(57)【要約】【課題】  結晶粒径を大きくすることができ、結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供する。【解決手段】  絶縁性基板１１上に少なくとも非単結晶半導体薄膜１３を形成する薄膜形成工程と、非単結晶半導体薄膜１３に、非単結晶半導体薄膜１３を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームと、第１のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜１３の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜１３を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームとを照射して、非単結晶半導体薄膜１３を結晶化させる結晶化工程とを含む半導体薄膜の製造方法であって、結晶化工程は水分子を含むガスの雰囲気下で行なわれる半導体薄膜の製造方法とである。また、この半導体薄膜の製造方法に用いられる半導体薄膜の製造装置である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に少なくとも非単結晶半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記非単結晶半導体薄膜に、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームと、前記第１のエネルギビームよりも前記非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームとを照射して、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化させる結晶化工程と、を含む半導体薄膜の製造方法であって、前記結晶化工程は水分子を含むガスの雰囲気下で行なわれることを特徴とする、半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記薄膜形成工程と前記結晶化工程との間に前記非単結晶半導体薄膜上の少なくとも一部に反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程を含み、前記反射防止膜を通して、前記非単結晶半導体薄膜に前記第１のエネルギビームと前記第２のエネルギビームとを照射す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】
前記水分子を含むガスは水蒸気であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記結晶化工程は雰囲気制御が可能な照射室内で行なわれることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記第１のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり、前記第２のエネルギビームは赤外光からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記第１のエネルギビームおよび前記第２のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記第１のエネルギビームはエキシマレーザ光からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記第２のエネルギビームのエネルギの少なくとも一部が前記水分子を含むガスに吸収されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記第２のエネルギビームは炭酸ガスレーザ光からなることを特徴とする、請求項８に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
照射室と、前記照射室の壁面に設置された窓部と、前記窓部を通して前記照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に前記非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームを照射する第１のエネルギビーム供給源と、前記第１のエネルギビームよりも前記非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームを前記窓部を通して前記照射室の内部に設置された前記非単結晶半導体薄膜に照射する第２のエネルギビーム供給源と、前記照射室の内部に水分子を含むガスを供給する手段と、を含むことを特徴とする、半導体薄膜の製造装置。
【請求項１１】
前記照射室の内部に前記第２のエネルギビームの断面を拡大した後に縮小する手段を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１２】
前記窓部が、前記第１のエネルギビームを透過する第１の窓部と前記第２のエネルギビームを透過する第２の窓部とからなることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１３】
前記第１のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり、前記第２のエネルギビームは赤外光からなることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１４】
前記第２のエネルギビームは炭酸ガスレーザ光からなることを特徴とする、請求項１３に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１５】
前記第１のエネルギビームおよび前記第２のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１６】
