(57)【要約】【課題】  大粒径に結晶化でき、良好な電気的特性を実現する結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供すること。【解決手段】  本発明に係る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は、前記レーザ光が、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のレーザ光であり、前記非単結晶半導体膜は、フッ素含有非単結晶半導体膜であることを特徴とする。さらに前記フッ素含有非単結晶半導体膜の膜中フッ素濃度は、好ましくは、１０１８ｃｍ−３乃至１０２０ｃｍ−３である。前記フッ素含有非単結晶半導体膜上には、好ましくはキャップ膜が形成されている。この方法により結晶化された膜は、大粒径の結晶粒を有し、良好な電気的特性を実現するものである。【選択図】      図３
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【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り、
前記非単結晶半導体膜は、フッ素含有非単結晶半導体膜であることを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜の膜中フッ素濃度は、１０１８ｃｍ−３乃至１０２０ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１に記載の結晶化方法。
【請求項３】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜の膜中酸素濃度は、１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の結晶化方法。
【請求項４】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜の膜中窒素濃度は、１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項５】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜の膜中炭素濃度は、１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項６】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜は、ＳｉＨ４およびＳｉＦ４を使用して堆積されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項７】
前記ＳｉＨ４に対する前記ＳｉＦ４のガス流量比率は、０．００８％乃至０．３％の範囲であることを特徴とする請求項６に記載の結晶化方法。
【請求項８】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜は、レーザ光入射面上にキャップ膜を設けてなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項９】
前記キャップ膜は、前記フッ素含有非単結晶半導体膜を堆積により形成した後に、連続して堆積することを特徴とする請求項８に記載の結晶化方法。
【請求項１０】
前記キャップ膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸窒化膜のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項８または９に記載の結晶化方法。
【請求項１１】
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１０のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項１２】
前記レーザ光は、入射角度および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１１のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項１３】
基板上にＳｉＨ４とＳｉＦ４とを使用して、フッ素含有非単結晶半導体膜を堆積させる工程と、
前記フッ素含有非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のキャップ膜を形成する工程と、
ホモジナイズされたパルスレーザ光を前記キャップ膜を介して前記フッ素含有非単結晶半導体膜を照射して、前記フッ素含有非単結晶半導体膜の照射部を溶融し、パルスレーザ光が遮断したのち前記フッ素含有非単結晶半導体膜に結晶化領域を形成する工程と、
前記結晶化領域に位置合わせして薄膜トランジスタを形成する工程とを具備することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１４】
基板に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、このフッ素含有非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも１つのキャップ膜とを設けてなることを特徴とする被結晶化基板。
【請求項１５】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の結晶化方法により製造された結晶化領域にチャネル領域、ソース領域、およびドレイン領域を形成してなることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１６】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の結晶化方法により製造された結晶化領域に画素を切替える薄膜トランジスタを形成してなることを特徴とする表示装置。
【請求項１７】
基板上に直接または間接的に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、
このフッ素含有非単結晶半導体膜に島状に設けられた結晶化領域とを具備してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１８】
基板上に直接または間接的に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、
このフッ素含有非単結晶半導体膜に島状に設けられた結晶化領域と、
この結晶化領域に設けられた少なくともチャネル領域とを具備してなることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１９】
基板上に直接または間接的に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、
このフッ素含有非単結晶半導体膜に島状に設けられた結晶化領域と、
この結晶化領域に設けられた少なくともチャネル領域とを具備する薄膜トランジスタにより、画素電極をスイッチング駆動する駆動回路、垂直線駆動回路および水平線駆動回路のような駆動回路のうちの少なくとも１つの駆動回路を構成してな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て好適な結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタおよび表示装置に関する。
【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半導体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手段がある。
【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。この結果として薄膜トランジスタの電界効果移動度は２００ｃｍ２／Ｖｓと、単結晶Ｓｉに形成されたＭＯＳトランジスタの電界効果移動度と比較すると大幅に劣る。
【０００４】
本発明者らは、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のチャネル部分を形成できる程度大きな結晶粒を形成する工業化技術を開発している。単一の結晶粒内にＴＦＴを形成することは、チャネル領域内に結晶粒界が形成された従来のトランジスタと異なり、結晶粒界への特性への悪影響がなく、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本発明者らは、例えば非特許文献１や非特許文献２などに記載された結晶化方法を提案している。
