JP2001308009A - 非単結晶膜、非単結晶膜付き基板、その製造方法及びその製造装置並びにその検査方法及びその検査装置並びにそれを用いた薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタアレイ及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】結晶粒の粒径バラツキを減少させるとともに粒
径の周期性を向上させる非単結晶膜の製造方法の提供す
る。 【解決手段】本発明の非単結晶膜の製造方法は、第１
に、非単結晶膜を形成した後、回折光でモニタリングし
てレーザ照射を最適化するようにし、第２に、基板を冷
却した状態で、レーザ照射を行うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非単結晶膜、非単
結晶膜付き基板、その製造方法及びその製造装置、並び
にその検査方法及びその検査装置、並びに薄膜トランジ
スタ、薄膜トランジスタアレイ、及び画像表示装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、画素スイッチング素子として薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ、Thin-Film-Transistor）を用い
た、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置などの画像表示装
置の研究開発が盛んに進められている。そのなかで、チ
ャネル領域に多結晶シリコン（ポリシリコン）を用いた
ＴＦＴは非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を用
いたＴＦＴに比べキャリア移動度がかなり高いことに着
目して、ポリシリコンＴＦＴと駆動用回路とを同一基板
上に形成した表示装置（駆動回路内蔵型表示装置）が提
案され、研究開発されている。

【０００３】ＴＦＴは、石英基板やガラス基板等の基板
上に、チャネル領域、ドレイン領域、ソース領域等に区
分けされた半導体膜と、この半導体膜と絶縁されたゲー
ト電極と、前記ドレイン領域あるいはソース領域と電気
的に接続されたドレイン電極及びソース電極とを有する
ものである。

【０００４】ＴＦＴの半導体膜の製造方法としては、ア
モルファスシリコン膜等の非晶質膜に対してレーザを照
射し、溶融、結晶化してポリシリコン膜等の非単結晶膜
にするレーザアニール法がよく用いられる。レーザアニ
ール法は、レーザとして、アルゴンレーザ、ＫｒＦ、Ｘ
ｅＣｌガス等を用いるエキシマレーザ等が一般に用いら
れ、例えば、エキシマレーザを用いる場合には、光源か
ら出射した数ｃｍ角のビームをホモジナイザと呼ばれる
光学系を介して矩形あるいはライン状の均一な光強度を
持つビームに整形した後、非晶質膜に照射して結晶化す
る。特に、画像表示装置では、画面内の均一性が重視さ
れるため、比較的大きなビームを用いて広い面積にわた
る均一な結晶化を行う方法が適しているので、ライン状
のビームを走査しながら照射する方法が一般的である。

【０００５】さて、このようなレーザアニール法による
結晶化においては、結晶性の均一性の向上が最大の課題
となっている。結晶性にバラツキがあると、それが画素
領域であれば表示画面のムラとなって現れ、また駆動回
路領域であれば回路特性に不均一性を生じてしまい、場
合によっては回路が駆動できないことも起こりうる。こ
うしたバラツキに起因する不良は、製造プロセス完了後
にはじめて判明するため、そのロスは極めて大きいもの
となっている。

【０００６】上記課題を解決するための手法として、
照射面の一部に反射膜や吸収膜を被せ薄膜面の光吸収性
を制御することによって強度分布をつくり、結晶の成長
方向を誘導する方法、基板を加熱（４００℃）した状
態でレーザ照射を行うことにより、結晶化を円滑に進行
させる方法（Extended Abstracts of the 1991 Interna
tional Conference on Solid State Devices and Mater
ials, Yokohama, 1991, p.p. 623-625等）、図１７に
示すように、エキシマレーザ光３００によって処理され
た非単結晶膜３０１に検査光３０２を照射し、その透過
光３０３と反射光３０４をそれぞれ透過光検出器３０５
と反射光検出器３０６によって検出し、結晶化の進行度
合いを検知しようとする方法（特開平１０−１４４６２
１号公報等）、ラマン分光法、原子間力顕微鏡観察、
断面ＳＥＭ観察、Ｘ線回折法等を利用する方法等が提案
されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た方法には下記のような問題点があり、多次元的な集積
と一層のコストダウンを図ろうとする最近の技術動向に
充分に対応したものとはいえない。

【０００８】上記の方法は、反射膜等を施す工程が別
途必要となるので、それだけ製造工程が煩雑になり、コ
スト上昇を招来する。

【０００９】上記の方法も、同様に、加熱工程を要す
るので生産性の低下を招く。また、歩留まりが悪いとい
う問題がある。

【００１０】上記の方法では、ａ−Ｓｉからｐ−Ｓｉ
への大きな変化は検出できるが、一旦結晶化された後の
ｐ−Ｓｉの状態が微妙に変化していく過程では、上記反
射光及び透過光の変化は小さいため、検出感度が充分で
ない。

【００１１】上記の方法は、いずれも結晶化プロセス
進行中に適用するのは困難である。しかも、いずれも極
めて局所的な測定ポイントのみの評価となるため、基板
全体での結晶性を短時間で把握するのは難しい。

【００１２】本発明は、上記のような課題に鑑みてなさ
れたものであり、照射領域の結晶性をリアルタイムで高
感度にモニタしながらレーザ照射条件を最適化して非単
結晶膜を製造する方法、その製造装置及びそれにより得
られた非単結晶膜を提供することを目的とする。また、
高感度な非単結晶膜の検査方法及びその検査装置を提供
することを目的とする。

【００１３】さらに、狭い照射エネルギ領域内でレーザ
を制御しなくても、基板を冷却することで容易に移動度
やＶｔ特性等の特性バラツキがない非単結晶膜を製造す
る方法、その製造装置及びそれにより得られた非単結晶
膜、非単結晶膜付き基板を提供することを目的とする。

【００１４】さらに、前記非単結晶膜を半導体膜として
用いた薄膜トランジスタと、その薄膜トランジスタが基
板上に形成されてなる薄膜トランジスタアレイと、それ
を用いてなる画像表示装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の非単結
晶膜の製造方法は、非晶質膜または微結晶膜にレーザビ
ームを照射して非単結晶膜を製造する方法において、前
記レーザビームの照射領域に検査光を照射し、前記非単
結晶膜から発生する回折光の測定値が所定の値になるよ
う前記レーザビームの照射条件を最適化することで結晶
化もしくは再結晶化することを特徴とする。

【００１６】請求項２に記載の非単結晶膜の製造方法
は、請求項１に記載の非単結晶膜の製造方法であって、
前記回折光の測定値が、回折光の光強度であることを特
徴とする。

【００１７】請求項３に記載の非単結晶膜の製造方法
は、請求項１に記載の非単結晶膜の製造方法であって、
前記レーザビームの照射条件が、エネルギ、照射回数、
周波数、照射間隔、走査速度及びビーム強度分布から選
択される少なくとも１つの条件であることを特徴とす
る。

【００１８】請求項４に記載の非単結晶膜の製造方法
は、非晶質膜または微結晶膜にレーザビームを走査しな
がら照射して非単結晶膜を製造する方法において、前記
レーザビームの照射領域に検査光を照射し、前記非単結
晶膜から発生する回折光の測定値を記録し、その値が所
定の値から外れた領域に再度レーザビームを照射するこ
とで結晶化もしくは再結晶化することを特徴とする。

【００１９】請求項５に記載の非単結晶薄膜の製造装置
は、レーザとレーザビームを所定の形状に整形する光学
系と検査光光源と回折光検出器とを備え、前記光学系で
整形されたレーザビームにより製造された非単結晶膜に
前記光源からの検査光を照射し、前記非単結晶膜から発
生する回折光を前記回折光検出器で検出し、その測定値
が所定の値になるよう前記レーザビームの照射条件を最
適化することで結晶化もしくは再結晶化するよう構成さ
れたことを特徴とする。

