(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に加熱機構を設ける加熱機構形成工程と、
前記基板上に前記加熱機構と一部が重なる半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記半導体膜へ光を照射し、前記光の一部を前記半導体膜から透過させ前記加熱機構に吸収させて加熱し、前記加熱機構の熱を用いて前記半導体膜の一部を加熱し溶融結晶化させ結晶性半導体膜を形成する結晶化工程と、
前記結晶性半導体膜を島状の半導体膜に加工する素子分離工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記加熱機構形成工程が、前記基板上に第一半導体膜を形成する第一半導体膜形成工程と、
前記第一半導体膜を所定の形状に加工し前記加熱機構を形成する第一半導体膜加工工程と、を含み、
前記加熱機構形成工程と前記半導体膜形成工程との間に、前記加熱機構上に下側絶縁膜を形成する下側絶縁膜形成工程を有する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記下側絶縁膜の厚みが１３０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第一半導体膜の厚みが３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第一半導体膜が珪素を含む半導体膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体膜の厚みが３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化工程が多結晶硅素膜での吸収係数が１×１０−３ｎｍ−１以上１×１０−２ｎｍ−１以下である光を前記半導体膜からみて前記基板とは反対の方向から前記半導体膜に照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化工程にて前記半導体膜の厚みをｘ（ｎｍ）とし、前記結晶化工程にて照射される光に於ける多結晶硅素膜での吸収係数をμｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）としたときに、前記厚みｘ（ｎｍ）と前記吸収係数μｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）とが０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．４０５との関係を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化工程にて照射される光の波長が４５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化工程にて照射される光がパルスレーザー光であり、前記パルスレーザー光がＮｄイオンドープされた結晶をレーザー媒体としたＱスイッチ発振固体レーザーの高調波であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項７ないし９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化工程にて照射される光がパルスレーザー光であり、前記パルスレーザー光がＱスイッチ発振するＮｄ：ＹＡＧレーザー光の第二高調波であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項７ないし９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化工程にて照射される光がパルスレーザー光であり、前記パルスレーザー光がＱスイッチ発振するＮｄ：ＹＶＯ４レーザー光の第二高調波であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は基板上に形成された結晶性半導体薄膜の品質を向上せしめ、且つ其の品質変動を最小にし得る技術に関する。取り分け此の技術を適応して、基板上に形成された結晶性半導体膜を半導体装置のチャンネル形成領域として活用している薄膜半導体装置の性能を著しく改善し、且つ半導体装置素子間の品質が均一と成り得る薄膜半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
背景技術
多結晶硅素薄膜トランジスタ（ｐ−Ｓｉ  ＴＦＴ）に代表される薄膜半導体装置を汎用ガラス基板を使用し得る６００℃程度以下の低温にて製造する場合、従来以下の如き製造方法が取られて居た。まず基板上に半導体膜と成る非晶質硅素膜を５０ｎｍ程度の厚みに低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）で堆積する。次に此の非晶質膜にＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を照射して多結晶硅素膜（ｐ−Ｓｉ膜）とする。ＸｅＣｌエキシマレーザー光の非晶質硅素と多結晶硅素中での吸収係数は其々０．１３９ｎｍ−１と０．１４９ｎｍ−１と大きい為、半導体膜に入射したレーザー光の９割は表面から１５ｎｍ以内で吸収される。その後、ゲート絶縁膜と成る酸化硅素膜を化学気相堆積法（ＣＶＤ法）や物理気相堆積法（ＰＶＤ法）にて形成する。次にタンタル等でゲート電極を作成して、金属（ゲート電極）−酸化膜（ゲート絶縁膜）−半導体（多結晶硅素膜）から成る電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）を構成させる。最後に層間絶縁膜を此等の膜上に堆積し、コンタクトホールを開孔した後に金属薄膜にて配線を施して、薄膜半導体装置が完成する。
しかしながら此等従来の薄膜半導体装置の製造方法では、エキシマレーザー光のエネルギー密度制御が困難で、僅かなエネルギー密度の変動に依っても半導体膜質が同一基板内に於いてすら大きなばらつきを示して居た。又、膜厚や水素含有量に応じて定まる閾値よりも照射エネルギー密度が僅かに大きく成った丈でも半導体膜には激しい損傷が入り、半導体特性や製品歩留まりの著しい低下を招いて居た。斯うした事から基板内で均質な多結晶半導体膜を得るには、レーザー光のエネルギー密度を最適値よりも可成り低く設定する必要が有り、それ故に良好な多結晶薄膜を得るにはエネルギー密度の不足が否めなかった。又、最適なエネルギー密度でレーザー照射を施しても、多結晶膜を構成する結晶粒を大きくする事が困難で、膜中に多くの欠陥を残留させているのが実状であった。斯くした事実に則し、従来の製造方法にてｐ−Ｓｉ  ＴＦＴ等の薄膜半導体装置を安定的に製造するには、完成した薄膜半導体装置の電気特性を犠牲にせざるを得ないとの課題を有して居た。
加えて従来の薄膜半導体装置の製造方法に於いては完成した薄膜半導体装置の電気特性が大きくばらつくとの課題も認められた。従来のエキシマレーザー光照射では最大１μｍ程度の結晶粒が得られるものの、結晶粒及び結晶粒界の位置制御は不可能で有った。それ故に薄膜半導体装置のチャネル形成領域に結晶粒界が含まれるかどうかは確率的事象と化して居た。チャネル形成領域に結晶粒界が含まれるか否かにより半導体装置の特性は大きく変動する。チャネル形成領域に存在する結晶粒界の数が多ければ半導体装置の電気特性は悪くなり、チャネル形成領域に存在する結晶粒界の数が少なければ半導体装置の電気特性は比較的良くなるからである。
【０００３】
そこで本発明は上述の諸事情を鑑み、その目的とする所はチャネル形成領域に於ける結晶粒界の位置を制御し、以て窮めて優良なる薄膜半導体装置をばらつき無く安定的に製造する方法を提供する事に有る。
【０００４】
発明の開示
本発明の概要を説明した後、本発明の基礎原理と実施の形態とを詳細に説明する。
【０００５】
本発明の概要
本発明は基板上に形成された半導体膜を半導体装置の活性領域（半導体装置活性領域）として用いて居る薄膜半導体装置の製造方法に関する。半導体装置の活性領域とは電界効果トランジスタならばチャンネル形成領域と、チャンネル形成領域とソース領域との接合領域、及びチャンネル形成領域とドレイン領域との接合領域の三領域を示す。又、バイポーラトランジスタならばベース領域と、エミッーター・ベース接合領域、コレクター・ベース接合領域の三領域を示す。本発明は後に半導体装置活性領域と化す半導体膜（活性半導体膜）部位を局所的に加熱する局所加熱機構を基板上に設ける加熱機構形成工程と、此の加熱機構形成工程後に活性半導体膜を形成する活性半導体膜形成工程と、局所加熱機構に依り活性半導体膜が局所的に過熱された状態にて活性半導体膜を溶融結晶化させる結晶化工程と、溶融結晶化された活性半導体膜を島状に加工して半導体装置活性領域を形成する素子分離工程とを構成要件とする。
【０００６】
本発明は上述の構成要件に基づき、完成した半導体装置活性領域の長さをＬ（μｍ）とした時に、局所加熱機構形成工程又は素子分離工程にて局所加熱機の長さＬＨＳ（μｍ）よりも半導体装置活性領域の長さＬ（μｍ）を短く（Ｌ＜ＬＨＳ）する事を特徴と成す。又、この際に半導体装置活性領域が長さ方向に関して局所加熱機構に含まれる様に、活性半導体膜を加工する乃至は局所加熱機構を形成する。局所加熱機の長さＬＨＳ（μｍ）は７μｍ程度以下（ＬＨＳ＜７μｍ）が好ましい。半導体装置活性領域の長さと局所加熱機構の長さに関しては、半導体装置活性領域の長さＬ（μｍ）を局所加熱機の長さＬＨＳ（μｍ）の半分程度以下（Ｌ＜ＬＨＳ／２）となる様に活性半導体膜又は局所加熱機構を加工形成し、更に半導体装置活性領域が長さを方向に関して局所加熱機構に完全に含まれ、且つ局所加熱機構の長さ方向に関する中心近傍を含まぬ様に活性半導体膜を加工するのが理想的である。
【０００７】
又、本発明は上述の構成要件に基づき、完成した半導体装置活性領域の幅をＷ（μｍ）とした時に、加熱機構形成工程又は素子分離工程にて局所加熱機構の幅ＷＨＳ（μｍ）よりも半導体装置活性領域の幅Ｗ（μｍ）を短く（Ｗ＜ＷＨＳ）する事を特徴と成す。局所加熱機構の幅ＷＨＳ（μｍ）よりも活性領域の幅Ｗ（μｍ）が６μｍ程度以上短ければ（Ｗ＜ＷＨＳ−６μｍ）更に好ましく、８μｍ（Ｗ＜ＷＨＳ−８μｍ）程度以上短かければ理想的である。活性半導体膜を加工する際には半導体装置活性領域が幅方向に関して局所加熱機構に含まれる様にする。その上で半導体装置活性領域の長さ方向の辺が局所加熱機構の長さ方向の辺より３μｍ程度以上、より好ましくは４μｍ程度以上内側に位置する様に活性半導体膜を加工する。
【０００８】
加熱機構形成工程としては、基板上に第一半導体膜を堆積する第一半導体膜堆積工程と、此の第一半導体膜を所定の形状に加工する第一半導体膜加工工程と、第一半導体膜上に下側絶縁膜を形成する下側絶縁膜形成工程とを含んだ工程が具体例として上げられる。第一半導体膜は硅素を主体とした半導体膜で、その厚みは２５ｎｍ程度以上１００ｎｍ程度以下が好ましく、理想的には３０ｎｍ程度以上７０ｎｍ程度以下である。下側絶縁膜の厚みは１３０ｎｍ程度以上１８０ｎｍ程度以下が望ましい。
