(57)【要約】【課題】  ２種以上の平均結晶粒径を有する半導体層を同一基板上に形成することができるアニール方法、アニール装置および表示装置を提供する。【解決手段】  レーザ光源とビームプロファイル測定部との間に位相シフタを挿入し、変調レーザ光をビームプロファイル測定部に照射したときのレーザ光の強度と分布およびギャップｄをそれぞれ測定し、基板とレーザ光源との間に位相シフタを挿入し、変調レーザ光を基板に照射し、レーザ光の照射により半導体薄膜が結晶化されて横方向にラテラル成長することが実証されたときのレーザ光の強度と分布およびギャップｄをそれぞれ測定し、両測定結果からレーザ光の強度と分布およびギャップｄの目標値としてそれぞれ設定し、設定目標値になるようにレーザ光の強度と分布およびギャップｄをそれぞれ制御し、この制御条件下で変調レーザ光を基板に照射する。【選択図】    図１
2004336013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を非単結晶半導体層に照射してアニールするに際し、
前記レーザ光のビームプロファイルを予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルを目標としてアニール用ビームプロファイルを設定してアニールすることを特徴とするアニール方法。
【請求項２】
前記予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルは、実験的に求めた最適な前記レーザ光のビームプロファイルが記憶されたものであることを特徴とする請求項１記載のアニール方法。
【請求項３】
前記予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルは、前回のアニール工程において使用された前記レーザ光のビームプロファイルを前記記憶装置に記憶し、次回のアニール工程において前記記憶装置から読み出したビームプロファイルであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一方に記載のアニール方法。
【請求項４】
前記予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルは、アニール工程中前記レーザ光のビームプロファイルを表示画面に表示することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１記載のアニール方法。
【請求項５】
非単結晶の半導体薄膜をアニールする方法において、
（ａ）レーザ光源とビームプロファイル測定部との間に空間強度変調光学素子を挿入し、前記ビームプロファイル測定部の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記ビームプロファイル測定部の入射面に照射したときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、
（ｂ）非晶質の半導体薄膜を有する基板と前記レーザ光源との間に前記空間強度変調光学素子を挿入し、前記基板の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、該変調レーザ光の照射により前記半導体薄膜が結晶化されて横方向にラテラル成長することが実証されたときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、
（ｃ）前記工程（ｂ）の測定結果に対応する前記工程（ａ）の測定結果を、レーザ光の強度と分布および前記ギャップｄの目標値としてそれぞれ設定し、
（ｄ）前記設定目標値になるようにレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ制御し、この制御条件下で前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、
（ｅ）少なくとも前記工程（ｂ）〜（ｄ）を繰り返すことにより同一基板内に２種以上の平均結晶粒径を有する半導体層をつくり分けることを特徴とする。
【請求項６】
前記工程（ｃ）の設定目標値を記憶しておき、基板にレーザ光を照射するごとに前記目標値を呼び出し、呼び出した前記目標値に基いて前記工程（ｄ），（ｅ）を実行することを特徴とする請求項５記載のアニール方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）のレーザ光の強度と分布およびギャップｄは、前記非晶質の半導体薄膜が結晶化し、さらに結晶が安定にラテラル成長し、かつ成長した膜に破壊を生じない条件とすることを特徴とする請求項５又は６のいずれか一方に記載のアニール方法。
【請求項８】
前記工程（ｂ）では、さらに基板の温度を測定し、該基板温度と前記レーザ光の強度と前記ラテラル成長との関係を把握しておき、この関係に基づいて前記工程（ｄ）では基板を加熱することを特徴とする請求項５乃至７のうちのいずれか１記載のアニール方法。
【請求項９】
レーザ光を非単結晶半導体層に照射してアニールする装置であって、
前記レーザ光のビームプロファイルを予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルを目標としてアニール用ビームプロファイルを設定してアニールすることを特徴とするアニール装置。
【請求項１０】
前記予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルは、実験的に求めた最適な前記レーザ光のビームプロファイルが記憶されたものであることを特徴とする請求項９記載のアニール装置。
【請求項１１】
前記予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルは、前回のアニール工程において使用された前記レーザ光のビームプロファイルを前記記憶装置に記憶し、次回のアニール工程において前記記憶装置から読み出したビームプロファイルであることを特徴とする請求項９又は１０のいずれか１記載のアニール装置。
【請求項１２】
前記予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルは、表示画面に表示されることを特徴とする請求項９乃至１１のうちいずれか１記載のアニール装置。
【請求項１３】
前記工程（ａ）では、前記ビームプロファイル測定部の入射面に蛍光板を設け、該蛍光板を前記基板の入射面と実質的に同一平面に配置して測定することを特徴とする請求項５乃至１２のうちのいずれか１記載のアニール方法。
【請求項１４】
前記工程（ａ），（ｂ），（ｄ）では、前記空間強度変調光学素子にはレーザ光を回折するための段差を有する位相シフタを用い、該位相シフタは前記段差をレーザ光軸が通るように配置されることを特徴とする請求項５乃至１３のうちのいずれか１記載のアニール方法。
【請求項１５】
非単結晶の半導体薄膜をアニールする装置であって、
レーザ光源と、
非晶質半導体薄膜をもつ基板が載置される載置台と、
前記レーザ光源からのレーザ光を変調する空間強度変調光学素子と、
前記レーザ光源から前記空間強度変調光学素子を通って前記基板の入射面に入射する条件と実質的に同じ入射条件の入射面を有し、該入射面におけるレーザ光の強度と分布を測定するビームプロファイル測定部と、
