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JP2000182956A - Crystallization method for semiconductor thin film and laser crystallization device - Google Patents

Crystallization method for semiconductor thin film and laser crystallization device

Info

Publication number
JP2000182956A
JP2000182956A JP10355842A JP35584298A JP2000182956A JP 2000182956 A JP2000182956 A JP 2000182956A JP 10355842 A JP10355842 A JP 10355842A JP 35584298 A JP35584298 A JP 35584298A JP 2000182956 A JP2000182956 A JP 2000182956A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
semiconductor thin
cooling process
laser light
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10355842A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Kojima
明 小島
Hisao Hayashi
久雄 林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
ST Liquid Crystal Display Corp
Original Assignee
Sony Corp
ST Liquid Crystal Display Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp, ST Liquid Crystal Display Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP10355842A priority Critical patent/JP2000182956A/en
Publication of JP2000182956A publication Critical patent/JP2000182956A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser crystallization device for a semiconductor thin film which controls crystal orientation. SOLUTION: Related to a laser crystallization device, a semiconductor thin film 4 formed on a substrate 0 is irradiated with laser beam 50 while applied with a magnetic field 25, so that the semiconductor thin film 4 is melted once and crystallized in a cooling process. The laser crystallization device comprises a stage 31 on which the substrate 0 to be processed is placed, a vessel 30 where the stage 31 is housed, a laser light source 51 for generating the laser beam 50, an optical system for guiding the laser beam 50 to the substrate 0 placed on the stage 31, and a magnetic field generating device which applied the unidirectional magnetic field 25 to the entire vessel 30 where the stage 31 and at least a part of the optical system are housed. Here, the semiconductor thin film 4 is irradiated with the laser light 50 for melting once, and the crystal orientation of crystal particles contained in the semiconductor thin film 4 is aligned under the action of unidirectional magnetic field in a cooling process. A unidirectional electric field may be acted instead of magnetic field.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜の結晶化
方法及びレーザ結晶化装置に関する。特に、液晶などを
電気光学物質に用いた表示装置のスイッチング素子とし
て形成される多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造技
術に関する。
The present invention relates to a method for crystallizing a semiconductor thin film and a laser crystallization apparatus. In particular, the present invention relates to a technique for manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor formed as a switching element of a display device using a liquid crystal or the like as an electro-optical material.

【0002】[0002]

【従来の技術】液晶表示装置のスイッチング素子として
広く用いられている薄膜トランジスタの内、多結晶シリ
コンを活性層とた薄膜トランジスタは、同一基板上にス
イッチング素子の他周辺の駆動回路を内蔵できる。又、
多結晶シリコン薄膜トランジスタは微細化が可能な為、
画素構造を高開口率化できる。これらの理由により、多
結晶シリコン薄膜トランジスタは高精細な表示装置用の
素子として注目されている。近年、多結晶シリコン薄膜
トランジスタを例えば600℃以下の低温プロセスで作
成する技術が盛んに研究されている。所謂低温プロセス
により高価な耐熱性の基板を用いる必要がなくなり、デ
ィスプレイの低コスト化及び大型化に寄与できる。特に
近年では、画素のスイッチング素子や周辺の駆動回路に
加え、中央演算素子(CPU)に代表される高度な機能
素子を基板上に集積化させる要求が高まっている。これ
を実現する為、単結晶シリコンに近い高品質の多結晶シ
リコン薄膜を形成する技術が待望されている。
2. Description of the Related Art Among thin film transistors widely used as switching elements of a liquid crystal display device, a thin film transistor using polycrystalline silicon as an active layer can incorporate a driving circuit in addition to the switching elements on the same substrate. or,
Because polycrystalline silicon thin film transistors can be miniaturized,
The pixel structure can have a high aperture ratio. For these reasons, polycrystalline silicon thin film transistors have attracted attention as elements for high definition display devices. In recent years, techniques for forming a polycrystalline silicon thin film transistor by a low-temperature process of, for example, 600 ° C. or less have been actively studied. The so-called low-temperature process eliminates the need to use an expensive heat-resistant substrate, which can contribute to cost reduction and size increase of the display. In particular, in recent years, in addition to switching elements for pixels and peripheral driving circuits, demands for integrating advanced functional elements represented by a central processing element (CPU) on a substrate have been increasing. In order to realize this, a technique for forming a high-quality polycrystalline silicon thin film close to single-crystal silicon has been desired.

【0003】従来の低温プロセスでは、基板上に非晶質
シリコンを成膜した後、長尺状若しくは線状に整形した
エキシマレーザビームあるいは電子ビームを走査して基
板表面を照射し、非晶質シリコンを多結晶シリコンに転
換する。レーザビームや電子ビームなどの高エネルギー
ビームを照射することにより、非晶質シリコンは基板に
ダメージを与えることなく急激に加熱され溶融状態とな
る。この後冷却過程でシリコンの結晶化が起こり、ある
程度の粒径を有する多結晶の集合が得られる。
In a conventional low-temperature process, an amorphous silicon film is formed on a substrate, and the surface of the substrate is irradiated by scanning with a long or linear excimer laser beam or an electron beam. Convert silicon to polycrystalline silicon. By irradiating a high energy beam such as a laser beam or an electron beam, the amorphous silicon is rapidly heated without damaging the substrate and is brought into a molten state. Thereafter, crystallization of silicon occurs in the cooling process, and a polycrystalline aggregate having a certain grain size is obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来、非晶質シリコン
薄膜にレーザビームを照射することによって多結晶化さ
せる際、自然に溶融固化させていたので、多結晶構造を
構成する個々の結晶粒は不規則な結晶成長を行なう為、
その結晶方位はランダムであった。この為、個々の結晶
粒の境界(粒界)には結晶方位の不連続性に起因するト
ラップ準位が多数存在し、移動度の低下をもたらしてい
た。
Conventionally, when an amorphous silicon thin film is polycrystallized by irradiating it with a laser beam, the amorphous silicon thin film is naturally melted and solidified. In order to perform irregular crystal growth,
Its crystal orientation was random. For this reason, a large number of trap levels due to the discontinuity of the crystal orientation exist at the boundaries (grain boundaries) of individual crystal grains, resulting in a decrease in mobility.

【0005】一般に、非晶質シリコン薄膜を形成した
後、レーザアニール処理を施して多結晶化を図る際、シ
リコンの再結晶速度は面方位に依存している。例えば、
100面方位と111面方位では再結晶速度が大きく異
なる。この結果、再結晶化されたシリコンの表面状態は
極めて粗い。元々、再結晶化する前のシリコン膜には面
方位の異なる微結晶が複数存在し、レーザアニール処理
によって結晶化又は再結晶化した時の各面方位の結晶成
長速度が異なる為、大きな凹凸が表面に現れる。この凹
凸の存在によって電荷(キャリア)の移動度が制限され
る。
[0005] In general, when forming an amorphous silicon thin film and then performing laser annealing to achieve polycrystallization, the recrystallization speed of silicon depends on the plane orientation. For example,
The recrystallization speed is significantly different between the 100 plane orientation and the 111 plane orientation. As a result, the surface state of the recrystallized silicon is extremely rough. Originally, the silicon film before recrystallization had a plurality of microcrystals with different plane orientations, and the crystal growth rate of each plane orientation when crystallized or recrystallized by laser annealing was different, so large irregularities Appear on the surface. The mobility of charges (carriers) is limited by the presence of the unevenness.

【0006】以上のことから、多結晶薄膜トランジスタ
の移動度を改善する為には、結晶方位を揃えることが重
要である。これに関し、金属などの触媒を利用して、固
相成長を行ない結晶粒の結晶方位を制御する技術も提案
されている。しかし、この方法では結晶中に金属が残留
する。又、レーザアニールと異なり固相成長では低温で
の結晶化が難しい。
From the above, it is important to make the crystal orientation uniform in order to improve the mobility of the polycrystalline thin film transistor. In this regard, there has been proposed a technique of controlling the crystal orientation of crystal grains by performing solid phase growth using a catalyst such as a metal. However, this method leaves metal in the crystal. Also, unlike laser annealing, it is difficult to crystallize at low temperature in solid phase growth.

