(57)【要約】      （修正有）【課題】結晶粒を大きくでき、かつ、その特性向上を図ることができる半導体結晶薄膜の製造方法、およびそれに用いる製造装置、フォトマスクを提供する。【解決手段】半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するようにレーザビームを照射する第１のレーザと、前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する第２のレーザとを用いて、半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程と、前記第１のレーザを用いて、前記第２のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する工程とを含む半導体結晶薄膜の製造方法、およびそれに用いる装置、フォトマスク。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体薄膜に、レーザを照射して半導体結晶薄膜を製造する方法であって、
半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するようにレーザビームを照射する第１のレーザと、前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する第２のレーザとを用いて、半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程と、
前記第１のレーザを用いて、前記第２のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する工程とを含む、半導体結晶薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記第２のレーザとして炭酸ガスレーザを用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクを介して、第１のレーザが半導体薄膜に照射されるものであり、
前記半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程では、第１のレーザによりフォトマスクの開口群を介して半導体薄膜にスリットビーム群を照射するとともに、第２のレーザにより半導体薄膜の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射し、
前記リッジの高さを低減する工程では、第１のレーザによりフォトマスクの矩形状の開口を介して半導体薄膜の前記第２のレーザによる照射領域に含まれない領域に矩形状のレーザビームを照射し、
レーザの照射とフォトマスクの移動を繰り返し行うことで、前記半導体結晶薄膜を形成する工程および前記リッジの高さを低減する工程を順次行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記フォトマスクが、前記開口群と矩形状の開口との間に、レーザを透過しない領域を有するものである請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のレーザの照射強度が、半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
基板上に形成された半導体薄膜にレーザを照射して半導体結晶薄膜を製造するために用いられる装置であって、
半導体薄膜上にスリットビーム群および矩形状のレーザビームを照射するための第１のレーザと、
半導体薄膜上に前記第１のレーザによるスリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するための第２のレーザと、
第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクとを備える、半導体結晶薄膜の製造装置。
【請求項７】
前記第２のレーザが炭酸ガスレーザであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記フォトマスクが、前記開口群と矩形状の開口との間に、レーザを透過しない領域を有するものである、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のレーザの照射強度が、半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
基板上に形成された半導体薄膜から半導体結晶薄膜を製造するために用いられるフォトマスクであって、
第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、
第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口と、
前記開口群と矩形状の開口との間に形成されたレーザを透過しない領域とを有することを特徴とするフォトマスク。
【請求項１１】
前記矩形状の開口の透過率が前記開口群の透過率よりも低いことを特徴とする請求項１０に記載のフォトマスク。
【請求項１２】
基板上の半導体結晶薄膜に形成された半導体素子であって、前記半導体結晶薄膜が結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有し、当該リッジの高さが半導体結晶薄膜の膜厚の２倍以下であることを特徴とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギービームとしてレーザを利用した半導体結晶薄膜の製造方法およびそれに用いられる製造装置、フォトマスク、ならびに、半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話機の表示ディスプレィとして、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置が多く用いられている。この液晶や有機ＥＬを利用した表示装置には、画素の表示をスイッチングするために非晶質または多結晶のシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタが用いられる。これらの薄膜トランジスタはガラス基板上に形成されており、薄型で軽量の表示装置を得ることが可能となっている。
【０００３】
このうち、多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いたトランジスタよりも、電子およびホールなどのキャリア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。
【０００４】
たとえば、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いため、高性能のトランジスタを作製することが可能であり、これによって画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分のガラス基板上に、より高性能なトランジスタを必要とする駆動回路や画像処理などの機能を有する周辺回路を形成することができる。このため、ドライバＩＣや駆動回路基板をガラス基板に実装する必要がなく、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００５】
また、その他の長所として、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いため、トランジスタの寸法を微細化でき、そのため画素部分に形成するスイッチング素子を小さくできるため、高開口率化が図れる。これによって、高精細であっても高輝度な表示装置を提供することが可能となる。
【０００６】
上述したような長所を有する多結晶シリコン薄膜は、通常、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、非晶質シリコンを多結晶化する工程を行なうことによって製造することができる。
【０００７】
非晶質シリコンを結晶化する工程としては、基板全体を６００〜１０００℃以上の高温に保ち、非晶質を結晶質へと転換させるアニール法がある。しかしながらアニール法では、安価なガラス基板は使うことができず、上記高温に耐え得る高価な石英基板を使用する必要があり、このことが表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。
