半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置
【課題】１０μｍを超える長さをもつ直線状の結晶粒が整列した、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる半導体薄膜を形成し、高移動度でかつ特性の均一な半導体デバイスを提供することができる半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置を提供する。
【解決手段】連続発振レーザー結晶化において、回折型レーザビームホモジナイザを用いることで、レーザースポットを直線状・矩形状にし、長い方向にほぼ均一なレーザー強度分布を形成する。このレーザースポットを、レーザースポットの短い方向に適切な間隔をおいて、２段以上並べる。この多段レーザースポットを、シリコン薄膜上に照射し、レーザースポットの短い方向に走査させて、シリコン薄膜を横方向結晶化（ラテラル結晶化）を行うことで、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる多結晶シリコン薄膜の形成を行うことができる。
【解決手段】連続発振レーザー結晶化において、回折型レーザビームホモジナイザを用いることで、レーザースポットを直線状・矩形状にし、長い方向にほぼ均一なレーザー強度分布を形成する。このレーザースポットを、レーザースポットの短い方向に適切な間隔をおいて、２段以上並べる。この多段レーザースポットを、シリコン薄膜上に照射し、レーザースポットの短い方向に走査させて、シリコン薄膜を横方向結晶化（ラテラル結晶化）を行うことで、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる多結晶シリコン薄膜の形成を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置に関するものであり、具体的にはレーザーにより低温形成された多結晶シリコン薄膜および半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン薄膜トランジスタ（Ｓｉ ＴＦＴ）は、液晶パネルディスプレイ（ＬＣＤ）などのフラットパネルディスプレイにおいて、画素スイッチとして用いられている。シリコン薄膜としては、これまでアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）が広く使われてきたが、これを多結晶化したポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とすることで電流駆動力をとることができ、ＬＣＤ画素中でのＴＦＴの占有面積を縮小できるため、ＬＣＤの高明度化・高精細化が可能となる。
【０００３】
ＬＣＤにおいては、その基板としてガラス基板を用いているので、ポリシリコン形成は５００℃以下で行う必要があり、レーザー照射によりシリコン薄膜の一部分を加熱結晶化するレーザーアニーリングを行う。特に、基板を５００℃以下のレーザーアニーリングにより形成したポリシリコン薄膜トランジスタを、低温ポリシリコン薄膜トランジスタ（ＬＰＴＳ ＴＦＴ）といい、広く用いられている。現在、レーザーアニーリングには主に、エキシマレーザーアニーリング（ＥＬＡ）が用いられている。
【０００４】
エキシマレーザーはパルスレーザーであり、３００ｎｍ程度のシリコン結晶グレインを形成可能である。パネルでの画素選択を行うドライバ回路等は、パネルとは別に半導体集積回路（ＩＣ）チップによりパネル周辺に設置されていたが、パネルの薄型化および低コスト化のために、低温ポリシリコンＴＦＴの高性能化を図り、これによる回路を画素スイッチなどと同じパネルにつくりこむ、システムオンパネル（ＳＯＰ）が行われるようになってきている。
【０００５】
低温ポリシリコンＴＦＴの高性能化を行うためには、シリコン結晶グレインの大粒径化と、結晶面方位の制御とを行う必要がある。シリコン結晶グレインの大粒径化のために、Phase-Modulated ELA（ＰＭ−ＥＬＡ；例えば、非特許文献１または２参照）や、Sequential Lateral Solidification（ＳＬＳ；例えば、非特許文献３参照）などが提案されている。
【０００６】
ＰＭ−ＥＬＡは、（株）液晶先端技術開発センター（ＡＬＴＥＤＥＣ）により提案された方式であり、ＥＬＡにおいて結晶化時のシリコン薄膜表面でのレーザースポット形状を操作することにより、結晶グレインの大粒化を行っており、８μｍサイズの結晶グレインを形成している。
【０００７】
また、ＳＬＳは、コロンビア大学で提案された方式であり、マスクを通してシリコン薄膜表面の方形領域にエキシマレーザー光を照射し、レーザー照射の方形領域をずらしながら、結晶化を行う方法である。現在、ＳＬＳは、韓国を中心にアジアで盛んに研究がなされている。しかし、これらの方法では、結晶面方位は制御できていない。
【０００８】
μ−Czochralski法（μ−ＣＺ法）は、デルフト大学で提案された方式であるが、シリコン基板の上にシリコン酸化膜を形成し、ここに１００ｎｍ角程度の穴をあけ、更にａ−Ｓｉ薄膜を成膜し、そこにＥＬＡを行う。シリコン酸化膜中の穴部のシリコン薄膜から結晶化が進むため、６μｍ角ほどの大粒径のシリコン結晶グレインを形成できる（例えば、非特許文献４または５参照）。この方法だけでは、面方位は制御できないが、ニッケルを用いた１段階目の結晶化（金属誘起横方向結晶化）の後、穴部以外のシリコン薄膜を化学的物理的研磨（ＣＭＰ）により取り去り、その後ａ−Ｓｉ薄膜形成を行い、ＥＬＡを行うことで、面方位の揃った多結晶シリコン薄膜を行っている（例えば、非特許文献６参照）。ただ、この結晶化方法は、シリコン基板の上で適用可能な方法であり、絶縁膜基板上では実施されていない。
【０００９】
Continuous-Wave Laser Lateral Crystallization（ＣＬＣ）は、富士通研究所で提案された方式であり、連続発振レーザーによるラテラル結晶化により、シリコン結晶グレインの大粒径化をはかる方法である。この方法では、２０μｍ×２μｍの細長いシリコン結晶グレインを形成でき、シリコン薄膜トランジスタの高性能化を行うことができる（例えば、非特許文献７参照）。しかし、レーザースポットの強度分布がガウシアン分布をしており、これにより結晶成長方向は傾き、結晶面方位はランダムであり、シリコン薄膜トランジスタの移動度、および閾値電圧はばらつきやすい（例えば、特許文献１または非特許文献８参照）。
【００１０】
これを改善するために、（１００）面方位が優勢な結晶化領域をＥＬＡによって行い、その後、ＣＬＣによりラテラル結晶化することで、（１００）面方位が優勢なシリコン薄膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。日立製作所から提案されているSelectively Enlarging Lateral Crystallization（ＳＥＬＡＸ）は、ＥＬＡと連続発振レーザーの２段階レーザー結晶化において、連続発振レーザーをパルス状に行い、結晶化位置も含めて制御を行うものである（例えば、非特許文献９参照）。日立製作所からは、シリコン薄膜をパターニングすることで、面方位を制御することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１５１９０４号公報
【特許文献２】特開２００３−１６８６４５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】M. Jyumonji, Y. Kimura, Y. Taniguchi, M. Hiramatsu, H. Ogawa, and M.Matsumura, “Optimum Light Intensity Distribution for Growing Large Si Grains byPhase-Modulated Exicimer-Laser Annealing”, Jpn. J. Appl. Phys., 2004年, 43, p.739
【非特許文献２】T. Endo, Y. Taniguchi, T. Katou, S. Shimoto, T. Ohno, K. Azuma, andM. Matsumura, “Pseudo-Single-Nucleus Lateral Crystallization of Si Thin Films”,Jpn. J. Appl. Phys., 2008年, 47, p.1862
【非特許文献３】Robert S. Sposili and James S. Im, “Sequential lateralsolidification of thin silicon films on SiO2”, Appl. Phys. Lett.,1996年, 69, p.2864
【非特許文献４】Paul Ch. van der Wilt, B. D. van Dijk, G. J. Bertens, R. Ishihara,and C. I. M. Beenakker, “Formation of location-controlled crystalline islandsusing substrate-embedded seeds in excimer-laser crystallization of siliconfilms”, Appl. Phys. Lett., 2001年, 79, p.1819
