JP2006295097A - 結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタおよび表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 室温でも大粒径に結晶化でき、省電力、結晶化の位置ずれの発生を減少させた結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供すること。
【解決手段】 エキシマレーザ装置２からの波長が３００nm以上のレーザ光を、位相シフタ６で位相変調して、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のパルスレーザ光に形成して被結晶化基板８に照射して結晶化する結晶化方法であって、上記被結晶化基板８はレーザ光入射面上に上記レーザ光に対して吸収特性を有する少なくとも一層以上のＳｉとＯとの組成比が異なるシリコン酸化膜を設けたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶、有機ＥＬ等の表示装置に用いて好適な結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタおよび表示装置に関する。

液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に形成されている。ＩＴ市場の拡大により取り扱う情報は、デジタル化され、高速化されるため表示装置も高画質化が要求されている。この要求を満足する手段としては、例えば各画素を切換えるスイッチングトランジスタを結晶半導体に形成することによりスイッチング速度が高速化され、高画質化が可能となる手段がある。

ガラス基板上に形成された非晶質シリコン層を結晶化する手段としては、エキシマレーザアニール法（ＥＬＡ法）が知られている。しかしながら、このＥＬＡ法により得られた結晶の粒径は、０．１μｍ程度であり、この結晶化された領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成した場合、１個の薄膜トランジスタのチャネル領域に多数の結晶粒界が含まれる。この結果として薄膜トランジスタの電界効果移動度は２００ｃｍ^２／Ｖｓと、単結晶Ｓｉに形成されたＭＯＳトランジスタの電界効果移動度と比較すると大幅に劣る。

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のチャネル部分を形成できる程度大きな結晶粒を形成する工業化技術を開発している。単一の結晶粒内にＴＦＴを形成することは、チャネル領域内に結晶粒界が形成された従来のトランジスタと異なり、結晶粒界への特性への悪影響がなく、ＴＦＴ特性が大幅に改善され、プロセッサ、メモリ、センサなどの機能素子を形成することができる。このような結晶化方法として本発明者等は、例えば非特許文献１や非特許文献２などに記載された結晶化方法を提案している。

前者の非特許文献１には、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ_２キャップ層やＳｉＯ_２（二酸化シリコン）キャップ層を介して非晶質シリコン膜にフルエンス０．８Ｊ／ｃｍ2の位相変調したレーザ光を照射することにより、膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。

また、後者の非特許文献２には、基板加熱下でＳｉＯ_２キャップ層を介して非晶質シリコン膜にホモジナイズし強度変調したレーザ光を照射することにより、非晶質シリコン膜をラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。

W.Yeh and M.Matsumura Jpn.Appl.Phys.Vol.41(2002)1909.

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

谷口ら 応用物理学関係連合講演会 ２８a-ＺＧ-２

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できる。大粒径化した結晶粒の近傍に小粒径の微細結晶粒が発生するため、膜組織全体として大粒径の結晶粒を揃えて比較的均一に（すなわち、ち密に）形成することが要望されている。また、ＳｉＯＮ(酸窒化シリコン)キャップ膜は、膜中の酸素原子と窒素原子の比率を変化させることにより吸収スペクトルを変化させることが可能であるが、もっとも光学バンドギャップが小さい膜（酸素のないＳｉＮｘ）でも５ｅＶ（波長は約２４０ｎｍに相当）付近であり、エキシマレーザのなかでも波長が２４８nmであるＫｒＦレーザには使用可能であるが、現在量産でよく用いられている、波長が３０８ｎｍであるＸｅＣｌレーザにおいては透明となってしまうために用いることはむずかしいということが判った。

また、非特許文献１及び２の方法では、結晶粒を大粒径化させるために、基板を高温域に加熱する必要があり、低温処理の要求を十分に満たすことができないという問題点がある。例えば図１１に示す従来の結晶化装置１００は、載置台１０１に内蔵されたヒータ１０２により高温域に加熱された被結晶化基板１０３にＫｒＦエキシマレーザ装置１０４から出射されたパルスレーザ光１０５を照射して結晶化する装置である。このパルスレーザ光１０５は、凹レンズ１０６、凸レンズ１０７、位相シフタ１０８からなる光学系を透過したレーザ光である。ヒータ１０２は、コントローラ１０９で制御される電源１１０から給電され、被結晶化基板１０３を摂氏３００〜７５０度の温度域に加熱する能力を有している。

基板加熱温度は例えば摂氏５００度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い。従って、これらの材料を液晶表示装置（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。

さらに、被結晶化基板１０３を加熱することは、消費電力が増加するため、工業化においては特に省電力化の要求に答えることができない。さらに、波長が３００nm以下の２４８nmのレーザ光源を用いた場合（例えば非特許文献３参照）、凹レンズ１０６、凸レンズ１０７、位相シフタ１０８、ミラーなどからなる光学系での光吸収が発生し、これら光学系において、この光吸収量に相当する分の発熱が生ずる。この発熱は、経時的に昇温し、レンズの焦点ボケ、結晶化位置の位置ズレが発生する。この位置ズレは、結晶化領域がずれることになり、トランジスタ回路を形成する際、露光工程において、チャネル領域が結晶化領域から外れて形成され、量産工程においては、歩留まりが悪くなる。さらに、表示装置においては、表示ムラや色ムラが発生し、表示不良となることが判った。

本発明は上記の点に対処してなされたものであり、室温でも大粒径の結晶を得ることができ、省電力、結晶化の位置ずれの発生を減少させた結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供することを目的とする。

本発明の結晶化方法は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、前記レーザ光は、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光のレーザ光であり、前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に前記レーザ光に対して吸収特性を有するキャップ膜を設けてなることを特徴とする。

本発明は、結晶化用光学系において、できる限り光吸収の少ない波長のレーザ光を用いることにより光学系の発熱を防止して結晶化の位置ずれの発生を減少させ、非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のＳｉＯx膜（xは2未満）を設けて、結晶化用レーザ光の一部を吸収させることにより、室温で、比較的低電力で大粒径の結晶化を行う結晶化方法を提供するものである。

本発明の結晶化方法は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数種類の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に前記レーザ光に対して吸収特性を有するキャップ膜を設けてなることを特徴とする。

本発明の結晶化方法は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数種類の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のＳｉＯx膜を設けてなることを特徴とする。上記xは2未満である。

本発明の結晶化方法は、前記ＳｉＯx膜のｘは、１．４乃至１．９の範囲であることを特徴とする。

本発明の結晶化方法は、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、上記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数種類の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、上記非単結晶半導体膜の上記レーザ光入射面上に少なくともニ酸化シリコン膜と少なくとも一層のＳｉＯx膜を設けてなることを特徴とする。上記xは2未満である。
上記ｘは、好ましくは１．４乃至１．９であり、さらに好ましくは１．４乃至１．８である。

本発明の結晶化方法は、非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数種類の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層以上のＳｉとＯとの組成比が二酸化シリコン膜と異なるシリコン酸化膜を設けてなることを特徴とする。

本発明の結晶化方法は、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、上記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、上記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくともニ酸化シリコン膜と一層以上のＳｉとＯとの組成比が二酸化シリコン膜と異なるシリコン酸化膜とを設けてなることを特徴とする。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に設けられた非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のＳｉＯx膜を形成する工程（上記xは2未満）と、ホモジナイズされたパルスレーザ光を前記ＳｉＯx膜を介して照射して、パルスレーザ光の一部を前記ＳｉＯx膜が吸収して発熱するとともに、前記非単結晶半導体膜にも照射して照射部を溶融し、パルスレーザ光が遮断したのち前記非単結晶半導体膜に結晶化領域を形成する工程と、前記結晶化領域に位置合わせして薄膜トランジスタを形成する工程とを具備することを特徴とする。

本発明の被結晶化基板は、基板に設けられた非単結晶半導体膜と、この非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のＳｉＯx膜とを設けてなることを特徴とする。上記xは2未満。

