JP2007281444A - 結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置、半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い移動度と移動度や閾値電圧特性のバラツキの小さいＴＦＴを得ることができる結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置、半導体装置を提供する。
【解決手段】 絶縁性基板上に設けた４０乃至１００ｎｍの非単結晶半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶化する際に、基板表面上で逆ピークパターンを有する光強度分布を形成して、この光強度分布の光強度勾配を制御して、幅より結晶成長方向に長い形状で粒長方向に｛１００｝に優先配向した結晶化粒４を配列させた結晶化粒列を形成し、この結晶化粒列の複数の結晶化粒に跨がり結晶成長方向に電流が流れるようにソース領域およびドレイン領域を設けてＴＦＴを形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、表示装置に関する。

薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）は、種々の材料の表面に形成できるため、例えば表示装置の表示パネル内壁面上に表示のための回路を直接形成することが可能になっている。初期のＴＦＴは、基板上の非晶質シリコン膜に直接チャネル領域を形成する。現在のＴＦＴは、非晶質シリコン膜を結晶化した多結晶シリコン膜にチャネル領域を形成する。現在のＴＦＴは、キャリア移動度が初期のＴＦＴの１０倍に高速化されている。

上記多結晶シリコン膜は、粒径が０．１μｍ程度の結晶粒が不規則に散在するものである。この多結晶シリコン膜にチャネル領域を形成したＴＦＴを作製する場合、チャネル領域には結晶粒界が存在するため、特性のバラツキが発生する。上記結晶粒界は、チャネル領域内を移動する電子又は正孔に対して抵抗性を示す。

本発明者らは、シリコンウエハに形成したトランジスタと同等のトランジスタ特性を得ることを目的として、表面科学Ｖｏｌ２１．Ｎｏ５、Ｐ２７８―２８７（２０００）（非特許文献１）において、１又は複数のＴＦＴを一つの結晶粒内に形成できる大きさの大粒径結晶粒アレイを形成できる結晶化方法を提案し、その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、結晶粒界によるトランジスタ特性への悪影響がなく、ＴＦＴ特性が大幅に改善される。
表面科学Ｖｏｌ２１．Ｎｏ５、Ｐ２７８―２８７（２０００）

液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、従来は表示パネルであるガラス基板上に形成された非晶質半導体膜とは別に形成される。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。高画質化の要求を満足するための手段としては、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の上に形成する。これによりスイッチング速度が高速化され、高画質化される。

さらに、表示装置には、画素スイッチング回路の他にデジタル映像データをアナログ映像信号に変換するＤＡ変換器やデジタル映像データを加工するゲートアレイ等の信号処理回路、信号線駆動回路および走査線駆動回路のような駆動回路などがある。これらの回路を画素スイッチング回路と同一の表示パネル基板上に一体化したいという要求がある。この要求を満足するためには、さらにキャリア移動度が高く、移動度や閾値電圧特性のバラツキの小さいＴＦＴを開発する必要がある。

本発明の目的は、高い移動度と移動度や閾値電圧特性のバラツキの小さいＴＦＴを得ることができる結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供することにある。

本発明の結晶化方法は、（i）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、（ii）前記非単結晶半導体薄膜上に絶縁膜を形成し、（iii）前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンの光強度分布を有するレーザ光を前記基板に照射し、（iv）前記非単結晶半導体薄膜に幅より結晶成長方向に長い形状で結晶化された結晶粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列を形成し、（v）前記光強度分布の周期Ｔを変化させ、光強度勾配Ｇを制御する、ことを特徴とする。

本発明の他の結晶化方法は、（ａ）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、（ｂ）前記非単結晶半導体薄膜上に絶縁膜を形成し、（ｃ）レーザ光の光強度分布を前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンとし、かつ、該レーザ光の光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、その光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲に選択し、前記レーザ光を前記基板に照射し、（ｄ）前記非単結晶半導体薄膜に幅より結晶成長方向に長い形状で結晶化された結晶粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列を形成する、ことを特徴とする。

本発明の結晶化方法は、前記光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、極小値の相対光強度を０．４以上０．８以下の範囲に選択することを特徴とする。

本発明の結晶化方法は、前記光強度分布の周期Ｔを４μｍ以上８０μｍ以下とす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、（ａ）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、（ｂ）前記非単結晶半導体薄膜上に絶縁膜を形成し、（ｃ）レーザ光の光強度分布を前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンとし、かつ、該レーザ光の光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、その光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲に選択し、前記レーザ光を前記基板に照射し、（ｄ）前記非単結晶半導体薄膜に幅より結晶成長方向に長い形状で結晶化された結晶粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列を形成し、（ｅ）前記結晶化粒の結晶成長方向に電流が流れるように薄膜トランジスタを形成する、ことを特徴とする。

本発明の薄膜トランジスタは、上記の方法により製造された前記結晶化粒の結晶成長方向に電流が流れるように設けられた薄膜トランジスタを有することを特徴とする。

本発明の表示装置は、予め定められた画素スイッチング用トランジスタの形成位置に設けられた上記の方法により製造された前記結晶化粒と、前記結晶化粒の結晶成長方向に電流が流れるように設けられた前記画素スイッチング用トランジスタの薄膜トランジスタと具備してなることを特徴とする。

他の本発明の結晶化方法は、（ａ）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、前記非単結晶半導体薄膜の膜厚を４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲に選択し、（ｂ）前記非単結晶半導体薄膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性の絶縁膜を形成し、（ｃ）レーザ光の光強度分布を前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンとし、かつ、該レーザ光の光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、その光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．０４μｍ^−１以下の範囲に選択し、前記レーザ光を前記基板に照射し、前記非単結晶半導体薄膜の照射領域を結晶化し、（ｄ）前記非単結晶半導体薄膜の被照射領域の結晶成長方向の面方位を｛１００｝に優先配向させる、ことを特徴とする。

他の本発明の薄膜トランジスタは、基板と、この基板に直接的または間接的に設けられた非単結晶半導体薄膜と、この半導体薄膜に設けられた結晶種から横方向に結晶成長して幅より結晶成長方向に長い形状に結晶化された結晶化粒と、この結晶化粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列と、この結晶化粒列の複数の結晶化粒に跨がり結晶成長方向に電流が流れるように設けられたソース領域およびドレイン領域とからなる薄膜トランジスタであって、前記ソース領域およびドレイン領域間に設けられるチャネル領域における電流が流れる方向の結晶面は、{１００}に優先配向していることを特徴とする。
他の本発明の半導体装置は、基板と、この基板に直接的または間接的に設けられた非単結晶半導体薄膜と、この半導体薄膜に設けられた結晶種から横方向に結晶成長して結晶化された結晶化粒列とからなる半導体装置であって、前記結晶化粒列は、幅より結晶成長方向に長い形状の粒が、前記幅方向に隣接して配列され、かつ結晶成長方向の面方位が｛１００｝に優先配向していることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、前記結晶化粒は、粒長が２μｍ以上１５μｍ以下、平均粒幅を０.２μｍ以上０．８μｍ以下とすることを特徴とする。

本発明の表示装置は、基板と、この基板に直接的または間接的に設けられた非単結晶半導体薄膜と、この非単結晶半導体薄膜の予め定められた画素スイッチング回路に設けられた結晶種から横方向に結晶成長して幅より結晶成長方向に長い形状に結晶化された結晶化粒と、この結晶粒が前記幅方向に隣接して配列され、成長方向の結晶方位が｛１００｝に優先配向した結晶化粒列と、この結晶化粒列の複数の結晶化粒に跨がり結晶成長方向に電流が流れるようにソース領域およびドレイン領域が設けられた薄膜トランジスタとを具備してなることを特徴とする。

本発明によれば、高い移動度特性と移動度特性や閾値電圧特性のバラツキの小さいＴＦＴを得ることができる。

次に本発明の実施形態を具体的に説明する。第１の実施形態の結晶化方法は、基板に直接的または間接的に形成された非単結晶半導体薄膜に逆ピークパターンを有する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を照射して、幅より結晶成長方向に長い形状で結晶化された結晶粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列を形成するにあたり、上記逆ピークパターンを有する光強度分布の周期を変化させて、光強度勾配を制御することにより結晶粒の横方向成長距離を制御することができる結晶化方法にある。この一実施例は、上記逆ピークパターンを有する光強度分布を、極大値の相対光強度を１としたとき、光強度勾配を０．０２μｍ^−１乃至０．２５μｍ^−１の範囲に選択する方法である。

第２の実施形態の結晶化方法は、第１の実施形態の結晶化方法と同様の光学系に上記逆ピークパターンを有する光強度分布を、極大値の相対光強度を１としたとき、光強度勾配を０．０２μｍ^−１乃至０．０４μｍ^−１の範囲に選択した結晶化用レーザ光を膜厚が４０ｎｍ乃至７０ｎｍの上記非単結晶半導体薄膜に照射することにより、被照射領域の結晶成長方向の面方位を｛１００｝に優先配向させる方法である。

先ず、第１の実施形態の光強度分布の光強度勾配を選択することによりバラツキの少ない特性の薄膜トランジスタを形成することができる結晶化方法の実施例を図１乃至図８を参照して説明する。各図において、同一部分には、同一符号を付与し、重複する説明を省略する。

実施例１
結晶化方法を説明するための結晶化粒列の製造装置（結晶化装置）について図１を参照して説明する。図１は、ＰＭＥＬＡ法により図２に示すような細長い形状の結晶化粒１が幅方向に配列された結晶化粒列２を製造する結晶化装置の実施例である。本実施形態ではエネルギー線としてレーザ光を用いたレーザアニール装置１１である。