【００２０】請求項６に記載の非単結晶膜の製造装置
は、請求項５に記載の非単結晶膜の製造装置において、
前記回折光の測定値が、回折光の光強度であることを特
徴とする。

【００２１】請求項７に記載の非単結晶膜の製造装置
は、請求項５に記載の非単結晶膜の製造装置において、
前記レーザビームの照射条件が、エネルギ、照射回数、
周波数、照射間隔、走査速度及びビーム強度分布から選
択される少なくとも１つの条件であることを特徴とす
る。

【００２２】請求項８に記載の非単結晶膜の検査方法
は、非単結晶膜に検査光を照射し、前記非単結晶膜から
発生する回折光を検出することを特徴とする。

【００２３】請求項９に記載の非単結晶膜の検査方法
は、請求項８に記載の非単結晶膜の検査方法であって、
前記回折光を波長分光することを特徴とする。

【００２４】請求項１０に記載の非単結晶膜の検査方法
は、請求項８に記載の非単結晶膜の検査方法であって、
前記回折光の角度分布または位置分布を測定することを
特徴とする。

【００２５】請求項１１に記載の非単結晶膜の検査装置
は、検査光光源と回折光検出器とを備え、非単結晶膜に
前記光源からの検査光を照射し、前記非単結晶膜から発
生する回折光の強度を検出するよう構成したことを特徴
とする。

【００２６】請求項１２に記載の非単結晶膜の検査装置
は、請求項１１に記載の非単結晶膜の検査装置であっ
て、前記回折光を波長分光する手段を備えたことを特徴
とする。

【００２７】請求項１３に記載の非単結晶膜の検査装置
は、請求項１１に記載の非単結晶膜の検査装置であっ
て、前記回折光検出器が、回折光の角度分布または位置
分布を測定する機器であることを特徴とする。

【００２８】請求項１４に記載の非単結晶膜の製造方法
は、少なくとも、基板上に非晶質膜または微結晶膜を成
膜する成膜工程と、前記非晶質膜または微結晶膜に対し
てレーザを照射して、非晶質膜または微結晶膜を溶融結
晶化させて非単結晶膜を形成する結晶化工程とを有する
非単結晶膜の製造方法であって、前記結晶化工程を、基
板を冷却した状態で行うことを特徴とする。

【００２９】請求項１５に記載の非単結晶膜の製造装置
は、請求項１４に記載の非単結晶膜の製造方法であっ
て、前記結晶化工程において、前記基板の温度が、１０
℃以下に維持されていることを特徴とする。

【００３０】請求項１６に記載の非単結晶膜の製造方法
は、基板上に形成された非晶質膜または微結晶膜に対し
レーザ光を照射し、非単結晶膜を形成する非単結晶膜の
製造装置であって、前記基板を冷却する手段を具備した
ことを特徴とする。

【００３１】請求項１７に記載の非単結晶膜の製造装置
は、請求項１６に記載の非単結晶膜の製造装置であっ
て、前記基板の温度を測定する基板温度測定手段と、前
記基板を加熱する手段と、前記基板温度測定手段による
測定値に基づいて前記基板を冷却する手段と前記基板を
加熱する手段とをコントロールする制御手段とを具備し
たことを特徴とする。

【００３２】請求項１８に記載の非単結晶膜は、基板上
に形成された非単結晶膜であって、光を照射して得られ
る回折光の主ピークの波長をλｎｍ、前記主ピークの波
長の波長半値幅をΔλｎｍとした場合、下記の式（１）
を満たすことを特徴とする。

【数５】Δλ／λ≦０．３ …（１）

【００３３】請求項１９に記載の非単結晶膜は、基板上
に形成された非単結晶膜であって、単色光を照射して得
られる最も強い回折光の出射角をφ度、前記回折光の角
度半値幅をΔφとした場合、下記の式（２）を満たすこ
とを特徴とする。

【数６】 ｓｉｎ（φ＋Δφ／２）／ｓｉｎφ≦０．１５ …（２）

【００３４】請求項２０に記載の非単結晶膜は、請求項
１８に記載の非単結晶膜であって、下記の式（３）を満
たすことを特徴とする。

【数７】σ／λ≦０．１５ …（３） 〔式中、σは標準偏差を表す。〕

【００３５】請求項２１に記載の非単結晶膜は、請求項
１９に記載の非単結晶膜であって、下記の式（４）を満
たすことを特徴とする。

【数８】σ／（ｓｉｎφ）≦０．１５ …（４） 〔式中、σは標準偏差を表す。〕

【００３６】請求項２２に記載の非単結晶膜は、基板上
に形成された非単結晶膜であって、前記薄膜面上に、光
を照射した場合に発生する回折光のピーク波長の異なる
領域が存在していることを特徴とする。

【００３７】請求項２３に記載の非単結晶半導体膜は、
駆動回路内蔵型液晶表示装置用の非単結晶半導体膜であ
って、画素部に対応する領域と駆動回路部に対応する領
域における回折光のピーク波長が異なっていることを特
徴とする。

【００３８】請求項２４に記載の非単結晶膜は、請求項
２２に記載の非単結晶膜であって、前記異なる領域間の
ピーク波長が、２００ｎｍ以上異なっていることを特徴
とする。

【００３９】請求項２５に記載の非単結晶膜は、基板上
に形成された、非単結晶膜であって、前記薄膜面上に、
回折光の出射角が異なる領域が存在していることを特徴
とする。

【００４０】請求項２６に記載の非単結晶半導体膜は、
駆動回路内蔵型液晶表示装置用の非単結晶半導体膜であ
って、画素部に対応する領域と駆動回路部に対応する領
域における回折光の出射角が異なっていることを特徴と
する。

【００４１】請求項２７に記載の非単結晶膜は、基板上
に形成された非単結晶膜であって、ラマン分光法による
ピークシフト量が、単結晶に比べ、３ｃｍ^-1以下である
ことを特徴とする。

【００４２】請求項２８に記載の非単結晶膜付き基板
は、基板表面に下地膜を介して形成された非晶質膜また
は微結晶膜に対してレーザ光を照射して製造された非単
結晶膜付き基板であって、前記下地膜中の不純物濃度
が、基板中の不純物濃度の１０万分の１以下であること
を特徴とする。

【００４３】請求項２９に記載の非単結晶膜は、基板上
に形成された非単結晶膜であって、前記薄膜面上に、光
を照射した場合に回折光が発生し、その回折光を検出す
ることが可能な領域が存在していることを特徴とする。

【００４４】請求項３０に記載の非単結晶膜は、請求項
２９に記載の非単結晶膜であって、前記領域が、少なく
とも一辺が０．５ｍｍ以上の長方形を含んでいることを
特徴とする。

【００４５】請求項３１に記載の薄膜トランジスタは、
請求項１８〜３０のいずれか一項に記載の非単結晶膜を
半導体膜として用いたことを特徴とする。

【００４６】請求項３２に記載の薄膜トランジスタアレ
イは、請求項３１に記載の薄膜トランジスタが基板上に
形成されてなることを特徴とする。

【００４７】請求項３３に記載の画像表示装置は、請求
項３２に記載の薄膜トランジスタアレイを用いたことを
特徴とする。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。なお、非単結晶膜と
しては、主にＳｉ、ＧｅのＩＶ族半導体を用いることを
想定しているが、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ半導体、Ｚｎ
Ｓｅ等のII−ＶＩ半導体を用いても、同様に有効である
ことを確認したが、以下に示す実施の形態においては、
もっとも一般的であるシリコン（Ｓｉ）を例に挙げて説
明を行う。

