(57)【要約】【課題】室温でも大粒径に結晶化でき、省電力、結晶化の位置ずれの発生を減少させた結晶化方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ及び表示装置を提供すること。【解決手段】非単結晶半導体膜に光強度が単調増加と単調減少する光強度分布を少なくとも一部に有するパルスレーザ光を照射して照射部を結晶化する結晶化方法であって、前記非単結晶半導体膜は、前記レーザ光の入射面上に前記レーザ光に対して膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きくなるような吸収特性を有するキャップ膜が設けられたものであることを特徴とする結晶化方法。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
非単結晶半導体膜に光強度が単調増加と単調減少する光強度分布を少なくとも一部に有するパルスレーザ光を照射して照射部を結晶化する結晶化方法であって、
前記非単結晶半導体膜は、前記レーザ光の入射面上に前記レーザ光に対して膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きくなるような吸収特性を有するキャップ膜が設けられたものであることを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記キャップ膜の組成がシリコン原子と酸素原子からなるＳｉＯｘ膜であることを特徴とする請求項１に記載の結晶化方法。
【請求項３】
前記レーザ光は、波長が２４８ｎｍ以上であり、前記ＳｉＯｘ膜の消光係数（但し、消光係数は光吸収係数に比例する）が０〜０．０２の範囲で変化することを特徴とする請求項１に記載の結晶化方法。
【請求項４】
前記ＳｉＯｘ膜の最表面部の消光係数が２．０であり、前記非単結晶半導体膜に接する部分の消光係数が０．００５〜０．０２であり、かつ前記消光係数が膜厚方向で連続的に大きくなるように変化することを特徴とする請求項３に記載の結晶化方法。
【請求項５】
前記ＳｉＯｘ膜は、膜厚が１００〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項３もしくは請求項４に記載の結晶化方法。
【請求項６】
前記レーザ光は、位相シフタを用いて光強度が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となるように変調されたパルスレーザ光であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の結晶化方法。
【請求項７】
前記レーザ光は、入射角度及び光強度に関して均一化された光であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の結晶化方法。
【請求項８】
非単結晶半導体膜に光強度が単調増加と単調減少する光強度分布を少なくとも一部に有するパルスレーザ光を照射して照射部を結晶化する結晶化方法であって、
前記非単結晶半導体膜は、前記レーザ光の入射面上に前記レーザ光に対して膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きくなるような吸収特性を有するＳｉＯｘキャップ膜とＳｉＯ２膜キャップ膜の２種のキャップ膜を設けてなることを特徴とする結晶化方法。
【請求項９】
前記ＳｉＯ２キャップ膜を前記非単結晶半導体膜の上に１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の膜厚で配置し、その上に前記ＳｉＯｘキャップ膜を１００ｎｍ〜１５００ｎｍの膜厚で配置することを特徴とする請求項８に記載の結晶化方法。
【請求項１０】
基板上に設けられた非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層の膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に膜の消光係数が徐々に大きくなるようにＳｉＯｘ膜を形成する工程（上記ｘは２．０以下で、かつ膜の消光係数が０〜０．０２の範囲で膜中で変化するＳｉＯｘ膜）と、
ホモジナイズされた波長が２４８ｎｍ以上のパルスレーザ光を前記ＳｉＯｘ膜を介して照射して、パルスレーザ光の一部を前記ＳｉＯｘ膜が吸収して発熱するとともに、前記非単結晶半導体膜にも照射して照射部を溶融し、パルスレーザ光が遮断した後、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
を具備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１１】
絶縁体又は半導体からなる基板と、この基板上に設けられた絶縁膜と、この絶縁膜上に設けられた非単結晶半導体膜と、この非単結晶半導体膜上に設けられた膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きいキャップ膜とを具備してなることを特徴とする被結晶化基板。
【請求項１２】
前記キャップ膜は、膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に消光係数が徐々に大きくなる膜を少なくとも１層設けたＳｉＯｘ膜（上記ｘは２．０以下で、かつ膜の消光係数が０〜０．０２の範囲）であることを特徴とする請求項１１記載の被結晶化基板。
【請求項１３】
請求項１乃至９のいずれか記載の結晶化方法により製造された結晶化領域に形成されたソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域と、このチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを具備することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１４】
請求項１乃至９のいずれかに記載の結晶化方法により製造された結晶化領域に画素を切替える薄膜トランジスタを形成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た場合に好適な結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に形成されている。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結晶半導体に形成することが考えられている。これにより、スイッチング速度が高速化され、高画質化が可能となる。
【０００３】
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、例えばエキシマレーザアニール法（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程度である。従って、結晶化された領域に薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと呼ぶ）を形成した場合、１個のＴＦＴ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ＴＦＴの電界効果移動度は２００ｃｍ２／Ｖｓ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、先に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ＴＦＴ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、結晶粒界への特性への悪影響がなく、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や非特許文献２等に記載された結晶化方法を提案している。
