JP2009099797A - 半導体薄膜の結晶化方法、薄膜半導体装置の製造方法及び液晶表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶化するためのエネルギー線のエネルギー量のばらつきが不規則に発生しても比較的安定した大きさの結晶化領域や良質の２次元結晶を得ることの可能な半導体薄膜の結晶化方法、良好な特性を有する薄膜半導体装置の製造方法及び液晶表示装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】非単結晶半導体薄膜に周期的な強度分布を有するパルスエネルギー線を照射して、前記半導体薄膜の照射された部分を溶解し、前記パルスエネルギー線の遮断後凝固させることにより、前記パルスエネルギー線照射領域内のエネルギー強度が極小である付近に発生する結晶核から放射状に結晶を成長させて２次元結晶化領域を形成する半導体薄膜の結晶化方法であって、前記パルスエネルギー線の照射は、前記半導体薄膜の第１の照射位置に第１のエネルギー線を照射する第１の照射工程と、前記第１の照射位置からずらし、少なくとも前記結晶核を含む第２の照射位置に第２のエネルギー線を照射する第２の照射工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、半導体薄膜の結晶化方法、薄膜半導体装置の製造方法及び液晶表示装置の製造方法に係り、特に、位相変調レーザ光を用いた半導体薄膜の結晶化方法に関する。

近年、平面表示装置の一つとして液晶表示パネルが広く普及している。液晶表示パネルの中でも、画素ごとにスイッチング素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けたＴＦＴ−ＬＣＤが多く採用され、携帯端末、モニター、テレビなどに使用されている。ＴＦＴ−ＬＣＤのうち、ＴＦＴの活性層として多結晶シリコン薄膜を採用し、ＴＦＴの駆動能力を高めたものも実用化されている。この多結晶シリコンＴＦＴの採用により、ＬＣＤパネルの駆動回路の一部をガラス基板上に形成することが可能になり、部品点数の削減によるコスト削減や狭額縁化などの効果を得ることが出来る。

多結晶シリコン薄膜の形成には、非晶質シリコンにエキシマレーザ光を照射して当該領域を溶融し、結晶化するエキシマレーザアニール法が実用化されている。この方法では、被処理基板が溶融温度に上昇するが、狭い領域に瞬間的な加熱温度となるため熱損傷を与えずに非晶質シリコンを結晶化することが出来るので、安価なガラス基板を使用することが出来るとともに、粒径０．１から１μｍ程度の多結晶シリコンを形成することができる。

しかし、回路の高集積化、低消費電力、高速化などのためには、多結晶シリコンの高品質化が重要であり、前述の粒径１μｍ程度の多結晶シリコンでは、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が存在するために移動度が低下し、また、同一基板上に同一プロセスで形成されたＴＦＴ間に性能のばらつきが発生してしまう。

このため、多結晶シリコンの大粒径化を目的とした結晶化技術の開発が行われている。大粒径化の手段として、例えばＳＬＳ法がある。ＳＬＳ法では、図１６に示すように、光源から出射されたレーザ光は、照明光学系を通してメタルマスクを照明し、メタルマスクにより所定の光強度分布にされたレーザ光が投影光学系を通してサンプルを照射する。メタルマスクで形成された光強度分布の一例を図１７に示す。図１７（ａ）は、遮光部１０１と透過部１０２を有するメタルマスクを示し、図１７（ｂ）はこのメタルマスクを通過したレーザ光の光強度分布１０３を示す。

このようなＳＬＳ法では、メタルマスクの遮光部１０１と透過部１０２の境界に対応する領域に固体のシリコン（または非晶質シリコン）と溶融シリコンの界面(固液界面)が発生して、そこから透過部の中心へ向かって結晶が成長する。

大粒径化の他の例として、本出願人が開発中の位相変調エキシマレーザ結晶化法がある（例えば、特許文献１、２、及び３参照）。その一例を図１８に示す。位相変調エキシマレーザ結晶化法では、光強度分布の形成に図１９（ａ）に示す位相変調素子（位相シフター）を使用する。位相変調素子で形成された光強度分布の一例を図１９（ｂ）に示す。位相変調素子２０１は、石英などの透明基板に凹凸を形成して入射光を位相変調する光学素子である。この位相変調素子２０１を通過したレーザ光は、図１９（ｂ）に示すような逆ピークパターン状の光強度分布２０２に形成される。
特開２００５−５６９４９号公報 特開２００５−６４０７９号公報 特開２００５−３１７９３８号公報

前述のＳＬＳ法では、入射するレーザ光の半分近くを金属マスクの遮光部１０１で遮光するために、レーザ光の利用効率が低く、そのため結晶化の処理時間が長くなるという問題がある。また、結晶粒の面方位がばらつくために、ＴＦＴの特性にもばらつきが生じてしまう。

これに対し、位相変調エキシマレーザ結晶化法では、入射するレーザ光を遮光することなく光強度の最小・最大の比を位相変調素子の位相差によって入射光を位相変調して逆ピークパターン状の光強度分布２０２を形成することが出来る。加えて、位相変調エキシマレーザ結晶化法は、結晶粒の長さや幅方向など、所望する結晶形状に合わせた位相変調素子を作製することが出来るという利点がある。

