JPH04338631A - 薄膜半導体装置の製法 - Google Patents
薄膜半導体装置の製法Info
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- JPH04338631A JPH04338631A JP3139814A JP13981491A JPH04338631A JP H04338631 A JPH04338631 A JP H04338631A JP 3139814 A JP3139814 A JP 3139814A JP 13981491 A JP13981491 A JP 13981491A JP H04338631 A JPH04338631 A JP H04338631A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は、薄膜半導体装置の製法とそれを
用いて得られた新らしいタイプの薄膜半導体装置に関す
る。
用いて得られた新らしいタイプの薄膜半導体装置に関す
る。
【０００２】
【従来技術】絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を形成
する手法、いわゆるＳＯＩ形成法については従来より数
多く提案されている。これらの多くは絶縁性基板上に非
晶質あるいは多結晶シリコン薄膜を形成し、この非晶質
あるいは多結晶シリコン薄膜を種々の熱源により一度溶
融状態とし、その後冷却固化再結晶化させ、単結晶化と
するものである。この場合の熱源としては、レーザ光、
電子ビーム、種々のランプ光、ワイヤー状のカーボンヒ
ーター等がある。このような従来の溶融再結晶化法を用
いたＳＯＩ形成法によって得られる単結晶シリコンの結
晶配向面（基板表面に現われるシリコンの結晶面）は、
溶融再結晶化時に種結晶を用いる場合にはその種結晶の
配向面により決定される。前記の絶縁性基板が、シリコ
ンウエハー上にシリコン酸化膜あるいは種々の成膜手法
により絶縁膜が形成されているような構成の基板の場合
には種結晶としては、この基板上に非晶質あるいは多結
晶シリコンを形成する前にウエハー上の絶縁膜層に穴を
明け、この穴をおおうように非晶質あるいは多結晶シリ
コンを形成し、前述の溶融再結晶化をこの穴の上部から
行なうことにより、ウエハーの一部を種結晶として使用
できる。しかしながら前記の絶縁性基板が、石英ガラス
等のいわゆる無定形基板の場合、上述の手法による再結
晶膜の配向面の制御はできない。石英ガラス基板上で、
多結晶シリコン膜を形成し、この上に表面保護層として
酸化シリコン膜を形成し、石英ガラス基板と酸化シリコ
ン膜にはさまれた多結晶シリコン層を外部から供給する
熱により帯状に溶融し、再結晶化させた場合には（１０
０）面配向をした単結晶シリコン薄膜が得られることが
知られている。この手法は帯域溶融再結晶化法（Ｚｏｎ
ｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｒｅｃｒｙｓｌａｌｌｉｚａｔｉ
ｏｎ、すなわちＺＭＲ法）と呼ばれており、種結晶を用
いないＳＯＩ形成法として知られている。さらには無定
形基板上に種々の方法により核形成密度が高い場所を形
成し、基板上での核形成密度の差を利用しこの上に選択
的に単結晶シリコンを成長させる方法も提案されている
。これらのＳＯＩ形成手法において絶縁性基板上に形成
する単結晶シリコンの結晶配向面は、種結晶を用いる場
合には、その種結晶の結晶面で定められてしまう。また
上述のＺＭＲ法では（１００）面以外の結晶配向面は安
定に得られないのが現状である。そのため、このような
薄膜半導体部材を原料として半導体素子を形成した場合
、その特性は用いた薄膜半導体部材の結晶配向面で定ま
り、半導体素子に適した結晶配向面を選択すること、さ
らには、より高性能な半導体素子を形成するために同一
基板内で異なる配向性を持つＳＯＩ膜を得ること等は極
めて困難であった。このように従来の溶融再結晶化法を
用いたＳＯＩ形成法によって得られた単結晶シリコン薄
膜は、基板全面、あるいは比較的広い領域にわたって連
続的に存在しており、その薄膜半導体材料としての利用
法は、ＴＦＴの活性層としてデバイスの駆動部に利用す
るなど限られたものであった。ましてや、同一基板内に
多結晶シリコンや非晶質シリコン層をもつものを製造す
ることは容易なことではなかった。たとえば、同一基板
内に非晶質シリコンを利用してセンサ部を形成しようと
する場合、フォトリソグラフィにより必要とする領域の
単結晶シリコン薄膜をエッチング除去し、残った単結晶
シリコン薄膜部をマスクした状態で、非晶質シリコンを
ＣＶＤ法等の手法により堆積させるといった、単結晶薄
膜を形成するプロセスに加えて新らたに非晶質シリコン
を形成するプロセスを行う必要があった。
する手法、いわゆるＳＯＩ形成法については従来より数
多く提案されている。これらの多くは絶縁性基板上に非
晶質あるいは多結晶シリコン薄膜を形成し、この非晶質
あるいは多結晶シリコン薄膜を種々の熱源により一度溶
融状態とし、その後冷却固化再結晶化させ、単結晶化と
するものである。この場合の熱源としては、レーザ光、
電子ビーム、種々のランプ光、ワイヤー状のカーボンヒ
ーター等がある。このような従来の溶融再結晶化法を用
いたＳＯＩ形成法によって得られる単結晶シリコンの結
晶配向面（基板表面に現われるシリコンの結晶面）は、
溶融再結晶化時に種結晶を用いる場合にはその種結晶の
配向面により決定される。前記の絶縁性基板が、シリコ
ンウエハー上にシリコン酸化膜あるいは種々の成膜手法
により絶縁膜が形成されているような構成の基板の場合
には種結晶としては、この基板上に非晶質あるいは多結
晶シリコンを形成する前にウエハー上の絶縁膜層に穴を
明け、この穴をおおうように非晶質あるいは多結晶シリ
コンを形成し、前述の溶融再結晶化をこの穴の上部から
行なうことにより、ウエハーの一部を種結晶として使用
できる。しかしながら前記の絶縁性基板が、石英ガラス
等のいわゆる無定形基板の場合、上述の手法による再結
晶膜の配向面の制御はできない。石英ガラス基板上で、
多結晶シリコン膜を形成し、この上に表面保護層として
酸化シリコン膜を形成し、石英ガラス基板と酸化シリコ
ン膜にはさまれた多結晶シリコン層を外部から供給する
熱により帯状に溶融し、再結晶化させた場合には（１０
０）面配向をした単結晶シリコン薄膜が得られることが
知られている。この手法は帯域溶融再結晶化法（Ｚｏｎ
ｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｒｅｃｒｙｓｌａｌｌｉｚａｔｉ
ｏｎ、すなわちＺＭＲ法）と呼ばれており、種結晶を用
いないＳＯＩ形成法として知られている。さらには無定
形基板上に種々の方法により核形成密度が高い場所を形
成し、基板上での核形成密度の差を利用しこの上に選択
的に単結晶シリコンを成長させる方法も提案されている
。これらのＳＯＩ形成手法において絶縁性基板上に形成
する単結晶シリコンの結晶配向面は、種結晶を用いる場
合には、その種結晶の結晶面で定められてしまう。また
上述のＺＭＲ法では（１００）面以外の結晶配向面は安
定に得られないのが現状である。そのため、このような
薄膜半導体部材を原料として半導体素子を形成した場合
、その特性は用いた薄膜半導体部材の結晶配向面で定ま
り、半導体素子に適した結晶配向面を選択すること、さ
らには、より高性能な半導体素子を形成するために同一
基板内で異なる配向性を持つＳＯＩ膜を得ること等は極
めて困難であった。このように従来の溶融再結晶化法を
用いたＳＯＩ形成法によって得られた単結晶シリコン薄
膜は、基板全面、あるいは比較的広い領域にわたって連
続的に存在しており、その薄膜半導体材料としての利用
法は、ＴＦＴの活性層としてデバイスの駆動部に利用す
るなど限られたものであった。ましてや、同一基板内に
多結晶シリコンや非晶質シリコン層をもつものを製造す
ることは容易なことではなかった。たとえば、同一基板
内に非晶質シリコンを利用してセンサ部を形成しようと
する場合、フォトリソグラフィにより必要とする領域の
単結晶シリコン薄膜をエッチング除去し、残った単結晶
シリコン薄膜部をマスクした状態で、非晶質シリコンを
ＣＶＤ法等の手法により堆積させるといった、単結晶薄
膜を形成するプロセスに加えて新らたに非晶質シリコン
を形成するプロセスを行う必要があった。
【０００３】
【目的】本発明の第１の目的は、帯域溶融再結晶化法に
よりＳＯＩを製造するための新らしい方法を提供する点
にある。本発明の第２の目的は、ＳＯＩにおける半導体
層が異った結晶状態の領域および／または異った結晶配
向面をもつ領域よりなる新らしいタイプの多目的用途に
使用できる薄膜半導体装置を提供する点にある。
よりＳＯＩを製造するための新らしい方法を提供する点
にある。本発明の第２の目的は、ＳＯＩにおける半導体
層が異った結晶状態の領域および／または異った結晶配
向面をもつ領域よりなる新らしいタイプの多目的用途に
使用できる薄膜半導体装置を提供する点にある。
【０００４】
【構成】本発明の第１は、絶縁性基板上に半導体層を有
する薄膜半導体装置において、前記半導体層が異った結
晶状態の領域および／または異った結晶配向面をもつ領
域よりなることを特徴とする薄膜半導体装置に関する。 本発明の第２は、前記半導体層が単結晶よりなり、かつ
その結晶配向面が（１００）面をもつ領域と（１１１）
面をもつ領域よりなる請求項１記載の薄膜半導体装置に
関する。 本発明の第３は、前記単結晶よりなる半導体層が帯状ま
たは島状に形成されている請求項２記載の薄膜半導体装
置に関する。本発明の第４は、前記半導体層が、単結晶
領域と多結晶領域とからなる請求項１記載の薄膜半導体
装置に関する。本発明の第５は、前記半導体層が、単結
晶領域と非晶質領域とからなる請求項１記載の薄膜半導
体装置に関する。とくに非晶質領域の水素含有量は１ａ
ｔｏｍ％以下であることが好ましい。本発明の第６は、
前記単結晶領域が、（１００）配向領域、（１１１）配
向領域および（１００）配向領域と（１１１）配向領域
からなる請求項４または５記載の薄膜半導体装置に関す
る。本発明の第７は、絶縁性基板上に形成された非晶質
または多結晶半導体層に帯域溶融再結晶化法を適用して
単結晶層に変換することにより、薄膜半導体装置を製造
する方法において、前記帯域溶融再結晶化の加熱手段と
して半導体層に吸収されるレーザ光と絶縁性基板に吸収
されるレーザ光を併用して同時に照射することを特徴と
する薄膜半導体装置の製法に関する。
する薄膜半導体装置において、前記半導体層が異った結
晶状態の領域および／または異った結晶配向面をもつ領
域よりなることを特徴とする薄膜半導体装置に関する。 本発明の第２は、前記半導体層が単結晶よりなり、かつ
その結晶配向面が（１００）面をもつ領域と（１１１）
面をもつ領域よりなる請求項１記載の薄膜半導体装置に
関する。 本発明の第３は、前記単結晶よりなる半導体層が帯状ま
たは島状に形成されている請求項２記載の薄膜半導体装
置に関する。本発明の第４は、前記半導体層が、単結晶
領域と多結晶領域とからなる請求項１記載の薄膜半導体
装置に関する。本発明の第５は、前記半導体層が、単結
晶領域と非晶質領域とからなる請求項１記載の薄膜半導
体装置に関する。とくに非晶質領域の水素含有量は１ａ
ｔｏｍ％以下であることが好ましい。本発明の第６は、
前記単結晶領域が、（１００）配向領域、（１１１）配
向領域および（１００）配向領域と（１１１）配向領域
からなる請求項４または５記載の薄膜半導体装置に関す
る。本発明の第７は、絶縁性基板上に形成された非晶質
または多結晶半導体層に帯域溶融再結晶化法を適用して
単結晶層に変換することにより、薄膜半導体装置を製造
する方法において、前記帯域溶融再結晶化の加熱手段と
して半導体層に吸収されるレーザ光と絶縁性基板に吸収
されるレーザ光を併用して同時に照射することを特徴と
する薄膜半導体装置の製法に関する。
【０００５】以下、本発明の半導体薄膜層としては、シ
リコンについて詳述するが、本発明はシリコンに限らず
、周期率ＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族の単体、
あるいは化合物半導体であって、その結晶構造がダイヤ
モンド構造、あるいはジンクブレンド構造を持つすべて
の材料に適用可能であり、具体的には、Ｓｉの他Ｇｅ，
ＳｉＣ，ＢＮ，ＢＰ，ＢＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，Ｇａ
Ｐ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ
，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，Ｃ
ｄＴｅ，ＣｄＨｇ等である。
リコンについて詳述するが、本発明はシリコンに限らず
、周期率ＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族の単体、
あるいは化合物半導体であって、その結晶構造がダイヤ
モンド構造、あるいはジンクブレンド構造を持つすべて
の材料に適用可能であり、具体的には、Ｓｉの他Ｇｅ，
ＳｉＣ，ＢＮ，ＢＰ，ＢＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，Ｇａ
Ｐ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ
，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，Ｃ
ｄＴｅ，ＣｄＨｇ等である。
【０００６】本発明に開示される薄膜半導体装置の製法
は絶縁性基板上に帯域溶融再結晶化法で単結晶シリコン
薄膜を形成する場合にシリコンに吸収されるレーザ光と
絶縁性基板に吸収されるレーザ光を同時に照射してシリ
コンを溶融して再結晶させることに特徴がある。さらに
