JP2004119919A - 半導体薄膜および半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザアニール法で、多結晶粒経が大きいシリコン薄膜を形成する。
【解決手段】資料基板１上の半導体膜にパルスレーザー光を照射して結晶化させる方法において、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、パルスレーザー強度を長軸方向に垂直な周期的位相シフトストライプマスク２のパターンを透過させたラインビームの照射領域にわたって一定方向に成長した多結晶膜を一括形成する。結晶サイズは、突起間隔の１／２で、ストライプパターンの周期の１／４を一回の結晶成長とし、強度分布の極値部分に微結晶領域が残らない強度とする。
【効果】照射走査によって試料を多結晶化が可能であり、大幅なスループット向上を実現する。突起の高さを低減した結晶を作製するマルチショットオーバーラップ照射の場合、ストライプと走査方向との角度調整によって、突起発生位置をずらす位置制御と走査方向との両立によって、スループットの低下を押さえる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体薄膜および半導体薄膜の製造方法に関する。又、上記方法を利用して作成された半導体デバイスとしては、液晶表示用のポリシリコン薄膜トランジスタや、太陽電池や、ＳＯＩデバイスなどがある。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイにおいて、駆動素子となる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層としてはポリシリコン膜が、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜より優れているのは、キャリア（ｎチャネルでは電子、ｐチャネルでは正孔）の移動度が高く、セルサイズを小さくでき高精細化が可能であるためである。さらに、通常のアニールで形成したポリシリコン膜を利用するｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは１０００℃以上の高温プロセスが必要であるが、レーザによるシリコン層のみのアニールにより基板が高温にならない低温ポリシリコン形成技術では、安価なガラス基板の使用が可能な低温プロセスにおいて、移動度の高いＴＦＴの形成が可能となる。
【０００３】
このレーザアニール法は、ガラス基板上に形成したａ−Ｓｉ膜にそれが吸収する光を照射しながら走査することによって基板上のａ−Ｓｉ膜を多結晶化しｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に変換する方法であり、低温ポリシリコン薄膜トランジスタ製造方法の重要プロセスの一つである。このレーザーアニールのレーザーとしては、波長３０８ｎｍのパルスエキシマレーザーが用いられ、ラインビームに整形されて使用される。その強度分布は、長軸全体にわたって均一な強度が要求される。このような一様な強度分布のラインビームは、スキャン回数が少なくて良というメリットがあるが、通常重ね合わせショット数が少なくとも２０ショット以上必要という限界がある。そこで、以下に示すように照射レーザ光の空間的強度分布を制御して、温度が低い領域から高い領域に向かって結晶成長が起こるという原理を利用して、低ショットで大粒径の多結晶シリコンをつくるアイデアが出されてきた。Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４１（１９８２）３４６には、パターン化した反射防止膜をアモルファスシリコン膜上に形成することによって、その下のアモルファスシリコンに対する面内のレーザ光照射強度分布を変調することで面内の温度分布を制御し横方向への結晶成長を制御する方式が述べられている。この公知例は、ＣＷレーザーによるレーザーアニール法である。
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８巻（１９９９）Ｌ１１０〜１１２ページには、位相シフトマスクを通して照射する方法が述べられている。但しこの方法は、位相シフトパターンの凹凸が周期的でなく１段差のみであり、照射の光強度は試料面上で変動するパターンが生じるが周期的でなく、さらに強度の弱い部分は非晶質のまま残る。したがって、このマスクを用いて試料全面の多結晶化するために、非晶質部分の照射を繰り返さなければならない欠点が存在する。
【０００４】
特開２０００−８２６６９で示されている方法は、太陽電池用の多結晶シリコン膜形成方法であるが、平面波のコヒーレント光を前提としており、周期的パターンを有する位相マスクを利用してレーザー光を照射することによって、非晶質シリコンを多結晶化する方法が述べられている。ただし、この方法で述べられている内容は、照射強度が弱い部分は粒径の小さい結晶化不充分な領域が存在する。
【０００５】
特開２０００−３０６８５９で示されている方法は、周期的なスリットまたは周期的な位相シフトパターンマスクを透過して照射する方法が述べられている。この方法も、照射強度の弱い部分が微結晶のままのこる。
ＵＳＰ６，３２２，６２５およびＵＳ６，３６８，９４５およびＬＡＭＤＡ　ＰＨＹＳＩＫ社のＣｒｙｓｔａＬａｓ　ＯｐｔＩｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍに関する２００２年１月のカタログには、スリットパターンを有するマスクを利用して、レーザ光の強度分布を櫛状の分布として試料に照射する方法が記述されている。この方法は、Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　（ＳＬＳ）法と呼ばれており、膜の一部をレーザー照射して溶融させ横方向に結晶成長をさせるということを繰り返して、結晶を大きくする方法である。この方法は、照射され無い領域が周期的に発生するので２回目は１回目で照射されない領域を正確に位置決めして照射する方法をとる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
