(57)【要約】【課題】単純なプロセスにより結晶性半導体膜を形成する。【解決手段】絶縁基板１上に半導体膜３を形成する工程と、透光性絶縁膜４をキャップ領域完全溶融エネルギーがベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくなるような膜厚にて形成する工程と、ベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくキャップ領域溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定された第１レーザー光を照射する工程と、半導体膜キャップ領域３ａに存在する結晶核を基にして、半導体膜ベア領域３ｂを結晶化させる工程と、エネルギービーム７を照射して透光性絶縁膜４を加熱しながら、ベア領域溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定された第２レーザー光６を照射する工程と、半導体膜ベア領域３ｂに存在する結晶核を基にして、半導体膜キャップ領域３ａを結晶化させる工程と、透光性絶縁膜４を半導体膜３上から除去する工程とを包含する。【選択図】　図９
2004119902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、
該半導体膜上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する工程と、
該透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域を完全溶融させ、該透光性絶縁膜によって覆われる半導体膜キャップ領域を完全溶融させないように、第１レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第１照射工程と、
該半導体膜キャップ領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜ベア領域を結晶化させる第１結晶化工程と、
該第１結晶化工程の後で、該透光性絶縁膜を加熱しながら、該半導体膜キャップ領域を完全溶融させ、該半導体膜ベア領域を完全溶融させないように、第２レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第２照射工程と、
該半導体膜ベア領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜キャップ領域を結晶化させる第２結晶化工程と、
該透光性絶縁膜を該半導体膜上から除去する工程とを包含する結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項２】
前記第２照射工程において、赤外光を照射することにより前記透光性絶縁膜を加熱する請求項１に記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項３】
前記第２照射工程において、ＣＯ２レーザー光を照射することにより前記透光性絶縁膜を加熱する請求項１または請求項２に記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項４】
前記透光性絶縁膜の加熱は、前記第２レーザー光の照射開始時点よりも前の時点から開始される請求項１〜請求項３のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項５】
前記透光性絶縁膜の加熱は、前記第２レーザー光の照射開始時点よりも前の時点から開始され、かつ、該第２のレーザー光の照射終了時点よりも後の時点で終了される請求項１〜請求項３のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項６】
前記透光性絶縁膜の膜厚は、前記第１レーザー光および前記第２レーザー光に対して該透光性絶縁膜が反射防止膜として機能し、かつ、前記半導体膜キャップ領域を完全溶融させるために必要なキャップ領域完全溶融エネルギーが、前記半導体膜ベア領域を完全溶融させるために必要なベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくなるような膜厚に設定され、
該第１レーザー光は、該ベア領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、該キャップ領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定され、
該第２レーザー光は、該ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定される請求項１〜請求項５のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項７】
前記透光性絶縁膜の膜厚は、前記第１レーザー光および前記第２レーザー光の波長λおよび該透光性絶縁膜の屈折率ｎに対して、（３λ）／（４ｎ）以上に設定される請求項１〜請求項６のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項８】
前記第１レーザー光および前記第２レーザー光に対する前記透光性絶縁膜の反射率は、該第１レーザー光および該第２レーザー光に対する前記半導体膜ベア領域の反射率よりも２０％以上低く設定される請求項１〜請求項７のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項９】
前記透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜によって構成される請求項１〜請求項８のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項１０】
前記第１結晶化工程において、前記半導体膜ベア領域を構成する半導体結晶粒が、前記半導体膜キャップ領域に接する該半導体膜ベア領域の両端から該半導体膜ベア領域の中央に向かってそれぞれ基板面に平行な方向に結晶成長することによって該半導体膜ベア領域が結晶化され、
前記第２結晶化工程において、該半導体膜キャップ領域を構成する半導体結晶粒が、該半導体膜ベア領域に接する該半導体膜キャップ領域の両端から該半導体膜キャップ領域の中央に向かってそれぞれ基板面に平行な方向に結晶成長することによって該半導体膜キャップ領域が結晶化される請求項１〜請求項９のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の結晶性半導体膜の形成方法によって形成された結晶性半導体膜。
【請求項１２】
絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、
該半導体膜上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する工程と、
該透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域を完全溶融させ、該透光性絶縁膜によって覆われる半導体膜キャップ領域を完全溶融させないように、第１レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第１照射工程と、
該半導体膜キャップ領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜ベア領域を結晶化させる第１結晶化工程と、
該第１結晶化工程の後で、該透光性絶縁膜を加熱しながら、該半導体膜キャップ領域を完全溶融させ、該半導体膜ベア領域を完全溶融させないように、第２レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第２照射工程と、
該半導体膜ベア領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜キャップ領域を結晶化させる第２結晶化工程と、
該透光性絶縁膜を該半導体膜上から除去する工程と、
該結晶性半導体膜をチャネル領域としてトランジスタを作製する工程とを包含する半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、
該半導体膜の第１領域上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第１透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成すると共に、該半導体膜の第２領域上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第２透光性絶縁膜を、該第１透光性絶縁膜と交差する方向に、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する工程と、
該透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域を完全溶融させ、該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜によって覆われた半導体膜キャップ領域を完全溶融させないように、第１レーザー光を該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第１照射工程と、
該半導体膜キャップ領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜ベア領域を結晶化させる第１結晶化工程と、
