JPH1055979A

JPH1055979A - 半導体薄膜の結晶化方法

Info

Publication number: JPH1055979A
Application number: JP22616696A
Authority: JP
Inventors: Toshio Kudo; 利雄工藤
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】線状のエキシマレーザビームのスキャン照射
によりアモルファスシリコン薄膜を多結晶化してなる多
結晶シリコン薄膜の結晶品質をより一層均一化する。【解決手段】エキシマレーザビームの焦点位置をアモ
ルファスシリコン薄膜の表面から上方に２ｍｍずらした
位置とする。すると、焦点位置をアモルファスシリコン
薄膜の表面とした場合と比較して、ビーム幅方向の山型
のビーム強度分布がビーム幅方向に広がり、ビーム幅方
向中央付近の高温領域の両側に存在する低温領域の幅が
かなり広くなる。そして、スキャン照射すると、一方側
の幅広の低温領域が常に先行することになる。このた
め、アモルファスシリコン薄膜のある線状の領域は、ま
ずこの先行する幅広の低温領域によって微結晶化され、
次いでそれに続く高温領域によって結晶化されることに
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はアモルファスシリ
コン薄膜等の半導体薄膜の結晶化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、アモルファスシリコン薄膜を多
結晶化して薄膜トランジスタを製造する方法には、ガラ
ス基板の上面にアモルファスシリコン薄膜を成膜し、こ
のアモルファスシリコン薄膜にエキシマレーザビームを
照射することにより、アモルファスシリコン薄膜を多結
晶化して多結晶シリコン薄膜とし、この多結晶シリコン
薄膜を素子分離して多数の薄膜トランジスタを形成する
方法がある。この場合、エキシマレーザビームのビーム
サイズを光学系により線状とし、この線状のエキシマレ
ーザビームをビーム幅方向にオーバーラップさせながら
スキャン照射する方法がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のこの
ような結晶化方法では、第１に、線状のエキシマレーザ
ビームをその焦点位置をアモルファスシリコン薄膜の表
面として照射している。その理由は、エキシマレーザビ
ームのビーム幅方向のビーム強度分布が矩形に近い台形
状となるようにすることにより、ビーム幅方向の均一強
度照射領域を大きくし、多結晶シリコン薄膜の結晶品質
（結晶化度と結晶粒サイズ）の均一化を図るためであ
る。しかしながら、ビーム幅方向のビーム強度分布が矩
形に近い台形状であると、１パルス照射領域におけるア
モルファスシリコン薄膜のスキャン方向端部の温度が急
激に上昇することになる。この結果、多結晶シリコン薄
膜の結晶品質にバラツキが生じ、ひいては薄膜トランジ
スタの特性にバラツキが生じることになるという問題が
あった。第２に、線状のエキシマレーザビームをビーム
幅方向にオーバーラップさせながらスキャン照射すると
き、オーバーラップ率は５０〜９７％程度の範囲内であ
ればよいが、この範囲内でオーバーラップ率が高くなる
ほど、多結晶シリコン薄膜の結晶品質を良くすることが
できる。このため、オーバーラップ率は高い方が好まし
いが、その反面、スループットが低下するという問題が
あった。第３に、例えばプラズマＣＶＤ法により成膜し
たアモルファスシリコン薄膜にエキシマレーザビームの
照射により高エネルギを与えると、アモルファスシリコ
ン薄膜中の水素が突沸して欠陥が生じることになる。そ
こで、これを回避するために、成膜したアモルファスシ
リコン薄膜に対して、窒素ガス雰囲気中において４５０
℃程度の温度で２時間程度の熱処理を行うことにより脱
水素処理を行ったり、あるいは線状のエキシマレーザビ
ームを低エネルギ密度でビーム幅方向にオーバーラップ
させながらスキャン照射することにより脱水素処理を行
っている。したがって、脱水素処理専用の工程が必要と
なり、工程数が多くなるという問題があった。この発明
の課題は、多結晶シリコン薄膜等の半導体薄膜の結晶品
質をより一層均一化することができるようにすることで
ある。この発明の他の課題は、スループットを高くする
ことができ、また工程数を少なくすることができるよう
にすることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
線状のレーザビームをビーム幅方向にオーバーラップさ
せながらスキャン照射することにより、半導体薄膜を結
晶化する半導体薄膜の結晶化方法において、前記レーザ
ビームをその焦点位置を前記半導体薄膜の表面からずら
して照射するようにしたものである。請求項４記載の発
明は、請求項１記載の発明において、前記レーザビーム
のビーム幅方向のビーム強度分布を、ビーム幅方向中央
付近が高温領域となり、ビーム幅方向両側が幅広の低温
領域となるビーム強度分布となるようにしたものであ
る。請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明におい
て、前記レーザビームをスキャン照射したとき、前記２
つの低温領域のうち先行する低温領域によって前記半導
体薄膜の微結晶化を行い、それに続く前記高温領域によ
って前記半導体薄膜の結晶化を行うようにしたものであ
る。請求項６記載の発明は、請求項４記載の発明におい
て、前記レーザビームをスキャン照射したとき、前記２
つの低温領域のうち先行する低温領域によって前記半導
体薄膜の脱ガス処理を行い、それに続く前記高温領域に
よって前記半導体薄膜の結晶化を行うようにしたもので
ある。

