(57)【要約】【課題】  ＳＬＳ法によって２種類のレーザ光の照射で結晶化を繰り返す工程において、基板蓄熱の影響によって成長する結晶長が各照射ショットによって異なる。【解決手段】  絶縁体基板上に形成された半導体膜をレーザ光照射によって結晶化する過程を含む半導体デバイスの製造方法において、絶縁体基板または溶融状態の半導体膜に吸収される波長を有する第一のレーザ光を照射する工程と、半導体膜に吸収される波長を有する第二のレーザ光の照射によって半導体膜を溶融させた後に結晶成長させる工程と、半導体膜をレーザ光に対して相対的に走査してレーザ光照射を繰り返すことにより結晶化された領域を拡大する工程とを含み、第二のレーザ光の照射ごとに基板走査速度を変化させることを特徴としている。【選択図】        図１
2006135232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体基板上に形成された半導体膜をレーザ光照射によって結晶化する過程を含む半導体デバイスの製造方法において、
前記絶縁体基板または溶融状態の前記半導体膜に吸収される波長を有する第一のレーザ光を照射する工程と、
前記半導体膜に吸収される波長を有する第二のレーザ光の照射によって前記半導体膜を溶融させた後に結晶成長させる工程と、
前記半導体膜をレーザ光に対して相対的に走査してレーザ光照射を繰り返すことにより結晶化された領域を拡大する工程とを含み、
前記第二のレーザ光の照射ごとに基板走査速度を変化させることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記第一のレーザ光は紫外から可視光域の範囲内の波長を有し、前記第二のレーザ光は可視光から赤外域の範囲内の波長を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記第一のレーザ光は前記第二のレーザ光よりも所定時間だけ先行して照射され、かつ前記第一のレーザ光は前記第二のレーザ光の照射が完了した後に所定時間だけ長く照射した後にその照射が完了することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記第二のレーザ光は前記半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融させ得るパルス当りエネルギ密度を有し、かつ前記第一のレーザ光は前記半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融し得ないパルス当りエネルギ密度を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記第一のレーザ光は前記第二のレーザ光の照射される領域と同一またはそれ以上の面積に照射され、前記半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、前記半導体膜の一部が重複して複数回レーザ光照射されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、前記第一と前記第二のレーザ光の強度は一定であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記半導体膜へ前記第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長よりも短い送り距離だけ前記第２のレーザ光に対して相対的に前記基板を移動させ、前記第２のレーザ光の照射ごとに次第にその移動距離を増やしていくことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記半導体膜へ前記第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査の速度を速めた後に一定にすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記半導体膜へ前記第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、前記第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記半導体膜へ前記第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、前記第一のレーザ光が照射されてから前記第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記半導体膜へ前記第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に前記基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、前記第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にすること、さらには前記第一のレーザ光が照射されてから前記第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にすることを組み合わせることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載された半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置であって、第一のレーザ発振器と、第二のレーザ発振器と、可動サンプルステージとを含み、これら２つのレーザ発振器とサンプルステージ駆動を制御するコントローラをも含むことを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
