(57)【要約】【課題】二次元走査によるエネルギービームの照射によって大面積の半導体薄膜を結晶化する際、半導体薄膜の全面においてエネルギービームの照射回数のばらつきをより小さく抑えることが可能な結晶化方法を提供する。【解決手段】二次元走査によるエネルギービームの照射によって半導体薄膜を結晶化させる際、エネルギービームの走査は、照射領域の横方向および縦方向のそれぞれに隣接する当該照射領域に対して重なりを持つように当該照射領域を移動させることによって行われる。またこの際、横方向および縦方向への走査によって照射される照射領域間のピッチは、照射領域の寸法の整数分の１からずれた値に設定される【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に成膜された半導体薄膜に対し、照射領域が任意の横寸法および縦寸法の各辺を有する平行四辺形に整形されたエネルギービームを走査させながら間欠的に照射すること
により、当該半導体薄膜を結晶化させる方法において、
前記エネルギービームの走査は、
前記照射領域の横方向および縦方向のそれぞれに隣接する当該照射領域に対して重なりを持つように当該照射領域を移動させることによって行われると共に、
前記横方向への走査によって照射される照射領域間のピッチは、当該照射領域の横寸法の整数分の１からずれた値に設定され、
前記縦方向への走査によって照射される照射領域間のピッチは、当該照射領域の縦寸法の整数分の１からずれた値に設定される
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
前記横方向または縦方向のうちの一方向の走査の際には、当該一方向の走査によって前記半導体薄膜の各領域に対して前記エネルギービームが照射される回数分の１よりも当該一方向における照射領域間のピッチが小さく設定され、
前記横方向または縦方向のうちの他方向の走査の際には、当該他方向の走査によって前記半導体薄膜の各領域に対して前記エネルギービームが照射される回数分の１よりも当該他方向における照射領域間のピッチが大きく設定されている
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
前記横方向への走査の際には、前記設定された所定のピッチで前記照射領域を横方向に移動させると共に、前記縦方向のピッチよりも小さい所定のずらし量で当該照射領域を縦方向にずらし、
前記縦方向への走査の際には、前記設定された所定のピッチで前記照射領域を縦方向に移動させると共に、前記横方向のピッチよりも小さい所定のずらし量で当該照射領域を横方向にずらす
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項４】
請求項３記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
前記横方向への走査における前記照射領域の縦方向へのずらし量は、前記縦方向への走査の際に前記エネルギービームが照射される回数が１回分少ないかまたは１回多い領域の縦方向の長さ以上であり、
前記縦方向への走査における前記照射領域の横方向へのずらし量は、前記横方向への走査の際に前記エネルギービームが照射される回数が１回分少ないかまたは１回多い領域の横方向の長さ以上である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体薄膜の結晶化方法において、
前記エネルギービームが、固体レーザーから発振されたレーザー光である
ことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項６】
半導体薄膜の一主面側にゲート絶縁膜を介してゲート電極を積層した薄膜トランジスタを、基板上に複数配列してなる薄膜半導体装置において、
前記半導体薄膜は、
基板上に成膜された半導体薄膜に対し、照射領域が任意の横寸法および縦寸法の各辺を有する平行四辺形に整形されたエネルギービームを走査させながら間欠的に照射することにより、当該半導体薄膜を結晶化させて得られた膜であって、
照射領域の横方向および縦方向のそれぞれに隣接する当該照射領域に対して重なりを持つように当該照射領域を移動させることによって前記エネルギービームの走査が行われ、かつ前記横方向への走査によって照射される照射領域間のピッチが、当該照射領域の横寸法の整数分の１からずれた値に設定され、前記縦方向への走査によって照射される照射領域間のピッチが、当該照射領域の縦寸法の整数分の１からずれた値に設定された前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
ことを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の薄膜半導体装置において、
前記半導体薄膜は、
前記横方向または縦方向のうちの一方向の走査の際に、当該一方向の走査によって前記半導体薄膜の各領域に対して前記エネルギービームが照射される回数分の１よりも当該一方向における照射領域間のピッチが小さく設定され、かつ前記横方向または縦方向のうちの他方向の走査の際に、当該他方向の走査によって前記半導体薄膜の各領域に対して前記エネルギービームが照射される回数分の１よりも当該他方向における照射領域間のピッチが大きく設定された前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
ことを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項８】
請求項６記載の薄膜半導体装置において、
前記半導体薄膜は、
前記横方向への走査の際に、前記設定された所定のピッチで前記照射領域を横方向に移動させると共に、前記縦方向のピッチよりも小さい所定のずらし量で当該照射領域を縦方向にずらし、かつ前記縦方向への走査の際に、前記設定された所定のピッチで前記照射領域を縦方向に移動させると共に、前記横方向のピッチよりも小さい所定のずらし量で当該照射領域を横方向にずらす前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
ことを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項９】
請求項８記載の薄膜半導体装置において、
前記半導体薄膜は、
前記横方向への走査における前記照射領域の縦方向へのずらし量が、前記縦方向への走査の際に前記エネルギービームが照射される回数が１回分少ないかまたは１回多い領域の縦方向の長さ以上であり、かつ前記縦方向への走査における前記照射領域の横方向へのずらし量が、前記横方向への走査の際に前記エネルギービームが照射される回数が１回分少ないかまたは１回多い領域の横方向の長さ以上である前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
ことを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項１０】
半導体薄膜の一主面側にゲート絶縁膜を介してゲート電極を積層した薄膜トランジスタを、基板上に複数配列してなる表示装置において、
前記半導体薄膜は、
基板上に成膜された半導体薄膜に対し、照射領域が任意の横寸法および縦寸法の各辺を有する平行四辺形に整形されたエネルギービームを走査させながら間欠的に照射することにより、当該半導体薄膜を結晶化させて得られた膜であって、
