JPH04102311A - 半導体薄膜の結晶化方法 - Google Patents
半導体薄膜の結晶化方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体薄膜の結晶化方法、特に半導体薄膜に対
しパルスレーザを照射して半導体薄膜の結晶化を行う溶
融法による半導体薄膜の結晶化方法に係わる。
しパルスレーザを照射して半導体薄膜の結晶化を行う溶
融法による半導体薄膜の結晶化方法に係わる。
本発明は、半導体薄膜に対しパルスレーザを照射して半
導体薄膜の結晶化を行う溶融法による半導体薄膜の結晶
化方法において、半導体薄膜に対するパルスレーザの照
射を第１の方向に対する走査とこれと直交する第２の方
向に関するステップ走査とによって行い、そのパルスレ
ーザのスポットの上記第２の方向に関するエネルギー密
度分布を中心部から両側に向って小となる複数の階段的
分布を形成するように、その各階段部を形成する複数の
レーザビーム部を設けると共に、その中心部の第１のレ
ーザビーム部のエネルギー密度ＥＤＩを、ＥＤい≦ＥＤ
Ｉ＜ＥＤＲに選定し、この第１のレーザビーム部よりス
テップ走査方向の前方側の第２のレーザビーム部のエネ
ルギー密度ＥＤ２を、ＥＤＴ＜ＥｏＭに選定し、更に第
１のレーザビーム部よりステップ走査方向の後方側の第
３のレーザビーム部のエネルギー密度ＥＤ３を、Ｅｏｘ
≦Ｅ０．＜ＥＤいでかつこれにできるだけ近い値に選定
する。
導体薄膜の結晶化を行う溶融法による半導体薄膜の結晶
化方法において、半導体薄膜に対するパルスレーザの照
射を第１の方向に対する走査とこれと直交する第２の方
向に関するステップ走査とによって行い、そのパルスレ
ーザのスポットの上記第２の方向に関するエネルギー密
度分布を中心部から両側に向って小となる複数の階段的
分布を形成するように、その各階段部を形成する複数の
レーザビーム部を設けると共に、その中心部の第１のレ
ーザビーム部のエネルギー密度ＥＤＩを、ＥＤい≦ＥＤ
Ｉ＜ＥＤＲに選定し、この第１のレーザビーム部よりス
テップ走査方向の前方側の第２のレーザビーム部のエネ
ルギー密度ＥＤ２を、ＥＤＴ＜ＥｏＭに選定し、更に第
１のレーザビーム部よりステップ走査方向の後方側の第
３のレーザビーム部のエネルギー密度ＥＤ３を、Ｅｏｘ
≦Ｅ０．＜ＥＤいでかつこれにできるだけ近い値に選定
する。
ここに、Ｅ Ｄｕｂは半導体薄膜を非晶質化するレーザ
エネルギー密度のしきい値エネルギー密度で、ＥＤＲは
半導体薄膜を粗面化するエネルギー密度、ＥＤＭは半導
体薄膜を溶融化するエネルギー密度で、このようにする
ことによって良好な膜質状態を有し、優れた電気的特性
を有する結晶化半導体薄膜を確実に得ることができるよ
うにする。
エネルギー密度のしきい値エネルギー密度で、ＥＤＲは
半導体薄膜を粗面化するエネルギー密度、ＥＤＭは半導
体薄膜を溶融化するエネルギー密度で、このようにする
ことによって良好な膜質状態を有し、優れた電気的特性
を有する結晶化半導体薄膜を確実に得ることができるよ
うにする。
〔従来の技術］
各種半導体集積回路において、例えば水素化非晶質シリ
コン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）あるいは水素化ゲルマニウム（ａ
−Ｇｅ：Ｈ）等の半導体薄膜に対してパルスレーザを照
射することによってこの半導体薄膜を溶融−固化して結
晶化する技術はキャリアの移動度の大なる薄膜トランジ
スタ等の低温で作製する技術として注目されている。
コン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）あるいは水素化ゲルマニウム（ａ
−Ｇｅ：Ｈ）等の半導体薄膜に対してパルスレーザを照
射することによってこの半導体薄膜を溶融−固化して結
晶化する技術はキャリアの移動度の大なる薄膜トランジ
スタ等の低温で作製する技術として注目されている。
例えば特開昭６４−７６７１５号公開公報に開示された
多結晶半導体薄膜の製造方法においては、ガラス基板上
に設けられたシリコンを含有する水素化非晶質半導体薄
膜にレーザ光を照射して多結晶化する場合において、そ
のレーザビーム内の強度分布を横方向に台形状とするこ
とによって半導体薄膜内に含まれる水素の栄、激な１発
による膜質低下を回避する方法が開示されている。しか
しながら、この方法による場合においても必ずしも電気
的特性すなわちキャリアの移動度が大なる半導体薄膜を
形成することができない場合が生している。