【0007】[0007]

【課題を解決する為の手段】上述した従来の技術の課題
に鑑み、本発明は結晶方位を制御可能な半導体薄膜の結
晶化方法及びレーザ結晶化装置を提供することを目的と
する。即ち、基板に形成された半導体薄膜に磁場を印加
しながらレーザ光を照射して、該半導体薄膜を一旦溶融
し冷却過程で結晶化せしめる半導体薄膜の結晶化方法で
あって、発光時間が100nsを超えるレーザ光のパル
スを照射して冷却過程に所定の時間幅を持たせ、その間
に一定方向の磁場を作用させて半導体薄膜に含まれる結
晶粒の結晶方位を揃えることを特徴とする。好ましく
は、レーザ光源から発したレーザ光を照射する時、レー
ザ光源とは別に設けたランプ光源から発したランプ光を
半導体薄膜に照射して冷却過程の時間を延長化する。
又、基板に形成された半導体薄膜に磁場を印加しながら
レーザ光を照射して、該半導体薄膜を一旦溶融し冷却過
程で結晶化せしめるレーザ結晶化装置であって、処理対
象となる基板を載置するステージと、該ステージを格納
する容器と、レーザ光を発生するレーザ光源と、該レー
ザ光を該ステージに載置された基板に導く光学系と、該
ステージ及び該光学系の少なくとも一部を収納する該容
器の全体に一定方向の磁場を印加する磁場発生器とから
なり、レーザ光を照射して該半導体薄膜を一旦溶融し冷
却過程で一定方向の磁場を作用させ半導体薄膜に含まれ
る結晶粒の結晶方位を揃えることを特徴とする。更に、
絶縁基板に形成された半導体薄膜と、その一面に形成さ
れたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して該半導体
薄膜に重ねられたゲート電極とからなる薄膜トランジス
タであって、該半導体薄膜は、エネルギービームの照射
を受けて一旦溶融した後冷却過程で多結晶化される際一
定方向の磁場の作用を受けて結晶粒の結晶方位が揃えら
れていることを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a method of crystallizing a semiconductor thin film and a laser crystallization apparatus capable of controlling the crystal orientation. That is, a method of crystallizing a semiconductor thin film in which a semiconductor thin film formed on a substrate is irradiated with laser light while applying a magnetic field, and the semiconductor thin film is once melted and crystallized in a cooling process. Irradiating a pulse of the laser beam exceeding the predetermined time width in the cooling process, and applying a magnetic field in a certain direction during the cooling process to align crystal orientations of crystal grains contained in the semiconductor thin film. Preferably, when irradiating laser light emitted from the laser light source, the semiconductor thin film is irradiated with lamp light emitted from a lamp light source provided separately from the laser light source, thereby extending the cooling process time.
A laser crystallization apparatus that irradiates a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser beam while applying a magnetic field to melt the semiconductor thin film and crystallize the semiconductor thin film during a cooling process. A stage for mounting, a container for storing the stage, a laser light source for generating laser light, an optical system for guiding the laser light to a substrate mounted on the stage, and at least a part of the stage and the optical system. A magnetic field generator for applying a magnetic field in a certain direction to the whole of the container, and irradiating a laser beam to once melt the semiconductor thin film and apply a magnetic field in a certain direction in a cooling process to be included in the semiconductor thin film It is characterized in that the crystal orientation of the crystal grains is aligned. Furthermore,
A semiconductor thin film formed on an insulating substrate, a gate insulating film formed on one surface thereof, and a thin film transistor including a gate electrode overlaid on the semiconductor thin film via the gate insulating film, wherein the semiconductor thin film is It is characterized in that the crystal orientation of crystal grains is uniformed by the action of a magnetic field in a certain direction when the material is once melted by irradiation with an energy beam and then polycrystallized in a cooling process under the action of a magnetic field in a certain direction.

【0008】本発明は、又、基板に形成された半導体薄
膜にレーザ光を照射して一旦溶融し冷却過程で結晶化せ
しめる半導体薄膜の結晶化方法であって、発光時間が1
00nsを超えるレーザ光のパルスを照射して冷却過程
に所定の時間幅を持たせ、その間に一定方向の電場を作
用させて半導体薄膜に含まれる結晶粒の結晶方位を揃え
ることを特徴とする。好ましくは、レーザ光源から発し
たレーザ光を照射する時、レーザ光源とは別に設けたラ
ンプ光源から発したランプ光を半導体薄膜に照射して冷
却過程の時間を延長化する。加えて、基板に形成された
半導体薄膜にレーザ光を照射して一旦溶融し冷却過程で
結晶化せしめるレーザ結晶化装置であって、処理対象と
なる基板を載置するステージと、該ステージを格納する
容器と、レーザ光を発生するレーザ光源と、該レーザ光
を該ステージに載置された基板に導く光学系と、該ステ
ージ及び該光学系の少なくとも一部を収納する該容器の
全体に一定方向の電場を印加する電場発生器とからな
り、レーザ光を照射して該半導体薄膜を一旦溶融し冷却
過程で一定方向の電場を作用させ半導体薄膜に含まれる
結晶粒の結晶方位を揃えることを特徴とする。更に、絶
縁基板に形成された半導体薄膜と、その一面に形成され
たゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して該半導体薄
膜に重ねられたゲート電極とからなる薄膜トランジスタ
であって、該半導体薄膜は、エネルギービームの照射を
受けて一旦溶融した後冷却過程で多結晶化される際一定
方向の電場の作用を受けて結晶粒の結晶方位が揃えられ
ていることを特徴とする。
The present invention also relates to a method for crystallizing a semiconductor thin film in which a semiconductor thin film formed on a substrate is irradiated with a laser beam to be once melted and crystallized in a cooling process.
A pulse of a laser beam exceeding 00 ns is irradiated to give a predetermined time width to the cooling process, and an electric field in a certain direction is applied during that time to make the crystal orientations of the crystal grains contained in the semiconductor thin film uniform. Preferably, when irradiating laser light emitted from the laser light source, the semiconductor thin film is irradiated with lamp light emitted from a lamp light source provided separately from the laser light source, thereby extending the cooling process time. In addition, a laser crystallization apparatus for irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser beam to once melt and crystallize during a cooling process, and a stage on which a substrate to be processed is mounted, A container, a laser light source that generates laser light, an optical system that guides the laser light to a substrate mounted on the stage, and a stage and at least a part of the container that houses at least a part of the optical system. And an electric field generator for applying an electric field in a direction, irradiating a laser beam to once melt the semiconductor thin film, and applying an electric field in a certain direction during a cooling process to align crystal orientations of crystal grains contained in the semiconductor thin film. Features. Furthermore, a thin film transistor comprising: a semiconductor thin film formed on an insulating substrate; a gate insulating film formed on one surface thereof; and a gate electrode overlaid on the semiconductor thin film via the gate insulating film. Is characterized in that the crystal orientation of crystal grains is uniformed by the action of an electric field in a certain direction when the material is once melted by irradiation with an energy beam and then polycrystallized in a cooling process by the action of an electric field in a certain direction.

【0009】本発明によれば、レーザ光を照射して半導
体薄膜を一旦溶融し、冷却過程で結晶化せしめる際、十
分な時間を確保しこの間に一定の磁場または電場を作用
させることで、結晶化された半導体薄膜に含まれる結晶
粒の結晶方位を揃える。溶融状態にある個々のシリコン
原子に含まれる電子は磁場または電場と相互作用し、電
子スピンが磁場または電場に応じた方向に向く。この状
態で冷却過程を通じ結晶化若しくは固化する時に、結晶
方位が揃うことになる。個々の結晶粒の方位が揃ってい
る為、粒界における結晶方位の不連続性に起因する電子
ポテンシャルのバリアが低くなる為、結果としてキャリ
アの移動度が大きくなる。又、結晶粒が揃う為、半導体
薄膜の表面の凹凸もなくなる。半導体薄膜の表面を平坦
化することで、これに接して形成されるゲート絶縁膜と
の間の界面状態が良好となり、移動度の改善に寄与でき
る。
According to the present invention, when a semiconductor thin film is once melted by irradiating a laser beam and crystallized in a cooling process, a sufficient time is secured and a constant magnetic field or electric field is applied during this time, whereby the crystal is formed. The crystal orientation of crystal grains contained in the converted semiconductor thin film is made uniform. The electrons contained in the individual silicon atoms in the molten state interact with a magnetic field or an electric field, and the electron spins are directed in a direction corresponding to the magnetic field or the electric field. When crystallizing or solidifying through a cooling process in this state, the crystal orientations are aligned. Since the orientations of the individual crystal grains are aligned, the barrier of the electron potential due to the discontinuity of the crystal orientation at the grain boundary is reduced, and as a result, the carrier mobility is increased. Further, since the crystal grains are aligned, there is no unevenness on the surface of the semiconductor thin film. By flattening the surface of the semiconductor thin film, the state of the interface between the semiconductor thin film and the gate insulating film formed in contact with the semiconductor thin film is improved, which can contribute to improvement in mobility.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図1は本発明に係るレーザ結
晶化装置の構造を示す模式図である。本レーザ結晶化装
置は絶縁基板0に形成された半導体薄膜4に磁場25を
印加しながらレーザ光50を照射して、半導体薄膜4を
一旦溶融し冷却過程で結晶化せしめるものである。この
為、本レーザ結晶化装置は、処理対象となる絶縁基板0
を載置するステージ31と、このステージ31を格納す
る容器30と、レーザ光50を発生するレーザ光源51
と、レーザ光50をステージ31に載置された基板0に
導くミラー52などの光学系とを備えている。特徴事項
として、本レーザ結晶化装置は、ステージ31及び光学
系の少なくとも一部(ミラー52)を収納する容器30
の全体に、一定方向の磁場を印加する磁場発生器を備え
ている。本実施形態では、この磁場発生器は容器30を
上下から保持する一対の磁極20N,20Sを備えてい
る。平行平板型の一対の磁極20N,20Sの間に矢印
で示す様に垂直磁場25が発生し、予め絶縁基板0の上
に形成された半導体薄膜4に印加される。尚、容器30
には必要に応じ外部からガスを導入する為のノズル32
と、内部を排気する為の真空ポンプ33が接続されてい
る。又、レーザ光源51から発したレーザ光50は光学
制御部53及び光学窓54を介して容器30内に導入さ
れる。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a laser crystallization apparatus according to the present invention. The present laser crystallization apparatus irradiates a semiconductor thin film 4 formed on an insulating substrate 0 with a laser beam 50 while applying a magnetic field 25 to melt the semiconductor thin film 4 once and crystallize it in a cooling process. For this reason, the present laser crystallization apparatus uses the insulating substrate 0 to be processed.
, A container 30 for storing the stage 31, and a laser light source 51 for generating a laser beam 50
And an optical system such as a mirror 52 that guides the laser beam 50 to the substrate 0 mounted on the stage 31. As a characteristic feature, the present laser crystallization apparatus includes a container 30 for storing at least a part (mirror 52) of the stage 31 and the optical system.
Are provided with a magnetic field generator for applying a magnetic field in a fixed direction. In the present embodiment, the magnetic field generator includes a pair of magnetic poles 20N and 20S that hold the container 30 from above and below. A vertical magnetic field 25 is generated between the pair of parallel plate-type magnetic poles 20N and 20S as shown by arrows, and is applied to the semiconductor thin film 4 formed on the insulating substrate 0 in advance. The container 30
The nozzle 32 for introducing gas from the outside if necessary
And a vacuum pump 33 for exhausting the inside. The laser light 50 emitted from the laser light source 51 is introduced into the container 30 via the optical control unit 53 and the optical window 54.

