【手続補正書】
【提出日】平成18年8月22日(2006.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】半導体薄膜のダブルパルスレーザー結晶化
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に設けられた薄膜半導体層を有する半導体素子を具える電子装置を製造する方法において、
前記薄膜半導体層上でパルスレーザービームを走査することにより当該薄膜半導体層を結晶化し、前記レーザービームは山形を規定するよう整形されており、前記レーザービームの各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と、第２エネルギーのそれに続く第２パルス部分とを具え、各パルスの少なくとも前記第１パルス部分及び前記第２パルス部分を、前記半導体薄膜上の実質的に同じ位置に照射することを特徴とする電子装置を製造する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記半導体要素が薄膜トランジスタを具えることを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項３】
薄膜半導体層を結晶化するためのレーザー結晶化方法であって、
絶縁基板上に半導体材料の薄膜を設けるステップと、
前記薄膜上でパルスレーザービームを走査するステップであって、前記レーザービームは山形を規定するよう整形されており、前記レーザービームの各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーのそれに続く第２パルス部分とを具えており、各パルスの少なくとも前記第１パルス部分及び前記第２パルス部分を、前記薄膜上の実質的に同じ部分に照射するステップと
を具えるレーザー結晶化方法。
【請求項４】
前記薄膜の厚さが１００ｎｍより薄いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
前記薄膜の厚さが約４０ｎｍであることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第１エネルギーが前記第２エネルギーより大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
半導体材料の前記薄膜がアモルファスシリコンを具えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の方法。
【請求項８】
レーザービームパルスを発生するパルスレーザー光源と、
前記レーザービームパルスを分割して、少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーのそれに続く第２パルス部分とを規定する強度プロファイルを有する出力パルスを得る光学処理装置と、
前記出力パルスを整形して山形状パルスを形成する手段と、
前記山形状パルスをサンプル上へ投射して結晶化を行う投射装置と
を具えるレーザー結晶化装置。
【請求項９】
前記サンプルを跨いで前記出力パルスを走査させる手段を更に具える請求項７記載のレーザー結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、薄膜のレーザー結晶化に関するものである。シリコン薄膜の結晶化は高性能アクティブマトリックス液晶表示装置及びその他の装置を製作するために広範に用いられてきた。レーザー結晶化処理を用いる特別の利点は、ガラス基板に熱損傷を与えることなくガラス基板上に多結晶シリコン薄膜トランジスタを製作し得ることである。
【０００２】
種々の手段が、レーザー結晶化されたシリコン薄膜の粒子サイズを増大させてシリコン薄膜から形成される装置に生じる粒界数を低減させるために、様々な方法が提案されてきた。R. S. Sposili 氏等による論文「Single Crystal Si Films Via A   Low-Substrate-Temperature Excimer-Laser Crystallization Method 」（「低基板温度エキシマ−レーザー結晶化方法による単結晶シリコン膜」Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 452の第953-958 頁に掲載）には、シリコンを結晶化させるのに山形プロファイルのレーザービームを使用して薄肉シリコン薄膜上の予め決められた位置に単結晶領域を形成することが開示されている。この論文の内容は、参考として本明細書中に組み込むものである。この記載された方法は、２００ｎｍの厚さを有するシリコン薄膜へ適用されるもので、この方法は約１００ｎｍまでの膜厚まで実際上適用し得る。このレベル以下の厚さに関しては薄膜内での自己核生成により粒子サイズが小さくなってしまう。
【０００３】