レーザアニール装置１１はプロジェクション方式の光学系１２を備えている。この光学系１２は、レーザ光軸１３に沿ってＸｅＣｌエキシマレーザ発振器１４、ホモジナイザ１５、第１コンデンサレンズ１６、第２コンデンサレンズ１７、マスク１８、位相シフタ１９、テレセントリック型の縮小レンズ２０、が設けられた構成である。テレセントリック縮小レンズ２０の結像位置には、被処理基板２１が位置合わせされるように、XYZθステージ２２が配置されている。ＸＹＺθステージ２２内には、必要に応じて被処理基板２１を結晶化する際、加熱することができるようにヒータ２３が内蔵されている。このようにしてレーザアニール装置１１が構成されている。

位相シフタ１９は、例えば図３（ａ）に示すように面積変調型位相シフタであり、マスク１８と縮小レンズ２０との間に配置されている。位相シフタ１９は、ホモジナイザ１５で光強度分布が均一化された入射光のレーザ光を位相変調してレーザ光の断面内において図３（ｄ）に示すようなＶ字型の光強度分布、すなわち極小の光強度の逆ピークパターンを有する光強度分布を形成する。位相シフタ１９は、透光性基板に段差を設け、この段差部で入射光を回折させて変調する光学素子である。

位相シフタ１９は、例えば図３の（ａ）と（ｂ）に模式的に示すように、石英基材３１を図３の（ａ）に示すパターンをマスクとしてエッチング加工して溝３２のパターンを作製したものである。即ち、図３（ａ）の位相シフタ１９は、周期的に寸法（面積）の異なるドット段差からなる繰り返しパターンの面積変調したマスクである。ドット段差は、ドット部がエッチング加工された溝３２により段差が形成されている。本実施形態の位相シフタ１９では、図３（ｄ）に示すように周期Ｔ、極小値Ｂ（０．４〜０．８）、光強度勾配Ｇの光強度分布を形成するように、連続的に寸法（面積）の異なるドット段差が配列されている。位相シフタ１９の溝３２は、レーザ発振器１４からのレーザ光の波長が３０８ｎｍのときに例えば９０°の位相差になるように段差１５４ｎｍに加工されている。

図３の（ａ）は、位相シフタ１９の平面図であり、面積変調された状態を説明するための１単位を拡大して示す図である。図３の（ｂ）は、（ａ）の断面図である。図３の（ｃ）は、被処理基板２１の断面図である。図３の（ｄ）は、（ａ）の位相シフタ１９により光強度変調されたレーザ光の断面内の光強度分布を図３の（ａ）に関連付けて示す波形図である。図３の（ｄ）に示す光強度分布の周期Ｔは、図３の（ａ）に示すドットパターンの配置の周期を変えることで制御することができる。また図３の（ｄ）に示すレーザ光強度の極小値Ｂは、ドット段差の深さを変えることで制御することができる。また周期Ｔと極小値の相対値Ｂが決まると光強度勾配Ｇが決まる。

光強度分布の周期Ｔは、４μｍ以上８０μｍ以下の範囲にあるのが望ましい。周期Ｔが４μｍ未満では、結晶粒が横方向成長できる範囲が短く、すなわち粒長が短くなってしまう。一方、周期Ｔが８０μｍを超えると、光強度勾配Ｇが緩やかになりすぎて、レーザ照射領域における横方向成長領域の面積割合が少なくなってしまう。適した周期Ｔ値はキャップ膜の種類、半導体層の膜厚等により決まる。好ましい周期Ｔ値は８μｍ以上３０μｍ以下であり、さらに好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。

光強度分布の極小値Ｂの相対強度は、０．４以上０．８以下の範囲にあるのが望ましい。極小値Ｂの相対強度が０．４より小さくなると、レーザ照射領域内にアモルファス領域や微細結晶領域などの、横方向成長領域以外の領域の面積割合が多くなってしまう。一方、極小値Ｂの相対強度が０．８より大きくなると、光強度勾配Ｇが緩やかになりすぎて、温度勾配による横方向成長の駆動力が得られない。適した光強度分布の極小値Ｂの相対強度値は、後述するキャップ膜の種類や結晶化対象膜の膜厚により決まる。好ましい光強度分布の極小値Ｂの相対強度値は０．５以上０．７以下である。

光強度勾配Ｇは、０．０２μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲とする。光強度勾配Ｇが０．０２μｍ^−１未満になると、温度勾配が緩やかになり、横方向成長の十分な駆動力が得られない。一方、光強度勾配Ｇが０．２５μｍ^−１を超えると、横方向成長できる範囲が短くなり、その結果として粒長が短くなる。光強度勾配Ｇは、必要とする結晶化半導体層の結晶形態や方位、またキャップ膜の種類、半導体層の膜厚によって適切な値が決まる。

光吸収性のキャップ膜を用いた膜構造で、結晶成長方向（長手方向）の結晶方位を｛１００｝に優先配向させる場合は、光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．０４μｍ^−１以下の範囲とする。光強度勾配Ｇが０．０２μｍ^−１未満になると、温度勾配が緩やかになり、横方向成長の十分な駆動力が得られない。一方、光強度勾配Ｇが０．０４μｍ^−１を超えると、後述するように結晶粒の成長速度が小さくなってしまい、結晶成長方向の面方位が｛１００｝配向となる割合が小さくなってしまう。さらに好ましい光強度勾配Ｇは０．０３０μｍ^−１以上０．０３５μｍ^−１以下の範囲である。

光透過性のキャップ膜を用いた膜構造で、結晶成長方向（長手方向）の結晶方位を｛１００｝に優先配向させる場合は、光強度勾配Ｇが、０．０５μｍ^−１未満になると、温度勾配が緩やかになり、横方向成長の十分な駆動力が得られない。一方、光強度勾配Ｇが０．２５μｍ^−１を超えると、横方向成長できる範囲が短くなり、その結果として粒長が短くなる。光強度勾配Ｇは０．１０μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲が好ましい。

次に、このレーザアニール装置１１による結晶化プロセスの実施形態を説明する。ＸＹＺθステージ２２上に載置される被処理基板２１として、種々の半導体膜が成膜された透過性絶縁基板（例えばガラス基板）が用いられる。透過性絶縁基板４１上には、下地絶縁膜４２、非晶質半導体層４３、キャップ膜４４がこの順に積層されている。下地絶縁膜４２は、例えば酸化シリコン膜である。非晶質半導体層４３は、例えば膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜である。

キャップ膜４４は、入射光の一部の光を吸収する光吸収性の材料、または入射光の大部分の光を透過させる光透過性の材料からなる。キャップ膜４４に用いられる光吸収性の材料は、例えばＳｉＯｘ膜であり、Ｘ＝２未満の膜である。上記Ｘは、好ましくは１．４以上１．９以下であり、さらに好ましくは１．４以上１．８以下である。ＳｉＯｘ膜は、ＳｉとＯとの組成比が異なるシリコン酸化膜である。キャップ膜４４が光透過性の場合は、例えばＳｉＯ_２膜である。

基板４１は、液晶などの表示装置用であればガラス基板やプラスチック基板などの透過性絶縁基板である。下地絶縁膜４２は、基板４１からの不純物の拡散を防止する機能と、結晶化プロセス時に基板４１を熱から保護する機能とを有する。非晶質シリコン膜４３は、大結晶化粒アレイ化して薄膜トランジスタなど機能素子を形成する半導体層である。

キャップ膜４４は、非晶質シリコン膜４３（半導体層４３）が結晶化用入射レーザ光を吸収することにより得た熱を所定期間蓄熱して、大きな結晶化粒を成長させるための保温効果を持たせた絶縁層である。キャップ膜４４が光吸収性の場合は、キャップ膜４４自体が入射光の一部を吸収して発熱し、上記の蓄熱効果が大きくなる。キャップ膜４４は、非晶質シリコン膜４３を結晶化する際に粒長を長くするために必要な膜である。このようにして被処理基板２１が作製される。

次に、位置決めされた上記被処理基板２１は、ＸＹＺθステージ２２上の予め定められた位置に載置される。ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器１４は、被処理基板２１の非晶質シリコン層４３の吸収特性が良好な波長のレーザ光を出射し、照射領域の定められた範囲を溶融するのに十分なエネルギーのパルスレーザ光を出射する。レーザ光のエネルギー密度は、光吸収性のキャップ膜を有する膜構造の場合は、被処理基板２１上で例えば０．３〜０．７J/cm²である。

光透過性のキャップ膜を有する膜構造の場合は、被処理基板２１上で例えば０．５〜１J/cm²である。１ショットのパルス継続時間は、例えば３０ナノ秒である。ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器１４から出射される波長３０８ｎｍの長尺ビームのレーザ光２５は、まず２組（それぞれＸ方向とＹ方向）の小レンズ対からなるホモジナイザ１５によって発散ビームに分割される。ホモジナイザ１５は、上記レーザ発振器１４からのレーザ光の断面内光強度分布を均一化するための光学部品である。

第１コンデンサレンズ１６は、ホモジナイザ１５からの分割されたビームの各中軸光線のレーザ光を集光し、第２コンデンサレンズ１７と共役関係に配置される。第２コンデンサレンズ１７の出射光路には、マスク１８が設けられ、このマスク１８は周辺部の非有効レーザ光を遮断する。即ち、分割されたビームの各中軸光線は、コンデンサレンズ１６（凸レンズ♯１）によってマスク１８の中心に集光される。また、それぞれのレーザビームは、僅かに発散型になっているために、マスク１８の全面を照明する。

分割された微小出射領域を出た全ての光線群が、それぞれマスク１８上の全ての点を照射するので、レーザ出射面上の光強度に面内揺らぎがあっても、マスク１８の光強度は均一になる。マスク１８の各領域を通過する光線群の中心光線、すなわちホモジナイザ１５の中心部分のレンズ対を通ってきた発散光線群は、マスク１８近傍のコンデンサレンズ１７（凸レンズ♯２）によって平行光線になる。この平行光線のレーザ光は、位相シフタ１９を介してテレセントリック型の縮小レンズ２０（結像レンズ）を通って、ＸＹＺθステージ２２上に置かれた被処理基板２１に垂直に入射する。

