(57)【要約】【課題】  レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離を長くして、良質の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を効率よく製造することのできる、半導体薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】  前駆体半導体薄膜を溶融させる第一のレーザ光（主ビーム）と、第一のレーザ光によって溶融した前記前駆体半導体薄膜の凝固を制御する第二のレーザ光（副ビーム）を、いずれも前記前駆体半導体薄膜に略同時に照射する。このとき、前記第一のレーザ光の照射領域と同等以上の面積とを有する第二のレーザ光が、少なくとも前記前駆体半導体薄膜が溶融している間、前記第一のレーザ光を包含する位置に照射される。なお、第一のレーザ光は固体状態の前記前駆体半導体膜に吸収される波長を有し、第二のレーザ光は液体状態の前記前駆体半導体薄膜に吸収される波長を有する。【選択図】        図５
2004207691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前駆体半導体薄膜にパルス放射するエネルギビームを照射し、前記前駆体半導体薄膜の少なくとも一部を厚さ方向全域にわたって、溶融、凝固させて結晶化を行うことによる半導体薄膜の製造方法であって、
固体状態にある前記前駆体半導体薄膜を設定された第一照射領域において溶融させるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域に照射することにより、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域を溶融させて液体状態にするステップと、
固体状態にある前記前駆体半導体薄膜を前記第一照射領域において溶融させないエネルギ量を有する前記第二のレーザ光を、前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域を包含する第二照射領域に照射した状態で、液体状態にある前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域を、再結晶化させて半導体薄膜の多結晶半導体領域を得るステップと、
を備える、半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記第二のレーザ光を照射するステップは、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜を厚さ方向全域にわたっては溶融させないエネルギ量を有する前記第二のレーザ光を照射するステップを含む、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記前駆体半導体薄膜の表面上に、前記第一のレーザ光の反射を防止するキャップ層を形成するステップをさらに備える、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記第一のレーザ光を照射するステップは、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜をキャップ層が形成されない領域も含めて溶融できるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、前記前駆体半導体薄膜の第一照射領域に照射することにより、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜の少なくとも一部を厚さ方向全域にわたって溶融させて液体状態にするステップを含む、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記前駆体半導体薄膜の表面上に、前記第一のレーザ光を反射させるキャップ層を形成するステップをさらに備える、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記第一のレーザ光を照射するステップは、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜をキャップ層に覆われた領域も含めて溶融できるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、前記前駆体半導体薄膜の第一照射領域に照射するステップを含む、請求項５に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記第二のレーザ光を照射するステップは、前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域における前記第二のレーザ光の反射率に応じて、前記第二のレーザ光のエネルギ量を調整するステップを含む、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記第一のレーザ光を照射するステップは、紫外域の範囲の波長と、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜を前記第一照射領域において溶融させるエネルギ量と、を有するレーザ光を、前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域に照射するステップを含み、前記第二のレーザ光を照射するステップは、可視域から赤外域の範囲の波長と、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜を前記第一照射領域において溶融させないエネルギ量と、を有するレーザ光を、前記前駆体半導体薄膜の前記第二照射領域に照射するステップを含む、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法により得られる半導体薄膜。
【請求項１０】
多結晶シリコン領域部分中に含まれるシリコン結晶の結晶長軸に垂直な方向の断面積のリッジ部における平均値は、前記リッジ部以外の部位も含めた前記多結晶シリコン領域全体における前記断面積の平均値よりも大きい、請求項９に記載の半導体薄膜。
【請求項１１】
請求項９に記載の半導体薄膜を備える、半導体デバイス。
【請求項１２】
半導体薄膜の製造装置であって、
前駆体半導体薄膜または前記前駆体半導体薄膜を備える複合体を保持する保持手段と、
固体状態にある前記前駆体半導体薄膜を少なくとも設定された第一照射領域において厚さ方向全域にわたって溶融させるエネルギ量を有するパルス状の第一のレーザ光を放射する第一のレーザ光源と、
固体状態にある前記前駆体半導体薄膜を前記第一照射領域において溶融させないエネルギ量を有する第二のレーザ光を放射する第二のレーザ光源と、
前記前駆体半導体薄膜の前記二第照射領域へ照射される前記第二のレーザ光のエネルギ量を制御する第二エネルギ量制御手段と、
前記第一のレーザ光を前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域に照射する第一照射領域調整手段と、
前記第二のレーザ光を前記前駆体半導体薄膜の前記第二照射領域に照射する第二照射領域調整手段と、
を備える、半導体薄膜の製造装置。
【請求項１３】
前記第二エネルギ量制御手段は、液体状態にある前記前駆体半導体薄膜の前記第一照射領域における前記第二のレーザ光の反射率に応じて、前記第二のレーザ光のエネルギ量を制御する、請求項１２に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１４】
前記第一のレーザ光源は、紫外域の範囲の波長を有する第一のレーザ光を放射し、かつ前記第二のレーザ光源は、可視域から赤外域の範囲の波長を有する第二のレーザ光を放射する、請求項１２または１３に記載の半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の溶融と再結晶という現象を利用する、多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の製造方法に関する。
【０００２】
また、本発明は、上記の半導体薄膜の製造方法により得られる半導体薄膜に関する。さらに、本発明は、上記の半導体薄膜を用いる半導体素子に関する。そして、本発明は、上記の半導体薄膜の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｇｉｓｔｅｒ（本明細書において、ＴＦＴとも記載する））は、非晶質もしくは結晶性のシリコンを活性層として用いる場合が多い。このうち、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンなどの結晶性シリコンの薄膜トランジスタは、電子の移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較し、多くの長所を有している。
【０００４】
結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、たとえば、表示装置の画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路や一部の周辺回路を形成することもでき、これらの素子や回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、これらの表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００５】
また、その他の長所として、結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、表示装置の高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００６】
ここで、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンなどの結晶性シリコン薄膜の製造方法としては、近年、レーザ光を用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンを多結晶化する技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。
【０００７】
そして、このようなレーザ光による結晶化技術としては、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、前記ガラス基板を一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状のレーザ光をガラス基板上のアモルファスシリコン薄膜に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、アモルファスシリコン薄膜の厚さと同程度の平均粒径を有する多結晶シリコン薄膜が形成される。
【０００８】
このとき、レーザ光を照射した部分のアモルファスシリコン薄膜  を、厚さ方向全域にわたって溶融させるのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融させた場合には、レーザ光照射領域全面にわたって、いたるところにシリコンの結晶核が発生するため、シリコン薄膜の最表層に向かってシリコンの結晶が成長し、ランダムな方位のシリコン結晶粒が形成される。
【０００９】
ここで、さらに高性能な表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることや、シリコン結晶の方位を制御することなどが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン薄膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。
