(57)【要約】【課題】半導体薄膜の結晶の不均一性を緩和し、薄膜トランジスタの動作特性を向上させることが可能な半導体膜の製造方法を提供する。【解決手段】  基板１０上に非晶質シリコン膜１５Ａおよび光熱変換層１６をこの順に形成する。光熱変換層１６を介して非晶質シリコン膜１５Ａに第１ビームＬ１を照射することにより非晶質シリコン膜１５Ａに高温過熱領域１１を形成する。同時に、第２ビームＬ２を照射することにより高温過熱領域１１の走査方向の前後に低温過熱領域１２（昇温領域１２Ａおよび徐冷領域１２Ｂ）を形成する。非晶質シリコン１５Ａでは、第１レーザＬ１の照射により結晶成長が始まり、第２レーザＬ２の照射により昇温、徐冷されるため、非晶質シリコン１５Ａの結晶化が緩やかに進行し、結晶粒径の不均一性が緩和される。【選択図】図１
2011108944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に非晶質半導体膜を形成すると共に前記非晶質半導体膜上に光熱変換層を形成する工程と、
前記基板に対して第１および第２ビームを照射可能なレーザ光源を相対的に移動させつつ、前記光熱変換層を介して前記非晶質半導体膜に第１ビームを照射することにより前記非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームを照射することにより前記高温過熱領域の少なくとも走査方向の前後に低温過熱領域を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶成長させる工程と
を含む半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１ビームおよび第２ビームは連続発振レーザ光である、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記第１ビームおよび第２ビームを同軸照射する、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記第１ビームおよび第２ビームをずらした状態で照射する、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記第１ビームおよび第２ビームは同一波長を有する、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記第１ビームおよび第２ビームは波長が互いに異なる、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項７】
基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、非晶質半導体膜をこの順に形成する工程と、
前記非晶質半導体膜上に光熱変換層を形成する工程と、
前記基板に対して第１および第２ビームを照射可能なレーザ光源を相対的に移動させつつ、前記光熱変換層を介して前記非晶質半導体膜に第１ビームを照射することにより前記非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームを照射することにより前記高温過熱領域の少なくとも走査方向の前後に低温過熱領域を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶成長させる工程と、
前記非晶質半導体膜を結晶成長させたのち、前記光熱変換層を除去する工程と、
前記結晶成長させた結晶性半導体膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と
を含む薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記非晶質半導体膜上に光熱変換層を形成する工程と、
前記基板に対して第１および第２ビームを照射可能なレーザ光源を相対的に移動させつつ、前記光熱変換層を介して前記非晶質半導体膜に第１ビームを照射することにより前記非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームを照射することにより前記高温過熱領域の少なくとも走査方向の前後に低温過熱領域を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶成長させる工程と、
前記非晶質半導体膜を結晶成長させたのち、前記光熱変換層を除去する工程と、
前記結晶成長させた結晶性半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成すると共に、前記結晶性半導体膜と電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極を形成する工程と
を含む薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記基板と非晶質半導体膜との間に汚染防止膜を形成する、請求項８に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
基板上に薄膜トランジスタを形成する工程と、前記薄膜トランジスタを形成した基板に表示素子を形成する工程とを含み、
前記薄膜トランジスタを形成する工程は、
基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、非晶質半導体膜をこの順に形成する工程と、
