結晶化方法
【課題】大粒径の結晶粒を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キャップ膜を設け、単調増加と単調減少を繰り返す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を非単結晶半導体膜に照射する。
【解決手段】非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上にキャップ膜を設け、単調増加と単調減少を繰り返す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を非単結晶半導体膜に照射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶、有機ＥＬ等の表示装置の製造に用いる結晶化方法に関する。
【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など多結晶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、高速化されるためこれら情報を表示するための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など非単結晶半導体膜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存在することになり、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。結晶粒界数のバラツキにより各薄膜トランジスタの特性にバラツキが発生し特に、一画面内均一な表示が求められる表示装置には、適さない課題がある。
【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の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膜からなるキャップ膜やＳｉＯ2膜からなるキャップ膜を介して非晶質シリコン膜に０．８Ｊ／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、キャップ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膜からなるキャップ膜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、非晶質シリコン膜の溶融領域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。
【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場合があり、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）形成したい要求がある。
【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、基板の温度に対して、さらに低温又は常温処理の要求がある。例えば図２０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。
【０００９】
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、これら汎用ガラスを液晶表示装置（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。
【００１０】
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】
【００１１】
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によるものと推察される。
【００１２】
図２１は、位相シフタ４からなる光学系と非単結晶半導体層を有する基板５と、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特性曲線図である。この光強度分布において最初の逆ピーク波９１から次のピーク波９２までの成分はラテラル成長に寄与するが、一方、この波形より外側の高次振動波９３は逆ピーク波により結晶核が生じて、微細な結晶粒が生成されるために、膜全体として均一かつ、ち密に大粒径の結晶化が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）では、レーザ光を位相変調した光が高次の振動９３を含むために、大粒径の結晶粒をち密に形成することができないことが判明した。
【００１３】
本発明の結晶化方法は、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絶縁膜として酸化シリコン膜を介して非単結晶半導体膜に入射させることにより比較的大粒径の結晶粒を、ち密に並べて形成することができる。換言すれば、高次振動波９３を含まない図１（ｂ）に示すような光強度分布ＢＰをもつ位相変調光学系を透過したレーザ光を非単結晶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。位相変調光学系は、例えば位相シフタである。
【００１４】
また、レーザ光に照射された非単結晶半導体膜の溶融部分の凝固開始温度は、対象となる上記半導体膜に固有の物性値を持っている。このことから、本発明者らは、ラテラル成長の開始フルエンスは、上記半導体膜に固有の数値であると考え、パルスレーザのフルエンスによらずほぼ一定値であることを見出した。さらに、ラテラル成長の終了は、冷却速度が成長速度よりも速くなってしまい、成長方向に新規の核発生が生じるような場合だけでなく、瞬間的な加熱によってキャップ膜あるいは上記半導体膜が剥がれてしまうような物理的な要因にも起因することを見出した。特に、剥がれの発生は、上記半導体膜中にあるエネルギ以上が照射された場合に上記半導体膜の剥がれが発生することから逆ピークパターン内のフラットな部分の存在が剥がれに大きく寄与することを見出した。
【００１５】
また、位相変調光学系による最適断面逆三角形状逆ピークパターン光の生成と、適切なキャップ膜の蓄熱効果を利用してラテラル成長距離の基板温度依存性を評価した結果、図８に示すように室温であっても大粒径のＳｉ結晶粒が得られることを見出した。上記最適断面逆三角形状逆ピークパターン光は、断面逆三角形状逆ピークパターンの最大値および最小値を最適に、かつ最大値間の距離が十分大きくする。
【００１６】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、以下の構成を有する。
【００１７】
本発明に係る結晶化方法は、レーザ光を発振するタイミングが制御されるレーザ装置と、このレーザ装置から発振されたレーザ光と同一光軸上に配置され入射レーザ光の光強度を均一化するためのホモジナイザと、このホモジナイザと同一光軸上に配置された空間強度変調光学素子と、前記レーザ光の光路に設けられた被処理基板を載置するための載置台と、を有するプロキシミティ型結晶化装置を用いて、前記被処理基板に設けられた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キャップ膜を設け、
このキャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に単調増加と単調減少を繰り返す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を照射することにより照射部のみを溶融し、降温が開始された後前記照射部の最小となる逆ピーク点の凝固が開始し、この凝固位置が前記断面逆三角形状ピークパターンの勾配に応じて凝固点が移動しラテラル方向に結晶成長させ、
前記載置台と前記レーザ装置からのレーザ光による前記照射位置を相対的に移動させて前記非単結晶半導体膜の予め定められた領域を結晶化することにより前記レーザ光の照射部における最小となる逆ピーク点から結晶化することを特徴とする。
【００１８】
本明細書中において「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。位相シフタに進歩的な設計概念を導入することによって、図２（ａ）に模式的に示す一次元の光強度分布ＢＰを得ることができる。すなわち、異なる強度傾斜角θ、ピッチ幅ＰＷおよびバイアス強度ＰＨ（谷での強度）をもつ光強度分布ＢＰを得ることが可能である。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。
【００１９】
本発明では、光強度分布を最適化したパルスレーザ光、すなわち高次振動波９３の影響を取り除いた図１（ｂ）、図１４（ａ）、図１７（ｃ）に示すパルスレーザ光を、酸化シリコン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。図５に示すように、結晶化対象となる非単結晶半導体膜例えば非晶質シリコン膜５２はパルスレーザ光５０の照射によって加熱され、その温度（ＴSi）はパルスの最後で高い。パルス照射の間において、結晶化対象の非晶質シリコン膜５２に発生した熱は、初期にはキャップ膜５３として設けられている例えば低温の酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）に移る。パルス照射終了後（レーザ光の照射が遮断された後）に結晶化対象の非晶質シリコン膜５２は、冷却が開始され、キャップ膜５３に蓄積された熱が結晶化対象の非晶質シリコン膜５２に向けて拡散される。このようにキャップ膜５３は、ヒートキャパシタとして支配的に働き、非晶質シリコン膜５２の高温の液相状態は、キャップ膜５３なしの場合よりも長く残留することが可能である。
【００２０】
しかし、キャップ膜５３は、溶融非晶質シリコン膜５２から移された熱を一部のみ返すが、内部になお多量の熱を保有している。このため、溶融非晶質シリコン膜５２がキャップ膜５３から熱の補給を受け、溶融非晶質シリコン膜５２の凝固開始時間を遅らすことができ、その結果として結晶粒のラテラル成長距離が増大し、大粒径の結晶粒がち密に並んで形成される。上記キャップ膜５３からの熱の補給は、上記キャップ膜５３の膜厚によって大きく異なる。すなわち、本発明の方法によれば、半導体膜である非晶質シリコン膜に接する蓄熱性のキャップ膜５３である酸化シリコン膜により半導体膜の冷却速度が緩やかになり、基板を加熱することなく室温において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】
キャップ膜５３の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが蓄熱特性の観点から望ましく、１００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下とすることが最も好ましい（図１１、図２２参照）。膜厚が３０ｎｍを下回ると、ＳｉＯ2キャップ膜の蓄熱量が不十分になり、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５００ｎｍを上回ると、結晶化対象膜（非単結晶半導体膜）からＳｉＯ2キャップ膜５３へ向かう厚さ方向の熱移動量（放熱量；熱拡散量）が増大するので、蓄熱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により入射角度に関して均一化され、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。このように入射角度と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位相シフタの段差４ａ−４ａの幅間隔Ｗ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が緩やかになると非単結晶半導体膜の膜破壊を生じ易くなるので、ピーク部の角度θはできるだけ鋭い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。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、室温処理で大粒径のＳｉ結晶粒を形成することができ、低温処理の要求を満たすことができるので、基板として従来よりも薄肉のガラス基板やプラスチック基板を採用することが可能となる。
【００２４】
また、本発明によれば、膜全体にわたり大粒径のち密な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大画面ＬＣＤ用ＴＦＴを製造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】
