JP3252811B2 - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents
半導体薄膜の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非単結晶半導体薄
膜にパルスレーザビーム（以下、パルスレーザ光ともい
う。）を照射してアニールを行うこと工程を含む半導体
薄膜の製造方法に関し、特に液晶ディスプレイや密着型
イメージセンサ等の絶縁性基板上に形成される多結晶お
よび単結晶シリコン薄膜トランジスタの活性層を形成す
る、レーザアニール工程に関するものである。
膜にパルスレーザビーム（以下、パルスレーザ光ともい
う。）を照射してアニールを行うこと工程を含む半導体
薄膜の製造方法に関し、特に液晶ディスプレイや密着型
イメージセンサ等の絶縁性基板上に形成される多結晶お
よび単結晶シリコン薄膜トランジスタの活性層を形成す
る、レーザアニール工程に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、液晶表示装置や密着型イメージセ
ンサ等への応用を目的とした、ガラス基板上に形成され
る、多結晶シリコン薄膜を活性層とする薄膜トランジス
タ(TFT)の開発が盛んに進められている。多結晶シリコ
ン薄膜の作製方法としては、プロセス温度低温化、スル
ープット向上などの観点から、前駆体として一旦成膜し
たシリコン薄膜に、紫外パルスレーザ光を照射すること
により溶融を経た結晶化を引き起こして多結晶組織を形
成する、レーザアニール法が主流となりつつある。レー
ザ照射法としては、スループットの観点から、長尺線状
ビームに整形したパルスレーザ光を、ビーム幅方向にス
キャン（以下、走査ともいう。）しながら照射する方法
が広く用いられている。
ンサ等への応用を目的とした、ガラス基板上に形成され
る、多結晶シリコン薄膜を活性層とする薄膜トランジス
タ(TFT)の開発が盛んに進められている。多結晶シリコ
ン薄膜の作製方法としては、プロセス温度低温化、スル
ープット向上などの観点から、前駆体として一旦成膜し
たシリコン薄膜に、紫外パルスレーザ光を照射すること
により溶融を経た結晶化を引き起こして多結晶組織を形
成する、レーザアニール法が主流となりつつある。レー
ザ照射法としては、スループットの観点から、長尺線状
ビームに整形したパルスレーザ光を、ビーム幅方向にス
キャン（以下、走査ともいう。）しながら照射する方法
が広く用いられている。
【０００３】また、多結晶シリコンTFTの特性、特に電
解効果移動度を向上させるため、結晶粒界の位置を制御
した一方向成長多結晶シリコン薄膜の形成法も盛んに開
発が行われている。例えば、MRS Bulletin 21巻(1996
年)、3月号、39頁にImらにより開示されているように、
島状に形成した非晶質シリコン薄膜に、幅5μmの極めて
微細な線状ビームを照射することにより、結晶粒界がほ
ぼ平行に整列している一方向成長多結晶シリコン薄膜が
形成可能となる。微細線ビームを用いることにより、例
えば、信学技報SDM92-112巻(1992年)、53頁に納田らに
より開示されているようなパルスレーザ光スキャン照射
法における結晶組織の不均質性を、回避することが可能
となる。
解効果移動度を向上させるため、結晶粒界の位置を制御
した一方向成長多結晶シリコン薄膜の形成法も盛んに開
発が行われている。例えば、MRS Bulletin 21巻(1996
年)、3月号、39頁にImらにより開示されているように、
島状に形成した非晶質シリコン薄膜に、幅5μmの極めて
微細な線状ビームを照射することにより、結晶粒界がほ
ぼ平行に整列している一方向成長多結晶シリコン薄膜が
形成可能となる。微細線ビームを用いることにより、例
えば、信学技報SDM92-112巻(1992年)、53頁に納田らに
より開示されているようなパルスレーザ光スキャン照射
法における結晶組織の不均質性を、回避することが可能
となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一方向
成長多結晶シリコン薄膜であってもやはり粒界が存在す
るために、電界効果移動度は単結晶より劣るものであ
る。また、微細線ビームを用いる場合、光学系の分解能
を向上させる必要があるが、このとき光学系のコストが
増大するという問題、光学系の焦点深度が狭くなるとい
う問題、およびレーザ光の利用効率が低下するという問
題が生じる。
成長多結晶シリコン薄膜であってもやはり粒界が存在す
るために、電界効果移動度は単結晶より劣るものであ
る。また、微細線ビームを用いる場合、光学系の分解能
を向上させる必要があるが、このとき光学系のコストが
増大するという問題、光学系の焦点深度が狭くなるとい
う問題、およびレーザ光の利用効率が低下するという問
題が生じる。
【０００５】また、単結晶半導体薄膜を得るための技術
として他には、例えば、特開昭57-113267および特公平4
-66840など、くびれた形状を有する島状化した半導体薄
膜を加熱する技術が開示されている。しかしながら、こ
れらはヒータあるいはCWレーザを用いた熱処理を行って
いるため、基板温度が上昇してしまい安価なガラス基板
を用いることができないという問題がある。さらに、熱
源の移動速度とくびれ部の尖端角によっては粒界が発生
するという問題が生じる。
として他には、例えば、特開昭57-113267および特公平4
-66840など、くびれた形状を有する島状化した半導体薄
膜を加熱する技術が開示されている。しかしながら、こ
れらはヒータあるいはCWレーザを用いた熱処理を行って
いるため、基板温度が上昇してしまい安価なガラス基板
を用いることができないという問題がある。さらに、熱
源の移動速度とくびれ部の尖端角によっては粒界が発生
するという問題が生じる。
【０００６】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
もので、低コストで一方向成長多結晶半導体薄膜あるい
は単結晶半導体薄膜などの高品質の半導体薄膜を得るこ
とが可能な半導体薄膜の製造方法を提供する事を目的と
する。
もので、低コストで一方向成長多結晶半導体薄膜あるい
は単結晶半導体薄膜などの高品質の半導体薄膜を得るこ
とが可能な半導体薄膜の製造方法を提供する事を目的と
する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、以下の構成を採用した。請求項１に記載の
半導体薄膜の製造方法は、少なくとも一部にくびれ部を
有する島状に形成された非単結晶半導体薄膜に、パルス
レーザビームを走査して前記非単結晶半導体薄膜上に照
射する半導体薄膜の製造方法であって、前記くびれ部の
尖端角が40〜80度であり、前記ビームの走査方向のビー
ムプロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい
値以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対してビー
ム後半部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の
絶対値が20〜2000J/cm3であることを特徴とする。
の本発明は、以下の構成を採用した。請求項１に記載の
半導体薄膜の製造方法は、少なくとも一部にくびれ部を
有する島状に形成された非単結晶半導体薄膜に、パルス
レーザビームを走査して前記非単結晶半導体薄膜上に照
射する半導体薄膜の製造方法であって、前記くびれ部の
尖端角が40〜80度であり、前記ビームの走査方向のビー
ムプロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい
値以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対してビー
ム後半部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の
絶対値が20〜2000J/cm3であることを特徴とする。
【０００８】請求項２に記載の半導体薄膜の製造方法
は、非単結晶半導体薄膜上に少なくとも一部にくびれ部
を有する島状に形成された透光性絶縁薄膜を介して、パ
ルスレーザビームを走査して前記非単結晶半導体薄膜上
に照射する半導体薄膜の製造方法であって、前記くびれ
