(57)【要約】【課題】低いプロセス温度、高スループット且つ低コストで単結晶ライクなシリコン膜を形成する。【解決手段】半導体層上に第一絶縁層、島状に整形された光吸収層、第二絶縁層を設け、波長１μｍ付近にピーク波長を有する複数の線状ランプ光源から発した光を集光しスキャンする事により半導体の結晶成長をおこなう。【選択図】　図１
2004128261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体層上に第一絶縁層を形成する工程と、該第一絶縁層上に少なくともＷ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかの材料を含有する光吸収層を形成する工程と、該光吸収層を複数の島状領域にパターニングする工程と、赤外領域に出力ピーク波長を有する光源と前記基板とを相対的に移動させながら該光源からの照射光を前記光吸収層に照射することによって前記半導体層を結晶化させる工程と、を少なくとも具備する半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記光照射は、不活性ガス雰囲気中にておこなう請求項１記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して片側１５°〜７５°の角度を成す一対のＶ字型斜辺により挟まれた形状である、請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して第一の幅を有する領域１と、第一の幅より大きい第二の幅を有する領域２からなり、前記領域１と前記領域２は、照射光が基板と相対的に移動する方向に向かって片側１５°〜６０°のいずれかの角度を成す斜線で結ばれる接続領域によりなる、請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記光吸収層の島状領域下に形成された半導体層を能動層として用い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６】
請求項５に記載の方法により製造された薄膜トランジスタを表示画素の駆動素子として備える、電気光学装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電気光学装置を備える、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶半導体基板上あるいは絶縁体上に形成される半導体薄膜、薄膜トランジスタ、およびこれにより形成したロジック回路、メモリ回路、液晶表示装置および有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）表示装置の表示画素または表示装置駆動回路の構成素子として利用される薄膜トランジスタの製造方法および絶縁体上に形成される太陽電池の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の半導体薄膜は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や太陽電池に広く利用されている。とりわけｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは、キャリア移動度が高い上、ガラス基板のような透明の絶縁基板上に作製できるという特徴を生かして、液晶表示装置、液晶プロジェクターや有機ＥＬ表示装置などのスイッチング素子、或いは液晶駆動用ドライバの回路素子として広く用いられている。
【０００３】
ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作製する方法としては高温プロセスと呼ばれている製造方法がすでに実用化されている。ＴＦＴの製造プロセスの中でも、最高温度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シリコンの固相成長により比較的良質の多結晶シリコンを成膜する事ができる点、シリコンの熱酸化により良質のゲート絶縁層を得ることができる点、及び清浄な多結晶シリコンとゲート絶縁層との界面を形成できる点である。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造することができる。しかし、高温プロセスでは固相成長によりＳｉ膜の結晶化をおこなうために、６００℃程度の温度で４８時間程度の長時間の熱処理を必要とする。これは大変長時間の工程であり、工程のスループットを上げるためには必然的に熱処理炉を多数必要とし、低コスト化が難しいという点が課題である。加えて、耐熱性の高い絶縁性基板として石英ガラスを使わざるを得ないため基板価格が高く、大面積化には向かないとされている。
【０００４】
一方、工程温度を下げ、安価な大面積ガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを作製するための技術が低温プロセスと呼ばれる技術である。ＴＦＴの製造プロセスの中でも、最高温度が概ね６００℃以下の温度環境下において比較的安価な耐熱性ガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを製造するプロセスは一般に低温プロセスと呼ばれている。低温プロセスでは発振時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の結晶化をおこなうレーザー結晶化技術が広く使われている。レーザー結晶化とは、基板上のシリコン薄膜に高出力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用する技術である。最近ではガラス基板上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザービームを繰り返し照射しながらスキャンすることによって大面積のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を作製する技術が広く使われるようになった。また、ゲート絶縁層としてはプラズマＣＶＤを用いた成膜方法により二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が大面積基板上に成膜可能となった。これらの技術によって、現在では一辺が数十センチほどもある大型のガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴが作製可能となっている。
【０００５】
しかし、この低温プロセスで問題となるのは能動層となる半導体層（ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜）をレーザー結晶化により形成した場合、結晶粒径が高々０．５ミクロンと小さいため、このｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を用いて作製したＴＦＴの閾値電圧が高く移動度が低い事である。またエキシマレーザー結晶化法では結晶化したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の表面に膜厚の３０から４０％相当の高さの凹凸が発生するという問題が有った。これは結晶成長核から成長した結晶同士が衝突する結晶粒界で発生する。この突起部分ではゲート絶縁膜厚が実効的に薄くなるため絶縁耐圧が低くなり、特に薄いゲート絶縁膜を有するＴＦＴでは大きな課題となっていた。加えて、レーザー結晶化工程に広く使われているエキシマレーザーはガスレーザーであるためパルス間のエネルギー安定性が低く、ＴＦＴ素子バラツキを低減するのが難しいという課題を有する。さらにエキシマレーザーは装置単価が高く、レーザーチューブ（発振器）の交換によるランニングコストが高く、またスループットも低いので、製品の製造コストを下げられないという課題を抱えていた。