【００４９】〔実施の形態１〕実施の形態１は、ｐ−Ｓ
ｉ膜表面の微細凹凸形状に基づく回折光を利用する点に
特徴を有するものである。

【００５０】まず、実施の形態１に代表される発明群が
どのようにして完成されたかについて以下に説明する。

【００５１】本発明者らは、非単結晶半導体膜に特性差
が生じないようにすべく鋭意研究を重ねていた過程で、
紫外線光であるエキシマレーザ照射によって製造された
ポリシリコン膜（ｐ−Ｓｉ膜）は、その表面に略規則的
な凹凸構造が存在し、この凹凸構造が結晶化度と強い相
関があり、かつレーザ照射条件によって様々な様相を見
せるとの知見を得た。一方で、結晶性とＴＦＴ特性との
相関が確認されている。

【００５２】そこで、本発明者らは、ある結晶化条件で
作製された結晶性シリコン膜に対し検査光を照射してみ
たところ、緑色から紫色に分光された光が観察され、検
査光の照射角度や観察角度によって上記分光の現れ方が
大きく変化することを発見した。また、この観察によっ
て基板全体の状態が短時間で確認でき、しかも結晶化度
合いの異なっている部分（たいていの場合、結晶性の低
い部分）が一目で確認できることがわかった。

【００５３】これらのことから、分光した光は、ｐ−Ｓ
ｉ膜の表面凹凸構造により光が回折されて発生している
ことを確認した。さらに、レーザ光強度、照射回数、発
振周波数、レーザ走査速度などの結晶化条件パラメータ
を変えることで、回折光が観察される角度、波長、強度
が微妙に変化していることも確認した。

【００５４】以上のことから、レーザビームの照射領域
内に検査光を照射し、非単結晶膜からの回折光をモニタ
リングすることにより、回折光の測定値（光強度等）を
指標として結晶化の進行度合いをリアルタイムで検出す
ることができ、さらにその結果に基づいてレーザ照射条
件にフィードバックさせて、照射条件を調節することで
均一な結晶性を実現でき、その結果として膜特性のバラ
ツキが抑制できることを見出し、実施の形態１に代表さ
れる発明群を完成した。

【００５５】図１は本形態に係るポリシリコン膜の製造
装置の要部を模式的に示す構成図である。１はガラス基
板、２はアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）、３は
検査光発振器（図示せず）から発せられた検査光、４は
回折光検出器、５はエキシマレーザ発振器（図示せず）
から発せられたエキシマレーザ光、６はポリシリコン膜
（ｐ−Ｓｉ膜）、７は微細凹凸構造、８は回折光、９は
基板搬送ステージである。尚、エキシマレーザ光を幅３
５０μｍのラインビームに整形するための光学系は、そ
の一部を構成する円筒レンズ１０を除いては図示してい
ない。

【００５６】上記構成の製造装置を用いてのポリシリコ
ン膜の製造方法は、次のようにして行われる。

【００５７】まず、ａ−Ｓｉ膜２が形成されたガラス基
板１を準備し、基板搬送ステージ９上に載置する。ａ−
Ｓｉ膜付きガラス基板は、例えば、ガラス基板上に、ガ
ラスからの不純物を除く目的で、ＴＥＯＳ ＣＶＤ法等
により膜厚３００ｎｍ程度のＳｉＯ₂下地膜（図示せ
ず）を成膜した後、プラズマＣＶＤ法により膜厚５０ｎ
ｍ程度のａ−Ｓｉ膜２を成膜すればよい。なお、プラズ
マＣＶＤ法により作製されたａ−Ｓｉ膜中の水素を除去
するため、通常、脱水素工程として、４５０℃で１時間
の熱処理を行う。

【００５８】次いで、基板搬送ステージ９を水平かつ縦
横方向に移動させながら、結晶化しきい値以上のエキシ
マレーザ光５をａ−Ｓｉ膜２に対して照射する。これに
より、ａ−Ｓｉは溶融結晶化してｐ−Ｓｉとなる。

【００５９】続いて、エキシマレーザ光が照射された領
域に対して検査光３を照射し、その回折光８を回折光検
出器４でモニタリングする。この際、結晶化されなかっ
た領域に到達した検査光３は、ａ−Ｓｉ膜２表面の平滑
性に起因して正反射するのみであり、軸外位置に配置さ
れている回折光検出器４には全く光は到達しない。ま
た、結晶化しきい値近傍から比較的低いレーザエネルギ
領域で照射されて形成されたｐ−Ｓｉ膜６は、その表面
の凹凸構造は粗く、また規則性が低いため、回折光が殆
ど発生せず、わずかな散乱光が発生するのみである。一
方、結晶性が高くなるようなレーザエネルギ領域で処理
されたｐ−Ｓｉ膜６の表面は、その結晶性を反映して略
規則的な微細凹凸構造７をもつようになり、検査光３が
この領域に照射されると、鋭い指向性を有する回折光７
が発生し、検出器４に光が到達する。これは、前記散乱
光のレベルとは大きく異なるため、明らかに両者を区別
することができる。よって、一旦結晶化された後の、ｐ
−Ｓｉの状態が微妙に変化していく過程をもとらえるこ
とができ、高感度に最適な結晶化条件を判断することが
できる。

【００６０】続いて、回折光の光強度等の測定値に基づ
いて、充分な結晶化が行われていない領域が存在する場
合には、その領域に対して再度レーザ照射を行う。この
ようにして最適化を行う。こうしてｐ−Ｓｉ膜が得られ
る。

【００６１】ところで、一般に、結晶化に必要なレーザ
エネルギはａ−Ｓｉ膜の厚みに大きく依存する。よっ
て、複数の基板間または基板面内にａ−Ｓｉ膜厚にバラ
ツキがあると、それぞれに最適なレーザエネルギは異な
ってくる。従来は、全ての基板に対して固定のレーザエ
ネルギで処理がなされていたために膜厚バラツキが特性
バラツキに直結していたが、本形態によれば、例えば、
下記に示す手順により、基板毎に最適な条件を確認しな
がら、大きなロスのない結晶化プロセスを進めることが
できる。

【００６２】まず、基板周辺部でレーザを照射し、回折
光が検出されるレベルまでレーザエネルギを調節する。
このときのレーザエネルギをＥ０とする。通常、基板周
辺部に比べて基板中央部でのａ−Ｓｉ膜の膜厚は１０％
程度厚めに製造されるため、基板中央部に対する適正エ
ネルギはＥ０よりも少し高めとなる。その後、基板搬送
ステージを駆動し、基板全面にわたってレーザ光照射を
行えば、予めマージンの中心にレーザエネルギが調整さ
れているため、基板全体にわたる均一な非単結晶膜が製
造される。

【００６３】但し、上記のような手法を用いても、基板
全面のレーザ照射が完了する前に、エキシマレーザのパ
ルス不安定性による不規則なショットが発生する場合が
ある。この場合にも回折光をモニタしているため、回折
光レベルが規定の範囲外に出たのがいつであるのか、即
ち、基板のどこの部分であるのかということを記録して
おくことができる（図２参照）。この情報をもとに再度
レーザ照射を行えば、不規則ショットによる結晶性のば
らつきを修正することができ、不良品発生によるロスを
防ぐことができる。

【００６４】なお、前記検査光は、白色光でも、Ｈｅ−
Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ、ＹＡＧレーザ等の単色光レー
ザでもよく、またエキシマレーザ光照射領域に略合致す
るように整形されていることが望ましい。また、回折光
検出器の前にエキシマレーザ光の波長をカットするフィ
ルタを配設しておき、検査光の回折光のみを検出するこ
とが望ましい。