【０００８】
そこで近年は、多結晶シリコン薄膜の製造に際し、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。このレーザによる結晶化技術は、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。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、レーザビームのエネルギにより溶融した後、固化することで結晶となり、非晶質シリコンと比較して数桁程度電子移動度を改善することができる。
【０００９】
このレーザを用いた方法においては、最初の非晶質シリコン膜を、厚み方向全域にわたって溶融させるのではなく、膜の底部に一部の非晶質領域を残して溶融することで、工業的に有用な結晶を得ることができる。しかしこの方法では、レーザ照射領域全域にわたって、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ことになる。このように多数の結晶粒が基板上に形成されると、膜中には無数の粒界が存在するため、トランジスタを形成して電気的な駆動を行なう際に、電子やホールなどのキャリアが粒界に散乱されることになり、単結晶基板と比較すると、数分の一程度の電子移動度しか得られない。このような背景に鑑み、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくし、また結晶の方位を制御することにより、単結晶に近い性能を実現できた高性能な表示装置を得るため、近年、数多くの研究開発がなされている。
【００１０】
この特性改善技術の１つとして、たとえば特許第３２０４９８６号（特許文献１）は、スーパーラテラル成長と称する技術を開示している。特許文献１に記載された方法は、微細幅のパルスレーザをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚み方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化を行なうものである。たとえば、２〜３μｍの微細幅のレーザ照射によって、レーザ照射領域が溶融し、未溶融領域の境界から横方向（すなわち、基板の厚み方向に略垂直な方向）に結晶が成長し、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。上記レーザ照射領域は、通常、微細なストライプ状（短冊状）であり、結晶はこのストライプ状の短手方向に沿って成長し、上記溶融領域中央部の両側から成長した結晶は、このストライプ状の長手方向に関する中心線上で衝突することになる。
【００１１】
またこの方法は、複数のパルスレーザ照射によっても行なうことが可能であり、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す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次の結晶成長の種として引き継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方法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。
【００１２】
また、複数のビームを用いて特性改善を行なう試みが、特開平８−１８６２６８号公報（特許文献２）、特開２００１−１７６７９７号公報（特許文献３）などに記載されている。ただし、これら特許文献２、３に記載の技術は、横方向の成長の概念を取り入れたものとはなっていない。
【００１３】
また、表面の平坦性を改善する試みが、特開２００３−１４２４０２号公報（特許文献４）に記載されている。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特開平８−１８６２６８号公報
【特許文献３】特開２００１−１７６７９７号公報
【特許文献４】特開２００３−１４２４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら従来のいずれの方法においても、得られた半導体結晶薄膜における結晶粒の大きさを大きくし、かつ、その特性向上を図ることは容易ではなかった。これは、上述した従来の方法では結晶粒の大きさの拡大を十分に図ることができないものであり、また、溶融−凝固に至る過程で半導体結晶薄膜の表面に凹凸が生じるために、半導体結晶薄膜に形成される半導体素子の特性（特に薄膜トランジスタの閾値）のばらつきが大きくなってしまうことに起因する。
【００１５】
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、結晶粒を大きくでき（結晶長を長くでき）、かつ、その特性向上を図ることができる半導体結晶薄膜の製造方法、およびそれに用いる製造装置、フォトマスクを提供することである。また、本発明は、大きな結晶粒を有し、かつ、その特性が向上された半導体結晶薄膜を用いた半導体素子を提供することもその目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、基板上に形成された半導体薄膜に、レーザを照射して半導体結晶薄膜を製造する方法であって、半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するようにレーザビームを照射する第１のレーザと、前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する第２のレーザとを用いて、半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程と、前記第１のレーザを用いて、前記第２のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する工程とを含むことを特徴とする。
【００１７】
ここにおいて、前記第２のレーザとして炭酸ガスレーザを用いることが好ましい。
本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクを介して、第１のレーザが半導体薄膜に照射されるものであり、前記半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程では、第１のレーザによりフォトマスクの開口群を介して半導体薄膜にスリットビーム群を照射するとともに、第２のレーザにより半導体薄膜の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射し、前記リッジの高さを低減する工程では、第１のレーザによりフォトマスクの矩形状の開口を介して半導体薄膜の前記第２のレーザによる照射領域に含まれない領域に矩形状のレーザビームを照射し、レーザの照射とフォトマスクの移動を繰り返し行なうことで、前記半導体結晶薄膜を形成する工程および前記リッジの高さを低減する工程を順次行なうことが、好ましい。
【００１８】
また本発明の半導体結晶薄膜の製造方法に用いるフォトマスクは、前記開口群と矩形状の開口との間に、レーザを透過しない領域を有するものであることが好ましい。
【００１９】
また本発明の半導体結晶薄膜の製造方法において、前記第１のレーザの照射強度は、半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低いことが好ましい。
【００２０】
本発明はまた、基板上に形成された半導体薄膜にレーザを照射して半導体結晶薄膜を製造するために用いられる装置であって、半導体薄膜上にスリットビーム群および矩形状のレーザビームを照射するための第１のレーザと、半導体薄膜上に前記第１のレーザによるスリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するための第２のレーザと、第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクとを備える半導体結晶薄膜の製造装置も提供する。
【００２１】
ここにおいて、前記第２のレーザは炭酸ガスレーザであることが好ましい。
