(57)【要約】【課題】  大粒径の結晶粒を膜全体にわたりち密に形成することができ、かつ低温処理の要求を満たすことができる結晶化方法、結晶化装置、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供する。【解決手段】  非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に絶縁膜として少なくとも酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜とを所定の膜厚に順次積層し、所定の光強度分布に位相変調した均一化レーザ光を絶縁膜の側から非単結晶半導体膜に照射する。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜とを設け、
前記レーザ光は、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であることを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記絶縁膜の少なくとも１層は、前記レーザ光の波長に対して吸収特性を示す膜であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記酸窒化シリコン膜は、膜厚を１００〜１０００ｎｍとすることを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ光は、位相シフタを用いて光強度が単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布となるように変調されたパルスレーザ光であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ光は、光強度に関して均一化された光であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化装置であって、
レーザ光源と、
非単結晶半導体膜を有する基板が載置される載置台と、
この載置台と前記レーザ光源との間に設けられ、光強度に関して前記レーザ光を均一化するホモジナイザと、
このホモジナイザと前記載置台との間に設けられ、前記ホモジナイザで均一化されたレーザ光を位相変調する位相シフタと、
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項７】
表示装置の画素及びこれを駆動する薄膜トランジスタであって、
絶縁性の基板と、
前記基板上に形成された非単結晶半導体膜の上にキャップ層としてＳｉＯ2膜を形成し、さらに前記ＳｉＯ2膜の上に光吸収層としてＳｉＯＮ膜を形成し、ホモジナイズしたパルスレーザ光を前記ＳｉＯＮ膜のほうから入射して、該ホモジナイズしたパルスレーザ光の吸収により前記ＳｉＯＮ膜を発熱させるとともに、前記ＳｉＯＮ膜および前記ＳｉＯ2膜を介して前記非単結晶半導体膜に前記ホモジナイズしたパルスレーザ光を到達させ、前記非単結晶半導体膜を横方向に結晶化させることにより形成された大粒径の結晶粒内に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域を挟むように設けられ、所定の不純物がドープされたソース領域およびドレイン領域と、
前記チャネル領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の側から前記ソース領域に導通するソース電極と、
前記層間絶縁膜の側から前記ドレイン領域に導通するドレイン電極と、
を具備することを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項８】
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及びこれを駆動する薄膜トランジスタで形成される表示装置であって、
前記薄膜トランジスタは、
絶縁性の基板と、
前記基板上に形成された非単結晶半導体膜の上にキャップ層としてＳｉＯ2膜を形成し、さらに前記ＳｉＯ2膜の上に光吸収層としてＳｉＯＮ膜を形成し、ホモジナイズしたパルスレーザ光を前記ＳｉＯＮ膜のほうから入射して、該ホモジナイズしたパルスレーザ光の吸収により前記ＳｉＯＮ膜を発熱させるとともに、前記ＳｉＯＮ膜および前記ＳｉＯ2膜を介して前記非単結晶半導体膜に前記ホモジナイズしたパルスレーザ光を到達させ、前記非単結晶半導体膜を横方向に結晶化させることにより形成された大粒径の結晶粒内に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域を挟むように設けられ、所定の不純物がドープされたソース領域およびドレイン領域と、
前記チャネル領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の側から前記ソース領域に導通するソース電極と、
前記層間絶縁膜の側から前記ドレイン領域に導通するドレイン電極と、
を具備す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、液晶、有機ＥＬ等の表示装置に用いられる薄膜トランジスタおよび表示装置に係り、特にそれらに用いられる結晶化方法および結晶化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に形成されていた。ＩＴ市場の拡大により取り扱う情報は、デジタル化され、高速化されるため表示装置も高画質化が要求されている。この要求を満足する手段としては、例えば各画素を切換えるスイッチングトランジスタを結晶領域に形成することによりスイッチング速度が高速化され、高画質化が可能となる。
【０００３】
ガラス基板上に形成された非晶質シリコン層を結晶化する手段としては、エキシマレーザアニール法（ＥＬＡ法）が知られている。しかしながら、このＥＬＡ法により得られた結晶の粒径は、０．１μｍ程度であり、この結晶化された領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成した場合、１個の薄膜トランジスタのチャネル領域に多数の結晶粒界が含まれることになり、移動度が２００ｃｍ２／Ｖｓ、オン・オフ電流比が１０７程度と、単結晶Ｓｉに形成したＭＯＳトランジスタと比較すると大幅に劣る。
【０００４】
本発明者等は、非晶質シリコン層にレーザ光を照射することにより少なくとも１個の薄膜トランジスタを形成できる程度大きな結晶粒を形成する技術を開発している。単一の結晶粒内にＴＦＴを形成することにより結晶粒界の悪影響がなく、ＴＦＴ特性が大幅に改善され、プロセッサ、メモリ、センサなどの機能素子を形成することができる。このような結晶化方法として例えば非特許文献１や非特許文献２に記載された結晶化方法がある。
【０００５】
前者の非特許文献１には、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ2キャップ層やＳｉＯ2キャップ層を介して非晶質シリコン膜に０．８ｍＪ／ｃｍ2フルエンスの位相変調したレーザ光を照射することにより、膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。
【０００６】
また、後者の非特許文献２には、基板加熱下でＳｉＯ2キャップ層を介して非晶質シリコン膜にホモジナイズし位相変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜をラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。
【０００７】
【非特許文献１】W.Yeh  and  M.Matsumura  Jpn.Appl.Phys.Vol.41(2002)1909.
