JP2002083769A - 半導体薄膜及び半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の多結晶薄膜とは一線を画し高性能で特
性の安定したデバイスの作成に好適であってしかもその
製造工程も短い時間で十分な半導体薄膜とその製造方法
を提供する。 【解決手段】 非単結晶薄膜を結晶化するに際して、レ
ーザー照射などの熱処理の条件を絶縁基板１上に薄膜が
略規則的に多結晶粒が微小突部３を伴って整列されて形
成されるような条件とし、その微小突部３を有した表面
状態のままに熱処理することで結晶化が進んだ構造の半
導体結晶化薄膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶ディスプレイな
どに用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や、メモリ
ーその他の電子デバイス等に適用される半導体薄膜およ
びその製造方法に関するものであり、特にガラス基板な
どの絶縁基体上に多結晶シリコンやアモルファスシリコ
ンなどの非単結晶材料薄膜を形成後、レーザー照射など
の熱処理で単結晶や多結晶の薄膜を形成する方法と、そ
の半導体薄膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、絶縁基板上に形成したシリコンな
どの半導体薄膜としては、ＳＯＩ(Silicon On Insulato
r)構造や、液晶ディスプレイなどに実用化されているガ
ラス基板上のアモルファスシリコン薄膜や多結晶シリコ
ン薄膜などが知られている。

【０００３】ＳＯＩ構造は単結晶シリコンウエハを貼り
合わせてその後に研磨するなどの各工程を経て形成され
ることが多く、基本的に単結晶シリコンウエハを用いて
いることから、ほぼ完全な単結晶の部分を薄膜トランジ
スタ（ＴＦＴ）などの能動素子のチャンネル部分等に用
いることができる。このため製造される素子は、移動度
も高くでき電子デバイスとしては良好な特性を有してい
る。しかし、その製造方法は、単結晶シリコンウエハを
貼り合わせたり、研磨したりする工程が入るため、工程
数が増加して生産時間も長くなり、製造のコストも高く
なる傾向がある。

【０００４】これに対して、シランガスに水素やＳｉＦ
_４を混合してプラズマＣＶＤ法を用いることによって堆
積する薄膜を結晶化する方法や、アモルファスシリコン
を前駆体として基板上にアモルファスシリコン薄膜を形
成し次いでアモルファスシリコン薄膜を結晶化する方法
が知られる。前者の堆積する薄膜を結晶化する方法で
は、シリコン薄膜の形成と同時に結晶化を進めるもので
あるが、基板自体を比較的高温の６００℃以上にする必
要があり、このため高温に耐える高価な石英基板などを
用いる必要があり、安価なガラス基板を用いた場合は耐
熱性の面から基板に変形や歪など問題が発生してしま
う。後者の一旦アモルファスシリコン薄膜を形成しこれ
を結晶化する方法としては、長時間（例えば２０時間）
のアニ−ルを行う固相成長法も知られているが、長時間
にわたるために、実用性を欠き、また製造コストも高く
なるという問題が生ずる。そこで、活発に研究され開発
されている方法として、エキシマレーザーを照射してそ
のビームで結晶化を進める方法が知られている。

【０００５】エキシマレーザーを照射して結晶化する方
法では、基板上にアモルファスシリコン薄膜や多結晶シ
リコン薄膜を形成し、これをエキシマレーザーを照射す
ることで薄膜を加熱して結晶化が行われる。例えば、Xe
Clエキシマレーザーの場合、発光波長が３０８nmであ
り、その吸収係数は１０^６ｃｍ^−１程度であることか
ら、アモルファスシリコン薄膜の表面から１０nm程度の
領域で吸収され、基板の温度はほとんど上昇することな
く、アモルファスシリコン薄膜の表面付近が結晶化され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなエキシマレーザーを照射して溶融したものを再結晶
化する技術では、アモルファスシリコン薄膜や多結晶シ
リコン薄膜の多結晶シリコン粒を成長させることはでき
るが、レーザービームのショット回数によって形成され
る薄膜の結晶品質を安定して制御することは極めて難し
く、製造される薄膜トランジスタの閾値電圧にもばらつ
きが生じ易い。

【０００７】そこで、本発明は従来の多結晶薄膜とは一
線を画し高性能で特性の安定したデバイスの作成に好適
であってしかもその製造工程も短い時間で十分な半導体
薄膜とその製造方法を提供することを目的とする。ま
た、本発明の他の目的は、このような高い結晶品質を活
用した半導体装置および基板を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の技術的な課題を解
決するため、本発明者らは鋭意研究を進め、その結果と
して多結晶薄膜の結晶粒径が十分に大きくならない原因
の１つは、そのレーザー照射そのものの照射方法にある
点を見出し、従来の多結晶薄膜とは一線を画した画期的
な半導体薄膜とその製造方法を創出するに至ったもので
ある。すなわち、本発明者らは、レーザー照射による非
単結晶薄膜を結晶化するに際して、レーザー照射の条件
を薄膜表面に略規則的の多結晶粒が整列されて形成され
るように照射し、その突部を有した表面状態のままに熱
処理することで結晶化が進んだ構造の半導体結晶化薄膜
を形成できることを案出したものである。

【０００９】そこで、本発明の半導体薄膜は、絶縁基体
上に形成された半導体薄膜において、該半導体薄膜の表
面に微小突部を有することを特徴とする。本発明の半導
体薄膜における微小突部は、その作成過程で形成される
多結晶薄膜の粒界部同士が衝突して重なりあった部分で
あり、このような微小突部が観察されることは後述する
顕微鏡写真などによって確認されている。