本発明の被結晶化基板は、基板に設けられた非単結晶半導体膜と、この非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層以上のＳｉとＯとの組成比が異なるシリコン酸化膜とを設けてなることを特徴とする。

本発明の薄膜トランジスタは、上記結晶化方法により製造された結晶化領域にチャネル領域、ソース領域の一部または全部、ドレイン領域の一部または全部、チャネル領域上の一部にゲート絶縁膜、ゲート電極を形成してなることを特徴とする。

本発明の表示装置は、上記結晶化方法により製造された結晶化領域に画素を切替える薄膜トランジスタのチャネル部分を形成してなることを特徴とする。
本明細書において「非単結晶半導体膜」とは、非晶質半導体（例えば非晶質シリコン膜）、多結晶半導体（例えばポリシリコン膜）およびこれらの混合組織など結晶化の対象となる薄膜をいう。

上記シリコン酸化膜の少なくとも１層は、上記レーザ光の波長に対して吸収特性を示す膜である。上記シリコン酸化膜は、膜厚が１００〜１５００ｎｍである。上記レーザ光は、位相シフタを用いて光強度が単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布となるように変調されたパルスレーザ光である。上記レーザ光は、位相シフタ入射前に光強度に関して均一化された光である。

本発明の「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。

本発明によれば、室温でも大粒径に結晶化でき、省電力、結晶化の位置ずれの発生を減少させた結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、被結晶化基板、薄膜トランジスタおよび表示装置を得ることができる。

以下、添付の図１乃至図８、図１２乃至図１６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。
先ず、本明細書において用いられる用語は、次のように定義する。「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。「投入フルエンス」とは、結晶化のためのレーザ光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりの１発のパルスのエネルギ量をいい、具体的には光源または照射領域（照射野）において計測されるレーザ光の平均光強度のことをいう。

「位相シフタ」とは、位相変調光学系の一例であり、レーザ光の位相を変調するための空間強度変調光学素子のことをいい、フォトリソグラフィプロセスの露光工程で使用される位相シフトマスクとは区別されるものである。位相シフタは、例えば透明体としての石英基材の所望の場所に所望の段差が形成されたものである。位相シフタの段差は、入射光を所定の位相角、例えば１８０度の位相差を生じるサイズに、エッチング等のプロセスにより形成される。

「プロジェクションレンズ」とは、位相シフタにより作られた像を基板表面に投影するための光学系であり、照射サイズが小さい場合には、おおむねテレセントリックレンズが用いられる。テレセントリックレンズを用いることで、基板とレンズとの距離が多少変化しても投影した像のサイズが変化しないようにすることが可能である。そのため、基板側のみが平行となるような片テレセントリックレンズ系または基板側および光源側の両方が平行となるような両テレセントリックレンズ系が用いられるが、量産装置においては照射ビームとして細長い、いわゆる「長尺」ビームが用いられることが多く、本明細書中では示していないが、短辺側のみがテレセントリック構造で、長辺側はレンズ効果が生じないような、「かまぼこ」型のプロジェクションレンズを用いることで、実現可能である。

この実施形態は、結晶化用光学系に対して、光吸収の少ないレーザ光を用いる
ことにより高エネルギのレーザ光であっても光学系の発熱を防止して結晶化位置の位置ずれの発生を減少させ、非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくともニ酸化シリコン膜と少なくとも一層のＳｉＯx膜（xは2未満）を設けて、結晶化用レーザ光の一部を吸収させることにより、結晶化のためのレーザ光エネルギ密度が比較的低電力で大粒径の結晶化を行う結晶化方法である。先ず、結晶化方法を説明するためのプロジェクション型結晶化装置の構成を、図１を参照して説明する。

結晶化装置１は、波長が３００ｎｍ以上のレーザ光を発信するエキシマレーザ装置２と、この装置２の光軸上に順次設けられた凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７と、被結晶化基板８を載置する載置台９と、ＸＹＺθステージ１０と、コントローラ１１とからなる。即ち、結晶化装置１は、凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７からなる結晶化用光学系によりパルスレーザ光１２を載置台９上の被結晶化基板８に照射するものである。

波長が３００ｎｍ以上のレーザ光を発信するエキシマレーザ装置２は、結晶化用光学系である凹レンズ３と、凸レンズ４と、ホモジナイザ５と、位相シフタ６と、プロジェクションレンズ７において光吸収の小さいレーザ光を出力する。このエキシマレーザ装置２としては、例えば波長が３０８ｎｍのレーザ光を発振するＸｅＣｌエキシマレーザ装置が最適である。

このエキシマレーザ装置２の出射光路には、図示しないレーザ光量を所望の光量に調整するためのアッテネータが設けられる。このアッテネータの出射光路には、凹レンズ３および凸レンズ４を介してホモジナイザ５が設けられている。ホモジナイザ５は、照射領域におけるパルスレーザ光１２を平準化する機能を備えている。すなわち、ホモジナイザ５は、ホモジナイザ５を通過するパルスレーザ光１２を位相シフタ６への入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）するための光学系である。

さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光１２は、図２（ａ）に示す位相シフタ６により例えば１８０度の位相差を生じさせるようになっている。位相シフタ６は、透明体からなる。図２（ａ）（ｂ）に示すように平行に並ぶ複数の直線状の段差６ａを有する位相シフタ６は、段差６ａにおいてパルスレーザ光１２に位相差を生じさせる。この位相差によりパルスレーザ光１２が位相変調され、パルスレーザ光１２が光強度変調される。その結果、図２（ｄ）に示すように単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布ＢＰが照射部に形成される。なお、本実施形態では位相シフタ６の間隔Ｗを１００μｍとした。

図２（ａ）は、位相シフタ６の平面図であり、図２（ｂ）は、（ａ）図の断面図であり、図２（ｃ）は位相シフタ６を透過したパルスレーザ光１２の光強度分布を説明するための波形図であり、図２（ｄ）は、（ｃ）図の斜視図である。図２（ｃ）に示す光強度分布ＢＰは、斜視図で三次元的に示すと図２（ｄ）ようにＶ字状溝の光強度分布となる。このような位相シフタ６は、面積比（デューティ）変調型位相シフタ６である。この面積比（デューティ）変調パターンは、図２（ｃ）に示す複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布を得るために、図２（ａ）に示されているように段差６ａの表面の面積が変化して形成されている。各断面逆三角形状ピークパターンの光強度分布は振幅ＰＨが等しく、ピッチ間隔ＰＷも等しい。

位相シフタ６で光強度変調されたパルスレーザ光１２は、プロジェクションレンズ７に入射する。プロジェクションレンズ７は、位相シフタ６の像を被結晶化基板８上面に結像させるように設けられている。プロジェクションレンズ７は、等倍、縮小例えば縮小された像の縮小率が１／５の光学系である。例えば、位相シフタ６の段差６ａの表面の面積１００μｍ^２に対応する投射像は、４μｍ^２となる。

被結晶化基板８の構造は、図３に示す構成であり、キャップ膜が結晶化用レーザ光の一部を光吸収する光吸収性を有することを特徴とする。結晶化用レーザ光に対して光吸収性を有するキャップ膜は、低い結晶化用投入フルエンスで同等の横方向成長距離を得ることを可能にする。

即ち、被結晶化基板８は、絶縁体または半導体からなる基板１５例えばシリコン基板上に下地保護膜１６、非単結晶半導体膜例えば非晶質半導体膜１７、第１のキャップ絶縁膜１８、第２のキャップ絶縁膜１９を順次積層してなる構造体である。この実施形態のキャップ膜２０は、第１のキャップ絶縁膜１８と、光吸収性を有する第２のキャップ絶縁膜１９の２層からなる。光吸収性を有する第２のキャップ絶縁膜１９は、例えば少なくとも一層のＳｉＯx膜（xは2未満である。）や、少なくとも一層以上のＳｉとＯとの組成比が二酸化シリコン膜と異なるシリコン酸化膜などである。

