(57)【要約】【課題】半導体デバイスの特性のばらつきを低減することができる半導体薄膜の製造方法とその半導体薄膜からなるチャネル領域を有する半導体デバイスを提供する。【解決手段】マスクのスリットを通して非晶質半導体膜の第１領域内にレーザ光を照射することによって溶融させた後に結晶化する工程、第１領域と一部の領域が重なる第２領域にレーザ光が照射されるようにレーザ光の照射領域を移動する工程、マスクのスリットを通して非晶質半導体膜の第２領域内にレーザ光を照射することによって溶融させた後に結晶化する工程、を含み、半導体薄膜の表面に形成されるリッジが直線状に並んだリッジ列をチャネル領域内に１本以上含むように、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅を設定する半導体薄膜の製造方法とその半導体薄膜からなるチャネル領域を有する半導体デバイスである。【選択図】図４
2007305852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスクのスリットを通して非晶質半導体膜の第１領域内にレーザ光を照射することによって前記第１領域内の前記非晶質半導体膜をその厚みに亘って溶融させた後に結晶化する第１結晶化工程と、
前記第１領域と一部の領域が重なる第２領域にレーザ光が照射されるようにレーザ光の照射領域を移動する照射領域移動工程と、
前記マスクのスリットを通して前記非晶質半導体膜の前記第２領域内にレーザ光を照射することによって前記第２領域内の前記非晶質半導体膜をその厚みに亘って溶融させた後に結晶化する第２結晶化工程と、を含み、前記非晶質半導体膜の少なくとも一部の領域に半導体デバイスのチャネル領域を構成する半導体薄膜を製造するための方法であって、
前記半導体薄膜の表面に形成されるリッジが直線状に並んだリッジ列を前記チャネル領域内に１本以上含むように、前記マスクのスリット幅および前記第１領域と前記第２領域とが重なる領域の幅を設定す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領域の幅と、前記第１領域と前記第２領域とが重なる領域の幅との差の最大値が、前記リッジ列と直交する方向における前記チャネル領域の長さ以下となるように、前記マスクのスリット幅および前記第１領域と前記第２領域とが重なる領域の幅を設定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】
前記リッジ列の間隔の最大値が、前記リッジ列と直交する方向における前記チャネル領域の長さ以下となるように、前記マスクのスリット幅および前記第１領域と前記第２領域とが重なる領域の幅を設定す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】
前記第１結晶化工程および前記第２結晶化工程において、前記レーザ光として前記非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融するエネルギ量を有する第１レーザ光が照射されるとともに、前記非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融させないエネルギ量を有する第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３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
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によって製造された半導体薄膜からなるチャネル領域を有する半導体デバイスであって、前記半導体薄膜の表面に形成された前記リッジ列を前記チャネル領域内に１本以上含むことを特徴とする、半導体デバイス。
【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デバイスに関し、特に、半導体デバイスの特性のばらつきを低減することができる半導体薄膜の製造方法およびこの方法により得られた半導体薄膜からなるチャネル領域を有する半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコンを用いる方法があるが、この製造方法の他にもガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いる方法もある。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いて製造された半導体デバイスは、イメージセンサやアクティブマトリクス液晶表示装置などの一部として用いられる。
【０００３】
ここで、液晶表示装置において、半導体デバイスは、透明な基板上に規則的なアレイとして配列されるＴＦＴ（Thin Film Transisitor：薄膜トランジスタ）として用いられる。そして、各ＴＦＴは、それぞれ画素コントローラとして作用する。
【０００４】