しかし、一般に、エキシマレーザは、パルスごとのエネルギー量のばらつきが大きく、このエネルギー量のばらつきが不規則に発生する。このようなエキシマレーザ光を非単結晶半導体膜に照射することは、非単結晶半導体膜に形成される結晶化領域の大きさ、形状、品質に悪影響を及ぼすという問題がある。特に、液晶表示装置の表示回路の形成のため、ガラス基板に直接非晶質シリコン膜を形成し、このシリコン膜にレーザ光を照射して結晶化し、薄膜トランジスタを形成する場合、１ｍ角のガラス基板１枚に対して数万発のレーザ光を照射する必要がある。

従って、パルスごとにエネルギー量がばらつくエキシマレーザ光による結晶化は、高画質の表示装置を製造できないという問題がある。

位相変調エキシマレーザ結晶化法では、照射された部分の光強度が最も弱い場所において非晶質シリコンが完全に溶融するようにフルエンス(エネルギー密度)を設定する場合があるが、このフルエンスの設定は、光路中に設けた減衰器によって調整する。光強度が最も弱い場所に結晶核が発生するので、この点が結晶成長の開始点となる。ところが、レーザ発振器のエネルギーがばらついて設定より低いフルエンスのパルスが照射されると、結晶核となるべき光強度の最小の部分で非晶質シリコンが完全に溶融せず、その部分に微細な結晶粒の集合領域が発生してしまう。このような微細な結晶粒の集合領域に作製されたＴＦＴは、移動度が低下するなど特性が良好でなく、ＴＦＴ間の特性もばらついてしまうと言う問題がある。

さらに上記したように、本出願人は、位相変調エキシマレーザ結晶化法を工業化するための量産技術を開発中である。位相変調エキシマレーザ結晶化法でパルスごとのエネルギー量のばらつきが大きく、しかも不規則に発生するエキシマレーザ出力のばらつき対策として本出願人は、特許文献４に記載された方法を出願している。即ち、この方法は、エキシマレーザの出力変動を検出し、検出された照射領域にエキシマレーザ光を再照射して適性な結晶化領域を得る方法である。
特開２００６−１１０５８３号公報 本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、結晶化するためのエネルギー線のエネルギー量のばらつきが不規則に発生しても比較的安定した大きさの結晶化領域や良質の２次元結晶を得ることの可能な半導体薄膜の結晶化方法、良好な特性を有する薄膜半導体装置の製造方法及び液晶表示装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、非単結晶半導体薄膜に周期的な強度分布を有するパルスエネルギー線を照射して、前記半導体薄膜の照射された部分を溶解し、前記パルスエネルギー線の遮断後凝固させることにより、前記パルスエネルギー線照射領域内のエネルギー強度が極小である付近に発生する結晶核から放射状に結晶を成長させて２次元結晶化領域を形成する半導体薄膜の結晶化方法であって、前記パルスエネルギー線の照射は、前記半導体薄膜の第１の照射位置に第１のエネルギー線を照射する第１の照射工程と、前記第１の照射位置からずらし、少なくとも前記結晶核を含む第２の照射位置に第２のエネルギー線を照射する第２の照射工程とを含むことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法を提供する。

このような半導体薄膜の結晶化方法において、前記第１のエネルギー線と、前記第２のエネルギー線とは、等しい周期の強度分布を有するものとすることができる。

前記第１および第２のエネルギー線として、エキシマレーザ光を用いることができる。

前記第１および第２のエネルギー線の光強度分布を、位相変調素子によって形成することができる。

また、前記第１および第２のエネルギー線の一つのパルス光により照射される前記非単結晶半導体薄膜には、前記第１および第２の各エネルギー線により照射される被照射面が、同一面積の方形状で且つ僅かに位置づれしており、結晶化された領域の形状が重畳した２次元結晶化領域が形成されるものとすることができる。

本発明の第２の態様は、上述した半導体薄膜の結晶化方法により、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化して形成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具備することを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の第３の態様は、上述した半導体薄膜の結晶化方法により、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化して形成された結晶化領域に液晶駆動用薄膜トランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする液晶表示装置の製造方法を提供する。

本発明の第３の態様は、非単結晶半導体薄膜を溶融する光強度のパルスレーザ光ビームを出射するレーザ光源と、このレーザ光源の出射光路に設けられレーザ光ビームの面内光強度を均一化するホモジナイザと、このホモジナイザの出射光路に設けられ均一化されたレーザ光ビームを位相変調してＶ字型の光強度分布のレーザ光を出射する位相シフタと、この位相シフタの出射光路に設けられた結像光学系と、この結像光学系の結像位置で且つ予め定められた照射位置に位置合わせするように被結晶化基板を支持するＸ−Ｙ−Ｚ−θテーブルとを具備し、前記Ｘ−Ｙ−Ｚ−θテーブルは、前記被結晶化基板の予め定められた第１の結晶化位置が第１のパルスレーザ光を受光する位置に移動制御する第１の移動制御機構と、前記第１の移動制御機構が前記被結晶化基板を第１の結晶化位置に移動させた後、前記レーザ光源を制御してパルスレーザ光を出射制御する制御回路と、第１のパルスレーザ光を前記被結晶化基板が受光後、第１のパルスレーザ光照射により生じた結晶核を含む第２のパルスレーザ光を受光する位置に移動制御する第２の移動制御機構とを備えることを特徴とする結晶化装置を提供する。

