JP2002198313A - 半導体薄膜の形成方法、パルスレーザ照射装置、および半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アモルファス化あるいは微結晶化が生じるこ
とがなく、理想的な熱平衡過程により近い溶融再結晶化
過程を経て結晶質シリコン薄膜を形成することのできる
半導体薄膜の形成方法を提供することにある。 【解決手段】 シリコンを主成分とする半導体薄膜の形
成方法であって、光照射エネルギーによる少なくとも一
回の溶融固化過程を有し、その最終固化過程における最
大冷却速度を１．６×１０^１０℃／ｓｅｃ以下にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスプレイ、セ
ンサー等の駆動素子または駆動回路に用いられている、
例えば結晶性シリコン薄膜トランジスタのシリコン薄膜
を形成する方法およびパルスレーザ照射装置に関する。
さらには、そのような半導体薄膜を備える半導体装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）を形成する代表的な技術として、水素化アモルファ
ス半導体ＴＦＴ技術及び多結晶シリコンＴＦＴ技術が知
られている。水素化アモルファス半導体ＴＦＴ技術にお
いては、作製プロセス中の最高温度が３００℃程度であ
り、１ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ程度のキャリア移動度が実現さ
れている。多結晶シリコンＴＦＴ技術においては、例え
ば石英基板を用い、１０００℃程度のＬＳＩと類似した
高温プロセスを用いることで、キャリア移動度３０〜１
００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃの性能が得られている。これら高
いキャリア移動度を実現できるＴＦＴ技術においては、
例えば液晶ディスプレイに応用した場合に、各画素を駆
動する画素ＴＦＴとともに、周辺駆動回路部までもが同
一ガラス基板上に同時に形成することができるため、形
成プロセスコストの低減、小型化を図ることができると
いう利点がある。

【０００３】ところで、水素化アモルファス半導体ＴＦ
Ｔ技術の場合は、作製プロセス最高温度が３００℃程度
と低いため、安価な低軟化点ガラスを用いることができ
るが、多結晶シリコンＴＦＴ技術の場合には、１０００
℃の高温プロセスを伴うため、そのような安価な低軟化
点ガラスを用いることができない。そこで、プロセスの
低温度化を目的に、レーザ結晶化技術を応用した多結晶
シリコン膜の低温形成技術の研究・開発が行われてい
る。

【０００４】図１７に、レーザ結晶化技術を応用した多
結晶シリコン膜の低温形成を実現する、従来のパルスレ
ーザ照射装置の概略構成を示す。このパルスレーザ照射
装置では、パルスレーザ光源１１から供給されるレーザ
光は、３つのミラー１２及び空間的な強度の均一化を行
うべく設置されるビームホモジナイザ１４等の光学素子
群によって規定される光路１７を通って、被照射体であ
るガラス基板１５上のシリコン薄膜１６に到達する。

【０００５】このパルスレーザ照射装置の場合、１照射
範囲が小さいため、ｘｙステージ１７上のガラス基板を
移動させることにより基板上の任意の位置にレーザ光を
照射することができる。また、カセット内に収納されて
いるシリコン薄膜付きガラス基板のｘｙステージ１７上
への搬送、およびｘｙステージ１７上のガラス基板１５
のカセット内への収納は、基板搬送機構によって機械的
に行われる。

【０００６】なお、上記のパルスレーザ照射装置におい
て、ｘｙステージ１７の代わりに照射系の一部の光学素
子群または系全体を移動させるようにしてもよい。ま
た、移動可能に構成された光学素子群とステージとを組
み合わせることも可能である。さらに、レーザ照射につ
いては、真空チャンバー内で真空中あるいは高純度ガス
雰囲気下で行うようにしてもよい。

【０００７】レーザ結晶化技術としては、複数のパルス
をある遅延時間をもたせて照射する方法が、「Ｒｙｏｉ
ｃｈｉ Ｉｓｈｉｈａｒａ ｅｔ ａｌ．“Ｅｆｆｅｃ
ｔｓｏｆ ｌｉｇｈｔ ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ
ｏｎ ｅｘｃｉｍｅｒｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌｌ
ｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏ
ｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ”，Ｊａｐ
ａｎｅｓｅ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｐｐｌｉｅｄ
ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．４Ａ，（１９９
５）ｐｐ１７５９」に開示されている。この公知文献に
よれば、レーザ再結晶化プロセスにおける溶融シリコン
の結晶化固化速度は１ｍ／ｓｅｃ以上であり、良好な結
晶成長を得るためには、固化速度の低減が必要であるこ
とが述べられている。具体的には、第１のレーザパルス
の照射過程における溶融シリコンの固化が完了した直後
に、第２のレーザパルスを照射するようにし、この第２
の照射によって、より固化速度の小さな再結晶化過程を
得ることが開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、良好
な結晶成長を得るためには固化速度の低減が必要であ
り、そのために従来は、第２のレーザパルスの照射によ
って固化速度の小さな再結晶化過程を得るといった方法
が取られている。しかしながら、この従来の方法は、溶
融・再結晶化過程における過度の過冷却を考慮していな
いため、以下のような問題がある。