【００１０】
その中でも特に、「ラテラル成長法」に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるため、注目を集めている（たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。
【００１１】
上記のラテラル成長法は、特許文献１に記載の方法のように、微細幅のパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、照射された部分のシリコン薄膜をレーザ光の照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融、凝固を繰返して結晶化を行なう方法（本明細書において、逐次横方向成長法とも記載する）と、特許文献２および特許文献３に記載の方法のように、半導体薄膜上に結晶化に用いるレーザ光に対する反射防止膜（光吸収膜）もしくは反射膜を形成し、部分的に前記半導体薄膜を溶融、凝固させて結晶化を行なう方法（本明細書において、キャッピング法とも記載する）などに分類できる。
【００１２】
上記のラテラル成長法においては、いずれの方法でもレーザ１パルス照射毎の基本的な結晶化の原理は同じであり、ここでは、従来のラテラル成長法および通常の逐次横方向成長法を例に説明する。図１は、従来のラテラル成長法によって得られた多結晶半導体の一例の概要を説明する平面図である。
【００１３】
図１（ａ）において、たとえば、２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域５１ａの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させると、溶融／未溶融領域の境界からラテラル成長方向５２ａおよび５２ｂ、すなわち、水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。もし、ラテラル成長距離５３ａおよび５３ｂに対して、溶融領域５１ａが２倍以上の長さを有する場合には、図１（ｂ）に示すように、レーザ照射領域の中央部に微細結晶領域５４が形成される。
【００１４】
一方、図２は従来の逐次横方向成長法の各ステップにより得られた結晶の一例の概要を説明する平面図である。逐次横方向成長法では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複させるように順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるといった特徴を有している。
【００１５】
具体的には、図２（ａ）に示すように、たとえば、２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域５１ａの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させると、溶融／未溶融領域の境界からラテラル成長方向５２ａおよび５２ｂ、すなわち、水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。ここで、従来の逐次横方向成長法では、ラテラル成長距離５３ａおよび５３ｂは約１μｍ程度である。
【００１６】
次に、図２（ａ）に示すように、再度２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域５１ｂの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させる。すると、図２（ｂ）に示すように、再び溶融／未溶融領域の境界から水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域５１ｂの中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。その結果、溶融領域５１ｂの中央部の一方では、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長することとなる。
【００１７】
続いて、図２（ｂ）に示すように、再度２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域５１ｃの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させて再結晶化させる。これらのステップを繰り返して、ｎ−１回のレーザ光の照射を行なうと、図２（ｃ）に示すように、溶融領域５１ｄの中央部の一方では、既に成長した結晶を引継いで、非常に長い針状の結晶が成長することとなる。
【００１８】
そして、図２（ｃ）に示すように、ｎ回目の２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、溶融領域５１ｅの半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させて再結晶化させると、この非常に長い針状の結晶をさらに成長させることができる。ここで、従来のラテラル成長法では、１回のレーザパルス照射で成長するシリコン結晶の長さは、各種のプロセス条件とアモルファスシリコン薄膜の厚さによって異なる。たとえば、特開２０００−２６０７０９号公報の段落「００３４」および「００３７」に記載のキャッピング法では、基板温度を室温として、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを、３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギ量で、厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン薄膜に照射した場合には、ラテラル成長距離は０．８〜１．０μｍ程度になると記載されている。
【００１９】
また、キャッピング法を併用するラテラル成長法によって得られた、多結晶シリコンを活性層とするトランジスタを形成する場合、高性能な薄膜トランジスタを形成するためには、多結晶シリコンのうちキャリアの移動方向に結晶粒界のない部分を使用する必要がある。
【００２０】
しかし、上述した通り、従来のキャッピング法を併用するラテラル成長法では、１回のレーザパルス照射によって成長するシリコン結晶の長さは、０．８〜１．０μｍ程度である。そのため、チャネル長がこの長さを超えるトランジスタを形成すれば、キャリアの移動方向に結晶粒界を含むことになる。それゆえ、従来のキャッピング法を併用するラテラル成長法により作製したトランジスタは、極端に性能が低下する場合があるという問題がある。
【００２１】
したがって、キャッピング法を併用するラテラル成長法では、１回のレーザパルス照射で得られるラテラル成長距離が長ければ長いほど、種々のサイズの高性能薄膜トランジスタが形成できることとなる。その結果、様々な機能を有する回路を薄膜トランジスタとともにガラス基板上に一体的に形成できる。
【００２２】
一方、従来の逐次横方向成長法において、１パルスのレーザ照射により形成される結晶は、キャッピング法を併用するラテラル成長法とはレーザの照射方法が異なるだけで、結晶成長の原理は同じであるため、上記のプロセス条件と膜厚などが同じであれば、同等の長さの結晶が成長する。
【００２３】
したがって、従来の逐次横方向成長法においては、図２（ｃ）に示すような針状のシリコン長結晶を形成するためには、１回のレーザパルス照射で成長する結晶の長さ（本明細書において、ラテラル成長距離とも記載する）の１／２〜２／３程度の送りピッチ、すなわち０．４〜０．７μｍ程度の極めて微小な送りピッチで、レーザパルス照射を繰返し行なうことになる。
【００２４】
このため、従来の逐次横方向成長法を用いて、表示装置などに用いる基板複合体の全面にわたってシリコンを結晶化するには、極めて長い時間が必要であり、製造効率が極めて悪いという問題がある。
【００２５】
なお、多結晶シリコン薄膜を用いたＴＦＴなどの半導体素子に関しては、幾つかの報告がある（たとえば、特許文献４および特許文献５参照。）が、特許文献４の図２においては、明らかにＴＦＴのチャネル領域ではシリコン結晶同士が衝突して盛上ったリッジ部を含んでおり、このリッジ部がキャリア移動の障壁となっている問題がある。また、特許文献５においては、ニッケル微量添加により珪素半導体からなる薄膜の結晶化に必要な温度の低温化と時間の短縮を両立するプロセスを実現しているが、結晶化後に添加したニッケルを除去する、ゲッタリングプロセスが必要であるなど、さらなる改良が求められているのも事実である。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特開昭５８−１８４７２０号公報
【特許文献３】特開２０００−２６０７０９号公報
【特許文献４】特開２０００−２４３９７０号公報
【特許文献５】特許第２９７５９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
上記の現状に基づき、本発明の主要な課題は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離を長くして、良質の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を効率よく製造することのできる、半導体薄膜の製造方法を提供することである。
【００２７】
また、本発明の他の課題は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離が長く、リッジ部の間隔が広いため、ＴＦＴ素子などの製造に好適に用いられる、良質な多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を提供することである。
【００２８】
さらに、本発明の別の課題は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離が長いため、効率よく製造されることができる、高品質な多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の間隔が広いリッジ部の間に設けられる、キャリア移動度の優れた高品質な半導体素子を提供することである。
【００２９】
そして、本発明のもう一つの課題は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離を長くして、良質の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を効率よく製造することのできる、半導体薄膜の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、その他の部位に影響を与えることなく、液体状態にある溶融した半導体を加熱して半導体の結晶の成長速度を低下させることにより、半導体結晶のラテラル成長距離を長くすればよいとの着想を得、そのような加熱方法を見出すべく、鋭意研究開発に取組んだ。
【００３１】
その結果、本発明者らは、従来からラテラル成長法に用いられていた第一のレーザ光を前駆体半導体薄膜の第一のレーザ光の照射領域に照射する際に、特定の波長および特定のエネルギ量を有する第二のレーザ光を、前駆体半導体薄膜の第一のレーザ光の照射領域を包含する領域に照射すれば、その他の部位に影響を与えることなく、液体状態にある溶融した半導体を加熱して半導体の結晶の成長速度を低下させ、半導体結晶のラテラル成長距離を長くすることができることを見出し、本発明を完成させた。
【００３２】
