(57)【要約】  基板（１０）を準備する工程と、ゲート電極（１１）を形成する工程と、ゲート絶縁膜（１２）を形成する工程と、ソース電極（１９）及びドレイン電極（２０）を形成する工程と、シリコン薄膜（１３）を形成する工程と、シリコン薄膜に対してレーザー光を相対走査させつつ、レーザー光をシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜（１５）を形成する工程とを含む。レーザー光は連続発振型のレーザー光であり、レーザー光の強度分布は、第１領域（Ｒ１）においては相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、第２領域（Ｒ２）においては相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布である。さらに第２領域（Ｒ２）において、相対走査方向の後方側におけるレーザー光の強度分布の積分強度値（Ｓ２）は、相対走査方向の前方側におけるレーザー光の強度分布の積分強度値（Ｓ１）より大きい。
2012164626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を準備する基板準備工程と、
前記基板の上方に、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記基板の上方に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記基板の上方に、ソース電極及びドレイン電極を形成するソースドレイン電極形成工程と、
前記基板の上方に、シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、
前記シリコン薄膜に対してレーザー光を所定の相対走査方向に相対走査させつつ、前記レーザー光を前記シリコン薄膜に照射し、前記シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜結晶化工程と、を含み、
前記レーザー光は、連続発振型のレーザー光であり、
前記レーザー光の強度分布は、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布であり、
前記第２領域において、前記相対走査方向の後方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２は、前記相対走査方向の前方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１より大きい、
薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板準備工程、前記ゲート電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、及び前記ソースドレイン電極形成工程は、この順で行われ、
前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極の上に形成され、
前記シリコン薄膜形成工程において、前記シリコン薄膜は、前記ゲート電極の上方であって前記ゲート絶縁膜上に形成され、
前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成される、
請求項１に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】
各工程は、前記基板準備工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、前記ソースドレイン電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、及び前記ゲート電極形成工程は、この順で行われ、
前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成され、
前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ソース電極、ドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域であって前記結晶性シリコン薄膜の上方に、連続して形成され、
前記ゲート電極形成工程において、前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜の上方であって、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記結晶性シリコン薄膜の上方の領域に形成される、
請求項１に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記レーザー光の強度分布の半値幅は、２０〜５０μｍである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ２は、前記レーザー光の強度分布のうち、前記レーザー光の強度分布の最大強度に対して３％以上５０％未満の範囲で算出されたものである、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ２は、
Ｓ２＞１．５×Ｓ１を満たす
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記レーザー光の強度分布は、前記相対走査方向が前記レーザー光の強度分布の短軸方向となるように成形される、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記相対走査方向に対して直交方向の前記レーザー光の強度分布は、フラットである、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記レーザー光の強度分布がフラットな幅は、前記相対走査方向に対して直交方向の前記シリコン薄膜の形成幅以上である、
請求項８に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記結晶性シリコン薄膜は、結晶粒径が３０〜３００ｎｍであるシリコン結晶粒を含む、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記結晶性シリコン薄膜は、すべて、結晶粒径が３０〜３００ｎｍであるシリコン結晶粒で形成されている、
請求項１０に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
基板を準備する基板準備工程と、
前記基板の上方に、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記基板の上方に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記基板の上方に、ソース電極及びドレイン電極を形成するソースドレイン電極形成工程と、
前記基板の上方に、シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、
前記シリコン薄膜に対してレーザー光を所定の相対走査方向に相対走査させつつ、前記レーザー光を前記シリコン薄膜に照射し、前記シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜結晶化工程と、を含み、
前記レーザー光は連続発振型のレーザー光であり、
前記レーザー光の強度分布は、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の一方側と他方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の一方側と他方側とが非対称な強度分布であり、
前記第２領域において、前記相対走査方向の他方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２は、前記相対走査方向の一方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１より大きく、
前記相対走査は、前記一方側が前記相対走査方向の前方側となるように行うとともに、前記レーザー光の強度分布を反転させて前記他方側が前記相対走査方向の前方側となるように行う、
薄膜半導体アレイ基板の製造方法。
【請求項１３】
前記基板準備工程、前記ゲート電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、及び前記ソースドレイン電極形成工程は、この順で行われ、
前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極の上に形成され、
前記シリコン薄膜形成工程において、前記シリコン薄膜は、前記ゲート電極の上方であって前記ゲート絶縁膜上に形成され、
前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成される、
請求項１２に記載の薄膜半導体アレイ基板の製造方法。
【請求項１４】
前記基板準備工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、前記ソースドレイン電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、及び前記ゲート電極形成工程は、この順で行われ、
前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成され、
前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ソース電極、ドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域であって前記結晶性シリコン薄膜の上方に、連続して形成され、
前記ゲート電極形成工程において、前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜の上方であって、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記結晶性シリコン薄膜の上方の領域に形成される、
請求項１３に記載の薄膜半導体アレイ基板の製造方法。
【請求項１５】
前記レーザー光の強度分布の半値幅は、２０〜５０μｍである、
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の薄膜半導体アレイ基板の製造方法。
【請求項１６】
前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ２は、
Ｓ２＞１．５×Ｓ１を満たす
請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の薄膜半導体アレイ基板の製造方法。
【請求項１７】
基板を準備する基板準備工程と、
前記基板の上方に、シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、
前記シリコン薄膜に対してレーザー光を所定の相対走査方向に相対走査させつつ、前記レーザー光を前記シリコン薄膜に照射し、前記シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜結晶化工程と、を含み、
前記レーザー光は、連続発振型のレーザー光であり、
前記レーザー光の強度分布は、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布であり、