多結晶半導体薄膜の製造方法においては、ガラス基板上
に設けられたシリコンを含有する水素化非晶質半導体薄
膜にレーザ光を照射して多結晶化する場合において、そ
のレーザビーム内の強度分布を横方向に台形状とするこ
とによって半導体薄膜内に含まれる水素の栄、激な１発
による膜質低下を回避する方法が開示されている。しか
しながら、この方法による場合においても必ずしも電気
的特性すなわちキャリアの移動度が大なる半導体薄膜を
形成することができない場合が生している。
［発明が解決しようとする課題］
本発明においては、膜質に優れたキャリア移動度等電気
的特性に優れた半導体薄膜の結晶化方法を提供する。
的特性に優れた半導体薄膜の結晶化方法を提供する。
すなわち、本発明においては、水素等の揮発性物質を含
む、或いは含まない半導体薄膜に対して上述した溶融結
晶化方法をとるとき、その照射レーザのエネルギー密度
が成る値より大きくなると溶融後に固相化した半導体薄
膜が非晶質化すなわちアモルファス化し、上述した例え
ばａ−５ｉ：Ｈに対してそのレーザ照射を、半導体薄膜
中の揮発性物質例えば水素の蒸発が危、激に行われない
ように実質的に徐々に照射エネルギーが高められるよう
に考慮したとしても目的とする特性を有する結晶化が得
されない場合があること、更に結晶化が得られる状態で
は、できるだけこの結晶化できる範囲内で高エネルギー
密度での溶融が望ましいこと、加えて膜厚が低い範囲で
は、−旦高工名ルギー密度による溶融−固化を行っても
再び、成るしきい値エネルギー密度、具体的には非晶質
を生しさせるＥｏい以下で、かつできるだけＥ ＩＩＬ
ｈに近いエネルギー密度の）容融がなされて得られた半
導体薄膜はすぐれた膜質したがって電気的特性を有する
ことを究明し、これに基いて確実、良好に半導体薄膜の
結晶化を行うことができるようにしたものである。
む、或いは含まない半導体薄膜に対して上述した溶融結
晶化方法をとるとき、その照射レーザのエネルギー密度
が成る値より大きくなると溶融後に固相化した半導体薄
膜が非晶質化すなわちアモルファス化し、上述した例え
ばａ−５ｉ：Ｈに対してそのレーザ照射を、半導体薄膜
中の揮発性物質例えば水素の蒸発が危、激に行われない
ように実質的に徐々に照射エネルギーが高められるよう
に考慮したとしても目的とする特性を有する結晶化が得
されない場合があること、更に結晶化が得られる状態で
は、できるだけこの結晶化できる範囲内で高エネルギー
密度での溶融が望ましいこと、加えて膜厚が低い範囲で
は、−旦高工名ルギー密度による溶融−固化を行っても
再び、成るしきい値エネルギー密度、具体的には非晶質
を生しさせるＥｏい以下で、かつできるだけＥ ＩＩＬ
ｈに近いエネルギー密度の）容融がなされて得られた半
導体薄膜はすぐれた膜質したがって電気的特性を有する
ことを究明し、これに基いて確実、良好に半導体薄膜の
結晶化を行うことができるようにしたものである。
（課題を解決するための手段〕
本発明は、第１図に示すように半導体薄膜（１）に対し
パルスレーザ（２）を照射して半導体薄膜（１）の結晶
化を行う溶融法による半導体薄膜の結晶化方法において
、半導体薄膜（１）に対するパルスレーザ（２）の照射
を第１の方向Ｘに対する走査すなわち掃引照射と、これ
と直交する第２の方向ｙに関するステップ走査とによる
例えばジグザグないしはＸ方向に関して同−向きの平行
掃引を行う。そして、特にそのパルスレーザ（２）は、
第２図Ａに半導体重＃（１）におけるそのスポットＳを
示し、その第２の方向ｙに関するエネルギー密度分布を
第２図Ｂに示すように、ステップ走査のステソブピノチ
ｐより小なる幅Ｗで、中心部から両側に向って小となる
複数の階段的分布の各階段部を形成する複数のレーザビ
ーム部ｂｚ、ｂｚ、ｂ３により構成する。
パルスレーザ（２）を照射して半導体薄膜（１）の結晶
化を行う溶融法による半導体薄膜の結晶化方法において
、半導体薄膜（１）に対するパルスレーザ（２）の照射
を第１の方向Ｘに対する走査すなわち掃引照射と、これ
と直交する第２の方向ｙに関するステップ走査とによる
例えばジグザグないしはＸ方向に関して同−向きの平行
掃引を行う。そして、特にそのパルスレーザ（２）は、
第２図Ａに半導体重＃（１）におけるそのスポットＳを
示し、その第２の方向ｙに関するエネルギー密度分布を
第２図Ｂに示すように、ステップ走査のステソブピノチ
ｐより小なる幅Ｗで、中心部から両側に向って小となる
複数の階段的分布の各階段部を形成する複数のレーザビ
ーム部ｂｚ、ｂｚ、ｂ３により構成する。