【０００５】
非特許文献１には、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ２キャップ層やＳｉＯ２（二酸化シリコン）キャップ層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】
非特許文献２には、基板加熱下でＳｉＯ２キャップ層を介して非晶質シリコン膜にホモジナイズし強度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
【非特許文献２】２００２年秋季第６３回応用物理学会学術講演会予稿集２，Ｐ７７９，２６ａ−Ｇ−２．平松雅人他
【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の方法では、大粒径化した結晶粒の近傍に小粒径の微細結晶粒が発生する。そのため、膜組織全体として大粒径の結晶粒を揃えて比較的均一に（即ち、緻密に）形成することが要望されている。また、ＳｉＯＮ(酸窒化シリコン)キャップ膜は、膜中の酸素原子と窒素原子の比率を変化させることにより吸収スペクトルを変化させることが可能である。しかし、消光係数を０．０２以下に制御することが困難であることが判った。
【０００８】
また、非特許文献１及び２の方法では、結晶粒を大粒径化させるために、基板を高温域に加熱する必要があり、低温処理の要求を十分に満たすことができないという問題点がある。
【０００９】
基板加熱温度は例えば摂氏５００度を超えることもあるので、汎用ガラス（例えばソーダガラス）やプラスチックなどは加熱により変質や変形を生じやすい。従って、これらの材料を液晶表示装置（ＬＣＤ）の基板に採用するためには低温処理は必須条件となる。また、大画面ＬＣＤでは軽量化の要望が強いために基板の板厚を薄くする傾向にある。従って、加熱により変形を生じやすく、薄肉基板の平坦度を確保するためにも低温処理は必須条件となる。
【００１０】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、室温でも大粒径の結晶を得ることができる結晶化方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ及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】
（１）本発明の第１の形態に係る結晶化方法は、非単結晶半導体膜に光強度が単調増加と単調減少する光強度分布を少なくとも一部に有するパルスレーザ光を照射して照射部を結晶化する結晶化方法であって、前記非単結晶半導体膜は、前記レーザ光の入射面上に前記レーザ光に対して膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きくなるような吸収特性を有するキャップ膜が設けられたものであることを特徴とする。
【００１２】
（２）本発明の第２の形態に係る結晶化方法は、非単結晶半導体膜に光強度が単調増加と単調減少する光強度分布を少なくとも一部に有するパルスレーザ光を照射して照射部を結晶化する結晶化方法であって、前記非単結晶半導体膜は、前記レーザ光の入射面上に前記レーザ光に対して膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きくなるような吸収特性を有するＳｉＯｘキャップ膜とＳｉＯ２膜キャップ膜の２種のキャップ膜を設けてなることを特徴とする。
【００１３】
（３）本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に設けられた非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層の膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に膜の消光係数が徐々に大きくなるようにＳｉＯｘ膜を形成する工程（上記ｘは２．０以下で、かつ膜の消光係数が０〜０．０２の範囲で膜中で変化するＳｉＯｘ膜）と、ホモジナイズされた波長が２４８ｎｍ以上のパルスレーザ光を前記ＳｉＯｘ膜を介して照射して、パルスレーザ光の一部を前記ＳｉＯｘ膜が吸収して発熱するとともに、前記非単結晶半導体膜にも照射して照射部を溶融し、パルスレーザ光が遮断した後、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具備することを特徴とする
（４）本発明に係る被結晶化基板は、絶縁体又は半導体からなる基板と、この基板上に設けられた絶縁膜と、この絶縁膜上に設けられた非単結晶半導体膜と、この非単結晶半導体膜上に設けられた膜厚方向で且つ前記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きいキャップ膜とを具備してなることを特徴とする。
【００１４】
（５）本発明に係る薄膜トランジスタは、前記結晶化方法により製造された結晶化領域に形成されたソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域と、このチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを具備することを特徴とする。
【００１５】
（６）本発明に係る表示装置は、結晶化方法により製造された結晶化領域に画素を切替える薄膜トランジスタを形成してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、室温でも大粒径に結晶化できる結晶化方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ及び表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を本発明の実施形態について更に詳しく説明する。  
この実施形態は、光強度が単調増加と単調減少する光強度分布を少なくとも一部に有するパルスレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して照射部を結晶化する際の、上記非単結晶半導体膜は上記レーザ光の入射面上に上記レーザ光に対して膜厚方向で且つ上記非単結晶半導体膜側に光吸収係数が徐々に大きくなるような吸収特性を有するキャップ膜が設けられた被結晶化基板である結晶化方法である。
【００１８】
キャップ膜は、入射する光強度が単調増加と単調減少する光強度分布のパルスレーザ光の一部を吸収して発生する熱を蓄熱する作用と、レーザ光遮断時に照射部の降温特性を緩速化し上記光強度分布に応じた凝固位置の横方向の移動を長く、良質な特性の結晶領域を形成する作用とを有する。
【００１９】
