(57)【要約】【課題】結晶粒径が大きく高い電子移動度を実現しうる半導体薄膜を高いスループットで形成しうる半導体薄膜の結晶化装置及び方法、並びにその半導体薄膜を用いることにより、高速駆動が可能な薄膜トランジスタを効率よく製造しうる薄膜トランジスタの製造方法を提供する。【解決手段】連続波発振する半導体励起の固体レーザ２６から出力されるレーザビームと連続波発振する気体レーザ２８から出力されるレーザビームとをビームスプリッタ３０を介して合成し、合成されたレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射し、半導体薄膜を結晶化する。【選択図】      図２
2004303972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体薄膜にレーザビームを照射することにより、前記半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の結晶化装置であって、
連続波発振する半導体励起の固体レーザと、連続波発振する気体レーザと、前記固体レーザから出力される第１のレーザビームと前記気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを出力するレーザビーム合成手段とを有するレーザ光源を有する
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化する制御手段を更に有する
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
前記気体レーザの出力は、前記固体レーザの出力よりも大きい
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体薄膜の結晶化装置において、
前記第３のレーザビームの形状を、ライン状に成形するレーザビーム成形手段を更に有する
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項５】
連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを生成し、
前記第３のレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化する
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化する
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
前記第３のレーザビームの形状を、ライン状に成形する
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項８】
基板上に半導体薄膜を形成する工程と、
連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成してなる第３のレーザビームを前記半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化する工程と、
結晶化された前記半導体薄膜をパターニングしてチャネル層を形成する工程と
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の薄膜トランジスタの製造方法において、
前記半導体薄膜を結晶化する工程の前に、前記半導体薄膜を、前記チャネル層の形成領域を含む所定形状にパターニングする工程を更に有する
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の薄膜トランジスタの製造方法において、
前記半導体薄膜をパターニングする工程では、前記半導体薄膜を擬長方形状にパターニングする
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶粒径の大きな半導体薄膜を形成しうる半導体薄膜の結晶化装置及び方法、並びにその半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、極めて薄く微細な半導体薄膜を用いて形成されるものである。このため、近時の表示装置の大画面化の要請により、大画面の液晶パネル等への薄膜トランジスタの搭載が検討されている。特に、無アルカリガラス等の非晶質基板上に薄膜トランジスタが形成された画素領域及び周辺回路領域を有するいわゆるシステム・オン・パネルへの適用が期待されている。
【０００３】
システム・オン・パネルでは、無アルカリガラス等の非晶質基板上に、多結晶半導体薄膜を用いた複数の薄膜トランジスタが形成される。多結晶半導体薄膜としては、特に、多結晶シリコン薄膜が用いられている。この場合、基板上にアモルファスシリコン薄膜を形成し、このアモルファスシリコン薄膜にレーザビームを照射することにより多結晶シリコン薄膜を形成する方法が主流となっている。照射するレーザビームとしては、エキシマレーザによる短パルスの紫外線波長のものが一般的に用いられている（例えば特許文献１を参照）。この方法によれば、レーザビームにより溶解されたシリコンが固化する過程で、多結晶シリコン薄膜が形成される。レーザビームにより短い時間でアモルファスシリコン薄膜が溶解されるので、基板が高温になってしまうことはない。したがって、基板を変形することなく多結晶シリコン薄膜が形成される。
【０００４】
さらに、これまでに、システム・オン・パネルの大面積化に対応すべく、アモルファスシリコン薄膜の結晶化に用いるレーザとして、高出力かつ線状のレーザビームを出力するエキシマレーザが開発されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許３３４５３６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザを用いて形成した多結晶シリコン薄膜は、照射されるレーザビームのエネルギー密度のみならず、ビームプロファイルや、膜表面の状態によって影響を受けやすい。このため、従来のレーザ光源では、結晶粒径が大きな多結晶ポリシリコン膜を大面積に均一に形成することは困難であった。
【０００７】
例えば、従来のエキシマレーザを用いて形成した多結晶シリコン膜を観察すると、ランダムに発生した核から等方的に成長した結晶粒がそれぞれ正多角形に近い形状を呈しており、結晶粒同士が衝突する結晶粒界に突起が見られる。また、粒径が１μｍに満たない小さな結晶が観察される。
【０００８】
