JP2008244117A - 結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 二回照射法の２回目照射において光強度分布の最低強度と半導体膜の溶融強度との関係を高精度に制御して、２回目照射を良好に且つ安定的に行う結晶化方法。
【解決手段】 所定の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する本発明の結晶化方法は、第１方向に沿って強度勾配を有する光強度勾配分布の光を非単結晶半導体膜に照射する１回目照射工程と、第１方向とほぼ直交する第２方向に沿って光強度がＶ字状に一次元的に変化するＶ字型光強度分布（５１）と、このＶ字型光強度分布の底部において第２方向に沿って光強度がディップ状に一次元的に変化するディップ型光強度分布（５２）との合成分布の光を、非単結晶半導体膜に照射する２回目照射工程とを含む。
【選択図】 図８

Description

本発明は、結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光変調素子に関する。特に、本発明は、所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置および結晶化方法に関するものである。

従来、たとえば液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の表示画素を選択するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ（Thin-Film-Transistor：ＴＦＴ）は、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）や多結晶シリコン（poly-Silicon）を用いて形成されている。

多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子または正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコンを用いてトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンを用いて形成する場合よりも、スイッチング速度が速くなり、ひいてはディスプレイの応答が速くなる。また、周辺ＬＳＩを薄膜トランジスタで構成することが可能になる。さらに、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。また、ドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路をディスプレイに組み入れる場合に、それらの周辺回路をより高速に動作させることができる。

多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるため、例えばＴＦＴトランジスタを形成した場合、チャネル領域に結晶粒界が形成され、この結晶粒界が障壁となり単結晶シリコンに比べると電子または正孔の移動度を低くする。また、多結晶シリコンを用いて形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル部に形成される結晶粒界数が各薄膜トランジスタ間で異なり、これがバラツキとなって液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。そこで、最近、電子または正孔の移動度を向上させ且つチャネル部における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、少なくとも１個のチャネル領域を形成できる大きさの大粒径の結晶化シリコンを生成する結晶化方法が提案されている。

従来、この種の結晶化方法として、位相シフター（光変調素子）にエキシマレーザ光を照射し、それによるフレネル回折像もしくは結像光学系による結像を非単結晶半導体膜（多結晶半導体膜または非単結晶半導体膜）に照射して結晶化半導体膜を生成する「位相制御ＥＬＡ（Excimer Laser Annealing）法」が知られている。位相制御ＥＬＡ法の詳細は、たとえば表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000に開示されている。

位相制御ＥＬＡ法では、位相シフターの位相シフト部に対応する点において光強度が周辺よりも低い逆ピークパターン（中心において光強度が最も低く周囲に向かって光強度が急激に増大するパターン）の光強度分布を発生させ、この逆ピーク状の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射する。その結果、被照射領域内において光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分の近傍に結晶核が形成され、その結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長（以降、「ラテラル成長」または「横方向成長」と呼ぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。

本発明者らは、特許文献１において、第１の位相値を有する第１領域と第２の位相値を有する第２領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有する光変調素子を用いて所定の光強度分布の光を生成し、この所定の光強度分布を有する光を非単結晶半導体に照射することにより結晶化する技術を提案している。特許文献１には、被処理基板に照射されるレーザ光の光強度が閾値であるα値以下の部分では半導体膜（Ｓｉ）は融けることなく非晶質のままか、あるいは半導体膜の表面の一部が溶けるのみでポリシリコンの状態にとどまって結晶成長することなく、α値を越えたところから結晶成長が開始することが開示されている。

また、本発明者らは、特許文献２において、Ｖ字型パターンの光強度勾配分布と一方向に延びる逆ピークパターンの光強度最小分布との合成分布を生成し、この合成分布の光を非単結晶半導体に照射することにより光強度の勾配方向に沿って結晶核からの十分なラテラル成長を実現する技術を提案している。また、上述のような合成分布を生成するための光変調素子として、光強度最小分布を形成する第２パターンが、光強度勾配分布における光強度の勾配方向に沿って延びる複数の帯状領域を有し、互いに隣接する帯状領域は互いに異なる位相値を有する光変調素子を用いる技術を提案している。特許文献２には、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができることが開示されている。この光強度最小分布において、半導体膜は融けることなく非晶質のままか、あるいは半導体膜の表面の一部が溶けるのみである。

