JP2005191470A

JP2005191470A - 半導体薄膜の製造方法

Info

Publication number: JP2005191470A
Application number: JP2003434183A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Taniguchi; 仁啓谷口; Tetsuya Inui; 哲也乾; Masanori Seki; 政則関
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】結晶化領域を拡大可能な半導体薄膜の製造方法であって、工業的にも生産性に優れた半導体薄膜の製造方法を提供する。
【解決手段】第一のレーザ光を照射して、前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融し、再結晶化させて、第一の多結晶半導体領域を形成する第一のレーザ照射工程と、前記第一の多結晶半導体領域よりも、前駆体半導体薄膜の前記第一のレーザ照射工程によって結晶化されない非晶質半導体領域に多く吸収される第二のレーザ光を照射し、前記第一の多結晶半導体領域に連続する非晶質半導体領域を厚さ方向全域にわたって溶融させて、第一の多結晶半導体領域に連続する多結晶半導体領域を形成する第二のレーザ照射工程とを含む、半導体薄膜の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体薄膜の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、レーザ光の照射による前駆体半導体薄膜の溶融と再結晶という現象を利用する、多結晶半導体領域を有する半導体薄膜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用いられている薄膜トランジスタ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｇｉｓｔｅｒ（本明細書において、ＴＦＴとも記載する））は、非晶質もしくは結晶性のシリコンを活性層として用いる場合が多い。このうち、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンなどの結晶性シリコンの薄膜トランジスタは、電子の移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較し、多くの長所を有している。

結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、たとえば、表示装置の画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路や周辺回路を形成することもでき、これらの素子や回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、これらの表示装置を低価格で提供することが可能となる。

また、その他の長所として、結晶性シリコンの薄膜トランジスタを用いた場合には、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、表示装置の高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。このように結晶性シリコンを用いた薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタに比べて、多くの利点を有している。

ここで、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンなどの結晶性シリコン薄膜の製造方法としては、レーザ光を用いた再結晶化技術が数多く提案されている。最も初期の提案は、連続放射するレーザ光を走査して、基板上の前駆体半導体薄膜を溶融再結晶化するものであり、一般にはＺＭＲ（ＺｏｎｅＭｅｌｔｉｎｇＲｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）法と称される。

また近年では、エキシマレーザを用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンを多結晶化する技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。

エキシマレーザによる結晶化技術は、アモルファス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程度の線状のエキシマレーザをガラス基板上のアモルファスシリコン薄膜にパルス放射するものである。この方法によって、アモルファスシリコン薄膜の厚さと同程度の平均粒径を有する多結晶シリコン薄膜が形成される。

このとき、エキシマレーザを照射した部分のアモルファスシリコン薄膜は、厚さ方向全域にわたって溶融させるのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融させる。するとレーザ光照射領域全面にわたって、いたるところにシリコンの結晶核が発生するので、シリコン薄膜の最表層に向かってシリコンの結晶が形成される。

上記のようなエキシマレーザを用いた再結晶化技術は一般的にＥＬＡ（ＥｘｃｉｍｅｒＬａｓｅｒＡｎｎｅａｌｉｎｇ）法と称され、生産性に優れるレーザ結晶化技術として、工業的に用いられている。しかしながら、ＥＬＡ法は、生産性に優れるものの、（１）形成される結晶は複数の微細粒状の結晶の集合体であるため、結晶粒の位置決めができないこと、（２）結晶の品質は結晶欠陥である結晶粒界が無数に存在するため、単結晶シリコンに比べて劣悪であること、などの課題を有しており、これら課題を解決するために、スーパーラテラル成長技術と称するレーザ再結晶化技術の提案が数多くなされている。ラテラル成長技術は、前駆体半導体薄膜を部分的に溶融させて、溶融／未溶融領域の境界部分から基板面に水平な方向（横方向）に結晶成長させるものである。たとえば特許文献１、２には、スーパーラテラル成長技術の代表的提案例が開示されている。