【０００６】
以上のような課題を解決するための手段として、以下のような従来技術がある。
【０００７】
特許文献１では絶縁板の一主面上に半導体膜を被着する工程、前記半導体膜上に絶縁膜を被着する工程、該絶縁膜上に光吸収層を被着する工程を含み、光吸収層上からレーザー照射し加熱することにより半導体層の結晶化をおこなう技術が開示されている。
【０００８】
特許文献２では非単結晶半導体層上に熱抵抗層を介してエネルギー吸収層を設け、該エネルギー吸収層をエネルギー線照射により昇温せしめることにより前記熱抵抗層を介して該半導体層を加熱溶融して単結晶化する技術が開示されている。
【０００９】
特許文献３では絶縁層上に非単結晶半導体よりなる半導体領域を配設し、少なくとも前記半導体領域及びその近傍を被覆する皮膜を形成し、前記皮膜にエネルギー線を照射して該皮膜を加熱することにより前記半導体領域の非単結晶半導体を融解して単結晶化する技術が開示されている。
【００１０】
特許文献４では絶縁性基板上に再結晶される非晶質または多結晶の化合物半導体層を設ける工程、この化合物半導体層上に化合物半導体より高い融点を有する加熱層を設ける工程、およびエネルギー線を上記加熱層に照射し吸収させ、上記加熱層の熱を伝導して上記化合物半導体層を加熱し再結晶する工程を施す半導体装置の製造方法が開示されている。
【００１１】
特許文献５では部分的に単結晶シードに接した非単結晶半導体層が絶縁膜上に設けられ、該非単結晶半導体層が分離層を介して設けられたエネルギー線吸収層によって被覆された試料の該エネルギー線吸収層にエネルギー線を照射して加熱し、これを熱源としたヒートフローにより、該非単結晶半導体層を溶融し、前記単結晶シードから横方向にエピタキシャル成長させることにより、該非単結晶半導体層を単結晶化する工程が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法が開示されている。
【００１２】
特許文献６では絶縁物基体上に熱伝導層として寄与する第一の層を設け、該第一の層上に単結晶化しようとする半導体島状領域を形成し、次いで該半導体島状領域の上表面及び側面を覆いエネルギー線吸収体として寄与する第２の層を形成し、該第２の層上からエネルギー線を照射して該半導体島状領域を単結晶化する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が開示されている。
【００１３】
特許文献７では、少なくともその表面がアモルファス絶縁層で覆われた基板上に多結晶あるいは非晶質半導体膜を形成する工程と、該基板上に光吸収係数の異なる少なくとも２種類のアモルファス絶縁膜を形成する工程と、この基板に前記半導体が吸収できる波長成分を持つ光を照射するとともに、電子線を照射することにより、前記半導体膜を溶融再結晶させる肯定を含むことを特徴とする単結晶半導体薄膜の製造方法が開示されている。
【００１４】
特許文献８では、基板上にアニールされるべき半導体層を形成し、該半導体層上に高融点金属膜を形成するに際して、半導体層と高融点金属膜との間に中間層を形成しておき、半導体層上に中間層、高融点金属膜を形成後、半導体層をアニールするためのエネルギービームを高融点金属膜側から照射するようになっていることを特徴とする半導体結晶層の製造方法が開示されている。
【００１５】
特許文献９では、光照射により薄膜を熱処理するようにした薄膜の熱処理方法において、上記薄膜を加熱層上に積層した構造体を形成した後、上記薄膜に対して実質的に透明でかつ上記加熱層によって吸収される第１の波長を有する第１の光を上記構造体に照射し、次いで上記薄膜によって吸収される第２の波長を有する第２の光を上記構造体に照射するようにしたことを特徴とする薄膜の熱処理方法が開示されている。
【００１６】
特許文献１０では、絶縁基板上に光反射膜を形成する工程、該反射膜上にバッファ層を形成する工程、該バッファ層上に非晶質シリコン膜を形成する工程、該非晶質シリコン膜にランプ光を極短時間で複数回照射させ該シリコン膜を溶融結晶化させることにより多結晶シリコン膜を形成する技術が開示されている。
【００１７】
以上のような技術を用いることにより絶縁基板上であっても結晶粒径が１ミクロン以上のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成することが可能となるのでＴＦＴの能動層領域内の結晶粒界を劇的に低減でき、結果としてＴＦＴの性能を向上させることができる。
【００１８】
【特許文献１】
特開昭５７−１１３２１７
【特許文献２】
特開昭５９−１５８５１５
【特許文献３】
特開昭５９−２０５７１２
【特許文献４】
特開昭６０−１８９１３
【特許文献５】
特開昭６０−１２６８１５
【特許文献６】
特開昭６０−２３１３１９
【特許文献７】
特開昭６１−３００２５
【特許文献８】
特開平４−３３２１２０
【特許文献９】
特開平６−２９１０３４
【特許文献１０】
特開平８−５１０７６
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術は照射光源の光エネルギーの吸収層による吸収効率が低かったため、汎用のハロゲンランプ等低価格の光源から発する光で吸収層温度を十分に上昇させる事が難しかった。加えて従来技術を大面積基板上に形成したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の熱処理に適用することができないという課題を有していた。さらには結晶成長において発生する結晶粒界の位置はランダムであったため、ＴＦＴの能動層に結晶粒界があるものとないものとで特性のバラツキが発生するという重大な課題があった。これら課題の主たる原因は光吸収層にふさわしい材料、吸収層の膜構造や形状が不明確であり、結晶成長時の結晶粒界制御ができなかったことである。結果として、安価なガラス基板上へ大粒径の高品質なｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成する事およびＴＦＴのバラツキ制御が不可能であった。
【００２０】
そこで本発明は上述の諸課題を鑑み、安価な照射光源をもちいつつ結晶粒界発生が制御されたｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を大面積に形成する技術を開示し、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴおよび回路の特性向上とバラツキ低減を実現する半導体薄膜及び薄膜トランジスタの製造方法、更にはこれを用いた電気光学装置及び電子機器を低コストで提供する技術を与えるものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板上に形成された半導体層上に第一絶縁層を形成する工程と、該第一絶縁層上に少なくともＷ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかの材料を含有する光吸収層を形成する工程と、該光吸収層を複数の島状領域にパターニングする工程と、赤外領域に出力ピーク波長を有する光源と前記基板とを相対的に移動させながら該光源からの照射光を前記光吸収層に照射することによって前記半導体層を結晶化させる工程と、を少なくとも具備する。前記材料を光吸収層として用いることにより、安価で大出力が得られるハロゲンランプのピーク出力である赤外域の光がもっとも効率的に吸収されるとともに、結晶成長領域および結晶粒界位置を光吸収層の形状により制御することが可能となるので、大面積に高品質ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成することができる。
