JP2004158584A - 多結晶質シリコン膜製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】別個独立の工程を追加することなく、表面平坦性の良好な多結晶質シリコン膜を得ることができるその製造装置を提供する。
【解決手段】多結晶質シリコン膜製造装置（パルスレーザー照射装置）１００は、非晶質シリコン膜２１０を多結晶質シリコン膜２１０’にするのに用いられるものである。多結晶質シリコン膜製造装置１００は、非晶質シリコン膜２１０をその融点よりも高温に加熱して溶融させるレーザー光Ｌ１を発する第１レーザー光源１２０と、第１レーザー光源１２０からのレーザー光Ｌ１で非晶質シリコン膜２１０を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２１０’が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜２１０’の表面を部分的に溶融させるレーザー光Ｌ２を発する第２レーザー光源１３０と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】多結晶質シリコン膜製造装置（パルスレーザー照射装置）１００は、非晶質シリコン膜２１０を多結晶質シリコン膜２１０’にするのに用いられるものである。多結晶質シリコン膜製造装置１００は、非晶質シリコン膜２１０をその融点よりも高温に加熱して溶融させるレーザー光Ｌ１を発する第１レーザー光源１２０と、第１レーザー光源１２０からのレーザー光Ｌ１で非晶質シリコン膜２１０を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２１０’が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜２１０’の表面を部分的に溶融させるレーザー光Ｌ２を発する第２レーザー光源１３０と、を備える。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶質シリコン膜の製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置に関し、特に、絶縁基板上に設けられた薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」という）等を有する半導体装置に有効であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置などに利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
高性能液晶表示装置などのデバイス実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上に高性能なＴＦＴ等の半導体素子を形成することが試みられている。これらの装置の半導体素子には、非晶質（アモルファス）シリコン膜を多結晶化した薄膜状の多結晶質シリコン半導体を用いるのが一般的である。かかる多結晶質シリコン膜を製造する方法としては、非晶質シリコン膜を成膜しておき、強光を照射して多結晶化させるものが知られており、この方法によれば、溶融固化過程の多結晶化現象を利用するため高品質な多結晶性シリコン膜を得ることができる。また、現在最も一般的に利用されているエキシマーレーザーを例にとると、パルスレーザー光を用いて非晶質シリコン膜を多結晶化する手法は、非晶質シリコン膜を局所的に溶融させ、その溶融した領域を極めて短い時間だけ高温度にするものであるため、高熱が基板には伝わらないことから安価なガラス基板を利用することができ、大面積エレクトロニクスへの応用には最も適している。
【０００３】
ところで、エキシマレーザーを用いて非晶質シリコン半導体膜の多結晶化を行うと、製造された多結晶質シリコン膜の結晶粒界に沿って突起（リッヂ）が形成される。そして、そのような突起が存在すると、突起の先端に電界が集中して絶縁破壊が起こりやすくなるため、突起の大きい多結晶質シリコン膜上にトップゲート構造の高性能ＴＦＴを形成するのが難しくなる。つまり、多結晶質シリコン膜表面に突起があると、ＴＦＴの特性及び信頼性が低いものとなり、ゲート絶縁膜の薄膜化が困難となる。
【０００４】
そこで、非晶質シリコン膜のレーザー結晶化時に発生する表面の突起を低減するため、種々の技術が提案され、多結晶質シリコン膜表面の平坦化が試みられている。
【０００５】
下記特許文献１には、下地基板の表面上に多結晶シリコンからなる第１の層を形成し、次いで、その第１の層の表面を、酸化シリコンをエッチングする環境下に置いて第１の層の表面が酸化シリコン膜で覆われている場合には、その酸化シリコン膜を除去し、次いで、第１の層にシリコン結晶の再成長が起こるエネルギーを与える半導体装置の製造方法が開示されており、このようにすれば、表面平均凹凸の小さい多結晶シリコン膜を形成することが可能になる、と記載されている。
【０００６】
下記特許文献２には、透明絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成した後、その他結晶シリコン膜の表面を酸化して厚い二酸化シリコン膜を形成し、次いで、二酸化シリコン膜を除去した後、多結晶シリコン膜の表面の凹凸をＣＭＰ法により研磨して平坦化し、再度多結晶シリコン膜の表面を酸化して薄い二酸化シリコン膜を形成し、次いで、その二酸化シリコン膜を除去する半導体装置の製造方法が開示されている。
【０００７】
下記特許文献３には、レーザーアニールにより得られたポリＳｉ膜を表面研磨処理することで、膜厚を３０〜５０ｎｍにし、ポリＳｉ膜表面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下にする半導体装置の製造方法が開示されており、このようにすれば、レーザーアニールによって得られるポリＳｉ膜は表面性が悪いが、表面研磨によって平坦性が向上し、平坦化したポリＳｉ膜をチャネルに用いることで優れたＴＦＴ特性を得ることができると共に半導体装置がキャリア注入のない信頼性の優れたものとなる、との内容が記載されている。
【０００８】
下記特許文献４には、基板上に形成された非晶質シリコン層にエネルギービームを照射して非晶質シリコン層を結晶化させて結晶質シリコン層を形成した後、結晶質シリコン層の表面をエッチングして結晶質シリコン表面の凹凸を除去するＴＦＴの製造方法が開示されており、このようにすれば、トランジスタのキャリアが通過する部分の結晶性を損なうことなく、しかも表面の凹凸が少ない多結晶シリコン層を有するＴＦＴを製造することができる、との内容が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−６０５５１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２２１５９号公報
【特許文献３】
特開平１０−２００１２０号公報
【特許文献４】
特開平１１−１８６５５２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のいずれの従来技術も、多結晶質シリコン膜を平坦化させるために研磨等の別個独立した工程を追加する必要のあるものであり、前洗浄なども含めると工程数が多くなる、という問題がある。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、別個独立の工程を追加することなく、表面平坦性の良好な多結晶質シリコン膜を得ることができるその製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、非晶質シリコン膜を溶融固化により多結晶化させる際、シリコン温度が最高温度に達した時点から数十ｎｓｅｃずれてシリコン溶融物が固化することをシミュレーションにより確認した。その一例として図１は、３００ｎｍのベースコート酸化シリコン膜上に成膜した５０ｎｍの非晶質シリコン上に、エネルギー密度４８０ｍＪ／ｃｍ２で且つパルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザーを照射したときのシリコン温度をシミュレーションにより求めた結果を示す。これによると、パルスレーザー光によりシリコン膜が最高温度に到達してから約３０ｎｓ後にシリコンの温度が融点を下回って固化が完了すると考えられる。
【００１３】
