JP2005123475A - 半導体薄膜とその製造方法およびその薄膜を用いた薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】
概ね一方向に向かって結晶化され、結晶の成長方向に粒界を有さない結晶化領域を、半導体薄膜の任意の場所に、均一に形成することができる半導体薄膜の製造方法を提供すること。
【解決手段】
この発明による半導体薄膜の製造方法は、基板上に少なくとも半導体薄膜を形成し、半導体薄膜上に反射防止膜パターン及び反射膜パターンを互いに隣接するように形成し、基板上方から第１レーザを照射して反射防止膜パターンの下部に方向性の揃った半導体粒を形成する工程を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体薄膜とその製造方法およびその薄膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に関し、特に、ＴＦＴのチャネル領域に好適に用いられる多結晶半導体薄膜およびその製造方法に関する。

液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を応用した表示装置には、多結晶のシリコン薄膜を活性層に用いる多結晶シリコンＴＦＴが好適に用いられる。

多結晶シリコン薄膜を製造する方法として、ガラス基板に形成された非晶質シリコン薄膜を、短パルス発振のエキシマレーザを用いて６００℃以下の低温で結晶化する方法が知られている。

レーザによる結晶化は、一般には、非晶質シリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、前記ガラス基板を走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザをガラス基板上に連続的に照射する方法で行われる。
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、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融する。
このため、レーザ照射領域全面に無数の結晶核が発生し、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。
この方法により得られた多結晶膜を用いた多結晶シリコンＴＦＴは、結晶粒径が小さく、チャネル長方向に多数の粒界が存在するため、電子移動度が小さく、特性がばらつきやすい。

また、表面にＳｉＯ₂キャップを製膜した状態でレーザ照射を行う方法も知られている。この方法では、ＳｉＯ₂キャップが溶融シリコン薄膜の保温膜として機能し、全体的に結晶性の向上が見られるが、均一化の向上は十分でない。

また、絶縁膜をパターン化して任意の位置に形成した後、レーザ照射を行うことによって、結晶粒径を再現性良く大きくする方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
この方法では、図１８に示されるように、絶縁性基板３０１上に非晶質シリコンからなる半導体薄膜３０３を成膜したのち、絶縁膜パターン３０４を選択的に形成し、次いで、レーザ３０５を照射すると、絶縁膜パターン３０４が保温層として機能するので、絶縁膜パターン３０４の下部の領域では冷却速度が遅くなり、その結果、絶縁膜パターン３０４の両縁から中央に向かって結晶化する。
この方法により、結晶粒径の大きな結晶化領域３０６，３０７が任意の位置に均一に形成される。そして、これらの結晶化領域３０６，３０７の両方、あるいは、いずれか一方がＴＦＴのチャネル領域として用いられる。
特開２０００−２６０７０９号公報

パターン化された絶縁膜を任意の位置に形成する上記方法では、図１８に示されるように、絶縁膜パターン３０４の両縁から同時に横方向の結晶化が生じ、前記パターンの中央で横方向結晶成長が完了するため、中央に結晶粒界が形成される。
このため、図１９に示されるように、２つの結晶化領域３０６，３０７を用いてＴＦＴ３０８を形成すると、チャネル長方向に少なくとも1つの粒界が存在することとなり、電子移動度が低下する。
また、図２０に示されるように、チャネルが粒界をまたがない様に、結晶化領域３０６，３０７にそれぞれＴＦＴ３０８を形成すると、設計の制約上、結晶化領域３０６，３０７に利用できない領域が生じ、ＴＦＴ設計の自由度や効率が低下する。

この発明は、上記課題を考慮してなされたものであり、概ね一方向に向かって結晶化され、結晶の成長方向に粒界を有さない結晶化領域を、半導体薄膜の任意の場所に、均一に形成することができる半導体薄膜の製造方法を提供するものである。

この発明は、基板上に少なくとも半導体薄膜を形成し、半導体薄膜上の一部に反射防止膜パターン及び反射膜パターンを互いに隣接するように形成し、基板上方から第１レーザを照射して反射防止膜パターンの下部に方向性の揃った半導体粒を形成する工程を備える半導体薄膜の第１の製造方法を提供するものである。

また、この発明は、基板上に少なくとも半導体薄膜を形成し、半導体薄膜上の一部に反射防止膜パターンを形成し、反射防止膜パターン上の一部に反射膜パターンを形成し、基板上方から第１レーザを照射して反射防止膜パターンの下部に方向性の揃った半導体粒を形成する工程を備える半導体薄膜の第２の製造方法を提供するものでもある。

また、この発明は、基板上に少なくとも半導体薄膜を形成し、半導体薄膜上の一部に反射膜パターンを形成し、反射膜パターンと半導体薄膜の一部を覆うように反射防止膜パターンを形成し、基板上方から第１レーザを照射して反射防止膜パターンの下部に方向性の揃った半導体粒を形成する工程を備える半導体薄膜の第３の製造方法を提供するものでもある。

また、この発明による半導体薄膜の第１の製造方法において、反射防止膜パターン及び反射膜パターンを形成する前記工程は、反射防止膜パターンの縁の一部が反射膜パターンの縁の一部と接するように、反射防止膜パターン及び反射膜パターンを形成する工程であってもよい。

また、この発明による半導体薄膜の第２の製造方法において、反射膜パターンを形成する前記工程は、反射膜パターンの縁の一部が反射防止膜パターンの縁の一部と一致するように、反射膜パターンを形成する工程であってもよい。

