JP2005109315A - 半導体薄膜を製造する方法と装置およびその薄膜を含む半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した特性を有する薄膜半導体デバイスを提供するために、結晶核の発生位置に周期性をもたせて幅のそろった針状多結晶薄膜を得る。
【解決手段】 半導体薄膜の製造方法は、断面が矩形状の主レーザ光ビームを半導体薄膜に照射してその照射領域における半導体薄膜を全厚にわたって溶融させた後に凝固させて結晶化を行う方法であって、主レーザ光ビームとは別の矩形状断面を有する副レーザ光ビームが、主レーザ光ビームの矩形状断面の長辺と前記副レーザ光ビームの矩形状断面の長辺とが垂直に交わるように半導体薄膜へ付加的に照射されることを特徴としている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、絶縁性基板上に形成された非単結晶半導体薄膜から結晶性の制御された結晶質半導体薄膜を製造する方法と装置に関し、特に高エネルギー密度光であるレーザ光線を利用して結晶質半導体薄膜を製造する方法と装置に関する。

非晶質半導体薄膜を結晶化した多結晶半導体薄膜を利用してトランジスタを形成した多結晶薄膜トランジスタは、非晶質半導体薄膜を利用してトランジスタを形成した非晶質薄膜トランジスタに比べて大きなキャリヤ移動度を有していて高速動作が期待でき、液晶表示デバイスの駆動系のみならずガラス基板上に大規模集積回路を実現しうる可能性を有している。

例えば、液晶表示デバイスの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や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。したがって、別途に作製されたドライバ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になる。

また、その他の利益として、薄膜トランジスタは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。したがって、高輝度で高精細の表示装置を提供することが可能となる。

多結晶半導体薄膜は、ガラス基板上の気相成長法によって得られた非晶質半導体薄膜をガラスの軟化点（約６００℃〜６５０℃）以下の温度で長時間熱アニールするか、レーザ光等の高エネルギ密度を有する光を照射する光アニールによって得られる。熱アニールでは、ガラスの軟化点以上に基板温度を高くすることが許されないので、半導体薄膜を十分に加熱することができず、キャリヤ移動度が十分に高い多結晶半導体薄膜を得ることが困難である。それに対して、光アニールはガラス基板の温度を軟化点まで上昇させずに半導体薄膜のみに高いエネルギを与えることができるので、キャリヤ移動度が高い多結晶半導体薄膜を得る方法として非常に有効であると考えられる。

現状では、光アニールの光源として、エキシマレーザのような大出力パルスレーザが用いられている。エキシマレーザアニーリング法（以下「ＥＬＡ法」と略記する）では、ガラス基板上の半導体薄膜に対して、断面が線分状に整形されたエキシマレーザ光ビームをその線分に直交する方向に連続的に照射するのが一般的である。この方法によって、粒径０．２〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このとき、レーザを照射した領域において、非晶質半導体薄膜は表面から底面までの全厚にわたって溶融するのではなく、底部の非晶質領域を残して溶融する。そして、レーザ照射領域内において、半導体薄膜のいたるところの底面近傍に結晶核が発生し、その薄膜の最表層に向かって結晶成長して、ランダムな方位の結晶粒が形成される。

他方、結晶成長方向を横方向に制御する方法として、レーザ照射領域を段階的にシフトさせながら連続的に照射することによって、横方向に伸びた針状の結晶を得る技術がある（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載のスーパーラテラル成長と称する技術では、まず数μｍ程度の微細幅のパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、その照射領域内でシリコン薄膜の全厚にわたって溶融させた後に凝固させて結晶化を行う。

この場合、薄膜中の液相領域と固相領域との固液界面がガラス基板面に対して垂直に形成されるので、その固液界面で発生した結晶核から全ての結晶が横方向に成長する。その結果、１段階のレーザ照射により、ガラスの基板面に対して平行な針状多結晶が得られる。１段階のレーザ照射により形成される結晶長さは１μｍ程度であるが、１段階前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように次段階のレーザパルスを照射することにより、既に成長した結晶を引継いだ長い針状の結晶が得られる。

しかし、このようなスーパーラテラル成長法では、数μｍの結晶長さを得るために多数回のレーザ照射を必要とし、それに伴って長い処理時間を要するという問題がある。そこで、近年の公知技術では、ヒータ等によりガラス基板を加熱しながら、断面が矩形状に整形されたレーザ光ビームを１回だけ照射することによって数μｍの結晶長さを有する針状多結晶が得られる技術も知られている。
特許第３２０４９８６号公報