部の尖端角が40〜80度であり、前記ビームの走査方向の
ビームプロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化し
きい値以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対して
ビーム後半部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾
配の絶対値が20〜2000J/cm3であることを特徴とする。
は、非単結晶半導体薄膜上に少なくとも一部にくびれ部
を有する島状に形成された透光性絶縁薄膜を介して、パ
ルスレーザビームを走査して前記非単結晶半導体薄膜上
に照射する半導体薄膜の製造方法であって、前記くびれ
部の尖端角が40〜80度であり、前記ビームの走査方向の
ビームプロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化し
きい値以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対して
ビーム後半部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾
配の絶対値が20〜2000J/cm3であることを特徴とする。
【０００９】請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法
は、少なくとも一部にくびれ部を有する島状に形成され
た非単結晶半導体薄膜に、異なる光源から発振された２
種類の第１のパルスレーザビームおよび第２のパルスレ
ーザビームを同一地点に順次照射するダブルパルス法を
用いて、前記第１および第２パルスレーザビームを該ビ
ームの幅方向に走査して照射する半導体薄膜の製造方法
であって、前記くびれ部の尖端角が40〜80度であり、前
記第１のパルスレーザビームの走査方向のビームプロフ
ァイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい値以上の
領域を有し、前記走査の進行方向に対してビーム後半部
の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶対値が
20〜2000J/cm3であり、前記第２のパルスレーザビーム
の最大エネルギー密度が、前記第１のパルスレーザビー
ムの最大エネルギー密度以下であることを特徴とする。
は、少なくとも一部にくびれ部を有する島状に形成され
た非単結晶半導体薄膜に、異なる光源から発振された２
種類の第１のパルスレーザビームおよび第２のパルスレ
ーザビームを同一地点に順次照射するダブルパルス法を
用いて、前記第１および第２パルスレーザビームを該ビ
ームの幅方向に走査して照射する半導体薄膜の製造方法
であって、前記くびれ部の尖端角が40〜80度であり、前
記第１のパルスレーザビームの走査方向のビームプロフ
ァイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい値以上の
領域を有し、前記走査の進行方向に対してビーム後半部
の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶対値が
20〜2000J/cm3であり、前記第２のパルスレーザビーム
の最大エネルギー密度が、前記第１のパルスレーザビー
ムの最大エネルギー密度以下であることを特徴とする。
【００１０】請求項４に記載の半導体薄膜の製造方法
は、非単結晶半導体薄膜上に、少なくとも一部にくびれ
部を有する島状に形成された透光性絶縁薄膜に、異なる
光源から発振された２種類の第１のパルスレーザビーム
および第２のパルスレーザビームを同一地点に順次照射
するダブルパルス法を用いて、前記パルスレーザビーム
を該ビームの幅方向に走査して照射する半導体薄膜の製
造方法であって、前記くびれ部の尖端角が40〜80度であ
り、前記第１のパルスレーザビームの走査方向のビーム
プロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい値
以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対してビーム
後半部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶
対値が20〜2000J/cm3であり、前記第２のパルスレーザ
ビームの最大エネルギー密度が、前記第１のパルスレー
ザビームの最大エネルギー密度以下であることを特徴と
する。
は、非単結晶半導体薄膜上に、少なくとも一部にくびれ
部を有する島状に形成された透光性絶縁薄膜に、異なる
光源から発振された２種類の第１のパルスレーザビーム
および第２のパルスレーザビームを同一地点に順次照射
するダブルパルス法を用いて、前記パルスレーザビーム
を該ビームの幅方向に走査して照射する半導体薄膜の製
造方法であって、前記くびれ部の尖端角が40〜80度であ
り、前記第１のパルスレーザビームの走査方向のビーム
プロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい値
以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対してビーム
後半部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶
対値が20〜2000J/cm3であり、前記第２のパルスレーザ
ビームの最大エネルギー密度が、前記第１のパルスレー
ザビームの最大エネルギー密度以下であることを特徴と
する。
【００１１】請求項５に記載の半導体薄膜の製造方法
は、請求項３または請求項４に記載の半導体薄膜の製造
方法において、前記第２のパルスレーザビームの走査方
向のビームプロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶
化しきい値以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対
してビーム後半部の微結晶化しきい値となる位置が、前
記第１のパルスレーザビームのビームプロファイルにお
けるビーム後半部の微結晶化しきい値となる位置より
も、前記走査の進行方向の前方に位置していることを特
徴とする。
は、請求項３または請求項４に記載の半導体薄膜の製造
方法において、前記第２のパルスレーザビームの走査方
向のビームプロファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶
化しきい値以上の領域を有し、前記走査の進行方向に対
してビーム後半部の微結晶化しきい値となる位置が、前
記第１のパルスレーザビームのビームプロファイルにお
けるビーム後半部の微結晶化しきい値となる位置より
も、前記走査の進行方向の前方に位置していることを特
徴とする。
【００１２】請求項６に記載の半導体薄膜の製造方法
は、請求項５に記載の半導体薄膜の製造方法において、
前記第２のパルスレーザビームの幅方向のビームプロフ
ァイルが、前記走査の進行方向に対してビーム後半部の
微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶対値が20
〜2000J/cm3であることを特徴とする。
は、請求項５に記載の半導体薄膜の製造方法において、
前記第２のパルスレーザビームの幅方向のビームプロフ
ァイルが、前記走査の進行方向に対してビーム後半部の
微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶対値が20
〜2000J/cm3であることを特徴とする。
【００１３】請求項７に記載の半導体薄膜の製造方法
は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体薄
膜の製造方法において、前記ビーム後半部に照射される
ことにより形成される粗大結晶粒の粒径より、前記くび
れ部における最小幅が小さいことを特徴とする。
は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体薄
膜の製造方法において、前記ビーム後半部に照射される
ことにより形成される粗大結晶粒の粒径より、前記くび
れ部における最小幅が小さいことを特徴とする。