【００２２】
好ましくは前記光照射は不活性ガス中にておこなう。これにより酸化防止のための絶縁層を設ける工程を増やすことなく、光吸収層の酸化を防ぐ事ができるので工程が簡単である。
【００２３】
好ましくは、前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して片側１５°〜７５°の角度を成す一対のＶ字型斜辺により挟まれた形状におこなわれる。ここで片側の角度とは図１２（ａ）に示す角度４０６に相当する。しかる光吸収層形状により、結晶粒界の発生を制御しうる。
【００２４】
好ましくは前記光吸収層の島状領域の形状は、照射光が基板と相対的に移動する方向に対して第一の幅を有する領域１と、第一の幅より大きい第二の幅を有する領域２からなり、前記領域１と前記領域２は、照射光が基板と相対的に移動する方向に向かって片側１５°〜６０°のいずれかの角度を成す斜線で結ばれる接続領域によりなる。ここで片側の角度とは図１２（ｂ）に示す角度４１５に相当する。この方法によっても結晶粒界の発生とＳｉ結晶の面方位を制御できるので高品質のＳｉ膜を提供できる。
【００２５】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、前記光吸収層の島状領域下に形成された半導体層を能動層として用いる。かかる方法により結晶粒界の制御された高品質Ｓｉ膜領域を選択的に能動層に用いることが可能となるので、高移動度の薄膜トランジスタをバラツキ少なく提供することができる。
【００２６】
本発明の電気光学装置は、上記の方法により製造された薄膜トランジスタを表示画素の駆動素子および周辺回路の構成素子として備える。これによりＬＣＤや有機ＥＬ表示装置にメモリーや指紋センサー、更には演算機能を有する回路群を備えることが可能となり、より高機能な表示装置を提供することができる。
【００２７】
本発明の電子機器は、上記の電気光学装置を備える。このような電子機器として、例えば、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、プロジェクタ、ファックス装置、デジタルカメラ、携帯型テレビ、携帯情報端末、電子手帳、多機能カードなどが好適である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１に本発明の半導体薄膜製造工程断面図を示す。
【００２９】
（１．半導体層の形成）
本願発明の実施のためには通常、基板（１００）の上に下地保護膜（１０１）を形成しその上に半導体薄膜（１０２）を形成するので、この一連の形成方法について説明する。
【００３０】
本発明を適応し得る基板（１００）としては金属等の導電性物質、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック材料、溶融石英やガラス等の透明または非透明絶縁性物質、シリコン、ゲルマニウムウェーハー等の半導体物質、並びにそれを加工したＬＳＩ基板等が可能である。半導体膜は基板上に直接、又は下地保護膜や下部電極等を介して堆積する。
【００３１】
下地保護膜（１０１）としては酸化硅素膜（ＳｉＯＸ：０＜ｘ≦２）や窒化硅素膜（Ｓｉ３Ｎｘ：０＜ｘ≦４）等の絶縁性物質が挙げられる。ＴＦＴなどの薄膜半導体装置を通常のガラス基板上に作成する場合の様な半導体膜への不純物制御が重要である時、ガラス基板中に含まれているナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）等の可動イオンが半導体膜中に混入しない様に下地保護膜を形成した後に半導体膜を堆積する事が好ましい。金属材料などの導電性材料を基板として用い、且つ半導体膜が金属基板と電気的に絶縁されていなければならない場合には、絶縁性を確保する為に当然下地保護膜は必要不可欠である。更に半導体基板やＬＳＩ素子上に半導体膜を形成する時にはトランジスタ間や配線間の層間絶縁膜が同時に下地保護膜でもある。
【００３２】
下地保護膜はまず基板を純水やアルコールなどの有機溶剤で洗浄した後、基板上に常圧化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）等のＣＶＤ法或いはスパッター法等で形成する。　下地保護膜として酸化硅素膜を用いる場合、常圧化学気相堆積法では基板温度を２５０℃程度から４５０℃程度としてモノシラン（ＳｉＨ４）や酸素を原料として堆積し得る。プラズマ化学気相堆積法やスパッター法では基板温度は室温から４００℃程度である。下地保護膜の膜厚は基板からの不純物元素の拡散と混入を防ぐのに十分な厚さが必要で、その値は最小で１００ｎｍ程度以上である。ロット間や基板間のばらつきを考慮すると２００ｎｍ程度以上が好ましく、３００ｎｍ程度あれば保護膜としての機能を十分に果たし得る。下地保護膜がＩＣ素子間やこれらを結ぶ配線等の層間絶縁膜を兼ねる場合には、通常４００ｎｍから６００ｎｍ程度の膜厚となる。絶縁膜が余りにも厚くなると絶縁膜のストレスに起因するクラックが生ずる。その為最大膜厚は２μｍ程度が好ましい。生産性を考慮する必要が強い場合、絶縁膜厚は１μｍ程度が上限である。
【００３３】
次に半導体薄膜（１０２）について説明する。本発明が適用される半導体膜としてはシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の四族単体の半導体膜の他に、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉｘＧｅ１−ｘ：０＜ｘ＜１）やシリコン・カーバイド（ＳｉｘＣ１−ｘ：０＜ｘ＜１）やゲルマニウム・カーバイド（ＧｅｘＣ１−ｘ：０＜ｘ＜１）等の四族元素複合体の半導体膜、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）やインジウム・アンチモン（ＩｎＳｂ）等の三族元素と五族元素との複合体化合物半導体膜、またはカドミウム・セレン（ＣｄＳｅ）等の二族元素と六族元素との複合体化合物半導体膜等がある。或いはシリコン・ゲルマニウム・ガリウム・ヒ素（ＳｉｘＧｅｙＧａｚＡｓｚ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）と云った更なる複合化合物半導体膜やこれらの半導体膜にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などのドナー元素を添加したＮ型半導体膜、或いはホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のアクセプター元素を添加したＰ型半導体膜に対しても本発明は適応可能である。これら半導体薄膜はＡＰＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法、或いはスパッター法等や蒸着法等のＰＶＤ法で形成する。半導体膜としてシリコン膜を用いる場合、ＬＰＣＶＤ法では基板温度を４００℃程度から７００℃程度としてジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）などを原料として堆積し得る。ＰＥＣＶＤ法ではモノシラン（ＳｉＨ４）などを原料として基板温度が１００℃程度から５００℃程度で堆積可能である。スパッター法を用いる時には基板温度は室温から４００℃程度である。この様に堆積された半導体膜の初期状態（ａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ状態）は非晶質や混晶質、微結晶質、或いは多結晶質等様々な状態があるが、本願発明において初期状態はいずれの状態であっても構わない。尚本願明細書中では非晶質の結晶化のみならず、多結晶質や微結晶質の再結晶化をも含めて総て結晶化と呼ぶ。半導体膜の膜厚はそれをＴＦＴに用いる時には２０ｎｍ程度から１００ｎｍ程度が適している。