【００２５】
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。図１乃至図１９において、同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は、重複する場合省略する。図３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が、この光路に順次設けられた光学系２ａ，２ｂ，ホモジナイザ３，結像光学系４３、位相シフタ４を介して載置台６上の被処理基板４０を照射して結晶化するものである。ＫｒＦエキシマレーザ装置１の電源回路は、コントローラ８の出力信号が供給されるように出力部と接続されている。コントローラ８は、レーザ光５０の発振タイミング、パルス幅、パルス間隔、出力の大きさなどを制御する。
【００２６】
本装置の光学系は、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。この結晶化装置１０は、プロキシミティ型の光学系である。
【００２７】
ホモジナイザ３は、照射領域におけるパルスレーザ光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は入射角度と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を入射角度と光強度とに関してホモジナイズ（均一化）するための光学系である。
【００２８】
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。例えば、位相シフタ４は、平行に並ぶ複数の直線状の段差４ａを有するラインアンドスペース型（In-plane-cross-coupled型）であり、かつ載置台６上の被処理基板４０に近接して配置されるプロキシミティ型結晶化装置である。位相シフタ４は、透明体からなり、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。位相シフタ４は、上記位相差によりパルスレーザ光５０にフレネル回折を生じさせ、パルスレーザ光５０を光強度変調する。その結果、位相シフタ４は、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を照射部に形成する。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１００μｍとした。上記プロキシミティ型結晶化装置において、大粒径化のためのキャップ膜５３の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下において良好な蓄熱作用を出力する。よって、プロキシミティ方式の結晶化方法では、キャップ膜５３の最適膜厚は３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
【００２９】
被処理基板の上面には例えばキャップ膜５３が設けられている。このキャップ膜５３から位相シフタ４までの相互間距離は、例えば５００μｍ以下の所定間隔に設定されている。積載台６および載置台６以外の周囲装置は基板加熱機構（内蔵ヒータなど）を備えていない。
【００３０】
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の出力部と接続されている。ＸＹＺθステージ７には、Ｘ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、Ｚ軸駆動機構、θ回転駆動機構が設けられ、ＸＹＺθステージ７は、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向に制御されるようになっている。なお、上記例はプロキシミティ型光学系によるの結晶化方法であるが、プロジェクション型の光学系による結晶化方法でもよい。プロジェクション方式の結晶方法では、キャップ膜５３の最適膜厚は８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【００３１】
次に、図３に示す上記プロキシミティ型結晶化装置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、光強度例えば１Ｊ／ｃｍ２のパルスレーザ光を出射する。このパルスレーザ光は、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の入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）する。
【００３２】
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、断面逆三角形状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を出射する。このときの断面逆三角形状逆ピークパターンの最大最小値は、非単結晶半導体膜の種類や膜厚によって規定される値に設計されている。断面逆三角形状逆ピークパターンの光強度分布を有する均一化パルスレーザ光は、非晶質シリコン膜５２に入射し、その照射部のみを溶融し結晶化させる。非晶質シリコン膜５２は薄いため、直ちに照射部分で厚さ方向に溶融し、フルエンスが最小となる逆ピーク点を起点として溶融部分の降温が開始されて凝固（結晶化）が開始する。この凝固位置は、断面逆三角形状逆ピークパターンの勾配に応じて順次凝固点が移動する。この凝固点の移動により、ラテラル方向（非晶質シリコン膜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、キャップ膜５３の蓄熱効果により降温勾配が長期的にわたって維持されるので、結晶化が促進されるので、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。
【００３３】
このような結晶化工程は、非晶質シリコン膜５２の予め定められた領域行われる。全面にわたって結晶化工程を行う手段は、上記ステージ７とパルスレーザ光源１による照射位置とを相対的に移動させて行うことができる。
【００３４】
次に、図４を参照して光学系について具体的に説明する。図４は、上記プロキシミティ型光学系の構成図である。パルスレーザ光源１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、この光源１として、ＸｅＣｌエキシマパルスレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような他の光源を用いることもできる。上記光源１から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２からなる光学系２ａ，２ｂを介して拡大された後に、第１のフライアイレンズ３３に入射する。
【００３５】
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フライアレンズ３５の後側焦点面には、第１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を介して位相変調光学系４（位相シフタ）を重畳的に照明する。
【００３６】
ここで、第１フライアイレンズ３３および第１コンデンサ光学系３４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４上での入射角度に関する均一化が図られる。
【００３７】
また、第２フライアイレンズ３５および第２コンデンサ光学系３６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。
【００３８】
［実施例］
上述の図３に示すプロキシミティ型結晶化装置１０を用いてホモジナイズされた位相変調パルスレーザ光を被処理基板４０の一方面に照射して非晶質シリコン膜５２を結晶化した。被処理基板４０は、図５に示すようにキャップ膜５３として酸化シリコン膜を形成したものである。すなわち、被処理基板４０は、絶縁体叉は半導体からなる基体例えばシリコン基板４８の上にさらに絶縁層例えば下地保護膜５１、非晶質シリコン膜５２、キャップ膜５３を順次積層してなる構造体である。下地保護膜５１は膜厚例えば１０００ｎｍの第１の絶縁層例えば絶縁性ＳｉＯ2からなる。非晶質シリコン膜５２は、結晶化の対象となる膜であり、例えば膜厚２００ｎｍの非晶質シリコンからなる。キャップ膜５３は、第２の絶縁層例えば膜厚３００ｎｍの絶縁性ＳｉＯ2である。
【００３９】
このようなキャップ膜５３を有する結晶化処理される被処理基板４０を製造する方法についてさらに具体的に説明する。
【００４０】
絶縁体叉は半導体からなる基体には、シリコン基板４８を用い、膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ2からなる下地保護膜５１を熱酸化法により形成した。
【００４１】
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。
【００４２】
その上にキャップ膜５３として第２の絶縁層例えばＳｉＯ2膜（例えばＳｉＨ4とＮ2Ｏとのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2膜）を形成した。次いで、シリコン基板４８上に形成した薄膜５１〜５３に対して脱水素処理を行った。この処理は、５００〜６００℃の温度域で行うことが望ましく、例えば窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理を行った。
【００４３】
図６は本実施形態方法により室温条件下で結晶化させたＳｉ薄膜のＳＥＭ像の写真である。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４〜５μｍの範囲にラテラル成長して大結晶粒化した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。
【００４４】
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結晶粒化した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。
【００４５】
図７〜図９は、位相シフタ４を図３に示したプロキシミティ型結晶化装置１０に配置して、室温において、１ショットのエキシマレーザのパルス光を被処理基板４０に照射したときの結晶化特性を示している。図７は、横軸にキャップ膜５３として酸化シリコン膜（ＳｉＯ2の膜厚（ｎｍ）をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、各種サンプルについてキャップ膜５３として酸化シリコン膜の膜厚を様々に変えてラテラル成長距離のキャップ膜厚依存性を調べた結果を示す特性図である。なお、ラテラル成長距離は平均値を求めた。ここでは結晶とトランジスタのチャネル部との位置合せ精度の関係から、ラテラル成長距離が４．０μｍ以上を合格基準とした。
【００４６】
図７に示すように、実施例サンプルではプロキシミティ型結晶化装置において、キャップ膜５３の膜厚が３０ｎｍ以上かつ略３４０ｎｍ以下の場合に、室温においても最長で４μｍ以上のラテラル成長距離が得られた。また、キャップ膜５３の膜厚が３０ｎｍ、８０ｎｍの場合であってもそれぞれ最長で３μｍ、２μｍ程度のラテラル成長距離が得られた。また、キャップ膜５３の膜厚が３９０ｎｍの場合であっても最長で１．５μｍ程度のラテラル成長距離が得られた。一方、キャップ膜５３の膜厚が４８０ｎｍの場合は、ラテラル成長距離が１．５μｍを下回った。ラテラル成長距離が５μｍ以上の大粒径の結晶化領域は、キャップ膜５３の膜厚が１００μｍ以上３４０μｍ以下のときに得られている。このキャップ膜５３の膜厚は、位相シフタ４を介してレーザ光により照射された非単結晶半導体膜が加熱され、この加熱されたことにより溶融された非単結晶半導体膜の降温速度を遅くさせることにより大粒径の結晶化が得られる膜厚である。降温速度をゆっくりさせるためには、キャップ膜５３（第２の絶縁層）を適切な厚さに選択すること、結晶化するためのレーザ光の光エネルギおよび強度分布ＢＰを適切に選択することである。
【００４７】
図８は、横軸に被処理基板４０の温度（℃）をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、位相シフタ４を図３に示すようにプロキシミティ型の結晶化装置１０に配置してキャップ膜５３として膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2膜からなるキャップ膜５３を有する被処理基板４０の温度を様々に変えて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図である。図から明らかなように、キャップ膜５３として十分な厚みのＳｉＯ2からなるキャップ膜５３を有する被処理基板４０では、基板温度は、室温から数百℃までラテラル成長距離の基板温度依存性がほとんど無く、室温であっても十分な長さのラテラル成長距離を得ることが可能であることが判明した。この現象は、明らかではないが、キャップ膜による蓄熱効果によるものと思われる。
