JP2005228808A - 半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板上に形成された結晶質半導体膜の結晶性が優れ、結晶質半導体膜の表面が優れた平坦性を有している半導体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板上に結晶質半導体膜を形成した半導体デバイスの製造方法であって、半導体基板上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程（Ｓ１０１）と、非晶質半導体膜に第１のレーザ光を照射することにより、非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させる第１のレーザ光照射工程（Ｓ１０２）と、非晶質半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜に変換する結晶化工程（Ｓ１０３）と、結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程（Ｓ１０４）と、結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第２のレーザ光を、キャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射する第２のレーザ光照射工程（Ｓ１０５）とを含む半導体デバイスの製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて非晶質半導体膜を結晶化した半導体デバイスの製造方法に関するものである。

一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコンを用いる方法があるが、この製造方法の他にもガラス基板上にシリコン薄膜を形成したシリコン薄膜を用いる製造方法がある。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いることによって製造された半導体デバイスは、イメージセンサやアクティブマトリクス液晶表示装置の一部として用いられる。

アクティブマトリクス液晶表示装置において、半導体デバイスは、透明な基板上に規則的なアレイとして配列されるＴＦＴ（Thin Film Transisitor；薄膜トランジスタ）として用いられる。そして、アクティブマトリクス液晶表示装置における各ＴＦＴは、それぞれ画素コントローラとして作用する。

従来、アクティブマトリクス液晶表示装置におけるＴＦＴは、ガラス基板上に非晶質シリコン膜を形成することによって製造されていた。ところが、近年、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに、電子の移動度の高い多結晶シリコン膜を用いて、ＴＦＴのスイッチング特性を増強し、表示速度を高速化したＴＦＴ液晶表示装置が製造されるようになってきている。ここで、多結晶シリコン膜を製造する方法として、たとえば、ガラス基板上に堆積している非晶質シリコン膜または微結晶シリコン膜にエキシマレーザ光を照射して多結晶シリコン膜を形成する方法（ＥＬＣ法）がある。

ＥＬＣ法は、ガラス基板上に堆積されている非晶質または微結晶のシリコン膜に対し、一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状のレーザ光を連続的に照射する方法である。このときレーザ光が照射された部分は、膜の厚さ方向全域に亘って溶融するのではなく、一部の領域を残したまま溶融する。このため、シリコン膜の未溶融領域と溶融領域との界面全面の至るところに結晶核が発生し、シリコン膜の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ため、多結晶シリコン膜の結晶粒径は１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。

多結晶シリコン膜の結晶粒界には不対電子が多数存在し、ポテンシャル障壁が形成されるため、多結晶シリコン膜の結晶粒界においては電子がよく散乱される。したがって、結晶粒界が少ない、つまり結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜で形成されたＴＦＴほど、一般に電界効果による電子の移動度が高くなる。

しかしながら、ＥＬＣ法においては、未溶融領域と溶融領域との界面のランダムな位置で結晶化が起こる縦方向結晶成長となるので、大きな結晶粒径の多結晶シリコン膜を得ることが難しく、電界効果による電子の移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。また、ランダムに結晶化することに起因して、各ＴＦＴ間の多結晶シリコン膜の構造に不均一性が生じるとともに、ＴＦＴアレイに、スイッチング特性の不均一性が生じてしまうという不具合が生じていた。また、このような不具合が生じると、ＴＦＴ液晶表示装置において、１つの表示画面中に表示速度の速い画素と表示速度の遅い画素とが並存するという問題もあった。

さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすることや、結晶の方位を制御することなどが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。その中でも特に、ラテラル成長法に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位が揃った長結晶が得られるため、注目を集めている。

ラテラル成長法の１つに、微細幅のパルスレーザ光を非晶質シリコン膜に照射し、照射された部分の非晶質シリコン膜をレーザ光の照射領域の厚さ方向全域に亘って溶融させ、その後に凝固させることを繰返して結晶化を行なう方法（ＳＬＳ法）がある（たとえば、特許文献１参照）。この方法は、微細幅のパルスレーザ光を非晶質シリコン膜に照射し、非晶質シリコン膜をパルスレーザ光の照射領域の厚さ方向全域に亘って溶融させた後、凝固させることにより結晶化を行なうものである。

図１２に、パルスレーザ光が照射される従来の被処理体の模式的断面図を示す。被処理体５０は、光透過性を有する透明基板５２と下地膜５４と非晶質シリコン膜５３とから構成される。そして、図１２に示すように、非晶質シリコン膜５３の延設方向（図１２のＡＢ方向）に沿って結晶領域を形成するにあたり、非晶質シリコン膜５３の領域Ｃに熱を誘導する。熱の誘導は、非晶質シリコン膜５３の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後、非晶質シリコン膜５３にレーザ光５８を照射することにより行なわれる。これにより、領域Ｃに照射されたレーザ光５８のエネルギが熱エネルギに変換され、領域Ｃに熱を誘導することができるとともに非晶質シリコン膜５３を膜の厚さに亘って溶融することができる。