この結晶化方法において、キャップ膜としては、その組成がシリコン原子と酸素原子からなるＳｉＯｘ膜が挙げられる。このＳｉＯｘ膜は、結晶化用レーザ光の波長が２４８ｎｍ以上において、前記ＳｉＯｘ膜の消光係数（但し、消光係数は光吸収係数に比例する）が０〜０．０２の範囲で変化するものが挙げられる。更に、ＳｉＯｘ膜においては、膜厚方向で且つ非単結晶半導体膜方向に消光係数が大きくなる消光係数勾配が形成されている。
【００２０】
この消光係数勾配は、例えばＳｉＯｘ膜の最表面部の消光係数が２．０であり、非単結晶半導体膜に接する部分の消光係数が０．００５〜０．０２であり、かつ前記消光係数が膜厚方向で連続的に大きくなるように変化することが好ましい。
【００２１】
前記ＳｉＯｘ膜の膜厚は、光吸収特性と蓄熱特性の点から１００〜１５００ｎｍであることが好ましい。ここで、ＳｉＯｘ膜の膜厚が１００ｎ未満の場合、ＳｉＯｘ膜の光吸収による発熱量が不足して蓄熱が不十分になり、所望サイズの大結晶粒を得ることができなくなる。一方、膜厚が１５００ｎｍを越えると、光の透過量が減少して、結晶化しようとする非単結晶半導体膜に十分なフルエンスのパルスレーザ光が到達し難くなるので、結晶化の目的を十分に達成することができなくなる。
【００２２】
この実施形態の説明において使用される用語を次のように定義する。
【００２３】
「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）及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。非単結晶半導体膜を結晶化するためのレーザ光としては、位相シフタを用いて光強度が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となるように変調されたパルスレーザ光が挙げられる。光強度が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は、１次元又は２次元に配列されたパターンである。こうしたパルスレーザ光を火非単結晶半導体膜に照射することにより、高次の振動成分が低減され、その振動成分に起因する小粒径結晶の出現が有効に抑制される。また、光吸収発熱性の膜の方からパルスレーザ光を入射して、光吸収発熱性の膜の疑似基板加熱効果により結晶化対象である半導体膜を昇温するので、結晶粒のラテラル成長距離が大幅に促進され、大粒径の結晶粒を緻密に形成することができる。  
また、レーザ光としては、位相シフタ入射前に光強度分布が均一化された光が挙げられる。「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。
【００２４】
「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って１次元又は２次元で横方向に進行することをいう。「投入フルエンス」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発のパルスのエネルギー量をいい、具体的には光源又は照射領域（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。
【００２５】
「位相シフタ」とは、位相変調光学系の一例であり、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、例えば透明体としての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、入射光を所定の位相角、例えば１８０度の位相差を生じるサイズに、エッチング等のプロセスにより形成される。
【００２６】
「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、又は基板側及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。しかし、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、本明細書中では示していないが、短辺側のみがテレセントリック構造で、長辺側はレンズ効果が生じないような、「かまぼこ」型のプロジェクションレンズを用いることで、実現可能である。
【００２７】
この実施形態は、結晶化用光学系に対して、光吸収の少ないレーザ光又はレーザ光に対して光吸収の少ない結晶化光学系を用いることにより、高エネルギーのレーザ光であっても光学系の発熱を防止して結晶化位置の位置ずれの発生を減少させることができる。さらに、非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のＳｉＯｘ膜（ｘは２以下で膜中消光係数が変化する膜）を設けて、結晶化用レーザ光の一部を吸収させることにより、結晶化のためのレーザ光エネルギー密度が比較的低電力で大粒径の結晶化を行う結晶化方法である。
【００２８】
次に、上記非単結晶半導体膜を有する被結晶化基板の構成を説明する。図１は、被結晶化基板の構成を説明するための断面図である。  
図中の符番１は被結晶化基板を示す。この被結晶化基板１は、絶縁体又は半導体からなる基板（例えばガラス基板）２と、この基板２上に順次形成された，下地保護膜３、非単結晶半導体膜例えば非晶質半導体膜４及びキャップ膜５とから構成されている。  
基板２の絶縁体としては、ガラス基板の他、プラスチック基板などである。基板２の半導体基板としては、シリコンウエハなどである。基板２としては金属でもよい。  
下地保護膜３は、基板２からの不純物の滲透を防止し、非晶質半導体膜４の結晶化過程（レーザ光に照射され溶融したときその熱の一部）で発生する熱を蓄熱する効果を有する。下地保護膜３は、例えば膜厚１０００ｎｍの二酸化シリコン膜である。下地保護膜３は、１層に限らず２層以上でもよい。特に、基板２からの不純物の浸透を防止するには、例えば基板２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。また、下地保護膜３は、熱酸化膜上に二酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）を膜厚例えば３０ｎｍ形成した構成でもよい。
【００２９】
非単結晶半導体膜は、入射するパルスレーザ光を吸収し受光部が溶融して被結晶化処理される膜であり、非晶質半導体薄膜でも多結晶半導体薄膜でもよく、膜厚は３０〜３００ｎｍが選択される。非晶質半導体薄膜が非晶質シリコンの場合、その膜厚は例えば５０〜２００ｎｍである。
【００３０】
キャップ膜５は、例えば第１のキャップＳｉＯ２膜５ａ（以下、単にＳｉＯ２膜５ａと呼ぶ）と第２のキャップＳｉＯｘ膜５ｂ（以下、単にＳｉＯｘ膜５ｂと呼ぶ）を順次積層してなる構造体である。キャップ膜５のうちＳｉＯ２膜５ａは、目的に応じて２００ｎｍ以下の膜厚で配置するもので、省略することも可能である。しかし、非晶質半導体膜４上にＳｉＯｘ膜５ｂを直接積層した場合に界面が不安定になる可能性があるため、化学的に安定なＳｉＯ２膜５ａを挿入している。なお、ＳｉＯ２膜５ａは必要な場合であっても極薄膜でよい場合もある。
【００３１】
