(57)【要約】【課題】  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ができ、かつ高性能なＴＦＴを高密度に配設することができる、半導体薄膜の製造方法ならびに薄膜半導体素子を提供する。【解決手段】  パルス放射するエネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射し、前記前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う工程を逐次繰り返して多結晶領域を拡大可能に形成する半導体薄膜の製造方法であって、前記工程を少なくとも２回繰返すことによって形成される多結晶領域内で、複数回のエネルギビーム照射を行う半導体薄膜の製造方法、および当該方法を利用して得られた半導体薄膜を用いた薄膜半導体素子。【選択図】        図１
2005167007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス放射するエネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射し、前記前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う工程を逐次繰り返して多結晶半導体領域を拡大可能に形成する半導体薄膜の製造方法であって、
前記工程を少なくとも２回繰返すことによって形成される多結晶半導体領域内で、複数回のエネルギビーム照射を行う半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記エネルギビームは矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームであり、当該エネルギビームおよび前駆体半導体薄膜のうちの少なくともいずれかを一定速度で移動させながら、エネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エネルギビームは、矩形状のスリットが市松模様状に配置されたマスクを通したマスク像を前駆体半導体薄膜上に結像させたものであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギビームは、矩形状のスリットが市松模様状に配置された近接マスクを通して、前駆体半導体薄膜上に照射されたものであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前駆体半導体薄膜上に照射される矩形状のパターンのサイズをＡ（ｍｍ）×Ｂ（ｍｍ）、パルス照射するエネルギビームの繰り返し周波数をｆ（Ｈｚ）、前駆体半導体薄膜に対するエネルギビームの移動速度をｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）とする場合に、以下の関係が成立することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の方法。
ｓ＝Ａ×ｆ
（ただし、Ａは、矩形状のパターンの、前駆体半導体薄膜および／またはエネルギビームの移動方向に平行な方向における寸法である。）
【請求項６】
請求項２〜５に記載されたいずれかの方法で製造された薄膜半導体素子であって、前記多結晶半導体領域に少なくともトランジスタのチャネル領域が配設された薄膜半導体素子。
【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。また、本発明は前記半導体薄膜を活性層とする薄膜半導体素子に関する。
【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（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と比較して、多くの長所を有している。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。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。
【０００７】
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。
【０００８】
たとえば特許文献１には、「逐次横方向結晶化（Ｓｅｑｅｎｃｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ（以下ＳＬＳ法とも称す））」と称される技術が開示されている。上記ＳＬＳ法は、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、凝固する工程を逐次繰返して再結晶化を行う方法である。これによって、結晶成長方向に結晶方位の揃った針状結晶の集合体が得られる。
【０００９】
図６は、従来のＳＬＳ法において、第１回目のエネルギ照射によって得られる多結晶半導体薄膜の一例の概要を説明する平面図である。図６（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５１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横方向５２ａ，５２ｂ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，５３ｂに対して、溶融領域５１が２倍以上の長さを有する場合には、図６（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。
