(57)【要約】【課題】  ＳＬＳ法おいてレーザ照射を繰り返した最後の領域における表面突起高さ（リッジ）を低減させることができる半導体デバイスの製造方法、製造装置およびそれらによって製造された半導体デバイスを提供すること。【解決手段】  基板上に半導体膜が形成された半導体デバイスであって、該半導体膜は横方向成長結晶を有し、かつ、該横方向成長結晶の端部において表面突起高さが前記半導体膜の膜厚より低い半導体デバイス。【選択図】        図１
2005276944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体膜が形成された半導体デバイスであって、該半導体膜は横方向成長結晶を有し、かつ、該横方向成長結晶の端部において表面突起高さが前記半導体膜の膜厚より低いことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
前記横方向成長結晶は、前記半導体膜にレーザ照射することにより結晶成長された結晶であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記横方向成長結晶は、前記レーザ照射を、レーザ照射により横方向に結晶成長した部分を引き続くように半導体膜の面方向に段階的に移動して、前記部分の結晶を引き継ぐことにより、結晶成長が拡大された結晶であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
横方向結晶成長の端部における表面突起高さは、前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを用いて、半導体膜の膜厚よりも低くされたことを特徴とする、請求項２または３に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを、前記半導体デバイスに段階的にレーザ照射する際の最終照射において用いることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを、前記半導体デバイスに段階的にレーザ照射する際の最終照射から数段階前の照射より用いることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを、前記半導体デバイスに段階的にレーザ照射する際の最終照射の位置において用いることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
基板上に半導体膜が形成された半導体デバイスにおいて、
該半導体膜にレーザを照射して該半導体膜において横方向に結晶成長させるステップと、
前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを照射して前記横方向の成長結晶の端部における表面突起高さを前記半導体膜の膜厚よりも低くするステップと、
を含む、半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記半導体膜において横方向に結晶成長させるレーザ照射を、結晶成長した半導体膜の部分を引き続くように段階的に移動させて行うことを特徴とする、請求項８に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを、レーザを段階的に移動させて照射するステップにおける最終照射に用いることを特徴とする、請求項９に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを、レーザを段階的に移動させて照射するステップにおける最終照射から数段階前の照射より用いることを特徴とする、請求項９に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを、レーザを段階的に移動させて照射するステップにおける最終照射の位置において用いることを特徴とする、請求項９に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザ照射を行うために、レンズまたはステージの位置を動かしエネルギ照射量を制御することを特徴とする、請求項８〜１２のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザ照射を行うために、同一波長のレーザ発振器２台のうち１台を停止させることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記半導体膜において横方向に結晶成長させるために段階的にレーザ照射するに際し、半導体膜に吸収されやすい波長を有するメインレーザ発振器と、基板または溶融状態の半導体膜に吸収されやすい波長を有するサブレーザ発振器とを用い、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザ照射を行うために、該サブレーザ発振器を停止させることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置であって、