そして、その中心部の第１のレーザビーム部す、のエネ
ルギー密度ＥＩｌｌｌは、半導体薄膜（１）を非晶質化
するレーザエネルギー密度のしきい値ＥＤｔｈ以上で、
半導体薄膜（１）を粗面化するエネルギー密度ＥＤＲよ
り小に、すなわち Ｅ ｏｔｈ≦ＥＤＩ＜ＥＩ、え ・・・・（１
）に選定する。
ルギー密度ＥＩｌｌｌは、半導体薄膜（１）を非晶質化
するレーザエネルギー密度のしきい値ＥＤｔｈ以上で、
半導体薄膜（１）を粗面化するエネルギー密度ＥＤＲよ
り小に、すなわち Ｅ ｏｔｈ≦ＥＤＩ＜ＥＩ、え ・・・・（１
）に選定する。
また第１のレーザビーム部ｂ１よりステップ走行方向ｙ
の前方側の第２のレーザビーム部ｂ２のエネルギー密度
ＥＤ２は、半導体薄膜（１）の溶融化するエネルギー密
度ＥＤ１．ｌより小さい、すなわちＥ ０２ ＞ Ｅ
ＤＨ・・・・（２）とするが半導体薄膜（１）中の揮発
物を幾分なりとも蒸発できる例えば常温以上を与え得る
エネルギー密度以上とする。
の前方側の第２のレーザビーム部ｂ２のエネルギー密度
ＥＤ２は、半導体薄膜（１）の溶融化するエネルギー密
度ＥＤ１．ｌより小さい、すなわちＥ ０２ ＞ Ｅ
ＤＨ・・・・（２）とするが半導体薄膜（１）中の揮発
物を幾分なりとも蒸発できる例えば常温以上を与え得る
エネルギー密度以上とする。
更に第１のレーザビーム部す、よりステップ走査方向ｙ
の後方側の第３のレーザビーム部ｂ３のエネルギー密度
ＥＤ３は、しきい値Ｅ Ｄｔ、より低く、溶融化するエ
ネルギー密度ＥＤＭ以上ですなわちＥＤｌ、ｌ≦ＥＤ３
＜ＥＤｔｈ ・・・・（３）で、しかもでき
るだけＥＤいに近い値に選定する。
の後方側の第３のレーザビーム部ｂ３のエネルギー密度
ＥＤ３は、しきい値Ｅ Ｄｔ、より低く、溶融化するエ
ネルギー密度ＥＤＭ以上ですなわちＥＤｌ、ｌ≦ＥＤ３
＜ＥＤｔｈ ・・・・（３）で、しかもでき
るだけＥＤいに近い値に選定する。
〔作用］
上述の本発明方法による場合、その半導体薄膜（１）に
対する第１の方向Ｘ方向に関する走査によってまず小さ
いエネルギー密度ＥＤＺを有するレーザビーム部ｂ２が
照射され、これによって半導体薄膜（１）中の揮発性物
質がゆるやかに引き出され、その後に大なるエネルギー
密度ＥＤＩを有する第１のレーザビーム部す、が照射さ
れることによって一旦薄膜（１）が非晶質化され、次に
非晶質化するしきい値電圧ＥＤｔｈより低いもののその
エネルギー密度が比較的大きいエネルギー密度ＥＤ：ｌ
を有する第３のレーザビーム部ｂ３が走査することによ
って一旦非晶質化された半導体薄膜（１）が結晶化され
しかもこの結晶化された半導体薄膜は最終的に電気的特
性すなわちキャリアの移動度が高い半導体薄膜として形
成される。
対する第１の方向Ｘ方向に関する走査によってまず小さ
いエネルギー密度ＥＤＺを有するレーザビーム部ｂ２が
照射され、これによって半導体薄膜（１）中の揮発性物
質がゆるやかに引き出され、その後に大なるエネルギー
密度ＥＤＩを有する第１のレーザビーム部す、が照射さ
れることによって一旦薄膜（１）が非晶質化され、次に
非晶質化するしきい値電圧ＥＤｔｈより低いもののその
エネルギー密度が比較的大きいエネルギー密度ＥＤ：ｌ
を有する第３のレーザビーム部ｂ３が走査することによ
って一旦非晶質化された半導体薄膜（１）が結晶化され
しかもこの結晶化された半導体薄膜は最終的に電気的特
性すなわちキャリアの移動度が高い半導体薄膜として形
成される。
すなわち、第３図に半導体薄膜（１）例えば水素化シリ
コン’７１ Ｈ（ａ −Ｓ ｉ ： Ｈ）に対してＸｅ
Ｃｌエキシマレーザ光を照射した場合の、その照射レー
ザエネルギー密度と溶融後の固相化の膜厚に対する状態
図、すなわち相図を示すように、曲線（３１）（ＥＤ、
に相当）で示すａ−５ｉ：Ｈ１２０〜１５０ｍＪ／ｃＴ
Ａ以下のエネルギー密度のレーザ照射による場合は、ａ
−３ｉ：）Ｉは何ら相変化を生じないが、１２０〜１５
ｏＩＩＩＪ／ｃ１１１を超えるすなわち曲線（３１）以
上のエネルギーによる照射で、かつ曲線（３２）（ＥＤ
ｔｈに相当）及び（３３）より下のエネルギーによる照
射による領域Ｉにおいては溶融後の相は、表面が滑らか
で良質な結晶化された半導体薄膜となる。しかも膜厚が
７０ｎｍ程度以下では２４０ｍＪ／ｃｆｆｌを超えるレ
ーザエネルギーの照射によって特に６０ｎｍ程度では３
００ｍＪ／ａｆｔ程度の高いエネルギーで良質の半導体
薄膜（１）の結晶化が行われる。
コン’７１ Ｈ（ａ −Ｓ ｉ ： Ｈ）に対してＸｅ
Ｃｌエキシマレーザ光を照射した場合の、その照射レー