該第１結晶化工程の後で、該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜を加熱しながら、該半導体膜キャップ領域は完全溶融させ、該半導体膜ベア領域は完全溶融させないように、第２レーザー光を該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第２照射工程と、
該半導体膜ベア領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜キャップ領域を結晶化させる第２結晶化工程と、
該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜を該半導体膜上から除去する工程と、
該結晶性半導体膜をチャネル領域としてトランジスタを作製する工程とを包含する半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に形成された半導体膜を結晶化して得られる結晶性半導体膜およびその形成方法、並びにその半導体膜を用いた半導体装置およびその製造方法に関し、さらに詳細には、絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に形成された非晶質半導体膜にレーザー光を照射して熱エネルギーを付与し、非晶質半導体膜を結晶化して得られる結晶性半導体膜およびその形成方法、並びにその半導体膜を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に非晶質の半導体薄膜を形成し、この半導体薄膜に対して局所的に熱エネルギーを付与して溶融させ、溶融した部分から結晶化して結晶性の半導体膜を得る結晶性半導体膜の形成方法が知られており、この方法に関する研究は、既に３０年近い歴史を有している。
【０００３】
その中でも、熱エネルギー源としてレーザー光を非晶質半導体膜に照射する方法は、１９８０年代にＳＯＩ基板を形成するために研究が進められ、１９９０年代に入ってからは、低温ポリシリコン技術による液晶パネルの製造方法の開発およびその量産化に用いられており、最も実績がある方法であると言える。特に、ガラス基板等のように、高温プロセスに耐えることができない安価な基板を用いる場合には、極めて短時間内に熱エネルギーを付与する必要があり、このような熱エネルギー源としては、パルス発振するレーザー光を用いることが唯一の方法となっている。
【０００４】
ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ＥＤＬ−７，２７６，１９８６（鮫島ら、非特許文献１）には、ガラス基板上に形成された非晶質シリコン薄膜上に、出力が大きいエキシマレーザー光を照射して結晶化する方法が開示されている。この非特許文献１に開示されている非晶質シリコン薄膜の結晶化方法は、鮫島らによって始められたものであり、この非特許文献１の中で、非晶質シリコン薄膜に照射されるレーザー光のエネルギー密度は、シリコン薄膜の上部が部分的に溶融されるような値に設定されている。その後の研究により、照射されるレーザー光のエネルギー密度と、形成される結晶半導体膜の結晶粒径との関係が詳細に検討され、レーザー光のエネルギー密度が増加すると、これに伴って結晶粒径が増大することが明らかにされている。
【０００５】
このような結晶粒径の増大については、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２，４０８６（非特許文献２）において詳細に検討されている。この非特許文献２によると、特に、レーザー光の照射によって非晶質半導体膜が溶融される深さがシリコン薄膜の膜厚と一致する直前、すなわち、シリコン薄膜が下層の基板等に達する界面まで溶融される直前である場合に、数ミクロンに達する巨大な結晶粒が形成されるということが報告されている。これは、シリコン薄膜において下層との界面にわずかに残存する結晶粒が、結晶固化を開始する際の結晶核となり、大粒径の結晶粒を成長させることが可能となるからである。
【０００６】
しかしながら、上記非特許文献２に記載された結晶化方法では、レーザー光のエネルギー密度が、シリコン薄膜が下層との界面直前まで溶融される値を超えて、シリコン薄膜が下層に達するまで完全に溶融されると、急激な冷却過程が生じてランダムな核発生が起こり、結晶粒が非常に小さいものとなるか、あるいは、再非晶質化が起こる。従って、実際には、レーザー光の出力に揺らぎがあることを考慮して、照射されるレーザー光のエネルギー密度は、シリコン薄膜が完全溶融されるエネルギー密度よりもわずかに小さい値に設定される。このため、このようなレーザー光の照射条件に応じて、得られる結晶粒の粒径は、数百ｎｍ程度になる。この非特許文献２に基づいたレーザー光の照射条件によって、現在、低温ポリシリコン形成技術としてポリシリコン半導体膜の量産が行われている。この非特許文献２の技術に基づいて製造されたＴＦＴの典型的なキャリア移動度としては、ｎチャネル型ＴＦＴで１５０ｃｍ２／Ｖｓ、ｐチャネル型チャネルＴＦＴで８０ｃｍ２／Ｖｓが得られている。
【０００７】
上述したように、パルス発振するレーザー光を照射することによって結晶化されたポリシリコン半導体膜を用いて作製された半導体装置を備える液晶パネルが実現されており、ポリシリコン半導体膜をより高性能にして、さらに多機能な回路素子を集積したアクティブマトリックスＴＦＴ基板を実現するという要望が高くなっている。
【０００８】
このような要望に対して、レーザー光を照射して結晶化を行う際に、非晶質シリコン膜を完全に溶融させ、尚且つ、結晶化に際してランダム核が発生することを抑制しつつ、基板面に平行な方向（以下、横方向と称する）の結晶成長を制御することにより、単結晶基板に匹敵するＴＦＴ特性を得る方法が報告されている。
【０００９】
研究段階レベルでは多種多様な方法が提案されているが、いずれも、シリコン薄膜において、完全に溶融された領域に接するように、部分的に溶融された領域を存在させ、その部分溶融領域に存在する結晶粒を、完全溶融領域において溶融されたシリコン膜が結晶化を開始する際の核として用いるということが、基本的な考え方として共通している。以下、実用レベルに適用可能な方法の例として、２つの方法について説明する。
【００１０】
第一の方法として、アスペクト比が極めて高いレーザービームを形成し、このレーザービームが照射される照射領域の半導体膜を完全に溶融させ、その後、レーザービームの照射領域に隣接する、レーザービームが照射されない未照射領域に存在する結晶性半導体膜から横方向の結晶成長を誘起する方法が、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２，４０８６（非特許文献２）に提案されている。
【００１１】
この第一の方法では、一回の溶融によって結晶が横方向に成長可能な距離と同程度の距離だけずれた領域に、レーザー光を走査しながら照射することにより、レーザー光の走査方向に沿って一方向に成長された結晶粒が得られる。このことから、この結晶化方法は、非特許文献２を記載したＪ．Ｉｍらによって、ＳＬＳ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と名づけられている。この第一の方法を用いた場合には、任意の長さの結晶粒を、隙間無く形成することができるという利点がある。
【００１２】
第二の方法として、非晶質シリコン薄膜上にビーム反射膜であるアルミニウム膜をストライプ状に形成する方法が、ＩＥＥＥ　Ｅｌｃｔｒｏｎ　ＤｅｖｉｃｅＭｅｅｔｉｎｇ，Ｓａｎ　Ｆｒｎｃｉｓｃｏ（非特許文献３）に記載されている。
【００１３】
図１９（ａ）は、上記非特許文献３に記載された結晶成長方法を説明するための断面図であり、図１９（ｂ）は、その方法により得られる結晶性の半導体膜を示す平面図である。
【００１４】
この非特許文献４に記載されている方法では、図１９（ａ）に示すように、絶縁ガラス基板１０１の表面に形成されたアモルファスシリコン薄膜（非晶質シリコン薄膜、以下、「ａ−Ｓｉ膜」と称する）１０２上の全面にわたってレーザービームを照射した場合に、ビーム反射膜１０３が設けられていない領域１０２ａは、照射されるレーザー光に対して露出された状態になっているために、レーザー光の照射によってａ−Ｓｉ膜１０２が完全に溶融される完全溶融領域となる。また、ビーム反射膜１０３が設けられている領域１０２ｂは、レーザー光が照射されないため、ａ−Ｓｉ膜１０２が溶融されない未溶融領域となる。ビーム反射膜１０３がストライプ状に設けられていることによって、このような完全溶解領域１０２ａと未溶融領域１０２ｂとが、互いに繰り返して隣接するように配置される。完全溶融領域１０２ａにて溶融されたシリコンは、未溶融領域１０２ｂに存在する結晶核を基にして、横方向に結晶成長される。その結果、図１９（ｂ）に示すように、溶融領域１０２ａにおいて、未溶融領域１０２ｂに接する両端側から溶融領域１０２ａの中央部に向かって、それぞれ横方向に結晶成長され、略中央部でそれぞれの結晶粒がぶつかり合った形状に結晶粒が形成される。
【００１５】
また、ＡＭ−ＬＣＤ　２０００　Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ２８１（非特許文献４）には、ビーム反射膜を設ける代わりに、シリコン薄膜を部分的に厚く形成する方法が記載されている。この非特許文献４に記載されている方法では、シリコン薄膜において薄く形成された部分が完全溶融領域となり、厚く形成された部分が、部分的に溶融される部分溶融領域となる。そして、完全溶融領域にて完全溶融されたシリコン薄膜は、部分溶融領域に存在する結晶粒核を基にして、横方向に結晶成長される。
【００１６】
これら第二の方法では、シリコン薄膜上に反射膜を所望の形状にパターニングすることにより、または、シリコン薄膜において厚膜に形成された領域を所望の形状にパターニングすることによって、レーザービームの走査方向とは関係なく、結晶粒が成長する方向を決定することができ、結晶粒が成長する方向が互いに直交したシリコン膜を、同一基板上に混在して形成することが可能であるという利点を有する。