【０００８】
【非特許文献２】2002年秋季第６３回応用物理学会学術講演会予稿集２,p779,26a-G-２.平松雅人他
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１の方法では、結晶粒径１０μｍ以上の大きな粒径の結晶粒を得ることができるが、大粒径化した結晶粒の近傍に小粒径の微細結晶粒が発生するため、膜組織全体として大粒径の結晶粒を揃えて比較的均一に（すなわち、ち密に）形成することができないという問題点がある。
【００１０】
また、非特許文献１及び２の方法では、結晶粒を大粒径化させるために、基板を高温域に加熱する必要があり、低温処理の要求を十分に満たすことができないという問題点がある。例えば図８に示す従来の結晶化装置１００では、載置台６に内蔵されたヒータ１０１により被処理基板５を高温域に加熱しながらレーザ光５０を照射する。ヒータ１０１は、コントローラ１０３で制御される電源１０２から給電され、基板５を３００〜７５０℃の温度域に加熱する能力を有している。
【００１１】
基板加熱温度は例えば５００℃を超えることもあるので、汎用ガラス（例えばソーダガラス）やプラスチックなどは加熱により変質や変形を生じやすく、これらを液晶表示装置（ＬＣＤ）の基板に採用するためには低温処理は必須条件となる。また、大画面ＬＣＤでは軽量化の要望が強いために基板の板厚を薄くする傾向にあり、加熱により変形を生じやすく、薄肉基板の平坦度を確保するためにも低温処理は必須条件となる。
【００１２】
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、大粒径の結晶粒を膜全体にわたりち密に形成することができ、かつ低温処理の要求を満たすことができる結晶化方法、結晶化装置、薄膜トランジスタ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】
【００１３】
本発明者等は、少なくとも１個の薄膜トランジスタを形成できる程度に大きな結晶粒をち密に形成することに関して鋭意研究した結果、従来の平行パルスレーザ光（ホモジナイズされていないレーザ光）の照射では結晶粒をち密に大粒径化できないという知見を得た。この原因は厳密な意味では明らかにされていないが、以下に述べるようなことがおおよそ推察される。
【００１４】
図９に平行パルスレーザ光が位相シフタ４を透過した後の光強度分布を示す。この光強度分布において、ラテラル方向への結晶成長に寄与しうる成分は最初の逆ピーク波９１から次のピーク波９２までの間である。一方、これより外側の高次の波９３（振動；干渉縞）はラテラル方向への結晶成長に寄与しないため、ラテラル成長に寄与する主たる逆ピーク波９１以外の高次振動の各逆ピーク波９３からは極めて短時間の結晶粒の成長が生じて、微細な結晶粒が生成され、膜全体として均一かつち密に大粒径化できないことがわかった。すなわち、平行パルスレーザ光（ホモジナイズされていない光）を位相変調した光は高次の振動９３を含むために、大粒径の結晶粒を形成することができないことが判明した。
【００１５】
本発明の結晶化は、ホモジナイズされたパルスレーザ光を位相変調光学系および光吸収特性を有する絶縁膜を介して非晶質半導体膜に入射させることにより大粒径の結晶粒を、ち密に並べて形成することができる。換言すれば、図９（ｂ）の高次振動９３を含まない図１（ｂ）に示すような光強度分布をもつパルスレーザ光を非晶質半導体膜に照射することにより、大粒径の結晶粒をち密（均一）に並べて形成することができる。図１（ｂ）に示す光強度分布ＢＰは、斜視図で三次元的に示すと図１の（ｃ）ようにＶ字状溝の光強度分布となる。この光強度分布ＢＰは断面逆三角形状のピークパターンを複数有するものである。各断面逆三角形状ピークパターンの光強度分布は振幅ＰＨが等しく、ピッチ間隔ＰＷも等しい。
【００１６】
光吸収特性を有する絶縁膜は、入射したホモジナイズされたパルスレーザ光の一部を吸収し、発生した熱を蓄熱する機能を有する厚さが必要である。蓄熱期間は、結晶粒が大きく成長することができる期間である。
【００１７】
本発明の結晶化方法は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜とを設け、前記レーザ光は、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の結晶化装置は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化装置であって、レーザ光源と、非単結晶半導体膜を有する基板が載置される載置台と、この載置台と前記レーザ光源との間に設けられ、非単結晶半導体膜を有する基板に対し複数の入射角度を有し、光強度分布に関して前記レーザ光を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザと前記載置台との間に設けられ、前記ホモジナイザで均一化されたレーザ光を位相変調する位相シフタと、を具備することを特徴とする。