ザエネルギー密度と溶融後の固相化の膜厚に対する状態
図、すなわち相図を示すように、曲線（３１）（ＥＤ、
に相当）で示すａ−５ｉ：Ｈ１２０〜１５０ｍＪ／ｃＴ
Ａ以下のエネルギー密度のレーザ照射による場合は、ａ
−３ｉ：）Ｉは何ら相変化を生じないが、１２０〜１５
ｏＩＩＩＪ／ｃ１１１を超えるすなわち曲線（３１）以
上のエネルギーによる照射で、かつ曲線（３２）（ＥＤ
ｔｈに相当）及び（３３）より下のエネルギーによる照
射による領域Ｉにおいては溶融後の相は、表面が滑らか
で良質な結晶化された半導体薄膜となる。しかも膜厚が
７０ｎｍ程度以下では２４０ｍＪ／ｃｆｆｌを超えるレ
ーザエネルギーの照射によって特に６０ｎｍ程度では３
００ｍＪ／ａｆｔ程度の高いエネルギーで良質の半導体
薄膜（１）の結晶化が行われる。
しかしながらこの小なる膜厚範囲でその照射レーザエネ
ルギー密度が曲線（３２）以上で曲線（３３）より下の
領域■においてはその固相後の半導体薄膜は良質の滑ら
かな膜質となるものの非晶質半導体薄膜となる。しかし
ながら、−旦この領域■となる条件下で溶融−面相が行
われても再び領域■となる条件下で溶融−固相を行うと
きは領域Ｉの相、すなわち滑らかな結晶化がなされる。
ルギー密度が曲線（３２）以上で曲線（３３）より下の
領域■においてはその固相後の半導体薄膜は良質の滑ら
かな膜質となるものの非晶質半導体薄膜となる。しかし
ながら、−旦この領域■となる条件下で溶融−面相が行
われても再び領域■となる条件下で溶融−固相を行うと
きは領域Ｉの相、すなわち滑らかな結晶化がなされる。
尚、曲線（３３）より上方の領域■においては結晶化が
生じるもののその表面が粗面化された電気的特性に劣る
半導体薄膜となる。つまり、この曲線（３３）がＥＤＲ
に相当する。
生じるもののその表面が粗面化された電気的特性に劣る
半導体薄膜となる。つまり、この曲線（３３）がＥＤＲ
に相当する。
一方、半導体薄膜（１）の膜質は、その電気的特性、例
えば電子移動度、電気伝導度と良く対応するものである
ことは知られているところであり、第４図に２０ｎｍの
厚さの２０％りん（燐）ドープシリコン膜における電気
伝導度と電子移動度の照射レーザエネルギー密度との関
係の測定結果を示す。同図において・及び○はその移動
度の測定結果をプロットしたもので、★及び☆は電気伝
導度の測定結果をプロットしたもので、これら測定結果
をみて明らかなように、そのエネルギー密度を各熱処理
で上げて行くと、それぞれ・印★で示すように、成るエ
ネルギー密度の値、この例では２４０ｍＪ／ａｊにおい
て急激にその電子移動度及び電気導電度が低下する。こ
れは第３図で示した曲線（３２）を境に領域Ｉから領域
■に転していることを示すものであり、この急激に電気
伝導度及び電子移動度が低下するエネルギー密度、つま
り曲線（３２）上の値が非晶質化するエネルギー密度の
しきい値Ｅｎいとなる。しかしながら、この非晶質化が
発生しても、第４図において○及び☆におけるように再
びこの非晶質化された半導体薄膜に対してそのしきい値
エネルギー密度Ｅ ＤＬｈ以下においてかつこれに近い
温度の加熱を行う場合は、その移動度及び電気伝導度の
極めて高いほとんど各ピーク値に相当する良好な半導体
薄膜が生成されている。
えば電子移動度、電気伝導度と良く対応するものである
ことは知られているところであり、第４図に２０ｎｍの
厚さの２０％りん（燐）ドープシリコン膜における電気
伝導度と電子移動度の照射レーザエネルギー密度との関
係の測定結果を示す。同図において・及び○はその移動
度の測定結果をプロットしたもので、★及び☆は電気伝
導度の測定結果をプロットしたもので、これら測定結果
をみて明らかなように、そのエネルギー密度を各熱処理
で上げて行くと、それぞれ・印★で示すように、成るエ
ネルギー密度の値、この例では２４０ｍＪ／ａｊにおい
て急激にその電子移動度及び電気導電度が低下する。こ
れは第３図で示した曲線（３２）を境に領域Ｉから領域
■に転していることを示すものであり、この急激に電気
伝導度及び電子移動度が低下するエネルギー密度、つま
り曲線（３２）上の値が非晶質化するエネルギー密度の
しきい値Ｅｎいとなる。しかしながら、この非晶質化が
発生しても、第４図において○及び☆におけるように再
びこの非晶質化された半導体薄膜に対してそのしきい値
エネルギー密度Ｅ ＤＬｈ以下においてかつこれに近い
温度の加熱を行う場合は、その移動度及び電気伝導度の
極めて高いほとんど各ピーク値に相当する良好な半導体
