JP3955959B2

JP3955959B2 - Laser irradiation apparatus and laser irradiation method

Info

Publication number: JP3955959B2
Application number: JP2000017112A
Authority: JP
Inventors: 展奥村; 幸次杉岡
Original assignee: NEC Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: NEC Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001210591A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非単結晶半導体薄膜にパルスレーザ光を照射してアニールを行うレーザ照射方法に関し、特に液晶ディスプレイや密着型イメージセンサ等に用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタのチャネル層を形成するレーザ照射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多結晶シリコン薄膜トランジスタにより、安価なガラス基板上に駆動回路を備えた液晶表示装置を形成することが可能となっている。多結晶シリコン薄膜の形成法としては、プロセス温度の低温化および高スループット化の観点から、エキシマレーザ光を照射することにより非晶質シリコン薄膜を結晶化させて多結晶シリコン薄膜を得るエキシマレーザ結晶化法が広く用いられている。
【０００３】
ところがエキシマレーザ結晶化法は、レーザ光がパルスレーザ光であるために薄膜の熱処理される時間が限られてしまい、得られる結晶粒子の大きさが制限されてしまうという問題がある。そのため、得られた多結晶シリコン薄膜を利用して薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製した場合、その移動度は１００ｃｍ²／Ｖｓ程度に留まり、現在望まれているような高移動度の素子形成は困難である。
【０００４】
そこで多結晶シリコン薄膜の大粒径化技術に関し、これまで種々の検討がなされてきた。
【０００５】
特開平９−２４６１８３号公報には、線幅方向に台形状ビームプロファイルを有するレーザ光を照射する方法が開示されている。この方法は、台形状ビームプロファイルのレーザを照射し、多結晶組織を得るものである。台形状ビームプロファイルの中央部エネルギー密度を非晶質半導体（非晶質シリコン）の微結晶化しきい値以上としているため、台形状プロファイルの傾斜部において、微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分が存在することとなる。この領域において、結晶粒子径が大きな多結晶半導体領域を得ることができるとされている。しかしながらこの方法では、たしかに微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分において結晶粒子径が大きな多結晶半導体領域を得ることができるものの、その大粒径粒子の配列は無秩序であり、粒径分布も一般に広くなる。したがって、このような多結晶半導体領域をたとえばＴＦＴのチャネル層として利用した場合、移動度等のＴＦＴ特性のばらつきをもたらすこととなる。
【０００６】
また、特開平１０−２７５７８１号公報および第４２回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第２分冊６９４頁には、複数のレーザパルスを合成してレーザ照射を行う技術が開示されている。しかしながらこれらの方法を用いた場合においても、結晶粒子の大粒径化を図ることはできるものの、その配列や粒径分布を揃えることは困難であった。
【０００７】
また、ＭＲＳＢｕｌｌＥｔｉｎ２１巻（１９９６年）、３月号、３９頁には、島状に形成した非晶質シリコン薄膜に、幅５μｍの極めて微細な線状ビームを０．７５μｍピッチでスキャン照射することにより、結晶粒子界がほぼ平行に整列している一方向成長多結晶シリコン薄膜を形成する技術が開示されている。この方法であれば多結晶粒子の均一性も確保されるが、スループットが低下する上、サブミクロンのステージ動作精度を確保する必要性から搬送系が複雑化するという問題が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶半導体膜を形成するレーザ照射技術を提供することを目的とする。また、目的の場所に位置精度良く多結晶半導体膜を形成するレーザ照射技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明によれば、以下に示すレーザ照射装置およびレーザ照射方法が提供される。
［１］レーザ光を発生させるレーザ光源と、発生したレーザ光のエネルギー分布を調整する手段とを備え、エネルギー分布を調整した後のレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射装置であって、
前記非単結晶半導体薄膜に照射するレーザ光の照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥ_uとして、エネルギー密度Ｅ_u未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅ_u以上の第二の領域とを有し、前記第一の領域の幅が３μｍ以下であることを特徴とするレーザ照射装置。
［２］前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下であることを特徴とする［１］に記載のレーザ照射装置。
［３］前記第一の領域が急峻な谷形状を有することを特徴とする［１］または［２］に記載のレーザ照射装置。
［４］レーザ光のエネルギー分布を調整する手段が、基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクであって、基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成することを特徴とする［１］乃至［３］いずれかに記載のレーザ照射装置。
［５］前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射するように調整されたことを特徴とする［１］乃至［４］いずれかに記載のレーザ照射装置。
［６］レーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射し多結晶半導体薄膜を形成するレーザ照射方法であって、該レーザ光の光照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布が、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥ_uとしたときに、エネルギー密度Ｅ_u未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅ_u以上の第二の領域とを有し、前記第一の領域の幅が３μｍ以下であることを特徴とするレーザ照射方法。
［７］前記第一の領域の幅が１．８μｍ以下であることを特徴とする［６］に記載のレーザ照射装置。
［８］前記第一の領域が急峻な谷形状を有することを特徴とする［６］または［７］に記載のレーザ照射方法。
［９］基材および該基材の一部を覆う誘電体膜からなるマスクにレーザ光透過させ、基材のみを透過したレーザ光による照射領域と、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、前記第一の領域を生成することを特徴とする［６］乃至［８］いずれかに記載のレーザ照射方法。
［１０］前記エネルギー密度分布を有する第一のレーザ光と、該エネルギー密度分布を有し、平均エネルギー密度が第一のレーザ光より低い第二のレーザ光とを、この順で同一地点に照射することを特徴とする［６］乃至［９］いずれかに記載のレーザ照射方法。
【００１０】
上記したように本発明においては、３μｍ以下の狭い幅を有する第一の領域が、エネルギー密度Ｅ_u以上の第二の領域に挟まれた形態のエネルギー密度分布となっている。このため、第一の領域において、図１および図６に示すように、多結晶粒子が一列または二列に整然と形成することができる上、多結晶粒子の形成箇所を所望の位置に精度良く形成できる。核成長の起点が限られた狭い領域、すなわち第一の領域内にのみ発生するためである。３μｍ以下の狭い幅には、多結晶粒子の成長核は、一列または二列しか発生しないため、上記のように、多結晶粒子が一列または二列に整然と配列した状態で形成されるのである。