次に、領域Ｃにおいて溶融している非晶質シリコン膜５３を冷却することによって凝固させると、図１３（Ａ）の模式的上面図に示すように、領域Ｃとそれ以外の領域との境界から、領域Ｃの中心に向かうようにして、結晶が成長する。さらに、図１３（Ｂ）に示すように、領域Ｃにおける結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｃと隣り合う新たな領域Ｄを設定し、領域Ｃと同様にして領域Ｄを溶融する。そして、領域Ｄにて溶融されている部分を凝固させると、図１３（Ｃ）に示すように領域Ｄに結晶が成長する。このような手順を繰返し、非晶質シリコン膜５３の延設方向に沿って段階的に結晶化させると、図１３（Ｄ）に示すように、非晶質シリコン膜５３の結晶成長領域を拡大することができる。これにより結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を形成することができる。

しかしながら、従来のラテラル成長法により結晶成長させる場合、十分な長さの結晶成長長さの結晶が得られる照射面積あたりのエネルギ量でレーザ光を照射すると、結晶質半導体膜の表面に、結晶質半導体膜の膜厚の１〜２倍程度の高さのリッジが発生する。このリッジは、結晶成長において、隣接する結晶粒が互いに衝突することにより形成されるものである。したがって、このような結晶質半導体膜を活性層に用いたＴＦＴを作製する際に、結晶質半導体膜上にゲート絶縁膜を形成すると、結晶質半導体膜のリッジの上のゲート絶縁膜が薄くなることが推測される。このような局所的なゲート絶縁膜の薄膜化の結果、リッジの上のゲート絶縁膜に電界が集中するため、結晶質半導体膜のリッジには、リッジが形成されていない部分に比べて、低い電圧でリーク電流が流れることになる。このため、このような結晶質半導体膜を活性層に用いたＴＦＴにおいては、ゲート絶縁膜の膜厚を厚くして、リーク電流を低減することが必要となる。しかしながら、ゲート絶縁膜の膜厚が増加するとともに、ＴＦＴのオン電流は減少する。したがって、結晶質半導体膜の表面のリッジには、ＴＦＴの性能低下を引き起こすという問題があった。

このような結晶質半導体膜の表面のリッジを低減させる方法として、非晶質半導体膜上にキャップ膜を形成した後にレーザ光を照射して結晶質半導体膜とする方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

しかしながら、本発明者らが実験を行なったところ、この方法では結晶質半導体膜の表面のリッジは低減されるものの、このときに成長した結晶は多数の亜粒界を含み、これが電子散乱の原因となるため、高移動度のＴＦＴを得ることができなかった。これは、キャップ膜が存在することにより、半導体基板の表面上方への結晶成長が抑制されるため、成長した結晶の内部に大きな内部応力が発生し、この内部応力が緩和された結果、結晶内部に多数の亜粒界が形成されたものと推測される。

このように、従来の半導体デバイスの製造方法においては、表面の平坦性および結晶性に優れた結晶質半導体膜を得ることができなかった。
特許第３２０４９８６号公報 特開平６−９７１９６号公報

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、半導体基板上に形成された結晶質半導体膜の結晶性が優れ、かつ、結晶質半導体膜の表面が優れた平坦性を有している半導体デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明は、半導体基板上に結晶質半導体膜を形成した半導体デバイスの製造方法であって、半導体基板上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程と、非晶質半導体膜に第１のレーザ光を照射することにより、非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させる第１のレーザ光照射工程と、非晶質半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜に変換する結晶化工程と、結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程と、結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第２のレーザ光を、キャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射する第２のレーザ光照射工程とを含む半導体デバイスの製造方法である。

ここで、本発明の半導体デバイスの製造方法において、結晶化工程は、第１のレーザ光の照射領域を段階的に移動させて結晶化領域を拡大させることにより行なわれることが好ましい。

また、本発明の半導体デバイスの製造方法において、結晶化工程は、非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第３のレーザ光を非晶質半導体膜に照射した状態で行なわれることが好ましい。

また、本発明の半導体デバイスの製造方法において、キャップ膜形成工程は、第２のレーザ光の照射領域のうち一部の領域における反射率をその他の領域における反射率よりも低くする工程であることが好ましい。

本発明によれば、半導体基板上に形成された結晶質半導体膜の結晶性が優れ、かつ、結晶質半導体膜の表面が優れた平坦性を有している半導体デバイスの製造方法を提供することができる。

したがって、本発明によれば、結晶性に優れた結晶質半導体膜を活性層に用いることにより、電子の移動度が高いＴＦＴを製造することができる。

また、本発明によれば、表面が優れた平坦性を有している結晶質半導体膜を活性層に用いることにより、活性層上に形成するゲート絶縁膜を厚くする必要がないため、ＴＦＴの性能低下を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１に、本発明の半導体デバイスの製造方法の好ましい一例のフローチャートを示す。ここで、本発明の半導体デバイスの製造方法は、半導体基板上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程Ｓ１０１と、非晶質半導体膜に第１のレーザ光を照射することにより非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させる第１のレーザ光照射工程Ｓ１０２と、非晶質半導体膜を結晶化して結晶質半導体膜に変換する結晶化工程Ｓ１０３と、結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程Ｓ１０４と、結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第２のレーザ光をキャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射する第２のレーザ光照射工程Ｓ１０５とを含む。