【０００５】請求項１記載の発明によれば、レーザビー
ムをその焦点位置を半導体薄膜の表面からずらして照射
すると、レーザビームのビーム幅方向のビーム強度分布
を、ビーム幅方向中央付近が高温領域となり、ビーム幅
方向両側が幅広の低温領域とすることができる。この結
果、先行する低温領域によって半導体薄膜の微結晶化を
行うと、１パルス照射領域における半導体薄膜のスキャ
ン方向端部の温度が急激に上昇しないようにすることが
できるばかりでなく、同スキャン方向端部を微結晶化す
ることができ、ひいては結晶品質をより一層均一化する
ことができる。この場合、結晶品質はレーザビームのオ
ーバーラップ率に関係なく均一化することができる。し
たがって、レーザビームのオーバーラップ率を低くして
も、結晶品質をレーザビームのオーバーラップ率が高い
場合とほぼ同等とすることができ、ひいてはスループッ
トを高めることができる。また、請求項６記載の発明の
ように、先行する低温領域によって脱ガス処理を行い、
それに続く高温領域によって結晶化を行うと、脱ガス処
理と結晶化を一括して行うことができる。したがって、
脱ガス（脱水素）処理専用の工程が不要となり、工程数
を少なくすることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に、この発明の一実施形態にお
ける半導体薄膜の結晶化方法について図１（Ａ）及び
（Ｂ）を参照しながら説明する。まず、図１（Ａ）に示
すように、平面サイズ３２０ｍｍ×３４０ｍｍのガラス
基板１の上面に高周波スパッタリング法により酸化シリ
コンからなる厚さ１０００Å程度の下地層２を成膜す
る。次に、下地層２の上面にプラズマＣＶＤ法あるいは
減圧ＣＶＤ法により厚さ５００Å程度のアモルファスシ
リコン薄膜３を成膜する。次に、熱処理あるいは低エネ
ルギ密度のエキシマレーザビームの照射により、脱水素
処理を行う。次に、図１（Ｂ）に示すように、アモルフ
ァスシリコン薄膜３にエキシマレーザビームを後で説明
するように照射することにより、アモルファスシリコン
薄膜３を多結晶化して多結晶シリコン薄膜４とする。

【０００７】次に、エキシマレーザビームの照射につい
て説明する。まず、Ｋｒｆエキシマレーザビームのビー
ムサイズを光学系により３６０ｍｍ×０．１５ｍｍの線
状にするとともに、その焦点位置がアモルファスシリコ
ン薄膜の表面から上方（前方）に１〜４ｍｍ程度離れた
位置となるようにした。この場合、ビームサイズ３６０
ｍｍ×０．１５ｍｍとは、Ｋｒｆエキシマレーザビーム
の焦点位置をアモルファスシリコン薄膜の表面とした場
合のことである。また、ビーム幅０．１５ｍｍは、図２
に示すように、Ｋｒｆエキシマレーザビームのビーム幅
方向のビーム強度分布が山型となるので、ビーム強度の
半価幅とした。さらに、ビーム長さを３６０ｍｍとする
のは、ガラス基板の所定の一辺の長さ（この場合、３２
０ｍｍ）よりも大きくするためである。

【０００８】ところで、このＫｒｆエキシマレーザビー
ムをその焦点位置がアモルファスシリコン薄膜の表面か
ら上方（前方）に１〜４ｍｍ程度離れた位置となるよう
にして照射した場合のビーム幅方向のビーム強度分布
は、エネルギ密度を１５０ｍＪ／ｃｍ²としたとき、図
３に示すようになる。以下、このような照射をアウトフ
ォーカスという。これに対して、焦点位置がアモルファ
スシリコン薄膜の表面となるようにした場合には、図４
に示すようになる。以下、このような照射をジャストフ
ォーカスという。このような照射の違いから、図３に示
す場合には、図４に示す場合と比較して、山型のビーム
強度分布がビーム幅方向に広がり、半価幅で８０％増加
し、高さで３０％減少している。

【０００９】そして、Ｋｒｆエキシマレーザビームをア
ウトフォーカス及びジャストフォーカスによりアモルフ
ァスシリコン薄膜に１パルスずつエネルギ密度を徐々に
高めて照射した。この場合、例えば２ｍｍ程度のアウト
フォーカスの場合には、エネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ
²のとき、図５（Ａ）に示すように、幅２２０μｍの照
射痕跡が初めて現われ、エネルギ密度３０８ｍＪ／ｃｍ
²のとき、図５（Ｂ）に示すような照射痕跡が初めて現
われた。図５（Ｂ）の場合には、照射痕跡の幅は２３８
μｍであり、この照射痕跡内に出現したハッチング（斜
線）で示す結晶化構造の幅は６５μｍであった。ジャス
トフォーカスの場合には、エネルギ密度２００ｍＪ／ｃ
ｍ²のとき、図６（Ａ）に示すように、幅１０１μｍの
照射痕跡が初めて現われ、エネルギ密度２５０ｍＪ／ｃ
ｍ²のとき、図６（Ｂ）に示すような照射痕跡が初めて
現われた。図６（Ｂ）の場合には、照射痕跡の幅は１１
５μｍであり、この照射痕跡内に出現したハッチングで
示す結晶化構造の幅は４２μｍであった。