また、この発明による半導体薄膜の第３の製造方法において、反射防止膜パターンを形成する前記工程は、反射防止膜パターンの縁の一部が反射膜の縁の一部と一致するように、反射防止膜パターンを形成する工程であってもよい。

また、この発明による半導体薄膜の第１〜第３の製造方法は、第１レーザの照射領域を含む領域に、半導体薄膜を溶融させない放射照度及び照射時間で第２レーザを照射する工程をさらに備えてもよい。

また、第２レーザを照射する上記工程において、第２レーザの照射時間は第１レーザの照射時間よりも長くてもよい。

また、第２レーザは赤外線レーザであり、反射防止膜パターンの赤外線レーザに対する吸収率は、反射膜パターン及び半導体薄膜の赤外線レーザに対する吸収率よりも高くてもよい。

また、この発明による半導体薄膜の第１〜第３の製造方法において、反射防止膜パターンは酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜のいずれか１つからなっていてもよい。

また、この発明による半導体薄膜の第１〜第３の製造方法において、反射膜パターンはＡｌ膜、Ｍｏ膜、Ｗ膜、Ａｌ−Ｍｏ合金膜及びＡｌ−Ｗ合金膜のいずれか１つからなっていてもよい。

また、この発明は別の観点からみると、上述のこの発明による半導体薄膜の第１〜第３の製造方法により製造された半導体薄膜を提供するものでもある。

また、この発明はさらに別の観点からみると、上述のこの発明による半導体薄膜の第１〜第３の製造方法により製造された半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタであって、反射防止膜パターンの下部に形成された方向性の揃った半導体粒をチャネル領域に含む薄膜トランジスタを提供するものでもある。

ここで、図１〜３に基づいてこの発明の原理を説明する。なお、図１〜３はこの発明による半導体薄膜の第１〜第３の製造方法にそれぞれ対応している。
図１〜３に示されるように、この発明による半導体薄膜の第１〜第３の製造方法では、第１レーザ６を照射する工程において、いずれも基板１の上方から反射防止膜パターン４と反射膜パターン５と直接照射領域（半導体薄膜３の露出領域）３ｃ，３ｄとに第１レーザ６を照射する。

この際、反射防止膜パターン４は第１レーザ６の反射を防止するので、反射防止膜パターン４の下部領域３ａでは第1レーザ６が効率よく吸収され、反射防止膜パターン４の下部領域３ａの半導体薄膜３は溶融する。
これに対し、反射膜パターン５は第１レーザ６を反射するので、反射膜パターン５の下部領域３ｂでは第１レーザが吸収されず、反射膜パターン５の下部領域３ｂの半導体薄膜３はほとんど溶融しない。

また、第1レーザ６が直接照射される直接照射領域３ｃ，３ｄでは、第１レーザ６が一部反射されるので、第1レーザ６の吸収量は反射防止膜パターン４の下部領域３ａよりも少なくなり、直接照射領域３ｃ，３ｄは溶融又は半溶融の状態となる。
このため、各領域の温度は、反射膜パターン５の下部領域３ｂ、直接照射領域３ｃ，３ｄ、反射防止膜パターン４の下部領域３ａの順に高くなる。

ここで、直接照射領域３ｃ，３ｄのうち、反射防止膜パターン４に隣接する直接照射領域３ｄが、この発明の要点である反射防止膜パターン４の下部での結晶化に関与する。従って、直接照射領域３ｃへの第１レーザ６の照射は、この発明の原理を作用させるうえで必ずしも必須ではない。

反射膜パターン５の下部領域３ｂ及び直接照射領域３ｄは、反射防止膜パターン４の下部領域３ａよりも温度が低いので、反射防止膜パターン４の両縁から結晶化が進行する。
しかし、反射膜パターン５の下部領域３ｂは、直接照射領域３ｄよりも温度が低いので、反射膜パターン５側からの結晶化が早く開始され、さらに反射防止膜パターン４の保温効果によって冷却速度が遅くなり結晶が大きく成長する。このため、反射防止膜パターン４の両縁から成長した結晶化領域７，８は、直接照射領域３ｄに近い位置で衝突する。

従って、反射防止膜パターン４の下部領域３ａでは概ね一方向に向かって大きく結晶化され、結晶の成長方向に粒界を有しない結晶化領域（方向性の揃った半導体粒）７が形成される。

この発明の半導体薄膜の製造方法によれば、反射防止膜と反射膜の作用により第１レーザが照射された半導体薄膜に温度差が生まれ、最も温度の低い反射膜パターンの下部と最も温度の高い反射防止膜パターンの下部との境界からの結晶化が最も早く始まり、反射防止膜の保温作用によりその結晶成長が一方向に継続するので、反射防止膜パターンの下部に概ね一方向に向かって大きく結晶化され、結晶の成長方向に粒界を有さない結晶化領域（方向性の揃った半導体粒）を形成することができる。
この結果、半導体薄膜上の任意の場所に、結晶の成長方向に粒界を有さない結晶化領域を均一に形成できるようになる。

この結晶化領域を、ＴＦＴのチャネル領域に用いることにより、電子移動度が大きく、素子特性のばらつきの小さいＴＦＴの作製が可能となる。また、この結晶化領域は、ＴＦＴに限らず、高速な電子移動度が要求される種々の薄膜半導体装置の能動領域に用いることができる。