照射領域の横方向および縦方向のそれぞれに隣接する当該照射領域に対して重なりを持つように当該照射領域を移動させることによって前記エネルギービームの走査が行われ、かつ前記横方向への走査によって照射される照射領域間のピッチが、当該照射領域の横寸法の整数分の１からずれた値に設定され、前記縦方向への走査によって照射される照射領域間のピッチが、当該照射領域の縦寸法の整数分の１からずれた値に設定された前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
ことを特徴とする表示装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の表示装置において、
前記半導体薄膜は、
前記横方向または縦方向のうちの一方向の走査の際に、当該一方向の走査によって前記半導体薄膜の各領域に対して前記エネルギービームが照射される回数分の１よりも当該一方向における照射領域間のピッチが小さく設定され、かつ前記横方向または縦方向のうちの他方向の走査の際に、当該他方向の走査によって前記半導体薄膜の各領域に対して前記エネルギービームが照射される回数分の１よりも当該他方向における照射領域間のピッチが大きく設定された前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
ことを特徴とする表示装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の表示装置において、
前記半導体薄膜は、
前記横方向への走査の際に、前記設定された所定のピッチで前記照射領域を横方向に移動させると共に、前記縦方向のピッチよりも小さい所定のずらし量で当該照射領域を縦方向にずらし、かつ前記縦方向への走査の際に、前記設定された所定のピッチで前記照射領域を縦方向に移動させると共に、前記横方向のピッチよりも小さい所定のずらし量で当該照射領域を横方向にずらす前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
ことを特徴とする表示装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の表示装置において、
前記半導体薄膜は、
前記横方向への走査における前記照射領域の縦方向へのずらし量が、前記縦方向への走査の際に前記エネルギービームが照射される回数が１回分少ないかまたは１回多い領域の縦方向の長さ以上であり、かつ前記縦方向への走査における前記照射領域の横方向へのずらし量が、前記横方向への走査の際に前記エネルギービームが照射される回数が１回分少ないかまたは１回多い領域の横方向の長さ以上である前記エネルギービームの走査によって結晶化されたものである
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、半導体薄膜の結晶化方法、薄膜半導体装置、および表示装置に関し、特にはエネルギービームの照射によって結晶化を行う半導体薄膜の結晶化方法、この結晶化方法によって得られた半導体薄膜を用いた複数の薄膜トランジスタを有する薄膜半導体装置、およびこの薄膜半導体装置を用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置のようなフラット型表示装置のスイッチング素子として広く用いられている薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、略してＴＦＴ）には、多結晶シリコンを活性層に用いたＴＦＴ（多結晶シリコンＴＦＴ）と、非晶質シリコンを活性層に用いたＴＦＴ（非晶質シリコンＴＦＴ）とがある。このうち、多結晶シリコンＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴと比べ駆動電流が高いことから、画素部に配置されるスイッチング素子の微細化が可能であり画素開口率を高めることが可能になる。また、多結晶シリコンＴＦＴは、Ｎチャネル型ＴＦＴとバランスする性能のＰチャネル型ＴＦＴを製造可能なため、ＣＭＯＳ構成が可能である。そのためスイッチング素子の他にも周辺の駆動回路、例えばシフトレジスタやレベル変換回路としても用いることが可能であり、これらの周辺回路をスイッチング素子の形成と同一工程で表示基板上に形成することができる。以上の理由により、多結晶シリコンＴＦＴは、高精細かつ高機能なフラット型表示装置用の素子として実用化されている。
【０００３】
近年、多結晶シリコンＴＦＴを６００℃以下の低温プロセスで作製する技術（いわゆる低温ポリシリコンプロセス）が開発され、実用化されている。このような低温ポリシリコンプロセスをフラット型表示装置の製造に適用することにより、基板として石英、単結晶シリコンなどの高耐熱性だが高価な基板を用いる必要がなくなるため、高精細なフラット型表示装置の低コスト化及び大型化が可能となる。
【０００４】
ここで、低温ポリシリコンプロセスとは、基板上に成膜された非晶質シリコンや比較的粒径の小さな（概ね０．１μｍ以下）多結晶シリコンなど非単結晶性の半導体薄膜にレーザー光を照射して局部的に加熱し、少なくとも部分的に融解させた後、その冷却過程で半導体薄膜を比較的粒径の大きな（概ね０．３μｍ以上）多結晶に転換（結晶化）するものである。この結晶化した半導体薄膜を活性層（チャネル領域）として薄膜トランジスタを集積形成する。このような、基板に熱的なダメージを与えないレーザー光照射による結晶化アニールを採用することで薄膜半導体装置の低温プロセス化が可能になり、耐熱性に優れた高価な石英基板ではなく、安価なガラス基板が使えるようになる。
【０００５】
上記結晶化アニールでは、一般にステージに載せた基板を一定速度で走査しながら、線状に均一化および整形されたレーザー光を、照射領域を部分的に重複させながらパルス照射している。例えば９０％の重なり率で照射することにより、一箇所に１０回のレーザー照射を行う。部分的な重複は線状ビームの幅寸法より小さいピッチでステージを１回照射毎に移動することによりなされる。このようにレーザー光を一方向で重ね照射することにより半導体薄膜の結晶化が基板面内で比較的均一に行われる。
【０００６】
一例として１パルスあたりのエネルギーが１Ｊで、３００Ｈｚの繰り返し照射が可能なＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を用いたレーザー結晶化アニールとして、ビーム照射面積が３７０ｍｍ×０．４ｍｍ程度の線状ビームを用い、一方向に９０〜９５％程度重ねて、すなわち１箇所に１０〜２０回程度重ね打ちする方法が一般的である。
また別の例として近年、１パルスあたりのエネルギーが１５Ｊ程度の大出力エキシマレーザーが開発されており、これによって７００ｍｍ程度の長さの線状ビームによる結晶化アニールが可能となっている。
【０００７】
このようなエキシマレーザーを用いた結晶化アニールプロセスの実用上の課題として、一定数（例えば１，０００万〜３，０００万発）の照射パルスを発した後にはガス交換作業を行う必要があること、ガス交換作業の後には一定時間のエージング照射をして、レーザー発振を安定化する必要があること、さらに１００〜３００回程度のガス交換後にはレーザー発振管の交換が必要で、それによって照射光学系の再調整が必要なことなどの、装置の稼働率を低下させ、プロセスを不安定化する要因があることが挙げられる。また、パルスエネルギーのばらつきが±３％〜±７％程度もあり、それが結晶粒径などの結晶品質、さらにはＴＦＴ特性や画像表示上の不均一性となるという課題もある。