【００３４】
（２．第一絶縁層の形成）
次に前記半導体層上に第一絶縁層（１０３）を形成する。この絶縁層の役割は次の工程で形成する光吸収層（１０４）と半導体層（１０２）を分離することにある。後の熱処理工程で光吸収層から半導体層への不純物の拡散を防ぐために、この絶縁層には酸化硅素膜（ＳｉＯＸ：０＜ｘ≦２）や窒化硅素膜（Ｓｉ３Ｎｘ：０＜ｘ≦４）等の絶縁性物質が適用しうる。第一絶縁層の形成は、半導体層上の自然酸化膜をフッ酸でエッチングし、純水洗浄した後、ＡＰＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法或いはスパッター法等で形成する。絶縁層として酸化硅素膜を用いる場合、常圧化学気相堆積法では基板温度を２５０℃程度から４５０℃程度としてＳｉＨ４や酸素を原料として堆積し得る。ＰＥＣＶＤ法やスパッター法では基板温度は室温から４００℃程度である。第一絶縁層の膜厚は光吸収層からの不純物元素の拡散と混入を防ぐのに十分な厚さが必要である一方、半導体層への光吸収層からの熱伝導が効率的におこなえる程度の厚みであることが条件である。このため絶縁層の膜厚には自ずと最適範囲が存在し、その値は最小で５０ｎｍ程度であり、最大で熱拡散長と同程度の１μｍ程度である。
【００３５】
（３．光吸収層の形成）
次に第一絶縁層（１０３）上に光吸収層（１０４）を形成する。この光吸収層は次の工程で照射する光を効率的に吸収し、これによる発熱と熱伝導により半導体層温度を高温に上昇せしめるという役割を有する。したがって照射する光の波長領域と、その波長領域における反射率、吸収係数の関係および耐熱性が重要となる。このような目的には高融点金属材料が好適である。金属中には高濃度のフリーキャリア（電子）が存在するため、照射光の反射成分以外は完全に吸収される。このため金属薄膜によって効率的に光吸収をさせるためには反射率の低い高融点金属薄膜を用いることが重要となる。図２に種々の高融点金属膜の反射率スペクトルを示す。後述するように本発明では比較的安価で高出力が得られるハロゲンランプを光照射の光源として用いるので、その出力ピーク波長である赤外域、特に波長１μｍ付近の反射率が低い材料が光吸収層として適している。図２からわかるように、同波長における反射率はＴａ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗの順で徐々に低くなる。このような光学的性質に加えて、光吸収層は熱処理によってクラックが発生しない材料である事が要求される。よって、前述のＴａ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗを少なくとも含有する合金（例えばシリサイド）を用いるか、あるいはこれら金属や金属合金の積層構造とするのが有効である。
【００３６】
吸収層の厚みは、製造工程のタクトタイム短縮のためには薄い方が好ましいが、照射光を十分吸収しうる厚みが最低限必要となる。図３はＣｒとＷを吸収層に用いた場合の波長１μｍにおける反射率の膜厚依存性を示したものである。どちらの材料においても膜厚が５０ｎｍ以下では反射率が非常に小さくなっている。これは膜が薄すぎるため、照射光を吸収しきれず透過成分が発生しているためである。５０から１００ｎｍの膜厚では膜下面から反射してきた光と膜表面で反射した光の干渉効果により反射率が上昇を示している。これからわかるように、照射光を十分吸収しかつ安定した反射率を実現するためには光吸収層の膜厚は１００ｎｍ以上、より望ましくは１５０ｎｍ以上であることが重要である。
【００３７】
これら材料を光吸収層として絶縁層上に形成する方法としては真空蒸着法やスパッタリング法がある。これら材料は高融点金属なのでスパッタリング方が最も有効で、大面積に高速で成膜しうるという点においてもスパッタリング法が有利である。
【００３８】
次に、斯様にして形成した光吸収層を所望の形状を有する島状領域（１０４）に整形する。これは光照射にともなう結晶成長時に、結晶成長の起点となる場所を制御する目的で行う。その形状としては例えば後述するように図１２に示すような光吸収層の形状にパターニングするのが有効である。光吸収層を島状領域に整形しないと、半導体層を結晶化する際に任意の場所に結晶粒界が走るので、このようなｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をＴＦＴの能動層として用いると、ある確率で結晶粒界のないＴＦＴとあるＴＦＴが出来てしまい、これがバラツキの原因となる。本発明の光吸収層の整形により、光吸収層下のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜はほぼ単結晶となり、結晶粒界が全く存在しない領域（１０９）を形成する事が出来る。加えて、Ｓｉ結晶の面方位制御が可能となる。光吸収層下にあるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜は結晶粒界が存在しないが、その周辺領域は結晶粒径が小さく、数多くの結晶粒界が存在するので、ＴＦＴを作製するときは光吸収層下に形成された単結晶的ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の部分を利用する。これにより高性能ＴＦＴを制御性よく作製する事が可能となる。
【００３９】
（４．第二絶縁層の形成）
斯様にして形成した光吸収層上に、第二絶縁層（１０５）を形成する。この第二絶縁層には重要な役割が二つある。
【００４０】
一つは光照射により吸収層の温度が上昇することによって光吸収層が酸化するのを防ぐ役割である。光照射により吸収層は１０００℃以上の温度に容易に上昇し、この処理を大気中でおこなうと大気中の酸素と光吸収層の金属が反応して酸化物を形成する。金属酸化物は光学的に透明になってしまうので処理中に光吸収層の光吸収効率が著しく低下してしまい、半導体層の温度を上昇させることができない、あるいは処理の再現性が確保できないという問題を生じる。第二絶縁層を設けることにより大気と光吸収層を遮断できるので、このような処理中の光吸収層の酸化という問題を完全に防止することができる。第二絶縁層を設けない場合、光照射処理を不活性ガス雰囲気中でおこなうのも有効である。この方法は第二絶縁層を形成する工程を増やすこと無く光吸収層の酸化を防止できるという長所を有する。
【００４１】
二絶縁層のもう一つの役割は、反射防止膜効果により光吸収層の反射率を低減することである。図４にＣｒおよびＷを光吸収層に用い、第二絶縁層としてＳｉＯ２膜（ｎ＝１．４７）を用いた場合の波長１μｍの光の反射率の第二絶縁層膜厚依存性を示す。本発明に好適な光吸収層は金属膜であるため空気との屈折率差がおおきい。よって光吸収層による反射率を低減するためには金属膜より屈折率（ｎ）が空気に近い層を設けるのが極めて有効である。反射防止膜は干渉効果により反射率を下げるものであるから、図４からわかるように光吸収層上の第二絶縁層膜厚によりその反射率は周期的に変化する。当然反射防止膜として機能する条件の膜厚はいくつか有るが、成膜時間が短い最小膜厚が工程タクト短縮のために最も好ましい。第二絶縁膜の材料として何を用いるかにも依存するが、このような条件としておおむね５０から２５０ｎｍの膜厚が好ましい。これにより例えばＷを光吸収材料として用いた場合、第二絶縁層として１４０から１５０ｎｍのＳｉＯ２膜を形成すれば反射率を４８％から２０％未満へと劇的に低下することができ、照射光の光吸収層への効率的吸収の上で極めて効果的である。