【非特許文献５】V. Rana, R. Ishihara, Y. Hiroshima, D. Abe, S. Higashi, S. Inoue, T.Shimoda, J.W. Metselaar and C.I.M. Beenakker, “Single-Grain Si TFTs andCircuits Inside Location-Controlled Grains Fabricated Using a Capping Layer ofSiO2”, IEEE Trans. Electron Devices, 2007年, 54, p.124
【非特許文献６】T. Chen, R. Ishihara, J. Cingel, B. Alessandro, M. R. T. Mofrad, H.Schellevis and K. Beenakker, “Integrated High Performance (100) and (110)Oriented Single-Grain Si TFTs without Seed Substrate”, Technical Digest ofInternational Electron Device Meeting (IEDM), 2009年, p.179
【非特許文献７】A. Hara, M. Takei, F. Takeuchi, K. Suga, K. Yoshino, M. Chida, T.Kakehi, Y. Ebiko, Y. Sano, and N. Sasaki, “High Performance Low TemperaturePolycrystalline Silicon Thin Film Transistors on Non-alkaline Glass ProducedUsing Diode Pumped Solid State Continuous Wave Laser Lateral Crystallization”,Jpn. J. Appl. Phys., 2004年, 43, p.1269
【非特許文献８】S. Fujii, S. Kuroki, X. Zhu, M. Numata, K. Kotani, and T. Ito, “CarrierTransport Mechanism in Poly-Si TFTs with One-Dimensionally Long Grains”, ExtendedAbstracts of the 2008 International Conference on Solid State Devices andMaterials, 2008年, p.766
【非特許文献９】波多野睦子、田井光春、芝健夫、Costas P. GRIGOROPOULOS, “レーザアニールによるSi薄膜溶融、結晶化過程の実時間観測と結晶の高品質化”、表面科学、2003年、Vol.24、No.6、p.375-382
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、１０μｍを超える長さをもつ直線状の結晶粒が整列した、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる半導体薄膜を形成し、高移動度でかつ特性の均一な半導体デバイスを提供することができる半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、更にその上にシリコン酸化膜を形成し、その後レーザービームを走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、その後レーザービームを前記非晶質シリコン薄膜に走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成してもよい。
【００１６】
本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記レーザービームが、連続発振レーザーであることが好ましい。本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記レーザービームは、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームであることが好ましい。この場合、均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するために、前記レーザービームの整形光学系に回折型レーザビームホモジナイザを用いることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記多結晶シリコン薄膜の結晶グレインが、１０μｍ以上の長さをもち、かつ１０μｍ以下の幅をもつ細長い形状であることが好ましい。本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記多結晶シリコン薄膜は、走査方向に垂直な面で（１１０）、平行な面で（１１１）、表面で（２１１）の面方位をもつことが好ましい。本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、前記基板を５００℃以下に保ったまま、前記レーザービームを走査照射して前記多結晶シリコン薄膜を形成することが好ましい。
【００１８】
本発明に係る半導体デバイスは、本発明に係る半導体薄膜の製造方法を用いて製造されたことを、特徴とする。
【００１９】
本発明に係る半導体薄膜製造装置は、ガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板の上に、直接あるいは他の層を介して堆積して形成された非晶質シリコン薄膜に対し、レーザービームを走査照射可能に設けられたレーザー装置を有し、前記レーザー装置は、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成可能に、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームを照射可能に構成されていることを、特徴とする。
【００２０】
本発明に係る半導体薄膜製造装置は、前記レーザー装置から照射される前記レーザービームが、均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するよう、前記レーザービームの整形光学系に設けられた回折型レーザビームホモジナイザを有することが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、レーザー結晶化により、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる半導体薄膜が提供される。
【００２２】
連続発振レーザー結晶化において、回折型レーザビームホモジナイザを用いることで、レーザースポットを直線状・矩形状にし、長い方向にほぼ均一なレーザー強度分布を形成することができる。
【００２３】
このレーザースポットを、レーザースポットの短い方向に適切な間隔をおいて、２段以上並べてもよい。
【００２４】
この多段レーザースポットを、シリコン薄膜上に照射し、レーザースポットの短い方向に走査させて、シリコン薄膜の横方向結晶化（ラテラル結晶化）を行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、レーザー照射のみで結晶面方位がほぼ２軸揃揃った多結晶シリコン薄膜を形成できる。結晶面方位が揃っているため、多結晶シリコン薄膜トランジスタの素子間ばらつきを抑えることができ、そのため高性能化を行うことができる。従来は結晶粒を大きくすると、素子間ばらつきが大きくなるため、多結晶シリコン薄膜トランジスタを集積回路で用いることは難しかったが、本発明によりそのような集積回路が製造可能となる。また、フラットパネルディスプレイの周辺回路や、画素スイッチとして用いることができる。また、ソーラーセルとしても有用である。
【００２６】
このように、本発明によれば、１０μｍを超える長さをもつ直線状の結晶粒が整列した、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる半導体薄膜を形成し、高移動度でかつ特性の均一な半導体デバイスを提供することができる半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態のレーザー結晶化装置（半導体薄膜製造装置）を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態のレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す斜視図である。
【図３】本発明の他の実施の形態のレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、レーザースポットを示す顕微鏡写真である。
【図５】従来の実施例のレーザースポットを示す顕微鏡写真である。
【図６】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜を示す顕微鏡写真である。