【００４８】
図９は、横軸に光強度指数（相対量）をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、位相シフタ４を図３に示すようにプロキシミティ型に配置して各種サンプルにレーザ光の光強度を様々に変えてラテラル成長距離の光強度指数依存性を調べた結果を示す特性図である。図から明らかなように、光強度が相対量で０．９を超えるあたりからラテラル成長距離が急激に増大することが判明した。具体的には、室温で、被処理基板４０にエキシマレーザのパルス光を１ショット照射によっても４μｍ以上の大きなラテラル成長距離が得られた。
【００４９】
本明細書中において「光強度指数」とは、結晶粒の成長中または成長後において種々の応力を受けても膜（結晶構造）が破壊されないで膜の形態形質が維持されるぎりぎりのエネルギ光の照射強度を基準とし、この基準に対する光強度の値をいうものとする。ここで「膜破壊」とは、広義には膜を構成する規則的な構造（膜構造）が壊れることをいい、狭義には結晶粒がラテラル成長するときに生じる応力によりキャップ膜５３が壊されること、あるいはラテラル成長時の発生応力により結晶化対象膜が壊されること、あるいはキャップ膜５３や結晶化対象膜のなかに含まれる水素に起因して結晶粒内または結晶粒界に割れなどの欠陥を生じることをいうものと定義する。
【００５０】
以上のことから本発明方法を用いて、室温において高充填率で大結晶粒（平均結晶粒径４μｍ〜）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。
【００５１】
上記実施形態では、位相シフタ４をプロキシミティ型に配置した例について説明したが、位相シフタ４を図１０に示すようにプロジェクション型に配置してもよい。即ち、このプロジェクション型の結晶化装置１０Ａは、位相シフタ４と被処理基板４０との間に結像光学系４３が配置された装置である。
【００５２】
次に、上記プロジェクション型結晶化装置１０Ａを利用した位相変調エキシマレーザアニール（以下ＰＭＥＬＡと略す）により、Ｓｉ膜を結晶化する実施例について説明する。図５に示すように、被処理基板４０は、シリコン（Ｓｉ）基板５０上に膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ2からなる下地保護膜５１を熱酸化法により形成した後、膜厚２００ｎｍの非晶質シリコン膜５２およびキャップ膜５３としてＳｉＯ2膜５３をＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-ＣＶＤ）法で順次積み重ねた積層構造とした。また、下地保護膜５１から非晶質Ｓｉ膜５２、キャップ膜５３をＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-ＣＶＤ）法で連続成膜により形成してもよい。ＰＭＥＬＡ前に、被処理基板４０をアニール炉において窒素ガス雰囲気下で２時間×５５０℃の脱水素処理を行った。
【００５３】
ＰＭＥＬＡにおいては、被処理基板４０に対してＫｒＦエキシマレーザを、例えばパルス幅３０ｎｓｅｃ、単一ショット照射した。結晶化されたＳｉ膜のミクロ構造的な分析は、セコエッチング後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって実行した。図２（ｂ）は、ピッチ幅ＰＷを様々に変えた光強度分布ＢＰを用いたパルスレーザ光を単一ショット照射することにより結晶化されたサンプルを示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の一例である。
【００５４】
上記のプロジェクション型の結晶化装置１０Ａにより被処理基板４０の結晶化工程を実施したときの結晶化特性を、図１１および図１２に示す。
【００５５】
図１１は、位相変調光学系である位相シフタ４を図１０に示すようにプロジェクション型の結晶化装置１０Ａに配置したときのラテラル成長距離とキャップ膜５３の膜厚との関係について調べた結果を示す特性図である。即ち、図１１は横軸にキャップ膜５３の厚さ（ｎｍ）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとった図である。図１１には、キャップ膜５３の各膜厚での最大ラテラル成長距離が示されている。また、図中の曲線は、各キャップ膜厚でのラテラル成長距離を結んだものである。図１１から明らかなようにキャップ膜５３の厚さが増大するとラテラル成長距離も増大し、キャップ膜５３の膜厚が１３０〜４００ｎｍの範囲ではラテラル成長距離が４μｍを超えた。特にキャップ膜５３の厚さが２５０ｎｍのときにラテラル成長距離は最大約７μｍに達した。この図１２に示したように本実施例では、室温で、エキシマレーザのパルス光を被処理基板４０に対して照射したとき６μｍ以上の大きなラテラル成長距離が得られた。
【００５６】
なお、図１１は、参考データとしてキャップ膜５３が無いときの試料例えば非単結晶半導体膜のラテラル成長距離を図中に黒丸で表示してある。キャップ膜５３無しの非単結晶半導体膜のラテラル成長距離は、キャップ膜５３有りの非単結晶半導体膜のラテラル成長距離に比べて短かった。
【００５７】
図１２は、非晶質シリコン膜５２の膜厚２００ｎｍのサンプルにおいて、横軸に光強度指数（相対値）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、位相シフタ４を図１０に示すようにプロジェクション型に配置したときの結晶粒のラテラル成長距離と光強度との関係について調べた結果を示す特性図である。図から明らかなように、光強度が相対量で０．９を超えるあたりからラテラル成長距離が急激に増大することがプロジェクション法によっても確認できた。
【００５８】
次に、図５に示すキャップ膜５３を有する被処理基板４０において、非晶質シリコン膜５２の膜厚を変えて上記結晶化工程を行い、最大ラテラル成長距離との関係を観察した。
【００５９】
図２２は、非晶質シリコン膜５２の膜厚と最大ラテラル成長距離との関係を示す特性図である。キャップ膜５３が無い場合は、図７および図１１に示されているように非晶質シリコン膜５２の膜厚が２００ｎｍの場合において、最大ラテラル成長距離は２．５μｍであった。しかし、図２１に示すように、図５に示すキャップ膜５３を有する被処理基板４０においては、例えば非晶質シリコン膜５２の膜厚が３０ｎｍと薄い場合であっても、３μｍ以上のラテラル成長した結晶粒が得られる。この図７と図１１、および図２２の結果からキャップ膜５３を設けることが、最大ラテラル成長距離の大きさに効果のあることが判明した。
【００６０】
さらに図２２は、非晶質シリコン膜５２の膜厚を厚くすると、最大ラテラル成長距離が長くなり、また非晶質シリコン膜５２の膜厚が２００ｎｍ程度になると最大ラテラル成長距離の伸びが飽和してくることを示している。
【００６１】
次に、図２２に示す最大ラテラル成長距離を達成するキャップ膜厚の条件について説明する。図２３は最大ラテラル成長距離を達成する、非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siとキャップ膜５３の膜厚ｄcapとの関係を示す特性図である。この結果、非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siが厚くなるにしたがって、必要なキャップ膜５３の膜厚ｄcapが厚くなることを見出した。図２３は、非晶質シリコン膜５２が厚くなると、上記シリコン層５２中の熱量が多くなり、この増加した熱の蓄熱を行う為には、厚いキャップ膜５３が必要であることを示している。図２３の非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siと、キャップ膜５３の膜厚ｄcapとの関係を示す特性図において、キャップ膜５３の膜厚は各非晶質シリコン膜厚に対応して、直線ｄcap＝０．５６８ｄa-Si＋６０と直線ｄcap＝０．５６８ｄa-Si＋１６０で囲まれる範囲に選択されることにより各非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siにおける最長のラテラル方向の結晶成長をさせることができる。上記式において、ｄcapは、第２の絶縁層（キャップ膜５３）の膜厚（ｎｍ）であり、ｄa-Siは非晶質半導体膜又は非単結晶半導体膜（非晶質シリコン膜５２）の膜厚（ｎｍ）である。
【００６２】
［実証試験］
（蓄熱効果）
次に、図１３〜図１６を参照してキャップ膜５３の蓄熱効果について実証試験した結果を説明する。実証試験はＳｉ膜厚２００ｎｍのサンプルを用いて実施した。図１３は、横軸に平均の光強度（ｍＪ／ｃｍ2）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、光強度分布のピッチ幅ＰＷを一定値（２８μｍ）としたときのキャップ膜５３の蓄熱効果を示す特性図である。図中にて白四角はキャップ膜５３の厚さを１３０ｎｍとしたときの結果を、白三角はキャップ膜５３の膜厚を２２０ｎｍとしたときの結果を、黒丸はキャップ膜５３の厚さを３００ｎｍとしたときの結果を、黒三角はキャップ膜５３の厚さを３９０ｎｍとしたときの結果をそれぞれ示す。
【００６３】
キャップ膜５３の厚さ１３０ｎｍ（白四角）および厚さ２２０ｎｍ（白三角）のような薄いキャップ膜５３では、膜破壊が発生するまで、結晶粒のラテラル成長距離は光強度の上昇に伴って徐々に増大した。このときのラテラル成長距離の最大値は約６μｍであった。これより厚い厚さ３００ｎｍ（黒丸）のキャップ膜５３の場合、ラテラル成長距離は最初に約２μｍまで増大し、次いで急激に増加して６μｍを超えた。一方、厚さ３９０ｎｍ（黒三角）のように極度に厚いキャップ膜５３の場合、ラテラル成長距離は２μｍを超えなかった。
【００６４】
図１４（ａ）に模式的に示す光強度分布のレーザ光を照射して結晶化工程を行い、セコエッチングされたシリコン膜のＳＥＭ像を図１４（ｂ）と（ｃ）に示す。図１４（ｂ）は、キャップ膜５３の厚さを３００ｎｍにして結晶化工程を行ったときのシリコン膜のＳＥＭ像である。図１４（ｂ）中の矢印は、ラテラル成長の方向を示す。顕微鏡観察の結果、ラテラル成長距離は、最大値で７μｍを超え、平均値で約６μｍであった。
【００６５】
図１４（ｃ）は、キャップ膜５３の厚さが暑い試料をセコエッチングしてその結晶化形態を示すＳＥＭ像である。図ではラテラル成長領域が焼結晶領域によっていくつかに分断されている。これは溶融非晶質シリコン膜５２内の温度勾配が比較的長時間存在できたことを示している。しかし、固液界面の前面において温度は急激に下がり、自然核生成する臨界的な温度を下回った。自然核発生は、この固液界面の前面近傍で起こり、ラテラル成長する結晶粒を互いの衝突により停止させる。同時に、いくつかの新しい核が新たなラテラル成長の発生源として働く、このような状況は溶融非晶質シリコン膜５２内の温度勾配がより緩やかな場合にしばしば発生し、最終的には均一な小結晶粒をもたらす。この効果はキャップ膜５３が厚くなるほどより著しくなる。非常に厚いキャップ膜５３では、Ｓｉ層の熱量のほとんどがキャップ膜５３を加熱するために使用されるため、Ｓｉ層の液相の存続期間をかえって減少させる。
【００６６】
また、結晶のラテラル成長特性は、２２０ｎｍ厚さのキャップ膜５３と３００ｎｍ厚さのキャップ膜５３との間では明らかに異なっていることが確認された。キャップ膜５３の厚さ２２０ｎｍ試料（被処理基板４０）では、結晶粒サイズは光強度とともに増大する。これに対してキャップ膜５３の厚さ３００ｎｍキャップ試料（被処理基板４０）の場合は、結晶のラテラル成長特性が急減に変化する臨界強度が存在した。
【００６７】