前記第２領域において、前記相対走査方向の後方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値は、前記相対走査方向の前方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値より大きい、
結晶性シリコン薄膜の形成方法。
【請求項１８】
シリコン薄膜が形成された基板を保持するための基板保持部と、
前記シリコン薄膜を結晶化させるためのレーザー光を発振させるレーザー光発振部と、
前記レーザー光発振部から発振させたレーザー光を、前記シリコン薄膜の所定の領域に照射させるための光学系部と、
前記シリコン薄膜に照射されるレーザー光が前記シリコン薄膜に対して所定の相対走査方向に相対的に走査するように、前記基板保持部又は前記光学系部を制御するための走査制御部と、
前記レーザー光を所定の強度分布に成形するレーザー光強度分布調整部と、を備え、
前記レーザー光発振部は、連続発振型のレーザー光を発振し、
前記レーザー光強度分布調整部は、前記レーザー光の強度分布が、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布となるように、かつ、前記第２領域において、前記相対走査方向の後方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２が、前記相対走査方向の前方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１より大きくなるように、前記レーザー光を成形する
結晶性シリコン薄膜の形成装置。
【請求項１９】
前記レーザー光の強度分布の半値幅は、２０〜５０μｍである、
請求項１８に記載の結晶性シリコン薄膜の形成装置。
【請求項２０】
前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ１は、
Ｓ２＞１．５×Ｓ１を満たす
請求項１８又は１９に記載の結晶性シリコン薄膜の形成装置。
【請求項２１】
さらに、前記積分強度値Ｓ２が前記相対走査方向の前方側となるように、かつ、前記積分強度値Ｓ１が前記相対走査方向の後方側となるように、前記レーザー光の強度分布を反転するレーザー光反転機構を備える、
請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の結晶性シリコン薄膜の形成装置。
【請求項２２】
前記光学系部は、前記レーザー光反転機構を有し、
前記光学系部は、前記レーザー光を正転出力又は反転出力させることにより、前記レーザー光の強度分布を反転する、
請求項２１に記載の結晶性シリコン薄膜の形成装置。
【請求項２３】
前記基板保持部は、前記レーザー光反転機構を有し、
前記基板保持部は、当該基板保持部を回転させることにより、前記レーザー光の強度分布を反転する、
請求項２１に記載の結晶性シリコン薄膜の形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜半導体装置の製造方法、薄膜半導体アレイ基板の製造方法、結晶性シリコン薄膜の形成方法、及び結晶性シリコン薄膜の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置又は液晶表示装置等のアクティブマトリクス駆動型の表示装置では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と呼ばれる薄膜半導体装置が用いられている。【０００３】
この種の表示装置では、薄膜トランジスタがアレイ状に配置されて薄膜トランジスタアレイ装置を構成しており、各画素には、画素を駆動するために用いられる薄膜トランジスタ（駆動トランジスタ）及び画素を選択するために用いられる薄膜トランジスタ（スイッチングトランジスタ）が形成されている。【０００４】
中でも、有機ＥＬ素子を備える自発光型の有機ＥＬ表示装置では、駆動トランジスタとスイッチングトランジスタとに要求される性能が異なっており、駆動トランジスタでは有機ＥＬ素子の駆動性能を向上させるために優れたオン特性が要求され、スイッチングトランジスタでは優れたオフ特性が要求される。【０００５】
薄膜トランジスタは、基板上に、ゲート電極、半導体層（チャネル層）、ソース電極及びドレイン電極が形成されたものであり、チャネル層としてシリコン薄膜を用いることが一般的である。シリコン薄膜は、非結晶のシリコン薄膜（アモルファスシリコン膜）と、結晶性を有するシリコン薄膜（結晶性シリコン薄膜）とに大別される。【０００６】
結晶性シリコン薄膜をチャネル層とする薄膜トランジスタは、非結晶シリコン薄膜をチャネル層とする薄膜トランジスタと比べて、キャリアの移動度が大きくオン特性に優れている。このため、駆動トランジスタのチャネル層として結晶性シリコン薄膜を用いることが知られており、例えば特許文献１に、結晶性シリコン薄膜を形成する技術が開示されている。【０００７】
特許文献１に開示された従来の結晶性シリコン薄膜の形成方法は、基板上に形成されたアモルファスシリコン膜を所定温度に設定し、所定のレーザーエネルギー密度でレーザー照射することによりアモルファスシリコン膜を多結晶化させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２３５４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、より高速駆動かつ高精細なディスプレイの要望が高まり、薄膜トランジスタのオン特性をさらなる向上が要求されている。薄膜トランジスタのオン特性を向上させる手段の一つに、結晶性シリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることが挙げられる。この場合、アモルファスシリコン膜を結晶化する際のレーザー光の最大強度を上げることが考えられる。【００１０】
しかしながら、単純にレーザー光の最大強度を上げると、その分だけ大きい出力エネルギーのレーザー光が必要となり、投入エネルギーが大きくなったり、高出力用のレーザー設備が必要になったりするという問題がある。【００１１】
また、有機ＥＬ表示装置では、上述のように駆動トランジスタとスイッチングトランジスタとに要求される特性が異なる。このため、結晶状態が異なるチャネル層を同一画素内に形成して、異なる特性を有する２種類の薄膜トランジスタを同一画素内に形成することが要求される場合がある。【００１２】
この場合、チャネル層を結晶化する際、駆動トランジスタとスイッチングトランジスタとでレーザー光の出力状態を変えてレーザー照射しようとすると、画素間のトランジスタ同士で特性のばらつきが生じたり、レーザー設備が複雑化したりするという問題もある。【００１３】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、レーザー出力エネルギーを上げることなく結晶性シリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることができる薄膜半導体装置の製造方法、薄膜半導体アレイの製造方法、結晶性シリコン薄膜の形成方法、及び結晶性シリコン薄膜の製造装置を提供することを目的とする。
【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、本発明に係る薄膜半導体装置の一態様は、基板を準備する基板準備工程と、前記基板の上方に、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記基板の上方に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記基板の上方に、ソース電極及びドレイン電極を形成するソースドレイン電極形成工程と、前記基板の上方に、シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、前記シリコン薄膜に対してレーザー光を所定の相対走査方向に相対走査させつつ、前記レーザー光を前記シリコン薄膜に照射し、前記シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜結晶化工程と、を含み、前記レーザー光は、連続発振型のレーザー光であり、前記レーザー光の強度分布は、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布であり、前記第２領域において、前記相対走査方向の後方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２は、前記相対走査方向の前方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１より大きい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法によれば、レーザー出力エネルギーを上げることなく結晶性シリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることができるので、レーザーの投入エネルギーを損なうことなく薄膜半導体装置のオン特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜の形成方法における各工程の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の結晶性シリコン薄膜の形成方法におけるシリコン薄膜結晶化工程で用いられるＣＷレーザー光の強度分布（ビームプロファイル）を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示すＣＷレーザー光における短軸方向の強度分布を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係るボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、ボトムゲート型の半導体薄膜装置の製造方法において、半値幅Ｗ１が２０μｍよりも小さい強度分布ＢＰ１を有するレーザー光を用いて結晶化したときの結晶性シリコン薄膜の表面状態を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ボトムゲート型の半導体薄膜装置の製造方法において、半値幅Ｗ１が２０μｍ以上の強度分布ＢＰ１を有するレーザー光を用いて結晶化したときの結晶性シリコン薄膜の表面状態を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係るトップゲート型の薄膜半導体装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板を模式的に示した平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法における各工程の断面図（図７のＡ−Ａ’線における断面図）である。