【００１０】以上のことから、結晶化構造が出現するエ
ネルギ密度のしきい値は、アウトフォーカスの場合に
は、２７７〜３０８ｍＪ／ｃｍ²の間に存在し、ジャス
トフォーカスの場合には、２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ²
の間に存在するといえる。この結晶化構造の出現は、図
３及び図４にそれぞれ示す山型のビーム強度分布から推
察して、ビーム幅方向中央付近のハッチングで示す高温
領域に起因しているといえる。ところで、例えば照射痕
跡が初めて現われるエネルギ密度は、ジャストフォーカ
スの場合（２００ｍＪ／ｃｍ²）よりもアウトフォーカ
スの場合（２７７ｍＪ／ｃｍ²）の方が大きい。これを
考察するに、例えば図３に示す場合と図４に示す場合と
では、結晶化構造出現しきい値は同じビーム強度とな
る。しかるに、図３に示す場合には、図４に示す場合と
比較して、山型のビーム強度分布がビーム幅方向に広が
り、半価幅で８０％増加し、高さで３０％減少している
ことにより、ビーム幅方向両側の低温領域の幅がかなり
広くなっている。したがって、エネルギ密度が同じであ
ると、図３に示す場合には、図４に示す場合と比較し
て、照射面における単位面積当たりの実質的なエネルギ
密度が低下することになる。そこで、この実質的なエネ
ルギ密度の低下を補うために、アウトフォーカスの場合
のエネルギ密度（２７７ｍＪ／ｃｍ²）はジャストフォ
ーカスの場合のエネルギ密度（２００ｍＪ／ｃｍ²）よ
りも大きくなるものと思われる。

【００１１】次に、Ｋｒｆエキシマレーザビームをアウ
トフォーカス及びジャストフォーカスによりアモルファ
スシリコン薄膜に１パルスずつエネルギ密度を徐々に高
めて照射し、これによりそれぞれ形成された照射痕跡幅
及び結晶化構造幅のエネルギ密度依存性を調べたとこ
ろ、図７に示す結果が得られた。この図７において、白
四角はアウトフォーカスの場合の照射痕跡幅を示し、黒
四角はアウトフォーカスの場合の結晶化構造幅を示し、
白丸はジャストフォーカスの場合の照射痕跡幅を示し、
黒丸はジャストフォーカスの場合の結晶化構造幅を示し
ている。

【００１２】この図７から明らかなように、ジャストフ
ォーカスの場合の白丸で示す照射痕跡幅及び黒丸で示す
結晶化構造幅は共にエネルギ密度の増加に伴い緩やかに
大きくなっているのに対し、アウトフォーカスの場合の
白四角で示す照射痕跡幅及び黒四角で示す結晶化構造幅
は共にエネルギ密度の増加に伴い急激に大きくなってい
る。また、同一のエネルギ密度における照射痕跡幅と結
晶化構造幅との差は、白四角及び黒四角で示すアウトフ
ォーカスの場合が白丸及び黒丸で示すジャストフォーカ
スの場合よりもかなり大きい。したがって、アウトフォ
ーカスの場合の結晶化構造幅の照射痕跡幅に占める割合
は、ジャストフォーカスの場合と比較して、かなり小さ
いことになる。このことから、アウトフォーカスの場合
の低温領域は、ジャストフォーカスの場合と比較して、
かなり幅広くなっていることが確認された。

【００１３】次に、脱水素処理後のアモルファスシリコ
ン薄膜に対して、Ｋｒｆエキシマレーザビームをジャス
トフォーカスによりビーム幅方向にスキャンピッチ０．
０１５ｍｍ（オーバーラップ率９０％）でスキャン照射
し、また同様の条件でアウトフォーカスによりスキャン
照射した。そして、これにより形成された多結晶シリコ
ン薄膜にＸ線平行ビームをθ＝１．００°で入射させた
Ｘ線回折法により、多結晶シリコン薄膜の（１１１）ピ
ークの積分幅の逆数（結晶粒サイズに相当）のエネルギ
密度依存性について調べたところ、図８に示す結果が得
られた。この図８において、黒四角はアウトフォーカス
の場合の積分幅の逆数を示し、黒丸はジャストフォーカ
スの場合の積分幅の逆数を示している。

【００１４】そして、図７の黒四角（アウトフォーカス
の場合の結晶化構造幅）を見ると、エネルギ密度２７７
ｍＪ／ｃｍ²で結晶化構造が出現しており、一方、図８
の黒四角（アウトフォーカスの場合の積分幅の逆数）を
見ると、同じくエネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ²で積分
幅の逆数が飛躍的に増大している。ジャストフォーカス
の場合には、エネルギ密度２５０ｍＪ／ｃｍ²で同じよ
うなことがいえる。このことから、結晶化構造の出現が
結晶粒サイズを飛躍的に増大させているといえる。

【００１５】次に、図８に示す結果を得た場合と同じ多
結晶シリコン薄膜のシート抵抗を測定し、その標準偏差
値（結晶粒サイズの均一度に相当）のエネルギ密度依存
性について調べたところ、図９に示す結果が得られた。
この図９において、黒四角はアウトフォーカスの場合の
シート抵抗の標準偏差値を示し、黒丸はジャストフォー
カスの場合のシート抵抗の標準偏差値を示している。こ
の図９から明らかなように、黒丸で示すジャストフォー
カスの場合のシート抵抗の標準偏差値は、エネルギ密度
２５０ｍＪ／ｃｍ²以上で、図７において黒丸で示す結
晶化構造の出現により急激に増加してる。これに対し
て、黒四角で示すアウトフォーカスの場合のシート抵抗
の標準偏差値は、エネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ²以上
で、図７において黒四角で示す結晶化構造が出現しても
ほぼ同じである。このことから、ジャストフォーカスの
場合には、結晶化構造の出現が結晶粒サイズの均一性を
かなり悪化させるのに対し、アウトフォーカスの場合に
は、結晶化構造の出現が結晶粒サイズの均一性に悪影響
を与えることはないといえる。