特開２００４−３４３０７３号公報 特開２００５−１２９９１５号公報

また、特開２００４−１１９９１９号公報には、所定の光強度分布を利用した半導体膜の結晶化に関して、『さらに図１０に示した走査方法は、結晶の成長する方向が約９０度異なる走査方向を重ねてアニールする方法である。この方法のメリットは、粒径が伸びる方向を２方向としたことで２次元的な粒径の大きい結晶としたことであり、移動度が面内どの方向に対しても大きいということである。』という記載がある。しかしながら、後述するように、この種の二回照射法では、２回目照射において光強度分布の最低強度と半導体膜の溶融強度との関係を高精度に制御することが困難である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、二回照射法の２回目照射において光強度分布の最低強度と半導体膜の溶融強度との関係を高精度に制御して、２回目照射を良好に且つ安定的に行うことのできる結晶化装置および結晶化方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明では、所定の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
第１方向に沿って強度勾配を有する光強度勾配分布の光を前記非単結晶半導体膜に照射する１回目照射工程と、
前記第１方向とほぼ直交する第２方向に沿って光強度がＶ字状に一次元的に変化するＶ字型光強度分布と、該Ｖ字型光強度分布の底部において前記第２方向に沿って光強度がディップ状に一次元的に変化するディップ型光強度分布との合成分布の光を、前記非単結晶半導体膜に照射する２回目照射工程とを含む結晶化方法を提供する。

本発明の第２形態では、第１形態の結晶化方法を用いて製造されたデバイスを提供する。本発明の第３形態では、第１形態の結晶化方法に用いられて前記合成分布の光を形成する光変調素子を提供する。

本発明の第４形態では、入射光に基づいて所定の光強度分布を形成する光変調素子であって、
前記光変調素子の基本パターンは、第１位相値を有する第１領域と第２位相値を有する第２領域との割合が所定方向に沿って単位領域毎に変化する第１基本パターン領域と、前記所定方向に沿って前記第１基本パターン領域に隣接して配置され、前記第１位相値を有する第１領域と第３位相値を有する第３領域との割合が前記所定方向に沿って単位領域毎に変化する第２基本パターン領域とを備え、
前記第１基本パターン領域では、前記単位領域における前記第２領域の占有面積率が、前記第１基本パターン領域と前記第２基本パターン領域との境界線に向かって増大し、
前記第２基本パターン領域では、前記単位領域における前記第３領域の占有面積率が前記境界線に向かって増大している光変調素子を提供する。

本発明の第５形態では、第４形態の光変調素子を介した光に基づいて所定の光強度分布を所定面に形成する結像光学系を備え、前記所定の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置を提供する。

本発明の第６形態では、第４形態の光変調素子を介して生成された所定の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法を提供する。

本発明の結晶化装置および結晶化方法では、二回照射法の２回目照射において光強度分布の最低強度と半導体膜の溶融強度との関係を高精度に制御して、２回目照射を良好に且つ安定的に行うことができる。その結果、本発明では、例えば結晶化半導体膜の上に作製するＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入らないような二次元的に大きい結晶粒を生成することができ、ひいてはトランジスタの移動度を安定に向上させることができる。

以下、本発明の実施形態の説明に先立って、本発明において新たに認識された課題および本発明の基本的な考え方を説明する。特開２００４−１１９９１９号公報には明確に記載されていないが、この公報は次のような内容を含むものと解釈される。この公報に提案された結晶化方法では、１回目の光照射（以下、「１回目照射」という）により、図１の左図に示すように、光強度の山谷（ここで、「山」は光強度の最も高い箇所を表し、「谷」は光強度の最も低い箇所を表している）に応じて一方向（図１の紙面において上下方向）に細長い結晶粒が生成される。図１中の矩形状領域内の多数の実線は結晶粒界を表し、これらの実線で囲まれた空白領域の内部は単結晶であることを表している。

２回目の光照射（以下、「２回目照射」という）では、１回目照射の光強度分布を９０°回転させて得られる光強度分布の光を照射するが、光強度の谷の部分では半導体膜は溶融しないため、その部分の結晶方位が維持された状態で結晶成長する。例えば図１の左図に示すＡＢ、ＢＣ、ＣＤ間は１つの単結晶に含まれ、この部分は同じ結晶方位を保って図１の紙面において水平方向に結晶成長する。その結果、図１の右図に示すような結晶構造が得られることが期待される。

本発明では、後述するように、半導体膜の溶融強度として定義される閾値以上の光が照射される領域では横方向に結晶成長するが、閾値よりも小さい強度の光が照射される領域では半導体膜は全く溶融しないものとみなす。また、本発明では、結晶粒界とはキャリアの著しい散乱を引き起こすランダム粒界を意味するものとし、比較的軽微な散乱しか引き起こさない双晶粒界は無視するものとする。この結晶粒界は、結晶の成長方向に対して完全に平行にはならず斜めになる。また、この結晶粒界の角度分布はランダムであり、１回目照射と２回目照射とで変わらない。