特許文献１には、ラテラル成長技術のなかでもキャップ法と称される技術が開示されている。上記特許文献１に記載されているスーパーラテラル成長技術は、前駆体半導体薄膜上にレーザ光の反射防止膜として作用するキャップ層を選択的に形成し、エキシマレーザなどのパルスレーザを照射することによって、キャップ層下部の前駆体薄膜を選択的に溶融／凝固させて良質の多結晶半導体薄膜に再結晶化する方法である。これにより、キャップ層の端部から中央部に針状の結晶が形成される（図１０）。かかるキャップ法の最大の利点は、キャップパターンを形成した位置が結晶化位置になるため、結晶化領域が自動的に位置決め制御される点にある。すなわち、薄膜トランジスタを配置したい位置にキャップ層を形成し、キャリアの移動方向と結晶成長方向を一致させると、キャリアの移動方向には結晶粒界が存在しないので、ＥＬＡ法よりも高い移動度を有する薄膜トランジスタを形成することができる。

一方、特許文献２には、逐次連続結晶化方法と称される技術が開示されている。特許文献２に記載された逐次連続結晶化方法は、複数回のパルスレーザ照射を繰返す中で、前回のパルスレーザ照射で形成された結晶を引き継ぐように逐次連続的に結晶を成長させる方法であり、パルスレーザ照射の回数に応じて、必要とする長さの針状結晶を得ることが可能である。
特開２０００−２６０７０９号公報特許第３２０４９８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来のキャップ法によるスーパーラテラル成長技術は、キャップ層の端部には無数の結晶核が形成されるので、結晶化領域の位置決めは可能であるが、１パルスのレーザ照射で結晶化が完了する手法であるため、結晶粒の成長距離、すなわち結晶粒の大きさが極めて制限されるといった課題を有している。

また、特許文献２に記載された逐次連続結晶化方法では、複数回のパルスレーザ照射を繰り返すために、キャップ法に比べて生産性が悪いという課題を有している。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、結晶化領域を拡大可能な半導体薄膜の製造方法であって、工業的にも生産性に優れた半導体薄膜の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、基本的には逐次連続結晶化法で結晶化領域を拡大する方法を応用して、生産性に優れた製造方法を見出せばよいとの着想を得、そのようなレーザ再結晶化工程を見出すべく、鋭意研究開発に取組んだ結果、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は、次のとおりである。

本発明の半導体薄膜の製造方法は、第一のレーザ光を照射して、前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融し、再結晶化させて、第一の多結晶半導体領域を形成する第一のレーザ照射工程と、前記第一の多結晶半導体領域よりも、前駆体半導体薄膜の前記第一のレーザ照射工程によって結晶化されない非晶質半導体領域に多く吸収される第二のレーザ光を照射し、前記第一の多結晶半導体領域に連続する非晶質半導体領域を厚さ方向全域にわたって溶融させて、第一の多結晶半導体領域に連続する多結晶半導体領域を形成する第二のレーザ照射工程とを含むことを特徴とする。

本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、第一のレーザ照射工程の前に、前記非晶質半導体薄膜上に、第一のレーザ光に対して反射防止膜もしくは反射膜として作用するキャップ層を部分的に形成するキャップ層形成工程をさらに含むことが好ましい。

本発明の半導体薄膜の製造方法では、第一のレーザ照射工程および第二の照射工程において、ともにパルス放射するレーザ光を照射する、または、第一のレーザ照射工程において連続放射するレーザ光を照射し、かつ、第二のレーザ照射工程においてパルス放射するレーザ光を照射するのが好ましい。

また、本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第一のレーザ照射工程において紫外域から可視域の波長を有するレーザ光を照射し、かつ、第二のレーザ照射工程において可視域の波長を有するレーザ光を照射するのが好ましい。

本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、従来技術に比べて、レーザを用いた再結晶化領域を拡大することが可能になり、種々の大きさの薄膜半導体装置を製造することが可能になった。

