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JP4429587B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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semiconductor device
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体膜などをレーザ光を用いて結晶化又はイオン注入後の活性化をするレーザ照射装置に関する。本発明は、多結晶質あるいは多結晶質に近い状態の半導体膜にレーザ照射し、半導体膜の結晶性を向上させるレーザ照射装置の技術分野に属する。半導体装置とは、液晶表示装置に代表される電気光学装置および電気機器を指し、本発明は、前記半導体装置の作製方法の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
近年、基板上にTFTを形成する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型の半導体表示装置への応用開発が進められている。特に、多結晶半導体膜を用いたTFTは、従来の非晶質半導体膜を用いたTFTよりも電解効果移動度(モビリティともいう)が高いので、高速動作が可能である。そのため、従来基板の外に設けられた駆動回路で行っていた画素の制御を、画素と同一の基板上に形成した駆動回路で行うことが試みられている。
【0003】
ところで半導体装置に用いる基板は、コストの面から単結晶シリコン基板よりも、ガラス基板が有望視されている。ガラス基板は耐熱性に劣り、熱変形しやすいため、ガラス基板上にポリシリコンTFTを形成する場合には、ガラス基板の熱変形を避けるために、半導体膜の結晶化にレーザアニールが用いられる。
【0004】
レーザアニールの特徴は、輻射加熱或いは伝導加熱を利用するアニール法と比較して処理時間を大幅に短縮できることや、半導体基板又は半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えないことなどが上げられている。
【0005】
なお、ここでいうレーザアニール法とは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層やアモルファス層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる
【0006】
レーザアニールに用いられるレーザはその発振方法により、パルス発振と連続発振の2種類に大別される。近年では、半導体膜の結晶化においてパルス発振のレーザよりも連続発振のレーザを用いるほうが、半導体膜内に形成される結晶の粒径が大きくなることが見出されている。半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるTFTチャネル領域に入る粒界の数が減るので移動度が高くなり、より高性能のデバイスの開発に利用できる。そのため、連続発振のレーザはにわかに脚光を浴び始めている。
【0007】
また、半導体または半導体膜のレーザアニールを行う際に、レーザ発振器から射出されたレーザ光を被照射面においてアスペクト比が10以上の線状または楕円状(本明細書中では線状と記述する)となるように光学系で加工して、ビームスポットを被照射面に対して走査させる方法が知られている。上記の方法によって基板へのレーザ光の照射を効率的に行うことができ、量産性を高めることができるため、工業的に好んで使用される(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開平8−195357号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
基板上に成膜された半導体膜のレーザアニールを効率的に行うため、連続発振のレーザ発振器から射出されたビームスポット形状を光学系を用いて線状に加工し、前記線状のビームスポットを基板に照射する方式が用いられている。
【0010】
ビームスポットに対し基板を設置した走査ステージを移動させ、基板全面にレーザアニールを行う方法がよく用いられる。上記方法を用いてレーザ光を照射する場合、レーザ光が基板上にのみ照射されるよう走査ステージの移動に合わせてレーザ光を遮断する装置(以後シャッターという)を設ける必要がある。シャッターを設けることで、基板上の任意の領域にレーザ光の照射が可能となり、また、その他の領域への照射を無くし装置へのレーザ光によるダメージを防ぐことができる。
【0011】
シャッターを逆回転が可能な、例えばソレノイドモータ−を用いた反射ミラーの回転による開閉機構にした場合(図1)、シャッターを完全に開閉したいときには、モーター1101の回転を強制的に停止させる必要がある。前記モーター1101の回転軸1102に突起1103を設け、前記突起1103をストッパー1104に当てることで回転を強制的に止めようとすると、回転の停止時には前記ストッパー1104と前記突起1103の衝突により振動が生じる。前記振動がビームスポットを形成する光学系及び基板を設置した走査ステージに伝わると、基板上に形成されるレーザ照射跡が直線的でなく振動を反映したうねりをもった形状になる。レーザ照射跡が波状にうねると、走査ステージの往復運動によって形成される隣合うレーザ照射跡間に極端にオーバーラップ率が高い部分や、全くレーザ照射されない部分が生じてしまう。基板上には規則的な配列をもってTFTが形成されるため、前述した部分に形成されたTFTは電気特性が悪く、また電気特性のバラツキの原因ともなる。
【0012】
本発明は上述した問題に鑑み、直線的にレーザ照射が可能な連続発振のレーザ照射装置および半導体装置の作製方法を提供する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転の加速度変化が連続的であるモーターを動力源としたシャッターを用いることで、前記シャッターから生じる振動を無くし、レーザ照射跡が直線的であることを可能にするレーザ照射装置である。また本発明は、音響光学効果を利用した音響光学素子を用い、光路を変更することによりシャッター機能をもたせた振動源のないレーザ照射装置である。
【0014】
図2に前記問題を解決する方法の模式図を示す。反射ミラー1201は、一部分に切れ目が入った円板である。前記反射ミラー1201は円の中心を回転軸1202として回し、レーザ光1206が切れ目の部分1203に入射する場合には、前記反射ミラー1201に当たることなくレーザ光は通過し(1207)、切れ目でない部分1204に入射するレーザ光はミラー表面で反射され(1208)、ヒートシンク1209に入射し進行は止められる。回転方向は一方向のみにして、往復運動する走査ステージに設置する基板が、レーザ照射位置に来たときに、前記レーザ光1206が前記反射ミラー1201の切れ目部分1203に入射し、反射ミラー1201を通過するように回転速度を制御する。