従来、液晶表示装置におけるＴＦＴは、ガラス基板上に非晶質シリコン膜を形成することによって製造されていた。ところが、近年、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに、電子の移動度の高い多結晶シリコン膜を用いて、ＴＦＴのスイッチング特性を増強し、表示速度を高速化したＴＦＴ液晶表示装置が製造されるようになってきている。ここで、多結晶シリコン膜を製造する方法としては、たとえば、ガラス基板上に堆積している非晶質シリコン膜または微結晶シリコン膜にエキシマレーザ光を照射して多結晶シリコン膜を形成する方法（ＥＬＣ法）がある。
【０００５】
上記のＥＬＣ法としては、ガラス基板上に堆積されている非晶質または微結晶のシリコン膜に対し、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連続的に照射する方法が一般的である。このときレーザ光が照射された部分は、シリコン膜の厚さ方向全域に亘って溶融するのではなく、一部の領域を残したまま溶融する。このため、シリコン膜の未溶融領域と溶融領域との界面全面の至るところに結晶核が発生し、シリコン膜の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ため、多結晶シリコン膜の結晶粒径は１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。
【０００６】
多結晶シリコン膜の結晶粒界には不対電子が多数存在し、ポテンシャル障壁が形成されるため、多結晶シリコン膜の結晶粒界においては電子がよく散乱される。したがって、結晶粒界が少ない、つまり結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成されたＴＦＴほど、一般に電界効果による電子移動度が高くなる。
【０００７】
しかしながら、上記のＥＬＣ法においては、未溶融領域と溶融領域との界面のランダムな位置で結晶化が起こる縦方向結晶成長となるので、大きな結晶粒径の多結晶シリコン膜を得ることが難しく、電界効果による電子移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。
【０００８】
さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすることや、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。その中でも特に、ラテラル成長法に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位が揃った長結晶が得られるため、注目を集めている。
【０００９】
上記のラテラル成長法の１つに、マスクのスリットを通して微細幅のパルスレーザ光を非晶質シリコン膜に照射し、照射された部分の非晶質シリコン膜をレーザ光の照射領域の厚さ方向全域に亘って溶融させ、その後に凝固させることを繰返して結晶化を行なう方法（ＳＬＳ法）がある（たとえば、特許文献１参照）。
【００１０】
ＳＬＳ法によれば、レーザ光が照射された非晶質シリコン膜をその厚さ方向全域に亘って溶融することができるため、シリコン膜の未溶融領域と溶融領域との界面が常にレーザ光の照射領域の端部に形成され、結晶はその界面から横方向に成長する。したがって、ＳＬＳ法においては、結晶の成長方向に方位が揃った大きな結晶粒径を有する長結晶を得ることができる。
【００１１】
具体的には、たとえば、図８（ａ）の模式的上面図に示すように、非晶質シリコン膜３００の領域Ｆとそれ以外の領域との境界から、領域Ｆの中心に向かうようにして、結晶が成長する。さらに、図８（ｂ）に示すように、領域Ｆにおける結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｆと隣り合う新たな領域Ｇを設定し、領域Ｆと同様にして領域Ｇを溶融する。そして、領域Ｇにて溶融されている部分を凝固させると、図８（ｃ）に示すように領域Ｇに結晶が成長する。このような手順を繰返し、非晶質シリコン膜３００の延設方向に沿って段階的に結晶化させると、図８（ｄ）に示すように、非晶質シリコン膜３００の結晶成長領域を拡大することができる。これにより結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を形成することができる。
【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】
【００１２】
上記のＳＬＳ法においては、マスクのスリット幅の中央部付近に対応する半導体薄膜の表面に、半導体薄膜の表面が局所的に高くなっているリッジ（突起）が直線状に並んでいるリッジ列が形成される。このリッジ列は、マスクのスリット幅の両端部に対応する未溶融領域と溶融領域との界面から横方向に成長した結晶が互いに衝突することにより形成される。
【００１３】
上記のＳＬＳ法によって半導体薄膜を形成し、その半導体薄膜からなるチャネル領域を有するＴＦＴを作製した場合には、半導体薄膜を構成する結晶粒径の拡大を図った結果、リッジ列がチャネル領域に配置されたＴＦＴと、リッジ列がチャネル領域に配置されていないＴＦＴと、が必ず混在することになる。
【００１４】
このようなリッジ列を含むＴＦＴの特性は、リッジ上に形成されるゲート絶縁膜がリッジ列以外の部分に比べて薄くなることに起因して、リッジ列を含まないＴＦＴに比べて特に閾値電圧が大きく異なるため、ＴＦＴの特性が大きくばらつくという問題があった。
【００１５】
