatus used for the laser annealing process is not limited to the configuration shown in FIG. 2 as long as it can irradiate a predetermined position on the substrate with light having a predetermined irradiance in a predetermined pattern.

レーザ光源としては、パルス照射を行なうレーザ光源、たとえばエキシマレーザを用いることができる。エキシマレーザの場合、波長が紫外線領域にあり、半導体膜に非常に吸収されやすい。また、パルス幅は、10ns〜数十nsであり、ほぼ瞬時に半導体膜が溶融するが、その後、急速に冷却され、その過程で溶融した半導体は結晶化する。   As the laser light source, a laser light source that performs pulse irradiation, such as an excimer laser, can be used. In the case of an excimer laser, the wavelength is in the ultraviolet region, and it is very easily absorbed by the semiconductor film. The pulse width is 10 ns to several tens ns, and the semiconductor film is melted almost instantaneously. Thereafter, the semiconductor film is rapidly cooled, and the melted semiconductor is crystallized in the process.

また、レーザ光源として、固体レーザを用いることも可能である。固体レーザは、Nd-YAGなどの光学結晶をフラッシュランプ、または半導体レーザにより照射して励起し、レーザ発振を行なうものであり、エキシマレーザに必要なハロゲンガスが不要で、メンテナンスが軽くなるという利点がある。また、フラッシュランプを用いる代わりに、励起光源として半導体レーザを用いて励起する場合は、半導体レーザの発振効率が良いことと、半導体レーザの発振波長を、固体レーザの光学結晶の吸収帯に一致させることで、高効率のレーザ発振が可能となる。このため、消費電力と装置の大きさが、エキシマレーザまたはフラッシュランプ励起の固体レーザに比べ、大幅に低減することができる。   A solid-state laser can also be used as the laser light source. Solid-state lasers excite laser crystals by irradiating optical crystals such as Nd-YAG with flash lamps or semiconductor lasers, and do not require the halogen gas required for excimer lasers. There is. In addition, when using a semiconductor laser as an excitation light source instead of using a flash lamp, the oscillation efficiency of the semiconductor laser is good and the oscillation wavelength of the semiconductor laser is matched with the absorption band of the optical crystal of the solid-state laser. Thus, highly efficient laser oscillation is possible. For this reason, the power consumption and the size of the apparatus can be greatly reduced as compared with an excimer laser or a flash lamp-pumped solid-state laser.

固体レーザは、前述の励起光源により、Nd-YAGなどの光学結晶を励起することで、1.06μm近辺の波長のレーザ光を励起することができる。ただし、このままでは、照射により溶融すべきアモルファスシリコンに対しての吸収係数が小さく、アモルファスシリコンに光が吸収されにくく、溶融が起こりにくい。このため、第1のレーザ光の波長を非線形光学結晶によって、2倍あるいは4倍に逓倍し、可視光に変換することが望ましい。波長550nm以下の可視光を用いることにより、熱拡散層での吸収を低減できると同時に、半導体膜での吸収を大きくすることができ、結晶化効率を高くし、製造時間の短縮を図って、製造コストの低減を行なうことが可能となる。これらの非線形光学結晶としては、KDP(KH2PO4)、LBO(lithium borate)、BBO、CLBO(CsLiB6O10)などを用いることができる。これらのうちの第2高調波波長により、ほぼ532nm近辺の可視光が得られる。550nm以下の波長であれば、アモルファスシリコンの吸収係数が大きくなり、レーザ光照射により溶融が可能である。 The solid-state laser can excite a laser beam having a wavelength around 1.06 μm by exciting an optical crystal such as Nd-YAG with the above-described excitation light source. However, as it is, the absorption coefficient for amorphous silicon to be melted by irradiation is small, and light is not easily absorbed by amorphous silicon, so that melting does not easily occur. For this reason, it is desirable to multiply the wavelength of the first laser light by two or four times with a nonlinear optical crystal and convert it into visible light. By using visible light with a wavelength of 550 nm or less, absorption in the thermal diffusion layer can be reduced, while absorption in the semiconductor film can be increased, crystallization efficiency is increased, and manufacturing time is shortened. Manufacturing cost can be reduced. As these nonlinear optical crystals, KDP (KH 2 PO 4 ), LBO (lithium borate), BBO, CLBO (CsLiB 6 O 10 ) and the like can be used. Visible light around 532 nm is obtained by the second harmonic wavelength of these. If the wavelength is 550 nm or less, the absorption coefficient of amorphous silicon becomes large and can be melted by laser light irradiation.

図2に示すように、第1のレーザ光源205から出射されたビームは、光学素子群206に含まれるエキスパンダにより適当なビームサイズに変換され、同じく光学素子群206に含まれるホモジナイザにより、ビーム断面内の放射照度の一様化が図られた上、フォトマスク208に照射される。ここで、ビームエキスパンダは望遠系または縮小系を有する光学系であり、フォトマスク208上の照射領域の大きさを決めるものである。ホモジナイザは、レンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイにより構成され、ビームを分割した上、再合成することで、マスク上の照射領域内での放射照度の一様化を図るものである。   As shown in FIG. 2, the beam emitted from the first laser light source 205 is converted into an appropriate beam size by an expander included in the optical element group 206, and the beam is also converted by the homogenizer included in the optical element group 206. The irradiance in the cross section is made uniform, and the photomask 208 is irradiated. Here, the beam expander is an optical system having a telephoto system or a reduction system, and determines the size of an irradiation region on the photomask 208. The homogenizer is composed of a lens array or a cylindrical lens array, and divides the beam and recombines it to make the irradiance uniform in the irradiation area on the mask.

図4に、フォトマスクの平面図を示す。フォトマスクは、マスク基板上に遮光部412と開口部413とを有し、開口部413は、照射された光を通過させる機能を有する。マスク基板としては、石英、ガラスなどの材料が用いられる。また、遮光部412としてはクロム、ニッケル、アルミニウムなどの金属薄膜、または誘電体多層積層膜による反射もしくは吸収膜を用いることができる。フォトマスク上に形成する開口部413は、スリット状、矩形、またはそれに順ずる形状とし、レーザの平均出力が300W、発振繰り返し周波数が300Hzとし、開口部を矩形とした場合、その寸法は、たとえば幅5mm、長さ15mm(基板上で)程度とすると、おおむね半導体膜の溶融、結晶化を行なうことができる。この際、結像させるときの光学倍率は、等倍から1/10倍に設定して(すなわちマスク上の開口部の大きさを、等倍像から1/10倍の大きさに縮小して結像し)行なうことが可能であるが、必ずしもこの形状、大きさに限るものではなく、アニールに用いるレーザの出力や一回のパルス出力の大きさにより、任意に設計が可能である。   FIG. 4 shows a plan view of the photomask. The photomask includes a light-blocking portion 412 and an opening 413 on the mask substrate, and the opening 413 has a function of allowing irradiation light to pass through. A material such as quartz or glass is used as the mask substrate. As the light shielding portion 412, a metal thin film such as chromium, nickel, or aluminum, or a reflection or absorption film made of a dielectric multilayer laminated film can be used. When the opening 413 formed on the photomask has a slit shape, a rectangle, or a shape conforming to it, the average output of the laser is 300 W, the oscillation repetition frequency is 300 Hz, and the opening is rectangular, the dimensions are, for example, If the width is about 5 mm and the length is about 15 mm (on the substrate), the semiconductor film can be generally melted and crystallized. At this time, the optical magnification at the time of image formation is set from the same magnification to 1/10 times (that is, the size of the opening on the mask is reduced from the same magnification image to 1/10 times the size). However, it is not necessarily limited to this shape and size, and can be arbitrarily designed depending on the output of the laser used for annealing and the size of one pulse output.