上述のようなエキシマレーザを用いて形成した多結晶シリコン膜を用いて薄膜トランジスタを作製した場合、チャネル領域には種々の粒径の多数の結晶粒が含まれている。このため、チャネル領域となった部分の結晶粒径が大きくチャネル内に存在する粒界が少ないと電子移動度が大きくなる一方、結晶粒径が小さく粒界が少ないと電子移動度が小さくなる。このように従来の多結晶シリコン薄膜を用いた場合には、粒径等に依存して、薄膜トランジスタの特性にばらつきが生じやすいという難点が存在していた。さらに、結晶粒界には欠陥が多いため、チャネル内に粒界が存在することにより、薄膜トランジスタの特性が劣化してしまうということもある。このような従来の多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度は、１５０ｃｍ２／Ｖｓ程度と極めて低かった。
【０００９】
本発明の目的は、結晶粒径が大きく高い電子移動度を実現しうる半導体薄膜を高いスループットで形成しうる半導体薄膜の結晶化装置及び方法、並びにその半導体薄膜を用いることにより、高速駆動が可能な薄膜トランジスタを効率よく製造しうる薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基板上に形成された半導体薄膜にレーザビームを照射することにより、前記半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の結晶化装置であって、連続波発振する半導体励起の固体レーザと、連続波発振する気体レーザと、前記固体レーザから出力される第１のレーザビームと前記気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを出力するレーザビーム合成手段とを有するレーザ光源を有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置により達成される。
【００１１】
また、上記の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化する制御手段を更に有するようにしてもよい。
【００１２】
また、上記目的は、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを生成し、前記第３のレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法により達成される。
【００１３】
また、上記目的は、基板上に半導体薄膜を形成する工程と、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成してなる第３のレーザビームを前記半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化する工程と、結晶化された前記半導体薄膜をパターニングしてチャネル層を形成する工程とを有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法により達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体薄膜の結晶化装置及び半導体薄膜の結晶化方法について図１乃至図４を用いて説明する。図１は本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置の構成を示す概略図、図２は本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置におけるレーザ光源部の構成を示す概略図、図３は結晶化前にパターニングされた半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図、図４は結晶化された半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【００１５】
まず、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置について図１及び図２を用いて説明する。
【００１６】
図１に示すように、チャンバー１０内に、ステージ１２が設けられている。ステージ上には、結晶化すべき半導体薄膜１４が形成された基板１６が載置されている。チャンバー１０には、チャンバー内に置換ガスを導入するための配管１８と、チャンバー１０内を減圧するための真空ポンプ２０とが接続されている。
【００１７】
チャンバー１０近傍には、ミラー２２を介して基板１６にレーザビームを照射するレーザ光源部２４が設けられている。
【００１８】
レーザ光源部２４は、図２に示すように、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）を励起光源とするいわゆる半導体励起の連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）発振する固体レーザ２６と、連続波発振する気体レーザ２８とを有している。
【００１９】
気体レーザ２８から出力されるレーザビームの光路上には、固体レーザ２６から出力されるレーザビームと、気体レーザ２８から出力されるレーザビームとを合成する光合成手段としてのビームスプリッタ３０が設けられている。ビームスプリッタ３０により合成されたレーザビームの光路上には、チャンバー１０内の基板１６へレーザビームを導く図１に示すミラー２２が設けられている。
【００２０】
固体レーザ２６から出力されるレーザビームの光路上には、固体レーザ２６から出力されるレーザビームを所定の方向に偏光するための偏光フィルタ３２と、偏光フィルタ３２を透過したレーザビームをビームスプリッタ３０に導くミラー３４とが設けられている。
【００２１】
ビームスプリッタ３０により合成されたレーザビームの光路上には、レーザビームの一部を分岐する半透過ミラー３６が設けられている。半透過ミラー３６により分岐されたレーザビームの光路上には、レーザビームの出力を検出するパワーメータ３８が設けられている。パワーメータ２８には、パワーメータ３８の検出結果に基づき固体レーザ２６の出力を調整する電源４０が接続されている。
【００２２】
こうして、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置が構成されている。
【００２３】
次に、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置の構成要素について詳述する。
【００２４】
チャンバー１０は、例えばその内部が減圧可能な真空チャンバーである。チャンバー１０の少なくともレーザビームが入射される部分は、レーザビームを透過する材質よりなり、例えばレーザビームが入射される部分にレーザビームを透過する材料よりなる入射窓が設けられている。
