(57)【要約】【課題】未結晶部分を実質的に含まない大結晶粒を形成できる半導体薄膜の結晶化方法、結晶化装置、位相シフタ、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供する。【解決手段】エネルギ光の光軸を中心とする所定の直径の環状界面に非単結晶半導体薄膜の結晶化開始領域が存在し、前記環状界面の外側への結晶成長開始のほうが内側の結晶成長開始よりも早く、外側への結晶成長の初期において前記環状界面の内側では溶融状態が維持され、外側への結晶成長に遅れて内側への結晶成長が進行する結晶化過程を経て、前記環状界面の内外領域にわたって平面視野で扇形状または多角形状の結晶粒を得る。【選択図】    図１
2005093883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ光の光軸を中心とする所定の直径の環状界面に非単結晶半導体薄膜の結晶化開始領域が存在し、前記環状界面の外側への結晶成長開始のほうが内側の結晶成長開始よりも早く、外側への結晶成長の初期において前記環状界面の内側では溶融状態が維持され、外側への結晶成長に遅れて内側への結晶成長が進行する結晶化過程を経て、前記環状界面の内外領域にわたって平面視野で扇形状または多角形状の結晶粒を得ることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項２】
予め基板に成膜された非単結晶半導体層にエネルギ光を照射して結晶化する方法であって、
前記非単結晶半導体薄膜の結像面上で、エネルギ光の光軸から所定の直径の環状界面に沿って強度の最小ピークＰ１が存在し、かつ前記環状界面の内側の領域において中央部の強度がそれを取り囲む周囲近傍部の強度よりも高いピークＰ２が存在し、かつ前記環状界面の外側の領域において強度が前記光軸に関して軸対称に単調かつ有限に漸増する光強度分布を有するエネルギ光を、所定の周期的な繰り返しパターンとなるように前記非単結晶半導体層に照射し、
前記環状界面の外側への結晶成長に遅れて内側への結晶成長が進行する結晶化過程を経て、前記環状界面の内外領域にわたって平面視野で扇形状または多角形状の結晶粒を得ることを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項３】
絶縁性のキャップ膜を介して前記非単結晶半導体層に前記光強度分布を有するレーザ光を照射す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方法。
【請求項４】
前記環状界面は、前記非単結晶半導体層の結像面上での直径が１μｍ以上３μｍ未満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方法。
【請求項５】
前記環状界面領域の周期的な繰り返しパターンを正方格子点配列または正三角形頂点配列とす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方法。
【請求項６】
前記環状界面領域の周期的な繰り返しパターンは、前記非単結晶半導体層の結像面上でピッチ間隔を４〜２０μｍの範囲とす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方法。
【請求項７】
前記光強度分布を有するレーザ光の平均のフルエンスを６５０〜９５０ｍＪ／ｃｍ2の範囲とす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方法。
【請求項８】
前記光強度分布を形成するための環状段差を有する位相シフタを基板に近接してレーザ光路中に挿入することを特徴とする請求項２乃至７のうちのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記位相シフタと基板との間の距離を１０〜５０μｍの範囲に調整することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
エキシマレーザ光を発生させるためのエキシマレーザ発生装置、発生したレーザ光を分割し均一にするためのホモジナイザ、分割したレーザ光をマスク面の中心領域に集めるための凸レンズ、照射領域を定めるためのマスク、マスク面の照射領域を基板面で縮小した領域にするためのテレセントリック縮小レンズ、位相シフタ、ＸＹＺ基板ステージを含む光学系を具備する装置を用いて非単結晶半導体層を結晶化させる方法であって、
前記位相シフタを前記マスク面の位置に挿入する投影法であり、かつ前記位相シフタの環状段差の径と縮小レンズの縮小倍率とを掛けた値を１μｍ以上３μｍ未満とす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方法。
【請求項１１】
予め基板に成膜された非単結晶半導体層にレーザ光を照射して結晶化する装置であって、
レーザ光源と、
前記非単結晶半導体層を有する基板を可動に支持する載置台と、
光透過面側に周期的な所定の繰り返しパターンに配置された複数の環状段差を有し、該環状段差においてレーザ光を所定の強度と位相に変調する位相シフタと、
前記レーザ光源から前記位相シフタを通って前記基板に入射するレーザ光の条件を、前記非単結晶半導体層の結像面上で、エネルギ光の光軸から所定の直径の環状界面に沿って強度の最小ピークＰ１が存在し、かつ前記環状界面の内側の領域において中央部の強度がそれを取り囲む周囲近傍部の強度よりも高いピークＰ２が存在し、かつ前記環状界面の外側の領域において強度が前記光軸に関して軸対称に単調かつ有限に漸増する光強度分布を有し、かつ所定の周期的な繰り返しパターンとなるように設定する手段と、
を具備することを特徴とする半導体薄膜の結晶化装置。
【請求項１２】
前記位相シフタは前記載置台上の基板に近接して配置されていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
さらに、レーザ光を分割し均一にするためのホモジナイザと、照射領域を定めるためのマスクと、前記ホモジナイザで分割したレーザ光を前記マスク面の中央部に集めるための凸レンズと、前記マスク面の照射領域を前記非単結晶半導体薄膜の結像面上で縮小した領域にするためのテレセントリック縮小レンズと、を含む光学系を具備し、
前記位相シフタが前記マスク面のところに配置され、かつ前記位相シフタの環状段差の径と前記縮小レンズの縮小割合とを掛けた値を１μｍ以上３μｍ未満とすることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記載置台上の基板または前記位相シフタを相対的に移動させる位置合せ手段をさらに有することを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
基板上に形成された非単結晶半導体層にレーザ光を照射して結晶化する装置に用いられる位相シフタであって、光透過性の材料からなり、光透過面側に複数の環状段差が周期的な所定の繰り返しパターンに配置されていることを特徴とする位相シフタ。
【請求項１６】
前記環状段差の直径を１μｍ以上３μｍ未満とすることを特徴とする請求項１５記載の位相シフタ。
【請求項１７】
前記環状段差の周期的なピッチ間隔を４〜２０μｍの範囲とすることを特徴とする請求項１５記載の位相シフタ。
【請求項１８】
前記環状段差の周期的な繰り返しパターンを正方格子点配列または正三角形頂点配列とすることを特徴とする請求項１５記載の位相シフタ。
【請求項１９】
絶縁基板上に形成されたソース、ドレイン、チャネル領域を含む半導体薄膜と、前記半導体薄膜の上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体薄膜の上に設けられたゲート電極とを具備するトップゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記半導体薄膜の結晶組織が平面視野で扇形状結晶粒または多角形状結晶粒を含む繰り返しパターンからなり、かつ前記結晶組織の中心が平面視野で所定ピッチ間隔の正方格子点または正三角形頂点に位置するように周期配列され、かつ前記チャネル領域の結晶組織の内部に実質的に結晶粒界を含まないか、または双晶粒界のみを含むことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２０】
