JP2004281771A - 半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびに薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体薄膜をラテラル成長によって結晶化する際に、得られる大型結晶粒の位置を制御する。
【解決手段】半導体薄膜１３を平面的に見て、半導体薄膜１３の溶融領域２４と非溶融領域３４との境界において、非溶融領域３４が溶融領域２４側に向かって突出するＶ字状の尖形部１６を有するように半導体薄膜１３を溶融することにより、尖形部１６の先端１７を基点に溶融領域２４の内側に向かって基材の主表面と略平行方向に大型結晶粒１９ｂをラテラル成長させる。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融結晶化法を用いた半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いた薄膜トランジスタの製造方法に関し、より特定的には、ラテラル成長法を用いた半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いた薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話機の表示ディスプレイなどに、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置が多く用いられている。この液晶や有機ＥＬを利用した表示装置では、画素の表示をスイッチングするために、非晶質または多結晶のシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタが用いられる。具体的には、ガラス基板上にこれら薄膜トランジスタを形成し、さらに液晶デバイスや有機ＥＬデバイスをこのガラス基板上に形成することにより、薄型でかつ軽量の表示装置が製造可能になる。
【０００３】
このうち、多結晶シリコン薄膜を用いて形成された薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いて形成された薄膜トランジスタよりもキャリア（電子）の移動度が高いため、非晶質シリコンを用いて形成された薄膜トランジスタに比べて多くの長所を有している。
【０００４】
たとえば、キャリアの移動度が高いため、高性能のトランジスタを製作することが可能となる。このため、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素の周辺領域に高性能なトランジスタを必要とする駆動回路や画像処理回路を形成することが可能になる。この結果、別途ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）や回路基板をガラス基板上に実装する必要がなくなり、表示装置を低価格で提供することが可能になる。
【０００５】
また、その他の長所として、トランジスタの寸法を微細化することが可能であり、画素部分に形成するスイッチング素子を小さくすることができるため、開口率を高くすることが可能である。この結果、高輝度および高精度の表示装置を提供することが可能になる。
【０００６】
多結晶シリコン薄膜を製造する場合には、一般的にガラス基板にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて非晶質シリコン薄膜を形成した後に、この非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法が用いられる。
【０００７】
非晶質シリコン薄膜を多結晶化する方法としては、基材全体を６００℃から１０００℃以上の高温に保ち、非晶質シリコン薄膜を溶融させて再結晶化するアニール法がある。この場合には、６００℃以上の高温に耐え得る基材を使用する必要があり、高価な石英基板を用いざるを得ず、装置の低価格化の阻害要因となっていた。
【０００８】
しかしながら、近年では、レーザ光を用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの多結晶化を行う技術が一般化されており、低価格のガラス基板を用いて非晶質シリコン薄膜を多結晶化することが可能となっている。
【０００９】
レーザ光を用いた結晶化技術においては、非晶質シリコン薄膜が形成されたガラス基板を温度４００℃程度に加熱し、ガラス基板を一定速度で走査しながら長さ２００ｍｍから４００ｍｍ、幅０．２ｍｍから１．０ｍｍ程度の線状ビームを非晶質シリコン薄膜に照射する方法が一般的である。この方法によれば、結晶粒径が０．２μｍ程度から０．５μｍ程度の結晶粒が得られる。
【００１０】
なお、レーザ光を照射した部分の非晶質シリコン薄膜は、薄膜の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た状態で溶融する。このため、レーザ光の照射領域全域にわたって至るところに結晶核が発生し、シリコン薄膜の最表面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。
【００１１】
しかしながら、この方法によれば、多数の結晶粒がガラス基板上に形成されるため、薄膜中には無数の粒界が存在することになる。このため、この多結晶シリコン薄膜にトランジスタを形成した場合には、キャリアが粒界に散乱されて移動度が低下し、単結晶シリコン基板に比べて数分の一程度の移動度しか得られない。このため、より高性能のトランジスタを得るためには、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を大きくするとともに、結晶方位を制御することが必要となる。このため、近年においては、単結晶シリコンに近いシリコン薄膜を得ることを目的として、数多くの研究開発がなされている。
【００１２】
その中に、特表２０００−５０５２４１号公報（特許文献１）や特開昭５８−１８４７２０号公報（特許文献２）、特開２０００−２６０７０９号公報（特許文献３）に開示の結晶成長方法がある。これら公報に開示の技術は、ラテラル成長法に分類されるレーザ結晶成長技術である。
【００１３】
ラテラル成長法は、上記特許文献１に開示のいわゆるスーパーラテラル成長法と称される結晶成長方法や、上記特許文献２および３に開示のいわゆるキャッピング法と称される結晶成長方法などに分類される。
【００１４】
ラテラル成長法は、半導体薄膜の所定領域を厚さ方向全域にわたって溶融させ、半導体薄膜の主表面と略平行方向に結晶を成長させる技術である。このうち、スーパーラテラル成長法は、微細幅のパルスレーザを半導体薄膜に照射し、照射された部分の半導体薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化を行う結晶成長方法である。これに対し、キャッピング法は、反射防止膜ないしは遮光膜のいずれかを半導体薄膜上に形成し、これらの膜を介して半導体薄膜にレーザ光を照射し、照射された部分の半導体薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化を行う結晶成長方法である。
【００１５】
これらスーパーラテラル成長法やキャッピング法においては、いずれも基本的な結晶化の原理は同じであるため、以下においては、スーパーラテラル成長法を例に説明する。
【００１６】
図２５は、従来のラテラル成長法において、１回のパルス照射で形成される結晶組織の構造を説明する模式平面図である。たとえば、幅が２μｍ〜３μｍ程度の微細幅のスリット状ビームを半導体薄膜に向かって照射すると、レーザ照射領域５２２が厚さ方向全域にわたって溶融し、溶融領域の境界から横方向、すなわち、半導体薄膜の主表面に平行な方向（図中矢印ａ方向およびｂ方向）に結晶粒５１９が成長し、溶融領域の中央部で両側から成長した結晶粒５１９同士が衝突し、成長が終了する。
【００１７】
このラテラル成長法においては、得られる結晶粒の長さは、各種プロセス条件や半導体薄膜の厚さによって異なる。例えば、上記特許文献３には、基板温度を室温とし、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を単位面積当り３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギーで厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜に照射した場合に得られる結晶粒の長さが、０．８μｍ〜１．０μｍ程度であると記載されている。また、他の文献（非特許文献１）には、たとえば、半導体薄膜として非晶質シリコンを用い、基板温度を３００℃に保って波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を照射した場合に、最長で１．２μｍ程度の長さの結晶粒が得られることが記載されている。
【００１８】