【００１０】
一方、図７は従来のＳＬＳ法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。ＳＬＳ法では、図７（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。
【００１１】
具体的には、図７（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、第１回目のレーザ照射により溶融する領域６１ａ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横方向６２ａ，６２ｂ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、ラテラル成長距離６３ａ，６３ｂは約１〜１．５μｍ程度である。このときに形成される多数の短い針状結晶の方位は揃っておらず、各々の結晶は異なる結晶方位を有している。
【００１２】
次に、図７（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、第２回目のレーザ照射により溶融する領域６１ｂ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７（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、第２回目のレーザ照射により溶融する領域６１ｂ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、第２回目のレーザ照射により溶融する領域６１ｂ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。
【００１３】
続いて、図７（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、第３回目のレーザ照射により溶融する領域６１ｃ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うと、図７（ｃ）に示すように、第（ｎ−１）回目のレーザ照射により溶融する溶融領域６１ｄ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。
【００１４】
そして、図７（ｃ）に示すように、第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、第ｎ回目のレーザ照射により溶融する領域６１ｅ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。
【００１５】
このように、複数回のレーザ照射を繰り返して得られた長い針状の結晶は、その結晶方位は成長方向に＜００１＞の優先方位を有するようになる。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述のように、高性能な多結晶半導体薄膜を得るためには、複数回の逐次レーザ照射を行い、方位の揃った結晶を形成する必要がある。したがって、従来のＳＬＳ法の問題点は、以下の２つに集約される。
（１）図７（ｃ）に示すような方位の揃った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うことが必要である。このため、従来のＳＬＳ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。
（２）さらに、図７（ｃ）に示すような結晶では、方位の揃った領域は複数回のパルスレーザ照射を繰り返した後に形成される領域であり、高性能なＴＦＴが形成できるのは、多結晶半導体薄膜の一部でしかなく、この観点からも製造効率が悪いという問題がある。
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、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ができ、かつ高性能なＴＦＴを高密度に配設することができる、半導体薄膜の製造方法ならびに薄膜半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、結晶方位の揃った領域を高密度に形成し、かつ、効率的にレーザ照射を行うことによって製造効率を向上させればよいとの着想を得、そのようなレーザ照射方法とＴＦＴの配設方法を見出すべく、鋭意研究開発に取組んだ。その結果、本発明者らは、特定の領域内で逐次結晶成長を行い、前記領域を基板複合体全面に隙間無く敷き詰めること、レーザ照射に特定のレーザ照射パターンを用いること、前記サブ領域内に少なくともＴＦＴのチャネル領域を配設することによって、高性能なＴＦＴを効率よく製造できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、次の通りである。
【００１９】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、パルス放射するエネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射し、前記前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う工程を逐次繰り返して多結晶半導体領域を拡大可能に形成する半導体薄膜の製造方法であって、前記工程を少なくとも２回繰返すことによって形成される多結晶半導体領域内で、複数回のエネルギビーム照射を行うことを特徴とする。