図１５はこの急激な変化を説明する模式図である。図１５は、横軸に基板上の各膜層の位置をとり、縦軸に温度（無単位）をとって、ＳｉＯ2下地保護膜５１の上に結晶化対象の非晶質シリコン膜５２が、この非晶質シリコン膜５２上にＳｉＯ2キャップ膜５３が形成された被処理基板４０の膜厚方向の温度分布を示す一次元温度分布図である。ここではパルス照射の間に結晶化対象の非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiが時間とともに増大すると単純化して想定することとする。パルス的に照射されたレーザ光のパルスの終端ではＳｉＯ2キャップ膜５３と下地保護膜５１における温度分布は同じ形状となるが、図で概略的に示されるとおり非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiに比例する。強い照射（実線Ａ）の場合には、非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiは高くなるので、非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiによるキャップ膜５３の加熱された結果、キャップ膜５３の温度は、被結晶化対象化膜の非晶質シリコン膜５２の融点ＴＭを厚さ方向に対して広い領域で上回り、キャップ膜５３は、ヒートキャパシタとして機能する。
【００６８】
一方、弱い照射（破線Ｂ）の場合には、上記非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiは、キャップ膜５３を十分に加熱するに足るほど高くない。上記非晶質シリコン層５２近傍のキャップ膜５３の一部のみが融点ＴＭを超えるほど加熱される。キャップ膜５３の一部は、低温（融点ＴＭ以下）のままであり、この低温領域（冷領域）がヒートシンクとして作用する。
【００６９】
図１０に示すようなプロジェクション型結晶化装置による実験の結果、ラテラル成長距離を長くするための好ましいキャップ膜５３の厚さは１００〜３７０ｎｍの範囲であった。
【００７０】
図１６は、横軸に平均の光強度（ｍＪ／ｃｍ2）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、キャップ膜５３の厚さを一定値（３００ｎｍ）として光強度分布のピッチ幅ＰＷを様々に変えたときのキャップ膜５３の蓄熱効果を示す特性図である。図中にて白丸はピッチ幅ＰＷを２０μｍとしたときの結果を、黒丸はピッチ幅ＰＷを２８μｍとしたときの結果を、白三角はピッチ幅ＰＷを３６μｍとしたときの結果をそれぞれ示す。
【００７１】
図から明らかなように、ピッチ幅ＰＷが２０μｍの場合、ラテラル成長距離は光強度とともに一定に増大し、光強度が１０００ｍＪ/ｃｍ2のところで最大約４μｍに到達した。一方、ピッチ幅ＰＷが大きい３６μmの場合、ラテラル成長距離は短いままであった。また、ピッチ幅ＰＷが中程度の２８μｍでは、急激に成長する光強度を経て、ラテラル成長距離は６μｍに達した。
【００７２】
図１７（ａ）に大結晶粒をち密に配列したサンプルのＳＥＭ像を、同図（ｂ）に（ａ）のサンプルの一部を拡大したＳＥＭ像を、同図（ｃ）に（ｂ）のサンプルに照射されたレーザ光の光強度分布図をそれぞれ示す。
【００７３】
望ましいビームプロファイルは山強度と谷強度との比率が約２となる三角形の形状であることを、本実証試験により確認できた。このようなビームプロファイルは位相シフタにより生じさせるように設定される。図１７（ａ）に示すように、サンプル表面の全体に亘って５μｍ程度の大結晶粒がち密に充填された。このように大結晶粒がち密に充填配列された形態に類似する形態を再現性よく生産することができた。
【００７４】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。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４.０〜６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。
【００７５】
次に、図１８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結晶粒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。
【００７６】
絶縁体又は半導体から成る基板には、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、ガラス基板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。
【００７７】
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。
【００７８】
非晶質シリコン膜５２上にキャップ膜５３を形成して、被処理基板４０を形成する。この被処理基板４０は、図４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。
【００７９】
結晶化した単結晶半導体膜上のキャップ膜５３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１８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およびソース領域５２ｂおよびドレイン領域５２ｃに略対応する所定パターンのＳｉアイランドを形成した。
【００８０】
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５４を形成する。ゲート絶縁膜５４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３０〜１２０ｎｍの酸化シリコン膜を形成する。ゲート絶縁膜５４の形成は、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５４とした。
【００８１】
次に、ゲート絶縁層５４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。
【００８２】
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５２ｂおよびドレイン領域５２ｃ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。
【００８３】
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化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。
【００８４】
次に、ゲート絶縁膜５４およびゲート電極５５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。
【００８５】
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。このようにして図１８に示す薄膜トランジスタを得た。
【００８６】
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１９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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
以上説明したように上記実施形態によれば、結晶化処理時に低温、例えば室温またはその近傍の温度域（例えば５〜５０℃）であっても大粒径の結晶化を行なうことができる。位相変調した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る。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、液晶表示装置ばかりでなく有機エレクトロルミネッセンス表示装置，電子回路装置にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【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レーザ光の光強度分布を示す図、（ｃ）はレーザ光の光強度分布を三次元的に示す図。
【図２】（ａ）は基板入射前に位相変調されたレーザ光の光強度分布を模式的に示す図、（ｂ）はパルスレーザ光の単一ショット照射により結晶化されたサンプルを示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。
【図３】本発明の結晶化装置の概要を示す構成ブロック図。
【図４】本発明装置の光学系を示す内部透視ブロック図。
【図５】本発明の薄膜トランジスタの製造工程を説明する断面模式図。
【図６】本発明の効果を示すＳＥＭ像。
【図７】本発明の効果を示す特性図。
【図８】本発明の効果を示す特性図。
【図９】本発明の効果を示す特性図。
【図１０】図３の他の実施形態を説明するための構成ブロック図。
【図１１】本発明の効果を示す特性図。
【図１２】本発明の効果を示す特性図。
【図１３】本発明の効果を示す特性図。
【図１４】（ａ）はセコエッチング後のサンプルのＳＥＭ像、（ｂ）は光強度分布図、（ｃ）はセコエッチング後のサンプルのＳＥＭ像。
【図１５】本発明の効果を説明する模式図。
【図１６】本発明の効果を示す特性図。
【図１７】（ａ）は大結晶粒をち密に配列したサンプルのＳＥＭ像、（ｂ）は（ａ）に示すサンプルの一部を拡大したＳＥＭ像、（ｃ）は（ｂ）に示すサンプルに照射したレーザ光の光強度分布図。
【図１８】本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタを示す断面模式図。
【図１９】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２０】従来装置の概要を示す構成ブロック図。
【図２１】（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。
【図２２】非晶質シリコン膜の膜厚（ｎｍ）と結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）との関係を示す特性図。
【図２３】非晶質シリコン膜の膜厚（ｎｍ）とキャップ膜の膜厚（ｎｍ）との関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００９２】
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）、
５、４０…被処理基板、４３…結像光学系、４８…シリコン基板、
４９…ガラス基板、５０…レーザ光、５１…下地保護膜（第１の絶縁層）、
５２…非晶質シリコン膜（非単結晶半導体膜、ａ−Ｓｉ膜）、
５２ａ…チャネル領域、５２ｂ…ソース領域、５２ｃ…ドレイン領域、
５３…キャップ膜（ＳｉＯ2膜；第２の絶縁層）、
５４…ゲート絶縁膜、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、
６…載置台、７…Ｘ，Ｙ，Ｚ，θステージ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶、有機ＥＬ等の表示装置の製造に用いる結晶化方法に関する。
【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など多結晶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、高速化されるためこれら情報を表示するための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など非単結晶半導体膜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存在することになり、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。結晶粒界数のバラツキにより各薄膜トランジスタの特性にバラツキが発生し特に、一画面内均一な表示が求められる表示装置には、適さない課題がある。
【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の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膜からなるキャップ膜やＳｉＯ2膜からなるキャップ膜を介して非晶質シリコン膜に０．８Ｊ／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、キャップ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膜からなるキャップ膜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、非晶質シリコン膜の溶融領域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。
【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場合があり、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）形成したい要求がある。