【００４２】
（５．光照射）
以上のようにして形成した積層構造に光照射をおこなう。先にも述べたように照射光は光吸収層に効率的に吸収されることが求められるので、そのスペクトルが重要である。換言すればどのような種類の光源を用いるかがその光源の波長を大きく左右する。本発明に適用し得る光源としてはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、水銀ランプ、Ｘｅランプ、アークランプ等がある。大面積での処理を可能にするためにはランプ出力が高く、またランプ交換によるランニングコストが低いことが要求される。このような理由から本発明の光源としてはハロゲンランプが最も適している。ハロゲンランプは種々のものが有るが、ピーク波長を１μｍ付近に有し、出力も８ｋＷ以上を容易に達成し得る。また有効光源長さが４００ｍｍの線状ランプ光源１本の値段は高々１０万円程度であり、エキシマレーザーチューブ１本１５００万円と比較すると非常に安価である。
【００４３】
本発明では例えば長さ４００ｍｍの線状のハロゲンランプ２本（１１１）を並行にならべ、各々の光源から発した光を放物面を有する反射鏡（１１２）で被処理基板上に集光（１０６）する方法を用いる。図１にはこのランプユニット（１１０）の断面構造が模式的に示してある。放物面（１１２）は金によりコーティングしてあり、図に示すように２つのハロゲンランプ光源（１１１）からの光は効率的に基板上の同一箇所に集光される。このとき放物面（１１２）の一つの焦点位置に線状光源の中心（１１１）が位置し、他方の焦点位置が光吸収層上の集光点（１１６）となるような配置とする。よって２本のランプ光源それぞれの反射光学系の楕円面は一つの焦点を光吸収層上の集光点（１１６）で共有する配置となる。これにより複数の光源から発生した光を最も効率的に集光することができる。
【００４４】
本発明の反射光学系と光源の相対的位置は１０μｍオーダーで調整する必要がある。このためには線状光源の両端にある支持部分に２軸可動なマイクロメータを設けて調整するのが有効である。各線状光源の中心位置と反射光学系の楕円面が理想的位置関係となっていれば光吸収層上に集光される照射光の短軸方向は図５の５１０に示すようなガウス分布的分布を示す。これが数１０μｍずれると２つのピークをもつ分布となり、本来の光照射条件より広がった領域への光照射をおこなうことになってしまう。これは基板温度を上昇させてしまう結果となるので、本発明の低温プロセスへの適用上問題となる。よって前述のようにマイクロメータを用いて微妙な調整をおこない理想的な照射光分布を用いて光照射をおこなうのが重要である。特にハロゲンランプなどではランプ投入パワーを上昇させると実効的ランプ中心点がわずかにずれるので、この状態でのランプ位置調整をおこなうことが実用上重要となる。
【００４５】
本例では２本の線状光源を用いた場合を示したが、これまで述べたような光学配置は当然３本以上の線状光源を集光する場合にも適用しうる。しかしながら光源数が増えると光吸収層に入射する光の斜め方向性分が増え反射率が増加することと、反射光学系の配置に制限が増えるため各光源からでる光の利用効率が下がるので、実用上は２本の光源がもっとも光利用効率が高い。
【００４６】
また集光箇所以外の基板上に照射される光を遮るために、遮光スリット（１１５）を設けることが有効である。本発明を低温プロセスに適用するためには、後述するように光吸収層上の狭い領域にいかに光を集光し、高パワーの光照射領域を形成するかが重要である。これ以外の領域へ漏れ光が照射されると基板温度を不用意に上昇させてしまうので、光照射時に光吸収層・半導体層のみでなく基板温度までも上昇させる結果となる。これを防止するためには反射光学系と光吸収層の間にスリットを設け、前記漏れ光を完全に遮断するのが有効である。
【００４７】
以上のようにしてランプ光を基板上に極めて細い線状に集光した状態で連続的に照射しながら１１４のように基板とランプユニットを相対的に移動させ処理をおこなう。これにより光吸収層のランプ光集光部分（１０７）では急激に温度が上昇し、第一絶縁層を介して拡散した熱は半導体層を局所的に昇温せしめる（１０８）。照射条件を適当に選ぶことにより半導体層の被処理部分１０８の温度は融点以上に達し、溶融する。この溶融部分１０８はランプユニットの移動と共に１１４の方向に移動していくので、その後方には溶融後の冷却過程で連続横方向結晶成長により結晶化した大粒径ｐｏｌｙ−Ｓｉ（１０９）が形成される。このようにして高品質のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を低コストで容易に提供することができるのである。
【００４８】
本発明のランプユニットでは２本のハロゲンランプの中間位置に放射温度計（１１３）を有し、測定範囲が広がらないように筒状のコリメータまたはレンズを前面に有する。この位置で基板温度測定をすることは、ランプ光源から発する赤外光が直接放射温度計に入り異常に高い温度を示してしまうという問題を回避でき、基板温度を正確に測定できるという利点を有する。これにより被処理基板の温度を測定し、ランプ出力にフィードバックをかけることにより安定したランプ照射処理が可能となり、結果としてえられるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の品質を安定化できるという利点を有する。
【００４９】
ハロゲンランプの長軸方向には上記反射光学系が筒状に形成されており、結果として図５に示すようなライン状で且つ基板上に集光した光照射により大面積の処理が可能となる。図５では前記ライン状照射光（５００）を基板（１００）に照射しながらスキャン（５０５）させる様子を示す。先に述べたように、ハロゲンランプでは容易に４００ｍｍのライン状光源を構成しうるので、例えば４００ｍｍ×５００ｍｍの大型基板に対して、４００ｍｍの辺とハロゲンランプの長軸方向を平行にして１回スキャンをおこなうことによって、この大面積基板上に大粒径の高品質ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成しうるのである。例えばランプユニットを１０ｍｍ／ｓの速度で移動させながら処理した場合、わずか５０秒で基板全面の処理が完了するので、本発明の半導体薄膜の製造方法は製造装置コストが低いだけでなく、工程のスループットも高いので、安価で高性能な薄膜トランジスタを提供することが可能である。
【００５０】