【0015】
上記のように反射ミラー1201の回転を一方向に限定し、走査ステージの運動と同期させる。回転を強制的に停止させない構造とすることにより、回転の強制停止の衝撃による振動の発生が無くなり、光学系及び走査ステージに伝わる振動が無くなるため、レーザ照射跡が直線的なレーザアニールを行うことができる。
【0016】
上記構成によって、光学系及び走査ステージに振動を与えることなくレーザ照射することが可能となり、半導体膜全面を隙間無くレーザアニールすることが可能となる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザ照射装置の構成について図3を用いて説明する。
【0018】
本発明のレーザ照射装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器1301を有している。なお図3では1つのレーザ発振器1301を設けている例について示しているが、本発明のレーザ照射装置が有するレーザ発振器はこの数に限定されない。レーザ発振器から出力される各レーザ光のビームスポットを互いに重ね合わせ、1つのビームスポットとして用いても良い。
【0019】
レーザは、処理の目的によって適宜変えることが可能である。本発明では、公知のレーザを用いることができる。レーザは、連続発振の気体レーザもしくは固体レーザを用いることができる。気体レーザとして、Arレーザ、Krレーザなどがあり、固体レーザとして、YAGレーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YAlO3レーザ、Y23レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライドレーザ、Ti:サファイアレーザなどが挙げられる。なお、レーザ媒質へのドーパント物質としてはNd、Cr、Yb等があり、基本波に対する高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。
【0020】
またさらに、固体レーザから発せられた赤外レーザ光を非線形光学素子を用いることでグリーンレーザ光に変換後、さらに別の非線形光学素子によって得られる紫外レーザ光を用いることもできる。
【0021】
レーザ発振機1301から射出されたレーザ光は、光路上に設置されたシャッター1302に入射する。
【0022】
入射口からシャッター内部に入射したレーザ光は、反射ミラー1303まで到達する。往復運動するX軸ステージ1305が運転開始から片道動作を終える間に、前記反射ミラー1303が一回転するように回転速度を制御する。以下においてレーザ照射位置とは、前記シャッター1302がないときにレーザ光がステ−ジ上に設置される基板1307に照射する位置のこととする。なお、前記レーザ照射位置は、前記X軸ステージのほぼ中央になるよう前記X軸ステージを配置し、前記レーザ照射位置から前記X軸ステージの移動開始位置までの距離と終了位置までの距離は同じとする。前記反射ミラーを図3(b)の矢印が示す方向に回転しする。前記基板1307の前端の部分がレーザ照射位置に来たときには、前記反射ミラー1303へのレーザ光の入射位置が切れ目部分aに、前記基板端1307の後端の部分がレーザ照射位置に来たときに、前記反射ミラー1303へのレーザ光の入射位置が切れ目部分bになるようにモーターの回転を制御する。ここで、X軸ステージを移動させたとき、基板のレーザ光が先に当たるほうの端を前端、もう一方の端を後端とする。
【0023】
本発明は、レーザ発振器1301から発振されるレーザ光の被照射面である基板1307におけるビームスポットの形状は線状に成形する光学系1304を有する。なおレーザ発振機から射出されるレーザ光の形状はレーザの種類によって異なる。YAGレーザの場合、射出されるレーザ光の形状はロッド形状が円筒形であれば円状となり、スラブ型であれば矩形状となる。なお、スラブ型のレーザから射出されるレーザ光は縦横でビームの広がり角が大きく異なるため射出口からの距離によって大きくビーム形状が変わる。このようなレーザ光を光学系により、成形することにより、所望の大きさの線状にレーザ光をつくることができる。
【0024】
また、複数のレーザ発振器を用いる場合、前記光学系を用いて各レーザ発振器から出力されるビームスポットを互いに重ねあわせて1つのビームスポットを形成するようにしても良い。
【0025】
本発明のレーザ照射装置を用いてレーザアニールを行うことにより電気特性のバラツキが低減されたTFTを得ることができる。
【0026】
以下、本発明のレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板として127×127×0.7mmのガラス基板(コーニング1737)を用意する。この基板は600℃までの温度であれば充分な耐久性がある。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を200nm成膜する。さらに、その上から非晶質珪素膜を55nmの厚さに成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマCVD法にて成膜してもよい。
【0027】
上記成膜済の基板を、450℃の窒素雰囲気中に1時間おく。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれる。 前記膜内の水素の濃度は1020/cm3オーダーが適当である。ここで、1020/cm3とは、1cm3あたりに水素原子が1020個存在するという意味である。
【0028】
本実施の形態では、レーザ発振器として、コヒーレント社製LD励起固体YVO4レーザを使う。前記YVO4レーザは、連続発振レーザである。前記YVO4レーザの最大エネルギーは10W、発振波長は532nm。
【0029】
レーザ光の照射は例えば、図3に示した被照射面1307をのせたステージを線状の短軸方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。
【0030】
こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを公知の方法に従って作製することができる。
【0031】
上記の例では、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよい。