【０００５】
前者の非特許文献１には、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ２キャップ層やＳｉＯ２膜（シリコン酸化膜）キャップ層を介して非晶質シリコン膜にフルエンス０．８Ｊ／ｃｍ２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横方向成長させ、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強度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横方向に結晶成長させる方法が記載されている。
【非特許文献１】Ｗ．Ｙｅｈ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍａｔｓｕｍｕｒａ  Ｊｐｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４１（２００２）１９０９．
【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】
【０００７】
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）形成することが要望されている。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明は上記の点に対処してなされたものであり、室温でも大粒径の結晶を得ることができ、かつ良好な電気的特性を有する結晶化膜を作成する結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、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】
【００１０】
本発明に係る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は、前記レーザ光が、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のレーザ光であり、前記非単結晶半導体膜は、フッ素含有非単結晶半導体膜であることを特徴とする。
【００１１】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜の膜中フッ素濃度は、好ましくは、１０１８ｃｍ−３乃至１０２０ｃｍ−３である。さらに前記フッ素含有非単結晶半導体膜の膜中酸素濃度、窒素濃度は、好ましくは１０１８ｃｍ−３以下であり、膜中炭素濃度は、好ましくは１０１８ｃｍ−３以下である。
【００１２】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜は、好ましくはＳｉＨ４およびＳｉＦ４を使用して堆積される。前記ＳｉＨ４に対する前記ＳｉＦ４のガス流量比率は、好ましくは０．００８％乃至０．３％の範囲である。
【００１３】
前記フッ素含有非単結晶半導体膜は、好ましくは、レーザ光入射面上にキャップ膜を設けてなる。さらに、前記キャップ膜は、好ましくは前記フッ素含有非単結晶半導体膜の堆積後に、連続して堆積する。さらに前記キャップ膜は、好ましくはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸窒化膜のうちの少なくとも１つである。
【００１４】
前記レーザ光は、好ましくは、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。さらに前記レーザ光は、好ましくは入射角度および光強度に関して均一化された光である。
【００１５】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にＳｉＨ４とＳｉＦ４とを使用し、フッ素含有非単結晶半導体膜を堆積させる工程と、前記フッ素含有非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のキャップ膜を形成する工程と、ホモジナイズされたパルスレーザ光を前記キャップ膜を介して前記フッ素含有非単結晶半導体膜を照射して、前記フッ素含有非単結晶半導体膜の照射部を溶融し、パルスレーザ光が遮断したのち前記フッ素含有非単結晶半導体膜に結晶化領域を形成する工程と、前記結晶化領域に位置合わせして薄膜トランジスタを形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る被結晶化基板は、基板に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、このフッ素含有非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも１つのキャップ膜とを設けてなることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る薄膜トランジスタは、上記いずれかに記載の結晶化方法により製造された結晶化領域にチャネル領域、ソース領域、およびドレイン領域を形成してなることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る表示装置は、上記いずれかに記載の結晶化方法により製造された結晶化領域に画素を切替える薄膜トランジスタを形成してなることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る半導体装置は、基板上に直接または間接的に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、このフッ素含有非単結晶半導体膜に島状に設けられた結晶化領域とを具備してなることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る薄膜トランジスタは、基板上に直接または間接的に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、このフッ素含有非単結晶半導体膜に島状に設けられた結晶化領域と、この結晶化領域に設けられた少なくともチャネル領域とを具備してなることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る表示装置は、基板上に直接または間接的に設けられたフッ素含有非単結晶半導体膜と、このフッ素含有非単結晶半導体膜に島状に設けられた結晶化領域と、この結晶化領域に設けられた少なくともチャネル領域とを具備する薄膜トランジスタにより、画素電極をスイッチング駆動する駆動回路、垂直線駆動回路および水平線駆動回路のような駆動回路のうちの少なくとも１つの駆動回路を構成してなることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付の図１乃至図１７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。
【００２３】
先ず、本明細書において用いられる用語は、次のように定義する。「横方向成長（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。「投入フルエンス」とは、結晶化のための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１発のパルスのエネルギ量をいい、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。
【００２４】
「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の所望の場所に所望の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度の位相差を生じるサイズに、エッチング等のプロセスにより形成される。
【００２５】
