(57)【要約】【課題】  一回のレーザ光の照射による結晶の成長距離を伸長し、半導体素子の特性を改善するとともに、製造効率を高め、製造コストを低減する。【解決手段】  本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成工程と、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、熱拡散層が形成されている領域に第１のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、溶融した半導体を結晶化する結晶化工程とを備えることを特徴とする。【選択図】        図１
2005175211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、
基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成工程と、
前記熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、
熱拡散層が形成されている前記領域に第１のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化工程
とを備えることを特徴とする半導体膜の製造方法。
【請求項２】
第１のレーザ光照射工程において、第１のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項３】
熱拡散層の第１のレーザ光に対する光吸収率が、半導体膜の第１のレーザ光に対する光吸収率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項４】
第１のレーザ光が、波長550nm以下の可視光であることを特徴とする請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項５】
少なくとも第１のレーザ光の照射領域を含む領域に、第２のレーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項６】
第２のレーザ光は、波長が9μｍ〜11μｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項７】
第２のレーザ光は、パルス状に照射し、少なくとも第１のレーザ光の照射に先立って、第２のレーザ光の照射を開始することを特徴とする請求項５に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項８】
基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成手段と、
前記基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成手段と、
前記熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング手段と、
熱拡散層が形成されている前記領域に第１のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射手段と、
溶融した半導体を結晶化する結晶化手段
とを備える製造装置であって、
前記第１のレーザ光照射手段において、第１のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする半導体膜の製造装置。
【請求項９】
熱拡散層の第１のレーザ光に対する光吸収率が、半導体膜の第１のレーザ光に対する光吸収率よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の半導体膜の製造装置。
【請求項１０】
第１のレーザ光が、波長550nm以下の可視光であることを特徴とする請求項８に記載の半導体膜の製造装置。
【請求項１１】
少なくとも第１のレーザ光の照射領域を含む領域に、第２のレーザ光を照射することを特徴とする請求項８に記載の半導体膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
基板上の半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する半導体膜の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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は、非晶質または多結晶のシリコンを活性層として用いる。このうち、多結晶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て、多くの長所を有している。たとえば、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、一部の周辺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、表示装置を低価格で提供することが可能となる。また、その他の長所として、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、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。
【０００３】
多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、ガラス基板にＣＶＤ法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、別途、非晶質シリコンを多結晶化する工程が必要である。通常、結晶化のアニール工程は、600℃以上の高温アニ−ル法によって行なう場合、高温に耐える高価な基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となる。このため、近年はレーザを用いて、600℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、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。