【０００８】
これらの課題を解決するために、近年、エキシマレーザーの替わりにＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＬＦレーザーなどの全固体レーザーの第２高調波出力（波長は順に５３２ｎｍまたは５２７ｎｍ）を用いたレーザー結晶化アニール技術の開発がなされている。これらの全固体レーザーは１ｋＨｚ以上の高繰返し周波数においても発振可能であり例えば４ｋＨｚの繰返し周波数で２００Ｗの出力を得られるものがある。しかし、一方で、繰返し周波数を下げても１パルスあたりのエネルギーはほとんど増加しないという特性があり、最高でも５０ｍＪ程度である。
【０００９】
さらに低温ポリシリコンＴＦＴに用いられる、厚さ５０ｎｍのシリコン薄膜の光吸収が、波長３０８ｎｍの場合（薄膜に入射した光の９９％以上が吸収される）と比べると半分以下程度しかなく、波長３０８ｎｍの場合よりも概ね２〜３倍の照射エネルギー密度とする必要があるため、一回に照射可能な面積は１〜５ｍｍ2程度に留まる。そのため、線状ビームの整形において、たとえ短軸の幅を５０μｍに絞ったとしても、長軸の長さは最高１００ｍｍ程度である。したがって、線状ビームを用いる限り、その長軸方向の長さを超える幅のレーザー結晶化においては「レーザー照射のつなぎ」部分ができることを避けられない。ここで「つなぎ部分」は本質的にはショット毎の照射位置の微妙な変動（ずれ）のために発生する、隣接ショット間の重なり領域または境界領域を指す。「つなぎ部分」では照射回数が他の部分の２倍あるいは０回となり、過剰照射あるいは未照射となるため、いったん多結晶化されたシリコン薄膜の一部が微結晶化してしまい、ＴＦＴ特性が著しく低下する。そのため、ＬＣＤ表示品質の低下や欠陥発生の原因となる。
【００１０】
以上のような「つなぎ部分」での極端な照射回数のばらつきを防止する方法として、図６（ａ）に示すように例えば矩形の照射領域Ｅに整形されたレーザー光を、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、ｘ、ｙ両方向に同程度の重なり率で重ねながら二次元走査により照射する方法が提案されている。この方法においては、先ず、第１段目ｙ１の第１ショットｘ１から順に、ｘ方向に所定のピッチで照射領域Ｅを移動さる。これにより、ｙ方向の第１段目ｙ１に対して、ｘ方向の各ショットｘ１，ｘ２，…を順次重ねながらエネルギービームの照射を行う。次いで、ｙ方向に所定のピッチで照射領域Ｅを移動させると共にｘ方向の第１ショットｘ１の位置にまで照射領域Ｅを戻す。この状態で、第２段目ｙ２の第１ショットｘ１から順にｘ方向に所定のピッチで照射領域Ｅを移動さる。これにより、ｙ方向の第１段目ｙ２に対して、ｘ方向の各ショットｘ１，ｘ２，…を順次重ねながらエネルギービームの照射を行う。また同様にしてｙ方向の第３段目ｙ３以降のエネルギービームの照射を行う。
【００１１】
このような二次元走査によるエネルギービームの照射では、ｘ方向のみの重なりによる一箇所あたりの照射回数をｎｘ回、ｙ方向のみの重なりによる一箇所あたりの照射回数をｎｙ回とすると、２方向を合わせた照射回数は（ｎｘ×ｎｙ）回となる。そして、照射位置の機械的なずれによって照射され得る照射回数は、最高で｛（ｎｘ＋１）×（ｎｙ＋１）｝（回）、最低で｛（ｎｘ−１）×（ｎｙ−１）｝回となる。したがって、このような方法であっても、照射回数のばらつきの変動幅は２×（ｎｘ＋ｎｙ）回にも達する。
【００１２】
例えば、図示した例では、ｘ方向で６６．６６７％、ｙ方向で６６．６６７％の重ね照射をする場合を示している。尚、図中の○付き数字はエネルギービームの照射回数を示している。この場合、ｘ方向への走査による一箇所当たりの照射回数ｎｘ＝３回、ｙ方向への走査による一箇所当たりの照射回数ｎｙ＝３回となり、一箇所当たりの合計での意図する照射回数ｎｘ×ｎｙ＝９回となる。ところが、ｘ方向に照射位置の機械的なずれが生じた場合、第１段目ｙ１の第３ショットｘ３と第４ショットｘ４との間にΔｘの誤差が生じる。例えば、機械的なずれにより第４ショットｘ４が右にずれた場合には、このΔｘの部分における照射回数は２回に減少する。またさらに、ｘ方向の第２段目ｙ２の第３ショットｘ３と第４ショットｘ４との間に誤差が生じた場合、第１段目ｙ１のΔｘの部分と合計した照射回数は４回に減少する。同様に、機械的なずれにより第４ショットｘ４が左にずれた場合には、このΔｘの部分における照射回数は８回に増加する。以上のようにして、一箇所当たりの合計での意図する照射回数ｎｘ×ｎｙ＝９回の場合、ｘ方向の走査およびｙ方向の走査を合計し、最低で４回、最高で１６回と、４倍程度もの照射回数のばらつきが生じるのである。
【００１３】
そこで、図７に示すように、ｘ方向に沿って照射領域Ｅを所定間隔ずらしながら第１段目ｙ１に順次レーザー光を照射した後、第２段目ｙ２の走査を開始する際、第１段目ｙ１に対し、第２段目ｙ２の走査の開始位置を照射領域Ｅの横寸法Ｌｘの半分以下の幅Ｓｘでずらすことが提案されている。これにより、ｘ方向の走査において、照射位置の機械的なずれが生じても、各段でずれの位置が重なることが防止される。このため、ｘ方向における照射回数のばらつきは±１回の範囲に納まり、結晶粒のばらつきを抑えることができる（下記特許文献１参照）。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−３４０５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、図７を用いて説明したような、横方向の各段の走査の際に、レーザ光照射のスタート位置を変位させる結晶化方法であっても、縦方向の照射位置の機械的な誤差に基づく照射回数のばらつきはそのまま残る。このため、図７の縦方向における「レーザー照射のつなぎ部分」Ａでは、照射回数のばらつきによって上述した結晶状態のばらつきが発生するため、結晶粒径のばらつきを防止する効果は小さかった。
【００１６】
また、このような照射回数の変動が発生する領域幅は、照射位置のずれ幅に等しく、数ミクロンから数十ミクロンと狭いものの、低温ポリシリコンＴＦＴのチャネルサイズ、すなわち典型的には１μｍ〜１０μｍ程度と比べると同程度である。このため、上述した半導体薄膜における結晶粒径のばらつきは、この半導体薄膜を用いて構成される低温ポリシリコンＴＦＴのばらつきや欠陥の原因となり得る。このことによって、こういったＴＦＴを有する駆動基板で液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置を作製した場合、表示ムラや欠陥、あるいは固定パターンが現れる原因となり、実用に供することができない。
【００１７】