「プロジェクションレンズ」とは、位相シフタにより作られた像を基板表面に投影するための光学系であり、照射サイズが小さい場合には、おおむねテレセントリックレンズが用いられる。テレセントリックレンズを用いることで、基板とレンズとの距離が多少変化しても投影した像のサイズが変化しないようにすることが可能である。そのため、基板側のみが平行となるような片テレセントリックレンズ系または基板側および光源側の両方が平行となるような両テレセントリックレンズ系が用いられるが、量産装置においては照射ビームとして細長い、いわゆる「長尺」ビームが用いられることが多く、本明細書中では示していないが、短辺側のみがテレセントリック構造で、長辺側はレンズ効果が生じないような、「かまぼこ」型のプロジェクションレンズを用いることで、実現可能である。
【００２６】
先ず、結晶化方法を説明するためのプロジェクション型結晶化装置の構成を、図１を参照して説明する。結晶化装置１は、レーザ光を発信するエキシマレーザ装置２と、この装置２の光軸上に順次設けられた凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７と、被結晶化基板８を載置する載置台９と、ＸＹＺθステージ１０と、コントローラ１１とからなる。即ち、結晶化装置１は、凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７とからなる結晶化用光学系によりパルスレーザ光１２を載置台９上の被結晶化基板８に照射するものである。
【００２７】
レーザ光を発信するエキシマレーザ装置２は、結晶化用光学系である凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７において光吸収の小さいレーザ光を出力する。このエキシマレーザ装置２としては、例えば波長が３０８ｎｍのレーザ光を発振するＸｅＣｌエキシマレーザ装置もしくは波長が２４８ｎｍのレーザ光を発振するＫｒＦエキシマレーザ装置が最適である。
【００２８】
このエキシマレーザ装置２の出射光路には、図示しないレーザ光量を所望の光量に調整するためのアッテネータが設けられる。このアッテネータの出射光路には、凹レンズ３および凸レンズ４を介してホモジナイザ５が設けられている。ホモジナイザ５は、照射領域におけるパルスレーザ光１２を平準化する機能を備えている。すなわち、ホモジナイザ５は、ホモジナイザ５を通過するパルスレーザ光１２を位相シフタ６への入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）するための光学系である。
【００２９】
さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光１２は、図２（ａ）に示す位相シフタ６により例えば１８０度の位相差を生じさせるようになっている。位相シフタ６は、透明体からなる。図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように平行に並ぶ複数の直線状の段差６ａを有する位相シフタ６は、段差６ａにおいてパルスレーザ光１２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１２が位相変調され、パルスレーザ光１２が光強度変調される。その結果、図２（ｄ）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６の間隔Ｗを例えば１００μｍとした。
【００３０】
図２（ａ）は、位相シフタ６の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の断面図であり、図２（ｃ）は位相シフタ６を透過したパルスレーザ光１２の光強度分布を説明するための波形図であり、図２（ｄ）は、図２（ｃ）の斜視図である。図２（ｃ）に示す光強度分布ＢＰは、断面逆三角形状ピークパターンの光強度分布例えば斜視図で三次元的に示すと図２（ｄ）ようにＶ字状溝の光強度分布となる。このような位相シフタ６は、例えば面積比（デューティ）変調型位相シフタ６である。この面積比（デューティ）変調パターンは、図２（ｃ）に示す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を得るために、図２（ａ）に示されているように段差６ａの表面の面積が変化して形成されている。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。
【００３１】
位相シフタ６で光強度変調されたパルスレーザ光１２は、プロジェクションレンズ７に入射する。プロジェクションレンズ７は、位相シフタ６の像を被結晶化基板８上面に結像させるように設けられている。プロジェクションレンズ７は、等倍、縮小例えば縮小された像の縮小率が例えば１／５の光学系である。位相シフタ６の段差６ａの表面の面積１００μｍ２に対応する投射像は、例えば４μｍ２となる。
【００３２】
被結晶化基板８の構造は、図３に示す構成である。即ち、被結晶化基板８は、絶縁体または半導体からなる基板１５例えばシリコン基板上に下地保護膜１６、非単結晶半導体膜例えば非晶質半導体膜１７、キャップ絶縁膜１８を順次積層してなる構造体である。下地保護膜１６は、基板１５からの不純物の滲透を防止し、非晶質半導体膜１７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る。下地保護膜１６は、例えば膜厚１０００ｎｍのシリコン酸化膜である。下地保護膜１６は、１層に限らず２層以上でもよい。特に、基板１５からの不純物の浸透を防止するには、例えば基板１５上にＳｉＮｘ層を成膜し、さらにＳｉＯ２層を成膜する構成が有効である。非晶質半導体膜１７は、結晶化の対象となる膜であり、膜厚例えば５０ｎｍ〜２００ｎｍの非晶質シリコンからなる。キャップ絶縁膜１８は、例えば膜厚２０〜２００ｎｍ例えば３０ｎｍのシリコン酸化膜からなる。
【００３３】
次に、このような被結晶化基板８を製造する方法の実施形態についてさらに具体的に説明する。基板１５例えばガラス基板等からなる絶縁基板の上に下地保護膜１６としての絶縁層を形成する。基板１５例えば絶縁基板には、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。下地保護膜１６は、膜厚５０〜２０００ｎｍ例えば１０００ｎｍのシリコン酸化膜をプラズマ化学気相成長法で成膜する。
【００３４】
下地保護膜１６の上に非結晶性半導体膜として例えば非晶質シリコン膜を成膜する。非晶質シリコン膜の成膜法は、例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚２００ｎｍの非晶質シリコン膜を成膜する。この非晶質シリコン膜上にキャップ膜１８を成膜する。
【００３５】
キャップ膜１８として、シリコン酸化膜を非晶質シリコン膜上に成膜する。このシリコン酸化膜は、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、化学量論的組成比に近づけた膜厚例えば３０ｎｍの膜である。
【００３６】
次いで、基板１５上に形成した薄膜１６〜１８の脱水素処理を行なう。この脱水素処理は、例えば窒素雰囲気で摂氏５８０℃×２時間の加熱処理である。このようにして被結晶化基板８が形成される。
【００３７】
載置台９は、ＸＹＺθステージ１０の上に搭載され、水平面内でＸ軸，Ｙ軸方向に移動可能であり、かつ水平面に直交するＺ軸方向に移動可能であるとともに、Ｚ軸まわりにθ回転可能である。ＸＹＺθステージ１０の電源回路はコントローラ１１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自動的に制御されるようになっている。エキシマレーザ装置２の電源回路は、コントローラ１１の出力部に接続され、パルスレーザ光１２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。
【００３８】
次に、上記ホモジナイザ５の光学系について図４を参照して具体的に説明する。図１と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。光学系は、エキシマレーザ装置２例えばエキシマレーザ光源として例えば波長３０８ｎｍ波長のエキシマパルスレーザ光を出射するＸｅＣｌエキシマレーザ光源もしくは波長が２４８ｎｍのレーザ光を発振するＫｒＦエキシマレーザ光源を備えている。エキシマレーザ光源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３、４を介して拡大された後に、ホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５は、第１のシリンドリカルレンズ２５、第１のコンデンサ光学系２６、第２のシリンドリカルレンズ２７、第２のコンデンサ光学系２８からなる。