さらに、この結晶化領域は、実質的に結晶成長方向に結晶粒界を有さないので、ＴＦＴ等の薄膜半導体装置の設計自由度および設計効率を損なうことなく、能動領域の電子移動方向に結晶粒界を有さない薄膜半導体装置の設計を容易にする。

（第１の実施形態）この発明の第１の実施形態による半導体薄膜の製造方法は、図４（ａ）に示されるように、基板１上に半導体薄膜３を形成し、図４（ｂ）に示されるように、半導体薄膜３上の一部に反射防止膜パターン４及び反射膜パターン５を互いに隣接するように形成し、図４（ｃ）に示されるように、基板１の上方から反射防止膜パターン４と反射膜パターン５と半導体薄膜３の露出領域とに、第１レーザ６を照射して反射防止膜パターン４の下部の半導体薄膜３を結晶化させることにより、概ね一方向に向かって大きく結晶化され、かつ、結晶の成長方向に粒界を有さない結晶化領域（方向性の揃った半導体粒）７を形成する工程を備える。

基板１は、半導体薄膜３の形成、レーザアニールに耐える強度、耐熱性を有するものであればよく、ガラス基板、石英基板、高分子基板等を用いることができるが、安価なガラス基板が好適に用いられる。

半導体薄膜３には、非晶質、微結晶、多結晶シリコン膜、又は、シリコンとゲルマニウムとの化合物の薄膜等が含まれ、これには、非晶質シリコン膜が好適に用いられる。
これらは、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着法等の公知の方法によって形成される。その厚さは、求められるトランジスタの特性や、プロセス条件などにより様々であるが、おおむね数十ｎｍ〜数百ｎｍ、特に典型的には３０〜１００ｎｍ程度範囲の膜厚が採用される。形成後に公知の方法で脱水素アニールを行ってもよい。これにより、レーザ照射時の半導体薄膜の損傷を防止することができる。

また、基板１上に半導体薄膜３を形成する工程には、基板１上に半導体薄膜３を直接形成すること、又は、絶縁膜等（図示せず）を介して形成することが含まれる。
なお、基板１からの不純物拡散を防止するためには絶縁膜を介して半導体薄膜３を形成することが好ましい。絶縁膜には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜等の無機絶縁膜が好適に用いられる。
無機絶縁膜は、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着法等の公知の方法によって形成できる。また、半導体薄膜３の形成後、半導体薄膜３を島状にパターニングしてもよい。これにより、後述する第１レーザ６の照射工程において、熱の逃げが小さくなるので、より低エネルギーでの結晶化が可能となる。

また、半導体薄膜３上の一部に反射防止膜パターン４及び反射膜パターン５を互いに隣接するように形成する工程は、反射防止膜パターン４の縁の一部と反射膜パターン５の縁の一部が接するように形成する工程、及び、反射防止膜パターン４と反射膜パターン５が僅かに間隔を空けて近接するように形成する工程を含む。
すなわち、概ね一方向に向かった結晶成長を行うことができる範囲であれば、反射防止膜パターン４と反射膜パターン５は非接触であってもよい。例えば、反射防止膜パターン４及び反射膜パターン５が実質的に長方形状に形成される場合、反射膜パターン５はその長辺の一つが、反射防止膜パターン４の長辺の一つと平行に隣接する形で形成されてもよい。

また、反射防止膜パターン４および反射膜パターン５を形成する上記工程において、反射防止膜パターン４及び反射膜パターン５の形成は、どちらが先であってもよく、同時に形成されてもよい。
反射防止膜パターン４は、例えば、半導体薄膜３上に反射防止膜を形成し、それをパターニングすることにより形成される。
反射膜パターン５は、例えば、半導体薄膜３上に反射膜を形成し、それをパターニングすることにより形成される。

反射防止膜パターン４は、第１レーザ６に対する吸収率が低い膜であればよく、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜等の無機絶縁膜が好適に用いられる。
反射防止膜パターン４としての機能を発揮するために、その厚さｄ（図４（ｂ）参照）は、第１レーザ６の波長をλ、反射防止膜の屈折率をｎとした場合、ｄ≒λ／４ｎを満たすものとするのが好ましい。
なお、反射防止膜パターン４は、単層であっても多層であってもよい。反射防止膜パターン４は、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着法等の公知の方法によって形成される。

反射膜パターン５は、第１レーザ６を反射する膜であればよく、Ａｌ膜、Ｍｏ膜、Ｗ膜、Ａｌ−Ｍｏ合金膜、又は、Ａｌ−Ｗ合金膜等を用いることができる。
第１レーザ６が紫外線レーザである場合、紫外領域での反射率およびレーザ照射に対する耐熱性の両方を考慮して、Ａｌ−Ｍｏ合金膜を用いるのが好ましい。
反射膜パターン５の厚さは、第１レーザ６を反射するのに十分な厚さであればよい。反射膜パターン５は、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着法等の公知の方法によって形成できる。反射防止膜パターン４と反射膜パターン５の厚さは、異なっていても、同じであってもよい。