【図７】従来の実施例であるガウシアン分布をしたレーザーによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜を示す顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、面内Ｘ線回折測定の結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、（２２０）面方位に関するインプレーンＸ線回折ロッキングカーブ測定の結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、（１１１）面方位に関するインプレーンＸ線回折ロッキングカーブ測定の結果を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron Back-ScatterDiffraction）による結晶グレイン・マッピングである。
【図１２】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による逆極点図（Inverse Pole Figure）である。
【図１３】従来の実施例によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による結晶グレイン・マッピングを示す概略図である。
【図１４】従来の方法によるレーザー結晶化おける、ポリシリコン薄膜中のある点での温度変化と結晶化とを示す概略グラフである。
【図１５】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜中でのある点での温度変化と結晶化とを示す概略グラフである。
【図１６】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜での、ラテラル結晶化面での（１１０）面に関係する面方位（（２２０）、（４４０））のＳｉ粉末規格化Ｘ線強度比（XRD Area Intensity Ratio）のレーザー走査速度（Scan Speed）依存性を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜を用いた半導体装置の製造工程を示す側面図および平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に、本発明の実施の形態のレーザー結晶化装置（半導体薄膜製造装置）を示す。装置は、半導体励起固体レーザー装置８、レーザー光学系、Ｘ−Ｙリニアステージ１からなる。
【００２９】
半導体励起固体レーザー装置８は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を半導体レーザー励起固体として用いたものを用い、レーザー光の波長は５３２ｎｍである。この半導体励起固体レーザー装置８からは、２．３ｍｍ（１／ｅ２）の直径をもつ円形のレーザービーム７が射出される。レーザービーム７の強度分布は、レーザースポットの中心で強度が最大となるガウス分布をしている。この光をレーザー光学系に導入する。
【００３０】
レーザー光学系は、回折型レーザビームホモジナイザ６、レーザーエキスパンダー５、縮小光学系およびビームスプリット光学系４からなる。まず、半導体励起固体レーザー装置８から射出したガウシアン分布をしたレーザービーム７を、回折型レーザビームホモジナイザ６に導入し、レーザービームを１．０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形スポットに整形すると同時に、レーザービームの強度分布を均一にする。整形し、強度を均一化した矩形レーザービームをレーザーエキスパンダー５に導入する。レーザーエキスパンダー５にレーザービームを導入することで、レーザービームを平行ビーム化することができる。更に平行ビーム化した矩形レーザービームを、縮小光学系およびビームスプリット光学系４に導入し、ビームの縮小整形およびビーム分解を行った。具体的には、縮小光学系およびビームスプリット光学系４は、３個の凸型シリンドリカルレンズと、２個の凹型シリンドリカルレンズから構成される。縮小光学系およびビームスプリット光学系４を通したレーザービーム３をＸ−Ｙリニアステージ１の上に設置した半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２に照射した。レーザービーム３は、半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２上では、１．１ｍｍ×１５μｍのライン状ビームが平行に２本並んだダブルラインビームとした。単一ラインビームと二重ラインビームとは、縮小光学系およびビームスプリット光学系４のレンズの位置を変更することで切り替えることができる。半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２は、Ｘ−Ｙリニアステージ１の上に真空チャッキングにより固定される。
【００３１】
レーザービーム３を半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２に照射しながら、Ｘ−Ｙリニアステージ１を動かすことで、絶縁体基板２上の半導体薄膜をレーザービーム３が走査し、絶縁体基板２上の半導体薄膜を全面レーザー結晶化することができる。
【００３２】
絶縁体基板２上の半導体薄膜の全面レーザー結晶化は、電子計算機のプログラムにより制御される。電子計算機と半導体励起固体レーザー装置８は、ＲＳ−２３２Ｃインターフェイスで接続すると同時に、電子計算機とＸ−Ｙリニアステージ１のコントローラは、ＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）を用いて接続する。電子計算機のプログラムによるレーザー結晶化の制御は、より具体的には、（１）半導体励起固体レーザー装置８のレーザー射出のためのシャッターを開き、その直後に、より具体的には５０ミリ秒後に（２）Ｘ−Ｙリニアステージ１を＋Ｘ方向に一定の走査速度で動かし、一定の長さを走査した後、静止させ、その直後に、より具体的には５０ミリ秒後に（３）半導体励起固体レーザー装置８のレーザー射出のためのシャッターを閉じる。その後、（４）Ｘ−Ｙリニアステージ１を−Ｙ方向に一定の走査速度で動かし、一定の長さを走査した後、静止させる。その後（５）Ｘ−Ｙリニアステージ１を−Ｘ方向に一定の走査速度で動かし、一定の長さを走査した後、静止させる。この（１）〜（５）を繰り返すことで、絶縁体基板２上の半導体薄膜の全面レーザー結晶化を行うことができる。
【００３３】
図２に、本発明の実施の形態によるレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す。絶縁体基板１２の上に、１μｍのバッファ・シリコン酸化膜１１を形成し、その上にシリコン半導体薄膜１０を形成する。シリコン半導体薄膜１０は、より具体的にはアモルファスシリコン薄膜１５である。さらにこのシリコン半導体薄膜１０の上に、キャップ・シリコン酸化膜９を形成した。この多層膜上に整形したダブルラインビーム１３を照射・走査することで、シリコン半導体薄膜１０のみを直接加熱し、かつシリコン半導体薄膜１０の側面方向に連続的に結晶化（横方向結晶化、ラテラル結晶化）を行う。
【００３４】
図３に、本発明の他の実施の形態によるレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す。絶縁体基板１２の上に、１μｍのバッファ・シリコン酸化膜１１を形成し、その上にシリコン半導体薄膜１０を形成する。シリコン半導体薄膜１０は、より具体的にはアモルファスシリコン薄膜１５である。この場合は、シリコン半導体薄膜１０の上に、キャップ・シリコン酸化膜９は形成していない。この多層膜上に整形したダブルラインビーム１３を照射・走査することで、シリコン半導体薄膜１０のみを直接加熱し、かつシリコン半導体薄膜１０の側面方向に連続的に結晶化（横方向結晶化、ラテラル結晶化）を行う。
【００３５】
図４に、本発明の実施例であるレーザースポットの顕微鏡写真を示す。１．１ｍｍ×１５μｍのライン状ビームが平行に２本並んだダブルラインビームをしている。シリコン薄膜上に、このレーザー光を照射し、レーザースポットの短径方向にシリコン薄膜上を走査することで、シリコン薄膜中に適切な温度勾配を形成することができる。
【００３６】
図５は、従来の実施例であるレーザースポットの顕微鏡写真を示しており、スポット形状が楕円形をしており、レーザーの強度分布がガウス分布をしている。
【００３７】
図６は、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の顕微鏡写真を示す。１ｍｍを超える範囲で、同時にラテラル結晶化を行った。
【００３８】
図７は、従来の実施例であるガウシアン分布をしたレーザーによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の顕微鏡写真を示す。レーザー結晶化時に左右に温度勾配を持つため、左右から中心に向って多数の筋が確認される。
【００３９】
図８に、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜のインプレーンＸ線回折測定の結果を示す。サンプルを面内方向に９０°回転させて測定した２種類のグラフを載せている。この測定結果より、図８（ａ）に示すレーザー走査方向に垂直な面では、（１１０）と同じ向きをもつ、（２２０）と（４４０）とが特に強いピークをもっており、また、図８（ｂ）に示すレーザー走査方向に平行な面では、（１１１）が強いピークをもっている。レーザー走査方向に垂直な面は、レーザー結晶化時のラテラル結晶成長面であるが、この面においては、（１１０）に関係する面方位（（２２０）、（４４０））のＳｉ粉末規格化強度比は、８２．６％であり、（１１０）に優先配向している。