【００１６】次に、図１０はＫｒｆエキシマレーザビー
ムをアウトフォーカスにより矢印で示すビーム幅方向に
高温領域を重複させてスキャン照射した場合を説明する
ために示すものであって、（ａ）はビーム強度スペクト
ルを示し、（ｂ）はアモルファスシリコン薄膜の多結晶
化状態を示したものである。図１０（ａ）においてハッ
チングで示す部分は、例えば図３においてハッチングで
示す高温領域が重複した領域である。この場合、右側の
最初の１パルスの矢印方向とは逆方向のハッチングの無
い部分及び左側の最後の１パルスの矢印方向のハッチン
グの無い部分は、例えば図３においてハッチングの無い
部分で示す低温領域である。したがって、図１０（ｂ）
においてハッチングで示す部分が多結晶化領域となる。

【００１７】さて、図１０（ａ）において左側の最後の
１パルスの矢印方向のハッチングの無い部分は幅広の低
温領域であるので、矢印方向にスキャン照射すると、こ
の幅広の低温領域が常に先行することになる。このた
め、アモルファスシリコン薄膜のある線状の領域は、ま
ずこの先行する幅広の低温領域によって照射され、次い
でそれに続く高温領域によって照射されることになる。
この場合、先行する幅広の低温領域による照射はアモル
ファスシリコン薄膜の温度を緩やかに上昇させ、したが
って１パルス照射領域におけるアモルファスシリコン薄
膜のスキャン方向端部の温度が急激に上昇しないように
することができる。また、先行する幅広の低温領域によ
る照射によりアモルファスシリコン薄膜が微結晶化され
る。そして、それに続く高温領域による照射により結晶
粒の成長が促進されて多結晶化されることになる。した
がって、多結晶シリコン薄膜の結晶品質をより一層均一
化することができる。

【００１８】なお、先行する幅広の低温領域で脱水素処
理を行うようにすることもできる。すなわち、まず先行
する幅広の低温領域で脱水素処理を行い、次いでそれに
続く高温領域で結晶化を行うと、脱水素処理と結晶化を
一括して行うことができる。したがって、脱水素処理専
用の工程が不要となり、工程数を少なくすることができ
る。

【００１９】次に、脱水素処理後のアモルファスシリコ
ン薄膜に対して、エネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ²のＫ
ｒｆエキシマレーザビームをアウトフォーカスによりビ
ーム幅方向にジャストフォーカスの場合のスキャンピッ
チ０．０７５ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０４５ｍｍ、
０．０３ｍｍ、０．０１５ｍｍ（オーバーラップ率５０
％、６０％、７０％、８０％、９０％）でスキャン照射
した。そして、これにより形成された多結晶シリコン薄
膜にＸ線平行ビームをθ＝１．００°で入射させたＸ線
回折法により、多結晶シリコン薄膜４（１１１）ピーク
の積分強度（結晶化度に相当）と積分幅の逆数（結晶粒
サイズに相当）のオーバーラップ率依存性について調べ
たところ、図１１に示す結果が得られた。

【００２０】この図１１において、黒四角は積分強度を
示し、黒丸は積分幅の逆数を示している。この図１１か
ら明らかなように、Ｋｒｆエキシマレーザビームのオー
バーラップ率に関係なく、黒四角で示す積分強度も黒丸
で示す積分幅の逆数もほぼ同じである。したがって、多
結晶シリコン薄膜の結晶品質（結晶化度と結晶粒サイ
ズ）はＫｒｆエキシマレーザビームのオーバーラップ率
に関係なく均一化することができるといえる。この結
果、Ｋｒｆエキシマレーザビームのオーバーラップ率を
例えば５０％と低くしても、多結晶シリコン薄膜の結晶
品質をＫｒｆエキシマレーザビームのオーバーラップ率
が９０％と高い場合とほぼ同様に均一化することがで
き、ひいてはスループットを高めることができる。

【００２１】次に、多結晶シリコン薄膜の結晶品質をＫ
ｒｆエキシマレーザビームのオーバーラップ率に関係な
く均一化することができることについて考察する。上述
したように、図３に示す場合には、図４に示す場合と比
較して、山型のビーム強度分布がビーム幅方向に広が
り、高温領域の両側に存在する低温領域の幅がかなり広
くなっている。そして、図３に示す場合には、図４に示
す場合と比較して、照射面における単位面積当たりの実
質的なエネルギ密度が低下するので、アウトフォーカス
の場合には、この実質的なエネルギ密度の低下を補うよ
うにしている。すなわち、アウトフォーカスの場合に
は、山型のビーム強度分布がビーム幅方向に広がるとと
もに、この広がりに伴う実質的なエネルギ密度の低下を
補っている。このことが、Ｋｒｆエキシマレーザビーム
のオーバーラップ率を例えば５０％と低くしても、多結
晶シリコン薄膜の結晶品質をＫｒｆエキシマレーザビー
ムのオーバーラップ率が９０％と高い場合とほぼ同様に
均一化することができることに起因していると思われ
る。

