JP2005108987A

JP2005108987A - 半導体薄膜の結晶化装置および結晶化方法ならびに半導体装置の製造方法および半導体装置

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Publication number: JP2005108987A
Application number: JP2003337740A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Inui; 哲也乾; Hidefumi Otsuka; 英史大塚; Kimihiro Taniguchi; 仁啓谷口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】半導体薄膜における横方向の結晶の成長方向を任意の方向にできる半導体薄膜の結晶化装置を提供する。
【解決手段】パルス光を出射するレーザ光源１１と、一様な光透過率分布を有する透光部が設けられるマスク１４と、基板１９に形成される半導体薄膜上にマスク１４を透過したパルス光によるマスク１４の透光部の像を結像させる対物レンズ１５と、予め定める走査方向に、マスク１４および対物レンズ１５に対して基板１９を相対的に変位させる基板駆動機構部１６と、基板１９の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスク１４の透光部の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置されるように、基板駆動機構部１６を制御する駆動機構制御部１７とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を利用する半導体薄膜の結晶化方法および結晶化装置、ならびに前記方法および装置を用いて製造された半導体デバイスに関する。

液晶およびエレクトロルミネッセンス（ElectroLuminescence ；略称：ＥＬ）を利用した表示装置に用いられる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；略称：ＴＦＴ）は、非晶質または多結晶のシリコンを活性層であるチャネルとしている。多結晶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と比較して、多くの長所を有している。その長所の１つとして、たとえば多結晶シリコンの薄膜トランジスタでは、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およびその他の周辺回路を一枚の基板上に形成することができる。このためドライバ用集積回路および駆動回路の基板を表示装置に別途実装する必要がないので、表示装置の製造コストを低減して、低価格で利用者に提供することができる。また多結晶シリコンの薄膜トランジスタの他の長所として、トランジスタの寸法を微細化可能であるので、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。これによって表示装置の高開口率化を図り、高輝度および高精細な表示装置を製造することができる。

多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、ガラス基板に化学的気相成長法（
Chemical Vapor Deposition ；略称：ＣＶＤ）などによって、非晶質シリコン薄膜を形成した後に非晶質シリコンを多結晶化する工程が別途必要である。結晶化におけるアニール工程は、摂氏６００度以上でアニールする高温アニール法によって行う場合、ガラス基板として、このような高温に耐え得る高価な石英基板を用いる必要があり、表示装置の製造コストが上昇し、表示装置の低価格化の阻害要因となっている。近年は、レーザを用いて摂氏６００度以下の温度で非晶質シリコンの結晶化を行う方法が一般的となり、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタが形成することで、表示装置の製造コストを低減して、表示装置を低価格で提供できるようになってきた。

図１９は、従来技術である非晶質シリコン薄膜の結晶化を行う結晶化装置１の構成を簡素化して示す図である。レーザ光を用いる非晶質シリコン薄膜の結晶化は、エキシマレーザ光源２からパルス的に出射されるレーザ光３を、エキスパンダ４、ミラー５およびホモジナイザ６を介して、非晶質シリコン薄膜が形成されるガラス基板７に走査しながら照射する。

図２０は、ガラス基板７に照射されるレーザ光３の形状および放射照度分布８，９を示す図である。前述の結晶化装置１によってガラス基板７に照射されるレーザ光３の形状は、主走査方向Ｔ１の寸法が２００〜４００ミリメートル、副走査方向Ｔ２の寸法が０．２〜１．０ミリメートル程度の長方形状、大略的には直線状となる。このような形状のレーザ光３をガラス基板７に連続的に照射する方法が一般的である。このときレーザ光３の放射照度分布は、主走査方向Ｔ１の放射照度分布Ｗ１および副走査方向Ｔ２の放射照度分布Ｗ２に示すように、レーザ光３の中心Ｕを最大として、レーザ光３の中心Ｕから離間している部分である縁部が、なだらかに減少するような形状となる。縁部とは、放射照度がレーザ光３の中心Ｕにおける放射照度の２０〜８０パーセントとなる領域である。一般的に、ガラス基板７にレーザ光３を照射するときには、前記縁部の主走査方向Ｔ１および副走査方向Ｔ２に関して、０．１〜０．２ミリメートル程度にしている。

図２１は、レーザ光３をガラス基板７に照射する方法を模式的に示す図である。ガラス基板７上には、下地層８が形成され、さらにその上に非晶質シリコンから成るの半導体膜９が形成されている。レーザ光３をパルス照射を１回行った後に、その照射した領域よりも副走査方向Ｔ２下流側の領域において、パルス照射を１回行う。これを繰り返して半導体膜９の全面を結晶化する。このときレーザ光３による照射領域と次の照射領域とが重なり合うようにする。この重なり合いの量は適宜設定され、一般的には１回の照射領域面積の５０〜９０パーセントである。ここで重なり合いの量が９０パーセントとは、照射されるレーザ光３の副走査方向Ｔ２の寸法の９０パーセントが重ね合わされることであり、この場合、照射されるレーザ光３の副走査方向Ｔ２の寸法の１０パーセントが、１回の照射あたりのレーザ光３の副走査方向Ｔ２への移動量である。

この方法では、レーザ光３のパルス照射によって、ガラス基板７上の半導体膜９の照射領域が一旦溶融し、その後急速に固化する現象が生じて、当該照射領域に０．２〜０．５マイクロメートル程度の粒径の結晶粒が形成される。このとき半導体膜９においてレーザ光３が照射された領域の非晶質シリコンは、厚さ方向全体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。これによってレーザ光３が照射された領域全面の多くの箇所に結晶の核が形成されて、前記核から半導体膜の最表層に向かって結晶が成長して、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製造するためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくしたり、結晶の方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的に、数多くの研究開発が行われている。