【請求項１３】
前記サンプルステージは駆動開始から次第に走査速度を増した後に一定にすること、および前記第一と第二のレーザ発振器はその照射タイミングとパルス幅の少なくとも一方がサンプルステージ駆動と同期制御されることの少なくともいずれかを実行するように前記コントローラが制御することを特徴とする請求項１２に記載の半導体デバイスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光照射を利用して結晶化させた半導体デバイスを製造する方法と装置の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄膜半導体材料上に形成した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、アクティブマトリクス液晶表示装置における表示部並びに画素コントローラなどに用いられており、薄膜材料としては非晶質材料が主に用いられている。さらに、ＴＦＴを高速駆動させるために、従来非晶質半導体膜が用いられていたチャネル領域を結晶化することによって、その材料特性を向上させることが行なわれている。これは、原子配列のそろった結晶部分におけるキャリアの移動度が、非晶質部分におけるそれより数百倍大きくなるからである。しかし、多結晶の場合は結晶粒界においてキャリアの散乱が生じるので、結晶粒をより大きくすることによってチャネル領域を単結晶状にすることが望まれる。長い結晶上にＴＦＴを作製することによってそのＴＦＴを高性能化できるだけでなく、ガラス基板上にプロセッサなどの集積回路を形成することができる。
【０００３】
非晶質半導体膜の結晶化にはいくつかの方法が提案されているが、パルスレーザを用いれば短時間に大きなエネルギを投入でき、基板にダメージなどを与えることなく低温でのプロセスが可能となることから、そのプロセスの開発が進められている。レーザアニールによる結晶化方法において、大粒径の多結晶を作るためには、結晶核と結晶成長速度の制御が重要である。そのような方法中で、結晶の横方向成長法およびこれを利用する逐次横方向結晶化法（ＳＬＳ：  Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法がある。
【０００４】
横方向成長法とは、基板上に形成された半導体膜にレーザ光照射し、半導体膜の完全溶融したと部分と固体部分との境界から基板表面に沿って横方向に結晶化させ、その横方向への結晶長を大きくする手法である。すなわち、溶融部分と固体部分との界面がその溶融部分中で最も温度が低くてそこで結晶核が発生しやすいので、その溶融領域の端部から中央部へ向かって結晶成長が進む現象を利用している。
【０００５】
図２（ａ）は、横方向成長法によって結晶化された半導体膜の上方（膜面法線方向）から見た模式的拡大平面図である。レーザ光照射によって溶融した領域２１の両側端から横方向結晶成長が始まって中央部で結晶同士がぶつかり合って成長が終了する場合、その領域２１全面が横方向結晶２２によって埋められる。しかし、照射されたレーザのエネルギ密度が小さいかまたは照射領域の幅が広すぎる場合には、図２（b）に示されているように、異なった方向に成長してきた結晶粒２３にによって横方向結晶２２の成長が阻害される。すなわち、これらの異方向結晶２３は横方向結晶２２の成長中に領域２１の中央部分の冷却が進んだ結果として生じたものであり、その中央部で溶融した半導体膜と基板との界面において発生した結晶核が半導体膜の表面方向へ成長した縦方向結晶粒である。この縦方向成長では成生する結晶核が多くて、それらの結晶核の成長中に近隣の結晶同士がぶつかり合うので、大きな結晶粒に成長することができない。これに対して、横方向成長においては、成長速度が遅くて大きな結晶粒が得られ、成長方向をＴＦＴのチャネル方向に一致させればキャリアの流れに垂直な粒界が存在しなくて大きな移動度が得られることがわかっている。
【０００６】
図３の模式的平面図は、さらに大きな結晶粒を得る方法であるＳＬＳ法を図解している。レーザ光を領域３１に照射して横方向結晶成長した半導体膜に対して、図３（ａ）のように成長した結晶長Ａより短い距離Ｂだけ、たとえば基板を保持したステージ（すなわち半導体膜）をレーザ光に対して相対的に動かし、（ハッチングで示された）領域３３に再度レーザ光照射する。そうすれば、半導体膜の溶融部分と固体部分の界面から横方向に結晶成長する際に、一回前のレーザ光照射で成長した結晶粒を核として引き継いで結晶成長が進んでいくので、図３（ｂ）のように一回前照射後の結晶幅から結晶成長させていくことが可能となる。その結果、横方向結晶長Ａを伸ばしていくことができる。このように、ＳＬＳ法では、レーザ光照射とステージ移動による走査（これを１サイクルと呼ぶことにする）を繰り返して、所望の長さまで結晶長を伸ばしていく。この場合に、一回のレーザ光照射による横方向結晶長が長いほど、走査距離を長くとることができ、スループットが高くなる。
