JPWO2012114379A1 - 薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン膜を形成する薄膜トランジスタの製造方法を提供する。基板上に複数のゲート電極を形成する工程（Ｓ１１）と、複数のゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程（Ｓ１２）と、ゲート絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する工程（Ｓ１３）と、所定のレーザー光を用いて非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する工程（Ｓ１４）と、複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する工程（Ｓ１８）と、を含み、上記ゲート絶縁層の膜厚、非晶質性シリコン層の膜厚は、所定の条件式を満たすように形成される。

Description

本発明は薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置および表示装置に関する。

例えば、液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを構成する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。薄膜トランジスタのチャネル部は、非晶質シリコンであるａ−Ｓｉまたは結晶質で多結晶シリコンであるＰｏｌｙ−Ｓｉで形成されている。薄膜トランジスタのチャネル部の結晶質シリコン層（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層）は、一般的に、非晶質シリコン層（ａ−Ｓｉ層）を形成後、その非晶質シリコン層に例えばエキシマ等のレーザー光を照射して瞬間的に温度を上昇させて結晶化することにより、形成される。

また、薄膜トランジスタの構造としては、ゲートメタルがチャネル部のｘ−Ｓｉ（ｘは、ａまたはＰｏｌｙ）からみて基板側に配置されているボトムゲート構造と、ゲートメタルおよびソース・ドレインメタルがチャネル部のｘ−Ｓｉからみて基板と反対方向に配置されているトップゲート構造とが存在する。ボトムゲート構造は、非晶質シリコン層で形成されたチャネル部を有するａ−Ｓｉ ＴＦＴで主に用いられており、トップゲート構造は、結晶質シリコン層で形成されたチャネル部を有するＰｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴで主に用いられる。なお、大面積の表示装置に用いられる液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを構成する薄膜トランジスタの構造としては、ボトムゲート構造が一般的である。

さらに、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴがボトムゲート構造である場合も存在し、作製コストが抑えられるといった長所を持っている。このようなボトムゲート構造のＰｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴでは、非晶質シリコン層にレーザーを照射して結晶化を行うことで結晶質シリコン層が形成される。この手法（レーザーアニール結晶化法）では、レーザー光照射に基づく熱で非晶質シリコン層を結晶化させる。

しかし、有機ＥＬパネルを構成する薄膜トランジスタには、特に均一な特性が求められるものの、上記のレーザーアニール結晶化法をボトムゲート構造の薄膜トランジスタの製造に適用した場合には不都合（問題）が生じてしまう。具体的には、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタでは、シリコンや絶縁膜に比して高い熱伝導率の金属材料でゲート電極が先に形成されて、その後に形成した絶縁層及び非晶質シリコン層を形成する。そのため、レーザーアニール結晶化法によりボトムゲート構造の非晶質シリコン層にレーザー光を照射して結晶化を行う際には、非晶質シリコン層の結晶化に要されるはずの熱がゲート電極によって吸収、伝播されてしまい、非晶質シリコン層が十分に結晶化されずに結晶性の低下や不均一化が生じてしまう問題がある。

それに対して、ゲート電極の近接領域すなわちチャネル近傍に、ダミーゲートパターンを配置させることにより、ゲート電極及びダミーゲートパターン上方にある非晶質シリコン層におけるそれぞれの熱容量の差を低減させる方法が開示されている（例えば、特許文献１）。また、レーザー光のスキャン上流側にゲート電極を伸長させることにより、伸長させたゲート電極の部分のプリアニール効果を利用して、レーザー光が薄膜トランジスタのチャネル領域に到達する前に、ゲート電極を熱的に飽和させ、ゲート電極によるシリコン薄膜において発生した熱の吸収を軽減させる方法が開示されている（例えば特許文献２）。

特開平１０―２４２０５２号公報 特開２００７―０３５９６４号公報

しかしながら、上記従来の方法では、次に述べるような課題がある。すなわち、特許文献１及び文献２に開示の方法では、ゲート電極上方のシリコン薄膜にレーザー光が到達する前にゲート電極を熱的に飽和させる手段として、ゲート電極周辺、及びゲート電極に接触して電極材料を配置する。そのため、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタを用いてより高精細な表示装置を作製する場合には、ゲート電極パターンを密に配置することが困難になるという課題がある。さらに、上記特許文献２に開示の方法では、スキャン方向に対して薄膜トランジスタのチャネル方向が常に平行になるように薄膜トランジスタを配置しなければならないという制約が生じる。これは、表示装置の画素内の回路パターンの設計の自由度を著しく低減させてしまうため、より高精細な表示装置の作製をする場合には、深刻な課題となる。

また、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行う場合、エキシマレーザーのスキャンによって行う場合とは異なる問題が生じる。具体的には、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行うと、非晶質シリコン層における熱拡散長がより大きくなるので、ゲート電極による熱伝導の影響がより顕著になり、結晶化が不十分となる。これを、図１を用いて説明する。図１は、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行った場合の結晶ムラを示す図である。

図１の右図に示すように、結晶ムラは、スキャンの上流側（図中の右方向）に発生しているのがわかる。ここで、図１の左図は、図１の右図の複数のゲートメタルのうちの１つのゲートメタル上の非晶質シリコンに対する結晶化率を示す図である。図１の左図において、例えば結晶化率８０％とは、粒径３０ｎｍ〜４０ｎｍの結晶質シリコンであること表しており、例えば結晶化率４０％とは、粒径１０ｎｍ〜２０ｎｍの結晶質シリコンであること表している。したがって、図１の左図で示すように、結晶化が不十分（均一でない）である場合に結晶ムラが生じることがわかる。このように、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行う場合、結晶化が不十分となるので、それを用いた薄膜トランジスタの特性の劣化、個々のトランジスタの特性の不均一化を生じてしまう問題がある。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたもので、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン膜を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置、それを用いた表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、前記絶縁層の膜厚と前記非晶質性シリコン層の膜厚は、下記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

式１）Ｙ≦‐０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
式２）Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’）
式３）Ｙ≧‐０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’）
式４）Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’）

本発明によれば、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン膜を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置、それを用いた表示装置を実現することができる。具体的には、前記シリコン薄膜及び、ゲート絶縁層を、それぞれの膜厚が所定の条件を満足するように形成することにより、例えば、ゲート電極のパターン形状等、特に薄膜トランジスタ装置の構造に変更を加えることなく、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン層を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置、それを用いた表示装置を実現することができる。

図１は、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行った場合の結晶ムラを示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る表示装置を構成する薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る表示装置の等価回路を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造工程を示すフローチャートである。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｃは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｄは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｅは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｆは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｇは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｈは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｉは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｊは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図６は、図４のＳ１４におけるレーザーアニールを模式的に示した図である。 図７Ａは、振幅透過率及び振幅透過率の計算方法を説明するための図である。 図７Ｂは、振幅透過率及び振幅透過率の計算方法を説明するための図である。 図８は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層を形成する場合にゲート絶縁層と非晶質シリコン層とに好適な膜厚範囲があることを示すための図である。 図９は、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換した値の例を示す図である。 図１０Ａは、図８の縦軸の値を、ゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚に変換した値の例を示す図である。 図１０Ｂは、図８の縦軸の値を、ゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚に変換した値の例を示す図である。 図１１は、図８において、ゲート絶縁層と非晶質シリコン層との好適な膜厚範囲を算出するために用いた図である。 図１２は、シミュレーションに用いたモデルを示す図である。 図１３は、図８において、本シミュレーションで実施した膜厚条件箇所を示す図である。 図１４は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーション結果を示す図である。 図１５は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーション結果を示す図である。 図１６Ａは、非晶質シリコン層を３５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｂは、非晶質シリコン層を４０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｃは、非晶質シリコン層を４５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｄは、非晶質シリコン層を５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｅは、非晶質シリコン層を５５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ａは、ゲート絶縁層１３を１２０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ｂは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１３０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ｃは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ｄは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１６０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１８Ａは、本発明の実施の形態の構造に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。 図１８Ｂは、従来の構造１に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。 図１８Ｃは、従来の構造２に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。 図１９は、本発明の実施の形態における効果を説明するための図である。 図２０は、本発明の薄膜トランジスタを用いた表示装置の一例を示す図である。

第１の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、前記絶縁層の膜厚と前記非晶質性シリコン層の膜厚は、下記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

式１）Ｙ≦‐０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
式２）Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’）
式３）Ｙ≧‐０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’）
式４）Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’）

本態様によれば、ゲート絶縁層である絶縁層の膜厚、及びチャネル層となる非晶質性シリコン層の膜厚が前記上記条件を満たすことにより、１）前記ゲート電極の上方（以下、第１領域、と記述する）の非晶質性シリコン層の光吸収率より前記ゲート電極の上方にない（以下、第２領域、と記述する）非晶質性シリコン層の光吸収率が大きく設定され、且つ、２）前記ゲート電極の上方のシリコン層の発熱温度を、前記非晶質性シリコン層の融点より大きく設定することが可能になる。

従って、先ず、１）の効果より、前記第２領域の非晶質性シリコン層の発熱は、前記第１領域の非晶質性シリコン層の発熱より大きくなる。これにより、前記レーザー光が照射され始める前記ゲート電極の始端部に、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光が到達する前に、前記第２領域の非晶質シリコン層にて発生する熱が予め前記ゲート電極に伝播され、前記ゲート電極が熱的に飽和した状態となる。

その結果、前記レーザー光が照射され始める前記ゲート電極の始端部から、前記レーザー光が照射され終わる前記ゲート電極の終端部にかけて、前記第１領域の非晶質性シリコン層より発生した熱が前記ゲート電極により吸収される割合を低減できるので、前記第１領域の非晶質性シリコン層の発熱温度分布をほぼ均一に制御できる。これにより、前記非晶質性シリコン層を結晶化した結晶性シリコン層内に生成される結晶組織をほぼ均一に制御できる。

さらに、２）の効果より、前記第２領域の非晶質性シリコン層の光吸収率が、前記第１領域の非晶質性シリコン層の光吸収率より過度に大きい場合、即ち、前記第２領域の非晶質性シリコン層の発熱が、前記第１領域の非晶質性シリコン層の発熱より極端に大きくなった場合においても、前記第１領域及び前記第２領域の非晶質性シリコンが溶融し溶融シリコンとなることによって、その熱伝導率が、一般的にゲート電極として用いられる金属の熱伝導率と同程度の値まで増加する。

よって、前記第２領域の溶融したシリコン層より発生した熱は、前記絶縁膜を介して前記ゲート電極に伝播するよりも、前記第１領域の溶融したシリコン層へ伝播するようになるので、前記第２領域の溶融したシリコン層より発生した熱が前記ゲート電極へと過度に伝播することは無い。故に、前記ゲート電極の発熱温度の分布が悪化することは無くなるので、前記ゲート電極の発熱温度の分布の悪化に伴う前記第一領域のシリコン層の発熱温度分布の均一性の低下は避けられる。

以上により、上記１）と２）の複合効果により、前記非晶質性シリコン層を結晶化した結晶性シリコン層内に生成される結晶組織の均一性が保持され、その結果、前記レーザー光が照射され始めた前記ゲート電極の始端部に対応する結晶性シリコン層から、前記レーザー光が照射され終わる前記ゲート電極の終端部に対応する結晶性シリコン層にかけて、前記結晶性シリコン層内の結晶率のばらつきが抑制された薄膜トランジスタ装置を実現できる。