レーザ光の照射方法に関する従来技術として、レーザ光を基板に照射したときの形状が長方形状として、このようなレーザ光をパターンが形成されるマスクを通過させて基板に照射して結晶化を行う方法がある（たとえば特許文献１および２参照）。また他の従来技術として、レーザ光をマスクおよび対物レンズを通過させて、基板に微細なパターンを形成して、溶融および結晶化を行う方法がある（たとえば特許文献３参照）。

特開平４−３０７７２７号公報特開平４−３７０９２５号公報特表２０００−５０５２４１号公報

前述の図２０に示すように、レーザ光３の放射照度分布は、縁部がなだらかに減少するので、レーザ光３における縁部では、半導体膜９の状態が溶融と未溶融と混在する領域が生じる。このためにレーザ光３を重ね合わせることで、半導体膜９を何度も溶融させて、半導体膜９において溶融状態を平均化する。これによって半導体膜９の全体にわたって、トランジスタなどの素子の形成および前記トランジスタの性能に関わるシリコンの特性が均一となる。このように前記特性を向上させようとすると、照射領域の重なり合いを大きくする必要があり、実質的にレーザ光３の出力の利用効率を低下させていることになる。たとえば重なり合い量を９０パーセントにすると、結晶化に利用しているレーザ光３は、照射面積に対して実質的に１０パーセントとなってしまう。また照射領域の重ね合わせによって特性の平均化を図っているけれども、半導体膜９において溶融と未溶融との領域が完全に無くなるわけではなく、溶融および未溶融の部分が、すじ状の特性不均一部分となることがある。

また前述の、レーザ光を基板に照射したときの形状が長方形状として、このようなレーザ光をパターンが形成されるマスクを通過させて基板に照射して結晶化を行う方法では、マスクを通過した後のレーザ光は、マスクの開口部において回折して散乱して、レーザ光が広がってしまうので、照射領域において縁部が大きくなってしまい、良好な結晶化を行うことができない。より微細な素子を基板上に形成する場合、半導体膜の小さな領域における特性の不均一さが原因となり、素子の性能に支障をきたす危険性がある。このようなマスク通過後の回折によるレーザ光の広がりを、たとえば１マイクロメートル以下に抑えるためには、マスクと基板との距離を、レーザ光の波長の数倍以下にする必要があり、マスクと基板とが極めて近接する状態で配置する必要がある。基板およびマスクは、通常数マイクロメートル以上のうねりを有するため、マスクと基板との距離をレーザ光の波長の数倍以下にすることは、工業的には事実上非常に困難である。

また均一な放射照度分布を得るためにホモジナイザを使用する必要があるけれども、ホモジナイザを通過後のレーザ光は平行光とはならないので、マスクを通過したレーザ光は平行光よりも大きく広がってしまい、この点でも不具合を生じる。特に、基板に形成する素子を数マイクロメートルという大きさに微細化して形成するなど、半導体膜においてより微小な領域の特性が問題となる場合は、従来の方法では問題にはならなかった微小な領域での結晶化の特性が非常に重要となる。したがって前述の従来の方法では、半導体膜において充分に結晶化できない領域がある。

また前述のレーザ光をマスクおよび対物レンズを通過させて、基板に微細なパターンを形成して、溶融および結晶化を行う方法では、横方向成長の結晶が得られるけれども、マスクによる１〜数マイクロメートルの微細な幅のスリットパターンをつなぎあわせてゆく方法であるために、長い結晶を得るためには、レーザ光を多数回照射する必要があり、時間あたりおよび消費エネルギあたりの生産量が少ないという欠点がある。またこの方法では結晶の成長方向は常に一定であり、素子の配置をランダムにすることが不可能である。

したがって本発明の目的は、半導体薄膜における横方向の結晶の成長方向を任意の方向にできる半導体薄膜の結晶化装置および結晶化方法、ならびに前記結晶化方法を用いた半導体装置の製造方法および前記製造方法によって製造される半導体装置を提供することである。

本発明は、半導体薄膜が延びる方向にほぼ平行な横方向に結晶を成長させる半導体薄膜の結晶化装置であって、
パルス光を出射する光源と、
一様な光透過率分布を有する透光部が設けられるマスクと、
基板に形成される半導体薄膜上にマスクを透過したパルス光によるマスクの透光部の像を結像させる対物レンズとを含むことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置である。

また本発明は、予め定める走査方向に、マスクおよび対物レンズに対して基板を相対的に変位させる変位手段と、
基板の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスクの透光部の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置されるように、変位手段を制御する制御手段とをさらに含むことを特徴とする。

また本発明は、半導体薄膜が延びる方向にほぼ平行な横方向に結晶を成長させる半導体薄膜の結晶化方法であって、
光源からのパルス光を、一様な光透過率分布を有する透光部が設けられるマスクおよび対物レンズを介して、基板に設けられる半導体薄膜に照射して対物レンズによって半導体薄膜上にマスクの透光部の像を結像させることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法である。

また本発明は、予め定める走査方向に、マスクおよび対物レンズに対して基板を相対的に変位させて、基板の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスクの透光部の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置されるようにして、光源からのパルス光を半導体薄膜に照射することを特徴とする。

また本発明は、前述の結晶化方法を用いて横方向に結晶化された半導体薄膜の結晶化領域に、半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

