(57)【要約】【課題】  半導体薄膜中にラテラル結晶成長を生じさせる光アニールに用いるエネルギーの利用効率の向上させ、さらにその半導体薄膜中にチャネル方向が異なるＴＦＴを近接形成することをも可能にする。【解決手段】  半導体薄膜の製造方法は、基板上に半導体薄膜を形成し、その半導体薄膜上の第２の領域に第２のレーザ光を照射し、その第２レーザ光を照射している間に半導体薄膜上の第１の領域に第１のレーザ光を照射するステップを含み、第２レーザ光は半導体薄膜を溶融させ得ないエネルギを有し、かつ第１レーザ光は半導体薄膜を溶融させ得るエネルギを有し、第１領域と第２領域とはそれらの中心位置がずれた状態で互いに重複させられることを特徴としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体薄膜を形成し、
前記半導体薄膜上の第２の領域に第２のレーザ光を照射し、
前記第２レーザ光を照射している間に、前記半導体薄膜上の第１の領域に第１のレーザ光を照射するステップを含み、
前記第１レーザ光は前記半導体薄膜を溶融させ得るエネルギを有し、かつ前記第２レーザ光は前記半導体薄膜を溶融させ得ないエネルギを有し、
前記第１領域と前記第２領域とはそれらの中心位置がずれた状態で互いに重複させられることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１領域および前記第２領域を矩形領域とし、前記第１矩形領域と前記第２矩形領域とはそれらの短辺の中心位置がずれた状態で互いに重複させられ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】
前記第１レーザ光は第１の矩形の開口を含む第１のマスクを介して前記第１矩形領域に照射され、前記第２レーザ光は第２の矩形の開口を含むマスクを介して前記第２矩形領域に照射されることを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記第２矩形領域は前記第１矩形領域より大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記基板は絶縁性基板であり、その基板上に形成された非晶質シリコン薄膜または多結晶シリコン薄膜に前記第１レーザ光と前記第２レーザ光が照射され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】
請求項１から５のいずれかに記載の製造方法によって形成された半導体薄膜を含む半導体デバイスであって、前記半導体薄膜はキャリヤ輸送層として利用されていることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項７】
前記半導体デバイスは薄膜トランジスタであって、前記半導体薄膜はチャネル層として利用されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁性基板上に形成された非単結晶半導体薄膜から結晶性の制御された結晶質半導体薄膜を製造する方法に関し、特に高エネルギ密度光であるレーザ光線を利用する結晶質半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非晶質半導体薄膜を結晶化した多結晶半導体薄膜を利用してトランジスタを形成した多結晶薄膜トランジスタは、非晶質半導体薄膜を利用してトランジスタを形成した非晶質薄膜トランジスタに比べて大きなキャリヤ移動度を有していて高速動作が期待でき、液晶デバイスの駆動系のみならずガラス基板上に大規模集積回路を実現しうる可能性を有している。
【０００３】
多結晶半導体薄膜は、ガラス基板上の気相成長法によって得られた非晶質半導体薄膜をガラスの軟化点（約６００℃〜６５０℃）以下の温度で長時間熱アニールするか、レーザ等の高エネルギ密度を有する光を照射する光アニールによって得られる。熱アニールでは、ガラスの軟化点以上に基板温度を高くすることが許されないので、半導体薄膜を十分に加熱することができず、キャリヤ移動度が十分に高い多結晶半導体薄膜を得ることが困難である。それに対して、光アニールはガラス基板の温度を軟化点まで上昇させずに半導体薄膜のみに高いエネルギを与えることができるので、キャリヤ移動度が高い多結晶半導体薄膜を得る方法として非常に有効であると考えられる。
【０００４】
