JP2005243747A - 半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜製造装置、半導体薄膜、半導体装置および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光の照射領域の長尺方向の長さよりも大きい領域の半導体薄膜をレーザアニールにより結晶化する際に、レーザ光の照射領域の長尺方向の継ぎ部分における結晶性の不均一性を低減する。
【解決手段】 基板１０上に形成された半導体薄膜１２の表面に長尺形状の少なくもと２行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂを各行毎に２列以上継ぎ足して照射する際に、少なくもと２行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂにおける継ぎ部分１４Ａ，１４Ｂの位置が長尺方向で重ならないように照射する。また、各行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂの継ぎ部分１４Ａ，１４Ｂにおいて、隣り合う列の長尺方向のビームプロファイル端のスロープのレーザ強度Ｅが２０％以上８０％以下の領域で重なるように調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザアニール法を用いて結晶化した結晶性シリコン膜などの半導体薄膜、その半導体薄膜の製造方法、その半導体薄膜の製造に用いられる半導体薄膜製造装置、その半導体薄膜の製造方法で作製された半導体薄膜を用いてガラス基板などの絶縁性基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの半導体素子が形成された半導体装置、これを用いた液晶表示装置に関する。

従来から、高性能な液晶表示装置などのデバイスを実現するために、ガラス基板などの絶縁性基板上に高性能な薄膜トランジスタなどの半導体素子を形成する方法が開発されている。この半導体素子には、一般に、非晶質（アモルファス）シリコンを熱処理により結晶化させた薄膜状の多結晶（ポリ）シリコンが用いられる。

多結晶質シリコン膜を製造する方法としては、非晶質シリコン膜や比較的粒径が小さい多結晶シリコン膜などの非単結晶性半導体薄膜を予め基板上に成膜しておき、レーザ光を照射して結晶化させる方法が一般的である。この方法によれば、半導体薄膜の溶融固化過程における結晶化現象を利用するため、比較的粒径が大きく、高品質な多結晶シリコン膜を得ることができる。

また、現在最も一般的に利用されているレーザアニール法の一例として、パルスレーザ光を用いて非晶質シリコン膜を結晶化させる方法は、非晶質シリコン膜を局所的に溶融させて、その溶融させた領域を極めて短い時間だけ高温度にするものである。このため、高熱が基板に伝わらないことから、耐熱性に優れた高価な石英基板を用いるのではなく、安価なガラス基板を利用することができ、大面積エレクトロデバイスの低温プロセス化に最も適している。

一般的なレーザアニール法では、エキシマレーザに代表されるパルスレーザ光が、照射面において数ｃｍ角の四角いスポット形状や長さ１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度の長尺形状のラインビームとなるように光学系にて成形される。レーザ光の照射位置がビームの幅方向に被照射領域に対して部分的に重複するように、基板とレーザ光とを相対的に移動させて基板上にレーザ光を照射し、半導体薄膜の結晶化が行われる。以下に、このレーザアニール法を用いた従来の半導体薄膜の製造方法（結晶化方法）について、図１４の基板部の模式的な平面図を用いて説明する。

図１４に示すように、半導体薄膜が表面に形成された絶縁性基板１０のＸ軸方向と平行に長尺方向が形成されたレーザ光（ラインビーム）１１を、絶縁性基板１０のＹ軸方向に相対的に走査しながら、絶縁性基板１０の表面側にレーザ光１１を照射する。このときのレーザ光１１は、レーザ光１１の幅寸法よりも小さい移動距離で、パルス照射毎にＹ軸方向（幅方向）に移動させる。また、レーザ光１１の長尺方向の長さが照射領域よりも短い場合には、１列の結晶化処理だけでは照射領域が足りないため、レーザ光１１をＸ軸方向に相対的に移動させて２列目以降の結晶化処理を行う必要がある。未照射領域１２は、半導体薄膜においてレーザ光が照射されていない領域であり、照射領域１３はレーザ光が１回照射された領域である。なお、１４はレーザ光の端部分または隣接継ぎ部分のラインを示している。

以上のようなレーザアニール法を用いた結晶化方法では、長尺形状のレーザ光１１（ラインビーム）における長尺方向の長さは、レーザ光１１を発振させるレーザ発振機の出力や、長尺形状のレーザ光１１に形成するための光学系部材の大きさによる制限や設計上の問題などによって、現在のところ、長くても３００ｍｍ前後である。このため、一辺が６００ｍｍ〜２０００ｍｍと次第に大型化していく基板では、２列以上のレーザ光を照射することが必要になる。

したがって、長尺形状のラインビームにおいて、各列の継ぎ部分１４の位置関係としては、図１４〜図１６の模式的な平面図（１）〜（３）に示すような３通りが考えられる。

（１）図１４に示すように、列方向に隣接するラインビーム１１の端部分１４を離して配置する場合、
（２）図１５に示すように、列方向に隣接するラインビーム１１の端部１４を一部重ねて配置する場合、
（３）図１６に示すように、列方向に隣接するラインビーム１１の端部分１４を揃える場合の３通りである。