すなわち、本発明の半導体薄膜の製造方法は、前駆体半導体薄膜にパルス放射するエネルギビームを照射し、この前駆体半導体薄膜の少なくとも一部を厚さ方向全域にわたって、溶融、凝固させて結晶化を行なうことによる半導体薄膜の製造方法であって、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜を設定された第一照射領域において溶融させるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、この前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域に照射することにより、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域を溶融させて液体状態にするステップと、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をこの第一照射領域において溶融させないエネルギ量を有するこの第二のレーザ光を、この前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域を包含する第二照射領域に照射した状態で、液体状態にあるこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域を、再結晶化させて半導体薄膜の多結晶半導体領域を得るステップと、を備える、半導体薄膜の製造方法である。
【００３３】
ここで、この第二のレーザ光を照射するステップは、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜を厚さ方向全域にわたっては溶融させないエネルギ量を有するこの第二のレーザ光を照射するステップを含んでもよい。
【００３４】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法は、この前駆体半導体薄膜の表面上に、この第一のレーザ光の反射を防止するキャップ層を形成するステップをさらに備えてもよい。
【００３５】
さらに、この第一のレーザ光を照射するステップは、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をキャップ層が形成されない領域も含めて溶融できるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、この前駆体半導体薄膜の第一照射領域に照射することにより、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜の少なくとも一部を厚さ方向全域にわたって溶融させて液体状態にするステップを含んでもよい。
【００３６】
そして、本発明の半導体薄膜の製造方法は、この前駆体半導体薄膜の表面上に、この第一のレーザ光を反射させるキャップ層を形成するステップをさらに備えてもよい。
【００３７】
また、この第一のレーザ光を照射するステップは、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をキャップ層に覆われた領域も含めて溶融できるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、この前駆体半導体薄膜の第一照射領域に照射するステップを含んでもよい。
【００３８】
さらに、この第二のレーザ光を照射するステップは、この前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域におけるこの第二のレーザ光の反射率に応じて、この第二のレーザ光のエネルギ量を調整するステップを含んでもよい。
【００３９】
そして、この第一のレーザ光を照射するステップは、紫外域の範囲の波長と、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をこの第一照射領域において溶融させるエネルギ量と、を有するレーザ光を、この前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域に照射するステップを含み、この第二のレーザ光を照射するステップは、可視域から赤外域の範囲の波長と、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をこの第一照射領域において溶融させないエネルギ量と、を有するレーザ光を、この前駆体半導体薄膜のこの第二照射領域に照射するステップを含んでもよい。
【００４０】
また、本発明の半導体薄膜は、上記の半導体薄膜の製造方法により得られる半導体薄膜である。
【００４１】
さらに、本発明の半導体薄膜においては、多結晶シリコン領域部分中に含まれるシリコン結晶の結晶長軸に垂直な方向の断面積のリッジ部における平均値は、このリッジ部以外の部位も含めたこの多結晶シリコン領域全体におけるこの断面積の平均値よりも大きくてもよい。
【００４２】
そして、本発明の半導体デバイスは、上記の半導体薄膜を備える、半導体デバイスである。
【００４３】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置は、前駆体半導体薄膜またはこの前駆体半導体薄膜を備える複合体を保持する保持手段と、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜を少なくとも設定された第一照射領域において厚さ方向全域にわたって溶融させるエネルギ量を有するパルス状の第一のレーザ光を放射する第一のレーザ光源と、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をこの第一照射領域において溶融させないエネルギ量を有する第二のレーザ光を放射する第二のレーザ光源と、この前駆体半導体薄膜のこの二第照射領域へ照射されるこの第二のレーザ光のエネルギ量を制御する第二エネルギ量制御手段と、この第一のレーザ光をこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域に照射する第一照射領域調整手段と、この第二のレーザ光をこの前駆体半導体薄膜のこの第二照射領域に照射する第二照射領域調整手段と、を備える、半導体薄膜の製造装置である。
【００４４】
さらに、この第二エネルギ量制御手段は、液体状態にあるこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域におけるこの第二のレーザ光の反射率に応じて、この第二のレーザ光のエネルギ量を制御してもよい。
【００４５】
そして、この第一のレーザ光源は、紫外域の範囲の波長を有する第一のレーザ光を放射し、かつこの第二のレーザ光源は、可視域から赤外域の範囲の波長を有する第二のレーザ光を放射してもよい。
【発明の効果】
【００４６】
下記の結果に示されるように、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第一のレーザ光の照射によって前駆体半導体薄膜が溶融している間に第二のレーザ光を照射して、第二のレーザ光の反射率に応じて第二のレーザのエネルギ量を調整する（すなわち、前駆体半導体薄膜が溶融しているか否かは、第二のレーザの反射光を測定することによって判断できるので、第二のレーザ光のエネルギを結晶伸長のために適切な量に調整する）ことができることを特徴とする。
【００４７】
そのため、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、従来技術に比べて、多結晶半導体領域のラテラル成長距離を大幅に増大させることが可能となったので、良質の多結晶半導体領域を備える半導体薄膜を形成することができ、その結果、ＴＦＴの性能を大幅に向上させることが可能になった。
【００４８】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、逐次横方向成長法における所要の長結晶の結晶化に要する時間を短縮できるため、ＴＦＴの製造効率を大幅に向上させることが可能となった。
【００４９】
すなわち、本発明の半導体薄膜の製造方法は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離を長くして、良質の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を効率よく製造することのできる、半導体薄膜の製造方法である。
【００５０】
また、本発明の半導体薄膜は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離が長いため、効率よく製造されることができ、リッジ部の間隔が広いため、ＴＦＴ素子などの製造に好適に用いられる、多結晶半導体領域を有する良質な半導体薄膜である。
【００５１】
さらに、本発明の半導体素子は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離が長いため、効率よく製造されることができる、高品質な多結晶半導体領域を有する半導体薄膜の間隔が広いリッジ部の間に設けられる、キャリア移動度の優れた高品質な半導体素子である。
【００５２】
そして、本発明の半導体薄膜の製造装置は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の１回の溶融再結晶化により得られる半導体結晶のラテラル成長距離を長くして、良質の多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を効率よく製造することのできる、半導体薄膜の製造装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、実施の形態を示して本発明をより詳細に説明する。
【００５４】
＜半導体薄膜の製造方法の概要＞
図３は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態のステップの概要を説明するフロー図である。
【００５５】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、第二のレーザ光よりも固体状態にある前駆体半導体薄膜への吸収率が高い範囲の波長を有し、かつ固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜を設定された第一照射領域において溶融させるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、この前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域に照射することにより、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域を溶融させて液体状態にするステップ（Ｓ１０１）と、この第一のレーザ光よりも液体状態にあるこの前駆体半導体薄膜への吸収率が高い範囲の波長を有し、かつ固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をこの第一照射領域において溶融させないエネルギ量を有するこの第二のレーザ光を、この前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域を包含する第二照射領域に照射した状態で、液体状態にあるこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域を、再結晶化させて半導体薄膜の多結晶半導体領域を得るステップ（Ｓ１０３）と、を備える、半導体薄膜の製造方法であることが望ましい。
【００５６】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第一のレーザ光の半導体薄膜に対する吸収特性について、特に限定する理由はない。ただし、第一のレーザ光の前駆体半導体薄膜への吸収率が低いと、前駆体半導体薄膜を溶融するためのエネルギ効率が低くなるので、製造効率が低下する傾向がある。