以下、実施の形態を示して本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施形態の概要を説明する図面である。本発明の半導体薄膜の製造方法は、第一のレーザ光を照射して、前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融し、再結晶化させて、第一の多結晶半導体領域を形成する第一のレーザ照射工程と、前記第一の多結晶半導体領域よりも、前駆体半導体薄膜の前記第一のレーザ照射工程によって結晶化されない非晶質半導体領域に多く吸収される第二のレーザ光を照射し、前記第一の多結晶半導体領域に連続する非晶質半導体領域を厚さ方向全域にわたって溶融させて、第一の多結晶半導体領域に連続する多結晶半導体領域を形成する第二のレーザ照射工程とを含むことを特徴とする。かかる本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、従来の半導体薄膜の製造方法と比較して、レーザ光を用いた再結晶化領域を拡大することができ、種々の大きさの半導体薄膜装置を製造することができる。

本発明の製造方法では、まず、図１（ｂ）に示すように、図１（ｂ）に示すように、前駆体半導体薄膜３上に第一のレーザ光を照射し、前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融させる。このような第一のレーザ照射工程によって、前駆体半導体薄膜の部分的に溶融された領域においてスーパーラテラル成長が発現し、再結晶化されて当該端部に発生した無数の核から伸長する針状結晶が形成され、第一の多結晶半導体領域が形成される。

当該第一のレーザ照射工程にて照射される第一のレーザ光は、非晶質シリコンに対し高い吸収率を有するレーザ光を好適に用いることができる。このようなレーザ光としては、特に制限されるものではないが、非晶質シリコンに対して比較的良好な吸収特性が得られることから、紫外域または可視域の波長を有するもの（紫外域から可視域の波長を有するもの）を用いることが好ましい。ここで、本明細書中における「紫外域の波長」とは、１ｎｍ以上４００ｎｍ未満の波長を指し、「可視域の波長」とは、４００ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長を指すものとする。中でも、７００ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を用いるのが好ましく、工業的に広く使用されている波長３０８ｎｍのエキシマレーザまたは波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザが特に好適である。

次に、図１（ｃ）に示すように、前記第一の多結晶半導体領域よりも、前駆体半導体薄膜の前記第一のレーザ照射工程によって結晶化されない非晶質半導体領域に多く吸収される第二のレーザ光を照射する。これにより、前記第一の多結晶半導体領域に連続する非晶質半導体領域を厚さ方向全域にわたって溶融され、第一の多結晶半導体領域に連続する多結晶半導体領域が形成される。

本発明の半導体薄膜の製造方法において重要なことは、第二のレーザ光として、結晶性シリコンよりも非晶質シリコンに吸収の多い波長のレーザ光を用いることである。図２は、非晶質シリコン薄膜と、結晶性シリコン薄膜との分光吸収特性を説明する図面である。図２から判るように、可視域の波長（３８０〜７００ｎｍ）において、非晶質シリコンの吸収率は、結晶性シリコンの吸収率に比して高率であり、特に５００ｎｍ〜５５０ｎｍにおいて、非晶質シリコンの吸収率は、結晶性シリコンの吸収率に対して極めて高率といえる。例えば、波長５３２ｎｍの光に対して、非晶質シリコンの吸収率は、１４％、一方、結晶性シリコンの吸収率は、２３％である。このように、第二のレーザ照射工程において用いる第二のレーザ光としては、可視域の波長を有するレーザ光を用いるのが好ましく、可視域の波長の中でも５００〜５５０ｎｍの波長のレーザ光を用いるのがより好ましく、５３２ｎｍの波長のＹＡＧレーザを用いるのが特に好ましい。第二のレーザ照射工程においては、上述したような第二のレーザ光のエネルギを、第一のレーザ照射工程で結晶化された結晶化領域５を除く部分、すなわち非晶質シリコン部だけが限定的に全厚さ方向にわたって溶融するように調整して照射する。