【0011】引き続き、図1を参照して本レーザ結晶化
装置の使用方法を具体的に説明する。容器(チャンバ)
30内に光学ミラー52と基板0を保持するステージ3
1が収納されている。ステージ31は可動であり、その
上に処理対象となる半導体薄膜4が形成された絶縁基板
0を載置する。容器30の内部雰囲気は真空にする。あ
るいは、例えば窒素ガスや水素ガスを導入してもよい。
レーザ光源51から発したレーザ光50は光学制御部5
3にて整形並びに均一化され、光学窓54を介してミラ
ー52に入射する。このミラー52で光路を変えて絶縁
基板0上に照射される。この時、容器30は全体が垂直
磁場25の中に置かれている。即ち、容器30の上下に
一対の磁極20N,20Sを持つ磁石若しくは電磁石を
配置し、常時半導体薄膜4に磁界が印加される様にして
いる。この様なレーザ結晶化装置内で、レーザ光50に
よる溶融再結晶化を行なうと、一旦溶けた半導体薄膜4
のシリコン原子に含まれる電子スピンは磁界と相互作用
し、ある方向に向く。この状態から冷却過程で固化する
時に、結晶方位が揃うことになる。この様にして結晶化
された膜は結晶方位がほぼ揃っている為粒界の電子ポテ
ンシャルバリアが低くなり、移動度が大きくなる。この
際、結晶方位をある方向に揃えることが重要であり、原
子の外殻軌道構造に応じ半導体薄膜4の垂直方向に結晶
が揃う場合もあり、あるいは水平方向に結晶方位が揃う
場合も有る。
Subsequently, a method of using the present laser crystallization apparatus will be specifically described with reference to FIG. Container (chamber)
Stage 3 for holding optical mirror 52 and substrate 0 within 30
1 is stored. The stage 31 is movable, and the insulating substrate 0 on which the semiconductor thin film 4 to be processed is formed is mounted thereon. The atmosphere inside the container 30 is evacuated. Alternatively, for example, nitrogen gas or hydrogen gas may be introduced.
The laser light 50 emitted from the laser light source 51 is
The light is shaped and uniformed at 3, and enters the mirror 52 via the optical window 54. The light is irradiated onto the insulating substrate 0 by changing the optical path by the mirror 52. At this time, the entire container 30 is placed in the vertical magnetic field 25. That is, magnets or electromagnets having a pair of magnetic poles 20N and 20S are arranged above and below the container 30 so that a magnetic field is always applied to the semiconductor thin film 4. When melting and recrystallization is performed by the laser beam 50 in such a laser crystallization apparatus, the semiconductor thin film 4 once melted
Electron spins contained in silicon atoms interact with a magnetic field and are directed in a certain direction. When solidifying from this state in the cooling process, the crystal orientations are aligned. Since the crystallized film thus obtained has almost the same crystal orientation, the electron potential barrier at the grain boundary is lowered and the mobility is increased. At this time, it is important to align the crystal orientations in a certain direction, and the crystals may be aligned in the vertical direction of the semiconductor thin film 4 depending on the outer orbital structure of the atoms, or may be aligned in the horizontal direction.

【0012】特に、結晶方位を揃える為には発光時間が
100nsを超えるレーザ光のパルスを照射して冷却過
程に所定の時間幅を持たせ、その間に一定方向の磁場を
作用させることが重要である。発光時間が100nsよ
り短いとその分冷却過程の時間幅も短くなる為、磁場を
十分に作用させることが困難になる。100ns以上の
発光時間を有するレーザ光のパルスを得る為、例えば大
出力のエキシマレーザ光源を用いることができる。更に
は、レーザ光源から発したレーザ光を照射する時、レー
ザ光源とは別に設けたランプ光源から発したランプ光を
半導体薄膜に照射して冷却過程の時間を延長化してもよ
い。エキシマレーザアニール(ELA)とランプアニー
ル(RTA)を組み合わせることで、冷却時間を例えば
1秒から10秒程度確保することが可能である。
In particular, in order to align the crystal orientation, it is important to apply a laser beam pulse having a light emission time exceeding 100 ns to give a predetermined time width to the cooling process, and to apply a magnetic field in a certain direction during the cooling process. is there. If the light emission time is shorter than 100 ns, the time width of the cooling process is shortened accordingly, and it becomes difficult to sufficiently apply a magnetic field. In order to obtain a laser light pulse having a light emission time of 100 ns or more, for example, a high-output excimer laser light source can be used. Furthermore, when irradiating the laser light emitted from the laser light source, the semiconductor thin film may be irradiated with lamp light emitted from a lamp light source provided separately from the laser light source to extend the cooling process time. By combining excimer laser annealing (ELA) and lamp annealing (RTA), a cooling time of, for example, about 1 to 10 seconds can be secured.

【0013】図2は本発明に係るレーザ結晶化装置の他
の例を示す模式図である。本レーザ結晶化装置は絶縁基
板0に形成された半導体薄膜4に電場25xを印加しな
がらレーザ光50を照射して、半導体薄膜4を一旦溶融
し冷却過程で結晶化せしめるものである。この為、本レ
ーザ結晶化装置は、処理対象となる絶縁基板0を載置す
るステージ31と、このステージ31を格納する容器3
0と、レーザ光50を発生するレーザ光源51と、レー
ザ光50をステージ31に載置された基板0に導くミラ
ー52などの光学系とを備えている。特徴事項として、
本レーザ結晶化装置は、ステージ31及び光学系の少な
くとも一部(ミラー52)を収納する容器30の全体
に、一定方向の電場25xを印加する電場発生器を備え
ている。本実施形態では、この電場発生器は容器30を
上下から保持する一対の電極20p,20nを備えてい
る。平行平板型の一対の電極20p,20nの間に矢印
で示す様に垂直電場25xが発生し、予め絶縁基板0の
上に形成された半導体薄膜4に印加される。尚、容器3
0には必要に応じ外部からガスを導入する為のノズル3
2と、内部を排気する為の真空ポンプ33が接続されて
いる。又、レーザ光源51から発したレーザ光50は光
学制御部53及び光学窓54を介して容器30内に導入
される。
FIG. 2 is a schematic view showing another example of the laser crystallization apparatus according to the present invention. The present laser crystallization apparatus irradiates the semiconductor thin film 4 formed on the insulating substrate 0 with a laser beam 50 while applying an electric field 25x to melt the semiconductor thin film 4 once and crystallize it in a cooling process. For this reason, the present laser crystallization apparatus includes a stage 31 on which the insulating substrate 0 to be processed is placed and a container 3 on which the stage 31 is stored.
0, a laser light source 51 for generating a laser beam 50, and an optical system such as a mirror 52 for guiding the laser beam 50 to the substrate 0 mounted on the stage 31. As a feature,
The laser crystallization apparatus includes an electric field generator that applies an electric field 25x in a certain direction to the entire stage 30 and the entire container 30 that accommodates at least a part (mirror 52) of the optical system. In the present embodiment, the electric field generator includes a pair of electrodes 20p and 20n that hold the container 30 from above and below. A vertical electric field 25x is generated between the pair of parallel plate type electrodes 20p and 20n as shown by arrows, and is applied to the semiconductor thin film 4 formed on the insulating substrate 0 in advance. In addition, container 3
Nozzle 3 for introducing gas from outside if necessary
2 and a vacuum pump 33 for evacuating the inside are connected. The laser light 50 emitted from the laser light source 51 is introduced into the container 30 via the optical control unit 53 and the optical window 54.

