(57)【要約】【課題】結晶成長方向が揃った大きな結晶粒径を有する半導体薄膜の製造方法およびその製造装置、半導体薄膜を有する薄膜トランジスタの製造方法、およびそれらの方法により製造された半導体薄膜および薄膜トランジスタを提供する。【解決手段】遮光要素で一部が遮光されたエネルギービームを半導体薄膜上に照射することにより、当該半導体薄膜の遮光部を起点として溶融再結晶化させる半導体薄膜の製造方法であって、遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えると共に前記遮光部の局所的な温度勾配を１２００℃／μｍ以上とするエネルギービームの照射を行うことにより、上記課題を解決した。この製造方法において、エネルギービームを照射する光学系の解像度が４μｍ以下であることが好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遮光要素で一部が遮光されたエネルギービームを半導体薄膜上に照射することにより、当該半導体薄膜の遮光部を起点として溶融再結晶化させる半導体薄膜の製造方法であって、
前記エネルギービームの照射が、前記遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えると共に前記遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上とすることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記エネルギービームを照射する光学系の解像度が、４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記温度勾配が、遮光部に到達した２２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上のエネルギービームの強度勾配により付与されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記遮光部に少なくとも２方向の温度勾配を与えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記遮光要素は、透明基板に遮光パターンが形成された遮光マスクであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記遮光パターンが周期的に配置された遮光要素にエネルギービームを１回照射し、半導体薄膜の全面を溶融再結晶化することを特徴とする請求項５に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記遮光パターンの遮光幅Ｌと当該遮光パターンのピッチＰとの比（Ｐ／Ｌ）が１以上であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記遮光パターンの遮光幅が０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
溶融再結晶化する前の半導体薄膜が、アモルファスシリコンまたはポリシリコンであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を遮光要素としてエネルギービームを前記半導体薄膜に照射することにより、当該半導体薄膜の遮光部を起点として一方向に結晶成長した結晶化膜を形成する薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記エネルギービームの照射が、前記遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えると共に前記遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上と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１１】
前記温度勾配が、遮光部に到達した２２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上のエネルギービームの強度勾配により付与されることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
前記ゲート電極の幅が０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
溶融再結晶化する前の半導体薄膜が、アモルファスシリコンまたはポリシリコンであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法により製造された半導体薄膜であって、
溶融再結晶化した半導体薄膜は、結晶成長が開始する起点の厚さが結晶成長の終点部の厚さよりも小さく、その厚さ勾配の方向に結晶成長していることを特徴とする半導体薄膜。
【請求項１５】
前記半導体薄膜が、起点を中心として少なくとも２方向に結晶成長していることを特徴とする請求項１４に記載の半導体薄膜。
【請求項１６】
請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の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であって、
前記薄膜トランジスタが備える溶融再結晶化した半導体薄膜は、結晶成長が開始する起点の厚さが結晶成長の終点部の厚さよりも小さく、その厚さ勾配の方向に結晶成長していることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１７】
半導体薄膜とエネルギービーム照射源との間に配置された遮光要素にエネルギービームを照射することにより、半導体薄膜の遮光部を起点として所望方向に結晶成長させることができる照射装置を有した半導体薄膜の製造装置であって、
前記照射装置が、解像度４μｍ以下の光学系を有することを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
【請求項１８】
前記遮光要素は、透明基板に遮光パターンが形成された遮光マスクであり、当該遮光パターンの遮光幅Ｌと当該遮光パターンのピッチＰとの比（Ｐ／Ｌ）が１以上であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１９】
前記遮光パターンの遮光幅が０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項２０】
前記照射装置は、エネルギービームを１回照射することにより半導体薄膜の全面を同時に溶融再結晶化させるための投影露光手段を備えていることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリ、ＣＰＵ等の半導体デバイスや薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜、薄膜トランジスタ、それらの製造方法および半導体薄膜の製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板上に半導体集積回路を形成する代表的なものとして、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が挙げられる。ＴＦＴの代表的な構造としては、図１７に示すように、基板コート層１０２でカバーされたガラス基板１０１上に、チャネル領域１０３、ソース領域１０４、ドレイン領域１０５、ＬＤＤ領域１０６を形成し、さらにゲート絶縁膜１０７を介してゲート電極１０８を形成し、さらに二酸化シリコン１０９を堆積してコンタクトホールを形成した後、金属１１０で配線した構造のＴＦＴを挙げることができる。
【０００３】
現在一般に用いられているＴＦＴはその能動層の性質で分類され、水素化アモルファスシリコンＴＦＴ及び多結晶シリコンＴＦＴが広く普及している。前者は、作製プロセスの最高温度が３００℃程度であり、１ｃｍ２／Ｖｓｅｃ程度のキャリア移動度を実現している。一方、後者は、例えば石英基板を用い、１０００℃程度の高温プロセスを用いることで、結晶粒の大きな多結晶シリコン薄膜を形成して３０〜１００ｃｍ２／Ｖｓｅｃのキャリア移動度を実現している。ところが、後者の多結晶シリコンＴＦＴの製造には１０００℃程度の高温プロセスが適用されるので、前者のような安価な低軟化点ガラスを用いることができないという難点がある。
【０００４】
こうした問題に対して、レーザー結晶化技術を応用した多結晶シリコン薄膜の低温形成技術が研究・開発されている。レーザー結晶化技術として、短波長パルスレーザー光を照射して非晶質基板上の非晶質シリコン薄膜（ａ−Ｓｉ薄膜ともいう。）を結晶化し、電荷移動特性に優れた薄膜トランジスタの製造に応用する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。このレーザー結晶化技術によれば、基板全体を高温にすることなく非晶質シリコンの結晶化が可能であるため、液晶ディスプレイ等の大面積かつガラス等の安価な基板上への半導体素子、半導体集積回路を作製できるという利点があるとされている。
