半導体膜の結晶化装置および結晶化方法
【課題】基板上の半導体薄膜の結晶化において問題となる結晶の表面の凹凸の生じない結晶化装置および結晶化方法を提供する。
【解決手段】基板１上の半導体薄膜２に、基板１に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置および方法であって、ビームは、所定の間隔を設けて同時に基板１に照射される主ビーム９と補助ビーム１０とにより構成され、主ビーム９により結晶化される際に生じる半導体表面の凹凸を補助ビームで平坦化する。
【解決手段】基板１上の半導体薄膜２に、基板１に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置および方法であって、ビームは、所定の間隔を設けて同時に基板１に照射される主ビーム９と補助ビーム１０とにより構成され、主ビーム９により結晶化される際に生じる半導体表面の凹凸を補助ビームで平坦化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスや石英などの基板上に積層された半導体薄膜を結晶化し、より良い半導体素子を得るための、半導体膜の結晶化装置および結晶化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピューターや携帯電話機の表示ディスプレーとして、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置が多く用いられている。この液晶や有機ＥＬを利用した表示装置には、画素の表示をスイッチングするために非晶質もしくは多結晶のシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタが用いられる。そして、これらの薄膜トランジスタはガラス基板上に形成されており、薄型で軽量の表示装置を得ることが可能となっている。
【０００３】
多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いたトランジスタよりも、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較し、多くの長所を有している。電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いために、高性能のトランジスタを作ることが可能で、このために、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分のガラス基板上に、より高性能なトランジスタを必要とする駆動回路や画像処理などの機能を有する周辺回路を形成することができる。このため、ドライバＩＣや駆動回路基板を、ガラス基板に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、その他の長所として、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いために、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、高開口率化が図れる。このため、高精細であっても高輝度な、表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、通常、ガラス基板にＣＶＤ法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、非晶質シリコンを多結晶化する工程を付加して行なう。
【０００６】
非晶質シリコンを結晶化する工程としては、基板全体を６００℃から１０００℃以上の高温に保ち、非晶質を結晶質へと転換させるアニ−ル法があるが、この場合、基板としては高温に耐える必要があるため、安価なガラス基板は使うことができず、高価な石英基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。そこで、近年はレーザを用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。レーザによる結晶化技術は、通常、ＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）と呼ばれ、長さ２００ｍｍ〜４００ｍｍ、幅０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径０．２μｍ〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、レーザビームのエネルギーにより、溶融したあと、固化することにより結晶となり、非晶質シリコンに比べて数桁程度電子移動度を改善することができる。
【０００７】
この方法によると、最初の非晶質シリコン膜は、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、膜の底部に一部の非晶質領域を残して溶融する場合に、工業的に有用な結晶が得られる。しかしこの方法では、レーザ照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されることになる。従ってこの方法によれば、多数の結晶粒が基板上に形成されるため、膜中には無数の粒界が存在し、このために、トランジスタを形成し電気的な駆動を行なうときに、電子やホールなどのキャリアが粒界に散乱されるので、単結晶基板に比べると、数分の一程度の移動度しか得られない。このため、高性能な表示装置を得るために、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくし、また結晶の方位を制御することにより、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的にした数多くの研究開発が近年なされている。
【０００８】
この特性改善技術のひとつとして、特表２００３−５０９８４５号公報はスーパラテラル成長と称する技術を開示している。前記公表公報に記載の方法は、微細幅のレーザビームをシリコン薄膜に時間的にパルス状に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化を行なうものである。例えば、２〜３μｍの微細幅のレーザ照射によって、レーザ照射領域が溶融し、未溶融領域の境界から横方向、すなわち、ガラス基板の面内方向に結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し、成長が終了する。ちなみに、この衝突により、中央部には隆起した部分が生じ、これはリッジと称する。
【０００９】
上記のように照射されるレーザビームは微細なストライプ状であり結晶は、ストライプ状のビームの幅方向に成長し、上記の溶融領域中央部の両側から成長した結晶が衝突するのはストライプ長手方向の中心線上となる。
【００１０】
また、この方法は、複数回のパルスレーザ照射によっても行なうことが可能であり、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を次の結晶成長の種として引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるといった特徴を有している。
【００１１】
しかしながらいずれの方法においても、結晶粒の大きさを大きくし、かつ、半導体膜の特性向上を図ることは容易ではなかった。上記の既存技術によって、スーパーラテラル成長を結晶に誘起し、成長方向に大きな成長を促すことによって、結晶粒の大きさの拡大をはかって、かなりの大きさの結晶粒を形成し結晶粒を大きくすると、半導体素子の移動度は大きくできるもの、薄膜トランジスタの閾値のばらつきが生じるという欠点を完全に払拭するには到らなかったからである。閾値がばらつきを生じると、そのばらつきが生じても、電源電圧がトランジスタの所望の動作範囲含むように、電源電圧を大きく設定せざるをえない。このため、トランジスタの電源電圧を所望の動作範囲よりも余裕を見込んで大きくせざるをえず、このために電源電圧が高くなり、このために消費電力を低減することが困難であった。
【特許文献１】特開２００４−１５８５８４号公報
【特許文献２】特開２００１−１７６７９７号公報
【特許文献３】特表２００３−５０９８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術によれば、基板に平行な方向である横方向の成長により、成長方向に大きな結晶を生成して、結晶粒を拡大し、半導体素子の特性、特に移動度については大きな値を得ることができるが、その閾値のばらつきについては、依然として低減が困難であった。このため、素子を配置したパネルの歩留まりが低下し、あるいは閾値のばらつきが大きいために、電源電圧のマージンを大きく取る必要があり、このため電源電圧を低減することができず、消費電力の低減が進まないなどの課題を抱えていた。
【００１３】
閾値のばらつきが大きくなる原因としては、種々の原因が考えられる。一般的には、結晶中の欠陥量が変動し、その欠陥に起因して結晶中にトラップされる局在電荷が変動し、これにより閾値が影響を受けて、閾値電圧が変動することが考えられる。これは結晶中の欠陥に起因するため、結晶の品質そのものに起因する現象である。
【００１４】
