(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め基板に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化する半導体薄膜の結晶化方法であって、
基板の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整した後、
周期的な明暗を有し、隣り合う暗部間のスペースが該照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも広いパターンを、該照射領域に投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調して、一の分割領域を照射し、次いで、照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも短い距離、照射領域をずらして、同一の分割領域を再度照射する工程を、明暗のパターンの一周期分、繰り返す結晶化工程を行い、
レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化工程を繰り返す事を特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項２】
前記結晶化工程において、明暗のパターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御する事を特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項３】
基板を２００℃以上に加熱した状態で前記結晶化工程を行う事を特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項４】
前記結晶化工程において、レーザ光を回折して周期的な明暗のパターンを形成可能な位相シフトマスクを用いる事を特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項５】
予め基板に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射して半導体薄膜の結晶化を行うレーザ照射装置であって、
基板の表面を領域分割して複数の分割領域が規定されたとき、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整する整形手段と、
周期的な明暗を有し、隣り合う暗部間のスペースが該照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも広いパターンを、該照射領域に投影可能な様に、レーザ光の強度を光学変調する光学手段と、
光学変調されたレーザ光を一の分割領域に照射し、次いで、照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも短い距離、照射領域をずらして、同一の分割領域を照射する一次走査手段と、
レーザ光の照射領域を次の分割領域に移動する二次走査手段、
とを有する事を特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】
前記光学手段は、周期的な明暗のパターンが描かれたマイクロスリットから成り、レーザ光の光路中に挿入される事を特徴とする請求項５に記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記光学手段は、レーザ光を回折して周期的な明暗のパターンを形成可能な位相シフトマスクから成り、レーザ光の光路中に挿入される事を特徴とする請求項５に記載のレーザ照射装置。
【請求項８】
基板を２００℃以上に加熱する手段を含み、加熱状態で半導体薄膜にレーザ光を照射して半導体薄膜の結晶化を行う事を特徴とする請求項５に記載のレーザ照射装置。
【請求項９】
半導体薄膜と、その一面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有する薄膜トランジスタの製造方法であって、
該半導体薄膜は、基板の上に非晶質シリコン又は比較的粒径の小さな多結晶シリコンを形成した後、レーザ光を照射して比較的粒径の大きな多結晶シリコンに結晶化したものであり、
基板の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整した後、
周期的な明暗を有し、隣り合う暗部間のスペースが該照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも広いパターンを、該照射領域に投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調して、一の分割領域を照射し、次いで、照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも短い距離、照射領域をずらして、同一の分割領域を再度照射する工程を、明暗のパターンの一周期分、繰り返す結晶化工程を行い、
レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化工程を繰り返す事によって前記半導体薄膜を得る事を特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記結晶化工程において、明暗のパターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御する事を特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
基板を２００℃以上に加熱した状態で前記結晶化工程を行う事を特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
前記結晶化工程において、レーザ光を回折して周期的な明暗のパターンを形成可能な位相シフトマスクを用いる事を特徴とする請求項９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