また、基板１の上方から反射防止膜パターン４と反射膜パターン５と半導体薄膜３の露出領域とに第１レーザ６を照射して反射防止膜パターン４の下部の半導体薄膜３を結晶化させる工程において、「基板１の上方から」には、基板１の表面に対して上方から垂直に第１レーザ６を照射すること、及び、基板１の表面に対して上方から斜めに第１レーザ６を照射することが含まれるが、反射防止膜パターン４及び反射膜パターン５を形成した位置に正確に結晶化領域７を形成するためには、基板１の表面に対して上方から垂直に第１レーザ６を照射することが好ましい。

また、上記工程において、第１レーザ６は、少なくとも反射防止膜パターン４と反射膜パターン５と半導体薄膜３の露出領域とに照射されればよい。従って、第１レーザ６は、反射防止膜パターン４と反射膜パターン５と半導体薄膜３の露出領域とを含む半導体薄膜３の一部の領域に照射されてもよいし、半導体薄膜３の領域全体に照射されてもよい。

第１レーザ６は、半導体薄膜３を溶融できるレーザであればよく、ＸｅＣｌレーザ、ＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ、ＸｅＦレーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ等を用いることができ、ＸｅＣｌレーザが好適に用いられる。また、連続発振、パルス発振のいずれでもよいが、基板１にダメージを与えずに半導体薄膜３に高エネルギーを供給するために、パスル発振が好適である。
ＸｅＣｌレーザでは、そのパルス幅を、例えば、十ｎｓ〜数十ｎｓとすることができる。
これにより、ほぼ瞬時に膜が溶融し、その後急速に冷却され、その過程で結晶化が生じる。また、上記レーザの放射照度は、半導体薄膜３を溶融させることができる放射照度であればよい。

また、第１レーザ６を照射して反射防止膜パターン４の下部の半導体薄膜３を結晶化させる上記工程において、「結晶化させる」には、非晶質半導体薄膜を結晶化させること、及び、微結晶、多結晶等の半導体薄膜を溶融後により大きな結晶に成長させることが含まれる。

（第２の実施形態）この発明の第２の実施形態による半導体薄膜の製造方法は、図５（ａ）に示されるように、基板１上に半導体薄膜３を形成し、図５（ｂ）に示されるように、半導体薄膜３上の一部に反射防止膜パターン４を形成し、図５（ｃ）に示されるように、反射防止膜パターン４上の一部に反射膜パターン５を形成し、図５（ｄ）に示されるように、基板１の上方から反射防止膜パターン４と反射膜パターン５と半導体薄膜３の露出領域とに第１レーザ６を照射して反射防止膜パターン４の下部の半導体薄膜３を結晶化させることにより、概ね一方向に向かって大きく結晶化され、結晶の成長方向に粒界を有さない結晶化領域（方向性の揃った半導体粒）７を形成する工程を備える。

第１の実施形態との違いは、半導体薄膜３上に反射膜パターン５を形成せずに、反射防止膜パターン４上の一部に反射膜パターン５を形成する点である。
反射防止膜パターン４上の一部に反射膜パターン５を形成すると、反射膜パターン５から半導体薄膜３への不純物拡散を防止することができる。
第２の実施形態においても、上述の第１の実施形態と同様に、反射防止膜パターン４の下部において概ね一方向に向かって結晶が大きく成長するため、結晶成長方向に粒界を有さない結晶化領域７が形成される。

反射膜パターン５は、反射防止膜パターン４上の任意の場所に形成してもよいが、一方向に向かって結晶成長させるというこの発明の趣旨から、反射膜パターン５の縁の一部が反射防止膜パターン４の縁の一部と一致するように（重なるように）、反射膜パターン５を形成することが好ましい。
例えば、反射防止膜パターン４及び反射膜パターン５が実質的に長方形状に形成される場合、反射膜パターン５はその長辺の一つが、反射防止膜パターン４上で反射防止膜パターン４の長辺の一つと一致する（重なる）形で、反射防止膜パターン４の幅Ｗ１（図５（ｂ）参照）よりも短い幅Ｗ２（図５（ｃ）参照）で形成されてもよい。

（第３の実施形態）この発明の第３の実施形態による半導体薄膜の製造方法は、図６（ａ）に示されるように、基板１上に半導体薄膜３を形成し、図６（ｂ）に示されるように、半導体薄膜３上の一部に反射膜パターン５を形成し、図６（ｃ）に示されるように、反射膜パターン５と半導体薄膜３の一部を覆うように反射防止膜パターン４を形成し、図６（ｄ）に示されるように、基板１の上方から反射防止膜パターン４と反射膜パターン５と半導体薄膜３の露出領域とに第１レーザ６を照射して反射防止膜パターン４の下部の半導体薄膜３を結晶化させることにより、概ね一方向に向かって大きく結晶化され、結晶の成長方向に粒界を有さない結晶化領域（方向性の揃った半導体粒）７を形成する工程を備える。

第１の実施形態との違いは、反射防止膜パターン４と反射膜パターン５を隣接させるのではなく、基板１上に形成された反射膜パターン５を覆うように反射防止膜パターン４を形成する点である。
すなわち、反射防止膜パターン４はその一部が反射膜パターン５上に重なった形となる。第１および第２の実施形態と同様に、反射膜防止膜パターン４の下部において概ね一方向に向かって結晶が大きく成長するため、その結晶成長方向に粒界を有さない結晶化領域７が形成される。