【００４０】
図９および図１０に、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜のインプレーンＸ線回折ロッキングカーブ測定の結果を示す。測定は、図９に示す面方位（１１０）と平行な面である（２２０）と、図１０に示す面方位（１１１）とについて行った。面方位（２２０）については、２θを２８．２８°に固定して測定を行い、面方位（１１１）については２θを４７．０５°に固定して測定を行った。面方位（２２０）では−６７．０５°と１１３．６０°にピークが確認された。これは、シリコン薄膜面内において（２２０）面はレーザー走査方向に垂直な面に存在することを示している。また、面方位（１１１）では−１６６．５５°と１６．１０°にピークが確認された。これは、シリコン薄膜面内において（１１１）面はレーザー走査方向に平行な面に存在することを示している。これらの結果は、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の結晶の２軸配向性が極めて高いことを示している。
【００４１】
図１１に、本発明の実施例であるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron Back-Scatter Diffraction）による結晶グレイン・マッピングを示す。連続したグレースケールの領域は一つのグレインを示し、グレイン同士の違いをグレースケールで区別している。グレインの結晶粒として、長径方向に１００μｍ以上、短径方向に２μｍ程度の巨大結晶粒が形成されている。
【００４２】
図１２に、本発明によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の配向性を示す、ＥＢＳＤによる逆極点図（Inverse Pole Figure）を示す。表面方向に対応する［００１］の図で、（２１１）を中心に面方位が分布している。また、ラテラル結晶成長面に対応する［１００］の図では、（１０１）（（１１０）と同等）の面方位をもち、また、これらに垂直な面である［０１０］の図では、（１１１）の面方位をもつことが示されている。シリコン薄膜表面方向は、主に（２１１）面方位をもち、側面方向の結晶性（１１０）（レーザー走査垂直方向）、（１１１）（レーザー走査平行方向）と垂直な面であり、整合がとれている。
【００４３】
図１３に、従来の方法による実施例であるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による結晶グレイン・マッピングを示す。結晶の形は細長くはなってはいるが、いびつな形状をしており、また面方位が不均一でありランダムである。
【００４４】
図１４は、従来の方法によるレーザー結晶化おける、ポリシリコン薄膜中のある点での温度変化と結晶化とを示す概略図である。図１４中の台形の部分は、この点でのレーザー照射強度を示し、また点線は、ある面方位Ａ，Ｂ，Ｃでの結晶核生成頻度が最大となる温度を示している。レーザーが照射された後にシリコン薄膜の温度が低下するが、低下するにつれて結晶核が発生し、成長することで結晶粒が形成される。従来方法では、連続的に温度が低下するため、様々な面方位をもつ結晶粒が形成される。
【００４５】
図１５は、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜中でのある点での温度変化と結晶化とを示す概略図である。この場合も、図１５中の台形の部分は、この点でのレーザー照射強度を示し、また点線は、ある面方位Ａ，Ｂ，Ｃでの結晶核生成頻度が最大となる温度を示している。二重ラインビームでは、結晶化時に初めのラインビーム照射後、次のラインビーム照射までの間に、レーザー照射を行わない時間があり、このためシリコン薄膜上のこの温度が一旦低下する。しかし、２つのラインビームに挟まれ、熱拡散する方向が主に上下の熱伝導率の低いシリコン酸化膜となり、比較的温度は保たれる。これにより特定の面方位をもつ結晶粒の成長を行うことができる。
【００４６】
図１６に、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜での、ラテラル結晶化面での（１１０）面に関係する面方位（（２２０）、（４４０））のＳｉ粉末規格化強度比のレーザー走査速度依存性を示す。走査速度０．０１ｃｍ／ｓのように速度が遅いと、初めのレーザー照射から２回目のレーザー照射に至るまでの時間の間に温度が低下してしまい、面方位のランダム性が増す。また、走査速度１．００ｃｍ／ｓのように速度が速いと、２つのレーザー照射間に温度が下がらず、２回目のレーザー照射後に結晶化核生成が起こり、面方位のランダム性が増す。走査速度０．１０ｃｍ／ｓでは、若干の温度低下のみで比較的温度が保たれるため、（１１０）に関係する面方位の優先的な結晶成長を行うことができる。
【００４７】
図１７に、本発明の実施の形態によるレーザー結晶化シリコン薄膜を用いたシリコン薄膜トランジスタの製造方法を示す。まず、図１７（ａ）に示すように、本発明の実施の形態によるレーザー結晶化により形成された多結晶シリコン薄膜１６を形成する。次に、図１７（ｂ）に示すように、紫外光、電子線、もしくはＸ線を用いたリソグラフィとエッチングとにより、レーザー結晶化により形成された多結晶シリコン薄膜１６を加工し、素子分離アイランド１７を形成する。この後、図１７（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１８とゲート電極１９を、多結晶シリコン薄膜による素子分離アイランド１７の上に形成する。この後、図１７（ｄ）に示すように、ソース領域２０およびドレイン領域２２に、不純物イオン２３をイオン注入法により導入する。この後、不純物イオン活性化のための加熱を行うことで、レーザー結晶化シリコン薄膜を用いたシリコン薄膜トランジスタを製造することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１ Ｘ−Ｙリニアステージ
２ 絶縁体基板
３ （断面が直線状・矩形形状をもつ、ほぼ均一な強度分布の）レーザービーム
４ 縮小光学系およびビームスプリット光学系
５ レーザーエキスパンダー
６ 回折型レーザビームホモジナイザ
７ （断面が円形形状をもち、強度分布がガウス分布をした）レーザービーム
８ 半導体励起固体レーザー装置
９ キャップ・シリコン酸化膜
１０ シリコン半導体薄膜
１１ バッファ・シリコン酸化膜
１２ 絶縁体基板
１３ ダブルラインビーム
１４ レーザービーム走査方向
１５ アモルファスシリコン薄膜
１６ （レーザー結晶化により形成された）多結晶シリコン薄膜
１７ 素子分離アイランド
１８ ゲート絶縁膜
１９ ゲート電極
２０ ソース領域
２１ チャネル領域
２２ ドレイン領域
２３ 不純物イオン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置に関するものであり、具体的にはレーザーにより低温形成された多結晶シリコン薄膜および半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン薄膜トランジスタ（Ｓｉ ＴＦＴ）は、液晶パネルディスプレイ（ＬＣＤ）などのフラットパネルディスプレイにおいて、画素スイッチとして用いられている。シリコン薄膜としては、これまでアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）が広く使われてきたが、これを多結晶化したポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とすることで電流駆動力をとることができ、ＬＣＤ画素中でのＴＦＴの占有面積を縮小できるため、ＬＣＤの高明度化・高精細化が可能となる。
【０００３】
ＬＣＤにおいては、その基板としてガラス基板を用いているので、ポリシリコン形成は５００℃以下で行う必要があり、レーザー照射によりシリコン薄膜の一部分を加熱結晶化するレーザーアニーリングを行う。特に、基板を５００℃以下のレーザーアニーリングにより形成したポリシリコン薄膜トランジスタを、低温ポリシリコン薄膜トランジスタ（ＬＰＴＳ ＴＦＴ）といい、広く用いられている。現在、レーザーアニーリングには主に、エキシマレーザーアニーリング（ＥＬＡ）が用いられている。
【０００４】
エキシマレーザーはパルスレーザーであり、３００ｎｍ程度のシリコン結晶グレインを形成可能である。パネルでの画素選択を行うドライバ回路等は、パネルとは別に半導体集積回路（ＩＣ）チップによりパネル周辺に設置されていたが、パネルの薄型化および低コスト化のために、低温ポリシリコンＴＦＴの高性能化を図り、これによる回路を画素スイッチなどと同じパネルにつくりこむ、システムオンパネル（ＳＯＰ）が行われるようになってきている。
【０００５】
低温ポリシリコンＴＦＴの高性能化を行うためには、シリコン結晶グレインの大粒径化と、結晶面方位の制御とを行う必要がある。シリコン結晶グレインの大粒径化のために、Phase-Modulated ELA（ＰＭ−ＥＬＡ；例えば、非特許文献１または２参照）や、Sequential Lateral Solidification（ＳＬＳ；例えば、非特許文献３参照）などが提案されている。
【０００６】
ＰＭ−ＥＬＡは、（株）液晶先端技術開発センター（ＡＬＴＥＤＥＣ）により提案された方式であり、ＥＬＡにおいて結晶化時のシリコン薄膜表面でのレーザースポット形状を操作することにより、結晶グレインの大粒化を行っており、８μｍサイズの結晶グレインを形成している。