本発明の半導体デバイスの製造方法においては、非晶質半導体膜上にキャップ膜を形成することなく非晶質半導体膜に第１のレーザ光を照射して結晶化することによって、キャップ膜による半導体基板の表面上方への結晶成長が抑制されず、結晶質半導体膜を構成する結晶粒内に内部応力が発生しにくくなるため、従来よりも結晶粒内に亜粒界が形成されない傾向にある。

また、本発明の半導体デバイスの製造方法においては、結晶質半導体膜を形成した後に結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成し、結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第２のレーザ光をキャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射することによって、結晶質半導体膜の表面のリッジをなくし、結晶質半導体膜の表面を平坦化することもできる。

ここで、本発明において、「半導体デバイス」とは、半導体基板上に結晶質半導体膜が形成されている構造を含むデバイスのことであり、半導体基板と結晶質半導体膜以外の構造を有していてもよく、半導体基板と結晶質半導体膜との間に他の半導体膜を有していてもよい。また、「非晶質半導体膜」とは、非晶質である部分が結晶質である部分よりも多い半導体膜のことであり、半導体膜全体がすべて非晶質となっていなくてもよい。また、「結晶質半導体膜」とは、結晶質である部分が非晶質である部分よりも多い半導体膜のことであり、半導体膜全体がすべて結晶質となっていなくてもよい。

図２の模式的断面図に本発明の半導体デバイスの製造方法の製造工程の好ましい一例を示す。図２（Ａ）において、本発明の半導体デバイスの製造方法に用いられる被処理体１００は、半導体基板２上に形成されたバッファ膜５と、バッファ膜５上に形成された非晶質半導体膜３とからなる。ここで、半導体基板２は絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板などを用いることができるが、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点からガラス基板を用いることが好適である。

バッファ膜５は、主としてレーザ光による非晶質半導体膜３の溶融、結晶化の際に、溶融した非晶質半導体膜３の熱による影響が半導体基板２に及ばないようにするために形成される。さらに、バッファ膜５を形成することにより、半導体基板２から非晶質半導体膜３への不純物の拡散を防止することもできる。バッファ膜５としては、たとえば、膜厚が１００〜３００ｎｍの、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより形成された、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

非晶質半導体膜３は、たとえば、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、プラズマエンハンスド化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどにより形成される。非晶質半導体膜３としては、結晶質半導体膜における結晶成長長さを長くすることにより種々の特性（たとえば、電界効果による電子の移動度、閾値電圧などの値、およびこれらの値のばらつき）が顕著に向上するアモルファスシリコン膜を用いることが好ましい。非晶質半導体膜３の材質は、シリコンからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質を用いることもできる。

次に、図２（Ｂ）に示すように、非晶質半導体膜３に第１のレーザ光７を照射して非晶質半導体膜３を溶融させて液体状態とする。

図３は、本発明に用いられるレーザ光照射装置の構成図を示しており、このレーザ光照射装置は、第１のレーザ光発振器１１と、可変減衰器１２と、フィールドレンズ１３と、投影マスク１４と、結像レンズ１５と、サンプルステージ１６と、ミラー１０ａ、１０ｂ、１０ｃとを含んでいる。第１のレーザ光発振器１１およびサンプルステージ１６は、コントローラ１７により制御されていて、第１のレーザ光７の照射タイミングおよびサンプルステージ１６の位置を調整することができる。これにより、サンプルステージ１６を図３中の矢印の方向に移動させることによって、第１のレーザ光７が照射されるエリアを移動させることができる。

このレーザ光照射装置において、第１のレーザ光発振器１１から発振された第１のレーザ光７は可変減衰器１２を通過した後に、ミラー１０ａ、１０ｂによって反射される。その後、第１のレーザ光７はフィールドレンズ１３と投影マスク１４とを通過する。そして、投影マスク１４を通過した第１のレーザ光７は、結像レンズ１５によって、投影マスク１４の像として結像させられ、非晶質半導体膜３に照射される。

そして、第１のレーザ光７が照射された非晶質半導体膜３は溶融して液体状態となり、その後、液体状態にある非晶質半導体膜３は冷却されて固化することによって結晶化し、図２（Ｃ）に示す結晶質半導体膜４に変換される。

ここで、第１のレーザ光７は、１回の照射および照射面積あたり、固体状態にある非晶質半導体膜３を溶融させるエネルギ量を有している。具体的には、第１のレーザ光７は、非晶質半導体膜３を、全膜厚において融点以上の温度に加熱することのできるエネルギ量を有していることが推奨される。

第１のレーザ光７は、非晶質半導体膜３を溶融することが可能であれば特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ光、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザから発振されるレーザ光の三倍波などの紫外領域の波長を有することが好ましい。第１のレーザ光７が紫外領域の波長を有する場合には、第１のレーザ光７のエネルギ量が大きくなるため、容易に非晶質半導体膜３を結晶質半導体膜４に変換することができる傾向にあるためである。中でも、第１のレーザ光７は、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光であることが特に好ましい。第１のレーザ光７がエキシマレーザ光である場合には、本発明に必要となるエネルギ量を有するレーザ光を安定して発振することができるレーザ光発振器を比較的容易に安価で入手することが可能であるためである。

