JPH08316485A - 半導体結晶の形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温下で結晶性の良好な結晶核を選択的に形
成するとともに、これを用いて結晶性が良好でかつ粒径
が大きくまた粒径分布を制御され、平坦性に優れた半導
体膜を低温でかつスループットよく絶縁性基板上に形成
できる半導体結晶の形成方法及びかかる形成方法に基づ
いた半導体素子を提供する。 【構成】 本発明の第１の特徴は、絶縁性基板１表面に
島状のパターンからなる第１の半導体薄膜３を形成する
第１の半導体薄膜形成工程と、前記第１の半導体薄膜に
短波長パルスレーザを照射し凝集固化させて成長用の核
４を形成する核形成工程と、前記核の上部を覆うように
第２の半導体薄膜５を堆積する第２の半導体薄膜堆積工
程と、前記第２の半導体薄膜に、短波長パルスレーザ光
を照射して結晶成長させる結晶成長工程とを含むことに
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体結晶の形成方法
およびこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓ
ｉ）薄膜トランジスタ（ＴＦＴ： Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いたアクティブマトリッ
クス液晶表示装置の研究が盛んである。これは、従来の
アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜トランジスタに
比べ２ケタ以上動作速度が早いことなどから、小型化を
はかることができ、また従来、表示パネル外部に配置さ
れていたドライブＩＣなどをパネル内に集積化し低コス
ト化できることなどによる。また、この多結晶シリコン
ＴＦＴを比較的安価で大面積なガラス基板上に形成でき
る場合には、１枚の基板当たりからとれる素子の数を多
くすることができ、低コストの半導体素子を提供できる
ことになる。なお、このようなガラス基板を用いる場
合、現在、ガラスの歪み点温度が６００℃前後にあるた
め作製プロセスの最高温度を５００℃以下にすることが
望ましい。

【０００３】このように多結晶シリコンＴＦＴは各種の
利点を持つため、今後、産業上の発展が期待され、さら
にＴＦＴ特性やその均一性を向上させようとの活動も盛
んである。特に、多結晶シリコンＴＦＴの動作層に関し
ては、多結晶膜を構成している各粒の粒径を大きくして
性能を向上させることはもとより、ＴＦＴのチャネル部
分に大粒径の粒を選択的に配置することによりＴＦＴ特
性を均一化・高性能化させようという考え方が提案され
ている。つまり、成長用の核を選択的に配置してＴＦＴ
のチャネルのサイズ以上に大きい粒をチャネル部分に成
長し形成する。これによりチャネル内に粒界が存在しな
いようにできるため、均一性よく移動度や閾値電圧を向
上することができ、またリーク電流を低減することがで
きるとともに、その均一性も向上できる。すなわち、チ
ャネル部分の膜質を極めて単結晶に近い状態にし、その
トランジスタ性能や均一性も単結晶に近いものを絶縁性
基板上に実現しようというものである。

【０００４】このような考え方にもとづき、従来、図７
に示すような方法が提案されている（特開平１−１８７
８７３号）。この方法では、ガラス基板などの絶縁性基
板１上にアモルファスシリコン薄膜２を堆積した後（図
７(a) ）、ホトリソグラフィー法によりこれをパターニ
ングし、図７(b) に示すように島状に加工する。そして
この島状のアモルファスシリコン薄膜３を結晶成長させ
て島状の単結晶シリコン薄膜４を形成する（図７(c)
）。ここで、結晶成長方法としては、ストリップヒー
ターアニールなどに比べ、約６００℃の低温で長時間ア
ニールして固相成長させる方法が配向性のそろった均一
な結晶を成長させる上で有効であるとしている。さら
に、島状のアモルファスシリコン薄膜３の大きさを１〜
１０μm 程度の大きさにすれば、約６００℃の低温アニ
ールで十分に島全体が結晶粒に成長しうる。従って、島
ひとつひとつが結晶粒界を含まない結晶領域になるとし
ている。次に、図７(d) のようにアモルファスシリコン
膜５を堆積し、島状の単結晶シリコン薄膜４を核として
結晶成長させる。ここでも約６００℃の低温で長時間ア
ニールして固相成長させる方法がとられ、おのおのの粒
は６Ｂで示した粒界で衝突するまで成長し結晶粒は１０
０μm 程度の大きさになるとしている。さらにこのシリ
コン膜を島状に加工して素子分離し動作層６となし、Ｔ
ＦＴのチャネル部が粒界６Ｂを含まないようにゲート絶
縁膜７上にゲート電極８を形成し、このゲート電極８を
マスクに不純物を注入しソース電極９ａとドレイン電極
９ｂを形成する。次に、堆積した層間絶縁膜１０にビア
を開口しＡｌなどの金属１１を堆積し加工して配線とし
た後、保護膜１２を堆積して多結晶シリコンＴＦＴを作
製するというものである。

【０００５】すなわち、基板上に選択的に成長用の核を
形成した後、再度アモルファスシリコン膜を堆積し、熱
処理によりこの核を起点として大粒径の粒を成長させ、
この中にＴＦＴを形成するものである。核の形成方法と
しては、第１のアモルファスシリコン膜を島状に加工し
た後、炉アニールなどによる固相成長により単結晶を得
るとしており、核上の第２のアモルファスシリコン膜の
成長も固相成長によるものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来方法においては次のような問題があった。第１に、核
の品質が不十分であり、このような核を起点に膜を成長
させた場合、確かに大粒径とはなるものの粒内に多数の
欠陥が発生してしまうという問題があった。これは、成
長時に核がもっていた欠陥が成長膜に履歴として残り、
保存され易いためである。核としての島状の単結晶シリ
コン薄膜を得るためには、約６００℃の低温長時間アニ
ールによる固相成長法が行われている。ここで、アニー
ル前の島状シリコン薄膜の大きさを１〜１０μm 程度と
しても、確かに約６００℃の低温アニールで島全体がひ
とつの結晶粒に成長しうるものの、島ひとつひとつは結
晶欠陥を多く含んでしまうので単結晶シリコン薄膜とは
言い難いのが現状であった。

【０００７】第２に、核上の第２のアモルファスシリコ
ン膜を固相成長により成長させた場合には、仮に核の品
質が十分であっても成長中に成長粒に欠陥が導入されや
すいという問題があった。そして、多数の欠陥の発生は
ＴＦＴの性能向上を困難にしてしまう。

【０００８】第１の点に関しては、第２の点と同様にガ
ラス基板上に低温で形成しなければならないため、結晶
成長に必要なエネルギーを十分供給できず固相成長など
では欠陥が残留しやすいことに起因している。また、炉
アニールなどによる固相成長により比較的低温で結晶成
長させる場合、数十から数百時間もの長時間が必要とな
りスループットが低く、これが低コスト化を阻む問題と
なっていた。もちろん、その際の成長温度を上げれば成
長速度も増加するが、ガラス基板の歪み点に近づき製造
歩留りが低下しやすくなるので好ましくはない。さら
に、核上に動作層となる半導体薄膜を成長するため、膜
の凹凸が大きくＴＦＴの製造歩留りが低下しやすいとい
う問題もあった。

【０００９】本発明は前記実情に鑑みてなされたもの
で、低温下で結晶性の良好な結晶核を選択的に形成する
とともに、これを用いて結晶性が良好でかつ粒径が大き
くまた粒径分布を制御され、平坦性に優れた半導体結晶
膜を、低温でかつスループットよく絶縁性基板上に形成
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで本発明の第１の特
徴は、絶縁性基板表面に島状のパターンからなる第１の
半導体薄膜を形成する第１の半導体薄膜形成工程と、前
記第１の半導体薄膜に短波長パルスレーザを照射し凝集
固化させて成長用の核を形成する核形成工程と、前記核
を覆うように第２の半導体薄膜を堆積する第２の半導体
薄膜堆積工程と、前記第２の半導体薄膜に、短波長パル
スレーザ光を照射して結晶成長させる結晶成長工程とを
含むことにある。なおここで絶縁性基板とは、絶縁性部
材からなる基板のみならず半導体基板あるいは導電性基
板の表面に絶縁膜を形成したものなど、表面が絶縁化さ
れた基板を示すものとする。