本発明によれば、結晶化するためのエネルギー線のエネルギー量のばらつきが不規則に発生しても比較的安定した大きさの結晶化領域や良質の２次元結晶成長領域を得ることができる。さらに、第１のエネルギー線と第２のエネルギー線とを照射位置をずらして照射しているため、中央部の結晶核領域も結晶化することができる。

以下、本発明半導体薄膜の結晶化方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１の実施形態
この実施形態の半導体薄膜の結晶化方法は、非晶質半導体薄膜または多結晶半導体薄膜などの非単結晶半導体薄膜に周期的な強度分布を有するパルスエネルギー線を照射して、この照射領域の中央部の結晶核から放射状に結晶を成長させて２次元結晶化領域を形成する半導体薄膜の結晶化方法であって、上記パルスエネルギー線の照射は、上記半導体薄膜の第１の照射位置に第１のエネルギー線を照射する第１の照射工程と、上記第１の照射位置からずらし少なくとも上記結晶核を含む第２の照射位置に第２のエネルギー線を照射する第２の照射工程とからなる方法である。

図１（ａ）は、１枚の非単結晶半導体薄膜１に対して第１のエネルギー線の照射領域２を順次位置を換えて照射し結晶化する第１の照射工程を説明するための平面図である。図１（ｂ）は、１発の第１のエネルギー線を非単結晶半導体薄膜１に照射したとき多数の方形状２次元結晶化領域３がマトリックス状に形成されている状態を説明するための平面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の一つの２次元結晶化領域３が結晶核４から放射状に結晶成長している状態を説明するための平面図である。

第１の照射工程により形成された２次元結晶化領域３の結晶核４近傍には、エネルギー線のエネルギー量のばらつきによって、微細な結晶粒５の集合領域６が形成される場合がある。この集合領域６は、トランジスタを形成しても特性のバラツキが発生し良好な特性のトランジスタを製造することが困難である。２次元結晶化領域３の結晶核４は、２次元結晶化領域３の中央部に形成されるため、結晶化領域にしたい。

この要求を満足するために第２の照射工程を実施する。図２は、第１の照射工程に対する第２の照射工程との関係を説明するための平面図である。図２（ａ）は、図１（ａ）の第１の照射工程により非単結晶半導体薄膜１全面に照射された照射領域２上に一定の距離を設けて（位置をずらして）第２の照射工程により照射領域８が形成された状態を説明するための平面図である。図２（ａ）の実施例は、照射領域２のＸ軸方向に一定の距離を設けて（位置をずらして）第２の照射工程を実行した例である。他の実施例は、照射領域２のＹ軸方向に一定の距離を設けて（位置をずらして）第２の照射工程を実行してもよい。

図２（ｂ）は、図１（ｂ）の１発の第１のエネルギー線を非単結晶半導体薄膜１に照射したときマトリックス状に形成された多数の方形状２次元結晶化領域３に上記第２の照射工程により位置をずらしてマトリックス状に形成された多数の方形状２次元結晶化領域９が関連付けて図示された平面図である。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）の一つの２次元結晶化領域１０が結晶核４から放射状に結晶成長している状態を説明するための平面図である。

第１の照射工程による照射領域２と、第２の照射工程による照射領域８との位置ずれの距離は、第１の照射工程により形成された２次元結晶化領域３の微細な結晶粒５の集合領域６を含むように第２の照射工程による照射領域８を形成する距離である。

即ち、第２の照射工程による照射領域８は、微細な結晶粒５の集合領域６を溶融することを目的として再結晶化する領域である。第２の照射工程による照射領域８の大きさは、第１の照射工程による照射領域２と同一大きさでもよいし、小さい照射領域でもよいが、少なくとも微細な結晶粒５の集合領域６を含む領域である。

第１のエネルギー線例えばパルスエキシマレーザ光は、１発の光ビ―ム形状が図１（ａ）に示すように方形状例えば１辺が２ｍｍ角程度の光ビームで、この２ｍｍ角程度の光ビーム内に例えば１６００００個の結晶化領域３がマトリックス状に形成される。

第１のエネルギー線は、例えば四角形状のパルスレーザ光を１発照射毎にＸ−Ｙ方向に照射位置を変えて照射して四角形状結晶化領域３をマトリックス状に形成する方式である。１発のレーザ光の光路には，ホモジナイザおよび結像光学系間に位相変調素子が設けられており、この位相変調素子でレーザ光が位相変調されて、図１（ｂ）に示すように方形例えば１辺が５μｍの四角形状の結晶化領域３が１６００００個整列されて形成される。

図１（ｂ）に示されている１つの四角形状結晶化領域３は、図１（ｃ）に拡大して示すように四角形状の２次元結晶化領域３の中心に結晶核４が存在し、この結晶核４から放射状に結晶成長する２次元結晶化領域３である。この結晶核４の周囲には、微結晶粒５の集合領域６が形成され、機能素子例えば薄膜トランジスタのチャネル領域を形成できない。