前記載置台上の基板または前記ビームプロファイル測定部と前記空間強度変調光学素子とを相対的に移動させ、前記基板の入射面または前記ビームプロファイル測定部の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整する位置合せ手段と、
前記空間強度変調光学素子で変調された変調レーザ光の照射により前記非晶質半導体薄膜が結晶化されて横方向にラテラル成長することが実証されたときのレーザ光の強度と分布を前記ビームプロファイル測定部に測定させるとともに、前記ギャップｄを測定し、それらの測定結果をレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄの目標値としてそれぞれ設定し、前記ビームプロファイル測定部により測定した強度と分布が前記目標値と一致するように、前記ビームプロファイル測定部および前記位置合せ手段の動作を制御する手段と、
を具備することを特徴とするアニール装置。
【請求項１６】
前記ビームプロファイル測定部の入射面を前記基板の入射面と実質的に同一平面に配置して測定することを特徴とする請求項１５記載のアニール装置。
【請求項１７】
前記測定手段は、基板の入射面と実質的に同一平面に配置され、照射されるレーザ光の強度と分布を測定する蛍光板を有することを特徴とする請求項１５又は１６のいずれか一方に記載のアニール装置。
【請求項１８】
前記空間強度変調光学素子にはレーザ光を回折するための段差を有する位相シフタを用い、該位相シフタは前記段差をレーザ光軸が通るように配置されることを特徴とする請求項１５乃至１７のうちいずれか１記載のアニール装置。
【請求項１９】
表示装置の画素電極及びこれを駆動する薄膜トランジスタであって、（ａ）レーザ光源とビームプロファイル測定部との間に空間強度変調光学素子を挿入し、前記ビームプロファイル測定部の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記ビームプロファイル測定部の入射面に照射したときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、（ｂ）非晶質の半導体薄膜を有する基板と前記レーザ光源との間に前記空間強度変調光学素子を挿入し、前記基板の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、該変調レーザ光の照射により前記半導体薄膜が結晶化されて横方向にラテラル成長することが実証されたときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、（ｃ）前記工程（ｂ）の測定結果に対応する前記工程（ａ）の測定結果を、レーザ光の強度と分布および前記ギャップｄの目標値としてそれぞれ設定し、（ｄ）前記設定目標値になるようにレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ制御し、この制御条件下で前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、（ｅ）少なくとも前記工程（ｂ）〜（ｄ）を繰り返すことにより同一基板内に２種以上の平均結晶粒径を有する半導体層をつくり分けることにより形成されることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２０】
所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された電気光学物質とを有し、一方の基板には対向電極を形成し、他方の基板には画素電極及びこれを駆動する半導体薄膜で形成される表示装置であって、前記半導体薄膜は、（ａ）レーザ光源とビームプロファイル測定部との間に空間強度変調光学素子を挿入し、前記ビームプロファイル測定部の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記ビームプロファイル測定部の入射面に照射したときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、（ｂ）非晶質の半導体薄膜を有する基板と前記レーザ光源との間に前記空間強度変調光学素子を挿入し、前記基板の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、該変調レーザ光の照射により前記半導体薄膜が結晶化されて横方向にラテラル成長することが実証されたときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、（ｃ）前記工程（ｂ）の測定結果に対応する前記工程（ａ）の測定結果を、レーザ光の強度と分布および前記ギャップｄの目標値としてそれぞれ設定し、（ｄ）前記設定目標値になるようにレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ制御し、この制御条件下で前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、（ｅ）少なくとも前記工程（ｂ）〜（ｄ）を繰り返すことにより同一基板内に２種以上の平均結晶粒径を有する半導体層をつくり分けることにより形成され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、多結晶半導体薄膜基板、その製造法、半導体装置、半導体装置の製造方法および電子装置に係わり、特に多結晶膜（多結晶半導体薄膜）の表層部分に電界効果トランジスタを製造する技術および電界効果トランジスタを製造するための多結晶半導体薄膜基板ならびに電界効果トランジスタを組み込んだ液晶表示装置や情報処理装置等の電子装置の製造技術に適用されるアニール方法、アニール装置および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下に従来技術によるエキシマレーザ結晶化法（レーザアニール法）による多結晶半導体薄膜トランジスタ（TFT）の製造法を説明する。
【０００３】
図１３の（ａ）に示すように、ガラス基板５ａの上に下地保護膜（例えばSiO2膜、SiN膜、およびSiN/SiO2積層膜など）102および非晶質シリコン薄膜103を堆積する。次に、図１３の（ｂ）に示すように、光学系により四角形状もしくは長尺状にビーム整形されたエキシマレーザ（XeClやKrFなど）104で、非晶質シリコン薄膜の表面を照射すると、非晶質シリコン薄膜103は、エキシマレーザ104の照射加熱により、50-100nsの極短時間における溶融凝固の過程を経て、非晶質構造から多結晶構造に変換される。非晶質シリコン膜103の表面全体をエキシマレーザ104で矢印105の方向に走査加熱すると、図１３の（ｃ）に示すような多結晶シリコン薄膜106が形成される。
【０００４】
以上のプロセスはエキシマレーザ結晶化技術と呼ばれている。ガラスなどの低融点材料の基板上に高品質な多結晶シリコン薄膜を製造する際に用いられる。エキシマレーザ結晶化技術に関しては、例えば非特許文献１に詳しく説明されている。
【０００５】
図１３の（ｃ）の多結晶シリコン薄膜106を用いて形成したものが図１３の（ｄ）に示すトランジスタである。多結晶シリコン薄膜106の上部には、成膜によりSiO2膜などのゲート絶縁膜107が設けられている。さらにソース不純物注入領域109、ドレイン不純物注入領域108が設けられている。ソース、ドレイン領域、およびゲート絶縁膜上にゲート電極110を設け、保護膜111を成膜し、ソース電極112、ドレイン電極113を形成する。以上により、ゲート電極の電圧によって、ソースとドレイン間の電流を制御できるTFTが完成する。
