JP2005116558A - 半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置、及び、半導体装置並びに製造方法、及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の問題点を解決した半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置、及び、半導体装置並びに製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、透明の基板３０１と、この基板の上面側に配設された半導体薄膜３０３とを有する。この半導体薄膜は、平坦な光強度の領域がないレーザ光１０５の照射により大きく均一な結晶粒が形成された照射領域３０５を有する
【選択図】 図１３

Description

本発明は，半導体薄膜の結晶化方法並びにこの方法を実施するための結晶化装置、及び、結晶化された半導体薄膜を有する半導体装置並びにその製造方法、及び表示装置に関する。

尚、一般的には単結晶でも原子列の乱れ（転位など）が存在しており、“単結晶”と“単結晶に近い結晶”とは、区別が困難なので、本明細書では、“単結晶に近い結晶”も、“単結晶”として説明されている。

絶縁材料基板，または絶縁膜上に単結晶シリコンを形成するＳＯＩ(Silicon On Insulator)技術は，ＬＳＩ （Ultra large-Scale Integrated circuit）の高集積化，低消費電力や高速化を実現する技術として知られている。この技術のプロセスは，（i）単結晶半導体ウエハ、例えば、シリコンウエハの表面下部領域に絶縁膜を形成する方法と，（ii）絶縁材料基板もしくは絶縁膜の上に形成した非晶質または多結晶半導体薄膜、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン薄膜を結晶化または再結晶化する方法とに分類される。いずれの方法においても，シリコンの結晶性を高めることは極めて重要であり，トランジスタを形成する領域が単結晶であることが望ましい。このため，単結晶シリコンウエハを用いるＳＩＭＯＸや貼り合わせ基板のような（i）の方法が実用化されている。

一方，（ii）の方法は，今日のシリコンＵＬＳＩ技術では採用されていないが，基板材料に制限なくシリコンなどの高品質の半導体薄膜を形成できれば，さまざまな電子素子や電子装置の応用が可能である。このために、この（ii）の方法の改良が強く望まれている。

ところで、ガラスやプラスチック基板上に結晶化シリコン薄膜を形成する技術は，液晶ディスプレイなどの駆動素子に用いられている薄膜トランジスタの高性能化技術に応用されている。例えば，薄膜トランジスタの半導体層を非晶質構造から多結晶構造に変化させると、トランジスタの移動度が１００倍以上になる。この結果，トランジスタサイズを小さくでき，ディスプレイの開口率を増加させることや，周辺回路を薄膜トランジスタで構成することができるなどの応用が広がる。但し，この場合には，結晶化には基板における熱損傷に注意しなければならない（例えば、一般のガラス基板では６００℃以下，プラスチックでは１５０℃以下にしなければならない）。

このために，基板に熱損傷を与えずに非晶質シリコン薄膜を結晶化する方法として，エキシマレーザ結晶化法が開発された。この技術は，図１に示すように、エキシマレーザ光２１をホモジナイズ光学系２２により光照射断面の強度を均一にし，細長い矩形の開口を有する金属マスク２３を通して矩形状に整形（例えば断面形状は，１５０ｍｍ×２００μｍ）して射出させている。この射出されたレーザ光で、ガラス基板２６上に堆積した非晶質シリコン薄膜２４の表面を矢印２７で示す方向に線形的に相対的に走査して、短軸方向に１０μｍ間隔でレーザ照射している。このレーザ光を吸収したシリコン薄膜は溶融シリコン２５を経た後，多結晶シリコン２８に変換される。この技術では，一般のガラスやプラスチック基板を用いたとしても基板に熱損傷は生じない。なぜなら，エキシマレーザは２０ｎｓ程度のパルスレーザであり，結晶化は５０ないし１００ｎｓ程度で完了するからである。結晶粒径は、レーザエネルギ密度に依存しており，粒径０．１ないし１μｍ程度の多結晶薄膜を形成することができる。

上記エキシマレーザアニールを発展させた技術として，ＳＬＳ方式(Sequential Lateral Solidification)と呼ばれている技術が知られている。このような技術は、特願平９−５４２２７０に開示されている。この技術では、図２（ａ）に示すように，ホモジナイズ光学系によって光強度が均一化されたエキシマレーザ光３１を２ミクロン幅程度の金属細隙を設けたマスク３２を通すことにより断面を長方形状に整形する。この細隙を通ったレーザのフルエンス（エネルギー密度）は，非晶質シリコン薄膜３３が厚さ方向に全溶融（符号３４で示す）になるように設定すると、細隙の外側の領域から内側に向かって横方向成長が起こり，結晶化シリコン３６が形成される(図３（ｂ）)。次に試料を矢印３７で示すように２ミクロンだけ左方向に移動させ、レーザ照射すると溶融シリコン３４は前照射によって形成された結晶化シリコン３６の右端部を種結晶として横方向成長する(図２（ｃ）)。このレーザ照射と試料移動のプロセスを繰り返すことによって大粒径の多結晶シリコン薄膜を形成することができる。この場合に、マスク３２の平面形状を図２（ｄ）の様に市松状マスク３９にして，繰り返しレーザ照射を行うと処理時間が向上し，また結晶化の重なり領域が良好になり，基板面で均一な横方向成多結晶薄膜を形成できる。

上記エキシマレーザ結晶化法をさらに発展させた方法として，位相変調エキシマレーザ結晶化法が知られている。この方法の特徴は，図３（ａ）に示すようにエキシマレーザ光４１を、位相シフタ４２（例えば，石英板に段差加工を行ったもの）と呼ばれる光学部品を通すことによって、図３（ｂ）の符号４３で示すようにレーザ光強度分布を変調させている。このように変調されたレーザ光で，例えば、半導体もしくは絶縁基板４８上に形成された非晶質シリコン薄膜４４に一回の照射を行って、図３（ｃ）に示すように、照射領域４５を結晶化している。

この方法は、上記エキシマレーザ結晶化法並びにＳＬＳ方式とは、異なり、均一光強度分布を使用せず，また，多数回レーザ照射を行う必要もない。この方法では、変調された光強度分布４３により，レーザ照射された薄膜内には傾斜した温度分布が生じ，エネルギーの小さい所４７に結晶核が形成され、この位置を正確に定めることができる。また、図３（ｄ）に示すように、この結晶核をもとにした横方向成長により成長距離が増大し大粒径結晶粒４６ａ，４６ｂを得ることができる。この方法により，大粒径の結晶粒が形成され，しかも結晶粒の位置を制御することができる。この技術の詳細は，“松村正清，表面科学 Vol.21，No.5，pp.278-287，2000”（非特許文献４）に記載されている。
特願平９−５４２２７０ 表面科学 Vol.21，No.5，pp.278-287，2000