公知例のうちアモルファスシリコン膜上にパターンを形成するという方法は、そのパターン形成という余分なプロセスが入るためにスループットが落ちる。これ以外の公知例について以下に課題を説明する。現在のところ周期的な強度分布をもたせてレーザ光を照射することによって大きな結晶粒を形成する方法では、１回目の照射では強度分布の弱い領域は非晶質のまま残るか結晶化したとしてもエネルギー不足の為に粒径が１００ナノメートル以下にとどまるので、２回目の照射でその結晶化不充分な領域を照射するようにしなければならないという共通の問題がある。この問題が存在するために、高精度なステージが必要になることを以下に述べる。１回のレーザー照射で成長する多結晶シリコン粒径は、アモルファスシリコンの膜厚が５０ｎｍ、基板温度が室温の場合は、高々１ミクロンメートルであるので、２回目以降の照射で結晶化不充分な領域を残さずに多結晶化するためには、少なくとも１ミクロンメートル程度の繰り返し位置精度のステージが必要になる。次に、高さ方向の制御を考える。周期的な強度分布をもたせるためにレーザーをマスクを通し、レンズでマスクパターンを試料面に転写する方法の場合を考える。この方法では焦点深度が浅く基板内凹凸の影響を受けやすくなる。なぜならば、１ミクロンメートル程度の面内分解能を有するためには、高ＮＡのレンズを使用する必要があり、焦点深度が浅くなる。この結果として、照射領域を試料の広範囲とすると試料の厚さ面内分布により、照射領域全体が焦点深度以内に収めることが不可能となる。この制約の為に照射領域を小さい範囲に限定しなければならならない。照射領域が小さくなる分だけ走査回数を多くしなければならなくなる。以上の課題は、レーザーアニールプロセスの高スループット化にとって大きな欠点となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の問題点を解決するもので、その目的は単結晶に近い結晶性を有し、粒径が均一なシリコン薄膜を大面積で高スループットで形成する方法を提供することにある。このような目的を達成する為に、以下の手段を講じた。
（１）一回の照射で結晶成長する限界以下の粒径（常温基板照射、アモルファスシリコン厚さ５０ナノメートルの場合は、約１ミクロンメートル）の４倍以下の周期ピッチを有する周期的位相シフトスパターンを利用する。この様子は図１に示している。図１中のＥは厚さ方向全体を結晶化するために必要なエネルギー閾値より大きい値にしていることを示す。周期的強度分布の最小値に相当する部分はエネルギーが低いために最初に結晶化し時間とともに強度分布の大きい位置にその結晶が成長していくということが、図１に示したように夫々の強度分布の周期内で生じる。最小値のエネルギーはある一定値以上にすれば、照射領域全面にわたって強度分布の周期の約１／２の粒径の結晶とすることができる。強度分布の最小値のエネルギーが低すぎる場合は、結晶成長の開始位置が最小値よりもエネルギーの高い位置となるため、結晶不充分な領域が残ってしまう。高精度のステージを不要とするために、照射領域が全て大きな粒径で形成し、結晶化不十分領域を残らない様にする必要がある。なぜなら、ショット毎に結晶不充分領域を狙って照射する必要がねければ高精度位置合わせの必要がないからである。この内容が、従来方法であるＳＬＳ法との相違点となる。ここで４倍という理由は、１周期の中に４箇所単結晶粒が発生するからである。結晶粒径は温度降下中に結晶成長が生じる温度領域を通過する時間が長いほど大きく、この通過時間はレーザーパルスに依存する。レーザーのパルス時間幅としては、２５ナノ秒から３００ナノ秒の範囲が使用できる。
（２）インコヒーレント化光学系を利用する。この光学系の実用的な例としては、ラインビーム整形およびホモジナイザ−光学系である。この光学系を使用しなければならない理由を次に述べる。図２に示した様に、周期的位相シフトマスクを用いるプロキシミティ法では、コヒーレントなレーザー光を使用すると、周期的な単調な強度分布が形成されず複数のピークを有する複雑な分布になるという欠点がある。そこで、レーザービームを複数領域に分割して、夫々をラインビームとしてから合成することでラインビーム整形とビーム内強度を均一化するホモジナイザ−光学系を利用する。この光学系をマスクの前段に設置することで、その光学系で形成された複数のラインビームは夫々異なる位相で異なる角度でマスクに入射するため、複数ピークを持つ複雑な強度分布は均一化され、単純化する。この単純化した分布を模式的に示したのが図３である。このことを実際に確かめるために、ラインビーム整形およびホモジナイザ−光学系の後段に周期的位相シフトマスクを設置して基板にレーザー照射した試料の結晶を電子顕微鏡で観察した。図４は、２ミクロンピッチの周期的位相ストライプマスクを通して距離が０．６ミリメートルだけ離れているアモルファスシリコン膜の試料に、波長３０８ナノメートルでパルス幅が２５〜３０ナノ秒のエキシマレーザーパルス光を１ショット照射した試料の走査型電子顕微鏡写真である。写真で白っぽい部分が突起の部分に相当し、これが図３の光強度分布のピーク位置に対応し、結晶成長の先端がぶつかり突起を形成したものである。結晶核に相当する領域は両方向に連続に単結晶が伸びている領域と粒界で単結晶が分断されている領域が存在する。この領域には突起は形成されない。この部分は、ＳＬＳ方式で形成される結晶とは外観的に異なる。周期ピッチ２ミクロンメートルでは、少なくとも粒径がピッチの１／４倍の０．５ミクロンメートルの単結晶が形成されており、単結晶と単結晶との間には結晶化不十分領域は存在しない。以上の手段により形成される結晶は、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列し、その突起の配列方向と垂直方向の平均サイズが突起の間隔の約１／２となっている。すなわち、図３は強度分布の谷が結晶核となり、強度分布の山の方へ向かって結晶が成長する。成長の先端のぶつかった部分が突起発生領域となる。結晶の平均粒径は、マスクピッチの１／４であり、突起間隔の１／２となる。再度結晶化不十分領域を狙って照射を繰り返す必要が無いので、スループットが向上する。また、ラインビーム整形およびホモジナイザ−光学系を用いることによって、試料面での光強度分布の最小値がゼロでは無いため、再度結晶化不十分領域が残らないのである。この光強度分布の最小値は、マスクに照射するレーザービーム強度の変更または位相シフトの位相差を変えることで制御し、結晶化不十分領域が残らない値以上に設定する。