【００３９】
ホモジナイザ５に入射したパルスレーザ光は、第１のシリンドリカルレンズ２５に入射する。第１のシリンドリカルレンズ２５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２６を介して第２のシリンドリカルレンズ２７の入射面を重畳的に照明する。その結果、第２のシリンドリカルレンズ２７の後側焦点面には、第１のシリンドリカルレンズ２５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のシリンドリカルレンズ２７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２８を介して位相変調素子６（位相シフタ）を重畳的に照明する。
【００４０】
ここで、第１のシリンドリカルレンズ２５および第１のコンデンサ光学系２６は第１のホモジナイザを構成し、この第１のホモジナイザにより位相シフタ６上での入射角度に関する均一化が図られる。
【００４１】
また、第２のシリンドリカルレンズ２７および第２のコンデンサ光学系２８は第２のホモジナイザを構成し、この第２のホモジナイザにより位相シフタ６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６に照射する。
【００４２】
位相シフタ６に入射するパルスレーザ光１２は、均一化光学系（ホモジナイザ）としての第１のシリンドリカルレンズ２５および第１のコンデンサ光学系２６により入射角度に関して均一化され、さらに第２のシリンドリカルレンズ２７および第２のコンデンサ光学系２８により光強度に関して均一化されることが望ましい。
【００４３】
即ち、ホモジナイザ５で入射角度と光強度に関して均一化されたパルスレーザ光１２は、位相シフタ６を透過すると、図２（ｃ）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２（ｃ）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、このパルスレーザ光１２が被結晶化基板８を照射すると理論的には位相シフタ６の段差６ａ−６ａの幅間隔Ｗに応じたサイズの大結晶粒を横方向成長させることが可能になる。
【００４４】
このとき非晶質半導体膜１７の光吸収による発熱効果と絶縁層の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、溶融→凝固結晶化→結晶粒横方向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２（ｃ）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。
【００４５】
なお、上記実施例は基板５に位相シフタ４による変調光を投射するプロジェクション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所望の距離を離して基板５上に位相シフタ４を設置したプロキシミティ法にも適用することができる。
【００４６】
次に、この結晶化装置１による結晶化方法を具体的に説明する。図１乃至図４と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。コントローラ１１に予め記憶されたプログラムにより自動的に制御される。コントローラ１１は、被結晶化基板８を載置台９の予め定められた位置に搬送制御し、被結晶化基板８を仮固定例えば静電チャック又はバキュームチャックの制御をする。コントローラ１１は、仮固定された被結晶化基板８を予め定められた手順で位置合わせする。
【００４７】
コントローラ１１は、エキシマレーザ装置２発振させるための制御をする。この結果、エキシマレーザ装置２例えばＸｅＣｌもしくはＫｒＦエキシマレーザ装置２は、発振し、パルスレーザ１２を出射する。このパルスレーザ１２は、例えばパルス幅例えば３０ｎｓｅｃ、照射レーザフルエンス例えば９４０ｍＪ／ｃｍ２のパルスレーザ光５０を出射する。このパルスレーザ光１２は、凹レンズ３、凸レンズ４により発散収束されてホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５は、入射したパルスレーザ光１２の入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）する。
【００４８】
ホモジナイザ５は、均一化されたパルスレーザ光１２を位相シフタ６に入射させ、位相シフタ６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パルスレーザ光１２を出射する。エキシマレーザ装置２から出射されたパルスレーザ光１２は、ホモジナイザ５で光強度及び入射角の均一化がされたのち位相シフタ６により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に変調され、この光強度分布がプロジェクションレンズ７により被結晶化基板８に結像される。この結果、結像部の非晶質半導体膜１７は溶融し、レーザ光が遮断されたのち結晶化される。
【００４９】
この結晶化過程において、被結晶化基板８内においては、次のような過程で非晶質半導体膜１７の結晶化が行われる。即ち、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パルスレーザ光１２が、被結晶化基板８に入射したとき、被結晶化基板８の非晶質半導体膜１７のパルスレーザ光１２は、非晶質半導体膜１７に入射し、その照射部のみ直ちに厚さ方向に溶融させる。
【００５０】
このときの非晶質半導体膜１７の温度上昇は、下地保護膜１６およびキャップ絶縁膜１８に伝達し蓄熱される。この蓄熱効果は、パルスレーザ光が遮断されたとき非晶質半導体膜１７の被照射部が急激に降温することを妨げる。そのため、大粒径の結晶化領域の形成を可能にする。非単結晶半導体膜の非晶質半導体膜１７が直ちに厚さ方向に溶融し、パルスレーザ光が遮断されたとき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、ラテラル方向すなわち横方向（非晶質半導体膜１７の厚みに直交する方向）に結晶粒が成長する。
【００５１】
この結晶成長は、下地保護膜１６、キャップ絶縁膜１８の蓄熱効果により結晶粒の横方向成長が促進されるので、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。
【００５２】
このような結晶化工程は、エキシマレーザ装置２と被結晶化基板８とを相対的に移動例えば、コントローラ１１がＸＹＺθステージ１０を移動させることにより非晶質半導体膜１７の予め定められた領域を連続的又は間欠的に全面にわたって行われる。
【００５３】
ＥＬＡ法を用いた横方向（ラテラル）成長プロセスにおいて、大粒径、即ち横方向成長長さが長い結晶を得ること、かつ良好な電気特性を有する結晶化膜を作成することを目的とし、横方向成長長さに影響を与える要因について検討した。
【００５４】
まずシリコン膜中の不純物が、横方向成長長さに対してどのような影響を与えるかを検討するためのサンプルを準備した。サンプル中の不純物およびその不純物の濃度を精度良く制御するために、イオン注入法を用いてサンプルを作成した。サンプルの構造は、図３に示した構造と同じ層構造を有するものを準備した。具体的には、さまざまな不純物濃度に関するサンプルを準備するため、図５に示されるサンプル作成工程５０の各工程（工程５１〜５７）を経て作成された。サンプル作成の各工程について説明する。まず下地基板として１μｍ熱酸化膜付きＳｉウェハを準備する（工程５１）。その上に、被結晶化膜である非単結晶半導体膜として、ＳｉＨ４を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法にてａ−Ｓｉ：Ｈ膜を例えば２００ｎｍ堆積させる（工程５２）。
【００５５】
さらに、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜上にＳｉＨ４およびＮ２Ｏを原料ガスとしてキャップ酸化膜を３０ｎｍ堆積させた（工程５３）。このキャップ酸化膜は、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜中に不純物を適切にイオン注入のために設けるものであり、イオン注入後にこのキャップ酸化膜を除去（工程５５）することにより注入表面近傍での過剰なドーズ量および過度のダメージを除去することができる。
