(57)【要約】基層上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、この非単結晶半導体薄膜にエネルギー線を照射して非単結晶半導体薄膜を構成している非単結晶半導体の結晶度を向上させるアニール工程とを有する薄膜半導体装置基板の製造方法である。前記アニール工程は、複数本のエネルギー線により、非単結晶半導体薄膜を同時に照射して、エネルギー線が照射される少なくとも１つの照射領域と、エネルギー線が照射されない少なくとも１つの非照射領域とを各々が有する多数のユニット領域を形成する。
2003088331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、
この非単結晶半導体薄膜にエネルギー線を照射して非単結晶半導体薄膜を構成している非単結晶半導体の結晶度を向上させるアニール工程とを具備し、
前記アニール工程は、複数本のエネルギー線により、非単結晶半導体薄膜を同時に照射して、エネルギー線が照射される少なくとも１つの照射領域と、エネルギー線が照射されない少なくとも１つの非照射領域とを各々が有する多数のユニット領域を形成する、薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項２】
前記非単結晶半導体薄膜は、非晶質半導体薄膜である請求項１の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項３】
前記非単結晶半導体薄膜は、多結晶半導体薄膜である請求項１の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項４】
前記複数のエネルギー線の照射は、非単結晶半導体薄膜に、規則的配置で行う請求項１，２もしくは３の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項５】
前記アニール工程は、１本のエネルギー線を、プレートとこのプレートに形成された複数の透孔とを有するマスクに入射させて、これら透孔を通ったエネルギー線を前記非単結晶半導体薄膜に照射させる請求項１ないし４のいずれか１の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項６】
前記複数の透孔は、プレートに規則的に配設されている請求項５の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項７】
前記アニール工程は、１本のエネルギー線を、第１の反射角度を夫々が有する第１グループの第１のミラーと、第１の反射角度とは異なる反射角度を夫々が有する第２のグループの第２のミラーとが平面上に配置されたミラーアレイに入射させて、第１のミラーにより反射されたエネルギー線を前記非単結晶半導体薄膜に照射させ、第２のミラーにより反射されたエネルギー線を前記非単結晶半導体薄膜の外に入射させる請求項１ないし４のいずれか１の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項８】
前記第１のミラーと第２のミラーとは、前記平面上の第１の方向と、これとは異なる第２の方向とに夫々交互に並べられて配設されている、請求項７の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項９】
前記第１並びに第２のミラーは、四角形状の反射面を有する請求項７もしくは８の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項１０】
前記第１並びに第２のミラーは、三角形状の反射面を有する請求項７もしくは８の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項１１】
前記第１のミラーと第２のミラーとは、同じ形状で、同じディメンションを有する前記第１並びに第２のミラーは、四角形状の反射面を有する請求項７ないし１０のいずれか１の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項１２】
前記第１のミラーの少なくとも１つは反射角度を変更するように調節可能である請求項７ないし１１のいずれか１の薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項１３】
基層上に非晶質シリコン薄膜を形成する工程と、
この非晶質シリコン薄膜にエキシマレーザ光を照射して非晶質シリコンを多結晶もしくは単結晶シリコンにするアニール工程とを具備し、
前記アニール工程は、１本のエキシマレーザ光を互いにの離間した多数のエキシマレーザ光部分に分けて、これらエキシマレーザ光部分を非晶質シリコン薄膜に照射して、エキシマレーザ光部分が照射される少なくとも１つの照射領域と、エネルギー線が照射されない少なくとも１つの非照射領域とを各々が有し、互いに隣接された多数のユニット領域を形成する、薄膜半導体装置基板の製造方法。
【請求項１４】
基層と、この基層上に形成された半導体薄膜とを有し、この半導体薄膜は、少なくとも１つの第１の領域と、少なくとも１つの第２の領域とを各々が有し、互いに隣接された多数のユニット領域を形成し、第１の領域と第２の領域とは結晶度が異なる、薄膜半導体装置基板。
【請求項１５】
前記第１の領域は、結晶質半導体で形成されており、前記第２の領域は非晶質半導体で形成されている請求項１４の薄膜半導体装置基板。
【請求項１６】
前記ユニット領域の第１の領域と第２の領域とは同じ配置である請求項１４もしくは１５の薄膜半導体装置基板。
【請求項１７】