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が形成され、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が形成され、該薄膜トランジスタは、半導体薄膜と、その一面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有する表示装置の製造方法であって、
該半導体薄膜は、該他方の基板の上に非晶質シリコン又は比較的粒径の小さな多結晶シリコンを形成した後、レーザ光を照射して比較的粒径の大きな多結晶シリコンに結晶化したものであり、
該他方の基板の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整した後、
周期的な明暗を有し、隣り合う暗部間のスペースが該照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも広いパターンを、該照射領域に投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調して、一の分割領域を照射し、次いで、照射領域の移動方向に沿った結晶成長距離よりも短い距離、照射領域をずらして、同一の分割領域を再度照射する工程を、明暗のパターンの一周期分、繰り返す結晶化工程を行い、
レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化工程を繰り返す事によって前記半導体薄膜を得る事を特徴とする表示装置の製造方法。
【請求項１４】
前記結晶化工程において、明暗のパターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御する事を特徴とする請求項１３に記載の表示装置の製造方法。
【請求項１５】
基板を２００℃以上に加熱した状態で前記結晶化工程を行う事を特徴とする請求項１３に記載の表示装置の製造方法。
【請求項１６】
前記結晶化工程において、レーザ光を回折して周期的な明暗のパターンを形成可能な位相シフトマスクを用いる事を特徴とする請求項１３に記載の表示装置の製造方法。
【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、及び、その実施に使うレーザ照射装置に関する。又、上記方法及び装置を利用した薄膜トランジスタの製造方法並びに表示装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶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の内、多結晶シリコンを活性層とした薄膜トランジスタは、同一基板上にスイッチング素子の他、周辺の駆動回路に内蔵できる。又、多結晶シリコン薄膜トランジスタは微細化が可能な為、画素構造を高開口率化できる。これらの理由により、多結晶シリコン薄膜トランジスタは、高精細な表示装置用の素子として注目されている。近年、多結晶シリコン薄膜トランジスタを６００℃以下の低温プロセスで作製する技術が盛んに研究されている。所謂低温プロセスにより高価な耐熱性の基板を用いる必要がなくなり、ディスプレイの低コスト化及び大型化に寄与できる。特に近年では、画素のスイッチング素子や周辺の駆動回路に加え、中央演算素子（ＣＰＵ）に代表される高度な機能素子を基板上に集積化させる要求が高まっている。これを実現する為、単結晶シリコンに近い高品質の多結晶シリコン薄膜を形成する技術が待望されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の低温プロセスでは、基板上に非晶質シリコンを成膜した後、長尺状若しくは線状に整形したエキシマレーザビームあるいは電子ビームを走査して基板表面を照射し、非晶質シリコンを多結晶シリコンに転換する。あるいは、大面積の矩形状に整形されたエキシマレーザビームを基板に一括照射して、非晶質シリコンを多結晶シリコンに転換する。レーザビームや電子ビームなどの高エネルギービームを照射することにより、非晶質シリコンは、基板にダメージを与えることなく急激に加熱され、溶融状態となる。この後、冷却過程でシリコンの結晶化が起こり、ある程度の粒径を有する多結晶の集合が得られる。しかし、従来用いていたエネルギービームのパルス継続時間は２０ｎｓ乃至２００ｎｓと非常に短い。この為、非晶質シリコンが溶融して再凝固するまでの時間も極めて短い為、溶融状態のシリコンは実際には急冷されて多結晶シリコンとなる。溶融シリコンが急冷される過程で結晶核の発生密度が高くなる。この結果、得られる多結晶シリコンの結晶粒径が小さくなる。粒径の小さい多結晶シリコンを活性層として作製した薄膜トランジスタは移動度が小さく、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタで高々８０ｃｍ2／Ｖｓ程度である。
【０００４】
従って、高機能な回路を画素用のスイッチング素子と同一基板上に集積化する為には、薄膜トランジスタ素子の性能を大幅に改善する必要がある。この為、例えば基板を４００℃程度に加熱した状態でレーザビームを照射する技術が提案されている。予め基板を加熱することでレーザビーム照射後の再結晶化速度（冷却速度）を遅くし、結晶粒径を増大させる。しかしこの方法では、ガラス基板を用いた場合、耐熱性の限界から加熱温度は４５０℃程度が上限となり、シリコンの融点である１４００℃よりもはるかに低い。従って、基板加熱の方法を採用しても、現実にはレーザビームを照射した後、多結晶シリコンは急冷状態となる為、単結晶シリコンに近い大粒径の多結晶シリコンを得ることは困難である。
【０００５】
一方、大粒径の多結晶シリコンを得る他の方法として、シリコン薄膜中に触媒金属を導入し、特定の結晶方位に揃ったシリコン薄膜を成長させる方法が知られており、例えば特開平７−２９７１２５号公報に開示されている。しかし、この方法は、基本的に５５０℃以上の温度でアニールする固相成長法が必要で、低温プロセスとの整合性が悪い。また、シリコン薄膜中に触媒金属が残留するため、金属成分を後でゲッタリングして取り除く工程が必要となる等の問題点がある。