【０００９】出発材料をａ−Ｓｉとする場合の、レーザ
再結晶化プロセスにおける溶融シリコンの結晶化固化の
温度変化（時間履歴曲線）を図８に示す。この図８に示
す温度変化を参照すると、レーザエネルギーの照射とと
もにシリコンの温度が上昇し、ａ−Ｓｉの融点ａを経た
後さらに温度が上昇する。そして、レーザ照射によるエ
ネルギーの供給が温度上昇に必要な値を下回ると、冷却
が始まる。この冷却過程では、結晶Ｓｉの凝固点ｂにお
いて、凝固時間ｔを経て固化が終了し、その後は雰囲気
温度まで冷却される。この場合における固化速度の平均
値は、以下のような式で表される。

【００１０】 固化速度の平均値＝シリコンの膜厚／凝固時間 上記式から、シリコンの膜厚が一定であれば、固化速度
を小さくするためには凝固時間の長時間化が有効である
ことが分かる。よって、熱平衡学的に理想的な状態を維
持したプロセスであれば、レーザ照射エネルギーを大き
くすることで凝固時間の拡大が可能である。

【００１１】しかしながら、前述の公知文献においても
指摘されているとおり、照射エネルギーの増大は膜の非
晶質化、微結晶化を引き起こす。現実的な溶融・再結晶
化過程においては、図８に示すような理想的な温度変化
を示さず、加熱時には温度の過上昇過程、冷却時には過
冷却過程を経て安定状態に到達する。特に、冷却時の冷
却速度が大きく、過度の過冷却を経る場合には、凝固点
近傍での結晶化が生ずることなく、冷却固化によりアモ
ルファス（非晶質）固体が形成されてしまう。また、薄
膜形成においては、前述の公知文献中でも述べられてい
るとおり、条件によってはアモルファスではなく、微結
晶体が形成されることもある。この微結晶体は、多結晶
薄膜あるいは単結晶薄膜に比べその粒径が小さいため
に、粒界ポテンシャルの大きな結晶粒界が多数存在し、
例えば薄膜トランジスタへの応用ではオン電流の低下、
あるいはオフリーク電流の増大を招くことになる。

【００１２】本発明の目的は、上記のようなアモルファ
ス化あるいは微結晶化が生じることがなく、理想的な熱
平衡過程により近い溶融再結晶化過程を経て結晶質シリ
コン薄膜を形成することのできる半導体薄膜の形成方法
およびパルスレーザ照射装置を提供することにある。

【００１３】本発明のさらなる目的は、その半導体薄膜
の形成方法により形成された半導体薄膜を備える半導体
装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の形
成方法は、シリコンを主成分とする半導体薄膜の形成方
法であって、光照射エネルギーによる少なくとも一回の
溶融固化過程を有し、その最終固化過程における最大冷
却速度を１．６×１０^１０℃／ｓｅｃ以下にすることを
特徴とする。

【００１５】上記の場合、前記溶融固化過程は、第１の
パルス光の照射による第１の溶融固化過程と、光強度が
前記第１のパルス光よりも小さな第２のパルス光の照射
による第２の溶融固化過程とを含み、前記第２のパルス
光の照射を、前記第１の溶融固化過程において半導体薄
膜の温度が最高温度に到達した後、その固化が終了する
までの間に行うようにしてもよい。

【００１６】また、上記の場合、前記第１および第２の
パルス光は、発光開始から５０ｎｓｅｃ以内に最大発光
強度に達し、かつ、発光時間が１００ｎｓｅｃ以上であ
ることとしてもよい。

【００１７】また、前記第１および第２のパルス光は、
パルス波形に複数のピークを有するようにしてもよい。

【００１８】本発明の第１のパルスレーザ照射装置は、
絶縁性基板または絶縁性薄膜上に形成された、シリコン
を主成分とする半導体薄膜を照射する半導体パルスレー
ザ光源と、前記パルスレーザ光源から射出されたパルス
光を第１および第２のパルス光に分割する分割手段とを
有し、前記第２のパルス光が、前記第１のパルス光の照
射による溶融固化過程において前記半導体薄膜の温度が
最高温度に到達した後、その固化が終了するまでの間に
照射されるように構成されていることを特徴とする。

【００１９】上記の場合、前記第２のパルス光の光路中
に、光強度が前記第１のパルス光よりも小さくなるよう
にフィルタ手段が設けられてもよい。

【００２０】また、前記パルスレーザ光源から供給され
るパルス光は、発光開始から５０ｎｓｅｃ以内に最大発
光強度に達し、かつ、発光時間が１００ｎｓｅｃ以上で
あることが望ましい。

