(57)【要約】【課題】  均一かつ長いラテラル成長距離を有する多結晶半導体薄膜を効率よく製造できる多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】  ラテラル成長させた多結晶を有する多結晶半導体薄膜の製造方法であって、半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有する第１のレーザ光を該半導体薄膜の第１照射領域に照射する工程と、該半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を、該第１照射領域を包含する第２照射領域に照射する工程と、を含む工程を含む多結晶半導体薄膜の製造方法に関する。第１のレーザ光の光軸は半導体薄膜表面に対して垂直方向であり、かつ第２のレーザ光の光軸は半導体薄膜表面に対して斜め方向であることが好ましい。【選択図】        図２
2006196539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラテラル成長させた多結晶を有する多結晶半導体薄膜の製造方法であって、
半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有する第１のレーザ光を前記半導体薄膜の第１照射領域に照射する工程と、
前記半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を、前記第１照射領域を包含する第２照射領域に照射する工程と、
を含む、多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１のレーザ光の光軸が前記半導体薄膜表面に対して垂直方向であり、かつ前記第２のレーザ光の光軸が前記半導体薄膜表面に対して斜め方向である、請求項１に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記第１照射領域および前記第２照射領域がいずれも複数の矩形をなし、前記第１のレーザ光がパルス放射レーザ光であり、かつ、前記第２のレーザ光の光軸の前記半導体薄膜表面に対する正射影の方向が、前記第１照射領域の短辺方向となるように設定される、請求項１または２に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記第１のレーザ光が紫外域の範囲の波長を有し、前記第２のレーザ光が可視域から赤外域の範囲の波長を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
ラテラル成長させた多結晶を有する多結晶半導体薄膜の製造装置であって、
半導体薄膜が形成された基板を保持するための保持手段と、レーザ光照射位置の精密位置決め手段と、前記半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有するパルス状の第１のレーザ光を放射する第１のレーザ光源と、前記半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を放射する第２のレーザ光源と、前記第１のレーザ光の照射領域を調整するための第１照射領域調整手段と、前記第２のレーザ光の照射領域を調整するための第２照射領域調整手段と、を備える、多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項６】
前記第１のレーザ光が前記半導体薄膜表面に対して垂直な方向に照射され、前記第２のレーザ光が前記半導体薄膜表面に対して斜め方向に照射されるように構成される、請求項５に記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項７】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光が矩形の照射領域を与えるようにビーム形状を調整する手段を有し、かつ、前記第２のレーザ光の光軸の前記半導体薄膜表面に対する正射影の方向が前記第１のレーザ光の照射領域の短辺方向となるように構成される、請求項５または６に記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項８】
前記精密位置決め手段には移動機構が設けられ、前記移動機構は、上軸と、前記上軸の両端部を挟んで直交する２つの平行軸である下軸とを少なくとも有するガントリー構造として形成され、かつ、前記移動機構の前記上軸上に前記保持手段が設けられ、前記移動機構を上軸方向に走査することによって、相対的に前記半導体薄膜上のレーザ光を走査する、請求項５〜７のいずれかに記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項９】
前記第１のレーザ光は紫外域の範囲の波長を有し、かつ前記第２のレーザ光は可視域から赤外域の範囲の波長を有する、請求項５〜８のいずれかに記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一かつ長いラテラル成長距離を有し、薄膜トランジスタ等に対して好ましく適用され得る多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置に関する。詳しくは、例えば、ガラス等の絶縁性基板上に形成された非晶質（アモルファス）シリコン膜や結晶性シリコン膜に対し、エネルギビームを照射して結晶化させ、または結晶性を向上させることを特徴とする多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタにおいては、非晶質もしくは多結晶のシリコンが活性層として用いられる。このうち、多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、電子の移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較し、多くの長所を有している。例えば、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。また、その他の長所として、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００３】