【００１４】請求項８に記載の半導体薄膜の製造方法
は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体薄
膜の製造方法において、前記エネルギー密度勾配の絶対
値が100〜1000J/cm3であることを特徴とする。
は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体薄
膜の製造方法において、前記エネルギー密度勾配の絶対
値が100〜1000J/cm3であることを特徴とする。
【００１５】非晶質シリコン薄膜に照射するパルスレー
ザ光が、ある特定のエネルギー密度を越えると、形成さ
れる多結晶シリコン薄膜の粒径が20nm以下と極めて微細
になることが知られている。膜厚によっては、レーザ照
射による溶融後に結晶化することなく非晶質化すること
も知られている。このときのエネルギー密度を微結晶化
しきい値と呼ぶ。また、非晶質シリコン薄膜の微結晶化
しきい値より、エネルギー密度で約14%大きい値に、多
結晶シリコン薄膜の微結晶化しきい値も存在する。な
お、非晶質薄膜および多結晶薄膜などの単結晶構造でな
い薄膜を非単結晶薄膜という。
ザ光が、ある特定のエネルギー密度を越えると、形成さ
れる多結晶シリコン薄膜の粒径が20nm以下と極めて微細
になることが知られている。膜厚によっては、レーザ照
射による溶融後に結晶化することなく非晶質化すること
も知られている。このときのエネルギー密度を微結晶化
しきい値と呼ぶ。また、非晶質シリコン薄膜の微結晶化
しきい値より、エネルギー密度で約14%大きい値に、多
結晶シリコン薄膜の微結晶化しきい値も存在する。な
お、非晶質薄膜および多結晶薄膜などの単結晶構造でな
い薄膜を非単結晶薄膜という。
【００１６】これらの微結晶化は、薄膜の溶融状態の変
化により、再結晶化時の核発生機構が、基板薄膜界面を
核発生サイトとした不均一核発生から、均一核発生へと
変化することにより発生すると考えられている。この核
発生機構の変化は、薄膜の到達温度と冷却速度に依存す
る。従って、微結晶化しきい値は、薄膜の膜厚、薄膜の
構造、パルスレーザ光の波長、パルス幅、基板温度など
に依存して変化する。
化により、再結晶化時の核発生機構が、基板薄膜界面を
核発生サイトとした不均一核発生から、均一核発生へと
変化することにより発生すると考えられている。この核
発生機構の変化は、薄膜の到達温度と冷却速度に依存す
る。従って、微結晶化しきい値は、薄膜の膜厚、薄膜の
構造、パルスレーザ光の波長、パルス幅、基板温度など
に依存して変化する。
【００１７】非単結晶シリコン薄膜に、微結晶化しきい
値を越えるエネルギー密度を有するレーザ光を照射した
とき、ビームプロファイル上で微結晶化しきい値直下の
エネルギー密度である部分が照射されている地点に粗大
な結晶粒が形成される。即ち、微結晶領域の隣接地点に
粗大結晶が形成される。この粗大結晶粒の配列様式がビ
ームプロファイルにおけるエネルギー密度勾配に依存す
ることが、本発明者の検討により明らかになった。な
お、本発明における「エネルギー密度勾配」とは、横軸
をレーザ光照射領域中の位置、縦軸をエネルギー密度と
して描いたビームプロファイルにおける傾斜部の勾配を
言う。エネルギー密度勾配は位置を表す変数でエネルギ
ー密度を微分したものであるので、単位は(J/cm2)/cm、
即ちJ/cm3で表すことができる。
値を越えるエネルギー密度を有するレーザ光を照射した
とき、ビームプロファイル上で微結晶化しきい値直下の
エネルギー密度である部分が照射されている地点に粗大
な結晶粒が形成される。即ち、微結晶領域の隣接地点に
粗大結晶が形成される。この粗大結晶粒の配列様式がビ
ームプロファイルにおけるエネルギー密度勾配に依存す
ることが、本発明者の検討により明らかになった。な
お、本発明における「エネルギー密度勾配」とは、横軸
をレーザ光照射領域中の位置、縦軸をエネルギー密度と
して描いたビームプロファイルにおける傾斜部の勾配を
言う。エネルギー密度勾配は位置を表す変数でエネルギ
ー密度を微分したものであるので、単位は(J/cm2)/cm、
即ちJ/cm3で表すことができる。
【００１８】エネルギー密度勾配が20J/cm3以上に大き
くなるとき、粗大結晶粒の配列は無秩序な状態から、一
列に整然と連なった状態へと変化する。従って、ビーム
プロファイルが非単結晶シリコン薄膜の微結晶化しきい
値以上の部分を有し、かつ進行方向に対してビーム後半
部における微結晶化しきい値近傍でのエネルギー密度勾
配が20J/cm3以上であるレーザ光を非単結晶シリコン薄
膜に照射するとき、形成される結晶粒の粒径および発生
位置を一次元に制御することが可能となる。
くなるとき、粗大結晶粒の配列は無秩序な状態から、一
列に整然と連なった状態へと変化する。従って、ビーム
プロファイルが非単結晶シリコン薄膜の微結晶化しきい
値以上の部分を有し、かつ進行方向に対してビーム後半
部における微結晶化しきい値近傍でのエネルギー密度勾
配が20J/cm3以上であるレーザ光を非単結晶シリコン薄
膜に照射するとき、形成される結晶粒の粒径および発生
位置を一次元に制御することが可能となる。
【００１９】結晶粒発生位置を二次元に制御するには、
非単結晶シリコン薄膜をくびれ部を有する島状に加工す
るのが有効である。くびれ部の最尖端を粗大結晶粒の粒
径以下にし、その場所に上記ビームプロファイルを有す
るパルスレーザ光を照射するとき、ビーム後半部におけ
る微結晶化しきい値直下のエネルギー密度である部分が
照射した位置で形成される粗大結晶粒は一個のみとな
る。この粗大結晶粒を種結晶とし、その粒径以下でレー
ザ光をスキャンするとき、種結晶は途切れることなく成
長を続ける。
非単結晶シリコン薄膜をくびれ部を有する島状に加工す
るのが有効である。くびれ部の最尖端を粗大結晶粒の粒
径以下にし、その場所に上記ビームプロファイルを有す
るパルスレーザ光を照射するとき、ビーム後半部におけ
る微結晶化しきい値直下のエネルギー密度である部分が
照射した位置で形成される粗大結晶粒は一個のみとな
る。この粗大結晶粒を種結晶とし、その粒径以下でレー
ザ光をスキャンするとき、種結晶は途切れることなく成
長を続ける。
【００２０】ここでビーム前半部で形成された粗大結晶
粒をも含む多結晶組織は、その後のスキャン照射により
微結晶化されるため、種結晶の粒成長を妨げることがな
い。即ち、微結晶化現象を利用することにより、パルス
レーザ光スキャン照射法における結晶組織の不均質性を
回避することが可能となる。従って、多結晶シリコン薄
膜の微結晶化しきい値以上のエネルギー密度を利用すれ
ば、微細線ビームを形成するための複雑な光学系が不用
となる。
粒をも含む多結晶組織は、その後のスキャン照射により
微結晶化されるため、種結晶の粒成長を妨げることがな
い。即ち、微結晶化現象を利用することにより、パルス
レーザ光スキャン照射法における結晶組織の不均質性を
回避することが可能となる。従って、多結晶シリコン薄
膜の微結晶化しきい値以上のエネルギー密度を利用すれ
ば、微細線ビームを形成するための複雑な光学系が不用
となる。
【００２１】島状化シリコン薄膜のくびれ部を利用して
単結晶化幅を増大させるためには、そのくびれ角を適切
に制御する必要がある。本発明者の検討により、くびれ
角は60度を中心とした40度から80度の範囲とするのが良
いことが明らかになった。この角度範囲は結晶粒成長時
の結晶成長方向に起因していると考えられる。レーザア
ニール法により形成されたシリコン結晶粒では、ミラー
指数で示される{111}あるいは{110}が主な優先配向面と
して出現する。表１に{111}および{110}における、結晶
粒成長方位となりうる比較的低次な結晶方位を列挙する
と、各方位群の取りなす角度は約40から80度の範囲にあ
る。
単結晶化幅を増大させるためには、そのくびれ角を適切
に制御する必要がある。本発明者の検討により、くびれ
角は60度を中心とした40度から80度の範囲とするのが良
いことが明らかになった。この角度範囲は結晶粒成長時
の結晶成長方向に起因していると考えられる。レーザア
ニール法により形成されたシリコン結晶粒では、ミラー
指数で示される{111}あるいは{110}が主な優先配向面と
して出現する。表１に{111}および{110}における、結晶
粒成長方位となりうる比較的低次な結晶方位を列挙する
と、各方位群の取りなす角度は約40から80度の範囲にあ
