(57)【要約】【課題】高性能のアクティブ・マトリクス基板を低コストの装置で高スループットで製造し、このアクティブ・マトリクス基板で画像表示装置を構成する。【解決手段】レール上を短軸Ｘ方向と長軸Ｙ方向に移動するステージ５上にアモルファスシリコン半導体膜２を形成した基板６を載置保持する。ラインビーム形状のパルスレーザ光１をレーザ光の長軸Ｙ方向に周期的な位相シフトマスク４を用いて強度変調し、基板６上に形成されたアモルファスＳｉ膜２に対し変調方向にランダムに移動させながら照射して結晶化し、結晶粒の大きい多結晶シリコン膜３を得、このシリコン膜３で形成した薄膜トランジスタ等のアクティブ素子を有するアクティブ・マトリクス基板で画像表示装置を構成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板に成膜された半導体膜にレーザ光を複数回照射して多結晶半導体膜とする工程を有するアクティブ・マトリクス基板の製造方法であって、
前記レーザ光は、少なくとも１方向に周期的に強度変調されており、
前記半導体膜上でのレーザ光の強度分布を前記強度変調の周期方向にランダムに移動して結晶化する工程を含むことを特徴とするアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項２】
前記レーザ光はパルスレーザ光であり、該レーザ光を前記絶縁性基板と相対的に所定方向に一定の速度で移動させながら複数回照射して結晶化する工程を含み、
前記半導体膜上の前記レーザ光の照射位置を、前記複数回照射される各レーザ光の照射間で前記移動方向と垂直方向にランダムに移動させて結晶化する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項３】
アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板に成膜された半導体膜にレーザ光を複数回照射して結晶化する工程を有するアクティブ・マトリクス基板の製造方法であって、
前記レーザ光は前記半導体膜上での照射形状が長軸と短軸を持つと共に、前記長軸方向に周期的な強度変調を有する矩形状であり、
前記半導体膜に前記矩形のレーザ光の前記短軸方向に前記絶縁性基板と相対的に移動させつつ複数回照射して結晶化し、
前記絶縁性基板に成膜された半導体膜上での前記レーザ光の強度分布を、各レーザの照射間で前記長軸方向にランダムに移動させる工程を含むことを特徴とするアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項４】
前記レーザ光の強度分布を、各レーザの照射間で前記短軸方向に平均速度での移動距離を除いてランダムに移動させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載のアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項５】
前記強度変調の周期の２以上の整数倍の周期をもつ位相シフトマスクを用いて前記半導体膜と前記位相シフトマスクの間隔を一定に制御して前記レーザ光の周期的な強度変調を行うことを特徴とする請求項３に記載のアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項６】
前記各レーザ光の照射時のレーザ光強度が最大となる位置の前記強度変調の周期方向の前記半導体膜上での座標ｙが、前記レーザ光の強度変調の周期をａ、整数をｎ、照射ごとに決まるａより小なる非負の数をｒとしたとき
ｙ＝ｎａ＋ｒ
を満たし、
前記ｒの最大値と最小値の差が周期ａの１／２以上であることを特徴とする請求項１又は３に記載のアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項７】
前記半導体膜に前記レーザ光を照射して得た結晶化した半導体膜の結晶粒より小なる範囲のみ前記レーザ光の照射で融解して分割し、
前記分割された複数の結晶粒を核とする結晶化により単一の結晶粒を再形成する工程を含むことを特徴とする請求項１又は３に記載のアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光の強度変調の周期方向に該周期とほぼ同じ長さの粒径を有する多結晶半導体膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載のアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項９】
アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板に成膜された半導体膜にレーザ光を複数回照射して結晶化するアクティブ・マトリクス基板の製造方法であって、
第１の周期を有する強度変調されたパルスレーザ光を照射した前記半導体膜に、前記第１の周期より小なる周期を有する第２の変調されたパルスレーザ光を照射する工程を含むことを特徴とするアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の周期を有する強度変調されたパルスレーザ光を照射した前記半導体膜に、前記第１の変調されたパルスレーザ光の変調周期の１／５倍以上、かつ１／２倍以下の第２の周期を前記第１の周期に対し垂直な方向に有するパルスレーザ光を照射する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載のアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項１１】
アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板に成膜された半導体膜にパルスレーザ光を複数回照射して結晶化するアクティブ・マトリクス基板の製造方法であって、
前記パルスレーザ光の前記半導体膜上での照射形状が長軸と短軸を持つと共に、前記長軸方向に周期的な強度変調を有し、
前記矩形のパルスレーザ光を、該矩形の短軸方向に前記絶縁性基板と相対的に移動させつつ複数回照射して結晶化するアクティブ・マトリクス基板の製造方法であって、
前記矩形の短軸方向に第１の周期を持つ強度変調を有するパルスレーザ光を照射した前記半導体膜に、前記矩形の長軸方向に第１の周期の１／５倍以上、かつ１／２倍以下の第２の周期を前記第１の周期に対し垂直な方向に有するパルスレーザ光を照射する工程を含み、
前記第２の周期を有するパルスレーザ光の前記半導体膜上での強度分布が、各パルスレーザ光の照射間で前記長軸方向にランダムに移動させる工程を含むことを特徴とするアクティブ・マトリクス基板の製造方法。
【請求項１２】
多数の画素をマトリクス状に配列した画素回路と、該画素領域の外側に画素駆動回路を配置した絶縁性基板からなるアクティブ・マトリクス基板を具備する画像表示装置であって、
前記アクティブ・マトリクス基板は、
前記絶縁性基板上に成膜された多結晶半導体膜に複数の突起が直線状に配列されており、
前記突起の配列がなす直線が、該直線に対して垂直方向かつ周期的に配置された周期的な直線群をなし、
前記周期的な直線群は、前記周期と前記垂直方向とに一定の間隔で該周期的な配列方向にずれが形成されており、
前記一定の間隔ごとの前記直線間のずれ量はランダムに形成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１３】
前記突起の配列には、交差する粒界が１本である突起が直線状に配列した領域を含むことを特徴とする請求項１２に記載の画像表示装置。
【請求項１４】
前記突起の配列のなす直線が、該直線に対して垂直方向に周期的に配置されて周期的な直線群をなし、
前記突起の配列のなす直線が周期あたり２つ以上形成された領域を有する直線群を含み、
前記直線群の周期と前記周期方向の粒径がほぼ同一であり、
前記周期方向に対する垂直方向の粒界は、各周期ごとに前記突起の配列がなす直線のいずれかにほぼ一致して形成されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記多結晶半導体薄膜をチャネルに用いた薄膜トランジスタを有することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記絶縁性基板上に形成されて複数の互いに交差する配線と、前記配線の交差部付近に形成されて、透過率または反射率または発光量を変化させる画素と、前記画素内に形成されて前記画素を選択するスイッチとなる薄膜トランジスタを有しており、