第一のレーザ発振器と、第二のレーザ発振器と、これら２つのレーザ発振器を制御するコントローラとを含む、半導体デバイスの製造装置。
【請求項１７】
第二のレーザ発振器から発生するレーザのエネルギが、第一のレーザ発振器から発生するレーザのエネルギよりも低いことを特徴とする、請求項１６に記載の半導体デバイスの製造装置。
【請求項１８】
第一のレーザ発振器から発生するレーザの波長が、半導体膜に吸収されやすい波長であり、第二のレーザ発振器から発生するレーザの波長が、基板または溶融状態の半導体膜に吸収されやすい波長であることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の半導体デバイスの製造装置。
【請求項１９】
横方向成長結晶の端部の表面突起高さを半導体膜厚よりも低くするために、前記２つのレーザ発振器のうちいずれか一方を停止することを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれかに記載の半導体デバイスの製造装置。
【請求項２０】
前記停止するレーザ発振器が、第二のレーザ発振器であることを特徴とする、請求項１９に記載の半導体デバイスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを用いて非晶質半導体材料を結晶化させた半導体デバイス、その製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄膜材料の上に半導体デバイスを形成した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、アクティブマトリクス液晶表示装置における表示部並びに画素コントローラ等に用いられており、薄膜材料としては非晶質材料が主に用いられている。さらに、ＴＦＴを高速駆動させるために、従来非晶質半導体膜が用いられていたチャネル領域を結晶化することにより、材料特性を向上させることが行なわれている。これは結晶という原子配列のそろった部分におけるキャリアの移動度が、非晶質部分におけるそれより数百倍大きくなるためである。しかし多結晶の場合は、結晶粒界においてキャリアの散乱が生じるため、より結晶粒を大きくしチャネル領域において単結晶となることが望まれる。
【０００３】
結晶化にはいくつかの方法が提案されているが、パルスレーザを用いると短時間に大きなエネルギを投入できるため、低温でのプロセスが可能となることから、開発が進められている。その中で、結晶の横方向成長法およびこれを利用する逐次横方向結晶化法（ＳＬＳ：  Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法がある。
【０００４】
横方向成長法により形成された結晶を、図７を用いて説明する。図７は結晶の横方向成長法を用いて結晶化させた膜の正面図であり、（ａ）は小さい幅のマスクを用いた場合の結晶であり、（ｂ）は大きい幅のマスクを用いた場合の結晶である。結晶の横方向成長法では、非晶質半導体膜にマスクを用いてレーザビームをパルス照射し、この領域を完全に溶融させる。その後冷却されることにより溶融した半導体膜は再凝固するが、この際溶融しなかった固体部との境界付近から横方向に結晶長さ７１の特有の結晶化が起こる。図７（ａ）に示すようにマスクの幅がある程度狭いと、この横方向結晶がパターンの中央部で衝突し、突起状の表面ラフネス（以下リッジと呼ぶ）が形成される。これは、液体状のシリコンが凝固する際に体積が増えることが原因であり、凝固することにより増えた体積の分だけ、上方へ突起が形成させる。図７（ｂ）に示すようにマスクの幅がある程度広いと、横方向の結晶化が進む途中でパターンの中央部付近からも冷却が始まり、下から上方向への微結晶化が起こる。これに横方向の結晶化は阻害されることとなり、リッジを形成して止まる。これらの横方向結晶は、完全溶融した端からリッジまでの長さを持つ大きな一つの単結晶であり、この方向をＴＦＴのチャネル方向にとると、キャリアの流れに垂直な粒界は存在しないため良好な特性を得ることができる。
【０００５】
ＳＬＳ法は更に結晶長を伸ばすための方法であり、下記特許文献１に示すように、この結晶を種として横方向結晶化を続けることができる。ＳＬＳ法により形成された結晶を図８を用いて説明する。図８は、ＳＬＳ法を用いて結晶化させた膜の正面図である。まず、図８（ａ）のように矩形マスクやレーザに対してサンプル（非晶質半導体膜）を距離８２だけ移動させ（シフトさせ）て、レーザ照射することによって、シフトさせたレーザ照射部分８３が完全に溶融し再凝固する。この際、図８（ｂ）に示すように、一つ前の結晶粒を種として引き継ぐため、結晶長さ８２＋８１の大きな単結晶を得ることができる。さらに、図８（ｃ）および（ｄ）に示すように、このシフトとレーザ照射を繰り返すことによって、所望の長さの単結晶を得ることができる。
【０００６】