第２の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法においては、前記非晶質性シリコン層の膜厚、及び前記絶縁層の膜厚は、下記の式５）および式６）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

式５）０．４７３≦Ｘ≦０．５９１
式６）０．４２２≦Ｙ≦０．５１９

本態様によれば、薄膜トランジスタ装置を構成する絶縁層（ゲート絶縁層）および非晶質シリコン層の膜厚がそれぞれ目標膜厚から１０％変化しても、前記結晶性シリコン層内の結晶率のばらつきが抑制された薄膜トランジスタ装置を実現できる。

第３の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第６工程において、前記所定のレーザーは、発振モードは連続発振または擬似連続発振モードの発振モードで前記レーザー光を照射する。

第４の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記絶縁層は、前記レーザー光の波長に対する前記絶縁層の消衰係数が０．０１以下である膜である。

第５の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、前記絶縁層は、酸化珪素膜である。

第６の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、前記絶縁層は、窒化珪素膜である。

第７の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、前記所定のレーザーの波長は、４４５ｎｍ〜４５５ｎｍである。

第８の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記所定のレーザーは、固体レーザー装置に備えられる。

第９の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記所定のレーザーは、半導体レーザー素子を用いたレーザー装置に備えられる。

第１０の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第６工程において、前記レーザー光の前記非晶質性シリコン層上における照射エネルギー密度の変動は、５％程度未満である。

第１１の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程は、前記基板上に酸化シリコンからなるアンダーコート層を形成する工程と、前記アンダーコート層上に複数のゲート電極を形成する工程とを含む。

第１２の態様の薄膜トランジスタは、基板と、前記基板上に形成された複数のゲート電極と、前記窒化シリコン層上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された結晶性シリコン層と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、前記結晶性シリコン層は、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成後、所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて生成され、前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、前記絶縁層の膜厚、及び前記非晶質性シリコン層の膜厚は、上記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

第１３の態様の表示装置は、液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを含む表示装置であって、請求項１２に記載の薄膜トランジスタ装置を備え、前記薄膜トランジスタ装置は、前記液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを駆動させる。

第１４の態様の表示装置では、前記表示装置は、有機ＥＬパネルである。

第１５の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記第２工程、前記第３工程、及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の、前記ゲート電極外の前記所定のレーザーの相対移動方向の上流領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度が、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記ゲート電極上の領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度より高くなるように、且つ、前記ゲート電極上の領域内では、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記非晶質性シリコン層の最高到達温度がほぼ一定になるように、構成されている。

第１６の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の、前記ゲート電極外の前記所定のレーザーの相対移動方向の上流領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度が、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記ゲート電極上の領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度より高くなるように、且つ、前記ゲート電極上の内領域では、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記非晶質性シリコン層の最高到達温度がほぼ一定になるように、前記ゲート電極の膜厚、前記絶縁層の膜厚、及び、前記非晶質性シリコン層の膜厚が構成されている。

第１７の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、前記ゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に半導体材料を含む層を形成する第４工程と、前記半導体材料の層に対して波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザー光を照射し、前記半導体材料を結晶化させて半導体層を生成する第５工程と、前記ゲート電極に対応する領域である第１領域とは異なる、前記ゲート電極に対応しない領域である第２領域における前記半導体層上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記第２工程、前記第３工程及び前記第５工程において、前記半導体材料の層の前記第２領域での単位体積あたりの発熱量が、前記半導体材料の層の前記第１領域での単位体積あたりの発熱量よりも大きくなるように前記結晶性シリコン層を生成することにより、前記第５工程において、前記所定のレーザー光が照射されることによって発熱した前記第１領域の前記半導体材料の層から，前記ゲート電極に対して熱伝導して前記ゲート電極に吸収されている熱分を，第２領域の前記半導体材料の層に対して熱拡散することを抑えて蓄熱させ、かつ、発熱している前記第１領域の前記半導体材料の層において，等しい温度分布を有する部位を形成させて、前記半導体材料を結晶化させる。

第１８の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記半導体材料の層の前記第２領域での単位体積あたりの発熱量が、前記半導体材料の層の前記第１領域での単位体積あたりの発熱量よりも大きくなるように、前記ゲート電極の膜厚、前記絶縁層の膜厚、及び、前記非晶質性シリコン層の膜厚が構成されている。

第１９の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記半導体材料の層の前記第２領域は、前記第５工程における前記所定のレーザー光の前記基板に対する相対移動方向において、前記第１領域に対して上流領域および下流領域に対応している。

第２０の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記第２領域における単位体積あたりの発熱量が、前記第１領域における単位体積あたりの発熱量に比べて、前記ゲート電極の単位体積あたりの発熱量以上大きくなるように構成される。

第２１の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記半導体材料の層の前記第１領域に形成される前記等しい温度分布を有する部位における大きさは、前記第１領域に対して０．８以上１．０以下となるように構成される。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る有機発光表示装置を構成する薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。

図２に示す薄膜トランジスタ１００は、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタであり、基板１０と、アンダーコート層１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、結晶質シリコン層１５と、非晶質シリコン層１６と、ｎ＋シリコン層１７と、ソース・ドレイン電極１８とを備える。

基板１０は、例えば透明なガラスまたは石英からなる絶縁基板である。

アンダーコート層１１は、基板１０上に形成され、例えば窒化珪素（ＳｉＮｘ）層、酸化珪素（ＳｉＯｘ）層、及びその積層等から構成される。ここで、アンダーコート層１１は、１．５＜ｘ＜２．０の酸化珪素（ＳｉＯｘ）で、３００ｎｍ以上〜１５００ｎｍ以下の膜厚で構成されるのが好ましい。より好ましいアンダーコート層１１の膜厚範囲は、５００ｎｍ以上〜１０００ｎｍ以下である。これは、アンダーコート層１１の厚みを厚くすると基板１０への熱負荷を低減できるが、厚すぎると膜剥がれやクラックが発生してしまうことによる。

ゲート電極１２は、アンダーコート層１１上に形成され、典型的にはモリブデン（Ｍｏ）等の金属やＭｏ合金等（例えばＭｏＷ（モリブデン・タングステン合金））の金属からなる。なお、ゲート電極１２は、シリコンの融点温度に耐えられる金属であればよいので、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）およびＭｏを含むこれらの合金からなるとしてもよい。ゲート電極１２の膜厚は、好ましくは３０ｎｍ以上〜３００ｎｍ以下であり、より好ましくは、５０ｎｍ以上〜１００ｎｍ以下である。これは、ゲート電極１２の膜厚が薄いと、ゲート電極１２の透過率が増加してしまい、以下に記すレーザー光の反射が低下しやすくなるからである。また、ゲート電極１２の膜厚が厚いと以下に説明するゲート絶縁層１３のカバレッジが低下してしまい、特にはゲート電極の端部でゲート絶縁膜が段切れすることでゲート電極１２とｎ＋シリコン層１７とが電気的に導通してしまうなど、薄膜トランジスタ１００の特性が劣化しやすくなるからである。

ゲート絶縁層１３は、ゲート電極１２を覆うように形成され、例えば酸化珪素膜、または窒化珪素膜からなる透明絶縁層である。

ゲート絶縁層１３の膜厚は、例えば、ゲート絶縁層１３の膜厚にゲート絶縁層１３の屈折率を積算した値であるゲート絶縁層１３の光学膜厚を、所定のレーザー光の波長で除算した値が、０．３５７〜０．６１７（好ましくは、０．４２２〜０．５１９）になるような膜厚で形成されている。つまり、ゲート絶縁層１３の膜厚は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層１５を形成する場合に好適な範囲があるということである。この好適な範囲は、一定の関係式で表現される。この一定の関係式の詳細については、後述する。

結晶質シリコン層１５は、ゲート絶縁層１３上に形成され、多結晶のシリコン層（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層）からなる。なお、この結晶質シリコン層１５は、ゲート絶縁層１３上にａ−Ｓｉからなる非晶質シリコン層１４（不図示）が形成後、その非晶質シリコン層１４をレーザー照射することにより多結晶質化（微結晶化も含む）することにより形成される。

ここで、多結晶とは、５０ｎｍ以上の結晶からなる狭義の意味での多結晶だけでなく、５０ｎｍ以下の結晶からなる狭義の意味での微結晶を含んだ広義の意味としている。以下、多結晶を広義の意味として記載する。

なお、レーザー照射に用いられるレーザー光源は、可視光領域の波長のレーザーである。この可視光領域の波長のレーザーは、約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長のレーザーであり、好ましくは４０５ｎｍ〜４８８ｎｍの波長のレーザーである。さらに好ましくは、４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの波長の青色レーザーである。

なぜなら、可視光の波長領域の中で、青色領域は非晶質シリコンの吸収率が大きいからである。例えば、ａ−Ｓｉ（４５ｎｍ）／ガラスの構成の基板において、λ＝４５５ｎｍのとき吸収率４５．５％であり、λ＝５３２ｎｍのとき吸収率で２４．１％である。これは、仮に、レーザー照射に用いられるレーザー光源の電力効率が同じである場合、青色レーザーを用いると、エネルギー効率良くアニールを行うことができるので、結晶化に要する電力を約半分にすることができることを意味する。また、青色レーザーでは、特に波長４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの領域で、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）の膜質が非晶質から結晶質に変化したとしても、吸収率の低下が約１０％と少ないからである。つまり、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）の膜質がばらついて、その光学定数が変動したとしても、高い吸収率を保つことができ、安定に結晶化することが可能であるからである。なお、現在、青色発光ダイオードレーザー単体の出力はｍＷオーダーと小さいが、それらを数多く束ねることにより、他の波長で得られている出力以上のレーザーを構築することが原理的に可能である。また、このような方式では必然的にインコヒーレントなレーザービームが形成されることから、レーザービーム成形がし易くなるという効果もある。

また、可視光領域の波長のレーザーは、連続発振または擬似連続の発振モードであればよい。なぜなら、この可視光領域の波長のレーザーが連続発振または擬似連続の発振モード以外の発振モードのパルス発振モードである場合、非晶質シリコン層１４にレーザー光を非連続に照射することになるため、非晶質シリコン層１４を常時溶融状態に保持することできないからである。また、擬似連続の発振モードも含まれる理由は、非晶質シリコン層１４がその融点以下まで冷却しないうちにパルスを当てて再加熱させることにより、その溶融状態を維持できるからである。すなわち、擬似連続発振モードの好ましい態様は、非晶質シリコン層１４がその融点以下まで冷却しないうちにパルスを当てて再加熱させることができ、かつ、その溶融状態を維持できるものである。また、この可視光領域の波長のレーザーは、固体レーザー装置であってもよく、半導体レーザー素子を用いたレーザー装置であってもよい。いずれにせよ、レーザー光を精度よく制御できるため好ましい。さらに、可視光領域の波長のレーザーは、結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を形成するため、非晶質シリコン層１４上に照射したときの照射エネルギー密度の変動が５％程度未満であれば好ましい。結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を形成することにより、薄膜トランジスタの当初設計特性が達成でき、また、特性の均一化が実現できることとなる。