【００１０】微小突部の一例としては、例えば、微小突
部の高さは２０ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以
下であり、より好ましくは５ｎｍ以下である。また、微
小突部の径は０．１μｍ以下であり、好ましくは０．０
５μｍ以下である。微小突部の曲率半径は６０ｎｍ以上
であり、好ましくは１８０ｎｍ以上であり、より好まし
くは２５０ｎｍ以上である。微小突部の密度は１ｘ１０
^１０個／ｃｍ^２以下であり、好ましくは１ｘ１０^９個／
ｃｍ^２以下であり、より好ましくは５ｘ１０^８個／ｃｍ
^２以下である。また、本発明において、単結晶領域の大
きさは１ｘ１０ ^−８ｃｍ^２以上であって、好ましくは１
ｘ１０^−７ｃｍ^２以上である。この単結晶領域は絶縁基
体上の全面に形成される必要はなく、多結晶薄膜の一部
に存在する構造であっても良い。

【００１１】本発明の半導体薄膜の製造方法は、前記微
小突部を伴う薄膜表面を有した半導体薄膜の製造方法で
あって、絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する工程と、
該非単結晶薄膜に第１の熱処理を施して多結晶薄膜を形
成する工程と、該多結晶薄膜に第２の熱処理を施して半
導体結晶化薄膜を形成する工程とを有し、該半導体結晶
化薄膜の表面の突部を前記多結晶薄膜の表面の突部より
低くすることを特徴とする。

【００１２】本発明の半導体薄膜の製造方法において
は、第１の熱処理の際には、多結晶薄膜の表面には突部
が形成されるが、これは多結晶薄膜の粒界部同士が重な
りあって表面より突出した形状となるものであり、この
ような表面形状を呈する熱処理の一例としては、例えば
エキシマレーザーの照射が挙げられる。第２の熱処理の
際に、単結晶薄膜の表面の突部を多結晶薄膜の表面の突
部より低くすることで、粒界部同士が重なりあった部分
の粒界が少なくとも一部で実質的に消失し、結晶品質の
優れた単結晶領域などを含んだ薄膜が得られることにな
る。

【００１３】本発明の他の半導体薄膜の製造方法は、絶
縁基体上に非単結晶薄膜を形成する工程と、該非単結晶
薄膜に第１の熱処理を施して多結晶薄膜を形成する工程
と、該多結晶薄膜に第２の熱処理を施して半導体結晶化
薄膜を形成する工程とを有し、該半導体結晶化薄膜の表
面の突部の曲率半径を前記多結晶薄膜の表面の突部の曲
率半径より大きくすることを特徴とする。

【００１４】当該発明の半導体薄膜の製造方法において
は、第２の熱処理の際には、半導体結晶化薄膜の表面の
突部の曲率半径が多結晶薄膜の表面の突部の曲率半径よ
り大きくされ、粒界部同士が重なりあった部分の粒界が
少なくとも一部で実質的に消失し、結晶品質の優れた半
導体薄膜が得られることになる。

【００１５】本発明のさらに他の半導体薄膜の製造方法
は、絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する工程と、該非
単結晶薄膜に第１の熱処理を施して多結晶粒が略規則的
に整列した多結晶薄膜を形成する工程と、該多結晶薄膜
に第２の熱処理を施して該多結晶薄膜に第２の熱処理を
施して少なくとも３個以上の前記多結晶粒が境界をなす
位置に存在する微小突部の高さを２５nm以下とし、或い
は該微小突部の曲率半径を６０nm以上とする工程とを有
することを特徴とする。

【００１６】第１の熱処理を多結晶粒が略規則的に整列
するように施すことで、規則的に整列した複数の多結晶
粒が得られ、その状態において第２の熱処理を施すこと
で、粒界部同士が重なりあった部分の粒界が少なくとも
一部で実質的に消失し、結晶品質の優れた半導体結晶化
薄膜が得られる。

【００１７】また、本発明は、前述の如き微小突部を伴
う単結晶薄膜を構造の一部に用いた半導体装置と基板に
及ぶものであることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体薄膜及びそ
の製造方法、並びにその半導体薄膜を構造の一部に用い
た半導体装置及び基板について図面を参照しながら説明
する。

【００１９】［第１の実施形態］先ず、本発明の第１の
実施形態の半導体薄膜は、絶縁基体上に形成された半導
体薄膜において、該半導体薄膜の表面に微小突部を有す
ることを特徴とする。図１は本発明の半導体薄膜の模式
図であり、絶縁基体としての絶縁基板１上に結晶化薄膜
２が形成され、その結晶化薄膜２の表面に複数の微小突
部３が形成されている。

【００２０】絶縁基板１は所要の剛性と耐熱性を有した
ガラス基板や所謂白板ガラス基板、プラスチック、セラ
ミックなどの基板材料から、石英基板や、シリコンウエ
ハやその他の半導体ウエハ上に酸化膜や窒化膜を形成し
た基板などの種々のものを用いることができ、特に熱処
理は極めて短い時間での処理が可能なことから、低耐熱
性（例えば６００℃）程度の基板も十分に使用すること
ができる。なお、絶縁基板１の薄膜形成面には種々の中
間層や反射層、その他の機能層を設けることも可能であ
る。

【００２１】この絶縁基板１上に形成される結晶化薄膜
２は、アモルファスシリコン膜や多結晶シリコン膜など
の非単結晶シリコン膜を結晶化した半導体薄膜であり、
その膜厚T１は一例として４０ｎｍから５０ｎｍ程度の
大きさとされる。半導体結晶化薄膜は熱処理前の段階で
は多結晶薄膜とされ、その場合において略規則的な多結
晶粒が整列された状態であることが好ましい。そして、
この結晶化薄膜２の表面には、微小突部３が形成され
る。

