JP2002524874A - 薄い半導体膜の二重パルスレーザー結晶化 - Google Patents

薄い半導体膜の二重パルスレーザー結晶化

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Abstract

(57)【要約】 レーザー結晶化方法が、絶縁基板上に半導体材料の膜（５１）を設けるステップ、及びその膜上でパルス化されたレーザービームを走査するステップを具え、そのレーザービームは山形（２）を定義するように整形されている。そのレーザービームの各パルスは、少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分（３０）、及び好適には第１エネルギーより低い、第２エネルギーの第２の次のパルス部分（３４）を具えている。各パルスの第１及び第２パルス部分はその膜（５１）上の実質的に同じ位置に加えられる。この方法は、電子装置を形成し、且つ信頼できる結晶化が特に薄膜トランジスタ装置に対するアモルファスシリコンの薄い半導体膜（５１）内に大きい単結晶領域を形成することを可能にするために用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、薄膜のレーザー結晶化に関するものである。シリコン膜の結晶化は
高性能活性マトリックス液晶表示装置及びその他の装置を製作するために広範に
用いられてきた。レーザー結晶化の使用の特別の利点は、多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタが、ガラス基板に熱損傷を導入することなく、ガラス基板上に製作さ
れ得ることである。
【０００２】 種々の手段が、シリコン膜から形成される装置において起こる粒子境界線の数
を低減するように、レーザー結晶化されたシリコン膜の粒子サイズを増大するた
めに提案されてきた。R. S. Sposili 他によってMat. Res. Soc. Symp. Proc.
Vol. 452の第953-958 頁に掲載された論文「Single Crystal Si Films Via A
Low-Substrate-Temperature Excimer-Laser Crystallization Method （低基板
温度エキシマ−レーザー結晶化方法による単結晶シリコン膜）」は、薄いシリコ
ン膜上の予め決められた位置において、単結晶領域を形成するためのシリコンの
結晶化のために、山形状にされたレーザービーム外形の使用を記載している。こ
の論文の内容は、参考材料としてここに組み込まれる。この記載された方法は、
２００ｎｍの厚さを有するシリコンの膜へ適用され且つこの方法は約１００ｎｍ
までの膜厚さに対して実際に適用され得る。このレベル以下の厚さに対してはそ
の膜内の自己核生成がその粒子サイズの低減に帰着する。
【０００３】 種々の理由のためにその半導体層の膜厚さを低減することが望ましい。厚い半
導体膜はその膜を融かすためにもっと多くのエネルギーを必要とするので、薄い
厚さはもっと迅速なレーザー結晶化過程に帰着する。その結果、レーザー源の所
定のエネルギーに対して、その膜のより小さい範囲がそのレーザー源を用いて処
理され得る。更にその上、より薄い半導体膜は低減された光感応性を有し、それ
は一定の半導体装置に対しては望ましいであろう。
【０００４】 本発明の第１の局面によると、絶縁基板上に設けられた薄膜半導体層を有する
半導体構成要素を具えている電子装置を製造する方法が提供され、そこでその半
導体層がその膜上でパルス化されたレーザービームを走査することにより結晶化
され、そのレーザービームは山形を定義するように整形され、そのレーザービー
ムの各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーの
第２の次のパルス部分とを具えており、各パルスの少なくとも前記第１及び第２
パルス部分はその膜上の実質的に同じ位置に加えられる。山形状にされたビーム
の各パルスは２個以上のパルス部分を具えてもよい。かくして、各パルスはその
膜上の実質的に同じ位置に加えられる異なるエネルギーの連続するパルス部分を
具え得る。
【０００５】 山形状にされた結晶化ビームの使用が、前記半導体膜内の単結晶領域の粒子サ
イズが増大されることを可能にする。更にその上、複数パルスレーザーの使用が
その半導体膜内の自己核生成への傾向を低減する。このことがこの結晶化方法が
１００ｎｍ以下の膜厚さに対して、且つ好適には約４０ｎｍの膜厚さに対して、
使用されることを可能にする。
【０００６】 本発明はまた、 絶縁基板上に半導体材料の膜を設けるステップ、 前記膜上でパルス化されたレーザービームを走査するステップであって、前記
レーザービームは山形を定義するように整形されており、前記レーザービームの
各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーの第２
の次のパルス部分とを具えており、各パルスの少なくとも前記第１及び第２パル
ス部分は前記膜上の実質的に同じ部分に加えられる、ステップ、 を具えている、薄膜半導体層を結晶化するためのレーザー結晶化方法を提供する
ものである。
【０００７】 二重パルスレーザー結晶化方法は、日本における雑誌応用化学第３４巻（1995
年）の第3976〜3981頁に掲載されたR. Ishihara他による論文、「シリコン薄膜
の新奇な二重パルスエキシマレーザー結晶化方法」から既知であり、且つこの方
法はエキシマレーザー結晶化されたシリコン膜の粒子サイズを増大し、特にそれ
で単一分割パルスが膜材料の１μｍ領域の結晶化を作り出し得ると記載されてい
る。この論文の内容はまた参考材料としてここに組み込まれる。
【０００８】 本発明はまた、 レーザービームパルスを与えるパルス化されたレーザー源、 少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーの第２の次のパ
ルス部分とを定義する強度外形を有する出力パルスを与えるために前記レーザー
ビームパルスを分割するための光学処理装置、 山形状にされたパルスを形成するために、前記出力パルスを整形するための手
段、及び 結晶化のために、サンプル上へ前記山形状にされたパルスを投射するための投
射装置、 を具えているレーザー結晶化装置を提供する。
【０００９】 本発明の実施例を添付の図面を参照して実例によって今や説明しよう。
【００１０】 図１に示したように、本発明によるレーザー結晶化技術に対する凝固前線は、
山形の頂点において単結晶粒子を成長させる山形状にされたビームとして定義さ
れる。そのビームがその膜の上で進められるに従って、その単結晶粒子が成長す
る。このビーム整形が大きい単結晶領域が半導体層内に定義されることを可能に
し、且つそれがその膜から形成されるべき半導体装置、例えば薄膜トランジスタ
に対する所望の位置と一致するように位置決めされ得る。そのビームの各パルス