現状では、光アニールの光源として、エキシマレーザのような大出力パルスレーザが用いられている。エキシマレーザアニーリング法（以下「ＥＬＡ法」と略記する）では、ガラス基板上の半導体薄膜に対して、断面が線分状に整形されたエキシマレーザ光ビームをその線分に直交する方向に連続的に照射するのが一般的である。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、レーザを照射した領域において、非晶質半導体薄膜は表面から底面までの全厚にわたって溶融するのではなく、底部の非晶質領域を残して溶融する。そして、レーザ照射領域内において、半導体薄膜のいたるところの底面近傍に結晶核が発生し、その薄膜の最表層に向かって結晶成長して、ランダムな方位の結晶粒が形成される。
【０００５】
また、ＥＬＡ法において結晶粒径を大きくするために、半導体薄膜の下地層を加熱する方法が利用されている。半導体薄膜の下地層を加熱する方法としては、ヒータを用いる方法や、エキシマレーザとは異なる波長を有する第２のレーザを用いる方法がある。
【０００６】
さらに、結晶成長方向を横方向に制御する方法として、レーザ照射領域を段階的にシフトさせながら連続的照射することによって、横方向に伸びた針状の結晶を得る技術がある（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載のスーパーラテラル成長と称する技術では、まず数μｍ程度の微細幅のパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、その照射領域内でシリコン薄膜の全厚にわたって溶融・凝固させて結晶化を行う。
【０００７】
この場合、薄膜中の液相領域と固相領域との固液境界がガラス基板面に対して垂直に形成されるので、その固液境界で発生した結晶核から全ての結晶が横方向に成長する。その結果、１段階のレーザ照射により、ガラスの基板面に対して平行で、大きさが均一な針状の結晶粒が得られる。１段階のレーザ照射により形成される結晶長さは１μｍ程度であるが、１段階前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように次段階のレーザパルスを照射することにより、既に成長した結晶を引継いだ長い針状の結晶粒が得られる。
【０００８】
また、比較的大きな結晶粒径を得ることを目的とした技術として、半導体薄膜に関して吸収係数の異なる２種類のレーザ光を用いた結晶化方法（以下「ダブルレーザ法」と略称する）がある（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特開２００１−４４１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、ＥＬＡ法においては、レーザ光を照射した領域の非晶質半導体薄膜が全厚にわたって溶融するのではなくて底部を残して溶融するので、基板側から薄膜の最上表面に向かって結晶が成長する。したがって、結晶粒径が大きくなったとしても、膜面に平行な電子の移動方向に対して結晶粒界が依然として残留するので、キャリヤの高移動度化には限界がある。
【００１０】
前述のスーパーラテラル成長法においては、レーザ光の照射によって昇温した領域内中央の高温部から昇温領域端縁の低温部への熱拡散量ΔＱはΔＱ＝ΚΔＴで表すことができる。ここで、Κは熱拡散係数を表し、ΔＴは低温部と高温部との温度差を表す。冷却過程において、昇温領域内の一方端の低温部と中央の高温部との温度差がΔＴ１で、昇温領域内の他方端の低温部と中央の高温部との温度差がΔＴ２であるとすれば、スーパーラテラル成長法ではΔＴ１＝ΔＴ２である。
【００１１】
したがって、昇温領域内の中央の高温部から両端の低温部への熱拡散量ΔＱは同じであり、冷却過程における温度分布は図６に示すように昇温領域の中央部に関して対称になる。なお、図６の模式的グラフにおいて、横軸は昇温領域内の位置を表し、縦軸は温度を表している。また、ｔは冷却時間を表し、ｔ１、ｔ２、ｔ３の順に大きな経過時間を表している。
【００１２】
すなわち、図７（Ａ）の模式的平面図に示されているように、昇温領域９１内において横方向成長した針状結晶９２は中央部９３までに成長が止まるので、結晶長はビーム照射幅９１の１／２以下になる。なお、中央部９３にでは、微小結晶粒が生じる。この場合、トランジスタ等のデバイス作製に利用し得る結晶領域９２は再結晶させた領域９１の１／２以下である。さらに、図７（Ｂ）に示されているように針状結晶領域９２の一方を残して再度融解・凝固させれば、図７（Ｃ）に示されているように残された針状結晶をさらに伸ばすことができる。しかし、この場合にも、デバイス作製に利用し得る結晶領域の幅は、ビーム照射幅９１と９４の累計の１／２以下である。このことは、光アニールに用いるエネルギ利用効率が５０％以下であると言い替えることができる。
