JP2005101177A

JP2005101177A - 半導体薄膜の製造方法

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Publication number: JP2005101177A
Application number: JP2003331596A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Taniguchi; 仁啓谷口; Masanori Seki; 政則関; Tetsuya Inui; 哲也乾
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】結晶粒径を拡大し、かつ結晶成長の位置を制御して、少なくともＴＦＴのチャネル領域をひとつの結晶で構成することにより、高性能なＴＦＴを製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体薄膜の製造方法であって、基板上に前駆体半導体薄膜を形成する前駆体半導体薄膜形成工程と、前駆体半導体薄膜上に、保温層のパターンを形成することにより、保温層の形成されている領域と保温層の形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、保温層の少なくとも一部を包含する領域に第１のレーザ光を選択的に照射することにより、前駆体半導体薄膜を全厚さにわたって溶融するレーザ光照射工程と、レーザ光の照射領域における半導体を結晶化する結晶化工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を利用する結晶性半導体薄膜の製造方法、その半導体薄膜を用いる半導体装置およびそ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）（以下、「ＴＦＴ」と称す。）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。このうち、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。たとえば、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、一部の周辺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、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、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、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。

結晶性シリコン薄膜の製造方法としては、近年、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。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、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程度の線状に成形されたレーザパルスをガラス基板上に重畳させて照射する方法が一般的である。この方法によって、たとえば、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、レーザ光を照射した部分の非晶質シリコンは、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て溶融することによって、レーザ光照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層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。

さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすることと、結晶の方位を制御することなどが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的として数多くの提案がなされている。その中に、「ラテラル成長法」に分類されるレーザ結晶化技術がある。ラテラル成長法には、スーパーラテラル成長法とキャッピング法などがある。スーパーラテラル成長法は、図８（ｂ）に示すように、ガラス基板８１上に、バッファ層８２と、前駆体半導体薄膜８３を形成した後、微細幅のパルスレーザ光８５ａを半導体薄膜８３に照射し、照射された部分の半導体薄膜をレーザ光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なう方法である（特許文献１参照）。特許文献１には、逐次連続成長方法によって、種結晶を引継いで単結晶とする方法、ならびに、Ｗ字状のマスクを使用して単結晶領域を拡大していく方法が記載されている。一方、キャッピング法は、図８（ａ）に示すように、半導体薄膜８３上に、結晶化に用いるレーザ光に対する反射防止膜（光吸収膜）８４もしくは反射膜（遮光膜）を形成し、レーザ光の照射により部分的に半導体薄膜を溶融・凝固させて結晶化を行なう方法である（特許文献２参照）。

いずれの方法も、基本的な結晶化の原理は同じであり、ここでは、スーパーラテラル成長法を例に説明する。図９は、ラテラル成長法によって得られた結晶構造を示す平面図である。同図において、たとえば、２〜３μｍの微細幅のレーザ光を半導体薄膜に照射し、半導体薄膜を厚さ方向全域にわたって溶融させると、溶融領域と未溶融領域の境界から横方向、すなわち、水平方向に針状の結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し成長が終了する。

また、結晶の位置と大きさを制御した結晶質半導体簿膜を作製し、結晶質半導体薄膜をＴＦＴのチャネル領域に用いることにより、高速動作の可能なＴＦＴを実現する試みとして、前駆体半導体の薄膜部分を多層化し、埋め込み絶縁層を設ける方法が提案されている（特許文献３参照）。この試みは、下地絶縁膜上に形成された半導体膜中に、第１の絶縁層を埋め込み、半導体膜上に第２の絶縁層を形成し、レーザ光を照射する方法であり、下地絶縁層の保温効果、第１の絶縁層の保熱効果、第２の絶縁層の反射防止効果および保熱効果により生じる半導体薄膜上の温度勾配を利用して、結晶核の発生場所と成長方向を制御し、大径の結晶粒が得られる旨記載されている。
特許３２０４９８６号公報特開２０００−２６０７０９号公報特開２００２−５７１６６号公報

ラテラル成長法では、１回のレーザパルス照射で成長する結晶の長さは、各種のプロセス条件と半導体薄膜の厚さによって異なるが、たとえば、特許文献２には、キャッピング法で、基板温度を室温として、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを、３００ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギで、厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン薄膜に照射した場合、ラテラル成長距離は０．８〜１．０μｍ程度になると記載されている。