前記扇形状結晶粒または多角形状結晶粒の横方向成長長さが２〜１０μｍであることを特徴とする請求項１９記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２１】
絶縁基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の上に設けられたゲート絶縁膜と、ソース、ドレイン、チャネル領域を含み、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を覆うように設けられた半導体薄膜とを具備するボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記半導体薄膜の結晶組織が平面視野で扇形状結晶粒または多角形状結晶粒を含む繰り返しパターンからなり、かつ前記結晶組織の中心が平面視野で所定ピッチ間隔の正方格子点または正三角形頂点に位置するように周期配列され、かつ前記チャネル領域の結晶組織の内部に実質的に結晶粒界を含まないか、または双晶粒界のみを含むことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２２】
前記扇形状結晶粒または多角形状結晶粒の横方向成長長さが２〜１０μｍであることを特徴とする請求項２１記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２３】
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薄膜トランジスタを形成し、該薄膜トランジスタは、ソース、ドレイン、チャネル領域を含む半導体薄膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを具備する表示装置であって、
前記半導体薄膜の結晶組織が平面視野で扇形状結晶粒または多角形状結晶粒を含む繰り返しパターンからなり、かつ前記結晶組織の中心が平面視野で所定ピッチ間隔の正方格子点または正三角形頂点に位置するように周期配列され、かつ前記チャネル領域の結晶組織の内部に実質的に結晶粒界を含まないか、または双晶粒界のみを含む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、半導体装置および液晶、有機ＥＬ等の表示装置に用いられる薄膜トランジスタに係り、特にその製造に用いられる半導体薄膜の結晶化方法、結晶化装置、および位相シフタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、多結晶シリコンＴＦＴを６００℃以下の低温プロセスで作製する低温アニール技術が各方面で盛んに研究され、種々の提案がなされている。例えば、特許文献１および特許文献２がある。これらの従来技術では、図１３の（ａ）（ｂ）に示すように、ラインアンドスペース型の位相シフタ５５０を段差５５１がレーザ光軸に位置するように配置し、段差５５１の境界でレーザ光５０の回折と干渉を起こさせ、レーザ強度に周期的な空間分布を付与する。
【０００３】
図１３の（ａ）（ｂ）では段差部ｘ＝０を境界として左右で１８０°の位相差を付けた場合を示している。一般にレーザ光の波長をλとすると、屈折率ｎの透明媒質を透明基材上に形成して１８０°の位相差を付けるには、透明媒質の膜厚ｔは、ｔ＝λ／２（ｎ−１）で与えられる。例えば石英基材の屈折率を１．５とすると、KrFエキシマレーザ光の波長が248ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるためには248ｎｍの段差をエッチング等の方法でつければよい。１８０°の位相をつけた位相シフタ５５０を透過したレーザ光５０は、図１３の（ｃ）に示すように照射野の中央部（レーザ光軸）で最小値となる逆ピークパターンＰ１をもつビームプロファイル３１Ｂとなる。
【０００４】
レーザ光５０は波長248ｎｍのKrFエキシマレーザ光で、１ショットのパルス継続時間は２０〜２００ナノ秒である。上記条件で位相シフタ５５０を、レーザ光源とガラス等の絶縁性基板２上のバッファ膜３、非晶質半導体薄膜４、絶縁性キャップ膜４０からなる試料との間に挿入し、パルスレーザ光を照射すると、周期的位相シフタ５５０を通過したレーザ光５０は段差部５５１で回折と干渉を起こし周期的に強弱がつけられる。レーザ光５０が強い部位では半導体薄膜４は完全に溶融し、レーザ光が弱い部位との間で温度勾配が生ずる。レーザ光が最も弱い中央部位に結晶核が生成し、時間の経過とともに温度勾配に沿って溶融シリコンが凝固し、１次元の横方向の結晶成長（ラテラル成長）が進む。すなわち、レーザ光強度が最小値となる中央部を起点としてシリコン結晶はラテラル成長する。
【特許文献１】特開２０００−３０６８５９公報
【特許文献２】特開２００１−１２７３０１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の結晶化方法においては、シリコン結晶が横方向にラテラル成長を開始する中央部に結晶化されない未結晶部分が残る。この未結晶部分は薄膜トランジスタ（TFT）として機能しない部分であり、表示装置の回路を設計する上で不都合である。すなわち、TFTの半導体薄膜では未結晶部分を残さないようにして結晶成長させる部分はできるだけ大きくすることが好ましい。
【０００６】
また、従来法では１次元成長粒のために粒を長くすることはできるが、幅を広くするのは難しい。とくに、駆動用TFT回路ではゲート電極におけるしきい電圧のばらつきを低減するためには、TFTのソース、ドレイン、チャネルの各領域、特にチャネル領域を大粒径化する必要がある。
【０００７】
本発明は上記の課題に対処してなされたものであり、未結晶部分を実質的に含まない大結晶粒を形成できる半導体薄膜の結晶化方法、結晶化装置、位相シフタ、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】
【０００８】
本発明に係る半導体薄膜の結晶化方法は、エネルギ光の光軸を中心とする所定の直径の環状界面に非単結晶半導体薄膜の結晶化開始領域が存在し、前記環状界面の外側への結晶成長開始のほうが内側の結晶成長開始よりも早く、外側への結晶成長の初期において前記環状界面の内側では溶融状態が維持され、外側への結晶成長に遅れて内側への結晶成長が進行する結晶化過程を経て、前記環状界面の内外領域にわたって平面視野で扇形状または多角形状の結晶粒を得ることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る半導体薄膜の結晶化方法は、基板上に形成された非単結晶半導体層にエネルギ光を照射して結晶化する方法であって、前記非単結晶半導体薄膜の結像面上で、エネルギ光の光軸から所定の直径の環状界面に沿って強度の最小ピークＰ１が存在し、かつ前記環状界面の内側の領域において中央部の強度がそれを取り囲む周囲近傍部の強度よりも高いピークＰ２が存在し、かつ前記環状界面の外側の領域において強度が前記光軸に関して軸対称に単調かつ有限に漸増する光強度分布を有するエネルギ光を、所定の周期的な繰り返しパターンとなるように前記非単結晶半導体層に照射し、前記環状界面の外側への結晶成長に遅れて内側への結晶成長が進行する結晶化過程を経て、前記環状界面の内外領域にわたって平面視野で扇形状または多角形状の結晶粒を得ることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る半導体薄膜の結晶化装置は、予め基板に成膜された非単結晶半導体層にレーザ光を照射して結晶化する装置であって、レーザ光源と、前記非単結晶半導体層を有する基板を可動に支持する載置台と、光透過面側に周期的な所定の繰り返しパターンに配置された複数の環状段差を有し、該環状段差においてレーザ光を所定の強度と位相に変調する位相シフタと、前記レーザ光源から前記位相シフタを通って前記基板に入射するレーザ光の条件を、前記非単結晶半導体層の結像面上で、エネルギ光の光軸から所定の直径の環状界面に沿って強度の最小ピークＰ１が存在し、かつ前記環状界面の内側の領域において中央部の強度がそれを取り囲む周囲近傍部の強度よりも高いピークＰ２が存在し、かつ前記環状界面の外側の領域において強度が前記光軸に関して軸対称に単調かつ有限に漸増する光強度分布を有し、かつ所定の周期的な繰り返しパターンとなるように設定する手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る薄膜トランジスタは、絶縁基板上に形成されたソース、ドレイン、チャネル領域を含む半導体薄膜と、前記半導体薄膜の上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体薄膜の上に設けられたゲート電極とを具備するトップゲート型の薄膜トランジスタであって、前記半導体薄膜の結晶組織が平面視野で扇形状結晶粒または多角形状結晶粒を含む繰り返しパターンからなり、かつ前記結晶組織の中心が平面視野で所定ピッチ間隔の正方格子点または正三角形頂点に位置するように周期配列され、かつ前記チャネル領域の結晶組織の内部に実質的に結晶粒界を含まないか、または双晶粒界のみを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る薄膜トランジスタは、絶縁基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の上に設けられたゲート絶縁膜と、ソース、ドレイン、チャネル領域を含み、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を覆うように設けられた半導体薄膜とを具備するボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、前記半導体薄膜の結晶組織が平面視野で扇形状結晶粒または多角形状結晶粒を含む繰り返しパターンからなり、かつ前記結晶組織の中心が平面視野で所定ピッチ間隔の正方格子点または正三角形頂点に位置するように周期配列され、かつ前記チャネル領域の結晶組織の内部に実質的に結晶粒界を含まないか、または双晶粒界のみを含むことを特徴とする。
【００１３】
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薄膜トランジスタを形成し、該薄膜トランジスタは、ソース、ドレイン、チャネル領域を含む半導体薄膜と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを具備する表示装置であって、前記半導体薄膜の結晶組織が平面視野で扇形状結晶粒または多角形状結晶粒を含む繰り返しパターンからなり、かつ前記結晶組織の中心が平面視野で所定ピッチ間隔の正方格子点または正三角形頂点に位置するように周期配列され、かつ前記チャネル領域の結晶組織の内部に実質的に結晶粒界を含まないか、または双晶粒界のみを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、位置制御された１ショットのレーザ照射により粒内部に双晶粒界のみを含む扇形状または多角形状の大粒径結晶粒アレイ組織の半導体薄膜が得られる。本発明で得た半導体薄膜を用いる薄膜トランジスタは、チャネル領域内において、原子の配列が不連続となる通常の結晶粒界を含まず、原子の配列が連続である双晶粒界のみを含むため、従来のポリシリコン薄膜トランジスタに比べて移動度が高く、また、しきい電圧のばらつきも小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
レーザ光の光強度分布（ビームプロファイル）３１Ａは、図１の（ｃ）に示すように、環状界面３２に沿って逆ピークパターンＰ１を有し、かつ環状界面３２よりも内側領域の中心部にあたるレーザ光軸１０２に正ピークパターンＰ２を有する。また、環状界面３２よりも外側ではレーザフルエンスは単調増加する。
【００１７】
図２を参照して本発明による半導体薄膜の結晶化の原理について説明する。
【００１８】
ピークパターンＰ１，Ｐ２を有するプロファイルのレーザ光を基板に短時間照射すると、照射領域は瞬時に溶融し、先ず低温の環状界面（位相シフト境界）３２に沿って融液から多数の微小クラスタ核が発生し、これらが凝集成長して結晶核となり、そのうちのいくつかがさらに成長して図２の（ａ）に示すように非常に微細な結晶粒３３が環状界面３２に沿って生成される。
【００１９】
次いで、図２の（ｂ）に示すように、微細結晶粒３３のうちのいくつかが過冷却状態からの凝固に際し、環状界面３２の外側に向かって放射状にラテラル成長を開始する。一方、環状界面３２の内側領域３６は、熱が逃げにくい閉鎖系であるために、過冷却融液からの凝固と同時に発生する潜熱が蓄積されやすく凝固が進む前に再溶融してしまう。すなわち、結晶核の発生と消滅を繰り返し、凝固および結晶成長が外側領域よりも遅れる。結果として、内側領域３６は溶融状態が比較的長い時間にわたって維持される。
【００２０】
次の段階では、図２の（ｃ）に示すように、外側領域３４の結晶がさらにラテラル成長する。その過程において、成長端の面方位の成長速度が遅い場合には、成長途中において、最密面である＜１１１＞面に積層欠陥を形成し、双晶変態して成長速度の速い面方位に向きを変えて成長端の成長を続ける。この過程を経て一部の結晶粒（場合によっては全部の結晶粒）は双晶変態して結晶粒内部にいわゆる成長双晶（以下、単に双晶という）が生成される。図中にて実線３５は結晶粒界を示し、二点鎖線３７は双晶粒界を示した。なお、双晶は＜１１１＞方向を軸に６０°回転した関係となっている。
【００２１】
この結晶成長過程では、系全体としての自由エネルギが減少するように、結晶粒界３５は界面エネルギが最小となるように移動する。このとき環状界面３２に沿って並ぶ小さな結晶粒３３は周囲の大きな結晶粒に吸収合併されるようにオストワルト成長していく。すなわち、閉鎖系の内部領域３６が溶融しているため、隣接する微細結晶粒領域は高温を保っており、原子の拡散が可能な条件を満たしているので、所謂「オストワルトの熟成則」が成立して微細結晶粒３３は消滅する。
【００２２】
さらに、時間が経過すると、オストワルト成長により微細結晶粒３３が完全消滅し、内側領域は外側領域とつながって連続化して中心に向かって結晶粒がラテラル成長する。一方、外側領域３４では、隣接する環状界面３２からそれぞれラテラル成長してきた結晶粒が出会って衝突することにより終了する。結果として、図４の（ｂ）および図５の（ａ）（ｂ）にそれぞれ示すように、２次元的に横方向成長した大粒径結晶粒アレイが形成される。
【００２３】
このようにして、図２の（ｄ）に示すように、結晶粒内に結晶粒界３５をまったく含まないか又は双晶粒界３７のみを含む扇形状または半円形状の結晶粒組織が得られる。
【００２４】
本発明において結晶化の対象となる非単結晶半導体層は、所定膜厚の非晶質シリコン（a-Si）膜を用いることが一般的であるが、非晶質シリコン中に若干量の微結晶シリコンを含む混合相組織であってもよく、また多結晶シリコン（poly-Si）膜であってもよい。また、非単結晶半導体層の膜厚は１０〜３００ｎｍの範囲とすることができる。この膜厚が１０ｎｍを下回ると膜成分が蒸散してしまうからであり、一方、膜厚が３００ｎｍを上回ると全厚みを一様に溶融させてラテラル成長させることが困難になるからである。
【００２５】