【０００５】
また、特許文献２、３には、こうしたレーザー結晶化技術を用いて、より結晶粒の大きな多結晶シリコン薄膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜ともいう。）を形成して電荷移動特性に優れた半導体薄膜を製造する方法が開示されている。
【０００６】
例えば、特許文献２においては、エキシマレーザービームを非晶質シリコン薄膜に照射して溶融再結晶させ、結晶粒の大きなシリコン結晶を形成する方法が記載されている。この特許文献２に記載の発明は、エネルギービームの照射位置を変えて順次照射して多結晶体の半導体薄膜を成長させる方法であり、具体的には、結晶粒の大きなシリコン薄膜を形成するために、溶融再結晶化を行う領域にレーザーを走査しながら複数回照射しつつその照射位置をずらしている。特許文献２に記載された各実施例においては、開口幅（１〜２μｍ）よりも遮光マスクパターン幅（１．５〜５μｍ）の方が広く、その狭い開口幅にエネルギービームを照射して溶融させ、その照射位置を移動させて大きな結晶粒を形成している。
【０００７】
また、特許文献３に記載の発明も、上記の特許文献２に記載の発明と同様であり、一回のレーザー光照射で結晶化する範囲以内で照射領域を少しずつ（例えばその実施例においては１μｍずつ）ずらして繰り返し照射を行う方法である。この方法においては、遮光領域に周期的な明暗パターンを設け、その明暗パターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御している。
【０００８】
【特許文献１】
特公平７−１１８４４３号公報
【特許文献２】
特開平１１−６４８８３号公報
【特許文献３】
特開２０００−３０６８５９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に記載の半導体薄膜の製造方法においては、溶融再結晶化を行う領域にレーザーを走査しながら複数回照射する共にエネルギービームの照射位置を徐々にずらしながら照射するという製法上の特徴により、レーザーを遮光するマスク幅とレーザーを透過させる開口幅との差が小さく、そのため結晶粒の大きなシリコン薄膜を形成するためには、多くの時間がかかるという問題があった。
【００１０】
また、上記特許文献３に記載の半導体薄膜の製造方法においては、結晶粒の大きなシリコン薄膜を形成するために、レーザー照射領域が重複しないように順次移動して結晶化を行っているが、その移動距離が１μｍ程度と短く、一定領域を処理するのに時間がかかるという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その第１の目的は、結晶成長方向が揃った大きな結晶粒を形成することができるエネルギービーム照射手段を有する半導体薄膜の製造方法を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、そうして製造された半導体薄膜を有する薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。また、本発明の第３および第４の目的は、それらの方法により製造された半導体薄膜および薄膜トランジスタを提供することにある。また、本発明の第５の目的は、結晶成長方向が揃った大きな結晶粒を形成することができる半導体薄膜の製造装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するための本発明の半導体薄膜の製造方法は、遮光要素で一部が遮光されたエネルギービームを半導体薄膜上に照射することにより、当該半導体薄膜の遮光部を起点として溶融再結晶化させる半導体薄膜の製造方法であって、前記エネルギービームの照射が、前記遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えると共に前記遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上とすることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、半導体薄膜の遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上とするエネルギービームの照射がなされるので、その温度勾配が半導体薄膜の結晶を一定方向に成長させるための駆動力として作用する。さらに、半導体薄膜の遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えるエネルギービームの照射がなされるので、その遮光部を起点とし、上記温度勾配により一定方向に結晶を成長させることができる。これらの結果により、溶融再結晶化による結晶成長が起点から温度勾配の方向に向かって起こるので、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を極めて短時間に効率よく形成することができる。
【００１４】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記エネルギービームを照射する光学系の解像度が４μｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、エネルギービームを照射する光学系の解像度が４μｍ以下であるので、４μｍ以下のサイズで上記の温度勾配を付与できる。その結果、起点から一定方向に結晶成長させるための駆動力としての温度勾配を実現することができる。
【００１６】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記温度勾配が、遮光部に到達した２２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上のエネルギービームの強度勾配により付与されることを特徴とする。
【００１７】
遮光要素で一部が遮光されたエネルギービームは遮光部に回り込んで半導体薄膜を加熱するが、この発明によれば、遮光部に到達した２２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上のエネルギービームの強度勾配により、一定方向に結晶成長させるための駆動力としての上記温度勾配が実現される。
【００１８】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記遮光部に少なくとも２方向の温度勾配を与えることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、遮光部に回り込むようにエネルギービームを照射した場合には、遮光部に少なくとも２方向の温度勾配を与えることができるので、その遮光部を起点として少なくとも２方向に結晶成長の駆動力が付与される。
【００２０】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記遮光要素は、透明基板に遮光パターンが形成された遮光マスクであることを特徴とする。
【００２１】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記遮光パターンが周期的に配置された遮光要素にエネルギービームを１回照射し、半導体薄膜の全面を溶融再結晶化することを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、遮光パターンが周期的に配置された遮光要素を用いることにより、１回のエネルギービームの照射で半導体薄膜の全面を溶融再結晶化することができるので、結晶粒が大きく成長方向の揃った半導体薄膜の結晶化を極めて効率的に行うことができる。
【００２３】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記遮光パターンの遮光幅Ｌと当該遮光部パターンのピッチＰとの比（Ｐ／Ｌ）が１以上であることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、上記温度勾配により大きな結晶成長駆動力を与えることができるので、遮光パターンの遮光幅Ｌと当該遮光パターンのピッチＰとの比（Ｐ／Ｌ）を１以上としても、遮光パターン間の開口部を覆うだけの大きな結晶を成長させることができる。本発明によれば、Ｐ／Ｌの比を１以上、特に１０以上という大きなＰ／Ｌ比にしても遮光パターン間の開口部を覆うだけの大きな結晶を成長させることができるという従来には見られない効果がある。
【００２５】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、前記遮光パターンの遮光幅が０．３μｍ以上であることを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、遮光部の局所的な温度勾配が３００℃／μｍ以上であるので、遮光幅を０．３μｍという微小な下限値に設定できる。