【0032】
【実施例】
(実施例1)
本実施例では、実施の形態で記載のレーザ照射装置の一例を示す。レーザ発振装置から射出されたレーザ光を、シャッターを通し、シャッターを通過したレーザ光を球面レンズを用いて線状のビームに形成する。線状に形成したビームスポットを基板を設置した走査ステージに照射することでレーザアニールを行う。なお、前記シャッター内の反射ミラーによって反射されたレーザ光をヒートシンクに入射させることで、反射光による装置へのダメージを低減させる構成としてもよい。また、前記ヒートシンクに空冷および水冷機構を加えてもよい。
【0033】
ガラス基板などのレーザ光を透過する基板にレーザ照射をする場合、基板表面からの反射光と基板裏面からの反射光によって基板上の被照射物に干渉縞が生じることもあるため、基板に対して斜め方向からレーザ光を入射させる構成としても良い。
【0034】
走査ステージはストロークの長さが500mmで、停止状態から加速度1000mm/sec2 で加速し、0.5 secで50mm/secに到達後、等速度で250mm移動する。等速移動後、加速度1000mm/sec2で減速し、停止する。1.0秒停止後、復路の運動を開始する。上記規格の運動をする走査ステージを用いて、片道動作の間に基板内で100mmだけレーザ照射し、往路、復路ともにレーザ照射する場合を考える。
【0035】
ここで、上記仕様のレーザ照射を行う場合の反射ミラーに関して説明する。X軸ステージが片道動作を始めてから完了までの所要時間は2.5秒。X軸ステージが50mm/secの等速にあるときにレーザ照射する時間が0.2秒。走査ステージが片道動作をする間に反射ミラーが同一速度で一回転すると、反射ミラーには角度にして28.8°だけ切れ目が入っていればよい。図4にX軸ステージの速度分布と、シャッターの開閉状況をしめす。
【0036】
一回の片側動作のレーザ照射によって可能なレーザ照射幅分だけ、片側動作終了後、Y軸ステージを移動させる。なお、このY軸ステージの移動は、X軸ステージの片側動作終了後の停止時間内に行えばよい。走査回数を基板の規格に合わせることで、基板全面を隙間無くレーザアニールすることができる。
【0037】
(実施例2)
本実施例では、実施例1において反射ミラーの回転の制御方法を変えた例を説明する。反射ミラーの回転の方法以外は実施例1と同じ装置構成とする。
【0038】
反射ミラーの回転に速度変化を与えることによって、シャッターの応答速度を制御することができる。ここでシャッターの応答速度とは、反射ミラーがレーザ光を遮光し始めてから完全に遮光するまでの時間、もしくは、反射ミラーがレーザ光を通過させ始めてから完全に通過させるまでの時間とする。回転速度は、所望の応答速度の条件に応じて制御すると良い。また、回転速度を制御することで、レーザ照射時間を制御することができる。
【0039】
図5に反射ミラーの回転の速度分布の一例を示す。本装置では図5に示された分布でレーザ走査を行う。なお反射ミラーの回転速度の制御はモーターの回転速度を制御することによって行う
【0040】
なお、モーターの回転速度はX軸ステージの走査速度に応じて設定できるよう、モーター制御装置に種々の走査速度に応じた速度変化パターンをあらかじめ記憶させても良い。
【0041】
(実施例3)
本実施例では、シャッターに音響光学素子を用いた例を説明する。シャッター以外は実施例1と同じ装置構成とする。
【0042】
図6に音響光学素子を用いたシャッターを示す。音響光学素子1601は、超音波をかけられた媒質が光弾性効果によって屈折率に変化が生じ、前記媒質に入射した光が回折を起こし、光路が変えられる。前記回折効果を音響光学効果という。前記音響光学素子に入射したレーザ光は超音波が流されていないときは非回折光1603として、超音波が流れているときには回折光1602として射出される。本実施例では、非回折光1603が射出されているときが、シャッターが開いている構成としているが、回折光1602が射出されるときが、シャッターが開いている構成としてもよい。前記音響光学素子は電機機器である超音波発生器1604とアブソーバー1605を用いた装置であるため振動を発生させることがない。よって、前記音響光学素子を利用したシャッターを使用することで、光学系及び走査ステージに振動を与えることなくレーザ照射することができるため、基板全面を隙間なくレーザアニールすることが可能である。なお、前記音響光学素子は10-6秒オーダーの反応時間が可能であるため、シャッターとして反応時間が非常に速いものが可能である。また、音響光学素子の代わりにE/O素子を用いたシャッターを使用してもよい。
【0043】
【発明の効果】
本発明が開示する回転の加速度変化が連続的な反射ミラーから構成されるシャッター及び音響光学素子から構成されるシャッターを用いれば、ビームスポットを形成する光学系および走査ステージに振動を与えることなく、走査ステージ上の基板をレーザアニールすることが可能となる。このシャッターを用いたレーザ照射装置から射出される線状及び楕円状のビームスポットを、半導体膜に線状及び楕円状の短辺方向に走査すると、振動に起因するレーザ照射跡のうねりの発生を抑制することができ、基板全面を隙間なくレーザアニールすることが可能となる。したがって、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。本発明を、低温ポリシリコンTFTの量産ラインに適用すれば、動作特性の高いTFTを効率良く生産することができる。
【0044】
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のレーザ光のシャッターの構成を示す図。
【図2】 本発明の手段を説明する図。
【図3】 本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。
【図4】 X軸ステージの速度変化とシャッターの開閉状況を示した図。
【図5】 シャッターの回転の速度変化とシャッターの開閉状況を示した図。