この際、サンプルを適当な量シフトさせることにより、横方向の結晶化において形成される直前のリッジは消去することができる。発生したリッジをカバーする領域に次のレーザを照射させることによって、再度完全溶融するためこのリッジは消え、横方向結晶成長した分だけ進んだ位置に新たなリッジが形成される。従って、ＴＦＴチャンネル部が形成されるこのように最終的な結晶領域には、リッジと呼ばれる突起状の表面ラフネス（表面突起高さ）は存在せず、フラットな表面が得られる。
【０００７】
しかしながら、上記ＳＬＳ法においても、レーザ照射を繰り返した最後の領域におけるリッジは残るため、その後のデバイス作製プロセスにとって問題となる。例えば、半導体膜のリッジ部を含む領域上に、ゲート部、コンタクト部ほかの膜を堆積する場合、膜厚が不均一になる。また、リッジ部をカバーするための膜厚が必要となり、デバイス設計上の制限となるだけでなく、特性が劣化する可能性が大きく、さらには将来的な微細化に向けた障害となる。
【０００８】
下記特許文献２において、ＳＬＳ法の最後の領域におけるリッジ高さを低減させるため、減衰器を用いたレーザビーム強度変調が提案されている。この場合半導体膜を部分的に溶融させるため横方向結晶化が起こらず、リッジを消去することができる。しかしそのためには減衰器やその駆動システムなど、新たな機器が必要となる。また、レーザの照射周波数が高い生産システムにおいては、これらの減衰器を高速に動作させる必要があり、その実現は困難なものとなる。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特開２００３−５０９８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ＳＬＳ法おいてレーザ照射を繰り返した最後の領域における表面突起高さ（リッジ）を低減させることができる半導体デバイスの製造方法、製造装置およびそれらによって製造された半導体デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、基板上に半導体膜が形成された半導体デバイスであって、該半導体膜が横方向成長結晶を有し、かつ、該横方向成長結晶の端部において表面突起高さが前記半導体膜の膜厚より低いことを特徴とする半導体デバイスを提供する。
【００１１】
好ましくは、前記横方向成長結晶は、前記半導体膜にレーザ照射することにより結晶成長された結晶である。
【００１２】
好ましくは、前記横方向成長結晶は、前記レーザ照射を、レーザ照射により横方向に結晶成長した部分を引き続くように半導体膜において横方向に段階的に移動して、前記部分の結晶を引き継ぐことにより、結晶成長が拡大された結晶である。
【００１３】
好ましくは、横方向結晶成長の端部における表面突起高さは、前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを用いて、半導体膜の膜厚よりも低くされている。
【００１４】
好ましくは、前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを、前記半導体デバイスに段階的にレーザ照射する際の最終照射において用いる。
【００１５】
好ましくは、前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを、前記半導体デバイスに段階的にレーザ照射する際の最終照射から数段階前の照射より用いる。
【００１６】
好ましくは、前記横方向成長結晶を形成するための前記レーザのエネルギよりも低いエネルギを有するレーザを、前記半導体デバイスに段階的にレーザ照射する際の最終照射の位置において用いる。
【００１７】
本発明はまた、基板上に半導体膜が形成された半導体デバイスにおいて、該半導体膜にレーザを照射して該半導体膜において横方向に結晶成長させるステップと、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを照射して前記横方向の成長結晶の端部における表面突起高さを前記半導体膜の膜厚よりも低くするステップと、を含む、半導体デバイスの製造方法を提供する。
【００１８】
好ましくは、前記半導体膜において横方向に結晶成長させるレーザ照射を、結晶成長した半導体膜の部分を引き続くように段階的に移動させて行う。
【００１９】
好ましくは、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを、レーザを段階的に移動させて照射するステップにおける最終照射に用いる。
【００２０】
好ましくは、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを、レーザを段階的に移動させて照射するステップにおける最終照射から数段階前の照射より用いる。
【００２１】
好ましくは、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを、レーザを段階的に移動させて照射するステップにおける最終照射の位置において用いる。
【００２２】
好ましくは、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザ照射を行うために、レンズまたはステージ位置を動かしエネルギ照射量を制御する。