【００１７】
しかしながら、上述した第一の方法および第二の方法では、以下に述べるような問題がある。
【００１８】
まず、第一の方法では、一回のレーザー光の照射によって、結晶粒が横方向に成長する長さが、０．５μｍ〜４μｍと微細になるため、この程度の長さに合わせて高精細にレーザー光を走査することが必要になる。その結果、結晶化のための処理時間が長くなり、また、レーザー光を照射するための特殊な構造を有する装置を準備する必要がある。
【００１９】
また、この第一の方法では、レーザー光の走査方向に沿って長くなった極めて細長い結晶粒が得られる。このような細長い結晶粒を有する結晶性シリコン膜によってＴＦＴを構成した場合、ＴＦＴのチャネルにおいて、キャリアが流れる方向と結晶粒が延びる方向とが一致する場合には、キャリアの移動度が非常に高くなるものの、キャリアが流れる方向と結晶粒が延びる方向とが直交する場合には、キャリアが流れる方向と結晶粒が延びる方向とが一致する場合と比較して、キャリアの移動度が約１／３程度に劣化することが知られている。この方法では、レーザービームの走査方向によって結晶粒が伸長する方向が決まるため、高い特性が得られるのは一方向のみであり、他の方向に伸長する結晶粒を同一の基板上に混在させることはできない。従って、この方法では、回路素子の設計上、制約を受けるため、好ましくない。
【００２０】
一方、第二の方法では、結晶粒の長さが、一回の横方向成長距離に限られるという問題がある。さらに、この結晶化方法では、未溶融領域に残存する結晶核を基にして結晶成長が開始されるため、溶融領域に隣接して、所定間隔毎に未溶融領域を形成する必要がある。また、完全溶融領域において横方向に成長した結晶粒が、未溶融領域を挟んで隣接する他の完全溶融領域の結晶粒と可能な限り近接するように、未溶融領域を微小に形成し過ぎると、完全溶融領域において結晶成長開始時に必要とされる未溶融領域の初期核がレーザー光照射によって消失し、ランダムな核発生による微小な結晶粒が形成されるおそれがあるため、未溶融領域は、ある程度の大きさに形成する必要がある。このため、この結晶化方法では、未溶融領域に要する面積のために素子寸法が増大するという問題がある。
【００２１】
このような問題を解決するための構成が、特願２００１−２９２５３８号（特許文献１）に記載されている。図２０は、その結晶性半導体膜の形成方法を説明するための断面図である。
【００２２】
まず、図２０（ａ）に示すように、ガラス基板１１１上にベースコート膜１１２を形成し、ベースコート膜１１２の上にａ−Ｓｉ膜１１３を形成する。その後、ａ−Ｓｉ膜１１３の上に、複数の反射防止膜１１４を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成し、各反射防止膜１１４の上に反射膜１１５を積層する。
【００２３】
そして、反射膜１１５側からａ−Ｓｉ膜１１３へ、１回目のレーザー光照射を行う。このとき、ａ−Ｓｉ膜１１３において、反射防止膜１１４および反射膜１１５によって覆われていないベア領域１１３ｂは、照射された１回目のレーザー光によって完全溶融される。また、反射防止膜１１４および反射膜１１５によって覆われたキャップ領域１１３ａは、反射膜１１５によって１回目のレーザー光が反射されるために溶融されない。照射された１回目のレーザー光によって完全溶融されたベア領域１１３ｂは、反射防止膜１１４および反射膜１１５によって覆われているために溶融されていないキャップ領域１１３ａに存在する結晶粒を結晶核として、ベア領域１１３ｂの両端からベア領域１１３ｂの中央部に向かって横方向に成長し、結晶粒が形成される。
【００２４】
次に、図２０（ｂ）に示すように、反射膜１１５を除去する。そして、反射防止膜１１４側からａ−Ｓｉ膜１１３へ、２回目のレーザー光照射を行う。このとき、ａ−Ｓｉ膜１１３において、反射防止膜１１４によって覆われたキャップ領域１１３ａでは、照射された２回目のレーザー光の反射が反射防止膜１１４によって防止されるため、完全溶融される。また、反射防止膜１１４によって覆われていないベア領域１１３ｂは、完全溶融されない。完全溶融されたキャップ領域１１３ａは、ベア領域１１３ｂにおいて１回目のレーザー光照射時に形成された結晶粒を結晶核として、キャップ領域１１３ａの両端から中央部に向かって横方向に結晶成長し、結晶粒が形成される。
【００２５】
このように、上記特許文献１に記載の従来技術によれば、１回の横方向成長距離の２倍の長さを有する結晶粒を、隙間を空けることなく形成することができると共に、素子寸法を増大させることなく、異なる方向に沿って伸長する結晶粒を同一基板上に形成することができる。
【００２６】
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ＥＤＬ−７，２７６，１９８６
【非特許文献２】
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２，４０８６
【非特許文献３】
ＩＥＥＥ　Ｅｌｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｓａｎ
Ｆｒｎｃｉｓｃｏ
【非特許文献４】
ＡＭ−ＬＣＤ　２０００　Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ２８１
【００２７】
【特許文献１】
特願２００１−２９２５３８号
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２０を参照して説明した上記従来技術においては、反射防止膜１１４の上にさらに反射膜１１５を積層する必要があるために、プロセスが複雑化し、製造コストが増大するという問題がある。
【００２９】
また、１回目のレーザー光を照射した後、２回目のレーザー光を照射する前に、反射防止膜１１４の上に積層された反射膜１１５を除去するために、レーザー光照射装置からガラス基板１１１を取り出して反射膜１１５を除去し、反射膜１１５が除去されたガラス基板１１１を再びレーザー光照射装置へセットする必要がある。従って、プロセスがさらに複雑化し、製造コストがさらに増大するという問題がある。
【００３０】
さらに、１回目のレーザー光を照射したときに、金属によって構成された反射膜１１５が溶融してａ−Ｓｉ膜１１３のベア領域１１３ｂ上に流れ落ち、または反射膜１１５が蒸発、気化してベア領域１１３ｂ上に付着するために、ａ−Ｓｉ膜１１３が汚染される。その結果、このような結晶性半導体膜を用いて作製された薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と称する）の特性が低下し、または特性のばらつきが増大するという問題がある。
【００３１】
本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、単純なプロセスにより良好な特性が得られる結晶性半導体膜およびその製造方法、並びに半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶性半導体膜の製造方法は、絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、該半導体膜上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する工程と、該透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域を完全溶融させ、該透光性絶縁膜によって覆われる半導体膜キャップ領域を完全溶融させないように、第１レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第１照射工程と、該半導体膜キャップ領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜ベア領域を結晶化させる第１結晶化工程と、該第１結晶化工程の後で、該透光性絶縁膜を加熱しながら、該半導体膜キャップ領域を完全溶融させ、該半導体膜ベア領域を完全溶融させないように、第２レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第２照射工程と、該半導体膜ベア領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜キャップ領域を結晶化させる第２結晶化工程と、該透光性絶縁膜を該半導体膜上から除去する工程とを包含し、そのことにより上記目的が達成される。
【００３３】
好ましくは、前記第２照射工程において、赤外光を照射することにより前記透光性絶縁膜を加熱する。
【００３４】
好ましくは、前記第２照射工程において、ＣＯ２レーザー光を照射することにより前記透光性絶縁膜を加熱する。
【００３５】
好ましくは、前記透光性絶縁膜の加熱は、前記第２レーザー光の照射開始時点よりも前の時点から開始される。
【００３６】
好ましくは、前記透光性絶縁膜の加熱は、前記第２レーザー光の照射開始時点よりも前の時点から開始され、かつ、該第２のレーザー光の照射終了時点よりも後の時点で終了される。
【００３７】
前記透光性絶縁膜の膜厚は、前記第１レーザー光および前記第２レーザー光に対して該透光性絶縁膜が反射防止膜として機能し、かつ、前記半導体膜キャップ領域を完全溶融させるために必要なキャップ領域完全溶融エネルギーが、前記半導体膜ベア領域を完全溶融させるために必要なベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくなるような膜厚に設定され、該第１レーザー光は、該ベア領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、該キャップ領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定され、該第２レーザー光は、該ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定される。