【0014】引き続き、図2を参照して本レーザ結晶化
装置の使用方法を具体的に説明する。容器(チャンバ)
30内に光学ミラー52と基板0を保持するステージ3
1が収納されている。ステージ31は可動であり、その
上に処理対象となる半導体薄膜4が形成された絶縁基板
0を載置する。容器30の内部雰囲気は真空にする。あ
るいは、例えば窒素ガスや水素ガスを導入してもよい。
レーザ光源51から発したレーザ光50は光学制御部5
3にて整形並びに均一化され、光学窓54を介してミラ
ー52に入射する。このミラー52で光路を変えて絶縁
基板0上に照射される。この時、容器30は全体が垂直
電場25xの中に置かれている。即ち、容器30の上下
に一対の電極20p,20nを配置し、常時半導体薄膜
4に電界が印加される様にしている。本例では電極20
nを接地し、電極20pに交流電源を接続して、交流電
場を発生している。これに替えて、直流電場を印加して
も良い。この様なレーザ結晶化装置内で、レーザ光50
による溶融再結晶化を行なうと、一旦溶けた半導体薄膜
4のシリコン原子に含まれる電子スピンは電界と相互作
用し、ある方向に向く。この状態から冷却過程で固化す
る時に、結晶方位が揃うことになる。この様にして結晶
化された膜は結晶方位がほぼ揃っている為粒界の電子ポ
テンシャルバリアが低くなり、移動度が大きくなる。こ
の際、結晶方位を一定方向に揃えることが重要であり、
原子の外殻軌道構造に応じ半導体薄膜4の垂直方向に結
晶が揃う場合もあり、あるいは水平方向に結晶方位が揃
う場合も有る。
Subsequently, a method of using the present laser crystallization apparatus will be specifically described with reference to FIG. Container (chamber)
Stage 3 for holding optical mirror 52 and substrate 0 within 30
1 is stored. The stage 31 is movable, and the insulating substrate 0 on which the semiconductor thin film 4 to be processed is formed is mounted thereon. The atmosphere inside the container 30 is evacuated. Alternatively, for example, nitrogen gas or hydrogen gas may be introduced.
The laser light 50 emitted from the laser light source 51 is
The light is shaped and uniformed at 3, and enters the mirror 52 via the optical window 54. The light is irradiated onto the insulating substrate 0 by changing the optical path by the mirror 52. At this time, the entire container 30 is placed in the vertical electric field 25x. That is, a pair of electrodes 20p and 20n are arranged above and below the container 30, so that an electric field is always applied to the semiconductor thin film 4. In this example, the electrode 20
n is grounded, and an AC power supply is connected to the electrode 20p to generate an AC electric field. Instead, a DC electric field may be applied. In such a laser crystallization apparatus, a laser beam 50
When the melt recrystallization is performed, the electron spins contained in the silicon atoms of the semiconductor thin film 4 once melted interact with the electric field and turn in a certain direction. When solidifying from this state in the cooling process, the crystal orientations are aligned. Since the crystallized film thus obtained has almost the same crystal orientation, the electron potential barrier at the grain boundary is lowered and the mobility is increased. At this time, it is important to align the crystal orientation in a certain direction,
Depending on the shell orbital structure of the atoms, the crystals may be aligned in the vertical direction of the semiconductor thin film 4 or the crystal orientation may be aligned in the horizontal direction.

【0015】特に、結晶方位を揃える為には発光時間が
100nsを超えるレーザ光のパルスを照射して冷却過
程に所定の時間幅を持たせ、その間に一定方向の電場を
作用させることが重要である。発光時間が100nsよ
り短いとその分冷却過程の時間幅も短くなる為、電場を
十分に作用させることが困難になる。100ns以上の
発光時間を有するレーザ光のパルスを得る為、例えば大
出力のエキシマレーザ光源を用いることができる。更に
は、レーザ光源から発したレーザ光を照射する時、レー
ザ光源とは別に設けたランプ光源から発したランプ光を
半導体薄膜に照射して冷却過程の時間を延長化してもよ
い。エキシマレーザアニール(ELA)とランプアニー
ル(RTA)を組み合わせることで、冷却時間を例えば
1秒から10秒程度確保することが可能である。
In particular, in order to make the crystal orientation uniform, it is important to apply a laser beam pulse having a light emission time exceeding 100 ns to give a predetermined time width to the cooling process, and to apply an electric field in a certain direction during the cooling process. is there. If the light emission time is shorter than 100 ns, the time width of the cooling process becomes shorter correspondingly, and it becomes difficult to make the electric field act sufficiently. In order to obtain a laser light pulse having a light emission time of 100 ns or more, for example, a high-output excimer laser light source can be used. Furthermore, when irradiating the laser light emitted from the laser light source, the semiconductor thin film may be irradiated with lamp light emitted from a lamp light source provided separately from the laser light source to extend the cooling process time. By combining excimer laser annealing (ELA) and lamp annealing (RTA), a cooling time of, for example, about 1 to 10 seconds can be secured.

【0016】図3は、本発明に係る薄膜トランジスタの
製造方法を示す工程図であり、図1又は図2に示したレ
ーザ結晶化装置を用いて、半導体薄膜の結晶化を行なっ
ている。この実施例で作成された多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタの移動度はNチャネル型で130ないし30
0cm2 /Vs、Pチャネル型で60ないし150cm
2 /Vsであり、従来に比べ大幅に高移動度化が達成さ
れている。なお、本実施例では便宜上Nチャネル型の薄
膜トランジスタの製造方法を示すが、Pチャネル型でも
不純物種(ドーパント種)を変えるだけで全く同様であ
る。ここでは、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタの
製造方法を示す。まず(a)に示す様に、ガラスなどか
らなる絶縁基板0の上に例えばAl,Ta,Mo,W,
Cr,Cu又はこれらの合金を例えば100乃至200
nmの厚みで形成し、パタニングしてゲート電極1に加
工する。
FIG. 3 is a process chart showing a method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention, and a semiconductor thin film is crystallized using the laser crystallization apparatus shown in FIG. 1 or FIG. The mobility of the polycrystalline silicon thin film transistor manufactured in this embodiment is 130 to 30 in the N-channel type.
0 cm 2 / Vs, 60 to 150 cm for P-channel type
2 / Vs, and a much higher mobility than in the past has been achieved. In this embodiment, a method for manufacturing an N-channel thin film transistor is shown for convenience, but the same applies to a P-channel type thin film transistor only by changing an impurity type (dopant type). Here, a method for manufacturing a thin film transistor having a bottom gate structure is described. First, as shown in (a), for example, Al, Ta, Mo, W,
Cr, Cu or an alloy thereof is, for example, 100 to 200
The gate electrode 1 is formed by patterning with a thickness of nm.