基板材料を選択しないで，絶縁層の上に結晶化半導体薄膜を形成する技術において，上記従来技術には以下に述べる課題がある。

図１を参照して説明したエキシマレーザ結晶化法に関しては，
結晶粒サイズが最大で１から２ミクロン程度，最小で，０．０５ミクロン程度であり、結晶粒径は，レーザのフルエンスに強く依存する。このため，レーザ光強度を均一にしなければ，結晶粒径がばらつくことになり，その結果，トランジスタ特性（閾電圧，サブシュレッド係数，移動度）にばらつきが生ずる。

結晶粒を大きくするためには，シリコン薄膜が全溶融になる臨界のレーザフルエンスに極限に近づける必要がある。しかしながら，レーザフルエンスが全溶融条件を超えるとシリコン薄膜は微結晶化してしまう。このために、レーザフルエンスに関して裕度が狭い。

図２を参照して説明したＳＬＳ方式に関しては，
レーザ光の半分近くを金属マスクでシールドするために，レーザエネルギを有効に利用することができない。このため結晶化の処理時間が長くなる。

ステージによって試料をミクロンレベルでのピッチで移動させるため，結晶化の処理時間が長くなる。

図３を参照して説明した位相変調エキシマレーザ結晶化技術に関しては，
特願２００３−１６４１６７（本出願人による先願）で説明しているように，光強度分布のボトムを横方向臨界フルエンスに一致させれば，小結晶粒を形成させることなく横方向成長による大結晶粒を形成できる。しかしながら，レーザフルエンスに関して裕度が狭い。

また，横方向結晶成長終了領域付近で小結晶粒が形成してしまうこともあり、期待した良質の多結晶を得ることができない場合もある。

すなわち，上記技術には，結晶粒の均一性，プロセス裕度，スループットに関して課題がある。

本発明は上記の課題に基づいてなされたもので、その目的は、位相変調エキシマレーザ結晶化技術を利用して、この技術の効果を奏することができると共に、上記欠点を解決した半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置、及び、半導体装置並びに製造方法を提供することである。

最初に本発明の技術の基本的な着想点を説明する。
従来のエキシマレーザ結晶化法では，結晶粒の大きさを均一にするためにはレーザの強度を均一（平坦）にして、半導体薄膜（多結晶半導体薄膜のように結晶化される膜）に照射することが必要であると考えられてきた。確かに，レーザ強度分布が不均一であれば，結晶粒径のばらつきが生ずることは充分に考えられることである。しかしながら，発明者らは，光強度分布を完全に均一にすれば，結晶粒径が完全に均一になるということに関して疑問を抱いた。なぜなら，結晶核は，半導体薄膜と、この下の基板（下地膜が基板に形成されている場合には下地膜）との界面で形成されるが、基板（下地膜）の表面全体を精度良く均一な表面とすることはほとんど不可能であるために、この界面の構造の均一性を完全に高めることが不可能であるからである。このために，レーザ強度分布を完全に均一にしても，結晶核は界面内でランダムに発生し，その結果，結晶粒サイズはばらついてしまう。そこで，発明者らは，従来技術とは全く逆の発想で，すなわち，均一な光強度分布（平坦な強度分布）が存在しない強度分布を形成することが本質であると考えた。この考えを実現するために，位相変調エキシマレーザ結晶化法を応用した。発明者らは，特願２００３−１６４１６７で説明しているように，光強度分布のボトム（光強度極小領域）を横方向臨界フルエンスに一致させれば，小結晶粒を形成させることなく横方向成長による大結晶粒を形成できることを認識している。しかしながら，この方法は，レーザフルエンスに関して裕度が狭く，また，横方向結晶成長終了領域付近で小結晶粒が形成してしまうこともあった。発明者らは，さらに光強度分布と結晶性との関係を調べていく過程において，光強度分布が局所的にも平坦な領域が存在することが上記問題点の原因であることを発見した。このために、レーザフルエンスのプロセス裕度が広く，大結晶粒を薄膜表面全面に形成するために、第１に、横方向結晶成長終了領域に対応する、光強度分布の光強度極大領域が平坦とならないような光強度分布の光で半導体薄膜を照射することを案出した。そして、この効果をさらに増長させるために、第２に、 光強度分布の極小領域と極大領域の最近接距離が結晶成長距離よりも短いような光強度分布の光での照射を案出した。そして、第３に、前記第１と第２との両方を満たす光強度分布を周期的に有する光での照射を案出した。

発明者らは，図４(a)に示すような石英基板表面に直線の段差加工をした位相シフタ５１（詳しい構造は後で説明する）と、入射レーザ光５２の収束角σと、位相シフタ５１と半導体薄膜５０との間の距離とを調整することによって，半導体層５０を照射するレーザ光に図４（ｂ）に示すような、好ましくは、半導体薄膜の断面方向で三角波形状のレーザ強度分布５３を形成した。このレーザ強度分布５３で、光強度極小領域５４は、位相シフタ５１の各位相シフト部に対応した位置に形成され、光強度極大領域５５は、隣り合う位相シフト部間の中間部に対応した位置に形成されている。このようなレーザ強度分布５３の特徴は，光強度変化曲面が平坦な領域を有さないこと，言い換えれば，１次微分係数が０となる領域が存在していないことである。また，極小領域５４と極大領域５５との間の距離（例えば、５ミクロン）は，この光強度勾配を用いた場合の結晶核の結晶成長距離（例えば、６ミクロン）より小さくなっている。光強度分布５３では，横方向臨界フルエンスＪ１と極小領域５４の強度とは，正確に一致させる必要はなく，Ｊ１‘’だけの裕度がある。また，最大フルエンスもＪ２’だけの裕度がある。ここで，（Ｊ１‘−Ｊ１）／，（Ｊ２’−Ｊ２）／Ｊ２は，エキシマレーザのパルスエネルギのばらつき（典型的には５％）よりも大きくなっている。

図４（ａ）に示す位相シフタ５１は、位相シフト部が紙面に対して垂直な直線となっているので、これにより形成される光強度分布の極小領域５４並びに極大領域５５も直線となった１次元である。しかし、後述する位相シフタ部が互いに直行した２つの位相シフタを使用すれば、本発明の技術思想を２次元に拡張することも可能である。このような技術により得られた光強度分布の例を図５に示す。このような光強度分布では、極小領域８２は点となり、また極大領域８１は直線となり、共に一次微分係数が０となる。

上述した本発明の技術によれば，小粒径の結晶粒がどこにも形成されず，光強度分布を反映した横方向成長による大結晶粒で半導体薄膜表面を充填できる。また，本発明では、光源からのレーザ光を遮蔽していないので，レーザ光エネルギを最大限有効に利用できる。また，レーザフルエンスの揺らぎに対しても安定した結晶化が可能となる。

具体的には，結晶粒の成長距離が膜厚以上である結晶粒が９０％以上，結晶粒の横方向の成長距離が膜厚の１０倍以上である結晶粒を５０％以上含む結晶化半導体薄膜、シリコン薄膜を形成できる。