は、例えば図３Ｂに表現された強度−時間外形を有する、２個のパルス部分を具
えている。この二重パルス方法が、本発明を用いて処理され得る膜の厚さが、ア
モルファスシリコン半導体層に対する最適レベル、例えば４０ｎｍまで低減され
ることを可能にする。
【００１１】 本発明のこの方法は、方向性で凝固される微細構造への、アモルファス又は多
結晶シリコン膜の変換を可能にするレーザー結晶化方法に対して応用できる。こ
の結晶化方法は、パルス間のパターン化されたマスクに対する膜の制御された動
きと組み合されて、そのパターン化されたマスクを通した照射を用いるその半導
体膜の選択された領域の完全な融解を伴う。その結晶化装置のレーザー源の所定
のエネルギー出力に対して、より薄い膜厚さがそのパターン化されたレーザーが
その膜上で走査される速度が増大されることを可能にする。
【００１２】 図１は半導体材料の膜上で山形状にされた開口部を用いてパターン化されたレ
ーザー加熱ビームを進めることにより起される結晶化を図解している。山形状に
されたマスク２の使用が、単結晶粒子にその山形の頂点において形成されさせ、
粒子境界線は溶融物境界面とほぼ垂直に形成すると言う事実により、それでその
単結晶粒子は並進方向（図１における矢印６）においてのみならず、横にもまた
側成長を経験する。薄膜半導体層上で、この山形状にされたビームを進めること
が、この出願で先に参照された論文「低基板温度エキシマ−レーザー結晶化方法
による単結晶シリコン膜」に記載された方法において、図１部分Ｂに示されたよ
うな、単結晶領域４に帰着する。
【００１３】 その山形状にされたビームは数μｍ又は数十μｍの程度の幅（Ｗ）を有し得る
ので、結果として生じる単結晶領域は、薄膜半導体層を用いて製作されるべき薄
膜トランジスタのチャネル領域と一致するためのサイズにおいてて充分である。
ビーム整形を定義するスリットの幅は約１μｍであり得る。
【００１４】 そのレーザーは、その結晶化された膜が単結晶領域の列を含むように、その山
形状にされたビームの列を定義するようにパターン化され得る。その山形状にさ
れたビームが頂点１２において合致する第１及び第２凝固前線８，１０を定義す
る。これらの前線は必ずしも垂直ではなく、且つ鋭角又は鈍角がその頂点におい
て対され得る。これらの可能性がこの記載及び請求項に用いられるような語「山
形」内に帰するように各々意図されている。
【００１５】 レーザー加熱により溶解された半導体材料の側凝固は、そのレーザー加熱がそ
の薄膜の全深さの完全溶解になった場合に最大限に拡大される。充分に高いレー
ザーエネルギー密度がこれを達成するために必要であり、そのエネルギー強度は
その膜の特性に依存するだろう。パルス化されたエキシマレーザーがこの目的に
対して適切である。
【００１６】 本発明のレーザー結晶化方法はまた２個以上の連続的な強度ピークを有するレ
ーザーパルス強度外形を用いる。二重パルスエキシマレーザー結晶化の使用は、
単結晶領域の粒子サイズを増大するためにすでに提案されてきた。二重パルス方
法は冷却速度を遅くすると理解されてきたので、その結晶核は約５００℃の過冷
却において起こることが知られている豊富な均一核生成の到来の前に、互いに合
致するのに充分なサイズまで成長できる。第１パルスがその膜を溶融させ、且つ
その基板内へ熱拡散を許容するために、第２パルス前に充分な時間期間が設けら
れる。その基板の予備加熱がその第２パルスの後の冷却速度を低減する。
【００１７】 可能な強度外形の一例が図３Ｂに示されている。第１パルス３０はその膜を完
全に融かすための密度に充分なエネルギーを有し、且つこのエネルギー密度はこ
の過程により処理されている膜の性質と厚さとに依存するだろう。このエネルギ
ー密度は、５０ｎｍの厚さを有するアモルファスシリコン薄膜に対して、３００
ｍＪ／ｃｍ2 の程度であり得る。そのパルス持続期間は３０ｎｓの程度であり得
る。パルス間の遅延３２はその基板内への熱の充分な拡散を許容するのに充分で
あり、その膜の凝固されない部分の充分な均一核生成を許容するのにまだ充分で
なく、且つ例えば１００〜２００ｎｓの間であり得る。第２パルス３４から要求
される小さいエネルギーは、図示の例では１５０ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度
を有し得る。この第２パルスの目的は凝固過程を再び開始させることである。
【００１８】 このレーザーパルス強度外形の正確な外形は、その膜の化学的構成と機械的構
造とのような、多くの考察を考慮して選択されるだろう。本発明は他の材料のレ
ーザー結晶化に対して同様に応用できるけれども、本発明はアモルファスシリコ
ン堆積された層から多結晶シリコン膜を作り出す背景で記載されてきた。
【００１９】 図２は本発明によるレーザー結晶化装置を示している。パルスレーザー源４０
が、例えば図３Ａに示された外形を有するレーザービームパルスを与える。光学
処理装置４２が、一例が図３Ｂ（そこでは各パルスが第１エネルギーの第１パル
ス部分と第２エネルギーの第２の次のパルス部分とを含んでいる）に示された複
数のピーク強度外形を与える。この光学処理装置４２が、部分的に透過性で部分
的に反射性であるビーム分割器４４から、パルスレーザー源出力を受け取る。必
要なら光信号の減衰と同時に、光学遅延がこの光学処理装置４２により与えられ
る。結合器４６を用いて、その遅延された信号がそのビーム分割器４４により伝
達された元のパルスレーザー源出力の部分と結合される。
【００２０】 二重パルスレーザービーム出力は、セミ−ガウス外形からシルクハット外形へ
の変換のために、ホモジナイザー４８へ供給される。
【００２１】 一つの可能性として、投射装置５２を用いて、サンプル５１への次の伝達のた
めに、山形状にされたパルスを形成するように出力パルスを整形するために、マ
スク５０が設けられる。
【００２２】 そのサンプル（それの絶縁基板上に膜５１を具えている）が、投射されたビー
ムがそのサンプル上で走査されさせられ得るように可動台上へ取り付けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 山形状にされたマスクを通して加えられるパルスにより、アモルファ
ス半導体膜へ加えられるパルスレーザーにより定義される粒子境界線を示してい
る。
【図２】 本発明によるレーザー結晶化装置を示している。
【図３】 図２の装置内の位置 IIIＡ とIIIＢとにおけるレーザービーム強度パ
ターンを示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １， 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BA04 BA14 BB03 BB07 JA01 5F110 BB01 DD02 GG02 GG13 GG16 GG25 PP03 PP05 PP06 PP07 PP23