また本発明は、前述の製造方法によって製造される半導体装置であって、
基板に設けられる半導体薄膜において半導体素子が配置される配置領域が複数個備えられ、各領域は互いに略相似形に形成されることを特徴とする半導体装置である。

また本発明は、隣接する配置領域間の間隔は、１つの配置領域に配置される隣接する半導体素子間の間隔よりも大きいことを特徴とする。

また本発明は、前記配置領域は、略矩形状に形成され、マトリクス状に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、光源から出射されたパルス光は、一様な光透過分布を有する透光部が設けられるマスクを透過する。対物レンズによって、基板に形成される半導体薄膜上にマスクを透過した光によるマスクの透光部の像が結像される。半導体薄膜上に結像されるマスクの透光部の像の周縁部における放射照度の変化する領域の幅は、対物レンズが無い場合に比べて対物レンズの解像力に基づいて小さくすることができる。これによって半導体薄膜のマスクの透光部の像が結像される領域において、パルス光を照射しても充分に結晶化されない周縁領域を可及的に小さくして、パルス光が照射された領域のほぼ全てを結晶化することができる。

また本発明によれば、変位手段によって、予め定める走査方向に、マスクおよび対物レンズに対して基板が相対的に変位される。変位手段は、制御手段によって、基板の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスクの透光部の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置されるように制御される。これによって２回照射する周縁領域が充分に小さいので、従来のように領域の半分を２回照射する場合に比べて、極めて効率的に結晶化することができ、結晶化に要する時間を大幅に短縮することができる。

また本発明によれば、光源から出射されたパルス光は、一様な光透過分布を有する透光部が設けられるマスクを透過する。対物レンズによって、基板に形成される半導体薄膜上にマスクを透過した光によるマスクの透光部の像が結像される。半導体薄膜上に結像されるマスクの透光部の像の周縁部における放射照度の変化する領域の幅は、対物レンズが無い場合に比べて対物レンズの解像力に基づいて小さくすることができる。これによって半導体薄膜のマスクの透光部の像が結像される領域において、パルス光を照射しても充分に結晶化されない周縁領域を可及的に小さくして、パルス光が照射された領域のほぼ全てを結晶化することができる。

また本発明によれば、予め定める走査方向に、マスクおよび対物レンズに対して基板が相対的に変位される。さらに基板の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスクの透光部の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置される。これによってパルス光を照射しても充分に結晶化されない周縁領域が２回照射されるので、この周縁領域を充分に結晶化することができる。また２回照射する周縁領域が充分に小さいので、従来のように領域の半分を２回照射する場合に比べて、極めて効率的に結晶化することができ、結晶化に要する時間を大幅に短縮することができる。

また本発明によれば、前述の結晶化方法を用いて横方向に結晶化された半導体薄膜の結晶化領域に、半導体素子を形成する。半導体素子として、たとえばトランジスタを形成し、横方向に結晶化された半導体薄膜の結晶化領域を前記トランジスタのチャンネルとすると、チャンネルにおけるキャリアの移動度が大きくなり、極めて高性能なトランジスタを得ることができる。このように極めて高性能な半導体装置を製造することができる。

また本発明によれば、ほぼ相似形に各領域を形成することによって、基板全体を結晶化するときに、相似形領域を繰り返し照射するので、全体を容易に結晶化することができる。

また本発明によれば、隣接する配置領域間の間隔は、１つの配置領域に配置される隣接する半導体素子間の間隔よりも大きいので、半導体素子を高密度に配置することができる。

また本発明によれば、前記配置領域は、略矩形状に形成され、マトリクス状に配置されるので、このような半導体装置を製造するときの半導体薄膜の結晶化を効率良く行うことができる。

図１は、本発明の実施の一形態の半導体薄膜の結晶化装置１０の構成を模式的に示すブロック図である。結晶化装置１０は、レーザ光源１１、ホモジナイザ１２、ミラー１３、マスク１４、対物レンズ１５、基板駆動機構部１６、駆動機構制御部１７および駆動制御データ格納部１８を含んで構成される。光源であるレーザ光源１１は、好ましくはエキシマレーザ光源で実現され、駆動機構制御部１７によって制御されて、波長が紫外線であるパルス状のレーザ光を出射する。ホモジナイザ１２は、エキスパンダ、リレーレンズ、フィールドレンズおよびシリンドリカルレンズアレイまたはレンズアレイが組み合わさって構成され、レーザ光源１１からのレーザ光を分割および再合成することによって、前記レーザ光の放射照度分布を均一にする。ミラー１３は、ホモジナイザ１２を透過したレーザ光源１１からのレーザ光を反射して、マスク１４に入射させる。

マスク１４は、ミラー１３によって導かれるレーザ光を透過して、対物レンズ１５に入射させる。マスク１４の詳細については後述する。対物レンズ１５は、照射対象である半導体薄膜が設けられる基板１９の半導体薄膜状にマスク１４を透過したレーザ光を集光する。変位手段である基板駆動機構部１６は、基板１９を着脱可能に固定し、基盤１９の延びる方向に沿う予め定める走査方向および前記走査方向に垂直な副走査方向に基板１９を、マスクおよび対物レンズに対して相対的にスライド変位駆動する。制御手段である駆動機構制御部１７は、レーザ光源１１のレーザ光出射タイミングを制御するとともに、データ格納部１８に格納される駆動制御データに基づいて、基板駆動機構部１６を制御する。データ格納部１８は、予め定める駆動制御データを格納する。