【００２１】また本発明の第２のパルスレーザ照射装置
は、絶縁性基板または絶縁性薄膜上に形成された、シリ
コンを主成分とする半導体薄膜を照射する第１および第
２のパルスレーザ光源を有し、前記第１のパルスレーザ
光源から射出されたパルス光の照射による溶融固化過程
において前記半導体薄膜の温度が最高温度に到達した
後、その固化が終了するまでの間に、前記第２のパルス
レーザ光源から射出されたパルス光が照射されるように
構成されていることを特徴とする。

【００２２】上記の場合、前記第１のパルスレーザ光源
から射出されたパルス光の検知する検知手段と、前記検
知手段の検知タイミングに基づいて、前記第１および第
２のパルスレーザ光源の発光を制御する発光制御手段と
をさらに有し、前記発光制御手段が、前記第１のパルス
レーザ光源から射出されたパルス光の照射による溶融固
化過程において前記半導体薄膜の温度が最高温度に到達
した後、その固化が終了するまでの間に、前記第２のパ
ルスレーザ光源から射出されたパルス光が照射されるよ
うに制御するようにしてもよい。

【００２３】また、上記の場合、前記第２のパルスレー
ザ光源から供給されるパルス光は、その光強度が前記第
１のパルスレーザ光源から供給されるパルス光よりも小
さくすることが望ましい。さらに、前記第１および第２
のパルスレーザ光源から供給されるパルス光は、発光開
始から５０ｎｓｅｃ以内に最大発光強度に達し、かつ、
発光時間が１００ｎｓｅｃ以上であることが望ましい。

【００２４】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、上述したいずれかの半導体薄膜の形
成方法により形成された半導体薄膜を備えることを特徴
とする。 （作用）図１６に示すように、付加的なエネルギーを投
入することによって再度固化過程が繰り返され、それ以
前の固化過程における急冷による非晶質化、微結晶化が
一旦初期化される。この再度の固化過程は、前に投入さ
れたエネルギーが保存されている（この保存はナノ秒オ
ーダーと短時間のため、基板への熱伝導、雰囲気への放
射の影響が少ない。）ために生じると考えられる。ま
た、図１６から分かるように、この付加的なエネルギー
投入による固化過程における冷却速度は、それ以前の固
化過程における冷却速度よりも小さくなる。よって、こ
の再度投入されたエネルギーによる二次加熱終了後の冷
却速度に着目することで、良好な結晶成長を期待でき
る。

【００２５】上記のように、最終的に投入されたエネル
ギーによりそれ以前の冷却過程が初期化されることか
ら、最終固化過程における冷却速度が結晶化を支配する
ことになる。そして、詳しくは後述の実施形態にて説明
するが、その最終固化過程における最大冷却速度が１．
６×１０^１０℃／ｓｅｃ以下であれば、良好な結晶化が
得られることが実験的に見出されている。本発明では、
最終固化過程における最大冷却速度がその１．６×１０
^１０℃／ｓｅｃ以下に制御されるので、アモルファス化
あるいは微結晶化が生じることはない。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２７】＜第１の実施形態＞図２に、本形態で用い
るパルスレーザ光の発光パルス波形を示す。この発光パ
ルス波形は３つの主ピークを有し、その発光時間は約１
２０ｎｓｅｃに及ぶ。この発光パルス波形は、前述の公
知文献に記載のレーザの発光パルス（パルス幅が２１．
４ｎｓｅｃの矩形パルス）と比べて５倍以上の発光時間
を有するため、単一パルス照射であっても前述の公知文
献中で述べられているような固化速度の低減が可能であ
る。

【００２８】基板表面に膜厚７５ｎｍのシリコン膜が形
成されたＳｉＯ_２基板上に、上記の図２に示したような
発光パルス波形のＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ）を
照射強度４５０ｍＪ／ｃｍ^２で照射した場合の、レーザ
再結晶化時の数値計算から求まるシリコンの温度−時間
曲線を図３に示す。同図３中、実線がシリコン薄膜の温
度、破線がシリコン／基板界面から約１００ｎｍ下部の
基板温度、一点鎖線がシリコン／基板界面から約１μｍ
下部の基板温度をそれぞれ示す。

【００２９】図３を参照すると、シリコン薄膜の温度
は、第２の発光ピークがほぼ終了する約６０ｎｓｅｃ後
に最高温度に達し、冷却過程へと転じる。ただし、本数
値計算では溶融・凝固点として非晶質シリコンの値を用
いており、凝固点付近における振る舞いは現実のものと
は異なる。特に、結晶化膜が得られる場合は、結晶シリ
コンの凝固点で結晶化が完了する。

