(57)【要約】【課題】従来技術の問題点を解決した半導体薄膜の結晶化方法並びに半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】方位表示指標を有する基板３０１の一面側に非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜３０３を形成し、この半導体薄膜の結晶化領域に、光学変調素子で光変調されて極小光強度線もしくは最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を前記方位表示指標を基準として一面側から照射して、前記結晶化領域に結晶成長起点が前記極小光強度線もしくは最小光強度点と対応し、前記一面に沿った結晶成長方向の面方位が前記方位表示指標により基板のどの方向を向いているかが判るように結晶粒を形成する。【選択図】    図１６
2005064079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方位表示指標を有する基板を準備する工程と、
この基板の一面側に非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を形成する工程と、
この半導体薄膜の結晶化領域に、光学変調素子で光変調されて極小光強度線もしくは最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を前記方位表示指標を基準として一面側から照射して、前記結晶化領域に結晶成長起点が前記極小光強度線もしくは最小光強度点と対応し、前記一面に沿った結晶成長方向の面方位が前記方位表示指標により基板のどの方向を向いているかが判るように結晶粒を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項２】
結晶粒を形成する工程の後に、レーザ光を、前記結晶粒に照射して前記結晶粒をさらに前記面方位の方向に成長させることにより、前記半導体薄膜を結晶化するレーザ照射工程をさらに具備することを特徴とする請求項１の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項３】
前記結晶粒を形成する工程は、前記結晶成長方向の面方位が、（００１）面であり、一面側から見てほぼΔ形状の結晶粒を形成する工程であることを特徴とする請求項２の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項４】
前記レーザ照射工程は、前記さらに成長する結晶粒が一面側から見てほぼ矩形の結晶粒となるように、さらに結晶粒を成長させる工程を有する請求項３の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項５】
前記結晶粒を形成する工程は、前記方位指示指標が示す方向と、前記結晶成長方向の面方位とが一致するように行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項６】
前記基板は、半導体ウエハであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項７】
前記方位指示指標は、オリエンテーションフラット、ノッチもしくは表面へのマーキングであることを特徴とする請求項５の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項８】
前記基板は、矩形の透明基板であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項９】
前記方位指示指標は、基板の一辺、ノッチもしくは表面へのマーキングであることを特徴とする請求項５の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項１０】
方位表示指標を有する基板を準備する工程と、
この基板の一面側に非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を形成する工程と、
この半導体薄膜の結晶化領域に、光学変調素子で光変調されて極小光強度線もしくは最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を前記方位表示指標を基準として一面側から照射して、前記結晶化領域に結晶成長起点が前記極小光強度線もしくは最小光強度点と対応し、前記一面に沿った結晶成長方向の面方位が前記方位表示指標により基板のどの方向を向いているかが判るように結晶粒を形成する工程と、
前記結晶方位に直交して動作電流が流れるように駆動領域を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記動作領域を形成する工程は、前記半導体薄膜内にソース領域と、ドレイン領域と、これら領域の間に位置したチャンネル領域とを形成し、前記動作電流は、チャンネル領域中を流れることを特徴とする請求項１０の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
結晶粒を形成する工程の後に、レーザ光を、前記結晶粒に照射して前記結晶粒をさらに前記面方位の方向に成長させることにより、前記半導体薄膜を結晶化するレーザ照射工程をさらに具備することを特徴とする請求項１０もしくは１１の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記結晶粒を形成する工程は、前記結晶成長方向の面方位が、（００１）面であり、一面側から見てほぼΔ形状の結晶粒を形成する工程であることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記光学変調素子は、位相シフタを有し、前記結晶粒を形成する工程は、この位相シフタと前記方位表示指標とを位置合わせして行うことを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか１の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，半導体薄膜の結晶化方法並びに半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
尚、一般的には単結晶でも原子列の乱れ（転位など）が存在しており、“単結晶”と“単結晶に近い結晶”とは、区別が困難なので、本明細書では、“単結晶に近い結晶”も、“単結晶”として説明されている。
【０００３】
【従来の技術】
絶縁材料基板，または絶縁膜上に単結晶シリコンを形成するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）技術は，ＬＳＩ  （Ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の高集積化，低消費電力や高速化を実現する技術として知られている。この技術のプロセスは，▲１▼単結晶半導体ウエハ、例えば、シリコンウエハの表面下部領域に絶縁膜を形成する方法と，▲２▼絶縁材料基板もしくは絶縁膜の上に形成した非晶質または多結晶半導体薄膜、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン薄膜を結晶化または再結晶化する方法とに分類される。いずれの方法においても，シリコンの結晶性を高めることは極めて重要であり，トランジスタを形成する領域が単結晶であること，さらに，結晶面方位が揃っていて，特に表面が（００１）面，電流の流れる方向の結晶方位が（１００）面であることが望ましい。このため，単結晶シリコンウエハを用いるＳＩＭＯＸや貼り合わせ基板のような▲１▼の方法が実用化されている。
【０００４】
一方，▲２▼の方法は，今日のシリコンＵＬＳＩ技術では採用されていないが，基板材料に制限なくシリコンなどの高品質の半導体薄膜を形成できれば，さまざまな電子素子や電子装置の応用が可能である。このために、この▲２▼の方法の改良が強く望まれている。
【０００５】
１９８０年代に，面方位の揃った単結晶シリコン薄膜を形成することを目的とした多くの研究が行われた。その中で高周波誘導加熱を用いたゾーンメルティング法は、重要な技術であり，表面の結晶方位が（００１）面を有する単結晶シリコン矩形領域を形成することができる技術として知られている。この方法を図１を参照して以下に説明する。なお，詳細は，”深見彰，小林裕，電子通信学会論文誌１９８６／９ｖｏｌ．Ｊ６９−Ｃ  Ｎｏ．９  ｐ．１０８９−１０９５．”（非特許文献１）に記載されている。
【０００６】