【００５６】
工程５４では、イオン注入法により、不純物として考えられるカーボン（Ｃ），窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）またはフッ素（Ｆ）を、さらにイオン注入のダメージの影響を調べるリファレンスとしてシリコン（Ｓｉ）をそれぞれ注入したサンプルを作成した。その後、イオン注入用キャップ酸化膜を希フッ酸等のエッチングによりウェットエッチング処理することにより除去した（工程５５）。再度、ＳｉＨ４およびＮ２Ｏを原料ガスとしてキャップ酸化膜３００ｎｍを堆積した（工程５７）。リファレンスとして、非晶質半導体膜１７例えばａ−Ｓｉ：Ｈ膜上に大気開放せずにサンプルを作成する工程５６を経由してキャップＳｉＯ２膜を堆積させたサンプルも用意した。
【００５７】
作成されたサンプルは、窒素雰囲気中で５８０℃でのアニールにより脱水素化の後、大気中で加熱することなく室温に設定された被結晶化基板８に、ＫｒＦもしくはＸｅＣｌエキシマレーザ光パルスのシングルショットにより、結晶化された。即ち、室温の被結晶化基板８には、パルスレーザ光の１パルスのレーザ光を照射した。そして、１パルスのレーザ光に照射されて結晶化された膜の超小形構造（マイクロストラクチャ）は、セコエッチング（Ｓｅｃｃｏ−ｅｔｃｈｉｎｇ）後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって評価された。
【００５８】
表１に、大気開放の影響およびイオン注入のダメージによる影響を調べるために準備された４種類のサンプルをサンプル１〜サンプル４として示す。
【００５９】
【表１】
2007059695.tif 000003
【００６０】
サンプル１およびサンプル２は、大気開放の影響を調べるために作成されたサンプルである。サンプル１およびサンプル２の横方向成長長さを比較することにより、横方向成長長さに及ぼす大気開放の影響が判る。さらに、サンプル２，サンプル３およびサンプル４の横方向成長長さを調べることにより、イオン注入によるダメージが横方向成長長さに及ぼす影響が判る。注入されたイオンの値は、ピーク濃度の値に対応するものである。サンプルは、異なる光強度・光強度分布による影響を排除するために、９４０ｍＪｃｍ−２の一定のピーク光強度を有し、光強度分布のピーク部の位置と谷部の位置の間の距離、すなわちスロープ幅Ｗｓ（光強度分布のピッチ間隔ＰＷの半分の値）が１５μｍに固定された光強度分布を有するレーザ光で結晶化された。後述するが、各サンプル構造に対して種々のスロープ幅Ｗｓを使用して横方向成長長さを測定した結果、１５μｍの光強度分布がもっとも長い横方向成長長さを与えることが判っている。
【００６１】
図６は、４つのリファレンスに対する横方向成長長さを示すものである。図６のサンプル１およびサンプル２の横方向成長長さを比較すると大きく異なっていることが判る。すなわちキャップ膜ＳｉＯ２とＳｉとの界面を大気に暴露することにより、横方向成長長さが約７μｍから約４．７μｍ程度にまで短くなっている。すなわち大気開放無く作成された積層構造（サンプル１）は、より長い結晶粒成長長さを得ていることより、大気暴露中に起こるＳｉ表面のコンタミネーションが結晶成長を大きく阻害するものと考えられる。
【００６２】
これに対し、イオン注入時のダメージは、図６に示すサンプル２、サンプル３およびサンプル４の横方向成長長さの結果にほとんど差がないことより、横方向結晶成長に対しては重要な因子ではないことが判る。横方向成長に対するイオン注入のダメージの影響が無視出来るほど小さい理由は、横方向の結晶化は、Ｓｉをレーザアニールにより溶融するため、イオン注入中に固体Ｓｉに入ったダメージがその溶融により修復もしくは緩和されたものと思われる。従って、結晶成長長さにおけるＳｉ膜中の不純物濃度依存性を議論する場合に、イオン注入法により意図的に不純物を含有させたサンプルを用いて評価することができる。これはイオン注入時のイオンダメージが、殆ど結晶成長に影響しないことによるものである。
【００６３】
図７は、レーザアニールされたＳｉ膜中のカーボン濃度の深さプロファイルを示す。この実験で、２つのサンプルを使用した。１つのサンプルは、１μｍ熱酸化膜付きのＳｉ基板上に厚さ２００ｎｍのａ―Ｓｉ：Ｈ膜と、さらにその上に厚さ３００ｎｍのキャッピングＳｉＯ２膜とを有する積層構造からなる。他のもう１つのサンプルは、同じ１μｍ熱酸化膜基板上に２００ｎｍのａ―Ｓｉ：Ｈ膜だけ堆積された、すなわちキャッピング膜が無い構造を有するものである。
【００６４】
Ｓｉ膜の不純物としてのカーボンは、キャッピング膜無しの場合には、レーザーアニーリングのショット回数を増す毎に、サンプルのより深い部分に浸透していくことが判る。それに対し、３００ｎｍの厚さのキャップ膜付きの場合には、レーザを２０ショットしたにもかかわらずカーボンの浸透は非常に少ないことが判る。カーボンの浸透は、大気中からのコンタミネーションに起因し、キャップ膜は、レーザアニールプロセスの間、コンタミネーションに対して重要な役割を果たしていることが判る。図６および図７の結果より、Ｓｉ表面のコンタミネーションを低減するためのキャップ膜が必要であることが判った。
【００６５】
図８は、さまざまなカーボン濃度を有するサンプルのＳＥＭ写真を示す。カーボン濃度は、イオン注入のドーズ量によって算出された。結晶化する場合のレーザ光の照射強度については、ピーク光強度を９４０ｍＪｃｍ−２に固定した。そして光強度分布としては、スロープ幅Ｗｓを１５μｍに固定して実験を行った。横方向成長長さは、カーボン濃度の増加と共に短くなり、これは横方向成長が、カーボンを起因として自然発生的に垂直成長が起こる位置で、止まってしまうことによる。垂直成長の確率は、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面での核形成の確率に比例する。おそらく短い横方向成長は、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面での不純物であるカーボンに起因した核形成の高い頻度に対応するものである。これは、例えば３ｘ１０１８ｃｍ−３や１ｘ１０１９ｃｍ−３のより高いカーボン濃度を有するサンプルで生じた第２の横方向成長からも判る。
【００６６】
以上の実験により、非結晶半導体膜中のカーボン等の不純物が結晶成長を阻害していることが判った。そしてキャップ膜の無い状態でレーザアニールすることによりカーボンの半導体膜中への浸透が進むが、キャップ膜を設けた場合にはカーボンの浸透が低減されることより、非結晶半導体膜上にキャップ膜を設けることがカーボン等の汚染、レーザアニールによる膜中への浸透に対して有効であることが判った。ここでキャップ膜は、１層のみのキャップ膜について示したが、複数のキャップ膜を用いても良いし、またキャップ膜としてシリコン酸化膜を用いたが、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜を用いても良い。
【００６７】
次に横方向成長長さにおける照射レーザ光の光強度分布の影響について検討した。図９に、予想される光強度分布のプロファイルを示す。断面逆三角形状ピークパターンの光強度分布のピーク部の位置と谷部の位置との間の距離、すなわちスロープ幅Ｗｓは、光強度分布のピッチ間隔ＰＷの半分の値になる。ピーク部と谷部の強度を維持したまま、任意に変化させることができる。
【００６８】
いくつかの異なるカーボン濃度を有するサンプルの横方向成長長さは、光強度分布のスロープ幅Ｗｓの関数として図１０に示される。長いスロープ幅Ｗｓ、すなわち光強度分布のスロープが緩やか場合に、必ずしも長い横方向成長長さを得られるわけではない。図１０より、横方向成長長さは、スロープ幅Ｗｓに対し極大値を持つような関係を有し、最長の横方向成長長さに対応する最適なスロープ幅Ｗｓが存在する。
【００６９】
さらに、カーボン濃度が増加するに従い横方向成長長さが短くなり、最も長い横方向成長長さを与える最適スロープ幅Ｗｓも１５μｍから１０μｍに移動することが判る。この結果より、不純物、例えばカーボン等に対しては１ｘ１０１７ｃｍ−３〜１ｘ１０１８ｃｍ−３の不純物濃度範囲ではスロープ幅Ｗｓが１５μｍで横方向成長長さが最長値を示し、３ｘ１０１８ｃｍ−３以上の不純物濃度範囲ではスロープ幅Ｗｓが１０μｍで横方向成長長さが最長値を示す。これにより、横方向成長長さは、光強度分布プロファイルにも影響を受け、不純物濃度例えばカーボン等の不純物濃度においては１０１８ｃｍ−３以上の不純物濃度範囲では最適スロープ幅Ｗｓは１０μｍであり、１ｘ１０１７ｃｍ−３〜１ｘ１０１８ｃｍ−３の不純物濃度範囲では最適スロープ幅Ｗｓは１５μｍであることが判った。