【００２２】この微小突部３は、本発明の半導体薄膜を
形成する際に、熱処理の際に現れる形状であり、特にエ
キシマレーザーを使用して第１の（最初の）熱処理を行
うことで結晶化薄膜２の表面に略規則正しく、例えば
０．３μｍ程度のピッチN１で整列して現れる。したが
って、微小突部３は上から見た場合に縦横に並んで配列
されて結晶化薄膜２の表面に形成され、円錐形状に近い
形状のものから、矩形状や変形したものまで種々の形状
をとる。微小突部３は多結晶粒の粒界同士が重なり合い
或いは衝突しながら表面より隆起して形成される形状で
ある。後述するように、第１のエキシマレーザーの照射
と第２のエキシマレーザーの照射によって結晶化薄膜２
が作成される場合では、第１のエキシマレーザーの照射
の時点で薄膜は略矩形状やその他の形状の多結晶粒の集
合体となるため、その略矩形状の四隅や少なくとも３個
以上の多結晶粒が境界をなす位置で多結晶粒が重なり合
い或いは衝突しながら隆起し、特に第１のエキシマレー
ザーの照射の条件によっては、複数の縦横に略規則的に
整列された微小突部３が形成される。

【００２３】図１を参照して個々の微小突部３の形状に
ついては説明する。微小突部３の高さH１は、結晶化薄
膜２の表面から微小突部３の頂点までの高低差を指し、
２０ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以下であり、
より好ましくは５ｎｍ以下である。特に、第２の熱処理
時には、結晶化が進展しつつ、その微小突部３の高さH
１は低くなり、全体として結晶化薄膜２の表面が平坦化
する。微小突部３の曲率半径R1についても、結晶化が進
められる時点で、その値が大きくなる傾向があり、微小
突部３の曲率半径R１は６０ｎｍ以上であり、好ましく
は１８０ｎｍ以上であり、より好ましくは２５０ｎｍ以
上である。また、微小突部３の径D１は、微小突部３が
必ずしも円錐形状をとるものとは限らないために、径D
１自体は直径を意味するよりは寧ろ微小突部３の水平面
内のサイズを意味するが、０．１μｍ以下であり、好ま
しくは０．０５μｍ以下である。

【００２４】前述の微小突部３のピッチN１は微小突部
３同士の間隔として捉えることの出来る値であり、ピッ
チN１は略矩形状の多結晶粒の集合体に微小突部３が形
成されている時点での多結晶粒の径に匹敵する。ここで
多結晶粒の径は例えば０．１μｍから４．０μｍの範囲
でのサイズを有する。図２は略矩形状のの四隅に微小突
部３が位置していることを模式的に示した図であり、例
えば、微小突部３のピッチN１は０．３μｍ程度とされ
る。この時、微小突部３の密度は１ｘ１０^１０個／ｃｍ
^２以下であり、好ましくは１ｘ１０^９個／ｃｍ^２以下で
あり、より好ましくは５ｘ１０^８個／ｃｍ^２以下であ
る。結晶化薄膜２は多結晶領域、多結晶粒が結合した単
結晶領域、非単結晶領域などが混在した状態であっても
良い。多結晶粒が結合した単結晶領域の大きさは、例え
ば、１ｘ１０^−８ｃｍ^２以上であって、好ましくは１ｘ
１０^−７ｃｍ^２以上である。形成される結晶化薄膜２の
内の単結晶領域が大きい程、結晶特性は完全な単結晶に
近いものとなって行き、同時に特性もより安定したもの
となる。この結晶化薄膜２は絶縁基板１上の全面に形成
される必要はなく、多結晶薄膜の一部に存在する構造で
あっても良い。また、結晶化薄膜２の単結晶領域は好ま
しくは（１００）、（１１１）、（１１０）のいずれか
の配向面を有する。

【００２５】このような結晶化薄膜２は絶縁基板１上に
形成された状態で、半導体基板として半導体装置の製造
に適用され得る。このような半導体装置としては、薄膜
トランジスタやその他の電子デバイスが挙げられ、特に
後述するような液晶ディスプレイの駆動回路の薄膜トラ
ンジスタなどに応用できる。結晶化薄膜２には単結晶領
域が含まれており、デバイスとして利用した場合にはデ
バイス特性が安定したものとなり、例えば薄膜トランジ
スタを作成した時ではその閾値のばらつきが抑制される
ことになると共に移動度が高くされデバイスは高速動作
に対応できることになる。