まず、図に示すように石英基板１１上に常圧化学気相成長法を用いて多結晶Ｓｉ薄膜を堆積し，この薄膜を，ネック部１４ａにより互い連結された２つの矩形領域１４となるようにパターニングする。次に、細長い高周波誘導加熱ヒータ１７を石英基板１１の下側に位置させて、帯状に１４１２℃以上に加熱し、加熱ヒータ１７に対応した個所の多結晶シリコンを溶融させて、帯状のシリコン溶融領域１３を形成する。次に、この加熱ヒータ１７を矢印１５で示す方向に線形に移動させることにより、単結晶シリコンを順次溶融させて矩形領域１４全体を溶融させて単結晶化させる。図１は、加熱ヒータ１３が、移動の途中にある状態を示し、矩形領域１４のうち、符号１２で示す部分は、既に単結晶化され、空白の部分は、結晶化されていない。ここで，ネック部１４ａの寸法（図の長さＬと幅Ｗ）を変化させると，局部的に熱流が変化し，熱流に依存して結晶方位が変化する。ＬとＷを最適化すると（００１）面の方位を有する結晶化矩形領域１２を形成することができる。
ところで，ガラスやプラスチック基板上に結晶化シリコン薄膜を形成する技術は，液晶ディスプレイなどの駆動素子に用いられている薄膜トランジスタの高性能化技術に応用されている。例えば，薄膜トランジスタの半導体層を非晶質構造から多結晶構造に変化させると、トランジスタの移動度が１００倍以上になる。但し，この場合には，結晶化には基板における熱損傷に注意しなければならない（例えば、一般のガラス基板では６００℃以下，プラスチックでは１５０℃以下にしなければならない）。上記高周波誘導加熱を用いたゾーンメルティング法は、基板（石英基板）を高温にしてしまうため、上記材料で基板が形成されている液晶ディスプレイの分野には適用できない。
【０００７】
このために，基板に熱損傷を与えずに非晶質シリコン薄膜を結晶化する方法として，エキシマレーザ結晶化法が開発された。この技術は，図２に示すように、エキシマレーザ光２１をホモジナイズ光学系２２により光照射断面の強度を均一にし，細長い矩形の開口を有する金属マスク２３を通して矩形状に整形（例えば断面形状は，１５０ｍｍ×２００μｍ）して射出させている。この射出されたレーザ光で、ガラス基板２６上に堆積した非晶質シリコン薄膜２４の表面を矢印２７で示す方向に線形的に相対的に走査して、短軸方向に１０μｍ間隔でレーザ照射している。このレーザ光を吸収したシリコン薄膜は溶融シリコン２５を経た後，多結晶シリコン２８に変換される。この技術では，一般のガラスやプラスチック基板を用いたとしても基板に熱損傷は生じない。なぜなら，エキシマレーザは２０ｎｓ程度のパルスレーザであり，結晶化は５０ないし１００ｎｓ程度で完了するからである。結晶粒径は、レーザエネルギ密度に依存しており，粒径０．１ないし１μｍ程度の多結晶薄膜を形成することができる。面方位に関しては，１回のレーザ照射で形成された結晶粒は配向しないが，数百回程度の多数回繰り返しレーザ照射を行うことにより，表面方位が（００１）面や（１１１）面に配向する報告がある。前者は、例えば，Ｄ．  Ｐ．  Ｇｏｓａｉｎ，  Ａ．  Ｍａｃｈｉｄａ，  Ｔ．  Ｆｕｊｉｎｏ，  Ｙ．  Ｈｉｔｓｕｄａ，  Ｋ．  Ｎａｋａｎｏ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｓａｔｏ，  “Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  （１００）−Ｔｅｘｔｕｒｅｄ  Ｓｉ  Ｆｉｌｍ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  ｏｎ  ａ  Ｇｌａｓｓ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ４２  （２００３）  ｐ．Ｌ１３５−Ｌ．１３７．，（非特許文献２）に記載されている。また、後者は、例えば、Ｈ．Ｋｕｒｉｙａｍａ，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｏｌｙ−Ｓｉ  Ｆｉｌｍ  Ｇｒａｉｎ  Ｓｉｚｅ  ｂｙ  Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｐｏｌｙ−Ｓｉ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ”  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ３０（１９９１）  ｐ．３７００−３７０３（非特許文献３）に記
載されている。
【０００８】
また，上記エキシマレーザアニールを発展させた技術として，ＳＬＳ方式（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれている技術が知られている。このような技術は、特許第３２０４９８６号公報（特許文献１）に開示されている。この技術では、図３（ａ）に示すように，ホモジナイズ光学系によって光強度が均一化されたエキシマレーザ光３１を２ミクロン幅程度の金属細隙を設けたマスク３２を通すことにより断面を長方形状に整形する。この細隙を通ったレーザのフルエンス（エネルギー密度）は，非晶質シリコン薄膜３３が厚さ方向に全溶融３４になるように設定すると、細隙の外側の領域から内側に向かって横方向成長が起こり，結晶化シリコン３６が形成される（図３（ｂ））。次に試料を矢印３７で示すように２ミクロンだけ左方向に移動させ、レーザ照射すると溶融シリコン３４は前照射によって形成された結晶化シリコン３６の右端部を種結晶として横方向成長する（図２（ｃ））。このレーザ照射と試料移動のプロセスを繰り返すことによって大粒径の多結晶シリコン薄膜を形成することができる。この場合に、マスク３２の平面形状を図２（ｄ）の様に市松状マスク３９にして，繰り返しレーザ照射を行うと処理時間が向上し，また結晶化の重なり領域が良好になり，基板面で均一な横方向成多結晶薄膜を形成できる。
【０００９】
上記エキシマレーザ結晶化法をさらに発展させた方法として，位相変調エキシマレーザ結晶化法が知られている。この方法の特徴は，図４（ａ）に示すようにエキシマレーザ光４１を、位相シフタ４２（例えば，石英板に段差加工を行ったもの）と呼ばれる光学部品を通すことによって、図４（ｂ）の符号４３で示すようにレーザ光強度分布を変調させている。このように変調されたレーザ光で，非晶質シリコン薄膜４４に一回の照射を行って、図４（ｃ）に示すように、照射領域４５を結晶化している。
【００１０】
この方法は、上記エキシマレーザ結晶化法と，ＳＬＳ方式とは、異なり、均一光強度分布を使用せず，また，多数回レーザ照射を行う必要もない。この方法では、変調された光強度分布４３により，レーザ照射された薄膜内には傾斜した温度分布が生じ，エネルギーの小さい所４７に結晶核が形成され、この位置を正確に定めることができる。また、図４（ｄ）に示すように、この結晶核をもとにした横方向成長により成長距離が増大し大粒径結晶粒４６ａ，４６ｂを得ることができる。この方法により，大粒径の結晶粒が形成され，しかも結晶粒の位置を制御することができる。この技術の詳細は，“松村正清，表面科学  Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００”（非特許文献４）に記載されている。
【００１１】
【特許文献１】
特願平９−５４２２７０
【００１２】
【非特許文献１】
電子通信学会論文誌１９８６／９ｖｏｌ．Ｊ６９−Ｃ  Ｎｏ．９  ｐ．１０８９−１０９５
【００１３】
【非特許文献２】
Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ４２  （２００３）  ｐ．Ｌ１３５−Ｌ．１３７
【００１４】
【非特許文献３】
Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ３０（１９９１）  ｐ．３７００−３７０３
【００１５】
【非特許文献４】
表面科学  Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基板材料を選択しないで，絶縁層の上に面方位の揃った単結晶領域を形成する技術において，上記４種類の形式の従来技術には夫々以下に述べる課題がある。
【００１７】
図１を参照して説明した高周波誘導加熱を用いたゾーンメルティング法に関しては，基板を部分的にシリコンの融点（１４１０℃）以上に加熱するため，ガラスなどの低融点材料でできた基板を使用する用途には用いることができない。
【００１８】
結晶化膜を（００１）面方位に配向させるためには，島状シリコンの連結部（ネック部）の形状を最適化する必要があり，後に形成するトランジスタおよび回路のレイアウトに制限が生じる。
【００１９】