【０００６】
一般に、画素部に用いられるTFTは、アクティブマトリックス制御において電荷を保持することが目的で、極端な高移動度は要求されず、むしろ低オフ電流が要求される。オフ電流を低減するには、ドレイン端の電界強度を緩和するために開口率を低下させない程度にTFTのチャネル長を長くするなどの必要がある。
【０００７】
一方、駆動回路や演算回路に用いられるTFTは、高速動作のために高移動度が求められ、オフ電流はあまり問題にならない。このため、特にチャネル長の微細化が高速化に有効なことからTFTのサイズを小さくする必要がある。
【０００８】
このように、画素部に用いられるTFTと、駆動回路や演算回路に用いられるTFTでは、要求される特性やサイズが異なる。
【非特許文献１】日経マイクロデバイス別冊フラットパネル・ディスプレイ1999（日経BP社、1998年、pp.132-139）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現在の液晶ディスプレイの表示方式として、個々の画素をスイッチングするアクティブマトリックス方式がある。画素スイッチにおいては、電界効果トランジスタの一種である非晶質シリコン薄膜トランジスタ（a-SiTFT）が主に用いられている。
【００１０】
液晶ディスプレイの技術開発において、（１）高精細化、（２）高開口率化、（３）軽量化、（４）低コスト化などを目指している。これらの性能を実現するために、電界効果トランジスタの一種である多結晶シリコン薄膜トランジスタ（poly-SiTFT）を用いた技術が注目されている。Poly-SiTFTは、a-SiTFTに比べて、移動度が２桁以上高いため、素子サイズを小さくすることができ、また集積回路を形成することもできることから、ディスプレイに駆動回路や演算回路も搭載することが可能である。
【００１１】
ところが、従来のアニール方法では、一定の結晶性を持ったpoly-Si薄膜しか形成できず、同一基板内に異なるサイズのTFTを作ると以下のような問題が生じる。
【００１２】
サイズの大きなTFTは、TFTのチャネル領域での結晶粒界が多くなるため、しきい電圧のバラツキは小さくなるが、動作が遅い。
【００１３】
サイズの小さなTFTは、TFTのチャネル領域での結晶粒界が少なくなるため、動作は速いが、しきい電圧のバラツキが大きい。
【００１４】
これらのTFTは、同一基板内にすべて同時に形成されなくては内蔵化の経済効果が薄れる。
【００１５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、２種以上の平均結晶粒径を有する半導体層を同一基板上に形成することができ、またその結果、サイズの異なるTFTに対してTFTの活性層となるチャネル領域での電流方向を横切る平均結晶粒界Ｎａが一定となるように結晶粒径が制御されたアニール方法、アニール装置および表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るアニール方法は、レーザ光を非単結晶半導体層に照射してアニールするに際し、前記レーザ光のビームプロファイルを予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルを目標としてアニール用ビームプロファイルを設定してアニールすることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るアニール装置は、レーザ光を非単結晶半導体層に照射してアニールする装置であって、前記レーザ光のビームプロファイルを予め記憶された記憶装置から読み出したビームプロファイルを目標としてアニール用ビームプロファイルを設定してアニールすることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る表示装置は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された電気光学物質とを有し、一方の基板には対向電極を形成し、他方の基板には画素電極及びこれを駆動する半導体薄膜で形成される表示装置であって、前記半導体薄膜は、（ａ）レーザ光源とビームプロファイル測定部との間に空間強度変調光学素子を挿入し、前記ビームプロファイル測定部の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記ビームプロファイル測定部の入射面に照射したときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、（ｂ）非晶質の半導体薄膜を有する基板と前記レーザ光源との間に前記空間強度変調光学素子を挿入し、前記基板の入射面と前記空間強度変調光学素子との間のギャップｄを500μｍ以下に調整し、前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、該変調レーザ光の照射により前記半導体薄膜が結晶化されて横方向にラテラル成長することが実証されたときのレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ測定し、（ｃ）前記工程（ｂ）の測定結果に対応する前記工程（ａ）の測定結果を、レーザ光の強度と分布および前記ギャップｄの目標値としてそれぞれ設定し、（ｄ）前記設定目標値になるようにレーザ光の強度と分布および前記ギャップｄをそれぞれ制御し、この制御条件下で前記空間強度変調光学素子で変調されたレーザ光を前記基板の入射面に照射し、（ｅ）少なくとも前記工程（ｂ）〜（ｄ）を繰り返すことにより同一基板内に２種以上の平均結晶粒径を有する半導体層をつくり分けることにより形成されることを特徴とする。
【００１９】
本明細書において「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、この融液が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。
【００２０】
本明細書において「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、その融液が凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。
【００２１】
本明細書中において「光強度分布（ビームプロファイル）」とは、結晶化するために非単結晶半導体膜に入射される光の二次元の強度分布のことをいう。換言すれば、照射光（照明光）の検出面における光の強度（明るさ）分布のことをいう。ビームプロファイルを取得する場合はビームプロファイルを規格化するため、平均のレーザフルエンスは低くてよい。
【００２２】
本明細書中において「レーザフルエンス」とは、ある位置でのレーザ光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギ量を時間積分したものをいい、具体的には光源または照射領域において計測されるレーザ光の平均強度のことをいう。「平均レーザフルエンス」とは、ある処理面積内で均一化したレーザフルエンスを指す。
【００２３】
本明細書において「アッテネータ」とは、レーザ光の強度を減衰させる光学素子をいう。アッテネータは、被処理基板が焼き付きを生じないようにレーザ光の光強度レベルを調整する機能を有するものである。なお、レーザ光の偏光にはＳ偏光とＰ偏光がある。
【００２４】