【０００６】
【課題を解決する為の手段】
本発明は以上の問題点を解決するもので、その目的は、単純な工程で単結晶シリコンに近い結晶性を持つシリコン薄膜を大面積にスループット高く形成する方法を提供することにある。かかる目的を達成する為に、以下の手段を講じた。即ち、本発明は、予め基板に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化する半導体薄膜の結晶化方法であって、基板の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整する準備工程と、該照射領域に周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調して一の分割領域を照射し、更に少なくとも一回該明暗のパターンが重複しない様に照射領域をずらして同一の分割領域を再度照射する結晶化工程と、レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化工程を繰り返す走査工程とを行う事を特徴とする。好ましくは、前記結晶化工程は、明暗のパターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御すると共に、一回の照射で結晶化する範囲以内で該照射領域をずらして再度照射を行う事を特徴とする。又、好ましくは、基板を２００℃以上に加熱した状態で該結晶化工程を行う事を特徴とする。
【０００７】
本発明は又、予め基板に成膜された半導体薄膜にレーザ光を照射して半導体薄膜の結晶化を行うレーザ照射装置であって、基板の表面を領域分割して複数の分割領域が規定されたとき、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整する整形手段と、該照射領域に周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調する光学手段と、光学変調されたレーザ光を一の分割領域に照射し、更に続けて該投影された明暗のパターンが重複しない様に照射領域をずらして同一の分割領域を照射する一次走査手段と、レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化工程を繰り返す二次走査手段とを有する事を特徴とする。好ましくは、前記光学手段は、周期的な明暗のパターンが描かれたマイクロスリットから成り、レーザ光の光路中に挿入される事を特徴とする。或いは、レーザ光を回折して周期的な明暗のパターンを形成可能な位相シフトマスクを用いる事を特徴とする。
【０００８】
本発明は又、半導体薄膜と、その一面に重ねられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜を介して半導体薄膜に重ねられたゲート電極とを含む積層構成を有する薄膜トランジスタであって、前記半導体薄膜は、基板の上に非晶質シリコン又は比較的粒径の小さな多結晶シリコンを形成した後、レーザ光を照射して比較的粒径の大きな多結晶シリコンに結晶化したものであり、基板の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整した後、該照射領域に周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調して一の分割領域を照射し、更に少なくとも一回該明暗のパターンが重複しない様に照射領域をずらして同一の分割領域を再度照射して結晶化を行い、レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化を繰り返して得られたものである事を特徴とする。
【０００９】
本発明は又、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を、半導体薄膜とその一面にゲート絶縁膜を介して重ねられたゲート電極とで形成した表示装置であって、前記半導体薄膜は、該他方の基板の上に非晶質シリコン又は比較的粒径の小さな多結晶シリコンを形成した後、レーザ光を照射して比較的粒径の大きな多結晶シリコンに結晶化したものであり、該他方の基板の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光の照射領域を調整した後、該照射領域に周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調して一の分割領域を照射し、更に少なくとも一回該明暗のパターンが重複しない様に照射領域をずらして同一の分割領域を再度照射して結晶化を行い、レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化を繰り返して得られたものである事を特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、基板の表面を例えば桝目状に分割して矩形の分割領域を規定する。これに対応させて、レーザ光を矩形に整形し、一の分割領域を一括して照射できる様にする。この矩形に整形された照射領域に対して、周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光の強度を光学変調して一の分割領域を照射し、明暗のパターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御する。更に続けて該明暗のパターンが重複しない様に照射領域を少しずらして同じ分割領域を再度照射する。この時、一回の照射で結晶化する範囲以内で該照射領域をずらして結晶化を行うことにより均一な結晶が得られる。このレーザ光照射を数回繰り返して、例えば明暗の一周期分だけパターンが移動したら、レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して結晶化工程を繰り返す事により、大面積の半導体薄膜を高率良く処理できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る結晶化方法の一例を模式的に表した斜視図である。