図２を参照して説明したエキシマレーザ結晶化法に関しては，結晶粒内部の結晶性は単結晶にすることができるが，多数のトランジスタを形成した場合、チャネル領域に粒界が存在するため移動度が低下し，トランジスタ間の性能（閾電圧，サブシュレッド係数，移動度）のばらつきが生ずる。また、結晶粒を大きくするためには，シリコン薄膜が全溶融になる臨界のレーザフルエンスに極限に近づける必要がある。しかしながら，レーザフルエンスが全溶融条件を超えるとシリコン薄膜は微結晶化し、好ましくない。即ち，レーザフルエンスに関しての裕度が狭い。そして、結晶粒サイズが最大で１から２ミクロン程度であるため，トランジスタサイズを小さくしなければならない制約が生ずる。このため、例えば，１  ｍｘ１  ｍ程度のディメンションのディスプレイ用大面積基板を用いた場合には極めて高度な微細加工技術が要求される。また、表面方位を（００１）にするためには，レーザを２００回以上（（１１１）面にするためには１０回程度）照射しなければならない。このため結晶化の処理時間が長くなる。また，結晶化膜の上面（一面）となる個々の結晶粒の表面の方位は（００１）と一定にすることはできても、表面軸に対しては無秩序に回転した位置関係にあり，薄膜の断面の結晶方位は配向していない。即ち、結晶化膜の表面に直行する面を（００１）方位とすることはできない。
【００２０】
図３を参照して説明したＳＬＳ方式に関しては，レーザ光の半分近くを金属マスクでシールドするため，レーザエネルギを有効に利用することができない。このため結晶化の処理時間が長くなる。また、結晶粒の位置がばらついているため，上記エキシマレーザ結晶化と同様にトランジスタ間の性能のばらつきが生ずる。そして、結晶粒の面方位が一定でないため，トランジスタ間の性能のばらつきが生ずる。
【００２１】
図４を参照して説明した位相変調エキシマレーザ結晶化技術に関しては，
結晶粒の表面形状が主に三角形状であるため，トランジスタ回路を形成するさい回路レイアウトに制限が生ずる。また、結晶粒の面方位が一定でないため，トランジスタ間の性能のばらつきが生ずる。
【００２２】
本発明は上記の課題に基づいてなされたもので、その目的は、所望の面方向の結晶粒が半導体薄膜に形成される半導体薄膜の結晶化方法並びに半導体装置の製造方法を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明の一態様に係わる半導体薄膜の結晶化方法は、方位表示指標を有する基板を準備する工程と、
この基板の一面側に非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を形成する工程と、
この半導体薄膜の結晶化領域に、光学変調素子で光変調されて極小光強度線もしくは最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を前記方位表示指標を基準として一面側から照射して、前記結晶化領域に結晶成長起点が前記極小光強度線もしくは最小光強度点と対応し、前記一面に沿った結晶成長方向の面方位が前記方位表示指標により基板のどの方向を向いているかが判るように結晶粒を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００２４】
本発明の他の態様に係わる半導体装置の製造方法は、方位表示指標を有する基板を準備する工程と、
この基板の一面側に非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を形成する工程と、
この半導体薄膜の結晶化領域に、光学変調素子で光変調されて極小光強度線もしくは最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光を前記方位表示指標を基準として一面側から照射して、前記結晶化領域に結晶成長起点が前記極小光強度線もしくは最小光強度点と対応し、前記一面に沿った結晶成長方向の面方位が前記方位表示指標により基板のどの方向を向いているかが判るように結晶粒を形成する工程と、
前記結晶方位に直交して動作電流が流れるように駆動領域を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００２５】
上記のような方法によれば、非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を、基板に対して結晶方位が規定された結晶化半導体薄膜とすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の基本概念を説明する。
【００２７】
本願の発明者らは，図１４（ａ）に示すような、光学変調素子として、石英基板表面に直線の段差加工した位相シフタ１４１を用いて，光源からのレーザ光を図５（ａ）に示すようなレーザ光強度分布５１に変調して、未結晶化薄膜（この場合には、非晶質シリコン薄膜）に照射させて結晶化（この場合には、他結晶シリコン）させた。そして，この結晶化された薄膜の結晶粒の表面形態と個々の結晶粒の結晶学的方位を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）法と電子後方散乱（ＥＢＳＰ）法を用いて測定した。この結果，結晶粒の形態は、図５（ｂ）に示すように小粒径結晶粒５２と，短冊形状結晶粒５３と，Δ形状結晶粒５４との３種に分類できることが判った。これら３種の結晶粒を図式化し、判った面方位関係を付加すると，図５（ｃ）に示すようになる。図５（ｃ）では、小粒径結晶粒５２と，短冊形状結晶粒５３と，Δ形状結晶粒５４とに対応する結晶粒を、同じ符号に夫々サフィックス“ａ”を付している。ここで，本発明者達が着目した点は、Δ形状結晶粒５４ａの成長距離は長く，結晶成長方向の面方位が（１００）面であり，結晶成長方向に対しての２つの垂直方向のうち薄膜の面内の垂直方向は（０１０）面または（０１１）面であるということである。そこで、本発明者達は，図６（ａ）に示すように線状の領域６１ａがレーザ光強度の極小になるような第１の位相変調エキシマレーザ照射を行い（極小光強度線による照射），それによって形成されたΔ形状結晶粒６４の底辺領域６１ｂを種結晶、即ち結晶核（結晶成長起点、結晶成長領域）にして，第２の位相変調エキシマレーザ照射を行えば，面方位が揃いしかも結晶粒の形態が方形状６４になることを見出した。即ち，図６（ｂ）に示すように，第２位相変調エキシマレーザ照射は，線状の領域６１ｂが極小強度となるようにすればよいことが判った（極小光強度線による照射）。第２位相変調エキシマレーザ照射により，領域６１ｂの左右の領域は全溶融になるため結晶成長は，領域６１ｂの左右の方向に生ずる。この結果，図６（ｃ）のように，少なくとも結晶成長方向の面方位は（００１）面を有し，かつ四角形状の結晶粒が形成される。尚、図６は、結晶化膜を上方から見た場合の図である。さらに、図１４（ａ）に示す位相シフタ１４１を使用して、横方向（左右方向）のピッチＰが一定、例えば、１０μｍの複数の最小光強度点（逆ピーク点）６２ａを有する図８（ａ）に示すレーザ光強度分布８１のレーザ光で、未結晶膜８０を第１の位相変調エキシマレーザ照射し、次に、位相シフタ１４１と未結晶膜８０とをほぼ２／Ｐ（約５μｍ）相対的だけずらせて第２の位相変調エキシマレーザ照射を行えば，図８（ｂ）のように，２次元に位置制御した結晶粒を形成することができる。ここで、ピッチＰとは、後で図１４を参照して説明するように、入射レーザ光の位相を１８０°（π）ずらせるために表面に形成された細長い溝と表面との間の段差、即ち、位相シフト線間、の間隔を言う。
【００２８】
上記実験並びに測定から以下の結論が，導かれた。
【００２９】
表面形態が四角形状の結晶粒が一次元的に位置制御されていて少なくとも成長方向の面方位は（００１）となる結晶化膜を製造するには，図１４（ａ）のような一次元の位相シフタ１４１を用いて，一次元のレーザ光強度分布を形成し，非晶質シリコン薄膜表面にレーザ照射して，一方向成長した結晶粒を形成すればよい（第１のレーザ照射）。このときに、照射するレーザ光は、図５（ａ）に示すように結晶成長の開始位置と終了位置とは、レーザ光強度の極小値Ｊ１と極大値Ｊ２になるように設計する。このような第１のレーザ照射による周期的なアニーリングにより，非晶質シリコン薄膜の照射全領域に横方向成長結晶粒が充填される。次に、図７（ａ）の走査電子顕微鏡写真に示すように，第１のレーザ照射におけるレーザ強度極大領域（Δ形状結晶粒の底辺領域）７２が極小領域になるように第２のレーザ照射を行う（極小光強度線による照射）。このとき小結晶粒７５や短冊型結晶粒７３は全溶融して，Δ形状結晶粒の底辺領域７２が種結晶となり，領域７２の左右方向に溶融再結晶成長する。第２のレーザ照射後の結晶化薄膜表面の走査電子顕微鏡写真を図７（ｂ）に示す。第２のレーザ照射では，第１のレーザ照射における成長方向が（００１）面である三角形状の結晶粒の底辺領域が種結晶となり，第１のレーザ照射で形成された小粒径結晶粒，短冊状結晶粒は再溶融し，種結晶からの結晶成長に取り込まれることを示している。従って，第２のレーザ照射によって，成長方向が（００１）面であり，表面形態が四角形状の結晶粒７４ｂが形成される。このことは，電子後方散乱法によって確認した。
【００３０】