本明細書において「ホモジナイザ」とは、入射光を複数に分割し、これら分割光を収束させて、特定の面で光強度を均一化する光学素子のことをいう。また、「ホモジナイズ面」とは、プロジェクション方式においてホモジナイザを通った光が収束する特定の面のことをいう。
【００２５】
本明細書において「位相シフタ」とは、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、例えば石英基材にエッチングにより段差が形成されたものである。
【００２６】
本明細書中において「位相シフタ面」とは、空間強度変調光学素子の光変調部位（位相シフタの段差）のボトムとトップとの中間に位置する面のことをいう。この位相シフタ面は、ホモジナイズ面と一致（完全オーバーラップ）させることが望ましいが、必ずしも一致させなければならないというものではなく、意図的にホモジナイズ面の位置から光軸に沿って所定距離だけシフトさせる場合もありうる。
【００２７】
本明細書中において「像面」とは、結晶化装置の結像光学系を通った光が収束する面をいう。
【００２８】
本明細書において「位相シフタの高さ」とは、プロキシミティ型結晶化装置において、位相シフタ面からステージ上の基板の入射面までの相互間距離（図３のギャップｄ）のことをいう。
【００２９】
以上のように、レーザ光の平均強度（レーザフルエンス）と分布（ビームプロファイル）の測定、ギャップ調整位置合せ、レーザ照射を繰り返すことにより、同一基板内にTFTのサイズは異なるが、チャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａが一定の結晶領域を同時につくり分けることができる。
【００３０】
なお、測定、位置合わせ、照射の３つの動作は必ずしも毎回繰り返す必要はない。最初にすべての測定を行っておき、その測定結果を記憶（記録）しておき、それを必要に応じて呼び出し、位置合せに必要な操作量を求め、次に結晶領域毎に位置合わせと照射を並行して行うようにしてもよい。
【００３１】
また、本発明は位相シフタを基板に対して所定位置に近接させて所定フルエンスのレーザ光を照射する所謂プロキシミティ方式に関するものであるが、これを投影法（位相シフタを基板から離れたレーザ光源側に配置するプロジェクション方式）と組み合せて用いることも可能である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、任意の性能を持つ各種サイズのTFTに対して所望の粒径の結晶領域を同一基板内でつくり分けることができる。
【００３３】
また、本発明によれば、膜破壊を生じることなく、Ｓｉ結晶膜を安定にラテラル成長させることができ、しきい電圧のバラツキが小さく、かつ高速動作する優れたTFTが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。  
図１に本発明のアニール装置を実施したレーザアニール装置の全体の概要を示す。図２にレーザアニール装置の要部を示す。  
レーザアニール装置１０は、レーザ光源１の光軸１００の始端にアッテネータ（減衰器）２とビームプロファイル変調部３の均一化光学系３２を配置し、ミラー４を経由して終端に被処理基板５を保持する移動ステージ７を配置する。ビームプロファイル変調部３の位相シフタ３１は移動ステージ７上の被処理基板５の入射面に近接配置されている。
【００３５】
また、レーザ結晶化装置１０は、被処理基板５にビームプロファイル測定部６を並設し、被処理基板５とビームプロファイル測定部６をともに移動ステージ７上に固定する。
【００３６】
また、制御用のコンピュータ８を設置して、入力側にはビームプロファイル測定部６を接続し、出力側にはアッテネータ２、ビームプロファイル変調部３、移動ステージ７の制御系Ｃを接続する。制御手段としてのコンピュータ８は、これらアッテネータ２、ビームプロファイル変調部３、移動ステージ７の動作をそれぞれ制御する。
【００３７】
アッテネータ２は、誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザ光の光強度（フルエンス）を光学的に変調するものであり、コンピュータ８により動作制御される図示しないセンサ、モータ、制御系を備えている。
【００３８】
ビームプロファイル変調部３は、レーザ光の空間的な強度分布を変調するものであり、位相シフタ３１および均一化光学系３２により構成されている。
【００３９】
位相シフタ３１は、また、マスクパターンの交換や光軸方向の位置合わせのための図示しないセンサ、アクチュエータ、制御系を備えている。
【００４０】
位相シフタ３１は、例えば、マスクパターンを通過する光の位相を０とπとに交互にずらすことにより、位相シフト部において光強度が極小となる逆ピークパターンを発生し、この逆ピークパターンにより被処理基板５上において例えば非晶質半導体膜３０３の一番最初に凝固する領域（結晶核）を位置制御し、そこから結晶を横方向に成長させる（ラテラル成長；膜面に沿った二次元成長）ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。このとき、位相シフタの形状や被処理基板５との距離、レーザ光の角度分布などにより、所望のビームプロファイルを設定する。
【００４１】
均一化光学系３２は、レンズなどの光学部品で構成し、均一化光学系３２の焦点位置からデフォーカスした位置に被処理基板５を保持してレーザ光を照射する。
【００４２】
このときのマスクパターンとデフォーカス量により逆ピークパターンの形状と幅を制御する。
【００４３】
逆ピークパターンの幅Ｗは、位相シフタ３１と被処理基板５との間のギャップｄの１／２乗に比例（Ｗ＝ｋ・ｄ1/2；ｋは係数）して拡大する。
【００４４】
ビームプロファイル測定部６は、紫外光のエキシマレーザを蛍光板６１に受光して可視光に変換し、ミラー６２に反射した可視光をＣＣＤ６３に受光してレーザ光の強度とビームプロファイルを同時に測定する。この測定系の光強度はビームプロファイルの測定に必要な強度であればよい。
【００４５】
レーザ光の強度は、半導体パワーメータなどを用いて別々に測定してもよい。
【００４６】
また、紫外光のエキシマレーザを直接ＣＣＤ６３に受光してもよい。
【００４７】
蛍光板６１は、ビームプロファイラ光軸１００Ａがビーム光軸１００と一致するように位置合せされ、被処理基板５と同一平面上あるいは平行平面上に設置する。蛍光板６１を段差のある平行平面上に設置する場合は、移動ステージ７を上下して蛍光板６１を半導体基板５と同じ高さに位置付けて測定する。これにより、基板面におけるレーザ光のビームプロファイルを実際の照射時と同一条件で測定できるようにする。
【００４８】
蛍光板６１は、被処理基板５の表面と光学的に等価な位置とすることが望ましい。その際は、蛍光板６１が入射するレーザ光軸方向に移動する機構をもち、そのずれ量を移動ステージ７の上下量に反映させるようにする。
【００４９】
ＣＣＤ６３で受光した画像は、コンピュータ８に入力して任意の走査線でスライスし、画像信号の強度分布からレーザ光の強度とビームプロファイルを測定する。
【００５０】
そして、測定した強度と予め設定した目標の強度とを比較して操作量を計算し、アッテネータ２に操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ２の角度を調節する。
【００５１】