基層と、この基層上に形成された多数の第１のトランジスタ、並びに第２トランジスタとを具備し、第１のトランジスタと第２のトランジスタとは、結晶度が異なる半導体薄膜を有し、第１のトランジスタの少なくとも１つのトランジスタと第２トランジスタの少なくとも１つのトランジスタとは、多数のユニット領域の各々に形成されている薄膜半導体装置。
【請求項１８】
前記ユニット領域の第１のトランジスタと第２のトランジスタとは同じ配置である請求項１７の薄膜半導体装置。
【請求項１９】
前記第１のトランジスタの半導体薄膜は結晶質半導体により形成され、前記第２のトランジスタの半導体薄膜は非晶質半導体により形成されている請求項１７もしくは１８の薄膜半導体装置。
【請求項２０】
透明基層と、この上にマトリックス状に配設された、第１の半導体薄膜を有する多数の第１の半導体素子と、各々が各第１の半導体素子の近くに配置され、第２の半導体薄膜を有する第２の半導体素子とを有し、第１の半導体薄膜と第２の半導体薄膜とは、結晶度が異なり、第１の半導体素子の少なくとも１つの半導体素子と第２半導体素子の少なくとも１つの半導体素子とは、多数のユニット領域の各々に形成されている薄膜半導体装置。
【請求項２１】
各々が各第１の半導体素子の近くで、ユニット領域内に配置され、第３の半導体薄膜を有する第３の半導体素子を有し、この第３の半導体薄膜は、前記第１並びに第２の半導体薄膜と異なる結晶度を有する請求項２０の薄膜半導体装置。
【請求項２２】
互いに離間して対面された面を有する第１並びに第２の基層と、これら対面された面間に配置された液晶と、これら対面された面に夫々配設された複数の第１並びに第２の電極と、一方の基層の前記対面された面上に形成された画素電極並びに半導体薄膜とを有し、これら半導体薄膜は、互いに隣接された多数のユニット領域内に設けられ、互いに電気的に接続された少なくとも１つの第１の半導体素子の第１のチャネル領域と、少なくとも１つの第２の半導体素子の第２のチャネル領域とを形成し、第１のチャネル領域と第２のチャネル領域とは結晶度が異なる、液晶表示装置。
【請求項２３】
前記第１の半導体素子は、少なくとも第１のチャネル領域が非晶質半導体部で形成された画素用の薄膜トランジスターを有し、前記第２の半導体素子は、第２のチャネル領域が多結晶半導体部もしくは単結晶半導体部で形成された駆動回路用の薄膜トランジスターを有する請求項２２の液晶表示装置。
【請求項２４】
前記第１の電極と第２の電極とは、互いに直交してマトリックス状に配設された多数の画素領域を規定し、各画素領域に前記第１の半導体素子と第２の半導体素子とが配設されている請求項２２もしくは２３の液晶表示装置。
【請求項２５】
第１の基層の一面上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、
複数本のエネルギー線により、前記非単結晶半導体薄膜を同時に照射して、エネルギー線が照射された照射領域の半導体の結晶度を向上させる工程と、
前記結晶度が向上された照射領域の半導体と、エネルギー線が照射されない非照射領域の半導体を基礎にして互いに分離した多数の第１の半導体素子と第２の半導体素子とを形成する工程と、
前記第１の基層の前記一面側に第１の電極を形成する工程と、
第２の電極が一面に形成された第２の基層を準備する工程と、
前記第１の基層と第２の基層とをこれらの間に液層を介在させ、かつ第１の電極と第２の電極とが対向するようにして組合わせる工程とを具備する液晶表示装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、異なる結晶度の薄膜半導体層を有する半導体装置及びその基板並びにそれらの製造方法に関する。
背景技術
結晶性薄膜半導体トランジスタ（ＴＦＴ）等の薄膜半導体装置では、周知のとおり・アルカリガラス・非アルカリガラス、石英ガラス等の絶縁体からなる基板の上に、シリコン等の半導体物質の島状の薄膜が互いに離間して形成されている。各島状の半導体薄膜には、ソース領域、ドレイン領域及びその中間に介在されたチャネル領域が形成され、各チャネル領域上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられてＴＦＴが構成されている。
上記のような薄膜半導体装置は、通常は、図１１Ａないし図１１Ｅに示されるように、以下のようにして製造されている。
絶縁体物質（例えばガラス）の基板２０１の上に、下地層を介して非単結晶半導体（例えば、非晶質又は多結晶質のシリコン）からなる薄膜２０２を形成する（図１１Ａ）。この薄膜２０２の全面にエネルギー線（例えばエキシマレーザ光）２０３を照射して、この薄膜２０２をアニール加工し、薄膜２０２内の半導体を結晶化又は再結晶化する。即ち、半導体薄膜２０２の結晶度を良くする（このアニール加工された半導体薄膜は、図１１Ｂに符号２０４で示されている）。ここで、結晶度とは“結晶部分と非晶質部分とからなる構造の結晶部分の質量と試料全体の質量の比（百分比）をいう。ただし、結晶部分と非晶質部分とが微視的に混在している構造の場合は、エッチングなどで非晶質部分を取り除いて分離したり、ラマン分光法などで評価することができる。即ち、単結晶構造の場合は、結晶度が１、非晶質構造の場合は結晶度が０である。”ことを意味する。結晶化又は再結晶化した、即ち、結晶度を良くされた半導体薄膜２０４をフォトリソグラフィー、エッチング等によって、互いに分離した多数の島状の半導体薄膜２０５に加工する。図１１Ｃでは１つの島状の半導体薄膜２０５のみが示されている。この後に、島状の半導体薄膜２０５上も含む基板２０１上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の物質からなるゲート絶縁膜２０６を形成する（図１１Ｃ）。そして、ゲート絶縁膜２０６上に、ゲート電極２０７を形成し、次にゲート電極２０７をマスクとして、リン等の不純物イオンを島状の半導体薄膜２０５に選択的に注入する（図１１Ｄ）。この結果、半導体薄膜には、不純物がドープされたソース領域２０９並びにドレイン領域２１０と、これら領域間に位置するチャネル領域２１１とが形成される。次に、ソース領域２０９並びにドレイン領域２１０の上の、ゲート絶縁膜２０６にコンタクトホールを形成する。ゲート絶縁膜２０６上にソース電極２１２とドレイン電極２１３とを、コンタクトホールを介して、ソース領域２０９とドレイン領域２１０とに電気的に接続するように形成する（図１１Ｅ）。このようにして、ＴＦＴが完成される。
