(57)【要約】【課題】  例えばＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入らないように、十分に大きい放射角での結晶成長を実現することのできる結晶化装置。【解決手段】  本発明の結晶化装置は、光変調素子（１）を介した光に基づいて所定の光強度分布を所定面に形成する結像光学系（３）と、所定面に非単結晶半導体膜（４）を保持するステージ（５）とを備え、所定の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する。非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下であるような光強度分布を非単結晶半導体膜上に形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調素子と、この光変調素子を通った光に基づいて設定された光強度分布を、照射面に形成する結像光学系を備え、前記光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
前記照射面での、光強度分布で、少なくとも１本の光強度の等強度線の曲率半径が、前記等強度線に沿って実質的に変化し、且つ前記等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下の最小値を有する結晶化装置。
【請求項２】
光変調素子を介した光に基づいて設定された光強度分布を照射面に形成する結像光学系を備え、前記設定された光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
少なくとも１本の光強度の等強度線は特定方向に沿って細長い形状を有し、前記等強度線の曲率半径は前記等強度線に沿って実質的に変化し、且つ前記等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下の最小値を有するような光強度分布を前記非単結晶半導体膜上に形成する光学系を有する結晶化装置。
【請求項３】
光変調素子を介した光に基づいて設定された光強度分布を照射面に形成する結像光学系を備え、前記光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
基準の光強度を中心として少なくとも±２．５％の範囲の光強度に対応する等強度線の曲率半径は前記等強度線に沿って実質的に変化し、且つ前記等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下の最小値を有するような光強度分布を前記非単結晶半導体膜上に形成する光学系を有する結晶化装置。
【請求項４】
光変調素子を介した光に基づいて設定された光強度分布を照射面に形成する結像光学系を備え、前記光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
光強度の等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下であるような光強度分布を前記非単結晶半導体膜上に形成する光学系を有する結晶化装置。
【請求項５】
前記等強度線は、前記非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項６】
前記等強度線の曲率半径は、該等強度線に沿って実質的に変化し周囲よりも低い最小値を有する請求項４に記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記設定された光強度分布は、前記等強度線において最小の曲率半径を有する領域から前記等強度線の法線方向に沿って且つ外側に向かって光強度が増大する勾配分布を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記勾配分布では、前記最小の曲率半径を有する領域から特定方向に沿った光強度の変化が、該特定方向の周辺の方向に沿った光強度の変化よりも緩やかである請求項７に記載の結晶化装置。
【請求項９】
所定の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
光強度の等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下であるような光強度分布を有する光を前記非単結晶半導体膜に照射する結晶化方法。
【請求項１０】
前記等強度線は、前記非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線である請求項９に記載の結晶化方法。
【請求項１１】
前記等強度線の曲率半径は、該等強度線に沿って実質的に変化し周囲よりも低い最小値を有する請求項９または１０に記載の結晶化方法。
【請求項１２】
前記所定の光強度分布は、前記等強度線において最小の曲率半径を有する領域から前記等強度線の法線方向に沿って且つ外側に向かって光強度が増大する勾配分布を有する請求項１１に記載の結晶化方法。
【請求項１３】
前記勾配分布では、前記最小の曲率半径を有する領域から特定方向に沿った光強度の変化が、該特定方向の周辺の方向に沿った光強度の変化よりも緩やかである請求項１２に記載の結晶化方法。
【請求項１４】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶化装置または請求項９に記載の結晶化方法を用いて製造されたデバイス。
【請求項１５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶化装置または請求項９に記載の結晶化方法に用いられて前記所定の光強度分布を形成する光変調素子。
【請求項１６】
入射光に基づいて所定の光強度分布を形成する光変調素子であって、
前記光変調素子の基本パターンは、第１帯状領域と、該第１帯状領域に隣接する第２帯状領域とを有し、
前記第１帯状領域では、前記第１帯状領域と前記第２帯状領域との境界線に沿った第１方向および前記境界線と直交する第２方向に沿って、第１位相値を有する第１領域と第２位相値を有する第２領域との割合が単位領域毎に変化し、
前記第２帯状領域では、前記第１方向および前記第２方向に沿って、前記第１位相値を有する第１領域と第３位相値を有する第３領域との割合が単位領域毎に変化している光変調素子。
【請求項１７】
前記第１帯状領域では、前記単位領域における前記第２領域の占有面積率の最も大きい第１特定箇所が前記境界線に隣接して存在し、前記第２領域の前記占有面積率は前記第１特定箇所から前記第１方向に沿って離れるにしたがって減少し且つ前記第１特定箇所から前記第２方向に沿って離れるにしたがって減少し、