【００２５】
半導体薄膜１４の結晶化を行う際には、チャンバー１０内は、真空ポンプ２０により所定の圧力に減圧される。或いは、配管１８から窒素、酸素、アルゴン、水素等の置換ガスが導入され、チャンバー１０内の気体が所定の置換ガスで置換された状態で半導体薄膜１４の結晶化が行われる。または、所定の置換ガスでチャンバー１０内を置換することなく、大気下で半導体薄膜１４の結晶化が行われる。置換ガス雰囲気又は大気雰囲気下で半導体薄膜１４の結晶化を行う場合は、チャンバー１４は、必ずしも減圧可能な真空チャンバーである必要はない。
【００２６】
チャンバー１０内に設けられたステージ１２上には、アモルファスシリコン膜等の結晶化すべき半導体薄膜１４が形成された基板１６が載置される。ステージ１２は、ｘｙ方向に移動することができ、また、所定の水平面内角度に傾斜することができる。これにより、レーザビームが照射される半導体薄膜１４の位置及び角度を適宜設定することができる。
【００２７】
レーザ光源部２４における固体レーザ２６及び気体レーザ２８は、次のような特徴を有するものである。
【００２８】
連続波発振する固体レーザ２６は、気体レーザ２８に比べてエネルギー安定性が高い。また、ＬＤを励起光源とするいわゆる半導体励起であるために、気体レーザ２８に比べて出力の応答速度が速い。固体レーザ２６としては、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＩＤレーザ等を用いることができる。これらのレーザビームの波長は、結晶化を行う半導体薄膜１４の吸収帯域に応じて設定される。例えば半導体薄膜１４としてアモルファスシリコン膜の結晶化を行う場合、レーザビームは、波長３００〜５５０ｎｍの範囲内、例えば波長５３２ｎｍの第２高調波に設定することができる。
【００２９】
なお、固体レーザ２６の偏光方向は、所定の偏光フィルタ３２を用いることにより設定することができる。
【００３０】
一方、連続波発振する気体レーザ２８は、固体レーザ２８に比べてエネルギー安定性は低いが、固体レーザ２８に比べて高出力を得ることができる。気体レーザ２８としては、例えば、波長４５７．９〜５１４．５ｎｍ、出力２５Ｗのアルゴンレーザを用いることができる。なお、出力は２５Ｗに限定されるものではなく、高出力の気体レーザ２８を用いるほど、より効率的に半導体薄膜１４の結晶化を行うことができる。
【００３１】
レーザ光源部２４は、上記の固体レーザ２６と気体レーザ２８とからそれぞれ出力されるレーザビームを、ビームスプリッタ３０を介して合成する。ビームスプリッタ３０を介したレーザビームの合成は、両レーザビームの偏波方向の差を利用するものである。こうして合成されたレーザビームは、半導体薄膜１４に照射するレーザビームとして出力される。なお、レーザビームの合成に用いる合成光学系には、ビームスプリッタ３０を用いた偏波方向の差を利用するもののみならず、種々の光学系を用いることができる。
【００３２】
また、レーザ光源部２４は、ビームスプリッタ３０を介して合成されたレーザビームの形状を所定の形状に成形することができる。例えば、レーザビームの形状をライン状に成形することができる。この場合、例えばシリンドリカルレンズ２枚を利用して擬線ビームを形成する。
【００３３】
パワーメータ３８は、半透過ミラー３６を介して、上述のようにして合成されたレーザビームの出力を検出する。パワーメータ３８に接続された電源４０は、パワーメータ３８の検出結果に基づき、合成されたレーザビームの出力が安定するように、固体レーザ２６の出力を調整する。例えば、固体レーザ２６として出力１０Ｗ、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用い、気体レーザ２８として出力２５Ｗのアルゴンレーザを用いた場合、合成されたレーザビームの出力を３３Ｗ±０．１Ｗとすることが可能であり、極めて高いエネルギー安定性を得ることができる。
【００３４】
このように、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置は、エネルギー安定性が高い連続波発振の固体レーザ２６と、高出力が得られるがエネルギー安定性の低い連続波発振の気体レーザ２８とからそれぞれ出力されるレーザビームを、ビームスプリッタ３０を介して合成し、合成されたレーザビームを半導体薄膜１４に照射するレーザ光源部２４を有することに主たる特徴がある。
【００３５】
エネルギー安定性が高い固体レーザ２６により、気体レーザ３８の低いエネルギー安定性を補償するとともに、気体レーザ３８により高い出力を得ることが可能となる。これにより、高いエネルギー安定性を有する高出力のレーザビームを、半導体薄膜１４の結晶化に用いることができる。
【００３６】
さらに、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置は、合成されたレーザビームの出力を検出するパワーメータ３８と、パワーメータ３８の検出結果に基づき半導体励起の固体レーザ２６の出力を調整する電源４０とを有することにも特徴がある。パワーメータ３８による検出結果に基づき、出力の応答速度が速い半導体励起の固体レーザ２６の出力を調整するので、合成されたレーザビームの出力を常時安定に保つことができる。
【００３７】
こうして、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置によれば、高いエネルギー安定性を有する高出力のレーザビームを半導体薄膜の結晶化に用いることができるので、従来のエキシマレーザによる結晶化の場合と比較して、結晶化された半導体薄膜１４の結晶粒径を大きくすることができる。例えば、結晶粒径を１０〜１００倍の大きさにすることができる。また、そのような結晶粒径の大きな半導体薄膜１４を高スループットで形成することができる。
【００３８】
半導体薄膜１４の結晶粒径を大きくすることができるので、本実施形態による半導体薄膜の結晶化装置により結晶化された半導体薄膜を薄膜トランジスタのチャネル層に用いることにより、高い電子移動度を有する薄膜トランジスタを実現することができる。
【００３９】
次に、本実施形態による半導体薄膜の結晶化方法について図１乃至図４を用いて説明する。
【００４０】
まず、チャンバー１０内のステージ１２上に、結晶化すべき半導体薄膜１４が形成された基板１６を載置する。
【００４１】
基板１０としては、例えば、ＮＡ３５ガラス等の無アルカリガラス、石英ガラス、セラミックス、プラスチック等よりなる非晶質基板を用いることができる。また、単結晶基板を用いることもできる。