【００２３】
好ましくは、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザ照射を行うために、同一波長のレーザ発振器２台のうち１台を停止させる。
【００２４】
好ましくは、前記半導体膜において横方向に結晶成長させるために段階的にレーザ照射するに際し、半導体膜に吸収されやすい波長を有するメインレーザ発振器と、基板または溶融状態の半導体膜に吸収されやすい波長を有するサブレーザ発振器とを用い、前記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザ照射を行うために、該サブレーザ発振器を停止させる。
【００２５】
本発明はまた、上記のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法に用いる半導体デバイスの製造装置であって、第一のレーザ発振器と、第二のレーザ発振器と、これら２つのレーザ発振器を制御するコントローラとを含む、半導体デバイスの製造装置を提供する。
【００２６】
好ましくは、第二のレーザ発振器から発生するレーザのエネルギが、第一のレーザ発振器から発生するレーザのエネルギよりも低い。
【００２７】
好ましくは第一のレーザ発振器から発生するレーザの波長が、半導体膜に吸収されやすい波長であり、第二のレーザ発振器から発生するレーザの波長が、基板または溶融状態の半導体膜に吸収されやすい波長である。
【００２８】
好ましくは、横方向成長結晶の端部の表面突起高さを半導体膜厚よりも低くするために、前記２つのレーザ発振器のうちいずれか一方を停止する。
【００２９】
好ましくは、前記停止するレーザ発振器が、第二のレーザ発振器である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスの製造装置により、結晶化の端部における表面突起高さが半導体膜の膜厚より低くされた半導体デバイス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】
【００３１】
本発明の半導体デバイスを、図１を用いて説明する。図１は、本発明の半導体デバイスの概略断面図である。図１に示すように、基板１上に下地絶縁膜２、非晶質半導体膜３を形成した構造を有している。基板１としては絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板等を用いることができるが、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点でガラス基板を用いることが好適である。
【００３２】
下地絶縁膜２には、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜または酸化シリコン膜などを用いることができる。また、膜厚は５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度にすることが好ましいが、これに限定されるわけではない。当該下地絶縁膜２は、上記材料をプラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、又はスパッタリングなどにより堆積することができる。
【００３３】
半導体膜３は膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、触媒化学気相堆積（Ｃａｔ−ＣＶＤ）、蒸着、又はスパッタリングなどにより堆積される。かかる半導体膜３の材料としては、半導体特性を示す従来公知のものであれば特に限定されないが、結晶成長長さを長くすることにより種々の特性が顕著に向上するアモルファスシリコン膜とすることが好ましい。しかし、アモルファスシリコンのように非晶質のものに限らず、レーザ照射により結晶化される前の半導体膜３は、微結晶や多結晶などの結晶性半導体膜であってもよい。半導体膜３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。
【００３４】
本発明は、上記のような構成の半導体デバイスにおいて、半導体膜を結晶化、特に単一の結晶にさせる技術を提供するものであり、特に、当該結晶化させるに際し、表面突起高さを半導体膜の膜厚より低くする技術を提供するものである。具体的には、該半導体膜にレーザを照射して該半導体膜において横方向に結晶成長させるステップと、上記横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを照射して前記横方向の成長結晶の端部における表面突起高さを前記半導体膜の膜厚よりも低くするステップと、を含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明において、ＳＬＳ法を用いて、半導体膜にレーザを照射して結晶を横方向に成長させることができることは、上記従来の技術で述べたとおりである。ここで、横方向とは、半導体膜の面と実質的に平行な方向をいう。