(57)【要約】【課題】  歩留まり良く、大結晶粒アレイ半導体薄膜を作製できる結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、レーザ結晶化用基板、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供する。【解決手段】  基板に非単結晶半導体膜を形成する工程と、前記非単結晶半導体膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性膜を形成する工程と、前記光吸収性膜の表面において、連続する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射する工程と、を有する結晶化方法であって、前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡcap、前記非単結晶半導体膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡsi、前記吸収率Ａcapと前記吸収率Ａsiとで定義される光吸収比率をｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)としたときに、前記光吸収比率ｒを所望する結晶粒長を得る値に選択した光吸収性膜にする。【選択図】      図１
2008243843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
前記非単結晶半導体膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性膜を形成する工程と、
前記光吸収性膜の表面において、連続する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射する工程と、を有する結晶化方法であって、
前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡcapとし、前記非単結晶半導体膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡsiとし、前記吸収率Ａcapと前記吸収率Ａsiとで定義される光吸収比率ｒをｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)としたときに、前記光吸収比率ｒを所望する結晶粒長を得る値に選択した前記光吸収性膜にすることを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記光吸収比率ｒの値を０．１０≦ｒ≦０．６５の範囲とすることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項３】
前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄS(ｎｍ)としたときに、前記膜厚ｄSおよび前記光吸収比率ｒがｄS-ｒ面において直線ｒ＝０．３−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．６−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項４】
基板に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
前記非単結晶半導体膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性膜を形成する工程と、
前記光吸収性膜の表面において、連続する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射する工程と、を有する結晶化方法であって、
前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の波長における複素屈折率ＮcapをＮcap＝ｎcap-ｉｋcap(但し、ｎcapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)としたときに、前記消衰係数ｋcapが０．００３≦ｋcap≦０．０２５の範囲にあることを特徴とする結晶化方法。
【請求項５】
基板に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
前記非単結晶半導体膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性膜を形成する工程と、
前記光吸収性膜の表面において、連続する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射する工程と、を有する結晶化方法であって、
前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄS (nm)、前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の波長における複素屈折率をＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(但し、ｎcapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)としたときに、前記膜厚ｄSと前記消衰係数ｋcapとがｄS-ｋcap面において直線ｋcap＝０．０１０−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２５−０．０００１ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とする結晶化方法。
【請求項６】
前記結晶化用レーザ光の波長をλ、前記光吸収性膜の膜厚をｄcap(ｎｍ)、
前記光吸収性膜の波長λにおける複素屈折率をＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(但し、ncapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)、前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄs(ｎｍ)、前記非単結晶半導体膜の波長λにおける複素屈折率をＮs＝ｎs−ｉｋs (但し、ｎsは屈折率、ｉは虚数単位、ｋsは消衰係数)とし、結晶化用レーザ光の光吸収性膜表面における反射率をＲとしたときに、前記反射率Ｒが極大値または極小値となる膜厚ｄcapになるように前記光吸収性膜を形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項７】
非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を覆う光吸収性膜とを有するレーザ結晶化用基板であって、
前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡcapとし、前記非単結晶半導体膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡsiとし、前記吸収率Ａcapと前記吸収率Ａsiとで定義される光吸収比率ｒをｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)としたときに、前記光吸収比率ｒを所望する結晶粒長を得る値に選択した前記光吸収性膜にすることを特徴とするレーザ結晶化用基板。
【請求項８】
前記光吸収比率ｒの値が０．１０≦ｒ≦０．６５の範囲にあることを特徴とする請求項７記載のレーザ結晶化用基板。
【請求項９】
前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄSとしたときに、前記膜厚ｄSおよび前記光吸収比率ｒが、ｄS-ｒ面において直線ｒ＝０．３−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．６−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とする請求項７記載のレーザ結晶化用基板。
【請求項１０】
非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を覆う光吸収性膜とを有するレーザ結晶化用基板であって、
前記光吸収性膜の結晶化用レーザ光の波長における消衰係数をｋcapとしたときに、前記消衰係数ｋcapが０．００３≦ｋcap≦０．０２５の範囲にあることを特徴とするレーザ結晶化用基板。
【請求項１１】
非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を覆う光吸収性膜とを有するレーザ結晶化用基板であって、
前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄSとし、前記光吸収性膜の結晶化用レーザ光の波長における消衰係数をｋcapとしたときに、前記消衰係数ｋcapが、ｄS-ｋcap面において直線ｋcap＝０．０１０−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２５−０．０００１ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とするレーザ結晶化用基板。
【請求項１２】
前記結晶化用レーザ光の波長をλとし、前記光吸収性膜の膜厚をｄcap(ｎｍ) とし、前記光吸収性膜の波長λにおける複素屈折率をＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(但し、ncapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数) とし、前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄs(ｎｍ)、前記非単結晶半導体膜の波長λにおける複素屈折率をＮs＝ｎs−ｉｋs (但し、ｎsは屈折率、ｉは虚数単位、ｋsは消衰係数) とし、前記結晶化用レーザ光の光吸収性膜表面における反射率をＲとしたときに、前記光吸収性膜は前記反射率Ｒが極大値または極小値となる膜厚ｄcapを有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項記載のレーザ結晶化用基板。
【請求項１３】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化方法を用いて前記非単結晶半導体膜に結晶化領域を形成する工程と、
前記結晶化領域に位置合わせして薄膜トランジスタを形成する工程と、
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１４】
前記結晶化領域における結晶組織が、膜面内方向に２μｍ以上成長した結晶粒を含む結晶粒アレイであることを特徴とする請求項１３記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１５】
基板と、この基板に形成された非単結晶半導体薄膜と、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化方法を用いて前記非単結晶半導体膜の一部の領域あるいは全領域に形成された結晶化領域と、前記結晶化領域にそれぞれ形成されたチャネル領域、ソース領域の一部または全部、およびドレイン領域の一部または全部と、前記チャネル領域上の一部に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１６】
前記結晶化領域における結晶組織が膜面内方向に２μｍ以上成長した結晶粒を含む結晶粒アレイを有することを特徴とする請求項１５記載の薄膜トランジスタ。
【請求項１７】
基板と、この基板に形成された非単結晶半導体薄膜と、
請求項１乃至６のいずれか１項記載の結晶化方法を用いて前記非単結晶半導体膜の一部の領域あるいは全領域に形成された結晶化領域と、前記結晶化領域にそれぞれ形成されたチャネル領域、ソース領域の一部または全部、およびドレイン領域の一部または全部と、前記チャネル領域上の一部に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有する薄膜トランジスタと、
この薄膜トランジスタを有する画素スイッチング回路と、
を具備してなることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶、有機ＥＬ等の表示装置に用いて好適な結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、レーザ結晶化用基板、薄膜トランジスタおよび表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、基板上に外付けで取り付けられている。ＩＴ市場の拡大により取り扱う情報は、デジタル化され、高速化されるため表示装置も高画質化が要求されている。この要求を満足する手段としては、例えば各画素を切換えるスイッチングトランジスタを基板上の半導体層に形成することによりスイッチング速度が高速化され、高画質化が可能となる手段がある。
【０００３】
例えば、ガラス基板上に形成された非晶質シリコン層を結晶化する手段としては、エキシマレーザアニール（Excimer Laser Annealing；ＥＬＡ）法が知られている。しかしながら、このＥＬＡ法により得られた結晶の粒径は、０．１μｍ程度であり、この結晶化された領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成した場合、１個の薄膜トランジスタのチャネル領域に多数の結晶粒界が含まれる。この結果として薄膜トランジスタの電界効果移動度は１００ｃｍ２／Ｖｓ程度であり、単結晶Ｓｉに形成されたＭＯＳトランジスタの電界効果移動度と比較すると大幅に劣る。
【０００４】
本発明者等は、非晶質シリコン層にレーザ光を照射することにより少なくとも１個の薄膜トランジスタのチャネル部分を形成できる程度大きな結晶粒を形成する工業化技術を開発している。単一の結晶粒内にＴＦＴを形成することは、チャネル領域内に結晶粒界が形成された従来のトランジスタと異なり、結晶粒界の悪影響がなく、ＴＦＴ特性が大幅に改善され、プロセッサ、メモリ、センサなどの機能素子を形成することができる。このような結晶化方法として本発明者等は、例えば非特許文献１や特許文献１などに記載された結晶化方法を提案している。
【０００５】