前記非晶質半導体膜上に光熱変換層を形成する工程と、
前記基板に対して第１および第２ビームを照射可能なレーザ光源を相対的に移動させつつ、前記光熱変換層を介して前記非晶質半導体膜に第１ビームを照射することにより前記非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームを照射することにより前記高温過熱領域の少なくとも走査方向の前後に低温過熱領域を形成し、前記非晶質半導体膜を結晶成長させる工程と、
前記非晶質半導体膜を結晶成長させたのち、前記光熱変換層を除去する工程と、
前記結晶成長させた結晶性半導体膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と
を含む表示装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギービームによる加熱処理を利用して非晶質シリコンなどの非晶質半導体膜の結晶化を行う半導体膜の製造方法、およびこの方法を利用した薄膜トランジスタの製造方法並びに表示装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブマトリクス液晶表示装置や有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬ表示装置においては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Transistor）基板が用いられる。このＴＦＴ基板は、基板に非晶質または比較的粒径の小さな多結晶の半導体膜を形成し、この半導体膜にレーザビームを照射してアニールしたのち駆動素子としてのＴＦＴを形成したものである。
【０００３】
レーザアニール装置の光源としては、従来より半導体膜の吸収率が高く、大きなパルス高出力が得られるエキシマレーザが用いられている。しかし、エキシマレーザはガスレーザであるためパルス毎の出力強度にばらつきがあり、このエキシマレーザを用いて作製したＴＦＴの特性にもばらつきが生じるため、表示むらが発生し易いという欠点がある。このようなガスレーザのパルスのばらつきによる画質の低下を回避することを目的に、出力の安定性が高い半導体レーザを光源に用いたアニール装置が提案されている。
【０００４】
しかし、半導体レーザを光源に用いた場合には１つの光源から得られる光出力はエキシマレーザ等と比べると非常に小さく、アニール処理をするビームの大きさも小さくなる。このため、ＴＦＴ基板の単位面積当たりの処理時間が増加し、生産性の低下や製造コストの増大が課題となっている。
【０００５】
そこで、アニール処理の高スループット化のために、複数のレーザを互いに近接して配置し、複数のレーザビームを非晶質半導体膜の複数の部分に同時に照射し、操作時間を短縮して生産性を上げる方法が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００６】
レーザアニール装置には、基板上の非晶質半導体膜、特に非晶質シリコン膜にレーザビームを照射しながら照射部位を走査して照射ビーム幅に対応する帯域を結晶化する方法が利用されている。このように所要領域を照射ビームで繰り返して走査を行うことによって大きな面域が結晶化される。このようなレーザアニールは、照射ビーム幅を大きくすれば処理面積速度が高くなり、生産性を向上させることができるが、単一のレーザ光学系で均一に調整できるビーム幅には限度がある。
【０００７】
そこで、複数のレーザ発振器と対応するレーザ光学系とから複数の組の照射系を配列して、各光学系からの照射ビームを互いに近接するように並べて、同時に半導体膜面を掃引する方法が利用されている。従来の複数のレーザビームを用いたレーザアニール装置は、基板に複数のレーザ発振器からのレーザビームを並列に照射して走査することにより、１回のパスで通常、単一ビーム幅の複数倍の照射幅を結晶化することができる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１５３１５０号公報
【特許文献２】特開２００３−３３２２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、このようなレーザアニール法においては、照射幅全域にわたって均一な結晶粒径を作製することは困難であった。その原因としては、複数の照射レーザビームの出力が相互に変動するということ、さらに単一の照射レーザビームにおいても２次元的に均一な照射幅、または同じ傾向を持つ強度密度（分布）を得ることが困難であるということなどがある。そのため結晶領域は結晶粒径の大きい領域と小さい領域とに分かれて形成される。このように結晶粒の細粒と粗粒との混在領域にわたって形成された薄膜トランジスタでは、形成場所によってその動作特性に変動が生じるという問題がある。
【００１０】