は二つのレーザ光を照射してシリコン層を溶融再結晶化
させるときに二つのレーザ光の出力、ビーム形状、照射
位置等の照射条件を変えてシリコン層の溶融再結晶化領
域の温度プロファイルを制御して得られる単結晶シリコ
ンの結晶配向性を（１００）面あるいは（１１１）面に
制御することに特徴がある。
は絶縁性基板上に帯域溶融再結晶化法で単結晶シリコン
薄膜を形成する場合にシリコンに吸収されるレーザ光と
絶縁性基板に吸収されるレーザ光を同時に照射してシリ
コンを溶融して再結晶させることに特徴がある。さらに
は二つのレーザ光を照射してシリコン層を溶融再結晶化
させるときに二つのレーザ光の出力、ビーム形状、照射
位置等の照射条件を変えてシリコン層の溶融再結晶化領
域の温度プロファイルを制御して得られる単結晶シリコ
ンの結晶配向性を（１００）面あるいは（１１１）面に
制御することに特徴がある。
【０００７】絶縁性基板上に形成された非晶質あるいは
多結晶シリコンの溶融再結晶化法による単結晶シリコン
の形成の様子については以下のように説明できる。種々
の熱源により絶縁性基板上に形成された非晶質あるいは
多結晶シリコンを加熱溶融し（シリコンの融点１４１２
℃）、その加熱個所をシリコン層上で相対的に走査した
場合、溶融したシリコンはその熱源の移動に伴い冷却固
化し、再結晶化する。この時加熱により溶融している部
分の温度分布が図１に示すごとく中央部が高くて周辺部
が低くなっている状況では溶融シリコンの再結晶化は溶
融部の周辺から多数同時に開始し、その結果再結晶化シ
リコンは多結晶体となってしまう。そのような多結晶化
を防いで再結晶化を行なうためには、溶融領域における
温度プロファイル（本発明の中で述べられる温度プロフ
ァイルとはシリコンの溶融再結晶化過程、即ち加熱、溶
融、冷却、固化の一連の現象における温度の変化を表わ
し、具体的には前記の一つあるいは複数の状態における
温度、あるいは温度を表わす物理量を計測することで表
わされる。）を中央部が周辺より低い状態にすれば良い
ことが知られている。こうすることにより図２に示すご
とく再結晶化は常に中央部より始まることになり、再結
晶化シリコンは単結晶として得られることになる。これ
らの加熱源としてはレーザ光が主に用いられ、熱源の走
査速度は概ね数１０ｃｍ／ｓｅｃ程度である。さらに絶
縁性基板上で溶融再結晶化法により単結晶シリコン薄膜
を形成するもう一つの方法としては帯域溶融再結晶化法
（Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉ
ｚａｔｉｏｎ）がある。この方法に単結晶シリコンの形
成の様子は以下のように述べられている。図３にその概
略を示したが溶融再結晶化を行なうシリコン層を帯状に
加熱溶融するときに、帯状に溶融している領域８以外の
シリコン層はシリコンの融点近傍の温度まで加熱してお
いて、その溶融領域を移動させることによりシリコンを
固化再結晶させて単結晶シリコンを得るものである。こ
の時溶融シリコンの凝固の固液界面には図４に示すよう
にシリコンの融点１４１２℃を過ぎても液体の状態を保
っている過冷却状態の領域が存在し、シリコンの再結晶
化の固液界面はこの過冷却領域の中でシリコンの結晶面
の中で一番成長が遅い（１１１）面のファセット（小さ
な結晶面）の集まりにより形成されるといわれている。 単結晶シリコンの形成は帯状の溶融領域８の移動に伴い
、過冷却領域が移動しこの過冷却領域の中でシリコンの
（１１１）面で構成されるファセット面が連続的に成長
することによりなされるものである。この帯状の溶融領
域を形成する手法としては基板上に近接して置かれた線
状のカーボンヒータで加熱する方法、あるいはＲＦ誘導
加熱法等がある。この手法における帯状の溶融領域の移
動速度は概ね数ｍｍ／ｓｅｃ程度であり、再結晶化の固
液界面においては熱平衡に近い状態が実現されているこ
とがこの手法の特徴であるといえる。このような帯域溶
融再結晶化法により形成された再結晶単結晶シリコン薄
膜で絶縁性基板が石英ガラスで（あるいはＳｉＯ２層）
、かつ再結晶化時の表面保護膜として熱ＣＶＤで形成し
たＳｉＯ２の場合には種結晶を使用しないのにもかかわ
らず再結晶化膜の結晶配向面は（１００）面であること
が知られている。
多結晶シリコンの溶融再結晶化法による単結晶シリコン
の形成の様子については以下のように説明できる。種々
の熱源により絶縁性基板上に形成された非晶質あるいは
多結晶シリコンを加熱溶融し（シリコンの融点１４１２
℃）、その加熱個所をシリコン層上で相対的に走査した
場合、溶融したシリコンはその熱源の移動に伴い冷却固
化し、再結晶化する。この時加熱により溶融している部
分の温度分布が図１に示すごとく中央部が高くて周辺部
が低くなっている状況では溶融シリコンの再結晶化は溶
融部の周辺から多数同時に開始し、その結果再結晶化シ
リコンは多結晶体となってしまう。そのような多結晶化
を防いで再結晶化を行なうためには、溶融領域における
温度プロファイル（本発明の中で述べられる温度プロフ
ァイルとはシリコンの溶融再結晶化過程、即ち加熱、溶
融、冷却、固化の一連の現象における温度の変化を表わ
し、具体的には前記の一つあるいは複数の状態における
温度、あるいは温度を表わす物理量を計測することで表
わされる。）を中央部が周辺より低い状態にすれば良い
ことが知られている。こうすることにより図２に示すご
とく再結晶化は常に中央部より始まることになり、再結
晶化シリコンは単結晶として得られることになる。これ
らの加熱源としてはレーザ光が主に用いられ、熱源の走
査速度は概ね数１０ｃｍ／ｓｅｃ程度である。さらに絶
縁性基板上で溶融再結晶化法により単結晶シリコン薄膜
を形成するもう一つの方法としては帯域溶融再結晶化法
（Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉ
ｚａｔｉｏｎ）がある。この方法に単結晶シリコンの形
成の様子は以下のように述べられている。図３にその概
略を示したが溶融再結晶化を行なうシリコン層を帯状に
加熱溶融するときに、帯状に溶融している領域８以外の
シリコン層はシリコンの融点近傍の温度まで加熱してお
いて、その溶融領域を移動させることによりシリコンを
固化再結晶させて単結晶シリコンを得るものである。こ
の時溶融シリコンの凝固の固液界面には図４に示すよう
にシリコンの融点１４１２℃を過ぎても液体の状態を保
っている過冷却状態の領域が存在し、シリコンの再結晶
化の固液界面はこの過冷却領域の中でシリコンの結晶面
の中で一番成長が遅い（１１１）面のファセット（小さ
な結晶面）の集まりにより形成されるといわれている。 単結晶シリコンの形成は帯状の溶融領域８の移動に伴い
、過冷却領域が移動しこの過冷却領域の中でシリコンの
（１１１）面で構成されるファセット面が連続的に成長
することによりなされるものである。この帯状の溶融領
域を形成する手法としては基板上に近接して置かれた線
状のカーボンヒータで加熱する方法、あるいはＲＦ誘導
加熱法等がある。この手法における帯状の溶融領域の移
動速度は概ね数ｍｍ／ｓｅｃ程度であり、再結晶化の固
液界面においては熱平衡に近い状態が実現されているこ
とがこの手法の特徴であるといえる。このような帯域溶
融再結晶化法により形成された再結晶単結晶シリコン薄
膜で絶縁性基板が石英ガラスで（あるいはＳｉＯ２層）
、かつ再結晶化時の表面保護膜として熱ＣＶＤで形成し
たＳｉＯ２の場合には種結晶を使用しないのにもかかわ
らず再結晶化膜の結晶配向面は（１００）面であること
が知られている。
【０００８】本発明者らはこの帯域溶融再結晶化法に着
目し、従来の加熱法とは異なった機能を持った加熱手段
を用いた帯域溶融再結晶化法を発明した。その結果、本
発明方法を用いて従来の帯域溶融再結晶化法においては
困難であった、得られる再結晶化単結晶シリコン膜の配
向面を（１００）面あるいは（１１１）面に制御するこ
とを可能ならしめたものである。本発明の技術的背景に
ついて述べる。本発明においては加熱源としてシリコン
に吸収されるレーザ光（以下第１のレーザ光）と絶縁性
基板に吸収されるレーザ光（以下第２のレーザ光）の２
種類のレーザ光を用いている。これはこれらのレーザ光
が絶縁性基板上に帯域溶融再結晶化法で単結晶シリコン
を形成するのに極めて適した熱源であることによる。最
初に帯域溶融再結晶化法においてレーザ加熱法が他の加
熱法に比べて有利な点について述べる。図２０は従来法
による帯域溶融再結晶化で加熱源として一般的に使用さ
れる線状のヒータによる加熱の様子を示したものである
。シリコンの溶融点に近い温度領域においては熱源の線
状ヒータからの加熱は輻射加熱が主体であり、このよう
な場合基板上の任意の点の熱源から受ける熱量は下記の
式（１）により算出される。
目し、従来の加熱法とは異なった機能を持った加熱手段
を用いた帯域溶融再結晶化法を発明した。その結果、本
発明方法を用いて従来の帯域溶融再結晶化法においては
困難であった、得られる再結晶化単結晶シリコン膜の配
向面を（１００）面あるいは（１１１）面に制御するこ
とを可能ならしめたものである。本発明の技術的背景に
ついて述べる。本発明においては加熱源としてシリコン
に吸収されるレーザ光（以下第１のレーザ光）と絶縁性
基板に吸収されるレーザ光（以下第２のレーザ光）の２
種類のレーザ光を用いている。これはこれらのレーザ光
が絶縁性基板上に帯域溶融再結晶化法で単結晶シリコン
を形成するのに極めて適した熱源であることによる。最
初に帯域溶融再結晶化法においてレーザ加熱法が他の加
熱法に比べて有利な点について述べる。図２０は従来法
による帯域溶融再結晶化で加熱源として一般的に使用さ
れる線状のヒータによる加熱の様子を示したものである
。シリコンの溶融点に近い温度領域においては熱源の線
状ヒータからの加熱は輻射加熱が主体であり、このよう
な場合基板上の任意の点の熱源から受ける熱量は下記の
式（１）により算出される。
【数１】
式（１）の記述からも明らかなように熱源と基板との距
離が２乗の重みで影響する。即ち輻射加熱により帯域溶
融再結晶を安定に行なうための温度プロファイルを実現
する場合には熱源と基板との距離を精緻にコントロール
しなければならない。この熱源に対する要求は線状ヒー
タの場合に留まらず、他の熱源の場合でもその加熱の様
式が輻射加熱による限り必然的なものである。これに対
して加熱源をレーザ光とする場合には熱の発生はレーザ
光の吸収によりなされるので、基板上の温度プロファイ
ルが基板とレーザ光源との距離に影響を受けず、またレ
ーザ光の優れた平行性を考慮するならば光源を任意の位
置から基板上まで導くことが可能である。また従来の加
熱法を用いた帯域溶融再結晶化法では再結晶化の固液界
面において過冷却領域を形成する必要から冷却速度を小
さくしなければならない。従って固液界面の熱勾配を小
さくするために基板全体をシリコンの融点近傍まで加熱
する必要があった。そのために帯域溶融再結晶化を行な
った後の基板は長時間にわたる高温の加熱のため熱変形
を引き起こすことがしばしばあった。また加熱装置が大
がかりになり、あるいは装置上の制約から基板の寸法が
制約される場合もある。これに対してレーザ光を熱源と
する場合にはレーザ光が他の加熱法に比べて充分に高い
エネルギー密度を持っているために、レーザ照射領域は
周囲への熱の逃げに抗して、充分に高い温度に保つこと
が可能である。よって基板全体をシリコンの融点近傍ま
で高温に加熱する必要はなく、従来の帯域溶融再結晶化
法に見られた高温加熱による基板の変形の問題はなく、
また基板加熱のための装置上の制限もない。以上のよう
なレーザ光を加熱源とする場合の特徴に加え、レーザ光
はレンズ、ミラーといった種々の光学部品の組合せによ
りその大きさを任意に変えることができ、また任意の場
所に導くことができるので従来の加熱法では実現が困難
であった基板内の一部分のみを選択的に帯域溶融再結晶
化のプロセスを行なうことが可能である。更には材料へ
のレーザ光の吸収は概ね材料の表面より数１０μｍの深
さで留まるのでレーザを加熱源とする場合には基板のご
く表面のみを加熱しているのに過ぎない。このことによ
り基板表面に適切な耐熱層を形成することにより従来の
帯域溶融再結晶化法では実現できなかったシリコンの融
点より低い融点あるいは軟化点を持つ基板を支持体基板
として使用することも可能である。
離が２乗の重みで影響する。即ち輻射加熱により帯域溶
融再結晶を安定に行なうための温度プロファイルを実現
する場合には熱源と基板との距離を精緻にコントロール
しなければならない。この熱源に対する要求は線状ヒー
タの場合に留まらず、他の熱源の場合でもその加熱の様
式が輻射加熱による限り必然的なものである。これに対
して加熱源をレーザ光とする場合には熱の発生はレーザ
光の吸収によりなされるので、基板上の温度プロファイ
ルが基板とレーザ光源との距離に影響を受けず、またレ
ーザ光の優れた平行性を考慮するならば光源を任意の位
置から基板上まで導くことが可能である。また従来の加
熱法を用いた帯域溶融再結晶化法では再結晶化の固液界
面において過冷却領域を形成する必要から冷却速度を小
さくしなければならない。従って固液界面の熱勾配を小
さくするために基板全体をシリコンの融点近傍まで加熱
する必要があった。そのために帯域溶融再結晶化を行な
った後の基板は長時間にわたる高温の加熱のため熱変形
を引き起こすことがしばしばあった。また加熱装置が大
がかりになり、あるいは装置上の制約から基板の寸法が
制約される場合もある。これに対してレーザ光を熱源と
する場合にはレーザ光が他の加熱法に比べて充分に高い
エネルギー密度を持っているために、レーザ照射領域は
周囲への熱の逃げに抗して、充分に高い温度に保つこと
が可能である。よって基板全体をシリコンの融点近傍ま
で高温に加熱する必要はなく、従来の帯域溶融再結晶化
法に見られた高温加熱による基板の変形の問題はなく、
また基板加熱のための装置上の制限もない。以上のよう
なレーザ光を加熱源とする場合の特徴に加え、レーザ光