【図９】図９は、第１薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ１）及び第２薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ２）における非結晶のシリコン薄膜の表面温度と時間との関係を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ２）における結晶性シリコン薄膜の結晶状態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第１薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ１）における結晶性シリコン薄膜の結晶状態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１１】図１１は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるＣＷレーザー光における積分強度値Ｓ１及びＳ２を変化させて結晶性シリコン薄膜を形成したときにおいて、積分強度値の比（Ｓ２／Ｓ１）と当該結晶性シリコン薄膜を有する薄膜トランジスタの移動度μとの関係を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂ、短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１における裾広がり開始値と冷却時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様は、基板を準備する基板準備工程と、前記基板の上方に、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記基板の上方に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記基板の上方に、ソース電極及びドレイン電極を形成するソースドレイン電極形成工程と、前記基板の上方に、シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、前記シリコン薄膜に対してレーザー光を所定の相対走査方向に相対走査させつつ、前記レーザー光を前記シリコン薄膜に照射し、前記シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜結晶化工程と、を含み、前記レーザー光は、連続発振型のレーザー光であり、前記レーザー光の強度分布は、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布であり、前記第２領域において、前記相対走査方向の後方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２は、前記相対走査方向の前方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１より大きいことを特徴とする。
【００１８】
これにより、シリコン薄膜に対する冷却速度を遅くすることができるので、レーザー出力エネルギーを上げることなくシリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることができる。従って、投入エネルギーを損なうことなく、オン特性に優れた薄膜半導体装置を実現することができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、前記基板準備工程、前記ゲート電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、及び前記ソースドレイン電極形成工程は、この順で行われ、前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極の上に形成され、前記シリコン薄膜形成工程において、前記シリコン薄膜は、前記ゲート電極の上方であって前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成される、とすることができる。
【００２０】
あるいは、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、各工程は、前記基板準備工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、前記ソースドレイン電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、及び前記ゲート電極形成工程は、この順で行われ、前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成され、前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ソース電極、ドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域であって前記結晶性シリコン薄膜の上方に、連続して形成され、前記ゲート電極形成工程において、前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜の上方であって、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記結晶性シリコン薄膜の上方の領域に形成される、とすることもできる。
【００２１】
さらに、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、前記レーザー光の強度分布の半値幅は、２０〜５０μｍであることが好ましい。
【００２２】
これにより、投入エネルギーを損なうことなく、スジムラのない結晶性シリコン薄膜を形成することができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ２は、前記レーザー光の強度分布のうち、前記レーザー光の強度分布の最大強度に対して３％以上５０％未満の範囲で算出されたものであることが好ましい。
【００２４】
これにより、シリコン薄膜の結晶化時における冷却時間を向上させることができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ２は、Ｓ２＞１．５×Ｓ１を満たすことが好ましい。
【００２６】
これにより、シリコン薄膜の結晶化時における冷却時間を長くして、薄膜半導体装置の電子移動度を大きくすることができる。
【００２７】
さらに、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、前記レーザー光の強度分布は、前記相対走査方向が前記レーザー光の強度分布の短軸方向となるように成形される、としてもよい。
【００２８】
さらに、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、前記相対走査方向に対して直交方向の前記レーザー光の強度分布は、フラットである、としてもよい。ここで、前記レーザー光の強度分布がフラットな幅は、前記相対走査方向に対して直交方向の前記シリコン薄膜の形成幅以上であることが好ましい。
【００２９】
さらに、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様において、前記結晶性シリコン薄膜は、結晶粒径が３０〜３００ｎｍであるシリコン結晶粒を含む、としてもよい。さらに、前記結晶性シリコン薄膜は、すべて、結晶粒径が３０〜３００ｎｍであるシリコン結晶粒で形成されている、としてもよい。
【００３０】
また、本発明に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法の一態様は、基板を準備する基板準備工程と、前記基板の上方に、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記基板の上方に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記基板の上方に、ソース電極及びドレイン電極を形成するソースドレイン電極形成工程と、前記基板の上方に、シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、前記シリコン薄膜に対してレーザー光を所定の相対走査方向に相対走査させつつ、前記レーザー光を前記シリコン薄膜に照射し、前記シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜結晶化工程と、を含み、前記レーザー光は連続発振型のレーザー光であり、前記レーザー光の強度分布は、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の一方側と他方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の一方側と他方側とが非対称な強度分布であり、前記第２領域において、前記相対走査方向の他方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２は、前記相対走査方向の一方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１より大きく、前記相対走査は、前記一方側が前記相対走査方向の前方側となるように行うとともに、前記レーザー光の強度分布を反転させて前記他方側が前記相対走査方向の前方側となるように行うことを特徴とする。
【００３１】
これにより、レーザーの出力波形を変えることなく結晶状態が異なる結晶性シリコン薄膜を形成することができ、特性の異なる薄膜半導体装置を容易に形成することができる。
【００３２】
さらに、本発明に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法の一態様において、前記基板準備工程、前記ゲート電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、及び前記ソースドレイン電極形成工程は、この順で行われ、前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極の上に形成され、前記シリコン薄膜形成工程において、前記シリコン薄膜は、前記ゲート電極の上方であって前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成される、とすることができる。
【００３３】
あるいは、本発明に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法の一態様において、前記基板準備工程、前記シリコン薄膜形成工程、シリコン薄膜結晶化工程、前記ソースドレイン電極形成工程、前記ゲート絶縁膜形成工程、及び前記ゲート電極形成工程は、この順で行われ、前記ソースドレイン電極形成工程において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記結晶性シリコン薄膜の上方に形成され、前記ゲート絶縁膜形成工程において、前記ゲート絶縁膜は、前記ソース電極、ドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域であって前記結晶性シリコン薄膜の上方に、連続して形成され、前記ゲート電極形成工程において、前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜の上方であって、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記結晶性シリコン薄膜の上方の領域に形成される、とすることもできる。
【００３４】
さらに、本発明に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法の一態様において、前記レーザー光の強度分布の半値幅は、２０〜５０μｍであることが好ましい。
【００３５】
これにより、投入エネルギーを損なうことなく、スジムラのない結晶性シリコン薄膜を形成することができる。
【００３６】
さらに、本発明に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法の一態様において、前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ２は、Ｓ２＞１．５×Ｓ１を満たすことが好ましい。