【００１３】
また、スーパーラテラル成長法では、針状結晶の成長方向において高い電子移動度が得られるが、それ以外の方向における電子移動度はそれほど高くない。したがって、電子移動度の高い、すなわち高速のデバイスを形成するためには、デバイスのチャネル方向（電子の流れる方向）を針状結晶の成長方向に合わせてデバイスを形成するか、または形成するデバイスのチャネル方向に合わせてあらかじめ針状結晶を成長させておくことが望ましい。
【００１４】
図８の模式的平面図においては、チャネル方向の異なるデバイス（ＴＦＴ：薄膜電界効果トランジスタ）５２のそれぞれのチャネル方向に針状結晶の成長方向を合わせるために、最初に図中横方向５０に平行に結晶成長させ、次に図中縦方向５１に平行に結晶成長させている。デバイス５２のチャネル部分（中央のくびれた部分）に一方の端縁側の針状結晶５３が並ぶようにそのデバイスを形成すれば、他方の端縁側の針状結晶に阻まれて、チャネル方向の異なる他のデバイス５２を近接させて形成することができない。
【００１５】
なお、前述のダブルレーザ法ではスーパーラテラル成長法よりも長い結晶長を得ることが可能であるが、スーパーラテラル成長法と同様にビーム照射幅の１／２しかデバイス作製に利用できないという問題が依然として残る。
【００１６】
そこで、本発明では、昇温領域の両端縁間に温度差を生じさせることにより、光アニールに用いるエネルギ利用効率の向上させ、さらに図１の模式的平面図に示すようにデバイスのチャネル方向が異なる素子を近接形成することも可能にするために、昇温領域の両端縁からのラテラル結晶成長の会合部がその昇温領域の中央からずれた結晶組織を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、基板上に半導体薄膜を形成し、その半導体薄膜上の第２の領域に第２のレーザ光を照射し、その第２レーザ光を照射している間に半導体薄膜上の第１の領域に第１のレーザ光を照射しするステップを含み、第１レーザ光は半導体薄膜を溶融させ得るエネルギを有し、かつ第２レーザ光は半導体薄膜を溶融させ得ないエネルギを有し、第１領域と第２領域とはそれらの中心位置がずれた状態で互いに重複させられることを特徴としている。
【００１８】
なお、それらの第１領域と第２領域は矩形領域であり得て、第１矩形領域と第２矩形領域とはそれらの短辺の中心位置がずれた状態で互いに重複させられることが好ましい。その場合、第１レーザ光は第１の矩形の開口を含む第１のマスクを介して第１矩形領域に照射され、第２レーザ光は第２の矩形の開口を含むマスクを介して第２矩形領域に照射され得る。また、第１矩形領域は、第２矩形領域より大きいことが好ましい。基板は絶縁性基板であり得て、その基板上に形成された非晶質シリコン薄膜または多結晶シリコン薄膜に第１レーザ光と第２レーザ光が照射され得る
このような製造方法によって形成された半導体薄膜を含む半導体デバイスを作製することが可能であって、その半導体薄膜はキャリヤ輸送層として好ましく利用され得る。そのような半導体デバイスは薄膜トランジスタであり得て、半導体薄膜はチャネル層として利用され得る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のおける半導体薄膜の製造方法における昇温領域中央の高温部と端部の低温部の温度差が両端間で異なるようにレーザ光を照射することによって、ラテラル結晶成長の会合部を溶融部の中央からずらすことが可能となり、溶融部幅に対してデバイス作成に利用し得るラテラル成長部幅の割合が向上する。すなわち、光アニールに用いるエネルギの利用効率を向上させることが可能となる。
【００２０】
また、ラテラル結晶成長の方向とデバイスのチャネル方向とを一致させた高速デバイスの形成において、図１に示すように溶融処理領域５０、５１の一端縁側の針状結晶を短くすることができるので、デバイスのチャネル方向が異なる素子５２を互いに近接して形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（レーザ照射装置）