高性能の薄膜トランジスタを製作するために、このラテラル成長法によって得られた半導体薄膜を活性層として利用する場合には、キャリアの移動方向に粒界のない部分を使用する必要がある。前述した通り、１回のパルス照射によって成長する結晶粒の長さは最大でも１．２μｍ程度であり、チャネル長がこの長さを超える薄膜トランジスタを製作する場合には、キャリアの移動方向に結晶粒界が存在することになり、極端に性能が低下する。したがって、得られる結晶粒の長さが大きい程、高性能の薄膜トランジスタを得ることができるようになる。
【００１９】
【特許文献１】
特表２０００−５０５２４１号公報
【００２０】
【特許文献２】
特開昭５８−１８４７２０号公報
【００２１】
【特許文献３】
特開２０００−２６０７０９号公報
【００２２】
【非特許文献１】
原明人、佐々木信夫，「ガラス上におけるシリコンの核形成サイトと凝固方向制御」，応用物理学会結晶工学分科会第１１２回研究会テキスト，応用物理学会結晶工学分科会，平成１２年６月２０日，ｐ．１９−２５
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一回のパルス照射によって得られる結晶粒の長さを大型化する課題と並んで重要とされる課題に、大型の結晶粒が形成される位置の制御という課題がある。この大型の結晶粒が形成される位置を制御することは、結晶化工程後のトランジスタ形成工程において非常に重要となる。
【００２４】
トランジスタ形成工程においては、半導体薄膜の予め決められた位置にトランジスタが形成される。しかしながら、上述のラテラル成長法による結晶化工程において形成される結晶粒の形成位置は、レーザ光の照射領域内、すなわち半導体薄膜の溶融領域内においてランダムとなる。これは、結晶が成長する基点となる結晶核が溶融領域と非溶融領域との境界のランダムな位置に発生するためである。
【００２５】
このため、部分的に大型の結晶粒が形成できたとしても、薄膜トランジスタを製作する際にチャネル領域の位置と大型結晶粒との位置が一致しない場合が多い。このため、高性能の薄膜トランジスタを製作することは非常に困難となっていた。
【００２６】
また、結晶粒の長さを大型化するのみでなく、結晶粒の幅方向の大きさを大型化することも重要である。結晶粒の幅方向の大きさを大きくできれば、その分薄膜トランジスタのチャネル領域内に存在する結晶粒界の数も減少することになる。このため、結晶粒の幅方向の大型化を図ることにより、より高性能の薄膜トランジスタを製作することが可能になる。
【００２７】
そこで、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、ラテラル成長によって得られる結晶粒の位置を制御することが可能な半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いた薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【００２８】
また、ラテラル成長によって得られる結晶粒の幅方向の大きさを大型化することが可能な半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いた薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法は、基材上に形成された半導体薄膜を部分的に溶融し、基材の主表面と略平行方向に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長方法であって、半導体薄膜を平面的に見て、半導体薄膜の溶融領域と非溶融領域との境界において、非溶融領域が溶融領域側に向かって突出する尖形部を有するように半導体薄膜を溶融することを特徴とする。
【００３０】
これにより、尖形部の先端を基点として結晶成長が起こるため、大型結晶粒の形成される位置を所望の位置に制御することが可能になる。このため、後工程にて行なわれるトランジスタの形成の際に薄膜トランジスタのチャネル領域が形成される位置に、予め大型の結晶粒が位置するように結晶粒の形成位置を制御することが可能になる。この結果、高性能の薄膜トランジスタを簡便に製造することが可能になる。また、尖形部の先端から成長した結晶粒は幅方向にも成長するため、幅方向に大型化した結晶粒を容易に得ることが可能になる。これにより、チャネル領域内に結晶粒界が存在しないかまたは存在したとしても極僅かの薄膜トランジスタを簡便に製造できるようになる。
【００３１】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、半導体薄膜を平面的に見て、上記尖形部はＶ字状であることが好ましい。
【００３２】
このように、尖形部をＶ字状とすることにより、確実に尖形部の先端から結晶が成長するようになる。これにより、大型結晶粒の形成位置を精度よく制御することが可能になる。また、尖形部をＶ字状とすることにより、幅方向に大型化した結晶粒を再現性よく得ることができるようになる。
【００３３】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、半導体薄膜を平面的に見て、上記尖形部の先端の内角が鋭角であることが好ましい。また、さらに好ましくは、上記尖形部の先端の内角は３０°以下である。
【００３４】
このように、尖形部の先端が少なくとも鋭角となるように構成することにより、確実に尖形部の先端から結晶成長が起こるようになる。さらに、尖形部の先端を３０°以下とすれば、さらに再現性よく大型の結晶粒を尖形部の先端から溶融領域の内側に向かって成長させることが可能になる。これにより、大型結晶粒の形成位置を精度よく制御することが可能になる。また、尖形部の先端を上述の角度とすることにより、幅方向に大型化した結晶粒を再現性よく得ることができるようになる。
【００３５】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、半導体薄膜を平面的に見て、上記尖形部の先端の曲率半径が１μｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
このように、尖形部の先端の曲率半径を１μｍ以下とすることにより、確実に尖形部の先端から結晶成長が起こるようになる。これにより、大型結晶粒の形成位置を精度よく制御することが可能になる。また、尖形部の先端の曲率半径を１μｍ以下とすることにより、幅方向に大型化した結晶粒を再現性よく得ることができるようになる。
【００３７】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、第１のレーザ光が照射される照射領域と、第１のレーザ光が照射されない非照射領域とに半導体薄膜の主表面を規定する照射領域規定手段を用い、半導体薄膜に部分的に第１のレーザ光を照射することにより、半導体薄膜を部分的に溶融することが好ましい。
【００３８】
このように、結晶化予定領域を溶融させる手段としてレーザ光を用いることにより、局所的に半導体薄膜を加熱・溶融することが可能となる。このため、溶融領域と非溶融領域との境界の形状を制御性よくコントロールすることが可能になる。
【００３９】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、照射領域規定手段として、マスクを用いることが好ましい。また、半導体薄膜上に形成された反射防止膜を照射領域規定手段として用いることも可能である。さらには、半導体薄膜上に形成された遮光膜を照射領域規定手段として用いることも可能である。
【００４０】
このように、照射領域規定手段としては、マスクや反射防止膜、遮光膜を用いることが可能であり、これらを用いれば、簡便に溶融領域と非溶融領域との境界の形状をコントロールすることが可能になる。
【００４１】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長方法にあっては、たとえば、第１のレーザ光を半導体薄膜の主表面に対して略垂直に入射させて半導体薄膜を部分的に溶融するとともに、半導体薄膜の溶融部分の凝固が完了する前に、上記第１のレーザ光よりも半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を基材の主表面に斜入射させて溶融領域を含む領域に対応する位置の基材を部分的に加熱することが好ましい。
【００４２】
このように、半導体薄膜の補助加熱手段として第２のレーザ光を用いて基材を加熱することにより、半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になる。これにより、より大粒の結晶粒を得ることができるようになる。
【００４３】
本発明に基づく薄膜トランジスタの製造方法は、上述のいずれかの半導体薄膜の結晶成長方法を用いて形成された大粒径の単結晶領域に、薄膜トランジスタのチャネル領域を形成するものである。
【００４４】
このように、上述のいずれかの方法を用いて形成された大型結晶粒にチャネル領域が含まれるように薄膜トランジスタを形成することにより、高性能の薄膜トランジスタとすることが可能になる。また、上述のいずれかの方法を用いて形成された大型結晶粒は、その形成位置を精度よく制御することが可能であるため、薄膜トランジスタのチャネル領域の形成位置にあわせて大型結晶粒を形成することが可能であり、効率よく高性能のトランジスタを製作することが可能になる。さらには、上述のいずれかの方法を用いて形成された大型結晶粒は、その幅方向の大きさも大型化するため、この大型結晶粒に重なるように薄膜トランジスタのチャネル領域を形成することにより、高性能の薄膜トランジスタとすることが可能になる。