【００１１】
また、本発明においては、多結晶粒子の粒径が均一となる。本発明においては、第一の領域の両側に存在する第二の領域のエネルギー密度がＥ_u以上であるため、第一の領域を起点として高エネルギー領域側に向かって進行する核成長が、第二の領域において発生した微結晶のところで停止することとなる。このため、個々の多結晶粒子間で核成長速度のばらつきがあっても最終的に形成される多結晶粒子の粒径はほぼ均一となるのである。
【００１２】
上記［２］または［７］の発明によれば、多結晶粒子の粒径を顕著に大粒径化できる上、多結晶粒子の配列を一層良好にすることができる。第一の領域に成長核が一列のみ発生するため、結晶粒子の成長が双方向に進むためである。
【００１３】
上記［３］または［８］の発明によれば、谷形状の底部に精度良く成長核を発生させることができ、粒子の配列性を一層良好にすることができ、粒径も充分に大きくすることができる。
【００１４】
上記［４］または［９］の発明によれば、上記［１］等に規定する特定のエネルギー密度分布を簡便な方法で精度良く実現することができ、生産性に優れる等の利点が得られる。
【００１５】
また、上記［５］および［１０］の発明によれば、膜の溶融時間を長くすることができるため、より大粒径の多結晶粒子が得られる。
【００１６】
以上のように本発明によれば、大粒径かつ粒径均一性に優れた多結晶組織を、整然とした配列した状態で位置精度良く形成することができる。この多結晶組織を利用することにより、高移動度を有する薄膜トランジスタ素子を大面積基板上に均一に形成することが可能となる。
【００１７】
【実施の形態】
本発明はレーザ光、特にパルスレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射するものである。本発明においては、多結晶粒子を形成すべき領域全体に対してレーザ光を一括照射する形態とすることが好ましい。すなわち、レーザ光の照射領域を、多結晶粒子を形成すべき領域全体と一致させる形態とすることが好ましい。これにより高い生産性を実現することができる。また、これ以外に、線状あるいは矩形状の照射領域を有するレーザ光を用い、レーザ光をスキャンしながら照射を行う方式とすることもできる。たとえば線状の照射領域のレーザ光を用いる場合は、照射領域をその短軸方向に移動させ、所望の領域全体に対してレーザ照射を行う。なお、本発明に係るレーザ照射は、基板を加熱しながら行うこともできる。
【００１８】
本発明において、非単結晶半導体薄膜とは単結晶でない半導体薄膜をいい、非晶質シリコンなどの非晶質薄膜や、多結晶シリコンなどの多結晶薄膜をいう。また本発明における多結晶半導体薄膜を構成する結晶粒子の粒子径は、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。このような大粒径の粒子により多結晶半導体薄膜を構成することにより、高効率の素子を得ることができる。
【００１９】
本発明における非晶質の微結晶化エネルギーＥ_uについて以下、説明する。非晶質シリコンのレーザアニールにおいて、形成される多結晶シリコンの結晶粒子径は、レーザエネルギー密度に依存する。エネルギー密度が増加するにしたがい粒径は増加するが、ある特定のエネルギー密度を越えると粒径が２０ｎｍ以下と極めて微細になることが知られている。このときのエネルギー密度を非晶質の微結晶化しきい値といい、Ｅ_uと表す。微結晶化は、薄膜の溶融状態の変化により、再結晶化時の核発生機構が、基板薄膜界面を核発生サイトとした不均一核発生から、均一核発生へと変化することにより発生すると考えられている。この核発生機構の変化は、薄膜の到達温度と冷却速度に依存する。従って微結晶化しきい値Ｅ_uは、薄膜の膜厚、薄膜の構造、パルスレーザ光の波長、パルス幅、などに依存して変化する。例えば、一旦レーザ結晶化した多結晶シリコン薄膜のＥ_uは、非晶質シリコン薄膜のＥ_uに対して約１４％大きな値となる。これは、膜表面のレーザに対する反射率および熱物性が異なるためである。
【００２０】
エネルギー密度Ｅ_u以上の領域とＥ_u未満の領域を含むプロファイルのレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射した場合、エネルギー密度がＥ_uよりもわずかに低い領域に、大粒径の多結晶粒子が形成される。図７はその一例を示すものである。このような多結晶粒子は、主として低エネルギー側から高エネルギー側へと成長する傾向にある。核発生は、低エネルギー側の方でより早く起こるからである。
【００２１】
図１は、本発明において用いるレーザ光のエネルギー密度分布の一例を示すものである。このレーザ光は矩形状の照射領域を有するレーザであり、図のエネルギー密度分布は、長辺方向に沿ったプロファイルを示している。図に示したエネルギー密度分布は、略平坦な領域と、平坦な領域の内部に急峻な谷部を有する形状となっている。すなわち、非晶質半導体薄膜の微結晶化エネルギーをＥ_uとして、エネルギー密度Ｅ_u未満の第一の領域と、該第一の領域の両側に位置するエネルギー密度Ｅ_u以上の第二の領域とを有するプロファイルとなっている。第一の領域は急峻な谷形状を有しており、その幅（Ｗ₁）は１．８μｍ以下となっている。この図では第二の領域はフラットな形状となっているが、エネルギー密度Ｅ_u以上である限り、これに限られず任意の形状とすることができる。
【００２２】
上記のようなエネルギー分布は、基材およびその一部を覆う誘電体膜からなるマスクを用いることにより実現できる。このようなマスクを用いることにより、基材および誘電体膜を透過したレーザ光による照射領域との境界面近傍に、第二の領域が生成される。図２はこのようなマスクの一例を示すものであり、石英板２０１の表面の一部にＳｉＯ₂膜２０２がコーティングされている。ＳｉＯ₂の代わりにＳｉＮ等を用いることもできる。このマスクは、一回反転型の位相シフトマスクである。通常のトップフラット型プロファイルのレーザ光が、位相シフトマスクを通過するとき、ＳｉＯ₂膜２０２により、位相が反転し、急峻な谷形状を有するプロファイルとなる。谷形状については、位相シフトマスクを含めた光学系の設計次第により、任意の形状とすることができる。位相シフトマスクを利用した上記方法の詳細については、SPIＥ vol.1463 Optical Laser Microlithography IV (1991) p74-86,p87-100に記載されている。
【００２３】
図９は、本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。レーザ光源１から発したレーザビームは、光学系２を経た後、マスク６を通過してチャンバ３内のステージ４上に保持された基板５に照射される。マスク６は図２に示した構造を有している。このような特殊な構造のマスクを透過させることにより、マスク透過前においてトップフラット型のエネルギー密度分布を有していたレーザ光が、マスク透過後、図２に示したように急峻な谷部を有するエネルギー密度分布のレーザ光となる。
【００２４】
本発明者らの検討によれば、第一の領域に発生する大粒径多結晶粒子の数は、第一の領域の幅（Ｗ₁）に依存することが確認されている。Ｗ₁を多結晶粒子の粒径の２倍以上の幅とした場合、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が２個以上（２列以上）発生する。一方、Ｗ₁が多結晶粒子の粒径の２倍未満、特に１．２倍未満とした場合、具体的には１．８μｍ未満、特に１μｍ未満とした場合、多結晶粒子は１個（一列）のみ形成され、同時に粒径も顕著な拡大を示す。この原因としては、Ｗ₁が狭まったために、核発生が一箇所になり、かつ粒子の成長方向が双方のエネルギー勾配に沿って進むためであると考えられる。
【００２５】
図１の場合、Ｗ₁を１．８μｍ以下としているため、多結晶粒子は１個（一列）のみ形成され、大粒径かつ粒径均一性の良好な多結晶粒子が秩序性良く形成される。一方、図６はＷ₁を２．５μｍ程度とした場合の例であり、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が１列ずつ、合計２列形成されている。また図１０はＷ₁を５μｍ程度とした場合の例であり、各々のエネルギー勾配に沿って多結晶粒子が複数列ずつ形成されている。この場合、高エネルギー側に近づくにつれて多結晶粒子の配列が無秩序になるとともに、粒径も不均一になっていく。