特に、閾値電圧が大きく異なるＴＦＴを同一の液晶表示装置に適用する場合には、電源電圧を低くすることができないため、消費電力の低減を行なうことが困難となる。
【００１６】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、半導体デバイスの特性のばらつきを低減することができる半導体薄膜の製造方法およびこの方法により得られた半導体薄膜からなるチャネル領域を有する半導体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、マスクのスリットを通して非晶質半導体膜の第１領域内にレーザ光を照射することによって第１領域内の非晶質半導体膜をその厚みに亘って溶融させた後に結晶化する第１結晶化工程と、第１領域と一部の領域が重なる第２領域にレーザ光が照射されるようにレーザ光の照射領域を移動する照射領域移動工程と、マスクのスリットを通して非晶質半導体膜の第２領域内にレーザ光を照射することによって第２領域内の非晶質半導体膜をその厚みに亘って溶融させた後に結晶化する第２結晶化工程と、を含み、非晶質半導体膜の少なくとも一部の領域に半導体デバイスのチャネル領域を構成する半導体薄膜を製造するための方法であって、半導体薄膜の表面に形成されるリッジが直線状に並んだリッジ列をチャネル領域内に１本以上含むように、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅を設定する半導体薄膜の製造方法であることを特徴とする。
【００１８】
ここで、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第１領域の幅と、第１領域と第２領域とが重なる領域の幅との差の最大値が、リッジ列と直交する方向におけるチャネル領域の長さ以下となるように、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅を設定することが好ましい。
【００１９】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、リッジ列の間隔の最大値が、リッジ列と直交する方向におけるチャネル領域の長さ以下となるように、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅を設定することが好ましい。
【００２０】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第１結晶化工程および第２結晶化工程において、レーザ光として非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融するエネルギ量を有する第１レーザ光を照射するとともに、非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融させないエネルギ量を有する第２レーザ光を照射してもよい。
【００２１】
さらに、本発明は、上記のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法によって製造された半導体薄膜からなるチャネル領域を有する半導体デバイスであって、半導体薄膜の表面に形成されたリッジ列をチャネル領域内に１本以上含む半導体デバイスである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、半導体デバイスの特性のばらつきを低減することができる半導体薄膜の製造方法およびこの方法により得られた半導体薄膜からなるチャネル領域を有する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】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、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。
【００２４】
（実施の形態１）
図１に、本発明に用いられる被処理体の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、本発明に用いられる被処理体１０１は、半導体基板１０２上に形成されたバッファ膜１０３と、バッファ膜１０３上に形成された非晶質半導体膜１０４とからなる。ここで、半導体基板１０２は絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板など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からガラス基板を用いることが好適である。
【００２５】
バッファ膜１０３は、主としてレーザ光による非晶質半導体膜１０４の溶融、結晶化の際に、溶融した非晶質半導体膜１０４の熱による影響が半導体基板１０２に及ばないようにするために形成される。さらに、バッファ膜１０３を形成することにより、半導体基板１０２から非晶質半導体膜１０４への不純物の拡散を防止することもできる。バッファ膜１０３としては、たとえば、膜厚が１００〜３００ｎｍの、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより形成された、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または酸窒化シリコン膜などを用いることができる。