【０００４】
レーザによる結晶化技術は、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、ガラス基板を走査しながら、長さ200〜400ｍｍ、幅0.2〜1.0ｍｍ程度の線状レーザビームをガラス基板上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、粒径0.2〜0.5μｍ程度の結晶粒が形成される。このときレーザ光を照射した部分の非晶質シリコンは、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融することによって、レーザ光照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。
【０００５】
さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることおよび結晶の方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的に、近年、数多くの研究開発がなされている。その中には、特に、スーパーラテラル成長と称する技術がある（特許文献１参照）。スーパーラテラル成長と称する技術は、スリット状ビームのパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、スリット状に照射された部分のシリコン薄膜をレーザ光照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融させ、溶融部分と未溶融部分の境界から横方向、すなわち、ガラス基板に水平な方向に結晶粒の成長を制御し、針状の結晶を得るものである。スーパーラテラル成長は、レーザパルスを1回照射することで完了するが、1回前のレーザ光照射で形成された針状結晶の一部に重複させて、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大結晶が得られるといった特徴を有している。
【０００６】
これとは別に、半導体膜の一部に反射防止膜を形成し、レーザビームをスリット状に照射するのでなく、ある領域全体に照射し、二酸化シリコンなどによる反射防止膜の形成された部分のみを溶融させ、反射防止膜の形成された領域のみを結晶化させる方法がある（特許文献２参照）。また、多結晶シリコンの製造方法の例として、基板上にアモルファスシリコン膜を設け、レーザにより結晶化させる方法であって、基板上に熱伝導率の異なる膜を積層し、その上にシリコン膜を形成して、得られる膜の特性を向上させる方法がある（特許文献３と特許文献４参照）。
【特許文献１】特表2000-505241号公報
【特許文献２】特開昭57-210624号公報
【特許文献３】特開2000-68520号公報
【特許文献４】特開平6-296023号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、スーパーラテラル成長による結晶粒の成長距離は、1〜2μｍに過ぎず、大結晶粒を得るには、何度もレーザ光の照射を繰り返す必要がある。また、結晶成長距離が1μｍ程度であるため、結晶を引き継いで成長させるためには、再度照射するビームを、前回の結晶に0.5μｍ程度オーバーラップさせて照射する必要がある。しかし、常に0.5μｍのずらし量を得るためには、送り精度で言えば、0.1μｍ程度の分解能、すなわち極めて精度の高い送り機構が必要であり、装置コストが大きくなる。また、一回にわずかの量の送り量しか得られないため、処理速度が遅いという欠点がある。
【０００８】
一方、反射防止膜を形成し、反射防止膜を形成した領域のみを結晶化させる前述の方法は、スーパーラテラル成長とは異なり、各領域への照射は一回で完結するため、処理速度は速いが、一回の成長距離が1μｍ程度に限られる。しかし、通常のトランジスタのチャンネルは、チャンネル長でおよそ1μｍ以上、たとえば、数μｍ〜十数μｍ程度であるため、このようなチャンネルの作製は困難である。
【０００９】
また、半導体膜の下部に熱伝導度の高い膜を形成することにより結晶の特性を向上させる方法は、半導体膜の下部に熱伝導度の高い膜を形成する結果、基板への熱伝導度が増して熱が拡散しやすく、半導体膜を溶融させるために必要なレーザビームのエネルギーが増加するという欠点がある。
【００１０】
本発明の課題は、一回のレーザ光の照射による結晶の成長距離を伸長し、半導体素子の特性を改善するとともに、製造効率を高め、製造コストを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成工程と、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、熱拡散層が形成されている領域に第１のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射工程と、溶融した半導体を結晶化する結晶化工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体膜の製造装置は、基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成手段と、基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する熱拡散層形成手段と、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング手段と、熱拡散層が形成されている領域に第１のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射手段と、溶融した半導体を結晶化する結晶化手段とを備える製造装置であって、第１のレーザ光照射手段において、第１のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来より結晶の長さを長くすることができ、製造するデバイスの特性の向上が図れるとともに、製造効率を高め、低コストのデバイスを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（半導体膜の製造方法）