【００２６】［第２の実施形態］次に、図３乃至図８を
参照しながら、本発明の第２の実施形態としての単結晶
薄膜の製造方法について説明する。

【００２７】図３は本発明の半導体薄膜の製造方法に用
いられるエキシマレーザー照射装置の一例を示してい
る。先ず、このエキシマレーザー照射装置について説明
すると、ガラス基板などの低耐熱性の絶縁基板２１上に
形成された半導体薄膜２２にエキシマレーザーを照射す
るための装置であって、チャンバ２０内に半導体薄膜２
２を形成した絶縁基板２１が載置される。このエキシマ
レーザー照射装置は、チャンバ２０外にレーザー発振器
２３と、アッテネータ（減衰器）２４と、ホモジナイザ
ーを含む光学系２５とを有している。チャンバ２０内に
は、XY方向に移動可能なステージ２７が設けられてお
り、そのステージ２７に半導体薄膜２２を形成した絶縁
基板２１が載置されている。レーザー発振器２３はエキ
シマレーザー光源を含み、レーザー光２６を間欠的に放
射する。例えばホモジナイザーを含む光学系２５はレー
ザー発振器２３から放射されたレーザー光をアッテネー
タ２４を介して受け入れ、各辺が１０ｍｍ以上の矩形断
面となるように整形して半導体薄膜２２に照射する。ア
ッテネータ２４はレーザー発振器２３から放射されたレ
ーザー光のエネルギーを調整する。光学系２５はレーザ
ー光を矩形断面に整形すると共に矩形断面内ではエネル
ギーが均一に分布するように調整する。チャンバ２０内
は窒素ガス等不活性雰囲気に保たれている。レーザー光
２６の照射時には、ステージ２７がビームの端部同士が
重なるように移動し、半導体薄膜２２の表面を間欠的に
逐次照射する。このエキシマレーザー照射装置のチャン
バ２０内に置かれた絶縁基板２１の主面上に形成されて
いる半導体薄膜２２はプラズマCVD装置によって形成さ
れた非晶質シリコン膜である。

【００２８】レーザー発振器２３に使用されるエキシマ
レーザーは、微小突部を伴った表面状態の半導体薄膜を
形成可能なエキシマレーザー光源であれば、種々の光源
を用いることができ、例示すると、KrF、XeCl、XeF、Ar
Fの中から選ばれた１つまたは２以上のエキシマレーザ
ーを用いることができる。

【００２９】エキシマレーザーは大別すると、線状レー
ザー光を照射するエキシマレーザーと、面状レーザー光
を照射するエキシマレーザーとに分けることができる。
線状レーザー光を照射するエキシマレーザーは、照射す
るレーザー光のパターンが線状であり、所定の広がりを
持った領域を照射する場合には、一定方向に基板側や光
源側を移動させることが行われる。すなわち、線状レー
ザー光照射を光照射の長手方向に垂直な走査方向に重ね
合わせ照射することが行われる。面状レーザー光を照射
するエキシマレーザーは、照射するレーザー光のパター
ンが面状であり、その照射面を端部で重ねながら基板側
や光源側を移動させることが行われる。線状レーザー光
を照射するエキシマレーザーとしては、典型的にはエネ
ルギー密度が３５０ｍJ／ｃｍ^２とされパルス幅が２０
ナノ秒程度と比較的に短い例えばラムダ社製のエキシマ
レーザーを使用することができる。また、面状レーザー
光を照射するエキシマレーザーとしては、典型的にはエ
ネルギー密度が４８０ｍJ／ｃｍ^２とされパルス幅が１
５０ナノ秒から２００ナノ秒程度と比較的に長い例えば
ソプラ社製のエキシマレーザーを使用することができ
る。

【００３０】次に、図４から図８までを参照しながら、
本発明による半導体薄膜の製造方法の一例について説明
する。先ず、図４に示すように、ガラス、石英、又はサ
ファイヤなどの絶縁基板３１を用意し、その主面上に例
えばプラズマエンハンストCVD法などにより非晶質半導
体薄膜３２を形成する。絶縁基板３１としては、エキシ
マレーザーを光源とすることから低耐熱性のいわゆる白
板ガラスを用いても良い。この非晶質半導体薄膜３２の
膜厚は例えば５０ｎｍ程度であるが、好適な膜厚は製造
すべきデバイスの特性に応じて調整可能である。

【００３１】非晶質半導体薄膜３２の形成後、図３に示
した如きエキシマレーザー照射装置に非晶質半導体薄膜
３２を形成した絶縁基板３１を装着し、第１の熱処理と
してエキシマレーザーの照射を行う。この時のレーザー
照射条件は、エキシマレーザーとして波長３０８nmのＸ
ｅＣｌエキシマレーザーが使用され、エネルギー強度３
４０ｍJ／ｃｍ^２で走査方向のオーバーラップ率が９５
％である。このエキシマレーザー照射によって、非晶質
半導体薄膜３２が溶融再結晶化され、ほぼ整列した多結
晶粒からなる多結晶半導体薄膜３３が形成される。多結
晶半導体薄膜３３の各多結晶粒の形状はほぼ矩形状であ
り、その大きさは対角線の長さで０．２μｍから０．６
μｍ程度である。エキシマレーザー照射によって結晶粒
界も形成され、図５に示すように、粒界部では結晶の衝
突による隆起から微小突部３５が少なくとも３個以上の
多結晶粒が境界をなす位置に存在する。この微小突部３
５の高さは大きいものでは５０nm程度のサイズを有し、
概ね高さは２５nm以上のものとなっている。

【００３２】図７は薄膜が多結晶シリコンとなった時点
での走査電子線顕微鏡写真であり、３μｍのスケールの
中に１０個前後の白点からなる複数の微小突部が並んで
いるのが観察される。各多結晶粒は縦横に略規則的に整
列されており、少なくとも３個以上の多結晶粒が境界を
なす位置に複数の微小突部が形成されている。

【００３３】このようなレーザー照射による第１の熱処
理に引き続いて、第２の熱処理が同じくエキシマレーザ
ー照射によって行われる。このエキシマレーザー照射の
照射条件は、エキシマレーザーとして波長３０８nmのＸ
ｅＣｌエキシマレーザーが使用され、エネルギー強度３
００ｍJ／ｃｍ^２で走査方向のオーバーラップ率が９５
％である。当該第２の熱処理としてのエキシマレーザー
照射は、第１の熱処理のエキシマレーザー照射よりも低
エネルギーであっても良く、第１の熱処理のエキシマレ
ーザー照射時よりも多結晶半導体薄膜３３の熱処理温度
が低くされる。また、この熱処理温度は多結晶シリコン
の融点よりも低い温度となるように設定されている。