かくして、本発明の第1の態様に係わる半導体装置は、基板と、この基板の一面側に配設された半導体薄膜とを具備し、この半導体薄膜は、多数の結晶粒により形成された結晶化領域を有し、各結晶粒は、結晶化開始領域と結晶化終了領域とを有し、少なくとも結晶化終了領域の表面形状は、線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係わる半導体装置の製造方法は、基板を準備する工程と、
この基板の一面側に非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を形成する工程と、
この半導体薄膜に、変調素子で変調されて強度極小領域と強度極大領域とを有する強度分布のエネルギ線を照射して、前記結晶化領域に結晶核形成領域が前記強度極小領域と対応し、結晶成長終了領域が前記強度極大領域と対応する結晶粒からな結晶化領域を形成する工程とを具備し、この結晶化領域を半導体素子の構成要素とする半導体装置の製造方法において、
前記エネルギ線の強度分布の少なくとも前記強度極大領域の強度変化曲面の少なくとも一方の一次微分係数が０であることを特徴とする。

さらに、本発明の第３の態様に係わる結晶化装置は、均一な光強度分布のレーザ光を射出する射出手段と、
非単結晶の半導体薄膜を支持する支持手段と、
これら射出手段と支持手段との間に配置され、射出手段から射出されて入射したレーザ光の位相を変調することにより光強度極小領域と光強度極大領域とを有する光強度分布のレーザ光を射出して前記半導体薄膜を照射するための光学変調素子とを具備し、
前記レーザ光の照射により、半導体薄膜に、多数の結晶粒により形成された結晶化領域を形成し、
各結晶粒が、結晶化開始領域と結晶化終了領域とを有し、
少なくとも結晶化終了領域が、線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないようにさせる強度極大領域を形成するように、前記光学変調素子と、入射レーザ光の収束角と、光学変調素子と半導体薄膜との間の距離とが設定されていることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様に係わる結晶化方法は、半導体薄膜に、変調素子で変調されて強度極小領域と強度極大領域とを有する強度分布のエネルギ線を照射して、前記結晶化領域に結晶核形成領域が前記強度極小領域と対応し、結晶成長終了領域が前記強度極大領域と対応する結晶粒からな結晶化領域を形成する工程を具備する結晶化方法において、
前記エネルギ線の強度分布の少なくとも前記強度極大領域の強度変化曲面の少なくとも一方の一次微分係数が０であることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様に係わる表示装置は、互いに離間して対面された面を有する第１並びに第２の基層と、これら対面された面間に配置された液晶と、これら対面された面に夫々配設された複数の第１並びに第２の電極と、一方の基層の前記対面された面上に形成された画素電極並びに半導体薄膜とを有し、各半導体薄膜は、多数の結晶粒により形成された結晶化領域を有し、各結晶粒は、結晶化開始領域と結晶化終了領域とを有し、少なくとも結晶化終了領域の表面形状は、線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないことを特徴とする。

第１の実施の形態
図６（ａ）に示すようなオリエンテーションフラット９１、ノッチ９２、基板マーク９３等の方位表示指標を有する半導体基板（図７では符号１０１で示されている）上に形成された半導体薄膜の結晶化方法を図７を参照して説明する。

まず、半導体基板１０１（例えば，Ｓｉ,Ｇｅ,Ｓｉ_1-xＧｅ_x ，Ｓｉ_1-x-yＧｅ_xＣ_y, ＧａＡｓ, ＧａＰ, ＩｎＡｓ, ＧａＮ, ＺｎＴｅ, ＣｄＳｅ, ＣｄＴｅなどの半導体のウエハ）を用意する。この半導体基板１０１の上に絶縁層１０２(例えば膜厚５００ｎｍ)を形成する。この絶縁層１０２は、例えば、熱酸化または，ＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜されたＳｉＯ_２膜である。代わって、この絶縁層１０２は，例えば、ＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜との組合わせのような積層構造にしたものでもよい。また、絶縁層１０２は、半導体基板１０１上の全面に形成し、そのまま残しておいても，パターニングによって部分的に残しておいても良い。ここでは，半導体基板１０１の全面に設けられている場合について説明する。次に、前記絶縁層１０２の上に、即ち、半導体基板１０１の一面側に、非晶質または多結晶構造の半導体薄膜１０３（例えば，膜厚３０ないし２００ｎｍ程度のＳｉ,Ｓｉ_1-xＧｅ_x, もしくはＳｉ_1-x-yＧｅ_xＣ_y膜など）をＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜する。この半導体薄膜１０３は、絶縁層１０２の全面，または，パターニングによって絶縁層の部分領域に形成してもよい。ここでは，絶縁膜１０２の全面に形成されている。

そして、図７（ａ）に示すように、半導体薄膜１０３の表面全面に、保護膜１０４（例えば，ＳｉＯ_２，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ、または、これらの積層構造膜）を膜厚約３００ｎｍの膜厚で成膜する。前記絶縁層１０２および半導体薄膜１０３がパターニングされた場合においては，基板全面に保護膜を形成してもよい。

次に、図７（ｂ）に示すように、位相変調エキシマレーザ結晶化法を用いて，保護膜１０４の表面に前述した図４（ｂ）に示すような、平坦な強度分布領域がない光強度分布を有するエキシマレーザ光１０５を照射する。ここでは，位相変調エキシマレーザ結晶化法は，第３の実施の形態で説明するレーザ結晶化装置を用いている。このようなレーザ光の照射は、予め基板や半導体ウエハに設けられた合わせマークに従って照射位置が設定され得る。

このレーザ照射は，複数の極小領域を有する光強度分布を使用しているが、図では簡単のために、３つの極小領域の場合を示す。この光強度分布には、各光強度領域（これの表面形状は1次元の場合には線状であり、２次元の場合には点状である）を中心として１対の，主勾配方向（光強度が極小光強度点からほぼ線形に強くなる光強度の方向）１０６並びに／もしくは１０６ａが存在する。１対の主勾配方向１０６と１０６ａとは、紙面内で互いに１８０°の回転の関係である。主勾配方向１０６または１０６ａと半導体基板１０１の方位表示指標の方向とが所定関係を有するように、半導体基板１０１と、位相シフタとが予め、設定されている。ここでは，主勾配方向１０６とオリフラ９１とが平行となるように設定されている。

このレーザ照射において、レーザ光のエネルギ密度は，図４（ｂ）に示すように、光強度の極小値が横方向成長条件の臨界値ｊ１を越えていて，光強度の極大値が半導体薄膜１０３の蒸発臨界値ｊ２以下であることが望ましい。これら臨界値ｊ１，Ｊ２の値は，主に半導体薄膜１０３のレーザ光に対する吸収係数と膜厚によって決定される。