【００２２】ここで、図１（Ｂ）に示す多結晶シリコン
薄膜４を用いて構成した薄膜トランジスタの構造の一例
について図１２を参照しながら説明する。まず、多結晶
シリコン薄膜４を周知の如く素子分離した後、ゲート絶
縁膜５及びゲート電極６を形成し、ゲート電極６をマス
クとして多結晶シリコン薄膜４に不純物を拡散し、層間
絶縁膜７及びこの層間絶縁膜７に形成したコンタクトホ
ール８を介して多結晶シリコン薄膜４の不純物拡散層４
ａに接続されるソース・ドレイン電極９を形成すると、
薄膜トランジスタが完成する。この薄膜トランジスタで
は、特性をより一層均一化することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１、４、５
記載の発明によれば、レーザビームをその焦点位置を半
導体薄膜の表面からずらして照射すると、レーザビーム
のビーム幅方向のビーム強度分布がビーム幅方向中央付
近の高温領域の両側に存在する低温領域の幅が広くなっ
た強度分布となり、この結果先行する低温領域によって
半導体薄膜の微結晶化を行うと、１パルス照射領域にお
ける半導体薄膜のスキャン方向端部の温度が急激に上昇
しないようにすることができるばかりでなく、同スキャ
ン方向端部を微結晶化することができ、ひいては結晶品
質をより一層均一化することができる。この場合、結晶
品質はレーザビームのオーバーラップ率に関係なく均一
化することができ、したがってレーザビームのオーバー
ラップ率を低くしても、結晶品質をレーザビームのオー
バーラップ率が高い場合とほぼ同様に均一化することが
でき、ひいてはスループットを高めることができる。ま
た、請求項１、４、６記載の発明によれば、先行する低
温領域によって脱ガス処理を行い、それに続く高温領域
によって結晶化を行うと、脱ガス処理と結晶化を一括し
て行うことができ、したがって脱ガス（脱水素）処理専
用の工程が不要となり、工程数を少なくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態における半導体薄膜の結
晶化方法を説明するために示すもので、（Ａ）はアモル
ファスシリコン薄膜を成膜した状態の断面図、（Ｂ）は
エキシマレーザの照射によりアモルファスシリコン薄膜
を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とした状態の断面
図。

【図２】Ｋｒｆエキシマレーザビームのビーム幅を説明
するために示す図。

【図３】アウトフォーカスの場合のビーム幅方向のビー
ム強度分布を示す図。

【図４】ジャストフォーカスの場合のビーム幅方向のビ
ーム強度分布を示す図。

【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれアウトフォーカスの
場合の照射痕跡及び結晶化構造を説明するために示す
図。

【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれジャストフォーカス
の場合の照射痕跡及び結晶化構造を説明するために示す
図。

【図７】アウトフォーカス及びジャストフォーカスの場
合の照射痕跡幅及び結晶化構造幅のエネルギ密度依存性
を示す図。

【図８】アウトフォーカス及びジャストフォーカスの場
合の多結晶シリコン薄膜の（１１１）ピークの積分幅の
逆数のエネルギ密度依存性を示す図。

【図９】アウトフォーカス及びジャストフォーカスの場
合の多結晶シリコン薄膜のシート抵抗の標準偏差値のエ
ネルギ密度依存性を示す図。

【図１０】Ｋｒｆエキシマレーザビームをアウトフォー
カスによりスキャン照射した場合を説明するために示す
もので、（ａ）はビーム強度スペクトルを示す図、
（ｂ）はアモルファスシリコン薄膜の多結晶化状態を示
す図。