る。
【表１】
【００２２】以上のように本発明によれば、新規なビー
ムプロファイルと新規な薄膜形状を有するレーザアニー
ル法により、低コストで単結晶薄膜を得ることが可能と
なる。
ムプロファイルと新規な薄膜形状を有するレーザアニー
ル法により、低コストで単結晶薄膜を得ることが可能と
なる。
【００２３】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について図
面を参照して説明する。
面を参照して説明する。
【００２４】本発明の第１の実施形態を図を用いて説明
する。図１の模式的平面図に示すように、絶縁基板上に
尖端角Pが40〜80度のくびれ部101aを有する島状化され
た非単結晶半導体薄膜101のくびれ部よりパルスレーザ
光102をスキャン照射する。
する。図１の模式的平面図に示すように、絶縁基板上に
尖端角Pが40〜80度のくびれ部101aを有する島状化され
た非単結晶半導体薄膜101のくびれ部よりパルスレーザ
光102をスキャン照射する。
【００２５】図２（ａ）は、線状パルスレーザ光の幅方
向のビームプロファイルを示す。レーザ進行方向は図中
左から右へとする。プロファイルでの最大エネルギー密
度は、多結晶シリコン薄膜の微結晶化しきい値(E)を越
え、Eにおけるエネルギー密度勾配は20〜2000J/cm3であ
る。図２（ａ）ではトップフラット型のプロファイルを
図示しているが、E以上となる領域でのプロファイル形
状は特に問わない。
向のビームプロファイルを示す。レーザ進行方向は図中
左から右へとする。プロファイルでの最大エネルギー密
度は、多結晶シリコン薄膜の微結晶化しきい値(E)を越
え、Eにおけるエネルギー密度勾配は20〜2000J/cm3であ
る。図２（ａ）ではトップフラット型のプロファイルを
図示しているが、E以上となる領域でのプロファイル形
状は特に問わない。
【００２６】このようなビームプロファイルは、通常の
シリンドリカルレンズやフライアイレンズからなる光学
系を用いることにより容易に得られる。また、マスクイ
メージング法を用いる場合、より急峻なエネルギー密度
勾配が得られる。マスクとしては例えば、クロム、アル
ミニウム、ステンレス合金などの、金属マスクや誘電体
マスクを用いることができる。
シリンドリカルレンズやフライアイレンズからなる光学
系を用いることにより容易に得られる。また、マスクイ
メージング法を用いる場合、より急峻なエネルギー密度
勾配が得られる。マスクとしては例えば、クロム、アル
ミニウム、ステンレス合金などの、金属マスクや誘電体
マスクを用いることができる。
【００２７】図２（ａ）に示したプロファイルを有する
パルスレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射するときの
組織変化を図２（ｂ）から図２（ｃ）を用いて説明す
る。レーザ光のビームプロファイル後半部におけるE直
下の部分が、くびれ部の先端を照射するとき、単結晶粒
201が形成される。ビームプロファイルに伴い単結晶粒2
01に隣接して微結晶領域202が形成され、さらにビーム
プロファイル前半部におけるE直下の部分により形成さ
れた粗大結晶粒203が連なって形成される。ここで、粗
大結晶粒203の結晶粒径をdとするとき、単結晶粒201の
面積がπd2/4以下となるように、レーザ光照射位置を制
御する必要がある。
パルスレーザ光を非単結晶半導体薄膜に照射するときの
組織変化を図２（ｂ）から図２（ｃ）を用いて説明す
る。レーザ光のビームプロファイル後半部におけるE直
下の部分が、くびれ部の先端を照射するとき、単結晶粒
201が形成される。ビームプロファイルに伴い単結晶粒2
01に隣接して微結晶領域202が形成され、さらにビーム
プロファイル前半部におけるE直下の部分により形成さ
れた粗大結晶粒203が連なって形成される。ここで、粗
大結晶粒203の結晶粒径をdとするとき、単結晶粒201の
面積がπd2/4以下となるように、レーザ光照射位置を制
御する必要がある。
【００２８】次にレーザ光をd以下である距離Xだけ移動
して照射すると、単結晶粒201はX分の成長を示す。微結
晶化領域202の領域幅は、ビームプロファイルによって
規定されているために変化なく、ビームプロファイル前
半部で形成された粗大結晶粒203は、Xだけ前進した地点
で再構成される。このスキャン照射を繰り返すことによ
り、過去に照射されたレーザ光による熱履歴に依存する
ことなしに、島状化した非単結晶半導体薄膜は単結晶薄
膜へと変化することができる。
して照射すると、単結晶粒201はX分の成長を示す。微結
晶化領域202の領域幅は、ビームプロファイルによって
規定されているために変化なく、ビームプロファイル前
半部で形成された粗大結晶粒203は、Xだけ前進した地点
で再構成される。このスキャン照射を繰り返すことによ
り、過去に照射されたレーザ光による熱履歴に依存する
ことなしに、島状化した非単結晶半導体薄膜は単結晶薄
膜へと変化することができる。
【００２９】また、同一地点に複数回照射するスキャン
照射を行うとき、より粒内欠陥の少ない単結晶膜が得ら
れる。但し、過度の照射回数はレーザアニールプロセス
のスループットを低下させ、薄膜のアブレーションを促
進する。
照射を行うとき、より粒内欠陥の少ない単結晶膜が得ら
れる。但し、過度の照射回数はレーザアニールプロセス
のスループットを低下させ、薄膜のアブレーションを促
進する。
【００３０】次に、本発明の第２の実施形態について、
図３の模式的平面図を用いて説明する。絶縁基板上に成
膜された非単結晶半導体薄膜上に、尖端角Pが40〜80度
のくびれ部301aを有する島状化された透光性絶縁薄膜30
1を形成し、そのくびれ部よりパルスレーザ光102を、第
１の実施形態と同様にスキャンしながら照射する。透光
性絶縁薄膜301によりパルスレーザ光102の反射率が変化
するため、Eの値は変化するが、ビームプロファイルの
規定は第１の実施形態と同様である。このとき非単結晶
薄膜の透光性絶縁薄膜301が堆積された領域は単結晶化
する。
図３の模式的平面図を用いて説明する。絶縁基板上に成
膜された非単結晶半導体薄膜上に、尖端角Pが40〜80度
のくびれ部301aを有する島状化された透光性絶縁薄膜30
1を形成し、そのくびれ部よりパルスレーザ光102を、第
１の実施形態と同様にスキャンしながら照射する。透光
性絶縁薄膜301によりパルスレーザ光102の反射率が変化
するため、Eの値は変化するが、ビームプロファイルの
規定は第１の実施形態と同様である。このとき非単結晶
薄膜の透光性絶縁薄膜301が堆積された領域は単結晶化
する。
【００３１】次に、本発明の第３の実施形態について、
図４の模式的平面図を用いて説明する。絶縁基板上にく
びれ部を有する島状化された非単結晶半導体薄膜401を
形成する。非単結晶薄膜401は前頭部402と本体403を有
し、前頭部402と本体403との間に形成されたくびれ部40
1aの尖端角Pは何れも40〜80度である。また、前頭部402
と本体との接続部における薄膜幅はd以下とする。
図４の模式的平面図を用いて説明する。絶縁基板上にく
びれ部を有する島状化された非単結晶半導体薄膜401を
形成する。非単結晶薄膜401は前頭部402と本体403を有
し、前頭部402と本体403との間に形成されたくびれ部40
1aの尖端角Pは何れも40〜80度である。また、前頭部402
と本体との接続部における薄膜幅はd以下とする。
【００３２】ビーム後半部のEにおけるエネルギー密度
勾配が20〜2000J/cm3となるパルスレーザ光102を前頭部
402から、第１の実施形態と同様にスキャンしながら照
射する。前頭部402では複数の結晶粒が発生するが、く
びれ部の効果により結晶粒数は照射の進行とともに減少
し、前頭部402と本体403との接続部では１個の結晶粒の
みが存在する。その後のスキャン照射により、本体403
は単結晶化する。
勾配が20〜2000J/cm3となるパルスレーザ光102を前頭部
402から、第１の実施形態と同様にスキャンしながら照
射する。前頭部402では複数の結晶粒が発生するが、く
びれ部の効果により結晶粒数は照射の進行とともに減少
し、前頭部402と本体403との接続部では１個の結晶粒の
みが存在する。その後のスキャン照射により、本体403
は単結晶化する。
【００３３】次に、本発明の第４の実施形態を図５およ