【００７０】
第１の実施の形態
図１１は、いくつかの不純物元素（Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ）の濃度と横方向成長長さとの関係を示す。ピーク光強度分布において、最大の横方向成長長さを得るように、スロープ幅Ｗｓが１５μｍとなる分布が選択された。イオン注入された不純物がフッ素の場合、横方向成長長さは、フッ素濃度により殆ど影響を受けない。図１１の結果より原子番号が大きくなるにしたがって、不純物濃度と横方向成長長さとの間の依存性がより少なくなることが判る。
【００７１】
この結果は、２つの可能性を示唆している。１つの可能性は、不純物原子のサイズと関係すると考えられる。原子番号が増加するに伴い原子サイズの大きさも増大する。そしてＳｉ原子と不純物原子との間のサイズのミスマッチの度合いが核形成比率に対応すると考えられる。もう一つの可能性は、不純物原子の結合手の数に関係する。横方向成長中に、全原子数に比べ不純物原子のダングリングボンド（未結合手）の数がとても少ない場合には、結合のフレキシビリティは大きくなる。つまりＳｉ結晶の横方向成長を阻害する不純物原子のダングリングボンドが少ないために長い横方向成長長さを実現出来たと考えられる。このフレキシビリティの度合いは、直接、核形成率に対応する。
【００７２】
図１１の結果より、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜中にフッ素が混入しても結晶成長には影響を与えないことが判った。現状のプロセスは、非単結晶半導体膜、例えばａ−Ｓｉ：Ｈ膜の脱水素化のための熱処理（５８０℃窒素雰囲気下）を必要とする。これは、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜中には水素が数％から十数％含まれており、ＥＬＡ法を行うと瞬時に１０００℃以上の高温になるため、水素が急激に抜けて膜が剥がれてしまう。そのため、ＥＬＡ前に熱処理してａ−Ｓｉ：Ｈ膜中の水素濃度を数％程度以下に低減するのである。この脱水素化処理により、過剰水素は離脱しＥＬＡ時のはがれを防止し、また残った水素の一部は結晶化後のシリコンのダングリングボンドのターミネーションとして働き、電気的特性を改善することができる。しかしＳｉ−Ｈ結合は結合力が弱く不安定である事も判っている。図１１の結果より、フッ素の混入が膜の結晶成長に影響を与えないことが判った。Ｓｉ−Ｈ結合より結合力の強いＳｉ−Ｆ結合を使用し、シリコンのターミネーション（終端）を行えば安定した結合のＳｉ−Ｆを有するとともに、さらに横方向結晶成長も長い良好な結晶粒を得ることができた。
【００７３】
第２の実施の形態
更にＳｉ−Ｆ結合が、Ｓｉ−Ｈ結合と同等以上の結合強度を有し、Ｓｉ−Ｈに代わるシリコンのダングリングボンドのターミネーションとして働き、電気的特性を改善することができるのではないかと考えた。そこで膜中のフッ素含有が半導体の電気的特性にどのような影響を与えるかを調査した。
【００７４】
図１２には、電界効果移動度の膜中フッ素濃度依存性を示す。この測定は、ゲート絶縁膜厚５０ｎｍ、シリコン膜厚５０ｎｍ、チャンネル濃度２ｘ１０１６ｃｍ−３、チャンネル注入はＢにて行ったものである。通常使用のもの（左端のフッ素含有のないもの（横軸：ｎｏ  Ｆ））と比較し、フッ素濃度１ｘ１０２０ｃｍ−３以下の範囲の電界効果移動度は、ほぼ同等か、もしくは高い移動度を有している。さらにエラーバーにて示されるように、通常使用のものは、電界効果移動度のバラツキが大きいが、フッ素を含有するものは、そのバラツキが少なく、安定して良好な移動度を提供していることが判る。以上の結果より、膜中へのフッ素の注入において、フッ素濃度１ｘ１０２０ｃｍ−３以下の範囲であれば、フッ素を含有していない通常使用のものに比べ、良好な電界効果移動度を有することが判った。
【００７５】
さらに図１３には、しきい電圧シフトの膜中フッ素濃度依存性を示す。しきい電圧シフトの測定の際のＴＦＴ構造は、チャネルドーズ：Ｂ，チャネル濃度：２ｘ１０１６ｃｍ−３、ゲート酸化膜：５０ｎｍ、ゲート電極：Ｍｏ−Ｗ合金、層間絶縁膜：ＳｉＯ２膜３００ｎｍ、Ｓ／Ｄメタル：Ｔｉ（バリアメタル）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金５００ｎｍである。ストレス条件は、ゲート電圧：＋１５Ｖ，ソース・ドレイン電圧：０Ｖ、基板温度：９０℃、ストレス時間：１００００秒である。
【００７６】
通常使用のもの（左端のフッ素含有のないもの（横軸：ｎｏ  Ｆ））と比較し、フッ素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３以上の範囲のしきい電圧シフトは、低く、またエラーバーにて示されるように、バラツキも非常に少ない安定したしきい電圧シフトを提供していることが判る。以上の結果より、膜中へのフッ素の注入において、フッ素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３以上の範囲であれば、フッ素を含有していない通常使用のものに比べ、良好なしきい電圧シフトを有することが判った。
【００７７】
以上、電界効果移動度およびしきい電圧シフトのフッ素濃度依存性の結果より、フッ素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３乃至１ｘ１０２１ｃｍ−３の場合に、良好な電気的特性を得ることに成功した。
【００７８】
第３の実施の形態
電界効果移動度のフッ素濃度の影響に加え、さらに他元素の影響についても調べた。フッ素に加え注入元素として、さらに酸素、窒素、カーボンがそれぞれ注入されたサンプルと、リファレンスとしてフッ素のみを注入したサンプルの電界効果移動度を測定した。図１４に、フッ素のみの注入されたサンプル（フッ素濃度：１ｘ１０１７ｃｍ−３乃至１ｘ１０２１ｃｍ−３）および注入無しのサンプル（横軸にｎｏ  Ｆと記載）、およびこれらフッ素注入有り及び注入無しのサンプルに酸素濃度１ｘ１０１９ｃｍ−３、窒素濃度１ｘ１０１９ｃｍ−３、炭素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３をそれぞれ注入されたサンプルの電界効果移動度を示す。横軸には、注入されたフッ素濃度を、縦軸には電界効果移動度を示す。
【００７９】
フッ素のみが注入されたサンプルでは良好な電界効果移動度を示すが、酸素濃度１ｘ１０１９ｃｍ−３、窒素濃度１ｘ１０１９ｃｍ−３、炭素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３それぞれ注入されたサンプルでは、電界効果移動度が低下し電気特性が悪化していることが判る。同じ実験を、酸素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３、窒素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３、炭素濃度１ｘ１０１７ｃｍ−３をそれぞれ注入されたサンプルでは電界効果移動度の低下は見られず、図１４に示すフッ素のみが注入されたサンプルと同じ値を得ることができた（図示せず）。従って、フッ素以外の不純物濃度を低下させた状態で、例えば酸素であれば酸素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３以下と、窒素であれば窒素濃度１ｘ１０１８ｃｍ−３以下と、炭素であれば炭素濃度１ｘ１０１７ｃｍ−３以下とした状態でフッ素を含有させることにより良好な電気特性を得ることができた。
【００８０】
実際に膜中の酸素濃度、窒素濃度、炭素濃度を低減させる方法として、非単結晶半導体膜の堆積時に、チャンバ壁からの脱ガスの抑制、堆積前のプリコートプロセス、および排気装置からのオイルの逆流に対し対処することにより、堆積された膜中の酸素濃度、窒素濃度、および炭素濃度は、標準のプラズマＣＶＤ装置で堆積した標準的な膜の値の１／１００程度の非常に低い濃度を実現することができた。
【００８１】
第４の実施の形態