【００２６】
以上のことから本発明においてはＷ₁を３μｍ以下としている。これにより、第一の領域中に多結晶粒子の成長核が一列または二列のみ発生することとなり、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶粒子を所望の位置に精度良く形成される。
【００２７】
本発明において、Ｗ₁を１．８μｍ以下、特に、１μｍ以下とすれば、多結晶粒子の粒径を顕著に大粒径化できる上、多結晶粒子の配列を一層良好にすることができる。これは、前述したように結晶粒子の成長が双方向に進むことによると考えられる。多結晶粒子の成長は、エネルギーの低い領域から高い領域に向かって進行する。図６のように第一の領域に二列の成長核が発生した場合は、各列の成長核は、もう一方の成長核と隣接する側では成長が抑制され、主として高エネルギー側に成長していく。これに対して図１のように第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、成長核は両側の高エネルギー側に成長していく。したがって、第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、成長核が二列に発生した場合に比べ、核成長がおよそ２倍となり、粒径が顕著に大きくなると考えられる。また、第一の領域に一列の成長核が発生した場合は、核成長を経た後も粒子の配列秩序の乱れが生じにくいため、二列の成長核が発生した場合に比べ粒子の配列状態を一層良好となる。
【００２８】
なお、第一の領域に一列の成長核を発生させるにはＷ₁を１．８μｍ以下とすることが好適であるが、特にＷ₁を１μｍ以下とすれば、より確実に一列の成長核を発生させることができる。
【００２９】
本発明において、第一の領域のエネルギー分布の形状は種々のものとすることができるが、図１等に示すような谷形状であることが好ましい。このような形状とすれば、谷形状の底部に精度良く成長核を発生させることができ、粒子の配列性を一層良好にすることができ、粒径も充分に大きくすることができる。
【００３０】
本発明においては、目的に応じて第一の領域を複数箇所設けることができる。このようにすれば、一回の照射で複数の多結晶組織を形成することが可能となる。図１には説明の便宜のため谷形状の第一の領域を一箇所のみ示したが、実際には、図１１のように二箇所設けても良く、あるいは三箇所以上設けることもできる。本発明によれば位置精度良く多結晶組織を形成できることから、上記のように複数の第一の領域を設けることにより目的の多結晶膜を好適に作製することができる。
【００３１】
本発明は、照射領域中の一方向に沿ったエネルギー密度分布を規定するものであるが、上記一方向と直交する方向に沿ったエネルギー密度分布については任意の形状とすることができる。図１２は、直交方向のエネルギー密度分布を設けない例である。直交方向のいずれの位置においても同一のプロファイルとなっている。図１３は直交方向に谷部を設けた例である。直交方向の谷部の幅については、多結晶粒子を形成する面積に応じて適宜設定される。
【００３２】
本発明においては、所定のプロファイルのレーザ光を同一地点に複数回照射してもよい。すなわち所定のエネルギー密度プロファイルを有するレーザ光を、照射位置をずらすことなく、同一地点に複数回照射してもよい。このようにした場合、多結晶粒子を一層大粒径化することができる。前述したように、第一の領域を起点として高エネルギー領域側に向かって進行する核成長は、第二の領域において発生した微結晶のところで停止する。したがって、第二の領域において微結晶粒子の発生する時期が遅くなれば第一の領域を起点とする核成長時間はより長くなり、結果として多結晶粒子の粒径がより大きくなる。複数回照射を行う場合、第二の領域における膜の溶融時間が長くなり、微結晶粒子の発生が抑制されるため、上記理由により多結晶粒子がより大粒径化するのである。
【００３３】
第一および第二のレーザ光をこの順で照射する場合、第二のレーザ光の平均エネルギー密度は、第一のレーザ光の平均エネルギー密度より低くすることが好ましい。第二のレーザ光の平均エネルギー密度が高すぎると、第一のレーザ光により多結晶化した部分が微結晶化する場合がある。第二のレーザ光の平均エネルギー密度を下げる場合においては、エネルギー密度の最高値と最低値の比を第一のレーザ光と第二のレーザ光とで略一致させる構成とすることが好ましい。このようにすれば、第一のレーザ光を生成するのに用いた光学系をそのまま用い、レーザ強度を下げるだけで第二のレーザ光を生成することが可能となり、簡便な構造の照射装置で、上記照射を実現することができる。
【００３４】
第一のレーザ光照射開始時から第二のレーザ光照射開始時までの照射間隔は、第一のレーザ光のパルス幅の６倍以下とすることが好ましい。膜の溶融時間は、通常、パルス幅の６倍程度以内であることから、上記のような照射間隔とすることによって第二の領域における微結晶粒子の発生する時期を有効に遅延させることができ、多結晶粒子を一層大粒径化できるからである。ここで、膜溶融時間は、レーザ光の時間に依存したパルス形状およびパルス幅に依存する。一般にエキシマレーザ光のパルス形状は、図４に示すような複数の山からなるパルス形状を示し、パルス幅とは半値幅を指す。ここで、パルスの立ち上がりから最大値までの時間（ｔ₁）が長くなると、過渡的な冷却が働くために、膜の最大到達温度が低下し、エネルギー効率が低下してしまう。従って、ｔ₁は小さな方が良く、２０ｎｓ以下が望ましい。
【００３５】
複数回照射を行う場合の照射回数は特に制限がないが、プロセス効率向上の観点から、できるだけ少ない方が望ましい。照射回数は、好ましくは２〜１０回、さらに好ましくは２回とする。本発明の照射方法では、２回程度の照射により、目的とする多結晶シリコン薄膜の形成が充分可能だからである。
【００３６】
図３は、一度めのレーザ照射により膜が溶融している間に同一地点に重ねて二度めのレーザ照射を行う、いわゆるダブルパルス照射を行うレーザ照射装置の一例である。図に示した２個の光源３０１、３０２を制御装置３０３で同期させ、位相シフトマスクを含む光学系３０４を通って急峻な谷部を有するように整形した２個のパルスレーザ光を、チャンバ３０５内に設置された基板３０６にダブルパルス照射を行う。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３８】
実施例１
レーザ照射を行う前に、レーザ光のプロファイル決定のための予備実験を行った。その結果、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜に、波長３０８ｎｍでパルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を室温で照射するときのＥ_uは４７０ｍＪ／ｃｍ²であり、微結晶化しきい値直下で形成される多結晶粒子の粒径は約０．９μｍであることが確認された。
【００３９】
つづいて、レーザ照射対象となる基板を作製した。まずガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いて下地絶縁膜として二酸化シリコン薄膜を２００ｎｍ成膜した。次いで減圧ＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン薄膜を５０ｎｍ成膜した。非晶質シリコン薄膜の成膜方法としては、他にＰＥＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることもできるが、減圧ＣＶＤ法を用いれば、非晶質シリコン薄膜中にガスが混入することが防止される。
【００４０】
上記のようにして得られた非晶質シリコン薄膜に、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を照射した。レーザ光のエネルギー密度分布は、図１と同様の形状とした。すなわち、５００ｍＪ／ｃｍ²の概略平坦な領域と、エネルギー最低値が４００ｍＪ／ｃｍ²、Ｗ₁が１μｍとなる急峻な谷部とを有するプロファイルのレーザ光を照射した。基板の加熱は行わなかった。
【００４１】
得られた薄膜を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、粒子径が約１．７μｍの大粒子が一列に規則正しく整列した大粒径均質組織が発生していることが確認された。形成された結晶粒子の中心位置は、プロファイルにおけるエネルギー最低地点に相当していた。本実施例の結果から、本発明によれば、顕著に成長した結晶粒子を位置精度良く作製できることが判る。