本発明では、絶縁性のキャップ膜を介して非単結晶半導体層に光強度分布を有するレーザ光を照射することができる。キャップ膜には所定膜厚のＳｉＯ2膜またはＳｉＯＮ膜を用いることが好ましい。キャップ膜の膜厚は１００〜５００ｎｍの範囲とすることができる。この膜厚が１００ｎｍを下回るとキャップ膜としての機能を失うからであり、一方、膜厚が５００ｎｍを上回るとレーザ光強度の減衰が過大になるからである。
【００２６】
環状界面の形状は、円筒（円形）とすることが最も好ましいが、多角筒（四角形、六角形、八角形）などの他の形状としてもよい。
【００２７】
また、環状界面領域は、非単結晶半導体層の結像面上での直径を１μｍ以上３μｍ未満とすることができる。この直径を１μｍ未満にすると投影法ではビームプロファイルにピークパターンＰ１，Ｐ２を鮮明にあらわし難くなるからである。またプロキシミティ方式を採用する場合、ドットパターンを１μｍ未満とする位相シフタを作製することが困難であるからである。一方、直径を３μｍ以上にすると環状界面に沿って生じた微結晶（初晶）が消滅しないで最後まで残ってしまうからである。ちなみに本発明者らは、環状界面の直径を２μｍとした場合は微結晶が消滅するが、環状界面の直径を３μｍとした場合にはレーザフルエンスの強弱に関係なく微細結晶が消滅しないことを実証試験により確認している。
【００２８】
環状界面領域の周期的な繰り返しパターンは例えば正方格子点配列や正三角形頂点配列とすることができる。正方格子点配列は、位相シフタを最も作製しやすく、またレーザ照射の位置制御が容易な配列である。正三角形頂点配列は、平面視野内で繰り返しパターン環状界面領域を最も稠密化しやすい配列である。
【００２９】
また、環状界面領域の周期的な繰り返しパターンは、非単結晶半導体層の結像面上でピッチ間隔を４〜２０μｍの範囲とすることが好ましく、８〜１４μｍの範囲とすることが最も好ましい。この繰り返しパターンのピッチ間隔を４μｍ未満にすると、ラテラル成長粒の粒径が小さくなりすぎて、大結晶粒を作製するという本発明の目的に反することになるからであり、一方、ピッチ間隔が２０μｍを超えると、ラテラル成長が途中までで止まってしまい、結晶粒の配列が不規則となり位置制御性が悪くなるからである。繰り返しパターンのピッチ間隔は、最終的に形成したい組織の粒径と密接な関係があり、隣接する環状界面からそれぞれラテラル成長してきた結晶粒がちょうど出会うことができる距離とするか、又はそれより少し短めの距離とすることが最も望ましい。
【００３０】
また、光強度分布を有するレーザ光の平均のフルエンスを６５０〜９５０ｍＪ／ｃｍ2の範囲とすることが好ましい。ここで「フルエンス」とは、レーザ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う。平均フルエンスが６５０ｍＪ／ｃｍ2を下回ると、結晶化されない未結晶部分が残りやすくなるからであり、一方、平均フルエンスが９５０ｍＪ／ｃｍ2を上回ると半導体膜が蒸散してしまうからである。
【００３１】
本発明の位相シフタは、光透過性の材料からなり、光透過面側に複数の環状段差が周期的な所定の繰り返しパターンに配置されている。本発明においてプロキシミティ型の位相シフタを用いる場合は、環状段差の直径を１μｍ以上３μｍ未満とすることが好ましい。この数値限定理由は、上述した環状界面の直径の数値限定理由と同じである。
【００３２】
また、環状段差の周期的なピッチ間隔を４〜２０μｍの範囲とすることが好ましく、その周期的な繰り返しパターンを正方格子点配列または正三角形頂点配列とすることが好ましい。この理由も上述したアニール方法での環状界面に関する理由と同じである。
【００３３】
プロキシミティ型位相シフタでは、位相シフタの光透過面から基板の入射面までの距離ｄを種々変えることができるが、１０〜５０μｍの範囲に調整することが最も望ましい。距離ｄを１０μｍ未満にすると、多重反射が強くなりすぎてフルエンスに大きなばらつきを生じることとなり、膜がダメージを受けるおそれが増大するからである。一方、距離ｄが５０μｍを超えると、プロキシミティ型位相シフタの利点である鮮明なビームプロファイルが得られ難くなり、本発明のドットパターン照射の効果を得ることが困難になるからである。
【００３４】
本発明においてプロジェクション型（投影型）の位相シフタを用いる場合は、位相シフタの環状段差の径と縮小レンズの縮小倍率とを掛けた値を１μｍ以上３μｍ未満とすることが好ましい。縮小レンズの縮小倍率は、１／１から１／２０までの範囲で種々変えることができるが、１／４から１／８までの範囲とすることが好ましく、１／５程度とすることが最も好ましい。投影法に用いる光学系は、位相シフタの他に、エキシマレーザ光を発生させるためのエキシマレーザ発生装置、発生したレーザ光を分割し均一にするためのホモジナイザ、分割したレーザ光をマスク面の中心領域に集めるための凸レンズ、照射領域を定めるためのマスク、マスク面の照射領域を基板面で縮小した領域にするためのテレセントリック縮小レンズ、位相シフタ、ＸＹＺ基板ステージを含むものである。なお、投影法では位相シフタをマスク面のところに位置させる。
【００３５】
ここで「位相シフタ」とは、光リソグラフィの解像力を向上させるための手段であり、転写パターンに応じて透過光の光強度を変調するとともに位相を変調する機能を有する空間強度変調光学素子のことをいう。
【００３６】
このような位相シフタは次のようにして作製する。  
先ず遮光膜パターンを形成し、この上に所定膜厚の透明膜を形成する。透明膜材料としてはＳＯＧ（Spin  on  glass）を用いる。成膜方法としてはスピンコーティング法を用いる。塗布した透明膜を所定温度で焼成する。次いで、透明膜上にレジストを塗布し、レジスト膜を露光して所定のドットパターン潜像を形成し、レジスト膜を現像して所定のドットパターンを形成する。ここで「所定のドットパターン」とは、ある面積を有する環状領域が所定ピッチ間隔ごとに繰り返される周期的なパターンのことをいうものとする。
【００３７】
次いで、プラズマエッチングなどのドライエッチング法を用いてレジスト膜の開口部分に露出する透明膜を選択的に除去する。さらにアッシング処理等によりレジスト膜および遮光膜を透明膜から除去すると、所定のドットパターンを有する位相シフタが得られる。
【００３８】
このようにして作製した位相シフタは、ドットパターン段差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で多重反射により重畳されるので、基板表面の光強度分布は位相シフタのパラメータ（ギャップｄと位相差θ）に依存する度合いが強いが、光強度分布に影響を与える他のパラメータとして位相シフタ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してくる。位相差は必ずしも１８０°である必要はなく、レーザ光に強弱を実現できる位相差であればよい。このような位相シフタを透過したレーザ光は、図１の（ｃ）に示すピークパターンＰ１，Ｐ２をもつプロファイルとなる。
【００３９】
以下、添付の図面を参照して本発明の種々の好ましい実施の形態について説明する。
【００４０】
本実施形態ではレーザアニール装置として図３に示す装置を用いた。レーザアニール装置１００はプロキシミティ型の位相シフタ５５を含む光学系１０１を備えている。この光学系１０１は、レーザ光軸１０２に沿ってKrFエキシマレーザ発振器５１、ホモジナイザ５３、第１コンデンサレンズ５４ａ、第２コンデンサレンズ５４ｂ、マスク５２、テレセントリック型の縮小レンズ５６、位相シフタ５５が設けられた構成である。縮小レンズ５６の結像位置には、被処理体１０３が位置合わせされるように、XYZθステージ５８が配置されている。
【００４１】