次に具体的なランプ照射条件について述べる。図５に示すようにランプ光を集光して基板に照射した場合、基板（光吸収層）上（５０３）でのランプ光の強度分布は典型的には５０１に示すようにガウス分布的形状となる。本発明に好適な照射光形状は、この空間分布の半値幅が１から１０ｍｍ程度である。この照射光を一定速度で基板上をスキャンすると、基板上の任意点（例えば５０４）に照射される光パワーの時間的変化はスキャン速度が速いと５１１のような照射プロファイルになるし、逆に遅いと５１２のような照射プロファイルとなる。本発明の光照射では、照射プロファイルのピークパワーと照射時間（本明細書中では照射プロファイルの半値全幅を照射時間と定義する）が重要であり、例えば図６には照射ピークパワー５００Ｗ／ｃｍ２、照射時間６００ｍｓの条件で光照射をおこなった場合の光吸収層・半導体層および各基板深さ位置における温度変化を示している。ここで照射光プロファイルはガウス分布に近い形状である台形型を用いて代用し、また光吸収層はＷとし、第二絶縁層を設けることにより実効反射率２５％である場合を示している。ここで考えているような時間オーダーでは熱拡散長に比べて光吸収層と半導体層の厚みは十分小さいので、これら二層の温度は全く同じである。図６からわかるように本発明の光照射により光吸収層・半導体層の温度は局所的に急激に上昇し、最高１７８０Ｋ程度に達するのでＳｉ膜は溶融する。照射光が通過し温度が低下するとＳｉ膜は固化と同時に結晶化する。この光照射条件では照射時間が比較的長いので基板温度も高くなり、最終的には１２００Ｋ程度にまで達する。よって、図６に示す照射条件は基板として石英などの耐熱性基板を用いた場合に適当な条件である。基板温度を上昇させず、光吸収層・半導体層のみを局所的に昇温せしめるためにはより短時間に高いパワーを照射する必要がある。前述の説明で明らかなように、これは照射光の空間分布における半値幅を小さくする（集光する）、あるいはスキャンスピードを早くすると同時にランプ出力を増加させることによって実現可能である。例えば図７に示すように照射ピークパワー７００Ｗ／ｃｍ２、照射時間３００ｍｓとすると、光吸収層・半導体層の温度は１７５０Ｋに達するにもかかわらず基板温度は最終的に９００Ｋ程度にまでしか上昇しない。これは光照射条件がより短時間、高パワーとなったため、基板表面付近の光吸収層・半導体層が非熱平衡的に熱処理されるためである。以上のように本発明の半導体薄膜の製造方法は光照射プロファイルを制御することにより、容易に低温プロセスに適用しうる。
【００５１】
加えて本発明の半導体薄膜の製造方法は結晶成長方向が横方向で、しかも半導体層は上下を絶縁層に挟まれているので結晶化後の半導体層の表面は極めて平坦である。これはゲート絶縁膜厚の薄い薄膜トランジスタを作成した場合にも絶縁耐圧を低下させることが無いので、より微細なＴＦＴでより薄いゲート絶縁膜を有するＴＦＴにも適用可能で、結果としてエキシマレーザー結晶化ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を用いた場合より高速の回路を形成しうるという利点を有する。斯様にして作製したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を用いて作製したＴＦＴは面方位が揃っているので移動度ばらつきが極めて小さく、且つ欠陥密度が低いので閾値電圧が低いという特徴を有する。
【００５２】
本発明の半導体薄膜の形成方法は照射光源のパワーがｋＷオーダーのハイパワーで、且つミリ秒オーダーの熱処理時間なので、被処理半導体層の膜厚が１００ｎｍを超える厚さでも結晶化が可能である。従来のレーザー結晶化法では１パルスの照射時間がナノ秒と短く、且つ投入するエネルギー密度として１ｃｍ２あたり１Ｊが実用上の上限なので、１００ｎｍ以上の膜厚の半導体層を結晶化するのは原理的に不可能であった。これに対して本発明の半導体薄膜の形成方法は１ミクロン程度の膜厚の半導体層でも十分結晶化ができるので、太陽電池の用途に用いる多結晶シリコン膜の形成にも適用し得るという特徴を有する。
【００５３】
本発明の半導体薄膜の製造方法を低温プロセスに適用するには初期基板温度を室温にするか、もしくは処理中に基板冷却をおこなうのも有効である。基板冷却をおこなえば図６に示すような光照射プロファイルを用いても基板温度上昇を防ぎ低温プロセスに適用しうる。基板冷却の方法としてはガスを基板に吹き付けることにより冷却する方法、或いは基板ホルダに基板を静電チャックで完全に密着させ、基板ホルダに冷却水を循環させることによって基板の熱を奪う構造にする方法が有効である。
【００５４】
以上は半導体層を溶融させ結晶化させる条件について述べてきたが、本発明の半導体薄膜の製造方法は必ずしも溶融させずとも半導体層を結晶化させることができる。従来の固相成長法は６００℃で４８時間程度の熱処理をおこなっていたが、本発明の半導体薄膜の製造方法では半導体層の温度が容易に１０００℃以上に達するので例えば１秒程度の熱処理時間でも固相成長が起こる。例えば照射ピークパワー４００Ｗ／ｃｍ２、照射時間１秒というのがこのような固相成長を起こす照射プロファイルの一例である。溶融・結晶化の場合のような大粒径結晶はえられないものの、結晶粒径が１μｍ以上で、且つ表面が平坦なｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を容易に得ることができる。ただしこの場合基板温度も高くなるので、高温プロセスへの適用がふさわしい。
【００５５】
【実施例１】
本発明の半導体薄膜の製造方法の実施例を図１および図１２（ａ）にそって説明する。本発明で用いられる基板及び下地保護膜に関しては前述の説明に準ずるが、ここでは基板の一例として３００ｍｍ×３００ｍｍの正方形状汎用無アルカリガラス（１００）を用いる。まず基板１００上に絶縁性物質である下地保護膜（１０１）を形成する。ここでは基板温度を１５０℃としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて２００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化硅素膜を堆積する。次に後に薄膜トランジスタの能動層となる真性シリコン膜等の半導体膜（１０２）を堆積する。半導体層の厚みは５０ｎｍ程度で有る。本例では高真空型ＬＰＣＶＤ装置を用いて、原料ガスで有るジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を２００ＳＣＣＭ流し、４２５℃の堆積温度で非晶質シリコン膜１０２を堆積する。まず高真空型ＬＰＣＶＤ装置の反応室を２５０℃とした状態で反応室の内部に複数枚（例えば１７枚）の基板を表側を下向きとして配置する。こうした後にターボ分子ポンプの運転を開始する。ターボ分子ポンプが定常回転に達した後、反応室内の温度を約１時間掛けて２５０℃から４２５℃の堆積温度に迄上昇させる。昇温開始後の最初の１０分間は反応室にガスを全く導入せず真空中で昇温を行い、しかる後純度が９９．９９９９％以上の窒素ガスを３００ＳＣＣＭ流し続ける。この時の反応室内における平衡圧力は、３．０×１０−３Ｔｏｒｒで有る。堆積温度に到達した後、原料ガスであるジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を２００ＳＣＣＭ流すと共に、純度が９９．９９９９％以上の希釈用ヘリウム（Ｈｅ）を１０００ＳＣＣＭ流す。堆積開始直後の反応室内圧力は凡そ０．８５Ｔｏｒｒで有る。堆積の進行と共に反応室内の圧力は徐々に上昇し、堆積終了直前の圧力は凡そ１．２５Ｔｏｒｒと成る。斯様に堆積したシリコン膜（１０２）は基板の周辺部約７ｍｍを除いた２８６ｍｍ角の領域内に於いて、その膜厚変動は±５％以内で有る。次に第一絶縁層（１０３）を形成する。ここではＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて１００ｎｍ程度の膜厚を有するＳｉＯ２膜を堆積した。原料ガスとしてＳｉＨ４とＯ２をそれぞれ３０ｓｃｃｍおよび４０ｓｃｃｍ流し、基板を１００℃に加熱した状態でプラズマ放電を開始し成膜を行った。次に光吸収層（１０４）としてＴａ膜をスパッタリングにより８００ｎｍ形成した。この膜厚のＴａを形成することによって安定的に照射光を吸収させることができ、しかもクラックの発生がないので処理中の光吸収層の温度は極めて安定していた。次に光吸収層の島状パターニングを行った。本実施例では図１２（ａ）に示すＶ字型の辺によってはさまれた形状に光吸収層をパターニングした。島状領域（４００）は頂角部分が光スキャン方向（４０９）と成す角度（４０６）が４５度となるように形成した。