前記第１のエネルギビームはエキシマレーザ光からなることを特徴とする、請求項１０から１５のいずれか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および半導体薄膜の製造装置に関し、特に結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶や有機エレクトロルミネッセンス等を応用したディスプレイ等の表示装置においては、安価なガラス基板上に多結晶シリコン薄膜が形成されている薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）を用いることに関心が高まっている。
【０００３】
このＴＦＴの製造方法としては、ＣＶＤ法（化学蒸着法）等を用いてガラス基板上に非晶質シリコン薄膜を形成し、この非晶質シリコン薄膜にエキシマレーザ光を照射することによって約６００℃以下の低温で非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法が注目されている。
【０００４】
高性能の表示装置を製造するためには、表示装置に用いられるＴＦＴの多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることによって、多結晶シリコン薄膜における電子の移動度を向上させる必要がある。また、多結晶シリコン薄膜の結晶粒内においては、多数のシリコンの未結合手からなる欠陥が存在し、この欠陥に電子が捕捉されることによって電子の移動が妨げられるため、結晶粒内の欠陥を低減させる必要もある。
【０００５】
特開平１０−１７２９１１号公報には、水蒸気雰囲気下で非単結晶半導体薄膜に対してレーザ光を照射して非単結晶半導体薄膜近傍の水蒸気を保温層として非単結晶半導体薄膜を結晶化させる方法が開示されている。しかしながら、この方法においては、保温層としての機能を最大限発揮させるために、水蒸気の温度を−１０〜１００℃の温度範囲に制御する必要があり、このような雰囲気下では結晶粒内の欠陥を低減させることは到底不可能である。
【０００６】
また、“Japanese Journal of Applied Physics”には、約２６０℃の高圧水蒸気処理によって結晶粒内の欠陥を低減させる方法が開示されている。しかしながら、この方法は結晶化工程が終了した後に別途行なわれる必要があることから、製造プロセスが増大することによって半導体薄膜の製造コストが増大するという問題があった。
【特許文献１】特開平１０−１７２９１１号公報
【非特許文献１】“Japanese Journal of Applied Physics”，２０００年，Ｖｏｌ．３９，ｐ．３８８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、絶縁性基板上に少なくとも非単結晶半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、非単結晶半導体薄膜に、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームと、第１のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームとを照射して、非単結晶半導体薄膜を結晶化させる結晶化工程と、を含む半導体薄膜の製造方法であって、結晶化工程は水分子を含むガスの雰囲気下で行なわれる半導体薄膜の製造方法である。
【０００９】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、薄膜形成工程と結晶化工程との間に非単結晶半導体薄膜上の少なくとも一部に反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程を含み、反射防止膜を通して、非単結晶半導体薄膜に第１のエネルギビームと第２のエネルギビームとを照射することもできる。
【００１０】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、水分子を含むガスは水蒸気であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、結晶化工程は雰囲気制御が可能な照射室内で行なわれることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第１のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり、第２のエネルギビームは赤外光からなり得る。
【００１３】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第１のエネルギビームおよび第２のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり得る。
【００１４】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第１のエネルギビームはエキシマレーザ光からなることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第２のエネルギビームのエネルギの少なくとも一部が水分子を含むガスに吸収されることが好ましい。
【００１６】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法において、第２のエネルギビームは炭酸ガスレーザ光からなることが好ましい。
【００１７】
本発明は、照射室と、照射室の壁面に設置された窓部と、窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームを照射する第１のエネルギビーム供給源と、第１のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームを窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に照射する第２のエネルギビーム供給源と、照射室の内部に水分子を含むガスを供給する手段とを含む半導体薄膜の製造装置である。