この実施形態では、図２（ａ）に示すようにパルスレーザ光を先行する第１のレーザ光を照射して形成された第１の結晶化領域１から僅かずらして第２のレーザ光が集合領域６を含む領域に照射して形成された第２の結晶化領域２を形成することである。この結果、非単結晶半導体薄膜には、図２（ｂ）に示されているような第１の照射領域に形成された結晶化領域３から僅か例えばＸ方向づれた点線で示す位置に結晶化領域９が形成される。

この結果、各結晶化領域３には、第１のレーザ光の照射により形成された結晶核４および周囲に存在していた微細な結晶粒５の集合領域６は、第２のレーザ光の照射により溶融し、結晶化される。即ち、結晶核４および微細な結晶粒５の集合領域６が存在しない図２（ｃ）に示すような結晶化領域１０が形成される。

第１および第２のレーザ光の照射領域のずれ量は、第２のレーザ光の照射領域が少なくとも上記晶核４および周囲に存在していた微細な結晶粒５の集合領域６を含むことである。このように照射することによりレーザ光の照射領域に結晶核４や微結晶粒５の集合領域６の存在しない２次元結晶粒１０を得ることができる。

次に、上記実施形態の半導体薄膜に２次元結晶化領域を形成する結晶化方法を実現するための結晶化装置の実施例を図面を参照して説明する。図１および図２と同一部分には、同一符号を付与して説明し、その詳細な説明は、重複するので省略する。

図３は、結晶化装置の構成を説明するための光学系の構成図である。また、図４は、図３の照明系の内部構成例を説明するための光学系の構成図である。この結晶化装置は、入射光束を位相変調して２次元結晶化領域を形成するための所定の光強度分布を有する光束を形成するための位相変調素子２１と、絞り２２を介して位相変調素子２１を照明するための照明系２３と、位相変調素子２１の位相パターン面と被処理基板２５とを光学的に共役に配置している結像光学系２４と、被処理基板２５を支持しＸ−Ｙ−Ｚ−θ方向に移動して位置合わせおよび結晶化領域に移動するステージ２６とを備えている。

照明系２３は、たとえば図４に示す光学系で２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２３ａを備えている。光源２３ａは、被処理基板２５と一体に設けられる被結晶化処理体の光波長吸収特性の高い光を放出する光源であり、上記の他ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源である。光源２３ａから供給されたレーザ光ビームは、ビームエキスパンダ２３ｂに入射してビームサイズが拡大された後、ホモジナイザの第１フライアイレンズ２３ｃに入射する。こうして、第１フライアイレンズ２３ｃ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２３ａからの光束は第１コンデンサー光学系２３ｄを介して、第２フライアイレンズ２３ｅ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２３ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２３ｃ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フライアイレンズ２３ｅの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２３ｆおよび絞り２２を介して、位相変調素子２１を重畳的に照明する。ここで、第１フライアイレンズ２３ｃおよび第１コンデンサー光学系２３ｄは、第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより光源２３ａから供給されたレーザ光ビームについて位相変調素子２１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２３ｅおよび第２コンデンサー光学系２３ｆは第２ホモジナイザを構成し、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位相変調素子２１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。なお、第１フライアイレンズ２３ｃまたは第２フライアイレンズ２３ｅに代えて、一対のシリンドリカルフライアイレンズを用いることもできる。ここで、シリンドリカルフライアイレンズは、ある平面において屈折力を有し且つその平面と直交する平面において無屈折力の複数のシリンドリカルレンズ要素により構成されている。

こうして、照明系２３は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光ビームにより位相変調素子２１を照射する。位相変調素子２１で位相変調されたレーザ光ビームは、結像光学系２４を介して、被処理基板２５に入射する。ここで、結像光学系２４は、位相変調素子１の位相パターン面と被処理基板２５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２５は、位相変調素子２１の位相パターン面と光学的に共役な面（結像光学系２４の像面）に設定されている。結像光学系２４は、正レンズ群２４ａと正レンズ群２４ｂとの間に開口絞り２４ｃを備えている。

開口絞り２４ｃは、開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞り２４ｃは光路に対して交換可能に構成されていてもよい。あるいは、開口絞り２４ｃは、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを有していてもよい。いずれにしても、開口絞り２４ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系４の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板２５の半導体膜上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２４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。

また、被処理基板２５は、図５に示すように、基板例えばガラス基板２５ａ上に順次、下層絶縁膜２５ｂ、被結晶化半導体薄膜２５ｃ、キャップ膜２５ｄの順に成膜することにより構成されている。すなわち、被処理基板２５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２５ｂ、非単結晶膜例えば非晶質シリコン膜２５ｃおよびキャップ膜２５ｄが順次形成されたものである。

下地絶縁膜２５ｂは、非晶質シリコン膜２５ｃとガラス基板２５ａが直接接触してガラス基板２５ａからＮａなどの異物が非晶質シリコン膜２５ｃに混入するのを防止し、非晶質シリコン膜２５ｃの溶融温度が直接ガラス基板２５ａに伝熱されるのを防止するための膜である。非晶質シリコン膜２５ｃは、結晶化される半導体膜である。