上記の実施形態では、横方向結晶成長および電気的特性の膜中フッ素含有量依存性を定量的に正確に評価するため、プラズマＣＶＤ法で堆積した非単結晶半導体膜に、フッ素イオン注入法にて形成されたフッ素含有非単結晶半導体膜を使用した。しかし、実際の製造工程においては、フッ素含有非単結晶半導体膜はプラズマＣＶＤ法を使用して堆積されなければならない。これは現状のプロセスとの整合性、量産性等によるものである。そこで、フッ素含有非単結晶半導体膜をプラズマＣＶＤ法にて堆積するため、通常使用されるＳｉＨ４ガスに加え、フッ素含有ガスであるＳｉＦ４を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法にてフッ素含有非単結晶半導体膜の堆積を試みた。
【００８２】
その結果の一例を、図１５に示す。膜中フッ素濃度を幅広く制御するためフッ素含有ガスとして、１０００ｐｐｍＳｉＦ４（Ｈ２ベース）、１％ＳｉＦ４（Ｈ２ベース）、１００％ＳｉＦ４ガスが使用が使用された。膜の堆積条件は、ＳｉＨ４流量を１００ｓｃｃｍに固定し、ＳｉＦ４ガス流量を可変とし、圧力２００Ｐａ、基板温度２８０℃にて堆積を行った。横軸には、ＳｉＨ４ガス流量に対する実際に導入されたＳｉＦ４ガスの実流量比率（％）を、縦軸にはその時に堆積された膜中のフッ素濃度の測定値を示す。図１５より、ＳｉＦ４／ＳｉＨ４流量比率を変化させることにより、膜中フッ素含有量を幅広く制御出来ることが判る。
【００８３】
このＳｉＦ４／ＳｉＨ４のガス流量比率制御法により、フッ素含有量を制御された非単結晶半導体膜をＥＬＡ法にて結晶化し、その結晶化膜の横方向成長長さおよび電気的特性（電界効果移動度、しきい電圧シフト等）を測定したところ、フッ素イオン注入法にて作成されたフッ素含有含有非単結晶半導体膜の横方向成長長さおよび電気的特性と同等の結果を得ることができた。
【００８４】
すなわち、ＳｉＨ４とＳｉＦ４を原料ガスとして用いて堆積した膜であっても、先の実施の形態で示したように、膜中フッ素濃度が１ｘ１０１８ｃｍ−３乃至１ｘ１０２０ｃｍ−３の範囲であれば、良好な横方向成長長さと電気的特性を得ることができた。図１５より膜中フッ素濃度が１ｘ１０１８ｃｍ−３乃至１ｘ１０２０ｃｍ−３の範囲に対応するＳｉＦ４／ＳｉＨ４流量比率は、０．００８乃至０．３％であった。従ってこの流量比の範囲内になるＳｉＦ４およびＳｉＨ４ガス流量とすることにより、フッ素濃度を１ｘ１０１８ｃｍ−３乃至１ｘ１０２０ｃｍ−３の範囲に制御することができ、良好な横方向成長長さと電気的特性を得ることができる。
【００８５】
第５の実施の形態
第４の実施の形態で堆積されたフッ素含有非単結晶半導体膜中において、第３の実施の形態で示した膜中の酸素濃度、窒素濃度、炭素濃度の低減効果を実現する方法として、先に述べたキャップ膜による外部からの汚染防止も効果があるのではないかと考え実験を行った。第４の実施の形態に記載された方法により堆積されたフッ素含有非単結晶半導体膜上に大気開放せずに連続に堆積することにより大気雰囲気からの汚染低減を試みた。堆積されたフッ素含有非単結晶半導体膜をＥＬＡ法にて結晶化し、その結晶化膜の横方向成長長さおよび電気的特性（電界効果移動度、しきい電圧シフト等）を測定したところ、キャップ膜を付けない、もしくは大気開放した後にキャップ膜を付けたフッ素含有含有非単結晶半導体膜に比べ良好な結果を得ることができた。
【００８６】
ここで連続に堆積とは、１：プラズマＣＶＤ法にてフッ素含有非単結晶半導体膜を堆積した後、プラズマをオフせずにプラズマを維持したまま連続してキャップ膜用の原料ガスに切り替えて堆積する場合、２：プラズマＣＶＤ法にてフッ素含有非単結晶半導体膜を堆積した後、プラズマを一度オフし、同一チャンバでキャップ膜用の原料ガスに切り替えて再度プラズマを着火し堆積する場合、３：プラズマＣＶＤ法にてフッ素含有非単結晶半導体膜を堆積した後、大気開放せずにキャップ膜堆積用の別チャンバに搬送し（例えばクラスター化されたマルチチャンバ装置内のチャンバ間搬送等）、そこでキャップ膜を堆積する場合がある。
【００８７】
上記、キャップ膜は、ＳｉＨ４とＮ２Ｏを原料ガスとするシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）に限定されず、ＳｉＨ４，Ｎ２Ｏ，ＮＨ３を原料ガスとするシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）、またはＳｉＨ４，ＮＨ３を原料ガスとするシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を用いても良い。特に下地膜がフッ素含有非単結晶半導体膜の場合、フッ素耐性が強くフッ素含有膜に対して強い密着性を有するシリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜を用いることは有効である。またキャップ膜は、それぞれの膜の単一膜である必要もなく、それぞれの膜を積層した複数層を有する積層膜であっても良い。例えば、フッ素含有非単結晶半導体膜上には、フッ素耐性の強いシリコン窒化膜を堆積し、このシリコン窒化膜上には応力が少なく、他のプロセスとの整合性が高いシリコン酸化膜を積層した２層構造の積層膜としても良い。
【００８８】
第６の実施の形態
次に、結晶化された領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構成およびその製造方法について図１６を参照して説明する。上述の結晶化方法により大結晶粒化した半導体膜をもつ被結晶化基板８を利用して薄膜トランジスタを作製した。図３と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
【００８９】
絶縁体叉は半導体からなる基板１５例えば低アルカリガラス基板上に下地保護膜１６を形成する。下地保護膜１６は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）またはシリコン窒化膜を主成分として含む絶縁膜、例えば膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜である。下地保護膜１６は、ガラス基板に密接して形成されていることが好ましい。上記下地保護膜１６は、基板１５例えばガラス基板から上記フッ素含有非晶質半導体膜１７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。
【００９０】
下地保護膜１６の上にフッ素含有非単結晶半導体膜例えばフッ素含有非晶質半導体膜１７を成膜する。このフッ素含有非晶質半導体膜１７は例えばフッ素含有非晶質シリコン膜である。非晶質シリコン膜は、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のフッ素が含有された水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ膜）である。
【００９１】
フッ素含有非晶質シリコン膜上にキャップ絶縁膜１８を形成して、被結晶化基板８を形成する。この被結晶化基板８は、図４に示されたホモジナイザ５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て図２（ｃ）に示す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パルスレーザ光１２を形成し、このレーザ光１２を被結晶化基板８に照射して結晶化工程を終了する。
【００９２】
次に、結晶化工程を終了したのちフッ素含有非晶質半導体膜１７上のキャップ絶縁膜１８をエッチングにより除去する。次に、露出したフッ素含有非晶質半導体膜１７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１６に示す薄膜トランジスタ３５を次のようにして製造する。まずフッ素含有非晶質半導体膜１７には、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３６およびソース領域３７およびドレイン領域３８のそれぞれに略対応する予め定められた所定パターンのＳｉアイランド（島状Ｓｉ領域）３９が形成される。このとき、薄膜トランジスタ３５の少なくともチャネル領域３６は、上記結晶化された領域に形成される。Ｓｉアイランド３９は、総て島状結晶化領域または一部結晶化領域である。島状結晶化領域には、チャネル領域３６、ソース領域３７およびドレイン領域３８が形成されることが最適である。島状結晶化領域には、少なくともチャネル領域３６が形成される。
【００９３】