【0017】次いで(b)に示す様に、ゲート電極1の
上にゲート絶縁膜を形成する。本実施例では、ゲート絶
縁膜は例えばゲート窒化膜2(SiNx )/ゲート酸化
膜3(SiO2 )の二層構造を用いた。ゲート窒化膜2
はSiH4 ガスとNH3 ガスの混合物を原料気体として
用い、プラズマCVD法(PCVD法)で成膜した。な
お、プラズマCVDに代えて常圧CVDあるいは減圧C
VDを用いてもよい。本実施例では、ゲート窒化膜2を
50nmの厚みで堆積した。ゲート窒化膜2の成膜に連
続して、ゲート酸化膜3を約200nmの厚みで成膜す
る。更にゲート酸化膜3の上に連続的に非晶質シリコン
からなる半導体薄膜4を約30乃至80nmの厚みで成
膜した。二層構造のゲート絶縁膜と非晶質半導体薄膜4
は成膜チャンバの真空系を破らず連続成膜した。以上の
成膜でプラズマCVD法を用いた場合には、例えば40
0乃至450℃の温度で窒素雰囲気中1時間程度加熱処
理を行ない、非晶質半導体薄膜4に含有されていた水素
を放出する。所謂脱水素アニールを行なう。
Next, a gate insulating film is formed on the gate electrode 1 as shown in FIG. In this embodiment, the gate insulating film has a two-layer structure of, for example, a gate nitride film 2 (SiN x ) / gate oxide film 3 (SiO 2 ). Gate nitride film 2
Was formed by a plasma CVD method (PCVD method) using a mixture of SiH 4 gas and NH 3 gas as a source gas. It should be noted that normal pressure CVD or reduced pressure C is used instead of plasma CVD.
VD may be used. In this embodiment, the gate nitride film 2 is deposited with a thickness of 50 nm. Subsequent to the formation of the gate nitride film 2, a gate oxide film 3 is formed with a thickness of about 200 nm. Further, a semiconductor thin film 4 made of amorphous silicon was continuously formed on the gate oxide film 3 to a thickness of about 30 to 80 nm. Gate insulating film of two-layer structure and amorphous semiconductor thin film 4
Formed a continuous film without breaking the vacuum system of the film forming chamber. When the plasma CVD method is used in the above film formation, for example, 40
Heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 0 to 450 ° C. for about 1 hour to release hydrogen contained in the amorphous semiconductor thin film 4. A so-called dehydrogenation anneal is performed.

【0018】ここで、薄膜トランジスタのVthを制御
する目的で、Vthイオンインプランテーションを必要
に応じて行なう。本例では、B+をドーズ量が1×10
12乃至6×1012/cm2 程度でイオン注入した。この
Vthイオンインプランテーションでは620nm幅に
整形されたイオンのラインビームを用いた。次いで、本
発明に従って、磁場又は電場を印加しながらレーザ光5
0を照射し、非晶質半導体薄膜4を結晶化する。レーザ
光50としてはエキシマレーザビームを用いることがで
きる。これにより、結晶方位を揃えることが出来る。
Here, in order to control Vth of the thin film transistor, Vth ion implantation is performed as necessary. In this example, the dose of B + is 1 × 10
Ions are implanted at 12 to 6 × 10 12 / cm 2 approximately. In this Vth ion implantation, a line beam of ions shaped to a width of 620 nm was used. Then, according to the present invention, the laser beam 5 is applied while applying a magnetic field or an electric field.
Irradiation is carried out to crystallize the amorphous semiconductor thin film 4. An excimer laser beam can be used as the laser beam 50. Thereby, the crystal orientation can be made uniform.

【0019】(c)に示す様に、前工程で結晶方位を揃
えた状態で結晶化された多結晶半導体薄膜5の上に例え
ばプラズマCVD法でSiO2 を約100nm乃至30
0nmの厚みで形成する。本例では、シランガスSH4
と酸素ガスをプラズマ分解してSiO2 を堆積した。こ
の様にして成膜されたSiO2 を所定の形状にパタニン
グしてエッチングストッパー膜6に加工する。この場
合、裏面露光技術を用いてゲート電極1と整合する様に
エッチングストッパー膜6をパタニングしている。エッ
チングストッパー膜6の直下に位置する多結晶半導体薄
膜5の部分はチャネル領域Chとして保護される。前述
した様に、チャネル領域Chには予めVthイオンイン
プランテーションによりB+イオンが比較的低ドーズ量
で注入されている。続いて、エッチングストッパー膜6
をマスクとしてイオンドーピングにより不純物(例えば
P+イオン)を半導体薄膜5に注入し、LDD領域を形
成する。この時のドーズ量は、例えば6×1012 乃至
5×1013/cm2 である。更にストッパー膜6及びそ
の両側のLDD領域を被覆する様にフォトレジストをパ
タニング形成した後、これをマスクとして不純物(例え
ばP+イオン)を高濃度で注入し、ソース領域S及びド
レイン領域Dを形成する。不純物注入には、例えばイオ
ンドーピング(イオンシャワー)を用いることができ
る。これは質量分離を掛けることなく電界加速で不純物
を注入するものであり、本実施例では1×1015/cm
2 程度のドーズ量で不純物を注入し、ソース領域S及び
ドレイン領域Dを形成した。なお、図示しないが、Pチ
ャネルの薄膜トランジスタを形成する場合には、Nチャ
ネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆
した後、不純物をP+イオンからB+イオンに切り換え
ドーズ量1×1015/cm2程度でイオンドーピングす
ればよい。なお、ここでは質量分離型のイオンインプラ
ンテーション装置を用いて不純物を注入してもよい。こ
の後、多結晶半導体薄膜5に注入された不純物を活性化
する。例えば、エキシマレーザを用いたレーザ活性化ア
ニール(ELA)を行なう。この後、半導体薄膜5とエ
ッチングストッパー膜6の不要な部分を同時にパタニン
グし、素子領域毎に薄膜トランジスタを分離する。
[0019] As shown (c), the front about 100nm to 30 of SiO 2, for example, a plasma CVD method on the polycrystalline semiconductor thin film 5 which has been crystallized in a state of uniform crystal orientation in step
It is formed with a thickness of 0 nm. In this example, the silane gas SH 4
And oxygen gas were plasma-decomposed to deposit SiO 2 . The SiO 2 thus formed is patterned into a predetermined shape and processed into an etching stopper film 6. In this case, the etching stopper film 6 is patterned so as to be aligned with the gate electrode 1 using a backside exposure technique. The portion of the polycrystalline semiconductor thin film 5 located immediately below the etching stopper film 6 is protected as a channel region Ch. As described above, B + ions are previously implanted into the channel region Ch at a relatively low dose by Vth ion implantation. Subsequently, the etching stopper film 6
Is used as a mask to implant impurities (for example, P + ions) into the semiconductor thin film 5 by ion doping, thereby forming an LDD region. The dose at this time is, for example, 6 × 10 12 to 5 × 10 13 / cm 2 . Further, after a photoresist is formed by patterning so as to cover the stopper film 6 and the LDD regions on both sides thereof, impurities (for example, P + ions) are implanted at a high concentration using the photoresist as a mask to form a source region S and a drain region D. . For impurity implantation, for example, ion doping (ion shower) can be used. This is to implant impurities by electric field acceleration without applying mass separation. In this embodiment, 1 × 10 15 / cm
Impurities were implanted at a dose of about 2 to form a source region S and a drain region D. Although not shown, in the case of forming a P-channel thin film transistor, the impurity is switched from P + ions to B + ions after covering the region of the N-channel thin film transistor with a photoresist, and the dose is about 1 × 10 15 / cm 2. Ion doping. Here, the impurities may be implanted using a mass separation type ion implantation apparatus. Thereafter, the impurities implanted in polycrystalline semiconductor thin film 5 are activated. For example, laser activation annealing (ELA) using an excimer laser is performed. Thereafter, unnecessary portions of the semiconductor thin film 5 and the etching stopper film 6 are simultaneously patterned to separate thin film transistors for each element region.

【0020】最後に(d)に示す様に、SiO2 を約2
00nmの厚みで成膜し、層間絶縁膜7とする。層間絶
縁膜7の形成後、例えばSiNx をプラズマCVD法で
約200乃至400nm成膜し、パシベーション膜(キ
ャップ膜)8とする。この段階で例えば窒素ガス又はフ
ォーミングガス中又は真空中雰囲気下で350℃程度の
加熱処理を1時間行ない、層間絶縁膜7に含まれる水素
原子を半導体薄膜5中に拡散させる。この後、コンタク
トホールを開口し、例えばMo,Alなどを200乃至
400nmの厚みでスパッタした後、所定の形状にパタ
ニングして配線電極9に加工する。更に、例えばアクリ
ル樹脂などからなる平坦化層10を1μm程度の厚みで
塗布した後コンタクトホールを開口する。平坦化層10
の上に例えばITOやIXOなどからなる透明導電膜を
スパッタした後、所定の形状にパタニングして画素電極
11に加工する。
[0020] As shown in the last (d), the the SiO 2 about 2
The interlayer insulating film 7 is formed with a thickness of 00 nm. After the formation of the interlayer insulating film 7, for example, SiN x is formed to a thickness of about 200 to 400 nm by a plasma CVD method to form a passivation film (cap film) 8. At this stage, for example, a heat treatment at about 350 ° C. is performed for one hour in a nitrogen gas, a forming gas, or an atmosphere in a vacuum to diffuse hydrogen atoms contained in the interlayer insulating film 7 into the semiconductor thin film 5. After that, a contact hole is opened and, for example, Mo, Al, or the like is sputtered with a thickness of 200 to 400 nm, and then patterned into a predetermined shape to process the wiring electrode 9. Further, a contact hole is opened after a flattening layer 10 made of, for example, an acrylic resin is applied with a thickness of about 1 μm. Flattening layer 10
Then, a transparent conductive film made of, for example, ITO or IXO is sputtered thereon, patterned into a predetermined shape, and processed into the pixel electrode 11.

