(57)【要約】【課題】従来よりも厚膜でクラックのない多結晶シリコン膜をガラス基板等の異種基板上に作製した薄膜半導体装置を得ること。【解決手段】ガラス基板上に直接形成された多結晶シリコン膜において、その平均結晶粒面積が８０平方μｍ以上である薄膜半導体装置である。これは非晶質シリコン膜にレーザ光を走査して多結晶シリコンとする際、レーザ光強度の弱い領域１３で照射した後、レーザ光強度の強い領域１４で照射することで得られる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に直接形成された多結晶シリコン膜において、その平均結晶粒面積が８０平方μｍ以上であることを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜半導体装置において、
上記多結晶シリコン膜が、ガラス基板上に形成された熱緩衝層上に形成されていることを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の薄膜半導体装置において、
上記熱緩衝層が、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜のいずれかもしくはこれらの積層構造であることを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜半導体装置において、
上記ガラス基板が、その構成物質中に１％以上の不純物を含んでいることを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の薄膜半導体装置において、
上記ガラス基板が、アルミノシリケートガラスもしくはボロシリケートガラスからなることを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜半導体装置において、
上記多結晶シリコン膜は、膜厚が５００nm以上で平均結晶粒面積が１００平方μｍ以上であることを特徴とする薄膜半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜太陽電池、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；薄膜トランジスタ）用基板等の半導体素子基板や半導体素子（以下、これらを薄膜半導体装置と総称する）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非導電性の異種基板、例えばガラス基板などの上に結晶シリコン膜を形成する研究が盛んに行なわれている。この異種基板上に形成した結晶シリコン膜の用途は広く、ＴＦＴ、薄膜太陽電池などに用いることができる。
【０００３】
薄膜太陽電池は、安価な基板上に低温プロセスで良好な結晶性をもつ結晶シリコン膜を形成し、これを光電変換装置に用いて、低コスト化と高性能化を図るものである。この結晶シリコン膜を太陽電池に用いることによって、非晶質シリコンからなる太陽電池で問題となっている光劣化が観測されず、さらに非晶質シリコンからなる太陽電池では感度のない、長波長光をも電気的エネルギーに変換することができる。この技術は太陽電池のみならず、光センサなどの光電変換素子への応用も可能であると期待されている。
【０００４】
この結晶シリコン膜からなる太陽電池には、一般的にプラズマＣＶＤ法によって直接、結晶シリコン膜を堆積させる手法が用いられている。この手法によって、基板上に低温で結晶シリコン膜を形成できることが知られており、低コスト化に有効であるとされている。
【０００５】
このプラズマＣＶＤ法においては、形成条件を、水素でシラン系原料ガスを１５倍程度以上に希釈し、プラズマ反応室内圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ、基板温度を１５０℃〜５５０℃、望ましくは４００℃以下の範囲内とすることにより成膜する。これによって、結晶シリコン膜が基板上に形成される。しかし、この方法では結晶粒径は高々数μｍで膜厚以上に粒径を大きくすることは困難である。その上、この方法では基板上から柱状の結晶が成長するが、その結晶内部には欠陥が多く存在し、結晶の質としてもさほど良いものではない。また、発電機能の根幹を担うｉ層は、素子構造最適化のためにドーピングを行なうと品質が急激に低下する。これらのことから、光電変換素子としては低コスト化に有利なシングルセルで１０％を大きく上回る効率を達成することは困難であった。また、多結晶シリコンとしては、移動度が１０cm2／Ｖｓを超えることが困難であった。
【０００６】
一方、レーザの走査によって結晶シリコンを形成する試みも種々検討されており、連続波レーザを用いる方法が特開平２００１−３５１８６３号公報（特許文献１）に開示されている。この方法は異種基板上に非晶質シリコンを形成し、帯状の連続光源を走査することで多結晶シリコンに熔融・結晶化するもので、走査方向に長い結晶粒を成長させることを可能としている。
【０００７】
この連続波レーザを用いて結晶化を行なう場合、Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ4等の固体レーザを用いることが試みられている。これら固体レーザを用いることで、ランニングコストを大幅に低下させると同時に品質の高い多結晶シリコンを形成することが可能となった。