また、測定したビームプロファイルとあらかじめ設定した目標のビームプロファイルを比較して操作量を計算し、ビームプロファイル変調部３と移動ステージ７に操作信号を出力して測定したビームプロファイルが目標のビームプロファイルになるようにフィードバックしながら位相シフタ３１の位置と移動ステージ７の高さを調節する。なお、本実施形態ではレーザ光強度、レーザ光分布、ギャップｄをフィードバック制御の手法により調節する例について説明しているが、本発明はこれのみに限られるものではなく、最初にレーザ光強度、レーザ光分布、ギャップｄのすべてを測定し、その測定結果を目標値として設定し、記憶（記録）しておき、レーザ照射する必要が生じたときにそれぞれ呼び出して用いることができる。これにより再現性の高いレーザ照射を実現でき、TFTチャネル部の結晶化を安定して行うことができる。
【００５２】
ここで「予め設定した目標の強度」とは、後述する実証試験（図４〜図９参照）により、非晶質の半導体薄膜が結晶化すること、結晶粒がラテラル成長すること、結晶化した膜が熱収縮により破壊されないことが確認されたレーザ強度（レーザフルエンス）と分布（ビームプロファイル）をいう。
【００５３】
基板ステージ７は、図２に示すように、３つのサブステージ７１，７２，７３を備えている。すなわち、基板ステージ７は、例えば図示しないＸ方向に移動するリニアガイド上にＸステージ７１が可動に支持され、その上にＹ方向に移動するＹステージ７２が可動に支持され、その上にＺ方向に移動するＺステージ７３が可動に支持されて構成されている。さらに、基板ステージ７には、Ｚ軸まわりにＺステージ駆動機構７３を回転させるθ回転ステージ（図示せず）を任意に追加して設けるようにしてもよい。さらに、基板ステージ７は電源７７に接続されたヒータ７ａを有し、被処理基板５が所定の温度（例えば５００℃）に加熱されるようになっている。ヒータ電源７７はコンピュータ８の出力インターフェースに接続され、ヒータ７ａへの給電量が制御されるようになっている。なお、本実施形態の装置では抵抗発熱型のヒータ７ａを基板ステージ７の昇降台７６中に埋設している。
【００５４】
Ｚステージ７３の本体上には左右一対のスライダ７４ａ，７４ｂがリニアガイド（図示せず）に沿って摺動案内されるように設けられている。両スライダ７４ａ，７４ｂの対向面は上向きに傾斜している。両スライダ７４ａ，７４ｂ間には昇降台７６が上向き傾斜面に沿って摺動案内されるように設けられている。すなわち、昇降台７６は、両スライダ７４ａ，７４ｂの上向き傾斜面に整合する下向き傾斜面を有している。この昇降台７６の上には蛍光板６１および被処理基板５の両者又はいずれか一方が載置される。
【００５５】
スライダ７４ａ，７４ｂの側部は対応するボールスクリュウ７５ａ，７５ｂの一端にそれぞれ回転自由に連結されている。ボールスクリュウ７５ａ，７５ｂの他端はステッピングモータやサーボモータのような高精度電動機からなる昇降駆動機構９の回転駆動軸に連結されている。半導体レーザとその反射光量を検出するＣＣＤからなるハイトセンサ７８は、昇降台７６の上面の高さ位置を検出するように設けられている。ハイトセンサ７８から高さ位置検出信号がコンピュータ８に送られると、コンピュータ８は昇降駆動機構９の動作を制御してボールスクリュウ７５ａ，７５ｂをそれぞれ回転させ、昇降台７６を上昇または下降させるようになっている。これにより昇降台７６上の被処理基板５と蛍光板６１は結像光学系３２および位相シフタ３１Ａに対して高精度に位置合せされる。
【００５６】
図２を参照してアニール装置の光学系について詳しく説明する。  
このアニール装置１０は、予め基板５ａの上に下地保護膜３０２、非晶質Ｓｉ膜３０３、キャップ膜３０５が順次積層された被処理基板５に対して強度とビームプロファイルが変調されたレーザ光５０を照射するものである。結晶化の対象は非晶質Ｓｉ膜３０３である。下地保護膜３０２とキャップ膜３０５はそれぞれＳｉＯ2絶縁膜である。
【００５７】
図２に示すように、結像光学系３２は、レーザ光軸１００に沿って光源側から順次配列されたホモジナイザ３２ａ、第１のコンデンサレンズ３２ｂ、第２のコンデンサレンズ３２ｃ、マスク３２ｄ、テレセントリック型の縮小レンズ３２ｅ、位相シフタ３１Ａを備えている。ホモジナイザ３２ａは、光源１から発振されるレーザ光を分割し、分割光を収束することにより、該レーザ光を均一化する機能を有する。第１のコンデンサレンズ３２ｂは、ホモジナイザ３２ａからの均一化レーザ光を集光し、第２のコンデンサレンズ３２ｃと共役関係に配置される。第２のコンデンサレンズ３２ｃの出射光路にはマスク３２ｄが設けられている。縮小レンズ３２ｅは１／１〜１／２０倍の範囲に像を縮小する機能を有する。この縮小レンズ３２ｅを通過した光は、絶縁性キャップ膜３０５の表面（被処理基板の入射面３６）から被処理基板５に入射し、像面３７にて収束する。像面３７は、入射面３６と一致させても一致させなくてもよい。通常の場合は、ギャップｄを調整することにより像面３７を入射面３６から所望距離シフトさせ、像面３７は入射面３６と不一致である。像面３７／入射面３６間のシフト量は、キャップ膜３０５の膜厚に応じて最適に調整される。
【００５８】
光源となるKrFエキシマレーザ装置１からは波長248nmの長尺ビームのレーザ光５０が出射される。レーザ光５０は、先ずアッテネータ２において誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザフルエンスが光学的に変調される。次に２組（それぞれｘ方向とｙ方向）の小レンズ対からなるホモジナイザ３２ａによって発散ビームに分割される。なお、１ショットのパルス継続時間は３０ナノ秒である。分割されたビームの各中軸光線は、コンデンサレンズ３２ｂ（凸レンズ#1）によってマスク面３２ｄの中心に集まる。
【００５９】
また、それぞれのビームは、僅かに発散型になっているために、マスク面３２ｄの全面を照明する。分割された微小出射領域を出た全ての光線群が、それぞれマスク面３２ｄ上の全ての点を照射するので、レーザ出射面上の光強度に面内揺らぎがあっても、マスク面３２ｄの光強度は均一になる。
【００６０】
マスク面３２ｄの各領域を通過する光線群の中心光線、すなわちホモジナイザ３２ａの中心部分のレンズ対を通ってきた発散光線群は、マスク面近傍の凸レンズ３２ｃによって平行光線になってから、テレセントリック型の縮小レンズ３２ｅを通って、加熱ヒータ７ａを備えた移動ステージ７上に置かれた基板５を垂直に照射する。
【００６１】
移動ステージ７はXYZの各方向に位置を調整できるようになっているので、照射領域をずらしてアニールを繰り返すことにより、大面積を結晶化することが可能である。また、マスク面３２ｄの同一箇所を通過した光線群は基板面の一点に集まる。すなわち、マスク面３２ｄの縮小像が均一光強度で基板面上に作られる。なお、XYは水平面のX軸とY軸を示し、Zは水平面に垂直な方向に延びる軸を示す。
【００６２】
基板表面の任意の点を照射する光線群は、レーザ光軸１００を通る中心光線を含めて分割された光線から作られる。ある光線と中心光線のなす角は、ホモジナイザ３２ａの幾何学的形状で決まる、マスク面３２ｄでの当該光線と中心光線の作る角に、テレセントリック型レンズ３２ｅの倍率を掛けた値になる。
【００６３】
試料から５００μｍ以内に近接配置された位相シフタ３１は、所定の段差３１ａを有し、段差３１ａのところで分割光線群にそれぞれ独立にフレネル回折を起こさせる。これらの回折パターンは基板表面のキャップ膜３０５で多重反射により重畳されるから、基板表面の光強度分布には、位相シフタ３１のパラメータ（ギャップｄ、位相差θ）だけではなく、位相シフタ３１に入射する光線群の広がり量（ε）や、光線間の干渉性が複雑に関係する。