【００３４】この第２の熱処理としてのエキシマレーザ
ー照射によって、図６に示すように、多結晶半導体薄膜
３３から半導体結晶化薄膜３４に変換される。すなわ
ち、エキシマレーザー照射によって、第１の熱処理で形
成された多結晶半導体薄膜３３の隣接する多結晶粒同士
が結合し、少なくとも１ｘ１０^−８ｃｍ^２以上の大きな
サイズの単結晶領域を含み好ましくは全体が単結晶であ
る半導体結晶化薄膜３４が形成される。なお、第２の熱
処理としてのエキシマレーザー照射は第１の熱処理のエ
キシマレーザー照射時よりも多結晶半導体薄膜３３の熱
処理温度が低くされても良いし、多結晶シリコンの融点
よりも低い温度となるように設定されていても良い。ま
た、半導体結晶化薄膜３４としては、多結晶の半導体領
域が混在していても良い。この第２の熱処理としてのエ
キシマレーザー照射後においては、微小突部３６が多結
晶半導体薄膜３３の表面の微小突部３５よりは高さが低
くなって形成されており、微小突部３６の高さの範囲と
しては２０nmから５nm以下の極めて低いものとなってい
る。また、微小突部３６の径も０．１μｍ以下となって
いる。この半導体結晶化薄膜３４の表面上の微小突部３
６は、第１の熱処理で得られた多結晶粒の少なくとも３
個以上の界面同士が衝突して隆起する位置と対応した位
置に形成されており、従って、多結晶半導体薄膜３３の
面の微小突部３５が平坦化し、隆起として残ったところ
が半導体結晶化薄膜３４の表面上の微小突部３６となっ
ている。

【００３５】半導体結晶化薄膜３４の表面上の微小突部
３６はその密度も低下したものとされ、例えば１ｘ１０
^１０個／ｃｍ^２以下、好ましくは１ｘ１０^９個／ｃｍ^２
以下とされる。また、微小突部３６においては、多結晶
半導体薄膜３３の面の微小突部３５の曲率半径も大きく
なっており、微小突部３６の曲率半径は６０ｎｍ以上で
あり、好ましくは１８０ｎｍ以上であり、より好ましく
は２５０ｎｍ以上である。

【００３６】図８は薄膜が多結晶半導体薄膜３３から半
導体結晶化薄膜３４となった時点での走査電子線顕微鏡
写真であり、３μｍのスケールの中に複数の微小突部３
６が並んでいるが、その白点は発散したように細かなも
のとされ、図７のようにはっきりとした白点にはなって
いない。

【００３７】上述の如き、第１の熱処理と第２の熱処理
を加えることで、微小突部３６を伴った半導体結晶化薄
膜３４が形成されるが、第１の熱処理と第２の熱処理は
エキシマレーザーの照射に限らず、他のレーザー光の照
射、例えば希ガスレーザー、YAGレーザーなどのレーザ
ーや、透過させないことを前提としたX線、電子線等の
他のエネルギービームの照射などであっても良い。ま
た、第２の熱処理は加熱によるアニールであるので、レ
ーザーに限定されずに、ランプアニールや、比較的に長
時間のファーネスアニールを用いることもできる。

【００３８】第１の熱処理では、第２の熱処理のアニー
ル処理とは異なり、絶縁基板上に多結晶粒が略規則的に
整列された突部を有する多結晶薄膜を形成することが好
ましい。このため、第１の熱処理ではエネルギーの大き
なレーザー照射がなされるが、略規則的に整列された多
結晶粒を得るためには、線状レーザー照射時における開
口部等のエッジでの回折や、面状レーザー照射時には位
相シフトマスクなどの干渉現象や回折現象によって光強
度に周期的なパターンを与えるようにすることもでき
る。光強度に周期的なパターンを与えることで、多結晶
粒のもととなる核成長も周期的なパターンの影響を受
け、結果として絶縁基板上に多結晶粒が略規則的に整列
された多結晶薄膜が形成される。

【００３９】第１の熱処理と第２の熱処理は、少なくと
もいずれかは、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、
若しくは非酸化性ガス雰囲気中で行うことができる。特
に、最初に絶縁基板上に非晶質半導体薄膜を形成した
後、或いは第１の熱処理と第２の熱処理の間で、雰囲気
ガスを同じものに維持し、あるいは大気開放しないでチ
ャンバを移動することで処理をする場合には、雰囲気ガ
スの調整に伴う生産時間の浪費を防ぐことができる。

【００４０】［第３の実施形態］次に、図９を参照しな
がら、本発明に従って製造した薄膜トランジスタを用い
るところの半導体装置としてのアクティブマトリクス型
表示装置の一例を説明する。本実施形態はその微小突部
を伴う薄膜をチャンネルとして利用して半導体装置を構
成した例である。図示するように、本表示装置は一対の
絶縁基板５１、５２と両者の間に保持された電気光学物
質５３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質５
３としては、例えば液晶材料を用いる。下側の絶縁基板
５１には画素アレイ部５４と駆動回路部とが集積形成さ
れている。駆動回路部は垂直スキャナ５５と水平スキャ
ナ５６とに分かれている。また、絶縁基板５１の周辺部
上端には外部接続用の端子部５７が形成されている。端
子部５７は配線５８を介して垂直スキャナ５５及び水平
スキャナ５６に接続している。画素アレイ部５４には行
状のゲート配線５９と列状の信号配線６０が形成されて
いる。両配線の交差部には画素電極６１とこれを駆動す
る薄膜トランジスタ６２が形成されている。薄膜トラン
ジスタ６２のゲート電極は対応するゲート配線５９に接
続され、ドレイン領域は対応する画素電極６１に接続さ
れ、ソース領域は対応する信号配線６０に接続してい
る。ゲート配線５９は垂直スキャナ５５に接続する一
方、信号配線６０は水平スキャナ５６に接続している。
画素電極６１をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ
６２及び垂直スキャナ５５と水平スキャナ５６に含まれ
る薄膜トランジスタは、その薄膜のチャンネル部分が微
小突部を伴って単結晶により近い結晶特性をもって作製
されたものである。更には、垂直スキャナや水平スキャ
ナに加え、ビデオドライバやタイミングジェネレータも
絶縁基板５１内に集積形成することも可能である。ま
た、駆動回路部に単結晶或いは単結晶に近い結晶薄膜を
用い、画素部に多結晶や非単結晶膜を用いることもでき
る。