しかしながら、上記（１）〜（３）のいずれの場合を考えても、Ｘ軸方向の結晶性において、Ｙ軸方向に平行なライン状に結晶性が不均一な領域が発生する。以下に、この問題について、図１７〜図１９を用いて詳細に説明する。

図１７〜図１９は、図１４〜図１６に示すように長尺形状のラインビームの各列の継ぎ部分１４の位置をそれぞれ配置した場合において、結晶化領域と表示装置用パネル１６の配置とを示す基板部の模式的な平面図である。

例えば図１７では、図１４に示すように列方向に隣接するラインビーム１１の端部分１４が離れて配置されているため、半導体薄膜は、二つのラインビーム１１によってそれぞれ１回ずつ照射された領域１３の間に未照射領域１２が形成されている。

図１８では、図１５に示すように列方向に隣接するラインビーム１１の端部１４が一部重なって配置されているため、その重なり部分の半導体薄膜はレーザ光が２回照射された領域１５となっている。

図１９では、図１６に示すように列方向に隣接するラインビーム１１の端部分１４が揃えられているため、レーザ光の継ぎ部分１４（端部１４，１４）の両側に、二つのラインビーム１１によってそれぞれ１回ずつ照射された領域１３が形成されている。

このように、結晶性が不均一な領域を用いて薄膜トランジスタを作製した場合、薄膜トランジスタの性能を均一化することができない。液晶ディスプレイなどの表示装置では、その表示品位が薄膜トランジスタの性能の均一性に左右され易いため、表示品位を保つためには、図１７〜図１９に示すように、レーザ光の長尺方向の長さに制限された領域内に表示装置用パネル１６を配置する必要がある。このため、表示装置のサイズにも制限が設けられ、２０インチ以上などの大型表示装置を作製することができなくなる。また、限られた面積の中では、基板を有効活用してパネル配置を行うことができない。

このように結晶性が不均一な領域が生じることを防ぐため、例えば特許文献１には、レーザ光の照射領域を重ね合わせて大面積の半導体薄膜を結晶化させる際に、レーザ光の幅寸法やエネルギー密度を調整することにより、レーザ光の重ね合わせ部と非重ね合わせ部とで結晶化を均一化させることが記載されている。
特開２０００−３１５６５２号公報

上述したように、従来のレーザアニール法を用いた結晶化方法では、レーザ光１１の長尺方向の長さに制限された領域内に表示装置用パネル１６を配置する必要があり、大型表示装置を作製することができず、基板１０を有効活用して表示装置用パネル１６を配置することができなかった。

また、上記特許文献１の方法では、レーザ光の幅寸法やエネルギー密度を調整することが容易ではなく、それらの条件管理を厳しく行う必要があるため、装置の生産性や歩留まりなどが大幅に低下するという問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、レーザアニール法を用いて基板上に形成された半導体薄膜の結晶化を行う際に、レーザ光の長尺方向の継ぎ部分において結晶性の均一性を損なうことなく、良好で均一性が高い結晶性半導体薄膜をレーザ光照射領域全体に容易に形成できる半導体薄膜の製造方法、これにより得た半導体薄膜、これを製造するための半導体薄膜製造装置、この半導体薄膜を用いて電界効果移動度などの特性に優れた薄膜トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体装置およびこれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体薄膜の製造方法は、絶縁性基板上に形成された半導体薄膜をレーザアニール法により結晶化する半導体薄膜の製造方法において、所定長さの長尺形状のレーザ光を長尺方向に２列以上継ぎ足して該半導体薄膜上に照射する第１〜Ｎ（Ｎは２以上の整数）のレーザ照射工程を、
該レーザ照射工程毎の隣接レーザ光の継ぎ部分の位置が複数のレーザ照射工程で互いに重ならないようにレーザ照射位置を設定した状態で、順次または同時に行うものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体薄膜の製造方法におけるＮは２または３である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の製造方法における隣接レーザ光の継ぎ部分は、該継ぎ部分以外の部分に比べてレーザ強度が同等となるようにつながれる。

さらに、好ましくは、本発明の半導体薄膜の製造方法における隣接レーザ光の継ぎ部分は、前記長尺方向に隣合う隣接レーザ光を、該長尺方向のビームプロファイル両端部におけるスロープ部分がレーザ強度２０％以上８０％以下の領域で互いに重なるように位置設定する。

本発明の半導体薄膜製造装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法に用いられる半導体薄膜製造装置であって、レーザ光を発振する複数のレーザ発振機と、各レーザ発振機からそれぞれ出射されるレーザ光がそれぞれ入射され、所定長さの長尺形状の均一なエネルギー分布のレーザ光を形成する複数の光学系と、表面に半導体薄膜が形成された基板部とレーザ光とを相対的に移動させながら該半導体薄膜上にレーザ光を照射させるプロセスチャンバー手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の半導体薄膜製造装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法に用いられる半導体薄膜製造装置であって、レーザ光を発振するレーザ発振機と、該レーザ発振機から出射されるレーザ光が複数に分割されて入射され、所定長さの長尺形状の均一なエネルギー分布のレーザ光を形成する複数の光学系と、表面に半導体薄膜が形成された基板部とレーザ光とを相対的に移動させながら該半導体薄膜上にレーザ光を照射させるプロセスチャンバー手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体薄膜製造装置におけるレーザ発振機は、連続またはパルス発振の気体レーザ、固体レーザおよび金属レーザから選択された発振機である。