【０００８】
ディスプレイ用ＴＦＴ基板向けの多結晶シリコン膜は、表面にＭＯＳＦＥＴを形成することから平坦であることが求められており、固体レーザ光を用いることで非常に平坦にできることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００９】
また、光吸収層を用いてＹＡＧレーザの基本波で加熱する方法が提案されている。この方法を用いることで上記第二高調波を用いる方法よりも効率良く大粒径多結晶シリコン膜が得られるとされている（例えば、非特許文献２参照）。
【００１０】
さらに特開平２００３−６８６４４号公報（特許文献２）には、複数のパルスレーザを用いてシリコン膜を融解、結晶化させる方法について開示されている。この方法は、第１のパルスレーザで一旦融解、結晶化させた箇所に、第２の弱いパルスレーザ光を照射することで、結晶粒を横方向に成長させ、且つこの工程を横方向にずらしながら反復して実施することで、横方向に長い結晶を成長させることを可能としたものである。
【特許文献１】特開平２００１−３５１８６３号公報
【特許文献２】特開平２００３−６８６４４号公報
【非特許文献１】電子情報通信学会論文誌ｖｏｌ．ｊ８５−ｃＮｏ．８（２００２）ｐ６０１
【非特許文献２】第６３回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集（２００２．９新潟大学）第二分冊２６ａ−Ｇ−６（ｐ７８０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来技術においては、膜中にクラックが発生し易いという問題がある。
【００１２】
詳述するに、上記のように非晶質シリコン膜などのプリカーサ膜を直接加熱して融解するレーザ光として、上記Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ4レーザの第二高調波を用いる方法や、パルスレーザであるエキシマレーザを用いて結晶化させる方法が試みられている。
【００１３】
しかし、上記レーザ光を用いて非晶質シリコン膜を融解・結晶化させる方法で太陽電池など、１μｍを超える膜厚を結晶化させる場合、１μｍを一回の照射で融解させて結晶化させると膜中にクラックが発生する。
【００１４】
この原因として、次のように考えられる。レーザ光照射によってプリカーサ膜が融解し、冷却されることによって結晶化する際に、上部のシリコン膜は融点を超えるような温度領域から常温まで温度変化する。これに対して透明な異種基板を用いた場合は、レーザ光による直接加熱は期待できない為、加熱されたシリコン膜からの伝熱のみによって加熱される。しかし一般的にレーザ光で結晶化させる場合は数ミリ秒以下のレーザ光照射時間である為、ほとんど加熱されない状態で上部のシリコン膜が融点から冷却されることとなる。このシリコン膜と基板の温度変化の差によってシリコン膜には引張応力が掛かる。この応力がシリコン膜の臨界引張応力を超えるとシリコン膜にはクラックが生じる。臨界引張応力はシリコン膜の膜厚の平方根に反比例することから、シリコン膜が厚くなる程クラックが生じ易くなる。
【００１５】
上記の問題があることや、一般的なＴＦＴを作製する上では膜厚は１００nmあれば十分なことから、５００nmを超える非晶質シリコン膜の厚膜化の検討や、その際の結晶粒径についての検討は行われていない。
【００１６】
一般に、結晶シリコン膜を使用した薄膜太陽電池を作製する場合、十分な光吸収を行うために、２μｍ程度以上の膜厚を必要とする。クラックが生じたシリコン膜を太陽電池素子に用いるとクラックの端面を流れるリーク電流が極端に多くなる。さらにひどい場合には短絡し、ｐｎ素子として機能しない。太陽電池用多結晶シリコン膜を作製する上でクラックフリーの厚膜な多結晶シリコン膜を作製することは必須条件である。
【００１７】
横型デバイス、例えばＴＦＴ用多結晶シリコン膜を作製する場合は、さらに重要である。横型デバイスは横方向にキャリアが移動する。ＴＦＴの場合は、ソースとドレインの間に形成されるチャネル部にキャリアが流れることで、電流を制御する。このチャネルは、多結晶シリコン膜の表面近傍でゲート電圧によって反転することで形成される。従って、シリコン膜にクラックが存在すると、キャリアが走行することは全く不可能となる。
【００１８】
バイポーラトランジスタを作製する場合についても同様である。集積回路中にバイポーラトランジスタを形成する場合、プレーナ型のバイポーラトランジスタを作製することが一般的であるが、バイポーラトランジスタのコレクタでは横方向にキャリアが走行してコレクタ電極で集電される。従って、多結晶シリコン膜中にクラックが存在するとキャリアの移動が妨げられ、コレクタ抵抗が大きくなり、要求性能を満たすことは困難である。
【００１９】