【０００９】
活性半導体膜形成工程は非晶質半導体膜を堆積する非晶質半導体膜堆積工程を含み、更に此の非晶質半導体膜の結晶性を高める半導体膜改質工程をも含んで居ても良い。半導体膜改質工程は非晶質半導体膜を固相にて結晶化させる固相成長工程や非晶質半導体膜を溶融状態を経て結晶性を改善する溶融結晶性改善工程から成る。或いは両者を組み合わせて、非晶質半導体膜を固相にて結晶化させる固相成長工程と、此の固相成長した半導体膜を溶融状態を経て結晶性を改善する溶融結晶性改善工程との二者から成っても構わない。活性半導体膜は硅素を主体とした半導体膜で、その厚みは３０ｎｍ程度以上７０ｎｍ程度以下が好ましい。非晶質半導体膜の形成は化学気相堆積法（ＣＶＤ法）に依る堆積工程を含んで居る。化学気相堆積法の中でも取り分け低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）乃至はプラズマ化学気相堆積法が非晶質半導体薄膜の堆積に適しており、更には高真空型低圧化学気相堆積装置或いは高真空型プラズマ化学気相堆積装置にて非晶質半導体膜が堆積されるのが理想的と言える。高真空型低圧化学気相堆積装置とは典型的には半導体膜堆積直前の背景真空度が５×１０−７Ｔｏｒｒ以下と成って居り、非晶質半導体膜が１．５ｎｍ／ｍｉｎ程度以下との遅い堆積速度で形成されても、非晶質半導体膜中の酸素原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３程度以下となし得る成膜装置を指す。同様に高真空型プラズマ化学気相堆積装置とは典型的には半導体膜堆積直前の背景真空度が１×１０−６Ｔｏｒｒ以下と成って居り、非晶質半導体膜の堆積速度が１ｎｍ／ｓｅｃ程度以下で有っても、堆積された非晶質半導体膜中の酸素原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３程度以下となし得る成膜装置である。固相成長工程は非晶質半導体膜が形成された基板を熱処理炉に挿入して、略熱平衡状態にて行われるか、或いは急速熱処理装置にて行われる。熱処理炉にて行われる場合、熱処理温度は４００℃程度以上７００℃程度以下の処理温度にて固相結晶化が進められる。溶融結晶性改善工程は半導体膜にキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー（λ＝３０８ｎｍ）やクリプトンフッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザー（λ＝２４８ｎｍ）と云ったレーザー光を照射して行われる。
【００１０】
結晶化工程では活性半導体膜側から、温度３００Ｋに於ける多結晶硅素膜での吸収係数が２×１０−４ｎｍ−１程度以上１×１０−１ｎｍ−１程度以下である光を照射して、活性半導体膜の溶融結晶化を進める。結晶化工程に理想的な光の多結晶硅素膜での吸収係数は１×１０−３ｎｍ−１程度以上１×１０−２ｎｍ−１程度以下である。本発明が効果的に機能するには、活性半導体膜の厚みをｘ（ｎｍ）とし、結晶化工程にて照射される光の多結晶硅素膜での吸収係数をμｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）とした時に、活性半導体膜の厚みｘ（ｎｍ）と照射光の吸収係数μｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）と積が
０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜１．６０９
との関係を満たす事である。此の積のより好ましい値は
０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．６９３
であり、理想的には
０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．４０５
となる。
【００１１】
結晶化工程にて照射される光はレーザー光が好ましく、パルスレーザー光が更に望ましい。パルスレーザー光としてはＱスイッチ発振する固体レーザーの高調波が適している。斯うした光の波長は３７０ｎｍ程度以上７１０ｎｍ程度以下であり、より好ましくは４５０ｎｍ程度以上６５０ｎｍ程度以下である。本発明に理想的なパルスレーザー光波長は約５３２ｎｍである。パルスレーザー光はＱスイッチ発振する固体レーザー（Ｑスイッチ固体レーザー）の高調波が好ましい。Ｑスイッチ固体レーザーのレーザー媒体としてはＮｄイオンをドープされた結晶やＹｂイオンをドープされた結晶、Ｎｄイオンをドープされたガラス、Ｙｂイオンをドープされたガラスなどが好ましい。従って具体的にはＱスイッチ発振するＮｄ：ＹＡＧレーザー光の第二高調波（波長５３２ｎｍ）（ＹＡＧ２ωと略称する）やＱスイッチ発振するＮｄ；ＹＶＯ４レーザー光の第二高調波（波長５３２ｎｍ）、Ｑスイッチ発振するＮｄ：ＹＬＦレーザー光の第二高調波（波長５２４ｎｍ）、Ｑスイッチ発振するＹｂ：ＹＡＧレーザー光の第二高調波（波長５１５ｎｍ）等をパルスレーザー光として使用するのが最も優れて居る。
【００１２】
結晶化工程でパルスレーザー光を活性半導体膜に照射する際の、活性半導体膜上での照射領域は幅がＷＬ（μｍ）で長さがＬＬ（ｍｍ）の線状乃至は略長方形状で有る。照射領域の幅方向は局所加熱機構の長さ方向にほぼ一致し、照射領域の長さ方向は局所加熱機構の幅方向にほぼ一致するのが好ましい。局所加熱機構の長さ方向と半導体装置活性領域の長さ方向とは一致し、局所加熱機構の幅方向と半導体装置活性領域の幅方向とが一致しているので、照射領域の幅方向は半導体装置活性領域の長さ方向にほぼ一致し、照射領域の長さ方向は半導体装置活性領域の幅方向にほぼ一致する。照射領域内ではパルスレーザー光の照射エネルギー密度は長さ方向に略台形状に分布して居る。一方、幅方向の照射エネルギー密度は略台形状乃至は略ガウス関数的に分布して居るのが好ましい。照射領域の長さＬＬに対する幅ＷＬの比（ＬＬ／ＷＬ）は１００以上で有る事が好ましく、理想的には１０００以上と云える。パルスレーザー光の幅方向に於ける照射エネルギー密度の最大勾配値は３ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１以上有るのが望ましい。此のパルスレーザー光の幅方向に於ける照射エネルギー密度勾配の最大値を取る位置と、パルスレーザー光の幅方向に於ける照射エネルギー密度の最大値を取る位置とが略一致して居れば、優良なる薄膜半導体装置を製造する上で更に好ましい。照射領域の幅ＷＬは少なくとも局所加熱機構の長さＬＨＳよりも大きく、照射領域の長さＬＬは局所加熱機構の幅ＷＨＳよりも大きくなくては成らない。パルスレーザー光は活性半導体膜上で照射領域を各照射毎に照射領域の幅方向にずらして行き、基板全面の照射を完了させる。パルスレーザー光照射時に於ける照射領域の幅方向は、薄膜半導体装置が完成して動作する際の活性領域内に於ける電流方向と略並行となって居る。レーザー照射時には活性半導体膜上の任意の一点が１回以上４０回程度以下のパルスレーザー光照射を被る様に光を照射する。パルスレーザー光の活性半導体膜上に於ける照射エネルギー密度は活性半導体膜の厚み方向の半分程度以上を溶融させる強度であり、より好ましくは３分の２程度以上を溶融させる強度と言える。反対に照射エネルギー密度の上限は局所加熱機構上に位置する活性半導体膜の一部を消失させる強度で有る。理想的には局所加熱機構上の活性半導体膜を厚み方向で略完全に溶融させ、且つその他の活性半導体膜を厚み方向で完全に溶融させない強度と言える。具体的にパルスレーザー光として波長が約５３２ｎｍの光を使用した場合、パルスレーザー光の活性半導体膜上に於ける照射エネルギー強度は３５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以上９５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以下、好ましくは４５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以上９５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以下、或いは３５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以上６２５ｍＪ・ｃｍ−２程度以下、理想的には４５０ｍＪ・ｃｍ−２程度以上６２５ｍＪ・ｃｍ−２程度以下である。
【００１３】
本発明を液晶表示装置等に適応するには、基板が可視光に対して透明で有る事が望まれる。又、応用の如何を問わず基板はパルスレーザー光に対して略透明である事が望まれる。略透明で有るとはパルスレーザー光の基板に於ける吸収係数が多結晶硅素に於ける吸収係数の百分の一程度以下で有る事を意味し、具体的には基板に於ける吸収係数μＳｕｂが１０−５ｎｍ−１程度以下で有る。
【００１４】
課題を解決するための手段
（１）基板上に加熱機構を設ける加熱機構形成工程と、
前記基板上に前記加熱機構と一部が重なる半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記半導体膜へ光を照射し、前記光の一部を前記半導体膜から透過させ前記加熱機構に吸収させて加熱し、前記加熱機構の熱を用いて前記半導体膜の一部を加熱し溶融結晶化させ結晶性半導体膜を形成する結晶化工程と、
前記結晶性半導体膜を島状の半導体膜に加工する素子分離工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（２）基板上に加熱機構を設ける加熱機構形成工程と、
前記基板上に前記加熱機構と一部が重なる半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記半導体膜へ光を照射し溶融結晶化させ結晶性半導体膜を形成する結晶化工程と、
前記結晶性半導体膜を島状の半導体膜に加工する素子分離工程と、
前記島状の半導体膜上にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、を含み、
前記半導体膜がチャネル形成領域を有し、前記チャネル形成領域が前記加熱機構と前記ゲート電極との間に位置する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（３）上記（１）または（２）において、
前記加熱機構形成工程が、前記基板上に第一半導体膜を形成する第一半導体膜形成工程と、
前記第一半導体膜を所定の形状に加工し前記加熱機構を形成する第一半導体膜加工工程と、を含み、
前記加熱機構形成工程と前記半導体膜形成工程との間に、前記加熱機構上に下側絶縁膜を形成する下側絶縁膜形成工程を有する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（４）上記（３）において、