本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体膜の製造方法であって、基板上に半導体膜を形成する工程と、半導体膜上に熱拡散層を形成する工程と、熱拡散層の一部を除去するパターニング工程と、第１のレーザ光を照射することにより半導体膜を溶融する工程と、溶融した半導体を結晶化する工程とを備えることを特徴とする。半導体膜上に形成する熱拡散層は、基板より熱伝導度が高く、パターニング工程は、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けることにより行なう。つづく第１のレーザ光照射工程では、熱拡散層を形成されている領域に第１のレーザ光を照射することにより、照射領域にある半導体膜を溶融する。かかる製造方法により、半導体結晶の長さを従来より長くすることができ、製造するデバイスの特性を向上することができる。また、製造効率を高め、製造コストを低減することができる。
【００１５】
図１に、本発明の製造方法により得られる半導体素子の典型的な例を示す。この半導体素子は、図１に示すように、ガラス基板4の上に、拡散防止層3が形成されている。拡散防止層3は、ガラス基板4からの不純物の拡散を防ぐために形成する。具体的には、拡散防止層3として、たとえば二酸化シリコン膜を用いることができるが、これに限るものではなく、ガラス基板4からの不純物の拡散を防ぐことができれば、他の材料からなる膜であっても良い。二酸化シリコン膜は、蒸着、スパッタ成膜、CVDなどの方法により形成することができる。
【００１６】
拡散防止層3の上に、半導体膜2を設ける。半導体膜2は、通常、アモルファスシリコンを用い、CVD法により形成するが、成膜方法としては、スパッタ、蒸着法などを用いることも可能である。半導体膜2の厚さは、求められるトランジスタの特性や、プロセス条件などにより任意に設計することができるが、数十nm〜数百nmの厚さが好ましく、たとえば30nm〜100nmの膜厚とすることができる。
【００１７】
成膜直後の半導体膜2は、通常はアモルファスであり、結晶化していない。また、ある種の成膜方法によれば、非常に小さい結晶の集合（微結晶）を得ることもできるが、いずれにせよ、それほど大きな結晶粒を得ることは困難である。したがって、成膜直後の半導体膜2により、直接、トランジスタを製造すると、トランジスタの電子移動度は低くなってしまう。
【００１８】
本発明では、半導体膜2の上に、さらに熱拡散層1を設ける。熱拡散層1は、半導体膜に垂直な方向における熱伝導性を高め、半導体膜に垂直な方向における温度分布を均一化し、結晶成長を促進するために、ガラス基板4あるいは拡散防止層3に比して、熱伝導度が大きい材料を用いる。かかる観点から、熱拡散層には、10W/mK以上の熱伝導度を有する材料が好ましく、20W/mK以上の熱伝導度を有する材料がより好ましい。また、熱拡散層1には、後述するレーザアニール処理において照射する第１のレーザ光に対する光吸収率が、半導体膜材料などの光吸収率よりも小さい材料を用いることが、結晶化効率を高める点で、好ましい。具体的には、熱拡散層1の材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウム、などの窒化物、酸化アルミニウムなどの酸化物が適している。熱拡散層は、スパッタ、蒸着法、CVD法などにより形成することができる。
【００１９】
図３に、熱拡散層の平面図を示す。図３に示すように、熱拡散層は、熱拡散層が形成されている領域301a、301bと、熱拡散層が形成されていないその他の領域とにパターニングされている。パターニングの方法としては、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチングあるいはドライエッチングを用いたエッチング法を組み合せて、熱拡散層に所望のパターニングをすることができる。
【００２０】
熱拡散層の厚さは、5nm〜200nmに設定することができるが、後述のレーザ光照射に用いるレーザ光の波長により、もっとも反射率が低く、いいかえれば、半導体膜に光の吸収がもっとも大きくなる膜厚を選定するのが好ましい。具体的には、熱拡散層の厚さは、熱拡散層の表面と半導体膜の表面からの反射光の位相差をおおむね1/2波長とし、それらの反射光が弱めあう条件の近傍に設定するのが好ましい。これにより、反射光を低く、半導体膜への光の吸収を大きくすることができ、半導体膜の溶融、結晶化に必要なレーザ光のエネルギーを低減することができる。また、溶融に用いるレーザ装置を小型化することが可能になるという利点がある。
【００２１】
つぎに、基板に対して、第１のレーザ光によりアニール処理を施す。レーザアニール処理のために用いる装置の例を図２に示す。この装置は、第１のレーザ光源205と、反射ミラー207と、開口部を形成したフォトマスク208と、対物レンズ209と、ステージ211を有し、必要に応じてホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群206を取り付けることができる。ステージ211には、図１に示すような多層からなる薄膜を積層したガラス基板210を設置し、ガラス基板210を駆動することができる。なお、レーザアニール処理に用いる装置は、基板上の所定の位置に、所定の放射照度の光を所定のパターンで照射できればよく、図２に示す構成に限るものではない。
【００２２】
レーザ光源としては、パルス照射を行なうレーザ光源、たとえばエキシマレーザを用いることができる。エキシマレーザの場合、波長が紫外線領域にあり、半導体膜に非常に吸収されやすい。また、パルス幅は、10ns〜数十nsであり、ほぼ瞬時に半導体膜が溶融するが、その後、急速に冷却され、その過程で溶融した半導体は結晶化する。