【００４２】
実施例２
レーザ照射時の基板を４００℃に加熱すること以外は実施例１と同様にしてレーザ照射を行った。得られた多結晶粒子の平均粒径は２．６μｍとなった。
【００４３】
実施例３
Ｗ₁を１．８μｍ以上とすること以外は実施例１と同様にしてレーザ照射を行った。０．９μｍの大粒径多結晶粒子が２列配列した多結晶組織が得られた。
【００４４】
比較例１
図８に示す通常のトップフラット型ビームを用い、対照実験を行った。最大エネルギー密度は実施例１と同様である。得られた多結晶組織は粒子径約１μｍの大粒子を含んでいたが、これらは図８に模式的に示したように無秩序に配列していた。また、この領域の粒径分布はおよそ０．０２〜１μｍであり、不均質な組織となっていた。
【００４５】
実施例４
レーザ照射を行う前に、レーザ光のプロファイル決定のための予備実験を行った。その結果、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜に、波長３０８ｎｍでパルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を室温で照射するときのＥ_uは４７０ｍＪ／ｃｍ²であり、微結晶化しきい値直下で形成される大粒径多結晶粒子の粒径は約０．９μｍであることが確認された。
【００４６】
つづいて、レーザ照射対象となる基板を作製した。まずガラス基板上に、ＰＥＣＶＤ法を用いて下地絶縁膜として窒化シリコン薄膜を１００ｎｍ成膜した。次いで減圧ＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン薄膜を５０ｎｍ成膜した。
【００４７】
上記のようにして得られた非晶質シリコン薄膜に、波長３０８ｎｍ、パルス幅５０ｎｓのＸｅＣｌレーザ光を用いてレーザ照射を行った。図３に示した２個の光源３０１、３０２を制御装置３０３で同期させ、位相シフトマスクを含む光学系３０４を通って急峻な谷部を有するように整形した２個のパルスレーザ光を、チャンバ３０５内に設置された基板３０６にダブルパルス照射を行った。ダブルパルス照射条件としては、第１のレーザ光の概略平坦な領域を４８０ｍＪ／ｃｍ²、エネルギー最低値を３８０ｍＪ／ｃｍ²、Ｗ₁を１μｍとし、第２のレーザ光は第１のレーザ光と略相似形のプロファイルを有しているが、そのエネルギー密度は第１のレーザ光の２／５とし、照射間隔を８０ｎｓとした。第１のレーザ光および第２のレーザ光のパルス幅はそれぞれ５０および３５ｎｓである。
【００４８】
得られた薄膜を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、図５のように粒子径が約４．４μｍの大粒子が一列に規則正しく整列した大粒径均質組織が発生していることが確認された。プロファイル上谷部で核発生した結晶粒子の成長が終了する時点は、高エネルギー域での微結晶が核発生する時点である。従って、第２のレーザ光により高エネルギー域での核発生が抑制された本実施例では、第１の実施例よりも顕著な成長が実現可能となった。
【００４９】
また、形成された結晶粒子の中心位置は、プロファイルにおけるエネルギー最低地点に相当しており、本発明によれば、顕著に成長した結晶粒子を位置精度良く作製できることが確認された。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、狭い幅を有する第一の領域が、エネルギー密度Ｅ_u以上の第二の領域に挟まれた形態のエネルギー密度分布となっているため、粒径分布が均一で、かつ粒子の配列状態が良好な大粒径多結晶半導体膜を、目的の場所に位置精度良く形成することができる。この多結晶半導体膜を利用することにより、高移動度を有する薄膜トランジスタ素子を大面積基板上に均一に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図２】本発明において用いられるマスクの構造を示す図である。
【図３】本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。
【図４】レーザ強度の時間依存性を説明するための図である。
【図５】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図６】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図７】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図８】従来のレーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図９】本発明に係るレーザ照射装置の概略図である。
【図１０】レーザ光のエネルギー密度分布、および、このレーザ光により形成される多結晶半導体粒子の状態を示す図である。
【図１１】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【図１２】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【図１３】本発明において用いられるレーザ光のエネルギー密度分布を示す図である。
【符号の説明】
１パルスレーザ光源
２光学系
３チャンバ
４ステージ
５基板
６スリット
２０１石英板
２０２ＳｉＯ₂膜
３０１、３０２光源
３０３制御装置
３０４光学系
３０５チャンバ
３０６基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser irradiation method for performing annealing by irradiating a non-single crystal semiconductor thin film with a pulsed laser beam, and more particularly to a laser irradiation method for forming a channel layer of a polycrystalline silicon thin film transistor used for a liquid crystal display, a contact image sensor, or the like. .
[0002]
[Prior art]
In recent years, it has become possible to form a liquid crystal display device having a drive circuit on an inexpensive glass substrate by using a polycrystalline silicon thin film transistor. As a method for forming a polycrystalline silicon thin film, an excimer laser crystal is obtained by crystallizing an amorphous silicon thin film by irradiating an excimer laser beam from the viewpoint of lowering the process temperature and increasing the throughput. Chemical methods are widely used.
[0003]
However, the excimer laser crystallization method has a problem that since the laser beam is a pulsed laser beam, the time for heat treatment of the thin film is limited, and the size of the obtained crystal particles is limited. Therefore, when a thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor) is fabricated using the obtained polycrystalline silicon thin film, the mobility is 100 cm. ² Therefore, it is difficult to form a device with high mobility as currently desired.