前記下側絶縁膜の厚みが１３０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（５）上記（３）または（４）において、
前記第一半導体膜の厚みが３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（６）上記（３）ないし（５）のいずれかにおいて、
前記第一半導体膜が珪素を含む半導体膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（７）上記（１）ないし（６）のいずれかにおいて、
前記半導体膜の厚みが３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（８）上記（１）ないし（７）のいずれかにおいて、
前記結晶化工程が多結晶硅素膜での吸収係数が１×１０−３ｎｍ−１以上１×１０−２ｎｍ−１以下である光を前記半導体膜からみて前記基板とは反対の方向から前記半導体膜に照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（９）上記（８）において、
前記結晶化工程にて前記半導体膜の厚みをｘ（ｎｍ）とし、前記結晶化工程にて照射される光に於ける多結晶硅素膜での吸収係数をμｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）としたときに、前記厚みｘ（ｎｍ）と前記吸収係数μｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）とが０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．４０５との関係を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（１０）上記（８）または（９）において
前記結晶化工程にて照射される光の波長が４５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（１１）上記（８）から（１０）のいずれかにおいて、
前記結晶化工程にて照射される光がパルスレーザー光であり、前記パルスレーザー光がＮｄイオンドープされた結晶をレーザー媒体としたＱスイッチ発振固体レーザーの高調波であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（１２）上記（８）から（１０）のいずれかにおいて、
前記結晶化工程にて照射される光がパルスレーザー光であり、前記パルスレーザー光がＱスイッチ発振するＮｄ：ＹＡＧレーザー光の第二高調波であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（１３）上記（８）から（１０）のいずれかにおいて、
前記結晶化工程にて照射される光がパルスレーザー光であり、前記パルスレーザー光がＱスイッチ発振するＮｄ：ＹＶＯ４レーザー光の第二高調波であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００１５】
本発明の基礎原理
本発明は、後に半導体装置活性領域と化す活性半導体膜部位を局所加熱機構にて局所的に過熱した状態にて溶融結晶化させる事で此の部位に結晶を選択的に横成長させ（図１）、横成長して出来上がった結晶粒を半導体装置活性領域として使用する物である（図２）。結晶粒の位置が自在に制御可能で有るが故、応じて結晶粒界の位置制御も可能と化し、以て半導体装置活性領域内にて結晶粒界が制御される（図３）。本願発明に依ると半導体装置活性領域内で電流を横切る結晶粒界個数を常に一つにする事が出来（図３）、更に本発明の最善な方法では半導体装置活性領域内にて電流を横切る結晶粒界を消滅させることすら実現する（図４）。斯うして薄膜半導体装置の電気特性を著しく改善し、同時に基板上に形成された総ての薄膜半導体装置の電気特性を略同一として、その品質変動を最小とし得るのである。
【００１６】
局所加熱機構の一例は基板上に島状に形成された第一半導体膜である。図１Ａに局所加熱機構と活性半導体膜との関係を断面図にて示す。又、図１Ｂは其の平面図で、両図には結晶化工程後に得られる活性半導体膜の結晶粒界をも描いてある。第一半導体膜上に下側絶縁膜を介して活性半導体膜を形成した上で、活性半導体膜側より活性半導体膜を２０％程度以上透過するレーザー光を照射する。照射されたレーザー光にて活性半導体膜は溶融結晶化するが、その際に照射光の活性半導体膜透過率が比較的高い為に、照射光の一部は第一半導体膜にも到達する。斯うして第一半導体膜もレーザー光を吸収し、その温度を上げる。一方、第一半導体膜が存在しない箇所では透過光はその儘基板に抜けて行く。その結果、第一半導体膜上の活性半導体膜は、その部位のみが局所的に加熱され、その他の箇所よりも温度が上昇する。溶融結晶化過程では結晶粒は低温部から高温部に向かって成長する。活性半導体膜の内でその下に局所加熱機構を備えた部位のみがその周辺に比べて高温に成る為に、冷却固化時に於ける結晶粒は局所加熱機構の辺の僅かに外側上の活性半導体膜部位から局所加熱機構の中心上の活性半導体膜部位に向かって成長する。局所加熱機構に依って形成された温度差が溶融半導体膜の冷却固化時に結晶の横成長を生じせしめるのである。斯うして活性半導体膜は結晶粒が所望の位置（すなわち後に半導体活性領域となる部位）に制御成長され、その後活性半導体膜を所定の形状に加工して素子分離を図る（図２Ａ断面図、図２Ｂ平面図）。この際に半導体装置活性領域の幅Ｗを局所加熱機構の幅ＷＨＳよりも短くして、半導体装置活性領域が幅方向に関して完全に局所加熱機構内に包含される様に半導体装置活性領域を形成する。斯うした状態にてゲート電極の長さＬを局所加熱機構の長さＬＨＳと同じ若しくは其れよりも短くし、且つ半導体装置活性領域が長さ方向に関して局所加熱機構に包含される様に半導体装置活性領域を形成する（図３Ａ断面図、図３Ｂ平面図）。斯うする事で半導体装置活性領域内に、電流を横切る方向の結晶粒界を常に一つとする事が実現するのである。結晶粒は局所加熱機構の辺の１μｍ程度外側から局所加熱機構の中心に向かって略一定の速度で成長するので、左右から成長した結晶粒同士は局所加熱機構の長さ方向に関する中心付近にて衝突する。即ち、電流を横切る方向の結晶粒界は常に局所加熱機構の長さ方向に関する中心付近に形成される。従って、半導体装置活性領域の長さＬ（μｍ）を局所加熱機の長さＬＨＳ（μｍ）の半分程度以下（Ｌ＜ＬＨＳ／２）となる様に活性半導体膜又は局所加熱機構を加工形成し、更に半導体装置活性領域が長さを方向に関して局所加熱機構に完全に含まれ、且つ局所加熱機構の長さ方向に関する中心近傍を含まぬ様に活性半導体膜を加工すれば、半導体装置活性領域内で電流を横切る結晶粒界を消滅させる事が可能となる（図４Ａ断面図、図４Ｂ平面図）。
【００１７】
本発明の詳細な説明
本発明はガラスの歪点温度が５５０℃程度から６５０℃程度と云った低耐熱性ガラス基板、或いは石英基板と云った高耐熱性ガラス基板等の各種透明基板上に形成された結晶性の半導体膜を活性層として用いて居る薄膜半導体装置の製造方法に関わり、基板上に必要に応じて下地保護膜と成る酸化硅素膜を形成し、此の下地保護膜上乃至は基板上に後に半導体装置活性領域と化す半導体膜（活性半導体膜）部位を局所的に加熱する局所加熱機構を設け（加熱機構形成工程）、此の加熱機構形成工程後に活性半導体膜を形成する（活性半導体膜形成工程）。その上で局所加熱機構に依り活性半導体膜が局所的に過熱された状態にて活性半導体膜を溶融結晶化させ（結晶化工程）、半導体装置活性領域部位に結晶を選択的に成長させる。その後、溶融結晶化にて選択的に結晶成長している活性半導体膜を島状に加工して半導体装置活性領域を形成する（素子分離工程）。
【００１８】
本発明は上述の構成要件に基づき、まず基板上に局所加熱機構を形成する（加熱機構形成工程）。局所加熱機構は、一例として基板上に形成された島状の第一半導体膜と此を覆う下側絶縁膜とから成る。従って局所加熱機構形成工程の具体例としては、基板上に第一半導体膜を堆積する第一半導体膜堆積工程と、此の第一半導体膜を所定の形状に加工する第一半導体膜加工工程と、第一半導体膜上に下側絶縁膜を形成する下側絶縁膜形成工程とを含んだ工程が上げられる。第一半導体膜は硅素を主体とした半導体膜である。硅素を主体とした半導体膜とは硅素膜（Ｓｉ）や硅素ゲルマニウム膜（ＳｉｘＧｅ１−ｘ：０＜ｘ＜１）に代表される半導体物質で、硅素をその主構成元素（硅素原子構成比が８０％程度以上）として居る物質を指す。
【００１９】
第一半導体膜の役割は下側絶縁膜上に形成される活性半導体膜を局所的に加熱する事にある。加熱は活性半導体膜を透過して来た光を第一半導体膜が吸収して、第一半導体膜自体の温度を上げる事を通じて達成される。従ってその厚みが２５ｎｍ程度以上と厚い時にのみ、第一半導体膜に依る光吸収が顕著となり、それに応じて第一半導体膜の温度が活性半導体膜を加熱するのに十分な程上昇する。斯くして第一半導体膜上に位置する活性半導体膜が第一半導体膜に依り局所的に加熱され、活性半導体膜に位置制御された結晶粒が横方向に成長する。反対に第一半導体膜が厚すぎると、第一半導体膜の熱容量が増大し、矢張り第一半導体膜の温度は十分に上昇しない。第一半導体膜が活性半導体膜に位置制御された結晶粒の横成長を生じさせるのに十分な温度上昇を示すのは、その膜厚が１００ｎｍ程度以下の時である。此の様に活性半導体膜での横成長距離は第一半導体膜の膜厚に強く依存する。出願人の実験に依ると、横成長した結晶粒が３．５μｍ程度と最大になる理想的な第一半導体膜の厚みは３０ｎｍ程度以上７０ｎｍ程度以下であった。
【００２０】
本願発明に適した第一半導体膜の厚みは２５ｎｍ程度以上１００ｎｍ程度以下であり、トランジスタ特性を良好とする活性半導体膜の厚みも２０ｎｍ程度以上９５ｎｍ程度以下である。結晶化工程にて照射される光の波長は３７０ｎｍ程度から７１０ｎｍ程度であるので、局所加熱機構と活性半導体膜とを第一半導体膜−下側絶縁膜−活性半導体膜の三層構造とすると、光の干渉と反射とで第一半導体膜に結晶化工程時に光が到達せず、故に活性半導体膜に横成長が生じないとの事態が、下側絶縁膜の屈折率と膜厚に応じて生ずる。出願人等の光学シミュレーションや実験に依ると下側絶縁膜に酸化硅素膜を用いた時に、活性半導体膜で結晶粒が最も横成長する下側絶縁膜の厚みは１３０ｎｍ程度以上１８０ｎｍ程度以下であった。
【００２１】