本発明の半導体薄膜の製造方法においては、図１（ａ）に示すように、第一のレーザ照射工程の前に、前記前駆体半導体薄膜上に、第一のレーザ光に対して反射防止膜もしくは反射膜として作用するキャップ層を部分的に形成するキャップ層形成工程をさらに含むことが好ましい。これにより、第一のレーザ照射工程で部分的に形成された結晶を核として、第二のレーザ工程で結晶化領域を拡大することが可能になるという利点がある。

キャップ層４は、前駆体半導体薄膜３上の全面ではなく部分的に形成されるならば、その形成のされ方に特に制限はなく、たとえば、直線状（ストライプ状）あるいは鋸刃状、波線状などの曲線状の短冊形状、円形状、三角形状、方形状その他の形状によるドット形状などが挙げられる。中でも、短冊状またはドット状にキャップ層を形成するのが好ましい。ＴＦＴの活性層は図６（ｃ）に示すように、通常矩形を組み合わせた形状であるため、特に活性層を短冊状に形成するとＴＦＴ設計がやりやすいというような利点がある。また、キャップ層をドット状、特に円形状のドット状に形成することで、単一の核から扇状に結晶が成長し、この扇形結晶を核に結晶領域が拡大できる（図８（ｃ））ので、矩形のキャップ層と比較すると、単結晶領域の面積が大きくなるというような利点がある。

キャップ層の形成材料としては、上記のように第一のレーザ光に対して反射防止膜または反射膜として作用するような材料が適宜選択される。反射防止膜として作用するキャップ層の形成材料としては、たとえば、第一のレーザ光が３０８ｎｍの波長のエキシマレーザである場合には、酸化シリコン、窒化シリコンなどが挙げられる。また、反射膜として作用するキャップ層の形成材料としては、第二のレーザ光が５３２ｎｍの波長のＹＡＧレーザである場合には、タングステン、チタンなどが挙げられる。なお、キャップ層は単層であっても多層であってもよい。

前駆体半導体薄膜上に部分的にキャップ層を形成する方法としては、たとえば、ＣＶＤ法やスパッタ法によって、上記キャップ層の形成材料を用いて薄膜を形成した上に、フォトリソグラフィー法によって所定のパターン（形状）を有するように、キャップ層を形成することができる。

図３は、波長３０８ｎｍのレーザ光に対するキャップ層の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。なお、図３は、ガラス基板上に非晶質シリコン４５ｎｍ、酸化シリコン（キャップ層）を順に形成した場合の計算例を示している。たとえば、キャップ層なし（膜厚０ｎｍ）の場合は反射率は６０％であり、膜厚４５ｎｍにすると反射率は３０％となる。３０８ｎｍのレーザ光は非晶質シリコンを透過せず、酸化シリコンを１００％透過するとすれば、非晶質シリコンに吸収される光は、キャップ層なしの場合４０％、キャップ層ありの場合は７０％となる。したがって、レーザ光のエネルギを調整すれば、キャップ層が形成された領域の非晶質シリコンだけを溶融させることが可能となる。

本発明におけるキャップ層の厚みは、その目的や形成材料などによりその好適な範囲は異なるが、たとえば酸化シリコンにて反射防止膜として作用するキャップ層を形成する場合には、使用するレーザ光の波長を３０８ｎｍとした場合には、図３のグラフにおいて反射率が３０％となる４５ｎｍ、１４５ｎｍ、・・・などの厚みを選択することによって、良好な反射防止効果を得ることができる。

また、たとえばチタンやタングステンにて反射膜として作用するキャップ層を形成する場合には、キャップ層の厚みは、０．５〜１．０μｍであるのが好ましい。

キャップ層は、第一のレーザ照射工程と第二のレーザ照射工程との間に除去されてもよく、また、第二のレーザ照射工程まで終わった後に除去されてもよい。キャップ層の除去は、従来公知の手法、たとえばウェットエッチング法によって容易に除去することができる。

本発明の半導体薄膜の製造方法においては、第一のレーザ照射工程および第二の照射工程において、ともにパルス放射するレーザ光を照射することが好ましい。このようにすることで、（キャップ層の形状で決定される）任意の形状の種結晶から単結晶化領域を拡大することができるという特徴がある。