非晶質シリコン層１４は、非晶質のシリコンすなわちａ−Ｓｉからなりゲート絶縁層１３上に形成される。非晶質シリコン層１４の膜厚は、例えば、非晶質シリコン層１４の膜厚に非晶質シリコン層１４の屈折率を積算した値である非晶質シリコン層１４の光学膜厚を、所定のレーザー光の波長で除算した値が、０．３５４〜０．７０９（好ましくは、０．４７３〜０．５９１）になるような膜厚で形成されている。非晶質シリコン層１４の膜厚は、例えば好ましくは、３０〜６０ｎｍであり、さらに好ましくは、４０ｎｍ〜５０ｎｍである。ここで、所定のレーザー光の波長は４５５ｎｍである。このように、非晶質シリコン層１４の膜厚は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層１５を形成する場合に好適な範囲があるということである。この好適な範囲は、以下で説明する技術思想に基づき、一定の関係式で表現される。なお、以下では、上述したようにゲート絶縁層１３が酸化珪素膜または窒化珪素膜で消衰係数が０．０１以下の透明絶縁層として形成されているとして説明する。

具体的には、まず、関係式を表現するための変数を定義する。すなわち、非晶質シリコン層１４の膜厚に、非晶質シリコン層１４の屈折率を積算した値である非晶質シリコン層１４の光学膜厚を、レーザー光の波長で除算した値をＸとする。続いて、ゲート絶縁層１３の膜厚にゲート絶縁層１３の絶縁層の屈折率を積算した値であるゲート絶縁層１３の光学膜厚を、レーザー光の波長で除算した値をＹとする。

さらに、非晶質シリコン層１４の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、ゲート電極１２の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとする。また、ゲート電極１２上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４と、ゲート電極１２の上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４の、レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときのゲート電極１２の吸収率の最大値をＡ_Ｇとし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおく。

そして、上記で定義したＸ、Ｙ、ΔＡ’を用いて、ゲート絶縁層１３の膜厚と、非晶質シリコン層１４の膜厚とそれぞれにおいて好適な範囲を定めることができる。具体的には、ゲート絶縁層１３の膜厚、及び非晶質シリコン層１４の膜厚は、下記の（式１）から（式４）により区画される範囲に属するＸ、及びＹを満たすように形成されるのが好ましい。

Ｙ≦−０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’） （式１）
Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’） （式２）
Ｙ≧−０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’） （式３）
Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’） （式４）

ここで、上記で定義したＸ、Ｙのより好ましい数値範囲を例示する。具体的には、ゲート絶縁層１３の膜厚、及び非晶質シリコン層１４の膜厚は、下記の（式５）および（式６）により区画される範囲に属するＸ、前記Ｙを満たすように形成されるのがより好ましい。

０．４７３≦Ｘ≦０．５９１ （式５）
０．４２２≦Ｙ≦０．５１９ （式６）

また、レーザー光が波長４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの青色レーザーを用いるのが好ましい。

非晶質シリコン層１６は、結晶質シリコン層１５上に形成されている。このようにして、薄膜トランジスタ１００は、結晶質シリコン層１５に非晶質シリコン層１６が積層された構造のチャネル層を有する。

ｎ＋シリコン層１７は、非晶質シリコン層１６と結晶質シリコン層１５の側面とゲート絶縁層１３とを覆うように形成されている。

ソース・ドレイン電極１８は、ｎ＋シリコン層１７上に形成され、例えばＭｏ、若しくはＭｏ合金などの金属、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）若しくはＡｌ合金などの金属、銅（Ｃｕ）若しくはＣｕ合金などの金属、または、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）若しくはタングステン（Ｗ）等の金属の材料からなる。

以上のように薄膜トランジスタ１００は、構成されている。

図３は、本発明の実施の形態に係る表示装置の等価回路を示す図である。

図３に示す有機発光表示装置は、スイッチングトランジスタ１と、駆動トランジスタ２と、データ線３と、走査線４と、電流供給線５と、キャパシタンス６と、有機ＥＬ素子７とを備える。

スイッチングトランジスタ１は、データ線３と走査線４とキャパシタンス６とに接続されている。

駆動トランジスタ２は、例えば図２に示す薄膜トランジスタ１００に相当し、電流供給線５とキャパシタンス６と有機ＥＬ素子７とに接続されている。

データ線３は、有機ＥＬ素子７の画素の明暗を決めるデータ（電圧値の大小）が、有機ＥＬ素子７の画素に伝達される配線である。

走査線４は、有機ＥＬ素子７の画素のスイッチ（ＯＮ／ＯＦＦ）を決めるデータが有機ＥＬ素子７の画素に伝達される配線である。

電流供給線５は、駆動トランジスタ２に大きな電流を供給するための配線である。

キャパシタンス６は、電圧値（電荷）を一定時間保持する。

以上のようにして有機発光表示装置は構成されている。

次に、上述した薄膜トランジスタ１００の製造方法について説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る有機発光表示装置の薄膜トランジスタの製造工程を示すフローチャートである。この薄膜トランジスタ１００は同時に複数製造されるが、以下では、説明を簡単にするため、１つの薄膜トランジスタを製造する方法として説明する。図５Ａ〜図５Ｊは、本発明の実施の形態に係る有機発光表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための図である。図６は、図４のＳ１４におけるレーザーアニールを模式的に示した図である。

まず、基板１０を準備し、基板１０上に、アンダーコート層１１を形成し（Ｓ１０）、続いて、アンダーコート層１１上にゲート電極を形成する（Ｓ１１）。

具体的には、基板１０上にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：気相成長）法により、アンダーコート層１１を成膜し、続いて、スパッタ法によりゲート電極となる金属膜を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより薄膜トランジスタ１００におけるゲート電極１２を形成する（図５Ａ）。ここで、ゲート電極１２は、典型的にはＭｏ等あるいはＭｏ合金等（例えばＭｏＷ（モリブデン・タングステン合金））の金属材料で形成される。

続いて、ゲート電極１２上にゲート絶縁層１３を形成する（Ｓ１２）。そして、ゲート絶縁層１３上に非晶質シリコン層１４を形成する（Ｓ１３）。

具体的には、プラズマＣＶＤ法により、ゲート電極１２の上にすなわちアンダーコート層１１とゲート電極１２とを覆うように、酸化珪素膜または窒化珪素膜を形成することによりゲート絶縁層１３を成膜し（図５Ｂ）、成膜したゲート絶縁層１３上に非晶質シリコン層１４を連続的に成膜する（図５Ｃ）。

ここで、非晶質シリコン層１４の膜厚は、例えば、２０〜６０ｎｍであり、好ましくは、５５ｎｍ〜６０ｎｍである。具体的には、上述したように、ゲート絶縁層１３の膜厚及び非晶質シリコン層１４の膜厚が、（式１）から（式４）により区画される範囲に属するＸ、及びＹを満たすように形成されるのが好ましい。より具体的には、ゲート電極１２が形成されている領域（以下、第１領域と呼ぶ）の上方の非晶質シリコン層１４のレーザー光に対する吸収率をＡ_Ｓｉ１とし、その吸収率Ａ_Ｓｉ１を非晶質シリコン層１４の膜厚ｄ_Ｓｉで除算したものを規格化吸収率Ａ_Ｓｉ１’とする。ゲート電極１２が形成されていない領域（以下、第２領域と呼ぶ）の上方の非晶質シリコン層１４のレーザー光に対する光吸収率をＡ_Ｓｉ２とし、その吸収率Ａ_Ｓｉ２を非晶質シリコン層１４の膜厚ｄ_Ｓｉで除算したものを規格化吸収率Ａ_Ｓｉ２’とする。そのとき、その差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’は、後述の説明で定義される値−ΔＡ’以下である。すなわち、Ｓ１２およびＳ１３において、（式７）という関係式を成立させる膜厚を有するゲート絶縁層１３及び非晶質シリコン層１４を形成する。

Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’ ≦−ΔＡ’ （式７）

なお、詳細は後述するため、ここでの説明を省略するが、これら非晶質シリコン層１４の吸収率は、非晶質シリコン層１４の膜厚及び光学定数、ゲート絶縁層１３の構成、膜厚及び光学定数、さらに下地のゲート電極１２を形成する金属材料の光学定数及び基板の光学定数をパラメータとして、レーザー光の多重干渉を考慮した光学計算により導かれる。

次に、非晶質シリコン層１４をレーザーアニール法により結晶質シリコン層１５にする（Ｓ１４）。具体的には、例えば波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを基板１０に対して一定の方向に相対移動させて、所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて非晶質シリコン層１４を結晶化させて結晶質シリコン層１５を生成する。より具体的には、先ず、形成された非晶質シリコン層１４に対して脱水素処理を実施する。その後、非晶質シリコン層１４をレーザーアニール法により、多結晶質（微結晶を含む）にすることにより結晶質シリコン層１５を形成する（図５Ｄ）。

ここで、このレーザーアニール法において、レーザー照射に用いられるレーザー光源は、上述したように、可視光領域の波長のレーザーである。この可視光領域の波長のレーザーは、約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長のレーザーであり、好ましくは４０５ｎｍ〜４８８ｎｍの波長のレーザーである。さらに好ましくは、４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの波長の青色レーザーである。また、この可視光領域の波長のレーザーは、連続発振または擬似連続の発振モードであればよい。また、この可視光領域の波長のレーザーは、固体レーザー装置であってもよく、半導体レーザー素子を用いたレーザー装置であってもよい。さらに、可視光領域の波長のレーザーは、非晶質シリコン層１４上に照射したときの照射エネルギー密度の変動が５％程度未満である。

また、Ｓ１４の工程すなわち図５Ｃから図５Ｄの工程では、図６に示すように、線状に集光されたレーザー光が、非晶質シリコン層１４に照射されることで結晶質シリコン層１５を生成する。具体的には２つの方法がある。１つは線状に集光されたレーザー光の照射位置は固定であり、非晶質シリコン層１４が形成された基板１０がステージに載せられステージが移動する方法、もう１つは、前記ステージは固定であり、レーザー光の照射位置が移動する方法である。何れの方法においても、レーザー光が非晶質シリコン層１４に対して相対的に移動しながら照射される。このように、レーザー光を照射された非晶質シリコン層１４は、レーザー光のエネルギーを吸収し温度上昇して結晶化されることにより結晶質シリコン層１５になる。

次に、２層目の非晶質シリコン層１６を形成し（Ｓ１５）、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域のシリコン層をパターニングする（Ｓ１６）。

具体的には、プラズマＣＶＤ法により、ゲート絶縁層１３上に、２層目の非晶質シリコン層１６を形成する（図５Ｅ）。そして、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域が残るようにシリコン層膜層（結晶質シリコン層１５および非晶質シリコン層１６の層）をパターニングし、除去すべき非晶質シリコン層１６と結晶質シリコン層１５とをエッチングにより除去する（図５Ｆ）。それにより、薄膜トランジスタ１００において所望のチャネル層を形成することができる。

次に、ｎ＋シリコン層１７とソース・ドレイン電極１８とを成膜する（Ｓ１７）。

具体的には、プラズマＣＶＤ法により、非晶質シリコン層１６と結晶質シリコン層１５の側面とゲート絶縁層１３とを覆うようにｎ＋シリコン層１７を成膜する（図５Ｇ）。そして、成膜したｎ＋シリコン層１７上に、スパッタ法によりソース・ドレイン電極１８となる金属が堆積される（図５Ｈ）。ここで、ソース・ドレイン電極は、Ｍｏ若しくはＭｏ合金などの金属、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）若しくはＡｌ合金などの金属、銅（Ｃｕ）若しくはＣｕ合金などの金属、または、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）若しくはタングステン（Ｗ）等の金属の材料で形成される。