本発明は、非晶質シリコン膜を溶融するまで加熱し、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、その固化完了前の多結晶質シリコン膜にその表面が部分溶融するように加熱することで表面を平坦化させ、それによってシリコン膜の多結晶化と表面平坦化とを別個独立の工程を増やすことなく行うようにしたものである。
【００１４】
本発明の多結晶質シリコン膜製造装置は、非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にするのに用いられるものであって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させる加熱手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の多結晶質シリコン膜の製造方法は、非晶質シリコン膜から多結晶質シリコン膜を製造するものであって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体装置は、絶縁性基板上または絶縁性薄膜上に形成された非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させ、その非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させてなる半導体膜で形成された半導体素子を備えたことを特徴とする。
【００１７】
以上のように、本発明によれば、非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００１８】
本発明の具体的な構成の多結晶質シリコン膜製造装置は、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるレーザー光を発する第１レーザー光源と、
上記第１レーザー光源からのレーザー光で非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜の表面を部分的に溶融させるレーザー光を発する第２レーザー光源と、
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成の場合、上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が低いレーザー光を発するものであってもよい。
【００２０】
本発明の具体的な多結晶質シリコン膜の製造方法は、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用いるものであり、
上記第１レーザー光源からのレーザー光を非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記第２レーザー光源からのレーザー光を、上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後の該シリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の別の具体的な構成の多結晶質シリコン膜製造装置は、
各々、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱するレーザー光を発する第１及び第２レーザー光源を備え、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射するとその非晶質シリコン膜が融点よりも高温に加熱されて溶融し、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、該第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射するとその表面が部分的に溶融するように構成されていることを特徴とする。
【００２２】
この構成の場合、上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が高いレーザー光を発するものであってもよい。
【００２３】
本発明の別の具体的な多結晶質シリコン膜の製造方法は、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用いるものであり、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、上記第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係るパルスレーザー照射装置（多結晶質シリコン膜製造装置）１００を示す。
【００２６】
このパルスレーザー照射装置１００は、一方の表面を覆うように非晶質シリコン膜２２０が設けられた基板２００を載置するためのステージ１１０と、ステージ１１０上の基板２００の非晶質シリコン膜２２０にパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を照射するための第１及び第２レーザー光源１２０，１３０と、それらの第１及び第２レーザー光源１２０，１３０がそれぞれ接続された発振制御器１４０と、を備えている。
【００２７】
ステージ１１０は、加工対象である基板２００の形状に合わせた長方形状に形成されており、大きさは基板２００よりやや大きく構成されている。このステージ１１０は、その長辺方向に沿って移動可能に構成されている。
【００２８】
第１レーザー光源１２０は、発振制御器１４０に接続された第１レーザー発振器１２１と、第１レーザー発振器１２１から発されたパルスレーザー光Ｌ１を受光してそのパワーを所定量減衰させる第１アッテネータ１２２と、第１アッテネータ１２２からのパルスレーザー光Ｌ１を反射して光路を変更する第１ターンミラー１２３と、第１ターンミラー１２３からのパルスレーザー光Ｌ１をステージ１１０に載置された基板２００の短辺方向に均一に照射する第１ホモジナイザー１２４と、で構成されている。また、この第１レーザー光源１２０は、ステージ１１０に載置された基板２００に対し、その短辺方向に均一なパルスレーザー光Ｌ１を照射すると共に、ステージ１１０がその長辺方向に沿って移動することにより、そのパルスレーザー光Ｌ１が基板２００上をその長辺方向に走査するように構成されている。第１レーザー光源１２０として、例えば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーや波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーやＹＡＧ等の固体レーザーが用いられる。第１レーザー光源１２０が発するパルスレーザー光Ｌ１は、パルス幅が比較的短く、基板２００上の非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱して溶融させるエネルギー強度を有するものである（例えば、エネルギー密度４８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００２９】
第２レーザー光源１３０は、第１レーザー光源１２０と同様の構成であり、第２レーザー発振器１３１と、第２アッテネータ１３２と、第２ターンミラー１３３と、第２ホモジナイザー１３４と、で構成されており、ステージ１１０に載置された基板２００に対し、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射位置と略同位置にその短辺方向に均一なパルスレーザー光Ｌ２を照射すると共に、ステージ１１０がその長辺方向に沿って移動することにより、そのパルスレーザー光Ｌ２が基板２００上をその長辺方向に走査するように構成されている。第２レーザー光源１３０の発するパルスレーザー光Ｌ２は、パルス幅が第１レーザー光源１２０のものよりも相対的に長く、エネルギー強度が非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱する程のものではなく且つ第１レーザー光源１２０のものよりも相対的に低いものである（例えば、エネルギー密度３８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅６０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００３０】