【００２３】
また、レーザ光源として、固体レーザを用いることも可能である。固体レーザは、Nd-YAGなどの光学結晶をフラッシュランプ、または半導体レーザにより照射して励起し、レーザ発振を行なうものであり、エキシマレーザに必要なハロゲンガスが不要で、メンテナンスが軽くなるという利点がある。また、フラッシュランプを用いる代わりに、励起光源として半導体レーザを用いて励起する場合は、半導体レーザの発振効率が良いことと、半導体レーザの発振波長を、固体レーザの光学結晶の吸収帯に一致させることで、高効率のレーザ発振が可能となる。このため、消費電力と装置の大きさが、エキシマレーザまたはフラッシュランプ励起の固体レーザに比べ、大幅に低減することができる。
【００２４】
固体レーザは、前述の励起光源により、Nd-YAGなどの光学結晶を励起することで、1.06μｍ近辺の波長のレーザ光を励起することができる。ただし、このままでは、照射により溶融すべきアモルファスシリコンに対しての吸収係数が小さく、アモルファスシリコンに光が吸収されにくく、溶融が起こりにくい。このため、第１のレーザ光の波長を非線形光学結晶によって、2倍あるいは4倍に逓倍し、可視光に変換することが望ましい。波長550nm以下の可視光を用いることにより、熱拡散層での吸収を低減できると同時に、半導体膜での吸収を大きくすることができ、結晶化効率を高くし、製造時間の短縮を図って、製造コストの低減を行なうことが可能となる。これらの非線形光学結晶としては、KDP(KH2PO4)、LBO(lithium borate)、BBO、CLBO(CsLiB6O10)などを用いることができる。これらのうちの第２高調波波長により、ほぼ532nm近辺の可視光が得られる。550nm以下の波長であれば、アモルファスシリコンの吸収係数が大きくなり、レーザ光照射により溶融が可能である。
【００２５】
図２に示すように、第１のレーザ光源205から出射されたビームは、光学素子群206に含まれるエキスパンダにより適当なビームサイズに変換され、同じく光学素子群206に含まれるホモジナイザにより、ビーム断面内の放射照度の一様化が図られた上、フォトマスク208に照射される。ここで、ビームエキスパンダは望遠系または縮小系を有する光学系であり、フォトマスク208上の照射領域の大きさを決めるものである。ホモジナイザは、レンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイにより構成され、ビームを分割した上、再合成することで、マスク上の照射領域内での放射照度の一様化を図るものである。
【００２６】
図４に、フォトマスクの平面図を示す。フォトマスクは、マスク基板上に遮光部412と開口部413とを有し、開口部413は、照射された光を通過させる機能を有する。マスク基板としては、石英、ガラスなどの材料が用いられる。また、遮光部412としてはクロム、ニッケル、アルミニウムなどの金属薄膜、または誘電体多層積層膜による反射もしくは吸収膜を用いることができる。フォトマスク上に形成する開口部413は、スリット状、矩形、またはそれに順ずる形状とし、レーザの平均出力が300W、発振繰り返し周波数が300Hzとし、開口部を矩形とした場合、その寸法は、たとえば幅5mm、長さ15mm（基板上で）程度とすると、おおむね半導体膜の溶融、結晶化を行なうことができる。この際、結像させるときの光学倍率は、等倍から1/10倍に設定して（すなわちマスク上の開口部の大きさを、等倍像から1/10倍の大きさに縮小して結像し）行なうことが可能であるが、必ずしもこの形状、大きさに限るものではなく、アニールに用いるレーザの出力や一回のパルス出力の大きさにより、任意に設計が可能である。
【００２７】
また、ここでは図２に示すように、フォトマスク208の開口部にホモジナイザを通過させた光を照射し、照射によって照明された開口部の像を、対物レンズ209により、基板210のガラス基板の表面に結像させるように設定する態様が好ましい。すなわち、ガラス基板上に開口部の像が結像される結果、基板上の半導体膜の一部が照射され、その他の部分が照射されない状態にすることができる。このとき、熱拡散層210の複数のパターンを設けた領域が収まる領域を照射するように設定する。
【００２８】
このとき、対物レンズの解像力は、おおむねλ／NA（λは波長、NAは対物レンズの開口数）で表されるので、開口部の像の縁部分には解像力程度の幅で光強度が徐々に変化する遷移領域が生じる。この領域で、半導体膜は半溶融の状態となり、その部分に形成されたトランジスタの特性は悪化する。したがって、その部分は、トランジスタは形成できず、無効領域となる。このため、無効領域を減らして、できるだけトランジスタの形成できる領域を増やす必要があり、そのためには遷移領域を減らすことが重要である。このとき、フォトマスクの開口部の像を対物レンズにより基板表面で結像するように設定すると、遷移領域の幅を前述の解像度程度に収めることができるので、単にビームを直接基板に照射する場合に比べて、無効領域の面積を格段に減らすことができ、無効領域を減らすことにより、基板上に集積するトランジスタの密度が上げられるという利点を有する。また、このような設定により、従来と同等の工程を利用でき、設備投資を押さえ、製造コストを低減できる効果を奏する。
【００２９】
たとえば、NAを0.1とし、波長を308nmとすると、おおむね無効領域の幅は、3μｍ程度となる。一般に、レーザからのビームは、ガウシャンビームであり、そのまま基板に照射した場合には、ビーム径に匹敵する無効領域が生じるため、対物レンズを用い、第１のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が基板表面で結像させる態様とすることにより、無効領域を飛躍的に極小化することができる。
【００３０】