また、レーザアニール処理により、非晶質シリコン膜に伝わるはずの熱が、基板側に設けられたゲート電極等に吸収または拡散され、非晶質シリコンの温度が上がり難い、あるいは急冷しやすくなり、結晶化が進行し辛く、高結晶化が困難になるという問題があった。また、熱の伝わり方が下地パターンの影響を受けてしまうことで、結晶化率の均一性が低下し、チャネルの左右（レーザビームの入口出口）領域の結晶粒径および結晶分布が不均一になるという問題もあった。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体膜の結晶の不均一性を緩和し、薄膜トランジスタの動作特性を向上させることが可能な半導体膜の製造方法、薄膜トランジスタの製造方法および表示装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体膜の製造方法は以下の工程を含むものである。
（Ａ１）基板上に非晶質半導体膜を形成すると共に非晶質半導体膜上に光熱変換層を形成する工程
（Ｂ１）基板に対して第１および第２ビームを照射可能なレーザ光源を相対的に移動させつつ、光熱変換層を介して非晶質半導体膜に第１ビームを照射することにより非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームを照射することにより高温過熱領域の少なくとも走査方向の前後に低温過熱領域を形成し、非晶質半導体膜を結晶成長させる工程
【００１３】
本発明の第１の薄膜トランジスタの製造方法は以下の工程を含んでいる。
（Ａ２）基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、非晶質半導体膜をこの順に形成する工程
（Ｂ２）非晶質半導体膜上に光熱変換層を形成する工程
（Ｃ２）基板に対して第１および第２ビームを照射可能なレーザ光源を相対的に移動させつつ、光熱変換層を介して非晶質半導体膜に第１ビームを照射することにより非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームを照射することにより高温過熱領域の少なくとも走査方向の前後に低温過熱領域を形成し、非晶質半導体膜を結晶成長させる工程
（Ｄ２）非晶質半導体膜を結晶成長させたのち、光熱変換層を除去する工程
（Ｅ２）結晶成長させた結晶性半導体膜上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程
本発明の第２の薄膜トランジスタの製造方法は以下の工程を含んでいる。
（Ａ３）基板上に非晶質半導体膜を形成する工程
（Ｂ３）非晶質半導体膜上に光熱変換層を形成する工程
（Ｃ３）基板に対して第１および第２ビームを照射可能なレーザ光源を相対的に移動させつつ、光熱変換層を介して非晶質半導体膜に第１ビームを照射することにより非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームを照射することにより高温過熱領域の少なくとも走査方向の前後に低温過熱領域を形成し、非晶質半導体膜を結晶成長させる工程
（Ｄ３）非晶質半導体膜を結晶成長させたのち、光熱変換層を除去する工程
（Ｅ３）結晶成長させた結晶性半導体膜上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成すると共に、結晶性半導体膜と電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極を形成する工程
【００１４】
本発明の表示装置の製造方法は、基板上に薄膜トランジスタを形成する工程と、薄膜トランジスタを形成した基板に表示素子を形成する工程とを含み、薄膜トランジスタを上記本発明の薄膜トランジスタの製造工程により形成する。
【００１５】
本発明の半導体膜の製造方法では、基板に対してレーザ光源を相対的に移動させつつ、基板上に形成した非晶質半導体膜に光熱変換層を介して第１ビームが照射されることにより非晶質半導体膜が結晶成長する。更に、この第１ビームの近傍に第２ビームが照射され、第１ビームの近傍に低温過熱領域が形成されることにより、第１ビームの強度の偏差が吸収されると共に、非晶質半導体膜における第１ビームの照射領域の急激な加熱および冷却が緩和され、結晶粒径が緩やかに成長する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体膜の製造方法によれば、第１ビームの照射により非晶質半導体膜に高温過熱領域を形成すると共に、第２ビームの照射により高温過熱領域の近傍に低温過熱領域を形成するようにしたので、第１ビームの強度の偏差を吸収すると共に、非晶質半導体膜における第１ビームの照射領域の急激な加熱および冷却を緩和し、結晶粒径の成長を緩やかにすることが可能となる。これにより半導体膜中に含まれる結晶粒径の不均一性が緩和され、均一な結晶を有する結晶性半導体膜を得ることができる。よって、この方法を薄膜トランジスタあるいは表示装置の製造に適用することにより、薄膜トランジスタの動作特性およびその均一性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザビーム照射装置の概略図である。
【図２】レーザビーム照射装置の照射領域の例を表す模式図である。
【図３】レーザビーム照射装置の光学系を表す模式図である。
【図４】薄膜トランジスタの製造工程の一例を表す断面図である。
【図５】メインビームとサブビームの相関関係を表すものである。
【図６】走査時間に対するレーザ照射点の温度推移を表す模式図である。
【図７】図４に続く工程を表した断面図である。
【図８】図７に続く工程を表した断面図である。
【図９】図８に続く工程を表した断面図である。
【図１０】図９に続く工程を表した断面図である。
【図１１】トップゲート型薄膜トランジスタの構成を表す断面図である。