すなわち、半導体膜において、結晶成長する方向としては、主として、半導体膜の面方向と、半導体膜の厚さ方向とが挙げられるが、このうち、面方向のことを意味する。また、上記のように結晶を横方向に単一に成長させていくために、１回のレーザパルスで生じた横方向の結晶成長を引き継ぐように次のレーザパルスを照射し、当該レーザパルスで生じた結晶成長を引き継ぐように次のレーザパルスを照射するような態様で行う。本発明において、このように結晶成長を引き継ぐようにレーザ照射を行うことを、段階的にレーザ照射を行うという。このように、段階的にレーザ照射を行うことにより最初のレーザ照射で生じた結晶の形態を引き継いでいくことができるので、単一の結晶、すなわち単結晶を形成することができる。また、直前のレーザパルス照射により生じたリッジも次のレーザパルス照射により除去することができるものである。
【００３６】
このように結晶成長が横方向に進行していく場合、結晶成長の終焉における端部において、表面突起高さが生じてしまうことは上述したとおりであるが、本発明は、このような表面突起高さを半導体膜厚よりも低くすることができることに特徴を有している。本発明はこのような表面突起高さを低くするために、横方向に結晶成長させたレーザより低いエネルギのレーザを照射する手段を用いる。好ましくは、このようにエネルギが低いレーザを、段階的に行うレーザ照射のうち最終照射において、また、最終照射から数段階前のレーザ照射より用いることが好ましい。また、最終照射する半導体膜の位置においてレーザを照射することが好ましい。低いエネルギのレーザ照射により、半導体膜は膜厚方向全体を完全に溶融することができず、膜上部のみが部分的に溶融する。すると結晶核は固液界面に多く発生し、膜中で下から表面方向への微結晶成長が起こる。このように横方向成長とは異なるメカニズムで再結晶化させることにより、表面突起高さを十分低くすることができる。またこれは後で述べるように、半導体膜での吸収係数が大きいレーザを用いることの利点をさらにいかしたことに特徴を持つ。ここで、最終照射から数段階前のレーザ照射とは、２〜３ショットの段階から照射することが好ましいが、これらに限定されるわけではなく、エネルギの低いレーザを一緒に用いて表面突起高さを膜厚より低くするという目的を達成できるように、適宜設計することが好ましい。最終照射の際のレーザエネルギが十分に低減されていない場合、半導体膜は完全溶融し再度リッジを形成してしまう。逆にレーザエネルギが必要以上に低い場合は、半導体膜のリッジを溶融することができなくなる。つまり数段階回前から徐々にレーザエネルギを減少させるように設計することによって、確実に表面の突起高さを低減させることができる。
【００３７】
本発明において、本発明の半導体デバイスの製造方法に用いるレーザ光は、基板に影響を与えないために、半導体膜での吸収係数が大きいことが望ましい。より具体的には、本発明の半導体膜の製造方法に用いるレーザ光は、紫外域の波長を有することが好ましい。たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスがあげられる。また、本発明の半導体デバイスの製造方法に用いるレーザ光は、１回の照射あたり固体状態にある半導体膜を溶融させる照射面積あたりのエネルギ量、具体的には半導体膜を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ことが好ましい。このエネルギ量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化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、適宜適当なエネルギ量を有するレーザ光を用いることが望ましい。
【００３８】
本発明において、結晶化の方法は、上記従来技術において説明したＳＬＳ法により行なう。上述のように、図１における半導体膜３としてアモルファスシリコンを用い、その膜厚を約５０ｎｍとした。この場合、ＳＬＳ法に必要なエキシマレーザのエネルギ量は２〜８ｋＪ／ｍ２である。ただし、最終のレーザ照射においてはシリコン膜を完全溶融させない程度にレーザエネルギを低減させ、シリコン膜を部分溶融させる。具体的には、最終照射の直前照射により、結晶化を予定している領域すべてにレーザ照射をすることになるが、この際、上記直前の照射によりリッジが形成されてしまう。したがって、この形成されたリッジを含むシリコン膜を最終のレーザ照射により、膜表面付近のみ部分的に溶融させ、固体部分との境界から膜の表面方向へ再結晶化させる。この最終照射のエキシマレーザのエネルギ量は１〜４ｋＪ／ｍ２であり、上記の結晶成長に必要なエネルギの約半分である。
【００３９】
図２に本発明の半導体デバイスの製造方法と従来の方法とによって形成された半導体膜結晶の縦断面を模式的にそれぞれ示す。図２（ａ）は、本発明の製造方法により形成された結晶膜の正面図であり、（ｂ）は本発明の製造方法により形成された、（ａ）の結晶膜の断面図であり、（ｃ）は従来の製造方法により形成された、結晶膜の断面図である。図２において、たとえば半導体膜厚を５０ｎｍとした場合には、（ｂ）の表面突起高さは３０ｎｍであり（ｃ）の表面突起高さは５０ｎｍである。したがって、表面突起高さは従来の５０ｎｍから３０ｎｍに低減され、半導体膜の膜厚よりも低くなっている。