本発明により得られる結晶を図５に示す。対物レンズにより基板上に開口部の像が結像されると、図５に示すように、熱拡散層のパターンが形成されている部分501a、501bが選択的に溶融し、つぎにパルス照射が終了すると、溶融した部分は、急速に冷却し結晶化する。このとき、基板上には、熱拡散層のパターン501a、501ｂ内で幅方向に結晶514が成長して、図５に示すように、横方向に成長した柱状の結晶が得られる。また、開口部の像以外の領域515では横方向の結晶成長が生じないままである。
【００３１】
ここで、処理すべき薄膜の構造として、従来の構造、すなわち、ガラス基板上に不純物拡散防止層を設けて、その上に半導体膜を設け、つぎに二酸化シリコンなどによる反射防止膜のパターンを設けた構造では、結晶の成長距離Lはせいぜい1〜1.5μｍ程度にとどまり、反射防止膜パターンの幅Dを、たとえば5μｍに設定した場合、溶融、結晶化の過程を通じて、パターンの両側から結晶が成長するが、中央部の残り2〜3μｍは微結晶またはアモルファスとなってしまい、パターン全面を結晶化することができない。
【００３２】
ところが、本発明のような構造、すなわち図１に示すように、ガラス基板4上に不純物の拡散防止層3、半導体膜2、熱拡散層1のパターンを設ける場合には、その結晶成長距離Lが、従来よりも2倍から3倍に拡大する。すなわち、一回の溶融、結晶化により成長する結晶の長さが、2〜4μｍ以上になる。このため、熱拡散層1のパターンの幅Dを従来の2〜3倍以上に設定しても、中央部が微結晶またはアモルファスとなることが無くなるか、または中央部の微結晶またはアモルファスの幅が従来の構造と比して狭くなる。
【００３３】
したがって、本発明の場合、一方向に成長した結晶の方向に（パターンの幅方向に）キャリアを流すような構造のトランジスタを製造すると、キャリアが粒界に散乱されることが少なく、移動度が極めて高いトランジスタが得られる。また、本発明の場合、熱拡散層をパターニングすることにより、結晶成長の方向を自在に制御することが可能となる。すなわち、パターンを配置する位置と向きを変えることで、結晶をどの位置に、どの方位に成長させるべきかを自由に決めることができる。したがって、トランジスタの配置および向きを自由に決めることができ、トランジスタの配置の自由度が高くなり、配置密度の高い回路設計を行なうことが容易となる。
【００３４】
さて、上述の実施の形態で述べたように、反射防止膜を熱拡散層とすることにより、結晶成長距離が長くなる理由は、以下のような現象によるものと考えられる。図６と図７に従来技術による薄膜の温度分布を示す。図６は、ガラス基板604上に、拡散防止層603と、アモルファスシリコン膜602と、反射防止膜619を有する薄膜にレーザ光を照射し、アモルファスシリコン膜602が融解した最初の状態におけるアモルファスシリコン膜の温度分布を示す。中央にはアモルファスシリコン膜602が融解した状態である融解領域620があり、その周囲には溶融しない領域621が存在している。この時、融解領域620と溶融しない領域621との境界付近、すなわち現在、結晶化しつつある領域625の温度は、周囲より高いと考えられる。これは、いったん溶融したシリコンが結晶化するときに、潜熱を放出するためである。
【００３５】
図７は、アモルファスシリコン膜の冷却する過程における温度分布の変化を示す。図６における温度レベル622と図７における温度レべル722は、シリコンの凝固点である。融解したシリコンの温度が、この温度レべルを下回った時に、シリコンが結晶化すると考えられる。図７に示すように、ガラス基板704に、拡散防止層703と、アモルファスシリコン膜702と、反射防止膜719を有する薄膜にレーザ光を照射した後、シリコン膜702が冷却し、温度が低下するに従い、外縁から中央部に向って順に結晶723が成長し、結晶化が進行するが、これと同時に、中央部においてもシリコンの温度が低下し、外縁部から中央部に向かって順に結晶化するより先に、温度レベル722を下回って結晶化し始め、この部分では一様に温度レベル722を通過するために、横方向の結晶成長が生じず、一様な微結晶またはアモルファスである結晶粒724が生じる。結晶723は、中央部で生じた結晶粒724によってその成長が阻害される。このため、従来の膜構造では、中央部まで結晶が成長しないと考えられる。
【００３６】
これに対し、本発明の場合の温度分布を図８と図９に示す。図８は、ガラス基板804上に、拡散防止層803と、アモルファスシリコン膜802と、熱拡散層801を有する薄膜にレーザ光を照射し、アモルファスシリコン膜802が融解した最初の状態におけるアモルファスシリコン膜の温度分布を示す模式図である。中央にはアモルファスシリコン膜802が融解した状態である融解領域830があり、その周囲には溶融しない領域831が存在している。本発明の場合、図８に示すように、溶融しない領域831と溶融領域830との境界領域825の温度は、特に高くはならず、中央部から外縁部に向かって緩やかに減少するような温度分布になると考えられる。これは、表面に設けた熱拡散層801のために、これを通して横方向に熱が流れやすくなり、熱拡散層801の下部の温度が一様化されるためである。すなわち、表面に熱拡散層801を設けることで、横方向の熱伝導を促進でき、潜熱の放出に伴う突起のある温度分布を平準化することができる。したがって、図９に示すように、ガラス基板904上に、拡散防止層903と、アモルファスシリコン膜902と、熱拡散層901を有する薄膜にレーザ光を照射した後、シリコン膜902が冷却し、温度が降下して行くときに、外縁部とともに中央部でも結晶化が生じるというような現象が生じることなく、外縁部から中心部に向かってスムーズに結晶が成長する。
【００３７】