発振制御器１４０は、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０の発振制御、具体的には図３に示すように、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射の後、例えば、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射終了直後から１０ｎｓ以内の短い非照射期間を経て第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２の照射を行う制御を行うものである。
【００３１】
次に、このパルスレーザー照射装置１００を用いた多結晶質シリコン膜２２０’の製造方法について説明する。
【００３２】
まず、絶縁基板（ガラス基板）２１０の一方の表面が厚さ５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質シリコン膜２２０で被覆された基板２００を準備する。非晶質シリコン膜２２０の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いる。絶縁基板２１０としてガラス基板を用いる場合には不純物の拡散を防止するためガラス基板と非晶質シリコン膜２２０との間にベースコートとして例えば厚さ３００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を設けるとよい。
【００３３】
次いで、基板２００に脱水素処理を施した後、表面の自然酸化膜を希フッ酸等により除去する。
【００３４】
次いで、非晶質シリコン膜２２０側が上となるようにその基板２００をステージ１１０に載置する。
【００３５】
次いで、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で基板２００上の非晶質シリコン膜２２０に照射する。ここで、基板２００の長手方向に沿って走査する第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのそれぞれのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を、繰り返し周波数１０〜３００Ｈｚ、オーバーラップ率９０〜９５％に設定しておく。このとき、非晶質シリコン膜２２０には、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１が照射された後、短い非照射期間を経て第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２が照射される。そして、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１が非晶質シリコン膜２２０に照射されて非晶質シリコン膜２２０がその融点よりも高温に加熱されて溶融し、その非晶質シリコン膜２２０を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後であってシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２２０’が形成される過程において、第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２が固化完了前の多結晶質シリコン膜２２０’に照射されてその表面が部分的に溶融して平坦化し、固化する。
【００３６】
以上のようにして基板２００上の非晶質シリコン膜２２０が多結晶質シリコン膜２２０’とされ、これを用いてＴＦＴ等の半導体素子が形成される。そして、かかる半導体素子を備えた半導体装置が構成される。
【００３７】
以上のようなパルスレーザー照射装置１００を用いることにより、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１を非晶質シリコン膜２２０に照射して非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱して溶融させ、第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２を、非晶質シリコン膜２２０を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後のシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２２０’が形成される過程、具体的には、シリコン溶融物が最高温度に達してから約３０ｎｓ後の多結晶質シリコン膜２２０’の固化が完了する時点までにおいて、固化完了前の多結晶質シリコン膜２２０’に照射してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜２２０’が形成され、この多結晶質シリコン膜２２０’を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００３８】
次に具体的に行った実験について説明する。
【００３９】
上記実施形態と同一の方法でガラス基板上の非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にした本発明例と、第２レーザー光源によるパルスレーザー光の照射をせずに第１レーザー光源によるパルスレーザー光の照射のみを行ってガラス基板上の非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にした比較例と、を作製した。
【００４０】
そして、それぞれの多結晶質シリコン膜の最大高さ（Ｐ−Ｖ値）、中心線平均粗さ（Ｒａ値）及び自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ値）を求めた。なお、各表面粗さを１０μｍ×１０μｍ四方、５０μｍ×５０μｍ四方のそれぞれについて測定した。
【００４１】
結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１によれば、本発明例は、最大高さ（Ｐ−Ｖ値）、中心線平均粗さ（Ｒａ値）及び自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ値）のいずれにおいても比較例に比べて値が極めて小さく、表面平坦性が著しく優れているということが分かる。
【００４４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係るに係るパルスレーザー照射装置（多結晶質シリコン膜製造装置）の外観構成は図２に示す実施形態１のものと同一である。
【００４５】
このパルスレーザー照射装置では、第１レーザー光源が発するパルスレーザー光は、パルス幅が比較的短く、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱する程度のエネルギー強度を有するものである（例えば、エネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。また、第２レーザー光源の発するパルスレーザー光は、パルス幅が第１レーザー光源のものよりも相対的に長く、エネルギー強度が第１レーザー光源のものよりもエネルギー強度が相対的に高いものの、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱する程度のものである（例えば、エネルギー密度３８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅９０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００４６】
発振制御器は、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０の発振制御、具体的には図４に示すように、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を同時に照射した後、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射のみを停止し、第２レーザー光源からのパルスレーザー光の照射を継続して行う制御を行うものである。
【００４７】
次に、このパルスレーザー照射装置を用いた多結晶質シリコン膜の製造方法について説明する。
【００４８】
