JP4279498B2 - 半導体薄膜の形成方法、半導体薄膜の形成装置および結晶化方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁材からなる基層上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜の形成方法、半導体薄膜の形成装置および結晶化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
絶縁材からなる基層として、例えば、非晶質基板、特に安価なガラス基板を用い、該基板上に高性能な半導体薄膜、例えばシリコン(Si)薄膜を形成するには、UV(紫外線)パルスレーザによる結晶化法が優れていることが示され、実用化に至っている。
しかし現在、実用化されている技術によって得られるシリコン薄膜は、平均結晶粒径が数百nmの多結晶薄膜であり、移動度も結晶粒界に律速されて、せいぜい200cm2/V・secである。
これらの薄膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)では、性能バラツキなどを考慮すると、トランジスタのチャネル長Lは、平均結晶粒径の10倍以上の数μm程度にする必要を生じ、結果として、遮断周波数はせいぜい5MHz程度の駆動回路が設計できる程度である。
より高性能な駆動回路、例えば、100MHz程度で駆動できるものを設計しようとする場合には、おおざっぱな計算では、チャネル長Lを1μm、移動度300cm2/V・sec程度の薄膜トランジスタが必要で、かつ性能バラツキがあってはならない。すなわち、非晶質基板上に形成する半導体薄膜(Si薄膜)は、結晶粒径が1μm以上で、かつ、チャネル内には結晶粒界がないものが要求される。
以上の要求を満足させる方法として、SLS(Sequential Lateral Solidification)法や位相シフトマスク結晶化法などが提案されている。
前者の方法は、SLG(Super Lateral Growth)現象と、ステージによるステップ アンド リピートとを組合わせたものである。
【0003】
《第1の従来技術》
図7は、この第1の従来技術を説明する図である。
71はエキシマレーザ、72は出射ビーム、73はホモジナイザ、74はラインビーム(均一化レーザ光)、75は非晶質基板、76は非単結晶半導体層、77は多結晶化半導体層である。
従来、液晶などのディスプレイに用いられる薄膜トランジスタ用の半導体薄膜は、アモルファスシリコン薄膜であった。通常、アモルファスシリコンの移動度は、約1cm2/V・secであるが、アクティブマトリックス用液晶パネルのスイッチングトランジスタに用いるには十分な性能である。しかしながら、近年、ガラス基板上の薄膜トランジスタの高性能化が研究開発されて、ガラス基板上でも100cm2/V・secのものが実用になってきた。その技術が、図7に示したエキシマレーザによるアモルファスシリコンの結晶化技術である。この技術によって得られる薄膜は、約300〜500nm程度の結晶粒径を持つ多結晶薄膜である。エキシマレーザによる結晶化は、20nsec程度の短時間に紫外線をシリコン薄膜に照射して、シリコン薄膜のみ溶融−凝固過程を経て結晶化させる技術であり、基板に熱的ダメージのない低温プロセスである。
図7に示す装置において、光源としては、XeCl(波長:308nm)などの高出力パルスレーザを用いる。量産に用いるレーザの出射形状は、例えば2cm×1cmの矩形の形状である。通常は、その形状のビームをホモジナイザ73を用いて、20cm×300〜500μmのラインビームに成形するとともに、光強度の均一化を図ったものを用いる。液晶ディスプレイ用母材ガラスは、10〜20μmのピッチで搬送して、母材ガラス板上に形成されたアモルファスシリコン膜全面を結晶化する。
図8は、図7の第1の従来技術における光学系を示す図である。
72はエキシマレーザの出射ビーム、81はホモジナイザ(図7の73)のフライアイレンズ、74はラインビーム、82はビームの投射光学系(図7では、図示省略)である。
エキシマレーザの出射ビーム72は、上述のように例えば2cm×1cmであり、通常の固体レーザに比べ、かなり均一な光源ではあるが、エッジ近傍では図8中に示すように緩やかな光強度の低下がある。この第1の従来技術において用いられているホモジナイザ73(図7)は、例えば図8に示すように、フライアイレンズ81を用いて分割し、ビーム形状を変化させるとともに、ビーム強度の均一性を改善することができる。図8のようにして得られたラインビーム74を上述のように10〜20μmのピッチで走査して大面積基板の結晶化に対応している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図7、図8に示した第1の従来技術、あるいは従来技術をもとにして高性能なSi結晶化膜を得るためにSLG領域を利用する技術では、
1)原理的にSLGの長さ(せいぜい1μm)以上の送りピッチでは、ステップ アンド リピートできないので、生産性が悪い。
2)この方法で得られる多結晶薄膜では、移動度に限界があり、このまま結晶粒界位置を制御することなく、結晶粒径を大きくしても、面内バラツキが増大して実用にならない。
3)走査方向に残留結晶粒界がほぼ数百nm毎に存在し、走査方向に垂直方向には送りピッチ毎に結晶欠陥が存在するため、チャネル長1μmの薄膜トランジスタへの応用を考えたときには現状では適さない。
【0005】