ラテラル成長法によって得られる多結晶シリコンを活性層とするトランジスタを形成する場合、高性能なトランジスタを形成するためには、キャリアの移動方向に粒界のない結晶を使用する必要がある。しかし、前述した通り、１ショットのレーザ光照射によって成長する結晶の長さは０．８〜１．０μｍであり、チャネル長がこの長さを超えるトランジスタを形成すれば、キャリアの移動方向に結晶粒界を含むことになり、極端に性能が低下するという課題を有している。したがって、ラテラル成長距離が長ければ長いほど、種々のサイズの高性能トランジスタが形成できるので、様々な機能を有する回路をガラス基板上に一体的に形成できるようになる。

さらに、ＴＦＴのチャネル領域がただひとつの結晶で構成されることが望ましい。しかしながら、スーパーラテラル成長法およびキャッピング法のいずれの場合も、前駆体半導体薄膜の溶融・未溶融領域の境界部に無数の核がランダムな位置に形成されて結晶が成長し、形成される結晶の幅は０．１〜０．２μｍ程度である。また、従来のラテラル成長技術による結晶化方法では、ひとつの結晶を特定の位置に形成することは困難である。したがって、部分的に大結晶が形成できても、ＴＦＴを形成する際にチャネル部を結晶の位置と一致させて、チャネル部を単一の結晶から構成し、高性能なＴＦＴを形成することが非常に困難である。

以上説明した理由により、高性能なＴＦＴを形成することを目的としたラテラル成長技術においては、ラテラル成長によって得られる結晶粒を大きくすること、ならびに結晶粒の位置を制御することが重要課題である。結晶粒径の拡大と結晶成長の位置制御を同時に達成しようとして、前駆体半導体薄膜部分を多層化し、埋め込み絶縁層を設ける方法が提案されているが、かかる方法では、埋め込み絶縁層を形成するのに多大な時間を要するため、製造効率が悪く、また埋め込み絶縁層部分にはＴＦＴを形成できないため、ＴＦＴの配置に制限がある。

また、スーパーラテラル法における逐次連続成長を行なう方法は、複数回のレーザ光照射を繰返し行なう方法であり、一回のレーザ光照射で得られるものではないため、製造効率が悪い。また、Ｗ字状のマスクを使用して単結晶領域を拡大する方法では、一回のレーザ光照射によって得られる結晶を活性層とすることは、レーザ光照射領域がＷ字状であることから極めて困難である。

本発明の課題は、結晶粒径を拡大し、かつ結晶成長の位置を制御して、少なくともＴＦＴのチャネル領域をひとつの結晶で構成することにより、高性能なＴＦＴを製造する方法を提供することにある。

本発明の製造方法は、レーザ光を利用する半導体薄膜の製造方法であって、
基板上に前駆体半導体薄膜を形成する前駆体半導体薄膜形成工程と、
前駆体半導体薄膜上に、保温層のパターンを形成することにより、保温層の形成されている領域と保温層の形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、
保温層の少なくとも一部を包含する領域に第１のレーザ光を選択的に照射することにより、前駆体半導体薄膜を全厚さにわたって溶融するレーザ光照射工程と、
レーザ光の照射領域における半導体を結晶化する結晶化工程
とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体薄膜における単結晶領域の拡大と位置決め制御が可能になる。また、一度のレーザ光照射で得られた結晶をＴＦＴの活性層として利用するため、製造効率も優れている。

実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１における前駆体半導体薄膜の溶融・結晶化工程を備える半導体薄膜の製造方法について、図１に基づいて説明する。図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における前駆体半導体薄膜３への第１のレーザ光照射方法を説明する斜視図である。本発明に使用する前駆体半導体薄膜を有する基板は、図１（ａ）に示すように、基板１上に、バッファ層２と、前駆体半導体薄膜３と、キャップパターンを有する保温層４を順に積層したものである。かかる基板に、図１（ａ）に示す矢印の方向から、第１のレーザ光が、保温層４の少なくとも一部を包含する領域５に選択的に照射され、前駆体半導体薄膜３を、全厚さにわたって溶融し、レーザ光の照射領域５を結晶化する。かかる特徴を有する本発明の製造方法により、キャップパターンを有する保温層を形成した領域で、単結晶を拡大することができ、従来のラテラル成長法よりも結晶の幅をより一層拡大することが可能となる。

絶縁性基板１の材料としては、ガラスまたは石英などを用いることができるが、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点で、ガラスを用いることが望ましい。一方、バッファ層２は、主として第１のレーザ光による結晶化の際に、溶融した前駆体半導体薄膜の熱による影響が、絶縁性基板１に及ばないようにするため形成する。また、バッファ層２は、絶縁性基板１から前駆体半導体薄膜への不純物の拡散を防止するために形成する。バッファ層は、たとえば二酸化シリコンを材料として、蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ法などにより形成する。