[0004]
Accordingly, various studies have been made so far regarding techniques for increasing the grain size of a polycrystalline silicon thin film.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-246183 discloses a method of irradiating a laser beam having a trapezoidal beam profile in the line width direction. This method irradiates a laser having a trapezoidal beam profile to obtain a polycrystalline structure. Since the energy density at the center of the trapezoidal beam profile is equal to or higher than the microcrystallization threshold of the amorphous semiconductor (amorphous silicon), the energy of the trapezoidal profile is slightly lower than the microcrystallization threshold. There will be a part. It is said that a polycrystalline semiconductor region having a large crystal particle diameter can be obtained in this region. However, in this method, although a polycrystalline semiconductor region having a large crystal particle size can be obtained in an energy portion slightly lower than the microcrystallization threshold, the arrangement of the large particle size is disordered and the particle size distribution Also generally widen. Accordingly, when such a polycrystalline semiconductor region is used as, for example, a TFT channel layer, variations in TFT characteristics such as mobility are brought about.
[0006]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-275781 and the 42nd Applied Physics Related Conference Lecture Proceedings 2nd Volume 694 disclose a technique for synthesizing a plurality of laser pulses and performing laser irradiation. However, even when these methods are used, although it is possible to increase the crystal particle size, it is difficult to make the arrangement and particle size distribution uniform.
[0007]
Also, MRS BullEtin Vol. 21 (1996), March issue, page 39, an amorphous silicon thin film formed in an island shape is scanned and irradiated with a very fine linear beam having a width of 5 μm at a pitch of 0.75 μm. Thus, a technique for forming a unidirectionally grown polycrystalline silicon thin film in which crystal grain boundaries are aligned substantially in parallel is disclosed. Although this method can ensure the uniformity of the polycrystalline particles, there is a problem that the throughput is lowered and the conveyance system is complicated due to the necessity of ensuring the submicron stage operation accuracy.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser irradiation technique for forming a large grain polycrystalline semiconductor film having a uniform grain size distribution and a good grain arrangement. And Another object of the present invention is to provide a laser irradiation technique for forming a polycrystalline semiconductor film at a target location with high positional accuracy.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention for solving the above problems, the following laser irradiation apparatus and laser irradiation method are provided.
[1] A laser light source for generating laser light and means for adjusting the energy distribution of the generated laser light, and irradiating the non-single-crystal semiconductor thin film with the laser light after adjusting the energy distribution. A laser irradiation device to be formed,
The energy density distribution along one direction in the irradiation region of the laser beam irradiating the non-single-crystal semiconductor thin film determines the microcrystallization energy of the amorphous semiconductor thin film E _u As energy density E _u Less than the first region and the energy density E located on both sides of the first region _u A laser irradiation apparatus comprising the second region as described above, wherein the width of the first region is 3 μm or less.
[2] The laser irradiation apparatus according to [1], wherein the width of the first region is 1.8 μm or less.
[3] The laser irradiation apparatus according to [1] or [2], wherein the first region has a steep valley shape.
[4] The means for adjusting the energy distribution of the laser light is a mask made of a base material and a dielectric film covering a part of the base material, and an irradiation region by the laser light transmitted only through the base material, and the base material The laser irradiation apparatus according to any one of [1] to [3], wherein the first region is generated in the vicinity of a boundary surface with an irradiation region by the laser light transmitted through the dielectric film.
[5] Irradiating the same laser beam in this order with the first laser beam having the energy density distribution and the second laser beam having the energy density distribution and having an average energy density lower than that of the first laser beam. The laser irradiation apparatus according to any one of [1] to [4], wherein the laser irradiation apparatus is adjusted so as to perform.
[6] A laser irradiation method for forming a polycrystalline semiconductor thin film by irradiating a non-single-crystal semiconductor thin film with laser light, wherein the energy density distribution along one direction in the light irradiation region of the laser light is amorphous. E is the microcrystallization energy of the semiconductor thin film. _u Energy density E _u Less than the first region and the energy density E located on both sides of the first region _u A laser irradiation method comprising: the second region as described above, wherein the width of the first region is 3 μm or less.
[7] The laser irradiation apparatus according to [6], wherein the width of the first region is 1.8 μm or less.
[8] The laser irradiation method according to [6] or [7], wherein the first region has a steep valley shape.
[9] A laser beam is transmitted through a mask made of a dielectric film that covers a base material and a part of the base material, an irradiation region by the laser light that is transmitted only through the base material, and a laser beam that is transmitted through the base material and the dielectric film The laser irradiation method according to any one of [6] to [8], wherein the first region is generated in the vicinity of a boundary surface between the irradiation region and the region.
[10] Irradiating the same laser beam in this order with the first laser beam having the energy density distribution and the second laser beam having the energy density distribution and having an average energy density lower than that of the first laser beam. The laser irradiation method according to any one of [6] to [9].
[0010]
As described above, in the present invention, the first region having a narrow width of 3 μm or less is the energy density E. _u The energy density distribution is in the form sandwiched between the second regions. For this reason, in the first region, as shown in FIGS. 1 and 6, the polycrystalline particles can be regularly formed in one row or two rows, and the formation location of the polycrystalline particles can be accurately formed at a desired position. it can. This is because nuclear growth occurs only in a narrow region where the starting point is limited, that is, the first region. In the narrow width of 3 μm or less, the growth nuclei of the polycrystalline particles are generated only in one or two rows, and as described above, the polycrystalline particles are formed in a state of being regularly arranged in one or two rows.
[0011]
In the present invention, the polycrystalline particles have a uniform particle size. In the present invention, the energy density of the second region existing on both sides of the first region is E _u As described above, the nucleus growth that proceeds from the first region toward the high energy region side stops at the microcrystal generated in the second region. For this reason, even if there is a variation in the nucleus growth rate among the individual polycrystalline particles, the finally formed polycrystalline particles have a substantially uniform particle size.
[0012]
According to the invention [2] or [7] above, the particle diameter of the polycrystalline particles can be remarkably increased, and the arrangement of the polycrystalline particles can be further improved. This is because only one row of growth nuclei is generated in the first region, so that the growth of crystal grains proceeds in both directions.
[0013]
According to the above invention [3] or [8], growth nuclei can be generated with high precision at the bottom of the valley shape, the particle alignment can be further improved, and the particle size can be sufficiently increased. be able to.
[0014]
According to the above invention [4] or [9], the specific energy density distribution defined in [1] and the like can be realized with high accuracy by a simple method, and advantages such as excellent productivity can be obtained. .
[0015]
In addition, according to the inventions [5] and [10] above, since the melting time of the film can be increased, polycrystalline particles having a larger particle diameter can be obtained.
[0016]
As described above, according to the present invention, a polycrystalline structure having a large particle size and excellent particle size uniformity can be formed with high positional accuracy in an orderly arrayed state. By utilizing this polycrystalline structure, thin film transistor elements having high mobility can be uniformly formed over a large area substrate.