また、マスク１８の同一箇所を通過した光線群２５は、図１に示されているように被処理基板２１の表面の一点に集束する。すなわち、マスク１８の縮小像が、均一光強度で被処理基板２１の表面上に形成される。上記基板２１表面の任意の点を照射する光線群２５は、中心光線を含めて分割された光線から作られる。或る光線と中心光線１３のなす角度は、ホモジナイザ１５の幾何学的形状で決まる角度、すなわちマスク１８での当該光線と中心光線とが作る角の角度に、テレセントリック型レンズ２０の倍率を掛けた値になる。

位相シフタ１９は、入射したレーザ光２５を位相変調して、逆ピークパターンの光強度分布を有する光とする。位相シフタ１９には例えば図３（ａ），図３（ｂ）に示す面積変調型を用いることができる。

レンズ２０は、位相シフタ１９により作られた像を被処理基板２１の表面に投影するための光学系である。レンズ２０は、パターン像を１/１〜１/２０倍、例えば１/５倍に縮小するレンズであり、被処理基板２１の表面と共役関係に配置される。縮小レンズ２０は、逆ピークパターンを有する光強度分布の透過光像を被処理基板２１の表面に結像する。

プロジェクション法によるレーザアニールは、位相シフタ１９のパターンの周期と縮小レンズ２０の倍率とを掛けた値が４〜８０μｍの範囲であることが望ましい。この値が大きすぎると、結晶化粒１の横方向成長が途中で止まってしまい、照射領域全面を結晶化粒１で充填することができなくなる。一方、この値が小さすぎると、結晶化粒１の粒長が短くなり、大粒径化に寄与しない。

ＸＹＺθステージ２２は、予め制御装置に記憶されたプログラムにより自動的にＸＹＺの各軸方向およびＺ軸まわりにθ回転可能に位置調整できるようになっている。ＸＹＺθステージ２２は、パルスレーザ光が出射される都度、予め記憶されたプログラムにより自動的に被処理基板２１を次の照射位置にステップ移動させることができる。

プロジェクション法では、ＸＹＺθステージ２２により基板２１をステップ＆リピート移動させるのが比較的簡単であり大量生産のプロセスとして有効である。また、レーザアニールの際における基板２１の膜構造は、入射するパルスレーザ光をキャップ膜４４を介して受光した非晶質シリコン膜４３が吸収して溶融するときに、非晶質シリコン膜４３中に熱を保持するため、上層に光吸収性または光透過性のキャップ膜４４を、下層を絶縁性の膜４２を設けた膜構造にする必要がある。

キャップ膜４４は、光吸収性の場合は入射したレーザ光に感光して一部を吸収する。光透過性の場合は一部を反射し、残部光の全てを透過する。光吸収性のキャップ膜４４の場合は、残部光のほとんどは、非晶質シリコン層４３に吸収される。光透過性のキャップ膜４４の場合は残部光の一部を反射し、残部は非晶質シリコン層４３に吸収される。この結果、非晶質シリコン層４３の受光領域は、図３（ａ）に示す光強度分布のレーザ光を吸収し溶融する。

パルスレーザ光が、遮光されたとき溶融領域は、降温期間に入るがキャップ膜４４の存在によりゆっくり降温する。光吸収性の場合はその効果が大きい。非晶質シリコン層４３は、図３（ｄ）に示す逆ピークパターン状の光強度分布は、光強度分布の極小光強度部から漸次結晶化凝固点を通過し、この結晶化点の横方向への移動にともなって結晶成長が行われる。

図３（ｄ）における最初に結晶化凝固点を通過する極小光強度部Ｂは、図２（ａ）における結晶化開始位置３となる。この極小光強度部Ｂと極大光強度部Ｕ間の距離、すなわち半周期Ｔ／２は、結晶化粒１の粒長を決定する。

このような結晶化プロセスは、レーザ発振器１４からのパルスレーザ光の出射タイミングに合わせてＸＹＺθステージ２２を所定ピッチ距離ずつステップ移動させることにより、照射領域をシフトさせてアニールプロセスを実行する。このアニールプロセスは、予め定められた手順で繰り返すことにより、基板４１上の非晶質シリコン層４３の照射領域を次々に結晶化させる。このような結晶化プロセスは、例えば一辺が１ｍ（1000mm）を超えるような大面積ＬＣＤ用基板４１上の非晶質シリコン層４３を結晶化することが可能である。照射領域をシフトさせる手段は、レーザ光と上記ステージ２２を相対的に移動させればよい。

次に、図２（ａ）に示す結晶化粒列２について具体的に説明する。結晶化粒１の成長開始点３からの距離と平均粒幅との関係、あるいはシリコン膜厚と平均粒幅との関係は、図４に示されている。シリコン膜厚１００〜３０ｎｍについて、粒長が７〜８μｍの場合について示している。

図４からわかるように、非晶質シリコン膜４３の膜厚が薄くなるに従い平均粒幅は狭くなり、図２（ａ）に示すような細長い結晶化粒１の結晶化粒列（アレイ）２になることがわかる。なお、中央領域５は非晶質薄膜シリコン、中央領域５と結晶成長開始点３との間の領域３ａは微結晶である。また、図４は、非晶質シリコン膜４３の膜厚が薄くなると、平均粒幅の増加が飽和する位置が結晶成長開始位置３に近くなり、後述するＴＦＴ６のチャネル領域Cを形成できる領域が広くなることを示している。換言すれば、平均粒幅が一定となる領域が広いことは、結晶化領域のより広い範囲に移動度や閾値電圧特性のバラツキの無いＴＦＴ６を形成することができることを意味する。図４に示すように、結晶形態はシリコン膜厚により制御することができる。

非晶質シリコン膜４３の膜厚が１００ｎｍのときの粒長・粒幅は、図５（ａ）と図５（ｂ）から半周期（Ｔ／２）の値が１５μｍ程度まで直線的に比例して長くなり、さらに半周期の値が大きくなると緩やかに粒長も増大する。しかし、粒長は１５μｍより長く成長しない。さらに、非晶質シリコン膜４３の膜厚が１００ｎｍのときの粒長は、光強度勾配Ｇの値が０．２μｍ^−１以下で粒長が２μｍ以上に長く成長することを示す。粒幅は、光強度勾配Ｇの値が０．２μｍ^−１以下で０．２μｍ以上になる。

他方、非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍのときの粒長は、図６（ａ）と図６（ｂ）から半周期（Ｔ／２）の値が２８μｍ程度まで直線的に比例して長く成長する。これに対して粒幅は半周期約１０μｍより飽和特性を示す。光強度勾配Ｇの特性は、０．２５μｍ^−１以下で粒長が直線的に増加し、粒幅は、光強度勾配Ｇが０．１μｍ^−１以下で飽和特性を示す。

図５（ａ）（ｂ）および図６（ａ）（ｂ）の結果は、図３の（ｄ）に示す光強度分布において、レーザ光強度の極小値が０、極大値が１の場合について示している。半周期（Ｔ／２）の値が大きくなるということは光強度勾配Ｇが小さく、すなわち緩やかになるということを意味する。

図５の（ａ）（ｂ）によれば、非晶質シリコン膜４３の膜厚が１００ｎｍの場合は、光強度分布の半周期Ｔ／２の値が大きくなる、すなわち光強度勾配Ｇが緩やかになると、粒長、平均粒幅ともに増加することが分かる。

図６の（ａ）（ｂ）によれば、非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍの場合は、光強度分布の半周期Ｔ／２の値が大きくなる、すなわち光強度勾配Ｇが緩やかになると、粒長は増加するが、平均粒幅は飽和することを示す。また非晶質シリコン膜４３の膜厚１００ｎｍの場合と比較すると、粒長が伸び、粒幅の増加が飽和するので、図２（ａ）に示すような細長い結晶粒のアレイを形成しやすい。

図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）から、非晶質シリコン膜４３の膜厚と同様に光強度勾配Ｇも結晶形態を決める重要な要素であり、光強度勾配Ｇを変化させることにより結晶形態を制御することができることが分かった。

図７、図８はそれぞれ、非晶質シリコン膜４３の膜厚が１００ｎｍ、５０ｎｍの場合において、横方向成長を開始する相対光強度を示す。光強度分布の半周期分を図示し、横方向成長にかかわる部分を太線で示し、横方向成長を開始する相対強度と粒長を示してある。また光強度勾配Ｇの値も各半周期Ｔ／２の値について、併せて示してある。ここで、光強度分布の極大値は、レーザーアブレーションせずに入射できるレーザ光の強度である。ここでは、光強度分布の極大値を基準値１とする。

図７から、非晶質シリコン膜４３の膜厚が１００ｎｍの場合は、横方向成長を開始する相対光強度が０．５６以上０．６７以下の範囲であることが分かる。また、図７は、光強度勾配Ｇが急になる（Ｇ値が大きくなる）と、横方向に結晶成長を開始する相対光強度が下がることを示している。

図８から、非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍの場合は、横方向成長を開始する相対光強度が０．６４以上０．７４以下の範囲であることが分かる。また、非晶質シリコン膜４３の膜厚が１００ｎｍの場合と比較して、横方向成長を開始する相対光強度が高いことがわかる。

図７と図８の結果は、条件により横方向成長を開始する相対光強度の範囲が決まっていて、その値はシリコン膜厚や光強度勾配により変化することを意味する。これは膜面方向の熱流の効果である。すなわち図２（ａ）に示すような細長い結晶粒を高い充填率で形成するためには、図３（ｄ）に示す光強度分布の極小値Ｂの値は、定められた条件において横方向成長を開始する相対光強度と等しいことが望ましい。

図４に示すように、平均粒幅の成長が飽和特性を示す領域にＴＦＴ６を形成することは、チャネル領域Ｃ内を移動する電子又は正孔が結晶粒界４と平行に移動する領域を示している。電子又は正孔が結晶粒界４と平行に移動することは、結晶粒界４を横切らないため当該ＴＦＴ６の移動度を高くする。さらに、移動度特性（μＦＥ）や閾値電圧特性（Ｖｔｈ）のバラツキを小さくすることができる。

