(57)【要約】【課題】  本願発明は、絶縁性基板上に形成した多結晶半導体膜の高品質化を図ることである。【解決手段】  本願発明は、絶縁性基板上の多結晶シリコン膜からなる第１の半導体層上にゲート絶縁膜を介して設けたゲート電極と、上記半導体層に設けたチャネル領域と、前記チャネル領域の両側に配置されたソース領域とドレイン領域とを有するＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいて、少なくとも上記チャネル領域の主配向が上記ゲート絶縁膜の表面に対して｛１１０｝である薄膜半導体装置である。更に、上記ソースとドレイン領域を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が｛１００｝である多結晶半導体膜を半導体装置のチャネルに適応することが、より好ましい。本願発明によれば、絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を有する半導体装置を得ることが出来る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、ゲート電極と、前記第１の半導体膜と前記ゲート電極の間に形成されたゲート絶縁膜と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間の第１の半導体膜に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記の半導体層を構成する前記電荷送受手段の一部に、前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域を有することを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項２】
前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域として、幅５ミクロン以下、突出長さ５ミクロン以下の少なくとも一つの突起を有することを特徴とする請求項１記載の薄膜半導体装置。
【請求項３】
絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、ゲート電極と、前記第１の半導体膜と前記ゲート電極の間に形成されたゲート絶縁膜と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間の第１の半導体膜に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記チャネル領域を構成する前記半導体膜は、前記第１及び第２の電荷送受手段との間を結ぶ方向に対して、前記チャネル領域の結晶粒の長手方向の軸が４５度以下の結晶粒を主として構成されることを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項４】
絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、ゲート電極と、前記第１の半導体膜と前記ゲート電極の間に形成されたゲート絶縁膜と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間の第１の半導体膜に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記チャネル領域を構成する前記半導体膜は、前記第１の電荷送受手段と前記第２の電荷送受手段との間を結ぶ程度の長手方向の長さを有する結晶粒を有することを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項５】
絶縁性基板と、該絶縁性基板上に設けられ、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、ゲート電極と、前記第１の半導体膜と前記ゲート電極の間に形成されたゲート絶縁膜と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間の第１の半導体膜に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記の半導体層を構成する前記電荷送受手段の一部に、前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域を有する薄膜半導体装置を含む画像表示装置。
【請求項６】
前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域として、幅５ミクロン以下、突出長さ５ミクロン以下の少なくとも一つの突起を有することを特徴とする請求項５記載の薄膜半導体装置を含む画像表示装置。
【請求項７】
絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、ゲート電極と、前記第１の半導体膜と前記ゲート電極の間に形成されたゲート絶縁膜と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間の第１の半導体膜に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記チャネル領域を構成する前記半導体膜は、前記第１及び第２の電荷送受手段との間を結ぶ方向に対して、前記チャネル領域の結晶粒の長手方向の軸が４５度以下の結晶粒によって主として構成されることを特徴とする薄膜半導体装置を用いた画像表示装置。
【請求項８】
絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、ゲート電極と、前記第１の半導体膜と前記ゲート電極の間に形成されたゲート絶縁膜と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間の第１の半導体膜に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記チャネル領域を構成する前記半導体膜は、前記第１の電荷送受手段と前記第２の電荷送受手段との間を結ぶ程度の長手方向の長さを有する結晶粒を有することを特徴とする薄膜半導体装置を用いた画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、多結晶半導体膜を有する薄膜半導体装置、多結晶半導体膜の製造方法及び製造装置などに関するものである。本願発明の薄膜半導体装置は、画像表示装置などに用いて有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来のパルスレーザの走査によるアモルファスシリコン薄膜の結晶化方法を、図７を用いて説明する。図７は、従来最も一般的なエキシマパルスレーザによる結晶化方法を示す図である。基板１００上に下地膜１０１を介して堆積した非結晶シリコン膜１０２に、この基板上における幅Ｌが数ｍｍ程度の線状のエキシマレーザからなるレーザビーム１０５を照射して、１及至数パルス毎にレーザ照射位置を移動して、基板全体を結晶化する。この従来方法では、レーザ照射時の結晶核は、ランダムに発生する。しかも、この結晶核の、核発生の平均距離は通常のレーザアニール条件では、０.５ミクロンあるいはそれ以下である。従って、得られる多結晶シリコン膜１０３の粒径は０.５ミクロン以下で、かつ大きさは揃っていない。