これらレーザアニールで形成した多結晶シリコン膜を各種デバイスに適用するに当たり、厚い膜厚の結晶化を行う必要があるが、上記の問題によるクラックの発生のために使用可能な膜を作製することが不可能であった。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、レーザアニールによって、クラックの生じない従来よりも厚膜の多結晶シリコン膜をガラス基板等の異種基板上に作製した薄膜半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００２２】
請求項１の発明に係る薄膜半導体装置は、ガラス基板上に直接形成された多結晶シリコン膜において、その平均結晶粒面積が８０平方μｍ以上であることを特徴とする。
【００２３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の薄膜半導体装置において、上記多結晶シリコン膜が、ガラス基板上に形成された熱緩衝層上に形成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項２に記載の薄膜半導体装置において、上記熱緩衝層が、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜のいずれかもしくはこれらの積層構造であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜半導体装置において、上記ガラス基板が、その構成物質中に１％以上の不純物を含んでいることを特徴とする。
【００２６】
請求項５の発明は、請求項４に記載の薄膜半導体装置において、上記ガラス基板がアルミノシリケートガラスもしくはボロシリケートガラスからなることを特徴とする。
【００２７】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜半導体装置において、上記多結晶シリコン膜は、膜厚が５００nm以上で平均結晶粒面積が１００平方μｍ以上であることを特徴とする
＜発明の要点＞
本発明は以下の構成からなる。
【００２８】
ＴＦＴや太陽電池に多結晶シリコン膜を使用する場合、安価なガラス基板を使用する必要がある。一般的に、酸化ケイ素以外の構成物質が１％を超えるガラス基板は価格が安価である。このようなガラス基板上に熱緩衝層、及び不純物拡散防止層を形成する。このような層としては、ＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、またこれらの積層構造が使用できるが、上記熱緩衝、及び不純物拡散防止の機能を果たすものであればなんでもよい。その上部に非晶質シリコン膜を所望の膜厚まで堆積させる。これにレーザ照射することで非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に変換する。このレーザ照射は以下の方法で行う。
【００２９】
例えば図１（ａ）に示すように異種基板０１上に酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）０２を介して非晶質シリコン膜０３が形成されたサンプルにレーザ光１２を照射し、レーザアニールによって溶融・結晶化して多結晶シリコン膜０３ａとするに際し、レーザ光１２は図１（ｂ）に示すように２つのレーザ光領域１３、１４から構成され、一方の領域１４は他方の領域１３よりもレーザ光強度の強い領域（レーザ光エネルギー密度の高い領域）とする。
【００３０】
レーザ光強度の強い領域（レーザ光エネルギー密度の高い領域）１４とレーザ光強度の弱い領域（レーザ光エネルギー密度の低い領域）１３を形成する方法としては、一方の領域１４のレーザ光照射領域を小さくすることでレーザ光エネルギー密度を高くし、他方の領域１３はレーザ光照射領域を広くすることでレーザ光エネルギー密度を低くする方法がある。このようにしてレーザ光照射領域に差を設けた上で、エネルギー密度の高いレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域１４）のレーザ光パワーを大きくすることで、その差をより大きくすることが可能である。それぞれの領域（レーザ光強度の弱い領域１３、レーザ光強度の強い領域１４）のレーザ光の形状には特に制限はなく、図１にサンプルの移動方向Ｘとして示す走査方向や走査方向に垂直な方向にガウス分布を有した形状に加工することが容易であるが、それ以外にも走査方向に垂直な向きに均一な形状を有するレーザ光を使用してもよい。
【００３１】
上記レーザ光の光源であるレーザ光源１５にはＮｄ：ＹＶＯ4レーザを用いることができるが、このレーザ光源１５に限ったものではなく、非晶質シリコン膜もしくは結晶シリコン膜を融解させることができる波長の光であればなんでもよい。具体的には半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、エキシマレーザ等が使用可能である。本方式は連続発振するレーザ光を用いることが望ましい。
【００３２】
上記のような二つのレーザ光領域１３、１４を有するレーザ光１２を使用してレーザ光照射を実施するにあたり、非晶質シリコン膜０３はレーザ光強度の弱い領域１３で始めに加熱され、その後、レーザ光強度の強い領域１４で加熱される方向に走査する。この順でレーザ光１２を照射することで、より厚い膜厚をクラックを生じさせることなく結晶化させることが可能である。
【００３３】