前記薄膜トランジスタが前記チャネルに形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記絶縁性基板上に複数の互いに交差する配線を有し、
前記配線の交差部付近に形成された画素と、該画素内に形成された有機膜を用いた発光素子と、前記画素内に形成されて前記発光素子を駆動する薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜トランジスタのチャネル方向が前記多結晶半導体膜の突起の周期方向と平行で、チャネル長が前記多結晶半導体膜の突起の周期の自然数倍であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温多結晶シリコン半導体膜を用いた駆動回路を有するアクティブ・マトリクス基板の製造方法とこれを用いた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所謂フラットパネル型の画像表示装置として、液晶表示装置や有機発光表示装置が実用化段階乃至は開発段階にある。液晶表示装置は薄型で低消費電力であるという特性からパソコンや各種情報処理装置のモニター、あるいはテレビ受像機に広く用いられている。また、有機発光表示装置は自発光型であることから、液晶表示装置のような外部照明装置を必要としないため薄型で軽量な画像表示装置として注目されている。これらのアクティブ・マトリクス型画像表示では、マトリクス配置した多数の画素回路と、この画素回路をスイッチングするアクティブ素子及び画素回路を駆動する画素駆動回路および画像表示に必要なその他の回路を同一の絶縁性基板上の形成してアクティブ・マトリクス基板としている。画素回路や画素駆動回路は、アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板上に成膜したシリコン半導体膜に作り込まれたアクティブ素子を回路素子として用いる。このアクティブ素子の典型は薄膜トランジスタである。
【０００３】
近年、このようなアクティブ素子に低温多結晶シリコン半導体膜を用いた薄膜トランジスタを採用し、この薄膜トランジスタで画素駆動回路およびその他の回路を絶縁性基板上に形成してアクティブ・マトリクス基板とすることで、表示画像の高精細化と低製造コスト化した画像表示装置を得ることが行われるようになってきている。以下では、低温多結晶シリコン半導体膜を単に多結晶シリコン半導体膜あるいは半導体膜とも称する。
【０００４】
多結晶シリコン半導体膜に代表される半導体薄膜の製造方法には、絶縁性基板上にアモルファスシリコン半導体膜を成膜後、このアモルファスシリコン半導体膜にレーザ光を照射し、アニールして結晶化するレーザ結晶化方法が一般に用いられている。特に、テレビ受像機のための画像表示装置のアクティブ・マトリクス基板のような大面積の絶縁性基板に多結晶シリコン半導体膜を得るには、高出力が得られるパルスエキシマレーザを複数回照射して結晶化する、所謂マルチショット方式による結晶化（マルチショットレーザ結晶化法）が用いられている。
【０００５】
マルチショット方式のレーザ結晶化法では、シリコン結晶の粒径が０．５μｍ以上の比較的大きな結晶が得られ、画像表示装置のアクティブ・マトリクス基板に有する回路の駆動の構成に適した高い電子移動度の半導体膜を形成することができる。大面積で均一な膜を得るには、半導体膜上でのレーザ光の照射パターンを矩形状、特に長軸に比べて短軸が極端に短いラインビーム形状とし、このビーム形状の短軸方向に相対的に半導体膜を成膜した絶縁性基板を移動しつつ照射する方法が一般的である。
【０００６】
このようなレーザ光の照射によるシリコン薄膜の結晶化法では、各レーザパルスの照射間のレーザビームの移動距離を当該ビームの幅（すなわち、短軸長さ）より小さくすることでマルチショット化による良好なアニール効果を得ている。長軸方向が短軸方向よりも長いラインビーム形状のレーザビームを均一に形成することにより、広い範囲で継ぎ目のない結晶が得られる。また、より大きな粒径で高い電子移動度の半導体膜を得る方法として、横方向成長を用いた結晶化方法が検討されるようになってきている。
【０００７】
「非特許文献１」には、絶縁性基板の熱容量に差を持たせた状態でアモルファスシリコン半導体膜にレーザ光を照射して熱勾配を形成し、シリコン結晶を低温部から高温部に成長させて大粒径の結晶を形成できることが記載されている。
【０００８】
「特許文献１」には、エキシマレーザ光を回折光学素子を介して変調し、これをアモルファスシリコン半導体膜に照射してアモルファスシリコン半導体膜に温度分布を形成することで、低温部から高温部に結晶を成長させ、粒径を拡大する方法が開示されている。
【０００９】
また、「特許文献２」には、レーザ光を以前の融解領域に重なりを持たせて移動させながら順次照射する方法により、結晶を順次横方向に成長させて大粒径の結晶を形成する、いわゆるＳＬＳ法の記載がある。なお、融解領域に重なりを持たせて順次パルスレーザ光を照射する例としては、「非特許文献２」に、アモルファスシリコン半導体膜にパルスレーザ光を走査しながら照射する方法が記載されている。この方法では、レーザ光の走査速度が９９ｃｍ／秒、およびレーザ光の周波数が２ｋＨｚとの記載があり、各レーザ光照射の間に４９．５μｍの間隔をもって移動させつつ照射していると計算される。また、そのＦｉｇ．９には、レーザの各パルスでの溶融幅が５０μｍ以上であって、前の融解領域と次の融解領域が重なりを持って照射された例が記載されている。
【００１０】
また、「特許文献３」には、レーザ光の干渉により強度変調したレーザ光を横方向成長距離分移動させて照射することで、大粒径の結晶を形成する横方向成長法の例が開示されている。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｖｏｌ．３１，（１９９２）  ｐｐ．４５４５−４５４９
【非特許文献２】
Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｖｏｌ．２１，（１９８２）  ｐｐ．８７９−８８４
【特許文献１】
特開平６−１４０３２３号公報
【特許文献２】
特開２００１−２７４０８８号公報
【特許文献３】
特開２００２−２８０３０２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
画像表示装置のアクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板に成膜した半導体膜に対して、前記したマルチショットレーザ結晶化法で大粒径の結晶を形成する際のスループットを向上するには、レーザ光のショット数を削減する必要がある。しかし、従来の変調のない均一な強度のレーザ光を用いた場合にそのショット数を削減すると、得られる結晶の粒径が減少して半導体膜の電子移動度が低下するため、スループットの向上は困難であった。
【００１３】
一方、横方向成長を用いた半導体膜の結晶化方法では、レーザ光のショット数低減が可能である。しかし、従来法ではいずれもレーザ光と絶縁性基板の相対的な位置を横方向成長距離と同程度の長さで制御する必要がある。結晶の横方向成長距離は、Ｓｉ膜の厚さ、結晶化時の基板温度、照射するレーザ光のパルス時間に依存し、例えば膜厚が５０ｎｍのシリコン半導体膜を室温で２５ｎｍ秒のパルスエキシマレーザ光により融解して結晶化する場合、結晶の横方向成長距離は１μｍ以下となる。従って、各照射位置を１μｍ以下の高精度で制御する必要がある。このため高精度の移動機構が必要となり、装置コストが高くつく。
【００１４】
本発明の目的は、変調レーザ光によるシリコン結晶の横方向成長が促進された高スループット化可能な、かつレーザ光と絶縁性基板との相対移動機構が、結晶の横方向成長距離より大なる誤差を持つような低コストの装置を用いることができるアクティブマトリクス基板の製造方法と、この基板を用いた画像表示装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法の第１の特徴は、絶縁性基板上に半導体膜を成膜し、この半導体膜に周期的に変調したレーザ光を照射して当該半導体膜を結晶化する際に、レーザ光の照射位置を上記周期方向にランダムに移動させることにある。これにより、レーザ光と絶縁性基板の相対移動機構が横方向成長距離より大なる誤差を持つような装置でも横方向成長を使用でき、低コストな装置を用いて高スループット化が可能になる。
【００１６】