前記第２帯状領域では、前記単位領域における前記第３領域の占有面積率の最も大きい第２特定箇所が前記境界線に隣接して存在し、前記第３領域の前記占有面積率は前記第２特定箇所から前記第１方向に沿って離れるにしたがって減少し且つ前記第２特定箇所から前記第２方向に沿って離れるにしたがって減少している請求項１６に記載の光変調素子。
【請求項１８】
前記第１位相値に対する前記第２位相値の相対位相量と、前記第１位相値に対する前記第３位相値の相対位相量とは、その絶対値が互いに等しく且つ符号が異なる請求項１６または１７に記載の光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光変調素子に関する。特に、本発明は、所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の表示画素を選択するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ（Thin-Film-Transistor：ＴＦＴ）は、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）や多結晶シリコン（poly-Silicon）を用いて形成されている。
【０００３】
多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子または正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコンを用いてトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンを用いて形成する場合よりも、スイッチング速度が速くなり、ひいてはディスプレイの応答が速くなる。また、周辺ＬＳＩを薄膜トランジスタで構成することが可能になる。さらに、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。また、ドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路をディスプレイに組み入れる場合に、それらの周辺回路をより高速に動作させることができる。
【０００４】
多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるため、これに例えばＴＦＴトランジスタを形成した場合、このトランジスタのチャネル領域に結晶粒界が存在し、この結晶粒界が障壁となり単結晶シリコンに比べると電子または正孔の移動度が低くなる。また、多結晶シリコンを用いて形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル領域に形成される結晶粒界数が各薄膜トランジスタ間で異なり、これが薄膜トランジスタの特性のバラツキとなって液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。そこで、最近、電子または正孔の移動度を向上させ且つチャネル領域における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、少なくとも１個のチャネル領域が形成できる大きさの大粒径の結晶化シリコンを生成する結晶化方法が提案されている。
【０００５】
従来、この種の結晶化方法として、位相シフター（光変調素子）にエキシマレーザ光を照射し、それによるフレネル回折像もしくは結像光学系による結像を非単結晶半導体膜（多結晶半導体膜または非単結晶半導体膜）に照射して結晶化半導体膜を生成する「位相制御ＥＬＡ（Excimer Laser Annealing）法」が知られている。位相制御ＥＬＡ法の詳細は、たとえば表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000に開示されている。
【０００６】
位相制御ＥＬＡ法では、位相シフターの位相シフト部に対応する点において光強度が周辺よりも低い逆ピークパターン（中心において光強度が最も低く周囲に向かって光強度が急激に増大するパターン）の光強度分布を発生させ、この逆ピーク状の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射する。その結果、被照射領域内において光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分に結晶核が形成され、その結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長（以降、「ラテラル成長」または「横方向成長」と呼ぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。
【０００７】
本発明者は、Ｖ字型パターンの光強度分布において光強度が最も小さくなる位置に、逆ピークパターンの光強度分布を形成することにより、非常に幅の広い結晶粒を放射状に生成する技術を提案している（特許文献１を参照）。また、本発明者は、Ｖ字型パターンの光強度分布と一方向に延びる逆ピークパターンの光強度分布との合成分布を生成し、光強度の勾配方向に沿って結晶核からの十分なラテラル成長を実現する技術を提案している（特許文献２を参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３４３０７３号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば特許文献１に開示された従来の結晶化技術では、非単結晶半導体膜上の非溶融領域の端部から放射状に結晶成長するが、そのときの結晶成長の広がり角、すなわち放射状に延びる一対の結晶粒界によって規定される放射角が比較的狭い。その結果、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入る確率が高く、このチャネル領域内の結晶粒界に起因するキャリヤ散乱により電界効果移動度が低下してしまう。
【００１０】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、例えばＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入らないように、十分に大きい放射角での結晶成長を実現することのできる結晶化装置および結晶化方法、デバイス、光変調素子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】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、光変調素子と、この光変調素子を通った光に基づいて設定された光強度分布を、照射面に形成する結像光学系を備え、前記光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