多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、ガラス基板にＣＶＤ法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、別途、非晶質シリコンを多結晶化する工程が必要である。通常、結晶化のアニ−ル工程は、６００℃以上の高温アニ−ル法によっておこなう場合、高温に耐える高価な基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。近年は短パルス発振のエキシマレーザを用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。
【０００４】
レーザによる結晶化技術は、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、該ガラス基板を走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径０．２〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融することによって、レーザ照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。上記の方法では、アモルファスシリコン薄膜のトランジスタに比べると、優れた特性のトランジスタが得られるものの、薄膜トランジスタのチャネル領域に対して結晶粒径は十分に大きいとは言えず、チャネル長方向に対して、多数の粒界が存在するため、移動度は単結晶シリコンに比べると小さく、また、トランジスタ特性のバラツキとして現れやすいという問題点があった。
【０００５】
そこで、さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすること、結晶の方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的に、近年、数多くの研究開発がなされている。特に、特許文献１にはスーパーラテラル成長と称する技術が開示されている。特許文献１に記載の方法は、パルスレーザをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融させ、溶融部分と未溶融部分との境界から横方向、すなわち、ガラス基板に水平な方向に結晶粒の成長を制御し、針状の結晶を得るものである。
【０００６】
スーパーラテラル成長は、レーザパルスを１回照射することで完了するが、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複させて、順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った大結晶が得られるといった特長を有している。
【０００７】
ここで、通常のラテラル成長法およびスーパーラテラル成長法を例に説明する。図７は、通常のラテラル成長法によって得られる多結晶半導体薄膜の一例について説明する平面図である。
【０００８】
図７（ａ）において、たとえば、２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域７１の半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させると、溶融領域と未溶融領域との境界からラテラル成長方向７２ａおよび７２ｂ、すなわち、水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。もし、ラテラル成長距離７３ａおよび７３ｂに対して、溶融領域７１が２倍以上の長さを有する場合には、図７（ｂ）に示すように、レーザ照射領域の中央部に微細結晶領域７４が形成される。
【０００９】
一方図８は、スーパーラテラル成長法により得られる結晶の一例について説明する平面図である。スーパーラテラル成長法では、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複させるように順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるといった特徴を有している。
【００１０】
具体的には、図８（ａ）に示すように、たとえば、２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域８１ａの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させると、溶融領域と未溶融領域との境界からラテラル成長方向８２ａおよび８２ｂ、すなわち、水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。ここで、スーパーラテラル成長法では、ラテラル成長距離８３ａおよび８３ｂは約１μｍ程度である。
【００１１】
次に、図８（ａ）に示すように、再度２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域８１ｂの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させる。すると、図８（ｂ）に示すように、再び溶融領域と未溶融領域との境界から水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域８１ｂの中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。その結果、溶融領域８１ｂの中央部の一方では、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長することとなる。
【００１２】
続いて、図８（ｂ）に示すように、再度２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域８１ｃの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させて再結晶化させる。これらのステップを繰り返して、ｎ−１回のレーザ光の照射を行うと、図８（ｃ）に示すように、溶融領域８１ｄの中央部の一方では、既に成長した結晶を引継いで、非常に長い針状の結晶が成長することとなる。
【００１３】