【００２０】
本発明の製造方法においては、前記エネルギビームは矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームであって、当該エネルギビームおよび前駆体半導体薄膜のうちの少なくともいずれかを一定速度で移動させながら、エネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射するものであることが好ましい。これにより、結晶方位の揃った多結晶半導体領域が敷き詰められた半導体薄膜を効率的に製造することができる。
【００２１】
また、前記エネルギビームが、矩形状のスリットが市松模様状に配置されたマスクを通したマスク像を前駆体半導体薄膜上に結像させたものであるのが好ましい。
【００２２】
あるいは、前記エネルギビームは、矩形状のスリットが市松模様状に配置された近接マスクを通して、前駆体半導体薄膜上に照射されたものであるのが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明の製造方法においては、前駆体半導体薄膜上に照射される矩形状のパターンのサイズをＡ（ｍｍ）×Ｂ（ｍｍ）、パルス照射するエネルギビームの繰り返し周波数をｆ（Ｈｚ）、前駆体半導体薄膜に対するエネルギビームの移動速度をｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）とする場合に、以下の関係が成立するのが、特に好適である。
【００２４】
ｓ＝Ａ×ｆ
（ただし、Ａは、矩形状のパターンの、前駆体半導体薄膜および／またはエネルギビームの移動方向に平行な方向における寸法である。）
また、本発明は、上記本発明の製造方法で得られた薄膜半導体素子であって、前記多結晶半導体領域に少なくともトランジスタのチャネル領域が配設された薄膜半導体素子をも提供する。
【発明の効果】
【００２５】
上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、従来技術に比べて、多結晶半導体の結晶方位を揃え、かつ、結晶化に要する時間を大幅に短縮す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効率よく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、ＴＦＴの製造効率を上げることが同時に可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、実施の形態を示して本発明をより詳細に説明する。
【００２７】
図１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平面図である。本発明は、パルス放射するエネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射し、前記前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う工程を逐次繰り返して多結晶半導体領域を拡大可能に形成する半導体薄膜の製造方法であって、前記工程を少なくとも２回繰返すことによって形成される多結晶半導体領域内で、複数回のエネルギビーム照射を行うことを特徴とする半導体薄膜の製造方法である。
【００２８】
本発明の半導体薄膜の製造方法では、まず、図１（ａ）に示すように、前駆体半導体薄膜上の予め定められた第１の照射領域１に、パルス放射するエネルギビームを照射し、当該第１の照射領域１における前駆体半導体薄膜を、厚さ方向全域にわたって溶融させ、凝固させることによって再結晶化させる。前駆体半導体薄膜の再結晶化により、図１（ａ）に示すように、第１の照射領域１の両端部から針状の結晶Ｓ１，Ｓ２が、第一幅幅方向Ｄに沿ってそれぞれ成長する（すなわち、結晶Ｓ２は第一幅方向一方Ｄ１に向かって成長し、結晶Ｓ１は第一幅方向他方Ｄ２に向かって成長する）。ここで、第一幅方向Ｄは、半導体薄膜の厚さ方向に垂直な２つの幅方向のうち、結晶成長方向に略平行な方向を指す。結晶Ｓ１，Ｓ２の成長の結果、当該第１の照射領域１の中央部でこれらが衝突して第１の大結晶粒界５ａが形成され、第１の照射領域１に多結晶半導体薄膜が形成される。
【００２９】
続いて、第１の照射領域１の第一幅方向一方Ｄ１側の端部から第一幅方向他方Ｄ２に距離Ｌずれた位置に、第１の照射領域１と一部重複するように予め定められた第２の照射領域２に、パルス放射するエネルギビームを照射して、溶融・再結晶化を行う（図１（ａ））。すると、図１（ｂ）に示すように、第１の照射領域１と一部重畳してエネルギビームを照射された、第２の照射領域２の第一幅方向一方Ｄ１側の端部からは、上述の第１の照射領域１へのエネルギビームの照射により形成された針状の結晶Ｓ２を引き継いで結晶成長が行われ、第２の照射領域２の第一幅方向他方Ｄ２側の端部からは、針状の結晶Ｓ３が成長する。第１の照射と同様に、第２の照射領域２の中央部でこれら結晶Ｓ２，Ｓ３が衝突し、第２の大結晶粒界５ｂが形成される。この際、この第２の照射領域２へのエネルギビームの照射で得られる針状結晶の長さは、第１の照射領域１へのエネルギビームの照射で得られる針状結晶の長さＬと等しくなる。
【００３０】