半導体素子の形式として、ＭＯＳ型のＴＦＴを想定すると、そのゲート絶縁膜と半導体膜との界面にトラップされる欠陥により閾値が変動する現象がある。これは、ゲート絶縁膜を形成する場合に、半導体表面の酸化や表面汚染により大きく影響を受ける現象で、ゲート絶縁膜と半導体界面の状態に起因する現象である。これとは別に半導体膜の膜厚が変動することにより、閾値が変動する現象もあり、これはゲートと半導体膜が形成する静電容量が変動することにより、閾値が変動することになる現象である。
【００１５】
このように、閾値電圧の変動については、一般的には種々の原因が考えられるわけであり、閾値変動が生じているという現象だけからは一概に、どれが原因であるという特定は困難であるが、従来技術に記述した、スーパーラテラル結晶においては、閾値の変動について特異的な現象が生じることを発明者らは見出した。すなわち、スーパーラテラル結晶においては、閾値の変動は、主に上記原因のうち最後の原因、すなわち膜厚の変動が大きな原因であることである。これは、スーパーラテラル結晶について、発明者らが詳細に検討を行なった結果得たものである。
【００１６】
具体的には、膜厚が大きく変動するリッジ部を素子が含む場合、すなわち、素子のチャンネル部分にリッジが存在する場合と、含まない場合を比較すると、明確に閾値が異なる現象が観測された。すなわち、膜厚に変動があると、閾値電圧の変動が生じる。このことから、閾値電圧の変動を押さえるためにはリッジのみならず、一般的に、平坦な膜表面が必要であることが推測される。
【００１７】
上記スーパーラテラル結晶化において、結晶化を行なったあとの表面に凹凸が生じる現象としては、既に述べたように結晶化領域の中心線上に生じるリッジと呼ばれる構造のほか、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射して、既に成長した結晶を次の結晶成長の種として引継いでゆく場合にも凹凸が生じることが解っている。
【００１８】
図９は従来技術を示し、膜表面に凹凸が形成される現象を示した図である。
基板１００上には、半導体薄膜１０１が形成されており、この薄膜１０１にレーザビーム１０２を照射して、その実効的な照射領域１０３を結晶化させる。その結果、結晶化された領域１０４では、結晶化領域１０４の縁部から結晶成長が進行し、その結晶が結晶化領域１０４の中央部で衝突して、リッジ１０５が形成される。（１回目照射）
次に、レーザビーム１０２と基板１００とは相対的にある所定の距離だけ移動し、２回目の照射領域１０６にレーザビーム１０２を照射する。すると、その場所が結晶化され、新たにリッジが形成される。
【００１９】
この動作を繰り返し、順次結晶化領域を拡大してゆくが、この図から明らかなように、形成されるリッジの位置は順次、この図でいうと右方に移動し、そのあとには平坦な結晶が形成されるはずであるが、実際には、その部分には凹凸１０７が形成される。
【００２０】
この結晶の領域を拡大して記述した図が図１０である。１回目の照射領域に対して、２回目の照射領域１０６をずらせて照射すると、新たに破線で描いた形で次の結晶１０８が形成されるが、その時、２回目の照射領域１０６の縁部では、結晶の厚さがリッジ１０５のために厚くなっており、そこから新たに２回目の結晶化が始まる結果、２回目の結晶化領域１０６の縁部に段差１０９が生じる。このため２回目の照射が行なわれると、結晶の形状は図１０の最下図のようになり、２回目の照射領域１０６の縁部に突起１１０が生じる。この結晶化を引き続き継続すると、結果的にリッジは形成されなくても凹凸１０７が形成されることになる。
【００２１】
このように、基板に平行に横方向に結晶を成長させる場合、結晶の品質は従来のＥＬＡ法に比べ格段に良くなるにも関わらず、結晶の表面凹凸が、別の現象として発生し、それが原因となって、そこに形成されるトランジスタの特性向上の障害として残ることとなる。
【００２２】
本発明は基板上の半導体薄膜の結晶化において問題となる結晶の表面の凹凸の生じない結晶化装置および結晶化方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の課題を解決するための本発明の半導体膜の結晶化装置は、基板上の半導体薄膜に基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置であって、パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、ビームが照射されるスリット状の開口部を有するマスクと、ビームを結像させる対物レンズと、基板への前記ビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置と、を備え、ビームは所定の間隔を設けて同時に基板に照射される主ビームと補助ビームとにより構成されている。
【００２４】
また、上記の課題を解決するための本発明の半導体膜の結晶化方法は、基板上の半導体薄膜に基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化方法であって、パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、エネルギー源からのビームを一様化する光学素子と、ビームが照射される、スリット状の開口部を有するマスクと、ビームを結像させる対物レンズと、基板へのビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置と、を用い、ビームを所定の間隔を設けた主ビームと補助ビームとにより構成し、主ビームと補助ビームとを同時に基板に照射し、かつ補助ビームが少なくとも既に主ビームが照射され結晶化した部分に対して照射されるよう位置決めされる構成を有している。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、一旦生じた膜の凹凸を補助ビームの照射により低減することが可能となるものである。この結果、表面の平坦な半導体薄膜を形成することができ、このためにそこに形成する薄膜トランジスタ素子の閾値電圧のばらつきを押さえることが可能となる。このため特性のそろった薄膜トランジスタ素子を安定して形成できる。また、閾値電圧のばらつきを押さえられる結果、電源電圧を低く設定することが可能となり、消費電力を低減することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態を図１に示す。図１は、基板１上の半導体薄膜２に基板１に平行な横方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置の概略を示す図であって、パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源としての固体レーザ３より発したレーザのビームは、エネルギー源からのビームを一様化する光学素子としてのホモジナイザ４を介してマスク５に照射される構成となっている。マスク５はスリット状の開口部６を有し、このマスク５の開口部６を通ったビームの像を結像させる対物レンズ７により、ビームは基板１上に投影される。対物レンズ７と基板１の間には回折効果を有する第２の光学素子としての回折格子８が配置され、この回折格子８によってビームは、主ビーム９と補助ビーム１０とを備えた構成に形成される。回折格子８は図示しない上下機構により、矢印ｘ方向上下に移動させることが可能な構成となっている。また、図示しないが、基板１へのビームの照射位置を相対的に移動（例えば矢印ｙ方向など）させるための走査装置を本結晶化装置は備えている。主ビーム９と補助ビーム１０とは所定の間隔を設けて同時に基板２の半導体薄膜２に照射されるよう構成されている。この主ビーム９と補助ビーム１０が基板１上の半導体薄膜２に照射されることにより、半導体薄膜２を、溶融、凝固させて所望の半導体膜の結晶化を行なう。
【００２７】
固体レーザ３はＹＡＧなどの光学結晶をレーザ媒体として用いたレーザを用いることが可能であり、発振波長として半導体薄膜に吸収される波長であることが好ましく、おおむね６００ｎｍより短い波長であることが望ましい。また、発振波形としては、時間的に連続して発振させる連続発振でも良いが、好ましくは、基板１に平行な横方向成長を生じさせる本発明の場合は特に、パルス状に発振させるパルス発振が好ましい。パルス発振の場合は、パルス幅として１０ｎｓから１００ｎｓのパルス幅であれば本発明に適用することが可能である。パルス発振の繰り返し周波数としては、特に制限はないが、高い繰り返し周波数を用いれば、それだけ高速に結晶化を行なうことができ、高い能率で結晶化を行なえる利点がある。固体レーザを用いると繰り返し周波数としては１ｋＨｚから１００ｋＨｚの繰り返し周波数を行なうことが可能である。
【００２８】
このように、レーザとして、固体レーザを用いることにより、適当な短波長、短パルス、高繰返し周波数の発振を行なうことが可能であり、本発明にとって好都合である。
【００２９】
ホモジナイザ４は固体レーザ３から射出されるレーザのビームの強度分布、およびビーム形状を整形するために用いられる。固体レーザ３から射出したビームは通常、断面がガウシャン分布をなすような強度分布をなしているが、ホモジナイザ３にはこの強度分布を整形して、適切な強度分布に変換する作用をもたせている。具体的には、ビームをマスク５上でほぼ細長い、ストライプ状の矩形となる形状に変換する。