【０００７】
また、ＳＬＳは、コロンビア大学で提案された方式であり、マスクを通してシリコン薄膜表面の方形領域にエキシマレーザー光を照射し、レーザー照射の方形領域をずらしながら、結晶化を行う方法である。現在、ＳＬＳは、韓国を中心にアジアで盛んに研究がなされている。しかし、これらの方法では、結晶面方位は制御できていない。
【０００８】
μ−Czochralski法（μ−ＣＺ法）は、デルフト大学で提案された方式であるが、シリコン基板の上にシリコン酸化膜を形成し、ここに１００ｎｍ角程度の穴をあけ、更にａ−Ｓｉ薄膜を成膜し、そこにＥＬＡを行う。シリコン酸化膜中の穴部のシリコン薄膜から結晶化が進むため、６μｍ角ほどの大粒径のシリコン結晶グレインを形成できる（例えば、非特許文献４または５参照）。この方法だけでは、面方位は制御できないが、ニッケルを用いた１段階目の結晶化（金属誘起横方向結晶化）の後、穴部以外のシリコン薄膜を化学的物理的研磨（ＣＭＰ）により取り去り、その後ａ−Ｓｉ薄膜形成を行い、ＥＬＡを行うことで、面方位の揃った多結晶シリコン薄膜を行っている（例えば、非特許文献６参照）。ただ、この結晶化方法は、シリコン基板の上で適用可能な方法であり、絶縁膜基板上では実施されていない。
【０００９】
Continuous-Wave Laser Lateral Crystallization（ＣＬＣ）は、富士通研究所で提案された方式であり、連続発振レーザーによるラテラル結晶化により、シリコン結晶グレインの大粒径化をはかる方法である。この方法では、２０μｍ×２μｍの細長いシリコン結晶グレインを形成でき、シリコン薄膜トランジスタの高性能化を行うことができる（例えば、非特許文献７参照）。しかし、レーザースポットの強度分布がガウシアン分布をしており、これにより結晶成長方向は傾き、結晶面方位はランダムであり、シリコン薄膜トランジスタの移動度、および閾値電圧はばらつきやすい（例えば、特許文献１または非特許文献８参照）。
【００１０】
これを改善するために、（１００）面方位が優勢な結晶化領域をＥＬＡによって行い、その後、ＣＬＣによりラテラル結晶化することで、（１００）面方位が優勢なシリコン薄膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。日立製作所から提案されているSelectively Enlarging Lateral Crystallization（ＳＥＬＡＸ）は、ＥＬＡと連続発振レーザーの２段階レーザー結晶化において、連続発振レーザーをパルス状に行い、結晶化位置も含めて制御を行うものである（例えば、非特許文献９参照）。日立製作所からは、シリコン薄膜をパターニングすることで、面方位を制御することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１５１９０４号公報
【特許文献２】特開２００３−１６８６４５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】M. Jyumonji, Y. Kimura, Y. Taniguchi, M. Hiramatsu, H. Ogawa, and M.Matsumura, “Optimum Light Intensity Distribution for Growing Large Si Grains byPhase-Modulated Exicimer-Laser Annealing”, Jpn. J. Appl. Phys., 2004年, 43, p.739
【非特許文献２】T. Endo, Y. Taniguchi, T. Katou, S. Shimoto, T. Ohno, K. Azuma, andM. Matsumura, “Pseudo-Single-Nucleus Lateral Crystallization of Si Thin Films”,Jpn. J. Appl. Phys., 2008年, 47, p.1862
【非特許文献３】Robert S. Sposili and James S. Im, “Sequential lateralsolidification of thin silicon films on SiO2”, Appl. Phys. Lett.,1996年, 69, p.2864
【非特許文献４】Paul Ch. van der Wilt, B. D. van Dijk, G. J. Bertens, R. Ishihara,and C. I. M. Beenakker, “Formation of location-controlled crystalline islandsusing substrate-embedded seeds in excimer-laser crystallization of siliconfilms”, Appl. Phys. Lett., 2001年, 79, p.1819
【非特許文献５】V. Rana, R. Ishihara, Y. Hiroshima, D. Abe, S. Higashi, S. Inoue, T.Shimoda, J.W. Metselaar and C.I.M. Beenakker, “Single-Grain Si TFTs andCircuits Inside Location-Controlled Grains Fabricated Using a Capping Layer ofSiO2”, IEEE Trans. Electron Devices, 2007年, 54, p.124
【非特許文献６】T. Chen, R. Ishihara, J. Cingel, B. Alessandro, M. R. T. Mofrad, H.Schellevis and K. Beenakker, “Integrated High Performance (100) and (110)Oriented Single-Grain Si TFTs without Seed Substrate”, Technical Digest ofInternational Electron Device Meeting (IEDM), 2009年, p.179
【非特許文献７】A. Hara, M. Takei, F. Takeuchi, K. Suga, K. Yoshino, M. Chida, T.Kakehi, Y. Ebiko, Y. Sano, and N. Sasaki, “High Performance Low TemperaturePolycrystalline Silicon Thin Film Transistors on Non-alkaline Glass ProducedUsing Diode Pumped Solid State Continuous Wave Laser Lateral Crystallization”,Jpn. J. Appl. Phys., 2004年, 43, p.1269
【非特許文献８】S. Fujii, S. Kuroki, X. Zhu, M. Numata, K. Kotani, and T. Ito, “CarrierTransport Mechanism in Poly-Si TFTs with One-Dimensionally Long Grains”, ExtendedAbstracts of the 2008 International Conference on Solid State Devices andMaterials, 2008年, p.766
【非特許文献９】波多野睦子、田井光春、芝健夫、Costas P. GRIGOROPOULOS, “レーザアニールによるSi薄膜溶融、結晶化過程の実時間観測と結晶の高品質化”、表面科学、2003年、Vol.24、No.6、p.375-382
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、１０μｍを超える長さをもつ直線状の結晶粒が整列した、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる半導体薄膜を形成し、高移動度でかつ特性の均一な半導体デバイスを提供することができる半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、更にその上にシリコン酸化膜を形成し、その後レーザービームを走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、その後レーザービームを前記非晶質シリコン薄膜に走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成してもよい。
【００１６】
本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記レーザービームが、連続発振レーザーであることが好ましい。本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記レーザービームは、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームであることが好ましい。この場合、均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するために、前記レーザービームの整形光学系に回折型レーザビームホモジナイザを用いることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記多結晶シリコン薄膜の結晶グレインが、１０μｍ以上の長さをもち、かつ１０μｍ以下の幅をもつ細長い形状であることが好ましい。本発明に係る半導体薄膜の製造方法で、前記多結晶シリコン薄膜は、走査方向に垂直な面で（１１０）、平行な面で（１１１）、表面で（２１１）の面方位をもつことが好ましい。本発明に係る半導体薄膜の製造方法は、前記基板を５００℃以下に保ったまま、前記レーザービームを走査照射して前記多結晶シリコン薄膜を形成することが好ましい。