このようなＴＦＴの製造工程において、非単結晶半導体を結晶化または再結晶化するための前記アニール工程は、この工程により生成された半導体の結晶状態が、ＴＦＴの特性を左右するので、特に重要な工程である。このアニール工程の代表的なものを図１２を参照して説明する。
図１２において、符号３０１は、エキシマレーザ光源を示し、ここから射出されたレーザ光３０１ａは、ビームホモジナイザ３０２に入射される。この結果、ビームホモジナイザ３０２は、レーザ光３０１ａを、光強度が均一で長方形状の断面（例えば、１５０ｍｍｘ２００μｍ）となるように整形して、基板２０１上の非単結晶半導体薄膜２０２に入射させる。この結果、レーザ光が照射された長方形状の領域が結晶化される。このような動作を、基板２０１を矢印で示す方向に、即ち、レーザ光のスリット状の断面の長手方向に直交する方向に間欠的に移動させることにより、半導体薄膜２０２は、ほぼ全面に渡って均一にレーザ光により照射されて、結晶化される。
この後の工程には、図１１Ｂないし図１１Ｅを参照して説明したように、結晶化された半導体薄膜を島状に分離して、液晶表示装置等の表示装置の場合には、各画素に対してスイッチング素子として機能する多数のＴＦＴを同一基板上に形成してアクテイブマトリックス型の回路を形成する。
実際の液晶表示装置とするためには、前記画素用のＴＦＴは、各画素に対応して設けられているために、基板２０１の中心部（図１１の２０１ａで示された領域）に形成する必要がある。一方、これら液晶表示装置を表示駆動するための、ドライバー回路を構成する駆動回路用のＴＦＴは、基板２０１の空いた領域、即ち、基板２０１の周辺部（図１１の２０１ｂで示された領域）上に設けられている。そして、これら画素用のＴＦＴと駆動回路用のＴＦＴとは、両者に要求されている特性が異なるために、夫々別の工程で形成するのが一般的である。例えば、画素用のＴＦＴは、比較的高い耐電圧性が必要であるために、非晶質半導体薄膜もしくは多結晶半導体薄膜を基礎（チャネル）とすることが望ましく、駆動回路用のＴＦＴは、早いスイッチング特性が必要であるために、移動度の大きい多結晶半導体薄膜もしくは単結晶半導体薄膜を基礎とすることが望ましい。このために、両種類のＴＦＴを夫々別の工程で製造する必要があり、製造が面倒である欠点がある。
また、駆動回路用のＴＦＴを基板の周辺部に配置すると、画素用のＴＦＴには、長いデータラインを介して接続しなければならなくなり、信号ロスが生じると共に動作速度が遅くなる欠点もある。
発明の開示
本発明の目的は、製造が容易で、かつ動作速度等の特性の優れた薄膜半導体装置、並びにそれに用いることの可能な基板アレイ、及びこれらの製造方法、並びに液晶表示装置及びその製造方法を提供することである。
本発明の一態様に係わる薄膜半導体装置は、基層上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、この非単結晶半導体薄膜にエネルギー線を照射して非単結晶半導体薄膜を構成している非単結晶半導体の結晶度を向上させるアニール工程とを具備し、
前記アニール工程は、多数本のエネルギー線により、非単結晶半導体薄膜を同時に照射して、エネルギー線が照射される少なくとも１つの照射領域と、エネルギー線が照射されない少なくとも１つの非照射領域とを各々が有する多数のユニット領域を形成するようにして行われることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下にこの発明の一実施の形態に係わる薄膜半導体装置およびその製造方法を添付図面、特に、図１Ａないし１Ｅを参照して説明する。
図１Ａに示されるように、絶縁材、例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミド等で形成された透明な矩形の基板１０１（図１Ａでは一部のみが示されている）の平坦な一面上に下地層１０２と非晶質半導体薄膜１０３とを順次、化学気相成長法やスパッタ法等の公知の成膜技術を用いて形成する。前記下地層１０２は、例えば、５０ｎｍの厚さのＳｉＮ膜１０２ａと１００ｎｍの厚さのＳｉＯ２膜１０２ｂとの積層膜により形成されている。前記ＳｉＮ膜１０２ａは、ガラス等でできた基板１０１からの不純物が非晶質半導体薄膜１０３に拡散するのを防止し、また、前記ＳｉＯ２膜１０２ｂは、ＳｉＮ膜１０２ａからの窒素が非晶質半導体薄膜１０３に拡散するのを防止する。前記非晶質半導体薄膜１０３は、例えば、厚さが約５０ｎｍないし２００ｎｍであり、Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅのような半導体、この実施の形態ではＳｉで形成されている。