【００３０】最高温度に達して冷却過程に転じると、温
度−時間曲線は一旦大きな傾きを持って冷却が開始され
るが、第３のピークが存在する１００ｎｓｅｃ付近で
は、温度−時間曲線の傾きは非常に小さくなる。そし
て、完全に発光が終了する１２０ｎｓｅｃ以降では、再
び急速な冷却過程を経て凝固する。

【００３１】一般に、熱平衡過程を大きくはずれるよう
な“急冷”を経た液体からの固化過程の場合、結晶構造
の形成に必要な十分な凝固時間を得ることができないた
め、非晶質化が生じたり、場合によっては微結晶化が生
じる。以下、この非晶質化、微結晶化と照射エネルギー
との関係について説明する。

【００３２】上述の図３に示したシリコン薄膜の温度変
化の曲線から求まる発光終了後の最大冷却速度と、Ｘｅ
Ｃｌレーザの照射強度との関係を図１に示す。この図１
から、発光終了後の最大冷却速度は照射強度の増大とと
もに増加することが分かる。図４はＸｅＣｌレーザの照
射強度を３３９ｍＪ／ｃｍ^２，４２４ｍＪ／ｃｍ^２，４
７０ｍＪ／ｃｍ^２と変えた場合のレーザ照射後のシリコ
ン薄膜の構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察した写真
で、（ａ）〜（ｃ）は１ショット（照射パルス数が１パ
ルス）の場合、（ｄ）〜（ｆ）は３ショット（照射パル
ス数が３パルス）の場合を示す。

【００３３】図４から分かるように、１ショットの場合
には、粒径は照射強度の増大とともに一旦は増大するも
のの、４７０ｍＪ／ｃｍ^２程度の設定照射強度条件にお
いて微結晶化が生じる。これに対して、３ショットの場
合には、４７０ｍＪ／ｃｍ^２程度の設定照射強度条件に
おいても、部分的に微結晶化領域が残るものの、１ショ
ットの場合とは異なり粒径の飛躍的な増大が認められ
る。ここで、実照射強度は、エキシマレーザの特に最初
の数パルスにおいて設定値に比べ５〜１０％程度高くな
るため、微結晶化の生じるしきい強度は５００ｍＪ／ｃ
ｍ^２程度と見積もることができる。

【００３４】以上の結果を図１に示した最大冷却速度と
照射強度の関係に当てはめて、５００ｍＪ／ｃｍ^２の条
件における微結晶化の生じる冷却速度を見積もると、微
結晶化は約１．６ｘ１０^１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度
条件で生じることが分かる。被照射膜がａ−Ｓｉの場合
は、約５００ｍＪ／ｃｍ^２以上の照射強度で微結晶化が
生じ、被照射膜がｐｏｌｙ−Ｓｉの場合には、その微結
晶化が生じる冷却速度の１．６ｘ１０^１０℃／ｓｅｃを
当てはめると、ａ−Ｓｉの場合の５００ｍＪ／ｃｍ^２と
比べて約３０ｍＪ／ｃｍ^２大きい５３０ｍＪ／ｃｍ^２の
照射強度で微結晶化が生じる。

【００３５】以上のようなことから、冷却速度を１．６
ｘ１０^１０℃／ｓｅｃ以下に制御することによって、微
結晶化、アモルファス化を防ぐことができ、良好な結晶
成長過程を得ることが可能になる。

【００３６】＜第２の実施形態＞ここでは、照射パルス
数を２パルス（第１パルス、第２パルス）とした場合
の、微結晶化、アモルファス化を防ぐことができる冷却
速度について説明する。

【００３７】（１）第２パルスの遅延時間と最大冷却速
度および最小冷却速度との関係：第１パルスの照射強度
を４５０ｍＪ／ｃｍ^２とし、第２パルスの照射強度を１
５０ｍＪ／ｃｍ^２とし、第２パルスの第１パルスに対す
る遅延時間をそれぞれ１００，２００，３００ｎｓｅｃ
とした場合の、温度−時間変化曲線の計算結果を図５〜
７に示す。図５〜７中、実線がシリコン薄膜の温度、破
線がシリコン／基板界面から約１００ｎｍ下部の基板温
度、一点鎖線がシリコン／基板界面から約１μｍ下部の
基板温度をそれぞれ示す。ここでは、シリコン層の膜厚
を７５ｎｍとし、計算に用いた材料条件として非晶質シ
リコンのものを用い、基板には二酸化シリコンの材料定
数を用いている。また、前述の図８に示したような、最
も大きな傾きの部分から求められる最大冷却速度及び最
も小さな傾きの部分から求められる最小冷却速度と同様
に定義付けられる、総エネルギー照射完了後の冷却過程
における最大冷却速度および最小冷却速度と、第２パル
スの遅延時間との関係を図９に示す。