《第2の従来技術》
上記位相シフトマスク結晶化法は、人為的に位相シフトマスクを用いて、基板面上に照射強度の傾きを設けることで、結晶のラテラル(横方向)成長を制御し、大結晶粒の結晶を得ようとする方法である。特に、この方法については、松村らによって基本コンセプトが公開され、原理検証が行われている。
例えば、「エキシマレーザを用いた巨大結晶粒Si薄膜の形成」(表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000)
図9(a)は、この第2の従来技術を説明する図、図9(b)は、図9(a)の一部拡大詳細図である。
図9(a)において、91はエキシマレーザ、92は出射ビーム、93はビーム強度(寸法)変換光学系、94、95は位相シフトマスク、96は非晶質基板、97は非単結晶半導体層、図9(b)において、98は結晶成長の起点、99は単結晶粒である。
近年、上記第1の従来技術で述べたように、ガラス基板上の薄膜トランジスタの高性能化によって、ガラス基板上でも移動度100cm2/V・secのものが実用となり、駆動回路などが画素薄膜トランジスタと同一基板上に集積できるようになった。しかし、さらに液晶パネルなどのシステム化を図るためには、さらに高性能で特性バラツキのない薄膜トランジスタの材料が求められる。図9に示す第2の従来技術は、その目的のために結晶粒径(5μm程度)の制御と、結晶粒界の位置制御を行うための技術である。光源としては、基本的には、エキシマレーザ91からの出射ビーム92をそのまま用いるが、光強度が充分得られないときは、ビーム強度変換光学系93(後で図10を用いて詳述)を用いてビーム形状を変換して用いる。また、光強度を2次元的に変調することが、この技術の重要な点であるが、直交する位相シフトマスク94、95を用いて、位相シフトマスク94による図中の矢印A方向(基板走査方向)での比較的緩やかな変調(10μmピッチ)と、位相シフトマスク95による矢印B方向(基板走査方向に垂直な方向)での変調(現状で実証されているのは20μmピッチ)とを組み合わせて、図9(b)に示す結晶成長の起点98を生じさせて、矢印A方向に結晶のラテラル成長を誘起する(後で図11を用いて詳述)。
図10は、図9の第2の従来技術におけるレーザ照射光学系を示す図である。
92はエキシマレーザの出射ビーム、93はビーム強度変換光学系、100はマスク(絞り)である。
既に述べたが、エキシマレーザの出射ビーム92は、例えば2cm×1cmであり、通常の固体レーザに比べ、かなり均一な光源ではあるが、エッジ近傍では図10中に示すように緩やかな光強度の低下がある。この第2の従来技術では、位相シフトマスク94、95を用いるので、ビームの空間的コヒーレンスが求められるために、図9に示したような単レンズあるいは単レンズの組み合わせの光学系を用いる必要がある。照射強度を変換するためには、図10に示すようにビーム強度変換光学系93を用いてビーム径を変換する。これにより、ビームの空間コヒーレンスは保たれるが、ビームの均一性が改善されることがない。これが、この技術での問題点である。したがって、図10に示したようなマスク100(絞り)を設け、光の利用効率は低下させるが、均一性を向上させる手段を用いている。
図11(a)は、図9の第2の従来技術における光変調光学系を示す図、図11(b)は、図11(a)の一部拡大詳細図である。
図11(a)において、94、95は位相シフトマスク、96は非晶質基板、97は非単結晶半導体層、90はエキシマレーザ光、図11(b)において、98は結晶成長の起点、99は単結晶粒である。
この第2の従来技術では、光強度を2次元的に変調することが技術の重要な点であることを述べた。図11(a)に示すように、エキシマレーザ光90に位相シフトマスク94(Yシフタ)によって、図11(b)の(2)(図では丸付き数字)に示すような光強度変調を生じさせ、位相シフトマスク95(Xシフタ)によって、図11(b)の(3)(図では丸付き数字)に示すような光強度変調を生じさせることができる。これらの分離され、直交する位相シフトマスク94、95の両者の重ね合わせによって、図11(b)に示すような位置制御型の単結晶粒99を成長させることができる。
しかしながら、図9〜図11に示した第2の従来技術では、
1)人為的に位相シフトマスク94、95で照射強度に傾きを設けるので、約5〜10μm程度のラテラル成長を実現できるが、単結晶化できない領域が必ず存在するため、高密度に形成できない。
2)位相シフトマスク94、95を用いるので、照射光に可干渉性が要求されるため、レーザの平行ビームが必要となる。現状の高出力が得られるエキシマレーザでは、発散角を有しており、位置精度とラテラル成長の長さとの関係においてトレードオフ関係がある。加えて、平行ビーム系を扱うために、ビームの振幅の均一性は、レーザ発振器を出射した直後のビームの振幅強度分布に依存している。
このため、結晶化領域の位置精度面や高密度化に課題があり、レーザ照射領域内での均一性と照射面積との間でトレードオフ関係となり、実用上その生産性が問題となる。
本発明の目的は、絶縁材からなる基層上に、結晶性の優れた半導体薄膜を形成する半導体薄膜の形成方法、半導体薄膜の形成装置および結晶化方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、前記振幅変調された光の照射面内に温度の低い点を設け、前記温度の低い点が設けられた光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射し、前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域を形成することを特徴とする。