【００２６】
非晶質半導体膜１０４は、たとえば、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成長（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどにより形成される。非晶質半導体膜１０４としては、結晶質半導体膜における結晶成長長さを長くすることにより種々の特性（たとえば、電界効果による電子の移動度、閾値電圧などの値、およびこれらの値のばらつき）が顕著に向上するアモルファスシリコン膜を用いることが好ましい。非晶質半導体膜１０４の材質は、シリコン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を用いることもできる。
【００２７】
図２に、本実施の形態で用いられるレーザ光照射装置の模式的な構成を示す。ここで、レーザ光照射装置は、レーザ光発振器１１、可変減衰器１２、フィールドレンズ１３、スリットが形成されたマスク１４、結像レンズ１５、サンプルステージ１６、コントローラ１７およびミラー７、８、９を含んでいる。
【００２８】
フィールドレンズ１３は、マスク１４を通過したレーザ光を結像レンズ１５に垂直に入射させる機能を有する。また、ミラー７、８、９は、レーザ光を折り返すために用いられ、配置箇所および数量に制限はなく、レーザ光照射装置の光学設計および機能設計に応じて適宜配置することができる。また、結像レンズ１５は、マスク１４の像をレーザ光照射装置の光学設計により決定される倍率で被処理体１０１の表面の非晶質半導体膜上に結像させる。したがって、マスク１４に形成されたスリットの形状と非晶質半導体膜上の像とは相似となる。
【００２９】
また、レーザ光発振器１１およびサンプルステージ１６は、コントローラ１７により制御されていて、レーザ光の照射タイミングおよびサンプルステージ１６の位置を調整することができる。これにより、サンプルステージ１６を図２中の矢印２２の方向に移動させることによって、レーザ光が照射されるエリアを移動させることができる。
【００３０】
また、レーザ光発振器１１としては、被処理体１０１の表面の非晶質半導体膜をその厚みに亘って溶融することが可能であれば特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ光、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザから発振されるレーザ光の三倍波などの紫外領域の波長を有するレーザ光を発振するものを用いることが好ましい。レーザ光が紫外領域の波長を有する場合には、レーザ光のエネルギ量が大きくなるため、容易に非晶質半導体膜をその厚みに亘って溶融することができる傾向にあるためである。なかでも、レーザ光発振器１１としては、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を発振するものであることが特に好ましい。レーザ光発振器１１がエキシマレーザ光である場合には、本発明に必要となるエネルギ量を有するレーザ光を安定して発振することができるレーザ光発振器を比較的容易に安価で入手することが可能であるためである。
【００３１】
ここで、レーザ光発振器１１から発振したレーザ光は、１回の照射および照射面積あたり、固体状態にある非晶質半導体膜を溶融させるエネルギ量を有している。たとえば、レーザ光発振器１１から発振したレーザ光は、非晶質半導体膜を、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していることが推奨される。
【００３２】
図３（ａ）に、本発明に用いられるマスクの好ましい一例の模式的な平面図を示す。ここで、マスク１４は、隣接する２つの長方形状のブロック２３、２４を有している。図３（ｂ）に示すように、ブロック２３はレーザ光が通過する開口部であるスリット２５とレーザ光が透過しない領域である枠部２９とを有しており、図３（ｃ）に示すように、ブロック２４はレーザ光が通過する開口部であるスリット２６とレーザ光が透過しない領域である枠部２９とを有している。ここで、スリット２５、２６は、サンプルステージ１６の移動方向と直交する方向がスリット２５、２６の像の長手方向となるように所定の間隔を隔てて形成されている。
【００３３】
このレーザ光照射装置のサンプルステージ１６上に図１に示す被処理体１０１を設置する。そして、レーザ光発振器１１から発振されたレーザ光は可変減衰器１２を通過した後に、ミラー７、８によって反射される。その後、レーザ光はフィールドレンズ１３とマスク１４とを通過する。そして、マスク１４を通過したレーザ光は、結像レンズ１５によって、マスク１４の像として結像させられ、図１に示す被処理体１０１の表面の非晶質半導体膜１０４に照射される。このレーザ光は、マスク１４のマスキングによって、図１に示す第１領域Ｃに照射される。そして、レーザ光が照射された第１領域Ｃにおける非晶質半導体膜１０４がその厚さ方向全体に亘って溶融した後に凝固する際に、非晶質半導体膜１０４の未溶融領域と溶融領域との界面から結晶が横方向に成長して結晶化が行なわれる（第１結晶化工程）。
【００３４】