【００４１】

【発明の効果】上述のように、本発明の半導体薄膜およ
びその製造方法では、第１及び第２の熱処理で微小突部
を伴って形成される半導体結晶化薄膜が、従来の多結晶
薄膜とは一線を画した単結晶に近い特性を示す。このた
め該半導体薄膜を用いて半導体装置を製造した場合で
は、その半導体装置については高い移動度による高速動
作を期待することができ、また、閾値電圧のばらつきな
ども抑えることができる。また、製造工程においては、
エキシマレーザーなどを用いて短時間の処理が可能であ
り、大幅な製造工程にかかる時間を短縮することがで
き、製造コストを抑えて製造できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体薄膜の一例を模式的に示す断面
図である。

【図２】本発明の半導体薄膜の一例を模式的に示す斜視
断面図である。

【図３】本発明の半導体薄膜の製造方法に用いられるエ
キシマレーザー照射装置の模式図である。

【図４】本発明の半導体薄膜の製造方法の一例における
非晶質半導体薄膜の形成工程を示す工程斜視断面図であ
る。

【図５】本発明の半導体薄膜の製造方法の一例における
多結晶半導体薄膜の形成工程を示す工程斜視断面図であ
る。

【図６】本発明の半導体薄膜の製造方法の一例における
半導体結晶化薄膜の形成工程を示す工程斜視断面図であ
る。

【図７】前記本発明の半導体薄膜の製造方法の一例にお
ける多結晶半導体薄膜の形成時の微小突部の様子を示す
走査電子線顕微鏡写真である。

【図８】前記本発明の半導体薄膜の製造方法の一例にお
ける半導体結晶化薄膜の形成時の微小突部の様子を示す
走査電子線顕微鏡写真である。

【図９】本発明の半導体薄膜によって製造された薄膜半
導体装置を用いたアクティブマトリクス型表示装置を示
す模式的な斜視図である。

【符号の説明】

１、３１ 絶縁基板 ２ 結晶化薄膜 ３、３５、３６ 微小突部 ３２ 非晶質半導体薄膜 ３３ 多結晶半導体薄膜 ３４ 半導体結晶化薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 安広 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 森 芳文 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA03 AA06 AA11 AA17 AA24 BA02 BB02 BB07 CA04 DA01 DA02 DB03 FA01 FA19 JA01 5F110 DD01 DD02 DD03 DD05 GG02 GG13 GG17 GG22 GG25 GG45 NN72 PP02 PP03 PP04 PP06 PP29