図２は、マスク１４を示す平面図である。マスク１４は、透光性を有する単一の透光部２０と、透光性を有さない遮光部２１とからなる。透光部２０は、マスク１４の中央部に配置され、長方形状に形成されるけれども、目的に応じて適宜その形状を適宜設計するようにしてもよい。遮光部２１は、前記透光部２０の周囲に配置される。透光部２０のレーザ光に対する透過率は、目的に応じて適宜設定されてもよいけれども、透光部２０全体にわたって、透過率は均一であり、透過したレーザ光の基板１９の半導体薄膜における放射照度分布が均一となるように設定される。

前記結晶化装置１０では、マスク１４の透光部２０の像を対物レンズ１５によって基板１９の半導体薄膜上に結像している。このとき像面から物面への倍率は光学系の設計によって適宜設定が可能であるけれども、好ましくは、２分の１以上、５分の１以下に設定すると、対物レンズ１５の負荷が小さくなる。また対物レンズ１５は基板１９の半導体薄膜上で解像度を適当に設定する必要があり、これは後述のトランジスタなどの基板１９に形成される半導体装置の大きさおよび配置位置に基づいて設定される。

マスク１４の透光部２０の大きさは、結晶化装置１０の用途によって変更可能であるけれども、レーザ光を基板１９の半導体薄膜のある部分を一度に一括して照射できる大きさとする。たとえば半導体薄膜の結晶化に必要な照射面積当たりのエネルギ量が５００ミリジュール毎平方センチメートルであり、レーザ光の利用可能な照射エネルギが１パルス当たり１ジュールであれば、透光部２０の大きさは、最大で２平方センチメートル（＝１ジュール÷５００ミリジュール毎平方センチメートル）となる。この場合、基板１９の半導体薄膜上において、最大面積である２平方センチメートルの領域、たとえば１センチメートル×２センチメートルの長方形状の領域を照射するように、マスク１４の透光部２０の大きさと対物レンズ１５による結像倍率とを設定する。ここで光学系の結像倍率を、たとえば３倍とすると、マスク１４の透光部２０を、基板１９の半導体薄膜において照射する領域の大きさである１センチメートル×２センチメートルの３倍の大きさ、すなわち３センチメートル×６センチメートルの長方形状に設定する。

またマスク１４において、透光部２０と遮光部２１との境界部は、基板１９の半導体薄膜上に結像したときに、前記境界部の像がシャープに、すなわち高解像度で結像されるように、透光部２０の透過率が遮光部２１の透過率に、急峻に変化するように設定する。この透過率が急峻に変化する領域の幅は、対物レンズ１５で決まる解像力よりも小さく設定することが望ましい。すなわち対物レンズ１５の基板１９の半導体薄膜上における解像力が、たとえば２マイクロメートルであり、光学系の結像倍率が３倍であれば、マスク１４における前記変化する領域は６マイクロメートル以下に設定される。このような対物レンズ１５を含む光学系とマスク１４との構成によって、マスク１４の基板１９の半導体薄膜における像の解像度を、対物レンズ１５の解像力程度に小さく設定することができる。これによってマスク１４の基板１９の半導体薄膜における像の放射照度の変化する周縁部の幅を、対物レンズ１５の解像力程度まで小さくすることができる。

結晶化装置１０の駆動機構制御部１７は、データ格納部１８に格納される駆動制御データに基づいて、マスク１４の透光部２０の基板１９の半導体薄膜における像である照射領域の周縁部を、予め定める照射領域の境界線の位置に一致させて位置決めするように基板駆動機構部１６を制御して、パルス光を出射するようにレーザ光源１１を制御する。データ格納部１８に格納される駆動制御データは、前述の制御に必要なデータである、境界線の位置、照射領域の形状およびそれらを照射する手順などである。

図３は、基板１９の第１実施例である基板１９Ａを示す斜視図である。図４は、基板１９Ａを示す平面図である。図５は、図４の切断面線Ｓ５−Ｓ５から見た断面図である。基板１９Ａは、ガラス基材２２の一表面に下地膜２３および半導体薄膜２４がこの順に積層されて形成される。下地膜２３は、二酸化シリコンから成り、厚みが５０ナノメートル以上、２００ナノメートル以下に設定される。半導体薄膜２４は、アモルファスの半導体から成り、厚みが２０ナノメートル以上、１００ナノメートル以下に設定される。

半導体薄膜２４の上には、さらに反射膜２５が設けられる。反射膜２５は、チタン、モリブデン、タンタルおよびアルミニウムなどの金属から成る反射膜、ならびに２酸化シリコン、酸化アルミ、酸化チタン、窒化アルミおよび窒化シリコンなど誘電体薄膜の多層膜から成る反射膜であってもよい。反射膜２５としては、前述の金属から成る反射膜でも良いけれども、金属の反射膜を用いる場合は、レーザ光が照射されても溶融しにくい高融点の金属の反射膜を用いることが望ましい。反射膜２５として前述の誘電体薄膜の多層膜を用いると、レーザ光が照射されることによって半導体薄膜２４が溶融しても、反射膜２５は溶融しない。また反射膜２５として誘電体薄膜の多層膜を用いる場合、反射膜２５の屈折率と反射膜２５の厚みとの積の２倍が、レーザ光の波長の整数倍となるように反射膜２５の屈折率および厚みが設定される。また反射膜２５には、残余の部分よりも充分に厚みが小さく形成されるまたは厚み方向に貫通するパターン２６が設けられる。このように反射膜２５のパターン２６では、反射膜３の残余の部分よりもレーザ光に対する反射率が低い、または零である。

