(57)【要約】      （修正有）【課題】多結晶半導体をレーザアニール法によって形成する方法に於いて、多結晶半導体膜の表面ラフネスを低減する。【解決手段】レーザアニール装置の光学系に非晶質シリコン半導体薄膜を成膜した基板１の走査方向における照射光強度分布を、高エネルギの光強度側の微結晶しきい値以上のエネルギ領域と表層のみ融合するエネルギ領域を有する分布として制御する透過率分布フィルタ６を設置し、通常のラインビームを利用するエキシマレーザアニール法または位相シフトストライプマスク法またはＳＬＳ法に適用する事によって、それぞれの方法で得られる多結晶の表面突起の高さを低減する。【選択図】図１
2010153876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラインビーム形状のレーザ光を該ラインビームの長手方向と交叉する方向で走査しながら非晶質半導体薄膜に照射して結晶化することにより改質された多結晶半導体薄膜であって、
前記改質された多結晶半導体薄膜の結晶粒は一方向に横方向成長した形状を有し、且つ前記結晶粒の粒界と粒内とに突起が存在し、且つ前記突起の前記一方向の配列の位置が変化する周期が１種類のみ存在することを特徴とする多結晶半導体薄膜。
【請求項２】
ラインビーム形状のレーザ光を該ラインビームの長手方向と交叉する方向で走査しながら非晶質半導体薄膜に照射して結晶化することにより改質された多結晶半導体薄膜であって、
前記改質された多結晶半導体薄膜の結晶粒は面内二方向に横方向成長した形状を有し、且つ前記結晶粒の粒界と粒内とに突起が存在し、且つ前記突起の前記方向の配列の位置が変化する周期が各方向で１種類のみ存在することを特徴とする多結晶半導体薄膜。
【請求項３】
前記多結晶半導体薄膜は、その粒界のサイズが、その一方向が１．５μｍ以上あり、且つ前記一方向とほぼ直交する他方向の粒界のサイズが０．５μｍ以下である結晶粒を含み、表面の前記突起の高さが数μｍ角の面積内でのＰＶ値が７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の多結晶半導体薄膜。
【請求項４】
前記多結晶半導体薄膜は、その粒界のサイズが、その一方向が１．５μｍ以上あり、且つ前記一方向とほぼ直交する他方向の粒界のサイズも１．５μｍ以上ある結晶粒を含み、表面の前記突起がほぼ直交する直線上に配列されていると共に、該突起の高さが数μｍ角の面積内でＰＶ値が７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の多結晶半導体薄膜。
【請求項５】
透明基板上の半導体薄膜を評価する半導体薄膜評価装置であって、
前記半導体薄膜にレーザ光を照射し反射率と透過率とを測定し、「１−（反射率＋透過率）」の値を計測することを特徴とする半導体薄膜評価装置。
【請求項６】
多結晶半導体薄膜を評価する多結晶半導体薄膜評価装置であって、
前記多結晶半導体薄膜の光回折パターン面上の回折スポットの強度および散乱光強度の角度分布を計測する事によって多結晶の表面ラフネスと粒径の評価を行うことを特徴とする多結晶半導体薄膜評価装置。
【請求項７】
粒界の一方向サイズが１．５μｍ以上あり、且つ前記一方向とほぼ直交する粒界の他方向サイズが０．５μｍ以下である結晶粒を含むと共に、表面に直線状に配列された突起を有し、該突起の高さが数μｍ角の面積内でのＰＶ値が７０ｎｍ以下である多結晶半導体薄膜で形成したことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項８】
粒界の一方向サイズが１．５μｍ以上あり、且つ前記一方向とほぼ直交する粒界の他方向サイズも１．５μｍ以上ある結晶粒を含むと共に、表面にほぼ直交する直線上に配列された突起を有し、ＰＶ値で表した該突起の高さが数μｍ角の面積内で７０ｎｍ以下である多結晶半導体薄膜を含むことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項９】
粒界の一方向サイズが１．５μｍ以上あり、且つ前記一方向とほぼ直交する粒界の他方向サイズが０．５μｍ以下である結晶粒を含むと共に、表面にほぼ直交する直線上に配列された突起を有し、ＰＶ値で表した該突起の高さが数μｍ角の面積内で７０ｎｍ以下である多結晶半導体薄膜で形成した薄膜トランジスタ回路を含むことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
粒界の一方向サイズが１．５μｍ以上あり、且つ前記一方向とほぼ直交する粒界の他方向サイズも１．５μｍ以上ある結晶粒を含むと共に、表面にほぼ直交する直線上に配列された突起を有し、ＰＶ値で表した該突起の高さが数μｍ角の面積内で７０ｎｍ以下である多結晶半導体薄膜を含むことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質半導体薄膜を多結晶半導体薄膜に改質するための半導体薄膜の改質方法および改質した半導体薄膜の評価方法、その半導体薄膜で形成した薄膜トランジスタ並びにこの薄膜トランジスタを用いて構成した回路を有するフラットパネル型の画像表示装置を含む半導体装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、液晶表示装置等のフラットパネル型の画像表示装置は、ガラスを好適とする絶縁基板（以下、単に基板とも称する）上に成膜した半導体薄膜に作り込んだ画素回路や駆動回路を有する。画素回路や駆動回路を構成する駆動素子としては薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）が多く用いられる。この薄膜トランジスタの活性層として、近年は非晶質半導体薄膜（典型的にはアモルファスシリコン半導体薄膜、あるいはａ−Ｓｉ膜とも称する）に代えて多結晶半導体薄膜（同じく典型的にはポリシリコン半導体薄膜、あるいはｐｏｌｙ−Ｓｉ膜とも称する）を用いることで高精細で高画質の画像表示を得ることができる。
【０００３】
薄膜トランジスタの活性層として用いる半導体薄膜をシリコン半導体薄膜を例として説明する。この活性層としての半導体薄膜を多結晶シリコン半導体薄膜とすることが非晶質シリコン半導体薄膜を用いることより優れた特性を得ることができる。その理由は、多結晶シリコン半導体薄膜は、非晶質シリコン半導体薄膜に比較してキャリア（ｎチャネルでは電子、ｐチャネルでは正孔）の移動度が高いことを挙げることができ、その結果、セルサイズ（画素サイズ）を小さくできることによる高精細化が可能となる。さらに、通常のポリシリコン半導体薄膜で形成した薄膜トランジスタの形成には、１０００°Ｃ以上の高温プロセスが必要であるが、レーザ光によるシリコン層のみのアニールにより半導体薄膜を担持する基板が高温にならない低温ポリシリコン半導体薄膜形成技術では、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、移動度の高い薄膜トランジスタＴＦＴの形成が可能となる。
【０００４】
通常、多結晶シリコン半導体薄膜の結晶の粒径が大きいほど移動度が高いので、大粒径の多結晶シリコン半導体薄膜を形成する方法としてさまざまな技術が提案されてきた。一般的には、「特許文献１」に示されるように、パルスレーザ光をラインビーム状に整形し、その強度分布のプロファイルを台形としてラインビームの短軸方向に短軸幅の約１／２０程度のピッチで１ショット単位でずらしながら非晶質シリコン半導体薄膜にパルス照射の繰り返しを行う方法がとられる。非晶質シリコン半導体薄膜は照射されたレーザ光を吸収することによって温度が上昇し、溶けることで温度が低下する。このプロセスに伴ってシリコン半導体薄膜の結晶化が起こり、非晶質シリコン半導体薄膜は多結晶シリコン半導体薄膜へ変化する（ここで、これを改質と称する）。多結晶シリコン半導体薄膜の平均粒径は照射したレーザ光のエネルギ密度に依存して変化するが、非晶質シリコン半導体薄膜の結晶化に必要な最低エネルギ密度以上では、エネルギ密度を上げていくと粒径が大きくなるが、ある閾値以上では粒径が平均１００ｎｍ（ナノメートル）以下の微結晶になる。そのため、この微結晶の閾値以下のエネルギ密度で照射を行わなければならない。
【０００５】
これに対して「特許文献２」では、パルスレーザの照射領域の強度分布のプロファイルを台形として、最大強度を非晶質シリコン半導体薄膜が微結晶の多結晶シリコン半導体薄膜に変化する閾値以上の値を有する強度分布プロファイルとして、当該プロファイルの裾の強度分布で大粒径化する方法を開示している。