【００６５】（実施の形態２）図３はポリシリコン膜の
検査装置の要部を模式的に示す構成図である。この検査
装置は、実施の形態１で説明した製造装置からエキシマ
レーザ光５の発振器を取り除いた構成にしたものであ
る。

【００６６】上記構成の装置を用いてのポリシリコン膜
の検査方法は、次のようにして行うことができる。

【００６７】まず、前述したと同様にして、ガラス基板
上にａ−Ｓｉ膜を形成した後、従来公知のレーザアニー
ル装置を用いて、ａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化してｐ−Ｓｉ
膜にしたｐ−Ｓｉ膜６付きガラス基板１を準備する。

【００６８】次いで、ｐ−Ｓｉ膜６付きガラス基板１を
基板搬送ステージ９上に載置し、基板搬送ステージ９を
移動させながらｐ−Ｓｉ膜６に対して検査光３を照射す
る。この際、ｐ−Ｓｉ膜６の微細凹凸構造７によって回
折光が生じているので、それを回折光検出器４で検出
し、記録しておく。このようにしてｐ−Ｓｉ膜６の結晶
状態を検査することができる。

【００６９】このような検査装置であれば、結晶不良領
域が明らかとなるので、従来のレーザアニール装置を用
いて再度のレーザアニールを行えば、結晶バラツキがな
いｐ−Ｓｉ膜を製造できる。

【００７０】（実施の形態３）本形態は、前記各形態で
説明した非単結晶膜を半導体膜として用いた薄膜トラン
ジスタに関する。

【００７１】図４に薄膜トランジスタの一例を示す。６
１はガラス基板である。６２は下地膜である。６３はチ
ャネル領域、６４はＬＤＤ領域、６５はソース領域、６
６はドレイン領域であり、これらが半導体膜６７であ
る。６９はゲート絶縁膜である。７０はゲート電極であ
る。７１は層間絶縁膜である。７２はソース電極であ
る。７３はドレイン電極である。

【００７２】上記構成の薄膜トランジスタは、例えばつ
ぎのようにして製造できる。

【００７３】まず、前述したと同様にして、ガラス基板
上にｐ−Ｓｉ膜を形成した後、フォトリソグラフィとド
ライエッチングによりパターニングする。次いで、例え
ばＴＥＯＳ ＣＶＤ法により、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ
₂からなるゲート絶縁膜を形成する。続いて、アルミニ
ウム膜をスパッタリングし、エッチングにより所定の形
状にパターニングして、ゲート電極を形成する。その
後、イオンドーピング装置により、ゲート電極をマスク
としてソースおよびドレイン領域に必要な種類のドーパ
ントを注入する。さらに、酸化Ｓｉからなる層間絶縁膜
を常圧ＣＶＤ法にて成膜し、ゲート絶縁膜を覆い、エッ
チングにより、層間絶縁膜および酸化Ｓｉ膜にｐ−Ｓｉ
膜のソース領域またはドレイン領域に達するコンタクト
ホールを開口する。次に、チタン膜およびアルミニウム
膜をスパッタリングし、エッチングにより所定の形状に
パターニングして、ソース電極およびドレイン電極を形
成する。こうして、図４に示す薄膜トランジスタが得ら
れる。

【００７４】なお、このようにして得られた薄膜トラン
ジスタは、薄膜トランジスタアレイや、液晶表示装置、
有機ＥＬ表示装置等の画像標示装置に用いることができ
る。

【００７５】（実施の形態４）本形態は、レーザアニー
ルに先立って基板を冷却する点に特徴を有するものであ
る。

【００７６】まず、本形態に代表される発明群がどのよ
うにして完成されたかについて説明する。

【００７７】本発明者らは、ｐ−Ｓｉ膜の高特性化を実
現すべく鋭意研究を重ねていた過程で、基板温度とエキ
シマレーザアニール（ＥＬＡ）エネルギとの関係を調べ
た結果、基板温度を低くすればするほど、不具合のない
ｐ−Ｓｉ膜を形成できるエネルギ領域が広がることを発
見した。多結晶シリコンは、粒界が多いとキャリアが多
く散乱して移動度が低下するので、１μｍ程度の大粒径
になるようにレーザ照射を行うことが好ましいが、高エ
ネルギで照射すると変質やアブレーション（剥がれ）が
生じるという問題がある。そのため、レーザのエネルギ
領域には、膜の状態を損なわずに充分な移動度を実現で
きる一定の範囲があり、その範囲が基板温度に依存して
いることがわかった。

【００７８】この知見から、本発明者らは、基板温度が
室温より低い温度となるように冷却すれば、レーザエネ
ルギの許容範囲が広がり、変質やアブレーションのない
ｐ−Ｓｉ膜が形成できることを見出し、本形態に代表さ
れる発明群を完成するに至った。

【００７９】図５は、本形態に係るポリシリコン膜の製
造装置（レーザアニール装置）を模式的に示す構成図で
ある。

【００８０】この製造装置は、プロセスチャンバ２０１
内に、ａ−Ｓｉ膜付き基板２０２が載置された基板搬送
ステージ２０３が配設されており、基板搬送ステージ２
０３の水平かつ縦横方向の移動によってａ−Ｓｉ膜付き
基板２０２を移動できるようになっている。また、ａ−
Ｓｉ膜付き基板２０１の上方には、レーザ光入射用チャ
ンバウィンドウ２０４が設けられており、パルスレーザ
発振器２０５で発振されたレーザ光２０６が、光減衰器
２０７、反射ミラー２０８、光整形用光学系２０９、反
射ミラー２１０を経由して、ａ−Ｓｉ膜付き基板２０２
に照射できるようになっている。そして、チャンバ２０
１には、冷却システムが取り付けられており、チャンバ
内を冷却することにより基板を室温より低い所定温度に
冷却できるようになっている。

【００８１】上記冷却システムは、基板冷却手段として
の、液体窒素貯蔵槽２１１と、貯蔵槽で気化した窒素ガ
スをチャンバ内に導入する導入管２１２と、基板に対し
て冷却作用を行った後に排出するための排出管２１３と
を備え、さらに基板温度測定手段としての熱電対２１４
と、基板加熱手段としてのヒータ２１５と、基板温度測
定手段で測定された温度に基づいて基板冷却手段と基板
加熱手段とを制御するコントローラ２１６とを備えて構
成される。このように基板冷却手段に加えて、基板温度
測定手段、基板加熱手段、コントローラを有することに
より、基板冷却温度の設定の自由度が増し、狙い通りの
基板温度にコントロールすることができる。

【００８２】上記装置を用いてのポリシリコン膜の製造
方法は、つぎのようにして行われる。

【００８３】まず、ａ−Ｓｉ膜が形成されたガラス基板
を準備し、基板搬送ステージ上に載置する。ａ−Ｓｉ膜
付きガラス基板は、例えば、ガラスからの不純物を除く
目的で、ガラス基板上に、ＴＥＯＳ ＣＶＤ法等により
膜厚３００ｎｍ程度のＳｉＯ ₂下地膜を成膜した後、プ
ラズマＣＶＤ法により膜厚５０ｎｍ程度のａ−Ｓｉ膜を
成膜すればよい。なお、プラズマＣＶＤ法により作製さ
れたａ−Ｓｉ膜中の水素を除去するため、通常、脱水素
工程として、４５０℃で１時間の熱処理を行う。つい
で、プロセスチャンバ内を冷却システムで冷却してガラ
ス基板を冷却する。基板の温度としては、１０℃以下が
好ましい。エネルギ密度の許容幅が４０mJ/cm²程度あれ
ば安定して製造できる等の理由による。