【００４２】
結晶化すべき半導体薄膜１４は、例えば、シリコン膜、シリコンゲルマニウム膜等のシリコンを含む化合物よりなる膜である。そのほか、ゲルマニウム膜等であってもよい。シリコン膜は、アモルファスシリコン膜のみならず、多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜であってもよい。
【００４３】
なお、半導体薄膜１４の膜厚は、基板１６の破壊を防止するため、２００ｎｍ以下であることが好ましい。一方、半導体薄膜１４が薄すぎるとレーザビームが十分に吸収されず、結晶化が困難となる場合がある。このため、半導体薄膜１４の膜厚は、４０ｎｍ以上であることが好ましい。また、半導体薄膜１４は、例えばシリコン酸化膜等の他の膜を介して基板１０上に形成されていてもよい。
【００４４】
ここで、結晶化に先立ち、半導体薄膜１４を、必要に応じて、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状にパターニングし、パターン部分の間に半導体薄膜１４が形成されていない領域を設けておいてもよい。
【００４５】
例えば、結晶化された半導体薄膜１４をシステム・オン・パネルの周辺回路領域に形成する薄膜トランジスタのチャネル層に用いる場合、図３に示すように、半導体薄膜１４よりなる角の丸められた長方形状パターン部分４２が配列された状態にパターニングしてもよい。半導体薄膜１４の各長方形状パターン部分４２の間は、半導体薄膜１４が除去され、半導体薄膜１４の下地の層が露出している。
【００４６】
このように、半導体薄膜１４を所定の形状にパターニングして半導体薄膜１４が形成されていない領域を基板１６上に設けることにより、レーザビームを吸収する半導体薄膜１４の面積が少なくなる。この結果、基板１６の熱負荷を低減することができ、基板１６の熱変形を確実に抑制することができる。
【００４７】
次いで、レーザ光源部２４おいて、固体レーザ２６及び気体レーザ２８の駆動を開始する。
【００４８】
次いで、連続波発振する半導体励起の固体レーザ２６と、連続波発振する気体レーザ２８とからそれぞれ出力されるレーザビームを、ビームスプリッタ３０を介して合成する。続いて、合成したレーザビームを、ミラー２２を介してチャンバー１０内の基板１６に照射する。ここで、照射するレーザビームの形状は、例えばライン状等の所定の形状に成形する。
【００４９】
なお、図１では、基板１６の半導体薄膜１４が形成されている表面側から照射する場合を示しているが、基板１６の半導体薄膜１４が形成されていない裏面側からレーザビームを照射してもよい。なお、裏面側から照射する場合には、基板１６がレーザビームを透過する材料よりなるものである必要がある。
【００５０】
続いて、基板１６へのレーザビームの照射とともにステージ１２を駆動することにより、基板１６に照射するレーザビームを走査させる。
【００５１】
例えば、図３に示す長方形状にパターニングされた半導体薄膜１４の場合には、照射するレーザビームの形状をライン状に成形する。そして、ライン状のレーザビームの長軸方向と、長方形状パターン部分４２の長軸方向とがほぼ直交するようにレーザビームを照射する。この状態で、ライン状のレーザビームを、長方形状パターン部分４２の長軸方向に沿ってレーザビームを走査させる。
【００５２】
レーザ光源部２４において合成されたレーザビームを基板１６に照射する間、パワーメータ３８により、合成されたレーザビームの出力を検出する。その検出結果に基づき、合成されたレーザビームのエネルギーが安定するように、固体レーザ２６の出力を調整する。
【００５３】
以上のようにして、レーザビームを照射することにより、基板１６上の半導体薄膜１４が結晶化される。
【００５４】
図４は、上述のようにして、図３に示す半導体薄膜１４にレーザビームを照射することにより結晶化された半導体薄膜１４の光学顕微鏡写真を示す図である。レーザビームの走査方向に沿って、光学顕微鏡により観察される程度の大きさの結晶が成長していることが分かる。これは、従来のエキシマレーザ等を用いた結晶化方法により得られる結晶と比較して、１０〜１００倍大きなものである。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、連続波発振する半導体励起の固体レーザ２６から出力されるレーザビームと連続波発振する気体レーザ２８から出力されるレーザビームとを合成するので、半導体薄膜１４を結晶化するためのレーザビームとして、高い安定性を有する高出力のレーザビームを用いることができる。これにより、従来の結晶化方法による場合と比較して、結晶粒径の大きな半導体薄膜を高スループットで形成することができる。
【００５６】
また、パワーメータにより合成されたレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づき、出力の応答速度が速い半導体励起の固体レーザ２６の出力を調整するので、結晶化に用いるレーザビームの出力を常時安定に保つことができる。
【００５７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法について図５乃至図９を用いて説明する。図５及び図７乃至図９は本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図、図６はパターニングされた多結晶シリコン膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【００５８】
本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法は、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法によりアモルファスシリコン膜を結晶化して得られる多結晶シリコン薄膜を薄膜トランジスタのチャネル層として用いることに主な特徴がある。なお、本実施形態では、システム・オン・パネルの周辺回路領域に薄膜トランジスタを形成する場合を例に説明する。
【００５９】
まず、例えばＮＡ３５ガラスよりなるガラス基板４６上に、例えばＰＥＣＶＤ法により、膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜よりなるバッファ層４８を形成する。なお、バッファ層４８は、ＬＰ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、減圧）ＣＶＤ法、スパッタ法等を用いて形成してもよい。また、バッファ層４８は、シリコン酸化膜よりなるものに限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜とシリコン酸化窒化膜との積層膜をバッファ層４８として形成してもよい。