【図6】 音響光学素子をシャッターに用いた例を示す図。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser irradiation apparatus that activates a semiconductor film or the like after crystallization or ion implantation using a laser beam. The present invention belongs to the technical field of a laser irradiation apparatus for improving the crystallinity of a semiconductor film by irradiating a semiconductor film in a polycrystalline or near-polycrystalline state with laser. A semiconductor device refers to an electro-optical device and an electric apparatus typified by a liquid crystal display device, and the present invention belongs to a technical field of a method for manufacturing the semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a technology for forming a TFT on a substrate has greatly advanced, and application development to an active matrix semiconductor display device has been advanced. In particular, a TFT using a polycrystalline semiconductor film has higher electrolytic effect mobility (also referred to as mobility) than a TFT using a conventional amorphous semiconductor film, and thus can operate at high speed. For this reason, attempts have been made to control a pixel, which is conventionally performed by a driving circuit provided outside the substrate, using a driving circuit formed on the same substrate as the pixel.
[0003]
By the way, as a substrate used for a semiconductor device, a glass substrate is considered promising rather than a single crystal silicon substrate in terms of cost. Since a glass substrate is inferior in heat resistance and easily deforms by heat, when a polysilicon TFT is formed on the glass substrate, laser annealing is used for crystallization of the semiconductor film in order to avoid thermal deformation of the glass substrate.
[0004]
The characteristics of laser annealing are that the processing time can be significantly shortened compared to annealing methods using radiation heating or conduction heating, and the semiconductor substrate or semiconductor film is selectively and locally heated to make the substrate almost thermally It has been raised not to damage.
[0005]
The laser annealing method here refers to a technique for recrystallizing a damaged layer or an amorphous layer formed on a semiconductor substrate or semiconductor film, or a technique for crystallizing an amorphous semiconductor film formed on a substrate. pointing. Also included are techniques applied to planarization and surface modification of semiconductor substrates or semiconductor films.
Lasers used for laser annealing are roughly classified into two types, pulse oscillation and continuous oscillation, depending on the oscillation method. In recent years, it has been found that the crystal grain size formed in a semiconductor film is larger when a continuous wave laser is used than when a pulsed laser is used for crystallization of a semiconductor film. When the crystal grain size in the semiconductor film is increased, the number of grain boundaries entering the TFT channel region formed by using the semiconductor film is reduced, so that the mobility is increased and it can be used for development of a higher performance device. For this reason, continuous wave lasers are starting to attract attention.
