JP4651249B2

JP4651249B2 - 半導体薄膜の製造装置およびその製造方法ならびに表示装置

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Publication number: JP4651249B2
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Inventors: 仁啓谷口; 哲也乾
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Publication date: 2011-03-16
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギビーム、特にレーザ光を利用して半導体薄膜を結晶化する製造装置およびその製造方法、ならびに多結晶半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタを用いた表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタでは、非晶質もしくは多結晶のシリコンが活性層として用いられる。このうち、多結晶シリコンの薄膜トランジスタにおいては電子の移動度が高いため、多結晶シリコンの薄膜トランジスタは非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較して多くの長所を有している。
【０００３】
たとえば、多結晶シリコンの薄膜トランジスタを用いれば、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路と一部の周辺回路とを１枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣ（Integrated Circuit）や駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、その他の長所として、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり高開口率化を図ることができる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、ガラス基板にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、別途、非晶質シリコンを多結晶化する工程が必要である。
【０００６】
通常、結晶化のアニール工程は、６００℃以上の高温アニール法によって行なわれる。しかし、この場合、高温に耐える高価なガラス基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。近年はレーザを用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行なう技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。
【０００７】
レーザによる結晶化技術は、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、そのガラス基板を走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径０．２〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融する。これによって、レーザ照射領域全面にわたって、至るところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。
【０００８】
さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすること、結晶の方位を制御することが必要であり、多結晶シリコンに近い性能を得ることを目的に、近年、数多くの研究開発がなされている。
【０００９】