また、ここでは図2に示すように、フォトマスク208の開口部にホモジナイザを通過させた光を照射し、照射によって照明された開口部の像を、対物レンズ209により、基板210のガラス基板の表面に結像させるように設定する態様が好ましい。すなわち、ガラス基板上に開口部の像が結像される結果、基板上の半導体膜の一部が照射され、その他の部分が照射されない状態にすることができる。このとき、熱拡散層210の複数のパターンを設けた領域が収まる領域を照射するように設定する。   Further, here, as shown in FIG. 2, the opening of the photomask 208 is irradiated with light that has passed through a homogenizer, and an image of the opening illuminated by the irradiation is reflected on the glass substrate of the substrate 210 by the objective lens 209. A mode in which the image is set on the surface is preferable. That is, as a result of forming an image of the opening on the glass substrate, a part of the semiconductor film on the substrate is irradiated and the other part is not irradiated. At this time, the heat diffusion layer 210 is set so as to irradiate a region where a plurality of patterns are provided.

このとき、対物レンズの解像力は、おおむねλ/NA(λは波長、NAは対物レンズの開口数)で表されるので、開口部の像の縁部分には解像力程度の幅で光強度が徐々に変化する遷移領域が生じる。この領域で、半導体膜は半溶融の状態となり、その部分に形成されたトランジスタの特性は悪化する。したがって、その部分は、トランジスタは形成できず、無効領域となる。このため、無効領域を減らして、できるだけトランジスタの形成できる領域を増やす必要があり、そのためには遷移領域を減らすことが重要である。このとき、フォトマスクの開口部の像を対物レンズにより基板表面で結像するように設定すると、遷移領域の幅を前述の解像度程度に収めることができるので、単にビームを直接基板に照射する場合に比べて、無効領域の面積を格段に減らすことができ、無効領域を減らすことにより、基板上に集積するトランジスタの密度が上げられるという利点を有する。また、このような設定により、従来と同等の工程を利用でき、設備投資を押さえ、製造コストを低減できる効果を奏する。   At this time, since the resolving power of the objective lens is generally expressed by λ / NA (λ is the wavelength, NA is the numerical aperture of the objective lens), the light intensity gradually increases with the width of the resolving power at the edge of the image of the opening. A transition region that changes to In this region, the semiconductor film is in a semi-molten state, and the characteristics of the transistor formed there are deteriorated. Therefore, a transistor cannot be formed in that portion, which becomes an invalid region. For this reason, it is necessary to reduce the ineffective area and increase the area in which the transistor can be formed as much as possible. For this purpose, it is important to reduce the transition area. At this time, if the image of the opening of the photomask is set to be imaged on the substrate surface by the objective lens, the width of the transition region can be kept to the above-mentioned resolution, so that the beam is directly irradiated onto the substrate. As compared with the above, the area of the ineffective region can be remarkably reduced, and by reducing the ineffective region, there is an advantage that the density of transistors integrated on the substrate can be increased. In addition, with such a setting, it is possible to use the same process as the conventional one, and it is possible to suppress the capital investment and reduce the manufacturing cost.

たとえば、NAを0.1とし、波長を308nmとすると、おおむね無効領域の幅は、3μm程度となる。一般に、レーザからのビームは、ガウシャンビームであり、そのまま基板に照射した場合には、ビーム径に匹敵する無効領域が生じるため、対物レンズを用い、第1のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が基板表面で結像させる態様とすることにより、無効領域を飛躍的に極小化することができる。   For example, if the NA is 0.1 and the wavelength is 308 nm, the width of the ineffective region is approximately 3 μm. In general, a beam from a laser is a Gaussian beam, and when the substrate is irradiated as it is, an ineffective region equivalent to the beam diameter is generated. Therefore, an objective lens is used and a photomask through which the first laser beam passes is used. By adopting a mode in which the opening forms an image on the substrate surface, the ineffective area can be greatly minimized.

本発明により得られる結晶を図5に示す。対物レンズにより基板上に開口部の像が結像されると、図5に示すように、熱拡散層のパターンが形成されている部分501a、501bが選択的に溶融し、つぎにパルス照射が終了すると、溶融した部分は、急速に冷却し結晶化する。このとき、基板上には、熱拡散層のパターン501a、501b内で幅方向に結晶514が成長して、図5に示すように、横方向に成長した柱状の結晶が得られる。また、開口部の像以外の領域515では横方向の結晶成長が生じないままである。   A crystal obtained by the present invention is shown in FIG. When the image of the opening is formed on the substrate by the objective lens, as shown in FIG. 5, the portions 501a and 501b where the pattern of the thermal diffusion layer is formed are selectively melted, and then pulse irradiation is performed. When finished, the melted portion cools rapidly and crystallizes. At this time, crystals 514 grow in the width direction in the thermal diffusion layer patterns 501a and 501b on the substrate, and as shown in FIG. 5, columnar crystals grown in the lateral direction are obtained. Further, in the region 515 other than the image of the opening, lateral crystal growth does not occur.

ここで、処理すべき薄膜の構造として、従来の構造、すなわち、ガラス基板上に不純物拡散防止層を設けて、その上に半導体膜を設け、つぎに二酸化シリコンなどによる反射防止膜のパターンを設けた構造では、結晶の成長距離Lはせいぜい1〜1.5μm程度にとどまり、反射防止膜パターンの幅Dを、たとえば5μmに設定した場合、溶融、結晶化の過程を通じて、パターンの両側から結晶が成長するが、中央部の残り2〜3μmは微結晶またはアモルファスとなってしまい、パターン全面を結晶化することができない。   Here, the structure of the thin film to be processed is a conventional structure, that is, an impurity diffusion prevention layer is provided on a glass substrate, a semiconductor film is provided thereon, and then an antireflection film pattern such as silicon dioxide is provided. In this structure, when the crystal growth distance L is limited to about 1 to 1.5 μm and the width D of the antireflection film pattern is set to 5 μm, for example, the crystal grows from both sides of the pattern through the melting and crystallization process. However, the remaining 2 to 3 μm in the central portion becomes microcrystalline or amorphous, and the entire pattern cannot be crystallized.

ところが、本発明のような構造、すなわち図1に示すように、ガラス基板4上に不純物の拡散防止層3、半導体膜2、熱拡散層1のパターンを設ける場合には、その結晶成長距離Lが、従来よりも2倍から3倍に拡大する。すなわち、一回の溶融、結晶化により成長する結晶の長さが、2〜4μm以上になる。このため、熱拡散層1のパターンの幅Dを従来の2〜3倍以上に設定しても、中央部が微結晶またはアモルファスとなることが無くなるか、または中央部の微結晶またはアモルファスの幅が従来の構造と比して狭くなる。   However, when the pattern of the impurity diffusion prevention layer 3, the semiconductor film 2, and the thermal diffusion layer 1 is provided on the glass substrate 4 as shown in FIG. However, it expands to 2 to 3 times than before. That is, the length of the crystal grown by one melting and crystallization becomes 2 to 4 μm or more. For this reason, even if the width D of the pattern of the thermal diffusion layer 1 is set to 2 to 3 times or more of the conventional, the center part will not become microcrystalline or amorphous, or the center part microcrystalline or amorphous width Becomes narrower than the conventional structure.