前記ＳｉＯｘ膜５ｂは、膜の消光係数が膜厚方向で変化する（徐々に大きくなる消光係数勾配が形成される）組成傾斜となっている。ＳｉＯｘ膜５ｂは例えば最表面での組成がＳｉＯ２（消光係数０）で、膜厚方向（基板２側の方向）で消光係数が単調増加し、ＳｉＯ２膜５ａと接する領域で消光係数が０．０２以下になる組成傾斜構造のキャップ膜である。ＳｉＯｘ膜５ｂは、レーザ光の一部を吸収して発熱する光吸収膜であり、膜厚例えば５００ｎｍの膜中で消光係数が変化するＳｉＯｘ膜となっている。  
レーザ光は、非単結晶半導体薄膜４の吸収特性に合致した波長のレーザ光源を選択する。このレーザ光の一部に吸収特性を有するキャップ膜を選択する。
【００３２】
ＳｉＯｘ膜に消光係数勾配を膜厚方向に沿って単調増加させるためには、成膜処理ガスとして例えば、ＳｉＨ４とＮ２Ｏのプラズマ化学気相成長法によって成膜することができる。次に、このプラズマ化学気相成長法を図２の成膜装置を用いて説明する。
【００３３】
図２において、符番７１は、側壁に基板７２を出し入れするためのゲート７３を備えた真空容器を示す。この真空容器７１内には、図１の被処理基板において少なくとも非晶質半導体薄膜４まで形成された被処理基板７２を保持する基板ホルダー７４が配置されている。また、真空容器７１の上部には絶縁支持部材７５が設けられている。この絶縁支持部材７５には、箱型のシャワー電極７５ｂが支持されている。ここで、シャワー電極７５ｂの裏面（基板側）には、反応ガスを真空容器７１内に均一にシャワー状に放射するように細孔７５ａが格子状に配列されたパターンで形成されている。シャワー電極７５ｂには、真空容器７１内に成膜ガスＮ２Ｏを供給するボンベ７６が流量制御弁７７，圧力計７８を介装した配管７９を介して接続されている。また、配管７９の途中には、分岐して真空容器７１内に成膜ガスＳｉＨ４を供給するためのボンベ８０が、流量制御弁８１を介装した配管８２を介して接続されている。
【００３４】
また、シャワー電極７５ｂの上部には、高周波電源８３が整合器８４を介して電気的に接続されている。なお、符番８５は成膜工程に際し真空容器７１内を排気するための排気用の真空ポンプを示す。このようにしてプラズマ化学気相成長装置が構成されている。
【００３５】
こうした構成のプラズマ化学気相成長装置を用いて、キャップ膜５の成膜工程を実行する。  
成膜工程は、位置決めされた上記被処理基板７２を真空容器７１内に搬入する。次にゲート７３をロックし、真空容器７１内を予め定められた真空度に排気する。次に、高周波電源８３から高周波電力を出力させてシャワー電極７５ｂに高周波電力を印加する。と同時に、ボンベ７６、８０から成膜ガスＳｉＨ４とＮ２Ｏを予め記憶された成膜プログラムにより真空容器７１内に供給する。
【００３６】
成膜プログラムは、ＳｉＨ４とＮ２Ｏの流量比、高周波出力、圧力を連続的に変化させることで、Ｓｉ原子と酸素原子の比率を膜厚方向で変化させたＳｉＯｘ膜を形成することができる。
【００３７】
前記ＳｉＯｘ膜５ｂの組成を膜厚方向で変化させることにより、入射するレーザー光のエネルギーを効率よく下層の非単結晶半導体膜４に伝達することができる。即ち、光入射する最表面付近では消光係数が０のＳｉＯ２膜組成とすることで、表面付近での光吸収が起らず、下層へ効率よくエネルギーを伝達する。消光係数を膜厚方向で順次単調増加させることで、下層の非単結晶半導体膜付近での光吸収と蓄熱を促進し、キャップ膜５の劣化なく大きなエネルギーを高効率で非単結晶半導体膜に伝達可能となる。この際、前記非単結晶半導体膜付近での消光係数は、０．００５〜０．０２の間の値であることが望ましい。ここで、非単結晶半導体膜付近での消光係数が０．００５よりも小さいと十分な光吸収ができず、蓄熱層としてのＳｉＯｘ膜５ｂの役割を満たさない。一方、消光係数が０．０２よりも大きいと、ＳｉＯｘ膜自体の吸収が大きくなり過ぎ、レーザー照射時にＳｉＯｘ膜５ｂがアブレーションを起こすという問題が生じる。このようにして非晶質半導体薄膜４上にキャップ膜５を形成することができる。
【００３８】
次に、結晶化方法を説明するためのプロジェクション型結晶化装置の構成を、図３を参照して説明する。  
結晶化装置１１は、波長が２４８ｎｍ以上のレーザ光を発振するエキシマレーザ装置１２と、この装置１２の光軸上に順次設けられた凹レンズ１３と、凸レンズ１４と、ホモジナイザ１５と、位相シフタ１６と、プロジェクションレンズ１７と、被結晶化基板１８を載置する載置台１９と、ＸＹＺθステージ２０と、コントローラ２１とからなる。即ち、結晶化装置１１は、凹レンズ１３と、凸レンズ１４と、ホモジナイザ１５と、位相シフタ１６と、プロジェクションレンズ１７からなる結晶化用光学系によりパルスレーザ光２０を載置台１９上の被結晶化基板１８に照射するものである。
【００３９】
波長が２４８ｎｍ以上のレーザ光を発振するエキシマレーザ装置１２は、結晶化用光学系である凹レンズ１３と、凸レンズ１４と、ホモジナイザ１５と、位相シフタ１６と、プロジェクションレンズ１７において光吸収の小さいレーザ光を出力する。このエキシマレーザ装置１２としては、例えば波長が３０８ｎｍのレーザ光を発振するＸｅＣｌエキシマレーザ装置が最適である。
【００４０】
このエキシマレーザ装置１２の出射光路には、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（図示せず）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１３及び凸レンズ１４を介してホモジナイザ１５が設けられている。ホモジナイザ１５は、照射領域におけるパルスレーザ光２０を平準化する機能を備えている。即ち、ホモジナイザ１５は、該ホモジナイザ１５を通過するパルスレーザ光２０を位相シフタ１６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。
【００４１】
図４は、図３の結晶化装置の一構成である位相シフタの構成を示す。ここで、図４（Ａ)は位相シフタの平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の断面図、図４（Ｃ)は位相シフタを通過し位相変調されたレーザ光の光強度分布を示すための波形図、図４（Ｄ）は図４（Ｃ）のレーザ光の光強度を三次元的に示す図である。
【００４２】
ホモジナイズされたパルスレーザ光２０は、図４（Ａ）に示す位相シフタ１６により例えば１８０度の位相差を生じさせるようになっている。位相シフタ１６は透明体からなる。図４（Ａ），（Ｂ）に示すように平行に並ぶ複数の直線状の段差１６ａを有する位相シフタ１６は、段差１６ａにおいてパルスレーザ光２０に位相差を生じさせる。この位相差によりパルスレーザ光２０が位相変調され、パルスレーザ光２０が光強度変調される。その結果、図４（Ｄ）に示すように、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ＢＰが照射部に形成される。なお、図４では位相シフタ１６の間隔Ｗを１００μｍとした。
【００４３】
図４（Ｃ）に示す光強度分布ＢＰは、三次元的に示すと図４（Ｄ）ようにＶ字状溝の光強度分布となる。このような位相シフタ１６は、面積比（デューティ）変調型位相シフタ１６である。この面積比（デューティ）変調パターンは、図４（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を得るために、図４（Ａ）に示されているように段差１６ａの表面の面積が変化して形成されている。各断面逆三角形状ピークパターンの光強度分布は振幅ＰＨが等しく、ピッチ間隔ＰＷも等しい。