非晶質シリコン／ガラスもしくは石英などの透明な異種基板の構造をレーザ光で加熱する際、低いエネルギー密度のレーザ光で長時間加熱する場合と、高いエネルギー密度のレーザ光で短時間加熱する場合とを比較すると、同じエネルギー量を用いた場合、低いエネルギー密度で長時間加熱する方が、ガラスなどの異種基板の温度勾配が緩やかとなる。これは長時間加熱する方が加熱中に伝熱の影響が大きくなることによる。
【００３４】
この知見は熱解析によって明らかにできる。図２は、一定のエネルギー量を短時間（１０nm）で照射した場合と長時間（１００nm）で照射した場合における、加熱終了時の温度分布の解析結果を示したものである。照射する試料は非晶質シリコン膜（膜厚：１μｍ）に石英からなる異種基板（厚さ：１ｍｍ）を仮定した。短時間照射した場合は基板表面側の温度勾配が急峻であり、長時間照射した場合はなだらかになっていることが分かる。
【００３５】
通常、レーザ光によるシリコンの結晶化は数ｎｓｅｃ〜数μｓｅｃ程度のレーザ光照射を用いることが一般的である。この程度のレーザ光照射時間では基板全体に熱量が均一に分布せず、基板温度は内部で勾配を持つ。上記数ｎｓｅｃ〜数μｓｅｃのレーザ光照射時間内では、非晶質シリコン膜の膜厚が１μｍ以下の場合、基板表面より数十μｍよりも深い位置では常温であり、非晶質シリコン膜からの熱は伝わっていない。
【００３６】
一方、非晶質シリコン膜が融解する温度まで上昇した場合、非晶質シリコン膜は１４００℃を超える温度に達する。従って基板の表面側から数十μｍの間で１４００℃程度の温度差があることとなる。この状態から融解したシリコン膜は冷却されることで凝固し、常温となる。この過程でシリコン膜は熱収縮をする。これに対して、基板の温度上昇は２００〜３００℃であることから、シリコン膜と比較するとほとんど熱収縮しない。この時にシリコン膜にかかる引張応力によってクラックが生じる。この引張応力は温度差が大きいほど大きくなることから、基板側の温度が高くなるようにする必要がある。そのためには温度勾配が小さくなるように長時間かけて加熱する必要がある。
【００３７】
しかし、できるだけ長時間加熱するとよいというわけではない。非常にゆっくりと加熱した場合は、十分に伝熱する時間があるため基板の温度も上昇する。非晶質シリコン膜が融解する温度までゆっくりと加熱した場合は、基板の温度も同様の温度にまで上昇してしまう。安価なガラス基板を使用する場合は最高でも６００℃程度、望ましくは４５０℃以上にできないことから、ゆっくり加熱するにも限界がある。
【００３８】
そこで、ガラス基板の表面付近の温度を６００℃以下の温度まで上昇させるようなレーザ光（レーザ光強度の弱い領域１３）を照射し、基板温度を上げておく。その後、非晶質シリコン膜のみを一気に融解させるレーザ光（レーザ光強度の強い領域１４）を照射する。ガラス基板表面付近の温度を上昇させるレーザ光とは、具体的には低いエネルギー密度で非晶質シリコン膜を長時間照射する形状のレーザ光である。非晶質シリコン膜のみを一気に融解させるレーザ光とは、高いエネルギー密度で短時間非晶質シリコンを加熱するレーザ光である。
【００３９】
このように、基板温度を上昇させるレーザ光照射（レーザ光強度の弱い領域１３）と非晶質シリコンを融解させるレーザ光照射（レーザ光強度の強い領域１４）の二回に分けることで、より厚い膜厚までクラックを生じさせずに結晶化させることが可能となる。
【００４０】
基板温度を上昇させるレーザ光（レーザ光強度の弱い領域１３）の照射は一回の照射で行うことに限定するものではなく、何回に分けて照射してもよい。また、非晶質シリコンを融解させるレーザ光（レーザ光強度の強い領域１４）の照射についても一回の照射に限るものではない。
【００４１】
上記のレーザ光照射の方法に加えて、クラックを生じさせない為には更なる工夫が必要である。上記の方法を用いると、基板の表面近傍付近は６００℃を越える高温になる。低価格なガラス基板を用いるとガラス中の不純物がシリコン中に拡散する。特に６００℃程度まで基板温度を上昇させた上で融解させることから、ガラス基板とシリコン膜が高温で接触している時間が長い。従って、図１（ａ）に示すように、異種基板０１と非晶質シリコン膜０３の間に不純物拡散を防止する機能を持つ熱緩衝層として、例えば、酸化シリコン膜０２を形成する必要性がある。この熱緩衝層には酸化シリコン膜０２を用いることが望ましいが、これに限るものではなく、窒化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等、高温に耐えて不純物の拡散を防止するものであればよい。
【００４２】
上記の方法によって、従来よりもより厚い膜厚の多結晶シリコン膜をガラス基板上に形成することが可能となり、ガラス基板上に、太陽電池やバイポーラトランジスタを有する電子回路を作製することが可能となった。具体的には、膜厚２００nm以上で結晶粒径８０平方μｍ以上のものを得ることができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、ガラス基板上に直接形成された多結晶シリコン膜において、その平均結晶粒面積が８０平方μｍ以上である薄膜半導体装置、すなわちホール移動度が大きい高品質な多結晶シリコン膜の薄膜半導体装置を得ることができる。例えば、結晶粒径が２００平方μｍを超える高品質な多結晶シリコン膜の場合には、移動度が１６０cm2／Ｖｓ以上となり、単結晶シリコンにも匹敵する高い移動度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００４５】