本発明にかかる結晶化方法は、予めガラスなどから成る基板０に成膜された半導体薄膜４にレーザ光５０を照射して結晶化するものであり、レーザ照射により一旦溶融したシリコンなどの半導体薄膜は、冷却過程で結晶化する。まず、準備工程を行い、基板０の表面を例えば桝目状に領域分割して複数の分割領域Ｄを規定する一方、レーザ光５０を整形して矩形の分割領域Ｄを一括して照射できる様にレーザ光５０の照射領域Ｒを矩形に調整する。これにより、照射領域Ｒの形状は分割領域Ｄに対応する。次の結晶化工程では、照射領域Ｒに周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光５０の強度を光学変調して、基板０の左上にある最初の分割領域Ｄを照射し、更に少なくとも一回該明暗のパターンが重複しない様に照射領域Ｒをずらして同一の分割領域Ｄを再度照射する。照射領域Ｒをずらす方向は、矢印（ａ）で表されている。この後、レーザ光５０の照射領域Ｒを右隣にある次の分割領域Ｄに移して、該結晶化工程を繰り返す。走査工程の移動方向は、矢印（ｂ）で表されている。結晶化工程では、明暗のパターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御すると共に、一回の照射で結晶化する範囲以内で照射領域Ｒを少しづつずらして繰り返し照射を行う。基板０を２００℃以上に加熱した状態で結晶化工程を行うと、より均一な結晶状態が得られる。
【００１２】
本発明によれば、基板０の表面を、例えば桝目状に分割して矩形の分割領域Ｄを規定する。これに対応させて、レーザ光５０を矩形に整形し、一の分割領域Ｄを一括して照射できる様にする。この矩形に整形された照射領域Ｒに対して、周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光５０の強度を光学変調して一の分割領域Ｄを照射し、明暗のパターンに応じた温度勾配を利用して結晶化の方向を制御する。更に続けて該明暗のパターンが重複しない様に照射領域Ｒを少しずらして、同じ分割領域Ｄを再度照射する。この時、一回の照射で結晶化する範囲以内で照射領域Ｒをずらして結晶化を行うことにより、均一な結晶が得られる。このレーザ光照射を数回繰り返して、例えば明暗の一周期分だけパターンが移動したら、レーザ光５０の照射領域Ｒを次の分割領域Ｄに移して結晶化工程を繰り返す事により、大面積の半導体薄膜４を効率良く処理できる。
【００１３】
図示の例では、（ａ）の方向に少しづつ（例えば１μｍ毎に）照射領域Ｒをシフトさせて、矩形状の分割領域Ｄ内を結晶化させ、次いで（ｂ）の方向に大きくシフトさせることを繰り返すことで、基板０全体を結晶化させる。この場合、矩形分割領域Ｄの大きさは例えば６１ｍｍ×７３ｍｍで、これに対応する矩形状のレーザ照射領域Ｒの面積全体が周期的な明暗パターンで覆われている。例えば、暗部の幅が１μｍで、隣り合う暗部間のスペースが５μｍ、レーザ光５０の位置シフト量が０．７５μｍ、一回の照射で結晶化する範囲（横方向結晶成長距離）が１μｍの場合、５〜７ショットのレーザ照射で矩形状の分割領域Ｄの全面積が均一に結晶化できることになる。例えば矩形状の分割領域Ｄの大きさが６１×７３ｍｍ2で、ガラス基板の大きさが６００×７２０ｍｍ2の場合は、隣り合う分割領域間でのビーム重なり幅を１ｍｍとすると、レーザ発振周波数が１０Ｈｚのとき、基板０の全体を結晶化するのに要する全ショット数は５００〜７００ショットであるから、基板１枚あたりに要する結晶化のタクトタイムは５０〜７０秒となる。これは量産時のスループットとしては十分に速い。
【００１４】
また、このレーザ結晶化工程時に、ガラス基板を２００℃以上、好ましくは４００℃〜６５０℃程度に加熱することにより、半導体薄膜４の溶融固化時における冷却速度を遅くして徐冷状態にできるため、結晶核の発生密度を抑えて欠陥密度の少ないシリコン結晶から成る半導体薄膜を得ることができる。基板０の加熱方法は、抵抗加熱でも良いし、Ｘｅアークランプ、ハロゲンランプ等によるランプ加熱でも良い。
【００１５】
図２は、周期的な明暗パターンの例を表す模式的な平面図である。（ａ）は、直線状の明暗パターンを表している。本発明はこれに限られるわけではなく、（ｂ）に示すような波状スリットパターン、（ｃ）に示す様なシェブロンパターン、（ｄ）に示す様な格子状パターンでもよい。要は、レーザ光を基板に照射した時、一次元的若しくは二次元的な周期を有する明暗パターンが投影されれば良い。
【００１６】
以下、本プロセスに特有な大面積一括照射レーザ装置の一例について述べる。図３において、５１は大出カエキシマレーザ光源、５２は矩形状ビーム整形スリット、５３はビームホモジナイザ、５４は集光レンズ、５５はマイクロスリット、５６は結像レンズ、５７はミラー、５８は基板０を搭載するＸＹステージである。ＸＹステージ５８には基板加熱用のランプが装着されている。基板０の上には予め半導体薄膜４が形成されている。本発明に係るレーザ照射装置は、基本的に、予め基板０に成膜された半導体薄膜４にレーザ光５０を照射して半導体薄膜４の結晶化を行うものであって、整形手段と、光学手段と、一次走査手段と、二次走査手段を備えている。整形手段はビーム整形スリット５２とビームホモジナイザ５３を含み、基板０の表面を領域分割して複数の分割領域が規定されたとき、レーザ光５０を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光５０の照射領域を調整する。光学手段は集光レンズ５４、マイクロスリット５５、結像レンズ５６及びミラー５７を含み、照射領域に周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光５０の強度を光学変調する。一次走査手段はＸＹステージ５８から成り、光学変調されたレーザ光５０を一の分割領域に照射し、更に続けて該投影された明暗のパターンが重複しない様に照射領域をずらして同一の分割領域を照射する。二次走査手段は同じくＸＹステージ５８から成り、レーザ光５０の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化工程を繰り返す。本実施例では、光学手段として、周期的な明暗のパターンが描かれたマイクロスリット５５を用いており、レーザ光５０の光路中に挿入される。場合によっては、マイクロスリット５５は基板０の直上に配されることもある。