次に、コントローラ１７によってサンプルステージ１６を制御し、たとえば矢印２２の左方向にサンプルステージ１６を移動させる。ここで、サンプルステージ１６は、第１領域Ｃと一部の領域が重なる第２領域にレーザ光が照射されるように移動させられる（照射領域移動工程）。
【００３５】
そして、第１結晶化工程と同様にして、上記の第２領域にレーザ光を照射することにより、レーザ光が照射された第２領域における非晶質半導体膜がその厚さ方向全体に亘って溶融した後に凝固する際に、非晶質半導体膜の未溶融領域と溶融領域との界面から結晶が横方向に成長して結晶化が行なわれる（第２結晶化工程）。
【００３６】
上記の第１結晶化工程、照射領域移動工程および第２結晶化工程をこの順序で少なくとも１回行なうことにより、被処理体１０１の非晶質半導体膜について所望の領域を結晶化することができる。
【００３７】
図４（ａ）に、本発明の第１結晶化工程後における半導体薄膜の結晶化状態の一例の模式的な拡大平面図を示す。また、図４（ｂ）に、本発明の第２結晶化工程後における半導体薄膜の結晶化状態の一例の模式的な拡大平面図を示す。
【００３８】
ここで、図４（ａ）に示すように、第１結晶化工程後においては、幅２７を有する第１領域の幅方向の端部からほぼ同じ長さに成長した結晶４２が衝突することによりリッジが形成され、そのリッジが並んだリッジ列４１が形成されている。そして、図４（ｂ）に示すように、上記の第１領域と第２領域とが重なる領域の幅であるオーバーラップ幅２８に応じて、所定のリッジ列間隔５５を隔ててリッジ列４１が配列する。ここで、リッジ列間隔５５は、第１領域の幅２７とオーバーラップ幅２８との差で表わされる。
【００３９】
次に、上記の第１結晶化工程、照射領域移動工程および第２結晶化工程を経て形成された結晶化領域の不要部分をフォトリソグラフィ工程により除去し、半導体デバイスのチャネル領域を構成する結晶化領域のみを残すことによって、島状結晶化膜を形成する。
【００４０】
図５に、結晶化領域に対するチャネル領域の配置関係の一例を模式的に示す。結晶化領域４９に対してチャネル領域５０（半導体デバイスとしたときに電子が移動するチャネルとして機能する領域）は自由に配置することができるが、本実施の形態においては、チャネル領域５０において電子が移動する方向（チャネル長方向５２）とリッジ列４１が伸びている方向（リッジ列方向５３）とが直交するようにチャネル領域５０を配置している。
【００４１】
ここで、本実施の形態においては、リッジ列４１と直交する方向のチャネル領域５０の長さ５４をＳとし、リッジ列間隔５５をＲとし、第１領域の幅２７をＰとし、オーバーラップ幅２８をＱとしたとき、結晶化領域４９においてＲ（＝Ｐ−Ｑ）の最大値がＳ以下となるように、マスク１４のスリット幅およびオーバーラップ幅２８を設定する。これにより、チャネル領域５０に含まれるリッジ列４１の本数は必ず１本以上となる。
【００４２】
なお、チャネル領域５０に含まれるリッジ列４１の本数が増加するほど、レーザ光の照射回数も増加し、結晶化に要する時間が増加する。したがって、結晶化のスループットを高くする観点からは、Ｒの最大値はできるだけ大きいことが好ましく、具体的には、Ｒの最大値は、Ｓ／２よりも大きいことが好ましい（Ｓ／２＜Ｒの最大値≦Ｓ）。この場合には、チャネル領域５０に含まれるリッジ列４１の本数を１本または２本とすることができる。
【００４３】
その後、詳細は省略するが、従来から公知の方法により、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極などを形成することによって、半導体デバイスとしてのＴＦＴを形成することができる。
【００４４】
ここで、本実施の形態と同様の方法でリッジ列間隔が異なる２組の薄膜トランジスタＡ、Ｂを作製し、その特性を比較した。薄膜トランジスタＡ、Ｂのチャネル領域は、ともにチャネル長Ｌが３μｍで、チャネル幅が２０μｍの長方形状となっており、リッジ列方向とチャネル長方向とが直交するように結晶化を行なった。なお、リッジ列と直交する方向のチャネル領域の長さＳは、チャネル長Ｌと等しくなる。
【００４５】
そして、薄膜トランジスタＡでは、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅であるオーバーラップ幅を設定し、第１領域の幅を４μｍ、オーバーラップ幅を１．５μｍとした結果、リッジ列間隔Ｒの最大値が２．５μｍとなった。
【００４６】
また、薄膜トランジスタＢでは、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅であるオーバーラップ幅を設定し、第１領域の幅を４μｍ、オーバーラップ幅を０．５μｍとした結果、リッジ列間隔Ｒの最大値が３．５μｍとなった。
【００４７】
上記の結果、薄膜トランジスタＡにおいてはＳ／２＜Ｒの最大値≦Ｓの関係を満たすため、薄膜トランジスタＡは、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が１本である薄膜トランジスタＡ−１と、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が２本である薄膜トランジスタＡ−２とから構成されていた。
【００４８】