【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、基板の温度に対して、さらに低温又は常温処理の要求がある。例えば図２０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。
【０００９】
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、これら汎用ガラスを液晶表示装置（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。
【００１０】
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】
【００１１】
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によるものと推察される。
【００１２】
図２１は、位相シフタ４からなる光学系と非単結晶半導体層を有する基板５と、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特性曲線図である。この光強度分布において最初の逆ピーク波９１から次のピーク波９２までの成分はラテラル成長に寄与するが、一方、この波形より外側の高次振動波９３は逆ピーク波により結晶核が生じて、微細な結晶粒が生成されるために、膜全体として均一かつ、ち密に大粒径の結晶化が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）では、レーザ光を位相変調した光が高次の振動９３を含むために、大粒径の結晶粒をち密に形成することができないことが判明した。
【００１３】
本発明の結晶化方法は、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絶縁膜として酸化シリコン膜を介して非単結晶半導体膜に入射させることにより比較的大粒径の結晶粒を、ち密に並べて形成することができる。換言すれば、高次振動波９３を含まない図１（ｂ）に示すような光強度分布ＢＰをもつ位相変調光学系を透過したレーザ光を非単結晶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。位相変調光学系は、例えば位相シフタである。
【００１４】
また、レーザ光に照射された非単結晶半導体膜の溶融部分の凝固開始温度は、対象となる上記半導体膜に固有の物性値を持っている。このことから、本発明者らは、ラテラル成長の開始フルエンスは、上記半導体膜に固有の数値であると考え、パルスレーザのフルエンスによらずほぼ一定値であることを見出した。さらに、ラテラル成長の終了は、冷却速度が成長速度よりも速くなってしまい、成長方向に新規の核発生が生じるような場合だけでなく、瞬間的な加熱によってキャップ膜あるいは上記半導体膜が剥がれてしまうような物理的な要因にも起因することを見出した。特に、剥がれの発生は、上記半導体膜中にあるエネルギ以上が照射された場合に上記半導体膜の剥がれが発生することから逆ピークパターン内のフラットな部分の存在が剥がれに大きく寄与することを見出した。
【００１５】
また、位相変調光学系による最適断面逆三角形状逆ピークパターン光の生成と、適切なキャップ膜の蓄熱効果を利用してラテラル成長距離の基板温度依存性を評価した結果、図８に示すように室温であっても大粒径のＳｉ結晶粒が得られることを見出した。上記最適断面逆三角形状逆ピークパターン光は、断面逆三角形状逆ピークパターンの最大値および最小値を最適に、かつ最大値間の距離が十分大きくする。
【００１６】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、以下の構成を有する。
【００１７】
本発明に係る結晶化方法は、レーザ光を発振するタイミングが制御されるレーザ装置と、このレーザ装置から発振されたレーザ光と同一光軸上に配置され入射レーザ光の光強度を均一化するためのホモジナイザと、このホモジナイザと同一光軸上に配置された空間強度変調光学素子と、前記レーザ光の光路に設けられた被処理基板を載置するための載置台と、を有するプロキシミティ型結晶化装置を用いて、前記被処理基板に設けられた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キャップ膜を設け、
このキャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に単調増加と単調減少を繰り返す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を照射することにより照射部のみを溶融し、降温が開始された後前記照射部の最小となる逆ピーク点の凝固が開始し、この凝固位置が前記断面逆三角形状ピークパターンの勾配に応じて凝固点が移動しラテラル方向に結晶成長させ、
前記載置台と前記レーザ装置からのレーザ光による前記照射位置を相対的に移動させて前記非単結晶半導体膜の予め定められた領域を結晶化することにより前記レーザ光の照射部における最小となる逆ピーク点から結晶化することを特徴とする。
【００１８】
本明細書中において「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。位相シフタに進歩的な設計概念を導入することによって、図２（ａ）に模式的に示す一次元の光強度分布ＢＰを得ることができる。すなわち、異なる強度傾斜角θ、ピッチ幅ＰＷおよびバイアス強度ＰＨ（谷での強度）をもつ光強度分布ＢＰを得ることが可能である。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。
【００１９】
本発明では、光強度分布を最適化したパルスレーザ光、すなわち高次振動波９３の影響を取り除いた図１（ｂ）、図１４（ａ）、図１７（ｃ）に示すパルスレーザ光を、酸化シリコン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。図５に示すように、結晶化対象となる非単結晶半導体膜例えば非晶質シリコン膜５２はパルスレーザ光５０の照射によって加熱され、その温度（ＴSi）はパルスの最後で高い。パルス照射の間において、結晶化対象の非晶質シリコン膜５２に発生した熱は、初期にはキャップ膜５３として設けられている例えば低温の酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）に移る。パルス照射終了後（レーザ光の照射が遮断された後）に結晶化対象の非晶質シリコン膜５２は、冷却が開始され、キャップ膜５３に蓄積された熱が結晶化対象の非晶質シリコン膜５２に向けて拡散される。このようにキャップ膜５３は、ヒートキャパシタとして支配的に働き、非晶質シリコン膜５２の高温の液相状態は、キャップ膜５３なしの場合よりも長く残留することが可能である。
【００２０】
しかし、キャップ膜５３は、溶融非晶質シリコン膜５２から移された熱を一部のみ返すが、内部になお多量の熱を保有している。このため、溶融非晶質シリコン膜５２がキャップ膜５３から熱の補給を受け、溶融非晶質シリコン膜５２の凝固開始時間を遅らすことができ、その結果として結晶粒のラテラル成長距離が増大し、大粒径の結晶粒がち密に並んで形成される。上記キャップ膜５３からの熱の補給は、上記キャップ膜５３の膜厚によって大きく異なる。すなわち、本発明の方法によれば、半導体膜である非晶質シリコン膜に接する蓄熱性のキャップ膜５３である酸化シリコン膜により半導体膜の冷却速度が緩やかになり、基板を加熱することなく室温において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】
キャップ膜５３の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが蓄熱特性の観点から望ましく、１００ｎｍ以上３７０ｎｍ以下とすることが最も好ましい（図１１、図２２参照）。膜厚が３０ｎｍを下回ると、ＳｉＯ2キャップ膜の蓄熱量が不十分になり、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５００ｎｍを上回ると、結晶化対象膜（非単結晶半導体膜）からＳｉＯ2キャップ膜５３へ向かう厚さ方向の熱移動量（放熱量；熱拡散量）が増大するので、蓄熱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により入射角度に関して均一化され、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。このように入射角度と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位相シフタの段差４ａ−４ａの幅間隔Ｗ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が緩やかになると非単結晶半導体膜の膜破壊を生じ易くなるので、ピーク部の角度θはできるだけ鋭い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。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、室温処理で大粒径のＳｉ結晶粒を形成することができ、低温処理の要求を満たすことができるので、基板として従来よりも薄肉のガラス基板やプラスチック基板を採用することが可能となる。
【００２４】
また、本発明によれば、膜全体にわたり大粒径のち密な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大画面ＬＣＤ用ＴＦＴを製造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】
【００２５】
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。図１乃至図１９において、同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は、重複する場合省略する。図３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が、この光路に順次設けられた光学系２ａ，２ｂ，ホモジナイザ３，結像光学系４３、位相シフタ４を介して載置台６上の被処理基板４０を照射して結晶化するものである。ＫｒＦエキシマレーザ装置１の電源回路は、コントローラ８の出力信号が供給されるように出力部と接続されている。コントローラ８は、レーザ光５０の発振タイミング、パルス幅、パルス間隔、出力の大きさなどを制御する。
【００２６】
本装置の光学系は、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。この結晶化装置１０は、プロキシミティ型の光学系である。
【００２７】
ホモジナイザ３は、照射領域におけるパルスレーザ光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は入射角度と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を入射角度と光強度とに関してホモジナイズ（均一化）するための光学系である。
【００２８】
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。例えば、位相シフタ４は、平行に並ぶ複数の直線状の段差４ａを有するラインアンドスペース型（In-plane-cross-coupled型）であり、かつ載置台６上の被処理基板４０に近接して配置されるプロキシミティ型結晶化装置である。位相シフタ４は、透明体からなり、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。位相シフタ４は、上記位相差によりパルスレーザ光５０にフレネル回折を生じさせ、パルスレーザ光５０を光強度変調する。その結果、位相シフタ４は、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を照射部に形成する。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１００μｍとした。上記プロキシミティ型結晶化装置において、大粒径化のためのキャップ膜５３の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下において良好な蓄熱作用を出力する。よって、プロキシミティ方式の結晶化方法では、キャップ膜５３の最適膜厚は３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
【００２９】