次に、ゲート電極１２に対応する結晶質シリコン層１５上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する。つまり、ソース・ドレイン電極１８のパターニングを行う（Ｓ１８）。そして、ｎ＋シリコン層１７をエッチングし、その過程で、２層目の非晶質シリコン層１６を一部エッチングする（Ｓ１９）。

具体的には、ソース・ドレイン電極１８をフォトリソグラフィーおよびエッチングにより形成する（図５Ｉ）。また、ｎ＋シリコン層１７をエッチングし、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域の非晶質シリコン層１６を一部エッチングする（図５Ｊ）。言い換えると、非晶質シリコン層１６は、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域の非晶質シリコン層１６を一部残すようにチャネルエッチングされる。

このようにして、薄膜トランジスタ１００は製造される。

以上のように、本実施の形態における薄膜トランジスタ１００は、ボトムゲート構造を有するＰｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴとして形成される。この薄膜トランジスタ１００の製造時には、ゲート絶縁層１３と非晶質シリコン層１４を、上述した関係式を成立させる膜厚を有するように成膜する。そして、ａ−Ｓｉ膜からなる非晶質シリコン層１４を、例えば青色レーザーを用いてレーザーアニールして結晶化することで、非晶質シリコン層１４をＰｏｌｙ−Ｓｉからなる結晶質シリコン層１５にする。このとき、薄膜トランジスタが形成されるチャネル領域に相当する非晶質シリコン層１４にレーザー光が到達する前にゲート電極１２を熱的に飽和させた状態とすることができ、最終的に得るチャネル領域に相当する結晶質シリコン層１５の結晶化を均一に行うことができる。

つまり、ゲート絶縁層１３と非晶質シリコン層１４の膜厚とに、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層１５を形成する場合に好適な範囲があるということである。以下、このメカニズムについて説明する。

一般的に、非晶質シリコン層にレーザー光を照射したとき、非晶質シリコン層の発熱による到達温度と結晶化後の結晶質シリコン層の結晶度とには相関がある。非晶質シリコン層の発熱による到達温度が高いほど、結晶化後に形成された結晶質シリコン層の結晶度は大きくなる。そこで、薄膜トランジスタの第１領域（ゲート電極が形成されている領域の上方）における非晶質シリコン層を充分かつ均一に結晶化を図るために、薄膜トランジスタの第１領域における非晶質シリコン層の発熱による到達温度の分布を均一にすることが必要となる。

しかしながら、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタにおいては、非晶質シリコン層の下部にゲート絶縁層を挟んでゲート電極が存在し、かつ、ゲート電極を構成する金属の熱伝導率がゲート絶縁層の熱伝導率に比べて大きい。そのため、レーザー光照射によって発生した非晶質シリコン層の熱は瞬時にゲート絶縁層を介してゲート電極へと伝播してしまう。その結果、ゲート電極が形成されている領域上方の非晶質シリコン層では発熱が不十分となる領域を生じ、その到達温度が不均一となる。このような理由により、図１に示すような結晶化後の結晶質シリコン層の結晶度のムラ（結晶ムラ）が生じる。

したがって、この結晶ムラが生じてしまう現象を回避するためには、薄膜トランジスタの第１領域にレーザー光が到達する前に、後述するように、ゲート電極を熱的に飽和させた状態にするのが望ましい。そこで、本実施の形態では、上述した薄膜トランジスタ１００の構成となるように製造する。すなわち、非晶質シリコン層１４の膜厚及びゲート絶縁層１３の膜厚を上述したＸおよびＹを満たすように形成する。それにより、ゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）の非晶質シリコン層１４の発熱をゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４の発熱より大きくすることができる。

換言すると、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ１００の構成となる、非晶質シリコン層１４の膜厚及びゲート絶縁層１３の膜厚を上述したＸおよびＹを満たすように形成する。それにより、まず、レーザー光の照射によりゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）の非晶質シリコン層１４において発生した熱は、ゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４にレーザー光が到達する前に、ゲート電極１２に伝わりゲート電極１２の温度を上昇させる。つまり、ゲート電極１２は、まず、レーザー光が到達する前に予備加熱されることとなる。これは、第２領域にある非晶質シリコン層１４にレーザー光が照射されて熱が発生すると、上記構成により、第２領域の温度が、レーザー光が未だ到達していない第１領域の温度より高くなるため、第２領域にある非晶質シリコン層１４に発生した熱が、ゲート電極１２に伝わりゲート電極１２の温度を上昇させるからである。次に、レーザー光が第１領域に到達すると、第１領域での非晶質シリコン層１４が発熱し、第１領域での非晶質シリコン層１４の発熱量に対応した熱がゲート電極１２に伝わる（レーザー光による加熱）。ゲート電極１２は、このレーザー光による加熱と上記の予備加熱との両方により加熱されて、ゲート電極１２を熱的に飽和される。ここで、ゲート電極１２を熱的に飽和させるとは、ゲート電極１２の面内でゲート電極１２の温度が均一化されていることを意味する。

このように、本実施の形態に係る薄膜トランジスタの構成によれば、非晶質シリコン層１４を結晶化する際に、ゲート電極１２を熱的に飽和することができる。それにより、非晶質シリコン層１４を結晶化するためのレーザー光による熱が、ゲート電極１２に吸収されてしまうことなく、結晶質シリコン層１５を形成するために用いられ、結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を生成することができるという効果を奏する。

次に、ΔＡ’の算出方法について説明する。上述したように、ゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）、及びゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）それぞれの非晶質シリコン層１４のレーザー光に対する規格化吸収率の差が−ΔＡ’以下になることにより、本実施の形態に係る効果が得られる。

ここで、非晶質シリコン層１４で吸収されるレーザー光の光吸収エネルギーの１００％が非晶質シリコン層の発熱に寄与すると仮定し、レーザー光の単位面積当たりのエネルギーをエネルギー密度Ｅとする。以下では、ゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４を第１領域の非晶質シリコン層１４と呼び、ゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）の非晶質シリコン層１４を第２領域の非晶質シリコン層１４と呼ぶ。また、第１領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率をＡ_Ｓｉ１、レーザー光を吸収したことによる非晶質シリコン層１４の発熱量（単位面積当たり）をＱ_Ｓｉ１とする。第２領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率をＡ_Ｓｉ２、レーザー光を吸収したことによる非晶質シリコン層１４の発熱量（単位面積当たり）をＱ_Ｓｉ２とする。さらに、ゲート電極１２上にゲート絶縁層１３が形成されており、さらにその上に非晶質シリコン層が形成されている本構成において、ゲート電極１２のレーザー光吸収率をＡ_Ｇ、レーザー光を吸収したことによるゲート電極１２の発熱量（単位面積当たり）をＱ_Ｇとする。

また、仮に、非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３を所定の膜厚にすることで、第１領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率と第２領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率が等しくなるとする。すなわち、Ａ_Ｓｉ１＝Ａ_Ｓｉ２が成立するとする。その場合には、Ｑ_Ｓｉ１＝Ｑ_Ｓｉ２、が成立する。しかし、実際には非晶質シリコン層１４を透過した光はゲート電極１２にも吸収されてゲート電極も発熱する（Ｑ_Ｇ＞０）。そのために第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度は第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度より大きくなる。

以上を鑑みると、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱量が第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱量とゲート電極の発熱量との総和以上であれば、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度が第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度以上になると考えられる。この関係は、（式８）で示すことができる。

Ｑ_Ｓｉ１＋Ｑ_Ｇ≦Ｑ_Ｓｉ２ （式８）

そして、この（式８）を変形すると、（式９）のように表すことができる。

Ｑ_Ｓｉ１−Ｑ_Ｓｉ２≦−Ｑ_Ｇ （式９）

ここで、非晶質シリコン層１４の膜厚、密度、比熱をそれぞれｄ_Ｓｉ、ρ_Ｓｉ、ｃ_Ｓｉ、ゲート電極の膜厚、密度、比熱をそれぞれｄ_Ｇ、ρ_Ｇ、ｃ_Ｇと定義すると、第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱量、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱量およびゲート電極の発熱量はそれぞれ、以下のように表すことができる。

Ｑ_Ｓｉ１＝Ｅ×Ａ_Ｓｉ１／（ｄ_Ｓｉ×ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）
Ｑ_Ｓｉ２＝Ｅ×Ａ_Ｓｉ２／（ｄ_Ｓｉ×ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）
Ｑ_Ｇ＝Ｅ×Ａ_Ｇ／（ｄ_Ｇ×ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）

次に、これらの式を（式９）に代入して整理すると、（式１０）のようになる。

（Ａ_Ｓｉ１−Ａ_Ｓｉ２）／ｄ_Ｓｉ≦−（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ） （式１０）

ここで、吸収率を膜厚で除算したものを規格化吸収率と定義し、Ａ_Ｓｉ１／ｄ_Ｓｉ＝Ａ_Ｓｉ１’、Ａ_Ｓｉ２／ｄ_Ｓｉ＝Ａ_Ｓｉ２’と以下では記載する。さらに（式１０）の右辺を−ΔＡ’と定義する。すると、（式１０）は、Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’≦−ΔＡ’となり、（式７）が導かれる。

（式７）は、以下のことを示している。すなわち、第１領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率と第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率との差が−ΔＡ’で定義される値以下になる条件を満足させるように非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３の膜厚を構成すると、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度が第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度以上になる。つまり、この条件を満足させる非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３の膜厚が形成されると、例えば青色レーザーを用いて非晶質シリコン層がレーザーアニール（結晶化）される場合に、結晶化に対するゲート電極１２による熱吸収、伝播の影響を小さくすることができるので、薄膜トランジスタの第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一にできる。

このようにして、（式７）が示すように、レーザー光の波長、ゲート電極の材質と膜厚に依存せずに、薄膜トランジスタ１００の第１領域おける非晶質シリコン層１４を充分かつ均一に結晶化を図り、結晶質シリコン層１５を生成することができる。

以上のように、ゲート絶縁層１３と非晶質シリコン層１４の膜厚とを上述した条件を満たすように形成することで、さまざまな波長のレーザー光、ゲート電極の材質と膜厚であっても、結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を生成することができる。つまり、例えば、ゲート電極１２のパターン形状等、特に薄膜トランジスタ１００の構造に変更を加えることなく、ゲート電極１２上に形成された結晶質シリコン層の結晶性のばらつきを低減することができ、安定した結晶化が可能となる。それにより、これを使用した薄膜トランジスタの特性のばらつきを抑え、ＬＣＤやＯＬＥＤなどの表示装置で高精細化が進んでも、その表示品位を向上させることができるという効果を奏する。

なお、以上の記載では、線状に集光されたレーザー光を用いて非晶質シリコン層が結晶化される場合の例を示したが、本願ではこのほかにもスポット状（円形や楕円形その他も含む）のレーザー光を使ってもよい。その場合は、レーザー光を結晶化に適したスキャン方法で実施することが好ましい。