【００６０】
次いで、バッファ層４８上に、例えばＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、プラズマ化学気相堆積）法により、膜厚７５ｎｍのアモルファスシリコン膜５０を形成する（図５（ａ）を参照）。
【００６１】
次いで、アモルファスシリコン膜５０を形成したガラス基板４６に対して、脱水素処理を目的として、例えば４５０℃、２時間の熱処理を行う。なお、熱処理のみならず、アモルファスシリコン膜５０にレーザビームを低エネルギー側から徐々に増加させながら多数回照射することにより、脱水素処理を行ってもよい。
【００６２】
次いで、フォトリソグラフィ技術を用い、アモルファスシリコン膜５０をパターニングする。これにより、アモルファスシリコン膜５０を、所定の形状のパターン部分が配列された状態とする。例えば、第１実施形態における図３に示すように、アモルファスシリコン膜５０よりなる角の丸められた複数の長方形状パターン部分４２を形成する。図中に示すように、長方形状パターン部分４２のサイズは、例えば幅５０μｍ、長さ２００μｍとする。各長方形状パターン部分４２間の間隔は、例えば５μｍとする。これにより、各長方形状パターン部分４２の間に、アモルファスシリコン膜５０が除去された領域が形成される。このようにアモルファスシリコン膜５０をパターニングすることにより、アモルファスシリコン膜５０にレーザビームを照射して結晶化する際に、ガラス基板４６に対する熱負荷を低減することができる。これにより、ガラス基板４６の熱変形を抑制することができる。
【００６３】
なお、アモルファスシリコン膜５０をパターニングする形状は、図３に示すような擬長方形に限定されるものではなく、適宜所定の形状にパターニングすることができる。
【００６４】
また、ガラス基板４６には、アモルファスシリコン膜５０等により、位置合わせ用のマーカーを形成しておいてもよい。マーカーを形成しておくことで、以下に述べる第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法において、レーザビームを正確に照射することが可能となる。
【００６５】
次いで、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により、アモルファスシリコン膜５０を結晶化して多結晶シリコン薄膜５２を形成する（図５（ｂ）を参照）。アモルファスシリコン膜５０の結晶化の条件等は、以下のように設定することができる。
【００６６】
固体レーザ２６としては、例えば、波長５３２ｎｍ、出力１０ＷのＤＰＳＳ（Ｄｉｏｄｅ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ）レーザを用いる。この波長５３２ｎｍは、アモルファスシリコン膜５０の吸収帯域に含まれる波長である。
【００６７】
また、気体レーザ２８としては、例えば、波長４５７．９〜５１４．５ｎｍ、出力２５Ｗのアルゴンレーザを用いる。
【００６８】
なお、上記固体レーザ２６及び気体レーザ２８の波長５３２ｎｍ、４５７．９〜５１４．５ｎｍは、ともにアモルファスシリコン膜５０の吸収帯域に合わせて設定したものである。レーザの波長は、結晶化すべきアモルファスシリコン膜５０の吸収帯域に含まれる波長であればこれらに限定されるものではない。例えば、合波されてアモルファスシリコン膜５０に照射されるレーザビームの波長が、３００〜５５０ｎｍの範囲内にあればよい。
【００６９】
アモルファスシリコン膜５０に照射するレーザビームの形状は、例えば８００μｍ×２０μｍのライン状に成形する。
【００７０】
レーザビームのガラス基板４６への照射は、ライン状に成形されたレーザビームの長軸方向と、長方形状パターン部分４２の長軸方向とがほぼ直交するように行う。この状態で、ガラス基板４６が載置されたステージ１２を駆動することにより、ライン状のレーザビームを、アモルファスシリコン膜５０よりなる長方形状パターン部分４２の長軸方向に沿ってレーザビームを走査させる。走査速度は、例えば２０ｃｍ／ｓとする。このレーザビームの走査方向は、後述するように、薄膜トランジスタのチャネル層の電流経路に沿ったものとなる。なお、ステージ１２を駆動せずに、レーザビーム自体を動かすことにより、長方形状パターン部分４２の長軸方向に沿ってレーザビームを走査させてもよい。
【００７１】
ガラス基板４６にレーザビームを照射する間、パワーメータ３８によりレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づき、照射するレーザビームの出力が安定するように、固体レーザ２６の出力を調整する。これにより、ガラス基板４６に照射するレーザビームの安定性を、例えば、ノイズで＜０．１ｒｍｓ％、出力で＜±１％／ｈと極めて高いものにすることができる。
【００７２】
こうして、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により、長方形状パターン部分４２のアモルファスシリコン膜５０は結晶化され、多結晶シリコン膜５２となる。ここで、得られた多結晶シリコン膜５２では、第１実施形態における図４に示すように、矩形状パターン部分４２の中央付近に、レーザビームの走査方向に長い結晶が成長している。一方、矩形状パターン部分４２の周辺部には、中央付近と比較して小さな結晶が成長している。
【００７３】
次いで、フォトリソグラフィ技術により、多結晶シリコン膜５２の長方形状パターン部分４２をパターンニングし、多結晶シリコン膜５２よりなるチャネル層５４を形成する。（図５（ｃ）を参照）。なお、本願明細書では、便宜上、薄膜トランジスタのチャネル領域のほかにソース／ドレイン拡散層が含まれる半導体層をチャネル層と呼ぶ。
【００７４】
チャネル層５４の平面形状は、例えば図６に示すように、所定の間隔で配置され、ソース／ドレイン拡散層が形成される２つの四角形状パターン部分５５ａと、２つの四角形状パターン５５ａ間を接続し、チャネル領域が形成されるライン状パターン部分５５ｂとからなるものとする。なお、図５（ｃ）の断面図は、図６のＡ−Ａ′線断面に対応している。また、この場合、図３に示す長方形状パターン部分４２の長軸方向の中心軸上に、ライン状パターン部分５５ｂが位置するようにする。
【００７５】