【００１９】
本発明では、光強度分布を最適化したパルスレーザ光、すなわち図９に示す高次の振動９３の影響を取り除いたパルスレーザ光を、光吸収膜であるＳｉＯＮ膜を介して結晶化しようとする半導体膜（非晶質膜または多結晶膜）に照射する。この結果として、ＳｉＯＮ膜は、照射したレーザ光の一部を吸収し、膜全体にわたり発熱し、ＳｉＯＮ膜に所定期間蓄熱し、残部のほとんどは、非単結晶半導体膜５２に入射し、その照射部のみを溶融させる。この蓄熱されたＳｉＯＮ膜からの熱エネルギは非単結晶半導体膜を蓄熱期間に渉って加熱する。このＳｉＯＮ膜からの加熱により、非単結晶半導体膜のラテラル成長が促進され、その結果として結晶粒を比較的均一に（すなわちち密に）形成できる。
【００２０】
すなわち、本発明の方法によれば、半導体膜に接する光吸収発熱性の絶縁膜から直接的に熱エネルギを供給する加熱効果により、従来法ほどに基板を高温域に加熱することがなく、単結晶か又はそれに近い大粒径の結晶粒を得ることができる。
【００２１】
酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜の膜厚は１００〜１０００ｎｍの範囲とすることが光吸収特性と蓄熱特性から望ましい。膜厚が１００ｎｍを下回ると、総蓄熱量が不十分になるため、所望サイズの大結晶粒を得ることができなくなる。一方、膜厚が１０００ｎｍを上回ると、キャップ膜の光吸収により光の透過量が減少して、結晶化しようとする非単結晶半導体膜に十分なフルエンスのパルスレーザ光が到達し難くなるので、結晶化の目的を十分に達成することができなくなる。
【００２２】
また、パルスレーザ光は、均一化光学系（ホモジナイザ）としての第１のフライアイレンズおよび第１のコンデンサ光学系、さらに第２のフライアイレンズおよび第２のコンデンサ光学系により光強度に関して均一化されることが望ましい。このように光強度に関して均一化されたレーザ光は、図１（ａ）の位相シフタ４を透過すると、図１（ｂ）に示すように光強度が単調増加と単調減少を繰り返す理想的な光強度分布ＢＰとなる。この図１（ｂ）の光強度分布ＢＰは断面逆三角形形状であり、最大ピーク値と最小ピーク値が突状であり、平坦部を有しないものである。しかも等振幅ＰＨで、かつ等ピッチ間隔ＰＷである。すなわち、位相変調された均一化レーザ光は高次振動成分を含まないために、これを被結晶化膜に照射すると理論的にはビームプロファイルのピッチ間隔ＰＷに応じたサイズの大結晶粒をラテラル成長させることが可能になる。このとき絶縁層の光吸収による発熱効果と蓄熱効果とにより被結晶化膜に熱エネルギが補給されるので、凝固結晶化における結晶粒ラテラル成長の一連のプロセスが促進され、結晶粒のサイズが大きくなる。なお、図１（ｂ）の光強度分布ＢＰにおいてピーク部の角度θが鋭くなると膜破壊を生じ易くなるので、ピーク部の角度θはできるだけ緩やかな角度となるように光強度分布ＢＰを設定することが望ましい。
【００２３】
本明細書において「非単結晶半導体膜」とは、非晶質半導体（例えば非晶質シリコン膜）、多結晶半導体（例えばポリシリコン膜）およびこれらの混合組織など結晶化の対象となる薄膜をいう。
【００２４】
本明細書において「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、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。
【００２５】
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、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。
【００２６】
本明細書において「レーザフルエンス」とは、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（照射野）において計測されるレーザ光の平均光強度のことをいう。
【００２７】
本明細書において「照射レーザフルエンス」とは、位相シフタで変調される前のホモジナイズレーザ光のレーザフルエンスをいうものとする。
【００２８】