【0021】図4は、図3に示した製造方法によって作
成された薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリク
ス型表示装置の一例を示す。図示する様に、本表示装置
は一対の絶縁基板101,102と両者の間に保持され
た電気光学物質103とを備えたパネル構造を有する。
電気光学物質103としては液晶材料が広く用いられて
いる。下側の絶縁基板101には画素アレイ部104と
駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直
駆動回路105と水平駆動回路106とに分かれてい
る。また、絶縁基板101の周辺部上端には外部接続用
の端子部107が形成されている。端子部107は配線
108を介して垂直駆動回路105及び水平駆動回路1
06に接続している。画素アレイ部104には行状のゲ
ート配線109と列状の信号配線110が形成されてい
る。両配線の交差部には画素電極111とこれを駆動す
る薄膜トランジスタ112が形成されている。薄膜トラ
ンジスタ112のゲート電極は対応するゲート配線10
9に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極111
に接続され、ソース領域は対応する信号配線110に接
続している。ゲート配線109は垂直駆動回路105に
接続する一方、信号配線110は水平駆動回路106に
接続している。画素電極111をスイッチング駆動する
薄膜トランジスタ112及び垂直駆動回路105と水平
駆動回路106に含まれる薄膜トランジスタは、本発明
に従って作成されたものであり、従来に比較して移動度
が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に
高性能な処理回路を集積形成することも可能である。即
ち、これらの薄膜トランジスタは、絶縁基板101に形
成された半導体薄膜と、その一面に形成されたゲート絶
縁膜と、ゲート絶縁膜を介して半導体薄膜に重ねられた
ゲート電極とからなる。半導体薄膜は、レーザ光などの
エネルギービームの照射を受けて一旦溶融した後冷却過
程で多結晶化される際、一定方向の磁場又は電場の作用
を受けて結晶粒の結晶方位が揃えられている。
FIG. 4 shows an example of an active matrix type display device using the thin film transistors manufactured by the manufacturing method shown in FIG. As illustrated, the display device has a panel structure including a pair of insulating substrates 101 and 102 and an electro-optical material 103 held between the pair of insulating substrates 101 and 102.
As the electro-optic material 103, a liquid crystal material is widely used. On the lower insulating substrate 101, a pixel array section 104 and a drive circuit section are integrally formed. The drive circuit section is divided into a vertical drive circuit 105 and a horizontal drive circuit 106. Further, a terminal portion 107 for external connection is formed at an upper end of a peripheral portion of the insulating substrate 101. The terminal unit 107 is connected to the vertical drive circuit 105 and the horizontal drive circuit 1
06. A row-shaped gate wiring 109 and a column-shaped signal wiring 110 are formed in the pixel array unit 104. A pixel electrode 111 and a thin film transistor 112 for driving the pixel electrode 111 are formed at the intersection of the two wires. The gate electrode of the thin film transistor 112 is
9 and the drain region is connected to the corresponding pixel electrode 111
, And the source region is connected to the corresponding signal wiring 110. The gate wiring 109 is connected to the vertical driving circuit 105, while the signal wiring 110 is connected to the horizontal driving circuit 106. The thin film transistor 112 for switchingly driving the pixel electrode 111 and the thin film transistors included in the vertical drive circuit 105 and the horizontal drive circuit 106 are formed according to the present invention, and have higher mobility than the conventional one. Therefore, not only a driving circuit but also a higher-performance processing circuit can be integrated. That is, these thin film transistors include a semiconductor thin film formed on the insulating substrate 101, a gate insulating film formed on one surface thereof, and a gate electrode overlaid on the semiconductor thin film via the gate insulating film. When the semiconductor thin film is irradiated with an energy beam such as a laser beam and once melted and then polycrystallized in a cooling process, the crystal orientation of crystal grains is aligned by the action of a magnetic field or an electric field in a certain direction. .

【0022】図5は、図1に示した本発明に係るレーザ
結晶化装置の変形例を示すブロック図である。図1に示
した実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付
して理解を容易にしている。図1に示した実施形態と異
なる点は、容器30が全体として電磁石20を構成する
コイル内に格納されていることである。この結果、絶縁
基板0に形成された半導体薄膜4には矢印で示す様に水
平方向の磁場25が印加されることになる。この磁場2
5によって半導体薄膜4に含まれる結晶粒の結晶方位が
一定方向に揃えられることになる。
FIG. 5 is a block diagram showing a modification of the laser crystallization apparatus according to the present invention shown in FIG. Parts corresponding to those of the embodiment shown in FIG. 1 are denoted by corresponding reference numerals to facilitate understanding. The difference from the embodiment shown in FIG. 1 is that the container 30 is housed in a coil constituting the electromagnet 20 as a whole. As a result, the magnetic field 25 in the horizontal direction is applied to the semiconductor thin film 4 formed on the insulating substrate 0 as shown by the arrow. This magnetic field 2
5, the crystal orientation of the crystal grains contained in the semiconductor thin film 4 is aligned in a certain direction.

【0023】図6は、本発明に係るレーザ結晶化装置の
発展形態を示す模式図であり、磁場発生器又は電場発生
器や容器を除いた光学部分のみを表わしている。この発
展形態では、レーザ光とランプ光を組み合わせること
で、より効率的な結晶化を行なっている。即ち、レーザ
光源から発したレーザ光を照射する時、レーザ光源とは
別に設けたランプ光源から発したランプ光を半導体薄膜
に照射して冷却過程の時間を延長化させている。本装置
は基本的にELA(Excimer LaserAnn
eal)とRTA(Rapid Thrmal Ann
eal)を併用した構成になっている。RTAは波長が
240ないし400nmの紫外光を瞬間的(例えば約1
秒)にガラスなどからなる絶縁基板0に照射することに
より、基板自体にダメージを与えることなく高温熱処理
を可能にする技術である。図示する様に、絶縁基板0は
赤外線ランプなどからなる赤外線加熱器71ないし73
が配されたZone1ないしZone3で段階的に予備
加熱(徐熱)される。この絶縁基板0を所定速度で移送
し、RTAユニットに送り込む。本例ではレーザ光50
の照射領域直前に位置する第一のRTAユニットと、直
後に位置する第二のRTAユニットを設けている。第一
のRTAユニットは上下一対のアークランプ61,62
からなり、第二のRTAユニットも上下一対のアークラ
ンプ67,68からなる。各アークランプ61,62,
67,68は反射板82でカバーされているとともに、
その近傍には制御用の放射温度計83が配されている。
RTAユニット通過後、絶縁基板0はやはり赤外線加熱
器74が配された冷却用のZone4に搬送され、ここ
で徐冷される。一方、ELAはエキシマレーザ光源を用
いており、例えば線形に整形されたレーザ光50をパル
スとして間欠的に発生する。レーザ光50はミラー52
により反射され、絶縁基板0に照射される。
FIG. 6 is a schematic view showing a development of the laser crystallization apparatus according to the present invention, and shows only an optical part excluding a magnetic field generator, an electric field generator, and a container. In this development, more efficient crystallization is performed by combining laser light and lamp light. That is, when irradiating the laser light emitted from the laser light source, the semiconductor thin film is irradiated with the lamp light emitted from a lamp light source provided separately from the laser light source to extend the cooling process time. This device is basically an ELA (Excimer LaserAnn).
eal) and RTA (Rapid Thrmal Ann)
eal). RTA instantaneously emits ultraviolet light having a wavelength of 240 to 400 nm (for example, about 1
This is a technology that enables high-temperature heat treatment without damaging the substrate itself by irradiating the insulating substrate 0 made of glass or the like at (sec). As shown in the figure, the insulating substrate 0 is provided with infrared heaters 71 to 73 such as infrared lamps.
Are preliminarily heated (gradually heated) in Zones 1 to 3 in which is disposed. The insulating substrate 0 is transferred at a predetermined speed and sent to the RTA unit. In this example, the laser beam 50
, A first RTA unit located immediately before the irradiation area and a second RTA unit located immediately after the irradiation area. The first RTA unit is a pair of upper and lower arc lamps 61, 62.
The second RTA unit also comprises a pair of upper and lower arc lamps 67, 68. Each arc lamp 61, 62,
67 and 68 are covered with a reflector 82,
In the vicinity, a radiation thermometer 83 for control is arranged.
After passing through the RTA unit, the insulating substrate 0 is transported to a zone 4 for cooling in which the infrared heater 74 is also arranged, where it is gradually cooled. On the other hand, the ELA uses an excimer laser light source, and intermittently generates, for example, a linearly shaped laser beam 50 as a pulse. The laser beam 50 is mirror 52
And irradiates the insulating substrate 0.