【００５７】
また、第一のレーザ光の波長についても特に限定する理由はない。しかし、５０ｎｍ厚の非晶質シリコン薄膜（固体）に対する光の吸収率は、紫外域（〜３９０ｎｍ）では３０〜５０％程度であり、可視域（３９０ｎｍ〜７６０ｎｍ）では５〜５０％程度であり、赤外域（７６０ｎｍ〜）では５％以下であるため、第一のレーザ光としては、エネルギ効率の点から、紫外域の光または可視域でも短波長側の光を用いることが好ましい。さらに本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第一のレーザ光は、第二のレーザ光よりも固体状態にある前駆体半導体薄膜への吸収率が高い範囲の波長を有することがより好ましい。
【００５８】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第一のレーザ光は、固体状態にある前駆体半導体薄膜を設定された第一照射領域において厚さ方向全域にわたって溶融させるエネルギ量を有することが好ましい。
【００５９】
なお、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第一のレーザ光は、固体状態にある前駆体半導体薄膜を設定された第一照射領域において厚さ方向全域にわたって溶融させるだけでなく、設定された第一照射領域以外の領域を厚さ方向全域にわたっては溶融させないが、上層部のみ溶融させるエネルギ量を有していてもよい。
【００６０】
そして、このエネルギ量は、前駆体半導体薄膜の材質の種類、前駆体半導体薄膜の膜厚、キャップ層の有無、キャップ層の種類（反射型か吸収型か）、キャップ層の材質と膜厚、第一照射領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできないため、本発明の半導体薄膜の製造方法の実施の態様に合わせて適宜適当なエネルギ量を有する第一のレーザ光を用いることが望ましい。具体的には、前駆体半導体薄膜を、第一照射領域において全膜厚において融点以上の温度に加熱することのできるエネルギ量を有する第一のレーザ光を用いることが推奨される。
【００６１】
ここで、一般的なアモルファスシリコン半導体薄膜を溶融、再結晶化する場合には、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第一のレーザ光のエネルギ密度は、例えば第一のレーザ光のパルス幅が数１０ｎｓの場合、通常１００ｍＪ／ｃｍ2以上であることが好ましく、特に１５０ｍＪ／ｃｍ2以上であることがより好ましい。また、この第一のレーザ光のエネルギ密度は、通常５００ｍＪ／ｃｍ2以下であることが好ましく、特に４００ｍＪ／ｃｍ2以下であることがより好ましい。この第一のレーザ光のエネルギ密度が１００ｍＪ／ｃｍ2未満の場合には、半導体薄膜が全膜厚において、融点以上に加熱されないという傾向があり、この第一のレーザ光のエネルギ密度が５００ｍＪ／ｃｍ2を超える場合には、熱的な加工現象によって、半導体薄膜の一部が消失するという傾向がある。
【００６２】
ここで、第二レーザ光の半導体薄膜に対する吸収特性についても、第一レーザ光と同様に、特に限定する理由はない。ただし、吸収率が低いと、半導体薄膜に与えるエネルギ効率が低くなる傾向がある。
【００６３】
具体的には、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第二のレーザ光は、可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。また、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第二レーザ光は、第一のレーザ光よりも液体状態にあるこの前駆体半導体薄膜への吸収率が高い範囲の波長を有することが好ましい。
【００６４】
また、第二のレーザ光の波長については、キャッピング法の場合、キャップ層をある程度透過する必要があるが、キャップ層が酸化シリコンの場合、〜近赤外域で大部分の光が透過（３０ｎｍ厚さで透過率は９０〜９５％程度）するため、波長を特に限定する理由はない。さらに、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第二のレーザ光は、固体状態にある前駆体半導体薄膜を設定された第一照射領域において溶融させないエネルギ量を有することが好ましい。
【００６５】
なお、このエネルギ量は、前駆体半導体薄膜の材質の種類、前駆体半導体薄膜の膜厚、キャップ層の構成、第一照射領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできないため、本発明の半導体薄膜の製造方法の実施の態様に合わせて適宜適当なエネルギ量を有する第二のレーザ光を用いることが望ましい。具体的には、第二のレーザ光を単独で照射した場合には、前駆体半導体薄膜を、第一照射領域におけるいずれの膜厚の部分においても融点以上の温度に加熱することのできないエネルギ量を有する第二のレーザ光を用いることが推奨される。
【００６６】
ここで、一般的なアモルファスシリコン半導体薄膜を溶融、再結晶化する場合には、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる第二のレーザ光のエネルギ密度は、例えば第二のレーザ光のパルス幅が数１０ｎｓの場合、通常１００ｍＪ／ｃｍ2以上であることが好ましく、特に１５０ｍＪ／ｃｍ2以上であることがより好ましい。また、この第二のレーザ光のエネルギ密度は、例えば、パルス幅が数１０ｎｓ程度の場合、通常６００ｍＪ／ｃｍ2以下であることが好ましく、特に５００ｍＪ／ｃｍ2以下であることがより好ましい。この第二のレーザ光のエネルギ密度が１００ｍＪ／ｃｍ2未満の場合には、半導体薄膜が全膜厚において、融点以上に加熱されないという傾向があり、この第二のレーザ光のエネルギ密度が６００ｍＪ／ｃｍ2を超える場合には、熱的な加工現象によって、半導体薄膜の一部が消失するという傾向がある。
【００６７】
なお、図３に示すフロー図は、本発明の半導体薄膜の製造方法の例示に過ぎず、本発明の半導体薄膜の製造方法は、図３に示すステップ以外のステップをさらに含んでいてもよく、各ステップの順序は図３に示す順序に限定されない。また、本発明の半導体薄膜の製造方法の各ステップは、複数のステップが同時に重複して実施されてもよい。
【００６８】
たとえば、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、上記の第二のレーザ光を照射するステップは、液体状態にあるこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域におけるこの第二のレーザ光の反射率に応じて、この第二のレーザ光のエネルギ量を調整するステップを含んでいてもよい。
【００６９】
ここで、この第二のレーザ光のエネルギ量を調整するステップにおいて、液体状態にある前駆体半導体薄膜の第一照射領域における第二のレーザ光の反射率が高すぎる場合は、第二のレーザ光のエネルギ量のうち前駆体半導体薄膜に吸収されるエネルギ量が少なすぎるため、半導体薄膜中の多結晶半導体領域において、十分な長さのラテラル成長距離が得られない場合があるので、第二のレーザ光のエネルギ量を大きくする方向に調整することが好ましい。
【００７０】
また、この第二のレーザ光のエネルギ量を調整するステップにおいて、液体状態にある前駆体半導体薄膜の第一照射領域における第二のレーザ光の反射率が低すぎる場合は、第二のレーザ光のエネルギ量のうち前駆体半導体薄膜に吸収されるエネルギ量が多すぎるため、熱的な加工現象によって、半導体薄膜の一部が消失する場合があるので、第二のレーザ光のエネルギ量を小さくする方向に調整することが好ましい。
【００７１】
＜前駆体半導体薄膜の溶融、再結晶化＞
図４は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態の概要を説明する斜視図である。
【００７２】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法に使用する前駆体半導体薄膜を有する基板複合体の構造は、特に限定するものではないが、たとえば、絶縁性基板１上に、バッファ層２、前駆体半導体薄膜３を順に積層した構造のものを、本発明の半導体薄膜の製造方法に好適に使用することができる。
【００７３】
そして、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、たとえば、この前駆体半導体薄膜３には、第一のレーザ光５を垂直方向から入射させ、第二のレーザ光６を斜方向から入射させることができる。また、第一のレーザ光５として、たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスを照射することによって、この前駆体半導体薄膜３を溶融させることができる。さらに、第二のレーザ光６として、たとえば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザなどを照射することによって、この前駆体半導体薄膜３の凝固を制御することができる。
【００７４】
ここで、この場合には、第一のレーザ光５は、たとえば、所定のパターンを形成したマスクの像を前駆体半導体薄膜３上に第一のレーザ光の照射領域５ａとして縮小投影するように照射されてもよい。この際、第二のレーザ光の照射領域６ａは、第一のレーザ光の照射領域５ａを包含する、第一のレーザ光の照射領域５ａより広い面積を有する照射領域であることが好ましい。
【００７５】
さらに、この場合には、第二のレーザ光６は、少なくとも前駆体半導体薄膜３が溶融している間に照射することが望ましい。また、第二のレーザ光５の前駆体半導体薄膜３による反射光を測定して、その反射率変化から前駆体半導体薄膜３が溶融したことを感知し、同時に第二のレーザ光６の出力を変調させることが特に望ましい。
【００７６】
＜前駆体半導体薄膜および得られる半導体薄膜＞
図５は、本発明の半導体薄膜の製造方法のキャッピング法を併用した場合の一実施形態の概要を説明する斜視図である。
【００７７】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法は、上記のステップに加えて、さらにこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域の表面上に、この第一のレーザ光の反射を防止するキャップ層を形成するステップを備えることが好ましい。
【００７８】
なお、このキャップ層は、第一のレーザ光を照射する際に、キャップ層のある部分と、キャップ層のない部分とで、エネルギ差をつけて、半導体薄膜を溶融部分と非溶融部分とに分離するために設けるものである。第二のレーザ光に対する反射防止効果については、キャップ層が酸化シリコンの場合、可視光域から近赤外域では大部分の光が透過（３０ｎｍ厚さで透過率は９０〜９５％程度）するため、反射率を特に限定する理由はない。
【００７９】
本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる基板複合体においては、この絶縁性基板１の材質には、ガラスや石英などを含む材質を好適に用いることができる。また、これらの材質の中でも、安価である点、大面積の絶縁性基板１を容易に製造できる点で、ガラスを含む材質を用いることが望ましい。なお、図５に示す基板複合体においては、０．７ｍｍ厚のガラス基板を絶縁性基板１として用いた。