【００１８】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、照射室の内部に第２のエネルギビームの断面を拡大した後に縮小する手段を含むことが好ましい。
【００１９】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、窓部が第１のエネルギビームを透過する第１の窓部と第２のエネルギビームを透過する第２の窓部とからなり得る。
【００２０】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第１のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり、第２のエネルギビームは赤外光からなり得る。
【００２１】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第２のエネルギビームは炭酸ガスレーザ光からなることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第１のエネルギビームおよび第２のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光からなり得る。
【００２３】
また、本発明の半導体薄膜の製造装置においては、第１のエネルギビームはエキシマレーザ光からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、絶縁性基板上に少なくとも非単結晶半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、非単結晶半導体薄膜に、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームと、第１のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームとを照射して、非単結晶半導体薄膜を結晶化させる結晶化工程とを含み、結晶化工程は水分子を含むガスの雰囲気下で行なわれる半導体薄膜の製造方法である。
【００２６】
本発明においては、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームを非単結晶半導体薄膜に照射することによって非単結晶半導体薄膜を結晶化すると共に、第１のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームを照射する。これによって、非単結晶半導体薄膜に吸収されなかった第２のエネルギビームが非単結晶半導体薄膜の下方にある絶縁性基板等に吸収されて絶縁性基板等の温度が上昇し、非単結晶半導体薄膜の温度が高温に保持される。そして、非単結晶半導体薄膜の結晶化時間を長くすることによって、半導体薄膜中の結晶粒径を大きくすることができる。さらに、第１のエネルギビームおよび第２のエネルギビームの照射を水分子を含むガスの雰囲気下で行なうことによって、半導体薄膜中の未結合手を終端して結晶粒内の欠陥を低減させることもできる。
【００２７】
ここで、「絶縁性基板」とは、静電場を印加したときに誘電分極を生じるが直流電流を生じない基板のことをいう。また、「非単結晶半導体薄膜」とは、単結晶でない半導体薄膜のことをいう。また、「非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギ」とは、そのエネルギを非単結晶半導体薄膜に与えることによって非単結晶半導体薄膜の結晶化を進行させることができるエネルギのことをいう。また、「吸収率」とは、非単結晶半導体薄膜に照射されたエネルギ全体に対する非単結晶半導体薄膜が吸収したエネルギの割合のことをいう。
【００２８】
また、本発明においては、非単結晶半導体薄膜上に第１のエネルギビームを透過し、第１のエネルギビームの反射を抑制する反射防止膜を形成することもできる傾向にある。これにより、反射防止膜を通して、反射防止膜の下方にある非単結晶半導体薄膜により多くの第１のエネルギビームが照射されることになることから、反射防止膜の下方にある非単結晶半導体薄膜の結晶化をより促進し得る。
【００２９】
また、本発明において、水分子を含むガスは水蒸気であることが好ましい。この場合には、半導体薄膜中の未結合手をより多く終端することができる傾向にあることから、効率的に結晶粒内の欠陥を低減させることができる。
【００３０】
また、本発明において、雰囲気制御が可能なエネルギビームの照射室内で非単結晶半導体薄膜の結晶化が行なわれることが好ましい。この場合には、半導体薄膜中の未結合手の終端をより好適な雰囲気下で行なうことができることから、効率的に結晶粒内の欠陥を低減させることができる。
【００３１】
また、本発明は、照射室と、照射室の壁面に設置された窓部と、窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを有する第１のエネルギビームを照射する第１のエネルギビーム供給源と、第１のエネルギビームよりも非単結晶半導体薄膜の吸収率が小さく、かつ、非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギよりも小さいエネルギを有する第２のエネルギビームを窓部を通して照射室の内部に設置された非単結晶半導体薄膜に照射する第２のエネルギビーム供給源と、照射室の内部に水分子を含むガスを供給する手段とを含む半導体薄膜の製造装置である。
【００３２】