（３）ラインビームにする光学系を利用する。この理由は、本特許の周期的位相シフトストライプパターンのマスクの使用方法では、ラインビーム整形およびホモジナイザ−光学系が強度分布の単純化に有効であることが判明した。この光学系として、日本製鋼所のレーザーアニーラー用ホモジナイザ−光学系が利用できる。ラインビームは、通常の均一光強度分布によるレーザーアニーラー装置でも用いられており、走査回数を低減できるというメリットがある。さらにビーム端の強度分布のすそが照射される領域は結晶化不充分となるが、ラインビームとして長軸を長くすることによって、走査間のつなぎ目である結晶不充分領域を低減することができるメリットがある。図４の結晶写真は、長軸長が３６５ミリメートルであり、短軸幅が４００ミクロンメートルのラインビームによる照射で形成した結晶の１部であり、ラテラル成長によって形成された結晶がラインビームで実現したことを示すものである。これを実現した構成を図１２に示した。これは、ホモジナイザ−光学系を含む日本製鋼所のレーザーアニール装置に、周期的位相シフトストライプマスクを組み込んだ構成を示した図である。
（４）マスクと試料の間には、レンズを使用せず一定の間隔を保ってレーザー照射を行う。
この理由はマスクのピッチは数ミクロンメートルなので、このパターンを分解するレンズを用いた場合には焦点深度が浅くなり、基板凹凸や振動の影響が大きくなり、高スループットでのアニールが不可能となる。少なくとも、連続移動のステージで基板凹凸の影響を受けないためには数１０ミクロンメートルの焦点深度が必要である。レンズを用いないプロキシミティ法の場合、マスクと試料との間隔は、連続的に使用可能ということではなく、マスクパターンのピッチに依存する。発明者らは、２ミクロンメートルの場合の最適間隔は、０．６ミリメートルの正数倍であり、３ミクロンメートルの場合は、０．９ミリメートルの正数倍であることを見つけている。この間隔を満たさないと、周期的な強度分布の十分な変調度が得られない。さらに最適間隔のマージンは、±３０ミクロンメートルであることが分かった。したがって、マスクと試料とのギャップを±３０ミクロンメートルの精度で一定に保つ機構が必要である。
（５）ストライプパターンの方向
位相シフトストライプパターンの方向を、走査方向にほぼ平行とし、ラインビームの長軸方向と垂直方向とする。この理由は以下の通りである。周期的位相シフトパターンである凹凸ストライプによる回折光はストライプに垂直に発生する。この方向がラインビームの長軸方向にほぼ一致している場合が、回折光のストライプ直下の有効照射領域の外へ逃げる光量が小さくなり回折光同士の重なりの強度分布への寄与が大きくなり、効率が良いからである。この場合、凹凸のストライプの方向が、走査方向にほぼ平行でありラインビームの長軸方向とほぼ垂直方向となる。上記のほぼ平行という具体的な内容は、次の手段が有するメリットによって明確に説明する。
（６）結晶の突起の高さを低減する方法
１ショットで形成される結晶は、図４に示したように、マスクのピッチの１／２倍の間隔で突起が高い領域が形成される。この突起は、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の絶縁破壊などの悪影響をデバイスに及ぼすので、この突起を低減したほうが望ましい。１回目のショットで形成された突起領域は、１回目のショットの光強度分布のピーク位置に相当するので、２回目は、この突起領域から光強度のピークがズレる様にパルス照射を行う。以上のようにして、突起を低減する。このズレ量は１ミクロンメートル以下に制御しなければならないが、通常の５ミクロンメートル程度の位置精度のステージでも、可能な走査方法を以下に説明する。
図５は、走査方向と位相シフトストライプの方向とのなす角度θおよび、基板ステージのパルス間での移動量Ｓとパルス間の時間間隔での光強度のピークのズレ量ｄとの関係を示した図である。結晶成長方向はストライプパターンの方向と垂直方向であり、突起が高い位置はショット間で、ｄ＝Ｓｔａｎθで求められる量だけズレる。この図では移動量Ｓがラインビームの短軸幅Ｌの１／２倍の場合を図示しており、２ショットオーバーラップ条件でのレーザーアニールとなっている。１回目ショットと２回目ショットのオーバーラップ領域の突起は、オーバーラップしていない領域の突起よりも突起の高さが低減する。１回目の照射ではアモルファスシリコンに対する照射であり完全にアモルファスシリコンが溶融するの対して、２回目以降はポリシリコンに対する照射であり、ポリシリコンは全体が溶融しにくく、一部のみが溶融するために、
突起形成のために移動するシリコンの量が１回目に比べて少なくなるためと考えられる。三回目、４回目と次々に基板を連続移動しながらパルス照射を一定の周波数で繰り返すことによって、大面積において、突起の高さが６０ｎｍ以下であって、しかもアモルファスシリコン領域が残らない薄膜結晶が、高スループットで形成される。ステージの移動速度とズレ量の角度依存性をグラフで示したのが図６である。但しレーザーのパルス繰り返し周波数を３００Ｈｚとしている。位相シフトストライプのピッチをＰ（ミクロンメートル）とすると、ショット毎に形成される突起配列の間隔はＰ／２（ミクロンメートル）であるので、ズレ量ｄは、Ｐ／２の１／（オーバーラップショット数）倍より小さい値に設定するのが良い。このためには、オーバーラップ数を一定条件すなわち基板の走査速度一定条件で、ズレ量ｄが上記の範囲外になるような角度範囲でレーザー照射を行う方法をとるのが望ましい。なぜならば、オーバーラップショット数によって結晶粒径が変化するので、オーバーラップショット数は固定するのが都合がよいからである。図６によると、実用的な走査速度である３ミリメートル／秒から６０ミリメートル／秒までの範囲では、角度の設定範囲は０．１度から２度となる。上記の手段によって、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列し、その突起の配列方向と垂直方向の平均サイズが０．４ミクロンメートル以上であり、その多結晶シリコン膜が形成されている基板の枠の１辺と突起の配列方向の成す角度が０．１度から２度の間である半導体薄膜を形成することができる。さらに、図５の１回目と２回目の照射がオーバーラップしている領域の結晶状態をみると分かるように、上記の手段によるレーザーアニールを行うことにより、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列しており、その配列間の平均距離が複数存在し、かつその配列が周期的であって、突起間には非結晶領域が存在しないことを特徴とする半導体薄膜を形成することができる。　図１７、図１８、図１９は、それぞれオーバーラップ無し１ショット照射条件、２ショットオーバーラップ照射条件、４ショットオーバーラップ照射条件で、それぞれ形成されたポリシリコン薄膜の突起の配列パターンである。