キャップ膜２５ｄは、非晶質シリコン膜２５ｃが横方向に結晶成長させるための結晶化のための略Ｖ字状断面の光強度分布の入射光の一部を吸収して発生した熱と、結晶化のための入射光を受光して受光領域が溶融したときの非晶質シリコン膜２５ｃからの熱の一部が伝わることにより加熱される熱とを蓄熱するための膜である。このキャップ膜２５ｄの蓄熱効果は、パルスレーザ光ビームの入射が遮断されたタイミングで、非晶質シリコン膜２５ｃの被照射面において高温部が相対的に急速に降温しようとするが、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機能を有する。被処理基板２５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２６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。

次に、均一化された入射光束を位相変調して２次元結晶化領域を形成するための所定の光強度分布を有する光束を形成するための位相変調素子２１の構成を図６を参照して説明する。２次元結晶化領域を形成するための所定の光強度分布とは、２次元結晶化領域の中心部に結晶核を発生させるために最小光強度となり、この最小光強度からラッパ状に緩やかな勾配で光強度が上昇する略Ｖ字状断面の光強度分布のアレイである。略Ｖ字状断面の光強度分布のアレイとは、一発の光ビームによりラッパ状光強度分布がマトリックス状に配列された光強度分布である。

位相変調素子２１は、大きさ例えば５μｍ角の２次元結晶粒アレイを半導体薄膜に形成するための光変調光学素子であり、所定の周期で二次元的にマトリックス状に配置されて互いに同じパターンを有する複数の単位領域２１ａにより構成されている。図６には、位相変調素子２１の構成を理解しやすくするために、隣り合う２つの正方形状の単位領域２１ａを示している。各単位領域２１ａの一辺は、結像光学系２４の像面における換算値で５μｍである。以下、位相変調素子２１の寸法については、結像光学系２４の像面における換算値で示す。

単位領域２１ａは、一定の位相を有する基準面（図中空白の部分）２１ａａと、単位領域２１ａの中心近傍に配置された第１位相領域２１ａｂおよび第２位相領域２１ａｃと、第１位相領域２１ａｂおよび第２位相領域２１ａｃの周囲に配置された複数のドット領域２１ａｄとを備えている。ここで、第１位相領域２１ａｂおよび第２位相領域２１ａｃは、半径が０．５μｍの円を４等分して得られる扇形形状のパターンであり、その頂点同士が単位領域２１ａの中心で接するように配置されている。

結像光学系２４の実際のフォーカス位置に位置決めされた被処理基板２５の表面には図７に示すような光強度分布が形成される。

位相変調素子２１の単位領域２１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿って図７（ａ）に示すような光強度分布が形成され、図中左側の単位領域１ａの図中右上がりの対角線Ｂ−Ｂに対応する斜線に沿って図７（ｂ）に示すような光強度分布が形成され、図中右側の単位領域１ａの図中左上がりの対角線Ｃ−Ｃに対応する斜線に沿って図７（ｃ）に示すような光強度分布が形成される。図７を参照すると、実施例１の位相変調素子１を介して得られる光強度分布にはほとんど異方性がないことがわかる。

また、図７（ａ）を参照すると、第１位相領域２１ａｂと第２位相領域２１ａｃとの接点（単位領域１ａの中心）に対応して光強度の最も小さいボトムピークが形成されることがわかる。また、第１位相領域２１ａｂおよび第２位相領域２１ａｃの作用により、ボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布が形成される。また、複数のドット領域２１ａｄの作用により、逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布が形成される。位相変調素子２１の位相段差パターンは、例えば石英ガラス基板に所要の位相に対応する厚さ分布を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により形成することができる。

このようにして１発のレーザ光ビームを被処理基板２５に照射することにより、同時に図1（ｂ）に示されているように２次元結晶化領域３のアレイが被処理基板２５の非晶質シリコン膜２５ｃに形成される。２発目のレーザ光ビームを図２（ａ）に示されているように所定距離ずらして照射することにより、図１（ｃ）に示されているような微細な結晶粒５の集合領域６の無い２次元結晶化領域が形成される。以上のようにして結晶化装置が構成されている。

次に、結晶化方法の実施形態を説明する。図１乃至図７と同一部分には、同一符号を付与して説明し、その詳細な説明は、重複するので省略する。

図８（ａ）に位相変調素子（位相シフター）２１を用いて形成したパルスレーザ光の光強度分布の断面を、（ｂ）に、（ａ）に示す光強度分布のパルスレーザ光をキャップ膜２５ｄを介して非晶質半導体層例えば非晶質シリコン膜２５ｃに照射して形成された結晶粒３の平面の模式図を、（ｃ）に（ｂ）図の結晶粒３をＡ−Ａ線で切断したときの断面の模式図をそれぞれ示す。

図８（ａ）に示す略Ｖ字状断面の光強度分布１１では、結晶成長開始点に対応する光強度の弱い部分１２は、非晶質シリコン膜２５ｃが完全溶融する閾値１３よりも高いフルエンスに設定されている。光源２２ａからレーザ光が設定どおりのフルエンスで照射された場合には、非晶質シリコン膜２５ｃの受光領域が完全に溶融し、図８（ｂ）に示すように、結晶成長開始点（結晶核）４から周辺に向かって放射状に横方向に結晶が成長する。結晶成長開始点４から四方へ向かって２次元に結晶成長した結晶粒は、結晶成長末端部で隣の結晶粒と衝突して結晶成長が止まり、図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、方形状結晶粒１５が敷き詰められた状態に結晶成長される。