[0007]
In addition, when laser annealing of a semiconductor or a semiconductor film is performed, a laser beam emitted from a laser oscillator is linear or elliptical with an aspect ratio of 10 or more on the surface to be irradiated (described as linear in this specification). A method is known in which a beam spot is scanned with respect to a surface to be irradiated by processing with an optical system. Since the above method can efficiently irradiate the substrate with laser light and increase the mass productivity, it is preferably used industrially (for example, see Patent Document 1).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-8-195357 [0009]
[Problems to be solved by the invention]
In order to efficiently perform laser annealing of the semiconductor film formed on the substrate, the beam spot shape emitted from the continuous oscillation laser oscillator is processed into a linear shape using an optical system, and the linear beam spot is A method of irradiating the substrate is used.
[0010]
A method of moving the scanning stage on which the substrate is placed with respect to the beam spot and performing laser annealing on the entire surface of the substrate is often used. When laser light is irradiated using the above method, it is necessary to provide a device (hereinafter referred to as a shutter) that blocks the laser light in accordance with the movement of the scanning stage so that the laser light is irradiated only on the substrate. By providing the shutter, it is possible to irradiate laser light to an arbitrary region on the substrate, and it is possible to eliminate irradiation to other regions and prevent damage to the apparatus by the laser light.
[0011]
When the shutter can be rotated in the reverse direction, for example, when an opening / closing mechanism is formed by rotating a reflecting mirror using a solenoid motor (FIG. 1), the rotation of the motor 1101 needs to be forcibly stopped when it is desired to completely open and close the shutter. is there. When a rotation is forcibly stopped by providing a protrusion 1103 on the rotation shaft 1102 of the motor 1101 and applying the protrusion 1103 to the stopper 1104, vibration occurs due to the collision between the stopper 1104 and the protrusion 1103 when the rotation stops. . When the vibration is transmitted to the optical stage that forms the beam spot and the scanning stage on which the substrate is installed, the laser irradiation trace formed on the substrate is not linear but has a shape that reflects the vibration. When the laser irradiation traces undulate, a part having an extremely high overlap rate or a part where no laser irradiation occurs is caused between adjacent laser irradiation traces formed by the reciprocating motion of the scanning stage. Since the TFTs are formed on the substrate with a regular arrangement, the TFTs formed in the above-described portions have poor electrical characteristics and cause variations in electrical characteristics.
[0012]
In view of the above-described problems, the present invention provides a continuous wave laser irradiation apparatus capable of linear laser irradiation and a method for manufacturing a semiconductor device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a laser irradiation apparatus that eliminates vibrations generated from the shutter and enables a laser irradiation trace to be linear by using a shutter whose power source is a motor whose rotation acceleration change is continuous. is there. Further, the present invention is a laser irradiation apparatus without a vibration source that uses an acoustooptic element utilizing an acoustooptic effect and has a shutter function by changing an optical path.
[0014]
FIG. 2 shows a schematic diagram of a method for solving the above problem. The reflection mirror 1201 is a disk with a cut in a part. When the reflection mirror 1201 rotates around the center of the circle as the rotation axis 1202 and the laser beam 1206 is incident on the cut portion 1203, the laser beam passes through the reflection mirror 1201 without hitting the reflection mirror 1201 (1207), and the non-cut portion 1204 The laser beam incident on is reflected by the mirror surface (1208), enters the heat sink 1209, and stops traveling. The rotation direction is only one direction, and when the substrate placed on the reciprocating scanning stage reaches the laser irradiation position, the laser beam 1206 is incident on the cut portion 1203 of the reflection mirror 1201, and the reflection mirror 1201 is moved. The rotation speed is controlled so as to pass.
[0015]
As described above, the rotation of the reflection mirror 1201 is limited to one direction and is synchronized with the movement of the scanning stage. By adopting a structure that does not forcibly stop rotation, there is no generation of vibration due to the impact of forced rotation stop, and there is no vibration transmitted to the optical system and the scanning stage. Can do.
[0016]
With the above structure, laser irradiation can be performed without applying vibration to the optical system and the scanning stage, and laser annealing can be performed on the entire surface of the semiconductor film without gaps.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the structure of the laser irradiation apparatus of this invention is demonstrated using FIG.
[0018]
The laser irradiation apparatus of the present invention includes a laser oscillator 1301 that oscillates laser light. Although FIG. 3 shows an example in which one laser oscillator 1301 is provided, the number of laser oscillators included in the laser irradiation apparatus of the present invention is not limited to this number. The beam spots of the laser beams output from the laser oscillator may be overlapped with each other and used as one beam spot.