【０００７】
このような観点から、特許文献１の特開平１１−３０７４５０号公報では、波長の異なる複数のレーザ発振器を用いた結晶化プロセスが提案されている。このプロセスでは、半導体膜に吸収される波長を有するエキシマレーザと、基板に吸収される波長を有する補助ビームとしての炭酸ガスレーザとを用いることにより、基板を加熱しつつ結晶成長させている。そうすることによって、基板にダメージを与えることなく大きな結晶粒を得ることができると教示されている。しかし、この場合には、新たな問題が生じる。それは、補助ビームによる加熱に関連して、アニール開始時には適切であったアニール条件が次第に過度なものになってしまうことである。
【特許文献１】特開平１１−３０７４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願発明者らも、上述のような複数のレーザを用いた横方向成長法で適切に基板加熱を行い、従来の単独レーザによる横方向成長に比べて結晶長を５〜１０倍に伸ばせることを確認した。さらには、基板加熱を行うアシストレーザが半導体膜を溶融させるメインレーザよりも予め或る時間先行して照射されることによって、半導体膜が再結晶化するときの結晶核の総数が少なくなって大きな結晶粒が得られることがわかった。ＴＦＴのチャネル部に大きな結晶粒を用いることによって、キャリヤの移動度が数倍になるなど電気特性も向上し、従来の縦方向結晶成長の場合に比べて素子間の特性ばらつきも低減させることができた。また、結晶長を長く伸ばすことによって、スループットの時間短縮が可能となり、生産性が向上するというメリットも得られる。
【０００９】
さらに、特許文献１では、結晶を溶融させるメインレーザとしてエキシマレーザを用いているが、エキシマレーザはガスレーザであってガス交換やレーザ共振器のメンテナンスに多大の費用がかかり、生産技術として大きな問題を有している。したがって、本願発明者らは、メインレーザとして固体レーザを用いて横方向成長による結晶化を試みることとした。
【００１０】
横方向成長の結晶長は溶融時の半導体膜の温度に敏感であり、その温度は、メインレーザとアシストレーザのエネルギ、アシストレーザのパルス幅、およびメインレーザの照射開始時間（照射タイミング）によって正確に制御されなくてはならない。ここで、ＳＬＳ法では同一箇所が複数回のレーザ光照射を受けるので、基板に蓄熱されて次第に基板温度が上昇していき、生じる結晶長が変化してしまうという問題が生じた。また、半導体膜を変質させたりアブレーションを起こしたり、さらには基板へダメージを与えることもあり得る。
【００１１】
このような問題を防止するために蓄熱の影響を考慮して適切な条件に設定しとしても、レーザ光照射の開始時近くの領域では結晶長がばらついて、結晶成長を順次つないでいくことができない場合が生じ、ＳＬＳ法による結晶化方法の本質に関わる問題が生じた。
【００１２】
図４は、この問題を説明するために、メインレーザの照射領域を模式的平面で示している。この図では、メインレーザの照射領域の幅をＡとしてその中央まで横方向結晶成長する場合を示している。すなわち、メインレーザを１回照射した場合の結晶長はＡ／２である。そして、確実に結晶成長をつないでいくために、幅Ａの１／４を基板の送り距離とし（図４中のＢ）、順次レーザ光照射しながら一定速度で走査して、４回のレーザ光照射で長さＡの結晶を形成させる例が示されている。アシストレーザはメインレーザの照射領域をカバーする範囲に照射されるが、ここではメインレーザと同一領域にパルス照射または連続照射されると仮定されている。１サイクル目のレーザ光照射された領域４１はただ１回のレーザ光照射を受けるのに対して、次の領域に移動した２サイクル目の領域４２は、２回のレーザ光照射を受けることとなる。３サイクル目の領域４３は３回のレーザ光照射を受けて、４サイクル目の領域４４は４回のレーザ光照射を受けることが示されているが、このようなサイクルを続けるとすれば、４サイクル目以降の領域は常に４回のレーザ光照射を受けることになる。このように、メインレーザとアシストレーザの照射領域と半導体膜上の位置との関係からｎサイクル以降にｎ回のレーザ光照射を受けることになれば、基板はｎサイクル以降にほぼ同じ温度に保たれるが、それまでのサイクルでは１回から（ｎ−１）回のショットしかレーザ光照射を受けていないので、基板温度が低くて成長する結晶長が短くなってしまう。
【００１３】
このような基板への蓄熱は、基板または半導体膜に対して吸収長が異なる複数のレーザを用いることに固有の課題であり、半導体膜に吸収されるメインレーザ（たとえばエキシマレーザ）を単独で照射を繰り返しても大きな問題とはならない。なぜならば、溶融に用いるエキシマレーザは十分な照射エネルギを短時間で投入するので、冷却および凝固時間も短くてすみ、基板への蓄熱の影響を無視できるからである。他方、絶縁体基板に吸収されるアシストレーザは、半導体膜に比べて１〜３桁異なる厚さの基板の温度を上げる必要があり、パルス幅もエキシマレーザに比べて３桁以上大きくされる。同一箇所に複数回のアシストレーザ光照射した場合の半導体膜の温度変化が、図５の模式的なグラフに示されている。このグラフからわかるように、アシストレーザ光照射の繰り返し周波数にもよるが、蓄熱の影響は無視できない大きさとなる。