また、非晶質半導体膜３を結晶質半導体膜４に変換する結晶化工程は、第１のレーザ光の照射領域を段階的に移動させて結晶化領域を拡大させること（ＳＬＳ法）により行なわれることが好ましい。第１のレーザ光７の照射による溶融後に非晶質半導体膜３を冷却することによって凝固させると、第１のレーザ光７の照射領域とそれ以外の領域との境界から、第１のレーザ光７の照射領域の中心に向かうようにして、結晶が成長する。次いで、第１のレーザ光７の照射領域における結晶が形成されていない部分が含まれるようにして、この領域と隣り合う新たな領域を設定し、この新たな領域に第１のレーザ光７を照射して溶融させた後に凝固させると、この新たな領域に結晶が成長する。このような手順を繰返し、非晶質半導体膜３の延設方向に沿って段階的に結晶化させると、結晶成長領域を拡大することができる。これにより、結晶成長方向が揃った、結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を形成することができる。

図４に本発明に用いられるレーザ光照射装置の他の好ましい一例の構成図を示す。このレーザ光照射装置は、第１のレーザ光発振器１１とともに第３のレーザ光発振器２０を備えていることに特徴がある。

すなわち、図４に示すレーザ光照射装置において、第１のレーザ光発振器１１から発振された第１のレーザ光７が非晶質半導体膜３に照射され、非晶質半導体膜３を溶融させて液体状態にするとともに、液体状態にある非晶質半導体膜３の固化による結晶化の際に、第３のレーザ光発振器２０から、非晶質半導体膜３を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第３のレーザ光８が発振され、第３のレーザ光８はエキスパンダやホモジナイザ等から構成される光学素子群２１を通過してミラー１０ｄによって反射された後に非晶質半導体膜３に照射される。これにより、液体状態にある非晶質半導体膜３の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を長くすることができるため、液体状態にある非晶質半導体膜３の固化により生成する結晶質半導体膜４を構成する結晶の結晶成長長さを大幅に伸ばすことができる。

ここで、第３のレーザ光８は、第１のレーザ光７よりも、固体状態にある非晶質半導体膜３への吸収率が低い範囲の波長を有することが好ましい。この場合には、第３のレーザ光８は、非晶質半導体膜３を溶融することに寄与せず、非晶質半導体膜３の降温速度を低下させることにのみ寄与する傾向が大きくなるためである。

また、第３のレーザ光８は、第１のレーザ光７よりも、液体状態にある非晶質半導体膜３への吸収率が高い範囲の波長を有することが好ましい。この場合には、液体状態にある非晶質半導体膜３の降温速度をより効率的に低下させることができる傾向が大きくなるためである。

特に、第３のレーザ光８は、可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。たとえば、第３のレーザ光８としては、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光または波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光などがある。

さらに、第３のレーザ光８の１回の照射および照射面積あたりのエネルギ量は、固体状態にある非晶質半導体膜３を溶融させるエネルギ量未満である。特に、第３のレーザ光８は、非晶質半導体膜３を融点以上の温度に加熱することのできないエネルギ量を有していることが推奨される。また、本発明においては、たとえば、図４に示すように、第１のレーザ光７を垂直方向から入射させ、第３のレーザ光８を斜め方向から入射させることもできる。

また、第１のレーザ光７は、たとえば、所定のパターンを形成した投影マスク１４の像を、非晶質半導体膜３の表面上に第１のレーザ光７の照射領域として縮小投影するように照射される。この際、第３のレーザ光８の照射領域は、第１のレーザ光７の照射領域を包含する、第１のレーザ光７の照射領域よりも広い面積を有することが好ましい。この場合には、溶融して液体状態にある非晶質半導体膜３のすべての溶融領域の降温速度を低下させることができるため、均一な大きさの結晶が得られやすいためである。

また、第１のレーザ光７および第３のレーザ光８の照射時間と出力との関係は、図５に示す関係と同様の関係にあることが望ましい。ここで、第１のレーザ光７のパルス波形２３は、時刻ｔ＝０の時点において第１のレーザ光７の照射が開始されることを示し、第３のレーザ光８のパルス波形２４は、第３のレーザ光８が、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２を除く時間帯では低出力で照射され、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２の時間帯において高出力で照射されることを示している。

時刻ｔ１の時点においては、第１のレーザ光７が照射されているため、非晶質半導体膜３は溶融し、液体状態にある。この液体状態にある非晶質半導体膜３に対して、第１のレーザ光７に加えて第３のレーザ光８を照射することにより、非晶質半導体膜３の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を長くすることができることから、結晶質半導体膜４を構成する結晶の結晶成長長さを大幅に伸ばすことができる。

また、第１のレーザ光８の照射領域を移動させた後に、その移動前の照射領域に第３のレーザ光を照射して結晶化することを複数回繰り返すことによって、結晶成長方向の揃った、大きな結晶粒径の結晶を成長させることができる。

以上のようにして、図２（Ｃ）に示す結晶質半導体膜４を形成すると、成長した結晶が互いに衝突することによって、第１のレーザ光７の照射領域中央部付近に結晶質半導体膜４の表面から上方に突起するリッジ９が形成される。

そして、図２（Ｄ）に示すように、結晶質半導体膜４上にキャップ膜６が形成される。キャップ膜６は、所定の膜厚となるように、プラズマエンハンスド化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどにより形成される。キャップ膜６は、たとえば二酸化シリコンからなる。