図８の模式的な平面図は、従来技術による矩形のレーザ照射領域における半導体薄膜中の横方向結晶成長の状況の一例を図解している。この場合、断面が矩形状に整形されたレーザ光ビームを半導体薄膜に照射すれば、溶融部５１と非溶融部との界面５１ａにおいて無秩序に発生した結晶核８１ａを種として結晶が溶融部幅の中央線５１ｂに向けて成長する。したがって、図８に示されているように、針状結晶の位置は実際に結晶化が生じるまで不明であり、結晶位置を制御することができない。また、一つの結晶の成長が他の先に成長した針状結晶に出会って阻害されることが多く、途中で成長が停止した幅の狭い短い長さの針状結晶が無秩序に形成される。

また、図８に示されているような半導体薄膜上に半導体デバイスを作製すれば、図９（ａ）に示されているように結晶幅が狭くかつ結晶長さが短い針状多結晶を含む領域上に半導体デバイス４１が形成される場合と、図９（ｂ）に示されているように大きな針状結晶を含む領域上に半導体デバイス４１が形成される場合とがある。図９（ａ）の半導体デバイス４１と図９（ｂ）の半導体デバイス４１とでは、半導体デバイスの特性が大きく異なる。これは、図９（ａ）の場合のようにデバイス中の電子の移動方向において多数の結晶粒界が存在すれば、電子移動度が低下するからである。

以上のような従来技術の状況に鑑み、本発明では、安定した特性を有する半導体デバイスを提供するために、結晶核の発生位置に周期性をもたせて幅のそろった針状多結晶を得ることを目的とした結晶化処理方法を提案する。

本発明の一つの態様によれば、半導体薄膜の製造方法は、断面が矩形状の主レーザ光ビームを半導体薄膜に照射してその照射領域における半導体薄膜を全厚にわたって溶融させた後に凝固させて結晶化を行う方法であって、主レーザ光ビームとは別の矩形状断面を有する副レーザ光ビームが、主レーザ光ビームの矩形状断面の長辺と副レーザ光ビームの矩形状断面の長辺とが垂直に交わるように半導体薄膜へ付加的に照射されることを特徴としている。なお、副レーザ光ビームは、複数の矩形が規則的に並んだ断面形状を有することが好ましい。

本発明の他の態様によれば、半導体薄膜の製造装置は、レーザ光源と、主レーザ光ビームの断面を矩形に整形する第１のマスクと副レーザ光ビームを矩形に整形する第２のマスクと、結像レンズとを含み、主レーザ光ビームの矩形断面像の長辺と副レーザ光ビームの矩形断面像の長辺とが垂直に交わって結像されるように第１と第２のマスクが配置されていることを特徴としている。なお、第２マスクにおいては、副レーザ光ビームの複数の矩形状透過部とそれらの透過部間の遮光部とが周期的に配列されていることが好ましい。

本発明の製造方法により得られた半導体薄膜を含む半導体デバイスにおいては、半導体薄膜がキャリヤ輸送層として用いられていることを特徴としている。なお、そのような半導体デバイスは薄膜トランジスタであり得て、半導体薄膜はチャネル層として利用され得る。

（レーザ照射装置）
図１のブロック図は、本発明の多結晶半導体薄膜の製造に利用し得るレーザ照射装置の一例を模式的に示している。このレーザ照射装置は第１と第２のレーザ発振器１１、１２、第１と第２のアッテネータ１３、１４、第１と第２の均一照射光学系１５、１６、第１と第２のマスク１７、１８、ＸＹ方向に所定の速度で移動し得るステージ１９、結像レンズ２０、ミラー２１、ハーフミラー２２、および制御装置２３を備えている。

第１のレーザ発振器１１は半導体薄膜を溶融させることができれば特に限定されるものではないが、本発明の実施形態では波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用い得る。第２のレーザ発振器１２は、半導体薄膜を加熱できるものであれば特に限定されないが、本発明の実施形態においては波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用い得る。

第１と第２のアッテネータ１３、１４は、それぞれ第１と第２のレーザ発振器１１、１２から出射した主レーザ光１と副レーザ光２を所定の光量に減衰させ、放射照度を調整する機能を有する。第１と第２の均一照射光学系１５、１６は、それぞれ第１と第２のレーザ発振器１０、２０から出射した主と副のレーザ光１、２の放射照度分布を均一化する機能を有する。

ステージ１９としては、その上に載置される基板３１を加熱し得るヒータ機能を有するものを用い得る。第１と第２のマスク１７、１８の投影像は、結像レンズ２０によって、基板３１上に所定の倍率で結像される。

ミラー２１は主レーザ光１を折返すために用いるが、その配置箇所や数量には制限がなく、装置の光学設計や機構設計に応じて適宜に設定することが可能である。ハーフミラー２２は第１レーザ発振器１１より出射した主レーザ光１と第２レーザ発振器１２より出射した副レーザ光２を合成する機能を有するものである。

制御装置２３は、第１レーザ発振器１１からの主レーザ光１と第２レーザ発振器１２からの副レーザ光２とに関する放射時間のタイミング制御や放射照度の制御を行うことができる。