反射膜パターン５は、反射防止膜パターン４によって覆われていればよいが、一方向に向かって結晶成長させるというこの発明の趣旨から、反射防止膜パターン４の縁の一部が反射膜パターン５の縁の一部と一致するように（重なるように）、反射防止膜パターン４を形成することが好ましい。
例えば、反射膜パターン５及び反射防止膜パターン４が実質的に長方形状に形成される場合、反射防止膜パターン４はその長辺の一つが、反射膜パターン５上で反射膜パターン５の長辺の一つと一致する（重なる）形で、反射膜パターン５の幅Ｗ２（図６（ｂ）参照）よりも長い幅Ｗ１（図６（ｃ）参照）で形成されてもよい。

この発明の半導体薄膜の製造方法は、上述の第１、第２及び第３の実施形態において、第１レーザ６の照射領域を含む領域に、半導体薄膜を溶融させない放射照度及び照射時間で第２レーザ（図示せず）を照射する工程をさらに備えてもよい。

第２レーザを別途照射することにより、半導体薄膜３を溶融させない程度に反射防止膜パターン４及び基板１が加熱されるため、反射防止膜パターン４の下部で溶融した半導体薄膜３の結晶化速度がさらに遅くなり、反射防止膜パターン４の下部で成長する結晶の結晶粒径がさらに大きくなる。
この結晶化領域７を、ＴＦＴのチャネル領域に用いることにより、電子移動度のさらに大きなＴＦＴの作製が可能となる。
また、横方向結晶成長距離も大きくなるため、反射防止膜パターン４の幅も大きくすることができ、ＴＦＴ等の半導体素子の設計自由度及び効率がさらに向上する。また、第１レーザ６の照射エネルギーを小さくでき、装置の小型化も図られる。

第２レーザの放射照度及び照射時間は、半導体薄膜３を溶融させないものであればよい。第２レーザの照射時間は、第１レーザ６の照射時間と同じであっても、それより長くても短くてもよく、第２レーザの照射中、第２レーザの照射直前、第２レーザの照射直後のいずれかのタイミングに、第１レーザ６を照射してもよい。
第１レーザ６の照射前に第２レーザを照射することにより、反射防止膜パターン４及び基板１が加熱され、その加熱された反射防止膜パターン４及び基板１によって、半導体薄膜３が保温されるので、第１レーザ６の照射エネルギーを小さくできる。
また、第１レーザ６の照射後に第２レーザを照射することにより、反射防止膜パターン４及び基板１が加熱され、加熱された反射防止膜パターン４及び基板１によって、溶融した半導体薄膜３が保温されるので、結晶化速度をより遅くすることができ、結晶粒径をより大きくすることができる。
これら２つの効果を得るために、第１レーザ６の照射時間より第２レーザの照射時間を長くし、第２レーザの照射中に第１レーザ６を照射することが好ましい。

第２レーザは、連続発振、パルス発振のいずれでもよい。パルス発振の場合、第２レーザのパルス幅は、第１レーザ６のパルス幅と同じであっても、それより長くても短くてもよいが、第１レーザ６のパルス幅よりも十分に大きいもの、例えば、概ね数十μｍ〜数ｍｓのものが好適に用いられる。

第２レーザを照射する領域は、少なくとも第１レーザ６の照射領域を含めばよく、第１レーザ６を照射する領域と同じか、或いは、それよりも広くすることが好ましい。少なくとも第１レーザ６の照射領域を含む領域に第２レーザを照射することにより、結晶化が生じる全領域において均一な結晶成長を促すことができる。

第２レーザは、基板１の上方、下方のいずれの方向から照射してもよいが、反射防止膜パターン４及び基板１の半導体薄膜３に近い部分を効果的に加熱するために、基板１の上方から照射することが好ましい。

第２レーザは、半導体薄膜３、反射防止膜パターン４及び基板１を半導体薄膜３が溶融しない程度に加熱できるものであればよく、Ｅｒ：ＹＡＧ，ＣＯ，ＣＯ₂レーザ等の赤外線レーザ等を用いることができ、ＣＯ₂レーザが好適に用いられる。
また、第２レーザに赤外線レーザを用いた場合、反射防止膜パターン４の赤外線レーザに対する吸収率は、反射膜パターン５及び半導体薄膜３の赤外線レーザに対する吸収率よりも高いことが好ましい。この場合、半導体薄膜３を溶融させることなく、赤外線レーザの出力を大きくでき、反射防止膜パターン４の保温効果をより効果的に発揮させることができる。

なお、第２のレーザにより半導体薄膜３、反射防止膜パターン４及び基板１を加熱する工程の代わりに、又は、この工程とともに、半導体薄膜３が溶融しない程度に基板１をヒータ等により加熱する工程を設けてもよい。この場合、基板１からの熱により、反射防止膜パターン４の下部領域における半導体薄膜３の結晶化速度がより遅くなり、反射防止膜パターン４の下部で成長する結晶の結晶粒径がさらに大きくなる。

この発明は、別の観点から見ると、上述の第１、第２及び第３の実施形態の半導体薄膜の製造方法により製造された半導体薄膜を提供するものでもある。

この発明は、さらに別の観点から見ると、上述の第１、第２及び第３の実施形態の半導体薄膜の製造方法により製造された半導体薄膜を用いたＴＦＴであって、反射防止膜パターン４の下部で結晶化された結晶化領域７をチャネル領域に含むＴＦＴを提供するものである。

上述の通り、反射防止膜パターン４の下部で結晶化された結晶化領域７は、結晶成長方向に粒界が形成されないため、この結晶化領域７をチャネル領域としてＴＦＴを作製することにより、電子移動度が大きく、素子特性のばらつきが小さいＴＦＴが作製される。