【００６４】
本発明を実施したレーザアニール装置は以上のような構成で、レーザ結晶化工程は、最初に移動ステージ７を面内方向に移動してレーザ光源１の光軸１００の先端をビームプロファイル測定部６の蛍光板６１に位置付け、レーザ光を照射してその強度とビームプロファイルを測定する。
【００６５】
次に、測定した強度とビームプロファイルがあらかじめ設定した目標と一致するようにアッテネータ２の角度、位相シフタ３１の位置、移動ステージ７の高さをそれぞれ位置合わせする。
【００６６】
次に、移動ステージ７を面内方向に移動して今度はレーザ光軸１００の先端を半導体基板５の所定の結晶領域に位置付け、ギャップｄに設定し、あらかじめ設定した強度とビームプロファイルのレーザ光を照射する。
【００６７】
以上の測定、位置合わせ、照射を繰り返して同一基板内にTFTのサイズは異なるがチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａが一定の結晶領域を同時に作り分ける。
【００６８】
測定、位置合わせ、照射はこのように交互に行うのではなく、最初にすべての測定を行って位置合わせに必要な操作量を求め、次に結晶領域毎に位置合わせと照射を平行して行うようにしてもよい。
【００６９】
（実証試験）  
図４〜図９を参照しながら、試料表面上のビームプロファイルの実測結果から変調レーザ光の特徴を明らかにし、その実測結果とシミュレーション結果とを比較するとともに、実測結果と結晶化膜のモフォロジとを比較検討した。また、各種臨界光強度をも明らかにした。
【００７０】
平行光を用いたときの孤立位相シフタ（光路差δは１８０°）による一次元の規格化Fresnel回折パターンを図４の（ａ）に示す。位相シフタとプロファイラとの相互間距離（位相シフタ／基板間のギャップｄと同等）は１１０μｍとした。図４の（ｂ）は図４（ａ）の回折パターンの一次元ビームプロファイルを示す特性線図である。図中の特性線Ｃ（細線）はコンピユータシミュレーション結果を示し、特性線Ｄ（太線）はビームプロファイラ蛍光板面での実測結果を示す。図から明らかなように高次の振動を含めて理論結果と良い一致が得られた。特に、最小強度がほぼゼロであることは、エキシマレーザ光が強い自己干渉性を有していることを示している。なお、ビームプロファイラの分解能は、製造しようとする結晶粒径より１桁程度小さいのが望ましく、図４の（ａ），（ｂ）の測定例では０．４μｍの分解能である。
【００７１】
In-plane  cross-coupled位相シフタによる二次元の規格化Fresnel回折像を図５の（ａ）と（ｂ）に示す。ギャップｄを３０μｍ、位相差を１８０°とした。図中の太い線で囲まれた正方格子は一辺の長さが５μｍである。図５の（ａ）はコンピユータシミュレーション像を示し、図５の（ｂ）はビームプロファイラ蛍光板面に現れたレーザフルエンスの実像を示す。格子状の主パターン（太線）以外に内部の微細二次元パターン（細線）も捉えることができており、このプロファイラが二次元パターンの評価にも有効であることが実証された。
【００７２】
図６の（ａ）は、横軸にレーザ光軸ａからの距離（μｍ）をとり、縦軸に規格化されたレーザ強度指数（無単位）をとって、ホモジナイザによるマルチビームがつくるプロファイルを示す特性線図である。縦軸の規格化された強度指数は、結晶化の目安となるパラメータであり、これらを平均化すると１．０に収束する。なお、図６の（ａ）では強度指数が１．０のところは０．２Ｊ／ｃｍ2のレーザフルエンスに相当し、これに係数０．９５を掛けると多結晶化する臨界光強度の０．１９Ｊ／ｃｍ2が求まる。
【００７３】
図中にて特性線Ｅ（細線）はシミュレーション結果を、特性線Ｆ（太線）は実測結果をそれぞれ示す。実測結果とシミュレーション結果とは、有限個数のビームに起因する高い空間周波数成分を除いて、良い一致が得られた。
【００７４】
図６の（ｂ）は低い平均光強度条件で結晶化した膜モフォロジである。試料は基板温度５００℃で、３００ｎｍ厚ＳｉＯ2キャップ膜／２００ｎｍ厚ａ-Ｓｉ膜／１０００ｎｍ厚ＳｉＯ2膜／Ｓｉ構造である。多結晶化が生じた箇所（低い部分）は局所的な高光強度の箇所であり、局所的な低光強度の箇所（黒い部分）は結晶化しなかった領域である。黒い部分は、図６（ａ）の特性線Ｅに０．１９Ｊ／ｃｍ2で示した線（強度指数０．９５）を下回る位置と良く一致した。多結晶化の生じる臨界光強度は約０．１９Ｊ／ｃｍ2であって、この値は均一照射の場合と同じであった。なお、高平均光強度の実験から横方向結晶化の開始と膜不全となる臨界光強度は、それぞれ０．４８Ｊ／ｃｍ2、０．９０Ｊ／ｃｍ2であることが判明した。さらに、単ショットで成長できる距離が約７ミクロンであることも判明した。
【００７５】
図７の（ａ）は、横軸にレーザ光軸１００からの距離（μｍ）をとり、縦軸に規格化されたレーザ強度指数（無単位）をとって、結晶化したＳｉがラテラル成長するか否か、また過大な収縮力のためにラテラル成長した結晶膜が破壊するか否かについてレーザフルエンスとの関係を示した特性線図である。図中の特性線Ｐはラテラル成長の臨界線であり、これより上方の領域ではＳｉ結晶がラテラル成長し、これより下方の領域ではラテラル成長しない。特性線Ｑは膜破壊の臨界線であり、これより上方の領域ではＳｉ結晶膜が過大な収縮により破壊され、これより下方の領域ではＳｉ結晶膜は破壊されない。両特性線Ｐ，Ｑの指数に係数を掛けたレーザフルエンス換算値は、それぞれ約０．５Ｊ／ｃｍ2と約０．９Ｊ／ｃｍ2であった。特性線Ｒはレーザ光強度のビームプロファイルである。特性線Ｒが両特性線Ｐ，Ｑで挟まれた領域にある場合は、膜破壊を生じることなく、安定にラテラル成長する。
【００７６】
図７の（ｂ）はラテラル成長過程におけるＳｉ薄膜のＳＥＭ像である。レーザ光軸ａから片側１０μｍ弱の範囲までにラテラル成長したＳｉ結晶が見られる。しかし、レーザ光軸１００から１０μｍ以上の領域ではレーザ強度のバラツキが大きく、膜破壊した組織（図中に点在する白い塊り）がみられる。また、レーザ光軸ａの近傍領域はレーザフルエンスの強度不足により結晶化しないで非晶質のままの状態であり、この領域はラテラル成長していない。
【００７７】
上記の実験結果を用いて、高充填率で大結晶粒（平均径５ミクロン）を形成できる光学系を求めた。得られた光強度分布と膜モフォロジを図８の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。図８の（ａ）の縦軸は規格化されたレーザ強度（無単位）を示し、結晶化の目安となるパラメータである。これらを平均化すると１．０に収束する。図中の特性線Ｇはシミュレーション結果を示し、特性線Ｈはレーザプロファイラ蛍光板面に現れたプロファイル実像の結果を示す。なお、図８の（ａ）では縦軸の指数の最小値０．６に平均レーザフルエンス０．７０Ｊ／ｃｍ2を掛けるとラテラル結晶化する臨界光強度の０．４２Ｊ／ｃｍ2が求まり、指数の最大値１．３に係数０．７０Ｊ／ｃｍ2を掛けると膜破壊が発生する臨界光強度の０．９１Ｊ／ｃｍ2が求まる。
【００７８】
図８の（ｂ）はレーザ照射（Ｊ＝0.7mJ/cm2）領域における繰り返しパターンのＳＥＭ像（0.24mm×0.24mm）を示し、図８の（ｃ）は同図（ｂ）のＳＥＭ像の一部を拡大したＳＥＭ像（20μm×20μm）を示す。レーザ光軸１００から片側５μｍまでＳｉ結晶粒が安定にラテラル成長していることを観察できた。これから照射領域全面（0.24mm×0.24mm）に高充填率で５μｍ程度の大結晶粒が均一に形成できた。