図２のブロック図は、本発明の多結晶半導体薄膜の製造に利用し得るレーザ照射装置の一例を模式的に示している。このレーザ照射装置は第1と第２のレーザ発振器１０、２０、第１と第２のアッテネータ１１、２１、第１と第２の均一照射光学系１２、２２、第１と第２のマスク１３、２３、ＸＹ方向に所定の速度で移動し得るステージ１４、第１と第２の結像レンズ１５、２５、ミラー１６、ハーフミラー１７、および制御装置３０を備えている。
【００２２】
第１のレーザ発振器１０は半導体薄膜を溶融させることができれば特に限定されるものではないが、本発明の実施形態では波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用いた。第２のレーザ発振器２０は、半導体薄膜を透過しかつその下地層を加熱することができれば特に限定されるものではないが、本発明の実施形態においては波長１０．６μｍのＣＯ2レーザを用いた。
【００２３】
第１と第２のアッテネータ１１、２１は、それぞれ第１と第２のレーザ発振器１０、２０から出射した第１と第２のレーザ光１、２を所定の光量に減衰させ、放射照度を調整する機能を有する。第１と第２の均一照射光学系１２、２２は、それぞれ第１と第２のレーザ発振器１０、２０から出射した第１と第２のレーザ光１、２の放射照度分布を均一化する機能を有する。第１と第２の結像レンズ１５、２５は、それぞれ第１と第２のマスク１３、２３の開口を基板４０の面上に所定の倍率により結像する。
【００２４】
ミラー１６は第１のレーザ光１を折返すために用いるが、その配置箇所や数量には制限がなく、装置の光学設計や機構設計に応じて適切に設定することが可能である。ハーフミラー１７は第１レーザ発振器１０より出射した第１レーザ光１と第２レーザ発振器２０より出射した第２レーザ光２を融合させる機能を有するものである。
【００２５】
マスク１３、２３としては、矩形状の透過部を有するものを用いた。マスク基板としては、石英やガラスなどの材料が用いられ得る。遮光部としては、クロム、ニッケル、アルミニウムなどの金属薄膜を用いるか、または反射もしくは吸収の作用を有する誘電体多層膜を用いることができる。なお、第２マスク２３の矩形状透過部の短辺の長さは、第１マスク１３の矩形状透過部の短辺の長さより大きくされた。
【００２６】
制御装置３０は、第１レーザ発振器１０からの第１レーザ光１と第２レーザ発振器２０からの第２レーザ光２とに関する放射時間のタイミング制御や放射照度の制御を行うことができる。
【００２７】
（半導体薄膜の製造方法）
図３の模式的断面図は、本実施形態で用いた具体的な半導体基板４０の層構造を例示している。この半導体基板４０は、ガラス基礎基板４１上に順次積層された厚さ１００ｎｍの酸化珪素（ＳｉＯ2）膜４２と厚さ５０ｎｍの非晶質珪素（ａ−Ｓｉ）膜４３を含んでいる。この積層構造を有する基板４０は、ガラス基礎基板４１上にプラズマＣＶＤ法により酸化珪素膜４２を成膜し、その上に非晶質珪素膜４３をプラズマＣＶＤ法により成膜することにより作製した。
【００２８】
以下において、図２のレーザ照射装置を用いて非晶質珪素膜４３の結晶化処理を行う方法について述べる。まず、非晶質珪素膜４３が設けられた半導体基板４０をステージ１４上に載せる。そして、第２のレーザ光２を照射する。第１のレーザ光１は第２のレーザ光２を出射後で所定時間が経過した後に出射し、第２のレーザ光２の照射中に停止するように照射する。
【００２９】
第１と第２のレーザ光１、２は、第１と第２のレーザ発振器１０、２０から出射後に、それらの放射照度が第１と第２のアッテネータ１１、２１により調整される。放射照度調整された第１と第２のレーザ光１、２を矩形状の透過部を有する第１と第２のマスク１３、２３にそれぞれ照射し、それらの透過像が第１と第２の結像レンズ１５、２５を経て所定の大きさの像として基板４０上に投影される。
【００３０】
このとき、図４の模式的斜視図に示されているように、第２マスク２３により矩形状に整形された第２レーザ光２と第１マスク１３により矩形状に整形された第１レーザ光１とのそれぞれの矩形像（照射領域）３、４の短辺の中心が互いに異なる位置になるように基板４０上に重ねて照射される。この場合、第２レーザ光２の照射領域３は、第１レーザ光１の照射領域４より広い。
【００３１】
第２レーザ光２により加熱された基礎基板４１側から半導体薄膜４３側への熱拡散によって、その半導体薄膜４３が部分的に加熱保温される。半導体薄膜４３の領域３が加熱保温された状態において、第１レーザ光１を半導体薄膜４３の領域４に照射すれば、その第１レーザ光１により昇温する領域４の両端縁の低温部に温度差が形成される。