【００４４】
位相シフタ１６で光強度変調されたパルスレーザ光２０は、プロジェクションレンズ１７に入射する。プロジェクションレンズ１７は、位相シフタ１６の像を被結晶化基板１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１７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１６の段差１６ａの表面の面積１００μｍ２に対応する投射像は、４μｍ２となる。
【００４５】
次に、前記ＳｉＯｘ５ｂを有する被結晶化基板１を製造する方法の実施形態について具体的に説明する。
【００４６】
まず、基板２例えばガラス基板等からなる絶縁基板の上に、下地保護膜３としての絶縁層を形成する。基板２例えば絶縁基板には、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、或いはセラミック基板などを適用することが可能である。ガラス基板は、例えばコーニング社の商品名：＃１７３７基板に代表されるような、低アルカリガラス基板を用いることが望ましい。下地保護膜３は、膜厚５０〜２０００ｎｍ例えば１００ｎｍの二酸化シリコン膜であり、プラズマ化学気相成長法で成膜する。
【００４７】
次に、下地保護膜３の上に非晶質半導体膜４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、例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚５０ｎｍの非晶質Ｓｉ膜を成膜する。つづいて、この非晶質Ｓｉ膜上にキャップ膜５を成膜する。キャップ膜５は、まずＳｉＯ２膜５ａを非晶質Ｓｉ膜上に成膜する。このＳｉＯ２膜５ａは、例えばＳｉＨ４とＮ２Ｏのプラズマ化学気相成長法によって成膜し、化学量論的組成比に近づけた膜厚３０ｎｍの膜である。さらに、第１のＳｉＯ２膜５ａ上に、光吸収層としてＳｉＯｘ膜５ｂを形成する。
【００４８】
このＳｉＯｘ膜は、例えば、ＳｉＨ４とＮ２Ｏのプラズマ化学気相成長法によって成膜する。前述したように、ＳｉＯｘ膜は、ＳｉＨ４とＮ２Ｏの流量比、高周波出力、圧力を連続的に変化させることで、Ｓｉ原子と酸素原子の比率を膜厚方向で変化させたＳｉＯｘ膜を形成することができる。次いで、基板２上に形成した下地保護膜３、非晶質半導体膜４、ＳｉＯ２膜５ｂ、ＳｉＯｘ膜５ｂ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摂氏５７０度×２時間の加熱処理である。このようにして被結晶化基板１が形成される。
【００４９】
光吸収特性を有するキャップ膜５は、入射したホモジナイズされたパルスレーザ光の反射光を少なくし、光吸収性を良くして、入射光の一部を吸収し、発生した熱を蓄熱する機能を有する厚さが必要である。蓄熱時間は、結晶粒が大きく成長することができる時間である。
【００５０】
載置台１９は、ＸＹＺθステージ２０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２０の電源回路はコントローラ２１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。エキシマレーザ装置１２の電源回路は、コントローラ２１の出力部に接続され、パルスレーザ光２０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。
【００５１】
次に、上記ホモジナイザ１５の光学系について図５を参照して具体的に説明する。但し、図３と同一部材には、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。  
光学系は、エキシマレーザ装置１２、例えばエキシマレーザ光源として波長２４８ｎｍ以上例えば３０８ｎｍ波長のエキシマパルスレーザ光を出射するＸｅＣｌエキシマレーザ光源を備えている。エキシマレーザ光源から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダからなる光学系２３、２４を介して拡大された後に、ホモジナイザ１５に入射する。ホモジナイザ１５は、第１のシリンドリカルレンズ２５、第１のコンデンサ光学系２６、第２のシリンドリカルレンズ２７、第２のコンデンサ光学系２８からなる。
【００５２】
ホモジナイザ１５に入射したパルスレーザ光２０は、第１のシリンドリカルレンズ２５に入射する。第１のシリンドリカルレンズ２５の後側焦点面には、複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１のコンデンサ光学系２６を介して第２のシリンドリカルレンズ２７の入射面を重畳的に照明する。その結果、第２のシリンドリカルレンズ２７の後側焦点面には、第１のシリンドリカルレンズ２５の後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第２のシリンドリカルレンズ２７の後側焦点面に形成された光源からの光束は、第２のコンデンサ光学系２８を介して位相変調素子（位相シフタ）１６を重畳的に照明する。
【００５３】
ここで、第１のシリンドリカルレンズ２５及び第１のコンデンサ光学系２６は第１のホモジナイザ部を構成し、この第１のホモジナイザ部により位相シフタ１６上での入射角度に関する均一化が図られる。また、第２のシリンドリカルレンズ２７及び第２のコンデンサ光学系２８は第２のホモジナイザ部を構成し、この第２のホモジナイザ部により位相シフタ１６上での面内各位置での光強度（レーザフルエンス）に関する均一化が図られる。このようにして照明系は、実質的に均一な光強度分布（光強度分布）を有する光を位相シフタ１６に照射する。
【００５４】
位相シフタ１６に入射するパルスレーザ光２０は、均一化光学系（ホモジナイザ）としての第１のシリンドリカルレンズ２５及び第１のコンデンサ光学系２６により入射角度に関して均一化され、さらに第２のシリンドリカルレンズ２７及び第２のコンデンサ光学系２８により光強度に関して均一化されることが望ましい。
【００５５】
即ち、ホモジナイザ１５で入射角度と光強度に関して均一化されたパルスレーザ光２０は、位相シフタ１６を透過すると、図４（Ｃ）に示すように光強度が単調増加と単調減少を繰り返す理想的な光強度分布ＢＰとなる。この図４（Ｃ）の光強度分布ＢＰは断面逆三角形形状であり、最大ピーク値と最小ピーク値が突状であり、平坦部を有しないものである。しかも等振幅ＰＨで、かつ等ピッチ間隔ＰＷである。即ち、位相変調された均一化レーザ光は高次振動成分を含まないために、このパルスレーザ光２０が被結晶化基板１８を照射すると理論的には位相シフタ１６の段差１６ａ，１６ａの幅間隔Ｗに応じたサイズの大結晶粒をラテラル成長させることが可能になる。
【００５６】
このときキャップＳｉＯｘ膜の光吸収による発熱効果と蓄熱効果とにより非単結晶半導体膜に熱エネルギーが補給されるので、溶融→凝固結晶化→結晶粒ラテラル成長の一連のプロセスが促進され、結晶粒のサイズが大きくなる。なお、図４（Ｃ）の光強度分布ＢＰにおいて、ピーク部の角度θが鋭くなると膜破壊を生じ易くなるので、ピーク部の角度θはできるだけ緩やかな角度となるように光強度分布ＢＰを設定することが望ましい。