前記照射面での、光強度分布で、少なくとも１本の光強度の等強度線の曲率半径が、前記等強度線に沿って実質的に変化し、且つ前記等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下の最小値を有する結晶化装置を提供する。
【００１２】
本発明の第２形態では、所定の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
光強度の等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下であるような光強度分布を有する光を前記非単結晶半導体膜に照射する結晶化方法を提供する。
【００１３】
本発明の第３形態では、第１形態の結晶化装置または第２形態の結晶化方法を用いて製造されたデバイスを提供する。
【００１４】
本発明の第４形態では、第１形態の結晶化装置または第２形態の結晶化方法に用いられて前記所定の光強度分布を形成する光変調素子を提供する。
【００１５】
本発明の第５形態では、入射光に基づいて所定の光強度分布を形成する光変調素子であって、
前記光変調素子の基本パターンは、第１帯状領域と、該第１帯状領域に隣接する第２帯状領域とを有し、
前記第１帯状領域では、前記第１帯状領域と前記第２帯状領域との境界線に沿った第１方向および前記境界線と直交する第２方向に沿って、第１位相値を有する第１領域と第２位相値を有する第２領域との割合が単位領域毎に変化し、
前記第２帯状領域では、前記第１方向および前記第２方向に沿って、前記第１位相値を有する第１領域と第３位相値を有する第３領域との割合が単位領域毎に変化している光変調素子を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下であるような形態の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射する。その結果、本発明では、例えばＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入らないように十分に大きい放射角での結晶成長を実現することができ、ひいてはチャネル領域内の結晶粒界に起因するキャリヤ散乱による電界効果移動度の低下を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態の具体的な説明に先立って、従来の結晶化技術の問題点、および本発明の基本的な考え方について説明する。例えば特許文献１に開示された従来技術では、図１に示すように面積変調された凹凸パターンを有する光変調素子１００を用いて、図２に示すような光強度分布を非単結晶半導体膜上に形成している。図２では、図１の破線で示す矩形状の領域１００ａに対応して非単結晶半導体膜上に形成される光強度分布を、無変調のときの光強度を１．０に規格化したときの光強度の等高線（すなわち等強度線）で示している。
【００１８】
図１に示す光変調素子１００は、第１の帯状領域１０１と第２の帯状領域１０２との一方向（図中水平方向）に沿った繰り返し構造により構成されている。第１帯状領域１０１では、図中斜線部で示す矩形状の領域１０１ａが、所定の、例えば−６０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１０１ｂが、異なる例えば０度の位相値を有する。一方、第２の帯状領域１０２では、図中斜線部で示す矩形状の領域１０２ａが、所定の、例えば＋６０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１０２ｂが、異なる、例えば０度の位相値を有する。光変調素子の説明において位相値を用いる場合、その値は光が光変調素子を通過するときの位相変調量を表し、位相進みの方向を正とする。例えば、基準となる位相値０度に対して、＋６０度は、６０度の位相進みを、−６０度は、６０度の位相遅れを意味する。これらの位相変調は、例えば光透過性基板の表面を凹凸形状とすることにより実現できる。
【００１９】
図２を参照すると、図１の光変調素子１００を用いて、図２中上側から中央にかけて鉛直方向に沿って光強度が１．０から０．７５まで単調に減少し、中央から下側にかけて鉛直方向に沿って光強度が０．７５から１．０に単調に増大するＶ字型パターンの光強度分布が得られることがわかる。このＶ字型パターンの光強度分布において、光強度が最も小さくなる位置（図２中の中央において水平に離間した２つの位置）であって、帯状領域１０１と帯状領域１０２との境界線に対応する位置に、さらに具体的には図２において光強度が０．７の楕円形状の等強度線で示す位置に、逆ピークパターンの最小の光強度が形成される。
【００２０】
図２に示すような光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射すると、非単結晶半導体膜上の１つの結晶化単位領域１０３には、図３に模式的に示すように、光強度が０．７の楕円形状の等強度線に対応するように非溶融領域１０３ａが形成される。そして、非溶融領域１０３ａもしくはこれの周辺に形成される結晶核から、複数の結晶が放射状に成長する（図では、非溶融領域１０３ａから下側に形成される結晶核は省略されている）。換言すると、非溶融領域１０３ａもしくはこれの周辺の結晶核から、複数の結晶粒界１０３ｂが放射状に延びるように形成される。このとき、隣り合う結晶粒界間の角度のうち最大の角度、即ち、結晶成長の広がり角（以下、「放射角」と呼ぶ）は、比較的狭い。
【００２１】
このため、図３に示すようにＴＦＴ１０４を結晶化単位領域１０３に形成すると、このＴＦＴのソース１０４ａとドレイン１０４ｂとの間のチャネル領域１０４ｃに少なくとも１つの結晶粒界１０３ｂが入る確率が極めて高く、この結果、チャネル領域１０４ｃ内の結晶粒界１０３ｂに起因するキャリヤ散乱により電界効果移動度が低下してしまう。
【００２２】
本発明者は、非単結晶半導体膜が完全に溶融しない非溶融領域の外縁に対応する等強度線の曲率半径、すなわち非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線の曲率半径について検討した。その結果、上記等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下であれば、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入らないような十分に大きい放射角での結晶成長が実現されるという知見を得た。以下、非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下であればチャネル領域に結晶粒界が入らないことを説明する。