ＴＦＴは、反射防止膜パターン４の下部で結晶化された領域をＴＦＴのチャネル領域に含むように、得られた半導体薄膜をパターニングし、公知の方法でイオン注入、電極形成等を行うことにより作製できる。

なお、結晶化領域７はＴＦＴに限らず、大きな電子移動度が要求される種々の薄膜半導体装置の能動領域に好適に用いられる。

ここまでに説明した各要素は、任意に組み合わせることもできる。

以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。

この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法とその薄膜を用いたＴＦＴについて図７〜１６に基づいて説明する。
図７〜１２は実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法を示す工程図、図１３は図１１に示される工程で用いられるレーザ照射装置の概略構成を示す説明図、図１４は図７〜１２に示される工程により得られた多結晶半導体薄膜を用いて作製されたＴＦＴの平面図、図１５は図１４のＡ−Ａ断面図、図１６は図１４のＢ部拡大図である。
なお、図８及び図１０において、図８（ａ）及び図１０（ａ）は断面図を示し、図８（ｂ）及び図１０（ｂ）は平面図を示している。

まず、図７に示されるように、ＴＦＴ基板となるガラス基板１１の上に、酸化シリコンからなる下地膜１２、半導体薄膜としての非晶質シリコン膜１３および酸化シリコンからなる反射防止膜１４を順に積層する。
下地膜１２は、不純物拡散防止膜として機能するもので、ＣＶＤ法により形成される。
また、非晶質シリコン膜１３及び反射防止膜１４もＣＶＤ法により形成され、それらの膜厚はそれぞれ５０ｎｍである。

次に、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように、反射防止膜１４（図７参照）を長方形状にパターニングして反射防止膜パターン１５を形成する。
次に、図９に示されるように、非晶質シリコン膜１３および反射防止膜パターン１５上に、Ａｌ−Ｍｏ合金からなる反射膜１６を形成する。
次に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように、反射膜１６をパターニングして反射膜パターン１７を形成する。ここで特に図１０（ｂ）に示されるように、反射膜パターン１７はその長辺の一つが、反射防止膜パターン１５の長辺の１つと接するように形成される。

次に、図１１に示されるように、第１レーザとしてのＸｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８を反射防止膜パターン１５と反射膜パターン１７と直接照射領域（非晶質シリコン膜１３の露出領域）１３ｃ，１３ｄに照射する。
ここで、図１３にＸｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８（図１１参照）の照射に用いるレーザ照射装置１００を示す。レーザ照射装置１００は、第１レーザ発振器３１、結像レンズ３５、及びレーザ照射を行う基板を搭載して駆動を行うステージ３７を有し、必要に応じてホモジナイザ、ビームエキスパンダなどの光学素子群３２、ミラー３３、フィールドレンズ３４を有する。ステージ３７には前述の図７〜１０に示す工程を経て得られたガラス基板１１が載置される。

レーザ発振器３１からは、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザビームが出射される。レーザ発振器３１から出射されたビームは、エキスパンダにより適当なビームサイズに変換され、ホモジナイザにより、ビーム断面内の放射照度の一様化が図られたうえ、フィールドレンズ３４を経て結像レンズ３５に入射する。

ここでビームエキスパンダは、望遠系もしくは縮小系を有する光学系であり、結像レンズ３５への入射領域の大きさを決めるものである。ホモジナイザは、レンズアレーもしくはシリンドリカルレンズアレーにより構成され、ビームを分割し再合成することにより、マスク上の照射領域内での放射照度の一様化を図るものである。また、フィールドレンズ３４は、第１レーザ発振器３１より出射された主光線を結像レンズ３５に垂直に入射させる機能を有する。

ホモジナイザおよびフィールドレンズ３４を通過させた光を結像レンズ３５によりガラス基板１１の表面に結像させる。結像レンズ３５により、ガラス基板１１上に第１レーザ発振器３１より出射された主光線を結像させると、そのレーザパワーによりガラス基板１１上の非晶質シリコン膜１３（図１１参照）が溶融し、かつパルス照射が終了すると、急速に冷却され結晶化が生じる。

実施例１では、図１１に示されるように、第１レーザとして波長３０８ｎｍのＸｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８を、反射防止膜パターン１５と反射膜パターン１７と直接照射領域１３ｃ，１３ｄに基板１１の上方から照射することによって、非晶質シリコン膜１３を一旦溶融させ、冷却時に結晶化させる。
反射防止膜パターン１５の膜厚は上述の通り５０ｎｍであるが、これは「発明を実施するための最良の実施の形態」で述べた関係、すなわち、５０ｎｍ≒３０８ｎｍ／４ｎの関係を満たしている。
このため、反射防止膜パターン１５は反射防止膜として作用し、反射防止膜パターン１５の下部領域１３ａでは入射エネルギーが増大して効率的に温度上昇が図られる。さらに、反射防止膜パターン１５には保温効果もあるため、反射防止膜パターン１５の下部領域１３ａでは冷却速度が遅くなる。

一方、反射膜パターン１７の下部領域１３ｂは、第１レーザ１８が反射膜パターン１７によって反射されて到達しないため、エネルギーの入射が僅かでほとんど溶融しない。
そのため、反射膜パターン１７と接する反射防止膜パターン１５の一方の縁から他方の縁へ向かって横方向に大きく結晶化が生じ、第１結晶化領域１９が形成される。