【００３０】
図２はマスク５上での強度分布を詳細に示したもので、マスク５に設けた、矩形状のスリットである開口部６をほぼ包含するような強度分布を持った照射領域１１をホモジナイザ４で形成する。ここで照射領域１１の、開口部６の長手方向の強度分布はほぼ一定となるように設定するのが好ましい。ホモジナイザ４としては、いわゆるホログラム回折格子を設けて光の回折作用によりレーザのビームの形状および強度分布変換を行なうＤＯＥ（Ｄｅｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ；回折光学素子）でも良いし、非球面レンズにより強度分布を変換するレンズでも良い。また、フライアイレンズのように多数の円筒レンズやマイクロレンズの組合せで強度分布を変換する光学系を用いてもよい。
【００３１】
マスク５には前述のように、スリット状の開口部６が設けられ、開口部６の部分はおおむね透明であり、それ以外はおおむね光を遮断する遮光領域とすることができる。マスク５の透明領域としてのマスク基板は石英、ガラスなどを用いることが可能であり、遮光領域を形成するためにはクロム、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、もしくはそれらの合金などの適当な材料からなる薄膜を用い、これをマスク基板に形成して構成することが可能である。
【００３２】
対物レンズ７はマスク５の像（すなわちスリットの像）を基板１上に結像する作用を有する。これにより、開口部６により形成される像を適当に設定した倍率で基板１上に結像する。結像倍率に特に制限はないが、マスク上でのエネルギー密度を基板１上でのエネルギー密度をより小さく設定して、マスクの損傷を防ぐために、縮小倍率に設定するのが好ましく、典型的には１／３から１／１０程度の範囲に設定して行なうことが可能である。
【００３３】
基板１としては、特に制限はないが、ガラス、石英、プラスティック、金属などの材料が使用可能であり、この上に、結晶化を行なうべき半導体薄膜２を形成する。
【００３４】
本発明の本実施態様においては、対物レンズ７と基板１の間に回折格子８が設置される。この回折格子８は、レーザ波長に対して透明な材料にて構成し、この表面に凹凸を設けて回折作用をもたせる。凹凸はおおむね等ピッチで形成された溝状とし、この溝の幅と深さと形状を適切に定めることで所望の機能を得ることが可能である。図３に本実施形態における回折格子８の溝形状を模式的に示す。図３における（イ）は溝８ａの形状が矩形断面の例を示し、（ロ）は溝８ａの形状が正弦波に近似した多諧調断面の例を示し、（ハ）は溝８ａの形状が矩正弦波状断面の例を示しめし、これらの形状を適切に選択し設定することが可能である。
【００３５】
本実施の形態においては、対物レンズ７と基板１の間に回折格子８を配置して、マスク５の開口部６の像を、基板１上に投影するが、回折格子８の回折効果により、基板１上に、は主ビーム９の像以外に、回折による像として補助ビーム１０が形成される。すなわち、図１においては、本来の像（主ビーム９）の両側に、回折像（補助ビーム１０）が形成される。これを模式的に表したのが図４であり、対物レンズ７により形成される像は、回折格子８がなければ、本来の像１２のみであるが、回折格子８を挿入した状態では、本来の像１２（主ビーム９）のほかに、回折格子８の回折作用により１次回折光１３、２次回折光１４、等の高次の回折光が生じる。図５にこれらの高次の回折光の強度を示す。回折格子８の溝８ａの断面が、図３の（イ）に示すように矩形形状である場合、形成される像としては、図５に示すように、０次回折光１２のほかに、１次、２次および３次以上の高次の回折光が生じ、かつ０次回折光１２に比して、１次回折光１３、２次回折光１４はそれぞれより強度が小さく、より高次の回折光ほど強度は小さい値を示す。
【００３６】
また、回折格子８の溝８ａの断面形状を、図３に（ハ）に示すような正弦波状の断面に設定すると、高次の回折光が抑制され、理論的には、２次以上の回折光強度はゼロとなる。すなわち、図５において、１次の回折光１３は生じるが、２次以上の回折光１４の強度は、おおむねゼロであり、ビームの像としては、中央の０次回折光に相当する像（主ビーム）と、その両側に１次回折光に相当する２つの像（補助ビーム）の合計３つの像のみとなる。このように設定すると、余分な高次の回折光が生じることがなく、回折光を集中させて補助ビームの強度を高めることができるので好都合である。
【００３７】
しかしながら、実際は溝８ａの断面形状を正確に正弦波状に形成するのは、困難であるため、これに近い効果を得るために、図３の（ロ）に示したように、正弦波に近似した多階調の断面（階段状の形状）に形成して実施することも可能である。階調の数を適当に選ぶことにより、正弦波上の断面と実質的に同等の効果を得ることが可能であり、実質的に中央の０次回折光（主ビーム）とその両側の二つの１次回折光（補助ビーム）の構成からなるビーム群を基板に照射することができる。
【００３８】
このようなビーム群の構成により基板上の半導体薄膜を結晶化させる様子を図６に示す。基板１上に半導体薄膜２が形成され、その半導体薄膜２に主ビーム９、補助ビーム１０が照射される。なお、もうひとつ補助ビーム１０が、主ビーム９をはさんで補助ビーム１０の反対側に存在するが、図６では省略している。基板１とビーム９、１０は相対的に矢印ｚの方向に図示しない走査装置により走査され、かつビームをパルス状に照射して、半導体薄膜２を順次結晶化させ、結晶化させた膜１５を形成する。このとき、前述したように、主ビーム９の照射領域では、膜の溶融、冷却、凝固に伴い、主ビームの短辺側の幅方向に横方向に結晶成長が生じ、その中央部には、リッジ１６が生じて隆起部分となり、また、同時に、段差となる凹凸１７が生じる。この凹凸１７をそのまま残存させたまま、この膜１５にトランジスタ素子を形成すると、その特性に悪影響を及ぼすことになる。
【００３９】
発明の本実施態様によれば、主ビーム９の後方には、サブビーム１０が配置されているため、矢印ｚの方向に走査され結晶化されていない半導体薄膜２に主ビーム９が照射されるとき、同時に補助ビーム１０が結晶化された半導体膜１５上に生じた凹凸１７に再度照射される。しかも、補助ビーム１０の強度は主ビーム９の強度に比して小さいため、半導体膜１５が再び溶解するには到らない。ただし、補助ビーム１０の強度を適当に設定すると、半導体膜１５の表面の一部のみが溶融するような条件に設定することが可能である。補助ビーム１０の強度を所望の強度に設定するには、回折格子８に構成された溝８ａの深さを調節することで行なうことが可能である。すなわち、補助ビーム１０の強度は、回折格子９の回折効率により異なってくるため、回折効率を高く設定すれば、補助ビーム１０の強度は高くなる。このように最適な条件に設定すると、補助ビーム１０が照射される領域１８において、半導体膜１５の表面の一部が溶融して凝固することにより、表面の凹凸１７の高さが低減し、より平坦な表面を形成することができる。
【００４０】
また、回折格子８は図示しない上下機構により、上下に移動させることが可能な構成となっているので補助ビーム１０と主ビーム９との距離（間隔）を調節できる。この両者の間隔は、主ビーム９により横方向の結晶化が行なわれ、結晶が凝固し終わってから、すなわち、補助ビーム１０は主ビーム９と重なり合わない位置で、なおかつ主ビーム９の熱的作用が及ばない位置に補助ビーム１０を位置させることが望ましい。このように、回折格子８の位置を適当に調節して、最適条件を選択することにより、補助ビーム１０が主ビーム９による横方向の結晶化に影響を及ぼさずに、平坦化のプロセスを行なうことが可能となる。
【００４１】
本発明の本実施態様に示すような光学系を用いると、表面が平坦な結晶化された半導体薄膜を得ることができ、素子の閾値の変動を押さえて、ばらつきの少ないトランジスタ素子を構成することができる。
【００４２】
また、本実施形態では複数のビームを簡単な光学系で構成している。図１に示すように、光学系としては、単一のスリットを結像レンズで結像するだけでよく、これを、付加的に設けた回折格子８の作用で、複数のビーム像９，１０を形成することができるものである。
【００４３】
また、回折格子８の作用で、ビームとしては主ビーム９の両側に補助ビーム１０を形成できため、基板１を走査して半導体薄膜を結晶化させるときに、一旦、基板の端部まで走査し（往路）、そのあと逆方向に走査する（復路）場合も同じように結晶の平坦化を行なうことができる。すなわち、走査の往復のどちらの経路でも同等の、主ビーム９による横方向結晶化および補助ビーム１０による平坦化のプロセスを実行できる。
【００４４】
なお、本実施形態の場合、補助ビーム１０は主ビーム９の両側に配置されるので、主ビーム９の走査に先立って、常に補助ビーム１０が照射されるが、これは主ビーム９の結晶化にはなんら影響を与えない。これは、先行する補助ビーム１０により、半導体薄膜２はその表面のみが一部溶融、凝固するが、次に主ビーム９がその部分を走査したときは、膜全体が溶融、凝固して横方向に成長するために、その前の状態（表面の一部のみが溶融、凝固した状態）はリセットされてしまうからである。
【００４５】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施形態について図７により説明する。本実施形態においては、固体レーザ３からのビームはＤＯＥホモジナイザ１９を通り、マスク２０を照射する。マスク２０には、スリット２１が設けられ、このスリット像をミラー２３を介して対物レンズ７により基板１上に結像する。