【００１１】望ましくは、この第２の半導体薄膜堆積工
程は、アモルファス半導体薄膜を堆積する工程であるこ
とを特徴とする。

【００１２】また望ましくは、前記結晶成長工程は、２
次粒成長を生起するのに十分なエネルギーの短波長パル
スレーザ光を照射する工程を含むことを特徴とする。

【００１３】さらに望ましくは、前記結晶成長工程は、
エネルギー照射量とショット数とを制御し、２次粒成長
を生起するのに十分なエネルギーの短波長パルスレーザ
光を照射して結晶成長する工程を含むことを特徴とす
る。

【００１４】また望ましくは、核形成工程は、２次粒成
長を生起するのに十分なエネルギーの短波長パルスレー
ザ光を照射して結晶成長する工程を含むことを特徴とす
る。さらに望ましくは、前記第１の半導体薄膜形成工程
に先立ち、ガラス基板表面にバッファ層として酸化シリ
コン膜と窒化シリコン膜とを含む多層膜を形成する工程
を含む。

【００１５】また本発明の第２の特徴は、絶縁性基板表
面に第１の半導体薄膜を島状に形成する第１の半導体薄
膜形成工程と、前記第１の半導体薄膜に短波長パルスレ
ーザを照射し凝集固化させて成長用の核を形成する核形
成工程と、前記核を覆うように第２の半導体薄膜を堆積
する第２の半導体薄膜堆積工程と、前記第２の半導体薄
膜を加熱し固相成長により、結晶薄膜を形成する固相成
長工程と、前記結晶薄膜に対し、短波長パルスレーザ光
を照射し２次粒成長を生起するのに十分なエネルギーを
付与し、結晶粒を拡大せしめる結晶成長工程とを含むこ
とを特徴とする。 本発明の第３の特徴は、絶縁性基板
表面に島状のパターンからなる第１の半導体薄膜を形成
する第１の半導体薄膜形成工程と、前記第１の半導体薄
膜に短波長パルスレーザを照射し凝集固化させて成長用
の核を形成する核形成工程と、前記核を覆うように第２
の半導体薄膜を堆積する第２の半導体薄膜堆積工程と、
前記第２の半導体薄膜に、短波長パルスレーザ光を照射
して結晶成長させる結晶領域を形成する結晶成長工程と
を含み、この結晶領域に素子を形成する素子形成工程と
を含む半導体装置の製造方法において、さらに前記第１
の半導体薄膜形成工程と同時またはこれに先立ち素子領
域形成のための位置合わせマークを形成する工程を含
み、前記核形成工程および前記結晶成長工程は、前記位
置合わせマークを避けて短波長パルスレーザ光を照射す
るようにしたことにある。

【００１６】また、第１の半導体薄膜も、アモルァス半
導体薄膜として堆積されることが望ましい。

【００１７】

【作用】本発明によれば、島状の第１の半導体薄膜に、
短波長パルスレーザを照射し凝集固化させて成長用の良
好な単結晶核を形成し、さらにこの核を覆うように第２
の半導体薄膜を堆積して、短波長パルスレーザ光を照射
することにより、低温で、かつスループットよく、結晶
性が良好でかつ粒径が大きく粒径分布が制御されまた平
坦性に優れた半導体結晶膜を、形成することができる。
従って、高性能で均一性の高い多結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタなどの半導体装置を提供することが可能とな
る。

【００１８】なお、短波長パルスレーザ光は、半導体薄
膜特にアモルファスシリコンに対する吸収性が高く、基
板温度を高めることなく、半導体薄膜に対して選択的に
エネルギー照射を行うことができるため、十分な凝集エ
ネルギーを付与することができる。ちなみに、従来の固
相成長では雰囲気温度は約６００℃であり、この温度は
ガラスの歪み点温度に近く、膜あるいはパターンが膨張
あるいは収縮しやすいため素子形成上、歩留りが著しく
低下しやすく、またそもそも欠陥を多数含む核となって
しまうという問題があった。

【００１９】ここで、連続波（ＣＷ）でなく、短波長パ
ルスレーザを用いたのは、次の２点の理由による。ま
ず、短波長領域ではシリコンの吸収係数が高く、基板ま
で到達するエネルギーがわずかである点と、パルスによ
り間欠的にエネルギーを付与することができるため、連
続波に比べ、基板温度の上昇を防ぐことができる点であ
る。ここで短波長領域としては波長５００nm以下をさす
ものととし、望ましくは３００nm以下の紫外線領域とす
る。特に、基板として、ガラス基板のように熱歪みの生
じ易い基板を用いた場合に有効である。この第２の半導
体薄膜は、アモルファス半導体薄膜として堆積するよう
にすれば、アモルファス半導体薄膜は融点が低いため低
温で良好な結晶成長を行うことが可能となる。

【００２０】また望ましくは、この結晶成長工程におい
ては、２次粒成長を生起するのに十分なエネルギーの短
波長パルスレーザ光を照射することにより、すでに形成
された小さな結晶粒を消費しながら大きな結晶粒に成長
していくため、大きくかつ結晶性の良好な多結晶半導体
薄膜を形成することができる。

【００２１】この２次粒成長は、エネルギー照射量とシ
ョット数とを制御し、２次粒成長を生起するのに十分な
エネルギーの短波長パルスレーザ光を照射することによ
り、達成される。

【００２２】また、核形成に際しても、２次粒成長を生
起するのに十分なエネルギーの短波長パルスレーザ光を
照射することにより大きく欠陥の少ない核形成を行うこ
とが可能となる。

【００２３】さらに、第１の半導体薄膜形成工程に先立
ち、ガラス基板表面にバッファ層として酸化シリコン膜
を形成し絶縁性基板を形成することにより、レーザアニ
ール時に発生する熱をバッファー層が基板から遮へい
し、基板への熱ダメージをより低減することができる。
また、基板が含有するＮａやＡｌあるいはＢなどの望ま
しくない不純物が第１の半導体膜からなる核や動作層と
なる第２の半導体膜に拡散するのを防止するという効果
もある。さらに、バッファー層を配置することにより、
第１の半導体膜が１つの単結晶島になりやすいように、
バッファー層の材質や表面状態を調整することが可能と
なる。島状薄膜を溶融し凝集し良質の核とするために
は、バッファー層の材質は核発生密度がなるべく小さ
く、またその表面は平坦であることが望ましい。例え
ば、材質としてはＳｉＮよりもＳｉＯ₂ の方が核発生密
度が小さいため望ましく、また、バッファー層の表面性
は研磨や化学的なエッチングにより平坦化することが望
ましい。また、バッファー層表面に存在する極めて微小
なＳｉクラスタが凝集時の自然な核となりやすい。この
ため、固化時に多数の島に分裂しやすくなったり、分裂
しなくとも多結晶島となりやすいため、化学的エッチン
グにより表面を平坦化すれば、このＳｉクラスタも除去
され核発生密度を減少させる上で有効である。特にＳｉ
ＮとＳｉＯ₂ の２層膜を用いることにより、２次粒成長
を行う際の高温についても、良好な熱的絶縁を得ること
ができ、また、基板からの不純物が動作層に拡散するの
を遮断し、信頼性の高い結晶膜を得ることができる。

【００２４】本発明の第２では、固相成長後に、短波長
パルスレーザを用いて２次粒成長を行うようにしたもの
で、これによっても大きい結晶粒を得ることができる。
固相成長では、短波長パルスレーザを用いた場合よりも
大きい結晶粒ができることがあるが、欠陥を生じ易くこ
の欠陥が、後の２次粒成長でも残留してしまうため、本
発明の第１のように、アモルファス半導体膜の状態のま
ま、短波長パルスレーザによる十分なエネルギーを付与
した方がより、結晶性の高い膜を得ることができる。

【００２５】本発明の第３では、核形成およびこの核を
用いた結晶成長に際して、短波長パルスレーザ光を使用
し、いずれの照射工程でも、位置合わせマークを避けて
短波長パルスレーザ光を照射することにより、工数を増
大することなく高精度の位置合わせを達成することが可
能となる。また核の形成と同時またはこれに先立ち形成
した位置合わせマークを良好に維持しているため、核と
の位置関係についても高精度に指示することができる。

【００２６】なお、堆積する第１の半導体薄膜の膜厚が
０．２μm 以下であることが望ましい。これは良好な単
結晶核を形成するためである。

【００２７】また、島状に加工された第１の半導体薄膜
の大きさが０．０１μm から５μmの範囲であることが
望ましい。ここで０．０１μm はパターニング精度の限
界であり、５μm より大きくなると、単結晶化するのが
難しく、島内に粒界を含んでしまうからである。