また、非晶質シリコン膜１３が露出し、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８が直接照射される直接照射領域１３ｃ，１３ｄにおける非晶質シリコン膜１３の温度は、反射防止膜パターン１５の下部領域１３ａにおける非晶質シリコン膜１３の温度に比べ、反射防止膜パターン１５の反射防止効果および保温効果がないため幾分低温となる。
その結果、反射膜パターンと接しない反射防止膜パターンの１５の他方の縁からも、横方向の結晶化が生じ第２結晶化領域２０が形成される。

しかしながら、反射膜パターン１７と接する反射防止膜パターン１５の一方の縁からの結晶化の方が他方の縁よりも早く始まるため、両縁から始まった横方向の結晶化は、反射防止膜パターン１５の中央付近でぶつかることなく反射防止膜パターン１５の他方の縁の近傍でぶつかる。
その結果、酸化シリコン膜パターン１５の下部領域１３ａには、結晶粒の成長方向が概ね一方向に揃い、結晶の成長方向に粒界を有さない第１結晶化領域１９が得られる。
また、反射防止膜パターン１５及び反射膜パターン１７に覆われていない直接照射領域１３ｃ，１３ｄは、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８の照射により、溶融もしくは半溶融の状態となり、多結晶領域２１となる。
その後、図１２に示されるように、反射防止膜パターン１５及び反射膜パターン１７（図１１参照）を除去することにより、第１結晶化領域１９、第２結晶化領域２０および多結晶領域２１からなる多結晶半導体薄膜の製造工程が完了する。

図１４〜図１６に、図７〜１２に示される上述の製造工程により製造された多結晶半導体薄膜を用いて作製されたＴＦＴを示す。
図１４〜１６に示されるＴＦＴ５０は、反射防止膜パターン１５の下部領域１３ａ（図１１参照）で結晶化された第１結晶化領域１９をＴＦＴ５０のチャネル領域５１に含むように、得られた多結晶半導体薄膜をパターニングし、公知の方法でイオン注入、電極形成等を行うことにより作製される。
図１６に示されるように、ＴＦＴ５０は、結晶の成長方向が概ね一方向に揃い、かつ、結晶の成長方向に粒界を有しない第１結晶化領域１９をチャネル領域５１に含むため、チャネル長方向の中央部付近に結晶粒界が形成されない。
このため、ＴＦＴ５０は電子移動度が大きく高性能であり、また、大量生産時における素子特性のばらつきも小さい。

次に、この発明の実施例２による多結晶半導体薄膜の製造方法について説明する。反射膜パターン１７を形成する工程までは、実施例１と同様である。実施例２による製造方法は、実施例１で図１１に示したＸｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８を照射する工程において、図１７に示されるレーザ照射装置２００を用い、少なくともＸｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８を照射する領域、もしくは、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８を照射する領域を含み前記領域より広い領域に、非晶質シリコン膜１３が溶融しない放射照度および照射時間で第２レーザとしてのＣＯ₂レーザ４３を照射する工程をさらに備える点のみが異なる。

図１７に示されるレーザ照射装置２００は、図１３のレーザ照射装置１００の構成に、ＣＯ₂レーザ４３を発する第２レーザ発振器３８、結像レンズ４２、ホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群３９、ミラー４０、フィールドレンズ４１、結像レンズ４２を加えたものである。各要素の機能は、上述の図１３に示されるレーザ照射装置１００と同様である。

ここで、ＣＯ₂レーザ４３の照射領域は、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８の照射領域を含み前記領域より広い領域とする。ＣＯ₂レーザ４３としては波長１０．６μmのものを用い、数十μｓ〜数ｍｓのパルス幅でパルス発振させる。このパルス幅は、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８のパルス幅に比べて十分大きい。
Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８の照射は、ＣＯ₂レーザ４３の照射中、ＣＯ₂レーザ４３の照射直前、又はＣＯ₂レーザ４３の照射直後に行われることが望ましい。

ＣＯ₂レーザ４３は、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ１８と同様に基板１１の上方から照射される。なお、図１７では、ＣＯ₂レーザ４３を斜め上方から照射しているが、これはあくまで図を分かり易く描くための便宜上のものである。
ＣＯ₂レーザ４３は反射防止膜パターン１５（図１１参照）に吸収され保温効果を発揮する一方で、反射膜パターン１７（図１１参照）により反射される。
このため、実施例１と同様に、反射膜パターン１７と接する反射防止膜パターン１５の一方の縁からの結晶化が、反射防止膜パターン１５の他方の縁からの結晶化よりも早く始まり、反射防止膜パターン１５の中央部付近でぶつかることなく、反射防止膜パターン１５の他方の縁の近傍まで結晶化が続く。
その結果、酸化シリコン膜パターン１５の下部領域１３ａ（図１１参照）には、結晶粒の成長方向が概ね一方向に揃い、成長方向に粒界を有しない第１結晶化領域１９が形成される。

また、反射防止膜パターン１５において選択的に吸収されたＣＯ₂レーザ４３による保温効果で、反射防止膜パターン１５の下部領域１３ａにおけるアモルファスシリコン膜の冷却速度がさらに遅くなり、第１結晶化領域１９の結晶粒径がさらに増大する。
したがって、第１結晶化領域１９をチャネル領域５１とするＴＦＴ５０（図１４〜１６参照）の特性はさらに向上し、また、結晶の横方向の成長距離も増大するため、酸化シリコン膜パターン１５の幅も大きくすることができ、ＴＦＴ素子の設計自由度がさらに向上する。