【００１８】
本発明に係る半導体デバイスは、本発明に係る半導体薄膜の製造方法を用いて製造されたことを、特徴とする。
【００１９】
本発明に係る半導体薄膜製造装置は、ガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板の上に、直接あるいは他の層を介して堆積して形成された非晶質シリコン薄膜に対し、レーザービームを走査照射可能に設けられたレーザー装置を有し、前記レーザー装置は、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成可能に、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームを照射可能に構成されていることを、特徴とする。
【００２０】
本発明に係る半導体薄膜製造装置は、前記レーザー装置から照射される前記レーザービームが、均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するよう、前記レーザービームの整形光学系に設けられた回折型レーザビームホモジナイザを有することが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、レーザー結晶化により、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる半導体薄膜が提供される。
【００２２】
連続発振レーザー結晶化において、回折型レーザビームホモジナイザを用いることで、レーザースポットを直線状・矩形状にし、長い方向にほぼ均一なレーザー強度分布を形成することができる。
【００２３】
このレーザースポットを、レーザースポットの短い方向に適切な間隔をおいて、２段以上並べてもよい。
【００２４】
この多段レーザースポットを、シリコン薄膜上に照射し、レーザースポットの短い方向に走査させて、シリコン薄膜の横方向結晶化（ラテラル結晶化）を行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、レーザー照射のみで結晶面方位がほぼ２軸揃揃った多結晶シリコン薄膜を形成できる。結晶面方位が揃っているため、多結晶シリコン薄膜トランジスタの素子間ばらつきを抑えることができ、そのため高性能化を行うことができる。従来は結晶粒を大きくすると、素子間ばらつきが大きくなるため、多結晶シリコン薄膜トランジスタを集積回路で用いることは難しかったが、本発明によりそのような集積回路が製造可能となる。また、フラットパネルディスプレイの周辺回路や、画素スイッチとして用いることができる。また、ソーラーセルとしても有用である。
【００２６】
このように、本発明によれば、１０μｍを超える長さをもつ直線状の結晶粒が整列した、結晶方位がほぼ２軸揃った結晶粒からなる半導体薄膜を形成し、高移動度でかつ特性の均一な半導体デバイスを提供することができる半導体薄膜の製造方法、半導体デバイスおよび半導体薄膜製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態のレーザー結晶化装置（半導体薄膜製造装置）を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態のレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す斜視図である。
【図３】本発明の他の実施の形態のレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、レーザースポットを示す顕微鏡写真である。
【図５】従来の実施例のレーザースポットを示す顕微鏡写真である。
【図６】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜を示す顕微鏡写真である。
【図７】従来の実施例であるガウシアン分布をしたレーザーによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜を示す顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、面内Ｘ線回折測定の結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、（２２０）面方位に関するインプレーンＸ線回折ロッキングカーブ測定の結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、（１１１）面方位に関するインプレーンＸ線回折ロッキングカーブ測定の結果を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron Back-ScatterDiffraction）による結晶グレイン・マッピングである。
【図１２】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による逆極点図（Inverse Pole Figure）である。
【図１３】従来の実施例によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による結晶グレイン・マッピングを示す概略図である。
【図１４】従来の方法によるレーザー結晶化おける、ポリシリコン薄膜中のある点での温度変化と結晶化とを示す概略グラフである。
【図１５】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜中でのある点での温度変化と結晶化とを示す概略グラフである。
【図１６】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法の、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜での、ラテラル結晶化面での（１１０）面に関係する面方位（（２２０）、（４４０））のＳｉ粉末規格化Ｘ線強度比（XRD Area Intensity Ratio）のレーザー走査速度（Scan Speed）依存性を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施の形態の半導体薄膜の製造方法によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜を用いた半導体装置の製造工程を示す側面図および平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に、本発明の実施の形態のレーザー結晶化装置（半導体薄膜製造装置）を示す。装置は、半導体励起固体レーザー装置８、レーザー光学系、Ｘ−Ｙリニアステージ１からなる。
【００２９】
半導体励起固体レーザー装置８は、Ｎｄ：ＹＶＯ４を半導体レーザー励起固体として用いたものを用い、レーザー光の波長は５３２ｎｍである。この半導体励起固体レーザー装置８からは、２．３ｍｍ（１／ｅ２）の直径をもつ円形のレーザービーム７が射出される。レーザービーム７の強度分布は、レーザースポットの中心で強度が最大となるガウス分布をしている。この光をレーザー光学系に導入する。
【００３０】
レーザー光学系は、回折型レーザビームホモジナイザ６、レーザーエキスパンダー５、縮小光学系およびビームスプリット光学系４からなる。まず、半導体励起固体レーザー装置８から射出したガウシアン分布をしたレーザービーム７を、回折型レーザビームホモジナイザ６に導入し、レーザービームを１．０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形スポットに整形すると同時に、レーザービームの強度分布を均一にする。整形し、強度を均一化した矩形レーザービームをレーザーエキスパンダー５に導入する。レーザーエキスパンダー５にレーザービームを導入することで、レーザービームを平行ビーム化することができる。更に平行ビーム化した矩形レーザービームを、縮小光学系およびビームスプリット光学系４に導入し、ビームの縮小整形およびビーム分解を行った。具体的には、縮小光学系およびビームスプリット光学系４は、３個の凸型シリンドリカルレンズと、２個の凹型シリンドリカルレンズから構成される。縮小光学系およびビームスプリット光学系４を通したレーザービーム３をＸ−Ｙリニアステージ１の上に設置した半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２に照射した。レーザービーム３は、半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２上では、１．１ｍｍ×１５μｍのライン状ビームが平行に２本並んだダブルラインビームとした。単一ラインビームと二重ラインビームとは、縮小光学系およびビームスプリット光学系４のレンズの位置を変更することで切り替えることができる。半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２は、Ｘ−Ｙリニアステージ１の上に真空チャッキングにより固定される。