【００３８】図９から分かるように、第２パルス照射後
の冷却過程における最大冷却速度は、照射パルス数が１
パルスの条件（第２パルス照射のない条件、すなわち第
１パルスのみの条件）で照射した場合の冷却過程におけ
る最大冷却速度よりも低減する。また、第２パルス照射
後の冷却過程における最小冷却速度は、第２パルスの遅
延条件が１００〜２００ｎｓｅｃ程度で最小値をとる。
この遅延条件を超えると、最小冷却速度は再び増加する
ことになる。この遅延時間の増大に伴う最小冷却速度の
増大は、次のようなことによる。すなわち、遅延時間の
増大は、エネルギー伝達時間、すなわち基板に奪われる
エネルギー量の増大を招くため、かえって固化過程での
冷却速度を大きくすることになり、結果的に、最小冷却
速度が増大することになる。

【００３９】（２）第２パルスの照射強度と最大冷却速
度との関係：第１パルスの照射強度を４５０ｍＪ／ｃｍ
^２とし、第１パルスに対する第２パルスの遅延時間を２
００ｎｓｅｃとし、第２パルスの照射強度をそれぞれ１
００ｍＪ／ｃｍ^２，５０ｍＪ／ｃｍ^２，２５ｍＪ／ｃｍ
^２と変えた場合の、温度−時間変化曲線の計算結果をそ
れぞれ図１０〜１２に示す。各図１０〜１２において、
実線がシリコン薄膜の温度、破線がシリコン／基板界面
から約１００ｎｍ下部の基板温度、一点鎖線がシリコン
／基板界面から約１μｍ下部の基板温度をそれぞれ示
す。ここでは、シリコン層の膜厚を７５ｎｍとし、計算
に用いた材料条件として非晶質シリコンのものを用い、
基板には二酸化シリコンの材料定数を用いている。

【００４０】前述の図８に示したような最も大きな傾き
の部分から求められる最大冷却速度と同様に定義付けら
れる、総エネルギー照射完了後の冷却過程における最大
冷却速度と、第２パルスの照射強度との関係を図１３に
示す。

【００４１】図１３を参照すると、第２パルス照射後の
冷却過程における最大冷却速度は、照射パルス数が１パ
ルスの条件（第２パルス照射のない条件、すなわち第１
パルスのみの条件）で照射した場合の冷却過程における
最大冷却速度よりも低減する。また、図１０〜１２の各
曲線の第２パルス照射後の冷却過程における最大冷却速
度は、図１３に示すようにほぼ一定となっており、これ
は急速な冷却から次第に緩やかな冷却過程に変化する上
述の図５〜７の結果とは異なる。

【００４２】以上説明した（１）および（２）の関係か
ら分かるように、第２パルス照射後の冷却過程における
最大冷却速度は、第１パルスのみので照射する場合に比
べて低減する。

【００４３】本形態のように照射パルス数が２パルスの
場合、第２パルスが照射される前に投入されたエネルギ
ーに基づく冷却過程、すなわち第１パルス照射後の冷却
過程は、第２パルスが照射されることにより初期化され
るため、第２パルス照射後の冷却過程における冷却速度
が結晶化を支配することになる。したがって、第２パル
ス照射後の冷却過程における冷却速度が低くなるよう
に、第２パルスの遅延時間および照射強度を設定すれ
ば、良好な結晶成長を得られる。

【００４４】また、より良好な結晶成長を得るために
は、第１および第２パルスは、その全体としてのパルス
波形が、発光開始より５０ｎｓｅｃ以内に発光強度の最
大値に到達し、かつ、発光開始より１００ｎｓｅｃ以上
の発光時間を有するようにする。そして、第１パルス照
射による溶融再結晶化における最大到達温度に達した後
で、固化が終了するまでの間に、第１パルスの照射強度
よりも小さい第２パルス光が照射されるように設定する
ことが望ましい。

【００４５】＜第３の実施形態＞ここでは、正規分布型
の発光パルス波形を仮定して説明する。正規分布型の発
光パルスを照射した場合の最大冷却速度と凝固点付近の
最小冷却速度をプロットしたものを図１４に示す。パル
ス光の照射強度は、パルス幅の増大に伴って完全溶融に
至らなくなるといったことが起きないように、６００ｍ
Ｊ／ｃｍ^２としている。この設定により、６００ｎｓｅ
ｃ程度までの評価が可能となる。

【００４６】図１４を参照すると、パルスの半値幅が１
００ｎｓｅｃ程度では急峻な冷却の様子が見られ、この
場合の最大冷却速度は、１．６ｘ１０^１０℃／ｓｅｃを
超え、微結晶化が発生する領域に入る。パルスの半値幅
が１００ｎｓｅｃより長くなると、最大冷却速度は小さ
くなり、凝固点付近の冷却速度と同じ値に近づく。そし
て、パルスの半値幅が６００ｎｓｅｃになると、冷却速
度はさらに１．０×１０^９℃／ｓｅｃ以下にまで低下す
る。