[0017]
[Embodiment]
The present invention irradiates a non-single crystal semiconductor thin film with laser light, particularly pulsed laser light. In the present invention, it is preferable that the entire region where the polycrystalline particles are to be formed be irradiated with the laser beam at once. That is, it is preferable that the irradiation region of the laser light is made to coincide with the entire region where the polycrystalline particles are to be formed. Thereby, high productivity can be realized. In addition to this, a laser beam having a linear or rectangular irradiation region may be used and irradiation may be performed while scanning the laser beam. For example, when using laser light in a linear irradiation region, the irradiation region is moved in the minor axis direction, and laser irradiation is performed on the entire desired region. The laser irradiation according to the present invention can be performed while heating the substrate.
[0018]
In the present invention, the non-single crystal semiconductor thin film refers to a semiconductor thin film that is not a single crystal, and refers to an amorphous thin film such as amorphous silicon or a polycrystalline thin film such as polycrystalline silicon. The particle diameter of the crystal particles constituting the polycrystalline semiconductor thin film in the present invention is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more. A highly efficient device can be obtained by forming a polycrystalline semiconductor thin film with such a large particle size.
[0019]
Amorphous microcrystallization energy E in the present invention _u Is described below. In laser annealing of amorphous silicon, the crystal grain size of the formed polycrystalline silicon depends on the laser energy density. As the energy density increases, the particle diameter increases, but it is known that the particle diameter becomes as fine as 20 nm or less when a certain energy density is exceeded. The energy density at this time is called an amorphous microcrystallization threshold, and E _u It expresses. Microcrystallization is thought to occur when the nucleation mechanism during recrystallization changes from heterogeneous nucleation with the substrate thin film interface as the nucleation site to uniform nucleation due to changes in the melt state of the thin film. It has been. This change in the nucleation mechanism depends on the ultimate temperature of the thin film and the cooling rate. Therefore, the microcrystallization threshold E _u Varies depending on the thickness of the thin film, the structure of the thin film, the wavelength of the pulse laser beam, the pulse width, and the like. For example, E of a polycrystalline silicon thin film once laser crystallized. _u E of amorphous silicon thin film _u About 14% larger than the above. This is because the reflectance and thermophysical properties of the film surface with respect to the laser are different.
[0020]
Energy density E _u The above area and E _u When the non-single-crystal semiconductor thin film is irradiated with a laser beam having a profile including a region less than _u In the region slightly lower than the above, large-sized polycrystalline particles are formed. FIG. 7 shows an example. Such polycrystalline particles tend to grow mainly from the low energy side to the high energy side. This is because nucleation occurs earlier on the low energy side.
[0021]
FIG. 1 shows an example of the energy density distribution of laser light used in the present invention. This laser beam is a laser having a rectangular irradiation region, and the energy density distribution in the figure shows a profile along the long side direction. The energy density distribution shown in the figure has a shape having a substantially flat region and a steep valley in the flat region. That is, the microcrystallization energy of the amorphous semiconductor thin film is expressed as E _u As energy density E _u Less than the first region and the energy density E located on both sides of the first region _u The profile has the second region described above. The first region has a steep valley shape and its width (W ₁ ) Is 1.8 μm or less. In this figure, the second region has a flat shape, but the energy density E _u As long as it is the above, it is not restricted to this but can be made into arbitrary shapes.
[0022]
The energy distribution as described above can be realized by using a mask made of a dielectric film covering the substrate and a part thereof. By using such a mask, the second region is generated in the vicinity of the boundary surface with the region irradiated with the laser beam transmitted through the base material and the dielectric film. FIG. 2 shows an example of such a mask. A part of the surface of the quartz plate 201 is made of SiO 2. ₂ The membrane 202 is coated. SiO ₂ SiN or the like can be used instead of. This mask is a one time inversion type phase shift mask. When a normal top flat profile laser beam passes through a phase shift mask, SiO ₂ The phase is reversed by the film 202 and a profile having a steep valley shape is obtained. The valley shape can be any shape depending on the design of the optical system including the phase shift mask. Details of the above method using a phase shift mask are described in SPIE vol. 1463 Optical Laser Microlithography IV (1991) p74-86, p87-100.
[0023]
FIG. 9 is a schematic view of a laser irradiation apparatus according to the present invention. The laser beam emitted from the laser light source 1 passes through the optical system 2, passes through the mask 6, and is irradiated onto the substrate 5 held on the stage 4 in the chamber 3. The mask 6 has the structure shown in FIG. By transmitting the mask having such a special structure, the laser light having the top flat type energy density distribution before transmitting through the mask has a steep valley as shown in FIG. The laser beam has an energy density distribution.
[0024]
According to the study by the present inventors, the number of large-sized polycrystalline particles generated in the first region is the width of the first region (W ₁ ). W ₁ Is set to a width more than twice the particle size of the polycrystalline particles, two or more polycrystalline particles (two or more rows) are generated along each energy gradient. On the other hand, W ₁ Is less than twice the particle size of the polycrystalline particles, particularly less than 1.2 times, specifically less than 1.8 μm, particularly less than 1 μm, only one polycrystalline particle is formed (in one row). At the same time, the particle size also shows a significant expansion. The cause is W ₁ This is considered to be because the nucleation occurs in one place and the growth direction of the particles proceeds along both energy gradients.
[0025]
In the case of FIG. 1, W ₁ Is set to 1.8 μm or less, so that only one polycrystalline particle (in one row) is formed, and polycrystalline particles having a large particle size and good particle size uniformity are formed with good order. On the other hand, FIG. ₁ Is about 2.5 μm, and one row of polycrystalline particles is formed along each energy gradient, for a total of two rows. FIG. 10 shows W ₁ Is about 5 μm, and a plurality of rows of polycrystalline particles are formed along each energy gradient. In this case, as the high energy side is approached, the arrangement of the polycrystalline particles becomes disordered and the particle size becomes nonuniform.
[0026]
From the above, in the present invention, W ₁ Is set to 3 μm or less. As a result, only one or two rows of growth nuclei of polycrystalline particles are generated in the first region, and a large-sized polycrystalline particle having a uniform particle size distribution and a good particle arrangement state is obtained. It is accurately formed at the position.
[0027]
In the present invention, W ₁ If it is 1.8 μm or less, especially 1 μm or less, the particle size of the polycrystalline particles can be remarkably increased, and the arrangement of the polycrystalline particles can be further improved. This is presumably due to the fact that crystal grain growth proceeds in both directions as described above. The growth of polycrystalline grains proceeds from a low energy region to a high region. When two rows of growth nuclei are generated in the first region as shown in FIG. 6, the growth nuclei in each row are suppressed on the side adjacent to the other growth nuclei, and mainly grow on the high energy side. To go. On the other hand, when a row of growth nuclei are generated in the first region as shown in FIG. 1, the growth nuclei grow on the high energy sides on both sides. Therefore, when a single row of growth nuclei is generated in the first region, it is considered that the growth of the nuclei is approximately twice that of the case where the growth nuclei are generated in two rows, and the particle size is significantly increased. In addition, when one row of growth nuclei is generated in the first region, it is difficult for the disorder of the particle arrangement order to occur after the nucleus growth. Even better.