【0024】係る構成を有するレーザ結晶化装置は、互
いに直交する長手方向及び幅方向に広がる絶縁基板0の
表面に予め形成された半導体薄膜の熱処理に用いられ
る。尚、図では絶縁基板0の長手方向が矢印で示す基板
進行方向と一致している。前述した様に、本装置は基本
的にレーザ光源と、複数のランプ光源と、移送手段とを
備えている。レーザ光源は絶縁基板0の幅方向に沿って
線状に整形された比較的高エネルギーのレーザ光50を
間欠的なタイミングで半導体薄膜に照射する。上下一対
のアークランプ61,62は絶縁基板0の幅方向に沿っ
て線状(長尺状)に形成された比較的低エネルギーを有
する二本のランプ光をレーザ光50の照射タイミングに
ほぼ同期して間欠的に半導体薄膜に照射する。上下一対
のアークランプ67,68も同様である。移送手段は、
レーザ光50及びランプ光の照射タイミングに合わせて
絶縁基板0を長手方向(基板進行方向)に移送する。
又、レーザ光50及びランプ光の照射の前後で絶縁基板
0の徐熱徐冷を行なう為、赤外線加熱器71ないし74
が移送手段に沿って配列されている。
The laser crystallization apparatus having such a configuration is used for heat treatment of a semiconductor thin film formed in advance on the surface of an insulating substrate 0 extending in a longitudinal direction and a width direction orthogonal to each other. In the drawing, the longitudinal direction of the insulating substrate 0 coincides with the substrate traveling direction indicated by the arrow. As described above, the present apparatus basically includes a laser light source, a plurality of lamp light sources, and a transfer unit. The laser light source irradiates the semiconductor thin film with a relatively high energy laser beam 50 linearly shaped along the width direction of the insulating substrate 0 at an intermittent timing. The pair of upper and lower arc lamps 61 and 62 synchronize two lamp lights having relatively low energy formed linearly (long) along the width direction of the insulating substrate 0 with the irradiation timing of the laser light 50. Then, the semiconductor thin film is irradiated intermittently. The same applies to a pair of upper and lower arc lamps 67 and 68. The transportation means
The insulating substrate 0 is transferred in the longitudinal direction (substrate traveling direction) in accordance with the irradiation timing of the laser light 50 and the lamp light.
Further, since the insulating substrate 0 is gradually heated and cooled before and after the irradiation of the laser beam 50 and the lamp beam, the infrared heaters 71 to 74 are used.
Are arranged along the transfer means.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
絶縁基板上に形成された非晶質シリコンなどの非単結晶
半導体薄膜をレーザ光の照射によって多結晶化する際、
磁場又は電場を印加することによって結晶粒の結晶方位
を一定方向に揃えている。これにより、多結晶半導体薄
膜を活性層とする薄膜トランジスタのキャリア移動度を
改善することができる。又、この為に用いるレーザ結晶
化装置はチャンバ全体を一定方向の磁場中又は電場中に
配するだけでよく、比較的簡単な装置構成で済む。
As described above, according to the present invention,
When polycrystalline non-single-crystal semiconductor thin film such as amorphous silicon formed on an insulating substrate by laser irradiation,
By applying a magnetic field or an electric field, the crystal orientation of the crystal grains is aligned in a certain direction. Thereby, the carrier mobility of the thin film transistor having the polycrystalline semiconductor thin film as the active layer can be improved. In addition, the laser crystallization apparatus used for this purpose only needs to arrange the entire chamber in a magnetic field or an electric field in a certain direction, and requires a relatively simple apparatus configuration.

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

【図1】本発明に係るレーザ結晶化装置を示す模式的な
ブロック図である。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a laser crystallization apparatus according to the present invention.

【図2】本発明に係るレーザ結晶化装置の他の例を示す
模式的なブロック図である。
FIG. 2 is a schematic block diagram showing another example of the laser crystallization apparatus according to the present invention.

【図3】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法を示
す工程図である。
FIG. 3 is a process chart showing a method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention.

【図4】本発明に従って作成された薄膜トランジスタを
用いた表示装置の一例を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of a display device using a thin film transistor manufactured according to the present invention.

【図5】本発明に係るレーザ結晶化装置の変形例を示す
模式図である。
FIG. 5 is a schematic view showing a modification of the laser crystallization apparatus according to the present invention.

【図6】本発明に係るレーザ結晶化装置の発展形態を示
す模式的な斜視図である。
FIG. 6 is a schematic perspective view showing a development of a laser crystallization apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

0・・・絶縁基板、4・・・半導体薄膜、20N・・・
磁極、20S・・・磁極、20p・・・電極、20n・
・・電極、25・・・磁場、25x・・・電場、30・
・・容器、31・・・ステージ、50・・・レーザ光、
51・・・レーザ光源、52・・・ミラー
0 ... insulating substrate, 4 ... semiconductor thin film, 20N ...
Magnetic pole, 20S: magnetic pole, 20p: electrode, 20n
..Electrode, 25 ... magnetic field, 25x ... electric field, 30.
..Container, 31 ... Stage, 50 ... Laser light,
51: laser light source, 52: mirror

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 久雄 愛知県知多郡東浦町緒川上舟木50番地 エ スティ・エルシーディ株式会社内 Fターム(参考) 5F052 AA02 AA24 BB07 DA02 DB03 EA12 JA01 5F110 AA01 BB02 CC08 DD02 EE03 EE04 EE23 FF02 FF03 FF30 GG02 GG13 GG17 GG25 GG32 GG34 GG45 HJ01 HJ04 HJ13 HJ23 HL03 HL23 HM15 NN03 NN04 NN16 NN23 NN24 NN35 PP03 PP23 PP35 QQ09 QQ11 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Hisao Hayashi F-term (reference) 5F052 AA02 AA24 BB07 DA02 DB03 EA12 JA01 5F110 AA01 BB02 CC08 DD02 EE03 EE04 EE23 FF02 FF03 FF30 GG02 GG13 GG17 GG25 GG32 GG34 GG45 HJ01 HJ04 HJ13 HJ23 HL03 HL23 HM15 NN03 NN04 NN16 NN23 NN24 NN35 PP03 PP23 PP35 QQ09 QQ11