【００１７】
マイクロスリット５５は、幅１〜２μｍの遮光膜、例えば耐熱性に優れたＭｏ、Ｗ等の高融点金属薄膜を、例えば間隔１〜１５μｍ程度でガラス等の透明基材上に形成したものである。スリットの幅と間隔は、基板０上に投影した時の長さで計測して、１ショットのレーザ照射で結晶が横方向結晶成長する距離と同程度から数倍以内の範囲になるように設定する。レーザ光５０は波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光源５１から発され、１ショットのパルス継続時間は１００〜２００ｎｓである。上記条件でマイクロスリット５５の射影をガラス基板０上の非晶質シリコンから成る半導体薄膜４にフォーカスさせて、パルスレーザ光５０を照射すると、レーザ光５０が照射される明部ではシリコンは溶融し、影となる暗部では固形シリコンのままの状態となる。この状態では固体シリコンから溶融シリコンに向かう横方向に結晶成長が進み、１ショットで片側約０．３〜１．５μｍほど横方向結晶成長する。一次走査手段を構成するＸＹステージ５８を移動させることで、相対的にこの横方向結晶成長距離よりも短い距離だけマイクロスリット５５をシフトさせてレーザショットを繰り返すことにより、横方向に結晶が連続的に成長して行く。
【００１８】
本発明の方法による結晶成長の様子を模式的に示したものが図４である。（ａ）では、マイクロスリット５５のマスクに覆われていない明部の半導体薄膜４のみがレーザ照射時に溶融し、同時にマスクの影となる暗部の方向から横方向結晶成長が進む。続いて、（ｂ）に示すように、マイクロスリット５５を結晶成長方向に横方向結晶成長距離よりも短い距離ΔＳだけずらし、再び１ショット、レーザ照射すると、矩形状レーザ照射領域の全面が結晶化する。この方法では、結晶成長方向に結晶粒界がない、極めて高品質の結晶性シリコン薄膜が得られる。
【００１９】
図５は、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の第一実施例を示す工程図である。この実施例で作製された多結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度は、Ｎチャネル型で２７０乃至３５０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐチャネル型で１６０乃至２５０ｃｍ2／Ｖｓであり、従来に比べ大幅に高移動度化が達成されている。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）を変えるだけで全く同様である。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。まず（ａ）に示す様に、ガラスなどから成る絶縁基板０の上にＡｌ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｕ又はこれらの合金を１００乃至３００ｎｍの厚みで形成し、パターニングしてゲート電極１に加工する。
【００２０】
次いで（ｂ）に示す様に、ゲート電極１の上にゲート絶縁膜を形成する。本実施形態では、ゲート絶縁膜として、ゲート窒化膜２（ＳｉＮx）／ゲート酸化膜３（ＳｉＯ2）の二層構造を用いた。ゲート窒化膜２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（ＰＣＶＤ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。本実施形態では、ゲート窒化膜２を５０ｎｍの厚みで堆積した。ゲート窒化膜２の成膜に連続して、ゲート酸化膜３を約２００ｎｍの厚みで成膜する。更に、ゲート酸化膜３の上に連続的に非晶質シリコンから成る半導体薄膜４を約３０乃至８０ｎｍの厚みで成膜した。二層構造のゲート絶縁膜と非晶質半導体薄膜４を、成膜チャンバの真空系を破らず連続成膜した。以上の成膜でプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、４００乃至４５０℃の温度で窒素ガス雰囲気中１時間程度加熱処理を行い、非晶質半導体薄膜４に含有されていた水素を放出する、所謂脱水素アニールを行う。
【００２１】
次いで、本発明に従って、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。基板０の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光５０を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光５０の照射領域を調整した後、照射領域に周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光５０の強度をマイクロスリット５５で光学変調して一の分割領域を照射し、更に少なくとも一回該明暗のパターンが重複しない様に照射領域をずらして同一の分割領域を再度照射して結晶化を行い、レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化を繰り返す。
【００２２】