以上の方法は、周期的パターンを利用するスリットＳＬＳ法にも適用できる。
【０００８】
突起を低減するための他の方法を以下に述べる。これは、最初にマスクを用いてアニール処理を行い、その処理で生じた突起を低減するために、マスク内のパターンの無い領域を利用するか、あるいはマスクをはずして通常のパルス照射を行う。図７は、ピッチが２ミクロンメートルの位相シフトストライプパターンを通して１ショット照射後、パターンを利用しないで２ショット照射して得られた結晶の走査型電子顕微鏡写真である。図４ではマスクのストライプに垂直方向のみが０．５ミクロンメートルだったものが、図７では二次元的にほぼ０．５ミクロンメートルになっていることがわかる。さらに、突起の高さが、ＰＶ値で９０ナノメートルから７０ナノメートル以下まで低減する。この突起高さの低減の程度は、マスク無しのショット数が多ければ多いほど低減する。
（７）走査方法
本発明によれば、一回のパルス照射でレーザービーム幅の照射領域内でアモルファスシリコン領域が残る事がないので次のパルス照射で正確にそこを狙って照射する必要が無い。したがって、ステージの送り精度として１ミクロンメートル程度の精度は不要である。さらに、数ミクロンメートルの周期的強度分布で試料に照射するのに数ミクロンメートルを分解するほどＮＡの大きなレンズを使用する転写方式をとっていないので、ギャップのマージンが広くショットのたびに数ミクロン精度のオートフォーカスする動作は不要である。実験によると±３０ミクロンメートルの高さマージンがあるため上下振動や基板厚面変動の影響を受けにくいという長所がある。
以上の理由によって、通常のレーザーアニール装置にそのまま組み込んで使用することが可能である。通常の均一な光強度分布によるアニール法を利用するために開発された日本製鋼所製レーザーアニール装置に、本発明のマスクを設置して使用することが可能である。その場合はラインビームのサイズは、長軸は３６５ミリメートルで、短軸は４００ミクロンメートルである。この装置用として設計したマスクサイズは、長軸４００ミリメートル、幅２０〜５０ミリメートルである。この長軸のうち少なくとも３６５ミリメートル以上は、位相シフトストライプパターンが形成されている。このようにラインビームが使用可能であるために、一回の走査でアニールする幅が広い。このようなラインビームによる基板内のアニール走査方法としては、図８、図９で示した方法がある。さらに図１０に示した走査方法は、結晶が成長する方向が約９０度異なる走査方向を重ねてアニールする方法である。この方法のメリットは、粒径が伸びる方向を２方向としたことで２次元的な粒径の大きい結晶としたことであり、移動度が面内どの方向に対しても大きいということである。
【０００９】
次に、走査方向と基板枠の１辺に対する平行度の精度について説明する。ガラス基板の一辺にほぼ平行にラインビームを走査する場合を考える。７３０ミリメートルｘ９２０ミリメートルのガラス基板の走査において、長軸方向に平行でなく０．１度の角度を有する場合は、９００ミリメートルの走査距離に対して、基板の短軸方向で２ｍｍのずれが生じる。このズレによる基板内の両サイドの未照射領域の幅は、この２倍の４ｍｍという無駄な領域が発生する。さらにアモルファスシリコンの厚さは基板の端では薄くなっており設計値の厚さとなっているのは、アモルファスシリコンを形成するＣＶＤ装置の性能によって決まり、約１０ｍｍ程度基板枠から内側である。したがって、このロスは全体として基板枠から１４ミリメートル程度となる。この無駄な領域をできるだけ小さくするためには、走査方向と基板の枠の一辺との成す角度を、０．１度以内として平行に限りなく設定することは常識である。さらに、大型基板１枚からそれよりサイズの小さい半導体デバイスを含むチップを製造する場合も、そのチップ切断領域は、大型基板の枠の１辺と０．１度以内で平行な四角の領域とするのが常識である。以上のために、走査方向は角度０．１度以内の精度で、大型基板の枠の一辺に平行であり、また、チップの枠の１辺に平行である。以上によって、走査方向と基板の一辺の方向とを区別する必要はない。上記のように、（１）から（７）までの手段を組み合わせると、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列し、その突起の配列方向と垂直方向の平均サイズが０．４ミクロンメートル以上であり、その多結晶シリコン膜が形成されている基板の枠の１辺と突起の配列方向の成す角度が０．１度から２度の間である半導体薄膜を形成することができる。以上の手段は、周期的パターンを利用するスリットＳＬＳ法にも適用できる。
（８）蒸発シリコン付着防止策
レーザーアニールによる結晶化では、シリコンが溶融するのに十分なエネルギーをレーザー光が有している。そのエネルギーでは、シリコンの蒸発も生じている。この蒸発したシリコンが、マスクに付着してレーザー光強度の劣化を生じさせ結晶化がうまく行かない場合が発生する。そこで、蒸発シリコンのマスク面への付着を防止する必要がある。このために、ガスの流れをマスク面近傍で形成することでシリコンの吸着を防止する手段をとる。この様子を図１１に示した。ガスの種類としては、結晶化に影響を与えないようにレーザーアニール室内と同じガス成分が望ましい。以上の手段は、周期的パターンを利用するスリットＳＬＳ法にも適用できる。
（９）レーザー強度変動に対するプロセスマージン拡大化法
マスクパターンを利用した照射でレーザー強度が弱すぎた場合、強度分布の極小値の領域でアモルファス領域のまま残ってしまう事が生じる。そこでこれを防ぐために、通常のマスクパターン無しの状態で、最初に照射した後に、マスクパターンを利用してさらに照射を行う手段をとる。この方法によって、マスクパターン照射の強度分布の極小値の領域は既に結晶化を済ませているので、非結晶領域や微結晶領域が残るということを防止することができる。
（１０）共存可能なマスクパターンの制限