図１の左図と右図とを比較すると、１回目照射よりも２回目照射の方が結晶粒界の密度が小さくなることが分かる。これらの結晶の上にトランジスタを作製する場合、キャリアが結晶粒界により散乱されにくくするために、チャネル方向が結晶の成長方向と平行になるようにトランジスタを作製する。このとき、１回目照射後にトランジスタを作製した場合に得られる構造は図２（ａ）に示す通りであり、２回目照射後にトランジスタを作製した場合に得られる構造は図２（ｂ）に示す通りである。

キャリアがチャネル方向（図２の紙面において水平方向）に完全に平行に移動するものと考えると、キャリアが結晶粒界３０に衝突する確率は、ソースＳＯとドレインＤＲとの間のチャネルＣＨをチャネル方向に投影した像の面積Ａａと結晶粒界をチャネル方向に投影した像の面積Ａｂ，Ａｃとの面積比Ａｂ／Ａａ，Ａｃ／Ａａに等しい。この面積比の値を「投影粒界密度」と名づけてＲで表す。図２（ａ）および（ｂ）から分かるように、Ｒは近似的に結晶粒界３０の密度に比例する。トランジスタにおける移動度μは、近似的に次の式（１）で表される。
μ＝μ₀−ｋ×Ｒ （１）

式（１）において、μ₀は結晶粒界が全くない場合の移動度であり、ｋは比例定数であり、Ｒは投影粒界密度である。図２（ａ）と図２（ｂ）とを比較すると、１回目照射後よりも２回目照射後の方が投影粒界密度Ｒは低くなり、ひいては移動度μが高くなるので、２回目照射後にトランジスタを作製することが望ましいことがわかる。このように光強度分布の勾配方向を９０度回転させて２回光照射を行う「二回照射法」の考え方は、特開２００４−１１９９１９号公報以外の文献などにも開示されており、既に公知である。

２回目照射では、Ｖ字型の光強度勾配分布の底の光強度（以下、「最低強度」と呼ぶ）が、非単結晶半導体膜が溶融する光強度（以下、「溶融強度」と呼ぶ）よりも僅かに低いことが重要である。図３に模式的に示すように、２回目照射のための光強度勾配分布の最低強度３１が半導体膜の溶融強度３２よりも低過ぎると、半導体膜の非溶融部分３３では１回目照射後に得られた結晶構造が２回目照射後にもそのまま幅広く残ってしまう。この非溶融部分３３は、２回目照射での結晶成長方向（図３の紙面において水平方向）にほぼ垂直な粒界が存在する可能性があるため、チャネルに含めることができない。その結果、チャネルとして使用可能な領域を十分に確保することができない。

また、図４に模式的に示すように、２回目照射のための光強度勾配分布の最低強度３１が半導体膜の溶融強度３２よりも高いと、半導体膜の全面が溶融してしまい、２回目照射後には１回目照射後と同様の結晶構造しか得られない。２回目照射後に良好な結晶構造を得るには、図５に模式的に示すように、２回目照射のための光強度勾配分布の最低強度３１を半導体膜の溶融強度３２よりも僅かに小さく設定することが求められる。この場合、２回目照射後に非溶融部分がほとんど発生しないので、２回目照射での結晶成長方向（図５の紙面において水平方向）にほぼ垂直な粒界が存在する可能性が小さくなり、チャネルとして使用可能な領域を十分に確保することができる。

以上のように、二回照射法では、２回目照射において光強度勾配分布の最低強度と半導体膜の溶融強度との関係を高精度に制御することが求められる。しかしながら、光源の出力強度の変動、光学系の劣化・変化、光変調素子の作製誤差などに起因して、光強度勾配分布の最低強度は変動し易い。特に、結晶化装置の光源に好適なエキシマレーザでは、パルス毎に光強度が変動し易いことが知られている。また、半導体膜の溶融強度（概ね数百ｍＪ／ｃｍ²）も、アモルファス結晶膜およびその上下層の膜厚・材質により変化し易い。そのため、二回照射法において２回目照射を良好に且つ安定的に行うことは困難である。