【００８０】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる基板複合体においては、バッファ層２が形成されることが好ましい。バッファ層２を形成することにより、主としてレーザ光による溶融、再結晶化の際に、溶融した前駆体半導体薄膜３の熱影響がガラス基板である絶縁性基板１に及ばないようにすることができ、さらにガラス基板である絶縁性基板１から前駆体半導体薄膜３への不純物拡散を防止することができるからである。なお、図５に示す基板複合体においては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成された１００ｎｍ厚の酸化シリコン層をバッファ層２として用いた。
【００８１】
さらに、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる基板複合体においては、前駆体半導体薄膜５の材質は、非晶質半導体あるいは結晶性半導体であれば特に限定されず、任意の半導体材料を用いることができる。前駆体半導体薄膜５の材質の具体例としては、水和したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）をはじめとするアモルファスシリコンを含む材質が好ましいが、この材質はアモルファスシリコンを含む材質に限られるものではなく、多少結晶性に劣る多結晶シリコンを含む材質であってもよく、微結晶シリコンを含む材質であってもよい。
【００８２】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる基板複合体においては、前駆体半導体薄膜５の材質は、シリコンのみからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質であってもよい。たとえば、ゲルマニウムを添加することにより前駆体半導体薄膜５の禁制帯幅を任意に制御することができる。
【００８３】
さらに、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いる基板複合体においては、前駆体半導体薄膜５の膜厚は、３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であることが一般的であるが、特にこの範囲に限定されるものではない。
【００８４】
なお、図５に示す基板複合体においては、ＣＶＤ法により形成されたアモルファスシリコンを材質とする５０ｎｍ厚の前駆体半導体薄膜５を用いた。
【００８５】
さらにこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域の表面上に、この第一のレーザ光およびこの第二のレーザ光の反射を防止するキャップ層を形成するステップを備える。
【００８６】
なお、このキャップ層は、第一のレーザ光を照射する際に、キャップ層のある部分と、キャップ層のない部分で、エネルギ差をつけて、半導体薄膜に局所的な温度分布を形成するために設けるものである。第二のレーザ光に対する反射防止効果については、キャップ層が酸化シリコンの場合、紫外域から近赤外域で大部分の光が透過（３０ｎｍ厚さで透過率は９０〜９５％程度）するため、反射率を特に限定する理由はない。
【００８７】
また、このキャップ層は、第一のレーザ光を照射する際に、キャップ層のある部分と、キャップ層のない部分で、エネルギ差をつけて、半導体薄膜に局所的な温度分布を形成するために設けるものであり、第二のレーザ光に対する反射防止効果は必ずしも必要ない。たとえば、酸化シリコンをキャップ層の材質として用いると、可視域の光は９５％程度キャップ層を透過し、赤外域の光は大部分が吸収される。
【００８８】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法は、上記のステップに加えて、さらにこの前駆体半導体薄膜のこの第一照射領域以外の領域の表面上に、この第一のレーザ光を反射し、かつこの第二のレーザ光の反射を防止するキャップ層を形成するステップを備えていてもよい。
【００８９】
なお、図５に示す基板複合体は、ガラス基板である絶縁性基板１上に、酸化シリコンを材質とするバッファ層２を１００ｎｍの厚みで、アモルファスシリコンを材質とする前駆体半導体薄膜３を５０ｎｍの厚みで、酸化シリコンを材質とするキャップ層４を５０ｎｍの厚みで、順に形成して作製した基板複合体である。
【００９０】
そして、このキャップ層４は、第一のレーザ光５の波長に対して反射防止（光吸収）効果を有する範囲の膜厚であることが好ましい。さらに、このキャップ層４は、ＴＦＴを形成する位置に選択的に形成されていることが好ましい。
【００９１】
また、本発明に用いる前駆体半導体薄膜を有する基板複合体から多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を形成するために用いる装置として、後述する図７に示す製造装置を用いることができる。
【００９２】
ただし、たとえば、第一のレーザ光５が第一のレーザ光および第二のレーザ光の反射を防止するキャップ層に吸収されると、このキャップ層の下部の前駆体半導体薄膜が選択的に加熱溶融されることとなる。そのため、第一のレーザ光５は、一定面積を有するひとつの矩形の第一のレーザ光の照射領域に照射されれば足りる。よって、図７に示す製造装置から結像系を省略した光学系を有する製造装置を用いることも可能である。
【００９３】
この場合、上記の第一のレーザ光を照射するステップは、固体状態にあるこの前駆体半導体薄膜をキャップ層に覆われた領域も含めて溶融できるエネルギ量を有する第一のレーザ光を、この前駆体半導体薄膜の第一照射領域に照射するステップを含むことが好ましい。
【００９４】
ここで、厳密には、反射型のキャップ層には大きく分けて２種類のキャップ層が存在する。一つは、第一のレーザ光を通過しないタイプのキャップ層であり、もう一つは、第一のレーザ光を部分的に透過させるものであって、かつキャップ層のない部分の反射率よりも高い反射率を有するタイプのキャップ層である。
【００９５】
第一のレーザ光を通過しないタイプのキャップ層の場合には、キャップ層に覆われた部分には直接第一のレーザ光は照射されない。しかし、キャップ層がレーザ光を吸収し、間接的に半導体薄膜が加熱される場合には、キャップ層の下部の半導体薄膜を部分的に溶融することが可能になる。
【００９６】
ここで、従来のキャッピング法を単独で用いる場合においては、一般的には基板複合体の表面にレーザ光の反射防止膜もしくは反射膜（本明細書において、キャップ層とも記載する）を形成することになる。しかし、たとえば、通常の酸化シリコンを材質とする反射防止膜を用いた場合には、赤外域のレーザ光は酸化シリコンを透過しない。そのため、従来のキャッピング法ではキャップ層を透過した光が前駆体半導体薄膜に到達しない場合があるという問題があった。
【００９７】
一方、本発明の半導体薄膜の製造方法においてキャッピング法を併用した場合には、第二のレーザ光としてたとえば波長５３２ｎｍのレーザ光を用いることにより、第二のレーザ光は酸化シリコンを材質とするキャップ層を透過し、前駆体半導体薄膜に到達して直接エネルギを与えることが可能である。
【００９８】
次に、上記の通り作製した前駆体半導体薄膜に第一のレーザ光および第二のレーザ光を照射して溶融、再結晶化して多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を得る方法について説明する。
【００９９】
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、前駆体半導体薄膜５を溶融および凝固させて再結晶化を行なうための第一のレーザ光５に加えて、第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜５に対して照射する。ここで、第二のレーザ光の照射領域６ａは、第一のレーザ光の照射領域５ａを包含する。
【０１００】
＜レーザ光の照射による温度変化＞
図６は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態におけるレーザ光の照射方法の概要を説明するグラフである。
【０１０１】
まず、図６（ａ）は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態において、第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射時刻と出力との関係の概要を説明するグラフである。第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射時刻と出力との関係は、図６（ａ）に示す関係と同様の関係にあることが好ましいが、特にこのような関係にあることを限定するものではない。
【０１０２】
ここで、第一のレーザ光のパルス波形１０は、時刻ｔ＝０に第一のレーザ光の照射を開始することを示し、第二のレーザ光のパルス波形１１は、第二のレーザ光が、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２を除く時間では低出力で放射され、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２において高出力で放射されることを示している。なお、以下に説明するように時刻ｔ１において、前駆体半導体薄膜は溶融状態にある。
【０１０３】
次に、図６（ｂ）は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態において、前駆体半導体薄膜に第一のレーザ光だけを照射した場合のこの前駆体半導体薄膜の温度変化を有限要素法によって求めた結果の概要を説明するグラフである。
【０１０４】
ここで、図６（ｂ）により、この実施形態においては、時刻ｔ＝０において、第一のレーザ光の照射を開始した後、前駆体半導体薄膜はｔ＝約２０ｎｓで溶融し、ｔ＝約７０ｎｓで固化したことがわかる。
【０１０５】
したがって、この実施形態においては、液体状態にある前駆体半導体薄膜に対して、ｔ＝約２０ｎｓ〜約７０ｎｓの間に、第一のレーザ光に加えて第二のレーザ光の照射を行なうことにより、前駆体半導体の温度低下速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるため、液体状態にある前駆体半導体薄膜の固化により生成する半導体多結晶のラテラル成長距離を大幅に延ばすことができる。
【０１０６】
あるいは、この実施形態においては、図６（ａ）に示すように、ｔ＝０より前の時点より、第一のレーザ光に加えて第二のレーザ光を前駆体半導体薄膜に連続発振状態で照射しておき、ｔ＝約２０ｎｓ〜約７０ｎｓの間に、第二のレーザ光を変調させて照射エネルギを上昇させることによっても、前駆体半導体の温度低下速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるため、液体状態にある前駆体半導体薄膜の固化により生成する半導体多結晶のラテラル成長距離を大幅に延ばすことができる。
【０１０７】
＜第二のレーザ光の照射方法＞
図１は、上述のように、従来のラテラル成長法によって得られた多結晶半導体の一例の概要を説明する平面図である。
【０１０８】
ここで、従来のラテラル成長法においては、図１（ｂ）に示すようなレーザ照射による溶融領域５１ａの中央部に形成される微細結晶領域５４は、基板方向への熱流入により多結晶半導体のラテラル成長が抑止されるためである。そして、従来のラテラル成長法では、基板複合体全体を加熱することによりレーザ照射による溶融領域５１ａの凝固を遅らせる手法を用いて、ラテラル成長距離５３ａ，５３ｂの延長を図っていた。
【０１０９】
しかし、本発明者らは、従来のラテラル成長法のように基板全体を加熱することよりも、第一のレーザ光の照射領域を包含する領域に第二のレーザ光を照射することにより、レーザ照射による溶融領域５１ａの中央部の凝固を遅らせることが有効であることを見出した。
【０１１０】
