JP2000306859A - 半導体薄膜の結晶化方法及びレーザ照射装置 - Google Patents
半導体薄膜の結晶化方法及びレーザ照射装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザ結晶化法を改良して大面積の基板上に
単結晶に近い結晶性を持つ半導体薄膜をスループットよ
く形成する。 【解決手段】 まず、準備工程を行ない、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。次の結晶化工程では、照射領域Ｒに周期
的な明暗のパタ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。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。
結晶化工程では、明暗のパタ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
し照射を行なう。
単結晶に近い結晶性を持つ半導体薄膜をスループットよ
く形成する。 【解決手段】 まず、準備工程を行ない、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。次の結晶化工程では、照射領域Ｒに周期
的な明暗のパタ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。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。
結晶化工程では、明暗のパタ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
し照射を行なう。
Description
【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て作成された薄膜トランジス
タ並びに表示装置に関する。
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て作成された薄膜トランジス
タ並びに表示装置に関する。
【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を内蔵できる。
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
成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。
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を内蔵できる。
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
成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ないし２
００ｎｓ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
して作成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。
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ないし２
００ｎｓ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
して作成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。
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。
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なう事を特徴とする。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
照射を行なう事を特徴とする。又好ましくは、基板を２
００℃以上に加熱した状態で該結晶化工程を行なう事を
特徴とする。
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なう事を特徴とする。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
照射を行なう事を特徴とする。又好ましくは、基板を２
００℃以上に加熱した状態で該結晶化工程を行なう事を
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なう
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
な明暗のパタンが描かれたマイクロスリットからなり、
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。
薄膜にレーザ光を照射して半導体薄膜の結晶化を行なう
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
な明暗のパタンが描かれたマイクロスリットからなり、
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ない、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。
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ない、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な
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。
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な
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な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。
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な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なる基板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
などの半導体は冷却過程で結晶化する。まず、準備工程
を行ない、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。この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なう。基板０を
２００℃以上に加熱した状態で結晶化工程を行なうと、
より均一な結晶状態が得られる。
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なる基板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
などの半導体は冷却過程で結晶化する。まず、準備工程
を行ない、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。この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なう。基板０を
２００℃以上に加熱した状態で結晶化工程を行なうと、
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なうことに
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。
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なうことに
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Ｏ．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。たと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１ＯＨ
ｚ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。
（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Ｏ．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。たと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１ＯＨ
ｚ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
らな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。
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
らな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ン、（ｃ）に示す
様なシェブロンパタン、（ｄ）に示す様な格子状パタン
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ンが投影さ
れれば良い。
式的な平面図である。（ａ）は、直線状の明暗パタンを
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ン、（ｃ）に示す
様なシェブロンパタン、（ｄ）に示す様な格子状パタン
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
はミラー一、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の結晶化を行なうものであって、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５
４、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からなり、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からなり、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、光学手段は周期的な明暗のパタ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。
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
はミラー一、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の結晶化を行なうものであって、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５
４、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からなり、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からなり、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、光学手段は周期的な明暗のパタ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
し、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なる半導体薄膜４にフ
ォーカスさせて、パルスレーザ光５０を照射させると、
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Ｏ．３〜１．