一方、光源２２ａ（レーザ発振器）の出射エネルギーのばらつきにより設定より低いエネルギーのレーザ光が照射されると、図９（ａ）の光強度分布１６に示されているように、光強度の弱い部分１７は非晶質シリコン膜２５ｃが完全溶融するフルエンスの閾値１３よりも低くなる場合がある。このとき、光強度の弱い照射部分１７に対応する領域１８では多数の結晶核がランダムに発生し、多数の微小な結晶粒５の集合領域６が形成される。そして、その周辺から外側へ向かって結晶粒１９が横方向成長する。このように、従来の位相変調エキシマレーザ結晶化法では、レーザの出力がばらついた場合に、非晶質シリコン膜２５ｃに均一な多結晶シリコン薄膜を形成することができない。さらに、微小な結晶粒５の集合領域６には、薄膜トランジスタを形成することができない。

これに対し、本発明の第１の実施形態では、図９に示すような、従来の方法でレーザ照射する工程を第１の工程として、その後、第２のレーザ照射工程を行う。第２のレーザ照射工程では、第１のレーザ照射工程で使用したものと同じ位相シフターを使用して形成された光強度分布のレーザを用いるが、図９（ａ）に示すように位置をずらして照射する。

即ち、本実施形態では、図９（ａ）に示すような光強度分布の第１のレーザ光を照射する第１のレーザ照射工程において、図９（ｂ）及び（ｃ）に示すように微小結晶が発生した場合に、図１０（ａ）に示すような強度分布３１の第２のレーザ光を照射している。

光強度分布３１の第２のレーザ光は、光強度の最も弱い部分３２を、第１のレーザ光の照射位置に対し、相対的に例えば被処理基板２５をずらしている。図１０（ｂ）は、第１のレーザ照射工程において結晶化された非晶質シリコン膜シリコン薄膜の断面を示す、図９（ｃ）と同様の図である。

このときのずれ量は、特に限定されないが、レーザ光の光強度分布の周期の１／２以下であることが望ましい。本実施形態では、２μｍ〜３μｍ程度とした。なお、ずれ量は、位相変調素子２１のパターンの周期や、試料の膜構成（非晶質シリコンの膜厚など）によって適分部宜調整することが望ましい。

また、第１のレーザ照射工程と第２のレーザ照射工程の照射位置ずれの方向は、試料が配置されるｘｙｚステージ２６が移動するｘ方向でもｙ方向でもよく、また斜めの方向であってもよい。即ち、二次元の方向（横方向）のいずれであっても、第１のレーザ照射工程の照射位置集合領域６を含むように第２のレーザ照射工程の照射位置を選択すればよい。

図１１（ｂ）に第２のパルスレーザ光を照射した後の多結晶シリコン膜の断面を示す。第２のパルスレーザ照射工程では、図１０（ａ）（図１１（ａ））に示すような設定どおりの光強度分布３１のレーザ光が照射されて、第１のパルスレーザ照射工程で形成された多結晶シリコン膜が完全溶融する。その後、パルスレーザ光の遮断期間になるとレーザ光の照射領域の温度が略Ｖ字状断面の光強度分布を維持して降温する。光強度分布の弱い最低温度部分４６の照射部に先ず結晶核４０が発生して、そこから光強度分布の強い照射位置方向に順次固液界面が移動即ち結晶４６が横方向に成長する。その結果、図１１（ｂ）に示すように、良好な大結晶粒の多結晶膜を形成することが出来る。

第２の実施形態
本発明の第２の実施形態は、第２のレーザ光が、図１２（ａ）に示すように、閾値１３よりもフルエンスの低い部分４２を含む光強度分布４１を有する場合を示す。即ち、レーザ光のエネルギーのばらつきにより、第２のレーザ光の光強度分布４１が、閾値１３よりもフルエンスの低い部分４２を含むことが考えられる。このような場合でも、図１２（ｂ）に示すように、第１のパルスレーザ光照射工程において良好な結晶４３が形成されていれば、第２のパルスレーザ光照射工程において、第２のパルスレーザ光の照射位置をずらすことにより、閾値１３よりもフルエンスの低い部分４２に対応する領域においても、良好な結晶が得られる。

即ち、このような第２のパルスレーザ光の照射により、図１３（ｂ）に示すように、閾値１３よりも高いエネルギーの部分で横方向に成長し、結晶４４が形成される。閾値１３より低い部分４２に対応する領域４５では、完全溶融しないために、横方向成長はしないが、もともと良質な結晶４３があった領域であるため、図９（ｃ）に示す従来例の領域２３に比較して良好な結晶となっている。

このように、本発明の第２の実施形態によれば、光源２２ａのレーザ発振器のエネルギーばらつきによって、設定よりも低いエネルギー部分を含む光強度分布の第２のレーザ光が照射された場合でも、良好な結晶シリコンを得ることが出来る。