そして、図８（ｃ）に示すように、ｎ回目の２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域８１ｅの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させて再結晶化させると、この非常に長い針状の結晶をさらに成長させることができる。
【００１４】
他にも、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４においては、少なくとも２本のレーザビームを用い、第１のレーザはアモルファスシリコンを溶融・再結晶させ、第２のレーザは、第１のレーザよりもアモルファスシリコン膜への吸収が小さく、ガラス基板を加熱・保温することを目的として照射し、第１のレーザ照射によるアモルファスシリコン膜の溶融時間を長くすることで、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることを目的とした技術が開示されている。
【００１５】
ここで、スーパーラテラル成長においては、上述した通り、図８（ａ）におけるラテラル成長距離８３ａおよび８３ｂは約１μｍ程度である。従って、薄膜トランジスタのチャネル長方向に対して粒界をなくす、すなわち、図８（ｃ）に示すような針状のシリコン長結晶を形成するためには、１回のレーザパルス照射で成長する結晶の長さの１／２〜２／３程度の送りピッチ、すなわち０．５〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチで、レーザパルス照射を繰返し行なう必要がある。
【００１６】
このため、上記スーパーラテラル成長法を用いて、表示装置などに用いる基板複合体の全面にわたってシリコンを結晶化するには、極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題がある。
【００１７】
また、２本のレーザを用い、アモルファスシリコン膜の溶融時間を長くすることによって大結晶粒を得る方法においては、結晶粒の大きさ自体は１〜２μｍ程度と大きくなるものの、レーザ照射領域全面にわたっていたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されるため、トランジスタのチャネル方向に対して多結晶シリコンの粒界が存在することとなり、電子移動度の大きな改善が望めないのが現状である。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特許第３２１３３３８号公報
【特許文献３】特許第３２２１１４９号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記の課題を解決し、レーザ光の照射による半導体薄膜の１回の溶融、結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離を長くして、良質の多結晶半導体領域を有する多結晶半導体薄膜を効率よく製造できる、多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、ラテラル成長させた多結晶を有する多結晶半導体薄膜の製造方法であって、
半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有する第１のレーザ光を該半導体薄膜の第１照射領域に照射する工程と、該半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を、該第１照射領域を包含する第２照射領域に照射する工程と、を含む多結晶半導体薄膜の製造方法に関する。
【００２０】
本発明においては、第１のレーザ光の光軸が半導体薄膜表面に対して垂直方向であり、かつ第２のレーザ光の光軸が半導体薄膜表面に対して斜め方向であることが好ましい。
【００２１】
また、第１照射領域および第２照射領域がいずれも複数の矩形をなし、第１のレーザ光がパルス放射レーザ光であり、かつ、第２のレーザ光の光軸の半導体薄膜表面に対する正射影の方向が、該第１照射領域の短辺方向となるように設定されることが好ましい。
【００２２】
さらに、第１のレーザ光が紫外域の範囲の波長を有し、第２のレーザ光が可視域から赤外域の範囲の波長を有することが好ましい。
【００２３】
本発明はまた、ラテラル成長させた多結晶を有する多結晶半導体薄膜の製造装置であって、半導体薄膜が形成された基板を保持するための保持手段と、レーザ光照射位置の精密位置決め手段と、該半導体薄膜を厚み方向にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有するパルス状の第１のレーザ光を放射する第１のレーザ光源と、該半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を放射する第２のレーザ光源と、該第１のレーザ光の照射領域を調整するための第１照射領域調整手段と、該第２のレーザ光の照射領域を調整するための第２照射領域調整手段と、を備える多結晶半導体薄膜の製造装置に関する。
【００２４】
本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置は、第１のレーザ光が半導体薄膜表面に対して垂直な方向に照射され、第２のレーザ光が該半導体薄膜表面に対して斜め方向に照射されるように構成されることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置は、第１のレーザ光および第２のレーザ光が矩形の照射領域を与えるようにビーム形状を調整する手段を有し、かつ、第２のレーザ光の光軸の半導体薄膜表面に対する正射影の方向が該第１のレーザ光の照射領域の短辺方向となるように構成されることが好ましい。
【００２６】
さらに、本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置における精密位置決め手段には移動機構が設けられ、該移動機構は、上軸と、該上軸の両端部を挟んで直交する２つの平行軸である下軸とを少なくとも有するガントリー構造として形成され、かつ、該移動機構の該上軸上に保持手段が設けられ、該移動機構を上軸方向に走査することによって、相対的に半導体薄膜上のレーザ光を走査する構成とされることが好ましい。
【００２７】