【００４５】
本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置は、基材上に形成された半導体薄膜を部分的に溶融し、基材の主表面と略平行方向に半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長装置であって、半導体薄膜に部分的に第１のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融する第１照射手段を備える。第１照射手段は、第１のレーザ光を出射する光源と、第１のレーザ光が照射されて所望のマスク像を成形するマスクとを有する。マスクは、第１のレーザ光を遮光する遮光領域と、第１のレーザ光を透過する透光領域とを含む。マスクを平面的に見て、遮光領域は、遮光領域と透光領域との境界において透光領域側に向かって突出する尖形部を有している。
【００４６】
上記構成の半導体薄膜の結晶成長装置を用いることにより、半導体薄膜の溶融領域と非溶融領域との境界において非溶融領域が尖形部を有するように、第１のレーザ光による照射領域の形状を制御することができるようになる。このため、簡便に大型結晶粒の形成される位置を制御することが可能になる。これにより、後工程にて行なわれるトランジスタの形成の際に薄膜トランジスタのチャネル領域が形成される位置に、予め大型の結晶粒が位置するように大型結晶粒の形成位置を制御することが可能になるため、高性能の薄膜トランジスタを簡便に製作できるようになる。また同時に、製造効率が飛躍的に向上するため、高性能の薄膜トランジスタを備えた表示装置等を安価に製造することが可能になる。また、尖形部の先端から成長した結晶粒は幅方向にも成長するため、幅方向に大型化した結晶粒を得ることが可能になる。これにより、チャネル領域内に結晶粒界が存在しないかまたは存在したとしても極僅かの薄膜トランジスタを簡便に製作できるようになる。
【００４７】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、マスクを平面的に見て、上記尖形部がＶ字状であることが好ましい。
【００４８】
このように、マスクに形成する尖形部の形状をＶ字状とすることにより、半導体薄膜に結像されるマスク像もＶ字状の尖形部を有するようになる。このため、半導体薄膜に形成される大型結晶粒の位置を制御することが可能になる。また、幅方向に大型化した結晶粒を再現性よく得ることもできるようになる。
【００４９】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、上記尖形部の先端の内角が鋭角であることが好ましい。また、さらに好ましくは、上記尖形部の先端の内角は３０°以下である。
【００５０】
このように、マスクに形成する尖形部の先端が少なくとも鋭角となるように構成することにより、半導体薄膜に結像されるマスク像も鋭角の尖形部を有するようになる。このため、半導体薄膜に形成される大型結晶粒の位置を制御することが可能になる。さらに、尖形部の先端を３０°以下とすれば、さらに精度よく大型の結晶粒が形成される位置を制御することが可能になる。また、マスクに形成する尖形部の内角を上述の角度とすることにより、幅方向に大型化した結晶粒を再現性よく得ることもできるようになる。
【００５１】
上記本発明に基づく半導体薄膜の結晶成長装置にあっては、たとえば、基材に選択的に第１のレーザ光よりも半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の基材を加熱する第２照射手段をさらに備えていることが好ましい。
【００５２】
このように、半導体薄膜の補助加熱手段として基材に第２のレーザ光を照射する第２照射手段を具備することより、半導体薄膜の結晶化を遅延させることが可能になるため、より大型の結晶粒を得ることが可能になる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００５４】
（実施の形態１）
本実施の形態は、半導体薄膜の結晶化予定領域にレーザ光を照射して結晶化を行なうレーザアニール法を採用した半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いて結晶化され半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法を示すものであり、中でも、スーパーラテラル成長法と呼ばれる横方向結晶成長法（ラテラル成長法）を採用した場合を示すものである。
【００５５】
（半導体薄膜の結晶成長装置）
まず、図１を参照して、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置の構成を示す模式図である。
【００５６】
図１に示すように、本実施の形態における結晶成長装置は、第１照射手段１００と、第２照射手段２００と、制御装置３００と、ステージ４００とを主に備えている。ステージ４００上には、被処理物であるワーク１０が載置される。ワーク１０は、後述するように、絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上にバッファ層１２を介して成膜された半導体薄膜１３とからなる（図３参照）。なお、このうち、半導体薄膜１３が処理対象物であり、絶縁性基板１１およびバッファ層１２が基材に相当する。
【００５７】
（第１照射手段）
第１照射手段１００は、光源としてのレーザ発振器１１０と、可変減衰器１２０と、ビーム整形素子１３０と、マスク面均一照明素子１４０と、マスク１５０と、結像レンズ１６０と、ミラー１８０とを主に備えている。
【００５８】
レーザ発振器１１０は、第１のレーザ光１を出射する。この第１のレーザ光１は、半導体薄膜１３を溶融させることが可能なパルス状のエネルギービームである。第１のレーザ光１としては、半導体薄膜１３を溶融させることが可能なレーザ光であればどのようなレーザ光を用いてもよいが、たとえば、エキシマレーザ光やＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）レーザ光に代表される各種固体レーザ光などの紫外域の波長を有するレーザ光が利用されることが望ましい。
【００５９】
可変減衰器１２０は、第１のレーザ光１のビーム強度を補正する手段である。ビーム整形素子１３０は、第１のレーザ光１のビーム形状を補正する手段である。また、マスク面均一照明素子１４０は、第１のレーザ光１の光軸と垂直に交わる面における放射照度分布を均一にした上でマスク１５０のマスク面に第１のレーザ光１を照射する手段である。このマスク面均一照明素子１４０は、たとえば、シリンドリカルレンズアレイ、コンデンサレンズおよびフィールドレンズを組合わせることによって構成され、光軸と垂直に交わる面においてガウシアン型放射照度分布を有する第１のレーザ光１を一旦分割して再度重ね合わせることにより、マスク面に照射される第１のレーザ光１の放射照度分布の均一化を図る手段である。
【００６０】
マスク１５０は、その主面に第１のレーザ光１を透過する透光領域を有しており、照射された第１のレーザ光１を所望のマスク像に成形する手段である。結像レンズ１６０は、マスク１５０によって成形されたマスク像をワーク１０の半導体薄膜１３上に結像するための手段である。
【００６１】
なお、ミラー１８０は、第１のレーザ光１の照射方向を変更する手段であって、たとえばミラー以外にもレンズやプリズム等によって構成することも可能である。このミラー１８０は、装置の光学設計や機械設計に応じて適切に配置すればよく、その設置箇所や設置数量は特に制限されるものではない。
【００６２】
（第２照射手段）
第２照射手段２００は、レーザ発振器２１０と、外部変調器２２０と、可変減衰器２３０と、基材面均一照明素子２４０と、光センサ２７０と、ミラー２８０とを主に備えている。
【００６３】
レーザ発振器２１０は、第２のレーザ光２を出射する。この第２のレーザ光２は、基材を加熱することが可能なパルス状のレーザ光である。第２のレーザ光２としては、たとえば、炭酸ガスレーザ光やＹＡＧレーザ光などが利用可能である。ただし、第１照射手段１００によって放射される第１のレーザ光１よりも基材上に成膜された半導体薄膜１３を透過し易いレーザ光を採用する必要がある。
【００６４】
外部変調器２２０は、レーザ発振器２１０から出射された第２のレーザ光２のパルス幅を調整する手段である。可変減衰器２３０は、第２のレーザ光２のビーム強度を補正する手段である。基材面均一照明素子２４０は、第２のレーザ光２の光軸と垂直に交わる面における放射照度分布を均一にする手段である。たとえば、シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズを組合わせて構成され、光軸と垂直に交わる面においてガウシアン型放射照度分布を有する第２のレーザ光２を一旦分割して再度重ね合わせることにより、放射照度分布の均一化を図る手段である。