表面の熱拡散層は、前述のように、窒化アルミニウム、窒化シリコンなどの窒化物を材料として用いることができる。これは、多くの窒化物は熱伝導性が大きく、かつ耐熱性があり、また、溶融に用いる光の波長においておおむね透明であるという特質を有するからである。同様の理由において、酸化アルミニウムなどの熱伝導性が大きく、かつ耐熱性があり、また、溶融に用いる光の波長においておおむね透明であるという特質を有する材料の多くも熱拡散層の材料として利用可能である。窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウムの熱伝導度はガラス基板の熱伝導度の5〜10倍以上であり、かつ窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化アルミニウムを熱拡散層として用いることにより、結晶成長距離が長くなることが、以下の実施例においても確認されている。このことから、表面の熱拡散層の熱伝導率をガラス基板の熱伝導率の5倍以上に設定すれば、結晶成長を促進する効果が高められる点で好ましいと考えられる。
【００３８】
熱拡散層の材料とレーザ光源との組み合せによっては、熱拡散層が第１のレーザ光を、本発明の作用において無視できない程度に吸収する場合がある。たとえば、レーザ光源であるエキシマレーザが発する紫外線を、熱拡散層はある程度、吸収する場合がある。この場合、表面の熱拡散層により紫外線が吸収され、その下部にある半導体膜に十分に熱が与えられない可能性がある。また、熱拡散層によって多くの光が吸収され熱となると、熱拡散層の温度が上昇し、甚だしい場合は、熱拡散層に損傷が生じる可能性が有る。したがって、熱拡散層の第１のレーザ光に対する光吸収率は、少なくとも、その下の半導体膜の第１のレーザ光に対する光吸収率より小さいことが好ましい。
【００３９】
このためには、第１のレーザ光を紫外線に代えて、可視光線を用いるなど、照射する第１のレーザ光の波長を変更する態様が、結晶化効率を上げ、製造効率を高め、製造コストを低減する上で好ましい。熱拡散層に対する光透過率が高く、かつ半導体膜に対する吸収率の高い波長の光を発するレーザ光を用いれば、光の多くが熱拡散膜を透過し、半導体膜に吸収されて熱になるので、半導体膜に十分に熱を与えることができる。たとえば、半導体膜として、アモルファスシリコンもしくはシリコンを用いる場合には、550nmよりも波長が短い光が望ましい。これは、波長が550nmより長い光をシリコンは十分に吸収しないからである。
【００４０】
550nmより波長が短い光を発する光源としては、前述のような固体レーザによる可視光線を用いるのが良く、Nd-YAGなどの固体レーザの2倍高調波を用いると532nmの発振波長が得られるため、好適である。特に、固体レーザを用いる場合には、処理装置が小型化、軽量化でき、かつ装置のメンテナンスにガスの必要がなく、装置コストおよびメンテナンスコストが低いために、従来よりも格段に製造コストを下げることが可能である。
【００４１】
本発明においては、第１のレーザ光に加えて、第２のレーザ光を照射する構成とすることも可能である。第１のレーザ光とともに、第２のレーザ光を照射する典型的な例を図１０に示す。本装置は、第１のレーザ光源1005と、反射ミラー1007と、開口部を形成したフォトマスク1008と、対物レンズ1009と、ガラス基板1010を搭載して駆動を行なうステージ1011を有する。また、必要に応じて、ホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群1006を設けることができる。第２のレーザ光源1012としては、炭酸ガスレーザ、固体レーザまたはガスレーザを用いることができ、類似の効果を得ることが可能であるが、結晶成長を大きく促進できるという効果については、後述する現象により、炭酸ガスレーザを用いるのがもっとも好ましい。
【００４２】
図１０に示すように、第２のレーザ光は、第１のレーザ光の側方から斜めに、基板上に照射する態様が好ましい。第２のレーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合、その発振波長は9μｍ〜11μmの間であり、この波長域では、通常の光学ガラス、石英ガラスなどは不透明である。したがって、これらの材料による光学系を用いることはできない。炭酸ガスレーザの場合、吸収の少ない光学系とするためには、ZnSe、あるいはGeの結晶あるいは多結晶が用いられる。
【００４３】
第１のレーザにエキシマレーザを用いる場合は、その光学系は石英が主であり、この光学系は炭酸ガスレーザに対して大きな吸収を有するために、使用することができず、同一の光学系を通して基板を照射することができない。すなわち、多くの他の種類の光学系のように、同軸で２つの光学系を共存させることができない。しかし、斜めから基板を照射する態様にすれば、まったく別途に光学系を構成でき、石英を用いた光学系を通過させることなく、第２のレーザ光を基板に照射することが可能となるので、吸収が少ない光学系を構成できて好都合である。
【００４４】
炭酸ガスレーザの発振波長は、9μｍ〜11μmの間であるが、この波長領域の光を、半導体膜はほとんど吸収しない。たとえば、シリコンあるいはアモルファスシリコンの膜は、この波長領域ではほとんど吸収が無く、炭酸ガスレーザ光の照射のみによりシリコンの溶融を効率よく生じさせることは難しい。しかしながら、二酸化シリコンあるいは二酸化シリコンを含有するガラスは、この波長の光をよく吸収し、照射によって温度上昇を生じさせることができる。このため、第１のレーザと同期して照射することで、第１のレーザ光により半導体膜を溶融させた後、あるいは溶融させながら、あるいは溶融させる前に、基板を加熱することができ、その結果、基板上の半導体膜を加熱することができ、結晶成長を助長することが可能となる。すなわち、炭酸ガスレーザは半導体膜そのものを直接加熱することはできないが、その直下の基板を加熱することができ、基板からの熱伝導によりその上に構成されている半導体膜を加熱することができる。
【００４５】
第２のレーザ光の照射により、半導体膜が溶融し、凝固する際に、凝固の速度を遅くし、結晶成長を助長する効果が得られる。すなわち、第１のレーザとしてエキシマレーザを用いる場合、パルス幅（照射時間）はたかだか10ns〜数10nsであり、半導体膜はきわめて短時間に溶融し、短時間に凝固が生じる。この場合、凝固時間は数10nsから長くても数100nsであり、短時間に凝固が生じる結果、結晶成長が長く続かず、成長距離としては、1μｍ〜2μｍ程度である。