次に、前記非晶質半導体薄膜１０３の表面に、図１Ｂ並びに図１Ｃに示されるように、エネルギー線としてエキシマレーザ光１０４、例えば、ＫｒＦ，ＸｅＣｌエキシマレーザを、後で詳述するように、各々が照射された領域１０５（以下に照射領域と称する）と照射されない領域１０６（以下に非照射領域と称する）とが隣り合わせになった多数のユニット領域を形成するように選択的に照射する（図１Ｂは、理解を容易にするために、１つの照射領域と１つの非照射領域とからなる１つのユニット領域のみを示す）。このようなレーザ照射により、照射領域１０５は、アニール処理されて溶融し、非晶質半導体が、多結晶もしくは単結晶に変換され、即ち、結晶度が良くなる。非照射領域１０６の非晶質半導体はそのままの状態に維持される。例えば、液晶表示装置の製造工程において、照射領域１０５は、早いスイッチング特性が要求される駆動回路用ＴＦＴを形成するための領域である。非照射領域１０６は、高い耐電圧が要求される画素用ＴＦＴを形成するための領域である。
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、照射領域１０５と非照射領域１０６とを選択的にエッチングして２つの第１の島状領域１０５ａと１つの第２の島状領域１０６ａとを形成する。これら島状領域１０５ａ，１０６ａ上を含む基板上、（正確には、下地層１０２上）に、ＳｉＯ２からなり、厚さが約２０ｎｍないし１００ｎｍのゲート絶縁膜１０７を上記と同様の成膜技術を用いて形成する。このゲート絶縁膜１０７の、前記島状領域１０５ａ，１０５ｂの中央部と対向する部分の上に夫々ゲート電極１０８を形成する。これらゲート電極１０８は、シリサイドやＭｏＷの層をパターンニングすることにより形成され得る。
次に、図１Ｄに示されるように、前記ゲート電極１０８をマスクとして、不純物イオン１０９を島状領域１０５ａ，１０６ａの中に注入し、間にチャネル領域を挟んで、ソース領域とドレイン領域とを形成する。前記不純物イオンは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを形成するのであれば、Ｎ型の不純物、例えばリンであり、ＰチャネルＭＯＳトランジスタを形成するのであれば、Ｐ型の不純物、例えばホウ素である。この結果の装置を窒素雰囲気でアニール（４５０℃で、１時間）して、注入された不純物を活性化する。
次に、ゲート電極１０８上も含むゲート絶縁膜１０７の上に、例えば、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１１０を形成する。この層間絶縁膜１１０並びにゲート絶縁膜１０７の、前記島状領域１０５ａ，１０６ａの不純物がドープされた領域（ソース領域並びにドレイン領域）上の部分を選択エッチングにより除去してコンタクト孔を形成する。
次に、図１Ｅに示されるように、前記ゲート絶縁膜１０７の上に、コンタクト孔を介して前記ソース領域並びにドレイン領域と電気的に接続されたソース電極１１１ａ並びにドレイン電極１１１ｂを形成して、薄膜半導体装置を完成させる。
次に、図２Ａ並びに図２Ｂを参照して、図１Ｂ並びに図１Ｃを参照して説明したエキシマレーザ光によるアニール工程を詳しく説明する。
図２Ａにおいて、符号４０１は、エネルギー線の射出装置であるエキシマレーザ光源を示す。このエキシマレーザ光源は、ＫｒＦ，ＡｒＦ，ＸｅＣｌ等公知のもので良い。また、このレーザ光源のパワーは、半導体薄膜を結晶化するのに必要な任意のものが使用され得る。例えば、非晶質シリコンを多結晶シリコンにする場合には、低いパワーのものが使用され、また、非晶質シリコンを単結晶にする場合には、高いパワーのものが使用され得る。エキシマレーザ光源から射出されたレーザ光４０１ａは、ミラー４００で反射されて、ビームホモジナイザ４０２に入射される。この結果、ビームホモジナイザ４０２は、レーザ光４０１ａを、強度が均一で断面が長方形状（例えば、１５０ｍｍｘ２００μｍ）となるように整形して、このビームホモジナイザ４０２と基板１０１との間に固定されたマスク４０４に入射させる。このマスク４０４は、図２Ｂに示されるように、幅が約５ないし１０μの多数の正方形の透孔、即ち、微孔４０４ａがマトリックス状に、即ち、Ｘ方向とＹ方向とに整列して形成されたほぼ正方形の金属プレート４０４ｂにより形成されている。このマスク４０４は、マスク４０４への入射光のうち微孔４０４ａに入射した部分が、この微孔４０４ａを通って、基板１０１の前面近くに配置され。後で詳述される位相シフトマスク４５０を介して、基板１０１に入射し、微孔４０４ａ以外の部分の面、即ち、プレート４０４ｂの面に入射した部分は、反射されて基板１０１に入射しないように設定されている。このプレート４０４ｂは、入射光を反射する以外の他の方法、例えば、吸収により、光を基板１０１に入射させないように、構成することも可能である。前記微孔４０４ａの形は、この実施の形態では正方形となっているが、他の形状、例えば、長方形、円形、三角形、六角形でも良い。また、微孔４０４ａは、図２Ｂに示されるような規則正しく配置されていなく、不規則に、または、規則的なのと、不規則的なのと混在した配置並びに／もしくは異なる形状の微孔を混在させても良い。このマスク４０４は、ほぼ正方形をしているが、必ずしもこの必要はなく、入射エネルギー線の断面とほぼ同じ形状並びにディメンションを持っていれば良く、基板１０１とほぼ同じ形状並びにディメンションを有している必要はない。例えば、この実施の形態では、入射するエキシモレーザ光が、１５０ｍｍｘ２００μｍの断面のスリット状の光であるので、これと同じかこれより小さいディメンションを有していれば良い。この実施の形態では、基板１０１がＸ方向とＹ方向とに移動されるので、基板よりもはるかに小さいディメンションを有していれば良い。