【００３８】
好ましくは、前記透光性絶縁膜の膜厚は、前記第１レーザー光および前記第２レーザー光の波長λおよび該透光性絶縁膜の屈折率ｎに対して、（３λ）／（４ｎ）以上に設定される。
【００３９】
好ましくは、前記第１レーザー光および前記第２レーザー光に対する前記透光性絶縁膜の反射率は、該第１レーザー光および該第２レーザー光に対する前記半導体膜ベア領域の反射率よりも２０％以上低く設定される。
【００４０】
好ましくは、前記透光性絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜によって構成される。
【００４１】
前記第１結晶化工程において、前記半導体膜ベア領域を構成する半導体結晶粒が、前記半導体膜キャップ領域に接する該半導体膜ベア領域の両端から該半導体膜ベア領域の中央に向かってそれぞれ基板面に平行な方向に結晶成長することによって該半導体膜ベア領域が結晶化され、前記第２結晶化工程において、該半導体膜キャップ領域を構成する半導体結晶粒が、該半導体膜ベア領域に接する該半導体膜キャップ領域の両端から該半導体膜キャップ領域の中央に向かってそれぞれ基板面に平行な方向に結晶成長することによって該半導体膜キャップ領域が結晶化される。
【００４２】
本発明の結晶性半導体膜は、本発明の結晶性半導体膜の形成方法によって形成され、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、該半導体膜上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する工程と、該透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域を完全溶融させ、該透光性絶縁膜によって覆われる半導体膜キャップ領域を完全溶融させないように、第１レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第１照射工程と、該半導体膜キャップ領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜ベア領域を結晶化させる第１結晶化工程と、該第１結晶化工程の後で、該透光性絶縁膜を加熱しながら、該半導体膜キャップ領域を完全溶融させ、該半導体膜ベア領域を完全溶融させないように、第２レーザー光を該透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第２照射工程と、該半導体膜ベア領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜キャップ領域を結晶化させる第２結晶化工程と、該透光性絶縁膜を該半導体膜上から除去する工程と、該結晶性半導体膜をチャネル領域としてトランジスタを作製する工程とを包含し、そのことにより上記目的が達成される。
【００４４】
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に半導体膜を形成する工程と、該半導体膜の第１領域上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第１透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成すると共に、該半導体膜の第２領域上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の第２透光性絶縁膜を、該第１透光性絶縁膜と交差する方向に、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する工程と、該透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域を完全溶融させ、該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜によって覆われた半導体膜キャップ領域を完全溶融させないように、第１レーザー光を該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第１照射工程と、該半導体膜キャップ領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜ベア領域を結晶化させる第１結晶化工程と、該第１結晶化工程の後で、該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜を加熱しながら、該半導体膜キャップ領域は完全溶融させ、該半導体膜ベア領域は完全溶融させないように、第２レーザー光を該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜側から該半導体膜へ照射する第２照射工程と、該半導体膜ベア領域に存在する結晶核を基にして、完全溶融した該半導体膜キャップ領域を結晶化させる第２結晶化工程と、該第１透光性絶縁膜および該第２透光性絶縁膜を該半導体膜上から除去する工程と、該結晶性半導体膜をチャネル領域としてトランジスタを作製する工程とを包含し、そのことにより上記目的が達成される。
【００４５】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体装置の製造方法によって製造され、そのことにより上記目的が達成される。
【００４６】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００４７】
本発明にあっては、絶縁基板上または基板上に設けられた絶縁膜上に半導体膜を形成し、その半導体膜上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する。透光性絶縁膜は、レーザー光に対して反射防止膜として機能し、透光性絶縁膜によって覆われる半導体膜キャップ領域を完全溶融させるために必要なキャップ領域完全溶融エネルギーが、透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域を完全溶融させるために必要なベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくなるような膜厚にて形成されている。
【００４８】
このように半導体膜上にストライプ状の透光性絶縁膜が設けられた状態で、ベア領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、キャップ領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定された第１レーザー光を、透光性絶縁膜側から半導体膜へ照射することによって、透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域は完全溶融され、透光性絶縁膜によって覆われた半導体膜キャップ領域は完全溶融されない。
【００４９】
この完全溶融された半導体膜ベア領域を構成する半導体結晶粒が、完全溶融されていない半導体膜キャップ領域に接する半導体膜ベア領域の両端から半導体膜ベア領域の中央に向かって、それぞれ基板面に平行な方向に結晶成長することによって、半導体膜ベア領域が結晶化され、１回の横方向成長距離の２倍の長さを有する結晶粒を形成することができる。
【００５０】
また、エネルギービームを照射して透光性絶縁膜を加熱することによって、半導体膜キャップ領域を完全溶融させるために必要とされるレーザー光のエネルギーのうち、透光性絶縁膜の温度上昇に費やされるエネルギーを減少させて、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーにすることができる。
【００５１】
このようにエネルギービームを照射して透光性絶縁膜を加熱した状態で、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーに設定された第２レーザー光を透光性絶縁膜側から半導体膜へ照射することによって、透光性絶縁膜によって覆われた半導体膜キャップ領域は完全溶融され、透光性絶縁膜によって覆われていない半導体膜ベア領域は完全溶融されない。
【００５２】
この完全溶融された半導体膜キャップ領域を構成する半導体結晶粒が、完全溶融されていない半導体膜ベア領域に接する半導体膜キャップ領域の両端から半導体膜キャップ領域の中央に向かって、それぞれ基板面に平行な方向に結晶成長することによって、半導体膜キャップ領域が結晶化され、１回の横方向成長距離の２倍の長さを有する結晶粒を形成することができる。
【００５３】
従って、１回目の結晶成長工程による結晶粒と２回目の結晶成長工程による結晶粒とを、隙間無く形成することができる。また、透光性絶縁膜のストライプ方向によって、結晶粒の成長方向を制御することができ、異なる方向に沿って伸長する結晶粒を同一基板上に形成することができる。このように形成された結晶性半導体膜を用いてチャネル領域を構成することによって、高性能な半導体装置を作製することができる。
【００５４】
半導体膜上には透光性絶縁膜のみを設ければよく、図２０に示す従来技術のように、反射防止膜および反射膜を半導体膜の上に積層する必要がない。従って、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスを単純にすることができ、コストを低く抑えることができる。さらに、１回目のレーザー光を照射した後、２回目のレーザー光を照射する前に、反射防止膜の上に積層された反射膜を除去するために、レーザー光照射装置から基板を取り出して反射膜を除去し、反射膜を除去した基板を再びレーザー光照射装置へセットする必要もない。従って、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスをさらに単純にすることができ、コストをさらに低く抑えることができる。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００５６】