まず、絶縁基板（ガラス基板）の一方の表面が厚さ５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質シリコン膜で被覆された基板を準備する。非晶質シリコン膜の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いる。絶縁基板としてガラス基板を用いる場合には不純物の拡散を防止するためガラス基板と非晶質シリコン膜との間にベースコートとして例えば厚さ３００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を設けるとよい。
【００４９】
次いで、基板に脱水素処理を施した後、表面の自然酸化膜を希フッ酸等により除去する。
【００５０】
次いで、非晶質シリコン膜側が上となるようにその基板をステージに載置する。
【００５１】
次いで、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で基板上の非晶質シリコン膜に照射する。ここで、基板の長手方向に沿って走査する第１及び第２レーザー光源からのそれぞれのパルスレーザー光を、繰り返し周波数１０〜３００Ｈｚ、オーバーラップ率９０〜９５％に設定しておく。このとき、非晶質シリコン膜には、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光が同時に照射された後、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射が停止され、第２レーザー光源からのパルスレーザー光が継続して照射される。そして、第１及び第２レーザー光源からパルスレーザー光が同時に照射されて非晶質シリコン膜がその融点よりも高温に加熱されて溶融する。つまり、非晶質シリコン膜には、第１レーザー光源からのパルスレーザー光のエネルギーと第２レーザー光源からのパルスレーザー光のエネルギーとが合わさって与えられ（図４中の破線）、それによって、非晶質シリコン膜がその融点よりも高温に加熱されて溶融する。また、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射が停止された後には、非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後であってシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、第２レーザー光源からのパルスレーザー光が固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射されてその表面が部分的に溶融して平坦化し、固化する。
【００５２】
以上のようにして基板上の非晶質シリコン膜が多結晶質シリコン膜とされ、これを用いてＴＦＴ等の半導体素子が形成される。そして、かかる半導体素子を備えた半導体装置が構成される。
【００５３】
以上のようなパルスレーザー照射装置を用いることにより、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射して非晶質シリコン膜を融点よりも高温に加熱して溶融させ、非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程、具体的には、シリコン溶融物が最高温度に達してから約３０ｎｓ後の多結晶質シリコン膜の固化が完了する時点までにおいて、第１又は第２レーザー光源からのパルスレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００５４】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態１及び２に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００５５】
例えば、非晶質シリコン膜２２０はプラズマＣＶＤ法により成膜されたものに限定されるものではなく、他の成膜法により成膜してもよい。
【００５６】
また、非晶質シリコン膜２２０の多結晶化の前処理は、基板の脱水素処理及び表面の自然酸化膜の希フッ酸等による除去に限定されるものではなく、他の前処理を施すようにしてもよい。
【００５７】
また、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２の照射を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で行うことに限定されるものではなく、他の雰囲気中で行うようにしてもよい。
【００５８】
また、非晶質シリコン膜２２０として多結晶性を助長する金属元素を添加して固相成長させた多結晶構造を有するものを用いてもよい。
【００５９】
また、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２のエネルギー強度及びパルス幅については非晶質シリコン膜２２０の状態によって決めればよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン膜ににＸｅＣｌエキシマレーザーを照射したシミュレーションにおける経過時間とシリコン温度との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施形態１に係るパルスレーザー照射装置の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態１における第１及び第２レーザー光源からそれぞれ発されるパルスレーザー光のパルス形状を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１における第１及び第２レーザー光源からそれぞれ発されるパルスレーザー光のパルス形状を示す図である。
【符号の説明】
１００ パルスレーザー照射装置
１１０ ステージ
１２０ 第１レーザー光源
１２１ 第１レーザー発振器
１２２ 第１アッテネータ
１２３ 第１ターンミラー
１２４ 第１ホモジナイザー
１３０ 第２レーザー光源
１３１ 第２レーザー発振器
１３２ 第２アッテネータ
１３３ 第２ターンミラー
１３４ 第２ホモジナイザー
１４０ 発振制御器
２００ 基板
２１０ 絶縁基板
２２０ 非晶質シリコン膜
２２０’ 多結晶質シリコン膜
Ｌ１，Ｌ２ パルスレーザー光
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶質シリコン膜の製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置に関し、特に、絶縁基板上に設けられた薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」という）等を有する半導体装置に有効であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置などに利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
高性能液晶表示装置などのデバイス実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上に高性能なＴＦＴ等の半導体素子を形成することが試みられている。これらの装置の半導体素子には、非晶質（アモルファス）シリコン膜を多結晶化した薄膜状の多結晶質シリコン半導体を用いるのが一般的である。かかる多結晶質シリコン膜を製造する方法としては、非晶質シリコン膜を成膜しておき、強光を照射して多結晶化させるものが知られており、この方法によれば、溶融固化過程の多結晶化現象を利用するため高品質な多結晶性シリコン膜を得ることができる。また、現在最も一般的に利用されているエキシマーレーザーを例にとると、パルスレーザー光を用いて非晶質シリコン膜を多結晶化する手法は、非晶質シリコン膜を局所的に溶融させ、その溶融した領域を極めて短い時間だけ高温度にするものであるため、高熱が基板には伝わらないことから安価なガラス基板を利用することができ、大面積エレクトロニクスへの応用には最も適している。
【０００３】
ところで、エキシマレーザーを用いて非晶質シリコン半導体膜の多結晶化を行うと、製造された多結晶質シリコン膜の結晶粒界に沿って突起（リッヂ）が形成される。そして、そのような突起が存在すると、突起の先端に電界が集中して絶縁破壊が起こりやすくなるため、突起の大きい多結晶質シリコン膜上にトップゲート構造の高性能ＴＦＴを形成するのが難しくなる。つまり、多結晶質シリコン膜表面に突起があると、ＴＦＴの特性及び信頼性が低いものとなり、ゲート絶縁膜の薄膜化が困難となる。