また、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光に、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、前記光の照射面内に温度の低い点を設けることとを同時に行い、前記光強度変調と前記温度の低い点を設けることとが同時に行われた光を、前記非単結晶半導体層上に照射し、前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域を形成することを特徴とする。
また、前記成長の距離程度のピッチで、前記光と前記基層とを相対的に動かし、先行する第1のショットに、前記第1のショットに引き続く第2のショットを一部重ね合わせ、帯状の単結晶領域を形成することを特徴とする。
また、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を発する光源と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザの出射光路に設けられた前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段と、この振幅変調手段の出射光路に設けられた前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系と、前記投射する光の照射面内に、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設ける手段と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有することを特徴とする。
また、前記振幅変調手段が、光吸収マスクであることを特徴とする。
また、前記温度の低い点を設ける手段が、位相シフトマスクであることを特徴とする。
また、前記温度の低い点を設ける手段が、光吸収ドットを有するマスクであることを特徴とする。
また、前記振幅変調手段と前記温度の低い点を設ける手段との位置合わせを行う位置合わせ手段を有することを特徴とする。
また、前記位置合わせ手段が、アライメント用レーザビームとアライメントマークを用いた位置合わせ手段であることを特徴とする。
また、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を発する光源と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光に、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、前記光の照射面内に前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けることとを同時に行う手段と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有することを特徴とする。
また、前記光強度変調と、前記温度の低い点を設けることとを同時に行う手段が、光吸収ドットを有する位相シフトマスクであることを特徴とする。
また、本発明の結晶化方法は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して溶融結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、前記光は、エキシマレーザ光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化されたエキシマレーザ光の振幅が、前記エキシマレーザ光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、前記振幅変調されたエキシマレーザ光を、照射面内で、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けるように変調して、第1のショット光を前記非単結晶半導体層上に投射し、前記第1のショット光に引き続き、第2のショットを一部重ね合わせて照射することを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
実施の形態1
図1(a)は、本発明の実施の形態1の半導体薄膜の形成方法、半導体薄膜の形成装置および結晶化方法を説明する図、図1(b)は、図1(a)の一部拡大詳細図である。
図1(a)において、1は光源である例えばエキシマレーザ、2は出射ビーム、3はホモジナイザ、4はラインビーム(均一化レーザ光)、5は例えば光吸収マスクからなる振幅変調マスク、6は例えば円筒(シリンドリカル)レンズ等からなり、所定の照射エネルギーが得られるように投射する投射光学系、7は均一化され、振幅変調され、投射されたラインビーム、8は光の照射面内で温度の低い点を設ける手段である例えば位相シフトマスク、9は例えばガラス基板等の非晶質基板、10は例えばSi(シリコン)等からなる非単結晶半導体層、11は結晶化半導体層、図1(b)において、12は単結晶アレイである。
前述の第2の従来技術では、位相シフトマスク(図9(a)、図11(a)の94、95)(図9(a)、図11(a)の94、95)