【００３１】
レーザービーム３を半導体薄膜が成膜された絶縁体基板２に照射しながら、Ｘ−Ｙリニアステージ１を動かすことで、絶縁体基板２上の半導体薄膜をレーザービーム３が走査し、絶縁体基板２上の半導体薄膜を全面レーザー結晶化することができる。
【００３２】
絶縁体基板２上の半導体薄膜の全面レーザー結晶化は、電子計算機のプログラムにより制御される。電子計算機と半導体励起固体レーザー装置８は、ＲＳ−２３２Ｃインターフェイスで接続すると同時に、電子計算機とＸ−Ｙリニアステージ１のコントローラは、ＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）を用いて接続する。電子計算機のプログラムによるレーザー結晶化の制御は、より具体的には、（１）半導体励起固体レーザー装置８のレーザー射出のためのシャッターを開き、その直後に、より具体的には５０ミリ秒後に（２）Ｘ−Ｙリニアステージ１を＋Ｘ方向に一定の走査速度で動かし、一定の長さを走査した後、静止させ、その直後に、より具体的には５０ミリ秒後に（３）半導体励起固体レーザー装置８のレーザー射出のためのシャッターを閉じる。その後、（４）Ｘ−Ｙリニアステージ１を−Ｙ方向に一定の走査速度で動かし、一定の長さを走査した後、静止させる。その後（５）Ｘ−Ｙリニアステージ１を−Ｘ方向に一定の走査速度で動かし、一定の長さを走査した後、静止させる。この（１）〜（５）を繰り返すことで、絶縁体基板２上の半導体薄膜の全面レーザー結晶化を行うことができる。
【００３３】
図２に、本発明の実施の形態によるレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す。絶縁体基板１２の上に、１μｍのバッファ・シリコン酸化膜１１を形成し、その上にシリコン半導体薄膜１０を形成する。シリコン半導体薄膜１０は、より具体的にはアモルファスシリコン薄膜１５である。さらにこのシリコン半導体薄膜１０の上に、キャップ・シリコン酸化膜９を形成した。この多層膜上に整形したダブルラインビーム１３を照射・走査することで、シリコン半導体薄膜１０のみを直接加熱し、かつシリコン半導体薄膜１０の側面方向に連続的に結晶化（横方向結晶化、ラテラル結晶化）を行う。
【００３４】
図３に、本発明の他の実施の形態によるレーザー結晶化プロセス（半導体薄膜の製造方法）を示す。絶縁体基板１２の上に、１μｍのバッファ・シリコン酸化膜１１を形成し、その上にシリコン半導体薄膜１０を形成する。シリコン半導体薄膜１０は、より具体的にはアモルファスシリコン薄膜１５である。この場合は、シリコン半導体薄膜１０の上に、キャップ・シリコン酸化膜９は形成していない。この多層膜上に整形したダブルラインビーム１３を照射・走査することで、シリコン半導体薄膜１０のみを直接加熱し、かつシリコン半導体薄膜１０の側面方向に連続的に結晶化（横方向結晶化、ラテラル結晶化）を行う。
【００３５】
図４に、本発明の実施例であるレーザースポットの顕微鏡写真を示す。１．１ｍｍ×１５μｍのライン状ビームが平行に２本並んだダブルラインビームをしている。シリコン薄膜上に、このレーザー光を照射し、レーザースポットの短径方向にシリコン薄膜上を走査することで、シリコン薄膜中に適切な温度勾配を形成することができる。
【００３６】
図５は、従来の実施例であるレーザースポットの顕微鏡写真を示しており、スポット形状が楕円形をしており、レーザーの強度分布がガウス分布をしている。
【００３７】
図６は、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の顕微鏡写真を示す。１ｍｍを超える範囲で、同時にラテラル結晶化を行った。
【００３８】
図７は、従来の実施例であるガウシアン分布をしたレーザーによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の顕微鏡写真を示す。レーザー結晶化時に左右に温度勾配を持つため、左右から中心に向って多数の筋が確認される。
【００３９】
図８に、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜のインプレーンＸ線回折測定の結果を示す。サンプルを面内方向に９０°回転させて測定した２種類のグラフを載せている。この測定結果より、図８（ａ）に示すレーザー走査方向に垂直な面では、（１１０）と同じ向きをもつ、（２２０）と（４４０）とが特に強いピークをもっており、また、図８（ｂ）に示すレーザー走査方向に平行な面では、（１１１）が強いピークをもっている。レーザー走査方向に垂直な面は、レーザー結晶化時のラテラル結晶成長面であるが、この面においては、（１１０）に関係する面方位（（２２０）、（４４０））のＳｉ粉末規格化強度比は、８２．６％であり、（１１０）に優先配向している。
【００４０】
図９および図１０に、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜のインプレーンＸ線回折ロッキングカーブ測定の結果を示す。測定は、図９に示す面方位（１１０）と平行な面である（２２０）と、図１０に示す面方位（１１１）とについて行った。面方位（２２０）については、２θを２８．２８°に固定して測定を行い、面方位（１１１）については２θを４７．０５°に固定して測定を行った。面方位（２２０）では−６７．０５°と１１３．６０°にピークが確認された。これは、シリコン薄膜面内において（２２０）面はレーザー走査方向に垂直な面に存在することを示している。また、面方位（１１１）では−１６６．５５°と１６．１０°にピークが確認された。これは、シリコン薄膜面内において（１１１）面はレーザー走査方向に平行な面に存在することを示している。これらの結果は、ダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の結晶の２軸配向性が極めて高いことを示している。
【００４１】
図１１に、本発明の実施例であるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron Back-Scatter Diffraction）による結晶グレイン・マッピングを示す。連続したグレースケールの領域は一つのグレインを示し、グレイン同士の違いをグレースケールで区別している。グレインの結晶粒として、長径方向に１００μｍ以上、短径方向に２μｍ程度の巨大結晶粒が形成されている。
【００４２】
図１２に、本発明によるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の配向性を示す、ＥＢＳＤによる逆極点図（Inverse Pole Figure）を示す。表面方向に対応する［００１］の図で、（２１１）を中心に面方位が分布している。また、ラテラル結晶成長面に対応する［１００］の図では、（１０１）（（１１０）と同等）の面方位をもち、また、これらに垂直な面である［０１０］の図では、（１１１）の面方位をもつことが示されている。シリコン薄膜表面方向は、主に（２１１）面方位をもち、側面方向の結晶性（１１０）（レーザー走査垂直方向）、（１１１）（レーザー走査平行方向）と垂直な面であり、整合がとれている。
【００４３】
図１３に、従来の方法による実施例であるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜の、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による結晶グレイン・マッピングを示す。結晶の形は細長くはなってはいるが、いびつな形状をしており、また面方位が不均一でありランダムである。
【００４４】
図１４は、従来の方法によるレーザー結晶化おける、ポリシリコン薄膜中のある点での温度変化と結晶化とを示す概略図である。図１４中の台形の部分は、この点でのレーザー照射強度を示し、また点線は、ある面方位Ａ，Ｂ，Ｃでの結晶核生成頻度が最大となる温度を示している。レーザーが照射された後にシリコン薄膜の温度が低下するが、低下するにつれて結晶核が発生し、成長することで結晶粒が形成される。従来方法では、連続的に温度が低下するため、様々な面方位をもつ結晶粒が形成される。
【００４５】
図１５は、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜中でのある点での温度変化と結晶化とを示す概略図である。この場合も、図１５中の台形の部分は、この点でのレーザー照射強度を示し、また点線は、ある面方位Ａ，Ｂ，Ｃでの結晶核生成頻度が最大となる温度を示している。二重ラインビームでは、結晶化時に初めのラインビーム照射後、次のラインビーム照射までの間に、レーザー照射を行わない時間があり、このためシリコン薄膜上のこの温度が一旦低下する。しかし、２つのラインビームに挟まれ、熱拡散する方向が主に上下の熱伝導率の低いシリコン酸化膜となり、比較的温度は保たれる。これにより特定の面方位をもつ結晶粒の成長を行うことができる。
【００４６】
図１６に、本発明の実施例であるダブルラインビームによるレーザー結晶化ポリシリコン薄膜での、ラテラル結晶化面での（１１０）面に関係する面方位（（２２０）、（４４０））のＳｉ粉末規格化強度比のレーザー走査速度依存性を示す。走査速度０．０１ｃｍ／ｓのように速度が遅いと、初めのレーザー照射から２回目のレーザー照射に至るまでの時間の間に温度が低下してしまい、面方位のランダム性が増す。また、走査速度１．００ｃｍ／ｓのように速度が速いと、２つのレーザー照射間に温度が下がらず、２回目のレーザー照射後に結晶化核生成が起こり、面方位のランダム性が増す。走査速度０．１０ｃｍ／ｓでは、若干の温度低下のみで比較的温度が保たれるため、（１１０）に関係する面方位の優先的な結晶成長を行うことができる。