薄膜が生成されている。
すなわち、本発明によれば、第２のレーザビーム部ｂ２
の走査によって半導体薄膜（１）に揮発性物質が存在す
る場合においてもこれをおだやかに放出、すなわち揮発
させ、したがって良好な膜質の形成が行われると共に、
次にしきい値エネルギー密度Ｅ ｎｔｈ以上のエネルギ
ー密度を有する第１のレーザビーム部ｂ１の照射によっ
て一旦アモルファス（非晶質）化がなされ、次の第３の
ビーム部ｂ３の照射によって第２図で説明した曲線（２
１）と（２２）に挟まれるなめらかな表面性を有し、し
かも結晶化されたすなわち第３図における○及び☆の特
性を得ることができるのである。
の走査によって半導体薄膜（１）に揮発性物質が存在す
る場合においてもこれをおだやかに放出、すなわち揮発
させ、したがって良好な膜質の形成が行われると共に、
次にしきい値エネルギー密度Ｅ ｎｔｈ以上のエネルギ
ー密度を有する第１のレーザビーム部ｂ１の照射によっ
て一旦アモルファス（非晶質）化がなされ、次の第３の
ビーム部ｂ３の照射によって第２図で説明した曲線（２
１）と（２２）に挟まれるなめらかな表面性を有し、し
かも結晶化されたすなわち第３図における○及び☆の特
性を得ることができるのである。
［実施例］
上述の本発明方法の実施例を説明する。
前述したように、第１図に示すように、半導体薄膜（１
）例えば水素化非晶質シリコンａ−５ｉ：Ｈあるいは水
素化非晶質ゲルマニウムａ−Ｇｅ：Ｈｌもしくはｌ−水
素８玄含む各種半導体薄膜、或いは水素等殆ど含まない
半導体薄膜を基板（１）例えば石英基板上に７０ｎｍ程
度以下の厚さをもってＣＶＤ （化学的気相成長法）に
よって形成し、この半導体薄膜（１）にパルスレーザ（
２）を照射して半導体薄膜（１）の溶融法による結晶化
を行う。この半導体薄膜（１）に対するパルスレーザ（
２）の照射は、第１の方向Ｘに対する走査と、これと直
交する第２の方向ｙに関するステップ走査による例えば
ジグザク走査によって行う。そして、ｙ方向に関してそ
の照射パルスレーザ光（２）を第２図Ａ及びＢで説明し
たように３本のビーム部す、〜ｂ、とするが、３本以上
の例えば第５図に示すように５本のレーザビーム部ｂ１
〜ｂ５によって構成する。このレーザビームＦａ ｂ
＋〜ｂ。
）例えば水素化非晶質シリコンａ−５ｉ：Ｈあるいは水
素化非晶質ゲルマニウムａ−Ｇｅ：Ｈｌもしくはｌ−水
素８玄含む各種半導体薄膜、或いは水素等殆ど含まない
半導体薄膜を基板（１）例えば石英基板上に７０ｎｍ程
度以下の厚さをもってＣＶＤ （化学的気相成長法）に
よって形成し、この半導体薄膜（１）にパルスレーザ（
２）を照射して半導体薄膜（１）の溶融法による結晶化
を行う。この半導体薄膜（１）に対するパルスレーザ（
２）の照射は、第１の方向Ｘに対する走査と、これと直
交する第２の方向ｙに関するステップ走査による例えば
ジグザク走査によって行う。そして、ｙ方向に関してそ
の照射パルスレーザ光（２）を第２図Ａ及びＢで説明し
たように３本のビーム部す、〜ｂ、とするが、３本以上
の例えば第５図に示すように５本のレーザビーム部ｂ１
〜ｂ５によって構成する。このレーザビームＦａ ｂ
＋〜ｂ。
の形成は、例えば第６図に示すようにレーザし。
から発射したパルスレーザビーム（２）を例えば４枚の
ハーフミラ−ＨＭ及び１枚のミラーＭによって５本のビ
ーム部ｂ１〜ｂ５に分割し、各ビーム部ｂ〜ｂ、に関し
てそれぞれ集光レンズ系（Ｌ、〜ＬＳ）と、さらにフィ
ルタＦ１〜Ｆ５とを設けて、それぞれ第５図で示した工
ｌルギー密度分布を有し、それぞれｙ方向ステノブピノ
チルより小なる幅Ｗのレーザ部す、〜ｂ５を形成する。
ハーフミラ−ＨＭ及び１枚のミラーＭによって５本のビ
ーム部ｂ１〜ｂ５に分割し、各ビーム部ｂ〜ｂ、に関し
てそれぞれ集光レンズ系（Ｌ、〜ＬＳ）と、さらにフィ
ルタＦ１〜Ｆ５とを設けて、それぞれ第５図で示した工
ｌルギー密度分布を有し、それぞれｙ方向ステノブピノ
チルより小なる幅Ｗのレーザ部す、〜ｂ５を形成する。
この場合、中央のレーザビーム部ｂ１のエネルギー４度
ＥＤ１を前述した非晶質化のしきい値ＥＤい以上の前記
（１）弐の条件に選定し、他のレーザビーム部ｂ２〜ｂ
、に関してはこのしきい値ＥＤい以下のエネルギー密度
に選定する。そしてこの場合筒１のレーザビーム部ｂ１
に対してｙ方向ステップに関して前方側でエネルギー密
度が順次階段的に第１のレーザビーム部ｂ１に向って増
加する分布とし、その反対側すなわちステップ走査の方
向ｙの後方において順次後方側に向ってエネルギー密度