【００８４】続いて、ａ−Ｓｉ膜付きガラス板を水平か
つ縦横方向に移動させながら、エキシマレーザを照射
し、ａ−Ｓｉを溶融、結晶化することにより、ｐ−Ｓｉ
膜を形成する。レーザ照射は、例えば、ＸｅＣｌパルス
レーザ（波長３０８ｎｍ）を用い、基板を移動させなが
ら1ヶ所に３００回照射する条件で行う。なお、レーザ
光の照射回数により、シリコン膜の状態は変化するが、
低温の方が高い特性のｐ−Ｓｉ膜を形成できるエネルギ
領域が広がる傾向に変化はないので、複数回の照射であ
っても何ら支障はない。

【００８５】そして、得られたｐ−Ｓｉ膜を、例えば水
素プラズマ中で４５０℃、２時間放置する。これによ
り、結晶化に際し形成された多数のダングリングボンド
が除去される。こうして、特性バラツキ等の不具合のな
いｐ−Ｓｉ膜が得られる。

【００８６】以下に、高い特性のｐ−Ｓｉ膜が安定して
製造できる原理について具体的に説明する。

【００８７】ａ−Ｓｉ膜に対してレーザ光を照射してｐ
−Ｓｉ膜を成膜する場合、一般に、室温において約１６
０mJ/cm²以上のエネルギ密度で照射すれば、溶融、結晶
化が起こり、ｐ−Ｓｉ膜が形成される。前述したよう
に、ｐ−Ｓｉ膜は結晶粒が１μｍ程度の大粒径であると
キャリア移動度の高い膜となるが、このような大粒径に
するとともに、変質やアブレーション等の不具合を生じ
ないようにするためには、室温において３７０mJ/cm²以
上３８０mJ/cm²以下のエネルギ密度で照射する必要があ
る。しかし、このような狭い範囲（１０mJ/cm²）でレー
ザをコントロールするのは困難である。一方、本形態で
あれば、例えば、基板温度を−５０℃まで冷却した場
合、変質やアブレーション等の不具合を生じることな
く、１μｍ以上の大粒径のｐ−Ｓｉを形成するために
は、３９５mJ/cm²以上４２５mJ/cm²以下のエネルギ密度
でレーザ照射すればよい。このように、基板を冷却すれ
ば、広い範囲（３０mJ/cm²）でレーザをコントロールで
きるので、高い特性のｐ−Ｓｉ膜を安定して製造するこ
とができる。なお、上記したレーザ光のエネルギ密度
は、同じレーザ光の強度でも評価方法により異なる値と
なる場合があるので、上記した数値はあくまでも目安で
ある。

【００８８】図６に、基板温度３８０℃、室温、−５０
℃、−１００℃において、レーザエネルギを変化させて
ポリシリコンを形成し、引き続いてＴＦＴを製造した場
合の、ｎ−ｃｈの電界効果移動度（移動度）を示す。大
粒径形成領域は２５０ｃｍ²／ＶＳを上回る移動度であ
るが、基板温度が低いほど、レーザエネルギの許容幅が
広がることがわかる。

【００８９】ところで、一般に、Ｖｔ特性がばらついた
りシフトしたりする原因として、レーザアニール時に膜
だけでなく下地膜や基板まで高温になってしまうために
基板中の不純物が下地膜や非単結晶膜中に拡散する現象
がある。特に、最近、高特性の非単結晶膜を得るために
レーザ強度を強くする傾向にあり、その結果として不純
物拡散の影響が大きくなっている。しかし、本形態のよ
うに基板を冷却した状態で、レーザアニールを行えば、
不純物拡散は抑制される。よって、Ｖｔ特性等が安定し
た多結晶性薄膜が得られる。

【００９０】（実施の形態５）図７は本形態に係るポリ
シリコン膜の製造装置の構成を模式的に示す構成図であ
る。この製造装置は、実施の形態４に比べ、異なる冷却
システムを有する点で相違する。

【００９１】この装置における冷却システムは、冷却器
としてのＨｅ冷凍器２２０と、チャンバ内を脱気するた
めの真空装置２２１と、加熱器としてのヒータ２１５
と、基板温度測定システムとしての熱電対２１４と、コ
ントローラ２１６とを備えて構成される。このような冷
却システムを備えたことにより、基板冷却温度の設定の
自由度が増し、狙い通りの基板温度にコントロールする
ことができる。ここで、Ｈｅ冷凍器２２０は、液体ヘリ
ウムの気化と液化を循環させながら冷却する装置であ
る。これにより、極低温まで容易に冷却が可能となり、
またメンテナンスが簡易になった。

【００９２】上記構成の装置を用いてのｐ−Ｓｉ膜の製
造方法は、基板冷却の方法が異なる以外は実施の形態４
と同様であるのでその説明は省略する。

【００９３】（実施の形態６）図８は本形態のポリシリ
コン膜の製造装置を模式的に示す構成図である。この製
造装置は、プロセスチャンバ２０１とは別に、基板搬入
器２２５、第１の基板冷却用のチャンバ２２６と、第２
の基板冷却用のチャンバ２２７と、第１の基板加熱用の
チャンバ２２８と、第２の基板加熱用のチャンバ２２９
と、基板搬出器２３０とを備えている。

【００９４】上記装置では、プロセスチャンバ９内で結
晶化を行っている間に、次の処理用の基板を、基板冷却
用のチャンバ２２６，２２７内で設定温度にコントロー
ルするようになっている。また、結晶化終了後の基板に
ついても、次の処理用の基板がプロセスチャンバ２０１
内で結晶化されている間に、基板加熱用のチャンバ２２
８，２２９内で室温に戻せるようになっている。このよ
うな装置にしたことにより、基板の冷却、加熱に要する
時間がほぼ必要なくなり、生産性が向上する。

【００９５】なお、前記実施の形態４〜６で説明した製
造方法及び製造装置によって製造されるｐ−Ｓｉ膜は、
薄膜トランジスタの半導体膜として用いることができ
る。また、薄膜トランジスタアレイや、液晶表示装置等
の画像表示装置に適用することもできる。

【００９６】（実施の形態７）本形態は、前記実施の形
態１と実施の形態４とを合わせた場合である。すなわ
ち、基板の冷却を行った後にエキシマレーザ照射を行
い、引き続き検査光を照射し、回折光をモニタしその結
果に基づいて再度のレーザ照射を行う場合である。この
ようにして製造したｐ−Ｓｉ膜は、広いレーザ許容幅で
レーザアニールされたものであり、しかも結晶不良を回
折光で検査した上で再度のレーザアニールを行って得ら
れたものであるので、特に結晶性が均一な膜となる。

【００９７】（実施の形態８）本形態は、前記各形態で
製造されたｐ−Ｓｉ膜であって、光が照射された場合に
発生する回折光の主ピーク波長とその波長半値幅とを用
いた物理量を規定したｐ−Ｓｉ膜に関する。

【００９８】本形態に係るｐ−Ｓｉ膜は、検査光を照射
して得られる回折光の主ピーク波長λ（ｎｍ）とその波
長半値幅Δλ（ｎｍ）が下記の式（１）を満たしてい
る。

【数９】Δλ／λ≦０．３ …（１）

【００９９】上記式（１）を満たせば、検査光の回折光
がシャープであるので、ｐ−Ｓｉ膜表面の微細凹凸構造
は高い規則性を備えている。そのため、ｐ−Ｓｉ膜に粒
径バラツキがなく、しかも周期性が高い膜となってい
る。

【０１００】ところで、従来から、ＴＦＴの製品歩留ま
りを高めるために様々な試みがなされてきたが、ｐ−Ｓ
ｉ膜に関しては結晶粒径のバラツキを抑えるのがその中
心であった。このようななかで、本発明者らは、結晶粒
径のバラツキを抑制するだけでなく、周期性を高めるこ
とも重要ではないかと考えた。すなわち、一定の秩序に
従って形成された膜であれば、膜特性が均一になるの
で、歩留まりを高くできると想起した。そこで、前記回
折光を用いた製造方法において、回折光の発生要因が規
則正しい微細凹凸構造にあることに着目し、回折光の測
定値に関し種々検討を重ねた結果、上記した式（１）を
満たせば、周期性が高く、歩留まりが良好であることを
見出した。