上記レーザ光１０５によるレーザ照射によって，半導体薄膜１０３の照射領域（結晶化領域）は、結晶化され多結晶半導体薄膜１０７に変換される。この結晶化薄膜１０７の表面形態は，主勾配方向１０６，１０６ａに沿って横方向に結晶化されている。この段階で、保護膜をエッチングにより除去して走査電子顕微鏡法と電子後方散乱法によって解析すると，個々の結晶粒は，レーザ光強度の低い位置から結晶成長が始まり，主勾配１０６，１０６ａの方向に沿って結晶成長したことが判る。また、成長された結晶粒は大きく、かつ均一であり、結晶粒の結晶成長開始領域（光強度極小領域に対応）にも、結晶成長終了領域（光強度極大領域に対応）にも、小粒径結晶粒は、従来技術のようには形成されていないことも確認された。

上記のようにして結晶化された半導体薄膜を使用して、この後、既知の工程を経て半導体装置、例えば、ＭＯＳトランジスタが製造され得る。

第２の実施の形態
絶縁材料基板上に半導体装置を製造する方法に関する実施の形態を主に図６、８を参照して説明する。

まず、図６（ｂ）に示すような辺９４，ノッチ９５，またはマーキング９６（基板の表面でも裏面でもよい）を有する絶縁材料基板１１１（例えば，石英ガラス，ソーダガラス，ホウケイ酸ガラス，鉛ガラス，フッ化物ガラス，サファイア，プラスチック，ポリイミド，など）を用意する（図８（ａ））。この絶縁材料基板１１１の上に、絶縁層１１２(例えば、膜厚５００ｎｍ)を形成する。この絶縁層１１２は、例えば、ＣＶＤ（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて形成されたＳｉＯ_２薄膜である。代わって、この絶縁層１１２は，例えばＳｉＮやＳｉＯ_２などの異種の材料により、積層構造にしたものでもよい。絶縁層１１２は、絶縁材料基板１１１の全面，または，パターニングによって絶縁材料基板表面の部分領域に形成してもよい。ここでは，絶縁材料基板１１１の全面に形成している。次に、絶縁層１１２の上に、非晶質または多結晶構造の半導体薄膜１１３（例えば，膜厚３０ないし２００ｎｍ程度のＳｉ,Ｇｅ,Ｓｉ_1-xＧｅ_x ，Ｓｉ_1-x-yＧｅ_xＣ_yなど）をＣＶＤ法（例えば，プラズマ化学気相成長法や低圧化学気相成長法など）やスパッタ法を用いて成膜する。この半導体薄膜１１３は絶縁層１１２の全面，または，パターニングによって絶縁層の部分領域に形成してもよい。ここでは，絶縁層１１２の全面に形成している。

そして、図８（ａ）に示すように、半導体薄膜１１３の表面全面に保護膜１１４（例えば，ＳｉＯ_２，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ、または、これらの積層構造膜）を約３００ｎｍの厚さに成膜する。前記絶縁層１１２および半導体薄膜１１３がパターニングされた場合においては，基板全面に保護膜を形成してもよい。この後の工程は、前記第１の実施の形態１と実質的に同じであり，簡単に記述する。

図８（ｂ）に示すように、保護膜１１４の表面に、前述したような光強度分布を有するレーザ光１１５で、レーザ照射を行う。このレーザ照射における光強度の主勾配方向１１６，１１６ａは，絶縁材料基板１１１に示された方位表示指標を基準にして設定している。この実施の形態では、主勾配方向１１６，１１６ａと，方位表示指標が示す方向とを一致させている。この第１のレーザ照射によって、半導体薄膜１１３の照射領域は、結晶化半導体薄膜１１７に変換される。

このように絶縁基板（絶縁性材料基板１１１と絶縁層１１２）を用いた場合でも、第１の実施の形態と同様の効果が得られた。

第３の実施の形態
半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置の実施の形態を、夫々図９ないし図１２を参照して説明する。これら例では，光源としてエキシマレーザ１２１（例えば，ＸｅＣｌ，ＫｒＦ，ＡｒＦFなど）を用いているが、必ずしもこれらに限定されることはない。

図９（ａ）に示されるように、パルスレーザ光１２２ａを射出するエキシマレーザ１２１の出射側には、レーザ光１２２のエネルギ密度（図４（ｂ）に示す臨界値ｊ１、臨界値ｊ２）を制御するためのアッテネータ１２３と，レーザ光の強度を均一化するホモジナイズ光学系１２４とが順次配設されている。尚、符号１２０ａで示す位置は，ホモジナイズ光学系１２４の結像面（焦点面）である。このホモジナイズ光学系１２４の射出側には、９０度反射鏡を介して、ホモジナイズ光学系の結像面１２０ａを等倍もしくは縮小する投影レンズ１２５が配置されている。そして、この投影レンズ１２５の結像面１２０ｂ（フォーカス位置）には第１の位相シフタ１２６ａが、また，焦点位置からはずれた位置（デフォーカス位置）には第２の位相シフタ１２７ａが、夫々配置されている。ここで，第２の位相シフタ１２７ａは、複数枚の位相シフタ、例えば、位相シフト方向が互いに直交した２つの位相シフタで構成されてもよい。第１の位相シフタ１２６ａは、急峻なボトムを形成するためのものである。第２の位相シフタ１２７ａは、横方向の結晶成長に必要な勾配を形成するためのものである。即ち、 前記第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａは，光軸上に、図示しないホルダによって固定されている。このホルダは，光軸に沿った方向と、それに垂直な方向とに移動させる機構と，２軸の回転機構とを有するゴニオメータのような駆動機構ＤＭに組み込まれている。

前記第２の位相シフタ１２７ａの射出側には、ステージ１２９の上に載置された試料１２８が位置されている。このステージ１２９は、Ｘ方向並びにＹ方向に移動可能であり、試料１２８を第２の位相シフタ１２７ａに対して相対的に水平方向にシフトさせることができる。

上記投影レンズ１２５を通ったレーザ光の位相シフタ１２６ａ，１２７ａへの収束角と、移送シフタ１２６ａ，１２７ａと、これら位相シフタ試料１２８との間の距離とは、図４（ｂ）を参照して説明したような、平坦な領域がない光強度分布でレーザ光が試料１２８を照射するように設定されている。

次に上記構成の結晶化装置の作用を以下に説明する。

エキシマレーザ１２１から出射したパルスレーザ光１２２aは，アッテネータ１２３によりエネルギ密度が制御されて，ホモジナイズ光学系１２４に入り、ここで強度が均一化されたレーザ光１２２ｂとなって、反射鏡に入射される。ここで、レーザ光１２２ｂは、試料１２８方向へと９０度偏向されて、投影レンズ１２５に入射される。この投影レンズ１２５は、入射レーザ光１２２ｂを第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａによって変調されたレーザ光１２２ｄとして試料表面に入射させる。このための位相シフタ１２６ａ，１２７ａの構成は、後で図１１を参照して説明する。尚、この試料１２８は、実際には、例えば、図７並びに図８に示す半導体薄膜を有する積層薄膜基板で有り得る。