本明細書において「位相シフタ」とは、位相変調光学系の一例であり、レーザ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、例えば透明体としての石英基材に段差が形成されたものである。位相シフタの段差は、入射光を所定の位相角、例えば１８０°に位相変調するサイズに、エッチング等のプロセスにより形成される。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように本発明によれば、膜全体にわたり大粒径の結晶粒を並べて形成することができるので、動作が速く、かつ、しきい電圧のばらつきが少ないＴＦＴを製造することが可能となる。
また、本発明によれば、低温処理することができるので、基板として従来よりも薄肉のガラス板やプラスチック板を採用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
図２に示すように、結晶化装置１０は、ＫｒＦエキシマレーザ装置１から発振されたパルスレーザ光５０を光学系２ａ，２ｂ，３，４を介して載置台６上の被処理基板５に照射するものである。ＫｒＦエキシマレーザ装置１の電源回路はコントローラ８の出力部に接続され、レーザ光５０の発振タイミング、パルス間隔、出力の大きさなどが制御されるようになっている。載置台６はヒータ１０１を内蔵している。ヒータ１０１の電源１０２はコントローラ８の出力部に接続され、ヒータ１０１への給電量が制御されるようになっている。
【００３２】
本装置の光学系２ａ，２ｂ，３，４は、例えば凹レンズ２ａ、凸レンズ２ｂ、ホモジナイザ３、位相シフタ４などが同一光軸上に配置されたものである。
【００３３】
ホモジナイザ３は、照射領域におけるパルスレーザ光５０を平準化する機能を備えている。すなわち、ホモジナイザ３を通過したパルスレーザ光５０は光強度がホモジナイズ（均一化）される。ホモジナイザ３は、パルスレーザ光５０を光強度に関してホモジナイズ（均一化）するための光学系である。
【００３４】
さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光５０は、位相シフタ４により位相変調されるようになっている。位相シフタ４は、透明体からなり、平行に並ぶ複数の直線状の段差４ａを有し、段差４ａにおいてパルスレーザ光５０に位相差を生じさせる。この位相差によりパルスレーザ光５０に位相変調が生じ、その結果、図１（ｂ）に示すように単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布ＢＰが照射部に形成される。なお、本実施形態では位相シフタ４の段差４ａ−４ａの間隔Ｗを２０μｍとした。
【００３５】
基板５の上面には光吸収層としてのＳｉＯＮ膜５４が設けられている。このＳｉＯＮ膜５４から位相シフタ４までの相互間距離は、例えば５００μｍ以下間隔に設定されている。
【００３６】
載置台６は、ＸＹＺθステージ７の上に搭載され、水平面内でＸ軸，Ｙ軸方向にそれぞれ可動で、かつ水平面に直交するＺ軸方向に可動であるとともに、Ｚ軸まわりにθ回転可能である。ＸＹＺθステージ７の電源回路はコントローラ８の出力部に接続され、Ｘ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、Ｚ軸駆動機構、θ回転駆動機構がそれぞれ制御されるようになっている。なお、上記実施例は基板５に近接して位相シフタ４が配置されるプロキシミティ法について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなくプロジェクション法（投影法）にも適用することができる。
【００３７】
次に、この結晶化装置１０による結晶化方法を説明する。パルスレーザ光源１からパルス幅例えば３０ｎｓｅｃ、照射レーザフルエンス例えば１Ｊ／ｃｍ２のパルスレーザ光５０を出射する。このパルスレーザ光５０は、凹レンズ２ａ、凸レンズ２ｂにより発散収束してホモジナイザ３に入射させる。ホモジナイザ３は、入射したパルスレーザ光５０の光強度をホモジナイズ（均一化）する。
【００３８】
ホモジナイザ３は、均一化されたパルスレーザ光５０を位相シフタ４に入射させ、位相シフタ４は、逆ピークパターンの光強度分布を有するパルスレーザ光５０を出射する。逆ピークパターンの光強度分布を有するパルスレーザ光５０の一部は、非単結晶半導体膜のパルスレーザ光入射面上に設けられた光吸収膜５４に吸収される。残部のほとんどは、非単結晶半導体膜５２に入射し、その照射部のみを溶融させる。非単結晶半導体膜５２は、直ちに厚さ方向に溶融し、フルエンスが最小となる逆ピーク点を起点として凝固（結晶化）が開始し、ラテラル方向（膜５２の厚みに直交する方向）に結晶粒が成長する。この結晶粒のラテラル成長は光吸収膜５４の蓄熱効果により促進されるので、最終凝固後の結晶粒のサイズが大きくなり、照射部において広範囲の単結晶化が実現される。