【０１０１】つぎに、Δλ／λと歩留まり（周期性と相
関）との関係について具体的に説明する。

【０１０２】図９は、基板温度を３８０℃、室温（２５
℃）、−５０℃、−１００℃にした後にレーザアニール
して製造されたｐ−Ｓｉ膜に対して、検査光として白色
光を用い、回折光を波長分光させて回折光強度を測定し
た結果を示す。図中、横軸は主ピーク波長λを１００％
とした時の波長分布を示す。本図より、基板温度が高け
ればΔλ／λが大きいことがわかる。具体的な数値を参
考までに示すと、基板温度が−３８０℃の時はΔλ／λ
＝０．４５であり、室温の時は０．３５、−５０℃の時
は０．２６、−１００℃の時は０．２である。

【０１０３】図１０は、基板温度と歩留まりとの関係を
示す。本図より、基板温度が室温よりやや低い温度で製
造するようにすると急激に歩留まりが向上していること
がわかる。

【０１０４】図９及び図１０より、Δλ／λが０．３以
下であると歩留まりが良好（周期性が高い）となること
が確認された。

【０１０５】さて、基板上に形成されたｐ−Ｓｉ膜の複
数の領域に検査光を照射した場合に発生する回折光の主
ピーク波長のバラツキσ／λ（σ：標準偏差）は、０．
１５以下であることが好ましい。特に好ましくは０．１
０である。

【０１０６】図１１は、基板上に形成されたｐ−Ｓｉ膜
の各測定ポイント（１２点）における電子移動度と回折
光の主ピーク波長とを示す。なお、（ａ）は従来の製造
方法で製造されたｐ−Ｓｉ膜であり、（ｂ）は実施の形
態１で説明した製造方法で製造したｐ−Ｓｉ膜である。
本図より、実施の形態１で製造したｐ−Ｓｉ膜の方が、
従来のｐ−Ｓｉ膜に比べ、バラツキが小さいことが確認
できた。

【０１０７】（実施の形態８）本形態は、前記各形態で
製造されたｐ−Ｓｉ膜であって、検査光の回折光の出射
角とその角度半値幅とを用いた物理量を規定したｐ−Ｓ
ｉ膜に関する。

【０１０８】本形態に係るｐ−Ｓｉ膜は、検査光として
の単色光を照射して得られる回折光のうち最も光強度が
大きい回折光の出射角φ（度）とその角度半値幅Δφ
（度）が下記の式（２）を満たしている。

【数１０】 ｓｉｎ（φ＋Δφ／２）／ｓｉｎφ≦０．１５ …（２）

【０１０９】上記式（２）を満たせば、検査光の回折光
がシャープであるので、ｐ−Ｓｉ膜表面の微細凹凸構造
は高い規則性を備えている。そのため、ｐ−Ｓｉ膜に粒
径バラツキがなく、かつ周期性が良好な膜になってい
る。

【０１１０】つぎに、ｓｉｎ（φ＋Δφ／２）／ｓｉｎ
φと歩留まり（周期性と相関）との関係を具体的に説明
する。

【０１１１】図１２は、基板温度を３８０℃、室温（２
５℃）、−５０℃、−１００℃にした後にレーザアニー
ルして製造されたｐ−Ｓｉ膜に対して、検査光としての
単色光を照射し、最大光量を得る回折光検出器の角度と
角度による分布を測定した結果を示す。本図において、
横軸は最大光量を検出した時の出射角φを１００とした
ときの分布を示す。本図より、基板温度が低ければ回折
光がシャープであることがわかる。具体的な数値を参考
までに示すと、基板温度が−３８０℃の時はｓｉｎ（φ
＋Δφ／２）／ｓｉｎφ＝０．２２であり、室温の時は
０．１７、−５０℃の時は０．１３、−１００℃の時は
０．１である。

【０１１２】図１２及び前記した図１０より、ｓｉｎ
（φ＋Δφ／２）／ｓｉｎφが０．１５より小さいと歩
留まり（周期性）が良好になることが確認された。

【０１１３】さて、基板上に形成されたｐ−Ｓｉ膜の複
数の領域に検査光を照射した場合に発生する最も強い回
折光のｓｉｎφのバラツキσ／（ｓｉｎφ）（σ：標準
偏差）は、０．１５以下であることが好ましい。特に好
ましくは０．１０である。

【０１１４】（実施の形態９）本形態は、上記各形態で
製造されたｐ−Ｓｉ膜に関しラマン分光法によるピーク
シフト量を規定した場合である。

【０１１５】本形態に係るｐ−Ｓｉ膜は、単結晶膜と比
較した、ラマン分光法によるピークシフト量が３ｃｍ^-1
以下になっている。

【０１１６】一般に、ポリシリコンの固化時から基板温
度への冷却時間に下地膜とｐ−Ｓｉ膜との熱膨張率の差
によって歪みが生じる。しかし、基板冷却した状態でレ
ーザアニールして製造されたｐ−Ｓｉ膜は、ピークシフ
ト量が上記範囲内であり、その歪みが小さい。そのた
め、断層欠陥が発生しにくく、またキャリア移動度が大
きいという利点がある。

【０１１７】図１３は、ＥＬＡエネルギとラマンピーク
位置との関係を示す。本図より、従来の方法で製造され
たｐ−Ｓｉ膜よりも実施の形態１及び実施の形態４で製
造されたｐ−Ｓｉ膜の方がラマンピーク位置が大きく、
単結晶膜のラマンピーク位置（約５２０ｃｍ^-1）からの
シフト量が小さいことが確認された。

【０１１８】図１４は、ピークシフト量とキャリア移動
度との関係を示す。本図により、ピークシフト量が３ｃ
ｍ^-1以下になっていると、急激にキャリア移動度が大き
くなっていることが確認された。

【０１１９】（実施の形態１０）本形態は、上記各形態
で製造されたｐ−Ｓｉ膜であって、回折光の主ピーク波
長または最も強い回折光の出射角の異なる領域が存在す
るｐ−Ｓｉ膜に関する。

【０１２０】本形態に係るｐ−Ｓｉ膜は、例えば、図１
５に示すように、領域Ａと領域Ｂにおいて、光を照射し
た場合に発生する回折光のピーク波長または最も強い回
折光の出射角が異なっている。そのため、同じポリシリ
コンからなる膜であっても、例えば、キャリア移動度等
の異なった領域が形成されて構成されている。ここで、
ピーク波長は、２００ｎｍ以上異なっていることが好ま
しい。異なる領域を明確に区画できるからである。

【０１２１】上記構成のｐ−Ｓｉ膜は、前記した製造装
置及び製造方法を用いれば容易に製造することができ
る。すなわち、前記製造装置及び製造方法では、回折光
の主ピーク波長または回折光が最も強い出射角を指標と
して結晶化を行うことができるので、それらの値を所定
の値に調節してレーザアニールを行えば、異なる特性を
示す領域を形成できる。