本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置においては、第１のレーザ光が紫外域の範囲の波長を有し、かつ第２のレーザ光が可視域から赤外域の範囲の波長を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、基板上に形成された半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融、結晶化させるエネルギー量を有する第１のレーザ光と、該半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光とを少なくとも照射することにより、半導体薄膜の溶融時間が長く確保され、針状結晶のラテラル成長距離の増大を図ることができる。これにより半導体薄膜内に長い針状結晶を容易にラテラル成長させることができ、良質な多結晶半導体薄膜が形成され、均一かつ良好な半導体特性を与える多結晶半導体薄膜を効率良く製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明においては、好ましくはスリット状とされ、半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有する第１のレーザ光が照射される第１照射領域において半導体薄膜が溶融し、ラテラル成長による結晶化が引き起こされる。さらに、第１照射領域を含む第２照射領域に第２のレーザ光を照射することで、半導体薄膜の溶融時間が長く確保される。この場合、急冷による結晶粒の生成および微細結晶のランダム方向への成長が防止され、針状結晶のラテラル成長距離の増大を図ることができる。
【００３０】
また、第１のレーザ光を半導体薄膜表面に対して垂直な方向に照射するのに対し、第２のレーザ光を半導体薄膜表面に対して斜め方向に照射する場合には、各々のレーザ光の利用効率を最大限に向上させることができる。さらに、第１のレーザ光および第２のレーザ光をいずれも矩形の照射領域を与えるレーザ光とし、第２のレーザ光の照射光軸の該半導体薄膜表面に対する正射影の方向を該第１のレーザ光の照射領域の短辺方向として、針状結晶をラテラル成長させることが好ましい。この場合、第２のレーザ光の照射方向が半導体薄膜表面に対して斜め方向であっても矩形の照射領域内におけるラテラル成長距離を同一とすることができ、製造効率の向上と半導体特性の均一化が可能となる。以下に本発明の典型的な実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００３１】
本発明において使用される第１のレーザ光は、半導体薄膜を溶融、結晶化させることが可能であれば特に限定されるものでないが、たとえば、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）等に代表される各種固体レーザ等、比較的半導体薄膜に吸収されやすい波長域である紫外域の波長を有するレーザ光であることが望ましい。
【００３２】
また第２のレーザ光は、第１のレーザ光より半導体薄膜における吸収率が小さく、かつ、半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有するレーザ光であれば特に限定されるものではないが、たとえば、炭酸ガスレーザ（波長１０．６μｍ）等に代表される各種気体レーザ等、可視域から赤外域の範囲の波長を有するレーザ光であることが望ましい。
【００３３】
上記のような第１のレーザ光および第２のレーザ光が採用される場合、該第１のレーザ光の照射により溶融した半導体薄膜の急冷が該第２のレーザ光の照射により防止され、より長い針状結晶をラテラル成長させることができる。特に好ましい組合せとしては、第１のレーザ光としてＸｅＣｌエキシマレーザ、第２のレーザ光として炭酸ガスレーザをそれぞれ用いる組合せが挙げられる。
【００３４】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明において製造される多結晶半導体薄膜を示す断面図である。本発明においては、たとえばＴＦＴ基板となるガラス基板１１の上に、好ましくは下地膜１２を介して多結晶半導体薄膜１３が形成される。ここで下地膜１２は、ガラス基板１１からの不純物の拡散を防止するための不純物拡散防止層として形成され、無機絶縁膜、特に二酸化シリコン膜が好ましく使用される。なお下地膜１２の形成方法としては、蒸着、スパッタ成膜、ＣＶＤ等の公知の方法が好ましく採用され得る。
【００３５】
本発明における多結晶半導体薄膜１３としてはアモルファスシリコン膜が形成されることが好ましい。本実施の形態においては、ガラス基板上に下地膜としての二酸化シリコン膜を介してアモルファスシリコン膜を形成する場合について説明する。該アモルファスシリコン膜はたとえばＣＶＤ法により形成することができるが、成膜方法はこれに限定されず、スパッタ、蒸着法などを用いることが可能である。多結晶半導体薄膜１３としてのアモルファスシリコン膜の厚さは、本発明の半導体薄膜が形成されてなる半導体装置が適用されるトランジスタ等において求められる特性やプロセス条件などにより様々であるが、数十ｎｍから数百ｎｍ、特に典型的には３０ｎｍから１００ｎｍ程度の範囲の膜厚が好ましく採用され得る。なお本実施の形態においては５０ｎｍとすることができる。
【００３６】
この後、設定された照射領域において、アモルファスシリコン膜を厚み方向全域にわたって溶融、結晶化させ得るエネルギー量を有する第１のレーザ光と、設定された照射領域においてアモルファスシリコン膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を、それぞれアモルファスシリコン膜上の設定された領域に照射する。具体的には、第１のレーザ光が照射される第１照射領域と、該第１照射領域を包含し、第２のレーザ光が照射される第２照射領域とをそれぞれ設定し、該第１照射領域に第１のレーザ光を照射するとともに、第２照射領域に第２のレーザ光を照射する。第１照射領域および第２照射領域は、レーザ光および／または半導体薄膜の走査により半導体薄膜上を移動する。これにより、シリコン針状結晶が半導体薄膜中にラテラル成長する。本実施の形態においては、第１のレーザ光にＸｅＣｌエキシマレーザ、第２のレーザ光に炭酸ガスレーザを用いる場合について説明する。