【０００３】
さらに、国際特許公表、ＷＯ９７４５８２７には次のような方法が示されている（特許文献１）。即ち、図７に示したレーザビーム１０５の幅Ｌを、０.５ミクロン以下に成形し、この形状のレーザビーム５の位置を０.５ミクロン以下毎に移動しながらパルスを照射していくと、最初にできた結晶粒を種に一方向に結晶成長する。前記一方向とは、横方向、即ち、成長膜厚に対して垂直方向のことである。
【０００４】
【特許文献１】国際特許公表、ＷＯ９７４５８２７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来方法において、結晶成長に要する時間は、１００ナノ秒以下であるため得られる結晶粒径は１ミクロン以下であり、粒径のバラツキが大きかった。また、粒の配向が無秩序であり、欠陥密度が大きく、膜表面のラフネスも大きかった。従って大粒径の多結晶シリコンを成長させる、あるいは粒径や粒界の位置を正確に制御する事は不可能であった。このため、チャネル内に粒界がランダムに含まれるようになる。従って、ＴＦＴのデバイス特性、信頼性、デバイス間の均一性を向上させることは困難であった。
【０００６】
一方、上記国際特許公表、ＷＯ９７４５８２７にて開示の技術は、ビームを１ミクロン以下に収束しなければならないので、レーザのエネルギを損失する上、照射レーザの光学系が複雑となる。またレーザパルス間の移動距離が１ミクロン以下であるので、基板全体を結晶化するのに長時間を要し、高スループット化、低コスト化が困難であった。特に、この方法は、大面積基板には適応不可能である。さらに、微小距離の移動は、振動の影響を受けやすく、歩留まりにも課題があった。
【０００７】
本願発明の第１の目的は、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、及び前記多結晶半導体膜を適応した薄膜半導体装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、及び前記多結晶半導体膜を適応した薄膜半導体装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の第３の目的は、ガラスなどの安価な絶縁基板上に高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた、高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、及び前記多結晶半導体膜を適応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】
【００１０】
本願発明の主な形態を列挙する。
【００１１】
本願発明の第１の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、この第１の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が｛１１０｝であることを特徴とする薄膜半導体装置である。
【００１２】
チャネル領域の半導体膜の前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向の選択によって、多結晶半導体膜を用いても信頼性の高い薄膜半導体装置を提供することが可能となる。この多結晶膜の主配向の制御方法については、後述する。
【００１３】
又、本願に係わるＭＩＳ型薄膜半導体装置は、例えば、次の諸形態を取ることが出来る。
（１）所定の多結晶半導体膜に対して、この上部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を配する形態。
（２）所定の多結晶半導体膜に対して、この下部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を配する形態。
（３）所定の多結晶半導体膜に対して、この側部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を配する形態。
【００１４】
本願発明の第２の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、この第１の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記第１の半導体膜が、前記第１と第２の電荷送受手段を結ぶ方向に対して、前記チャネル領域の結晶粒の長手方向の軸が４５度以下の結晶粒を主として構成されることを特徴とする薄膜半導体装置である。本形態は、本願発明のより実用的な形態を示すものである。
【００１５】
又、本願発明の薄膜半導体装置において、前記第１の半導体膜が、前記第１と第２の電荷送受手段を結ぶ方向に対して、７５度以下の小傾角粒界から構成されることも有用である。
【００１６】
本願発明の第３の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、この第１の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記第１の半導体膜の前記チャネル領域は前記第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段とを結ぶ結晶粒を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。
【００１７】
第３の形態は、更に好ましい形態を示すものである。即ち、前記第１の半導体膜の前記チャネル領域が、前記第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段とを結ぶ程度の長手方向の長さを有する結晶粒によって構成されることによって、更に信頼性の高い薄膜半導体装置を提供することが出来る。
【００１８】
本願発明の第４の形態は、絶縁性基板と、多結晶半導体膜からなる第１の半導体膜と、この第１の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第１の半導体膜に所定間隔で設けられた第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有し、且つ前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が｛１１０｝であり、前記第１の半導体膜が、前記第１と第２の電荷送受手段を結ぶ方向に略垂直な面の主配向が｛１００｝であることを特徴とする薄膜半導体装置である。そして、前記第１の半導体膜の前記チャネル領域が、前記第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段とを結ぶ程度の長手方向の長さを有する結晶粒によって構成され、当該多結晶膜の主配向が｛１００｝となすことによって、極めて信頼性の高い薄膜半導体装置を提供することが出来る。簡潔に結論を述べれば、それは、第１の半導体膜は多結晶ではあるが、一つの結晶粒に着目すると単結晶と同等の性質を有するからである。