続いて、キャップ膜６を介して、結晶質半導体膜４に第２のレーザ光１８の照射を行なう。このとき、照射される第２のレーザ光１８のエネルギ量は、１回の照射および照射面積あたり、固体状態にある結晶質半導体膜４のうち、リッジ９が形成されていない領域を膜の厚みに亘って溶融することができるエネルギ量未満である。

ここで、結晶質半導体膜４上にキャップ膜６を形成することにより、リッジ９が発生している第１のレーザ光照射領域中央部付近における第２のレーザ光１８に対する反射率が、リッジ９が発生していない第１のレーザ光照射領域中央部付近以外の領域における第２のレーザ光１８に対する反射率よりも低くなっていることが好ましい。この場合には、リッジ９が発生している第１のレーザ光照射領域中央部付近に第２のレーザ光１８がよく吸収されるため、リッジ９をより効率的に溶融させることができる。

たとえば、図６の模式的上面図に示すように、第１のレーザ光照射領域の幅２５がＷ、結晶成長長さ２９がＬで表わされる場合に、第１のレーザ光照射領域中央部２７から第１のレーザ光照射領域端部２８に向かって、少なくとも（Ｗ／２−９Ｌ／１０）だけ離れた地点１９ａ、１９ｂまで第２のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜が形成され、それ以外の領域には、第２のレーザ光に対する反射率の高いキャップ膜が形成されているか、またはキャップ膜が形成されていないことによって第２のレーザ光に対する反射率を高くすることが好ましい。第２のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜を形成する領域がこれよりも狭い場合には、リッジを完全にキャップ膜で覆うことができなくなり、結晶質半導体膜４の表面の平坦化効果が小さくなる傾向にある。また、第２のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜を形成する領域がこれよりも広い場合にも、結晶質半導体膜４が再度、溶融し、結晶化する領域が広くなって、結晶質半導体膜４の表面上に新たなリッジが形成されるため、結晶質半導体膜４の表面の平坦化効果が小さくなる。

また、この場合には、第２のレーザ光に対する反射率の低いキャップ膜が形成されている低反射率領域２６を選択的に加熱することができる。このため、リッジが形成されていない領域を溶融することなく、リッジが形成されている領域を溶融するように、第２のレーザ光のエネルギ量を調整することが容易になる。ここで、結晶成長長さ２９とは、結晶成長が開始する第１のレーザ光照射端部２８から、結晶成長が完了している部分までの長さのことをいう。

このように第２のレーザ光をキャップ膜を介して結晶質半導体膜に照射すると、リッジが再度溶融し、結晶化して、結晶質半導体膜全体としての表面の平坦性が改善される。

その後、キャップ膜が除去されて、図２（Ｅ）に示す半導体デバイス１が完成する。

（実施の形態１）
まず、図２（Ａ）に示すように、ガラスからなる半導体基板２上に、二酸化シリコン膜からなるバッファ膜５を形成し、バッファ膜５上に、アモルファスシリコン膜からなる非晶質半導体膜３を形成して被処理体１００を形成する。

バッファ膜５は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより、半導体基板２上に、３００ｎｍの膜厚で積層される。そして、非晶質半導体膜３は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリングなどによりバッファ膜５上に、５０ｎｍの膜厚で積層される。

次に、図３に示すレーザ光照射装置のサンプルステージ１６に図２（Ａ）に示す被処理体１００を設置する。そして、図２（Ｂ）に示すように、非晶質半導体膜３に対し、第１のレーザ光７を照射し、非晶質半導体膜３を溶融させた後に固化することによって、多結晶シリコン膜からなる図２（Ｃ）に示す結晶質半導体膜４に変換する。

ここで、第１のレーザ光７として波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を用い、１回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を２００ｍＪ／ｃｍ²、照射時間を約５０ｎｓとする。また、本実施の形態においては、第１のレーザ光７が照射される領域以外の領域における半導体基板２の温度を、室温（２５℃）と同等の温度に維持した状態で第１のレーザ光７の照射を行なう。

すると、図２（Ｃ）に示すように、第１のレーザ光７の照射領域中央部付近にリッジ９が発生する。

続いて、ＨＦ洗浄によって結晶質半導体膜４の表面の自然酸化膜を除去した後、図２（Ｄ）に示すように、二酸化シリコン膜からなるキャップ膜６が形成される。

キャップ膜６は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより、結晶質半導体膜４上に形成される。また、ここでは、図６に示す第１のレーザ光照射領域の幅２５が２０μｍであり、一回の第１のレーザ光照射による結晶成長長さ２９が２μｍとなるため、第１のレーザ光照射領域中央部２７から第１のレーザ光照射領域端部２８に向かって８．２μｍだけ離れた地点１９ａ、１９ｂまでを低反射率領域２６とし、低反射率領域２６には５０ｎｍの膜厚で、低反射率領域２６以外の領域には１００ｎｍの膜厚でキャップ膜６を形成する。