品質の良いＴＦＴ６を作製するためには、一つのＴＦＴ６を形成するチャネル領域Ｃの結晶化粒数を増加することである。結晶化粒数の増加は、同様に当該ＴＦＴ６の移動度特性（μ_ＦＥ）や閾値電圧特性（Ｖｔｈ）のバラツキを小さくすることができることがわかった。

例えば、非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍの結晶化粒幅の飽和開始位置は、図４の場合は結晶成長開始位置３から０．５μｍの位置である。また、図６（ａ）に示すように、光強度分布の半周期Ｔ／２が２８μｍのときに結晶粒の粒長は８μｍとなる。また、図６（ｂ）に示すように、光強度分布の半周期Ｔ／２が２８μｍのときに結晶粒の平均粒幅は０．４μｍとなる。このような結晶粒は、一方向に細長く延び出し、かつ幅狭の形状を呈する。細長い結晶化粒１が隣り合って並ぶことにより、図２（ａ）に示すような結晶化粒列（アレイ）２が形成される。このような条件で、結晶化領域のより広範囲に移動度特性（μ_ＦＥ）や閾値電圧特性（Ｖｔｈ）のバラツキの小さいＴＦＴ６を製造することができる。結晶化粒１は、粒長が２μｍ以上1５μｍ以下において、粒幅が０．２以上０．８μｍ以下の範囲で移動度特性（μＦＥ）や閾値電圧特性（Ｖｔｈ）のバラツキの小さいＴＦＴ６を製造することができる。

即ち、この実施例のＴＦＴ６は、基板４１に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を設け、この半導体薄膜にレーザ光などのエネルギー光を照射して結晶種から横方向に結晶成長させ幅方向より結晶成長方向に長い形状の結晶化粒１を形成し、図２（ａ）に示すようにこの結晶化粒１を前記幅方向に隣接させて配列した結晶化粒列２を設け、この結晶化粒列２の複数の結晶化粒１に跨がって結晶成長方向に電流が流れるようにソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄを設けて製造される。

次に、図２（ａ）と図２（ｂ）を参照して薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）６の製造方法をさらに具体的に説明する。

基板４１例えばガラス基板上には、下地絶縁膜例えばＳｉO２膜４２が設けられている。このＳｉＯ２膜４２上には非単結晶半導体膜例えば非晶質シリコン膜４３が設けられている。非晶質シリコン膜４３は、細長い結晶化粒１を形成するために膜厚、例えば３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に成膜されている。非晶質シリコン膜４３の膜厚が３０ｎｍよりも薄くなると、横方向成長距離が短くなってしまいＴＦＴ配置の自由度が狭くなってしまう。またデバイス作製がプロセス上困難になる。１００ｎｍよりも厚くなると、結晶終了点における粒幅が広くなってしまい、細長い結晶化粒１のアレイ２とならない。

次に、第２の実施形態の結晶化方法を逆ピークパターン状光強度分布の光強度勾配を選択することにより被照射領域の結晶成長方向の面方位を｛１００｝に優先配向させることができる実施例を説明する。

実施例２
第２の実施形態の結晶化方法は、第１の実施形態の結晶化方法と同様の光学系に上記逆ピークパターンを有する光強度分布を、光吸収性のキャップ膜を用いた膜構造において極大値の相対光強度を１としたとき、光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．０４μｍ^−１以下の範囲に選択した結晶化用レーザ光を膜厚が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の上記非単結晶半導体薄膜に照射することにより、被照射領域の結晶成長方向の面方位を｛１００｝に優先配向させる方法である。

また、光透過性のキャップ膜を用いた膜構造においては、上記光強度勾配Ｇが０．０５μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲に選択し、膜厚４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に選択することにより、結晶成長方向すなわち粒長方向の結晶方位を｛１００｝に優先配向させる方法である。

次に、結晶成長方向すなわち粒長方向の結晶方位を｛１００｝に優先配向させる結晶化方法の実施例を説明する。図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図２（ａ）のような細長い結晶化粒１のアレイ２を形成する際に、結晶成長方向すなわち粒長方向の結晶方位を｛１００｝に優先配向させるための概念図である。

各結晶面の成長速度は、例えば低指数面を例に挙げると｛１００｝＞｛１１０｝＞｛１１１｝の順になることが知られている。シリコンのように結晶構造がダイヤモンド構造である場合、原子の最密面である｛１１１｝面の結晶成長速度は最も小さく、疎な面である｛１００｝面の結晶成長速度は最も大きい。逆に言えば、一方向に結晶成長する系において、非晶質シリコン層４３と下地絶縁膜４２層との界面エネルギー等の他の影響が無視できる条件で、結晶成長速度が大きくなるレーザ結晶化条件を設定すれば、成長方向の結晶方位が｛１００｝に優先配向すると期待できる。

図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、パルスレーザ光が基板表面に入射した直後のＶ字型光強度分布すなわち温度分布を実線で、パルスレーザ光遮断後の予め定めた一定時間ｘナノ秒（ｎｓ）後の温度分布をＶ字状に点線で示している。Ｖ字状点線の温度分布は、入射光のＶ字状光強度分布を維持した状態で降温していることを示している。Ｖ字状点線の降温特性は、キャップ膜４４と下地絶縁膜４２の蓄熱効果により緩速化され横方向に結晶成長することを可能にする。図９（ａ）（ｂ）は、キャップ膜４４が光吸収性の材料ＳｉＯｘであり、図９（ｃ）は光透過性の材料ＳｉＯ_２である。

図９（ａ）は、光吸収性の材料をキャップ膜に用いた場合の基準条件を示し、その基準条件と比較して図９（ｂ）は光強度勾配Ｇを緩やかにした場合と、光強度勾配Ｇは同じで、図９（ｃ）は光透過性の材料をキャップ膜４４に用いた場合について示している。図９（ａ）（ｂ）（ｃ）において横点線Ｃは、降温期間に結晶化領域が順次横方向に成長する臨界温度（結晶化終点）を示している。図９（ａ）（ｂ）（ｃ）において、Ｖ字状温度分布Ａ．Ｂが横点線Ｃと交差する白矢印で示す区間は、Ｘ（ｎｓ）の間に成長した距離を示している。

ｘ（ｎｓ）後の温度分布は、パルスレーザ光遮断後であるため非晶質シリコン層４３が冷えるために照射直後と比較して全体的に温度が下がる。また非晶質シリコン膜４３の膜面方向の熱伝導のため温度勾配が緩やかになる。臨界温度Ｃは結晶粒が横方向に成長を開始する温度を示しており、ｘナノ秒（ｎｓ）後にはＡ点からＢ点まで、図中の白矢印に示しただけ横方向に結晶成長が進む。基準条件と比較して光強度勾配が緩やかになった場合は、ｘ（ｎｓ）後の温度の下がり方が基準条件と同じとすれば、図９（ｂ）に示すように横方向成長距離が長くなる。すなわち結晶成長速度が大きくなる。

後述するように、光吸収性のキャップ膜４４を用いた膜構造で、結晶成長方向すなわち粒長方向の結晶方位を｛１００｝に優先配向させる場合、非晶質シリコン膜３の膜厚は４０ｎｍ乃至７０ｎｍである。４０ｎｍよりも薄くなると、膜厚が薄くなる効果すなわち半導体層と下地層との界面の影響が結晶化の際に大きくなり、粒長方向の結晶方位が｛１１０｝になりやすく｛１００｝配向しなくなってしまう。また７０ｎｍよりも厚くなると、結晶終了点における粒幅が広くなってしまい、細長い結晶粒のアレイとならない。つまり、一方向の結晶成長とならずに結晶方位が定まりにくい。好ましくは５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。

また、光透過性のキャップ膜４４を用いた場合は、光吸収性のキャップ膜４４を用いた場合よりも上記シリコン層４３が冷えやすい膜構造になっているので、ｘ（ｎｓ）後の温度分布は基準条件よりも全体的に下がる。従って、図９（ｃ）に示すように、横方向成長距離が長くなる。すなわち、結晶成長速度が大きくなる。なお、この場合、光吸収性のキャップ膜を用いた場合よりもシリコン層４３の冷却速度が大きくなる。このため、光透過性のキャップ膜を用いた場合は、結晶成長時間が短くなり、結果として粒長も短くなってしまう。

また、光透過性のキャップ膜を用いた膜構造で、結晶成長方向すなわち粒長方向の結晶方位を｛１００｝に優先配向させる場合、非晶質シリコン膜４３の膜厚は４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。４０ｎｍよりも薄くなると、膜厚が薄くなる効果すなわち半導体層と下地層との界面の影響が結晶化の際に大きくなり、粒長方向の結晶方位が｛１１０｝になりやすく｛１００｝配向しなくなってしまう。また１００ｎｍよりも厚くなると、結晶終了点における粒幅が広くなってしまい、細長い結晶粒のアレイとならない。つまり、一方向の結晶成長とならずに結晶方位が定まりにくい。好ましくは５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。

図１０から、非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍの場合、どの半周期T／２の値すなわちどの光強度勾配においても、粒長方向即ち結晶成長方向の面方位は｛１００｝または｛１１０｝に優先配向していることがわかるが、半周期Ｔ／２の値が３０μｍ程度に大きくなり光強度勾配が緩やかになると、｛１００｝のみの配向に変化する。なお、図中の領域Ｓは強い配向の領域を示し、領域Ｗは弱い配向の領域を示す。

この結果は図９Ｂ（実施条件１）に示したように、光強度勾配を緩やかにすることで結晶成長速度が大きくなり、成長方向の面方位が｛１００｝に優先配向したことを意味する。すなわち光強度勾配を制御することによって、成長方向の面方位を制御することができることがわかる。このようにして成長方向の結晶方位を制御した細長い結晶粒アレイに、ＴＦＴ６を形成することにより移動度が大きく、かつＴＦＴ特性のバラツキが小さいＴＦＴ６を製造できる。