また、本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法の第２の特徴は、絶縁性基板上に成膜した半導体膜の結晶粒より小なる領域を融解して分割し、分割された結晶粒を核とする横方向成長により、単一の結晶粒を再度形成して半導体膜を結晶化することにある。これにより、レーザ光と絶縁性基板の相対的な照射位置によらずに新たな粒界の発生がないため、ランダムに移動させる上記第１の特徴と合わせて用いることにより、粒径のそろった高品質な結晶を形成させることができる。
【００１７】
さらに、本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法の第３の特徴は、絶縁性基板上に形成した薄膜に、第１の周期を有する変調されたパルスレーザ光を照射し、前記第１の周期より小なる周期を有する第２の変調されたパルスレーザ光を照射して半導体膜を結晶化することにある。これを上記の特徴と合わせて用いることにより、等方的な結晶性を有する半導体膜が低コストの装置で得られる。また、薄膜トランジスタの形成に適した平坦な膜が形成できる。
【００１８】
そして、本発明による画像表示装置の特徴は、アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板上の画素領域に多数の画素回路を配置すると共に、表示領域の外側に画素駆動回路やその他の回路を配置し、これら画素回路と画素駆動回路あるいは他の回路を前記の製造方法のいずれかで製造した半導体薄膜をチャネルに用いた薄膜トランジスタで形成したことにある。
【００１９】
また、本発明による画像表示装置の特徴は、アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板上の表示領域に複数の互いに交差する配線を有し、
上記配線の交差部付近に、透過率または反射率または発光量を変化させる画素回路を配置し、
上記画素回路に有して当該画素を選択駆動するスイッチ素子を前記の製造方法のいずれかで製造した半導体薄膜をチャネルに用いた薄膜トランジスタで構成したことにある。
【００２０】
また、本発明による画像表示装置の特徴は、アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板上の表示領域に複数の互いに交差する配線を有し、
上記配線の交差部付近に、有機膜を用いた発光素子からなる画素回路を配置し、
上記画素回路に有して当該画素を選択駆動するスイッチ素子を前記の製造方法のいずれかで製造した半導体膜をチャネルに用いた薄膜トランジスタで構成し、
上記発光素子を選択駆動する薄膜トランジスタのチャネルに、前記製造方法のいずれかで製造した半導体膜を用い、チャネル方向が該半導体膜の突起の周期方向と平行で、そのチャネル長が上記半導体膜の突起の周期の自然数倍となるように構成したことにある。
【００２１】
なお、本発明は、上記の構成および後述する実施の形態に開示の構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法とこのアクティブ・マトリクス基板を用いて構成した画像表示装置の実施の形態について図面の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法の実施例を説明する模式図である。図１における参照符号１はビーム状のパルスレーザ光、２は絶縁性基板、３はポリシリコン半導体膜（以下、多結晶シリコン膜、多結晶Ｓｉ膜とも表記する）、４は位相シフトマスク、５はステージ、６は絶縁性基板（通常はガラス基板、以下、ガラス基板又は単に基板と表記する）、７はミラー、８はシリンドリカルレンズを示す。
【００２３】
レール上を短軸Ｘ方向と長軸Ｙ方向に移動するステージ５上にアモルファスシリコン半導体膜（以下、アモルファスＳｉ膜とも表記する）２が形成されたガラス基板６が載置保持されている。ラインビーム形状のパルスレーザ光１をレーザ光の長軸Ｙ方向に周期的な位相シフトマスク４を用いて強度変調し、ガラス基板６上に形成されたアモルファスＳｉ膜２に照射する。位相シフトマスク４は多数の細い凹凸がマスク表面に形成され、周期的に配列されたものであり、通過するレーザ光の位相を変調し、干渉によってその強度を周期的に変調する機能を有する。レーザ光１は、レーザ光を短軸Ｘ方向に集光する機能を持つシリンドリカルレンズ８を含む光学系により、位相シフトマスク４がない場合は基板６上で短軸Ｘ方向にほぼ一様なフルエンスを持つ、いわゆるトップハット型のビーム形状を形成するよう調整されている。
【００２４】
レーザ光照射時の温度は室温とし、図示しないがＮ２  ガスを基板６と位相シフトマスク４の間に流した状態でレーザ光１を照射している。また、レーザ光照射時には、位相シフトマスク４のマスク面と基板６の面の高さを一定に保ち、基板面６の上でのレーザ光の変調度を一定としている。レーザ光１には波長３０８ｎｍのパルスエキシマレーザ光を用いている。
【００２５】
位相シフトマスク４のスリットの周期は２μｍから１０μｍの範囲に設定され、０．５μｍから１０μｍの範囲の変調周期を持つレーザ光が形成される。本実施例では、位相シフトマスク４の周期を３μｍとした。位相シフトマスク４は石英製で、波長３０８ｎｍのレーザ光に対し隣接する段差間で位相差が１８０度となるよう周期的な線状の段差を形成してある。そして、基板６からの位相シフトマスク４の高さを０．９ｍｍに調整することで、該位相シフトマスクの周期の半分の１．５μｍの周期の強度変調がレーザビーム全体にわたって得られた。なお、位相シフトマスク４によるレーザ光変調には、上記した周期の半分以外にも、整数分の１の波長の周期の成分が含まれている。
【００２６】
レーザ光１をラインビームに形成する光学系は、ビーム長を拡大する過程で、もとのレーザ光を入射角のわずかに異なる複数の光線にして基板６に照射する構成となっている。このような光を位相シフトマスク４に入射すると、各変調成分は該位相シフトマスク４と基板６の間の高さに依存して平均化され、特定の周期の成分が強調される。従って、本実施例の構成を用いると、位相シフトマスク４の高さを調整することにより、該位相シフトマスクのスリット周期の半分以外の周期、例えば２／３の周期の変調を得ることもできる。
【００２７】
半導体膜の形成時には、レーザ光１は一定の繰り返し周波数、例えば３００Ｈｚで発振され、一定の速度で該レーザビームの短軸方向にステージ５を走査しつつ、長軸Ｙ方向にランダムに移動させながらレーザ光１を基板６に照射することで、基板６上のアモルファスＳｉ膜２を結晶化して順次多結晶Ｓｉ膜３を形成する。
【００２８】
レーザ光１の変調周期方向である長軸Ｙ方向に照射位置を移動させる方法としては、ステージ５の長軸Ｙ方向への移動機構を用い、照射ずれの許容される範囲、例えば０．１ｍｍ程度の範囲で往復させる方法がある。ステージ５の移動には通常μｍ単位のバックラッシュがあり、往復によりレーザ光の変調周期と同程度の誤差が生じ、移動量がランダム化される。また、ランダムに移動させるには、ステージ５の移動方向を定めるレールに数μｍ程度の振幅のうねりを形成し、このうねりにしたがってステージを移動させることもできる。また、ステージ５を移動させる代わりに、位相シフトマスク４を振動させる機構を設けることもできる。また、レーザ光１を位相シフトマスク４に入射する反射ミラー７の角度を位相シフトマスク４の変調方向に対応して振動させ、レーザビームの入射角を振動させることでレーザ光１の強度分布を移動させることもできる。
【００２９】
図２は本発明で用いるレーザ光の強度分布例の説明図である。レーザ光１のビーム形状は、例えば長軸Ｙの幅１２を３７０ｍｍ、短軸Ｘの幅１１を３６０μｍとする細い矩形状すなわち実質的にライン状である。位相シフトマスク４のラインビームの長軸方向には周期的なパタンが形成されている。位相シフトマスク４を透過したレーザ光１には、長軸Ｙ方向に周期的な強度変調が形成されている。一方、短軸Ｘ方向にはいわゆるトップハット型の形状が形成されている。
【００３０】
本実施例のように、位相シフトマスク４の周期方向をレーザ光（レーザビーム）の長軸と平行に配置することにより、位相シフトマスクによる回折光は長軸方向に回折されて、ほとんどラインビーム内にとどまるため、レーザ光１の損失が避けられる利点がある。また、レーザ光１の短軸方向への回折がなく、短軸方向には位相シフトマスク４を透過する前のトップハット型の形状が維持され、各ショットでの照射時の平均フルエンスをほぼ一定にすることができ、プロセス安定性に優れる。さらに、基板６からはほぼ１８０度にわたる見込み角でレーザ光１が入射するため、長軸方向には開口数がほとんど１である光学系とみなすことができ、ほぼ波長と同程度の高い分解能が得られ、より急峻な変調が得られる。