また本発明の半導体結晶薄膜の製造装置において、前記フォトマスクが、前記開口群と矩形状の開口との間に、レーザを透過しない領域を有するものであることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体結晶薄膜の製造装置における前記第１のレーザの照射強度は、半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低く設定されていることが好ましい。
【００２３】
また本発明は、基板上に形成された半導体薄膜から半導体結晶薄膜を製造するために用いられるフォトマスクであって、第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口と、前記開口群と矩形状の開口との間に形成されたレーザを透過しない領域とを有するフォトマスクも提供する。
【００２４】
本発明のフォトマスクにおいて、前記矩形状の開口の透過率は、前記開口群の透過率よりも低いことが好ましい。
【００２５】
本発明はさらに、基板上の半導体結晶薄膜に形成された半導体素子であって、前記半導体結晶薄膜が結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有し、当該リッジの高さが半導体結晶薄膜の膜厚の２倍以下である半導体素子も提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、第２のレーザを用いて非常に大きな結晶粒を形成するような条件で半導体薄膜の結晶化を行なっても、凹凸の少ない半導体結晶薄膜を得ることができ、これによって結晶粒が大きく（結晶長が長く）、かつ優れた特性を有する半導体素子（特に、閾値のばらつきの小さなトランジスタ）を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法の好ましい一例を説明するための模式図である。本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、基板上に形成された半導体薄膜に、レーザを照射して半導体結晶薄膜を製造する方法であって、（１）半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するようにレーザビームを照射する第１のレーザと、前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する第２のレーザとを用いて、半導体薄膜を結晶化させて半導体結晶薄膜を形成する工程（以下、「結晶化工程」）と、（２）前記第１のレーザを用いて、前記第２のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する工程（以下、「リッジ低減工程」）とを有することを特徴とする。
【００２８】
上述したような結晶化工程およびリッジ低減工程を有する本発明の半導体結晶薄膜の製造方法によれば、結晶化工程において、第１のレーザによりスリットビーム群の照射を行なうとともに、第２のレーザを用いて非常に大きな結晶粒を形成するような条件で半導体薄膜の結晶化を行ったとしても、リッジ低減工程において形成されたリッジの高さを低減させることができる。これによって、結晶粒が大きく（結晶長が長く）、かつ凹凸の少ない半導体結晶薄膜を製造することができる。このようにして得られた半導体結晶薄膜を用いることで、結晶粒が大きく、かつ、優れた特性を有する半導体素子（特に、閾値のばらつきの小さなトランジスタ）を製造することが可能となる。
【００２９】
本発明に用いる第１のレーザとしては、パルス状のエネルギビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であれば、特に限定されるものではないが、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザ、あるいはその高調波などの、紫外域の波長を有する光源を好ましく用いることができる。
【００３０】
また本発明に用いる第２のレーザとしては、第１のレーザ１による半導体薄膜の溶融、固化の過程を効果的に補助し得るものであればよく、たとえば、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザなどを用いることができ、特にガラス基板に対する吸収率が高い波長を有しており、瞬時に基板温度を高くすることが可能であることから、炭酸ガスレーザを好ましく用いることができる。
【００３１】
本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、第１のレーザが、図１に示すような特定の形状を有するフォトマスクを介して、基板上に形成された半導体薄膜に照射されることが好ましい。すなわち、フォトマスクとして、第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクを用い、結晶化工程では、第１のレーザによりフォトマスクの開口群を介して半導体薄膜にスリットビーム群を照射するとともに、第２のレーザにより半導体薄膜の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射し、リッジ低減工程では、第１のレーザによりフォトマスクの矩形状の開口を介して半導体薄膜の前記第２のレーザによる照射領域に含まれない領域に矩形状のレーザビームを照射するように実現されることが、好ましい。さらに、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法では、上述のような結晶化工程およびリッジ低減工程を、レーザの照射とフォトマスクの移動を繰り返し行なうことで順次行なうことが好ましい。換言すると、半導体薄膜上の別個の領域（スリットビーム群を含む照射領域、ならびに、矩形状のレーザビームが照射される領域）において、それぞれ結晶化工程およびリッジ低減工程が同時に行なわれ、フォトマスクの移動により、半導体薄膜の全面にわたり結晶化工程およびリッジ低減工程が順次行なっていくことが好ましい。
【００３２】
以下、まずは結晶化工程について、具体的に説明する。図１には、たとえば、２つの開口群１２ａ，１２ｂ（以下、これらの総称を「開口群１３」と呼称する）が形成されたフォトマスク１１を用い、当該フォトマスク１１を介して第１のレーザにより半導体薄膜上にレーザビームを照射することで、前記結晶化工程において第１のレーザにより半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するように実現した例を示している。フォトマスク１１に形成された開口群１３を通して複数のスリットビーム像（これらの総称を「スリットビーム群」と呼称する）を半導体薄膜に照射することで、半導体薄膜を溶融、固化させて結晶化させて、スーパーラテラル成長を生じさせる。この方法自体は、上述した特許文献１に記載されたいわゆる基板の面内方向に横方向の結晶成長を生じさせる方法である。本発明は、後述するようにこの横方向成長を行なう際の結晶特性の改善に極めて有効な方法である。
【００３３】
図１に示す例では、たとえば、長さがＬ、ピッチがＰ、幅がＤの開口が、各開口の幅方向に関し複数配列されるようにして開口群１３が形成されたフォトマスク１１を用いている。これにより、半導体薄膜上には、フォトマスク１１の開口群１３に相当するスリットビーム像が形成され、前記開口群１３の各開口の幅Ｄに対応するスリットビーム像の幅Ｄ’で溶融、固化が生じ、結晶成長が生じて、スリットビーム像の縁部から内側に向かって（図１に示す例では、白抜きの矢符の方向Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ向かって）、結晶４が生じる。ここで、開口群１３の各開口の幅Ｄと、スリットビーム像の幅Ｄ’は、後述する光学系の設計によって決まる倍率により適宜決定され、特に制限されるものではない。また、開口群１３の各開口の長さＬ、ピッチＰについても、上記倍率と概ね同等の倍率で半導体薄膜上に結像されることになる。
【００３４】
この際、生じる結晶４の長さは、条件によって異なるが、たとえば、ガラス基板上に形成された厚み５０ｎｍのアモルファスシリコン薄膜に、波長３０８ｎｍのエキシマレレーザを５００ｍＪ／ｃｍ2程度のエネルギでパルス幅５０ｎｓで与えた場合には、ほぼ１〜２ミクロンの間となる。このことより分かるように、特許文献１に開示された方法では、１回の照射で成長する結晶長はわずかであるため、このままではデバイスの作製に実用的でない。