さらに上記技術思想を発展させて，図１４（ｃ）のように、位相シフト部、即ち、位相シフト線、が互いに直交した（ａ）に示す位相シフタ１４１と、（ｂ）に示す位相シフタ１４２とを組合わせることによって，図８（ａ）に示すような光強度分布８１を形成した。この図に示す光強度分布は、３つの極小光強度線と、９つの最小光強度点とを有するが、これらの数は、本発明においては任意である。この光強度分布８１は、極小強度領域（線）に最小点が存在することを特徴をしており，結晶成長開始点８２を２次元位置制御することによって，５角形状結晶粒８３の配列を形成することができる。また、第１の位相シフタの位相シフト線に対応して形成される極小光強度線と第２の位相シフタの位相シフト線に対応して形成される極小光強度線とは、交差していれば、必ずしも直交していなくても良い。前述したような光強度分布８１を用いて結晶化したシリコン薄膜の表面形態の走査電子顕微鏡写真を示す図８（ｂ）において、結晶成長開始点８２に対応する結晶成長開始点は８２ａで示し，単結晶化領域は８３ａで示す。この技術思想と上記２次再結晶化方法を組み合わせれば，成長方位が制御された単結晶領域を二次元的に配列できる。
【００３１】
また，上記技術思想を発展させると，あらかじめ使用する基板に方位を示し，それに従って，光強度分布を形成して結晶化を行えば結晶面方位を示す半導体薄膜基板を作製することができる。ほぼ円形の半導体基板を用いた場合は，図９（ａ）に示すように、基板（半導体ウエハ）にオリフラ９１，ノッチ９２，基板マーキング９３等の方位表示指標を予め形成し、この指標を基準にして，レーザ光強度分布方向（強度勾配方向）を合わせる。また，ガラス基板のように矩形の基板の場合には、図９（ｂ）に示すように，一辺９４，角の切りかけ９５，基板マーキング９６等の方位表示指標を予め形成し、この指標を基準にして，レーザ光強度分布方向（強度勾配方向）を合わせる。このようにして、結晶化を実施することにより、基板から薄膜断面の結晶面方位が判る結晶化半導体薄膜基板を得ることができる。
【００３２】
以下に、上記基本概念に基づく実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００３３】
第１の実施の形態
図９（ａ）に示すようなオリエンテーションフラット９１、ノッチ９２、基板マーク９３等の方位表示指標を有する半導体基板（図１０では符号１０１で示されている）上に、面方位の揃った四角形状の結晶化領域アレイを有する半導体装置およびその製造法、並びに半導体薄膜の結晶化方法に関する実施の形態を図５，図６，図７，図８，図９，図１０を用いて、特に、図１０を主に参照して説明する。
【００３４】
まず、半導体基板１０１（例えば，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｉ１−ｘＧｅｘ  ，Ｓｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙ，  ＧａＡｓ，  ＧａＰ，  ＩｎＡｓ，  ＧａＮ，  ＺｎＴｅ，  ＣｄＳｅ，  ＣｄＴｅなどの半導体のウエハ）を用意する。この半導体基板１０１の上に絶縁層１０２（例えば膜厚５００ｎｍ）を形成する。この絶縁層１０２は、例えば、熱酸化または，ＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜されたＳｉＯ２膜である。代わって、この絶縁層１０２は，例えば、ＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜との組合わせのような積層構造にしたものでもよい。また、絶縁層１０２は、半導体基板１０１上の全面に形成し、そのまま残しておいても，パターニングによって部分的に残しておいても良い。ここでは，半導体基板１０１の全面に設けられている場合について説明する。次に、前記絶縁層１０２の上に、即ち、半導体基板１０１の一面側に、非晶質または多結晶構造の半導体薄膜１０３（例えば，膜厚３０ないし２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｓｉ１−ｘＧｅｘ，  もしくはＳｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙ膜など）をＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜する。この半導体薄膜１０３は、絶縁層１０２の全面，または，パターニングによって絶縁層の部分領域に形成してもよい。ここでは，絶縁膜１０２の全面に形成されている。
【００３５】
そして、図１０（ａ）に示すように、半導体薄膜１０３の表面全面に、保護膜１０４（例えば，ＳｉＯ２，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ、または、これらの積層構造膜）を膜厚約３００ｎｍの膜厚で成膜する。前記絶縁層１０２および半導体薄膜１０３がパターニングされた場合においては，基板全面に保護膜を形成してもよい。
【００３６】
次に、図１０（ｂ）に示すように、位相変調エキシマレーザ結晶化法を用いて，保護膜１０４の表面に図８（ａ）に示すような光強度分布を有するエキシマレーザ光１０５を照射する。このレーザ照射を第１のレーザ照射と呼ぶ。ここでは，位相変調エキシマレーザ結晶化法は，第３の実施の形態で説明するレーザ結晶化装置を用いている。このようなレーザ光の照射は、予め基板や半導体ウエハに設けられた合わせマークに従って照射位置が設定され得る。
【００３７】
前記第１のレーザ照射は，複数の逆ピークを有する光強度分布を使用しているが、図では簡単のために、３つの逆ピークの場合を示す。この光強度分布には、各逆ピーク点（最小光強度点）を中心として１対の，主勾配方向（光強度が最小光強度点からほぼ線形に強くなる光強度の方向）１０６並びに／もしくは１０６ａが存在する。１対の主勾配方向１０６と１０６ａとは、紙面内で互いに１８０°の回転の関係である。主勾配方向１０６または１０６ａと半導体基板１０１の方位表示指標の方向とが所定関係を有するように、半導体基板１０１と、位相シフタとが予め、設定されている。ここでは，主勾配方向１０６とオリフラ９１とが平行となるように設定されている。
【００３８】
この第１のレーザ照射において、レーザ光のエネルギ密度は，図５（ａ）に示すように、光強度の極小値が横方向成長条件の臨界値ｊ１を越えていて，光強度の極大値が半導体薄膜１０３の蒸発臨界値ｊ２以下であることが望ましい。これら臨界値ｊ１，Ｊ２の値は，主に半導体薄膜１０３のレーザ光に対する吸収係数と膜厚によって決定される。
【００３９】
上記第１のレーザ光１０５による第１のレーザ照射によって，半導体薄膜１０３の照射領域は、結晶化され多結晶半導体薄膜１０７に変換される。この結晶化薄膜１０７の表面形態は，主勾配方向１０６，１０６ａに沿って横方向に結晶化されている。この段階で、保護膜をエッチングにより除去して走査電子顕微鏡法と電子後方散乱法によって解析すると，個々の結晶粒は，レーザ光強度の低い位置から結晶成長が始まり，主勾配１０６，１０６ａの方向に沿って結晶成長したことが判る。個々の結晶粒は一つの結晶核から成長していると推定され，図５（ｃ）に分類されるように、小粒径結晶粒５２ａと，短冊状結晶粒５３ａと，Δ形状結晶粒５４ａとが形成されている。この中で，最も横方向成長距離が長いものはΔ形状結晶粒５４ａである。電子線後方散乱法で個々の結晶粒の結晶方位を解析すると，Δ形状結晶粒５４ａの成長方向（即ち、主勾配１０６，１０６ａ）の面方位は（１００）となっている。また、このΔ形状結晶粒５４ａの成長距離は，少なくとも２  ｍｍ以上になっており，本実施の形態では，５  ｍｍである。一方，小粒径結晶粒５２ａ，短冊形状結晶粒５３ａの主勾配方向の結晶面方位は，（１１１）または，（１１０）面になっている。
【００４０】
次に、図１０（ｃ）に示すように，第２のレーザ光１０８を使用して、第２のレーザ照射を、前記多結晶化された領域に行う。この第２のレーザ照射の光強度分布は，  図１０（ｂ）と（ｃ）とを比較してみれば判るように，第１のレーザ照射で用いた光強度の極小値の位置が第２のレーザ照射の極大値になるように、第１のレーザ照射の光強度分布を、極小値のピッチの約１／２だけ平行移動した光強度分布になるように設定されている。即ち、図６（ａ）に示す領域６１（ａ）が第１のレーザ照射の極小値であり，領域６１（ｂ）が第２のレーザ照射の極小値である。ここで，図８（ａ）に示すレーザ光強度分布８１のように、最小光強度点６２ａの位置にさらに強度が下がり最小値となるような光強度分布にすれば，結晶成長開始点が２次元に制御できる。本実施の形態では，前述したように１／２Ｐ（５  ｍｍ）だけ主勾配方向に平行移動した光強度分布を用いている。図７（ａ）は、第１のレーザ照射後の結晶化シリコン薄膜の表面形態を走査電子顕微鏡で観察した結果である。この図で、符号７１は、第１のレーザ照射の光強度が極小の領域を示し，符号７２は極大の領域を示す。この写真においても，図５（ｂ）で示したように小粒径結晶粒７５，短冊形状結晶粒７３，Δ形状結晶粒７４ａが形成されていることが判る。第２のレーザ照射は、符号７２で示す領域に光強度が極小になるように行っている。第２のレーザ照射のエネルギ密度は、第１のレーザ照射のエネルギ密度と同等もしくは大きくなるように設定されている。この実施の形態では、第２のレーザ照射は，第１のレーザ照射の光強度分布を用いて，試料表面を５  ｍｍだけ主勾配方向に平行移動してから照射させているけれども。必ずしも同じ位相シフタを使用する必要はなく、前記１／２Ｐだけ位相がずれた別の位相シフタを使用しても良い。