【００２８】本発明においては、島状に加工された第１
の半導体薄膜に短波長パルスレーザを照射し凝集固化さ
せて成長用の核を形成するにあたって、基板を加熱保持
しながら凝集固化させることが望ましい。これは基板の
冷却速度が緩やかになり、第１の半導体薄膜に十分な熱
エネルギーを付与できるため、単一の島に凝集固化し易
いためである。

【００２９】本発明においては、島状に加工された第１
の半導体薄膜に短波長パルスレーザを照射し凝集固化さ
せて成長用の核を形成するにあたって、水素を含む雰囲
気に基板を保持しながら２次粒成長させることが望まし
い。これは表面の自由エネルギーを大きくし、原子の自
由運動性を高め、結晶性の良好な多結晶膜を得るためで
ある。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００３１】まず、図１(a) に示すようにガラス基板１
表面にＬＰＣＶＤ法により、基板温度４５０℃にて膜厚
５０nmのアモルファスシリコン膜２を堆積する。この
後、ホトリソグラフィー技術をもちいて島状に加工した
（図１(b) ）。ここで島３の大きさは一辺の長さが１μ
m の正方形とした。次に、水素雰囲気中で、基板を４０
０℃に保持した状態で、波長２４８nm、パルス幅２５ns
ecのエキシマレーザ装置を用いて一か所あたり１ショッ
トで５００mJ／cm² のエネルギーにて溶融固化して結晶
化し核を形成した。この核を評価したところ欠陥を含ま
ない１つの単結晶島４となっていた（図１(c) ）。この
工程は、エキシマレーザのような短波長パルスレーザを
島状アモルファスシリコンに照射した場合、まずアモル
ファスシリコンは溶融し表面張力により半球状に凝集
し、その高さはアニール前のアモルファスシリコンの膜
厚より厚くなる。やがて冷却し、融点をある程度下まわ
った温度にて、一挙に固化し結晶化する。このとき、図
２に模式図を示すように、条件により初期のアモルファ
スシリコン島（図２(a) ）に対して、島は多結晶島とな
るか（図２(b) ）、１つの単結晶島となるか（図２(c)
）、あるいは多数の小さい単結晶島に分裂するか（図
２(d) ）、４つの形態が考えられる。なお、図２は島の
平面図であり、粒界が有る場合には点線で示した。エキ
シマレーザにより極めて結晶性の良好な単結晶島を低温
で得るためには以下に述べるように各種の配慮が必要で
ある。

【００３２】まず、島状薄膜の大きさは０．０１μm か
ら５μm の範囲であることが望ましい。大きさが５μm
以上になると、レーザアニールで溶融し固化する際に多
数の小さな島に分裂してしまい単一核を形成することが
困難となるからである。より好ましくは、特に、０．０
１μm から２μm 以下の範囲の大きさに加工しておくこ
とが単一核を形成する上でより有効である。ただし、
０．１μm 程度の大きさの単結晶核は比較的容易に形成
できるため０．０１μm 以下にまで小さくする必要はな
い。なお、島状薄膜の大きさは正方形の場合にはその一
辺の長さを、円の場合にはその直径を意味し、楕円や不
定形の形状の場合にはおおむね最も長い部分をその大き
さとする。

【００３３】また、この例では島の形状は正方形とした
が、これはフォトリソグラフィーなどの作製技術上の問
題があったためであり、正方形や円など、等方的な形状
が望ましく、さらに言えば加工技術上問題がないなら円
形が望ましい。これは、エキシマレーザにより溶融し固
化する際に、表面張力が膜に均一に作用しやすく、また
固化にあたっての膜の温度分布も均一に維持されやすい
ため、固化する際に多数の小さな島に分裂したり多結晶
島となってしまうことがなく単一の単結晶を得やすいた
めである。

【００３４】次に、第１の半導体薄膜から加工された島
状薄膜の膜厚は０．２μm 以下が望ましい。膜厚は厚い
程１つの島に凝集しやすいが、しかし０．２μm 以上の
膜厚では凝集により集まってできた膜の凹凸が大きくな
ってしまい素子の歩留りが低下しやすい。さらに、ゲー
ト絶縁膜の膜厚が一般に０．１μm 以下であることを考
えると、第１の半導体薄膜の膜厚は、少なくとも凝集し
た島の膜厚がゲート絶縁膜の膜厚より薄くなるよう設定
することがより望ましい。すなわち、ゲート絶縁膜の膜
厚が０．１μm である場合には、第１の半導体薄膜の膜
厚を０．１μm以下にしておくことが特に望ましいこと
になる。また、エキシマレーザの場合、エキシマレーザ
光は紫外光であるため、アモルファスシリコンや多結晶
シリコンなどのシリコン膜一般の表面近傍でほとんど吸
収され、島状薄膜の膜厚が０．３μm 以上であると膜全
体を溶融しにくく膜全体を単結晶化することは困難とな
るためである。なお、膜厚があまり薄すぎると溶融し固
化する際に多数の小さな島に分裂し易く、逆に良好な多
結晶薄膜を得ることができない場合がある。

【００３５】単結晶核を形成する場合に重要となるの
は、欠陥を含まない核とするために、いかに低温のプロ
セスで十分なエネルギーを供給するかにある。従来の約
６００℃の固相成長ではガラスの歪み点温度に近く、膜
あるいはパターンが膨張あるいは収縮しやすいため素子
形成上、歩留りが著しく低下しやすく、またそもそも欠
陥を多数含む核となってしまうという問題があった。し
かし、エキシマレーザのようなレーザは短波長であるた
めアモルファスシリコンに対する光吸収が大きく、よっ
て十分なエネルギーをシリコン膜に対して選択的に供給
することができる。このようなパルスレーザの場合、パ
ルス当たり数ＭＷという非常に大きいエネルギーを膜に
供給することができる。またパルスレーザであるため短
時間の処理で基板に熱ダメージをあたえない。レーザに
よりアモルファスシリコンは１０００℃以上に瞬間的に
昇温され溶融するが、その溶融時間は約１００ｎｓｅｃ
程度と極めて短いためガラス基板に熱ダメージを与える
ことはない。従って、従来の固相成長法に比べて良質の
単結晶核を形成することができる。

【００３６】なお、基板上にＳｉＯ₂ やＳｉＮなどのバ
ッファー層を形成してから、第１の半導体膜を堆積し加
工しレーザアニールすることがより望ましい。これは、
レーザアニール時に発生する熱をバッファー層が基板か
ら遮へいし、基板への熱ダメージがより発生しにくくな
る。また、基板が含有するＮａやＡｌあるいはＢなどの
望ましくない不純物が第１の半導体膜からなる核や動作
層となる第２の半導体膜へ拡散するのを防止するという
効果もある。さらに、バッファー層を配置することによ
り、第１の半導体膜が１つの単結晶島になりやすいよう
に、バッファー層の材質や表面状態を調整することが可
能となる。島状薄膜を溶融し凝集し良質の核とするため
には、バッファー層の材質は核発生密度がなるべく小さ
く、またその表面は平坦であることが望ましい。例え
ば、材質としてはＳｉＮよりもＳｉＯ₂ の方が核発生密
度が小さいため望ましく、また、バッファー層の表面性
は研磨や化学的なエッチングにより平坦化することが望
ましい。また、バッファー層表面に存在する極めて微小
なＳｉクラスタが凝集時の自然な核となりやすい。この
ため、固化時に多数の島に分裂しやすくなったり、分裂
しなくとも多結晶島となりやすいため、このＳｉクラス
タをエッチングにより除去しておくことも核発生密度を
減少させる上で有効である。エッチング方法としては、
ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）
やＣＤＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＤｒｙＥｔｃｈｉｎｇ）
などのドライエッチングや、溶液を用いるウエットエッ
チングなどを用いることができる。

【００３７】なお、前記実施例では、シリコン半導体薄
膜について説明したが、シリコン薄膜のみならずＧｅ薄
膜やＳｉＧｅ薄膜あるいはダイヤモンド薄膜、またＩｎ
Ｓｂ薄膜やＧａＡｓ薄膜などの他の半導体膜を半導体層
として用いる場合にも、有効であり、それぞれのバンド
ギャップや吸収係数などに対応した波長の短波長パルス
レーザを用いる。