ちなみに、１回目照射においては、光強度勾配分布の最低強度と半導体膜の溶融強度との関係を高精度に制御することは求められない。最低強度が低過ぎると底の部分が溶融することなく非単結晶のまま残ってしまうが、最低強度が高過ぎる分には半導体膜の全面が溶融しても、最終的には最低強度に対応する領域から結晶成長が開始するからである。このように、１回目照射では、光強度勾配分布の最低強度を半導体膜の溶融強度よりもある程度高めに設定すれば、特に問題は発生しない。

以下、本発明では、二回照射法における２回目照射を良好に且つ安定的に行うために、所定方向に沿って光強度がＶ字状に一次元的に変化するＶ字型光強度分布と、このＶ字型光強度分布の底部において上記所定方向に沿って光強度がディップ状に一次元的に変化するディップ型光強度分布との合成分布の光を、２回目照射時に非単結晶半導体膜に照射する手法を提案する。また、本発明では、Ｖ字型光強度分布とディップ型光強度分布との合成分布の光を生成するための光変調素子の具体的な構成を提案する。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図６は、本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。図７は、図６の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図６および図７を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、入射光束を位相変調して所定の光強度分布を有する光束を形成するための光変調素子１と、光変調素子１を照明するための照明系２と、結像光学系３と、被処理基板４を保持するための基板ステージ５とを備えている。

光変調素子１の構成および作用については後述する。照明系２は、たとえば３０８ｎｍの波長を有するレーザ光を供給するＸｅＣｌエキシマレーザ光源２ａを備えている。光源２ａとして、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のように被処理基板４を溶融するエネルギー光線を出射する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。

こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の小光源が形成され、これらの複数の小光源からの光束は第１コンデンサー光学系２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の小光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の小光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、光変調素子１を重畳的に照明する。

第１フライアイレンズ２ｃと第１コンデンサー光学系２ｄとにより、第１ホモジナイザが構成されている。この第１ホモジナイザにより、光源２ａから射出されたレーザ光について、光変調素子１上での入射角度に関する均一化が図られる。また、第２フライアイレンズ２ｅと第２コンデンサー光学系２ｆとにより、第２ホモジナイザが構成されている。この第２ホモジナイザにより、第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について、光変調素子１上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。

光変調素子１により位相変調されたレーザ光は、結像光学系３を介して、被処理基板４に入射する。ここで、結像光学系３は、光変調素子１の位相パターン面と被処理基板４とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板４（厳密には被処理基板４の被照射面）は、光変調素子１の位相パターン面と光学的に共役な面（結像光学系３の像面）に設定されている。

結像光学系３は、例えば、正レンズ群３ａと、正レンズ群３ｂと、これらのレンズ群の間に配置された開口絞り３ｃとを備えている。開口絞り３ｃの開口部（光透過部）の大きさ（ひいては結像光学系３の像側開口数ＮＡ）は、被処理基板４の半導体膜上（被照射面）において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。なお、結像光学系３は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。

被処理基板４は、基板上に、下層絶縁膜、非単結晶半導体薄膜、上層絶縁膜の順に成膜することにより構成されている。さらに詳細には、本実施形態では、被処理基板４は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラスの上に、化学気相成長法（ＣＶＤ）により、下地絶縁膜、非単結晶半導体膜（例えば非晶質シリコン膜）、およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜およびキャップ膜は、絶縁膜、例えばＳｉＯ₂膜である。下地絶縁膜は、非晶質シリコン膜とガラス基板とが直接接触して、ガラス基板中のＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜の熱が直接ガラス基板に伝わるのを防止する。

非晶質シリコン膜は、結晶化される半導体膜である。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板４は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ５上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。

図８は、本実施形態にかかる光変調素子の構成、およびこの光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。本実施形態の光変調素子１は、図８の上図に示すように、基本パターン領域１Ａと基本パターン領域１Ｂとの一方向（図８の紙面において水平方向）に沿った繰り返し構造により構成されている。基本パターン領域１Ａでは、図中斜線部で示す矩形状の領域１Ａａが＋６０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１Ａｂが０度の位相値を有する。

基本パターン領域１Ｂでは、図中斜線部で示す矩形状の領域１Ｂａが−６０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１Ｂｂが０度の位相値を有する。本明細書では、光変調素子の説明において位相値を用いる場合、その値は光が光変調素子を通過するときの位相変調量を表し、位相進みの方向を正とする。例えば、基準となる位相値０度に対して、＋６０度は位相進みを、−６０度は位相遅れを意味する。これらの位相変調は、例えば光透過性基板の表面の凹凸形状などにより実現される。