【００３１】
図３は本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法におけるレーザ光の走査方法の一例を模式的に示す説明図である。図３には、レーザビーム１３の長軸の長さのおよそ２倍の幅を持つ基板６を全面で結晶化する例を示す。長軸方向に変調されたラインビーム状のレーザ光を、基板６上でレーザビーム１３の短軸方向に一定速度で移動させつつ、ビーム長軸方向にランダムに変位させながら照射する。短軸方向の各レーザパルス照射間の移動距離をレーザビーム幅より小とすることで、それぞれの照射領域に重なりが生じ、同一領域に複数回レーザが照射される。
【００３２】
レーザビームの照射回数は短軸方向への移動速度により制御できる。図３において、基板６の上半面を照射したのち、下半面を同様に照射して、全面が結晶化された基板を得る。なお、上半面と下半面の照射領域が重なるように形成することで、基板全面でつなぎ目のない結晶を得ることができる。本実施例では、上半分の照射と下半分の照射の間の位置が変化しても、長軸方向のランダムな移動により結晶化の不均一が無害化されるため、基板中央での結晶性の低下がない利点がある。
【００３３】
図４は本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法におけるレーザ光走査時のレーザ光の強度分布と基板との相対的な位置関係の一例を模式的に示す説明図である。本例では、図４の上下方向に長い矩形状のレーザ光が、その長軸方向に周期的に変調されている。また、本例では、レーザ光が図の右方向に一定の照射間隔１４で移動しながら照射される場合の例を示している。各照射でのレーザ光のフルエンスが最大となる位置１５が、長軸方向に周期的に形成されており、その長軸方向の位置は整数をｎ、レーザ光の変調周期２２をａ、非負でａより小さい値をｒとして、ｎａ＋ｒで表されている。
【００３４】
各照射ごとに最大位置１５は長軸方向にランダムに移動するため、ｒの値も変化する。ｒの値が周期ａに比べ小さいと、実質的に照射位置が固定されることになり、弱いフルエンスのレーザ光でのみ照射される領域が形成されて結晶性が低下する問題がある。ｒの値の変動幅１６は周期ａの少なくとも半分以上であることが望ましい。
【００３５】
図５はパルスレーザ光を照射したときのアクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板上に成膜された半導体膜の溶融様子を説明する模式図である。アクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板としてガラス基板を用いた場合で説明する。ガラス基板上１０１には、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮおよびＳｉＯからなる下地膜１０２および１０３、プリカーサとなるアモルファスＳｉ膜２がそれぞれ５０ｎｍ、１００ｎｍ、および５０ｎｍに堆積されている。アモルファスＳｉ膜は４５０°Ｃのアニールで脱水素処理されており、レーザ光の照射時の水素の突沸による欠陥の発生を抑制している。レーザ光の長軸方向に周期的な位相シフトマスク４を透過して変調されたレーザ光がアモルファスＳｉ膜に照射される。レーザ光は位相シフトマスク４の段差部で弱められ、その他の部分で強められる。レーザ光の変調周期２２は位相シフトマスク４の段差の周期２１の半分となっている。
【００３６】
レーザ光のフルエンスが融解しきい値２３を超える領域２４に含まれるアモルファスＳｉ膜は膜厚方向にわたり完全溶融する。一方、融解しきい値以下のレーザ光が照射された領域２５では、アモルファスＳｉ膜は部分的に溶融し、結晶化して多結晶Ｓｉ膜に変化する。完全溶融した領域２４は、周囲の非融解領域２５の結晶を核として、長軸方向に横方向成長する。ここで、パルスエキシマレーザ光のパルス幅を２５ｎｓｅｃ、アモルファスＳｉ膜２の膜厚を５０ｎｍとした場合、室温での最大横方向成長距離は１μｍ程度である。融解領域２４の幅が、最大の横方向成長距離の２倍以上であると、融解領域２４の中央が横方向成長から取り残され、微結晶が形成されて結晶性の悪い領域となるため望ましくない。例えば、位相シフトマスク４の段差周期２１を３μｍとし、レーザ光の変調周期２２を横方向成長距離１μｍの２倍以内である１．５μｍとすれば、レーザ光のフルエンスの変動により融解領域２４の幅が変動しても、微結晶の発生が抑制される。従って、レーザのフルエンス変動に対するマージンが広い利点がある。以下では、変調領域２４の幅が最大横方向成長距離の２倍以下であるとして説明する。
【００３７】
図６は位相シフトマスクで強度変調したレーザ光を照射して結晶化した膜に再度位相シフトマスクで変調したレーザ光を照射する場合のＳｉ膜の断面と平面図の一例を説明する模式図である。図６に示したＳｉ膜は、以前の照射により粒界３１で区切られた結晶粒３２からなる多結晶膜となっている。また、凝固時の体積変化に伴う突起３３が、レーザ光の周期と同じ周期で形成されている。以前の照射で弱いフルエンスで照射された領域には、比較的小さい粒径の結晶３４が形成されている。本例では、この比較的小粒径の結晶に対し、融解しきい値２３以上のレーザ光が照射される例を示した。図５と同一参照符号は同一部分または同一の意味を示す。
【００３８】
図７は図６に示した構成でレーザ光を照射した後の結晶の断面と平面を説明する模式図である。図６と同一参照符号は同一部分または同一の意味を示す。前記図６において、融解しきい値２３を超えるレーザ光が照射された領域２４に含まれていた結晶は融解し、融解領域２４の端部の結晶と同一の方位の結晶が新たに横方向成長して図７に示したような多結晶膜３２となる。融解領域２４の両端の結晶は一般には結晶方位が異なり、図７における領域２４の中央に新たな粒界３１が形成される。また、図７において、溶融領域の中央には新たな突起３３が形成される。本例では、この照射により、融解領域２４に含まれない領域の結晶が両側に成長し、レーザ光の変調周期とほぼ同一の長さを持った結晶粒３２が形成されており、膜全体の長軸方向の粒径がレーザ光の変調周期とほぼ一致した多結晶膜となっている。
【００３９】
そして、長軸方向にランダムに移動させながらレーザ光の照射を繰り返すことにより、各照射時の溶融領域２４はランダムに移動する。レーザ光が照射された領域では横方向成長が進行して長軸方向の粒径が増大し、最終的に図７に示したように、レーザ光の変調周期と同じ長さまで成長する。一方、一度周期と同じ長さの粒径の結晶が形成された後、それ以降の照射により粒径が減少しないことが、良好な結晶性を得るために重要である。
【００４０】
図８は長軸方向に周期とほぼ同じ粒径を持った多結晶膜に粒界を含まない単一の結晶粒３２を分割する形で融解しきい値を超えるレーザ光を照射する前の結晶の例を示す模式図、図９は長軸方向に周期とほぼ同じ粒径を持った多結晶膜に粒界を含まない単一の結晶粒３２を分割する形で融解しきい値を超えるレーザ光を照射した後の結晶の例を示す模式図である。レーザ光の照射前の結晶は、図８に示すように突起３３が周期的に形成されており、また突起３３に沿って粒界３１が形成されている。融解領域２４の結晶はレーザ光の照射により融解するが、その両端の結晶は元々単一の結晶であり、その方位は同一となるため、横方向成長した結晶の方位も同一となる。
【００４１】
レーザ光の照射後には、図９に示すように融解領域２４の中央で横方向成長した結晶同士が融合し再び単一の結晶粒３２が形成される。一方、体積膨張に伴う新たな突起３６が融解領域２４の中央付近に形成される。通常、レーザアニールによる突起は３つ以上の結晶が交差する点で発生しやすく、２本以上の粒界が交差する部分では、突起３６に交差する粒界が図示したようなＺ字状の１本のみが含まれているという特徴がある。なお、融解領域２４の両側から成長した結晶の幅が異なるため、一部融解領域の中央付近に新たな粒界を生じることもあるが、両側から成長した結晶の多くは新たな粒界を形成することなく融合し、レーザ光の変調周期とほぼ同程度の長さの粒径を持った膜が維持される。このように、一旦レーザ光の周期と同一の長さの結晶粒が形成されると、その後のレーザ光の照射では、粒径はほぼ一定になる。その結果として、本実施例の方法では、複数回の照射により高い確率で最終的に周期とほぼ同じ長さの結晶粒が形成される。
【００４２】