その中でも特に、特表２０００−５０５２４１号公報にはスーパーラテラル成長と称する技術が開示されている。この公表公報に記載の方法は、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、パルスレーザをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をレーザ照射領域１１の厚さ方向全域にわたって溶融させ、溶融部分と未溶融部分との境界から横方向、すなわちガラス基板に水平な方向１４に結晶粒の成長を制御し、針状の結晶を得るものである。このときの結晶成長距離１２は、各種のプロセス条件によって異なり、基板温度３００℃において、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを照射した場合には、１μｍ程度となることが知られている（参考文献：応用物理学会結晶工学分科会第１１２回研究会テキストｐｐ．１９〜２５）。
【００１０】
したがって、レーザ照射領域１１の幅が結晶成長距離の２倍より大きい、たとえば３μｍ程度であると、図１３（ａ）に示すように、薄膜の未溶融部と溶融部の境界から１μｍ程度は針状の結晶１２が得られるが、レーザ照射領域１１の中央部には微結晶領域１３が形成される。一方、図１３（ｂ）に示すようにレーザ照射領域１１の幅が結晶成長距離の２倍以下、たとえば２μｍ程度あるいはそれ以下であると、レーザ照射領域１１の中央部で両端から成長した結晶が衝突し、微結晶領域のない良好な結晶が得られる。
【００１１】
図１４は、複数のパルスレーザ照射によるシリコン薄膜結晶化の形態を説明する図である。スーパーラテラル成長は、図１３（ａ）および（ｂ）に示したとおり、レーザパルスを１回照射することで完了するが、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複させて、順次レーザパルスを照射していくと、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った大結晶が得られるといった特徴を有している。
【００１２】
つまり、図１４（ａ）に示すように１回目のレーザパルスの照射領域１５から少しずらした領域１６に２回目のレーザパルスが照射される。これにより、図１４（ｂ）に示すように針状結晶が若干延びる。さらに、２回目の照射領域１６から少しずらした領域１７に３回目のレーザパルスを照射するというようにして、順次レーザパルスを照射していくと、図１４（ｃ）に示すように最終的には非常に長い針状の結晶を成長させることが可能となる。
【００１３】
なお、図１４（ｃ）の領域１９はＮ−１回目の照射領域を示しており、領域２０はＮ回目の照射領域を示している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公表公報には、エキシマレーザでマスク面を照射し、マスク像を基板上に縮小投影するための装置が開示されている。このようなシステム構成のレーザ装置は汎用的に用いられるが、前述のとおり投影像の最小寸法は０．２ｍｍ程度である。
【００１５】
一方、上記の公表公報に開示された技術では、数μｍ幅の極めて微細なパターンを基板面に高精度に縮小投影することが必須の要件であり、これを実現するためには極めて高精度に製作し、組立・調整を行なった光学システム、特に高性能な対物レンズが必要である。
【００１６】
微細パターンを縮小投影する従来装置の代表例としては、フォトレジストの露光装置が挙げられるが、レジストの露光に必要な光のエネルギ密度に対し、シリコンの結晶化に必要なエネルギ密度は少なくとも１０倍以上であり、光学システムに要求される要件が全く異なっている。
【００１７】
ところが、上記の公表公報には、このような光学システムの満たすべき要件については記載されておらず、本願発明者らが行なった実験によると、前記スーパーラテラル成長技術を応用した表示装置を実現するためには、特別な光学システムを有する結晶化装置が必要になることが判明した。
【００１８】
図１５は、従来の半導体薄膜の製造装置を用いて製作したスーパーラテラル成長による多結晶シリコンを説明する図である。図１５（ａ）に示すように、従来の光学システムでは、たかだか０．２ｍｍ幅にレーザビームを結像するために製作されたシステムであるため、照射幅が数μｍのレーザを１パルス照射すると、スーパーラテラル成長は発現するが、レーザ照射部と未照射部との境界付近にはわずかに微結晶領域１２が形成される。
【００１９】
レーザを繰返し照射した場合、図１５（ｂ）に示すように、微結晶領域も繰返し形成されるため、針状組織が短くなる。このため、従来の光学システムによって形成された多結晶シリコン薄膜を用いて表示装置を作製しても、高性能な表示装置を得ることは困難であった。
【００２０】