前駆体半導体薄膜３は、非晶質もしくは結晶性の半導体膜を膜厚が１０〜２００ｎｍとなるように形成する。形成方法は、蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ法などである。一方、保温層４には、レーザ光照射後の半導体の冷却を緩やかにして、結晶の成長を促進するため、前駆体半導体薄膜に比べて熱伝導度の小さい材料を用いる。かかる観点から、保温層には、シリコンの熱伝導度１６３Ｗ／ｍｋの１／１０以下程度、すなわち１５Ｗ／ｍｋ以下の熱伝導度を有する材料が好ましく、５Ｗ／ｍｋ以下の材料がより好ましい。具体的には、保温層は、酸化シリコン（１．４Ｗ／ｍｋ）、窒化シリコン（７．９Ｗ／ｍｋ）などからなるものが好ましく、膜厚は、５０〜３００ｎｍが好ましい。保温層は、ＣＶＤ法などにより形成することができる。また、保温層は、第１のレーザ光に対する反射防止効果を有するものが好ましい。保温層が、照射するレーザ光に対して反射防止作用を有することにより、前駆体半導体膜への光の吸収を大きくすることができ、レーザ光による加熱効率を高めることができる。保温層のキャップパターンは、ＴＦＴを形成する位置に、たとえば矩形状に、選択的に形成するのが望ましく、保温層の形成されている領域と保温層の形成されていない領域とを有する。パターニングは、フォトレジストを用いたリソグラフィとウェットエッチングあるいはドライエッチングを組合せて行なうことができる。

このような方法により作製された前駆体半導体薄膜を有する基板上に、図１（ａ）に示すように、第１のレーザ光を照射し、第１のレーザ光を照射した領域５の前駆体半導体薄膜を全厚さ方向にわたって溶融し、結晶化させる。第１のレーザ光を照射する領域５は、保温層４が形成されている領域とおよそ相似形になるように、第１のレーザ光を整形するのが好ましい。このとき、第１のレーザ光が照射された部分は、図１（ｂ）に示すように、第１のレーザ光の照射領域と未照射領域の境界から、第１のレーザ光の照射領域の中央に向かって凝固・再結晶化されることは、たとえば、特許文献１と２に示す従来の技術と同様である。

本発明においては、前駆体半導体薄膜３上の第１のレーザ光照射領域の一部には、保温層４を設けているため、保温層４の作用によって、保温層４直下の前駆体半導体薄膜３は、保温層のないレーザ光照射領域に比べて、凝固を遅らせることが可能になる。このため、従来のスーパーラテラル成長技術およびキャッピング技術による再結晶化方法に比べて画期的な効果をもたらす。図１（ｃ）に、本実施の形態において得られる半導体薄膜の結晶構造を示す。

従来のラテラル成長技術では、単に溶融領域と非溶融の領域を明瞭に区別し、溶融領域と非溶融領域の境目を起点に再結晶化する。このとき、溶融領域と非溶融領域の境目には、無数の結晶核が生成し、無数の結晶核から一斉に再結晶化が生じる。このとき、隣接する結晶間では、成長優位性のある結晶が選択的に針状に成長するのが特徴的である。しかしながら、隣接する結晶間で成長がせめぎあうため、従来のラテラル成長技術では、結晶の主たる成長方向に直交する方向の結晶の大きさ（結晶の幅）は０．２μｍ程度と極めて小さい。これに対して、本発明では、まず、従来のスーパーラテラル成長法と同様に結晶を成長させた後、保温層４を形成した部分でさらに単結晶領域を拡大することが可能になるので、従来のラテラル成長法に比べて結晶の幅を大幅に拡大させることが可能になる。

このことを図１（ｂ）によってさらに詳細に説明する。従来のスーパーラテラル成長法およびキャップ法の場合、結晶化領域における温度勾配が緩やかであるために、結晶核が形成された後の結晶成長も緩やかに進行する。図１（ｂ）において第１のレーザ光照射領域のうち、保温層４が形成されていない領域とレーザ光未照射領域の境界部分に結晶核が形成され、その後、保温層４の中央部に向けて結晶が成長することは、従来の技術と同一である。しかしながら、本願発明の場合は、第１のレーザ光照射領域に保温層４を設けているために、結晶成長途上で保温され、保温層４が設けられている領域では、時間的温度変化が緩やかとなり、保温層４の形成された領域でより大きな結晶を成長させることが可能になる。