本実施例におけるシリコン半導体膜の結晶化方法では、レーザ光の各照射間の位置合わせに誤差があっても、この誤差は、レーザ光の変調の周期方向に加えられるランダムな変位に吸収され無害化される。従って、基板を載置するステージ走査の誤差が横方向成長距離より大であってもよく、簡便なステージ走査機構を用いることができ、装置コストを抑制することができる。また、レーザ光の照射回数は、平均して各領域が１回程度融解するように設定すればよく、本実施例では、例えば１０回程度の照射回数で周期方向の粒径がレーザ光の変調周期、たとえば１．５μｍの結晶が形成される。従来のマルチショット法では同様な粒径の結晶を形成するのに数十回の照射が必要であるのと比べて少ない照射回数ですみ、スループットを向上することができる。
【００４３】
また、結晶の粒径がレーザ光の変調周期で決定されるため、横方向成長距離が変化してもほぼ同一の結晶粒径が得られ、レーザ光のフルエンスに対するマージンが大きいという利点がある。また本発明では、膜の全領域を一度に融解する必要がなく、局所的に融解しきい値を超えるフルエンスのレーザ光が照射できればよいため、平均のフルエンスを低く抑えることができる。位相シフトマスクによる変調は、変調前後での平均強度がマスクの反射による損失を除き同一であって、結果として処理に必要なレーザ出力を従来よりも低減できる効果がある。また同一の発振出力のレーザを用いた場合は、より広い範囲を一度に処理できてスループットが向上するという効果が得られる。
【００４４】
本実施例においては、レーザ光照射位置の変調周期方向への移動は、任意の領域が少なくとも１度融解しきい値以上のフルエンスで照射されるよう行われる必要があるが、連続したレーザ光照射間で融解領域が重なりをもっていなくともよい。各レーザ光照射時の位置がランダムであれば、複数回の照射において一度も融解しきい値以上のフルエンスのレーザ光が照射されない領域が残る確率は照射回数に対し指数関数的に減少する。レーザ光の変調周期を横方向成長距離の２倍以下、融解しきい値を超えるフルエンスで照射される領域の幅を当該周期の半分以上とすれば、５回程度の少ないショット数で該周期とほぼ同一の結晶が実用上問題ない歩留まりで形成でき、スループットを向上できて好適である。
【００４５】
本実施例においては、レーザ光の変調の周期方向への移動は、完全にランダムである必要はなく、シリコン半導体膜（Ｓｉ膜）の各位置が融解しきい値を超えるフルエンスのレーザ光で照射されればよい。Ｓｉ膜の各位置が１〜２度順序によらず照射されれば良好な結晶が得られる。例えば、数ショット毎に１〜２度程度周期方向の移動方向が反転するような構成とすることも可能である。また、得られる結晶の粒径が照射開始位置にもよらないため、位置合わせの必要がなく、一度不十分な結晶化がなされた基板を再度結晶化して回復することも容易である。
【００４６】
なお、以上説明してきた実施例では、レーザ光としてパルスレーザ光を用いたが、連続発振したレーザ光を用いることもできる。この場合も、照射位置の変調周期方向への移動に伴って横方向成長位置が移動し、パルスレーザ光を用いた場合と同様の効果が得られる。また、レーザ光の波長は３０８ｎｍに限られるものではなく、Ｓｉ半導体膜に吸収されて熱となり、かつ位相シフトマスクとして用いられる透明でレーザの照射に耐えうる素材のある波長であればよい。例えば、波長２４８ｎｍのエキシマレーザと石英で形成した位相シフトマスクの組み合わせを用いることもできる。また、波長５３２ｎｍの連続発振レーザと透明樹脂にで形成された位相シフトマスクを用いることもできる。樹脂製のマスクは、型を用いて成形することで安価に得ることができる。また、樹脂製のマスクは耐衝撃性に優れるため、より薄いマスクを形成することができるため軽量化が可能であり、上記した周期方向への移動を高速化しやすいという利点がある。また、本実施例による多結晶Ｓｉ膜の製造方法は、レーザ光の干渉性が低くても用いることが可能である。
【００４７】
図１０は本発明の実施例により形成される多結晶半導体膜の粒界と突起の配置の例を示す模式図である。図１０は、同図の垂直方向に長い矩形のレーザ光を用い、長軸方向に周期的な位相シフトマスクを用いて変調したレーザ光を、図１０の左から右に順次走査して形成した多結晶半導体膜の例である。レーザ光の照射位置を水平方向、すなわち短軸方向に、レーザ光の各レーザパルスの照射ごとに照射間隔１４だけ移動しつつ、長軸方向にはランダムに移動させて照射する。照射間隔１４はレーザビームの短軸幅（図示せず）より小であり、半導体膜の各位置は複数回のレーザ光照射がなされる。
【００４８】
半導体膜には、各レーザ光の照射時に融解した領域に対応した突起３３が直線上に配列した突起列３８が形成される。突起列３８の周期３７はレーザ光の変調周期と同一である。また、各照射での周期方向への移動はランダムであるので、突起の列の形成される位置もまたランダムとなり、照射間隔１４ごとに突起列にはランダムなずれ４０が生じる。また、融解しきい値以上のフルエンスで照射された領域の突起は融解するが、それ以外の領域の突起は残存する。融解領域の幅は周期より小さいため、多くの場合最後のレーザ光照射での融解領域に含まれない突起列が存在する。従って、最後のレーザ光照射時に形成された突起列のほかに、該周期内に突起列が残存することになる。その結果、周期内に複数の突起列が形成される。
【００４９】
また、ほぼ周期と同じ長さの結晶粒が形成されたのち、結晶粒を分割する位置に融解しきい値を超えるフルエンスのレーザが照射され、再度単一の結晶が形成されると、図９に示したように、交差する粒界が１本である突起の列が形成される。本実施例の変調位置のランダムな移動を行って結晶化した半導体膜は、これらの特徴を有する。
【００５０】
レーザ光のフルエンスが低く、融解領域の幅がレーザ光の変調周期に比べ小さい場合には、上記した突起列が残存する可能性が増加し、当該周期内により多くの突起列が形成される傾向がある。融解領域の幅の１／２より近接した突起は融解するため、この突起列の最小間隔はレーザ光の最終ショットでの横方向成長距離の１／２とほぼ同程度になる。また、複数の突起列が形成された膜では、横方向成長距離が小さいため、体積膨張により突起の高さが小さくなる傾向があり、薄膜トランジスタのチャネルとして用いるのにより好適である。レーザ光照射の前半のフルエンスを大とし、融解領域の幅が大きく少ないショット数で周期とほぼ同じ長さの結晶粒が形成したのち、当該照射の後半でフルエンスを小として融解領域の幅が狭くすると、新たな粒界を形成することなく複数の突起列を形成して全体の凹凸を減少させることができ、薄膜トランジスタのチャネルとして用いるのに適した半導体膜が得られる。
【００５１】
短軸方向にレーザ光照射の前半に比べ、その後半で照射フルエンスが減少するようにフルエンス傾斜を形成することで同様の効果を得ることもできる。また、レーザ光照射の前半で該レーザ光の変調周期を大とし、後半で小とすることでも同様に、前半のレーザ光の変調周期に相当する大きい粒径を有し、後半のレーザ光の変調周期に対応した突起列の平均間隔の小さい、従って凹凸の小なる膜を得ることもできる。
【００５２】
図１１は本発明の製造方法を用いて得たＳｉ膜の一例を説明する顕微鏡写真である。図１１に示した多結晶Ｓｉ膜は、ガラス基板上に下地膜と５０ｎｍのアモルファスＳｉ膜を形成し、脱水素処理を行ったものを前記した製造方法により結晶化したものである。この結晶化には、レーザ光ビームの短軸方向の幅３６０μｍ、長軸方向の幅３６５ｍｍの長軸方向に変調されたパルスエキシマレーザ光を用いた。３μｍの周期の位相シフトマスクを用い、レーザ光を１．５μｍ周期に変調した。照射位置を図１１の左から右に向かって走査しつつ、長軸方向にランダムに移動させながら結晶化した。ライン状のビームに整形する前のレーザ光のフルエンスを８００ｍＪとし、照射位置の短軸方向への各レーザパルス照射間の移動距離を３６μｍとして、１０ショットの照射を行った。得られた膜をライト（Ｗｒｉｇｈｔ）エッチを用いて粒界を選択エッチし、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察した。図１１において、白く見える部分では周囲より膜が厚く、突起３３が形成されている。
【００５３】
図１２は図１１の写真における粒界と突起をスケッチして示す模式図である。図１２の直線状に形成された突起列３８の周期３７は１．５μｍであり、レーザ光の変調周期に一致している。また、周期方向にほぼ周期と同じ長さの結晶粒３２が斜線で示したように形成されている。周期内には粒界とほぼ一致する突起列３８のほかにも突起列３９が形成されている。この突起列３９の突起には、交差する粒界が１本しかない突起３６が含まれている。