【００４７】
図１７に、本発明の実施の形態によるレーザー結晶化シリコン薄膜を用いたシリコン薄膜トランジスタの製造方法を示す。まず、図１７（ａ）に示すように、本発明の実施の形態によるレーザー結晶化により形成された多結晶シリコン薄膜１６を形成する。次に、図１７（ｂ）に示すように、紫外光、電子線、もしくはＸ線を用いたリソグラフィとエッチングとにより、レーザー結晶化により形成された多結晶シリコン薄膜１６を加工し、素子分離アイランド１７を形成する。この後、図１７（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１８とゲート電極１９を、多結晶シリコン薄膜による素子分離アイランド１７の上に形成する。この後、図１７（ｄ）に示すように、ソース領域２０およびドレイン領域２２に、不純物イオン２３をイオン注入法により導入する。この後、不純物イオン活性化のための加熱を行うことで、レーザー結晶化シリコン薄膜を用いたシリコン薄膜トランジスタを製造することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１ Ｘ−Ｙリニアステージ
２ 絶縁体基板
３ （断面が直線状・矩形形状をもつ、ほぼ均一な強度分布の）レーザービーム
４ 縮小光学系およびビームスプリット光学系
５ レーザーエキスパンダー
６ 回折型レーザビームホモジナイザ
７ （断面が円形形状をもち、強度分布がガウス分布をした）レーザービーム
８ 半導体励起固体レーザー装置
９ キャップ・シリコン酸化膜
１０ シリコン半導体薄膜
１１ バッファ・シリコン酸化膜
１２ 絶縁体基板
１３ ダブルラインビーム
１４ レーザービーム走査方向
１５ アモルファスシリコン薄膜
１６ （レーザー結晶化により形成された）多結晶シリコン薄膜
１７ 素子分離アイランド
１８ ゲート絶縁膜
１９ ゲート電極
２０ ソース領域
２１ チャネル領域
２２ ドレイン領域
２３ 不純物イオン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、更にその上にシリコン酸化膜を形成し、その後レーザービームを走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、その後レーザービームを前記非晶質シリコン薄膜に走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記レーザービームが、連続発振レーザーであることを、特徴とする請求項１または２記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記レーザービームは、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームであることを、特徴とする請求項１、２または３記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するために、前記レーザービームの整形光学系に回折型レーザビームホモジナイザを用いることを、特徴とする請求項４記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記多結晶シリコン薄膜の結晶グレインが、１０μｍ以上の長さをもち、かつ１０μｍ以下の幅をもつ細長い形状であることを、特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記多結晶シリコン薄膜は、走査方向に垂直な面で（１１０）、平行な面で（１１１）、表面で（２１１）の面方位をもつことを、特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記基板を５００℃以下に保ったまま、前記レーザービームを走査照射して前記多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の半導体薄膜の製造方法を用いて製造されたことを、特徴とする半導体デバイス。
【請求項１０】
ガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板の上に、直接あるいは他の層を介して堆積して形成された非晶質シリコン薄膜に対し、レーザービームを走査照射可能に設けられたレーザー装置を有し、
前記レーザー装置は、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成可能に、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームを照射可能に構成されていることを、
特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項１１】
前記レーザー装置から照射される前記レーザービームが、均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するよう、前記レーザービームの整形光学系に設けられた回折型レーザビームホモジナイザを有することを、特徴とする請求項１０記載の半導体薄膜製造装置。
【請求項１】
基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、更にその上にシリコン酸化膜を形成し、その後レーザービームを走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
基板としてガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板を用い、非晶質シリコン薄膜を前記基板上に直接あるいは他の層を介して堆積して形成し、その後レーザービームを前記非晶質シリコン薄膜に走査照射して、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記レーザービームが、連続発振レーザーであることを、特徴とする請求項１または２記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記レーザービームは、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームであることを、特徴とする請求項１、２または３記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するために、前記レーザービームの整形光学系に回折型レーザビームホモジナイザを用いることを、特徴とする請求項４記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記多結晶シリコン薄膜の結晶グレインが、１０μｍ以上の長さをもち、かつ１０μｍ以下の幅をもつ細長い形状であることを、特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記多結晶シリコン薄膜は、走査方向に垂直な面で（１１０）、平行な面で（１１１）、表面で（２１１）の面方位をもつことを、特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記基板を５００℃以下に保ったまま、前記レーザービームを走査照射して前記多結晶シリコン薄膜を形成することを、特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の半導体薄膜の製造方法を用いて製造されたことを、特徴とする半導体デバイス。
【請求項１０】
ガラス基板もしくはプラスチック基板から成る絶縁素材基板、またはシリコン基板の上に、直接あるいは他の層を介して堆積して形成された非晶質シリコン薄膜に対し、レーザービームを走査照射可能に設けられたレーザー装置を有し、
前記レーザー装置は、結晶方位が２軸揃った多結晶シリコン薄膜を形成可能に、一つのビームスポットが矩形型・ライン状であり、これを平行に２つ以上並べたレーザービームを照射可能に構成されていることを、
特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項１１】
前記レーザー装置から照射される前記レーザービームが、均一な強度をもつライン状のビームスポットを形成するよう、前記レーザービームの整形光学系に設けられた回折型レーザビームホモジナイザを有することを、特徴とする請求項１０記載の半導体薄膜製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１１】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１１】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−３８８４３（Ｐ２０１２−３８８４３Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６０７５（Ｐ２０１０−１７６０７５）
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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