完成した半導体装置活性領域の長さをＬ（μｍ）とした時に、局所加熱機構形成工程又は素子分離工程にて局所加熱機の長さＬＨＳ（μｍ）よりも半導体装置活性領域の長さＬ（μｍ）を同等（Ｌ〜ＬＨＳ）若しくは短く（Ｌ＜ＬＨＳ）する。又、この際に半導体装置活性領域が長さ方向に関して局所加熱機構に含まれる様に予め局所加熱機構を形成しておくか、或いは半導体装置活性領域が長さ方向に関して局所加熱機構に含まれる様に活性半導体膜を加工する（図３Ａ断面図、図３Ｂ平面図）。活性半導体膜内での結晶横成長は必ず局所加熱機構の外側１μｍ程度の位置から始まる。従って上述の位置関係に局所加熱機構と半導体装置活性領域とを設定しておけば、半導体装置活性領域内で長さ方向（半導体装置が動作する際の電流方向）を横切る結晶粒界（電流を横切る結晶粒界）の数を常に中心付近に一個とし得る。更に、局所加熱機の長さＬＨＳ（μｍ）は７μｍ程度以下（ＬＨＳ＜７μｍ）が好ましい。出願人等の実験に依ると結晶が横成長する最大距離は３．５μｍ程度で有る。従って結晶粒を局所加熱機構の外側の左右両側から横成長させて、局所加熱機構の長さ方向に於ける中心付近に電流を横切る結晶粒界を只一つだけ形成するには、局所加熱機構の長さが最大横成長距離の二倍以下で無ければならないからである。又、基板上に複数個形成される薄膜半導体装置が総て皆同一の特性を示す為には何れの薄膜半導体装置も活性領域内に只一つの結晶粒界を有して居る事が望ましい。結晶成長距離の変動を考慮すると、局所加熱機構の長さは５μｍ程度以下が適している。斯うする事で基板上に形成される総ての薄膜半導体装置が殆ど同じ特性を示す様になる。半導体装置活性領域の長さと局所加熱機構の長さに関しては、半導体装置活性領域の長さＬ（μｍ）を局所加熱機の長さＬＨＳ（μｍ）の半分程度以下（Ｌ＜ＬＨＳ／２）となる様に活性半導体膜又は局所加熱機構を加工形成し、更に半導体装置活性領域が長さを方向に関して局所加熱機構に完全に含まれ、且つ局所加熱機構の長さ方向に関する中心近傍を含まぬ様に活性半導体膜を加工するのが理想的である（図４Ａ断面図、図４Ｂ平面図）。前述の如く電流を横切る結晶粒界は局所加熱機構の長さ方向に関する中心近傍に必ず形成される。従って、半導体装置活性領域を局所加熱機構内に完全に含ませ、且つ中心近傍を避ける様に形成するならば、活性領域内に結晶粒界を横切らぬ電流経路を必定複数個形成出来、それ故に薄膜半導体装置は単結晶硅素薄膜を用いた小さなシリコン−オン−インシュレーター（ＳＯＩ）装置を複数個並列接続したと同等と化し、以て其の性能を飛躍的に向上せしめる。尚、局所加熱機構の長さ方向に関する中心近傍とは長さ方向の中心から左右に０．２５μｍ程度の広がりを有した領域で、中心付近に形成される長さ０．５μｍ程度の領域である。
【００２２】
幅方向に関しては此処迄に詳述して来た構成要件に加えて、完成した半導体装置活性領域の幅をＷ（μｍ）とした時に、加熱機構形成工程にて局所加熱機構の幅ＷＨＳ（μｍ）よりも半導体装置活性領域の幅Ｗ（μｍ）を短く（Ｗ＜ＷＨＳ）なる様に予め局所加熱機構を形成しておくか、或いは素子分離工程にて局所加熱機構の幅ＷＨＳ（μｍ）よりも半導体装置活性領域の幅Ｗ（μｍ）を短く（Ｗ＜ＷＨＳ）なる様に半導体装置活性領域を形成し、しかも半導体装置活性領域が幅方向に関して局所加熱機構に完全に含まれる様にする（図２Ｂ平面図）。図１Ｂから分かる様に活性半導体膜での横成長は局所加熱機構の長さ方向の辺からも発生する。斯様に形成される結晶粒界は電流を横切る結晶粒界となるので、半導体装置活性領域から排除する事が望まれる。局所加熱機構の長さ方向の辺から成長する電流を横切る結晶粒界を半導体装置活性領域から排除するには半導体装置活性領域の幅が局所加熱機構の幅よりも短く、且つ半導体装置活性領域が幅方向に関して局所加熱機構に完全に含まれる事が必要条件である。具体的には局所加熱機構の幅ＷＨＳ（μｍ）よりも活性領域の幅Ｗ（μｍ）が６μｍ程度以上短かい（Ｗ＜ＷＨＳ−６μｍ）状態が好ましく、８μｍ（Ｗ＜ＷＨＳ−８μｍ）程度以上短かければ理想的といえる。その上で半導体装置活性領域の長さ方向の辺が局所加熱機構の長さ方向の辺より３μｍ程度以上、より好ましくは４μｍ程度以上内側に位置する様に活性半導体膜を加工する。本願発明での横成長距離は最大で３．５μｍ程度で、通常は２．５μｍ程度から３．０μｍ程度となる。従って活性領域の幅が局所加熱機構の幅よりも６μｍ程度以上短く、且つ半導体装置活性領域の長さ方向の辺が局所加熱機構の長さ方向の辺から３．０μｍ程度以上内側に位置して居れば、局所加熱機構の長さ方向の辺から成長する結晶粒界を半導体装置活性領域から殆ど排除し得る（図２Ｂ平面図）。最大横成長距離が３．５μｍ程度なので、活性領域の幅を局所加熱機構の幅よりも８μｍ程度以上短くし、且つ半導体装置活性領域の長さ方向の辺を局所加熱機構の長さ方向の辺から上下で其々４．０μｍ程度以上内側に位置させれば、局所加熱機構の長さ方向の辺から成長する結晶粒界を半導体装置活性領域から完全に排除出来る（図２Ｂ平面図）。
【００２３】
活性半導体膜形成工程は非晶質半導体膜を堆積する非晶質半導体膜堆積工程を含み、更に此の非晶質半導体膜の結晶性を高める半導体膜改質工程をも含んで居ても良い。半導体膜改質工程は非晶質半導体膜を固相にて結晶化させる固相成長工程や非晶質半導体膜を溶融状態を経て結晶性を改善する溶融結晶性改善工程から成る。或いは両者を組み合わせて、非晶質半導体膜を固相にて結晶化させる固相成長工程と、此の固相成長した半導体膜を溶融状態を経て結晶性を改善する溶融結晶性改善工程との二者から成っても構わない。工程上で最も容易なのが非晶質半導体膜堆積を以て活性半導体膜形成工程とする物である。此の簡略な工程でも無論本願発明は有効であるが、より好ましいのは活性半導体膜形成工程が半導体膜改質工程を含んで居る工程である。本工程後に行われる結晶化工程時の結晶粒横成長は局所加熱機構上の活性半導体膜が略完全に溶融した状態にて、その周辺部の非溶融部よりエピタキシャル成長の形態にて進む。活性半導体膜形成工程が半導体膜改質工程をも含んでいると、内部結晶欠陥の少ない良質な結晶粒を成長源として横成長が進むので、横成長後の結晶も内部欠陥の少ない優良な結晶粒となる。斯うした内部欠陥の少ない結晶粒を結晶成長源とするには、非晶質半導体膜を溶融状態を経て結晶性を改善する溶融結晶性改善工程を施すのが一番である。溶融結晶性改善工程は、局所加熱機構に影響を及ぼさぬ紫外光を半導体膜に照射して行われるのが望ましい。紫外光としてはキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー（λ＝３０８ｎｍ）やクリプトンフッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザー（λ＝２４８ｎｍ）と云ったレーザー光が用いられる。半導体膜改質工程が固相成長工程を含んでいると、各結晶粒が数μｍと大きくなり、此の大きい結晶粒を結晶成長源として横成長が生ずるので電流方向に略平行な結晶粒界の数、即ち半導体装置活性領域内に位置する結晶粒界の数、が削減され、閾値電圧が低く急峻なサブスレーシュホールド特性を示す優良な薄膜半導体装置が作成される。固相成長工程は非晶質半導体膜が形成された基板を熱処理炉に挿入して、略熱平衡状態にて行われるか、或いは急速熱処理装置にて行われる。熱処理炉にて行われる場合、熱処理温度は４００℃程度以上７００℃程度以下の処理温度にて固相結晶化が進められる。固相成長で得られる多結晶半導体膜は結晶粒が数μｍと大きいものの、内部欠陥を多量に含むとの短所を有して居る。一方、溶融結晶性改善工程で得られる多結晶半導体膜は結晶粒内は内部欠陥の無い綺麗な結晶が出来ているものの、結晶粒サイズが小さいとの短所が認められる。結晶粒径が数μｍと大きく且つ内部欠陥が少ない多結晶膜を得るには、非晶質半導体膜を固相にて結晶化させる固相成長工程を行った後に、此の固相成長した多結晶半導体膜を溶融状態を経て結晶性を改善する溶融結晶性改善工程を加えれば良い。斯うすれば横成長時の結晶成長源は大粒径低欠陥の結晶粒となるので、半導体装置活性領域内に位置する結晶粒界の数を著しく減少せしめて尚、略無欠陥の横成長結晶粒を得る事を可能ならしめ、以て窮めて優れた薄膜半導体装置を製造し得る。
【００２４】
活性半導体膜は硅素を主体とした半導体膜（硅素原子構成比が８０％程度以上となる硅素膜（Ｓｉ）や硅素ゲルマニウム膜（ＳｉｘＧｅ１−ｘ：０＜ｘ＜１）に代表される半導体物質）で、その厚みは２０ｎｍ程度以上９５ｎｍ程度以下、好ましくは３０ｎｍ程度以上７０ｎｍ程度以下である。２０ｎｍ程度以上の膜厚が有れば、基板面積が２０００ｃｍ２程度以上の大きな基板を用いても基板全面に結晶粒を安定的に横成長させられる。活性半導体膜が余りに厚いと、膜の上下方向に温度差が生じ横成長が阻害されるが、９５ｎｍ程度以下で有れば容易に横成長し、本願発明が有効に機能する。本願発明では結晶化工程にて照射される光の一部が活性半導体膜を透過して局所加熱機構で吸収される事がその本質である。出願人の実験に依ると、結晶化工程にてＹＡＧ２ωレーザー光を照射した際に最も横成長する活性半導体膜の厚みは３０ｎｍ程度以上７０ｎｍ程度以下であった。此の膜厚範囲では照射光が活性半導体膜を７０％程度以上透過し、しかも第一半導体膜に透過光が良く入る様に光学干渉条件が揃った為である。
【００２５】
非晶質半導体膜堆積工程は化学気相堆積法（ＣＶＤ法）を用いるのが簡便である。化学気相堆積法の中でも取り分け低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）乃至はプラズマ化学気相堆積法が非晶質半導体薄膜の堆積に適しており、更には高真空型低圧化学気相堆積装置或いは高真空型プラズマ化学気相堆積装置にて非晶質半導体膜が堆積されるのが理想的と言える。此は半導体膜の純度を高めて不純物に起因する結晶核の発生を最少として横成長を確実に生じせしめ、更に最終的に得られる結晶性半導体膜を高純度とする為で有る。高真空型低圧化学気相堆積装置とは典型的には半導体膜堆積直前の背景真空度が５×１０−７Ｔｏｒｒ以下と成って居り、非晶質半導体膜が１．５ｎｍ／ｍｉｎ程度以下との遅い堆積速度で形成されても、非晶質半導体膜中の酸素原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３程度以下となし得る成膜装置を指す。斯様な高真空型低圧化学気相堆積装置は成膜室の気密性が優れて居ると同時に、成膜室に於ける排気速度が１２０ｓｃｃｍ／ｍＴｏｒｒ（不活性ガスを１２０ｓｃｃｍ成膜室に流した時に得られる平衡圧力が１ｍＴｏｒｒと成る排気速度）程度以上の高い排気能力を有して居る事が更に望まれる。斯うした高排気能力を有する装置では１時間程度との比較的短時間で、基板等からの脱ガス流量を充分に低減せしめ、生産性を高く保って尚、高純度半導体薄膜の堆積を可能とするからで有る。基板面積が２０００ｃｍ２程度以上有る大型基板を用いる場合には、低圧化学気相堆積法の適応が困難と化す。斯様な状況下にて非晶質半導体膜を堆積する場合には高真空型プラズマ化学気相堆積装置を使用する。此は典型的には半導体膜堆積直前の背景真空度が１×１０−６Ｔｏｒｒ以下と成って居り、非晶質半導体膜の堆積速度が１ｎｍ／ｓｅｃ程度以下と云った低速で堆積された非晶質半導体膜であっても、半導体中の酸素原子濃度を２×１０１６ｃｍ−３程度以下となし得る成膜装置を指す。高真空型プラズマ化学気相堆積装置としてはプラズマ処理を行う成膜室が其れよりも大きな別の真空の部屋内に設置されて居るプラズマボックス型のＰＥＣＶＤ装置が適している。プラズマボックス型のＰＥＣＶＤ装置とは成膜室が二重真空構造とされて居る事に依り成膜室の真空度が上がるとの効果を有し、同時に成膜室壁面全体が加熱されて成膜時に壁面温度と基板温度とが略同一となるホットウォール型のプラズマ化学気相堆積装置となっている。此により成膜室壁より脱する不純物ガス量を最少として、真空度を上げるとの効果も認められる。非晶質半導体膜堆積時に於ける背景真空度が斯うして向上し、壁面からの脱ガス量も減少するので堆積される半導体膜の純度が上がり、横成長が促進される効果がもたらされる。高真空型プラズマ化学気相堆積装置の背景真空度は高真空型低圧化学気相堆積装置の背景真空度に劣るものの、半導体膜の堆積速度を０．１ｎｍ／ｓｅｃ程度以上と速める事が可能な為、半導体膜中の不純物濃度を著しく低減せしめる。半導体膜成膜の原料気体にはモノシラン（ＳｉＨ４）乃至はジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）が使用され、成膜時の基板温度は１００℃程度から４５０℃程度の間とされる。基板温度が高い程非晶質半導体膜中に含まれる水素量が減るので、後の結晶化工程を安定���に進められる。理想的には非晶質膜堆積時の基板温度は２５０℃程度から４５０℃程度の間である。