【００５６】
この次に光吸収層上に第二絶縁層（１０５）としてＳｉＯ２膜を１４５ｎｍ形成した。これは第一絶縁層とまったく同様の条件にて成膜をおこなった。Ｔａを光吸収材料として用い、第二絶縁層として１４５ｎｍのＳｉＯ２膜を形成したので実効反射率を５０％程度にすることができた。この後、１μｍ付近に強度ピークを持つ発光体直径６ｍｍ、長さ４００ｍｍハロゲンランプ２本を平行に並べ、その背面に楕円面を有する反射光学系を配置できるランプユニットを用いて光を長軸３００ｍｍ（均一性がえられる有効長さ）、短軸５．５ｍｍのライン状に整形し、パワー密度９５０Ｗ／ｃｍ２にて光吸収層側から照射した。ランプユニットはアルミニウムで形成し、反射面は金メッキを施した。処理前にランプ線状光源に処理条件と同等のパワーを投入しながら光源と光学系の相対位置をマイクロメータで調整し、集光位置における分布が単一ピークを有するガウス分布に近くなるようにした。基板温度の上昇を抑えるため、基板を毎秒３６ｍｍの速度で照射光の短軸方向にスキャンした。任意点における光照射時間は１５０ｍｓである。処理中の光吸収層または第二絶縁層の温度は放射温度計（１１３）でモニタし、温度が安定するようにランプ光源に投入する電力にフィードバックをかけた。照射光後方部分に溶融シリコン層（１０８）が形成され、基板の移動とともに固液界面（１０８と１０９の境界部分）にて連続横方向結晶成長がおこり、最終的には基板全面に多結晶シリコン層（１０９）を形成した。先に述べたように光吸収層は図１２（ａ）の形状に形成されており、これに対してライン状のランプ光が図１２（ａ）の４１０の位置関係になるようにして４０９の方向にスキャンを行った。これにより光吸収層直下のＳｉ膜は溶融するが、ランプ光が通過した後の結晶成長は必ず頂点部分（４０５）を起点として起こるので、結果として島状光吸収層下のＳｉはＶ字型をした単結晶薄膜となる。光吸収層領域の境界領域（４０７、４０８）は多結晶となるので、ＴＦＴは光吸収層下のＳｉ膜部分にのみ形成する。よって、島状領域（４００）は少なくとも必要な回路ブロックを包含するような大きさに形成した。このような方法により、多くの部分が単結晶Ｓｉ膜からなるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成できる。本照射プロファイルにおける光吸収層・半導体層および基板各深さにおける温度変化を図８に示す。本発明の半導体薄膜の製造方法では基板温度はたかだか４００℃程度にまでしか上昇せず、従来の無アルカリガラスでも十分絶えうる。本実施例には図７に示す照射プロファイル（照射ピークパワー７００Ｗ／ｃｍ２、照射時間３００ｍｓ）でも十分適用可能である。図８の照射プロファイルならば熱的影響が小さいので、基板厚さが０．５ｍｍの薄いガラス基板にも本発明の半導体薄膜の製造方法が適用可能であった。以上の光照射方法により、低温プロセスで単結晶に近いＳｉ膜を容易に形成できた。
【００５７】
【実施例２】
本発明の第２の実施例を図１にそって説明する。下地保護膜、半導体層、第一絶縁層、第二絶縁層を形成する方法は実施例１とまったく同様である。光吸収層として図１２（ｂ）に示す形状の島状領域に形成したものを用いた。図１２（ａ）のものでは照射光のスキャン方向（４０９）に島状領域が途切れているので、これにより形成されるＳｉ結晶の面方位の一様性が制御しにくい。これに対して本例のパターンでは照射光のスキャン方向に島状領域がつながっているので、結晶の面方位を揃える事が可能となる。照射光のスキャニングとともに結晶成長距離が伸びると結晶の面方位が徐々に傾いて来たり、あるいは突然別の面方位を持つ結晶成長が始まったりする事がある。これを防止するために、本例の島状パターンは細い領域１（４１１）と太い領域２（４１２）およびこれらをつなぐ接続領域（４１３）とからなる。領域２が長いと先に述べたように結晶の一様性が損なわれるので幅の狭い領域１で優先的な結晶成長面を選択的に成長させ、これを接続領域４１３を経て面積のより広い領域２（４１２）へと拡張させる。この結果、領域２としては単結晶でかつ面方位のよく揃った結晶を得る事が出来た。光照射条件は実施例とまったく同じである。これにより実施例１よりさらに高品質なＳｉ膜を得ることができた。本発明の半導体薄膜をＴＦＴに適用する場合には半導体層上に第一絶縁層、光吸収層、第二絶縁層を形成し光照射した後これら三層をエッチングにより除去し半導体層を能動層として利用する。この際にはもちろん、高品質なＳｉ結晶が形成されている光吸収層下の領域にＴＦＴを作製する。
【００５８】
【実施例３】
本発明の第３の実施例では、光照射条件を変えて半導体薄膜の作製をおこなった。被処理基板の作成方法は基板に比較的耐熱性の高いプラスティック基板を用いたことを除けば実施例２とまったく同じである。しかるのち、１μｍ付近に強度ピークを持つハロゲンランプ光を長尺３００ｍｍ、短軸１ｍｍのライン状に整形し、パワー密度１８００Ｗ／ｃｍ２にて光吸収層側から照射した。基板温度の上昇を抑えるため、基板を毎秒２３ｍｍの速度で照射光の短軸方向にスキャンした。任意点における光照射時間は４４ｍｓである。この照射プロファイルによる光吸収層・半導体層および基板各深さにおける温度変化を図９に示す。これにより、基板の温度上昇は更に低下でき、たかだか２２０℃までしか上昇しない。なお且つ、光吸収層下に形成される単結晶Ｓｉ領域は実施例２と同品質のものが形成しうる。本実施例ではプラスティック基板を用いても本発明の半導体薄膜の製造法方が適用しうることを確認できた。
【００５９】
【実施例４】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法の実施例を図１０にそって説明する。本実施例で用いる試料構造は実施例１または２のいずれの構造でも構わないが、ここでは実施例２の構造を用いた。光照射は１μｍ付近に強度ピークを持つハロゲンランプ光を長尺３００ｍｍ、短軸５．５ｍｍのライン状に整形し、パワー密度７００Ｗ／ｃｍ２にて光吸収層側から移動速度毎秒１８ｍｍにて照射した。これにより島状の光吸収層領域直下に単結晶Ｓｉ膜を形成した。本実施例では斯様に形成した単結晶Ｓｉ膜を能動層として用いるために第二絶縁層、光吸収層および第一絶縁層をエッチングにより除去した。ＳｉＯ２膜のエッチングには５％ＨＦ液を、また光吸収層であるＷは塩素系ガスをプラズマ放電させ発生するラジカルを用いてドライエッチングにより除去した。斯様にしてＳｉ膜９０１が露出した基板をプラズマ処理チャンバーへセットする。プラズマ処理チャンバーでは基板温度は２５０℃とし、水素ガスを８０ｓｃｃｍ流し、圧力１Ｔｏｒｒで平行平板ＲＦ電極を用いて１ｋＷのパワーでプラズマ放電をおこなった。これによりＳｉ膜の捕獲準位（欠陥）不活性化処理および表面の水素終端処理を１６０秒おこなった。先に述べたように本例で得られるＳｉ膜は単結晶であるが、一部転移や点欠陥などの欠陥が発生しているので、これらをプラズマ処理により不活性化するのが本工程の狙いである。この後、光吸収層下に形成されたＳｉ膜領域に対してフォトリソグラフィーによりフォトレジストパターンを形成し、ＣＦ４とＯ２混合ガスを用いたリモートプラズマ放電によるドライエッチングをおこなった。島状にパターニングされたＳｉ膜上にゲート絶縁膜（９０２）を形成するために基板を絶縁膜形成チャンバーへセットする。チャンバー内を１０−６（Ｔｏｒｒ）台の真空度に排気した後、シランガスと酸素ガスを流量比１：６で導入し、チャンバー圧力を２×１０−３（Ｔｏｒｒ）に調節する。