前述の基板１９Ａを結晶化装置１０の基板駆動機構部１６に固定して、基板１９にレーザ光を照射して、半導体薄膜２４の一部を溶融および凝固させて結晶化して半導体薄膜２４の特性を向上させる。レーザ光は、エキシマレーザ光源で実現されるレーザ光源１１において発振される波長が２５０ナノメートル以上、３５０ナノメートル以下の範囲の紫外光であり、レーザ光のパルス幅、すなわち１回の照射における照射時間を１０ナノ秒以上、１００ナノ秒以下のパルス光とする。半導体薄膜２４の厚みが５０ナノメートルの場合、照射面積当たりのエネルギ量が３００ミリジュール毎平方センチメートル以上、６００ミリジュール毎平方センチメートル以下であるパルス光を基板１９Ａに照射すると、反射膜２５のパターン２６をパルス光が透過して、パターン２６の残余の部分の反射膜２５でパルス光が反射される。これによって半導体薄膜２４においてパターン２６の下方にある部分だけが溶融して、その後、冷却されて凝固する。パルス光の放射照度およびパルス幅を調節することで、半導体薄膜２４におけるパターン２６の下方の部分が溶融し、かつパターン２６を除く残余の部分の反射膜２５の下方の部分では、半導体薄膜２４が溶融しないという条件を設定することができる。

図６は、パルス光を照射し、反射膜２５を除去した後の基板１９Ａを示す平面図である。パターン２６の下にあった半導体薄膜２４の部分には、図６に示すように、結晶２７が半導体薄膜２４が延びる方向に沿う横方向に成長している。パターン２６の下にある半導体薄膜２４の部分では、パルス光によって半導体薄膜２４が溶融した後、その熱が拡散して溶融した部分の温度が低下して凝固する。このとき半導体薄膜２４には、パターン２６の周縁部から中心部に向かって柱状の結晶が成長する。これは半導体薄膜２４の冷却が、パターン２６の周縁部の下にある半導体薄膜２４の部分からパターン２６の中心部に向かって進行するためであり、これにともなって結晶化が周縁部から中心部に向かって進行する。これは横方向結晶化と呼ばれ、約１マイクロメートル以上、２マイクロメートル以下程度の長さの結晶が成長する。

このように半導体薄膜２４において横方向結晶化が生じた部分を、少なくともトランジスタのチャンネルに用いると、極めて高性能のトランジスタを得ることができる。トランジスタの性能にもっとも大きく関与するのは、チャンネルであり、この部分に高性能の結晶を用いることが必要である。このように横方向結晶化によって生じる結晶を用いると、結晶の方向とトランジスタのキャリアの流れる方向とを一致させることができ、結晶の粒界におけるキャリアの散乱を減らすことが可能であり、極めて高性能な、換言すればキャリアの移動度が大きなトランジスタを得ることができる。

図７は、基板１９の第２実施例である基板１９Ｂを示す斜視図である。図８は、基板１９Ｂを示す平面図である。図９は、図８の切断面線Ｓ９−Ｓ９から見た断面図である。基板１９Ｂは、ガラス基材２２の一表面に下地膜２３および半導体薄膜２４がこの順に積層されて形成される。下地膜２３は、二酸化シリコンから成り、厚みが５０ナノメートル以上、２００ナノメートル以下に設定される。半導体薄膜２４は、アモルファスの半導体から成り、厚みが２０ナノメートル以上、１００ナノメートル以下に設定される。

半導体薄膜２４の上には、さらに吸収膜２８が設けられる。吸収膜２８は、２酸化シリコン、酸化アルミ、酸化チタン、窒化アルミおよび窒化シリコンなどの誘電体薄膜の多層膜から成ってもよい。吸収膜２８として誘電体薄膜の多層膜を用いると、レーザ光が照射されることによって半導体薄膜２４が溶融しても、吸収膜２８が溶融しない。吸収膜２８として誘電体薄膜の多層膜を用いる場合、吸収膜２８の屈折率と吸収膜２８の厚みとの積の２倍が、レーザ光の波長の２分の１の奇数倍となるように吸収膜２８の屈折率および厚みが設定される。また吸収膜２８は、レーザ光の波長に基づいて設定される膜厚となる１層の誘電体膜としてもよく、これによって反射率を低減させる膜厚に設定することが可能である。この場合、吸収膜２８の構造を簡単にすることができ、半導体装置の作製プロセスを簡易化して、半導体装置を低コストで製作することが可能となる。

本実施例では、吸収膜２８は、図７〜図９に示すように３箇所に配置される。このような配置パターンの吸収膜２８を設けるためには、一旦、半導体薄膜２４上全体にわたって吸収膜を設け、配置パターンに基づいて不要な部分を除去する。これによって半導体薄膜２４の吸収膜２８が配置される部分は、吸収膜２８によってレーザ光に対する反射率が低くなり、残余の部分は、吸収膜２８が配置される部分に比べて、反射率が充分に高くなる。

前述の基板１９Ｂを結晶化装置１０の基板駆動機構部１６に固定して、基板１９にレーザ光を照射して、半導体薄膜２４の一部を溶融および凝固させて結晶化して半導体薄膜２４の特性を向上させる。レーザ光は、エキシマレーザ光源で実現されるレーザ光源１１において発振される波長が２５０ナノメートル以上、３５０ナノメートル以下の範囲の紫外光であり、レーザ光のパルス幅、すなわち１回の照射における照射時間を１０ナノ秒以上、１００ナノ秒以下のパルス光とする。半導体薄膜２４の厚みが５０ナノメートルの場合、照射面積当たりのエネルギ量が３００ミリジュール毎平方センチメートル以上、６００ミリジュール毎平方センチメートル以下であるパルス光を基板１９Ｂに照射すると、吸収膜２８においてパルス光が吸収されて、吸収膜２８が設けられていない半導体薄膜２４ではパルス光が反射される。これによって半導体薄膜２４において吸収膜２８の下方にある部分だけが溶融して、その後、冷却されて凝固する。パルス光の放射照度およびパルス幅を調節することで、半導体薄膜２４における吸収膜２８の下方の部分が溶融し、かつ半導体薄膜２４の吸収膜２８が設けられない部分は、半導体薄膜２４が溶融しないという条件を設定することができる。