また、薄膜トランジスタＢにおいてはＳ／２＜Ｒの最大値≦Ｓの関係を満たさず、Ｒの最大値＞Ｓとなるため、薄膜トランジスタＢは、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が０本である薄膜トランジスタＢ−１と、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が１本である薄膜トランジスタＢ−２とから構成されていた。
【００４９】
ドレイン電圧を０．１Ｖに設定して、上記の薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、薄膜トランジスタＡ−１の閾値電圧は１．１Ｖであり、薄膜トランジスタＡ−２の閾値電圧は１．２Ｖであり、薄膜トランジスタＢ−１の閾値電圧は０．１Ｖであり、薄膜トランジスタＢ−２の閾値電圧は１．１Ｖであった。
【００５０】
以上の結果から、薄膜トランジスタＡの組については、薄膜トランジスタＢの組に比べて、閾値電圧のばらつきが低減できることが確認された。チャネル領域内のリッジ列の本数の増加に伴って閾値電圧は大きくなる傾向にあるが、その傾向はチャネル領域内のリッジ列の本数が０本から１本に変化した場合の方が、１本から２本に変化した場合と比べて大きくなることに上記の結果は起因するものであると考えられる。
【００５１】
このように、本実施の形態においては、Ｓ／２＜Ｒの最大値≦Ｓの関係を満たすように、マスクのスリット幅および第１領域と前記第２領域とが重なる領域の幅を設定することによって、チャネル領域内にリッジ列が少なくとも１本含まれる半導体薄膜を製造することができる。したがって、この半導体薄膜を用いることによって、特性のばらつきが小さい半導体デバイスを得ることができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、リッジ列方向とチャネル長方向が直交する場合について説明したがこれに限るものではなく、リッジ列方向がチャネル長方向に対して傾斜した角度を有していてもよい。この場合、リッジ列方向とチャネル長方向のなす角をθとすれば、Ｓ＝Ｗｃｏｓθ＋Ｌｓｉｎθとなるだけで、本実施の形態に記載したのと同様にＳ／２＜Ｒの最大値≦Ｓとなるようにすれば、本実施の形態に記載したものと同じ効果を得ることができる。
【００５３】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、被処理体の表面の非晶質半導体膜に、非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融するエネルギ量を有する第１レーザ光と、非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融させないエネルギ量を有する第２レーザ光とを照射することに特徴がある。
【００５４】
図６に、本実施の形態で用いられるレーザ光照射装置の模式的な構成を示す。ここで、レーザ光照射装置は、第１レーザ光発振器２０、第２レーザ光発振器２１、光学素子群３０およびミラー１０を含んでいることに特徴がある。
【００５５】
ここで、第１レーザ光発振器２０としては、図１に示す非晶質半導体膜１０４をその厚みに亘って溶融することが可能であれば特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ光、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザから発振されるレーザ光の三倍波などの紫外領域の波長を有するレーザ光を発振するものを用いることが好ましい。レーザ光が紫外領域の波長を有する場合には、レーザ光のエネルギ量が大きくなるため、容易に非晶質半導体膜１０４をその厚みに亘って溶融することができる傾向にあるためである。なかでも、第１レーザ光発振器２０としては、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を発振するものであることが特に好ましい。第１レーザ光発振器２０がエキシマレーザ光である場合には、本発明に必要となるエネルギ量を有するレーザ光を安定して発振することができるレーザ光発振器を比較的容易に安価で入手することが可能であるためである。
【００５６】
ここで、第１レーザ光発振器２０から発振した第１レーザ光は、１回の照射および照射面積あたり、固体状態にある非晶質半導体膜１０４を溶融させるエネルギ量を有している。たとえば、第１レーザ光発振器２０から発振した第１レーザ光は、第１レーザ光を単独で１回照射することにより非晶質半導体膜１０４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していることが推奨される。
【００５７】
また、第２レーザ光発振器２１としては、図１に示す非晶質半導体膜１０４をその厚みに亘って溶融させない第２レーザ光を発振するものであれば特に限定されるものでないが、たとえば、可視域から赤外域の波長を有する第２レーザ光を発振するものであることが好ましい。第２レーザ光発振器２１としては、たとえば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光または波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光などを発振するものを用いることができる。