上記構成のマスク４０４を介してレーザ光４０３を基板１０１、正確には、基板１０１上の半導体薄膜１０３に入射させることにより、半導体薄膜１０３は、マスク４０４の微孔４０４ａのパターンに対応したパターンのレーザ光により照射される。即ち、互いに独立した多数の微孔４０４ａを通った多数のレーザ光により、半導体薄膜１０３が照射されて、多数の矩形の照射領域と、マスク４０４により反射されたレーザ光の部分に対応する非照射領域とが形成される。前述したように、照射領域の半導体薄膜の非晶質半導体は、多結晶半導体もしくは単結晶半導体となり、非照射領域の半導体は非晶質のままとなっている。本発明では、各々が、少なくとも１つの照射領域と、この照射領域と隣接した少なくとも１つの非照射領域とで１つのユニット領域、即ち、ＬＣＤでは、画素領域（厳密には、画素と、画素のための半導体素子とが形成される領域）を形成し、これらユニット領域が基板上に多数規則的もしくは不規則的に配設された構成となっている。
上記のようにしてアニール工程で形成された各ユニット領域の多結晶領域（照射領域）と非晶質領域（非照射領域）との双方もしくは一方を、パターンニング、即ち、所謂島きり加工して、少なくとも１つの単結晶の島状の薄膜と、少なくとも１つの非晶質の島状の薄膜とを形成する。即ち、各ユニット領域に互いに近接した単結晶の島状の薄膜と、非晶質の島状の薄膜とが形成されるように、半導体薄膜をパターンニングする。この後は、図１Ｄ並びに図１Ｅを参照して説明したように、各島状の半導体薄膜を基本としたＴＦＴを形成して、薄膜半導体装置を完成させる。
このようにして製造された薄膜半導体装置は、基層（基板単独もしくは実施の形態のように基板とこの上に何らかの層が形成されたものの総称）上に、複数、好ましくは多数のユニット領域が互いに近接するようにして形成され、各ユニットには、エネルギー線によりアニール処理された半導体薄膜を基礎とする少なくとも１つの第１の半導体素子と、アニール処理されていない半導体薄膜を基礎とする少なくとも１つの第２の半導体素子とが形成されている。この結果、第１の半導体素子と第２の半導体素子とは、結晶度が異なるが同じ物質でできた半導体薄膜を基礎としているので、これら素子の特性は異なる。例えば、第１の半導体素子は、これの多結晶半導体薄膜が電子又は正孔の移動度が高いので、スイッチング速度が速い。第２の半導体素子は。非晶質半導体は高耐圧となる。このために、この半導体装置をＬＣＤ基板アレイとして使用する場合には、第１の半導体素子を駆動回路用ＴＦＴとし、第２の半導体素子を画素用ＴＦＴとすれば、液晶表示装置（ＬＣＤ）に要求されている特性を満たすことができる。この場合、駆動回路用ＴＦＴと画素用ＴＦＴとは、極めて接近して配置とすることができるので、両者を電気的に接続するラインの長さを短くすることができて、応答性を高めることができる。マスク４０４を用いた照射領域は、第１の半導体素子を製造するときの位置決めとしても、有効である。
前記実施の形態では、エネルギー線を多数のビームに分割して、半導体薄膜に選択的に照射させるための手段として、微孔４０４ａが形成されたマスク４０４を使用したが、本発明は、これに限定されるものではない。以下にその例を、前記実施の形態と実質的に同じ部材は同一符号を付して説明を省略して、説明する。
図３は、前記マスク４０４に代えて、図４に示すようなミラーアレイ４０２をビームホモジナイザ３０２と基板１０１との間に配設して前記アニール工程を説明する図である。このミラーアレイ４０２は、第１並びに第２のグループの、互いに角度の異なる正方形の第１並びに第２の微小ミラー４０１ａ，４０１ｂが同一平面上にマトリックス状に配設されて、構成されている。これら微小ミラー４０１ａ，４０１ｂは、微細加工技術を使用して同一基板の一面を加工して形成しても良いし、予め個々に形成した微小ミラー４０１ａ，４０１ｂ相互を接着して形成しても良い。第１の微小ミラー４０１ａ（図４では区別を容易にするためにハッチングで示されている）は、入射するレーザ光の部分３０３を基板１０１の方向に反射するようにレーザ光に対する入射角度が設定されており、また、第２の微小ミラー４０１ｂ（図４では白色で示されている）は、入射するレーザ光３０３の部分を基板１０１（位相シフトマク４５０）から外れた方向に反射するようにレーザ光に対する入射角度が設定されている。この結果、各第１の微小ミラー４０１ａにより反射されたレーザ光の部分３０３ａは、位相シフトマク４５０を通って、基板１０１上の半導体薄膜１０３に互いに離間して入射して各照射領域を形成し、各第２の微小ミラー４０１ｂにより反射されたレーザ光の部分３０３ｂは、基板１０１上の半導体薄膜１０３に入射しないので、非照射領域を形成する。この結果、半導体薄膜１０３には、図４に示す微小ミラー４０１ａ，４０１ｂの配置に対応した配置の照射領域と非照射領域とが形成される。本発明では、少なくとも１つの照射領域と非照射領域とがユニット領域に形成されている。例えば、Ｙ方向もしくはＸ方向に互いに隣接した１つの照射領域と、１つの非照射領域とが１つのユニット領域に形成されても良いし、図４に太線で区切って示すように２つの照射領域と２つの非照射領域とが１つのユニット領域に形成されても良いし、異なる数の照射領域と非照射領域とが１つのユニット領域に形成されても良い。この実施の形態では、第１のグループの微小ミラー４０１ａと、第２のグループの微小ミラー４０１ｂとは、Ｘ方向とＹ方向とも交互に規則正しく配設して、同じ大きさの照射領域と非照射領域とを交互に位置するようにして形成したが、これら微小ミラー４０１ａ，４０１ｂは、必ずしも同じサイズにする必要もなく、規則正しく配設する必要もない。この結果、微小ミラー４０１ａ，４０１ｂのサイズ並びに配置を選定することにより、各々の照射領域と非照射領域とが所望の形状で、所望の配置となったユニット領域を、半導体薄膜に形成することができる。この結果、半導体薄膜に、照射領域に対応したサイズの結晶領域と、非照射領域に対応したサイズの非晶質領域とを所望のパターンで形成することができる。