が低下する分布とし、特にビーム部ｂ２及びｂ３につい
て前記条件（２）及び（３）に設定する。この場合、第
１のレーザビーム部す、よりその前方側に位置するレー
ザビムに関しては、半導体薄膜（１）の各位置において
順次エネルギー密度が大きくなるビーム部す、、ｂ２が
照射されて薄膜（１）中の揮発性物質が漸次おだやかに
揮発し得るようにそのエネルギー密度の選定がなされる
。そして同時に薄膜（１）の各位置においてビーム部す
、の照射によって一旦第３図で説明した領域■の相を形
成し、ビーム部ｂ１より後方側におてビーム部ｂ３が非
晶質化しきい値ＥＤｔｈ以下ではあるもののこれに近い
エネルギー密度に選定され、再びこのレーザビーム部ｂ
３の照射によって第３図で説明した領域■を得る。図示
の例では、第１のビーム部す、を中心に対称的にそのエ
ネルギー密度の選定をした場合である。また、これらエ
ネルギー密度の分布は、前述したフィルタＦ１〜Ｆ、の
透過率の選定によって形成し得る。
ＥＤ１を前述した非晶質化のしきい値ＥＤい以上の前記
（１）弐の条件に選定し、他のレーザビーム部ｂ２〜ｂ
、に関してはこのしきい値ＥＤい以下のエネルギー密度
に選定する。そしてこの場合筒１のレーザビーム部ｂ１
に対してｙ方向ステップに関して前方側でエネルギー密
度が順次階段的に第１のレーザビーム部ｂ１に向って増
加する分布とし、その反対側すなわちステップ走査の方
向ｙの後方において順次後方側に向ってエネルギー密度
が低下する分布とし、特にビーム部ｂ２及びｂ３につい
て前記条件（２）及び（３）に設定する。この場合、第
１のレーザビーム部す、よりその前方側に位置するレー
ザビムに関しては、半導体薄膜（１）の各位置において
順次エネルギー密度が大きくなるビーム部す、、ｂ２が
照射されて薄膜（１）中の揮発性物質が漸次おだやかに
揮発し得るようにそのエネルギー密度の選定がなされる
。そして同時に薄膜（１）の各位置においてビーム部す
、の照射によって一旦第３図で説明した領域■の相を形
成し、ビーム部ｂ１より後方側におてビーム部ｂ３が非
晶質化しきい値ＥＤｔｈ以下ではあるもののこれに近い
エネルギー密度に選定され、再びこのレーザビーム部ｂ
３の照射によって第３図で説明した領域■を得る。図示
の例では、第１のビーム部す、を中心に対称的にそのエ
ネルギー密度の選定をした場合である。また、これらエ
ネルギー密度の分布は、前述したフィルタＦ１〜Ｆ、の
透過率の選定によって形成し得る。
また、ビームスポットＳは、第２図Ｃに示すように、各
ビーム部す、−ｂ、、に関してＸ方向についても、フィ
ルタＦ１〜Ｆ、の各透過分布を適当に選定することによ
って、走査方向Ｘの前方から中央部に向ってそのエネル
ギー密度が漸次増加し、これより後方に向って漸次エネ
ルギー密度が低められる階段的あるいは山型の分布とな
し得る。この方法による場合、半導体薄膜（１）中に揮
発性物質が存在する場合において、その急激な揮発をよ
りゆるやかに揮発させることから、より膜質に優れた結
晶化がなされる。
ビーム部す、−ｂ、、に関してＸ方向についても、フィ
ルタＦ１〜Ｆ、の各透過分布を適当に選定することによ
って、走査方向Ｘの前方から中央部に向ってそのエネル
ギー密度が漸次増加し、これより後方に向って漸次エネ
ルギー密度が低められる階段的あるいは山型の分布とな
し得る。この方法による場合、半導体薄膜（１）中に揮
発性物質が存在する場合において、その急激な揮発をよ
りゆるやかに揮発させることから、より膜質に優れた結
晶化がなされる。
上述の本発明方法によれば、第１のビーム部ｂ１の走査
によって一旦非晶質化されて後、第３のビームｂ３によ
って非晶質化のしきい値エネルギー密度Ｅ ｎｔｈ以下
でしかもこれに近い高いエネルギー密度Ｅ０を与えるの
で、第４図で説明したように、より電気的特性に優れた
半導体薄膜の結晶化を行うことができる。
によって一旦非晶質化されて後、第３のビームｂ３によ
って非晶質化のしきい値エネルギー密度Ｅ ｎｔｈ以下
でしかもこれに近い高いエネルギー密度Ｅ０を与えるの
で、第４図で説明したように、より電気的特性に優れた
半導体薄膜の結晶化を行うことができる。
第７図Ａ及びＢは、それぞれａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜（１）の
厚さｔを変えて本発明方法を実施したときの表面側から
と裏側（石英基板（１１）側）からの光反射スペクトル
で、波長２７５ｎｍに結晶ＳｉのＥ２ピークが現れてい
て薄膜（１）が結晶化されていることがわかる。