すなわち、長方形状パターン部分４２のレーザビームが走査された方向に沿って、チャネル層５４に電流が流れることとなる。ここで、長方形状パターン部分４２の中央付近の多結晶シリコン膜５２には、周辺部分と比較して粒径が大きく、また、レーザビームの走査方向に長い結晶が成長している。このため、長方形状パターン部分４２の長軸方向の中心軸上にライン状パターン部分５５ｂが位置するように多結晶シリコン膜５２をパターニングすることにより、より高い電子移動度を得ることが可能となる。
【００７６】
なお、一つの長方形状パターン部分４２に形成するチャネル層５４の数は一つに限定されるものではなく、形成すべき薄膜トランジスタの数等に応じて、複数のチャネル層５４を形成することができる。また、チャネル層５４の平面形状は図６に示す形状に限定されるものではなく、適宜所定の形状にパターニングすることができる。
【００７７】
ここで、アモルファスシリコン膜５０の結晶化後に、多結晶シリコン膜５２をパターニングしてチャネル層５４を形成しているのは次のような理由による。すなわち、アモルファスシリコン膜５０を直接図６に示すような形状にパターニングし、その後にアモルファスシリコン膜５０を結晶化したのでは、パターンが微細であるために粒径の大きな結晶の成長が困難となる可能性があるためである。上述のように、アモルファスシリコン膜５０の結晶化後のパターニングによりチャネル層５４を形成することで、結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜５２よりなるチャネル層５４を確実に得ることができる。
【００７８】
次いで、全面に、例えばＰＥＣＶＤ法により、膜厚２００ｎｍのシリコン酸化膜よりなるゲート酸化膜５６を形成する（図５（ｄ）を参照）。なお、ゲート酸化膜５６は、ＬＰ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、減圧）ＣＶＤ法、スパッタ法等を用いて形成してもよい。
【００７９】
次いで、全面に、スパッタ法により、膜厚３００ｎｍのアルミニウム層５８を形成する（図７（ａ）を参照）。
【００８０】
次いで、フォトリソグラフィ技術を用い、アルミニウム層５８をゲート電極６０の形状にパターニングする（図７（ｂ）を参照）。
【００８１】
次に、ゲート電極６０に自己整合でゲート酸化膜５６をエッチングする（図７（ｃ）を参照）。
【００８２】
次いで、ゲート電極６０に自己整合で、チャネル層５４に不純物イオンを注入する。（図７（ｄ）を参照）。不純物としては、例えばリンを用いることができる。
【００８３】
次いで、エキシマレーザにより、ガラス基板１０上からレーザビームを照射し、チャネル層５４に導入された不純物を活性化する。こうしてゲート電極６０に自己整合でソース／ドレイン拡散層６２を形成する（図８（ａ）を参照）。なお、不純物の活性化は、エキシマレーザによるもののほか、ランプ等を用いた熱処理、熱アニール等によって行ってもよい。
【００８４】
次いで、全面に、膜厚３００ｎｍのＳｉＮ膜よりなる層間絶縁膜６４を形成する（図８（ｂ）を参照）。
【００８５】
次いで、層間絶縁膜６４に、ソース／ドレイン拡散層６２、ゲート電極６０に達するコンタクトホール６６をそれぞれ形成する（図９（ａ）を参照）。
【００８６】
次いで、全面に、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜、膜厚２００ｎｍのＡｌ膜、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜が積層されてなる導電層を形成する。
【００８７】
次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて導電層をパターニングし、これにより導電層よりなるゲート電極６８ａ及びソース／ドレイン電極６８ｂを形成する（図９（ｂ）を参照）。
【００８８】
こうして、薄膜トランジスタが製造される。
【００８９】
（評価結果）
次に、本実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により製造された薄膜トランジスタのゲート電圧ＶＧに対する電子移動度及び対応するドレイン電流ＩＤを測定した。測定は、ｎチャネル、ｐチャネルの薄膜トランジスタのそれぞれについて行った。図１０は、測定結果を示すグラフである。なお、ドレイン電流ＩＤの測定結果を実線のグラフで示し、電子移動度の測定結果を点線のグラフで示している。また、ｎチャネルの測定結果のグラフには、「ｎ−ｃｈ」を付し、ｐチャネルの測定結果のグラフには、「ｐ−ｃｈ」を付している。
【００９０】
この結果、本実施形態によれば、ｎチャネル、ｐチャネルの薄膜トランジスタのいずれについても、高い電子移動度を得ることができた。電子移動度は、ｎチャネルの薄膜トランジスタで最大約５００ｃｍ２／Ｖｓ、ｐチャネルの薄膜トランジスタで最大約２００ｃｍ２／Ｖｓと非常に高い値であった。
【００９１】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により得られる結晶粒径の大きい多結晶シリコン薄膜をチャネル層として用いるので、電子移動度が高く、高速駆動が可能な薄膜トランジスタを高スループットで製造することができる。
【００９２】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９３】
例えば、上記実施形態では、１つのレーザ光源部２４を有する半導体薄膜の結晶化装置の場合について説明したが、半導体薄膜の結晶化装置は、複数のレーザ光源２４を有していてもよい。複数のレーザ光源部２４により、半導体薄膜が大面積の基板上に形成されている場合であっても、効率的に半導体薄膜を結晶化することができる。
【００９４】
また、第２実施形態では、システム・オン・パネルの周辺回路領域に薄膜トランジスタを形成する場合を例に説明したが、本発明は、あらゆる用途の薄膜トランジスタに適用することができる。
【００９５】
また、第２実施形態では、アモルファスシリコン膜５０を結晶化して薄膜トランジスタに用いる場合を例に説明したが、アモルファスシリコン膜５０にかえて、多結晶シリコン膜、又は微結晶シリコン膜等のシリコン膜を結晶化してもよい。多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜の場合には、本発明を適用することにより再結晶化され、より結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜を得ることができる。また、これらシリコン膜のみならず、本発明により結晶化しうる種々の半導体薄膜を薄膜トランジスタに用いることができる。
【００９６】