【００７９】
高分解能ビームプロファイラによってエキシマレーザ光の性質を抽出した。この結果、試料表面上光強度分布を設計することが可能となった。さらに、各種臨界光強度を評価して、これらの結果を総合することにより、高充填率で大結晶粒を成長させる光学系を設計した。この有効性を実験によって確認した。
【００８０】
上記実施形態では本発明のアニール装置、アニール方法を結晶化装置に適用した例について説明したが、不純物注入後に行うアニール工程などの他の工程に本発明を適用するようにしてもよい。
【００８１】
（実施例）  
本発明の実施例として、サイズは異なるが同一特性のTFT−Ａ（小サイズTFT）およびTFT−Ｂ（大サイズTFT）の作成例を以下に示す。
【００８２】
まず基板の準備として、図９の（ａ）に示すように、絶縁体基板５（例えばコーニング1737ガラス、溶融石英、サファイア、プラスチック、ポリイミドなど）の表面に第一薄膜３０２（例えばテトラエチルオルソシリケート（TEOS）とO2のプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚３００ｎｍのSiO2膜、もしくはSiN/SiO2積層膜、アルミナ、マイカなど）、第一薄膜３０２の表面に、第二薄膜の非晶質半導体薄膜３０３（例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚１００ｎｍの非晶質Si、非晶質SiGeなど）を成膜する。その上にキャップ膜３０５として、テトラエチルオルソシリケート（TEOS）とO2のプラズマ化学気相成長により例えば膜厚１００ｎｍのSiO2膜を成膜する。次に薄膜の脱水素処理を行う（例えば窒素雰囲気で６００℃×１時間の加熱処理）。
【００８３】
次に、図１のレーザアニール装置を用いてレーザ結晶化を行う。レーザ光源１は、例えばKrFエキシマレーザなどのパルス発振の高エネルギーレーザを用いる。
【００８４】
レーザ光源１から発したレーザ光は、パワーおよびビームプロファイルを変調可能なアッテネータ２とビームプロファイル変調部３を透過する。その結果、パワーとビームプロファイルが変調される。その後移動ステージ７へ到達する。移動ステージ７には、被処理基板５が配置されている。レーザ結晶化は、変調されたレーザ光を被処理基板５に照射することで行う。移動ステージ７にはビームプロファイルを測定可能でパワーメータとしても使用可能な、ビームプロファイル測定部６を設置している。この装置は測定用のパソコン８と連動し、好適なビームプロファイルを持つように移動ステージ７高さｚ、パワーおよびビームプロファイルを変調可能な光学系のパラメータ（例えばアッテネータ２の角度と位相シフタ３１の位置、ギャップｄなど）を設定する。
【００８５】
図３の（ａ）のビームプロファイルＡは小粒径結晶領域、図３の（ｂ）のビームプロファイルＢは、大結晶粒径結晶領域の形成可能なビームプロファイルである。このビームプロファイルは、前述の測定用のパソコン８と連動したシステムで条件設定を行う。
【００８６】
ビームプロファイルＡまたはビームプロファイルＢによって結晶化した結果、所望の結晶粒径のpoly-Siが形成される。例えばビームプロファイルＡでレーザ結晶化を行った場合、図２の（ａ）に示すような、選択された領域に小結晶粒径領域ｒ１が形成される。
【００８７】
また、ビームプロファイルＢにおいてレーザ結晶化を行った場合、図３の（ｂ）に示すような、選択された領域に大結晶径粒領域ｒ２が形成され、ビームプロファイルに依存した結晶領域のつくり分けができる。
【００８８】
TFTのチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａの評価は、以下のように行う。  
TFTの活性層のエッジが分かるように、図１０の（ａ）に示すようにレーザマーカｂなどでマーキングを四ヶ所に行う。その後、図９の（ｂ）に示すソース電極３１２、ドレイン電極３１３、ゲート絶縁膜３０８、ゲート電極３０９、層間絶縁膜３１４を塩酸やフッ酸などで除去し、TFTの活性層であるpoly-Si層３０６を露出させる。このあと、セコエッチング液（ＨＦ：ＫＣｒＯ＝２：１の混合液）を用いて３０秒ほどウエットエッチングを行い、結晶粒界を際立たせる。乾燥させたのち、走査型電子顕微鏡による像観察を行う。なお、像観察装置としては、表面粗さ計や原子間力顕微鏡などを用いてもよい。
【００８９】
チャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数のカウントは、ソース部分の２箇所のマーキングおよびドレイン部分の２箇所のマーキングを例えばそれぞれ１０等分し、おのおのが平行となる直線を決定する。その直線と粒界がクロスする数を平均化して計算する。
【００９０】
ビームプロファイルによって粒径が制御されることから、小粒径結晶領域には大粒径結晶領域よりも密に結晶粒界が存在する。
【００９１】
TFT-Ａのゲート長Ｌａは２μm、TFT-Ｂのゲート長Ｌｂは４μmとし、幅Ｗはいずれも２μmとした。
【００９２】
図３の（ａ）〜（ｄ）に示すように、同一の性能を達成することができるTFT特性を得るためのビームプロファイルＡとビームプロファイルＢをあらかじめ計測した。
【００９３】
図１１に示すように、この場合はステージ高さZと１μm当たりの結晶粒界数との関係データに基いて、所望のプロファイルをギャップｄを変えることで決定できた。
【００９４】
この場合では、TFT-Ａに必要なプロファイルは、ギャップｄ=300μmでレーザ強度を0.55J/cm2、TFT-Ｂに必要なプロファイルは、ギャップｄ=100μmでレーザ強度を0.66J/cm2、であることが計測された。
【００９５】
この条件で、結晶化を基板上の複数の領域に行った。
【００９６】
作製した結晶は、図３の（ａ），（ｃ）に示すようなビームプロファイルによって、結晶化した。
【００９７】
これらの方法で作製された結晶領域は、それぞれTFT−Ａ、TFT−Ｂのあったサイズでパターニングを行い、以下のプロセスを行う。結晶化処理後にキャップ膜３０５をエッチングにより除去するとともに、結晶化した領域を選択的にエッチングして所望サイズの島状の素子領域を形成する。その上に所定膜厚の酸化シリコンからなるゲート絶縁膜３０８を成膜する。図９の（ｂ）に示すようにゲート絶縁膜３０８の上にゲート電極３０９（例えば高濃度リンドープポリシリコン、W、TiW、WSi2、MoSi2）を設ける。ゲート電極３０９をマスクにして、イオン注入を行って、ソース領域３１１、ドレイン領域３１０を形成する。例えばイオン注入は、Ｎ型TFTであれば、P+を1015cm-2オーダで注入し、Ｐ型TFTでは、BF2+を1015 cm-2オーダで注入する。その後、電気炉内で窒素をキャリアガスとして、５００℃から６００℃で約１時間のアニールを行い不純物の活性化を行う。また、ラピッドサーマルアニーリング（RTA）で７００℃、１分間加熱してもよい。最後に、層間絶縁膜３１４を成膜し、コンタクト穴を形成し、ソース電極３１２、ドレイン電極３１３を形成する。ソース電極３１２、ドレイン電極３１３の材料は例えばＡｌ、Ｗ、Ａｌ/ＴｉＮを用いる。このようにして所望の性能を有する薄膜トランジスタ９２が得られた。
【００９８】
TFTの評価は、350mm×400mm基板において、２本の対角線を引いてクロスした中央位置、中央位置と基板四隅との中点の合計５点において行った。
【００９９】