【００３５】
そこで、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法における結晶化工程では、上述のように第１のレーザにより半導体薄膜上にスリットビーム群を照射するとともに、第２のレーザを用いて、半導体薄膜上の前記スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するようにする。これにより、第１のレーザを単独で用いた照射と比較すると、格段に長い結晶長を有する結晶４を得ることができるものである。
【００３６】
たとえば、ガラス基板上に形成された半導体薄膜（アモルファスシリコン薄膜またはシリコン薄膜）に対して、第１のレーザとして波長３０８ｎｍのエキシマレレーザを用いて上述した条件にてスリットビーム群を形成するように照射を行ない、第２のレーザとして炭酸ガスレーザを用いて波長１０．６ミクロンの光を前記スリットビーム群を含む照射領域に照射すると、結晶長として５〜１０ミクロン以上という通常の数倍から１０倍程度の結晶長を得ることができる。これは、前記半導体薄膜は、炭酸ガスレーザにより発振される１０．６ミクロンの波長に対しては吸収がなく、かつ、基板に対しては吸収が大きいため、このような炭酸ガスレーザを第２のレーザとして用いることで、基板と半導体薄膜との間の界面付近を加熱することが可能であるためであると考えられる。
【００３７】
上述したように、第１のレーザとしてエキシマレーザを用い、第２のレーザを用いずに第１のレーザ単独で照射を行った場合には、十分な結晶長を得ることができない。これは、第１のレーザとして用いたエキシマレーザは、そのパルス幅が通常１０〜１０００ｎｓの間であり、極めて短時間に溶融が行った後、短時間で冷却が行なわれる結果、結晶長が１ミクロンと限定された値しか得ることができないためである。これに対し、本発明のように第１のレーザによる照射に加え、第２のレーザによる前記照射領域への照射を行なうことで、半導体薄膜が溶融した後も基板の温度が保持される結果、結晶の成長が持続し、大きな結晶が成長するという結果を得ることができる。なお、図１に示す例では、半導体薄膜には、幅が１０ミクロン程度の狭いスリットビームの光源像を照射し、その像の周辺部分から、横方向に結晶が成長するようにしている。
【００３８】
結晶化工程における第１のレーザおよび第２のレーザの照射の条件は、たとえば次のように設定することが可能である。
【００３９】
まず、照射強度については、第１のレーザの照射強度は、基板上に形成された半導体薄膜が第１のレーザのエネルギ単独では厚み方向全域で溶融しないように加熱し得る程度であることが好ましく、第２のレーザの照射強度は、基板上に形成された半導体薄膜が第２のレーザのエネルギー単独では溶融しないように加熱し得る程度であることが好ましい。具体的には、第１のレーザの照射強度は好ましくは１５０〜４５０ｍＪ／ｃｍ2の範囲内、より好ましくは２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ2の範囲内であり、また、第２のレーザの照射強度は１０〜５００Ｗ／ｍｍ2の範囲内、より好ましくは１００〜２００Ｗ／ｍｍ2の範囲内である。第１のレーザおよび第２のレーザの照射強度をそれぞれこのように設定することで、両者のエネルギが加えられた半導体薄膜は、その厚み方向全域に溶融が生じることになる。
【００４０】
次に、照射のタイミングについては、第１のレーザの照射開始時刻および照射終了時刻、第２のレーザの照射開始時刻および照射終了時刻は、適宜設定することが可能である。
【００４１】
照射のタイミングの好ましい第１の例としては、少なくとも第２のレーザの照射を開始後、第２のレーザの照射を終了すると同時に、第１のレーザの照射を開始する場合が挙げられる。このような第１の例に従ったタイミングで照射を行なう場合、第２のレーザ照射により基板が最高温度に到達すると同時に第１のレーザが照射されるので、基板への熱の投入を最小限に抑えたかたちで半導体薄膜の結晶化を最大限に行なうことができるという利点がある。
【００４２】
照射のタイミングの好ましい第２の例としては、少なくとも第２のレーザの照射を開始してから、第１のレーザの照射を開始する場合が挙げられる。この場合、第２のレーザは、第１のレーザの照射が終了した後も照射を継続してもよいし、あるいは、第１のレーザの照射が開始されるまでに終了してもよい。このような第２の例に従ったタイミングで照射を行なう場合、上述した第１の例と比較して、第２のレーザによる基板への熱の投入は多くなるが、第１のレーザ照射による半導体薄膜の溶融・再結晶化の過程においても基板温度を上げ続けることができるため、より大きな結晶粒を得ることができるという利点がある。
【００４３】
また照射のタイミングの好ましい第３の例としては、第１のレーザの照射を開始してから、第２のレーザの照射を開始する場合が挙げられる。この場合、第２のレーザは、第１のレーザの照射が終了してからも照射を継続してもよいし、あるいは、第１のレーザの照射が終了するまでに終了してもよいが、第２のレーザを併用することによる上述した効果を十分に発揮するためには、第１のレーザの照射が概ね終了しても、第２のレーザの照射を継続することが好ましい。このような第３の例に従ったタイミングで照射を行なう場合、主に第１のレーザの照射による半導体薄膜の溶融後の凝固過程に着目し、第１のレーザ照射終了後に第２のレーザを照射することで、前記凝固時間を長くすることができ、結晶粒を大きくすることができるという利点がある。
【００４４】
なお、上述したいずれの場合でも、第２のレーザが長時間にわたって半導体薄膜に照射されると、半導体薄膜を形成した基板の温度が上がりすぎ、基板に損傷を与える場合があるため、第２のレーザを用いた加熱の程度は最小に留める必要がある。
【００４５】
結晶化工程により半導体薄膜の全面を結晶化するためには、たとえば図１に示す例のように、開口群１３が、その長さ方向に関し２つの開口群１２ａ，１２ｂが互いに隣接して形成されるように、同一の長さＬ、幅Ｄ、ピッチＰを有する開口が複数配列してなるフォトマスク１１を用いることが好ましい。図１に示す例のフォトマスク１１は、長さ方向に関する２つの開口群１２ａ，１２ｂの各開口が、その幅方向に関し一部重複して互いにずれて配列されてなる。
【００４６】
このようなフォトマスク１１を用いて、第１のビームにより半導体薄膜上に開口群１２ａを介したスリットビーム群を照射した（１回目の照射）後、スリットビームの長さ方向Ｘに、スリットビームの長さだけ移動させ、開口群１２ｂを介したスリットビーム群を半導体薄膜上に照射する。これを半導体薄膜の大きさに応じて順次繰り返すことで、半導体薄膜を全面にわたって結晶化させることができる。そしてその際、第２のレーザによる照射領域が、上述した２つの開口群１２ａ，１２ｂに対応するスリットビーム群を含むように設定することで、上述したように結晶長を飛躍的に増大させることができる。
【００４７】
ここで、図２は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法における結晶化工程による半導体薄膜から半導体結晶薄膜への変化を段階的に示す断面図である。なお、図２は、図２の紙面に関し垂直な方向が、図１に示した例での開口群１３の各開口の長さ方向に対応している。
【００４８】
まず、図２（ａ）は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法を行なう前の状態であり、基板２上に半導体薄膜１が形成された構造物を示している。半導体薄膜１としては、たとえば、シリコン薄膜やアモルファスシリコン薄膜が用いられる。また基板２としては、ガラス基板や石英基板などが用いられ、特に制限されるものではないが、耐熱性の観点からガラス基板が好ましく用いられる。また、通常、図２（ａ）に示す例のように、基板２から半導体薄膜１への不純物の拡散を防止する目的で、基板２と半導体薄膜１との間に、二酸化シリコンなどにより形成された下地層３が介在される。
【００４９】