【０００６】
以上は、平均粒径が１μｍ（ミクロンメートル）程度の技術であり、例えば膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン半導体薄膜を多結晶シリコン半導体薄膜に変化する場合に０．３μｍ以上の粒径となるレーザエネルギ密度のマージンは、約１０％程度であるが、そのうち半分程度は突起のＰＶ値が７０ｎｍ以上になる。なお、ＰＶ値とは測定範囲内の最高値と最低値との差で定義される。
【０００７】
シリコン半導体薄膜の大粒径化技術の別の方法として、光強度分布を制御する方法がある。この従来技術の一つとしては、「特許文献３」に開示されている様に、逐次的横方向結晶成長法（ＳＬＳ法）と呼ばれる方法がある。この方法は、面内方向にレーザ光の強度分布をミクロンメートルのサイズの複数のビーム素片に細切れにすることにより面内方向に温度勾配を形成し、強制的に横方向の結晶成長を促す方法である。この方法では、複数の結晶粒の結晶成長の向きがお互いにぶつかり会う境界において表面に突起が形成される。
【０００８】
この突起が形成される位置は、各ビーム素片の光強度のピーク位置に対応する。なぜならば、この位置が最も温度が高くなるので当該ピーク位置の両側から結晶化が該ピーク位置に向かって進行し、ピーク位置において結晶成長がぶつかるからである。この突起は前述の台形プロファイルのラインビーム整形したレーザ光照射による多結晶シリコン半導体薄膜の突起より高く、ＰＶ値で１００ｎｍ以上になる場合がある。
【０００９】
「特許文献４」と「特許文献７」で提案された方法は、「特許文献２」に開示される方法の改良技術であり、レーザ光を最初に高強度のエネルギで照射した後、それよりも低い強度のエネルギで照射する強度分布制御により結晶化することで結晶粒を大きくする方法である。この分布制御の方法については、焦点位置と基板表面との位置を変化させることで非対称的な強度分布が得られるとしている。但し、この方法により非対称的な分布形状の変化が得られる因果関係は開示されていない。これに対して、「特許文献５」では同様に焦点位置と基板表面との位置を変化させることで、台形形状から逆釣鐘形状になるとしており、「特許文献４」の結果と矛盾する。「特許文献６」にも、同様の照射分布で大粒径の結晶が得られるとしているが、レーザ光のビーム形成方法に関する記述はない。
【００１０】
上記した従来技術は、レーザ光としてパルスレーザを用いたものである。この様なパルスレーザを用いたシリコン半導体薄膜の結晶化方法すなわち、ここで言う改質方法では、結晶化後の多結晶シリコン半導体薄膜の表面に突起が形成されるため、その表面凹凸が大きい。そのため、この半導体薄膜に例えば薄膜トランジスタを作り込む場合には、多結晶シリコン半導体薄膜上に形成するゲート絶縁膜を厚くする必要がある。その結果、ゲート絶縁膜の膜厚に反比例してトランジスタのオン電流が小さくなるという問題がある。
【００１１】
台形プロファイルとしたレーザ光のラインビーム照射で形成された多結晶シリコン薄膜の突起を低減するための改良された方法として、レーザアニールを複数回行い、それぞれ異なるエネルギ密度で照射する方法によって、突起を低減する方法が「特許文献８」に開示されている。特許文献８に開示された内容は次のとおりである。すなわち、非晶質シリコン半導体薄膜の成膜時に含まれる水素がレーザアニールによって急激に放出されて膜表面が荒れる。このとき、結晶化が起こる閾値値以下の低エネルギ密度のレーザ光を照射し、結晶化アニールの前に水素を放出させることによって膜表面のあれを防止するというものである。
【００１２】
また、ＳＬＳ法における突起低減方法として、レーザ光照射で結晶化アニールを行った後に完全溶融のエネルギ密度の２５％から７５％の値で２回目にレーザ光照射することにより、突起を低減する方法が「特許文献９」に開示されている。
【００１３】
しかし、以上の方法には以下のような欠点がある。すなわち、レーザ光を多段で照射するため、基板上を何回もレーザ光を走査する必要があり、アニール工程に要する時間が長くなるという欠点がある。さらに、複数のエネルギ密度をそれぞれ異なる照射時間で複数走査で行う場合は、パルスレーザの繰り返し周波数が一定であるために照射時間の相違は走査速度を変えることになり、半導体薄膜を成膜した基板上における各走査のレーザ光の照射パルスを重ねた場合、突起低減効果が基板上でまだらになるという欠点がある。
【００１４】
突起低減が効果的な方法を用いて多結晶シリコン半導体薄膜を形成しても、レーザ出力の時間変動や結晶化前の非晶質シリコン薄膜厚の面内変動が存在するために、結晶化後に突起の検査を行い、突起が高い領域、言い換えれば表面ラフネスが大きい領域を検出して、その領域を再度結晶化するなどの工程を含めなければ、基板全面で管理基準以下の表面ラフネスとすることができない。このような表面ラフネスを計測する公知技術としては、原子間力顕微鏡による評価方法がある。しかし、この方法では１０μｍ×１０μｍの微小領域を評価するのに少なくとも数分程度を要するので、基板全面の表面ラフネスを評価することは時間的に不可能である。
【００１５】
この表面ラフネスを高速に評価する方法としては表面光沢度（反射率）で評価する方法が「特許文献１０」に示されている。この方法は、反射率で評価するので多結晶シリコン半導体薄膜の厚さやガラス基板と多結晶シリコン半導体薄膜の間の下地膜の厚さによる干渉の影響が存在するという欠点がある。多結晶シリコン半導体薄膜の粒径の面内分布を高速に評価する方法に関しては、「特許文献１１」に開示されているように、散乱光の角度分布の広がり幅で粒径を計測する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開昭６４−７６７１５号公報
【特許文献２】特開平９−２４６１８３号公報
【特許文献３】ＷＯ９７／４５８２７号公報
【特許文献４】特開平１０−６４８１５号公報
【特許文献５】特開平１０−３１２９６３号公報
【特許文献６】特開２０００−１１４１７号公報
【特許文献７】特開２００２−３１３７２４号公報
【特許文献８】特開２０００−３５３６６４号公報
【特許文献９】ＷＯ０１／７１７９１号公報
【特許文献１０】特開平１１−２７４０７８号公報
【特許文献１１】特開２００３−１０９９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
非晶質シリコン半導体薄膜をレーザアニールして結晶化した多結晶シリコン半導体薄膜の表面に形成される突起を低減するために、非晶質シリコン半導体薄膜を複数のエネルギ密度のレーザ光で照射する方法では、照射するレーザ光のエネルギ密度ごとに走査回数が多くなり、結晶化工程の時間が長くなるという欠点がある。さらに、走査ピッチの異なる複数の走査の重ね合わせによる突起低減効果が、基板上（ガラス等の基板に成膜された半導体薄膜上、以下同じ）でまだらになるという欠点がある。このことを図を用いて説明する。
【００１８】
図２２はレーザ光照射エネルギ密度の時間変化の説明図である。図２２の縦軸におけるＥｔｈは結晶化が起こる下限の閾値を示す。また、図２３は図２２の時間変化を複数のレーザ光走査で実施する場合に起こる副作用の説明図であり、実線はレーザ光の照射エネルギ密度Ｅ１の走査ピッチ、破線はレーザ光の照射エネルギ密度Ｅ２の走査ピッチを示す。ここでは、図２２に示す様に、基板の同一箇所を１回目のエネルギ密度をＥ１、時間Ｔ１の間で照射し、２回目のエネルギ密度はＥ２、時間Ｔ２の間で照射する条件で基板全体を走査しながらレーザ光を照射する場合を考える。パルスレーザの繰り返し周波数は一定であるので、１回目の走査のピッチは１／Ｔ１に比例した値（∝１／Ｔ１）であり、２回目の走査ピッチは１／Ｔ２に比例した値（∝１／Ｔ２）となる。そうすると、上記２種類の走査ピッチの重ね合わせを考えたとき、図２３に示した様に基板上での重ね合わせがまだら状に不均一になる。この影響によって、突起の平均高さはまだら状に面内変動した分布となる。
【００１９】
したがって、このような周期的な突起の高い領域の発生が無い突起低減方法およびそれを可能とするレーザアニール方法を用いた半導体薄膜の製造方法およびその製造装置を提供することが本発明の第１の目的である。また、本発明の製造方法で製造した半導体薄膜を提供することが本発明の第２の目的である。
【００２０】
さらに、大粒径化でかつ突起を低減する方法で結晶化を行ったとしても、レーザ出力の時間変動や非晶質シリコン半導体薄膜厚の基板面内変動によって、粒径および突起の高さが管理基準以内で形成されているとは限らない。したがって、基板全面で粒径の他に突起の高さの全数検査が可能な計測方法で製造した半導体薄膜の特性を評価する評価方法及びその評価装置を提供することが本発明の第３の目的である。