次に、第２の照射領域２の第一幅方向他方Ｄ２側の端部から第一幅方向一方Ｄ１に距離Ｌずれた位置（すなわち、上記第１の照射領域１と同じ位置）に、第２の照射領域２と一部重複するように予め定められた第３の照射領域３に、パルス放射するエネルギビームを照射する。第３の照射領域３における前駆体半導体薄膜の溶融・再結晶後は、第３の照射領域３の第一幅方向一方Ｄ１の端部から第一幅方向他方Ｄ２に距離Ｌずれた位置（すなわち、上記第２の照射領域２と同じ位置）に、第３の照射領域３と一部重複するように予め定められた第４の照射領域４に、パルス放射するエネルギビームを照射する、というように逐次繰り返す。
【００３１】
このように、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、パルス放射するエネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射し、前記前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う工程を逐次繰り返し、拡大可能に多結晶半導体領域を形成する。ここで「拡大可能に多結晶半導体領域を形成する」とは、上記工程の繰り返しを、結晶成長方向に関して前回の工程と一部重複した領域内で逐次行っていくことを指す（すなわち、工程の繰り返しにより、結晶が前回の結晶の一部を引き継いで成長し、多結晶半導体領域が拡大し得る）。上述においては、第１の照射領域１と第３の照射領域３とが、また、第２の照射領域２と第４の照射領域４とが同じ位置、大きさの領域として工程を逐次繰り返す態様を説明したが、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、上記工程の繰り返しを結晶成長方向に関して前回の工程と一部重複した領域内で行っているのであれば、上記態様に特に制限されるものではない。そして、２回以上繰り返した領域（本明細書においては、当該領域を「サブ領域」と呼ぶ。）に、複数回のエネルギビームを照射する。これにより、図１（ｃ）に示すようなサブ領域６は、結晶方位の揃った多結晶半導体領域として形成される。このような本発明の製造方法によれば、従来に比べて、多結晶半導体の結晶方位を揃え、かつ、結晶化に要する時間を大幅に短縮することが可能となる。したがって、かかる本発明の製造方法を応用すれば、良質の多結晶半導体領域を備える半導体薄膜を効率よく形成することができる。ここで、上記「複数回」は、２回以上であればよく、特に制限されないが、均質な結晶を得るという理由からは１０回以上であるのが好ましい。
【００３２】
本発明の方法に用いる前駆体半導体薄膜としては、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、従来より液晶表示素子の製造工程において用いられていて、製造が容易であるという理由から、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。また、前駆体半導体薄膜の材質は、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の禁制帯幅を任意に制御することができる。
【００３３】
前駆体半導体薄膜の厚さは、特に制限されるものではないが、３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が好適である。前駆体半導体薄膜が薄すぎると、均一の厚みでの成膜が困難でとなる傾向にあるためであり、また、前駆体半導体薄膜が厚すぎると、成膜に時間がかかりすぎる傾向にあるためである。
【００３４】
また前駆体半導体薄膜は、通常、絶縁性基板上に形成された構造物（当該構造物を、本明細書では「基板複合体」と呼ぶ。）の形態で、本発明の製造方法に供される。このような基板複合体において、前駆体半導体薄膜は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって絶縁性基板上に形成される。
【００３５】
絶縁性基板としては、ガラスや石英などを含む材質にて形成された公知の基板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を容易に製造できる点で、ガラス製の絶縁性基板を用いることが望ましい。絶縁性基板の厚みは、特に制限されるものではないが、０．５ｍｍ〜１．２ｍｍであるのが好ましい。絶縁性基板の厚みが０．５ｍｍ未満であると、絶縁性基板が割れやすく、また高平坦性の基板を製造することが困難となるという傾向にあるためであり、また、１．２ｍｍを越えると、表示素子を形成した際に厚すぎたり、重すぎたりする傾向にあるためである。
【００３６】
また、前記基板複合体において、前駆体半導体薄膜は、絶縁性基板上にバッファ層を介して形成されてなるのが好ましい。バッファ層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の熱影響がガラス基板である絶縁性基板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から前駆体半導体薄膜への不純物拡散を防止することができるからである。バッファ層は、当分野で従来より用いられている酸化シリコン、窒化シリコンなどの材料にてたとえばＣＶＤ法などにて形成することができ、特に制限されるものではない。中でもガラス基板と同一成分であり、熱膨張係数などの各種物性がほぼ等しいことから、酸化シリコンにてバッファ層を形成するのが好ましい。なおバッファ層の厚みは、特に制限されるものではないが、１００ｎｍ〜５００ｎｍであるのが好ましい。バッファ層が薄すぎると、不純物拡散防止効果が不十分である虞があるためであり、また、バッファ層が厚すぎると、成膜に時間がかかり過ぎる傾向にあるためである。