【００２７】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、溶融再結晶化する前の半導体薄膜が、アモルファスシリコン（融点１１５０℃）またはポリシリコン（融点１４１０℃）であることを特徴とする。
【００２８】
上記第２の目的を達成するための本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を遮光要素としてエネルギービームを前記半導体薄膜に照射することにより、当該半導体薄膜の遮光部を起点として一方向に結晶成長した結晶化膜を形成する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記エネルギービームの照射が、前記遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えると共に前記遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上とすることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を遮光要素とし、半導体薄膜の遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上とするエネルギービームの照射がなされるので、その温度勾配が半導体薄膜の結晶を一定方向に成長させるための駆動力として作用する。さらに、半導体薄膜の遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えるエネルギービームの照射がなされるので、その遮光部を起点とし、上記温度勾配により一定方向に結晶成長した結晶化膜を形成できる。これらの結果により、溶融再結晶化による結晶成長が起点から温度勾配の方向に起こるので、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒からなる結晶化膜を極めて短時間に効率よく形成することができる。
【００３０】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法において、前記温度勾配が、遮光部に到達した２２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上のエネルギービームの強度勾配により付与されることを特徴とする。
【００３１】
遮光要素であるゲート電極で一部が遮光されたエネルギービームは遮光部に回り込んで半導体薄膜を加熱するが、この発明によれば、遮光部に到達した２２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上のエネルギービームの強度勾配により、一定方向に結晶成長させるための駆動力としての上記温度勾配が実現される。
【００３２】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法において、前記ゲート電極の幅が０．３μｍ以上であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の半導体薄膜の製造方法において、溶融再結晶化する前の半導体薄膜が、アモルファスシリコン（融点１１５０℃）またはポリシリコン（融点１４１０℃）であることを特徴とする。
【００３４】
上記第３の目的を達成するための本発明の半導体薄膜は、上述した半導体薄膜の製造方法により製造された半導体薄膜であって、溶融再結晶化した半導体薄膜は、結晶成長が開始する起点の厚さが結晶成長の終点部の厚さよりも小さく、その厚さ勾配の方向に結晶成長していることを特徴とする。
【００３５】
本発明においては、前記半導体薄膜が、起点を中心として少なくとも２方向に結晶成長していることを特徴とする。
【００３６】
上記第４の目的を達成するための本発明の薄膜トランジスタは、上述した半導体薄膜の製造方法を用い、薄膜トランジスタが備えるゲート電極を遮光要素としてエネルギービームを照射し、半導体薄膜の遮光部を起点として一方向に結晶成長した結晶化膜を形成することにより製造された薄膜トランジスタであって、前記薄膜トランジスタが備える溶融再結晶化した半導体薄膜は、結晶成長が開始する起点の厚さが結晶成長の終点部の厚さよりも小さく、その厚さ勾配の方向に結晶成長していることを特徴とする。
【００３７】
上記第５の目的を達成するための本発明の半導体薄膜の製造装置は、半導体薄膜とエネルギービーム照射源との間に配置された遮光要素にエネルギービームを照射することにより、半導体薄膜の遮光部を起点として所望方向に結晶成長させることができる照射装置を有した半導体薄膜の製造装置であって、前記照射装置が、解像度４μｍ以下の光学系を有することを特徴とする。
【００３８】
この発明によれば、解像度が４μｍ以下の光学系を有する照射装置を備えるので、遮光要素で遮光された遮光部に、その遮光部を起点として所望方向に結晶成長させることができるのだけの局所的な温度勾配を付与することができる。
【００３９】
本発明の半導体薄膜の製造装置において、前記遮光要素は、透明基板に遮光パターンが形成された遮光マスクであり、当該遮光パターンの遮光幅Ｌと当該遮光パターンのピッチＰとの比（Ｐ／Ｌ）が１以上であることが好ましい。また、前記遮光パターンの遮光幅が０．３μｍ以上であることが好ましい。
【００４０】
本発明の半導体薄膜の製造装置において、前記照射装置は、エネルギービームを１回照射することにより半導体薄膜の全面を同時に溶融再結晶化させるための投影露光手段を備えていることを特徴とする。
【００４１】
この発明によれば、上記のような投影露光手段を備えるので、結晶粒が大きく成長方向の揃った半導体薄膜の結晶化を極めて効率的に行うことができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体薄膜、薄膜トランジスタ、それらの製造方法および半導体薄膜の製造装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００４３】
本発明の半導体薄膜は、遮光要素で一部が遮光されたエネルギービームを半導体薄膜上に照射することにより、その半導体薄膜の遮光部を起点として溶融再結晶化させる方法により製造される。具体的には、例えばマスク投影法を用いて波長３０８ｎｍのエキシマレーザーをＳｉ薄膜上に照射することにより、そのマスクの遮光パターンによって遮光されたＳｉ薄膜の遮光部で溶融再結晶化を生じさせ、その溶融再結晶化が起こる起点から局所的な温度の勾配方向に結晶成長を生じさせる方法である。そして、本発明の特徴とするところは、エネルギービームの照射が、遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えると共にその遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上とすることにある。本発明においては、上記温度勾配がその起点から一定方向に結晶成長させるための大きな駆動力として作用する。そして、溶融再結晶化による再結晶が、溶融再結晶化の起こる起点から温度勾配の方向に向かって成長し、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成される。本発明の半導体薄膜の製造方法は、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）またはポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等に対して好ましく適用され、一定方向に成長した結晶粒の大きなＳｉ薄膜に再結晶させることができる。
【００４４】
（半導体薄膜の製造方法の第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を示す説明図である。図１（Ａ）は、遮光要素の一例を示す平面図であり、図１（Ｂ）は、照射された半導体薄膜で起こる溶融再結晶過程を示す断面模式図である。また、図２は、図１（Ａ）の形態の遮光マスクを用いて溶融再結晶化を行ったときのＳｉ結晶の結晶成長態様を示す拡大平面写真である。また、図３は、温度勾配の方向と同じ方向（横方向）に結晶成長する態様を示す拡大平面写真である。
【００４５】
遮光要素は、半導体薄膜１４に照射するエネルギービーム１３の一部を遮光するために、ビーム源と被照射体との間（図１においては半導体薄膜１４の上部または上方）に配置される。遮光要素としては、例えば、ガラス基板上にパターン形成された遮光マスク等が用いられる。また、後述するように、本発明の薄膜トランジスタの場合においては、例えば半導体薄膜上のゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極が遮光要素として機能する。
【００４６】