尚、前記アッテネータ１２３によって，レーザ光のエネルギ密度を最適化してレーザ光１２２ｄを試料１２８の表面に照射すると、試料１２８の半導体薄膜はレーザ光１２２ｄを吸収することによって温度が上昇する。ここで，レーザ光１２２ｄの強度変調領域において，極小強度での半導体薄膜は，下地界面付近まで溶融状態になり，極大強度では，半導体薄膜が蒸発しない温度になっていることが望ましい。

前記第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａは，図１１（ａ）並びに（ｂ）に、符号１４１並びに１４２で夫々示すように、透明な基板、例えば、合成石英板１４１ａ（１４２ａ）の一面に、互いに一定間隔を有する細長い矩形溝１４１ｂ（１４２ｂ）が形成されることによって段差を有する構造になっている。この段差の高さ(溝の深さ) Δtが射出レーザ光の位相差θに相当する。この位相差θは，θ=2πΔt(n-1)/λで与えられる。ここで，λは，レーザの波長，ｎは合成石英板の屈折率である。例えば，波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを用いた場合，屈折率は，１．５０８であり，段差Δtが２４４ｎｍのとき位相差は１８０°となる。このような位相シフタ１４１（１２６ａ），１４２（１２７ａ）は、溝が互いに直交するような配置関係で、図９（ａ）に示すように位置に設けられている。前記合成石英基板１４１ａ（１４２ａ）の表面に段差を形成する方法として，例えば，反応性イオンエッチングを用いてエッチングする方法，集束イオンビーム法を用いて，直接加工する方法，合成石英基板の上に非晶質シリコン薄膜を成膜してパターニングしたものを熱酸化する方法がある。前記両位相シフタ１４１，１４２は、図面上では、溝のデイメンシヨンも、ピッチＰ（位相シフト線間の間隔）も異なっているが、同じものでも良い。

また，位相シフタには，表面段差に加えて，光吸収によって光強度分布を形成する効果を付加してもよい。このためには、例えば、合成石英板１４１ａ（１４２ａ）の一面に光吸収膜（たとえば，ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，Ｇｅなどの膜）を成膜してパターニングする。このような位相シフタ１４１（１４２）を使用することにより、光吸収膜の吸収係数と膜厚によって光強度分布が変化する。この方法は，光強度振動を抑制したい位相シフタの領域に形成する場合によい。

また，位相シフタの表面上にマイクロレンズを形成して，光強度分布を形成する効果を付加してもよい。

図１２に示すように，一枚の合成石英基板１５１の表面に異種構造の段差を形成することによって、複数対の位相シフタとしての位相シフタ領域１５２ａ，１５２ｂ，並びに１５３ａ，１５３ｂを同一基板に設けてもよい。この例では、対間の溝の幅並びに溝間の距離（即ち、位相シフト部ピッチ）が異なる２対の位相シフタ領域１５２ａ，１５２ｂ並びに１５３ａ，１５３ｂが設けられている。この場合，各位相シフタ領域の面積は，入射レーザ光の断面１５４よりも大きくなっていなければならない。各対の位相シフタ領域１５２ａ（１５３ａ）と１５２ｂ（１５３ｂ）は、互いに半周期ずれた（１／２位相シフタピッチずれた）構造になっている。このような位相シフタでは、第１照射は、一方の位相シフタ（領域）１５２ａを用い，第２照射は，合成石英基板１５１を溝の長手方向に移動させて，他方の位相シフタ（領域）１５２ｂを用いて結晶化することができる。他方の対の位相シフタ（領域）１５３ａと１５３ｂについても同様であり，異なった対の位相シフタを用いることにより、レーザ光を異なったパターンのレーザ光強度分布を有するようにすることができる。

前記第１の位相シフタ１４１と第２の位相シフタ１４２とは、図１１（ｃ）に示すように、隅部に設けられた４つのスペーサ１４３を挟んで取着することにより、一体的な構造としてもよい。また、位相シフタ間に塵埃等が入るのを防止することもできるように、４つのスペーサの代わりに、枠形のシールドスペーサを４辺間に設けても良い。代わって，図１１（ｄ）に示すように、第１の位相シフタと第２の位相シフタとは、１枚の合成石英基板（共通透明基板）に一体的に形成しても良く、この場合には、一面に第１の位相シフタの溝、即ち、段差が形成され、他面に第２の位相シフタの溝、即ち、段差が形成されている。さらに、第１の位相シフタと第２の位相シフタは、光路における設置位置を入れ換えてもよい。

上述したような第１並びに第２の位相シフタ１２６ａ，１２７ａによって得られる光強度分布は，透明基板（合成石英基板）の表面段差の幾何学的構造と入射光の角度や光の空間的可干渉性によって決定される。要求する光強度によっては，第２の位相シフタ１２７ａだけでよい場合もある。

第４の実施の形態(図示せず)
前記第３の実施の形態において，試料１２８表面の位置を，投影レンズ１２５の焦点面に配置し、例えば、ホモジナイズ光学系１２３の焦点面１２０ａに位相シフタ１２６ａを配置しても良い。この場合には，第３の実施の形態に比べて光強度分布設計の多様化に制限が生じるが，均一性が向上する効果がある。

以下に説明する結晶化装置の実施の形態で、前記第３の実施の形態と実質的に同一の個所は、同じ参照符号を付して説明を省略する。

第５の実施の形態
この装置では、図９（ｂ）に示すように，ホモジナイズ光学系１２３の焦点面１２０ａに第１の位相シフタ１２６ａが配置され，結像レンズ１２５の焦点位置に試料１２８の表面が位置されている。第２の位相シフタ１２７ａは、結像レンズ１２５の焦点はずれの位置に配置されている。この場合，前記第４の実施の形態に比べ光強度分布設計の多様性が向上するが，第１の位相シフタ１２６ａの強度変調は投影レンズの分解能の制限を受ける。

第６の実施の形態
この装置では、図９（ｃ）に示すように、ホモジナイズ光学系１２３の焦点面１２０ａに第１の位相シフタ１２６ａが配置され，また、ホモジナイズ光学系１２３の焦点はずれの位置に、第２の位相シフタ１２７ａが配置されている。試料１２８の表面は，投影レンズ１２５の焦点面に配置されている。このような構成の装置では，試料表面付近に位相シフタが存在しないため，ステージ１２９周辺の自由度が増す。しかし，光強度分布は，投影レンズの分解能の制限を受ける欠点がある。