【００６５】
光センサ２７０は、基材の主表面において反射した第２のレーザ光２の反射光の光量を計測する手段である。ミラー２８０は、第２のレーザ光２の照射方向を変更する手段であって、たとえばミラー以外にもレンズやプリズム等によって構成することも可能である。このミラー２８０は、装置の光学設計や機械設計に応じて適切に配置すればよく、その設置箇所や設置数量は特に制限されるものではない。
【００６６】
また、第２のレーザ光２による照射領域を規定するために、第２照射手段２００にマスク（または、開口絞り板）やレンズなどからなる結像系を追加してもよい。
【００６７】
（制御装置）
制御装置３００は、上述の第１照射手段１００および第２照射手段２００を同期制御するための手段である。具体的には、第１のレーザ発振器１１０および第２のレーザ発振器２１０の放射時間や出力などを同期的に制御するとともに、光センサ２７０からの信号に基づいて第２のレーザ発振器２１０の放射時間や出力などを同期的に制御するものである。
【００６８】
（マスク）
図２は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置において用いられる第１照射手段のマスクの形状を示す模式平面図である。図２に示すように、マスク１５０は、その主面に透光領域１５１と遮光領域１５２とを有している。マスク１５０を平面的に見て、透光領域１５１は略矩形形状を成しており、その周囲に遮光領域１５２が位置している。透光領域１５１と遮光領域１５２の境界において、遮光領域１５２は、透光領域１５１に向かって突出するＶ字状の尖形部１５４を有している。このＶ字状の尖形部１５４は、その先端１５６の内角θが鋭角となるように形成されている。このマスク１５０によって成形されたマスク像は、所定の倍率で半導体薄膜１３に照射される。
【００６９】
（半導体薄膜の結晶成長方法）
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法について説明する。図３および図４は、本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式断面図である。以下に示す半導体薄膜の結晶成長方法は、上述の半導体薄膜の結晶成長装置を用いて行なわれる。
【００７０】
図３に示すように、本実施の形態における被処理物であるワーク１０は、絶縁性基板１１と、バッファ層１２と、半導体薄膜１３とを有する積層構造体である。
【００７１】
絶縁性基板１１としては、たとえばガラス基板や石英基板などが利用可能である。このうち、ガラス基板は石英基板に比べて耐熱性に劣るものの比較的安価であり、また大面積基板を容易に製造できる点で優れている。
【００７２】
絶縁性基板１１の主表面１１ａ上には、バッファ層１２が形成されている。このバッファ層１２は、レーザ光の照射による結晶化の際に、半導体薄膜１３を高温に加熱することによる熱的な影響が絶縁性基板１１に及ばないようにするための層であり、また、絶縁性基板１１中に含まれる不純物が半導体薄膜１３に拡散しないようにするための層でもある。このバッファ層１２は、たとえば、ＣＶＤ法を用いて絶縁性基板１１の主表面１１ａ上に形成される。なお、絶縁性基板１１としてガラス基板を採用した場合には、バッファ層１２としては酸化シリコン膜を採用することが好ましい。
【００７３】
バッファ層１２の主表面１２ａ上には、半導体薄膜１３が形成されている。この半導体薄膜１３としては、たとえば非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄膜が利用される。半導体薄膜１３の形成には、通常ＣＶＤ法等が用いられる。なお、半導体薄膜１３は、その一部に結晶化予定領域２０を含んでいる。本実施の形態においては、スーパーラテラル成長法を適用することを前提としているため、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０の幅は、たとえば２μｍ程度から１０μｍ程度の微細な幅に調整されている。一方、結晶化予定領域２０の長さ方向には特に制限はないが、少なくとも上述の幅よりも大きく調整することが必要である。
【００７４】
この絶縁性基板１１、バッファ層１２および半導体薄膜１３からなるワーク１０に、上述の第１照射手段１００および第２照射手段２００を用いて第１のレーザ光１および第２のレーザ光２が照射される。すなわち、半導体薄膜１３の主表面１３ａには、第１照射手段１００によって第１のレーザ光１が略垂直に照射され、絶縁性基板１１およびバッファ層１２からなる基材の主表面１２ａには、第２照射手段２００によって第２のレーザ光２が傾斜して照射される。
【００７５】
このとき、第１照射手段１００によって照射される半導体薄膜１３の照射領域は、結晶化する半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０と一致するように調整される。また、第２照射手段２００によって照射される基材の照射領域は、結晶化する半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０を含む領域に対応する位置に調整される。
【００７６】
この第１照射手段１００による第１のレーザ光１の照射により、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０が溶融することになる。また、第２の照射手段２００による第２のレーザ光２の照射により、基材が部分的に加熱され、その熱が半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０に伝熱することにより、溶解した半導体薄膜１３の結晶化が遅延することになる。
【００７７】
具体的には、図３に示すように、まず第２照射手段２００により、基材を加熱する。このとき、基材に生じる熱によって半導体薄膜１３が溶融しない程度に、第２照射手段２００による第２のレーザ光２の照射量を調整する。次に、第２照射手段２００による基材の加熱を継続したまま、第１照射手段１００によって半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０を加熱し溶融させる。半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０の溶融が完了した時点で第１照射手段１００による照射を停止する。この後も一定時間、第２照射手段２００による基材の加熱を継続する。以上により、半導体薄膜１３の結晶化が完了する。
【００７８】
なお、第１照射手段１００による第１のレーザ光１の照射は、第２照射手段２００による第２のレーザ光２の照射が開始されたあとに開始されるが、少なくとも第２のレーザ光２の照射期間は、第１のレーザ光１の照射期間を含みかつより長い時間照射を行うように調整する必要がある。すなわち、第２のレーザ光２の照射時間は、第１のレーザ光１の照射時間よりも長く、かつ第２のレーザ光２の照射期間は、第１のレーザ光１の照射期間と同時に照射される期間を含むように調整する。これにより、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０が適切に長い間溶融状態を保つようになり、結晶化の進行が遅延するようになる。ただし、第２のレーザ光２を長時間にわたって照射し続けると基材の温度が上昇し過ぎるため、基材に損傷を与えるおそれがある。このため、第２のレーザ光２の照射時間は、基材に損傷を与えない程度に調整する必要がある。
【００７９】
このような手順で第１のレーザ光１および第２のレーザ光２を照射することにより、半導体薄膜１３に図４に示す如くのスーパーラテラル成長が生じる。スーパーラテラル成長法は、スリット状のパルスレーザ（第１のレーザ光１）によって加熱された領域の半導体薄膜１３が溶融し、非溶融領域３４との境界から横方向、すなわち基材の主表面１２ａと略平行方向（図中矢印ａ方向およびｂ方向）に結晶粒１９が成長し、溶融領域２４の中央部で両側から成長した結晶粒１９同士が衝突することによって結晶成長が終了する結晶成長方法である。このスーパーラテラル成長法においては、図示の如く半導体薄膜１３の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固が行われる。なお、本実施の形態では、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０に対応するように第１のレーザ光１が照射され、これによって溶融した溶融領域２４が結晶化する。このため、結晶化予定領域２０と溶融領域２４とは同一の領域となる。
【００８０】
図５は、上述の半導体薄膜の結晶成長装置および結晶成長方法を用いて、結晶化を行なった場合に得られる結晶組織を示す半導体薄膜の模式平面図である。図２に示すマスク１５０によって成形されたマスク像は、所定の倍率で半導体薄膜１３の主表面に照射され、その照射領域において半導体薄膜１３が溶融・固化することにより、図５に示す如くの結晶組織が得られる。したがって、半導体薄膜１３の溶融領域２４は、マスク１５０の透光領域１５１の外形と相似形となる。なお、図５においては、非溶融領域３４の結晶組織の図示は省略している。