図１０は、パルス光を照射し、吸収膜２８を除去した後の基板１９Ｂを示す平面図である。吸収膜２８の下にあった半導体薄膜２４の部分には、図１０に示すように、結晶２７が半導体薄膜２４が延びる方向に沿う横方向に成長している。吸収膜２８の下にある半導体薄膜２４の部分では、パルス光によって半導体薄膜２４が溶融した後、その熱が拡散して溶融した部分の温度が低下して凝固する。このとき半導体薄膜２４には、吸収膜２８の周縁部から中心部に向かって柱状の結晶が成長する。これは半導体薄膜２４の冷却が、吸収膜２８の周縁部の下にある半導体薄膜２４の部分から吸収膜２８の中心部に向かって進行するためであり、これにともなって結晶化が周縁部から中心部に向かって進行する。これは横方向結晶化と呼ばれ、約１マイクロメートル以上、２マイクロメートル以下程度の長さの結晶が成長する。

図１１は、基板１９のさらに他の例である基板１９Ｃを示す斜視図である。基板１９Ｃは、ガラス基材２２の一表面に下地膜２３および半導体薄膜２４がこの順に積層されて形成される。下地膜２３は、二酸化シリコンから成り、厚みが５０ナノメートル以上、２００ナノメートル以下に設定される。半導体薄膜２４は、アモルファスシリコンから成り、厚みが２０ナノメートル以上、１００ナノメートル以下に設定される。

前述の基板１９Ｃを結晶化装置１０の基板駆動機構部１６に固定して、基板１９にレーザ光を照射して、半導体薄膜２４のを溶融および凝固させて結晶化して半導体薄膜２４の特性を向上させる。レーザ光は、エキシマレーザ光源で実現されるレーザ光源１１において発振される波長が２５０ナノメートル以上、３５０ナノメートル以下の範囲の紫外光であり、レーザ光のパルス幅、すなわち１回の照射における照射時間を１０ナノ秒以上、１００ナノ秒以下のパルス光とする。半導体薄膜２４の厚みが５０ナノメートルの場合、照射面積当たりのエネルギ量が３００ミリジュール毎平方センチメートル以上、６００ミリジュール毎平方センチメートル以下であるパルス光を基板１９Ｃに照射する。これによって半導体薄膜２４が溶融して、その後、冷却されて凝固する。

図１２は、凝固後の半導体薄膜２４の表面を走査電子顕微鏡で撮影した写真を示す図である。凝固後の半導体薄膜２４には、参照符号２９に代表される微小な結晶粒が多数成長する。これは図６および図１０に示すような横方向に成長する結晶２７とは異なり、基板１９Ｃの厚み方向に成長する結晶粒である。この結晶は、図６および図１０に示す横方向成長による結晶に比べて結晶粒径が小さく、かつ等方的に分布しているので、キャリアの移動度は横方向成長の結晶に比べて劣るけれども、結晶が等方的であるので、トランジスタの配置が自由である。

図１３は、結晶化を行う基板１９のレイアウトを示す平面図である。液晶表示素子を作成するための基板１９には、複数のパネル３０が作成され、種々の工程の後に、個々に切り離されて個別の液晶表示素子となる。これらのパネル３０の作製は、基板１９に設けられる半導体薄膜を結晶化した後に、配線およびトランジスタのパターンをフォトリソグラフィーおよびエッチングなどによって作製する。

パネル３０は、画像を表示するための表示領域（図示せず）と、画像表示領域周辺に配置される周辺領域（図示せず）とを有する。パネル３０を基板１９に多数配置して、一括して作成することで、一度に多数のパネル３０を製造することができる。前述の基板１９の半導体薄膜の結晶化において、レーザ光の照射領域３１は、通常、パネル３１の寸法より小さい。このために、図１３に示すように、レーザ光を１回照射する度に、照射領域３１を予め定める走査方向Ａ１にずらしながら複数回照射していくことによって、基板１９の半導体薄膜全体の結晶化を行う。このとき駆動機構制御部１７は、基板１９の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスク１４の透光部２０の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置されるように、基板駆動制御部１６を制御する。

前記照射領域３１は、前述の図２に示したマスク１４の透光部２０を透過したレーザ光を対物レンズ１５によって結像して得られる均一な放射照度分布を有する。また照射領域３１の周縁部は、半導体薄膜表面上に存在し、走査方向Ａ１に沿って延び、互いに間隔をあけて配置される複数の第１境界線３２と、半導体薄膜表面上に存在し、前記第１境界線３２に直交して延び、互いに間隔をあけて配置される複数の第２境界線３３とによって決定される位置に一致されて位置決めされる。照射領域３１の周縁部は、前述のように、結晶化装置１０の対物レンズ１５の解像力を小さく設定し、さらにマスク１４の透光部２０の周縁部を小さく設定することによって、第１および第２境界線３２，３３によって決定される位置に正確に一致させることができる。すなわちレーザ光源１１から出射されたパルス光は、一様な光透過分布を有する透光部２０が設けられるマスク１４を透過する。対物レンズ１５によって、基板１９に形成される半導体薄膜２４上にマスク１４を透過した光によるマスク１４の透光部２０の像が結像される。半導体薄膜２４上に結像されるマスク１４の透光部２０の像の周縁部における放射照度の変化する領域の幅は、対物レンズ１５が無い場合に比べて対物レンズ１５の解像力に基づいて小さくすることができる。これによって半導体薄膜２４のマスク１４の透光部２０の像が結像される領域において、パルス光を照射しても充分に結晶化されない周縁領域を可及的に小さくして、パルス光が照射された領域のほぼ全てを結晶化することができる。