本発明の実施例を図１に従って説明する。
【００４６】
図１（ａ）に示すように、異種基板０１としてのアルミノシリケートガラス基板上に酸化シリコン膜０２を形成し、その上部に１μｍの非晶質シリコン膜０３を形成した。酸化シリコン膜０２の形成はプラズマＣＶＤ法を用いた。原料ガスにはＳｉＨ4とＮ2Ｏの混合ガスを用いた。非晶質シリコン膜０３の形成にはＣａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、原料ガスにはＳｉＨ4とＨ2の混合ガスを用いた。
【００４７】
このサンプルにレーザ光１２を照射して結晶化を行った。その際、２種類のレーザ光を用いて結晶化の試作を行った。用いたレーザ光の仕様は次の通りである。
【００４８】
（Ａ）２つのシリンドリカルレンズを用いて、図５の如く楕円形に整形したレーザ光（長軸：２００μｍ、短軸：３０μｍ）。
【００４９】
（Ｂ）二つの領域を有するレーザ光で、図６の如く、一方のレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０４）が楕円形（長軸３５０μｍ、短軸３００μｍ）で、もう一つのレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０５）がシリンドリカルレンズを用いて整形した楕円形（長軸：２００μｍ、短軸：３０μｍ）であるレーザ光。
【００５０】
上記のレーザの光源にはダイオード励起Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ光を用いた。上記のレーザ光（Ａ）を用いて結晶化を行った場合、非晶質シリコン膜が５００nmを超えるサンプルを結晶化させたとき、膜中にクラックが発生した（図３の写真参照）。
【００５１】
レーザ光（Ｂ）を使用し、短軸が長いレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０４）を先に照射し、その後短軸が短いレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０５）を照射した場合、１．１μｍまでクラックフリーにすることが可能であった（図４の写真参照）。
【００５２】
レーザ光（Ｂ）を用い、短軸が長いレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０４）のみを非晶質シリコン膜に照射させた場合、非晶質シリコン膜が結晶シリコン膜に変化する条件にてレーザ光（Ｂ）を照射させたときは、クラックはレーザ光（Ａ）の場合と同等の膜厚からクラックが発生した。また、この時のレーザ光（Ｂ）の短軸が長いレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０４）の出力で、短軸が短いレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０５）も合わせて照射してもクラックが生じた。クラックを生じさせない短軸が長いレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０４）の出力について熱解析シミュレーションを実施したところ、レーザ光はシリコンの融点を超えないことが必要であった。
【００５３】
また、短軸が長いレーザ光領域がシリコンの融点を超えないという条件を満たした上で、短軸が短いレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０５）を照射した場合においても、短軸が短いレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０５）の出力が大きい場合にはクラックが発生していることが分かった。その場合についても熱解析シミュレーションを実施したところ、レーザ光を照射した際にクラックが発生する場合には、ガラス基板のいずれかの場所で歪点を越える温度となっていることが分かった。
【００５４】
従って、クラックを発生させないようにするには、短軸が長いレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０４）については、これによる加熱によってシリコンの融点を超えない出力とし、且つ短軸が短いレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０５）については、ガラス基板の歪点を越えない出力とすることが必要であることを見出した。
【実施例２】
【００５５】
次に、より厚い膜厚のシリコン膜を結晶化させる為にレーザ光をより適切な形状にすることを試みた。
【００５６】