本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、高性能で低価格の表示装置を製造するために必要不可欠である結晶化装置、特に良好な特性を有する多結晶半導体薄膜を形成するための光学システムを備えた製造装置およびその光学システムを用いた製造方法ならびに表示装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体薄膜の製造装置は、エネルギビームを発するエネルギビーム源と対物レンズとを有し、対物レンズによってエネルギビームを半導体薄膜上に結像するように構成したスーパーラテラル結晶を形成するための半導体薄膜の製造装置において、対物レンズの開口数をＮＡ、エネルギビームの波長をλ（ｍｍ）、エネルギビームを１パルス照射して得られるスーパーラテラル成長の長さをＬ（ｍｍ）とすると、半導体薄膜上に結像されるエネルギビームの幅ｗ（ｍｍ）が０．５５×ＮＡ／λ＞１／（２×ｗ）とｗ≦２Ｌとを満たし、かつ０．００２ｍｍ以上０．００５ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の半導体薄膜の製造装置では、上式を満たす条件でエネルギビームが半導体薄膜上に結像されるため、微結晶の発生を抑えることができ、スーパーラテラル成長を良好に発現させることができる。これにより、良好な多結晶半導体薄膜を容易に得ることができるため、高性能で低価格な表示装置を製造することが可能となる。
【００２３】
上記の半導体薄膜の製造装置において好ましくは、エネルギビーム源と対物レンズとの間に予め所定のパターンを形成したマスクが配置され、エネルギビームによってそのマスクが照明され、マスクパターンの像が半導体薄膜上に結像させる。
【００２４】
これにより、マスクパターンに応じてスーパーラテラル成長を発現させることができる。
【００２７】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、波長λのエネルギビームを、開口数ＮＡの対物レンズによって、エネルギビームの幅ｗが０．５５×ＮＡ／λ＞１／（２×ｗ）の関係を満たし、かつ０．００２ｍｍ以上０．００５ｍｍ以下となるように半導体薄膜上に結像させ、半導体薄膜を溶融・凝固させることによって、ｗ≦２Ｌを満たす、エネルギビーム１パルス当たりの長さＬのスーパーラテラル結晶を得ることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の半導体薄膜の製造方法では、上式を満たす条件でエネルギビームが半導体薄膜上に形成されるため、微結晶の発生を抑えることができ、スーパーラテラル成長を良好に発現させることができる。これにより、良好な多結晶半導体薄膜を容易に得ることができるため、高性能で低価格な表示装置を製造することが可能となる。
【００２９】
上記の半導体薄膜の製造方法において好ましくは、波長λのエネルギビームでマスクパターンを照明し、対物レンズでマスクパターンの像が半導体薄膜上に結像される。
【００３０】
これにより、マスクパターンに応じてスーパーラテラル成長を発現させることができる。
【００３３】
上記の半導体薄膜の製造方法において好ましくは、基板上に耐熱性薄膜とシリコン薄膜とを順に形成し、シリコン薄膜にエネルギビームを照射することにより、シリコン薄膜が多結晶化される。
【００３４】
このようにシリコン薄膜下に耐熱性薄膜を用いているため、シリコンがエネルギビームの照射により高温となっても、その高温に耐えることができる。
【００３５】
本発明の表示装置は、上記のいずれかに記載の方法によって形成した半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタを有している。
【００３６】
本発明の表示装置によれば、良質な多結晶半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタを形成することができるため、高性能な表示装置を提供することが可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００３８】
図１は、本発明の一実施の形態における半導体薄膜の製造装置の第１の構成を説明する図である。図１を参照して、この半導体薄膜の製造装置は、レーザ発振器１と、可変減衰器２と、ビーム整形素子３と、マスク面均一素子４と、フィールドレンズ５と、マスク６と、対物レンズ７と、ミラー９とを備えている。
【００３９】