【００１９】
本願発明の第５の形態は、絶縁性基板に、半導体装置部を少なくとも２つを有し、前記絶縁性基板に、部分的な領域に選択的に第２の半導体層と絶縁膜層が形成され、前記第２の半導体層と絶縁膜層の積層体は第１の半導体層と接し、第１の半導体装置と第２の半導体装置との間には上記第２の半導体層を有せず、且つ前記第１の半導体膜にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第１の半導体膜に所定間隔で第１の電荷送受手段と第２の電荷送受手段と、前記第１と第２の電荷送受手段の間に形成されるチャネル領域とを有することを特徴とする薄膜半導体装置である。この形態においても、前記チャネル領域を構成する前記第１の半導体膜の、前記絶縁性非晶質基板もしくは前記ゲート絶縁膜の主表面に対する主配向が｛１１０｝であることが、より好ましい。
【００２０】
本例は、所望の半導体装置部の下部に、第２の半導体層を有する例であって、且つ前記半導体装置部が、前記本願発明の第１の形態を有するものである。更に、本願においては、所望の半導体装置部の下部に、第２の半導体層を有する例であって、且つ前記半導体装置部が、前記本願発明の第２の形態より第４の形態のいずれかを有するものであっても当然良い。更に、本願明細書に開示される半導体装置部の諸形態を用いて実施出来ることはいうまでもない。
【００２１】
本願発明の第６の形態は、絶縁性基板に、半導体装置部を少なくとも２つを有し、第１の熱伝導率を有する第１の薄膜の上に、前記第１の熱伝導率より大きな第２の熱伝導率を有する第２の薄膜が選択的に形成され、前記第２の薄膜は半導体層と接しておらず、第１の半導体装置部と第２の半導体装置部の間には上記第２の薄膜が配置され、且つ前記半導体装置部が前記第１より第４のいずれかの形態に記載の薄膜半導体装置で構成されていることを特徴とする薄膜半導体装置である。
【００２２】
本願の第７の形態は、絶縁性基板上に前記半導体装置を少なくとも２つを有し、第１の熱伝導率を有する第１の薄膜の上に、前記第１の熱伝導率より小さな第２の熱伝導率を有する第２の薄膜が選択的に形成され、前記第２の薄膜は上記半導体層と接しており、前記第１の半導体装置と第２の半導体装置の間には上記第２の絶縁層が設けられておらず、且つ前記半導体装置部が前記第１より第４の形態請に記載の薄膜半導体装置で構成されていることを特徴とする薄膜半導体装置である。
【００２３】
更に、多岐に渡る実用的な諸形態は、後述される。
【００２４】
次に、本願発明に係わる半導体膜の製造方法に関する主な形態を列挙する。下記の諸方法を用いることによって、本願の目的に適う多結晶半導体膜を得ることが出来る。
【００２５】
本願の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第８の形態は、絶縁性基板上の半導体層中に結晶核を生成する工程と、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して結晶粒を成長する工程とを分離して遂行されることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法である。
【００２６】
本願発明の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第９の形態は、絶縁性基板上の非結晶半導体膜に、レーザビーム照射で半導体薄膜を溶融再結晶化して結晶粒を成長することを特徴とする前記第１の形態に記載の多結晶半導体膜の製造方法である。
【００２７】
本願発明の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第１０の形態は、上記レーザビームの波長は、２４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下範囲から選択され、前記波長の非晶質半導体膜に対する吸収係数が多結晶半導体膜の吸収係数よりも大きいことを特徴とする前記第８に記載の多結晶半導体膜の製造方法である。
【００２８】
本願発明の多結晶半導体膜の製造方法に係わる第１１の形態は、上記絶縁性基板上の上記多晶質シリコン膜の上記結晶核は、レーザ照射による溶融再結晶化によりを生成される特徴とする前記第８の形態に記載の多結晶半導体膜の製造方法である。
【００２９】
本願発明に係わる上記上記絶縁性基板上の上記多晶質シリコン膜の上記結晶核は、カタリティク ケミカル ベーパー デポジション（ＣａｔａｌｙｔｉｃＣｈｅｍｉｃａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により生成されることが好ましい。
【００３０】
又、本願発明の係わる製造装置は、レーザビームのパルス幅と、レーザビーム強度の時間依存の形状と、レーザビーム・パルスの間隔とを変調する手段と、発振源から射出された前記レーザビームのプロファイルをその被照射領域を所定の形状に整形した後、被照射体に結像させる手段と、前記レーザビームの照射と同期して前記絶縁性基板を所定の速度とピッチで移動する手段とを有することを具備することを特徴とする多結晶半導体薄膜の製造装置である。
【００３１】
尚、本願明細書において、「電荷送受手段」は、通例、ソースあるいはドレイン称される領域を意味する。
【発明の効果】
【００３２】
本願発明によれば、非晶質基板に高品質な薄膜半導体装置を実現することが出来る。更に、これに供し得る多結晶半導体薄膜の製造方法を提供する。更には、こうした製造方法に有用な製造装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本願発明の具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明の代表的な実施の形態に関する補足説明を行う。
【００３４】
前記本願発明の第１、２の目的を達するために、以下に示す手段が有用である。
【００３５】
半導体層を構成するドレインもしくはソース領域の一部に、前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域を設けることである。このことによって、極めて有用な、多結晶半導体膜を得ることが出来る。
【００３６】
さらに以下の手段により、前記目的は容易に達成される。
【００３７】
前記レーザビームのパルス幅は１００ｎｓ以上であり１ｍｓ以下、エネルギ密度は２００ｍＪ／ｃｍ２以上１０Ｊ／ｃｍ２以下である。レーザビームの強度分布は、ビーム幅内における強度が均一、あるいは一方から他方へ単調に増加、単調に減少する分布パターンである。
【００３８】
更に、前記第３の目的は、絶縁性基板上の多結晶半導体膜からなる第１の半導体層上にゲート絶縁膜を介して設けたゲート電極と、上記半導体層に設けたチャネル領域と、前記チャネル領域の両側に配置されたソース領域とドレイン領域とを有するＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいて、少なくとも上記チャネル領域を構成する結晶粒の該基板もしくはゲート絶縁膜の表面に対する主配向が｛１１０｝であり、かつ上記ソースとドレイン領域を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が｛１００｝である多結晶半導体膜からなる半導体層をの半導体装置のチャネルに適応することにより達成できる。