（実施の形態１）
本実施の形態１では、ガラス基板上に多結晶シリコン膜を形成する方法について説明する。
【００５７】
本実施の形態１では、ガラス基板上にａ−Ｓｉ膜を形成する半導体膜形成工程を行い、そのａ−Ｓｉ膜上に、それぞれが所定の等しい膜厚の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成する透光性絶縁膜形成工程を行う。次に、ベア領域は完全溶融されるがキャップ領域は完全溶融されないように、第１レーザー光を透光性絶縁膜側からａ−Ｓｉ膜へ照射する第１照射工程を行い、完全溶融されたベア領域を、完全溶融されないキャップ領域に存在する結晶核を基にして結晶化させるベア領域結晶化工程を行う。次に、エネルギービーム照射によって透光性絶縁膜を加熱しながら、キャップ領域のみが完全溶融されるように、第２レーザー光を透光性絶縁膜側からＳｉ膜へ照射する第２照射工程を行い、完全溶融されたキャップ領域をベア領域に存在する結晶核を基にして結晶化させるキャップ領域結晶化工程を行う。その後、透光性絶縁膜をＳｉ膜上から除去する除去工程を行う。
【００５８】
図１は、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【００５９】
まず、ガラス基板１上に、シリコン酸化膜によって構成されるベースコート膜２を、Ｐ−ＣＶＤ法によって３００ｎｍの厚さに形成する。ガラス基板１は、Ｃｏｒｎｉｎｇ１７３７によって構成されている。次に、ベースコート膜２上に、ａ−Ｓｉ膜３をＰ−ＣＶＤ法によって４５ｎｍの厚さに形成する。その後、ベースコート膜２およびａ−Ｓｉ膜３が形成されたガラス基板１を、電気炉の中に入れて、窒素雰囲気中において５００℃で１時間加熱することによって、ａ−Ｓｉ膜３の脱水素を行う。
【００６０】
図２は、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、透光性絶縁膜を形成する工程を説明するための断面図であり、図３は、その斜視図である。
【００６１】
脱水素が行われたａ−Ｓｉ膜３上に、シリコン酸化膜によって構成される透光性絶縁膜４を、Ｐ−ＣＶＤ法によって形成する。その後、ａ−Ｓｉ膜３上に形成された透光性絶縁膜４を、５ｗｔ％　弗化水素酸を使用したエッチングによってパターニングすることによって、複数の透光性絶縁膜４を、それぞれ２μｍの間隔を空けて２μｍの幅を有するストライプ状に形成する。
【００６２】
ここで、透光性絶縁膜４によって覆われた領域におけるａ−Ｓｉ膜３をキャップ領域３ａと称し、透光性絶縁膜４によって覆われない透光性絶縁膜４の間のａ−Ｓｉ膜３をベア領域３ｂと称することにする。
【００６３】
図４は、透光性絶縁膜の一種であるシリコン酸化膜の膜厚とその反射率との関係を示すグラフである。図４の横軸は、ａ−Ｓｉ膜３上に形成された透光性絶縁膜４の膜厚を示しており、縦軸は、シリコン酸化膜によって構成された透光性絶縁膜４の反射率である。
【００６４】
図５は、透光性絶縁膜の一種であるシリコン酸化膜の膜厚とキャップ領域完全溶融エネルギーとの関係を示すグラフである。図５の横軸は、ａ−Ｓｉ膜３上に形成された透光性絶縁膜４の膜厚を示しており、縦軸は、シリコン酸化膜によって構成された透光性絶縁膜４によって覆われたキャップ領域３ａを完全溶融させるために必要なレーザーエネルギー（以下「キャップ領域完全溶融エネルギー」と称する）を示している。
【００６５】
図４に示すように、透光性絶縁膜４の反射率は、その膜厚によって変化するため、透光性絶縁膜４によって覆われたキャップ領域３ａへ到達するレーザー光のエネルギーは、透光性絶縁膜４の膜厚によって変化する。このため、キャップ領域完全溶融エネルギーは、透光性絶縁膜４の膜厚によって変化する。キャップ領域完全溶融エネルギーは、透光性絶縁膜４の反射率の膜厚に対する変化を反映して、透光性絶縁膜４の膜厚に対してコサインカーブ状に変化する。
【００６６】
また、シリコン酸化膜のような熱容量の大きな材料によって透光性絶縁膜４を構成すると、透光性絶縁膜４の膜厚が厚くなるに従って、照射されたレーザー光のエネルギーのうち、透光性絶縁膜４に吸収されて透光性絶縁膜４の温度上昇に費やされるエネルギーが増える。このため、図５に示すように、コサインカーブ状に変化するキャップ領域完全溶融エネルギーは、透光性絶縁膜４の膜厚が厚くなるに従って右肩上がりとなる曲線によって表される。右肩上がりとなる曲線によって表されるキャップ領域完全溶融エネルギーは、透光性絶縁膜４の膜厚が厚くなるに従って、透光性絶縁膜４によって覆われないベア領域３ｂを完全溶融させるために必要なレーザーエネルギー（以下、「ベア領域完全溶融エネルギー」と称する、図５に点線で示す）を超える場合がある。
【００６７】
例えば、照射されるレーザー光の波長λおよび透光性絶縁膜４の屈折率ｎとして、透光性絶縁膜４の膜厚ｄが（３λ）／（４ｎ）以上になると、透光性絶縁膜４がシリコン酸化膜の場合、膜厚ｄに関わらず、キャップ領域完全溶融エネルギーはベア領域完全溶融エネルギーよりも常に大きくなる。
【００６８】
本実施の形態１において、ａ−Ｓｉ膜３上に形成される透光性絶縁膜４の膜厚は、キャップ領域完全溶融エネルギーがベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくなるような膜厚で、かつ、透光性絶縁膜４の反射率がベア領域３ｂの反射率よりも２０％以上小さくなるような膜厚に設定される。例えば、透光性絶縁膜４としてシリコン酸化膜を用いる場合には、（３λ）／（４ｎ）以上である約３６０ｎｍの厚さにて形成する。このような約３６０ｎｍの厚さのシリコン酸化膜によって構成される透光性絶縁膜４によって覆われたキャップ領域３ａをＸｅＣｌレーザーによって完全溶融させるためのキャップ領域完全溶融エネルギーは、予備実験によれば、約５１０ｍＪ／ｃｍ２であった。また、透光性絶縁膜４によって覆われないベア領域３ｂをＸｅＣｌレーザーによって完全溶融させるためのベア領域完全溶融エネルギーは、予備実験によれば、約４４０ｍＪ／ｃｍ２であった。
【００６９】
また、ＣＯ２レーザー等によって、ａ−Ｓｉ膜３の光吸収係数よりも透光性絶縁膜４の光吸収係数が大きくなるような波長の赤外光を照射しながらＸｅＣｌレーザー光を照射した場合には、ＣＯ２レーザー光により透光性絶縁膜４が加熱されて温度上昇する。このため、ＸｅＣｌレーザーエネルギーのうち、透光性絶縁膜４の温度上昇に費やされるエネルギーが減少し、その結果、キャップ領域完全溶融エネルギーが低下する。従って、透光性絶縁膜４の膜厚をＸｅＣｌレーザー光に対して反射防止膜として機能するような膜厚に設定しておけば、ＣＯ２レーザーのパワーと照射時間とを調整することにより、キャップ領域をＸｅＣｌレーザーによって完全溶融させるために必要とされるキャップ領域完全溶融エネルギーをベア領域完全溶融エネルギーよりも小さくすることができる。予備実験によれば、約３６０ｎｍのシリコン酸化膜に対して、４．０Ｊ／ｃｍ２のＣＯ２レーザー光を照射しながらＸｅＣｌレーザー光を照射した場合には、キャップ領域完全溶融エネルギーは約４００ｍＪ／ｃｍ２となった。
【００７０】
図６は、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、第１レーザー光を照射する工程を説明するための断面図である。また、図７は、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、ベア領域結晶化工程を説明するための斜視図であり、図８はその平面図である。
【００７１】
ベア領域完全溶融エネルギー４４０ｍＪ／ｃｍ２よりも大きく、かつ、キャップ領域完全溶融エネルギー５１０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さい４６０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する１回目のレーザー光５を、３０８ｎｍの波長を有するＸｅＣｌレーザーによって、透光性絶縁膜４側からａ−Ｓｉ膜３へ照射する。レーザー光５のビームサイズは０．５ｍｍ×１００ｍｍとし、Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ　Ｒａｔｅは８０Ｈｚとし、ステージ送り速度は４０ｍｍ／秒とする。
【００７２】
このように、ベア領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、キャップ領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーを有する１回目のレーザー光５が照射されると、キャップ領域３ａへの加熱が透光性絶縁膜４によって抑制されるために、透光性絶縁膜４で覆われていないベア領域３ｂのみが完全溶融され、キャップ領域３ａは完全溶融されない。
【００７３】
完全溶融されたベア領域３ｂは、レーザー光５のエネルギーが小さいために完全溶融されないキャップ領域３ａに存在する結晶核を基にして、図６〜図８に矢印で示すように、ベア領域３ｂの両端から中央に向かって横方向に結晶成長して結晶化される。
【００７４】
図９は、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、第２レーザー光を照射する工程を説明するための断面図である。また、図１０は、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、キャップ領域結晶化工程を説明するための斜視図であり、図１１はその平面図である。