次に、チャネル領域３６、ソース領域３７およびドレイン領域３８上にゲート絶縁膜４０を形成する。このゲート絶縁膜４０は、シリコン酸化膜あるいはシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を主成分とする材料で、厚さ１０〜２００ｎｍのシリコン酸化膜、あるいは３０〜５００ｎｍのシリコン酸窒化膜である。本実施例では、シリコンに接する側として３ｎｍのシリコン酸化膜４１を、その上側にプラズマＣＶＤ法で、ＳｉＨ４（シランガス）とＮＨ３（アンモニアガス）、Ｎ２Ｏ（笑気ガス）を原料としたシリコン酸窒化膜４２（ＳｉＯＮ膜）を５０ｎｍの厚さで形成してゲート絶縁膜４０とした。２層とした理由は、シリコンの界面側では界面準位密度の低いシリコン酸化膜４１を、上側はリーク電流を小さくするために誘電率の高いＳｉＯＮ膜４２を用いたものであるが、これに限定されるものではなく、１層のみでも本発明の趣旨は逸脱しない。また本実施例では示していないが、ゲート絶縁膜４０の下側のシリコン酸化膜４１として酸素プラズマなどで島状のＳｉアイランド３９の表面を酸化した膜を用いることも可能である。
【００９４】
次に、ゲート絶縁膜４０上にゲート電極４３を形成するために導電層を形成した。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Ｍｏ−Ｗ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４３を形成した。
【００９５】
次に、ゲート電極４３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３７およびドレイン領域３８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１．５×１０２０〜３×１０２１ｃｍ−３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３７およびドレイン領域３８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。
【００９６】
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摂氏３００〜６５０℃の温度域で行うことが望ましく、本実施例では摂氏５００℃で４時間の熱処理を行った。
【００９７】
次に、ゲート電極４３およびゲート絶縁膜４０の上に層間絶縁膜４４を形成した。層間絶縁膜４４はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化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。
【００９８】
次に、層間絶縁膜４４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４４の表面上に導電層を形成し、この導電層を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。このようにして図１６に示す薄膜トランジスタ３５を形成した。
【００９９】
第７の実施の形態
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。図１７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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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、結晶粒の横方向成長長さが大幅に促進され、大粒径の結晶粒をち密に形成することができる。
【０１０３】
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（例えば摂氏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、本実施形態において、エキシマレーザ装置２としては、例えば３０８ｎｍのレーザ光を発振するＸｅＣｌエキシマレーザ装置を使用したが、波長が２４８ｎｍのレーザ光を発振するＫｒＦエキシマレーザ装置でも同様の良好な効果が得られたことを確認している。この波長が３００ｎｍ以下のレーザ光による結晶化プロセスは、光吸収による光学系の発熱で、焦点ボケや結晶化位置の位置ズレが許容される範囲で使用することが望ましい。従って、本発明の他の実施形態として、波長が２４８ｎｍのレーザ光を発振するＫｒＦエキシマレーザ装置をエキシマレーザ装置２として使用してもよい。
【０１０４】
上記実施形態では、非単結晶半導体膜にフッ素を含有させる手段として、イオン注入やプラズマＣＶＤ法による例について説明したが、例えば熱拡散など他の手段によりフッ素を含有させても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の結晶化方法を説明するための結晶化装置の構成を示す構成ブロック図である。
【図２】図１の位相シフタの構成と、この位相シフタにより変調された光強度分布を説明するための図であり、（ａ）は位相シフタの平面図、（ｂ）は（ａ）図の断面図、（ｃ）は位相シフタを通過し位相変調されたレーザ光の光強度分布を示す図、（ｄ）は（ｃ）図のレーザ光の光強度分布を三次元的に示す図である。
【図３】図１の被結晶化基板の構成を説明するための断面図である。
【図４】図１のホモジナイザの光学系を説明するための構成図である。
【図５】イオン注入法によるサンプル作成工程を示すフローチャートである。
【図６】各サンプルのＥＬＡ後の横方向成長長さを示す図である。
【図７】カーボンの濃度の深度プロフィルがレーザアニールされたＳｉ膜中のカーボン濃度の深さプロファイルを示す図である。
【図８】さまざまなカーボン濃度を有するサンプルのＥＬＡ後のＳＥＭ写真により結晶成長の状況を示す図である。
【図９】予想される断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のプロファイルを示す図である。
【図１０】横方向成長長さの光強度分布スロープ幅Ｗｓの依存性を示す図である。
【図１１】不純物元素（Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ）の濃度と横方向成長長さとの関係を示す図である。
【図１２】電界効果移動度の膜中フッ素濃度依存性を示す図である。
【図１３】しきい電圧シフトの膜中フッ素濃度依存性を示す図である。
【図１４】膜中不純物濃度が異なるサンプルの電界効果移動度の膜中フッ素濃度依存性を示す図である。
【図１５】膜中フッ素濃度のＳｉＦ４／ＳｉＨ４流量比率依存性を示す図である。
【図１６】図１の結晶化装置により結晶化された結晶化領域に薄膜トランジスタを形成する工程を説明するための断面模式図である。
【図１７】図１６の薄膜トランジスタにより表示装置を形成する工程を説明するための表示装置の斜視図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１…結晶化装置、  ２…エキシマレーザ装置、  ３、４…光学系、  ５…ホモジナイザ、  ６…位相シフタ、  ７…プロジェクションレンズ、  ８…被結晶化基板、  ９…載置台、  １０…ＸＹＺθステージ、  １１…コントローラ、  １２…パルスレーザ光、  １５…基板、  １６…下地保護膜、  １７…非晶質半導体膜、  １８…キャップ絶縁膜、  ２５…第１のシリンドリカルレンズ、  ２６…第１のコンデンサ光学系、  ２７…第２のシリンドリカルレンズ、  ２８…第２のコンデンサ光学系、  ３５…薄膜トランジスタ、  ３６…チャネル領域、  ３７…ソース領域、  ３８…ドレイン領域、  ３９…Ｓｉアイランド、  ４０…ゲート絶縁膜、  ４１…シリコン酸化膜、  ４２…ＳｉＯＮ膜、  ４３…ゲート電極、  ４４…層間絶縁膜、  ７０…表示装置、  ７１、７２…絶縁基板、  ７３…電気光学物質、  ７４…画素アレイ部、  ７５…垂直駆動回路、  ７６、水平駆動回路、  ７７…端子部、  ７８…配線、  ７９…ゲート配線、  ８０…信号配線、  ８１…画素電極、  ８２…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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【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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