【００４６】
しかし、第２のレーザとして炭酸ガスレーザを併用し、少なくとも第１のレーザ光の照射領域を含む領域に、第２のレーザ光を照射して、主に半導体膜直下のＳｉＯ２膜またはガラス基板を加熱することにより、エキシマレーザのみを照射する場合に比べて、大きく結晶成長を促進することができ、大きなデバイスを形成する自由度を高めることが可能となる。ただ、この場合、単純に結晶が大きくなるのではなく、炭酸ガスレーザの併用により、横方向の結晶成長距離が助長される。本発明の場合、結晶成長距離が、従来に比べて数倍〜10倍程度に促進できる効果が確認されている。このように、第２のレーザを併用することにより、大きな領域を一度に結晶化することが可能になり、結晶化領域を広げて、素子配置の自由度を大幅に向上できる。
【００４７】
この場合、炭酸ガスレーザにより加熱される領域はたかだか、基板方向に1μｍ〜数10μmの深さまでであり、基板全体が加熱されることがないため、基板全体としては、低温のまま結晶化を行なうことができ、基板全体を加熱する必要がなく、装置を簡略化できる。また、基板全体が膨張することがないため、ガラス基板の伸縮、膨張を防止することができて有利である。
【００４８】
また、炭酸ガスレーザは、連続発振およびパルス発振が可能であり、自由にパルス幅および強度を変えられ、照射の自由度が高い。第１のレーザとして、エキシマレーザを用いる場合、エキシマレーザはパルス発振であり、パルス幅はレーザによって決まっており、10ns〜100nsであって、自由にパルス幅を変えて、条件を最適化することが困難である。しかし、炭酸ガスレーザは、前述のようにパルス幅を、たとえば、1μｓ〜数10msと自由に変えることが可能であるので、第１のレーザで溶融させた後、比較的長い時間加熱して、溶融状態を保持し、もしくは冷却時間を長くし、その最適条件を選んで、ゆっくりと凝固させることが可能である。また、炭酸ガスレーザは発振効率が高いために、出力１ワットあたりのコストも低く、容易に大出力のレーザを入手でき、装置の低コスト化に役立つなど、エキシマレーザのみで溶融し、結晶化させるよりも有利である。このように炭酸ガスレーザにはいろいろな利点があり、また発振波長は９〜１１μmであるため、第２のレーザ光としては波長９〜１１μmのものを使用するのが好ましい。
【００４９】
炭酸ガスレーザとエキシマレーザに併用する場合、炭酸ガスレーザを連続的に照射しながら、エキシマレーザをパルス的に照射することができる。しかし、より好ましくは、炭酸ガスレーザもパルス状に照射しながら、それに同期してエキシマレーザを照射するのが好ましい。これは、パルス状に照射することにより、長時間基板表面を加熱することを避け、基板表面の平均温度をより低温に保つことができるからであり、基板の冷却機構および熱膨張に対応するための補正装置が不要となり、装置の低コスト化に役立つ。これは、炭酸ガスレーザをパルス状に照射すると、レーザ光が照射されている間は基板表面の温度は高温に保たれるが、炭酸ガスレーザのパルス照射が終了すると速やかに冷却し、時間的な平均値としては、連続的に照射するよりもより低温となるためである。
【００５０】
また、パルス状に照射する場合でも、パルス幅を狭くし、パルスの放射照度（瞬時値）を大きくとる方が、結果的に投入される熱量（エネルギ量）が少なくてすむ。これは、瞬間的に加熱すればするほど、熱拡散で逃げる熱量が少なくなるため、熱の投入量（＝パルス幅×パルス瞬時値）が小さくてすむためである。
【００５１】
第１のレーザとしてエキシマレーザを用い、第２のレーザとして炭酸ガスレーザを用いる場合、これらの両パルスの照射タイミングとしては、図１１（ａ）に示すように、エキシマレーザの照射パルス（ＥＬＰ）に先立って、炭酸ガスレーザの照射を開始し、エキシマレーザの照射が終了して、かつ半導体膜の凝固が終了するまで照射する態様が好ましい。この場合、炭酸ガスレーザのパルス（ＣＬＰ）がエキシマレーザのパルス（ＥＬＰ）に先立つ時間DL１は1μs〜50msの範囲に設定するのが好ましい。
【００５２】
パルス幅は、前述のように、短くするほど、熱の投入量は少なくてすむが、レーザの瞬間値を大きくしなければならず、レーザの大型化を招くため、適当な値にパルス幅を設定するのが好ましい。また、エキシマレーザのパルス幅W２は、前述のようにおおよそ10ns〜100nsの範囲であり、これにより溶融、凝固が終了する時間は、条件により異なるが、エキシマレーザのパルス照射終了後、ほぼ50ns〜200nsの範囲が好ましい。
【００５３】
また、別の照射方法としては、図１１（ｂ）に示すように、炭酸ガスレーザのパルス照射終了後、ある時間（DL2）の後、エキシマレーザを照射する方法がある。この場合、DL2は0ms〜5ms程度に設定するのが好ましい。これはDL2が大きくなり過ぎると、基板が冷却してゆき、照射の効果が薄れるからである。しかし、これらのいずれの場合でも、基板および半導体膜の温度を予め上昇させておくことができる点で、第１のレーザ光に先立って、第２のレーザ光の照射を予め開始しておく態様が好ましい。
【００５４】
本発明により、表面に熱拡散層を設け、光照射により結晶化を行なう場合、結晶化後に熱拡散層を除去し、つぎの工程を行なうことができる。熱拡散層をそのまま残しても良いが、熱拡散層を除去した方が、後の工程であるゲート部分の作製、電極配線、ドーピングなどの半導体形成が容易である。表面の熱拡散層を除去した後は、半導体膜、不純物拡散防止層、ガラス基板という構成となるため、従来の膜構造と同じであり、従来の処理工程をそのまま用いることができるという利点もある。
【００５５】
また、不純物の拡散防止層については、従来の二酸化シリコンを用いることが可能であるので、これについても従来通りの工程で行なうことが可能である。特に、拡散防止層は、基板からの不純物の拡散を防ぐという重要な機能を有する膜であり、従来から用いられている材料をそのまま用いることができれば、工程の再検討の必要がなく、極めて好都合となる。すなわち、本発明のデバイス製造方法の一形態は、従来のデバイス製造方法における半導体薄膜を設ける工程とレーザアニール処理工程との間に熱拡散層を設ける工程を挿入し、かつレーザアニール処理工程と後の工程の間に熱拡散層を除去する工程を挿入する形態であり、かかる形態は、従来の方法に対して変更すべき箇所が少なく、従来の方法からの移行が容易という利点がある。