【００３９】
さらに、以下の特徴を多結晶半導体膜を適応することにより、目的は容易に達成できる。
【００４０】
第１は、チャネル領域のソースとドレイン領域間には、７５度以下の小傾角粒界から構成されることである。
【００４１】
第２は、チャネル領域の表面凹凸は２０ｎｍより小さく、チャネル領域の内部引っ張り応力は１０９ｄｙｎ／ｃｍ２以上である。
【００４２】
第３は、半導体層に含まれる金属元素は１０１９ｃｍ―３以下であり、チャネル領域に含まれる結晶欠陥密度は１０１７ｃｍ―３以下である。
【００４３】
本願発明の薄膜半導体装置において、上記絶縁性基板が低融点ガラス基板であることを特徴とする薄膜半導体装置は、好ましい例である。絶縁性基板は非晶質基板、例えば、ガラス基板、わけても低融点ガラス基板が代表的な例である。
【００４４】
更に、本願発明の諸形態を列挙すれば、次の通りです。
（１）本願発明に係わる薄膜半導体装置において、前記半導体層と接する前記絶縁基板の表面に、１０ｎｍ以上の高さの高低部を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。これは、ガラス基板など、絶縁性基板が、１０ｎｍ以上の高さのうねりのごとき、高低部を有する実際的な形態である。
（２）本願発明に係わる薄膜半導体装置において、上記の半導体層を構成する前記電荷送受手段、即ち、ドレイン領域もしくはソース領域の一部に、前記チャネル領域の厚さよりも厚い領域を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。
（３）本願発明に係わる薄膜半導体装置において、前記の半導体層の同一平面内の周縁部に、幅５ミクロン以下、突出長さ５ミクロン以下の少なくとも一つの突起を有することを特徴とする薄膜半導体装置である。
【００４５】
本願発明の薄膜半導体装置では、チャネル領域の半導体結晶の粒径が電荷送受手段、即ち、ソース、ドレイン領域の結晶粒の粒径より大きい形態も、実用的である。
【００４６】
多結晶半導体薄膜の製造方法に関しては、次のような形態をあげることが出来る。
（４）本願発明に係わる多結晶半導体薄膜の製造方法において、照射レーザビームのパルス幅は１００ｎｓ以上であり１ｍｓ以下であることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法である。
（５）絶縁性基板上に形成された非晶質あるいは多結晶の半導体薄膜にレーザビームを照射して前記半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成する製造方法において、前記レーザビームのパルス幅と時間依存の形状と間隔を変調する手段と、発振源から射出された前記レーザビームのプロファイルを複数のレンズからなる光学系によりその被照射領域を所定の形状に整形した後前記半導体薄膜上で結像させる手段と、前記レーザビームの照射と同期して前記絶縁性基板を所定の速度とピッチで移動する手段とを有することを具備す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である。
（６）前記（５）に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームの照射と同期して前記絶縁性基板または光学系を所定の速度と間隔で移動すると同時に、前記絶縁性基板上の合わせパターンを検出する手段と、前記レーザビームを干渉計により基板と位置合わせを行う手段を有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法および製造装置である。
（７）前記（５）あるいは（６）に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームのパルス幅は１００ｎｓ以上であり１ｍｓ以下、エネルギ密度は２００ｍＪ／ｃｍ２以上１０Ｊ／ｃｍ２以下であり、前記レーザビームの立ち上り時間、立下り時間、パルス幅、パルス間隔はＥＯ変調器よる偏光により外部電圧で制御されることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法および製造装置である。
（８）前記多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームの強度分布は、ビーム幅内における強度が均一、あるいは一方から他方へ単調に増加、単調に減少する分布パターンであることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法である。
（９）尚、本願発明の多結晶半導体薄膜の製造に用いる、レーザ装置は、固体レーザ装置、あるいは半導体レーザ装置が好適である。
（１０）前記多結晶半導体薄膜の製造方法および製造装置において、前記レーザビームの強度分布は、ソースドとレイン方向と平行な方向に光エネルギの強度勾配を有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法および製造装置である。
【００４７】
以下、本発明の実施の形態における薄膜半導体装置、製造方法、及び製造装置について、図面を参照しながら説明する。
【００４８】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１における薄膜半導体装置を説明するための図である。図１は３つの多結晶シリコン薄膜トランジスタを有する例を示している。図１の（ａ）は断面構造図、図１の（ｂ）は平面構造図を示す。図１の（ａ）、（ｂ）において、１００は絶縁性基板、１０１は下層膜、１８はゲート電極、１７はゲート絶縁膜である。絶縁性基板は、ガラス基板が多用される。又、前記下層膜は通例、二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が用いられる。
【００４９】
各シリコン半導体層は、チャネル領域１２、ソース領域２０、ドレイン領域１９、突起状の結晶核領域３０から構成される。チャネル領域１２は大粒径の多結晶シリコン膜、結晶核領域３０は、通例小粒径の多結晶シリコン膜からなる。
【００５０】
本例は、図１の（ｂ）の平面図にみられるように、ゲート電極１８が共通に接続され例である。勿論、本願発明は単独にゲート電極が形成された形態でも実施することが出来る。
【００５１】