そこで本発明は、二次元走査によるエネルギービームの照射によって大面積の半導体薄膜を結晶化する際、半導体薄膜の全面においてエネルギービームの照射回数のばらつきをより小さく抑えることが可能で、これによってさらに広い面積での結晶状態の均一化を図ることが可能な半導体薄膜の結晶化方法を提供すること、および結晶状態が均一化された半導体薄膜を用いることにより均一な特性に保たれた複数の薄膜トランジスタが広い領域に配置された薄膜半導体装置を提供すること、さらにはこれらの薄膜トランジスタを駆動素子として用いることにより表示特性の良好な表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような目的を達成するための本発明の結晶化方法は、基板上に成膜された半導体薄膜に対し、照射領域が任意の横寸法および縦寸法の各辺を有する平行四辺形に整形されたエネルギービームを走査させながら間欠的に照射することにより、当該半導体薄膜を結晶化させる方法である。この際、エネルギービームの走査は、前記照射領域の横方向および縦方向のそれぞれに隣接する当該照射領域に対して重なりを持つように当該照射領域を移動させることによって行われる。また特に、エネルギービームの走査は、横方向への走査によって照射される照射領域間のピッチが、当該照射領域の横寸法の整数分の１からずれた値に設定される。そして、縦方向への走査によって照射される照射領域間のピッチは、当該照射領域の縦寸法の整数分の１からずれた値に設定される。
【００１９】
以上のように、横方向への走査および縦方向の走査に際して、照射領域間のピッチを照射領域の寸法の整数分の１からずれた値に設定することにより、そのずれ量（ずれの方向）に応じてエネルギービームの照射回数が所定値よりも１回少ない領域と１回多い領域とが自在に制御される。
【００２０】
例えば、横方向または縦方向のうちの一方向（例えば横方向）の走査の際に、当該横方向の走査によって半導体薄膜の各領域に対してエネルギービームが照射される回数分の１よりも当該横方向における照射領域間のピッチを小さく設定する。これにより、横方向の走査に際しては、照射回数が１回多い領域が発生する。そして、横方向または縦方向のうちの他方向（例えば縦方向）の走査の際には、当該縦方向の走査によって半導体薄膜の各領域に対してエネルギービームが照射される回数分の１よりも当該縦方向における照射領域間のピッチを大きく設定する。これにより、縦方向の走査に際しては、照射回数が１回少ない領域が発生する。
【００２１】
したがって、横方向の走査と縦方向の走査とが重ねられる領域中において、横方向の走査での照射回数が１回多い領域と、縦方向の走査での照射回数が１回少ない領域とが重ねられられた部分では、各照射回数が相殺される。これにより、各領域においてエネルギービームの照射回数がより平均化される。
【００２２】
また本発明は、このような結晶化方法を適用して得られた半導体薄膜を用いて構成された薄膜トランジスタを、基板上に複数配列してなる薄膜半導体装置でもある。
【００２３】
さらに本発明は、このような薄膜半導体装置を駆動基板として用いた表示装置でもある。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように本発明の半導体薄膜の結晶化方法によれば、二次元走査によってエネルギービームを照射する際、各領域においてのエネルギービームの照射回数をより平均化することが可能になる。したがって、大面積の半導体薄膜においての結晶状態の均一性をさらに向上させることが可能になる。
そして、本発明の薄膜半導体装置によれば、このような結晶化方法を適用して得られた半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタを、基板上に複数配列したことにより、基板上の全面において薄膜トランジスタの特性ばらつきを小さく抑えることが可能になる。
また、本発明の表示装置によれば、このような薄膜半導体装置を駆動基板として用いることにより、表示ムラや欠陥が抑えられ表示特性の向上を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を、半導体薄膜の結晶化方法、薄膜半導体装置、表示装置の順に説明する。
【００２６】
＜結晶化方法−１＞
図１は、半導体薄膜の結晶化方法の第１例を示す図である。ここでは、エネルギービームを二次元走査によって照射することにより、大型の基板上に成膜された半導体薄膜の全面を結晶化する結晶化方法の第１例を説明する。
【００２７】
先ず、図１（１）に示すように、一主面上に所定膜厚の半導体薄膜が成膜された基板１を用意する。基板１は、横方向（Ｘ方向）及び縦方向（Ｙ方向）に広がる矩形（正方形を含む）の板状であることとする。そして、この基板１の一主面を覆う半導体薄膜は、例えば非晶質シリコン膜、または微結晶シリコン膜からなる。
【００２８】
そして、このような半導体薄膜の結晶化を行う場合、基板１に対してエネルギービーム（レーザー光）を二次元走査しながら半導体薄膜にレーザー光を照射する。この際、所定形状に照射領域Ｅが整形されたレーザー光を基板１に対して間欠的に照射する。この照射領域Ｅは、任意の横寸法Ｌｘ及び縦寸法Ｌｙの矩形に整形されていることとする。
【００２９】
ここでは、図示したように、例えば基板１の左上部からレーザー光の照射（ショット）を開始する。
【００３０】
そして、図１（２）に示すように、照射領域Ｅをｘ方向に所定のピッチＰｘで移動させながら、順次レーザー光を間欠照射し、第１段目ｙ１の照射を行う。ここで、照射領域Ｅをｘ方向に移動させる移動量（ピッチＰｘ）は、隣接して照射された照射領域Ｅ間が重なる範囲で、照射領域Ｅの横寸法Ｌｘの整数分の１からずれた値に設定される。具体的には、ｘ方向への１段分の走査によって、１箇所の領域に対してレーザー光を照射する目的回数をｎｘ回とした場合、このビッチＰｘは下記式（１）または式（２）の範囲に設定されることとする。尚、ｎｘは、２以上の整数であることとする。
｛Ｌｘ／（ｎｘ＋１）｝＜Ｐｘ＜｛Ｌｘ／ｎｘ｝…（１）
｛Ｌｘ／（ｎｘ）｝＜Ｐｘ＜｛Ｌｘ／（ｎｘ−１）｝…（２）
【００３１】
図面においては式（１）の範囲に設定した場合、例えば重ね率７０％に設定した場合が示されている。これにより、目的回数ｎｘ（ここではｎｘ＝３回）よりも１回分だけ多くレーザー光が照射される領域Δｘが生じる。この領域Δｘのｘ方向の幅は、レーザー光の走査を伴うｎｘ＝３回の照射において生じる機械的な誤差の合計に略等しい値とする。したがって、ここでは、ピッチＰｘは、Ｐｘ＝（Ｌｘ−Δｘ）／ｎｘとなる。尚、図面においては、説明のため第１段目ｙ１の走査において各ショットｘ１〜ｘ６をｙ方向にずらした状態で図示した。しかし、第１段目ｙ１の各ショットｘ１〜ｘ６におけるｙ方向へのずれは、機械的な誤差のみであることとする。また、各領域へのレーザー光の照射回数を○付き数字で示した。
【００３２】
このようなｘ方向への第１段目ｙ１の走査が終了した後、次に第２段目ｙ２の走査を行う。
【００３３】
この場合、図１（３）に示すように、照射領域Ｅを、ｙ方向の所定のピッチＰｙで移動させると共に、ｘ方向の第１ショットｘ１の位置に戻す。そして、この位置から照射領域Ｅをｘ方向に所定のピッチＰｘで移動させながら、順次レーザー光を間欠照射し、第２段目ｙ２の照射を行う。ここで、照射領域Ｅをｙ方向に移動させる移動量（ピッチＰｙ）は、照射領域Ｅの横寸法Ｌｙの整数分の１からずれた値に設定される。具体的には、ｘ方向の第１ショットｘ１の位置におけるｙ方向への走査によって、１箇所の領域に対してレーザー光を照射する目的回数をｎｙ回とした場合、このビッチＰｙは下記式（１）’または（２）’の範囲で設定されることとする。尚、ｎｙは、２以上の整数であることとする。
｛Ｌｙ／（ｎｙ）｝＜Ｐｙ＜｛Ｌｙ／（ｎｙ−１）｝…（１）’
｛Ｌｙ／（ｎｙ＋１）｝＜Ｐｙ＜｛Ｌｙ／ｎｙ｝…（２）’
【００３４】