【００３８】また、シリコン薄膜の場合、単結晶シリコ
ンや多結晶シリコンに比べアモルファスシリコン膜の方
が短波長（紫外光）における光吸収が非常に大きく融点
も低いため、島状薄膜を十分に溶融して固化時に欠陥が
ない単結晶島とするには、第１の半導体薄膜としてはア
モルファスシリコン膜を堆積することが望ましい。もち
ろん、第１の半導体薄膜として多結晶シリコンを堆積し
てもよいが、その場合、より高いエネルギーを供給しな
ければならずレーザ装置の性能の制限を越えてしまう場
合があり、また、基板に熱ダメージを与える危険性が増
加するため、作製条件の制約がより大きくなる。一方、
供給するエネルギーが不十分であると粒界や欠陥が残留
し問題となってしまう。また、第１の半導体薄膜として
アモルファスシリコン膜を堆積した後、約６００℃の固
相成長を行い多結晶シリコンとしこれを島状に加工した
後、エキシマレーザアニールしてもよいが、固相成長を
もちいることにより工程数が増加し、またガラス基板に
熱ダメージを与えやすいためあまり望ましくない。

【００３９】また、島状薄膜をエキシマレーザにより溶
融し固化する際には、基板を加熱しておくことが重要で
ある。これはエキシマレーザにより溶融したシリコン膜
は時間とともに冷却されるが、基板を加熱しておくと冷
却速度が緩和され単一の島に凝集固化しやすくなる。一
般には温度が高いほど物体の粘性は高いが、冷却速度が
緩和されると、この粘性が高い状態を維持する時間が長
くなり、よって、島状薄膜は表面張力によって１つに凝
集しやすくなる。つまり、溶融後の固化に際し多数の小
さな島に分裂してしまうという問題を抑制できる。この
基板加熱は膜厚が薄い島状薄膜にレーザアニールする場
合に、特に有効となる。また、基板を加熱しておくと、
冷却速度が緩和され成長粒はそもそも大粒径になりやす
いため単一の単結晶島になりやすい。

【００４０】このように、エキシマレーザなどの短波長
のパルスレーザを用いて結晶核を形成する場合、基板加
熱により、より大粒径で高品質な単一の結晶核を形成す
ることが可能となる。なお、基板加熱はガラス基板に対
する熱ダメージを考慮すると現状では５００℃以下が望
ましい。もっとも、耐熱性の高い石英基板を用いる場合
やガラス基板でも６００℃よりも高温側に歪み温度をも
つガラスが開発されれば、基板に熱ダメージを与えない
温度であれば、基板を５００℃以上に加熱してもよいこ
とはいうまでもない。

【００４１】なお、図１(a) 乃至(c) においてアモルフ
ァスシリコン膜をエキシマレーザなどの短波長パルスレ
ーザでアニールしてから後に島状に加工する手順も考え
られる。しかしその場合、アモルファスシリコン膜は基
板全面に存在しているため、レーザにより供給された熱
はシリコン膜を横方向に伝わって逃げやすくなる。従っ
て、溶融時間は短く、また冷却速度は比較的大きいため
粒径は大きくなりにくく、表面張力により１つの単結晶
の島に凝集することも困難となり、基板全面の膜は粒径
の小さな多結晶膜となる。従って、さらに島状に加工し
た後にアニールしても、粒径の小さい多結晶シリコン膜
を出発材料とすると単結晶化するのが困難となり、より
大きなレーザエネルギーを多結晶島に供給しなければな
らなくなる。このように、第１のシリコン薄膜はアモル
ファスシリコン膜であることが望ましく、多結晶シリコ
ン膜であると単結晶化するために非常に大きなレーザエ
ネルギーを供給しなければならなくなるのと同様、それ
は大粒径で高品質の単一の結晶核を形成するに適した手
順とはならない場合がある。つまり、島状に加工してか
らアモルファスシリコン膜を短波長パルスレーザでアニ
ールするようにするのが望ましい。

【００４２】以上のように結晶性に優れた核を選択的に
形成した後、次に図１の(d) のようにＬＰＣＶＤ法によ
り４５０℃にて１００nm厚さの第２のアモルファスシリ
コン膜５を堆積した後、水素雰囲気中で、４００℃に基
板を保持した状態で、波長２４８nmでパルス幅２５ｎｓ
ｅｃのエキシマレーザ装置を用いて、４００mJ／cm²の
エネルギーで、一か所当たり１０ショット照射してアニ
ールを行い、結晶成長し、多結晶シリコン膜６を形成し
た（図１(e) ）。多結晶シリコン膜６には多数の粒界６
Ｂがあるが、選択的に配置された核の部分の粒径は非核
配置部分の粒径の数倍以上の大きさであった。これはレ
ーザにより膜が溶融し固化するに際し、単結晶核が起点
となりまず初めに成長を開始するからである。

【００４３】なお、エキシマレーザの照射エネルギーが
十分高いと単結晶核の表面層も同時に溶融し固化するた
め、膜全体の平坦性は従来法に比べて大幅に改善され
た。また、このように単結晶核の表面層も第２のアモル
ファスシリコン膜５と同時に溶融し固化するので、結晶
化した膜中の粒の結晶性は、この単結晶核からのいわば
エピタキシャル的成長により欠陥を含まない良質の単結
晶となった。欠陥を含みやすい従来法に比べて、本発明
により極めて良質の結晶粒を形成することができた。従
って、この時に照射するレーザのエネルギーは、第２の
アモルファスシリコン膜５を全溶融できる値以上の値で
あり、かつ第２のアモルファスシリコン膜５の下層に配
置された島状核の表面層は溶融できるが、しかし島状核
を全溶融しない値以下である必要がある。エネルギーが
島状核の表面層を溶融できる程度でないと、単結晶核か
らのエピタキシャル的成長ができず選択配置位置の結晶
粒の結晶性を十分なものにすることができない。また、
島状核を全溶融してしまうほど高いエネルギーを用いる
と、核がまったく存在していなかったのと同じになり、
大粒径の粒の選択的な形成と配置ができなくなってしま
うからである。なお、レーザを照射するにあたっては基
板を加熱保持しながら凝集固化させることが望ましい。
これは、この加熱により、溶融した膜が固化する時の冷
却速度が緩和されるので、粒径が大きくなりやすいため
である。

【００４４】次に、水素雰囲気中で、４００°Ｃに基板
を保持した状態にて、波長２４８nmでパルス幅２５nsec
のエキシマレーザ装置を用いて、４００mJ／cm² のエネ
ルギーを多数ショット（一か所当たり５００ショット）
照射して２次粒成長を生じせしめ、１０μm 前後の大粒
径の粒を含む多結晶シリコン膜６を形成した（図１(f)
）。これにより、選択的に配置された核の部分６ｂの
多結晶シリコン膜６の粒径は非核配置部分６ｃの多結晶
シリコン膜６の粒径に比べさらに増加し、ＴＦＴチャネ
ル部を無粒界とするに十分な大きさであった。

【００４５】ここで、２次粒成長とは別名、異常成長と
も呼ばれており、多結晶状態の金属薄膜や半導体薄膜に
おいて見られる現象である。２次粒成長は、一旦形成が
完了した多結晶膜にさらに高いエネルギーを供給した場
合に起こる現象であり、追加エネルギーにより粒界を含
む膜の表面自由エネルギーを最小化するよう各粒は粒界
や表面を通じて構成原子を移動させ、その大きさや配向
性などを変える現象である。例えば、エキシマレーザア
ニールによりアモルファス−シリコン膜を結晶化して得
られる多結晶シリコン膜の粒径は０．１μｍから１μｍ
程度が一般的であるが、さらにエキシマレーザを照射し
続けると２倍から数十倍程度の大きさの粒径に２次粒成
長する。２次粒成長を促すために必要とされるエネルギ
ーは、一か所に照射されるレーザのショット回数や膜厚
あるいはシリコン膜と基板の界面状態などの複数の要因
によるため、現在の知識範囲においては一概には決定で
きない。

【００４６】但し前記実施例では、通常の多結晶シリコ
ン膜の形成に対して必要な、レーザのショット数が数シ
ョットから数十ショットであるのに対して、２次粒成長
のためには数十ショットから数百ショット以上、さらに
照射することが有効である。もちろん、レーザパルス自
体のエネルギーを増加させ追加照射することも有効であ
る。

【００４７】２次粒成長はこのように一旦形成が完了し
た膜にさらにエネルギーを供給し、その追加エネルギー
を用いて膜の表面自由エネルギーを最小化するように各
粒がその大きさや配向性などを変える現象であるが、そ
の際、比較的粒径の大きな粒は、周辺の比較的粒径の小
さな粒を消費しながら拡大することができることを見い
だした。そのため図１(f) に示すように粒径の大きな多
結晶シリコン膜６を選択的に形成することができる。な
お、比較的粒径の大きな粒が比較的粒径の小さな粒を消
費しながら拡大するメカニズムについては、現在の時点
においては詳細にはわかっていないため、２次粒成長前
の初期膜の膜厚やその配向性、照射エネルギー等の最適
化を行うことが望ましい。