厚さｔを変えて本発明方法を実施したときの表面側から
と裏側（石英基板（１１）側）からの光反射スペクトル
で、波長２７５ｎｍに結晶ＳｉのＥ２ピークが現れてい
て薄膜（１）が結晶化されていることがわかる。
第７図Ｂの裏側からの光反射スペクトルではｔ〉７０ｎ
ｍでＥ２ビークが現われないことから薄膜（１）と基板
（１１）の界面に非晶質層が残っていることがわかる。
ｍでＥ２ビークが現われないことから薄膜（１）と基板
（１１）の界面に非晶質層が残っていることがわかる。
云い換えればｔ≦７Ｏｒ＋ｍでは全体が結晶化できるこ
とがわかる。
とがわかる。
尚、第２図Ｃ及び第５図ではエネルギー密度を中央を中
心に対称的パターンとした場合であるが、上述の条件下
で非対称とすることもできる。
心に対称的パターンとした場合であるが、上述の条件下
で非対称とすることもできる。
また本発明方法は、水素を含むＳｉ、 Ｇｅに限らす水
素を殆ど含まないＳｉ、 Ｇｅ、または他の半導体薄膜
に対する結晶化に適用することもできるものである。
素を殆ど含まないＳｉ、 Ｇｅ、または他の半導体薄膜
に対する結晶化に適用することもできるものである。
上述したように本発明方法によれば、照射レーザエネル
ギー密度の分布をステップ走査方向ｙについて階段的に
かつ特定したことによって確実に電気的特性の良好な結
晶化された半導体薄膜を再現性よく得ることができるも
のであり、またその分布を中央に向って大としたことに
よってＸ方向の走査線に多少の移動、すなわち°°ゆら
ぎ゛が生しても結晶化の阻害を回避できる。
ギー密度の分布をステップ走査方向ｙについて階段的に
かつ特定したことによって確実に電気的特性の良好な結
晶化された半導体薄膜を再現性よく得ることができるも
のであり、またその分布を中央に向って大としたことに
よってＸ方向の走査線に多少の移動、すなわち°°ゆら
ぎ゛が生しても結晶化の阻害を回避できる。
このように本発明によれば、半導体薄膜に対しすくれた
結晶化を行うことができることから、この薄膜を用いて
薄膜トランジスタ素子等の各種特性に優れた半導体素子
を形成でき、各種集積回路等の半導体装置の製造に通用
してその利益は大である。
結晶化を行うことができることから、この薄膜を用いて
薄膜トランジスタ素子等の各種特性に優れた半導体素子
を形成でき、各種集積回路等の半導体装置の製造に通用
してその利益は大である。
第１図は本発明方法の実施態様の一例を示す路線的斜視
図、第２図Ａ−Ｃはそのレーザスポットとエネルギー密
度分布を示す図、第３図は半導体薄膜のレーザ照射によ
る溶融後の相図、第４図は半導体薄膜の電気的特性と照
射玉名ルギー密度との関係を示す曲線図、第５図は照射
レーザスポ。 トとエネルギー密度の分布の他の例の分布図、第６図は
その分布を得る手段の一例の構成図、第７図Ａ及びＢは
反射スペクトル図である。 （１）は半導体薄膜、（２）はパルスレーザ、Ｓはレー
ザビームスポットである。
図、第２図Ａ−Ｃはそのレーザスポットとエネルギー密
度分布を示す図、第３図は半導体薄膜のレーザ照射によ
る溶融後の相図、第４図は半導体薄膜の電気的特性と照
射玉名ルギー密度との関係を示す曲線図、第５図は照射
レーザスポ。 トとエネルギー密度の分布の他の例の分布図、第６図は
その分布を得る手段の一例の構成図、第７図Ａ及びＢは
反射スペクトル図である。 （１）は半導体薄膜、（２）はパルスレーザ、Ｓはレー
ザビームスポットである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 半導体薄膜に対しパルスレーザを照射して半導体薄膜の
結晶化を行う溶融法による半導体薄膜の結晶化方法にお
いて、 上記半導体薄膜に対するパルスレーザの照射を第１の方
向に対する走査とこれと直交する第２の方向に関するス
テップ走査とによって行い、上記パルスレーザは、上記
半導体薄膜におけるスポットの上記第２の方向に関する
エネルギー密度分布が、それぞれ上記ステップ走査のス
テップピッチより小なる幅で中心部から両側に向って小
となる複数の段階的分布の各段階部を形成する複数のレ
ーザビーム部より成り、 上記中心部の第１のレーザビーム部のエネルギー密度Ｅ
＿Ｄ＿１は、上記半導体薄膜を非晶質化するレーザエネ
ルギー密度のしきい値Ｅ＿Ｄ＿ｔ＿ｈ以上で、半導体が
粗面化されるエネルギー密度Ｅ＿Ｒより小なるエネルギ
ー密度に選定され、 上記第１のレーザビーム部より上記ステップ走査方向の
前方側の第２のレーザビーム部のエネルギー密度Ｅ＿Ｄ