【００２１】
そして、本発明の半導体薄膜で形成した薄膜トランジスタを提供することが本発明の第４の目的である。そして、この薄膜トランジスタを用いて構成した回路を備えた画像表示装置を提供することが本発明の第５の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、レーザ光の照射による溶融と凝固を行う、所謂レーザアニール手法を用いて非晶質シリコン半導体薄膜を多結晶シリコン半導体薄膜化するにあたり、多結晶化したシリコン半導体薄膜の表面ラフネスを低減するために多段のエネルギ密度照射でアニールする方法である。このアニールする方法では、レーザ光透過率の面内分布を制御した透過率分布フィルタを照射光学系に設置し、レーザ光を走査方向と直交する方向に長軸方向を有するラインビームに整形する。そして、ラインビームに整形したレーザ光の走査方向である該ラインビームの短軸方向の光強度分布を制御することで、走査方向において複数のエネルギ密度による照射を１回の走査で行うことを主要な特徴とする。
【００２３】
本発明による半導体薄膜の改質方法と、改質した半導体薄膜の評価方法の特徴を、後述する実施例の説明にも用いる各図を参照して説明する。なお、ここでの説明と後述する実施例での説明とが重複する箇所もあることを予め明示しておく。図１は本発明による半導体薄膜の製造方法を実現するためのレーザアニール光学系である。図１に示したレーザアニール装置の光学系は、短軸ホモジナイザ５と長軸ホモジナイザ４によって、強度が均一なラインビーム分布を形成している。短軸ホモジナイザ５は対向する一組のシリンドリカルレンズアレイ５Ａと５Ｂで構成される。この短軸ホモジナイザ５にはレーザ光源２からのレーザ光をアッテネータ３および長軸ホモジナイザ４を透過して入射させる。アッテネータ３はレーザ光源２から発生したレーザビームが所定のエネルギを有するように調節するためのものである。
【００２４】
短軸ホモジナイザ５より後に設置されたレンズ１０によって短軸ホモジナイザ５内のシリンドリカルレンズアレイ５Ａと５Ｂの各レンズ素子を透過したレーザ光９が一次結像面で重ね合わされる。この１次結像面に重ね合わされるのは、短軸ホモジナイザ５の前段のシリンドリカルレンズアレイ５Ａの各レンズ素子内部の光強度分布である。シリンドリカルレンズアレイ５Ａの各レンズ素子が小さく、数が多いほど一次結像面における光強度分布が均一になる。
【００２５】
この一次結像面の位置に透過率の面内分布を形成したフィルタ（透過率分布フィルタ）６を設置する。この透過率分布フィルタ６は透明石英製であり、図２に示す様に表面に反射率コーティングを施すことによって、透過率の面内分布を±0.5%程度の精度で制御したフィルタとなっている。なお、透過率分布フィルタ６の詳細構成は実施例の項で説明する。一次結像面の光強度分布は、このフィルタの透過率分布によって±0.5％程度の精度で制御され、この光強度分布を有するレーザ光が、ミラー７とレンズ８によって半導体薄膜が成膜された基板１の表面に縮小投影される。以上の短軸分布制御法を一次結像面制御方法と呼ぶことにする。
【００２６】
次に、短軸方向の強度分布を制御する別の方法を、図５および図６を参照して説明する。短軸方向の強度分布を制御する別の方法は、短軸ホモジナイザ５の前段で、該短軸ホモジナイザ５を構成するシリンドリカルレンズアレイ５Ａの各レンズ素子内部の光強度分布を透過率分布フィルタ１６で制御することで、合成された分布の形状を制御するようにしたものである。図５に示す様に、透過率分布フィルタ１６は短軸ホモジナイザ５の直前に設置する。この場合の透過率分布フィルタ１６は、図６に示す様に、その透過率分布がシリンドリカルレンズアレイ５Ａに対応して反射率制御コーティング膜をストライプ状に形成して、各レンズ素子の短軸方向の光強度分布を制御する様に設置する。最終的に、基板１の表面上での光強度分布形状は各レンズ素子内の強度分布の重ね合わせの分布になる。図６はレンズ素子３個分のストライプを示している。この方法をホモジナイザ素子内分布制御方法と呼ぶことにする。なお、透過率分布フィルタ１６の詳細構成は実施例の項で説明する。
【００２７】
上記した２種類の短軸分布制御方法は、レーザ光をラインビーム形状に整形するレーザアニール装置における光学系および結晶化方法の改良であるが、ラインビームではないレーザアニール方法にも適用可能である。以下に特許文献１に開示されているようなＳＬＳ法への本発明の適用方法を説明する。
【００２８】
一般的なＳＬＳ結晶化装置は、図１３に示したように、光源２とアッテネータ３、ホモジナイザ２５、レンズ２９、マスク２６、イメージングレンズ２７、そして非晶質シリコン半導体薄膜を成膜した基板１が置かれる移動ステージ３０から構成される。アッテネータ３とホモジナイザ２５間、及びイメージングレンズ２７と移動ステージ３０間には入射したレーザ光を所定の角度で反射してレーザ光の方向を変化させるためのミラー２３、２４、２８が各々配置される。ホモジナイザ２５はレーザ光のビーム整形と整形したレーザビーム内光強度を均一にするための光学系であり、レンズ２９との組み合わせによってマスク２６の位置に均一なビーム内強度分布を形成するようにしてある。
【００２９】
このマスク２６の位置は、図１に示した光学系の一次結像面に対応する。このマスク２６によって、基板１の表面上に光強度の明暗のパターンを形成し、面内方向に温度勾配を形成することで、横方向（走査方向と直交する方向、幅方向）への結晶成長を促して大粒径の結晶を形成する方法である。本発明の透過率面内分布制御フィルタすなわち透過率分布フィルタ３１は、下記の図１４で説明するように、マスク２６の近傍に設置することによって、当該マスク内の各パターンを透過する光強度を制御する。
【００３０】
図１４に図１３におけるマスクパターンとフィルタ透過率パターンとの組み合わせの一例を示す。マスクの開口部すなわちスリット２６Ａは基板１の走査方向に長軸を有する。マスクパターンの構成は次のとおりである。Ａ領域とＢ領域はお互いに走査方向に対してスリット２６Ａの間隔の配列周期の位相が１／２周期だけずらされ、同様にＣ領域とＤ領域も互いに位相を走査方向に対して１／２周期だけずらし、且つＡ領域とＣ領域との周期位相のずれを互いに１／２周期とは異なる様に例えば１/4周期の様に設定する。この様に設定する理由は、非晶質シリコン半導体薄膜を多結晶シリコン半導体薄膜に改質したときのＡ領域とＢ領域のパターンの照射によって形成される突起の位置と、Ｃ領域とＤ領域のパターンの照射によって形成される突起の位置とを相対的にずらすためである。
【００３１】
上記マスク２６に対応する透過率分布フィルタ３１は、反射防止膜を形成した領域３２と反射膜を形成した領域３３の透過率の差が１０％以上有する。この透過率分布フィルタ３１をマスク２６の近傍に設置する。設置場所は、マスク２６の設置位置より上流側でも下流側でも良い。パルスレーザの繰り返し発振周波数に対して走査ピッチを調整し、マスクパターンの各領域が１ショットだけ照射されるようにする。１回の走査の中の照射の過程を図１５を参照して説明する。図１５（ａ）の基板上に成膜した非晶質シリコン膜１AにＡ領域のパターンが１ショットだけ照射されると、照射されていない領域が残る。この照射されていない領域はＡ領域のマスクされている部分に対応しており、結晶化していない部分である。
【００３２】
図１５（ｂ）のように、結晶化した領域であるＡ領域には、２つの横方向に成長した結晶粒３６と３７が、突起３５が形成された粒界を挟んで存在する形状となる。次のショット時はＢ領域のパターンが同一エネルギ密度で１ショット照射される（図１５（ｃ））。このショットにより先のショットで結晶化していなかった領域は、両側の結晶を種にして結晶が中心に向かって成長する。この結果、突起間距離が平均粒界サイズとなる多結晶シリコン半導体薄膜が形成される。この後、図１５（ｄ）に示したＣ領域パターン、図１５（ｅ）に示したＤ領域パターンが１０％以上低いエネルギのレーザ光で照射される。
【００３３】
この場合、突起が形成される位置が異なる様に１０％以上低いエネルギ密度で照射される。このエネルギ密度のレーザ光では、シリコン半導体薄膜の厚さ方向全体を溶融することが不可能であり、シリコン半導体薄膜の表層のみ溶融されるので、粒界を形成することができず、シリコン半導体薄膜の表層に突起のみが形成される。この結果、図１５（ｄ）のように粒界位置ではない場所に低い突起４０が形成される。もともと高い突起は低い突起の形成のためにシリコン半導体薄膜が移動するために、Ｂ領域照射後まで形成されていた突起３９の高さは低くなる。以上の様に、本発明は突起を低減するために多段のエネルギ密度によるＳＬＳ法を１回の走査で行うことを特徴とするものである。