【００２３】
基板上に形成された非単結晶半導体膜（非晶質シリコン膜）に光を照射すると、溶融温度に対応する光強度以下の光が照射された領域（すなわち非溶融領域）では、非晶質シリコンが完全に溶融することなく、少なくとも一部はそのまま残る。これに対し、非溶融領域の周囲の領域では、非晶質シリコンが完全に溶融する。次いで、基板側への熱伝導等により非単結晶半導体膜の温度が低下するが、先ず、図４（ａ）に示すように、溶融領域で温度の最も低い領域、すなわち非溶融領域５０の近傍に結晶核５１が生成される。
【００２４】
これら結晶核５１の生成に際して、小さな固体粒子が液体中で生成消滅を繰り返し、一定の大きさに達した固体粒子のみが安定となり結晶核５１になる。その後、図４（ｂ）に示すように、結晶核５１を基点として、図中矢印で示す方向に沿って放射状に結晶は急速に成長する（図では、外側の結晶核５１から成長する結晶は省略されている）。これら結晶核５１の生成の過程において、液体から固体に相変化するときに潜熱が放出され、近傍の固体粒子を再度溶融させるため、結晶核５１は一定の密度でしか生成されないことが知られている。
【００２５】
結晶核の生成密度は、文献「J. S. Im and H. J. Kim, "Phase transformation mechanisms involved in excimer laser crystallization of amorphous silicon films”, Appl. Phys. Lett. 63 (14), 4 October 1993」において実験により求められている（特にこの文献の図２を参照）。この実験では、均一強度分布のＸｅＣｌエキシマレーザを非晶質シリコンにフルエンス（照射強度）を変えて照射したときに得られる夫々の結晶の粒径を測定している。実験の結果、室温において、最適なフルエンスの光を照射することにより、結晶粒径が最大で約０．３μｍになることが求められた。一つの結晶粒は一つの結晶核から生成することを考えると、この実験結果は結晶核の生成密度が約０．３μｍ間隔であることを表す。この間隔は前節で述べたようにミクロな現象により決定されるため、この実験のような均一強度分布の照射であっても、本発明で扱うような勾配を有する光強度分布の照射であっても、共に有効であると考えられる。
【００２６】
液晶ディスプレイに用いられる通常のガラス基板は耐熱性を有しないため、室温での加工が必須である。また、結晶核の密度は後述するように大きいことが望ましく、一般には最大の粒径が得られるフルエンスで光照射を行う。このとき、図４（ｂ）に示すように、２つの隣り合う結晶粒界５２ａにより画成される１つの結晶粒５２が１つの結晶核５１から成長することを考えると、結晶粒の放射角は結晶核５１の密度に対応する。すなわち、室温においてＸｅＣｌエキシマレーザを非晶質シリコンに照射したときに得られる結晶核５１の最大の間隔は、約０．３μｍである。換言すると、結晶核５１の間隔Ｄは、図５に示すように、約０．３μｍである。図４（ａ）では、結晶核５１を中心として直径が約０．３μｍの範囲を破線の円５３により表示している。
【００２７】
結晶粒５２は結晶核から概ね放射状に得られるが、一片の結晶粒５２の放射角θ（全角）は、図５に示すモデルから以下の式（１）で与えられる。式（１）において、Ｒ（単位：μｍ）は、非溶融領域５０の外縁に対応する等強度線（溶融温度に対応する光強度の等強度線）５０ａの当該結晶核５１の近傍における曲率半径である。なお、式（１）中の数値０．３は、０．３μｍを意味している。
【数１】
2008270726.tif 000003
【００２８】
図６は、上記式（１）から計算した、図５のモデルにおける等強度線５０ａの曲率半径Ｒと結晶粒５２の放射角θとの関係を示す図である。図６を参照すると、非溶融領域５０の外縁に対応する等強度線５０ａの曲率半径Ｒが０．３μｍよりも大きくなると、結晶粒５２の放射角θが急激に小さくなることがわかる。曲率半径Ｒが０．３μｍのときに得られる放射角θは約６０度である。結晶化後にＴＦＴを作製することを考えると、結晶粒５２の放射角θは約６０度以上であることが必要である。以下、この点について、図３と対応した図７（ａ）〜（ｃ）を参照して検証する。
【００２９】
図７（ａ）は等強度線５０ａの曲率半径Ｒを０．２μｍに設定したときの結晶化の様子を、図７（ｂ）は曲率半径Ｒを０．３μｍに設定したときの結晶化の様子を、図７（ｃ）は曲率半径Ｒを０．４μｍに設定したときの結晶化の様子を示している。図７（ａ）〜（ｃ）において、チャネル領域１０４ｃの長さ（図中水平方向の長さ）を、現行の液晶ディスプレイで用いられている値１．５μｍに設定している。図７（ａ）〜（ｃ）では、非単結晶半導体膜で二次元的に繰り返し形成される多数の結晶化単位領域のうちの１つの結晶化単位領域１０３を示しており、結晶が安定的に成長する長さが約５μｍであることを考慮し、結晶化単位領域１０３のサイズを、図中縦１０μｍ×横５μｍと設定している。
【００３０】
結晶化単位領域１０３のサイズが縦１０μｍ×横５μｍよりも小さいと、チャネル領域１０４ｃを完全に含む大きさの結晶粒を生成することができない。一方、結晶化単位領域１０３のサイズが縦１０μｍ×横５μｍよりも大きいと、結晶の成長が途中で終了するため結晶化単位領域１０３の全面を結晶化することができない。図７（ａ）を参照すると、図５のモデルにおける等強度線５０ａの曲率半径Ｒが０．２μｍである場合、結晶粒５２の放射角θが１００度になるため、チャネル領域１０４ｃ内に結晶粒界５２ａが入ることなく良好な結晶化を行うことができる。図７（ａ）では、結晶の成長方向に対してほぼ直行する方向にキャリヤが流れるように形成したＴＦＴ１０４を実線で示し、結晶の成長方向にキャリヤが流れるように形成したＴＦＴ１０４を破線で示している。いずれの場合でも、１つの結晶粒に対して１もしくは複数のＴＦＴを形成することが可能である。
【００３１】
図７（ｂ）を参照すると、等強度線５０ａの曲率半径Ｒが０．３μｍである場合、結晶粒５２の放射角θが６０度になるが、結晶粒界５２ａの位置のばらつき（図中破線５２ａ’で示すように位置が左右に振れること）を考えても、チャネル領域１０４ｃの領域内に結晶粒界５２ａが入ることなく良好な結晶化を行うことができる。図７（ｃ）を参照すると、等強度線５０ａの曲率半径Ｒが０．４μｍである場合、結晶粒５２の放射角θが４０度になる。このため、結晶粒界５２ａの位置のばらつき（図中破線５２ａ’で示すように位置が左右に振れること）を考えると、一部のＴＦＴの作製に際してチャネル領域１０４ｃの領域内に結晶粒界５２ａが入ることになり、ＴＦＴの量産に適した結晶化を行うことができない。