前者の非特許文献１には、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ２キャップ膜やＳｉＯ２（二酸化シリコン）キャップ膜を介して非晶質シリコン膜にフルエンス０．８Ｊ／ｃｍ2の位相変調したレーザ光を照射することにより、膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。
【０００６】
また、特許文献１には、光吸収特性を有する非化学量論的な酸化シリコン、ＳｉＯｘ膜(ｘは２未満)をキャップ膜に用いて、位相変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜をラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。
【非特許文献１】W.Yeh  and  M.Matsumura  Jpn.Appl.Phys.Vol.41(2002)1909.
【特許文献１】特開２００５−０７６１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１の方法において光透過性のＳｉＯ２キャップ膜を用いる場合、キャップ膜自体の発熱はなく、シリコン層の冷却を抑制する効果はあるものの不十分である。結果として、結晶成長に適した温度を維持せずに結晶成長時間を長くすることができない。得られる結晶組織の粒径も大きくならない。
【０００８】
また、非特許文献１の方法および特許文献１における、光吸収性のＳｉＯＮあるいはＳｉＯｘキャップ膜は、膜中の酸素原子と窒素原子の比率や、シリコン原子と酸素原子の比率を変化させることにより、光の吸収スペクトルが変化する。すなわち成膜条件のわずかな違いにより吸収特性が大きく変わってしまう。これらの膜をキャップ膜に用いてレーザ結晶化する際、吸収特性が適している場合には、パルスレーザ照射直後のキャップ膜および半導体層の温度の経時変化が半導体層の結晶成長に適したものとなり、得られる結晶組織の粒径は大きくなる。一方、最適条件からはずれていると結晶成長は不十分で、粒径は大きくならない。
【０００９】
すなわち半導体層の条件に対応したキャップ膜の膜質管理ができないと、半導体層に形成する結晶組織がばらつく原因となってしまう。量産工程においては歩留まりが悪くなる。さらに、表示装置においては、表示ムラや色ムラが発生し、表示不良となる。
【００１０】
本発明は歩留まり良く安定して大結晶粒アレイ半導体薄膜を製造することができる結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、レーザ結晶化用基板、薄膜トランジスタおよび表示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】
【００１１】
本発明の結晶化方法は、基板に非単結晶半導体膜を形成する工程と、前記非単結晶半導体膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性膜を形成する工程と、前記光吸収性膜の表面において、連続する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射する工程と、を有する結晶化方法であって、前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡcapとし、前記非単結晶半導体膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡsiとし、前記吸収率Ａcapと前記吸収率Ａsiとで定義される光吸収比率ｒをｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)としたときに、前記光吸収比率ｒを所望する結晶粒長を得る値に選択した前記光吸収性膜にすることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のレーザ結晶化用基板は、非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を覆う光吸収性膜とを有するレーザ結晶化用基板であって、前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡcapとし、前記非単結晶半導体膜の前記結晶化用レーザ光の吸収率をＡsiとし、前記吸収率Ａcapと前記吸収率Ａsiとで定義される光吸収比率ｒをｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)としたときに、前記光吸収比率ｒを所望する結晶粒長を得る値に選択した前記光吸収性膜にすることを特徴とする。
【００１３】
上記の場合に、本発明の結晶化方法は、前記光吸収比率ｒの値を０．１０≦ｒ≦０．６５の範囲とすることを特徴とする。また、本発明のレーザ結晶化用基板は、前記吸収比率ｒの値が０．１０≦ｒ≦０．６５の範囲にあることを特徴とする。
【００１４】
上記の場合に、本発明の結晶化方法は、前記膜厚ｄSと前記光吸収比率ｒがｄS-ｒ面において直線ｒ＝０．３−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．６−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とする。また、本発明のレーザ結晶化用基板は、膜厚ｄSと吸収比率ｒが、ｄS-ｒ面において直線ｒ＝０．３−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．６−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とする。
【００１５】
本発明の結晶化方法は、基板に非単結晶半導体膜を形成する工程と、前記非単結晶半導体膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性膜を形成する工程と、前記光吸収性膜の表面において、連続する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射する工程と、を有する結晶化方法であって、前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の波長における複素屈折率ＮcapをＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(但し、ｎcapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)としたときに、前記消衰係数ｋcap が０．００３≦ｋcap≦０．０２５の範囲にあることを特徴とする。また、本発明のレーザ結晶化用基板は、非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を覆う光吸収性膜とを有するレーザ結晶化用基板であって、光吸収性膜の結晶化用レーザ光の波長における消衰係数をｋcapとしたときに、消衰係数ｋcapが０．００３≦ｋcap≦０．０２５の範囲にあることを特徴とする。
【００１６】
本発明の結晶化方法は、基板に非単結晶半導体膜を形成する工程と、前記非単結晶半導体膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性膜を形成する工程と、前記光吸収性膜の表面において、連続する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射する工程と、を有する結晶化方法であって、前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄS(ｎｍ)とし、前記光吸収性膜の前記結晶化用レーザ光の波長における複素屈折率をＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(但し、ｎcapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)としたときに、前記膜厚ｄSおよび前記消衰係数ｋcapがｄS-kcap面において直線ｋcap＝０．０１０−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２５−０．０００１ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とする。また、本発明のレーザ結晶化用基板は、非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を覆う光吸収性膜とを有するレーザ結晶化用基板であって、非単結晶半導体膜の膜厚ｄSと結晶化用レーザ光の波長における消衰係数をｋcapとしたときに、前記消衰係数ｋcapがｄS-ｋcap面において直線ｋcap＝０．０１０−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２５−０．０００１ｄSとの間に挟まれた領域にあることを特徴とする。
【００１７】
上記の場合に、本発明の結晶化方法は、前記結晶化用レーザ光の波長をλとし、前記光吸収性膜の膜厚をｄcap(ｎｍ)とし、前記光吸収性膜の波長λにおける複素屈折率をＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(但し、ｎcapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)とし、前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄs (ｎｍ)とし、前記非単結晶半導体膜の波長λにおける複素屈折率をＮs＝ｎs−ｉｋs(但し、ｎsは屈折率、ｉは虚数単位、ｋsは消衰係数)とし、結晶化用レーザ光の光吸収性膜表面における反射率をＲとしたときに、前記反射率Ｒが極大値または極小値となる膜厚ｄcapになるように前記光吸収性膜を形成することを特徴とする。また、本発明のレーザ結晶化用基板は、前記結晶化用レーザ光の波長をλとし、前記光吸収性膜の膜厚をｄcap(ｎｍ)とし、前記光吸収性膜の波長λにおける複素屈折率をＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(但し、ncapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)とし、前記非単結晶半導体膜の膜厚をｄs(ｎｍ)とし、前記非単結晶半導体膜の波長λにおける複素屈折率をＮs＝ｎs−ｉｋs (但し、ｎsは屈折率、ｉは虚数単位、ｋsは消衰係数)とし、前記結晶化用レーザ光の光吸収性膜表面における反射率をＲとしたときに、前記光吸収性膜は前記反射率Ｒが極大値または極小値となる膜厚ｄcapを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、上記の結晶化方法のいずれか１を用いて前記非単結晶半導体膜に結晶化領域を形成する工程と、前記結晶化領域に位置合わせして薄膜トランジスタを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
上記の場合に、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、前記結晶化領域における結晶組織が膜面内方向に２μｍ以上成長した結晶粒を含む結晶粒アレイであることを特徴とする。
【００２０】
本発明の薄膜トランジスタは、基板と、この基板に形成された非単結晶半導体薄膜と、上記の結晶化方法のいずれか１を用いて前記非単結晶半導体膜の一部の領域あるいは全領域に形成された結晶化領域と、前記結晶化領域にそれぞれ形成されたチャネル領域、ソース領域の一部または全部、およびドレイン領域の一部または全部と、前記チャネル領域上の一部に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする。
【００２１】
上記の場合に、本発明の薄膜トランジスタは、前記結晶化領域における結晶組織が膜面内方向に２μｍ以上成長した結晶粒を含む結晶粒アレイを有することを特徴とする。
【００２２】
本発明の表示装置は、基板と、この基板に形成された非単結晶半導体薄膜と、上記の結晶化方法のいずれか１を用いて前記非単結晶半導体膜の一部の領域あるいは全領域に形成された結晶化領域と、前記結晶化領域にそれぞれ形成されたチャネル領域、ソース領域の一部または全部、およびドレイン領域の一部または全部と、前記チャネル領域上の一部に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有する薄膜トランジスタと、この薄膜トランジスタを有する画素スイッチング回路とを具備することを特徴とする。
【００２３】
本明細書中の用語を次のように定義する。
【００２４】
「非単結晶半導体膜」とは、非晶質半導体（例えば非晶質シリコン膜）、多結晶半導体（例えばポリシリコン膜）およびこれらの混合組織など結晶化の対象となる薄膜をいう。
【００２５】
本発明において「結晶化」とは、非晶質半導体膜が昇温し、冷却する過程において結晶質半導体膜となることをいう。固相から液相を経て結晶化する場合と、固相から液相を経ることなく固相のままの状態で直接結晶化する場合とがある。
【００２６】
「横方向成長（ラテラル成長）」とは、溶融状態を経て結晶核を起点として固液界面から結晶粒が膜面に沿って横方向に１μｍ以上成長することをいう。
【００２７】
「フルエンス」とは、結晶化のためのレーザ光のエネルギー密度を表わす尺度であり、単位面積当たりの１回のパルスのエネルギー量をいい、具体的には照射領域（照射野）において計測されるレーザ光の平均光強度のことをいう。
【００２８】
「光強度分布」とは、結晶化するために非単結晶半導体膜に入射される光の二次元の強度分布のことをいう。換言すれば、照射光（照明光）の検出面における光の強度（明るさ）分布のことをいう。
【００２９】
「アッテネータ」とは、レーザ光の強度を減衰させる光学素子をいう。アッテネータは、被処理基板が焼き付きを生じないようにレーザ光の光強度レベルを調整する機能を有するものである。
【００３０】
「位相シフタ」とは、光学系における一素子であり、レーザ光の位相を変調するための空間強度変調光学素子のことをいい、フォトリソグラフィプロセスの露光工程で使用される位相シフトマスクとは区別されるものである。位相シフタは、例えば用いるレーザ光の波長に対して吸収しない石英基材の所望の場所に、所望の段差が形成されたものである。位相シフタの段差は、エッチング等のプロセスにより形成される。
【００３１】