レーザ光源１は、パルス状のエネルギビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であれば、特に限定されるものではないが、たとえばエキシマレーザ、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザに代表される各種固体レーザなど、紫外線の波長を有する光源であることが望ましい。本実施の形態では、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用いた。
【００４０】
可変減衰器２は、基板８面に到達するレーザ光のエネルギ密度を調整する機能を有する。
【００４１】
ビーム整形素子３およびマスク面均一照明素子４は、レーザ光源１から出射したレーザ光をマスク面に均一照明する機能を有する。これは、たとえばシリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズとを用いることにより、ガウシアン型強度分布のレーザ光を分割してマスク面に重ね合わせて照明することによって、均一な強度分布のマスク照明とするものである。
【００４２】
フィールドレンズ５は、マスク６を透過した主光線を投影面に垂直に入射させる機能を有する。
【００４３】
マスク６の像は、対物レンズ７によって基板８上に縮小投影される。
また、ミラー９はレーザ光を折返すために用いられるが、配置箇所、数量に制限はなく、装置の光学設計、機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
【００４４】
この半導体薄膜の製造装置において、対物レンズ７の開口数をＮＡとし、エネルギビームの波長をλ（ｍｍ）とし、基板８上に結像されるエネルギビームの幅をｗ（ｍｍ）とすると、これらの関係は次式を満たしている。
【００４５】
０．５５×ＮＡ／λ＞１／（２×ｗ）
上述したように、スーパーラテラル成長技術を表示装置の薄膜トランジスタ製造工程に応用し、高性能な表示装置を製造するためには、２μｍ程度の極めて微細なレーザビームをシリコン薄膜に照射する必要がある。
【００４６】
このような微細なレーザビームを図１に示す装置において実現するためには、光学系に特別の要件が必要になる。次に、この要件について説明する。
【００４７】
図２および図３は、レーザビームプロファイルと結晶化との相関関係を説明する図である。図２（ａ）は解像度特性の悪いレーザビームの強度プロファイルを示す図であり、図２（ｂ）および（ｃ）はその解像特性の悪いレーザビームで照射されたシリコン薄膜の結晶化の様子を示す断面図および平面図である。また図３（ａ）は解像特性の良好なレーザビームの強度プロファイルを示す図であり、図３（ｂ）および（ｃ）はその解像特性の良好なレーザビームで照射されたシリコン薄膜の結晶化の様子を示す断面図および平面図である。
【００４８】
まず図３に示すように、解像特性の良好なレーザビームでは、レーザビームの強度プロファイル３１の傾きが急峻であり、像のコントラストも高い。このため、強度プロファイル３１がシリコン薄膜３３の底部が溶融する強度（一点鎖線３８）と交差する点と、シリコン薄膜３３の上部が溶融する強度（点線３９）と交差する点との間隔３７が極めて小さくなる。よって、レーザビームの照射幅全域で、シリコン薄膜３３の厚み方向全体にわたってレーザ照射によるシリコン薄膜３３の溶融領域３４が形成され、シリコン薄膜３３の凝固に伴う結晶成長はスーパーラテラル成長が支配する。なお、シリコン薄膜３３は、たとえばガラス基板もしくは耐熱膜３２上に形成されている。
【００４９】
一方、図２に示すように、解像度の低いレーザ光では、レーザビームの強度プロファイル３１の傾きが緩やかで、像のコントラストも低い。このため、強度プロファイル３１がシリコン薄膜３３の底部が溶融する強度（一点鎖線３８）と交差する点と、シリコン薄膜３３の上部が溶融する強度（点線３９）と交差する点との間隔３７が大きくなる。よって、レーザビームの照射領域の端部においては、シリコン薄膜３３の厚み方向の全体が溶融することなく、一部に未溶融領域が存在する。このため、レーザ照射領域には、スーパーラテラル成長領域３５と微結晶領域３６とが混在することになる。したがって、解像特性の悪いレーザビームにより形成された結晶の特性は、純粋なスーパーラテラル成長と比較して低下する。
【００５０】
次に、上記のように結晶が成長する理由を説明する。
結晶は温度勾配の方向に成長する。すなわち、金属を溶融したときに、温度の低い冷えた部分に結晶核ができて、溶融部が少しずつ凝固する方向に結晶が成長する。したがって、図４（ａ）に示すように薄膜３３の上側領域３４のみが溶融し、厚み方向全体が溶融しないと、薄膜３３の底の部分に無数の結晶核が生成し、薄膜３３の厚み方向に温度勾配ができて、図４（ｂ）に示すように凝固の方向は垂直方向になる。結晶の大きさは薄膜３３の厚さに依存し、膜厚と同程度の結晶しか形成されない。