【０００４】
そこで、非晶質シリコン膜のレーザー結晶化時に発生する表面の突起を低減するため、種々の技術が提案され、多結晶質シリコン膜表面の平坦化が試みられている。
【０００５】
下記特許文献１には、下地基板の表面上に多結晶シリコンからなる第１の層を形成し、次いで、その第１の層の表面を、酸化シリコンをエッチングする環境下に置いて第１の層の表面が酸化シリコン膜で覆われている場合には、その酸化シリコン膜を除去し、次いで、第１の層にシリコン結晶の再成長が起こるエネルギーを与える半導体装置の製造方法が開示されており、このようにすれば、表面平均凹凸の小さい多結晶シリコン膜を形成することが可能になる、と記載されている。
【０００６】
下記特許文献２には、透明絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成した後、その他結晶シリコン膜の表面を酸化して厚い二酸化シリコン膜を形成し、次いで、二酸化シリコン膜を除去した後、多結晶シリコン膜の表面の凹凸をＣＭＰ法により研磨して平坦化し、再度多結晶シリコン膜の表面を酸化して薄い二酸化シリコン膜を形成し、次いで、その二酸化シリコン膜を除去する半導体装置の製造方法が開示されている。
【０００７】
下記特許文献３には、レーザーアニールにより得られたポリＳｉ膜を表面研磨処理することで、膜厚を３０〜５０ｎｍにし、ポリＳｉ膜表面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下にする半導体装置の製造方法が開示されており、このようにすれば、レーザーアニールによって得られるポリＳｉ膜は表面性が悪いが、表面研磨によって平坦性が向上し、平坦化したポリＳｉ膜をチャネルに用いることで優れたＴＦＴ特性を得ることができると共に半導体装置がキャリア注入のない信頼性の優れたものとなる、との内容が記載されている。
【０００８】
下記特許文献４には、基板上に形成された非晶質シリコン層にエネルギービームを照射して非晶質シリコン層を結晶化させて結晶質シリコン層を形成した後、結晶質シリコン層の表面をエッチングして結晶質シリコン表面の凹凸を除去するＴＦＴの製造方法が開示されており、このようにすれば、トランジスタのキャリアが通過する部分の結晶性を損なうことなく、しかも表面の凹凸が少ない多結晶シリコン層を有するＴＦＴを製造することができる、との内容が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−６０５５１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２２１５９号公報
【特許文献３】
特開平１０−２００１２０号公報
【特許文献４】
特開平１１−１８６５５２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のいずれの従来技術も、多結晶質シリコン膜を平坦化させるために研磨等の別個独立した工程を追加する必要のあるものであり、前洗浄なども含めると工程数が多くなる、という問題がある。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、別個独立の工程を追加することなく、表面平坦性の良好な多結晶質シリコン膜を得ることができるその製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、非晶質シリコン膜を溶融固化により多結晶化させる際、シリコン温度が最高温度に達した時点から数十ｎｓｅｃずれてシリコン溶融物が固化することをシミュレーションにより確認した。その一例として図１は、３００ｎｍのベースコート酸化シリコン膜上に成膜した５０ｎｍの非晶質シリコン上に、エネルギー密度４８０ｍＪ／ｃｍ２で且つパルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザーを照射したときのシリコン温度をシミュレーションにより求めた結果を示す。これによると、パルスレーザー光によりシリコン膜が最高温度に到達してから約３０ｎｓ後にシリコンの温度が融点を下回って固化が完了すると考えられる。
【００１３】
本発明は、非晶質シリコン膜を溶融するまで加熱し、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、その固化完了前の多結晶質シリコン膜にその表面が部分溶融するように加熱することで表面を平坦化させ、それによってシリコン膜の多結晶化と表面平坦化とを別個独立の工程を増やすことなく行うようにしたものである。
【００１４】
本発明の多結晶質シリコン膜製造装置は、非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にするのに用いられるものであって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させる加熱手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の多結晶質シリコン膜の製造方法は、非晶質シリコン膜から多結晶質シリコン膜を製造するものであって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体装置は、絶縁性基板上または絶縁性薄膜上に形成された非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させ、その非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させてなる半導体膜で形成された半導体素子を備えたことを特徴とする。
【００１７】
以上のように、本発明によれば、非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００１８】
本発明の具体的な構成の多結晶質シリコン膜製造装置は、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるレーザー光を発する第１レーザー光源と、
上記第１レーザー光源からのレーザー光で非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜の表面を部分的に溶融させるレーザー光を発する第２レーザー光源と、
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成の場合、上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が低いレーザー光を発するものであってもよい。
【００２０】
本発明の具体的な多結晶質シリコン膜の製造方法は、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用いるものであり、
上記第１レーザー光源からのレーザー光を非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記第２レーザー光源からのレーザー光を、上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後の該シリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の別の具体的な構成の多結晶質シリコン膜製造装置は、
各々、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱するレーザー光を発する第１及び第２レーザー光源を備え、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射するとその非晶質シリコン膜が融点よりも高温に加熱されて溶融し、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、該第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射するとその表面が部分的に溶融するように構成されていることを特徴とする。
【００２２】
この構成の場合、上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が高いレーザー光を発するものであってもよい。
【００２３】