下地保護膜１６は、基板１５からの不純物の滲透を防止し、非晶質半導体膜１７の結晶化過程で発生する熱を蓄熱する効果を有する材料である。下地保護膜１６は、例えば膜厚１０００ｎｍの二酸化シリコン膜である。下地保護膜１６は、１層に限らず２層以上でもよい。特に、基板１５からの不純物の浸透を防止するには、例えば基板１５上にＳｉＮｘ層を成膜し、さらにＳｉＯ_２層を成膜する構成が有効である。さらに、下地保護膜１６は、熱酸化膜上に二酸化シリコン膜（SiO2）を膜厚例えば３０nm形成した構成でもよい。非晶質半導体膜１７は、結晶化の対象となる膜であり、膜厚例えば５０ｎｍ〜２００ｎｍの非晶質シリコンからなる。

第１のキャップ絶縁膜１８は、例えば膜厚２０〜２００ｎｍ例えば３０ｎｍの二酸化シリコン膜からなる。他の実施例は、第１のキャップ絶縁膜１８が無いか、もしくは非常に薄い膜を積層してもよい。図３では、光吸収性を有する第２のキャップ絶縁膜１９（第２のキャップ酸化膜）は、例えば少なくとも一層のＳｉＯx膜（ｘは２未満）である。これは、直接、非晶質半導体膜１７上にＳｉＯx膜を積層した場合に界面が不安定になる可能性があるため、化学的に安定な二酸化シリコン膜からなる第１のキャップ絶縁膜１８を挿入している。これは必ずしも必要でなく、また必要であっても極薄膜でよい場合もある。

第２のキャップ絶縁膜１９は、レーザ光１２の一部を吸収して発熱する光吸収膜であり、膜厚例えば５００ｎｍのシリコン酸化膜からなる。このシリコン酸化膜の膜厚は１００〜１５００ｎｍの範囲とすることが光吸収特性と蓄熱特性から望ましい。膜厚が１００ｎｍを下回ると、シリコン酸化膜の光吸収による発熱量が不足して蓄熱が不十分になり、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１５００ｎｍを上回ると、光の透過量が減少して、結晶化しようとする非晶質半導体膜１７に十分なフルエンスのパルスレーザ光が到達し難くなるので、結晶化の目的を十分に達成することができなくなる。

次に、このような二重構造キャップ膜２０を有する被結晶化基板８を製造する方法の実施形態についてさらに具体的に説明する。

基板１５例えばガラス基板等からなる絶縁基板の上に下地保護膜１６としての絶縁層を形成する。基板１５例えば絶縁基板には、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板の他に、表面に絶縁被膜が形成された金属基板、シリコン基板、或いはセラミック基板などを適用することが可能である。ガラス基板は、例えばコーニング社の＃１７３７基板に代表されるような、低アルカリガラス基板を用いることが望ましい。下地保護膜１６は、膜厚５０〜２０００ｎｍ例えば１００ｎｍの二酸化シリコン膜をプラズマ化学気相成長法で成膜する。

下地保護膜１６の上に非晶質半導体膜１７として非晶質シリコン膜を成膜する。非晶質シリコン膜の成膜法は、例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚２００ｎｍの非晶質Ｓｉ膜を成膜する。この非晶質Ｓｉ膜上にキャップ膜２０を成膜する。

キャップ膜２０は、第１のキャップ絶縁膜１８としてニ酸化シリコン膜を非晶質Ｓｉ膜上に成膜する。このニ酸化シリコン膜は、例えばＳｉＨ_４とＮ_２Ｏのプラズマ化学気相成長法によって成膜し、化学量論的組成比に近づけた膜厚３０ｎｍの膜である。

さらに、第１のキャップ絶縁膜１８上に光吸収層として第２のキャップ絶縁膜１９例えばシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜は、例えば、ＳｉH_４とＮ_２Ｏのプラズマ化学気相成長法によって成膜する。シリコン酸化膜は、流量比が上記第１のキャップ絶縁膜１８である二酸化シリコン膜と異なる流量比にしてプラズマ化学気相成長法により成膜し、膜厚５００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。このようにして被結晶化基板８の上面には光吸収層として例えばＳｉとＯの組成比が二酸化シリコン膜と異なるシリコン酸化膜が設けられている。次いで、基板１５上に形成した薄膜１６〜１９の脱水素処理を行なう。この脱水素処理は、例えば窒素雰囲気で摂氏５７０度×２時間の加熱処理である。このようにして被結晶化基板８が形成される。被結晶化基板８の上面には、光吸収層として例えばSiとOの組成比が二酸化シリコン膜と異なるシリコン酸化膜が設けられている。

光吸収特性を有するキャップ膜２０は、入射したホモジナイズされたパルスレーザ光１２の反射光を少なくし、光吸収性を良くして、入射光の一部を吸収し、発生した熱を蓄熱する機能を有する厚さが必要である。蓄熱時間は、結晶粒が大きく成長することができる時間である。

載置台９は、ＸＹＺθステージ１０の上に搭載され、水平面内でＸ軸，Ｙ軸方向にそれぞれ可動で、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１０の電源回路はコントローラ１１の出力部に接続され、Ｘ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、Ｚ軸駆動機構、θ回転駆動機構がそれぞれ制御されるようになっている。エキシマレーザ装置２の電源回路は、コントローラ１１の出力部に接続され、パルスレーザ光１２の発振タイミング、パルス間隔、出力の大きさなどが制御されるようになっている。

次に、上記ホモジナイザ５の光学系について図４を参照して具体的に説明する。図１と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。光学系は、エキシマレーザ装置２例えばエキシマレーザ光源として波長３００ｎｍ以上例えば３０８ｎｍ波長のエキシマパルスレーザ光を出射するＸｅＣｌエキシマレーザ光源を備えている。エキシマレーザ光源から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダからなる光学系３、４を介して拡大された後に、ホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５は、第１のシリンドリカルレンズ２５、第１のコンデンサ光学系２６、第２のシリンドリカルレンズ２７、第２のコンデンサ光学系２８からなる。

ホモジナイザ５に入射したパルスレーザ光は、第１のシリンドリカルレンズ２５に入射する。第１のシリンドリカルレンズ２５の後側焦点面には、複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１のコンデンサ光学系２６を介して第２のシリンドリカルレンズ２７の入射面を重畳的に照明する。その結果、第２のシリンドリカルレンズ２７の後側焦点面には、第１のシリンドリカルレンズ２５の後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第２のシリンドリカルレンズ２７の後側焦点面に形成された光源からの光束は、第２のコンデンサ光学系２８を介して位相変調素子６（位相シフタ）を重畳的に照明する。

ここで、第１のシリンドリカルレンズ２５および第１のコンデンサ光学系２６は第１のホモジナイザを構成し、この第１のホモジナイザにより位相シフタ６上での入射角度に関する均一化が図られる。

また、第２のシリンドリカルレンズ２７および第２のコンデンサ光学系２８は第２のホモジナイザを構成し、この第２のホモジナイザにより位相シフタ６上での面内各位置での光強度（レーザフルエンス）に関する均一化が図られる。このようにして照明系は、実質的に均一な光強度分布（光強度分布）を有する光を位相シフタ６に照射する。

位相シフタ６に入射するパルスレーザ光１２は、均一化光学系（ホモジナイザ）としての第１のシリンドリカルレンズ２５および第１のコンデンサ光学系２６により入射角度に関して均一化され、さらに第２のシリンドリカルレンズ２７および第２のコンデンサ光学系２８により光強度に関して均一化されることが望ましい。