「プロジェクションレンズ」とは、位相シフタにより作られた像を基板表面に投影するための光学系の一部品であり、照射サイズが小さい場合には、おおむねテレセントリックレンズが用いられる。テレセントリックレンズを用いることで、基板とレンズとの距離が多少変化しても投影した像のサイズが変化しないようにすることが可能である。そのため、基板側のみが平行となるような片テレセントリックレンズ系または基板側および光源側の両方が平行となるような両テレセントリックレンズ系が用いられる。量産装置においては照射ビームとして細長い、いわゆる「長尺」ビームが用いられることが多く、例えば、短辺側のみがテレセントリック構造で、「半円柱（かまぼこ）」型のプロジェクションレンズ（シリンドリカルレンズ）が用いられる。
【００３２】
「ホモジナイザ」とは、入射光を複数に分割し、これらの分割光を収束させて、特定の面で光強度を均一化する光学素子のことをいう。
【００３３】
「光吸収比率ｒ」とは、光吸収性膜（キャップ膜）の光の吸収率をＡcap、非単結晶半導体膜（結晶化対象膜）の光の吸収率をＡsiとしたときに、光吸収性キャップ層１８の光吸収比率をｒとしたとき、ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)で定義される。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、歩留まり良く安定的に、大結晶粒アレイ半導体薄膜を作製することができる。本発明の結晶化方法を用いることにより、高性能の薄膜トランジスタおよび表示装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、添付の図面を参照して本発明のレーザ結晶化用基板の種々の好ましい実施の形態について説明する。
【００３６】
図１は、本発明のレーザ結晶化用基板において定義する光吸収性キャップ層膜１８の吸収比率ｒおよび実効光強度Ｉeffを説明するための、試料構造（被処理基板）を示す略断面図である。試料は、プラスチック基板、半導体ウエハ基板又はガラス基板などの基板１５上に直接または間接的に半導体層１７例えば非晶質とシリコン層と光吸収性キャップ層１８例えばＳｉＯｘ層が順次積層されていて、ＳｉＯｘ層の表面にレーザ光が垂直に入射する例を示している。光吸収性キャップ層１８の側からレーザ光１２をフルエンスＩ(Ｊ/cm2）で照射すると、そのうちの一部の光は光吸収性キャップ層１８の表面で反射し、他の一部の光は光吸収性キャップ層が吸収し、他の一部の光は半導体層が吸収する。ここで光吸収性キャップ層１８の表面での反射率をＲ、光吸収性キャップ層膜１８の光吸収率をＡcapとし、半導体層の光吸収率をＡsiとすると、半導体層が十分厚く（例えば５０ｎｍ）、半導体層が吸収しやすい波長のレーザ光を使う場合（例えば波長λ＝３０８ｎｍの場合）、Ｒ＋Ａcap＋Ａsi＝１である。上記吸収率Ａcapと上記吸収率Ａsiとで定義される光吸収比率をｒとしたとき、ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)は、実効的に光吸収性キャップ層１８と半導体層１７が吸収する分(Ａcap＋Ａsi)に対する、光吸収性キャップ層１８が吸収する分（Ａcap）の比率を表すものである。
【００３７】
また、実効的に光吸収性キャップ層１８と半導体層１７が入射するレーザ光を吸収して、熱となる分のフルエンスＩeffは、Ｉeff×（１−Ｒ）と表せる。
【００３８】
これらの値は、大気中でレーザ結晶化する場合にはレーザ光の波長λ、光吸収性キャップ層１８の膜厚および波長λに対する屈折率と消衰係数、波長λに対する半導体層１７の屈折率と消衰係数により定まる。
【００３９】
図２の（ａ）は、光吸収性キャップ層１８の光吸収比率ｒが異なる図１に示す試料構造の被処理基板８に、実効的に同じ光強度分布のレーザ光を照射したときに、各層に光強度が分配される様子を対比して示す温度分布図である。図２の（ｂ）はそのときの被処理基板８に入射する照射レーザ光は、実効的に同じ光強度分布であることをそれぞれ示す図である。図２の（ａ）には、光吸収性キャップ層１８での光吸収比率ｒが小さい場合（図２（ａ）の（i））と大きい場合（図２（ａ）の（ii））とについて比較して示されている。光吸収性キャップ層１８と半導体層１７とが吸収する光強度に従い、レーザ照射直後に各層に温度分布が形成される。図２（ａ）の（i）のようにｒが小さい場合は、図２（ａ）の（ii）のようにｒが大きい場合と比較して、光吸収性キャップ層１８の温度が上がらず、光吸収性キャップ層１８中に形成される温度勾配は緩やかである。またその分、半導体層１７中の温度は上がり、半導体層１７中に形成される温度勾配は急になる。溶融領域は半導体層１７中に形成される温度勾配に従い決まる。図２（ａ）に示すように、この溶融領域は光吸収比率ｒが小さいほうが広くなる。半導体層中における高温領域が広くなるためである。比較的熱伝導率の高い半導体層中の温度勾配は、基板１５への縦方向の熱拡散や半導体層１７内の横方向への熱拡散により時間に従い崩れてしまいやすい。一方、絶縁性の上記キャップ層１８は半導体層１７と比較して熱伝導率が小さいので、キャップ層１８中の温度勾配は上記キャップ層１８に長時間維持される。また、半導体層１７への熱拡散により、半導体層１７中の温度勾配の崩れを抑制する。光吸収比率ｒが大きい方がこの効果が顕著である。
【００４０】
次に図３を参照して、本発明におけるレーザ結晶化過工程において、半導体層１７への入射光の光強度分布および半導体層１７が溶融するために必要な光強度をそれぞれ求める方法について説明する。図３の（ａ）は半導体層１７に入射する入射光の逆Ｖ字型光強度分布特性を説明するための模式図である。図３の（ｂ）は逆Ｖ字型光強度分布の各光強度位置に対応する半導体層の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。半導体層に形成される結晶粒を大きく、長くするためには、横方向成長させることが必要であるが、そのためには溶融させる領域を広げることが不可欠である。図３において光強度の小さい領域ａでは、半導体層１７の温度が結晶化に必要な温度まで上がらないためにアモルファスのままである（図１８のアモルファス領域１０５）。上記領域ａよりも光強度の大きい領域ｂでは、半導体層１７の温度が結晶化に必要な温度以上となり微細結晶となるが、溶融する温度には達しないので横方向成長するには至らない状態を示している（図１８の微結晶領域１０４）。さらに光強度の大きい領域ｃでは、半導体層１７の温度が溶融するのに必要な温度以上となり、溶融状態を経てパルスレーザ光の遮断期間になり降温期間になると図３（ａ）の光強度分布に対応して順次固液界面が移動し、結晶粒が横方向に成長する（図１８の結晶粒１０３）。この領域ｂと領域ｃとの境界である、第１段階の横方向成長を開始するラインがレーザ光照射直後の固液界面であり、このラインに対応する光強度が、半導体層１７を溶融させるのに必要な最小の光強度である。
【００４１】
図４（ａ）は、図４（ｂ）に示すキャップ膜１８／半導体層(ａ-Ｓｉ、１００ｎｍ)１７／基板１５という膜構造の試料に、レーザアニール装置（図１６参照）を用いて半導体層１７を結晶化したときの、光吸収比率ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)と半導体層１７に形成される結晶組織（図１８参照）における粒長ｌとの関係を示す特性図である。レーザアニール装置では、試料表面上でボトムの相対強度が０．２、トップの相対強度が１、周期Ｔが３２μｍのＶ字型パターンの光強度分布を形成する位相シフタ６（図１７（ａ）（ｂ）参照）を用いた。
【００４２】
図４（ａ）から明らかなように、半導体層１７例えばアモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ）の膜厚が１００ｎｍの場合は光吸収比率ｒは、ｒ＝０．２２〜０．２６の範囲で粒長８μｍ以上となり最も長くなった。また、光吸収比率ｒは、ｒ＝０．１〜０．５の範囲で粒長５μｍ以上となった。
【００４３】
図５の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、上記の光吸収比率ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)と粒長ｌとの関係（図４、図５（ｄ））における、各点の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。粒長ｌが最大となる光吸収比率ｒは、ｒ＝０．２２における結晶組織（図５（ａ））にはＳＥＭ写真の両端から順に、アモルファス領域、微細結晶領域、横方向成長領域が存在する。溶融領域と横方向成長領域は一致しており、中央のラインで両側から成長してきた横方向成長粒が正面衝突する。横方向成長粒の長さは８μｍであり、溶融領域の幅はその２倍で１６μｍである。
【００４４】
図５（ｂ）に示すように、光吸収比率ｒ＝０．０６と小さい場合には、ｒ＝０．２２における結晶組織と比較してアモルフアァス領域および微細結晶領域の幅が狭くなり、溶融領域の幅が広くなる。しかし、溶融領域と横方向成長領域が一致しない。すなわち、微細結晶領域と溶融領域の界面から始まった第１段階目の横方向成長は途中で止まってしまう。最も長い結晶粒は３段階目に横方向成長したもので、３．５μｍにしか至らない。これは図２（ａ）で説明したように、光吸収比率ｒが小さくなると半導体層１７の溶融領域は広がるが、基板１５側だけでなく、キャップ層１８の側にも熱が逃げてしまい、半導体層１７が冷えやすいため、また、時間が経過した後の光吸収性キャップ層１８からの熱の戻りが小さくなってしまうため、横方向成長の駆動力となる半導体層１７中の温度勾配がすぐに崩れてしまうことによる。
【００４５】
一方、図５（ｃ）に示すように、光吸収比率ｒ＝０．４８と大きい場合には、ｒ＝０．２２における結晶組織と比較して、アモルファス領域およぴ微細結晶領域の幅が広くなり、横方向成長領域が狭くなる。溶融領域と横方向成長領域はｒ＝０．２２における結晶組織と同様に一致している。横方向成長粒の長さは５．５μｍであり、溶融領域の幅はその２倍で１１μｍである。溶融領域の幅が狭くなった分だけ粒長も短くなる。
【００４６】
図６（ａ）は、半導体層１７であるａ−Ｓｉ層の膜厚５０ｎｍの場合における光吸収比率ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)と粒長ｌとの関係を示す特性図である。結晶化の条件は、ａ−Ｓｉ層の膜厚を除いて、図４と図５（ａ−Ｓｉ層の膜厚１００ｎｍ）の場合と同じである。図６（ａ）から明らかなように、ａ−Ｓｉ層の膜厚が５０ｎｍの場合は光吸収比率ｒ＝０．２８〜０．３６の範囲で粒長８μｍ以上となり最も長くなった。また、吸収比率ｒ＝０．１０〜０．６５の範囲で粒長５μｍ以上となった。
【００４７】
図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、上記の光吸収比率ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)と粒長ｌとの関係（図６、図７（ｄ））における、各点の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）の結果から、ａ−Ｓｉ層の膜厚が５０ｎｍの場合は、光吸収比率ｒ＝０．３２〜０．３５の範囲で粒長８μｍ以上となり最も長くなった。また、光吸収比率ｒ＝０．１０〜０．６５の範囲で粒長５μｍ以上となった。粒長が最大となる光吸収比率ｒ＝０．３５における結晶組織（図７（ａ））にはＳＥＭ写真の両端から順に、アモルファス領域、微細結晶領域、横方向成長領域が存在する。溶融領域と横方向成長領域は一致しており、中央のラインで両側から成長してきた横方向成長粒が正面衝突する。横方向成長粒の長さは８．０μｍであり、溶融領域の幅はその２倍で１６μｍである。
【００４８】
図７（ｂ）に示すように、光吸収比率ｒ＝０．１８と小さい場合には、ｒ＝０．３５における結晶組織と比較してアモルファス領域の幅が狭くなり、溶融領域の幅が広くなる。しかし溶融領域と横方向成長領域が一致しない。すなわち、微細結晶領域と溶融領域の界面から始まった第１段階目の横方向成長は途中で止まってしまう。最も長い結晶粒は３段階目に成長したもので、粒長が６．０μｍである。これは図２で説明したように、光吸収比率ｒが小さくなると半導体層１７の溶融領域は広がるが、基板１５側だけでなく、キャップ層１８の側にも熱が逃げてしまい、半導体層１７が冷えやすいため、また、時間が経過した後の光吸収性キャップ層１８からの熱の戻りが小さくなってしまうため、横方向成長の駆動力となる半導体層１７中の温度勾配がすぐに崩れてしまうことになる。しかし、ａ−Ｓｉ層の膜厚１００ｎｍの場合よりもａ−Ｓｉ層の膜厚が薄い分、膜面方向の熱拡散が制限されるので横方向成長しやすく、３段階目の横方向成長粒は中央のラインで正面衝突する。
【００４９】
一方、図７（ｃ）に示すように、光吸収比率ｒ＝０．４６と大きい場合には、ｒ＝０．３５における結晶組織と比較してアモルファス領域の幅が広くなり、横方向成長領域が狭くなる。溶融領域と横方向成長領域は光吸収比率ｒ＝０．３５における結晶組織と同様に一致している。横方向成長粒の長さは７．０μｍであり、溶融領域の幅はその２倍で１４μｍである。溶融領域の幅が狭くなった分だけ、粒長も短くなる。
【００５０】
上記の結果から明らかなように、結晶粒を長く成長させるためには、被処理基板８の膜構造を最適化する必要があり、特にキャップ層１８と半導体層１７とのレーザ光の吸収比率ｒを制御することが必要不可欠となる。これは１次元的に一方向に結晶成長させる場合のみならず、２次元的に結晶成長させて大面積の結晶粒アレイを狙う場合も同様である。また、位相シフタを用いて基板１５表面上に光強度分布を形成してレーザ照射する結晶化方法に限らず、結晶化過工程において半導体層１７中に温度分布を形成して横方向成長させる結晶化方法のすべてにおいて同様である。
【００５１】
上記したように図４〜図７から、半導体層１７の膜厚が変わると、粒長を長くする上で最適となる光吸収比率ｒの値が変わることが判明した。図８（ａ）に、粒長が７μｍ以上となる、ａ-Ｓｉ層の膜厚ｄsと光吸収比率ｒの範囲を示している。図８（ａ）中の直線ｒ＝０．３−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．６−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域Ｅにあるときに、粒長が７μｍ以上となる。望ましくは直線ｒ＝０．４−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．５−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域に、半導体層１７の膜厚ｄsと光吸収比率ｒを設定するのが良い。
【００５２】