図面においては、ｘ方向のピッチＰｘを式（１）の範囲に設定した。このため、これと組み合わせてｙ方向のピッチＰｙを式（１）’の範囲に設定した場合、例えば重ね率６３％に設定した場合が示されている。これにより、目的回数（ここではｎｙ＝３回）よりも１回分だけ少なくレーザー光が照射される領域Δｙが生じる。この領域Δｙのｙ方向の幅は、レーザー光の走査を伴うｎｙ＝３回の照射において生じる機械的な誤差の合計に略等しい値に設定される。したがって、ここでは、ピッチＰｙは、Ｐｙ＝（Ｌｙ＋Δｙ）／ｎｙとなる。尚、図面においては、説明のためｘ方向の第１ショットｘ１の位置においてｙ方向の各段の開始位置をｘ方向にずらした状態で図示した。しかし、第１ショットの各段におけるｘ方向へのずれは、機械的な誤差のみであることとする。また、ｘ方向のピッチＰｘが式（２）の範囲に設定されている場合には、ｙ方向のピッチＰｙはこれと組み合わせて式（２）’の範囲に設定されることとする。
【００３５】
以降、照射領域Ｅを、ｙ方向の所定のピッチＰｙで移動させると共に、ｘ方向の第１ショットｘ１の位置に戻し、この戻した位置からのｘ方向へレーザー光の走査を繰り返す。これにより、基板１の全面に対して、レーザー光を二次元走査により照射し、基板１の表面に設けられた半導体薄膜を結晶化させる。
【００３６】
このような第１例の結晶化方法によれば、レーザー光のｘ方向への走査の際に、このｘ方向への走査によって半導体薄膜の各領域に対してレーザー光が照射される回数（ｎｘ＝３回）分の１よりも，ｘ方向における各ショットｘ１における照射領域間のピッチＰｘを小さく設定している。これにより、ｘ方向の走査に際しては、照射回数が１回多い領域Δｘが発生する。一方、レーザー光のｙ方向への走査の際には、このｙ方向への走査によって半導体薄膜の各領域に対してエネルギービームが照射される回数（ｎｙ＝３回）分の１よりも、ｙ方向における照射領域間のピッチＰｙを大きく設定する。これにより、ｙ方向の走査に際しては、照射回数が１回少ない領域Δｙが発生する。
【００３７】
したがって、ｘ方向の走査とｙ方向の走査とが重ねられる領域中において、ｘ方向の走査での照射回数が１回多い領域と、ｙ方向の走査での照射回数が１回少ない領域とが重ねられられた部分では、各照射回数が相殺される。これにより、最も照射回数が多い領域で（ｎｘ＋１）×ｎｙ回の照射が行われ、最も照射回数が少ない領域でｎｘ×（ｎｙ−１）回の照射が行われることになる。したがって、照射回数の差は、（ｎｘ＋ｎｙ）回に抑えられ、図示した例においては目的の照射回数ｎｘ×ｎｙ＝９回に対して、各領域への照射回数が６回〜１２回の範囲に抑えられる。
【００３８】
これにより、基板１表面の半導体薄膜の全面においての、エネルギービームの照射回数がより平均化される。この結果、例えば、固体レーザーのような照射面積の小さいレーザー光源を用いた結晶化であっても、大面積の半導体薄膜においての結晶状態の均一性をさらに向上させることが可能になる。
【００３９】
＜結晶化方法−２＞
図２は、半導体薄膜の結晶化方法の第２例を示す図である。ここでは、図１を用いて説明した第１例に基づき、この第１例の方法をさらに進展させた結晶化方法の第２例を説明する。
【００４０】
先ず、第１例と同様に、図２（１）に示すように、一主面上に所定膜厚の半導体薄膜が成膜された基板１に対して、照射領域Ｅが任意の横寸法Ｌｘ及び縦寸法Ｌｙの矩形に整形されたレーザー光を、例えば基板１の左上部から照射する。
【００４１】
そして、図１（２）に示すように、照射領域Ｅをｘ方向に所定のピッチＰｘで移動させながら、順次レーザー光を間欠照射し、第１段目ｙ１の照射を行う。ここで、照射領域Ｅをｘ方向に移動させる移動量（ピッチＰｘ）は、第１例で説明したと同様のピッチＰｘで良い。そして特にこの第２例では、照射領域Ｅをｘ方向にピッチＰｘで移動させる際、同時に照射領域Ｅをｙ方向にピッチＰｙｙでずらし、このずらした位置において次の第２ショットｘ２を行う。
【００４２】
ここで、照射領域Ｅをｘ方向にピッチＰｘで移動させる際の、ｙ方向へのずらし量Ｐｙｙは、次に説明する照射領域Ｅをｙ方向に移動させる際の移動量（ピッチＰｙ）よりも小さいこととする。またずらし量Ｐｙｙは、第１例で説明したｙ方向の走査において目的回数ｎｙ＝３回よりも１回分だけ少なくレーザー光が照射される領域Δｙの幅よりも大きいこととする。つまり、Ｐｙｙは、Δｙ＜Ｐｙｙ＜Ｐｙの範囲で設定されることとする。また、この際のｙ方向に対するピッチＰｙｙでのずらし方向は、次に行うｙ方向への照射領域Ｅの移動に際しての移動方向と同一方向であることとする。
【００４３】
以上のようにして、照射領域Ｅをｘ方向に所定のピッチＰｘで移動させると共にｙ方向にピッチＰｙｙでずらした各位置において、順次レーザー光を間欠照射し、第１段目ｙ１の各ショットｘ１〜ｘ６を行う。
【００４４】
このようなｙ方向に対する第１段目ｙ１の走査が終了した後、次に第２段目ｙ２の走査を行う。
【００４５】
この場合、図２（３）に示すように、照射領域Ｅを、ｙ方向の所定のピッチＰｙで移動させると共に、ｘ方向の第１ショットの位置に戻す。この際、特にこの第２例では、照射領域Ｅを、第１段目ｙ１における第１ショットｘ１の位置に対して、ｘ方向にピッチＰｘｘでずらし、このずらした位置において第２段目ｙ２の第１ショットｘ１を行う。尚、照射領域Ｅをｙ方向に移動させる移動量（ピッチＰｙ）は、第１例で説明したと同様のピッチＰｙで良い。
【００４６】
ここで、照射領域Ｅをｙ方向にピッチＰｙで移動させる際の、ｘ方向のずらし量Ｐｘｘは、照射領域Ｅをｘ方向に移動させる際の移動量（ピッチＰｘ）よりも小さいこととする。またずらし量Ｐｘｘは、第１例で説明したｘ方向の走査において目的回数ｎｙ＝３回よりも１回分だけ多くレーザー光が照射される領域Δｘの幅よりも大きいこととする。つまり、Ｐｘｘは、Δｘ＜Ｐｘｘ＜Ｐｘの範囲で設定されることとする。また、この際のｘ方向に対するピッチＰｘｘでのずらし方向は、ｘ方向への照射領域Ｅの移動に際しての移動方向と同一方向であることとする。
【００４７】
そして、第２段目ｙ２に対しても、第１段目ｙ１と同様に、照射領域Ｅをｘ方向に所定のピッチＰｘで移動させると共にｙ方向にピッチＰｙｙでずらした各位置において、順次レーザー光を間欠照射する。
【００４８】
以降、照射領域Ｅを、ｙ方向の所定のピッチＰｙで移動させると共に、ｘ方向の第１ショットの位置に戻し、この戻した位置からのｘ方向へレーザー光の走査を繰り返す。これにより、基板１の全面に対してレーザー光照射の二次元走査を行い、基板１の表面に設けられた半導体薄膜を結晶化させる。
【００４９】
このような第２例の結晶化方法によれば、第１例の結晶化方法に対して、ｘ方向の走査に際して生じた照射回数が１回多い領域Δｘが、第１段目ｙ１，第２段目ｙ２，…でずれた位置となる。同様に、ｙ方向の走査に際して生じた照射回数が１回少ない領域Δｙが、第１ショットｘ１，第２ショットｘ２，…でずれた位置となる。これにより、第１例と比較して、さらに各領域に対する照射回数のばらつきを抑えることが可能になり、目的照射回数ｎｘ×ｎｙ回に対して、各領域への照射回数をｎｘ×ｎｙ±１回に抑えることができる。図示した例においては目的の照射回数ｎｘ×ｎｙ＝９回に対して、各領域への照射回数が８回〜１０回の範囲に抑えられる。
【００５０】
したがって、第１例と比較して、さらにｘ方向の走査とｙ方向の走査とが重ねられる領域中における各領域に対する照射回数のばらつきを小さく抑えることが可能になる。
【００５１】
これにより、第１例よりもさらに半導体薄膜においての結晶状態の均一性を向上させることが可能になる。
【００５２】