本発明の半導体薄膜は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法により結晶化されており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の半導体装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法により結晶化された半導体薄膜を用いて、絶縁性基板上に半導体素子を形成しており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の液晶表示装置は、間に液晶層を挟持した一対の基板部のうち少なくとも一方の基板部に、請求項９に記載の半導体装置を用いており、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明にあっては、レーザアニール法により、非晶質シリコン膜などの非単結晶性の半導体薄膜を長尺形状のレーザ光（ラインビーム）を長尺方向に２列以上継ぎ足して照射して多結晶質シリコン膜などの結晶性の半導体薄膜を形成する際に、複数のレーザ照射工程における隣接レーザ光（ラインビーム）の継ぎ部分の位置が長尺方向で重ならないように照射位置を設定（調整）する。また、隣接レーザ光の継ぎ部分は、この継ぎ部分以外の部分に比べてレーザ強度が同等となるようにつながれる。具体的には、隣接レーザ光の継ぎ部分は、長尺方向に隣り合う隣合レーザ光を、長尺方向のビームプロファイル両端部におけるスロープ部分がレーザ強度の２０％以上８０％以下の領域で互いに重なるように位置設定する。

これにより、特許文献１のようにレーザ光の幅寸法やエネルギー密度などの複雑な調整を行うことなく、レーザ光の継ぎ部分における結晶性の不均一性を大幅に低減することが可能となる。また、レーザ光の長尺方向の距離に依存せず、結晶性の均一性が向上した大面積の半導体薄膜を作製することが可能となる。

また、半導体薄膜の結晶性の不均一性を低減して、電界効果移動度などの特性に優れた薄膜トランジスタなどの半導体素子を形成することができるため、レーザ光の長尺方向の距離に依存せず、基板上に色々なサイズの表示装置用パネルを自由に配置することができる。

以上説明したように、本発明によれば、複数のレーザ照射工程における隣接レーザ光（ラインビーム）の継ぎ部分の位置が長尺方向で重ならないように照射位置を設定（調整）し、かつ、隣接レーザ光の継ぎ部分は、この継ぎ部分以外の部分に比べてレーザ強度が同等となるようにつながれるため、各レーザ光の長尺方向の継ぎ部分において結晶性の均一性を向上させて特性に優れた半導体素子を形成することができ、レーザ光の長尺方向の距離に依存せずに基板上に色々なサイズの半導体装置を自由に配置して、基板を有効活用することができる。

以下に、本発明の半導体薄膜の製造方法、その半導体薄膜を用いた半導体装置および液晶表示装置の実施形態１，２、および本発明の半導体薄膜製造装置の実施形態３について、図面を参照しながら詳細に順次説明する。
（実施形態１）
図１は、本実施形態１の半導体薄膜の製造方法について説明するための基板部の模式的な平面図であり、図２は、図１のＹ軸方向の要部断面図である。

図１および図２に示すように、まず、絶縁性基板１０上に非晶質シリコン膜１２を形成する。絶縁性基板１０としては、ガラス基板または石英基板などを用いることができる。また、シリコン基板、金属基板またはステンレス基板などの表面に絶縁膜を形成したものを用いてもよい。さらに、処理温度に耐えることが可能な耐熱性を有するプラスチック基板などを用いてもよい。

なお、絶縁性基板１０からの不純物拡散を防止するために、図２のように絶縁性基板１０上に下地絶縁膜１０ａを形成して、その上に非晶質シリコン膜１２（レーザ光未照射領域１２に対応）を形成してもよい。下地絶縁膜１０ａとしては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜などの絶縁膜からなる下地膜を単数層若しくは２種類以上の複数層として形成すればよい。特に、ガラス基板には多くの不純物が含まれているため、薄膜トランジスタの信頼性向上のためにも、下地絶縁膜１０ａを形成することが好ましい。

非晶質シリコン膜１２は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などによって、１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成する。ここで、非晶質シリコン膜１２に対して結晶化を助長する触媒作用を有する金属元素（例えばＮｉ）からなる極薄い膜を、非晶質シリコン膜１２の表面に塗布したり、スパッタリング、蒸着またはプラズマ処理などにより形成してもよい。

次に、加熱処理を行って、非晶質シリコン膜１２中の水素を脱水素処理する。熱処理の温度は一般的に４５０℃〜５５０℃であり、焼成炉などの中で約１時間程度、アニールすることにより、脱水素化された非晶質シリコン膜１２が形成される。

また、結晶化を助長する金属元素を添加した場合は、添加領域を起点として広がる結晶構造を有する多結晶シリコン膜を形成するために、脱水素化のための熱処理の後、結晶化のための熱処理（５５０℃〜６５０℃、４時間〜２４時間）を行う。さらに、ランプなどの強光を用いた加熱処理を行ってもよい。