【００４７】本形態のように正規分布型の発光パルス波
形を持つ場合、半値幅を長くすることで、パルス波形の
後半部の照射エネルギーによって冷却速度の増大が緩和
される。したがって、本形態の場合においても、上述の
各形態の場合と同様、最終的に投入された照射エネルギ
ーによりそれ以前の冷却過程が初期化されることから、
照射終了後における冷却速度が結晶化を支配する。よっ
て、最終固化過程における最大冷却速度を１．０×１０
^９℃／ｓｅｃ以下に制御することで、良好な結晶化を得
ることができる。

【００４８】以上説明した第１〜３の実施形態から分か
るように、シリコンを主成分とする半導体薄膜を光照射
エネルギーによる少なくとも一回の溶融固化過程にって
結晶化する場合、その最終固化過程における最大冷却速
度を１．６×１０^１０℃／ｓｅｃ以下にすることで良好
な結晶成長を得ることができる。

【００４９】また、第２の実施形態のように、照射パル
ス数が２パルスの場合、第２パルス光はその光強度が第
１パルス光よりも小さくなるように、第１パルス光の照
射による溶融固化過程において半導体薄膜の温度が最高
温度に到達した後、その固化が終了するまでの間に第２
パルス光を照射するようにすれば、より良好な結晶成長
を得ることができる。この場合、第１パルス光および第
２パルス光は、発光開始から５０ｎｓｅｃ以内に最大発
光強度に達し、かつ、発光時間が１００ｎｓｅｃ以上で
あることが望ましい。

【００５０】さらに、パルス波形に第１の実施形態で説
明したような複数のピークを持たせるようにすれば、よ
り良好な結晶成長を得ることができる。

【００５１】＜パルスレーザ照射装置＞図１５に、上述
したような半導体薄膜の形成方法を適用したパルスレー
ザ照射装置の一形態を示す。このレーザ照射装置は、発
光制御装置２によって駆動パルス波形が制御される２つ
のパルスレーザ光源１ａ，１ｂを備える。各パルスレー
ザ光源１ａ，１ｂは、発光開始から５０ｎｓｅｃ以内に
最大発光強度に達し、かつ、発光時間が１００ｎｓｅｃ
以上のパルス光を射出するように構成されている。パル
スレーザ光源１ｂは、パルス光の光強度がパルスレーザ
光源１ａよりも小さい。

【００５２】パルスレーザ光源１ａから供給されるレー
ザ光はハーフミラー３で分割され、ハーフミラー３で反
射された光が空間的な強度の均一化を行うべく設置され
るビームホモジナイザ６およびミラー４ａ，４ｂの光学
素子群によって規定される光路７を通って被照射体であ
るガラス基板８上のシリコン薄膜９に到達する。一方の
ハーフミラー３を透過した光は光センサ５に達する。

【００５３】パルスレーザ光源１ｂから供給されるレー
ザ光は、ミラー４ｃで反射されてハーフミラー３へ達
し、該ハーフミラー３を透過しレーザ光が、パルスレー
ザ光源１ａから供給されたレーザ光とともに光路７を通
ってシリコン薄膜９に達する。光センサ５は、パルスレ
ーザ光源１ａから供給されるレーザ光を検知し、その検
知信号を発光制御装置２に送出する。発光制御装置２
は、光センサ５がパルスレーザ光源１ａから供給された
レーザ光を検出した時刻から所定の時間分だけ遅れてパ
ルスレーザ光源１ｂからのレーザ光の供給を行わせる。
具体的には、発光制御装置２は、光センサ５における検
知タイミングに基づいて、パルスレーザ光源１ａから射
出されたパルス光の照射による溶融固化過程においてシ
リコン薄膜９の温度が最高温度に到達した後、その固化
が終了するまでの間に、パルスレーザ光源１ｂから射出
されたパルス光がシリコン薄膜９へ照射されるように制
御する。これにより、前述したような半導体薄膜の形成
に相当するレーザ光照射を実現できる。

【００５４】このレーザ照射装置の場合、照射範囲が小
さいため、ガラス基板８が固定されるｘｙステージ１０
を移動させることにより、ガラス基板８上の任意の位置
にレーザ光を照射することができる。また、ｘｙステー
ジ１０の代わりに、上述の光学素子群を移動させること
や、光学素子群とステージを組み合わせることも可能で
ある。また、レーザ照射が真空チャンバ内で真空中ある
いは高純度ガス雰囲気下で行われることもある。

【００５５】さらに、必要に応じてシリコン薄膜付きガ
ラス基板入りカセット１１と基板搬送機構１２を設け、
カセット内に収納されているシリコン薄膜付きガラス基
板のｘｙステージ１０上への搬送、およびｘｙステージ
１０上のガラス基板のカセット１１内への収納を基板搬
送機構によって機械的に行うこともできる。