続いて（ｃ）に示す様に、薄膜トランジスタのＶth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う。本例では、Ｂ+をドーズ量が５×１０11乃至４×１０12／ｃｍ2程度でイオン注入した。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。続いて、前工程で結晶化された多結晶半導体薄膜５の上に例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ2を約１００ｎｍ乃至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。この様にして成膜されたＳｉＯ2を所定の形状にパターニングしてストッパー膜６に加工する。この場合、裏面露光技術を用いてゲート電極１と整合する様にストッパー膜６をパターニングしている。ストッパー膜６の直下に位置する多結晶半導体薄膜５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、ストッパー膜６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）を多結晶半導体薄膜５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乃至１×１０13／ｃｍ2であり、加速電圧は例えば１０ｋｅＶである。更に、ストッパー膜６及びその両側のＬＤＤ領域を被覆する様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。この後、ＲＴＡ（急速熱アニール）６０により、多結晶半導体薄膜５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）を行っても良い。この後、多結晶半導体薄膜５とストッパー膜６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。
【００２３】
最後に（ｄ）に示す様に、ＳｉＯ2を約１００乃至２００ｎｍの厚みで成膜し、層間絶縁膜７とする。層間絶縁膜７の形成後、ＳｉＮxをプラズマＣＶＤ法で約２００乃至４００ｎｍ成膜し、パシベーション膜（キャップ膜）８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℃乃至４００℃程度の加熱処理を１時間行い、層間絶縁膜７に含まれる水素原子を多結晶半導体薄膜５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乃至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９に加工する。更に、アクリル樹脂などから成る平坦化層１０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１０の上にＩＴＯやＩＸＯなどから成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１１に加工する。
【００２４】
図６は、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の第二実施例を示す工程図である。この実施例で作製された多結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度は、Ｎチャネル型で３２０乃至４３０ｃｍ2／Ｖｓ、Ｐチャネル型で１６０乃至２２０ｃｍ2／Ｖｓと、従来に比し大きくなっている。なお、第一実施例と異なり、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。まず（ａ）に示す様に、絶縁基板０の上にバッファ層となる二層の下地膜６ａ，６ｂをプラズマＣＶＤ法により連続成膜する。一層目の下地膜６ａはＳｉＮxから成り、その膜厚は１００乃至２００ｎｍである。又、二層目の下地膜６ｂはＳｉＯ2から成り、その膜厚は同じく１００ｎｍ乃至２００ｎｍである。このＳｉＯ2から成る下地膜６ｂの上に、非晶質シリコンから成る非晶質半導体薄膜４を、約３０乃至８０ｎｍの厚みでプラズマＣＶＤ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。非晶質シリコンから成る非晶質半導体薄膜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為に、窒素ガス雰囲気中で４００℃乃至４５０℃１時間程度のアニールを行う。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い、Ｂ+イオンを例えばドーズ量５×１０11乃至４×１０12／ｃｍ2程度で非晶質半導体薄膜４に注入する。この場合の加速電圧は１０ｋｅＶ程度である。
【００２５】
次いで、本発明に従って、非晶質半導体薄膜４を結晶化する。基板０の表面を領域分割して複数の分割領域を規定する一方、レーザ光５０を整形して一の分割領域を一括して照射できる様にレーザ光５０の照射領域を調整した後、照射領域に周期的な明暗のパターンを投影可能な様にレーザ光５０の強度をマイクロスリット５５で光学変調して一の分割領域を照射し、更に少なくとも一回該明暗のパターンが重複しない様に照射領域をずらして同一の分割領域を再度照射して結晶化を行い、レーザ光の照射領域を次の分割領域に移して該結晶化を繰り返す。
【００２６】
続いて（ｂ）に示す様に、多結晶シリコンに転換された多結晶半導体薄膜５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乃至４００ｎｍ成長させ、ゲート絶縁膜３とする。本例ではゲート絶縁膜３の厚みを１００ｎｍにした。次いで、ゲート絶縁膜３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乃至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１に加工する。次いで、Ｐ+イオンを質量分離を用いたイオン注入法で多結晶半導体薄膜５に注入し、ＬＤＤ領域を設ける。このイオン注入は、ゲート電極１をマスクとして、絶縁基板０の全面に対して行う。ドーズ量は６×１０12乃至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１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。ＬＤＤ領域に対するイオン注入後、ゲート電極１とその周囲を被覆する様にレジストパターンを形成し、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ーンを形成後、ドーピングガスを５％乃至２０％のＢ2Ｈ6／Ｈ2ガス系に切り換え、ドーズ量１×１０15乃至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、多結晶半導体薄膜５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、第一実施例と同様に、紫外線ランプを使ったＲＴＡ６０を用いることができる。