周期的ストライプパターンマスクをプロキシミティ法で使用する場合、ストライプのピッチとギャップには関係があるので、この関係による制約条件をうける。今回、位相シフトストライプパターンにおいて、ピッチが２ミクロンメートルの場合のギャップは０．６ミリメートルの整数倍であって、３ミクロンメートルの場合は０・９ミリメートルの整数倍で無ければならない。したがって、ギャップを１．８ミリメートルとすると両方のピッチを共存することができる。つまり、同一ギャップで使用できる周期的ストライプパターンのピッチは整数倍で無ければならない。上記を満足するパターンを利用して、作製された多結晶半導体膜は、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列しており、その配列周期が異なる領域が複数あり、その配列周期が整数倍になっていることを特徴とする半導体薄膜となる。以上の手段は、周期的パターンを利用するスリットＳＬＳ法にも適用できる。
（１１）デバイス配置方法
本発明の方法で形成される結晶は、一方向のみに粒径が大きな値で揃っているので、こちらの方向がキャリア移動度が大きいため、トランジスタのソースドレインの方向をこの方向に一致させると、特性が向上する。この場合は上記の結晶の突起の高さを低減する方法の手段と走査方法の手段とを組み合わせると、トランジスタのソースドレインの方向と基板枠の一辺との成す角度は０．１度から２度の範囲となる。ソースドレインの方向が結晶成長方向と垂直な方向では、特性が悪くなる。トランジスターのソースドレインがほぼ直行した方向の２種類の配置を行う場合は、走査方向に対して粒径成長方向を約４５度の角度で傾けることによって、２種類のソースドレイン方向のトランジスタの特性の差を無くすことができる。
（１２）ＳＯＩ構造への応用
シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）構造では、単結晶シリコンウエハ表面に酸化膜を形成して、さらにシリコン膜を形成する構造となっている。この構造を形成するために、シリコンウエハ表面に熱処理によって厚さ約５ミクロンメートルの熱酸化膜を形成し、その酸化膜上にＣＶＤによってアモルファスシリコン膜を堆積させ、そのアモルファスシリコンに対して本発明のレーザーアニール処理を施すことで、張り合わせ工程の無い工程によりＳＯＩ構造を作製する。上記で熱酸化膜の代替として、ＣＶＤ酸化膜でも良い。このようにして形成されたシリコン膜を利用して、半導体デバイスを製造する。
【００１０】
上記の手段によって、半導体デバイスが形成されている基板の最上層シリコンが多結晶シリコンであって、その多結晶シリコンが局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列し、その突起の配列方向と垂直方向の平均サイズが０．４ミクロンメートル以上であって、その多結晶シリコン膜が形成されている半導体チップ基板の１辺と突起の配列方向の成す角度が０．１度から２度の間である半導体デバイスを製造することができる。
さらに、半導体デバイスが形成されている基板の最上層シリコンが多結晶シリコンであって、その多結晶シリコンが局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列しており、その配列方向と垂直方向の平均粒径が突起の間隔より大きい半導体デバイスを製造することができる。
（１３）ＣＷレーザーをもちいる手段を以下に説明する。周期的位相シフトストライプパターンを通して、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に、ガラス基板を走査しながら照射することによって、パターン化した反射防止膜をアモルファスシリコン膜上に形成するというプロセス無しに、横方向へ成長した大粒径の多結晶薄膜を形成する。この場合は、ＣＷレーザーのビーム形状はラインビームとする。ラインビームの長軸方向に対して位相シフトストライプの方向をほぼ垂直、走査方向に対してはほぼ平行とするのが望ましい。位相シフトストライプパターンの周期は、上記パルスレーザーの場合よりも大きく設定することができる。実際には１ミクロンメートルから数１０ミクロンメートルに設定する。この理由は、溶融したシリコンが温度降下する過程において結晶成長する温度を通過する時間は、パルスレーザーを使用する場合よりも走査速度を調節することで十分長く設定することができるからである。マスクと試料とのギャップ制御は、パルスレーザーを利用する場合と同様な制御が必要である。走査方向と位相シフトストライプとの成す角度について以下に説明する。この角度が０度の場合、強度分布の極小値が、結晶化にとってエネルギー不足の場合は、走査方向に沿って非晶質のまま、あるいは微結晶のまま残ってしまう。これを防止するために、図１５に示したように走査方向と位相シフトストライプの方向との間にはある一定の角度をもたせる必要がある。この角度θは、以下のようにして決める。すなわち、ラインビームの短軸幅をＷとして、ストライプのピッチをＰとすると、ｓｉｎθ　＞　Ｐ／（２Ｗ）　という関係を満足すれば、結晶化不充分領域は走査とともに結晶化十分領域によって重なりが生じるので、結晶化不充分領域が消滅する。
ＣＷレーザーの波長としては５３２ｎｍが使用できるが、さらに短い波長が望ましい。なぜならば、短い波長の方がシリコンの吸収係数が大きくなるので、シリコンを溶融するために必要なレーザー光のエネルギーが小さくなるからである。本手段として使用できるＣＷレーザーとしては、ＹＡＧレーザーの第２次高調波の５３２ｎｍとさらに高調波の２６６ｎｍ、Ａｒイオンレーザー波長４８８ｎｍ、同じく波長５１４．５ｎｍ等がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１２は本発明に係るレーザーアニール方法の例を示す図である。アモルファスシリコン膜が形成された試料基板１に対して、０．６ミリメートルのギャップでピッチが２ミクロンメートルの周期的位相シフトストライプマスク２が設置されている。このマスクの配置を横方向から見た図が、図１である。ラインビームの短軸幅（４００ミクロンメートル）全体にわたって結晶粒で敷き詰められ、図４に示すように１ショット照射でもアモルファスシリコン領域は残らない。パルスレーザー３はラムダフィジックス社製ＳＴＥＥＬ１０００型ＸｅＣｌエキシマレーザーあり、波長は３０８ナノメートル、パルス時間幅は約２７ナノ秒、繰り返し周波数は３００ヘルツである。このレーザーは、ＭｉｃｒｏＬａｓ社製のホモジナイザ−光学系７とシリンドリカルレンズ６およびシリンドリカルレンズ５によって、長軸３６５ミリメートル短軸４００ミクロンメートルのラインビームに整形して、基板に照射する。レーザー照射は繰り返し位置精度が５ミクロンメートルの基板ステージで基板を一定の速度で送りながら行う。