【００４１】
上記第２のレーザ照射により，多結晶半導体領域１０７は，図１０（ｄ）に示すように、結晶粒の大きい半導体領域１０９に変換されている。このときの光強度が最小であった点は、前述した図７（ｂ）で、符号７２で示されている。この図では、第２のレーザ照射によって，領域７２の左右に横方向に結晶化したことが示されている。また、この図には、図１０（ｄ）に示す半導体領域１０９の結晶粒に相当する結晶粒７４ｂが示されている。この結晶粒７４ｂの表面形状（半導体領域１０９を上方から見たときの形状、即ち、水平面内の形状）は、ほぼ四角形（矩形）であり，また、光強度分布の主勾配方向１０６，１０６ａの結晶粒の面方位は、（１００）である。なお，この半導体領域１０９の結晶化された領域の結晶性は、単結晶になっている。図７（ｂ）では，前述したように、図７（ａ）で観察された小粒径の結晶粒，短冊状の結晶粒，三角形状の結晶粒はほとんど存在しない。これは，第１のレーザ照射で形成されたΔ形状粒７４ａの底辺部分が，第２のレーザ照射では完全には溶融せず，一方、小粒径結晶粒７５，短冊状結晶粒７３は，完全に再溶融するからである。このため，光強度が最小であった領域７２を種結晶として、主勾配方向１０６（または１０６ａ）の方向に結晶成長がおこっている。主勾配方向に（１１１）面または（１１０）面を有していた小結晶粒７５と短冊形状結晶粒７３は消滅して、主勾配方向１０６（または１０６ａ）方向において（１００）面に配向した結晶粒に変換されている。
【００４２】
以上の説明で判るように，本実施の形態の方法で形成された半導体領域１０９の結晶粒の半導体基板１０１のオリフラに沿った方向の面方位は（１００）面となっている。
【００４３】
従って，本実施の形態の方法によって，半導体基板上に、断面の一方向に（１００）面方位を有し、ほぼ四角形状の結晶粒により構成された単結晶化領域アレイを形成することができる。以上説明した方法では、図面上では、半導体薄膜１０３の一部を単結晶化しているように見えるが上記処理を繰り返すことにより、半導体薄膜１０３全体を単結晶化することも、できる。
【００４４】
第２の実施の形態
絶縁材料基板上に面方位の揃った四角形状の結晶化領域アレイを有する半導体装置およびその製造法、並びに半導体薄膜の結晶化方法に関する実施の形態を図９，図１１を参照して説明する。
【００４５】
まず、図９（ｂ）に示すような辺９４，ノッチ９５，またはマーキング９６（基板の表面でも裏面でもよい）を有する絶縁材料基板１１１（例えば，石英ガラス，ソーダガラス，ホウケイ酸ガラス，鉛ガラス，フッ化物ガラス，サファイア，プラスチック，ポリイミド，など）を用意する（図１１（ａ））。この絶縁材料基板１１１の上に、絶縁層１１２（例えば、膜厚５００ｎｍ）を形成する。この絶縁層１１２は、例えば、ＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて形成されたＳｉＯ２薄膜である。代わって、この絶縁層１１２は，例えばＳｉＮやＳｉＯ２などの異種の材料により、積層構造にしたものでもよい。絶縁層１１２は、絶縁材料基板１１１の全面，または，パターニングによって絶縁材料基板表面の部分領域に形成してもよい。ここでは，絶縁材料基板１１１の全面に形成している。次に、絶縁層１１２の上に、非晶質または多結晶構造の半導体薄膜１１３（例えば，膜厚３０ないし２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，Ｓｉ１−ｘＧｅｘ  ，Ｓｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙなど）をＣＶＤ法（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜する。この半導体薄膜１１３は絶縁層１１２の全面，または，パターニングによって絶縁層の部分領域に形成してもよい。ここでは，絶縁層１１２の全面に形成している。
【００４６】
そして、図１１（ａ）に示すように、半導体薄膜１１３の表面全面に保護膜１１４（例えば，ＳｉＯ２，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ、または、これらの積層構造膜）を約３００ｎｍの厚さに成膜する。前記絶縁層１１２および半導体薄膜１１３がパターニングされた場合においては，基板全面に保護膜を形成してもよい。この後の工程は、前記第１の実施の形態１と実質的に同じであり，簡単に記述する。
【００４７】
図１１（ｂ）に示すように、保護膜１１４の表面に、前述したような光強度分布を有する第１のレーザ光１１５で、第１のレーザ照射を行う。この第１のレーザ照射における光強度の主勾配方向１１６，１１６ａは，絶縁材料基板１１１に示された方位表示指標を基準にして設定している。この実施の形態では、主勾配方向１１６，１１６ａと，方位表示指標が示す方向とを一致させている。この第１のレーザ照射によって、半導体薄膜１１３の照射領域は、結晶化半導体薄膜１１７に変換される。
【００４８】
次に、図１１（ｃ）に示すように、第１の実施の形態と同条件で、ほぼ１／２Ｐだけ横方向にシフトした第２のレーザ光１１８により、第２のレーザ照射を行う。この結果、図１１（ｄ）に示すように、前記結晶化半導体薄膜１１７は、単結晶化半導体薄膜１０９となる。この結晶化半導体薄膜１１７の結晶粒の表面形態は、四角形状であり、また、絶縁材料基板１１１の基準に沿った方向の面方位は（１００）面となっている。従って，本実施の形態の方法によれば，絶縁材料基板の断面の一方向に（１００）面方位を有する四角形状の単結晶化領域アレイを形成できる。
【００４９】
第３の実施の形態
半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置の実施の形態を、夫々図１２，図１３，図１４，図１５を参照して説明する。これら例では，光源としてエキシマレーザ１２１（例えば，ＸｅＣｌ，ＫｒＦ，ＡｒＦＦなど）を用いているが、必ずしもこれらに限定されることはない。
【００５０】
図１２（ａ）に示されるように、パルスレーザ光１２２ａを射出するエキシマレーザ１２１の出射側には、レーザ光１２２のエネルギ密度        （図５（ａ）に示す臨界値ｊ１、臨界値ｊ２）を制御するためのアッテネータ１２３と，レーザ光の強度を均一化するホモジナイズ光学系１２４とが順次配設されている。尚、符号１２０ａで示す位置は，ホモジナイズ光学系１２４の結像面（焦点面）である。このホモジナイズ光学系１２４の射出側には、９０度反射鏡を介して、ホモジナイズ光学系の結像面１２０ａを等倍もしくは縮小する投影レンズ１２５が配置されている。そして、この投影レンズ１２５の結像面１２０ｂ（フォーカス位置）には第１の位相シフタ１２６ａが、また，焦点位置からはずれた位置（デフォーカス位置）には第２の位相シフタ１２７ａが、夫々配置されている。ここで，第２の位相シフタ１２７ａは、複数枚の位相シフタ、例えば、位相シフト方向が互いに直交した２つの位相シフタで構成されてもよい。第１の位相シフタ１２６ａは、図８（ａ）に示されているレーザ光強度分布８１おいて、急峻なボトムを形成するためのものである。第２の位相シフタ１２７ａは、図８（ａ）に示されているレーザ光強度分布８１おいて、横方向の結晶成長に必要な勾配を形成するためのものである。即ち、図８（ａ）に示されているレーザ光強度分布８１おいて、最小光強度点６２ａ部のレーザ光強度分布が急峻なボトムの形状は、第１の位相シフタ１２６ａによって形成される。レーザ光強度分布８１おいて、最小光強度点６２ａ部から最大のレーザ光強度分布となる形状は、横方向の結晶成長に必要な勾配であって、第２の位相シフタ１２７ａによって形成される。
【００５１】
前記第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａは，光軸上に、図示しないホルダによって固定されている。このホルダは，光軸に沿った方向と、それに垂直な方向とに移動させる機構と，２軸の回転機構とを有するゴニオメータのような駆動機構ＤＭに組み込まれている。
【００５２】
前記第２の位相シフタ１２７ａの射出側には、ステージ１２９の上に載置された試料１２８が位置されている。このステージ１２９は、Ｘ方向並びにＹ方向に移動可能であり、試料１２８を第２の位相シフタ１２７ａに対して相対的に水平方向にシフトさせることができる。
【００５３】
次に上記構成の結晶化装置の作用を以下に説明する。
【００５４】