【００３７】
図２は、本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置の構成を示す概略図である。図２に示す製造装置には、半導体薄膜が形成された基板を保持するための保持手段２０１と、該保持手段２０１を固定した、レーザ光照射位置の精密位置決め手段２０４と、半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融させ得るエネルギー量を有するパルス状の第１のレーザ光を放射する第１のレーザ光源２０６と、半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を放射する第２のレーザ光源２１２と、第１のレーザ光の照射領域を調整するための第１照射領域調整手段と、第２のレーザ光の照射領域を調整するための第２照射領域調整手段と、が設けられている。精密位置決め手段２０４は移動機構を有し、移動機構は、保持手段２０１が固定された上軸２０２と、該上軸２０２の両端部を挟んで直交する２つの平行軸である下軸２０３とを少なくとも有するガントリー構造として形成される。該保持手段２０１を上軸方向に走査することによって、ガラス基板２０５に形成された半導体薄膜上においてレーザ光が相対的に走査される。
【００３８】
図２に示す製造装置においては、第１のレーザ光源２０６としてのレーザ発振器から照射され、エキスパンダ、ホモジナイザなどの光学素子群２０７により適当なビームサイズに変換され、さらにレーザ光の照射領域のエネルギー分布が均一になるようビーム断面内の光強度の一様化が図られたビーム光が、第１照射領域調整手段を経てガラス基板２０５に形成された半導体薄膜上に第１のビーム光として照射される。
【００３９】
第１照射領域調整手段としては、たとえば図２に示すような、ミラー２０８、フィールドレンズ２０９、フォトマスク２１０、結像レンズ２１１等が設けられる。すなわち、上記の光学素子群２０７から放射されたレーザ光は、ミラー２０８にて反射し、フィールドレンズ２０９、フォトマスク２１０を経て、複数の微細幅のスリット状エネルギビームとして形成された後、結像レンズ２１１で集光されることにより、ガラス基板２０５に形成された半導体薄膜上に第１のビーム光として照射される。
【００４０】
さらに、図２に示す製造装置は、第２のレーザ光源２１２としてのレーザ発振器、エキスパンダ、ホモジナイザなどの光学素子群２１３を有し、該レーザ発振器から放射され、該光学素子群２１３により適正なビームサイズに変換され、ビーム断面内の光強度の一様化が図られたレーザ光を、ミラー２１４にて反射させ、必要に応じて、フィールドレンズ２１５、結像レンズ２１６を介して、ガラス基板２０５上に第２のレーザ光として照射する。
【００４１】
本発明においては、第１のレーザ光と第２のレーザ光とが異なる光軸を有することが好ましい。この場合、第１のレーザ光および第２のレーザ光の干渉が防止され、レーザ光の利用効率が向上するという利点を有する。特に、第１のレーザ光が半導体薄膜表面に対して垂直な方向に照射され、第２のレーザ光が半導体薄膜表面に対して斜め方向に照射されるように構成されることが好ましい。図２に示す製造装置においては、第１のレーザ光が半導体薄膜表面に対して垂直な方向に照射され、第２のレーザ光が半導体薄膜表面に対して斜め方向に照射される場合の構成が示されている。
【００４２】
第２のレーザ光の入射角は、第１のレーザ光を照射するための光学機器、すなわち第１のレーザ光源２０６、光学素子群２０７、ミラー２０８、フィールドレンズ２０９、フォトマスク２１０、結像レンズ２１１等と機械的に干渉せず、かつ、ガラス基板２０５の表面において全反射となる角度より小さくなるよう設定されれば、特に限定されるものではないが、たとえば２０°〜４５°程度の範囲で設定されれば良い。本実施の形態においては、第１のビーム光源２０６から照射される第１のビーム光の照射方向は、ガラス基板２０５に対して垂直の方向、すなわち入射角０°とされ、第２のビーム光源から照射される第２のビーム光の照射方向は、ガラス基板２０５に対して斜めの方向とされ、該第２のレーザ光の入射角は４５°とされることができる。
【００４３】
第１のレーザ光源２０６および第２のレーザ光源２１２は、上記のような第１のレーザ光および第２のレーザ光をそれぞれ放射できるものであれば限定されないが、第１のレーザ光および／または第２のレーザ光がパルス状に照射される場合には、第１のレーザ光源２０６および第２のレーザ光源２１２としてパルス状のレーザ光を放射できるものが使用される。
【００４４】
本発明における第１のレーザ光および第２のレーザ光は、いずれも照射領域表面のエネルギー分布が実質的に均一になるように調整されることが好ましい。これによりレーザ光の照射領域内の位置によるラテラル成長速度のばらつきを小さくすることができ、均一な結晶化が可能である。
【００４５】
また、本発明における第１のレーザ光および第２のレーザ光のビーム形状としては、矩形、円系、楕円形等の種々の形状の照射領域を与えるものが採用できるが、半導体薄膜の表面方向、すなわち水平方向におけるレーザ光の照射時間のばらつきをなくすとともに、効率良く結晶化を進行させるという点で、矩形の照射領域を与えるビーム形状を有することが好ましい。なお本発明における矩形とは特に長方形を意味する。本実施の形態においては、第１のレーザ光および第２のレーザ光の照射領域がいずれも矩形とされる場合について説明する。
【００４６】