図１１は、光透過性のＳｉＯ_２キャップ膜を用いた場合における、成長方向の結晶方位を示す逆極点図である。非晶質シリコン膜４３の膜厚は１００ｎｍであり、光強度分布の半周期Ｔ／２の値は５μｍである。光強度勾配Ｇの値は０．２μｍ^−１である。粒長は２．７μｍである。成長方向の結晶方位が｛１００｝に優先配向していることがわかる。この結果は図９Ｃ（実施条件２）に示したように、冷却速度を大きくすることで結晶成長速度が大きくなり、成長方向の面方位が｛１００｝に優先配向したことを意味する。すなわちキャップ膜４４の材料を変えることによっても、成長方向の面方位を制御することができることがわかる。このようにして成長方向の結晶方位を制御した細長い結晶粒アレイに、ＴＦＴ６を形成することにより移動度が大きく、かつＴＦＴ特性のバラツキが小さいＴＦＴ６を製造できる。しかし、粒長が短くなってしまうため、ＴＦＴ６の配置に制限が生じる。

上記非晶質シリコン膜４３の薄膜には、ＰＭＥＬＡ法により図２（ａ）に示すように細長い形状の結晶化粒１が幅方向に配列された結晶化粒列２が形成されている。結晶化粒１は、幅より結晶成長方向に長い形状の粒１で、粒長が例えば２μｍ以上１５μｍ以下、平均粒幅が例えば０．２μｍ以上０．８μｍ以下である。粒長が２μｍ未満になると、移動度を高くするためのＴＦＴ６の配置の自由度が狭くなってしまう。粒長が１５μｍを超えると、結晶粒内の欠陥密度が増えて結晶性が悪くなってしまう。平均粒幅が０.２μｍよりも狭くなると、粒界の影響が大きくなり高移動度ＴＦＴ６とならなくなる。平均粒幅が、０．８μｍよりも広くなると、結晶化粒１毎のばらつきの影響を緩和するためにＴＦＴ６のチャネル幅を広くしなければならない。結晶化粒１の結晶成長方向すなわち粒長方向の面方位は、｛１００｝から｛１１０｝の範囲に配向しているか、または｛１００｝に優先配向している。

図２（ａ）に示されているように、上記結晶化粒列２は、結晶化粒１が幅方向に配列されたものである。この結晶化粒列２には、ＴＦＴ６が形成されている。このＴＦＴ６は、各結晶粒界４と平行に電子および正孔が移動するようにソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが設けられている。換言すれば、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは、電流（正孔の移動方向）が結晶成長方向に流れるように形成されている。

ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄ間に形成されるチャネル領域Ｃは、図２（ｂ）に示すように複数例えば隣接する４〜５の結晶化粒１に跨って形成されている。チャネル領域において、結晶化粒１の粒幅は、その粒長方向の位置にかかわらずほぼ一定である。ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄ間に形成されるチャネル領域Ｃ上には、ゲート絶縁膜８例えばチャネル領域Ｃ表面の酸化膜およびＳｉＯ_２膜の積層膜が設けられている。

ゲート絶縁膜８上には、ゲート電極９が設けられている。このようにしてＴＦＴ６が構成されている。図２（ａ）において、３は、結晶成長開始位置（点）を示している。

図１０には、非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍの場合について光強度分布の半周期Ｔ／２の値と成長方向の結晶方位との関係が図示されている。図１０は、各条件における結晶組織を、Electron Back Scattered Diffraction Pattern（以下、ＥＢＳＰという）により解析し、その結果を逆極点図で示して、その配向がわかるようにしてある。逆極点図上の黒い部分は強く配向していて、灰色の部分は弱く配向していることを示す。

上記の結晶化プロセスを経て、結晶化の条件により図２（ａ）に示すような細長い結晶粒のアレイを作製できること、さらには非晶質シリコン膜４３の、結晶成長方向すなわち粒長方向の結晶方位を制御できることを見出した。

実施例３
次に、図１のレーザアニール装置１１（結晶化装置４０）を用いて被処理基板２１の非晶質シリコン膜４３を結晶化する結晶化方法の実施例を説明する。

先ず、結晶化工程用の被処理基板２１を製造する。結晶化の条件として、図３（ｃ）に示すような被処理基板２１の膜構造は、基板４１上に下地絶縁膜４２、非単結晶半導体膜、キャップ膜４４を順次成膜たとえばプラズマＣＶＤ法で形成したものである。最上層の入射光側にキャップ膜４４としては、ＳｉＯｘ(例えば膜厚３７０ｎｍ)および必要に応じてＳｉＯ₂(例えば膜厚３０ｎｍ) 膜の積層膜を成膜する。非単結晶半導体膜としては、非晶質シリコン膜４３（a-Si層）を成膜する。／下地絶縁膜４２としては、ＳｉＯ₂(膜厚１０００ｎｍ)膜および必要に応じてＳｉ₃Ｎ₄(膜厚１０００ｎｍ)膜の積層膜を成膜する。基板４１としては、ガラス基板である。この被処理基板２１の非晶質シリコン膜４３の膜厚は、１００ｎｍとして被処理基板２１をそれぞれ製造した。

ＳｉＯｘ膜は、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、例えば消衰係数ｋ＝０．０１の膜である。ＳｉO_x膜は、ｘ＜２．０であり、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は、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１のレーザアニール装置１１は、位相シフタ１９の位置をマスク１８の付近に配置し、位相シフタ１９の像を被処理基板２１の入射面に結像させる光学系である。即ち、レーザアニール装置１１は、位相シフタ１９を被処理基板２１の表面に投影した光学系で共役関係にある光学系である。なお位相シフタ１９のパターンは、１/５倍のテレセントリック縮小レンズ２０により、被処理基板２１上に１／５に変換（縮小）される。

上記位相シフタ１９は、図３（ａ）に示すように面積の異なるドットパターン段差（高段５２、低段５１）を配置したものである。図３の（ａ）に示すパターンの位相シフタ１９を介してレーザ光２５は、上記被処理基板２１を照射する。このレーザ光２５は、位相シフタ１９により位相変調されて図３（ｄ）に示すような逆ピークパターンを有するＶ字型の周期的な光強度分布を形成する。図３（ｄ）には、光強度分布の一周期が拡大して示されている。

位相シフタ１９は、Ｖ字型光強度分布の周期が１０、２０、３０、４０、７６μｍとなるように、ドットパターンの配置の周期を変化させた。また位相シフタ１９の位相差は１８０゜であり、光強度分布の極大値の相対強度を１としたときに極小値の相対強度は０である。よって光強度勾配Ｇはそれぞれ０．２、０．１、０．０６７、０．０５、０．０２６μｍ^−１となる。位相シフタ１９とは、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う。非晶質シリコン膜（ａ・Ｓｉ層）４３を結晶化するために照射するレーザフルエンスは、例えば０．６Ｊ／ｃｍ²である。

レーザ光源１４は、例えば波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザであり、１ショットのパルス継続時間は３０ナノ秒である。フルエンスとは、結晶化のためのレーザ光のエネルギー密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギー量をいい、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。

このようにして作製した図２に示すような結晶化粒列２は、図５に示す粒長、平均粒幅の結晶形態のものが得られた。非晶質シリコン膜４３の膜厚が１００ｎｍの場合、光強度勾配Ｇを変化させることにより、図５のように結晶形態を制御することができる。

実施例４
被処理基板２１の膜構造は、最上層の入射光側のキャップ膜４４としては、ＳｉＯｘ(膜厚３７０ｎｍ)およびＳｉＯ₂(膜厚３０ｎｍ)膜の積層膜である。非単結晶半導体膜としては、非晶質シリコン膜４３（a-Si層）である。下地絶縁膜４２としては、ＳｉＯ₂(膜厚１０００ｎｍ)膜およびＳｉ₃Ｎ₄(膜厚１０００ｎｍ)膜の積層膜である。基板４１としては、例えばガラス基板である。非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍである被処理基板２１をそれぞれ製造した。

図１のレーザアニール装置１１は、位相シフタ１９の位置をマスク１８の付近に配置し、位相シフタ１９の像を被処理基板２１の入射面に結像させる光学系である。即ち、レーザアニール装置１１は、位相シフタ１９を被処理基板２１の表面に投影した光学系で共役関係にある光学系である。なお位相シフタ１９のパターンは、１/５倍のテレセントリック縮小レンズ２０により、被処理基板２１上に１／５に変換（縮小）される。

上記位相シフタ１９は、図３（ａ）に示すように面積の異なるドットパターン段差を配置したものである。図３の（ａ）に示すパターンの位相シフタ１９を介してレーザ光２５は、上記被処理基板２１を照射する。このレーザ光２５は、位相シフタ１９により位相変調されて図３（ｄ）に示すような逆ピークパターンを有するＶ字型の周期的な光強度分布を形成する。図３（ｄ）には、光強度分布の一周期が拡大して示されている。

位相シフタ１９は、Ｖ字型光強度分布の周期が１０、２０、３０、４０、５０、５６、６０μｍとなるように、ドットパターンの配置の周期を変化させた。また位相シフタ１９の位相差は１８０゜であり、光強度分布の極大値の相対強度を１としたときに極小値の相対強度は０である。よって光強度勾配はそれぞれ０．２、０．１、０．０６７、０．０５、０．０４、０．０３６、０．０３３μｍ^−１となる。非晶質シリコン膜（ａ・Ｓｉ層）４３を結晶化するために照射するレーザフルエンスは、０．５Ｊ／ｃｍ²である。