【図１１】アウトフォーカスの場合の多結晶シリコン薄
膜の（１１１）ピークの積分強度と積分幅の逆数のオー
バーラップ率依存性を示す図。

【図１２】図１（Ｂ）に示す多結晶シリコン薄膜を用い
て構成した薄膜トランジスタの構造の一例を示す断面
図。

【符号の説明】

１ガラス基板３アモルファスシリコン薄膜４多結晶シリコン薄膜

【手続補正書】

【提出日】平成９年４月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】半導体薄膜の結晶化方法

【特許請求の範囲】

【請求項５】請求項１〜３のいずれかに記載の発明に
おいて、前記レーザビームのビーム幅方向のビーム強度
分布は、ビーム幅方向中央付近が高温領域となり、ビー
ム幅方向両側が幅広の低温領域となるビーム強度分布で
あることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のこの
ような結晶化方法では、第１に、線状のエキシマレーザ
ビームをその焦点位置をアモルファスシリコン薄膜の表
面として照射している。その理由は、エキシマレーザビ
ームのビーム幅方向のビーム強度分布が矩形に近い台形
状となるようにすることにより、ビーム幅方向の均一強
度照射領域を大きくし、多結晶シリコン薄膜の結晶品質
（結晶化度と結晶粒サイズ）の均一化を図るためであ
る。しかしながら、ビーム幅方向のビーム強度分布が矩
形に近い台形状であると、１パルス照射領域におけるア
モルファスシリコン薄膜のスキャン方向端部の温度が急
激に上昇することになる。この結果、多結晶シリコン薄
膜の結晶品質にバラツキが生じ、ひいては薄膜トランジ
スタの特性にバラツキが生じることになるという問題が
あった。第２に、線状のエキシマレーザビームをビーム
幅方向にオーバーラップさせながらスキャン照射すると
き、オーバーラップ率は５０〜９７％程度の範囲内であ
ればよいが、この範囲内でオーバーラップ率が高くなる
ほど、多結晶シリコン薄膜の結晶品質を良くすることが
できる。このため、オーバーラップ率は高い方が好まし
いが、その反面、スループットが低下するという問題が
あった。第３に、例えばプラズマＣＶＤ法により成膜し
たアモルファスシリコン薄膜にエキシマレーザビームの
照射により高エネルギを与えると、アモルファスシリコ
ン薄膜中の水素が突沸して欠陥が生じることになる。そ
こで、これを回避するために、成膜したアモルファスシ
リコン薄膜に対して、窒素ガス雰囲気中において４５０
℃程度の温度で２時間程度の熱処理を行うことにより説
水素処理を行ったり、あるいは線状のエキシマレーザビ
ームを低エネルギ密度でビーム幅方向にオーバーラップ
させながらスキャン照射することにより脱水素処理を行
っている。したがって、脱水素処理専用の工程が必要と
なり、工程数が多くなるという問題があった。この発明
の課題は、多結晶シリコン薄膜等の半導体薄膜の結晶品
質をより一層均一化することができるようにすることで
ある。この発明の他の課題は、スループットを高くする
ことができ、また工程数を少なくすることができるよう
にすることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
レーザビームをビーム照射領域をオーバーラップさせな
がらスキャン照射することにより、半導体薄膜を結晶化
する半導体薄膜の結晶化方法において、前記レーザビー
ムをその焦点位置を前記半導体薄膜の表面からずらして
照射するようにしたものである。請求項５記載の発明
は、請求項１記載の発明において、前記レーザビームの
ビーム幅方向のビーム強度分布を、ビーム幅方向中央付
近が高温領域となり、ビーム幅方向両側が幅広の低温領
域となるビーム強度分布となるようにしたものである。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、
前記レーザビームをスキャン照射したとき、前記２つの
低温領域のうち先行する低温領域によって前記半導体薄
膜の説ガス処理を行い、それに続く前記高温領域によっ
て前記半導体薄膜の結晶化を行うようにしたものであ
る。

【０００５】この発明によれば、レーザビームをその焦
点位置を半導体薄膜の表面からずらして照射すると、レ
ーザビームのビーム幅方向のビーム強度分布を、ビーム
幅方向中央付近が高温領域となり、ビーム幅方向両側が
幅広の低温領域とすることができる。この結果、先行す
る低温領域によって半導体薄膜の微結晶化を行うと、１
パルス照射領域における半導体薄膜のスキャン方向端部
の温度が急激に上昇しないようにすることができるばか
りでなく、同スキャン方向端部を微結晶化することがで
き、ひいては結晶品質をより一層均一化することができ
る。この場合、結晶品質はレーザビームのオーバーラッ
プ率に関係なく均一化することができる。したがって、
レーザビームのオーバーラップ率を低くしても、結晶品
質をレーザビームのオーバーラップ率が高い場合とほぼ
同等とすることができ、ひいてはスループットを高める
ことができる。また、請求項６記載の発明のように、先
行する低温領域によって脱ガス処理を行い、それに続く
高温領域によって結晶化を行うと、脱ガス処理と結晶化
を一括して行うことができる。したがって、脱ガス（脱
水素）処理専用の工程が不要となり、工程数を少なくす
ることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に、この発明の一実施形態にお
ける半導体薄膜の結晶化方法について図１（Ａ）及び
（Ｂ）を参照しながら説明する。まず、図１（Ａ）に示
すように、平面サイズ３２０ｍｍ×３４０ｍｍのガラス
基板１の上面に高周波スパッタリング法により酸化シリ
コンからなる厚さ１０００Å程度の下地層２を成膜す
る。次に、下地層２の上面にプラズマＣＶＤ法あるいは
減圧ＣＶＤ法により厚さ５００Å程度のアモルファスシ
リコン薄膜３を成膜する。次に、熱処理あるいは低エネ
ルギ密度のエキシマレーザビームの照射により、説水素
処理を行う。次に、図１（Ｂ）に示すように、アモルフ
ァスシリコン薄膜３にエキシマレーザビームを後で説明
するように照射することにより、アモルファスシリコン
薄膜３を多結晶化して多結晶シリコン薄膜４とする。

【０００８】ところで、このＫｒＦエキシマレーザビー
ムをその焦点位置がアモルファスシリコン薄膜の表面か
ら上方（前方）に１〜４ｍｍ程度離れた位置となるよう
にして照射した場合のビーム幅方向のビーム強度分布
は、エネルギ密度を１５０ｍＪ／ｃｍ^２としたとき、図
３に示すようになる。以下、このような照射をアウトフ
オーカスという。これに対して、焦点位置がアモルファ
スシリコン薄膜の表面となるようにした場合には、図４
に示すようになる。以下、このような照射をジャストフ
ォーカスという。このような照射の違いから、図３に示
す場合には、図４に示す場合と比較して、山型のビーム
強度分布がビーム幅方向に広がり、半価幅で８０％増加
し、高さで３０％減少している。

【０００９】そして、ＫｒＦエキシマレーザビームをア
ウトフォーカス及びジャストフォーカスによりアモルフ
ァスシリコン薄膜に１パルスずつエネルギ密度を徐々に
高めて照射した。この場合、例えば２ｍｍ程度のアウト
フォーカスの場合には、エネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ
^２のとき、図５（Ａ）に示すように、幅２２０μｍの照
射痕跡が初めて現われ、エネルギ密度３０８ｍＪ／ｃｍ
^２のとき、図５（Ｂ）に示すような照射痕跡が初めて現
われた。図５（Ｂ）の場合には、照射痕跡の幅は２３８
μｍであり、この照射痕跡内に出現したハッチング（斜
線）で示す結晶化構造の幅は６５μｍであった。ジャス
トフォーカスの場合には、エネルギ密度２００ｍＪ／ｃ
ｍ^２のとき、図６（Ａ）に示すように、幅１０１μｍの
照射痕跡が初めて現われ、エネルギ密度２５０ｍＪ／ｃ
ｍ^２のとき、図６（Ｂ）に示すような照射痕跡が初めて
現われた。図６（Ｂ）の場合には、照射痕跡の幅は１１
５μｍであり、この照射痕跡内に出現したハッチングで
示す結晶化構造の幅は４２μｍであった。