本発明の別の具体的な多結晶質シリコン膜の製造方法は、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用いるものであり、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、上記第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係るパルスレーザー照射装置（多結晶質シリコン膜製造装置）１００を示す。
【００２６】
このパルスレーザー照射装置１００は、一方の表面を覆うように非晶質シリコン膜２２０が設けられた基板２００を載置するためのステージ１１０と、ステージ１１０上の基板２００の非晶質シリコン膜２２０にパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を照射するための第１及び第２レーザー光源１２０，１３０と、それらの第１及び第２レーザー光源１２０，１３０がそれぞれ接続された発振制御器１４０と、を備えている。
【００２７】
ステージ１１０は、加工対象である基板２００の形状に合わせた長方形状に形成されており、大きさは基板２００よりやや大きく構成されている。このステージ１１０は、その長辺方向に沿って移動可能に構成されている。
【００２８】
第１レーザー光源１２０は、発振制御器１４０に接続された第１レーザー発振器１２１と、第１レーザー発振器１２１から発されたパルスレーザー光Ｌ１を受光してそのパワーを所定量減衰させる第１アッテネータ１２２と、第１アッテネータ１２２からのパルスレーザー光Ｌ１を反射して光路を変更する第１ターンミラー１２３と、第１ターンミラー１２３からのパルスレーザー光Ｌ１をステージ１１０に載置された基板２００の短辺方向に均一に照射する第１ホモジナイザー１２４と、で構成されている。また、この第１レーザー光源１２０は、ステージ１１０に載置された基板２００に対し、その短辺方向に均一なパルスレーザー光Ｌ１を照射すると共に、ステージ１１０がその長辺方向に沿って移動することにより、そのパルスレーザー光Ｌ１が基板２００上をその長辺方向に走査するように構成されている。第１レーザー光源１２０として、例えば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーや波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザーやＹＡＧ等の固体レーザーが用いられる。第１レーザー光源１２０が発するパルスレーザー光Ｌ１は、パルス幅が比較的短く、基板２００上の非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱して溶融させるエネルギー強度を有するものである（例えば、エネルギー密度４８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００２９】
第２レーザー光源１３０は、第１レーザー光源１２０と同様の構成であり、第２レーザー発振器１３１と、第２アッテネータ１３２と、第２ターンミラー１３３と、第２ホモジナイザー１３４と、で構成されており、ステージ１１０に載置された基板２００に対し、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射位置と略同位置にその短辺方向に均一なパルスレーザー光Ｌ２を照射すると共に、ステージ１１０がその長辺方向に沿って移動することにより、そのパルスレーザー光Ｌ２が基板２００上をその長辺方向に走査するように構成されている。第２レーザー光源１３０の発するパルスレーザー光Ｌ２は、パルス幅が第１レーザー光源１２０のものよりも相対的に長く、エネルギー強度が非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱する程のものではなく且つ第１レーザー光源１２０のものよりも相対的に低いものである（例えば、エネルギー密度３８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅６０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００３０】
発振制御器１４０は、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０の発振制御、具体的には図３に示すように、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射の後、例えば、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１の照射終了直後から１０ｎｓ以内の短い非照射期間を経て第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２の照射を行う制御を行うものである。
【００３１】
次に、このパルスレーザー照射装置１００を用いた多結晶質シリコン膜２２０’の製造方法について説明する。
【００３２】
まず、絶縁基板（ガラス基板）２１０の一方の表面が厚さ５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質シリコン膜２２０で被覆された基板２００を準備する。非晶質シリコン膜２２０の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いる。絶縁基板２１０としてガラス基板を用いる場合には不純物の拡散を防止するためガラス基板と非晶質シリコン膜２２０との間にベースコートとして例えば厚さ３００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を設けるとよい。
【００３３】
次いで、基板２００に脱水素処理を施した後、表面の自然酸化膜を希フッ酸等により除去する。
【００３４】
次いで、非晶質シリコン膜２２０側が上となるようにその基板２００をステージ１１０に載置する。
【００３５】
次いで、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で基板２００上の非晶質シリコン膜２２０に照射する。ここで、基板２００の長手方向に沿って走査する第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのそれぞれのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２を、繰り返し周波数１０〜３００Ｈｚ、オーバーラップ率９０〜９５％に設定しておく。このとき、非晶質シリコン膜２２０には、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１が照射された後、短い非照射期間を経て第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２が照射される。そして、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１が非晶質シリコン膜２２０に照射されて非晶質シリコン膜２２０がその融点よりも高温に加熱されて溶融し、その非晶質シリコン膜２２０を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後であってシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２２０’が形成される過程において、第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２が固化完了前の多結晶質シリコン膜２２０’に照射されてその表面が部分的に溶融して平坦化し、固化する。
【００３６】
以上のようにして基板２００上の非晶質シリコン膜２２０が多結晶質シリコン膜２２０’とされ、これを用いてＴＦＴ等の半導体素子が形成される。そして、かかる半導体素子を備えた半導体装置が構成される。
【００３７】