２ショットオーバーラップ照射の場合、３００ヘルツの１周期で進む距離はビーム短軸幅（４００ミクロンメートル）の１／２倍であるので、１／３００秒の間の移動量を２００ミクロンメートルとするために、走査速度は６０ミリメートル／秒とする。マスクと基板とのギャップは、０．６ミリメートル±６０ミクロンメートルの範囲で制御するようする。このために、マスクと基板間とのギャップのセンサを設置し、そのモニター値に応じてマスクの高さがピエゾアクチュエータにより変化し、ギャップが一定に保たれるようにする。ギャップセンサーおよびピエゾアクチュエーターは、マスク冶具の長軸の両端に設置する。走査方向は図８に示した方向で行う。図９に示した方向でも良い。さらに、図１１に示したように、ほぼ直行する二方向の走査を重ねて照射しても良い。走査方向に対するマスクパターンのストライプ方向の角度は０．１５度と設定する。この角度は、図６より２００ミクロンメートルの走査で、基板上に形成される結晶パターンのズレ量ｄは、０．５ミクロンメートルに相当する。この値は、２ミクロンメートルピッチの位相シフトストライプを用いて形成した結晶の突起の間隔は図４に示すように１ミクロンメートルなので、１ショット目で形成した突起は次の０．５ミクロンメートルずれた２ショット目で突起の高さを低減する。基板サイズが７３０ミリメートルＸ９２０ミリメートルの全面のアニール処理時間は、約１５秒である。通常の均一強度分布によるレーザー照射の場合は粒径サイズを０．３ミクロンメートル以上にするためには少なくとも２０ショット以上のオーバーラップ照射が必要なので、これに比較して約１０倍のスループット向上となる。さらに結晶粒径で比較すると、通常条件の場合、粒径が０．３ミクロンメートルであり、本発明による２ミクロンピッチの周期的位相シフトパターンマスクの使用方法によれば、粒径が０．５ミクロンメートルであるので、キャリア移動度も高くデバイス特性も向上する。上記は２ショットオーバーラップの例で説明したが、オーバーラップ無しの１ショットでも、さらにオーバーラップショット数が多い場合でも良い。
他に使用可能なパルスレーザーとしては、以下の条件を満足するレーザーでなければならない。波長およびパルスエネルギー密度に対する必要条件としては、（使用する波長のアモルファスシリコンの吸収係数）Ｘ（使用する波長のアモルファスシリコンの反射率）／（（波長３０８ナノメートルでのアモルファスシリコンの吸収係数）Ｘ（波長３０８ナノメートルでのアモルファスシリコンの反射率）の値が、３８０ミリジュール／平方センチメートル以上のエネルギー密度値を有すれば、いかなるレーザーも使用可能である。但し、レーザーのパルスエネルギーに応じて照射面積を変化させて、エネルギー密度を上記条件を満足するようにしなければならない。さらにパルス時間幅としては２７ナノ秒以上が望ましい。エキシマレーザーの他に、波長５３２ナノメートルまたはそれより短波長の固体レーザーが使用可能である。
他の実施例を次に示す。
装置構成は上記実施例と同じであるが、照射方法が異なる実施例を説明する。まず、上記実施例の様にマスクパターンを通して照射処理した後に、さらにマスクパターンを透過させないで２ショット照射処理を行う。この様な照射によって、図７に示したように粒径の異方向性が無くなり、さらに突起の高さが低減した結晶基板を作製することができる。さらに別の照射方法として、マスクパターンを透過させない通常の照射を行った後に、マスクパターンを透過した照射する方法がある。この方法は、マスクパターンを利用したときに光強度分布の極小値付近の結晶化不充分を防止する効果があり、レーザーエネルギーに関して低エネルギー側にプロセスマージンを拡大するというメリットがある。
装置構成は上記実施例と同じであるが、用いる位相シフトストライプのピッチが異なる実施例を説明する。ピッチが３ミクロンメートルのパターンのマスクを用いる。この場合は、マスクと基板との間隔は０．９ミリメートルとする。さらに、４ショットオーバーラップとするために、走査速度は３０ミリメートル／秒とする。突起の間隔は、１．５ミクロンメートルとなるので、同一個所に４回のショットが行われるので、１．５ミクロンメートルの１／４倍の０．３２５ミクロンメートルより小さくする必要がある。そこで、図６より走査方向とマスクとの成す角度を約０．１７度と設定して、ズレ量を０．２ミクロンメートルとする。このようにして、４回のオーバーラップショット全てにわたって、突起が高くなる位置が一致することが無い様にして、突起を低減する。
【００１２】
次に、治具構造の実施例についてのべる。マスク表面および裏面は、蒸発シリコンの雰囲気にさらされており、シリコンの付着によってマスクが曇るのを防止するのが望ましい。このために冶具構造として、図１１のように窒素ガスの流れをマスクの上面と下面で作り、蒸発シリコンの付着を防止する。図１１は断面図であるが、平面図を示したのが図１３である。窒素ガスを噴出すための多数の穴をマスク固定枠の側面にアレイ状に設置し、対向する側面にはガスを吸引するための多数の穴を設置する。
次に、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）構造を有する半導体デバイスの実施例を説明する。シリコンウエハに、厚さ０．５ミクロンメートルの熱酸化膜を熱処理によって形成し、その上にアモルファスシリコンをＣＶＤ法によって厚さ５０ナノメートルだけ堆積させ、その後に、上記レーザーアニールシステムとピッチが２ミクロンメートルの位相シフトストライプマスクを基板とのギャップを０．６ミリメートルとして、２ショットオーバーラップ条件の走査速度でレーザーアニールを行った。以上によって、形成されたポリシリコン層に通常のプロセスによってトランジスタを形成することによって、ＳＯＩデバイスを製造する。上記において熱酸化膜の変わりに、ＣＶＤ法によって堆積させた酸化膜でもよい。また、その厚さは０．５ミクロンメートルに限定されるものではない。