図７にこの実施例２におけるレーザ光の形状を示す。横方向つまり走査方向に垂直な方向のレーザ光強度が均一になるようなホモジナイザを取り付けて、レーザ光を照射した。レーザ光は実施例１と同様に２種類のレーザ光（レーザ光強度の弱い領域０６、レーザ光強度の強い領域０７）を使用した。ホモジナイザは２種類のレーザ光に対して使用した。
【００５７】
実施例１と同様に、非晶質シリコン膜０３に始めに照射されるレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０６）は、その後に照射されるレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０７）よりも弱い出力としたところ、クラックが低減した。二つのレーザ光領域のサイズは、図７に示すように、始めに照射される箇所のレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０６）は走査方向に５００μｍ、その後に照射される箇所のレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０７）は１０μｍで、走査方向に垂直方向には共に３００μｍである。
【００５８】
上記クラックの低減する出力について熱解析を行ったところ、始めに照射するレーザ光領域（レーザ光強度の弱い領域０６）については非晶質シリコン０３を融解させない出力で、その後照射するレーザ光領域（レーザ光強度の強い領域０７）については、シリコンの融点以上とする出力とした場合であることが判った。この方法によって２．４μｍの膜厚までクラックフリーで多結晶化させることが可能であった。
【００５９】
レーザ光強度の弱い領域０６にレーザ光強度の強い領域０７を重ねて照射することも有効であった。この場合、非晶質シリコン膜は初めにレーザ光強度の弱い領域０６で長時間加熱され、その後、レーザ光強度の強い領域０７で融点を越える。その後、冷却される過程で弱いレーザ強度の領域を経て冷却されるが、このような照射方法でもクラックの低減は可能であった。
【実施例３】
【００６０】
ボロシリケートガラスからなるガラス基板上に非晶質シリコン膜を２μｍ形成し、その上部に非晶質シリコン膜を形成した。この非晶質シリコン膜の膜厚は１００nm〜１μｍの厚さとして、実施例１、２と同様の結晶化処理を行った。この結晶化処理によって、非晶質シリコン膜の膜厚１００nm〜２μｍのどの膜厚についても、結晶化することができ、多結晶シリコン膜へと変化した。
【００６１】
形成された多結晶シリコン膜の結晶粒径をＥＢＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｐａｔｔｅｒｎ）によって同定した。その結果、図８のように膜厚によって結晶粒径が変化した。この結晶粒径の変化は、膜厚によって冷却速度が違うことに起因しており、より厚い非晶質シリコン基板をレーザ結晶化させることで、結晶粒径を大きくできることが判った。膜厚２００nm以上で結晶粒径８０平方μｍ以上、膜厚１μｍ以上で結晶粒径１００平方μｍ以上となった。
【００６２】
このようにして作成したサンプルについてホール移動度測定を行った。ホール移動度の測定はリンを１×１０18cm-3にイオン注入を行った非晶質シリコンをレーザアニールした。ホール移動度を測定したところ、結晶粒径が８０平方μｍを超えると移動度は急激に大きくなり、２００平方μｍを超えると移動度は１６０cm2／Ｖｓ以上となった。この値は単結晶シリコンにも匹敵する高い移動度であり、結晶粒径を大きくすることで高品質な多結晶シリコン膜が形成できることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例１に係る結晶シリコン系薄膜半導体装置の製造途中を示す図である。
【図２】一定のエネルギー量を短時間で照射した場合と長時間で照射した場合における基板表面側の温度勾配の違いを示した図である。
【図３】図５のレーザ光を用いて結晶化した結晶シリコン膜の表面を示す図面代用写真である。
【図４】図６のレーザ光を用いて結晶化した結晶シリコン膜の表面を示す図面代用写真である。
【図５】本発明の比較として用いたレーザ光（Ａ）の形状を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例１で用いたレーザ光（Ｂ）の形状を示す模式図である。
【図７】本発明の実施例２で用いたレーザ光の形状を示す模式図である。
【図８】本発明の実施例３における膜厚と結晶粒径の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
０１  異種基板
０２  酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）
０３  非晶質シリコン膜
０３ａ  多結晶シリコン膜
０４  レーザ光強度の弱い領域
０５  レーザ光強度の強い領域
０６  レーザ光強度の弱い領域
０７  レーザ光強度の強い領域
１２  レーザ光
１３  レーザ光強度の弱い領域
１４  レーザ光強度の強い領域
１５  レーザ光源
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図４】
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