図１（ｂ）において、結晶の主たる成長方向における第１のレーザ光の照射長さＬｌと、同方向における保温層の長さＬｋは、つぎのように決定する。図９は、従来のラテラル成長法によって得られる結晶の平面図である。図９における、ラテラル成長距離をＬＧＬとしたときに、本発明においては、つぎの関係式を満たすようなＬ１とＬｋが好ましい。
０＜（Ｌｌ−Ｌｋ）／２＜ＬＧＬ（μｍ）
さらに、
０．３＜（Ｌｌ−Ｌｋ）／２＜ＬＧＬ−０．３（μｍ）
の範囲にあるＬｌとＬｋが好ましい。ＬＧＬ、ＬｌとＬｋを、上記のような関係に設定するのが好ましい理由は、つぎの通りである。

第１のレーザ光の照射により、前駆体半導体薄膜が溶融した後、レーザ光の照射領域と非照射領域との境目から結晶成長が開始し、保温層が形成されている領域の中央部へ向かって、結晶が成長する。したがって、
０＜（Ｌｌ−Ｌｋ）／２＜ＬＧＬ（μｍ）
の範囲に設定することにより、保温層が形成されている領域にまで結晶成長を引き継いで、保温層が形成されている領域を結晶化することができるようになる。

また、本願発明者らが、従来のスーパーラテラル成長法によって形成した多結晶シリコン結晶を電子顕微鏡によって評価した結果、第１のレーザ光の照射領域と未照射領域の境目に、無数の結晶核が形成されて、結晶成長が開始し、隣接する結晶に対して成長優位性を有する結晶が成長するまでの距離はおよそ０．３μｍであった。すなわち、結晶核形成位置から、主たる結晶成長方向におよそ０．３μｍ伸長した結晶は、主たる結晶成長方向に直交する方向の大きさ、すなわち結晶の幅が拡大されて、比較的均一な大きさの結晶となり、この結晶を引き継いで、さらに成長を促進させることが単結晶領域の拡大に有利である。したがって、（Ｌｌ−Ｌｋ）／２の下限は０．３μｍであることが好適である。また、同じく電子顕微鏡による評価によってラテラル成長距離のバラツキが±０．３μｍ程度存在することが判明している。したがって、（Ｌｌ−Ｌｋ）／２の上限は、結晶が確実に引き継がれる条件、ＬＧＬ−０．３（μｍ）とすることが好適である。

つぎに、本発明に用いる半導体薄膜の製造装置について説明する。図２は、本発明の実施の形態１において使用するレーザ光照射装置を示す図である。図２に示す製造装置において、レーザ発振器２１から出射したレーザ光は、ミラー２８を介し、可変減衰器２２と、ビーム成形素子２３と、マスク面均一照明素子２４と、マスク２５と、結像レンズ２６を通って、基板２７に垂直に入射するように構成されている。結像レンズ２６は、マスク２５の像を基板２７上に縮小投影する。

レーザ発振器２１は、パルス状のエネルギビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であれば、特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなど、紫外域の波長を有する光源が望ましい。紫外域の波長の光は、シリコン薄膜への吸収率が高いためである。

実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２における前駆体半導体薄膜の溶融・結晶化による半導体薄膜の製造方法を説明する図面である。図３に示すように、使用する前駆体半導体薄膜を有する基板は、実施の形態１と同様であり、絶縁性基板３１上に、バッファ層３２と、前駆体半導体薄膜３３と、キャップパターンを有する保温層３４を順に積層したものである。使用する材料や成膜方法なども実施の形態１と同様である。

図３に示すように、実施の形態２では、前駆体半導体薄膜を溶融させるために用いる第１のレーザ光３５ａを基板に対しておよそ垂直に入射させるとともに、キャップパターンを加熱する作用を有する第２のレーザ光３６ａを基板に対して斜めに入射させる。本実施形態では、第１のレーザ光と、第２のレーザ光を異なる角度で基板上に照射する構成としているが、同一角度の照射であってもよい。第２のレーザとしては、炭酸ガスレーザなどのガスレーザまたは固体レーザなどを用いることができるが、結晶成長効果の大きい点で、炭酸ガスレーザが好ましい。

本発明の実施の形態２に用いる半導体薄膜の製造装置について説明する。図４は、本発明の実施の形態２において使用するレーザ光照射装置を示す図である。図４に示すように、この半導体薄膜の製造装置は、第１のレーザ発振器４１ａと第２のレーザ発振器４１ｂを備え、レーザ発振器４１ａから出射したレーザ光は、ミラー４８を介し、可変減衰器４２ａと、ビーム成形素子４３ａと、マスク面均一照明素子４４ａと、マスク４５ａと、結像レンズ４６ａを通って、基板４７に垂直に入射するように構成されている。また、第２のレーザ光発振器４１ｂから出射したレーザ光は、外部変調器４２ｂと、可変減衰器４３ｂと、基板面均一照明素子４８ｂを通って、基板４７に斜め方向から入射するように構成されている。第１のレーザ光の光路と同様に、均一化照明素子４８ｂと基板４７との間に、結像系を構成するレンズを配置してもよい。また、制御装置４９は、第１のレーザ発振器４１ａと第２のレーザ発振器４１ｂからのレーザ光の照射時間ならびに強度などを同期制御できるように構成されている。