次に、上述したようにフォトマスク１１の開口群１２ａを介した第１のレーザによるスリットビーム群の照射および照射領域への第２のレーザの照射を行なう（１回目の照射）と、図２（ｂ）に示すように、半導体薄膜１のうち開口群１２ａに対応するスリットビーム群が照射された領域にのみ結晶４が形成される。結晶４は、スリットビーム群が照射された領域の両端から、互いに対向する方向Ｓ１，Ｓ２に結晶化が進行し、結晶４が中央で衝突する結果、当該結晶４が形成された領域の中央部分にはリッジと呼ばれる隆起部分（リッジ５）が生じる。このリッジ５が生じる位置は、上記結晶４が形成された領域の幅方向に関する中心線上であり、この中心線は各スリットビームの幅方向に関する中心を通る長さ方向に沿った線と概ね等しい。
【００５０】
次に、図１に示した例のフォトマスク１１を、方向Ｘに開口の長さＬに対応する半導体薄膜１上のスリットビームの長さだけ移動させた後に、再度、第１のレーザおよび第２のレーザを用いて照射を行なう（２回目の照射）。この際、フォトマスク１１の移動によって、開口群１２ａに対して各開口がその幅方向に関してずれて配列された開口群１２ｂを介して、第１のレーザによる照射が行なわれることになる。ここで、開口群１２ａの各開口と開口群１２ｂの各開口との幅方向に関するずれは、２回目の照射により形成されるスリットビーム群により結晶化される位置が、上述した１回目の照射で結晶化された領域に挟まれた、１回目の照射では結晶化されなかった領域の中間となるように設定し、かつ、１回目の照射で結晶化された領域と再度の照射で結晶化された領域とが若干重なるように設定する必要がある。具体的には、上述したように、フォトマスク１１における開口群１３の各開口の幅Ｄを、当該開口の幅方向に関するピッチＰの１／２より大きくすることで、概ね達成することができる。
【００５１】
このように互いに幅方向にずれた２つの開口群１２ａ，１２ｂが開口の長手方向に互いに隣接して形成されたフォトマスク１１を用いた２回の照射の重ね合わせを繰り返して半導体薄膜の全面に関して行なうことで、図２（ｃ）に示すように、その全面が結晶化された半導体結晶薄膜を形成することができる。
【００５２】
しかしながら、結晶化工程により、半導体薄膜の全面を結晶化して半導体結晶薄膜を形成した後には、図２（ｃ）に示すように、結晶化された領域のそれぞれの中央部分に、リッジ５が生じる。このリッジ５は、形成される半導体素子の特性に極めて大きな影響を与える（特に、薄膜トランジスタの閾値電圧の変動）。通常、形成される薄膜トランジスタの閾値電圧は、一定であることが望ましく、前記リッジ５の影響によりばらつきが生じると、電源電圧を低くすることが困難となり、たとえばこれを液晶表示素子に適用した場合には、消費電力の低減を行なうことが困難となる。
【００５３】
本発明者らは、この隆起部分が薄膜トランジスタのチャンネル領域に含まれる半導体素子と、含まれない半導体素子とを試作して特性を比較することにより、隆起部分を含まない方が、閾値電圧の変化が少なく、かつ、そのばらつきが小さいことを見出した。つまり、隆起部分がないか、あるいは隆起部分の高さが低いほど、そこに形成される半導体素子の特性が良いことが確認された。
【００５４】
また、本発明者らは、このリッジの高さと、そのときに形成されている横方向成長をしてできた結晶の長さとの関連を調べたところ、図３に示すグラフのような関係を示すことが判明した。図３のグラフにおいて、縦軸はリッジの高さ、横軸は横方向の結晶長である。なお、図３のグラフの横軸に関し、横方向の結晶長が大きいほど、第２のレーザによる照射強度が大きいことを示している。図３のグラフにおいて示される点線から分かるように、結晶長とリッジの高さとは密接な関係があり、リッジの高さはほぼ結晶長に比例して増加する。すなわち、結晶長が短い場合にはリッジの高さは低く（たとえば図３中の点Ｂの状態）、結晶長を長く伸ばすような条件になればなるほど（換言すれば、第２のレーザによる照射強度を大きくするほど）、リッジは高くなり、図３に示す点Ｂの状態から点Ｃの状態に至る傾向になる。
【００５５】
また、結晶長と第２レーザの照射強度とは、図４に示すグラフのような関係を示すことも判明した。図４のグラフにおいて、縦軸は横方向の結晶長、横軸は第２のレーザの照射強度である。図４のグラフから、第２のレーザの照射強度を高めることにより、得られる結晶長は加速度的に増大する傾向にあることが分かる。
【００５６】
また、図３に示すグラフでは、結晶長がＤ’／２（すなわち、図１に示したスリットビームの幅Ｄ’の１／２）になると（図３中、点Ｃの状態）、理論的にはそれ以上結晶長は増加しない筈であるが、それ以上に第２のレーザの照射強度を高めると、結晶長は結果的に増加していく。これは、半導体薄膜上に過剰に投与された第２のレーザのエネルギのために、溶融領域が広がり、スリットビームの幅以上に溶融領域が広がることで、結果的に結晶長が長くなるためである。この場合に、リッジの高さは、図３に示す点Ｂから点Ｃに至る点線の延長上ではなく、点Ｃから点Ａに至るように、前記点線の勾配がより大きくなる傾向を示す。すなわち、スリットビームの幅Ｄ’の１／２よりも長く伸ばすような照射条件を設定して結晶化を行なうと、リッジの高さの増大が過剰に生じることになる。
【００５７】
また、通常、スリットビーム幅の中央まで結晶化しかつ、安定的に（すなわち照射強度のふらつきや、膜厚変動や、反射率変動などを避けるために）結晶化させるためには、やや過剰に照射強度を定める必要がある。このためリッジ高さとしては、図３に示す点Ａの条件で生じることになる。
【００５８】
そこで、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法では、上述した結晶化工程の後、前記第１のレーザを用いて、半導体薄膜上における前記第２のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することによって、半導体結晶薄膜に生じたリッジの高さを低減する、リッジ低減工程を行なう。このように本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、リッジ高さの低減のために、図３における点Ａの条件で生じたリッジを含む結晶化領域全体に再度矩形状のレーザビームを照射し、リッジ高さの低減を図ることを特徴とする。この場合、図３における点Ａの条件とは、図４でいえば概ね点Ｄでの条件に相当する。すなわち、第２のレーザの照射強度が大きく、横方向成長の結晶長が大きい場合である。
【００５９】
このように、前記結晶化工程の後、第１のレーザを用いて前記第２のレーザの照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射することで、図３の点Ａの条件で形成されたリッジを含む結晶化領域全体に、半導体結晶薄膜の厚み方向全域で溶融・再結晶化しない程度の照射強度でレーザビームを照射する。これによって、半導体結晶薄膜の膜厚の大きいリッジが部分的に溶融・凝固し、リッジの高さの低減を図ることができる。なお、この第１のレーザによる矩形状のレーザビームの照射強度は、図４に示すように、第２のレーザの照射強度を非常に低く（またはゼロにして）、たとえば点Ｅ以下の横方向成長しない条件で照射することに対応する。
【００６０】
図５は、本発明のリッジ低減工程により、リッジが低減される様子を段階的に示す断面図であり、また図６は図５（ｂ）の上面斜視図である。図５（ａ）は、リッジ低減工程を行なう前の半導体結晶薄膜を示しており、リッジ５の高さはＨ１で示されている。このリッジ５の高さＨ１は、たとえば原子間力顕微鏡により突起部と平坦部との高さの差から測定され、通常、１５０〜２５０ｎｍの範囲内である。このような高さのリッジ５を有する半導体結晶薄膜に、第１のレーザを用いて、半導体結晶薄膜の厚み方向全域で溶融・再結晶化しない程度の照射強度で矩形状レーザビーム１０を照射する。
【００６１】
その結果、図５（ｂ）に示すように、矩形状レーザビーム１０の照射によって半導体結晶薄膜におけるリッジ５が部分的に溶融・凝固され、高さＨ２にまで低減されたリッジ６が形成される。ここで、リッジ低減工程後のリッジ６の高さＨ２は、上述したリッジ５の高さＨ１と同様にして測定された値が、５０〜１００ｎｍの範囲内、好ましくは２０〜５０ｎｍの範囲内となる。このように、本発明のリッジ低減工程を経ることで、好ましくは半導体結晶薄膜の膜厚の２倍以下にまで低減された高さＨ２を有するリッジ６を形成することができる。そして、図５（ｂ）の上面斜視図である図６に示されるように、このリッジ低減工程後の半導体結晶薄膜は、結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有するという、特徴的な外観を呈することになる。このように本発明の方法で製造された半導体結晶薄膜は、上述のようにリッジの高さを低減できることに加え凹凸も低下させることができ、その上にトランジスタなどの半導体素子を形成した場合には、特性の向上された半導体素子を得ることができる。