【００２６】
結晶化工程では活性半導体膜側から、温度３００Ｋに於ける多結晶硅素膜での吸収係数が２×１０−４ｎｍ−１程度以上１×１０−１ｎｍ−１程度以下である光を照射して、活性半導体膜の溶融結晶化を進める。斯様な吸収係数に対応する光の波長は３７０ｎｍ程度から７１０ｎｍ程度である。結晶化工程に理想的な光の多結晶硅素膜での吸収係数は１×１０−３ｎｍ−１程度以上１×１０−２ｎｍ−１程度以下であり、対応する波長は４５０ｎｍ程度以上６５０ｎｍ程度以下となる。本発明が効果的に機能するには、活性半導体膜の厚みをｘ（ｎｍ）とし、結晶化工程にて照射される光の多結晶硅素膜での吸収係数をμｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）とした時に、活性半導体膜の厚みｘ（ｎｍ）と照射光の吸収係数μｐ−Ｓｉ（ｎｍ−１）と積が
０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜１．６０９
との関係を満たす事である。此の積のより好ましい値は
０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．６９３
であり、理想的には
０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．４０５
となる。半導体膜中で光は吸収され、入射光は指数関数的に其の強度を減衰させる。入射光強度をＩ（０）とし、硅素を主体とした多結晶活性半導体膜中での表面からの距離をｘ（ｎｍ）、場所ｘでの強度をＩ（ｘ）とすると、此等の間には吸収係数μｐＳｉを用いて次の関係が成り立つ。
Ｉ（ｘ）／Ｉ（０）＝ｅｘｐ（−μｐＳｉ×ｘ）      （式１）
【００２７】
吸収係数μｐＳｉが２・１０−４ｎｍ−１程度以上有れば、活性半導体膜を溶融結晶化させる事が可能と化し、１×１０−３ｎｍ−１程度以上有れば活性半導体膜の厚みが２０ｎｍ程度と薄くとも２％程度以上の光が活性半導体膜にて吸収され、容易に活性半導体膜が溶融結晶化される。多結晶硅素膜での吸収係数が１×１０−１ｎｍ−１程度以下で有れば入射光は活性半導体膜を透過して局所加熱機構迄到達し、更に１×１０−２ｎｍ−１程度以下で有れば活性半導体膜が９５ｎｍ程度と厚くとも入射光の内４０％程度が局所加熱機構に到達するので、活性半導体膜部位に横成長が生ずる。活性半導体膜が光照射にて効率的に加熱される為には入射光の少なくとも１０％程度は半導体膜により吸収されるのが望ましい。これは活性半導体膜の厚みと吸収係数との積が
０．１０５＜ｘ×μｐ−Ｓｉ
との条件を満たしている時に達成される。更に局所加熱機構が効率的に機能するには入射光の少なくとも２０％程度以上が活性半導体膜を透過するのが望まれ、活性半導体膜の厚みと吸収係数との積が
ｘ×μｐ−Ｓｉ＜１．６０９
との関係式を満たしている必要がある。活性半導体膜での横成長を確実に生じせしめるには入射光の５０％程度以上が活性半導体膜を透過するのが好ましく、その条件は
ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．６９３
で有る。本願発明が最も効率的に機能する理想系は入射光の三分の二程度以上が活性半導体膜を透過する
ｘ×μｐ−Ｓｉ＜０．４０５
との条件を活性半導体膜の厚みと吸収係数とが満たす時である。
【００２８】
結晶化工程にて照射される光は半導体膜を容易に溶融させるとの点からレーザー光が好ましい。照射レーザー光としては連続発振の物も使用可能で有るが、パルス発振のレーザー光の使用がより好ましい。連続発振のレーザー光照射では半導体膜は数ミリ秒以上の長時間に渡って溶融状態にある。此の為に気相から不純物が膜中への混入し易くなり、又表面荒れが生じ易くなる。又、溶融時間が長い為に活性半導体膜内の横方向温度分布が失われる傾向が強く、故に横成長が生じにくくなる。此に対して一回の照射毎に適当な距離を移動し得るパルス発振では溶融時間は数百マイクロ秒以下となる為に、高純度で平滑な表面を有する多結晶性半導体薄膜が得られ、且つ短時間溶融に起因して横方向温度勾配は冷却固化時まで解消される事無く、斯くして局所加熱機構上に選択的に結晶粒を横成長させる事が可能となる。半導体膜にレーザー光を照射する際には波長が３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下のパルスレーザー光を使用する。此等の光の非晶質硅素中及び多結晶硅素中での吸収係数を図５に示す。図５の横軸は光の波長で、縦軸が吸収係数である。破線（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）が非晶質硅素を表し、実線（Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）は多結晶硅素を表して居る。図５から分かる様に、３７０ｎｍから７１０ｎｍの波長領域では光の吸収係数は多結晶硅素中よりも非晶質硅素中での方が大きくなる。例えば波長が約５３２ｎｍで有るＮｄドープＹＡＧレーザー光の第二高調波（ＹＡＧ２ω光と略記する）の非晶質硅素での吸収係数μａＳｉと多結晶硅素での吸収係数μｐＳｉは其々、
μａＳｉ（ＹＡＧ２ω）＝０．０１７２３ｎｍ−１
μｐＳｉ（ＹＡＧ２ω）＝０．００４２６ｎｍ−１
と、非晶質硅素での吸収係数の方が多結晶硅素での吸収係数よりも４倍余りも大きく成って居る。横成長が生じた活性半導体膜と云えども微視的には結晶成分と非晶質成分とから構成されて居る。結晶成分とは結晶粒内で積層欠陥等の欠陥が比較的に少ない部位で、良質な結晶状態に有る箇所と言える。一方、非晶質成分とは結晶粒界や結晶粒内の欠陥部等の構造秩序に著しい乱れが見られる部位で、所謂非晶質に近い状態に有る箇所と言える。レーザー光を照射して結晶化を進めるとの溶融結晶化では、非溶融部が冷却固化過程時に於ける結晶成長の核と成る。高い構造秩序を有する結晶成分が結晶成長核と成れば、其処から成長する結晶は矢張り高い構造秩序を有する良質な結晶化膜と成る。此に反して、構造秩序の乱れた部位が結晶成長核と成れば、積層欠陥等が冷却固化過程時に其処から成長するので、最終的に得られる結晶化膜は欠陥等を含んだ低品質な物と化す。従って優良な結晶化膜を得るには、横成長した活性半導体膜中の結晶成分を溶融させずに此を結晶成長の核とし、更に複数回のパルスレーザー光照射にて非晶質成分を優先的に溶融させれば良い事に成る。本願発明に適した照射レーザー光は非晶質硅素に於ける吸収係数が多結晶硅素に於ける吸収係数よりも大きいので、非晶質成分が結晶成分に比べて優先的に加熱される。その結果として結晶粒界や欠陥部と云った非晶質成分が容易に溶融し、その一方で略単結晶状態に有る様な良質な結晶成分は溶融せず残留して結晶成長源と成るので、結晶欠陥の窮めて少ない優良な結晶粒が冷却固化過程に形成される。斯うして欠陥部や不対結合対等は大幅に低減され、結晶粒界も構造秩序の高い対応粒界が支配的と成る。此の事は半導体膜の電気特性からすると、エネルギーバンド図に於ける禁制帯中央部付近の捕獲準位密度を大きく減少させるとの効果をもたらす。又、斯様な半導体膜を半導体装置活性領域（ソース領域やドレイン領域、チャンネル形成領域）に用いると、オフ電流値が小さく、急峻な閾値下特性を示し（サブスレーシュホールドスィング値が小さく）、閾値電圧の低いトランジスタを得る事に成る。横成長した結晶粒の内部欠陥を低減するのに最も効果的な光は、多結晶硅素での吸収係数の非晶質硅素での吸収係数に対する比（μｐＳｉ／μａＳｉ）が大きい時で有る。図５を見ると、光の波長が４５０ｎｍ程度から６５０ｎｍ程度の時に此の比が大きく成る事が分かる。従って、横成長した活性半導体膜中の内部結晶欠陥を低減するとの視点から、本願発明の光照射工程にて照射するパルスレーザー光の最も好ましい波長は４５０ｎｍ程度以上６５０ｎｍ程度以下と云える。
【００２９】
最終的に良質な結晶性活性半導体膜を得るにはレーザー光の発振安定性が最も重要なので、パルスレーザー光はＱスイッチ発振する固体発光素子にて形成されるのが望ましい。（本願では此をＱスイッチ固体レーザーと略称する。）取り分け本願発明では局所加熱機構上の活性半導体膜は略完全に溶融するので、レーザー光の発振が安定していないと、活性半導体膜が消失したり或いは損傷を被り、優良な薄膜半導体装置製造が困難となる。従来のエキシマガスレーザーでは、レーザー発振室内でのキセノン（Ｘｅ）や塩素（Ｃｌ）などのガスの不均一性や、ガス自体の劣化或いはハロゲンに依る発振室内の腐食等に起因して、発振強度のばらつきが５％程有り、更に発振角のばらつきも５％程度認められた。発振角のばらつきは照射領域面積のばらつきをもたらすので、結果として半導体膜表面でのエネルギー密度（単位面積あたりのエネルギー値）は総計で１０％以上も変動して居る。又、レーザー発振の長期安定性にも欠け、薄膜半導体装置のロット間変動をもたらしていた。この為仮令レーザー光が活性半導体を透過して本願発明の横成長を生じさせる条件を満たとしても、従来のガスレーザーを使用している限り、活性半導体膜表面でのエネルギー密度変動が大きく、横成長が生ずる以前に活性半導体膜が激しく損傷して仕舞う。此に対して固体レーザーには斯様な問題が存在し得ぬが故、レーザー発振は窮めて安定で、活性半導体膜表面でのエネルギー密度の変動（平均値に対する標準偏差の比）を５％程度未満とし得るので有る。本願発明をより効果的に活用するには、この様に半導体膜表面でのレーザーエネルギー密度の変動が５％程度未満となる固体レーザーの使用が求められる。更に、固体レーザーの使用は薄膜半導体装置製造時に於けるロット間変動を最小化するとの効果や、従来頻繁に行われて居た煩雑なガス交換作業から薄膜半導体装置の製造を解放し、以て薄膜半導体装置を製造する際の生産性の向上や低価格化を導くとの効果を有する。先の波長や吸収係数の要請と固体レーザーの要請とを同時に満たし得るのがネオジウム（Ｎｄ）を酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）との複酸化物に添加したネオジウム添加のイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザー光の第二高調波（ＹＡＧ２ω光、波長５３２ｎｍ）である。従って、本願発明の結晶化工程では活性半導体膜表面に於けるエネルギー密度の変動が５％程度未満のＹＡＧ２ω光を活性半導体膜に照射するのが最も適している。Ｑスイッチ固体レーザーのレーザー媒体としてはＮｄイオンをドープされた結晶やＹｂイオンをドープされた結晶、Ｎｄイオンをドープされたガラス、Ｙｂイオンをドープされたガラスなどが好ましい。従って具体的にはＹＡＧ２ωの他には、Ｑスイッチ発振するＮｄ：ＹＶＯ４レーザー光の第二高調波（波長５３２ｎｍ）、Ｑスイッチ発振するＮｄ：ＹＬＦレーザー光の第二高調波（波長５２４ｎｍ）、Ｑスイッチ発振するＹｂ：ＹＡＧレーザー光の第二高調波（波長５１５ｎｍ）等をパルスレーザー光として使用するのが最も優れている。