【００１４】
さらに、メインレーザをエキシマレーザから固体レーザに変更した場合に、この蓄熱の影響が大きくなった。固体レーザはエキシマレーザに比べて波長が長く、半導体膜への吸収長が長い。たとえば、シリコン膜への吸収長は波長２４８ｎｍの光で５．５ｎｍであるのに対して、波長５３２ｎｍの光では吸収長が９４０ｎｍとなって深くまで伝熱する。また、固体レーザは繰り返し周波数を大きくすることができるので、生産性を上げるために高速処理する場合に、固体レーザとアシストレーザの両方の蓄熱を無視できなくなる。すなわち、図４を参照して説明した「ｎサイクル以降にｎ回のレーザ光照射を受けることになれば、そのｎサイクル以降に基板はほぼ同じ温度に保たれる」ということも成り立たなくなり、熱の投入量と放散がバランスして一定の温度に達するまで成長結晶長が一定にならないことになる。
【００１５】
このような場合、基板の温度が一定となって半導体膜の成長結晶長も安定して確実にＳＬＳ法により結晶成長をつないでいけるようになるまでの領域をレーザ光照射の助走領域と考え、この助走領域は素子作製には利用することなく、基板が一定温度に達したあとの半導体膜の均一な結晶長部分のみを利用しなくてはならなくなる。すなわち、図４中の領域４１、４２、４３およびそれに続く結晶長が短い領域内には素子を作らないように設計しなければならない。しかし、最近では液晶ディスプレイパネルに対する小型化の要求が高まり、額縁部分の面積を減らして基板の端領域までドライバなどの回路を組み込むことが多い。そして、基板上の半導体膜全域を結晶化するためには、助走領域をできるだけ減らす必要がある。
【００１６】
上述ような課題に鑑み、本発明では、助走領域を設けずに半導体膜の所望の面積全体を結晶化する方法と装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、絶縁体基板上に形成された半導体膜をレーザ光照射によって結晶化する過程を含む半導体デバイスの製造方法において、絶縁体基板または溶融状態の半導体膜に吸収される波長を有する第一のレーザ光を照射する工程と、半導体膜に吸収される波長を有する第二のレーザ光の照射によって半導体膜を溶融させた後に結晶成長させる工程と、半導体膜をレーザ光に対して相対的に走査してレーザ光照射を繰り返すことにより結晶化された領域を拡大する工程とを含み、第二のレーザ光の照射ごとに基板走査速度を変化させることを特徴としている。
【００１８】
なお、第一と第二のレーザ光は、紫外から可視光域の範囲内の波長を有するこが好ましい。また、第一のレーザ光は第二のレーザ光よりも所定時間だけ先行して照射され、かつ第一のレーザ光は第二のレーザ光の照射が完了した後に所定時間だけ長く照射した後にその照射が完了することが好ましい。
【００１９】
第二のレーザ光は半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融させ得るパルス当りエネルギ密度を有し、かつ第一のレーザ光は半導体膜を全厚さ方向にわたって溶融し得ないパルス当りエネルギ密度を有することが好ましい。第一のレーザ光は第二のレーザ光の照射される領域と同一またはそれ以上の面積に照射され、半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、半導体膜の一部が重複してレーザ光照射されることが好ましい。半導体膜が繰り返しレーザ光照射される過程において、第一と第二のレーザ光の強度は一定であり得る。
【００２０】
半導体膜へ第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長よりも短い送り距離だけ第２のレーザ光に対して相対的に基板を移動させ、第２のレーザ光の照射ごとに次第にその移動距離を増やしていくことができる。半導体膜へ第二のレーザ光を照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査の速度を速めた後に一定にしてもよい。半導体膜へ第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にしてもよい。半導体膜へ第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、第一のレーザ光が照射されてから第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にしてもよい。半導体膜へ第二のレーザ光照射した際に成長した結晶長に合わせて次第に基板走査速度を速めた後に一定にすると共に、第一のレーザ光のパルス幅を次第に狭めた後に一定にすること、さらには第一のレーザ光が照射されてから第二のレーザ光が照射されるまでの時間を変化させた後に一定にすることを組み合わせてもよい。
【００２１】