【００３７】
これにより、シリコン薄膜の結晶化時における冷却時間を向上させることができる。
【００３８】
また、本発明に係る結晶性シリコン薄膜の形成方法の一態様は、基板を準備する基板準備工程と、前記基板の上方に、シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜形成工程と、前記シリコン薄膜に対してレーザー光を所定の相対走査方向に相対走査させつつ、前記レーザー光を前記シリコン薄膜に照射し、前記シリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成するシリコン薄膜結晶化工程と、を含み、前記レーザー光は、連続発振型のレーザー光であり、前記レーザー光の強度分布は、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布であり、前記第２領域において、前記相対走査方向の後方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値は、前記相対走査方向の前方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値より大きいことを特徴とする。
【００３９】
これにより、シリコン薄膜に対する冷却速度を遅くすることができるので、レーザー出力エネルギーを上げることなくシリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることができる。従って、投入エネルギーを損なうことなく、結晶粒径の大きな結晶性シリコン薄膜を形成することができる。
【００４０】
また、本発明に係る結晶性シリコン薄膜の形成装置の一態様は、シリコン薄膜が形成された基板を保持するための基板保持部と、前記シリコン薄膜を結晶化させるためのレーザー光を発振させるレーザー光発振部と、前記レーザー光発振部から発振させたレーザー光を、前記シリコン薄膜の所定の領域に照射させるための光学系部と、前記シリコン薄膜に照射されるレーザー光が前記シリコン薄膜に対して所定の相対走査方向に相対的に走査するように、前記基板保持部又は前記光学系部を制御するための走査制御部と、前記レーザー光を所定の強度分布に成形するレーザー光強度分布調整部と、を備え、前記レーザー光発振部は、連続発振型のレーザー光を発振し、前記レーザー光強度分布調整部は、前記レーザー光の強度分布が、前記レーザー光の最大強度から前記最大強度の１／２の強度までの第１領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが対称な強度分布であり、前記レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域においては前記最大強度を中心として前記相対走査方向の前方側と後方側とが非対称な強度分布となるように、かつ、前記第２領域において、前記相対走査方向の後方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２が、前記相対走査方向の前方側における前記レーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１より大きくなるように、前記レーザー光を成形することを特徴とする。
【００４１】
これにより、レーザー出力エネルギーを上げることなく結晶粒径が大きい結晶性シリコン薄膜を形成することができる。
【００４２】
さらに、本発明に係る結晶性シリコン薄膜の形成装置の一態様において、前記レーザー光の強度分布の半値幅は、２０〜５０μｍであることが好ましい。
【００４３】
これにより、投入エネルギーを損なうことなく、スジムラのない結晶性シリコン薄膜を形成することができる。
【００４４】
さらに、本発明に係る結晶性シリコン薄膜の形成装置の一態様において、前記積分強度値Ｓ１及び前記積分強度値Ｓ１は、Ｓ２＞１．５×Ｓ１を満たすことが好ましい。
【００４５】
これにより、シリコン薄膜の結晶化時における冷却時間を向上させることができる。
【００４６】
さらに、本発明に係る結晶性シリコン薄膜の形成装置の一態様において、前記積分強度値Ｓ２が前記相対走査方向の前方側となるように、かつ、前記積分強度値Ｓ１が前記相対走査方向の後方側となるように、前記レーザー光の強度分布を反転するレーザー光反転機構を備える、とすることができる。この場合、前記光学系部は、前記レーザー光反転機構を有し、前記光学系部は、前記レーザー光を正転出力又は反転出力させることにより、前記レーザー光の強度分布を反転する、とすることができる。あるいは、前記基板保持部は、前記レーザー光反転機構を有し、前記基板保持部は、当該基板保持部を回転させることにより、前記レーザー光の強度分布を反転する、としてもよい。
【００４７】
（実施の形態）
以下、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法、薄膜半導体アレイ基板の製造方法、結晶性シリコン薄膜の形成方法、及び、結晶性シリコン薄膜の形成装置について、図面を参照しながら説明する。
【００４８】
（結晶性シリコン薄膜の形成方法）
まず、本発明の実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜の形成方法について、図１、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜の形成方法における各工程の断面図である。図２Ａは、本発明の結晶性シリコン薄膜の形成方法におけるシリコン薄膜結晶化工程で用いられるＣＷレーザー光の強度分布（ビームプロファイル）を示す図である。図２Ｂは、図２Ａに示すＣＷレーザー光における短軸方向の強度分布を示す図である。なお、図２Ｂでは、レーザー光の最大強度を１．０としてレーザー光の強度を正規化している。
【００４９】
以下、本実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜の形成方法の各工程を順次説明する。図１（ａ）に示すように、まず、基板１０を準備する（基板準備工程）。次に、図１（ｂ）に示すように、基板１０の上方に、例えばアモルファスシリコン膜からなる非結晶のシリコン薄膜１３を形成する（シリコン薄膜形成工程）。次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン薄膜１３に対してレーザー光を照射することにより、図１（ｄ）に示すように、シリコン薄膜１３を結晶化して結晶性シリコン薄膜１５を形成する（シリコン薄膜結晶化工程）。
【００５０】
シリコン薄膜にレーザー光を照射する際、レーザー光は、シリコン薄膜１３に対して所定の相対走査方向に相対走査させながら照射する。また、本実施の形態で用いるレーザーは、連続発振型のレーザー（ＣＷレーザー）である。ＣＷレーザーは、パルスレーザーとは異なり、連続的にレーザー光が発振される。
【００５１】
より具体的に、本実施の形態におけるレーザー光は、図２Ａに示すように、短軸（Ｘ軸）方向における強度分布ＢＰ１はガウシアン分布である凸形状の分布であり、短軸方向に直交する長軸（Ｙ軸）方向における光強度分布ＢＰ２はトップフラット状の分布である。
【００５２】
短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１は、図２Ｂに示すように、レーザー光の最大強度（Ｚ＝１．０）から最大強度の１／２（Ｚ＝０．５）の強度までの第１領域Ｒ１においては、最大強度を中心として短軸方向の一方側と他方側とにおいて対称な強度分布であり、レーザー光の最大強度の１／２の強度以下の第２領域Ｒ２においては、短軸方向の一方側と他方側とにおいて非対称な強度分布である。
【００５３】
さらに、図２Ｂに示すように、短軸方向におけるレーザー光の強度分布は、非対称な光強度分布領域である第２領域Ｒ２において、最大強度を中心とした他方側におけるレーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ２（右下がり斜線のハッチング領域）は、最大強度を中心とした一方側におけるレーザー光の強度分布の積分強度値Ｓ１（右上がり斜線のハッチング領域）よりも大きくなるように成形されている。すなわち、積分強度値Ｓ２と積分強度値Ｓ１とは、Ｓ２＞Ｓ１となっている。
【００５４】
なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、Ｗ１は、レーザー光の短軸方向における強度分布ＢＰ１の半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）を表している。また、図２Ａにおいて、Ｗ２は、レーザー光の長軸方向における強度分布ＢＰ２の長軸方向の幅（フラット幅）を表している。
【００５５】
このように構成されたレーザー光は、非結晶のシリコン薄膜に照射される際、レーザー光の強度分布の短軸方向を走査方向（ＳＤ１又はＳＤ２）として非結晶のシリコン薄膜に対して相対的にビームスキャンされる。すなわち、レーザー光及びシリコン薄膜の少なくともいずれか一方を移動させることで、シリコン薄膜に対してレーザー光を相対走査させる。そして、レーザー光が照射された非結晶のシリコン薄膜は、レーザー光による熱エネルギーによってアニールされて結晶化し、結晶性シリコン薄膜となる。なお、本実施の形態で用いられるレーザーはＣＷレーザーであるので、結晶化対象の非結晶のシリコン薄膜に対して連続的にレーザー光が照射される。
【００５６】
また、本実施の形態において、非結晶のシリコン薄膜に対するレーザー光の照射は、走査方向（スキャン方向）ＳＤ１及び走査方向ＳＤ２のうち走査方向ＳＤ１が前方側（入熱側）で走査方向ＳＤ２が後方側（冷却側）となるように行われる。すなわち、レーザー光の相対走査は、積分強度値Ｓ１を構成する光強度分布が相対走査方向の前方側となるように行われるとともに、積分強度値Ｓ２を構成する光強度分布が相対走査方向の後方側となるように行われる。なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、走査方向ＳＤ１及び走査方向ＳＤ２は、互いに逆方向の走査方向を表している。
【００５７】
以上、本実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜の形成方法によれば、シリコン薄膜を結晶化する際におけるＣＷレーザー光の強度分布が、ビーム走査方向の前方側（入熱側）における光強度分布の積分強度値Ｓ１よりもビーム走査方向の後方側（冷却側）における光強度分布の積分強度値Ｓ２の方が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施の形態におけるレーザー光の強度分布は、入熱側と冷却側とで非対称の強度分布であって、冷却側に裾ダレを有するように構成されている。
【００５８】
これにより、最大強度及び半分値が同じで入熱側と冷却側とで対称の強度分布を有するレーザー光によるレーザー照射の場合と比べて、シリコン薄膜に対する冷却速度を遅くすることができ、シリコン薄膜への入熱時間を実質的に増加することができるので、レーザー出力エネルギーを上げることなくシリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることができる。従って、半値幅で決定される投入エネルギーを損なうことなく、結晶粒径の大きな結晶性シリコン薄膜を形成することができる。
【００５９】
次に、図２Ａ及び図２Ｂに示すような光強度分布を有するレーザー光を成形してシリコン薄膜を結晶化するための結晶性シリコン薄膜形成装置１００について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜形成装置の構成を示す図である。