【００３４】
さらに、上記ＳＬＳ法とは異なる方法で横方向の結晶成長を促進させる方法がある。これは位相シフトマスクを利用して結晶化を行う方法である。この技術は特願２００２−２８４７３５に記述した様に、ＳＬＳ法では周期的スリットパターンのマスクを利用するのに対して、この位相シフトマスクを利用して結晶化を行う方法は、図８に示したように、位相シフトストライプパターンのマスク（位相シフトストライプマスク）４１を基板上に成膜した非晶質シリコン膜１Ａの近傍に設置し、レーザ光の照射強度をそのシリコン膜面上で変調させることによって、基板全面に横方向成長の結晶を走査しながら形成する技術である。この技術はＳＬＳ法の様にマスクと試料の間にレンズを用いる必要が無く、数１００ｍｍの長さのラインビームに適用できる長所がある。この位相シフトストライプ法に本発明の透過率面内分布フィルタを適用して突起を低減する方法を以下に説明する。
【００３５】
図８は、基板１の直上に設置した位相シフトストライプマスク４１をパルスレーザ光が透過して基板上に成膜した非晶質シリコン膜１Ａに照射した時の光強度分布とシリコン粒の結晶成長方向との関係を示している。位相シフトストライプマスク４１のストライプパターンの周期は約３μｍである。１ショットで照射領域全面が横方向に成長した結晶粒が形成される。結晶の成長方向はＳＬＳ法と同様にレーザ光強度の低い方から高い方へ向かって成長する。それゆえ、突起４２はレーザ光強度のピーク位置に対応して形成される。
【００３６】
図７は位相シフトストライプ法に透過率分布フィルタを適用する場合の結晶化装置の光学系であり、ラインビームを用いる通常のエキシマレーザアニール装置を利用することができる。さらに本発明の透過率分布フィルタ６を設置する場所も図１や図５と同じである。図７はフィルタ６の設置場所を図１と同じ場所とした場合の装置構成を示している。位相シフトストライプマスク４１は基板１の直上に設置する。図９は基板１上から照射領域を見た図であり、基板１の走査方向と位相シフトストライプマスク４１のパターン方向とラインビーム５０の関係を示している。位相シフトストライプマスク４１のストライプパターンは基板１の走査方向に対してある一定の角度を成している。これは、パルスレーザの繰り返し発振間隔の間に位相シフトストライプと基板１との相対的なシフト量が走査方向におけるストライプパターンの１周期以内となり、かつ１ショット毎にずれる様にするためである。これによって１ショット毎に突起が形成する配列の位置がずれることになる。
【００３７】
ラインビーム５０の短軸方向の強度分布は、透過率分布フィルタ６によって、図１０に示したＭ領域よりＮ領域のエネルギ密度が１０％以上低くなる様に設定する。このように設定した場合の結晶化の進行状況を図１０を参照して説明する。図１０（ａ）の基板上に成膜した非晶質シリコン膜１Ａに対してＭ領域の１ショット照射により、照射領域内は一括で横方向に成長した結晶粒が形成される。この時の平均結晶粒は突起間隔の約１／２となる。このＭ領域のショットを繰り返すことにより、多結晶膜厚方向に全体の溶融現象が繰り返されることによって、成長方向の平均粒径は突起間隔と等しくなる（図１０（ｂ））。但し、突起の形成位置は最後のショットで形成した突起３５が最も高く、この位置が主に粒界となっている。それ以前のショットで形成された突起４０は低いまま残っている場合が多い（図１０（ｃ））。Ｎ領域の照射は膜厚全体を溶融するエネルギより低いので粒界を形成することはできないが、低い突起のみを形成することが可能である。この低い突起形成において、Ｍ領域の最後のショットで形成された高い突起３５は、Ｎ領域照射による突起形成のための表層のシリコンの流動によって低くなる（図１０（ｄ））。
【００３８】
次に、上記のような突起低減方法を用いて結晶化を行っても、レーザ出力の時間変動や結晶化前の非晶質シリコン半導体薄膜の膜厚に面内変動が存在する。そのために、結晶化後に検査（表面ラフネス評価）を行って、高い突起が存在する領域が検出されたときに、その領域を再度結晶化することにより、基板全面において突起の高さを管理基準以下にすることができる。
【００３９】
ここでは、先に従来技術でも述べた様に、多結晶シリコン半導体薄膜の膜厚の干渉の影響を受けない表面ラフネスの評価方法を説明する。本発明の表面ラフネス評価方法は、多結晶シリコン半導体薄膜の透過率と反射率との測定によって、「１−（反射率＋透過率）」から「全散乱断面積＋吸収断面積」を求め、これによって表面ラフネスを評価するものである。この方法では、干渉による影響は反射率と透過率との和の値で相殺される。すなわち、干渉の影響で反射率が増大する分だけ、透過率の減少となるので、反射率と透過率の和は干渉の影響を受けない。非晶質シリコン半導体膜に本計測を適用する場合は、表面ラフネスが小さいので散乱断面積は無視できて、吸収断面積から非晶質シリコン半導体膜の膜厚を干渉の影響を受けずに評価することが可能である。
【００４０】
吸収断面積は多結晶シリコン半導体薄膜と単結晶シリコン半導体薄膜と多重散乱による多重吸収の効果が無視できる薄膜では同じと考える事ができ、多結晶シリコン半導体薄膜においては平均膜厚と波長に依存する量となる。膜厚分布変動は1メートル四方の大型基板において±５％程度であり一定とみなす事ができる。全散乱断面積は、粒径に依存する部分と表面ラフネスに依存する部分とがある。これを粒径評価方法と組み合わせることによって、表面ラフネスを計測することが可能となる。すなわち、本発明では、粒径評価による粒径と「全散乱断面積＋吸収断面積」の２種類の量を基板全体で測定することによって、表面ラフネスを評価する方法をとる。
【００４１】
突起の高さを評価する上記以外の方法を以下に説明する。この方法は、前述したＳＬＳ法や位相シフトストライプマスク法で形成した多結晶シリコン半導体薄膜の突起の配列周期とその高さを評価する方法に適している。この方法では、光回折パターンの突起由来の回折スポットの強度で突起の高さを評価するものである。すなわち、回折スポットの強度が強いほど突起の高さが高いとして評価する方法である。
【００４２】
また、本発明では、上記の改質方法で製造した多結晶シリコン半導体薄膜を用いることで、移動度の高い薄膜トランジスタを得、この薄膜トランジスタを用いて高速かつ高精細の画像表示装置を構成する。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の半導体薄膜の改質方法によれば、複数のエネルギ密度のレーザ光照射を１回の走査で実現できる。さらに、複数の走査で行っていた複数のエネルギ密度のレーザ光照射による突起低減効果で、走査間のパルス間隔の違いによる基板面内でまだらに発生する現象が低減し、表面ラフネスがＰＶ値７０ｎｍ以上の領域がなくなる。また、何らかのトラブルで表面ラフネスが７０ｎｍ以上になったとしても、全面の全数検査によって７０ｎｍ以上の領域を検出し、その領域を再度結晶化することにより当該突起の高さを低減することで最終的に突起を７０ｎｍ以下に低減できる。突起が７０ｎｍのポリシリコン膜を用いるTFTでは、絶縁破壊不良が発生しないためのゲート絶縁膜の厚さとして、一般的に用いられるテトラエチルオルソシリケート(ＴＥＯＳ)膜の場合は、１１０ｎｍ以下にする事が出来る。
【００４４】
また、本発明の薄膜トランジスタは高い移動度が得られ、この薄膜トランジスタを用いた画像表示装置によれば駆動回路や画素回路の薄膜トランジスタを高速かつ高精細化でき、表示品質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の半導体製造方法を実現するレーザアニール装置の光学系の一例を説明する模式図である。
【図２】図１における透過率分布フィルタの表面の構成例を説明する模式的図である。
【図３】図１の透過率分布フィルタの設置によって得た短軸方向の光強度分布の説明図である。
【図４】透過率分布フィルタを用いないで複数回走査でレーザ光の照射エネルギ密度を変えた場合のシリコン半導体結晶の暗視野光学顕微鏡写真である。
【図５】本発明の半導体製造方法を実現するレーザアニール装置の光学系の他例を説明する模式図である。
【図６】図５における透過率分布フィルタの表面の構成例を説明する模式的図である。