【００５７】
なお、上記実施例は基板に位相シフタ１６による変調光を投射するプロジェクション法について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく所望の距離を離して基板上に位相シフタ１６を設置したプロキシミティ法にも適用することができる。
【００５８】
次に、図３の結晶化装置１１による結晶化方法を具体的に説明する。図１，図４と同一部分には、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。本発明では、コントローラ２１に予め記憶されたプログラムにより自動的に制御される。コントローラ２１は、被結晶化基板１を載置台１９の予め定められた位置に搬送制御し、被結晶化基板１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２１は、仮固定された被結晶化基板１を予め定められた手順で位置合わせする。
【００５９】
コントローラ２１は、エキシマレーザ装置１２を発振させるための制御をする。この結果、エキシマレーザ装置１２例えばＸｅＣｌエキシマレーザ装置は、発振し、パルスレーザ２０を出射する。このパルスレーザ２０は、例えばパルス幅例えば３０ｎｓｅｃ、照射レーザフルエンス例えば１Ｊ／ｃｍ２のパルスレーザ光２０を出射する。このパルスレーザ光２０は、凹レンズ１３、凸レンズ１４により発散収束されてホモジナイザ１５に入射する。ホモジナイザ１５は、入射したパルスレーザ光２０の入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）する。
【００６０】
ホモジナイザ１５は、均一化されたパルスレーザ光２０を位相シフタ１６に入射させる。位相シフタ１６は、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２０を出射する。エキシマレーザ装置１２から出射されたパルスレーザ光２０は、ホモジナイザ１５で光強度及び入射角の均一化がされた後、位相シフタ１６により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に変調される。この光強度分布は、プロジェクションレンズ１７により被結晶化基板１に結像される。この結果、結像部の非晶質半導体膜４は溶融し、レーザ光が遮断された後、結晶化される。
【００６１】
この結晶化過程において、被結晶化基板１内においては、次のような過程で非晶質半導体膜４の結晶化が行われる。即ち、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２０が、被結晶化基板１に入射したとき、パルスレーザ光２０は被結晶化基板１の非晶質半導体膜４のパルスレーザ光入射面上に設けられた光吸収膜であるＳｉＯｘ膜５ｂに若干吸収される。ＳｉＯｘ膜５ｂで吸収された残部のほとんどのパルスレーザ光２０は、非晶質半導体膜４に入射し、その照射部のみ直ちに厚さ方向に溶融させる。
【００６２】
このときの非晶質半導体膜４の温度上昇は、下地保護膜３及びＳｉＯ２膜５ａ、ＳｉＯｘ膜５ｂに伝達し蓄熱される。この蓄熱効果及びＳｉＯｘ膜５ｂの吸収による蓄熱効果は、パルスレーザ光が遮断されたとき非晶質半導体膜４の被照射部が急激に降温することを妨げる。そのため、大粒径の結晶化領域の形成を可能にする。非単結晶半導体膜の非晶質半導体膜４が直ちに厚さ方向に溶融し、パルスレーザ光が遮断されたとき、フルエンスが最小となる逆ピーク点を起点として凝固（結晶化）が開始し、ラテラル方向（非晶質半導体膜４の厚みに直交する方向）に結晶粒が成長する。
【００６３】
この結晶成長は、下地保護膜３、ＳｉＯ２膜５ａ及びＳｉＯｘ膜５ｂの蓄熱効果により結晶粒のラテラル成長が促進されるので、最終凝固後の結晶粒のサイズが大きくなり、照射部において広範囲の単結晶化が実現される。また、ＳｉＯｘ膜５ｂは膜厚方向で消光係数を徐々に大きくしているため、ＳｉＯｘ膜表面付近での光吸収ロスが無く、非単結晶半導体膜付近での光吸収を効率よく促進するため、低い結晶化用投入フルエンスで同等の横方向成長距離を得ることを可能にする。
【００６４】
このような結晶化工程は、エキシマレーザ装置１２と被結晶化基板１とを相対的に移動例えば、コントローラ２１がＸＹＺθステージ２０を移動させることにより非晶質半導体膜４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。
【実施例】
【００６５】
（実施例１）  
次に、本発明の実施例１に係る結晶化方法について図１〜図６を参照して説明する。  
被結晶化基板１は、図１に示した構成であり、絶縁体又は半導体からなる基板２は例えばシリコン基板であり、下地保護膜３は膜厚１０００ｎｍの二酸化シリコン膜であり、非晶質半導体膜４は結晶化の対象となる半導体膜で膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍの非晶質シリコンである。本実施例１では、ＳｉＯ２膜５ａは無い。また、ＳｉＯｘ膜５ｂはレーザ光２０の一部を吸収して発熱する光吸収膜であり、例えばＳｉとＯの組成が膜厚方向で連続的に変化するＳｉＯｘ膜で膜厚５００ｎｍである。ＳｉＯｘ膜５ｂは図２の成膜装置を用いて形成する。
【００６６】
上記キャップ膜５を有する被結晶化基板１を製造する方法についてさらに具体的に説明する。まず、このようなキャップ膜５を有する被結晶化基板１に対して、図３に示す結晶化装置１１を用いてホモジナイズされたパルスレーザ光２０を位相変調して照射し、非晶質シリコン膜を結晶化させ、ラテラル成長させた。次に、ＸＹＺθステージ２０により載置台１９をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸及びθ回転軸の各方向に移動させて、結晶化用光学系に対して被結晶化基板１を高精度に位置合せした。
【００６７】
コントローラ２１は、エキシマレーザ装置１２から照射レーザフルエンスを７５０ｍＪ／ｃｍ２に制御してパルスレーザ光２０を出射した。パルスレーザ光２０は、ビームエキスパンダを構成する凹レンズ１３、凸レンズ１４で拡大され、ホモジナイザ１５において先ずシリンドリカルレンズ２５、コンデンサレンズ２６からなる第１のホモジナイザ部により入射角度に関してホモジナイズされ、次いでシリンドリカルレンズ２７、コンデンサレンズ２８からなる第２のホモジナイザ部により光強度に関してホモジナイズされる。
【００６８】
さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光２０は、段差１６ａをもつ位相シフタ１６において１８０度位相変調された後に、プロジェクションレンズ１７を通って被結晶化基板１上のＳｉＯｘ膜５ｂ（シリコン酸化膜）に入射する。この結果、非晶質シリコン膜の被照射部は、溶融し、パルスレーザ光が遮断されたとき降温し、この降温過程でラテラル方向に結晶化された。この結晶粒は、図６に示すように平均結晶粒径が１０μｍ程度の長さの結晶粒であった。
【００６９】