【００３７】
また、本発明の製造方法に用いる「パルス放射するエネルギビーム」としては、シリコンを溶融可能なパルス放射するレーザビームを用いることができ、このようなレーザビームであれば特に制限されるものではないが、たとえばエキシマレーザ、ＹＡＧレーザなどの紫外域の波長を有するパルス放射可能なレーザビームは、ｎｓ〜μｓオーダーの極めて短い時間に大きなエネルギを薄膜に与えることができること、ならびに、紫外域の光はシリコン薄膜によく吸収されることから好適であり、中でも波長３０８ｎｍのエキシマレーザが特に好適である。また、レーザの照射パターンおよび前駆体半導体薄膜上のレーザ照射領域の形状は、特に制限されるものではないが、後述する本発明の好適な態様によって格段に効率的な半導体薄膜の製造が可能であることから、矩形状が好ましい。
【００３８】
図２は本発明の半導体薄膜の製造方法の好適な具体例を説明するための図である。本発明の半導体薄膜の製造方法においては、前記エネルギビームは矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームであって、当該エネルギビームおよび前駆体半導体薄膜のうちの少なくともいずれかを一定速度で移動させながら、エネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射するものであることが好ましい。ここで、市松模様とは、一般的に色の異なる二種類の方形状（矩形状、正方形状）のマスを互い違いに並べた碁盤目模様をいうが、上記本発明の好ましい態様においては、この市松模様のうち二種類の方形状のマスの一方のみにエネルギビームが照射され、結果として矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームを照射する。このようなエネルギビームを、エネルギビームおよび前駆体半導体薄膜のうちの少なくともいずれかを一定速度で移動させながら、前駆体半導体薄膜に照射することによって、結晶方位の揃った多結晶半導体領域が敷き詰められた半導体薄膜を効率的に製造することができる。
【００３９】
図２（ａ）は、本発明の半導体薄膜の製造方法において、前駆体半導体薄膜に結像されるエネルギビームの照射パターンの一例を模式的に示す図である。図２（ａ）に示す照射パターンは、縦Ｙ、横Ｘの長方形（Ｙ＞Ｘ）のパターン形成領域１１を有し、このパターン形成領域１１の中に、縦Ａ、横Ｂの矩形状（Ａ＞Ｂ）の照射パターン１２が縦にｍ個、横にｎ個、計ｍ個×ｎ個、並んで配置されている（パターン形成領域１１のうち、照射パターン１２以外の部分は、エネルギビームが照射されない遮光部１３となる）。ただし、縦方向の偶数行目と奇数行目とは、距離ｑ／２だけ横方向にずらされて互い違いに、すなわち市松模様状に配置されている。照射パターン１２の横方向のピッチ（隣り合う照射パターン１２の間隔）をｑ、縦方向の奇数行目と次の奇数行目とのピッチをｐとすると、Ｘ＝ｑ×ｍ＋（ｑ−Ｂ／２）、ｐ＝Ａ×２、Ｙ＝Ａ×ｎの関係を有する。なお、本明細書においては、パターンの寸法を説明する際には、特記しない限り、前駆体半導体薄膜上に投影されるパターンの寸法を用いる。
【００４０】
図２（ｂ）は前記レーザ照射パターン形成領域１１の移動方法の一例を説明する図面である。上述のように、本発明の好適な一実施形態においては、矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームを、当該エネルギビームおよび前駆体半導体薄膜（好ましくは基板複合体）のうちの少なくともいずれかを一定速度で移動させながら、エネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射する。ここで、エネルギビームは、レーザ照射パターン形成領域１１が前駆体半導体薄膜に対して一定速度で相対的に照射位置が変動されればよく、そのためにエネルギビーム、前駆体半導体薄膜のいずれか一方のみを一定速度で移動させることによって実現されてもよい。また、エネルギビーム、前駆体半導体薄膜の両方をそれぞれ一定速度で移動させて、結果として、エネルギビームが前駆体半導体薄膜に対してその照射位置が相対的に一定速度で移動するように実現されても勿論よい。なお、厳密には、レーザ照射時にエネルギビームおよび／または前駆体半導体薄膜の移動を一時停止する必要がある。しかしながら、たとえばエキシマレーザの場合、そのレーザ発振原理からパルス長は〜１００ｎｓ程度であり、エネルギビームおよび／または前駆体半導体薄膜の移動速度×レーザ照射時間が結晶長に比べて充分に短いために、エネルギビームおよび／または前駆体半導体薄膜を移動させながら照射しても差し支えない。
【００４１】
図２（ｂ）に示す例においては、上記矩形状のパターンが市松模様状に配置されたパターン形成領域１１を、図２（ｂ）の紙面において縦方向に、縦Ｗ、横Ｌの矩形状（Ｗ＞Ｌ）の前駆体半導体薄膜上を等速に移動させながら、パルスレーザ照射する。これにより、基板複合体上の縦一列分、幅Ｘの領域を結晶化することができる。縦一列分を結晶化させたら、次にレーザ照射領域を横方向にＸだけ移動し（これを「隣接領域への移動」と称する）、再度、前駆体半導体薄膜上を等速に移動させながらパルスレーザを照射する。これによって先に結晶化させた列に隣接する縦一列分の領域を結晶化することができる。さらに同様に縦一列分の結晶化と隣接領域への移動とを繰り返すことにより、前駆体半導体薄膜の全面を結晶化することも可能である。