ＫｒＦエキシマレーザ発振器５１は、被処理体１０３の非晶質シリコン層４の照射物を溶融するのに充分なエネルギ、例えば被処理体１０３上における値で６５０〜９５０ｍＪ／ｃｍ2の吸収特性を有する波長とを出力する。ホモジナイザ５３は、上記レーザ発振器５１からのレーザ光を均一化するためのものである。第１コンデンサレンズ５４ａは、ホモジナイザ５３からのレーザ光を集光し、第２コンデンサレンズ５４ｂと共役関係に配置される。第２コンデンサレンズ５４ｂ出射光路にはマスク５２が設けられ、このマスク５２は非有効レーザ光を遮断する。上記縮小レンズ５６は倍率１／１〜１／２０例えば１／５に縮小するレンズであり、被処理体１０３の表面の絶縁性キャップ層４０と共役関係に配置される。
【００４２】
位相シフタ５５は、縮小レンズ５６とXYZθステージ５８との間に配置され、XYZθステージ５８上に載置された被処理体１０３の上面に近接して設けられている。本実施形態のプロキシミティ方式では位相シフタ５５と被処理体１０３の上面との近接間隔ｄを例えば３０μｍに設定した。XYZθステージ５８はＸＹＺの各軸方向およびＺ軸まわりにθ回転可能に位置調整できるようになっている。また、XYZθステージ５８は、ヒータ５９を内蔵し、基板２を所定の温度（例えば５００℃）に加熱できるようになっている。XYZθステージ５８上に載置される被処理体１０３の基板２上には、バッファ層３、非晶質シリコン層４、絶縁性キャップ膜４０がこの順に積層されている。
【００４３】
基板２は、表示装置用であればガラス基板やプラスチック基板などの透過性絶縁基板である。バッファ層３は、基板２からの不純物の拡散を防止する機能と、結晶化プロセス時に基板２を熱から保護する機能とを有する。非晶質シリコン層４は、単結晶化して薄膜トランジスタなど機能素子を形成する半導体層である。
【００４４】
絶縁性キャップ膜４０は、非晶質シリコン層４を、照射により発生する熱を数十ｎ秒間のパルスレーザ光を所定期間蓄熱して大きな結晶粒を成長させるための結晶化のための保温効果を持たせた絶縁層である。
【００４５】
位相シフタ５５は、図１の（ａ）（ｂ）と図４の（ａ）に模式的に示すように、石英基材をエッチング加工して作製された多数の環状段差例えば円環状段差５５ａからなる周期的な繰り返しパターンを有するものである。本実施形態の位相シフタ５５では２μｍ径の円形状の円環状段差５５ａが１０μｍ間隔で配列してある。円環状段差５５ａは段差が２４８ｎｍに加工され、１８０°の位相差が付くようにしてある。
【００４６】
次に、上記の装置を用いて非単結晶半導体膜としての非晶質シリコン層を結晶化する場合について説明する。  
KrFエキシマレーザ発振器５１から出射される波長248nmの長尺ビームのレーザ光５０は、まず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５３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５４ａ（凸レンズ♯１）によってマスク５２の中心に集まる。また、それぞれのレーザビームは、僅かに発散型になっているために、マスク５２全面を照明する。
【００４７】
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５２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５２の光強度は均一になる。マスク５２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５３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５２近傍のコンデンサレンズ５４ｂ（凸レンズ♯２）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５６を通って、XYZθステージ５８上に置かれた基板２に垂直に入射する。レーザ発振器５１からのパルスレーザ光の出射タイミングに応じてXYZθステージ５８を所定ピッチ距離ずつステップ移動させることにより、照射領域をシフトさせてアニールを繰り返し、基板上の非晶質シリコン層４を次々に結晶化させる。このようにして例えば一辺が１ｍを超えるような大面積ＬＣＤ基板上の非晶質シリコン層を結晶化することが可能である。照射領域をシフトさせる手段は、レーザ光と上記ステージ５８を相対的に移動させればよい。
【００４８】
また、マスク５２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５２の縮小像が均一光強度で基板面上に作られる。
【００４９】
基板表面の任意の点を照射する光線群は、中心光線を含めて分割された光線から作られる。或る光線と中心光線のなす角度は、ホモジナイザ５３の幾何学的形状で決まる角度、すなわちマスク５２での当該光線と中心光線とが作る角の角度に、テレセントリック型レンズ５６の倍率を掛けた値になる。基板に近接配置された位相シフタ５５は、分割された光線群にそれぞれ独立にフレネル回折を起こさせる。これら回折パターンは基板表面で重畳されるから、基板表面の光強度分布には、位相シフタ５５のパラメータ（基板-位相シフタ間隔ｄ、位相差θ）だけではなく、位相シフタ５５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。
【実施例】
【００５０】
（実施例１）  
実証試験の結晶化の条件として、試料の膜構造はSiO2(300nm)/a-Si(200nm)/SiO2(1000nm)/ガラス基板とした。平均のレーザフルエンスは９００ｍＪ／ｃｍ2とした。基板上面と位相シフタ５５との間隔ｄは３０μｍとした。レーザ光は波長248ｎｍのKrFエキシマレーザ光で、１ショットのパルス継続時間は２０〜２００ナノ秒とした。位相シフタの円ドット段差５５ａの径は２μｍとし、１０μｍ間隔で配列した。また位相差は１８０゜とした。
【００５１】
図２の（ａ）〜（ｄ）に示す結晶化過程を経て、最終的に半径５μｍ、中心角９０°の扇形状の大粒径結晶粒アレイを作製した。そのＳＥＭ像を図５の（ａ）（ｂ）および図６にそれぞれ示した。結晶組織全体としては、図６に示した１ドットからの組織が図５（ａ）（ｂ）に示すように配列しており、大粒径結晶粒アレイ結晶質半導体薄膜を作製した。
【００５２】
図５の（ａ）（ｂ）に示すＳＥＭ像からは、照射パターンが正方格子点に規則配列されていることが観察できた。図６に示すＳＥＭ像からは、レーザ照射領域に大結晶粒が生成していることが観察できた。なお、ＳＥＭ像のなかで白く光っている部分はラテラル成長した結晶粒同士が衝突して盛り上がった突起であると考えられる。
【００５３】
図７の（ａ）（ｂ）は、本実証試験で得られた結晶組織のElectron  Back  Scattering  Pattern（以下、EBSPという）により解析した結果を示すＥＢＳＰ面方位マップ像である。実際にはＥＢＳＰ面方位マップ像は面方位ごとに色分けされている。図では１つのドットパターンからの組織を示している。図７の（ａ）は双晶を含む結晶粒の面方位および粒界マップを示す。面方位は立方体の傾きで表しており、図中のNo.1結晶粒は双晶粒界を含まない扇形状結晶、No.２結晶粒は２組の双晶を含む扇形状結晶、No.３結晶粒は３組の双晶を含む半円状結晶がそれぞれ観察できた。
【００５４】
図７の（ｂ）は、図７の（ａ）の像から双晶粒界３７を消去して、双晶を同一の粒としてみなした結晶組織を示したものである。ここでは＜111＞方向を軸に６０°回転している粒同士を双晶とみなしている。
【００５５】
図７の（ａ）（ｂ）から明らかなように、No.1〜No.３結晶粒は中心角が略９０°，９０°，１８０°であり、半径が約５μｍの大粒径結晶粒になっており、粒界３５は温度勾配に沿って存在することが確認された。また、No.２とNo.３の結晶粒内には双晶粒界３７のみが含まれる。この双晶粒界３７に隔てられたサブ粒は、必ずしも温度勾配の方向、すなわち中心周辺の位相シフトの境界部から放射状に生成しているわけではなく、粒の形状も複雑である。
【００５６】
（実施例２）  
本実施例２においても、図１の（ａ）（ｂ）と図４の（ａ）に示した石英基材製の位相シフタを用いた。ただし、円柱状ドット段差５５ａの径は１μｍ、段差深さｔを２４８ｎｍとし（位相差は１８０°）、８μｍ間隔で配列した。また、レーザ光学系も図３に示したものを採用した。