パルスレーザ光を１ショット照射後に、コントローラ２１は、被結晶化基板１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１２を制御して、次のショットのパルスレーザ光２０を被結晶化基板１８に照射して非晶質シリコン膜の照射領域にラテラル方向の結晶成長をさせ、大結晶粒化したＳｉ結晶化領域を非晶質シリコン膜に形成した。同様の操作を繰り返すことにより、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。
【００７０】
図７は、横軸にシランガスと笑気ガス（Ｎ２Ｏ）の流量比を、縦軸にできたシリコン酸化膜の消光係数をとった特性図である。消光係数は波長が３０８ｎｍ即ちＸｅＣｌエキシマレーザの波長に相当するものである。
【００７１】
図７から明らかなように、流量比を変化させることにより消光係数を変化させることが可能であることがわかる。この結果を用いて、ＳｉＯｘ膜として成膜初期の組成を消光係数が０．０１５になるようにＳｉＨ４流量１２０ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏ流量３８０ｓｃｃｍ、圧力２００Ｐａ、ＶＨＦ電源出力３５０Ｗで成膜を開始した。その後ＳｉＨ４流量を徐々に減少させ、同時にＮ２Ｏ流量を徐々に増加させ、かつ、ＶＨＦ出力を徐々に増大させ、膜厚４２０ｎｍのところでＳｉＨ４流量を１８ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏ流量を５００ｓｃｃｍ、ＶＨＦ出力１０００Ｗになるようにし、その時点で成膜を停止した。
【００７２】
実施例サンプルでは、ラテラル成長距離は１０μｍに達した。これに対して、キャップ膜５を付けない比較例サンプルのラテラル成長距離は、３μｍ弱であった。
【００７３】
キャップ膜５の消光係数値により、Ｓｉ表面に到達する光量を詳細に調節することが可能である。従って、適度な吸収係数のＳｉＯｘ膜の消光係数値を膜厚方向に変化させることにより、エキシマレーザ装置１２からのレーザ光の波長によらず、低フルエンスでの横方向の結晶成長が可能になる。結晶性の評価を行なった結果、ＳｉＯｘ膜の膜厚が４２０ｎｍの場合には、消光係数値は最表面で０、即ちＳｉＯ２に近い組成とし、最下面で０．０１５とした場合に、結晶粒径、結晶方位共に充分満足する値であった。
【００７４】
組成傾斜したＳｉＯｘ膜５ｂを設けたキャップ膜５による光吸収効果は、固化時間が延伸する効果がある。固化時間とは、位相シフタ１６で位相変調された結晶化用のパルスレーザ光が非晶質半導体膜４に入射して、非晶質半導体膜４の被照射領域を溶融し、パルスレーザ光の照射期間が終了した後、溶融領域がゆっくり降温し、固液分岐温度に到達する位置が溶融領域内で移動して全域が固化する時間である。このような固化時間の延伸は、横方向結晶成長距離を長くする。また、長い横方向成長を得るには、最速横方向成長速度よりも降温速度が遅い方がよい。この遅い降温速度を実現するのが、組成傾斜したＳｉＯｘ膜５ｂを用いたキャップ膜５の効果である。
【００７５】
実施例１に係る結晶化方法によれば、非晶質半導体膜４のレーザ光入射面上に前記レーザ光に対して膜厚方向に光吸収係数が徐々に大きくなるような吸収特性を有するキャップ膜５を設けることにより、低フルエンスでの横方向の結晶成長が可能になり、結晶粒径、結晶方位共に充分満足する値が得られる。  
また、光強度が単調増加と単調減少を繰り返すパターンの光強度分布となるように変調されたパルスレーザ光を非晶質半導体膜４に照射するので、高次の振動成分が低減され、その振動成分に起因する小粒径結晶の出現が有効に抑制される。更に、光吸収発熱性の膜の方からパルスレーザ光を入射して、光吸収発熱性の膜の疑似基板加熱効果により結晶化対象である半導体膜を昇温するので、結晶粒のラテラル成長距離が大幅に促進され、大粒径の結晶粒を緻密に形成することができる。
【００７６】
（実施例２）  
次に、結晶化された領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構成及びその製造方法について図８を参照して説明する。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
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結晶化基板１を利用して薄膜トランジスタを作製した。絶縁体叉は半導体からなる基板２例えば低アルカリガラス基板上に下地保護膜３を形成した。下地保護膜３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３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。前記下地保護膜３は、基板２例えばガラス基板から上記非晶質半導体膜４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。
【００７７】
次に、下地保護膜２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３例えば非晶質シリコン膜を成膜した。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２００ｎｍの非晶質Ｓｉ膜である。  
つづいて、非晶質シリコン膜上に光吸収特性を有する図１に示すＳｉＯ２膜５ａ及びＳｉＯｘ膜５ｂからなるキャップ膜５を形成して、被結晶化基板１を形成した。まず、キャップ膜５の一構成であるＳｉＯ２膜５ａを３０ｎｍ形成し、その上に上記実施例１で用いた条件で膜中消光係数を変化させたＳｉＯｘ膜５ｂを形成した。この被結晶化基板１は、図５に示されたホモジナイザ１５によってホモジナイズされたパルスレーザ光を位相シフタ１６に入射させ位相変調して図４（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２０を形成し、このレーザ光２０を被結晶化基板１に照射して結晶化工程を終了する。
【００７８】
次に、結晶化した非晶質半導体膜４上のＳｉＯ２膜５ａ，ＳｉＯｘ膜５ｂをエッチングにより除去した。次に、露出した非晶質半導体膜４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８に示す薄膜トランジスタ３１を次のようにして製造した。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３２およびソース領域３３及びドレイン領域３４の夫々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３５を形成した。このとき、チャネル領域３２は、上記結晶化された領域に形成される。
【００７９】
次に、チャネル領域３２、ソース領域３３及びドレイン領域３４上にゲート絶縁膜３６を形成した。このゲート絶縁膜３６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２では、シリコンに接する側として３ｎｍの二酸化シリコン膜３６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３７（ＳｉＯＮ膜）を５０ｎｍの厚さで形成してゲート絶縁膜３８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３６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３７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３８の下側の二酸化シリコン膜３６として酸素プラズマなどで島状のＳｉアイランド３５の表面を酸化した膜を用いることも可能である。