【００６０】
図３に示すように、本実施の形態に係る結晶性シリコン薄膜形成装置１００は、ＣＷレーザー光を用いたシリコン薄膜の結晶化装置であって、基板保持部１１０と、レーザー光発振部１２０と、光学系部１３０と、走査制御部１４１及びレーザー光強度分布調整部１４２を含む制御部１４０とを備える。
【００６１】
基板保持部１１０は、結晶化対象である非結晶のシリコン薄膜が形成された基板１０を保持するステージである。レーザー光ＬＢの照射面である基板１０の表面１０Ｓには、非結晶のシリコン薄膜として、例えばアモルファスシリコン膜（非晶質シリコン膜）が形成されている。
【００６２】
レーザー光発振部１２０は、シリコン薄膜を結晶化させるためのレーザー光ＬＢを発振するレーザー光源である。本実施の形態におけるレーザー光発振部１２０には、４つの半導体レーザー装置が設けられており、各半導体レーザー装置はいずれの左右対称の単峰状の光強度分布を有するレーザー光を発振する。半導体レーザー装置としては、例えば、４０５ｎｍ〜６３２ｎｍの波長帯域であるブルーレーザー光又はグリーンレーザー光を、例えば１０〜１００μｓｅｃのマイクロセカンドオーダーで連続発振する。
【００６３】
光学系部１３０は、複数のビーム成形レンズからなり、レーザー光発振部１２０から発振させたレーザー光ＬＢを、所定の強度分布に成形するともにシリコン薄膜の所定の領域に照射させるように構成されている。本実施の形態において、光学系部１３０は、ホモジナイザー１３１、コンデンサレンズ１３２及びＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ：回折光学素子）レンズ１３３によって構成されている。なお、ビーム成形レンズとしては、長軸方向のビームプロファイルを成形するレンズと、短軸方向のビームプロファイルを成形するレンズとを別々に設けても構わない。
【００６４】
制御部１４０において、走査制御部１４１は、シリコン薄膜に照射するレーザー光ＬＢがシリコン薄膜に対して相対的にビームスキャンされるように、基板保持部１１０又は光学系部１３０を制御する。本実施の形態における走査制御部１４１は、図３に示すように、基板保持部１１０を所定の位置に移動するように制御する。
【００６５】
また、レーザー光強度分布調整部１４２は、所定の強度分布となるようにレーザー光ＬＢを成形する。本実施の形態におけるレーザー光強度分布調整部１４２は、光学系部１３０を構成するレンズを調整することによりレーザー光発振部１２０から発振されたレーザー光ＬＢを成形し、図２Ａ及び図２Ｂに示すような光強度分布を有するレーザー光ＬＢとなるようにビーム成形する。
【００６６】
なお、結晶性シリコン薄膜形成装置１００は、その他に、ミラーや集光レンズ等の光学部品を備えていてもよいし、レーザー光のビームプロファイルを測定するためのビームビームプロファイラーを備えていてもよい。ビームプロファイラーによってビームプロファイルを測定することにより、この測定結果に基づいて、シリコン薄膜に照射するレーザー光が所望の光強度分布となるように、レーザー光強度分布調整部１４２によって光学系部１３０のレンズの位置等を調整することができる。
【００６７】
（薄膜半導体装置の製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法について説明する。本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板を準備する工程（基板準備工程）と、基板の上方にゲート電極を形成する工程（ゲート電極形成工程）と、基板の上方にゲート絶縁膜を形成する工程（ゲート絶縁膜形成工程）と、基板の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する工程（ソースドレイン電極形成工程）と、基板の上方にシリコン薄膜を形成する工程（シリコン薄膜形成工程）と、レーザー光を照射することにより基板に形成されたシリコン薄膜を結晶化して結晶性シリコン薄膜を形成する工程（シリコン薄膜結晶化工程）とを含む。
【００６８】
シリコン薄膜結晶化工程は、上述の結晶性シリコン薄膜の形成方法におけるシリコン薄膜結晶化工程と同様の方法によって行うことができる。なお、シリコン薄膜結晶化工程によって得られる結晶性シリコン薄膜は、薄膜半導体装置のチャネル層となる。
【００６９】
また、薄膜半導体装置には、ボトムゲート型とトップゲート型の２種類の構造がある。ボトムゲート型の薄膜半導体装置は、層構成が、下から順に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、チャネル層（シリコン半導体膜）となっている。一方、トップゲート型の薄膜半導体装置は、層構成が、下から順に、チャネル層、ゲート絶縁膜、ゲート電極となっている。以下、ボトムゲート型及びトップゲート型の各薄膜半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００７０】
（ボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法）
まず、本発明の実施の形態に係るボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態に係るボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法における各工程の断面図である。
【００７１】
図４（ａ）に示すように、まず、基板１０を準備する（基板準備工程）。基板１０としては、例えば、ガラス基板を用いることができる。なお、その後、基板１０上に、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるアンダーコート膜を形成してもよい。
【００７２】
次に、図４（ｂ）に示すように、基板１０の上方に、ゲート電極１１をパターン形成する（ゲート電極形成工程）。例えば、基板１０の上方の全面にモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等のゲート金属膜をスパッタによって成膜し、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、ゲート金属膜をパターニングして所定形状のゲート電極１１を形成する。
【００７３】
次に、図４（ｃ）に示すように、基板１０の上方に、ゲート絶縁膜１２を形成する（ゲート絶縁膜形成工程）。例えば、ゲート電極１１を覆うようにして、基板１０の上方の全面に、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるゲート絶縁膜１２をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【００７４】
次に、図４（ｄ）に示すように、基板１０の上方に、非結晶のシリコン薄膜１３を形成する（シリコン薄膜形成工程）。例えば、ゲート絶縁膜１２上に、非結晶のシリコン薄膜１３としてアモルファスシリコン膜（非晶質シリコン薄膜）をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【００７５】
次に、図４（ｅ）に示すように、シリコン薄膜１３に対してレーザー光を相対走査させつつ、レーザー光をシリコン薄膜１３の所定領域に照射することにより、シリコン薄膜１３を結晶化して結晶性シリコン薄膜１５を形成する（シリコン薄膜結晶化工程）。この工程は、上述の結晶性シリコン薄膜の形成方法におけるシリコン薄膜結晶化工程と同様の方法によって行う。
【００７６】
具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示すような光強度分布を有するＣＷレーザー光を、シリコン薄膜１３に対してマイクロセカンドオーダーにて照射する。また、図４の紙面奥行き方向に向かってレーザースキャンされるように、レーザー光の照射は、図２Ａ及び図２Ｂに示される走査方向ＳＤ１及び走査方向ＳＤ２のうち走査方向ＳＤ１が前方側（入熱側）で走査方向ＳＤ２が後方側（冷却側）となるように行う。すなわち、レーザー光の相対走査は、相対走査方向がレーザー光の強度分布の短軸方向となるように行われるとともに、積分強度値Ｓ１を構成する光強度分布が相対走査方向の前方側となるように、かつ、積分強度値Ｓ２を構成する光強度分布が相対走査方向の後方側となるように行われる。これにより、レーザー照射されたシリコン薄膜は加熱され結晶化し、結晶性シリコン薄膜１５となる。
【００７７】
その後、図示しないが、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、非結晶のシリコン薄膜１３及び結晶性シリコン薄膜１５を選択的にパターニングすることにより、結晶性シリコン薄膜１５を島状にパターン形成する。
【００７８】
次に、図４（ｆ）に示すように、プラズマＣＶＤ等によってアモルファスシリコン膜を成膜し、当該アモルファスシリコン膜にリン等の不純物をドーピングして、コンタクト層１７となる不純物ドープのｎ＋層を形成する。その後、同図に示すように、コンタクト層１７の上に、例えばＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造のソースドレイン金属膜１８をスパッタによって成膜する。
【００７９】
次に、図４（ｇ）に示すように、基板１０の上方に、ソース電極１９及びドレイン電極２０を形成する（ソースドレイン電極形成工程）。例えば、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、ソースドレイン金属膜１８をパターニングすることにより、対向する一対のソース電極１９及びドレイン電極２０を形成する。
【００８０】
その後、ソースドレイン金属膜１８をパターニングするときのレジストを残したまま、ドライエッチングを施すことにより、コンタクト層１７を分離して対向する一対のコンタクト層１７を形成する。これにより、図４（ｇ）に示すように、ボトムゲート型の薄膜半導体装置を製造することができる。
【００８１】
以上、本実施の形態に係るボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法によれば、チャネル層となるシリコン薄膜を結晶化する際におけるＣＷレーザー光の強度分布が、ビーム走査方向の前方側（入熱側）における光強度分布の積分強度値Ｓ１よりもビーム走査方向の後方側（冷却側）における光強度分布の積分強度値Ｓ２の方が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施の形態におけるレーザー光の強度分布は、入熱側と冷却側とで非対称の強度分布であって、冷却側に裾ダレを有するように構成されている。
【００８２】
これにより、最大強度及び半分値が同じで入熱側と冷却側とで対称の強度分布を有するレーザー光によるレーザー照射の場合と比べて、シリコン薄膜に対する冷却速度を遅くすることができるので、レーザー出力エネルギーを上げることなくシリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることができる。従って、投入エネルギーを損なうことなく、結晶粒径の大きな結晶性シリコン薄膜からなるチャネル層を形成することができ、オン特性に優れた薄膜半導体装置を製造することができる。
【００８３】