【００５７】
実証試験の結晶化の条件として、試料の膜構造はSiO2(300nm)/a-Si(200nm)/SiO2(1000nm)/ガラス基板とした。平均のレーザフルエンスは８２０ｍＪ／ｃｍ2とした。基板上面と位相シフタ５５との間隔ｄは３０μｍとした。レーザ光は波長248ｎｍのKrFエキシマレーザ光で、１ショットのパルス継続時間は２０〜２００ナノ秒とした。
【００５８】
図２の（ａ）〜（ｄ）に示す結晶化過程を経て、最終的に半径４μｍの大結晶粒アレイを作製した。走査型電子顕微鏡で結晶組織を観察した結果、図８の（ａ）に示すようにドットパターン単位ごとに扇形状の大結晶粒が形成されていることを確認した。
【００５９】
図８の（ｂ）は双晶を含む結晶粒の面方位および粒界マップを示す。面方位は立方体の傾きで表しており、図中のNo.1結晶粒は２組の双晶を含む扇形状結晶、No.２結晶粒は１組の双晶を含む扇形状結晶、No.３結晶粒は１組の双晶を含む扇形状結晶、No.４結晶粒は１組の双晶を含む扇形状結晶がそれぞれ観察された。
【００６０】
図８の（ｃ）は、図８の（ｂ）の像から双晶粒界３７を消去して、双晶を同一の粒としてみなした結晶組織を示したものである。ここでは＜111＞方向を軸に６０°回転している粒同士を双晶とみなしている。
【００６１】
図８の（ｂ）（ｃ）から明らかなように、No.1〜No.４結晶粒は中心角が略１２０°，３０°，９０°，１２０°であり、半径が約４μｍの大粒径結晶粒になっており、粒界３５は温度勾配に沿って存在し、粒内には双晶粒界のみが含まれることが確認された。
【００６２】
（実施例３）  
本実施例３でも、図１の（ａ）（ｂ）と図４の（ａ）に示した石英基材製の位相シフタを用いた。ただし、円柱状ドット段差５５ａの径は１μｍ、段差深さｔを２４８ｎｍとし（位相差は１８０°）、８μｍ間隔で配列した。
【００６３】
また、レーザ光学系も、図３に示したものを採用した。ただし、結晶化の条件として、試料の膜構造はSiO2(300nm)/a-Si(200nm)/SiO2(1000nm)/ガラス基板とした。平均のレーザフルエンスは７００ｍＪ／ｃｍ2とした。基板上面と位相シフタ５５との間隔ｄは１５μｍとした。図２の（ａ）〜（ｄ）に示す結晶化過程を経て、ＳＥＭ像は省略するが、走査型電子顕微鏡で観察した結果、最終的に半径４μｍ、中心角９０°以上の扇形状又は半円形状の大粒径結晶粒アレイが作製されていることを確認した。また、本実施形態においてもEBSP解析により扇形の結晶粒内には双晶粒界のみが含まれることが確認された。
【００６４】
（実施例４）  
本実施例４でも、図１の（ａ）（ｂ）と図４の（ａ）に示した位相シフタ５５を用いた。ただし、円柱状ドット段差５５ａの径を１０μｍ、段差深さｔを２４８ｎｍとし（位相差は１８０°）、５０μｍ間隔で配列した。
【００６５】
図９は本実施形態で用いたレーザアニール装置のレーザ光学系の模式図である。レーザアニール装置１００Ａは、図３に示すプロキシミティ型の装置とは異なり、位相シフタ５５の位置をマスク５２の付近に配置し、位相シフタ５５の像を被処理体１０３に結像させた光学系である。即ち、位相シフタ５５を被処理体１０３の表面に投影した光学系で共役関係にある。その他は図３の装置と実質的に同じである。第１の実施形態の図３と同一部分には、同一符号を油良し、その詳細な説明は重複するので省略する。なお位相シフタのパターンは、１／５倍のテレセントリック縮小レンズ５６により、非処理体１０３上で円ドット径２μm、１０μm間隔のパターンに変換される。
【００６６】
結晶化の条件として、試料の膜構造はSiO2(300nm)/a-Si(200nm)/SiO2(1000nm)／ガラス基板とした。平均のレーザフルエンスは７００ｍＪ／ｃｍ2とした。図２の（ａ）〜（ｄ）に示す結晶化過程を経て、ＳＥＭ像は省略するが、走査型電子顕微鏡で観察した結果、最終的に半径５μｍ、中心角９０°以上の扇形状又は半円形状の大粒結晶粒アレイが作製されていることを確認した。また、本実施形態においてもEBSP解析により扇形の結晶粒内には双晶粒界のみが含まれることが確認された。
【００６７】
（実施例５）  
次に、実施例５について図１０を参照して説明する。なお、本実施例では、便宜上Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの製造方法を示すが、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで他は実質的に同じである。ここでは、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法を示す。先ず図１０の（ａ）に示すように、ガラスなどからなる絶縁基板２の上にＡｌ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｕ又はこれらの合金を１００〜３００ｎｍの厚みで形成し、パターニングしてゲート電極６に加工する。
【００６８】
次いで、図１０の（ｂ）に示すように、ゲート電極６の上にゲート絶縁膜７，８を形成する。本実施形態のゲート絶縁膜７，８はゲート窒化膜（ＳｉＮx ）／ゲート酸化膜（ＳｉＯ2 ）の二層構造とした。ゲート窒化膜７はＳｉＨ4 ガスとＮＨ3 ガスの混合物を原料気体として用い、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ-ＣＶＤ法）で成膜した。なお、プラズマＣＶＤに代えて常圧ＣＶＤあるいは減圧ＣＶＤを用いてもよい。
【００６９】
ゲート窒化膜７は５０ｎｍの厚みで成膜した。ゲート窒化膜７の成膜に引き続き連続して、ゲート酸化膜８を約２００ｎｍの厚みで成膜した。さらにゲート酸化膜８の上に連続的に非晶質シリコン膜４を約５０〜２００ｎｍの厚みで成膜した。また、さらに非晶質シリコン膜４の上にSiO2からなるキャップ膜４０を３００ｎｍの厚みで成膜した。二層構造のゲート絶縁膜７，８と非晶質シリコン膜４とキャップ膜４０は成膜チャンバの真空系を破らず連続成膜した。
【００７０】
以上の成膜でプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、４００〜４５０℃の温度で窒素雰囲気中１時間程度の加熱処理により脱水素アニールし、非晶質半導体薄膜４に含まれる水素を放出させる。
【００７１】
次に、例えば上記実施例１〜４に示した方式の本発明の方法に従って、レーザ光５０を照射し、非晶質半導体薄膜４を結晶化する。レーザ光５０としてはエキシマレーザビームを用いることができる。レーザ光５０の照射領域を調整した後、照射領域に位相シフタ５５の周期的なドットパターンを転写可能なようにレーザ光５０の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないように領域をずらして繰り返し照射して、所定の面積を結晶化する。
【００７２】
次いで、絶縁膜４０をエッチング等の方法により剥離する。引き続き図１０の（ｃ）に示すように、薄膜トランジスタのＶｔｈ（しきい値電圧）を制御する目的で、Ｖｔｈイオンインプランテーションを必要に応じて行なう。本実施例では、Ｂ＋をドーズ量が５×１０11〜４×１０12／ｃｍ2 程度となるようにイオン注入した。このＶｔｈイオンインプランテーションでは１０ＫｅＶで加速されたイオンビームを用いた。
【００７３】