即ち、ホモジナイザ５で入射角度と光強度に関して均一化されたパルスレーザ光１２は、位相シフタ６を透過すると、図２（ｃ）に示すように光強度が単調増加と単調減少を繰り返す理想的な光強度分布ＢＰとなる。この図２（ｃ）の光強度分布ＢＰは断面逆三角形形状であり、最大ピーク値と最小ピーク値が突状であり、平坦部を有しないものである。しかも等振幅ＰＨで、かつ等ピッチ間隔ＰＷである。すなわち、位相変調された均一化レーザ光は高次振動成分を含まないために、このパルスレーザ光１２が被結晶化基板８を照射すると理論的には位相シフタ６の段差６ａ−６ａの幅間隔Ｗに応じたサイズの大結晶粒をラテラル成長させることが可能になる。

このとき絶縁層の光吸収による発熱効果と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２（ｃ）の光強度分布ＢＰにおいてピーク部の角度θが鋭くなると膜破壊を生じ易くなるので、ピーク部の角度θはできるだけ緩やかな角度となるように光強度分布ＢＰを設定することが望ましい。

なお、上記実施例は基板５に位相シフタ４による変調光を投射するプロジェクション法について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく所望の距離を離して基板５上に位相シフタ４を設置したプロキシミティ法にも適用することができる。

次に、この結晶化装置１による結晶化方法を具体的に説明する。図１乃至図４と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。コントローラ１１に予め記憶されたプログラムにより自動的に制御される。コントローラ１１は、被結晶化基板８を載置台９の予め定められた位置に搬送制御し、被結晶化基板８を仮固定例えば静電チャック又はバキュームチャックの制御をする。コントローラ１１は、仮固定された被結晶化基板８を予め定められた手順で位置合わせする。

コントローラ１１は、エキシマレーザ装置２発振させるための制御をする。この結果、エキシマレーザ装置２例えばＸｅＣｌエキシマレーザ装置２は、発振し、パルスレーザ１２を出射する。このパルスレーザ１２は、例えばパルス幅例えば３０ｎｓｅｃ、照射レーザフルエンス例えば１Ｊ／ｃｍ^２のパルスレーザ光５０を出射する。このパルスレーザ光１２は、凹レンズ３、凸レンズ４により発散収束されてホモジナイザ５に入射する。ホモジナイザ５は、入射したパルスレーザ光１２の入射角度と光強度をホモジナイズ（均一化）する。

ホモジナイザ５は、均一化されたパルスレーザ光１２を位相シフタ６に入射させ、位相シフタ６は、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のパルスレーザ光１２を出射する。エキシマレーザ装置２から出射されたパルスレーザ光１２は、ホモジナイザ５で光強度及び入射角の均一化がされたのち位相シフタ６により複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布に変調され、この光強度分布がプロジェクションレンズ７により被結晶化基板８に結像される。この結果、結像部の非晶質半導体膜１７は溶融し、レーザ光が遮断されたのち結晶化される。

この結晶化過程において、被結晶化基板８内においては、次のような過程で非晶質半導体膜１７の結晶化が行われる。即ち、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のパルスレーザ光１２が、被結晶化基板８に入射したとき、被結晶化基板８の非晶質半導体膜１７のパルスレーザ光入射面上に設けられた光吸収膜である第２のキャップ絶縁膜１９に若干吸収される。第２のキャップ絶縁膜１９で吸収された残部のほとんどのパルスレーザ光１２は、非晶質半導体膜１７に入射し、その照射部のみ直ちに厚さ方向に溶融させる。

このときの非晶質半導体膜１７の温度上昇は、下地保護膜１６および第１のキャップ絶縁膜１８、第２のキャップ絶縁膜１９に伝達し蓄熱される。この蓄熱効果および、第２のキャップ絶縁膜１９の吸収による蓄熱効果は、パルスレーザ光が遮断されたとき非晶質半導体膜１７の被照射部が急激に降温することを妨げる。そのため、大粒径の結晶化領域の形成を可能にする。非単結晶半導体膜の非晶質半導体膜１７が直ちに厚さ方向に溶融し、パルスレーザ光が遮断されたときフルエンスが最小となる逆ピーク点を起点として凝固（結晶化）が開始し、ラテラル方向（非晶質半導体膜１７の厚みに直交する方向）に結晶粒が成長する。

この結晶成長は、下地保護膜１６、第１のキャップ絶縁膜１８および第２のキャップ絶縁膜１９の蓄熱効果により結晶粒のラテラル成長が促進されるので、最終凝固後の結晶粒のサイズが大きくなり、照射部において広範囲の単結晶化が実現される。また、第２のキャップ絶縁膜１９の蓄熱効果は、低い結晶化用投入フルエンスで同等の横方向成長距離を得ることを可能にする。

このような結晶化工程は、エキシマレーザ装置２と被結晶化基板８とを相対的に移動例えば、コントローラ１１がＸＹＺθステージ１０を移動させることにより非晶質半導体膜１７の予め定められた領域を連続的又は間欠的に全面にわたって行われる。

本発明者等は、少なくとも１個の薄膜トランジスタのチャネル領域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がおおよそ推察される。

図５において、平行パルスレーザ光が（a）図に示す位相シフタ６の一つの段差６ａを透過した後の光強度分布を（ｂ）図に示す。この光強度分布において、ラテラル方向への結晶成長に寄与しうる成分は最初の逆ピーク波９１から次のピーク波９２までの間であり、これより外側の高次の波９３（振動；干渉縞）はラテラル方向への結晶成長を促進させない成分であると考えられる。このため、ラテラル成長に寄与する主たる逆ピーク波９１以外の高次振動の逆ピーク波９３からも極めて短時間の結晶粒の成長が生じて、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化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）を位相変調した光は、高次の振動９３を含むために、大粒径の結晶粒を形成することができないことが判明した。

この結晶化は、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光吸収特性を有する絶縁膜を介して非晶質半導体膜１７に入射させることにより大粒径の結晶粒を、ち密に並べて形成することができる。換言すれば、図５（ｂ）の高次振動９３を含まない図２（ｃ）に示すような光強度分布をもつパルスレーザ光を非晶質半導体膜１７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。

上記実施形態の結晶化方法は、光強度分布を最適化したパルスレーザ光、すなわち図５（a）（ｂ）に示す高次の振動９３の影響を取り除いた図２（ｃ）に示すようなパルスレーザ光を、光吸収膜であるＳｉとＯの組成比の二酸化シリコン膜と異なる第２のキャップ絶縁膜１９としてのシリコン酸化膜を介して結晶化しようとする非晶質半導体膜１７（非晶質膜または多結晶膜）に照射する。この結果として、光吸収によりシリコン酸化膜は、膜全体にわたり発熱し、この熱をシリコン酸化膜に所定期間蓄熱し、この蓄熱されたシリコン酸化膜からの熱エネルギを非晶質半導体膜１７が蓄熱時間に渉って受けて加熱される。この蓄熱時間のシリコン酸化膜からの加熱により、非晶質半導体膜１７の単結晶化がラテラル方向に成長する長さが長くなり、大粒径の結晶粒がち密に並んで形成される。

すなわち、この実施形態の方法は、被結晶化基板８の非晶質半導体膜１７のレーザ光入射面に光吸収発熱性の絶縁膜（第２のキャップ絶縁膜１９）から直接的に熱エネルギを供給する加熱効果により、従来法と異なり被結晶化基板８を外部から加熱せずとも、室温でかつ低投入フルエンスでも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ことを見出したものである。

次に、本発明結晶化方法の実施例を図１乃至図８、図１２乃至図１６を参照して説明する。被結晶化基板８は、図３に示した実施例であり、絶縁体または半導体からなる基板１５は例えばシリコン基板４８であり、下地保護膜１６は、膜厚１０００ｎｍの二酸化シリコン膜であり、非晶質半導体膜１７は、結晶化の対象となる半導体膜で膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍの非晶質シリコンであり、第１のキャップ絶縁膜１８は、膜厚３０ｎｍの二酸化シリコン膜であり、第２のキャップ絶縁膜１９は、レーザ光１２の一部を吸収して発熱する光吸収膜であり、例えばＳｉとＯの組成が二酸化シリコン膜と異なるシリコン酸化膜で膜厚５００ｎｍのシリコン酸化膜である。