図３に矢印で示すように、基板１０１をＸ方向に移動させる場合には、図４に示したように多数の微小ミラー４０１ａ，４０１ｂをＸ方向とＹ方向に配置させる必要は無く、Ｘ方向には、最低１つの第１のミラー４０１ａと第２のミラー４０１ｂとが配設されていれば良いことは，理解できるであろう。
前記ミラーアレイ４０２を構成する微小ミラー４０１ａ，４０１ｂの形状は、必ずしも図４に示したような正方形に限定されることはなく、如何なる形状でも良い。例えば、図５に示すように、三角形でも、また、六角形状（この場合には、例えば、図５に示した三角形の微小ミラーを６枚を合わせた領域に、１枚の六角形の微小ミラーが配置され得る）でも良い。この場合には、照射領域と非照射領域とは、三角形もしくは六角形に形成されることは、理解できよう。
上記ミラーアレイ４０２は、反射角度が固定された微小ミラー４０１ａ，４０１ｂにより構成したが、第１の微小ミラー４０１ａと第２のミラー４０１ｂとの少なくとも一方を回動可能として、反射角度を任意に調節することができる。このようなミラーアレイの一例を図６Ａないし図６Ｃを参照して説明する。これら図では、第１の微小ミラー４０１ａと第２の微小ミラー４０１ｂとの両者を総称的に符号４０１で示す。
図６Ａに示されるように、ＣＭＯＳ基板４０５の一面上には、多数の正方形の微小ミラー４０１（図６Ｃでは三角形の微小ミラー４０１）がマトリックス状に配設されている。各微小ミラー４０１は、反射性の優れた金属、例えば、アルミニウムの薄板で形成されている。図６Ｂ並びに図６Ｃに示されるように、前記ＣＭＯＳ基板４０５の一面には、互いに所定間隔を有して離間した１対の支持ポスト４０６が各微小ミラーに対して突設されている。これら支持ポスト４０６には、微小ミラー４０１を所定の回動範囲で回動可能に支持した回動軸４０７の端部が支持されている。前記ＣＭＯＳ基板４０５の前記一面には、回動させる微小ミラー４０１に対向するようにして、複数のミラー電極４０８が配置されている。これらミラー電極４０８は、図示していない電源並びに制御回路からなる駆動源に接続されている。この結果、任意のミラー電極４０８に任意のレベルの駆動信号（駆動電流）を供給することにより、静電力により任意の微小ミラー４０１が任意の角度となるように回動される。即ち、所望の微小ミラー４０１の反射角度が調節される。このようなミラーの回動機構は、テキサスインストルメント社より販売されているＤＬＰ（商標名；Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の技術を応用して形成されている。
上記のように、反射角度が調節される微小ミラー４０１を有するミラーアレイ４０２を使用することにより、所望のパターンの照射領域と非照射領域とを有する所望の形状のユニット領域を１つの半導体薄膜に、もしくは半導体薄膜相互に形成することができるので、異なるユニット領域にする場合でも、ミラーアレイ４０２を交換する必要がない。
図７Ａ並びに図７Ｂは、本発明の薄膜半導体製造方法により製造され得る液晶表示装置のＬＣＤ基板アレイ５００の半完成品を示す。このアレイは、透明な矩形の基板の上に必要に応じて形成された下地膜の上に、形成された均一な厚さの半導体薄膜５１０を有する。この半導体薄膜５１０は、下地膜の上に、全体に渡って均一な厚さの非晶質半導体、例えば、シリコンを堆積し、次に、前に詳述したアニール技術を使用して所定の領域に選択的にレーザ光を照射して第１並びに第２の結晶化領域（照射領域）５０２ａ，５０２ｂを、非晶質領域（非照射領域）５０２ｃと共に各ユニット領域、即ち画素領域５０３に形成して、構成されている。
各ユニット領域５０３に形成された第１並びに第２の結晶化領域５０２ａ，５０２ｂは、共に多結晶でも、単結晶でも、また、一方が多結晶で、他方が単結晶でも良い。非晶質半導体から多結晶半導体並びに単結晶半導体への結晶化は、後者のためには、エネルギー線のパワーを高く設定するか、アニール工程を複数回繰り返すことにより、任意になされ得る。例えば、第１のマスクもしくはミラーアレイを使用して各ユニッット領域５０３の一方の照射領域５０２ａのみを低パワーのレーザ光で照射して多結晶にし、次に異なる開口パターンもしくは微小ミラーパターンの異なるマスクもしくはミラーアレイを使用して高いパワーのレーザ光で他方の照射領域５０２ｂのみを照射して単結晶にすることが可能である。ここでは、非晶質から多結晶領域と単結晶結晶とを形成する場合について説明したが、これは、説明を容易にするためであり、必ずしも多結晶もしくは単結晶へと結晶化されている必要がなく、結晶度の異なる複数の照射領域を各ユニット領域に形成可能であることを、本発明では意図している。
次に、図８Ａ並びに図８Ｂを参照しては、本発明の方法により形成され得るＬＣＤ基板アレイを説明する。
ガラスの基板の上に形成された下地層６０２の上には、多数の画素電極６０３と、ＴＦＴ６０４とがマトリックス状に配設されている。各ＴＦＴ６０４は、チャネル領域と、この領域の両端側に位置したドレイン領域とソース領域とを有する。これらドレイン領域とソース領域の上には、ドレイン電極６０５とソース電極６０６とが形成されており、ソース電極６０６は前記画素電極６０３と電気的に接続されている。前記チャネル領域の上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極６０７が形成されている。各行に配設されたＴＦＴ６０４のゲート電極６０７は、ゲート配線６０８により互いに電気的に接続されている。各列に配設されたＴＦＴ６０４のドレイン電極６０５は、信号配線６０９により互いに電気的に接続されている。