領域内にはTFTの幅Ｗが２μm一定で、長さＬａ＝２μmのTFT-Ａ、Ｌｂ＝４μmのTFT-Ｂが一定のパターンで形成されている。５点それぞれの位置において、TFT特性を測定したところ、TFT-Ａ、TFT-Ｂともに同一の特性が得られた。さらに、チャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａとゲート長Ｌの比Ｎａ/Ｌを調査するために、特性を測定したTFTについて、poly-Si層を明確にするように位置のマーキングと上層部の除去を行い、50μｍ×50μｍの視野内を走査型電子顕微鏡によって評価した。その結果、複数計測したTFT-Ａ、TFT-Ｂそれぞれにおけるチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａとゲート長Ｌの比Ｎａ/Ｌは、いずれも±５％以内の度数分布となっていた。
【０１００】
本発明で作製した複数のTFTの特性測定を行った結果、TFT−ＡおよびTFT−Ｂは、トランジスタサイズが異なるにもかかわらず、同一の性能（電子移動度：250cm２.V/s）を得ることができた。
【０１０１】
表１に示すように、本実施例では、基板温度が室温の場合にＳｉ結晶膜が安定してラテラル成長しうるレーザフルエンスは０．６〜１．３（Ｊ／ｃｍ2）の範囲であった。また、基板温度が３００℃の場合にＳｉ結晶膜が安定してラテラル成長しうるレーザフルエンスは０．５〜１．２（Ｊ／ｃｍ2）の範囲であった。さらに、基板温度が５００℃の場合にＳｉ結晶膜が安定してラテラル成長しうるレーザフルエンスは０．４〜１．１（Ｊ／ｃｍ2）の範囲であった。
【０１０２】
これらの結果を総合すると、Ｓｉ結晶膜を安定にラテラル成長させるためにはレーザフルエンスを０．６〜０．９（Ｊ／ｃｍ2）の範囲に光強度変調のピークとボトムが制御されることが好ましいことが判明した。
【表１】
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【０１０３】
以下、上述の実施形態で得られるような薄膜トランジスタを実際にアクティブマトリクス型液晶表示装置に適用した例について説明する。
【０１０４】
図１２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８０は一対の絶縁基板８１，８２と両者の間に保持された電気光学物質８３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質８３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８１には画素アレイ部８４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８５と水平駆動回路８６とに分かれている。
【０１０５】
また、絶縁基板８１の周辺部上端には外部接続用の端子部８７が形成されている。端子部８７は配線８８を介して垂直駆動回路８５及び水平駆動回路８６に接続している。画素アレイ部８４には行状のゲート配線８９と列状の信号配線９０が形成されている。両配線の交差部には画素電極９１とこれを駆動する薄膜トランジスタ９２が形成されている。薄膜トランジスタ９２のゲート電極３０９は対応するゲート配線８９に接続され、ドレイン領域３１１は対応する画素電極９１に接続され、ソース領域３１０は対応する信号配線９０に接続されている。ゲート配線８９は垂直駆動回路８５に接続する一方、信号配線９０は水平駆動回路８６に接続している。
【０１０６】
画素電極９１をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ９２及び垂直駆動回路８５と水平駆動回路８６に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能な処理回路を集積形成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明は、液晶表示装置や有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置のような表示装置の回路に用いられるＴＦＴのチャネル領域となる半導体薄膜を結晶化または不純物を活性化させるためのエキシマレーザアニール技術（ＥＬＡ法）に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明のアニール装置を示す全体概要図。
【図２】本発明のアニール装置の要部を示す構成ブロック図。
【図３】（ａ）はビームプロファイルＡを示す図、（ｂ）はビームプロファイルＡのレーザ照射で形成される小粒径結晶領域を示す模式図、（ｃ）はビームプロファイルＢを示す図、（ｄ）はビームプロファイルＢのレーザ照射で形成される大粒径結晶領域を示す模式図。
【図４】（ａ）はビームプロファイラ蛍光面における一次元ビームプロファイル像、（ｂ）は一次元ビームプロファイル特性線図。
【図５】（ａ）は二次元ビームプロファイルのコンピュータシミュレーション像、（ｂ）はビームプロファイラ蛍光面における二次元ビームプロファイル像。
【図６】（ａ）は結晶化に関するシミュレーション結果と実際の結果とを併せて示すビームプロファイル特性線図、（ｂ）はレーザ照射領域の非晶質Ｓｉと結晶Ｓｉを示すＳＥＭ像。
【図７】（ａ）はラテラル成長／膜破壊とレーザフルエンスとの関係を示す特性線図、（ｂ）はラテラル成長過程におけるＳｉ薄膜のＳＥＭ像。
【図８】（ａ）はビームプロファイルを示す特性線図、（ｂ）はレーザ照射領域の繰り返しパターンを示すＳＥＭ像、（ｃ）は（ｂ）のＳＥＭ像の一部を拡大して示す拡大ＳＥＭ像。
【図９】（ａ）〜（ｂ）は本発明を用いて作製される半導体素子の製造工程を示す工程図。
【図１０】（ａ）TFTの活性層に設けたレーザマーカの模式図、（ｂ）ゲート層間膜除去後のTFTの活性層に設けたレーザマーカの模式図。
【図１１】ギャップｄと１μｍ当りの結晶粒界数との関係を示す特性線図。
【図１２】本発明の表示装置を示す概略斜視図。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は従来のアニール方法を示す工程図。
【符号の説明】
【０１０９】
１…レーザ光源、
２…アッテネータ、
３…光強度パターン調整部（ビームプロファイル変調部）、
３１…空間強度変調光学素子（位相シフタ）、３１ａ…段差、
３２…均一化光学系、
３２ａ…ホモジナイザ、３２ｂ，３２ｃ…凸レンズ、３２ｄ…マスク面、
３２ｅ…テレセントリック縮小レンズ、
４…ミラー、
５…被処理基板、
５ａ…基板、
６…光強度パターン測定部（ビームプロファイル測定部）、
６１…蛍光板、６２…ミラー、６３…ＣＣＤ、
７…移動ステージ（基板ステージ）、７ａ…ヒータ、
８…コンピュータ、
９…昇降駆動機構（位置合せ手段）、
１０…アニール装置、
５０…レーザ光、
８０…表示装置、
１００…レーザ光軸、
１００Ａ…ビームプロファイラ光軸
３０２…下地保護膜、
３０３…非晶質Ｓｉ膜（ａ−Ｓｉ膜）、
３０５…キャップ膜、
３０６…結晶化領域（多結晶Ｓｉ膜）、
３０８…ゲート絶縁膜（ＳｉＯ2膜）、
３０９…ゲート電極、
３１０…ソース領域、
３１１…ドレイン領域、
３１２…ソース電極、
３１３…ドレイン電極、
３１４…層間絶縁膜（ＳｉＯ2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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