以上のようなパルスレーザー照射装置１００を用いることにより、第１レーザー光源１２０からのパルスレーザー光Ｌ１を非晶質シリコン膜２２０に照射して非晶質シリコン膜２２０をその融点よりも高温に加熱して溶融させ、第２レーザー光源１３０からのパルスレーザー光Ｌ２を、非晶質シリコン膜２２０を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後のシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜２２０’が形成される過程、具体的には、シリコン溶融物が最高温度に達してから約３０ｎｓ後の多結晶質シリコン膜２２０’の固化が完了する時点までにおいて、固化完了前の多結晶質シリコン膜２２０’に照射してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜２２０’が形成され、この多結晶質シリコン膜２２０’を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００３８】
次に具体的に行った実験について説明する。
【００３９】
上記実施形態と同一の方法でガラス基板上の非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にした本発明例と、第２レーザー光源によるパルスレーザー光の照射をせずに第１レーザー光源によるパルスレーザー光の照射のみを行ってガラス基板上の非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にした比較例と、を作製した。
【００４０】
そして、それぞれの多結晶質シリコン膜の最大高さ（Ｐ−Ｖ値）、中心線平均粗さ（Ｒａ値）及び自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ値）を求めた。なお、各表面粗さを１０μｍ×１０μｍ四方、５０μｍ×５０μｍ四方のそれぞれについて測定した。
【００４１】
結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
表１によれば、本発明例は、最大高さ（Ｐ−Ｖ値）、中心線平均粗さ（Ｒａ値）及び自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ値）のいずれにおいても比較例に比べて値が極めて小さく、表面平坦性が著しく優れているということが分かる。
【００４４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係るに係るパルスレーザー照射装置（多結晶質シリコン膜製造装置）の外観構成は図２に示す実施形態１のものと同一である。
【００４５】
このパルスレーザー照射装置では、第１レーザー光源が発するパルスレーザー光は、パルス幅が比較的短く、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱する程度のエネルギー強度を有するものである（例えば、エネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。また、第２レーザー光源の発するパルスレーザー光は、パルス幅が第１レーザー光源のものよりも相対的に長く、エネルギー強度が第１レーザー光源のものよりもエネルギー強度が相対的に高いものの、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱する程度のものである（例えば、エネルギー密度３８０ｍＪ／ｃｍ２、パルス幅９０ｎｓ、繰り返し周波数３０Ｈｚ）。
【００４６】
発振制御器は、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０の発振制御、具体的には図４に示すように、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を同時に照射した後、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射のみを停止し、第２レーザー光源からのパルスレーザー光の照射を継続して行う制御を行うものである。
【００４７】
次に、このパルスレーザー照射装置を用いた多結晶質シリコン膜の製造方法について説明する。
【００４８】
まず、絶縁基板（ガラス基板）の一方の表面が厚さ５０ｎｍの真性（Ｉ型）の非晶質シリコン膜で被覆された基板を準備する。非晶質シリコン膜の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いる。絶縁基板としてガラス基板を用いる場合には不純物の拡散を防止するためガラス基板と非晶質シリコン膜との間にベースコートとして例えば厚さ３００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を設けるとよい。
【００４９】
次いで、基板に脱水素処理を施した後、表面の自然酸化膜を希フッ酸等により除去する。
【００５０】
次いで、非晶質シリコン膜側が上となるようにその基板をステージに載置する。
【００５１】
次いで、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で基板上の非晶質シリコン膜に照射する。ここで、基板の長手方向に沿って走査する第１及び第２レーザー光源からのそれぞれのパルスレーザー光を、繰り返し周波数１０〜３００Ｈｚ、オーバーラップ率９０〜９５％に設定しておく。このとき、非晶質シリコン膜には、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光が同時に照射された後、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射が停止され、第２レーザー光源からのパルスレーザー光が継続して照射される。そして、第１及び第２レーザー光源からパルスレーザー光が同時に照射されて非晶質シリコン膜がその融点よりも高温に加熱されて溶融する。つまり、非晶質シリコン膜には、第１レーザー光源からのパルスレーザー光のエネルギーと第２レーザー光源からのパルスレーザー光のエネルギーとが合わさって与えられ（図４中の破線）、それによって、非晶質シリコン膜がその融点よりも高温に加熱されて溶融する。また、第１レーザー光源からのパルスレーザー光の照射が停止された後には、非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後であってシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、第２レーザー光源からのパルスレーザー光が固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射されてその表面が部分的に溶融して平坦化し、固化する。
【００５２】
以上のようにして基板上の非晶質シリコン膜が多結晶質シリコン膜とされ、これを用いてＴＦＴ等の半導体素子が形成される。そして、かかる半導体素子を備えた半導体装置が構成される。
【００５３】
以上のようなパルスレーザー照射装置を用いることにより、第１及び第２レーザー光源からのパルスレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射して非晶質シリコン膜を融点よりも高温に加熱して溶融させ、非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程、具体的には、シリコン溶融物が最高温度に達してから約３０ｎｓ後の多結晶質シリコン膜の固化が完了する時点までにおいて、第１又は第２レーザー光源からのパルスレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【００５４】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態１及び２に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００５５】
例えば、非晶質シリコン膜２２０はプラズマＣＶＤ法により成膜されたものに限定されるものではなく、他の成膜法により成膜してもよい。
【００５６】
また、非晶質シリコン膜２２０の多結晶化の前処理は、基板の脱水素処理及び表面の自然酸化膜の希フッ酸等による除去に限定されるものではなく、他の前処理を施すようにしてもよい。
【００５７】
また、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２の照射を大気と同じ酸素／窒素混合比の雰囲気中で行うことに限定されるものではなく、他の雰囲気中で行うようにしてもよい。
【００５８】
また、非晶質シリコン膜２２０として多結晶性を助長する金属元素を添加して固相成長させた多結晶構造を有するものを用いてもよい。
【００５９】