前記下地層１０２の上には、各ＴＦＴ６０４に対応するようにして、信号を一時記憶するためのＳＲＡＭ回路６１０が、前記ソース電極６０６と電気的に接続されて形成されている。このＳＲＡＭ回路６１０は、図８Ｂに示されるように４つのＴＦＴ６１１を使用した、公知の構造を有する。
上記のような構造のＬＣＤ基板アレイにおいては、画素用のＴＦＴ６０４と、ＤＲＡＭ６１０のＴＦＴ６１１とは、図１Ａないし図１Ｅを参照して説明した製造方法により同時に、同一工程で形成され得る。即ち、図１Ｂに示すアニール工程で、エキシマレーザ光が照射されて、多結晶となった半導体薄膜を有するＴＦＴがＳＲＡＭ回路６１０のＴＦＴ６１１として形成され、エキシマレーザ光が照射されないで、非晶質のままの半導体薄膜を有するＴＦＴが画素用のＴＦＴ６０４として使用され得る。このように、同一工程で、半導体薄膜（チャネル領域）の結晶度が異なる２種類以上のＴＦＴが互いに近接して（各ユニット領域内）形成され得る。
前記ＳＲＡＭ回路６１０に代えて、半導体素子を使用した他の回路、例えば、ＤＲＡＭ回路を本発明の方法を使用して形成しても良い。このＤＲＡＭ回路を構成するＴＦＴは、単結晶のシリコン薄膜によりチャネル領域を形成することが好ましい。このためには、図１Ｂを参照して説明したアニール工程において、パワーの強い光源を使用するか、照射を複数回するかにより、非晶質シリコンを単結晶シリコンとすることができる。
次に、前記位相シフトマク４５０を、図９Ａを参照して説明する。
位相シフトマスク４５０は、透明媒質、例えば、石英基材に厚さの異なる互いに隣合う領域を設け、これら領域間の段差（位相シフト部）の境界で、入射するレーザ光線を回折並びに干渉させて、入射したレーザ光線の強度に周期的な空間分布を付与するものである。この位相シフトマスク４５０は、隣接するパターンが逆位相（１８０°のずれ）となるように、交互に並べられた位相がπの第１のストリップ領域（位相領域）４５０ｂと、位相が０の第２のストリップ領域（位相領域）４５０ｃとを有する。これらストリップ領域（位相シフト線領域）は１０μｍの幅を有する。具体的には、位相シフトマスク４５０は、屈折率が１．５の矩形の石英基板を２４８ｎｍの光に対して位相がπに相当する深さ、即ち２４８ｎｍの深さにパターンエッチングして作製した。このエッチングにより薄く形成された領域が第１のストリップ領域４５０ｂとなり、エッチングされない領域が第２のストリップ領域４５０ｃとなっている。
このような構成の位相シフトマスク４５０においては、厚い第２の位相領域４５０ｃを通過したレーザ光は、薄い第１の位相領域４５０ｂを通過したレーザ光に比較して１８０°遅れる。この結果、レーザ光間で、干渉と回折とが生じ、図９Ｄに示すようなレーザ光の強度分布が得られる。即ち、位相シフト部を通過した光は隣接する透過光相互が逆位相であるため、これら領域間に対応する位置で光強度が最小、例えば０となる。この最小となった領域もしくはこれの近傍の領域が半導体を結晶化する際の核になる。前記具体例では、位相シフトマスク４５０は、図９Ａに示されたように位相シフト部が互いに平行な複数の直線状になっているものを使用したが、これに限定されることはない。
例えば、位相シフト線を直交し、位相０とπを市松格子状に配列させることも可能である。この場合は、位相シフト線に沿って格子状の光強度０の領域ができる。このために、結晶の核はこの線上の任意の位置で発生するので、結晶粒の位置・形の制御が難しくなる問題を有する。このため結晶核の発生を制御するためには強度０領域は点状であることが望ましい。このため、直交する位相シフト線の位相シフト量を１８０°未満にし、これにより、位相シフト線の対応する位置では強度は（減少するものの）完全には０にはならないと同時に、交点の周囲の複素透過率の和を０にすることにより、交点に対応する位置の強度は０にできる。
この一例を図９Ｂ並びに９Ｃを参照して説明する。このマスク４５０は、図９Ｂに示されるように、各組が厚さの異なる４つの正方形の領域４５０ｅ，４５０ｆ，４５０ｇ，４５０ｈにより構成されている正方形のパターンからなる複数の組を有する。各組において、図９Ｃに示されるように、第１の領域４５０ｅが一番薄く、位相が０となっている。第４の領域４５０ｈは一番厚く、位相が第１の領域４５０ｅとは３π／２ずれている。これら領域４５０ｅ，４５０ｈの厚さとの間の厚さを有する第２、第３の領域４５０ｆ，４５０ｇは、第１の領域に対して位相がπ／２、πと夫々ずれている。
このようなマスクにおいては、第１ないし第４の領域が隣り合う部分、例えば、正方形のパターンの中心点が、強度０の領域となる。従って、この点が結晶の核となるので、結晶粒の位置・形を容易に制御できる。このような位相シフトマスクを使用した技術は、日本出願（特願２００２−１２０３１２）を基礎シャツ願とし、本願人と同じ出願人による２００３年，３月１９日出願の国際出願の明細書に記載されている。
図１０Ａ並びに１０Ｂは、本発明の技術を使用して製造される液晶表示装置の一例を示す。
液晶表示装置７００は、前後１対の透明基体（基層）７２１，７２２、液晶層７２３、画素電極７２４、走査配線７２５、信号配線７２６、対向電極７２７、及びＴＦＴ７３０等を備えている。
１対の透明基体７２１，７２２としては、例えば１対のガラス板を用いることができる。これら透明基体７２１，７２２は、枠状のシール材を介して接合されている。液晶層７２３は、１対の透明基体７２１，７２２の間のシール材により囲まれた領域に設けられている。