大粒径を有するチャネル領域１２は、図１の（ｃ）に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに、図１の（ｃ）に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。図１の（ｃ）に符号１０５として、傾斜型形状を示したのは、このレーザ光の模式的な強度分布を示すものである。レーザ光のパルス幅は１００ナノ秒以上、１ミリ秒以下の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が３００ｎｍ以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば５ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、例えば、パルス幅が１０マイクロ秒、パワーは１ｗである。このような条件でレーザビームを照射すると、シリコン膜の厚さが周囲よりも厚い結晶核領域３０から結晶化が開始される。即ち、温度の低い領域から結晶成長が進行する。図１の（ｃ）に示す矢印の方向に、結晶成長し、チャネル領域よりも大きな粒径を有する多結晶シリコン膜３１が形成される。
【００５２】
図３は、本例の薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図である。ガラスなどの非結晶質基板１００に、二酸化珪素膜１０１の下地層、更に、非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜１１０を形成する（図３の（ａ））。この非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜１１０に通例のフォトレジストを用いたエッチングにより３つの領域に加工する。この時、結晶核領域３０を形成する（図３の（ｂ））。この状態を準備した基体に、前述した傾斜型の発光強度を有するレーザ光を照射する（図３の（ｃ））。この場合、各半導体装置の領域に応じて、レーザ光は、各傾斜型の発光強度を有するごとくに調整する。半導体薄膜の溶融再結晶化を図った後、ゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８を形成する（図３（ｄ））。ソース、ドレインは通例のイオン・インプランテイションによってなされる。不純物としては、リン、ボロンなどが多用される。（図３（ｅ））。
【００５３】
本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域３０を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して前記結晶核から粒を成長する工程を分離遂行することができる。結晶粒を高効率で、選択的に成長するために適したレーザビームの波長は、２４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下範囲から選択されることが望ましい。なぜならば、例えば波長５００ｎｍにおける非晶質シリコン膜の吸収係数は、多結晶シリコン膜の吸収係数よりも約５倍大きい。したがって多結晶シリコン膜からなる結晶核をシードとしてそれ以外の半導体層領域を選択的に溶融再結晶化することが容易である。一方、絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、通例のエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。
【００５４】
図２に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の状態を模式的に示す。図２の（ａ）は、一つのトランジスタ部の断面図、図２の（ｂ）は半導体層の模式的な斜視図である。図２の（ａ）と（ｂ）における対応する領域を点線で対応付けた。各符号の意味は、図１と同様である。本例は、本願発明の最も好ましい例を例示している。
【００５５】
少なくともチャネル領域１２における多結晶体の主配向が、上記ゲート絶縁膜の表面及び基板に対して｛１１０｝である。且つ、この多結晶体は、上記ソース領域２０とドレイン領域１９を結ぶ方向に、ほぼ垂直な面の主配向が｛１００｝である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域１２を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が７０度以下の小傾角粒界からなる。
【００５６】
更に、チャネル領域１２の表面凹凸は２０ｎｍより小さく、その内部引っ張り応力は１０９ｄｙｎ／ｃｍ２以上、含まれる結晶欠陥密度は１０１７ｃｍ−３以下である。又、チャネル領域１２を含む当該半導体層全体に含まれる金属元素は１０１９ｃｍ−３以下である。
【００５７】
図４は、本願発明の実施に用いる製造装置の例である。本装置は、図２に示したような絶縁性基板２０５上に形成された非晶質あるいは多結晶の半導体薄膜に、レーザビームを照射して半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するに好適である。本例は、ＣＷレーザ装置２００、レーザビームのパルス幅と時間依存の形状と間隔を変調する変調手段（２０１、２０２、２０３）、発振源からレーザビームを結像させるに至る光学系、レーザビームと被照射体との位置を相対的な移動を可能とする移動手段とを有する。前記変調手段は、ＥＯ変調器２０１、偏光板２０２、ドライバ２０３を有して構成される。前記光学系は、発振源から射出されたレーザビームのプロファイルを複数のレンズからなる光学系、あるいは回折光学素子により適切な形状に整形するビーム整形ユニット２０４、走査機能のついたミラー２０８、レーザビームを結像させる結像レンズ系２０７、などである。又、前記移動手段は、レーザビームの照射と同期して絶縁性基板２０５を所定のピッチで移動することが可能である。
【００５８】
レーザビームのパルス幅、時間依存形状、パルス間隔の諸例は、図５の（ａ）及び（ｂ）に示す。図５の（ａ）は、ＥＯ変調器２０１に印加する電圧波形、（ｂ）は、偏光子を介したビーム強度の波形である。ビーム強度は外部からの電圧により、立上り時間、パルス幅、立下り時間、パルス間隔などを制御できる。図５の各々は、前記パルスの制御の為のパルス幅の異なる二つのパルス例、及び傾斜型のパルスの例を示す。
【００５９】
又、図６の（ａ）、（ｂ）は、レーザビームの形状の例を示す。各斜視図は、レーザビームを、ビーム整形ユニット２０４にて、所望の形状にビーム整形し、結像レンズを介して、試料上に結像せれたビームの形状である。図６（ａ）は、一方から他方へ単調に強度が増加する分布パターンを示す図、図６の（ｂ）はビーム幅内における強度が均一な例である。本願に係わる薄膜半導体装置を製造する際、レーザビームの幅方向、及びレーザビームの強度分布は、ソースドとレイン方向と平行な方向であると、効率良く大きな結晶粒が得られる。
【００６０】
レーザビームの照射と同期して、絶縁性基板２０６あるいはミラー２０８を所定の速度と間隔で移動することにより、所望の領域を結晶化させることができる。
【００６１】
本発明では、絶縁性基板上の合わせパターンは、例えば、半導体層膜の段差、図１における結晶核領域３０の段差で検出することができる。具体的にはレーザビームを干渉計により基板と位置合わせを行うことができる。
【００６２】
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成することが出来る製造方法、製造装置を実現した。