光吸収比率ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)は、主に使用するレーザ光の波長に対するキャップ層１８の消衰係数ｋcapと膜厚ｄcapにより決まる。すなわち半導体層（基板）１７上にキャップ層（単層）１８があると仮定して、キャップ層１８の表面からレーザ光が入射する場合の多重反射の理論により決まる。キャップ層１８の消衰係数ｋcapが大きくなると、キャップ層１８の吸収率Ａcapの値が大きくなり、光吸収比率ｒの値は大きくなる。
【００５３】
次に図９を参照して、光吸収比率ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)が適切な値のときに最大粒長を達成するメカニズムについて説明する。図９は、光吸収比率ｒと、アブレーションしない入射可能な実効光強度Ｉeff、および半導体層１７であるａ−Ｓｉ層が溶融する実効光強度Ｉeffとの関係について示す特性図である。また、図９は、ａ−Ｓｉ層の膜厚１００ｎｍと５０ｎｍの場合について示している。各実効光強度Ｉeffは、図３に示した方法で求めた。図９には、各ａ−Ｓｉ層の膜厚において最大粒長を達成する吸収比率ｒを一点鎖線で示している。入射可能な実効光強度Ｉeffが高いと、その分だけ光吸収性キャップ層１８と半導体層１７の温度を上げることができるので、大粒径化に有効であると考えられる。また、ａ−Ｓｉ層が溶融する実効光強度Ｉeffが低いと、横方向成長させるのに必要な溶融領域の幅を広げることができるので、大粒径化に有効であると考えられる。
【００５４】
ａ−Ｓｉ層の膜厚にかかわらず、光吸収比率ｒと入射可能な実効光強度Ｉeffとの関係において傾向が変化する点で最大粒長となる。つまり入射可能な実効光強度Ｉeffは、吸収比率ｒの増加に対して最大粒長条件となる光吸収比率ｒ値まではほぼ一定の値だが、この光吸収比率ｒ値よりも大きくなると減少する。
【００５５】
一方、ａ−Ｓｉ層が溶融する実効光強度Ｉeffは、光吸収比率ｒの増加に対して、ある光吸収比率ｒ値まではほぼ一定の値だが、この光吸収比率ｒ値よりも大きくなると増加する。ａ−Ｓｉ層が溶融する実効光強度Ｉeffが増加し始める点よりわずかに大きい光吸収比率ｒ値で最大粒長となる。
【００５６】
図５と図７において、光吸収比率ｒが最大粒長条件より大きくなると溶融領域すなわち横方向成長領域が狭くなるのは、図９に示すように入射可能な実効光強度Ｉeffが低くなってしまい、またａ−Ｓｉ層が溶融する実効光強度Ｉeffが高くなってしまうことによる。
【００５７】
図１０は、キャップ層１８（光学定数１．５０−０．０１ｉ）／半導体層１７(光学定数１．６９−２．７６ｉ)／基板１５という膜構造の試料に、波長λ＝３０８ｎｍのレーザ光を入射する場合における、キャップ層１８の膜厚ｄcapとキャップ層１８表面でのレーザ光の反射率Ｒとの関係を示したものである。反射率Ｒは、キャップ層１８の膜厚ｄcapに対して極大値と極小値をとりながら周期的に変動し、消衰係数ｋcapの値に応じて減衰していく。入射レーザ光のフルエンスを一定とすると、反射率Ｒの値によりキャップ層１８および半導体層１７が実効的に吸収するフルエンスが変化する。すなわち反射率Ｒが大きければ実効吸収フルエンスは小さくなり、反射率Ｒが小さければ実効吸収フルエンスは大きくなる。
【００５８】
キャップ膜の膜厚ｄcapは、反射率Ｒの値が極大値あるいは極小値となるように設定するのが望ましい。レーザ結晶化用の基板１５を成膜により作製する際には、半導体層１７やキャップ層１８、特にキャップ層１８の膜厚の面内むらが生じることが不可避である。半導体層１７とキャップ層１８の光学定数により定まるキャップ層１８の膜厚ｄcapと反射率Ｒとの関係において、目標とするキャップ層１８の膜厚ｄcapを、反射率Ｒの値が極大値あるいは極小値になるように設定して成膜すれば、膜厚むらに対応する反射率のむらを抑えることができ、すなわち実効吸収フルエンスの面内むらを抑えることができるので、基板１５全面に均一に安定して大結晶粒アレイを形成することができる。
【００５９】
目標とするキャップ層１８の膜厚ｄcapを、反射率Ｒが極小値になるように設定して成膜すれば、レーザ結晶化の際の入射フルエンスを小さくすることができ、省エネルギーの観点から有効である。
【００６０】
また、目標とするキャップ層１８の膜厚ｄcapを、反射率Ｒが極大値になるように設定して成膜すれば、レーザ結晶化の際の入射フルエンスは大きくなるが、その分入射フルエンスのマージンを広くすることができる。つまり、入射フルエンスの揺らぎ（照射領域の面内揺らぎやショット毎の揺らぎ）に対する実効吸収フルエンスの揺らぎは小さくなるので、均一に大面積を結晶化するという歩留まりの観点から有効である。
【００６１】
図１１は、キャップ層１８の膜厚ｄcapと光吸収比率ｒ（＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)）との関係を示している。図１０（ｂ）と同様の試料構造の場合について計算している。キャップ層１８の膜厚ｄcapが大きくなると光吸収比率ｒの値は単調増加する。
【００６２】
すなわち光吸収比率ｒの値を制御するためには、キャップ層１８の消衰係数ｋcapと膜厚ｄcapとを制御することになるが、図１０のようにキャップ層１８の膜厚ｄcapのわずかな変化がキャップ層１８表面でのレーザ光の反射率Ｒの大きな変化の原因となる（図１９参照）ので、消衰係数ｋcapを制御して吸収比率ｒを制御するのが望ましい。
【００６３】
図１２は、キャップ層１８／半導体層１７(ａ-Ｓｉ、１００ｎｍ)／基板１５という膜構造の試料に、試料表面上で、ボトムの相対強度が０．２、トップの相対強度が１、周期が３２μｍのＶ字型の光強度分布を形成する位相シフタ（図１７（ａ）（ｂ）参照）を使って、後述する結晶化装置（図１６参照）で半導体層を結晶化したときの、キャップ層１８の消衰係数ｋcapと粒長ｌとの関係を示している。ｋcap＝０．００５〜０．００８のときに粒長は８μm以上となり、最も長くなる。また、ｋcap＝０．００３〜０．０２０のときに粒長は５μm以上となる。
【００６４】
図１３は、ａ−Ｓｉ層の膜厚５０ｎｍの場合におけるキャップ層１８の消衰係数ｋcapと粒長ｌとの関係を示している。結晶化の条件はａ−Ｓｉ層の膜厚を除いて図１２のａ−Ｓｉ層の膜厚１００ｎｍの場合と同様である。ｋcap＝０．０１０〜０．０１１のときに、粒長は８μm以上となり、最も長くなる。また、ｋcap＝０．００３〜０．０２５のときに粒長は５μm以上となる。
【００６５】
半導体層１７の膜厚ｄsが変わると結晶粒を長くするために最適な吸収比率ｒの値が変化するように図１２〜図１３から、同様に最適なキャップ層１８の消衰係数ｋcapの値も変化することがわかる。
【００６６】
図１４は粒長が７μｍ以上となる、ａ-Ｓｉ層の膜厚ｄsとキャップ層１８の消衰係数ｋcapの範囲を示している。図１４に示すように、直線ｋcap＝０．０１０−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２５−０．０００１ｄSとの間に挟まれた領域Ｆにあるときに、粒長が７μｍ以上となる。望ましくは直線ｋcap＝０．０１５−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２０−０．０００１ｄSとの間に挟まれた領域に、半導体層１７の膜厚ｄsとキャップ層１８の消衰係数ｋcapとを設定するのが良い。
【００６７】
図１５は、図９における横軸の光吸収比率ｒをキャップ層１８の消衰係数ｋcapに入れ替えた図である。光吸収性キャップ層１８の膜厚をほぼ同じ値に統一すれば、横軸が消衰係数ｋcapに変わっても同様の特性図となる。
【００６８】
次に、各パラメータの数値限定理由について述べる。光吸収性膜（キャップ層）１８の結晶化用レーザ光の吸収率をＡcapとし、非単結晶半導体膜（半導体層）１７の結晶化用レーザ光の吸収率をＡsiとし、吸収率Ａcapと吸収率Ａsiとで定義される光吸収比率ｒをｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)としたときに、光吸収比率ｒの値は０．１０以上０．６５以下の範囲に制御するのが望ましい。光吸収比率ｒが０．１０より小さいとキャップ層１８の温度が上がらず、照射するレーザ光の光強度分布に従って形成されるキャップ層１８中の温度勾配も緩やかになってしまう。従って結晶化過工程において、半導体層１７の温度範囲を結晶成長に適した範囲に長時間維持することができず、また同じく半導体層１７中に形成される温度勾配を長時間維持することができず、結晶粒が伸びない。
【００６９】
光吸収比率ｒが０．６５より大きいと、キャップ層１８の温度が上がりすぎてしまう。これに伴い半導体層１７からキャップ層膜１８への熱拡散が起こりにくく、レーザ照射の際に半導体層１７がアブレーション（膜の蒸発）しやすくなってしまう。このため、入射可能なレーザフルエンスが下がってしまい、結果として結晶粒が伸びない。
【００７０】
上述したように吸収比率ｒ＝Ａcap/(Ａcap＋Ａsi)の最適値は半導体層１７の膜厚ｄsにより変化する。
【００７１】
半導体層１７の膜厚ｄsと吸収比率ｒとの関係は、図８に示すように、ｄS-ｒ面において直線ｒ＝０．３−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．６−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域Ｅに存在することが望ましい。この領域Ｅから下側に外れると、キャップ層１８の温度が上がらず、照射するレーザ光の光強度分布に従って形成されるキャップ層１８中の温度勾配も緩やかになってしまう。従って結晶化過工程において、半導体層１７の温度範囲を結晶成長に適した範囲に長時間維持することができず、また同じく半導体層１７中に形成される温度勾配を長時間維持することができず、結晶粒が伸びない。
【００７２】
この領域Ｅから上側に外れると、キャップ層１８の温度が上がりすぎてしまう。これに伴い半導体層１７からキャップ層膜１８への熱拡散が起こりにくく、レーザ照射の際に半導体層１７がアブレーション（膜の蒸発）しやすくなってしまう。従って、入射可能なレーザフルエンスが下がってしまい、結果として結晶粒が伸びない。
【００７３】
半導体層１７の膜厚ｄsと吸収比率ｒとの関係は、さらに望ましくは、ｄS-ｒ平面において直線ｒ＝０．４−０．００２ｄSと直線ｒ＝０．５−０．００２ｄSとの間に挟まれた領域に存在するとよい。
【００７４】
キャップ層１８の消衰係数ｋcapは、光吸収比率ｒを決めるファクターの１つであり、０．００３以上０．０２５以下の範囲にあることが望ましい。消衰係数ｋcapが０．００３未満であるとキャップ層１８の温度が上がらず、照射するレーザ光の光強度分布に従って形成されるキャップ層１８中の温度勾配も緩やかになってしまう。従って、結晶化過工程において、半導体層１７の温度範囲を結晶成長に適した範囲に長時間維持することができず、また、同じく半導体層１７中に形成される温度勾配を長時間維持することができず、結晶粒が伸びない。
【００７５】
一方、消衰係数ｋcapが０．０２５を超えると、キャップ層１８の温度が上がりすぎてしまう。これに伴い半導体層１７からキャップ層膜１８への熱拡散が起こりにくく、レーザ照射の際に半導体層１７がアブレーション（膜飛び）しやすくなってしまう。従って、入射可能なレーザフルエンスが下がってしまい、結果として結晶粒が伸びない。
【００７６】
上述したようにキャップ層１８の消衰係数ｋcapの最適値は、半導体層１７の膜厚ｄsにより変化する。また、光吸収比率ｒを決めるのは主にキャップ層１８の消衰係数ｋcapとキャップ層１８の膜厚ｄcapであるため、キャップ層１８の膜厚ｄcapによっても光吸収比率ｒは変化する。
【００７７】
半導体層１７の膜厚ｄsとキャップ層１８の消衰係数ｋcapとの関係は、図１４に示すように、ｄS-ｋcap平面において直線ｋcap＝０．０１０−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２５−０．０００１ｄSとの間に挟まれた領域Ｆに存在することが望ましい。この領域Ｆから下側に外れると、キャップ層１８の温度が上がらず、照射するレーザ光の光強度分布に従って形成されるキャップ層１８中の温度勾配も緩やかになってしまう。従って結晶化過工程において、半導体層１７の温度範囲を結晶成長に適した範囲に長時間維持することができず、また同じく半導体層１７中に形成される温度勾配を長時間維持することができず、結晶粒が伸びない。
【００７８】
この領域Ｆから上側に外れると、キャップ層１８の温度が上がりすぎてしまう。これに伴い半導体層１７からキャップ層膜１８への熱拡散が起こりにくく、レーザ照射の際に半導体層１７はアブレーション（膜の蒸発）しやすくなってしまう。従って入射可能なレーザフルエンスが下がってしまい、結果として結晶粒が伸びない。
【００７９】
半導体層１７の膜厚ｄsとキャップ層１８の消衰係数ｋcapとの関係は、さらに望ましくは、ｄS-ｒ平面において直線ｋcap＝０．０１５−０．０００１ｄSと直線ｋcap＝０．０２０−０．０００１ｄSとに囲まれた領域の範囲に存在するとよい。
【００８０】
キャップ層１８の膜厚ｄcapの範囲については、本発明範囲として特に言及していないが、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲とすることが望ましい。
【００８１】
上述のように、キャップ層１８の膜厚ｄcapは、レーザ光の波長をλ、キャップ層１８の波長λにおける複素屈折率（光学定数）をＮcap＝ｎcap−ｉｋcap(ｎcapは屈折率、ｉは虚数単位、ｋcapは消衰係数)、半導体層１７の膜厚をｄs(nm)、半導体層１７の波長λにおける複素屈折率（光学定数）をＮs＝ｎs−ｉｋs(nsは屈折率、iは虚数単位、ksは消衰係数)としたときに定まる、キャップ層１８の膜厚dcapとキャップ膜１７の表面におけるレーザ光の反射率Ｒとの図１０に示すような関係において、反射率Ｒが極大値あるいは極小値となるように設定するのが望ましい。この条件を満たした上でキャップ層１８の膜厚ｄcapは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲にすると、上述したキャップ層１８の消衰係数ｋcapの適切な範囲である０．００３以上０．０２５以下の範囲の条件で、光吸収比率ｒの値を０．１０以上０．６５以下に制御することができる。
【００８２】
キャップ層１８の物性としては、熱伝導性が小さい材料であるのが望ましい。半導体層１７を結晶成長に適した温度に維持しやすくなるからである。またレーザ照射時の光強度分布に基づいて形成される、キャップ層１８中の温度勾配が崩れにくいので、半導体層１７の膜厚が厚い場合また溶融する際に崩れやすくなる半導体層１７中の温度勾配も維持しやすくなるからである。