【００６２】
矩形状ビームの照射は、たとえば図１に示すような、上述したスリットビーム群に相当する開口群１２ｂに隣接して矩形状の開口１４を有するフォトマスク１１を用い、開口群１２ｂを介した第１のレーザビームの照射および照射領域への第２のレーザビームの照射による結晶化工程後、フォトマスク１１を開口の長さＬに対応する半導体薄膜上のスリットビームの長さだけ方向Ｘに移動させ、当該矩形状の開口１４を介して半導体結晶薄膜上に矩形状ビーム１０を照射するようにする。ここで、上述のように、矩形状ビームは、結晶化工程にてスリットビーム群が照射された領域を含む領域に照射するため、フォトマスク１１における矩形状の開口１４は、開口群１２ａ，１２ｂの幅方向に関する全長さよりも長い幅を有し、かつ、開口群１２ａ，１２ｂの各開口の長さＬと少なくとも等しい長さ（図１に示す例では、同じ長さＬ）を有するように形成される。
【００６３】
ここで、図１に示すフォトマスク１１を用いる場合には、半導体薄膜上の別個の領域（すなわち、スリットビーム群を含む照射領域、および、矩形状のレーザビームが照射される領域）において、それぞれ結晶化工程およびリッジ低減工程が同時に行なわれ、フォトマスク１１の移動により、半導体薄膜の全面にわたり結晶化工程およびリッジ低減工程が順次行なわれていくように実現される。すなわち、図１に示すようなフォトマスク１１を用いる場合には、開口群１３を介した第１のレーザによるスリットビーム群の照射および第２のレーザによる当該スリットビーム群を含む照射領域への照射を行なう半導体薄膜上の領域には含まれない領域に、第１のレーザによる矩形状の開口１４を介した矩形状のレーザビームを照射するようにし、このレーザの照射とフォトマスク１１との移動とを繰り返すようにする。このように半導体薄膜上の別個の領域において同時に結晶化工程およびリッジ低減工程を行なうことで、リッジ低減工程において、高さの大きなリッジ５の部分についてのみ選択的に溶融・凝固させ、より高さの小さいリッジ６を形成することができる。
【００６４】
このように第２のレーザによる照射領域の外側となるように矩形状のレーザビームを照射するようにして、半導体薄膜上の別個の領域で同時に結晶化工程およびリッジ低減工程を行なうことにより、効果的にリッジ高さの低減を図ることができる。特に、第２のレーザの照射強度を適当な範囲内で高くすることは、１回の照射にて大きな結晶を形成できることを示し、したがって大きな結晶が形成された半導体結晶薄膜を用いた半導体素子の特性の向上につながる効果がある。またこの場合、第２のレーザを用いずに同じ大きさの結晶を形成する場合と比較すると、劇的なスループットの向上を図ることができる。本発明の半導体結晶薄膜の製造方法によれば、このように適当な範囲内で照射強度を高くした第２のレーザを用いた場合であっても、第２のレーザによる照射領域の外側となるように矩形状のレーザビームを照射するようにして、半導体薄膜上の別個の領域で同時に結晶化工程およびリッジ低減工程を行なうようにすることで、リッジ高さ低減のための矩形ビームの照射条件を効果的にリッジ高さを低減し得るような条件に設定することができる。これによって、リッジの高さが大きくなって薄膜トランジスタの特性（特に閾値電圧のばらつき）が悪化するのを防ぐことができ、結果として、スループットが高く、高品質な半導体結晶薄膜をより平坦に作製することができる。
【００６５】
図７は、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法の好ましい他の例を説明するための模式図である。本発明の半導体結晶薄膜は、図１に示した例のフォトマスク１１に換えて、図７に示す例のようなフォトマスク２１を用いて、上述した結晶化工程およびリッジ低減工程を行なってもよい。なお、図７に示す例のフォトマスク２１は、図１に示した例のフォトマスク１１と一部を除いては同様の構造を有し、同様の構造を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。
【００６６】
図７に示す例のフォトマスク２１は、結晶化工程において第１のレーザによりスリットビーム群を照射するための開口群１２ｂと、リッジ低減工程において第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口１４との間に、レーザを透過しない領域領域２２が設けられてなる点において、図１に示した例のフォトマスク１１と相違する。ここで、スリットビーム群を含む照射領域に照射される第２のレーザは、通常、その照射領域の縁部においては、強度分布がシャープではなくある分布を有する場合がある。そのため、図７に示す例のように開口１２ｂと矩形状の開口１４との間に、上述のような領域２２を有するフォトマスク２１を用いることで、半導体薄膜上において第２のレーザによる照射領域の縁部における強度分布が変化を有する場合であっても、当該縁部が矩形状のレーザビームの照射領域と重複してしまうことを防ぐことができる。これにより、半導体薄膜上の結晶化工程を行なっている領域には、スリットビーム群を含む照射領域に一様な強度にて第２のレーザを照射し得、かつ、リッジ低減工程を行なっている領域には、矩形状のレーザビーム１０が照射される領域における第２のレーザの照射強度を実質的にゼロに設定することが可能となる。
【００６７】
図７に示す例のフォトマスク２１において、領域２２の長さは、スリットビームを照射するための開口群１２ａ、１２ｂの各開口の長さＬと等しい長さＬに設定されることが好ましい。これによって、結晶化工程を行なう領域において、方向Ｘに長さＬに対応する半導体薄膜上の長さだけ移動するたびに第１のレーザによるスリットビーム群の照射および第２のレーザによる照射領域への照射を行なうことができ、リッジ低減工程を行なう領域において矩形状の開口１４を介した矩形状のレーザビーム１０を、結晶化工程にて形成された結晶化領域に合致させて照射してリッジの低減を図ることができるようになる。
【００６８】
また図８は、本発明の半導体結晶薄膜の好ましいさらに他の例を説明するための模式図である。本発明の半導体結晶薄膜は、図１に示した例のフォトマスク１１に換えて、図８に示す例のようなフォトマスク３１を用いて、上述した結晶化工程およびリッジ低減工程を行なってもよい。なお、図８に示す例のフォトマスク３１は、図１に示した例のフォトマスク１１と一部を除いては同様の構造を有し、同様の構造を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。
【００６９】
図８に示す例のフォトマスク３１は、結晶化工程において半導体薄膜上にスリットビーム群を形成するための段階的に形成された４つの開口群３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを有する（これらの総称を「開口群３３」と呼称する）。開口群３３は、図１に示した例のフォトマスク１１における開口群１３とは異なり、開口群３２ａから、長手方向に関し順に隣接する開口群３２ｂ，３２ｃ，３２ｄに向かって幅方向に順次ずれて配置され、その幅方向に関するずれ量が、開口の幅の概ね１／４〜１／２に設定されている。
【００７０】