【００４８】また、２次粒成長を行うにあたり、水素雰
囲気中でエキシマレーザを照射し成長を行うことが動作
層の膜質を良好にする上で有効であった。これは、表面
に自然に形成されやすい酸化膜が水素雰囲気中では除去
され易く、よって各粒がその大きさや配向性などを変え
て膜の表面自由エネルギーを最小化するために移動する
ことがより容易になるためである。また特に、本発明の
場合、エキシマレーザを多数ショット照射し成長を行う
が、ショットごとに酸素がシリコン膜に混入すると、キ
ャリア移動度や閾値電圧が劣化し信頼性も低くなるた
め、その防止および抑制という点から特にこの水素雰囲
気中での処理は効果的である。このことは供給されるエ
ネルギーが非常に大きく、また多数ショットを照射する
本発明の方法の場合には特に有効である。容易に表面が
酸化しやすく、また、欠陥源となる酸素が不純物として
膜中にも混入されやすいことを考えるとこの水素雰囲気
中での保持効果がより大きいことがわかる。また、２次
粒成長を行うにあたって水素プラズマ雰囲気中あるいは
水素ラジカル雰囲気中でエキシマレーザを照射し成長を
行うことも、同様に動作層の膜質を良好にする上で有効
であった。また、２次粒成長を行うにあたって表面を水
素プラズマや各種ガスによりエッチングし、表面酸化物
を除去してから２次粒成長することも同様な理由から有
効である。

【００４９】また、２次粒成長を行うにあたって、シリ
コン膜が堆積される基板表面はなるべく平坦でまた清浄
に処理されていることが望ましい。平坦でまた清浄であ
れば欠陥のきわめて少ない良好な膜を得ることができ
る。また、２次粒成長を行うにあたって膜厚は薄い方が
２次粒成長しやすい。つまり、より少ないエネルギーに
より、膜の表面自由エネルギーを最小化するように、各
粒の再成長もしくは消費をおこなうことができる。ただ
し、比較的粒径の大きな粒が、周辺の比較的粒径の小さ
な粒を消費しながら拡大するためには、膜厚や配向性、
照射エネルギーなどの組合せが最適である必要があるた
め、必ずしも常に膜厚は薄い方が良いわけではない。従
って、実際には各条件を勘案して膜厚やエネルギーなど
を決定するのが望ましい。

【００５０】また、基板を加熱した状態で２次粒成長を
行うことが望ましい。これはレーザアニールにおけるシ
リコン膜の冷却速度が緩和され、高温状態が長引くた
め、膜を構成している各粒が移動しやすくなるためであ
る。特に、本発明においては単結晶シリコン粒を核とし
て２次粒成長を行うのであるが、各粒を移動しやすくし
欠陥や粒界が残存しないようにさらに大粒径化するよう
に配慮する上で、この基板加熱は先の水素雰囲気中での
処理とあわせて極めて有効な方法であった。なお、基板
加熱はガラス基板に対する熱ダメージを考慮すると前述
したように現在では５００℃以下が望ましい。

【００５１】以上の方法により、選択的に大粒径の高品
質多結晶シリコン膜を形成することができた。

【００５２】このように選択的に大粒径でかつ単結晶と
同等の結晶性をもつ粒からなる半導体動作層を低温で形
成することができたのは、短波長パルスレーザを用いて
極めて結晶性の良い核を形成し、その上に堆積した第２
のアモルファスシリコン膜に対しても同様に短波長パル
スレーザを用いたためである。もちろん、動作層の形成
において２次粒成長を行うことが可能となる技術を提示
できたことにもよる。従って、大粒径でかつ単結晶と同
等な結晶性をもつ粒を低温で選択的に形成するには、核
形成にも動作層形成にも固相成長を用いていた従来法と
比べ、短波長パルスレーザを用いて低温プロセスにて十
分なエネルギーを供給できる本発明の方法は極めて有効
である。

【００５３】次に、このようにして得られた多結晶シリ
コン膜をパターニングし、素子分離された動作層６とな
し、ＥＣＲ−ＣＶＤ法により室温にて１００nm厚さのＳ
ｉＯ₂ からなるゲート絶縁膜７を堆積した。そしてゲー
ト電極８としてスパッタ装置により１５０℃にて５００
nm厚さのＴａ薄膜を堆積し、ホトリソグラフィー技術を
使ってパターンを形成した。このゲート電極をマスクと
してイオンドーピング装置によりソース領域９ａおよび
ドレイン領域９ｂに不純物を導入した。注入条件は、ソ
ース・ドレイン領域をｎ+ 型にする場合とｐ+ 型にする
場合とで異なり、それぞれ、１００ｋｅＶで水素希釈の
５％ＰＨ₃ を１×１０¹⁶cm^-2，４０ｋｅＶで水素希釈の
５％Ｂ₂ Ｈ₆ を１×１０¹⁶cm^-2導入する。導入後、窒素
雰囲気中で４００℃、１時間加熱し、不純物の活性化ア
ニールを行った。さらにプラズマＣＶＤにより２５０℃
にて１μm 厚さのＳｉＯ₂ からなる層間絶縁膜１０を堆
積し、フッ酸によるウエットエッチングにより電極取り
出しのための開口をあけ、スパッタ装置により１５０℃
にて１μm 厚さのＡｌを堆積・パターニングして配線１
１を形成し、その上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮか
らなる保護膜１２を２００℃にて１μm 厚さ堆積した
（図１(g) ）。このようにして作製された多結晶シリコ
ンＴＦＴの多結晶シリコン動作層のチャネル部分には、
膜の粒界を含まないように大粒径の粒が配置されてい
る。リーク電流は、最も電界強度の高いドレイン電極端
の粒界を介して発生する。しかし、ドレイン電極端に粒
界が存在しないようにしたために、粒界が原因となるリ
ーク電流の発生も大幅に削減できしかも均一化できた。
また、それぞれの多結晶シリコンＴＦＴの動作層は単一
の単結晶なので、キャリア移動度や閾値電圧も単結晶基
板をもちいた素子と同等の高性能を示した。また、選択
的に単結晶動作層を配置したためＴＦＴ特性はきわめて
均一性の高いものとなった。また、堆積した第２のアモ
ルファスシリコン膜を溶融する際、同時に単結晶核表面
も溶融し固化するため、従来法に比べ動作層膜の凹凸も
小さくすることができた。

【００５４】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。前記実施例１の作製プロセスにほぼ同じであり、異
なるのは核となる島状薄膜の結晶化工程である。図面は
第１の実施例と同様、図１を用いて説明する。

【００５５】まず、ガラス基板１上にＬＰＣＶＤ法によ
り４５０℃にて３０nm厚さの第１のアモルファスシリコ
ン膜２を堆積した後（図１(a) ）、ホトリソグラフィー
技術をもちいて島状に加工した（図１(b) ）。島３の大
きさは一辺の長さが１μm の正方形とした。次に水素雰
囲気中で、４００℃に基板を保持した状態にて、波長２
４８nmパルス幅２５nsecのエキシマレーザ装置を用い
て、３５０mJ／cm² のエネルギーで一か所あたり１０シ
ョットでにて溶融し固化して結晶化した。平坦性を考慮
し第１のアモルファスシリコン膜２の膜厚は実施例１よ
り薄い値である。しかし、膜厚が薄いとアニールにより
溶融し固化する際に分裂しやすいため、照射エネルギー
も３５０mJ／cm² と低い値にした。従って、この場合に
得られた膜は実施例１と異なり多結晶であった。

【００５６】さらに、次に水素雰囲気中で、４００℃に
基板を保持した状態にて、波長２４８nmパルス幅２５ns
ecのエキシマレーザ装置を用いて３５０mJ／cm² のエネ
ルギーで一か所あたり３００ショット照射して結晶化し
２次粒成長を行った。この核を評価したところ欠陥を含
まない１つの単結晶島となっていた。このようにして島
状多結晶膜は単結晶島４となり、成長用の核を形成する
ことができた（図１(c) ）。