エキシマレーザ１２１から出射したパルスレーザ光１２２ａは，アッテネータ１２３によりエネルギ密度が制御されて，ホモジナイズ光学系１２４に入り、ここで強度が均一化されたレーザ光１２２ｂとなって、反射鏡に入射される。ここで、レーザ光１２２ｂは、試料１２８方向へと９０度偏向されて、投影レンズ１２５に入射される。この投影レンズ１２５は、入射レーザ光１２２ｂを第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａによって変調されたレーザ光１２２ｄとして試料表面に入射させる。このための位相シフタ１２６ａ，１２７ａの構成は、後で図１４を参照して説明する。尚、この試料１２８は、実際には、例えば、図９に示す基板のいずれかの上に形成され、図１０並びに図１１に示す半導体薄膜１１３を有する積層薄膜基板で有り得る。
【００５５】
前記第２の位相シフタ１２７ａにより変調されて形成されたレーザ光強度分布（像）の特徴は，例えば，図８（ａ）に示すレーザ光強度分布８１のように，ミリメートルレベルの巨視的には均一強度であり，ミクロンレベルの微視的には強度変調されていることを特徴とする。このようなレーザ光強度分布８１のレーザ光で，第１のレーザ照射を行うと，図８（ｂ）の走査電子顕微鏡写真のような結晶粒が位置制御された結晶化薄膜を形成することができる。
【００５６】
尚、前記アッテネータ１２３によって，レーザ光のエネルギ密度を最適化してレーザ光１２２ｄを試料１２８の表面に照射すると、試料１２８の半導体薄膜はレーザ光１２２ｄを吸収することによって温度が上昇する。ここで，レーザ光１２２ｄの強度変調領域において，極小強度での半導体薄膜は，下地界面付近まで溶融状態になり，極大強度では，半導体薄膜が蒸発しない温度になっていることが望ましい。
【００５７】
前記第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａは，図１４（ａ）並びに（ｂ）に、符号１４１並びに１４２で夫々示すように、透明な基板、例えば、合成石英板１４１ａ（１４２ａ）の一面に、互いに一定間隔を有する細長い矩形溝１４１ｂ（１４２ｂ）が形成されることによって段差を有する構造になっている。この段差の高さ（溝の深さ）  Δｔが射出レーザ光の位相差θに相当する。この位相差θは，θ＝２πΔｔ（ｎ−１）／λで与えられる。ここで，λは，レーザの波長，ｎは合成石英板の屈折率である。例えば，波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを用いた場合，屈折率は，１．５０８であり，段差Δｔが２４４ｎｍのとき位相差は１８０°となる。このような位相シフタ１４１（１２６ａ），１４２（１２７ａ）は、溝が互いに直交するような配置関係で、図１２（ａ）に示すように位置に設けられている。前記合成石英基板１４１ａ（１４２ａ）の表面に段差を形成する方法として，例えば，反応性イオンエッチングを用いてエッチングする方法，集束イオンビーム法を用いて，直接加工する方法，合成石英基板の上に非晶質シリコン薄膜を成膜してパターニングしたものを熱酸化する方法がある。前記両位相シフタ１４１，１４２は、図面上では、溝のデイメンシヨンも、ピッチＰ（位相シフト線間の間隔）も異なっているが、同じものでも良い。
【００５８】
また，位相シフタには，表面段差に加えて，光吸収によって光強度分布を形成する効果を付加してもよい。このためには、例えば、合成石英板１４１ａ（１４２ａ）の一面に光吸収膜（たとえば，ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，Ｇｅなどの膜）を成膜してパターニングする。このような位相シフタ１４１（１４２）を使用することにより、光吸収膜の吸収係数と膜厚によって光強度分布が変化する。この方法は，光強度振動を抑制したい位相シフタの領域に形成する場合によい。
【００５９】
また，位相シフタの表面上にマイクロレンズを形成して，光強度分布を形成する効果を付加してもよい。
【００６０】
図１５に示すように，一枚の合成石英基板１５１の表面に異種構造の段差を形成することによって、複数対の位相シフタとしての位相シフタ領域１５２ａ，１５２ｂ，並びに１５３ａ，１５３ｂを同一基板に設けてもよい。この例では、対間の溝の幅並びに溝間の距離（即ち、位相シフト部ピッチ）が異なる２対の位相シフタ領域１５２ａ，１５２ｂ並びに１５３ａ，１５３ｂが設けられている。この場合，各位相シフタ領域の面積は，入射レーザ光の断面１５４よりも大きくなっていなければならない。各対の位相シフタ領域１５２ａ（１５３ａ）と１５２ｂ（１５３ｂ）は、互いに半周期ずれた（１／２位相シフタピッチずれた）構造になっている。このような位相シフタでは、第１照射は、一方の位相シフタ（領域）１５２ａを用い，第２照射は，合成石英基板１５１を溝の長手方向に移動させて，他方の位相シフタ（領域）１５２ｂを用いて結晶化することができる。他方の対の位相シフタ（領域）１５３ａと１５３ｂについても同様であり，異なった対の位相シフタを用いることにより、レーザ光を異なったパターンのレーザ光強度分布を有するようにすることができる。
【００６１】
前記第１の位相シフタ１４１と第２の位相シフタ１４２とは、図１４（ｃ）並びに（ｄ）に示すように、隅部に設けられた４つのスペーサ１４３を挟んで取着することにより、一体的な構造としてもよい。また、位相シフタ間に塵埃等が入るのを防止することもできるように、４つのスペーサの代わりに、枠形のシールドスペーサを４辺間に設けても良い。図１４（ｃ）は、第１の位相シフタ１４１と第２の位相シフタ１４２とを、一方（この場合には前者）の矩形溝部を内側にし、他方（この場合には後者）の矩形溝部を外側にして組合わせた例を示す。図１４（ｄ）は、第１の位相シフタ１４１と第２の位相シフタ１４２とを、両者の矩形溝部が内側になるように組合わせた例を示す。勿論、矩形溝部が外側になるように、両位相シフタ１４１，１４２を組合わせても良い。代わって，図１４（ｅ）に示すように、第１の位相シフタと第２の位相シフタとは、１枚の合成石英基板（共通透明基板）に一体的に形成しても良く、この場合には、一面に第１の位相シフタの溝、即ち、段差が形成され、他面に第２の位相シフタの溝、即ち、段差が形成されている。さらに、第１の位相シフタと第２の位相シフタは、光路における設置位置を入れ換えてもよい。
【００６２】
上述したような第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａによって得られる光強度分布は，透明基板（合成石英基板）の表面段差の幾何学的構造と入射光の角度や光の空間的可干渉性によって決定される。要求する光強度によっては，第２の位相シフタ１２７ａだけでよい場合もある。
【００６３】
第４の実施の形態（図示せず）
前記第３の実施の形態において，第４の実施の形態と同様の試料１２８表面の位置を，投影レンズ１２５の焦点面に配置し、例えば、ホモジナイズ光学系１２３の焦点面１２０ａに位相シフタ１２６ａを配置しても良い。この場合には，第３の実施の形態に比べて光強度分布設計の多様化に制限が生じるが，均一性が向上する効果がある。
【００６４】
以下に説明する結晶化装置の実施の形態で、前記第３の実施の形態と実質的に同一の個所は、同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００６５】
第５の実施の形態
この装置では、図１２（ｂ）に示すように，ホモジナイズ光学系１２３の焦点面１２０ａに第１の位相シフタ１２６ａが配置され，結像レンズ１２５の焦点位置に試料１２８の表面が位置されている。第２の位相シフタ１２７ａは、結像レンズ１２５の焦点はずれの位置に配置されている。この場合，前記第４の実施の形態に比べ光強度分布設計の多様性が向上するが，第１の位相シフタ１２６ａの強度変調は投影レンズの分解能の制限を受ける。
【００６６】
第６の実施の形態
この装置では、図１２（ｃ）に示すように、ホモジナイズ光学系１２３の焦点面１２０ａに第１の位相シフタ１２６ａが配置され，また、ホモジナイズ光学系１２３の焦点はずれの位置に、第２の位相シフタ１２７ａが配置されている。試料１２８の表面は，投影レンズ１２５の焦点面に配置されている。このような構成の装置では，試料表面付近に位相シフタが存在しないため，ステージ１２９周辺の自由度が増す。しかし，光強度分布は，投影レンズの分解能の制限を受ける欠点がある。
【００６７】
前記第３ないし第６の実施の形態においては，第２のレーザ照射は，試料１２８と光学系（位相シフタ１２６ａ，１２７ａと投影レンズ１２５）とを相対的に平行移動させて、即ち、ステージ１２９を光学系に対して移動させるか、光学系（詳しくは、反射鏡からステージ１２９側の部分）をステージ１２９に対して移動させるかして、光強度分布を平行移動させている。しかし、このような手法に本発明は限定されることはない。この例を第７並びに第８の実施の形態として以下に説明する。尚、これら実施の形態では、位相シフタとして同じ構成の２つの位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄを使用している。一方の位相シフタ１２７ｃは、第１のレーザ照射であり、他方の位相シフタ１２７ｄは、第２のレーザ照射用である。このために、第１の位相シフタ１２７ｃにより変調されたレーザ光の極小光強度線もしくは最小光強度点を結晶成長起点として成長した結晶粒の成長端部が、Δ形状の結晶粒の場合にはこれの底辺領域が、第２の位相シフタ１２７ｄにより変調されたレーザ光の極小光強度線もしくは最小光強度点で照射されるように、両位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄは、これらの相対位置が設定されている。また、これら位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄは、ホモジナイズ光学系の夫々の焦点面に配置されているが、この位置に限定されることはない。