上述のような半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置は、第一のレーザ発振器と、第二のレーザ発振器と、可動サンプルステージとを含み、これら２つのレーザ発振器とサンプルステージ駆動を制御するコントローラをも含み得る。なお、サンプルステージは駆動開始から次第に走査速度を増した後に一定にすること、および第一と第二のレーザ発振器はその照射タイミングとパルス幅の少なくとも一方がサンプルステージ駆動と同期制御されることの少なくともいずれかを実行するようにコントローラが制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、基板上の半導体膜の結晶化において一台のレーザ発振器を用いたレーザ光照射により形成される横方向結晶よりも長い結晶を得ることができ、かつ基板への蓄熱の影響を考慮して効率よく所望の面積全体を結晶化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明では、上述の助走領域を設けることなく、半導体膜の所望の面積全体を結晶化するレーザ光照射の制御方法を提供する。そのための方法は二つあり、一つは各照射サイクルで必ず或る結晶長が得られるように半導体膜の温度を常に一定に制御する方法であり、もう一つは各照射サイクルで結晶長が異なっていてもそれに追従するよう次のサイクルの照射位置を制御する方法である。そのためにコントロールできるパラメータとして、メインレーザとアシストレーザのエネルギ、アシストレーザのパルス幅、およびメインレーザの照射開始時間（照射タイミング）、半導体膜の走査速度がある。
【００２４】
ここで言う走査においては、固定されたレーザ光照射領域に対して半導体膜が置かれたステージが移動することでもよく、その逆に半導体膜が固定されていてレーザビーム（すなわち照射領域）が移動することでもよく、または両者を同時に移動させることであってもよい。このような相対的移動においては、一定速度で動き続けることでもよく、或る速度で移動させて決められた位置で停止させた後にレーザ光照射されてさらに移動した後に停止してから次のレーザ光照射されることでもよい。
【００２５】
走査速度は、所望の領域を結晶化処理するのにかかる時間に関係し、すなわちスループットに直接関係する。したがって、走査速度としては、メインレーザとアシストレーザの発振周波数やその他の要因で決められる最速の走査速度で一定にすることが望ましい。また移動における位置精度などを考慮すれば、走査と停止を繰り返す方法よりも、或る速度で走査を続けるステージ駆動システムを用いることが好ましい。
【００２６】
以上の検討を踏まえて、最初の助走領域の横方向成長結晶長が短いという課題を解決する方法として、レーザ光照射を始めた直後は送り距離を短くし、次第にその距離を長くしていって、その後に走査速度を一定にするようにステージの走査速度を制御することを提案する。このように制御することによって、各レーザ光照射間における半導体膜の温度差を小さくすることができ、かつ成生した結晶長に応じて送り距離を決めることができることから、上で述べた二つの方法のどちらをも実現することができる。次第に走査速度を上げていくことによって、レーザ発振やステージ駆動の安定した立ち上がりをも実現できる。そして、或るサイクル以降は最適な走査速度で一定となるように設計し、生産性よく結晶化を繰り返す。しかし、メインレーザが照射される瞬間に半導体膜の所望の領域に照射領域が合っている必要があり、単純に走査速度を増加させるだけでは最適の結晶を得ることはできない。走査速度の変化はあくまで横方向結晶の結晶長によって決められなくてはならず、かつメインレーザとアシストレーザの照射開始時間（照射タイミング）を設定する必要がある。
【実施例１】
【００２７】
図６は、本発明においてレーザ光照射される半導体デバイスを模式的断面図で示している。この図に示すように、基板６１上に下地絶縁膜６２と非晶質半導体膜６３が積層されて、半導体デバイス６５が形成されている。基板６１としては絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板などを用いることができるが、安価であることと大面積基板を容易に入手し得る観点からガラス基板を用いることが好ましい。
【００２８】
下地絶縁膜６２には、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜などを用いることができる。また、その膜厚は５０〜２００ｎｍ程度にすることが好ましいが、これに限定されるわけではない。その下地絶縁膜６２は、原料化合物をプラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどで堆積することによって形成し得る。
【００２９】
半導体膜６３は、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、触媒化学気相堆積（Ｃａｔ−ＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどによって堆積され得る。かかる半導体膜６３の材料としては、半導体特性を示す従来公知のものであれば特に限定されないが、結晶成長長さを長くすることによって種々の特性が顕著に向上するアモルファスシリコン膜とすることが好ましい。しかし、アモルファスシリコンのように非晶質のものに限られず、レーザ光照射６４によって結晶化される前の半導体膜６３は、微結晶や多結晶などの結晶性半導体膜であってもよい。半導体膜６３の材質は、シリコンのみからなる材質に限られず、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質であってもよい。