【００５７】エキシマレーザのような短波長パルスレー
ザを用いることにより、極めて結晶性の良好な単結晶島
を、低温下で大面積のガラス基板上に得ることができ
た。なお、先の多結晶島に数ショットから数十ショット
をエキシマレーザで追加アニールしても２次粒成長は起
こりにくく、各粒径はほとんど変わらず島は多結晶のま
まであった。２次粒成長を引き起こすには十分なエネル
ギー（この場合はショット回数）を供給する必要があっ
た。

【００５８】このように本発明者らは、再度エキシマレ
ーザを照射して２次粒成長を起こし、良質な単結晶の島
にすることができることを見いだした。この方法は、ア
モルファスシリコン膜を島状に加工する際に作製技術上
あるいは装置性能上、島の最小加工寸法を比較的小さく
できない場合や、膜厚や照射エネルギーなどが適当なも
のにできない場合に有効である。特に、最終の動作層膜
の平坦性を良好な状態とするため、第１のアモルファス
シリコン膜を薄くしなければならず、よってその場合レ
ーザアニール時に島が分裂しやすく、一方分散させない
ようにエネルギーを下げると多結晶膜となってしまうよ
うな場合に特に有効である。このことは、島状アモルフ
ァスシリコン膜の大きさを比較的小さくできず多結晶膜
となってしまう場合にも同様である。これらの場合、ア
モルファスシリコン膜は多結晶膜となってしまいやすい
が、しかし２次粒成長によって改めて単結晶化できる。
従って、成長用の良質で平坦な単結晶核を低温で形成す
る上で、この２次粒成長は非常に有効である。

【００５９】なお、前述した理由により島状薄膜の膜厚
は０．２μm 以下、大きさは０．０１μm から５μm 、
形状は円形とするのが望ましい。また、核の２次粒成長
に関し満足すべき条件は前記実施例１で述べたこととほ
ぼ同じで、基板を加熱することや水素雰囲気中に保持す
ることは勿論重要である。ただし、先の実施例１では基
板全面に存在する第２のシリコン膜に対して２次粒成長
したが、この実施例では多結晶島は熱的に孤立して存在
しておりその熱容量も小さい。従って、アニール時に熱
が逃げにくく、２次粒成長に必要とされるエネルギーは
より少ないものとなる。

【００６０】以上のように結晶性に優れた核を選択的に
形成した後、次に図１の(d) のようにＬＰＣＶＤ法によ
り４５０℃にて１００nm厚さの第２のアモルファスシリ
コン膜５を堆積した後、水素雰囲気中で、４００℃に基
板を保持した状態にて、波長２４８ｎｍ、パルス幅２５
nsecのエキシマレーザ装置を用いて４００mJ／cm² のエ
ネルギーにて一か所当たり１０ショット照射して結晶成
長し多結晶シリコン膜６を形成した（図１(e) ）。多結
晶シリコン膜６には多数の粒界があるが、選択的に配置
された核の部分６ｂの粒径は非核配置部分６ｃの粒径の
数倍の大きさであった。これはレーザにより膜が溶融し
固化するに際し、単結晶核が起点となりまず初めに成長
を開始するからである。なお、エキシマレーザの照射エ
ネルギーが高いと単結晶核の表面層も同時に溶融し固化
するので、膜全体の平坦性は従来の方法に比べて改善さ
れた。さらに、実施例１に比べてより平たんであった。
また、このように単結晶シリコン核の表面層も第２のア
モルファスシリコン膜５と同時に溶融し固化するので、
結晶化した膜中の粒の結晶性はこの単結晶核からいわば
エピタキシャル的に成長し欠陥を含まない良質の結晶と
なり、欠陥を含む従来法に比べて良質の結晶粒が成長で
きた。なお、照射するレーザ光のエネルギーなどの条件
は先の実施例１と同様である。

【００６１】次に、水素雰囲気中で、４００℃に基板を
保持した状態にて、波長２４８nmでパルス幅２５nsecの
エキシマレーザ装置を用いて４００mJ／cm² のエネルギ
ーを多数ショット（一か所当たり５００ショット）照射
して２次粒成長を生じせしめ、大粒径の多結晶シリコン
膜を形成した（図１(e) ）。これにより、選択的に配置
された核の部分６ｂの粒径は非核配置部分６ｃの粒径に
比べさらに増加した。２次粒成長は先に述べたように、
比較的粒径の大きな粒が、周辺の比較的粒径の小さな粒
を消費しながら拡大するもので、そのため図１(f) に示
すように粒径の大きな粒をもつ多結晶シリコン膜を選択
的に形成することができた。なお、２次粒成長を行うに
あたって水素雰囲気中また基板を加熱した状態でエキシ
マレーザを照射し成長を行うことが有効であることは先
の実施例１と同様である。

【００６２】以上の方法により、大粒径で高品質の多結
晶シリコン膜を形成することができた。

【００６３】このように大粒径でかつ単結晶と同等の結
晶性をもつ粒からなる半導体動作層を低温で形成できた
のは、短波長パルスレーザを用いて極めて結晶性の良い
核を形成し、その上に堆積した第２のアモルファスシリ
コン膜に対して同様に短波長パルスレーザを用いたため
である。もちろん、核の形成や動作層の形成において２
次粒成長を行うことが可能となる技術を提示できたこと
にもよる。従って、核にも動作層の形成にも固相成長を
用いていた従来法に比べ、短波長パルスレーザを用いて
低温プロセスながら十分なエネルギーを成長に供給でき
る本発明の方法は極めて有効であると言える。

【００６４】次に、前記第１の実施例と同様にして多結
晶シリコン膜６を島状にパターニングし、同様に薄膜ト
ランジスタを形成した。このようにして作製された多結
晶シリコンＴＦＴの多結晶シリコン動作層のチャネル部
分には、膜の粒界を含まないように大粒径の粒が配置さ
れている。リーク電流は、最も電界強度の高いドレイン
電極端の粒界を介して発生する。しかし、ドレイン電極
端に粒界が存在しないようにしたために、粒界が原因と
なるリーク電流の発生も大幅に削減できしかも均一化で
きた。また、それぞれの多結晶シリコンＴＦＴの動作層
は単一の単結晶なので、キャリア移動度や閾値電圧も単
結晶基板をもちいた素子と同等の高性能を示した。ま
た、選択的に単結晶動作層を配置したためＴＦＴ特性は
きわめて均一性の高いものとなった。また、堆積した第
２のアモルファスシリコン膜を溶融する際、同時に単結
晶核表面も溶融し固化するため、従来法に比べ動作層膜
の凹凸も小さくすることができた。

【００６５】次に本発明の第３の実施例について説明す
る。

【００６６】まず、図３(a) に示すように、ガラス基板
１上にＬＰＣＶＤ法により４５０℃にて５０nm厚さの第
１のアモルファスシリコン膜２を堆積した後、ホトリソ
グラフィー技術を用いて島状に加工した（図３(b) ）。
ここでアモルファスシリコン島３の大きさは一辺の長さ
ｂが０．５μm の正方形とした。またアモルファスシリ
コン島の島と島との間の距離ａは１μm とした。

【００６７】次に、基板を４００℃に保持し、水素雰囲
気中で、波長２４８nmでパルス幅２５nsecのエキシマレ
ーザ装置を用いて，５００mJ／cm² のエネルギーを一か
所あたり１０ショット供給して溶融し固化して結晶化し
た。得られた島は実施例１と同様、単一の単結晶膜であ
った（図３(c) ）。

【００６８】このようにして結晶性に優れた核を選択的
に形成した後、次に図３(d) のようにＬＰＣＶＤ法によ
り４５０℃にて１００ｎｍ厚さの第２のアモルファスシ
リコン膜５を堆積した後、水素雰囲気中で、４００℃に
基板を保持し、波長２４８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓｅｃ
のエキシマレーザ装置を用いて４００mJ／cm² のエネル
ギーを一か所あたり１０ショット供給して結晶成長し多
結晶シリコン膜６を形成した（図３(e) ）。多結晶シリ
コン膜６を構成している各粒は島の大きさより拡大せし
められ単結晶であった。アモルファスシリコン３の大き
さは一辺の長さが０．５μm であったが粒径はほぼ１μ
m であった。膜中には多数の粒界があるが、選択的に配
置された核により粒径は均一であった。これはレーザに
より膜が溶融し固化するに際し、単結晶シリコン核が起
点となり成長を開始し、隣接する核から成長してくる粒
同士が、核と核のほぼ中間位置にて衝突しそのまま固化
したためである。なお、エキシマレーザの照射エネルギ
ーが高いと単結晶核の表面層も同時に溶融し固化するの
で、膜全体の平坦性は従来法に比べてより改善される。
また、このように単結晶シリコン核の表面層も第２のア
モルファスシリコン膜５と同時に溶融し固化するので、
結晶化した膜中の粒の結晶性はこの単結晶シリコン核か
らいわばエピタキシャル的に成長し欠陥を含まない良質
の結晶となり、欠陥を含んでいた従来法に比べて良質の
結晶粒が成長できた。なお、照射するレーザ光のエネル
ギーなどの本発明が満足すべき条件は前記実施例１と同
様である。もちろん、この核の形成において実施例２の
ように２次粒成長を行ってもよい。 このようにして、
比較的大粒径で高品質の多結晶シリコン膜を形成するこ
とができた。