したがって、本発明の場合、一方向に成長した結晶の方向に(パターンの幅方向に)キャリアを流すような構造のトランジスタを製造すると、キャリアが粒界に散乱されることが少なく、移動度が極めて高いトランジスタが得られる。また、本発明の場合、熱拡散層をパターニングすることにより、結晶成長の方向を自在に制御することが可能となる。すなわち、パターンを配置する位置と向きを変えることで、結晶をどの位置に、どの方位に成長させるべきかを自由に決めることができる。したがって、トランジスタの配置および向きを自由に決めることができ、トランジスタの配置の自由度が高くなり、配置密度の高い回路設計を行なうことが容易となる。   Therefore, in the case of the present invention, when a transistor having a structure in which carriers flow in the direction of a crystal grown in one direction (in the width direction of the pattern), the carriers are less likely to be scattered at the grain boundaries and the mobility is high. An extremely high transistor can be obtained. In the present invention, the direction of crystal growth can be freely controlled by patterning the thermal diffusion layer. In other words, by changing the position and orientation of the pattern, it is possible to freely determine at which position and in which direction the crystal should be grown. Accordingly, the arrangement and orientation of the transistors can be freely determined, the degree of freedom in arrangement of the transistors is increased, and circuit design with a high arrangement density can be easily performed.

さて、上述の実施の形態で述べたように、反射防止膜を熱拡散層とすることにより、結晶成長距離が長くなる理由は、以下のような現象によるものと考えられる。図6と図7に従来技術による薄膜の温度分布を示す。図6は、ガラス基板604上に、拡散防止層603と、アモルファスシリコン膜602と、反射防止膜619を有する薄膜にレーザ光を照射し、アモルファスシリコン膜602が融解した最初の状態におけるアモルファスシリコン膜の温度分布を示す。中央にはアモルファスシリコン膜602が融解した状態である融解領域620があり、その周囲には溶融しない領域621が存在している。この時、融解領域620と溶融しない領域621との境界付近、すなわち現在、結晶化しつつある領域625の温度は、周囲より高いと考えられる。これは、いったん溶融したシリコンが結晶化するときに、潜熱を放出するためである。   As described in the above embodiment, the reason why the crystal growth distance is increased by using the antireflection film as the thermal diffusion layer is considered to be due to the following phenomenon. 6 and 7 show the temperature distribution of the thin film according to the prior art. FIG. 6 shows an amorphous silicon film in an initial state in which a thin film having a diffusion prevention layer 603, an amorphous silicon film 602, and an antireflection film 619 is irradiated on the glass substrate 604, and the amorphous silicon film 602 is melted. Shows the temperature distribution. In the center, there is a melting region 620 in which the amorphous silicon film 602 is melted, and there is a region 621 that does not melt around it. At this time, it is considered that the temperature in the vicinity of the boundary between the melting region 620 and the non-melting region 621, that is, the temperature of the region 625 that is currently crystallized is higher than the surroundings. This is because once the molten silicon crystallizes, it releases latent heat.

図7は、アモルファスシリコン膜の冷却する過程における温度分布の変化を示す。図6における温度レベル622と図7における温度レべル722は、シリコンの凝固点である。融解したシリコンの温度が、この温度レべルを下回った時に、シリコンが結晶化すると考えられる。図7に示すように、ガラス基板704に、拡散防止層703と、アモルファスシリコン膜702と、反射防止膜719を有する薄膜にレーザ光を照射した後、シリコン膜702が冷却し、温度が低下するに従い、外縁から中央部に向って順に結晶723が成長し、結晶化が進行するが、これと同時に、中央部においてもシリコンの温度が低下し、外縁部から中央部に向かって順に結晶化するより先に、温度レベル722を下回って結晶化し始め、この部分では一様に温度レベル722を通過するために、横方向の結晶成長が生じず、一様な微結晶またはアモルファスである結晶粒724が生じる。結晶723は、中央部で生じた結晶粒724によってその成長が阻害される。このため、従来の膜構造では、中央部まで結晶が成長しないと考えられる。   FIG. 7 shows changes in temperature distribution in the process of cooling the amorphous silicon film. The temperature level 622 in FIG. 6 and the temperature level 722 in FIG. 7 are the freezing points of silicon. It is considered that silicon crystallizes when the temperature of the molten silicon falls below this temperature level. As shown in FIG. 7, after irradiating a thin film having a diffusion prevention layer 703, an amorphous silicon film 702, and an antireflection film 719 onto a glass substrate 704, the silicon film 702 cools and the temperature decreases. Accordingly, the crystal 723 grows in order from the outer edge toward the central portion, and crystallization proceeds. At the same time, the temperature of silicon also decreases in the central portion, and crystallizes in order from the outer edge toward the central portion. Earlier, the crystal grains 724 begin to crystallize below the temperature level 722 and in this part pass through the temperature level 722 uniformly, so that no lateral crystal growth occurs and the crystal grains 724 are uniform microcrystals or amorphous. Occurs. The growth of the crystal 723 is inhibited by the crystal grains 724 generated in the central portion. For this reason, in the conventional film structure, it is thought that a crystal does not grow to the center part.

これに対し、本発明の場合の温度分布を図8と図9に示す。図8は、ガラス基板804上に、拡散防止層803と、アモルファスシリコン膜802と、熱拡散層801を有する薄膜にレーザ光を照射し、アモルファスシリコン膜802が融解した最初の状態におけるアモルファスシリコン膜の温度分布を示す模式図である。中央にはアモルファスシリコン膜802が融解した状態である融解領域830があり、その周囲には溶融しない領域831が存在している。本発明の場合、図8に示すように、溶融しない領域831と溶融領域830との境界領域825の温度は、特に高くはならず、中央部から外縁部に向かって緩やかに減少するような温度分布になると考えられる。これは、表面に設けた熱拡散層801のために、これを通して横方向に熱が流れやすくなり、熱拡散層801の下部の温度が一様化されるためである。すなわち、表面に熱拡散層801を設けることで、横方向の熱伝導を促進でき、潜熱の放出に伴う突起のある温度分布を平準化することができる。したがって、図9に示すように、ガラス基板904上に、拡散防止層903と、アモルファスシリコン膜902と、熱拡散層901を有する薄膜にレーザ光を照射した後、シリコン膜902が冷却し、温度が降下して行くときに、外縁部とともに中央部でも結晶化が生じるというような現象が生じることなく、外縁部から中心部に向かってスムーズに結晶が成長する。   On the other hand, the temperature distribution in the case of the present invention is shown in FIGS. FIG. 8 shows an amorphous silicon film in an initial state in which a thin film having a diffusion prevention layer 803, an amorphous silicon film 802, and a thermal diffusion layer 801 is irradiated with laser light on a glass substrate 804 and the amorphous silicon film 802 is melted. It is a schematic diagram which shows temperature distribution. In the center, there is a melting region 830 in which the amorphous silicon film 802 is melted, and there is a region 831 that does not melt around it. In the case of the present invention, as shown in FIG. 8, the temperature of the boundary region 825 between the non-melting region 831 and the melting region 830 is not particularly high, and is a temperature that gradually decreases from the central portion toward the outer edge portion. It is considered to be a distribution. This is because the heat diffusion layer 801 provided on the surface makes it easy for heat to flow laterally through the heat diffusion layer 801, and the temperature below the heat diffusion layer 801 is made uniform. That is, by providing the thermal diffusion layer 801 on the surface, the thermal conduction in the lateral direction can be promoted, and the temperature distribution with protrusions accompanying the release of latent heat can be leveled. Therefore, as shown in FIG. 9, after irradiating a thin film having a diffusion prevention layer 903, an amorphous silicon film 902, and a thermal diffusion layer 901 on a glass substrate 904, the silicon film 902 is cooled, As the film descends, the crystal grows smoothly from the outer edge to the center without causing a phenomenon that crystallization occurs in the center as well as the outer edge.