【図１２】表示装置の構成を表す断面図である。
【図１３】各実施例における結晶化の分布を表す特性図である。
【図１４】各実施例におけるラマン結晶化率を表した特性図である。
【図１５】各実施例におけるラマン結晶化率の差を表した特性図である。
【図１６】各実施例における薄膜トランジスタの移動度の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
（１）結晶化の概要
（２）レーザビーム照射装置の構成
（３）薄膜トランジスタの製造方法１
（４）薄膜トランジスタの製造方法２
（５）実施例
（６）表示装置
【００１９】
［結晶化の概要］
図１は本発明の一実施の形態に係るレーザビーム照射装置１の概略を表したものである。このレーザビーム照射装置１は、非晶質半導体膜例えば非晶質シリコン膜が形成された基板１０に高出力のメインビームＬ１（第１ビーム）を照射し、局所的に高温過熱領域１１を形成すると共に、この高温過熱領域Ｌ１の近傍（走査方向の前後）にメインビームＬ１よりも低出力のサブビームＬ２（第２ビーム）を照射し、低温過熱領域１２（昇温領域および徐冷領域）を形成するものである。メインビームＬ１はサブビームＬ２と比較して、パワー密度において、例えば１００倍以上の出力強度を有している。なお、基板１０の表面の非晶質シリコン膜上には後述のように光熱変換層が形成されている。
【００２０】
本実施の形態では、レーザビーム照射装置１に対して基板１０が相対的に移動することにより、メインビームＬ１およびサブビームＬ２による非晶質シリコン膜の走査がなされる。これによりメインビームＬ１によってアニールされた領域の非晶質シリコンが溶融による再結晶、または固相成長し、結晶化が進行する。メインビームＬ１は例えば波長８００ｎｍの赤外光である。このメインビームＬ１はここではマルチビームを用いているが、シングルビームとしてもよい。
【００２１】
サブビームＬ２は、メインビームＬ１よりも広域を照射することが好ましいが、その大きさおよび形状は特に問わない。また、サブビームＬ２の照射領域低温過熱領域１２）は、ここではメインビームＬ１による照射領域（高温過熱領域１１）を含んでいるが、必ずしもこれに限らない。サブビームＬ２による低温過熱領域１２は、基板１０の走査方向に対して高温過熱領域１１の前後に形成されていればよい。すなわちサブビームＬ２は１本に限らず、２本以上を用いてもよい。
【００２２】
図２は、基板１０上に形成されたメインビームＬ１による高温過熱領域１１とサブビームＬ２による低温過熱領域１２との分布状態を表したものである。図２（Ａ）はメインビームＬ１とサブビームＬ２を同軸的に照射した場合の結果を示している。メインビーム１１による高温過熱領域１１の下方、すなわち、基板走査方向Ｓの上流側にはメインビームＬ１の照射前に基板１０を昇温するための昇温領域１２Ａが形成されており、高温過熱領域１１の上方、すなわち、基板走査方向Ｓの下流側にはメインビームＬ１照射後の基板１０を徐冷するための徐冷領域１２Ｂが形成されている。ここでは昇温領域１２Ａと徐冷領域１２Ｂの面積は同じである。図２（Ｂ）は、サブビームＬ２の照射軸に対してメインビームＬ１の照射軸が基板走査方向の上流側にずれたものである。こうすることによって昇温領域１２Ａに対して徐冷領域１２Ｂが広くなり、基板１０はより緩やかに徐冷される。図２（Ｃ）は、サブビームＬ２の照射軸に対してメインビームＬ１の照射軸が基板走査方向の下流側にずれたものである。これにより徐冷領域１２Ｂに対して昇温領域１２Ａが広くなる。
【００２３】
中でも、高温過熱領域１１と低温過熱領域１２との分布状態は、図２（Ｂ）に示したように、昇温領域１２Ａに対して徐冷領域１２Ｂが広くなるようにすることが好ましい。非晶質シリコン膜１５Ａの結晶成長が緩やかになるため、生成された結晶粒径が大きくなりやすく、結晶粒径の不均一性が緩和されやすくなる。但し、レーザビーム照射装置１のメインビームＬ１とサブビームＬ２との光学系の照射軸をずらすことは、走査毎の照射軸のずれを一定にすることは難しいので、照射軸が同じになるようにした方が光学系の設計および再現性の観点からは好ましい。
【００２４】
また、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示したいずれかの場合においても、基板走査方向における低温過熱領域１２の外縁と高温過熱領域１１の外縁との距離は、一定になるようにサブビームＬ２を照射することが好ましい。これにより基板面内方向の基板走査方向に対して垂直方向における非晶質シリコン膜１５Ａの結晶性が均一になりやすくなる。このため、図２に示したように高温過熱領域１１の平面形状が矩形上である場合には、低温過熱領域１２の平面形状も矩形状として、基板走査方向における低温過熱領域１２の外縁と高温過熱領域１１の外縁との距離が、一定になるようにサブビームＬ２を照射することが好ましい。
【００２５】
本実施の形態においては、メインビームＬ１による高温過熱領域１１の前後に、サブビームＬ２による昇温領域１２Ａおよび徐冷領域１２Ｂを形成するようにしたので、非晶質シリコン膜の急激な加熱および冷却が緩和される。すなわち基板１０上の非晶質シリコン膜は昇温過程を経て徐々に高温になることにより結晶成長が始まり、そののちは徐冷されるため結晶粒径が緩やかに成長する。これにより結晶化率の不均一分布が緩和された結晶性シリコン膜を得ることができる。
【００２６】