【００５１】
一方、ラテラル成長が支配的となる場合には、図５（ａ）に示すように薄膜３３の溶融領域３４が膜厚の厚み方向全体に分布するように、かつ溶融部分３４と未溶融部分３３とを明確に区別するようにレーザが照射（高解像度のレーザパターンを照射）されるため、レーザの照射部分と非照射部分とは明確に溶融部３４と非溶融部３３とに区別される。したがって、図５（ｂ）に示すように溶融部３４と非溶融部３３との境界部分に結晶核が生成し、水平（横）方向に温度勾配ができるため、凝固の方向は水平方向になる。これがラテラル成長の原理である。
【００５２】
なお、図１３（ａ）において針状結晶の成長しきれなかった領域（正確には針状結晶が発現しない領域）に微結晶領域が発生する理由および図１５（ａ）においてレーザ照射部と未照射部の境界付近に微結晶領域が発生する理由も同様である。
【００５３】
以上説明した理由によって、微結晶組織の発生が抑えられたスーパーラテラル成長を発現させるためには、解像特性の良好なエネルギビームをシリコン薄膜に照射することが必要になる。
【００５４】
次に、解像特性について説明する。
図６は、光学系の空間周波数とＯＴＦ（Optical Transfer Function；光学伝達関数）との関係を説明する図である。また図６は、定められた空間周波数の正弦格子を結合させた場合のコントラストで分解能を表現したものであり、横軸は結像レンズの開口数ＮＡ／使用波長λで規格化した値であり、すなわち空間周波数μ＝（横軸の数値）×（ＮＡ／λ）となっている。また、コヒーレンスファクタσは、σ＝照明系の開口数／結像レンズの開口数で定義される。ＯＴＦは光学系の有効光源と瞳関数から計算できる（たとえば、光技術コンタクトｖｏｌ．２８Ｎｏ．３（１９９０）ｐ．１６５〜１７５、光技術コンタクトｖｏｌ．３４，Ｎｏ．９（１９９６）ｐ．４６８〜４７５など）。
【００５５】
本願発明者らは、シリコン薄膜にレーザ光を照射し、スーパーラテラル成長を安定的に行なう検討を行なった結果、結晶化に最適な光学系の条件を見出した。本願発明者らの実験結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】

【００５７】
実験に用いた基板は、ガラス板上に、バッファ層として酸化シリコン薄膜を１００ｎｍ、アモルファスシリコン薄膜を１００ｎｍの順で成膜したものである。このアモルファスシリコン上に、開口数の異なる種々の対物レンズを用いて、マスクの像を結像した。マスクには、予め等ピッチのスリットが形成されており、基板上に結像したスリットの像を１〜５μｍまで変化するようにした。
【００５８】
なお、表１においてスリットの空間周波数は、基板上に結像したスリットの幅をｗ（ｍｍ）として、（１／２ｗ）／（ＮＡ／λ）で計算される値である。
【００５９】
また、照明系はいずれの条件でも同一のものとした。ここで、コヒーレンスファクタσは、１に近いと可干渉性が弱められ、像面のノイズが低減できるが、得られる像コントラストが低下する。一方、σが０に近いと、得られる像のコントラストは高いが干渉による像面のノイズが生じるため、経験的に０．３＜σ＜０．７とすることが望ましい。
【００６０】
以上説明した条件で半導体薄膜にレーザを照射し、結晶の状態を電子顕微鏡によって観察し、スーパーラテラル成長が生じているかどうかを次のように判定した。
【００６１】
まず表１に示す結果において、「良」と記載したものは、図１４（ｃ）に示すような針状の結晶が基板面全面にわたって形成されたものであり、「不可」と記載したものは図１５（ｂ）に示すような断続的な結晶が基板面全面にわたって形成されたものであり、「可」と示したものは基板面のごく一部に図１５（ｂ）に示すような断続的な結晶が形成されたものである。
【００６２】
図７は、表１に示す実験結果を図６に示すグラフ状にプロットしたものである。図７中の“〇”は良好な結晶特性が得られたものであり、“△”はレーザ光の照射領域と未照射領域との境界付近にわずかに微細な結晶が残留しているものであり、“×”は微結晶領域が明確に観察されたものである。
【００６３】
図７より、空間周波数μ₀＝０．５５×ＮＡ／λがスーパーラテラル成長を発現するかどうかの境界周波数（遮断周波数）であり、μ₀＞μであれば、結晶化のために良好な結像特性が得られる。このときのスリット幅をｗとすると、μ＝１／（２ｗ）であるから、結晶化に必要な条件は次式で定められる。