＿２は、上記半導体薄膜を溶融化するエネルギー密度Ｅ
＿Ｄ＿Ｍより小さいエネルギー密度を有し、 上記第１のレーザビーム部より上記ステップ走査方向の
後方側の第３のレーザビーム部のエネルギー密度Ｅ＿Ｄ
＿３は、上記溶融化エネルギー密度Ｅ＿Ｄ＿Ｍ以上で上
記しきい値Ｅ＿Ｄ＿ｔ＿ｈより低く、かつこれにできる
だけ近い値に選定されて成ることを特徴とする半導体薄
膜の結晶化方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2220604A JP2973492B2 (ja) | 1990-08-22 | 1990-08-22 | 半導体薄膜の結晶化方法 |
| US07/747,708 US5145808A (en) | 1990-08-22 | 1991-08-20 | Method of crystallizing a semiconductor thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2220604A JP2973492B2 (ja) | 1990-08-22 | 1990-08-22 | 半導体薄膜の結晶化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04102311A true JPH04102311A (ja) | 1992-04-03 |
| JP2973492B2 JP2973492B2 (ja) | 1999-11-08 |
Family
ID=16753582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2220604A Expired - Fee Related JP2973492B2 (ja) | 1990-08-22 | 1990-08-22 | 半導体薄膜の結晶化方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5145808A (ja) |
| JP (1) | JP2973492B2 (ja) |
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| JP2003528461A (ja) * | 2000-03-16 | 2003-09-24 | ザ トラスティース オブ コロンビア ユニバーシティ イン ザ シティ オブ ニューヨーク | 連続運動順次横方向凝固を実現する方法およびシステム |
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| JP2008147429A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | レーザアニール装置及びレーザアニール方法 |
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| USRE41690E1 (en) | 1992-10-21 | 2010-09-14 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser processing method |
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| US5578520A (en) | 1991-05-28 | 1996-11-26 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for annealing a semiconductor |
| US5766344A (en) | 1991-09-21 | 1998-06-16 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for forming a semiconductor |
| US5904550A (en) * | 1992-02-28 | 1999-05-18 | Casio Computer Co., Ltd. | Method of producing a semiconductor device |
| JP2935446B2 (ja) * | 1992-02-28 | 1999-08-16 | カシオ計算機株式会社 | 半導体装置 |
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