【００４６】
ＤＯＥホモジナイザ１９は回折用の光学素子であり、その表面に形成された凹凸により、固体レーザ３からのビームを回折させて、マスク２０上に光を分岐させる作用を有する。ここで、マスク２０には図示するよう少なくとも３本の開口部としてのスリット２１を設け、そのスリット２１を均一に照射するような回折作用をＤＯＥホモジナイザ１９に持たせる。
【００４７】
このようにして照射したスリット像を対物レンズ７により結像させることで、基板１上には少なくとも３本の均一な強度分布を有するビーム像が形成できる。対物レンズ７の結像作用としては、マスクの損傷を避けるために、マスク２０上の像を基板１上に縮小投影するのが望ましい。
【００４８】
このような構成を採用すると、マスク２０上のスリット２１の形状を適切に設定することにより、主ビーム２４、補助ビーム２５を図示したように、互いのビームの幅を主ビーム２４と補助ビーム２５とで異ならせることが可能であり、結晶化後の平坦化プロセスに際して、プロセスの自由度を増やして、最適の平坦化条件を定めることが可能となる。
【００４９】
（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施形態について図８により説明する。本実施形態においては、二つの固体レーザ３ａ、３ｂを用い、固体レーザ３ａ，３ｂからのビームはＤＯＥホモジナイザ２６、２７を通り、マスク２７、２９を照射する。マスク２７、２９には、開口部としてのスリット３０が設けられ、このスリット像をミラー２３、偏光ビームスプリッタ３１を介して対物レンズ７により基板１上の半導体薄膜２に結像する。
【００５０】
ＤＯＥホモジナイザ２６は回折用の光学素子であり、その表面に形成された凹凸により、固体レーザ３ａからのビームを回折させて、マスク２８上に光を分岐させる作用を持たせる。ここで、マスク２８には図示するよう少なくとも２本のスリット３０を設け、そのスリット３０を均一に照射するような回折作用をＤＯＥホモジナイザ２６に持たせる。またマスク２９には図示するよう少なくとも１本のスリット３０を設け、そのスリットを均一に照射するような回折作用をＤＯＥホモジナイザ２７に持たせる。
【００５１】
また、固体レーザ３ａとＤＯＥホモジナイザ２６の間には、１/２波長板３２を設け、固体レーザ３ａの偏波面を固体レーザ３ｂの偏波面に対して９０度回転させるとともに、偏光ビームスプリッタ３１を用いることで、固体レーザ３ａ、３ｂからの各ビームを合成して対物レンズ７へ導入することが可能となる。このようにして照射したスリットによる像を対物レンズ７により結像させることで、基板１上には少なくとも３本の、均一な強度分布を有するビーム像３３が形成できる。対物レンズ７の結像作用としては、マスクの損傷を避けるために、マスク２８、２９上の像を基板１上に縮小投影するのが望ましい。
【００５２】
このような構成を採用すると、マスク２８、２９のスリット３０の形状を自由に設定することが可能であり、特に、主ビーム３４、補助ビーム３５を、図示したように、幅を異ならせることが可能であるとともに、固体レーザ３ａと３ｂの発振強度を変えることで、主ビーム３４と補助ビーム３５の強度比を自由に可変することが可能であり、結晶化後の平坦化プロセスに際して、プロセスの自由度を増やして、最適の平坦化条件を定めることが可能となる。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の半導体膜の結晶化装置および結晶化方法は、ガラスや石英などの基板上に積層された半導体薄膜を結晶化することが求められている薄膜トランジスタの製造に利用可能で、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置などの製造に広く使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態１における半導体薄膜の結晶化装置の構成図である。
【図２】同実施形態におけるマスクの平面図である。
【図３】同実施形態における回折格子の断面図である。
【図４】同実施形態における回折格子の作用を説明する装置の一部概略図である。
【図５】同実施形態における回折格子によるビームの像の説明図である。
【図６】同実施形態における基板における半導体薄膜の結晶化状態を示す基板の断面図である。
【図７】本発明の実施形態２における半導体薄膜の結晶化装置の構成図である。
【図８】本発明の実施形態３における半導体薄膜の結晶化装置の構成図である。
【図９】従来技術におけるレーザ照射によってシリコン薄膜を結晶化する工程を示す説明図である。
【図１０】従来技術におけるシリコン薄膜を結晶化工程の拡大説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基板、２ 半導体薄膜、３，３ａ，３ｂ 固体レーザ、４ ホモジナイザ、５，２０，２８，２９ マスク、６ 開口部、７ 対物レンズ、８ 回折格子、８ａ 溝、９，２４，３４ 主ビーム、１０，２５，３５ 補助ビーム、２１，３０ スリット、１９，２６，２７ ＤＯＥホモジナイザ、３３ ビーム像。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスや石英などの基板上に積層された半導体薄膜を結晶化し、より良い半導体素子を得るための、半導体膜の結晶化装置および結晶化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピューターや携帯電話機の表示ディスプレーとして、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置が多く用いられている。この液晶や有機ＥＬを利用した表示装置には、画素の表示をスイッチングするために非晶質もしくは多結晶のシリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタが用いられる。そして、これらの薄膜トランジスタはガラス基板上に形成されており、薄型で軽量の表示装置を得ることが可能となっている。
【０００３】
多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを用いたトランジスタよりも、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較し、多くの長所を有している。電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いために、高性能のトランジスタを作ることが可能で、このために、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分のガラス基板上に、より高性能なトランジスタを必要とする駆動回路や画像処理などの機能を有する周辺回路を形成することができる。このため、ドライバＩＣや駆動回路基板を、ガラス基板に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、その他の長所として、電子およびホールなどのキャリアの移動度が高いために、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、高開口率化が図れる。このため、高精細であっても高輝度な、表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、通常、ガラス基板にＣＶＤ法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、非晶質シリコンを多結晶化する工程を付加して行なう。
【０００６】
非晶質シリコンを結晶化する工程としては、基板全体を６００℃から１０００℃以上の高温に保ち、非晶質を結晶質へと転換させるアニ−ル法があるが、この場合、基板としては高温に耐える必要があるため、安価なガラス基板は使うことができず、高価な石英基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。そこで、近年はレーザを用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。レーザによる結晶化技術は、通常、ＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）と呼ばれ、長さ２００ｍｍ〜４００ｍｍ、幅０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径０．２μｍ〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、レーザビームのエネルギーにより、溶融したあと、固化することにより結晶となり、非晶質シリコンに比べて数桁程度電子移動度を改善することができる。
【０００７】