【００４０】
（装置）
ここで、積層された半導体膜を結晶化するに用いる一般的な装置について、図３を用いて説明する。図３は図１に示すような半導体膜３を結晶化するための装置の概念図を示しており、レーザ発振器３２、可変減衰器３３、フィールドレンズ３４、マスク３５、結像レンズ３６、サンプルステージ３７およびいくつかのミラーを含んでいる。これらの部材は、コントローラ３１により制御されている。このレーザ加工装置を用いることにより、ステージ３７上の半導体デバイス５に放射パルスを供給することができる。これらの機器を用いて結像レンズを光軸方向に位置移動させることによって半導体膜でのフォーカスの程度を調節し、レーザエネルギを減衰させることができる。もしくはサンプルステージの上下方向の位置を変更させることにより、同様な効果がもたらされる。
【００４１】
次に、本発明の半導体デバイスを製造するために用いることができる装置を図４に示す。本発明のレーザ装置は、積層された半導体膜を結晶化することができ、図４に示すように、第一のエキシマレーザ発振器４２および第二のエキシマレーザ発振器４８を備えることを特徴とする。さらに、可変減衰器４３，４９、フィールドレンズ４４、マスク４５、結像レンズ４６、サンプルステージ４７およびいくつかのミラーを含んでいる。上記２台の発振器４２，４８はコントローラ４１によって制御されており、時間的に同期させて照射することで各発振器のパワーを約半分に低減させたり、時間的にオフセットさせることで、半導体膜が溶融している時間を延ばすことで結晶粒長を長くすることが可能である。上記の例においては、半導体膜としてアモルファスシリコン５０ｎｍを用いており、各エキシマレーザ発振器のＳＬＳ法に必要な照射面積あたりのエネルギ量は１〜４ｋＪ／ｍ２である。
【００４２】
ＳＬＳ法による結晶化の方法は上述したとおりであるが、最終もしくは最終の数照射前のレーザ照射から、第一のエキシマレーザ発振器４２または第二のエキシマレーザ発振器４８を停止させることにより半導体膜を部分溶融させ、表面突起高さを低減させる。さらに、サンプルステージを動かさずに同じ位置で数照射レーザ照射してもよい。
【００４３】
上記の装置を用いる場合と比較して、発振を停止させることで照射エネルギを低減しているので、スループットを低下させることなくリッジ高さを低減させるという効果がある。
【００４４】
本発明に係る他の半導体デバイスの製造装置を、図５を用いて説明する。係る半導体デバイスおよびその作製方法は上述と同様のため、説明は省略する。
【００４５】
図５に示すように、本発明の積層された半導体膜を結晶化する別のレーザ装置は、第一のレーザ発振器５２および第二のレーザ発振器５８を備えることを特徴とする。なお、他の１桁目の番号が同一の部材は図４と同一であるので説明を省略する。図４の装置と比較して、第一のレーザと波長の異なる第二のレーザを組み合わせて用いていることが特徴である。つまり、第二のレーザをアシストレーザとして用い、溶融した半導体膜の温度低下を抑制するために用いれば、溶融した半導体膜が再凝固するまでの時間を延長することができ、生成される横方向結晶の粒径を大幅に伸ばすことができる。
【００４６】
ここで、本発明の半導体デバイス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半導体膜への吸収率が高い範囲の波長、すなわち紫外域の波長を有することが好ましい。より具体的には、上述したように、第一のレーザ光は、たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスがあげられる。
【００４７】
さらに、本発明の半導体膜の製造方法に用いる第二のレーザ光は、第一のレーザ光よりも下地絶縁膜もしくは液体状態にある半導体膜への吸収率が高い範囲の波長、すなわち可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。具体的には、本発明の半導体膜の製造方法に用いる第二のレーザ光は、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があげられる。なお、第一のレーザ光および第二のレーザ光はそれぞれ第一のレーザ発振器および第二のレーザ発振器により発生されたレーザのことをいう。
【００４８】
本発明の半導体デバイスの製造方法に用いる第一および第二のレーザ光エネルギの合計は、照射面積あたりの、１回の照射あたり固体状態にある半導体膜を溶融させうるエネルギ量を有することが好ましい。もしくは、本発明の半導体デバイスの製造方法に用いる第一のレーザ光は、照射面積あたりの、１回の照射あたり固体状態にある半導体膜を溶融させうるエネルギ量を有し、本発明の半導体デバイスの製造方法に用いる第二のレーザ光は、照射面積あたりの、１回の照射あたり固体状態にある半導体膜を溶融させるエネルギ量未満である、照射面積あたりのエネルギ量を有するように設定することも可能である。これらのエネルギ量は、半導体膜の材質の種類、半導体膜の膜厚、結晶化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、本発明の半導体膜の製造方法における実施形態に合わせて適宜適当なエネルギ量を有するレーザ光を用いることが望ましい。たとえば、半導体膜としてアモルファスシリコン５０ｎｍを用いる場合には、ＳＬＳ法に必要な第一のレーザのエネルギ量は１〜５ｋＪ／ｍ２であり、第二のレーザのエネルギ量は１〜４ｋＪ／ｍ２である。