【００５４】
図１３および図１４は、互いに異なる周期性を持ったレーザ光を照射して半導体膜を製造する工程例の説明図である。図１３において、ラインビーム状のパルスレーザ光１の短軸方向に、周期８μｍの線状のパタンを有する位相シフトマスク４１にレーザ光を透過させる。位相シフトマスク４１は、基板から０．７ｍｍの高さに保持され、周期４μｍの短軸方向に周期的な強度分布を持ったレーザ光を形成する。レーザ光のフルエンスは、多結晶Ｓｉ膜の溶融しきい値を超えるフルエンスのレーザ光が照射される領域の幅が、最大横方向成長距離の２倍以下、例えば最大横方向成長距離が１μｍの場合、１μｍ程度になるように設定する。
【００５５】
基板６を載置保持するステージ５を、短軸方向に走査しながら照射することで、基板の各領域に１回以上溶融しきい値以上のフルエンスのレーザ光が照射されるようにする。ビーム幅を３３０μｍとし、各照射ごとに基板を３３μｍ短軸方向に移動させ、アモルファスＳｉ膜２の形成された基板に１０ショット照射した。本実施例では溶融しきい値を超える領域の幅はレーザ変調周期の４分の１程度であり、１０回の照射により各領域は１度以上溶融する。照射後の多結晶Ｓｉ膜４２の結晶粒はレーザの強度変調方向４３である短軸方向に横方向成長した形状となり、短軸方向に平均して横方向成長距離である約１μｍ程度の結晶粒径を有する。
【００５６】
本実施例のように、短軸方向に周期性を持った位相シフトマスク４１を用いてレーザ光１を変調する場合、短軸方向の回折光がラインビーム状レーザ光の外に逃げてフルエンスに損失が生じる。この損失は位相シフトマスク４１のピッチが小さいほど、また該位相シフトマスクと基板の距離が離れるほど多くなる。基板６と位相シフトマスク４１の間の距離は、該位相シフトマスク４１への付着物を防止する観点から、例えば０．２ｍｍ以上とする必要があり、あまり小さくできない。従って、この損失を避けるためには、短軸方向に周期を持った位相シフトマスク４１では、その周期を長軸方向に周期性を持った位相シフトマスクを配置する場合に比べ大きくすることが望ましい。本実施例のレーザ光のビーム形状と位相シフトマスク高さにおいては、位相シフトマスクのピッチを６μｍ以上とすれば、回折光による損失を実用上問題ない範囲である１０％以下に抑えることができる。
【００５７】
また、前記した微結晶化の抑制のため、融解しきい値を超える領域の幅は最大横方向成長距離で制限される。従って、レーザ光の変調周期が大きくなると、レーザ光の照射領域に占める横方向成長する領域の範囲が少なくなり、良好な結晶性を得るのに必要な照射回数は増加する。１０ショット程度の照射回数で全面が横方向成長できるようにするには、レーザ光の変調周期は最大横方向成長距離の５倍程度に抑える必要がある。本実施例の場合、例えばレーザ光の周期が５μｍ以下であれば、１０ショット程度で全面を横方向成長させることができる。
【００５８】
図１４では、図１と同様に、短軸方向に周期性をもった位相シフトマスク４４にレーザ光１を入射して、長軸方向に周期性を持ったレーザ光を形成し、図１３の方法で得られた多結晶Ｓｉ膜に照射する。基板６を載置保持したステージ５を短軸方向に一定の速度で移動させながら、長軸方向にランダムな変位４６を与えて照射することにより、長軸方向にレーザ光の変調周期とほぼ同一な長さの結晶粒を持った多結晶Ｓｉ膜４５が得られる。また、多結晶Ｓｉ膜４５では、成長方向と垂直な方向、すなわち短軸方向の粒径は元の多結晶Ｓｉ膜４２の結晶性を反映するため、アモルファスＳｉ膜に直接照射した場合に比べて粒径が大きくなり、より異方性が低減された膜が得られる。
【００５９】
図１５は本発明の製造方法の他の実施例における互いに垂直な方向に周期性をもったレーザ光を順次照射して形成したＳｉ膜の一例を説明する顕微鏡写真である。ここでは、１０μｍピッチの位相シフトマスクを用いてビームの短軸方向に変調したレーザ光を１０ショット照射したのち、３μｍピッチの位相シフトマスクを用いてビームの長軸方向に変調したレーザ光を１０ショット照射して結晶化した。後者の結晶化では、レーザ光の変調周期方向である長軸方向に、ショットごとにランダムな距離を基板を移動させて照射した。図１５は得られた半導体膜に粒界顕在化のためのライト（Ｗｒｉｇｈｔ）エッチを行ったのちＳＥＭを用いて観察したものである。
【００６０】
図１６は図１５の写真における粒界と突起ををスケッチして示す模式図である。図１６において、後半に照射した長軸方向に周期的なレーザ光の変調周期とほぼ一致する１．５μｍの周期で突起３３が形成されている。また、周期内に直線状に突起が配列した突起列３８が複数形成されている。一方、該周期と垂直方向の粒径は、前半の短軸方向に周期的なレーザ光による結晶化での横方向成長を反映し、図１１と図１２で説明した例に比べて大きくなっている。図１１と図１２では平均約０．３μｍであったものが、平均約０．５μｍに拡大され、異方性が低減されている。なお、短軸方向の横方向成長により形成される長軸方向に平行な突起列は、２回目の照射によってほぼ消滅しており、図１１と図１２で説明した実施例と比べても新たな凹凸の増加は見られない。
【００６１】
本実施例は、製造工程の途中で位相シフトマスクを切り替える機構を付加することで、単一の装置のみを用いて容易に実現でき、装置コストを低く抑えることができる。なお、同様な異方性低減効果は、長軸方向に周期性を持ったマスクのみを用いてレーザ光を変調し、基板を短軸方向に走査しつつ長軸方向にランダムに移動させながらレーザ光を照射する結晶化の途中で、基板の向きを９０度回転させて同様の照射を続けることによっても得られる。この場合、ステージまたは基板搬入の際に基板を９０度回転する機構が必要で装置コストが若干増加するものの、縦横にほぼ同じ粒径のより異方性が低減された結晶が得られる。なお、この方法でも、前半で形成された突起は９０度回転後のレーザ照射により緩やかな凹凸が残留するがほぼ消滅した状態となり、新たに９０度回転した方向に回転せずに照射した場合と同程度の凹凸を有する突起列が形成されるため、凹凸の増大はない。
【００６２】
図１７は本発明の製造方法で多結晶化した半導体膜に形成した薄膜トランジスタを有する液晶表示装置用のアクティブ・マトリクス基板上の回路配置の実施例を模式的に説明する平面図である。この液晶表示装置は、薄膜トランジスタが形成されたアクティブ・マトリクス基板５１と、図示しないが対向基板との間に液晶５７が封入された構成となっている。薄膜トランジスタが形成されたアクティブ・マトリクス基板５１はガラスからなる透明絶縁基板（ガラス基板）であり、その上に、互いに交差する複数の配線（ゲート線５２及びデータ線５３）が配置されている。
【００６３】
各ゲート線５２及びデータ線５３の交差部には液晶５７を駆動する画素回路５４が形成されている。画素回路５４にはスイッチとして機能する薄膜トランジスタからなる画素スイッチ５５と保持容量５６が形成されている。画素スイッチ５５をなす薄膜トランジスタには、前記した本発明の製造方法で製造された半導体膜が用いられている。また、画素駆動回路のうちゲート線を駆動するための回路であるゲート線ドライバ５８と、画素駆動回路のうちデータ線を駆動するための回路であるデータ線ドライバ５９が同一のガラス基板上に形成されてアクティブ・マトリクス基板５１となっている。
【００６４】
本実施例の液晶表示装置によれば、ガラス基板上に大面積の半導体膜を高スループットで形成できる。従って、大面積が要求される画像表示装置の画素スイッチとなる薄膜トランジスタの形成に好適である。また、比較的粒径の大きい結晶の半導体膜が得られるため、より高性能が要求される画素回路周辺の画素駆動回路に前記製造方法で形成された薄膜トランジスタを配置することもできる。また、本実施例における半導体膜は、成長方向である変調方向、本実施例では例えば長軸方向の粒径が一般により大きいため、薄膜トランジスタのチャネルを長軸方向に配置することでより高い電子移動度が得られる。
【００６５】
アクティブ・マトリクス基板５１を構成するガラス基板上に周辺回路（画素駆動回路等）の領域を薄膜トランジスタで構成する場合、より駆動力の大きい薄膜トランジスタのチャネル方向を成長方向にそろえるのが望ましい。一方、画素回路の領域ではそれほど高い移動度は必要ないため、薄膜トランジスタのチャネルの向きを長軸方向及び短軸方向のいずれにも設置してもよい。また、前記した図１３及び図１４に示したような異方性を低減する工程を用いれば、得られる薄膜トランジスタの性能はチャネルの向きによらなくなる。従って回路についても薄膜トランジスタのチャネルの向きをいずれに設置してもよい。