【００１０】以上のことから、結晶化構造が出現するエ
ネルギ密度のしきい値は、アウトフォーカスの場合に
は、２７７〜３０８ｍＪ／ｃｍ^２の間に存在し、ジャス
トフォーカスの場合には、２００〜２５０ｍＪ／ｃｍ^２
の間に存在するといえる。この結晶化構造の出現は、図
３及び図４にそれぞれ示す山型のビーム強度分布から推
察して、ビーム幅方向中央付近のハッチングで示す高温
領域に起因しているといえる。ところで、例えば照射痕
跡が初めて現われるエネルギ密度は、ジャストフォーカ
スの場合（２００ｍＪ／ｃｍ^２）よりもアウトフォーカ
スの場合（２７７ｍＪ／ｃｍ^２）の方が大きい。これを
考察するに、例えば図３に示す場合と図４に示す場合と
では、結晶化構造出現しきい値は同じビーム強度とな
る。しかるに、図３に示す場合には、図４に示す場合と
比較して、山型のビーム強度分布がビーム幅方向に広が
り、半価幅で８０％増加し、高さで３０％減少している
ことにより、ビーム幅方向両側の低温領域の幅がかなり
広くなつている。したがって、エネルギ密度が同じであ
ると、図３に示す場合には、図４に示す場合と比較し
て、照射面における単位面積当たりの実質的なエネルギ
密度が低下することになる。そこで、この実質的なエネ
ルギ密度の低下を補うために、アウトフォーカスの場合
のエネルギ密度（２７７ｍＪ／ｃｍ^２）はジャストフォ
ーカスの場合のエネルギ密度（２００ｍＪ／ｃｍ^２）よ
りも大きくなるものと思われる。

【００１３】次に、脱水素処理後のアモルファスシリコ
ン薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザビームをジャス
トフォーカスによりビーム輻方向にスキャンピッチ０．
０１５ｍｍ（オーバーラップ率９０％）でスキャン照射
し、また同様の条件でアウトフォーカスによりスキャン
照射した。そして、これにより形成された多結晶シリコ
ン薄膜にＸ線平行ビームを０＝１．００゜で入射させた
Ｘ線回折法により、多結晶シリコン薄膜の（１１１）ピ
ークの積分幅の逆数（結晶粒サイズに相当）のエネルギ
密度依存性について調べたところ、図８に示す結果が得
られた。この図８において、黒四角はアウトフォーカス
の場合の積分幅の逆数を示し、黒丸はジャストフォーカ
スの場合の積分幅の逆数を示している。

【００１４】そして、図７の黒四角（アウトフォーカス
の場合の結晶化構造幅）を見ると、エネルギ密度２７７
ｍＪ／ｃｍ^２で結晶化構造が出現しており、一方、図８
の黒四角（アウトフォーカスの場合の積分幅の逆数）を
見ると、同じくエネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ^２で積分
幅の逆数が飛躍的に増大している。ジャストフォーカス
の場合には、エネルギ密度２５０ｍＪ／ｃｍ^２で同じよ
うなことがいえる。このことから、結晶化構造の出現が
結晶粒サイズを飛躍的に増大させているといえる。

【００１５】次に、図８に示す結果を得た場合と同じ多
結晶シリコン薄膜のシート抵抗を測定し、その標準偏差
値（結晶粒サイズの均一度に相当）のエネルギ密度依存
性について調べたところ、図９に示す結果が得られた。
この図９において、黒四角はアウトフォーカスの場合の
シート抵抗の標準偏差値を示し、黒丸はジヤストフォー
カスの場合のシート抵抗の標準偏差値を示している。こ
の図９から明らかなように、黒丸で示すジャストフォー
カスの場合のシート抵抗の標準偏差値は、エネルギ密度
２５０ｍＪ／ｃｍ^２以上で、図７において黒丸で示す結
晶化構造の出現により急激に増加してる。これに対し
て、黒四角で示すアウトフォーカスの場合のシート抵抗
の標準偏差値は、エネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ^２以上
で、図７において黒四角で示す結晶化構造が出現しても
ほぼ同じである。このことから、ジャストフォーカスの
場合には、結晶化構造の出現が結晶粒サイズの均一性を
かなり悪化させるのに対し、アウトフォーカスの場合に
は、結晶化構造の出現が結晶粒サイズの均一性に悪影響
を与えることはないといえる。

【００１８】なお、先行する幅広の低温領域で脱水素処
理を行うようにすることもできる。すなわち、まず先行
する幅広の低温領域で脱水素処理を行い、次いでそれに
続く高温領域で結晶化を行うと、脱水素処理と結晶化を
一括して行うことができる。したがって、説水素処理専
用の工程が不要となり、工程数を少なくすることができ
る。