このようにして得られる結晶構造を有する多結晶シリコン膜には、金属元素（ここではＮｉ）が残存しているが、この状態でも薄膜トランジスタを作製することは可能である。また、公知のゲッタリング方法によって当該元素を除去することができる。

次に、非晶質シリコン膜１２表面の加熱処理時に形成された酸化膜をフッ酸などで除去して清浄化して、レーザ光を照射する。また、プロセスを安定化させるために、非晶質シリコン膜１２の表面に再度清浄な酸化膜を１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みに形成してからレーザ光を照射する場合もある。酸化膜の形成方法としては、オゾン水によって非晶質シリコン膜１２の表面を酸化させる方法や、酸素雰囲気下で紫外線を照射してオゾンを発生させることにより非晶質シリコン膜１２の表面を酸化させる方法などを用いることができる。また、他の酸化膜の形成方法として、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法、蒸着法などによって非晶質シリコン膜１２の表面に酸化膜を堆積してもよい。このレーザアニール処理前に形成される酸化膜は膜質が悪いため、最終的にはゲート絶縁膜としては利用されず、レーザアニール処理後に除去される。

以上のような工程を経て、レーザ光が照射される非晶質シリコン膜１２などの非晶質の半導体薄膜が形成される。

この非晶質シリコン膜１２上に、図１に示すように、１行目の長尺形状のレーザ光１１Ａ（例えば３５０ｍＪ／ｃｍ^２〜４５０ｍＪ／ｃｍ^２）を長尺方向に２列以上（ここでは３列）継ぎ足して照射することにより、結晶性が良好な結晶化半導体薄膜としての多結晶シリコン膜１３Ａ（レーザ光１回照射領域）が形成される。また、２行目の長尺形状のレーザ光１１Ｂ（例えば３５０ｍＪ／ｃｍ^２〜４５０ｍＪ／ｃｍ^２）を長尺方向に２列以上継ぎ足して照射することにより、結晶性が良好な多結晶シリコン膜１３Ｂ（レーザ光２回照射領域）が形成される。レーザ光照射時の雰囲気は、真空中であっても、窒素などの不活性ガス中であってもよく、不活性ガスに酸素が混入されていてもよい。また、基板温度については、室温〜４００℃程度まで基板をステージのヒータや強光で過熱してもよい。

本発明の半導体薄膜の製造方法の特徴は、以下に説明するように、レーザ光照射条件の中でも、レーザ光１１Ａおよび１１Ｂのレイアウトを調整してレーザ光照射領域における結晶性の均一性を向上させることにある。特に、図１に示すように、半導体薄膜の非晶質シリコン膜１２が表面に形成された絶縁性基板１０の一辺の長さがレーザ光１１Ａまたは１１Ｂの長尺方向の長さよりも長い場合には、レーザ光を長尺方向に並べて継ぎ足す必要があり、レーザ光１１Ａまたは１１Ｂのレイアウトが重要である。

図１の例では、まず、１行目のレーザ照射工程（第１のレーザ光照射工程）を行う。１行目には、３列のレーザ光１１Ａが長尺方向に継ぎ足されて並べられており、各レーザ光１１Ａおよび１１Ｂはそれぞれ、最適な隣接距離間隔で長尺方向に並べられる。以下に、長尺方向に隣接するレーザ光１１Ａおよび１１Ｂの位置関係として最適な隣接距離間隔について、図３、図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明する。

図３は、図１のレーザ光１１Ａの長尺方向におけるエネルギー強度分布を示すビームプロファイルを示すグラフである。

図３に示すように、レーザ光１１Ａは、長尺方向にレーザビーム強度Ｅが均一な部分の両端部にスロープ部をそれぞれ有している。なお、レーザ光１１Ｂの場合も、レーザ光１１Ａの場合と同様である。

図４Ａ（ａ）〜図４Ａ（ｃ）および図４Ｂ（ｄ）〜図４Ｂ（ｇ）は、長尺方向に隣接する二つのレーザ光の位置関係を示すグラフであり、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部とによって両レーザ光の位置関係を示している。各図の横軸は長尺方向（Ｘ軸方向）の位置、縦軸はエネルギー強度Ｅを示している。

図４Ａ（ａ）では、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部とが完全に離れている状態を示している。

図４Ａ（ｂ）では、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部の裾（スロープ部の外端）と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部の裾とが接触し、傾斜部（スロープ部）は重なっていない状態を示している。

図４Ａ（ｃ）では、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部のスロープ部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部のスロープ部とが重なっている状態で、その重なり部１４ａの高さがビーム強度Ｅの２０％であることを示している。

図４Ｂ（ｄ）では、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部のスロープ部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部のスロープ部とが重なっている状態で、その重なり部１４ａの高さがビーム強度Ｅの５０％であることを示している。

図４Ｂ（ｅ）では、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部のスロープ部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部のスロープ部とが重なっている状態で、その重なり部１４ａの高さがビーム強度Ｅの８０％であることを示している。

図４Ｂ（ｆ）では、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部のスロープ部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部のスロープ部の全体が重なっている状態（重なり部１４ａの高さがビーム強度Ｅの１００％）であることを示している。

図４Ｂ（ｇ）では、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部とが重なっている状態であることを示している。