レーザ光源１４は、例えば波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザであり、１ショットのパルス継続時間は３０ナノ秒である。このようにして作製した図２に示すような結晶化粒列２は、図６に示す粒長、平均粒幅の結晶形態のものが得られた。非晶質シリコン膜４３の膜厚が５０ｎｍの場合であっても、光強度勾配を変化させることにより、図６（ａ）（ｂ）のように結晶形態を制御することができる。

実施例５
結晶化装置は、実施例４と同様に図１のプロジェクション方式の光学系である。位相シフタ１９は、図３（ｄ）に示すＶ字状光強度分布の周期が１６μｍとなるようにドットパターンを配置した。段差深さｔは１３３ｎｍで、位相差は７８°である。このときに形成する周期的なＶ字状光強度分布の強度の最大値は相対値で１、最小値は相対値で０.６である。光強度勾配Ｇの値は０．０５μｍ^−１となる。

結晶化の条件として、被処理基板２１の膜構造は、キャップ膜４４がＳｉＯ_x(３７０ｎｍ)／ ＳｉＯ₂(３０ｎｍ)の積層構造であり／非晶質シリコン膜４３がａ・Ｓｉ(５０ｎｍ)であり／下地絶縁膜４２がＳｉＯ₂(膜厚１０００ｎｍ)膜／Ｓｉ₃Ｎ₄(膜厚１０００ｎｍ)膜の積層膜であり／基板４１がガラス基板、である。レーザ光の照射フルエンスは０．５Ｊ／ｃｍ²である。このレーザ光のレーザ光源１４は、実施例１と同様に波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザであり、１ショットのパルス継続時間は３０ナノ秒である。

この結晶化プロセスで得られた結晶化粒列は、結晶化粒１の粒長が８μｍ、平均粒幅が０．４μｍであり、図２に示すような細長い棒状の結晶化粒１のアレイ２を照射領域全面に作製できた。粒長方向すなわち結晶成長方向の面方位は、｛１００｝または｛１１０｝に優先配向している。

実施例６
結晶化装置は、実施例３と同様に図１のプロジェクション方式の光学系である。位相シフタ１９は、Ｖ字状型光強度分布の周期が１０μｍとなるようにドットパターンを配置した。段差深さｔは１５４ｎｍで、位相差は９０°である。このときに形成する周期的なＶ字状型光強度分布の強度の最大値は相対値で１、最小値は相対値で０.５である。光強度勾配Ｇの値は０．１μｍ^−１となる。

結晶化の条件として、被処理基板２１の膜構造は、キャップ膜４４がＳｉＯ_x(３７０ｎｍ)／ ＳｉＯ₂(３０ｎｍ)の積層構造であり／非晶質シリコン膜４３がａ・Ｓｉ(１００ｎｍ)であり／下地絶縁膜４２がＳｉＯ₂(膜厚１０００ｎｍ)膜／Ｓｉ₃Ｎ₄(膜厚１０００ｎｍ)膜の積層膜であり／基板４１がガラス基板、である。レーザ光の照射フルエンスは０．６Ｊ／ｃｍ²である。このレーザ光のレーザ光源１４は、実施例１と同様に波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザであり、１ショットのパルス継続時間は３０ナノ秒である。

この結晶化プロセスで得られた結晶化粒列２は、結晶化粒１の粒長が５μｍ、平均粒幅が０．７μｍであり、図２に示すような細長い棒状の結晶粒１のアレイ２を照射領域全面に作製できた。粒長方向すなわち結晶成長方向の面方位は、｛１００｝または｛１１０｝に優先配向している。

実施例７
この実施例７は、上記実施例と同様に、図１のプロジェクション方式の光学系を用い、また図３に示したような、周期的に寸法の異なるドットパターンからなる位相シフタ１９を用いた。位相シフタ１９はＶ字状光強度分布の周期が１６μｍになるようにパターンを配置した。段差深さｔは１１３ｎｍであり、位相差は６６°である。このときに形成する光強度分布の強度の最大値は相対値で１、最小値は相対値で０.７である。光強度勾配Ｇの値は０．０３７５μｍ^−１となる。

結晶化の条件として、被処理基板２１の膜構造は、キャップ膜４４がＳｉＯ_x(３７０ｎｍ)／ ＳｉＯ₂(３０ｎｍ)の積層構造であり／非晶質シリコン膜４３がａ・Ｓｉ(５０ｎｍ)であり／下地絶縁膜４２がＳｉＯ₂(膜厚１０００ｎｍ)膜／Ｓｉ₃Ｎ₄(膜厚１０００ｎｍ)膜の積層膜であり／基板４１がガラス基板、である。レーザ光の照射フルエンスは０．５Ｊ／ｃｍ²である。このレーザ光のレーザ光源１４は、実施例１と同様に波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザであり、１ショットのパルス継続時間は３０ナノ秒である。

この結晶化プロセスで得られた結晶化粒列２は、結晶化粒１の粒長が８μｍ、平均粒幅が０．４μｍであり、図２に示すような細長い棒状の結晶化粒１のアレイ２を照射領域全面に作製できた。さらに粒長方向すなわち結晶成長方向の面方位が｛１００｝に優先配向した結晶化粒１のアレイ２を作製できた。

実施例８
この実施例８は、上記実施例と同様に、図１のプロジェクション方式の光学系を用い、また図３に示したような、周期的に寸法の異なるドットパターンからなる位相シフタ１９を用いた。位相シフタ１９はＶ字型光強度分布の周期が６μｍになるようにパターンを配置した。段差深さｔは１４１ｎｍであり、位相差は１０２°である。このときに形成する光強度分布の強度の最大値は相対値で１、最小値は相対値で０.４である。光強度勾配Ｇの値は０．２μｍ^−１となる。

結晶化の条件として、被処理基板２１の膜構造は、キャップ膜４４がＳｉＯ_２(３００ｎｍ)であり／非晶質シリコン膜４３がａ・Ｓｉ(１００ｎｍ)であり／下地絶縁膜４２がＳｉＯ₂(膜厚１０００ｎｍ)膜／Ｓｉ₃Ｎ₄(膜厚１０００ｎｍ)膜の積層膜であり／基板４１がガラス基板、である。レーザ光の照射フルエンスは１Ｊ／ｃｍ²である。このレーザ光のレーザ光源１４は、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザであり、１ショットのパルス継続時間は２０ナノ秒である。

この結晶化プロセスで得られた結晶化粒列２は、結晶化粒１の粒長が３μｍ、平均粒幅が０．４μｍであり、図２に示すような細長い棒状の結晶化粒１のアレイ２を照射領域全面に作製できた。さらに粒長方向すなわち結晶成長方向の面方位が｛１００｝に優先配向した結晶化粒１のアレイ２を作製できた。本実施例の結晶化方法では実施例３１乃至７５と比較して高レーザフルエンスが必要であり、結晶化粒アレイ２の粒長も短くなってしまうが、実施例７と同様に成長方向の面方位をそろえることができる。

実施例９
次に、上記実施例により製造された結晶化半導体膜にＴＦＴ６を形成する実施例を、図１２を参照して説明する。なお、本実施例では、ＴＦＴ６例えばＮチャネル型のＴＦＴに適用した実施例を説明する。本発明は、Ｎチャネル型のＴＦＴに限定されることなく、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで他は実質的に同様に形成することができる。本実施例では、ボトムゲート構造のＴＦＴの製造方法について説明する。

図１２の（ａ）に示すように、基板１例えばガラスなどからなる絶縁基板上にゲート電極用材料例えばＡｌ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｕ少なくとも１種又はこれらの合金膜を膜厚１００〜３００ｎｍに形成し、この金属膜をパターニングしてボトム型のゲート電極６1に加工する。

次いで、図１２の（ｂ）に示すように、ゲート電極６１および露出した絶縁基板４１上にゲート絶縁膜６２，６３を成膜する。このゲート絶縁膜６２，６３は、例えば窒化膜（ＳｉＮ_x ）と酸化膜（ＳｉＯ₂ ）の二層構造である。ゲート絶縁膜６２のゲート窒化膜は、例えばＳｉＨ₄ 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（ＰＥ-ＣＶＤ法）で成膜することができる。なお、このト窒化膜の成膜は、プラズマＣＶＤに代えて常圧ＣＶＤあるいは減圧ＣＶＤを用いても成膜することができる。

窒化膜の膜厚は、例えば５０ｎｍである。窒化膜上には、ゲート絶縁膜６３として酸化膜を膜厚例えば２００ｎｍ成膜する。この酸化膜上に連続的に非単結晶膜例えば非晶質シリコン膜４３を４０ｎｍ乃至１００ｎｍ成膜する。また、さらに非晶質シリコン膜４３上に例えばＳｉO₂／ＳｉO_xあるいはＳｉO₂からなるキャップ膜４４を、積層膜の場合はこの順にそれぞれ、膜厚例えば３０ｎｍ、４２０ｎｍ、ＳｉO₂の場合は１００乃至３００ｎｍ成膜する。二層構造のゲート絶縁膜６2，６3と非晶質シリコン膜４３とキャップ膜４４は成膜チャンバの真空系を破らず（大気に晒すことなく）連続成膜する。

以上の成膜プロセスにおいてプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、５５０℃の温度で窒素雰囲気中２時間程度の加熱処理により脱水素アニールし、非晶質シリコン膜４３に含まれる水素を非晶質シリコン膜４３から放出させることができる。このようにして結晶化用被処理基板２１を製造する。

次に、結晶化用被処理基板２１の非晶質半導体薄膜４３の結晶化プロセスを行う。結晶化プロセスは、例えば図１のレーザアニール装置１１を用いて実施することができる。例えば上記実施例１〜６に示した方式の方法に従って、レーザ光２５をキャップ膜４４に照射し、非晶質半導体薄膜４３の照射領域を結晶化する。