を用いるので、ビームの空間的コヒーレンスが求められるために、基本的には、1次光源のビームの均一性に支配されて、ビームの均一性が改善されることはない。したがって、第2の従来技術は、結果的に光利用効率が低く、かつ、生産性の低い方法である。
そこで、本実施の形態1においては、1次光源であるエキシマレーザ1を、前記第1の従来技術で用いられたのと同様のホモジナイザ3(図7の73参照)を用いて、一旦ビームの成形と均一化を図り、その後の光学系を、振幅変調手段である振幅変調マスク5、所定の照射エネルギーが得られるように投射する投射光学系6、結晶成長の起点を制御する位相シフトマスク8で構成することで、空間的コヒーレンスに依存しないで、前記第2の従来技術と同様な結晶成長を生じさせることができる。すなわち、本実施の形態1によって、光の利用効率を保ちながら、かつ、ラインビーム4、7の形状のもので、単結晶アレイ12を形成することができる大きな効果を生ぜしめることができる。
【0008】
図2(a)は、図1(a)のさらに具体的な構成を示す図である。
図2(a)において、4はラインビーム(均一化レーザ光)、13は振幅変調後の光強度分布、8は位相シフトマスク、9は非晶質基板、10は非単結晶半導体層、14は結晶成長の起点(結晶化の起点)、15は単結晶領域、16はレーザ照射時の温度分布、17は融点である。
なお、図2(a)では、図1に示した振幅変調マスク5、投射光学系6等は図示省略してある。
図2(b)は、図1(a)の振幅変調マスク5を作製するのに用いる、Si(O,C,N)系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
例えばKrF(フッ化クリプトン(クリプトンフルオライド))レーザの場合は、図2(b)に示すように、Si(O,N)系薄膜で、膜厚を面内で分布させることによって、光吸収マスクからなる振幅変調マスク5を作製することができる。同様に、XeCl(塩化キセノン(キセノンクロライド))レーザの場合では、図2(b)に示すように、Si(O,C)系薄膜もしくはSi(O,N,C)系薄膜によって、光吸収マスクからなる振幅変調マスク5の作製が可能となる。
また、結晶成長の起点14を制御(生成)する手段としては、本実施の形態1では、例えば位相シフトマスク8を用いてその機能を付加することができる。本来、位相シフトマスクは、照射される光源がコヒーレント光であることが前提であるが、本発明が示すとおり、そうではなくても位相の異なる境界部はいつも最小値を取り得ることから、図2(a)のレーザ照射時の温度分布16に示すように、Y方向の中央部で、かつ、X方向の原点に、周りより低温の部分を生じさせることができる。その結果、図2(a)に示すような結晶成長の起点14を生じさせることができる。
このように、本実施の形態1においては、エキシマレーザ1(図1)から出射した直後のビームをそのまま扱うことは、生産性と均一性制御とを両立させる点で困難であるので、ビームのエリア分割と混合とによって、振幅の均一なビームを生成する。この際、光の可干渉性が失われるので、振幅変調マスク5を用いた振幅変調によって、非晶質基板9面上の照射強度変調を生じさせる。この概念によって、約5〜10μm程度を保つことができるラテラル成長を実現することができる。
なお、前述の第2の従来技術における結晶化に用いられるアモルファスシリコン膜の膜厚は、通常は100nm以下、より好ましくは50nm程度である。高出力エキシマレーザを用い、ビームの均一化、ビームの成形をした20cm程度の幅を持つビームの場合、通常400mJ/cm2程度の照射エネルギーを要するので5mm/sec程度のスピードで走査することができる。通常、液晶ディスプレイで用いられる55cm×65cmのガラス基板の場合、約5分くらいかけて全面を結晶化できる。
本実施の形態1の結晶化に用いるアモルファスシリコン膜の膜厚は、50nm〜300nm、好ましくは200nm程度である。本実施の形態1で要求される照射エネルギーは、前述の第1の従来技術で必要とされる照射エネルギーの2〜3倍であるが、光学系の設計を2次元にすることにより、第1の従来技術に比べ、約3分の1以下の速度で55cm×65cmのガラス基板の全面に単結晶薄膜を形成することができた。
すなわち、非晶質基板上に、全面にくまなく均一に単結晶薄膜を形成することは極めて困難な技術であるが、特にガラス基板等の非晶質基板上に、任意の位置に任意のピッチで単結晶領域を形成できる技術が本発明で可能となり、要求される回路のスペックから決定される半導体薄膜の性能や設計ルールに応じて適応可能な単結晶アレイ形成の基盤技術として本発明を展開することができる。
【0009】
なお、本実施の形態1の半導体薄膜の形成方法は、絶縁材からなる基層(非晶質基板9)上に、非単結晶半導体層10を形成し、上記非単結晶半導体層10に(エキシマレーザ1から出射される)光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層10を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、(ホモジナイザ3によって)前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように(振幅変調マスク5によって)振幅変調を行い、(位相シフトマスク8によって)前記振幅変調された光の照射面内に温度の低い点を設け、前記温度の低い点が設けられた光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に(投射光学系6によって)投射し、前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点14から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域15を形成することを特徴とする。