【００６６】
図１８は本発明の製造方法による半導体薄膜を用いて形成した液晶表示装置に用いる半導体装置の一画素部分の構成例を模式的に説明する平面図である。液晶表示装置では、薄膜トランジスタが形成された基板であるアクティブ・マトリクス基板と対向基板の間に液晶を封入して動作させるが、図１８では薄膜トランジスタが形成されたアクティブ・マトリクス基板のみ示した。
【００６７】
図１９は図１８の破線Ａ−Ｂに沿った断面図である。本発明の製造方法による多結晶Ｓｉ膜は長軸方向に周期性を有する半導体膜１０４であり、画素スイッチ５５を構成する薄膜トランジスタ、および保持容量５６に使用されている。保持容量５６は画素スイッチ５５の薄膜トランジスタのソースまたはドレイン６１に接続されており、他方が画素電極１１３に接続され、画素電極１１３の電圧を保持する機能を有している。画素スイッチ５５はゲートが２つ形成されたいわゆるダブルゲート型の薄膜トランジスタである。また、半導体膜１０４のゲート６３の下側端にソース又はドレイン６１より低濃度のＮ型領域であるＬＤＤ６２を設けて、リーク電流を抑制している。なお、参照符号５３はデータ線、６０はコモン線、６４はチャネル、１０１はガラス基板、１０２はＳｉＮ下地膜、１０３はＳｉＯ２  は下地膜、１０５はゲート絶縁層、１０７は層間絶縁層、１１２は有機保護膜、１１３は画素電極である。
【００６８】
画素スイッチ５５の薄膜トランジスタのチャネル方向は、前記した半導体膜の周期方向に垂直な短軸方向であるため、長軸方向にチャネルが配置された薄膜トランジスタに比べ駆動力が小さくなっているものの、液晶の駆動には十分な性能を有している。一方、保持容量５６はコモン線６０に正の電圧を印加し、下部の半導体膜１０４にキャリアを誘起した状態で用いるため、半導体膜の移動度の大きい方向に電流方向を合わせることで、保持容量５６に接続される半導体膜の抵抗が低減され、より高速な動作ができる。図１８に示した構成例では、保持容量５６の下層の半導体膜１０４には、主に長軸方向に電流が流れるため、より粒径の大きい方向を長軸方向に合わせている。
【００６９】
図２０乃至図２５は図１９に示したアクティブ・マトリクス基板の製造工程の説明図である。先ず、図２０に示したように、ガラス基板１０１上にプラズマＣＶＤを用いてＳｉＮ下地膜１０２を１４０ｎｍの膜厚に、さらにＳｉＯ２  下地膜１０３を１００ｎｍの膜厚に、アモルファスＳｉ膜１１４を４０ｎｍの膜厚に順次堆積する。これを４００度で１０分のアニールによりアモルファスＳｉ膜の脱水素処理を行ったのち、パルスエキシマレーザを照射して結晶化する。結晶化の工程は、２μｍピッチの位相シフトマスクを用いて変調した１μｍ周期のレーザ光を当該レーザ光の変調周期方向にランダムに移動させて行う。１０ショットの照射を行って、周期方向に約１μｍの粒径を持つ結晶からなる図２１に示した多結晶Ｓｉ１１５とする。
【００７０】
ホトリソ工程を用いて多結晶Ｓｉ膜１１５を島状に加工した後、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｉｓｉｌａｎｅ）を用いたプラズマＣＶＤにより、ゲート絶縁膜１０５となるＳｉＯ２  膜を１３０ｎｍ厚に堆積する（図２２）。ゲート絶縁膜１０５上にゲートとなるＭｏＷ（モリブデン−  タングステン合金）  膜１０６を１５０ｎｍの膜厚にスパッタする。ＭｏＷ膜１０６の形成後、レジストを塗布し、マスク露光、現像を順次行ってレジストパタン１１６を形成する（図２３）。レジストをマスクとして、燐酸、硝酸、酢酸および水の混合液を用い、ＭｏＷ膜１０６をエッチングする。このとき、図２３に示すように、ＭｏＷ膜１０６がレジスト１１６から片側で１μｍ後退した形状にエッチングしてゲートとする。エッチング後、Ｎ型のドーパントとなるＰイオンを、レジストをマスクとして加速電圧６０ｋｅＶにて、平方センチあたり１０の１５乗のドーズ量で注入し、レジストで覆われていない領域のＳｉ膜にドープしてＮドープ領域１１７とし、図２３に示した構造とする。
【００７１】
レジスト除去後、図２４に示すように、ゲート６３をマスクとして、Ｐイオンを加速電圧７０ｋｅＶにて、平方センチあたり１０の１３乗のドーズ量で注入し、ゲート端に自己整合的に長さ１μｍのＬＤＤ６２を形成する。次に、図２５に示したように、ＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤにより厚さ５００ｎｍの層間絶縁膜１０７を形成したのち、４５０°Ｃで１時間のアニールを行って注入したＰイオンを活性化し、ソース又はドレイン６１を形成する。次に、フッ酸系のエッチング液またはフッ素系のドライエッチを用いたホトリソを行ってコンタクトホールを開口する。さらに、スパッタを用いて配線となるＭｏＷ膜１０８、Ａｌ合金膜１０９およびＭｏＷ膜１１０の積層膜をそれぞれ１００ｎｍ、４００ｎｍ、５０ｎｍの膜厚に順次堆積し、ウェットエッチを用いて配線６５に加工して図２５の構造を得る。
【００７２】
さらに、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＮからなる保護膜（パッシベーション膜）１１１を図１９に示すように３００ｎｍの膜厚に形成したのち、窒素中で４００°Ｃで３０分アニールし、Ｓｉ膜の欠陥およびＳｉ膜とゲート絶縁膜との界面の欠陥を終端する。その後、図１９に示した有機保護膜１１２を塗布、露光現像して画素電極１１３への接続孔であるスルーホールを形成したのち、反応性スパッタを用いて画素電極となるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）からなる透明導電膜を形成する。ホトリソ工程を用いて画素電極１１３を形成して、図１９の薄膜トランジスタが形成されたアクティブ・マトリクス基板を得る。さらに、画素電極の上層に液晶を配向させる配向膜を塗布し、ラビングまたは光照射により配向制御能付与処理したのち、カラーフィルタが形成された対向基板との間に液晶を封入して液晶表示装置が得られる。
【００７３】
本実施例では、Ｎ型の薄膜トランジスタの形成のみ示したが、薄膜トランジスタ回路を形成する場合に、必要な領域をレジストでマスクしたのち、Ｐイオンの代わりにＢ（ホウ素）イオンを注入する工程を追加し、Ｎ型とＰ型の両方の薄膜トランジスタが形成されたいわゆるＣＭＯＳ型の薄膜トランジスタ回路を備えたアクティブ・マトリクス基板とすることもできる。また、本実施例ではアクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板をガラス板としたが、この絶縁性基板はガラス板に限られることなく、プラスチックや絶縁処理した金属板などを用いることができる。
【００７４】
特に、レーザ光の照射により加熱されて熱膨張などを起こし、横方向の寸法誤差が大きくなりやすいプラスチック基板などに対しては、従来技術であるＳＬＳ法など精密な位置制御が必要な方法では合わせずれのために膜に欠陥が生じる可能性があるが、本発明による半導体薄膜の製造方法は位置合わせの必要がないためプラスチック基板などに対しても容易に適用できる。また、本発明の製造方法の実施例によれば、位相シフトマスクを用いないＥＬＡ法に比べて平均フルエンスを低減でき、またより少ないショット数で同等の結晶が得られるため、基板へのダメージを低減できる利点がある。
【００７５】
図２６は本発明の製造方法で製造したアクティブ・マトリクス基板を用いた有機発光素子による画像表示装置例の説明図である。有機発光素子を用いた画像表示装置（有機発光表示装置）も液晶表示装置と同様に、ガラス板等の絶縁性基板上に複数の交差配線と交差部付近に形成された画素を有している。図２６には、一画素の平面図を示した。なお、本実施例の有機発光素子は基板側から光を取り出す方式であり、最上面にＡＬ合金からなるカソードが形成されているが、図２６ではカソードは除いて示した。
【００７６】
図２７は図２６に示した有機発光素子の等価回路の説明図であり、図２６の参照符号と同一符号は同一部分に対応する。また、図２８は図２６のＣ−Ｄ線に沿った断面図である。図２８において、ガラス基板１０１上に本発明の製造方法により製造した長軸方向に周期性を有する半導体膜１０４を用い、ＬＤＤが形成されたＮ型の薄膜トランジスタ７２が形成されている。なお、ガラス基板１０１上の下地膜の参照符号は図示を省略してある。ガラス基板１０１には前記した本発明の製造方法による長軸方向に周期性を有する半導体膜を用い、チャネル方向と周期方向とが一致して形成されており、ゲート長が周期の自然数倍であるＰ型の薄膜トランジスタ７３が形成されている。Ｎ型の薄膜トランジスタ７２はゲート線５２の電圧によりオンとなって、データ線５３の信号電圧を保持容量５６に充電する。