はレンズ、ミラーといった種々の光学部品の組合せによ
りその大きさを任意に変えることができ、また任意の場
所に導くことができるので従来の加熱法では実現が困難
であった基板内の一部分のみを選択的に帯域溶融再結晶
化のプロセスを行なうことが可能である。更には材料へ
のレーザ光の吸収は概ね材料の表面より数１０μｍの深
さで留まるのでレーザを加熱源とする場合には基板のご
く表面のみを加熱しているのに過ぎない。このことによ
り基板表面に適切な耐熱層を形成することにより従来の
帯域溶融再結晶化法では実現できなかったシリコンの融
点より低い融点あるいは軟化点を持つ基板を支持体基板
として使用することも可能である。
【０００９】本発明は以上のような帯域溶融再結晶化に
おいてレーザ光を加熱源とすることの利点に加えて上述
の２種類のレーザ光を使用したことから新たな特徴を有
している。図８に本発明が開示するような方法による帯
域溶融再結晶化の様子を示した。絶縁性基板１上に形成
されたシリコン層（半導体層）２に上述の第１のレーザ
光４および第２のレーザ光５を同時に照射すると第１の
レーザ光４はシリコン層２で吸収されここで発熱が生ず
る。また第２のレーザ光５は基板１内で吸収され発熱を
生ずる。即ちシリコン層２は第２のレーザ光５による予
備加熱を受けた状態で第１のレーザ光４により加熱され
ることになる。この時の２種類のレーザ光での加熱領域
の温度プロファイルは図９に示すように第２のレーザ光
のビーム径（α２）を大きく、第１のレーザビーム径（
α１）を狭くし、２種類のレーザ光の出力を最適化する
ことによりシリコンの溶融領域を形成することができる
。このような温度プロファイルはレーザ光で加熱される
領域においては先の図３に示したような帯域溶融再結晶
化を実現する温度プロファイルと本質的に同じであり、
このような温度プロファイルを保持しつつビームを基板
と相対的に走査することにより前述の帯域溶融再結晶化
のメカニズムにより再結晶化単結晶シリコンが得られる
。さらに本手法では第１のレーザ光の照射による熱の発
生はシリコン薄膜層内で起こり、第２のレーザ光の照射
による熱の発生は絶縁性基板内で起こるというような異
なる場所での熱の発生を起こさせることが可能である点
に大きな特徴がある。本発明者らはこの２波長レーザ帯
域溶融再結晶化法の特徴に着目し本手法による絶縁性基
板上にシリコン薄膜の帯域溶融再結晶化法を詳細に検討
し、本手法で無定形の絶縁性基板上で種結晶を使用する
ことなしに帯域溶融再結晶化法により（１００）面配向
及び（１１１）面配向の単結晶シリコンを得ることが可
能であるという結論に達した。以下にその詳細について
述べる。無定形基板上で帯域溶融再結晶化法により単結
晶シリコンを得るためには基板上で加熱溶融したシリコ
ン融液が冷却固化再結晶を行なう再結晶の固液界面に過
冷却状態の融液が存在し、この過冷却状態の中で固液界
面がシリコンの（１１１）面で構成されるファセット面
であることが必要であることは既に述べた。図１０は絶
縁性基板上に多結晶シリコンを形成しこの多結晶シリコ
ンを加熱溶融後、再結晶化させる時に溶融シリコンの温
度を種々変化させて再結晶化させたときの再結晶化シリ
コンの結晶配向性の変化を再結晶化膜のＸ線ピークで示
したものである。図に示すようにシリコン融液の温度の
違いにより再結晶化シリコンの結晶配向面が（１００）
面の場合と（１１１）面の場合がある。このようにシリ
コンの融液時の温度が再結晶化シリコンの配向性を決定
する一つの要因になっている。つぎに結晶配向面が（１
００）面と（１１１）面と異なる単結晶シリコン薄膜が
溶融再結晶化により得られる場合の再結晶化の固液界面
のファセット構造がどのようになるかを図で示すと、図
１１のように結晶配向面が（１００）面あるいは（１１
１）面に決まると、その結晶学的制限から固液界面のフ
ァセット面は異なる角度で傾くことが要求される。すな
わち、（１００）面配向のときは（ａ）で示すようにフ
ァセット面は５５°であり、（１１１）面配向のときは
（ｂ）で示すようにファセット面は７０°である。この
傾き以外の条件では（１００）面あるいは（１１１）面
は安定に得られない。 熱シュミレーション等によりこのようなファセット面の
傾きには深さ方向での温度勾配が必要であること、また
望ましい温度勾配の実現には基板内で発生する熱の効果
が大きいこともわかった。本発明は以上のような背景の
もとに絶縁基板上でシリコンの帯域溶融再結晶化を行な
う場合、再結晶化膜の結晶配向性を（１００）面あるい
は（１１１）面に制御することを目的として深さ方向で
異なる場所に熱の発生を行なうためにシリコンに吸収さ
れるレーザ光（第１のレーザ光）と絶縁性基板に吸収さ
れるレーザ光（第２のレーザ光）を同時に照射し、帯域
溶融再結晶化における温度プロファイルを制御するもの
である。
おいてレーザ光を加熱源とすることの利点に加えて上述
の２種類のレーザ光を使用したことから新たな特徴を有
している。図８に本発明が開示するような方法による帯
域溶融再結晶化の様子を示した。絶縁性基板１上に形成
されたシリコン層（半導体層）２に上述の第１のレーザ
光４および第２のレーザ光５を同時に照射すると第１の
レーザ光４はシリコン層２で吸収されここで発熱が生ず
る。また第２のレーザ光５は基板１内で吸収され発熱を
生ずる。即ちシリコン層２は第２のレーザ光５による予
備加熱を受けた状態で第１のレーザ光４により加熱され
ることになる。この時の２種類のレーザ光での加熱領域
の温度プロファイルは図９に示すように第２のレーザ光
のビーム径（α２）を大きく、第１のレーザビーム径（
α１）を狭くし、２種類のレーザ光の出力を最適化する
ことによりシリコンの溶融領域を形成することができる
。このような温度プロファイルはレーザ光で加熱される
領域においては先の図３に示したような帯域溶融再結晶
化を実現する温度プロファイルと本質的に同じであり、
このような温度プロファイルを保持しつつビームを基板
と相対的に走査することにより前述の帯域溶融再結晶化
のメカニズムにより再結晶化単結晶シリコンが得られる
。さらに本手法では第１のレーザ光の照射による熱の発
生はシリコン薄膜層内で起こり、第２のレーザ光の照射
による熱の発生は絶縁性基板内で起こるというような異
なる場所での熱の発生を起こさせることが可能である点
に大きな特徴がある。本発明者らはこの２波長レーザ帯
域溶融再結晶化法の特徴に着目し本手法による絶縁性基
板上にシリコン薄膜の帯域溶融再結晶化法を詳細に検討
し、本手法で無定形の絶縁性基板上で種結晶を使用する
ことなしに帯域溶融再結晶化法により（１００）面配向
及び（１１１）面配向の単結晶シリコンを得ることが可
能であるという結論に達した。以下にその詳細について
述べる。無定形基板上で帯域溶融再結晶化法により単結
晶シリコンを得るためには基板上で加熱溶融したシリコ
ン融液が冷却固化再結晶を行なう再結晶の固液界面に過
冷却状態の融液が存在し、この過冷却状態の中で固液界
面がシリコンの（１１１）面で構成されるファセット面
であることが必要であることは既に述べた。図１０は絶
縁性基板上に多結晶シリコンを形成しこの多結晶シリコ
ンを加熱溶融後、再結晶化させる時に溶融シリコンの温
度を種々変化させて再結晶化させたときの再結晶化シリ
コンの結晶配向性の変化を再結晶化膜のＸ線ピークで示
したものである。図に示すようにシリコン融液の温度の
違いにより再結晶化シリコンの結晶配向面が（１００）
面の場合と（１１１）面の場合がある。このようにシリ
コンの融液時の温度が再結晶化シリコンの配向性を決定
する一つの要因になっている。つぎに結晶配向面が（１
００）面と（１１１）面と異なる単結晶シリコン薄膜が
溶融再結晶化により得られる場合の再結晶化の固液界面
のファセット構造がどのようになるかを図で示すと、図
１１のように結晶配向面が（１００）面あるいは（１１
１）面に決まると、その結晶学的制限から固液界面のフ
ァセット面は異なる角度で傾くことが要求される。すな
わち、（１００）面配向のときは（ａ）で示すようにフ
ァセット面は５５°であり、（１１１）面配向のときは
（ｂ）で示すようにファセット面は７０°である。この
傾き以外の条件では（１００）面あるいは（１１１）面
は安定に得られない。 熱シュミレーション等によりこのようなファセット面の
傾きには深さ方向での温度勾配が必要であること、また
望ましい温度勾配の実現には基板内で発生する熱の効果
が大きいこともわかった。本発明は以上のような背景の
もとに絶縁基板上でシリコンの帯域溶融再結晶化を行な
う場合、再結晶化膜の結晶配向性を（１００）面あるい
は（１１１）面に制御することを目的として深さ方向で
異なる場所に熱の発生を行なうためにシリコンに吸収さ
れるレーザ光（第１のレーザ光）と絶縁性基板に吸収さ
れるレーザ光（第２のレーザ光）を同時に照射し、帯域
溶融再結晶化における温度プロファイルを制御するもの
である。
【００１０】以下図１３を用いて本発明における薄膜半
導体部材の構成要素について述べる。支持体基板１は絶
縁性材料で構成される。単体材料としては石英ガラス、
セラミック等の耐熱性の有する絶縁性材料が用いられる
が、金属、あるいは半導体の上に適当な絶縁膜を形成し
た基板もまた本発明の支持体基板として用いることがで
きる。具体的にはシリコンウエハー上に絶縁性材料とし
てＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４等を形成したものである。ある
いはＦｅ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属の上にＳｉＯ２，Ｓｉ３
Ｎ４等の絶縁性材料を形成したものもまた支持体基板と
して使用可能である。さらには耐熱層を形成することに
よりシリコンの融点より低い材料も支持体基板として用
いることができる。耐熱層を構成する材料としては絶縁
性のものではＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ
２，Ｓｉ３Ｎ４，ＢＮ等、また導電性のものではＴｉＣ
，ＳｉＣ等がある。耐熱層を導電性のもので構成する場
合には上記の絶縁性材料と組み合わせて用いる必要があ
る。また場合によっては耐熱性材料を複数組み合わせて
使用することもできる。これらの材料をプラズマＣＶＤ
法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯ−
ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラ
スタ成膜法等の各種成膜法や、イオン注入法等の各種材
料改質のための手法を用いて形成する。半導体あるいは
金属材料上に絶縁性材料を形成して支持体基板として用
いる場合、あるいは低融点材料上に耐熱層あるいは絶縁
層を形成して支持体基板として用いる場合には絶縁層、
耐熱層の厚さは用いる材料の第２のレーザ光の吸収を考
慮にいれて定めることが望ましく、例えば第２のレーザ
光に炭酸ガスレーザ光を用い、絶縁層あるいは耐熱層材
料としてＳｉＯ２を形成する場合にはその膜厚は５０μ
ｍ程度である。石英ガラス基板のような絶縁性材料を単
体で支持体基板として用いる場合にはその機械的強度を
保つ要求から通例レーザの吸収厚さに比べて充分に厚い
寸法が選ばれる。 その値は通常０．３ｍｍ〜５．０ｍｍであり、望ましく
は０．５ｍｍ〜２．０ｍｍである。支持体基板１上で２
波長レーザ帯域溶融再結晶化法により単結晶化されるシ
リコン層２は多結晶シリコンあるいは非晶質シリコンで
構成される。このシリコン層２はプラズマＣＶＤ法、熱
ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ
法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラスタ成
膜法等の各種成膜法や、イオン注入法等の各種材料改質
のための手法を用いて形成する。またこのシリコン層２
は帯域溶融再結晶化過程において必要と判断される場合
には通常のフォトリソグラフィーの手法を用いて任意の
形状に加工される場合もある。具体的には図５、図６、
図７のようなストライプ状あるいは島状、あるいは連結
島状であるが、これらの目的はいずれも支持体基板１上
でシリコン融液の移動を制限し、よってファセット成長
の安定性の向上を目的としたものであり、従来より帯域
溶融再結晶化法によってしばしば用いられる手法である
。このようなシリコン層２の加工は再結晶化により得ら
れる単結晶シリコン層の膜厚の均一性の向上には寄与す
るが、配向性を決定するものではない。シリコン層２の
膜厚は０．１μｍ〜５．０μｍの範囲で再結晶化に使用
でき、望ましくは０．３μｍ〜１．０μｍの範囲である
。表面保護膜３は帯域溶融再結晶化手法による単結晶シ
リコン薄膜の形成において不可欠なものである。これは
帯域溶融再結晶化過程において溶融シリコンの蒸発ある
いは表面張力による丸まり現象（ビードアップ現象）を
防ぐ目的で形成される。この表面保護層３は絶縁性材料
により構成され、望ましい材料としてはＳｉＯ２，Ｓｉ
Ｏ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＮであり、これらを単独にあるい
は複数組み合わせてシリコン層２に形成する。表面保護
膜３の形成方法としてはプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法
、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、スパ
ッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラスタ成膜法等の
各種成膜法や、イオン注入法等の各種材料改質のための
手法等である。膜厚は概ね０．５μｍ〜５．０μｍの範
囲で最適化されて形成されるが、望ましくは１．０μｍ
〜２．０μｍである。この表面保護層３は本発明による