【００３９】
このような結晶化工程は、非単結晶半導体膜５２の予め定められた全面にわたって行われる。全面にわたって結晶化工程を行う手段は、パルスレーザ光源１による照射位置に対してステージ７を相対的に移動させて行うことができる。
【００４０】
次に、図３を参照して光学系について具体的に説明する。  
本発明装置の光学系２，３は、パルスレーザ光源として例えば２４８ｎｍ波長のエキシマパルスレーザ光を出射するＫｒＦエキシマレーザ光源１を備えている。なお、光源１として、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような他の光源を用いることもできる。光源１から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダからなる光学系２ａ、２ｂを介して拡大された後に、第１のフライアレンズ３３に入射する。
【００４１】
第１のフライアイレンズ３３の後側焦点面には、複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１のコンデンサ光学系３４を介して第２のフライアイレンズ３５の入射面を重畳的に照明する。その結果、第２のフライアレンズ３５の後側焦点面には、第１のフライアイレンズ３３の後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第２のフライアイレンズ３５の後側焦点面に形成された光源からの光束は、第２のコンデンサ光学系３６を介して位相変調素子４（位相シフタ）を重畳的に照明する。
【００４２】
ここで、第１のフライアイレンズ３３および第１のコンデンサ光学系３４は第１のホモジナイザを構成し、また、第２のフライアイレンズ３５および第２のコンデンサ光学系３６は第２のホモジナイザを構成する。この２つのホモジナイザにより位相シフタ４上での面内各位置での光強度（レーザフルエンス）に関する均一化が図られる。このようにして照明系は、実質的に均一な光強度分布（光強度分布）を有する光を位相シフタ４に照射する。
【実施例】
【００４３】
上述の装置を用いてホモジナイズされたパルスレーザ光を位相変調した光を基板に照射して非晶質半導体膜を結晶化した。被処理基板５は、絶縁体または半導体からなる基体例えばシリコン基板４８の上に下地保護膜５１、非単結晶半導体膜例えば非晶質半導体膜５２、第１のキャップ絶縁膜５３、第２のキャップ絶縁膜５４を順次積層してなる構造体である。下地保護膜５１は、シリコン基板４８からの不純物の滲透を防止し、非晶質シリコンの結晶化過程で発生する熱を蓄熱する効果を有する材料であり、例えば膜厚１０００ｎｍの絶縁性ＳｉＯ2からなる。非晶質半導体膜５２は、結晶化の対象となる膜であり、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍの非晶質シリコンからなる。第１のキャップ絶縁膜５３は、膜厚３０ｎｍの絶縁性ＳｉＯ2からなる。第２のキャップ絶縁膜５４は、レーザ光５０の一部を吸収して発熱する光吸収膜であり、膜厚５００ｎｍのＳｉＯＮ膜からなる。
【００４４】
このような二重キャップ絶縁膜５３，５４を有する被処理基板を製造する方法についてさらに具体的に説明する。
【００４５】
図４の（ｂ）に示すように、被処理基板５は例えばガラス基板等からなる絶縁基板の上にさらに下地保護膜５１としての絶縁層を形成したものである。絶縁基板には、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板の他に、表面に絶縁被膜が形成された金属基板、シリコン基板、或いはセラミック基板などを適用することが可能である。ガラス基板は、例えばコーニング社の＃１７３７基板に代表されるような、低アルカリガラス基板を用いることが望ましい。
【００４６】
下地保護膜５１の上に非晶質シリコン膜５２（例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚２００ｎｍの非晶質Ｓｉ膜）を成膜する。
【００４７】
その上にキャップ層５３としてＳｉＯ2膜（例えばＳｉＨ4とＮ2Ｏのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚３０ｎｍのＳｉＯ2膜）を形成し、さらにその上に光吸収層５４としてＳｉＯＮ膜（例えば、ＮＨ3とＳｉＨ4とＮ2Ｏのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚５００ｎｍのＳｉＯＮ膜）を形成した。次いで、基板上に形成した薄膜５１〜５４の脱水素処理を行なった（例えば窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理）。