そして、本発明者らは、このためには、少なくとも前駆体半導体薄膜が溶融している時に、溶融した前駆体半導体薄膜自体に第二のレーザ光を照射することが極めて有効であることを実験的に見出した。
【０１１１】
ここで、一般に半導体材料や金属材料などは、固体から液体へ相変化するに伴って光学特性が大きく変化することが知られている。たとえば、シリコンの場合には、固体から液体への相変化に伴って、可視域から赤外域の波長を有する光に対して、透過率が減少して反射率が増大する傾向を示す。
【０１１２】
たとえば、５３２ｎｍの波長を有するレーザ光を照射した場合では、固体シリコンの透過率、吸収率、反射率は順に、４８％、３６％、１６％であるのに対して、液体シリコンでは、同じく、０％、３０％、７０％となる（たとえば、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ  Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ２，５，Ｐ．１６８−１７０参照。）。
【０１１３】
また、１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光を照射した場合では、固体シリコンの透過率、吸収率、反射率は順に、７０〜８６％、０％、１４〜３０％、液体シリコンの透過率、吸収率、反射率は順に、０％、２０〜６４％、３６〜８０％となる（たとえば、特許第３２２１１４９号公報、特開平５−２３５１６９号公報参照。）。
【０１１４】
多結晶半導体のラテラル成長距離を延長させるためには、より大きなエネルギを有するレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射する必要がある。しかし、従来の可視域または紫外域の波長を有するレーザ光を基板複合体全体に照射する方法をラテラル成長法に適用しても、液体のシリコンによって可視域または紫外域の波長のレーザ光のほとんどが反射されてしまうため、基板複合体に対して損傷が生じない程度のエネルギを与えた場合、液体のシリコンに十分な加熱を行なうことができず、ラテラル成長距離を飛躍的に伸ばすことは困難である。
【０１１５】
本発明においては、第二のレーザ光として可視域のレーザ光を前駆体半導体薄膜に照射することにより、あるいは赤外域のレーザ光を照射する場合であっても前駆体半導体薄膜の溶融時に選択的に高いエネルギを有するレーザ光を照射することによって、従来の方法に比べてより大きなエネルギを前駆体半導体薄膜に与えることができる。したがって、溶融領域５１ａの中央部における前駆体半導体薄膜の凝固を遅延させることができ、その結果、ラテラル成長距離５３ａ，５３ｂを飛躍的に増大させることが可能になる。
【０１１６】
この際、第二のレーザ光の照射は、あらかじめ第一のレーザ光を照射し始めてから前駆体半導体薄膜が溶融するまでの時間を、前駆体半導体薄膜の反射率変化から算定しておいて、前駆体半導体薄膜が溶融した時点で第二レーザ光を照射しはじめる方法を用いることが好ましい。
【０１１７】
あるいは、第一レーザ光および第二レーザ光を照射しながら、第二レーザ光に対する前駆体半導体薄膜の反射率を測定し、反射率が変化した時点で、第二レーザ光を変調して前駆体半導体薄膜へ与えるエネルギを大きくすること方法なども同様に好ましい。
【０１１８】
＜半導体薄膜の製造装置の概要＞
図７は、本発明の半導体薄膜の製造装置の一実施形態の概要を説明する図面である。
【０１１９】
ここで、図７に示す半導体薄膜の製造装置は、第一のレーザ発振器２１と、第一のレーザ光路２０を形成する各種光学部品と、第二のレーザ発振器３１と、第二のレーザ光路３０を形成する各種光学部品と、を備えている。
【０１２０】
また、図７に示す半導体薄膜の製造装置は、第一のレーザ光５が基板複合体２７に対して垂直方向から入射し、第二のレーザ光６が基板複合体２７に対して斜方向から入射するように構成されている。
【０１２１】
なお、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、第一のレーザ光路２０と第二のレーザ光路３０とにおいて、同一機能を有する各種光学部品には同一番号を付与している。
【０１２２】
ここで、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、第一のレーザ発振器２１から放射された第一のレーザ光５が基板複合体２７に至るまでの第一光路２０は、マスク２５のパターン形成面を均一照明する照明系と、マスク２５の像を基板複合体２７上に縮小投影する結像系から構成されている。
【０１２３】
まず、第一のレーザ光路２０に設けられた可変減衰器２２ａは、基板複合体２７に到達する第一のレーザ光５のエネルギ量を調整する機能を有する。
【０１２４】
また、第一のレーザ光路２０に設けられたビーム整形素子２３、マスク面均一照明素子２４は、第一のレーザ発振器２１から出射した第一のレーザ光５を適当な寸法に整形した後、マスク２５のパターン形成面に均一に照明する機能を有する。
【０１２５】
そして、第一のレーザ光路２０に設けられたマスク２５の像は、結像レンズ２６によって、基板複合体２７上に所定倍率で結像される。
【０１２６】
なお、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、結像レンズ２６の倍率は１／４とした。また、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、マスク２５とマスク面均一照明素子２４の間にフィールドレンズを設置し、結像系を像側テレセントリック系としてもよい。
【０１２７】
また、第一のレーザ光路２０に設けられたミラー２８ａ，２８ｂは、第一のレーザ光５を折返すために用いるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
【０１２８】
そして、第二のレーザ光路３０に設けられた外部変調器３２は、第二のレーザ発振器３１から連続放射された第二のレーザ光６をパルス化する機能を有する。
【０１２９】
さらに、第二のレーザ光路３０に設けられた可変減衰器２２ｂは、基板複合体２７に到達する第二のレーザ光６のエネルギ量を調整する機能を有する。
【０１３０】
また、基板複合体面均一照明素子３３は、第二のレーザ発振器３１から出射した第二のレーザ光５を、基板複合体２７の表面に均一に照明する機能を有する。
【０１３１】
そして、第二のレーザ光路３０に設けられたミラー２８ｃ，２８ｄは、第二のレーザ光６を折返すために用いるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
【０１３２】
また、光センサー３４は、基板複合体２７上に形成した前駆体半導体薄膜による第二のレーザ光６の反射光３５を計測できるように構成されている。
【０１３３】
そして、制御装置２９は、第一のレーザ発振器２１からの第一のレーザ光５および第二のレーザ発振器３１からの第二のレーザ光６の放射時間ならびに強度などを同期制御できるとともに、光センサー３４からの信号とこれらのレーザ放射を同期制御できるように構成されている。
【０１３４】
さらに、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、第一のレーザ光路２０を通って照射される第一のレーザ光５の基板複合体２７の表面における照射領域は、第二のレーザ光路３０を通って照射される第二のレーザ光６の基板複合体２７の表面における照射領域に包含される。すなわち、図７に示す半導体薄膜の製造装置は、基板複合体２７上で第二のレーザ光６が第一のレーザ光５を包含する位置に照射するように構成されている。
【０１３５】
ここで、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、第一のレーザ光５の基板複合体２７の表面における照射領域を５×５ｍｍとし、第二のレーザ光６の基板複合体２７の表面における照射領域を５．５×５．５ｍｍとしている。
【０１３６】
ここで、第一のレーザ発振器２１は、レーザビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であるレーザ発振器であれば、特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなどの紫外域の波長を有するレーザ発振器であることが望ましい。なお、これらの中でも、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器が特に好ましい。
【０１３７】
ここで、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、第二のレーザ発振器３１は、溶融シリコンをはじめとする溶融状態の前駆体半導体薄膜に吸収される波長を有するレーザ光６を放射することができることが望ましい。
【０１３８】
なお、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザを連続放射する第二のレーザ発振器３１を用いて、外部変調器３２で第二のレーザ光６をパルス化するように構成している。なお、第二のレーザ発振器３１は、特に限定されず、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０．６μｍのＣＯ2レーザとしてもよい。
【０１３９】
そして、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、第二のレーザ発振器３１から放射された第二のレーザ光６が基板複合体２７に至る第二のレーザ光路３０は、基板複合体２７の表面を均一照明する照明系のみで構成している。なお、図７に示す半導体薄膜の製造装置においては、第一のレーザ光路２０と同様にマスク像の結像系を追加することも可能である。
【０１４０】
＜従来の逐次横方向成長法との比較＞
図１は、従来のラテラル成長法によって得られた多結晶半導体の一例の概要を説明する平面図である。
【０１４１】
ここで、従来から提案されている逐次横方向成長法においては、図１（ｂ）に示すように、ラテラル成長距離５３ａ，５３ｂの２倍以上の領域を溶融させた場合は、溶融領域５１ａの中央部に微細結晶領域５４が形成される。この微細結晶領域５４に存在する微細な結晶は、ラテラル成長した多結晶半導体ではなく、基板方向への熱の流入に支配されて、基板の垂直方向に成長した結晶である。したがって、基板方向への熱の流入を抑制すれば、微細な結晶の発生を抑制でき、ラテラル成長距離を増大させることができる。
【０１４２】
そして、基板方向への熱の流入の抑制が単結晶領域または多結晶領域を拡大することは、従来のレーザ光を用いた結晶化方法でも同じである。このような従来技術としては、基板をヒータで加熱する方法や、基板もしくは下地膜をレーザ光で加熱する方法が知られている。
【０１４３】
しかしながら、レーザ光で基板などを加熱する方法は、従来から数多く提案されているものの、本発明のようなラテラル成長法を対象にしたものではなく、ＺＭＲ法（Ｚｏｎｅ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ法、別名帯域溶融再結晶化法）や、基板に垂直な方向に結晶成長させる方法を対象としたものである（たとえば、特公昭６４−１２０８８号公報、特許第３２２１１４９号公報参照。）。
【０１４４】
ここで、図８を用いて、特公昭６４−１２０８８号公報に記載の実施例における第一のレーザ光と第二のレーザ光の出力と照射タイミングについて説明する。なお、図８は、従来の半導体薄膜の製造方法の一例における基板複合体の加熱のためのレーザ光の照射方法の概要を説明するグラフである。
【０１４５】