【００８３】
半導体層１７の結晶組織における結晶粒長もしくは結晶粒径は長いほうがいいが、２μｍ以上とした。２μｍよりも短いと高性能な薄膜トランジスタあるいは半導体装置を製造しにくくなる。
【００８４】
次に、非単結晶半導体層１７を結晶化するプロセス、また薄膜トランジスタや液晶表示装置を製造するプロセスについて、下記の実施例により具体的に説明する。
【００８５】
次に上記被処理基板８の半導体層１７を結晶化するための結晶化装置の実施例を図１６を参照して説明する。図１乃至図１５と同一部分については、同一符号を付与し、その詳細な説明は、重複するので省略する。
【００８６】
図１６は、本実施例で用いたプロジェクション型結晶化装置（レーザアニール装置）の構成図である。結晶化装置１は、エキシマレーザ発振器２と、この装置２の光軸上に順次設けられた凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５とからなる照明光学系と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７からなる結像光学系と、被処理基板８を載置する載置台９と、ＸＹＺθステージ１０と、コントローラ１１とからなる。即ち、結晶化装置１は、凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５とからなる照明光学系と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７を有する結像光学系により、パルスレーザ光１２を載置台９上の被処理基板８に照射するものである。  
エキシマレーザ発振器２として例えば３０８ｎｍ波長のエキシマレーザ光を出射するＸｅＣｌエキシマレーザ発振器を用いることができる。なお、ＫｒＦエキシマパルスレーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器のような他のレーザ発振器を用いることもできる。
【００８７】
ホモジナイザ５は、入射したパルスレーザ光の面内において光強度が均一化されたレーザ光にする。均一化されたレーザ光は、位相シフタ６に入射する。位相シフタ６は、入射光を位相変調して図１７の（ｃ）に示すようなＶ字状光強度分布を持ったパルスレーザ光１２を出射する。Ｖ字状光強度分布を持ったパルスレーザ光１２は、結像光学系に入射する。結像光学系は、Ｖ字状光強度分布を持ったパルスレーザ光１２を被処理基板８に結像させる。被処理基板８に入射したレーザ光の一部は反射し、他の一部は光吸収性キャップ層１８に吸収されて図２（ａ）に示すように入射光の光強度分布に相当する温度分布でキャップ層１８が発熱し、他の一部は半導体層１７に吸収されて半導体層１７が発熱する。半導体層１７において照射領域の一部は溶融し、パルスレーザ光が遮断した後の冷却過程において結晶化領域を形成する。
【００８８】
このエキシマレーザ発振器２の出射光路には、図示しないレーザ光量を所望の光量に調整するためのアッテネータが設けられる。このアッテネータの出射光路には、凹レンズ３および凸レンズ４を介してホモジナイザ５が設けられている。ホモジナイザ５は、照射領域におけるパルスレーザ光１２の面内光強度分布を均一化する機能を備えている。すなわち、ホモジナイザ５は、通過するパルスレーザ光１２の位相シフタ６への入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）するための光学系である。
【００８９】
さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光１２は、図１７（ａ）（ｂ）に示す位相シフタ６により光強度変調される。位相シフタ６は、用いるレーザ光の波長に対して透明な材料例えば石英ガラスに凹凸面を形成することにより光強度が均一化された入射レーザ光を位相変調して横方向に結晶化するための光強度分布光を出射する光学系である。その結果、例えば単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布が、被処理基板８表面に形成される。本実施例においては、位相シフタ６として、図１７（ａ）に示すような位相シフタ６により図１７（ｃ）に示すように、ボトムの相対強度０．２、トップの相対強度１、周期３２μｍのＶ字型の光強度分布を被処理基板８の表面上に形成するものを用いた。
【００９０】
位相シフタ６で位相変調（光強度変調）されたパルスレーザ光１２は、プロジェクションレンズ７に入射する。プロジェクションレンズ７は、位相シフタ６の像を被処理基板８の上面に結像させるように設けられている。プロジェクションレンズ７は、等倍、縮小例えば縮小された像の縮小率が１／５の光学系である。例えば、位相シフタ６の照射面の面積を１００ｍｍ２とすると、対応する投射像は、４ｍｍ２となる。
【００９１】
載置台９は、ＸＹＺθステージ１０の上に搭載され、水平面内でＸ軸，Ｙ軸方向にそれぞれ可動で、かつ水平面に直交するＺ軸方向に可動であるとともに、Ｚ軸まわりにθ回転可能である。ＸＹＺθステージ１０の電源回路はコントローラ１１の出力部に接続され、Ｘ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、Ｚ軸駆動機構、θ回転駆動機構がそれぞれ制御されるようになっている。これらを各方向に移動させて結晶化用光学系に対して被処理基板８を高精度に位置合わせすることができる。エキシマレーザ発振器２の電源回路は、コントローラ１１の出力部に接続され、パルスレーザ光１２の発振タイミング、パルス間隔、出力の大きさなどが制御されるようになっている。
【００９２】
コントローラ１１は、予め記憶されたプログラムにより被処理基板８を載置台９の予め定められた位置に搬送制御し、被処理基板８を仮固定例えば静電チャック又はバキュームチャックの制御をする。コントローラ１１は、仮固定された被処理基板８を予め定められた手順で位置合わせする。コントローラ１１は、予め記憶された被処理基板８の結晶化位置情報により被処理基板８を移動制御する。
【００９３】
また、コントローラ１１は、エキシマレーザ発振器２を発振させるための制御をする。出射するパルスレーザ１２は、例えばパルス幅例えば３０ｎｓｅｃである。
【００９４】
以下、本発明の種々の実施例を説明する。
【００９５】
（実施例１）
本実施例の被処理基板８は、図１７（ｄ）に示すように、基板１５例えばガラス基板上に、下地保護膜１６、非単結晶半導体層膜１７例えばアモルファスシリコン膜およびキャップ層１８例えば光吸収性のＳｉＯｘ膜がこの順に積層されている。キャップ層膜１８は、結晶化用レーザ光に対して光吸収性を有し、低いフルエンスで長い横方向成長距離を得ることを可能にする。  このような被処理基板８は、次のようにして作製される。
【００９６】
先ず、基板１５の上に下地保護膜１６となる絶縁層を形成する。基板１５には、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板の他に、表面に絶縁被膜が形成された金属基板、シリコン基板またはセラミック基板などを適用することが可能である。下地保護膜１６は、膜厚５０〜２０００ｎｍ、例えば１００ｎｍの二酸化シリコン膜をプラズマ化学気相成長法で成膜する。
【００９７】
次いで、下地保護膜１６の上に非単結晶半導体層１７として非晶質シリコン膜を成膜する。非晶質シリコン膜の成膜法は、例えばＳｉＨ４ガスとＨ２ガスを用いたプラズマ化学気相成長法によって膜厚１００ｎｍの非晶質Ｓｉ膜を成膜する。
【００９８】
次に、光吸収性キャップ層としてキャップ層１８、例えば光吸収性ＳｉＯx膜（xは2未満）を形成する。このＳｉＯx膜は、例えば、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを用いたプラズマ化学気相成長法によって成膜する。ＳｉＯx膜の光学定数Ｎcap（複素屈折率Ｎcap）は、成膜の際に例えばＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスの流量比を変化させることにより選択制御することができる。また、膜厚ｄcapは成膜時間により制御する。後述の脱水素工程後にエリプソメトリーにより測定、解析した結果、本実施例ではＮcap＝１．４８１−０．００５４ｉ(屈折率ｎ＝１．４８１、ｉは虚数単位、消衰係数ｋcap＝０．００５４)となった。また、膜厚ｄcapは面内むらを含めて４５４±１０ｎｍの範囲となった。このときに基板１５の表面でのレーザ光の反射率Ｒは、この条件でのキャップ膜厚ｄcap−反射率曲線においてほぼ極小値であり、また吸収比率ｒの値は０．２１である。これらの値は図４、図８、図１２、図１４における適正な範囲にある。
【００９９】
下地保護膜１６は、基板１５から非単結晶半導体層１７への不純物の滲透を防止し、非晶質半導体膜１７の結晶化過程で発生する熱から基板１５を保護する材料である。下地保護膜１６は、１層に限らず２層以上であってもよい。特に、基板１５からの不純物の浸透を防止するには、例えば基板１５上にＳｉＮｘ層を成膜し、さらにＳｉＯ２層を成膜する構成が有効である。非単結晶半導体層膜１７は結晶化の対象となる膜であり、例えば膜厚３０ｎｍ〜２００ｎｍの非晶質シリコンからなる。
【０１００】
次いで、基板１５上に形成した薄膜１６〜１８の脱水素処理を行なう。この脱水素処理は、例えば窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理である。このようにして被処理基板８が形成される。
【０１０１】
本実施例では図１６に示す結晶化装置を用いた。また、位相シフタは、図１７（ｃ）に示す光強度分布を基板表面上において形成する、図１７（ａ）（ｂ）に示す面積比（デューティ）変調型位相シフタ６を用いた。
【０１０２】
本実施例では、コントローラ１１により基板１５表面上における入射レーザフルエンスを０．５１Ｊ／ｃｍ2に制御してパルスレーザ光１２を出射した。
【０１０３】
パルスレーザ光を１ショット照射後に、コントローラ１１は、被処理基板８の載った載置台９を予め記憶されたプログラムにより自動的に所定ピッチ距離だけ平行移動させ、エキシマレーザ発振器２を制御して、次のショットのパルスレーザ光１２を被処理基板８に照射した。このように連続的にステップ＆リピートさせて、非晶質シリコン膜の予め定められた素子形成領域に次々に結晶化した。
【０１０４】
被処理基板８上のエンドポイントが検出されると、レーザ照射を停止し、載置台９とともに被処理基板８をホーム位置に戻し、結晶化処理を終了する。次回からは結晶化装置の主スイッチをＯＮすると、自動的にコントローラ１１が装置パラメータのデータ読み出しを行い、種々の装置パラメータが一覧表となって表示装置の画面上に表示される。ここで読み出される装置パラメータは、ビームプロファイル、半導体層の膜厚、半導体層の光学定数、キャップ膜の膜厚、キャップ膜の光学定数を少なくとも含むものである。また、読み出される装置パラメータは、前回の結晶化に使用した条件を一部又は全部含むものであってもよい。
【０１０５】
このような結晶化工程は、エキシマレーザ発振器２と被処理基板８とを相対的に移動例えば、コントローラ１１がＸＹＺθステージ１０を移動させることにより非晶質半導体層１７の予め定められた領域を連続的又は間欠的に全面にわたって行われる。
【０１０６】
結晶化領域は図１８に示すような組織となった。横方向成長領域の結晶粒１０３は粒長８.７μｍと十分長くなり、目的とする大結晶粒アレイが照射領域全面に均一に形成された。
【０１０７】
（実施例２）
本実施例２においても、実施例１と同様に図１６に示す結晶化装置１を用いた。また、位相シフタも実施例１と同様に図１７（ａ）（ｂ）に示す面積比（デューティ）変調型位相シフタ６を用いた。
【０１０８】
被処理基板８は次のように作製した。ガラス基板１５上に下地保護膜１６として、ＳｉＮｘ層を２００ｎｍ、さらにＳｉＯ２層を２００ｎｍ、プラズマ化学気相成長法で成膜した。
【０１０９】
下地保護膜１６の上に非単結晶半導体層１７として、ＳｉＨ４ガスとＨ２ガスを用いたプラズマ化学気相成長法によって非晶質シリコン膜を５０ｎｍ成膜した。
【０１１０】
次に光吸収性キャップ層１８として、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを用いた上記プロセスでプラズマ化学気相成長法によってＳｉＯx膜を成膜した。ＳｉＯx膜の光学定数Ｎcap（複素屈折率Ｎcap）は、成膜の際にＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスの流量比を変化させることにより制御した。また、膜厚ｄcapは成膜時間により制御した。脱水素工程後にエリプソメトリーにより測定、解析した結果、本実施例ではＮcap＝１．５２７−０．０１０６ｉ(屈折率ｎ＝１．５２７、ｉは虚数単位、消衰係数ｋcap＝０．０１０６)となった。また、膜厚ｄcapは面内むらを含めて４４２±１０ｎｍの範囲となった。このときに基板表面でのレーザ光の反射率Ｒは、この条件でのキャップ膜厚ｄcap−反射率Ｒ曲線においてほぼ極小値であり、また、光吸収比率ｒの値は０．３４である。これらの値は図６、図８、図１３、図１４における適切な範囲にある。
【０１１１】
次いで、窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理をすることにより、基板１５上に形成した薄膜１６〜１８の脱水素処理をした。このようにして被処理基板８が形成された。
【０１１２】
結晶化に際して、コントローラ１１により被処理基板８表面上における入射レーザフルエンスを０．４４Ｊ／ｃｍ2に制御してパルスレーザ光１２を出射した。
【０１１３】
パルスレーザ光を１ショット照射後に、コントローラ１１により、被処理基板８の載った載置台９を予め記憶されたプログラムにより自動的に所定ピッチ距離だけ平行移動させ、エキシマレーザ発振器２を制御して、次のショットのパルスレーザ光１２を被処理基板８に照射した。このように連続的にステップ＆リピートさせて、半導体層１７例えば非晶質シリコン膜の予め定められた素子形成領域に次々に結晶化した。
【０１１４】
結晶化領域は図１８に示すような組織となった。横方向成長領域の結晶粒１０３は粒長８.１μｍと十分長くなり、目的とする大結晶粒アレイが照射領域全面に均一に形成された。
【０１１５】
（実施例３）
本実施例３においても、実施例１と同様に図１６に示す結晶化装置１を用いた。また、位相シフタも実施例１と同様に図１７（ａ）（ｂ）に示す面積比（デューティ）変調型位相シフタ６を用いた。
【０１１６】
被処理基板８は次のように作製した。ガラス製の基板１５上に下地保護膜１６として、ＳｉＮｘ層を２００ｎｍ、さらにＳｉＯ２層を２００ｎｍ、プラズマ化学気相成長法で成膜した。
【０１１７】