［レーザビーム照射装置の構成］
本実施の形態において用いられるレーザビーム照射装置１は図３に示したように、メインビームＬ１用の第１レーザ２１およびサブビームＬ２用の第２レーザ２２を備えている。第１レーザ２１は半導体マルチビームレーザであり、この第１レーザ２１と基板１０との間には第１光学系２３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４および結像光学系２５が配置されている。第１光学系２３は例えばビーム分割を行うスリットマスク２３Ａを含み、メインビームＬ１の拡大、均一化を行うものである。第２レーザ２２は例えばファイバカップルドＬＤ（Laser diode)であり、この第２レーザ２２と基板１０との間には第２光学系２６、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４および結像光学系２５が配置されている。第２光学系２６は例えばビーム整形を行う絞り２６Ａなどを含み、サブビームＬ２の拡大、均一化を行うものである。
【００２７】
このレーザビーム照射装置１では、第１レーザ２１から射出されたメインビームＬ１は、第１光学系２３によりビーム分割等がなされたのち偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系２５を経て基板１０に照射される。これにより非晶質シリコン膜には局所的に（横一列に）高温過熱領域１１が形成される。一方、第２レーザ２２から射出されたサブビームＬ２は、第２光学系２６によりビーム整形等がなされたのち偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系２５を経て基板１０に照射される。これにより非晶質シリコン膜には高温過熱領域１１の前後にそれぞれ低温過熱領域１２（昇温領域１２Ａおよび徐冷領域１２Ｂ）が形成される。
【００２８】
［薄膜トランジスタの製造方法１］
次に、このレーザビーム照射装置１を用いた半導体膜の製造方法の具体例として図４および図７〜図１０を参照しつつ薄膜トランジスタ２の製造方法を説明する。
【００２９】
まず、図４（Ａ）に示したように、ガラス材料やプラスチック材料などからなる絶縁性の基板１０上に、ゲート電極１３、ゲート絶縁膜１４、非晶質シリコン膜１５Ａおよび光熱変換層１６をこの順に形成する。
【００３０】
具体的には、ゲート電極１３は、基板１０上に例えばスパッタ法により厚さが１００ｎｍ程度のモリブデン（Ｍｏ）膜を一様に形成した後、エッチングにより所定の形状にパターニングすることによって形成する。このゲート電極１３はＭｏに限らず、後に非晶質シリコン膜１５Ａを結晶化する際（図４（Ｂ）参照）に生じる熱によっても変質しにくい高融点の金属であればよい。ゲート絶縁膜１４は、ゲート電極１３を含む基板１０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により厚さが１６０ｎｍ程度の酸化シリコン（ＳｉＯ2）を一様に堆積させることにより形成する。ゲート絶縁膜１４としては、その他の絶縁材料、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）や酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などにより形成するようにしてもよい。非晶質シリコン膜１５Ａは、ゲート絶縁膜１４上に例えばプラズマＣＶＤ法により厚さが３０ｎｍ程度、一様に形成する。
【００３１】
光熱変換層１６は、非晶質シリコン膜１５Ａ上に例えばスパッタ法により厚さが１００ｎｍ程度のＭｏを一様に堆積させることによって形成する。この光熱変換層１６は、後述するレーザビームなどを吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換するためのものである。この光熱変換層１６としては、後の結晶化の際（図４（Ｂ））に使用するレーザビームの吸収率が高いこと、非晶質シリコン膜１５Ａへの熱拡散速度が低いこと、後の結晶化の際に生じる熱によっても変質しにくい高融点の材料であること、などの条件を満たせばどのような材料であってもよく、例えば他に炭素（Ｃ）などを用いるようにしてもよい。
【００３２】
続いて、図４（Ｂ）に示したように、光熱変換層１６に対してレーザビーム照射装置１を用いてメインビームＬ１およびサブビームＬ２を照射し、光熱変換層１６を介して非晶質シリコン膜１５Ａに間接的に加熱処理を施す。このとき図４（Ｃ）に示したように、光熱変換層１６などを積層した基板１０をレーザビーム照射装置１に対して移動させる。メインビームＬ１を照射することにより非晶質シリコン膜１５Ａは結晶成長し、結晶性シリコン膜（多結晶シリコン膜）１５Ｐとなる。なお、光源のレーザとしては、連続波であり、光熱変換層１６を全透過さえしなければ、どのような波長領域のレーザビームでもよいが、光熱変換層１６での吸収率が多いものが望ましい。また、光熱変換層１６での反射率が高くなってしまうような場合には、例えば光熱変換層１６上に適度な膜厚の酸化膜（ＳｉＯ2）などを形成し、メインビームＬ１の反射抑止膜として用いるようにしてもよい。
【００３３】