[0028]
In order to generate a row of growth nuclei in the first region, W ₁ Is preferably 1.8 μm or less. ₁ If the thickness is 1 μm or less, a row of growth nuclei can be generated more reliably.
[0029]
In the present invention, the shape of the energy distribution in the first region can be various, but a valley shape as shown in FIG. With such a shape, growth nuclei can be generated with high precision at the bottom of the valley shape, the particle alignment can be further improved, and the particle size can be sufficiently increased.
[0030]
In the present invention, a plurality of first regions can be provided according to the purpose. In this way, it is possible to form a plurality of polycrystalline structures with a single irradiation. Although only one valley-shaped first region is shown in FIG. 1 for convenience of explanation, in practice, two locations as shown in FIG. 11 may be provided, or three or more locations may be provided. According to the present invention, since a polycrystalline structure can be formed with high positional accuracy, a target polycrystalline film can be suitably produced by providing a plurality of first regions as described above.
[0031]
The present invention defines the energy density distribution along one direction in the irradiation region, but the energy density distribution along the direction orthogonal to the one direction can be any shape. FIG. 12 is an example in which an energy density distribution in the orthogonal direction is not provided. The same profile is obtained at any position in the orthogonal direction. FIG. 13 shows an example in which valleys are provided in the orthogonal direction. About the width | variety of the trough part of an orthogonal direction, it sets suitably according to the area which forms a polycrystalline grain.
[0032]
In the present invention, the same spot may be irradiated a plurality of times with a laser beam having a predetermined profile. That is, the same spot may be irradiated multiple times with the laser beam having a predetermined energy density profile without shifting the irradiation position. In this case, the polycrystalline particles can be made larger in size. As described above, the nucleus growth that proceeds from the first region toward the high energy region side stops at the microcrystal generated in the second region. Therefore, if the timing of generating microcrystalline particles in the second region is delayed, the nucleus growth time starting from the first region becomes longer, and as a result, the grain size of the polycrystalline particles becomes larger. In the case of performing irradiation a plurality of times, the melting time of the film in the second region becomes long and the generation of microcrystalline particles is suppressed, so that the polycrystalline particles become larger in size for the above reasons.
[0033]
When the first and second laser beams are irradiated in this order, the average energy density of the second laser beam is preferably lower than the average energy density of the first laser beam. If the average energy density of the second laser beam is too high, the portion that is polycrystallized by the first laser beam may be microcrystallized. In the case of lowering the average energy density of the second laser beam, it is preferable that the ratio between the highest value and the lowest value of the energy density is substantially the same between the first laser beam and the second laser beam. In this way, the optical system used to generate the first laser beam can be used as is, and the second laser beam can be generated simply by lowering the laser intensity. The above irradiation can be realized.
[0034]
It is preferable that the irradiation interval from the start of the first laser beam irradiation to the start of the second laser beam irradiation is not more than 6 times the pulse width of the first laser beam. Since the melting time of the film is usually within about 6 times the pulse width, the time when the microcrystalline particles are generated in the second region can be effectively delayed by setting the irradiation interval as described above. This is because the polycrystalline particles can be made larger. Here, the film melting time depends on the pulse shape and pulse width depending on the time of the laser beam. In general, the pulse shape of excimer laser light is a pulse shape composed of a plurality of peaks as shown in FIG. 4, and the pulse width indicates a half-value width. Here, the time from the rise of the pulse to the maximum value (t ₁ ) Becomes longer, transient cooling works, so that the maximum temperature reached by the film is lowered and energy efficiency is lowered. Therefore, t ₁ Should be small, preferably 20 ns or less.
[0035]
There is no particular limitation on the number of times of irradiation when performing multiple irradiations, but it is desirable that the number of irradiations is as small as possible from the viewpoint of improving process efficiency. The number of irradiations is preferably 2 to 10 times, more preferably 2 times. This is because in the irradiation method of the present invention, the target polycrystalline silicon thin film can be sufficiently formed by irradiation twice.
[0036]
FIG. 3 shows an example of a laser irradiation apparatus that performs so-called double pulse irradiation, in which a second laser irradiation is performed in the same spot while the film is melted by the first laser irradiation. The two light sources 301 and 302 shown in the figure are synchronized by a control device 303, and two pulsed laser beams shaped so as to have steep valleys through an optical system 304 including a phase shift mask are converted into a chamber 305. Double pulse irradiation is performed on the substrate 306 installed inside.
[0037]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0038]
Example 1
Prior to the laser irradiation, a preliminary experiment for determining the profile of the laser beam was performed. As a result, when an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is irradiated with XeCl laser light having a wavelength of 308 nm and a pulse width of 50 ns at room temperature, E _u Is 470 mJ / cm ² It was confirmed that the grain size of the polycrystalline particles formed just below the microcrystallization threshold was about 0.9 μm.
[0039]
Subsequently, a substrate to be irradiated with laser was produced. First, a silicon dioxide thin film having a thickness of 200 nm was formed as a base insulating film on a glass substrate by plasma CVD. Next, an amorphous silicon thin film having a thickness of 50 nm was formed by using a low pressure CVD method. As a method for forming an amorphous silicon thin film, other methods such as PECVD and sputtering can be used. However, if low pressure CVD is used, gas can be prevented from being mixed into the amorphous silicon thin film. .
[0040]
The amorphous silicon thin film obtained as described above was irradiated with XeCl laser light having a wavelength of 308 nm and a pulse width of 50 ns. The energy density distribution of the laser beam was the same as that shown in FIG. That is, 500 mJ / cm ² Of a substantially flat region and a minimum energy value of 400 mJ / cm ² , W ₁ Was irradiated with a laser beam having a profile having a steep trough with 1 μm. The substrate was not heated.
[0041]
When the obtained thin film was observed with a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that a large particle size homogeneous structure in which large particles having a particle size of about 1.7 μm were regularly arranged in a row was generated. . The center position of the formed crystal grains corresponded to the lowest energy point in the profile. From the results of this example, it can be seen that according to the present invention, crystal grains that have grown significantly can be produced with high positional accuracy.
[0042]
Example 2
Laser irradiation was performed in the same manner as in Example 1 except that the substrate during laser irradiation was heated to 400 ° C. The average particle diameter of the obtained polycrystalline particles was 2.6 μm.
[0043]
Example 3
W ₁ Was irradiated in the same manner as in Example 1 except that the thickness was set to 1.8 μm or more. A polycrystalline structure in which two rows of large-sized polycrystalline particles of 0.9 μm were arranged was obtained.
[0044]
Comparative Example 1
A control experiment was performed using a normal top flat beam shown in FIG. The maximum energy density is the same as in Example 1. The obtained polycrystalline structure contained large particles having a particle diameter of about 1 μm, but these were randomly arranged as schematically shown in FIG. In addition, the particle size distribution in this region was approximately 0.02 to 1 μm, indicating a heterogeneous structure.