また、本実施の形態1の半導体薄膜の形成装置は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層10を形成し、上記非単結晶半導体層10に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層10を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を発する光源(エキシマレーザ1)と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザ3と、このホモジナイザ3の出射光路に設けられた前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段(振幅変調マスク5)と、この振幅変調手段の出射光路に設けられた前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系6と、前記投射する光の照射面内に、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設ける手段(位相シフトマスク8)と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段(X、Y方向に走査可能な基板ステージもしくは光の走査手段(これらは図示省略))とを有することを特徴とする。
また、本実施の形態1の半導体薄膜の形成装置は、前記振幅変調手段(振幅変調マスク5)が、光吸収マスクであることを特徴とする。
また、本実施の形態1の半導体薄膜の形成装置は、前記温度の低い点を設ける手段が、位相シフトマスク8であることを特徴とする。
また、本実施の形態1の半導体薄膜の形成装置は、前記振幅変調手段(振幅変調マスク5)と前記温度の低い点を設ける手段(位相シフトマスク8)との位置合わせを行う位置合わせ手段(公知技術なので図示省略)を有することを特徴とする。
また、本実施の形態1の半導体薄膜の形成装置は、前記位置合わせ手段が、アライメント用レーザビームとアライメントマーク(これらは公知技術なので図示省略)を用いた位置合わせ手段であることを特徴とする。
【0010】
実施の形態2
図3(a)は、本発明の実施の形態2を説明する図、図3(b)は、図3(a)の振幅変調マスク5を作製するのに用いる、Si(O,C,N)系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
18は光吸収ドット、19は光吸収ドット18を有するマスクである。
本実施の形態2は、実施の形態1の図2(a)の結晶成長の起点14を生成する手段として、光吸収ドット18を有するマスク19を、図3(a)に示す位置(実施の形態1の位相シフトマスク8と同様の位置)に設けた例である。この光吸収ドット18を有するマスク19も、図3(b)に示すように、例えばKrFレーザの場合は、Si(O,N)系薄膜で、XeClレーザの場合は、Si(O,C)系もしくはSi(O,N,C)系薄膜によって、作製が可能である。
実施の形態1の図2(a)のレーザ照射時の温度分布16に示したのと同様の図3(a)のレーザ照射時の温度分布16のように、Y方向の中央部で、かつ、X方向の原点に、低温の部分を生じさせることができる。その結果、図3(a)に示すような結晶成長の起点14を生じさせることができ、実施の形態1と同様に、約5〜10μm程度のラテラル成長を実現できる。
なお、本実施の形態2の半導体薄膜の形成装置は、前記温度の低い点を設ける手段が、光吸収ドット18を有するマスク19であることを特徴とする。
【0011】
実施の形態3
図4(a)は、本発明の実施の形態3を説明する図、図4(b)は、図4(a)の光吸収ドット18を有する位相シフトマスク23を作製するのに用いる、Si(O,C,N)系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
本実施の形態3は、図1に示した構成において、振幅変調マスク5をなくす代わりに、図4(a)に示すような位相シフトマスク23(図2の位相シフトマスク8を90度回転させたもの)の段差上あるいはその間近に、図3に示した光吸収ドット18(KrFレーザの場合は、Si(O,C,N)系薄膜からなる)を設けたマスクを配置することによっても、上記実施の形態1、2と同様の結晶成長を生じさせることができる。通常、ホモジナイザで均一化されたエキシマレーザ光では、位相シフトマスク23によって光強度変調ができない。しかし、実際に行った実験では、ガラス基板9と、上記ラテラル成長を制御する位相シフトマスク23との距離を1mm以下に配置することで、図3(a)に示したレーザ照射時の温度分布16のような温度分布をガラス基板9上に生成できることがわかった。
【0012】