【００５６】遅延を制御する方法は、上記のほかに、パ
ルスレーザ光源１ｂから供給されるレーザ光の光路長を
変化させる（パルスレーザ光源１ａから供給されるレー
ザ光の光路長よりも長くする）ことで行うことも可能で
ある。

【００５７】本形態のような２台の光源を用いた場合
は、パルス波形が異なる光源を用いても、パルス波形が
類似した光源を用いてもよい。

【００５８】また、上述のような２光源を用いるのでは
なく、１つのレーザ光源から供給されるレーザ光を２つ
に分割し、一方のレーザ光の光路長を変化させることで
も、上述のレーザ照射装置と同様の装置を実現すること
も可能である。具体的には、第１および第２のパルスに
分割されたとすると、第２のパルス光が、第１のパルス
光の照射による溶融固化過程において半導体薄膜の温度
が最高温度に到達した後、その固化が終了するまでの間
に照射されるようにすればよい。この場合、第２のパル
ス光の光路中に、光強度が第１のパルス光よりも小さく
なるようにフィルタを設ける必要がある。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ再結晶化過程におけるアモルファス化あるいは微
結晶化を防ぎ、理想的な熱平衡過程により近い溶融再結
晶化過程を経て形成された結晶質シリコン薄膜を提供す
ることができる。

【００６０】また、軟化点の低いガラス基板上において
も、理想的な熱平衡過程により近い溶融再結晶化過程を
経て結晶性シリコンを形成することができる。

【００６１】さらに、本発明の半導体薄膜の形成方法に
基づいて得られた半導体薄膜を有する半導体装置におい
ては、例えば薄膜トランジスタへ応用した場合、オン電
流の低下、あるいはオフリーク電流の増大を招くことを
防止することができ、動作の安定性に優れたものを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 発光終了後の最大冷却速度と、ＸｅＣｌレー
ザの照射強度との関係を説明するための図ある。

【図２】 本発明の第１の実施形態の半導体薄膜の形成
方法に使用されるパルス波形を示す図である。

【図３】 照射強度４５０ｍＪ／ｃｍ^２のパルス光を照
射した場合のシリコン膜の温度変化を示す図である。

【図４】 レーザ再結晶化膜の構造を走査型電子顕微鏡
を用いて観察した図面代用写真で、（ａ）〜（ｃ）は１
ショット（照射パルス数が１パルス）の場合、（ｄ）〜
（ｆ）は３ショット（照射パルス数が３パルス）の場合
を示す。

【図５】 第１パルスの照射強度を４５０ｍＪ／ｃ
ｍ^２、第２パルスの照射強度を１５０ｍＪ／ｃｍ^２、そ
の遅延時間を１００ｎｓｅｃとした場合のシリコン膜の
温度変化を示す図である。

【図６】 第１パルスの照射強度を４５０ｍＪ／ｃ
ｍ^２、第２パルスの照射強度を１５０ｍＪ／ｃｍ^２、そ
の遅延時間を２００ｎｓｅｃとした場合のシリコン膜の
温度変化を示す図である。

【図７】 第１パルスの照射強度を４５０ｍＪ／ｃ
ｍ^２、第２パルスの照射強度を１５０ｍＪ／ｃｍ^２、そ
の遅延時間を３００ｎｓｅｃとした場合のシリコン膜の
温度変化を示す図である。

【図８】 出発材料をａ−Ｓｉとした場合の、レーザ再
結晶化プロセスにおける溶融シリコンの結晶化固化の温
度変化を示す図である。

【図９】 総エネルギー照射完了後の冷却過程における
最大冷却速度および最小冷却速度と第２パルスの遅延時
間との関係を説明するための図である。

【図１０】 第１パルスの照射強度を４５０ｍＪ／ｃｍ
^２、第２パルスの照射強度をそれぞれ１００ｍＪ／ｃｍ
^２、その遅延時間を２００ｎｓｅｃとした場合のシリコ
ン膜の温度変化を示す図である。

【図１１】 第１パルスの照射強度を４５０ｍＪ／ｃｍ
^２、第２パルスの照射強度をそれぞれ５０ｍＪ／ｃ
ｍ^２、その遅延時間を２００ｎｓｅｃとした場合のシリ
コン膜の温度変化を示す図である。

【図１２】 第１パルスの照射強度を４５０ｍＪ／ｃｍ
^２、第２パルスの照射強度をそれぞれ２５ｍＪ／ｃ
ｍ^２、その遅延時間を２００ｎｓｅｃとした場合のシリ
コン膜の温度変化を示す図である。