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板に形成された半導体薄膜に磁場を印
加しながらレーザ光を照射して、該半導体薄膜を一旦溶
融し冷却過程で結晶化せしめる半導体薄膜の結晶化方法
であって、 発光時間が100nsを超えるレーザ光のパルスを照射
して冷却過程に所定の時間幅を持たせ、その間に一定方
向の磁場を作用させて半導体薄膜に含まれる結晶粒の結
晶方位を揃えることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方
法。
1. A method of crystallizing a semiconductor thin film, wherein the semiconductor thin film formed on a substrate is irradiated with laser light while applying a magnetic field, and the semiconductor thin film is once melted and crystallized in a cooling process. Is characterized by irradiating a pulse of laser light exceeding 100 ns to give a predetermined time width to the cooling process, and applying a magnetic field in a certain direction during that time to align crystal orientations of crystal grains contained in the semiconductor thin film. A method for crystallizing a semiconductor thin film.
【請求項2】 レーザ光源から発したレーザ光を照射す
る時、レーザ光源とは別に設けたランプ光源から発した
ランプ光を半導体薄膜に照射して冷却過程の時間を延長
化することを特徴とする請求項1記載の半導体薄膜の結
晶化方法。
2. The method according to claim 1, wherein when irradiating laser light emitted from the laser light source, the semiconductor thin film is irradiated with lamp light emitted from a lamp light source provided separately from the laser light source to extend the cooling process time. The method for crystallizing a semiconductor thin film according to claim 1.
【請求項3】 基板に形成された半導体薄膜に磁場を印
加しながらレーザ光を照射して、該半導体薄膜を一旦溶
融し冷却過程で結晶化せしめるレーザ結晶化装置であっ
て、 処理対象となる基板を載置するステージと、該ステージ
を格納する容器と、レーザ光を発生するレーザ光源と、
該レーザ光を該ステージに載置された基板に導く光学系
と、該ステージ及び該光学系の少なくとも一部を収納す
る該容器の全体に一定方向の磁場を印加する磁場発生器
とからなり、 レーザ光を照射して該半導体薄膜を一旦溶融し冷却過程
で一定方向の磁場を作用させ半導体薄膜に含まれる結晶
粒の結晶方位を揃えることを特徴とするレーザ結晶化装
置。
3. A laser crystallization apparatus for irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser beam while applying a magnetic field to melt the semiconductor thin film and crystallize the semiconductor thin film in a cooling process. A stage for mounting a substrate, a container for storing the stage, and a laser light source that generates laser light,
An optical system that guides the laser light to a substrate mounted on the stage, and a magnetic field generator that applies a magnetic field in a fixed direction to the whole of the stage and at least a part of the container that houses the optical system, A laser crystallization apparatus characterized by irradiating a laser beam to once melt the semiconductor thin film and applying a magnetic field in a certain direction during a cooling process to align crystal orientations of crystal grains contained in the semiconductor thin film.
【請求項4】 所定の間隙を介して互いに接合した一対
の基板と、該間隙に保持された電気光学物質とを有し、
一方の透明基板には対向電極を形成し、他方の絶縁基板
には画素電極及びこれを駆動する薄膜トランジスタを形
成し、該薄膜トランジスタを、半導体薄膜とその一面側
にゲート絶縁膜を介して重ねられたゲート電極とで形成
した表示装置の製造方法であって、 該絶縁基板の表面に半導体薄膜を形成する成膜工程と、
該絶縁基板に形成された半導体薄膜に磁場を印加しなが
らレーザ光を照射して該半導体薄膜を一旦溶融し冷却過
程で結晶化せしめるアニール工程と、結晶化された該半
導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを形成する加
工工程とを含み、 前記アニール工程は、発光時間が100nsを超えるレ
ーザ光のパルスを照射して冷却過程に所定の時間幅を持
たせ、その間に一定方向の磁場を作用させて半導体薄膜
に含まれる結晶粒の結晶方位を揃えることを特徴とする
表示装置の製造方法。
4. It has a pair of substrates joined to each other via a predetermined gap, and an electro-optical material held in the gap,
A counter electrode was formed on one of the transparent substrates, a pixel electrode and a thin film transistor for driving the pixel electrode were formed on the other insulating substrate, and the thin film transistor was overlaid on one side of the semiconductor thin film via a gate insulating film. A method for manufacturing a display device formed with a gate electrode, comprising: a film forming step of forming a semiconductor thin film on a surface of the insulating substrate;
An annealing step of irradiating the semiconductor thin film formed on the insulating substrate with a laser beam while applying a magnetic field to once melt the semiconductor thin film and crystallizing the semiconductor thin film in a cooling process; and a thin film transistor using the crystallized semiconductor thin film as an active layer. The annealing step includes irradiating a pulse of laser light having a light emission time exceeding 100 ns to give a predetermined time width to the cooling process, and applying a magnetic field in a certain direction during the cooling process. A method for manufacturing a display device, comprising: aligning crystal orientations of crystal grains included in a thin film.
【請求項5】 絶縁基板に形成された半導体薄膜と、そ
の一面に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を
介して該半導体薄膜に重ねられたゲート電極とからなる
薄膜トランジスタであって、 該半導体薄膜は、エネルギービームの照射を受けて一旦
溶融した後冷却過程で多結晶化される際一定方向の磁場
の作用を受けて結晶粒の結晶方位が揃えられていること
を特徴とする薄膜トランジスタ。
5. A thin film transistor comprising: a semiconductor thin film formed on an insulating substrate; a gate insulating film formed on one surface thereof; and a gate electrode overlaid on the semiconductor thin film via the gate insulating film. The thin film transistor, wherein the semiconductor thin film is once melted by irradiation of an energy beam and then polycrystallized in a cooling process, and is subjected to the action of a magnetic field in a certain direction to have a uniform crystal orientation of crystal grains. .
【請求項6】 基板に形成された半導体薄膜にレーザ光
を照射して一旦溶融し冷却過程で結晶化せしめる半導体
薄膜の結晶化方法であって、 発光時間が100nsを超えるレーザ光のパルスを照射
して冷却過程に所定の時間幅を持たせ、その間に一定方
向の電場を作用させて半導体薄膜に含まれる結晶粒の結
晶方位を揃えることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方
法。
6. A method for crystallizing a semiconductor thin film, which comprises irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser beam to melt and crystallize the semiconductor thin film in a cooling process, wherein the semiconductor thin film is irradiated with a pulse of a laser beam having an emission time exceeding 100 ns. A method of crystallizing a semiconductor thin film, characterized in that a predetermined time width is given to a cooling process and an electric field in a certain direction is applied during the cooling process so as to align crystal orientations of crystal grains contained in the semiconductor thin film.
【請求項7】 レーザ光源から発したレーザ光を照射す
る時、レーザ光源とは別に設けたランプ光源から発した
ランプ光を半導体薄膜に照射して冷却過程の時間を延長
化することを特徴とする請求項6記載の半導体薄膜の結
晶化方法。
7. When irradiating laser light emitted from a laser light source, the semiconductor thin film is irradiated with lamp light emitted from a lamp light source provided separately from the laser light source to extend the cooling process time. The method for crystallizing a semiconductor thin film according to claim 6.
【請求項8】 基板に形成された半導体薄膜にレーザ光
を照射して一旦溶融し冷却過程で結晶化せしめるレーザ
結晶化装置であって、 処理対象となる基板を載置するステージと、該ステージ
を格納する容器と、レーザ光を発生するレーザ光源と、
該レーザ光を該ステージに載置された基板に導く光学系
と、該ステージ及び該光学系の少なくとも一部を収納す
る該容器の全体に一定方向の電場を印加する電場発生器
とからなり、 レーザ光を照射して該半導体薄膜を一旦溶融し冷却過程
で一定方向の電場を作用させ半導体薄膜に含まれる結晶
粒の結晶方位を揃えることを特徴とするレーザ結晶化装
置。
8. A laser crystallization apparatus for irradiating a semiconductor thin film formed on a substrate with a laser beam to once melt and crystallize in a cooling process, comprising: a stage on which a substrate to be processed is placed; And a laser light source that generates laser light,
An optical system that guides the laser light to a substrate mounted on the stage, and an electric field generator that applies an electric field in a fixed direction to the entirety of the stage and at least part of the container that houses the optical system, A laser crystallization apparatus characterized in that the semiconductor thin film is once melted by irradiating a laser beam and an electric field is applied in a certain direction during a cooling process to align crystal orientations of crystal grains contained in the semiconductor thin film.
【請求項9】 所定の間隙を介して互いに接合した一対
の基板と、該間隙に保持された電気光学物質とを有し、
一方の透明基板には対向電極を形成し、他方の絶縁基板
には画素電極及びこれを駆動する薄膜トランジスタを形
成し、該薄膜トランジスタを、半導体薄膜とその一面側
にゲート絶縁膜を介して重ねられたゲート電極とで形成
した表示装置の製造方法であって、 該絶縁基板の表面に半導体薄膜を形成する成膜工程と、
該絶縁基板に形成された半導体薄膜にレーザ光を照射し
て一旦溶融し冷却過程で結晶化せしめるアニール工程
と、結晶化された該半導体薄膜を活性層として薄膜トラ
ンジスタを形成する加工工程とを含み、 前記アニール工程は、発光時間が100nsを超えるレ
ーザ光のパルスを照射して冷却過程に所定の時間幅を持
たせ、その間に一定方向の電場を作用させて半導体薄膜
に含まれる結晶粒の結晶方位を揃えることを特徴とする
表示装置の製造方法。
9. A semiconductor device comprising: a pair of substrates joined to each other via a predetermined gap; and an electro-optical material held in the gap;
A counter electrode was formed on one of the transparent substrates, a pixel electrode and a thin film transistor for driving the pixel electrode were formed on the other insulating substrate, and the thin film transistor was overlaid on one side of the semiconductor thin film via a gate insulating film. A method for manufacturing a display device formed with a gate electrode, comprising: a film forming step of forming a semiconductor thin film on a surface of the insulating substrate;
An annealing step of irradiating the semiconductor thin film formed on the insulating substrate with laser light to once melt and crystallize in a cooling process, and a processing step of forming a thin film transistor using the crystallized semiconductor thin film as an active layer, The annealing step includes irradiating a pulse of laser light having a light emission time exceeding 100 ns to give a predetermined time width to the cooling process, and by applying an electric field in a certain direction during the irradiation, the crystal orientation of the crystal grains contained in the semiconductor thin film. A method for manufacturing a display device, comprising:
【請求項10】 絶縁基板に形成された半導体薄膜と、
その一面に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜
を介して該半導体薄膜に重ねられたゲート電極とからな
る薄膜トランジスタであって、 該半導体薄膜は、エネルギービームの照射を受けて一旦
溶融した後冷却過程で多結晶化される際一定方向の電場
の作用を受けて結晶粒の結晶方位が揃えられていること
を特徴とする薄膜トランジスタ。
10. A semiconductor thin film formed on an insulating substrate,
A thin film transistor including a gate insulating film formed on one surface thereof and a gate electrode overlaid on the semiconductor thin film with the gate insulating film interposed therebetween, wherein the semiconductor thin film is once melted by being irradiated with an energy beam. A thin film transistor characterized in that the crystal orientation of crystal grains is aligned by the action of an electric field in a certain direction when polycrystallized in a post-cooling process.
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