基本パターン領域１Ａおよび１Ｂのピッチは、結像光学系３の像面換算で１１μｍである。換言すると、基本パターン領域１Ａおよび１Ｂでは、結像光学系３の像面換算で１μｍ×１μｍのサイズを有する正方形状のセル（単位領域）が、縦横に且つ稠密に５個×１１個並んでいる。ここで、結像光学系３の像面換算でのセルのサイズ１μｍ×１μｍは、結像光学系３の点像分布範囲の直径、すなわち１．２２λ／ＮＡ（λは光の波長、ＮＡは結像光学系３の像側開口数）よりも小さく設定されている。

基本パターン領域１Ａでは、各セルにおける領域１Ａａの占有面積率（すなわち各セルにおける領域１Ａａと１Ａｂとの割合）が、基本パターン領域のピッチ方向（図８の紙面において水平方向）に沿って変化している。さらに具体的には、ピッチ方向に沿った領域１Ａａの占有面積率は、基本パターン領域１Ａの中央において最も小さく、その両端すなわち基本パターン領域１Ａと１Ｂとの境界線に向かって単調に増大している。別の表現をすれば、基本パターン領域１Ａでは、単位領域であるセルにおける領域１Ａａの占有面積率が、上記境界線の近傍において０．５に近づくように増大しており、上記境界線に隣接するセルにおける領域１Ａａの占有面積率は０．５である。

同様に、基本パターン領域１Ｂでは、各セルにおける領域１Ｂａの占有面積率（すなわち各セルにおける領域１Ｂａと１Ｂｂとの割合）が、基本パターン領域のピッチ方向に沿って変化している。さらに具体的には、ピッチ方向に沿った領域１Ｂａの占有面積率は、基本パターン領域１Ｂの中央において最も小さく、その両端すなわち上記境界線に向かって単調に増大している。別の表現をすれば、基本パターン領域１Ｂでは、単位領域であるセルにおける領域１Ｂａの占有面積率が、上記境界線の近傍において０．５に近づくように増大しており、上記境界線に隣接するセルにおける領域１Ｂａの占有面積率は０．５である。

図８の上図において模式的に示すように、ピッチ方向に沿って基本パターン領域１Ａの中央近傍の位置する領域４１では、この領域４１を介して得られる像面での光の複素振幅に対応するベクトル和４１ａがほぼ最大になっている。ここで、図中の点線の円は点像分布範囲を表し、この中での光変調量の積分が、近似的に像面での光の複素振幅に比例する。上記のベクトル和はこの積分を模式的に表すものである。基本パターン領域１Ａと１Ｂとの境界線上に位置する領域４４では、この領域４４を介して得られる光強度に対応するベクトル和４４ａが最小になっている。ピッチ方向に沿って領域４１と４４との間に位置する領域４２では、この領域４２を介して得られる光強度に対応するベクトル和４２ａがベクトル和４１ａよりも小さくベクトル和４４ａよりも大きくなっている。ピッチ方向に沿って領域４２と４４との間に位置する領域４３では、この領域４３を介して得られる光強度に対応するベクトル和４３ａがベクトル和４２ａよりも小さくベクトル和４４ａよりも大きくなっている。

本実施形態では、図８の上図に示す光変調素子１を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計算により求めた。計算条件は、以下の通りである。すなわち、光の波長λは３０８ｎｍであり、結像光学系３の像側開口数ＮＡは０．１５であり、コヒーレンスファクター（照明σ値；照明系２の射出側開口数／結像光学系３の物体側開口数）は０．５であり、結像光学系３の結像倍率は１／５である。したがって、結像光学系３の物体側開口数は０．０３である。

本実施形態では、計算の結果、図８の下図に示すような光強度分布が得られた。図８の下図では、縦軸が無変調のときの光強度を１に規格化したときの光強度（すなわち光強度分布の最大値を１に規格化したときの光強度）を、横軸が被処理基板４上の位置を示している。また、図８の上図に示す光変調素子１を実際に作製し、作製した光変調素子１および結像光学系３を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計測した。計測の結果、図８の下図に示す光強度分布とほぼ同じ結果を得た。

図８の下図を参照すると、光変調素子１を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布は、基本パターン領域１Ａ，１Ｂのピッチ方向に沿って光強度がＶ字状に一次元的に変化するＶ字型光強度分布５１と、このＶ字型光強度分布５１の底部においてピッチ方向に沿って光強度がディップ状（急激に降下した直後に急激に上昇する状態）に一次元的に変化するディップ型光強度分布５２との合成分布である。この場合、半導体膜の溶融強度が例えば０．５５と０．７５との間で０．２程度の強度範囲に亘って変化しても、非溶融領域の幅があまり大きく変動することなく比較的狭く維持されることがわかる。図８の下図では、図面の明瞭化のために、溶融強度が０．６５の場合に形成される非溶融領域の幅を破線で示している。