この方法によると、最初の非晶質シリコン膜は、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、膜の底部に一部の非晶質領域を残して溶融する場合に、工業的に有用な結晶が得られる。しかしこの方法では、レーザ照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されることになる。従ってこの方法によれば、多数の結晶粒が基板上に形成されるため、膜中には無数の粒界が存在し、このために、トランジスタを形成し電気的な駆動を行なうときに、電子やホールなどのキャリアが粒界に散乱されるので、単結晶基板に比べると、数分の一程度の移動度しか得られない。このため、高性能な表示装置を得るために、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくし、また結晶の方位を制御することにより、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的にした数多くの研究開発が近年なされている。
【０００８】
この特性改善技術のひとつとして、特表２００３−５０９８４５号公報はスーパラテラル成長と称する技術を開示している。前記公表公報に記載の方法は、微細幅のレーザビームをシリコン薄膜に時間的にパルス状に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融・凝固させて結晶化を行なうものである。例えば、２〜３μｍの微細幅のレーザ照射によって、レーザ照射領域が溶融し、未溶融領域の境界から横方向、すなわち、ガラス基板の面内方向に結晶が成長し、溶融領域中央部で両側から成長した結晶が衝突し、成長が終了する。ちなみに、この衝突により、中央部には隆起した部分が生じ、これはリッジと称する。
【０００９】
上記のように照射されるレーザビームは微細なストライプ状であり結晶は、ストライプ状のビームの幅方向に成長し、上記の溶融領域中央部の両側から成長した結晶が衝突するのはストライプ長手方向の中心線上となる。
【００１０】
また、この方法は、複数回のパルスレーザ照射によっても行なうことが可能であり、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を次の結晶成長の種として引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られるといった特徴を有している。
【００１１】
しかしながらいずれの方法においても、結晶粒の大きさを大きくし、かつ、半導体膜の特性向上を図ることは容易ではなかった。上記の既存技術によって、スーパーラテラル成長を結晶に誘起し、成長方向に大きな成長を促すことによって、結晶粒の大きさの拡大をはかって、かなりの大きさの結晶粒を形成し結晶粒を大きくすると、半導体素子の移動度は大きくできるもの、薄膜トランジスタの閾値のばらつきが生じるという欠点を完全に払拭するには到らなかったからである。閾値がばらつきを生じると、そのばらつきが生じても、電源電圧がトランジスタの所望の動作範囲含むように、電源電圧を大きく設定せざるをえない。このため、トランジスタの電源電圧を所望の動作範囲よりも余裕を見込んで大きくせざるをえず、このために電源電圧が高くなり、このために消費電力を低減することが困難であった。
【特許文献１】特開２００４−１５８５８４号公報
【特許文献２】特開２００１−１７６７９７号公報
【特許文献３】特表２００３−５０９８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術によれば、基板に平行な方向である横方向の成長により、成長方向に大きな結晶を生成して、結晶粒を拡大し、半導体素子の特性、特に移動度については大きな値を得ることができるが、その閾値のばらつきについては、依然として低減が困難であった。このため、素子を配置したパネルの歩留まりが低下し、あるいは閾値のばらつきが大きいために、電源電圧のマージンを大きく取る必要があり、このため電源電圧を低減することができず、消費電力の低減が進まないなどの課題を抱えていた。
【００１３】
閾値のばらつきが大きくなる原因としては、種々の原因が考えられる。一般的には、結晶中の欠陥量が変動し、その欠陥に起因して結晶中にトラップされる局在電荷が変動し、これにより閾値が影響を受けて、閾値電圧が変動することが考えられる。これは結晶中の欠陥に起因するため、結晶の品質そのものに起因する現象である。
【００１４】
半導体素子の形式として、ＭＯＳ型のＴＦＴを想定すると、そのゲート絶縁膜と半導体膜との界面にトラップされる欠陥により閾値が変動する現象がある。これは、ゲート絶縁膜を形成する場合に、半導体表面の酸化や表面汚染により大きく影響を受ける現象で、ゲート絶縁膜と半導体界面の状態に起因する現象である。これとは別に半導体膜の膜厚が変動することにより、閾値が変動する現象もあり、これはゲートと半導体膜が形成する静電容量が変動することにより、閾値が変動することになる現象である。
【００１５】
このように、閾値電圧の変動については、一般的には種々の原因が考えられるわけであり、閾値変動が生じているという現象だけからは一概に、どれが原因であるという特定は困難であるが、従来技術に記述した、スーパーラテラル結晶においては、閾値の変動について特異的な現象が生じることを発明者らは見出した。すなわち、スーパーラテラル結晶においては、閾値の変動は、主に上記原因のうち最後の原因、すなわち膜厚の変動が大きな原因であることである。これは、スーパーラテラル結晶について、発明者らが詳細に検討を行なった結果得たものである。
【００１６】
具体的には、膜厚が大きく変動するリッジ部を素子が含む場合、すなわち、素子のチャンネル部分にリッジが存在する場合と、含まない場合を比較すると、明確に閾値が異なる現象が観測された。すなわち、膜厚に変動があると、閾値電圧の変動が生じる。このことから、閾値電圧の変動を押さえるためにはリッジのみならず、一般的に、平坦な膜表面が必要であることが推測される。
【００１７】
上記スーパーラテラル結晶化において、結晶化を行なったあとの表面に凹凸が生じる現象としては、既に述べたように結晶化領域の中心線上に生じるリッジと呼ばれる構造のほか、１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複するように順次レーザパルスを照射して、既に成長した結晶を次の結晶成長の種として引継いでゆく場合にも凹凸が生じることが解っている。
【００１８】
図９は従来技術を示し、膜表面に凹凸が形成される現象を示した図である。
基板１００上には、半導体薄膜１０１が形成されており、この薄膜１０１にレーザビーム１０２を照射して、その実効的な照射領域１０３を結晶化させる。その結果、結晶化された領域１０４では、結晶化領域１０４の縁部から結晶成長が進行し、その結晶が結晶化領域１０４の中央部で衝突して、リッジ１０５が形成される。（１回目照射）
次に、レーザビーム１０２と基板１００とは相対的にある所定の距離だけ移動し、２回目の照射領域１０６にレーザビーム１０２を照射する。すると、その場所が結晶化され、新たにリッジが形成される。
【００１９】
この動作を繰り返し、順次結晶化領域を拡大してゆくが、この図から明らかなように、形成されるリッジの位置は順次、この図でいうと右方に移動し、そのあとには平坦な結晶が形成されるはずであるが、実際には、その部分には凹凸１０７が形成される。
【００２０】
この結晶の領域を拡大して記述した図が図１０である。１回目の照射領域に対して、２回目の照射領域１０６をずらせて照射すると、新たに破線で描いた形で次の結晶１０８が形成されるが、その時、２回目の照射領域１０６の縁部では、結晶の厚さがリッジ１０５のために厚くなっており、そこから新たに２回目の結晶化が始まる結果、２回目の結晶化領域１０６の縁部に段差１０９が生じる。このため２回目の照射が行なわれると、結晶の形状は図１０の最下図のようになり、２回目の照射領域１０６の縁部に突起１１０が生じる。この結晶化を引き続き継続すると、結果的にリッジは形成されなくても凹凸１０７が形成されることになる。
【００２１】
このように、基板に平行に横方向に結晶を成長させる場合、結晶の品質は従来のＥＬＡ法に比べ格段に良くなるにも関わらず、結晶の表面凹凸が、別の現象として発生し、それが原因となって、そこに形成されるトランジスタの特性向上の障害として残ることとなる。
【００２２】
本発明は基板上の半導体薄膜の結晶化において問題となる結晶の表面の凹凸の生じない結晶化装置および結晶化方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の課題を解決するための本発明の半導体膜の結晶化装置は、基板上の半導体薄膜に基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置であって、パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、ビームが照射されるスリット状の開口部を有するマスクと、ビームを結像させる対物レンズと、基板への前記ビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置と、を備え、ビームは所定の間隔を設けて同時に基板に照射される主ビームと補助ビームとにより構成されている。
【００２４】