上記図４Ａ（ａ）〜図４Ｂ（ｇ）に示すような長尺方向に隣接するレーザ光の位置関係の中で、より適した位置関係は、図４Ａ（ｃ）〜図４Ｂ（ｅ）に示すように、第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部のスロープ部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部のスロープ部とが重なっている状態で、その重なり部１４ａの高さがビーム強度Ｅの２０％以上８０％以下の場合である。

なお、例えば図４Ａ（ａ）に示すように、隣接するレーザ光の距離が離れている場合には、図５に示すように、結晶性が不均一となるレーザ光１１Ａおよび１１Ｂの端部分１４Ａおよび１４Ｂが多数発生してしまう。また、２回（１行目と２行目）のレーザ光照射を行った場合に、レーザ光１１Ａだけで１回しか照射されていない半導体薄膜１３Ａと、レーザ光１１Ａおよび１１Ｂで２回照射された半導体薄膜１３Ｂとが基板１０上の照射領域に多数混在することになり、均一な結晶性の半導体薄膜を大面積で形成することができないことになる。

しかしながら、このように長尺方向に隣接するレーザ光の位置を最適な関係に保つだけでは、レーザ光の長尺方向における結晶性の均一性を維持することは容易ではない。結晶性の均一性をより向上させるためには、図１に示すように、２行目のレーザ光照射（第２のレーザ光照射工程）を行う必要がる。

２行目のレーザ光１１Ｂについても、１行目のレーザ光１１Ａの場合と同様に、長尺方向に最適な隣接距離間隔で長尺方向に継ぎ足されて並べられる。図１の例では、２行目のレーザ光１１Ｂが長尺方向に２列に並べられている。このとき、１行目と２行目のレーザ光１１Ａおよび１１Ｂの継ぎ部分１４Ａおよび１４Ｂが同じ位置を照射スキャンしないように、長尺方向に互いに重ならないようにレイアウトされていることが重要である。このように、２回のレーザ光１１Ａおよび１１Ｂが順次または同時に照射されることにより、結晶化半導体膜としての多結晶シリコン膜１３Ｂの結晶性の均一性がより向上する。

１行目および２行目のレーザ光１１Ａおよび１１Ｂは、図１に矢印で示すように、Ｙ軸（図では下向き）に沿って走査される。このときのＹ軸方向への走査条件は、通常のレーザアニール装置と同様であり、例えばパルスレーザ法の場合には、一般に、レーザ光１１Ａおよび１１Ｂのビーム幅の５％〜１０％ずつ位置を移動させながら、１パルスを発振してレーザ照射する。例えば、３００Ｈｚで発振するエキシマレーザ発振機を光源として、ビーム幅が１ｍｍのレーザ光を形成する光学系を用いて、５％ずつ位置を移動させる場合には、３０ｍｍ／ｓｅｃで絶縁性基板１０とレーザ光１１Ａおよび１１Ｂとを相対的にＹ軸に沿って移動させる。

このようにして作製された結晶化半導体膜としての多結晶シリコン膜１３Ｂを用いて、図６に示すような半導体装置としての薄膜トランジスタを作製する場合について詳細に説明する。

図６に示すように、薄膜トランジスタ２０Ａは、基板１０上に下地絶縁膜１０ａが形成され、その上に上記半導体薄膜１３Ｂを用いてチャネル領域１３１、ＬＤＤ領域１３２およびコンタクト領域１３３が形成されている。ＬＤＤ領域１３２はチャネル領域１３１の両外側にそれぞれ設けられ、そのＬＤＤ領域１３２の両外側に各コンタクト領域１３３がそれぞれ設けられている。チャネル領域１３１上にはゲート絶縁膜２１を間に介してゲート電極２２が重畳形成され、その上を覆うように層間絶縁膜２３が形成されている。この層間絶縁膜２３上には配線電極２４が設けられ、配線電極２４は、層間絶縁膜２３およびゲート絶縁膜２１に形成されたコンタクトホールを介して一方のコンタクト領域１３３と接続されている。さらに、その基板部上を覆うように平坦化膜２５が設けられ、その平坦化膜上２５に設けられた画素電極２６は、平坦化膜２５、層間絶縁膜２３およびゲート絶縁膜２１に形成されたコンタクトホールを介して他方のコンタクト領域１３３と接続されている。

このように、本実施形態１で作製した図１に示す結晶化半導体膜としての多結晶シリコン膜１３Ｂを用いて薄膜トランジスタ２０Ａなどの半導体素子を形成し、それらの半導体素子を用いて、図７に示すように液晶表示装置用パネル２０を作製する場合、レーザ光１１Ａおよび１１Ｂの継ぎ部分１４Ａおよび１４Ｂに制約されることなく、大型の液晶表示装置用パネル２０を配置・設計することが可能であるので、効率よくアクティブマトリクス型液晶表示装置を製造することができる。

なお、図５のように異なる結晶性を有する結晶化半導体薄膜としての多結晶シリコン膜１３Ａ（レーザ光が１回照射された領域）や結晶化半導体薄膜としての多結晶シリコン膜１３Ｂ（レーザ光が２回照射された領域）が基板１０上に混在する場合には、図８に示すように、パネル２０のサイズや配置位置に制約があり、利用効率が悪くなる。