また、第一のレーザ照射工程において連続放射するレーザ光を照射し、かつ、第二のレーザ照射工程においてパルス放射するレーザ光を照射するようにするのも好ましい。このようにすることで、帯状の種結晶領域から結晶化領域を拡大することができるというような特徴がある。この場合、第一のレーザ照射工程は、集光したレーザ光の中心が、前駆体半導体薄膜の第一の多結晶半導体領域を形成しようとする領域の中心に一致するように位置決めして調整して走査するようにして、第一のレーザ光の照射を行う。

図４は、上述した本発明の半導体薄膜の製造方法によって得られる結晶を示す図である。図４において、図４（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）〜（ｃ）の各工程に対応した結晶の状態を示している。なお、図１（ｂ），（ｃ）においては、模式的に、前駆体半導体薄膜のキャップ層が形成された領域の端部から結晶成長するように示されているが、前駆体半導体薄膜にエネルギビームを照射して前駆体半導体を溶融するという観点から、厳密には前駆体半導体薄膜のキャップ層が形成された領域の端部に核発生する訳ではない。まず、前駆体半導体薄膜のキャップ層が形成された領域１１ａ，１１ｂ（図４（ａ））に第一のレーザ光を照射することによって、図４（ｂ）に示すように前駆体半導体薄膜のキャップ層が形成された領域の端部からわずかに広がった領域１２ａ，１２ｂが溶融する、いわゆる「滲みだし」が生じる。そして、第二のレーザ照射工程では、前駆体半導体薄膜のキャップ層が形成されていない領域の端部からわずかに広がった領域（すなわち、キャップ層が形成された領域の内部）にまで溶融する、いわゆる「滲みこみ」が生じる。これにより、第二のレーザ照射工程で形成された結晶は、第一のレーザ照射工程で形成された結晶を引き継いで成長し、形成される針状結晶の長さを伸張させることが可能となる。

本発明の方法に用いる前駆体半導体薄膜としては、非晶質半導体あるいは結晶性半導体であれば特に限定されず、任意の半導体材料を用いることができる。前駆体半導体薄膜５の材質の具体例としては、従来から汎用的に使用されているという理由から、水和したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）をはじめとするアモルファスシリコンを含む材質が好ましいが、この材質はアモルファスシリコンを含む材質に限られるものではなく、多少結晶性に劣る多結晶シリコンを含む材質であってもよく、微結晶シリコンを含む材質であってもよい。また、前駆体半導体薄膜の材質は、シリコンのみ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であってもよい。たとえば、ゲルマニウムを添加することにより前駆体半導体薄膜の禁制帯幅を任意に制御することができる。

前駆体半導体薄膜の厚さは、特に制限されるものではないが、３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が好適である。

また前駆体半導体薄膜は、通常、絶縁性基板上に形成された構造物（当該構造物を、本明細書では「基板複合体」と呼ぶ。）の形態で、本発明の製造方法に供される。このような基板複合体において、前駆体半導体薄膜は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって絶縁性基板上に形成される。

絶縁性基板としては、ガラスや石英などを含む材質にて形成された公知の基板を好適に用いることができる。また、これらの材質の中でも、安価である点、大面積の絶縁性基板を容易に製造できる点で、ガラス製の絶縁性基板を用いることが望ましい。絶縁性基板の厚みは、特に制限されるものではないが、０．５〜１．２ｍｍであるのが好ましい。絶縁性基板の厚みが０．５ｍｍ未満であると、割れやすい、高平坦性の基板を製造することが困難である傾向にあるためであり、また、１．２ｍｍを越えると、表示素子が厚くなる、重くなる傾向にあるためである。