上記キャップ膜２０を有する被結晶化基板８を製造する方法についてさらに具体的に説明する。このような二重キャップ絶縁膜１８，１９を有する被結晶化基板８に対して、図１に示す結晶化装置１を用いてホモジナイズされたパルスレーザ光５０を位相変調して照射し、非晶質シリコン膜を結晶化させ、ラテラル成長させた。

ＸＹＺθステージ１０により載置台９をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸およびθ回転軸の各方向に移動させて結晶化用光学系に対して被結晶化基板８を高精度に位置合せした。

コントローラ１１は、エキシマレーザ装置２から照射レーザフルエンスを６２０ｍＪ／ｃｍ2に制御してパルスレーザ光１２を出射した。パルスレーザ光１２は、ビームエキスパンダを構成する凹レンズ３、凸レンズ４で拡大され、ホモジナイザ５において先ずシリンドリカルレンズ２５、コンデンサレンズ２６からなる第１のホモジナイザ部により入射角度に関してホモジナイズされ、次いでシリンドリカルレンズ２７、コンデンサレンズ２８からなる第２のホモジナイザ部により光強度に関してホモジナイズされる。

さらに、ホモジナイズされたパルスレーザ光１２は、段差６ａをもつ位相シフタ６において１８０度位相変調された後に、プロジェクションレンズ７を通って被結晶化基板８上の第２のキャップ絶縁膜１９（シリコン酸化膜）に入射する。この結果、非晶質シリコン膜の被照射部は、溶融し、パルスレーザ光が遮断されたとき降温し、この降温過程でラテラル方向に結晶化された。この結晶粒は、図６に示すように平均結晶粒径が８μｍ程度の長さの結晶粒であった。

図６は、この結晶化方法により結晶化させたＳｉ薄膜のＳＥＭ像である。ＳＥＭ像の観察から明らかなように、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。

パルスレーザ光を１ショット照射後に、コントローラ１１は、被結晶化基板８を予め記憶されたプログラムにより自動的に所定ピッチ距離だけ平行移動させ、エキシマレーザ装置２を制御して、次のショットのパルスレーザ光１２を被結晶化基板８に照射して非晶質シリコン膜の照射領域にラテラル方向の結晶成長をさせ、大結晶粒化したＳｉ結晶化領域を非晶質シリコン膜に形成した。同様の操作を繰り返すことにより、非晶質シリコン膜の予め定められた素子形成領域に次々に結晶化した。

図７は、横軸にシランガスと笑気ガス（Ｎ_２Ｏ）の流量比を、縦軸にできたシリコン酸化膜の吸収係数（cm^-1）をとった特性図である。吸収係数は波長が２４８ｎｍすなわちＫｒＦエキシマレーザの波長および３０８ｎｍすなわちＸｅＣｌエキシマレーザの波長に相当するものである。図７は、図１に示す結晶化装置１において、レーザ装置をＫｒＦエキシマレーザ装置とＸｅＣｌエキシマレーザ装置とを切替えて得た特性図である。

図７から明らかなように、どちらの波長の場合においても流量比を変化させることにより吸収係数を変化させることが可能であることがわかる。これは、流量比を変化させることにより本来ならば第１のキャップ絶縁膜１８である二酸化シリコン膜において膜中のシリコン原子と酸素原子の数の比率がほぼ１対２であるのに対して、第２のキャップ絶縁膜１９はＳｉが多くなるため、吸収係数の値に関しても吸収の非常に小さいＳｉＯ_２膜から吸収の大きなａ−Ｓｉ膜の値に向かって変化するためであると思われる。

また、それぞれの波長において吸収係数が変化させることが可能であることで、レーザ光の波長が変わってもシリコン酸化膜の吸収係数を所望の値に設定することで同様の効果を得ることが可能である。実施例には示していないが、ＳｉＯ_２の光学バンドギャップは、ほぼ９ｅＶ（光の波長に換算すると１３７ｎｍ）であり、ａ−Ｓｉの光学バンドギャップはほぼ１．７ｅＶ（光の波長に換算すると７２７ｎｍ）であるため、流量比を制御することによりこの間の波長の光に対して同様の効果を得ることが可能となる。

ＳｉＯｘ膜の透過スペクトルは、図１２に示されている。図１２は、成膜時のＳｉＨ_４濃度を変化させたときの波長に対する透過率の特性を示す特性曲線図である。ＳｉＯｘ膜は、それぞれの波長でα〜７０００ｃｍ^−１となるように制御して作製した。実施例サンプルではラテラル成長距離は８μｍを超えた。これに対して比較例サンプルのラテラル成長距離は、３μｍ弱であった。

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４〜８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。

図８は、キャップ膜に光吸収特性を持たせたときの省エネルギー効果を示す特性曲線図であり、横軸にエキシマレーザ装置２から出射されるレーザ光の投入フルエンス（ｍＪ／ｃｍ^２）を、縦軸に非晶質半導体膜１７の結晶化されたときの横方向成長距離（μｍ）をとった特性図である。図８は、図１に示す結晶化装置１において、エキシマレーザ装置２をＫｒＦエキシマレーザ装置とＸｅＣｌエキシマレーザ装置とを切替えると、共に第２のキャップ絶縁膜１９を、次のように切替えた特性図である。図８から約５μｍの横方向結晶成長距離を得るのに、第２のキャップ絶縁膜１９を二酸化シリコン膜で形成した黒丸曲線では６５０ｍＪ／ｃｍ^２の投入フルエンスであるのに対して、第２のキャップ絶縁膜１９をＳｉＯｘ（ｘは２以下）膜で形成した白角の曲線では約４５０ｍＪ／ｃｍ^２の投入フルエンスである。

投入フルエンスは、約３割低減でき、本発明のＳｉＯｘキャップ膜を採用した被結晶化基板８は省エネルギー効果がある。結晶化のためのレーザ光のエネルギーを小さくできることは、結晶化装置１の凹レンズ３、凸レンズ４、ホモジナイザ５、位相シフタ６、プロジェクションレンズ７での上記レーザ光による発熱を低温化でき、高温による光学像に位置ずれ、焦点ボケなどを軽減できる効果が生ずる。ＫｒＦエキシマレーザ装置を使用した場合でも、本実施例においては、第２のキャップ絶縁膜１９に窒素を含むシリコン酸化膜を用いないため、プロセス上の窒素原子のコンタミネーションが無くなる効果がある。

キャップ膜２０の吸収係数値により、Ｓｉ表面に到達する光量を調節することが可能であり、適度な吸収係数のＳｉＯｘ膜のｘ値を２以下に選択することにより、エキシマレーザ装置２からのレーザ光の波長によらず低フルエンスでの横方向の結晶成長が可能になる。結晶性の評価を行なった結果、特に、ｘは１．４乃至１．９の場合に、結晶粒径、結晶方位共に充分満足する値であった。なお、図８において、黒丸曲線は、第２のキャップ絶縁膜１９として二酸化シリコン膜を膜厚２００ｎｍ成膜した被結晶化基板８の結晶化特性曲線図である。他方の白角曲線は、第２のキャップ絶縁膜１９としてＳｉＯｘ膜（ｘは２未満）を膜厚２５０ｎｍ成膜した被結晶化基板８の結晶化特性曲線図である。

上記実施形態では、キャップ膜２０について、第１のキャップ絶縁膜１８を薄く形成し、第１及び第２のキャップ絶縁膜１８、１９の２層に形成した実施形態について説明したが、波長が３００ｎｍ以上の結晶化用レーザ光に対して吸収特性を有する第２のキャップ絶縁膜１９を有すれば、上記実施形態と同様に室温でも大粒径に結晶化でき、省電力、結晶化の位置ずれの発生を減少させた結晶化方法を得ることができる。