【００８１】
上述の如くスーパーラテラル成長法を用いた場合には、溶融領域２４と非溶融領域３４との境界部分から溶融領域２４の内側に向かって結晶粒が成長する。この場合、溶融領域２４と非溶融領域３４の境界部分においては、結晶核がランダムに発生するため、溶融領域２４の内側に向かって成長した結晶粒は、図示の如くの針状結晶粒１９ａとなる。このとき、尖形部１６の先端１７には、必ず結晶核が発生する。
【００８２】
図６は、尖形部の先端に結晶核が発生するメカニズムを説明するための模式図である。上述の如く、溶融領域２４と非溶融領域３４との境界には、結晶核が形成される。これは、溶融点以上に加熱された溶融領域２４に位置する半導体成分が、溶融点未満の温度に維持された非溶融領域３４に位置する半導体成分に対して、その界面から熱を放出するためであり、溶融領域２４の外側から内側に向かって冷却が進行するためである。ここで、図中の矢印１８は、溶融領域２４中に蓄積された熱が非溶融領域３４に向かって放出される様子を模式的に示したものである。
【００８３】
このとき、非溶融領域３４から溶融領域２４側に向かって突出するように設けられた内角θの尖形部１６の先端１７からは必ず結晶粒が成長する。これは、尖形部１６の先端１７に必ず結晶核が形成されるためである。
【００８４】
上述の通り、尖形部１６は溶融領域２４側に向かって突出した形状に調整されている。このため、尖形部１６の先端１７に形成された結晶核を基点として成長する結晶粒は、周囲に形成される結晶粒に邪魔されることなく溶融領域２４の内側に向かって成長する。このため、図５に示す如く、尖形部１６の先端１７を基点とする結晶粒は、他の結晶粒に比べてその幅方向（半導体薄膜１３の主表面において結晶粒の成長方向と略垂直な方向）の大きさが劇的に大きい大型結晶粒１９ｂとなる。
【００８５】
（作用・効果）
以上のように、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置を用いて半導体薄膜１３を結晶化することにより、非溶融領域３４の尖形部１６の先端１７を基点として溶融領域２４において結晶成長が起こるため、大型結晶粒１９ｂの形成される位置を所望の位置に制御することが可能になる。これにより、後工程にて行なわれる薄膜トランジスタの製作の際に薄膜トランジスタが形成される位置に、予め大型の結晶粒１９ｂが位置するように結晶粒の形成位置を制御することが可能になる。このため、高性能の薄膜トランジスタを簡便に製作できるようになる。また同時に、製造効率が飛躍的に向上するため、高性能の薄膜トランジスタを備えた表示装置等を安価に製造することが可能になる。
【００８６】
（実施例）
以下においては、上述の半導体薄膜の結晶成長方法を用いて実際に結晶化を行なった実施例について説明する。
【００８７】
図７は、本実施例において使用したマスクの形状を示す模式平面図である。また、図８は、本実施例における第１のレーザ光と第２のレーザ光の照射領域を示す模式図である。
【００８８】
本実施例では、絶縁性基板１１として厚さ０．７ｍｍのガラス基板を使用し、バッファ層１２として膜厚２００ｎｍの酸化シリコン膜を採用し、半導体薄膜１３としてＣＶＤ法によって形成された厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜を用いた。また、第１のレーザ光１として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌのエキシマレーザ光を採用し、第２のレーザ光２として波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を用いた。
【００８９】
また、マスク１５０としては、図７に示す如くの形状のマスクを用いた。図７に示すように、マスク１５０は、複数のスリット１５０ａを有する。スリット１５０ａは、マスク面上において、ピッチＰ、幅Ｄで配置されており、個々のスリット１５０ａの長さはＡで表わされる。図示するマスク１５０では、この複数のスリット１５０ａが行列状に配置されている。なお、スリット１５０ａは、透光領域１５１に相当する。
【００９０】
個々のスリット１５０ａには、図２に示す如くの尖形部１５４（図７においては図示せず）がその周縁に１つないしは複数設けられている。ここで、尖形部１５４は、半導体薄膜１３に縮小投影されるマスク像の形状が図５に示す如くの尖形部１６となるような形状に調節した。具体的には、尖形部１６がＶ字状になるように、かつ尖形部１６の先端１７の内角θが３０°となるようにマスク１５０の尖形部１５４を調整した。また、尖形部１６の先端１７の曲率半径が１μｍとなるように、マスク１５０の尖形部１５４を調整した。なお、個々のスリット１５０ａの幅Ｄおよび長さＡは、対応する照射領域の幅および長さが１６μｍ×１００μｍとなるように調整した。
【００９１】
また、第１のレーザ光１および第２のレーザ光２による照射領域は、図８に示す如くとした。第１のレーザ光１による照射領域２２は、半導体薄膜１３の主表面においてその有効領域（すべてのスリット像を含む領域の寸法）が５ｍｍ×５ｍｍとなるように調整した。また、第２のレーザ光２による照射領域２６は、上述の第１のレーザ光１の有効領域を含む５．５ｍｍ×５．５ｍｍの領域に調整した。
【００９２】
以上の条件にて半導体薄膜１３の結晶化を行なったところ、最大で長さ８μｍ、幅３μｍの大型結晶粒１９ｂが、尖形部１６の先端１７を基点として形成された。この大型結晶粒１９ｂの大きさは、従来得られていた結晶粒の幅に比べて飛躍的に大きい幅を有しており、しかもその形成位置を制御することが可能であるため、高性能のトランジスタを得るには好適である。
【００９３】
（薄膜トランジスタの製造方法）
次に、図９および図１０を参照して、本実施の形態における薄膜トランジスタの製造方法について説明する。図９および図１０は、本実施の形態における薄膜トランジスタの製造方法を説明するための模式平面図である。
【００９４】
まず、図５に示す半導体薄膜１３の全面に絶縁膜を成膜する。つづいて、図９に示すように、上記絶縁膜上に導電体膜を形成し、通常のフォトリソグラフィ法を用いてパターニングを行うことにより、ゲート電極４１を形成する。このとき、ゲート電極４１が半導体薄膜１３に形成された大型結晶粒１９ｂに重なるように調整する。また、このゲート電極４１のゲート長方向が大型結晶粒１９ｂの結晶成長方向と交差する方向となるように、ゲート電極４１をレイアウトする。
【００９５】
次に、図１０に示すように、通常のイオン注入法により半導体薄膜１３の所定領域に不純物を注入し、活性化処理を行なうことによってソース／ドレイン領域４２，４３を形成する。このとき、半導体薄膜１３の主表面に形成されるチャネル領域４４が、大型結晶粒１９ｂに重なるように調整する。
【００９６】
この後、通常の薄膜トランジスタの製造工程と同様に、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを設けて配線接続を行うことにより、薄膜トランジスタの製造が完了する。なお、必要に応じて、トランジスタの特性改善のための水素化処理を行なってもよい。
【００９７】
なお、図９および図１０においては、理解を容易とするために、半導体薄膜１３上に形成される絶縁膜についてはその図示を省略している。
【００９８】
（作用・効果）
上述の如くの薄膜トランジスタの製造工程を採用することにより、チャネル領域４４に結晶粒界の存在しない薄膜トランジスタを歩留まりよく製造することが可能になる。このため、高性能の薄膜トランジスタを簡便に製造することができるようになる。この結果、高性能の薄膜トランジスタを備えた表示装置等を安価に提供することが可能になる。さらには、本実施の形態の如くのレイアウトとすることにより、薄膜トランジスタのチャネル領域４４のみならずソース／ドレイン領域４２，４３も、大型結晶粒１９ｂの周辺に形成された針状結晶粒１９ａの位置に重なるようになるため、高性能の薄膜トランジスタとすることが可能である。
【００９９】
（薄膜トランジスタの他のレイアウト例）
図１１および図１２は、本実施の形態における薄膜トランジスタの製造方法の他のレイアウト例を説明するための模式平面図である。
【０１００】
本レイアウト例では、図１１および図１２に示すように、ゲート電極４１のゲート長方向が大型結晶粒１９ｂの結晶成長方向と略平行となるように、ゲート電極４１が配置されている。その製造方法は、上述のレイアウト例と同様であり、半導体薄膜１３上に図１１に示す如くのゲート電極を設けた後に、半導体薄膜１３に図１２示す如くのソース／ドレイン領域４２，４３を形成することによって製造される。
【０１０１】
本レイアウトを採用することにより、上述のレイアウト例を採用することによって得られる効果と同様の効果が得られるとともに、より確実にソース／ドレイン領域４２，４３が大型結晶粒１９ｂの周辺に形成された針状結晶粒の位置に重なるようになるため、より高性能の薄膜トランジスタを得ることができるようになる。
【０１０２】
（実施の形態２）