【００７５】
第２レーザー光６の照射開始時点よりも前の時点から、４．０Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する波長１０．６μｍのＣＯ２レーザーにより、透光性絶縁膜４を加熱するためのエネルギービーム７を、透光性絶縁膜４側からＳｉ膜３へ照射しておく。そして、エネルギービーム７を照射しながら、ベア領域完全溶融エネルギー４４０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さい４００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する２回目のレーザー光６を、３０８ｎｍの波長を有するＸｅＣｌレーザーによって透光性絶縁膜４側からＳｉ膜３へ照射する。２回目のレーザー光６のビームサイズは、上述した１回目のレーザー光５と同様に、０．５ｍｍ×１００ｍｍとし、Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ　Ｒａｔｅは８０Ｈｚとし、ステージ送り速度は４０ｍｍ／秒とする。
【００７６】
このように、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーを有する２回目のレーザー光６が照射されると、エネルギービーム７が照射されて透光性絶縁膜４が加熱されているために、透光性絶縁膜４で覆われているキャップ領域３ａのみが完全溶融され、ベア領域３ｂは完全溶融されない。
【００７７】
完全溶融されたキャップ領域３ａは、レーザー光６のエネルギーが小さいために完全溶融されないベア領域３ｂに存在する結晶核を基にして、図９〜図１１に矢印で示すように、キャップ領域３ａの両端から中央に向かって横方向に結晶成長して結晶化される。この場合、完全溶融されないベア領域３ｂは、部分溶融されるが、元の結晶をトレースして再結晶化される。
【００７８】
その後、５ｗｔ％　弗化水素酸を使用したエッチングによって、透光性絶縁膜４をＳｉ膜３上から除去することにより、本実施の形態１の結晶性半導体膜が形成される。
【００７９】
図１２は、実施の形態１に係る結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。この図１２は、透光性絶縁膜４を除去した後、ＳＥＭによって観察した結晶性シリコン膜１０の結晶状態を示している。
【００８０】
キャップ領域３ａを構成する結晶粒は、隣接するベア領域３ｂに接するキャップ領域３ａの両端からキャップ領域３ａの中央に向かって、それぞれ横方向に結晶成長されている。キャップ領域３ａの両端から中央に向かって成長した結晶粒は、キャップ領域３ａの中央において互いにぶつかりあい、キャップ領域３ａの中央において、キャップ領域３ａの長手方向に沿って結晶粒界が形成されている。
【００８１】
また、ベア領域３ｂを構成する結晶粒は、隣接するキャップ領域３ａに接するベア領域３ｂの両端からベア領域３ｂの中央に向かって、それぞれ横方向に結晶成長されている。ベア領域３ｂの両端から中央に向かって成長した結晶粒は、ベア領域３ｂの中央において互いにぶつかりあい、ベア領域３ｂの中央において、ベア領域３ｂの長手方向に沿って結晶粒界が形成されている。
【００８２】
このように、結晶性シリコン膜１０には、横方向に成長した結晶粒が隙間なく形成されている。
【００８３】
次に、以上のようにして形成された結晶性シリコン膜１０を用いて、結晶成長方向と直交する方向にチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタ、および結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタを作製する。
【００８４】
結晶成長方向と直交する方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が１１０ｃｍ２／Ｖｓであった。また、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が３００ｃｍ２／Ｖｓであった。閾値電圧のばらつきによって定義される不良率は、０／１００であり、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置された１００個のｎチャネル薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、不良はなかった。
【００８５】
以上のように、本実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法は、ガラス基板１上にａ−Ｓｉ膜３を形成する半導体膜形成工程と、それぞれが一定の間隔を空けてストライプ状にａ−Ｓｉ膜３上に配置される複数の透光性絶縁膜４を、透光性絶縁膜４によって覆われるキャップ領域３ａを完全溶融させるために必要なキャップ領域完全溶融エネルギーが、透光性絶縁膜４によって覆われないベア領域３ｂを完全溶融させるために必要なベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくなるような膜厚にて形成する透光性絶縁膜形成工程と、ベア領域３ｂは完全溶融されるがキャップ領域３ａは完全溶融されないように、ベア領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、キャップ領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーを有するレーザー光５を透光性絶縁膜４側からａ−Ｓｉ膜３へ照射する第１照射工程と、完全溶融されたベア領域３ｂを、完全溶融されないキャップ領域３ａに存在する結晶核を基にして結晶化させるベア領域結晶化工程と、ベア領域結晶化工程の後で、透光性絶縁膜４を加熱するエネルギービーム７を照射しながら、キャップ領域３ａのみが完全溶融されるように、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーを有するレーザー光６を透光性絶縁膜４側からＳｉ膜３へ照射する第２照射工程と、完全溶融されたキャップ領域３ａをベア領域３ｂに存在する結晶核を基にして結晶化させるキャップ領域結晶化工程と、透光性絶縁膜４をＳｉ膜３上から除去する除去工程とを包含している。
【００８６】
このため、Ｓｉ膜２の上には透光性絶縁膜４のみを設ければよく、図２０に示す従来技術のように反射防止膜１１４および反射膜１１５をａ−Ｓｉ膜３の上に積層する要がない。従って、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスを単純にすることができ、コストを低く抑えることができる。
【００８７】
さらに、１回目のレーザー光を照射した後、２回目のレーザー光を照射する前に、反射防止膜１１４の上に積層された反射膜１１５を除去するために、レーザー光照射装置からガラス基板を取り出し、反射膜１１５を除去した後、反射膜１１５を除去したガラス基板を再びレーザー光照射装置へセットする必要もない。従って、結晶性半導体膜の形成方法におけるプロセスをさらに単純にすることができ、コストをさらに低く抑えることができる。
【００８８】
なお、上述した実施の形態１においては、透光性絶縁膜４をシリコン酸化膜によって構成する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、透光性絶縁膜４は、シリコン窒化膜によって構成してもよく、また、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜の積層膜によって構成してもよい。
【００８９】
次に、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の他の形成方法を説明する。
【００９０】
図１〜図１２を参照して前述した結晶性半導体膜の形成方法と異なる点は、透光性絶縁膜４の膜厚を２７２ｎｍとした点、透光性絶縁膜４の膜厚を２７２ｎｍとしたためにキャップ領域完全溶融エネルギーが約４８０ｍＪ／ｃｍ２となる点、および１回目のレーザー光５のエネルギー密度を、ベア領域完全溶融エネルギー
４４０ｍＪ／ｃｍ２よりも大きく、かつ、キャップ領域完全溶融エネルギー４８０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さい４６０ｍＪ／ｃｍ２とした点であり、その他の点は前述した結晶性半導体膜の形成方法と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００９１】
このような結晶性半導体膜の他の形成方法によって形成された結晶性シリコン膜をＳＥＭによって観察すると、前述した結晶性半導体膜の形成方法によって形成された結晶性シリコン膜１０と同様に、図１２に示すように、キャップ領域３ａを構成する結晶粒は、隣接するベア領域３ｂに接するキャップ領域３ａの両端からキャップ領域３ａの中央に向かって、それぞれ横方向に結晶成長されていた。キャップ領域３ａの両端から中央に向かって成長した結晶粒は、キャップ領域３ａの中央において互いにぶつかりあい、キャップ領域３ａの中央において、キャップ領域３ａの長手方向に沿って結晶粒界が形成されていた。
【００９２】
また、ベア領域３ｂを構成する結晶粒は、隣接するキャップ領域３ａに接するベア領域３ｂの両端からベア領域３ｂの中央に向かって、それぞれ横方向に結晶成長されていた。ベア領域３ｂの両端から中央に向かって成長した結晶粒は、ベア領域３ｂの中央において互いにぶつかりあい、ベア領域３ｂの中央において、ベア領域３ｂの長手方向に沿って結晶粒界が形成されていた。
【００９３】