図９は、比較例にかかる光変調素子の構成、およびこの光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。比較例の光変調素子１０は、光変調素子１を用いて形成されるＶ字型光強度分布５１とほぼ同じ勾配のＶ字型光強度分布が得られるように設計されている。具体的に、光変調素子１０は、図９の上図に示すように、基本パターン領域１０Ａの一方向（図９の紙面において水平方向）に沿った繰り返し構造により構成されている。

基本パターン領域１０Ａでは、図中斜線部で示す矩形状の領域１０Ａａが＋６０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１０Ａｂが０度の位相値を有する。基本パターン領域１０Ａのピッチは、結像光学系３の像面換算で１１μｍである。換言すると、基本パターン領域１０Ａでは、結像光学系３の像面換算で１μｍ×１μｍのサイズを有する正方形状のセル（単位領域）が、縦横に且つ稠密に５個×１１個並んでいる。

基本パターン領域１０Ａでは、各セルにおける領域１０Ａａの占有面積率（すなわち各セルにおける領域１０Ａａと１０Ａｂとの割合）が、基本パターン領域１０Ａのピッチ方向（図９の紙面において水平方向）に沿って変化している。さらに具体的には、ピッチ方向に沿った領域１０Ａａの占有面積率は、その中央において最も大きく、その両端に向かって単調に減少している。

比較例では、図９の上図に示す光変調素子１０を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計算により求めた。計算条件は、上述の実施形態における条件と同じである。比較例では、計算の結果、図９の下図に示すように、本実施形態の光変調素子１を用いて形成されるＶ字型光強度分布５１とほぼ同じ勾配のＶ字型光強度分布５３が得られた。図９の下図では、図８の下図と同様に、縦軸が規格化された光強度を、横軸が被処理基板４上の位置を示している。

また、図９の上図に示す光変調素子１０を実際に作製し、作製した光変調素子１０および結像光学系３を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計測した。計測の結果、図９の下図に示す光強度分布とほぼ同じ結果を得た。比較例の場合、半導体膜の溶融強度が上述の実施形態と同じ０．２程度の強度範囲に亘って、例えば０．６と０．８との間で変化すると、例えば溶融強度が０．８の場合に非溶融領域の幅が非常に大きくなったり、例えば溶融強度が０．６〜約０．７の場合に非溶融領域が全く生成されなかったりすることがわかる。

本実施形態では、光変調素子１および被処理基板４を実際に作製し、作製した被処理基板４に対して二回照射実験を行った。比較例では、光変調素子１０および被処理基板４を実際に作製し、作製した被処理基板４に対して二回照射実験を行った。被処理基板４の作製に際して、厚さ７００μｍのガラス基板を準備し、プラズマＣＶＤにより、ガラス基板の上に下層絶縁膜として厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成し、下層絶縁膜の上に非単結晶半導体膜として厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン膜を形成し、非単結晶半導体膜の上に上層絶縁膜（キャップ膜）として厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成した。このように、被処理基板４と非単結晶半導体膜とは一体的なものである。

本実施形態では、６００ｍＪ／ｃｍ²のフルエンスで光変調素子１を用いて１回目照射を行い、被処理基板４を９０度だけ回転させた後に、６００ｍＪ／ｃｍ²のフルエンスで同じく光変調素子１を用いて２回目照射を行った。このフルエンスは、結晶構造が安定に得られる条件であって、図８の下図における溶融強度０．６５に相当している。その後、被処理基板４の最表面のＳｉＯ₂膜（キャップ膜）をドライエッチングにより除去し、ＭＯＳ型ＴＦＴを作製し、作製したトランジスタの移動度を測定した。

比較例においても本実施形態と同様に、６００ｍＪ／ｃｍ²のフルエンスで光変調素子１０を用いて１回目照射を行い、被処理基板４を９０度だけ回転させた後に、６００ｍＪ／ｃｍ²のフルエンスで同じく光変調素子１０を用いて２回目照射を行った。その後、被処理基板４の最表面のＳｉＯ₂膜（キャップ膜）をドライエッチングにより除去し、ＭＯＳ型ＴＦＴを作製し、作製したトランジスタの移動度を測定した。