【００６３】
さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をＭＩＳ型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上、しきい電圧のバラツキを±０．２Ｖ以下に抑制することができる。こうして、本願発明によれば、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた薄膜半導体装置を得ることができる。
【００６４】
本実施例では、レーザ照射前の半導体膜に多結晶シリコン膜を用いたが、非晶質シリコン膜を用いても同様の効果が得られる。本実施の形態では、傾斜型のレーザビームを用いたが、均一ビームを用いても同様の効果が得られる。さらに本実施例では、結晶核領域３０を起点に結晶を成長させたが、レーザビームの形状を最適化することにより、前記突起上の結晶核３０を含まない構造においても同様の効果が得られる。この場合、初期半導体膜は結晶核を含む多晶質シリコン膜であり、この膜はエキシマレーザなどの照射による溶融再結晶化によりを得ることができる。また、上記多晶質シリコン膜は、ＣＡＴ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ―Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法により低温成膜しても同様の効果が得られる。
【００６５】
＜実施の形態２＞
図７は、本発明の実施の形態２における半導体装置を説明するための図である。本例は、結晶成長の観点から、チャネルを構成する半導体層の下部に、第２の半導体層を形成する例である。図は３つの多結晶シリコン薄膜トランジスタが搭載された例を示している。図７の（ａ）は断面構造図、（ｂ）は平面構造図である。図７の（ｃ）はレーザビームの照射方法を説明する為の断面図である。
【００６６】
図７（ａ）、（ｂ）において、１００は絶縁性基板、１０１は下層膜、１８はゲート電極、１７はゲート絶縁膜である。絶縁性基板は、ガラス基板が多用される。又、下層膜は、通例二酸化珪素膜が用いられる。
【００６７】
第１の半導体層は、チャネル領域１２、ソース領域２０、ドレイン領域１９を有する。そして、チャネル領域１２は大粒径の多結晶シリコン膜からなる。シリコン半導体層と下層膜１０１の間には、選択的に絶縁膜４０を介して第２の半導体層４１が挿入されている。一方、複数の半導体装置の間の領域には、第２の半導体層４１が設置されていない。
【００６８】
図８は、本例の薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図である。ガラスなどの非結晶質基板１００に、二酸化珪素膜１０１の下地層、第２の半導体層４１として非晶質シリコン、更に、二酸化珪素の層４０を形成する（図８の（ａ））。前記層４０、４１を、所定の薄膜半導体装置の３つの領域にエッチングによって加工する（図８の（ｂ））。この上部に、非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜１１０を形成する（図８の（ｃ））。この状態を準備した基体に、前述した傾斜型の発光強度を有するレーザ光１０５を照射する（図８の（ｄ））。この場合、各半導体装置の領域に応じて、レーザ光は、各傾斜型の発光強度を有するごとくに調整する。この例では、第２の半導体膜４０の存在しない領域が、結晶核領域となる。第１の半導体薄膜の溶融再結晶化を図った後、第１の半導体薄膜を所望形状に加工する（図８（ｅ））。この第１の半導体薄膜に、ゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８を形成する。ソース、ドレインを通例の方法で形成する（図８（ｆ））。
【００６９】
大粒径を有するチャネル領域１２は、図７の（ｃ）に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに図７の（ｃ）に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。レーザのパルス幅は１００ナノ秒以上、１ミリ秒以下の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が１００ｎｍ以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば５ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、パルス幅が１０マイクロ秒、パワーは１ｗである。
【００７０】
このような条件で、レーザビームを照射すると、シリコン半導体層において、下方に第２のシリコン半導体層が設置されていない領域から結晶化が開始される。なぜならば、レーザビーム照射時に、第１のシリコン半導体膜を透過したレーザビームは第２のシリコン半導体膜まで到達する。第２のシリコン半導体膜において、レーザビームは吸収され、半導体層の温度が上昇する。この温度上昇は、ヒートシンクの役割を果たし、急冷却を抑制することができる。第１のシリコン半導体層の下層にこのヒートシンクが設置されていない領域では、温度の低く、結晶化開始時間も早い。よって、第１のシリコン半導体層の下方に第２の半導体層が設置されていない領域から、結晶化が開始され、結晶核領域４２となる。結晶粒を高効率で、選択的に成長するために適したレーザビームの波長は、２４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下範囲から選択されることが望ましい。本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域３０を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して、前記結晶核から粒を成長する工程を分離して、遂行することができる。絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、従来技術であるエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。
【００７１】
図２に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の様子を示す。少なくともチャネル領域１２の主配向が上記ゲート絶縁膜の表面に対して｛１１０｝であり、かつ上記ソース領域２０とドレイン領域１９を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が｛１００｝である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域１２を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が７５度以下の小傾角粒界からなる。さらに、チャネル領域１２の表面凹凸は２０ｎｍより小さく、その内部引っ張り応力は１０９ｄｙｎ／ｃｍ２以上、含まれる結晶欠陥密度は１０１７ｃｍ−３以下である。又、チャネル領域１２を含む当該半導体層全体に含まれる金属元素は１０１９ｃｍ−３以下である。