薄膜半導体装置を原料として半導体素子を形成する工程
において除去される場合もある。
導体部材の構成要素について述べる。支持体基板１は絶
縁性材料で構成される。単体材料としては石英ガラス、
セラミック等の耐熱性の有する絶縁性材料が用いられる
が、金属、あるいは半導体の上に適当な絶縁膜を形成し
た基板もまた本発明の支持体基板として用いることがで
きる。具体的にはシリコンウエハー上に絶縁性材料とし
てＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４等を形成したものである。ある
いはＦｅ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属の上にＳｉＯ２，Ｓｉ３
Ｎ４等の絶縁性材料を形成したものもまた支持体基板と
して使用可能である。さらには耐熱層を形成することに
よりシリコンの融点より低い材料も支持体基板として用
いることができる。耐熱層を構成する材料としては絶縁
性のものではＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ
２，Ｓｉ３Ｎ４，ＢＮ等、また導電性のものではＴｉＣ
，ＳｉＣ等がある。耐熱層を導電性のもので構成する場
合には上記の絶縁性材料と組み合わせて用いる必要があ
る。また場合によっては耐熱性材料を複数組み合わせて
使用することもできる。これらの材料をプラズマＣＶＤ
法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯ−
ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラ
スタ成膜法等の各種成膜法や、イオン注入法等の各種材
料改質のための手法を用いて形成する。半導体あるいは
金属材料上に絶縁性材料を形成して支持体基板として用
いる場合、あるいは低融点材料上に耐熱層あるいは絶縁
層を形成して支持体基板として用いる場合には絶縁層、
耐熱層の厚さは用いる材料の第２のレーザ光の吸収を考
慮にいれて定めることが望ましく、例えば第２のレーザ
光に炭酸ガスレーザ光を用い、絶縁層あるいは耐熱層材
料としてＳｉＯ２を形成する場合にはその膜厚は５０μ
ｍ程度である。石英ガラス基板のような絶縁性材料を単
体で支持体基板として用いる場合にはその機械的強度を
保つ要求から通例レーザの吸収厚さに比べて充分に厚い
寸法が選ばれる。 その値は通常０．３ｍｍ〜５．０ｍｍであり、望ましく
は０．５ｍｍ〜２．０ｍｍである。支持体基板１上で２
波長レーザ帯域溶融再結晶化法により単結晶化されるシ
リコン層２は多結晶シリコンあるいは非晶質シリコンで
構成される。このシリコン層２はプラズマＣＶＤ法、熱
ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ
法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラスタ成
膜法等の各種成膜法や、イオン注入法等の各種材料改質
のための手法を用いて形成する。またこのシリコン層２
は帯域溶融再結晶化過程において必要と判断される場合
には通常のフォトリソグラフィーの手法を用いて任意の
形状に加工される場合もある。具体的には図５、図６、
図７のようなストライプ状あるいは島状、あるいは連結
島状であるが、これらの目的はいずれも支持体基板１上
でシリコン融液の移動を制限し、よってファセット成長
の安定性の向上を目的としたものであり、従来より帯域
溶融再結晶化法によってしばしば用いられる手法である
。このようなシリコン層２の加工は再結晶化により得ら
れる単結晶シリコン層の膜厚の均一性の向上には寄与す
るが、配向性を決定するものではない。シリコン層２の
膜厚は０．１μｍ〜５．０μｍの範囲で再結晶化に使用
でき、望ましくは０．３μｍ〜１．０μｍの範囲である
。表面保護膜３は帯域溶融再結晶化手法による単結晶シ
リコン薄膜の形成において不可欠なものである。これは
帯域溶融再結晶化過程において溶融シリコンの蒸発ある
いは表面張力による丸まり現象（ビードアップ現象）を
防ぐ目的で形成される。この表面保護層３は絶縁性材料
により構成され、望ましい材料としてはＳｉＯ２，Ｓｉ
Ｏ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＮであり、これらを単独にあるい
は複数組み合わせてシリコン層２に形成する。表面保護
膜３の形成方法としてはプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法
、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、スパ
ッタ法、真空蒸着法、イオンビームクラスタ成膜法等の
各種成膜法や、イオン注入法等の各種材料改質のための
手法等である。膜厚は概ね０．５μｍ〜５．０μｍの範
囲で最適化されて形成されるが、望ましくは１．０μｍ
〜２．０μｍである。この表面保護層３は本発明による
薄膜半導体装置を原料として半導体素子を形成する工程
において除去される場合もある。
【００１１】本発明の２波長レーザ帯域溶融再結晶化法
における第１のレーザ光としてはシリコンに吸収帯域（
おおよそ１．２μｍより短波長側）にある波長の光を出
すレーザ光を広く使用できる。具体的には短波長領域の
各種のエキシマレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ａｒレーザ
、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライ
トレーザ、ＹＡＧレーザ、あるいは半導体レーザ等が使
用可能である。帯域溶融再結晶化に必要な温度プロファ
イルを形成する熱源とするという観点からは取りだし可
能な出力が比較的大きいこと、また連続発振が可能なレ
ーザであることが望ましく、Ａｒレーザ、ＹＡＧレーザ
、あるいは高出力の半導体レーザから選ぶことが望まし
い。これらのレーザ光はその照射領域を広くするためビ
ームの途中にレーザビームエクスパンダを挿入しビーム
を拡大することも可能であり、さらにはレーザビームを
複数本用いてビームを合成して使用することも可能であ
る。シリコン層に照射する場合のビーム形状としては帯
域溶融再結晶化法の実現に好適なように均一な線状ビー
ムが好ましい。種々の光学機械を用いてビーム形状を線
状で均一にすることが可能である。また前述のごとく複
数本のビームにより均一で線状のビームを形成すること
が可能である。さらにはビームの高速走査により擬似的
に線状のビームを形成することも可能である。基板の予
備加熱に用いられる第２のレーザ光としては絶縁性材料
に吸収のあるレーザ光を広く使用することができる。赤
外領域のレーザ光は広く絶縁性材料に吸収されるので第
２のレーザ光としては好適である。具体的には炭酸ガス
レーザあるいは一酸化炭素ガスレーザ等が使用できる。 第２のレーザビームのビーム形状としては必ずしも線状
である必要はない。前述の第１のレーザビームに重ねて
照射する場合において、第１のレーザの加熱により溶融
してシリコンの再結晶化の熱プロファイルを制御するの
に充分な大きさのビーム形状であれば良く図１４のごと
く線状に形成した第１のレーザビームの長さをＬ１とす
ると第２のレーザのこの方向での長さＬ２はＬ２＞Ｌ１
が必要であり、望ましくはＬ２＞１．２Ｌ１である。な
お、レーザビームは通常は丸形で得られるが、種々の手
段により細長い楕円状や実質長方形の形状にしたりして
使用することができる。
における第１のレーザ光としてはシリコンに吸収帯域（
おおよそ１．２μｍより短波長側）にある波長の光を出
すレーザ光を広く使用できる。具体的には短波長領域の
各種のエキシマレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ａｒレーザ
、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライ
トレーザ、ＹＡＧレーザ、あるいは半導体レーザ等が使
用可能である。帯域溶融再結晶化に必要な温度プロファ
イルを形成する熱源とするという観点からは取りだし可
能な出力が比較的大きいこと、また連続発振が可能なレ
ーザであることが望ましく、Ａｒレーザ、ＹＡＧレーザ
、あるいは高出力の半導体レーザから選ぶことが望まし
い。これらのレーザ光はその照射領域を広くするためビ
ームの途中にレーザビームエクスパンダを挿入しビーム
を拡大することも可能であり、さらにはレーザビームを
複数本用いてビームを合成して使用することも可能であ
る。シリコン層に照射する場合のビーム形状としては帯
域溶融再結晶化法の実現に好適なように均一な線状ビー
ムが好ましい。種々の光学機械を用いてビーム形状を線
状で均一にすることが可能である。また前述のごとく複
数本のビームにより均一で線状のビームを形成すること
が可能である。さらにはビームの高速走査により擬似的
に線状のビームを形成することも可能である。基板の予
備加熱に用いられる第２のレーザ光としては絶縁性材料
に吸収のあるレーザ光を広く使用することができる。赤
外領域のレーザ光は広く絶縁性材料に吸収されるので第
２のレーザ光としては好適である。具体的には炭酸ガス
レーザあるいは一酸化炭素ガスレーザ等が使用できる。 第２のレーザビームのビーム形状としては必ずしも線状
である必要はない。前述の第１のレーザビームに重ねて
照射する場合において、第１のレーザの加熱により溶融
してシリコンの再結晶化の熱プロファイルを制御するの
に充分な大きさのビーム形状であれば良く図１４のごと
く線状に形成した第１のレーザビームの長さをＬ１とす
ると第２のレーザのこの方向での長さＬ２はＬ２＞Ｌ１
が必要であり、望ましくはＬ２＞１．２Ｌ１である。な
お、レーザビームは通常は丸形で得られるが、種々の手
段により細長い楕円状や実質長方形の形状にしたりして
使用することができる。
【００１２】第２のレーザは第１のレーザ光と共にシリ
コン層の帯域溶融再結晶化の熱源として用いられるが、
第１のレーザ光での加熱が主としてシリコンを溶融する
ことを目的として用いられるのに対して第２のレーザ光
での加熱は溶融シリコンの冷却固化再結晶化過程を制御
するために用いられる。そのため第２のレーザ光で加熱
される領域は均一な温度プロファイルを示すようにしな
ければならない。そのために第２のレーザ光のビームは
第１のレーザ光のビームに比べて広い領域で均一なパワ
ー密度であることが必要である。カライドスコープ、セ
グメントミラー等の種々の光学機器を用いてビーム出力
を平坦化することが可能である。また前述の第１のレー
ザ光の場合と同様に複数のレーザビームを合成して平坦
な合成ビームを形成しても良い。またビームを走査する
ことで加熱部の温度プロファイルを平坦化することも可
能である。またこれらのレーザ光としては連続発振型の
他にパルス発振型のレーザ光を使用することも可能であ
る。このようにして第２のレーザ光のビームは概ね第１
のレーザ光のビームを囲うような配置で基板上に照射さ
れるが、第２のレーザ光のビームの外周近傍においては
ビーム内部とビーム外部の大きな温度差によりたとえビ
ーム強度が均一であっても温度勾配が生ずる場合がある
。このような場合にはビームの外周部を強調したビーム
プロファイルを用いて温度の平坦化を図ることもできる
。
コン層の帯域溶融再結晶化の熱源として用いられるが、
第１のレーザ光での加熱が主としてシリコンを溶融する
ことを目的として用いられるのに対して第２のレーザ光
での加熱は溶融シリコンの冷却固化再結晶化過程を制御
するために用いられる。そのため第２のレーザ光で加熱
される領域は均一な温度プロファイルを示すようにしな
ければならない。そのために第２のレーザ光のビームは
第１のレーザ光のビームに比べて広い領域で均一なパワ
ー密度であることが必要である。カライドスコープ、セ
グメントミラー等の種々の光学機器を用いてビーム出力
を平坦化することが可能である。また前述の第１のレー
ザ光の場合と同様に複数のレーザビームを合成して平坦
な合成ビームを形成しても良い。またビームを走査する
ことで加熱部の温度プロファイルを平坦化することも可
能である。またこれらのレーザ光としては連続発振型の
他にパルス発振型のレーザ光を使用することも可能であ
る。このようにして第２のレーザ光のビームは概ね第１
のレーザ光のビームを囲うような配置で基板上に照射さ
れるが、第２のレーザ光のビームの外周近傍においては
ビーム内部とビーム外部の大きな温度差によりたとえビ
ーム強度が均一であっても温度勾配が生ずる場合がある
。このような場合にはビームの外周部を強調したビーム
プロファイルを用いて温度の平坦化を図ることもできる
。
【００１３】２波長レーザ帯域溶融再結晶化法において
用いられる第１のレーザ光と第２のレーザ光は前述の構
成の他にそれぞれのレーザ光の強度が照射している場所
の温度の変化に応じて変調できなければならない。本発
明は帯域溶融再結晶化法により（１００）面と（１１１
）面の異なる配向面を有する単結晶シリコンの再結晶化
膜を制御して得ることである。２波長レーザ帯域溶融再
結晶化法において異なる配向面の再結晶化膜が得られる
機構については前に述べた。このような溶融シリコンの
温度の範囲あるいは固液界面のファセット面の傾きを決
定する温度勾配のような溶融再結晶化温度プロファイル
を実現するためには照射するレーザ光の出力をフィード
バックにより制御することが必要である。何故なら第１
のレーザ光あるいは第２のレーザ光の吸収により発生す
る熱量は吸収する層の膜厚、表面の反射率等様々な要因
により変化する。従って帯域溶融再結晶化過程を通じて
温度プロファイルを安定に制御するためには光強度のフ
ィードバック制御が必要である。更には前に述べた理由
により配向性の制御のためには温度プロファイルのコン
トロールが必要である。このようなレーザの光強度のフ
ィードバック制御としては図１５のごとく照射部の温度