下地保護膜１６の上に非単結晶半導体層１７として、ＳｉＨ４ガスとＨ２ガスを用いたプラズマ化学気相成長法によって非晶質シリコン膜を４０ｎｍ成膜した。
【０１１８】
次に光吸収性キャップ層１８として、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを用いたプラズマ化学気相成長法によってＳｉＯx膜を成膜した。ＳｉＯx膜の光学定数Ｎcap（複素屈折率Ｎcap）は、成膜の際にＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスの流量比を変化させることにより制御した。また膜厚ｄcapは成膜時間により制御した。脱水素工程後にエリプソメトリーにより測定、解析した結果、本実施例ではＮcap＝１．５４０−０．０１１０ｉ(屈折率ｎ＝１．５４０、ｉは虚数単位、消衰係数ｋcap＝０．０１１０)となった。また、膜厚ｄcapは面内むらを含めて４３８±１０ｎｍの範囲となった。このときに基板表面でのレーザ光の反射率は、この条件でのキャップ膜厚ｄcap−反射率Ｒ曲線においてほぼ極小値であり、また光吸収比率ｒの値は０．３４である。これらの値は図８と図１４における適切な範囲にある。
【０１１９】
次いで、窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理をすることにより、基板１５上に形成した薄膜１６〜１８の脱水素処理をした。このようにして被処理基板８が形成された。
【０１２０】
結晶化に際して、コントローラ１１により被処理基板８の表面上における入射レーザフルエンスを０．４３Ｊ／ｃｍ2に制御してパルスレーザ光１２を出射した。
【０１２１】
パルスレーザ光を１ショット照射後に、コントローラ１１により、被処理基板８の載った載置台９を予め記憶されたプログラムにより自動的に所定ピッチ距離だけ平行移動させ、エキシマレーザ発振器２を制御して、次のショットのパルスレーザ光１２を被処理基板８に照射した。このように連続的にステップ＆リピートさせて、非晶質シリコン膜の予め定められた素子形成領域に次々に結晶化した。
【０１２２】
結晶化領域は図１８に示すような組織となった。横方向成長領域の結晶粒１０３は粒長８.５μｍと十分長くなり、目的とする大結晶粒アレイが照射領域全面に均一に形成された。
【０１２３】
（実施例４）
本実施例４においても、実施例１と同様に図１６に示す結晶化装置１を用いた。また、位相シフタも実施例１と同様に図１７（ａ）（ｂ）に示す面積比（デューティ）変調型位相シフタ６を用いた。
【０１２４】
被処理基板８は次のように作製した。ガラス基板１５上に下地保護膜１６として、ＳｉＮｘ層を２００ｎｍ、さらにＳｉＯ２層を２００ｎｍ、プラズマ化学気相成長法で成膜した。
【０１２５】
下地保護膜１６の上に非単結晶半導体層１７として、ＳｉＨ４ガスとＨ２ガスを用いたプラズマ化学気相成長法によって非晶質シリコン膜を３０ｎｍ成膜した。
【０１２６】
次に光吸収層（キャップ層）１８として、ＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスを用いたプラズマ化学気相成長法によってＳｉＯx膜を成膜した。ＳｉＯx膜の光学定数Ｎcap（複素屈折率Ncap）は、成膜の際にＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスの流量比を変化させることにより制御した。また膜厚ｄcapは成膜時間により制御した。脱水素工程後にエリプソメトリーにより測定、解析した結果、本実施例ではＮcap＝１．５３０−０．０１１０ｉ(屈折率ｎ＝１．５３０、ｉは虚数単位、消衰係数ｋcap＝０．０１１０)となった。また、膜厚ｄcapは面内むらを含めて３９５±１５ｎｍの範囲となった。このときに被処理基板８の表面でのレーザ光の反射率は、この条件でのキャップ膜厚ｄcap−反射率Ｒ曲線においてほぼ極大値であり、また吸収比率ｒの値は０．３２である。これらの値は図８と図１４における適切な範囲にある。
【０１２７】
次いで、窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理をすることにより、基板１５上に形成した薄膜１６〜１８の脱水素処理をした。このようにして被処理基板８が形成された。
【０１２８】
結晶化に際して、コントローラ１１により基板表面上における入射レーザフルエンスを０．５４Ｊ／ｃｍ2に制御してパルスレーザ光１２を出射した。
【０１２９】
パルスレーザ光を１ショット照射後に、コントローラ１１により、被処理基板８の載った載置台９を予め記憶されたプログラムにより自動的に所定ピッチ距離だけ平行移動させ、エキシマレーザ発振器２を制御して、次のショットのパルスレーザ光１２を被処理基板８に照射した。このように連続的にステップ＆リピートさせて、非晶質シリコン膜の予め定められた素子形成領域に次々に結晶化した。
【０１３０】
結晶化領域は図１８に示すような組織となった。横方向成長領域の結晶粒は粒長８.０μｍと十分長くなり、目的とする大結晶粒アレイが照射領域全面に均一に形成された。
【０１３１】
(実施例５)
本実施例５においては光吸収性キャップ層１８にＳｉＮｘ膜を採用した。図１９は、基板１５上に直接または下地保護膜１６を介して半導体層１７としてアモルファスＳｉ膜が設けられ、この半導体層１７上に光吸収性キャップ層１８としてＳｉＮｘ膜が設けられた試料構造の被処理基板８に、大気中で波長λ＝３０８ｎｍのレーザ光を光吸収性キャップ層１８の側から照射した場合における、キャップ層１８であるＳｉＮｘ膜の膜厚とＳｉＮｘ膜表面での反射率との関係を示している。また、図２０は、同じ条件におけるキャップ層１８のＳｉＮｘ膜の膜厚とキャップ膜の光吸収比率ｒとの関係を示している。本実施例では、キャップ層１８のＳｉＮｘ膜の光学定数はＮcap＝２．０００−０．０２００ｉ（屈折率ｎ＝２．０００、ｉは虚数単位、消衰係数ｋcap＝０．０２００）、アモルファスＳｉ膜の光学定数はＮcap＝３．６００−３．５４００ｉ（屈折率ｎ＝３．６００、ｉは虚数単位、消衰係数ｋcap＝３．５４００）であり、図１９および図２０ともに、これらの値から計算した。
【０１３２】
図１０のＳｉＯx膜を光吸収性キャップ層１８に採用した場合と異なり、図１９のＳｉＮｘ膜の場合は屈折率が２．０００と高いことにより反射率Ｒの周期は短くなり、極大値と極小値との差が大きくなる。すなわちＳｉＮｘ膜を採用する場合には、膜厚むらのマージンが狭くなる。本実施例ではＳｉＮｘ膜厚１５０ｎｍを狙いとした。図１９から、この膜厚で反射率Ｒは極大値となり、図２０から吸収比率ｒは０．２１となる。図４と図５に示すように、ｒ＝０．２１はａ−Ｓｉ層の膜厚が１００ｎｍの場合における最大粒長条件に近い。
【０１３３】
本実施例においても、実施例１と同様に図１６に示す結晶化装置を用いた。また、位相シフタも同様に、ボトムの相対強度０．２、トップの相対強度１、周期３２μｍのＶ字型の光強度分布を被処理基板８の表面上において形成する、図１７（ａ）（ｂ）に示すものを用いた。
【０１３４】
被処理基板８は次のように作製した。ガラス製の基板１５上に下地保護膜１６として、ＳｉＮｘ層を厚さ例えば２００ｎｍ、さらにＳｉＯ2層を厚さ例えば２００ｎｍ、プラズマ化学気相成長怯で成膜した。下地保護膜１６の上に非単結晶質半導体層膜１７として、ＳｉＨ4ガスとＨ2ガスを用いたプラズマ化学気相成長法によって非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）を厚さ例えば１００ｎｍ成膜した。
【０１３５】
次に、光吸収キャップ層１８として、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとＮ2ガスを用いたプラズマ化学気相成長法によってＳｉＮx膜を成膜した。ＳｉＮx膜の光学定数Ｎcap（複素屈折率Ｎcap）は、成膜の際にＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとＮ2ガスの流量比を変化させることにより制御した。また、膜厚dcapは成膜時間により制御した。
【０１３６】
次いで、窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理をすることにより、基板１５上に形成した簿薄膜１６〜１８の脱水素処理をした。このようにして被処理基板８が形成された。
【０１３７】
脱水素工程後にエリプソメトリーにより測定し、解析した結果、本実施例ではＮcap＝２．０００−０．０２００ｉ（屈折率ｎ＝２．０００、ｉは虚数単位、消衰係数ｋcap＝０．０２００）となった。また、膜厚ｄcapは面内むらを含めて１５０±１０ｎｍの範囲となった。このときに被処理基板８表面でのレーザ光の反射率Ｒは、この条件でのキャップ膜厚ｄcap−反射率Ｒ曲線においてほぼ極大値であり、また光吸収比率ｒの値は０．２１である。これらの値は図４における適切な範囲にある。結晶化に際しては、コントローラ１１により被処理基板８の表面上における入射レーザフルエンスを０．６５Ｊ／ｃｍ2に制御してパルスレーザ光１２を出射した。
【０１３８】
パルスレーザ光を１ショット照射後に、コントローラ１１により、被処理基板８の載った載置台９を予め記憶されたプログラムにより自動的に所定ピッチ距離だけ平行移動させ、エキシマレーザ装置２を制御して、次のショットのパルスレーザ光１２を被処理基板８に照射した。このように連続的にステップ＆リピートさせて、非晶質シリコン膜の予め定められた素子形成領域に次々にパルスレーザ光を１ショット照射して結晶化した。
【０１３９】
結晶化領域は図１８に示すような組織となった。横方向結晶成長領域の結晶核１０１から横方向に結晶成長した結晶粒１０３は粒長８．０μｍと十分長くなり、目的とする大結晶粒アレイが照射領域全面に均一に形成された。
【０１４０】
（実施例６)
本実施例６では、本発明に基づいた光強度分布の設計方法について述べる。図２１（ａ）（ｂ）はａ−Ｓｉ膜（膜厚１００ｎｍ）の場合における光強度分布の設計を示している。例えば光吸収性キャップ層１８の光吸収比率ｒ値を０．２２付近に設定すると、図４から最も大粒径化しやすい条件となる。この条件で入射可能な実効光強度Ｉeffは０．４５Ｊ／ｃｍ2、ａ−Ｓｉ層が溶融する実効光強度すなわち横方向成長を開始する実効光強度Ｉeffは０．２７Ｊ／ｃｍ2である。図２１（ａ）（ｂ）に示すように、光強度分布のトップ位置Ｔを０．４５Ｊ／ｃｍ2、ボトム位置Ｂを０．２７Ｊ／ｃｍ2よりもわずかに低い、例えば０．２２Ｊ／ｃｍ2程度に設定すると、充填率の高い細長い１次元成長結晶粒アレイや２次元的に成長した大粒径結晶粒アレイを作製できる。
【０１４１】
（実施例７）
次に、結晶化された領域に薄膜トランジスタ（TFT）を構成する製造方法について図２２を参照して説明する。上述の結晶化方法により大結晶粒化した半導体膜をもつ被処理基板８を利用して薄膜トランジスタを作製した。
【０１４２】
絶縁体または半導体からなる基板１５、例えば低アルカリガラス基板上に下地保護膜１６を形成する。下地保護膜１６は、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）または窒化シリコンを主成分として含む絶縁膜、例えば膜厚３００ｎｍの二酸化シリコン膜である。下地保護膜１６は、ガラス基板に密接して形成されていることが好ましい。上記下地保護膜１６は、基板１５例えばガラス基板から非晶質半導体膜に不純物が拡散しないように阻止する作用をする膜である。
【０１４３】
下地保護膜１６の上に非晶質半導体膜又は非単結晶半導体の上記非晶質半導体膜として、例えば非晶質シリコン膜を成膜する。非晶質シリコン膜は、例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚例えば１００ｎｍの非晶質Ｓｉ膜である。
【０１４４】
非晶質シリコン膜上に光吸収特性を有するキャップ（絶縁）層膜１８を形成して、被処理基板８を形成する。この被処理基板８に、例えば図３（ｂ）と図１７（ｃ）に示す複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のパルスレーザ光を照射して結晶化工程を終了する。
【０１４５】
次に、結晶化した非晶質半導体膜上のキャップ（絶縁）層１８をエッチングにより除去する。次に、露出した非晶質半導体膜の結晶化された領域に位置合わせして半導体回路例えば図２２に示す薄膜トランジスタ３５を次のようにして製造する。まず活性領域の形状を規定するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングし、平面視野内でチャネル領域３６およびソース領域３７およびドレイン領域３８のそれぞれに略対応する予め定められた所定パターンのＳｉアイランド３９を形成した。このとき、チャネル領域３６は、上記結晶化された領域に形成される。
【０１４６】
次に、チャネル領域３６、ソース領域３７およびドレイン領域３８上にゲート絶縁膜４０を形成する。このゲート絶縁膜４０は、二酸化シリコンあるいは酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を主成分とする材料で、厚さ１０〜２００ｎｍの二酸化シリコン膜、あるいは３０〜５００ｎｍの酸窒化シリコン膜である。本実施例では、シリコンに接する側として３ｎｍの二酸化シリコン膜４１を、その上側にプラズマＣＶＤ法で、シランガスとアンモニアガス、笑気ガスを原料とした酸窒化シリコン膜４２（ＳｉＯＮ膜）を５０ｎｍの厚さで形成してゲート絶縁膜４０とした。２層とした理由は、シリコンの界面側では界面準位密度の低い二酸化シリコン膜４１を、上側はリーク電流を小さくするために誘電率の高いＳｉＯＮ膜４２を用いたものであるが、これに限定されるものではなく、１層のみでも本発明の趣旨は逸脱しない。また、本実施例では示していないが、ゲート絶縁膜４０の下側の二酸化シリコン膜４１として酸素プラズマなどで島状のＳｉアイランド３９の表面を酸化した膜を用いることも可能である。
【０１４７】
次に、ゲート絶縁膜４０上にゲート電極４３を形成するために導電層を形成した。導電層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ等の元素を主成分とする材料を用い、スパッタ法や真空蒸着法などの公知の成膜法を用いて形成した。例えばMo−W合金とした。フォトリソグラフィを用いてゲート電極用金属層をパターニングし、所定パターンのゲート電極４３を形成した。
【０１４８】
次に、ゲート電極４３をマスクとして不純物を注入することによりソース領域３７およびドレイン領域３８を形成した。例えば、ｐチャネル型ＴＦＴを形成する場合、イオン注入法を用いて例えばボロンイオン等のｐ型不純物の注入を行う。この領域のボロン濃度は、例えば１.５×１０２０〜３×１０２１ｃｍ−３となるようにした。このようにしてｐチャネル型ＴＦＴのソース領域３７およびドレイン領域３８を構成する高濃度ｐ型不純物領域を形成する。このとき、ｎ型不純物の注入を行えばｎチャネル型ＴＦＴが形成されることはいうまでもない。