第１のレーザ光源２０６から放射されたビームは、エキスパンダにより適当なビームサイズに変換され、ホモジナイザにより、ビーム断面内の光強度の一様化が図られ、フィールドレンズ２０９を経てフォトマスク２１０に照射される。ここでビームエキスパンダは望遠系もしくは縮小系を有する光学系であり、フォトマスク２１０上の照射領域の大きさを決めるものである。ホモジナイザはレンズアレーもしくはシリンドリカルレンズアレーにより構成され、ビームを分割し再合成することで、マスク上の照射領域内での光強度の一様化を図るものである。また、フィールドレンズ２０９は、フォトマスク２１０を透過した主光線を結像面に垂直に入射させる機能を有する。フォトマスク２１０の開口部は、微細幅の矩形状を有する複数のスリットパターンとして構成されており、フォトマスク２１０を透過したレーザ光は、微細幅の矩形状を有する複数のスリット状エネルギビームとして、ガラス基板２０５に照射される。ここで、フォトマスク２１０におけるスリットパターンの幅は、ガラス基板２０５の照射に必要なスリット状エネルギビームの幅と、結像レンズ２１１の結像倍率によって決定されるものであるが、スリット状エネルギビームの幅が、溶融した半導体薄膜の結晶化時におけるラテラル成長距離、すなわち生成する針状結晶の長さの２倍程度の寸法となるように調整されることが望ましい。具体的には、本実施の形態においてアモルファスシリコン膜をラテラル成長させる場合、ラテラル成長距離は約５μｍ〜約２０μｍとなるため、スリット状エネルギビームの幅は約１０μｍ〜約４０μｍとすることが望ましい。したがって、たとえば結像レンズ２１１の結像倍率を１／４とした場合、フォトマスク２１０におけるスリットパターンの幅は約４０μｍ〜約１６０μｍとすることができる。本実施の形態においては、該スリット状エネルギビームの幅を２０μｍとし、結像倍率が１／４である結像レンズ２１１を用いるため、フォトマスク２１０におけるスリットパターンの幅は８０μｍとなる。
【００４７】
本実施の形態においては第２のレーザ光源２１２から照射される第２のレーザ光として炭酸ガスレーザ光を用いる。第２のレーザ光源２１２から放射されたビームはエキスパンダにより適当なビームサイズに変換され、ホモジナイザにより、ビーム断面内の光強度の一様化が図られる。ここでビームエキスパンダは望遠系もしくは縮小系を有する光学系であり、ホモジナイザへの入射領域の大きさを決めるものである。炭酸ガスレーザの場合、干渉性が高いため、回折光学素子もしくは非球面レンズにより構成される該ホモジナイザによって、ガラス基板２０５上の照射領域内における光強度の一様化を図ることが好ましい。
【００４８】
本実施の形態における第２のレーザ光としての炭酸ガスレーザ光は、アモルファスシリコン膜が溶融しない程度のエネルギー量で照射されるが、炭酸ガスレーザによる照射領域、すなわち本発明における第２照射領域は、少なくとも第１のレーザ光としてのエキシマレーザ光の照射領域、すなわち本発明における第１照射領域と同等、もしくは、該エキシマレーザ光の照射領域を包含し、該照射領域より広い領域とすることが望ましい。
【００４９】
本発明における第２のレーザ光はパルス状とされることが好ましい。この場合、半導体薄膜からの針状結晶のラテラル成長を均一な速度で進行させることができる。本実施の形態においても、第２のレーザ光としての炭酸ガスレーザ光はパルス状とされる。パルス状の第２のレーザ光のパルス幅は、該レーザ光のピーク強度によって変動させることができるが、たとえば数十μｓから数ｍｓとされることができる。
【００５０】
さらに、均一な針状結晶をラテラル成長させるため、本発明においては、第１のビーム光および第２のビーム光がともにパルス状とされることが好ましい。この場合、第２のレーザ光のパルス幅が、第１のレーザ光のパルス幅に比べて十分大きくされることが好ましい。この場合、半導体薄膜の溶融時間が十分長く確保されるため、より長い針状結晶をラテラル成長させることが可能である。
【００５１】
本発明においては、第１のレーザ光の照射が第２のレーザ光の照射と同時に行なわれることが好ましく、また、第１のレーザ光の照射が第２のレーザ光の照射の直前または直後に行なわれることも好ましい。これらの場合、第１のレーザ光の照射による半導体薄膜の溶融時に、溶融部位の温度が第２のレーザ光の照射によって一定以上に保たれ、溶融した半導体薄膜の急冷が防止されることにより、より長い針状結晶をラテラル成長させることが可能である。
【００５２】
本発明においては、フォトマスク２１０上に複数のスリットパターンを形成することにより、効率良くパルス状ビームの照射を行なうことができる。図３は、実施の形態１において適用されるスリットパターンの形状を示す図である。本実施の形態においては、図３に示すような開口部を有するスリットパターンを用いる。図３におけるスリットパターンは、大きく分けて２つのスリットパターン群より構成されており、第１のスリットパターン群３１は、スリットの幅方向に等間隔に複数のスリットパターンが並ぶ構成とされている。第２のスリットパターン群３２は、第１のスリットパターン群３１を構成する複数のスリットパターンの間隔と等しい間隔で、かつ第１のスリットパターン群３１を構成する複数のスリットパターンと同様の寸法の複数のスリットパターンが並ぶ構成とされている。第２のスリットパターン群３２は、第１のスリットパターン群３１から、該第１のスリットパターン群３１を構成する複数のスリットパターンの長さ方向に、該スリットパターンの長さ分、もしくは、該スリットパターンの長さ分よりも若干大きい距離をあけて構成される。さらに、該第２のスリットパターン群３２の各スリットパターンの幅方向における中心３４は、該第１のスリットパターン群３１を構成する各スリットパターンの間隔の中心３５、すなわち、第１のスリットパターン群３１の各スリットパターンの間に存在する遮光部の中心と、幅方向において一致する位置関係となるように構成されている。上記構成のフォトマスクを通して、第１のレーザ光であるエキシマレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することで、スリットパターンの開口部３３におけるアモルファスシリコン膜が溶融、結晶化されるが、この時、ガラス基板２０５を、スリットパターンの長さ方向である矢印３６の方向に走査することで、相対的に第１のレーザ光がガラス基板２０５上に形成された半導体薄膜の表面において走査され、ラテラル成長によるシリコンの針状結晶を作製することができる。
【００５３】