図１（Ａ）の遮光マスク１１には、開口幅Ｗおよび遮光幅Ｌのストライプ状のマスクパターン１２が一定のピッチＰ（間隔）で並んで形成されている。本発明においては、高解像度の光学系（後述する）を使用することにより、半導体薄膜１４の遮光部１７の温度勾配を３００℃／μｍ以上とするので、図１（Ｂ）、図２および図３に示すように、結晶成長が起こり始める起点１４から局所的な温度の勾配方向に大きな成長駆動力で結晶を成長させることができた。その結果、遮光幅Ｌが狭く開口幅ＷとピッチＰが大きい遮光マスク１１を用いても、幅の狭い遮光部１７の起点１６から幅の広い開口部１８の全面を埋めるように半導体薄膜の結晶を成長させることができた。なお、図１（Ｂ）中の矢印１９は、それぞれの起点１６から隣接する遮光部１７に向かって結晶が成長する方向を示しているものであり、また、図２および図３に見られる白い縦筋２０は、隣接する遮光部１７から成長した結晶が突き当たった部位であり、結晶成長は隣接する遮光部１７に向かうように一方向（図中では横方向）に結晶が成長していることがわかった。
【００４７】
本発明では、半導体薄膜１４の遮光部１７に上述した温度勾配与えるので、遮光幅Ｌに対するピッチＰの比（Ｐ／Ｌ）を１以上、特に１よりも大きく例えば１０以上の大きなＰ／Ｌ比を持つ遮光マスク１１を使用することができる。そして、その遮光マスクにより半導体薄膜に僅かな幅の遮光部を形成した場合であっても、その遮光部で大きな温度勾配が生じ、その結果、その温度勾配の方向に半導体薄膜を結晶成長させることができる。なお、Ｐ／Ｌの上限については、エネルギービームの強度、光学系の解像度、冷却状態などにより所定の限界がある。
【００４８】
図４（Ａ）は、本発明に適用される解像度の高い光学系２１を用いた場合のエネルギービーム１３の強度分布２３の模式図を示したものであり、図４（Ｂ）は、従来タイプの解像度の低い光学系２２を用いた場合のエネルギービーム１３の強度分布２３の模式図を示したものである。また、図５および図６は、解像度の異なる光学系を用いた場合のエネルギービームの強度勾配の説明図と、その強度勾配により生じた半導体薄膜の結晶成長形態の拡大写真である。
【００４９】
エネルギービーム１３としては、所定の強度を出力できる各種のエネルギービームを用いることができる。例えば、１００〜１０００ｍＪ／ｃｍ２の出力特性を有する波長３０８ｎｍのエキシマレーザーを好ましく用いることができる。なお、エネルギービームの出力特性は、そのビーム径により可変可能なパラメータである。
【００５０】
上記エネルギービーム１３は、図４（Ａ）に示すような解像度が４μｍ以下の光学系２１により半導体薄膜１４の表面に照射される。光学系の解像度は「解像度＝（定数）×波長／開口数」で求められるが、３０８ｎｍのエキシマレーザーを用いた開口数（ＮＡ）０．２の光学系においては、定数が０．５０〜０．７５の範囲の高解像度の光学系２１が好ましく使用される。なお、開口数（ＮＡ）＝ｎｓｉｎθであり、ｎは媒質の屈折率であるが、空気中ではｎ＝１より、ＮＡ＝ｓｉｎθとなる。本発明において、遮光要素で一部が遮光されたエネルギービーム１３は遮光部１７に回り込んで半導体薄膜１４を加熱するが、このような高解像度の光学系２１を用いることにより、半導体薄膜１４の遮光部１７に例えば２２０ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上となるエネルギービームの強度勾配を与えることができる。すなわち、４μｍ以下の解像度を持つ高解像度光学系２１を適用して半導体薄膜１４にエネルギービーム１３を照射することにより、半導体薄膜１４の遮光部１７に上記強度勾配を付与することができ、その結果、３００℃／μｍ以上の温度勾配を実現することができる。なお、エネルギービームの強度勾配は、ビームを蛍光板に照射し、そこで発光される蛍光をレンズで拡大してＣＣＤで読み取ることにより評価することができる。
【００５１】
一方、図４（Ｂ）に示すような解像度がおよそ１０μｍ以上の光学系の場合においては、エネルギービームの強度勾配が小さく、その結果、本発明のような３００℃／μｍ以上の温度勾配を実現することができないので、一定方向に結晶成長させるための駆動力としては不十分となる。
【００５２】
エネルギービームの強度勾配についての具体例としては、例えば、上述した図４（Ｂ）に示す従来タイプの低解像度（例えば解像度１０μｍ以上）の光学系２２を用い且つ遮光幅Ｌが２〜３μｍ程度の遮光マスクを用い、さらに図６に示すように、遮光部１７が結晶化して起点となるエネルギービームの強度（結晶化強度という）を１８０ｍＪ／ｃｍ２とし、開口部１８のエネルギービームの強度（照射強度という）を４００ｍＪ／ｃｍ２とした場合には、エネルギービームの強度勾配は７３．３（＝（４００−１８０）／３）〜１１０（＝（４００−１８０）／２）ｍＪ／ｃｍ２／μｍ程度となった。これに対し、本発明においては、上述した図４（Ａ）に示す高解像度（例えば解像度４μｍ以下）の光学系２１を用い且つ遮光幅Ｌが１μｍ以下の遮光マスクを用い、さらに図５に示すように、遮光部１７が結晶化して起点１６となるエネルギービームの強度（結晶化強度という）を１８０ｍＪ／ｃｍ２とし、開口部１８のエネルギービームの強度（照射強度という）を４００ｍＪ／ｃｍ２とした場合には、エネルギービームの強度勾配は２２０（＝（４００−１８０）／１）ｍＪ／ｃｍ２／μｍ以上となった。
【００５３】
本発明でのこのようなエネルギービームの大きな強度勾配は、高解像度の光学系によりもたらされるものであり、その結果、遮光部の温度勾配が大きくなって上述した３００℃／μｍ以上の温度勾配を実現することができる。一方、従来タイプのエネルギービームの小さな強度勾配は、低解像度の光学系によりもたらされるものであり、その結果、遮光部の温度勾配を大きくできない。これらのことから、本発明では、遮光パターンの幅を狭くして遮光部を小さくしても、その遮光部に一定の方向に結晶成長を生じさせるのに必要な温度勾配を与えることができるのである。
【００５４】
エネルギービームの温度勾配の上限については、２００００℃／μｍ、好ましくは１３３００℃／μｍとすることができる。この温度勾配の上限は、過剰エネルギーによる開口部相当領域のアブレーションと、遮光部相当領域の微結晶化とを考慮して設定される。すなわち、エネルギービームが半導体薄膜に直に当たる開口部においてアブレーションが生じない最高温度ＴＨ（例えば、Ｓｉでは３２６７℃（沸点）を上限とする温度）と、エネルギービームが遮光される遮光部において溶融再結晶化の起点となる温度ＴＬ（例えば、ａ−Ｓｉにおいては１１５０℃（融点）、ｐｏｌｙ−Ｓｉにおいては１４１０℃（融点）を下限とする温度）との差（ＴＨ−ＴＬ）が、温度勾配の上限となる。したがって、本発明においては、高解像度光学系を用いた場合の最も良い解像度である０．１μｍの場合に、温度勾配の上限は、（ＴＨ−ＴＬ）／（解像度）＝（３２６７−１１５０）／０．１＝約２００００℃／μｍとなる。また、図２および後述する図７と図１０の実験結果より、０．３μｍの遮光幅Ｌの半分である０．１５μｍの位置が起点となるように解像度０．１５μｍの高解像度光学系を用いることが好ましく、その場合には、前記温度勾配の２００００℃／μｍの２分の３である約１３３００℃／μｍを上限とすることが好ましい。
【００５５】
なお、アブレーションとは、半導体薄膜が溶解し沸騰蒸発する現象である。また、微結晶化（あるいは非晶質化）は、急冷により非平衡状態への遷移を経て形成される。したがって、遮光部相当領域が微結晶化しないためには、熱力学的に平衡状態を保ったまま固化が開始されることが望ましい。上記の沸点と融点は、”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ”，  ｖｏｌ．２３，  Ｐｕｌｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，  Ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｒ．Ｆ．Ｗｏｏｄ，  Ｃ，Ｗ，Ｗｈｉｔｅ，  ａｎｄ  Ｒ．Ｔ．Ｙｏｕｎｇ，  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｉｎｃ．，  Ｏｒｌａｎｄ，  １９８４  による。
【００５６】
さらに具体的には、例えば厚さ６０ｎｍのａ−Ｓｉ薄膜に対して１μｍの解像度の光学系を使用し、そこに４００ｍＪ／ｃｍ２の照射を行って溶融再結晶化させた場合には、その温度勾配は、｛２４２８℃（４００ｍＪ／ｃｍ２の照射で到達する温度）−１１５０℃（ａ−Ｓｉの融点）｝／１μｍ＝約１２００℃／μｍとなり、また、ａ−Ｓｉ薄膜に対して１μｍの解像度の光学系を使用し、そこに６００ｍＪ／ｃｍ２の照射を行って溶融再結晶化させた場合には、その温度勾配は、｛３２６７℃（６００ｍＪ／ｃｍ２の照射で到達する温度）−１１５０℃（ａ−Ｓｉの融点）｝／１μｍ＝約２１００℃／μｍとなった。この結果から、好ましい温度勾配の範囲としては、１２００℃／μｍ以上、２１００℃／μｍ以下とすることができる。
【００５７】