[0019]
The laser can be appropriately changed depending on the purpose of processing. In the present invention, a known laser can be used. As the laser, a continuous wave gas laser or solid-state laser can be used. Examples of gas lasers include Ar laser and Kr laser, and solid-state lasers include YAG laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, Y 2 O 3 laser, glass laser, ruby laser, alexandride laser, and Ti: sapphire. A laser etc. are mentioned. In addition, there exist Nd, Cr, Yb etc. as a dopant substance to a laser medium, The harmonic with respect to a fundamental wave can be obtained by using a nonlinear optical element.
[0020]
Furthermore, after converting infrared laser light emitted from a solid-state laser into green laser light using a nonlinear optical element, ultraviolet laser light obtained by another nonlinear optical element can also be used.
[0021]
Laser light emitted from the laser oscillator 1301 enters a shutter 1302 installed on the optical path.
[0022]
The laser light that has entered the shutter from the entrance reaches the reflection mirror 1303. While the reciprocating X-axis stage 1305 finishes the one-way operation from the start of operation, the rotation speed is controlled so that the reflection mirror 1303 makes one rotation. In the following, the laser irradiation position is a position where the laser beam is irradiated onto the substrate 1307 installed on the stage when the shutter 1302 is not provided. The X-axis stage is arranged so that the laser irradiation position is substantially at the center of the X-axis stage, and the distance from the laser irradiation position to the movement start position of the X-axis stage is the same as the distance to the end position. And The reflection mirror is rotated in the direction indicated by the arrow in FIG. When the front end portion of the substrate 1307 comes to the laser irradiation position, the incident position of the laser light on the reflection mirror 1303 comes to the cut portion a, and the rear end portion of the substrate end 1307 comes to the laser irradiation position. In addition, the rotation of the motor is controlled so that the incident position of the laser beam on the reflection mirror 1303 becomes the cut portion b. Here, when the X-axis stage is moved, the end on which the laser beam of the substrate first strikes is the front end, and the other end is the rear end.
[0023]
The present invention includes an optical system 1304 that shapes a beam spot on a substrate 1307 that is an irradiation surface of a laser beam emitted from a laser oscillator 1301 into a linear shape. The shape of the laser light emitted from the laser oscillator varies depending on the type of laser. In the case of a YAG laser, the shape of the emitted laser light is circular if the rod shape is cylindrical, and is rectangular if it is a slab type. Note that the laser beam emitted from the slab type laser differs greatly in the beam divergence angle in the vertical and horizontal directions, so that the beam shape largely changes depending on the distance from the emission port. By shaping such a laser beam by an optical system, the laser beam can be formed in a linear shape having a desired size.
[0024]
When a plurality of laser oscillators are used, one beam spot may be formed by superimposing the beam spots output from the laser oscillators using the optical system.
[0025]
By performing laser annealing using the laser irradiation apparatus of the present invention, a TFT with reduced variation in electrical characteristics can be obtained.
[0026]
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention using the laser irradiation apparatus of the present invention will be described. First, a 127 × 127 × 0.7 mm glass substrate (Corning 1737) is prepared as a substrate. This substrate is sufficiently durable at temperatures up to 600 ° C. A silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed on the glass substrate as a base film. Further, an amorphous silicon film is formed thereon to a thickness of 55 nm. Both films are formed by sputtering. Or you may form into a film by plasma CVD method.
[0027]
The film-formed substrate is placed in a nitrogen atmosphere at 450 ° C. for 1 hour. This step is a step for reducing the hydrogen concentration in the amorphous silicon film. If there is too much hydrogen in the film, the film cannot withstand the laser energy, so this step can be entered. The hydrogen concentration in the film is suitably on the order of 10 20 / cm 3 . Here, 10 20 / cm 3 means that 10 20 hydrogen atoms exist per 1 cm 3 .
[0028]
In the present embodiment, an LD-excited solid YVO 4 laser manufactured by Coherent is used as the laser oscillator. The YVO 4 laser is a continuous wave laser. The maximum energy of the YVO 4 laser is 10 W, and the oscillation wavelength is 532 nm.
[0029]
The laser light irradiation is performed, for example, while scanning the stage with the irradiated surface 1307 shown in FIG. 3 in the linear short axis direction. At this time, the practitioner may appropriately determine the energy density of the beam spot on the irradiated surface and the scanning speed.
[0030]
Thus, the laser annealing process is completed. A large number of substrates can be processed by repeating the above steps. For example, an active matrix liquid crystal display can be manufactured according to a known method using the substrate.