【００６４】
０．５５×ＮＡ／λ＞１／（２×ｗ）
また、レーザ発振器１からマスク６までの照明光学系（以下、照明系と称する）の開口数ＮＡＬと対物レンズ７の開口数ＮＡとは、次式を満たすことが好ましい。
【００６５】
０．３＜ＮＡＬ／ＮＡ＜０．７
上述したようにコヒーレンスファクタσ（＝ＮＡＬ／ＮＡ）は、光の干渉性を評価するファクタであり、σが小さいほど干渉性が高くなる．光が干渉するということは、像面に干渉縞（ノイズ）ができて像特性が悪くなることを意味する。
【００６６】
また、空間周波数とＯＴＦとの関係から、σが０に近い場合、空間周波数が１以下のとき、おおよそＯＴＦ＝１となり、空間周波数が１以上ではＯＴＦ＝０となる。これは、ＯＴＦとは、元の物体の明暗が光学系を通してどれだけ忠実に再現できるかを表す。すなわち、物体の細かさ（解像線幅）と像のコントラストの関係を表しているため、低い空間周波数（分解能）であれば、物体と像のコントラストとが１対１で対応することになる。
【００６７】
一方、σが１に近ければ、ＯＴＦは空間周波数が０から２までの間で少しずつ低下していく。したがって、像のコントラストは低下していくが、分解能は向上することになる。すなわち、物体が細かくなっても判別することができる。
【００６８】
このように像のコントラストおよび分解能と、光の干渉性とを、像面での光の干渉性の度合いによって判断した結果、０．３＜ＮＡＬ／ＮＡ＜０．７を満たすことが好ましいことを本願発明者らは見出した。
【００６９】
次に本実施の形態における半導体薄膜の製造方法について説明する。
本実施の形態では、上記のスーパーラテラルを発現する条件（０．５５×ＮＡ／λ＞１／（２×ｗ））で、シリコン薄膜にエネルギビームを結像させて、シリコン薄膜を溶融・凝固させることによって、多結晶シリコン薄膜が形成される。このシリコン薄膜は、アモルファスシリコン薄膜であっても良く、また多結晶シリコン薄膜であっても良い。
【００７０】
アモルファスシリコン薄膜を多結晶化した場合には、図１４（ａ）に示すようになる。また、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように１回前のレーザ照射で形成された針状結晶の一部に重複させて順次レーザパルスを照射することにより、既に成長した結晶を引継いで、さらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った大結晶を形成することができる。
【００７１】
また、多結晶シリコン薄膜を多結晶化した場合には、図８（ａ）に示すように元々ある多結晶シリコン粒１３内のレーザ照射領域に針状化した多結晶シリコン粒１２が形成される。また、図８（ｂ）に示すように１回前のレーザ照射で形成された針状結晶１２の一部に重複させて２回目のレーザ照射領域１６にレーザを照射することにより、その針状結晶１２を長くすることができる。さらに、図８（ｃ）に示すように順次レーザパルスを照射することにより、既に成長した結晶を引継いで、Ｎ回目のレーザ照射領域２０へとさらに長い針状の結晶が成長し、結晶の成長方向に方位の揃った大結晶１２を形成することができる。
【００７２】
なお、シリコン薄膜は、基板上に直接形成されても良いが、基板上に耐熱性薄膜を形成した上に形成されることがより好ましい。
【００７３】
なお上記の図１に示した半導体薄膜の製造装置以外に、図９に示す構成の半導体薄膜の製造装置が用いられてもよい。
【００７４】
図９は、本発明の一実施の形態における半導体薄膜の製造装置の第２の構成例を説明する図である。図９を参照して、この半導体薄膜の製造装置においては、図１に示す半導体薄膜の製造装置の構成からフィールドレンズ５およびマスク６が省略されている。
【００７５】
なお、これ以外の構成については、上述した図１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、この製造装置を用いた半導体薄膜の製造方法も上述した方法とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
【００７６】
図９の構成では、マスクなどを省略することによって、マスク像を基板８面に投影するのではなく、レーザビームを基板８面上に直接結像させるものである。レーザビームを直接結像させる方式であっても、マスク像投影方式と同様に、本発明による光学システムを用いることによって、高性能な多結晶シリコン薄膜を形成することが可能である。
【００７７】