次に、ＣＷレーザーを利用して、周期的位相ストライプパターンを用いる実施例について説明する。ＣＷレーザーはＹＡＧレーザーの第２高調波である波長５３２ｎｍの出力１０Ｗの固体レーザーを用いた。ラインビームへの整形としては、２種類ののシリンドリカルレンズで、短軸幅１０ミクロンメートル、長軸５００ミクロンメートルとした。位相シフトストライプの周期は１０ミクロンメートルとし、ストライプ方向と走査方向の成す角度を３５度と設定した。この角度は、図１６に示した角度の下限を示すグラフを満足する。これによって、走査領域は全面横方向に伸びた結晶による多結晶半導体膜が形成された。この多結晶半導体膜はパルスレーザ照射の実施例の場合のようにストライプの方向に並列な突起の配列は形成されない。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザーの単純なマルチショットでは得られない高品質結晶のシリコン薄膜が、通常のレーザーアニールより高スループットで得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マスクパターンと本発明の結晶化の様子を示す図である。
【図２】マスクパターンをコヒーレント光で使用する場合の強度分布を示す数値解析の結果を示した図である。
【図３】マスクパターンをインコヒーレント光で使用する本発明の結晶化方法の強度分布を示す模式図である。
【図４】本発明に従って１ショット照射で形成された結晶の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明に係る基板走査方向とマスクパターンとレーザービームとの関係を模式的に示す図である。
【図６】本発明に係る基板走査方向とマスクパターンとのなす角度と使用可能な走査速度との関係を示す図である。
【図７】本発明に従って形成された結晶の一例の走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】本発明の結晶化で可能な基板走査方法の一例を示す図である。
【図９】本発明の結晶化で可能な基板走査方法の一例を示す図である。
【図１０】本発明の結晶化で可能な基板走査方法の一例を示す図である。
【図１１】マスクの曇り防止策を示す模式図である。
【図１２】結晶の方向と作製する薄膜トランジスタのソースドレインの方向との関係を示した図である。
【図１３】本発明の結晶化を行う為の装置構成の一例を示す図である。
【図１４】マスクの曇り防止策を示す模式図である。
【図１５】ＣＷレーザのビーム幅と位相ストライプパターンと走査方向との関係を示す図である。
【図１６】ＣＷレーザのビーム幅と位相ストライプパターンのピッチとストライプと走査方向の成す角度との関係を示すグラフである。
【図１７】パルスレーザーによるアニールで１ショットオーバーラップ条件で走査した場合のポリシリコンの突起配列パターン。
【図１８】パルスレーザーによるアニールで２ショットオーバーラップ条件で走査した場合のポリシリコンの突起配列パターン。
【図１９】パルスレーザーによるアニールで４ショットオーバーラップ条件で走査した場合のポリシリコンの突起配列パターン。
【符号の説明】
１：試料基板、２：周期的位相シフトストライプマスク、３：ラインビームに整形されたパルスレーザー光、４：基板ステージ、５：集光用レンズ、６：フィールドレンズ、７：ホモジナイザ−、８：ビームアッテネーター、９：シャッター、１０：ジュールメーター、１１：レーザー、２０：周期的位相シフトストライプパターンで変調を受けた照射光強度分布、２１：コヒーレント光の場合でかつ、周期的位相シフトストライプパターンで変調を受けた照射光強度分布、３０：マスクの冶具、３１：窒素ガスを流出する穴、３２：ガスを吸引する穴。

Claims (28)

1. 基板上に形成した半導体薄膜にパルスレーザー光を照射することで結晶化させる方法において、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、パルスレーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させる手段を有し、ラインビームの照射領域全体にわたって一定の方向に成長した結晶からなる多結晶膜をショット毎に一括形成することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
2. 上記第１項において、ラインビームの１辺の長さが少なくとも３００ｍｍ以上のラインビームであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
3. 上記第１項において、パルスレーザー光の強度を変調する手段が、位相シフトストライプパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
4. 上記第１項において、パルスレーザー光がエキシマレーザー光であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
5. 上記第１項において、パルスレーザー光が固体レーザー光であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
6. 上記第３項において、位相シフトストライプパターンマスクは、石英基板表面に形成した凹凸のストライプパターンからなることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
7. 上記第６項において、マスクの表面近傍にガスの流れを形成しながら、レーザー照射を行うことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
8. 基板上に形成した半導体薄膜にパルスレーザー光を照射することで結晶化させる方法において、基板を走査する手段を有し、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、パルスレーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させるための１次元的な周期的ストライプパターンを有し、そのストライプの方向と走査方向との成す角度を調節することによって、ショット間の走査方向の移動量を２０ミクロンメートル以上として、走査方向と垂直方向の照射光強度分布のズレ量を１ミクロンメートル以下として基板を移動走査させながらパルス照射を繰り返すことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
9. 上記第８項において、上記ストライプパターンが周期的位相シフトパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
10. 上記第８項において、上記ストライプパターンが周期的スリットパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