【図７】本発明の半導体製造方法を実現するレーザアニール装置の光学系のさらに他例を説明する模式図である。
【図８】位相シフトストライプマスクを用いてシリコン半導体薄膜の結晶化を行う方法の説明図である。
【図９】透過率分布フィルタと位相シフトストライプマスクのパターンと基板走査方向の説明図である。
【図１０】透過率分布フィルタを位相シフトストライプマスクを用いた場合のシリコン半導体薄膜の結晶化の説明図である。
【図１１】透過率分布フィルタを位相シフトストライプマスク法に適用した場合と適用しない場合のシリコン半導体の結晶の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した写真である。
【図１２】透過率分布フィルタを位相シフトストライプマスク法に適用した場合の突起の高さと透過率分布フィルタにおける透過率差の関係の説明図である。
【図１３】透過率分布制御フィルタをＳＬＳ法に適用したレーザアニール装置の光学系を説明する模式図である。
【図１４】ＳＬＳ法のレーザアニール装置に適用する透過率分布制御フィルタの一例の説明図である。
【図１５】ＳＬＳ法に透過率分布フィルタを用いて得られるシリコン半導体薄膜の結晶化の説明図である。
【図１６】粒径評価装置に表面ラフネス評価機能を追加した本発明の粒径評価方法を実現する粒径評価装置の光学系の模式図である。
【図１７】図１６に示した粒径評価装置を用いて測定した表面ラフネス量と原子間力顕微鏡で評価した表面ラフネスとの相関の説明図である。
【図１８】図１６に示した粒径評価装置を用いて評価可能とした粒径に関する量と表面ラフネスに関する量との２次元分布による多結晶シリコン半導体薄膜の測定結果の一例の説明図である。
【図１９】本発明の実施例３における透過率分布フィルタを使用しないで３μｍピッチの位相シフトストライプパターンを利用して形成した多結晶シリコン半導体薄膜の光回折パターを説明する写真である。
【図２０】本発明の実施例３と実施例４で形成された多結晶シリコン半導体薄膜の回折パターン上の回折スポットの位置と突起の間隔との関係の説明図である。
【図２１】本発明の製造方法で形成した多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタを含む表示装置としてのアクティブ・マトリクス型の液晶表示装置の要部構成例を説明する断面図である。
【図２２】レーザ光照射エネルギ密度の時間変化の説明図である。
【図２３】図２２の時間変化を複数の走査で実施する場合に起こる副作用の説明図である。
【図２４】位相シフトストライプマスク法において、エキシマレーザ光強度を変化させて形成した多結晶シリコン膜の光回折パターンとシート抵抗との関係を示す図である。
【図２５】位相シフトストライプマスク法において形成された多結晶膜表面の突起配列の位置が変化する周期とアニール走査のピッチとの関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明は、透過率面内分布を有するフィルタを利用することにより走査方向のレーザ光のビーム断面の光強度分布を多段にすることを可能とし、これによって照射エネルギ密度を多段に照射することで突起低減をする方法を１回のレーザアニールの走査で可能とした。その製造方法に関する実施例と突起を評価する実施例を示す。
【実施例１】
【００４７】
図１は本発明の半導体改質方法を実現するレーザアニール装置の光学系の一例を説明する模式図である。本実施例は、通常用いられるエキシマレーザアニール装置に本発明の透過率分布制御フィルタを適用したものである。図１において、レーザ２はラムダフィジックス社製ＳＴＥＥＬ１０００型ＸｅＣｌエキシマレーザある。出力されるレーザ光の波長は３０８ｎｍ、パルス時間幅は約２７ナノ秒（ｎＳ）、繰り返し周波数は３００ヘルツ（Ｈｚ）、パルスエネルギーは１Ｊ／パルスである。このレーザアニール装置は日本製鋼所製であり、Ｍｉｃｒｏｌａｓ社製の長軸ホモジナイザ光学系４と短軸ホモジナイザ光学系５とシリンドリカルレンズ１０およびシリンドリカルレンズ８とミラー７によって、レーザ光を長軸３６５ｍｍ、短軸４００μｍのラインビームに整形して基板１に照射する構成となっている。基板１に照射するレーザ光の光強度分布を制御するために、１次結像面に透過率分布フィルタ６を設置している。この透過率分布フィルタ６は、以下に図２を用いて説明する様に、石英板に反射率を制御した表面コーティングを施して、透過率分布を制御したものである。
【００４８】
図２は図１における透過率分布フィルタ６の表面の構成例を説明する模式的図である。透過率分布フィルタ６の領域１１は領域１２より透過率が相対的に高い領域である。具体的には、領域１１の表面には反射率１％のコーティングを施し、領域１２の表面には反射率１１％のコーティングを施してある。そして、裏面全体には反射率１％のコーティングを施したものであり、結果的に領域１１の透過率を９８％、領域１２の透過率を８８％以下としたものである。
【００４９】
図３は図１の透過率分布フィルタ６の設置によって得た短軸方向の光強度分布の説明図である。図３に示した分布の領域Ｘ１の最大の照射エネルギ強度は可変アッテネータ３によって調節するが、その下限は基板１に成膜したアモルファスシリコン半導体薄膜が高エネルギ照射密度側の微結晶になる閾値以上に設定し、調節の上限は分布の後半の領域Ｘ３のエネルギ密度は少なくとも表層が溶融するエネルギ密度は、透過率分布フィルタによりΔＥの値が０．１Ｅｍａｘ以上である様に調節される。この場合、領域Ｘ１で生じた高エネルギ側の微結晶が領域Ｘ２のエネルギ密度照射で融合して大きな粒径になり、領域Ｘ３で表層のみ溶融させることによって突起を低減させる。
【００５０】
図２の領域１１と領域１２の透過率の差が１３％のフィルタで実験を行った結果、平均粒径が０．５μｍ以上となる照射エネルギ密度のマージンは、領域Ｘ１と領域Ｘ３の幅が等しい条件に固定した場合１２％であり。突起の高さはアッテネータ透過率が上記マージンをカバーする８０％から９９％の範囲ではすべて７０ｎｍ以下となった。
【００５１】
図４は透過率分布フィルタを用いないで複数回走査でレーザ光の照射エネルギ密度を変えた場合のシリコン半導体結晶の暗視野光学顕微鏡写真である。ここでは、アッテネータの透過率を変えて２回の走査を行って結晶化した。１回目の結晶化の走査のピッチ間隔が２４μｍであり、２回目の結晶化の走査ピッチは１４μｍである。図４（ａ）は、１回目のアッテネータ透過率が９４％であり、２回目は１回目より透過率を６％低下させて照射したものである。この条件では、２回目の照射エネルギ密度も高エネルギ密度側の微結晶の閾値を超えて微結晶領域になっており、微結晶筋が１４μｍピッチで観察される。分布の裾の部分はエネルギ密度が低いので部分的に微結晶が融合し図４の写真では白っぽい領域となって観察される。
【００５２】
図４（ｂ）は１回目のアッテネータ透過率が８８％であり、２回目は１回目より透過率を６％低下させて照射したものである。写真の中で黒く見える領域が、１回目の照射で高エネルギ密度側の微結晶が発生して１回目のピッチに相当する２４μｍの周期となったものを、２回目の低エネルギ密度の照射によって微結晶が融合して粒径が大きくなった領域である。
【００５３】
この様に、透過率分布フィルタを用いないで、多段の走査、かつ多段のエネルギ密度でレーザ光を照射する場合は、エネルギ密度によってシリコン半導体薄膜の試料には異なる走査ピッチ形状が現れることになる。これに対し、透過率分布フィルタを用いた場合は、試料上に現れる走査ピッチは１種類のみとなる。本実施例では、走査ピッチは走査速度できまり、レーザ２の繰り返し発振の１／３００秒の時間間隔の移動量に等しい。
【実施例２】
【００５４】
次に、実施例２を図５と図６を用いて説明する。図５は本発明の半導体製造方法を実現するレーザアニール装置の光学系の他例を説明する模式図である。図６は図５における透過率分布フィルタ６の表面の構成例を説明する模式的図である。この実施例は、図１で説明した実施例１におけるレーザ２とレーザアニール装置からなる構成は基本的に等しい。本実施例が実施例１の構成と異なる点は、透過率分布フィルタ１６の設置場所が短軸ホモジナイザ５の直前であることと、透過率分布フィルタ１６の透過率分布が図６に示すように短軸ホモジナイザ５内の各シリンドリカルレンズアレイ素子の内部の強度分布を制御する様にストライプ状になっていることである。なお、短軸ホモジナイザ５のシリンドリカルレンズアレイ５Ａのレンズ素子数が5個の場合であって、さらにそのうち破線１３で囲んだ様に3個分の広さのレーザビームが入射している場合を図示している。、図１の実施例と同様に、実際の数は９個で構成されており、破線１３で囲んだ領域すなわちレーザ透過領域は、9個分以内の領域に設定されている。