表面の熱拡散層は、前述のように、窒化アルミニウム、窒化シリコンなどの窒化物を材料として用いることができる。これは、多くの窒化物は熱伝導性が大きく、かつ耐熱性があり、また、溶融に用いる光の波長においておおむね透明であるという特質を有するからである。同様の理由において、酸化アルミニウムなどの熱伝導性が大きく、かつ耐熱性があり、また、溶融に用いる光の波長においておおむね透明であるという特質を有する材料の多くも熱拡散層の材料として利用可能である。窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウムの熱伝導度はガラス基板の熱伝導度の5〜10倍以上であり、かつ窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウムを熱拡散層として用いることにより、結晶成長距離が長くなることが、以下の実施例においても確認されている。このことから、表面の熱拡散層の熱伝導率をガラス基板の熱伝導率の5倍以上に設定すれば、結晶成長を促進する効果が高められる点で好ましいと考えられる。   As described above, the surface thermal diffusion layer can be made of a nitride such as aluminum nitride or silicon nitride. This is because many nitrides have a high thermal conductivity and heat resistance, and are generally transparent at the wavelength of light used for melting. For the same reason, many materials such as aluminum oxide that have high thermal conductivity and heat resistance, and that are generally transparent at the wavelength of light used for melting, can be used as the material for the thermal diffusion layer. It is. The thermal conductivity of aluminum nitride, silicon nitride, and aluminum oxide is 5 to 10 times the thermal conductivity of the glass substrate, and the crystal growth distance can be increased by using aluminum nitride, silicon nitride, and aluminum oxide as the thermal diffusion layer. It is confirmed in the following examples that the length becomes longer. From this, it is considered preferable to set the thermal conductivity of the thermal diffusion layer on the surface to 5 times or more of the thermal conductivity of the glass substrate because the effect of promoting crystal growth is enhanced.

熱拡散層の材料とレーザ光源との組み合せによっては、熱拡散層が第1のレーザ光を、本発明の作用において無視できない程度に吸収する場合がある。たとえば、レーザ光源であるエキシマレーザが発する紫外線を、熱拡散層はある程度、吸収する場合がある。この場合、表面の熱拡散層により紫外線が吸収され、その下部にある半導体膜に十分に熱が与えられない可能性がある。また、熱拡散層によって多くの光が吸収され熱となると、熱拡散層の温度が上昇し、甚だしい場合は、熱拡散層に損傷が生じる可能性が有る。したがって、熱拡散層の第1のレーザ光に対する光吸収率は、少なくとも、その下の半導体膜の第1のレーザ光に対する光吸収率より小さいことが好ましい。   Depending on the combination of the material of the thermal diffusion layer and the laser light source, the thermal diffusion layer may absorb the first laser beam to a degree that cannot be ignored in the operation of the present invention. For example, the thermal diffusion layer may absorb ultraviolet rays emitted from an excimer laser, which is a laser light source, to some extent. In this case, there is a possibility that ultraviolet rays are absorbed by the thermal diffusion layer on the surface and sufficient heat is not given to the semiconductor film below the ultraviolet ray. Further, when a large amount of light is absorbed by the thermal diffusion layer and becomes heat, the temperature of the thermal diffusion layer rises, and in a severe case, the thermal diffusion layer may be damaged. Accordingly, it is preferable that the light absorption rate of the thermal diffusion layer with respect to the first laser light is at least smaller than the light absorption rate of the semiconductor film therebelow with respect to the first laser light.

このためには、第1のレーザ光を紫外線に代えて、可視光線を用いるなど、照射する第1のレーザ光の波長を変更する態様が、結晶化効率を上げ、製造効率を高め、製造コストを低減する上で好ましい。熱拡散層に対する光透過率が高く、かつ半導体膜に対する吸収率の高い波長の光を発するレーザ光を用いれば、光の多くが熱拡散膜を透過し、半導体膜に吸収されて熱になるので、半導体膜に十分に熱を与えることができる。たとえば、半導体膜として、アモルファスシリコンもしくはシリコンを用いる場合には、550nmよりも波長が短い光が望ましい。これは、波長が550nmより長い光をシリコンは十分に吸収しないからである。   For this purpose, a mode in which the wavelength of the first laser light to be irradiated is changed, such as using visible light instead of the first laser light, increases the crystallization efficiency, increases the manufacturing efficiency, and increases the manufacturing cost. It is preferable in reducing the amount. If laser light that emits light having a high light transmittance with respect to the heat diffusion layer and a high absorption rate with respect to the semiconductor film is used, most of the light passes through the heat diffusion film and is absorbed by the semiconductor film to become heat. The semiconductor film can be sufficiently heated. For example, when amorphous silicon or silicon is used as the semiconductor film, light having a wavelength shorter than 550 nm is desirable. This is because silicon does not sufficiently absorb light having a wavelength longer than 550 nm.

550nmより波長が短い光を発する光源としては、前述のような固体レーザによる可視光線を用いるのが良く、Nd-YAGなどの固体レーザの2倍高調波を用いると532nmの発振波長が得られるため、好適である。特に、固体レーザを用いる場合には、処理装置が小型化、軽量化でき、かつ装置のメンテナンスにガスの必要がなく、装置コストおよびメンテナンスコストが低いために、従来よりも格段に製造コストを下げることが可能である。   As a light source that emits light having a wavelength shorter than 550 nm, it is preferable to use visible light from a solid-state laser as described above, and an oscillation wavelength of 532 nm can be obtained by using a second harmonic of a solid-state laser such as Nd-YAG. Is preferable. In particular, when a solid-state laser is used, the processing apparatus can be reduced in size and weight, and no gas is required for maintenance of the apparatus, and the apparatus cost and maintenance cost are low. It is possible.

本発明においては、第1のレーザ光に加えて、第2のレーザ光を照射する構成とすることも可能である。第1のレーザ光とともに、第2のレーザ光を照射する典型的な例を図10に示す。本装置は、第1のレーザ光源1005と、反射ミラー1007と、開口部を形成したフォトマスク1008と、対物レンズ1009と、ガラス基板1010を搭載して駆動を行なうステージ1011を有する。また、必要に応じて、ホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群1006を設けることができる。第2のレーザ光源1012としては、炭酸ガスレーザ、固体レーザまたはガスレーザを用いることができ、類似の効果を得ることが可能であるが、結晶成長を大きく促進できるという効果については、後述する現象により、炭酸ガスレーザを用いるのがもっとも好ましい。   In the present invention, in addition to the first laser beam, the second laser beam may be irradiated. A typical example of irradiating the second laser beam together with the first laser beam is shown in FIG. This apparatus includes a first laser light source 1005, a reflecting mirror 1007, a photomask 1008 having an opening, an objective lens 1009, and a stage 1011 on which a glass substrate 1010 is mounted for driving. Further, an optical element group 1006 such as a homogenizer or an expander can be provided as necessary. As the second laser light source 1012, a carbon dioxide laser, a solid-state laser, or a gas laser can be used, and a similar effect can be obtained. Most preferably, a carbon dioxide laser is used.