１対の透明基体７２１，７２２のうちの一方の透明基体、例えば後側の透明基体７２２の内面には、行方向および列方向にマトリックス状に設けられた複数の画素電極７２４と、複数の画素電極７２４と夫々電気的に接続された複数のＴＦＴ７３０と、複数のＴＦＴ７３０と電気的に接続された走査配線７２５及び信号配線７２６とが設けられている。
走査配線７２５は、画素電極７２４の行方向に夫々沿わせて設けられている。これら走査配線７２５の一端は、後側の透明基体７２２の一側縁部に設けられた複数の走査配線端子（図示せず）に夫々接続されている。複数の走査配線端子は夫々走査線駆動回路４１に接続されている。
信号配線７２６は、画素電極７２４の列方向に夫々沿わせて設けられている。これら信号配線７２６の一端は、後側の透明基体７２２の一端縁部に設けられた複数の信号配線７２６の端子（図示せず）に夫々接続されている。複数の信号配線７２６端子は夫々信号線駆動回路７４２に接続されている。
走査線駆動回路７４１および信号線駆動回路７４２は夫々液晶コントローラ７４３に接続されている。液晶コントローラ７４３は、例えば外部から供給される画像信号及び同期信号を受け取り、画素映像信号Ｖｐｉｘ、垂直祖歌制御信号ＹＣＴ、及び水平走査制御信号ＸＣＴを発生する。
他方の透明基体である前側の透明基体７２１の内面には、複数の画素電極７２４に対向する一枚膜状の透明な対向電極７２７が設けられている。前側の透明基体７２１の内面には、複数の画素電極７２４と対向電極７２７とが互いに対向する複数の画素部に対応させてカラーフィルタを設けるとともに、前記画素部の間の領域に対応させて遮光膜を設けてもよい。
１対の透明基体７２１，７２２の外側には、図示しない偏光板が設けられている。また、透過型の液晶表示装置７００では、後側の透明基体７２２の後側に図示しない面光源が設けられている。なお、液晶表示装置７００は、反射型或いは半透過反射型であってもよい。
以上説明した実施の形態においては、半導体素子としてＴＦＴについて説明したが、半導体薄膜を基礎とする他の半導体素子、例えば、ダイオードについても本発明は適用可能である。また、エネルギー線としてエキシマレーザ光を使用したが、照射により、半導体の結晶度を改良することができるような放射線であれば、エキシマレーザ光に限定されることはない。また、複数本のエネルギー線を形成するために、実施の形態では、透孔を有するマスクもしくはミラーアレイを使用したが、これらに限定されることしはなく、他の技術により得た複数のエネルギー線を使用しても良い。
半導体素子を使用する表示装置として液晶表示装置について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、有機ＥＬ表示装置にも適用できる。
産業上の利用可能性
本発明に係わる薄膜半導体装置に製造方法によれば、各ユニット領域に結晶度の異なる少なくとも２種類の半導体薄膜を基礎とする半導体素子を互いに隣接させて容易に形成することができる。この結果、各ユニット領域において、異なる性能が要求される少なくとも２種類の半導体素子が形成され、各々の性能に応じた使用が可能になる。また、各ユニットで異なる特性を有する半導体素子が近接して設けられているので、これらの間の配線を短くすることができ、動作速度を早くすることができるし、信号ロスを抑えることもできる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａないし図１Ｅは、本発明の一実施の形態に係わる薄膜半導体装置の製造方法を工程ごとに説明するための図である。
図２Ａは、上記方法のアニール工程を説明するための図、図２Ｂは、この工程で使用される透孔を有するマスクの一部の平面図である。
図３は、アニール工程の変形例を説明するための図である。
図４は、図３に示すアニール工程で使用されるミラーアレイを示す平面図である。
図５は，図４に示すミラーアレイの変形例を示す平面図である。
図６Ａは、図４に示すミラーアレイの変形例を示す平面図、図６Ｂは、このミラーアレイの１つの微小ミラーを概略的に示す斜視図、図６Ｃは、図６Ｂに示す微小ミラーの変形例を示す斜視図である。
図７Ａは、本発明の方法により製造された薄膜半導体装置としてのＬＣＤ基板の一例を概略的に示す図であり、図７Ｂは、図７Ａの一画素領域、即ちユニット領域を拡大して示す図である。
図８Ａは、本発明の方法により製造された薄膜半導体装置としてのＬＣＤ基板の他の例の一部を概略的に示す図であり、図８Ｂは、図８Ａに示す装置に形成されているＳＲＡＭ回路の一例を示す図である。
図９Ａは、位相シフトマスクの一例を示す平面図である。
図９Ｂ並びに９Ｃは、位相シフトマスクの他の例を示す斜視図並びに平面図である。
図９Ｄは、位相シフトマスクを使用して得られる基板への入射レーザ光の光強度分布のグラフである。
図１０Ａ並びに１０Ｂは、本発明の方法で製造された液晶表示装置のＬＣＤ基板ユニットを示す平面図、並びに液晶表示装置の断面図である。
図１１Ａないし１１Ｅは、従来技術での薄膜半導体装置の製造方法を工程ごとに説明するための図である。
図１２は、上記方法の従来のアニール工程を説明するための図である。
図１３は、画素用のＴＦＴの配置される範囲と駆動回路用のＴＦＴが設けられる範囲とを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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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５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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