また、光学系のコストと寿命を考慮した場合には、その解像度を低めにし且つ照射強度を抑えめにすることがよく、例えば解像度４μｍのものを使用し且つ４００ｍＪ／ｃｍ２程度の強度で照射することが本発明の目的を最低限満たすと共にコストと寿命において好ましい。この観点からは、例えば厚さ６０ｎｍのａ−Ｓｉ薄膜に対して４μｍの解像度の光学系を使用し、そこに４００ｍＪ／ｃｍ２の照射を行って溶融再結晶化させた場合には、その温度勾配は、｛２４２８℃（４００ｍＪ／ｃｍ２の照射で到達する温度）−１１５０℃（ａ−Ｓｉの融点）｝／４μｍ＝約３００℃／μｍとなり、また、ａ−Ｓｉ薄膜に対して１μｍの解像度の光学系を使用し、そこに４００ｍＪ／ｃｍ２の照射を行って溶融再結晶化させた場合には、その温度勾配は、｛２４２８℃（４００ｍＪ／ｃｍ２の照射で到達する温度）−１１５０℃（ａ−Ｓｉの融点）｝／１μｍ＝約１２００℃／μｍとなった。この結果より、上記観点における好ましい温度勾配の範囲としては、３００℃／μｍ以上、１２００℃／μｍ以下とすることができる。
【００５８】
遮光部には、少なくとも溶融再結晶化の起点となるための熱量が与えられることが望ましい。例えば厚さ６０μｍのＳｉ薄膜を遮光幅１μｍの遮光マスクで遮光し、１μｍの解像度を持つ光学系を用いて３０８ｎｍのエキシマレーザーを４００ｍＪ／ｃｍ２の強度で照射した場合、遮光部には１８０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーが照射され、その結果、ａ−Ｓｉの融点である１１５０℃を超える温度となって溶融再結晶化の起点となることが確認された。なお、このとき、開口部は４００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーが照射されるので、遮光部の温度勾配はおよそ２２０℃／μｍとなり、その起点位置においては、その温度勾配に沿った方向への結晶成長が見られた（図５を参照）。その結果、図５に示したように、起点の境界線はきれいな直線又は略直線となった。
【００５９】
一方、例えば厚さ６０μｍのＳｉ薄膜を遮光幅３μｍの遮光マスクで遮光し、１０μｍの解像度を持つ光学系を用いて３０８ｎｍのエキシマレーザーを４００ｍＪ／ｃｍ２の強度で照射した場合、遮光部には１８０ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーが照射され、その結果、ａ−Ｓｉの融点である１１５０℃を超える温度となって溶融再結晶化の起点となった。このとき、開口部は４００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーが照射されるが、遮光部の温度勾配はおよそ７３．３℃／μｍと緩やかであり、その起点位置においては、その温度勾配に沿った方向への結晶成長と同時に、それ以外の方向（図中、上下方向）への結晶成長も同時に起こる傾向が見られ、起点の境界線が直線状にはならなかった（図６を参照）。
【００６０】
このような温度勾配が遮光部に与えられるので、その温度勾配の方向（図４においては左右方向）に垂直な方向（図４においては上下方向）への結晶成長が抑制され、温度勾配の方向への結晶成長が促される。
【００６１】
図７は、図１に示す態様の遮光マスク１１で遮光された遮光部１７において、エネルギービームの強度勾配を生じる長さＬｅと、結晶化の起点１６を基準とした相対的な位置誤差（蛇行の程度を示す）の関係を求めた結果である。なお、図８は、エネルギービームの強度勾配のスロープ部分の長さＬｅの説明図であり、図９は、結晶化の起点を基準とした相対的な位置誤差（蛇行の程度を示す）の説明図である。強度勾配のスロープ部分の長さは、上述したエネルギービームの強度勾配の測定結果から得た値であり、光学的な均一化手段で補正しきれない生のレーザー光が持つ微小領域での強度ばらつきや光学的均一手段の性能ばらつき等の理由から、ビーム強度を１．００としたときに０．１０〜０．９０の強度範囲を長さＬｅとした。また、起点１６の認定については、結晶の構造変化に着目し、微細結晶の集合と粗大結晶が接する位置となっている位置を起点とし、その起点の位置のバラツキ（誤差）を数値化した。
【００６２】
図７に示す結果より、起点位置誤差を小さくするためには、Ｌｅ≦４μｍの範囲が有効であることが判明した。この結果に基づいて、本発明においては、遮光部においてエネルギービームの強度勾配を生じる長さＬｅが４μｍ以下、好ましくは１μｍ以下となるような高解像度の光学系を用いることが望ましく、その結果、温度勾配が大きくなり、結晶を温度勾配の方向に成長させることができた。
【００６３】
次に、遮光マスクにおけるストライプ状のマスクパターンの配置間隔（ピッチＰ）について説明する。図１０は、遮光マスクに形成したストライプ状のマスクパターンの遮光幅Ｌを０．３μｍとし、そのマスクパターンのピッチＰを１．５μｍ〜３．５μｍまで変化させたときのＳｉ薄膜の溶融再結晶形態を示している。このときのエネルギービームの照射強度は５７８ｍＪ／ｃｍ２とした。
【００６４】
図９に示したように、ピッチが２．５μｍ〜３．５μｍのときは、エネルギービームの強度勾配の方向に結晶が成長しているのが確認されたが、ピッチが１．５μｍの場合には、横方向の結晶成長が観察されなかった。その理由は、Ｓｉ薄膜に投入されるエネルギー量が大きくなり、横方向への熱拡散も手伝って、遮光相等領域の温度上昇が過剰になったためと推察される。ピッチが３．０μｍの場合においては、隣接する遮光部から横方向に成長した結晶でその照射領域が占められ、特に好ましい結晶成長形態を示していた。ピッチが３．５μｍの場合には、隣接する起点から横方向に成長した結晶の間に隙間が生じてしまうという現象が見られた。この現象は、隣接する遮光部の起点を核とした横方向のエピタキシャル成長が相互に接触する前に、基板への熱伝導により冷却され自然発生的に核がランダムに発生した結果、相対的に粒径が小さい多結晶（微結晶または非晶質）膜が形成されるためである。ピッチが２．５μｍの場合には、横方向のエピタキシャル成長が進展し、相互に接触した時点で完了した様子が伺えた。しかし、ピッチが１．５μｍの場合の時と同様に、Ｓｉ薄膜に投入されるエネルギー量が大きくなり、横方向への熱拡散も手伝って、遮光相等領域の温度上昇が過剰になったと考えられる領域が、一部に存在した。この現象は、照射ビームが持つ強度不均一性によるものと考えられる。
【００６５】
これらの結果から、強度等のパラメータに依存して決定される成長距離よりも、遮光部配置間隔を小さくすることが望ましく、具体的には、遮光マスクパターンのピッチＰと遮光幅Ｌとの関係が、ピッチＰ／遮光幅Ｌ＞５（＝１．５／０．３）であることが必要であり、ピッチＰ／遮光幅Ｌ＝１０（＞１．５／０．３）前後であることが望ましい。大きな結晶粒径を有するＳｉ薄膜を得るという観点のもとでは、上記のような条件を満たした上で、できるだけ遮光部配置間隔を大きく取ることが好ましい。
【００６６】
ピッチＰ／遮光幅Ｌの値の上限については、隣接する起点から横方向に成長した結晶間に隙間が生じてしまわない範囲で設定される。その要因となる主なパラメーターは、ピッチＰ／遮光幅Ｌ、エネルギービームの照射強度、膜厚、ビームパルス波形等であるが、それらのパラメータを調節することにより隙間の問題を解決することができる。
【００６７】
図１１は、厚さの異なるシリコン薄膜について、４００〜９００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギービームの照射強度と、その照射強度の下で良好な溶融再結晶による結晶成長が生じた遮光パターンの遮光幅Ｌとの関係について示した実験結果である。
【００６８】
遮光パターンの遮光幅Ｌとエネルギービームの照射強度とは比例関係にあり、照射強度を大きくした場合に、その照射強度の下で良好な溶融再結晶による結晶成長を生じさせるためには、遮光幅Ｌも大きくする必要があった。また、シリコン薄膜の厚さを６０ｎｍから７５ｎｍに厚くした場合においては、エネルギービームの照射強度を高強度側へシフトすることにより、良好な溶融再結晶による結晶成長を生じさせることができた。
【００６９】
この結果から、好な溶融再結晶による結晶成長を生じさせることができる照射強度と遮光幅の関係は、Ｌ（μｍ）＝ａ×Ｅ（ｍＪ／ｃｍ２）＋ｂ、の関係式となった。この関係式において、係数ａと係数ｂは、被照射体である半導体薄膜の厚さにより変化する係数である。
【００７０】
遮光幅Ｌは、図１１の関係からもわかるように照射強度や膜厚等に応じて設定されるが、例えば０．２〜０．５μｍであることが好ましく、０．３〜０．５μｍであることがより好ましい。図１１の検討結果においては、遮光幅Ｌが０．２μｍ未満の場合には、遮光の効果は得られず全面が微結晶化し、横方向成長は観測されなかった。また、遮光幅Ｌが例えば０．５μｍを超える場合には、横方向成長が生じたものの遮光中心に非晶質層が残存した。
【００７１】
なお、遮光部には、溶融再結晶化の起点となるための熱量が与えられる。その熱量は、半導体薄膜の種類や厚さによっても相違するが、ガラス基板上に形成された７５ｎｍ厚のａ−Ｓｉであれば、１７０〜２００ｍＪ／ｃｍ２の範囲であることが望ましい。こうした範囲の熱量が与えられた遮光部には、溶融再結晶の核が生じ、その核を起点として結晶成長が起こる。例えば、上述した図１（Ｂ）においては、遮光幅Ｌのストライプ状の遮光パターンが形成されているので、Ｓｉ薄膜の結晶は、形成された核を起点として温度勾配が生じている方向（図１（Ｂ）においては左右方向）に成長する。このとき、適当なピッチＰで遮光部を周期的に配置することが好ましく、例えば図２に示すように、横方向に結晶成長したＳｉ薄膜を周期的に得ることができる。