【００４８】
このような二重キャップ絶縁膜５３，５４を有する基板に対して、図２および図３に示す結晶化装置１０を用いてホモジナイズされたパルスレーザ光５０を位相変調して照射し、非晶質シリコン膜を結晶化させ、ラテラル成長させた。
【００４９】
ＸＹＺθステージ７により載置台６をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸およびθ回転軸の各方向に移動させ、光軸に対して被処理基板５を高精度に位置合せした。
【００５０】
基板の加熱後に、光源１から照射レーザフルエンスを６２０ｍＪ／ｃｍ2に制御してパルスレーザ光５０を出射した。パルスレーザ光５０は、ビームエキスパンダ２で拡大され、ホモジナイザ３において光強度に関してホモジナイズし、さらに段差４ａをもつ位相シフタ４において位相変調した後に、被処理基板５上のＳｉＯＮキャップ膜５４に入射した。これにより非晶質シリコン膜５２はラテラル方向に結晶成長し、その結果、図５に示すように平均結晶粒径が８μｍ程度の大サイズの結晶粒を得た。
【００５１】
図５は本発明方法により結晶化させたＳｉ薄膜のＳＥＭ像である。ＳＥＭ像の観察から明らかなように、レーザ光軸（写真中央）から片側８〜９μｍの範囲にラテラル成長して大粒径化したＳｉ結晶が生成されていることを確認できた。また、ラテラル成長したＳｉ結晶は、中央付近の結晶核を起点として横方向に非常に良く伸び出しており、かつち密に並んでいることを確認できた。
【００５２】
パルスレーザ光を１ショット照射後に、基板を所定ピッチ距離だけ平行移動させ、次のショットのパルスレーザ光を基板に照射してラテラル成長により大粒径化したＳｉ結晶を得た。同様の操作を繰り返すことにより、非晶質シリコン膜の素子形成領域を次々に結晶化した。
【００５３】
図６は、横軸に基板温度（℃）をとり、縦軸にラテラル成長距離（μｍ）をとって、各種サンプルについて基板温度を様々に変えてキャップ膜の効果およびラテラル成長距離の基板温度依存性を調べた結果を示す特性線図である。図中にて特性線Ａは図４の（ａ）に示したＳｉＯＮ／ＳｉＯ2二重キャップ膜をもつ実施例サンプルの結果を、特性線Ｂは膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2キャップ膜をもつ比較例サンプルの結果をそれぞれ示す。なお、実施例サンプルと比較例サンプルとはキャップ膜を除いて他の構成および結晶化条件を同じにした。また、ラテラル成長距離は平均値を求めた。
【００５４】
図から明らかなように、実施例サンプルでは基板温度を室温（１５℃〜２８℃）にした場合であっても最長で４μｍ程度のラテラル成長距離が得られた。基板温度を上昇させるに従ってラテラル成長距離は長くなり、基板温度を３００℃とした場合のラテラル成長距離は８μｍ近くまで伸び、基板温度を５００℃とした場合のラテラル成長距離は８μｍを超えた。これに対して比較例サンプルのラテラル成長距離は、基板温度が室温で１μｍ、３００℃で１μｍ強、５００℃も３μｍ弱であった。
【００５５】
以上のことから本発明方法を用いて、高充填率で大結晶粒（平均結晶粒径４〜８ミクロン）をラテラル成長させることが可能であることを確認した。
【００５６】
次に、図４の（ｂ）を参照して本発明の薄膜トランジスタ（TFT）の構成およびその製造方法について説明する。上述の結晶化方法により大粒径化した半導体膜をもつ基板を利用して薄膜トランジスタを作製した。
【００５７】
絶縁体叉は半導体からなる基体には、ガラス基板４９、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板の他に、表面に絶縁被膜が形成された金属基板、シリコン基板、或いはセラミック基板などを適用することが可能である。ガラス基板４９は、例えばコーニング社の＃１７３７基板に代表されるような、低アルカリガラス基板を用いることが望ましい。下地保護膜５１は酸化シリコン（ＳｉＯ2）または窒化シリコンを主成分として含む絶縁膜、例えば膜厚３００ｎｍの酸化シリコン膜であり、さらに、ガラス基板４９に密接して形成されていると好ましい。上記下地保護膜５１は、基体例えばガラス基板４９から上記非単結晶半導体膜に不純物が拡散しないように阻止する作用をする膜である。
【００５８】
下地保護膜５１の上に非晶質半導体膜又は非単結晶半導体例えば非晶質シリコン膜５２（例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚２００ｎｍの非晶質Ｓｉ膜）を成膜する
【００５９】