図３に示すように、第１のレーザ発振器から照射された光３５ａの基板面における照射領域３５は、第２のレーザ発振器から照射された光３６ａの基板面における照射領域３６と同等以下とし、基板上で、第２のレーザ光の照射領域３６が、第１のレーザ光の照射領域３５を包含するような配置とすると、第１のレーザ光の照射領域全体の温度を高めることにより、結晶の成長を促進し、大きな結晶が得られ、単結晶領域の拡大効果を有する点で好ましい。第１のレーザ光と第２のレーザ光のパルス照射のタイミングは、本願発明者らの実験によると、第２のレーザ光を照射中に第１のレーザ光を照射する態様が、結晶領域の拡大効果が大きい点で好適である。また、第１のレーザ光は、前駆体半導体簿膜を溶融するために照射するものであるから、前駆体半導体薄膜が第１のレーザ光に対する反射防止膜である態様が好ましい。さらに、第２のレーザ光は、前駆体半導体薄膜を加熱するために照射するものであるから、前駆体半導体薄膜が第２のレーザ光を吸収する態様が好ましい。

第２のレーザが、たとえば炭酸ガスレーザである場合、炭酸ガスレーザの発振波長は、９〜１１μｍの間であり、この波長領域の光を、前駆体半導体簿膜はほとんど吸収しない。たとえば、シリコンあるいはアモルファスシリコンの簿膜は、この波長領域ではほとんど吸収が無く、第２のレーザ光は前駆体半導体薄膜を透過する。このため、炭酸ガスレーザの照射のみに起因してシリコンの溶融を効率よく生じさせることは難しい。しかしながら、二酸化シリコンあるいは二酸化シリコンを含有するガラスは、この波長の光をよく吸収し、照射によって温度上昇を生じさせることが可能である。したがって、第１のレーザ光と同期して照射することで、第１のレーザ光により半導体膜を溶融させた後、あるいは溶融させながら、ガラス基板を加熱することができ、その結果、基板上の半導体膜を加熱することができ、結晶成長を助長することが可能となる。すなわち、炭酸ガスレーザは、半導体膜そのものを直接加熱することはできないが、その直下のガラス基板を加熱することができ、基板からの熱伝導により、その上に形成されている半導体膜を加熱することができる。したがって、第２のレーザ光が、前駆体半導体薄膜を透過する場合であっても、本発明において有効に利用することができる。

実施の形態３
本実施の形態では、単結晶領域の位置決め制御を実施する。図１３（ａ）は、第１のレーザ光の照射領域１３５の一部にＶ字状の切欠き１３５ａを有する態様を示す斜視図である。基板１３１上には、前駆体半導体薄膜１３３と、保温層１３４が形成されている。図５は、本発明の実施の形態３において形成された多結晶シリコン薄膜の結晶構造を示す平図面であり、図５（ａ）は、シリコン薄膜上の保温層を除去した後の状態を示しており、領域５４には矩形の保温層が形成されていた。また、領域５５は、第１のレーザ光の照射領域である。図５（ａ）において、第１のレーザ光の照射領域には、レーザ光が照射されないＶ字状の領域（Ｖ字状の切欠き部分５７ａ）を有している。図１３（ｂ）は、保温層１３４のパターニング工程において、保温層１３４が、Ｖ字状の突起１３４ｂを有する態様を示す斜視図である。図５（ｂ）は、シリコン薄膜上の保温層を除去した後の状態を示しており、領域５４には矩形の保温層が形成されていた。図５（ｂ）においては、保温層にＶ字状の突起領域５７ｂが形成されており、Ｖ字状の突起領域が、図５（ａ）における領域５７ａと同等の働きをする。すなわち、保温層から第１のレーザ照射領域に突き出る形で形成された突起部５７ｂにおいて、結晶成長の方向が規定されるので、領域５８ｂに単結晶領域が形成される。その他の条件については、実施の形態１と同様である。