また、図８に数値は示さないが、特公昭６４−１２０８８号公報に記載の実施例においては、第一のレーザ光であるルビーレーザ光の出力は１〜２ジュール／ｃｍ2であり、照射時間は数１０ｎｓである。一方、第二のレーザ光である二酸化炭素レーザ光の出力は０．２〜１．０ジュール／ｃｍ2であり、照射時間は数１０〜数１００ｎｓである。また、特公昭６４−１２０８８号公報に記載の実施例において、第二のレーザ光の照射中に第一のレーザ光を照射することにより「同時に照射する」と記載されている。
【０１４６】
これらの記載から、特公昭６４−１２０８８号公報に記載の実施例においては、図８に示したように、出力の大きな第一のレーザ光６０の照射開始時刻ｔ＝０より前の時刻ｔ＝ｔ１から出力の小さな第二のレーザ光６１の照射を開始し、第一のレーザ光の照射終了後の時刻であるｔ＝ｔ２まで第二のレーザ光の照射を継続したものと解釈できる。
【０１４７】
しかし、この方法では、基板温度を上昇させることは可能であるが、半導体材料の低温多結晶化技術に一般に適用されるガラス基板は融点が低いため、第二のレーザ光による基板温度の上昇は高々６００℃程度に制限される。したがって、このような従来技術をラテラル成長技術に適用しても、ラテラル成長距離を飛躍的に増大させることは困難である。
【０１４８】
また、特許第３２２１１４９号公報に記載の方法は、特許第３２２１１４９号公報の図２に記載のように、第二のレーザ光の照射後に第一のレーザ光の照射を「次いで」実施するものである。さらに、この特公昭６４−１２０８８号公報、特許第３２２１１４９号公報などに記載の方法は、すべて第一のレーザ光として紫外域のレーザ光を用い、第二のレーザ光として赤外域のレーザ光を用いる方法である。
【０１４９】
これらの方法でも、基板の温度を上昇させることは可能であるが、低温で多結晶半導体を製造する技術に適用するガラス基板は融点が低いため、第二のレーザ光による基板温度の上昇はやはり高々６００℃程度に制限される。よって、ヒータによる加熱の場合も同等の温度制限を有することとなる。そのため、このような従来技術をラテラル成長法に適用してもラテラル成長距離を飛躍的に増大させることが困難であった。
【０１５０】
一方、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第一のレーザ光および第二のレーザ光の照射される領域は、基板複合体に備わる前駆体半導体薄膜の一部の照射領域に留まる。そのため、この一部の照射領域を６００℃を超える高温に加熱した場合においても、基板の温度が６００℃を超えない限り、ガラスを材質とする基板が溶融する可能性は低いといえる。よって、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、ガラスの溶融温度による温度制限が存在しないため、ラテラル成長距離を飛躍的に増大させることができる。
【０１５１】
＜ＴＦＴ素子の製造方法＞
図９は、本発明の半導体薄膜の製造方法を利用したＴＦＴの製造方法の一実施形態の概要を説明する平面図である。
【０１５２】
本発明の半導体薄膜の製造方法を用いた場合には、ラテラル成長距離が非常に大きくなるため、本発明の半導体薄膜の製造方法により形成された多結晶半導体領域を有する半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の性能も、従来の薄膜トランジスタに比べて飛躍的に進歩する。
【０１５３】
（１）図９に示す実施形態においては、まず、上述した図５に示す半導体薄膜の製造方法を用いて、第一のレーザ光５と第二のレーザ光６の反射を防止するキャップ層４を備えた前駆体半導体薄膜３の第一のレーザ光の照射領域５ａに第一のレーザ光５を照射し、第二のレーザ光の照射領域６ａに第二のレーザ光６を照射して、前駆体半導体薄膜３を溶融、再結晶化させる。なお、キャップ層４は、あらかじめフォトリソグラフィ法によって特定のパターンに形成されている。
【０１５４】
このとき、図９においては、前駆体半導体薄膜の溶融領域４１に第一のレーザ光および第二のレーザ光を照射して、前駆体半導体薄膜の溶融、再結晶化を行なうこととなる。すなわち、図９（ａ）に示すように、溶融領域４１の外周から中央に向かってシリコン結晶がラテラル成長し、溶融領域４１の中央に大結晶粒界４２ができることとなる。また、溶融領域４１の外周に図９（ａ）に示すような突起を設けることにより、その突起部分からシリコンアイランド領域４３が成長しやすくなる。
【０１５５】
（２）次いで、図９（ｂ）に示すように、反射防止膜だけをエッチングにより選択的に除去した後、シリコンアイランド領域４３をフォトリソグラフィ法によって形成する。このとき、チャネル領域４４は、キャリアの移動方向（図９（ｂ）中の左右方向）に大結晶粒界４２を含まないように配置する。
【０１５６】
（３）そして、図９（ｃ）に示すように、絶縁層を形成した後、ゲート電極４５を形成して、ＴＦＴを作製する。
【０１５７】
図１０は、従来のキャッピング法を併用したラテラル成長法によるＴＦＴの製造方法の一例の概要を説明する平面図である。
【０１５８】
図１０（ａ）に示すように、特開２０００−２６０７０９号公報に記載の方法では、ラテラル成長距離が短いため、溶融領域４１の幅を比較的狭くする必要がある。そのため、図１０（ｂ）に示すように、シリコンアイランド領域４３を設けた場合に、チャネル領域４４において、キャリアの移動方向（図１０（ｂ）の左右方向）に大結晶粒界４２を含むこととなる場合が多い。よって、図１０（ｃ）に示すように、チャネル領域４４に設けられたゲート電極４３に存在する大結晶粒界４２でのキャリア拡散が生じ、ＴＦＴの性能が低下するという問題があった。
【０１５９】
一方、図９に示すように、本発明の半導体薄膜の製造方法により形成された多結晶半導体領域を有する半導体薄膜は、ラテラル成長距離が長いため、チャネル領域４４において、キャリアの移動方向に大結晶粒界４２を含まないようにして、ＴＦＴを形成することが可能となり、ＴＦＴの性能を飛躍的に向上させることが可能となる。
【０１６０】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１６１】
＜実施例１＞
まず、図６を用いて説明した第一のレーザ光と第二のレーザ光との照射時間と出力との関係に従って、アモルファスシリコン薄膜に第一のレーザ光と第二のレーザ光とを照射して該アモルファスシリコン薄膜を溶融させ、さらに再結晶化させて多結晶シリコン領域を有するシリコン薄膜を作製した。
【０１６２】
ここで、本実施例では、図６（ａ）に示される第一のレーザ光と第二のレーザ光との照射時間と出力との関係において、時刻ｔ１＝４０ｎｓとした条件で、第一のレーザ光と第二のレーザ光とをアモルファスシリコン薄膜に照射した。
【０１６３】
そして、図６（ａ）に示される第一のレーザ光と第二のレーザ光との照射時間と出力との関係において、第一のレーザ光としては、エキシマレーザを用い、波長は３０８ｎｍ、エネルギ密度は３００ｍＪ／ｃｍ2、照射時間は約５０ｎｓとし、第二のレーザ光としては、ＣＯ2レーザを用い、波長は１０．６μｍ、エネルギ密度は約３Ｊ／ｃｍ2、照射時間は約０．３ｍｓとして、第一のレーザ光と第二のレーザ光とをアモルファスシリコン薄膜に照射した。
【０１６４】
さらに、本実施例においては、第一のレーザ光と第二のレーザ光とが照射される領域以外の領域における基板の温度を、室温（２５℃）と同等の温度に維持した状態で第一のレーザ光と第二のレーザ光との照射を行なった。
【０１６５】
また、本実施例においては、前駆体半導体薄膜を有する基板複合体として、図５に示すように、ガラスを材質とする基板１上に、酸化シリコンを材質とするバッファ層２と、アモルファスシリコンを材質とする前駆体半導体薄膜３と、上述した方法で酸化シリコンを材質とするキャップ層４と、を形成した基板複合体を用いた。
【０１６６】
そして、本実施例においては、こうして得られた多結晶シリコン領域を有するシリコン薄膜を備える基板複合体について、走査型電子顕微鏡による観察から、ラテラル成長距離を測定した。測定結果を表１に示す。
【０１６７】
＜実施例２＞
第二のレーザ光としては、ＹＡＧレーザを用い、波長は５３２ｎｍ、エネルギ密度は約５００ｍＪ／ｃｍ2、照射時間は約１μｓとして、第一のレーザ光と第二のレーザ光とをアモルファスシリコン薄膜に照射した点を除いては、実施例１と同様にして、アモルファスシリコン薄膜を溶融させ、さらに再結晶化させて多結晶シリコン領域を有するシリコン薄膜を作製した。ラテラル成長距離の測定結果を表１に示す。
【０１６８】
＜その他の実施例＞
表１に示す条件により第一のレーザ光と第二のレーザ光とをアモルファスシリコン薄膜に照射した点を除いては、実施例１と同様にして、アモルファスシリコン薄膜を溶融させ、さらに再結晶化させて多結晶シリコン領域を有するシリコン薄膜を作製した。ラテラル成長距離の測定結果を表１に示す。
【０１６９】
＜比較例１＞
第二のレーザ光をアモルファスシリコン薄膜に照射しなかった点を除いては、実施例１と同様にして、アモルファスシリコン薄膜を溶融させ、さらに再結晶化させて多結晶シリコン領域を有するシリコン薄膜を作製した。ラテラル成長距離の測定結果を表１に示す。
【０１７０】
＜比較例２＞
第二のレーザ光をアモルファスシリコン薄膜に照射しなかった点と、第一のレーザ光が照射される領域以外の領域における基板の温度を、６００℃に加熱して維持したことを除いては、実施例１と同様にして、アモルファスシリコン薄膜を溶融させ、さらに再結晶化させて多結晶シリコン領域を有するシリコン薄膜を作製した。ラテラル成長距離の測定結果を表１に示す。
【０１７１】
＜その他の比較例＞
表１に示す条件により第一のレーザ光をアモルファスシリコン薄膜に照射した点を除いては、比較例１と同様にして、アモルファスシリコン薄膜を溶融させ、さらに再結晶化させて多結晶シリコン領域を有するシリコン薄膜を作製した。ラテラル成長距離の測定結果を表１に示す。
【０１７２】
＜評価結果＞
下記の表１は、従来の半導体薄膜の製造方法による多結晶半導体領域のラテラル成長距離と、本発明の半導体薄膜の製造方法による多結晶半導体領域のラテラル成長距離とを比較して説明する表である。
【０１７３】
【表１】
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【０１７４】
表１に示すように、本発明の実施例におけるラテラル成長距離は、比較例におけるラテラル成長距離に比べて、少なくとも３．６倍程度、最大では２５倍程度まで大幅に伸長させることが可能となった。
【０１７５】
表１に示すように、本発明の実施例２におけるラテラル成長距離は、比較例１におけるラテラル成長距離に比べて、約１８〜２５倍に大幅に伸長させることが可能となった。
【０１７６】
すなわち、本発明の実施例２においては、第二のレーザ光として、５３２ｎｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射しない場合に比べて、ラテラル成長距離を約１８〜２５倍に大幅に伸張させることができた。
【０１７７】
また、本発明の実施例２においては、第二のレーザ光として、５３２ｎｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射せず、レーザ光が照射される領域以外の領域における基板を６００℃に加熱して維持した場合に比べて、ラテラル成長距離を約６．４〜７．１倍に大幅に伸張させることができた。
【０１７８】
また、本発明の実施例１におけるラテラル成長距離は、実施例２におけるラテラル成長距離には劣るが、比較例１におけるラテラル成長距離の１０〜１５倍程度のラテラル成長距離を実現している。
【０１７９】
すなわち、本発明の実施例１においては、第二のレーザ光として、１０．６μｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射しない場合に比べて、１０〜１５倍にラテラル成長距離を伸張させることができた。
【０１８０】