【００４２】
図３は、上述した本発明の半導体薄膜の製造方法の好適な具体例の結果得られる、多結晶半導体薄膜を段階的に示す平面図である。上述したとおり、エネルギビームおよび前駆体半導体薄膜のうちの少なくともいずれかを一定速度で移動させながら、パルス放射するエネルギビームの照射を行い、前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて、再結晶化を行う。
【００４３】
まず、図３（ａ）に示すように、第１回目のエネルギビーム照射によって、エネルギビームの矩形状の各照射パターン２１の像が、市松模様状に配置されてなるようにして、照射領域２１が結晶化される。ここで、図３（ｂ）に示す領域２２に第２回目のエネルギビームが照射されるように、レーザの発振周波数と、照射パターンの寸法と、前駆体半導体薄膜に対するエネルギビームの移動速度を定めておく。
【００４４】
このようにして第２回目のエネルギビームを照射すると、図３（ｃ）に示すように、当該エネルギビームの照射によりサブ領域２６が形成される。そして、エネルギビームおよび前駆体半導体薄膜のうちのいずれかを一定速度で移動させることによって（すなわち、上述したように、エネルギビームが前駆体半導体薄膜に対して一定速度で相対的に照射位置が変動されるようにして前駆体半導体薄膜に照射されることによって）、当該移動方向に沿ってサブ領域２６が順次形成されていく。ひとつのサブ領域を結晶化するために寄与するレーザ照射パターンは、ＸＹステージの移動方向にｎ個配置されているので、特許第３２０４９８６号公報に記載されているような逐次結晶化をｎ回繰り返して得られる結晶と同等性能の結晶が得られる。したがって、たとえば図２（ｂ）に示したような軌跡にてエネルギビームおよび前駆体半導体薄膜のうちのいずれかを一定速度で移動させることによって、前駆体半導体薄膜全面を方位の揃った良質の結晶を有するサブ領域で埋め尽くすことができる。
【００４５】
なお、上述の説明では、隣接領域の移動として、レーザ照射パターン形成領域の横方向の長さＸだけ移動するものとして説明したが、移動距離をＸ−（ｑ−Ｂ）／２ないしＸ−（３ｑ−Ｂ）／２とすると、隣接領域と重複してレーザ照射する領域ができるので、隣接領域との間に発生する短い結晶および大結晶粒界の発生を抑えることがきる。
【００４６】
本発明の半導体薄膜の製造方法においては、矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームは、矩形状のスリットが市松模様状に配置されたマスクを通したマスク像を前駆体半導体薄膜上に結像させたものであるのが好ましい。たとえば、マスクパターンを前駆体半導体薄膜上に１／４に縮小投影する構成が例示される。このように上記マスク像を前駆体半導体薄膜上に結像させることによって、上述した矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームの照射を行うと、少なくとも２回の照射でエネルギビーム照射領域内を結晶化することが可能となるというような利点がある。
【００４７】
あるいは、上記矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームは、矩形状のスリットが市松模様状に配置された近接マスクを通して、前駆体半導体薄膜上に照射されたものであるのが好ましい。このように、近接マスクを通して上述した矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームの照射を行うと、少なくとも２回の照射でエネルギビーム照射領域内を結晶化することが可能となるというような利点がある。
【００４８】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法は、前駆体半導体薄膜上に照射される矩形状のパターンのサイズをＡ（ｍｍ）×Ｂ（ｍｍ）、パルス照射するエネルギビームの繰り返し周波数をｆ（Ｈｚ）、前駆体半導体薄膜に対するエネルギビームの移動速度をｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）とする場合に、以下の関係が成立することが好ましい。
【００４９】
ｓ＝Ａ×ｆ
（ただし、Ａは、矩形状のパターンの、前駆体半導体薄膜および／またはエネルギビームの移動方向に平行な方向における寸法である。）
このような関係が成立することにより、前駆体半導体薄膜とエネルギビームを相対移動させながらレーザビームを照射することが可能となり、製造効率が向上するというような効果がある。
【００５０】
図４は、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装置（半導体薄膜製造装置）の一例を、概念的に示す図である。図４に示す例の半導体薄膜製造装置は、レーザ発振器３１と、レーザ光路を形成する各種光学部品（可変減衰器３２、ビーム整形素子３３、マスク面均一照明素子３４、マスク３５、結像レンズ３６、およびミラー３８）とを基本的に備える。図４に示す半導体薄膜製造装置においては、レーザ発振器３１から放射されたレーザ光が基板複合体３７に至るまでの光路は、マスク３５のパターン形成面を均一照明する照明系と、マスク３５の像を基板複合体３７上に縮小投影する結像系とから構成されている。このような半導体薄膜製造装置は、当分野にて従来より広く用いられている公知のレーザ発振器３１および各種光学部品を適宜組み合わせることによって好適に実現することができる。
【００５１】