【００６９】次に、このようにして得られた多結晶シリ
コン膜６を島状にパターニングし、実施例１および２の
場合と同様にしてこの多結晶シリコン膜６を動作層とす
る薄膜トランジスタを形成した。（図３(f) ）。なお、
この動作層は、図１の場合と同様に図３(d) や(e) に示
されている多結晶シリコン膜に比べ幾分縮小して描かれ
ている。

【００７０】このようにして作製された多結晶シリコン
ＴＦＴの多結晶シリコン動作層は粒界を含むものの、核
粒径は極めて均一でありかつ核粒は結晶性の良好な単結
晶である。したがってチャネル内に、粒界を含まない実
施例１および２の場合に比べると、リーク電流や、キャ
リア移動度や閾値電圧などのＴＦＴ特性は劣るものの、
従来の方法に比べ、ＴＦＴ特性はより良好でかつ極めて
均一性の高いものであった。

【００７１】これは従来の方法に比べると粒界の数は多
いが、エキシマレーザアニールを用いているため、粒界
の欠陥数は少なくかつ粒内の欠陥数も極めて少なかった
ためである。ＴＦＴ特性を支配する膜中の欠陥数を減ら
す場合、粒界の数と、粒界当たりの欠陥数、そして粒内
の欠陥数の三者の総計を考慮しなければならない。もち
ろん、実施例３では実施例１あるいは実施例２に比べて
ＴＦＴ特性は劣るものの、特性は均一であり単結晶と同
等の特性でなくとも多結晶シリコンＴＦＴが適用される
半導体素子によっては十分に産業上の価値をもつ。ま
た、動作層工程において２次粒成長がない分、低コスト
であるという利点をもつ。

【００７２】なお、前記実施例３においては図３の(b)
において加工されるアモルファスシリコン島の間隔は、
実施例１や２と異なり、２次粒成長を用いないため当然
制限がある。望ましくは、島間隔ａは島の大きさｂの１
０倍以下であり、特に島の大きさｂの２倍以下が望まし
い。これは、単結晶化できる島の大きさｂ以上に離して
島を配置してしまうと、動作層成長中に核がなかった部
分からも粒が発生しやすくなり、よってＴＦＴ特性の均
一性を損なうからである。島間の距離はレーザアニール
条件や第２の半導体薄膜の膜厚のみならず、基板やバッ
ファー層の表面状態にもよるためこれらを勘案して決定
しなければならない。

【００７３】なお、前記実施例１から３に示した本発明
においては、島状に加工された第１の半導体薄膜に短波
長パルスレーザを照射し凝集固化させて成長用の核を形
成するにあたって、また場合によっては核の上部を覆う
第２の半導体薄膜に短波長パルスレーザ光を照射して結
晶化させる場合も含め、アライメントマークに相当する
部位には短波長パルスレーザ光を照射しないことが望ま
しい。これにより、従来必要であったアライメントマー
ク作成工程が不要となり低コスト化をはかることができ
る。以下、この方法について図４を用いて説明する。な
お、図４は動作層形成における途中工程まで示したもの
である。

【００７４】素子作製工程では、先ず、フォトリソグラ
フィー工程において動作層膜全面にレジストを塗布し、
ステッパーなどの露光装置により露光し、素子分離する
ために動作層部の上のみにレジストパターンを残し、ド
ライエッチングなどにより動作層膜をエッチングする。
そこでこの際、選択的に配置された核の位置を同定し、
これに対してパターンをフォトリソグラフィー工程にお
いてアライメントしレジスト露光しなければならない。
しかし、第１の半導体薄膜を島状に加工した際に同時に
形成されたアライメントマーク３Ｍとなる部分も、短波
長パルスレーザにより凝集固化されてしまうとアライメ
ントマークとして機能しなくなってしまう。つまり、レ
ーザ照射によりアライメントマーク部も溶融し凝集して
しまうため、アライメントマークとして機能しなくなっ
てしまうのである。

【００７５】そこで、レーザ光は２次元面上で選択的に
照射することができるため、アライメントマークとなる
部分にはレーザ光を照射しないことによりアライメント
マークとしての機能を保持することができる。この方法
は図１で説明した実施例１とほとんど同様であるがアラ
イメントマーク３Ｍをアモルファスシリコン島の形成と
同時に形成しておき、後のレーザ光照射工程で、この領
域を避けてレーザ光照射を行うようにしたことを特徴と
する。

【００７６】まず、図４(a) に示すようにガラス基板１
表面にＬＰＣＶＤ法により、基板温度４５０℃にて膜厚
５０nmのアモルファスシリコン膜２を堆積する。この
後、ホトリソグラフィー技術をもちいて島状に加工した
（図４(b) ）。ここで島の大きさは一辺の長さが１μm
の正方形とした。そしてこのときアライメントマーク３
Ｍも同時にパターニングしておく。

【００７７】次に、水素雰囲気中で、基板を４００℃に
保持した状態で、波長２４８nm、パルス幅２５nsecのエ
キシマレーザ装置を用いて一か所あたり１ショットで５
００mJ／cm² のエネルギーにて溶融固化して結晶化し核
４を形成した。この核を評価したところ欠陥を含まない
１つの単結晶島となっていた（図４(c) ）。この時、レ
ーザ光はアライメントマーク３Ｍには照射しない。従っ
て、アライメントマーク部３Ｍのパターンは凝集による
変形が発生しないため、素子分離のための動作層加工用
パターンとアライメントできるのである。

【００７８】次に図４(d) のようにＬＰＣＶＤ法により
４５０℃にて１００nm厚さの第２のアモルファスシリコ
ン膜５を堆積した後、水素雰囲気中で、４００℃に基板
を保持した状態で、波長２４８nmでパルス幅２５ｎｓｅ
ｃのエキシマレーザ装置を用いて４００mJ／cm² のエネ
ルギーで一か所当たり１０ショットでアニールを行い結
晶成長することにより多結晶シリコン膜６を形成した
（図１(e) ）。この時もレーザ光はアライメントマーク
部３Ｍには照射せず、アライメントマークの変形が起こ
らないようにした。この後、２次粒成長する場合でも、
同様にアライメントマーク部には照射しないことが望ま
しい。

【００７９】このように核上に堆積した第２半導体薄膜
を短波長パルスレーザによりアニールする際にも、アラ
イメントマークとなる部分にはレーザ光を照射しないこ
とが望ましい。もちろん、第２半導体薄膜をアニールし
てもアライメントマークとしての機能するならば、第２
半導体薄膜はアニールしてもかまわない。

【００８０】従って、従来では第１半導体薄膜を堆積す
るに先立ち別の材料で形成していたアライメントマーク
の作製工程を省略することができ、核形成と同一工程で
アライメントマークを形成することが可能となり、低コ
スト化をはかることができた。すなわち従来は、Ｔａや
Ｃｒなどの金属などを堆積しフォトリソグラフィー工程
をとおしてアライメントマークをパターニングしていた
のである。