図10に示すように、第2のレーザ光は、第1のレーザ光の側方から斜めに、基板上に照射する態様が好ましい。第2のレーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合、その発振波長は9μm〜11μmの間であり、この波長域では、通常の光学ガラス、石英ガラスなどは不透明である。したがって、これらの材料による光学系を用いることはできない。炭酸ガスレーザの場合、吸収の少ない光学系とするためには、ZnSe、あるいはGeの結晶あるいは多結晶が用いられる。   As shown in FIG. 10, it is preferable that the second laser light is irradiated on the substrate obliquely from the side of the first laser light. When a carbon dioxide laser is used as the second laser, the oscillation wavelength is between 9 μm and 11 μm, and ordinary optical glass, quartz glass, etc. are opaque in this wavelength range. Therefore, an optical system made of these materials cannot be used. In the case of a carbon dioxide laser, a ZnSe or Ge crystal or polycrystal is used to make an optical system with little absorption.

第1のレーザにエキシマレーザを用いる場合は、その光学系は石英が主であり、この光学系は炭酸ガスレーザに対して大きな吸収を有するために、使用することができず、同一の光学系を通して基板を照射することができない。すなわち、多くの他の種類の光学系のように、同軸で2つの光学系を共存させることができない。しかし、斜めから基板を照射する態様にすれば、まったく別途に光学系を構成でき、石英を用いた光学系を通過させることなく、第2のレーザ光を基板に照射することが可能となるので、吸収が少ない光学系を構成できて好都合である。   When an excimer laser is used for the first laser, the optical system is mainly quartz, and since this optical system has a large absorption with respect to the carbon dioxide gas laser, it cannot be used. The substrate cannot be irradiated. That is, like many other types of optical systems, the two optical systems cannot coexist on the same axis. However, if the substrate is irradiated obliquely, the optical system can be configured separately and the second laser light can be irradiated onto the substrate without passing through the optical system using quartz. It is convenient to construct an optical system with low absorption.

炭酸ガスレーザの発振波長は、9μm〜11μmの間であるが、この波長領域の光を、半導体膜はほとんど吸収しない。たとえば、シリコンあるいはアモルファスシリコンの膜は、この波長領域ではほとんど吸収が無く、炭酸ガスレーザ光の照射のみによりシリコンの溶融を効率よく生じさせることは難しい。しかしながら、二酸化シリコンあるいは二酸化シリコンを含有するガラスは、この波長の光をよく吸収し、照射によって温度上昇を生じさせることができる。このため、第1のレーザと同期して照射することで、第1のレーザ光により半導体膜を溶融させた後、あるいは溶融させながら、あるいは溶融させる前に、基板を加熱することができ、その結果、基板上の半導体膜を加熱することができ、結晶成長を助長することが可能となる。すなわち、炭酸ガスレーザは半導体膜そのものを直接加熱することはできないが、その直下の基板を加熱することができ、基板からの熱伝導によりその上に構成されている半導体膜を加熱することができる。   The oscillation wavelength of the carbon dioxide laser is between 9 μm and 11 μm, but the semiconductor film hardly absorbs light in this wavelength region. For example, a silicon or amorphous silicon film has almost no absorption in this wavelength region, and it is difficult to efficiently cause melting of silicon only by irradiation with a carbon dioxide laser beam. However, silicon dioxide or glass containing silicon dioxide absorbs light of this wavelength well and can cause an increase in temperature upon irradiation. Therefore, by irradiating in synchronization with the first laser, the substrate can be heated after the semiconductor film is melted by the first laser light, while being melted, or before being melted. As a result, the semiconductor film on the substrate can be heated, and crystal growth can be promoted. That is, the carbon dioxide laser cannot directly heat the semiconductor film itself, but can heat the substrate immediately below it, and can heat the semiconductor film formed thereon by heat conduction from the substrate.

第2のレーザ光の照射により、半導体膜が溶融し、凝固する際に、凝固の速度を遅くし、結晶成長を助長する効果が得られる。すなわち、第1のレーザとしてエキシマレーザを用いる場合、パルス幅(照射時間)はたかだか10ns〜数10nsであり、半導体膜はきわめて短時間に溶融し、短時間に凝固が生じる。この場合、凝固時間は数10nsから長くても数100nsであり、短時間に凝固が生じる結果、結晶成長が長く続かず、成長距離としては、1μm〜2μm程度である。   When the semiconductor film is melted and solidified by irradiation with the second laser light, an effect of slowing the solidification rate and promoting crystal growth can be obtained. That is, when an excimer laser is used as the first laser, the pulse width (irradiation time) is at most 10 ns to several tens ns, and the semiconductor film melts in a very short time and solidifies in a short time. In this case, the solidification time is several tens ns to several hundreds ns at the longest. As a result of solidification occurring in a short time, crystal growth does not continue for a long time, and the growth distance is about 1 μm to 2 μm.

しかし、第2のレーザとして炭酸ガスレーザを併用し、少なくとも第1のレーザ光の照射領域を含む領域に、第2のレーザ光を照射して、主に半導体膜直下のSiO膜またはガラス基板を加熱することにより、エキシマレーザのみを照射する場合に比べて、大きく結晶成長を促進することができ、大きなデバイスを形成する自由度を高めることが可能となる。ただ、この場合、単純に結晶が大きくなるのではなく、炭酸ガスレーザの併用により、横方向の結晶成長距離が助長される。本発明の場合、結晶成長距離が、従来に比べて数倍〜10倍程度に促進できる効果が確認されている。このように、第2のレーザを併用することにより、大きな領域を一度に結晶化することが可能になり、結晶化領域を広げて、素子配置の自由度を大幅に向上できる。 However, a carbon dioxide gas laser is used in combination as the second laser, and at least a region including the irradiation region of the first laser beam is irradiated with the second laser beam, so that an SiO 2 film or a glass substrate directly below the semiconductor film is mainly formed. By heating, crystal growth can be greatly promoted as compared with the case where only excimer laser is irradiated, and the degree of freedom for forming a large device can be increased. However, in this case, the crystal does not simply become large, but the crystal growth distance in the lateral direction is promoted by the combined use of the carbon dioxide laser. In the case of the present invention, it has been confirmed that the crystal growth distance can be promoted several times to 10 times as compared with the conventional case. In this way, by using the second laser together, it is possible to crystallize a large region at a time, and the crystallization region can be widened to greatly improve the degree of freedom of element arrangement.

この場合、炭酸ガスレーザにより加熱される領域はたかだか、基板方向に1μm〜数10μmの深さまでであり、基板全体が加熱されることがないため、基板全体としては、低温のまま結晶化を行なうことができ、基板全体を加熱する必要がなく、装置を簡略化できる。また、基板全体が膨張することがないため、ガラス基板の伸縮、膨張を防止することができて有利である。   In this case, the region heated by the carbon dioxide laser is at most 1 μm to several tens of μm deep in the substrate direction, and the entire substrate is not heated. Therefore, the entire substrate is crystallized at a low temperature. It is not necessary to heat the entire substrate, and the apparatus can be simplified. In addition, since the entire substrate does not expand, it is advantageous in that expansion and contraction and expansion of the glass substrate can be prevented.