被処理基板の上面には例えばキャップ膜５３が設けられている。このキャップ膜５３から位相シフタ４までの相互間距離は、例えば５００μｍ以下の所定間隔に設定されている。積載台６および載置台６以外の周囲装置は基板加熱機構（内蔵ヒータなど）を備えていない。
【００３０】
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の出力部と接続されている。ＸＹＺθステージ７には、Ｘ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、Ｚ軸駆動機構、θ回転駆動機構が設けられ、ＸＹＺθステージ７は、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向に制御されるようになっている。なお、上記例はプロキシミティ型光学系によるの結晶化方法であるが、プロジェクション型の光学系による結晶化方法でもよい。プロジェクション方式の結晶方法では、キャップ膜５３の最適膜厚は８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【００３１】
次に、図３に示す上記プロキシミティ型結晶化装置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、光強度例えば１Ｊ／ｃｍ２のパルスレーザ光を出射する。このパルスレーザ光は、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の入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）する。
【００３２】
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、断面逆三角形状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を出射する。このときの断面逆三角形状逆ピークパターンの最大最小値は、非単結晶半導体膜の種類や膜厚によって規定される値に設計されている。断面逆三角形状逆ピークパターンの光強度分布を有する均一化パルスレーザ光は、非晶質シリコン膜５２に入射し、その照射部のみを溶融し結晶化させる。非晶質シリコン膜５２は薄いため、直ちに照射部分で厚さ方向に溶融し、フルエンスが最小となる逆ピーク点を起点として溶融部分の降温が開始されて凝固（結晶化）が開始する。この凝固位置は、断面逆三角形状逆ピークパターンの勾配に応じて順次凝固点が移動する。この凝固点の移動により、ラテラル方向（非晶質シリコン膜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、キャップ膜５３の蓄熱効果により降温勾配が長期的にわたって維持されるので、結晶化が促進されるので、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。
【００３３】
このような結晶化工程は、非晶質シリコン膜５２の予め定められた領域行われる。全面にわたって結晶化工程を行う手段は、上記ステージ７とパルスレーザ光源１による照射位置とを相対的に移動させて行うことができる。
【００３４】
次に、図４を参照して光学系について具体的に説明する。図４は、上記プロキシミティ型光学系の構成図である。パルスレーザ光源１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、この光源１として、ＸｅＣｌエキシマパルスレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような他の光源を用いることもできる。上記光源１から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２からなる光学系２ａ，２ｂを介して拡大された後に、第１のフライアイレンズ３３に入射する。
【００３５】
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フライアレンズ３５の後側焦点面には、第１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を介して位相変調光学系４（位相シフタ）を重畳的に照明する。
【００３６】
ここで、第１フライアイレンズ３３および第１コンデンサ光学系３４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４上での入射角度に関する均一化が図られる。
【００３７】
また、第２フライアイレンズ３５および第２コンデンサ光学系３６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。
【００３８】
［実施例］
上述の図３に示すプロキシミティ型結晶化装置１０を用いてホモジナイズされた位相変調パルスレーザ光を被処理基板４０の一方面に照射して非晶質シリコン膜５２を結晶化した。被処理基板４０は、図５に示すようにキャップ膜５３として酸化シリコン膜を形成したものである。すなわち、被処理基板４０は、絶縁体叉は半導体からなる基体例えばシリコン基板４８の上にさらに絶縁層例えば下地保護膜５１、非晶質シリコン膜５２、キャップ膜５３を順次積層してなる構造体である。下地保護膜５１は膜厚例えば１０００ｎｍの第１の絶縁層例えば絶縁性ＳｉＯ2からなる。非晶質シリコン膜５２は、結晶化の対象となる膜であり、例えば膜厚２００ｎｍの非晶質シリコンからなる。キャップ膜５３は、第２の絶縁層例えば膜厚３００ｎｍの絶縁性ＳｉＯ2である。
【００３９】
このようなキャップ膜５３を有する結晶化処理される被処理基板４０を製造する方法についてさらに具体的に説明する。
【００４０】
絶縁体叉は半導体からなる基体には、シリコン基板４８を用い、膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ2からなる下地保護膜５１を熱酸化法により形成した。
【００４１】
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。
【００４２】
その上にキャップ膜５３として第２の絶縁層例えばＳｉＯ2膜（例えばＳｉＨ4とＮ2Ｏとのプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2膜）を形成した。次いで、シリコン基板４８上に形成した薄膜５１〜５３に対して脱水素処理を行った。この処理は、５００〜６００℃の温度域で行うことが望ましく、例えば窒素雰囲気で５７０℃×２時間の加熱処理を行った。
【００４３】
図６は本実施形態方法により室温条件下で結晶化させたＳｉ薄膜のＳＥＭ像の写真である。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４〜５μｍの範囲にラテラル成長して大結晶粒化した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。
【００４４】
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結晶粒化した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。
【００４５】
図７〜図９は、位相シフタ４を図３に示したプロキシミティ型結晶化装置１０に配置して、室温において、１ショットのエキシマレーザのパルス光を被処理基板４０に照射したときの結晶化特性を示している。図７は、横軸にキャップ膜５３として酸化シリコン膜（ＳｉＯ2の膜厚（ｎｍ）をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、各種サンプルについてキャップ膜５３として酸化シリコン膜の膜厚を様々に変えてラテラル成長距離のキャップ膜厚依存性を調べた結果を示す特性図である。なお、ラテラル成長距離は平均値を求めた。ここでは結晶とトランジスタのチャネル部との位置合せ精度の関係から、ラテラル成長距離が４．０μｍ以上を合格基準とした。
【００４６】
図７に示すように、実施例サンプルではプロキシミティ型結晶化装置において、キャップ膜５３の膜厚が３０ｎｍ以上かつ略３４０ｎｍ以下の場合に、室温においても最長で４μｍ以上のラテラル成長距離が得られた。また、キャップ膜５３の膜厚が３０ｎｍ、８０ｎｍの場合であってもそれぞれ最長で３μｍ、２μｍ程度のラテラル成長距離が得られた。また、キャップ膜５３の膜厚が３９０ｎｍの場合であっても最長で１．５μｍ程度のラテラル成長距離が得られた。一方、キャップ膜５３の膜厚が４８０ｎｍの場合は、ラテラル成長距離が１．５μｍを下回った。ラテラル成長距離が５μｍ以上の大粒径の結晶化領域は、キャップ膜５３の膜厚が１００μｍ以上３４０μｍ以下のときに得られている。このキャップ膜５３の膜厚は、位相シフタ４を介してレーザ光により照射された非単結晶半導体膜が加熱され、この加熱されたことにより溶融された非単結晶半導体膜の降温速度を遅くさせることにより大粒径の結晶化が得られる膜厚である。降温速度をゆっくりさせるためには、キャップ膜５３（第２の絶縁層）を適切な厚さに選択すること、結晶化するためのレーザ光の光エネルギおよび強度分布ＢＰを適切に選択することである。
【００４７】
図８は、横軸に被処理基板４０の温度（℃）をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、位相シフタ４を図３に示すようにプロキシミティ型の結晶化装置１０に配置してキャップ膜５３として膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2膜からなるキャップ膜５３を有する被処理基板４０の温度を様々に変えて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図である。図から明らかなように、キャップ膜５３として十分な厚みのＳｉＯ2からなるキャップ膜５３を有する被処理基板４０では、基板温度は、室温から数百℃までラテラル成長距離の基板温度依存性がほとんど無く、室温であっても十分な長さのラテラル成長距離を得ることが可能であることが判明した。この現象は、明らかではないが、キャップ膜による蓄熱効果によるものと思われる。
【００４８】
図９は、横軸に光強度指数（相対量）をとり、縦軸に結晶化された結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、位相シフタ４を図３に示すようにプロキシミティ型に配置して各種サンプルにレーザ光の光強度を様々に変えてラテラル成長距離の光強度指数依存性を調べた結果を示す特性図である。図から明らかなように、光強度が相対量で０．９を超えるあたりからラテラル成長距離が急激に増大することが判明した。具体的には、室温で、被処理基板４０にエキシマレーザのパルス光を１ショット照射によっても４μｍ以上の大きなラテラル成長距離が得られた。
【００４９】
本明細書中において「光強度指数」とは、結晶粒の成長中または成長後において種々の応力を受けても膜（結晶構造）が破壊されないで膜の形態形質が維持されるぎりぎりのエネルギ光の照射強度を基準とし、この基準に対する光強度の値をいうものとする。ここで「膜破壊」とは、広義には膜を構成する規則的な構造（膜構造）が壊れることをいい、狭義には結晶粒がラテラル成長するときに生じる応力によりキャップ膜５３が壊されること、あるいはラテラル成長時の発生応力により結晶化対象膜が壊されること、あるいはキャップ膜５３や結晶化対象膜のなかに含まれる水素に起因して結晶粒内または結晶粒界に割れなどの欠陥を生じることをいうものと定義する。
【００５０】
以上のことから本発明方法を用いて、室温において高充填率で大結晶粒（平均結晶粒径４μｍ〜）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。
【００５１】
上記実施形態では、位相シフタ４をプロキシミティ型に配置した例について説明したが、位相シフタ４を図１０に示すようにプロジェクション型に配置してもよい。即ち、このプロジェクション型の結晶化装置１０Ａは、位相シフタ４と被処理基板４０との間に結像光学系４３が配置された装置である。
【００５２】
次に、上記プロジェクション型結晶化装置１０Ａを利用した位相変調エキシマレーザアニール（以下ＰＭＥＬＡと略す）により、Ｓｉ膜を結晶化する実施例について説明する。図５に示すように、被処理基板４０は、シリコン（Ｓｉ）基板５０上に膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ2からなる下地保護膜５１を熱酸化法により形成した後、膜厚２００ｎｍの非晶質シリコン膜５２およびキャップ膜５３としてＳｉＯ2膜５３をＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-ＣＶＤ）法で順次積み重ねた積層構造とした。また、下地保護膜５１から非晶質Ｓｉ膜５２、キャップ膜５３をＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-ＣＶＤ）法で連続成膜により形成してもよい。ＰＭＥＬＡ前に、被処理基板４０をアニール炉において窒素ガス雰囲気下で２時間×５５０℃の脱水素処理を行った。