なお、上述した実施の形態においては、光源に波長３０８ｎｍのエキシマレーザを用いたが、これは紫外波長域の光はシリコン薄膜に対する吸収特性が優れており、効率に優れた多結晶シリコン薄膜が得られるためである。ただし、光源はこれに限定されることはなく、シリコン薄膜を溶融できるパルスエネルギを照射できるものであればよい。
【００７８】
次に、本実施の形態における半導体薄膜の製造方法および製造装置を用いて製造された表示装置について説明する。
【００７９】
図１０は、本発明の一実施の形態における半導体薄膜の製造方法および製造装置を用いて製造された多結晶シリコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを説明するための平面図である。また、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う概略断面図である。また図１２は、図１０に示す薄膜トランジスタを有する液晶表示装置の構成を示す概略斜視図である。
【００８０】
図１２を参照して、この液晶表示装置は、対向する一対の基板の間に液晶材料（図示せず）が封入された構成である。一方の基板（図中下側の基板）は、ガラス基板１３１ａ上に複数の透明な画素電極１３２と薄膜トランジスタ１３３とがマトリクス状に配置されることで構成されている。薄膜トランジスタ１３３は、各画素電極１３２へ画像信号の供給を制御するスイッチング素子として形成されている。
【００８１】
また他方の基板（図中上側の基板）は、カラーフィルタ付きのガラス基材１３１ｂに、対向電極１３４が形成されている。上下両方の基板は数μｍの間隔を隔てて張り合せられている。
【００８２】
なお、両基板の内面には（液晶材料と接する面）には配向膜１３５が設けられており、両基板の外面には（液晶材料と接しない面）には偏光板１４０が設けられている。
【００８３】
次に、図１２に示した薄膜トランジスタ部の詳細について図１０と図１１とを用いて説明する。
【００８４】
図１０および図１１を参照して、薄膜トランジスタ１３３は、ソース領域１０４ｂと、ドレイン領域１０８ｂと、ゲート絶縁膜１０６と、ゲート電極１０３ａとを有している。ソース領域１０４ｂとドレイン領域１０８ｂとは、多結晶シリコン薄膜１０５に所定の領域（チャネルが形成される領域）を挟んで対向するように形成されている。この多結晶シリコン薄膜１０５は耐熱層１０１上に形成されている。ゲート電極１０３ａは、ソース領域１０４ｂとドレイン領域１０８ｂとに挟まれる所定の領域上にゲート絶縁膜１０６を介在して形成されている。
【００８５】
この薄膜トランジスタ１３３を覆うように層間絶縁膜１０７が形成されており、この層間絶縁膜１０７とゲート絶縁膜１０６とにはコンタクトホール１２０が形成されている。このコンタクトホール１２０はソース領域１０４ｂとドレイン領域１０８ｂとの各々に達している。これらのコンタクトホール１２０を介してソース領域１０４ｂにはソース電極１０４ａが、ドレイン領域１０８ｂにはドレイン電極１０８ａが各々電気的に接続されている。
【００８６】
ソース電極１０４ａと一体に形成されたデータ信号線（ソース配線）１０４は、ゲート電極１０３ａと一体に形成された走査信号線（ゲート配線）１０３と互いに交差するように配設されている。この走査信号線（ゲート配線）１０３は、画素信号を供給するものである。また、ドレイン電極１０８ａは、その近傍の画素電極１０２と電気的に接続されている。
【００８７】
このような液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ１３３のソース領域１０４ｂとドレイン領域１０８ｂとが形成される多結晶シリコン薄膜１０５が、本実施の形態におけるスーパラテラル成長法を用いた半導体薄膜の製造方法および製造装置により製造される。
【００８８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体薄膜の製造装置によれば、半導体薄膜の結晶化に適した特性のエネルギビームを半導体薄膜上に結像することができるため、良質な多結晶半導体薄膜を形成するための装置を提供することが可能になる。
【００９０】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、半導体薄膜の結晶化に適した特性のエネルギビームを半導体薄膜上に結像することができるため、電子の移動度が高く、良質な多結晶半導体薄膜を形成することが可能になる。
【００９１】