【００７２】
半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するための製造方法と製造装置については、第１の実施の形態で図４に示したものを適応することにより、同様の効果が得られる。本実施例では、絶縁性基板上の合わせパターンは、第２の半導体層膜４１と絶縁膜４０の段差、図４における結晶核領域４２の段差で検出することができる。
【００７３】
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置を実現した。さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をＭＩＳ型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上、しきい電圧のバラツキを±０.２Ｖ以下に抑制することができる。本例によれば、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた半導体装置が得られる効果がある。
【００７４】
＜実施の形態３＞
図９は、本発明の実施の形態３における半導体装置を説明するための図である。本例は、結晶成長に際して、部分的に熱の放出を容易にする部材を用いた例である。
【００７５】
図９の例は３つの多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した例を示している。図９の（ａ）は断面構造図、（ｂ）は平面構造図を示す。
【００７６】
図９の（ａ）、（ｂ）において、１００は絶縁性基板、１０１は下層膜、１８はゲート電極、１７はゲート絶縁膜である。半導体層は、チャネル領域１２、ソース領域２０、ドレイン領域１９から構成され、チャネル領域１２は大粒径の多結晶シリコン膜からなる。複数の半導体装置の間の下層膜１０１上に、絶縁膜５０が選択的に設置されている。絶縁膜５０の熱伝導率は、下層膜１０１と絶縁性基板１００の熱伝導率よりも大きい。
【００７７】
図１０は、本例の薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図である。ガラスなどの非結晶質基板１００に、二酸化珪素膜１０１の下地層、下層膜１０１より熱伝導率の高い絶縁膜５０として、Ｓｉ３Ｎ４層を形成する（図１０（ａ））。各薄膜半導体装置の領域に対応して、この絶縁膜５０を加工する。この絶縁膜５０を設けた領域が、結晶核領域となる。こうして準備した基体上部に、非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜１１０を形成する（図１０の（ｂ））。この状態を準備した基体に、前述した傾斜型の発光強度を有するレーザ光１０５を照射する（図１０の（ｃ））。この場合、各半導体装置の領域に応じて、レーザ光は、各傾斜型の発光強度を有するごとくに調整する。第１の半導体薄膜の溶融再結晶化を図った後、第１の半導体薄膜を所望形状に加工する（図１０（ｄ））。この第１の半導体薄膜に、ゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８を形成する。ソース、ドレインを通例の方法で形成する（図１０（ｅ））。
【００７８】
大粒径を有するチャネル領域１２は、図９の（ｃ）に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに図９の（ｃ）に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。レーザのパルス幅は１００ナノ秒以上、１ミリ秒の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が１００ｎｍ以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば５ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、パルス幅が１０マイクロ秒、パワーは１ｗである。このような条件でレーザビームを照射すると、シリコン半導体層において、下方に絶縁膜５０が設けられている領域から結晶化か開始される。なぜならば、絶縁膜５０の熱伝導率が下層膜１０１、絶縁性基板１００の熱伝導率よりも高いため、下方に絶縁膜５０が設置されている半導体領域は、他の半導体膜領域と比較すると下方に放出される熱量が多くなり、温度の低下が早く起こり、結晶化開始時間も早いので結晶核領域となる。本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域３０を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して前記結晶核から粒を成長する工程を分離遂行することができる。絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、従来技術であるエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。本実施形態では、絶縁膜５０を矩形上に加工したが、線状であっても同様の効果が得られる。絶縁膜５０はシリコン窒化膜などが適している。
【００７９】
図２に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の様子を示す。少なくともチャネル領域１２の主配向が上記ゲート絶縁膜の表面に対して｛１１０｝であり、かつ上記ソース領域２０とドレイン領域１９を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が｛１００｝である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域１２を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が７０度以下の小傾角粒界からなる。さらに、チャネル領域１２の表面凹凸は２０ｎｍより小さく、内部引っ張り応力は１０９ｄｙｎ／ｃｍ−２以上、含まれる結晶欠陥密度は１０１７ｃｍ−３以下であり、チャネル領域１２を含む半導体層全体に含まれる金属元素は１０１９ｃｍ−３以下である。
【００８０】
半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するための製造方法と製造装置については、第１の実施の形態で図３に示したものを適応することにより、同様の効果が得られる。本実施例では、絶縁性基板上の合わせパターンは、図１１における絶縁膜５１の段差で検出することができる。
【００８１】
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置を実現した。さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をMIS型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上、しきい電圧のバラツキを±０.２Ｖ以下に抑制することができ、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた半導体装置が得られる効果がある。