【００５５】
図６において、破線１３に囲んだ各領域（図６では３個の領域）が各レンズ素子の内部に光が透過する領域であり、この個々の領域内部の強度分布を透過率の異なる領域１４と領域１５で示される２種類のストライプ領域で制御する。試料基板の表面上の照射光強度分布は短軸ホモジナイザ５のレンズアレイ５Ａの内部の強度分布の合成になるので、この透過率分布フィルタ１６は、領域１４と領域１５の透過率の差で強度分布の段差分布を制御する。
【実施例３】
【００５６】
以下に位相シフトストライプマスクによる結晶化方法に透過率分布フィルタを適用した実施例を以下に説明する。図７は本発明の半導体製造方法を実現するレーザアニール装置の光学系のさらに他例を説明する模式図であり、位相シフトストライプ法によるレーザアニール装置の光学系を示す。本実施例は、前記した実施例１及び実施例２のラインビームによる通常のエキシマレーザアニール装置を利用したものである。透過率分布フィルタ６を設置する場所は、図１や図５と同じ位置とすることができる。図７では透過率分布フィルタの設置場所を図１と同じ場合とした。本実施例では、基板１の近傍に位相シフトストライプマスク４１を設置した。このマスクの設置場所は1次結像面でも良い。
【００５７】
図８は位相シフトストライプマスクを用いてシリコン半導体薄膜の結晶化を行う方法の説明図である。位相シフトストライプマスク４１は、図８に示すように、波長３０８ｎｍに対して位相がほぼ１８０度シフトするパターンを３μｍピッチで石英基板に凹凸ストライプパターンを形成したものであり、ラインビームに整形したレーザ光の長軸方向とはほぼ垂直方向になるようにストライプパターンを設けてある。そして、基板上に成膜した非晶質シリコン膜１Ａの表面から０．９ｍｍだけ離して設置する。他の構成は図１と同様である。位相シフトマスク透過後の強度分布は、パルスエキシマレーザはホモジナイザ光学系によって種々の位相の光が混在しているため、１８０度差の位相シフトマスク透過後の強度分布の谷の強度はゼロとはならない。このため、この最低強度を結晶化のしきい値以上にすれば1ショットで非晶質シリコンが残ることは無い。
【００５８】
図８は基板上に成膜した非晶質シリコン膜１Ａの直上に設置した位相シフトストライプマスク４１をパルスレーザ光が透過して基板上の非晶質シリコン薄膜１Ａに照射した時の光強度分布と試料の結晶成長との関係を示している。位相シフトストライプマスク４１のストライプパターンの周期は約３μｍである。図示したように、本実施例では１ショットでレンズ光の照射領域全面が横方向に成長した結晶粒が形成される。結晶の成長方向はＳＬＳ法と同様にレーザ光強度の低い方から高い方へ向かって成長し、レーザ光強度のピーク位置に突起４２が形成される。
【００５９】
図９は透過率分布フィルタと位相シフトストライプマスクのパターンと基板走査方向の説明図で、基板１上からレーザ光照射領域を見た図である。位相シフトストライプパターンと基板走査方向との成す角度は１度と設定し、走査速度は７．２ｍｍ／秒とした。この場合はパルス間の移動ピッチは約２４μｍとなる。また、パルス間の位相シフトストライプパターンと基板１との相対的なシフト量が、走査方向におけるストライプパターンの１周期以内で約０．５μｍとなる。この量だけ１ショット毎に突起が形成する配列の位置がずれることになる。図２５に突起の配列の位置が変化する周期と走査ピッチとの関係を示した。走査にともなって1ショットで結晶化する領域が、走査ピッチ毎にずれる。このとき突起の配列もずれる。したがって、突起の配列の位置が変化する周期は、走査ピッチに等しい。結晶が成長する方向はマスクパターンのピッチの方向であり、走査方向とほぼ直交する方向である。
【００６０】
透過率分布フィルタは、図９に示すように、破線で示したラインビームに平行にかつ透過率のことなるＭ領域とＮ領域の境界がラインビーム内になる様に設置する。この透過率分布フィルタは石英製であり、Ｍ領域の表面には反射率１％のコーティング、Ｎ領域の表面には反射率１１％以上のコーティング、裏面全体に反射率１％のコーティングを施したものである。これによって、Ｍ領域とＮ領域のエネルギ密度差は１０％以上となっている。
【００６１】
図１０は透過率分布フィルタを位相シフトストライプマスクを用いた場合のシリコン半導体薄膜の結晶化の説明図である。上記した構成で、図１０（ａ）の基板上に成膜した非晶質シリコン膜１Ａに対してＭ領域の１ショット照射により、照射領域内は一括で横方向に成長した結晶粒が形成される。この時の平均結晶粒は突起間隔の約１／２となる（図１０（ｂ））。基板の走査に伴いＭ領域を通過中の複数ショットにより、多結晶膜厚方向に全体の溶融現象が繰り返されることによって、成長方向の平均粒径は突起間隔と等しくなる（図１０（c））。但し、突起の形成位置は最後のショットで形成した突起３５が最も高く、この位置が主に粒界となっている。それ以前のショットで形成された突起４０は低いまま残っている場合が多い。Ｎ領域の照射は膜厚全体を溶融するエネルギより低いので粒界を形成することはできないが、低い突起のみを形成することが可能である。
【００６２】
この低い突起形成において、Ｍ領域の最後のショットで形成された高い突起３５は、Ｎ領域照射による突起形成のための表層のシリコンの流動によって低くなる（図１０（ｄ））。図１０（ｄ）はアッテネータ３の透過率を９０％として結晶化を行った基板上のシリコン半導体薄膜を模式的に示す。結晶の粒界に存在する突起と結晶粒内に存在する突起とが存在する結晶となる。しかも突起の配列の位置が変化する周期は１回の走査ピッチで決まるので約２４μｍの周期で１種類だけ形成されている多結晶膜が得られた。
【００６３】
図１１は透過率分布フィルタを位相シフトストライプマスク法に適用した場合と適用しない場合のシリコン半導体の結晶の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した写真である。図１１（ａ）は透過率分布フィルタを用いて結晶化を行った結晶のＳＥＭ写真であり、図１１（ｂ）は透過率分布フィルタを用いないで結晶化を行った結晶のＳＥＭ写真である。図１１の写真で白く観察されるところが表面に形成された突起に対応する部分である。図１１（ａ）（ｂ）における参照符号Ｌは平均粒径、また図１１（ｂ）におけるＰｏは主に結晶粒界の突起が配列している箇所、Ｐｉは主に結晶粒内の突起が配列している箇所を示す。
【００６４】
図１１（ｂ）に示された透過率分布フィルタを用いない場合は、結晶粒界の位置および結晶粒内に白く観察される高い突起が形成されているのが判るが、透過率分布フィルタを用いた図１１（ａ）に示したものでは、突起が低いのでＳＥＭ写真で白く観察される高い突起が明瞭に観察されない。この場合の突起はＰＶ値で７０ｎｍ以下であった。
【００６５】
図１２は透過率分布フィルタを位相シフトストライプマスク法に適用した場合の突起の高さと透過率分布フィルタにおける透過率差の関係の説明図である。図１２は図９における透過率分布フィルタのＭ領域とＮ領域の透過率の差に対して、突起の高さを１０μｍ四方の領域で原子間力顕微鏡で評価した結果をグラフにしたものである。図１２に示された結果から、透過率の差が１０％以上で突起低減効果があり、１５％以上あればＰＶ値で７０ｎｍ以下になることが判明した。
【００６６】
結晶粒のサイズについては、位相シフトストライプパターンのピッチが３μｍであるので、そのピッチの半分のサイズまで結晶が成長し、成長方向の結晶粒としては約１．５μｍとなる。結晶の成長方向と垂直方向の粒界サイズは、０．５μｍ以下である。直交する２方向のアニール走査によって、平均粒径を２方向ともに１．５μｍとすることができる。
【実施例４】
【００６７】
次に、ＳＬＳ法に透過率分布制御フィルタを適用する実施例を説明する。図１３は透過率分布制御フィルタをＳＬＳ法に適用したレーザアニール装置の光学系を説明する模式図である。また、図１４はＳＬＳ法のレーザアニール装置に適用する透過率分布制御フィルタの一例の説明図である。図１３に示したように、ＳＬＳ法のレーザアニール装置（ＳＬＳ結晶化装置）は光源２については実施例１と同じ構成としたものを利用する。すなわち、レーザ光源２の後段に、アッテネータ３、ホモジナイザ２５、レンズ２９、マスク２６、イメージングレンズ２７、そして非晶質シリコン半導体薄膜を成膜した基板１が置かれる移動ステージ３０が順次に配列されている。そして、レンズ２９とマスク２６の間に本発明の透過率分布制御フィルタ３１が挿入されている。アッテネータ３とホモジナイザ２５間及びイメージングレンズ２７と移動ステージ３０間には、入射した光を所定の角度で反射して光の方向を変化させるためのミラー２３、２４、２８が各々配置されている。