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。
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
し、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なる半導体薄膜４にフ
ォーカスさせて、パルスレーザ光５０を照射させると、
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Ｏ．３〜１．
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△Ｓ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。
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△Ｓ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
で作成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ないし３５０ｃｍ2 ／Ｖｓ、Ｐ
チャネル型で１６０ないし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、ガラスなどからなる絶縁基板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、パタニン
グしてゲート電極１に加工する。
製造方法の第一実施例を示す工程図である。この実施例
で作成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ないし３５０ｃｍ2 ／Ｖｓ、Ｐ
チャネル型で１６０ないし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、ガラスなどからなる絶縁基板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
絶縁膜はゲート窒化膜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Ｓ
ｉＨ4 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Ｃ
ＶＤ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
ンからなる半導体薄膜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は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℃の温度で窒素雰囲気中１時間程度加熱処理を
行ない、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なう。
上にゲート絶縁膜を形成する。本実施形態では、ゲート
絶縁膜はゲート窒化膜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Ｓ
ｉＨ4 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Ｃ
ＶＤ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
ンからなる半導体薄膜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は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℃の温度で窒素雰囲気中１時間程度加熱処理を
行ない、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なう。
【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５
０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ない、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。
照射し、非晶質半導体薄膜４を結晶化する。レーザ光５
０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ない、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なう。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３
００ｎｍの厚みで形成する。本例では、シランガスＳＨ
4 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）を半導体薄膜５に注入し、ＬＤ
Ｄ領域を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１
０12 乃至１×１０13／ｃｍ2 であり、加速電圧は例え
ば１０ＫｅＶである。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／ｃｍ
2 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１０Ｋｅ
Ｖ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１×１０
15／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）を行なっ
ても良い。この後、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ニングし、素子領域毎に薄膜トラ
ンジスタを分離する。
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なう。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３
００ｎｍの厚みで形成する。本例では、シランガスＳＨ
4 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）を半導体薄膜５に注入し、ＬＤ
Ｄ領域を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１
０12 乃至１×１０13／ｃｍ2 であり、加速電圧は例え
ば１０ＫｅＶである。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／ｃｍ
2 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１０Ｋｅ
Ｖ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１×１０
15／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）を行なっ
ても良い。この後、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１
００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４０
０℃程度の加熱処理を１時間行ない、層間絶縁膜７に含
まれる水素原子を半導体薄膜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１０
０乃至２００ｎｍの厚みでスパッタした後、所定の形状
にパタニングして配線電極９に加工する。更に、アクリ
ル樹脂などからなる平坦化層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などからなる透明導電膜をスパッ
タした後、所定の形状にパタニングして画素電極１１に
加工する。
００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４０
０℃程度の加熱処理を１時間行ない、層間絶縁膜７に含
まれる水素原子を半導体薄膜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１０
０乃至２００ｎｍの厚みでスパッタした後、所定の形状
にパタニングして配線電極９に加工する。更に、アクリ
ル樹脂などからなる平坦化層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などからなる透明導電膜をスパッ
タした後、所定の形状にパタ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
作成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ないし４３０ｃｍ2 ／Ｖｓ、
Ｐチャネル型で１６０ないし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、
本実施例はトップゲート構造の薄膜トランジスタを作成
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ＣＶ
Ｄ法により連続成膜する。一層目の下地膜６ａはＳｉＮ
x からなり、その膜厚は１００乃至２００ｎｍである。
又、二層目の下地膜６ｂはＳｉＯ2 からなり、その膜厚
は同じく１００ｎｍ乃至２００ｎｍである。このＳｉＯ
2 からなる下地膜６ｂの上に非晶質シリコンからなる半
導体薄膜４を約３０乃至８０ｎｍの厚みでプラズマＣＶ
Ｄ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。非晶質シリ
コンからなる半導体薄膜４の成膜にプラズマＣＶＤ法を
用いた場合には、膜中の水素を脱離させる為に、窒素雰
囲気中で４００℃乃至４５０℃１時間程度のアニールを
行なう。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ない、Ｂ＋イオンを例えばド
ーズ量５×１０11乃至４×１０12／ｃｍ2 程度で半導体
薄膜５に注入する。この場合の加速電圧は１０ＫｅＶ程
度である。
造方法の第二実施例を示す工程図である。この実施例で
作成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ないし４３０ｃｍ2 ／Ｖｓ、
Ｐチャネル型で１６０ないし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、
本実施例はトップゲート構造の薄膜トランジスタを作成
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ＣＶ
Ｄ法により連続成膜する。一層目の下地膜６ａはＳｉＮ
x からなり、その膜厚は１００乃至２００ｎｍである。
又、二層目の下地膜６ｂはＳｉＯ2 からなり、その膜厚
は同じく１００ｎｍ乃至２００ｎｍである。このＳｉＯ
2 からなる下地膜６ｂの上に非晶質シリコンからなる半
導体薄膜４を約３０乃至８０ｎｍの厚みでプラズマＣＶ
Ｄ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。非晶質シリ
コンからなる半導体薄膜４の成膜にプラズマＣＶＤ法を
用いた場合には、膜中の水素を脱離させる為に、窒素雰
囲気中で４００℃乃至４５０℃１時間程度のアニールを
行なう。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ない、Ｂ＋イオンを例えばド
ーズ量５×１０11乃至４×１０12／ｃｍ2 程度で半導体
薄膜５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５
５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ない、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。