図９は、図８に示した例のフォトマスク３１を用いて本発明の半導体結晶化薄膜の製造方法を行った場合の変化を段階的に示す断面図である。まず、図９（ａ）に示すように、開口群３２ａを介した第１のレーザによるスリットビーム群の照射により、当該開口群３２ａに相当する半導体薄膜上のスリットビーム群が照射された領域が結晶化され、結晶３４が形成される。ここで、フォトマスク３１において開口群３２ｂは、開口群３２ａに対して幅方向に関してほぼＤ／４だけずれて形成されている。このため、当該フォトマスク３１を介した結晶化工程では、開口群３２ａを介した第１のレーザによるスリットビーム群の照射後、フォトマスク３１を方向Ｘに長さＬに対応する半導体薄膜上のスリットビームの長さだけ移動させて、開口群３２ｂを介したスリットビーム群の照射を行った際には、上記開口群３２ａの幅に相当するスリットビームの幅Ｄ’について、開口群３２ｂを介したスリットビーム群は開口群３２ａを介したスリットビーム群の幅方向に関してほぼＤ’／４だけずれて照射されることになる（図９（ｂ））。このため、図９（ａ）の段階で第１のレーザによる開口群３２ａを介したスリットビーム群の照射により形成された結晶化領域の中央付近のリッジ３５に、図９（ｂ）の段階で第１のレーザによる開口群３２ｂを介したスリットビーム群が当該リッジ３５に重なって形成される結果、リッジ３５は溶融し、新たにリッジ３６がもとのリッジ３５からスリットビーム群の幅方向に関しＤ’／４だけずれて形成され、横方向に長く成長した結晶３７が形成される。続いて開口群３２ｃ，３２ｄを介した第１のレーザによるスリットビーム群はさらにＤ’／４だけ順次ずれて照射されることになり、結果、開口群３２ｄに相当するスリットビーム群における長手方向に関する中心線にのみリッジが形成され、結晶３７はさらに横方向（幅方向に関するずれの方向）に関してさらに長く成長することになる。このように形成されたリッジに、フォトマスク３１を方向Ｘに長さＬに対応する半導体薄膜上のスリットビームの長さだけ移動させ、矩形状の開口１４を介して第１のレーザにより矩形状のビームを照射することによるリッジ低減工程を行なうことで、最終的に形成されたリッジの高さの低減を図る。このようなフォトマスク３１を用いて本発明の半導体結晶薄膜の製造方法を行なうことで、上述した場合と比較して、より大きな結晶粒を形成した場合においてもリッジ高さの低減を図ることができ、厚みの均一な半導体結晶薄膜を得ることができるという利点がある。
【００７１】
本発明の半導体結晶薄膜の製造方法において、レーザ照射の諸条件、用いるフォトマスクの形状（開口の数、大きさ、位置、形状など）について、上述したのはあくまでも例示であって、本発明はこれに制限されることはない。また、リッジ低減工程における矩形状のレーザビームの照射が１回である場合を例に挙げて説明したが、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを複数回照射するようにしても勿論よい。矩形状のビームを複数回照射することで、半導体薄膜の膜厚の大きなリッジのみを複数回溶融・凝固させることができ、さらなるリッジ高さの低減を図ることが可能である。このような場合、たとえば、第１のレーザによる矩形状のレーザビームを矩形状の開口が複数個形成されたフォトマスクを用いることができる。
【００７２】
上述した本発明の半導体結晶薄膜の製造方法は、従来公知の適宜の装置を組み合わせて行なうことができ、当該製造方法に用いる装置としては特に制限されるものではないが、本発明では当該製造方法に好適に用いることができる装置についても提供するものである。すなわち、本発明は、基板上に形成された半導体薄膜にレーザを照射して半導体結晶薄膜を製造するために用いられる装置であって、半導体薄膜上にスリットビーム群および矩形状のレーザビームを照射するための第１のレーザと、半導体薄膜上に前記第１のレーザによるスリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射するための第２のレーザと、第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口とを有するフォトマスクとを備える、半導体結晶薄膜の製造装置についても提供する。
【００７３】
図１０は、本発明の好ましい一例の半導体結晶薄膜の製造装置５１を概念的に示す図である。図１０に示す例の装置５１は、第１のレーザ５２と、第２のレーザ５３と、フォトマスク（たとえば図１に示した例のフォトマスク１１）とを基本的に備え、第１のレーザ５２からのレーザビームが上述したフォトマスク１１を介して基板上に形成された半導体薄膜１に照射されるように構成されるとともに、第２のレーザ５３からのレーザビームも半導体薄膜１に照射されるように構成されている。このような基本構成を備える装置５１によって、上述したように、第１のレーザ５２にてフォトマスク１１の開口群１３を介して半導体薄膜上にスリットビーム群を照射するとともに、第２のレーザ５３にて当該スリットビーム群を含む照射領域にレーザビームを照射する上述した結晶化工程、ならびに、第１のレーザ５２にてフォトマスク１１の矩形状の開口１４を介して半導体薄膜上において前記照射領域を含む矩形状のレーザビームを照射するリッジ低減工程を有する、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法を好適に行なうことができる。
【００７４】
本発明の半導体結晶薄膜製造装置５１において、第１のレーザ５２としては、上述したようにパルス状のエネルギビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であれば、特に限定されるものではないが、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザ、あるいはその高調波などの、紫外域の波長を有する光源を好ましく用いることができ、具体的には波長３０８ｎｍのエキシマレーザが例示される。また第１のレーザ５２としては、上述したように照射強度が半導体薄膜の厚み方向全域が溶融・再結晶化する照射強度よりも低く設定されたものを用いることが好ましい。
【００７５】
本発明の半導体結晶薄膜製造装置５１において、第２のレーザ５３としては、上述したように第１のレーザ５２による半導体薄膜１の溶融、固化の過程を効果的に補助し得るものであれば特に制限されるものではないが、たとえば、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザなどを用いることができ、炭酸ガスレーザを特に好ましく用いることができる。
【００７６】
また本発明の半導体結晶薄膜製造装置５１において用いられるフォトマスクとしては、図１０には図１に示した例のフォトマスク１１を用いた例を示しているが、これに制限されるものではなく、上述したような本発明の半導体結晶薄膜の製造方法に好ましく適用できるものであればよい。中でも、たとえば図７に示されたように、開口群１２ｂと矩形状の開口１４との間にレーザを透過しない領域２２が形成されたフォトマスク２１を用いると、第２のレーザ５３による照射領域の縁部における強度分布が変化を有する場合でも当該縁部が矩形状のレーザビームの照射領域と重複することを防止でき、結晶化工程の際には第１のレーザ５２によるスリットビーム群を含む照射領域に一様な強度にて第２のレーザ５３を照射し得、かつリッジ低減工程の際には矩形状の開口１４における第２のレーザの照射強度を実質的にゼロに設定することができるという利点があり、好ましい。
【００７７】
図１０に示す例の装置５１では、第１のレーザ５２とフォトマスク１１との間には、光学系として、マスク面均一照射素子５４，５５、フィールドレンズ５６、折返しミラー５７が介在され、また、フォトマスク１１と半導体薄膜１との間には対物レンズ５８が介在されている。また、第２のレーザ５３と半導体薄膜１との間には、第２レーザ照射光学系５９が介在されている。本発明の装置は、上述した以外にも、図１０には示していないが、ビーム強度を補正する可変減衰器、ビーム形状を補正するビーム整形素子、基板または光学系を走査する駆動系、それらを制御する制御系などを適宜備えていても勿論よい。
【００７８】
図１０に示す例において、第１のレーザ５２とフォトマスク１１との間に介在されるマスク面均一照射素子５４，５５は、第１のレーザ５２から出射されたレーザビームをマスク１１面に均一に照射させる機能を有する。このようなマスク面均一照射素子５４，５５としては、たとえばシリンドリカルレンズアレイを用いることができ、これによってガウシアン型強度分布の第１のレーザ５２からのレーザビームを分割してマスク面に重ね合わせて照明することで、均一な強度分布のマスク照明とすることができる。
【００７９】