情報を帰還信号としてレーザ電源回路に取り込みレーザ
出力を制御する方法がある。あるいはレーザ発振器と試
料との間に光の強度を外部信号により連続的に変化させ
る機構を置き照射部の温度変化に応じてこの機構を制御
する方法も可能である。光の強度を連続的に変化させる
機構としては例えば２枚の偏向板の組合せを利用しても
良い。このような光出力のフィードバック制御機構を備
えた第１及び第２のレーザ光の照射の方法は基板上で二
つのレーザ光の照射で図９に示したような熱プロファイ
ルが形成され帯域溶融再結晶化法が実現できる照射の方
法であれば特に制限はない。更には図９に示す熱プロフ
ァイルに関しても帯域溶融再結晶化について重要なのは
溶融状態から固化にいたる過程であるので、熱プロファ
イルがビームの走査方向について対称形である必要もな
い。以下に本発明の具体的な実施例について述べる。
用いられる第１のレーザ光と第２のレーザ光は前述の構
成の他にそれぞれのレーザ光の強度が照射している場所
の温度の変化に応じて変調できなければならない。本発
明は帯域溶融再結晶化法により（１００）面と（１１１
）面の異なる配向面を有する単結晶シリコンの再結晶化
膜を制御して得ることである。２波長レーザ帯域溶融再
結晶化法において異なる配向面の再結晶化膜が得られる
機構については前に述べた。このような溶融シリコンの
温度の範囲あるいは固液界面のファセット面の傾きを決
定する温度勾配のような溶融再結晶化温度プロファイル
を実現するためには照射するレーザ光の出力をフィード
バックにより制御することが必要である。何故なら第１
のレーザ光あるいは第２のレーザ光の吸収により発生す
る熱量は吸収する層の膜厚、表面の反射率等様々な要因
により変化する。従って帯域溶融再結晶化過程を通じて
温度プロファイルを安定に制御するためには光強度のフ
ィードバック制御が必要である。更には前に述べた理由
により配向性の制御のためには温度プロファイルのコン
トロールが必要である。このようなレーザの光強度のフ
ィードバック制御としては図１５のごとく照射部の温度
情報を帰還信号としてレーザ電源回路に取り込みレーザ
出力を制御する方法がある。あるいはレーザ発振器と試
料との間に光の強度を外部信号により連続的に変化させ
る機構を置き照射部の温度変化に応じてこの機構を制御
する方法も可能である。光の強度を連続的に変化させる
機構としては例えば２枚の偏向板の組合せを利用しても
良い。このような光出力のフィードバック制御機構を備
えた第１及び第２のレーザ光の照射の方法は基板上で二
つのレーザ光の照射で図９に示したような熱プロファイ
ルが形成され帯域溶融再結晶化法が実現できる照射の方
法であれば特に制限はない。更には図９に示す熱プロフ
ァイルに関しても帯域溶融再結晶化について重要なのは
溶融状態から固化にいたる過程であるので、熱プロファ
イルがビームの走査方向について対称形である必要もな
い。以下に本発明の具体的な実施例について述べる。
【００１４】
【実施例】実施例１（異った結晶配向面をもつ領域を含
む単結晶層をもつＴＦＴ）本実施例では第１のレーザ光
としてＡｒレーザ光、第２のレーザ光として炭酸ガスレ
ーザ光を用いた。図１７に示すようにＡｒレーザ発振器
２７より発射されたＡｒレーザ光５１はビーム径１．９
ｍｍのものをマルチラインの発振状態で用い、線状のビ
ーム形状を形成するために凸レンズ２６を試料２１上で
焦点を結ぶように配置し更に振動機構２７を備えたミラ
ー２８を凸レンズ２６と試料２１の中間に配し、試料２
１上でビームスポットをレーザ光の走査方向と直交する
方向に振動させて試料２１上で線状の熱プロファイルを
形成する。炭酸ガスレーザ光は４台の炭酸ガスレーザ発
振器３５，３６，３７，３８を用いてそれぞれミラー３
１，３２，３３，３４を介して試料２１上に導いた。 炭酸ガスレーザ光のビーム径はそれぞれ５ｍｍのものを
用いた。Ａｒレーザ光５１は放射温度計からなる温度検
出部２９とフィードバック制御部２４よりレーザ電源２
３を制御し、ビームの走査を通じて測定部の温度が一定
になるようにその出力を制御されている。また炭酸ガス
レーザ光５２，５３，５４，５５もＡｒレーザ光５１と
同様に放射温度計からなる温度検出部３０とフィードバ
ック制御部４３を通じて各々のレーザ電源３９，４０，
４１，４２が制御される。再結晶化膜を形成する基板は
以下のようにして作成する。図１３において支持体基板
１は厚さ１．０ｍｍの透明石英ガラス基板を用いた。こ
のガラス支持体基板１を常法により洗浄し減圧化学気相
成長装置（ＬＰＣＶＤ装置）を用い帯域溶融再結晶化法
により単結晶化されるシリコン層２として多結晶シリコ
ン薄膜を形成した。その膜厚は３５００Åである。つぎ
にこの多結晶シリコン薄膜２をフォトリソグラフィーの
手法により図５のように巾１００μｍのストライプでス
トライプ間隔１００μｍに加工した。ついでこのストラ
イプ状の多結晶シリコンの上にＬＰＣＶＤ装置を用いて
帯域溶融再結晶化の時の表面保護層としてＳｉＯ２薄膜
３を厚さ１．２μｍに形成した。このように形成した多
結晶シリコン薄膜試料を前述のＡｒレーザ光（第１のレ
ーザ光）と炭酸ガスレーザ光（第２のレーザ光）で同時
に照射加熱溶融し帯域溶融再結晶化法により単結晶化す
る。 第１のレーザ光と第２のレーザ光の配置は次のようであ
る。多結晶シリコンストライプに直交するようにＡｒレ
ーザ光５１はミラー２８を用いて振動させた。この時の
ミラーの振動周波数は１ｋＨｚに設定した。またミラー
の振幅はシリコン層上でＡｒレーザ光５１のビームの振
れ幅が１ｍｍになるように設定した。４つの炭酸ガスレ
ーザ発振器３５，３６，３７，３８より発射された４本
の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５は図１８に
示すごとく線状のＡｒレーザ光５１の照射位置を囲うよ
うに対峙するビーム間隔３ｍｍで配置した（図１８は図
１４の関係を満した具体例である）。Ａｒレーザ光５１
の出力を２．０Ｗ一定とし、ビームを振動させながら４
本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出力を
上昇していくと振動するＡｒレーザ光５１のビームの照
射する位置のシリコン層が溶融する。この状態において
図９に示したような帯域溶融再結晶化のための熱プロフ
ァイルが基板１上で実現されている。ついでステージ２
５に備えた試料移動機構により試料２１を線状のＡｒレ
ーザビームが多結晶シリコンストライプ９に直交するよ
うに移動させるとＡｒレーザ光５１の照射部のシリコン
の溶融領域８は試料２１上でのレーザビームの相対的な
走査に伴い、走査方向の下流側まで伸びていき、４本の
炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５で熱的にガー
ドされている周囲に熱を放出しながら冷却固化再結晶を
行ない、幅１００μｍの単結晶ストライプとなる。この
時のシリコン溶融部の下流側への伸びは試料の移動速度
、炭酸ガスレーザ光の出力等により異なるが、試料２１
の移動速度１ｍｍ／ｓ、４本の炭酸ガスレーザ光５２，
５３，５４，５５の出力が各々３０Ｗのとき、溶融シリ
コンの下流側への伸びはおおよそ１ｍｍであった。つい
で温度検出部２９でＡｒレーザ光５１の照射部のシリコ
ンの融液の温度を検知し（測温部Ａ）、前述の制御法に
より温度が一定になるようにＡｒレーザ光５１の出力を
制御し、更にもう一つの温度検出部３０で試料２１の走
査に伴って下流側に伸びてくるシリコン融液の固化部よ
り更に下流側５００μｍの位置の温度を検知し（測温部
Ｂ）、同様に前述の制御法により温度が一定になるよう
に４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出
力を制御した。このように測温部Ａ、Ｂの２カ所の温度
を一定に制御することによりレーザ光の基板上の走査全
般に渡って安定な再結晶化膜を得ることができた。更に
測温部Ａ、Ｂの２カ所の温度を表１に示す範囲に設定す
ると同一基板上でレーザビームの走査により得られた単
結晶シリコンの配向面は（１００）面配向と（１１１）
面配向であった。以上の操作の繰返しにより２波長レー
ザ帯域溶融再結晶化法により配向性を制御しつつ基板１
上の多結晶シリコンストライプを単結晶化した。この後
、表面保護層３のＳｉＯ２薄膜３を緩衝フッ酸溶液にて
エッチング除去した。以上により本発明の薄膜半導体装
置が完成した。
む単結晶層をもつＴＦＴ）本実施例では第１のレーザ光
としてＡｒレーザ光、第２のレーザ光として炭酸ガスレ
ーザ光を用いた。図１７に示すようにＡｒレーザ発振器
２７より発射されたＡｒレーザ光５１はビーム径１．９
ｍｍのものをマルチラインの発振状態で用い、線状のビ
ーム形状を形成するために凸レンズ２６を試料２１上で
焦点を結ぶように配置し更に振動機構２７を備えたミラ
ー２８を凸レンズ２６と試料２１の中間に配し、試料２
１上でビームスポットをレーザ光の走査方向と直交する
方向に振動させて試料２１上で線状の熱プロファイルを
形成する。炭酸ガスレーザ光は４台の炭酸ガスレーザ発
振器３５，３６，３７，３８を用いてそれぞれミラー３
１，３２，３３，３４を介して試料２１上に導いた。 炭酸ガスレーザ光のビーム径はそれぞれ５ｍｍのものを
用いた。Ａｒレーザ光５１は放射温度計からなる温度検
出部２９とフィードバック制御部２４よりレーザ電源２
３を制御し、ビームの走査を通じて測定部の温度が一定
になるようにその出力を制御されている。また炭酸ガス
レーザ光５２，５３，５４，５５もＡｒレーザ光５１と
同様に放射温度計からなる温度検出部３０とフィードバ
ック制御部４３を通じて各々のレーザ電源３９，４０，
４１，４２が制御される。再結晶化膜を形成する基板は
以下のようにして作成する。図１３において支持体基板
１は厚さ１．０ｍｍの透明石英ガラス基板を用いた。こ
のガラス支持体基板１を常法により洗浄し減圧化学気相
成長装置（ＬＰＣＶＤ装置）を用い帯域溶融再結晶化法
により単結晶化されるシリコン層２として多結晶シリコ
ン薄膜を形成した。その膜厚は３５００Åである。つぎ
にこの多結晶シリコン薄膜２をフォトリソグラフィーの
手法により図５のように巾１００μｍのストライプでス
トライプ間隔１００μｍに加工した。ついでこのストラ
イプ状の多結晶シリコンの上にＬＰＣＶＤ装置を用いて
帯域溶融再結晶化の時の表面保護層としてＳｉＯ２薄膜
３を厚さ１．２μｍに形成した。このように形成した多
結晶シリコン薄膜試料を前述のＡｒレーザ光（第１のレ
ーザ光）と炭酸ガスレーザ光（第２のレーザ光）で同時
に照射加熱溶融し帯域溶融再結晶化法により単結晶化す
る。 第１のレーザ光と第２のレーザ光の配置は次のようであ
る。多結晶シリコンストライプに直交するようにＡｒレ
ーザ光５１はミラー２８を用いて振動させた。この時の
ミラーの振動周波数は１ｋＨｚに設定した。またミラー
の振幅はシリコン層上でＡｒレーザ光５１のビームの振
れ幅が１ｍｍになるように設定した。４つの炭酸ガスレ
ーザ発振器３５，３６，３７，３８より発射された４本
の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５は図１８に
示すごとく線状のＡｒレーザ光５１の照射位置を囲うよ
うに対峙するビーム間隔３ｍｍで配置した（図１８は図
１４の関係を満した具体例である）。Ａｒレーザ光５１
の出力を２．０Ｗ一定とし、ビームを振動させながら４
本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出力を
上昇していくと振動するＡｒレーザ光５１のビームの照
射する位置のシリコン層が溶融する。この状態において
図９に示したような帯域溶融再結晶化のための熱プロフ
ァイルが基板１上で実現されている。ついでステージ２
５に備えた試料移動機構により試料２１を線状のＡｒレ
ーザビームが多結晶シリコンストライプ９に直交するよ
うに移動させるとＡｒレーザ光５１の照射部のシリコン
の溶融領域８は試料２１上でのレーザビームの相対的な
走査に伴い、走査方向の下流側まで伸びていき、４本の
炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５で熱的にガー
ドされている周囲に熱を放出しながら冷却固化再結晶を
行ない、幅１００μｍの単結晶ストライプとなる。この
時のシリコン溶融部の下流側への伸びは試料の移動速度
、炭酸ガスレーザ光の出力等により異なるが、試料２１
の移動速度１ｍｍ／ｓ、４本の炭酸ガスレーザ光５２，
５３，５４，５５の出力が各々３０Ｗのとき、溶融シリ
コンの下流側への伸びはおおよそ１ｍｍであった。つい
で温度検出部２９でＡｒレーザ光５１の照射部のシリコ
ンの融液の温度を検知し（測温部Ａ）、前述の制御法に
より温度が一定になるようにＡｒレーザ光５１の出力を
制御し、更にもう一つの温度検出部３０で試料２１の走
査に伴って下流側に伸びてくるシリコン融液の固化部よ
り更に下流側５００μｍの位置の温度を検知し（測温部
Ｂ）、同様に前述の制御法により温度が一定になるよう
に４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出
力を制御した。このように測温部Ａ、Ｂの２カ所の温度
を一定に制御することによりレーザ光の基板上の走査全
般に渡って安定な再結晶化膜を得ることができた。更に
測温部Ａ、Ｂの２カ所の温度を表１に示す範囲に設定す
ると同一基板上でレーザビームの走査により得られた単
結晶シリコンの配向面は（１００）面配向と（１１１）
面配向であった。以上の操作の繰返しにより２波長レー
ザ帯域溶融再結晶化法により配向性を制御しつつ基板１
上の多結晶シリコンストライプを単結晶化した。この後
、表面保護層３のＳｉＯ２薄膜３を緩衝フッ酸溶液にて
エッチング除去した。以上により本発明の薄膜半導体装
置が完成した。
【表１】
【００１５】実施例２
さらに実施例の薄膜半導体装置を用いた応用実施例を示