【００３０】
図７は、本発明において用いられる半導体デバイス製造装置の模式的なブロック図を示している。このレーザ光照射装置は、半導体デバイス６５に含まれる半導体膜６３を結晶化させることができ、第一のレーザ発振器７９と第二のレーザ発振器７２、およびこれらの発振器を制御するコントローラ７１を備えている。このコントローラ７１は、サンプルステージ８３の駆動をも制御する。第二のレーザ発振器７２から放射されたレーザ光は、そのエネルギ量が可変減衰器７３によって調整される。ビーム整形光学系７４と均一照明光学系７５は、第二のレーザ発振器から放射されたレーザ光を適当な寸法に整形し、均一な強度の光で照明するように作用する。また、フィールドレンズ７６を設置して像側テレセントリック光学系とし、投影レンズ７８によってレーザ光が所定倍率で半導体デバイス６５に投影されるように設定される。半導体デバイス６５上におけるレーザビーム形状の一例としては、概略矩形状であり得る。
【００３１】
図８において、レーザビームの断面形状とその各辺方向に平行な断面における光強度分布の例が示されている。本発明において用いられるレーザビームの断面では、幅Ｍを１０〜１００μｍとし長さＬを幅Ｍよりも長く設定することが望ましい。なぜならば、本発明のレーザ光照射装置を用いることで横方向成長距離は数μｍから十数μｍ程度得ることができ、ＳＬＳ法によって結晶成長をつないでいく場合は幅Ｍとして横方向成長距離の２倍から４倍程度にすることが適切だからである。また、長さＬを幅Ｍより長くすることによって、処理面積を大きくしてスループットを上げることができる。ここで、矩形の幅Ｍとはレーザ光の走査方向に沿った長さであり、矩形の長さＬとは走査方向に直行した方向への長さである。強度分布としては、横方向成長距離を均一にするために、長さＬ方向に平行な断面では均一な分布とすることが望ましい。幅方向Ｍに平行な断面では長さ方向の断面にくらべて厳密でないとしても、均一な分布とすることが望ましく、ガウシアン分布または矩形状分布にすることが望ましい。
【００３２】
第一のレーザ発振器７９から放射されたレーザ光は、そのエネルギ量が可変減衰器８０によって調整され、ビーム整形光学系８１と均一照明光学系８２によって適当な寸法に整形されて均一な強度分布を持つよう調整される。これによって、半導体デバイス６５上におけるレーザビーム形状は、たとえば矩形状となる。第一のレーザビーム領域は、第二のレーザビーム領域以上の面積を有しかつ均一な光強度分布を有する必要がある。
【００３３】
図７のブロック図は簡略に描写されているが、レーザ光路には適宜にミラーを設けることができ、レーザ光を折り返すことができる。それらのミラーの設置箇所や数量に制限はなく、レーザ照射装置の光学設計や機構設計に応じて適宜に配置することが可能である。またビーム断面を矩形状に整形する方法も限定されず、回折光学素子や非球面光学素子を用いることも可能である。
【００３４】
第一のレーザは、絶縁体基板または溶融した半導体膜に吸収されて、これらを加熱する効果を有するアシストレーザであり、可視光から赤外域の波長を有することが望ましい。第一のレーザはパルス照射と連続照射のいずれでもよいが、本実施例ではガラス基板に吸収される９〜１１μｍの波長を有していて連続照射する炭酸ガスレーザが用いられる。
【００３５】
第二のレーザは、基板にダメージを与えないように、固体の半導体膜における吸収係数が大きい紫外から可視光域の波長を有することが望ましい。また、第二のレーザは半導体膜を溶融させるメインレーザの役割を有するので、一定の発振周波数でパルス照射を繰り返す必要がある。本実施例では波長１０．６μｍのＹＡＧレーザの基本波を第２高調波の５３２ｎｍの波長に変換したレーザ光が用いられる。繰り返し周波数は１ＫＨｚで、パルス幅は２００ｎｓとし得る。
【００３６】
レーザ光の一回の照射に関しては、第一と第二のレーザ光のエネルギの合計によって固体状態にある半導体膜を溶融させ得るエネルギ量を有し、かつ半導体膜を凝集させたり基板にダメージを与えたりしないようにそのエネルギ量を設定することが好ましい。これらのエネルギ量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化領域の面積などに依存して変化して一義的に定めることはできないので、本発明の半導体膜の製造方法における実施形態に合わせて適宜に適当なエネルギ量を有するレーザ光を用いることが望ましい。本実施例では第二のレーザエネルギを０．４〜０．７Ｊ／ｃｍ2とし、第一のレーザ光のパルス幅は３０〜２００μｓ（半値全幅）としてそのエネルギ量は０．７５〜１．０Ｊ／ｃｍ2とした。
【００３７】
図１の模式的なグラフは、第一と第二のレーザ光の照射タイミングと走査速度を示している。このグラフは、第一と第二のレーザ光の照射領域と位置に関して、第４サイクル以降は全て４回ずつ第一と第二のレーザ光照射を受ける例を示している。従来の方法では一定の送り距離（一定走査速度）でレーザ光照射を繰り返していたが、本発明では横方向成長の結晶長に応じた送り距離を設定することを特徴としている。すなわち、図９の模式的な平面図に示すように、少なくともＢ１＜Ｂ２＜Ｂ３＜Ｂ４の関係が満たされる。