【００７２】
また、本発明において、良好な結晶成長を起こすためには、エネルギービームを照射して溶融した例えばＳｉ薄膜が、微結晶化しない冷却速度となることが望ましい。厚さ６０ｎｍのａ−Ｓｉ薄膜においては、微結晶化は約１．６ｘ１０１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度条件で生じることがわかったので、冷却速度を１．６ｘ１０１０℃／ｓｅｃより小さく制御することによって、微結晶化とアモルファス化を防ぐことができ、良好な結晶成長過程を得ることが可能になる。
【００７３】
こうして製造された半導体薄膜、すなわち溶融再結晶化した半導体薄膜は、結晶成長が開始する起点の厚さが結晶成長の終点部の厚さよりも小さく、その厚さ勾配の方向に結晶成長している。例えば、上述の溶融再結晶化手段と同じ方法により、膜厚７５ｎｍのａ−Ｓｉ薄膜に８２０ｍＪ／ｃｍ２の照射強度で３０８ｎｍのエキシマレーザーを照射して溶融再結晶化させると、溶融再結晶が開始する起点部の膜厚がおよそ６０ｎｍとなり、結晶成長の終点部の厚さがおよそ１００ｎｍとなった。こうした現象、すなわち、結晶成長が開始する起点の厚さが結晶成長の終点部の厚さよりも小さくその厚さ勾配の方向に結晶成長する現象は、初期の膜厚に関係なく生じる現象であり、本発明に係る製造方法特有の形態である。なお、その形態は、前記半導体薄膜が起点を中心として少なくとも２方向に結晶成長している場合においても、その結晶成長方向において確認された。
【００７４】
次に、上述した、または後述する本発明の半導体薄膜の製造方法および薄膜トランジスタの製造方法において適用される製造装置は、半導体薄膜とエネルギービーム照射源との間に配置された遮光要素にエネルギービームを照射することにより、半導体薄膜の遮光部を起点として所望方向に結晶成長させることができる照射装置を有している。なお、後述する薄膜トランジスタの製造装置においては、ゲート絶縁膜で覆われた半導体薄膜とエネルギービーム照射源との間に配置されたゲート電極を遮光要素としてエネルギービームが照射される。
【００７５】
この製造装置においては、解像度が４μｍ以下の光学系を有する照射装置を備えることにより、上記の結晶成長を実現できる。すなわち、照射装置が解像度４μｍ以下の光学系を有するので、既に述べたように、遮光要素（またはゲート電極）で遮光された遮光部に、その遮光部を起点として所望方向に結晶成長させることができるのだけの局所的な温度勾配を付与することができるのである。
【００７６】
また、こうした照射装置に好ましく適用される遮光要素は、透明基板に遮光パターンが形成された遮光マスクであることが便利であり、そして、その遮光パターンの遮光幅Ｌとその遮光パターンのピッチＰとの比（Ｐ／Ｌ）が１以上であることが好ましい。また、遮光パターンの遮光幅が０．３μｍ以上であることが好ましい。これらの理由は既に述べたとおりであるので省略する。なお、薄膜トランジスタの場合においては、半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極が遮光要素として作用し、その遮光幅Ｌはゲート電極の幅となる。
【００７７】
本発明においては、より効率的な半導体薄膜の溶融再結晶化を実現するために、その照射装置は、エネルギービームを１回照射することにより半導体薄膜の全面を同時に溶融再結晶化させるための投影露光手段を備えている。こうした投影露光手段としては、エネルギービームの種類や強度、さらには結晶成長させようとする被照射体の面積等により各種のものが選択可能であり、例えば、従来から知られている縮小投影光学系、等倍投影光学系、拡大投影光学系をその照射装置に適用して本発明の製造装置を構成することができる。
【００７８】
図１２および図１３は、本発明の半導体薄膜および薄膜トランジスタの製造に適用可能な照射装置の一例である。図１２は、本発明の半導体薄膜の製造方法において好ましく用いられる照射装置の一例を示す構成図である。
【００７９】
図１２に示す照射装置において、第１のエキシマレーザーＥＬ１及び第２のエキシマレーザーＥＬ２から供給されるパルスＵＶ光は、ミラー類ｏｐｔ３，ｏｐｔ３とレンズ類ｏｐｔ４を介してホモジナイザｏｐｔ２０に導かれる。このホモジナイザｏｐｔ２０では、ビームの強度プロファイルが光学マスクｏｐｔ２１で所望の均一度、例えば面内分布±５％、になるように整形される。
【００８０】
なお、エキシマレーザーから供給されるオリジナルなビームはその強度プロファイルや総エネルギー量がパルス間毎に変化する場合があるため、照射装置には、光学マスク上での強度の空間的分布やパルス間ばらつきをより均一化するための機構が設けられることが望ましい。ホモジナイザｏｐｔ２０としては、フライアイレンズやシリンドリカルレンズを用いたものが一般的に用いられる。
【００８１】
上記光学マスクによって形成された光パターンは、縮小投影露光装置ｏｐｔ２３とレーザー導入窓Ｗ０を介して、真空チャンバＣ０内に設置された基板ｓｕｂ０に照射される。その基板は、基板ステージＳ０上に載置され、その基板ステージの動作により、基板の所望領域、例えばパターン転写領域ｅｘ０に光パターンが露光される。図１２では縮小投影光学系を示したが、場合によっては等倍投影光学系であっても、拡大投影光学系であってもかまわない。
【００８２】
基板ステージの移動（図内Ｘ−Ｙ）により、基板上の任意の領域にレーザー照射が行われる。また、遮光パターンが形成された光学マスクは、マスクステージ（図示せず）上に設置されている。基板上に照射されるビームは、露光可能領域内において、光学マスクを移動することにより操作される。
【００８３】
次に、光パターンを所望の条件で基板上に照射する機構について例示する。光軸の調整には微妙な調整が必要となるため、以下においては、いったん調整を終えた光軸を固定して基板の位置を調整する方法を示す。
【００８４】
光軸に対する基板照射面の位置は、焦点方向Ｚの位置と光軸に対する垂直度とで補正される。具体的には、図中の傾き補正方向θｘｙ、傾き補正方向θｘｚ、傾き補正方向θｙｚ、露光領域移動方向Ｘ、露光領域移動方向Ｙおよび焦点合わせ方向Ｚで示されるもののうち、傾き補正方向θｘｙ、傾き補正方向θｘｚおよび傾き補正方向θｙｚを調整することにより、光軸に対する垂直度が補正される。また、基板照射面は、焦点合わせ方向Ｚを調整することにより、光学系の焦点深度にあった位置に配置制御される。
【００８５】
特に、絶縁体上に形成される薄膜トランジスタにおいては、シリコンウエハに比べて表面精度に劣るガラス基板が絶縁体として用いられるため、上記のような補正機構を備えた照射装置であることが有効である。
【００８６】
また、本発明の半導体薄膜または薄膜トランジスタの製造においては、図１３に示すようなパルスレーザー照射装置も適用することができる。
【００８７】
図１３に示すパルスレーザー照射装置において、パルスレーザー光源１１０１から供給されるレーザー光は、ミラー１１０２，１１０３，１１０５及びビームホモジナイザ１１０４等の光学素子群によって規定される光路１１６を介し、被照射体であるガラス基板１１０９上のシリコン薄膜１１０７に到達する。なお、ビームホモジナイザ１１０４は、空間的な強度の均一化を行うべく設置されるものである。こうした照射装置において、基板上の任意の位置へのレーザー照射は、ｘｙステージ１１０８上のガラス基板１１０９を移動させることにより行われる。任意の位置へのレーザー照射は、ｘｙステージによる移動手段の他、上述の光学素子群を移動させたり、光学素子群とステージとを組み合わせた方法であってもよい。例えば、基板をｘ方向ステージに載置し、ホモジナイザをｙ方向ステージに載置するものであってもよい。また、レーザー照射を真空チャンバ内で真空中または高純度ガス雰囲気下で行ってもよい。また、レーザー照射装置は、必要に応じてシリコン薄膜付きガラス基板入りカセット１１１０と基板搬送機構１１１１を備えていてもよく、機械的にカセットとステージ間の基板の取りだし収納を行うこともできる。
【００８８】
本発明においては、こうした照射装置を備えた製造装置を用いるので、半導体薄膜の溶融再結晶化を極めて効率的に行うことができる。特に、大面積のものであっても一回のエネルギービーム照射で溶融再結晶化を実現できる点に顕著な効果を有している。
【００８９】
（半導体薄膜の製造方法の第２実施形態）
上述した本発明の半導体薄膜の製造方法を適用することにより、図１４に示すように、溶融再結晶により放射状に結晶成長させることもできた。
【００９０】
例えば、図１４に示す結晶は、厚さ６０μｍのシリコン薄膜に対して、遮光パターンとして直径１．５μｍの点状の遮光パターンを約４μｍの等間隔ピッチで設けた遮光マスクを用い、そこに、４６７ｍＪ／ｃｍ２の照射強度で波長３０８ｎｍのエキシマレーザーを照射した結果得られたものである。図１４からわかるように、結晶は遮光部から放射状に成長し、隣接する遮光部から成長した結晶との間にも隙間が見られない。
【００９１】
（薄膜トランジスタの製造方法の第１実施形態）