す。透明石英ガラス基板上に本発明が開示する手法を用
いて、（１１１）面配向を有する再結晶化膜と（１００
）面配向を有する再結晶化膜を近接して形成した。（１
１１）面配向を有する再結晶化膜上には、光取り込み部
の面積（画素面積）１００μ×１００μのＰＩＮフォト
ダイオードの列を１２５μピッチで形成した。また（１
００）面配向を有する再結晶化膜上には上記のＰＩＮフ
ォトダイオードの列に個々に対応して信号を取り出すた
めのＭＯＳ型の電界効果トランジスタからなるスイッチ
を形成した。このスイッチ列は外部からのクロック信号
により順次、開閉動作を行なうことにより上記ＰＩＮフ
ォトダイオードの光信号を経時的な電気信号に変換する
。このようにして、本発明の薄膜半導体装置を用いて１
次元の光センサアレー（密度８本／ｍｍ）が完成した。
す。透明石英ガラス基板上に本発明が開示する手法を用
いて、（１１１）面配向を有する再結晶化膜と（１００
）面配向を有する再結晶化膜を近接して形成した。（１
１１）面配向を有する再結晶化膜上には、光取り込み部
の面積（画素面積）１００μ×１００μのＰＩＮフォト
ダイオードの列を１２５μピッチで形成した。また（１
００）面配向を有する再結晶化膜上には上記のＰＩＮフ
ォトダイオードの列に個々に対応して信号を取り出すた
めのＭＯＳ型の電界効果トランジスタからなるスイッチ
を形成した。このスイッチ列は外部からのクロック信号
により順次、開閉動作を行なうことにより上記ＰＩＮフ
ォトダイオードの光信号を経時的な電気信号に変換する
。このようにして、本発明の薄膜半導体装置を用いて１
次元の光センサアレー（密度８本／ｍｍ）が完成した。
【００１６】実施例３（単結晶領域と多結晶領域をもつ
ＴＦＴ）本発明の実施例を図１７を用いて説明する。本
実施例では第１のレーザ光としてＡｒレーザ光を、第２
のレーザ光として炭酸ガスレーザ光を用いた。Ａｒレー
ザ光５１はビーム径１．９ｍｍのものをマルチラインの
発振状態で用い、線状のビーム形状を形成するために凸
レンズ２６を試料２１上で焦点を結ぶように配置し、更
に振動機構２７を備えたミラー２８を凸レンズ２６と試
料２１の中間に配置し試料２１上でビームスポツトをレ
ーザ光の走査方向と直交する方向に振動させて試料２１
上で線状の熱プロファイルを形成する。炭酸ガスレーザ
光５２，５３，５４，５５は４台の炭酸ガスレーザ発振
器３５，３６，３７，３８を用いてそれぞれミラー３１
，３２，３３，３４を介して試料２１上に導いた。炭酸
ガスレーザ光のビーム径はそれぞれ５ｍｍのものを用い
た。Ａｒレーザ光５１は放射温度計からなる温度検出部
２９とフィードバック制御部２４よりレーザ電源２３を
制御し、ビームの走査を通じて測定部の温度が一定にな
るようにその出力は制御されている。また炭酸ガスレー
ザ光もＡｒレーザ光と同様に放射温度計からなる温度検
出部２９とフィードバック制御部２４を通じて各々のレ
ーザ電源３９，４０，４１，４２が制御される。再結晶
化膜を形成する基板は以下のようにして作成する。図１
３において支持体基板１は厚さ１．０ｍｍの透明石英ガ
ラス基板を用いた。このガラス支持体基板を常法により
洗浄し減圧化学気相成長装置（ＬＰＣＶＤ装置）を用い
帯域溶融再結晶化法により単結晶化されるシリコン層２
として多結晶シリコン薄膜を形成した。 その膜厚は４０００Åである。多結晶シリコンの上にＬ
ＰＣＶＤ装置を用いて帯域溶融再結晶化時の表面保護層
３としてＳｉＯ２薄膜３を厚さ２．０μｍに形成した。 このように形成した多結晶シリコン薄膜試料を前述のＡ
ｒレーザ光（第１のレーザ光）と炭酸ガスレーザ光（第
２のレーザ光）で同時に照射し、加熱溶融し帯域溶融再
結晶化法により単結晶化する。又、多結晶の要求される
領域においてはＡｒレーザ光と炭酸ガスレーザ光のビー
ムの照射が起こらないようにアライメントする。これよ
り単結晶の領域と多結晶の領域を選択的に形成すること
ができる。第１のレーザ光と第２のレーザ光の配置は次
のようにする。走査方向に直交するようにＡｒレーザ光
５１はミラー２８を用いて振動させた。この時のミラー
の振動周波数は１ｋＨｚに設定した。またミラーの振れ
幅はシリコン層上でＡｒレーザ光５１のビームの振れ幅
が１ｍｍになるように設定した。４本の炭酸ガスレーザ
光５２，５３，５４，５５は図１８に示すように線状の
Ａｒレーザ光５１の照射位置を囲うように対峙するビー
ム間隔３ｍｍで配置した。Ａｒレーザ光５１の出力を２
．０Ｗ一定とし、ビームを振動させながら４本の炭酸ガ
スレーザ光５２，５３，５４，５５の出力を上昇してい
くと振動するＡｒレーザ光５１のビームの照射する位置
のシリコン層が溶融する。この状態において図９に示し
たような帯域溶融再結晶化のための熱プロファイルが基
板１上で実現されている。ついでステージ２５に備えた
試料移動機構により試料２１を移動させるとＡｒレーザ
光５１の照射部のシリコンの溶融領域は試料２１上での
レーザビームの相対的な走査に伴い、走査方向の下流側
まで伸びていき、４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，
５４，５５で熱的にガードされている周囲に熱を放出し
ながら冷却固化再結晶を行ない単結晶化する。この時の
シリコン溶融部の下流側へののびは試料の移動速度、炭
酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出力が各々３
０Ｗのとき溶融シリコンの下流側へののびは約１ｍｍで
あった。ついで温度検出部２９でＡｒレーザ光５１の照
射部のシリコンの融液の温度を検知し（図１９の測温部
Ａ４４）、前述の制御法により温度が一定になるように
Ａｒレーザ光５１の出力を制御し、更には、もう一つの
温度検出部３０で試料２１の走査に伴って下流側にのび
てくるシリコン融液の固化部より更に下流側５００μｍ
の位置の温度を検知し（図１９の測温部Ｂ４５）、同様
に前述の制御法により温度が一定になるように４本の炭
酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出力を制御し
た。このように測温部Ａ、Ｂ４４，４５の２カ所の温度
を一定に制御することによりレーザ光の基板上の走査全
般にわたり、安定な再結晶化膜を得ることができた。更
に測温部Ａ、Ｂ４４，４５の２カ所の温度を表１に示す
範囲に設定すると同一基板上でレーザビームの走査によ
り得られた単結晶シリコンの配向面は（１００）面配向
と（１１１）面配向であった。 又、多結晶の要求される領域においてはＡｒレーザ５１
及び、４台のＣＯ２レーザ発振器を用いてＣＯ２レーザ
５２，５３，５４，５５の照射を行なわないようにした
。以上の操作の繰返しにより２波長レーザ帯域溶融再結
晶化法により配向性を制御しつつ基板１上に（１００）
面と（１１１）面に制御された配向面を持つ単結晶シリ
コンと多結晶シリコンを形成した。なお、図１９は図１
８のようなレーザ光の配置で本発明の薄膜半導体装置を
形成する場合に、シリコンの溶融領域が第１のレーザ光
の照射が過ぎた後も溶融状態を保持して後方に伸びるこ
とを模擬的に示すものである。 この後、表面保護層３のＳｉＯ２薄膜を緩衝フッ酸溶液
にてエッチング除去した。以上により本発明の薄膜半導
体装置が完成した。
ＴＦＴ）本発明の実施例を図１７を用いて説明する。本
実施例では第１のレーザ光としてＡｒレーザ光を、第２
のレーザ光として炭酸ガスレーザ光を用いた。Ａｒレー
ザ光５１はビーム径１．９ｍｍのものをマルチラインの
発振状態で用い、線状のビーム形状を形成するために凸
レンズ２６を試料２１上で焦点を結ぶように配置し、更
に振動機構２７を備えたミラー２８を凸レンズ２６と試
料２１の中間に配置し試料２１上でビームスポツトをレ
ーザ光の走査方向と直交する方向に振動させて試料２１
上で線状の熱プロファイルを形成する。炭酸ガスレーザ
光５２，５３，５４，５５は４台の炭酸ガスレーザ発振
器３５，３６，３７，３８を用いてそれぞれミラー３１
，３２，３３，３４を介して試料２１上に導いた。炭酸
ガスレーザ光のビーム径はそれぞれ５ｍｍのものを用い
た。Ａｒレーザ光５１は放射温度計からなる温度検出部
２９とフィードバック制御部２４よりレーザ電源２３を
制御し、ビームの走査を通じて測定部の温度が一定にな
るようにその出力は制御されている。また炭酸ガスレー
ザ光もＡｒレーザ光と同様に放射温度計からなる温度検
出部２９とフィードバック制御部２４を通じて各々のレ
ーザ電源３９，４０，４１，４２が制御される。再結晶
化膜を形成する基板は以下のようにして作成する。図１
３において支持体基板１は厚さ１．０ｍｍの透明石英ガ
ラス基板を用いた。このガラス支持体基板を常法により
洗浄し減圧化学気相成長装置（ＬＰＣＶＤ装置）を用い
帯域溶融再結晶化法により単結晶化されるシリコン層２
として多結晶シリコン薄膜を形成した。 その膜厚は４０００Åである。多結晶シリコンの上にＬ
ＰＣＶＤ装置を用いて帯域溶融再結晶化時の表面保護層
３としてＳｉＯ２薄膜３を厚さ２．０μｍに形成した。 このように形成した多結晶シリコン薄膜試料を前述のＡ
ｒレーザ光（第１のレーザ光）と炭酸ガスレーザ光（第
２のレーザ光）で同時に照射し、加熱溶融し帯域溶融再
結晶化法により単結晶化する。又、多結晶の要求される
領域においてはＡｒレーザ光と炭酸ガスレーザ光のビー
ムの照射が起こらないようにアライメントする。これよ
り単結晶の領域と多結晶の領域を選択的に形成すること
ができる。第１のレーザ光と第２のレーザ光の配置は次
のようにする。走査方向に直交するようにＡｒレーザ光
５１はミラー２８を用いて振動させた。この時のミラー
の振動周波数は１ｋＨｚに設定した。またミラーの振れ
幅はシリコン層上でＡｒレーザ光５１のビームの振れ幅
が１ｍｍになるように設定した。４本の炭酸ガスレーザ
光５２，５３，５４，５５は図１８に示すように線状の
Ａｒレーザ光５１の照射位置を囲うように対峙するビー
ム間隔３ｍｍで配置した。Ａｒレーザ光５１の出力を２
．０Ｗ一定とし、ビームを振動させながら４本の炭酸ガ
スレーザ光５２，５３，５４，５５の出力を上昇してい
くと振動するＡｒレーザ光５１のビームの照射する位置
のシリコン層が溶融する。この状態において図９に示し
たような帯域溶融再結晶化のための熱プロファイルが基
板１上で実現されている。ついでステージ２５に備えた
試料移動機構により試料２１を移動させるとＡｒレーザ
光５１の照射部のシリコンの溶融領域は試料２１上での
レーザビームの相対的な走査に伴い、走査方向の下流側
まで伸びていき、４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，
５４，５５で熱的にガードされている周囲に熱を放出し
ながら冷却固化再結晶を行ない単結晶化する。この時の
シリコン溶融部の下流側へののびは試料の移動速度、炭
酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出力が各々３
０Ｗのとき溶融シリコンの下流側へののびは約１ｍｍで
あった。ついで温度検出部２９でＡｒレーザ光５１の照
射部のシリコンの融液の温度を検知し（図１９の測温部
Ａ４４）、前述の制御法により温度が一定になるように
Ａｒレーザ光５１の出力を制御し、更には、もう一つの
温度検出部３０で試料２１の走査に伴って下流側にのび
てくるシリコン融液の固化部より更に下流側５００μｍ
の位置の温度を検知し（図１９の測温部Ｂ４５）、同様
に前述の制御法により温度が一定になるように４本の炭
酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５の出力を制御し
た。このように測温部Ａ、Ｂ４４，４５の２カ所の温度
を一定に制御することによりレーザ光の基板上の走査全
般にわたり、安定な再結晶化膜を得ることができた。更
に測温部Ａ、Ｂ４４，４５の２カ所の温度を表１に示す
範囲に設定すると同一基板上でレーザビームの走査によ
り得られた単結晶シリコンの配向面は（１００）面配向
と（１１１）面配向であった。 又、多結晶の要求される領域においてはＡｒレーザ５１
及び、４台のＣＯ２レーザ発振器を用いてＣＯ２レーザ
５２，５３，５４，５５の照射を行なわないようにした
。以上の操作の繰返しにより２波長レーザ帯域溶融再結
晶化法により配向性を制御しつつ基板１上に（１００）
面と（１１１）面に制御された配向面を持つ単結晶シリ
コンと多結晶シリコンを形成した。なお、図１９は図１
８のようなレーザ光の配置で本発明の薄膜半導体装置を
形成する場合に、シリコンの溶融領域が第１のレーザ光
の照射が過ぎた後も溶融状態を保持して後方に伸びるこ
とを模擬的に示すものである。 この後、表面保護層３のＳｉＯ２薄膜を緩衝フッ酸溶液
にてエッチング除去した。以上により本発明の薄膜半導
体装置が完成した。
【００１７】実施例４（単結晶領域と多結晶領域をもつ
ＴＦＴ）図２１を用いて説明する。本実施例は実施例３
の薄膜半導体装置を用いた応用実施例である。透明石英
ガラス基板上に本発明の手法を用いて（１１１）面配向
を有する再結晶化膜６１と（１００）面配向を有する再
結晶化膜６２を近接して形成し、その間の領域には多結
晶シリコン６３を形成した。その後、通常の半導体プロ
セスを用いて（１１１）面配向を有する再結晶化膜６１
上には光取り込み部の面積（画素面積）１００μ×１０
０μのＰＩＮフォトダイオードの列６４を１２５μｍピ
ッチで形成した。また（１００）面配向を有する再結晶
化膜６２上には上記のＰＩＮフォトダイオードの列に個
々に対応して信号を取り出すためのＭＯＳ型ＦＥＴから
なるスイッチ６５を形成した。このＭＯＳ型ＦＥＴ６５
とＰＩＮフォトダイオード列６４の電気的な接続には多
結晶シリコンを用いて配線６６を行った。この多結晶シ
リコンは半導体プロセス中の不純物拡散工程において十
分に拡散されている。この拡散工程においてＭＯＳ型ト
ランジスタのゲート電極の多結晶シリコン６７も同時に
拡散される。ＭＯＳ型ＦＥＴのスイッチ列は外部からの