【００６８】
第７の実施の形態
図１３（ａ）に示すように、この装置は、第１のエキシマレーザ１２１ａと，第１のアッテネータ１２３ａ，第１のホモジナイズ光学系１２４ａと，第１の位相シフタ１２７ｃとからなる第１のレーザ照射用の光学系と、第２のエキシマレーザ１２１ｂと，第２のアッテネータ１２３ｂと，第２のホモジナイズ光学系１２４ｂと，第２の位相シフタ１２７ｄとからなる第２のレーザ照射用の光学系とを有する。前記第１の位相シフタ１２７ｃと第２の位相シフタ１２７ｄとは、同じ構造を有するが、表面段差の周期構造が半周期だけずれている。これら位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄは、図１４（ｃ）並びに（ｄ）に示す複合構造の位相シフタを使用しているが、図１４（ｂ）に示す単一構造の位相シフタでも良い。第１の位相シフタ１２７ｃの射出側と第２の位相シフタ１２７ｄの射出側とには、共通のハーフミラー１３５が配置されている。このハーフミラー１３５は、第１の位相シフタ１２７ｃからのレーザ光を結像レンズ１２５へと９０°反射させる機能と、第２の位相シフタ１２７ｄからのレーザ光を透過して結像レンズ１２５に導く機能とを有する。この結像レンズ１２５を通ったレーザ光は、互いに横方向に約１／２Ｐ（位相シフタの段差のピッチの１／２）ずれた光変調強度分布で試料１２８を照射する。
【００６９】
上記構造の装置においては、第１のエキシマレーザ１２１ａと第２のエキシマレーザ１２１ｂとが交互に発振するよう制御し，ハーフミラー１３５，投影レンズ１３６によって，第１のレーザ照射と第２のレーザ照射とをこれら照射が重ならないようにして交互に行うことにより、半導体薄膜を結晶化する。このような方法は，第２のレーザ照射のために位相シフタを動かす必要がないので、光学系に可動部分をなくすことができ、このための駆動機構をなくすことができると共に、光軸が安定になる特徴がある。
【００７０】
第８の実施の形態
図１３（ｂ）に示すように、エキシマレーザ１２１の射出側には、アッテネータ１２３を介してハーフミラー１３９ａのようなビームスプリッタが設けられている。このハーフミラー１３９ａは、入射レーザ光を２つのレーザ光に分岐する。このハーフミラー１３９ａの透過側には、第１のホモジナイズ光学系１２４ａ，並びに第１の位相シフタ１２７ｃを順次介して共通のハーフミラー１３５が配設されている。前記分岐用のハーフミラー１３９ａの反射側には、２つのミラー１３９ｂ，１３９ｃを介して第２ホモジナイズ光学系１２４ｂが配置されている。またこのホモジナイズ光学系１２４ｂの射出側には、第２の位相シフタ１２７ｄを介して、前記共通のハーフミラー１３５が配設されている。この共通のハーフミラー１３５は、第１の位相シフタ１２７ｃからのレーザ光を反射すると共に、第２の位相シフタ１２７ｄからのレーザ光を透過して、投影レンズ１２５に導く。
【００７１】
このような装置においては、レーザ１２１から射出されたパルス状のレーザ光は、ハーフミラー１３９ｂによって２つのレーザ光に分岐され、第１のレーザ光は、第１のホモジナイズ光学系１２４ａ，第１の位相シフタ１２７ｃ、共通のハーフミラー１３５、並びに投影レンズ１２５を通って試料１２８に照射される。第２のレーザ光は、ミラー１３９ｂ，１３９ｃ，第２のホモジナイズ光学系１２４ｂ，第２の位相シフタ１２７ｄ，並びに投影レンズ１２５を通って試料１２８に照射される。そして、これら第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路長さは、最初に第１のレーザ光で試料を照射し、この照射が終了した後に第２のレーザ光で試料を照射するように、設定されている。
【００７２】
このような技術においても、第７の実施の形態の場合と同様の効果を有する。
【００７３】
上記実施形態では、第１の位相シフタ１２６ａ，１２７ｃを急峻なボトムを形成するための構成にし、第２の位相シフタ１２７ａ，１２７ｄを横方向の結晶成長に必要な勾配を形成するための構成にして例について説明した。さらに、第１の位相シフタ１２６ａ，１２７ｃおよび第２の位相シフタ１２７ａ，１２７ｄの両方のシフタを同一の急峻なボトムを形成する構成にしてもよいし、横方向の結晶成長に必要な勾配を形成するための構成にしてもよい。
【００７４】
第９の実施の形態
半導体装置並びにその製造方法を図１６を参照して以下に説明する。
【００７５】
図１６（ａ）に示すように、絶縁材、例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミド等で形成され、図９（ｂ）に示す方位指示指標が形成された透明な矩形の基板３０１（図では一部のみが示されている）の平坦な一面上に下地層３０２と非晶質半導体薄膜３０３と、保護膜３０４とを順次、化学気相成長法やスパッタ法等の公知の成膜技術を用いて形成する。前記下地層３０２は、例えば、５０ｎｍの厚さのＳｉＮ膜３０２ａと３００ｎｍの厚さのＳｉＯ２膜３０２ｂとの積層膜により形成されている。前記ＳｉＮ膜３０２ａは、ガラス等でできた基板３０１からの不純物が非晶質半導体薄膜３０３に拡散するのを防止し、また、前記ＳｉＯ２膜３０２ｂは、ＳｉＮ膜３０２ａからの窒素が非晶質半導体薄膜３０３に拡散するのを防止する。前記非晶質半導体薄膜３０３は、例えば、厚さが約５０ｎｍないし２００ｎｍであり、Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅのような半導体、この実施の形態ではＳｉで形成されている。前記保護膜３０４は、図１０を参照して説明した保護膜１０４と同じである。
【００７６】
次に、前記非晶質半導体薄膜３０３の表面に、保護膜３０４を介して、第１のレーザ光照射として、位相シフタ（例えば、図１４（ａ）に示す位相シフタ１４１）により光変調された第１のレーザ光１０５を、後で詳述するように、各々が照射された領域３０５（以下に照射領域と称する）と照射されない領域３０６（以下に非照射領域と称する）とが隣り合わせになった多数のユニット領域を形成するように選択的に照射する（図１６（ｂ）は、理解を容易にするために、１つの照射領域と１つの非照射領域とからなる１つのユニット領域のみを示す）。次に、基板３０１を位相シフタの溝のピッチの約１／２だけ横方向にシフトさせて、第２のレーザ光１０８により、第２のレーザ照射を行う。このような第１並びに第２のレーザ照射により、照射領域３０５は、アニール処理されて溶融し、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜か単結晶薄膜に変換される。即ち、照射領域３０５は、少なくとも結晶成長方向の面方位は（００１）面を有し，かつ四角形状の結晶粒により形成される。照射領域３０６の非晶質半導体はそのままの状態に維持される。例えば、液晶表示装置の製造工程において、照射領域３０５は、早いスイッチング特性が要求される駆動回路用ＴＦＴを形成するための領域である。非照射領域３０６は、高い耐電圧が要求される画素用ＴＦＴを形成するための領域である。次に、エッチングにより、図１６（ｃ）に示すように、前記保護膜３０４を除去して、半導体薄膜を露出させる。
【００７７】
そして、フォトリソグラフイ技術を用いて、照射領域３０５と非照射領域３０６とを選択的にエッチングして２つの第１の島状領域３０５ａと１つの第２の島状領域３０６ａとを形成する。これら島状領域３０５ａ，３０６ａ上を含む基板上、（正確には、下地層３０２上）に、ＳｉＯ２からなり、厚さが約２０ｎｍないし３００ｎｍのゲート絶縁膜３０７を上記と同様の成膜技術を用いて形成する。このゲート絶縁膜３０７の、前記島状領域３０５ａ，３０５ｂの中央部と対向する部分の上に夫々ゲート電極３０８を形成する。これらゲート電極３０８は、シリサイドやＭｏＷの層をパターンニングすることにより形成され得る。
【００７８】
次に、図１６（ｄ）に示するように、前記ゲート電極３０８をマスクとして、不純物イオン３０９を島状領域３０５ａ，３０６ａの中に注入し、間にチャネル領域を挟んで、ソース領域とドレイン領域とを形成する。このときに、チャネル領域内で電流の流れる方向の断面が前記（００１）面となるようにソース領域とドレイン領域との位置を設定する。この設定は、基板に形成された方位指示指標に基づいて容易になされる。規流れる電流が（００１）前記不純物イオンは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを形成するのであれば、Ｎ型の不純物、例えばリンであり、ＰチャネルＭＯＳトランジスタを形成するのであれば、Ｐ型の不純物、例えばホウ素である。この結果の装置を窒素雰囲気でアニール（４５０℃で、１時間）して、注入された不純物を活性化する。