以上のように、本実施の形態における薄膜トランジスタ１００の製造方法によれば、非晶質シリコン層１４およびゲート絶縁層１３の膜厚が上述した条件を満たすことにより、第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一にして、第１領域おける非晶質シリコン層１４を充分かつ均一に結晶化を図ることができる。

以下、非晶質シリコン層１４およびゲート絶縁層１３の膜厚が満たすべき条件を、実施例に詳細に説明する。

（実施例）
まず、計算方法について説明する。

図７Ａ及び図７Ｂは、振幅透過率及び振幅透過率の計算方法を説明するための図である。

図７Ａ及び図７Ｂは、図２に示す薄膜トランジスタ１００の構造をモデル化した多層構造のモデル構造を示している。図７Ａに示すモデル構造では、複素屈折率Ｎ_１からなる層４０１と、複素屈折率Ｎ_２からなる４０２と、複素屈折率Ｎ_３からなる層４０３と、複素屈折率Ｎ_４からなる基板４０４とを備える。このモデル構造では、層４０３、層４０２及び層４０１がこの順に基板４０４上に積層されたものを示している。なお、図７Ｂに示すモデル構造は、図７Ａの層４０３がない場合のモデル構造を示している。また、図中に示す複素屈折率Ｎ_０の領域は、モデル構造の外部であり、レーザー光がモデル構造に入射される側を示している。この領域は、例えば空気であり、その場合、屈折率１、消衰係数０である。

基板４０４は、例えば透明なガラスまたは石英からなる絶縁基板であり、例えば屈折率１．４７を有し、図５Ａに示す基板１０に対応する。層４０３は、例えば屈折率３．１０３、消衰係数３．７１７を有し、膜厚が５０ｎｍのＭｏＷで構成されており、図５Ａに示すゲート電極１２に対応する。層４０２は、例えば屈折率１．４７７、消衰係数０の酸化珪素（ＳｉＯｘ）で構成されており、図５Ａに示すゲート絶縁層１３に対応している。層４０１は、例えば屈折率５．３５９、消衰係数１．３７０の非晶質シリコン層１４に対応する。

なお、本モデル構造においては、アンダーコート層１１に対応する層を省略した。なぜなら、アンダーコート層１１は透明な層であり、レーザー光に対する吸収がない層であるとすれば、その膜厚によらず本計算結果に影響を与えないからである。よって、以下、アンダーコート層１１に対応する層を省略したモデル構造にて計算を進める。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、外部から層４０１へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_０１、層４０１から層４０２へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_１２、層４０２から層４０３へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_２３、層４０３から基板４０４へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_３４、また、層４０２から基板４０４へ入射される光に対する振幅反射係数ｒ_２４をとしている。また、外部から層４０１へ入射される光の振幅透過係数をｔ_０１、層４０１から層４０２へ入射される光の振幅透過係数をｔ_１２、層４０２から層４０３へ入射される光の振幅透過係数をｔ_２３、層４０３から基板４０４へ入射される光の振幅透過係数をｔ_３４、また、層４０２から基板４０４へ入射される光の振幅透過係数をｔ_２４としている。

さらに、ゲート電極１２に対応する層４０３が形成されている領域上方の（第１領域に相当）各層全体の振幅反射係数をそれぞれｒ_０１２３（Ｒ１）、ｒ_１２３（Ｒ２）としている。具体的には、層４０３及び層４０２を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_１２３（Ｒ２）とし、層４０３、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_０１２３（Ｒ１）としている。また、第１領域の各層全体の振幅透過係数をそれぞれｔ_０１２３（Ｔ１）、ｔ_１２３（Ｔ２）としている。具体的には、層４０３及び層４０２を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_１２３（Ｔ２）とし、層４０３、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_０１２３（Ｔ１）としている。

次に、図７Ｂに示すように、ゲート電極に対応する層４０３が形成されていない領域上方の（第２領域の）各層全体の振幅反射係数をそれぞれｒ_０１２４（Ｒ１’）、ｒ_１２４（Ｒ２’）としている。具体的には、基板４０４、層４０２を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_１２４（Ｒ２’）とし、基板４０４、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_０１２４（Ｒ１’）としている。また、第２領域の各層全体の振幅透過係数をそれぞれｔ_０１２４（Ｔ１’）、ｔ_１２４（Ｔ２’）としている。具体的には、基板４０４、層４０２を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_１２４（Ｔ２’）とし、基板４０４、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_０１２４（Ｔ１’）としている。

そして、第１領域の各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数は、下記の（式１１）〜（式１４）で表すことができる。

また、第２領域の各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数は、下記の（式１５）〜（式１８）で表すことができる。

ここで、

であり、ｄは各層の膜厚、θは各層での入射角・透過角、λはレーザー光の波長である。

また、θは下式のスネルの法則より以下に示す通りに算出できる。

また、各層それぞれの振幅反射係数ｒ_０１、ｒ_１２、ｒ_２３、ｒ_２４及び振幅透過係数ｔ_０１、ｔ_１２、ｔ_２３、ｔ_２４は下記の（式１９）〜（式２６）を用いて算出できる。

なお、ここで光は単色レーザー光であり、その偏光はＰ偏光を仮定している。

次に、以上の式を用いて、次のようにして第１領域における各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数を算出する。すなわち、まず、ｒ_１２３を、（式１２）に（式２０）及び（式２１）を代入することにより算出する。次いで、ｒ_０１２３を、（式１１）に（式１９）及びｒ_１２３を代入することにより算出する。次いで、ｔ_１２３を、（式１４）に（式２０）、（式２１）、（式２４）および（式２５）を代入することにより算出する。次いで、ｔ_０１２３を、（式１３）に（式１９）、（式２３）、ｒ_１２３及びｔ_１２３を代入することにより算出する。

さらに、次のようにして第２領域における各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数を算出する。すなわち、まず、ｒ_１２４を、（式１６）に（式２０）及び（式２２）を代入することにより算出する。次いで、ｒ_０１２４を、（式１５）に（式１９）及びｒ_１２４を代入することにより算出する。次いで、ｔ_１２４を、（式１８）に（式２０）、（式２２）、（式２４）及び（式２６）を代入することにより算出する。次いで、ｔ_０１２４を、（式１７）に（式１９）、（式２３）、ｒ_１２４及びｔ_１２４を代入することにより算出する。

次に、第１領域における各層での反射率Ｒ１及びＲ２、透過率Ｔ１、及びＴ２を（式２７）〜（式３０）により算出する。

さらに、第２領域における各層での反射率Ｒ１’及びＲ２’、透過率Ｔ１’及びＴ２’を（式３１）〜（式３４）により算出する。

最後に、（式３５）によって、第１領域の非晶質シリコン層への光吸収率Ａ_Ｓｉ１を算出することができる。

また、（式３６）によって、第２領域の非晶質シリコン層への光吸収率Ａ_Ｓｉ２を算出することができる。

以上より、非晶質シリコン層の膜厚ｄ_Ｓｉを用いて、第１領域の非晶質シリコン層の規格化吸収率Ａ_Ｓｉ１’から第２領域の非晶質シリコン層の規格化吸収率Ａ_Ｓｉ２’を減算した値を算出することができる。

次に、上述した計算方法を用いて、図７Ａ及び図７Ｂに示すモデル構造に対して垂直に、すなわちθ_０ ＝ ０、またはｓｉｎθ_０ ＝ ０が近似的に成り立つ範囲の入射角θ_０において波長λ（４０５ｎｍ≦λ≦４８８ｎｍ）のレーザー光（主に青色レーザー光）を入射した場合に、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層へのレーザー光の規格化吸収率を算出し、その差を計算した。また、この場合、レーザー光の偏光がＳ偏光としても計算結果は同じである。

図８は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層を形成する場合にゲート絶縁層と非晶質シリコン層とに好適な膜厚範囲があることを示すための図である。具体的には、図８は、図７Ａ及び図７Ｂに示すモデル構造を用いて、非晶質シリコン層１４の膜厚と、ゲート絶縁層１３の膜厚とをそれぞれ変化させた場合の、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’の計算結果を示す等高線図である。横軸は、非晶質シリコン層１４の光学膜厚、すなわち、非晶質シリコン層１４の屈折率ｎ_Ｓｉに非晶質シリコン層１４の膜厚ｄ_Ｓｉを乗じた値を、レーザー光の波長λで除算した値、すなわち（ｎ_Ｓｉ×ｄ_Ｓｉ）／λを示している。縦軸は、酸化珪素膜、または窒化珪素膜で構成される透明絶縁膜であるゲート絶縁層１３の光学膜厚、すなわちｎ_ＳｉＯ×ｄ_ＳｉＯ、または、ｎ_ＳｉＮ×ｄ_ＳｉＮを、レーザー光の波長λで除算した値、すなわち、（ｎ_ＳｉＯ×ｄ_ＳｉＯ）／λ、または、（ｎ_ＳｉＮ×ｄ_ＳｉＮ）／λを示している。ここでゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されるとしたとき屈折率をｎ_ＳｉＯ、膜厚をｄ_ＳｉＯとして、ゲート絶縁層１３が窒化珪素膜で構成されるとしたときの屈折率をｎ_ＳｉＮ、膜厚をｄ_ＳｉＮとしている。

また、本モデル構造における酸化珪素膜または窒化珪素膜で構成されるゲート絶縁層１３においては、そのキャパシタンスが一定になるようにゲート絶縁層１３の膜厚を変化させている。具体的には、酸化珪素膜及び窒化珪素膜の比誘電率及びキャパシタンスをそれぞれε_ＳｉＯ、ε_ＳｉＮ、真空の誘電率をε_０とおく。このとき、酸化珪素膜または窒化珪素膜で構成されるゲート絶縁層１３の単位面積あたりのキャパシタンスＣ＝ε_０／（ｄ_ＳｉＯ／ε_ＳｉＯ＋ｄ_ＳｉＮ／ε_ＳｉＮ）が一定になるようにゲート絶縁層１３の膜厚すなわち酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚を変化させる。

ところで、例えばλ＝４０５ｎｍのときの非晶質シリコン層１４の屈折率を用いると、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換することができる。図９は、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換した値の例を示す図である。図９には、λ＝４０５ｎｍのとき、λ＝４４５ｎｍのとき、λ＝４５５ｎｍのとき、及びλ＝４８８ｎｍのときの、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換した値を示している。

また、例えばλ＝４０５ｎｍのとき、酸化珪素膜または窒化珪素膜の屈折率を用いることで、図８の縦軸の値からゲート絶縁層１３を構成している酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚を算出することができる。図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８の縦軸の値を、ゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚に変換した値の例を示す図である。図１０Ａは、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜により構成される場合に、λ＝４０５ｎｍ、λ＝４４５ｎｍ、λ＝４５５ｎｍ、およびλ＝４８８ｎｍのときのゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜の膜厚を算出した値を示している。同様に、図１０Ｂは、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が窒化珪素膜により構成される場合に、λ＝４０５ｎｍ、λ＝４４５ｎｍ、λ＝４５５ｎｍ、およびλ＝４８８ｎｍのときのゲート絶縁層１３を構成する窒化珪素膜の膜厚を算出した値を示している。