本実施の形態は、上述の実施の形態１と同様に、半導体薄膜の結晶化予定領域にレーザ光を照射して結晶化を行なうレーザアニール法を採用した半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いて結晶化され半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法を示すものであり、中でも、スーパーラテラル成長法と呼ばれる横方向結晶成長法（ラテラル成長法）を採用した場合を示すものである。なお、上述の実施の形態１と異なる点は、半導体薄膜の結晶成長装置において用いられるマスクの形状である。
【０１０３】
（マスク）
図１３は、本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長装置において用いられる第１照射手段のマスクの形状を示す模式平面図である。図１３に示すように、本実施の形態におけるマスク１５０は、その主面に透光領域１５１と遮光領域１５２とを有している。マスク１５０を平面的に見て、透光領域１５１は略矩形形状をなしており、その周囲および中心部に遮光領域１５２が位置している。透光領域１５１の中心部に位置する遮光領域１５２は、透光領域１５１との境界において、透光領域１５１に向かって突出するＶ字状の尖形部１５４を有している。このＶ字状の尖形部１５４は、その先端１５６の内角θが鋭角となるように形成されている。このマスク１５０によって形成されたマスク像は、所定の倍率で半導体薄膜１３に照射される。
【０１０４】
（半導体薄膜の結晶成長方法）
本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法は、上述の実施の形態１と同様の方法にて行なわれる。その結果、得られる結晶組織の形状を示す半導体薄膜の模式平面図を図１４に示す。上述のマスク１５０によって成形されたマスク像は、所定の倍率で半導体薄膜１３の主表面に照射され、図１４に示す如くの結晶組織が得られる。したがって、半導体薄膜１３の溶融領域２４は、マスク１５０の透光領域１５１の外形と相似形となる。なお、図１４においては、非溶融領域３４の結晶組織の図示は省略している。
【０１０５】
スーパーラテラル成長法を用いた場合には、溶融領域２４と非溶融領域３４との境界部分から溶融領域２４の内側に向かって結晶粒が成長する。この場合、溶融領域２４と非溶融領域３４との境界部分においては、結晶核がランダムに発生するため、溶融領域２４の内側に向かって成長した結晶粒は、図示の如くの針状結晶粒１９ａとなる。このとき、尖形部１６の先端１７には、必ず結晶核が発生する。
【０１０６】
上述の通り、尖形部１６は溶融領域２４側に向かって突出した形状に調整されている。このため、尖形部１６の先端１７に形成された結晶核を基点として成長する結晶粒は、周囲に形成される結晶粒に邪魔されることなく溶融領域２４の内側に向かって成長する。このため、図５に示す如く、尖形部１６の先端１７を基点とする結晶粒は、他の結晶粒に比べてその幅方向の大きさが劇的に大きい大型結晶粒１９ｂとなる。なお、大型結晶粒１９ｂの幅方向に隣接する半導体薄膜１３の溶融領域２４には、微細な粒径の微小結晶粒１９ｃが形成される領域が位置することになる。
【０１０７】
（作用・効果）
以上のように、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置を用いて半導体薄膜１３を結晶化することにより、尖形部１６の先端１７を基点として結晶成長が起こるため、大型結晶粒１９ｂの形成される位置を所望の位置に制御することが可能になる。これにより、後工程において行なわれる薄膜トランジスタの形成の際に薄膜トランジスタのチャネル領域が形成される位置に、予め大型の結晶粒１９ｂが位置するように結晶粒の形成位置を制御することが可能になるため、高性能の薄膜トランジスタを簡便に製造できるようになる。また同時に、製造効率が飛躍的に向上するため、高性能の薄膜トランジスタを備えた表示装置等を安価に製造することが可能になる。
【０１０８】
なお、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置を用いて結晶化された半導体薄膜１３を用いて薄膜トランジスタを形成する場合の製造方法は、上述の実施の形態２と同様である。図１５および図１６に示すように、大型結晶粒１９ｂに重なるように薄膜トランジスタのゲート電極４１を形成し、半導体薄膜１３の主表面に形成されるチャネル領域４４が大型結晶粒１９ｂに重なるようにソース／ドレイン領域４２，４３を形成する。以上により、チャネル領域４４に結晶粒界が存在しないか、または存在しても極僅かの薄膜トランジスタを簡便に製造することが可能になる。
【０１０９】
（実施の形態３）
本実施の形態は、半導体薄膜の結晶化予定領域にレーザ光を照射して結晶化を行なうレーザアニール法を採用した半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いて結晶化され半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法を示すものであり、中でも、キャッピング法と呼ばれる横方向結晶成長法（ラテラル成長法）を採用する場合を示すものである。なお、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法においては、上述の実施の形態１および２と同様の構成の半導体薄膜の結晶成長装置が用いられる。ただし、上述の実施の形態１および２とは異なり、第１照射手段に用いられるマスクは、個々の結晶化予定領域を包括して含む領域にマスク像を成形するのみの単純な形状のものが用いられる。
【０１１０】
（半導体薄膜の結晶成長方法）
図１７は、本発明の実施の形態３において、レーザ光が照射される領域を示す模式図である。また、図１８は、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法を示す模式断面図である。
【０１１１】
図１７に示すように、ワーク１０は、上述の実施の形態１および２と同様に、絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上にバッファ層１２を介して成膜された半導体薄膜１３とからなる。半導体薄膜１３の主表面上の所定の領域には、照射領域規定手段として利用される反射防止膜１４が形成されている。反射防止膜１４は、半導体薄膜１３の主表面において第１のレーザ光１が反射することを防止するための膜である。この反射防止膜１４を所定の材質の膜を用いて所定厚で成膜することにより、半導体薄膜１３の主表面における反射光を大幅に減少させることが可能になる。なお、この反射防止膜１４を形成する位置は、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０（図１８参照）に対応した位置とする。
【０１１２】
第１のレーザ光１による照射領域２２は、すべての結晶化予定領域２０を包含する領域とする。すなわち、反射防止膜１４が形成された部分をすべて含むように構成する。そして、第２のレーザ光２による照射領域２６は、上述の第１のレーザ光１による照射領域２２を含む領域に調整する。
【０１１３】
以上の条件を満たして、半導体薄膜１３に第１のレーザ光１および第２のレーザ光２を照射することにより、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０の結晶化が行なわれる。具体的には、図１８に示すように、反射防止膜１４が位置する部分に照射された第１のレーザ光１は、その大部分が半導体薄膜１３の主表面１３ａにて反射することなく半導体薄膜１３によって吸収され、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０を溶融する。これに対して、反射防止膜１４が形成されていない部分に照射された第１のレーザ光１は、その大部分が半導体薄膜１３の主表面１３ａにて反射されるため、この部分の半導体薄膜の加熱は結晶化予定領域２０に比べて大幅に低く抑えられるため溶融することはなく、非溶融領域３４となる。これにより、半導体薄膜１３が溶融領域２４と非溶融領域３４とに規定されることになる（図２０参照）。
【０１１４】
図１９は、本実施の形態における反射防止膜の形状を示す模式平面図である。図１９に示すように、半導体薄膜１３を平面的に見て、半導体薄膜１３の主表面１３ａ上に形成された反射防止膜１４は、略矩形の形状を有している。反射防止膜１４の所定の部分には、Ｖ字状の切り欠き部１４ｂが設けられている。このＶ字状の切り欠き部１４ｂの切り欠き部分の形状は、その先端１４ｃの内角θが鋭角となるように形成されている。
【０１１５】
この反射防止膜１４によって規定される照射領域および非照射領域の形状は上述の実施の形態１と同様であり、この結果得られる半導体薄膜の結晶組織は、上述の実施の形態１と同様の図２０の如くとなる。すなわち、溶融領域２４と非溶融領域３４との境界部分からは溶融領域２４の内側に向かって針状の結晶粒１９ａが成長し、非溶融領域３４の尖形部１６の先端１７からは、溶融領域２４の内側に向かって大型の結晶粒１９ｂが成長する。なお、図２０においては、非溶融領域３４の結晶組織の図示は省略している。