図１３は、被結晶化基板８に照射する結晶化用パルスレーザ光の投入フルエンスに対する、レーザ照射直後から非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間の特性曲線図である。黒□点の特性は、キャップ膜２０が第１のキャップ絶縁膜１８のみの被結晶化基板８の特性である。この被結晶化基板８は、第１のキャップ絶縁膜１８としてＳｉＯ_２膜を膜厚２００ｎｍに形成し、非晶質シリコン膜を膜厚２００ｎｍに形成し、下地保護膜１６としてＳｉＯ_２膜を膜厚３０ｎｍに形成した被結晶化基板８の特性である。三角点の特性は、第１のキャップ絶縁膜１８としてＳｉＯ_２膜を膜厚３０ｎｍに形成し、第２のキャップ絶縁膜１９として消衰係数ｋ＝０．０２のＳｉＯｘ膜を膜厚２５０ｎｍに形成し、非晶質シリコン膜を膜厚２００ｎｍに形成し、下地保護膜１６としてＳｉＯ_２膜を膜厚３０ｎｍに形成した被結晶化基板８の特性である。

第１および第２のキャップ絶縁膜１８、１９を設けたキャップ膜２０による光吸収効果は、固化時間が延伸する効果がある。固化時間とは、位相シフタ６で位相変調された結晶化用のパルスレーザ光が非晶質半導体膜１７に入射して、非晶質半導体膜１７の被照射領域を溶融し、パルスレーザ光の照射期間が終了した後、溶融領域がゆっくり降温し、固液分岐温度に到達する位置が溶融領域内で移動して全域が固化する時間である。このような固化時間の延伸は、横方向結晶成長距離を長くする。

この様子は、図１４に示されている。図１４は、時刻ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ１後の時点で、横方向成長が位置Ｘ１まで進んでいれば、固化する温度Ｔｓを横切る位置がＸ１方向に移動し、この時点では連続した結晶粒となることを示している。この現象が連続してｔ＝ｔ_２まで起これば、単一粒（結晶化領域）で長い横方向成長を得ることができる。即ち、長い横方向成長を得るには、最速横方向成長速度よりも降温速度が遅い方がよい。この遅い降温速度を実現するのが、第２のキャップ絶縁膜１９を有するキャップ膜２０の効果である。

図１４から、長い横方向成長を得るためには、溶融領域の固化時間を延伸すればよいことが判る。光吸収特性を有するキャップ膜２０を設けることは、固化時間を延伸する効果について図１５を参照して説明する。図１５（ａ）には、キャップ膜２０として膜厚１３０ｎｍ形成した第１のキャップ絶縁膜１８（ＳｉＯ_２層）のみにより形成した図３に示す被結晶化基板８の構造が示されている。即ち、図１５（ａ）の被結晶化基板８の構造は、第１のキャップ絶縁膜１８としてＳｉＯ_２膜の膜厚は、１３０ｎｍであり、非晶質シリコン膜の膜厚は、５０ｎｍであり、下地保護膜１６としてＳｉＯ_２膜の膜厚は１０００ｎｍである。図１５（ｂ）には、結晶化用のパルスレーザ光が非晶質半導体膜１７に入射して、非晶質半導体膜１７の被照射領域を溶融し、パルスレーザ光の照射期間が終了した後、２０ｎｓｅｃ後（Ｘ１）と２００ｎｓｅｃ後（Ｙ１）の被結晶化基板８内各深さ方向での温度を示す。

図１５（ｃ）には、図３に示す第１および第２のキャップ絶縁膜１８、１９を設けた被結晶化基板８の構造が示されている。即ち、図１５（ｃ）の被結晶化基板８の構造は、第１のキャップ絶縁膜１８としてＳｉＯ_２膜の膜厚は、３０ｎｍであり、第２のキャップ膜１９としてＳｉＯｘ膜の膜厚は、３２０ｎｍであり、非晶質シリコン膜の膜厚は、５０ｎｍであり、下地保護膜１６としてＳｉＯ_２膜の膜厚は１０００ｎｍである。図１５（ｄ）には、図１５（ｃ）の被結晶化基板８に結晶化用のパルスレーザ光を照射し、非晶質半導体膜１７の被照射領域を溶融し、パルスレーザ光の照射期間が終了した後、２０ｎｓｅｃ後（Ｘ２）と５６０ｎｓｅｃ後（Ｙ２）の被結晶化基板８内各深さ方向での温度を示す。

図１５は、図１５（ａ）のキャップ膜２０として膜厚１３０ｎｍのＳｉＯ_２層からなる第１のキャップ絶縁膜１８のみ設けた被結晶化基板８の固化時間は２００ｎｓｅｃであるのに対して、図１５（ｃ）（図３）に示す第１および第２のキャップ絶縁膜１８、１９を設けた被結晶化基板８の固化時間は５６０ｎｓｅｃに延伸している状態を示している。図１５（ｃ）（図３）に示す被結晶化基板８は、第１および第２のキャップ膜１８、１９からなるキャップ膜２０であり、蓄えられる熱量が多くなり、より長い固化時間を確保できる。

第２のキャップ絶縁膜１９を有するキャップ膜２０の機能は、より多くの熱を蓄える機能と遅い降温速度機能である。キャップ膜２０の第２のキャップ絶縁膜１９は、光吸収機能を有する膜で構成することである。第２のキャップ絶縁膜１９の例は、ＳｉＯｘ（ｘ＜２．０）である。理想的には、Ｓｉ（〜１．１ｅＶｖ：ｘ＝０）からＳｉＯ_２（〜９ｅＶ：ｘ＝２）まで光学的ギャップを変化させることが可能である。結晶化のために使用するレーザ例えばエキシマレーザの波長で吸収係数を０〜１０^５ｃｍ^−１程度まで制御可能である。特に、ｘが１．４≦ｘ≦１．９の範囲にある場合、良好な結晶成長が確認される。図５(a),(c)の被結晶化基板８には、基板１５が省略されて示されている。

結晶化のためのレーザ光として例えば波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光を選択したときのキャップ膜２０の厚さに対する結晶化用アニールに寄与する光量の特性は、図１６に示す特性曲線である。この特性曲線において、下側曲線は、光吸収なしの従来のキャップ膜の特性曲線である。上側曲線は、ｋ＝０．０２のＳｉＯｘ膜による光吸収効果の特性曲線である。高い入射光の利用効率が示されている。
ここで、ｋは、消衰係数（屈折率の虚数部分）である。図１６に示す特性曲線は、光吸収層であるＳｉＯｘ膜の効果を示す図で、上側曲線と下側曲線の差分だけキャップ膜２０により入射レーザ光の利用効率が高くなっていることを示している。

図１７は、被結晶化基板８の表面に形成されるキャップ膜２０の膜厚に対する、レーザ照射直後から非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間の特性曲線図である。□点の特性は、被結晶化基板８のキャップ膜２０が第１のキャップ絶縁膜１８のみの場合である。□点の特性は、第１のキャップ絶縁膜１８としてのＳｉＯ_２膜の膜厚に対するレーザ照射直後から非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間の特性曲線図である。即ち、この被結晶化基板８は、基板１５上に下地保護膜１６としてＳｉＯ_２膜を膜厚３０ｎｍ成膜し、この下地保護膜１６上に非晶質シリコン膜を膜厚２００ｎｍ成膜し、この非晶質シリコン膜上にキャップ膜２０としてＳｉＯ_２膜を膜厚1００ｎｍから４００ｎｍまで変化させて形成したものである。

図１７の黒丸点の特性は、第１のキャップ絶縁膜１８としてＳｉＯ_２膜を膜厚３０ｎｍに形成し、第２のキャップ絶縁膜１９として消衰係数ｋ＝０．０２のＳｉＯｘ膜を膜厚約１００ｎｍから約４００ｎｍまで変えてキャップ膜２０として形成した被結晶化基板８の特性である。黒丸点の特性は、第２のキャップ絶縁膜１９としてのＳｉＯｘ膜を膜厚に対するレーザ照射直後から非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間の特性曲線図である。即ち、この被結晶化基板８は、基板１５上に下地保護膜１６としてＳｉＯ_２膜を膜厚３０ｎｍ成膜し、この下地保護膜１６上に非晶質シリコン膜を膜厚２００ｎｍ成膜し、この非晶質シリコン膜上にキャップ膜２０として第１のキャップ絶縁膜１８としてＳｉＯ_２膜を膜厚３０ｎｍに形成し、第２のキャップ絶縁膜１９としてＳｉＯｘ膜を膜厚約１００ｎｍから約４００ｎｍまで変えて形成したものである。