続いて、前工程で結晶化された多結晶半導体薄膜９の上に例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2 を約１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚みで形成する。本例では、シランガスＳＨ4 と酸素ガスをプラズマ分解してＳｉＯ2 を堆積した。このようにして成膜されたＳｉＯ2 を所定の形状にパターニングしてストッパ膜１０に加工する。この場合、裏面露光技術を用いてゲート電極６と整合する様にストッパ膜１０をパターニングしている。ストッパ膜１０の直下に位置する多結晶半導体薄膜９の部分はチャネル領域Ｃｈとして保護される。前述した様に、チャネル領域Ｃｈには予めＶｔｈイオンインプランテーションによりＢ＋イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。続いて、ストッパ膜１０をマスクとしてイオンドーピングにより不純物（例えばＰ＋イオン）を半導体薄膜９に注入し、ＬＤＤ領域を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１０12 〜１×１０13／ｃｍ2 であり、加速電圧は例えば１０ＫｅＶである。
【００７４】
さらにストッパ膜１０及びその両側のＬＤＤ領域を被覆するようにフォトレジストをパターニング形成した後、これをマスクとして不純物（例えばＰ＋イオン）を高濃度で注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。不純物注入には、例えばイオンドーピング（イオンシャワー）を用いることができる。これは質量分離を掛けることなく電界加速で不純物を注入するものであり、本実施例では１×１０15／ｃｍ2 程度のドーズ量で不純物を注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成した。加速電圧は例えば１０ＫｅＶである。なお図示しないが、Ｐチャネルの薄膜トランジスタを形成する場合には、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆した後、不純物をＰ＋イオンからＢ＋イオンに切り換えドーズ量１×１０15／ｃｍ2 程度でイオンドーピングすればよい。なお、ここでは質量分離型のイオンインプランテーション装置を用いて不純物を注入してもよい。
【００７５】
この後ＲＴＡ（急速熱アニール）６０により、多結晶半導体薄膜９に注入された不純物を活性化する。場合によっては、エキシマレーザを用いたレーザ活性化アニール（ＥＬＡ）を行なっても良い。この後、半導体薄膜９とストッパ膜１０の不要な部分を同時にパターニングし、素子領域毎に薄膜トランジスタを分離する。
【００７６】
最後に図１０の（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 を約１００〜２００ｎｍの厚みで成膜し、これを層間絶縁膜１１とする。層間絶縁膜１１の形成後、ＳｉＮx をプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ成膜し、パシベーション膜１２とする。この段階で窒素ガス又はフォーミングガス中又は真空中雰囲気下で３５０〜４００℃程度で１時間加熱処理し、層間絶縁膜１１に含まれる水素原子を半導体薄膜９中に拡散させる。この後コンタクトホールを開口し、Ｍｏ，Ａｌなどを１００〜２００ｎｍ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配線電極１３に加工する。さらに、アクリル樹脂などからなる平坦化層１４を１μｍ程度の厚みで塗布した後コンタクトホールを開口する。平坦化層１４の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして画素電極１５に加工する。
【００７７】
（実施例６）  
次に、実施例６について図１１を参照して説明する。なお、上記の実施例５と異なり、本実施例ではトップゲート構造の薄膜トランジスタを作製している。先ず図１１の（ａ）に示すように、絶縁基板２の上にバッファ層となる二層の下地膜２０ａ，２０ｂをプラズマＣＶＤ法により連続成膜する。一層目の下地膜２０ａはＳｉＮx からなり、その膜厚は１００〜５００ｎｍである。また、二層目の下地膜２０ｂはＳｉＯ2 からなり、その膜厚は同じく１００ｎｍ〜５００ｎｍである。このＳｉＯ2 からなる下地膜２０ｂの上に非晶質シリコンからなる半導体薄膜４を５０〜２００ｎｍの厚みでプラズマＣＶＤ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。さらにSiO2からなるキャップ膜４０を３００ｎｍの厚みで成膜する。非晶質シリコンからなる半導体薄膜４の成膜にプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、膜中の水素を脱離させるために、窒素雰囲気中で４００〜４５０℃の条件で１時間程度アニールする。
【００７８】
次に、例えば上記実施例１〜４に示した方式の本発明の方法に従って、非晶質半導体薄膜４を結晶化する。レーザ光５０の照射領域を調整した後、照射領域に位相シフタの周期的なドットパターンの配列を転写可能なようにレーザ光５０の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないように領域をずらして繰り返し照射して、所定の面積を結晶化する。
【００７９】
続いてキャップ膜４０をエッチング等の方法で剥離する。ここで必要ならば、前述した様にＶｔｈイオンインプランテーションを行ない、Ｂ＋イオンを例えばドーズ量５×１０11〜４×１０12／ｃｍ2 程度で半導体薄膜４に注入する。この場合の加速電圧は１０ＫｅＶ程度である。
【００８０】
続いて図１１の（ｂ）に示すように結晶化したシリコン半導体薄膜９をアイランド状にパターニングする。この上に、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、スパッタ法などでＳｉＯ2 を１０〜４００ｎｍ成長させ、ゲート絶縁膜８とする。本実施例ではゲート絶縁膜８の厚みを１００ｎｍにした。
【００８１】
次いで、ゲート絶縁膜８の上にＡｌ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，ドープト多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金を２００〜８００ｎｍの厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電極６に加工する。
【００８２】
次いでＰ＋イオンを質量分離を用いたイオン注入法で結晶化半導体薄膜９に注入し、ＬＤＤ領域を設ける。このイオン注入はゲート電極６をマスクとして絶縁基板２の全面に対して行なう。ドーズ量は６×１０12〜５×１０13／ｃｍ2 である。加速電圧は例えば９０ＫｅＶである。なお、ゲート電極６の直下に位置するチャネル領域Ｃｈは保護されており、Ｖｔｈイオンインプランテーションで予め注入されたＢ＋イオンがそのまま保持されている。
【００８３】
ＬＤＤ領域に対するイオン注入後、ゲート電極６とその周囲を被覆するようにレジストパタンを形成し、Ｐ＋イオンを質量非分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。この場合のドーズ量は例えば１×１０15／ｃｍ2 程度である。加速電圧は例えば９０ＫｅＶである。ドーピングガスには水素希釈の２０％ＰＨ3 ガスを用いた。ＣＭＯＳ回路を形成する場合には、Ｐチャネル薄膜トランジスタ用のレジストパタンを形成後、ドーピングガスを５〜２０％のＢ2 Ｈ6 ／Ｈ2 ガス系に切り換え、ドーズ量を１×１０15〜３×１０15／ｃｍ2 程度、加速電圧は例えば９０ＫｅＶでイオン注入すればよい。なお、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄの形成は質量分離型のイオン注入装置を用いてもよい。この後、結晶化半導体薄膜９に注入されたドーパントの活性化処理となる。この活性化処理は上記第５実施形態と同様に、紫外線ランプを使ったＲＴＡ６０を用いることができる。
【００８４】