なお、本実施の形態3の半導体薄膜の形成方法は、絶縁材からなる基層(非晶質基板9)上に、非単結晶半導体層10を形成し、上記非単結晶半導体層10に(エキシマレーザ1から出射される)光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層10を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、(ホモジナイザ3によって)前記光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化された光に、(位相シフトマスク23によって)前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、(光吸収ドット18によって)前記光の照射面内に温度の低い点を設けることとを同時に行い、前記光強度変調と前記温度の低い点を設けることとが同時に行われた光を、前記非単結晶半導体層上に照射し、前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点14から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域15を形成することを特徴とする。
また、本実施の形態3の半導体薄膜の形成装置は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、前記光を発する光源(エキシマレーザ1)と、前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザ3と、前記ホモジナイザ3によって光強度分布が均一化された光に、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、前記光の照射面内に前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けることとを同時に行う手段(位相シフトマスク23と光吸収ドット18)と、前記光と前記基層とを相対的に動かす手段(X、Y方向に走査可能な基板ステージもしくは光の走査手段(これらは図示省略))とを有することを特徴とする。すなわち、本実施の形態3においては、前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層10上に投射する投射光学系6が不要である。
また、本実施の形態3の半導体薄膜の形成装置は、光強度変調と、前記温度の低い点を設けることとを同時に行う手段が、光吸収ドット18を有する位相シフトマスク23であることを特徴とする。
【0013】
実施の形態4
図5(a)は、本発明の実施の形態4を説明する図、図5(b)は、図5(a)の一部拡大詳細図である。
図5(a)において、4はラインビーム(均一化レーザ光)、7は均一化され、振幅変調され、投射されたラインビーム、8は位相シフトマスク、9は非晶質基板、10は非単結晶半導体層、11は結晶化半導体層、20は非晶質基板9(すなわち、図示省略する基板ステージ)の送りピッチである。なお、図5(a)においては、図1に示したエキシマレーザ1、出射ビーム2、ホモジナイザ3、光吸収マスクからなる振幅変調マスク5、投射光学系6は図示省略している。図5(b)において、12は単結晶アレイ、20は送りピッチ、矢印Cはラテラル成長方向である。
前述の第2の従来技術における問題点は、図9(b)に示した結晶化アレイにおいて、結晶化領域の面内の占有面積率が低いことと、結晶成長の起点98が、いつも結晶化初期膜、例えばアモルファスシリコンの相に隣接しているため、結晶化の駆動力の第一要因は冷却過程に支配されたものであり、面内の微量な不純物や、膜と基板の界面の状態のバラツキに敏感に依存し、再現性が得られにくかった点である。
そこで、本実施の形態4においては、図1(a)に示したような装置構成におけるステージの送り機構(図示省略)により、結晶化のラテラル成長が期待できる距離より少し短めの、例えば約5μmの送りピッチ20で、非晶質基板9を矢印A方向に搬送する。この方式を用いることによって、結晶化領域の面内の占有面積率を高め、かつ、再現性を向上させた単結晶アレイ12を形成することができる。結果的には、アレイというより、帯状(リボン状)の単結晶領域を形成できる。
図6は、本実施の形態4をさらに詳細に説明する図である。
22はプライマリーショット(第1のショット。単結晶粒)、23は次ショット(第2のショット)である。
前述の第2の従来技術において得られる単結晶粒は、例えばアモルファスシリコンからなる結晶化初期膜において、図6に示すプライマリーショット22で得られる単結晶粒と同様である。すなわち、図6に示した結晶成長の起点14からラテラル成長方向Cにラテラル成長を生じるが、このラテラル成長は、結晶化の初期過程によってほとんど支配される。結晶化の初期過程は、冷却の過程で確率的に核形成が行われ、ラテラル成長へと移って行く。第2の従来技術においては、上記のプライマリーショット22で形成される単結晶粒は、それぞれ独立な確率過程によって形成されるものであり、再現性、均一性において課題がある。
一方、本実施の形態4の結晶化方式においては、図6に示すごとく、プライマリーショット22で形成された単結晶粒の一部を重ね合わせるようにして、次ショット23、さらに次ショット(図示省略)と繋げて結晶化していく。最初のプライマリーショット22においては、確率過程が支配する要因が強く支配するが、次ショット23以降においては、すでに結晶化された領域と結晶成長の起点14が接しているために、すでに結晶成長のための種(シード)が存在していることになり、ラテラル成長はその種をもとに成長する。すなわち、シリコンの溶融−凝固の準平衡状態からの成長に支配され、再現性、均一性が飛躍的に改善されることになる。