【００７７】
充電後ゲート線の電圧によりＮ型の薄膜トランジスタ７２がオフとなり、保持容量５６に信号電圧が保持される。また、Ｐ型の薄膜トランジスタ７３には、透明電極７５が接続されており、透明電極７５上にはホール輸送層、発光層、電子輸送層を含む有機膜１１８からなる有機発光素子７４が形成され、さらに全面にＡｌ合金からなるカソード７６が蒸着されている。Ｐ型の薄膜トランジスタ７３のゲート６３には、保持容量５６に保持された電圧が印加されており、有機発光素子７４に流れる電流を，保持された電圧に応じた値に一定に制御して発光素子７４の発光量を調整する。
【００７８】
本発明の製造方法により製造されたアクティブ・マトリクス基板上の半導体膜は、前記周期方向に粒径が揃った膜であり、当該周期方向に電流を流す薄膜トランジスタを形成すると、その電流ばらつきを低減することができる。特に、該周期の整数倍の長さのチャネルを持った薄膜トランジスタを形成すると、チャネルに含まれる粒界の数が一定となり、均一度を向上できる。従って、有機発光素子を用いた画像表示装置のように、発光素子を駆動する薄膜トランジスタの電流ばらつきが画像表示ばらつきに影響する装置において、本発明による半導体膜をチャネルとし、該半導体膜の前記周期方向にチャネルを形成し、チャネル長を該周期の整数倍とした薄膜トランジスタを有機発光素子の駆動に用いることで表示画像の均一性が向上する効果がある。
【００７９】
なお、上記の実施の形態では、液晶表示装置と有機発光表示装置などの画像表示装置を構成するアクティブ・マトリクス基板の製造と、このアクティブ・マトリクス基板を用いた画像表示装置を例として説明したが、本発明はこれに限るものではなく、半導体膜ウエハ等の絶縁性基板を用いた各種の半導体装置にも同様に適用できることは言うまでもない。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したのように、本発明によれば、高性能の薄膜トランジスタ等の半導体装置を形成する半導体膜を、低コストで高スループットで形成でき、高性能なアクティブ・マトリクス基板などの半導体装置を低コストで製造することが可能となり、このアクティブ・マトリクス基板を構成部材として高画質の表示を可能とした画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法の実施例を説明する模式図である。
【図２】本発明で用いるレーザ光の強度分布例の説明図である。
【図３】本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法におけるレーザ光の走査方法の一例を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明によるアクティブ・マトリクス基板の製造方法におけるレーザ光走査時のレーザ光の強度分布と基板との相対的な位置関係の一例を模式的に示す説明図である。
【図５】パルスレーザ光を照射したときのアクティブ・マトリクス基板を構成する絶縁性基板上に成膜された半導体膜の溶融様子を説明する模式図である。
【図６】位相シフトマスクで強度変調したレーザ光を照射して結晶化した膜に再度位相シフトマスクで変調したレーザ光を照射する場合のシリコン半導体膜の断面と平面図の一例を説明する模式図である。
【図７】図６に示した構成でレーザ光を照射した後の結晶の断面と平面を責めいする模式図である。
【図８】長軸方向に周期とほぼ同じ粒径を持った多結晶膜に粒界を含まない単一の結晶粒を分割する形で融解しきい値を超えるレーザ光を照射する前の結晶の例を示す模式図である。
【図９】長軸方向に周期とほぼ同じ粒径を持った多結晶膜に粒界を含まない単一の結晶粒を分割する形で融解しきい値を超えるレーザ光を照射した後の結晶の例を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例により形成される多結晶半導体膜の粒界と突起の配置の例を示す模式図である。
【図１１】本発明の製造方法を用いて得たシリコン半導体膜の一例を説明する顕微鏡写真である。
【図１２】図１１の写真における粒界と突起をスケッチして示す模式図である。
【図１３】互いに異なる周期性を持ったレーザ光を照射して半導体膜を製造する工程例の説明図である。
【図１４】互いに異なる周期性を持ったレーザ光を照射して半導体膜を製造する他の工程例の説明図である。
【図１５】本発明の製造方法の他の実施例における互いに垂直な方向に周期性をもったレーザ光を順次照射して形成したシリコン半導体膜の一例を説明する顕微鏡写真である。
【図１６】図１５の写真における粒界と突起ををスケッチして示す模式図である。
【図１７】本発明の製造方法で多結晶化した半導体膜に形成した薄膜トランジスタを有する液晶表示装置用のアクティブ・マトリクス基板上の回路配置の実施例を模式的に説明する平面図である。
【図１８】本発明の製造方法による半導体薄膜を用いて形成した液晶表示装置に用いる半導体装置の一画素部分の構成例を模式的に説明する平面図である。
【図１９】図１８の破線Ａ−Ｂに沿った断面図である。
【図２０】図１９に示したアクティブ・マトリクス基板の製造工程の説明図である。
【図２１】図１９に示したアクティブ・マトリクス基板の図２０に続く製造工程の説明図である。
【図２２】図１９に示したアクティブ・マトリクス基板の図２１に続く製造工程の説明図である。
【図２３】図１９に示したアクティブ・マトリクス基板の図２２に続く製造工程の説明図である。
【図２４】図１９に示したアクティブ・マトリクス基板の図２３に続く製造工程の説明図である。
【図２５】図１９に示したアクティブ・マトリクス基板の図２４に続く製造工程の説明図である。
【図２６】本発明の製造方法で製造したアクティブ・マトリクス基板を用いた有機発光素子による画像表示装置例の説明図である。
【図２７】図２６に示した有機発光素子の等価回路の説明図である。
【図２８】図２６のＣ−Ｄ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１・・・・パルスレーザ光、２・・・・アモルファスシリコン半導体膜、３・・・・多結晶シリコン半導体膜、４・・・・位相シフトマスク、５・・・・ステージ、６・・・・基板、７・・・・ミラー、８・・・・シリンドリカルレンズ、１１・・・・短軸幅、１２・・・・長軸幅、１３・・・・レーザ光照射位置、１４・・・・照射間隔、１５・・・・レーザフルエンス最大位置、１６・・・・変動範囲、２１・・・・マスク周期、２２・・・・レーザ変調周期、２３・・・・融解しきい値、２４・・・・融解領域、２５・・・・非融解領域、３１・・・・粒界、３２・・・・結晶粒、３３・・・・突起、３４・・・・結晶粒、３５・・・・結晶粒、３６・・・・突起、３７・・・・周期、３８・・・・突起列、３９・・・・突起列、４０・・・・ずれ、４１・・・・位相シフトマスク、４２・・・・多結晶シリコン半導体膜、４３・・・・周期方向、４４・・・・位相シフトマスク、４５・・・・多結晶シリコン半導体膜、４６・・・・照射位置移動量、５１・・・・基板、５２・・・・ゲート線、５３・・・・データ線、５４・・・・画素、５５・・・・画素スイッチ、５６・・・・保持容量、５７・・・・液晶、５８・・・・ゲート線ドライバ、５９・・・・データ線ドライバ、６０・・・・コモン線、６１・・・・ソースまたはドレイン、６２・・・・ＬＤＤ、６３・・・・ゲート、６４・・・・チャネル、６５・・・・配線、７１・・・・電源線、７２・・・・Ｎ型薄膜トランジスタ、７３・・・・Ｐ型薄膜トランジスタ、７４・・・・有機発光素子、７５・・・・透明電極、７６・・・・カソード、１０１・・・・ガラス基板、１０２・・・・ＳｉＮ下地膜、１０３・・・・ＳｉＯ２  下地膜、１０４・・・・半導体薄膜、１０５・・・・ゲート絶縁膜、１０６・・・・ＭｏＷ膜、１０７・・・・層間絶縁膜、１０８・・・・ＭｏＷ膜、１０９・・・・Ａｌ合金膜、１１０・・・・ＭｏＷ膜、１１１・ＳｉＮ保護膜、１１２・・・・有機保護膜、１１３・・・・画素電極、１１４・・・・アモルファスシリコン半導体膜、１１５・・・・多結晶シリコン半導体膜、１１６・・・・レジストパタン、１１７・・・・Ｎドープ領域、１１８・・・・有機膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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