また、炭酸ガスレーザは、連続発振およびパルス発振が可能であり、自由にパルス幅および強度を変えられ、照射の自由度が高い。第1のレーザとして、エキシマレーザを用いる場合、エキシマレーザはパルス発振であり、パルス幅はレーザによって決まっており、10ns〜100nsであって、自由にパルス幅を変えて、条件を最適化することが困難である。しかし、炭酸ガスレーザは、前述のようにパルス幅を、たとえば、1μs〜数10msと自由に変えることが可能であるので、第1のレーザで溶融させた後、比較的長い時間加熱して、溶融状態を保持し、もしくは冷却時間を長くし、その最適条件を選んで、ゆっくりと凝固させることが可能である。また、炭酸ガスレーザは発振効率が高いために、出力1ワットあたりのコストも低く、容易に大出力のレーザを入手でき、装置の低コスト化に役立つなど、エキシマレーザのみで溶融し、結晶化させるよりも有利である。このように炭酸ガスレーザにはいろいろな利点があり、また発振波長は9〜11μmであるため、第2のレーザ光としては波長9〜11μmのものを使用するのが好ましい。   The carbon dioxide laser can be continuously oscillated and pulsed, the pulse width and intensity can be freely changed, and the degree of freedom of irradiation is high. When an excimer laser is used as the first laser, the excimer laser is pulse oscillation, the pulse width is determined by the laser, and is 10 ns to 100 ns. The pulse width can be freely changed to optimize the conditions. Is difficult. However, since the pulse width of the carbon dioxide laser can be freely changed, for example, from 1 μs to several tens of milliseconds as described above, it is melted by being heated for a relatively long time after being melted by the first laser. It is possible to solidify slowly by maintaining the state or lengthening the cooling time and selecting the optimum condition. In addition, since the CO2 laser has high oscillation efficiency, the cost per watt of output is low, and a high-power laser can be easily obtained, which helps to reduce the cost of the device. Is more advantageous. As described above, the carbon dioxide laser has various advantages, and since the oscillation wavelength is 9 to 11 μm, it is preferable to use the second laser beam having a wavelength of 9 to 11 μm.

炭酸ガスレーザとエキシマレーザに併用する場合、炭酸ガスレーザを連続的に照射しながら、エキシマレーザをパルス的に照射することができる。しかし、より好ましくは、炭酸ガスレーザもパルス状に照射しながら、それに同期してエキシマレーザを照射するのが好ましい。これは、パルス状に照射することにより、長時間基板表面を加熱することを避け、基板表面の平均温度をより低温に保つことができるからであり、基板の冷却機構および熱膨張に対応するための補正装置が不要となり、装置の低コスト化に役立つ。これは、炭酸ガスレーザをパルス状に照射すると、レーザ光が照射されている間は基板表面の温度は高温に保たれるが、炭酸ガスレーザのパルス照射が終了すると速やかに冷却し、時間的な平均値としては、連続的に照射するよりもより低温となるためである。   When the carbon dioxide laser and the excimer laser are used in combination, the excimer laser can be irradiated in a pulsed manner while continuously irradiating the carbon dioxide laser. However, it is more preferable to irradiate the excimer laser in synchronization with the carbon dioxide laser while irradiating it in a pulsed manner. This is because it is possible to avoid heating the substrate surface for a long time by irradiating in a pulsed manner, and to keep the average temperature of the substrate surface at a lower temperature, in order to cope with the cooling mechanism and thermal expansion of the substrate. This eliminates the need for the correction device and helps reduce the cost of the device. This is because, when the carbon dioxide laser is irradiated in a pulsed manner, the temperature of the substrate surface is kept high while the laser light is emitted, but when the pulse irradiation of the carbon dioxide laser is completed, the substrate is quickly cooled and averaged over time. This is because the value is lower than that of continuous irradiation.

また、パルス状に照射する場合でも、パルス幅を狭くし、パルスの放射照度(瞬時値)を大きくとる方が、結果的に投入される熱量(エネルギ量)が少なくてすむ。これは、瞬間的に加熱すればするほど、熱拡散で逃げる熱量が少なくなるため、熱の投入量(=パルス幅×パルス瞬時値)が小さくてすむためである。   Further, even when irradiating in a pulsed manner, the amount of heat (energy amount) input as a result can be reduced by reducing the pulse width and increasing the pulse irradiance (instantaneous value). This is because the more heat is instantaneously applied, the smaller the amount of heat that escapes due to thermal diffusion, and the smaller the amount of heat input (= pulse width × pulse instantaneous value).

第1のレーザとしてエキシマレーザを用い、第2のレーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合、これらの両パルスの照射タイミングとしては、図11(a)に示すように、エキシマレーザの照射パルス(ELP)に先立って、炭酸ガスレーザの照射を開始し、エキシマレーザの照射が終了して、かつ半導体膜の凝固が終了するまで照射する態様が好ましい。この場合、炭酸ガスレーザのパルス(CLP)がエキシマレーザのパルス(ELP)に先立つ時間DL1は1μs〜50msの範囲に設定するのが好ましい。   When an excimer laser is used as the first laser and a carbon dioxide laser is used as the second laser, the irradiation timing of these two pulses is the excimer laser irradiation pulse (ELP) as shown in FIG. It is preferable that the irradiation with the carbon dioxide gas laser is started in advance, the irradiation with the excimer laser is finished, and the semiconductor film is solidified. In this case, it is preferable that the time DL1 before the pulse (CLP) of the carbon dioxide gas laser is preceded by the pulse (ELP) of the excimer laser is set in the range of 1 μs to 50 ms.

パルス幅は、前述のように、短くするほど、熱の投入量は少なくてすむが、レーザの瞬間値を大きくしなければならず、レーザの大型化を招くため、適当な値にパルス幅を設定するのが好ましい。また、エキシマレーザのパルス幅W2は、前述のようにおおよそ10ns〜100nsの範囲であり、これにより溶融、凝固が終了する時間は、条件により異なるが、エキシマレーザのパルス照射終了後、ほぼ50ns〜200nsの範囲が好ましい。   As described above, the shorter the pulse width, the smaller the amount of heat input. However, the instantaneous value of the laser must be increased, and the laser becomes larger, so the pulse width is set to an appropriate value. It is preferable to set. The pulse width W2 of the excimer laser is in the range of approximately 10 ns to 100 ns as described above, and the time for the completion of melting and solidification varies depending on the conditions. A range of 200 ns is preferred.

また、別の照射方法としては、図11(b)に示すように、炭酸ガスレーザのパルス照射終了後、ある時間(DL2)の後、エキシマレーザを照射する方法がある。この場合、DL2は0ms〜5ms程度に設定するのが好ましい。これはDL2が大きくなり過ぎると、基板が冷却してゆき、照射の効果が薄れるからである。しかし、これらのいずれの場合でも、基板および半導体膜の温度を予め上昇させておくことができる点で、第1のレーザ光に先立って、第2のレーザ光の照射を予め開始しておく態様が好ましい。   As another irradiation method, as shown in FIG. 11B, there is a method of irradiating an excimer laser after a certain time (DL2) after the pulse irradiation of the carbon dioxide laser is completed. In this case, DL2 is preferably set to about 0 ms to 5 ms. This is because if DL2 becomes too large, the substrate cools down and the effect of irradiation diminishes. However, in any of these cases, the irradiation of the second laser light is started in advance of the first laser light in that the temperature of the substrate and the semiconductor film can be raised in advance. Is preferred.