上述した本発明の半導体薄膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用し、自己整合的に所望の領域に結晶化膜を得ることができる薄膜トランジスタの製造例を図１５に示す工程フロー図に基づいて説明する。
【００９２】
すなわち、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を遮光要素としてエネルギービームをその半導体薄膜に照射することにより、半導体薄膜の遮光部を起点として一方向に結晶成長した結晶化膜を形成する方法である。そして、本発明の特徴とするところは、上記のエネルギービームの照射が、遮光部に溶融再結晶化の起点となるための熱量を与えると共に遮光部の局所的な温度勾配を３００℃／μｍ以上とすることにある。
【００９３】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法においては、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極を遮光要素として用いることにより、そのゲート電極の下方に位置するＳｉ薄膜に起点を形成する。そして、その起点から、自己整合的にゲート電極の幅方向へ結晶成長させる。この結晶成長方向は、チャネル中のキャリアの移動（ソースドレイン）方向と一致するため、得られたＳｉ薄膜は、キャリア輸送特性の高い活性層となる。本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、チャネル長がサブミクロンに突入する場合に特に好ましく適用できる。
【００９４】
先ず、図１５（ａ）に示すように、洗浄により有機物、金属、微粒子等を除去したガラス基板ｓｕｂ０上に、基板カバー膜Ｔ１とシリコン薄膜Ｔ２を順次形成する。
【００９５】
基板カバー膜Ｔ１として、ＬＰＣＶＤ（減圧化学的気相成長）法でシランと酸素ガスを原料とし、４５０℃の条件下で酸化シリコン膜を１μｍ形成する。ＬＰＣＶＤ法を用いることにより、基板保持領域を除き基板外表面全体をカバーすることも可能である（図示せず）。ＬＰＣＶＤ法の代わりに、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と酸素を原料としたプラズマＣＶＤ法、ＴＥＯＳとオゾンを原料とした常圧ＣＶＤ法、または堆積領域とプラズマ生成領域が分離されたリモートプラズマＣＶＤ法等を利用することも可能である。基板カバー膜Ｔ１としては、例えば、アルカリ金属濃度を極力低減したガラス、表面を研磨加工した石英・ガラス等の基板材料が含む半導体デバイスに有害な不純物の拡散を防止できる材料が有効である。
【００９６】
シリコン薄膜Ｔ２は、ＬＰＣＶＤ法でジシランガスを原料として５００℃で厚さ７５ｎｍで形成される。この場合、シリコン薄膜Ｔ２中に含まれる水素原子濃度が１原子％以下となるため、後述するレーザー照射工程での水素放出による膜荒れ等を防ぐことができる。また、このシリコン薄膜Ｔ２は、プラズマＣＶＤ法を用いても形成することができ、基板温度、水素／シラン流量比、水素／４フッ化シラン流量比等を調整することによって水素原子濃度が低いシリコン薄膜を形成できる。
【００９７】
次に、上記基板は、薄膜形成装置内のガスが排気された後に基板搬送室を介してプラズマＣＶＤ室に搬送される。そのプラズマＣＶＤ室内で、図１５（ｂ）に示すように、シリコン薄膜Ｔ２上に第１のゲート絶縁膜Ｔ３が堆積される。そのゲート絶縁膜Ｔ３は、シラン、ヘリウム、酸素を原料ガスとし、基板温度３５０℃で堆積された厚さ１０ｎｍの酸化シリコン膜である。その後必要に応じて、第１のゲート絶縁膜Ｔ３に水素プラズマ処理や加熱アニールが施される。
【００９８】
ここまでが薄膜形成装置において処理される。
【００９９】
次に、図１５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチング技術を用いてシリコン薄膜Ｔ２と酸化シリコン膜Ｔ３とからなる積層膜のアイランドを形成する。このとき、シリコン薄膜Ｔ２に比べ酸化シリコン膜Ｔ３のエッチングレートが高いエッチング条件を選択することが好ましく、図示したように、パターン断面を階段状（またはテーパ状）に形成することによって、ゲートリークを防ぎ信頼性の高い薄膜トランジスタを提供できる。
【０１００】
次に、上記エッチング後の基板を洗浄して有機物、金属、微粒子等を除去し、図１５（ｄ）に示すように、上記アイランドが被覆されるように第２のゲート絶縁膜Ｔ４を形成する。その第２のゲート絶縁膜Ｔ４は、ＬＰＣＶＤ法でシランと酸素ガスを原料とし、４５０℃で堆積させた厚さ３０ｎｍの酸化シリコン膜である。第２のゲート絶縁膜Ｔ４の形成には、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と酸素とを原料としたプラズマＣＶＤ法、ＴＥＯＳとオゾンとを原料とした常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等を利用することも可能である。
【０１０１】
次に、第２のゲート絶縁膜Ｔ４上に、ゲートｎ＋電極としてｎ＋シリコン膜８０ｎｍとタングステンシリサイド膜１１０ｎｍを形成する。ｎ＋シリコン膜としては、プラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法で形成された結晶性のリンドープシリコン膜が望ましい。その後、フォトリソグラフィとエッチング工程を経て、図１５（ｅ）に示すように、パターン化されたゲート電極Ｔ５ｂを形成する。
【０１０２】
次に、有機物、金属、微粒子、表面酸化膜等を除去するための洗浄を行った後、レーザー照射装置に導入して、図１５（ｆ）に示すように、ゲート電極Ｔ５Ｂを遮光マスクとしてシリコン薄膜Ｔ２にレーザー光を照射する。レーザー照射装置としては、図１２に示すレーザー照射装置や、図１３に示すレーザー照射装置を適用できる。レーザー光の照射により、シリコン薄膜Ｔ２を結晶化シリコン薄膜Ｔ６に改質する。レーザー結晶化は９９．９９９９％以上の高純度窒素７００ｔｏｒｒ以上の雰囲気で行われ、レーザー照射が完了後、酸素ガスを導入する。このとき、遮光幅Ｌおよび遮光間隔Ｌを適切に設計することにより、照射面の結晶化が実現される。
【０１０３】
次に、図１５（ｇ１）（ｇ２）に示すように、上記ゲート電極Ｔ５ｂをマスクとして、結晶化シリコン薄膜Ｔ２に不純物を注入して不純物注入領域Ｔ６，Ｔ６を形成する。なお、ＣＭＯＳ型回路を形成する場合には、フォトリソグラフィを併用してｎ＋領域が必要なｎ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＴＦＴ及びｐ＋領域を要するｐ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＴＦＴを作り分ける。不純物の注入手段としては、注入される不純物イオンの質量分離を行わないイオンドーピングや、イオン注入、プラズマドーピング、レーザードーピング等の方法を採ることができる。この不純物注入工程においては、用途や不純物導入方法によって、表面の酸化シリコン膜を残したまま不純物の導入を行うか（図１５（ｇ１）を参照）、または、表面の酸化シリコン膜を除去した後に不純物の導入を行う（図１５（ｇ２）を参照）。
【０１０４】
なお、図１５（ｇ１）（ｇ２）に示す不純物注入工程を上記図１５（ｆ）の結晶化工程よりも前に実施することもできる。この場合、レーザー結晶化工程と同時に、上記で導入された不純物の活性化を行うことができる。
【０１０５】
次に、図１５（ｈ）に示すように、ゲート電極Ｔ５ｂ上にゲート金属電極Ｔ５ａをパターン形成する。さらに、図１５（ｉ１）（ｉ２）に示すように、層間分離絶縁膜Ｔ７，Ｔ７を堆積した後にコンタクトホールを開口し、その後、配線用金属膜を堆積する。さらにその後、フォトリソグラフィとエッチングにより金属配線Ｔ８を形成する。層間分離絶縁膜Ｔ７，Ｔ７としては、膜の平坦化が図れるＴＥＯＳ系酸化膜やシリカ系塗布膜、または有機塗布膜を用いることができる。コンタクトホールの開口工程は、フォトリソグラフィとエッチングにより行われる。金属配線Ｔ８としては、抵抗の低いアルミニウム、銅またはそれらをベースとした合金、タングステン、モリブデン等の高融点金属を適用できる。
【０１０６】
以上のような工程を行うことによって、性能、信頼性の高い本発明の実施態様としての薄膜トランジスタを形成することができる。
【０１０７】
こうして製造された薄膜トランジスタにおいて、溶融再結晶化したシリコン薄膜Ｔ６は、上記半導体薄膜において説明したのと同様の現象により、結晶成長が開始する起点の厚さが結晶成長の終点部の厚さよりも小さく、その厚さ勾配の方向に結晶成長していたのが確認された。
【０１０８】
（薄膜トランジスタの製造方法の第２実施形態）
予めアライメントマークを設け、アライメントマークに応じたレーザー照射を行う場合、または、レーザー照射と同時にアライメントマークを形成する場合について説明する。これらの場合は、上記の第１実施形態とは以下の点で異なる。
【０１０９】