（マスクパターン）
第１マスク１７としては、主レーザ光１のビーム断面を整形するために矩形状の透過部を有するものが用いられ得る。その矩形状の透過部の幅は特に限定されるものではないが、結像面上においてラテラル結晶成長距離の２倍程度に投影されるものであればよい。本発明の実施形態においては、その幅が結像面上で２０μｍ程度になるように設定され得る。

図２の模式的平面図に示されているように、副レーザ光２のビーム断面を整形する第２マスク１８としては、規則的に整列された複数の矩形状の透過部６１を含むものが用いられ得る。透過部６１と遮光部６２の周期は、特に限定されないが、成長し得る針状結晶の幅に応じて設定されていることが望ましい。本実施形態におけるレーザ照射装置では、第２マスク１８の透過部６１と遮光部６２の幅はそれぞれ結像面上において０．５〜３μｍ程度の間で設定することが可能であり、本実施形態においては例えば１μｍに設定され得る。

また、第１マスク１７と第２マスク１８は、ステージ１９上において各マスク像の短辺方向が垂直に交わるように配置され得る。

（半導体薄膜の製造方法）
図３の模式的断面図は、本実施形態で用いられる具体的な半導体基板３１の層構造を例示している。この半導体基板３１は、ガラス基礎基板３２上に順次積層された厚さ１００ｎｍの酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜３３と厚さ５０ｎｍの非晶質珪素（ａ−Ｓｉ）膜３４を含んでいる。この積層構造を有する基板３１は、ガラス基礎基板３２上にプラズマＣＶＤ法により酸化珪素膜３３を成膜し、その上に非晶質珪素膜３４をプラズマＣＶＤ法により成膜することにより作製し得る。

以下において、図１のレーザ照射装置を用いて非晶質珪素膜３４の結晶化処理を行う方法について述べる。まず、非晶質珪素膜３４が設けられた半導体基板３１をステージ１９上に載せる。そして、第１レーザ発振器１１から出射された主レーザ光１と、第２レーザ発振器１２から出射されて主レーザ光１より小さな放射照度を有する副レーザ光２とをそれぞれ第１マスク１７と第２マスク１８に照射し、それらのマスクの開口部の像が結像レンズ２０を経て基板３１上に所定の大きさに投影される。主レーザ光１は、副レーザ光２の照射中に基板上に照射される。

図４に示されているように、基板上には第１マスク１７により断面が矩形状に整形された主レーザ光１による照射領域７１と第２マスク１８により断面が矩形状に整形された副レーザ光２による照射領域７２とが、それぞれの短辺方向に対して垂直になるように重ねて照射される。そして、主レーザ光１と副レーザ光２の両方が照射された領域７３が最も温度が高くなり、次に主レーザ光１のみが照射された領域７１ａ、副レーザ光２のみが照射された領域７２ａ、さらに主レーザ光１と副レーザ光２のいずれも照射されていない領域の順に温度が低下する周期性を有する温度分布が形成される。なお、半導体薄膜は、主レーザ光１が照射される領域７１内において融解する。

このような場合、図５の模式的平面図に示されているように、主レーザ光１によって融解した溶融部５２と非溶融部との界面５２ａ上においては、副レーザ光２の照射と非照射による温度分布があり、副レーザ光２による照射領域７２から最も遠い位置８１において最も温度が低くなる。従って、界面５２ａ上では、それらの相対的に低温の位置８１において他の位置より先に結晶核が生成する。そして、結晶成長は、位置８１に形成された結晶核からはじまる。

従来の方法では、図１０の模式的な平面図に示されているように、固液界面５１ａ上において無秩序に存在する多数の相対的低温位置８１ａに結晶核が形成される。それらの結晶核から溶融部の中央へ向う方向８２ａに結晶成長しつつ、徐々に成長結晶の幅が拡大する。しかし、後から成長する結晶は、先に成長した近隣の結晶に出会えば、その既存の結晶に阻まれて成長が停止するか、または幅を拡大させることができない。結果として、近隣の他の結晶より先に成長することができた少数の結晶のみが最も長くかつ幅広く成長することができる。しかし、長くかつ幅広く成長できる結晶の位置は、結晶化が実現するまで不明または不定であり、制御することができない。

これに対して、本発明における方法では、図５に示すように、周期性をもって形成された相対的低温位置８１に生成した結晶核から主レーザ光１のみが照射された領域の中央（図６中の中央線５２ｂ参照）へ向かう方向８２へ成長する。これと同時に、主レーザ光１と副レーザ光２とが照射された領域へ向かう方向へ、すなわち方向８２へ成長した針状結晶の幅が広くなる方向に成長し、隣の結晶と会合した所で幅方向の成長が停止する。その結果、図６の模式的な平面図に示されているように、従来の方法の場合に比べて、広くかつ互いに同じ幅の複数の針状結晶が等間隔で配置された半導体結晶薄膜が得られる。