（付記１）  基板上に形成された半導体薄膜にレーザビームを照射することにより、前記半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の結晶化装置であって、連続波発振する半導体励起の固体レーザと、連続波発振する気体レーザと、前記固体レーザから出力される第１のレーザビームと前記気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを出力するレーザビーム合成手段とを有するレーザ光源を有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【００９７】
（付記２）  付記１記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化する制御手段を更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【００９８】
（付記３）  付記１又は２記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記気体レーザの出力は、前記固体レーザの出力よりも大きいことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【００９９】
（付記４）  付記１乃至３のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第３のレーザビームの形状を、ライン状に成形するレーザビーム成形手段を更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１００】
（付記５）  付記１乃至４のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記基板を収容するチャンバーを更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０１】
（付記６）  付記５記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記チャンバーは、その内部が減圧可能な真空チャンバーであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０２】
（付記７）  付記５又は６記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記チャンバーの内部を所定のガスで置換するガス置換手段を更に有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０３】
（付記８）  付記１乃至７のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、複数の前記レーザ光源を有することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０４】
（付記９）  付記１乃至８のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第３のレーザビームの波長は、３００〜５５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０５】
（付記１０）  付記１乃至９のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記固体レーザは、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、又はＮｄ：ＹＩＤレーザであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０６】
（付記１１）  付記１０記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第１のレーザビームは、前記固体レーザの第２高調波であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０７】
（付記１２）  付記１乃至１１のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記第１のレーザビームの波長は、５３２ｎｍであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０８】
（付記１３）  付記１乃至１２のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記気体レーザは、アルゴンレーザであることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１０９】
（付記１４）  付記１乃至１３のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記半導体薄膜の膜厚は、４０〜２００ｎｍの範囲内であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１１０】
（付記１５）  付記１乃至１４のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化装置において、前記半導体薄膜は、シリコン又はシリコンを含む化合物よりなる膜であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【０１１１】
（付記１６）  連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成して第３のレーザビームを生成し、前記第３のレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１２】
（付記１７）  付記１６記載の半導体薄膜の結晶化方法において、前記第３のレーザビームの出力を検出し、その検出結果に基づいて前記固体レーザの出力を調整することにより、前記第３のレーザビームの出力を安定化することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１３】
（付記１８）  付記１６又は１７記載の半導体薄膜の結晶化方法において、前記第３のレーザビームの形状を、ライン状に成形することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１４】
（付記１９）  請求項１６乃至１８のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法において、前記半導体薄膜は、所定形状にパターニングされていることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【０１１５】