図５は、光熱変換層１６などが積層された基板１０に対するメインビームＬ１およびサブビームＬ２の照射領域を表したものである。図６は走査時間に対する任意の加熱点の温度推移を表すものである。このようにサブビームＬ２の照射による低温過熱領域１２を、メインビームＬ１による高温過熱領域１１を取り囲むように形成することにより、基板１０は走査方向に向かってメインビームＬ１の照射前に昇温され、メインビームＬ１の照射後に徐冷される。
【００３４】
続いて、図７（Ａ）に示したように非晶質シリコン膜１５Ａの結晶化後は不要となる光熱変換層１６をエッチングにより除去する。
【００３５】
次に、図７（Ｂ）に示したように、結晶質シリコン膜１５Ｐ上に例えばプラズマＣＶＤ法により厚さが２００ｎｍ程度のＳｉＯ2膜からなる絶縁膜１７Ａを一様に形成する。絶縁膜１７Ａとしては、その他ＳｉＮあるいはＳｉＯＮなどにより形成してもよい。
【００３６】
この後、図７（Ｃ）に示したように、絶縁膜１７Ａ上にフォトレジスト膜１８Ａを形成し、所定形状にパターニングする。具体的には、結晶質シリコン膜１５Ｐのチャネル領域となる部分に対応する領域に選択的にフォトレジスト膜１８Ａを形成する。
【００３７】
続いて、図８（Ａ）に示したように絶縁膜１７Ａにおけるフォトレジスト膜１８Ａが残存していない部分、すなわち結晶質シリコン膜１５Ｐのチャネル領域となる部分に対応する領域以外を、フッ化水素酸からなる溶液を用いたウェットエッチングにより除去し、絶縁膜１７Ａからなるチャネル保護膜を形成する。その際、結晶質シリコン膜１５Ｐのチャネル領域となる部分は、チャネル保護膜によってマスクされることで保護され、エッチングによりダメージを受けることはない。
【００３８】
次に、図８（Ｂ）に示したように、フォトレジスト膜１８Ａを除去した後、チャネル保護膜を含む結晶質シリコン膜１５Ｐ上に、後述するソース領域およびゲート領域を形成するためのｎ＋シリコン膜１９を、例えばプラズマＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍ程度で一様に形成する。
【００３９】
この後、図８（Ｃ）に示したように、ｎ＋シリコン膜１９上にフォトレジスト膜１８Ｂを形成し、所定形状にパターニングする。具体的には、ゲート電極１３に対応する領域に選択的にフォトレジスト膜１８Ｂを形成する。続いて、図９（Ａ）に示したように、結晶質シリコン膜１５Ｐおよびｎ＋シリコン膜１９におけるフォトレジスト膜１８Ｂが残存していない部分、すなわちゲート電極１３に対応する領域以外をエッチングにより除去し、結晶質シリコン膜１５Ｐおよびｎ＋シリコン膜１９からなる島状パターンを形成する。
【００４０】
次に、図９（Ｂ）に示したように、ｎ＋シリコン膜１９を含むゲート絶縁膜１４上に、例えばスパッタ法により、３層構造の金属層２０をそれぞれ一様に形成する。具体的には、例えば厚さが５０ｎｍ程度のチタン（Ｔｉ）層２０Ａ、厚さが２５０ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）層２０Ｂ、および厚さが５０ｎｍ程度のＴｉ層２０Ｃを、この順に積層させる。金属層２０としては、これらの材料の他に、モリブデン（Ｍｏ）やクロム（Ｃｒ）、あるいはＭｏ／Ａｌ／Ｍｏを用いた積層構造としてもよい。
【００４１】
続いて、図１０（Ａ）に示したように、ｎ＋シリコン膜１９および金属層２０を所定形状にパターニングすることにより、ｎ＋シリコン膜１９からソース領域１９Ｓおよびドレイン領域１９Ｓをそれぞれ形成すると共に、金属層２０からソース電極２０Ｓおよびドレイン電極２０Ｄをそれぞれ形成する。具体的には、ｎ＋シリコン膜１９および金属層２０の両端部分、およびこれらの層における結晶質シリコン膜１５Ｐのチャネル領域となる部分に対応する領域を、エッチングにより選択的に除去する。その際、これらの層によるエッチング残渣を回避するため、図中の符号Ｐ１で示したようにオーバーエッチングを行うが、絶縁膜１７Ａにより十分な膜厚を有するチャネル保護膜がエッチングストッパとして機能するため、結晶質シリコン膜１５Ｐのチャネル領域は保護され、ダメージを受けることはない。
【００４２】
最後に、図１０（Ｂ）に示したように、ソース電極２０Ｓ、ドレイン電極２０Ｄおよびチャネル保護膜を含むゲート絶縁膜１４上に、例えばプラズマＣＶＤ法により厚さが２００ｎｍ程度の保護膜１７Ｂを一様に形成する。これにより本実施の形態の薄膜トランジスタ１が完成する。なお、この保護膜１７Ｂも、例えばＳｉＯ2、ＳｉＮあるいはＳｉＯＮなどの絶縁材料により形成される。
【００４３】
この薄膜トランジスタ２では、図示しない配線層を通じてゲート電極１３とソース電極２０Ｓとの間に所定のしきい値電圧以上のゲート電圧Ｖｇが印加されると、結晶質シリコン膜１５Ｐにチャネルが形成され、ソース領域１９Ｓおよびドレイン領域１９Ｄを介してソース電極２０Ｓとドレイン電極２０Ｄとの間に電流（ドレイン電流Ｉｄ）が流れ、トランジスタとして機能する。
【００４４】
ここで、結晶質シリコン膜１５Ｐは、上述のように光熱変換層１６を介した間接的な加熱処理によって結晶化されたものであるため、結晶化の際に均一に熱が供給された上で結晶成長により形成される。
【００４５】
また、この加熱時に、非晶質シリコン膜１５Ａを結晶成長させるためのメインビームＬ１を照射すると共に、メインビームＬ１による高温過熱領域１１の周囲にサブビームＬ２を照射することにより低温過熱領域１２を形成している。これによりレーザ光学系の熱的不安定さに起因して生じるレーザビーム間の強度の偏差が吸収される。更に、複数の照射レーザビームの出力および照射幅を均一化できるため、ヘッド間差を低減することが可能となる。また、メインビームＬ１の照射による照射点の急激な温度変化も緩和され、緩やかな昇温および徐冷が行われる。従って、メインビームＬ１の照射による非晶質シリコン膜１５Ａの結晶成長は緩やかに結晶化が進行するため、大きな且つ、均一な結晶粒径を有する結晶が得られる。