図４および図５は、実施の形態１における針状結晶のラテラル成長について説明する図である。まず、第１のスリットパターン群３１および第２のスリットパターン群３２の開口部３３から透過させた第１のレーザ光としてのエキシマレーザ光を用い、第１のスリットパターン群３１の開口部に対応する第１照射領域４１、および第２のスリットパターン群３２の開口部に対応する第１照射領域４２に対して１回目のパルス照射を行ない、第１照射領域４１および４２のアモルファスシリコン膜を溶融、結晶化させる。続いて、移動機構によりガラス基板を矢印３６の方向に移動させ、上記で１回目のパルス照射が行なわれた第１照射領域４１と、第２のスリットパターン群３２の開口部とを、スリットパターン長さ方向において一致させる。この位置で、１回目と同様の第１のレーザ光を用いた２回目のパルス照射を行ない、アモルファスシリコン膜を溶融、結晶化させる。すなわち、１回目のパルス照射の際に第１照射領域４１においてラテラル成長させた針状結晶に対し、第１照射領域５１の位置で第１のレーザ光の２回目のパルス照射がされることとなる。これにより、１回目のパルス照射でラテラル成長させた針状結晶の引き継がれ、長いラテラル成長距離５２を有する針状結晶を得ることができる。なお本実施の形態においては、第１のレーザ光としてのエキシマレーザ光のパルス照射と同時に、すべての第１照射領域４１および４２を包含する矩形状の第２照射領域に第２のレーザ光としての炭酸ガスレーザ光が照射される。
【００５４】
本実施の形態においては、図３に示すスリットパターンの幅３７を８０μｍ、各スリットパターン幅の間隔３８を６４μｍとしている。さらに、結像倍率１／４の結像レンズ２１１を用い、上記２回のパルス照射工程で、第１のレーザ光としてのエキシマレーザ光、および、第２のレーザ光としての炭酸ガスレーザ光を用いて結晶化を行なうことにより、ガラス基板上において、図５に示すラテラル成長距離５２、すなわち針状結晶の長さが１８μｍという巨大な針状結晶を隙間なく作製することが可能となる。
【００５５】
ここで、本実施の形態の構成においては、第２のレーザ光としての炭酸ガスレーザを、ガラス基板に対して斜め方向に照射する。ホモジナイザを用いてビーム光軸に垂直な断面での強度均一化を行なった場合、ガラス基板表面におけるビームの強度分布が焦点距離の違いにより若干均一でなくなるため、上記フォトマスクによる結晶化の方向によっては、照射領域内においてラテラル成長距離が均一でなくなる可能性が生じる。具体的には、炭酸ガスレーザ光の照射光軸のガラス基板表面に対する正射影に対して垂直の方向をエキシマレーザ光の矩形状の照射領域の短辺とすると、該照射領域の長辺方向におけるビームの強度不均一が生じ、各スリットパターンにおけるラテラル成長距離が均一でなくなる可能性が生じる。
【００５６】
このため、本実施の形態においては、炭酸ガスレーザ光の照射光軸のガラス基板表面に対する正射影に対して平行な方向をエキシマレーザ光の矩形状の照射領域の短辺とし、スリットパターン群全域においてラテラル成長距離が均一となるよう構成することが好ましい。
【００５７】
＜実施の形態２＞
図６は、実施の形態２において適用されるスリットパターンの形状を示す図である。本実施の形態においては、たとえば図２に示されるフォトマスク２１０に、図６に示すような開口部を有するスリットパターンを用いる。図６におけるスリットパターンは、大きく分けて４つのスリットパターン群より構成されており、スリットパターン群６１は、スリットの幅方向に等間隔に複数のスリットパターンが並ぶ構成とされている。スリットパターン群６２は、スリットパターン群６１を構成する複数のスリットパターンの間隔と等しい間隔で、かつスリットパターン群６１を構成する複数のスリットパターンと同様の寸法の複数のスリットパターンが並ぶ構成とされている。スリットパターン群６２は、スリットパターン群６１から、該スリットパターン群６１を構成するスリットパターンの長さ方向に、該スリットパターンの長さ分、または、該スリットパターンの長さ分よりも若干大きい距離をあけて構成される。スリットパターン群６３、スリットパターン群６４は、スリットパターン群６２とスリットパターン群６３との位置関係、スリットパターン群６３とスリットパターン群６４との位置関係がそれぞれスリットパターン群６１とスリットパターン群６２との位置関係と同様になるように構成される。
【００５８】
本実施の形態においては、実施の形態１と同様に、ガラス基板を保持する保持手段が移動手段の上軸方向に走査されることにより、ガラス基板上に形成された半導体薄膜の表面において相対的に第１のレーザ光が走査される。すなわち、スリットパターンの長さ方向である矢印６５の方向に第１のレーザ光が走査されることにより針状結晶をラテラル成長させる。図６に示すスリットパターンにおいては、スリットパターン群６１とスリットパターン群６２との間、スリットパターン群６２とスリットパターン群６３との間、スリットパターン群６３とスリットパターン群６４との間のそれぞれにおける、スリットパターン幅方向のずれ量は、スリットパターン幅の約１／４から１／２に設定されている。
【００５９】
本実施の形態においては、スリットパターン群６１，６２，６３，６４の開口部から透過させた第１のレーザ光としてのエキシマレーザ光を用い、スリットパターン群６１，６２，６３，６４の開口部に対応する第１照射領域に対して１回目のパルス照射を行ない、第１照射領域のアモルファスシリコン膜を溶融、結晶化させる。続いて、移動機構によりガラス基板を矢印６５の方向に移動させ、スリットパターン群６１の開口部に対応する１回目のパルス照射がされた領域と、スリットパターン群６２の開口部とを、スリットパターン長さ方向において一致させる。この位置で、１回目と同様の第１のレーザ光を用いた２回目のパルス照射を行ない、アモルファスシリコン膜を溶融、結晶化させる。これにより、１回目のパルス照射でラテラル成長させた針状結晶が引き継がれる。移動機構により上記と同様の距離だけガラス基板を矢印６５の方向に移動させて３回目のパルス照射を行ない、さらに上記と同様の距離だけガラス基板を矢印６５の方向に移動させて４回目のパルス照射を行なう。これらの操作により、１回目のパルス照射でラテラル成長させた針状結晶が、２〜４回目のパルス照射において順次引き継がれ、長いラテラル成長距離を有する針状結晶を得ることができる。なお本実施の形態においては、実施の形態１と同様、第１のレーザ光としてのエキシマレーザ光のパルス照射と同時に、第１照射領域を包含する第２照射領域に第２のレーザ光としての炭酸ガスレーザ光が照射される。
【００６０】
なお本実施の形態においては、スリットパターン群６１，６２，６３，６４を構成するスリットパターンの長さは４０００μｍ、幅は８０μｍ、スリットパターンの幅方向の間隔は１２０μｍ、スリットパターンの長さ方向の間隔は２０μｍに設定されている。なお本実施の形態においては、上記した操作以外は実施の形態１と同様の操作を行ない、針状結晶をラテラル成長させることができる。