【００１９】次に、説水素処理後のアモルファスシリコ
ン薄膜に対して、エネルギ密度２７７ｍＪ／ｃｍ^２のＫ
ｒＦエキシマレーザビームをアウトフォーカスによりビ
ーム幅方向にジャストフォーカスの場合のスキャンピッ
チ０．０７５ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０４５ｍｍ、
０．０３ｍｍ、０．０１５ｍｍ（オーバーラップ率５０
％、６０％、７０％、８０％、９０％）でスキャン照射
した。そして、これにより形成された多結晶シリコン薄
膜にＸ線平行ビームをθ＝１．００゜で入射させたＸ線
回折法により、多結晶シリコン薄膜４（１１１）ピーク
の積分強度（結晶化度に相当）と積分幅の逆数（結晶粒
サイズに相当）のオーバーラップ率依存性について調べ
たところ、図１１に示す結果が得られた。

【００２１】次に、多結晶シリコン薄膜の結晶品質をＫ
ｒＦエキシマレーザビームのオーバーラップ率に関係な
く均一化することができることについて考察する。上述
したように、図３に示す場合には、図４に示す場合と比
較して、山型のビーム強度分布がビーム幅方向に広が
り、高温領域の両側に存在する低温領域の幅がかなり広
くなっている。そして、図３に示す場合には、図４に示
す場合と比較して、照射面における単位面積当たりの実
質的なエネルギ密度が低下するので、アウトフォーカス
の場合には、この実質的なエネルギ密度の低下を補うよ
うにしている。すなわち、アウトフォーカスの場合に
は、山型のビーム強度分布がビーム幅方向に広がるとと
もに、この広がりに伴う実質的なエネルギ密度の低下を
補っている。このことが、ＫｒＦエキシマレーザビーム
のオーバーラップ率を例えば５０％と低くしても、多結
晶シリコン薄膜の結晶品質をＫｒＦエキシマレーザビー
ムのオーバーラツプ率が９０％と高い場合とほぼ同様に
均一化することができることに起因していると思われ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、レーザビームをその焦点位置を半導体薄膜の表面か
らずらして照射すると、レーザビームのビーム幅方向の
ビーム強度分布がビーム幅方向中央付近の高温領域の両
側に存在する低温領域の幅が広くなった強度分布とな
り、この結果先行する低温領域によって半導体薄膜の微
結晶化を行うと、１パルス照射領域における半導体薄膜
のスキャン方向端部の温度が急激に上昇しないようにす
ることができるばかりでなく、同スキャン方向端部を微
結晶化することができ、ひいては結晶品質をより一層均
一化することができる。この場合、結晶品質はレーザビ
ームのオーバーラップ率に関係なく均一化することがで
き、したがってレーザビームのオーバーラップ率を低く
しても、結晶品質をレーザビームのオーバーラップ率が
高い場合とほぼ同様に均一化することができ、ひいては
スループットを高めることができる。また、請求項６記
載の発明によれば、先行する低温領域によって説ガス処
理を行い、それに続く高温領域によって結晶化を行う
と、説ガス処理と結晶化を一括して行うことができ、し
たがって説ガス（説水素）処理専用の工程が不要とな
り、工程数を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態における半導体薄膜の結
晶化方法を説明するために示すもので、（Ａ）はアモル
ファスシリコン薄膜を成膜した状態の断面図、（Ｂ）は
エキシマレーザの照射によりアモルフアスシリコン薄膜
を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とした状態の断面
図。

【図１０】ＫｒＦエキシマレーザビームをアウトフォー
カスによりスキャン照射した場合を説明するために示す
もので、（ａ）はビーム強度スペクトルを示す図、
（ｂ）はアモルフアスシリコン薄膜の多結晶化状態を示
す図。

【符号の説明】１ガラス基板３アモルファスシリコン薄膜４多結晶シリコン薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】線状のレーザビームをビーム幅方向にオ
ーバーラップさせながらスキャン照射することにより、
半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の結晶化方法におい
て、前記レーザビームをその焦点位置を前記半導体薄膜
の表面からずらして照射することを特徴とする半導体薄
膜の結晶化方法。
【請求項２】請求項１記載の発明において、前記レー
ザビームの焦点位置を前記半導体薄膜の表面から前方に
ずらすことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項３】請求項２記載の発明において、前記レー
ザビームの焦点位置を前記半導体薄膜の表面から前方に
１〜４ｍｍ程度ずらすことを特徴とする半導体薄膜の結
晶化方法。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の発明に
おいて、前記レーザビームのビーム幅方向のビーム強度
分布は、ビーム幅方向中央付近が高温領域となり、ビー
ム幅方向両側が幅広の低温領域となるビーム強度分布で
あることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項５】請求項４記載の発明において、前記レー
ザビームをスキャン照射したとき、前記２つの低温領域
のうち先行する低温領域によって前記半導体薄膜の微結
晶化を行い、それに続く前記高温領域によって前記半導
体薄膜の結晶化を行うことを特徴とする半導体薄膜の結
晶化方法。
【請求項６】請求項４記載の発明において、前記レー
ザビームをスキャン照射したとき、前記２つの低温領域
のうち先行する低温領域によって前記半導体薄膜の脱ガ
ス処理を行い、それに続く前記高温領域によって前記半
導体薄膜の結晶化を行うことを特徴とする半導体薄膜の
結晶化方法。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の発明に
おいて、結晶化前の前記半導体薄膜はアモルファスシリ
コン薄膜であることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方
法。
【請求項８】請求項７記載の発明において、前記レー
ザビームのエネルギ密度は２７７ｍＪ／ｃｍ²以上であ
ることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。