最後に図１１の（ｃ）に示すように、ゲート電極６を被覆するようにＰＳＧなどからなる層間絶縁膜１１を成膜する。この層間絶縁膜１１の成膜後、ＳｉＮx をプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ堆積しパシベーション膜１２とする。この段階で窒素ガス中３５０℃の温度で１時間程度アニールし、層間絶縁膜１１に含有された水素を半導体薄膜４中に拡散させる。この後コンタクトホールを開口する。さらにパシベーション膜１２の上にＡｌ−Ｓｉなどをスパッタリングで成膜した後所定の形状にパターニングして配線電極１３に加工する。さらにアクリル樹脂などからなる平坦化層１４を約１μｍの厚みで塗工後、これにコンタクトホールを開口する。平坦化層１４の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタリングし、所定の形状にパターニングして画素電極１５に加工する。
【００８５】
図１１に示した半導体装置では、図１０に示した半導体装置で説明した方法と同様にして非晶質半導体薄膜４を結晶化させる。但し、トップゲート構造である本実施形態の半導体装置はボトムゲート構造である第５実施形態の半導体装置と異なり、ゲート電極６のパターンが形成される前の段階で結晶化を行なうため、ガラスなどからなる絶縁基板の収縮についてはボトムゲート構造の半導体装置よりも許容度が大きい。そのため、より大出力のレーザ照射装置を用いて結晶化処理を行なえる。
【００８６】
（実施例７）  
図１２は、実施例５又は実施例６に係る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。表示装置１２０は一対の絶縁基板１２１，１２２と両者の間に保持された電気光学物質１２３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質１２３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１２１には画素アレイ部１２４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１２５と水平駆動回路１２６とに分かれている。
【００８７】
また、絶縁基板１２１の周辺部上端には外部接続用の端子部１２７が形成されている。端子部１２７は配線１２８を介して垂直駆動回路１２５及び水平駆動回路１２６に接続している。画素アレイ部１２４には行状のゲート配線１２９と列状の信号配線１３０が形成されている。両配線の交差部には画素電極１５とこれを駆動する薄膜トランジスタ１１２（又は１１２Ａ）が形成されている。薄膜トランジスタ１１２（又は１１２Ａ）のゲート電極６は対応するゲート配線１２９に接続され、ドレイン領域Ｄは対応する画素電極１３１（１５）に接続され、ソース領域Ｓは対応する信号配線１３０に接続している。ゲート配線１２９は垂直駆動回路１２５に接続する一方、信号配線１３０は水平駆動回路１２６に接続している。
【００８８】
画素電極１５をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ１１２（又は１１２Ａ）及び垂直駆動回路１２５と水平駆動回路１２６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】
【００８９】
本発明の薄膜トランジスタを液晶ディスプレイ、有機ＥＬ等の表示装置に適用すれば、周辺回路に高機能の演算素子等を形成することが可能になり、システム・オン・パネル化に向け、本発明の効果は大きい。また、本発明は環状ドット段差パターンを有する位相シフタを光路中に挿入するだけの方法なので、光学系が複雑にならずその調整に時間がかからないので、量産にも適している。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）は本発明のドットパターン型位相シフタの平面図、（ｂ）は本発明の位相シフタと被照射体を示す側面図、（ｃ）は本発明の位相シフタを用いた場合の被照射体の入射面上におけるレーザ光強度分布図（レーザプロファイル図）。
【図２】（ａ）はレーザ照射領域を模式的に示す平面図とレーザ光強度分布図（レーザプロファイル図）、（ｂ）は結晶化の初期段階を示す平面模式図、（ｃ）は結晶化の中期段階を示す平面模式図、（ｄ）は結晶化の最終段階を示す平面模式図。
【図３】本発明に用いられるプロキシミティ型結晶化装置の光学系を示す概略構成図。
【図４】（ａ）は本発明の位相シフタの格子配列ドットパターンを模式的に示す概略平面図、（ｂ）は本発明を用いて結晶化された格子配列ドットパターン結晶組織を模式的に示す概略平面図。
【図５】（ａ）は本発明の格子配列ドットパターン型位相シフタを用いて結晶化したシリコン結晶組織を示すＳＥＭ像、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示すＳＥＭ像。
【図６】本発明方法を用いて結晶化したシリコン結晶組織のドットパターンの一単位を拡大して示すＳＥＭ像。
【図７】（ａ）は本発明方法を用いて結晶化したシリコン結晶組織のＥＢＳＰ面方位マップ像、（ｂ）は（ａ）から双晶粒界を削除した場合のＥＢＳＰマップ像。
【図８】（ａ）は本発明方法を用いて結晶化したシリコン結晶組織のドットパターンの一単位を示すＳＥＭ像、（ｂ）は（ａ）の結晶組織のＥＢＳＰ面方位マップ像、（ｃ）は（ｂ）から双晶粒界を削除した場合のＥＢＳＰマップ像。
【図９】本発明に用いられる投影型結晶化装置の光学系を示す概略構成図。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係る表示装置の製造プロセスを示す工程図。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の他の実施形態に係る表示装置の製造プロセスを示す工程図。
【図１２】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１３】（ａ）は従来のラインアンドスペース型位相シフタの平面図、（ｂ）は従来の位相シフタと被照射体を示す側面図、（ｃ）は従来の位相シフタを用いた場合の被照射体の入射面上におけるレーザ光強度分布図（レーザプロファイル図）。
【符号の説明】
【００９１】
２…基板、３…バッファ層（下地保護膜）
４…非晶質半導体層（非単結晶半導体層）
４０…キャップ膜
６…ゲート電極、７…ゲート窒化膜、８…ゲート酸化膜
９…多結晶半導体薄膜、１０…ストッパ膜、１１…層間絶縁膜
１２…パシベーション膜、１３…配線電極、１４…平坦化層
１５…画素電極、２０ａ…下地窒化膜、２０ｂ…下地酸化膜、
Ｓ…ソース、Ｄ…ドレイン、Ｃｈ…チャネル、ＬＤＤ…LDD領域、
３１Ａ…レーザ光強度分布図（ドットパターン位相シフタ）、
３１Ｂ…レーザ光強度分布図（L&S位相シフタ）、
３２…環状界面（位相シフト境界；結晶成長開始領域）
３３…微結晶核、３４…外側領域、３５…結晶粒界、３６…内部領域
３７…双晶粒界
５０…レーザ光
５１…エキシマレーザ発振器（レーザ光源）
５２…マスク
５３…ホモジナイザ
５４ａ，５４ｂ…凸レンズ
５５…位相シフタ（空間強度変調光学素子）
５５ａ…ドット段差（環状段差）
５５０…L&S位相シフタ、５５１…L&S位相段差、
５６…テレセントリック縮小レンズ
５８…XYZθ基板ステージ
５９…ヒータ
６０…急速熱アニール、
１００，１００Ａ…結晶化装置（レーザアニール装置）
１０１、１０１A…光学系
１０２…レーザ光軸
１０３…被処理体、
１１２、１１２A…薄膜トランジスタ
１２０…表示装置
Ｐ１，Ｐ２…レーザ光強度分布のピーク部、
１２１…絶縁基板、１２２…絶縁基板、
１２３…電気光学物質、１２４…画素アレイ部、
１２５…垂直駆動回路、１２６…水平駆動回路、
１２７…端子部、１２８…配線、
１２９…ゲート配線、１３０…信号配線、１３１…画素電極
【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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