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５
５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ない、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
転換された半導体薄膜５をアイランド状にパタニングす
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ＳｉＯ
2 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，Ｔ
ａ，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の全面に対して行な
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ンを形成し、Ｐ＋イオンを質量非
分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入
し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。この
場合のドーズ量は例えば１×１０15／ｃｍ2 程度であ
る。加速電圧は例えば９０ＫｅＶである。ドーピングガ
スには水素希釈の２０％ＰＨ3 ガスを用いた。ＣＭＯＳ
回路を形成する場合には、Ｐチャネル薄膜トランジスタ
用のレジストパタンを形成後、ドーピングガスを５％乃
至２０％のＢ2 Ｈ6 ／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、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ＲＴＡ６
０を用いることができる。
転換された半導体薄膜５をアイランド状にパタニングす
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ＳｉＯ
2 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，Ｔ
ａ，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の全面に対して行な
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ンを形成し、Ｐ＋イオンを質量非
分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入
し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。この
場合のドーズ量は例えば１×１０15／ｃｍ2 程度であ
る。加速電圧は例えば９０ＫｅＶである。ドーピングガ
スには水素希釈の２０％ＰＨ3 ガスを用いた。ＣＭＯＳ
回路を形成する場合には、Ｐチャネル薄膜トランジスタ
用のレジストパタンを形成後、ドーピングガスを５％乃
至２０％のＢ2 Ｈ6 ／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、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ＲＴＡ６
０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などからなる層間絶縁膜７を成膜す
る。この層間絶縁膜７の成膜後、ＳｉＮx をプラズマＣ
ＶＤ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３５
０℃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なる平坦化層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などからなる透明導電膜を
スパッタリングし、所定の形状にパタニングして画素電
極１１に加工する。
被覆する様にＰＳＧなどからなる層間絶縁膜７を成膜す
る。この層間絶縁膜７の成膜後、ＳｉＮx をプラズマＣ
ＶＤ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３５
０℃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なる平坦化層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などからなる透明導電膜を
スパッタリングし、所定の形状にパタニングして画素電
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、ゲート電極のパタンが形成される前の段階
で結晶化を行なう為、ガラスなどからなる絶縁基板の収
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
を行なえる。
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、ゲート電極のパタンが形成される前の段階
で結晶化を行なう為、ガラスなどからなる絶縁基板の収
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
を行なえる。
【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１
０７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
している。画素アレイ部１０４には行状のゲート配線１
０９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１
１２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に接続してい
る。ゲート配線１０９は垂直駆動回路１０５に接続する
一方、信号配線１１０は水平駆動回路１０６に接続して
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
作成されたものであり、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。
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１
０７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
している。画素アレイ部１０４には行状のゲート配線１
０９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１
１２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に接続してい
る。ゲート配線１０９は垂直駆動回路１０５に接続する
一方、信号配線１１０は水平駆動回路１０６に接続して
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
作成されたものであり、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、５
５ａ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、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。
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、５
５ａ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、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に示すようにたとえぱ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１
０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、ＸｅＣ１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ＰＥ
ＣＶＤ、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１
５４ｎｍ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
強弱のパタンを示す。
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に示すようにたとえぱ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１
０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、ＸｅＣ１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ＰＥ
ＣＶＤ、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１
５４ｎｍ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ンの幅とパ
タン間距離はともに３μｍである。シリコンからなる半
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５５
ａを、レーザ光源とガラス基板０上の非晶質シリコンか
らなる半導体薄膜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。
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ンの幅とパ
タン間距離はともに３μｍである。シリコンからなる半
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５５
ａを、レーザ光源とガラス基板０上の非晶質シリコンか
らなる半導体薄膜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ンを有する位相シフトマスク５５
ａ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△Ｓ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。
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ンを有する位相シフトマスク５５
ａ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△Ｓ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たとえば
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回の横方向成長距離
×位相シフトパタ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。たとえ
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１ＯＨｚ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ン、シェブロン
パタン、格子状パタン等でもよい。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ンを形
成可能な位相シフトマスクを用いて結晶化を行なってい
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。
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たとえば