【００４６】
以上は本発明をボトムゲート型ＴＦＴに適用した例であるが、本発明はトップゲート型ＴＦＴにも適用可能である。図１１はトップゲート型の薄膜トランジスタ３の断面構成を表したものである。以下に、この薄膜トランジスタ３の製造方法について簡単に説明する。なお、薄膜トランジスタ２と同一構成部分については同一符号を付してその説明は省略する。
【００４７】
［薄膜トランジスタの製造方法２］
まず、基板１０上に汚染防止膜２７を形成する。この汚染防止膜２７は基板１０に含まれる不純物のチャネルへの拡散を防止するものであり、例えばＳｉＯ2あるいはＳｉＮなどの絶縁材料により形成する。次に、この汚染防止膜２７上にここでは図示しないが、前述の非晶質シリコン膜１５Ａおよび光熱変換層１６をこの順に形成する。続いて、薄膜トランジスタの製造方法１と同様に、光熱変換層１６に対してレーザビーム照射装置１を用いてメインビームＬ１およびサブビームＬ２を照射し、光熱変換層１６を介して非晶質シリコン膜１５Ａに間接的に加熱処理を施す。これにより非晶質シリコン膜１５Ａは結晶成長し、結晶性シリコン膜１５Ｐとなる。次に、光熱変換層１６を除去したのち、結晶性シリコン膜１５Ｐ上にｎ＋シリコン膜１９を形成する。続いて結晶性シリコン膜１５Ｐ上にソース電極２０Ｓおよびドレイン電極２０Ｄをそれぞれ形成したのち、ゲート絶縁膜１４を形成する。続いて、ゲート電極１３を形成し、最後に保護膜１７Ｂを形成することにより薄膜トランジスタ３が完成する。
【００４８】
以上のように本実施の形態では、非晶質シリコン膜１５Ａに光熱変換層１６を介してメインビームＬ１を照射して局所的に加熱することにより高温過熱領域１１を形成すると共に、サブビームＬ２を照射することにより高温過熱領域１１を囲む領域に低温過熱領域１２を形成するようにした。これによりレーザ光学系の熱的不安定さに起因して生じるレーザビーム間の強度の偏差が吸収され、よって結晶のばらつきを抑えることが可能となる。更に、非晶質シリコン膜１５ＡはメインビームＬ１による結晶化加熱の前に昇温されるため、より結晶化温度上昇を補助すると共に、メインビームＬ１の照射後に緩やかに徐冷されるため、緩やかな結晶成長が行われる。これにより非晶質シリコン膜１３Ａの結晶化が緩やかに進行し、大きな且つ均一な結晶粒径を有する結晶が形成される。すなわち、結晶質シリコン膜１５Ｐ中の結晶の不均一さが緩和されるため、動作特性および均一性の極めて高い薄膜トランジスタを得ることが可能となる。
【００４９】
また、特性が向上することにより、薄膜トランジスタ２，３の大きさを大幅に小さくすることができるため、従来では困難であった薄膜トランジスタ２の縦置き配置によるレイアウト設計が可能になると共に、微小ダストによる欠陥数が減少するため歩留まりを大幅に改善することが可能となる。
【００５０】
上記薄膜トランジスタ２，３は、例えば図１２に示したように、表示素子として有機ＥＬ素子（有機ＥＬ素子４２）を備えた有機ＥＬ表示装置に適用することが可能である。その場合、薄膜トランジスタ２（２Ａ〜２Ｃ）を複数個設け、これら複数の薄膜トランジスタ２をそれぞれ、有機ＥＬ素子４２の駆動素子として機能させるようにする。この有機ＥＬ表示装置の具体的な構成としては、例えば基板１０上の薄膜トランジスタ２上に絶縁性の平坦化膜３１を一様に形成し、その上に反射電極３２Ａ、有機発光層３２Ｂおよび透明電極４２Ｃからなる複数の有機ＥＬ素子４２を形成し、各有機ＥＬ素子４２間を電極間絶縁膜４４によって隔離するようにし、その上に再び絶縁性の平坦化層４４を形成し、これらを透過性の基板４０で挟み込むようにしたものが挙げられる。このような構成の有機ＥＬ表示装置では、反射電極４２Ａと透明電極４２Ｃとの間に所定の電圧が印加されると有機発光層４２Ｂが発光し、これが発光光として図の上方へ射出される。なお、図１２では、いわゆる上面発光（トップエミッション）型の有機ＥＬ表示装置について説明したが、この他にも例えば、いわゆる下面発光（ボトムエミッション）型の有機ＥＬ表示装置や、両面発光（デュアルエミッション）型の有機ＥＬ表示装置にも適用することが可能である。
［実施例］
【００５１】
次に、上記製造方法による効果を説明するために具体的な実施例について説明する。
【００５２】
上述した薄膜トランジスタ２の製造方法を用いて、基板上１０にゲート電極１３、ゲート絶縁膜１４、非晶質シリコン膜１５Ａ、光熱変換層１６を積層した。アニール処理は、共に赤外光以上の発振波長を有するメインビームＬ１である半導体レーザと、サブビームＬ２であるファイバーカップルドレーザを用いて行った。このときのアニール条件は、メインビームＬ１の電流を一定にしてサブビームＬ２の電流を０Ａ，２０Ａ，４０Ａに変化させ、走査速度は１２５ｍｍ／ｓｅｃとした。サブビームＬ２の電流を０Ａとしたものを実験例１、２０Ａとしたものを実験例２、４０Ａとしたものを実験例３とする。
【００５３】