[0031]
In the above example, an amorphous silicon film is used as the non-single crystal semiconductor film, but it can be easily estimated that the present invention can be applied to other non-single crystal semiconductors. For example, a compound semiconductor film having an amorphous structure such as an amorphous silicon germanium film may be used as the non-single-crystal semiconductor film. Alternatively, a polycrystalline silicon film may be used for the non-single-crystal semiconductor film.
[0032]
【Example】
Example 1
In this example, an example of the laser irradiation apparatus described in the embodiment is shown. Laser light emitted from the laser oscillation device is passed through a shutter, and the laser light passing through the shutter is formed into a linear beam using a spherical lens. Laser annealing is performed by irradiating a scanning stage provided with a substrate with a linearly formed beam spot. In addition, it is good also as a structure which reduces the damage to the apparatus by reflected light by making the laser beam reflected by the reflective mirror in the said shutter inject into a heat sink. An air cooling and water cooling mechanism may be added to the heat sink.
[0033]
When laser irradiation is performed on a substrate that transmits laser light, such as a glass substrate, interference fringes may occur on the irradiated object on the substrate due to reflected light from the substrate surface and reflected light from the back surface of the substrate. The laser beam may be incident from an oblique direction.
[0034]
The scanning stage has a stroke length of 500 mm, accelerates from a stop state with an acceleration of 1000 mm / sec 2 , moves to 250 mm at a constant speed after reaching 50 mm / sec in 0.5 sec. After moving at a constant speed, it decelerates at an acceleration of 1000 mm / sec 2 and stops. After stopping for 1.0 second, start the return movement. Consider a case in which a laser stage is irradiated by 100 mm within a substrate during a one-way operation using a scanning stage that moves in accordance with the above-mentioned standard, and laser irradiation is performed on both the forward and return paths.
[0035]
Here, the reflection mirror in the case of performing laser irradiation of the above specifications will be described. The time required from the start of the one-way operation of the X-axis stage to the completion is 2.5 seconds. The laser irradiation time is 0.2 seconds when the X-axis stage is at a constant speed of 50 mm / sec. If the reflecting mirror makes one rotation at the same speed while the scanning stage is operating in one way, the reflecting mirror only needs to be cut by 28.8 ° in angle. FIG. 4 shows the speed distribution of the X-axis stage and the opening / closing state of the shutter.
[0036]
After the one-side operation is completed, the Y-axis stage is moved by the laser irradiation width that can be obtained by one-side operation laser irradiation. The movement of the Y-axis stage may be performed within the stop time after the end of one-side operation of the X-axis stage. By matching the number of scans to the standard of the substrate, the entire surface of the substrate can be laser-annealed with no gaps.
[0037]
(Example 2)
In the present embodiment, an example in which the method for controlling the rotation of the reflecting mirror is changed in the first embodiment will be described. The apparatus configuration is the same as that of the first embodiment except for the method of rotating the reflection mirror.
[0038]
The response speed of the shutter can be controlled by giving a speed change to the rotation of the reflecting mirror. Here, the response speed of the shutter is the time from when the reflection mirror starts to shield the laser light until it is completely shielded, or the time from when the reflection mirror starts to pass the laser light until it completely passes. The rotation speed may be controlled according to a desired response speed condition. Further, the laser irradiation time can be controlled by controlling the rotation speed.
[0039]
FIG. 5 shows an example of the rotational speed distribution of the reflecting mirror. In this apparatus, laser scanning is performed with the distribution shown in FIG. Note that the rotation speed of the reflection mirror is controlled by controlling the rotation speed of the motor.
The motor control device may store in advance speed change patterns according to various scanning speeds so that the rotational speed of the motor can be set according to the scanning speed of the X-axis stage.
[0041]
(Example 3)
In this embodiment, an example in which an acousto-optic element is used as a shutter will be described. The apparatus configuration is the same as that of the first embodiment except for the shutter.
[0042]
FIG. 6 shows a shutter using an acoustooptic device. In the acoustooptic device 1601, the refractive index of the medium to which the ultrasonic wave is applied is changed by the photoelastic effect, and the light incident on the medium is diffracted to change the optical path. The diffraction effect is referred to as an acousto-optic effect. The laser light incident on the acoustooptic device is emitted as non-diffracted light 1603 when no ultrasonic wave is applied, and as diffracted light 1602 when an ultrasonic wave is applied. In this embodiment, the shutter is open when the non-diffracted light 1603 is emitted, but the shutter may be open when the diffracted light 1602 is emitted. The acoustooptic device is an apparatus using an ultrasonic generator 1604 and an absorber 1605, which are electrical devices, and therefore does not generate vibration. Therefore, by using a shutter using the acousto-optic element, laser irradiation can be performed without applying vibration to the optical system and the scanning stage, so that the entire surface of the substrate can be laser-annealed without gaps. Since the acoustooptic device can have a reaction time on the order of 10 −6 seconds, a shutter with a very fast reaction time can be used. A shutter using an E / O element may be used instead of the acousto-optic element.