また、前記基板複合体において、前駆体半導体薄膜は、絶縁性基板上にバッファ層を介して形成されてなるのが好ましい。バッファ層を形成することにより、主としてレーザ光による溶融、再結晶化の際に、溶融した前駆体半導体薄膜の熱影響がガラス基板である絶縁性基板に及ばないようにすることができ、さらにガラス基板である絶縁性基板から前駆体半導体薄膜への不純物拡散を防止することができるからである。たとえば、図１（ａ）には、絶縁性基板１に、順次積層されたバッファ層２と、前駆体半導体薄膜３とを備える基板複合体の上に、キャップ層４を形成したものを、本発明の半導体薄膜の製造方法に好適に使用することができる。

バッファ層は、当分野で従来より用いられている酸化シリコン、窒化シリコンなどの材料にてたとえばＣＶＤ法などにて形成することができ、特に制限されるものではない。中でもガラス基板と同一成分であり、熱膨張係数などの各種物性がほぼ等しいことから、酸化シリコンにてバッファ層を形成するのが好ましい。

図５は、本発明の半導体薄膜の製造方法に好適に用いることができる装置（半導体薄膜製造装置）の一例を模式的に示す図である。図５に示す例の半導体薄膜製造装置は、第一のレーザ発振器２１と、第一のレーザ光路２０を形成する各種光学部品と、第二のレーザ発振器３１と、第二のレーザ光路３０を形成する各種光学部品とを基本的に備えている。なお、図５に示す半導体薄膜の製造装置においては、第一のレーザ光路２０と第二のレーザ光路３０とにおいて、同一機能を有する各種光学部品には同一番号を付与している。このような半導体薄膜製造装置は、当分野にて従来より広く用いられている公知のレーザ発振器３１および各種光学部品を適宜組み合わせることによって好適に実現することができる。

図５に示す半導体薄膜製造装置においては、第一のレーザ発振器２１から放射された第一のレーザ光が基板複合体２７に至るまでの第一光路２０は、マスク２５のパターン形成面を均一照明する照明系と、マスク２５の像を基板複合体２７上に縮小投影する結像系とから構成されている。

第一のレーザ発振器２１は、レーザビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であるレーザ発振器であって、上記キャップ層４を形成する場合には、当該キャップ層４を第一のレーザ光に対して反射防止膜として作用させるか、反射膜として作用させるかによって、適宜選択される。すなわち、キャップ層４を反射防止膜として作用させる場合には、そのような波長を有するレーザ光を発振するレーザ発振器、具体的には、３０８ｎｍの波長のレーザを発振するエキシマレーザ発振器など、を第一のレーザ発振器として用いる。また、キャップ層４を反射膜として作用させる場合には、そのような波長を有するレーザ発振器、具体的には、５３２ｎｍの波長のレーザを発振するＹＡＧレーザ発振器など、を第一のレーザ発振器として用いる。

第一のレーザ発振器２１より放射されたレーザ光は、第一のレーザ光路２０に設けられた可変減衰器２２ａによって、エネルギ量を調整される。その後、第一のレーザ光は、ビーム整形素子２３によって適当な寸法に整形され、マスク面均一照明素子２４によってマスク２５のパターン形成面に均一に照射される。マスク２５の像は、結像レンズ２６によって、基板複合体２７上に所定倍率で結像される。

なお、図５に示す半導体薄膜の製造装置においては、マスク２５とマスク面均一照明素子２４の間にフィールドレンズを設置し、結像系を像側テレセントリック系としてもよい。また、レーザ光路に設けられたミラー２８ａ，２８ｂは、レーザ光を折返すために用いるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。

また、図５に示す半導体薄膜製造装置における第二のレーザ光路３０は、第二のレーザ発振器３１より発振された第二のレーザ光が、可変減衰器２２ｂ、基板複合体面均一照明素子３３を経て基板複合体２７上に照射されるように構成される。

第二のレーザ発振器３１は、レーザビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であるレーザ発振器であって、結晶性シリコンよりも非晶質シリコンに吸収の多い波長のレーザ光を発振するものを用いる。このような第二のレーザ発振器としては、たとえば、５３２ｎｍの波長のレーザ光を発振するＹＡＧレーザが例示される。

第二のレーザ発振器３１より放射されたレーザ光は、可変減衰器２２ｂによって、エネルギ量を調整される。その後、第二のレーザ光は、基板複合体面均一照明素子３３を経て、基板複合体２７の表面に均一に照明される。