ここで、キャップ膜６を介して結晶質半導体膜４に第２のレーザ光１８の照射を行なう場合には、第２のレーザ光１８の種類、キャップ膜６の種類および膜厚、結晶質半導体膜４の膜厚などに依存して、反射率が変化する。図７に、二酸化シリコンからなるキャップ膜の膜厚とエキシマレーザ光の反射率との関係を示す。キャップ膜の膜厚が１００ｎｍの場合には、エキシマレーザ光に対する反射率は最大となり、キャップ膜の膜厚が５０ｎｍの場合には、エキシマレーザ光に対する反射率は最低となる。したがって、この結果、低反射率領域２６を選択的に加熱することができる。

そして、図２（Ｄ）に示すように、第２のレーザ光１８の照射を行なう。ここで、第２のレーザ光１８としては、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を用い、一回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を１５０ｍＪ／ｃｍ²とし、照射時間を約５０ｎｓとする。また、本実施の形態においては、第２のレーザ光１８が照射される領域以外の領域における半導体基板２の温度を室温（２５℃）と同等の温度に維持した状態で第２のレーザ光１８の照射を行なう。

第２のレーザ光１８の照射後、キャップ膜６をＨＦにより除去することによって、図２（Ｅ）に示す半導体デバイス１が完成する。

ここで、図８に、第２のレーザ光を照射していない平坦化前の多結晶シリコン膜からなる結晶質半導体膜（シリコン膜Ａ）、第２のレーザ光を照射して平坦化した後の結晶質半導体膜（シリコン膜Ｂ）、および、従来技術に従って平坦化した後の結晶質半導体膜（シリコン膜Ｃ）の膜表面の凹凸について、原子間力顕微鏡により測定した結果を示す。なお、図８に示す結晶質半導体膜表面の凹凸は、リッジ部分と非リッジ部分間の距離で表記してある。また、シリコン膜Ｃは、ガラス基板上に５０ｎｍの膜厚であるアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜上に５０ｎｍの膜厚である二酸化シリコンからなるキャップ膜を形成した後、レーザ光を照射して結晶化された多結晶シリコン膜である。その他の製造方法、製造条件は、本実施の形態と同様である。

図８に示すように、平坦化前のシリコン膜Ａでは高かったリッジが、シリコン膜Ｂでは、シリコン膜Ｃ程度まで低減されている。これは、本実施の形態においては、キャップ膜を形成した後に第２のレーザ光を照射したため、リッジが形成されている領域が、再度、溶融、結晶化することにより、微小な凸凹に変化したためである。

次に、シリコン膜Ａ、シリコン膜Ｂおよびシリコン膜Ｃの表面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）により結晶観察を行なった。その結果を図９に示す。なお、結晶観察は、各シリコン膜（シリコン膜Ａ、シリコン膜Ｂ、シリコン膜Ｃ）についてＳＥＣＣＯエッチングを行なった後の表面について行なった。また、図９（Ａ）はシリコン膜Ａの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、図９（Ｂ）はシリコン膜Ｂの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、図９（Ｃ）はシリコン膜Ｃの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像である。

図９に示すように、本実施の形態に従うシリコン膜Ａおよびシリコン膜Ｂにおいては、従来技術に従うシリコン膜Ｃに比べて、結晶粒３０内に形成される亜粒界３１の数が極めて少なかった。これは、本実施の形態による結晶化によれば、結晶化時に非晶質半導体膜３上にキャップ膜が形成されていないため、半導体基板の表面から上方に向かう方向の結晶成長が抑制されず、成長結晶内に発生する内部応力が非常に小さく、結晶粒３０内に亜粒界３１が形成されないことによるものと考えられる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、結晶を成長させる方法として、ＳＬＳ法を用いることに特徴がある。ＳＬＳ法によれば、１回の第１のレーザ光の照射によって、結晶を延設方向に成長させることができる。したがって、第１のレーザ光の照射が行なわれる毎に、第１のレーザ光の照射領域を段階的に移動（ステップ移動）させることで、結晶領域を段階的に拡大することができる。これにより、本発明によって得られる半導体デバイスにおける各結晶の成長方向を延設方向に揃えることが可能となる。

本実施の形態においては、図６に示す第１のレーザ光照射領域の幅２５を２０μｍとし、ステップ移動量を１μｍとして、１０回のステップ移動が行なわれる。

すると、１０回目の第１のレーザ光照射領域中央部付近にリッジが形成され、このリッジを実施の形態１と同様にして結晶質半導体膜の表面を平坦化する。その結果、本実施の形態においても、図７に示すように、平坦化前の結晶質半導体膜（シリコン膜Ａ）、平坦化後の結晶質半導体膜（シリコン膜Ｂ）および従来のシリコン膜Ｃの関係は、シリコン膜Ｂはシリコン膜Ａよりも平坦化し、シリコン膜Ｃと同等程度になった。なお、シリコン膜Ｃは、ガラス基板上に５０ｎｍの膜厚であるアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜上に５０ｎｍの膜厚である二酸化シリコンからなるキャップ膜を形成した後、ＳＬＳ法によりレーザ光を照射して形成された多結晶シリコン膜である。

次に、シリコン膜Ａ、シリコン膜Ｂおよびシリコン膜Ｃの表面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）により結晶観察を行なった。その結果を図１０に示す。なお、結晶観察は、各シリコン膜（シリコン膜Ａ、シリコン膜Ｂ、シリコン膜Ｃ）についてＳＥＣＣＯエッチングを行なった後の表面について行なった。また、図１０（Ａ）はシリコン膜Ａの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、図１０（Ｂ）はシリコン膜Ｂの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、図１０（Ｃ）はシリコン膜Ｃの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像である。