図８において、−ΔＡ’で表される等高線の線上及び内側領域は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’が−ΔＡ’以下になる領域であることを示している。換言すると、図８の点線で示される曲線は、規格化吸収率差が−０．０００４の等高線を示している。つまり、この曲線上、及びその内側領域の規格化吸収率差は−０．０００４以下である。また、この領域は、非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３の膜厚と、それらの光学定数と、ゲート電極１２及び基板１０の光学定数とから上述した式（計算方法）により算出される。そして、算出された第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’が−ΔＡ’以下になる条件を満たすとき、薄膜トランジスタ１００の第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一できる。それにより、第１領域おける非晶質シリコン層１４は充分かつ均一に結晶化されて結晶質シリコン層１５になる。

図１１は、図８において、ゲート絶縁層と非晶質シリコン層との好適な膜厚範囲を算出するために用いた図である。

図１１において、非晶質シリコン層１４の光学膜厚をレーザー光の波長で除算したものをＸ、ゲート絶縁層１３の光学膜厚をレーザー光の波長で除算したものをＹとおいている。なお、これらのＸとＹは上述したものと同じである。そして、これらＸとＹとを用いて、−ΔＡ’で表される等高線の線上及び内側領域を数式で近似する。すなわち、Ｌ１〜Ｌ４で示される集合の積（式３７）で表すことができる。

なお、Ｌ１〜Ｌ４は、以下のように表すことができるが、これらはそれぞれ上述した（式１）〜（式４）に相当する。

Ｌ１：Ｙ≦−０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
Ｌ２：Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’）
Ｌ３：Ｙ≧−０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’）
Ｌ４：Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’）

なお、ΔＡ’は、上述したように、ΔＡ’＝（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）で表される。ここで、ρ_Ｓｉ、ｃ_Ｓｉはそれぞれ非晶質シリコン層１４の密度、及び比熱であり、ｄ_Ｇ、ρ_Ｇ、ｃ_Ｇはそれぞれゲート電極の膜厚、密度、及び比熱である。

次に、波長４５５ｎｍの青色レーザー光を、図７Ａ及び図７Ｂのモデル構造上方から垂直に照射した場合を考える。ここで非晶質シリコン層１４の密度を２３４０（ｋｇ／ｍ３）、比熱を（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））とする。また、ゲート電極１２を膜厚５０ｎｍのＭｏＷとし、その密度を１１７２０（ｋｇ／ｍ３）、比熱を２２６．４（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））とする。このとき、第１領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率と第２領域の非晶質シリコン層のレーザー光の波長に対する吸収率とが等しくなる、すなわち、Ａ_Ｓｉ１＝Ａ_Ｓｉ２が成立するとする。そして、Ａ_Ｓｉ１＝Ａ_Ｓｉ２が成立するときの非晶質シリコン層及びゲート絶縁層を構成する酸化珪素層及び窒化珪素層の膜厚と、上述の光学計算式（式１２）〜（式４７）と用いてゲート電極の吸収率の最大値Ａ_Ｇを計算する。その結果、Ａ_Ｇは０．０３と計算され、そこからΔＡ’が０．０００４と算出される。なお、Ａ_Ｇは、Ａ_Ｇ＝Ｔ１×Ｔ２×Ｔ３×（１−Ｒ_Ｇ）の関係式から計算される。ここでＲ_Ｇは窒化珪素を媒質とした場合のゲート電極１２の反射率であり、Ｒ_Ｇ＝｛（ｎ_ＳｉＮ−ｎ_Ｇ）＾２＋ｋ_Ｇ＾２｝／｛（ｎ_ＳｉＮ＋ｎ_Ｇ）＾２＋ｋ_Ｇ＾２｝と計算される。また、窒化珪素の屈折率ｎ_ＳｉＮ、ゲート電極の屈折率ｎ_Ｇ、ゲート電極の消衰係数ｋ_Ｇとしている。以上のように、ΔＡ’が０．０００４と算出される。この値を用いて、上記のＬ１〜Ｌ４で示される（式３７）の集合の積で表す範囲が決定される。

次に、λ＝４５５ｎｍの青色レーザー光を、図７Ａ及び図７Ｂで示されるモデルに対して垂直に照射しスキャンしたときの、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーションを実施した。図１２に、シミュレーションに用いたモデルを示す。本モデルは、図１２に示すように、基板１０と、ゲート電極５１２と、ゲート絶縁膜５１３と、非晶質シリコン層５１４とで構成されている。本モデルにおいて、ゲート電極５１２のレーザースキャン方向の長さは３０μｍとし、非晶質シリコン層５１４およびゲート電極５１２の物性値として、上述した値を用いた。

図１３は、図８において、本シミュレーションで実施した膜厚条件箇所を示す図である。すなわち、図１３に示す星（☆）が付された１〜１３（星１〜星１３）の点の箇所は、本シミュレーションで実施した膜厚条件を示している。

また、星２、星３、星４、星５、星６、星９、星１０、星１１、星１２における規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’は−ΔＡ’（＝−０．０００４）より大きく、星１、星７、星８、星１３における規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’は−ΔＡ’より小さい。また、星２、星６、星９、星１２は、図１３の点線付近のその内側領域に存在している。

ここで、例えば、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されているとすると、星１の箇所は、非晶質シリコン層１４の膜厚が３０ｎｍ、ゲート絶縁層１３の膜厚１４０ｎｍである。なお、この値は、λ＝４５５ｎｍ、かつ、ゲート絶縁層のキャパシタンスが０．３５４に相当するときの値の一例である。同様に、星２〜星７の点の箇所は、非晶質シリコン層厚がそれぞれ３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍであり、ゲート絶縁膜１３の膜厚は１４０ｎｍで共通である。また、星８〜星１３の点の箇所は、ゲート絶縁膜１３の膜厚はそれぞれ、１１０ｎｍ、１２０ｎｍ、１３０ｎｍ、１５０ｎｍ、１６０ｎｍ、１７０ｎｍであり、非晶質シリコン層の膜厚は４５ｎｍで共通である。

なお、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が窒化珪素膜で構成されているとすると、星２〜星７の点の箇所は、非晶質シリコン層厚がそれぞれ３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍであり、ゲート絶縁膜１３の膜厚は１０５．０ｎｍで共通である。また、星８〜星１３の点の箇所は、ゲート絶縁膜１３の膜厚はそれぞれ、８２．５ｎｍ、９０．０ｎｍ、９７．５ｎｍ、１１２．５ｎｍ、１２０ｎｍ、１２７．５ｎｍであり、非晶質シリコン層の膜厚は４５ｎｍで共通である。

図１４及び図１５は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーション結果を示す図である。横軸は、位置座標を示しており、縦軸は、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示している。図１４は、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されている場合において、図１３に示す星１〜星７の箇所における膜厚条件のシミュレーション結果を示している。具体的には、図１４は、図１３に示す星１〜星７の箇所において、ゲート絶縁層１３の膜厚を一定に保ち、非晶質シリコン層１４の膜厚を変化させたときのシミュレーション結果を示している。図１５は、図１３に示す星８〜星１０、星４、星１１〜星１３の箇所における膜厚条件のシミュレーション結果を示している。具体的には、図１５は、図１３に示す星８〜星１０、星４、星１１〜星１３の箇所において、非晶質シリコン層１４の膜厚を４０ｎｍと一定に保ち、ゲート絶縁層１３の膜厚をそれぞれ変化させたときのシミュレーション結果を示している。

図１４に示すように、星１および星７の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦でないのに対して、星２〜星６の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦であることがわかる。さらに、図１５に示すように、星８、星１３の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦でないのに対して、星９〜星１２、及び、星４の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦であることがわかる。

以上のシミュレーション結果によれば、−ΔＡ’で表される等高線の線上及びその内側の領域の第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’を非晶質シリコン層１４の膜厚及びゲート絶縁層１３の膜厚が満たすとき、薄膜トランジスタ１００の第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一できることがわかる。それにより、薄膜トランジスタ１００の第１領域おける非晶質シリコン層１４を充分かつ均一に結晶化した結晶質シリコン層１５を生成することが可能となる。

なお、図１１では、−ΔＡ’で表される等高線の線上及びその内側の領域（点線で囲まれる領域）においては、さらに好ましい領域として領域Ｆ１が示されている。

図１１に示す範囲の領域Ｆ１は、点線で囲まれた領域においてさらに好ましい領域である。なぜなら、この領域Ｆ１では、この領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲で薄膜トランジスタ１００を構成するゲート絶縁膜１３および非晶質シリコン層１４の膜厚を形成すると、それらの膜厚がそれぞれ目標膜厚から１０％程度変化しても、結晶率のばらつきが抑制された結晶質シリコン層１５を生成できるという効果を奏する。つまり、この領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲だとプロセスマージンがあるため好ましい。

次に、この領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲にプロセスマージンがあることを検証した結果について説明する。

トータルキャパシタンスを一定すなわち透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されている場合において、ゲート絶縁層１３の膜厚を１４０ｎｍに固定した上で、非晶質シリコン層１４の膜厚を変化したときの、第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出した結果を、図１６Ａ〜図１６Ｅに示している。

図１６Ａは、非晶質シリコン層を３５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。つまり、図１６Ａでは、ゲート絶縁層１３の膜厚すなわち酸化珪素膜（図中ＳｉＯと表記）を１４０ｎｍで固定し、非晶質シリコン層１４の膜厚すなわち非晶質シリコン（図中ａ−Ｓｉと表記）を３５ｎｍで形成する場合のプロセスマージンを検証するための図である。図１６Ａでは、ゲート絶縁層１３の膜厚／非晶質シリコン層１４の膜厚をａ−Ｓｉ／ＳｉＯと示している。また、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝３５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称し、ゲート絶縁膜１３（酸化珪素膜）及び非晶質シリコン層１４の膜厚をセンター膜厚からそれぞれ±１０％変化させた場合（２×３×３＝１８の膜厚水準をサンプルとした）第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出している。

同様に、図１６Ｂは、非晶質シリコン層を４０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図であり、図１６Ｃは、非晶質シリコン層を４５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。また、図１６Ｄは、非晶質シリコン層を５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図であり、図１６Ｅは、非晶質シリコン層を５５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。つまり、図１６Ｂでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４０ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称し、図１６Ｃは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称する。また、図１６Ｄでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝５０ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称し、図１６Ｅではａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝５５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称している。そして、図１６Ｂ〜図１６Ｅではそれぞれのセンター膜厚をそれぞれ±１０％変化させた場合（２×３×３＝１８の膜厚水準をサンプルとした）第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出している。

また、非晶質シリコン層１４の膜厚を４５ｎｍに固定した上で、酸化珪素膜で構成されるゲート絶縁層１３の膜厚を変化したときの、第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出した結果を、図１７Ａ〜図１７Ｄに示している。を変化したときの、第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出した結果を、に示している。

図１７Ａは、ゲート絶縁層１３を１２０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。つまり、図１７Ａでは、非晶質シリコン層１４を４５ｎｍで固定し、ゲート絶縁層１３の膜厚を１２０ｎｍで形成する場合のプロセスマージンを検証するための図である。図１７Ａでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１２０ｎｍをセンター膜厚と称し、ゲート絶縁膜１３（酸化珪素膜）及び非晶質シリコン層１４の膜厚をセンター膜厚からそれぞれ±１０％変化させた場合に、第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出している。

同様に、図１７Ｂは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１３０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図であり、図１７Ｃは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。また、図１７Ｄは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１６０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。図１７Ｂでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１３０ｎｍをセンター膜厚と称し、図１７Ｃでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称している。また、図１７Ｄではａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１６０ｎｍをセンター膜厚と称している。