尚、上述した第１例および第２例においては、照射領域Ｅの形状が正方形を含む矩形である場合を説明した。しかしながら、照射領域Ｅが平行四辺形であっても、本発明を適用することが可能であり、同様の効果を得ることができる。この場合、上述したｘ方向およびｙ方向を、平行四辺形の各辺と平行なそれぞれの方向と読み替えることとする。また、照射領域Ｅの横寸法Ｌｘ及び縦寸法Ｌｙは、平行四辺形の各辺の長さとなる。また、横方向（ｘ方向）および縦（ｙ方向）のそれぞれへのレーザー光の走査によって１箇所に照射する目的回数は、それぞれ２回以上の任意の数であって良い。
【００５３】
以上の第１例および第２例で説明した結晶化方法には、レーザー光の照射光源として、Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＬＦレーザーなどの全固体レーザー照射装置を好適に用いることができる。
【００５４】
具体例としては、高出力のパルスレーザーが現在、入手可能という点から、パルス発振のＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーやＮｄ：ＹＬＦレーザーの第２高調波出力を例示することができる。これらの波長は順に５３２ｎｍおよび５２７ｎｍである。レーザーダイオード励起でも、ランプ励起でも同様に用いることができるが、出力安定性や励起光源の交換サイクルの観点から、レーザーダイオード励起のものを用いるのが好ましく、例えば米国）Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｌｉｇｈｔ社のＥｖｏｌｕｔｉｏｎシリーズ（Ｎｄ：ＹＬＦレーザー、第２高調波出力、発振波長：５２７ｎｍ）や、米国）Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社のＣＯＲＯＮＡシリーズ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、第２高調波出力、発振波長：５３２ｎｍ）を挙げることができる。尚、次に説明する薄膜半導体装置の製造においては、前者を用い、パルス幅は１２０ｎｓとした。なお、パルス波形はガウシアンで、その半値幅をパルス幅としている。
【００５５】
レーザー光源としては、上記ＮｄドープしたＹＡＧまたはＹＬＦを媒質とする固体レーザー以外に、Ｎｄ、Ｃｒ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｉ、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｃｏ、またはＴｍをドープしたＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ4、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）、ガラス、ＢｅＡｌ2Ｏ4（アレクサンドライト）、ＬｉＣａＡｌＦ6、ＬｉＳｒＡｌＦ6、Ｇｄ3Ｓｃ2Ｇａ3Ｏ12（ＧＳＧＧ）などの結晶を媒質とした固体レーザーを適用することが可能である。これらのレーザーの発振波長はドープする材料によって異なり、１μｍ〜２μｍである。一方本発明に使用可能な波長範囲は、半導体薄膜に少なくとも一部が吸収される必要があるために、厚さ５０ｎｍシリコン薄膜の場合を例にとると、シリコンの光吸収係数が概ね１０4（ｃｍ-1）以上となる波長約５４０ｎｍ以下の範囲となる。そのため、前記固体レーザーの第２、第３、または第４高調波などを適用する。
【００５６】
尚、上記Ｎｄ：ＹＬＦレーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波出力の波長では、入射光がシリコン層で全ては吸収されず、一部がゲート配線の表面層で光吸収され、ゲート配線が加熱される。したがってレーザー光ｈの照射時間（パルス幅）があまりに短いとゲート配線の表面層がほぼ断熱的に加熱され、局部的にゲート金属の融点以上に温度が上がりゲート配線が損傷され得るため、パルス幅は５ｎｓ以上であることが好ましい。反対に、パルス幅が長すぎると溶融したシリコンが表面張力で粒状に丸まってしまいデバイスに使用できなくなるため、また、基板への熱散逸が増加して加熱効率が低下し、さらにはガラス基板への熱的なダメージが懸念されるため、１μｓ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、５０ｎｓ〜３００ｎｓの範囲のパルス幅を挙げることができる。
【００５７】
図３には、このようなレーザー照射装置の構成図を示す。なお、図３ではレーザー光の太さは各光学素子に比べて細く描かれているが、実際にはレーザー光の太さと各光学素子は同等サイズであり、よく知られているフライ・アイ・レンズの波面分割とコンデンサーレンズによる投影面での重ね合わせにより光強度の均一化がなされる。
【００５８】
さて、まずこのレーザー照射装置に設けられたＮｄ：ＹＬＦレーザー３０は、第２高調波発生用ＬｉＢ3Ｏ5（ＬＢＯ）結晶をレーザー・キャビティー内に有し、波長５２７ｎｍのレーザー光のみを出射する。その可干渉長さは約１ｍｍである。
【００５９】
このレーザー３０のレーザー光の射出方向には、干渉性解消素子３１が配置されている。この干渉性解消素子３１は、長さが異なる合成石英製の正四角柱を４行４列で１６本並べたものである。ここで、合成石英の屈折率が約１．４６（波長５２７ｎｍにおいて）と、空気より大きいため、通過する正四角柱の長さに応じた光路長の増加があり、干渉性解消素子３１を通過した後のレーザー光断面では、レーザー出射口からの光路長が異なる１６個の波面が並んでいることになる。そこで１６個の正四角柱の長さが互いに２．２ｍｍ以上異なるようにしておくことにより、１６の異なる波面の間では互いに約１ｍｍ以上と、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー光の可干渉長さよりも長い光路長差（レーザー出射口から見て）がつくので、１６個の異なる波面間では干渉性がなく、この後のホモジナイザー（フライ・アイ・レンズ  ２枚）３２の異なるセグメント（要素レンズ）を通過して、サンプル上で結像しても、試料面までの可干渉長さよりも小さな光路長差に起因する光干渉によって局所的に発生する光強度分布の変動を避けることができる。この実施形態においては、１ｍｍ×１ｍｍの照射スポット内の光強度分布は±２％以内であった。
【００６０】
尚、ホモジナイザー３２は、４行４列のフライ・アイ・レンズを２枚組み合わせたものである。
【００６１】
さらに、ホモジナイザー３２の射出方向には、レーザー光ｈのビーム形状を整形するためのレンズ３３、３５、３７と絞り３４が所定の順序で配置されている。また、ホモジナイザー３２の射出方向には、レーザー光ｈの光路を変更するためのミラー３６が配置されている。そして、これらのレンズ３３、３５、３７と絞り３４とによって所定形状（例えば１ｍｍ×１ｍｍ）に整形されたレーザー光ｈが、ミラー３６で反射され、Ｘ−Ｙステージ３８上に載置された試料（基板１）に照射される構成となっている。尚、Ｘ−Ｙステージ３８としては、エアーベアリングやリニアモータータイプなどの、移動時の等速度性が良いものを用いることが、本発明において重要な照射位置のぶれを減らす上で重要である。
【００６２】