び図６を用いて説明する。絶縁基板上に尖端角が40〜80
度のくびれ部を有する島状化された非単結晶半導体薄膜
の、くびれ部よりパルスレーザ光をダブルパルス法によ
りスキャン照射する。ダブルパルス法とは、異なる光源
から発振された２種類のパルスレーザ光を同一地点に順
次照射するパルスレーザ照射方法である。
び図６を用いて説明する。絶縁基板上に尖端角が40〜80
度のくびれ部を有する島状化された非単結晶半導体薄膜
の、くびれ部よりパルスレーザ光をダブルパルス法によ
りスキャン照射する。ダブルパルス法とは、異なる光源
から発振された２種類のパルスレーザ光を同一地点に順
次照射するパルスレーザ照射方法である。
【００３４】図５はダブルパルス法を用いるときの、第
１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光の幅方向のプロ
ファイルを示す。レーザ進行方向は図中左から右へとす
る。図５（ａ）に示したプロファイルを有する第１パル
スレーザ光はE以上となる領域を有し、ビーム後半部のE
におけるエネルギー密度勾配は20〜2000J/cm3とする。
図５（ｂ）に示した第２パルスレーザ光の最大エネル
ギー密度E2は、第１パルスレーザ光の最大エネルギー密
度E1以下である。また、第２パルスレーザ光の後半部に
おけるEとなる位置は、第１パルスレーザ光の後半部に
おけるEとなる位置よりも前方にある。
１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光の幅方向のプロ
ファイルを示す。レーザ進行方向は図中左から右へとす
る。図５（ａ）に示したプロファイルを有する第１パル
スレーザ光はE以上となる領域を有し、ビーム後半部のE
におけるエネルギー密度勾配は20〜2000J/cm3とする。
図５（ｂ）に示した第２パルスレーザ光の最大エネル
ギー密度E2は、第１パルスレーザ光の最大エネルギー密
度E1以下である。また、第２パルスレーザ光の後半部に
おけるEとなる位置は、第１パルスレーザ光の後半部に
おけるEとなる位置よりも前方にある。
【００３５】最適な第２パルスレーザ光の後半部におけ
るEとなる位置と、第１パルスレーザ光の後半部におけ
るEとなる位置との距離yはダブルパルス照射間隔に依存
する。例えば、照射間隔が第１パルスレーザ光のパルス
幅よりも十分に大きく、第１パルスレーザ光による薄膜
の溶融・凝固過程が終了した後に第２パルスレーザ光が
照射される場合、yはd以下とする。このとき形成される
粗大結晶粒の粒径はd+yとなり、第１の実施形態におけ
るdよりも増大する。従って、スキャン距離をXより大き
くすることが可能となり、レーザアニールプロセスにお
けるスループットは向上する。第１パルスレーザ光によ
る薄膜の溶融・凝固過程が終了しないうちに第２パルス
レーザ光を照射するとき、yをd以下に制御しなくともd
以上の結晶粒が形成可能となる。さらに、E2＜Eであっ
てもかまわない。
るEとなる位置と、第１パルスレーザ光の後半部におけ
るEとなる位置との距離yはダブルパルス照射間隔に依存
する。例えば、照射間隔が第１パルスレーザ光のパルス
幅よりも十分に大きく、第１パルスレーザ光による薄膜
の溶融・凝固過程が終了した後に第２パルスレーザ光が
照射される場合、yはd以下とする。このとき形成される
粗大結晶粒の粒径はd+yとなり、第１の実施形態におけ
るdよりも増大する。従って、スキャン距離をXより大き
くすることが可能となり、レーザアニールプロセスにお
けるスループットは向上する。第１パルスレーザ光によ
る薄膜の溶融・凝固過程が終了しないうちに第２パルス
レーザ光を照射するとき、yをd以下に制御しなくともd
以上の結晶粒が形成可能となる。さらに、E2＜Eであっ
てもかまわない。
【００３６】図６にダブルパルス法を実現するレーザ照
射装置を示す。第１パルスレーザ光源601と第２パルス
レーザ光源602は同期制御部603により、制御されて発振
する。各パルスレーザ光は光学系604を通り照射される
が、ここで同一の光路を通過しても良い。
射装置を示す。第１パルスレーザ光源601と第２パルス
レーザ光源602は同期制御部603により、制御されて発振
する。各パルスレーザ光は光学系604を通り照射される
が、ここで同一の光路を通過しても良い。
【００３７】
【実施例】次に、本発明の第１の実施形態に基づく第１
の実施例について説明する。ガラス基板としては日本電
気硝子社製OA-2基板を用いた。次に、プラズマCVD法でS
iH4とN2Oにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄
膜を100nm堆積した。次に、減圧CVD法でSi2H6より、非
晶質シリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件としては、
Si2H6流速150sccm、圧力8Pa、基板温度450℃の条件で70
分間堆積を行った。
の実施例について説明する。ガラス基板としては日本電
気硝子社製OA-2基板を用いた。次に、プラズマCVD法でS
iH4とN2Oにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄
膜を100nm堆積した。次に、減圧CVD法でSi2H6より、非
晶質シリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件としては、
Si2H6流速150sccm、圧力8Pa、基板温度450℃の条件で70
分間堆積を行った。
【００３８】プロファイル決定の予備実験として、非晶
質シリコン薄膜に波長308nm、パルス幅50nmのパルスレ
ーザ光を照射するときのEを調べた。図７は、ともに膜
厚が75nmのときの、非晶質シリコン膜と平均粒径18nmの
多結晶シリコン薄膜にパルスレーザ光を１パルス照射し
たときに得られる、多結晶組織の平均粒径のエネルギー
密度依存性を示す。非晶質シリコン薄膜の場合、平均粒
径は図中黒丸で示された変化を示し、460mJ/cm2で微結
晶化を示した。次に非晶質シリコン薄膜を340mJ/cm2で
照射して得られた、平均粒径18nmの多結晶シリコン薄膜
の場合、平均粒径は図中白四角で示された変化を示し、
520mJ/cm2で微結晶化を示した。即ちEは520mJ/cm2で有
ることが明らかとなった。パルスレーザ光の最大エネル
ギー密度がEを越えるとき、粒径が1μmを越える粗大結
晶粒は微結晶領域に隣接して形成されるが、粗大結晶粒
の形成位置はプロファイル上E近傍におけるエネルギー
密度勾配に依存した。
質シリコン薄膜に波長308nm、パルス幅50nmのパルスレ
ーザ光を照射するときのEを調べた。図７は、ともに膜
厚が75nmのときの、非晶質シリコン膜と平均粒径18nmの
多結晶シリコン薄膜にパルスレーザ光を１パルス照射し
たときに得られる、多結晶組織の平均粒径のエネルギー
密度依存性を示す。非晶質シリコン薄膜の場合、平均粒
径は図中黒丸で示された変化を示し、460mJ/cm2で微結
晶化を示した。次に非晶質シリコン薄膜を340mJ/cm2で
照射して得られた、平均粒径18nmの多結晶シリコン薄膜
の場合、平均粒径は図中白四角で示された変化を示し、
520mJ/cm2で微結晶化を示した。即ちEは520mJ/cm2で有
ることが明らかとなった。パルスレーザ光の最大エネル
ギー密度がEを越えるとき、粒径が1μmを越える粗大結
晶粒は微結晶領域に隣接して形成されるが、粗大結晶粒
の形成位置はプロファイル上E近傍におけるエネルギー
密度勾配に依存した。
【００３９】図８に、エネルギー密度勾配が10J/cm3の
ときに形成された粗大結晶粒と微結晶粒との界面を示
す。構造揺らぎに伴う核発生頻度の分布確率により、粗
大結晶粒/微結晶粒界面は幅約15μmに渡って無秩序に配
列していた。一方、図９に示したエネルギー密度勾配が
20J/cm3のときでは粗大結晶粒/微結晶粒界面は幅0.5μm
以内に制御された。従って、粒径以下のピッチでスキャ
ン照射することにより、種結晶を連続成長させるには、
界面幅が粒径の1/2以下となる20J/cm3のエネルギー密度
勾配が最低限必要である。また、エネルギー密度勾配が
100J/cm3では、粗大結晶粒/微結晶粒界面は幅0.1μm以
内に制御されるので、より好ましい条件である。
ときに形成された粗大結晶粒と微結晶粒との界面を示