本発明により、表面に熱拡散層を設け、光照射により結晶化を行なう場合、結晶化後に熱拡散層を除去し、つぎの工程を行なうことができる。熱拡散層をそのまま残しても良いが、熱拡散層を除去した方が、後の工程であるゲート部分の作製、電極配線、ドーピングなどの半導体形成が容易である。表面の熱拡散層を除去した後は、半導体膜、不純物拡散防止層、ガラス基板という構成となるため、従来の膜構造と同じであり、従来の処理工程をそのまま用いることができるという利点もある。   According to the present invention, when a thermal diffusion layer is provided on the surface and crystallization is performed by light irradiation, the thermal diffusion layer can be removed after crystallization, and the next step can be performed. Although the thermal diffusion layer may be left as it is, the removal of the thermal diffusion layer facilitates the subsequent process of forming a gate portion, forming an electrode wiring, doping, and other semiconductors. After the surface thermal diffusion layer is removed, the semiconductor film, the impurity diffusion preventing layer, and the glass substrate are formed, so that the conventional film structure is the same and there is an advantage that the conventional processing steps can be used as they are. .

また、不純物の拡散防止層については、従来の二酸化シリコンを用いることが可能であるので、これについても従来通りの工程で行なうことが可能である。特に、拡散防止層は、基板からの不純物の拡散を防ぐという重要な機能を有する膜であり、従来から用いられている材料をそのまま用いることができれば、工程の再検討の必要がなく、極めて好都合となる。すなわち、本発明のデバイス製造方法の一形態は、従来のデバイス製造方法における半導体薄膜を設ける工程とレーザアニール処理工程との間に熱拡散層を設ける工程を挿入し、かつレーザアニール処理工程と後の工程の間に熱拡散層を除去する工程を挿入する形態であり、かかる形態は、従来の方法に対して変更すべき箇所が少なく、従来の方法からの移行が容易という利点がある。   Moreover, since the conventional silicon dioxide can be used for the impurity diffusion preventing layer, this can also be performed by a conventional process. In particular, the diffusion preventing layer is a film having an important function of preventing diffusion of impurities from the substrate, and if a conventionally used material can be used as it is, there is no need to review the process, which is very convenient. It becomes. That is, in one form of the device manufacturing method of the present invention, a step of providing a thermal diffusion layer is inserted between the step of providing a semiconductor thin film and the step of laser annealing in the conventional device manufacturing method, and the step of laser annealing and after This is a mode in which a step of removing the thermal diffusion layer is inserted between the steps, and this mode has the advantage that there are few places to be changed from the conventional method and that the transition from the conventional method is easy.

(半導体膜の製造装置)
本発明の半導体膜の製造装置は、基板上に半導体膜を形成する手段と、基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する手段と、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング手段と、熱拡散層が形成されている領域に第1のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第1のレーザ光照射手段と、溶融した半導体を結晶化する結晶化手段とを備える製造装置であって、第1のレーザ光照射手段において、第1のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする。本発明の装置により、従来の装置に比べて、結晶の長さを長くすることができ、得られるデバイスの特性を向上させることができるとともに、製造時間を短縮し、製造コストを低減することができる。
(Semiconductor film manufacturing equipment)
The semiconductor film manufacturing apparatus of the present invention removes a part of the thermal diffusion layer, means for forming a semiconductor film on the substrate, means for forming a thermal diffusion layer having a higher thermal conductivity than the substrate, and the semiconductor film. By irradiating the first laser beam to the region where the thermal diffusion layer is formed and the patterning means for dividing the region where the thermal diffusion layer is not formed and the region where the thermal diffusion layer is formed A manufacturing apparatus comprising a first laser light irradiation means for melting a semiconductor film and a crystallization means for crystallizing the molten semiconductor, wherein the first laser light passes through the first laser light irradiation means. The opening of the photomask is imaged on the substrate surface by the objective lens. The apparatus of the present invention can increase the length of the crystal and improve the characteristics of the resulting device, shorten the manufacturing time, and reduce the manufacturing cost compared to the conventional apparatus. it can.

実施例1
本実施例では、図1に示すように、ガラス基板4の上に、拡散防止層3として厚さ150nmの二酸化シリコン膜3を蒸着により形成した。つぎに、拡散防止層3の上に、半導体膜2を形成した。半導体膜2としては、アモルファスシリコンを材料に用い、CVD法により、厚さ50nm形成した。その後、半導体膜2上に、さらに熱拡散層1を設けた。熱拡散層1は、窒化アルミニウムを材料に用い、蒸着により厚さ30nm形成した。熱拡散層は、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチング法を組み合せて、図3に示すように、熱拡散層が形成されている領域301a、301bと、熱拡散層が形成されていないその他の領域とにパターニングした。
Example 1
In this embodiment, as shown in FIG. 1, a silicon dioxide film 3 having a thickness of 150 nm was formed on the glass substrate 4 as a diffusion preventing layer 3 by vapor deposition. Next, the semiconductor film 2 was formed on the diffusion preventing layer 3. As the semiconductor film 2, amorphous silicon was used as a material, and a thickness of 50 nm was formed by a CVD method. Thereafter, a thermal diffusion layer 1 was further provided on the semiconductor film 2. The thermal diffusion layer 1 was formed using aluminum nitride as a material, and was formed to a thickness of 30 nm by vapor deposition. The thermal diffusion layer is a combination of lithography using a photoresist and a wet etching method, as shown in FIG. 3, regions 301a and 301b where the thermal diffusion layer is formed, and other regions where the thermal diffusion layer is not formed. Patterned into areas.

つぎに、基板に対してレーザアニール処理を施した。レーザアニール処理のために用いた装置を図2に示す。この装置は、第1のレーザ光源205と、反射ミラー207と、開口部を形成したフォトマスク208と、対物レンズ209と、ステージ211を有し、ホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群206を有する。ステージ211には、図1に示すような多層からなる薄膜を積層した基板210を設置した。レーザ光源としては、波長308nm(XeCl使用)、パルス幅30ns、平均出力300Wのエキシマレーザを用いた。また、フォトマスク208の開口部にホモジナイザを通過させた光を照射し、開口部の像を対物レンズ209により基板210のガラス基板の表面で結像させるようにし、また、熱拡散層の複数のパターンを設けた領域が収まる領域にレーザ光が照射されるように設定した。   Next, laser annealing treatment was performed on the substrate. The apparatus used for the laser annealing treatment is shown in FIG. This apparatus includes a first laser light source 205, a reflection mirror 207, a photomask 208 having an opening, an objective lens 209, a stage 211, and an optical element group 206 such as a homogenizer and an expander. . On the stage 211, a substrate 210 on which thin films composed of multiple layers as shown in FIG. As a laser light source, an excimer laser having a wavelength of 308 nm (using XeCl), a pulse width of 30 ns, and an average output of 300 W was used. Further, the opening of the photomask 208 is irradiated with light that has passed through a homogenizer so that an image of the opening is formed on the surface of the glass substrate of the substrate 210 by the objective lens 209, and a plurality of heat diffusion layers are formed. The laser beam was set so as to irradiate the area where the pattern-provided area was accommodated.