図１０に示すように、本実施の形態に従うシリコン膜Ａおよびシリコン膜Ｂにおいては、従来技術に従うシリコン膜Ｃに比べて、結晶粒３０内に形成される亜粒界の数が極めて少なかった。これは、本実施の形態による結晶化によれば、結晶化時に非晶質半導体膜上にキャップ膜が形成されていないため、半導体基板の表面から上方に向かう方向の結晶成長が抑制されず、成長結晶内に発生する内部応力が非常に小さく、結晶粒３０内に亜粒界３１が形成されないことによるものと考えられる。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、図４に示すレーザ光照射装置を用いて、アモルファスシリコン膜からなる非晶質半導体膜３に対し、第１のレーザ光７と第３のレーザ光８とを照射し、非晶質半導体膜３を多結晶シリコン膜からなる結晶質半導体膜に変換したことに特徴がある。

ここで、本実施の形態においては、図５に示す第１のレーザ光７と第３のレーザ光８との照射時間と出力との関係において、第１のレーザ光７としては、波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を用い、１回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を２００ｍＪ／ｃｍ²とし、照射時間を約５０ｎｓとしている。また、第３のレーザ光８としては、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を用い、１回の照射あたり、照射面積あたりのエネルギ量を約５ｍＪ／ｃｍ²とし、照射時間を約３ｍｓとしている。

さらに、本実施の形態においては、第１のレーザ光７と第３のレーザ光８との照射領域以外の領域における半導体基板２の温度を、室温（２５℃）と同等の温度に維持した状態で第１のレーザ光７と第３のレーザ光８の照射を行なう。

また、本実施の形態においては、第１のレーザ光７を半導体基板２の表面に対して垂直な方向から照射し、第３のレーザ光８を半導体基板２の表面に対して垂直な方向と３０°の角度を為す角度で照射する。

このように、本実施の形態においては、第３のレーザ光８は、非晶質半導体膜３が溶融している間に照射される。そして、液体状態にある非晶質半導体膜３に対して、第１のレーザ光７に加えて第３のレーザ光８の照射を行なうことにより、非晶質半導体膜３の降温速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができるため、さらに大粒径の結晶を有する結晶質半導体膜を効率良く得ることができる。たとえば、２０μｍのスリット幅の第１のレーザ光を照射して結晶成長させた場合には、その結晶成長長さは約２μｍ程度となるが、本実施の形態によれば結晶成長長さを１０μｍとすることができる。

上述したように、非晶質半導体膜を結晶質半導体膜に変換した結果、第１のレーザ光の照射領域中央部付近にリッジが形成され、このリッジを実施の形態１と同様にして結晶質半導体膜の表面を平坦化する。その結果、本実施の形態においても、図７に示すように、平坦化前の結晶質半導体膜（シリコン膜Ａ）、平坦化後の結晶質半導体膜（シリコン膜Ｂ）および従来のシリコン膜Ｃの関係は、シリコン膜Ｂはシリコン膜Ａよりも平坦化し、シリコン膜Ｃと同等程度になった。なお、シリコン膜Ｃは、ガラス基板上に５０ｎｍの膜厚であるアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜上に５０ｎｍの膜厚である二酸化シリコンからなるキャップ膜を形成した後、レーザ光を照射して形成された多結晶シリコン膜である。

次に、シリコン膜Ａ、シリコン膜Ｂおよびシリコン膜Ｃの表面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）により結晶観察を行なった。その結果を図１１に示す。なお、結晶観察は、各シリコン膜（シリコン膜Ａ、シリコン膜Ｂ、シリコン膜Ｃ）についてＳＥＣＣＯエッチングを行なった後の表面について行なった。また、図１１（Ａ）はシリコン膜Ａの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、図１１（Ｂ）はシリコン膜Ｂの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、図１１（Ｃ）はシリコン膜Ｃの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像である。

図１１に示すように、本実施の形態に従うシリコン膜Ａおよびシリコン膜Ｂにおいては、従来技術に従うシリコン膜Ｃに比べて、結晶粒３０内に形成される亜粒界の数が極めて少なかった。これは、本実施の形態による結晶化によれば、結晶化時に非晶質半導体膜上にキャップ膜が形成されていないため、半導体基板の表面から上方に向かう方向の結晶成長が抑制されず、成長結晶内に発生する内部応力が非常に小さく、結晶粒３０内に亜粒界３１が形成されないことによるものと考えられる。

上述したように、実施の形態１〜３によれば、結晶粒が格段に大きく、かつ結晶性に優れた結晶で構成されている多結晶シリコン膜を得ることができる。このため、このような多結晶シリコン膜を活性層に用いることにより、電子の移動度が高いＴＦＴを製造することができる。

また、実施の形態１〜３によれば、表面が優れた平坦性を有している多結晶シリコン膜を得ることができる。このため、このような多結晶シリコン膜を活性層に用いたＴＦＴを製造する場合、活性層上に形成するゲート絶縁膜を厚くする必要がない。したがって、ＴＦＴの性能低下を防止することができる。