さらに、本発明の実施例１においては、第二のレーザ光として、１０．６μｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射せず、レーザ光が照射される領域以外の領域における基板を６００℃に加熱して維持した場合の４．２〜５倍にラテラル成長距離を伸張させることができた。
【０１８１】
次いで、表１に示したラテラル成長距離の測定結果を基に、逐次横方向成長法において、図２（ｃ）に示すような長結晶を形成するために要する時間を計算により求めた。この際、従来の逐次横方向成長法による１パルス当りのラテラル成長距離は通常１．０μｍ程度であり、一般に３００Ｈｚの繰返し周波数でレーザ照射を行いながら、１パルス毎に０．５μｍの領域を重合わせて結晶を繋いでいくことにより、逐次横方向成長を行なうことが通常である。
【０１８２】
ここでは、ラテラル成長距離は異なるが、結晶の繋合せ方としては上記の通常の逐次横方向成長法を行なうものとし、さらに基板複合体を一定速度で移動させつつ逐次横方向成長を行なうものとして、本発明の実施例と比較例とにおいて、逐次横方向成長法を行なう際の好適な基板複合体の移動速度を、移動速度＝（ラテラル成長距離（μｍ）−０．５（μｍ））×レーザ繰返し周波数という計算により求めた。
【０１８３】
その結果、逐次横方向成長法を行なう際の好適な基板複合体の移動速度は、表１に示すように、比較例１、比較例２、実施例１、実施例２の順に、９０〜１５０μｍ／ｓｅｃ、５７０〜６９０μｍ／ｓｅｃ、２３５０〜３４５０μｍ／ｓｅｃ、５２５０〜５８５０μｍ／ｓｅｃとなった。
【０１８４】
すなわち、基板複合体の移動速度（所要の長結晶の結晶化に要する時間に比例する）は、本発明の実施例２においては、比較例１の約３５〜６５倍、比較例２の約９〜１０倍に向上させることが可能となった。
【０１８５】
すなわち、本発明の実施例２においては、第二のレーザ光として、５３２ｎｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射しない場合に比べて、逐次横方向成長法における基板複合体の移動速度を、約３５〜６５倍に大幅に向上させることができた。
【０１８６】
また、本発明の実施例２においては、第二のレーザ光として、５３２ｎｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射せず、レーザ光が照射される領域以外の領域における基板を６００℃に加熱して維持した場合に比べて、逐次横方向成長法における基板複合体の移動速度を、９〜１０倍に大幅に向上させることができた。
【０１８７】
また、本発明の実施例１においては、逐次横方向成長法における基板複合体の移動速度を基板複合体の移動速度を、比較例１の１９〜３８倍に向上させることが可能となった。
【０１８８】
すなわち、本発明の実施例１においては、第二のレーザ光として、１０．６μｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射しない場合に比べて、逐次横方向成長法における基板複合体の移動速度を、１９〜３８倍に向上させることができた。
【０１８９】
さらに、本発明の実施例１においては、第二のレーザ光として、１０．６μｍの波長のレーザを用いた場合には、第二のレーザ光を照射せず、レーザ光が照射される領域以外の領域における基板を６００℃に加熱して維持した場合に比べて、逐次横方向成長法における基板複合体の移動速度を、４．１〜６．１倍に向上させることができた。
【０１９０】
表１の結果より、実施例においては、比較例に比べて同じエネルギ密度の第一のレーザ光を照射した場合でも、著しく大きいラテラル成長距離を実現している。これは、第二のレーザ光を照射することにより、従来の方法に比べてより大きなエネルギを前駆体半導体薄膜に与えることができるため、溶融領域中央部における前駆体半導体薄膜の凝固を遅延させることができ、その結果、ラテラル成長距離を飛躍的に増大させることが可能になるからであると考えられる。
【０１９１】
また、本発明者は、上記の実験において、実施例１、１−２、２、２−１では、キャップ層に覆われた前駆体半導体薄膜が全厚さにわたって溶融しており、さらにキャップ層に覆われない領域の前駆体半導体薄膜の少なくとも表層が溶融していることを見出した。
【０１９２】
一方、実施例３、３−２、４、４−２では、キャップ層に覆われた前駆体半導体薄膜が全厚さにわたって溶融しているが、キャップ層に覆われない領域の前駆体半導体薄膜は溶融していないことを見出した。
【０１９３】
すなわち、本願発明においては、反射防止膜としての機能を有するキャップ層に覆われた前駆体半導体薄膜は、全厚さにわたって溶融されることが当然の要件であるが、本願発明者は、第一照射領域において、キャップ層に覆われない領域の前駆体半導体薄膜の少なくとも表層を溶融することによって、さらにラテラル成長距離が伸長することを見出した。
【０１９４】
上記の第一レーザのエネルギ密度は、キャップ層に覆われない領域の前駆体半導体薄膜も溶融するようなエネルギ密度である。これは、前駆体半導体薄膜全体が加熱されているために、基板への熱流入が遅延するためと考えられる。
【０１９５】
＜ＴＦＴ素子の作成＞
図１１は、本発明の半導体薄膜の製造方法に用いるラテラル成長法によって得られた多結晶半導体の一例の概要を説明する平面図である。
【０１９６】
図１１に含まれる図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一例に用いるラテラル成長法により得られた多結晶シリコンを走査型電子顕微鏡で観察したモデル図である。
【０１９７】
本発明の半導体薄膜の製造方法に用いるラテラル成長法においては、図１１（ａ）に示すように、第二のレーザ照射により基板複合体全体を加熱することによりレーザ照射による溶融領域６１ａの凝固を遅らせる手法を用いて、ラテラル成長方向６２ａ，６２ｂへのラテラル成長距離６３ａ，６３ｂの延長を図っている。
【０１９８】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法において、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜をキャップ層が形成されない領域も含めて溶融できるエネルギ量を有する第一のレーザ光を照射した場合には、図１１（ｂ）に示すように、溶融領域６１ｂに形成される多結晶シリコン領域のラテラル成長方向６２ｃ，６２ｄへのラテラル成長距離６３ｃ，６３ｄは、キャップ層が形成されない領域が溶融しないエネルギ量を有する第一のレーザ光を照射した場合に比べて、著しく大きくなる傾向がある。
【０１９９】
また、この場合、図１１（ｂ）に示すように、溶融領域６１ｂに形成される多結晶シリコン領域部分中に含まれるシリコン結晶の結晶長軸に垂直な方向の断面積のリッジ部における平均値は、前記リッジ部以外の部位も含めた前記多結晶シリコン領域全体における前記断面積の平均値よりも大きい傾向がある。
【０２００】
図１２および図１３は、本発明の半導体薄膜を用いる半導体素子の一例の概要を説明する平面図である。
【０２０１】
本発明の半導体薄膜は、第二のレーザ照射により基板複合体全体を加熱することによりレーザ照射による溶融領域の凝固を遅らせる手法を用いて、ラテラル成長距離の延長を図っているため、図１２に示すように、画素領域１２１に隣接する結晶化領域１２２中に形成されるリッジ部の間隔が従来のラテラル成長法により形成された結晶化領域よりも広い。そのため、リッジ部に重ならないようにＴＦＴ素子１２５ａ，１２５ｂなどを形成することができる。
【０２０２】
また、本発明の半導体薄膜を、固体状態にある前記前駆体半導体薄膜をキャップ層が形成されない領域も含めて溶融できるエネルギ量を有する第一のレーザ光を照射する手法を用いて、ラテラル成長距離のさらなる延長を図った場合には、図１３に示すように、画素領域１３１に隣接する結晶化領域１３２中に形成されるリッジ部の間隔が従来のラテラル成長法により形成された結晶化領域よりも著しく広い。そのため、リッジ部に重ならないようにＴＦＴ素子１３５ａ，１３５ｂなどを形成することがさらに容易になる。
【０２０３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０２０４】
【図１】従来のラテラル成長法によって得られた多結晶半導体の一例の概要を説明する平面図である。
【図２】従来の逐次横方向成長法の各ステップにより得られた結晶の一例の概要を説明する平面図である。
【図３】本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態のステップの概要を説明するフロー図である。
【図４】本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態の概要を説明する斜視図である。
【図５】本発明の半導体薄膜の製造方法のキャッピング法を併用した場合の一実施形態の概要を説明する斜視図である。
【図６】本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態におけるレーザ光の照射方法の概要を説明するグラフである。
【図７】本発明の半導体薄膜の製造装置の一実施形態の概要を説明する図面である。
【図８】従来の半導体薄膜の製造方法の一例における基板複合体の加熱のためのレーザ光の照射方法の概要を説明するグラフである。
【図９】本発明の半導体薄膜の製造方法を利用したＴＦＴの製造方法の一実施形態の概要を説明する平面図である。
【図１０】従来のキャッピング法を併用したラテラル成長法によるＴＦＴの製造方法の一例の概要を説明する平面図である。
【図１１】本発明の半導体薄膜の製造方法に用いるラテラル成長法によって得られた多結晶半導体の一例の概要を説明する平面図である。
【図１２】本発明の半導体薄膜を用いる半導体素子の一例の概要を説明する平面図である。
【図１３】本発明の半導体薄膜を用いる半導体素子の一例の概要を説明する平面図である。
【符号の説明】
【０２０５】
１  縁性性基板、２  バッファ層、３  前駆体半導体薄膜、４  キャップ層、５  第一のレーザ光、５ａ  第一のレーザ光の照射領域、６  第二のレーザ光、６ａ  第二のレーザ光の照射領域、１０，６０  第一のレーザ光のパルス波形、１１，６１  第二のレーザ光のパルス波形、１２  半導体薄膜の温度変化曲線、２０  第一のレーザ光路、２１  第一のレーザ発振器、２２  可変減衰器、２３  ビーム整形素子、２４  マスク面均一照明素子、２５  マスク、２６  結像レンズ、２７  基板複合体、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ  ミラー、２９  制御装置、３０  第二のレーザ光路、３１  第二のレーザ発振器、３２  外部変調器、３３  基板複合体面均一照明素子、３４  光センサー、４１，５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ，６１ａ，６１ｂ  溶融領域、４２  大結晶粒界、４３  シリコンアイランド領域、４４  チャネル領域、４５  ゲート電極、５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ  ラテラル成長方向、５３ａ，５３ｂ，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ  ラテラル成長距離、５４  微細結晶領域、１２１，１３１  画素領域、１２２  結晶化領域、１２５ａ，１２５ｂ，１３５ａ，１３５ｂ  ＴＦＴ素子。
【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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