また、上記の課題を解決するための本発明の半導体膜の結晶化方法は、基板上の半導体薄膜に基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化方法であって、パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、エネルギー源からのビームを一様化する光学素子と、ビームが照射される、スリット状の開口部を有するマスクと、ビームを結像させる対物レンズと、基板へのビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置と、を用い、ビームを所定の間隔を設けた主ビームと補助ビームとにより構成し、主ビームと補助ビームとを同時に基板に照射し、かつ補助ビームが少なくとも既に主ビームが照射され結晶化した部分に対して照射されるよう位置決めされる構成を有している。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、一旦生じた膜の凹凸を補助ビームの照射により低減することが可能となるものである。この結果、表面の平坦な半導体薄膜を形成することができ、このためにそこに形成する薄膜トランジスタ素子の閾値電圧のばらつきを押さえることが可能となる。このため特性のそろった薄膜トランジスタ素子を安定して形成できる。また、閾値電圧のばらつきを押さえられる結果、電源電圧を低く設定することが可能となり、消費電力を低減することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態を図１に示す。図１は、基板１上の半導体薄膜２に基板１に平行な横方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置の概略を示す図であって、パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源としての固体レーザ３より発したレーザのビームは、エネルギー源からのビームを一様化する光学素子としてのホモジナイザ４を介してマスク５に照射される構成となっている。マスク５はスリット状の開口部６を有し、このマスク５の開口部６を通ったビームの像を結像させる対物レンズ７により、ビームは基板１上に投影される。対物レンズ７と基板１の間には回折効果を有する第２の光学素子としての回折格子８が配置され、この回折格子８によってビームは、主ビーム９と補助ビーム１０とを備えた構成に形成される。回折格子８は図示しない上下機構により、矢印ｘ方向上下に移動させることが可能な構成となっている。また、図示しないが、基板１へのビームの照射位置を相対的に移動（例えば矢印ｙ方向など）させるための走査装置を本結晶化装置は備えている。主ビーム９と補助ビーム１０とは所定の間隔を設けて同時に基板２の半導体薄膜２に照射されるよう構成されている。この主ビーム９と補助ビーム１０が基板１上の半導体薄膜２に照射されることにより、半導体薄膜２を、溶融、凝固させて所望の半導体膜の結晶化を行なう。
【００２７】
固体レーザ３はＹＡＧなどの光学結晶をレーザ媒体として用いたレーザを用いることが可能であり、発振波長として半導体薄膜に吸収される波長であることが好ましく、おおむね６００ｎｍより短い波長であることが望ましい。また、発振波形としては、時間的に連続して発振させる連続発振でも良いが、好ましくは、基板１に平行な横方向成長を生じさせる本発明の場合は特に、パルス状に発振させるパルス発振が好ましい。パルス発振の場合は、パルス幅として１０ｎｓから１００ｎｓのパルス幅であれば本発明に適用することが可能である。パルス発振の繰り返し周波数としては、特に制限はないが、高い繰り返し周波数を用いれば、それだけ高速に結晶化を行なうことができ、高い能率で結晶化を行なえる利点がある。固体レーザを用いると繰り返し周波数としては１ｋＨｚから１００ｋＨｚの繰り返し周波数を行なうことが可能である。
【００２８】
このように、レーザとして、固体レーザを用いることにより、適当な短波長、短パルス、高繰返し周波数の発振を行なうことが可能であり、本発明にとって好都合である。
【００２９】
ホモジナイザ４は固体レーザ３から射出されるレーザのビームの強度分布、およびビーム形状を整形するために用いられる。固体レーザ３から射出したビームは通常、断面がガウシャン分布をなすような強度分布をなしているが、ホモジナイザ３にはこの強度分布を整形して、適切な強度分布に変換する作用をもたせている。具体的には、ビームをマスク５上でほぼ細長い、ストライプ状の矩形となる形状に変換する。
【００３０】
図２はマスク５上での強度分布を詳細に示したもので、マスク５に設けた、矩形状のスリットである開口部６をほぼ包含するような強度分布を持った照射領域１１をホモジナイザ４で形成する。ここで照射領域１１の、開口部６の長手方向の強度分布はほぼ一定となるように設定するのが好ましい。ホモジナイザ４としては、いわゆるホログラム回折格子を設けて光の回折作用によりレーザのビームの形状および強度分布変換を行なうＤＯＥ（Ｄｅｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ；回折光学素子）でも良いし、非球面レンズにより強度分布を変換するレンズでも良い。また、フライアイレンズのように多数の円筒レンズやマイクロレンズの組合せで強度分布を変換する光学系を用いてもよい。
【００３１】
マスク５には前述のように、スリット状の開口部６が設けられ、開口部６の部分はおおむね透明であり、それ以外はおおむね光を遮断する遮光領域とすることができる。マスク５の透明領域としてのマスク基板は石英、ガラスなどを用いることが可能であり、遮光領域を形成するためにはクロム、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、もしくはそれらの合金などの適当な材料からなる薄膜を用い、これをマスク基板に形成して構成することが可能である。
【００３２】
対物レンズ７はマスク５の像（すなわちスリットの像）を基板１上に結像する作用を有する。これにより、開口部６により形成される像を適当に設定した倍率で基板１上に結像する。結像倍率に特に制限はないが、マスク上でのエネルギー密度を基板１上でのエネルギー密度をより小さく設定して、マスクの損傷を防ぐために、縮小倍率に設定するのが好ましく、典型的には１／３から１／１０程度の範囲に設定して行なうことが可能である。
【００３３】
基板１としては、特に制限はないが、ガラス、石英、プラスティック、金属などの材料が使用可能であり、この上に、結晶化を行なうべき半導体薄膜２を形成する。
【００３４】
本発明の本実施態様においては、対物レンズ７と基板１の間に回折格子８が設置される。この回折格子８は、レーザ波長に対して透明な材料にて構成し、この表面に凹凸を設けて回折作用をもたせる。凹凸はおおむね等ピッチで形成された溝状とし、この溝の幅と深さと形状を適切に定めることで所望の機能を得ることが可能である。図３に本実施形態における回折格子８の溝形状を模式的に示す。図３における（イ）は溝８ａの形状が矩形断面の例を示し、（ロ）は溝８ａの形状が正弦波に近似した多諧調断面の例を示し、（ハ）は溝８ａの形状が矩正弦波状断面の例を示しめし、これらの形状を適切に選択し設定することが可能である。
【００３５】
本実施の形態においては、対物レンズ７と基板１の間に回折格子８を配置して、マスク５の開口部６の像を、基板１上に投影するが、回折格子８の回折効果により、基板１上に、は主ビーム９の像以外に、回折による像として補助ビーム１０が形成される。すなわち、図１においては、本来の像（主ビーム９）の両側に、回折像（補助ビーム１０）が形成される。これを模式的に表したのが図４であり、対物レンズ７により形成される像は、回折格子８がなければ、本来の像１２のみであるが、回折格子８を挿入した状態では、本来の像１２（主ビーム９）のほかに、回折格子８の回折作用により１次回折光１３、２次回折光１４、等の高次の回折光が生じる。図５にこれらの高次の回折光の強度を示す。回折格子８の溝８ａの断面が、図３の（イ）に示すように矩形形状である場合、形成される像としては、図５に示すように、０次回折光１２のほかに、１次、２次および３次以上の高次の回折光が生じ、かつ０次回折光１２に比して、１次回折光１３、２次回折光１４はそれぞれより強度が小さく、より高次の回折光ほど強度は小さい値を示す。
【００３６】
また、回折格子８の溝８ａの断面形状を、図３に（ハ）に示すような正弦波状の断面に設定すると、高次の回折光が抑制され、理論的には、２次以上の回折光強度はゼロとなる。すなわち、図５において、１次の回折光１３は生じるが、２次以上の回折光１４の強度は、おおむねゼロであり、ビームの像としては、中央の０次回折光に相当する像（主ビーム）と、その両側に１次回折光に相当する２つの像（補助ビーム）の合計３つの像のみとなる。このように設定すると、余分な高次の回折光が生じることがなく、回折光を集中させて補助ビームの強度を高めることができるので好都合である。
【００３７】
しかしながら、実際は溝８ａの断面形状を正確に正弦波状に形成するのは、困難であるため、これに近い効果を得るために、図３の（ロ）に示したように、正弦波に近似した多階調の断面（階段状の形状）に形成して実施することも可能である。階調の数を適当に選ぶことにより、正弦波上の断面と実質的に同等の効果を得ることが可能であり、実質的に中央の０次回折光（主ビーム）とその両側の二つの１次回折光（補助ビーム）の構成からなるビーム群を基板に照射することができる。
【００３８】