本発明者らは、上述したいずれの方法によっても、あらかじめ決められた場所に、単結晶領域を設けることが可能となることを見出した。すなわち、図５（ａ）の場合は、Ｖ字状の突起に選択的に結晶核を生成させて、単結晶領域の位置決め制御をしようとするものであり、図５（ｂ）の場合は、結晶成長の途中で成長方向を制御することで、単結晶領域の位置決めを行なうものである。かる技術的効果を奏する以上、切欠き、もしくは突起部分の形状は特に限定されるものではないが、Ｖ字状の突起は、突起部分に選択的に結晶を成長させるために、突起部分の頂角は、６０度以内が好ましく、５０度以内がより好ましい。また、切欠き部分の大きさは、核形成位置を限定し、単結晶を成長させることが容易である点で、１０μｍ^２以内が好ましく、５μｍ^２以内がより好ましい。本実施の形態におけるレーザ光の照射方法は、第１のレーザ光のみを照射する方法、および第１のレーザ光と第２のレーザ光の両方を照射する方法のいずれでもよいが、後者が結晶粒の拡大作用が大きい点で好ましい。

つぎに、実施の形態３で形成される多結晶半導体薄膜を活性層とするＴＦＴを製造する。まず、上述の方法により、前駆体半導体薄膜の結晶化を行なう。結晶化後の半導体薄膜の平面図を、図６（ａ）に示す。図６（ａ）に示すように、第１のレーザ光の照射領域６５内に、保温層が形成されていた領域６４と、単結晶領域６８がある。つぎに、図６（ｂ）に示すように、活性化領域６０をフォトリソグラフィ法によって形成する。このとき、チャネル領域６７が、単結晶シリコンのみで構成されるように活性化領域６０を配置する。また、さらに好適には、活性化領域６０の全体が多結晶シリコンで構成され、かつチャネル領域６７が単結晶領域６８のみで構成されるように配置する。

つづいて、図６（ｃ）に示すように、絶縁層とゲート電極６９を形成し、イオンドーピング法により不純物をイオン注入し、活性化処理を行なう。つぎに、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを開けて、電極配線を設ける。その後、必要に応じてトランジスタ特性の改善を目的とした水素化処理を行なう。以上の工程により形成されるＴＦＴの断面構造図を図１２に示す。このＴＦＴは、バッファ層１２７上に、絶縁層１２６、活性化領域（シリコンアイランド）１２５、チャネル領域１２４を有し、ソース電極１２１、ゲート電極１２３、ドレイン電極１２２の各電極が形成されている。

本実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、チャネル領域６７には従来技術におけるような大結晶粒界が含まれないので、キャリア散乱が少なくなり、高性能なＴＦＴが製作可能である。また、単結晶領域の位置決め制御が可能であるため、チャネル領域６７を単結晶領域６８のみで構成することができ、さらに活性化領域６０全体が多結晶シリコンで形成されているために、電気抵抗を低減することができる。したがって、従来のＴＦＴに比べて飛躍的に高性能なＴＦＴを提供することが可能である。また、本実施の形態では、従来の前駆体半導体付きの基板上に、保温層を形成し、一度のレーザ光の照射で得られる結晶を利用して、ＴＦＴを製造することができるため、製造効率に優れる。

実施例１
本実施例では、図１（ａ）に示すように、絶縁性基板１上に、バッファ層２、前駆体半導体薄膜３、キャップパターンを有する保温層４を順に積層した。絶縁性基板１には、０．７ｍｍ厚のガラス基板を用いた。バッファ層２は、酸化シリコンを材料とし、ＣＶＤ法により厚さ２００ｎｍ形成した。前駆体半導体薄膜３は、ＣＶＤ法により５０ｎｍ厚のアモルファスシリコンを形成した。保温層４は、ＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン薄膜をフォトリソグラフィ法によってパターニングした。この酸化シリコンは、使用するレーザ光の波長３０８ｎｍに対して反射防止効果ならびに保温効果を有するように、膜厚を１００ｎｍとした。キャップパターンは、ＴＦＴを形成する位置に矩形のパターンを選択的に形成した。

つぎに、前駆体半導体薄膜を有する基板上に、図１（ａ）に示すように、照射領域５が保温層４とおよそ相似形になるように整形された第１のレーザ光を、基板におよそ垂直に入射するように照射し、レーザ光の照射領域５の前駆体半導体薄膜を全厚さ方向にわたって溶融し、結晶化した。第１のレーザには、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ（エネルギ密度０．２Ｊ／ｃｍ^２、パルス幅３０ｎｓ）を用いた。結晶の成長距離ＬＧＬは２．０μｍであり、結晶の主たる成長方向のおける保温層４の長さＬｋは３．０μｍであり、同方向におけるレーザ光の照射長さＬｌは４．０μｍであったことから、
（Ｌｌ−Ｌｋ）／２＝０．５
ＬＧＬ−０．３＝１．７
であり、
０．３＜（Ｌｌ−Ｌｋ）／２＜ＬＧＬ−０．３
の関係にあった。本実施例により得られた結晶構造を図１（ｃ）に示す。また、結晶のサイズを表１に示す。