また、第１及び第２レーザー光源１２０，１３０からのパルスレーザー光Ｌ１，Ｌ２のエネルギー強度及びパルス幅については非晶質シリコン膜２２０の状態によって決めればよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させて表面平坦化を図るようにしているので、別個独立の工程を増やすことなく表面凹凸の小さな多結晶質シリコン膜が形成され、この多結晶質シリコン膜を用いて信頼性の高い微細なＴＦＴ等の半導体素子を備えた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン膜ににＸｅＣｌエキシマレーザーを照射したシミュレーションにおける経過時間とシリコン温度との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施形態１に係るパルスレーザー照射装置の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態１における第１及び第２レーザー光源からそれぞれ発されるパルスレーザー光のパルス形状を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１における第１及び第２レーザー光源からそれぞれ発されるパルスレーザー光のパルス形状を示す図である。
【符号の説明】
１００ パルスレーザー照射装置
１１０ ステージ
１２０ 第１レーザー光源
１２１ 第１レーザー発振器
１２２ 第１アッテネータ
１２３ 第１ターンミラー
１２４ 第１ホモジナイザー
１３０ 第２レーザー光源
１３１ 第２レーザー発振器
１３２ 第２アッテネータ
１３３ 第２ターンミラー
１３４ 第２ホモジナイザー
１４０ 発振制御器
２００ 基板
２１０ 絶縁基板
２２０ 非晶質シリコン膜
２２０’ 多結晶質シリコン膜
Ｌ１，Ｌ２ パルスレーザー光
Claims (9)
- 非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にするのに用いられる多結晶質シリコン膜製造装置であって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させた後、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させる加熱手段を備えたことを特徴とする多結晶質シリコン膜製造装置。 - 非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にするのに用いられる多結晶質シリコン膜製造装置であって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるレーザー光を発する第１レーザー光源と、
上記第１レーザー光源からのレーザー光で非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜の表面を部分的に溶融させるレーザー光を発する第２レーザー光源と、
を備えたことを特徴とする多結晶質シリコン膜製造装置。 - 請求項２に記載された多結晶質シリコン膜製造装置において、
上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が低いレーザー光を発することを特徴とする多結晶質シリコン膜製造装置。 - 非晶質シリコン膜を多結晶質シリコン膜にするのに用いられる多結晶質シリコン膜製造装置であって、
各々、非晶質シリコン膜をその融点未満の温度に加熱するレーザー光を発する第１及び第２レーザー光源を備え、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射するとその非晶質シリコン膜が融点よりも高温に加熱されて溶融し、そのシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、該第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射するとその表面が部分的に溶融するように構成されていることを特徴とする多結晶質シリコン膜製造装置。 - 請求項４に記載された多結晶質シリコン膜製造装置において、
上記第２レーザー光源は、上記第１レーザー光源が非晶質シリコン膜に対して発するレーザー光よりもエネルギー強度が高いレーザー光を発することを特徴とする多結晶質シリコン膜製造装置。 - 非晶質シリコン膜から多結晶質シリコン膜を製造する方法であって、
非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする多結晶質シリコン膜の製造方法。 - 非晶質シリコン膜から多結晶質シリコン膜を製造する方法であって、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用い、
上記第１レーザー光源からのレーザー光を非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記第２レーザー光源からのレーザー光を、上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が最高温度に達した後の該シリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする多結晶質シリコン膜の製造方法。 - 非晶質シリコン膜から多結晶質シリコン膜を製造する方法であって、
第１及び第２レーザー光源を備えた多結晶質シリコン膜製造装置を用い、
上記第１及び第２レーザー光源からのレーザー光を同時に非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させるステップと、
上記非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、上記第１又は第２レーザー光源からのレーザー光を固化完了前の多結晶質シリコン膜に照射してその表面を部分的に溶融させるステップと、
を備えたことを特徴とする多結晶質シリコン膜の製造方法。 - 絶縁性基板上または絶縁性薄膜上に形成された非晶質シリコン膜をその融点よりも高温に加熱して溶融させ、その非晶質シリコン膜を加熱してなるシリコン溶融物が固化して多結晶質シリコン膜が形成される過程において、固化完了前の多結晶質シリコン膜を加熱してその表面を部分的に溶融させてなる半導体膜で形成された半導体素子を備えたことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002321990A JP2004158584A (ja) | 2002-11-06 | 2002-11-06 | 多結晶質シリコン膜製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004158584A true JP2004158584A (ja) | 2004-06-03 |
Family
ID=32802302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002321990A Pending JP2004158584A (ja) | 2002-11-06 | 2002-11-06 | 多結晶質シリコン膜製造装置及びそれを用いた製造方法並びに半導体装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2004158584A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006073165A1 (ja) * | 2005-01-07 | 2006-07-13 | Sharp Kabushiki Kaisha | 半導体デバイス、その製造方法および製造装置 |
| JP2007273833A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Sharp Corp | 半導体膜の結晶化装置および結晶化方法 |
| KR100814821B1 (ko) | 2006-09-19 | 2008-03-20 | 삼성에스디아이 주식회사 | 실리콘 박막의 결정화 장치 및 방법 |
-
2002
- 2002-11-06 JP JP2002321990A patent/JP2004158584A/ja active Pending
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