レーザ発振器３１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、上述したようにたとえば、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。
【００５２】
レーザ発振器３１より放射されたレーザ光は、レーザ光路に設けられた可変減衰器３２によって、エネルギ量を調整される。その後、レーザ光は、レーザ光路に設けられたビーム整形素子３３によって適当な寸法に整形され、マスク面均一照明素子３４によってマスク３５のパターン形成面に均一に照射される。そして、レーザ光路に設けられたマスク３５の像は、結像レンズ３６によって、基板複合体３７上に所定倍率で結像される。このような基本構成を備える半導体薄膜製造装置を用いることによって、本発明の半導体薄膜の製造方法を好適に実施することができる。
【００５３】
なお、図４に示す半導体薄膜の製造装置においては、マスク３５とマスク面均一照明素子３４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。また、レーザ光路に設けられたミラー３８は、レーザ光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。
【００５４】
図５は、本発明の半導体薄膜の製造方法を利用した薄膜トランジスタ（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。上述したように、本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、前駆体半導体薄膜の全面にわたって結晶方位の揃った良質の結晶を形成することができるため、本発明の製造方法により形成された多結晶半導体領域（サブ領域）を有する半導体薄膜を活性層とするＴＦＴを製造すると、従来と比較して飛躍的に性能が向上されたＴＦＴを製造することができる。以下、図５を参照し、本発明の半導体薄膜の製造方法を利用した、ＴＦＴの製造方法を説明する。
【００５５】
まず、本発明の製造方法によって、複数のサブ領域を有する半導体薄膜を形成する（図５（ａ））。かかる半導体薄膜におけるサブ領域では、上述のように、長径方向に結晶方位の揃った多結晶半導体領域が形成されてなる。次に、図５（ｂ）に示すように、シリコンアイランド領域４１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４２は、キャリアの移動方向Ｃに大結晶粒界４０ａ,４０ｂを含まないように配置する。そして、図５（ｃ）に示すように、絶縁層を形成した後、ゲート電極４３を形成する。このようにして、本発明の半導体薄膜の製造方法を利用することによって、従来よりも格段に高性能な薄膜トランジスタを容易に製造することができる。このようにして得られた、前記多結晶半導体領域に少なくともトランジスタのチャネル領域が配設された薄膜半導体素子（薄膜トランジスタ）も、本発明の範囲に包含される。
【００５６】
図５においては、チャネル領域４２をサブ領域内に配置するようにしたが、シリコンアイランド領域４１全体をサブ領域内に配置するようにしてもよい。このときは、シリコンアイランド領域４１のサイズが小さくなるが、１パルスあたりの結晶長を伸長させる手段、例えば、基板複合体を加熱する方法、複数のレーザを照射する方法などを用いると、サブ領域の面積を大きくできるので、必要なサイズに拡大されたサブ領域を用いてＴＦＴを形成してもよい。
【００５７】
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。
【００５８】
＜実施例１＞
本実施例においては、図４に示した製造装置を用い、基板複合体を搭載したＸＹステージを等速移動させる構成とし、次の通り各種の条件を定めて結晶化を実施した。なお、マスクにおけるパターン（マスクパターン）の寸法は、結像系の倍率を１／４とした（すなわち、レーザ照射パターンの４倍の寸法）。
【００５９】
レーザの発振周波数：ｆ＝３００（Ｈｚ）
レーザ照射パターン形成領域：Ｘ×Ｙ＝５×２０（ｍｍ）
レーザ照射パターンのサイズ：Ａ×Ｂ＝０．５×０．００３（ｍｍ）
レーザ照射パターンのピッチ：ｐ×ｑ＝１×０．００５（ｍｍ）
基板複合体の外形寸法：Ｌ×Ｗ＝３００×４００（ｍｍ）
レーザ照射パターン（透過パターン）の数：ｎ×ｍ＝１０×４００（個）
ステージ移動速度ｓは、レーザの発振周波数ｆと、基板複合体の移動方向に平行なマスクパターンの寸法Ａから、次式で決定される。
【００６０】
ｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）＝Ａ×ｆ
＝０．５×３００
＝１５０
基板複合体全面を結晶化するのに要する時間ｔは、レーザ照射パターンの隣接領域への移動時間を０．２秒とすると、
ｔ＝（１列分の結晶化に要する時間＋隣接領域への移動時間）×繰返し数
＝（（Ｗ＋Ｙ−Ａ）／ｓ＋０．２）×（Ｌ／Ｙ）
＝（（４００＋２０−０．５）／１５０＋０．２）×（３００／５）
＝（４１９．５）／１５０＋０．２）×６０
＝１８０（ｓｅｃ）
となる。
【００６１】
＜比較例１＞
図８は、従来の結晶化方法によるレーザ照射パターン（図８（ａ））と前記レーザ照射パターンの移動軌跡の一例（図８（ｂ））とを簡略化して示す図である。実施例１と同等の大きさの領域７０（２０ｍｍ×５ｍｍ）に単一の矩形状レーザ照射パターン７１が形成されている。前記レーザ照射パターンの寸法は、０．００３×５（ｍｍ）とした。パルスレーザの照射毎に０．０００５ｍｍずれた位置にレーザが照射されるようにして逐次結晶化を行った場合、実施例と同様のレーザパルス繰返し数（３００Ｈｚ）とすると、基板複合体の移動速度ｓ１は、