非晶質シリコン膜５２上にキャップ膜５３，５４を形成後、脱水素処理を行い、被処理基板４０を形成する。この被処理基板４０は、図３に示された光学系によってホモジナイズされたパルスレーザ光を位相シフタ４に入射させ位相変調したレーザ光５０により結晶化工程が行われる。
【００６０】
結晶化処理後に、その結晶化した半導体膜の上からキャップ絶縁膜５３，５４をエッチングにより除去する。次に、非晶質シリコン膜５２の結晶化された領域に位置合わせして半導体回路例えば図４（ｂ）に示す薄膜トランジスタを次のようにして製造する。まず活性領域の形状を規定するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングし、平面視野内でチャネル領域５２ａ、ソース領域５２ｂおよびドレイン領域５２ｃのそれぞれに略対応する所定パターンのＳｉアイランドを形成した。このとき、チャネル領域５２ａは、キャップ絶縁膜５３，５４を介して非単結晶半導体膜５２にホモジナイズされたパルスレーザ光５０を位相変調した光を到達させることにより、非単結晶半導体膜５２をラテラル方向に結晶成長させた領域である。
【００６１】
次に、チャネル領域５２ａ、ソース領域５２ｂおよびドレイン領域５２ｃ上にゲート絶縁膜５９を形成する。ゲート絶縁膜５９は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）あるいは酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を主成分とする材料で、厚さ１０〜２００ｎｍである。例えば、プラズマＣＶＤ法で、ＳｉＨ4とＮ2Ｏを原料とした酸化シリコン膜を５０ｎｍの厚さで形成してゲート絶縁膜５９とした。
【００６２】
次に、ゲート絶縁層５９上にゲート電極５５を形成するための導電層を形成した。導電層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ等の元素を主成分とする材料を用い、スパッタ法や真空蒸着法などの公知の成膜法を用いて形成した。例えばＡｌ−Ｔｉ合金とした。フォトリソグラフィを用いてゲート電極用金属層をパターニングし、所定パターンのゲート電極５５を形成した。
【００６３】
次に、ゲート電極５５をマスクとして不純物を注入することによりソース領域５２ｂおよびドレイン領域５２ｃを形成した。例えば、ｐチャネル型ＴＦＴを形成する場合、イオン注入法を用いて例えばボロンイオン等のｐ型不純物の注入を行う。この領域のボロン濃度は、例えば１.５×１０２０〜３×１０２１となるようにした。このようにしてｐチャネル型ＴＦＴのソース領域およびドレイン領域を構成する高濃度ｐ型不純物領域を形成する。このとき、ｎ型不純物の注入を行えばｎチャネル型ＴＦＴが形成されることはいうまでもない。
【００６４】
次いで、イオン注入法により注入した不純物元素を活性化するために熱処理工程を行う。この工程は、ファーネスアニール法、レーザアニール法、ラピッドサーマルアニール法などの方法で行うことができる。本実施の形態では、ファーネスアニール法で活性化工程を行った。加熱処理は、窒素雰囲気中において３００〜６５０℃の温度域で行うことが望ましく、本実施例では５００℃で４時間の熱処理を行った。
【００６５】
次に、ゲート電極５５およびゲート絶縁膜５９の上に層間絶縁膜５６を形成した。層間絶縁膜５６は窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜またはそれらを組み合わせた積層膜で形成すれば良い。また、膜厚は２００〜６００ｎｍとすれば良く、本実施例では４００ｎｍとした。
【００６６】
次に、層間絶縁膜５６における予め定められた所定の位置にコンタクトホールを開口する。そして、コンタクトホールの内部および層間絶縁層５６の表面上に導電層を形成し、所定の形状にパターニングする。本実施例ではこのソース・ドレイン電極５７，５８を、Ｔｉ膜を１００ｎｍ、Ｔｉを含むアルミニウム膜３００ｎｍ、Ｔｉ膜１５０ｎｍをスパッタ法で連続して形成した３層構造の積層膜とした。
【００６７】
このようにして図４の（ｂ）に示す薄膜トランジスタを得た。
【００６８】
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。
【００６９】
図７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７０は一対の絶縁基板７１，７２と両者の間に保持された電気光学物質７３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質７３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７１には画素アレイ部７４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７５と水平駆動回路７６とに分かれている。