（付記２０）  基板上に半導体薄膜を形成する工程と、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力される第１のレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力される第２のレーザビームとを合成してなる第３のレーザビームを前記半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を結晶化する工程と、結晶化された前記半導体薄膜をパターニングしてチャネル層を形成する工程とを有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１６】
（付記２１）  付記２０記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程の前に、前記半導体薄膜を、前記チャネル層の形成領域を含む所定形状にパターニングする工程を更に有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１７】
（付記２２）  付記２１記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜をパターニングする工程では、前記半導体薄膜を擬長方形状にパターニングすることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１８】
（付記２３）  付記２２記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程では、前記第３のレーザビームを前記長方形状の長軸方向に沿って走査することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１１９】
（付記２４）  付記２３記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程では、前記第３のレーザビームの形状をライン状に成形し、前記長方形状の長軸方向に対して、ライン状の前記第３のレーザビームがほぼ垂直になるように、前記第３のレーザビームを照射することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１２０】
（付記２５）  付記２３又は２４記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記半導体薄膜を結晶化する工程では、前記チャネル層の電流経路に沿って、前記第３のレーザビームを走査することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【０１２１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、連続波発振する半導体励起の固体レーザから出力されるレーザビームと連続波発振する気体レーザから出力されるレーザビームとを合成し、合成されたレーザビームを基板上に形成された半導体薄膜に照射して半導体薄膜を結晶化するので、高いエネルギー安定性を有する高出力のレーザビームを半導体薄膜の結晶化に用いることができる。したがって、結晶粒径が大きく、高い電子移動度を得ることができる半導体薄膜を高スループットで形成することができる。
【０１２２】
また、本発明によれば、結晶粒径の大きい半導体薄膜をチャネル層として用いることができるので、高い電子移動度を有する薄膜トランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体薄膜の結晶化装置の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態における半導体薄膜の結晶化装置におけるレーザ光源部の構造を示す概略図である。
【図３】パターニングされた半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【図４】本実施形態による半導体薄膜の結晶化方法により結晶化された半導体薄膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図６】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法においてパターニングされた多結晶シリコン膜の光学顕微鏡写真を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図８】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図９】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図１０】本発明の第２実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により製造された薄膜トランジスタの電子移動度の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…チャンバー
１２…ステージ
１４…半導体薄膜
１６…基板
１８…配管
２０…真空ポンプ
２２…ミラー
２４…レーザ光源部
２６…固体レーザ
２８…気体レーザ
３０…ビームスプリッタ
３２…偏光フィルタ
３４…ミラー
３６…半透過ミラー
３８…パワーメータ
４０…電源
４２…長方形状パターン部分
４６…ガラス基板
４８…バッファ層
５０…アモルファスシリコン膜
５２…多結晶シリコン膜
５４…チャネル層
５５ａ…四角形状パターン部分
５５ｂ…ライン状パターン部分
５６…ゲート酸化膜
５８…アルミニウム層
６０…ゲート電極
６２…ソース／ドレイン拡散層
６４…層間絶縁膜
６６…コンタクトホール
６８ａ…ゲート電極
６８ｂ…ソース／ドレイン電極
【図１】
2004303972.tif 000003
【図２】
2004303972.tif 000004
【図３】
2004303972.tif 000005
【図４】
2004303972.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004303972.tif 000009
【図８】
2004303972.tif 000010
【図９】
2004303972.tif 000011
【図１０】
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