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁基板上に設けられた薄膜半導体層を有する半導体構成要素を
    具えている電子装置を製造する方法において、 前記半導体層がその膜上でパルス化されたレーザービームを走査することによ
    り結晶化され、前記レーザービームは山形を定義するように整形され、前記レー
    ザービームの各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネ
    ルギーの第２の次のパルス部分とを具えており、各パルスの少なくとも前記第１
    及び第２パルス部分は前記膜上の実質的に同じ位置に加えられることを特徴とす
    る電子装置を製造する方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記半導体構成要素が薄膜トラン
    ジスタを具えていることを特徴とする電子装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 薄膜半導体層を結晶化ためのレーザー結晶化方法であって、 絶縁基板上に半導体材料の膜を設けるステップ、及び 前記膜上でパルス化されたレーザービームを走査するステップであって、前記
    レーザービームは山形を定義するように整形されており、前記レーザービームの
    各パルスは少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーの第２
    の次のパルス部分とを具えており、各パルスの少なくとも前記第１及び第２パル
    ス部分は前記膜上の実質的に同じ部分に加えられる、ステップ、 を具えているレーザー結晶化方法。
  4. 【請求項４】 前記膜の厚さが１００ｎｍより薄いことを特徴とする請求項１〜
    ３のいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記膜の厚さが約４０ｎｍであることを特徴とする請求項４記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 前記第１エネルギーが前記第２エネルギーより大きいことを特徴
    とする請求項１〜５のいずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】 半導体材料の前記膜がアモルファスシリコンを具えていることを
    特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
  8. 【請求項８】 レーザービームパルスを与えるパルス化されたレーザー源、 少なくとも第１エネルギーの第１パルス部分と第２エネルギーの第２の次のパ
    ルス部分とを定義する強度外形を有する出力パルスを与えるために前記レーザー
    ビームパルスを分割するための光学処理装置、 山形状にされたパルスを形成するために、前記出力パルスを整形するための手
    段、及び 結晶化のために、サンプル上へ前記山形状にされたパルスを投射するための投
    射装置、 を具えているレーザー結晶化装置。
  9. 【請求項９】 前記サンプルを横切って前記出力パルスを走査するための手段を
    更に具えている請求項７記載のレーザー結晶化装置。
JP2000569433A 1998-09-04 1999-08-23 薄い半導体膜の二重パルスレーザー結晶化 Pending JP2002524874A (ja)

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