【００７０】
また、絶縁基板７１の周辺部上端には外部接続用の端子部７７が形成されている。端子部７７は配線７８を介して垂直駆動回路７５及び水平駆動回路７６に接続している。画素アレイ部７４には行状のゲート配線７９と列状の信号配線８０が形成されている。両配線の交差部には画素電極８１とこれを駆動する薄膜トランジスタ８２が形成されている。薄膜トランジスタ８２のゲート電極は対応するゲート配線７９に接続され、ドレイン領域は対応する画素電極８１に接続され、ソース領域は対応する信号配線８０に接続されている。ゲート配線７９は垂直駆動回路７５に接続する一方、信号配線８０は水平駆動回路７６に接続している。
【００７１】
画素電極８１をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ８２及び垂直駆動回路７５と水平駆動回路７６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。
【００７２】
以上説明したように上記実施形態によれば、光強度が単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布となるように変調されたパルスレーザ光を非単結晶半導体膜に照射するので、高次の振動成分が低減され、その振動成分に起因する小粒径結晶の出現が有効に抑制されるとともに、さらに光吸収発熱性の膜の方からパルスレーザ光を入射して、光吸収発熱性の膜の疑似基板加熱効果により結晶化対象である半導体膜を昇温するので、結晶粒のラテラル成長が大幅に促進され、その結果、ラテラル成長距離が長くなり、大粒径の結晶粒をち密に形成することができる。
【００７３】
また、結晶化工程において低温、例えば室温およびその近傍の温度域（例えば５℃〜５０℃）のような低温であっても大粒径の結晶化を行なうことができる。さらに、レーザ光エネルギを低フルエンス化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】（ａ）は位相シフタと基板を示す図、（ｂ）は位相シフタを通過した均一化パルスレーザ光の光強度分布を示す図、（ｃ）はパルスレーザ光の光強度分布を三次元的に示す図。
【図２】本発明の結晶化装置の概要を示す構成ブロック図。
【図３】本発明装置の光学系を示す内部透視ブロック図。
【図４】（ａ）は本発明の被処理基板の製造工程を説明する断面模式図、（ｂ）は本発明の薄膜トランジスタを示す断面模式図。
【図５】本発明の効果を示すＳＥＭ像。
【図６】本発明の効果を示す特性線図。
【図７】本発明の実施形態に係る表示装置の概要を示す斜視図。
【図８】従来装置の概要を示す構成ブロック図。
【図９】（ａ）は位相シフタと基板を示す図、（ｂ）は平行パルスレーザ光が位相シフタを通過した後の光強度分布を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１…エキシマレーザ装置、      ２ａ，２ｂ…光学レンズ、
３…ホモジナイザ（照明系）、      ３３，３５…フライアイレンズ、
３４，３６…コンデンサ光学系、      ４…位相シフタ（空間強度変調光学素子）、
４８…シリコン基板、      ４９…ガラス基板、
５…被処理基板、      ５０…レーザ光、      ５１…下地保護膜、
５２…非晶質シリコン膜（非単結晶半導体膜）、      ５２ａ…チャネル領域、
５２ｂ…ソース領域、      ５２ｃ…ドレイン領域、
５３…キャップ層（ＳｉＯ2膜、第１のキャップ絶縁膜）、
５４…光吸収層（ＳｉＯＮ膜、第２のキャップ絶縁膜）、
５５…ゲート電極、      ５６…層間絶縁膜、
５７…ソース電極、      ５８…ドレイン電極、      ５９…ゲート絶縁膜、
６…載置台、      ７…Ｘ，Ｙ，Ｚ，θステージ、
１０…結晶化装置。
【図１】
2005039259.tif 000002
【図２】
2005039259.tif 000003
【図３】
2005039259.tif 000004
【図４】
2005039259.tif 000005
【図５】
2005039259.tif 000006
【図６】
2005039259.tif 000007
【図７】
2005039259.tif 000008
【図８】
2005039259.tif 000009
【図９】
2005039259.tif 000010