【図１３】 総エネルギー照射完了後の冷却過程におけ
る最大冷却速度と第２パルスの照射強度との関係を説明
するための図である。

【図１４】 正規分布型の発光パルスを照射した場合の
最大冷却速度と凝固点付近の最小冷却速度との関係を示
す図である。

【図１５】 本発明の半導体薄膜の形成方法を適用した
パルスレーザ照射装置の一形態を示す構成図である。

【図１６】 二次エネルギーを投入した場合のシリコン
膜の温度変化を示す図である。

【図１７】 従来のパルスレーザ照射装置を示す構成図
である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ パルスレーザ光源 ２ 発光制御装置 ３ ハーフミラー ４ａ，４ｂ，４ｃ ミラー ５ 光センサ ６ ビームホモジナイザ ７ 光路 ８ ガラス基板 ９ シリコン薄膜 １０ ｘｙステージ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンを主成分とする半導体薄膜の形
   成方法であって、光照射エネルギーによる少なくとも一
   回の溶融固化過程を有し、その最終固化過程における最
   大冷却速度を１．６×１０^１０℃／ｓｅｃ以下にするこ
   とを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
2. 【請求項２】 光照射エネルギーによる溶融固化工程が
   複数回であることを特徴とする請求項１記載の半導体薄
   膜の形成方法。
3. 【請求項３】 結晶性シリコンを主成分とする半導体薄
   膜の形成方法であることを特徴とする請求項１記載の半
   導体薄膜の形成方法。
4. 【請求項４】 最終溶融固化過程を経る直前の半導体薄
   膜が結晶性シリコンであることを特徴とする請求項２記
   載の半導体薄膜の形成方法。
5. 【請求項５】 光の照射がステージ上に配置されたシリ
   コン薄膜付き基板を移動させることにより行われること
   を特徴とする請求項１記載の半導体薄膜の形成方法。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法
   において、前記溶融固化過程は、第１のパルス光の照射
   による第１の溶融固化過程と、光強度が前記第１のパル
   ス光よりも小さな第２のパルス光の照射による第２の溶
   融固化過程とを含み、前記第２のパルス光の照射を、前
   記第１の溶融固化過程において半導体薄膜の温度が最高
   温度に到達した後、その固化が終了するまでの間に行う
   ことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の半導体薄膜の形成方法
   において、前記第１および第２のパルス光は、発光開始
   から５０ｎｓｅｃ以内に最大発光強度に達し、かつ、発
   光時間が１００ｎｓｅｃ以上であることを特徴とする半
   導体薄膜の形成方法。
8. 【請求項８】 請求項６に記載の半導体薄膜の形成方法
   において、前記第１および第２のパルス光は、パルス波
   形に複数のピークを有することを特徴とする半導体薄膜
   の形成方法。
9. 【請求項９】 絶縁性基板または絶縁性薄膜上に形成さ
   れた、シリコンを主成分とする半導体薄膜を照射するパ
   ルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光源から射出され
   たパルス光を第１および第２のパルス光に分割する分割
   手段とを有し、前記第２のパルス光が、前記第１のパル
   ス光の照射による溶融固化過程において前記半導体薄膜
   の温度が最高温度に到達した後、その固化が終了するま
   での間に照射されるように構成されており、前記第２の
   パルス光による加熱−冷却過程における最大冷却速度
   が、前記第１のパルス光のみの加熱−冷却過程から得ら
   れる最大冷却速度よりも小さくなるように制御されるこ
   とを特徴とするパルスレーザ照射装置。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載のパルスレーザ照射装
    置において、前記第２のパルス光の光路中に、光強度が
    前記第１のパルス光よりも小さくなるようにフィルタ手
    段が設けられたことを特徴とするパルスレーザ照射装
    置。
11. 【請求項１１】 請求項９に記載のパルスレーザ照射装
    置において、前記パルスレーザ光源から供給されるパル
    ス光は、発光開始から５０ｎｓｅｃ以内に最大発光強度
    に達し、かつ、発光時間が１００ｎｓｅｃ以上であるこ
    とを特徴とするパルスレーザ照射装置。
12. 【請求項１２】 絶縁性基板または絶縁性薄膜上に形成
    された、シリコンを主成分とする半導体薄膜を照射する
    第１および第２のパルスレーザ光源を有し、前記第１の
    パルスレーザ光源から射出されたパルス光の照射による
    溶融固化過程において前記半導体薄膜の温度が最高温度
    に到達した後、その固化が終了するまでの間に、前記第
    ２のパルスレーザ光源から射出されたパルス光が照射さ
    れるように構成されており、前記第２のパルスレーザ光
    源による加熱−冷却過程における最大冷却速度が、前記
    第１のパルスレーザ光源のみの加熱−冷却過程から得ら
    れる最大冷却速度よりも小さくなるように制御されるこ
    とを特徴とするパルスレーザ照射装置。
13. 【請求項１３】 絶縁性基板上または絶縁性薄膜上に、
    前記請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の半導体薄
    膜の形成方法により形成された半導体薄膜を備えること
    を特徴とする半導体装置。