図１０に示す例において、マスク面均一照射素子５４，５５を透過したレーザビームは、フィールドレンズ５６を通過後、折り返しミラー５７を介してフォトマスク１１上に照射される。ここで、フィールドレンズ５６は、フォトマスク１１を透過した主光線を半導体薄膜１上の結像面に垂直に入射させる機能を有するものである。また、折返しミラー５７は、レーザビームを折り返すために用いられるものであり、図１０にはフィールドレンズ５６とフォトマスク１１との間に配置された例を示しているが、配置箇所、数量は特に制限されるものではなく、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できる。フォトマスク１１を透過後の第１のレーザ５２からのレーザビームは、フォトマスク１１上の開口群１３に応じた形状の像を形成し、この像が対物レンズ５８を介して半導体薄膜１上に所定倍率にて結像され、スリットビーム群として照射される。このようにフォトマスクのマスクパターンは、一定倍率で半導体薄膜上に結像され、マスクパターンと半導体薄膜上に照射される像とは相似となる。これにより、上述のように半導体薄膜１を溶融・固化させて結晶化させ、スーパーラテラル成長を生じさせる。
【００８０】
また、図１０に示す例において、第２のレーザ５３からのレーザビームは、第２レーザ照明光学系５９を介して半導体薄膜１上に照射される。第２レーザ照明光学系５９は、第２のレーザ５３のビームの形状、強度分布などを適正化して、半導体薄膜１上で最も効果的な照射が行えるようにするものであり、従来公知の適宜の手段を用いて実現することができる。
【００８１】
また本発明は、上述した本発明の半導体結晶薄膜の製造方法、製造装置に好適に用いられるフォトマスクをも提供するものである。すなわち、本発明のフォトマスクは、基板上に形成された半導体薄膜から半導体結晶薄膜を製造するための第１のレーザおよび第２のレーザの照射に用いるためのフォトマスクであって、第１のレーザにより前記スリットビーム群を形成し得るように配列された複数の開口群と、第１のレーザにより矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口と、前記開口群と矩形状の開口との間に形成されたレーザを透過しない領域とを有することを特徴とするものである。このような本発明のフォトマスクの好ましい例としては、上述したような図７に示したようなフォトマスク２１を挙げることができるが、勿論これに限定されるものではない。本発明のフォトマスクは、上述した開口群および矩形状の開口を除く部分（図７に示す例では領域２２を含む）がレーザを透過しないように、従来公知のたとえばクロムなどの材料を用いて形成されたものを用いることができる。
【００８２】
本発明のフォトマスクにおいて、第１のレーザにより半導体薄膜上にスリットビーム群を照射するための開口群および第１のレーザにより半導体結晶薄膜上に矩形状のレーザビームを照射するための矩形状の開口は、その透過率について特に制限されるものではないが、矩形状の開口の透過率が開口群の透過率よりも低く実現されることが好ましい。これにより、スリットビーム群の照射により結晶化された半導体結晶薄膜が、矩形状の開口により照射されたレーザビームによって、厚み方向全域にわたって溶融してしまい、微細な多結晶が形成されることを確実に防止することができるという利点がある。
【００８３】
この場合、フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率と開口群の透過率との差は、１０〜６０％の範囲内であるのが好ましく、２０〜４０％の範囲内であることが好ましい。フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率と開口群の透過率との差が１０％未満であると、上述したとおり、矩形状の開口によるレーザビームの照射により、先にスリットビーム群の照射により形成された半導体結晶薄膜が再度厚み方向全域にわたって溶融し、微細な多結晶が形成されてしまう傾向にあり、また、フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率と開口群の透過率との差が６０％を超えると、矩形状の開口によるレーザ照射強度が弱く、先のスリットビーム群の照射により形成された半導体結晶薄膜のリッジ低減が十分に行なわれなくなる傾向にあるためである。具体的には、フォトマスクにおける矩形状の開口の透過率が４０〜９０％、開口群の透過率が１００％であり、上記範囲内の差を有するように実現されることが好ましい。なお、前記透過率はたとえばフォトマスクを光路上に設置しない場合に照射面で測定されたレーザエネルギ値と、フォトマスクを設置して照射面で測定されたレーザエネルギ値との比から算出された値を指す。また、フォトマスクにおける開口群および矩形状の開口の前記透過率は、たとえば光学解像度以下の微細パターンを開口領域内に適宜形成し、ハーフトーン状とすることで上述の範囲内となるように実現することができる。
【００８４】
本発明は、さらに、上述した本発明の半導体結晶薄膜の製造方法にて製造された半導体結晶薄膜を用いた半導体素子も提供するものである。上述したように、本発明の半導体結晶薄膜の製造方法にて製造された半導体結晶薄膜は、結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有するという、特徴的な外観を呈することになる（図６を参照）。本発明の半導体素子では、このように半導体結晶薄膜が結晶成長した方向と略垂直に直線状に連なるリッジを有し、当該リッジの高さが半導体結晶薄膜の膜厚の２倍以下（好ましくは１倍以下）であることを特徴とする。このような半導体結晶薄膜に形成された本発明の半導体素子は、従来よりも格段に向上された特性を有するものである。
【００８５】
本発明の半導体素子としては、具体的には、薄膜トランジスタ、当該薄膜トランジスタの駆動回路などが挙げられ、特に、閾値電圧のばらつきの特性が改善される点で、薄膜トランジスタとして実現されることが好ましい。本発明の半導体素子は、表示装置などに好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の半導体結晶薄膜の製造方法の好ましい一例を説明するための模式図である。
【図２】本発明の半導体結晶薄膜の製造方法における結晶化工程による半導体薄膜から半導体結晶薄膜への変化を段階的に示す断面図である。
【図３】リッジの高さと、そのときに形成されている横方向成長をしてできた結晶の長さとの関係を示すグラフであり、縦軸はリッジの高さ、横軸は横方向の結晶長である。
【図４】結晶長と第２レーザの照射強度との関係を示すグラフであり、縦軸は横方向の結晶長、横軸は第２のレーザの照射強度である。
【図５】本発明のリッジ低減工程により、リッジが低減される様子を段階的に示す断面図である。
【図６】図５（ｂ）の斜視図である。
【図７】本発明の半導体結晶薄膜の製造方法の好ましい他の例を説明するための模式図である。
【図８】本発明の半導体結晶薄膜の好ましいさらに他の例を説明するための模式図である。
【図９】図８に示した例のフォトマスク３１を用いて本発明の半導体結晶化薄膜の製造方法を行った場合の変化を段階的に示す断面図である。
【図１０】本発明の好ましい一例の半導体結晶薄膜の製造装置５１を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００８７】
１  半導体薄膜、２  基板、３  下地層、４，３４，３７  結晶、５，６，３５，３６  リッジ、１０  矩形状ビーム、１１，２１，３１  フォトマスク、１２ａ，１２ｂ，１３，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３３  開口群、１４  矩形状の開口、２２  領域、５１  半導体結晶薄膜製造装置、５２  第１のレーザ、５３  第２のレーザ、５４，５５  マスク面均一照射素子、５６  フィールドレンズ、５７  折返しミラー、５８  対物レンズ、５９  第２レーザ照射光学系。
【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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【図９】
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【図１０】
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