【００３２】
以上のように、本発明では、非単結晶半導体膜が完全に溶融する領域と完全に溶融しない非溶融領域との境界線に対応する等強度線、すなわち非溶融領域の外縁に対応する等強度線（非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線）の少なくとも一部の曲率半径を０．３μｍ以下に設定することが必須である。その結果、本発明では、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入らないように十分に大きい放射角での結晶成長を安定的に実現することができ、ひいてはチャネル領域内の結晶粒界に起因するキャリヤ散乱による電界効果移動度の低下を回避することができる。
【００３３】
結晶核を所望の位置に生成させるには、非溶融領域の外縁に対応する等強度線の曲率半径を一定にすることなく、等強度線に沿って実質的に変化させることが好ましい。図８（ａ）および（ｂ）に示すように等強度線５０ａの曲率半径が全体に渡って一定（等強度線５０ａがほぼ円形）の場合には、等温度線５０ａに沿って任意の位置に結晶核５１が生成される。図８（ａ）に示すように結晶核５１がチャネル領域１０４ｃの正面方向（非溶融領域５０の中心からチャネル領域１０４ｃの中心へ向かう方向）に生成される場合は、結晶粒界５２ａがチャネル領域１０４ｃの領域内に入ることはない。
【００３４】
しかしながら、図８（ｂ）に示すように結晶核５１がチャネル領域１０４ｃの正面方向から横にずれた位置に生成される場合は、結晶粒界５２ａがチャネル領域１０４ｃに向かって延びて、チャネル領域１０４ｃの領域内に入る。一方、図８（ｃ）に示すように等強度線５０ａの曲率半径が等強度線に沿って実質的に変化し（等強度線５０ａがほぼ楕円形）、チャネル領域１０４ｃの正面方向において最小になるように構成されている場合、チャネル領域１０４ｃの正面方向の結晶核５１において周囲の液体の占める面積（図中破線で示す円と等強度線５０ａとにより定まる領域の面積）が、隣の結晶核５１ｂにおいて周囲の液体の占める面積よりも広くなる。その結果、チャネル領域１０４ｃの正面方向において結晶核５１が生成される確率が高くなり、結晶粒界５２ａがチャネル領域１０４ｃの正面に延びることなく、ひいては結晶粒界５２ａがチャネル領域１０４ｃの領域内に入ることがなくなる。
【００３５】
図９（ａ）並びに図９（ｂ）は、結晶核５１から結晶が成長する領域における光強度分布を等強度線で示す図であって、図９（ａ）は放射方向にほぼ等しい勾配の光強度分布を、図９（ｂ）はチャネル領域１０４ｃの正面方向において勾配が最も高い光強度分布を示している。一般に、結晶成長の速度は温度勾配の低い方が速いという性質がある。図９（ａ）に示すように結晶核から結晶が成長する領域における光強度分布が放射方向に（等強度線の法線方向に沿って且つ外側に向かって）ほぼ等しい勾配を有する場合、複数の結晶核５１からの結晶成長が互いにほぼ等しい速度で進むため、結晶粒界５２ａが放射状にほぼ真っ直ぐ延びて、生成される結晶粒の放射角も互いにほぼ等しくなってしまう。
【００３６】
それに対し、図９（ｂ）に示すように結晶核から結晶が成長する領域における光強度分布がチャネル領域の正面方向において最も低い勾配を有する場合、チャネル領域１０４ｃの正面方向の結晶核５１ａからの結晶成長が周囲の結晶核５１ｂからの結晶成長よりも速くなる。したがって、結晶核５１ａから結晶成長が隣の結晶核５１ｂからの結晶成長よりも先行し、結晶核５１ａから成長する結晶粒の結晶粒界５２ａが放射状に且つ末広がりに延びることになる。その結果、チャネル領域１０４ｃの正面方向の結晶核５１ａからの結晶粒の放射角が図９（ａ）の場合よりも広くなり、結晶粒界５２ａがチャネル領域１０４ｃの領域内に入る可能性がさらに低下する。
【００３７】
以上のように、結晶核からチャネル領域の正面方向に結晶を確実に成長させるには、非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度の等強度線（非溶融領域の外縁に対応する等強度線）において最小の曲率半径を有する領域から外側に向かって放射方向光強度が増大する勾配分布を、結晶核から結晶が成長する領域に生成することが好ましい。また、結晶粒界がチャネル領域内に入る可能性をさらに低下させるには、溶融温度に対応する光強度の等強度線において最小の曲率半径を有する領域から放射方向に沿った光強度の変化が、その周辺領域から放射方向に沿った光強度の変化よりも緩やかであるような勾配分布が好ましい。別の表現をすれば、溶融温度に対応する光強度の等強度線において最小の曲率半径を有する領域から特定方向に沿った光強度の変化が、この特定方向の周辺の方向に沿った光強度の変化よりも緩やかであるような勾配分布が好ましい。
【００３８】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１０は、本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。図１１は、図１０の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図１０および図１１を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、入射光束を位相変調して所定の光強度分布を有する光束を形成するための光変調素子１と、光変調素子１を照明するための照明系２と、結像光学系３と、被処理基板４を保持するための基板ステージ５とを備えている。
【００３９】
光変調素子１の構成および作用については後述する。照明系２は、たとえば３０８ｎｍの波長を有するレーザ光を供給するＸｅＣｌエキシマレーザ光源２ａを備えている。光源２ａとして、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のように被処理基板４（ガラスなどの基板上に形成された非単結晶半導体膜、もしくは非単結晶半導体基板）を溶融するエネルギー光線を出射する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。
【００４０】
こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の小光源が形成され、これらの複数の小光源からの光束は第１コンデンサー光学系２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の小光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の小光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、光変調素子１を重畳的に照明する。
【００４１】
第１フライアイレンズ２ｃと第１コンデンサー光学系２ｄとにより、第１ホモジナイザが構成されている。この第１ホモジナイザにより、光源２ａから射出されたレーザ光について、光変調素子１上での入射角度に関する均一化が図られる。また、第２フライアイレンズ２ｅと第２コンデンサー光学系２ｆとにより、第２ホモジナイザが構成されている。この第２ホモジナイザにより、第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について、光変調素子１上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。
【００４２】
光変調素子１により位相変調されたレーザ光は、結像光学系３を介して、被処理基板４に入射する。ここで、結像光学系３は、光変調素子１の位相パターン面と被処理基板４とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板４（厳密には被処理基板４の被照射面）は、光変調素子１の位相パターン面と光学的に共役な面（結像光学系３の像面）に設定されている。
【００４３】
結像光学系３は、例えば、正レンズ群３ａと、正レンズ群３ｂと、これらのレンズ群の間に配置された開口絞り３ｃとを備えている。開口絞り３ｃの開口部（光透過部）の大きさ（ひいては結像光学系３の像側開口数ＮＡ）は、被処理基板４の上面（被照射面）において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。結像光学系３は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。
【００４４】
被処理基板４は、具体的には、この実施の形態では、ガラス基板上に、下層絶縁膜、非単結晶半導体薄膜、上層絶縁膜の順に成膜することにより構成されている。さらに詳細には、本実施形態では、被処理基板４は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラスの上に、化学気相成長法（ＣＶＤ）により、下地絶縁膜、非単結晶半導体膜（例えば非晶質シリコン膜）、およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜およびキャップ膜は、絶縁膜、例えばＳｉＯ2膜である。下地絶縁膜は、非晶質シリコン膜とガラス基板とが直接接触して、ガラス基板中のＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜の熱が直接ガラス基板に伝わるのを防止する。
【００４５】
非晶質シリコン膜は、結晶化される半導体膜である。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板４は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ５上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。
【００４６】
図１２は、本実施形態における光変調素子の構成を概略的に示す図である。本実施形態の光変調素子１は、一方向（図中垂直方向）に延びた第１の帯状領域１Ａと第２の帯状領域１Ｂとの前記一方向に直交する方向（図中水平方向）に沿った繰り返し構造により構成されている。第１の帯状領域１Ａでは、図中斜線部で示す矩形状の領域１Ａａが−６０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１Ａｂが０度の位相値を有する。一方、第２の帯状領域１Ｂでは、図中斜線部で示す矩形状の領域１Ｂａが＋６０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１Ｂｂが０度の位相値を有する。
【００４７】
前述したように、基準となる位相値０度に対して、＋６０度は位相進みを、−６０度は位相遅れを意味している。また、帯状領域１Ａおよび１Ｂのピッチは、結像光学系３の像面換算で５μｍである。換言すると、各帯状領域１Ａおよび１Ｂでは、結像光学系３の像面換算で１μｍ×１μｍのサイズを有する正方形状のセル（単位領域）が、縦横に一定のピッチで５個×１１個並んでいる。ここで、結像光学系３の像面換算でのセルのサイズ１μｍ×１μｍは、結像光学系３の点像分布範囲の半径よりも小さく設定されている。
【００４８】
そして、第１の帯状領域１Ａでは、各セルにおける領域１Ａａの占有面積率（すなわち各セルにおける領域１Ａａと１Ａｂとの割合）が、帯状領域のピッチ方向（帯状領域１Ａと１Ｂとの境界線と直交する方向：図中水平方向）に沿って変化するとともに、帯状領域のピッチ方向と直交するピッチ直交方向（帯状領域１Ａと１Ｂとの境界線に沿った方向：図中鉛直方向）に沿って変化している。さらに具体的には、帯状領域のピッチ方向に沿った領域１Ａａの占有面積率は、帯状領域１Ａの中央において最も小さく、その両端に向かって増大している。一方、帯状領域のピッチ直交方向に沿った領域１Ａａの占有面積率は、帯状領域１Ａの中央において最も大きく、その両端に向かって減少している。別の表現をすれば、第１の帯状領域１Ａでは、単位領域であるセルにおける領域１Ａａの占有面積率の最も大きい第１特定箇所が境界線に隣接して存在し、領域１Ａａの占有面積率は第１特定箇所からピッチ直交方向に沿って離れるにしたがって減少し且つ第１特定箇所からピッチ方向に沿って離れるにしたがって減少している。
【００４９】
同様に、第２の帯状領域１Ｂでは、各セルにおける領域１Ｂａの占有面積率（すなわち各セルにおける領域１Ｂａと１Ｂｂとの割合）が、帯状領域のピッチ方向に沿って変化するとともに、帯状領域のピッチ直交方向に沿って変化している。さらに具体的には、帯状領域のピッチ方向に沿った領域１Ｂａの占有面積率は、帯状領域１Ｂの中央において最も小さく、その両端に向かって増大している。一方、帯状領域のピッチ直交方向に沿った領域１Ｂａの占有面積率は、帯状領域１Ｂの中央において最も大きく、その両端に向かって減少している。別の表現をすれば、帯状領域１Ｂでは、単位領域であるセルにおける領域１Ｂａの占有面積率の最も大きい第２特定箇所が境界線に隣接して存在し、領域１Ｂａの占有面積率は第２特定箇所からピッチ直交方向に沿って離れるにしたがって減少し且つ第２特定箇所からピッチ方向に沿って離れるにしたがって減少している。