【００２７】
最後に（ｃ）に示す様に、ゲート電極１を被覆する様にＰＳＧなどから成る層間絶縁膜７を成膜する。この層間絶縁膜７の成膜後、ＳｉＮxをプラズマＣＶＤ法で約２００乃至４００ｎｍ堆積し、パシベーション膜（キャップ膜）８とする。この段階で窒素ガス中３５０℃の温度下１時間程度アニールし、層間絶縁膜７に含有された水素を多結晶半導体薄膜５中に拡散させる。この後、コンタクトホールを開口する。更に、パシベーション膜８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９に加工する。更に、アクリル樹脂などから成る平坦化層１０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１０の上にＩＴＯやＩＸＯなどから成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１１に加工する。
【００２８】
図６に示した第二の実施例では、図５に示した第一の実施例で説明した方法と同様にして非晶質半導体薄膜を結晶化させる。但し、トップゲート構造である本実施例の場合は、ボトムゲート構造である第一の実施例と異なり、ゲート電極のパターンが形成される前の段階で結晶化を行う為、ガラスなどから成る絶縁基板の収縮については第一の実施例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える。
【００２９】
図７は、第一実施例又は第二実施例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。図示する様に、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。電気光学物質１０３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、垂直駆動回路１０５と水平駆動回路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を介して垂直駆動回路１０５及び水平駆動回路１０６に接続されている。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。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、ドレイン領域は対応する画素電極１１１に接続され、ソース領域は対応する信号配線１１０に接続されている。ゲート配線１０９は垂直駆動回路１０５に接続される一方、信号配線１１０は水平駆動回路１０６に接続されている。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及び垂直駆動回路１０５と水平駆動回路１０６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。
【００３０】
ここで、本発明にかかるレーザ照射装置の他の実施例を図８に示す。図８において、５１は大出力エキシマレーザ光源、５２は矩形状ビーム整形スリット、５３はビームホモジナイザ、５４は集光レンズ、５５ａは位相シフトマスク、５７はミラーである。処理対象となる基板０には予め非晶質半導体薄膜４が成膜されている。基板０の表面側には位相シフトマスク５５ａが近接配置され、裏面側には加熱ランプ５９が近接配置されている。レーザ光源５１から発したレーザ光５０は位相シフトマスク５５ａを介して基板０に照射され、非晶質半導体薄膜４を結晶化する。その具体的な方法は、図９に示されている。
【００３１】
ここで図９の説明に入る前に、位相シフトマスクの原理について説明する。位相シフトマスクは、図１０に示すように、例えば石英基材に段差をつけ、段差の境界でレーザ光５０の回折と干渉をおこさせ、レーザ光強度に周期的な空間分布を付与するものである。図１０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。石英基材の屈折率を１．４６とすると、ＸｅＣｌエキシマレーザ光の波長が３０８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるためには、３３４．８ｎｍの段差をエッチング等の方法でつければよい。また、ＳｉＮx膜を透明媒質としてＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ等で成膜する場合は、ＳｉＮx膜の屈折率を２．０とすると、ＳｉＮx膜を石英基材上に１５４ｎｍ成膜し、エッチングして段差を付ければ良い。１８０°の位相をつけた位相シフトマスク５５ａを通過したレーザ光５０の強度は、図１０に示すように周期的強弱のパターンを示す。
【００３２】
この段差そのものを繰り返し周期的に形成したマスクが、図１１に示すような周期的位相シフトマスク５５ａである。図１１では、位相シフトパターンの幅とパターン間距離はともに３μｍである。シリコンから成る非晶質半導体薄膜４と位相シフトマスク５５ａの距離をｄとすると、ｄが大きくなるほど回折の影響が大きくなり、レーザ光強度の変調周期は長くなる。ｄの値は０．０５〜３．０ｍｍ程度が望ましい。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。レーザ光は波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光で、１ショットのパルス継続時間は２０〜２００ｎｓである。上記条件で位相シフトマスク５５ａを、レーザ光源とガラス基板０上の非晶質シリコンから成る非晶質半導体薄膜４との間に挿入し、パルスレーザ光を照射すると、周期的位相シフトマスク５５ａを通過したレーザ光は段差部で回折と干渉を起こし、周期的に強弱がつく。レーザ光が強い部位では非晶質半導体薄膜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。この状態では完全溶融シリコンの部位に横方向の結晶成長が進み、１ショットで片側約０．３〜３．５μｍほど横方向結晶成長する。この横方向結晶成長距離よりも短い距離だけ位相シフトマスク５５ａを移動させてレーザ光のショットを繰り返すことにより、横方向に結晶が連続的に成長して行く。