前記第３ないし第６の実施の形態においては，第２のレーザ照射は，試料１２８と光学系（位相シフタ１２６ａ，１２７ａと投影レンズ１２５）とを相対的に平行移動させて、即ち、ステージ１２９を光学系に対して移動させるか、光学系（詳しくは、反射鏡からステージ１２９側の部分）をステージ１２９に対して移動させるかして、光強度分布を平行移動させている。しかし、このような手法に本発明は限定されることはない。この例を第７並びに第８の実施の形態として以下に説明する。尚、これら実施の形態では、位相シフタとして同じ構成の２つの位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄを使用している。一方の位相シフタ１２７ｃは、第１のレーザ照射であり、他方の位相シフタ１２７ｄは、第２のレーザ照射用である。このために、第１の位相シフタ１２７ｃにより変調されたレーザ光の極小光強度線もしくは最小光強度点を結晶核として成長した結晶粒の成長端部が、Δ形状の結晶粒の場合にはこれの底辺領域が、第２の位相シフタ１２７ｄにより変調されたレーザ光の極小光強度線もしくは最小光強度点で照射されるように、両位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄは、これらの相対位置が設定されている。また、これら位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄは、ホモジナイズ光学系の夫々の焦点面に配置されているが、この位置に限定されることはない。

第７の実施の形態
図１０（ａ）に示すように、この装置は、第１のエキシマレーザ１２１ａと，第１のアッテネータ１２３ａ，第１のホモジナイズ光学系１２４ａと，第１の位相シフタ１２７ｃとからなる第１のレーザ照射用の光学系と、第２のエキシマレーザ１２１ｂと，第２のアッテネータ１２３ｂと，第２のホモジナイズ光学系１２４ｂと，第２の位相シフタ１２７ｄとからなる第２のレーザ照射用の光学系とを有する。前記第１の位相シフタ１２７ｃと第２の位相シフタ１２７ｄとは、同じ構造を有するが、表面段差の周期構造が半周期だけずれている。これら位相シフタ１２７ｃ，１２７ｄは、図１１（ｃ）並びに（ｄ）に示す複合構造の位相シフタを使用しているが、図１４（ｂ）に示す単一構造の位相シフタでも良い。第１の位相シフタ１２７ｃの射出側と第２の位相シフタ１２７ｄの射出側とには、共通のハーフミラー１３５が配置されている。このハーフミラー１３５は、第１の位相シフタ１２７ｃからのレーザ光を結像レンズ１２５へと９０°反射させる機能と、第２の位相シフタ１２７ｄからのレーザ光を透過して結像レンズ１２５に導く機能とを有する。この結像レンズ１２５を通ったレーザ光は、互いに横方向に約１／２Ｐ（位相シフタの段差のピッチの１／２）ずれた光変調強度分布で試料１２８を照射する。

上記構造の装置においては、第１のエキシマレーザ１２１ａと第２のエキシマレーザ１２１ｂとが交互に発振するよう制御し，ハーフミラー１３５，投影レンズ１３６によって，第１のレーザ照射と第２のレーザ照射とをこれら照射が重ならないようにして交互に行うことにより、半導体薄膜を結晶化する。このような方法は，第２のレーザ照射のために位相シフタを動かす必要がないので、光学系に可動部分をなくすことができ、このための駆動機構をなくすことができると共に、光軸が安定になる特徴がある。

第８の実施の形態
図１０（ｂ）に示すように、エキシマレーザ１２１の射出側には、アッテネータ１２３を介してハーフミラー１３９ａのようなビームスプリッタが設けられている。このハーフミラー１３９ａは、入射レーザ光を２つのレーザ光に分岐する。このハーフミラー１３９ａの透過側には、第１のホモジナイズ光学系１２４ａ，並びに第１の位相シフタ１２７ｃを順次介して共通のハーフミラー１３５が配設されている。前記分岐用のハーフミラー１３９ａの反射側には、２つのミラー１３９ｂ，１３９ｃを介して第２ホモジナイズ光学系１２４ｂが配置されている。またこのホモジナイズ光学系１２４ｂの射出側には、第２の位相シフタ１２７ｄを介して、前記共通のハーフミラー１３５が配設されている。この共通のハーフミラー１３５は、第１の位相シフタ１２７ｃからのレーザ光を反射すると共に、第２の位相シフタ１２７ｄからのレーザ光を透過して、投影レンズ１２５に導く。

このような装置においては、レーザ１２１から射出されたパルス状のレーザ光は、ハーフミラー１３９ｂによって２つのレーザ光に分岐され、第１のレーザ光は、第１のホモジナイズ光学系１２４ａ，第１の位相シフタ１２７ｃ、共通のハーフミラー１３５、並びに投影レンズ１２５を通って試料１２８に照射される。第２のレーザ光は、ミラー１３９ｂ，１３９ｃ，第２のホモジナイズ光学系１２４ｂ，第２の位相シフタ１２７ｄ，並びに投影レンズ１２５を通って試料１２８に照射される。そして、これら第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路長さは、最初に第１のレーザ光で試料を照射し、この照射が終了した後に第２のレーザ光で試料を照射するように、設定されている。

第９の実施の形態
半導体装置並びにその製造方法を図１３を参照して以下に説明する。

図１３（ａ）に示すように、絶縁材、例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミド等で形成され、図６（ｂ）に示す方位指示指標が形成された透明な矩形の基板３０１（図では一部のみが示されている）の平坦な一面上に下地層３０２と非晶質半導体薄膜３０３と、保護膜３０４とを順次、化学気相成長法やスパッタ法等の公知の成膜技術を用いて形成する。前記下地層３０２は、例えば、５０ｎｍの厚さのＳｉＮ膜３０２ａと３００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２膜３０２ｂとの積層膜により形成されている。前記ＳｉＮ膜３０２ａは、ガラス等でできた基板３０１からの不純物が非晶質半導体薄膜３０３に拡散するのを防止し、また、前記ＳｉＯ_２膜３０２ｂは、ＳｉＮ膜３０２ａからの窒素が非晶質半導体薄膜３０３に拡散するのを防止する。前記非晶質半導体薄膜３０３は、例えば、厚さが約５０ｎｍないし２００ｎｍであり、Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅのような半導体、この実施の形態ではＳｉで形成されている。前記保護膜３０４は、図７を参照して説明した保護膜１０４と同じである。

次に、前記非晶質半導体薄膜３０３の表面に、保護膜３０４を介して、レーザ光照射として、位相シフタ（例えば、図１４（ａ）に示す位相シフタ１４１）により光変調されたレーザ光１０５を、後で詳述するように、各々が照射された領域３０５（以下に照射領域と称する）と照射されない領域３０６（以下に非照射領域と称する）とが隣り合わせになった多数のユニット領域を形成するように選択的に照射する（図１３（ｂ）は、理解を容易にするために、１つの照射領域と１つの非照射領域とからなる１つのユニット領域のみを示す）。このようなレーザ照射により、照射領域３０５は、アニール処理されて溶融し、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜か単結晶薄膜に変換される。即ち、照射領域３０５は、大きく、均一な（結晶粒の成長距離が半導体薄膜の膜厚さよりも長い結晶粒を９０％以上含み、より好ましくは、結晶粒の成長距離が膜厚の１０倍以上である結晶粒を５０％以上含む）結晶粒により形成される。照射領域３０６の非晶質半導体はそのままの状態に維持される。例えば、液晶表示装置の製造工程において、照射領域３０５は、早いスイッチング特性が要求される駆動回路用ＴＦＴを形成するための領域である。非照射領域３０６は、高い耐電圧が要求される画素用ＴＦＴを形成するための領域である。次に、エッチングにより、図１３（ｃ）に示すように、前記保護膜３０４を除去して、半導体薄膜を露出させる。