クロック信号により順次、開閉動作を行い、上記ＰＩＮ
フォトダイオードの光信号を経時的な電気信号に変換す
る。このようにして本発明の薄膜半導体装置を用いて金
属配線を少なくした１次元の光センサアレー（密度８本
／ｍｍ）が完成した。
ＴＦＴ）図２１を用いて説明する。本実施例は実施例３
の薄膜半導体装置を用いた応用実施例である。透明石英
ガラス基板上に本発明の手法を用いて（１１１）面配向
を有する再結晶化膜６１と（１００）面配向を有する再
結晶化膜６２を近接して形成し、その間の領域には多結
晶シリコン６３を形成した。その後、通常の半導体プロ
セスを用いて（１１１）面配向を有する再結晶化膜６１
上には光取り込み部の面積（画素面積）１００μ×１０
０μのＰＩＮフォトダイオードの列６４を１２５μｍピ
ッチで形成した。また（１００）面配向を有する再結晶
化膜６２上には上記のＰＩＮフォトダイオードの列に個
々に対応して信号を取り出すためのＭＯＳ型ＦＥＴから
なるスイッチ６５を形成した。このＭＯＳ型ＦＥＴ６５
とＰＩＮフォトダイオード列６４の電気的な接続には多
結晶シリコンを用いて配線６６を行った。この多結晶シ
リコンは半導体プロセス中の不純物拡散工程において十
分に拡散されている。この拡散工程においてＭＯＳ型ト
ランジスタのゲート電極の多結晶シリコン６７も同時に
拡散される。ＭＯＳ型ＦＥＴのスイッチ列は外部からの
クロック信号により順次、開閉動作を行い、上記ＰＩＮ
フォトダイオードの光信号を経時的な電気信号に変換す
る。このようにして本発明の薄膜半導体装置を用いて金
属配線を少なくした１次元の光センサアレー（密度８本
／ｍｍ）が完成した。
【００１８】実施例５
図１７を用いて本実施例の構成を説明する。本実施例で
は、第１のレーザ光としてＡｒレーザ光、第２のレーザ
光として炭酸ガスレーザ光を用いた。Ａｒレーザ光５１
はビーム径１．９ｍｍのものをマルチラインの発振状態
で用い、線状のビーム形状を形成するために凸レンズ２
６を試料２１上で焦点を結ぶように配置し更に振動機構
２７を備えたミラー２８を凸レンズ２６と試料２１の中
間に配し試料２１上でビームスポットをレーザ光の走査
方向と直交する方向に振動させて試料２１上で線状の熱
プロファイルを形成する。炭酸ガスレーザ光は４台の炭
酸ガスレーザ発振器５２，５３，５４，５５を用いてそ
れぞれミラー３１，３２，３３，３４を介して試料２１
上に導いた。炭酸ガスレーザ光のビーム径はそれぞれ５
ｍｍのものを用いた。Ａｒレーザ光５１は放射温度計か
らなる温度検出部２９とフィードバック制御部２４より
レーザ電源２３を制御し、ビームの走査を通じて測定部
の温度が一定になるようにその出力を制御されている。 また炭酸ガスレーザ光もＡｒレーザ光と同様に放射温度
計からなる温度検出部３０とフィードバック制御部４３
を通じて各々のレーザ電源３９，４０，４１，４２が制
御される。再結晶化膜を形成する基板は以下のようにし
て作成する。図１３において支持体基板１は厚さ１．６
ｍｍの透明石英ガラス基板を用いた。このガラス支持体
基板１を常法により洗浄し、スパッタ装置を用い帯域溶
融再結晶化法により単結晶化されるシリコン層２として
非晶質シリコン薄膜を形成した。その膜厚は３５００Å
であり、水素含有率はＩＲスペクトル分析により０．８
ａｔｏｍ％であった。次に、この非晶質シリコン層の上
にＬＰＣＶＤ装置を用いて、帯域溶融再結晶化の時の表
面保護層３としてＳｉＯ２薄膜を厚さ１．５μｍに形成
した。このように形成した非晶質シリコン薄膜試料を前
述のＡｒレーザ光（第１のレーザ光）と炭酸ガスレーザ
光（第２のレーザ光）で同時に照射加熱溶融し帯域溶融
再結晶化法により単結晶化する。第１のレーザ光と第２
のレーザ光の配置は次のようである。試料移動方向に直
交するようにＡｒレーザ光５１はミラー２８を用いて振
動させた。この時のミラーの振動周波数は１ｋＨｚに設
定した。またミラーの振幅はシリコン層上でＡｒレーザ
光５１のビームの振れ幅が１ｍｍになるように設定した
。４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５は図
１８に示すごとく線状のＡｒレーザ光５１の照射位置を
囲うように対峙するビーム間隔３ｍｍで配置した。次に
、Ａｒレーザ光５１の出力を２．０Ｗ一定とし、ビーム
を振動させながら４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，
５４，５５の出力を上昇していくと、振動するＡｒレー
ザ光５１のビームの照射する位置のシリコン層が溶融す
る。この状態において図９に示したような帯域溶融再結
晶化のための熱プロファイルが基板１上で実現されてい
る。さらに、ステージ２５に備えた試料移動機構により
、試料２１を線状のＡｒレーザビームに対して移動させ
ると、Ａｒレーザ光５１の照射部のシリコンの溶融領域
は、試料２１上でのレーザビームの相対的な走査に伴い
走査方向の下流側まで伸びていき、４本の炭酸ガスレー
ザ光５２，５３，５４，５５で熱的にガードされている
周囲に熱を放出しながら冷却固化再結晶を行ない、幅５
００μｍのストライプ状の単結晶シリコン領域が形成さ
れる。この時のシリコン溶融部の下流側への伸びは、試
料の移動速度、炭酸ガスレーザ光の出力等により異なる
が、試料２１の移動速度１ｍｍ／ｓ、４本の炭酸ガスレ
ーザ光５２，５３，５４，５５の出力が各々３０Ｗのと
き、溶融シリコンの下流側への伸びはおおよそ１ｍｍで
あった。このとき、温度検出部２９で、図１９に示すよ
うにＡｒレーザ光５１の照射部のシリコンの融液の温度
を検知し（４４で示す測温部Ａ）、前述の制御法により
温度が一定になるようにＡｒレーザ光５１の出力を制御
し、更にもう一つの温度検出部３０で、試料２１の走査
に伴って下流側に伸びてくるシリコン融液の固化部より
更に下流側５００μｍの位置の温度を検知し（４５で示
す測温部Ｂ）、同様に前述の制御法により温度が一定に
なるように４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，
５５の出力を制御した。このように測温部Ａ、Ｂの２カ
所の温度を一定に制御することによりレーザ光の基板上
の走査全般に渡って安定な再結晶化膜を得ることができ
た。更に測温部Ａの温度範囲を１４２０℃〜１４３０℃
とし、測温部Ｂの温度範囲を１３３０℃〜１３４０℃と
設定すると、図１２で示すサブグレインバンダリーの存
在が極めて少ない単結晶シリコン領域を形成することが
できた。この後、表面保護層３のＳｉＯ２薄膜を緩衝フ
ッ酸溶液にてエッチング除去することにより、本発明の
薄膜半導体装置が完成した。
は、第１のレーザ光としてＡｒレーザ光、第２のレーザ
光として炭酸ガスレーザ光を用いた。Ａｒレーザ光５１
はビーム径１．９ｍｍのものをマルチラインの発振状態
で用い、線状のビーム形状を形成するために凸レンズ２
６を試料２１上で焦点を結ぶように配置し更に振動機構
２７を備えたミラー２８を凸レンズ２６と試料２１の中
間に配し試料２１上でビームスポットをレーザ光の走査
方向と直交する方向に振動させて試料２１上で線状の熱
プロファイルを形成する。炭酸ガスレーザ光は４台の炭
酸ガスレーザ発振器５２，５３，５４，５５を用いてそ
れぞれミラー３１，３２，３３，３４を介して試料２１
上に導いた。炭酸ガスレーザ光のビーム径はそれぞれ５
ｍｍのものを用いた。Ａｒレーザ光５１は放射温度計か
らなる温度検出部２９とフィードバック制御部２４より
レーザ電源２３を制御し、ビームの走査を通じて測定部
の温度が一定になるようにその出力を制御されている。 また炭酸ガスレーザ光もＡｒレーザ光と同様に放射温度
計からなる温度検出部３０とフィードバック制御部４３
を通じて各々のレーザ電源３９，４０，４１，４２が制
御される。再結晶化膜を形成する基板は以下のようにし
て作成する。図１３において支持体基板１は厚さ１．６
ｍｍの透明石英ガラス基板を用いた。このガラス支持体
基板１を常法により洗浄し、スパッタ装置を用い帯域溶
融再結晶化法により単結晶化されるシリコン層２として
非晶質シリコン薄膜を形成した。その膜厚は３５００Å
であり、水素含有率はＩＲスペクトル分析により０．８
ａｔｏｍ％であった。次に、この非晶質シリコン層の上
にＬＰＣＶＤ装置を用いて、帯域溶融再結晶化の時の表
面保護層３としてＳｉＯ２薄膜を厚さ１．５μｍに形成
した。このように形成した非晶質シリコン薄膜試料を前
述のＡｒレーザ光（第１のレーザ光）と炭酸ガスレーザ
光（第２のレーザ光）で同時に照射加熱溶融し帯域溶融
再結晶化法により単結晶化する。第１のレーザ光と第２
のレーザ光の配置は次のようである。試料移動方向に直
交するようにＡｒレーザ光５１はミラー２８を用いて振
動させた。この時のミラーの振動周波数は１ｋＨｚに設
定した。またミラーの振幅はシリコン層上でＡｒレーザ
光５１のビームの振れ幅が１ｍｍになるように設定した
。４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，５５は図
１８に示すごとく線状のＡｒレーザ光５１の照射位置を
囲うように対峙するビーム間隔３ｍｍで配置した。次に
、Ａｒレーザ光５１の出力を２．０Ｗ一定とし、ビーム
を振動させながら４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，
５４，５５の出力を上昇していくと、振動するＡｒレー
ザ光５１のビームの照射する位置のシリコン層が溶融す
る。この状態において図９に示したような帯域溶融再結
晶化のための熱プロファイルが基板１上で実現されてい
る。さらに、ステージ２５に備えた試料移動機構により
、試料２１を線状のＡｒレーザビームに対して移動させ
ると、Ａｒレーザ光５１の照射部のシリコンの溶融領域
は、試料２１上でのレーザビームの相対的な走査に伴い
走査方向の下流側まで伸びていき、４本の炭酸ガスレー
ザ光５２，５３，５４，５５で熱的にガードされている
周囲に熱を放出しながら冷却固化再結晶を行ない、幅５
００μｍのストライプ状の単結晶シリコン領域が形成さ
れる。この時のシリコン溶融部の下流側への伸びは、試
料の移動速度、炭酸ガスレーザ光の出力等により異なる
が、試料２１の移動速度１ｍｍ／ｓ、４本の炭酸ガスレ
ーザ光５２，５３，５４，５５の出力が各々３０Ｗのと
き、溶融シリコンの下流側への伸びはおおよそ１ｍｍで
あった。このとき、温度検出部２９で、図１９に示すよ
うにＡｒレーザ光５１の照射部のシリコンの融液の温度
を検知し（４４で示す測温部Ａ）、前述の制御法により
温度が一定になるようにＡｒレーザ光５１の出力を制御
し、更にもう一つの温度検出部３０で、試料２１の走査
に伴って下流側に伸びてくるシリコン融液の固化部より
更に下流側５００μｍの位置の温度を検知し（４５で示
す測温部Ｂ）、同様に前述の制御法により温度が一定に
なるように４本の炭酸ガスレーザ光５２，５３，５４，
５５の出力を制御した。このように測温部Ａ、Ｂの２カ
所の温度を一定に制御することによりレーザ光の基板上
の走査全般に渡って安定な再結晶化膜を得ることができ
た。更に測温部Ａの温度範囲を１４２０℃〜１４３０℃
とし、測温部Ｂの温度範囲を１３３０℃〜１３４０℃と
設定すると、図１２で示すサブグレインバンダリーの存
在が極めて少ない単結晶シリコン領域を形成することが
できた。この後、表面保護層３のＳｉＯ２薄膜を緩衝フ
ッ酸溶液にてエッチング除去することにより、本発明の
薄膜半導体装置が完成した。
【００１９】実施例６
次に、実施例５の薄膜半導体装置を用いた応用実施例を
示す。透明石英ガラス基板上に本発明が開示する手法を
用いて、非晶質シリコン薄膜と単結晶シリコン薄膜を同
一面内に形成した。そして、非晶質シリコン薄膜上には
、プラズマ水素化処理をした後、光取り込み部の面積（
画素面積）１００μｍ×１００μｍのａ−Ｓｉ：Ｈフォ
トダイオードの列を１２５μｍピッチで形成した。また
、単結晶シリコン薄膜上には、上記フォトダイオードの
列に個々に対応して、信号を取り出すためのＭＯＳ型の
電界効果トランジスタからなるスイッチを形成した。こ
のスイッチ列は、外部からのクロック信号により順次、
開閉動作を行なうことにより、上記フォトダイオードの
光信号を経時的な電気信号に変換する。このようにして
本発明の薄膜半導体装置を用いた１次元の光センサアレ
ー（密度８本／ｍｍ）が完成した。
示す。透明石英ガラス基板上に本発明が開示する手法を
用いて、非晶質シリコン薄膜と単結晶シリコン薄膜を同
一面内に形成した。そして、非晶質シリコン薄膜上には
、プラズマ水素化処理をした後、光取り込み部の面積（
画素面積）１００μｍ×１００μｍのａ−Ｓｉ：Ｈフォ
トダイオードの列を１２５μｍピッチで形成した。また
、単結晶シリコン薄膜上には、上記フォトダイオードの
列に個々に対応して、信号を取り出すためのＭＯＳ型の
電界効果トランジスタからなるスイッチを形成した。こ
のスイッチ列は、外部からのクロック信号により順次、
開閉動作を行なうことにより、上記フォトダイオードの
光信号を経時的な電気信号に変換する。このようにして
本発明の薄膜半導体装置を用いた１次元の光センサアレ
ー（密度８本／ｍｍ）が完成した。
【００２０】比較例７
実施例５と同様の透明石英ガラス基板上にＬＰ−ＣＶＤ
法により非晶質シリコン層を形成したところ、その膜厚
は３４００Åであり、また水素含有率をＩＲスペクトル
により分析したところ、５ａｔｏｍ％であった。そして
、この非晶質シリコン層の上にＬＰ−ＣＶＤ法により、
ＳｉＯ２薄膜を厚さ１．５μｍに形成した。このように
して形成した非晶質シリコン薄膜材料基板を実施例５と
同様の方法で帯域溶融再結晶化したところ、再結晶化膜
中には無数のボイドが発生し、デバイス形成のための基
板として使用可能なものは得られなかった。
法により非晶質シリコン層を形成したところ、その膜厚
は３４００Åであり、また水素含有率をＩＲスペクトル
により分析したところ、５ａｔｏｍ％であった。そして
、この非晶質シリコン層の上にＬＰ−ＣＶＤ法により、