【０１２２】図１５に示すような領域に区画したｐ−Ｓ
ｉ膜であれば、駆動回路内蔵型液晶表示装置の製造に用
いることができる。

【０１２３】一般に、駆動回路内蔵型液晶表示装置で
は、画素部と駆動回路部のＴＦＴに異なる特性が要求さ
れる。すなわち、画素部には画像表示むらにつながらな
いように画素部間の均一性が特に要求されるが、駆動回
路部は均一性よりも高速応答性が強く求められている。
ところが、従来では、画素部及び駆動回路部のＴＦＴの
製造に際し一様なレーザを照射していたため、両部分に
対し充分満足しうる特性を付与できていなかった。一
方、本発明では、回折光を指標として所望の結晶性を示
すｐ−Ｓｉ膜を形成できるので、画素部と駆動回路部に
分けて形成するようにすれば、それぞれの要求特性を満
足する膜を形成できる。

【０１２４】（実施の形態１１）本形態は、基板上に下
地膜を介して形成されたｐ−Ｓｉ膜に関し基板からの不
純物の混入を減らす場合に関する。

【０１２５】本形態に係るｐ−Ｓｉ膜付き基板は、基板
と下地膜の界面から１０００Å離れた下地膜中の不純物
濃度が、基板の不純物濃度の１０万分の１以下になって
いる。

【０１２６】このようなｐ−Ｓｉ膜付き基板は、基板冷
却した状態でにレーザアニールする態様である実施の形
態４に係る製造装置及び製造方法を用いれば得ることが
できる。

【０１２７】従来より、ｐ−Ｓｉ膜の特性を高めるため
に基板を加熱してレーザアニールすることが行われてい
るが、基板温度を高めると、基板中の不純物が滲み出し
てｐ−Ｓｉ膜に混入し、ｐ−Ｓｉ膜の特性が劣化すると
いう課題があった。かかる課題を解決するために下地膜
を設けてｐ−Ｓｉ膜に不純物が混入するのを抑制してい
たが、依然としてｐ−Ｓｉ膜に不純物が多く混入してい
た。しかし、本発明の方法によれば、ａ−Ｓｉに与える
熱量は従来と同等で、かつ基板中の不純物の滲み出しを
抑制することができる。よって、下地膜を薄くできる。
また、ｐ−Ｓｉ膜の歪みを低く抑えることもでき、かつ
断層欠陥発生が抑制されるので、プロセスマージンが拡
大する。

【０１２８】図１６は、基板界面からの距離と不純物濃
度の関係を示す。本図より、基板冷却してレーザアニー
ルすれば、ガラス基板中のＮａの滲みだしが抑制できる
ことが確認された。なお、参考までに具体的な数値を上
げると、基板としてＮａ濃度が５×１０²¹ｃｍ^-3のガラ
ス基板を用いた。そして、基板温度を３００℃に加熱し
たときは、下地層（基板界面から１０００Åの位置）中
の不純物濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3、基板温度が室温の時
は９×１０¹⁶ｃｍ^-3、基板温度が−１００℃の時は１．
５×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。

【０１２９】（実施の形態１２）本形態は、回折光でモ
ニタリングする場合に回折光の測定が可能である領域を
有するｐ−Ｓｉ膜に関する。

【０１３０】本形態に係るｐ−Ｓｉ膜は、その表面に回
折光の測定が可能な検査パターンを作成しておくこと
で、プロセスチェックができるようにしている。検査パ
ターンは、長辺が０．５μｍ以上で、短辺が測定波長以
上の長方形を含む形状であって、ｐ−Ｓｉ膜が露出して
いる状態であればよい。回折光の測定においては、測定
精度をあげるため、長さが重要であり、必ずしも正方形
である必要はない。

【０１３１】また、回折光を測定するためには、ｐ−Ｓ
ｉ膜は必ずしも露出している必要はなく、微細凹凸構造
を乱さないのであれば、透明薄膜や金属薄膜で覆われて
いてもよい。高い光反射性を備えた金属薄膜で覆われて
いる場合には、より精度良く回折光の測定を行うことが
できる。これら薄膜の膜厚は、５００Å以下であること
が望ましい。

【０１３２】以上、本発明をその幾つかの実施の形態に
基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されな
いのは勿論である。例えば、ＣＤ−ＲＷで用いられるカ
ルコゲナイド膜や、ＰＤＰで用いられるＭｇＯ膜等に応
用してもよい。

【０１３３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明では、回
折光のモニタリングにより非単結晶膜を検査し、その結
果に基づいてレーザ強度等の照射条件にフィードバック
させて結晶化するので、粒径バラツキが減少するととも
に、粒径の周期性が向上する。その結果、移動度等の特
性が安定した非単結晶膜が得られる。

【０１３４】また、本発明では、基板を冷却し、レーザ
エネルギ許容幅を広げてレーザアニールを行うので、粒
径バラツキが減少するとともに、粒径の周期性が向上す
る。その結果、移動度等の特性が安定した非単結晶膜が
得られる。

【０１３５】したがって、本発明は、高特性化が求めら
れている、薄膜トランジスタや、それを用いた薄膜トラ
ンジスタアレイや、それを用いた液晶表示装置等の画像
表示装置などの分野において有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係るポリシリコン膜の
製造装置の要部を模式的に示す構成図である。

【図２】回折光強度の変化を示すグラフ図である。

【図３】本発明の実施の形態２に係るポリシリコン膜の
検査装置の要部を模式的に示す構成図である。

【図４】本発明の実施の形態３に係る薄膜トランジスタ
の一例を模式的に示す断面図である。

【図５】本発明の実施の形態４に係るポリシリコン膜の
製造装置を模式的に示す構成図である。

【図６】ＥＬＡエネルギとＴＦＴ移動度との関係を示す
グラフ図である。

【図７】本発明の実施の形態５に係るポリシリコン膜の
製造装置を模式的に示す構成図である。

【図８】本発明の実施の形態６に係るポリシリコン膜の
製造装置を模式的に示す構成図である。

【図９】回折光の波長分布と回折光強度との関係を示す
グラフ図である。

【図１０】基板温度と歩留まりとの関係を示すグラフ図
である。

【図１１】ポリシリコン膜の測定ポイントにおけるＴＦ
Ｔ移動度と回折光ピーク波長とを示すグラフ図であり、
（ａ）は従来のポリシリコン膜であり、（ｂ）は本発明
のポリシリコン膜である。