【００３０】
優良なる結晶性活性半導体薄膜を得るにはパルスレーザー光の活性半導体膜上に於ける照射エネルギー密度の制御も重要となる。換言すると優れた薄膜半導体装置を製造するには照射エネルギー密度を適切な範囲内に制御せねばならない。まず局所加熱機構上の活性半導体膜で横成長が生ずる様な溶融結晶化を進める為には、局所加熱機構上に位置する活性半導体膜の厚み方向が少なくとも半分程度以上溶融するのに十分な強度をパルスレーザー光は有しておらねばならない（本願明細書では此を１／２溶融エネルギー密度（Ｅ１／２）と略称する）。此が結晶化工程に於けるパルスレーザー光照射エネルギー密度の適切な範囲の最下限値である。局所加熱機構上の活性半導体膜はその他の活性半導体膜よりも加熱されているので、このエネルギー密度（Ｅ１／２）では活性半導体膜のその他の部位は膜厚方向に関して半分も溶融していない。更に実験に依ると、パルスレーザー光のエネルギー密度が被照射半導体膜の厚み方向に於ける体積成分の３分の２程度以上を溶融させる時に横成長は窮めて促進され、其れ故に斯様な結晶性活性半導体膜を有して居る薄膜半導体装置は優れた電気特性を示す様になる。従ってより好ましい下限値は局所加熱機構をその下に有する活性半導体膜の厚み方向に於ける体積成分の３分の２程度以上を溶融させる照射エネルギー密度で有る（２／３溶融エネルギー密度（Ｅ２／３））。適切な照射エネルギー密度には上限値も存在する。活性半導体膜表面でのレーザー光のエネルギー密度が余りにも高いと、半導体薄膜は消失して仕舞うので、エネルギー密度は消失（Ａｂｒａｓｉｏｎ）を引き起こす値よりも当然小さくなければならない（消失が生ずる照射エネルギー密度を本願明細書では消失エネルギー密度（ＥＡｂ）と略称する）。此の値が最上限値となる。又、全面的な消失が生ぜずとも、局所加熱機構上の活性半導体膜が厚み方向の全体に渡って完全に溶融して仕舞うと（此の照射エネルギー密度を本願明細書では完全溶融エネルギー密度（ＥＣＭ）と略称する）、活性半導体膜の部分的な消失が発生し易く成る。此は薄膜半導体装置を作成した際の欠陥を誘起して歩留まりを下げる要因と成り得るので、当然好ましくない。従って高歩留まりを以て優良な薄膜半導体装置を製造するには、半導体膜表面でのパルスレーザー光のエネルギー密度は半導体膜の厚み方向の全体が完全に溶融する値（ＥＣＭ）よりも僅かに低い事が望まれる。此が適切な照射エネルギー密度に対する好ましい上限値となる。結局、波長が３７０ｎｍ以上７１０ｎｍ以下のパルス発振する固体レーザー光を硅素を主体とした活性半導体膜に照射して横成長を促進させる場合、固体レーザー光の活性半導体膜上に於ける望ましい照射エネルギー密度は１／２溶融エネルギー密度（Ｅ１／２）以上消失エネルギー密度（ＥＡｂ）以下と成る。より好ましくは１／２溶融エネルギー密度（Ｅ１／２）以上完全溶融エネルギー密度（ＥＣＭ）以下、或いは２／３溶融エネルギー密度（Ｅ２／３）以上消失エネルギー密度（ＥＡｂ）以下、理想的には２／３溶融エネルギー密度（Ｅ２／３）以上で完全溶融エネルギー密度（ＥＣＭ）以下と云える。局所加熱機構上の活性半導体膜に照射されるパルスレーザー光の強度が２／３溶融エネルギー密度（Ｅ２／３）以上で完全溶融エネルギー密度（ＥＣＭ）以下の時に、本願明細書では「局所加熱機構上の活性半導体膜は厚み方向で略完全に溶融している」と定義する。理想的な照射エネルギー密度は、局所加熱機構上の活性半導体膜が厚み方向で略完全に溶融しており、一方でその他の活性半導体膜部位は完全溶融していない強度である。具体的に固体パルスレーザー光がＮｄ：ＹＡＧレーザー光の第二高調波で、下側絶縁膜上に形成された硅素を主体とする活性半導体膜の厚みが３０ｎｍ程度から７０ｎｍ程度で有る場合の、局所加熱機構上の活性半導体膜表面に於けるＹＡＧ２ωパルスレーザー光の照射エネルギー密度は
ＥＳＭ＝１００ｍＪｃｍ−２
ＥＣＭ＝６２５ｍＪｃｍ−２
ＥＡｂ＝９５０ｍＪｃｍ−２
で有るので、局所加熱機構上の活性半導体膜の厚み方向に於ける体積成分の半分が溶融する照射エネルギー密度は
Ｅ１／２＝３５０ｍＪｃｍ−２
となり、更に局所加熱機構上の活性半導体膜の厚み方向に於ける体積成分の３分の２が溶融する照射エネルギー密度は
Ｅ２／３＝４５０ｍＪｃｍ−２
となる。従って、局所加熱機構上の活性半導体膜上に於けるＹＡＧ２ω光の望ましい照射エネルギー密度は３５０ｍＪｃｍ−２程度以上９５０ｍＪｃｍ−２程度以下で、より好ましくは４５０ｍＪｃｍ−２程度以上９５０ｍＪｃｍ−２程度以下、或いは３５０ｍＪｃｍ−２程度以上６２５ｍＪｃｍ−２程度以下、理想的には４５０ｍＪｃｍ−２程度以上６２５ｍＪｃｍ−２程度以下と云える。
【００３１】
結晶化工程でパルスレーザー光を活性半導体膜に照射する際の、活性半導体膜上での照射領域は幅がＷＬ（μｍ）で、長さがＬＬ（ｍｍ）の線状乃至は略長方形とする（図６−ａ）。照射領域内の長さ方向に於ける断面（図６−ａのＡ−Ａ□断面）でのレーザー光照射エネルギー密度は照射領城の端部（図６−ｂ、±ＬＬ／２付近）を除いて略一様に分布している（図６−ｂ）。具体的には長さ方向の左右其々の端部５％を除いた、中央部９０％以内でのエネルギー密度の変動（平均値に対する標準偏差の比）は５％程度未満とされている。一方、照射領域内の幅方向に於ける断面（図６−ａのＢ−Ｂ□断面）でのレーザー光照射エネルギー密度は略台形状を成すか（図７−ａ）、或いは略ガウス関数形を成す（図７−ｂ）。幅方向断面が略ガウス関数形とは幅方向のレーザー光強度（図７−ｂ）が実際にガウス関数で近似され得る分布形状にのみ成らず、其の強度が中心（図７−ｂに於ける０点）から微分可能な関数にて端部領域（図７−ｂに於ける±ＷＬ／２付近）へと滑らかに減少している分布形状をも含む。幅方向断面が略台形状（図７−ａ）の場合、エネルギー密度分布の変動が５％程度未満となる中央平坦領域の割合は３０％程度から９０％程度が好ましく、それ故に上下其々の端部領域（図７−ａ、±ＷＬ／２付近）は５％程度から３５％程度となる。例えば幅ＷＬ＝１００μｍの場合、中央平坦領域は３０μｍ程度から９０μｍ程度で有り、上下其々の端部領域は５μｍ程度から３５μｍ程度が望まれる。活性半導体膜から効果的に欠陥を低減し更に光学的にも横成長を促進するには、幅方向に於ける照射エネルギー密度勾配の最大値を取る位置と幅方向に於ける照射エネルギー密度の最大値を取る位置とが略一致している事が望まれる。完全溶融するのは照射エネルギー密度が最大の位置であり、其処での照射エネルギー密度勾配が最大で有れば、照射エネルギー密度勾配に沿って結晶粒が横方向に成長するからである。斯うした本願発明で理想的と言える幅方向断面は台形型（図８−ａ）乃至は富士山関数型（図８−ｂ）のレーザー光強度分布で有る。
【００３２】
活性半導体膜が完全溶融した時に構造的のみ成らず光学的にも横成長を促進させるには、レーザー光源の選択やそれに適する活性半導体膜厚の決定等と言った構造的な結晶成長制御の他に、光学的な水平方向への結晶成長制御も重要と化す。具体的には線上乃至は長方形状のレーザー光照射領域の長さ（照射長と略称する）ＬＬに対する幅（照射幅と略称する）ＷＬの比（ＬＬ／ＷＬ）と照射領域の走査方法とを最適化させる事で、所望の方向への結晶成長はより一層促進される。まず照射長ＬＬに対する照射幅ＷＬの比（ＬＬ／ＷＬ）を１００程度以上とする。この比（ＬＬ／ＷＬ）が１００程度以上有れば、各照射の際に温度勾配は照射領域の長さ方向には殆ど生ぜず、主として幅方向（図６−ａのＢ−Ｂ□方向）に生ずる事になる。その結果、結晶は照射領域の幅方向へと一次元的な横成長を示す。照射幅ＷＬは５μｍ程度から５００μｍ程度が望まれるから、生産性を考慮すると此の比（ＬＬ／ＷＬ）は１００程度以上、理想的には１０００程度以上が望まれる。次いで斯様な形状の照射領域を各照射毎に幅方向にずらして行き、基板全面の走査を行う。その際に照射領域の幅方向は局所加熱機構の長さ方向にほぼ一致させ、照射領域の長さ方向は局所加熱機構の幅方向にほぼ一致する様にする。局所加熱機構の長さ方向と半導体装置活性領域の長さ方向とは一致し、局所加熱機構の幅方向と半導体装置活性領域の幅方向とが一致しているので、照射領域の幅方向は半導体装置活性領域の長さ方向にほぼ一致し、照射領域の長さ方向は半導体装置活性領域の幅方向にほぼ一致する。斯うすると局所加熱機構等に依る構造的な横成長方向と照射領域形状に依る光学的な横成長方向とが一致し、活性半導体膜での横成長距離が益々大きくなる。従って薄膜半導体装置のアクティブ領域の方向（ＭＯＳＦＥＴならばソース・ドレイン方向、バイポーラトランジスタならばエミッター・コレクター方向）を照射幅方向に取る事で、アクティブ領域内（ＭＯＳＦＥＴのチャンネル形成領域内、又はバイポーラトランジスタのエミッター・ベース接合領域とベース領域、及びベース・コレクター接合領域）に電流を横切る結晶粒界が存在しない（図４）、或いは仮令電流を横切る結晶粒界が存在しても其れは常に活性領域の長さ方向に関する中心付近に一つ（図３）と云った優れた薄膜半導体装置が容易に実現される。又、構造的な横成長が照射領域形状に依り阻害されない為には、照射領域の幅ＷＬは少なくとも局所加熱機構の長さＬＨＳよりも大きく（ＷＬ／ＬＨＳ＞１）、照射領域の長さＬＬは局所加熱機構の幅ＷＨＳよりも十分に大きくなくては成らない（ＬＬ／ＷＨＳ＞１００）。パルスレーザー光は活性半導体膜上で照射領域を各照射毎に照射領域の幅方向にずらして行き、基板全面の照射を完了させる。
【００３３】