11. 上記第８項において、マスクの表面近傍にガスの流れを形成しながら、レーザー照射を行うことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
12. 基板上に形成した半導体薄膜にパルスレーザー光を照射することで結晶化させる方法において、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、パルスレーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させるための１次元的な周期的ストライプパターンを有し、そのストライプの方向と走査方向との成す角度が、０．１度から２度の範囲であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
13. 上記第１２項において、１次元的な周期的ストライプパターンが周期的位相シフトストライプパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
14. 上記第１２項において、１次元的な周期的ストライプパターンが周期的スリットパターンであることを特徴とする半導体膜の製造方法。
15. 上記第１２項において、マスクの表面近傍にガスの流れを形成しながら、レーザー照射を行うことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
16. 基板上に形成した半導体膜にパルスレーザー光を照射することで結晶化させる方法において、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、パルスレーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させるための１次元的な周期的ストライプパターンを有し、そのストライプの方向と基板の１辺との成す角度が、０．１度から２度の範囲であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
17. 上記第１６項において、１次元的な周期的ストライプパターンが周期的位相シフトストライプパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
18. 上記第１６項において、１次元的な周期的ストライプパターンが周期的スリットパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
19. 上記第１６項において、マスクの表面近傍にガスの流れを形成しながら、レーザー照射を行うことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
20. 基板上に形成した半導体薄膜にパルスレーザー光を照射することで結晶化させる方法において、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、パルスレーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させるための１次元的な周期的ストライプパターンを有し、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列しており、その配列間の平均距離が複数存在し、かつその配列が周期的であって、突起間には非結晶領域が存在しないことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
21. 上記第２０項において、１次元的な周期的ストライプパターンが周期的位相シフトストライプパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
22. 基板上に形成した半導体薄膜にパルスレーザー光を照射することで結晶化させる方法において、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、パルスレーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させるための複数の１次元的な周期的ストライプパターンを有し、その複数のパターン周期が整数倍の関係になっていることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
23. 多結晶半導体薄膜において、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列し、その突起の配列方向と垂直方向の平均サイズが突起の間隔の約１／２であることを特徴とする半導体薄膜。
24. 多結晶半導体薄膜において、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列し、その突起の配列方向と垂直方向の平均サイズが０．４ミクロンメートル以上であり、その多結晶シリコン膜が形成されている基板の枠の１辺と突起の配列方向の成す角度が０．１度から２度の間であることを特徴とする半導体薄膜。
25. 多結晶半導体薄膜において、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列しており、その配列間の平均距離が複数存在し、かつその配列が周期的であって、突起間には非結晶領域が存在しないことを特徴とする半導体薄膜。
26. 多結晶半導体薄膜において、局所的に周囲に比べて高さが高い突起が１次元的に配列しており、その配列周期が異なる領域が複数あり、その配列周期が整数倍になっていることを特徴とする半導体薄膜。
27. 基板上に形成した半導体薄膜に定常レーザー光を照射することで結晶化させる方法において、レーザー光をラインビームに整形する手段を有し、レーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させる手段を有し、ラインビームの照射領域全体にわたって面内方向に成長した結晶からなる多結晶膜を形成すること特徴とする半導体薄膜の製造方法。
28. 上記第２７項において、レーザー強度を空間的にラインビームの長軸方向に周期的に強度変調させる手段は、位相シフトストライプパターンであることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。

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