また、本実施の形態に係る半導体薄膜装置の製造方法においては、図２Ａ及び図２Ｂに示される強度分布を有するレーザー光を用いるが、短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１の半値幅Ｗ１は、２０〜５０μｍとすることが好ましい。この点について、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。
【００８４】
ここで、図５Ａは、ボトムゲート型の半導体薄膜装置の製造方法において、半値幅Ｗ１が２０μｍよりも小さい強度分布ＢＰ１を有するレーザー光を用いて結晶化したときの結晶性シリコン薄膜の表面状態を示す図である。また、図５Ｂは、半値幅Ｗ１が２０μｍ以上の強度分布ＢＰ１を有するレーザー光を用いて結晶化したときの結晶性シリコン薄膜の表面状態を示す図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいては、入熱側が積分強度値Ｓ１で冷却側が積分強度値Ｓ２となるように、図２Ａ及び図２Ｂに示される走査方向ＳＤ１を走査方向としてレーザー照射した。
【００８５】
図５Ａに示すように、半値幅Ｗ１が２０μｍよりも小さい強度分布ＢＰ１を有するレーザー光を用いて結晶化した場合、結晶性シリコン薄膜１５の表面に、走査方向に対して直交する方向に延びるスジムラ１５Ａが発生することが分かった。これに対し、図５Ｂに示すように、半値幅Ｗ１が２０μｍ以上の強度分布ＢＰ１を有するレーザー光を用いて結晶化した場合、結晶性シリコン薄膜１５の表面には上記のようなスジムラは発生せず、良好な表面状態の結晶性シリコン薄膜を形成することができた。
【００８６】
また、レーザー光の強度分布ＢＰ１の半値幅Ｗ１が５０μｍを超えると、レーザー光のエネルギー効率が低下してしまうことが分かった。
【００８７】
従って、短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１の半値幅Ｗ１は、２０〜５０μｍとすることが好ましい。
【００８８】
また、本実施の形態におけるシリコン薄膜結晶化工程において、Ｙ軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ２におけるフラット幅は、シリコン薄膜１３のうちチャネル層となる部分のシリコン薄膜１３の幅（相対走査方向に対して直交する方向のシリコン薄膜の形成幅）以上とすることが好ましい。
【００８９】
また、シリコン薄膜結晶化工程において形成される結晶性シリコン薄膜には、結晶粒径が３０〜３００ｎｍであるシリコン結晶粒が含まれている。
【００９０】
結晶化時のシリコン薄膜の温度が、ＳＰＣ（Ｓｏｌｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）と呼ばれるアモルファスシリコン膜の融点以下の温度範囲（６００℃〜１１００℃）の場合、シリコン薄膜は固相成長により結晶化して、平均結晶粒径が２５ｎｍ〜３５ｎｍ程度の結晶組織を有する結晶性シリコン薄膜となる。
【００９１】
また、結晶化時のシリコン薄膜の温度が、Ｅｘ（Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ  Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）と呼ばれるアモルファスシリコンの融点以上シリコンの融点以下の温度範囲（１１００℃〜１４１４℃）の場合、シリコン薄膜は過冷却液体状態を経て結晶化して、平均結晶粒径が４０ｎｍ〜６０ｎｍ程度の結晶組織を有する結晶性シリコン薄膜となる。
【００９２】
また、結晶化時のシリコン薄膜の温度が、溶融範囲と呼ばれるシリコンの融点以上の温度範囲（１４１４℃以上）の場合、シリコン薄膜は溶融して冷却することで結晶化して、平均結晶粒径が６０ｎｍ〜１μｍ程度の結晶組織を有する多結晶シリコンである結晶性シリコン薄膜となる。
【００９３】
本実施の形態におけるシリコン薄膜結晶化工程では、少なくとも結晶粒径が３０〜３００ｎｍのシリコン結晶粒が含まれる結晶性シリコン薄膜を形成することができる。また、本実施の形態では、このように、本実施の形態では、結晶粒径が３０〜３００ｎｍのシリコン結晶粒が含まれる混晶の結晶性シリコン薄膜を形成することもできるし、シリコン結晶粒の全てが３０〜３００ｎｍの結晶粒径となるような結晶性シリコン薄膜を形成することもできる。
【００９４】
（トップゲート型の薄膜半導体装置の製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係るトップゲート型の薄膜半導体装置の製造方法について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態に係るトップゲート型の薄膜半導体装置の製造方法における各工程の断面図である。
【００９５】
図６（ａ）に示すように、まず、基板１０を準備する（基板準備工程）。基板１０としては、例えば、ガラス基板を用いることができる。
【００９６】
次に、図６（ｂ）に示すように、基板１０上に、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるアンダーコート膜２１を形成する。その後、同図に示すように、基板１０の上方に、非結晶のシリコン薄膜１３を形成する（シリコン薄膜形成工程）。例えば、アンダーコート膜２１の上に、非結晶のシリコン薄膜１３としてアモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【００９７】
次に、図６（ｃ）に示すように、シリコン薄膜１３に対してレーザー光を相対走査させつつ、レーザー光をシリコン薄膜１３の所定領域に照射することにより、シリコン薄膜１３を結晶化して結晶性シリコン薄膜１５を形成する（シリコン薄膜結晶化工程）。この工程は、上述の結晶性シリコン薄膜の形成方法におけるシリコン薄膜結晶化工程と同様の方法、すなわち、図４（ｅ）に示すようにボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法におけるシリコン薄膜結晶化工程と同様の方法よって行う。
【００９８】
具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示すような光強度分布を有するＣＷレーザー光を、シリコン薄膜１３に対してマイクロセカンドオーダーにて照射する。また、図６の紙面奥行き方向に向かってレーザースキャンされるように、レーザー光の照射は、図２Ａ及び図２Ｂに示される走査方向ＳＤ１及び走査方向ＳＤ２のうち走査方向ＳＤ１が前方側（入熱側）で走査方向ＳＤ２が後方側（冷却側）となるように行う。すなわち、レーザー光の相対走査は、相対走査方向がレーザー光の強度分布の短軸方向となるように行われるとともに、積分強度値Ｓ１を構成する光強度分布が相対走査方向の前方側となるように、かつ、積分強度値Ｓ２を構成する光強度分布が相対走査方向の後方側となるように行われる。これにより、レーザー照射されたシリコン薄膜は加熱され結晶化し、結晶性シリコン薄膜１５となる。
【００９９】
次に、図６（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、非結晶のシリコン薄膜１３及び結晶性シリコン薄膜１５を選択的にパターニングすることにより、結晶性シリコン薄膜１５を島状にパターン形成する。
【０１００】
その後、同図に示すように、基板１０の上方に、ゲート絶縁膜１２を形成する（ゲート絶縁膜形成工程）。例えば、結晶性シリコン薄膜１５を覆うようにして、基板１０の上方の全面に、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるゲート絶縁膜１２をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【０１０１】
次に、図６（ｅ）に示すように、基板１０の上方に、ゲート電極１１をパターン形成する（ゲート電極形成工程）。例えば、基板１０の上方の全面にモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等のゲート金属膜をスパッタによって成膜し、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことによりゲート金属膜をパターニングして、結晶性シリコン薄膜１５の上方にゲート絶縁膜１２を介して所定形状のゲート電極１１を形成する。
【０１０２】
次に、図６（ｆ）に示すように、ゲート電極１１をマスクとして結晶性シリコン薄膜１５の両端部に不純物をライトドープすることにより、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域２２を形成する。
【０１０３】
次に、図６（ｇ）に示すように、基板１０の上方に、パッシベーション膜２３を形成する。例えば、ゲート電極１１及びゲート絶縁膜１２を覆うようにして、基板１０の上方の全面に、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるパッシベーション膜２３をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。その後、同図に示すように、ＬＤＤ領域２２を露出させるようにパッシベーション膜２３にコンタクトホールを形成する。
【０１０４】
次に、図６（ｈ）に示すように、パッシベーション膜２３のコンタクトホールを埋めるように、パッシベーション膜２３上に一対のソース電極１９及びドレイン電極２０を形成する。これにより、図６（ｈ）に示すように、トップゲート型の薄膜半導体装置を製造することができる。
【０１０５】
以上、本実施の形態に係るトップゲート型の薄膜半導体装置の製造方法によれば、上述のボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法と同様に、チャネル層となるシリコン薄膜を結晶化する際におけるＣＷレーザー光の強度分布が、ビーム走査方向の前方側（入熱側）における光強度分布の積分強度値Ｓ１よりもビーム走査方向の後方側（冷却側）における光強度分布の積分強度値Ｓ２の方が大きくなるように構成されている。
【０１０６】
これにより、上述のボトムゲート型の薄膜半導体装置の製造方法と同様に、シリコン薄膜に対する冷却速度を遅くすることができるので、レーザー出力エネルギーを上げることなくシリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることができる。従って、投入エネルギーを損なうことなく、結晶粒径の大きな結晶性シリコン薄膜からなるチャネル層を形成することができ、オン特性に優れた薄膜半導体装置を製造することができる。
【０１０７】
なお、トップゲート型の薄膜半導体装置においても、上述のボトムゲート型の薄膜半導体装置の場合と同様に、短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１の半値幅Ｗ１は、２０〜５０μｍとすることが好ましい。また、トップゲート型の薄膜半導体装置においても、シリコン薄膜結晶化工程において、Ｙ軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ２におけるフラット幅は、シリコン薄膜１３のうちチャネル層となる部分のシリコン薄膜１３の幅（相対走査方向に対して直交する方向のシリコン薄膜の形成幅）以上とすることが好ましい。また、トップゲート型の薄膜半導体装置においても、少なくとも結晶粒径が３０〜３００ｎｍのシリコン結晶粒が含まれる結晶性シリコン薄膜を形成することができるし、シリコン結晶粒の全てが３０〜３００ｎｍの結晶粒径となるような結晶性シリコン薄膜を形成することもできる。
【０１０８】