す。構造揺らぎに伴う核発生頻度の分布確率により、粗
大結晶粒/微結晶粒界面は幅約15μmに渡って無秩序に配
列していた。一方、図９に示したエネルギー密度勾配が
20J/cm3のときでは粗大結晶粒/微結晶粒界面は幅0.5μm
以内に制御された。従って、粒径以下のピッチでスキャ
ン照射することにより、種結晶を連続成長させるには、
界面幅が粒径の1/2以下となる20J/cm3のエネルギー密度
勾配が最低限必要である。また、エネルギー密度勾配が
100J/cm3では、粗大結晶粒/微結晶粒界面は幅0.1μm以
内に制御されるので、より好ましい条件である。
【００４０】過度のエネルギー密度ではアブレーション
により膜剥がれが発生する。本実施例では約720mJ/cm2
がアブレーション強度であった。従ってエネルギー密度
勾配の上限は、プロファイルの制御性、分解能等を考慮
すると2000J/cm3程度となる。一般のマスクイメージン
グ法を用いた光学系では約1000J/cm3が限度であるた
め、コストの観点からは1000J/cm3以下のエネルギー密
度勾配が望ましい。
により膜剥がれが発生する。本実施例では約720mJ/cm2
がアブレーション強度であった。従ってエネルギー密度
勾配の上限は、プロファイルの制御性、分解能等を考慮
すると2000J/cm3程度となる。一般のマスクイメージン
グ法を用いた光学系では約1000J/cm3が限度であるた
め、コストの観点からは1000J/cm3以下のエネルギー密
度勾配が望ましい。
【００４１】以上の結果から、ビームプロファイルとし
ては、最大エネルギー密度600mJ/cm 2、ビーム後半部のE
地点でのエネルギー密度勾配100J/cm3とした。ビーム幅
は約50μmであった。以上のプロファイルを有するパル
スレーザ光をピッチ0.5μmでスキャン照射したとき、一
方向成長組織が得られることが確認された。
ては、最大エネルギー密度600mJ/cm 2、ビーム後半部のE
地点でのエネルギー密度勾配100J/cm3とした。ビーム幅
は約50μmであった。以上のプロファイルを有するパル
スレーザ光をピッチ0.5μmでスキャン照射したとき、一
方向成長組織が得られることが確認された。
【００４２】次に、前述のビームプロファイルを用いて
島状化した非晶質シリコン薄膜のレーザアニールを行
い、島状化形状の最適化を検討した。図１０に示す、従
来例の矩形状に島状化した場合、薄膜幅を2μm以上とし
たときに粒界が発生した。平均的な粒界間隔は1.3μmで
あり、これは図７に示した最大結晶粒径と良い一致を示
した。
島状化した非晶質シリコン薄膜のレーザアニールを行
い、島状化形状の最適化を検討した。図１０に示す、従
来例の矩形状に島状化した場合、薄膜幅を2μm以上とし
たときに粒界が発生した。平均的な粒界間隔は1.3μmで
あり、これは図７に示した最大結晶粒径と良い一致を示
した。
【００４３】図１に示した如く、島状化形状にビーム進
行方向に対してくびれ部を設けた場合、薄膜幅を10μm
としたときの、くびれ部の尖端角と試料10個による平均
粒界本数の関係を図１１に示す。尖端角80度以下で無粒
界の試料が形成され、平均粒界本数は1以下となった。7
0から50度の範囲では全ての試料が無粒界であった。40
度以下では再び粒径を有する試料が観察され、角度の低
下とともに粒径本数は増加する傾向にあった。基板を30
0度に加熱してレーザアニールを行った場合、尖端角40
および80度でも、全ての試料が無粒界となった。
行方向に対してくびれ部を設けた場合、薄膜幅を10μm
としたときの、くびれ部の尖端角と試料10個による平均
粒界本数の関係を図１１に示す。尖端角80度以下で無粒
界の試料が形成され、平均粒界本数は1以下となった。7
0から50度の範囲では全ての試料が無粒界であった。40
度以下では再び粒径を有する試料が観察され、角度の低
下とともに粒径本数は増加する傾向にあった。基板を30
0度に加熱してレーザアニールを行った場合、尖端角40
および80度でも、全ての試料が無粒界となった。
【００４４】なお、くびれ部は必ずしもビームに対して
対称に形成する必要はなく、図１２に示すように非対称
な場合も同様な効果を得た。また、図１３に示すよう
に、くびれ部の先端に種結晶粒の粒径以下の幅を有する
平行な領域が備えられていても良い。
対称に形成する必要はなく、図１２に示すように非対称
な場合も同様な効果を得た。また、図１３に示すよう
に、くびれ部の先端に種結晶粒の粒径以下の幅を有する
平行な領域が備えられていても良い。
【００４５】次に、本発明の第２の実施形態に基づく第
２の実施例について説明する。第１の実施例と同様にOA
-2基板上に二酸化シリコン薄膜と非晶質シリコン薄膜を
堆積した。次に減圧CVD法で反射防止膜となる二酸化シ
リコン薄膜を50nm堆積した。反射防止膜をPR法を用いて
60度の尖端角を有する形状に島状化した。幅および長さ
はそれぞれ、10および30μmであった。
２の実施例について説明する。第１の実施例と同様にOA
-2基板上に二酸化シリコン薄膜と非晶質シリコン薄膜を
堆積した。次に減圧CVD法で反射防止膜となる二酸化シ
リコン薄膜を50nm堆積した。反射防止膜をPR法を用いて
60度の尖端角を有する形状に島状化した。幅および長さ
はそれぞれ、10および30μmであった。
【００４６】反射防止膜越しに、波長308nm、パルス幅5
0nmのパルスレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射する
ときのEは350mJ/cm2であった。最大エネルギー密度370m
J/cm 2、ビーム後半部のE地点でのエネルギー密度勾配80
J/cm3、ビーム幅60μmのレーザ光を0.8μmピッチでスキ
ャン照射することにより、反射防止膜下の領域で単結晶
化したシリコン薄膜が得られた。
0nmのパルスレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射する
ときのEは350mJ/cm2であった。最大エネルギー密度370m
J/cm 2、ビーム後半部のE地点でのエネルギー密度勾配80
J/cm3、ビーム幅60μmのレーザ光を0.8μmピッチでスキ
ャン照射することにより、反射防止膜下の領域で単結晶
化したシリコン薄膜が得られた。
【００４７】次に、本発明の第３の実施形態に基づく第
３の実施例について説明する。ガラス基板としては日本
電気硝子社製OA-2基板を用いた。次に、プラズマCVD法
でSiH4とN2Oにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコ
ン薄膜を100nm堆積した。次に、減圧CVD法でSi2H6よ
り、非晶質シリコン薄膜を50nm堆積した。堆積条件とし
ては、Si2H6流速150sccm、圧力8Pa、基板温度450℃の条
件で46分間堆積を行った。
３の実施例について説明する。ガラス基板としては日本
電気硝子社製OA-2基板を用いた。次に、プラズマCVD法
でSiH4とN2Oにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコ
ン薄膜を100nm堆積した。次に、減圧CVD法でSi2H6よ
り、非晶質シリコン薄膜を50nm堆積した。堆積条件とし
ては、Si2H6流速150sccm、圧力8Pa、基板温度450℃の条
件で46分間堆積を行った。
【００４８】次に、通常のPR法により、非晶質シリコン
薄膜を図４の如く島状化した。薄膜幅は5μmとし、本体
の長さは20μmとした。前頭部および本体の尖端角はど
ちらも70とし、両所の接続部の幅は1μmとした。膜厚が
50nmの場合、波長308nm、パルス幅50nmのパルスレーザ
光ではEは470mJ/cm2であった。最大エネルギー密度500m
J/cm2、ビーム後半部のE地点でのエネルギー密度勾配60
0J/cm3、ビーム幅30μmのレーザ光を0.7ミクロンピッチ
でスキャン照射することにより単結晶薄膜が得られた。
島状化形状としては他に、図１４に示すように、本体が
複数個連結していても良い。
薄膜を図４の如く島状化した。薄膜幅は5μmとし、本体
の長さは20μmとした。前頭部および本体の尖端角はど
ちらも70とし、両所の接続部の幅は1μmとした。膜厚が
50nmの場合、波長308nm、パルス幅50nmのパルスレーザ
光ではEは470mJ/cm2であった。最大エネルギー密度500m