第二のレーザ光路３０に設けられたミラー２８ｃ，２８ｄは、第二のレーザ光を折り返すために用いられるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。

上述したような基本構成を備える半導体薄膜製造装置を用いることによって、本発明の半導体薄膜の製造方法を好適に実施することができる。なお、上述した半導体薄膜製造装置は、二台のレーザ発振器を備える構成を例示したが、第一のレーザ発振器、第二のレーザ発振器のうちのいずれか一方のみのレーザ発振器を備える半導体薄膜製造装置を用い、これに第一のレーザ発振器、第二のレーザ発振器のうちのいずれか他方のレーザ発振器を備えるレーザ照射装置と組み合わせてもよい（すなわち、二台のレーザ発振器が一体的に半導体薄膜製造装置に組み込まれてなくともよい）。

図６は、本発明の半導体薄膜の製造方法を利用した、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法の好ましい一例を模式的に示す図である。本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、従来の結晶と比較して結晶の大きさが大きいため、種々の大きさの高性能薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を製造することが可能である。

まず、本発明の半導体薄膜の製造方法によって、多結晶半導体薄膜を形成する（図６（ａ））。次に、図６（ｂ）に示すように、シリコンアイランド領域５２をフォトリソグラフィー法によって形成する。このとき、チャネル領域５３は、キャリアの移動方向（図６（ｂ）中の左右方向）に大結晶粒界５１ａ、５１ｂ、５１ｃを含まないように配置する。そして、図６（ｃ）に示すように、絶縁層を形成した後、ゲート電極５４を形成する。このようにして、本発明の半導体薄膜の製造方法を利用することによって、高性能な薄膜トランジスタを、種々の大きさにて容易に製造することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
図７は、本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施例を示す図である。

まず、絶縁性基板３１上に順次積層されたバッファ層３２、前駆体半導体薄膜３３上に直線状の短冊形状（ストライプ状）のキャップ層３４を形成した基板複合体（図７（ａ））上に、第一のレーザ照射工程を行い、前駆体半導体薄膜のキャップ層３４が形成された領域の非晶質シリコンを再結晶化して種結晶３５を形成した（図７（ｂ））。キャップ層３４は、酸化シリコンを用い、プラズマＣＶＤ法によって厚みを１７０ｎｍに形成した。また、第一のレーザ光としては、パルス放射型の３０８ｎｍのエキシマレーザを用いた。

次に、前記キャップ層を除去した。図７（ｂ）に示すように、キャップ層が形成されていた位置には結晶性シリコンの種結晶３５が形成され、キャップ層が形成されていなかった領域３６には非晶質シリコンがそのまま存在する。

さらに、第一のレーザ照射工程で結晶化されていない領域３６（非晶質シリコン薄膜）に、第二のレーザ光を照射した。第二のレーザ照射工程には、結晶性シリコンよりも非晶質シリコンに吸収の多い波長のレーザである、パルス型、波長５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザを使用した。これにより、非晶質シリコン領域だけを限定的に溶融・再結晶化させ、第一の多結晶半導体領域に連続する多結晶半導体領域を形成した。

＜実施例２＞
図８は、本発明の半導体薄膜の製造方法の他の実施例を示す図である。

図８に示す例においては、円形状のドット状のキャップ層４４を前駆体半導体薄膜上に形成した以外は、実施例１と同様にして行った。かかるドット状のキャップ層４４を形成した場合、パターンの配列を規則的なものとすることによって、形成される結晶も規則的に配置される。

＜実施例３＞
図９は、本発明の半導体薄膜の製造方法のさらに他の実施例を示す図である。

まず、絶縁性基板７１上に順次積層されたバッファ層７２、前駆体半導体薄膜７３上に直線状の短冊形状（ストライプ状）のキャップ層７４を形成した基板複合体（図９（ａ））上に、第一のレーザ照射工程を行い、前駆体半導体薄膜のキャップ層７４が形成された領域の非晶質シリコンを再結晶化して種結晶７５を形成した（図９（ｂ））。キャップ層７４は、５３２ｎｍの波長のレーザ光を反射させる作用を有するものとして、０．２μｍ厚のアルミニウムの層で形成した。第一のレーザ照射工程における第一のレーザ光は、連続発振型で、５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザを用いた。