このようなビーム群の構成により基板上の半導体薄膜を結晶化させる様子を図６に示す。基板１上に半導体薄膜２が形成され、その半導体薄膜２に主ビーム９、補助ビーム１０が照射される。なお、もうひとつ補助ビーム１０が、主ビーム９をはさんで補助ビーム１０の反対側に存在するが、図６では省略している。基板１とビーム９、１０は相対的に矢印ｚの方向に図示しない走査装置により走査され、かつビームをパルス状に照射して、半導体薄膜２を順次結晶化させ、結晶化させた膜１５を形成する。このとき、前述したように、主ビーム９の照射領域では、膜の溶融、冷却、凝固に伴い、主ビームの短辺側の幅方向に横方向に結晶成長が生じ、その中央部には、リッジ１６が生じて隆起部分となり、また、同時に、段差となる凹凸１７が生じる。この凹凸１７をそのまま残存させたまま、この膜１５にトランジスタ素子を形成すると、その特性に悪影響を及ぼすことになる。
【００３９】
発明の本実施態様によれば、主ビーム９の後方には、サブビーム１０が配置されているため、矢印ｚの方向に走査され結晶化されていない半導体薄膜２に主ビーム９が照射されるとき、同時に補助ビーム１０が結晶化された半導体膜１５上に生じた凹凸１７に再度照射される。しかも、補助ビーム１０の強度は主ビーム９の強度に比して小さいため、半導体膜１５が再び溶解するには到らない。ただし、補助ビーム１０の強度を適当に設定すると、半導体膜１５の表面の一部のみが溶融するような条件に設定することが可能である。補助ビーム１０の強度を所望の強度に設定するには、回折格子８に構成された溝８ａの深さを調節することで行なうことが可能である。すなわち、補助ビーム１０の強度は、回折格子９の回折効率により異なってくるため、回折効率を高く設定すれば、補助ビーム１０の強度は高くなる。このように最適な条件に設定すると、補助ビーム１０が照射される領域１８において、半導体膜１５の表面の一部が溶融して凝固することにより、表面の凹凸１７の高さが低減し、より平坦な表面を形成することができる。
【００４０】
また、回折格子８は図示しない上下機構により、上下に移動させることが可能な構成となっているので補助ビーム１０と主ビーム９との距離（間隔）を調節できる。この両者の間隔は、主ビーム９により横方向の結晶化が行なわれ、結晶が凝固し終わってから、すなわち、補助ビーム１０は主ビーム９と重なり合わない位置で、なおかつ主ビーム９の熱的作用が及ばない位置に補助ビーム１０を位置させることが望ましい。このように、回折格子８の位置を適当に調節して、最適条件を選択することにより、補助ビーム１０が主ビーム９による横方向の結晶化に影響を及ぼさずに、平坦化のプロセスを行なうことが可能となる。
【００４１】
本発明の本実施態様に示すような光学系を用いると、表面が平坦な結晶化された半導体薄膜を得ることができ、素子の閾値の変動を押さえて、ばらつきの少ないトランジスタ素子を構成することができる。
【００４２】
また、本実施形態では複数のビームを簡単な光学系で構成している。図１に示すように、光学系としては、単一のスリットを結像レンズで結像するだけでよく、これを、付加的に設けた回折格子８の作用で、複数のビーム像９，１０を形成することができるものである。
【００４３】
また、回折格子８の作用で、ビームとしては主ビーム９の両側に補助ビーム１０を形成できため、基板１を走査して半導体薄膜を結晶化させるときに、一旦、基板の端部まで走査し（往路）、そのあと逆方向に走査する（復路）場合も同じように結晶の平坦化を行なうことができる。すなわち、走査の往復のどちらの経路でも同等の、主ビーム９による横方向結晶化および補助ビーム１０による平坦化のプロセスを実行できる。
【００４４】
なお、本実施形態の場合、補助ビーム１０は主ビーム９の両側に配置されるので、主ビーム９の走査に先立って、常に補助ビーム１０が照射されるが、これは主ビーム９の結晶化にはなんら影響を与えない。これは、先行する補助ビーム１０により、半導体薄膜２はその表面のみが一部溶融、凝固するが、次に主ビーム９がその部分を走査したときは、膜全体が溶融、凝固して横方向に成長するために、その前の状態（表面の一部のみが溶融、凝固した状態）はリセットされてしまうからである。
【００４５】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施形態について図７により説明する。本実施形態においては、固体レーザ３からのビームはＤＯＥホモジナイザ１９を通り、マスク２０を照射する。マスク２０には、スリット２１が設けられ、このスリット像をミラー２３を介して対物レンズ７により基板１上に結像する。
【００４６】
ＤＯＥホモジナイザ１９は回折用の光学素子であり、その表面に形成された凹凸により、固体レーザ３からのビームを回折させて、マスク２０上に光を分岐させる作用を有する。ここで、マスク２０には図示するよう少なくとも３本の開口部としてのスリット２１を設け、そのスリット２１を均一に照射するような回折作用をＤＯＥホモジナイザ１９に持たせる。
【００４７】
このようにして照射したスリット像を対物レンズ７により結像させることで、基板１上には少なくとも３本の均一な強度分布を有するビーム像が形成できる。対物レンズ７の結像作用としては、マスクの損傷を避けるために、マスク２０上の像を基板１上に縮小投影するのが望ましい。
【００４８】
このような構成を採用すると、マスク２０上のスリット２１の形状を適切に設定することにより、主ビーム２４、補助ビーム２５を図示したように、互いのビームの幅を主ビーム２４と補助ビーム２５とで異ならせることが可能であり、結晶化後の平坦化プロセスに際して、プロセスの自由度を増やして、最適の平坦化条件を定めることが可能となる。
【００４９】
（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施形態について図８により説明する。本実施形態においては、二つの固体レーザ３ａ、３ｂを用い、固体レーザ３ａ，３ｂからのビームはＤＯＥホモジナイザ２６、２７を通り、マスク２７、２９を照射する。マスク２７、２９には、開口部としてのスリット３０が設けられ、このスリット像をミラー２３、偏光ビームスプリッタ３１を介して対物レンズ７により基板１上の半導体薄膜２に結像する。
【００５０】
ＤＯＥホモジナイザ２６は回折用の光学素子であり、その表面に形成された凹凸により、固体レーザ３ａからのビームを回折させて、マスク２８上に光を分岐させる作用を持たせる。ここで、マスク２８には図示するよう少なくとも２本のスリット３０を設け、そのスリット３０を均一に照射するような回折作用をＤＯＥホモジナイザ２６に持たせる。またマスク２９には図示するよう少なくとも１本のスリット３０を設け、そのスリットを均一に照射するような回折作用をＤＯＥホモジナイザ２７に持たせる。
【００５１】
また、固体レーザ３ａとＤＯＥホモジナイザ２６の間には、１/２波長板３２を設け、固体レーザ３ａの偏波面を固体レーザ３ｂの偏波面に対して９０度回転させるとともに、偏光ビームスプリッタ３１を用いることで、固体レーザ３ａ、３ｂからの各ビームを合成して対物レンズ７へ導入することが可能となる。このようにして照射したスリットによる像を対物レンズ７により結像させることで、基板１上には少なくとも３本の、均一な強度分布を有するビーム像３３が形成できる。対物レンズ７の結像作用としては、マスクの損傷を避けるために、マスク２８、２９上の像を基板１上に縮小投影するのが望ましい。
【００５２】
このような構成を採用すると、マスク２８、２９のスリット３０の形状を自由に設定することが可能であり、特に、主ビーム３４、補助ビーム３５を、図示したように、幅を異ならせることが可能であるとともに、固体レーザ３ａと３ｂの発振強度を変えることで、主ビーム３４と補助ビーム３５の強度比を自由に可変することが可能であり、結晶化後の平坦化プロセスに際して、プロセスの自由度を増やして、最適の平坦化条件を定めることが可能となる。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の半導体膜の結晶化装置および結晶化方法は、ガラスや石英などの基板上に積層された半導体薄膜を結晶化することが求められている薄膜トランジスタの製造に利用可能で、液晶や有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）を用いた平面型の表示装置などの製造に広く使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態１における半導体薄膜の結晶化装置の構成図である。
【図２】同実施形態におけるマスクの平面図である。
【図３】同実施形態における回折格子の断面図である。
【図４】同実施形態における回折格子の作用を説明する装置の一部概略図である。
【図５】同実施形態における回折格子によるビームの像の説明図である。
【図６】同実施形態における基板における半導体薄膜の結晶化状態を示す基板の断面図である。
【図７】本発明の実施形態２における半導体薄膜の結晶化装置の構成図である。
【図８】本発明の実施形態３における半導体薄膜の結晶化装置の構成図である。
【図９】従来技術におけるレーザ照射によってシリコン薄膜を結晶化する工程を示す説明図である。