また、図１４〜図１６に示すように、従来の半導体薄膜の製造方法によってレーザアニール処理を行った場合にもそれぞれ、図１７〜図１９に示すように、レーザ光の端部分１４やレーザ光１１の長尺方向の継ぎ部分（端部分１４，１４）で結晶性が不均一な部分が生じるため、液晶表示装置用パネル２０のサイズや配置位置に制約ができてしまう。

さらに、１行目のレーザ光照射工程と２行目のレーザ光照射工程とを行っても、図２０に示すように、１行目のレーザ照射工程と２行目のレーザ照射工程とでレーザ光１１Ａおよび１１Ｂの継ぎ部分の位置１４を長尺方向に同じ場所に重ねてしまうと、レーザ光１１Ａおよび１１Ｂの長尺方向の継ぎ部分の位置１４において結晶性の不均一性を低減することができず、図２１に示すような液晶表示装置用パネル２０の配置とせざるを得なくなるため、液晶表示装置用パネル２０のレイアウトを効率よく行うことができない。
（実施形態２）
本実施形態３では、上記実施形態１で説明したレーザ光１１Ａおよび１１Ｂのレイアウト方法に基づいて、１行目、２行目のレーザ光照射工程の後に更に３行目のレーザ光照射工程を行う場合である。

図９は、本実施形態２の半導体薄膜の製造方法を説明するための基板部の模式的な平面図である。

図９に示すように、各レーザ照射工程において、長尺方向に隣接する各レーザ光１１Ａ〜１１Ｃの継ぎ部分の位置１４Ａ〜１４Ｃは、上記実施形態１の場合と同様に、図４Ａ（ｃ）〜図４Ｂ（ｅ）のように、互いに隣接する第１のビーム光におけるビームプロファイル１１ａの端部のスロープ部と第２のビーム光におけるビームプロファイル１１ｂの端部のスロープ部とが重なっている状態で、その重なり部１４ａの高さがビーム強度Ｅの２０％〜８０％であることが好ましい。

また、３行目のレーザ光１１Ｃについても、１行目および２行目の場合と同様に、レーザ光１１Ｃの継ぎ部分１４Ｃの位置が長尺方向に継ぎ部分１４Ａおよび１４Ｂの位置と互いに重ならないようにする必要がある。このようにして、レーザ光１１Ａ〜１１Ｃで３回照射することにより、結晶化の均一性がより高い結晶化半導体薄膜としての多結晶シリコン膜１３Ｃ（レーザ光が３回照射された領域）を得ることができる。

これにより、本実施形態２でも、上記実施形態１の場合と同様に、パネル配置の自由度がより高くなり、図１０に示すような大きなサイズの液晶表示装置用パネル２０を作製することも可能である。

なお、本実施形態２では、３行のレーザ光１１Ａ〜１１Ｃを照射する方法について説明したが、これに限らず、半導体薄膜の結晶性の均一性を更に向上させるためには、Ｎ行（Ｎは４以上の整数）のレーザ光を照射する方法が考えられる。４行、５行、・・・とレーザ光の行数が増えるにつれて、その効果は薄れていき、アニール処理装置の設備や処理能力の観点から負担が大きくなるため、得られる効果と必要な負担とを勘案してレーザ光照射工程の行数を決定することが好ましい。

（実施形態３）
本実施形態３では、上記実施形態１，２の結晶化半導体薄膜としての多結晶シリコン膜１３Ｂ，１３Ｃを製造するための半導体薄膜製造装置ついて説明する。

図１１および図１２は、本実施形態３の半導体薄膜製造装置の構成例をそれぞれ示すブロック図である。

図１１および図１２に示す各半導体薄膜製造装置はそれぞれ、レーザ光３１ａを発振するためのレーザ発振機ユニット３１と、レーザ光３１ａを半導体薄膜に照射しやすいように長尺形状の均一なエネルギー分布のレーザ光３２ａに形成するための光学系ユニット３２と、レーザアニール処理を行うときに雰囲気を一定に維持しつつ、表面に半導体薄膜が形成された絶縁性基板１０とレーザ光３２ａとをレーザ光３２ａを照射しながら相対的に移動させるためのプロセスチャンバー手段としてのプロセスチャンバーユニット３３とを備えている。

光学系ユニット３２では、所定長さの長尺形状の均一な分布のレーザ光を長尺方向に２列以上継ぎ足して、各レーザ照射工程におけるレーザ光の継ぎ部分の位置が長尺方向で互いに重ならないように照射位置が配置設定される。

図１１の半導体薄膜の製造装置では、複数のレーザ発振機ユニット３１と、各レーザ発振機３１から出射されるレーザ光がそれぞれ入射される複数の光学系ユニット３２と、各光学系ユニット３２からの光が入射されるプロセスチャンバーユニット３３とを有している。

図１２の半導体薄膜の製造装置では、一つのレーザ発振機ユニット３１と、そのレーザ発振機３１から出射されるレーザ光が分割されて入射される複数の光学系ユニット３２と、各光学系ユニット３２からの光が入射されるプロセスチャンバーユニット３３とを有している。