以上の第１及び第２の実施形態では、第１のレーザ光と第２のレーザ光のいずれか一方が、閾値１３より低い部分を含む光強度分布を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光の双方が、閾値より低い部分を含む光強度分布を有する場合についても適用可能である。即ち、第１のパルスレーザ光の照射により閾値より低い部分に対応する位置に生じた、完全溶融せず、微小結晶が発生した集合領域６も、照射位置をずらすことにより、第２のパルスレーザ光の閾値より高い部分に相当する領域となり、図９（ｃ）に示す従来例の領域２３に比較して良好な結晶となる。また、第１のパルスレーザ光の照射により閾値より高い部分に対応する位置には、既に良好な結晶が形成されているため、この領域が第２のレーザ光の閾値より低い部分に対応していても、図２（ｃ）に示す従来例の領域２３に比較して良好な結晶となる。

第３の実施形態
本発明を薄膜半導体装置の製造方法に適用した第３の実施形態について、図１４を参照して説明する。

図１４（ａ）に示すように、絶縁材料、例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミド等からなる透明な矩形状の基板２５ａ（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となる下地絶縁膜２５ｂ、非晶質半導体薄膜２５ｃ、及びキャップ膜２５ｄ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。下地絶縁膜２５ｂは、例えば、５０ｎｍの厚さのＳｉＮ膜３０２ａと３００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２膜３０２ｂとの積層膜により構成されている。

ＳｉＮ膜３０２ａは、ガラス等からなる基板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、ＳｉＯ_２膜３０２ｂは、ＳｉＮ膜３０２ａからの窒素が非晶質半導体薄膜２５ｃに拡散するのを防止する役割を果たす。

非晶質半導体薄膜２５ｃは、例えば、厚さが約５０ｎｍないし２００ｎｍであり、Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅのような半導体により構成され、本実施例ではＳｉにより構成されている。

キャップ膜２５ｄは、入射光の一部光を吸収する感度を有する膜で例えば，膜厚約３００ｎｍのＳｉＯ_２膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、またはこれらの積層構造膜である。

次いで、図１４（ｂ）に示すように、非晶質半導体薄膜２５ｃの表面の所定の領域に、キャップ膜２５ｄを介して、第１のパルスレーザ光の照射として、位相変調素子２１（位相シフタ）により光変調された第１のパルスレーザ光１０５を照射する。次に、被処理基板２５を２μｍだけ横方向にシフトさせて、第２のパルスレーザ光１０８により、第２のパルスレーザ光の照射を行う。第１のパルスレーザ光１０５及び第２のパルスレーザ光１０８の少なくともいずれか一方は、図９（ａ）に示すような、閾値１３より低い部分を含む光強度分布を有するレーザ光である。

このような照射位置をずらした第１及び第２のパルスレーザ光の照射により、照射領域３０５は、アニール処理されて溶融し、非晶質半導体薄膜２５ｃが良好な多結晶半導体薄膜又は単結晶薄膜に変換される。

結晶化領域である照射領域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。一方、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。その後、エッチングによりキャップ膜２５ｄを除去して、図１４（ｃ）に示すように、半導体薄膜２５ｃを露出させる。

次に、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２５ｂ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の島状領域３０５ａ，３０５ｂの中央部と対向する部分の上に、それぞれゲート電極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１４（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前記（００１）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℃、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３１０を形成する。この層間絶縁膜３１０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１４（ｅ）に示すように、前記層間絶縁膜３１０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４の実施形態
図１５（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態により得た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、対向して配置された１対の透明基体４２１，４２２、の間に液晶層４２３を介在させてなる。透明基体４２１の対向面には対向電極４２７が形成され、透明基体４２２の対向面には画素電極４２４が形成されている。

１対の透明基体４２１，４２２としては、例えば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４１０により封止されている。液晶層４２３は、１対の透明基体４２１，４２２の間のシール材４１０により囲まれた領域に充填されている。

透明基体４２２の対向面に形成された画素電極４２４は、行方向および列方向にマトリックス状に設けられ、これら複数の画素電極４２４のそれぞれには複数のＴＦＴ４３０が電気的に接続されている。また、これら複数のＴＦＴ４３０には走査配線４２５及び信号配線４２６が電気的に接続されている。

走査配線４２５は、画素電極４２４の行方向に沿って設けられ、これら走査配線４２５の一端は、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）にそれぞれ接続されている。複数の走査配線端子は、それぞれ走査線駆動回路４４１に接続されている。

信号配線４２６は、画素電極４２４の列方向にそれぞれ沿って設けられている。これら信号配線４２６の一端は、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）にそれぞれ接続されている。複数の信号配線４２６端子はそれぞれ信号線駆動回路４４２に接続されている。

走査線駆動回路４４１および信号線駆動回路４４２は、それぞれ液晶コントローラ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た画像信号及び同期信号を受け取り、画素映像信号Ｖｐｉｘ、垂直走査制御信号ＹＣＴ、及び水平走査制御信号ＸＣＴを発生する。

透明基体４２１の内面には、複数の画素電極４２４に対向する一層の膜状の透明な対向電極４２７が設けられている。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、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、透明基体４２２の外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。

以上説明した第４の実施形態においては、半導体装置としてＴＦＴについて説明したが、半導体薄膜を用いた他の半導体素子、例えば、ダイオードについても本発明は適用可能である。

また、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、本発明は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。

更に、均一な光強度分布を有する入射レーザ光を最小光強度点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、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た位相シフタであってもよい。