【００７９】
次に、ゲート電極３０８上も含むゲート絶縁膜３０７の上に、例えば、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜３３０を形成する。この層間絶縁膜１３０並びにゲート絶縁膜３０７の、前記島状領域３０５ａ，３０６ａの不純物がドープされた領域（ソース領域並びにドレイン領域）上の部分を選択エッチングにより除去してコンタクト孔を形成する。
【００８０】
次に、図１６（ｅ）に示するように、前記ゲート絶縁膜３０７の上に、コンタクト孔を介して前記ソース領域並びにドレイン領域と電気的に接続されたソース電極３１１ａ並びにドレイン電極３１１ｂを形成して、薄膜半導体装置を完成させる。
【００８１】
図１７（ａ）並びに（ｂ）は、上記薄膜半導体装置を使用して製造された液晶表示装置の一例を示す。
【００８２】
液晶表示装置４００は、前後１対の透明基体（基層）４２１，４２２、液晶層４２３、画素電極４２４、走査配線４２５、信号配線４２６、対向電極４２７、及びＴＦＴ４３０等を備えている。
【００８３】
１対の透明基体４２１，４２２としては、例えば１対のガラス板を用いることができる。これら透明基体４２１，４２２は、枠状のシール材を介して接合されている。液晶層４２３は、１対の透明基体４２１，４２２の間のシール材により囲まれた領域に設けられている。
【００８４】
前記１対の透明基体４２１，４２２のうちの一方の透明基体、例えば後側の透明基体４２２の内面には、行方向および列方向にマトリックス状に設けられた複数の画素電極４２４と、複数の画素電極４２４と夫々電気的に接続された複数のＴＦＴ４３０（前に詳しく説明した本発明に係わる半導体装置）と、複数のＴＦＴ４３０と電気的に接続された走査配線４２５及び信号配線４２６とが設けられている。
【００８５】
前記走査配線４２５は、画素電極４２４の行方向に夫々沿わせて設けられている。これら走査配線４２５の一端は、後側の透明基体４２２の一側縁部に設けられた複数の走査配線端子（図示せず）に夫々接続されている。複数の走査配線端子は夫々走査線駆動回路４１に接続されている。
【００８６】
前記信号配線４２６は、画素電極４２４の列方向に夫々沿わせて設けられている。これら信号配線４２６の一端は、後側の透明基体４２２の一端縁部に設けられた複数の信号配線４２６の端子（図示せず）に夫々接続されている。複数の信号配線４２６端子は夫々信号線駆動回路４４２に接続されている。
【００８７】
前記走査線駆動回路７４１および信号線駆動回路４４２は、夫々液晶コントローラ４４３に接続されている。液晶コントローラ４４３は、例えば外部から供給される画像信号及び同期信号を受け取り、画素映像信号Ｖｐｉｘ、垂直祖歌制御信号ＹＣＴ、及び水平走査制御信号ＸＣＴを発生する。
【００８８】
他方の透明基体である前側の透明基体４２１の内面には、複数の画素電極４２４に対向する一枚膜状の透明な対向電極４２７が設けられている。前側の透明基体４２１の内面には、複数の画素電極４２４と対向電極４２７とが互いに対向する複数の画素部に対応させてカラーフィルタを設けるとともに、前記画素部の間の領域に対応させて遮光膜を設けてもよい。
【００８９】
１対の透明基体４２１，４２２の外側には、図示しない偏光板が設けられている。また、透過型の液晶表示装置４００では、後側の透明基体４２２の後側に図示しない面光源が設けられている。なお、液晶表示装置４００は、反射型或いは半透過反射型であってもよい。
【００９０】
以上説明した実施の形態においては、半導体装置としてＴＦＴについて説明したが、半導体薄膜を基礎とする他の半導体素子、例えば、ダイオードについても本発明は適用可能である。
【００９１】
半導体素子を使用する表示装置として液晶表示装置について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、有機ＥＬ表示装置にも適用できる。
【００９２】
また、均一な光強度分布を有する入射レーザ光を最小光強度点を有する光強度分布のレーザ光として射出する光学変調素子として、光の回折、干渉を利用した位相シフタを実施の形態では説明したが、例えば、光の反射並びに／もしくは吸収を利用して上記機能を奏させる他の形式の光学変調素子を使用することもできる。このような光学変調素子は、例えば、図１４に示す位相シフタ（１４１，１４２）で、基板に溝を形成する代わりに、溝に対応する個所に吸収膜もしくは反射膜を設けることにより形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術であるゾーンメルティング法を説明するための図である。
【図２】従来の技術であるエキシマレーザ結晶化法を説明するための図である。
【図３】従来の技術であるＳＬＳ方式を説明するための図である。
【図４】従来の技術である位相変調エキシマレーザ結晶化法を説明するための図である。
【図５】本発明の基本となる技術を説明するためのもので、（ａ）は、使用したレーザ光の光強度分布を示す図、（ｂ）は、結晶化された薄膜の結晶粒の表面形態と個々の結晶粒の結晶学的方位を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）法と電子後方散乱（ＥＢＳＰ）法を用いて測定した結果を示す図、そして、（ｃ）は、（ｂ）に示す結晶粒を夫々図式化して示す図である。
【図６】本発明の基本となる技術を説明するためのもので、（ａ）は、第１の位相変調エキシマレーザ照射による結晶粒を概略的に示す上面図、（ｂ）は、第２の位相変調エキシマレーザ照射後の結晶粒を概略的に示す上面図、そして、（ｃ）は、（ｂ）に示す結晶粒の面方位を概略的に示す図である。
【図７】（ａ）は、第１のレーザ照射におけるレーザ強度極大領域が極小領域になるように第２のレーザ照射を行う状態の走査電子顕微鏡写真を示す図、（ｂ）は、第２のレーザ照射後の結晶化薄膜表面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【図８】本発明の基本となる技術を説明するためのもので、（ａ）は、第１並びに第２の位相変調エキシマレーザ照射を概略的に示す斜視図、（ｂ）は、第２の位相変調エキシマレーザ照射後の２次元に位置制御された結晶粒を示す図である。
【図９】（ａ）は、本発明の実施の形態に使用され得る、方位表示指標が形成された円形の基板の３つの例を示す平面図であり、（ｂ）は、方位表示指標が形成された矩形の基板の３つの例を示す平面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の方法を工程ごとに分けて説明するための図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の方法を工程ごとに分けて説明するための図である。
【図１２】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の第３ないし第６の実施の形態の半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置を夫々説明するための概略図である。
【図１３】（ａ）並びに（ｂ）は、本発明の第７並びに第８の実施の形態の半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置を夫々説明するための概略図である。
【図１４】（ａ）は、アニール用の位相シフタを示す斜視図であり、（ｂ）は、位置決め用の位相シフタを示す斜視図であり、また、（ｃ）ないし（ｅ）は、アニール用の位相シフタと位置決め用の位相シフタとが一体化された夫々異なる構成を示す斜視図である。
【図１５】アニール用の位相シフタと位置決め用の位相シフタとが同一基板に形成されている構成を説明するための平面図である。
【図１６】本発明の第９の実施の形態に係わる半導体装置並びにその製造方法を工程に従って説明するための図である。
【図１７】本発明で製造された半導体装置を備えた液晶表示装置を説明するための図である。
【符号の説明】
５２…小粒径結晶粒，５３…短冊形状結晶粒，５４…Δ形状結晶粒、８１…レーザ光強度分布、８２…結晶成長開始点、９１…オリフラ、９２…ノッチ、９３…基板マーキング、９４…一辺、９５…角の切りかけ、９６…基板マーキング、１０３…半導体薄膜、１０５…第１のレーザ照射用レーザ光、１０６，１０６ａ…主勾配方向、１０７…結晶化され多結晶半導体薄膜、１０８…第２のレーザ照射用レーザ光、１４１、１４２…位相シフタ。
【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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