【０１１６】
（作用・効果）
このように、反射防止膜１４に切り欠き部１４ｂを設けることにより、半導体薄膜１３の溶融領域２４と非溶融領域３４との境界において、非溶融領域３４に尖形部１６が形成される。このため、この尖形部１６の先端１７を基点として溶融領域２４において結晶成長が起こり、大型結晶粒１９ｂの形成される位置を所望の位置に制御することが可能になる。これにより、後工程にて行なわれる薄膜トランジスタの製作の際に薄膜トランジスタのチャネル領域が形成される位置に、予め大型の結晶粒１９ｂが位置するように結晶粒の形成位置を制御することが可能になる。このため、高性能の薄膜トランジスタを簡便に製作できるようになる。また同時に、製造効率が飛躍的に向上するため、高性能の薄膜トランジスタを備えた表示装置等を安価に製造することが可能になる。
【０１１７】
（実施の形態４）
本実施の形態は、半導体薄膜の結晶化予定領域にレーザ光を照射して結晶化を行なうレーザアニール法を採用した半導体薄膜の結晶成長方法および結晶成長装置ならびにこの結晶成長方法を用いて結晶化され半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法を示すものであり、中でも、キャッピング法と呼ばれる横方向結晶成長法（ラテラル成長法）を採用する場合を示すものである。なお、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法においては、上述の実施の形態３と同様の構成の半導体薄膜の結晶成長装置が用いられる。
【０１１８】
（半導体薄膜の結晶成長方法）
図２１は、本発明の実施の形態４において、レーザ光が照射される領域を示す模式図である。また、図２２は、本実施の形態における半導体薄膜の結晶成長方法を示す模式断面図である。
【０１１９】
図２１に示すように、ワーク１０は、上述の実施の形態１ないし３と同様に、絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上にバッファ層１２を介して成膜された半導体薄膜１３とからなる。半導体薄膜１３の主表面上の所定の領域には、照射領域規定手段として利用される遮光膜１５が形成されている。遮光膜１５は、第１のレーザ光１が透過することを防止するための膜である。この遮光膜１５を半導体薄膜１３上に成膜することにより、遮光膜１５が形成された部分の半導体薄膜１３には、第１のレーザ光１が照射されないことになる。なお、この遮光膜１５を形成する位置は、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０以外の部分に対応した位置とし、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０に対応した部分には開口１５ａを設ける。
【０１２０】
第１のレーザ光１による照射領域２２は、すべての結晶化予定領域２０を包含する領域とする。すなわち、遮光膜１５に形成された開口１５ａをすべて含むように構成する。そして、第２のレーザ光２による照射領域２６は、上述の第１のレーザ光１による照射領域２２を含む領域に調整する。
【０１２１】
以上の条件を満たして、半導体薄膜１３に第１のレーザ光１および第２のレーザ光２を照射することにより、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０の結晶化が行なわれる。具体的には、図２２に示すように、遮光膜１５が位置する部分に照射された第１のレーザ光１は遮光膜１５によって反射され、半導体薄膜１３に到達せず、この部分の半導体薄膜が非溶融領域３４となる。これに対して、遮光膜１５に形成された開口１５ａに照射された第１のレーザ光１は、そのまま半導体薄膜１３の主表面１３ａに照射され、半導体薄膜１３の結晶化予定領域２０を溶融する。これにより、半導体薄膜１３が溶融領域２４と非溶融領域３４とに規定されることになる（図２４参照）。
【０１２２】
図２３は、本実施の形態における遮光膜の形状を示す模式平面図である。図２３に示すように、半導体薄膜１３を平面的に見て、半導体薄膜１３の主表面上に形成された遮光膜１５は略矩形の開口１５ａを有しており、その中央部分に島状の遮光膜１５ｄを有している。島状の遮光膜１５ｄの周縁の所定位置には、Ｖ字状の尖形部１５ｂが突出して設けられている。このＶ字状の尖形部１５ｂは、その先端１５ｃの内角θが鋭角となるように形成されている。
【０１２３】
この遮光膜１５によって規定される照射領域および非照射領域の形状は上述の実施の形態２と同様であり、この結果得られる半導体薄膜１３の結晶組織は、上述の実施の形態２と同様の図２４の如くとなる。すなわち、溶融領域２４と非溶融領域３４との境界部分からは溶融領域２４の内側に向かって針状の結晶粒１９ａが成長し、非溶融領域３４の尖形部１６の先端１７からは、溶融領域２４の内側に向かって大型の結晶粒１９ｂが成長する。また、大型結晶粒１９ｂの幅方向に隣接する半導体薄膜１３の溶融領域２４には、微細な粒径の微小結晶粒１９ｃが形成される領域が位置することになる。なお、図２４においては、非溶融領域３４の結晶組織の図示は省略している。
【０１２４】
（作用・効果）
このように、遮光膜１５に尖形部１５ｂを設けることにより、半導体薄膜１３の溶融領域２４と非溶融領域３４との境界において、非溶融領域３４に尖形部１６が形成される。このため、この尖形部１６の先端１７を基点として溶融領域２４において結晶成長が起こり、大型結晶粒１９ｂの形成される位置を所望の位置に制御することが可能になる。これにより、後工程にて行なわれる薄膜トランジスタの製作の際に薄膜トランジスタのチャネル領域が形成される位置に、予め大型の結晶粒１９ｂが位置するように結晶粒の形成位置を制御することが可能になる。このため、高性能の薄膜トランジスタを簡便に製作できるようになる。また同時に、製造効率が飛躍的に向上するため、高性能の薄膜トランジスタを備えた表示装置等を安価に製造することが可能になる。
【０１２５】
（他の変形例）
上述の実施の形態１ないし４に示す半導体薄膜の結晶成長方法においては、半導体薄膜を溶融させて結晶化させるための第１のレーザ光の他に、この溶融した部分の半導体薄膜の結晶化を遅延させるための補助手段としての第２のレーザ光を用いた場合を例示して説明を行なったが、第２のレーザ光を必ずしも用いる必要はない。第２のレーザ光を用いることによってより大型の結晶粒を得ることが可能になるが、特に結晶粒を大型化させる必要がなく、第１のレーザ光のみによる結晶化でよい場合には、第２のレーザ光の照射を省略することが可能である。この場合、上述の実施の形態１ないし４に示す半導体薄膜の結晶成長装置においては、第２の照射手段が不要となる。
【０１２６】
また、上述の実施の形態１ないし４においては、非溶融領域の尖形部がＶ字状の尖形部となるように構成した場合を例示して説明を行なったが、特にこの形状に限定されるものではない。大型の結晶粒がその先端から結晶成長するように構成した尖形部であればどのような形状のものを用いてもよい。
【０１２７】
さらには、上述の実施の形態１ないし４においては、レーザ光を用いた溶融結晶化法を採用した場合を例示して説明を行なったが、必ずしもレーザーアニール法に限定されるものではない。本発明は、溶融領域と非溶融領域との境界において非溶融領域が溶融領域側に向かって突出する尖形部を有するように半導体薄膜を溶融するものであり、これが実現される限りにおいては、加熱手段としてホットプレートなどの手段を用いることも可能である。
【０１２８】
このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【０１２９】
【発明の効果】
本発明により、ラテラル成長によって得られる大型結晶粒の位置を制御することが可能になる。これにより、高性能の薄膜トランジスタを製造することが可能になる。また、大型結晶粒の位置を制御することにより、製造効率が飛躍的に向上し、高性能の表示装置等を低価格で提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長装置において用いられる第１照射手段のマスクの形状を示す模式平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を説明するための半導体薄膜の結晶化予定領域を含む模式断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の結晶成長方法を用いた場合に得られる結晶組織を示す半導体薄膜の模式平面図である。
【図６】図５において、尖形部の先端に結晶核が発生するメカニズムを説明するための模式図である。
【図７】実施例において用いたマスクの形状を示す模式平面図である。