種々の理由により、半導体層の膜厚を低減することが望ましい。膜厚をより薄くすればレーザー結晶化処理がより早くなる。その理由は、厚肉の半導体膜は膜を溶融させるのにより多くのエネルギーを必要とするためである。その結果、所定エネルギーのレーザー光源に関して、そのレーザー光源を用いて処理しうる領域がより小さくなるおそれがある。また、より薄肉の半導体薄膜は光感応性が低減されたものとなるため、所定の半導体装置に対して望ましいものとなりうる。
【０００４】
本発明の第１の観点により、絶縁基板上に設けられた薄膜半導体層を有する半導体素子を具える電子装置を製造する方法において、前記薄膜半導体層上でパルスレーザービームを走査することにより当該薄膜半導体層を結晶化し、前記レーザービームは山形を規定するよう整形されており、前記レーザービームの各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーのそれに続く第２パルス部分とを具え、各パルスの少なくとも前記第１パルス部分及び前記第２パルス部分を、前記半導体薄膜上の実質的に同じ位置に照射することを特徴とする電子装置を製造する方法が提供される。山形状ビームの各パルスは２個より多いパルス部分を具えてもよい。すなわち、各パルスは、薄膜上の実質的に同じ位置に加えられる異なるエネルギーの順次のパルス部分を具るようにしうる。
【０００５】
山形状結晶化ビームを使用することにより、前記半導体薄膜内の単結晶領域における粒子サイズを増大させることができる。更に、複数パルスレーザーを使用することにより、半導体薄膜における自己核形成が生じにくくなる。この為、この結晶化方法は、１００ｎｍ以下、好適には約４０ｎｍの膜厚の薄膜に対して使用することができる。
【０００６】
本発明はまた、
薄膜半導体層を結晶化するためのレーザー結晶化方法であって、
絶縁基板上に半導体材料の薄膜を設けるステップと、
前記薄膜上でパルスレーザービームを走査するステップであって、前記レーザービームは山形を規定するよう整形されており、前記レーザービームの各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーのそれに続く第２パルス部分とを具えており、各パルスの少なくとも前記第１パルス部分及び前記第２パルス部分を、前記薄膜上の実質的に同じ部分に照射するステップと
を具えるレーザー結晶化方法を提供するものでもある。
【０００７】
ダブルパルスレーザー結晶化法は、日本応用物理学会誌第３４巻（1995年）の第3976〜3981頁に掲載されたR. Ishihara氏等による論文「シリコン薄膜の新規なダブルパルスエキシマレーザー結晶法」から既知である。この方法は、特に単一分割パルスが１μｍ領域の薄膜材料を結晶化しうるようにエキシマレーザーで結晶化されるシリコン薄膜の粒子サイズを増大させるものとして記載されている。ここでも、この論文の内容は参考として本明細書に組み込むものである。
【０００８】
本発明はまた、
レーザービームパルスを与えるパルス化レーザー光源と、
前記レーザービームパルスを分割して少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーのそれに続く第２パルス部分とを規定する強度プロファイルを有する出力パルスを得る光学処理装置と、
前記出力パルスを整形して山形状パルスを形成する手段と、
前記山形状パルスをサンプル上へ投射して結晶化を行う投射装置と
を具えるレーザー結晶化装置を提供するものでもある。
【０００９】
本発明の実施の態様を添付の図面を参照して実施例により説明する。
【００１０】
図１に示したように、本発明によるレーザー結晶化技術における凝固フロントは、山形の頂点において単結晶粒子を成長させる山形状ビーム２として規定される。薄膜上でこのビームが進むのに従い単結晶粒子が成長する。このビーム形状により大きな単結晶領域を半導体層内に規定しうるようになり、この単結晶領域は、薄膜から形成される半導体装置、例えば薄膜トランジスタに関して所望の位置と一致するよう位置決めすることができる。このビームの各パルスは２個のパルス部分を具え、例えば図３Ｂに示される強度−時間プロファイルを有する。このダブルパルス法により、本発明を用いて処理し得る薄膜の厚さを、アモルファスシリコン半導体層に関する最適レベル、例えば４０ｎｍまで低減させることができる。
【００１１】
本発明のこの方法は、アモルファス又は多結晶シリコン膜を一方向凝固微細構造に変換させうるレーザー結晶化方法に対して利用しうる。この結晶化方法は、パターン化されたマスクを通した照射を行い半導体薄膜の選択領域を完全に融解させる処理と、パルス間でマスクに対して薄膜を制御しながら移動させる処理とを組み合せて用いるものである。結晶化装置のレーザー光源が所定のエネルギー出力である場合に、膜厚がより薄いことにより薄膜上でレーザーをパターン走査させる速度を増大させることができる。
【００１２】
図１は、半導体材料の薄膜上で山形状アパーチャを用いてパターン化したレーザー加熱ビームを進めることにより生じる結晶化状態を図示している。山形状マスク２の使用により、その山形の頂部に単結晶粒子が形成され、その後この単結晶粒子は並進方向（図１における矢印６）のみならず、その交差方向にも側方成長が生じる。その理由は、粒界は溶融界面とほぼ垂直に形成されるためである。薄膜半導体層上で、この山形状ビームを進めることにより、先に参照した論文「低基板温度エキシマ−レーザー結晶化方法による単結晶シリコン膜」に記載されたようにして図１に示すような単結晶領域４が得られる。