此の様に結晶粒の横成長を促進させるには局所加熱機構を設けるとの構造的な手法と照射光の種類やその形状を調整するとの光学的な手法とを組み合わせる事が重要である。活性半導体膜の完全溶融時に結晶粒の幅方向への一次元的な横成長を促進させる光学的にもう一つの重要な要素は、照射領域の幅方向に於けるレーザーエネルギー密度の勾配（エネルギー密度勾配と略称する）である。溶融結晶化時の結晶成長速度ｕ（ｘ）は半導体膜の温度勾配ｄＴ（ｘ）／ｄｘに比例する。
ｕ（ｘ）＝ｋ・ｄＴ（ｘ）／ｄｘ      （式１）
但し此処でｋは速度定数で、Ｔ（ｘ）は半導体膜上の任意の点ｘに於ける半導体膜の温度である。半導体膜の溶融時間をｔｍで表わすと、結晶成長サイズＬｃは結晶成長速度と溶融時間ｔｍとの積にて表される。
Ｌｃ＝ｕ・ｔｍ＝ｋ・ｄＴ／ｄｘ・ｔｍ      （式２）
速度定数ｋは一定で溶融時間も略一定であるから、結晶成長サイズは半導体膜の温度勾配に比例する事になる。一方、半導体膜の温度は照射パルスレーザー光のエネルギー密度に比例するから、結局、結晶成長サイズＬｃはエネルギー密度勾配ｄＥ／ｄｘに比例する。
Ｌｃ∝ｄＥ／ｄｘ      （式３）
結晶成長サイズを大きくするにはエネルギー密度勾配を大きくすれば良い訳である。出願人等が行った実験結果に依ると、ＹＡＧ２ω光をパルスレーザー光として用いてガラス基板上の半導体膜を完全溶融結晶化させた場合、エネルギー密度勾配の最大値が３ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度以上である３．０ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度から４．０ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度の時に照射幅方向への結晶成長サイズは１μｍ程度以上となった。又、エネルギー密度勾配の最大値が１０ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度から２０Ｊ・ｃｍ−２・μｍ−１程度の時には照射幅方向への結晶成長サイズは２μｍ程度以上と増大した。更にエネルギー密度勾配の最大値が３０ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度の時には照射幅方向への結晶成長サイズは３μｍ程度となった。従って局所加熱機構上の活性半導体膜部位に結晶を大きく横成長させ、以て優良なる薄膜半導体装置を製造するには、照射領域の幅方向を局所加熱機構の長さ方向に略一致させ、その上でエネルギー密度勾配の最大値を３ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度以上とすれば良い。エネルギー密度勾配の最大値が１０ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度から２０Ｊ・ｃｍ−２・μｍ−１程度の間ならばより好ましく、理想的には３０ｍＪ・ｃｍ−２・μｍ−１程度以上である。
【００３４】
優れた薄膜半導体装置を作成するには活性半導体膜上の任意の一点を照射するパルスレーザー光の照射回数（照射回数と略称する）をも最適化する必要が有る。照射回数の最小値は１回で、最大値は４０回程度である。４０回程度以上の照射を繰り返すと局所加熱機構上の活性半導体膜に損傷が入って仕舞う。斯うした膜を利用して薄膜半導体装置を作成してもゲートリーク等に依り半導体装置は丸で機能しない。活性半導体膜の所望の位置に結晶を横成長させ、且つ半導体膜の表面を平滑に保って優良なる薄膜半導体装置を製造するには、照射回数が１回程度以上４０回程度以下となる様にパルスレーザー照射領域を走査する。
【００３５】
本願発明を液晶表示装置に適応する際には基板は可視光に対して透明で有る事が好ましく、其れ以外に適応される際にも基板は少なくともパルスレーザー光に対して略透明で有る事が望まれる。具体的にはパルスレーザー光に対する基板の吸収係数が、多結晶硅素に対する吸収係数の百分の一程度以下で有る事が望ましい条件とされる。此は本願発明が活性半導体膜を透過した光を局所加熱機構が吸収し、活性半導体膜を局所的に加熱しながら溶融結晶化を進めるとの本願発明原理に基づく。基板がパルスレーザー光を吸収する素材であると、基板も熱せられ、局所的に活性半導体膜を加熱するとの機構が働かなくなる為である。基板の吸収係数が局所加熱機構の吸収係数の百分の一程度以下で有れば、局所加熱機構上の活性半導体膜のみが選択的に加熱されて、その部位に横成長した結晶粒を形成する事が可能となる。
【００３６】
以上詳述してきた様に従来低品質で結晶粒を制御し得なかった多結晶半導体膜を、本願発明では局所加熱機構を設け結晶化工程時に照射する光を特定する事で、結晶粒の位置制御を可能とし、更に形成される結晶粒径を大きくして尚その分布を均一とする。これに依り薄膜トランジスタに代表される薄膜半導体装置の電気特性を著しく向上させ、同時にそれらの変動をも最小とし、薄膜半導体装置を低電圧にて高速動作させ、更には斯様な薄膜半導体装置を安定的に製造し得るとの効果が認められる。
【００３７】
発明を実施するための最良の形態
添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００３８】
（実施例１）
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の第一実施例を示す薄膜半導体装置の製造方法を示す工程図である。以下、この図を参照しつつ本発明に依る薄膜半導体装置の製造方法を（１）、（２）、（３）の順に説明する。
【００３９】
（１）図９（ａ）の工程
基板上に薄膜半導体装置の製造する。基板として厚さ１．１ｍｍの石英基板１１１を用い、この石英基板１１１上に下地保護膜として電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相堆積法（ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法）により酸化硅素膜１１２を膜厚２００ｎｍ程度堆積する。次に下地保護膜としての酸化硅素膜１１２上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）に依り非晶質硅素膜を膜厚５０ｎｍ程度堆積し、その後フォト・リソグラフィー法により非晶質硅素膜をパターニングして第一半導体膜１１３とする。第一半導体膜の長さは半導体装置活性領域の長さよりも約１μｍ長くし、半導体装置活性領域は長さ方向に関して第一半導体膜の中央付近に来るようにされた。又、第一半導体膜の幅は５０μｍ程度あり、半導体装置活性領域は幅方向に関して完全に第一半導体膜に包含される。第一半導体膜１１３上には下側絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化硅素膜１１４を膜厚１６０ｎｍ程度堆積する。ついで下側絶縁膜としての酸化硅素膜１１４上に活性半導体膜１１５としてＬＰＣＶＤ法により非晶質硅素膜を膜厚５０ｎｍ程度堆積し、その後固相成長法により窒素雰囲気下６００℃にて４８時間の熱処理を施して活性半導体膜１１５の結晶性を改善し、更に活性半導体膜１１５としての大粒径多結晶硅素膜にキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を照射して活性硅素膜中の結晶内部欠陥を低減する。
【００４０】
（２）図９（ｂ）の工程
次に活性半導体膜としての多結晶硅素膜１１５側からＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔにＮｄ３＋イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザー（ＹＡＧレーザー、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザー（ＹＡＧ２ωレーザー、波長５３２ｎｍ）光１１６を照射する。ＹＡＧ２ω光の照射領域は長さ１５ｍｍで幅６５μｍの長方形状で幅方向に関してはガウス関数型の強度分布を示す。照射時にはＹＡＧ２ω光照射領域の長さ方向と第一半導体膜の幅方向とを大凡一致させた。従って照射領域の進行方向と薄膜半導体装置のソースドレイン方向とが略平行となる。ＹＡＧ２ωレーザー光の照射エネルギー密度は４５０ｍＪｃｍ−２で有り、活性半導体膜状の任意の一点は２０回のパルスレーザー照射を被る。ＹＡＧ２ωレーザー照射を施すと、一部のＹＡＧ２ωレーザー光１１６は活性半導体膜としての多結晶硅素膜１１５に吸収されるが、一部のＹＡＧ２ωレーザー光１１６は活性半導体膜としての多結晶硅素膜１１５に吸収されず透過する。活性半導体膜としての多結晶硅素膜１１５を透過したＹＡＧ２ωレーザー光１１７は下側絶縁膜としての酸化硅素膜１１４で反射や干渉された後に第一半導体膜１１３に吸収される。第一半導体膜１１３はＹＡＧ２ωレーザー光１１７を吸収した事に依り温度が上昇する。この第一半導体膜１１３から放出される熱１１８が活性半導体膜１１５に影響して、第一半導体膜１１３直上の活性半導体膜の温度が、第一半導体膜１１３直上以外の活性半導体膜の温度よりも高くなる。斯うして生じた活性半導体膜１１５内の温度差により活性半導体膜の結晶成長が温度が低い領域（第一半導体膜１１３直上以外の活性半導体膜）から温度が高い領域（第一半導体膜１１３直上の活性半導体膜）へと横方向に生じる。最終的に第一半導体膜中央直上で二つの結晶が衝突し、そこに結晶の横成長方向に垂直な方向の結晶粒界１１９が発生する。横成長の大きさは典型的には２μｍから２．５μｍ程度で、最大で３．５μｍ程度となる。
【００４１】
（３）図９（ｃ）の工程
ＹＡＧ２ωレーザー光１１６の照射による活性半導体膜１１５の結晶化を行なった後、活性半導体膜１１５上にゲート絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化硅素膜１２０を膜厚６０ｎｍ程度堆積する。ゲート絶縁膜としての酸化硅素膜１２０上にスパッタリング法により窒化タンタル（ＴａＮ）膜を５０ｎｍ程度堆積し、タンタル（Ｔａ）膜を４５０ｎｍ程度堆積する。その後、フォト・リソグラフィー法により上記ＴａＮ膜、Ｔａ膜を第一半導体膜１１３のパターンと略同一になる様にパターニングしてゲート電極１２１とする。次に上記ゲート電極１２１をマスクとしてドナーまたはアクセプターとなる不純物イオンをイオンドーピング法により打ち込み、ソース・ドレイン領域１１５ａ、１１５ｃとチャネル形成領域１１５ｂを自己整合的に形成する。この時、活性半導体膜の結晶の横成長方向に沿ってキャリアが移動するようにソース・ドレイン領域を形成する。そして、ソース・ドレイン領域に添加された不純物元素の活性化を行なう為に、窒素雰囲気下３００℃にて４時間の熱処理を施す。その後、層間絶縁膜１２２としてプラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）によりＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）４）と酸素を原料気体とした酸化硅素膜を膜厚５００ｎｍ程度堆積する。最後にフォト・リソグラフィー法によりコンタクト・ホールを開けた後に、スパッタリング法によりアルミニウム（Ａｌ）を堆積し、フォト・リソグラフィー法によりＡｌをパターニングしてソース・ドレイン電極１２３、１２４を形成して半導体装置が完成する。