【００６８】
ホモジナイザ２５はビーム整形とビーム内光強度を均一にするための光学系であり、レンズ２９との組み合わせによってマスク２６の位置に均一なビーム内強度分布を形成するようにしてある。図１４におけるマスク２６はアルミ製であり、マスク開口であるスリット２６Ａの幅が１５μｍであり、スリット２６Ａ間のマスクの幅も１５μｍとし、Ａ領域とＢ領域はお互いに基板の走査方向に対してスリット２６Ａの間隔の配列周期の位相を１５μｍだけずらしてある。同様に、Ｃ領域とＤ領域もお互いに１５μｍだけずらし、且つＡ領域とＣ領域との周期位相のずれを互いに１５μｍとは異なる様に設定する。
【００６９】
レンズ２７によってマスクパターンが１／５縮小して試料面上に投影される。
これによって基板上では、６ミクロン周期で3ミクロン幅の明暗の強度分布となる。マスク２６のサイズは、５０ｍｍ×５０ｍｍである。マスク２６上でのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各領域の幅は各１０ミリメートルである。
【００７０】
図１４に示した透過率分布フィルタ３１はマスク２６と同一サイズとし、石英基板の表面に反射率１％のコーティング膜を形成した領域３２と反射率１６％のコーティング膜を形成した領域３３を形成し、裏面にはすべて反射率１％のコーティング膜を形成した。これによって領域３２と領域３３の透過率の差が１５％であるフィルタをマスク近傍のすぐ上流側に設置した。マスクパターンの各領域が１ショットだけ照射されるように、パルス間隔が１／３００秒の間の走査移動量が、パターンの各領域の試料面上での間隔に一致する様に設定される。
【００７１】
図１５はＳＬＳ法に透過率分布フィルタを用いて得られるシリコン半導体薄膜の結晶化の説明図である。上記した条件で図１５（ａ）の基板表面の非晶質シリコン薄膜１AにＡ領域照射（図１５（ｂ））→Ｂ領域照射（図１５（ｃ））→Ｃ領域照射（図１５（ｄ））→Ｄ領域照射（図１５（ｅ））のプロセスでレーザアニールされる。その結果、結晶化したシリコン半導体薄膜は、図１５（ｅ）に示したように、粒界位置に存在する突起３９Ａと、結晶粒内に存在する突起４０とを有する結晶が得られた。しかも、突起の高さはすべて７０ｎｍ以下となった。
【００７２】
この場合の結晶成長方向のサイズは３μｍとなる。また、この場合の成長方向と直交方向の粒界のサイズも、実施例３の場合と同じように０．５μｍ以下となった。ほぼ直交する２方向のアニール走査によって、２方向の粒界サイズが３μｍとすることも可能である。
【実施例５】
【００７３】
次に、本発明による多結晶シリコン半導体薄膜のラフネス評価方法の実施例を説明する。図１６は粒径評価装置に表面ラフネス評価機能を追加した本発明の粒径評価方法を実現する粒径評価装置の光学系の模式図である。この装置の基本的な構成は特許文献１１に開示されたものと同様である。図１６において、参照符号６９は枠であり、この枠６９に、半導体薄膜を成膜した基板１の検査用（評価用）の波長５３２ｎｍの連続発振レーザ光源６０、基板１にレーザ光を照射するためのミラー６２とレンズ６５およびアパーチャ６３からなる照射光学系、基板１からの散乱光角度分布を検出する光検出器アレイ６７からなる基本構成が設置されている。これに本実施例のラフネス評価機能を追加するために、反射率と透過率を測定するための構成を追加する。
【００７４】
ラフネス評価機能を追加するための反射率と透過率を測定するための構成は、このレーザ光照射光学系にハーフミラー６４と反射光強度をモニタするための光検出器６６および透過光強度をモニタするための光検出器６８とを６系統分追加する。さらに、検査用レーザ光の入射強度をモニタするための光検出器６１を追加する。この追加によって、反射率と透過率を測定することが可能となる。
【００７５】
本実施例では、基板全面を短時間で計測するために６系統のマルチビームの構成を採用しているが、１系統当りのレーザ光照射強度が約２０ｍＷ以上あれば良いので、出力の高いレーザを検査用光源として用いれば系統数をさらに多くすることができるので、検査時間をさらに短縮化することが可能となる。
【００７６】
図１７は図１６に示した粒径評価装置を用いて測定した表面ラフネス量と原子間力顕微鏡で評価した表面ラフネスとの相関の説明図である。図１７は前記実施例３の各種条件の多結晶膜の基板を測定した結果を原子間力顕微鏡で計測したＰＶ値と比較したグラフである。縦軸は原子間力顕微鏡で計測したＰＶ値であり、横軸は「１−（Ｔ＋Ｒ）」である。但し、Ｔは透過率、Ｒは反射率を表している。図１７における直線αと直線βは、それぞれ共通の傾きの相関直線であって、ＰＶ値の分布の上限と下限を示す。この様にPV値と「１−（Ｔ＋Ｒ）」とには相関があることが分かる。
【００７７】
図１８は図１６に示した粒径評価装置を用いて評価可能とした粒径に関する量と表面ラフネスに関する量との２次元分布による多結晶シリコン半導体薄膜の測定結果の一例の説明図である。図１８は特許文献１１に開示された内容による散乱角度分布幅に基づく粒径と１−（Ｔ＋Ｒ）との２次元分布で表した多結晶膜の評価結果の例である。図１７に示されたように、多結晶膜を粒径と表面ラフネスの２つについて管理基準を設定して、レーザアニール工程の管理を実施する。すなわち、平均粒径の管理基準を０．５μｍとし、平均ラフネスとしてＰＶ値７０ｎｍ以下と設定し、どちらの管理基準もクリアしなければ再度結晶化し、両管理基準が満足するまで繰り返す。これによって、形成される多結晶膜はすべて両管理基準を満足する。
【実施例６】
【００７８】
実施例５のラフネス評価方法は、実施例１、２、３、４で結晶化した多結晶シリコン半導体薄膜の表面ラフネスに対してすべて適用することができるが、実施例３と実施例４の横方向の成長した結晶については突起配列が規則正しいので、突起配列間隔と突起の高さの両方を評価可能な方法を説明する。
【００７９】
この方法では、実施例５に示した構成の装置を用い、散乱光の角度分布を計測するアレイ検出器を２次元検出器とする。これによって、突起に由来する回折スポットの角度情報から突起間隔を評価し、スポットの強度より突起の高さを評価する。
【００８０】
図１９は本発明の実施例３における透過率分布フィルタを使用しないで３μｍピッチの位相シフトストライプパターンを利用して形成した多結晶シリコン半導体薄膜の光回折パターを説明する写真である。図１９（ａ）１方向にアニール走査して形成した多結晶シリコン半導体薄膜の光回折パターンであり、図１９（ｂ）は直交した２方向にアニール走査して形成した多結晶シリコン半導体薄膜の光回折パターンである。
【００８１】
図１９（ａ）（ｂ）から、それぞれ突起に由来する回折スポットが観察され、その配列はアニール走査方向に依存している事が分かる。回折スポットの強度は、突起の高さと検査用レーザ光の径に含まれる突起の数と突起の配列秩序に依存する。検査用のレーザ光の径は一定であるので突起の数は一定であり、ピッチが一定の位相シフトマスクを用いている場合は配列秩序は一定であるので、回折スポットの光強度は突起の高さのみに依存する量となる。
【００８２】
図２４は本発明の実施例３における透過率分布フィルタを使用しないで２μｍピッチの位相シフトストライプパターンを利用して、照射エネルギ密度を変えて一方向のアニール走査で形成した多結晶シリコン半導体薄膜の光回折パターンとシート抵抗との関係である。横軸の透過率は照射レーザ強度に比例する。シート抵抗は粒径が大きいほど小さく、ほぼ逆数の関係が成り立つ。図１１に示したように結晶粒が細長く、結晶の長軸方向のシート抵抗値は短軸方向のシート抵抗値と比べると、透過率８４％で約半分程度である事が分かる。このときの光回折パターン（Ｂ）における結晶の長軸方向の角度分布と短軸方向の角度分布を比較すると、長軸方向の角度分布の幅が約半分になっている事が分かる。これに対して透過率が７２％でレーザ強度が弱すぎる場合は、結晶粒の長軸方向と短軸方向のシート抵抗値との比率は１に近いが、これに対応して散乱光の長軸方向の角度分布の幅と短軸方向の角度分布の幅もほぼ等しくなっている事が分かる。以上によって、結晶粒が細長い場合も散乱光の角度分布幅で粒径が評価できることが分かる。
【００８３】