【００１３】
山形状ビームの幅（Ｗ）は、数μｍ〜数十μｍ程度にすることができ、得られる単結晶領域を、薄膜半導体層を用いて製作される薄膜トランジスタのチャネル領域と充分に一致するサイズにすることができる。ビーム形状を規定するスリット幅は約１μｍとすることができる。
【００１４】
レーザーは、山形状ビームのアレイが規定されるようにパターン化して、結晶化された薄膜に単結晶領域のアレイが含まれるようにすることができる。山形状ビームは、頂点１２において合致する第１及び第２凝固フロント８，１０を規定する。これらフロントは垂直にする必要はなく、頂点において鋭角又は鈍角をなすようにしうる。本明細書及び特許請求の範囲に用いられる用語「山形状」とはこのような場合を含むことを意図したものである。
【００１５】
レーザー加熱により溶解された半導体材料の側方凝固は、レーザー加熱により薄膜の全深さが完全に溶解される場合に最適なものとなる。これを達成するためには、充分に高いレーザーエネルギー密度が必要とされるが、そのエネルギー強度は薄膜の特性に依存することになる。このためには、パルスエキシマレーザーが適切である。
【００１６】
本発明のレーザー結晶化方法は、順次の２個以上の強度ピークを有するレーザーパルス強度プロファイルを用いるものでもある。ダブルパルスエキシマレーザー結晶化法の使用は、単結晶領域の粒子サイズを増大するためにすでに提案されてきた。ダブルパルス法は冷却速度を低くすると理解されているため、約５００℃の過冷却状態で生じることが知られている多量の均一核形成が起こる前に、結晶核が互いに接触するのに充分なサイズまで成長しうる。第１パルスにより薄膜が溶融されるが、第２パルスまでに充分な時間があるため基板内に熱が拡散する。この基板の予加熱により第２パルス後の冷却速度が低減されることになる。
【００１７】
とりうる強度プロファイルの例が図３Ｂに示されている。第１パルス３０は薄膜を完全に溶融させるのに充分なエネルギー密度を有する。このエネルギー密度はこの工程で処理される薄膜の性質及び厚さに依存することになる。エネルギー密度は、５０ｎｍの厚さを有するアモルファスシリコン薄膜に対して、３００ｍＪ／ｃｍ2 程度とすることができる。パルス持続期間は３０ｎｓ程度とし得る。パルス間の遅延３２は、基板内へ熱が有効に拡散するのに充分なものとするが、薄膜の未凝固部分に多量の均一核形成が生じるのには充分でないようにし、例えば１００〜２００ｎｓとすることができる。第２パルス３４からのエネルギーはあまり大きいものとする必要はなく、図示の例では１５０ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度とすることができる。この第２パルスの目的は凝固過程を再び開始させることである。
【００１８】
レーザーパルス強度プロファイルの正確なプロファイルは、薄膜の化学的組成及び機械的構造といった多くの点を考慮に入れて選択する。本発明を、アモルファスシリコン堆積層から多結晶シリコン膜を形成するという観点から説明してきたが、本発明は他の材料のレーザー結晶化に対しても同様に利用することができる。
【００１９】
図２は本発明によるレーザー結晶化装置を示している。パルスレーザー光源４０は、例えば図３Ａに示されたプロファイルを有するレーザービームパルスを供給する。光学処理装置４２が、図３Ｂ（各パルスが第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーのそれに続く第２パルス部分とを有する）に例を示す複数のピーク強度プロファイルを付与する。この光学処理装置４２が、部分的に透過性で部分的に反射性のビーム分割器４４からパルスレーザー光源の出力を受ける。この光学処理装置４２により光学遅延を付与し、所望に応じて光信号を減衰させる。結合器４６を用いて、この遅延された信号と、ビーム分割器４４を透過したパルスレーザー光源の元の出力部分とを結合させる。
【００２０】
ダブルパルスレーザービームの出力は、ホモジナイザー４８へ供給され、セミ−ガウスプロファイルからトップハットプロファイルへ変換される。
【００２１】
一つの可能性として、マスク５０を設けて出力パルスを整形して山形状パルスとし、その後、投射装置５２を用いてサンプル５１へ伝播することができる。
【００２２】
サンプル（絶縁基板上に薄膜５１を具えるもの）は可動台上へ取り付けられており、投射ビームによりサンプルを走査し得るようになっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  山形状マスクを通して加えられるパルスレーザをアモルファス半導体膜に照射することにより規定される粒界を示している。
【図２】  本発明によるレーザー結晶化装置を示している。
【図３】  図２の装置内の位置 IIIＡ及び IIIＢにおけるレーザービーム強度パターンを示している。