アライメントマークに応じたレーザー照射を行う場合においては、上記の図１５（ａ）において、洗浄によって有機物、金属、微粒子等を除去したガラス基板ｓｕｂ０上に、基板カバー膜Ｔ１とタングステンシリサイド膜を順次形成する。次いで、アライメントマークの形成のために、タングステンシリサイド膜をフォトリソグラフィとエッチングによりパターン化し、アライメントマークを基板上に形成する。次に、そのアライメントマークを保護するために、マーク保護膜を形成し、その後、シリコン薄膜を形成する。
【０１１０】
その後の工程において、レーザー光露光時にはアライメントマークを基準に所望の領域が露光される。そして、予め設けられたアライメントマークや、結晶化シリコン薄膜パターニングによって形成されるアライメントマーク（図示せず）を基準に、後工程のアライメントを行うことができる。
【０１１１】
この実施形態によれば、マスク投影法による結晶化領域の精密な選択を不要とするため、トランジスタの微細化が進んだ場合においても、従来と同様の目合わせ手法を用いたレーザー処理装置での結晶化が可能になるため、目合せ処理に要する所要時間の短縮、装置コストの増加抑制を可能にした。
【０１１２】
（薄膜トランジスタの製造方法の比較形態）
従来の薄膜トランジスタの製造例を図１６に示す工程フロー図に基づいて説明する。なお、各薄膜材料およびその成膜方法については上記第１実施形態と同様であるので、以下の説明は相違点を中心に説明する
先ず、図１６（ａ）に示すように、洗浄したガラス基板ｓｕｂ０上に基板カバー膜Ｔ１とシリコン薄膜Ｔ２を順次形成する。
【０１１３】
次に、図１６（ｂ）に示すように、上記基板を洗浄した後、その洗浄基板をエネルギービーム照射装置を備える薄膜形成装置に導入する。その薄膜形成装置内においては、シリコン薄膜Ｔ２にレーザー光Ｌ０が照射され、シリコン薄膜Ｔ２が結晶化シリコン薄膜Ｔ２に改質（結晶化）される。こうしたレーザー照射によるシリコン薄膜の結晶化は、９９．９９９９％以上の高純度窒素７００ｔｏｒｒ以上の雰囲気で行われる。レーザー照射が完了した後には、酸素ガスが導入される。このとき、遮光幅Ｌおよび遮光間隔Ｐを適切に設計することにより、シリコン薄膜の照射面での結晶化が実現される。
【０１１４】
次に、上記工程を経た基板は、薄膜形成装置内のガスが排気された後に基板搬送室を介してプラズマＣＶＤ室に搬送される。そのプラズマＣＶＤ室内で、図１６（ｃ）に示すように、結晶化したシリコン薄膜Ｔ２上に第１のゲート絶縁膜Ｔ３（酸化シリコン膜：厚さ１０ｎｍ）が堆積される。
【０１１５】
次に、図１６（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチング技術を用いて結晶化シリコン薄膜Ｔ２と酸化シリコン膜Ｔ３とからなる積層膜のアイランドを形成する。
【０１１６】
次に、上記エッチング後の基板を洗浄し、上記アイランドが被覆されるように第２のゲート絶縁膜Ｔ４（酸化シリコン膜：厚さ３０μｍ）を形成する。その後、第２のゲート絶縁膜Ｔ４上に、ゲートｎ＋電極としてｎ＋シリコン膜８０ｎｍとタングステンシリサイド膜１１０ｎｍを形成する。さらにその後、フォトリソグラフィとエッチング工程を経て、図１６（ｅ）に示すように、パターン化されたゲート電極Ｔ５を形成する。
【０１１７】
次に、上記ゲート電極Ｔ５をマスクとして、不純物注入領域Ｔ６，Ｔ６を形成する。なお、ＣＭＯＳ型回路を形成する場合には、フォトリソグラフィを併用してｎ＋領域が必要なｎ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＴＦＴ及びｐ＋領域を要するｐ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＴＦＴを作り分ける。この不純物注入工程においては、用途や不純物導入方法によって、表面の酸化シリコン膜を残したまま不純物の導入を行うか（図１６（ｆ１）を参照）、または、表面の酸化シリコン膜を除去した後に不純物の導入を行う（図１６（ｆ２）を参照）。
【０１１８】
次に、図１６（ｇ１）（ｇ２）に示すように、層間分離絶縁膜Ｔ７，Ｔ７を堆積した後にコンタクトホールを開口し、その後、配線用金属膜を堆積する。さらにその後、フォトリソグラフィとエッチングにより金属配線Ｔ８を形成する。コンタクトホールの開口工程は、フォトリソグラフィとエッチングにより行われる。
【０１１９】
以上のような工程を行うことによって、比較態様の薄膜トランジスタが形成される。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、従来は数十回〜数百回のビーム照射を必要とする例えば１ｍ角というような大面積の基板サイズであっても、１回の照射で基板全面の半導体薄膜の再結晶化を実現できる。そのため、エネルギービームの照射工程が数十倍〜数百倍に高速化されると共に、エネルギービームの照射装置のメンテナンス寿命も、極めて長くすることができた。
【０１２１】
本発明により得られた半導体薄膜および薄膜トランジスタによれば、所定の方向に大きな結晶を成長させることができるので、キャリアの走行方向と結晶の成長方向とを揃えることで、従来のランダムに配置された多結晶粒を有する半導体薄膜中にチャネルを形成する方式に比べ、高い移動度と高いオン電流が期待できる。その結果、従来の方法でガラス基板上に形成された薄膜トランジスタにより構成される集積回路よりも駆動電圧が低く、動作速度の早い集積回路が実現され、例えば液晶ディスプレイに応用した場合、各画素を駆動する画素ＴＦＴと共に周辺駆動回路部までもが同一ガラス基板上に同時に形成することができ、製造プロセスコストの低減や、周辺ドライバー集積回路の小型化等に利点があると共に、新たな電子機器の創出を促すことができる。
【０１２２】
本発明の半導体薄膜の製造装置によれば、高解像度の光学系を有する照射装置を備えるので、遮光要素で遮光された遮光部に、その遮光部を起点として所望方向に結晶成長させることができるのだけの局所的な温度勾配を付与することができる。その結果、半導体薄膜の溶融再結晶化を極めて効率的に行うことができる。特に、大面積のものであっても一回のエネルギービーム照射で溶融再結晶化を実現できる点に顕著な効果を有している。
【０１２３】
本発明の方法により製造された半導体薄膜や薄膜トランジスタは、ディスプレイ、センサ、プリンティングデバイス等の機能機器、メモリ、ＣＰＵ等の半導体デバイスに好ましく用いることができ、特に、半導体デバイスや機能機器を構成する絶縁体上に形成された薄膜トランジスタ、ＳＯＩトランジスタ、インバータや、それらを用いた電子機器に好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す説明図である。
【図２】図１（Ａ）の形態の遮光マスクを用いて溶融再結晶化を行ったときのＳｉ結晶の結晶成長態様を示す拡大平面写真である。
【図３】温度勾配の方向と同じ方向（横方向）に結晶成長する態様を示す拡大平面写真である。
【図４】解像度の高い光学系と解像度の低い光学系を用いた場合のエネルギービームの強度分布の模式図である。
【図５】解像度の高い光学系を用いた場合のエネルギービームの強度勾配の説明図と、その強度勾配により生じた半導体薄膜の結晶成長形態の拡大平面写真である。
【図６】解像度の低い光学系を用いた場合のエネルギービームの強度勾配の説明図と、その強度勾配により生じた半導体薄膜の結晶成長形態の拡大平面写真である。
【図７】遮光マスクで遮光された遮光部において、エネルギービームの強度勾配を生じる長さＬｅと、結晶化の起点を基準とした相対的な位置誤差の関係を示すグラフである。
【図８】エネルギービームの強度勾配のスロープ部分の長さＬｅの説明図である。
【図９】結晶化の起点を基準とした相対的な位置誤差の説明図である。
【図１０】マスクパターンのピッチを変化させたときのＳｉ薄膜の溶融再結晶形態の拡大平面写真である。
【図１１】エネルギービームの照射強度とその照射強度の下で良好な溶融再結晶による結晶成長が生じた遮光パターンの遮光幅との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の半導体薄膜の製造方法において好ましく用いられる照射装置の一例を示す構成図である。
【図１３】本発明の半導体薄膜の製造方法において使用可能なパルスレーザー照射装置の一例を示す構成図である。
【図１４】本発明の他の実施形態を示す拡大平面写真である。
【図１５】本発明の薄膜トランジスタの工程フロー図である。
【図１６】従来の薄膜トランジスタの工程フロー図である。
【図１７】薄膜トランジスタの代表的な構造図である。
【符号の説明】
１１  遮光マスク
１２  マスクパターン
１３  エネルギービーム
１４  半導体薄膜
１５  基板
１６  起点
１７  遮光部
１８  開口部
１９  結晶の成長方向
２０  白い縦筋
２１高解像度光学系
２２  低解像度光学系
２３  強度分布
Ｐ  ピッチ
Ｌ  遮光幅
Ｗ  開口幅
Ｌｅ  強度勾配のスロープ部分の長さ
【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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