次に、前記キャップ層を除去した。図９（ｂ）に示すように、キャップ層が形成されていた位置には結晶性シリコンの種結晶７５が形成され、キャップ層が形成されていなかった領域７６には非晶質シリコンがそのまま存在する。

さらに、第一のレーザ照射工程で結晶化されていない領域７６（非晶質シリコン薄膜）に、第二のレーザ光を照射した。第二のレーザ照射工程には、結晶性シリコンよりも非晶質シリコンに吸収の多い波長のレーザである、パルス型、波長５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザを使用した。これにより、非晶質シリコン領域だけを限定的に溶融・再結晶化させ、第一の多結晶半導体領域に連続する多結晶半導体領域を形成した。

＜実施例４＞
鋸刃状の短冊形状のキャップ層を前駆体半導体薄膜上に形成した以外は、実施例１と同様にして行った。

本発明の半導体薄膜の製造方法を模式的に示す図である。非晶質シリコン薄膜と、結晶性シリコン薄膜との分光吸収特性を説明する図である。波長３０８ｎｍのレーザ光に対するキャップ層の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。本発明の半導体薄膜の製造方法によって得られる結晶を示す図である。本発明の半導体薄膜の製造方法に好適に用いることができる装置（半導体薄膜製造装置）の一例を模式的に示す図である。本発明の半導体薄膜の製造方法を利用した、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法の好ましい一例を模式的に示す図である。本発明の半導体薄膜の製造方法の一実施例を示す図である。本発明の半導体薄膜の製造方法の他の実施例を示す図である。本発明の半導体薄膜の製造方法のさらに他の実施例を示す図である。従来の多結晶シリコン薄膜の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１絶縁性基板、２バッファ層、３前駆体半導体薄膜、４キャップ層、５第一レーザ照射工程において結晶化された領域、１１ａ，１１ｂキャップ層、１２ａ，１２ｂ第一レーザ照射工程においてラテラル成長した結晶、１３ａ，１３ｂ第一レーザ照射工程と第二レーザ照射工程を経て形成された結晶、２１，３１レーザ発振器、２２ａ，２２ｂ可変減衰器、２３ビーム整形素子、２４マスク面均一照明素子、２５マスク、２６結像レンズ、２７基板複合体、２８ａ〜２８ｄミラー。

Claims

第一のレーザ光を照射して、前駆体半導体薄膜を部分的に厚さ方向全域にわたって溶融し、再結晶化させて、第一の多結晶半導体領域を形成する第一のレーザ照射工程と、
前記第一の多結晶半導体領域よりも、前駆体半導体薄膜の前記第一のレーザ照射工程によって結晶化されない非晶質半導体領域に多く吸収される第二のレーザ光を照射し、前記第一の多結晶半導体領域に連続する非晶質半導体領域を厚さ方向全域にわたって溶融させて、第一の多結晶半導体領域に連続する多結晶半導体領域を形成する第二のレーザ照射工程とを含む、半導体薄膜の製造方法。
第一のレーザ照射工程の前に、前記前駆体半導体薄膜上に、第一のレーザ光に対して反射防止膜もしくは反射膜として作用するキャップ層を部分的に形成するキャップ層形成工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
第一のレーザ照射工程および第二の照射工程において、ともにパルス放射するレーザ光を照射することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
第一のレーザ照射工程において連続放射するレーザ光を照射し、かつ、第二のレーザ照射工程においてパルス放射するレーザ光を照射することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
第一のレーザ照射工程において紫外域から可視域の波長を有するレーザ光を照射し、かつ、第二のレーザ照射工程において可視域の波長を有するレーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。