【００５８】
また、第２レーザ光発振器２１から発振した第２レーザ光の１回の照射および照射面積あたりのエネルギ量は、固体状態にある非晶質半導体膜１０４を溶融させるエネルギ量未満である。特に、第２レーザ光は、第２レーザ光を単独で１回照射することにより非晶質半導体膜１０４を融点以上の温度に加熱することのできないエネルギ量を有していることが推奨される。
【００５９】
また、光学素子群３０は、第２レーザ光発振器２１から発振した第２レーザ光の照射が最も効果的に行なえるように、第２レーザ光の形状および強度分布などを適正化することができる。
【００６０】
また、第１レーザ光発振器２０、第２レーザ光発振器２１およびサンプルステージ１６は、コントローラ１７により制御されていて、第１レーザ光、第２レーザ光の照射タイミングおよびサンプルステージ１６の位置を調整することができる。
【００６１】
このレーザ光照射装置のサンプルステージ１６上に図１に示す被処理体１０１を設置する。そして、第２レーザ光発振器２１から発振された第２レーザ光は光学素子群３０を通過した後に、ミラー１０によって反射され、被処理体１０１の表面の非晶質半導体膜に対して斜め方向に照射される。
【００６２】
また、第１レーザ光発振器２０から発振された第１レーザ光は可変減衰器１２を通過した後に、ミラー７、８によって反射される。その後、第１レーザ光はフィールドレンズ１３とマスク１４とを通過する。そして、マスク１４を通過した第１レーザ光は、結像レンズ１５によって、マスク１４の像として結像させられ、被処理体１０１の表面の非晶質半導体膜に対して垂直方向に照射される。第１レーザ光は、マスク１４のマスキングによって、図１に示す第１領域Ｃに照射される。
【００６３】
図７に、第１レーザ光と第２レーザ光の照射時刻と出力との関係の好ましい一例を示す。ここで、第２レーザ光のパルス波形Ｖ２は、時刻ｔ＝０の時点で第２レーザ光が照射されて時刻ｔ＝ｔ２の時点で照射が停止することを示しており、第１レーザ光のパルス波形Ｖ１は、時刻ｔ＝ｔ１の時点で第１レーザ光が照射されることを示している。なお、ｔ１は、ｔ０とｔ２との間の時刻である。
【００６４】
第１レーザ光が照射された図１に示す第１領域Ｃにおける非晶質半導体膜１０４はその厚さ方向全体に亘って溶融する。このとき、溶融状態の非晶質半導体膜１０４からなる第１領域Ｃと同一の領域または第１領域Ｃを包含する領域に第２レーザ光が照射されることによって、第１領域Ｃにおける溶融状態の非晶質半導体膜１０４が凝固して結晶化するまでの時間を延長することができるため、第１レーザ光のみを照射して結晶化した場合と比べて、より大きな結晶粒径を有する結晶を得ることができる。
【００６５】
本実施の形態においては、上記のようにして、非晶質半導体膜１０４の未溶融領域と溶融領域との界面から結晶が横方向に成長して結晶化が行なわれる（第１結晶化工程）。
【００６６】
次に、コントローラ１７によってサンプルステージ１６を制御し、たとえば矢印２２の左方向にサンプルステージ１６を移動させる。ここで、サンプルステージ１６は、第１領域Ｃと一部の領域が重なる第２領域に第１レーザ光が照射されるように移動させられる（照射領域移動工程）。
【００６７】
そして、第１結晶化工程と同様にして、上記の第２領域に第１レーザ光および第２レーザ光を照射することにより、第２領域における非晶質半導体膜１０４がその厚さ方向全体に亘って溶融した後に凝固する際に、非晶質半導体膜１０４の未溶融領域と溶融領域との界面から結晶が横方向に成長して結晶化が行なわれる（第２結晶化工程）。
【００６８】
上記の第１結晶化工程、照射領域移動工程および第２結晶化工程をこの順序で少なくとも１回行なうことにより、非晶質半導体膜１０４の所望の領域を結晶化することができる。
【００６９】
本実施の形態においては、第１結晶化工程および第２結晶化工程において、非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融するエネルギ量を有する第１レーザ光が照射されるとともに、非晶質半導体膜をその膜の厚みに亘って溶融させないエネルギ量を有する第２レーザ光が照射されるために、第１レーザ光の１回の照射あたりの結晶成長距離を伸ばすことができる。したがって、本実施の形態においては、たとえばリッジ列間隔が広い場合に結晶化のスループットを高くすることができ、また、同一の結晶成長距離を得るために必要な第１レーザ光のエネルギ量を低減することができるので、第１レーザ光発振器のメンテナンスコストも低減することができる。なお、実施の形態２の上記以外の説明は、実施の形態１と同様である。
【００７０】
また、実施の形態２と同様の方法でリッジ列間隔が異なる２組の薄膜トランジスタＤ、Ｅを作製し、その特性を比較した。薄膜トランジスタＤ、Ｅのチャネル領域は、ともにチャネル長Ｌが３μｍで、チャネル幅が２０μｍの長方形状となっており、リッジ列方向とチャネル長方向とが直交するように結晶化を行なった。なお、リッジ列と直交する方向のチャネル領域の長さＳは、チャネル長Ｌと等しくなる。
【００７１】
そして、薄膜トランジスタＤでは、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅であるオーバーラップ幅を設定し、第１領域の幅を４μｍ、オーバーラップ幅を１．５μｍとした結果、リッジ列間隔Ｒの最大値が２．５μｍとなった。