【００４９】
（レーザ放射照度）
図６は、本実施の形態において、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（放射照度）との関係の概要を説明するグラフである。ここで、横軸は時間（時）を表し、縦軸は、出力（単位：Ｗ／ｍ２）を表す。また、第一のレーザ光のグラフは、６１で示され、第二のレーザ光のグラフは、６２で示される。第一のレーザは、時刻ｔ＝０に照射を開始し、ｔ＝ｔ’に出力が０となるようにする。また、第二のレーザは時刻ｔ１とｔ２の間において高出力で放射し、他は低出力で放射する。なお、ｔ１＜ｔ２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、特にこの関係にあることを限定するものではなく、時刻ｔ１が正の値でも負の値でもかまわない。すなわち、第１のレーザ光の照射開始時刻の前であっても後であってもかまわない。ｔ２を適当に設定することにより、溶融した半導体膜が再凝固するまでの時間を延長することができ、生成される横方向結晶の粒径を大幅に伸ばすことができる。好ましくは、ｔ’＜ｔ２である。また、ｔ１＜ｔ’であることが好ましい。
【００５０】
上述したように、結晶化方法に関しては、従来技術で説明したＳＬＳ法により行なうが、ただし、最終のレーザ照射においてはアシストレーザである第二のレーザを停止させ、シリコン膜を部分溶融させる。この場合、照射周波数が高くても、アッテネータを使用せずにレーザを停止させるだけであるため、スループットの低下なしでリッジ高さを低減させることができる。
【００５１】
また、最終の数照射前から第二のレーザを停止させることもできる。もしくは最終のレーザ照射を行う位置でサンプルステージを動かさずに第一のレーザ光のみで数照射照射してもよい。これらにより確実に表面突起高さをより低減できる。
【００５２】
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】
【００５３】
【図１】本発明の半導体デバイスの概略断面図である。
【図２】本発明の半導体デバイスの製造方法と従来の方法とによって形成された半導体デバイスの縦断面を模式的に示す図である。
【図３】半導体膜を結晶化するための一般的な装置の概念図である。
【図４】本発明の半導体デバイスの製造方法に用いることができる装置を示す概略図である。
【図５】本発明の半導体デバイスの製造方法に用いることができる他の装置を示す概略図である。
【図６】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（放射照度）との関係の概要を、グラフを用いて表す図である。
【図７】結晶の横方向成長法を用いて結晶化させた膜の正面図である。
【図８】ＳＬＳ法を用いて結晶化させた膜の正面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  基板、２  下地絶縁膜、３  非晶質半導体膜、５  半導体デバイス、３１，４１，５１  コントローラ、３２  レーザ発振器、３３，４３，４９，５３  可変減衰器、３４，４４，５４  フィールドレンズ、３５，４５，５５  マスク、３６，４６，５６  結像レンズ、３７，４７，５７  サンプルステージ、４２，５２  第一のレーザ発振器、４８，５８  第二のレーザ発振器、６１  第一のレーザ発振器のグラフ、６２  第二のレーザ発振器のグラフ、７１，８１  結晶成長長さ、８２  距離、８３  レーザ照射部分。
【図１】
2005276944.tif 000003
【図２】
2005276944.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年3月18日(2005.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
下記特許文献２において、ＳＬＳ法の最後の領域におけるリッジ高さを低減させるため、減衰器を用いたレーザビーム強度変調が提案されている。この場合半導体膜を部分的に溶融させるため横方向結晶化が起こらず、リッジを消去することができる。しかしそのためには減衰器やその駆動システムなど、新たな機器が必要となる。また、レーザの照射周波数が高い生産システムにおいては、これらの減衰器を高速に動作させる必要があり、その実現は困難なものとなる。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特表２００３−５０９８４５号公報