なお、本発明においては、主レーザ光１および副レーザ光２はそれぞれ異なる放射照度またはパルス幅を有していればよく、図１におけるように互いに異なるレーザ発振器から出射したレーザ光である必要ない。例えば、単一のレーザ発振器から出射したレーザ光を分岐し、分岐後の光学系においてパルス幅や放射照度を調整して、主レーザ光と副レーザ光を得ることも可能である。

また、基板を加熱する方法は、図１におけるようにヒータ機能を有するステージを用いる方法である必要はなく、例えば基板または半導体薄膜下の下地材料の吸収帯域に適合した波長を有するレーザ光を照射する方法であってもよい。

以上のように、本発明によれば、溶融部と非溶融部の界面に周期的な温度分布を形成することによって、結晶核の発生位置に周期性をもたせることが可能となる。したがって、図６に示されているように、結晶幅が広くかつ大きさのそろった針状多結晶が得られる。そして、図７の模式的平面図に示されているように、本発明による半導体結晶薄膜に半導体デバイス４１を形成することにより、高速動作可能で安定した特性を有する半導体デバイスを提供することができる。

本発明に利用し得るレーザ照射装置の一例を示す模式的ブロック図である。 本発明で利用する副レーザ光のビーム断面を整形するマスクパターンの一例を示す模式的平面図である。 半導体基板の積層構造の一例を示す模式的断面図である。 本発明におけるレーザ光の照射パターンの一例示す模式的平面図である。 本発明における針状結晶の核生成と成長の様子を説明するための模式的平面図である。 本発明の方法によって得られる針状多結晶組織を有する半導体薄膜の一例を示す模式的平面図である。 図６の針状多結晶組織を有する半導体薄膜を活性層に利用した半導体デバイスの一例を示す模式的平面図である。 従来の方法によって得られる針状多結晶組織を有する半導体薄膜の一例を示す模式的平面図である。 図８の針状多結晶組織を有する半導体薄膜を活性層に利用した半導体デバイスの例を示す模式的平面図である。 従来の方法における針状結晶の核生成と成長の様子を説明するための模式的平面図である。

符号の説明

１ 主レーザ光、２ 副レーザ光、１１ 第１のレーザ発振器、１２ 第２のレーザ発振器、１３ 第１のアッテネータ、１４ 第２のアッテネータ、１５ 第１の均一照射光学系、１６ 第２の均一照射光学系、１７ 第１のマスク、１８ 第２のマスク、１９ ステージ、２０ 結像レンズ、２１ ミラー、２２ ハーフミラー、２３ 制御装置、３１ 半導体基板、３２ ガラス基礎基板、３３ 酸化珪素膜（ＳｉＯ₂）、３４ 非晶質珪素膜（ａ−Ｓｉ）、４１ 半導体デバイス、５１ 融解部、５１ａ 固液界面、５２ 融解部、５２ａ 固液界面、６１ 透過部、６２ 遮光部、７１ 主レーザ光による照射領域、７２ 副レーザ光による照射領域、７３ 主レーザ光と副レーザ光の重複照射領域、８１、８１ａ 結晶核の生成位置、８２、８２ａ 結晶の成長方向。

Claims (6)

1. 断面が矩形状の主レーザ光ビームを半導体薄膜に照射してその照射領域における前記半導体薄膜を全厚にわたって溶融させた後に凝固させて結晶化を行う方法であって、前記主レーザ光ビームとは別の矩形状断面を有する副レーザ光ビームが、前記主レーザ光ビームの矩形状断面の長辺と前記副レーザ光ビームの矩形状断面の長辺とが垂直に交わるように前記半導体薄膜へ付加的に照射されることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
2. 前記副レーザ光ビームは複数の矩形が規則的に並んだ断面形状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。
3. レーザ光源と、
   主レーザ光ビームの断面を矩形に整形する第１のマスクと副レーザ光ビームの断面を矩形に整形する第２のマスクと、
   結像レンズとを含み、
   前記主レーザ光ビームの矩形断面像の長辺と前記副レーザ光ビームの矩形断面像の長辺とが垂直に交わって結像されるように前記第１と第２のマスクが配置されていることを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
4. 前記第２マスクにおいては前記副レーザ光ビームの複数の矩形状透過部とそれらの透過部間の遮光部とが周期的に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の製造装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の製造方法により得られた半導体薄膜を含む半導体デバイスであって、前記半導体薄膜がキャリヤ輸送層として用いられていることを特徴とする半導体デバイス。
6. 前記半導体デバイスは薄膜トランジスタであって、前記半導体薄膜はチャネル層として利用されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体デバイス。

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