【０１４９】
次いで、イオン注入法により注入した不純物元素を活性化するために熱処理工程を行う。この工程は、ファーネスアニール法、レーザアニール法、ラピッドサーマルアニール法などの方法で行うことができる。本実施の形態では、ファーネスアニール法で活性化工程を行った。加熱処理は、窒素雰囲気中において３００〜６５０℃の温度域で行うことが望ましく、本実施例では５００℃で４時間の熱処理を行った。
【０１５０】
次に、ゲート電極４３およびゲート絶縁膜４０の上に層間絶縁膜４４を形成した。層間絶縁膜４４は窒化シリコン膜、二酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜またはそれらを組み合わせた積層膜で形成すれば良い。また、層間絶縁膜４４の膜厚は２００〜６００ｎｍとすれば良く、本実施例では４００ｎｍとした。
【０１５１】
次に、層間絶縁膜４４における予め定められた所定の位置にコンタクトホールを開口する。そして、コンタクトホールの内部にＴｉ，Ａｌ等の導電材料を充填してソース・ドレイン電極４５，４６をそれぞれ形成する。また、層間絶縁層４４の表面上に導電層を形成し、この導電層を所定の形状にパターニングする。本実施例ではこのソース・ドレイン領域３７，３８を１００ｎｍとし、ソース・ドレイン電極４５，４６を、Ｔｉ膜を１００ｎｍ、Ｔｉを含むアルミニウム膜３００ｎｍ、Ｔｉ膜１５０ｎｍをスパッタ法で連続して形成した３層構造の積層膜とした。このようにして図２２に示す薄膜トランジスタ３５を形成した。
【０１５２】
（実施例８）
次に、実施例１〜５により製造された結晶化半導体膜に薄膜トランジスタを形成する実施例８について図２３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお、本実施例では、薄膜トランジスタ例えばＮチャネル型のＴＦＴに適用した実施例を説明する。本発明は、Ｎチャネル型のＴＦＴに限定されることなく、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで他は実質的に同様に形成することができる。本実施例では、ボトムゲート構造のＴＦＴの製造方法について説明する。
【０１５３】
図２３の（ａ）に示すように、ガラス板のような絶縁基板６０上にゲート電極用材料例えばＡｌ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｕの少なくとも１種又はこれらの合金膜を膜厚１００〜３００ｎｍに形成し、この金属膜をパターニングしてボトム型のゲート電極６１に加工する。
【０１５４】
次いで、図２３の（ｂ）に示すように、ゲート電極６１および露出した絶縁基板６０上にゲート絶縁膜６２，６３を成膜する。このゲート絶縁膜６２，６３は、例えば窒化膜（ＳｉＮx ）と酸化膜（ＳｉＯ2 ）の二層構造である。ゲート絶縁膜６２のゲート窒化膜は、例えばＳｉＨ4 ガスとＮＨ3 ガスの混合物を原料気体として用い、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ-ＣＶＤ法）で成膜することができる。なお、この窒化膜の成膜は、プラズマＣＶＤに代えて常圧ＣＶＤあるいは減圧ＣＶＤを用いても成膜することができる。
【０１５５】
窒化膜の膜厚は、例えば５０ｎｍである。窒化膜上には、ゲート絶縁膜６３として酸化膜を膜厚例えば２００ｎｍ成膜する。この酸化膜上に連続的に非単結晶半導体膜例えば非晶質シリコン膜５３を３０ｎｍ乃至２００ｎｍ、例えば１００ｎｍに成膜する。また、さらに非晶質シリコン膜５３上に例えばＳｉO2／ＳｉOxあるいはＳｉＯｘからなるキャップ膜５７を、積層膜の場合はこの順にそれぞれ、膜厚例えば３０ｎｍ、４２０ｎｍ、ＳｉＯｘの場合は例えば４５０ｎｍ成膜する。ＳｉＯｘキャップ膜は、光吸収比率ｒを０．２２、消衰係数ｋcapを０．００５４とする光学定数を有するものとした。二層構造のゲート絶縁膜６２，６３と非晶質シリコン膜５３とキャップ膜５７は成膜チャンバの真空系を破らず（大気に晒すことなく）連続成膜する。
【０１５６】
以上の成膜プロセスにおいてプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、５５０℃の温度で窒素雰囲気中２時間程度の加熱処理により脱水素アニールし、非晶質シリコン膜５３に含まれる水素を非晶質シリコン膜５３から放出させることができる。このようにして結晶化用被処理基板５２を製造する。
【０１５７】
次に、結晶化用被処理基板５２の非晶質シリコン膜５３の結晶化プロセスを行う。結晶化プロセスは、例えば図１６のレーザアニール装置１を用いて実施することができる。例えば上記実施例１〜５に示した方式の方法に従って、レーザ光１２を被処理基板に照射し、非晶質シリコン膜５３の照射領域を結晶化する。
【０１５８】
レーザ光１２としてはエキシマレーザビームを用いることができる。レーザ光１２の照射領域を調整した後、照射領域に位相シフタ６の周期的なパターンを転写可能なようにレーザ光１２の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないように照射領域をずらして繰り返し１ショットずつ照射して、照射領域内の所定の面積を結晶化する。このようにして非晶質シリコン膜５３の予め定められた領域が結晶化された多結晶シリコン膜６５を形成する。
【０１５９】
次いで、表面のキャップ絶縁膜５７をエッチング等の方法により剥離して結晶化領域が形成された多結晶シリコン膜６５の表面が露出する。多結晶シリコン膜６５の結晶化された領域の表面は、上記したように例えば図１８に示すような長い形状の結晶粒１０３からなる結晶化粒列１００が形成される。この結晶化粒列１００には、複数個例えば図１８に示すように４個の結晶粒１０３に跨ってＴＦＴのチャネル領域Cが設けられる。図１８ＴＦＴでは、高い移動度特性を得るために結晶成長方向と平行な方向に電子又は正孔が移動するようにソース領域Sとドレイン領域Ｄが設けられている。
【０１６０】
図２３の（ｃ）に示すように、ＴＦＴの閾値電圧Ｖｔｈを制御する目的で、所望する閾値電圧Ｖｔｈを得るためのイオンインプランテーションを必要に応じて行なう。本実施例では、ボロンＢ＋をドーズ量が５×１０11〜４×１０12／ｃｍ2 程度となるようにイオン注入した。この閾値電圧Ｖｔｈイオンインプランテーションでは１０ＫｅＶで加速されたイオンビームを用いた。
【０１６１】
続いて、前工程で結晶化された多結晶シリコン膜６５の上に例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2 を膜厚例えば約１００ｎｍ〜３００ｎｍ成膜する。本実施例では、シランガスＳＨ4 と酸素ガスをプラズマ分解してＳｉＯ2 を堆積した。このようにして成膜されたＳｉＯ2 を所定の形状にパターニングしてストッパ膜６６に加工する。
【０１６２】
この場合、裏面露光技術を用いてゲート電極６１と整合するようにストッパ膜６６をパターニングする。ストッパ膜６６の直下に位置する多結晶シリコン膜６５の部分は、チャネル領域Ｃｈとして保護される。前述した様に、チャネル領域Ｃｈには、予め高い閾値電圧Ｖｔｈを得るためのイオンインプランテーションによりＢ＋イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。
【０１６３】
続いて、ストッパ膜６６をマスクとしてイオンドーピングにより不純物（例えばＰ＋イオン）をシリコン膜６５に注入し、ＬＤＤ領域を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１０12 〜１×１０13／ｃｍ2 であり、加速電圧は例えば１０ＫｅＶである。
【０１６４】
さらにストッパ膜６６及びその両側のＬＤＤ領域を被覆するようにフォトレジストをパターニング形成した後、これをマスクとして不純物（例えばＰ＋イオン）を高濃度で注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。不純物注入には、例えばイオンドーピング（イオンシャワー）を用いることができる。これは質量分離を掛けることなく電界加速で不純物を注入するものであり、本実施例では１×１０15／ｃｍ2 程度のドーズ量で不純物を注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成した。イオン注入の加速電圧は例えば１０ＫｅＶである。
【０１６５】
なお、図示しないが、ＰチャネルのＴＦＴを形成する場合には、Ｎチャネル型ＴＦＴの領域をフォトレジストで被覆した後、不純物をＰ＋イオンからＢ＋イオンに切り換えドーズ量１×１０15／ｃｍ2 程度でイオンドーピングすればよい。なお、ここでは質量分離型のイオンインプランテーション装置を用いて不純物を注入してもよい。
【０１６６】
この後、ＲＴＡ（急速熱アニール）４９により、多結晶シリコン膜６５に注入された不純物を活性化する。場合によっては、エキシマレーザを用いたレーザ活性化アニール（ＥＬＡ）を行なっても良い。この後、上記シリコン膜６５とストッパ膜６６の不要な部分を同時にパターニングし、素子領域毎にＴＦＴを分離する。
【０１６７】
最後に図２３の（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2を約１００〜２００ｎｍの厚みで成膜し、これを層間絶縁膜６７とする。層間絶縁膜６７の形成後、ＳｉＮｘをプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ成膜し、パシベーション膜６８とする。この段階で窒素ガス又はフォーミングガス中又は真空中雰囲気下において３５０〜４００℃程度で１時間加熱処理し、層間絶縁膜６７に含まれる水素原子をシリコン膜６５中に拡散させる。
【０１６８】
この後、ソースＳ電極を形成するためのコンタクトホールを開口し、Ｍｏ，Ａｌなどの電極材料層を１００〜２００ｎｍの厚みでスパッタする。次に、電極材料層を所定の形状にパターニングして配線電極６９に加工する。さらに、アクリル樹脂などからなる平坦化層７０を１μｍ程度の厚みで塗布した後、ドレイン電極Ｄ用コンタクトホールを開口する。平坦化層７０の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして画素電極７１に加工する。このようにしてＴＦＴ１１２が製造される。
【０１６９】
（実施例９）
次に、図２４（ａ）〜（ｃ）を参照して上記実施例により製造された結晶化シリコン膜にトップゲート構造のＴＦＴの製造に適用した実施例９を説明する。先ず図２４の（ａ）に示すように、絶縁性の基板８０上にバッファ層となる二層の下地膜８１，８２をプラズマＣＶＤ法により連続成膜する。
【０１７０】
一層目の下地膜８１はＳｉＮ膜からなり、その膜厚は１００〜１０００ｎｍである。また、二層目の下地膜８２はＳｉＯ2膜からなり、その膜厚は同じく１００ｎｍ〜１０００ｎｍである。このＳｉＯ2膜からなる下地膜８２の上に膜厚３０乃至２００ｎｍ、例えば５０ｎｍの非晶質シリコンからなる非単結晶シリコン膜膜５３をプラズマＣＶＤ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。
【０１７１】
さらに、非単結晶シリコン膜５３上にＳｉＯ2／ＳｉＯｘあるいはＳｉＯｘから成るキャップ膜５７を、積層膜の場合はこの順にそれぞれ、膜厚例えば３０ｎｍ、４２０ｎｍ、ＳｉＯｘの場合は例えば４５０ｎｍ成膜する。ＳｉＯｘキャップ膜５７は、光吸収比率ｒを０．３５、消衰係数ｋcapを０．０１００とする光学定数を有するものとした。非晶質シリコンからなる非単結晶シリコン膜５３の成膜にプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、膜中の水素を脱離させるために、窒素雰囲気中で例えば４００〜４５０℃の条件で２時間程度アニールする。
【０１７２】
次に、例えば上記実施例１〜５の結晶化方法により、非晶質シリコン膜５３を結晶化する。レーザ光１２の照射領域を調整した後、照射領域に位相シフタ６の周期的なパターンの配列を転写可能なようにレーザ光１２の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないようにレーザ光１２の照射領域をずらして繰り返し照射して、非晶質半導体薄膜５３の所定の面積を結晶化する。
【０１７３】
続いて、キャップ膜５７をエッチング等の方法で剥離する。ここで必要ならば、上記実施例と同様に予め高い閾値電圧Ｖｔｈを得るためのイオンインプランテーションを行ない、Ｂ＋イオンを例えばドーズ量５×１０11〜４×１０12／ｃｍ2 程度で半導体薄膜４に注入する。この場合の加速電圧は１０ＫｅＶ程度である。
【０１７４】
続いて図２４の（ｂ）に示すように、結晶化したシリコン膜８５をアイランド状にパターニングする。この上に、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、スパッタ法などでＳｉＯ2を３０〜４００ｎｍ成長させ、ゲート絶縁膜８３とする。本実施例ではゲート絶縁膜８３の厚みを１００ｎｍにした。
【０１７５】
次いで、ゲート絶縁膜８３の上にＡｌ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，ドープト多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金を２００〜８００ｎｍの厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電極８８に加工する。
【０１７６】
次いで、図２４の（ｂ）に示すように、Ｐ＋イオンを質量分離を用いたイオン注入法で結晶化シリコン膜８５に注入し、ＬＤＤ領域を設ける。このイオン注入はゲート電極８８をマスクとして絶縁膜８３の全面に対して行なう。ドーズ量は６×１０12〜５×１０13／ｃｍ2 である。加速電圧は例えば９０ＫｅＶである。なお、ゲート電極８８の直下に位置するチャネル領域Ｃｈは保護されており、Ｖｔｈイオンインプランテーションで予め注入されたＢ＋イオンがそのまま保持されている。
【０１７７】
ＬＤＤ領域に対するイオン注入後、ゲート電極８８とその周囲を被覆するようにレジストパターンを形成し、Ｐ＋イオンを質量非分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。この場合のドーズ量は例えば１×１０15／ｃｍ2 程度である。加速電圧は例えば９０ＫｅＶである。ドーピングガスには水素希釈の２０％ＰＨ3ガスを用いた。
【０１７８】