（薄膜半導体アレイ基板の製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法について、図７及び図８を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板を模式的に示した平面図である。図８は、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法における各工程の断面図であり、図７のＡ−Ａ’線における断面図である。なお、本実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法においては、ボトムゲート型の薄膜半導体装置を形成する場合について説明するが、トップゲート型の薄膜半導体装置にも適用することができる。
【０１０９】
図７に示すように、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板は、複数の薄膜トランジスタ（薄膜半導体装置）が形成されたＴＦＴアレイ基板であって、マトリクス状に配置された複数の画素を備える。画素は、行方向に配線されたゲート配線と列方向に配線されたソース配線とによって区画されており、１つの画素（単位画素）には、駆動トランジスタＤＴｒ及びスイッチングトランジスタＳＴｒが形成されている。なお、本実施の形態において、薄膜半導体アレイ基板上には有機ＥＬ素子が形成され、駆動トランジスタＤＴｒは有機ＥＬ素子を駆動するための薄膜トランジスタであり、スイッチングトランジスタＳＴｒは、ソース配線から映像信号を当該画素に供給することを選択するための薄膜トランジスタとして機能する。
【０１１０】
本実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法では、図７（ａ）示すように、まず、基板１０を準備する（基板準備工程）。基板１０としては、例えば、ガラス基板を用いることができる。なお、上述のように、基板１０上にはアンダーコート膜を形成してもよい。
【０１１１】
次に、図８（ｂ）に示すように、基板１０の上方に、駆動トランジスタＤＴｒの第１ゲート電極１１ａ及びスイッチングトランジスタＳＴｒの第２ゲート電極１１ｂをパターン形成する（ゲート電極形成工程）。例えば、基板１０の上方の全面にモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等のゲート金属膜をスパッタによって成膜し、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、ゲート金属膜をパターニングして所定形状の第１ゲート電極１１ａ及び第２ゲート電極１１ｂを形成する。
【０１１２】
次に、図８（ｃ）に示すように、基板１０の上方に、ゲート絶縁膜１２を形成する（ゲート絶縁膜形成工程）。例えば、第１ゲート電極１１ａ及び第２ゲート電極１１ｂを覆うようにして、基板１０の上方の全面に、二酸化シリコン等の絶縁膜からなるゲート絶縁膜１２をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【０１１３】
次に、図８（ｄ）に示すように、基板１０の上方に、非結晶のシリコン薄膜１３を形成する（シリコン薄膜形成工程）。例えば、ゲート絶縁膜１２上に、アモルファスシリコン膜（非晶質シリコン薄膜）をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。
【０１１４】
次に、図８（ｅ）に示すように、シリコン薄膜１３に対してレーザー光を相対走査させつつ、駆動トランジスタＤＴｒのチャネル層に対応するシリコン薄膜１３の所定の領域にレーザー光を照射することにより、シリコン薄膜１３を結晶化して結晶性シリコン薄膜（第１結晶性シリコン薄膜）１５を形成する（第１シリコン薄膜結晶化工程）。
【０１１５】
具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示すような光強度分布を有するＣＷレーザー光を、シリコン薄膜１３に対してマイクロセカンドオーダーにて照射する。また、図７の紙面奥行き方向に向かってレーザースキャンされるように、レーザー光の照射は、図２Ａ及び図２Ｂに示される走査方向ＳＤ１及び走査方向ＳＤ２のうち走査方向ＳＤ１が前方側（入熱側）で走査方向ＳＤ２が後方側（冷却側）となるように行う。すなわち、レーザー光の相対走査は、相対走査方向がレーザー光の強度分布の短軸方向となるように行われるとともに、積分強度値Ｓ１を構成する光強度分布が相対走査方向の前方側となるように、かつ、積分強度値Ｓ２を構成する光強度分布が相対走査方向の後方側となるように行われる。
【０１１６】
そして、本実施の形態では、図７に示すように、基板の行方向の一方端であるレーザー光の走査開始端から基板の行方向の他方端である走査終端まで、行方向に沿ってレーザー照射が行われる。これにより、レーザー照射された部分のシリコン薄膜は順次加熱されて結晶化し、帯状の結晶性シリコン薄膜１５が形成される。
【０１１７】
次に、図８（ｆ）に示すように、スイッチングトランジスタＳＴｒのチャネル層に対応するシリコン薄膜１３の所定の領域にレーザー光を照射することにより、シリコン薄膜１３を結晶化して結晶性シリコン薄膜（第２結晶性シリコン薄膜）１６を形成する（第２シリコン薄膜結晶化工程）。本実施の形態では、走査方向の冷却側におけるレーザー光の強度分布の積分強度値が、走査方向の入熱側におけるレーザー光の強度分布の積分強度値より大きくなるように、走査方向に対するレーザー光の強度分布を反転させる。
【０１１８】
具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示すような光強度分布を有するＣＷレーザー光を用いてレーザー照射するが、レーザー光の照射は、図８の紙面手前方向に向かってレーザースキャンされるように、走査方向ＳＤ１及び走査方向ＳＤ２のうち走査方向ＳＤ２が前方側（入熱側）で走査方向ＳＤ１が後方側（冷却側）となるように行う。すなわち、レーザー光の相対走査は、相対走査方向がレーザー光の強度分布の短軸方向となるように行われるとともに、積分強度値Ｓ２を構成する光強度分布が相対走査方向の前方側となるように、かつ、積分強度値Ｓ１を構成する光強度分布が相対走査方向の後方側となるように行う。
【０１１９】
そして、本実施の形態では、図７に示すように、上述のように、基板の行方向の他方端である走査終端までレーザー照射を行った後、引き続き、当該走査終端を新たな走査開始端として走査させ、基板の行方向の他方端であるレーザー光の走査開始端から基板の行方向の一方端である走査終端まで、行方向に沿ってレーザー照射が行われる。これにより、レーザー照射されたシリコン薄膜は順次加熱されて結晶化して、帯状の結晶性シリコン薄膜１６が形成される。
【０１２０】
以降、図７に示すように、基板の行方向の一方端から他方端までのレーザースキャンである第１シリコン薄膜結晶化工程と、基板の行方向の他方端から一方端までのレーザースキャンである第２シリコン薄膜結晶化工程とを列方向に交互に繰り返すことによって、基板上の全画素におけるチャネル層に対応する結晶性シリコン薄膜を形成する。
【０１２１】
その後、図示しないが、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、非結晶のシリコン薄膜１３と結晶性シリコン薄膜１５及び１６とを選択的にパターニングすることにより、各画素において結晶性シリコン薄膜１５及び１６を島状にパターン形成する。
【０１２２】
次に、図８（ｇ）に示すように、プラズマＣＶＤ等によってアモルファスシリコン膜を成膜し、当該アモルファスシリコン膜にリン等の不純物をドーピングして、コンタクト層１７となる不純物ドープのｎ＋層を形成する。その後、同図に示すように、コンタクト層１７の上に、例えばＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造のソースドレイン金属膜１８をスパッタによって成膜する。
【０１２３】
次に、図８（ｈ）に示すように、基板１０の上方に、一対の第１ソース電極１９ａ及び第１ドレイン電極２０ａと、一対の第２ソース電極１９ｂ及び第２ドレイン電極２０ｂとを形成する（ソースドレイン電極形成工程）。例えば、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングを施すことにより、ソースドレイン金属膜１８をパターニングすることにより、第１ソース電極１９ａ及び第１ドレイン電極２０ａと第２ソース電極１９ｂ及び第２ドレイン電極２０ｂとを形成する。
【０１２４】
その後、ソースドレイン金属膜１８をパターニングするときのレジストを残したまま、ドライエッチングを施すことにより、コンタクト層１７を分離して対向する一対のコンタクト層１７を形成する。これにより、駆動トランジスタＤＴｒ及びスイッチングトランジスタＳＴｒを備える本発明の実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板を製造することができる。
【０１２５】
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法によれば、駆動トランジスタＤＴｒのチャネル層となるシリコン薄膜を結晶化する際におけるＣＷレーザー光の強度分布は、ビーム走査方向の前方側（入熱側）における光強度分布の積分強度値Ｓ１よりもビーム走査方向の後方側（冷却側）における光強度分布の積分強度値Ｓ２の方が大きくなるように構成されている。すなわち、入熱側と冷却側とで非対称の強度分布であって、冷却側に裾ダレを有するように構成されている。
【０１２６】
一方、スイッチングトランジスタＳＴｒのチャネル層となるシリコン薄膜を結晶化する際におけるＣＷレーザー光の強度分布は、駆動トランジスタＤＴｒにおけるシリコン薄膜の結晶化の際のＣＷレーザー光と同じ光強度分布であるが、ビームスキャン方向を反転させて、ビーム走査方向の後方側（冷却側）における光強度分布の積分強度値Ｓ１よりもビーム走査方向の前方側（入熱側）における光強度分布の積分強度値Ｓ２の方が大きくなるように構成されている。すなわち、入熱側に裾ダレを有するように構成されている。
【０１２７】
このように、本実施の形態では、駆動トランジスタＤＴｒに対応するシリコン薄膜に対しては、図２Ａ及び図２Ｂに示す走査方向ＳＤ１の方向にレーザー光をスキャンし、スイッチングトランジスタＳＴｒに対応するシリコン薄膜に対しては、図２Ａ及び図２Ｂに示す走査方向ＳＤ２の方向にレーザー光をスキャンする。これにより、駆動トランジスタＤＴｒに対応するシリコン薄膜については冷却速度を遅くして結晶性シリコン薄膜１５の結晶粒径を大きくすることができる。一方、スイッチングトランジスタＳＴｒに対応するシリコン薄膜については冷却速度が遅くならないので、結晶性シリコン薄膜１６の結晶粒径は結晶性シリコン薄膜１５よりも小さくすることができる。
【０１２８】
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法によれば、図２Ａ及び図２Ｂに示される強度分布を有するＣＷレーザー光を用いて走査方向を打ち分けることにより、レーザーの出力波形を変えることなく結晶状態（結晶粒径）の異なる結晶性シリコン薄膜を容易に形成することができる。従って、ＴＦＴ特性の異なる薄膜半導体装置を備える薄膜半導体アレイ基板を容易に製造することができる。
【０１２９】
また、本実施の形態に係る薄膜半導体アレイ基板の製造方法において、ビームスキャン方向の反転は、図３に示す結晶性シリコン薄膜形成装置１００を用いて行うことができる。この場合、図示しないが、結晶性シリコン薄膜形成装置１００は、シリコン薄膜に対するレーザー光の強度分布が反転するようにビームスキャン方向を反転させるレーザー光反転機構を備える。
【０１３０】