このように、結晶性シリコン膜には、横方向に成長した結晶粒が隙間なく形成されていた。
【００９４】
次に、このような結晶性半導体膜の他の形成方法によって形成された結晶性シリコン膜を用いて、結晶成長方向と直交する方向にチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタ、および結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタを作製した。
【００９５】
結晶成長方向と直交する方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が１００ｃｍ２／Ｖｓであった。また、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が２９５ｃｍ２／Ｖｓであった。閾値電圧のばらつきによって定義される不良率は、０／１００であり、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置された１００個のｎチャネル薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、不良はなかった。
【００９６】
（比較例１）
図１３は、比較例１に係る結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。図１〜図１２を参照して前述した実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法と異なる点は、透光性絶縁膜４の膜厚をキャップ領域完全溶融エネルギーがベア領域完全溶融エネルギーよりも小さくなるような膜厚である５３ｎｍとした点、および、このためにキャップ領域完全溶融エネルギーがベア領域完全溶融エネルギー４４０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さい約３６０ｍＪ／ｃｍ２となる点である。また、１回目のレーザー光５のエネルギー密度は、ベア領域完全溶融エネルギー４４０ｍＪ／ｃｍ２およびキャップ領域完全溶融エネルギー３６０ｍＪ／ｃｍ２のいずれよりも大きい４５０ｍＪ／ｃｍ２とし、２回目のレーザー光６のエネルギー密度は、キャップ領域完全溶融エネルギー３６０ｍＪ／ｃｍ２よりも大きく、かつ、ベア領域完全溶融エネルギー４４０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さい４００ｍＪ／ｃｍ２とした。その他の点は前述した結晶性半導体膜の形成方法と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００９７】
このような比較例１に係る結晶性半導体膜の形成方法によって形成された結晶性シリコン膜をＳＥＭによって観察すると、図１３に示すように、キャップ領域３ａを構成する結晶粒は、隣接するベア領域３ｂに接するキャップ領域３ａの両端からキャップ領域３ａの中央に向かって、それぞれ横方向に結晶成長されていた。
【００９８】
しかしながら、ベア領域３ｂにおいては、結晶粒が横方向に結晶成長されていない微結晶領域となっていた。この理由は、以下に述べる通りである。
【００９９】
透光性絶縁膜４の膜厚５３ｎｍは、実施の形態１に係る透光性絶縁膜４の膜厚３６０ｎｍおよび２７２ｎｍよりも薄いため、１回目のレーザー光５の照射により、ベア領域３ｂおよびキャップ領域３ａともに、完全溶融されてしまう。従って、ベア領域３ｂは、キャップ領域３ａに存在する結晶核を基にして横方向に結晶成長することができない。
【０１００】
この状態において、キャップ領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーを有する２回目のレーザー光６を照射すると、キャップ領域３ａのみが完全溶融される。完全溶融されたキャップ領域３ａは、ベア領域３ｂに存在する結晶核を基にして横方向に結晶成長することができる。
【０１０１】
このような理由によって、図１３に示すように、キャップ領域３ａにおいてのみ結晶粒が横方向に結晶成長し、ベア領域３ｂにおいては結晶粒が横方向に結晶成長していない微結晶領域となり、結晶粒が横方向に結晶成長した領域と微結晶領域とが交互に形成される。
【０１０２】
（比較例２）
図１４および図１５は、比較例２に係る結晶性半導体膜の形成方法を説明するための断面図である。
【０１０３】
まず、図１４に示すように、ガラス基板１上にシリコン酸化膜によって構成されるベースコート膜２をＰ−ＣＶＤ法によって３００ｎｍの厚さに形成する。次に、ベースコート膜２上にａ−Ｓｉ膜３をＰ−ＣＶＤ法によって４５ｎｍの厚さに形成する。次に、ベースコート膜２およびａ−Ｓｉ膜３が形成されたガラス基板１を電気炉の中に入れて、窒素雰囲気中において５００℃で１時間加熱することによって、ａ−Ｓｉ膜３の脱水素を行う。
【０１０４】
次に、図１５に示すように、ａ−Ｓｉ膜３の上にＰ−ＣＶＤ法によってシリコン酸化膜を５３ｎｍの厚さに形成する。そして、シリコン酸化膜の上に、スパッタ法によってアルミニウム膜を３００ｎｍの厚さに蒸着する。次に、ＢＣｌ３を使用したドライエッチングによって、シリコン酸化膜の上に形成されたアルミニウム膜をパターニングして反射膜１１４を形成する。その後、パターニングして形成された反射膜１１５をマスクとして、５ｗｔ％　弗化水素酸を使用したエッチングによってシリコン酸化膜をパターニングして反射防止膜１１４を形成する。このようにして、反射防止膜１１４と反射膜１１５との積層膜が、それぞれが２μｍの間隔を空けて２μｍの幅を有するストライプ状に、ａ−Ｓｉ膜３の上に形成される。
【０１０５】
次に、４５０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する１回目のレーザー光を３０８ｎｍの波長を有するＸｅＣｌレーザーによって反射防止膜１１４および反射膜１１５の積層膜側からａ−Ｓｉ膜３へ照射する。その後、燐酸と酢酸とを使用したＳＬＡエッチャントによって、反射膜１１５をエッチングして除去する。そして、３９０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を有する２回目のレーザー光を反射防止膜１１４側からａ−Ｓｉ膜３へ照射する。１回目のレーザー光および２回目のレーザー光ともに、ビームサイズは０．５ｍｍ×１００ｍｍとし、Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ　Ｒａｔｅは８０Ｈｚとし、ステージ送り速度は４０ｍｍ／秒とする。そして、５ｗｔ％　弗化水素酸を使用したエッチングによって反射防止膜１１４をａ−Ｓｉ膜３上から除去する。
【０１０６】
図１６は、比較例２に係る結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。この図１６は、反射防止膜１１４を除去した後、ＳＥＭによって観察した結晶性シリコン膜の結晶状態を示している。
【０１０７】
この結晶性シリコン膜において、キャップ領域３ａを構成する結晶粒は、キャップ領域３ａの両端から中央に向かって、それぞれ横方向に結晶成長している。また、ベア領域３ｂを構成する結晶粒は、ベア領域３ｂの両端から中央に向かって、それぞれ横方向に結晶成長している。しかしながら、シミ状の斑点１５が所々に形成されている。
【０１０８】
これは、１回目のレーザー光を照射したときに、金属によって構成された反射膜１１５が溶融してベア領域３ｂ上に流れ落ちるか、または、反射膜１１５が蒸発、気化してベア領域３ｂ上に付着するために、Ｓｉ膜３が汚染された結果である。
【０１０９】
次に、このようにして形成された結晶性シリコン膜を用いて、結晶成長方向と直交する方向にチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタ、および結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタを作製した。
【０１１０】
結晶成長方向と直交する方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が１００ｃｍ２／Ｖｓであった。また、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置されたｎチャネル薄膜トランジスタにおいては、キャリアの移動度が２９５ｃｍ２／Ｖｓであった。
【０１１１】
しかしながら、閾値電圧のばらつきは、実施の形態１に係る薄膜トランジスタの閾値電圧のばらつきよりも大きく、閾値電圧のばらつきによって定義される不良率は、１３／１００であり、結晶成長方向に沿ってチャネルが配置された１００個のｎチャネル薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、１３個の不良があった。
【０１１２】
（実施の形態２）
本実施の形態２においては、実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法によって形成された結晶性半導体膜がトランジスタのチャネル領域として構成された半導体装置を製造する方法について説明する。
【０１１３】
図１７は、実施の形態２に係る結晶性半導体膜がチャネル領域として構成された薄膜トランジスタの製造方法を説明するための平面図である。また、図１８は、結晶性半導体膜がチャネル領域として構成された薄膜トランジスタの平面図である。
【０１１４】
まず、前述した実施の形態１と同様に、ガラス基板上に、ベースコート膜を形成し、ベースコート膜上にａ−Ｓｉ膜を形成する。次に、ベースコート膜およびａ−Ｓｉ膜が形成されたガラス基板を電気炉の中で加熱することによって、ａ−Ｓｉ膜の脱水素を行う。
【０１１５】