このように、単結晶化領域(図2(a)、図3(a)、図4(a)の15参照)の高密度化のために、実施の形態1で述べた光源の概念を用いることによりビームの成形・変形が可能となるので、図1の振幅変調マスク5、位相シフトマスク8、およびラテラル成長の距離程度のステップアンド リピートにより帯状の単結晶領域を形成する。
なお、本実施の形態4の半導体薄膜の形成方法は、前記成長の距離程度のピッチ(送りピッチ20)で、前記光と前記基層とを相対的に動かし、先行する第1のショット22に、前記第1のショット22に引き続く第2のショット23を一部重ね合わせ、帯状の単結晶領域15を形成することを特徴とする。
また、本実施の形態4の結晶化方法は、絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して溶融結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、前記光は、エキシマレーザ光の光強度分布を均一化し、前記光強度分布が均一化されたエキシマレーザ光の振幅が、前記エキシマレーザ光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、前記振幅変調されたエキシマレーザ光を、照射面内で、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けるように変調して、第1のショット光(第1のショット22)を前記非単結晶半導体層上に投射し、前記第1のショット光に引き続き、第2のショット(第2のショット23)を一部重ね合わせて照射することを特徴とする。
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、前記実施の形態1〜4では、絶縁材からなる基層として、ガラス基板等の非晶質基板9を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、例えば、セラミック、プラスチック等の各種の透明または不透明な絶縁物質製の基層を使用することができる。また、該基層上に設ける非単結晶半導体層としては、非晶質半導体層を形成してもよいし、あるいは、すでに微小粒径の単結晶が形成されている多結晶半導体層を形成し、それを再結晶化させて本発明による半導体薄膜を形成してもよい。
【0014】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガラス基板等の非晶質基板上に、任意の位置に任意のピッチで単結晶領域を形成できる技術が可能となり、要求される回路のスペックから決定される半導体薄膜の性能や設計ルールに応じて適応可能な単結晶アレイ形成の基盤技術を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は本発明の実施の形態1の半導体薄膜の形成方法、装置および結晶化方法を説明する図、(b)は(a)の一部拡大詳細図である。
【図2】 (a)は図1(a)のさらに具体的な構成を示す図、(b)は振幅変調マスク作製用のSi(O,C,N)系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図3】 (a)は本発明の実施の形態2を説明する図、(b)は振幅変調マスク作製用のSi(O,C,N)系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図4】 (a)は本発明の実施の形態3を説明する図、(b)は位相シフトマスク作製用のSi(O,C,N)系薄膜の組成と、吸収端波長を示す図である。
【図5】 (a)は本発明の実施の形態4を説明する図、(b)は(a)の一部拡大詳細図である。
【図6】 本実施の形態4をさらに詳細に説明する図である。
【図7】 第1の従来技術を説明する図である。
【図8】 図7の第1の従来技術における光学系を示す図である。
【図9】 (a)は第2の従来技術を説明する図、(b)は(a)の一部拡大詳細図である。
【図10】 第2の従来技術におけるレーザ照射光学系を示す図である。
【図11】 (a)は第2の従来技術における光変調光学系を示す図、(b)は(a)の一部拡大詳細図である。
【符号の説明】
1…エキシマレーザ(光源)
2…出射ビーム
3…ホモジナイザ
4…ラインビーム(均一化レーザ光)
5…振幅変調マスク
6…投射光学系
7…ラインビーム
8…位相シフトマスク
9…非晶質基板
10…非単結晶半導体層
11…結晶化半導体層
12…単結晶アレイ
13…振幅変調後の光強度分布
14…結晶成長の起点
15…単結晶領域
16…レーザ照射時の温度分布
17…融点
18…光吸収ドット
19…マスク
20…送りピッチ
21…プライマリーショット(第1のショット)
22…次ショット(第2のショット)
23…位相シフトマスク
A…基板走査方向
B…基板走査方向に垂直な方向
C…ラテラル成長方向
71…エキシマレーザ
72…出射ビーム
73…ホモジナイザ
74…ラインビーム(均一化レーザ光)
75…非晶質基板
76…非単結晶半導体層
77…多結晶化半導体層
81…フライアイレンズ
82…投射光学系
90…エキシマレーザ光
91…エキシマレーザ
92…出射ビーム
93…ビーム強度変換光学系
94、95…位相シフトマスク
96…非晶質基板
97…非単結晶半導体層
98…結晶成長の起点
99…単結晶粒
100…マスク(絞り)