さらに本発明の表示装置によれば、良質な多結晶半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタを形成することができるため、高性能な表示装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における半導体薄膜の製造装置の第１の構成例を説明する図である。
【図２】解像特性の悪いレーザビームの強度プロファイルを示す図（ａ）と、そのレーザビームによりシリコン薄膜に形成される結晶領域の様子を示す断面図（ｂ）および平面図（ｃ）である。
【図３】解像特性の良好なレーザビームの強度プロファイルを示す図（ａ）と、そのレーザビームの照射によりシリコン薄膜に形成された結晶領域の様子を示す断面図（ｂ）および平面図（ｃ）である。
【図４】薄膜の厚み方向全体に溶融しない場合（通常のレーザアニール法）の凝固の様子を示す図である。
【図５】薄膜の厚み方向全体に溶融する場合（ラテラル成長法）の凝固の様子を示す図である。
【図６】光学系の空間周波数とＯＴＦとの関係を説明する図である。
【図７】表１に示す実験結果を図６に示すグラフ上にプロットした図である。
【図８】多結晶シリコン薄膜を針状化させる様子を示す図である。
【図９】本発明の一実施の形態における半導体薄膜の製造装置の第２の構成例を説明する図である。
【図１０】本発明の一実施の形態における半導体薄膜の製造方法および製造装置を用いて製造された薄膜トランジスタの構成を示す平面図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施の形態における半導体薄膜の製造方法および製造装置を用いて製造された薄膜トランジスタを有する液晶表示装置の構成を示す斜視図である。
【図１３】レーザ照射領域の凝固後の結晶状態を示す図である。
【図１４】スーパーラテラル成長の様子を示す図である。
【図１５】針状結晶以外に微結晶が生じる様子を説明するための図である。
【符号の説明】
１レーザ発振器、２可変減衰器、３ビーム成形素子、４マスク面均一照明素子、５フィールドレンズ、６マスク、７対物レンズ、８基板、９ミラー、１０ビームプロファイル均一化素子、１１レーザ照射領域、１２，３５スーパーラテラル成長領域、１３，３６微結晶領域、１４スーパーラテラル成長方向、１５第１回目のパルスレーザ照射領域。

Claims

エネルギビームを発するエネルギビーム源と対物レンズとを有し、前記対物レンズによって前記エネルギビームを半導体薄膜上に結像するように構成したスーパーラテラル結晶を形成するための半導体薄膜の製造装置において、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記エネルギビームの波長をλ（ｍｍ）、前記エネルギビームを１パルス照射して得られるスーパーラテラル成長の長さをＬ（ｍｍ）とすると、前記半導体薄膜上に結像されるエネルギビームの幅ｗ（ｍｍ）は、０．５５×ＮＡ／λ＞１／（２×ｗ）とｗ≦２Ｌとを満たし、かつ０．００２ｍｍ以上０．００５ｍｍ以下であることを特徴とする、半導体薄膜の製造装置。
前記エネルギビーム源と前記対物レンズとの間に予め所定のパターンを形成したマスクを配置し、前記エネルギビームによって前記マスクを照明し、マスクパターンの像を前記半導体薄膜上に結像させることを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜の製造装置。
波長λのエネルギビームを、開口数ＮＡの対物レンズによって、エネルギビームの幅ｗが０．５５×ＮＡ／λ＞１／（２×ｗ）の関係を満たし、かつ０．００２ｍｍ以上０．００５ｍｍ以下となるように半導体薄膜上に結像させ、前記半導体薄膜を溶融・凝固させることによって、ｗ≦２Ｌを満たす、エネルギビーム１パルス当たりの長さＬのスーパーラテラル結晶を得ることを特徴とする、半導体薄膜の製造方法。
波長λの前記エネルギビームでマスクパターンを照明し、前記対物レンズで前記マスクパターンの像を前記半導体薄膜上に結像させることを特徴とする、請求項３に記載の半導体薄膜の製造方法。
基板上に、耐熱性薄膜と、シリコン薄膜とを順に形成し、前記シリコン薄膜に前記エネルギビームを照射することにより前記シリコン薄膜を多結晶化することを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体薄膜の製造方法。
請求項３〜５のいずれかに記載の方法によって形成した半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタを有することを特徴とする、表示装置。