この発明による半導体薄膜の第１の製造方法の要点を説明する説明図である。 この発明による半導体薄膜の第２の製造方法の要点を説明する説明図である。 この発明による半導体薄膜の第３の製造方法の要点を説明する説明図である。 この発明の実施形態１による半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施形態２による半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施形態３による半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法を示す図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法で用いられるレーザ照射装置の概略的な構成を示す工程図である。 この発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の製造方法で製造された多結晶半導体薄膜を用いて作製されたＴＦＴの平面図である。 図１４に示されるＴＦＴのＡ−Ａ概略断面図である。 図１４に示されるＴＦＴのＢ部拡大図である。 この発明の実施例２による製造方法で用いられるレーザ照射装置の概略的な構成を示す工程図である。 従来の多結晶半導体薄膜の製造方法を示す説明図である。 従来の製造方法で製造された多結晶半導体薄膜を用いて作製されたＴＦＴの平面図である。 従来の製造方法で製造された多結晶半導体薄膜を用いて作製されたＴＦＴの平面図である。

符号の説明

１ 基板
３，３０３ 半導体薄膜
３ａ，１３ａ 反射防止膜パターンの下部領域
３ｂ，１３ｂ 反射膜パターンの下部領域
３ｃ，３ｄ，１３ｃ，１３ｄ 直接照射領域
４ 反射防止膜パターン
５ 反射膜パターン
６ 第１レーザ
７，８，３０６，３０７ 結晶化領域
１１ ガラス基板
１２ 下地膜
１３ 非晶質シリコン膜
１４ 反射防止膜
１５ 反射防止膜パターン
１６ 反射膜
１７ 反射膜パターン
１８ Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ
１９ 第１結晶化領域
２０ 第２結晶化領域
２１ 多結晶領域
３１ 第１レーザ発振器
３２，３９ 光学素子群
３３，４０ ミラー
３４，４１ フィールドレンズ
３５，４２ 結像レンズ
３７ ステージ
３８ 第２レーザ発振器
４３ ＣＯ₂レーザ
１００，２００ レーザ照射装置
５０，３０８ ＴＦＴ
５１ チャネル領域
３０１ 絶縁性基板
３０４ 絶縁膜パターン
３０５ レーザ

Claims (13)

1. 基板上に少なくとも半導体薄膜を形成し、半導体薄膜上の一部に反射防止膜パターン及び反射膜パターンを互いに隣接するように形成し、基板上方から第１レーザを照射して反射防止膜パターンの下部に方向性の揃った半導体粒を形成する工程を備える半導体薄膜の製造方法。
2. 基板上に少なくとも半導体薄膜を形成し、半導体薄膜上の一部に反射防止膜パターンを形成し、反射防止膜パターン上の一部に反射膜パターンを形成し、基板上方から第１レーザを照射して反射防止膜パターンの下部に方向性の揃った半導体粒を形成する工程を備える多結晶半導体薄膜の製造方法。
3. 基板上に少なくとも半導体薄膜を形成し、半導体薄膜上の一部に反射膜パターンを形成し、反射膜パターンと半導体薄膜の一部を覆うように反射防止膜パターンを形成し、基板上方から第１レーザを照射して反射防止膜パターンの下部に方向性の揃った半導体粒を形成する工程を備える半導体薄膜の製造方法。
4. 反射防止膜パターン及び反射膜パターンを形成する前記工程は、反射防止膜パターンの縁の一部が反射膜パターンの縁の一部と接するように、反射防止膜パターン及び反射膜パターンを形成する工程である請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
5. 反射膜パターンを形成する前記工程は、反射膜パターンの縁の一部が反射防止膜パターンの縁の一部と一致するように、反射膜パターンを形成する工程である請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
6. 反射防止膜パターンを形成する前記工程は、反射防止膜パターンの縁の一部が反射膜の縁の一部と一致するように、反射防止膜パターンを形成する工程である請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
7. 第１レーザの照射領域を含む領域に、半導体薄膜を溶融させない放射照度及び照射時間で第２レーザを照射する工程をさらに備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体薄膜の製造方法。
8. 第２レーザの照射時間は第１レーザの照射時間よりも長い請求項７に記載の半導体薄膜の製造方法。
9. 反射防止膜パターンが、酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜のいずれか１つからなる請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体薄膜の製造方法。
10. 反射膜パターンが、Ａｌ膜、Ｍｏ膜、Ｗ膜、Ａｌ−Ｍｏ合金膜及びＡｌ−Ｗ合金膜のいずれか１つからなる請求項１〜９のいずれか1つに記載の半導体薄膜の製造方法。
11. 第２レーザは赤外線レーザであり、反射防止膜パターンの赤外線レーザに対する吸収率が、反射膜パターン及び半導体薄膜の赤外線レーザに対する吸収率よりも高い請求項７又は８に記載の半導体薄膜の製造方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体薄膜の製造方法により製造された半導体薄膜。
13. 請求項１２に記載の半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタであって、反射防止膜パターンの下部に形成された方向性の揃った結晶粒をチャネル領域に含む薄膜トランジスタ。

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