まず、光学的測定法を用いて実験例１〜３のゲート電極１３上における非晶質シリコン膜１５Ａの結晶化率の分布を測定した。図１３はその結果を表すものである。ここで用いた光学的測定法とは、光の干渉を利用してトランジスタ上の光学的位相差を段差情報として計測し、トランジスタの結晶化度合を求める測定方法である。この結果から、サブビームＬ２の電流が０Ａの場合、すなわちサブビームＬ２を用いない実施例１と比較して、サブビームＬ２を用いた実施例２，３は明らかに非晶質半導体１５Ａの結晶化率が向上していることが分かる。
【００５４】
次にラマン測定法により、実験例１〜３のそれぞれの結晶化率を測定した。ラマン結晶化率は１に近づくほど結晶性が高くなる。従来、結晶性とＴＦＴの特性を示す移動度とは相関がとれており、ラマン結晶性が高いとＴＦＴの移動度が高くなる傾向にある。図１４は、長軸３０μｍ、短軸１２μｍのゲート電極１３の複数の位置における、それぞれの結晶化率を測定した結果である。各位置は、基板走査方向（短軸）に対して順に入口（２μｍ）、中央（６μｍ）、出口（９．５μｍ）、さらにガラス部としてゲート電極１３から充分に離れ、ゲート電極１３の影響を受けない位置（約３０μｍ）である。図１４から、実験例１と比較して実験例２および実験例３の結晶化率が明らかに向上していることが分かる。特に、ゲート電極の中央部の改善が大きく、これはＴＦＴ特性の向上に大きな影響を与えると考えられる。また、上述したように、ラマン測定法と上記光学的測定法は相関関係があり、図１３のＩ−Ｉ線の断面図が図１４の入口から出口の間の特性図に一致している。
【００５５】
図１５は、図１４における実施例１〜３の最大結晶化率と最小結晶化率の差を表したものである。この図から、メインビームＬ１のみを照射した実施例１よりも、メインビームＬ１およびサブビームＬ２を照射して製造した実施例２，３の方が各部における結晶化率の差が小さいことが分かる。すなわち、メインビームＬ１とサブビームＬ２を用いることにより、ゲート上の結晶化の均一性が改善されていることが分かる。また、図１３〜図１５の結果から、サブビームＬ２の電流は２０Ａよりも４０Ａとすることにより、非晶質シリコン膜１５Ａの結晶化をより促進させることができることが分かる。
【００５６】
また、従来では、往復アニールをした場合、走査方向により最左右差が反転するため、往路アニールと復路アニールでトランジスタの特性が異なってしまうという問題があった。これに対して、上記薄膜トランジスタ１の製造方法を用いることにより、走査方向による最左右差が改善された往復アニールが可能となり、タクトが改善される。
【００５７】
図１６は、実験例１と実験例３の薄膜トランジスタの移動度を測定したものである。実験例３は実験例１と比較して１．２倍以上、移動度が改善している。
【００５８】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態等では、半導体膜の製造方法の適用例として、ボトムゲート型の薄膜トランジスタの製造方法について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、太陽電池の製造に適用することも可能である。
【００５９】
例えば、上記実施の形態では、メインビームＬ１とサブビームＬ２を同軸照射していたが、図２（Ｂ），（Ｃ）に示したように、メインビームＬ１の照射軸とサブビームＬ２の照射軸は異なっていてもよい。本発明の半導体膜の製造方法は、メインビームＬ１の照射前の昇温よりも照射後の徐冷が重要であるため、メインビームＬ１とサブビームＬ２が異軸である場合には、徐冷領域１２Ｂを広くするようにした方がよい。
【００６０】
また、本発明の薄膜トランジスタの製造方法によって製造した薄膜トランジスタは、図１２で示したような有機ＥＬ表示装置の他に、例えば液晶表示装置にも適用することが可能である。
【００６１】
また、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、また他の成膜方法および成膜条件としてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１…レーザビーム照射装置、２，３…薄膜トランジスタ、４…表示装置、Ｌ１…メインビーム、Ｌ２…サブビーム、１０…基板、１１…高温過熱領域、１２…低温過熱領域、１２Ａ…昇温領域、１２Ｂ…徐冷領域、１３…ゲート電極、１４…ゲート絶縁膜、１５Ａ…非晶質シリコン膜、１５Ｐ…結晶質シリコン膜、１６…光熱変換層、１７Ａ…絶縁膜、１７Ｂ…保護膜、１８（１８Ａ，１８Ｂ）…フォトレジスト膜、１９…ｎ＋シリコン膜、２０…金属層、２０Ｓ…ソース電極、２０Ｄ…ドレイン電極、２１…第１レーザ、２２…第２レーザ、２３…第１光学系、２３Ａ…スリットマスク、２４…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、２５…結像光学系、２６…第２光学系、２６Ａ…絞り、２７…汚染防止膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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１１】
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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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