【図１０】従来技術におけるシリコン薄膜を結晶化工程の拡大説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基板、２ 半導体薄膜、３，３ａ，３ｂ 固体レーザ、４ ホモジナイザ、５，２０，２８，２９ マスク、６ 開口部、７ 対物レンズ、８ 回折格子、８ａ 溝、９，２４，３４ 主ビーム、１０，２５，３５ 補助ビーム、２１，３０ スリット、１９，２６，２７ ＤＯＥホモジナイザ、３３ ビーム像。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の半導体薄膜に前記基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置であって、
パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、
前記ビームが照射されるスリット状の開口部を有するマスクと、
前記ビームを結像させる対物レンズと、
前記基板への前記ビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置とを備え、
前記ビームは、所定の間隔を設けて同時に前記基板に照射される主ビームと補助ビームとにより構成されていることを特徴とする半導体膜の結晶化装置。
【請求項２】
前記補助ビームは複数のビームで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項３】
前記補助ビームの強度が前記主ビームの強度より小さく構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項４】
前記補助ビームの幅が前記主ビームの幅と異なるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項５】
前記対物レンズと前記基板の間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項６】
前記回折効果を有する光学素子の溝断面が正弦波状に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項７】
前記エネルギー源と前記マスク間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項８】
複数の前記エネルギー源と、複数のマスクと、により前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項９】
基板上の半導体薄膜に前記基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化方法であって、
パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、
前記ビームが照射される、スリット状の開口部を有するマスクと、
前記ビームを結像させる対物レンズと、
前記基板への前記ビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置とを用い、
前記ビームを所定の間隔を設けた主ビームと補助ビームとにより構成し、前記主ビームと補助ビームとを同時に前記基板に照射し、かつ前記補助ビームが少なくとも既に主ビームが照射され結晶化した部分に対して照射されるよう位置決めされることを特徴とする半導体膜の結晶化方法。
【請求項１０】
前記補助ビームは複数のビームで構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１１】
前記補助ビームの強度が前記主ビームの強度より小さく構成されていることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１２】
前記補助ビームの幅が前記主ビームの幅と異なるように構成されていることを特徴とする、請求項９から請求項１１のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１３】
前記対物レンズと前記基板の間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項９から請求項１２のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１４】
前記回折効果を有する光学素子の溝断面が正弦波状に形成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１５】
前記エネルギー源と前記マスク間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１６】
複数の前記エネルギー源と、複数のマスクと、により前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１】
基板上の半導体薄膜に前記基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化装置であって、
パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、
前記ビームが照射されるスリット状の開口部を有するマスクと、
前記ビームを結像させる対物レンズと、
前記基板への前記ビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置とを備え、
前記ビームは、所定の間隔を設けて同時に前記基板に照射される主ビームと補助ビームとにより構成されていることを特徴とする半導体膜の結晶化装置。
【請求項２】
前記補助ビームは複数のビームで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項３】
前記補助ビームの強度が前記主ビームの強度より小さく構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項４】
前記補助ビームの幅が前記主ビームの幅と異なるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項５】
前記対物レンズと前記基板の間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項６】
前記回折効果を有する光学素子の溝断面が正弦波状に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項７】
前記エネルギー源と前記マスク間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項８】
複数の前記エネルギー源と、複数のマスクと、により前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体膜の結晶化装置。
【請求項９】
基板上の半導体薄膜に前記基板に平行な方向の結晶成長を生じさせる結晶化方法であって、
パルス状のエネルギービームを射出するエネルギー源と、
前記ビームが照射される、スリット状の開口部を有するマスクと、
前記ビームを結像させる対物レンズと、
前記基板への前記ビームの照射位置を相対的に移動させる走査装置とを用い、
前記ビームを所定の間隔を設けた主ビームと補助ビームとにより構成し、前記主ビームと補助ビームとを同時に前記基板に照射し、かつ前記補助ビームが少なくとも既に主ビームが照射され結晶化した部分に対して照射されるよう位置決めされることを特徴とする半導体膜の結晶化方法。
【請求項１０】
前記補助ビームは複数のビームで構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１１】
前記補助ビームの強度が前記主ビームの強度より小さく構成されていることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１２】
前記補助ビームの幅が前記主ビームの幅と異なるように構成されていることを特徴とする、請求項９から請求項１１のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１３】
前記対物レンズと前記基板の間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項９から請求項１２のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１４】
前記回折効果を有する光学素子の溝断面が正弦波状に形成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１５】
前記エネルギー源と前記マスク間に配置された回折効果を有する光学素子によって前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１６】
複数の前記エネルギー源と、複数のマスクと、により前記主ビームと補助ビームとが形成されることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれかに記載の半導体膜の結晶化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２７３８３３（Ｐ２００７−２７３８３３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９９１０１（Ｐ２００６−９９１０１）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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