比較例１
実施例１における保温層の代わりに、反射防止膜として厚さ０．０５μｍの二酸化シリコン膜を形成し、パターニングをした後、図８（ａ）に示すように、反射防止膜のパターンを包含する広範囲の領域８５に、レーザ光を照射した以外は、実施例１と同様にして結晶化した。図９に、比較例１により得られた結晶構造９５を示す。また、結晶のサイズを表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、比較例１に比べて実施例１では、結晶サイズが、長さ方向に１．３３倍、幅方向に１．５倍大きくなった。

実施例２
本実施例では、実施例１で作成した前駆体半導体薄膜を有する基板と同様の基板を５００℃に加熱した状態でレーザ光を照射した。この点以外は、実施例１と同様に結晶化した。得られた結晶のサイズを表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、比較例１に比べて本実施例では、結晶サイズが、長さ方向に３倍、幅方向に４．５倍大きくなった。

実施例３
本実施例では、図３に示すように、実施例１で用いた第１のレーザ光３５ａのほかに、キャップパターンを加熱するために第２のレーザ光３６ａを基板に対して斜めから入射するように照射した。また、第２のレーザ光３６ａの照射領域３６が、第１のレーザ光３５ａの照射領域３５を包含するように調整した。第２のレーザには、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ（エネルギ密度１Ｊ／ｃｍ^２、パルス幅３ｍｓ）を用い、第２のレーザ光の照射後、２ｍｓ後に第一レーザ光を照射した。したがって、第２のレーザ光の照射中に、第１のレーザ光を照射した。これらの点以外については、実施例１と同様にして結晶化した。得られた結晶のサイズを表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、比較例１に比べて本実施例では、結晶サイズが、長さ方向に３．３３倍、幅方向に５倍大きくなった。したがって、本実施例における第２のレーザ光の照射による効果は、実施例２において基板全体の温度を５００℃に加熱した効果と同様であった。

実施例４
本実施例では、図１３（ｂ）に示すように、実施例１における保温層１３４の一部にＶ字状の突起１３４を形成した。突起部分の頂角は５０度、突起部分の大きさは２μｍ^２とした。また、Ｖ字状の突起は、結晶成長の起点の方向に向け、突起の頂点から結晶成長の起点までの距離を０．５μｍとした。さらに、実施例３と同様の条件で、第２のレーザ光を照射した。これらの点以外は、実施例１と同様にして半導体薄膜を得た。得られた半導体薄膜は、図６（ａ）に示すように、第１のレーザ光の照射領域６５内に、保温層が形成されていた領域６４と、単結晶領域６８を有していた。あらかじめ決められた場所に、単結晶領域を設けることが可能であることがわかった。

つぎに、本実施例で形成された多結晶半導体薄膜を活性層とするＴＦＴを製作した。まず、図６（ｂ）に示すように、活性化領域６０をフォトリソグラフィ法によって形成した。このとき、活性化領域６０全体が多結晶シリコンで構成され、かつチャネル領域６７が単結晶のみで構成されるように配置した。つづいて、図６（ｃ）に示すように、絶縁層とゲート電極６９を形成し、イオンドーピング法により不純物をイオン注入し、活性化処理を行なった。つぎに、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを開けて、電極配線を設けた。

実施例５
本実施例では、図７に示すように、結晶成長方向に対するソース電極とドレイン電極の配置を変えた以外は、実施例４と同様にして、半導体薄膜を得た後、ＴＦＴを製作した。得られた半導体薄膜は、図７（ａ）に示すように、第１のレーザ光の照射領域７５内に、保温層が形成されていた領域７４と、単結晶領域７８を有していた。また、図７（ｂ）に示すように、活性化領域７０全体が多結晶シリコンで構成され、かつチャネル領域７７が単結晶のみで構成されるように配置し、図７（ｃ）に示すようにゲート電極７９を形成した。

実施例４と５で製作したＴＦＴは、いずれもチャネル領域が、単結晶で構成され、チャネル領域に大結晶粒界が含まれないので、キャリア散乱が少なかった。また、活性層全体がいずれも多結晶シリコンで形成されているため、電気抵抗が低く、高性能のＴＦＴが得られた。