チャンバー内のガス圧力が安定したらＥＣＲ放電を開始し、絶縁膜の成膜を開始する。投入したマイクロ波パワーは１ｋＷで、マイクロ波は磁力線に平行に導入窓から導入した。導入窓から１４ｃｍの位置にＥＣＲポイントがある。成膜は１０ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度でおこなった。これにより、ゲート絶縁膜（９０２）を１００ｎｍ形成した。引き続いてゲート電極（９０５）となる薄膜をＰＶＤ法或いはＣＶＤ法などで堆積する。通常はゲート電極とゲート配線は同一材料にて同一工程で作られる為、この材質は電気抵抗が低く、３５０℃程度の熱工程に対して安定である事が望まれる。本例では膜厚が６００ｎｍのタンタル薄膜をスパッター法により形成する。タンタル薄膜を形成する際の基板温度は１８０℃であり、スパッタガスとして窒素ガスを６．７％含むアルゴンガスを用いる。斯様に形成したタンタル薄膜は結晶構造がα構造と成っており、その比抵抗は凡そ４０μΩｃｍである。ゲート電極となる薄膜を堆積後パターニングを行い、引き続いて半導体膜に不純物イオン注入を行ってソース・ドレイン領域（９０３、９０４）及びチャンネル領域を形成する。この時ゲート電極がイオン注入のマスクとなっているため、チャンネルはゲート電極下のみに形成される自己整合構造となる。イオン・ドーピング法��原料ガスとしては水素中に希釈された濃度０．１％程度から１０％程度のホスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）等の注入不純物元素の水素化物を用いる。本例ではＮＭＯＳ形成を目指し、イオン・ドーピング装置を用いて、水素中に希釈された濃度５％のホスフィン（ＰＨ３）を加速電圧１００ｋｅＶで注入する。ＰＨ３＋やＨ２＋イオンを含むの全イオン注入量量は１×１０１６ｃｍ−２である。
【００６０】
次に層間絶縁膜をＰＥＣＶＤ法を用いて形成した。原料ガスはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、Ｎ２ＯおよびＡｒガスを用いて圧力１．５Ｔｏｒｒ、１ｋＷのパワーで放電をおこない、８００ｎｍの層間絶縁膜を形成した。次にソース・ドレイン上にコンタクトホールを開孔し、アルミニウムでソース・ドレイン取り出し電極（９０７、９０８）と配線をＰＶＤ法やＣＶＤ法などで形成して薄膜トランジスタが完成する。これにより単結晶ＳｉのＭＯＳＦＥＴとほぼ同等性能を有する高性能ＴＦＴが極めて均一性よく作製できた。
【００６１】
本発明の製造方法により得られた薄膜トランジスタは電気光学装置を備える各種の電子機器に適用可能である。図１１に電気光学装置を適用可能な電子機器の例を挙げる。同図（ａ）は携帯電話への適用例であり、携帯電話２３０は、アンテナ部２３１、音声出力部２３２、音声入力部２３３、操作部２３４、及び本発明の電気光学装置１０を備えている。このように本発明の電気光学装置１０を携帯電話２３０の表示部として利用可能である。同図（ｂ）はビデオカメラへの適用例であり、ビデオカメラ２４０は、受像部２４１、操作部２４２、及び本発明の電気光学装置１０を備えている。このように本発明の電気光学装置は、ファインダや表示部として利用可能である。このほかにも携帯型パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、リア型プロジェクター、フロント型プロジェクターへの適用が可能である。このように本発明の電気光学装置は画像表示源として利用可能である。
【００６２】
上記例に限らず本発明の電気光学装置１０は、アクティブマトリクス型の電気光学装置を適用可能なあらゆる電子機器に適用可能である。例えば、この他に、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイなどにも活用することができる。
【００６３】
以上、従来の技術では、結晶粒径が大きくほぼ単結晶と同等の品質を有し、表面が平坦なＳｉ膜を低温プロセスで、且つ高いスループットで、且つ低コストで形成する有効なプロセスが明確でなかった。しかし、以上述べて来た様に本発明の半導体薄膜および薄膜トランジスタの製造方法を用いることによって極めて高品質なＳｉ膜形成が可能となる。結果として高移動度、低しきい値電圧でなお且つバラツキの極めて少ない薄膜トランジスタの製造が可能となり、超低消費電力回路の実現が可能となり、低価格で多機能の電気光学装置及び電子機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体薄膜の製造方法を示した工程断面図。
【図２】種々の高融点金属膜の反射率スペクトルを示した図。
【図３】ＣｒおよびＷ膜の波長１μｍにおける反射率の膜厚依存性を示す図。
【図４】Ｃｒ、Ｗ上に設けた第二絶縁層膜厚と波長１μｍにおける反射率の関係を示した図。
【図５】本発明の光照射方法を大面積基板に適用する方法および照射プロファイルを説明した図。
【図６】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図７】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図８】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図９】本発明の光照射プロファイルと光吸収層・半導体層、ガラス基板の各深さにおける温度上昇を示す図。
【図１０】本発明の薄膜トランジスタの製造方法を示した工程断面図。
【図１１】本発明の電気光学装置を備える電子機器の例を示す図。
【図１２】本発明の島状光吸収層パターンの例を示す図。
【符号の説明】
１００．．．基板
１０１．．．下地保護膜
１０２．．．半導体膜
１０３．．．第一絶縁層
１０４．．．光吸収層
１０５．．．第二絶縁層
１０６．．．照射光の基板上における集光点
１０７．．．光吸収層の温度上昇部分
１０８．．．液体シリコン
１０９．．．ｐｏｌｙ−Ｓｉ
１１０．．．ランプユニット
１１１．．．ランプ光源
１１２．．．反射光学系・反射面
１１３．．．放射温度計
１１４．．．スキャン方向
１１５．．．スリット
４００、４１４．．．島状光吸収層
４１０．．．ライン状ランプ光
５００．．．照射光
５０１．．．照射終了領域
５０２．．．未照射領域
５０３．．．照射光照射位置
５０４．．．基板上任意点
５１０．．．基板上の照射光強度分布
５１１、５１２．．．照射プロファイル例
９０１．．．ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜
９０２．．．ゲート絶縁膜
９０３、９０４．．．ソース、ドレイン領域
９０５．．．ゲート電極
９０６．．．層間絶縁膜
９０７、９０８．．．ソース、ドレイン電極
１０．．．本発明の半導体薄膜を用いて作製したＴＦＴを利用した電気光学装置
【図１】
2004128261.tif 000003
【図２】
2004128261.tif 000004
【図３】
2004128261.tif 000005
【図４】
2004128261.tif 000006
【図５】
2004128261.tif 000007
【図６】
2004128261.tif 000008
【図７】
2004128261.tif 000009
【図８】
2004128261.tif 000010
【図９】
2004128261.tif 000011
【図１０】
2004128261.tif 000012
【図１１】
2004128261.tif 000013
【図１２】
2004128261.tif 000014