【００７２】
また、薄膜トランジスタＥでは、マスクのスリット幅および第１領域と第２領域とが重なる領域の幅であるオーバーラップ幅を設定し、第１領域の幅を４μｍ、オーバーラップ幅を０．５μｍとした結果、リッジ列間隔Ｒの最大値が３．５μｍとなった。
【００７３】
上記の結果、薄膜トランジスタＤにおいてはＳ／２＜Ｒの最大値≦Ｓの関係を満たすため、薄膜トランジスタＤは、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が１本である薄膜トランジスタＤ−１と、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が２本である薄膜トランジスタＤ−２とから構成されていた。
【００７４】
また、薄膜トランジスタＥにおいてはＳ／２＜Ｒの最大値≦Ｓの関係を満たさず、Ｒの最大値＞Ｓとなるため、薄膜トランジスタＥは、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が０本である薄膜トランジスタＥ−１と、チャネル領域内に含まれるリッジ列の本数が１本である薄膜トランジスタＥ−２とから構成されていた。
【００７５】
ドレイン電圧を０．１Ｖに設定して、上記の薄膜トランジスタの閾値電圧を測定した結果、薄膜トランジスタＤ−１の閾値電圧は１．１Ｖであり、薄膜トランジスタＤ−２の閾値電圧は１．２Ｖであり、薄膜トランジスタＥ−１の閾値電圧は０．１Ｖであり、薄膜トランジスタＥ−２の閾値電圧は１．１Ｖであった。
【００７６】
以上の結果から、薄膜トランジスタＤの組については、薄膜トランジスタＥの組に比べて、閾値電圧のばらつきが低減できることが確認された。チャネル領域内のリッジ列の本数の増加に伴って閾値電圧は大きくなる傾向にあるが、その傾向はチャネル領域内のリッジ列の本数が０本から１本に変化した場合の方が、１本から２本に変化した場合と比べて大きくなることに上記の結果は起因するものであると考えられる。
【００７７】
このように、実施の形態２においても、Ｓ／２＜Ｒの最大値≦Ｓの関係を満たすように、マスクのスリット幅および第１領域と前記第２領域とが重なる領域の幅を設定することによって、チャネル領域内にリッジ列が少なくとも１本含まれる半導体薄膜を製造することができる。したがって、この半導体薄膜を用いることによって、特性のばらつきが小さい半導体デバイスを得ることができる。
【００７８】
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】
【００７９】
本発明によれば、半導体デバイスの特性のばらつきを低減することができる半導体薄膜の製造方法およびこの方法により得られた半導体薄膜からなるチャネル領域を有する半導体デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に用いられる被処理体の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図２】本実施の形態で用いられるレーザ光照射装置の模式的な構成図である。
【図３】（ａ）は本発明に用いられるマスクの好ましい一例の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すマスク中のブロックの一例であり、（ｃ）は（ａ）に示すマスク中のブロックの一例である。
【図４】（ａ）は本発明の第１結晶化工程後における半導体薄膜の結晶化状態の一例の模式的な拡大平面図であり、（ｂ）は本発明の第２結晶化工程後における半導体薄膜の結晶化状態の一例の模式的な拡大平面図である。
【図５】結晶化領域に対するチャネル領域の配置関係の一例を模式的に示した図である。
【図６】本実施の形態で用いられるレーザ光照射装置の模式的な構成図である。
【図７】第１レーザ光と第２レーザ光の照射時刻と出力との関係の好ましい一例を示す図である。
【図８】（ａ）は従来のＳＬＳ法に用いられる被処理体の模式的な上面図であり、（ｂ）は領域Ｇにレーザ光を照射する前の（ａ）に示す被処理体の模式的な上面図であり、（ｃ）は領域Ｇにレーザ光を照射した後の（ａ）に示す被処理体の模式的な上面図であり、（ｄ）は従来のＳＬＳ法の終了後の（ａ）に示す被処理体の模式的な上面図である。
【符号の説明】
【００８１】
７，８，９，１０  ミラー、１１  レーザ光発振器、１２  可変減衰器、１３  フィールドレンズ、１４  マスク、１５  結像レンズ、１６  サンプルステージ、１７  コントローラ、２０  第１レーザ光発振器、２１  第２レーザ光発振器、２２  矢印、２３，２４  ブロック、２５，２６  スリット、２７  幅、２８  オーバーラップ幅、２９  枠部、３０  光学素子群、４１  リッジ列、４２  結晶、４９  結晶化領域、５０  チャネル領域、５２  チャネル長方向、５３  リッジ列方向、５５  リッジ列間隔、１０１  被処理体、１０２  半導体基板、１０３  バッファ膜、１０４  非晶質半導体膜、３００  非晶質シリコン膜。
【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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