上記の図１６Ａ〜図１７Ｄにおいてシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＜第２領域（ゲート外）なる膜厚水準が多いか否かを検証することで、プロセスマージンがあるかを検証することができる。

図１６Ｂから図１６Ｄ、ならびに図１７Ｂおよび図１７Ｃに示すように、ほぼすべての膜厚水準でシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＜第２領域（ゲート外）となった。ここで、図１６Ｂおよび図１６Ｄ、ならびに図１７Ｂおよび図１７Ｃでは、点線の円で囲った領域の膜厚水準（一部の膜厚水準）でシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＞第２領域（ゲート外）となる膜厚水準が算出されたが、この領域は、膜厚水準から変化が大きい膜厚の領域において算出されている。そのため、これらの膜厚水準にはプロセスマージンがあるといえる。

それに対して、図１６Ａ、図１６Ｅ、図１７Ａ、図１７Ｅでは、点線の円で囲った領域の膜厚水準（一部の膜厚水準）でシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＞第２領域（ゲート外）となる膜厚水準が算出されたが、この領域は、膜厚水準から変化が小さい膜厚の領域において算出されている。そのため、これらの膜厚水準にはプロセスマージンがあるといえない。

以上の結果から、ゲート絶縁層１３の膜厚が１２０ｎｍ〜１５０ｎｍ、非晶質シリコン層１４の膜厚が４０ｎｍ〜５０ｎｍすなわち領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲だとプロセスマージンがあることがわかる。つまり、好ましい領域Ｆ１の範囲では、ゲート絶縁膜１３および非晶質シリコン層１４の膜厚がそれぞれ目標膜厚から１０％程度変化しても、結晶率のばらつきが抑制された結晶質シリコン層１５を生成できることがわかる。

なお、上記検証は、ゲート絶縁層１３が窒化珪素膜で構成されている場合にも同様のことがいえるので、説明を省略する。

総括すると、通常、レーザー結晶化プロセスにおいて、非晶質シリコン層の下部にゲート絶縁層を介してゲート電極が存在する場合、ゲート電極の熱吸収、熱伝播の影響により、ゲート電極上方の非晶質シリコン層の発熱が不十分かつ不均一になり、形成された結晶質シリコン層の結晶度にばらつきを生じさせる。しかし、上述した膜厚範囲で非晶質シリコン層とその下地膜である絶縁層を成膜すると、図１８Ａに示すようにレーザー結晶化プロセスにおいて、ゲート電極の熱吸収、熱伝播の影響を抑えて、結晶化を行える。そのため、非晶質シリコン層とその下地膜であるゲート絶縁層とを備える薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）では、均質な薄膜トランジスタの特性を実現できることとなる。なお、図１８Ｂおよび図１８Ｃは、比較として、従来の構造１および２に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。

つまり、図１８Ａは、本発明の実施の形態の構造に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。図１８Ｂは、従来の構造１に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図であり、図１８Ｃは、従来の構造２に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。図１８Ａ〜図１８Ｃでは、単位時間当たりのレーザー光のエネルギー密度５０ＫＷ／ｃｍ２で、レーザースキャンのスピードを４００ｍｍ／ｓとした場合の例を示している。

従来の構造１では、１００ｎｍ〜２００ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域と、２００ｎｍ〜５００ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域とがある。また、従来の構造２では、１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域と、５ｎｍ〜１０ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域とがある。それに対して、本発明の実施の形態の構造では、５０ｎｍ〜７０ｎｍの結晶粒径で均一に結晶化されているのがわかる。

図１９は、本発明の実施の形態における効果を説明するための図である。つまり、図１９は、ゲート電極１２を熱的に飽和させる手段として、ゲート電極１２以外の領域に着目し、ゲート電極１２上方に無い（第２領域の）非晶質シリコン層の発熱を利用していることを示している。具体的には、非晶質シリコン層１４とゲート絶縁層１３の膜厚を適切な範囲におくことで、ゲート電極１２の有無による光の干渉効果の差を利用し、１）ゲート電極上方のシリコン薄膜の光吸収率より、ゲート電極上方にないシリコン薄膜の光吸収率が大きくなるように、すなわち、レーザーアニールを施した際、ゲート電極１２上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４の発熱より、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４の発熱が大きくなるように設定でき、かつ、２）ゲート電極１２上方（第１領域）のシリコン薄膜の発熱温度がシリコンの融点以上になるように設定できる。

そして、１）と設定できることにより、第２領域の非晶質シリコン層１４から発生した熱をゲート電極１２に吸収、伝播させることができる。これにより、レーザー光がゲート電極１２上（第１領域）の非晶質シリコン層１４をアニールする前に、予めゲート電極１２を熱的に飽和することができるので、ゲート電極１２上の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の結晶化において、ゲート電極１２の熱吸収・伝播の影響を低減することができる。さらに、２）と設定できることにより、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）シリコン薄膜の光吸収率が、ゲート電極上方のシリコン薄膜の光吸収率より過渡に大きい場合、すなわち、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４の発熱が、ゲート電極１２上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の発熱より極端に大きくなった場合においても、ゲート電極１４上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４とゲート電極１２上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４との双方の領域における非晶質シリコン層１４が溶融することにより溶融シリコン層となり、その熱伝導率が、一般的にゲート電極１２として用いられる金属の熱伝導率と同程度の値まで増加する。

従って、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）溶融シリコン層より発生した熱は、主にゲート電極１２上方の（第１領域の）溶融したシリコン層へ伝播するようになるので、ゲート絶縁層１３を介してゲート電極１２に過度に吸収されることは無い。それゆえに、ゲート電極１２の温度分布が悪化することなく、その上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の発熱温度分布に影響を与えない。

よって、上記の１）と２）の複合効果より、ゲート電極１２上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の発熱温度分布を均一に維持できるので、その際に得られる結晶質シリコン層１５内に生成される結晶組織の均一性を保つことができるという効果を奏する。

以上、本発明によれば可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン膜を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた表示装置を実現することができる。具体的には、前記シリコン薄膜及び、ゲート絶縁層を、それぞれの膜厚が所定の条件を満足するように形成することにより、例えば、ゲート電極のパターン形状等、特に薄膜トランジスタの構造に変更を加えることなく、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン層を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた表示装置を実現することができる。

さらに、図２０に示す表示装置に、本発明の薄膜トランジスタを用いた場合には、均質なＴＦＴ特性を備える高画質な表示装置を実現することができる。また、表示品位の向上による歩留り向上、コストダウンも可能となる。

なお、本発明によれば、例えば、ゲート電極のパターン形状等、特に薄膜トランジスタの構造に変更を加えることなく、膜厚条件を上記の範囲にとるだけ効果を実現することが可能になるので、例えば、より高精細な表示装置を作製する場合においても、その設計の柔軟性を保つことが出来る点が従来の技術より優れているといえる。

以上、本発明の薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた表示装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた液晶パネルまたは、有機ＥＬパネル等のＥＬパネルを含む表示装置に利用でき、特に、レーザー結晶化プロセスにおいて、非晶質シリコン膜の下部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が存在する場合において、ゲート電極の熱吸収、熱伝播の影響を抑えて、安定した結晶化を行えるため、均質なＴＦＴ特性を備える高画質な液晶パネルまたは、有機ＥＬパネル等のＥＬパネルを含む表示装置の製造などに利用できる。

１ スイッチングトランジスタ
２ 駆動トランジスタ
３ データ線
４ 走査線
５ 電流供給線
６ キャパシタンス
７ 有機ＥＬ素子
１０、４０４、５１０ 基板
１１ アンダーコート層
１２、５１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁層
１４、１６、５１４ 非晶質シリコン層
１５ 結晶質シリコン層
１７ ｎ＋シリコン層
１８ ソース・ドレイン電極
１００ 薄膜トランジスタ
４０１、４０２、４０３ 層

本発明は薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置および表示装置に関する。

例えば、液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを構成する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。薄膜トランジスタのチャネル部は、非晶質シリコンであるａ−Ｓｉまたは結晶質で多結晶シリコンであるＰｏｌｙ−Ｓｉで形成されている。薄膜トランジスタのチャネル部の結晶質シリコン層（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層）は、一般的に、非晶質シリコン層（ａ−Ｓｉ層）を形成後、その非晶質シリコン層に例えばエキシマ等のレーザー光を照射して瞬間的に温度を上昇させて結晶化することにより、形成される。

また、薄膜トランジスタの構造としては、ゲートメタルがチャネル部のｘ−Ｓｉ（ｘは、ａまたはＰｏｌｙ）からみて基板側に配置されているボトムゲート構造と、ゲートメタルおよびソース・ドレインメタルがチャネル部のｘ−Ｓｉからみて基板と反対方向に配置されているトップゲート構造とが存在する。ボトムゲート構造は、非晶質シリコン層で形成されたチャネル部を有するａ−Ｓｉ ＴＦＴで主に用いられており、トップゲート構造は、結晶質シリコン層で形成されたチャネル部を有するＰｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴで主に用いられる。なお、大面積の表示装置に用いられる液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを構成する薄膜トランジスタの構造としては、ボトムゲート構造が一般的である。

さらに、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴがボトムゲート構造である場合も存在し、作製コストが抑えられるといった長所を持っている。このようなボトムゲート構造のＰｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴでは、非晶質シリコン層にレーザーを照射して結晶化を行うことで結晶質シリコン層が形成される。この手法（レーザーアニール結晶化法）では、レーザー光照射に基づく熱で非晶質シリコン層を結晶化させる。

しかし、有機ＥＬパネルを構成する薄膜トランジスタには、特に均一な特性が求められるものの、上記のレーザーアニール結晶化法をボトムゲート構造の薄膜トランジスタの製造に適用した場合には不都合（問題）が生じてしまう。具体的には、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタでは、シリコンや絶縁膜に比して高い熱伝導率の金属材料でゲート電極が先に形成されて、その後に形成した絶縁層及び非晶質シリコン層を形成する。そのため、レーザーアニール結晶化法によりボトムゲート構造の非晶質シリコン層にレーザー光を照射して結晶化を行う際には、非晶質シリコン層の結晶化に要されるはずの熱がゲート電極によって吸収、伝播されてしまい、非晶質シリコン層が十分に結晶化されずに結晶性の低下や不均一化が生じてしまう問題がある。

それに対して、ゲート電極の近接領域すなわちチャネル近傍に、ダミーゲートパターンを配置させることにより、ゲート電極及びダミーゲートパターン上方にある非晶質シリコン層におけるそれぞれの熱容量の差を低減させる方法が開示されている（例えば、特許文献１）。また、レーザー光のスキャン上流側にゲート電極を伸長させることにより、伸長させたゲート電極の部分のプリアニール効果を利用して、レーザー光が薄膜トランジスタのチャネル領域に到達する前に、ゲート電極を熱的に飽和させ、ゲート電極によるシリコン薄膜において発生した熱の吸収を軽減させる方法が開示されている（例えば特許文献２）。