例えば、図３に示される光学系部１３０がレーザー光反転機構を有するように構成することができる。この場合、光学系部１３０は、レーザー光を正転出力又は反転出力させることができるように構成されており、光学系部１３０によってレーザー光を正転出力又は反転出力させることによってレーザー光の強度分布を反転させることができる。
【０１３１】
また、図３に示される基板保持部１１０がレーザー光反転機構を有するように構成することもできる。この場合、基板保持部１１０に１８０度向きを変更することができる駆動機構が設けられており、基板保持部１１０を１８０度回転させることによってレーザー光の強度分布を反転させることができる。
【０１３２】
次に、図２Ａ及び図２Ｂに示される強度分布を有するＣＷレーザー光を用いてレーザーの走査方向を逆にして結晶性シリコン薄膜を形成した場合における第１及び第２薄膜トランジスタを作製したので、この第１及び第２薄膜トランジスタについて説明する。ここで、第１薄膜トランジスタは、図２Ａ及び図２Ｂにおいて冷却側に裾ダレ（積分強度値Ｓ２）を有するように走査方向ＳＤ１に走査して結晶化した結晶性シリコン薄膜１５を有する。また、第２薄膜トランジスタは、入熱側に裾ダレを有するように走査方向ＳＤ２に走査して結晶化した結晶性シリコン薄膜１６を有する。すなわち、第１薄膜トランジスタ及び第２薄膜トランジスタは、それぞれ上述の駆動トランジスタＤｔｒ及びスイッチングトランジスタＳＴｒに対応させることができる。
【０１３３】
まず、第１薄膜トランジスタ及び第２薄膜トランジスタにおいて非結晶のシリコン薄膜を結晶化する際の表面温度と時間との関係について、図９を用いて説明する。図９は、第１薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ１）及び第２薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ２）における非結晶のシリコン薄膜の表面温度と時間との関係を示す図である。
【０１３４】
図９に示すように、冷却側に裾ダレを有するように走査して結晶化した結晶性シリコン薄膜を有する第１薄膜トランジスタは、逆方向に走査して結晶化した結晶性シリコン薄膜を有する第２薄膜トランジスタに対して、冷却速度を遅くできることが分かる。これにより、第１薄膜トランジスタの結晶性シリコン薄膜の方が第２薄膜トランジスタの結晶性シリコン薄膜よりも結晶粒径が大きくなると考えられる。
【０１３５】
また、第１薄膜トランジスタ及び第２薄膜トランジスタにおいて結晶性シリコン薄膜の結晶状態について、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａは、第２薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ２）における結晶性シリコン薄膜の結晶状態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１０Ｂは、第１薄膜トランジスタ（走査方向ＳＤ１）における結晶性シリコン薄膜の結晶状態を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【０１３６】
図１０Ａに示すように、第２薄膜トランジスタにおける結晶性シリコン薄膜１６は、結晶粒径１６ｃの複数の結晶粒（結晶粒子）１６ａによって構成されており、結晶粒１６ａの境界は結晶粒界１６ｂを形成している。同様に、図１０Ｂに示すように、第１薄膜トランジスタにおける結晶性シリコン薄膜１５は、結晶粒径１５ｃの複数の結晶粒（結晶粒子）１５ａによって構成されており、結晶粒１５ａの境界は結晶粒界１５ｂを形成している。
【０１３７】
ここで、電子（ｅ）が複数の結晶粒１５ａ（１６ａ）を通過する場合、結晶粒間に存在する結晶粒界１５ｂ（１６ｂ）を通過することになり、結晶粒界１５ｂ（１６ｂ）の数は結晶粒１５ａ（１６ａ）の数に比例する。結晶粒界１５ｂ（１６ｂ）は結晶欠陥であるため、結晶粒界１５ｂ（１６ｂ）において電子（ｅ）が捕獲されやすい。従って、結晶粒径１５ｃ（１６ｃ）が大きい程、結晶粒界１５ｂ（１６ｂ）の数が少なくなって電子（ｅ）が捕獲される確率が減少し、電子（ｅ）の移動度は向上する。
【０１３８】
ここで、アモルファスシリコン膜が結晶成長する際のメカニズムは、結晶核が生成され、この結晶核からの結晶成長により行われる。すなわち、シリコン薄膜の固相成長においては、活性化エネルギー（自由エネルギー）の増加に伴ってアモルファスシリコン膜中で結晶核が形成され、この結晶核から結晶が成長する。このとき、結晶粒径ｇは、シリコンの結晶核生成の活性化エネルギーＥｎと、結晶成長速度の活性化エネルギーＥｇにより、次の式で表すことができる。なお、ｋはボルツマン係数、Ｔは絶対温度である。
【０１３９】
ｇ∝ｅｘｐ［（Ｅｎ−Ｅｇ）／３ｋＴ］
従って、熱処理温度を下げると結晶粒径ｇは大きくなり熱処理時間が大きく増加することから、熱処理時間の増加に伴って結晶粒径ｇが大きくなると考えられる。従って、溶融シリコンにおける冷却時間の増加によって結晶粒径ｇを大きくすることができ、これにより結晶粒界が減少して電子の移動度を向上させることができる。
【０１４０】
従って、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、第１薄膜トランジスタにおける結晶性シリコン薄膜１６よりも第２薄膜トランジスタにおける結晶性シリコン薄膜１５の方が結晶粒界も少なく結晶粒径も小さいので、図１０Ａに示すように、第１薄膜トランジスタにおける結晶性シリコン薄膜１６中を電子（ｅ）が移動する場合よりも、図１０Ｂに示すように、第２薄膜トランジスタにおける結晶性シリコン薄膜１５中を電子（ｅ）が移動する場合の方が、電子（ｅ）の移動度が大きくなる。
【０１４１】
実際に作製した第１薄膜トランジスタ及び第２薄膜トランジスタの電子移動度を求めると、第１薄膜トランジスタの移動度μは、２８．７（ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ）であり、第２薄膜トランジスタの移動度μは、２３．７（ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ）であり、第１薄膜トランジスタの方が第２薄膜トランジスタよりも移動度が大きいことが分かった。なお、レーザー光の出力は８０（ｋＷ／ｃｍ２）とし、レーザーの走査速度は３８０（ｍｍ／ｓ）とした。
【０１４２】
次に、図２Ａ及び図２Ｂに示されるＣＷレーザー光における積分強度値Ｓ１及びＳ２と、結晶性シリコン薄膜１５（走査方向ＳＤ１）を有する薄膜トランジスタの移動度μとの関係について、図１１を用いて説明する。図１１は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるＣＷレーザー光における積分強度値Ｓ１及びＳ２を変化させて結晶性シリコン薄膜を形成したときにおいて、積分強度値の比（Ｓ２／Ｓ１）と当該結晶性シリコン薄膜を有する薄膜トランジスタの移動度μとの関係を示す図である。なお、図１１では、光強度分布が対称である場合のレーザー光（積分強度値Ｓ２／Ｓ１＝１．００）を用いて形成したときにおける薄膜トランジスタの移動度μを基準（１．００）にしている。
【０１４３】
図１１に示すように、シリコン薄膜の結晶化時における冷却時間を長くして移動度μを大きくするためには、Ｓ２／Ｓ１＞１．５０、すなわち積分強度値Ｓ１と積分強度値Ｓ２とは、Ｓ２＞１．５０×Ｓ１とすることが好ましい。Ｓ２＞１．５０×Ｓ１とすることで、移動度μを顕著に増加させることができる。
【０１４４】
次に、図２Ａ及び図２Ｂに示されるＣＷレーザー光の領域Ｒ２における裾広がり開始値と冷却時間との関係との関係について、図１２Ａ及び図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａは、短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１を示す図であり、非対称の強度分布の開始位置を示す裾広がり開始値Ｘ（％）と、入熱側と冷却側とにおける裾広がり距離の差ｄ２（μｍ）を示している。また、図１２Ｂは、短軸方向におけるレーザー光の強度分布ＢＰ１における裾広がり開始値Ｘ（％）と冷却時間（ｓｅｃ）との関係を示す図である。なお、図１２Ｂでは、ｄ２＝２０μｍの場合とｄ２＝４０μｍの場合とにおける関係をそれぞれ示している。
【０１４５】
図１２Ｂに示すように、シリコン薄膜の結晶化時における冷却時間を１０％向上させるためには、裾広がり開始値Ｘは３．０％以上にする必要がある。また、半値幅Ｗ１で決定される投入エネルギー（エネルギー密度）を同じにするために、裾広がり開始値Ｘは５０．０％以下とする必要がある。従って、冷却側の裾広がり開始値Ｘ（％）は、３．０％〜５０％とすることが好ましい。
【０１４６】
以上、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法、薄膜半導体アレイ基板の製造方法、結晶性シリコン薄膜の形成方法及び結晶性シリコン薄膜の形成装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１４７】
例えば、本実施の形態によって製造される薄膜半導体装置又は薄膜半導体アレイ基板は、有機ＥＬ表示装置又は液晶表示装置等の表示装置に用いることができる。また、当該表示装置については、フラットパネルディスプレイとして利用することができ、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ又は携帯電話などの電子機器に適用することができる。
【０１４８】
また、本実施の形態によって製造される結晶化シリコン薄膜は、薄膜半導体装置だけではなく、太陽電池又はセンサ等の電子デバイスにも用いることができる。
【０１４９】
なお、その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明に係る結晶性シリコン薄膜の形成方法及び結晶性シリコン薄膜の形成装置は、薄膜トランジスタ、太陽電池又はセンサ等の結晶性シリコン薄膜を有する電子デバイスにおいて有用である。また、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法及び薄膜半導体アレイ基板の製造方法は、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ又は携帯電話などの電気機器等において広く利用することができる。
【符号の説明】
【０１５１】
１０  基板
１０Ｓ  表面
１１  ゲート電極
１１ａ  第１ゲート電極
１１ｂ  第２ゲート電極
１２  ゲート絶縁膜
１３  シリコン薄膜
１５、１６  結晶性シリコン薄膜
１５ａ、１６ａ  結晶粒
１５ｂ、１６ｂ  結晶粒界
１５ｃ、１６ｃ  結晶粒径
１５Ａ  スジムラ
１７  コンタクト層
１８  ソースドレイン金属膜
１９  ソース電極
１９ａ  第１ソース電極
１９ｂ  第２ソース電極
２０  ドレイン電極
２０ａ  第１ドレイン電極
２０ｂ  第２ドレイン電極
２１  アンダーコート膜
２２  ＬＤＤ領域
２３  パッシベーション膜
１００  結晶性シリコン薄膜形成装置
１１０  基板保持部
１２０  レーザー光発振部
１３０  光学系部
１３１  ホモジナイザー１３１
１３２  コンデンサレンズ１３２
１３３  ＤＯＥレンズ
１４０  制御部
１４１  走査制御部
１４２  レーザー光強度分布調整部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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