【００３８】
より具体的には、第二のレーザの１ショット目を照射した際、横方向の結晶長がＬ１（μｍ）であり、確実に結晶成長をつなぐためには送り距離Ｂ１をＬ１より短くすればよい。第二のレーザ光を周波数ｆ（Ｈｚ）の一定周期で照射する場合は、ステージ速度ｖ１（μｍ／ｓ）は
ｖ１＝Ｂ１／ｆ
となる。
【００３９】
２サイクル目では、横方向の結晶長Ｌ２はＬ２＞Ｌ１の関係にあり、送り距離Ｂ２もＢ２＞Ｂ１を満たすように設定される。したがって、ステージ速度ｖ２は
ｖ２＝Ｂ２／ｆ
となり、ｖ２＞ｖ１であるから速度を増加させることとなる。
【００４０】
同様に３サイクル目では
ｖ３＝Ｂ３／ｆ
となり、４サイクル目では
ｖ４＝Ｂ４／ｆ
である。５サイクル目以降は、それ以前ほど大きな速度変化ではないが、徐々に速度変化量を減少させていって一定にする。このようにサイクルごとに送り距離を長くすることによって、送り距離を固定する場合に比べてレーザ光照射が重なる領域が少なくてすみ、より蓄熱の影響が小さくなる。ここでは、第一と第二のレーザが同期制御され、発振周波数、パルス幅、および第二レーザの照射タイミング（第一のレーザ光照射から第二のレーザ光照射までのディレイ時間）は一定に設定された。走査速度は最初に遅くするものの、一定となった定常状態の速度は従来の方法に比べて速いので、スループットを向上させることができる。適切な走査速度変化（すなわち、加速度）は、結晶長のサイクルごとの変化から逆算して用いることができる。
【００４１】
他方、第二のレーザ光を走査速度に合わせて照射タイミングを変化させる方法の場合には、レーザ光の発振を促すトリガパルスのタイミングを適切に設定してやればよい。図１０の模式的なグラフにおいて、第一と第二のレーザ光の照射タイミングおよび走査速度が示されている。この場合は半導体膜が適度に加熱されたタイミングで第二のレーザ光照射を行うので、図１１の模式的な平面図に示されているように、各サイクルごとに必ず同じ長さＢの結晶粒を得ることができる。半導体膜の温度をモニタリングしてその結果を反映させて結晶長を制御する場合などのように、より適切に照射タイミングを反映させたい場合はこのような制御が望ましい。
【００４２】
１サイクル目は最初のレーザ光照射であり、半導体膜が適度に加熱されるまで時間がかかるので、送り距離Ｂを時間Ｐ１かけて走査する。すなわち、
ｖ１＝Ｂ／Ｐ１
である。
【００４３】
２サイクル目では、時間Ｐ２で適度に過熱されたとして、ステージ速度ｖ２は
ｖ２＝Ｂ／Ｐ２
となり、Ｐ１＞Ｐ２であるからｖ２＞ｖ１となり、速度を増加させることとなる。
【００４４】
以降同様に、第二のレーザ光照射タイミングＰを所望の結晶長から逆算して求め、これから適当な走査速度を決めればよい。
【００４５】
ここで示した走査速度の変化は一例であって、限定されるものではない。すなわち、上述の例は、ＳＬＳ法において確実に結晶をつないでいくために走査速度を変更するコンセプトを説明したものである。
【実施例２】
【００４６】
実施例２では、第一のレーザ光が一定の発振周波数でパルス照射される。この場合の半導体デバイスとその作製方法およびレーザ照射装置は先に述べた実施例１と同様であるので、それらの説明は繰り返されない。ただし、第一のレーザとしては、ガラス基板に吸収される９〜１１μｍの波長を有していて一定の発振周波数でパルス照射する炭酸ガスレーザが用いられる。そのパルス幅は、レーザの発振周波数にも依存するが、１０μｓ〜１００ｍｓの範囲内で半導体膜にとって最適な値が採用され得る。
【００４７】
図１２と図１３の模式的なグラフは、第一と第二のレーザ光の照射タイミングおよび波形を示している。図１３に示されているように、第一のレーザ１２１は時刻ｔ＝０で照射開始されてそのパルス幅はｔ２であり、第二のレーザ１２２は時刻ｔ１で照射されるように設定された。このように第一のレーザ光１２１は第二のレーザ光１２２より早いタイミングでその照射が開始され、第二のレーザ光照射によって半導体膜が溶融した後も照射し続けることによって、半導体膜が再結晶化するときの結晶核の総数が少なくなりかつ凝固時間が長くなって大粒径の多結晶を得ることができる。第一と第二のレーザはこのように照射タイミングを同期制御され、一定の繰り返し周波数で発振させられる。これらのレーザ光照射を１サイクルとして、レーザは半導体膜を走査して所定の送り距離分だけ移動した後に、次のレーザ光照射を行う。これを所望の回数だけ繰り返すことによって、ＳＬＳ法による或る長さの結晶粒を得ることができる。
【００４８】
このことは実施例１の前半で述べたのと同様の効果であり、成生する結晶領域は図９に示されているのと同様である。他方、パルス照射する第一のレーザ光を用いることによって、過剰なエネルギ投入を防ぐことができる。
【００４９】
図１２のレーザ照射の更なる改善として図１４の模式的なグラフに示されたレーザ照射を提案することができる。この場合、第一と第二のレーザ光は一定周波数で照射されるが、走査速度の増大と共に第一のレーザのパルス幅を次第に小さくすることによって、過剰な基板加熱を防いで蓄熱の影響を小さくすることができる。また、走査速度をより速く一定速度にすることができるので、スループットも向上する。