J/cm2、ビーム後半部のE地点でのエネルギー密度勾配60
0J/cm3、ビーム幅30μmのレーザ光を0.7ミクロンピッチ
でスキャン照射することにより単結晶薄膜が得られた。
島状化形状としては他に、図１４に示すように、本体が
複数個連結していても良い。
【００４９】次に、本発明の第４の実施形態に基づく第
４の実施例について説明する。ガラス基板としてはコー
ニング社製1737基板を用いた。次に、プラズマCVD法でS
iH4とN2Oにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄
膜を100nm堆積した。次に、プラズマCVD法でSiH4とH2に
より、非晶質シリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件と
しては、SiH4流速150sccm、H2流速400sccm、圧力100P
a、放電電力0.1W/cm2、基板温度320℃の条件で8分間堆
積を行った。堆積後、熱処理温度400℃で熱処理時間2時
間の脱水素アニールを施した。次に非晶質シリコン薄膜
を尖端角50度、幅20μm、長さ100μmに島状化した。こ
の非晶質シリコン薄膜の、波長248nm、パルス幅35nmの
パルスレーザ光を用いたときのEは550mJ/cm2であった。
４の実施例について説明する。ガラス基板としてはコー
ニング社製1737基板を用いた。次に、プラズマCVD法でS
iH4とN2Oにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄
膜を100nm堆積した。次に、プラズマCVD法でSiH4とH2に
より、非晶質シリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件と
しては、SiH4流速150sccm、H2流速400sccm、圧力100P
a、放電電力0.1W/cm2、基板温度320℃の条件で8分間堆
積を行った。堆積後、熱処理温度400℃で熱処理時間2時
間の脱水素アニールを施した。次に非晶質シリコン薄膜
を尖端角50度、幅20μm、長さ100μmに島状化した。こ
の非晶質シリコン薄膜の、波長248nm、パルス幅35nmの
パルスレーザ光を用いたときのEは550mJ/cm2であった。
【００５０】第１パルスレーザ光として、最大エネルギ
ー密度580mJ/cm2、ビーム後半部のE地点でのエネルギー
密度勾配390J/cm3、ビーム幅40μmのプロファイルを有
するパルスレーザ光を照射する。第２パルスレーザ光と
して、トップフラット型のプロファイルを有し、最大エ
ネルギー密度400mJ/cm2、ビーム後半部のE地点でのエネ
ルギー密度勾配220J/cm3、ビーム幅35μmのプロファイ
ルを有するパルスレーザ光を照射する。第１パルスレー
ザ光と第2パルスレーザ光の発振間隔は50nsecとした。
このとき種結晶の粒径は3μmが得られ、第１パルスレー
ザ光のみで照射した場合の1.3μmの倍以上となった。
ー密度580mJ/cm2、ビーム後半部のE地点でのエネルギー
密度勾配390J/cm3、ビーム幅40μmのプロファイルを有
するパルスレーザ光を照射する。第２パルスレーザ光と
して、トップフラット型のプロファイルを有し、最大エ
ネルギー密度400mJ/cm2、ビーム後半部のE地点でのエネ
ルギー密度勾配220J/cm3、ビーム幅35μmのプロファイ
ルを有するパルスレーザ光を照射する。第１パルスレー
ザ光と第2パルスレーザ光の発振間隔は50nsecとした。
このとき種結晶の粒径は3μmが得られ、第１パルスレー
ザ光のみで照射した場合の1.3μmの倍以上となった。
【００５１】以上のダブルパルスレーザ光を2.5μmピッ
チでスキャン照射することにより、島状化した単結晶薄
膜が高スループットで得られた。
チでスキャン照射することにより、島状化した単結晶薄
膜が高スループットで得られた。
【００５２】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る半導体薄膜の製造方法によれば、低コストで一方向成
長多結晶半導体薄膜あるいは単結晶半導体薄膜などの高
品質の半導体薄膜を得られるという効果が得られる。
る半導体薄膜の製造方法によれば、低コストで一方向成
長多結晶半導体薄膜あるいは単結晶半導体薄膜などの高
品質の半導体薄膜を得られるという効果が得られる。
【図１】 本発明に係る半導体装置の製造方法の第１の
実施形態を説明する図である。
実施形態を説明する図である。
【図２】 （ａ）パルスレーザービームの幅方向のビー
ムプロファイルを示す図である。（ｂ）（ａ）のパルス
レーザービームを照射された非単結晶半導体薄膜の組織
変化を示す図である。（ｃ）（ｂ）のパルスレーザービ
ームがｘ進んだときの非単結晶半導体薄膜の組織変化を
示す図である。
ムプロファイルを示す図である。（ｂ）（ａ）のパルス
レーザービームを照射された非単結晶半導体薄膜の組織
変化を示す図である。（ｃ）（ｂ）のパルスレーザービ
ームがｘ進んだときの非単結晶半導体薄膜の組織変化を
示す図である。
【図３】 本発明に係る半導体装置の製造方法の第２の
実施形態を説明する図である。
実施形態を説明する図である。
【図４】 本発明に係る半導体装置の製造方法の第３の
実施形態を説明する図である。
実施形態を説明する図である。
【図５】 本発明に係る半導体装置の製造方法の第３の
実施形態において、パルスレーザービームの幅方向のビ
ームプロファイルを示す図である。（ａ）第１のパルス
レーザービームの場合である。（ｂ）第２のパルスレー
ザービームの場合である。
実施形態において、パルスレーザービームの幅方向のビ
ームプロファイルを示す図である。（ａ）第１のパルス
レーザービームの場合である。（ｂ）第２のパルスレー
ザービームの場合である。
【図６】 図５におけるレーザー照射装置の構成の概略
図である。
図である。
【図７】 第１の実施例において、非晶質シリコン膜と
平均粒径18nmの多結晶シリコン薄膜にパルスレーザビー
ムを１パルス照射したときに得られる、多結晶組織の平
均粒径のエネルギー密度依存性を示す。
平均粒径18nmの多結晶シリコン薄膜にパルスレーザビー
ムを１パルス照射したときに得られる、多結晶組織の平
均粒径のエネルギー密度依存性を示す。
【図８】 （ａ）第１の実施例において、エネルギー密
度勾配が10J/cm3のときのの幅方向のビームプロファイ
ルを示す図である。（ｂ）（ａ）のパルスレーザビーム
が照射されたときに形成された粗大結晶粒と微結晶粒と
の界面を模式的に示す図である。
度勾配が10J/cm3のときのの幅方向のビームプロファイ
ルを示す図である。（ｂ）（ａ）のパルスレーザビーム
が照射されたときに形成された粗大結晶粒と微結晶粒と
の界面を模式的に示す図である。
【図９】 （ａ）第１の実施例において、エネルギー密
度勾配が20J/cm3のときのの幅方向のビームプロファイ
ルを示す図である。（ｂ）（ａ）のパルスレーザビーム
が照射されたときに形成された粗大結晶粒と微結晶粒と
の界面を模式的に示す図である。
度勾配が20J/cm3のときのの幅方向のビームプロファイ
ルを示す図である。（ｂ）（ａ）のパルスレーザビーム
が照射されたときに形成された粗大結晶粒と微結晶粒と
の界面を模式的に示す図である。
【図１０】 従来の矩形状に島状化した薄膜に、パルス
レーザビームを照射している図である。
レーザビームを照射している図である。
【図１１】 第１の実施例において、くびれ部の尖端角
と試料10個による平均粒界本数の関係を示す図である。
と試料10個による平均粒界本数の関係を示す図である。
【図１２】 本発明の他の形状のくびれ部の場合で、非
対称の形状の場合を示す図である。
対称の形状の場合を示す図である。
【図１３】 本発明の他の形状のくびれ部の場合で、く
びれ部の先端に種結晶粒の粒径以下の幅を有する平行な
領域が備えられている場合を示す図である。
びれ部の先端に種結晶粒の粒径以下の幅を有する平行な
領域が備えられている場合を示す図である。
【図１４】 本発明の他の形状のくびれ部の場合で、本
体が複数個連結している場合を示す図である。
体が複数個連結している場合を示す図である。
１０１ 非単結晶半導体薄膜 １０１ａ くびれ部 １０２ パルスレーザビーム ２０１ 単結晶粒 ２０２ 微結晶領域 ２０３ 粗大結晶粒 ３０１ 透光性絶縁膜 ３０１ａ くびれ部 ４０１ 非単結晶半導体薄膜 ４０１ａ くびれ部 ６０１ 第１パルスレーザ光源 ６０２ 第２パルスレーザ光源 Ｐ 尖端角