ＳｉＯ２薄膜を厚さ１．５μｍに形成した。このように
して形成した非晶質シリコン薄膜材料基板を実施例５と
同様の方法で帯域溶融再結晶化したところ、再結晶化膜
中には無数のボイドが発生し、デバイス形成のための基
板として使用可能なものは得られなかった。
【００２１】
【効果】本発明により、１つの半導体層上の特定領域毎
に異った結晶配向面をもつ、および／または異った結晶
状態をもつもので構成された新らしいタイプの薄膜半導
体装置を提供できた。本発明によれば、同一基板上に目
的、用途に適した結晶配向面、あるいは結晶性を有する
領域を任意に形成できるので、デバイス設計、製造プロ
セス等の面での自由度が広がるとともに、高性能のデバ
イスを提供することができる。
に異った結晶配向面をもつ、および／または異った結晶
状態をもつもので構成された新らしいタイプの薄膜半導
体装置を提供できた。本発明によれば、同一基板上に目
的、用途に適した結晶配向面、あるいは結晶性を有する
領域を任意に形成できるので、デバイス設計、製造プロ
セス等の面での自由度が広がるとともに、高性能のデバ
イスを提供することができる。
【図１】溶融再結晶法における温度分布の具合によって
は多結晶化することを示す概略図である。
は多結晶化することを示す概略図である。
【図２】溶融再結晶法における温度分布の具合によって
は単結晶化することを示す概略図である。
は単結晶化することを示す概略図である。
【図３】（ａ）は、再結晶化の方向（矢印）におけるシ
リコン薄膜の好ましい温度分布を示し、シリコンの融点
１４１２℃を上まわる温度の個所が溶融再結晶化が行わ
れている個所である。（ｂ）は、シリコン薄膜の層を有
する絶縁性基板よりなる薄膜半導体装置の概略図であり
、８はシリコンの溶融部分を示す。
リコン薄膜の好ましい温度分布を示し、シリコンの融点
１４１２℃を上まわる温度の個所が溶融再結晶化が行わ
れている個所である。（ｂ）は、シリコン薄膜の層を有
する絶縁性基板よりなる薄膜半導体装置の概略図であり
、８はシリコンの溶融部分を示す。
【図４】溶融シリコンの固液界面の状態図である。
【図５】絶縁性基板上に設けられたシリコン層の形状が
ストライプ状の場合を示す薄膜半導体装置の平面図であ
る。
ストライプ状の場合を示す薄膜半導体装置の平面図であ
る。
【図６】絶縁性基板上に設けられたシリコン層の形状が
島状の場合を示す薄膜半導体装置の平面図である。
島状の場合を示す薄膜半導体装置の平面図である。
【図７】絶縁性基板上に設けられたシリコン層の形状が
連結島状の場合を示す薄膜半導体装置の平面図である。
連結島状の場合を示す薄膜半導体装置の平面図である。
【図８】本発明の帯域溶融再結晶化の状態を示す薄膜半
導体の断面図である。
導体の断面図である。
【図９】本発明の２種類のレーザ光による加熱領域の温
度プロファイルを示す。
度プロファイルを示す。
【図１０】本発明の再結晶化膜のＸ線ピークを示す。
【図１１】（ａ）は（１００）結晶配向面のファセット
面角度を示す。 （ｂ）は（１１１）結晶配向面のファセット面角度を示
す。
面角度を示す。 （ｂ）は（１１１）結晶配向面のファセット面角度を示
す。
【図１２】シリコン層の溶融再結晶化時の温度プロファ
イルとサブグレインバンダリーの発生形態を模式的に示
す図である。
イルとサブグレインバンダリーの発生形態を模式的に示
す図である。
【図１３】本発明の薄膜半導体装置の断面図である。
【図１４】本発明の薄膜半導体装置に用いる２波長レー
ザ帯域溶融再結晶法が可能な第１レーザ光と第２レーザ
光との好適な相対的位置関係を示した図である。
ザ帯域溶融再結晶法が可能な第１レーザ光と第２レーザ
光との好適な相対的位置関係を示した図である。
【図１５】レーザの光強度のフィードバックシステムの
１例を示す。
１例を示す。
【図１６】レーザの光強度のフィードバックシステムの
他の１例を示す。
他の１例を示す。
【図１７】本発明実施例におけるレーザ照射システムを
示す。
示す。
【図１８】第１レーザと第２レーザの組合せ照射例を示
す。
す。
【図１９】本発明実施例のレーザ光の配置で行われる帯
域溶融再結晶化の様子を模式的に示す図である。
域溶融再結晶化の様子を模式的に示す図である。
【図２０】線状ヒータを用いた帯域溶融法の概略図であ
る。
る。
【図２１】（ａ）は、本発明実施例４で用いた薄膜半導
体装置の平面図である。 （ｂ）は、（ａ）を加工して得られた実施例４の光セン
サアレーの概略図である。
体装置の平面図である。 （ｂ）は、（ａ）を加工して得られた実施例４の光セン
サアレーの概略図である。
１ 絶縁性基板
２ 半導体層（シリコン層）
３ 表面保護層
４ 第１のレーザ光
５ 第２のレーザ光
８ 溶融帯域
１１ 絶縁性基板
１２ レーザ発振器
１３ レーザ電源
１４ フィードバック制御部
１５ 温度検知部
１６ 光変調部
２１ 試料
２２ Ａｒレーザ発振器
２３ Ａｒレーザ電源
２４ Ａｒレーザ用フィードバック制御部２５ ス
テージ ２６ 凸レンズ ２７ ミラー振動機構 ２８ Ａｒレーザ用ミラー ２９ Ａｒレーザ用温度検知部 ３０ 炭酸ガスレーザ用温度検知部 ３１ 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部３２ 炭酸ガ
スレーザ用ミラー検知部３３ 炭酸ガスレーザ用ミラ
ー検知部３４ 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部３５
炭酸ガスレーザ発振器 ３６ 炭酸ガスレーザ発振器 ３７ 炭酸ガスレーザ発振器 ３８ 炭酸ガスレーザ発振器 ３９ 炭酸ガスレーザ電源 ４０ 炭酸ガスレーザ電源 ４１ 炭酸ガスレーザ電源 ４２ 炭酸ガスレーザ電源 ４３ 炭酸ガスレーザ用フィードバツク制御部４４
測温部Ａ ４５ 測温部Ｂ ４６ 溶融領域 ５１ Ａｒレーザビーム ５２ 炭酸ガスレーザビーム ５３ 炭酸ガスレーザビーム ５４ 炭酸ガスレーザビーム ５５ 炭酸ガスレーザビーム ６１ （１１１）面配向を有する再結晶化領域６２
（１００）面配向を有する再結晶化領域６３ 多結
晶シリコン領域
テージ ２６ 凸レンズ ２７ ミラー振動機構 ２８ Ａｒレーザ用ミラー ２９ Ａｒレーザ用温度検知部 ３０ 炭酸ガスレーザ用温度検知部 ３１ 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部３２ 炭酸ガ
スレーザ用ミラー検知部３３ 炭酸ガスレーザ用ミラ
ー検知部３４ 炭酸ガスレーザ用ミラー検知部３５
炭酸ガスレーザ発振器 ３６ 炭酸ガスレーザ発振器 ３７ 炭酸ガスレーザ発振器 ３８ 炭酸ガスレーザ発振器 ３９ 炭酸ガスレーザ電源 ４０ 炭酸ガスレーザ電源 ４１ 炭酸ガスレーザ電源 ４２ 炭酸ガスレーザ電源 ４３ 炭酸ガスレーザ用フィードバツク制御部４４
測温部Ａ ４５ 測温部Ｂ ４６ 溶融領域 ５１ Ａｒレーザビーム ５２ 炭酸ガスレーザビーム ５３ 炭酸ガスレーザビーム ５４ 炭酸ガスレーザビーム ５５ 炭酸ガスレーザビーム ６１ （１１１）面配向を有する再結晶化領域６２
（１００）面配向を有する再結晶化領域６３ 多結
晶シリコン領域
Claims (7)
- 【請求項１】 絶縁性基板上に半導体層を有する薄膜
半導体装置において、前記半導体層が異った結晶状態の
領域および／または異った結晶配向面をもつ領域よりな
ることを特徴とする薄膜半導体装置。 - 【請求項２】 前記半導体層が単結晶よりなり、かつ
その結晶配向面が（１００）面をもつ領域と（１１１）
面をもつ領域よりなる請求項１記載の薄膜半導体装置。 - 【請求項３】 前記単結晶よりなる半導体層が帯状ま
たは島状に形成されている請求項２記載の薄膜半導体装
置。 - 【請求項４】 前記半導体層が、単結晶領域と多結晶
領域とからなる請求項１記載の薄膜半導体装置。 - 【請求項５】 前記半導体層が、単結晶領域と非晶質
領域とからなる請求項１記載の薄膜半導体装置。 - 【請求項６】 前記単結晶領域が、（１００）配向領
域、（１１１）配向領域および（１００）配向領域と（
１１１）配向領域からなる請求項４または５記載の薄膜
半導体装置。 - 【請求項７】 絶縁性基板上に形成された非晶質また
は多結晶半導体層に帯域溶融再結晶化法を適用して単結
晶層に変換することにより、薄膜半導体装置を製造する
方法において、前記帯域溶融再結晶化の加熱手段として
半導体層に吸収されるレーザ光と絶縁性基板に吸収され
るレーザ光を併用して同時に照射することを特徴とする
薄膜半導体装置の製法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13981491A JP3213338B2 (ja) | 1991-05-15 | 1991-05-15 | 薄膜半導体装置の製法 |
| US07/880,755 US5304357A (en) | 1991-05-15 | 1992-05-08 | Apparatus for zone melting recrystallization of thin semiconductor film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13981491A JP3213338B2 (ja) | 1991-05-15 | 1991-05-15 | 薄膜半導体装置の製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04338631A true JPH04338631A (ja) | 1992-11-25 |
| JP3213338B2 JP3213338B2 (ja) | 2001-10-02 |
Family
ID=15254075
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13981491A Expired - Fee Related JP3213338B2 (ja) | 1991-05-15 | 1991-05-15 | 薄膜半導体装置の製法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5304357A (ja) |
| JP (1) | JP3213338B2 (ja) |
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| JP2006135192A (ja) * | 2004-11-08 | 2006-05-25 | Sharp Corp | 半導体デバイスの製造方法と製造装置 |
| WO2017163357A1 (ja) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | 国立大学法人九州大学 | レーザアニール装置 |
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|---|---|---|---|---|
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| US5766344A (en) * | 1991-09-21 | 1998-06-16 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for forming a semiconductor |
| JP3321890B2 (ja) * | 1992-06-23 | 2002-09-09 | ソニー株式会社 | 半導体結晶の形成方法及び半導体素子 |
| US5643801A (en) * | 1992-11-06 | 1997-07-01 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser processing method and alignment |
| US7097712B1 (en) * | 1992-12-04 | 2006-08-29 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Apparatus for processing a semiconductor |
| US5523587A (en) * | 1993-06-24 | 1996-06-04 | At&T Corp. | Method for low temperature growth of epitaxial silicon and devices produced thereby |
| CN100367461C (zh) | 1993-11-05 | 2008-02-06 | 株式会社半导体能源研究所 | 一种制造薄膜晶体管和电子器件的方法 |
| US6897100B2 (en) * | 1993-11-05 | 2005-05-24 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for processing semiconductor device apparatus for processing a semiconductor and apparatus for processing semiconductor device |
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| US6524977B1 (en) * | 1995-07-25 | 2003-02-25 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method of laser annealing using linear beam having quasi-trapezoidal energy profile for increased depth of focus |
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