【００５３】
ＰＭＥＬＡにおいては、被処理基板４０に対してＫｒＦエキシマレーザを、例えばパルス幅３０ｎｓｅｃ、単一ショット照射した。結晶化されたＳｉ膜のミクロ構造的な分析は、セコエッチング後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって実行した。図２（ｂ）は、ピッチ幅ＰＷを様々に変えた光強度分布ＢＰを用いたパルスレーザ光を単一ショット照射することにより結晶化されたサンプルを示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の一例である。
【００５４】
上記のプロジェクション型の結晶化装置１０Ａにより被処理基板４０の結晶化工程を実施したときの結晶化特性を、図１１および図１２に示す。
【００５５】
図１１は、位相変調光学系である位相シフタ４を図１０に示すようにプロジェクション型の結晶化装置１０Ａに配置したときのラテラル成長距離とキャップ膜５３の膜厚との関係について調べた結果を示す特性図である。即ち、図１１は横軸にキャップ膜５３の厚さ（ｎｍ）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとった図である。図１１には、キャップ膜５３の各膜厚での最大ラテラル成長距離が示されている。また、図中の曲線は、各キャップ膜厚でのラテラル成長距離を結んだものである。図１１から明らかなようにキャップ膜５３の厚さが増大するとラテラル成長距離も増大し、キャップ膜５３の膜厚が１３０〜４００ｎｍの範囲ではラテラル成長距離が４μｍを超えた。特にキャップ膜５３の厚さが２５０ｎｍのときにラテラル成長距離は最大約７μｍに達した。この図１２に示したように本実施例では、室温で、エキシマレーザのパルス光を被処理基板４０に対して照射したとき６μｍ以上の大きなラテラル成長距離が得られた。
【００５６】
なお、図１１は、参考データとしてキャップ膜５３が無いときの試料例えば非単結晶半導体膜のラテラル成長距離を図中に黒丸で表示してある。キャップ膜５３無しの非単結晶半導体膜のラテラル成長距離は、キャップ膜５３有りの非単結晶半導体膜のラテラル成長距離に比べて短かった。
【００５７】
図１２は、非晶質シリコン膜５２の膜厚２００ｎｍのサンプルにおいて、横軸に光強度指数（相対値）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、位相シフタ４を図１０に示すようにプロジェクション型に配置したときの結晶粒のラテラル成長距離と光強度との関係について調べた結果を示す特性図である。図から明らかなように、光強度が相対量で０．９を超えるあたりからラテラル成長距離が急激に増大することがプロジェクション法によっても確認できた。
【００５８】
次に、図５に示すキャップ膜５３を有する被処理基板４０において、非晶質シリコン膜５２の膜厚を変えて上記結晶化工程を行い、最大ラテラル成長距離との関係を観察した。
【００５９】
図２２は、非晶質シリコン膜５２の膜厚と最大ラテラル成長距離との関係を示す特性図である。キャップ膜５３が無い場合は、図７および図１１に示されているように非晶質シリコン膜５２の膜厚が２００ｎｍの場合において、最大ラテラル成長距離は２．５μｍであった。しかし、図２１に示すように、図５に示すキャップ膜５３を有する被処理基板４０においては、例えば非晶質シリコン膜５２の膜厚が３０ｎｍと薄い場合であっても、３μｍ以上のラテラル成長した結晶粒が得られる。この図７と図１１、および図２２の結果からキャップ膜５３を設けることが、最大ラテラル成長距離の大きさに効果のあることが判明した。
【００６０】
さらに図２２は、非晶質シリコン膜５２の膜厚を厚くすると、最大ラテラル成長距離が長くなり、また非晶質シリコン膜５２の膜厚が２００ｎｍ程度になると最大ラテラル成長距離の伸びが飽和してくることを示している。
【００６１】
次に、図２２に示す最大ラテラル成長距離を達成するキャップ膜厚の条件について説明する。図２３は最大ラテラル成長距離を達成する、非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siとキャップ膜５３の膜厚ｄcapとの関係を示す特性図である。この結果、非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siが厚くなるにしたがって、必要なキャップ膜５３の膜厚ｄcapが厚くなることを見出した。図２３は、非晶質シリコン膜５２が厚くなると、上記シリコン層５２中の熱量が多くなり、この増加した熱の蓄熱を行う為には、厚いキャップ膜５３が必要であることを示している。図２３の非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siと、キャップ膜５３の膜厚ｄcapとの関係を示す特性図において、キャップ膜５３の膜厚は各非晶質シリコン膜厚に対応して、直線ｄcap＝０．５６８ｄa-Si＋６０と直線ｄcap＝０．５６８ｄa-Si＋１６０で囲まれる範囲に選択されることにより各非晶質シリコン膜５２の膜厚ｄa-Siにおける最長のラテラル方向の結晶成長をさせることができる。上記式において、ｄcapは、第２の絶縁層（キャップ膜５３）の膜厚（ｎｍ）であり、ｄa-Siは非晶質半導体膜又は非単結晶半導体膜（非晶質シリコン膜５２）の膜厚（ｎｍ）である。
【００６２】
［実証試験］
（蓄熱効果）
次に、図１３〜図１６を参照してキャップ膜５３の蓄熱効果について実証試験した結果を説明する。実証試験はＳｉ膜厚２００ｎｍのサンプルを用いて実施した。図１３は、横軸に平均の光強度（ｍＪ／ｃｍ2）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、光強度分布のピッチ幅ＰＷを一定値（２８μｍ）としたときのキャップ膜５３の蓄熱効果を示す特性図である。図中にて白四角はキャップ膜５３の厚さを１３０ｎｍとしたときの結果を、白三角はキャップ膜５３の膜厚を２２０ｎｍとしたときの結果を、黒丸はキャップ膜５３の厚さを３００ｎｍとしたときの結果を、黒三角はキャップ膜５３の厚さを３９０ｎｍとしたときの結果をそれぞれ示す。
【００６３】
キャップ膜５３の厚さ１３０ｎｍ（白四角）および厚さ２２０ｎｍ（白三角）のような薄いキャップ膜５３では、膜破壊が発生するまで、結晶粒のラテラル成長距離は光強度の上昇に伴って徐々に増大した。このときのラテラル成長距離の最大値は約６μｍであった。これより厚い厚さ３００ｎｍ（黒丸）のキャップ膜５３の場合、ラテラル成長距離は最初に約２μｍまで増大し、次いで急激に増加して６μｍを超えた。一方、厚さ３９０ｎｍ（黒三角）のように極度に厚いキャップ膜５３の場合、ラテラル成長距離は２μｍを超えなかった。
【００６４】
図１４（ａ）に模式的に示す光強度分布のレーザ光を照射して結晶化工程を行い、セコエッチングされたシリコン膜のＳＥＭ像を図１４（ｂ）と（ｃ）に示す。図１４（ｂ）は、キャップ膜５３の厚さを３００ｎｍにして結晶化工程を行ったときのシリコン膜のＳＥＭ像である。図１４（ｂ）中の矢印は、ラテラル成長の方向を示す。顕微鏡観察の結果、ラテラル成長距離は、最大値で７μｍを超え、平均値で約６μｍであった。
【００６５】
図１４（ｃ）は、キャップ膜５３の厚さが暑い試料をセコエッチングしてその結晶化形態を示すＳＥＭ像である。図ではラテラル成長領域が焼結晶領域によっていくつかに分断されている。これは溶融非晶質シリコン膜５２内の温度勾配が比較的長時間存在できたことを示している。しかし、固液界面の前面において温度は急激に下がり、自然核生成する臨界的な温度を下回った。自然核発生は、この固液界面の前面近傍で起こり、ラテラル成長する結晶粒を互いの衝突により停止させる。同時に、いくつかの新しい核が新たなラテラル成長の発生源として働く、このような状況は溶融非晶質シリコン膜５２内の温度勾配がより緩やかな場合にしばしば発生し、最終的には均一な小結晶粒をもたらす。この効果はキャップ膜５３が厚くなるほどより著しくなる。非常に厚いキャップ膜５３では、Ｓｉ層の熱量のほとんどがキャップ膜５３を加熱するために使用されるため、Ｓｉ層の液相の存続期間をかえって減少させる。
【００６６】
また、結晶のラテラル成長特性は、２２０ｎｍ厚さのキャップ膜５３と３００ｎｍ厚さのキャップ膜５３との間では明らかに異なっていることが確認された。キャップ膜５３の厚さ２２０ｎｍ試料（被処理基板４０）では、結晶粒サイズは光強度とともに増大する。これに対してキャップ膜５３の厚さ３００ｎｍキャップ試料（被処理基板４０）の場合は、結晶のラテラル成長特性が急減に変化する臨界強度が存在した。
【００６７】
図１５はこの急激な変化を説明する模式図である。図１５は、横軸に基板上の各膜層の位置をとり、縦軸に温度（無単位）をとって、ＳｉＯ2下地保護膜５１の上に結晶化対象の非晶質シリコン膜５２が、この非晶質シリコン膜５２上にＳｉＯ2キャップ膜５３が形成された被処理基板４０の膜厚方向の温度分布を示す一次元温度分布図である。ここではパルス照射の間に結晶化対象の非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiが時間とともに増大すると単純化して想定することとする。パルス的に照射されたレーザ光のパルスの終端ではＳｉＯ2キャップ膜５３と下地保護膜５１における温度分布は同じ形状となるが、図で概略的に示されるとおり非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiに比例する。強い照射（実線Ａ）の場合には、非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiは高くなるので、非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiによるキャップ膜５３の加熱された結果、キャップ膜５３の温度は、被結晶化対象化膜の非晶質シリコン膜５２の融点ＴＭを厚さ方向に対して広い領域で上回り、キャップ膜５３は、ヒートキャパシタとして機能する。
【００６８】
一方、弱い照射（破線Ｂ）の場合には、上記非晶質シリコン膜５２の温度ＴSiは、キャップ膜５３を十分に加熱するに足るほど高くない。上記非晶質シリコン層５２近傍のキャップ膜５３の一部のみが融点ＴＭを超えるほど加熱される。キャップ膜５３の一部は、低温（融点ＴＭ以下）のままであり、この低温領域（冷領域）がヒートシンクとして作用する。
【００６９】
図１０に示すようなプロジェクション型結晶化装置による実験の結果、ラテラル成長距離を長くするための好ましいキャップ膜５３の厚さは１００〜３７０ｎｍの範囲であった。
【００７０】
図１６は、横軸に平均の光強度（ｍＪ／ｃｍ2）をとり、縦軸に結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）をとって、キャップ膜５３の厚さを一定値（３００ｎｍ）として光強度分布のピッチ幅ＰＷを様々に変えたときのキャップ膜５３の蓄熱効果を示す特性図である。図中にて白丸はピッチ幅ＰＷを２０μｍとしたときの結果を、黒丸はピッチ幅ＰＷを２８μｍとしたときの結果を、白三角はピッチ幅ＰＷを３６μｍとしたときの結果をそれぞれ示す。
【００７１】
図から明らかなように、ピッチ幅ＰＷが２０μｍの場合、ラテラル成長距離は光強度とともに一定に増大し、光強度が１０００ｍＪ/ｃｍ2のところで最大約４μｍに到達した。一方、ピッチ幅ＰＷが大きい３６μmの場合、ラテラル成長距離は短いままであった。また、ピッチ幅ＰＷが中程度の２８μｍでは、急激に成長する光強度を経て、ラテラル成長距離は６μｍに達した。
【００７２】
図１７（ａ）に大結晶粒をち密に配列したサンプルのＳＥＭ像を、同図（ｂ）に（ａ）のサンプルの一部を拡大したＳＥＭ像を、同図（ｃ）に（ｂ）のサンプルに照射されたレーザ光の光強度分布図をそれぞれ示す。
【００７３】
望ましいビームプロファイルは山強度と谷強度との比率が約２となる三角形の形状であることを、本実証試験により確認できた。このようなビームプロファイルは位相シフタにより生じさせるように設定される。図１７（ａ）に示すように、サンプル表面の全体に亘って５μｍ程度の大結晶粒がち密に充填された。このように大結晶粒がち密に充填配列された形態に類似する形態を再現性よく生産することができた。
【００７４】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。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４.０〜６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。