Claims (77)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基体上に形成された半導体薄膜にお
   いて、該半導体薄膜の表面に微小突部を有することを特
   徴とする半導体薄膜。
2. 【請求項２】 前記微小突部は略規則的に配置されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
3. 【請求項３】 前記微小突部の高さは２０ｎｍ以下であ
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
4. 【請求項４】 前記微小突部の径は０．１μｍ以下であ
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
5. 【請求項５】 前記微小突部の曲率半径は６０ｎｍ以上
   であることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
6. 【請求項６】 前記微小突部の密度は１ｘ１０^１０個／
   ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１記載の半導
   体薄膜。
7. 【請求項７】 前記半導体薄膜の厚さが５０ｎｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
8. 【請求項８】 前記微小突部は前記半導体薄膜内の多結
   晶粒の粒界部分が隆起して形成されてなるものであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜。
9. 【請求項９】前記半導体薄膜は非単結晶、単結晶のいず
   れか又はそれらの組み合わせからなることを特徴とする
   請求項１記載の半導体薄膜。
10. 【請求項１０】前記半導体薄膜に形成された単結晶領域
    の大きさは１ｘ１０^−８ｃｍ^２以上であることを特徴と
    する請求項１記載の半導体薄膜。
11. 【請求項１１】 前記半導体薄膜に形成された単結晶領
    域の配向面が（１００）、（１１１）、（１１０）のい
    ずれかであることを特徴とする請求項１記載の半導体薄
    膜。
12. 【請求項１２】 絶縁基体上に形成された半導体薄膜を
    用いて形成される半導体装置において、該半導体薄膜の
    表面に微小突部を有し、該半導体薄膜の表面には絶縁膜
    が形成されていることを特徴とする半導体装置。
13. 【請求項１３】 前記微小突部は略規則的に配置されて
    いることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
14. 【請求項１４】 前記微小突部の高さは２０ｎｍ以下で
    あることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
15. 【請求項１５】 前記微小突部の径は０．１μｍ以下で
    あることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
16. 【請求項１６】 前記微小突部の曲率半径は６０ｎｍ以
    上であることを特徴とする請求項１２記載の半導体装
    置。
17. 【請求項１７】 前記微小突部の密度は１ｘ１０^１０個
    ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１２記載の
    半導体装置。
18. 【請求項１８】 前記絶縁膜の厚みが５μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
19. 【請求項１９】 前記半導体薄膜の厚さが５０ｎｍ以下
    であることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
20. 【請求項２０】 前記半導体薄膜は非単結晶、単結晶の
    いずれか又はそれらの組み合わせからなることを特徴と
    する請求項１２記載の半導体薄膜。
21. 【請求項２１】前記半導体薄膜に形成された単結晶領域
    の大きさは１ｘ１０^−８ｃｍ^２以上であることを特徴と
    する請求項１２記載の半導体装置。
22. 【請求項２２】 前記半導体薄膜に形成された単結晶領
    域の配向面が（１００）、（１１１）、（１１０）のい
    ずれかであることを特徴とする請求項１２記載の半導体
    装置。
23. 【請求項２３】半導体薄膜を有する基板において、該半
    導体薄膜の表面に微小突部を有することを特徴とする基
    板。
24. 【請求項２４】 前記微小突部は略規則的に配置されて
    いることを特徴とする請求項２３記載の半導体基板。
25. 【請求項２５】 前記微小突部の高さは２０ｎｍ以下で
    あることを特徴とする請求項２３記載の基板。
26. 【請求項２６】 前記微小突部の径は０．１μｍ以下で
    あることを特徴とする請求項２３記載の基板。
27. 【請求項２７】 前記微小突部の曲率半径は６０ｎｍ以
    上であることを特徴とする請求項２３記載の基板。
28. 【請求項２８】 前記微小突部の密度は１ｘ１０^１０個
    ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項２３記載の
    基板。
29. 【請求項２９】 前記半導体薄膜の厚さが５０ｎｍ以下
    であることを特徴とする請求項２３記載の基板。
30. 【請求項３０】 前記半導体薄膜は非単結晶、単結晶の
    いずれか又はそれらの組み合わせからなることを特徴と
    する請求項２３記載の基板。
31. 【請求項３１】 前記半導体薄膜に形成された単結晶領
    域の大きさは１ｘ１０^{− ８}ｃｍ^２以上であることを特徴
    とする請求項２３記載の基板。
32. 【請求項３２】 前記単結晶薄膜に形成された単結晶領
    域の配向面が（１００）、（１１１）、（１１０）のい
    ずれかであることを特徴とする請求項２３記載の基板。
33. 【請求項３３】 絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する
    工程と、 該非単結晶薄膜に第１の熱処理を施して多結晶薄膜を形
    成する工程と、 該多結晶薄膜に第２の熱処理を施して半導体結晶化薄膜
    を形成する工程とを有し、 該半導体結晶化薄膜の表面の突部を前記多結晶薄膜の表
    面の突部より低くすることを特徴とする半導体薄膜の製
    造方法。
34. 【請求項３４】 前記多結晶薄膜は高さが２５nm以上の
    突部を表面に有することを特徴とする請求項３３記載の
    半導体薄膜の製造方法。
35. 【請求項３５】 前記半導体結晶化薄膜は高さが２０nm
    以下の突部を表面に有することを特徴とする請求項３３
    記載の半導体薄膜の製造方法。
36. 【請求項３６】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかがレーザー光照射であることを特徴とする請
    求項３３記載の半導体薄膜の製造方法。
37. 【請求項３７】 前記第１及び第２の熱処理はレーザー
    光照射により行われ、前記第２の熱処理におけるレーザ
    ー光強度は前記第１の熱処理におけるレーザー光強度よ
    りも低いことを特徴とする請求項３３記載の半導体薄膜
    の製造方法。
38. 【請求項３８】 前記第２の熱処理は多結晶薄膜の融点
    よりも低い温度であることを特徴とする請求項３３記載
    の半導体薄膜の製造方法。
39. 【請求項３９】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかがエキシマレーザーのレーザー光照射である
    ことを特徴とする請求項３３記載の半導体薄膜の製造方
    法。
40. 【請求項４０】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかが線状レーザー光照射であることを特徴とす
    る請求項３３記載の半導体薄膜の製造方法。
41. 【請求項４１】 前記線状レーザー光照射を光照射の長
    手方向に垂直な走査方向に重ね合わせ照射することを特
    徴とする請求項４０記載の半導体薄膜の製造方法。
42. 【請求項４２】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかが面状レーザー光照射であることを特徴とす