図１７からわかるように、第１および第２のキャップ絶縁膜１８、１９を設けたキャップ膜２０による光吸収効果は、膜厚が厚くなるにつれて非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間が長くなっている。この非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間が長くなることは、非晶質半導体膜１７が溶融後、降温時間が長くなり、横方向の結晶成長が長く伸びることを示している。

図１７において、他方の第１のキャップ絶縁膜１８のみ設けたキャップ膜２０による光吸収効果は、膜厚が１５０ｎｍまでは、非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間が長くなっている。しかし、キャップ膜２０の膜厚が、１５０ｎｍより厚く成るにつれて非晶質半導体膜１７は、摂氏１０００度になるまでの時間が短くなっている。非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間が短くなることは、非晶質半導体膜１７が溶融後、降温時間が短くなり、横方向の結晶成長が比較的短いことを示している。

次に、結晶化された領域に薄膜トランジスタ（TFT）の構成およびその製造方法について図９を参照して説明する。図１乃至図８、図１２乃至図１６と同一部分には、同一符号を付与し、詳細な説明は重複するので省略する。上述の結晶化方法により大結晶粒化した半導体膜をもつ被結晶化基板８を利用して薄膜トランジスタを作製した。図１〜図８、図１２乃至図１６と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。

絶縁体叉は半導体からなる基板１５例えば低アルカリガラス基板上に下地保護膜１６を形成する。下地保護膜１６は、ニ酸化シリコン（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のニ酸化シリコン膜である。下地保護膜１６は、ガラス基板に密接して形成されていることが好ましい。上記下地保護膜１６は、基板１５例えばガラス基板から上記非晶質半導体膜１７に不純物が拡散しないように阻止する作用をする膜である。

下地保護膜１６の上に非晶質半導体膜又は非単結晶半導体の上記非晶質半導体膜１７例えば非晶質シリコン膜を成膜する。非晶質シリコン膜は、例えばプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚２００ｎｍの非晶質Ｓｉ膜である。

非晶質シリコン膜上に光吸収特性を有する図３に示す第１および第２のキャップ絶縁膜１８、１９からなるキャップ膜２０を形成して、被結晶化基板８を形成する。この被結晶化基板８は、図４に示されたホモジナイザ５によってホモジナイズされたパルスレーザ光を位相シフタ４に入射させ位相変調して図２（ｃ）に示す複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のパルスレーザ光１２を形成し、このレーザ光１２を被結晶化基板８に照射して結晶化工程を終了する。

次に、結晶化した非晶質半導体膜１７上の第１および第２のキャップ絶縁膜１８、１９をエッチングにより除去する。次に、露出した非晶質半導体膜１７の結晶化された領域に位置合わせして半導体回路例えば図９に示す薄膜トランジスタ３５を次のようにして製造する。まず活性領域の形状を規定するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングし、平面視野内でチャネル領域３６およびソース領域３７およびドレイン領域３８のそれぞれに略対応する予め定められた所定パターンのＳｉアイランド３９を形成した。このとき、チャネル領域３６は、上記結晶化された領域に形成される。

次に、チャネル領域３６、ソース領域３７およびドレイン領域３８上にゲート絶縁膜４０を形成する。このゲート絶縁膜４０は、ニ酸化シリコンあるいは酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を主成分とする材料で、厚さ１０〜２００ｎｍのニ酸化シリコン膜、あるいは３０〜５００ｎｍの酸窒化シリコン膜である。本実施例では、シリコンに接する側として３ｎｍの二酸化シリコン膜４１を、その上側にプラズマＣＶＤ法で、シランガスとアンモニアガス、笑気ガスを原料とした酸窒化シリコン膜４２（ＳｉＯＮ膜）を５０ｎｍの厚さで形成してゲート絶縁膜４０とした。２層とした理由は、シリコンの界面側では界面準位密度の低い二酸化シリコン膜４１を、上側はリーク電流を小さくするために誘電率の高いＳｉＯＮ膜４２を用いたものであるが、これに限定されるものではなく、１層のみでも本発明の趣旨は逸脱しない。また本実施例では示していないが、ゲート絶縁膜４０の下側の二酸化シリコン膜４１として酸素プラズマなどで島状のＳｉアイランド３９の表面を酸化した膜を用いることも可能である。

次に、ゲート絶縁膜４０上にゲート電極４３を形成するために導電層を形成した。導電層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ等の元素を主成分とする材料を用い、スパッタ法や真空蒸着法などの公知の成膜法を用いて形成した。例えばMo−W合金とした。フォトリソグラフィを用いてゲート電極用金属層をパターニングし、所定パターンのゲート電極４３を形成した。

次に、ゲート電極４３をマスクとして不純物を注入することによりソース領域３７およびドレイン領域３８を形成した。例えば、ｐチャネル型ＴＦＴを形成する場合、イオン注入法を用いて例えばボロンイオン等のｐ型不純物の注入を行う。この領域のボロン濃度は、例えば１.５×１０^２０〜３×１０^２１ｃｍ^−３となるようにした。このようにしてｐチャネル型ＴＦＴのソース領域３７およびドレイン領域３８を構成する高濃度ｐ型不純物領域を形成する。このとき、ｎ型不純物の注入を行えばｎチャネル型ＴＦＴが形成されることはいうまでもない。

次いで、イオン注入法により注入した不純物元素を活性化するために熱処理工程を行う。この工程は、ファーネスアニール法、レーザアニール法、ラピッドサーマルアニール法などの方法で行うことができる。本実施の形態では、ファーネスアニール法で活性化工程を行った。加熱処理は、窒素雰囲気中において摂氏３００〜６５０度の温度域で行うことが望ましく、本実施例では摂氏５００度で４時間の熱処理を行った。

次に、ゲート電極４３およびゲート絶縁膜４０の上に層間絶縁
膜４４を形成した。層間絶縁膜４４は窒化シリコン膜、ニ酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜またはそれらを組み合わせた積層膜で形成すれば良い。また、膜厚は２００〜６００ｎｍとすれば良く、本実施例では４００ｎｍとした。

次に、層間絶縁膜４４における予め定められた所定の位置にコンタクトホールを開口する。そして、コンタクトホールの内部および層間絶縁層４４の表面上に導電層を形成し、この導電層を所定の形状にパターニングする。本実施例ではこのソース・ドレイン電極３７、３８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８に示す薄膜トランジスタ３５を形成した。

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１０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。

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。

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。

以上説明したように上記実施形態によれば、光強度が単調増加と単調減少を繰り返すパターンの光強度分布となるように変調されたパルスレーザ光を非単結晶半導体膜に照射するので、高次の振動成分が低減され、その振動成分に起因する小粒径結晶の出現が有効に抑制されるとともに、さらに光吸収発熱性の膜の方からパルスレーザ光を入射して、光吸収発熱性の膜の疑似基板加熱効果により結晶化対象である半導体膜を昇温するので、結晶粒のラテラル成長距離が大幅に促進され、大粒径の結晶粒をち密に形成することができる。

また、結晶化工程において低温、例えば室温およびその近傍の温度域（例えば摂氏５〜５０度）のような低温であっても大粒径の結晶化を行なうことができる。さらに、レーザ光エネルギーを低フルエンス化することができる。結晶化のための入射レーザ光のエネルギーは、例えば、従来構造の被結晶化基板より１／２、ＳｉＯ_２のみキャップ膜を設けた被結晶化基板より３／４のエネルギー光で同一大きさの横方向の成長距離の結晶化領域を得ることができた。