【００７５】
次に、図１８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結晶粒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。
【００７６】
絶縁体又は半導体から成る基板には、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、ガラス基板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。
【００７７】
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。
【００７８】
非晶質シリコン膜５２上にキャップ膜５３を形成して、被処理基板４０を形成する。この被処理基板４０は、図４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。
【００７９】
結晶化した単結晶半導体膜上のキャップ膜５３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１８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およびソース領域５２ｂおよびドレイン領域５２ｃに略対応する所定パターンのＳｉアイランドを形成した。
【００８０】
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５４を形成する。ゲート絶縁膜５４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３０〜１２０ｎｍの酸化シリコン膜を形成する。ゲート絶縁膜５４の形成は、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５４とした。
【００８１】
次に、ゲート絶縁層５４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。
【００８２】
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５２ｂおよびドレイン領域５２ｃ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。
【００８３】
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化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。
【００８４】
次に、ゲート絶縁膜５４およびゲート電極５５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。
【００８５】
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。このようにして図１８に示す薄膜トランジスタを得た。
【００８６】
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１９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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
以上説明したように上記実施形態によれば、結晶化処理時に低温、例えば室温またはその近傍の温度域（例えば５〜５０℃）であっても大粒径の結晶化を行なうことができる。位相変調した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る。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、液晶表示装置ばかりでなく有機エレクトロルミネッセンス表示装置，電子回路装置にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【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レーザ光の光強度分布を示す図、（ｃ）はレーザ光の光強度分布を三次元的に示す図。
【図２】（ａ）は基板入射前に位相変調されたレーザ光の光強度分布を模式的に示す図、（ｂ）はパルスレーザ光の単一ショット照射により結晶化されたサンプルを示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。
【図３】本発明の結晶化装置の概要を示す構成ブロック図。
【図４】本発明装置の光学系を示す内部透視ブロック図。
【図５】本発明の薄膜トランジスタの製造工程を説明する断面模式図。
【図６】本発明の効果を示すＳＥＭ像。
【図７】本発明の効果を示す特性図。
【図８】本発明の効果を示す特性図。
【図９】本発明の効果を示す特性図。
【図１０】図３の他の実施形態を説明するための構成ブロック図。
【図１１】本発明の効果を示す特性図。
【図１２】本発明の効果を示す特性図。
【図１３】本発明の効果を示す特性図。
【図１４】（ａ）はセコエッチング後のサンプルのＳＥＭ像、（ｂ）は光強度分布図、（ｃ）はセコエッチング後のサンプルのＳＥＭ像。
【図１５】本発明の効果を説明する模式図。
【図１６】本発明の効果を示す特性図。
【図１７】（ａ）は大結晶粒をち密に配列したサンプルのＳＥＭ像、（ｂ）は（ａ）に示すサンプルの一部を拡大したＳＥＭ像、（ｃ）は（ｂ）に示すサンプルに照射したレーザ光の光強度分布図。
【図１８】本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタを示す断面模式図。
【図１９】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２０】従来装置の概要を示す構成ブロック図。
【図２１】（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。
【図２２】非晶質シリコン膜の膜厚（ｎｍ）と結晶粒のラテラル成長距離（μｍ）との関係を示す特性図。
【図２３】非晶質シリコン膜の膜厚（ｎｍ）とキャップ膜の膜厚（ｎｍ）との関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００９２】
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）、
５、４０…被処理基板、４３…結像光学系、４８…シリコン基板、
４９…ガラス基板、５０…レーザ光、５１…下地保護膜（第１の絶縁層）、
５２…非晶質シリコン膜（非単結晶半導体膜、ａ−Ｓｉ膜）、
５２ａ…チャネル領域、５２ｂ…ソース領域、５２ｃ…ドレイン領域、
５３…キャップ膜（ＳｉＯ2膜；第２の絶縁層）、
５４…ゲート絶縁膜、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、
６…載置台、７…Ｘ，Ｙ，Ｚ，θステージ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するタイミングが制御されるレーザ装置と、このレーザ装置から発振されたレーザ光と同一光軸上に配置され入射レーザ光の光強度を均一化するためのホモジナイザと、このホモジナイザと同一光軸上に配置された空間強度変調光学素子と、前記レーザ光の光路に設けられた被処理基板を載置するための載置台と、を有するプロキシミティ型結晶化装置を用いて、前記被処理基板に設けられた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キャップ膜を設け、
このキャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に単調増加と単調減少を繰り返す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を照射することにより照射部のみを溶融し、降温が開始された後前記照射部の最小となる逆ピーク点の凝固が開始し、この凝固位置が前記断面逆三角形状ピークパターンの勾配に応じて凝固点が移動しラテラル方向に結晶成長させ、
前記載置台と前記レーザ装置からのレーザ光による前記照射位置を相対的に移動させて前記非単結晶半導体膜の予め定められた領域を結晶化することにより前記レーザ光の照射部における最小となる逆ピーク点から結晶化することを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記キャップ膜は、膜厚が３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項３】
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３のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項４】
前記レーザ光は、パルスレーザ光であることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項５】
パルスレーザ光を１ショット照射後に前記被処理基板を所定ピッチ距離だけ移動させ、次のショットのパルスレーザ光を照射することを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項１】
レーザ光を発振するタイミングが制御されるレーザ装置と、このレーザ装置から発振されたレーザ光と同一光軸上に配置され入射レーザ光の光強度を均一化するためのホモジナイザと、このホモジナイザと同一光軸上に配置された空間強度変調光学素子と、前記レーザ光の光路に設けられた被処理基板を載置するための載置台と、を有するプロキシミティ型結晶化装置を用いて、前記被処理基板に設けられた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キャップ膜を設け、
このキャップ膜を介して前記非単結晶半導体膜に単調増加と単調減少を繰り返す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を照射することにより照射部のみを溶融し、降温が開始された後前記照射部の最小となる逆ピーク点の凝固が開始し、この凝固位置が前記断面逆三角形状ピークパターンの勾配に応じて凝固点が移動しラテラル方向に結晶成長させ、
前記載置台と前記レーザ装置からのレーザ光による前記照射位置を相対的に移動させて前記非単結晶半導体膜の予め定められた領域を結晶化することにより前記レーザ光の照射部における最小となる逆ピーク点から結晶化することを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記キャップ膜は、膜厚が３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項３】
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３のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項４】
前記レーザ光は、パルスレーザ光であることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項５】
パルスレーザ光を１ショット照射後に前記被処理基板を所定ピッチ距離だけ移動させ、次のショットのパルスレーザ光を照射することを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１０−１１４４７２（Ｐ２０１０−１１４４７２Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５７６８（Ｐ２０１０−２５７６８）
【出願日】平成２２年２月８日（２０１０．２．８）
【分割の表示】特願２００４−９３２００（Ｐ２００４−９３２００）の分割
【原出願日】平成１６年３月２６日（２００４．３．２６）
【出願人】（５０１２８６６５７）株式会社 液晶先端技術開発センター (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月８日（２０１０．２．８）
【分割の表示】特願２００４−９３２００（Ｐ２００４−９３２００）の分割
【原出願日】平成１６年３月２６日（２００４．３．２６）
【出願人】（５０１２８６６５７）株式会社 液晶先端技術開発センター (161)
【Ｆターム（参考）】
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