[0045]
Example 4
Prior to the laser irradiation, a preliminary experiment for determining the profile of the laser beam was performed. As a result, when an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is irradiated with XeCl laser light having a wavelength of 308 nm and a pulse width of 50 ns at room temperature, E _u Is 470 mJ / cm ² It was confirmed that the particle size of the large-sized polycrystalline particles formed just below the microcrystallization threshold was about 0.9 μm.
[0046]
Subsequently, a substrate to be irradiated with laser was produced. First, a silicon nitride thin film having a thickness of 100 nm was formed as a base insulating film on a glass substrate by PECVD. Next, an amorphous silicon thin film having a thickness of 50 nm was formed by using a low pressure CVD method.
[0047]
The amorphous silicon thin film obtained as described above was irradiated with laser using XeCl laser light having a wavelength of 308 nm and a pulse width of 50 ns. The two light sources 301 and 302 shown in FIG. 3 are synchronized by a control device 303, and two pulsed laser beams shaped so as to have a steep valley through an optical system 304 including a phase shift mask are converted into a chamber. Double pulse irradiation was performed on the substrate 306 installed in 305. As a double pulse irradiation condition, a substantially flat region of the first laser beam is 480 mJ / cm. ² , Minimum energy value is 380 mJ / cm ² , W ₁ The second laser beam has a profile substantially similar to the first laser beam, but its energy density is 2/5 of the first laser beam, and the irradiation interval is 80 ns. The pulse widths of the first laser beam and the second laser beam are 50 and 35 ns, respectively.
[0048]
When the obtained thin film was observed with a scanning electron microscope (SEM), it was found that a large particle size homogeneous structure in which large particles having a particle size of about 4.4 μm were regularly arranged in a row as shown in FIG. Was confirmed. The point in time at which the growth of crystal grains nucleated in the upper valley portion of the profile ends is the time point at which microcrystals in the high energy region nucleate. Therefore, in the present example in which the generation of nuclei in the high energy region was suppressed by the second laser beam, it was possible to realize remarkable growth compared to the first example.
[0049]
Further, the center position of the formed crystal particles corresponds to the lowest energy point in the profile, and according to the present invention, it was confirmed that crystal grains that grew significantly could be produced with high positional accuracy.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first region having the narrow width is the energy density E. _u Since the energy density distribution is in the form sandwiched between the second regions described above, a large grain polycrystalline semiconductor film having a uniform grain size distribution and good grain arrangement is positioned at the target location. It can be formed with high accuracy. By using this polycrystalline semiconductor film, thin film transistor elements having high mobility can be formed uniformly over a large area substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the energy density distribution of laser light used in the present invention and the state of polycrystalline semiconductor particles formed by this laser light.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of a mask used in the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a laser irradiation apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining time dependency of laser intensity.
FIG. 5 is a diagram showing an energy density distribution of laser light used in the present invention and states of polycrystalline semiconductor particles formed by the laser light.
FIG. 6 is a diagram showing an energy density distribution of laser light and a state of polycrystalline semiconductor particles formed by the laser light.
FIG. 7 is a diagram showing an energy density distribution of laser light and a state of polycrystalline semiconductor particles formed by the laser light.
FIG. 8 is a diagram showing a conventional energy density distribution of laser light and a state of polycrystalline semiconductor particles formed by the laser light.
FIG. 9 is a schematic view of a laser irradiation apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing an energy density distribution of laser light and a state of polycrystalline semiconductor particles formed by the laser light.
FIG. 11 is a diagram showing an energy density distribution of laser light used in the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing an energy density distribution of laser light used in the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an energy density distribution of laser light used in the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Pulse laser light source
2 Optical system
3 chambers
4 stages
5 Substrate
6 Slit
201 quartz plate
202 SiO ₂ film
301, 302 Light source
303 Controller
304 optical system
305 chamber
306 substrate

Claims

A laser comprising a laser light source for generating laser light and means for adjusting the energy distribution of the generated laser light, and irradiating the non-single crystal semiconductor thin film with the laser light after adjusting the energy distribution to form a polycrystalline semiconductor thin film An irradiation device,
The non-energy density distribution along the direction of the single crystal semiconductor thin film during the irradiation region of the laser beam applied to the, fine crystallization energy of the amorphous semiconductor thin film as E _u, less than the energy density E _u first A region and a second region of energy density _Eu or higher located on both sides of the first region,
The width of the first region is 3 μm or less;
Wherein the first region have a steep valley shape,
The minimum value of the energy density of steep valley shape, than the energy density E _u, laser irradiation apparatus according to claim <br/> it is set at least 70 mJ / cm ² low.

The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the width of the first region is 1.8 μm or less.

The means for adjusting the energy distribution of the laser light is a mask composed of a base material and a dielectric film covering a part of the base material,
2. The first region is generated in the vicinity of a boundary surface between a region irradiated with laser light transmitted only through a base material and a region irradiated with laser light transmitted through a base material and a dielectric film. Or the laser irradiation apparatus of 2.

A first laser beam having the energy density distribution and a second laser beam having the energy density distribution and having an average energy density lower than that of the first laser beam are irradiated to the same point in this order. It is adjusted, The laser irradiation apparatus as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.

The laser light generated by the laser light source is irradiated in a pulse shape, and the pulse shape is selected such that a time t ₁ from the rise of the pulse to the maximum value is 20 ns or less. The laser irradiation apparatus as described in any one of -4.

A laser irradiation method for forming a polycrystalline semiconductor thin film by irradiating a non-single crystal semiconductor thin film with a laser beam,
The laser light is generated by a laser light source,
Energy density distribution along one direction in the light irradiation area of the laser light, fine crystallization energy of the amorphous semiconductor thin film when the E _u, the first region is less than the energy density E _u, the A second region having energy density _Eu or higher located on both sides of the first region;
The width of the first region is 3 μm or less;
Wherein the first region have a steep valley shape,
Minimum value of the energy density of the steep valley shape, than the energy density E _u, laser irradiation method according to claim <br/> it is set at least 70 mJ / cm ² low.

The laser irradiation method according to claim 6, wherein the width of the first region is 1.8 μm or less.

A laser beam is transmitted through a mask made of a dielectric film that covers a base material and a part of the base material, and an irradiation area by laser light that transmits only the base material, and an irradiation area by laser light that transmits the base material and the dielectric film The laser irradiation method according to claim 6, wherein the first region is generated near a boundary surface between the first region and the second region.

Irradiating the same spot in this order with a first laser beam having the energy density distribution and a second laser beam having the energy density distribution and having an average energy density lower than that of the first laser beam. The laser irradiation method according to claim 6, wherein the laser irradiation method is characterized.

The laser light generated by the laser light source is irradiated in a pulse shape, and the pulse shape is selected such that the time t ₁ from the rising edge of the pulse to the maximum value is 20 ns or less. The laser irradiation method as described in any one of -9.