【００５０】
逆に、走査速度を急激に変化させることが困難な場合に、他の更なる改善方法として、図１５の模式的なグラフに示すように第二のレーザ光の照射タイミングを走査速度の増大と共に変化させる方法がある。この場合には、走査速度の変化を緩くすることによってスループットの低下を招くので、これを防ぐために速度変化と同時に第二のレーザ光照射タイミングを早くしていき、すなわち図１３に示されている時刻ｔ１をサイクルごとに短くしていく。そして、図１５の場合は、第一のレーザの照射周波数が一定となって、第一のレーザの照射がしやすいという利点がある。
【００５１】
図１４と図１５のアイディアを組み合わせて、第一のレーザ光のパルス幅と第二のレーザ光の照射タイミングとの両方とも変調させるように図１６の模式的グラフに示されたレーザ照射方法も考えられるが、本発明に提案されたレーザ照射方法のうちで構成装置や各レーザの制御性を考慮して最も安定運用できる制御方法を用いることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、半導体膜の所望の面積全体を結晶化する方法と装置を提供することができ、そのように結晶化された半導体結晶化領域はたとえばＴＦＴの形成領域として好ましく利用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化の一例を示す模式的グラフである。
【図２】横方向結晶成長を説明するための模式的拡大平面図である。
【図３】ＳＬＳ法によって横方向結晶成長をつないでいく方法を説明するための模式的平面図である。
【図４】一定速度によるレーザ照射の走査を図解する模式的平面図である。
【図５】第一のレーザの照射のタイミングと半導体膜温度との関係を示す模式的グラフである。
【図６】本発明においてレーザ照射される半導体デバイスの模式的断面図である。
【図７】本発明において半導体デバイスの製造方法に用いることができるレーザ照射装置を示すブロック図である。
【図８】本発明において半導体デバイスの製造方法に用いることができる第二のレーザビームの照射領域の形状と強度分布を示す模式図である。
【図９】図１のレーザ照射方法で結晶化された半導体膜領域を示す模式的平面図である。
【図１０】第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化の他の一例を示す模式的平面図である。
【図１１】図１０のレーザ照射方法で結晶化された半導体膜領域を示す模式的平面図である。
【図１２】第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。
【図１３】第一と第二のレーザ光の照射タイミングおよび波形の一例を示す模式的グラフである。
【図１４】第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。
【図１５】第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。
【図１６】第一と第二のレーザ光の繰り返し照射過程における照射強度、照射タイミング、および走査速度の時間変化のさらに他の一例を示す模式的グラフである。
【符号の説明】
【００５４】
Ａ  横方向結晶長、Ｂ  送り距離、Ｂ１  １サイクル目の送り距離、Ｂ２  ２サイクル目の送り距離、Ｂ３  ３サイクル目の送り距離、Ｂ４  ４サイクル目の送り距離、Ｆ  レーザ光照射方向、Ｌ  レーザビーム照射領域における走査方向と直行する方向の長さ、Ｍ  レーザビーム照射領域における走査方向に平行な方向の長さ、Ｐ１  １サイクル目における第２のレーザの照射タイミング、Ｐ２  ２サイクル目における第２のレーザの照射タイミング、Ｐ３  ３サイクル目における第２のレーザの照射タイミング、Ｐ４  ４サイクル目における第２のレーザの照射タイミング、２１  レーザ光照射領域、２２  横方向成長により結晶化した領域、２３  縦方向成長により結晶化した領域、３１  メインレーザ光の照射領域、３２  アシストレーザ光の照射領域、３３  走査後のメインレーザ光照射領域、３４  走査後のアシストレーザ光照射領域、４１  １サイクル目のレーザ光照射領域、４２  ２サイクル目のレーザ光照射領域、４３  ３サイクル目のレーザ光照射領域、４４  ４サイクル目のレーザ光照射領域、６１  基板、６２  下地絶縁膜、６３  非晶質半導体膜、６４  レーザ光、６５  半導体デバイス、７１  コントローラ、７２  第二のレーザ発振器、７３  可変減衰器、７４  ビーム整形光学系、７５  均一照明光学系、７６  フィールドレンズ、７８  投影レンズ、７９  第一のレーザ発振器、８０  可変減衰器、８１  ビーム整形光学系、８２  ビーム強度均一化光学系、８３  サンプルステージ、１２１  第一のレーザの強度波形、１２２  第二のレーザの強度波形。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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