そして、フォトリソグラフイ技術を用いて、照射領域３０５と非照射領域３０６とを選択的にエッチングして２つの第１の島状領域３０５ａと１つの第２の島状領域３０６ａとを形成する。これら島状領域３０５ａ，３０６ａ上を含む基板上、（正確には、下地層３０２上）に、ＳｉＯ_２からなり、厚さが約２０ｎｍないし３００ｎｍのゲート絶縁膜３０７を上記と同様の成膜技術を用いて形成する。このゲート絶縁膜３０７の、前記島状領域３０５ａ，３０５ｂの中央部と対向する部分の上に夫々ゲート電極３０８を形成する。これらゲート電極３０８は、シリサイドやＭｏＷの層をパターンニングすることにより形成され得る。

次に、図１３（ｄ）に示すように、前記ゲート電極３０８をマスクとして、不純物イオン３０９を島状領域３０５ａ，３０６ａの中に注入し、間にチャネル領域を挟んで、ソース領域とドレイン領域とを形成する。このときに、チャネル領域内で電流の流れる方向の断面が所望の結晶面となるようにソース領域とドレイン領域との位置を設定する。この設定は、基板に形成された方位指示指標に基づいて容易になされる。前記不純物イオンは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを形成するのであれば、Ｎ型の不純物、例えばリンであり、ＰチャネルＭＯＳトランジスタを形成するのであれば、Ｐ型の不純物、例えばホウ素である。この結果の装置を窒素雰囲気でアニール（４５０℃で、１時間）して、注入された不純物を活性化する。

次に、ゲート電極３０８上も含むゲート絶縁膜３０７の上に、例えば、ＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜３３０を形成する。この層間絶縁膜１３０並びにゲート絶縁膜３０７の、前記島状領域３０５ａ，３０６ａの不純物がドープされた領域（ソース領域並びにドレイン領域）上の部分を選択エッチングにより除去してコンタクト孔を形成する。

次に、図１３（ｅ）に示すように、前記ゲート絶縁膜３０７の上に、コンタクト孔を介して前記ソース領域並びにドレイン領域と電気的に接続されたソース電極３１１ａ並びにドレイン電極３１１ｂを形成して、薄膜半導体装置を完成させる。

第１０の実施の形態
図１４（ａ）並びに（ｂ）は、上記薄膜半導体装置を使用して製造された液晶表示装置の一例を示す。

液晶表示装置４００は、前後１対の透明基体（基層）４２１，４２２、液晶層４２３、画素電極４２４、走査配線４２５、信号配線４２６、対向電極４２７、及びＴＦＴ４３０等を備えている。

１対の透明基体４２１，４２２としては、例えば１対のガラス板を用いることができる。これら透明基体４２１，４２２は、枠状のシール材を介して接合されている。液晶層４２３は、１対の透明基体４２１，４２２の間のシール材により囲まれた領域に設けられている。

前記１対の透明基体４２１，４２２のうちの一方の透明基体、例えば後側の透明基体４２２の内面には、行方向および列方向にマトリックス状に設けられた複数の画素電極４２４と、複数の画素電極４２４と夫々電気的に接続された複数のＴＦＴ４３０（前に詳しく説明した本発明に係わる半導体装置）と、複数のＴＦＴ４３０と電気的に接続された走査配線４２５及び信号配線４２６とが設けられている。

前記走査配線４２５は、画素電極４２４の行方向に夫々沿わせて設けられている。これら走査配線４２５の一端は、後側の透明基体４２２の一側縁部に設けられた複数の走査配線端子（図示せず）に夫々接続されている。複数の走査配線端子は夫々走査線駆動回路４１に接続されている。

前記信号配線４２６は、画素電極４２４の列方向に夫々沿わせて設けられている。これら信号配線４２６の一端は、後側の透明基体４２２の一端縁部に設けられた複数の信号配線４２６の端子（図示せず）に夫々接続されている。複数の信号配線４２６端子は夫々信号線駆動回路４４２に接続されている。

前記走査線駆動回路７４１および信号線駆動回路４４２は、夫々液晶コントローラ４４３に接続されている。液晶コントローラ４４３は、例えば外部から供給される画像信号及び同期信号を受け取り、画素映像信号Ｖpix、垂直祖歌制御信号ＹＣＴ、及び水平走査制御信号ＸＣＴを発生する。

他方の透明基体である前側の透明基体４２１の内面には、複数の画素電極４２４に対向する一枚膜状の透明な対向電極４２７が設けられている。前側の透明基体４２１の内面には、複数の画素電極４２４と対向電極４２７とが互いに対向する複数の画素部に対応させてカラーフィルタを設けるとともに、前記画素部の間の領域に対応させて遮光膜を設けてもよい。

１対の透明基体４２１，４２２の外側には、図示しない偏光板が設けられている。また、透過型の液晶表示装置４００では、後側の透明基体４２２の後側に図示しない面光源が設けられている。なお、液晶表示装置４００は、反射型或いは半透過反射型であってもよい。

以上説明した実施の形態においては、半導体装置としてＴＦＴについて説明したが、半導体薄膜を基礎とする他の半導体素子、例えば、ダイオードについても本発明は適用可能である。

半導体素子を使用する表示装置として液晶表示装置について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、有機ＥＬ表示装置にも適用できる。

また、均一な光強度分布を有する入射レーザ光を光強度極小領域と光強度極大領域を有する光強度分布のレーザ光として射出する光学変調素子として、光の回折、干渉を利用した位相シフタを実施の形態では説明したが、例えば、光の反射並びに／もしくは吸収を利用して上記機能を奏させる他の形式の光学変調素子を使用することもできる。このような光学変調素子は、例えば、図１１に示す位相シフタ（１４１，１４２）で、基板に溝を形成する代わりに、溝に対応する個所に吸収膜もしくは反射膜を設けることにより形成される。また、エネルギ線として、エキシマレーザ光を使用したが、他の光、例えば、連続発振レーザ光でも良く、また、電子線のような他のエネルギ線を使用することもできる。