上記実施形態では、光吸収性を有する第２のキャップ絶縁膜１９としてＳｉＯx膜（ｘは、２未満である。）として説明したが、ｘ値は、１．４〜１．８が望ましい。さらに、ｘ値は、１．４乃至１．９で結晶粒径、結晶方位ともに充分満足する値であった。

さらに、本実施形態において、エキシマレーザ装置２としては、例えば３０８ｎｍのレーザ光を発振するXeClエキシマレーザ装置を使用したが、波長が２４８ｎｍのレーザ光を発振するKrFエキシマレーザ装置でも同様の良好な効果が得られたことを確認している。この波長が３００ｎｍ以下のレーザ光による結晶化プロセスは、光吸収による光学系の発熱で、焦点ボケや結晶化位置の位置ズレが許容される範囲で使用することが望ましい。従って、本発明の他の実施形態として、波長が２４８ｎｍのレーザ光を発振するKrFエキシマレーザ装置をエキシマレーザ装置２として使用してもよい。

本発明の結晶化方法を説明するための結晶化装置の構成を示す構成ブロック図。 図１の位相シフタの構成と、この位相シフタにより変調された光強度分布を説明するための図で、 （ａ）は位相シフタの平面図、（ｂ）は（ａ）図の断面図、（ｃ）は位相シフタを通過し位相変調されたレーザ光の光強度分布を示す図、（ｄ）は（ｃ）図のレーザ光の光強度分布を三次元的に示す図。 図１の被結晶化基板の構成を説明するための断面図。 図１のホモジナイザの光学系を説明するための構成図。 図１の位相シフタの光学特性を説明するための図。 図１の結晶化装置により被結晶化基板の結晶化領域の表面形状を説明するためのＳＥＭ像。 図３の第２のキャップ絶縁膜として所望する光吸収特性を得るための成膜時のＳｉＨ４濃度依存性を示す特性図である。 図３の光吸収特性を有する第２のキャップ絶縁膜による省エネルギー効果を説明するための特性曲線図。 図１の結晶化装置により結晶化された結晶化領域に薄膜トランジスタを形成する工程を説明するための断面模式図。 図８の薄膜トランジスタにより表示装置を形成する工程を説明するための表示装置の斜視図。 従来の結晶化装置を説明するための構成図。 図３のＳｉＯｘ膜の成膜の際に使用するＳｉＨ４の濃度を変えたときの透過スペクトル。 図３の光吸収特性を有する第２のキャップ絶縁膜による省エネルギー効果を、従来のキャップ膜の特性と比較して示す特性曲線図。 図３の被結晶化基板の非晶質半導体膜の横方向結晶成長長さに対する非晶質半導体膜温度との関係を示す図。 図３の第２のキャップ絶縁膜による光吸収効果を従来のキャップ膜の特性と比較して示す図。 図３の被結晶化基板のキャップ膜の厚さに対するアニールに寄与する光量との関係を従来のキャップ膜の特性と比較して示す図。 図３の被結晶化基板８の表面に形成されるキャップ膜２０の膜厚に対する、レーザ照射直後から非晶質半導体膜１７が摂氏１０００度になるまでの時間の特性曲線図である。

符号の説明

１：結晶化装置、 ２：エキシマレーザ装置、 ３、４：光学系、
５：ホモジナイザ、 ６：位相シフタ、 ７：プロジェクションレンズ、
８：被結晶化基板、 ９：載置台、 １０：ＸＹＺθステージ、
１１：コントローラ、 １２：パルスレーザ光、 １５：基板、 １６：下地保護膜、 １７：非晶質半導体膜、 １８：第１のキャップ絶縁膜、 １９：第２のキャップ絶縁膜、 ２０：キャップ膜、 ２５：第１のシリンドリカルレンズ、 ２６：第１のコンデンサ光学系、 ２７：第２のシリンドリカルレンズ、 ２８：第２のコンデンサ光学系、 ３５：薄膜トランジスタ、 ３６：チャネル領域、 ３７：ソース領域、 ３８：ドレイン領域、 ３９：Siアイランド、 ４０：ゲート絶縁膜、
４１：二酸化シリコン膜、 ４２：SiON膜、 ４３：ゲート電極、 ４４：層間絶縁膜、 ７０：表示装置、 ７１、７２：絶縁基板、 ７３：電気光学物質、 ７４：画素アレイ部、 ７５：垂直駆動回路、 ７６、水平駆動回路、 ７７：端子部、 ７８：配線、 ７９：ゲート配線、 ８０：信号配線、 ８１：画素電極、 ８２：薄膜トランジスタ。

Claims (17)

1. 非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
   前記レーザ光は、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光のレーザ光であり、
   前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に前記レーザ光に対して吸収特性を有するキャップ膜を設けてなることを特徴とする結晶化方法。
2. 非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
   前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、
   前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に前記レーザ光に対して吸収特性を有するキャップ膜を設けてなることを特徴とする結晶化方法。
3. 非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
   前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、
   前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のＳｉＯx膜を設けてなることを特徴とする結晶化方法。
   上記xは2未満である。
4. 非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
   前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、
   前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくともニ酸化シリコン膜と少なくとも一層のＳｉＯx膜とを設けてなることを特徴とする結晶化方法。
   上記xは2未満である。
5. 非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
   前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、
   前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも二層以上のＳｉとＯとの組成比が異なるシリコン酸化膜を設けてなることを特徴とする結晶化方法。
6. 非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶化方法であって、
   前記レーザ光は、波長が３００nm以上であり、複数の断面逆三角形状ピークパターンを有する光強度分布のレーザ光であり、
   前記非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくともニ酸化シリコン膜と一層以上のＳｉとＯとの組成比が前記二酸化シリコン膜と異なるシリコン酸化膜とを設けてなることを特徴とする結晶化方法。
7. 前記シリコン酸化膜の少なくとも１層は、前記レーザ光の波長に対して吸収特性を示す膜であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の結晶化方法。
8. 前記シリコン酸化膜は、膜厚が１００〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の結晶化方法。
9. 前記レーザ光は、位相シフタを用いて光強度が単調増加と単調減少を繰り返す繰り返しパターンの光強度分布となるように変調されたパルスレーザ光であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 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９のいずれかに記載の方法。
11. 前記レーザ光は、波長が２４８ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記ＳｉＯx膜のｘは、１．４乃至１．９の範囲であることを特徴とする請求項３又は４に記載の方法。
13. 基板上に設けられた非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくとも一層のＳｉＯx膜を形成する工程（上記xは2未満）と、
    ホモジナイズされた波長が３００nm以上のパルスレーザ光を前記ＳｉＯx膜を介して照射して、パルスレーザ光の一部を前記ＳｉＯx膜が吸収して発熱するとともに、前記非単結晶半導体膜にも照射して照射部を溶融し、パルスレーザ光が遮断したのち前記非単結晶半導体膜に結晶化領域を形成する工程と、
    前記結晶化領域に位置合わせして薄膜トランジスタを形成する工程と
    を具備することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
14. 基板に設けられた非単結晶半導体膜と、この非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくともニ酸化シリコン膜と少なくとも一層のＳｉＯx膜とを設けてなることを特徴とする被結晶化基板。上記xは2未満
15. 基板に設けられた非単結晶半導体膜と、この非単結晶半導体膜のレーザ光入射面上に少なくともニ酸化シリコン膜と少なくともＳｉとＯとの組成比が異なるシリコン酸化膜とを設けてなることを特徴とする被結晶化基板。
16. 請求項１乃至１１に記載の結晶化方法により製造された結晶化領域にチャネル領域、ソース領域、ドレイン領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極を形成してなることを特徴とする薄膜トランジスタ。
17. 請求項１乃至１１に記載の結晶化方法により製造された結晶化領域に画素を切替える薄膜トランジスタを形成してなることを特徴とする表示装置。
    
    

Images