図１４は、基板１９のパネル３０を拡大して示す平面図である。パネル３０には、画像を表示する表示領域を構成するマトリクス状に配置される複数の画素３４と、前記表示領域の周辺に配置される周辺領域３５，３６を有する。画素３４は、画像情報の輝度および色に基づいて液晶素子を駆動する。周辺領域３５，３６には、画素３４を駆動するドライバ回路、画像処理回路、メモリ回路およびロジック回路などが集積される。このようなパネル３０を結晶化するとき、第１および第２境界線３２，３３によって分割される４つの照射領域３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに対して、それぞれ１回ずつパルス光を照射する。この照射領域３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの周縁部は、第１および第２境界線３２，３３上に存在する。

図１５は、図１４のセクションＸＶを拡大して示す平面図である。画素３４は、駆動用トランジスタが設けられるトランジスタ領域３７と、液晶に電圧を印加する電極が設けられる電極領域３８とを有する。トランジスタ領域３７には、電極領域３７の電極に電圧を印加するための薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；略称：ＴＦＴ）が作製され、電極領域３８には、電圧印可用電極およびカラーフィルタなどが作製される。ここで基板１９の半導体薄膜の結晶化では、照射領域３１の周縁部は、第１および第２境界線３２，３３上に配置されるようにしてパルス光が照射されるけれども、画素３４においては、照射領域３１の周縁部が、原則として、結晶化後に配置されるトランジスタ領域３７に重ならないようにする。

図１６は、図１４のセクションＸＶＩを拡大して示す平面図である。周辺領域３６には、画素３８を駆動するドライバ回路、画像処理回路、メモリ回路およびロジック回路などを構成する複数のトランジスタ３９が形成される。トランジスタ３９は、ソース４０、ゲート４１およびドレイン４２から成り、隣接する２つのトランジスタ３９は、所定の間隔Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３をあけて配置される。これらのトランジスタ３９を作製する前に、基板１９の半導体薄膜にパルス光を照射して結晶化する。その後、種々の工程を経て、複数のトランジスタ４０が形成される。

周辺領域３６は、照射領域３１ｃと、前記照射領域３１ｃの走査方向Ａ１下流側に隣接する照射領域３１ｄとを含む。したがって周辺領域３６は、パルス光を照射する工程において、前述の照射領域３１ｃ，３１ｄの半導体薄膜が照射されて結晶化された後に、トランジスタ４０が形成される。この場合、前述の照射領域３１ｃと照射領域３１ｄとの境界となる境界線３３上には、トランジスタ４０が配置されないように、トランジスタ４０の配置および境界線３３の配置を決定する。換言すれば、トランジスタ４０の群の配置を設計するときに、トランジスタ４０が配置されない領域４３を設けるようにして、半導体薄膜を結晶化するときに、前記領域４３が配置されるべき位置の、ほぼ中間に境界線３３が配置されるように、照射領域３１ｃ，３１ｄの位置を決定する。

前記照射領域３１ｃ，３１ｄの周縁部の幅、換言すればマスク１４の透光部２０の像の周縁部の幅を、トランジスタ３９が配置されない領域４３の（走査方向Ａ１の）幅Ｂ４３よりも小さく設定する。このように照射領域３１ｃ，３１ｄの周縁部における放射照度分布の変化によって、基板１９の半導体薄膜の溶融状態が変化する領域を、トランジスタ３９が配置される領域を除く領域に設定して、半導体薄膜の溶融状態が変化する領域が存在することによるトランジスタ３９の特性の変化が生じることを防ぐことができる。

またトランジスタ３９が配置されない領域４３の幅Ｂ４３は、隣接する２つのトランジスタ３９同士の間隔Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と同じ程度に設定すれば、基板１９の半導体薄膜において高密度にトランジスタ３９を配置することができる。またトランジスタ３９が配置されない領域４３の幅Ｂ４３を、隣接する２つのトランジスタ３９同士の間隔Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と同じ程度に設定するのではなく、それらよりもより大きく設定すれば、結晶化装置１０のマスク１４および対物レンズ１５に必要とされる精度を緩和して、より信頼性の高く、安価な結晶化装置１０を構成することもできる。この場合、隣接する２つのトランジスタ３９同士の間隔Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、トランジスタ３９が配置されない領域４３の幅Ｂ４３とは無関係に設定できるので、これらの寸法を別々に設定して、トランジスタの集積度を低下させない範囲で、結晶化装置１０の精度を緩和するという設計が可能となる。