【００８０】
次に、ゲート絶縁膜３８上にゲート電極３９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３９を形成した。
【００８１】
次に、ゲート電極３９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３３及びドレイン領域３４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３３およびドレイン領域３４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。
【００８２】
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なった。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摂氏３００〜６５０度の温度域で行うことが望ましく、本実施例２では摂氏５００度で４時間の熱処理を行った。
【００８３】
次に、ゲート電極３９及びゲート絶縁膜３８の上に層間絶縁膜４０を形成した。層間絶縁膜４０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、膜厚は２００〜６００ｎｍとすれば良く、本実施例２では４００ｎｍとした。
【００８４】
次に、層間絶縁膜４０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した。そして、コンタクトホールの内部および層間絶縁層４０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し、ソース取出し電極４１、ドレイン取出し電極４２を形成する。本実施例２ではこのソース・ドレイン取出し電極４１、４２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７に示すＴＦＴ３１を形成した。
【００８５】
実施例２に係るＴＦＴ３１は、実施例１に記載された結晶化方法により製造された結晶化領域（非晶質半導体膜）にソース領域３３、ドレイン領域３４及びチャネル領域３２を設け、このチャネル領域３２上にゲート絶縁膜４０を介してゲート電極３９を設け、さらにこれらの領域上に層間絶縁膜４０を設け、かつこの層間絶縁膜４０の任意の箇所にコンタクトホールを形成してソース・ドレイン取出し電極４１，４２を設けた構成となっている。こうした構成のＴＦＴによれば、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比べ、結晶粒界への特性への悪影響が無く、トランジスタ特性が大幅に改善できた。その結果、プロセッサ、メモリ、センサ等の機能素子を形成することができる。
【００８６】
（実施例３）  
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図９を参照して説明する。図９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５１は、一対の絶縁基板５２、５３と、これらの基板間に保持された電気光学物質５４とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質５４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５１には画素アレイ部５５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５６と水平駆動回路５７とに分かれている。
【００８７】
また、絶縁基板５２の周辺部上端には、外部接続用の端子部５８が形成されている。端子部５８は、配線５９を介して垂直駆動回路５６及び水平駆動回路５７に接続している。画素アレイ部５５には行状のゲート配線６０と列状の信号配線６１が形成されている。両配線６０，６１の交差部には、画素電極６２とこれをスイッチング駆動する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）６３が形成されている。ＴＦＴ６３のゲート電極は対応するゲート配線６０に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極６２に接続され、ソース領域は対応する信号配線６１に接続されている。ゲート配線６０は垂直駆動回路５６に接続する一方、信号配線６１は水平駆動回路５７に接続している。
【００８８】
実施例３に係る表示装置５１は、実施例１に記載された結晶化方法により製造された結晶化領域に画素電極６２をスイッチング駆動するＴＦＴ６３、及び垂直駆動回路５６と水平駆動回路５７に含まれるＴＦＴを形成した構成となっており、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。
【００８９】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、キャップ膜は第１のキャップＳｉＯ２膜と第２のキャップＳｉＯｘ膜の２層からなる場合について述べたが、これに限らず、ＳｉＯ２膜は必ずしも必要なものではなく、また３層以上で構成されていてもよい。但し、複数層の場合、消光係数は膜厚方向に徐々に大きくなるように設定する必要がある。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明で用いる被結晶化基板の構成を説明するための断面図。
【図２】図の被結晶化基板の一構成である第２のキャップＳｉＯｘ膜を成膜するための成膜装置の説明図。
【図３】結晶化装置の構成を示す構成ブロック図
【図４】図２の結晶化装置の一構成である位相シフタの説明図。
【図５】図２の結晶化装置の一構成であるホモジナイザの光学系を説明するための構成図。
【図６】図２の結晶化装置により被結晶化基板の結晶化領域の表面形状を説明するための顕微鏡写真図。
【図７】図１の被結晶基板の一構成部材である第２のキャップＳｉＯｘ膜として所望する消光係数を得るための成膜時のＳｉＨ４濃度依存性を示す特性図。
【図８】図２の結晶化装置により結晶化された結晶化領域に形成されるＴＦＴの断面図。
【図９】図７のＴＦＴを用いたアクティブマトリクス型表示装置の概略的な斜視図。
【符号の説明】
【００９１】
１…被処理基板、３…下地保護膜、４…非晶質半導体膜、５…キャップ膜、５ａ…第１のキャップＳｉＯ２膜、５ｂ…第２のキャップＳｉＯｚ膜、３１，６３…薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、３３…ソース領域、３４…ドレイン領域、３９…ゲート電極。
【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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