すなわち、水分子を含むガスを供給する手段を用いて照射室の内部を水分子を含むガス雰囲気とし、第１のエネルギビーム供給源から照射される第１のエネルギビームと第２のエネルギビーム供給源から照射される第２のエネルギビームとを非単結晶半導体薄膜に照射することによって、半導体薄膜中の結晶粒径を大きくし、また、結晶粒内の欠陥を低減させることができる。
【００３３】
また、本発明においては、照射室の内部に第２のエネルギビームの断面を拡大した後に縮小する手段を含むことが好ましい。照射室の内部で第２のエネルギビームの断面を拡大した後に縮小した場合には、第２のエネルギビームが照射室の内部の水蒸気に吸収されやすくなることから、結晶粒内の欠陥をより低減させることができる傾向にある。ここで、「第２のエネルギビームの断面」とは、第２のエネルギビームの進行方向に対して垂直な方向に第２のエネルギビームを切断したときの切断面のことをいう。
【００３４】
また、本発明において、第１のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光、例えばエキシマレーザ光からなることが好ましい。エキシマレーザ光は波長１ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する紫外光であることから非単結晶半導体薄膜を結晶化させるエネルギを十分に有している点で好ましい。また、第１のエネルギビームはシリコンを溶融することができるエネルギを有するエネルギビームであることがシリコンの結晶化の観点から好ましい。
【００３５】
また、第２のエネルギビームは赤外光、例えば炭酸ガスレーザ光からなることが好ましい。炭酸ガスレーザ光等の赤外光は水蒸気が吸収しやすく結晶粒内の欠陥をより効率的に低減させることができる傾向にある。また、第２のエネルギビームはパルス発振されたレーザ光、例えばホルミウム・ヤグ（Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザ光等からなることもできる。
【００３６】
図１に本発明に用いられる非単結晶半導体薄膜を含む被処理体の好ましい一例の模式的な断面図を示す。この被処理体２９は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１上に形成された下地膜１２と、下地膜１２上に形成された非単結晶半導体薄膜としての非晶質シリコン薄膜１３とから構成されている。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００３７】
ここで、下地膜１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなっており、下地膜１２は蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ法等を用いて形成される。この下地膜１２はガラス基板１１からの不純物の拡散を防止するために形成されるものである。また、下地膜１２にはＳｉＯ2に代えて、他の材料を用いることもできる。
【００３８】
また、非晶質シリコン薄膜１３は、蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ法等を用いて、３０ｎｍ〜１００ｎｍの厚みで形成されることが高性能のＴＦＴ等の半導体装置を製造する観点から好ましい。この被処理体２９を本発明の半導体薄膜の製造装置に設置して、非晶質シリコン薄膜１３の多結晶化が行なわれる。
【００３９】
図２に本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい一例の模式的な断面図を示す。本発明の半導体薄膜の製造装置は、照射室２１と、照射室２１の壁面に設置された窓部としての第１の透過窓２８および第２の透過窓３１と、被処理体２９が設置される照射室２１の内部のステージ３２と、ステージ３２の移動を可能とする移動機構３３と、照射室２１の内部に水分子を含むガスを供給する手段としてのガス供給口３５と、照射室２１の外部にガスを排出する手段としてのガス排出口３４と、第１のエネルギビーム供給源としての第１のレーザ光発振器２２と、第１の光学素子群２３と、第１のミラー２４と、第１のフィールドレンズ２５と、第１のフォトマスク２６と、第１の結像レンズ２７と、第２のエネルギビーム供給源としての赤外線ランプ３０とを含む。
【００４０】
本発明の半導体薄膜の製造装置において、ガス供給口３５から照射室２１の内部に水蒸気が導入されることによって、照射室２１の内部が水蒸気雰囲気とされる。ここで、本発明においては、水蒸気に代えて、水分子を含む空気または水分子を含む窒素等を導入することもできる。
【００４１】
そして、第１のレーザ光発振器２２から第１のエネルギビームとしてのＸｅＣｌを用いたエキシマレーザ光が発振され、このエキシマレーザ光は第１の光学素子群２３中のエキスパンダによって適当な大きさに整形されると共に第１の光学素子群２３中のホモジナイザによってエキシマレーザ光の照射領域内における放射照度の一様化が図られる。
【００４２】
次いで、第１の光学素子群２３を通過したエキシマレーザ光は、第１のミラー２４によって反射され、第１のフィールドレンズ２５と第１のフォトマスク２６とを通過する。そして、第１のフォトマスク２６を通過したエキシマレーザ光は、第１の結像レンズ２７で第１のフォトマスク２６の像として結像させられ、溶融石英からなる第１の透過窓２８を通して非晶質シリコン薄膜１３に照射されて、非晶質シリコン薄膜１３が溶融する。
【００４３】
これに加えて、赤外線ランプ３０から第２のエネルギビームとして波長２．５μｍ〜８．０μｍの範囲にピーク波長を有する赤外光が発振され、セレン化亜鉛等からなる第２の透過窓３１を通して非晶質シリコン薄膜１３に照射される。ここで、赤外線ランプ３０から発振される赤外光は、非晶質シリコン薄膜１３の下方にある下地膜１２およびガラス基板１１に吸収されて、非晶質シリコン薄膜１３の温度を高温に保つことができる。それゆえ、非晶質シリコン薄膜１３が溶融している時間を長くすることができ、溶融した非晶質シリコン薄膜１３の結晶化速度が遅くなるため、結晶粒径の大きい多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００４４】