【００３２】
すなわち、第２レーザ光２による矩形の加熱保温領域３は、第１レーザ光１による矩形の照射領域４と互いに短辺の中心が異なる位置になるように重ねられているので、第２レーザ光２による加熱保温効果は第１レーザ光１による昇温領域４の中央に対して非対称であり、第１レーザ光１による昇温領域４の一方の端縁側の低温部の温度と他方の端縁側の低温部の温度とに差を生じさせる。そして、昇温領域４における中央近傍の高温部と両端縁側の低温部とのそれぞれの温度差ΔＴ１とΔＴ２が異なることになる。
【００３３】
換言すれば、溶融領域４の一端縁側に関する高温部から低温部への熱拡散量ΔＱ１＝Κ・ΔＴ１と他端縁側における熱拡散量ΔＱ２＝Κ・ΔＴ２とが異なる。その結果、図５に示すように温度分布が昇温領域４の中央部に対して非対称になり、ラテラル結晶成長の会合部が昇温領域４に中央からずれることになる。なお、図５のグラフは図６のグラフに類似しており、その横軸は昇温領域４中の位置を表し、縦軸は温度を表している。また、ｔは時間を表し、ｔ１、ｔ２、ｔ３の順に冷却時間の経過が大きいことを表している。
【００３４】
なお、上述の実施形態で述べられた第２レーザ光２は半導体薄膜４３を溶融しない程度に加熱保持できるものであればよく、半導体薄膜４３をその程度に直接加熱することができるエネルギ光であってもよい。また、図５に示すような温度分布が得られる限り、第１レーザ光１と第２レーザ光２の照射のタイミングは上述の実施形態の例に限られない。
【００３５】
昇温領域４において中央近傍の高温部と両端縁側の低温部とのそれぞれの温度差ΔＴ１とΔＴ２が異なるように各レーザ照射強度と照射位置を設定して実際に結晶化処理を行ったところ、両端縁側からのラテラル結晶成長の長さの比を約１対３から３対４程度にすることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、昇温領域の両端縁間に温度差を生じさせることにより、ラテラル結晶成長の際の光アニールのエネルギ利用効率を向上させ得る。また、昇温領域の両端縁からのラテラル結晶成長の会合部がその昇温領域の中央からずれた結晶組織を得ることができるので、図１の模式的平面図に示すようにデバイスのチャネル方向が異なる素子を近接形成することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明における半導体薄膜の結晶化組織およびＴＦＴの配置を示す模式的平面図である。
【図２】本発明に利用し得るレーザ照射装置の一例を示す模式的ブロック図である。
【図３】半導体基板の積層構造を示す模式的断面図である。
【図４】本発明におけるレーザ照射方法の一例を示す模式的斜視図である。
【図５】本発明におけるレーザ照射後の時間の推移に伴う温度分布の変化を示す模式的グラフである。
【図６】従来のスーパーラテラル成長法におけるレーザ照射後の時間の推移に伴う温度分布の変化を示す模式的グラフである。
【図７】従来のスーパーラテラル成長法における結晶成長の様子を示す模式的平面図である。
【図８】従来のスーパーラテラル成長法における半導体薄膜の結晶化組織およびＴＦＴの配列を示す模式的平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  第１のレーザ光、２  第２のレーザ光、３  第２レーザ光の照射領域、４  第１レーザ光の照射領域、１０  第１のレーザ発振器、１１  第１のアッテネータ、１２  第１の均一照射光学系、１３  第１のマスク、１４  ステージ、１５  第１の結像レンズ、１６  ミラー、１７  ハーフミラー、２０  第２のレーザ発振器、２１  第２のアッテネータ、２２  第２の均一照射光学系、２３  第２のマスク、２５  第２の結像レンズ、３０  制御装置、４０  半導体基板、４１  ガラス基礎基板、４２  酸化珪素膜（ＳｉＯ２）、４３  非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ）、５０  １回目の結晶化領域、５１  ２回目の結晶化領域、５２  ＴＦＴ、５３  チャネル領域。
【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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