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回の横方向成長距離
×位相シフトパタ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。たとえ
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１ＯＨｚ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ン、シェブロン
パタン、格子状パタン等でもよい。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ンを形
成可能な位相シフトマスクを用いて結晶化を行なってい
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、
レーザー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２７０〜３５０ｃｍ
２／Ｖｓ，ＰＭＯＳで１６０〜２５０ｃｍ２／Ｖｓ、第
二の実施例ではＮＭＯＳで３２０〜４３０ｃｍ２／Ｖ
ｓ，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なえば、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。
レーザー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２７０〜３５０ｃｍ
２／Ｖｓ，ＰＭＯＳで１６０〜２５０ｃｍ２／Ｖｓ、第
二の実施例ではＮＭＯＳで３２０〜４３０ｃｍ２／Ｖ
ｓ，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なえば、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
タンの例を示す模式図である。
タ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
示す説明図である。
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
・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
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/336 (72)発明者 眞野 三千雄 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 5C034 AA02 AA07 AB02 AB04 5F052 AA02 AA11 BA12 BA18 BA20 BB07 CA07 DA02 DB02 DB03 EA12 EA15 JA01 5F110 AA01 BB02 CC02 CC08 DD02 DD13 DD14 DD17 EE02 EE03 EE04 EE06 EE09 EE23 FF02 FF03 FF09 FF29 FF30 FF32 GG02 GG13 GG25 GG32 GG34 GG45 GG47 GG52 HJ01 HJ04 HJ12 HJ13 HJ23 HL03 HL04 HL07 HL23 HM03 HM15 NN03 NN04 NN05 NN14 NN23 NN24 NN25 NN27 NN35 NN62 NN65 NN72 PP03 PP04 PP05 PP06 PP10 PP35 QQ09 QQ12 QQ19 QQ23
Claims (16)
- 【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する準備工程と、 該照射領域に周期的な明暗のパタ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なう事を特徴とする半導体
薄膜の結晶化方法。 - 【請求項２】 前記結晶化工程は、明暗のパタンに応じ
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
て再度照射を行なう事を特徴とする請求項１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該
結晶化工程を行なう事を特徴とする請求項１記載の半導
体薄膜の結晶化方法。 - 【請求項４】 前記結晶化工程は、レーザ光を回折して
周期的な明暗のパタ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なうレーザ照射
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ン
が描かれたマイクロスリットからなり、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
期的な明暗のパタンを形成可能な位相シフトマスクから
なり、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
薄膜の結晶化を行なう事を特徴とする請求項５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ない、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薄膜トラン
ジスタ。 - 【請求項１０】 前記半導体薄膜は、明暗のパタンに応
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なうことにより結晶化されたもので
ある事を特徴とする請求項９記載の薄膜トランジスタ。 - 【請求項１１】 前記半導体薄膜は、基板を２００℃以
上に加熱した状態で結晶化されたものである事を特徴と
する請求項９記載の薄膜トランジスタ。。 - 【請求項１２】 前記半導体薄膜は、レーザ光を回折し
て周期的な明暗のパタンを形成可能な位相シフトマスク
を用いて結晶化されたものである事を特徴とする請求項
９記載の薄膜トランジスタ。 - 【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
ない、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表
示装置。 - 【請求項１４】 前記半導体薄膜は、明暗のパタンに応
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なうことにより結晶化されたもので
ある事を特徴とする請求項１３記載の表示装置。 - 【請求項１５】 前記半導体薄膜は、基板を２００℃以
上に加熱した状態で結晶化されたものである事を特徴と
する請求項１３記載の表示装置。 - 【請求項１６】 前記半導体薄膜は、レーザ光を回折し
て周期的な明暗のパタンを形成可能な位相シフトマスク
を用いて結晶化されたものである事を特徴とする請求項
１３記載の表示装置。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11023799A JP4403599B2 (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 半導体薄膜の結晶化方法、レーザ照射装置、薄膜トランジスタの製造方法及び表示装置の製造方法 |
| TW089106887A TW461113B (en) | 1999-04-19 | 2000-04-13 | Process of crystallizing semiconductor thin film and laser irradiation system |
| US09/550,293 US6388386B1 (en) | 1999-04-19 | 2000-04-14 | Process of crystallizing semiconductor thin film and laser irradiation |
| KR1020000020439A KR100712648B1 (ko) | 1999-04-19 | 2000-04-18 | 반도체 박막을 결정화하는 방법, 레이저 조사 시스템, 박막 트랜지스터 제조 방법, 표시 장치의 제조 방법 및 유기 el 표시 장치의 제조 방법 |
| EP00401089A EP1047119A3 (en) | 1999-04-19 | 2000-04-19 | Process of crystallizing semiconductor thin film and laser irradiation system |
| US09/968,843 US6734635B2 (en) | 1999-04-19 | 2001-10-03 | Process of crystallizing semiconductor thin film and laser irradiation system |
| US09/968,842 US6482722B2 (en) | 1999-04-19 | 2001-10-03 | Process of crystallizing semiconductor thin film and laser irradiation system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11023799A JP4403599B2 (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 半導体薄膜の結晶化方法、レーザ照射装置、薄膜トランジスタの製造方法及び表示装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000306859A true JP2000306859A (ja) | 2000-11-02 |
| JP4403599B2 JP4403599B2 (ja) | 2010-01-27 |
Family
ID=14530592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11023799A Expired - Fee Related JP4403599B2 (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 半導体薄膜の結晶化方法、レーザ照射装置、薄膜トランジスタの製造方法及び表示装置の製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (3) | US6388386B1 (ja) |
| EP (1) | EP1047119A3 (ja) |
| JP (1) | JP4403599B2 (ja) |
| KR (1) | KR100712648B1 (ja) |
| TW (1) | TW461113B (ja) |
Cited By (51)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2005109460A (ja) * | 2003-09-09 | 2005-04-21 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | レーザ照射装置、レーザ照射方法及び半導体装置の作製方法 |
| JP2005129915A (ja) * | 2003-09-30 | 2005-05-19 | Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd | 結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および位相変調素子 |
| JP2005191510A (ja) * | 2003-06-30 | 2005-07-14 | Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd | 結晶化方法、結晶化装置、被処理基板、薄膜トランジスタおよび表示装置 |
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