【００５０】
本実施形態の光学系で、図１２に示す光変調素子１を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計算により求めた。計算条件は、以下の通りである。すなわち、光の波長は３０８ｎｍであり、結像光学系３の物体側開口数は０．１５であり、コヒーレンスファクター（照明σ値；照明系２の射出側開口数／結像光学系３の物体側開口数）は０．５であり、結像光学系３の結像倍率は１／５である。
【００５１】
本実施形態の光学系では、計算の結果、図１３に示すような光強度分布が得られた。図１３では、図１２において破線で示す矩形状の領域１Ｃのうち上側の約半分の領域に対応して被処理基板４上に形成される光強度分布を光強度の等高線（すなわち等強度線）で示している。図１３では、図面の明瞭化のために、１．１５ａよりも大きい光強度に対応する等強度線の図示を省略している。また、図１２に示す光変調素子１を実際に作製し、作製した光変調素子１および結像光学系３からなる光学系を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計測した。計測の結果、図１３に示す光強度分布とほぼ同じ結果を得た。
【００５２】
図１３において、被処理基板４上の非単結晶半導体膜の溶融温度に対応する光強度はａであり、光強度がａの等強度線（非単結晶半導体膜上の非溶融領域の外縁に対応し且つ結晶開始点に対応する等強度線）１１は、図中上下方向に細長い楕円形状であって、その曲率半径は図中上端および下端（図示せず）において最小値の０．２μｍである。このように、図１２に示す光変調素子１は、非溶融領域の外縁に対応する等強度線１１の一部の曲率半径が０．３μｍ以下であるような光強度分布を有する光を被処理基板（非単結晶半導体膜）４に照射することができるように設計されている。ちなみに、光強度が０．９２ａの等強度線および１．０８ａの等強度線においても、その一部の曲率半径は０．３μｍ以下である。
【００５３】
図１３に示す光強度分布の光を被処理基板４の非単結晶半導体膜に照射すると、図１４に模式的に示すように、非単結晶半導体膜上の１つの結晶化単位領域１２には、光強度がａの楕円形状の等強度線１１に規定されるように非溶融領域１２ａが形成される。そして、非溶融領域１２ａの図中上端の近傍に形成された結晶核から、チャネル領域１０４ｃの正面方向（非溶融領域１２ａの中心からチャネル領域１０４ｃの中心へ向かう方向）に向かって例えば１００度以上の大きな放射角θで結晶粒１３が成長する。すなわち、例えば１００度以上の大きな放射角θを張るように隣り合う２つの結晶粒界１３ａが結晶核から放射状に延びる。その結果、チャネル領域１０４ｃの領域内に結晶粒界１３ａが入ることがない。なお、前述した理由により、図１４では、結晶化単位領域１２のサイズを図中縦１０μｍ×横５μｍと設定している。
【００５４】
特に、本実施形態では、等強度線１１の曲率半径が等強度線に沿って実質的に変化し、チャネル領域１０４ｃの正面方向において最小になるように光変調素子１が構成されているので、チャネル領域１０４ｃの正面方向において結晶核が生成される確率が高い。その結果、結晶粒界１３ａがチャネル領域１０４ｃの正面に延びることなく、ひいては結晶粒界１３ａがチャネル領域１０４ｃの領域内に入る可能性が低い。また、本実施形態では、結晶核から結晶が成長する領域における光強度分布がチャネル領域１０４ｃの正面方向において最も低い勾配を有するので、チャネル領域１０４ｃの正面方向の結晶核から結晶粒１３が末広がり状に成長することになり、結晶粒界１３ａがチャネル領域１０４ｃの領域内に入る可能性がさらに低下する。
【００５５】
本実施形態では、被処理基板４を実際に作製し、作製した被処理基板４に対して図１３に示す光強度分布の光を照射する実験を行った。被処理基板４の作製に際して、厚さ７００μｍのガラス基板を準備し、プラズマＣＶＤにより、ガラス基板の上に下層絶縁膜として厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成し、下層絶縁膜の上に非単結晶半導体膜として厚さ１００ｎｍの非晶質シリコン膜を形成し、非単結晶半導体膜の上に上層絶縁膜（キャップ膜）として厚さ４００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成した。この実験の結果、図１５に示すような結晶構造（結晶粒界の分布）が得られた。図１５を参照すると、放射角が１００度以上の結晶粒が安定的に生成されており、ＴＦＴの作製に際してチャネル領域内に結晶粒界が入らないことがわかる。
【００５６】
エキシマレーザのレーザ出力強度は、パルス毎に変化することが知られている。一般的なエキシマレーザ装置では、±２．５％程度の出力強度の変動は避けられない。レーザ装置の出力強度の変動により非単結晶半導体膜上の光強度が変化すると、結晶成長の開始強度に相当する等強度線も変化してしまう。例えば、平均のレーザ出力強度において光強度ａを結晶成長開始強度に合わせた場合、レーザ出力強度が２．５％増えると、結晶成長開始強度に相当する光強度はａ／（１＋０．０２５）に変化してしまう。この場合、仮に光強度ａ／（１＋０．０２５）に対応する等強度線の曲率半径の最小値が０．３μｍよりも大きいと、良好な結晶形状が得られなくなってしまう。換言すれば、例えば±２．５％の範囲内でレーザ出力強度が変化しても対応する等強度線の少なくとも一部の曲率半径が０．３μｍ以下の最小値を保つようにすることにより、レーザ出力強度が変動しても結晶形状を安定に保つことが可能となる。上述したように、図１３では、光強度は谷線に沿って等強度線の曲率半径が０．３μｍ以下である。本実施形態ではレーザ出力強度が変動しても結晶形状を安定に保つことが可能である。
【００５７】