本発明方法の実施形態を説明するための第１のパルスレーザ光を照射することによる２次元結晶化領域を形成する工程を説明するための被処理基板の平面図。 図１の第１のパルスレーザ光を照射した後、第２のパルスレーザ光の照射法を説明するための被処理基板の平面図。 図１、図２の２次元結晶化領域を形成する結晶化装置を説明するための光学的構成図。 図３の照明光学系の構成例を説明するための光学的構成図。 図３の被処理基板の構成を説明するための断面図。 図３の位相変調素子のパターン例を説明するための平面図。 図６の位相変調素子により変調されたレーザ光の光強度分布図。 図１の２次元結晶化領域を形成する工程の実施例を説明するための位相変調素子により形成された、レーザ光の設定通りの光強度分布及び横方向に結晶が成長した半導体薄膜の上面及び断面を模式的に示す図である。 図８の他の実施例説明図であり、位相変調素子により形成された、エネルギー強度のばらつきにより設定よりも低い部分を有する光強度分布及び横方向に結晶が成長した半導体薄膜の上面及び断面を模式的に示す図である。 図８の他の実施例説明図であり、設定よりも低い部分を有する光強度分布の第１のレーザ光の照射後に、照射位置をずらして設定通りの光強度分布の第２のレーザ光を照射する工程を説明する図である。 図８の他の実施例説明図であり、第２のレーザ光の照射後の状態を示す図である。 図８の他の実施例説明図であり、設定通りの光強度分布の第１のレーザ光の照射後に、照射位置をずらして設定よりも低い部分を有する光強度分布の第２のレーザ光を照射する工程を説明する図である。 図８の他の実施例説明図であり、第２のレーザ光の照射後の状態を示す図である。 図８の他の実施例説明図であり、薄膜半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図１４の他の実施例説明図であり、液晶表示装置を示す図である。 従来のＳＬＳ法による結晶化の説明図である 図１６のメタルマスクにより形成される光強度分布の一例である。 図１６の他の従来の位相変調エキシマレーザ結晶化法の説明図である。 図１８の位相変調素子で形成される光強度分布の一例である。

符号の説明

１１，２１，３１，４１…光強度分布、１２，２２，３２，４２…光強度の弱い部分、１３…閾値、１４，４０…結晶成長開始点、１５，２４，３４，４３，４４，４６…結晶粒、２３，３３…微小な結晶粒、４５…比較的良好な結晶粒。

Claims (8)

1. 非単結晶半導体薄膜に周期的な強度分布を有するパルスエネルギー線を照射して、前記半導体薄膜の照射された部分を溶解し、前記パルスエネルギー線の遮断後凝固させることにより、前記パルスエネルギー線照射領域内のエネルギー強度が極小である付近に発生する結晶核から放射状に結晶を成長させて２次元結晶化領域を形成する半導体薄膜の結晶化方法であって、前記パルスエネルギー線の照射は、前記半導体薄膜の第１の照射位置に第１のエネルギー線を照射する第１の照射工程と、前記第１の照射位置からずらし、少なくとも前記結晶核を含む第２の照射位置に第２のエネルギー線を照射する第２の照射工程とを含むことを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。
2. 前記第１のエネルギー線と、前記第２のエネルギー線とは、等しい周期の強度分布を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
3. 前記第１および第２のエネルギー線は、エキシマレーザ光であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
4. 前記第１および第２のエネルギー線の光強度分布は、位相変調素子によって形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法。
5. 前記第１および第２のエネルギー線の一つのパルス光により照射される前記非単結晶半導体薄膜には、前記第１および第２の各エネルギー線により照射される被照射面が、同一面積の方形状で且つ僅かに位置づれしており、結晶化された領域の形状が重畳した２次元結晶化領域が形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法により、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化して形成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具備することを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法により、前記非単結晶半導体薄膜を結晶化して形成された結晶化領域に液晶駆動用薄膜トランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
8. 非単結晶半導体薄膜を溶融する光強度のパルスレーザ光ビームを出射するレーザ光源と、
   このレーザ光源の出射光路に設けられレーザ光ビームの面内光強度を均一化するホモジナイザと。
   このホモジナイザの出射光路に設けられ均一化されたレーザ光ビームを位相変調してＶ字型の光強度分布のレーザ光を出射する位相シフタと、
   この位相シフタの出射光路に設けられた結像光学系と、
   この結像光学系の結像位置で且つ予め定められた照射位置に位置合わせするように被結晶化基板を支持するＸ−Ｙ−Ｚ−θテーブルと
   を具備し、
   前記Ｘ−Ｙ−Ｚ−θテーブルは、
   前記被結晶化基板の予め定められた第１の結晶化位置が第１のパルスレーザ光を受光する位置に移動制御する第１の移動制御機構と、
   前記第１の移動制御機構が前記被結晶化基板を第１の結晶化位置に移動させた後、前記レーザ光源を制御してパルスレーザ光を出射制御する制御回路と、
   第１のパルスレーザ光を前記被結晶化基板が受光後、第１のパルスレーザ光照射により生じた結晶核を含む第２のパルスレーザ光を受光する位置に移動制御する第２の移動制御機構と
   を備えることを特徴とする結晶化装置。

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