    る請求項３３記載の半導体薄膜の製造方法。
43. 【請求項４３】 前記面状レーザー光照射はマスクを用
    いて照射することを特徴とする請求項４２記載の半導体
    薄膜の製造方法。
44. 【請求項４４】 前記第２の熱処理はファーネスアニ−
    ルであることを特徴とする請求項３３記載の半導体薄膜
    の製造方法。
45. 【請求項４５】 前記第２の熱処理はランプアニ−ルで
    あることを特徴とする請求項３３記載の半導体薄膜の製
    造方法。
46. 【請求項４６】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかは、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、
    若しくは非酸化性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする
    請求項３３記載の半導体薄膜の製造方法。
47. 【請求項４７】 絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する
    工程と、 該非単結晶薄膜に第１の熱処理を施して多結晶薄膜を形
    成する工程と、 該多結晶薄膜に第２の熱処理を施して半導体結晶化薄膜
    を形成する工程とを有し、 該半導体結晶化薄膜の表面の突部の曲率半径を前記多結
    晶薄膜の表面の突部の曲率半径より大きくすることを特
    徴とする半導体薄膜の製造方法。
48. 【請求項４８】 前記多結晶薄膜はその曲率半径が６０
    nm以下の突部を表面に有することを特徴とする請求項４
    ７記載の半導体薄膜の製造方法。
49. 【請求項４９】 前記半導体結晶化薄膜はその曲率半径
    が６０nm以上の突部を表面に有することを特徴とする請
    求項４７記載の半導体薄膜の製造方法。
50. 【請求項５０】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかがレーザー光照射であることを特徴とする請
    求項４７記載の半導体薄膜の製造方法。
51. 【請求項５１】 前記第１及び第２の熱処理はレーザー
    光照射により行われ、前記第２の熱処理におけるレーザ
    ー光強度は前記第１の熱処理におけるレーザー光強度よ
    りも低いことを特徴とする請求項４７記載の半導体薄膜
    の製造方法。
52. 【請求項５２】 前記第２の熱処理は多結晶薄膜の融点
    よりも低い温度であることを特徴とする請求項４７記載
    の半導体薄膜の製造方法。
53. 【請求項５３】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかがエキシマレーザーのレーザー光照射である
    ことを特徴とする請求項４７記載の半導体薄膜の製造方
    法。
54. 【請求項５４】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかが線状レーザー光照射であることを特徴とす
    る請求項４７記載の半導体薄膜の製造方法。
55. 【請求項５５】 前記線状レーザー光照射を光照射の長
    手方向に垂直な走査方向に重ね合わせ照射することを特
    徴とする請求項５４記載の半導体薄膜の製造方法。
56. 【請求項５６】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかが面状レーザー光照射であることを特徴とす
    る請求項４７記載の半導体薄膜の製造方法。
57. 【請求項５７】 前記面状レーザー光照射はマスクを用
    いて照射することを特徴とする請求項５６記載の半導体
    薄膜の製造方法。
58. 【請求項５８】 前記第２の熱処理はファーネスアニ−
    ルであることを特徴とする請求項４７記載の半導体薄膜
    の製造方法。
59. 【請求項５９】 前記第２の熱処理はランプアニ−ルで
    あることを特徴とする請求項４７記載の半導体薄膜の製
    造方法。
60. 【請求項６０】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかは、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、
    若しくは非酸化性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする
    請求項４７記載の半導体薄膜の製造方法。
61. 【請求項６１】 絶縁基体上に非単結晶薄膜を形成する
    工程と、 該非単結晶薄膜に第１の熱処理を施して多結晶粒が略規
    則的に整列した多結晶薄膜を形成する工程と、 該多結晶薄膜に第２の熱処理を施して少なくとも３個以
    上の前記多結晶粒が境界をなす位置に存在する微小突部
    の高さを２５nm以下とし、或いは該微小突部の曲率半径
    を６０nm以上とする工程とを有することを特徴とする半
    導体薄膜の製造方法。
62. 【請求項６２】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかがレーザー光照射であることを特徴とする請
    求項６１記載の半導体薄膜の製造方法。
63. 【請求項６３】 前記第１及び第２の熱処理はレーザー
    光照射により行われ、前記第２の熱処理におけるレーザ
    ー光強度は前記第１の熱処理におけるレーザー光強度よ
    りも低いことを特徴とする請求項６１記載の半導体薄膜
    の製造方法。
64. 【請求項６４】 前記第２の熱処理は多結晶薄膜の融点
    よりも低い温度であることを特徴とする請求項６１記載
    の半導体薄膜の製造方法。
65. 【請求項６５】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかがエキシマレーザーのレーザー光照射である
    ことを特徴とする請求項６１記載の半導体薄膜の製造方
    法。
66. 【請求項６６】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかが線状レーザー光照射であることを特徴とす
    る請求項６１記載の半導体薄膜の製造方法。
67. 【請求項６７】 前記線状レーザー光照射を光照射の長
    手方向に垂直な走査方向に重ね合わせ照射することを特
    徴とする請求項６１記載の半導体薄膜の製造方法。
68. 【請求項６８】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかが面状レーザー光照射であることを特徴とす
    る請求項６１記載の半導体薄膜の製造方法。
69. 【請求項６９】 前記面状レーザー光照射はマスクを用
    いて照射することを特徴とする請求項６１記載の半導体
    薄膜の製造方法。
70. 【請求項７０】 前記第２の熱処理はファーネスアニ−
    ルであることを特徴とする請求項６１記載の半導体薄膜
    の製造方法。
71. 【請求項７１】 前記第２の熱処理はランプアニ−ルで
    あることを特徴とする請求項６１記載の半導体薄膜の製
    造方法。
72. 【請求項７２】 前記第１及び第２の熱処理の少なくと
    もいずれかは、実質的に真空中、不活性ガス雰囲気中、
    若しくは非酸化性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする
    請求項６１記載の半導体薄膜の製造方法。
73. 【請求項７３】 前記多結晶粒の径は０．１μｍ乃至
    ４．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項６１記
    載の半導体薄膜の製造方法。
74. 【請求項７４】 絶縁基体上に多結晶粒が略規則的に整
    列された多結晶薄膜から形成された半導体薄膜であっ
    て、少なくとも３個以上の前記多結晶粒が境界をなす位
    置に微小突部が形成されていることを特徴とする半導体
    薄膜。
75. 【請求項７５】 前記微小突部は略規則的に配置されて
    いることを特徴とする請求項７４記載の半導体薄膜。
76. 【請求項７６】 前記半導体薄膜の膜厚は５０nm以下で
    あることを特徴とする請求項７４記載の半導体薄膜。
77. 【請求項７７】 前記多結晶粒の径は０．１μｍ乃至
    ４．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項７４記
    載の半導体薄膜。