図１６は、本実施形態の結晶化装置を用いて結晶化された領域に電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。図１６（ａ）に示すように、透明の絶縁基板８０（例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなど）の上に、下地膜８１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮおよび膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2積層膜など）および非晶質半導体膜８２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなどの半導体の膜）および不図示のキャップ膜８２ａ（例えば、膜厚３０ｎｍ〜３００ｎｍのＳｉＯ2膜など）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜した被処理基板５を準備する。そして、本実施形態にしたがう結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の予め定められた領域に、レーザ光８３（例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光やＸｅＣｌエキシマレーザ光など）を照射する。
【００５８】
こうして、図１６（ｂ）に示すように、大粒径の結晶を有する多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４が生成される。次に、キャップ膜８２ａをエッチングにより半導体膜８４から除去した後、図１６（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４を例えば薄膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜８５に加工し、表面にゲート絶縁膜８６として膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ2膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜する。さらに、図１６（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極８７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を形成し、ゲート電極８７をマスクにして不純物イオン８８（Ｎチャネルトランジスタの場合にはリン、Ｐチャネルトランジスタの場合にはホウ素）をイオン注入する。その後、窒素雰囲気でアニール処理（例えば、４５０°Ｃで１時間）を行い、不純物を活性化して島状の半導体膜８５にソース領域９１、ドレイン領域９２を形成する。次に、図１６（ｅ）に示すように、層間絶縁膜８９を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル領域９０でつながるソース９１およびドレイン９２に接続するソース電極９３およびドレイン電極９４を形成する。
【００５９】
以上の工程において、図１６（ａ）および（ｂ）に示す工程で生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４の大粒径結晶の位置に合わせて、即ち、結晶粒内にチャネル領域９０を形成する。以上の工程により、多結晶トランジスタまたは単結晶化半導体に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成することができる。こうして製造された多結晶トランジスタまたは単結晶化トランジスタは、液晶表示装置（ディスプレイ）やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなどの駆動回路や、メモリ（ＳＲＡＭやＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路などに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来の結晶化技術で用いられる光変調素子の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の光変調素子を用いて非単結晶半導体膜上に形成される光強度分布を等強度線で示す図である。
【図３】図２に示す光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射したときの結晶化の様子を模式的に示す図である。
【図４】（ａ）は結晶核が生成された直後の状態を、（ｂ）は結晶核から結晶が成長した後の状態を説明するモデルを夫々示す図である。
【図５】一片の結晶粒の放射角を説明するモデルを示す図である。
【図６】図５のモデルにおける等強度線の曲率半径Ｒと結晶粒の放射角θとの関係を示す図である。
【図７】図３に対応する図であって、（ａ）は等強度線の曲率半径を０．２μｍに設定したときの結晶化の様子を、（ｂ）は曲率半径を０．３μｍに設定したときの結晶化の様子を、（ｃ）は曲率半径を０．４μｍに設定したときの結晶化の様子を示している。
【図８】（ａ）および（ｂ）は等強度線の曲率半径を一定に設定したときの結晶化の様子を、（ｃ）は等強度線の曲率半径を変化させたときの結晶化の様子を示している。
【図９】結晶核から結晶が成長する領域における光強度分布を等強度線で示す図であって、（ａ）は放射方向にほぼ等しい勾配の光強度分布を、（ｂ）はチャネル領域の正面方向において勾配が最も高い光強度分布を示している。
【図１０】本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図１１】図１０の照明系の内部構成を概略的に示す図である。
【図１２】本実施形態における光変調素子の構成を概略的に示す図である。
【図１３】図１２の光変調素子を用いて非単結晶半導体膜上で得られる光強度分布を示す図である。
【図１４】図１３に示す光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射したときの結晶化の様子を模式的に示す図である。
【図１５】実際に作製した被処理基板に対して図１３に示す光強度分布の光を照射する実験により得られた結晶構造を示す図である。
【図１６】本実施形態の結晶化装置を用いて電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１，１００  光変調素子
２  照明系
２ａ  光源
２ｂ  ビームエキスパンダ
２ｃ，２ｅ  フライアイレンズ
２ｄ，２ｆ  コンデンサー光学系
３  結像光学系
４  被処理基板
５  基板ステージ
１１  非溶融領域の外縁に対応する等強度線
１２  結晶化単位領域
１２ａ  非溶融領域
１３  結晶粒
１３ａ  結晶粒界
【図１】
2008270726.tif 000004
【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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