さらに、赤外線ランプ３０から発振された赤外光の一部は照射室２１の内部の水蒸気にも吸収される。したがって、体積が一定に保たれた照射室２１の内部では、赤外光を吸収して温度が上昇した水蒸気によって照射室２１の内部の圧力が上昇する。これにより、非晶質シリコン薄膜１３の多結晶化と同時に水蒸気中の水素がシリコンの未結合手を終端し、結晶粒内の欠陥を低減させることができる。
【００４５】
そして、移動機構３３によってステージ３２上の被処理体２９を水平方向に移動させることで、エキシマレーザ光を非晶質シリコン薄膜１３に対して走査しながら照射し、非晶質シリコン薄膜１３の全体にわたって多結晶化を行なうことができる。
【００４６】
ここで、本発明においては、赤外線ランプ３０として、波長２．５μｍ〜８．０μｍの範囲にピーク波長を有する赤外光を発振する発振器（例えば、カーボンランプヒータ）を用いた場合には、第１の透過窓２８および第２の透過窓３１の材質に波長１０μｍまでの光が透過可能であるフッ化カルシウムを用いることが好ましい。この場合には、第１の透過窓と第２の透過窓とを兼ねたより広い透過窓を設置することによって、本発明の半導体薄膜の製造装置の製造コストを低減させることができる。
【００４７】
また、第１の光学素子群２３中のエキスパンダは望遠系若しくは縮小系を有する光学系であって、第１のフォトマスク２６上におけるエキシマレーザ光の照射領域を決定するものである。また、ホモジナイザは、レンズアレーまたはシリンドリカルレンズアレーによって構成されており、エキシマレーザ光を分割した後に再度合成することで、第１のフォトマスク２６上の照射領域内における放射照度の一様化を図るものである。また、第１のフィールドレンズ２５は、第１のフォトマスク２６を透過したエキシマレーザ光を結像面に垂直に照射させる機能を有するものである。
【００４８】
また、第１のフォトマスク２６は、例えば、複数のスリット状の開口部を有している。第１のフォトマスク２６のスリット状の開口部の幅を２０μｍに設定し、光学倍率を１／４倍とした第１の結像レンズ２７を設置することによって、非晶質シリコン薄膜１３において幅５μｍのスリット状の結晶化領域が複数形成される。このとき、スリット状の開口部の幅方向に結晶が成長することによって柱状の結晶が得られるが、移動機構３３によってステージ３２を移動させることによってエキシマレーザ光の照射領域を一部重ね合わせて逐次エキシマレーザ光の照射を行なうことで、スリット状の開口部の幅方向に揃った結晶を形成することができる。
【００４９】
また、第２のエネルギビームとしての赤外光の照射領域を、第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射領域よりも広い領域とすることが好ましい。この場合には、安定して結晶粒径を大きくすることができる傾向にある。また、第２のエネルギビームとしての赤外光の照射時間を、第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射時間よりも長くすることによって、結晶粒径をより大きくすることができる。さらに、結晶粒径をより大きくする観点からは、第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射は、第２のエネルギビームとしての赤外光の照射中、照射直前または照射直後のいずれかの時期に行なわれることが好ましい。
【００５０】
図３に、本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい他の一例の模式的な断面図を示す。この半導体薄膜の製造装置においては、第２のエネルギビームとして波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザを用いることに特徴がある。
【００５１】
第２のレーザ光発振器４１から発振された炭酸ガスレーザ光は、エキスパンダやホモジナイザ等から構成される第２の光学素子群４２を通過し、第２のミラー４３で反射された後、第２のフィールドレンズ４４および第２の結像レンズ４５を通過して第２の透過窓３１を通して被処理体２９に照射される。そして、炭酸ガスレーザ光は、被処理体２９の下地膜１２およびガラス基板１１に吸収され、下地膜１２およびガラス基板１１の温度を上昇させることによって、非晶質シリコン薄膜１３の温度を高温に保つことができる。それゆえ、この場合においても、非晶質シリコン薄膜１３の溶融時間を長くすることができ、溶融した非晶質シリコン薄膜１３の結晶化速度が遅くなるため、結晶粒径の大きい多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００５２】
ここで、図示はしないが、第２の光学素子群４２、第２のフィールドレンズ４４または第２の結像レンズ４５等の光学系を照射室２１の内部に設置して、第２のレーザ光発振器４１から発振された炭酸ガスレーザ光の断面を照射室２１の内部で一旦拡大させた後、再度縮小して結像させる。すると、照射室２１の内部の水蒸気による炭酸ガスレーザ光の吸収の効果がさらに増大するため、シリコンの未結合手の終端を効果的に行なうことができ、結晶粒内の欠陥の低減を図ることができる。
【００５３】
図４に、本発明に用いられる被処理体の他の好ましい一例の模式的な断面図を示す。被処理体２９は、ガラス基板１１上に順次形成された下地膜１２と非晶質シリコン薄膜１３と、非晶質シリコン薄膜１３上の少なくとも一部にパターンニングされた反射防止膜１４とから構成される。
【００５４】
この反射防止膜１４は、第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光を透過する材質からなっており、被処理体２９の表面にエキシマレーザ光を照射したときにエキシマレーザ光の反射を抑制するパターンを有している。