比較例２
比較例２では、比較例１において得られた半導体薄膜を用い、実施例４に記載した方法によりＴＦＴを製作した。この半導体薄膜は、図１０（ａ）に示す結晶構造１０５を有し、ゲート電極１０９などを形成し、ＴＦＴを製作すると、チャネル領域１０７におけるキャリアの移動方向に大結晶粒界１０６を含むため、粒界でキャリア拡散が生じ、また活性領域１００全体が多結晶シリコンで構成されていないため、電気抵抗が大きく、ＴＦＴの性能が低下した（図１０（ｂ）、（ｃ））。

比較例３
比較例３では、比較例１において得られた半導体薄膜を用い、実施例４に記載した方法によりＴＦＴを製作した。この半導体薄膜は、図１１（ａ）に示す結晶構造１１５を有し、ゲート電極１１９などを形成し、ＴＦＴを製作すると、比較例２の場合と異なり、チャネル領域１１７から大結晶粒界１１６が外されているため、キャリア散乱が少なくなり、ＴＦＴの性能の低下は少なくなった。しかし、チャネル領域が多結晶シリコンで構成されており、また活性領域１１０全体が多結晶シリコンで構成されていないために、電気抵抗が大きく、高性能なＴＦＴを形成することは困難であった（図１１（ｂ）、（ｃ））。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明により、単結晶領域の位置決め制御が可能になるため、従来の技術では極めて困難であったＴＦＴのチャネル領域に単結晶領域を配設することが可能になる。また、ラテラル成長領域が拡大するため、形成された結晶を活性層とする薄膜トランジスタを提供できる。さらに、一度のレーザ光の照射で得られる結晶をＴＦＴの活性層とするため、製造効率が高い。

本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造方法を示す模式図である。本発明の実施の形態１において使用するレーザ光照射装置を示す図である。本発明の実施の形態２における半導体薄膜の製造方法を示す模式図である。本発明の実施の形態２において使用するレーザ光照射装置を示す図である。本発明の実施の形態３において形成される多結晶シリコン薄膜の結晶構造を示す平図面である。本発明の実施の形態３において得られた結晶を活性層とするＴＦＴの製造方法を示す図である。本発明の実施の形態３において得られた結晶を活性層とするＴＦＴの製造方法を示す図である。従来のラテラル成長法による半導体薄膜の製造方法を示す斜視図である。従来のラテラル成長法によって得られる結晶の平面図である。従来のラテラル成長法によって得られる結晶を活性層とするＴＦＴの製造方法を示す図である。従来のラテラル成長法によって得られる結晶を活性層とするＴＦＴの製造方法を示す図である。ＴＦＴの構造を示す断面図である。（ａ）は、第１のレーザ光の照射領域の一部にＶ字状の切欠きを有する態様を示す斜視図であり、（ｂ）は、保温層のパターニング工程において、保温層がＶ字状の突起を有する態様を示す斜視図である。

符号の説明

１基板、２バッファ層、３前駆体半導体薄膜、４保温層、５第１のレーザ光の照射領域。

Claims

レーザ光を利用する半導体薄膜の製造方法であって、
基板上に前駆体半導体薄膜を形成する前駆体半導体薄膜形成工程と、
前記前駆体半導体薄膜上に、保温層のパターンを形成することにより、保温層の形成されている領域と保温層の形成されていない領域とに分けるパターニング工程と、
前記保温層の少なくとも一部を包含する領域に第１のレーザ光を選択的に照射することにより、前駆体半導体薄膜を全厚さにわたって溶融するレーザ光照射工程と、
前記レーザ光の照射領域における半導体を結晶化する結晶化工程
とを備えることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
半導体薄膜における結晶の成長距離をＬＧＬ（μｍ）とし、結晶の主たる成長方向における保温層の長さをＬｋ（μｍ）とし、結晶の前記成長方向におけるレーザ光の照射長さをＬｌ（μｍ）とするとき、
０＜（Ｌｌ−Ｌｋ）／２＜ＬＧＬ
であることを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
０．３＜（Ｌｌ−Ｌｋ）／２＜ＬＧＬ−０．３
であることを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法。
保温層が、第１のレーザ光に対する反射防止膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
第１のレーザ光の照射領域を包含する領域に第２のレーザ光を照射する半導体薄膜の製造方法であって、前駆体半導体薄膜が第１のレーザ光に対する反射防止膜であり、前駆体半導体薄膜が第２のレーザ光を吸収することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
第２のレーザ光が、前駆体半導体薄膜を透過することを特徴とする請求項５に記載の半導体薄膜の製造方法。
前記パターニング工程において、保温層がＶ字状の突起を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
前記第１のレーザ光の照射領域の一部にＶ字状の切欠きを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。