【００８２】
＜実施の形態４＞
図１１は、本発明の実施の形態３における半導体装置を説明するための図である。３つの多結晶シリコン薄膜トランジスタの（ａ）は断面構造図、（ｂ）は平面構造図を示す。図１１（ａ）、（ｂ）において、は、１００は絶縁性基板、１０１は下層膜、５１は絶縁膜、１８はゲート電極、１７はゲート絶縁膜である。半導体層は、チャネル領域１２、ソース領域２０、ドレイン領域１９から構成され、チャネル領域１２は大粒径の多結晶シリコン膜からなる。シリコン半導体層と下層膜１０１の間には、選択的に絶縁膜５１が挿入されている。絶縁膜５１の熱伝導率は、下層膜１０１と絶縁性基板１００の熱伝導率よりも小さい。
【００８３】
大粒径を有するチャネル領域１２は、図１１の（ｃ）に示すような結晶化方法により得られる。非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコンに図１１の（ｃ）に示すような強度分布を有する傾斜型ライン状のレーザビームを照射する。レーザのパルス幅は１００ナノ秒以上、１ミリ秒の範囲から選択されることが望ましい。シリコン半導体層の膜厚が１００ｎｍ以下であり、チャネル長よりも大きいたとえば５ミクロンの粒径を得るために最適なレーザ条件は、パルス幅が１０マイクロ秒、パワーは１ｗである。このような条件でレーザビームを照射すると、シリコン半導体層において、下方に絶縁膜５１が設けられてない空隙領域から結晶化か開始される。なぜならば、絶縁膜５１の熱伝導率が下層膜１０１、絶縁性基板１００の熱伝導率よりも高いため、下方に絶縁膜５１が設置されている半導体領域は、他の半導体膜領域と比較すると下方に放出される熱量が多くなり、温度の低下が早く起こり、結晶化開始時間も早いので結晶核領域４２となる。本実施の形態では、絶縁性基板上に結晶核領域４２を含む多晶質シリコン膜を生成した後、レーザビーム照射により半導体薄膜を溶融再結晶化して前記結晶核から粒を成長する工程を分離遂行することができる。絶縁性基板上の小粒径の多晶質シリコン膜からなる結晶核領域は、従来技術であるエキシマパルスレーザ照射による溶融再結晶化によりを生成することができる。絶縁膜５１は密度が小さく、誘電率が小さい絶縁膜、ポーラスなシリコン酸化膜などが適している。
【００８４】
図２に半導体層、とくにチャネル領域の結晶性の様子を示す。少なくともチャネル領域１２の主配向が上記ゲート絶縁膜の表面に対して｛１１０｝であり、かつ上記ソース領域２０とドレイン領域１９を結ぶ方向にほぼ垂直な面の主配向が｛１００｝である多結晶シリコン膜から構成されている。また、チャネル領域１２を構成する複数の結晶粒と結晶粒の間は、回転角が７０度以下の小傾角粒界からなる。さらに、チャネル領域１２の表面凹凸は２０ｎｍより小さく、内部引っ張り応力は１０９ｄｙｎ／ｃｍ−２以上、含まれる結晶欠陥密度は１０１７ｃｍ−３以下であり、チャネル領域１２を含む半導体層全体に含まれる金属元素は１０１９ｃｍ−３以下である。
【００８５】
半導体薄膜を溶融再結晶化して多結晶半導体膜を形成するための製造方法と製造装置については、第１の実施の形態で図３に示したものを適応することにより、同様の効果が得られる。本実施例では、絶縁性基板上の合わせパターンは、図１１における絶縁膜５０の段差で検出することができる。
【００８６】
本実施により、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を形成することができた。また、本実施例により、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置を実現した。さらに、本実施の形態で示した多結晶半導体膜をMIS型電界効果トランジスタに適応すると、電界効果移動度が約３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上、しきい電圧のバラツキを±０.２Ｖ以下に抑制することができ、高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた半導体装置が得られる効果がある。
【００８７】
本願発明によれば、ガラスなどの絶縁体基板上に、粒界、粒径、結晶方位を制御でき、結晶化の仮定で生じる膜のラフネスと結晶欠陥を低減した高品質の多結晶半導体膜を有する半導体装置が得られる効果がある。また、製造工程数の低減、大面積基板に適用容易、高いスループット、低価格で高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法と製造装置を実現できる効果がある。さらに、ガラスなどの安価な絶縁基板上に高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた、高品質の多結晶半導体膜を形成する製造方法、製造装置、前記多結晶半導体膜を適応した半導体装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は、本発明第１の実施例による半導体装置の図である。
【図２】図２は、本願発明の第１の実施例による半導体装置を説明するための図である。
【図３】図３は、本願発明に係わる半導体装置の製造方法を説明する為の工程順に示した断面図である。
【図４】図４は、本願発明の製造装置の構成の概念図である。
【図５】図５は、レーザビームの強度の時間的変化の諸例を示す図である。
【図６】図６は、レーザビームの強度の空間的な諸分布の例を示す図である。
【図７】図７は、本願発明の第２の実施例による半導体装置を説明する為の図である。
【図８】図８は、本願発明に係わる半導体装置の製造方法を説明する為の工程順に示した断面図である。
【図９】図９は、本願発明の第３の実施例による半導体装置を説明する為の図である。
【図１０】図１０は、本願発明に係わる半導体装置の製造方法を説明する為の工程順に示した断面図である。
【図１１】図１１は、本願発明の第４の実施例による半導体装置を説明する為の図である。
【図１２】図１２は、従来のレーザビームの照射の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８９】
１００……絶縁性基板、１０１……下層膜、１０２……非晶質シリコン膜、１０３……多結晶シリコン膜、１０５……レーザビーム、１０……半導体層、１２……チャネル領域、１７……ゲート絶縁膜、１８……ゲート電極、１９……ドレイン領域、２０……ソース領域、３０……結晶核領域、３１−−−４０……絶縁膜、４１……半導体層、４２……結晶核領域、５０、５１……絶縁膜、２００……ＣＷレーザ、２０１……ＥＯ変調器、２０２……偏光子、２０４……ビーム整形ユニット、２０５……基板走査ユニット、２０６……絶縁性基板、２０７……結像レンズ、２０９……ミラー、２０７……結像レンズ、１１０……半導体層。
【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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