【００３３】
本発明の方法による結晶成長の様子を模式的に示したものが図９である。図９（ａ）では強い光が照射されている明部のシリコン薄膜のみが溶融し、同時に弱い光が照射している暗部から溶融部分に向かい横方向結晶成長が進む。図９（ｂ）に示すように、段差部を周期的に形成したパターンを有する位相シフトマスク５５ａを、結晶成長方向に横方向結晶成長距離よりも等しいか短い距離ΔＳだけずらし、再び１ショット、レーザ照射する工程を繰り返すと、矩形状レーザ光の照射領域の全面が結晶化する。この方法では、結晶成長方向に結晶粒界がない、極めて高品質の結晶性シリコン薄膜が得られる。
【００３４】
ここで、前に説明した図１は図９の工程を立体的に示したものである。図１で示す（ａ）の方向にレーザ光５０を約１μｍ毎に移動させて最初の分割領域Ｄ内を結晶化させ、次いで（ｂ）の方向にシフトさせることを繰り返すことで、基板０の全面を結晶化させることができる。この場合、矩形ビームの大きさは例えば６１ｍｍ×７３ｍｍで、矩形状のレーザ光５０の断面積全体が上記の周期的位相シフトマスクで覆われている。このような周期的位相シフトマスクを用いると、矩形状ビーム全体についてみた場合に、１回のレーザ照射ステップで結晶化が進む距離ｒは、ｒ＝（１回の横方向結晶成長距離）×（位相シフトパターンの本数）で与えられる。従って、本実施例の場合は、位相シフトパターンの１周期が６μｍであるから、矩形ビームのなかに１０１６６本パターンがあり、１回の照射で約１μｍ結晶成長が進むので、短軸の方向にステップさせる場合は、６回のパルス照射で一分割領域Ｄ内の全面が結晶化する。ここで大型基板０全体を結晶化させるのに要するスループットを計算してみる。例えば矩形状ビームの大きさが６１×７３ｍｍ2で、ガラス基板０の大きさが６００×７２０ｍｍ2の場合は、（ｂ）方向に隣り合う矩形状ビームの重なり幅を１ｍｍとすると、レーザ発振周波数が１０Ｈｚのとき、基板全体を結晶化するのに要する全ショット数は約６００ショットであるから、基板１枚あたりに要する結晶化のタクトタイムは約６０秒となる。これは量産時のスループットとしては十分に速い。尚、周期的位相シフトマスクのパターン形状は直線状のスリットに限られるわけではなく、図２に示すように波状スリットパターン、シェブロンパターン、格子状パターン等でもよい。以上の様に、本実施例では、レーザ光を回折して周期的な明暗のパターンを形成可能な位相シフトマスクを用いて結晶化を行っている。光の回折を利用しているので、マイクロスリットに比べレーザ光の損失が少なくエネルギーの利用効率改善につながる。又、基本的に、位相シフトマスクを光路中に挿入するだけなので、光学系が比較的簡略である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザの単純なマルチショットでは得られない高品質で殆ど単結晶に近い結晶質のシリコン薄膜が得られる。本発明で得られた多結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度は、第一の実施例ではＮＭＯＳで２７０〜３５０ｃｍ2／Ｖｓ、ＰＭＯＳで１６０〜２５０ｃｍ2／Ｖｓ、第二の実施例ではＮＭＯＳで３２０〜４３０ｃｍ2／Ｖｓ、ＰＭＯＳで１６０〜２２０ｃｍ2／Ｖｓと大きい。本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタを液晶ディスプレイ、ＥＬ等の表示素子に応用すれば、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。特に、位相シフトマスクを用いて結晶化を行えば、光の回折を利用しているのでレーザ光の損失が少なくエネルギーの利用効率改善につながる。又、基本的に、位相シフトマスクを光路中に挿入するだけなので、光学系は簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の結晶化方法を示す斜視図である。
【図２】  本発明の結晶化方法で使われる周期的な明暗パターンの例を示す模式図である。
【図３】  本発明に係るレーザ照射装置を示す模式的なブロック図である。
【図４】  本発明の結晶化方法を示す工程図である。
【図５】  本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の第一実施例を示す工程図である。
【図６】  本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の第二実施例を示す工程図である。
【図７】  本発明に従って製造された薄膜トランジスタを集積形成した表示装置の一例を示す模式的な斜視図である。
【図８】  本発明に係るレーザ照射装置の他の例を示す模式的なブロック図である。
【図９】  本発明の結晶化方法の他の例を示す工程図である。
【図１０】  本発明にかかるレーザ照射装置に組み込まれる位相シフトマスクを示す説明図である。
【図１１】  同じく位相シフトマスクの使用状態を示すを示す説明図である。
【符号の説明】
０・・・絶縁基板、４・・・非晶質半導体薄膜、５・・・多結晶半導体薄膜、５０・・・レーザ光、５１・・・レーザ光源、５５・・・マイクロスリット、５５ａ・・・位相シフトマスク、５８・・・ＸＹステージ、５９・・・加熱ランプ、Ｄ・・・分割領域、Ｒ・・・照射領域
【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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