図１７は、不具合が生じた基板１９Ｄを示す平面図である。照射領域４５ａの周縁部が結晶化領域４４ａに重なると、照射領域４５ａと前記照射領域４５ａの走査方向Ａ１下流側に隣接する照射領域４５ｂとの境界線上に結晶粒界４６が生じる。また照射領域４５ｂの周縁部に放射照度が変化する領域の幅が大きくなり、前記放射照度が変化する領域が結晶化領域４４ｂに重なった場合、参照符号４７に示すような、結晶化領域４４ｂの内部に、結晶化されない領域が生じる。このような結晶化領域４４ａ，４４ｂにおける結晶粒界４６および結晶化されない領域の存在は、それらの結晶化領域４４ａ，４４ｂに形成されるトランジスタのチャンネルの特性に悪影響を及ぼす。具体的に述べると、トランジスタのチャンネルを流れるキャリアが結晶粒界４６で散乱されて、キャリアの移動度が低下する。本発明のように隣接する２つの照射領域の境界線をトランジスタの存在しない領域に配置するようにしてパルス光を照射し、かつその照射領域の周縁部の放射照度が変化する領域を、トランジスタの存在しない領域の幅より狭く設定することによって、前述の不具合を解消することができる。

図１８は、照射領域３１の配置状態の他の例を示す平面図である。照射領域の配置は、図１３に示すような、基板１９の半導体薄膜における走査方向Ａ１に隣り合う２つの照射領域３１の境界線３３が、前記照射領域３１の走査方向Ａ１に垂直な方向に隣接する照射領域と、当該照射領域の走査方向Ａ１下流側に隣接する照射領域との境界線３３に一致するようなマトリクス状とすることに限らない。たとえば図１８に示すように、基板１９Ｅの半導体薄膜における走査方向Ａ１に隣り合う２つの照射領域４８ａ，４８ｂの境界線４９ａが、前記照射領域４８ａの走査方向Ａ１に垂直な方向Ａ２に隣接する照射領域４８ｃと、当該照射領域４８ｃの走査方向Ａ１下流側に隣接する照射領域４８ｄとの境界線４９ｂに一致しないような千鳥状に配置されていてもよい。

このように従来の結晶化方法に比べ、パルス光の重ね合わせがほとんど不要であり、半導体薄膜の各照射領域について、１回の照射で結晶化が完了する。このため前記従来技術と比較して、短時間および省エネルギで結晶化を行うことができる。

本発明の実施の一形態の半導体薄膜の結晶化装置１０の構成を模式的に示すブロック図である。マスク１４を示す平面図である。基板１９の第１実施例である基板１９Ａを示す斜視図である。基板１９Ａを示す平面図である。図４の切断面線Ｓ５−Ｓ５から見た断面図である。パルス光を照射し、反射膜２５を除去した後の基板１９Ａを示す平面図である。基板１９の第２実施例である基板１９Ｂを示す斜視図である。基板１９Ｂを示す平面図である。図８の切断面線Ｓ９−Ｓ９から見た断面図である。パルス光を照射し、吸収膜２８を除去した後の基板１９Ｂを示す平面図である。基板１９のさらに他の例である基板１９Ｃを示す斜視図である。凝固後の半導体薄膜２４の表面を走査電子顕微鏡で撮影した写真を示す図である。結晶化を行う基板１９のレイアウトを示す平面図である。基板１９のパネル３０を拡大して示す平面図である。図１４のセクションＸＶを拡大して示す平面図である。図１４のセクションＸＶＩを拡大して示す平面図である。不具合が生じた基板１９Ｄを示す平面図である。照射領域３１の配置状態の他の例を示す平面図である。従来技術である非晶質シリコン薄膜の結晶化を行う結晶化装置１の構成を簡素化して示す図である。ガラス基板７に照射されるレーザ光３の形状および放射照度分布８，９を示す図である。

レーザ光３をガラス基板７に照射する方法を模式的に示す図である。

符号の説明

１０結晶化装置
１１レーザ光源
１４マスク
１５対物レンズ
１６基板駆動機構部
１７駆動機構制御部
１９，１９Ａ，１９Ｂ基板
２４半導体薄膜

Claims

半導体薄膜が延びる方向にほぼ平行な横方向に結晶を成長させる半導体薄膜の結晶化装置であって、
パルス光を出射する光源と、
一様な光透過率分布を有する透光部が設けられるマスクと、
基板に形成される半導体薄膜上にマスクを透過したパルス光によるマスクの透光部の像を結像させる対物レンズとを含むことを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
予め定める走査方向に、マスクおよび対物レンズに対して基板を相対的に変位させる変位手段と、
基板の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスクの透光部の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置されるように、変位手段を制御する制御手段とをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜の結晶化装置。
半導体薄膜が延びる方向にほぼ平行な横方向に結晶を成長させる半導体薄膜の結晶化方法であって、
光源からのパルス光を、一様な光透過率分布を有する透光部が設けられるマスクおよび対物レンズを介して、基板に設けられる半導体薄膜に照射して対物レンズによって半導体薄膜上にマスクの透光部の像を結像させることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
予め定める走査方向に、マスクおよび対物レンズに対して基板を相対的に変位させて、基板の半導体薄膜上におけるパルス光を照射すべき２つの隣接する照射領域の境界線上に、照射されるパルス光の半導体薄膜上のマスクの透光部の像の解像力以上の幅となる周縁領域の中心が配置されるようにして、光源からのパルス光を半導体薄膜に照射することを特徴とする請求項３記載の半導体薄膜の結晶化方法。
請求項３または４記載の結晶化方法を用いて横方向に結晶化された半導体薄膜の結晶化領域に、半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項５記載の製造方法によって製造される半導体装置であって、
基板に設けられる半導体薄膜において半導体素子が配置される配置領域が複数個備えられ、各領域は互いに略相似形に形成されることを特徴とする半導体装置。
隣接する配置領域間の間隔は、１つの配置領域に配置される隣接する半導体素子間の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
前記配置領域は、略矩形状に形成され、マトリクス状に配置されることを特徴とする請求項６または７記載の半導体装置。