【００４２】
この様にして作成した薄膜半導体装置の伝達特性を測定した。本発明による薄膜半導体装置の伝達特性の一例を図１０に示す。その他にもチャネル形成領域の長さＬが１０μｍで幅Ｗが１０μｍの薄膜半導体装置と、Ｌが５μｍでＷが１０μｍの薄膜半導体装置の伝達特性をも測定した。従来技術を代表する比較例として、ＹＡＧ２ωレーザー光を照射せず活性半導体膜の結晶を横成長させていない薄膜半導体装置の伝達特性も同様に測定した。測定結果を表１に示す。図１０並びに表１から分かる様に、本発明に依り移動度が大きく、急峻なサブスレショルド特性を示す電気特性の優れた半導体装置を製造することができている。これは本発明がチャネル形成領域となる活性半導体膜が横成長した柱状の大きな結晶粒から成る証である。更に本発明の製造方法によって作成されたＬが５μｍの半導体装置の伝達特性はＬが１０μｍの半導体装置の伝達特性よりも優れている。これはＬを短くしたことに依り、チャネル形成領域内に存在するキャリアの移動する方向に垂直な方向の結晶粒界（電流を横切る結晶粒界）が、チャネル形成領域中央部に只一つだけ存在する様に成り、それ故にキャリアの移動が容易と化した為である。加えてチャネル形成領域内の結晶粒界の位置が、チャネル形成領域中央部に制御されている為、半導体装置の電気特性のばらつきが抑えられた。以上説明したように、本発明の第一実施例に依れば半導体膜のチャネル形成領域が大きい結晶粒から成り、キャリアの移動する方向に垂直な方向の結晶粒界の位置が制御され、斯くして電気特性が良くばらつきの少ない薄膜半導体装置が製造される。
【００４３】
【表１】
0004164360.tif 000002
【００４４】
（実施例２）
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の第二実施例を示す薄膜半導体装置の製造方法を示す工程図である。以下、この図を参照しつつ本発明の半導体装置の製造方法を（１）、（２）、（３）の順に説明する。
【００４５】
（１）図１１（ａ）の工程
実施例１の図９（ａ）の工程と同様である。基板として厚さ１．１ｍｍの石英基板２１１を用い、石英基板２１１上に下地保護膜として電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相堆積法（ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法）により酸化硅素膜２１２を膜厚２００ｎｍ程度堆積する。下地保護膜としての酸化硅素膜２１２上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）により非晶質硅素膜を膜厚５０ｎｍ程度堆積し、その後フォト・リソグラフィー法により非晶質硅素膜をパターニングして第一半導体膜２１３とする。第一半導体膜の長さは、後に形成される半導体装置活性領域の長さの二倍よりも約２μｍ長くし、且つ半導体装置活性領域は長さ方向に関して第一半導体膜の中央近傍を避け、同時に第一半導体膜に完全に含まれる様に非晶質硅素膜をはパターニングする。又、第一半導体膜の幅は半導体装置活性領域の幅方向よりも数μｍ以上大きくし、幅方向に関して半導体活性領域は完全に第一半導体膜に包含される様に非晶質硅素膜をパターニングする。第一半導体膜２１３上に下側絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化硅素膜２１４を膜厚１６０ｎｍ程度堆積する。下側絶縁膜としての酸化硅素膜２１４上に活性半導体膜２１５としてＬＰＣＶＤ法により非晶質硅素膜を膜厚５０ｎｍ程度堆積し、その後窒素雰囲気下６００℃にて４８時間の熱処理を施して固相成長法で活性半導体膜２１５の結晶性を改善する。更に固相成長処理を施された活性半導体膜２１５にキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を照射して多結晶硅素膜中の結晶内欠陥を低減させる。
【００４６】
（２）図１１（ｂ）の工程
実施例１の図９（ｂ）の工程と同様である。活性半導体膜としての多結晶硅素膜２１５側からＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔにＮｄ３＋イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザー（ＹＡＧレーザー、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザー（ＹＡＧ２ωレーザー、波長５３２ｎｍ）光２１６を照射する。ＹＡＧ２ω光の照射領域は長さ１５ｍｍで幅６５μｍの長方形状で、幅方向に関してはガウス関数型の強度分布を示す。照射時にはＹＡＧ２ω光照射領域の長さ方向と第一半導体膜の幅方向とを大凡一致させる。従って照射領域の進行方向と薄膜半導体装置のソースドレイン方向とが略平行となる。ＹＡＧ２ωレーザー光の照射エネルギー密度は４５０ｍＪｃｍ−２とする。ＹＡＧ２ωレーザー照射を施すと一部のＹＡＧ２ωレーザー光２１６は活性半導体膜としての多結晶硅素膜２１５に吸収されるが、他の一部のＹＡＧ２ωレーザー光２１６は活性半導体膜としての多結晶硅素膜２１５に吸収されず透過する。活性半導体膜としての多結晶硅素膜２１５を透過したＹＡＧ２ωレーザー光２１７は下側絶縁膜としての酸化硅素膜２１４で反射や干渉された後、第一半導体膜２１３にて吸収される。第一半導体膜２１３はＹＡＧ２ωレーザー光２１７を吸収した事に依り温度が上昇する。この第一半導体膜２１３からの放出熱２１８が活性半導体膜２１５に影響して、第一半導体膜２１３直上の活性半導体膜の温度が、第一半導体膜２１３直上以外の活性半導体膜の温度よりも高くなる。この活性半導体膜２１５内の温度差により活性半導体膜の結晶成長が温度が低い領域（第一半導体膜２１３直上以外の活性半導体膜）から温度が高い領域（第一半導体膜２１３直上の活性半導体膜）へと横方向に生じる。最終的に第一半導体膜中央直上で二つの結晶が衝突し、そこに結晶の横成長方向に垂直な方向の結晶粒界２１９ができる。横成長の大きさは２μｍから２．５μｍ程度で、最大で３．５μｍ程度となる。
（３）図１１（ｃ）の工程
ＹＡＧ２ωレーザー光２１６の照射による活性半導体膜２１５の結晶化を行なった後、前記活性半導体膜２１５上にゲート絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化硅素膜２２０を膜厚６０ｎｍ程度堆積する。前記ゲート絶縁膜としての酸化硅素膜２２０上にスパッタリング法により窒化タンタル（ＴａＮ）膜を５０ｎｍ程度堆積し、タンタル（Ｔａ）膜を４５０ｎｍ程度堆積する。その後、フォト・リソグラフィー法により上記ＴａＮ膜、Ｔａ膜をパターニングしてゲート電極２２１とする。このパターニングを行なう際、半導体装置活性領域となるゲート電極２２１直下の活性半導体膜に、結晶の横成長方向に垂直な方向の結晶粒界２１９が含まれない様にゲート電極２２１を形成する。次に上記ゲート電極２２１をマスクとしてドナーまたはアクセプターとなる不純物イオンをイオンドーピング法により打ち込み、ソース・ドレイン領域２１５ａ、２１５ｃとチャネル形成領域２１５ｂを自己整合的に形成する。この時、活性半導体膜の結晶の横成長方向に沿ってキャリアが移動するようにソース・ドレイン領域を形成する。そして、ソース・ドレイン領域に添加された不純物元素の活性化を行なう為に、窒素雰囲気下３００℃にて４時間の熱処理を施す。その後、層間絶縁膜としてプラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）によりＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）４）と酸素を原料気体とした酸化硅素膜を膜厚５００ｎｍ程度堆積する。最後にフォト・リソグラフィー法によりコンタクト・ホールを開けた後に、スパッタリング法によりアルミニウム（Ａｌ）を堆積し、フォト・リソグラフィー法によりＡｌをパターニングしてソース・ドレイン電極２２３、２２４を形成して半導体装置が完成する。以上説明した様に、本第二実施例に依れば半導体装置のチャネル形成領域となるゲート電極直下の活性半導体膜に、キャリアが移動する方向に垂直な方向の結晶粒界が存在しないので、単結晶半導体装置並みの高性能な半導体装置を製造することができる。
【００４７】
産業上の利用可能性
以上の様に、本発明の薄膜半導体装置の製造方法に依ると、安価なガラス基板の使用が可能となる低温プロセスを用いて高性能な薄膜半導体装置を容易に且つ安定的に製造する事が出来る。従って本発明をアクティブ・マトリックス液晶表示装置の製造に適用した場合には、大型で高品質な液晶表示装置を容易に且つ安定的に製造する事が出来る。更に他の電子回路の製造に適用した場合にも高品質な電子回路を容易に且つ安定的に製造する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本願発明を説明した図。
【図２】図２は本願発明を説明した図。
【図３】図３は本願発明を説明した図。
【図４】図４は本願発明を説明した図。
【図５】図５光の波長と半導体に於ける吸収係数との関係を説明した図。
【図６】図６はレーザー光の照射形状を説明した図。
【図７】図７は本願発明のレーザー光の照射形状を説明した図。
【図８】図８は本願発明のレーザー光の照射形状を説明した図。
【図９】図９は本願発明の製造工程を説明した図。
【図１０】図１０は本願発明の効果を説明した図。
【図１１】図１１は本願発明の製造工程を説明した図。
【符号の説明】
１１１と２１１は基板で、１１２と２１２は下地保護膜、１１３と２１３は第一半導体膜、１１４と２１４は下側絶縁膜、１１５と２１５は活性半導体膜、１１６と２１６はＹＡＧ２ωレーザー光、１１７と２１７は活性半導体膜を透過したＹＡＧ２ωレーザー光、１１８と２１８は熱、１１９と２１９は結晶粒界、１２０と２２０はゲート絶縁膜、１２１と２２１はゲート電極、１１５ａと１１５ｃ、２１５ａ、２１５ｃはソース・ドレイン領域、１１５ｂと２１５ｂはチャンネル形成領域、１２２と２２２は層間絶縁膜、１２３と１２４、２２３、２２４はソース・ドレイン電極。
【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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【図１１】
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