図２０は本発明の実施例３と実施例４で形成された多結晶シリコン半導体薄膜の回折パターン上の回折スポットの位置と突起の間隔との関係の説明図である。図２０におけるλはレーザ光の波長、ｄは基板上に成膜した多結晶シリコン半導体薄膜に形成された突起（ここではｔで示す）の間隔、Lは試料と回折パターン面との距離、ｐは「ｐ＝L×ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ（ｍλ）／ｄ）」である。図２０に示した様に、突起ｔの間隔ｄは、回折面上における回折スポットの位置ｐによって評価することができる。すなわち、回折スポットが形成する方向は各突起から発生する散乱光の行路差が波長の整数倍に比例するとして得られる関数により、突起間隔を回折スポットの位置から評価することができる。この突起の評価方法は、ＳＬＳ法によって形成した多結晶シリコン薄膜の突起の評価にも適用することができる。
【００８４】
以上により、位相シフトストライプ法やＳＬＳ法の様に突起が規則正しく配列する結晶化する製造工程において、透過率分布フィルタを利用した突起低減方法を採用し、さらに光回折スポットの強度を測定してその測定値に管理基準を設定する。管理基準の強度を越える領域があれば、その領域を照射エネルギ密度を変えて再度結晶化することを、管理基準が満足するまで繰り返すことにより、突起の高さをＰＶ値ですべて７０ｎｍ以下にする事ができる。
【実施例７】
【００８５】
次に、上記に記述した各方法で作成する多結晶薄膜を利用して形成した薄膜トランジスタとこの薄膜トランジスタを含む駆動回路や画素回路で構成した表示装置の実施例を説明する。
【００８６】
図２１は本発明の製造方法で形成した多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタを含む表示装置としてのアクティブ・マトリクス型の液晶表示装置の要部構成例を説明する断面図である。この液晶表示装置は次のように構成されている。即ち、薄膜トランジスタ５１５、カラーフィルタ５１０及び画素電極５１１を備えるガラス基板５０１と、対向電極５１３を有する対向ガラス基板５１４との対向間隙に液晶５１２を介在させて封止している。なお、液晶５１２と各基板の境界には配向制御膜が成膜されるが、図示を省略した。
【００８７】
ガラス基板５０１の表面には、アンダーコート層（酸化シリコン膜および窒化シリコン膜）５０２が形成され、その上に非晶質シリコン半導体層が形成されて、前記製造方法の実施例で説明したように、本発明に係るレーザアニールにより多結晶シリコン薄膜の層に改質されている。このレーザアニールにより得た多結晶シリコン薄膜の層に薄膜トランジスタ５１５が作り込まされている。即ち、多結晶シリコン半導体薄膜からなる半導体層５０３の両側に不純物をドープすることにより、多結晶シリコンのソース半導体層５０４ａおよび多結晶シリコンのドレイン層５０４ｂが形成され、その上にゲート酸化膜（ゲート絶縁層）５０５を介してゲート電極５０６が形成されている。
【００８８】
ソース／ドレイン電極５０８が、層間絶縁膜５０７に形成された接続孔（コンタクトホール）を介して、それぞれソース半導体層５０４ａおよびドレイン半導体層５０４ｂに接続され、その上に保護膜５０９が設けられる。そして、保護膜５０９上にカラーフィルタ５１０及び画素電極５１１が形成されている。特に、本発明の実施例３および実施例４のレーザアニール法では、1 回の走査による結晶は、結晶粒のサイズが方向によって異なるので、薄膜トランジスタ５１５のソース／ドレイン電極５０８の方向（すなわち、チャネル方向）を多結晶シリコン半導体結晶粒のサイズの大きい方向になるように揃える。なお、走査方向を２方向としてアニールした多結晶シリコン半導体結晶では、この様に揃える必要は無い。
【００８９】
この薄膜トランジスタは液晶表示装置の画素回路を構成し、図示しない走査線駆動回路からの選択信号で選択され、図示しない信号線駆動回路から供給される画像信号で画素電極５１１が駆動される。駆動された画素電極５１１と、対向ガラス基板５１４の内面に有する対向電極５１３の間に電界が形成される。この電界により、液晶５１２の分子配向方向が制御されて表示がなされる。
【００９０】
なお、上記した走査線駆動回路や信号線駆動回路を構成する薄膜トランジスタも上記画素回路と同様の多結晶シリコン半導体薄膜で形成することもできる。また、本発明は液晶表示装置に限らず、アクティブ・マトリクス型の他の表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置やプラズマ表示装置、その他の各種表示装置にも適用でき、あるいは太陽電池を構成する半導体薄膜の製造にも同様に適用することができる。
【００９１】
以上のように、本発明のレーザアニール法を用いた半導体製造方法とその評価方法を採用することにより、優れた特性を示す本発明の薄膜トランジスタを量産することができ、この薄膜トランジスタを用いることで、高品質な本発明の表示装置を非常に高い歩留まりで製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
ガラス等の絶縁基板上に薄膜トランジスタに代表されるアクティブ素子を形成して、画像表示装置を形成する場合、あるいは太陽電池を形成する場合の当該半導体薄膜の表面ラフネスを低減した半導体基板として利用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１  シリコン半導体薄膜を成膜した基板（試料基板）
１Ａ  基板上に成膜されたシリコン半導体膜
２  結晶化用レーザ光源
３  アッテネータ
４  長軸ホモジナイザ
５  短軸ホモジナイザ
５Ａ  短軸ホモジナイザの前段のシリンドリカルレンズアレイ
５Ｂ  短軸ホモジナイザの後段のシリンドリカルレンズアレイ
６  透過率分布フィルタ
７  ミラー
８  シリンドリカルレンズ
９  レーザ光
１０  シリンドリカルレンズ
１１  １２の領域より透過率が相対的に低い領域
１２  １１の領域より透過率が相対的に高い領域
１３  短軸ホモジナイザのシリンドリカルレンズアレイ各素子に対応する光透過領域
１４  １５の領域より透過率が相対的に低い領域
１５  １４の領域より透過率が相対的に高い領域
１６  透過率分布フィルタ
２３  ミラー
２４  ミラー
２５  ホモジナイザ
２６  マスク
２７  イメージングレンズ
２８  ミラー
２９  レンズ
３０  移動ステージ
３１  透過率分布フィルタ
３２  ３３の領域より透過率が相対的に高い領域
３３  ３２の領域より透過率が相対的に低い領域
４１  位相シフトストライプマスク
５０  透過率分布フィルタ
６０  検査用レーザ光源
６１  入射光強度モニタ用光検出器（１系統）
６２  ハーフミラー（６系統）
６３  基板からの反射光の強度モニタ用光検出器（６系統）
６４  基板からの透過光の強度モニタ用光検出器（６系統）
６５  アパーチャ
６６  基板からの散乱光強度の角度分布用アレイ検出器（６系統）
５０１  ガラス基板
５０２  アンダーコート層
５０３  多結晶シリコン膜
５０４ａ  多結晶シリコンのソース層
５０４ｂ  多結晶シリコンドレイン層
５０５  ゲート酸化膜
５０７  層間絶縁膜
５０６  ゲート電極
５０８  ソース／ドレイン電極
５０９  保護膜
５１０  カラーフィルタ
５１１  画素電極
５１２  液晶
５１３  対向電極
５１４  対向ガラス基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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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１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２５】
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【図４】
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【図１１】
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【図１９】
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【図２４】
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