【００５５】
この反射防止膜１４を有する被処理体２９の上方から、非晶質シリコン薄膜１３を結晶化させ得るエネルギを有する第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光と、エキシマレーザ光よりも非晶質シリコン薄膜１３に吸収されにくく、かつエネルギの小さい第２のエネルギビームとを水蒸気雰囲気の照射室１２の内部で照射する。
【００５６】
このように反射防止膜１４を通して非晶質シリコン薄膜１３に第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光を照射することによって、反射防止膜１４の下方にある非晶質シリコン薄膜１３が溶融しやすくなって、反射防止膜１４の端部から中央部に向かって非晶質シリコン薄膜１３の厚み方向に対して垂直方向に結晶化するため、結晶化領域を任意の位置に均一に形成することが可能となる。また、被処理体２９には第２のエネルギビームも照射されることから、結晶粒径を大きくすることもできるだけでなく、反射防止膜１４の幅を大きくすることも可能となり、ＴＦＴ等の半導体装置の高性能化に加えて、半導体装置設計の自由度も向上させることができる。
【００５７】
ここで、反射防止膜１４の厚みｄは、第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の波長をλとし、反射防止膜１４の屈折率をｎとした場合に、λ／（４ｎ）−λ／（８ｎ）≦ｄ≦λ／（４ｎ）＋λ／（８ｎ）の関係が成立するように設定されることが好ましい。この場合には、反射防止膜１４に吸収される第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の量が増加する傾向にあるためである。また、反射防止膜１４の材質としては、ＳｉＯ2等を用いることができる。すなわち、エキシマレーザ光として、ＸｅＣｌを用いたエキシマレーザ光（λ＝３０８ｎｍ）をＳｉＯ2（ｎ＝１．５４）からなる反射防止膜１４に照射する場合には反射防止膜１４の厚さｄ（ｎｍ）は２５≦ｄ≦７５の関係を満たすことが好適である。
【００５８】
非晶質シリコン薄膜１３の結晶化の後、ゲート絶縁膜の形成、電極配線および不純物のドーピング等が行なわれて、ＴＦＴ等の半導体装置が製造される。ここで、反射防止膜１４をゲート絶縁膜として使用すると、被処理体２９は反射防止膜１４を含んだ状態で水蒸気雰囲気の照射室２１の内部で結晶化処理がされているため、結晶中の欠陥の低減に加えて、シリコン結晶とゲート絶縁膜との界面の欠陥も低減されるため、さらに高品質の結晶を得ることができる。
【００５９】
上記においては、第１のレーザ光発振器２２として、非晶質シリコン薄膜１３に吸収されやすいＸｅＣｌエキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）を発振するレーザ光発振器を用いたが、本発明においてはＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）またはＹＡＧレーザ光の三倍波等の発振が可能なレーザ光発振器を用いることもできる。
【００６０】
また、上記において、結晶化工程における照射室２１内の温度は、２００℃以上４００℃以下であることが好ましい。この場合には、シリコンの未結合手の終端をより効果的に行なうことができる傾向にある。また、図示しないが、照射室２１内の温度を制御するため、ヒータ等の加熱源を設置することもできる。
【００６１】
また、上記において、第１のエネルギビームとしてのエキシマレーザ光の照射は、パルス幅が１〜９０ｎｓｅｃであって、長さが２００〜４００ｍｍで、幅が０．２〜１．０ｍｍの線状のエキシマレーザ光を一方向に走査して行なうこともできる。
【００６２】
今回開示された実施の形態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】
【００６３】
本発明によれば、結晶粒径を大きくすることができ、かつ結晶粒内の欠陥を低減させることができる半導体薄膜の製造方法および半導体薄膜の製造装置を提供することができるので、本発明は、ＴＦＴ等の半導体装置の製造に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に用いられる非単結晶半導体薄膜を含む被処理体の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図２】本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図３】本発明の半導体薄膜の製造装置の好ましい他の一例の模式的な断面図である。
【図４】本発明に用いられる被処理体の他の好ましい一例の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１１  ガラス基板、１２  下地膜、１３  非晶質シリコン薄膜、１４  反射防止膜、２１  照射室、２２  第１のレーザ光発振器、２３  第１の光学素子群、２４  第１のミラー、２５  第１のフィールドレンズ、２６  第１のフォトマスク、２７  第１の結像レンズ、２８  第１の透過窓、２９  被処理体、３０  赤外線ランプ、３１  第２の透過窓、３２  ステージ、３３  移動機構、３４  ガス排出口、３５  ガス供給口、４１  第２のレーザ光発振器、４２  第２の光学素子群、４３  第２のミラー、４４  第２のフィールドレンズ、４５  第２の結像レンズ。
【図１】
2005268535.tif 000003
【図２】
2005268535.tif 000004
【図３】
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【図４】
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