次に、前述した実施の形態１と同様に、ａ−Ｓｉ膜上に、複数の透光性絶縁膜を、透光性絶縁膜によって覆われるキャップ領域を完全溶融させるために必要なキャップ領域完全溶融エネルギーが、透光性絶縁膜によって覆われないベア領域を完全溶融させるために必要なベア領域完全溶融エネルギーよりも大きくなるような膜厚にて、それぞれ一定の間隔を開けてストライプ状に形成する。
【０１１６】
ａ−Ｓｉ膜は、図１７に示すように、互いに隣接するように設けられた略長方形状の領域１１ａおよび領域１１ｂを有している。領域１１ａには、図１７における左右方向に沿ってストライプ状に、それぞれ一定の間隔を空けて、複数の透光性絶縁膜４ａを形成する。また、領域１１ｂには、領域１１ａに形成された透光性絶縁膜４ａの長手方向と垂直な図１７における上下方向に沿ってストライプ状に、それぞれ一定の間隔を空けて、複数の透光性絶縁膜４ｂを形成する。領域１１ａに形成された透光性絶縁膜４ａの長手方向は、領域１１ｂに形成された透光性絶縁膜４ｂの長手方向と直交している。
【０１１７】
次に、前述した実施の形態１と同様に、透光性絶縁膜で覆われていないベア領域は完全溶融されるが透光性絶縁膜で覆われたキャップ領域は完全溶融されないように、ベア領域完全溶融エネルギーよりも大きく、かつ、キャップ領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーを有する第１レーザー光を透光性絶縁膜側からａ−Ｓｉ膜へ照射する第１照射工程と、完全溶融されたベア領域を、完全溶融されないキャップ領域に存在する結晶核を基にして結晶化させるベア領域結晶化工程と、ベア領域結晶化工程の後で、透光性絶縁膜を加熱するエネルギービームを照射しながら、キャップ領域のみが完全溶融されるように、ベア領域完全溶融エネルギーよりも小さいエネルギーを有する第２レーザー光を透光性絶縁膜側からＳｉ膜へ照射する第２照射工程と、完全溶融されたキャップ領域をベア領域に存在する結晶核を基にして結晶化させるキャップ領域結晶化工程と、透光性絶縁膜をＳｉ膜上から除去する除去工程とを行う。
【０１１８】
領域１１ａにおいて、透光性絶縁膜４ａに覆われたａ−Ｓｉ膜領域であるキャップ領域および透光性絶縁膜４ａに覆われない透光性絶縁膜４ａ間のａ−Ｓｉ膜領域であるベア領域が成長する方向は、領域１１ａに形成された透光性絶縁膜４の長手方向である図１７における左右方向に対して垂直な上下方向である。また、領域１１ｂにおいて、透光性絶縁膜４ｂに覆われたａ−Ｓｉ膜領域であるキャップ領域および透光性絶縁膜４ｂに覆われない透光性絶縁膜４ｂ間のａ−Ｓｉ膜領域であるベア領域が成長する方向は、領域１１ｂに形成された透光性絶縁膜４の長手方向である図１７における上下方向に対して垂直な左右方向である。従って、領域１１ａにおける結晶粒は、領域１１ｂにおける結晶粒が成長する方向と垂直な方向に沿って成長する。
【０１１９】
次に、このようにして形成された本実施の形態２の結晶性半導体膜をチャネル領域として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する。
【０１２０】
図１８に示すように、領域１１ａでは、領域１１ａにおける結晶粒が成長する上下方向に沿ってソース領域１３ａおよびドレイン領域１４ａを設けたＴＦＴ１２ａを作製し、領域１１ｂでは、領域１１ｂにおける結晶粒が成長する左右方向に沿ってソース領域１３ｂおよびドレイン領域１４ｂを設けたＴＦＴ１２ｂを作製すると、キャリア移動度が高いチャネル領域を有するＴＦＴを作製することができる。これによって、高性能のＴＦＴを得ることができる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絶縁基板上または絶縁膜上に設けられた半導体膜上に、それぞれが等しい所定の膜厚の複数の透光性絶縁膜を、それぞれ一定の間隔を空けてストライプ状に形成し、透光性絶縁膜によって覆われない半導体膜ベア領域は完全溶融され、透光性絶縁膜によって覆われた半導体膜キャップ領域は完全溶融されないように、第１レーザー光を透光性絶縁膜側から半導体膜へ照射して、半導体膜キャップ領域に存在する結晶核を基にして半導体膜ベア領域を結晶成長させることによって、半導体膜ベア領域において、１回の横方向成長距離の２倍の長さを有する結晶粒を形成することができる。その後で、ＣＯ２レーザー光などのエネルギービーム照射によって透光性絶縁膜を加熱しながら、半導体膜キャップ領域は完全溶融され、半導体膜ベア領域は完全溶融されないように、第２レーザー光を透光性絶縁膜側から半導体膜へ照射して、半導体膜ベア領域に存在する結晶核を基にして半導体膜キャップ領域を結晶成長させることによって、半導体膜キャップ領域において、１回の横方向成長距離の２倍の長さを有する結晶粒を形成することができる。よって、２回のレーザー光照射工程および結晶成長工程によって、大きな結晶粒を有する結晶性半導体膜を、隙間無く形成することができる。
【０１２２】
半導体膜上には透光性絶縁膜のみを設ければよく、反射防止膜および反射膜を半導体膜の上に積層する従来技術に比べて、結晶性半導体膜の形成プロセスを単純にすることができ、コストを低く抑えることができる。さらに、１回目のレーザー光を照射した後、２回目のレーザー光を照射する前に、反射防止膜の上に積層された反射膜を除去するために、レーザー光照射装置から基板を取り出して反射膜を除去し、反射膜を除去した基板を再びレーザー光照射装置へセットする必要もないため、結晶性半導体膜の形成プロセスをさらに単純にすることができ、コストをさらに低く抑えることができる。
【０１２３】
また、透光性絶縁膜のストライプ方向によって、結晶粒の成長方向を制御することができるため、異なる方向に沿って伸長する結晶粒を同一基板上に形成することができる。このように形成された結晶性半導体膜を用いてチャネル領域を構成することによって、高性能な半導体装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、アモルファスシリコン膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【図２】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、透光性絶縁膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【図３】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、透光性絶縁膜を形成する工程を説明するための斜視図である。
【図４】実施の形態１に係る透光性絶縁膜の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図５】実施の形態１に係る透光性絶縁膜の膜厚とキャップ領域完全溶融エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、第１レーザー光を照射する工程を説明するための断面図である。
【図７】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、キャップ領域結晶化工程を説明するための斜視図である。
【図８】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、キャップ領域結晶化工程を説明するための平面図である。
【図９】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、第２レーザー光を照射する工程を説明するための断面図である。
【図１０】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、ベア領域結晶化工程を説明するための斜視図である。
【図１１】実施の形態１に係る結晶性半導体膜の形成方法において、ベア領域結晶化工程を説明するための平面図である。
【図１２】実施の形態１に係る結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。
【図１３】比較例１に係る結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。
【図１４】比較例２に係る結晶性半導体膜の形成方法を説明する断面図である。
【図１５】比較例２に係る結晶性半導体膜の形成方法を説明する断面図である。
【図１６】比較例２に係る結晶性半導体膜を模式的に示す平面図である。
【図１７】実施の形態２に係る結晶性半導体膜がチャネル領域として構成された薄膜トランジスタの製造方法を説明するための平面図である。
【図１８】実施の形態２に係る結晶性半導体膜がチャネル領域として構成された薄膜トランジスタの平面図である。
【図１９】（ａ）は、従来の結晶性半導体膜の形成方法を説明する断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。
【図２０】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、従来の他の結晶性半導体膜の形成方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
１　ガラス基板
２　ベースコート膜
３　アモルファスシリコン膜（シリコン膜）
３ａ　キャップ領域
３ｂ　ベア領域
４、４ａ、４ｂ　透光性絶縁膜
５　第１レーザー光
６　第２レーザー光
７　エネルギービーム
１０　多結晶シリコン膜
１１ａ、１１ｂ　アモルファスシリコン膜（シリコン膜）の領域
１２ａ、１２ｂ　ＴＦＴ
１３ａ、１３ｂ　ソース領域
１４ａ、１４ｂ　ドレイン領域
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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