ここで、比較のために従来の半導体薄膜製造装置の構成例について説明する。

図１３は、一般的なレーザアニール法を用いた従来の半導体薄膜製造装置の構成例を示すブロック図である。

図１３の半導体薄膜の製造装置では、一つのレーザ発振機ユニット３１と、そのレーザ発振機３１から出射されるレーザ光が入射される一つの光学系ユニット３２と、その光学系ユニット３２からの光が入射されるプロセスチャンバーユニット３３とを有している。

本発明では、上記実施形態１，２のように、複数のレーザ光３２ａ（例えば複数行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂ、１１Ｃ）を半導体薄膜上に制御性良く照射するために、図１１に示すように、複数のレーザ発振機ユニット３１と複数の光学系ユニット３２とが設置されている構成や、図１２に示すように、大出力の発振機ユニット３１に対して光学的に複数に分割されている構成などが適している。

レーザ発振器機としては、連続またはパルス発振の気体レーザ、固体レーザおよび金属レーザから選択されたものを用いることが可能である。特に、最近、レーザ出力や均一性に向上が見られる固体レーザなどの小型連続発振レーザは、大型でメンテナンス管理が容易ではないエキシマレーザなどのガスパルスレーザに比べて、複数台設置しやすいため、好ましい。

以上により、本実施形態１〜３によれば、基板１０上に形成された半導体薄膜１２の表面に長尺形状の少なくもと２行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂを各行毎に２列以上継ぎ足して照射する際に、少なくもと２行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂにおける継ぎ部分１４Ａ，１４Ｂの位置が長尺方向で重ならないように照射する。また、各行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂの継ぎ部分１４Ａ，１４Ｂにおいて、隣り合う列の長尺方向のビームプロファイル端部のスロープ部のレーザ強度Ｅが２０％以上８０％以下の領域で重なるように調整する。これによって、少なくもと２行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂの長尺方向の長さよりも大きい領域の半導体薄膜をレーザアニールにより結晶化する際に、少なくもと２行のレーザ光１１Ａ，１１Ｂの長尺方向の継ぎ部分１４Ａ，１４Ｂにおける結晶性の不均一性を大幅に低減することができる。

なお、上記実施形態１，２では、第１〜第３のレーザ光照射工程（１，２行目または１行目〜３行目）を順に行ったが、本発明の半導体薄膜の製造方法において、各行のレーザ光照射工程の時間的な関係は結晶性に影響がないため、装置の処理能力を考慮して、各行のレーザ光照射工程を同時に行うことも可能である。上記各図では、各レーザ光照射工程におけるレーザ照射開始位置を行方向毎にずらして示しているが、行方向に同じ位置から照射開始することもできる。また、各レーザ照射工程における各列のレーザ光照射についても、装置の処理能力を考慮して、順に行っても同時に行ってもよい。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、レーザアニール法を用いて結晶化した結晶性シリコン膜などの半導体薄膜、その半導体薄膜の製造方法、その半導体薄膜の製造に用いられる半導体薄膜製造装置、その半導体薄膜の製造方法で作製された半導体薄膜を用いてガラス基板などの絶縁性基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの半導体素子が形成された半導体装置、これを用いた液晶表示装置の分野において、長尺形状のレーザ光を長尺方向に２列以上継ぎ足して半導体薄膜に照射して結晶化させる際に、各レーザ光の長尺方向の継ぎ部分において結晶性の均一性を向上させて特性に優れた半導体素子を形成することができる。これによって、従来のようにレーザ光の長尺方向の距離に依存せずに基板上に色々なサイズの液晶表示装置用パネルを自由に配置して、基板を有効活用することができる。本発明は、絶縁性基板上にＴＦＴなどの半導体素子が設けられた半導体装置を有するアクティブマトリクス型液晶表示装置などに広く利用することが可能であり、装置の大型化および表示品位などの特性向上を図ることができる。

本発明の実施形態１における半導体薄膜の製造方法を説明するための基板部の模式的な平面図である。 図１の平面構成をＹ軸方向に切断した場合の要部断面図である。 図１のレーザ光の長尺方向のプロファイルを示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１のレーザ光の長尺方向の継ぎ部分におけるプロファイルの関係（その１）を示すグラフである。 （ｅ）〜（ｇ）はそれぞれ、図１のレーザ光の長尺方向の継ぎ部分におけるプロファイルの関係（その２）を示すグラフである。 図１の半導体薄膜の製造方法と比較するための比較例を説明するための基板部の模式的な平面図である。 図１の結晶化半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの構成例を示す断面図である。 図１の結晶化半導体薄膜を用いた表示装置用パネルのレイアウト例を示す模式的な平面図である。 図５の結晶化半導体薄膜を用いた表示装置用パネルのレイアウト例を示す模式的な平面図である。 本発明の実施形態２における半導体薄膜の製造方法を説明するための基板部の模式的な平面図である。 図９の結晶化半導体薄膜を用いた表示装置用パネルのレイアウト例を示す模式的な平面図である。 本発明の実施形態３における半導体薄膜製造装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態３における半導体薄膜製造装置の他の構成例を示すブロック図である。 図１１および図１２に対する比較例として、一般的なレーザアニール法を用いた従来の半導体薄膜の結晶化に用いられる製造装置の構成例を示すブロック図である。 従来の半導体薄膜の製造方法（１）を説明するための基板部の模式的な平面図である。 従来の他の半導体薄膜の製造方法（２）を説明するための基板部の模式的な平面図である。 従来の更に他の半導体薄膜の製造方法（３）を説明するための基板部の模式的な平面図である。 従来の表示装置用パネルのレイアウト（１）を示す基板部の模式的な平面図である。 従来の他の表示装置用パネルのレイアウト（２）を示す基板部の模式的な平面図である。 従来の更に他の表示装置用パネルのレイアウト（３）を示す基板部の模式的な平面図である。 従来の更に他の半導体薄膜の製造方法を説明するための基板部の模式的な平面図である。 従来の更に他の表示装置用パネルのレイアウトを示す基板部の模式的な平面図である。