従来の技術であるエキシマレーザ結晶化法を説明するための図である。 従来の技術であるSLS方式を説明するための図である。 従来の技術である位相変調エキシマレーザ結晶化法を説明するための図である。 本発明の基本となる技術を説明するためのもので、（ａ）は、入射レーザ光と、位相シフタと、半導体薄膜との関係を示す図、（ｂ）は、（ａ）のように関係付けられた位相シフタにより形成される光強度分布を示す図である。 本発明の技術で使用される２次元光強度分布を示す斜視図である。 （ａ）は、方位表示指標が形成された円形の基板の３つの例を示す平面図であり、（ｂ）は、方位表示指標が形成された矩形の基板の３つの例を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態の方法を工程ごとに分けて説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態の方法を工程ごとに分けて説明するための図である。 （ａ）ないし（ｃ）は、本発明の第３ないし第６の実施の形態の半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置を夫々説明するための概略図である。 （ａ）並びに（ｂ）は、本発明の第７並びに第８の実施の形態の半導体薄膜の結晶化方法並びに結晶化装置を夫々説明するための概略図である。 （ａ）並びに（ｂ）は、夫々異なる形態の位相シフタを示す斜視図であり、また、（ｃ）と（ｄ）とは、２次元光強度分布を形成する複合位相シフタの異なる構成を示す斜視図である。 異なる複数の位相シフタが同一基板に形成されている構成を説明するための平面図である。 本発明の第９の実施の形態に係わる半導体装置並びにその製造方法を工程に従って説明するための図である。 本発明の第１０の実施の形態に係わる液晶表示装置を説明するための図である。

符号の説明

５１…位相シフタ、５３、８１レーザ光強度分布、５４…光強度極小領域、５５…光強度極大領域、１０３…半導体薄膜、１０５…レーザ照射用レーザ光、１０６，１０６ａ…主勾配方向、１０７…結晶化され多結晶半導体薄膜、１４１、１４２…位相シフタ。

Claims (19)

1. 基板と、この基板の一面側に配設された半導体薄膜とを具備し、この半導体薄膜は、多数の結晶粒により形成された結晶化領域を有し、各結晶粒は、結晶化開始領域と結晶化終了領域とを有し、少なくとも結晶化終了領域の表面形状は、線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないことを特徴とする半導体装置。
2. 前記結晶化開始領域の表面形状は、点状もしくは線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないことを特徴とする請求項１の半導体装置。
3. 前記結晶化領域は、結晶粒の結晶成長距離が前記半導体薄膜の膜厚以上である結晶粒を９０％以上含んでいることを特徴とする請求項１もしくは２の半導体膜装置。
4. 前記結晶化領域は、結晶粒の結晶成長距離が前記半導体薄膜の膜厚の１０倍以上である結晶粒を５０％以上含んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１の半導体装置。
5. 基板を準備する工程と、
   この基板の一面側に非晶質もしくは多結晶の半導体薄膜を形成する工程と、
   この半導体薄膜に、変調素子で変調されて強度極小領域と強度極大領域とを有する強度分布のエネルギ線を照射して、前記結晶化領域に結晶核が前記強度極小領域と対応し、結晶成長終了領域が前記強度極大領域と対応する結晶粒からな結晶化領域を形成する工程とを具備し、この結晶化領域を半導体素子の構成要素とする半導体装置の製造方法において、
   前記エネルギ線の強度分布の少なくとも前記強度極大領域の強度変化曲面の少なくとも一方の一次微分係数が０であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記エネルギ線の強度分布の前記強度極小領域の強度変化曲面の少なくとも一方の一次微分係数が０であることを特徴とする請求項５の半導体装置の製造方法。
7. 前記強度極大領域の表面形状は、線状であることを特徴とする請求項５もしくは６の半導体装置の製造方法。
8. 前記強度極小領域の表面形状は、点状もしくは線状であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１の半導体装置の製造方法。
9. 前記エネルギ線の強度分布の前記強度極小領域と強度極大領域との間の最近接距離は、結晶粒の成長距離よりも短いことを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１の半導体装置の製造方法。
10. 前記エネルギ線の強度分布の前記強度極小領域と強度極大領域とは、交互に等しい最近接距離を隔てて複数あることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１の半導体装置の製造方法。
11. 前記エネルギ線の半導体薄膜の断面方向の強度分布は、三角波形状を有していることを特徴とする請求項５ないし１０のいずれか１の半導体装置の製造方法。
12. 前記エネルギ線は、エキシマレーザもしくは連続発振レーザであることを特徴とする請求項５ないし１１のいずれか１の半導体装置の製造方法。
13. 前記変調素子は、位相シフタであることを特徴とする請求項５ないし１２のいずれか１の半導体装置の製造方法。
14. 均一な光強度分布のレーザ光を射出する射出手段と、
    非単結晶の半導体薄膜を支持する支持手段と、
    これら射出手段と支持手段との間に配置され、射出手段から射出されて入射したレーザ光の位相を変調することにより光強度極小領域と光強度極大領域とを有する光強度分布のレーザ光を射出して前記半導体薄膜を照射するための光学変調素子とを具備し、
    前記レーザ光の照射により、半導体薄膜に、多数の結晶粒により形成された結晶化領域を形成し、
    各結晶粒が、結晶化開始領域と結晶化終了領域とを有し、
    少なくとも結晶化終了領域が、線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないようにさせる強度極大領域を形成するように、前記光学変調素子と、入射レーザ光の収束角と、光学変調素子と半導体薄膜との間の距離とが設定されていることを特徴とする結晶化装置。
15. 前記光学変調素子と、入射レーザ光の収束角と、光学変調素子と半導体薄膜との間の距離とは、結晶化開始領域が、点状もしくは線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないように強度極小領域を形成するように、設定されていることを特徴とする請求項１４の結晶化装置。
16. 前記レーザ光の光強度分布の前記光強度極小領域と光強度極大領域との少なくとも一方の光強度変化曲面の少なくとも一方の一次微分係数が０であることを特徴とする請求項１４もしくは１５の結晶化装置。
17. 半導体薄膜に、変調素子で変調されて強度極小領域と強度極大領域とを有する強度分布のエネルギ線を照射して、前記結晶化領域に結晶核形成領域が前記強度極小領域と対応し、結晶成長終了領域が前記強度極大領域と対応する結晶粒からな結晶化領域を形成する工程を具備する結晶化方法において、
    前記エネルギ線の強度分布の少なくとも前記強度極大領域の強度変化曲面の少なくとも一方の一次微分係数が０であることを特徴とする結晶化方法。
18. 互いに離間して対面された面を有する第１並びに第２の基層と、これら対面された面間に配置された液晶と、これら対面された面に夫々配設された複数の第１並びに第２の電極と、一方の基層の前記対面された面上に形成された画素電極並びに半導体薄膜とを有し、各半導体薄膜は、多数の結晶粒により形成された結晶化領域を有し、各結晶粒は、結晶化開始領域と結晶化終了領域とを有し、少なくとも結晶化終了領域の表面形状は、線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないことを特徴とする表示装置。
19. 前記結晶化開始領域の表面形状は、点状もしくは線状になっていて、隣接して小結晶粒が存在しないことを特徴とする請求項１８の表示装置。

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