【図１２】回折光の出射角分布と回折光光量との関係を
示すグラフ図である。

【図１３】ＥＬＡエネルギとラマンピーク位置との関係
を示すグラフ図である。

【図１４】ピークシフト量とＴＦＴ移動度との関係を示
すグラフ図である。

【図１５】光を照射した場合に発生する回折光のピーク
波長または最も強い回折光の出射角が異なった領域が存
在する場合を示す平面図である。

【図１６】ガラス基板と下地膜との界面からの距離と不
純物濃度とを示すグラフ図である。

【図１７】従来の検査装置の一例を模式的に示す構成図
である。

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ アモルファスシリコン膜 ３ 検査光 ４ 回折光検出器 ５ レーザ光 ６ ポリシリコン膜 ７ 微細凹凸構造 ８ 回折光 ９ 基板搬送ステージ １０ 円筒レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 睦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山本 伸一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 三浦 正範 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非晶質膜または微結晶膜にレーザビー
   ムを照射して非単結晶膜を製造する方法において、前記
   レーザビームの照射領域に検査光を照射し、前記非単結
   晶膜から発生する回折光の測定値が所定の値になるよう
   前記レーザビームの照射条件を最適化することで結晶化
   もしくは再結晶化することを特徴とする非単結晶膜の製
   造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の非単結晶膜の製造方
   法であって、前記回折光の測定値が、回折光の光強度で
   あることを特徴とする非単結晶膜の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の非単結晶膜の製造方
   法であって、前記レーザビームの照射条件が、エネル
   ギ、照射回数、周波数、照射間隔、走査速度及びビーム
   強度分布から選択される少なくとも１つの条件であるこ
   とを特徴とする非単結晶膜の製造方法。
4. 【請求項４】 非晶質膜または微結晶膜にレーザビー
   ムを走査しながら照射して非単結晶膜を製造する方法に
   おいて、前記レーザビームの照射領域に検査光を照射
   し、前記非単結晶膜から発生する回折光の測定値を記録
   し、その値が所定の値から外れた領域に再度レーザビー
   ムを照射することで結晶化もしくは再結晶化することを
   特徴とする非単結晶膜の製造方法。
5. 【請求項５】 レーザとレーザビームを所定の形状に
   整形する光学系と検査光光源と回折光検出器とを備え、
   前記光学系で整形されたレーザビームにより製造された
   非単結晶膜に前記光源からの検査光を照射し、前記非単
   結晶膜から発生する回折光を前記回折光検出器で検出
   し、その測定値が所定の値になるよう前記レーザビーム
   の照射条件を最適化することで結晶化もしくは再結晶化
   するよう構成されたことを特徴とする非単結晶膜の製造
   装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の非単結晶膜の製造装
   置において、前記回折光の測定値が、回折光の光強度で
   あることを特徴とする非単結晶膜の製造装置。
7. 【請求項７】 請求項５に記載の非単結晶膜の製造装
   置において、前記レーザビームの照射条件が、エネル
   ギ、照射回数、周波数、照射間隔、走査速度及びビーム
   強度分布から選択される少なくとも１つの条件であるこ
   とを特徴とする非単結晶膜の製造装置。
8. 【請求項８】 非単結晶膜に検査光を照射し、前記非
   単結晶膜から発生する回折光を検出することを特徴とす
   る非単結晶膜の検査方法。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の非単結晶膜の検査方
   法であって、前記回折光を波長分光することを特徴とす
   る非単結晶膜の検査方法。
10. 【請求項１０】 請求項８に記載の非単結晶膜の検査
    方法であって、前記回折光の角度分布または位置分布を
    測定することを特徴とする非単結晶膜の検査方法。
11. 【請求項１１】 検査光光源と回折光検出器とを備
    え、非単結晶膜に前記光源からの検査光を照射し、前記
    非単結晶膜から発生する回折光の強度を検出するよう構
    成したことを特徴とする非単結晶膜の検査装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の非単結晶膜の検
    査装置であって、前記回折光を波長分光する手段を備え
    たことを特徴とする非単結晶膜の検査装置。
13. 【請求項１３】 請求項１１に記載の非単結晶膜の検
    査装置であって、前記回折光検出器が、回折光の角度分
    布または位置分布を測定する機器であることを特徴とす
    る非単結晶膜の検査装置。
14. 【請求項１４】 少なくとも、基板上に非晶質膜また
    は微結晶膜を成膜する成膜工程と、前記非晶質膜または
    微結晶膜に対してレーザを照射して、非晶質膜または微
    結晶膜を溶融結晶化させて非単結晶膜を形成する結晶化
    工程とを有する非単結晶膜の製造方法であって、前記結
    晶化工程を、基板を冷却した状態で行うことを特徴とす
    る非単結晶膜の製造方法。
15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の非単結晶膜の製
    造方法であって、前記結晶化工程において、前記基板の
    温度が、１０℃以下に維持されていることを特徴とする
    非単結晶膜の製造方法。
16. 【請求項１６】 基板上に形成された非晶質膜または
    微結晶膜に対しレーザ光を照射し、非単結晶膜を形成す
    る非単結晶膜の製造装置であって、前記基板を冷却する
    手段を具備したことを特徴とする非単結晶膜の製造装
    置。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の非単結晶膜の製
    造装置であって、前記基板の温度を測定する基板温度測
    定手段と、前記基板を加熱する手段と、前記基板温度測
    定手段による測定値に基づいて前記基板を冷却する手段
    と前記基板を加熱する手段とをコントロールする制御手
    段とを具備したことを特徴とする非単結晶膜の製造装
    置。
18. 【請求項１８】 基板上に形成された非単結晶膜であ
    って、光を照射して得られる回折光の主ピークの波長を
    λｎｍ、前記主ピークの波長の波長半値幅をΔλｎｍと
    した場合、下記の式（１）を満たすことを特徴とする非
    単結晶膜。 【数１】Δλ／λ≦０．３ …（１）
19. 【請求項１９】 基板上に形成された非単結晶膜であ
    って、単色光を照射して得られる最も強い回折光の出射
    角をφ度、前記回折光の角度半値幅をΔφとした場合、
    下記の式（２）を満たすことを特徴とする非単結晶膜。 【数２】 ｓｉｎ（φ＋Δφ／２）／ｓｉｎφ≦０．１５ …（２）
20. 【請求項２０】 請求項１８に記載の非単結晶膜であ
    って、下記の式（３）を満たすことを特徴とする非単結
    晶膜。 【数３】σ／λ≦０．１５ …（３） 〔式中、σは標準偏差を表す。〕
21. 【請求項２１】 請求項１９に記載の非単結晶膜であ
    って、下記の式（４）を満たすことを特徴とする非単結
    晶膜。 【数４】σ／（ｓｉｎφ）≦０．１５ …（４） 〔式中、σは標準偏差を表す。〕
22. 【請求項２２】 基板上に形成された非単結晶膜であ
    って、前記薄膜面上に、光を照射した場合に発生する回
    折光のピーク波長の異なる領域が存在していることを特
    徴とする非単結晶膜。
23. 【請求項２３】 駆動回路内蔵型液晶表示装置用の非
    単結晶半導体膜であって、画素部に対応する領域と駆動
    回路部に対応する領域における回折光のピーク波長が異
    なっていることを特徴とする非単結晶半導体膜。
24. 【請求項２４】 請求項２２に記載の非単結晶膜であ
    って、前記異なる領域間のピーク波長が、２００ｎｍ以
    上異なっていることを特徴とする非単結晶膜。
25. 【請求項２５】 基板上に形成された、非単結晶膜で
    あって、前記薄膜面上に、回折光の出射角が異なる領域
    が存在していることを特徴とする非単結晶膜。
26. 【請求項２６】 駆動回路内蔵型液晶表示装置用の非
    単結晶半導体膜であって、画素部に対応する領域と駆動
    回路部に対応する領域における回折光の出射角が異なっ
    ていることを特徴とする非単結晶半導体膜。
27. 【請求項２７】 基板上に形成された非単結晶膜であ
    って、ラマン分光法によるピークシフト量が、単結晶に
    比べ、３ｃｍ^-1以下であることを特徴とする非単結晶
    膜。
28. 【請求項２８】 基板表面に下地膜を介して形成され
    た非晶質膜または微結晶膜に対してレーザ光を照射して
    製造された非単結晶膜付き基板であって、前記下地膜中
    の不純物濃度が、基板中の不純物濃度の１０万分の１以
    下であることを特徴とする非単結晶膜付き基板。
29. 【請求項２９】 基板上に形成された非単結晶膜であ
    って、前記薄膜面上に、光を照射した場合に回折光が発
    生し、その回折光を検出することが可能な領域が存在し
    ていることを特徴とする非単結晶膜。
30. 【請求項３０】 請求項２９に記載の非単結晶膜であ
    って、前記領域が、少なくとも一辺が０．５ｍｍ以上の
    長方形を含んでいることを特徴とする非単結晶膜。
31. 【請求項３１】 請求項１８〜３０のいずれか一項に
    記載の非単結晶膜を半導体膜として用いたことを特徴と
    する薄膜トランジスタ。
32. 【請求項３２】 請求項３１に記載の薄膜トランジス
    タが基板上に形成されてなることを特徴とする薄膜トラ
    ンジスタアレイ。
33. 【請求項３３】 請求項３２に記載の薄膜トランジス
    タアレイを用いたことを特徴とする画像表示装置。