[0043]
【The invention's effect】
By using a shutter composed of a reflective mirror and a shutter composed of an acousto-optic device disclosed in the present invention, the rotational acceleration change is continuous, without giving vibration to the optical system and scanning stage that form the beam spot. The substrate on the scanning stage can be laser-annealed. When the linear and elliptical beam spots emitted from the laser irradiation apparatus using this shutter are scanned in the linear and elliptical short sides of the semiconductor film, the undulation of the laser irradiation trace due to vibration is generated. Therefore, laser annealing can be performed on the entire surface of the substrate without any gap. Therefore, the uniformity of crystallinity within the substrate surface can be improved. If the present invention is applied to a mass production line for low-temperature polysilicon TFTs, TFTs with high operating characteristics can be efficiently produced.
[0044]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional laser light shutter.
FIG. 2 is a view for explaining means of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a laser irradiation apparatus disclosed in the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a change in speed of an X-axis stage and a shutter opening / closing state.
FIG. 5 is a diagram showing a change in shutter rotation speed and the opening / closing state of the shutter.
FIG. 6 is a diagram showing an example in which an acoustooptic device is used as a shutter.

Claims (6)

レーザ発振器からレーザ光を射出し、前記レーザ光を走査ステージ上に設置された非単結晶半導体膜に照射する半導体装置の作製方法であって、A method for manufacturing a semiconductor device, which emits laser light from a laser oscillator and irradiates the non-single crystal semiconductor film placed on a scanning stage with the laser light,
前記レーザ光は切れ目を有する円板状の反射ミラーによって前記非単結晶半導体膜への照射時、非照射時を制御され、When the non-single crystal semiconductor film is irradiated by the disk-shaped reflecting mirror having a cut, the laser light is controlled at the time of non-irradiation,
前記レーザ光は前記照射時には前記切れ目を通過し、The laser beam passes through the cut at the time of irradiation,
前記レーザ光は前記非照射時には前記切れ目以外の前記円板状の反射ミラーで反射し、The laser beam is reflected by the disk-shaped reflecting mirror other than the cut when not irradiated,
前記円板状の反射ミラーは前記照射時には一定速度で回転し、前記非照射時には前記照射時の回転速度より遅い一定速度で回転することを特徴とする半導体装置の作製方法。The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the disk-shaped reflection mirror rotates at a constant speed during the irradiation, and rotates at a constant speed slower than the rotation speed during the irradiation when the irradiation is not performed.
請求項1において、前記非単結晶半導体膜に照射されるレーザ光を、線状のビームスポットに成形することを特徴とする半導体装置の作製方法。  2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the laser light applied to the non-single-crystal semiconductor film is shaped into a linear beam spot. 請求項または請求項において、前記反射ミラーの回転は前記走査ステージの運動と同期させることを特徴とする半導体装置の作製方法。According to claim 1 or claim 2, wherein the rotation of the reflecting mirror method for manufacturing a semiconductor device characterized by synchronizing the movement of the scanning stage. 請求項乃至請求項のいずれか一項において、前記レーザ発振器は連続発振の固体レーザであることを特徴とする半導体装置の作製方法。In any one of claims 1 to 3, the method for manufacturing a semiconductor device the lasers oscillator is characterized in that it is a continuous-wave solid-state laser. 請求項乃至請求項のいずれか一項において、前記レーザ発振器は連続発振のYAGレーザ、YVOレーザ、YLFレーザ、YAlOレーザ、Yレーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライドレーザ、Ti:サファイアレーザから選ばれた一種または複数種であることを特徴とする半導体装置の作製方法。In any one of claims 1 to 3, wherein the lasers oscillator is a continuous wave YAG laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, Y 2 O 3 laser, a glass laser, a ruby laser, A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor device is one or more selected from an alexandride laser and a Ti: sapphire laser. 請求項乃至請求項のいずれか一項において、前記レーザ発振器は連続発振のArレーザまたはKrレーザから選ばれた一種または複数種であることを特徴とする半導体装置の作製方法。In any one of claims 1 to 3, the method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the lasers oscillator is one or more selected from Ar laser or Kr laser continuous wave.
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