レーザ光の照射により、図5における半導体膜のうち熱拡散層のパターンが形成されている部分501a、501bが選択的に溶融し、パルス照射が終了すると、溶融した部分は、急速に冷却し結晶化した。本実施例により得られた結晶は、図5に示すように、熱拡散層のパターン501a、501bの幅方向に結晶514が成長して、柱状の結晶が得られた。一回の溶融、結晶化により成長する結晶の長さは、約4μmであり、中央部には微結晶またはアモルファスシリコンは認められなかった。また、領域515は結晶成長が生じないままであった。   The portions 501a and 501b in which the pattern of the thermal diffusion layer is formed in the semiconductor film in FIG. 5 are selectively melted by the laser light irradiation, and when the pulse irradiation is completed, the melted portions are rapidly cooled and crystallized. Turned into. As shown in FIG. 5, in the crystal obtained in this example, a crystal 514 grew in the width direction of the thermal diffusion layer patterns 501a and 501b, and a columnar crystal was obtained. The length of the crystal grown by one melting and crystallization was about 4 μm, and no microcrystal or amorphous silicon was observed in the center. Further, the region 515 remained without crystal growth.

比較例1
実施例1における窒化アルミニウムからなる熱拡散層の代わりに、同一の厚さの二酸化シリコン膜を形成した以外は、実施例1と同様にして半導体膜を製造し、レーザ光を照射した。得られた結晶の成長距離Lは、約1μm程度にとどまり、中央部の2〜3μmにアモルファスシリコンが認められた。
Comparative Example 1
A semiconductor film was produced in the same manner as in Example 1 except that a silicon dioxide film having the same thickness was formed instead of the thermal diffusion layer made of aluminum nitride in Example 1, and was irradiated with laser light. The growth distance L of the obtained crystal was only about 1 μm, and amorphous silicon was observed in the central portion of 2 to 3 μm.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明によれば、結晶の長さを長くすることができるため、移動度の高いトランジスタを製造することができる。また、製造効率を高め、製造コストを低減することができる。   According to the present invention, since the length of the crystal can be increased, a transistor with high mobility can be manufactured. Moreover, manufacturing efficiency can be improved and manufacturing cost can be reduced.

本発明の製造方法に係る半導体素子の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor element which concerns on the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法におけるレーザアニール処理で用いる装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus used by the laser annealing process in the manufacturing method of this invention. 本発明における熱拡散層の平面図である。It is a top view of the thermal diffusion layer in the present invention. 本発明の製造方法において使用するフォトマスクの平面図である。It is a top view of the photomask used in the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法により得られた結晶の平面図である。It is a top view of the crystal obtained by the manufacturing method of the present invention. 従来の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the temperature distribution of the semiconductor film manufactured by the conventional method. 従来の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the temperature distribution of the semiconductor film manufactured by the conventional method. 本発明の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the temperature distribution of the semiconductor film manufactured by the method of this invention. 本発明の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the temperature distribution of the semiconductor film manufactured by the method of this invention. 本発明の製造方法におけるレーザアニール処理で用いる装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus used by the laser annealing process in the manufacturing method of this invention. 本発明におけるエキシマレーザのパルス信号と炭酸ガスレーザのパルス信号との関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the pulse signal of the excimer laser in this invention, and the pulse signal of a carbon dioxide gas laser.

符号の説明Explanation of symbols

1 熱拡散層、2 半導体膜、3 拡散防止層、4 ガラス基板。   1 thermal diffusion layer, 2 semiconductor film, 3 diffusion prevention layer, 4 glass substrate.

Claims (11)

レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、
基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成工程と、
前記熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、
熱拡散層が形成されている前記領域に第1のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第1のレーザ光照射工程と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化工程
とを備えることを特徴とする半導体膜の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor film using laser light,
A semiconductor film forming step of forming a semiconductor film on the substrate;
A thermal diffusion layer forming step of forming on the semiconductor film a thermal diffusion layer having a higher thermal conductivity than the substrate;
A patterning step of separating a region where the heat diffusion layer is formed and a region where the heat diffusion layer is not formed by removing a part of the heat diffusion layer;
A first laser light irradiation step of melting the semiconductor film by irradiating the region where the thermal diffusion layer is formed with the first laser light;
A method for producing a semiconductor film, comprising: a crystallization step of crystallizing a molten semiconductor.
第1のレーザ光照射工程において、第1のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする請求項1に記載の半導体膜の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1, wherein in the first laser light irradiation step, an opening of a photomask through which the first laser light passes is imaged on the substrate surface by an objective lens. 熱拡散層の第1のレーザ光に対する光吸収率が、半導体膜の第1のレーザ光に対する光吸収率よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体膜の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1, wherein the light absorption rate of the heat diffusion layer with respect to the first laser beam is smaller than the light absorption rate of the semiconductor film with respect to the first laser beam. 第1のレーザ光が、波長550nm以下の可視光であることを特徴とする請求項1に記載の半導体膜の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1, wherein the first laser light is visible light having a wavelength of 550 nm or less. 少なくとも第1のレーザ光の照射領域を含む領域に、第2のレーザ光を照射することを特徴とする請求項1に記載の半導体膜の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 1, wherein a region including at least a region irradiated with the first laser beam is irradiated with the second laser beam. 3. 第2のレーザ光は、波長が9μm〜11μmであることを特徴とする請求項5に記載の半導体膜の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor film according to claim 5, wherein the second laser beam has a wavelength of 9 to 11 [mu] m. 第2のレーザ光は、パルス状に照射し、少なくとも第1のレーザ光の照射に先立って、第2のレーザ光の照射を開始することを特徴とする請求項5に記載の半導体膜の製造方法。   6. The semiconductor film manufacturing method according to claim 5, wherein the second laser light is irradiated in a pulsed manner, and irradiation of the second laser light is started at least prior to the irradiation of the first laser light. Method. 基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成手段と、
前記基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成手段と、
前記熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング手段と、
熱拡散層が形成されている前記領域に第1のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第1のレーザ光照射手段と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化手段
とを備える製造装置であって、
前記第1のレーザ光照射手段において、第1のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする半導体膜の製造装置。
A semiconductor film forming means for forming a semiconductor film on the substrate;
A thermal diffusion layer forming means for forming a thermal diffusion layer having higher thermal conductivity on the semiconductor film than the substrate;
Patterning means for removing a part of the thermal diffusion layer into a region where the thermal diffusion layer is formed and a region where the thermal diffusion layer is not formed;
A first laser beam irradiation means for melting the semiconductor film by irradiating the region where the thermal diffusion layer is formed with the first laser beam;
A manufacturing apparatus comprising a crystallization means for crystallizing a molten semiconductor,
An apparatus for manufacturing a semiconductor film, characterized in that, in the first laser light irradiation means, an opening of a photomask through which the first laser light passes is imaged on a substrate surface by an objective lens.
熱拡散層の第1のレーザ光に対する光吸収率が、半導体膜の第1のレーザ光に対する光吸収率よりも小さいことを特徴とする請求項8に記載の半導体膜の製造装置。   9. The semiconductor film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the light absorption rate of the thermal diffusion layer with respect to the first laser beam is smaller than the light absorption rate of the semiconductor film with respect to the first laser beam. 第1のレーザ光が、波長550nm以下の可視光であることを特徴とする請求項8に記載の半導体膜の製造装置。   The semiconductor film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the first laser light is visible light having a wavelength of 550 nm or less. 少なくとも第1のレーザ光の照射領域を含む領域に、第2のレーザ光を照射することを特徴とする請求項8に記載の半導体膜の製造装置。   9. The semiconductor film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the second laser beam is irradiated to a region including at least the first laser beam irradiation region.
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