符号の説明

１０ 絶縁性基板
１０ａ 下地絶縁膜
１１Ａ〜１１Ｃ，３２ａ レーザ光
１１ａ、１１ｂ 互いに隣接するレーザ光のビームプロファイル
１４ａ 互いに隣接するレーザ光の重なり部
１２ 非晶質シリコン膜（非晶質半導体薄膜；レーザ光未照射領域）
１３Ａ 多結晶シリコン膜（結晶化半導体薄膜；レーザ光１回照射領域）
１３Ｂ 多結晶シリコン膜（結晶化半導体薄膜；レーザ光２回照射領域）
１３Ｃ 多結晶シリコン膜（結晶化半導体薄膜；レーザ光３回照射領域）
１３１ チャネル領域
１３２ ＬＤＤ領域
１３３ コンタクト領域
１４Ａ〜１４Ｃ レーザ光の端部分（レーザ光の継ぎ部に対応）
２０ 液晶表示装置用パネル（表示装置）
２０Ａ 薄膜トランジスタ
２１ ゲート絶縁膜
２２ ゲート電極
２３ 層間絶縁膜
２４ 配線電極
２５ 平坦化膜
２６ 画素電極
３１ レーザ発振機ユニット
３１ａ ラインビーム成形前のレーザ光
３２ 光学系ユニット
３２ａ ラインビーム成形後のレーザ光（例えばレーザ光１１Ａ〜１１Ｃ）
３３ プロセスチャンバーユニット（プロセスチャンバー手段）

Claims (10)

1. 絶縁性基板上に形成された半導体薄膜をレーザアニール法により結晶化する半導体薄膜の製造方法において、
   所定長さの長尺形状のレーザ光を長尺方向に２列以上継ぎ足して該半導体薄膜上に照射する第１〜Ｎ（Ｎは２以上の整数）のレーザ照射工程を、
   該レーザ照射工程毎の隣接レーザ光の継ぎ部分の位置が複数のレーザ照射工程で互いに重ならないようにレーザ照射位置を設定した状態で、順次または同時に行う半導体薄膜の製造方法。
2. 前記Ｎは２または３である請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
3. 前記隣接レーザ光の継ぎ部分は、該継ぎ部分以外の部分に比べてレーザ強度が同等となるようにつながれる請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
4. 前記隣接レーザ光の継ぎ部分は、前記長尺方向に隣合う隣接レーザ光を、該長尺方向のビームプロファイル両端部におけるスロープ部分がレーザ強度２０％以上８０％以下の領域で互いに重なるように位置設定する請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法に用いられる半導体薄膜製造装置であって、
   レーザ光を発振する複数のレーザ発振機と、
   各レーザ発振機からそれぞれ出射されるレーザ光がそれぞれ入射され、所定長さの長尺形状の均一なエネルギー分布のレーザ光を形成する複数の光学系と、
   表面に半導体薄膜が形成された基板部とレーザ光とを相対的に移動させながら該半導体薄膜上にレーザ光を照射させるプロセスチャンバー手段とを備えた半導体薄膜製造装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法に用いられる半導体薄膜製造装置であって、
   レーザ光を発振するレーザ発振機と、
   該レーザ発振機から出射されるレーザ光が複数に分割されて入射され、所定長さの長尺形状の均一なエネルギー分布のレーザ光を形成する複数の光学系と、
   表面に半導体薄膜が形成された基板部とレーザ光とを相対的に移動させながら該半導体薄膜上にレーザ光を照射させるプロセスチャンバー手段とを備えた半導体薄膜製造装置。
7. 前記レーザ発振機は、連続またはパルス発振の気体レーザ、固体レーザおよび金属レーザから選択された発振機である請求項５または６に記載の半導体薄膜製造装置。
8. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法により結晶化された半導体薄膜。
9. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法により結晶化された半導体薄膜を用いて、絶縁性基板上に半導体素子を形成した半導体装置。
10. 間に液晶層を挟持した一対の基板部のうち少なくとも一方の基板部に、請求項９に記載の半導体装置を用いた液晶表示装置。