２回目照射後に得られた結晶構造を透過電子線顕微鏡にて観察したところ、光変調素子１０を用いた比較例では、図３および図４に模式的に示すような好ましくない結晶構造と図５に模式的に示すような良好な結晶構造とが混在し、結晶の形態に大きなバラツキが見られた。これに対し、光変調素子１を用いた本実施形態では、図５に模式的に示すような良好な結晶構造が支配的であった。また、２回目照射後に作製したトランジスタの移動度を測定したところ、光変調素子１０を用いた比較例では移動度に大きなバラツキが見られたが、光変調素子１を用いた本実施形態では移動度のバラツキは極めて小さかった。また、このとき、パルスごとの光出力強度の変動率が±２．５％のレーザを用いたが、比較例ではパルスごとに結晶構造に変動が見られたものの、本実施形態では安定した結晶構造が得られた。

以上のように、本実施形態では、二回照射法の２回目照射に際して、図８の上図に示すような構成を有する光変調素子１を用いて、Ｖ字型光強度分布５１とディップ型光強度分布５２との合成分布の光を生成し、この合成分布の光を被処理基板４の非単結晶半導体膜に照射している。したがって、光強度分布の最低強度および半導体膜の溶融強度がある程度変動しても、２回目照射直後に非単結晶半導体膜上に生成される非溶融領域の幅があまり大きく変動することなく比較的狭く維持される。その結果、本実施形態では、光強度分布の最低強度と半導体膜の溶融強度との関係を高精度に制御して、２回目照射を良好に且つ安定的に行うことができるので、例えば結晶化半導体膜の上に作製するＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が入らないような二次元的に大きい結晶粒を生成することができ、ひいてはトランジスタの移動度を安定に向上させることができる。

なお、上述の実施形態では、光変調素子１を用いて１回目照射を行った後に、同じく光変調素子１を用いて２回目照射を行っている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば比較例にかかる光変調素子１０を用いて１回目照射を行い、本実施形態にかかる光変調素子１を用いて２回目照射を行っても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。換言すると、１回目照射と２回目照射とで同一の光変調素子を用いることもできるし、１回目照射と２回目照射とで異なる光変調素子を用いることもできる。

なお、上述の実施形態では、１回目照射と２回目照射との間に被処理基板４を９０度だけ回転させている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば１回目照射と２回目照射とで同じ光変調素子を用いる場合、１回目照射と２回目照射との間に光変調素子を約９０度回転させてもよい。さらに一般的には、１回目照射と２回目照射との間に、光変調素子と被処理基板の非単結晶半導体膜とを所定の回転軸線廻りに約９０度相対的に回転させてもよい。

図１０は、本実施形態の結晶化装置を用いて結晶化された領域に電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。図１０（ａ）に示すように、透明の絶縁基板８０（例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなど）の上に、下地膜８１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮおよび膜厚１００ｎｍのＳｉＯ₂積層膜など）および非晶質半導体膜８２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなどの半導体の膜）および不図示のキャップ膜８２ａ（例えば、膜厚３０ｎｍ〜３００ｎｍのＳｉＯ₂膜など）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜した被処理基板５を準備する。

そして、本実施形態にしたがう結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の予め定められた領域に、レーザ光８３（例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光やＸｅＣｌエキシマレーザ光など）を照射する。こうして、図１０（ｂ）に示すように、大粒径の結晶を有する多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４が生成される。次に、キャップ膜８２ａをエッチングにより半導体膜８４から除去した後、図１０（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４を例えば薄膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜８５に加工し、表面にゲート絶縁膜８６として膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ₂膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜する。

さらに、図１０（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極８７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を形成し、ゲート電極８７をマスクにして不純物イオン８８（Ｎチャネルトランジスタの場合にはリン、Ｐチャネルトランジスタの場合にはホウ素）をイオン注入する。その後、窒素雰囲気でアニール処理（例えば、４５０°Ｃで１時間）を行い、不純物を活性化して島状の半導体膜８５にソース領域９１、ドレイン領域９２を形成する。次に、図１０（ｅ）に示すように、層間絶縁膜８９を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル９０でつながるソース９１およびドレイン９２に接続するソース電極９３およびドレイン電極９４を形成する。

以上の工程において、図１０（ａ）および（ｂ）に示す工程で生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４の大粒径結晶の位置に合わせて、即ち、結晶粒内にチャネル９０を形成する。以上の工程により、多結晶トランジスタまたは単結晶化半導体に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成することができる。こうして製造された多結晶トランジスタまたは単結晶化トランジスタは、液晶表示装置（ディスプレイ）やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなどの駆動回路や、メモリ（ＳＲＡＭやＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路などに適用可能である。