ＣＭＯＳ回路を形成する場合には、ＰチャネルＴＦＴ用のレジストパターンを形成後、ドーピングガスを５〜２０％のＢ2 Ｈ6 ／Ｈ2 ガス系に切り換え、ドーズ量を１×１０15〜３×１０15／ｃｍ2 程度、加速電圧は例えば９０ＫｅＶでイオン注入すればよい。なお、  ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄの形成は質量分離型のイオン注入装置を用いてもよい。
【０１７９】
この後、結晶化シリコン膜８５に注入されたドーパントの活性化処理となる。この活性化処理は実施例８と同様に、紫外線ランプを使ったＲＴＡ４９を用いることができる。
【０１８０】
最後に、図２４の（ｃ）に示すように、ゲート電極８８を被覆するようにＰＳＧなどからなる層間絶縁膜９０を成膜する。この層間絶縁膜９０の成膜後、ＳｉＮをプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ堆積しパシベーション膜９１とする。
【０１８１】
この段階で窒素ガス中３５０℃の温度で１時間程度アニールし、層間絶縁膜９１に含有された水素をシリコン膜８５中に拡散させる。この後コンタクトホールを開口する。さらにパシベーション膜９１の上にＡｌ−Ｓｉなどをスパッタリングで成膜した後所定の形状にパターニングして配線電極９２に加工する。
【０１８２】
さらにアクリル樹脂などからなる平坦化層９３を約１μｍの厚みで塗工後、これにコンタクトホールを開口する。平坦化層９３の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタリングし、所定の形状にパターニングして画素電極９４に加工する。
【０１８３】
図２４（ｃ）に示した薄膜トランジスタ１１３では、図２４（ｄ）に示した薄膜トランジスタ１１２で説明した方法と同様にして非単結晶シリコン膜を結晶化させる。但し、トップゲート構造である本実施例の薄膜トランジスタまたは半導体装置はボトムゲート構造である実施例の薄膜トランジスタまたは半導体装置と異なり、ゲート電極８８のパターンが形成される前の段階で結晶化を行なうため、ガラスなどからなる絶縁基板の収縮についてはボトムゲート構造の半導体装置よりも許容度が大きい。そのため、より大出力のレーザ照射装置を用いて結晶化処理を行なえる。このようにしてＴＦＴ１１３が製造される。
【０１８４】
（実施例１０）
以下、上述の実施形態で得られるような薄膜トランジスタを実際にアクティブマトリクス型液晶表示装置に適用した例について説明する。図２５は薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型表示装置の一例を示す図である。表示装置１７０は一対の絶縁基板１７１、１７２と両者の間に保持された電気光学物質１７３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質１７３としては液晶材料が広く用いられている。下側の絶縁基板１７１には画素アレイ部１７４と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路１７５と水平駆動回路１７６とに分かれている。
【０１８５】
また、絶縁基板１７１の周辺部上端には外部接続用の端子部１７７が形成されている。端子部１７７は配線１７８を介して垂直駆動回路１７５及び水平駆動回路１７６に接続している。画素アレイ部１７４には行状のゲート配線１７９と列状の信号配線１８０が形成されている。両配線の交差部には画素電極１８１とこれを駆動する薄膜トランジスタ１１２（または１１３）が形成されている。薄膜トランジスタ１１２（または１１３）のゲート電極は対応するゲート配線１７９に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極１８１に接続され、ソース領域は対応する信号配線１８０に接続されている。ゲート配線１７９は垂直駆動回路１７５に接続する一方、信号配線１８０は水平駆動回路１７６に接続している。
【０１８６】
画素電極１８１をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ１１２（または１１３）及び垂直駆動回路１７５と水平駆動回路１７６に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能な処理回路を集積形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１８７】
【図１】本発明に係るレーザ結晶化基板の実施形態で、光吸収性キャップ膜の光吸収比率ｒおよび実効光強度Ｉeffを説明するための被処理基板の断面模式図。
【図２】図１の被処理基板に入射するレーザ光の光強度分布とその結果被処理基板内の主たる層に発生する温度分布を説明するための図で、（ａ）は光吸収性キャップ膜の光吸収比率ｒが異なる試料構造の被処理基板に、実効的に同じ光強度分布のレーザ光を照射するときに、各層に光が分配される様子を対比して示す温度分布図、（ｂ）は照射レーザ光の光強度分布図。
【図３】図２の光強度分布と半導体膜での溶融領域との関係を説明するための図で、（ａ）は照射レーザ光の光強度分布図、（ｂ）は結晶化組織の一例を示すＳＥＭ写真。
【図４】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜と半導体膜での吸収比率と結晶粒長との関係を示す図で、（ａ）は結晶化対象膜であるＳｉの膜厚が１００ｎｍの場合におけるキャップ膜の光吸収比率ｒと粒長ｌとの関係を示す特性線図、（ｂ）は被処理基板の断面模式図。
【図５】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜と半導体膜での吸収比率と結晶粒長との関係を示す図で、（ａ）は吸収比率ｒが適正なときの結晶化組織を示すＳＥＭ写真、（ｂ）は光吸収比率ｒが小さすぎるときの結晶化組織を示すＳＥＭ写真、（ｃ）は吸収比率ｒが大きすぎるときの結晶化組織を示すＳＥＭ写真、（ｄ）は結晶化対象膜の膜厚が１００ｎｍの場合における吸収比率ｒと粒長ｌとの関係を示す特性線図。
【図６】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜と半導体膜での吸収比率と結晶粒長との関係を示す図で、（ａ）は結晶化対象膜であるＳｉの膜厚が５０ｎｍの場合におけるキャップ膜の光吸収比率ｒと粒長ｌとの関係を示す特性線図、（ｂ）は被処理基板の断面模式図。
【図７】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜と半導体膜での吸収比率と結晶粒長との関係を示す図で、（ａ）は光吸収比率ｒが適正なときの結晶化組織を示すＳＥＭ写真、（ｂ）は光吸収比率ｒが小さすぎるときの結晶化組織を示すＳＥＭ写真、（ｃ）は光吸収比率ｒが大きすぎるときの結晶化組織を示すＳＥＭ写真、（ｄ）は結晶化対象膜の膜厚が５０ｎｍの場合における光吸収比率ｒと粒長ｌとの関係を示す特性線図。
【図８】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜と半導体膜での吸収比率と半導体膜の膜厚との関係を示す図で（ａ）は結晶化対象膜であるＳｉの膜厚ｄSと粒長７μｍ以上となるキャップ膜の光吸収比率ｒとの関係を示す特性線図、（ｂ）は被処理基板の断面模式図。
【図９】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜と半導体膜での光吸収比率ｒと入射可能な実効光強度およびＳｉ層が溶融する実効光強度Ｉeffとの関係をＳｉ膜厚（１００ｎｍ，５０ｎｍ）ごとに示す特性線図。
【図１０】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜での反射特性図で、（ａ）は光吸収性キャップ膜（ＳｉＯｘ膜）の膜厚とレーザ光のキャップ膜表面における反射率との関係を示す特性線図、（ｂ）は（ａ）の特性線図の計算に用いたキャップ膜と結晶化対象膜の光学定数をそれぞれ示す被処理基板の断面図。
【図１１】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜での吸収特性図で、光吸収性キャップ膜（ＳｉＯｘ膜）の膜厚とキャップ膜の光吸収比率ｒとの関係を示す特性線図。
【図１２】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜での消衰係数に関する特性図で、（ａ）は結晶化対象膜であるＳｉの膜厚ｄSが１００ｎｍの場合における光吸収性キャップ膜の消衰係数ｋcapと粒長ｌとの関係を示す特性線図、（ｂ）は被処理基板の断面模式図。
【図１３】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜での消衰係数に関する特性図で、（ａ）は結晶化対象膜であるＳｉの膜厚ｄSが５０ｎｍの場合における光吸収性キャップ膜の消衰係数ｋcapと粒長ｌとの関係を示す特性線図、（ｂ）は被処理基板の断面模式図。
【図１４】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜での消衰係数と半導体膜の膜厚との関係を示す図で（ａ）は結晶化対象膜であるＳｉの膜厚ｄSと粒長７μｍ以上となる光吸収性キャップ膜の消衰係数ｋcapとの関係を示す特性線図、（ｂ）は被処理基板の断面模式図。
【図１５】図１の被処理基板に入射したレーザ光のキャップ膜での消衰係数ｋと半導体膜での実効光強度Ｉeffとの関係をＳｉ膜厚（１００ｎｍ，５０ｎｍ）ごとに示す特性線図。
【図１６】本発明の結晶化方法に用いるレーザ結晶化装置の一例を説明するための構成図。
【図１７】図１６装置の位相シフタの構成と被処理基板に形成される光強度分布との関係を説明するための図で（ａ）は位相シフタの平面図、（ｂ）は位相シフタの側面図、（ｃ）は位相シフタにより位相変調されたレーザ光の光強度分布図、（ｄ）は被処理基板の断面模式図。
【図１８】図１６の結晶化装置を用いて本発明の結晶化方法により形成された結晶化粒列および薄膜トランジスタのソース／チャネル／ドレイン領域を示す平面模式図。
【図１９】図１６の結晶化装置を用いた結晶化プロセスにおいて有効なキャップ膜厚を選択するための図で（ａ）は光吸収性キャップ膜（ＳｉＮｘ膜）の膜厚とレーザ光のキャップ膜表面における反射率との関係を示す特性線図、（ｂ）は（ａ）の特性線図の計算に用いたキャップ膜と結晶化対象膜の光学定数をそれぞれ示す被処理基板の断面図。
【図２０】図１被処理基板の光吸収性キャップ膜（ＳｉＮｘ膜）の膜厚と光吸収比率ｒとの関係を示す特性線図。
【図２１】図１６の結晶化装置を用いた結晶化プロセスにおいて光強度分布と結晶成長粒との関係を示す図で（ａ）は一次元成長結晶粒アレイを作製する場合の光強度分布の設計例を示す模式図、（ｂ）は二次元成長結晶粒アレイを作製する場合の光強度分布の設計例を示す模式図。
【図２２】本発明の結晶化方法により形成された結晶化粒列に形成されたＴＦＴを模式的に示す断面図。
【図２３】（ａ）〜（ｄ）は本発明方法を用いて製造されるボトムゲート型ＴＦＴの工程断面図。
【図２４】（ａ）〜（ｃ）は本発明方法を用いて製造されるトップゲート型ＴＦＴの工程断面図。
【図２５】本発明の液晶表示装置の概要を示す斜視図。
【符号の説明】
【０１８８】
１：結晶化装置、  ２：エキシマレーザ発振器（レーザ光源）、  ３，４：照明光学系、  ５：ホモジナイザ、  ６：位相シフタ、  ７：プロジェクションレンズ、
８：被処理基板、  ９：載置台、  １０：ＸＹＺθステージ、
１１：コントローラ、  １２：パルスレーザ光、
１５：基板、  １６：下地保護膜、
１７：非晶質半導体膜（結晶化対象膜、半導体層、Ｓｉ膜）、
１８：キャップ層（光吸収性膜、光吸収性層、ＳｉＯｘ膜、ＳｉＮｘ膜）、
３５：薄膜トランジスタ（TFT）、  ３６：チャネル領域、  ３７：ソース領域、
３８：ドレイン領域、  ３９：Ｓｉアイランド、  ４０：ゲート絶縁膜、
４１：二酸化シリコン膜、  ４２：ＳｉＯＮ膜（キャップ膜）、
４３：ゲート電極、  ４４：層間絶縁膜、  ４５，４６：配線電極、
４９：ＲＴＡ（急速熱アニール）、
５３：非晶質シリコン膜（非単結晶半導体膜）、  ５７：キャップ膜、
６０：絶縁基板、  ６１：ゲート電極、  ６２，６３：ゲート絶縁膜、
６５：多結晶シリコン膜（多結晶半導体薄膜）、  ６６：ストッパ膜、  ６７：層間絶縁膜、
６８：パシベーション膜、  ６９：配線電極、  ７０：平坦化層、  ７１：画素電極、
８０：絶縁基板、  ８１，８２：下地膜、  ８３：ゲート絶縁膜、
８５：結晶化半導体薄膜、  ８８：ゲート電極、  ９０，９１：層間絶縁膜、
９１：パシベーション膜、  ９２：配線電極、  ９３：平坦化層、  ９４：画素電極、
１００：結晶化粒列、  １０１：結晶核、  １０２：結晶粒界、  １０３：結晶粒、
１０４：微結晶領域、  １０５：アモルファス領域、
１１２，１１３：薄膜トランジスタ（TFT）、
１７０：表示装置、  １７１、１７２：絶縁基板、  １７３：電気光学物質、
１７４：画素アレイ部、  １７５：垂直駆動回路、  １７６、水平駆動回路、
１７７：端子部、  １７８：配線、  １７９：ゲート配線、  １８０：信号配線、
１８１：画素電極。
【図１】
2008243843.tif 000003
【図２】
2008243843.tif 000004
【図３】
2008243843.tif 000005
【図４】
2008243843.tif 000006
【図５】
2008243843.tif 000007
【図６】
2008243843.tif 000008
【図７】
2008243843.tif 000009
【図８】
2008243843.tif 000010
【図９】
2008243843.tif 000011
【図１０】
2008243843.tif 000012
【図１１】
2008243843.tif 000013
【図１２】
2008243843.tif 000014
【図１３】
2008243843.tif 000015
【図１４】
2008243843.tif 000016
【図１５】
2008243843.tif 000017
【図１６】
2008243843.tif 000018
【図１７】
2008243843.tif 000019
【図１８】
2008243843.tif 000020
【図１９】
2008243843.tif 000021
【図２０】
2008243843.tif 000022
【図２１】
2008243843.tif 000023
【図２２】
2008243843.tif 000024
【図２３】
2008243843.tif 000025
【図２４】
2008243843.tif 000026
【図２５】
2008243843.tif 000027