また、本実施形態の結晶化方法では、図１および図２に示したように、レーザー光の照射の順序は、先ず、ｘ方向への移動によって第１段目ｙ１の第１ショットｘ１〜第６ショットｘ６を行い、次にｙ方向およびｘ方向への移動によって第２段目ｙの第１ショットｘ１〜第６ショットｘ６を行い、さらにこれを繰り返す。このような基板１に対するレーザー光の走査は、基板１をＸ−Ｙステージ３８により斜め方向に等速運動させながら、Ｎｄ：ＹＬＦレーザーを等時間間隔、すなわち一定周波数で発振させることにより達成される。
【００６３】
尚、上述した結晶化方法に用いるレーザー照射装置は、固体レーザーに限定されることはなく、エキシマレーザーを用いても、同様の照射パターンで同一の効果を得ることができる。但しパルス毎のエネルギーばらつき（ある照射回数における、パルスエネルギーの最大値と最小値）は、エキシマレーザーでは概ね±３〜±７％であるの対し、全固体レーザーでは±１％以下（何れも数千発照射時）であるため、本発明の照射パターンと全固体レーザーの組み合わせにおいて、基板面内における結晶状態の均一性が最も優れた結晶化を行うことが可能になる。
【００６４】
＜薄膜半導体装置＞
次に、以上のような結晶化方法によって結晶化させた半導体薄膜を用いて好適に構成される薄膜半導体装置の構成を、上述の結晶化方法適用した製造工程順にしたがって説明する。
【００６５】
先ず、図４（ａ）に示すように、ガラス等からなる基板４１の上に、ゲート電極を含む配線（以下ゲート配線４２と記す）を形成する。この際、先ず、スパッタ法によりＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒなどの高融点金属、またはこれらの合金からなる金属膜を３０〜３００ｎｍの厚みで成膜する。次にフォト・リソグラフィー技術によってレジストパターンを形成し、これをマスクに用いたドライエッチングもしくはウェットエッチングによって上記金属膜を所定の形状に加工して、ゲート配線４２を形成する。尚、ゲート配線４２の電気抵抗をなるべく低減するために、基板４１上に、まずＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、あるいはこれらを成分として含む合金などの低抵抗金属膜を形成し、この上部に高融点金属膜を積層させた、２層ないしはそれ以上の多層構造の金属膜を形成し、これを加工することによってゲート配線４２を形成しても良い。ただし、ゲート配線４２を多層構造とする場合には、最上層を高融点金属膜で構成することにより、後の結晶化工程においてゲート配線４２が溶融することを防止する。
【００６６】
次いで図４（ｂ）に示すように、ゲート配線４２を被覆する様に、ゲート絶縁膜４３を形成する。本例では、ゲート絶縁膜４３は、ゲート窒化膜（ＳｉＮX）４３ａとこの上部のゲート酸化膜（ＳｉＯ2）４３ｂとからなる二層構造として形成されることとする。この際、まず、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスの混合物を原料気体として用いたプラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法により、ゲート窒化膜４３ａを基板温度４００℃で２０〜６０ｎｍの膜厚で成膜する。尚、ゲート窒化膜４３ａの成膜は、プラズマＣＶＤに代えて常圧ＣＶＤ、減圧化学気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ法）、スパッタ法、蒸着法を用いてもよい。次に、ゲート窒化膜４３ａの成膜に連続して、ＳｉＨ4ガスとＮ2Ｏガスの混合物を原料気体としてゲート酸化膜４３ｂを約５０〜１５０ｎｍの膜厚で成膜する。
【００６７】
以上の後、ゲート絶縁膜４３の上部に、ＳｉＨ4ガスのみを原料として、非晶質シリコンまたは比較的粒径の小さな（概ね０．１μｍ以下）多結晶シリコンなどからなる半導体薄膜４４を約３０〜１００ｎｍの膜厚で成膜する。尚、上述したゲート絶縁膜４３と非晶質の半導体薄膜４４は成膜チャンバの真空系を破らず連続成膜することが好ましい。また、このような半導体薄膜４４の成膜においてプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、４００〜４５０℃の温度で窒素雰囲気中において１時間程度加熱処理を行い、非晶質の半導体薄膜４４に含有されていた水素を放出する、いわゆる脱水素アニールを行う。これにより、非晶質の半導体薄膜４４中の水素量を原子数比で約１〜２％に減少させる。
【００６８】
そして、このように脱水素アニールを行った後に、半導体薄膜４４に対してレーザー光ｈの照射を行うことにより、半導体薄膜４４を結晶化させる工程を行う。この際、図１または図２を用いて説明した半導体薄膜の結晶化方法を適用し、基板４１上の半導体薄膜４４の全面において均一な結晶化を図ることとする。
【００６９】
この際、図３を用いて説明した構成のレーザー照射装置が好適に用いられる。このようなレーザー照射装置を用いてレーザー光ｈを照射する際には、エネルギー密度を一定とし、レーザー光ｈを図１または図２を用いて説明した手順に従って、ｘ方向に７０％、ｙ方向に６３％ずつ部分的に重ねながらレーザー光のパルスを基板４１に対して相対的に走査し、一箇所に９回ずつレーザー光が照射される様にする。尚、重ね率を増やすと、一箇所に繰り返し照射されるレーザーパルスの回数が増加する。一般に、繰り返し照射回数が増える程結晶状態は良くなるが、逆に処理時間が長くなる。このため、スループットを考慮しつつ、結晶状態が良好となる照射回数（すなわち重ね率）が設定されることになる。
【００７０】
以上のようにして半導体薄膜４４の結晶化を行った後、図４（ｃ）に示す様に、結晶化された半導体薄膜４４上に絶縁性材料からなるストッパ膜４５をパターン形成する。このストッパ膜４５の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2膜を約１００ｎｍ〜３００ｎｍの膜厚で形成した後、裏面露光技術を用いてゲート配線４２と整合するように半導体薄膜４４上にレジストパターン（図示省略）を形成し、このレジストパターンをマスクに用いてＳｉＯ2膜をエッチングすることにより、ゲート配線４２と整合する形状のＳｉＯ2からなるストッパ膜４５得る。このストッパ膜４５により、直下に位置する半導体薄膜４４部分をチャネル部４４ａとして保護する。
【００７１】
続いて、ストッパ膜４５をマスクとしたイオン注入により、不純物（たとえばＰ+イオン）４６を半導体薄膜４４に注入し、低濃度のオフセット領域４４ｂを形成する。この時のドーズ量は例えば６×１０12〜５×１０13／ｃｍ2である。さらにストッパ膜４５及びその両側のオフセット領域４４ｂを被覆するようにフォトレジスト（図示省略）をパターニング形成したあと、これをマスクとして再び不純物（たとえばＰ+イオン）４６を高濃度で注入し、オフセット領域４４ｂの両脇にＮ型のソース・ドレイン４４ｃを形成する。このような不純物注入には、例えばイオンドーピングを用いることができる。これは質量分離をかけることなく電界加速で不純物を注入するものであり、１×１０15／ｃｍ2程度のドーズ量で不純物を注入し、ソース・ドレイン４４ｃを形成する。
【００７２】
尚ここでの図示は省略したが、Ｐ型のソース・ドレインを備えたＴＦＴをさらに形成する場合には、Ｎチャネル型の領域をフォトレジストで被覆したあと、不純物をＰ+イオンからＢ-イオンに切換えドーズ量１×１０15／ｃｍ2程度でイオンドーピングすればよい。
【００７３】