通常の二回照射法により得られる結晶構造を模式的に示す図である。 （ａ）は図１の１回目照射後にトランジスタを作製した場合に得られる構造を、（ｂ）は図１の２回目照射後にトランジスタを作製した場合に得られる構造を示す図である。 ２回目照射の光強度分布の最低強度が溶融強度よりも低過ぎる場合に得られる結晶構造を模式的に示す図である。 ２回目照射の光強度分布の最低強度が溶融強度よりも高い場合に得られる結晶構造を模式的に示す図である。 ２回目照射の光強度分布の最低強度が溶融強度よりも僅かに低い場合に得られる結晶構造を模式的に示す図である。 本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。 図６の照明系の内部構成を概略的に示す図である。 本実施形態にかかる光変調素子の構成、およびこの光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 比較例にかかる光変調素子の構成、およびこの光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 本実施形態の結晶化装置を用いて電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。

符号の説明

１ 光変調素子
２ 照明系
２ａ 光源
２ｂ ビームエキスパンダ
２ｃ，２ｅ フライアイレンズ
２ｄ，２ｆ コンデンサー光学系
３ 結像光学系
４ 被処理基板
５ 基板ステージ

Claims (13)

1. 所定の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
   第１方向に沿って強度勾配を有する光強度勾配分布の光を前記非単結晶半導体膜に照射する１回目照射工程と、
   前記第１方向とほぼ直交する第２方向に沿って光強度がＶ字状に一次元的に変化するＶ字型光強度分布と、該Ｖ字型光強度分布の底部において前記第２方向に沿って光強度がディップ状に一次元的に変化するディップ型光強度分布との合成分布の光を、前記非単結晶半導体膜に照射する２回目照射工程とを含む結晶化方法。
2. 前記１回目照射工程と前記２回目照射工程との間に、前記非単結晶半導体膜を所定の回転軸線廻りに約９０度回転させる工程を含む請求項１に記載の結晶化方法。
3. 前記１回目照射工程では、第１の光変調素子を介して生成された前記光強度勾配分布の光を前記非単結晶半導体膜に照射し、
   前記２回目照射工程では、第２の光変調素子を介して生成された前記合成分布の光を前記非単結晶半導体膜に照射する請求項１または２に記載の結晶化方法。
4. 前記１回目照射工程と前記２回目照射工程とで同じ光変調素子を用いる請求項３に記載の結晶化方法。
5. 前記１回目照射工程と前記２回目照射工程との間に、前記光変調素子と前記非単結晶半導体膜とを所定の回転軸線廻りに約９０度相対的に回転させる工程を含む請求項４に記載の結晶化方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化方法を用いて製造されたデバイス。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化方法に用いられて前記合成分布の光を形成する光変調素子。
8. 入射光に基づいて所定の光強度分布を形成する光変調素子であって、
   前記光変調素子の基本パターンは、第１位相値を有する第１領域と第２位相値を有する第２領域との割合が所定方向に沿って単位領域毎に変化する第１基本パターン領域と、前記所定方向に沿って前記第１基本パターン領域に隣接して配置され、前記第１位相値を有する第１領域と第３位相値を有する第３領域との割合が前記所定方向に沿って単位領域毎に変化する第２基本パターン領域とを備え、
   前記第１基本パターン領域では、前記単位領域における前記第２領域の占有面積率が、前記第１基本パターン領域と前記第２基本パターン領域との境界線に向かって増大し、
   前記第２基本パターン領域では、前記単位領域における前記第３領域の占有面積率が前記境界線に向かって増大している光変調素子。
9. 前記第１基本パターン領域および前記第２基本パターン領域では、前記占有面積率が前記境界線の近傍において０．５に近づくように単調に増大している請求項８に記載の光変調素子。
10. 前記第１位相値に対する前記第２位相値の相対位相量と、前記第１位相値に対する前記第３位相値の相対位相量とは、その絶対値が互いに等しく且つ符号が異なる請求項８または９に記載の光変調素子。
11. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の光変調素子を介した光に基づいて所定の光強度分布を所定面に形成する結像光学系を備え、前記所定の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。
12. 前記結像光学系の像面換算による前記単位領域の大きさは、前記結像光学系の点像分布範囲の直径よりも小さい請求項１１に記載の結晶化装置。
13. 請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の光変調素子を介して生成された所定の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法。

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