Claims (8)
- 【請求項１】 少なくとも一部にくびれ部を有する島状
に形成された非単結晶半導体薄膜に、パルスレーザビー
ムを走査して前記非単結晶半導体薄膜上に照射する半導
体薄膜の製造方法であって、 前記くびれ部の尖端角が40〜80度であり、 前記ビームの走査方向のビームプロファイルが、多結晶
半導体薄膜の微結晶化しきい値以上の領域を有し、前記
走査の進行方向に対してビーム後半部の微結晶化しきい
値でのエネルギー密度勾配の絶対値が20〜2000J/cm3で
あることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項２】 非単結晶半導体薄膜上に少なくとも一部
にくびれ部を有する島状に形成された透光性絶縁薄膜を
介して、パルスレーザビームを走査して前記非単結晶半
導体薄膜上に照射する半導体薄膜の製造方法であって、 前記くびれ部の尖端角が40〜80度であり、 前記ビームの走査方向のビームプロファイルが、多結晶
半導体薄膜の微結晶化しきい値以上の領域を有し、前記
走査の進行方向に対してビーム後半部の微結晶化しきい
値でのエネルギー密度勾配の絶対値が20〜2000J/cm3で
あることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項３】 少なくとも一部にくびれ部を有する島状
に形成された非単結晶半導体薄膜に、異なる光源から発
振された２種類の第１のパルスレーザビームおよび第２
のパルスレーザビームを同一地点に順次照射するダブル
パルス法を用いて、前記第１および第２パルスレーザビ
ームを該ビームの幅方向に走査して照射する半導体薄膜
の製造方法であって、 前記くびれ部の尖端角が40〜80度であり、 前記第１のパルスレーザビームの走査方向のビームプロ
ファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい値以上
の領域を有し、前記走査の進行方向に対してビーム後半
部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶対値
が20〜2000J/cm 3であり、 前記第２のパルスレーザビームの最大エネルギー密度
が、前記第１のパルスレーザビームの最大エネルギー密
度以下であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項４】 非単結晶半導体薄膜上に、少なくとも一
部にくびれ部を有する島状に形成された透光性絶縁薄膜
に、異なる光源から発振された２種類の第１のパルスレ
ーザビームおよび第２のパルスレーザビームを同一地点
に順次照射するダブルパルス法を用いて、前記パルスレ
ーザビームを該ビームの幅方向に走査して照射する半導
体薄膜の製造方法であって、 前記くびれ部の尖端角が40〜80度であり、 前記第１のパルスレーザビームの走査方向のビームプロ
ファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい値以上
の領域を有し、前記走査の進行方向に対してビーム後半
部の微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶対値
が20〜2000J/cm 3であり、 前記第２のパルスレーザビームの最大エネルギー密度
が、前記第１のパルスレーザビームの最大エネルギー密
度以下であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項５】 請求項３または請求項４に記載の半導体
薄膜の製造方法において、 前記第２のパルスレーザビームの走査方向のビームプロ
ファイルが、多結晶半導体薄膜の微結晶化しきい値以上
の領域を有し、前記走査の進行方向に対してビーム後半
部の微結晶化しきい値となる位置が、前記第１のパルス
レーザビームのビームプロファイルにおけるビーム後半
部の微結晶化しきい値となる位置よりも、前記走査の進
行方向の前方に位置していることを特徴とする半導体薄
膜の製造方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載の半導体薄膜の製造方法
において、 前記第２のパルスレーザビームの幅方向のビームプロフ
ァイルが、前記走査の進行方向に対してビーム後半部の
微結晶化しきい値でのエネルギー密度勾配の絶対値が20
〜2000J/cm3であることを特徴とする半導体薄膜の製造
方法。 - 【請求項７】 請求項１から請求項６のいずれかに記載
の半導体薄膜の製造方法において、 前記ビーム後半部に照射されることにより形成される粗
大結晶粒の粒径より、前記くびれ部における最小幅が小
さいことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項８】 請求項１から請求項７のいずれかに記載
の半導体薄膜の製造方法において、 前記エネルギー密度勾配の絶対値が100〜1000J/cm3であ
ることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31519298A JP3252811B2 (ja) | 1998-11-05 | 1998-11-05 | 半導体薄膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31519298A JP3252811B2 (ja) | 1998-11-05 | 1998-11-05 | 半導体薄膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000150377A JP2000150377A (ja) | 2000-05-30 |
| JP3252811B2 true JP3252811B2 (ja) | 2002-02-04 |
Family
ID=18062530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31519298A Expired - Fee Related JP3252811B2 (ja) | 1998-11-05 | 1998-11-05 | 半導体薄膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP3252811B2 (ja) |
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| JP4974425B2 (ja) * | 2001-09-10 | 2012-07-11 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置の作製方法 |
| JP3992976B2 (ja) * | 2001-12-21 | 2007-10-17 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置の作製方法 |
| JP4519400B2 (ja) * | 2001-12-27 | 2010-08-04 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置の作製方法 |
| JP4570028B2 (ja) * | 2004-06-03 | 2010-10-27 | 株式会社アルバック | ポリシリコンパターンの形成方法、薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタ |
| TWI456663B (zh) * | 2007-07-20 | 2014-10-11 | Semiconductor Energy Lab | 顯示裝置之製造方法 |
| JP5307994B2 (ja) * | 2007-08-17 | 2013-10-02 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置の作製方法 |
-
1998
- 1998-11-05 JP JP31519298A patent/JP3252811B2/ja not_active Expired - Fee Related
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