【００８１】なお、前記実施例では、第２のアモルファ
スシリコン膜５を形成した後、短波長パルスレーザによ
る、結晶化および２次粒成長を行ったが、まず固相成長
を行い、この後短波長パルスレーザによる２次粒成長を
行うようにしてもよい。次に、本発明の第５の実施例と
してこの方法について図５を参照しつつ説明する。この
例では、図５(a) 乃至(d) において核を形成し、この上
層にアモルファスシリコン膜５を形成する工程までは前
記実施例１と同様であるが、この後図５(e) に示すよう
に６００℃の窒素雰囲気中で４８時間の熱処理を行い固
相成長を行う。この工程で第１のアモルファスシリコン
膜５は核としての単結晶シリコン島４から選択的に粒界
６Ｂに衝突するまで成長し、約１０μm の粒径をもつ多
結晶シリコン膜６となった。しかし結晶性に優れた核を
用いて固相成長を行ったにもかかわらず、透過型電子顕
微鏡を用いて観察した結果、粒内に欠陥が形成されてい
た。（なおこの観察は欠陥部を選択的にエッチングし電
子顕微鏡によって観察して確認してもよい。） 次に、水素雰囲気中で、４００°Ｃに基板を保持した状
態にて、波長２４８nmでパルス幅２５nsecのエキシマレ
ーザ装置を用いて４００mJ／cm² のエネルギーを一か所
当たり１０ショット照射してレーザアニールを行った
（図５(f））。このようにして得られた多結晶シリコン
膜は、粒内および粒界の欠陥が大幅に低減されていた。
かかる構成によれば、短波長レーザ光の照射により、配
置された核の部分に、従来法に比べ結晶性が良好でかつ
粒内にＴＦＴ（図５(g) ）のチャネルを形成するに十分
な大きさの粒をもつ多結晶シリコン膜を選択的に形成す
ることが可能となる。

【００８２】なお、この例では、核の形成に短波長レー
ザ光の照射による二次粒成長を用いたが、図５(c) にお
いてレーザアニールに代えて６００℃の窒素雰囲気中で
４８時間保持し固相成長を行い、他は同様の工程を経て
形成した多結晶シリコン膜では多数の欠陥が発生した。
この方法との比較により、核の結晶性が改善されたた
め、良好な多結晶シリコン膜が形成されていることがわ
かる。

【００８３】また前記実施例では固相成長後、４００mJ
／cm² のエネルギーを一か所当たり１０ショット照射し
てレーザアニールを行ったが、さらに図６に工程図を示
すように、固相成長工程までは前記実施例と同様に行っ
た後、水素雰囲気中で、４００℃に基板を保持した状態
にて、波長２４８nm、パルス幅２５nsecのエキシマレー
ザ装置を用いて４００mJ／cm² のエネルギーを一か所当
たり４００ショット照射して二次粒成長を行った（図６
(f））。このようにして得られた多結晶シリコン膜は、
さらに欠陥が大幅に低減されていた。かかる構成によれ
ば、短波長レーザ光の照射により、二次粒成長が起こ
り、粒径が大きく結晶性の優れた多結晶シリコン膜６が
形成される。従ってこの多結晶シリコン膜６を動作層と
する極めて優れたＴＦＴのチャネルを形成するに十分な
大きさの粒をもつ多結晶シリコン膜を選択的に形成する
ことが可能となる。（図６(g) ） なお、本発明は実施例としてガラス基板上に多結晶シリ
コンＴＦＴを形成する場合について述べたが、石英基板
上やあるいはシリコン基板上の絶縁膜の上に形成する多
結晶シリコンＴＦＴあるいは単結晶シリコンＴＦＴを作
製するにおいても有効である。また、絶縁性基板上やあ
るいは絶縁膜上に太陽電池やバイポーラトランジスタあ
るいはＣＣＤなどを形成する場合にももちろん同様に効
果的である。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁性基板上に堆積し
た第１の半導体薄膜を島状に加工する工程と、これに短
波長パルスレーザを照射し凝集固化させて成長用の単結
晶核を形成する工程と、さらにその上部を覆うように第
２の半導体薄膜を堆積する工程と、これに短波長パルス
レーザ光を照射して結晶成長する工程とを具備すること
により、結晶性が良好な結晶核を得ることができるとと
もに、これを用いて結晶性が良好でかつ粒径が大きく粒
径分布が制御された半導体結晶膜を、平坦性よく、低温
で、かつスループットよく形成することができ、高性能
で均一性の高い多結晶シリコンＴＦＴを提供することが
可能となる。またアライメントマークの作製工程を削減
し低コスト化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の多結晶シリコンＴＦＴ
の製造工程図

【図２】本発明の原理説明図

【図３】本発明の第３の実施例の多結晶シリコンＴＦＴ
の製造工程図

【図４】本発明の第４の実施例の多結晶シリコンＴＦＴ
の製造工程を示す部分説明図

【図５】本発明の第５の実施例の多結晶シリコンＴＦＴ
の製造工程図

【図６】本発明の第６の実施例の多結晶シリコンＴＦＴ
の製造工程を示す図

【図７】従来例の多結晶シリコンＴＦＴの製造工程図

【符号の説明】

１ 基板 ２ 第１の半導体薄膜 ３ 第１の半導体薄膜を加工した島 ４ 島を結晶化して形成した成長用の核 ５ 第２の半導体薄膜 ６ 多結晶シリコン動作層 ６Ｂ 粒界 ７ ゲート絶縁膜 ８ ゲート電極 ９ａ ソース領域 ９ｂ ドレイン領域 １０ 層間絶縁膜 １１ 配線電極 １２ 保護絶縁膜

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板表面に第１の半導体薄膜を島
   状に形成する第１の半導体薄膜形成工程と、 前記第１の半導体薄膜に短波長パルスレーザを照射し凝
   集固化させて成長用の核を形成する核形成工程と、 前記核を覆うように第２の半導体薄膜を堆積する第２の
   半導体薄膜堆積工程と、 前記第２の半導体薄膜に、短波長パルスレーザ光を照射
   して結晶成長させる結晶成長工程とを含むことを特徴と
   する半導体結晶の形成方法。
2. 【請求項２】 前記第２の半導体薄膜堆積工程は、アモ
   ルファス半導体薄膜を堆積する工程であることを特徴と
   する請求項(1) 記載の半導体結晶の形成方法。
3. 【請求項３】 前記結晶成長工程は、短波長パルスレー
   ザ光を用いて、２次粒成長を生起するのに十分なエネル
   ギーを付与する工程を含むことを特徴とする請求項(1)
   または(2) のいずれかに記載の半導体結晶の形成方法。
4. 【請求項４】 前記結晶成長工程は、エネルギー照射量
   とショット数とを制御し、２次粒成長を生起するのに十
   分なエネルギーを前記第２の半導体薄膜に付与する工程
   を含む工程であることを特徴とする請求項(3) に記載の
   半導体結晶の形成方法。
5. 【請求項５】 核形成工程は、２次粒成長を生起するの
   に十分なエネルギーを前記第１の半導体薄膜に付与する
   工程を含む工程であることを特徴とする請求項(3) に記
   載の半導体結晶の形成方法。
6. 【請求項６】 前記第１の半導体薄膜形成工程に先立
   ち、ガラス基板表面にバッファ層として酸化シリコン膜
   と窒化シリコン膜とを含む多層膜を形成する工程を含む
   ことを特徴とする請求項(1) または(2) のいずれかに記
   載の半導体結晶の形成方法。
7. 【請求項７】 絶縁性基板表面に第１の半導体薄膜を島
   状に形成する第１の半導体薄膜形成工程と、 前記第１の半導体薄膜に短波長パルスレーザを照射し凝
   集固化させて成長用の核を形成する核形成工程と、 前記核を覆うように第２の半導体薄膜を堆積する第２の
   半導体薄膜堆積工程と、 前記第２の半導体薄膜を加熱し固相成長により、結晶薄
   膜を形成する固相成長工程と、 前記結晶薄膜に対し、短波長パルスレーザ光を照射し２
   次粒成長を生起するのに十分なエネルギーを付与し、結
   晶粒を拡大せしめる結晶成長工程とを含むことを特徴と
   する半導体結晶の形成方法。
8. 【請求項８】 絶縁性基板表面に島状のパターンからな
   る第１の半導体薄膜を形成する第１の半導体薄膜形成工
   程と、 前記第１の半導体薄膜に短波長パルスレーザを照射し凝
   集固化させて成長用の核を形成する核形成工程と、 前記核を覆うように第２の半導体薄膜を堆積する第２の
   半導体薄膜堆積工程と、 前記第２の半導体薄膜に、短波長パルスレーザ光を照射
   して結晶成長させる結晶領域を形成する結晶成長工程と
   を含み、 この結晶領域に素子を形成する素子形成工程とを含む半
   導体装置の製造方法において、 さらに前記第１の半導体薄膜形成工程と同時またはこれ
   に先立ち素子領域形成のための位置合わせマークを形成
   する工程を含み、 前記核形成工程および前記結晶成長工程は、前記位置合
   わせマークを避けて短波長パルスレーザ光を照射する工
   程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。