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。

本発明によれば、結晶性および表面の平坦性に優れた結晶質半導体膜を得ることができるので、本発明によって製造された半導体デバイスの一例であるＴＦＴは、液晶表示装置の画素コントローラなどの表示素子として好適に利用される。

本発明の半導体デバイスの製造方法の好ましい一例のフローチャートである。 本発明の半導体デバイスの製造方法の製造工程の好ましい一例を示す模式的な断面図であり、（Ａ）は本発明に用いられる被処理体の一例の模式的な断面図であり、（Ｂ）は第１のレーザ光が照射されている（Ａ）に示す被処理体の模式的な断面図であり、（Ｃ）は結晶質半導体膜の表面にリッジが形成されている半導体デバイスの模式的な断面図であり、（Ｄ）はキャップ膜形成後に第２のレーザ光が照射されている半導体デバイスの模式的な断面図であり、（Ｅ）は本発明によって製造された半導体デバイスの模式的な断面図である。 本発明に用いられるレーザ光照射装置の好ましい一例の模式的な構成図である。 本発明に用いられるレーザ光照射装置の他の好ましい一例の模式的な構成図である。 本発明に用いられる第１のレーザ光と第３のレーザ光の照射時間と出力との関係の好ましい一例を示した図である。 本発明における結晶質半導体膜の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明に用いられるキャップ膜の膜厚とエキシマレーザ光に対する反射率との関係を示した図である。 本発明における平坦化前のシリコン膜Ａと、本発明における平坦化後のシリコン膜Ｂと、従来技術に従うシリコン膜Ｃの結晶質半導体膜の表面における凹凸の関係を示した図である。 （Ａ）は本発明の実施の形態１において平坦化前のシリコン膜Ａの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、（Ｂ）は本発明の実施の形態１において平坦化後のシリコン膜Ｂの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、（Ｃ）は従来技術に従うシリコン膜Ｃの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像である。 （Ａ）は本発明の実施の形態２において平坦化前のシリコン膜Ａの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、（Ｂ）は本発明の実施の形態２において平坦化後のシリコン膜Ｂの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、（Ｃ）は従来技術に従うシリコン膜Ｃの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像である。 （Ａ）は本発明の実施の形態３において平坦化前のシリコン膜Ａの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、（Ｂ）は本発明の実施の形態３において平坦化後のシリコン膜Ｂの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像であり、（Ｃ）は従来技術に従うシリコン膜Ｃの膜表面をＳＥＭによって撮影した膜表面像である。 パルスレーザ光が照射される従来の被処理体の模式的な断面図である。 従来のラテラル成長法の一例を示す模式的な上面図であり、（Ａ）は図１２に示す被処理体の模式的な上面図であり、（Ｂ）は領域Ｄにレーザ光を照射する前の（Ａ）に示す被処理体の模式的な上面図であり、（Ｃ）は領域Ｄにレーザ光を照射した後の（Ａ）に示す被処理体の模式的な上面図であり、（Ｄ）はラテラル成長の終了後の（Ａ）に示す被処理体の模式的な上面図である。

符号の説明

１ 半導体デバイス、２ 半導体基板、３ 非晶質半導体膜、４ 結晶質半導体膜、５ バッファ膜、６ キャップ膜、７ 第１のレーザ光、８ 第３のレーザ光、９ リッジ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ ミラー、１１ 第１のレーザ光発振器、１２ 可変減衰器、１３ フィールドレンズ、１４ 投影マスク、１５ 結像レンズ、１６ サンプルステージ、１７ コントローラ、１８ 第２のレーザ光、１９ａ，１９ｂ 地点、２０ 第３のレーザ光発振器、２１ 光学素子群、２３ 第１のレーザ光のパルス波形、２４ 第３のレーザ光のパルス波形、２５ 第１のレーザ光照射領域の幅、２６ 低反射率領域、２７ 第１のレーザ光照射領域中央部、２８ 第１のレーザ光照射領域端部、２９ 結晶成長長さ、３０ 結晶粒、３１ 亜粒界、５０，１００ 被処理体、５２ 透明基板、５３ 非晶質シリコン膜、５４ 下地膜、５８ レーザ光。

Claims (4)

1. 半導体基板上に結晶質半導体膜を形成した半導体デバイスの製造方法であって、
   前記半導体基板上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程と、
   前記非晶質半導体膜に第１のレーザ光を照射することにより、前記非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させる第１のレーザ光照射工程と、
   前記非晶質半導体膜を結晶化して前記結晶質半導体膜に変換する結晶化工程と、
   前記結晶質半導体膜上にキャップ膜を形成するキャップ膜形成工程と、
   前記結晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第２のレーザ光を、前記キャップ膜を介して前記結晶質半導体膜に照射する第２のレーザ光照射工程と、
   を含むことを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。
2. 前記結晶化工程は、前記第１のレーザ光の照射領域を段階的に移動させて結晶化領域を拡大させることにより行なわれることを特徴とする、請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
3. 前記結晶化工程は、前記非晶質半導体膜を膜の厚みに亘って溶融させるエネルギ量を有しない第３のレーザ光を前記非晶質半導体膜に照射した状態で行なわれることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法。
4. 前記キャップ膜形成工程は、前記第２のレーザ光の照射領域のうち一部の領域における反射率をその他の領域における反射率よりも低くする工程であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。

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