レーザ光２５としてはエキシマレーザビームを用いることができる。レーザ光２５の照射領域を調整した後、照射領域に位相シフタ１９の周期的なパターンを転写可能なようにレーザ光２５の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないように照射領域をずらして繰り返し１ショットずつ照射して、照射領域内の所定の面積を結晶化する。このように
して非晶質半導体薄膜４３の予め定められた領域が結晶化された多結晶半導体薄膜６５を形成する。

次いで、表面のキャップ絶縁膜４４をエッチング等の方法により剥離して結晶化領域が形成された非晶質半導体薄膜４３の表面が露出する。非晶質半導体薄膜４３の結晶化された領域の表面は、上記したように図２に示すような幅より結晶成長方向に長い形状の結晶化粒１の結晶化粒列２が形成される。また、結晶化粒１の結晶成長方向の面方位は｛１００｝に優先配向させることもできる。

図１２の（ｃ）に示すように、ＴＦＴ６の閾値電圧Ｖｔｈを制御する目的で、所望するＶｔｈを得るためのイオンインプランテーションを必要に応じて行なう。本実施例では、ボロンＢ＋をドーズ量が５×１０¹¹〜４×１０¹²／ｃｍ² 程度となるようにイオン注入した。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６５の上に例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂ を膜厚例えば約１００ｎｍ〜３００ｎｍ成膜する。本実施例では、シランガスＳＨ₄ と酸素ガスをプラズマ分解してＳｉＯ₂ を堆積した。このようにして成膜されたＳｉＯ₂ を所定の形状にパターニングしてストッパ膜６６に加工する。

この場合、裏面露光技術を用いてゲート電極６１と整合する様にストッパ膜６６をパターニングする。ストッパ膜６６の直下に位置する多結晶半導体薄膜６５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、予め高い閾値電圧Ｖｔｈを得るための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、ストッパ膜６６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６５に注入し、ＬＤＤ領域を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１０¹² 〜１×１０¹³／ｃｍ² であり、加速電圧は例えば１０ＫｅＶである。

さらに、ストッパ膜６６及びその両側のＬＤＤ領域を被覆するようにフォトレジストをパターニング形成した後、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／ｃｍ² 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。イオン注入の加速電圧は例えば１０ＫｅＶである。

なお、図示しないが、ＰチャネルのＴＦＴを形成する場合には、Ｎチャネル型ＴＦＴ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１×１０¹⁵／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）１０４により、多結晶半導体薄膜６５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、上記半導体薄膜６５とストッパ膜６６の不要な部分を同時にパターニングし、素子領域毎にＴＦＴを分離する。

最後に図１２の（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂ を約１００〜２００ｎｍの厚みで成膜し、これを層間絶縁膜６７とする。層間絶縁膜６7の形成後、ＳｉＮ_x をプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ成膜し、パシベーション膜６８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において３５０〜４００℃程度で１時間加熱処理し、層間絶縁膜６7に含まれる水素原子を半導体薄膜６5中に拡散させる。

この後、ソースＳ電極を形成するためのコンタクトホールを開口し、Ｍｏ，Ａｌなどの電極材料層を１００〜２００ｎｍの厚みでスパッタする。次に、電極材料層を所定の形状にパターニングして配線電極６９に加工する。さらに、アクリル樹脂などからなる平坦化層７０を１μｍ程度の厚みで塗布した後、ドレインＤ電極用コンタクトホールを開口する。平坦化層７０の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして画素電極７１に加工する。このようにしてＴＦＴ１１２が製造される。

実施例１０
次に、図１３を参照して上記実施例により製造された結晶化半導体膜にトップゲート構造のＴＦＴの製造に適用した実施例を説明する。先ず図１３の（ａ）に示すように、絶縁性の基板１上にバッファ層となる二層の下地膜８１，８２をプラズマＣＶＤ法により連続成膜する。

一層目の下地膜８１はＳｉＮ_x 膜からなり（Ｘ＝２を含まない２以下）、その膜厚は１００〜１０００ｎｍである。また二層目の下地膜８2はＳｉＯ₂ 膜からなり、その膜厚は同じく１００ｎｍ〜１０００ｎｍである。このＳｉＯ₂ 膜からなる下地膜８２の上に膜厚４０乃至１００ｎｍの非晶質シリコンからなる非単結晶半導体薄膜４をプラズマＣＶＤ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。

さらに、非単結晶半導体薄膜４上にSiO₂／SiO_xあるいはSiO₂から成るキャップ膜３７を、積層膜の場合はこの順にそれぞれ、膜厚例えば３０ｎｍ、３２０ｎｍ、ＳｉO₂の場合は１００乃至３００ｎｍ成膜する。非晶質シリコンからなる非単結晶半導体薄膜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ために、窒素雰囲気中で４００〜４５０℃の条件で１時間程度アニールする。

次に、例えば上記実施例１〜６の結晶化方法により、非晶質半導体薄膜４を結晶化する。レーザ光２５の照射領域を調整した後、照射領域に位相シフタ３６の周期的なパターンの配列を転写可能なようにレーザ光２５の焦点を合わせて照射し、さらに重複しないようにレーザ光２５の照射領域をずらして繰り返し照射して、非晶質半導体薄膜４の所定の面積を結晶化する。

続いて、キャップ膜３７をエッチング等の方法で剥離する。ここで必要ならば、上記実施例と同様に予め高い閾値電圧Ｖｔｈを得るための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５×１０¹¹〜４×１０¹²／ｃｍ² 程度で半導体薄膜４に注入する。この場合の加速電圧は１０ＫｅＶ程度である。

続いて図１５（ｂ）に示すように結晶化したシリコン半導体薄膜８5をアイランド状にパターニングする。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ＳｉＯ₂ を１００〜４００ｎｍ成長させ、ゲート絶縁膜８３とする。本実施例ではゲート絶縁膜８３の厚みを１００ｎｍにした。

次いで、ゲート絶縁膜８３の上にＡｌ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，ドープト多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金を２００〜８００ｎｍの厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電極８８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結晶化半導体薄膜８5に注入し、ＬＤＤ領域を設ける。このイオン注入はゲート電極８８をマスクとして絶縁基板１の全面に対して行なう。ドーズ量は６×１０¹²〜５×１０¹³／ｃｍ² である。加速電圧は例えば９０ＫｅＶである。なお、ゲート電極８８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８８とその周囲を被覆するようにレジストパターンを形成し、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ＴＦＴ用のレジストパターンを形成後、ドーピングガスを５〜２０％のＢ₂ Ｈ₆ ／Ｈ₂ ガス系に切り換え、ドーズ量を１×１０¹⁵〜３×１０¹⁵／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、結晶化半導体薄膜８5に注入されたドーパントの活性化処理となる。この活性化処理は上記第４実施例と同様に、紫外線ランプを使ったＲＴＡ１０４を用いることができる。

最後に、図１３の（ｃ）に示すように、ゲート電極８９を被覆するようにＰＳＧなどからなる層間絶縁膜９０を成膜する。この層間絶縁膜９０の成膜後、ＳｉＮ_x をプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ堆積しパシベーション膜９１とする。

この段階で窒素ガス中３５０℃の温度で１時間程度アニールし、層間絶縁膜９１に含有された水素を半導体薄膜８５中に拡散させる。この後コンタクトホールを開口する。さらにパシベーション膜９１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ーニングして配線電極９２に加工する。

さらにアクリル樹脂などからなる平坦化層９３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９３の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタリングし、所定の形状にパターニングして画素電極９４に加工する。

図１３に示した薄膜トランジスタまたは半導体装置では、図１２に示した薄膜トランジスタまたは半導体装置で説明した方法と同様にして非単結晶半導体薄膜４を結晶化させる。但し、トップゲート構造である本実施例１０の薄膜トランジスタまたは半導体装置はボトムゲート構造である実施例９の薄膜トランジスタまたは半導体装置と異なり、ゲート電極８９のパターンが形成される前の段階で結晶化を行なうため、ガラスなどからなる絶縁基板の収縮についてはボトムゲート構造の半導体装置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。このようにしてＴＦＴ１１３が製造される。

ＴＦＴのチャネル領域における移動度とチャネル領域が形成される結晶面（配向面）との関係には、図１４に示す関係にあることを見出した。図１４には、形成されたＴＦＴのソース領域がＳで、ドレイン領域がDで示され、ＳとＤ間の電流の向きが矢印で示めされている。

上段に示されている特性は、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射し、横方向に結晶成長させたときの結晶成長方向が＜１１０＞のときの結晶化領域にＴＦＴ６を形成したときのＴＦＴの移動度特性である。ＴＦＴのゲート絶縁膜と接するチャネル領域表面の結晶方位が{００１}〜{１１２}のとき、移動度μ_FEは、最高に高く６８５〜５００｛ｃｍ２/Vs｝である。チャネル領域表面の結晶方位が{１１０}のとき、移動度μ_FEは、４５０〜３００｛ｃｍ^２/Ｖs｝である。チャネル領域表面が{１１１}のとき、移動度μ_FEは、３００〜２３０｛ｃｍ^２/Ｖs｝である。

また、結晶成長方向が＜１００＞のときの、結晶化領域にＴＦＴを形成したときの移動度特性は、下段の通りである。チャネル領域表面の結晶方位が{００１}のとき、移動度μ_FEは、５００｛ｃｍ^２/Ｖs｝である。チャネル領域表面の結晶方位が{０１０}のとき、移動度μ_FEは、３４６｛ｃｍ^２/Ｖs｝である。

上記データから結晶成長方向が＜１００＞のとき、移動度μ_FEのばらつきを３４６から５００｛ｃｍ^２/Ｖs｝の範囲に抑えることができ、かつ高移動度のＴＦＴを製造できることがわかった。

実施例１１
次に、実施例９又は実施例１０に係るＴＦＴを用いたアクティブマトリクス型表示装置に適用した実施例を図１４を参照して説明する。表示装置１００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１０７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１０９と列状の信号配線１１０が形成されている。両配線１０９、１１０の交差部には画素電極１１１とこれを駆動するＴＦＴ１１２(または１１３)が形成されている。