ｓ１＝０．０００５×３００
＝０．１５（ｍｍ／ｓｅｃ）
となる。
【００６２】
基板複合体全面を結晶化するためには、図８（ｂ）に示すような軌跡で前記基板複合体を移動させればよく、前記実施例と同様にレーザ照射パターンを隣接領域へ移動するために要する時間を０．２秒として、基板複合体全面を結晶化するのに要する時間ｔ１を計算すると、次のようになる。
【００６３】
ｔ１＝（１列分の結晶化に要する時間＋隣接領域への移動時間）×繰返し数
＝（Ｗ／ｓ１＋０．２）×（Ｌ／Ｙ）
＝（４００／０．１５＋０．２）×（３００／５）
＝１６００１２（ｓｅｃ）
本比較例の場合には、基板複合体全面に方位の揃った結晶が形成されるが、実施例に比較すると、結晶化に要する時間は約８９０倍となる。
【００６４】
＜比較例２＞
図９（ａ）は従来の結晶化方法によるレーザ照射パターン（図９（ａ））と前記レーザ照射パターンの移動軌跡の一例（図９（ｂ））とを簡略化して示す図である。実施例１と同等の領域８０（２０ｍ×５ｍｍ）に複数の矩形状透過パターンが等間隔で配列されている。前記透過パターンの寸法は、０．００３×５（ｍｍ）、ピッチＰを２０μｍとした。
本比較例においては、パルスレーザの照射毎に０．０００５ｍｍずれた位置にレーザが照射されるようにし、この工程を４０回繰り返し行うことにより、パターン形成領域全体（２０×５ｍｍの領域）を結晶化する。そして、隣接領域に移動したのち、同様の工程を繰り返し、基板複合体全体を結晶化する構成とした。
レーザパルス繰返し数（３００Ｈｚ）とすると、基板複合体の移動速度ｓ２は、
ｓ２＝０．０００５×３００
＝０．１５ｍｍ／ｓｅｃ
となる。
【００６５】
基板複合体全面を結晶化するためには、図９（ｂ）に示すような軌跡で前記基板複合体を移動させればよく、実施例と同様にレーザ照射パターンを隣接領域へ移動するために要する時間を０．２秒として、基板複合体全面を結晶化するのに要する時間ｔ２（ｓｅｃ）を計算すると、次のようになる。
【００６６】
ｔ２＝（Ｐ／Ｓ２＋０．２）×｛（Ｗ／Ａ）＊（Ｌ／Ｂ）｝１２００
＝（０．０２／０．１５＋０．２）×｛（４００／２０）＊（３００／５）｝
＝４００（ｓｅｃ）
本比較例の場合には、長さ２０μｍの針状結晶が基板複合体全面に形成されるが、結晶方位の揃った領域は１０μｍ程度であり、高性能なＴＦＴを形成できる領域は、基板面積の１／２の領域であり、かつ、基板複合体全面を結晶化するために要する時間は、実施例に比較して約２．２倍となる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】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平面図である。
【図２】本発明の半導体薄膜の製造方法の好適な具体例を説明するための図であり、図２（ａ）は、本発明の製造方法に好適に用いることができるマスク１０を示す平面図、図２（ｂ）は、レーザ照射パターン形成領域１１の移動方法の一例を説明する図面である。
【図３】本発明における前駆体半導体薄膜の結晶化の好適な具体例の結果得られる、多結晶半導体薄膜を段階的に示す平面図である。
【図４】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装置を、概念的に示す図である。
【図５】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６】従来のＳＬＳ法において、第１回目のエネルギ照射によって得られる多結晶半導体薄膜の一例の概要を説明するための平面図である。
【図７】従来のＳＬＳ法により得られた結晶の一例の概要を説明するための平面図である。
【図８】従来の結晶化方法によるレーザ照射パターン（図８（ａ））と前記レーザ照射パターンの移動軌跡の一例（図８（ｂ））を簡略化して示す図である。
【図９】従来の結晶化方法によるレーザ照射パターン（図９（ａ））と前記レーザ照射パターンの移動軌跡の一例（図９（ｂ））を簡略化して示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  第１の照射領域、２  第２の照射領域、３  第３の照射領域、４  第４回目のレーザ照射領域、５ａ  第１の大結晶粒界、５ｂ  第２の大結晶粒界、６  サブ領域、１１  レーザ照射パターン形成領域、１２  レーザ照射パターン、１３  遮光部、１４  基板複合体、２１  照射パターン、２６  サブ領域、３１  レーザ発振器、３２  可変減衰器、３３  ビーム整形素子、３４  マスク面均一照明素子、３５  マスク、３６  結像レンズ、３７  基板複合体、３８  ミラー、４０ａ  第１の大結晶粒界、４０ｂ  第２の大結晶粒界、４１  シリコンアイランド領域（活性層）、４２  チャネル領域、４３  ゲート電極。
【図１】
2005167007.tif 000003
【図２】
2005167007.tif 000004
【図３】
2005167007.tif 000005
【図４】
2005167007.tif 000006
【図５】
2005167007.tif 000007
【図６】
2005167007.tif 000008
【図７】
2005167007.tif 000009
【図８】
2005167007.tif 000010
【図９】
2005167007.tif 000011