【００５６】
（半導体膜の製造装置）
本発明の半導体膜の製造装置は、基板上に半導体膜を形成する手段と、基板より熱伝導度の高い熱拡散層を半導体膜上に形成する手段と、熱拡散層の一部を除去することにより、熱拡散層が形成されている領域と、熱拡散層が形成されていない領域とに分けるパターニング手段と、熱拡散層が形成されている領域に第１のレーザ光を照射することにより、半導体膜を溶融する第１のレーザ光照射手段と、溶融した半導体を結晶化する結晶化手段とを備える製造装置であって、第１のレーザ光照射手段において、第１のレーザ光が通過するフォトマスクの開口部が、対物レンズにより基板表面で結像することを特徴とする。本発明の装置により、従来の装置に比べて、結晶の長さを長くすることができ、得られるデバイスの特性を向上させることができるとともに、製造時間を短縮し、製造コストを低減することができる。
【００５７】
実施例１
本実施例では、図１に示すように、ガラス基板4の上に、拡散防止層3として厚さ150nmの二酸化シリコン膜3を蒸着により形成した。つぎに、拡散防止層3の上に、半導体膜2を形成した。半導体膜2としては、アモルファスシリコンを材料に用い、CVD法により、厚さ50nm形成した。その後、半導体膜2上に、さらに熱拡散層1を設けた。熱拡散層1は、窒化アルミニウムを材料に用い、蒸着により厚さ30nm形成した。熱拡散層は、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチング法を組み合せて、図３に示すように、熱拡散層が形成されている領域301a、301bと、熱拡散層が形成されていないその他の領域とにパターニングした。
【００５８】
つぎに、基板に対してレーザアニール処理を施した。レーザアニール処理のために用いた装置を図２に示す。この装置は、第１のレーザ光源205と、反射ミラー207と、開口部を形成したフォトマスク208と、対物レンズ209と、ステージ211を有し、ホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群206を有する。ステージ211には、図１に示すような多層からなる薄膜を積層した基板210を設置した。レーザ光源としては、波長308nm(XeCl使用)、パルス幅30ns、平均出力300Wのエキシマレーザを用いた。また、フォトマスク208の開口部にホモジナイザを通過させた光を照射し、開口部の像を対物レンズ209により基板210のガラス基板の表面で結像させるようにし、また、熱拡散層の複数のパターンを設けた領域が収まる領域にレーザ光が照射されるように設定した。
【００５９】
レーザ光の照射により、図５における半導体膜のうち熱拡散層のパターンが形成されている部分501a、501bが選択的に溶融し、パルス照射が終了すると、溶融した部分は、急速に冷却し結晶化した。本実施例により得られた結晶は、図５に示すように、熱拡散層のパターン501a、501ｂの幅方向に結晶514が成長して、柱状の結晶が得られた。一回の溶融、結晶化により成長する結晶の長さは、約4μｍであり、中央部には微結晶またはアモルファスシリコンは認められなかった。また、領域515は結晶成長が生じないままであった。
【００６０】
比較例１
実施例1における窒化アルミニウムからなる熱拡散層の代わりに、同一の厚さの二酸化シリコン膜を形成した以外は、実施例１と同様にして半導体膜を製造し、レーザ光を照射した。得られた結晶の成長距離Lは、約1μｍ程度にとどまり、中央部の2〜3μｍにアモルファスシリコンが認められた。
【００６１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、結晶の長さを長くすることができるため、移動度の高いトランジスタを製造することができる。また、製造効率を高め、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の製造方法に係る半導体素子の断面図である。
【図２】本発明の製造方法におけるレーザアニール処理で用いる装置を示す模式図である。
【図３】本発明における熱拡散層の平面図である。
【図４】本発明の製造方法において使用するフォトマスクの平面図である。
【図５】本発明の製造方法により得られた結晶の平面図である。
【図６】従来の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。
【図７】従来の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。
【図８】本発明の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。
【図９】本発明の方法により製造される半導体膜の温度分布を示す概念図である。
【図１０】本発明の製造方法におけるレーザアニール処理で用いる装置を示す模式図である。
【図１１】本発明におけるエキシマレーザのパルス信号と炭酸ガスレーザのパルス信号との関係を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
1  熱拡散層、2  半導体膜、3  拡散防止層、4  ガラス基板。
【図１】
2005175211.tif 000003
【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】
2005175211.tif 000009
【図８】
2005175211.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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