【００６１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、良質の多結晶半導体領域を有し、均一かつ良好な半導体特性を与える多結晶半導体薄膜を容易かつ効率よく製造することができるため、たとえば電子移動度の高い薄膜トランジスタ等の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明において製造される多結晶半導体薄膜を示す断面図である。
【図２】本発明の多結晶半導体薄膜の製造装置の構成を示す概略図である。
【図３】実施の形態１において適用されるスリットパターンの形状を示す図である。
【図４】実施の形態１における針状結晶のラテラル成長について説明する図である。
【図５】実施の形態１における針状結晶のラテラル成長について説明する図である。
【図６】実施の形態２において適用されるスリットパターンの形状を示す図である。
【図７】通常のラテラル成長法によって得られる多結晶半導体薄膜の一例について説明する平面図である。
【図８】スーパーラテラル成長法により得られる結晶の一例について説明する平面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１１  ガラス基板、１２  下地膜、１３  多結晶半導体薄膜、２０１  保持手段、２０２  上軸、２０３  下軸、２０４  精密位置決め手段、２０５  ガラス基板、２０６  第１のレーザ光源、２０７，２１３  光学素子群、２０８，２１４  ミラー、２０９，２１５  フィールドレンズ、２１０  フォトマスク、２１１，２１６  結像レンズ、２１２  第２のレーザ光源、２１７，３６，６５  矢印、３１  第１のスリットパターン群、３２  第２のスリットパターン群、３３  開口部、３４，３５  中心、３７  幅、３８  間隔、４１，４２，５１  第１照射領域、５２  ラテラル成長距離、６１，６２，６３，６４  スリットパターン群、７１，８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ，８１ｅ  溶融領域、７２ａ，７２ｂ，８２ａ，８２ｂ  ラテラル成長方向、７３ａ，７３ｂ，８３a，８３ｂ  ラテラル成長距離、７４  微細結晶領域。
【図１】
2006196539.tif 000003
【図２】
2006196539.tif 000004
【図３】
2006196539.tif 000005
【図４】
2006196539.tif 000006
【図５】
2006196539.tif 000007
【図６】
2006196539.tif 000008
【図７】
2006196539.tif 000009
【図８】
2006196539.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月11日(2006.5.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラテラル成長させた多結晶を有する多結晶半導体薄膜の製造方法であって、
半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有する第１のレーザ光を前記半導体薄膜の第１照射領域に照射する工程と、
前記半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を、前記第１照射領域を包含する第２照射領域に照射する工程と、
を含み、
前記第１照射領域および前記第２照射領域がいずれも複数の矩形をなし、前記第１のレーザ光がパルス放射レーザ光であり、かつ、前記第２のレーザ光の光軸の前記半導体薄膜表面に対する正射影の方向が、前記第１照射領域の短辺方向となるように設定される、多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１のレーザ光の光軸が前記半導体薄膜表面に対して垂直方向であり、かつ前記第２のレーザ光の光軸が前記半導体薄膜表面に対して斜め方向である、請求項１に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記第１のレーザ光が紫外域の範囲の波長を有し、前記第２のレーザ光が可視域から赤外域の範囲の波長を有する、請求項１または２に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
ラテラル成長させた多結晶を有する多結晶半導体薄膜の製造装置であって、
半導体薄膜が形成された基板を保持するための保持手段と、レーザ光照射位置の精密位置決め手段と、前記半導体薄膜を厚み方向全域にわたって溶融および結晶化させ得るエネルギー量を有するパルス状の第１のレーザ光を放射する第１のレーザ光源と、前記半導体薄膜を溶融させないエネルギー量を有する第２のレーザ光を放射する第２のレーザ光源と、前記第１のレーザ光の照射領域を調整するための第１照射領域調整手段と、前記第２のレーザ光の照射領域を調整するための第２照射領域調整手段と、
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光が矩形の照射領域を与えるようにビーム形状を調整する手段と、
を有し、かつ、前記第２のレーザ光の光軸の前記半導体薄膜表面に対する正射影の方向が前記第１のレーザ光の照射領域の短辺方向となるように構成され、
前記精密位置決め手段には移動機構が設けられ、前記移動機構は、上軸と、前記上軸の両端部を挟んで直交する２つの平行軸である下軸とを少なくとも有するガントリー構造として形成され、かつ、前記移動機構の前記上軸上に前記保持手段が設けられ、前記移動機構を上軸方向に走査することによって、相対的に前記半導体薄膜上のレーザ光を走査する、多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ光が前記半導体薄膜表面に対して垂直な方向に照射され、前記第２のレーザ光が前記半導体薄膜表面に対して斜め方向に照射されるように構成される、請求項４に記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。
【請求項６】
前記第１のレーザ光は紫外域の範囲の波長を有し、かつ前記第２のレーザ光は可視域から赤外域の範囲の波長を有する、請求項４または５に記載の多結晶半導体薄膜の製造装置。