Claims (12)
- 絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、
前記光の光強度分布を均一化し、
前記光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、
前記振幅変調された光の照射面内に温度の低い点を設け、
前記温度の低い点が設けられた光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射し、
前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域を形成することを特徴とする半導体薄膜の形成方法。 - 絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成方法において、
前記光の光強度分布を均一化し、
前記光強度分布が均一化された光に、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、前記光の照射面内に温度の低い点を設けることとを同時に行い、
前記光強度変調と前記温度の低い点を設けることとが同時に行われた光を、前記非単結晶半導体層上に照射し、
前記温度の低い点に生じた結晶成長の起点から前記光の前記基層に対する相対運動方向に沿って結晶を成長させて単結晶領域を形成することを特徴とする半導体薄膜の形成方法。 - 前記成長の距離程度のピッチで、前記光と前記基層とを相対的に動かし、先行する第1のショットに、前記第1のショットに引き続く第2のショットを一部重ね合わせ、帯状の単結晶領域を形成することを特徴とする請求項1または2記載の半導体薄膜の形成方法。
- 絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、
前記光を発する光源と、
前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、
このホモジナイザの出射光路に設けられた前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光の振幅が、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行う振幅変調手段と、
この振幅変調手段の出射光路に設けられた前記振幅変調手段によって振幅が変調された光を、前記基層上に形成された前記非単結晶半導体層上に投射する投射光学系と、
前記投射する光の照射面内に、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設ける手段と、
前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有することを特徴とする半導体薄膜の形成装置。 - 前記振幅変調手段が、光吸収マスクであることを特徴とする請求項4記載の半導体薄膜の形成装置。
- 前記温度の低い点を設ける手段が、位相シフトマスクであることを特徴とする請求項4記載の半導体薄膜の形成装置。
- 前記温度の低い点を設ける手段が、光吸収ドットを有するマスクであることを特徴とする請求項4記載の半導体薄膜の形成装置。
- 前記振幅変調手段と前記温度の低い点を設ける手段との位置合わせを行う位置合わせ手段を有することを特徴とする請求項4記載の半導体薄膜の形成装置。
- 前記位置合わせ手段が、アライメント用レーザビームとアライメントマークを用いた位置合わせ手段であることを特徴とする請求項8記載の半導体薄膜の形成装置。
- 絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層を溶融結晶化する半導体薄膜の形成装置において、
前記光を発する光源と、
前記光源から発せられる光の光強度分布を均一化するホモジナイザと、
前記ホモジナイザによって光強度分布が均一化された光に、前記光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するような光強度変調と、前記光の照射面内に前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けることとを同時に行う手段と、
前記光と前記基層とを相対的に動かす手段とを有することを特徴とする半導体薄膜の形成装置。 - 前記光強度変調と、前記温度の低い点を設けることとを同時に行う手段が、光吸収ドットを有する位相シフトマスクであることを特徴とする請求項10記載の半導体薄膜の形成装置。
- 絶縁材からなる基層上に、非単結晶半導体層を形成し、上記非単結晶半導体層に光を照射して溶融結晶化し、前記光と前記基層とを相対的に動かして、前記非単結晶半導体層に次の結晶化をする半導体薄膜の形成方法であって、
前記光は、エキシマレーザ光の光強度分布を均一化し、
前記光強度分布が均一化されたエキシマレーザ光の振幅が、前記エキシマレーザ光の前記基層に対する相対運動の向きに増加するように振幅変調を行い、
前記振幅変調されたエキシマレーザ光を、照射面内で、前記非単結晶半導体層に結晶成長の起点を生じさせる温度の低い点を設けるように変調して、第1のショット光を前記非単結晶半導体層上に投射し、前記第1のショット光に引き続き、第2のショットを一部重ね合わせて照射することを特徴とする結晶化方法。
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