以上の後、半導体薄膜４４に注入された不純物を活性化するために、急速熱アニール（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ、ＲＴＡ）を用いた活性化アニールを行う。ここでは、例えばライン状に整形および集光されたＸｅアークランプ光を走査しながら基板４１に照射して５００〜６５０℃に短時間加熱し、半導体薄膜４４に注入されていた不純物を活性化する。これにより、ボトムゲート構造の多結晶シリコンＴＦＴ４７を得る。
【００７４】
またその後、半導体薄膜４４をエッチング加工することにより、各多結晶シリコンＴＦＴ４７部分を分離する。
【００７５】
最後に図４（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2膜を約２００ｎｍ、さらにＳｉＮX膜を約２００〜４００ｎｍの厚さで成膜し、ＳｉＯ2膜とＳｉＮX膜との２層構造の層間絶縁膜５０を形成する。この段階で窒素ガス中、フォーミングガス中、または真空中雰囲気下で３５０℃程度の加熱処理を１時間行い、層間絶縁膜５０に含まれる水素原子を半導体薄膜４４中に拡散させる。この後、層間絶縁膜５０にコンタクトホール５０ａを開口し、Ａｌ、Ｍｏ、Ｔｉなどを単層あるいは複数層、全層で２００〜１５００ｎｍの厚みでスパッタした後、所定の形状にパターニングしてソース・ドレイン４４ｃに電気的に接続された配線電極５１に加工する。さらに、アクリル系樹脂などからなる感光性の平坦化層５２を０．５〜２μｍ程度の厚みで塗布したあと、フォト・リソグラフィーによりコンタクトホール５２ａを開口する。次いで、平坦化層５２の上に、例えばＩＴＯ等からなる透明導電膜をスパッタした後、この透明導電膜を所定の形状にパターニングすることにより、コンタクトホール５２ａと配線電極５１を介してソース・ドレイン４４ｃに電気的に接続された画素電極５３に加工する。
【００７６】
以上により、基板４１上にボトムゲート構造の多結晶シリコンＴＦＴ４７を備え、これに画素電極５３を接続させた表示装置用の回路基板が薄膜半導体装置として得られる。
【００７７】
そして、以上のようにして得られた薄膜半導体装置は、上述した結晶化方法によって結晶化させた薄膜半導体を用いて複数の多結晶シリコンＴＦＴ４７が構成されている。このため、特性の均一性に優れたＴＦＴアレイを有するものとすることができる。
【００７８】
尚、以上の実施形態においては、基板上に複数のボトムゲート型の多結晶シリコンＴＦＴを設けてなる薄膜半導体装置に本発明を適用した実施の形態を説明した。しかしながら、本発明は、半導体薄膜がシリコンからなるものに限定されることはない。また、本発明は、結晶化された半導体薄膜を用いて基板上に複数の素子が設けられた構成であれば同様の効果を得ることができる。したがって、例えば基板上にトップゲート型のＴＦＴを複数設けた薄膜半導体装置にも適用可能である。
【００７９】
＜表示装置＞
次に、以上のような結晶化方法によって結晶化させた半導体薄膜を用いて好適に構成される表示装置の構成を図５を参照して説明する。
【００８０】
この図に示す表示装置は、上述した構成の薄膜半導体装置を回路基板として用いたアクティブマトリクス型の表示装置である。
【００８１】
図示するように、本表示装置は、一対の絶縁基板１０１，１０２と両者の間に保持された電気光学物質１０３とを備えたパネル構造を有する、いわゆる液晶表示装置である。電気光学物質１０３としては、例えば液晶材料を用いる。下側の絶縁基板１０１には画素アレイ部１０４と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直スキャナ１０５と水平スキャナ１０６とに分かれている。また、絶縁基板１０１の周辺部上端には外部接続用の端子部１０７が形成されている。端子部１０７は配線１０８を介して垂直スキャナ１０５及び水平スキャナ１０６に接続している。画素アレイ部１０４には行状のゲート配線１０９と列状の信号配線１１０が形成されている。両配線の交差部には画素電極１１１とこれを駆動する薄膜トランジスタ１１２が形成されている。
【００８２】
そして、この薄膜トランジスタ１１２のゲート電極は対応するゲート配線１０９に接続され、ドレインは対応する画素電極１１１に接続され、ソースは対応する信号配線１１０に接続している。ゲート配線１０９は垂直スキャナ１０５に接続する一方、信号配線１１０は水平スキャナ１０６に接続している。ここで、画素電極１１１をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ１１２、および垂直スキャナ１０５と水平スキャナ１０６に含まれる薄膜トランジスタ１１２が、図４を用いて説明した本発明手順に従って作製されたボトムゲート構造の多結晶シリコンＴＦＴ（４７）となり、画素電極１１１が画素電極（５３）となり、上述した回路が形成された下側の絶縁基板１０１、すなわち回路基板が薄膜半導体装置となる。
【００８３】
このような構成の表示装置においては、上述した薄膜半導体装置が駆動回路として用いられている。これにより、画素電極１１１を駆動する各薄膜トランジスタ１１２の表示装置面内における特性の均一化が図られている。その結果、画像表示における不均一性、すなわち、表示むらや固定パターンの発生などがなく、良好な表示特性を達成することが可能となる。
【００８４】
また、表示装置としては、上述した液晶表示装置の他に、有機ＥＬ素子のような自発光素子を用いた表示装置であっても良い。例えば、有機ＥＬ素子を用いたアクティブマトリックス型の表示装置であれば、上記液晶表示装置と同様の構成の下側の絶縁基板が用いられる。そして、画素電極１１１をアノードまたはカソードとし、この上部に有機発光層を含む複数層の有機層を積層形成し、さらにこれらの有機層上にカソードまたはアノードを積層形成することで、アノードとカソードとの間に有機層を狭持した各発光素子を形成する。これにより、各発光素子がそれぞれ薄膜トランジスタ１１２に接続されたアクティブマトリックス型の表示装置が構成され、液晶表示装置と同様の表示特性の均一化効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の半導体薄膜の結晶化方法の第１例を説明する図である。
【図２】本発明の半導体薄膜の結晶化方法の第２例を説明する図である。
【図３】本発明の半導体薄膜の結晶化方法に好適に用いられるレーザー照射装置の構成図である。
【図４】本発明の薄膜半導体装置の一例を製造手順に従って説明するための断面工程図である。
【図５】本発明の表示装置の一例を説明するための構成図である。
【図６】従来の半導体装置の結晶化方法を説明するための図である。
【図７】従来の半導体装置の結晶化方法の他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８６】
１、４１，１０１…基板、４４…半導体薄膜、Ｅ…照射領域、ｈ…レーザー光（エネルギービーム）、Ｐｘ，Ｐｙ…ピッチ、Ｐｘｘ，Ｐｙｙ…ずらし量、３０…固体レーザー、４３…ゲート絶縁膜、４２…ゲート電極、４７…多結晶シリコンＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
【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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