【図８】実施例におけるレーザ光の照射領域を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態１における薄膜トランジスタの製造方法を説明するための模式平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における薄膜トランジスタの製造方法を説明するための模式平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１における薄膜トランジスタの製造方法の他のレイアウト例を説明するための模式平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１における薄膜トランジスタの製造方法の他のレイアウト例を説明するための模式平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長装置において用いられる第１照射手段のマスクの形状を示す模式平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における半導体薄膜の結晶成長方法を用いた場合に得られる結晶組織を示す半導体薄膜の模式平面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における薄膜トランジスタの製造方法を説明するための模式平面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における薄膜トランジスタの製造方法を説明するための模式平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態３においてレーザ光が照射される領域を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長方法を示す模式断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長方法において用いられる反射防止膜の形状を示す模式平面図である。
【図２０】本発明の実施の形態３における半導体薄膜の結晶成長方法を用いた場合に得られる結晶組織を示す半導体薄膜の模式平面図である。
【図２１】本発明の実施の形態４においてレーザ光が照射される領域を示す模式図である。
【図２２】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の結晶成長方法を示す模式断面図である。
【図２３】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の結晶成長方法において用いられる遮光膜の形状を示す模式平面図である。
【図２４】本発明の実施の形態４における半導体薄膜の結晶成長方法を用いた場合に得られる結晶組織を示す半導体薄膜の模式平面図である。
【図２５】従来のラテラル成長法において、１回のパルス照射で形成される結晶組織の構造を説明する模式平面図である。
【符号の説明】
１ 第１のレーザ光、２ 第２のレーザ光、１０ ワーク、１１ 絶縁性基板、１１ａ （絶縁性基板の）主表面、１２ バッファ層、１２ａ （バッファ層の）主表面、１３ 半導体薄膜、１３ａ （半導体薄膜の）主表面、１４ 反射防止膜、１４ｂ Ｖ字状の切り欠き部、１４ｃ 先端、１５ 遮光膜、１５ａ 開口、１５ｂ Ｖ字状の尖形部、１５ｃ 先端、１５ｄ 島状の遮光膜、１６ 尖形部、１７ 先端、１８ 矢印、１９ 結晶粒、１９ａ 針状結晶粒、１９ｂ大型結晶粒、１９ｃ 微小結晶粒、２０ 結晶化予定領域、２２ （第１のレーザ光の）照射領域、２４ 溶融領域、２６ （第２のレーザ光の）照射領域、３４ 非溶融領域、４１ ゲート電極、４２，４３ ソース／ドレイン領域、４４ チャネル領域、１００ 第１照射手段、１１０ レーザ発振器、１２０ 可変減衰器、１３０ ビーム整形素子、１４０ マスク面均一照明素子、１５０ マスク、１５０ａ スリット、１５１ 透光領域、１５２ 遮光領域、１５４ 尖形部、１５６ 先端、１６０ 結像レンズ、１８０ ミラー、２００ 第２照射手段、２１０ レーザ発振器、２２０ 外部変調器、２３０ 可変減衰器、２４０ 基材面均一照明素子、２７０ 光センサ、２８０ ミラー、３００ 制御装置、４００ ステージ。

Claims (16)

1. 基材上に形成された半導体薄膜を部分的に溶融し、前記基材の主表面と略平行方向に前記半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長方法であって、
   前記半導体薄膜を平面的に見て、前記半導体薄膜の溶融領域と非溶融領域との境界において、前記非溶融領域が前記溶融領域側に向かって突出する尖形部を有するように前記半導体薄膜を溶融することを特徴とする、半導体薄膜の結晶成長方法。
2. 前記半導体薄膜を平面的に見て、前記尖形部がＶ字状である、請求項１に記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
3. 前記半導体薄膜を平面的に見て、前記尖形部の先端の内角が鋭角である、請求項１または２に記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
4. 前記尖形部の先端の内角が３０°以下である、請求項３に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
5. 前記半導体薄膜を平面的に見て、前記尖形部の先端の曲率半径が１μｍ以下である、請求項１から４のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
6. 第１のレーザ光が照射される照射領域と、前記第１のレーザ光が照射されない非照射領域とに前記半導体薄膜の主表面を規定する照射領域規定手段を用い、前記半導体薄膜に部分的に前記第１のレーザ光を照射することにより、前記半導体薄膜を部分的に溶融することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
7. 前記照射領域規定手段として、マスクを用いることを特徴とする、請求項６に記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
8. 前記照射領域規定手段として、前記半導体薄膜上に形成された反射防止膜を用いることを特徴とする、請求項６に記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
9. 前記照射領域規定手段として、前記半導体薄膜上に形成された遮光膜を用いることを特徴とする、請求項６に記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
10. 前記第１のレーザ光を前記半導体薄膜の主表面に対して略垂直に入射させて前記半導体薄膜を部分的に溶融するとともに、前記半導体薄膜の溶融部分の凝固が完了する前に、前記第１のレーザ光よりも前記半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を前記基材の主表面に斜入射させて前記溶融領域を含む領域に対応する位置の基材を部分的に加熱することを特徴とする、請求項６から９のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶成長方法。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶成長方法を用いることによって形成された大粒径の単結晶領域に、薄膜トランジスタのチャネル領域を形成することを特徴とする、薄膜トランジスタの製造方法。
12. 基材上に形成された半導体薄膜を部分的に溶融し、前記基材の主表面と略平行方向に前記半導体薄膜を結晶成長させる半導体薄膜の結晶成長装置であって、
    前記半導体薄膜に部分的に第１のレーザ光を照射し、前記半導体薄膜の結晶化予定領域を溶融する第１照射手段を備え、
    前記第１照射手段は、前記第１のレーザ光を出射する光源と、前記第１のレーザ光が照射されて所望のマスク像を成形するマスクとを含み、
    前記マスクは、前記第１のレーザ光を遮光する遮光領域と、前記第１のレーザ光を透過する透光領域とを有し、
    前記マスクを平面的に見て、前記遮光領域と前記透光領域との境界において、前記遮光領域が前記透光領域側に向かって突出する尖形部を有している、半導体薄膜の結晶成長装置。
13. 前記マスクを平面的に見て、前記尖形部がＶ字状である、請求項１２に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
14. 前記マスクを平面的に見て、前記尖形部の先端の内角が鋭角である、請求項１２または１３に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
15. 前記尖形部の先端の内角が３０°以下である、請求項１４に記載の半導体薄膜の結晶成長装置。
16. 前記基材に選択的に前記第１のレーザ光よりも前記半導体薄膜を透過し易い第２のレーザ光を照射し、前記半導体薄膜の前記結晶化予定領域を含む領域に対応する位置の前記基材を加熱する第２照射手段をさらに備える、請求項１２から１５のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶成長装置。

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