ＴＦＴ１１２(または１１３)のゲート電極６１、８９は対応するゲート配線１０９に接続され、ドレイン領域Ｄは対応する画素電極１１１に接続され、ソース領域Ｓ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ＴＦＴ１１２(または１１３)及び垂直駆動回路１０５と水平駆動回路１０６に含まれるＴＦＴは、本発明の実施例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して形成することができる。

以上説明したように、上記実施例によれば高い移動度と移動度や閾値電圧特性のバラツキの小さいＴＦＴを得ることができる。

本発明により高い移動度と移動度や閾値電圧特性のバラツキの小さいＴＦＴを作製することができれば、携帯電話に代表される各種モバイル機器等、表示装置に用いられる低温ポリシリコンＴＦＴの性能を著しく向上させることができ、製品そのものの性能も向上させることができる。

本発明の実施例を説明するための結晶化装置の構成図。 （ａ）は図１の結晶装置により形成された結晶化粒列を示す平面模式図、（ｂ）は（ａ）の結晶化粒列を含む薄膜トランジスタを示す断面模式図。 （ａ）は位相シフタの平面模式図、（ｂ）は位相シフタの側面模式図、（ｃ）は被処理基板の縦断面図、（ｄ）は位相シフタにより位相変調されたレーザ光の光強度分布図。 図２の結晶化粒列を作製するための非晶質シリコン膜の膜厚を変えたときの結晶化粒の結晶開始点からの距離と平均粒幅との関係を示す特性図。 （ａ）は図２の結晶化粒列を作製するための非晶質シリコン膜の膜厚が１００ｎｍのときの光強度分布の半周期と結晶化粒列の粒長との関係を示す特性図、（ｂ）は非晶質シリコン膜の膜厚が１００ｎｍのときの光強度分布の半周期と成長終了点の平均粒幅との関係を示す特性図。 （ａ）は図５の他の実施例として非晶質シリコン膜の膜厚が５０ｎｍのときの光強度分布の半周期と結晶化粒列の粒長との関係を示す特性図、（ｂ）は図５の他の実施例として非晶質シリコン膜の膜厚が５０ｎｍのときの光強度分布の半周期と成長終了点の平均粒幅との関係を示す特性図。 図３の非晶質シリコン膜の膜厚が１００ｎｍの場合に、各光強度勾配と横方向成長を開始する相対光強度との関係をテーブル化して示した模式図。 図７の他の実施例として非晶質シリコン膜の膜厚が５０ｎｍの場合に、各光強度勾配と横方向成長を開始する相対光強度との関係をテーブル化して示した模式図。 （ａ）は光吸収性の材料をキャップ膜に用いる場合（基準条件）における光強度分布の経時変化を説明するための模式図、（ｂ）は基準条件よりも緩やかな光強度勾配とした場合（実施条件１）における光強度分布の経時変化を説明するための模式図、（ｃ）は光透過性の材料をキャップ膜に用いる場合（実施条件２）における光強度分布の経時変化を説明するための模式図。 図３の非晶質シリコン膜の膜厚が５０ｎｍの場合における、Ｖ字型光強度分布の半周期と図２の結晶化粒列の粒長方向の結晶方位との関係をテーブル化して示す逆極点図。 図２の結晶化粒列の粒長方向の結晶方位の一例を示す逆極点図。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の薄膜トランジスタの製造方法をボトムゲート型ＴＦＴの製造方法に適用した実施例を工程順に説明するための断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、他の実施例としてトップゲート型ＴＦＴの製造方法に適用した実施例を工程順に説明するための断面図。 図２のＴＦＴのチャネル領域が形成される結晶化領域の結晶面とＴＦＴの移動度との関係をテーブル化して示す模式図。 本発明の実施形態に係る表示装置を示す概略斜視図。

符号の説明

１：結晶化粒、 ２：結晶化粒列、 ３：結晶成長開始位置非晶質シリコン膜、 ４：結晶化粒、 ５：結晶化粒列、 ６：ＴＦＴ、 ７：結晶粒界、 ８：ゲート絶縁膜、 ９：ゲート電極、 １１：レーザアニール装置、 １２：光学系、 １３：レーザ光軸、 １４：エキシマレーザ発振器、 １９：位相シフタ、 ２１：被処理基板、 ４１：基板、 ４２：下地絶縁膜、 ４３：非晶質シリコン膜 １００：表示装置

Claims (13)

1. (i)基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、
   (ii)前記非単結晶半導体薄膜上に絶縁膜を形成し、
   (iii)前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンを有する周期的な光強度分布を形成する前記結晶化用レーザ光を前記基板に照射し、
   (iv)前記非単結晶半導体薄膜に幅より結晶成長方向に長い形状で結晶化された結晶粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列を形成し、
   (v)前記光強度分布の周期を変化させ、光強度勾配を制御する
   ことを特徴とする結晶化方法。
2. （ａ）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、
   （ｂ）前記非単結晶半導体薄膜上に絶縁膜を形成し、
   （ｃ）レーザ光の光強度分布を前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンとし、かつ、該レーザ光の光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、その光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲に選択し、前記レーザ光を前記基板に照射し、
   （ｄ）前記非単結晶半導体薄膜に幅より結晶成長方向に長い形状で結晶化された結晶粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列を形成することを特徴とする結晶化方法。
3. 前記光強度分布の極大値の相対光強度を１としたとき、極小値の相対光強度を０．４以上０．８以下の範囲に選択することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の結晶化方法。
4. 前記光強度分布の周期を４μｍ以上８０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の結晶化方法。
5. （ａ）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、
   （ｂ）前記非単結晶半導体薄膜上に絶縁膜を形成し、
   （ｃ）レーザ光の光強度分布を前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンとし、かつ、該レーザ光の光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、その光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲に選択し、前記レーザ光を前記基板に照射し、
   （ｄ）前記非単結晶半導体薄膜に幅より結晶成長方向に長い形状で結晶化された結晶粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列を形成し、
   （ｅ）前記結晶化粒の結晶成長方向に電流が流れるように回路を形成する、ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
6. 請求項５の方法を用いて製造された薄膜トランジスタ。
7. 予め定められた画素スイッチング用トランジスタの形成位置に設けられた請求項１乃至４の方法により製造された前記結晶化粒と、
   前記結晶化粒の結晶成長方向に電流が流れるように設けられた前記画素スイッチング用トランジスタの薄膜トランジスタと具備してなることを特徴とする表示装置。
8. （ａ）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、前記非単結晶半導体薄膜の膜厚を４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲に選択し、
   （ｂ）前記非単結晶半導体薄膜上に結晶化用レーザ光の一部を吸収する光吸収性の絶縁膜を形成し、
   （ｃ）レーザ光の光強度分布を前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンとし、かつ、該レーザ光の光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、その光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．０４μｍ^−１以下の範囲に選択し、前記レーザ光を前記基板に照射し、前記非単結晶半導体薄膜の照射領域を結晶化し、
   （ｄ）前記非単結晶半導体薄膜の被照射領域の結晶成長方向の面方位を｛１００｝に優先配向させる、ことを特徴とする結晶化方法。
9. （ａ）基板に直接的または間接的に非単結晶半導体薄膜を形成し、前記非単結晶半導体薄膜の膜厚を４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲に選択し、
   （ｂ）前記非単結晶半導体薄膜上に結晶化用レーザ光を吸収しない光透過性の絶縁膜を形成し、
   （ｃ）レーザ光の光強度分布を前記絶縁膜の照射面上で連続する複数の逆ピークパターンとし、かつ、該レーザ光の光強度分布の極大値の相対光強度を１としたときに、その光強度勾配Ｇを０．０２μｍ^−１以上０．２５μｍ^−１以下の範囲に選択し、前記レーザ光を前記基板に照射し、前記非単結晶半導体薄膜の照射領域を結晶化し、
   （ｄ）前記非単結晶半導体薄膜の被照射領域の面方位を｛１００｝に優先配向させる、ことを特徴とする結晶化方法。
10. 基板と、
    この基板に直接的または間接的に設けられた非単結晶半導体薄膜と、
    この半導体薄膜に設けられた結晶種から横方向に結晶成長して幅より結晶成長方向に長い形状に結晶化された結晶化粒と、
    この結晶化粒が前記幅方向に隣接して配列された結晶化粒列と、
    この結晶化粒列の複数の結晶化粒に跨がり結晶成長方向に電流が流れるように設けられたソース領域およびドレイン領域とからなる薄膜トランジスタであって、
    前記ソース領域およびドレイン領域間に設けられるチャネル領域における電流が流れる方向の結晶面は、{１００}に優先配向していることを特徴とする薄膜トランジスタ。
11. 基板と、
    この基板に直接的または間接的に設けられた非単結晶半導体薄膜と、
    この半導体薄膜に設けられた結晶種から横方向に結晶成長して結晶化された結晶化粒列とからなる半導体装置であって、
    前記結晶化粒列は、幅より結晶成長方向に長い形状の粒が、前記幅方向に隣接して配列され、且つ結晶成長方向の面方位が｛１００｝に優先配向していることを特徴とする半導体装置。
12. 前記結晶化粒は、粒長が２μｍ以上１５μm以下、平均粒幅が０．２μｍ以上０．８μm以下であることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置。
13. 基板と、
    この基板に直接的または間接的に設けられた非単結晶半導体薄膜と、
    この非単結晶半導体薄膜の予め定められた画素スイッチング回路に設けられた結晶種から横方向に結晶成長して幅より結晶成長方向に長い形状に結晶化された結晶化粒と、
    この結晶粒が前記幅方向に隣接して配列され、成長方向の結晶方位が｛１００｝に優先配向した結晶化粒列と、
    この結晶化粒列の複数の結晶化粒に跨がり結晶成長方向に電流が流れるようにソース領域およびドレイン領域が設けられた薄膜トランジスタと、
    を具備してなることを特徴とする表示装置。

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