特開平１０−２４２０５２号公報 特開２００７−０３５９６４号公報

しかしながら、上記従来の方法では、次に述べるような課題がある。すなわち、特許文献１及び文献２に開示の方法では、ゲート電極上方のシリコン薄膜にレーザー光が到達する前にゲート電極を熱的に飽和させる手段として、ゲート電極周辺、及びゲート電極に接触して電極材料を配置する。そのため、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタを用いてより高精細な表示装置を作製する場合には、ゲート電極パターンを密に配置することが困難になるという課題がある。さらに、上記特許文献２に開示の方法では、スキャン方向に対して薄膜トランジスタのチャネル方向が常に平行になるように薄膜トランジスタを配置しなければならないという制約が生じる。これは、表示装置の画素内の回路パターンの設計の自由度を著しく低減させてしまうため、より高精細な表示装置の作製をする場合には、深刻な課題となる。

また、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行う場合、エキシマレーザーのスキャンによって行う場合とは異なる問題が生じる。具体的には、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行うと、非晶質シリコン層における熱拡散長がより大きくなるので、ゲート電極による熱伝導の影響がより顕著になり、結晶化が不十分となる。これを、図１を用いて説明する。図１は、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行った場合の結晶ムラを示す図である。

図１の右図に示すように、結晶ムラは、スキャンの上流側（図中の右方向）に発生しているのがわかる。ここで、図１の左図は、図１の右図の複数のゲートメタルのうちの１つのゲートメタル上の非晶質シリコンに対する結晶化率を示す図である。図１の左図において、例えば結晶化率８０％とは、粒径３０ｎｍ〜４０ｎｍの結晶質シリコンであること表しており、例えば結晶化率４０％とは、粒径１０ｎｍ〜２０ｎｍの結晶質シリコンであること表している。したがって、図１の左図で示すように、結晶化が不十分（均一でない）である場合に結晶ムラが生じることがわかる。このように、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行う場合、結晶化が不十分となるので、それを用いた薄膜トランジスタの特性の劣化、個々のトランジスタの特性の不均一化を生じてしまう問題がある。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたもので、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン膜を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置、それを用いた表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、前記絶縁層の膜厚と前記非晶質性シリコン層の膜厚は、下記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

式１）Ｙ≦−０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
式２）Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’）
式３）Ｙ≧−０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’）
式４）Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’）

本発明によれば、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン膜を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置、それを用いた表示装置を実現することができる。具体的には、前記シリコン薄膜及び、ゲート絶縁層を、それぞれの膜厚が所定の条件を満足するように形成することにより、例えば、ゲート電極のパターン形状等、特に薄膜トランジスタ装置の構造に変更を加えることなく、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン層を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ装置、それを用いた表示装置を実現することができる。

図１は、レーザーアニール結晶化法を可視光領域の固体レーザーのスキャンによって行った場合の結晶ムラを示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る表示装置を構成する薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る表示装置の等価回路を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造工程を示すフローチャートである。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｃは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｄは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｅは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｆは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｇは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｈは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｉは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図５Ｊは、本発明の実施の形態に係る表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。 図６は、図４のＳ１４におけるレーザーアニールを模式的に示した図である。 図７Ａは、振幅透過率及び振幅透過率の計算方法を説明するための図である。 図７Ｂは、振幅透過率及び振幅透過率の計算方法を説明するための図である。 図８は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層を形成する場合にゲート絶縁層と非晶質シリコン層とに好適な膜厚範囲があることを示すための図である。 図９は、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換した値の例を示す図である。 図１０Ａは、図８の縦軸の値を、ゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚に変換した値の例を示す図である。 図１０Ｂは、図８の縦軸の値を、ゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚に変換した値の例を示す図である。 図１１は、図８において、ゲート絶縁層と非晶質シリコン層との好適な膜厚範囲を算出するために用いた図である。 図１２は、シミュレーションに用いたモデルを示す図である。 図１３は、図８において、本シミュレーションで実施した膜厚条件箇所を示す図である。 図１４は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーション結果を示す図である。 図１５は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーション結果を示す図である。 図１６Ａは、非晶質シリコン層を３５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｂは、非晶質シリコン層を４０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｃは、非晶質シリコン層を４５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｄは、非晶質シリコン層を５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１６Ｅは、非晶質シリコン層を５５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ａは、ゲート絶縁層１３を１２０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ｂは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１３０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ｃは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１７Ｄは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１６０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。 図１８Ａは、本発明の実施の形態の構造に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。 図１８Ｂは、従来の構造１に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。 図１８Ｃは、従来の構造２に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。 図１９は、本発明の実施の形態における効果を説明するための図である。 図２０は、本発明の薄膜トランジスタを用いた表示装置の一例を示す図である。

第１の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、前記絶縁層の膜厚と前記非晶質性シリコン層の膜厚は、下記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

式１）Ｙ≦‐０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
式２）Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’）
式３）Ｙ≧‐０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’）
式４）Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’）

本態様によれば、ゲート絶縁層である絶縁層の膜厚、及びチャネル層となる非晶質性シリコン層の膜厚が前記上記条件を満たすことにより、１）前記ゲート電極の上方（以下、第１領域、と記述する）の非晶質性シリコン層の光吸収率より前記ゲート電極の上方にない（以下、第２領域、と記述する）非晶質性シリコン層の光吸収率が大きく設定され、且つ、２）前記ゲート電極の上方のシリコン層の発熱温度を、前記非晶質性シリコン層の融点より大きく設定することが可能になる。

従って、先ず、１）の効果より、前記第２領域の非晶質性シリコン層の発熱は、前記第１領域の非晶質性シリコン層の発熱より大きくなる。これにより、前記レーザー光が照射され始める前記ゲート電極の始端部に、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光が到達する前に、前記第２領域の非晶質シリコン層にて発生する熱が予め前記ゲート電極に伝播され、前記ゲート電極が熱的に飽和した状態となる。

その結果、前記レーザー光が照射され始める前記ゲート電極の始端部から、前記レーザー光が照射され終わる前記ゲート電極の終端部にかけて、前記第１領域の非晶質性シリコン層より発生した熱が前記ゲート電極により吸収される割合を低減できるので、前記第１領域の非晶質性シリコン層の発熱温度分布をほぼ均一に制御できる。これにより、前記非晶質性シリコン層を結晶化した結晶性シリコン層内に生成される結晶組織をほぼ均一に制御できる。

さらに、２）の効果より、前記第２領域の非晶質性シリコン層の光吸収率が、前記第１領域の非晶質性シリコン層の光吸収率より過度に大きい場合、即ち、前記第２領域の非晶質性シリコン層の発熱が、前記第１領域の非晶質性シリコン層の発熱より極端に大きくなった場合においても、前記第１領域及び前記第２領域の非晶質性シリコンが溶融し溶融シリコンとなることによって、その熱伝導率が、一般的にゲート電極として用いられる金属の熱伝導率と同程度の値まで増加する。

よって、前記第２領域の溶融したシリコン層より発生した熱は、前記絶縁膜を介して前記ゲート電極に伝播するよりも、前記第１領域の溶融したシリコン層へ伝播するようになるので、前記第２領域の溶融したシリコン層より発生した熱が前記ゲート電極へと過度に伝播することは無い。故に、前記ゲート電極の発熱温度の分布が悪化することは無くなるので、前記ゲート電極の発熱温度の分布の悪化に伴う前記第一領域のシリコン層の発熱温度分布の均一性の低下は避けられる。

以上により、上記１）と２）の複合効果により、前記非晶質性シリコン層を結晶化した結晶性シリコン層内に生成される結晶組織の均一性が保持され、その結果、前記レーザー光が照射され始めた前記ゲート電極の始端部に対応する結晶性シリコン層から、前記レーザー光が照射され終わる前記ゲート電極の終端部に対応する結晶性シリコン層にかけて、前記結晶性シリコン層内の結晶率のばらつきが抑制された薄膜トランジスタ装置を実現できる。

第２の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法においては、前記非晶質性シリコン層の膜厚、及び前記絶縁層の膜厚は、下記の式５）および式６）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

式５）０．４７３≦Ｘ≦０．５９１
式６）０．４２２≦Ｙ≦０．５１９

本態様によれば、薄膜トランジスタ装置を構成する絶縁層（ゲート絶縁層）および非晶質シリコン層の膜厚がそれぞれ目標膜厚から１０％変化しても、前記結晶性シリコン層内の結晶率のばらつきが抑制された薄膜トランジスタ装置を実現できる。

第３の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第６工程において、前記所定のレーザーは、発振モードは連続発振または擬似連続発振モードの発振モードで前記レーザー光を照射する。

第４の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記絶縁層は、前記レーザー光の波長に対する前記絶縁層の消衰係数が０．０１以下である膜である。

第５の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、前記絶縁層は、酸化珪素膜である。

第６の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、前記絶縁層は、窒化珪素膜である。

第７の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、前記所定のレーザーの波長は、４４５ｎｍ〜４５５ｎｍである。

第８の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記所定のレーザーは、固体レーザー装置に備えられる。

第９の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記所定のレーザーは、半導体レーザー素子を用いたレーザー装置に備えられる。

第１０の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第６工程において、前記レーザー光の前記非晶質性シリコン層上における照射エネルギー密度の変動は、５％程度未満である。

第１１の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程は、前記基板上に酸化シリコンからなるアンダーコート層を形成する工程と、前記アンダーコート層上に複数のゲート電極を形成する工程とを含む。

第１２の態様の薄膜トランジスタは、基板と、前記基板上に形成された複数のゲート電極と、前記窒化シリコン層上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された結晶性シリコン層と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、前記結晶性シリコン層は、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成後、所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて生成され、前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、前記絶縁層の膜厚、及び前記非晶質性シリコン層の膜厚は、上記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす。

第１３の態様の表示装置は、液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを含む表示装置であって、請求項１２に記載の薄膜トランジスタ装置を備え、前記薄膜トランジスタ装置は、前記液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを駆動させる。

第１４の態様の表示装置では、前記表示装置は、有機ＥＬパネルである。

第１５の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記第２工程、前記第３工程、及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の、前記ゲート電極外の前記所定のレーザーの相対移動方向の上流領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度が、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記ゲート電極上の領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度より高くなるように、且つ、前記ゲート電極上の領域内では、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記非晶質性シリコン層の最高到達温度がほぼ一定になるように、構成されている。

第１６の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の、前記ゲート電極外の前記所定のレーザーの相対移動方向の上流領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度が、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記ゲート電極上の領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度より高くなるように、且つ、前記ゲート電極上の内領域では、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記非晶質性シリコン層の最高到達温度がほぼ一定になるように、前記ゲート電極の膜厚、前記絶縁層の膜厚、及び、前記非晶質性シリコン層の膜厚が構成されている。

第１７の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、前記ゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、前記絶縁層上に半導体材料を含む層を形成する第４工程と、前記半導体材料の層に対して波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザー光を照射し、前記半導体材料を結晶化させて半導体層を生成する第５工程と、前記ゲート電極に対応する領域である第１領域とは異なる、前記ゲート電極に対応しない領域である第２領域における前記半導体層上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、前記第２工程、前記第３工程及び前記第５工程において、前記半導体材料の層の前記第２領域での単位体積あたりの発熱量が、前記半導体材料の層の前記第１領域での単位体積あたりの発熱量よりも大きくなるように前記結晶性シリコン層を生成することにより、前記第５工程において、前記所定のレーザー光が照射されることによって発熱した前記第１領域の前記半導体材料の層から，前記ゲート電極に対して熱伝導して前記ゲート電極に吸収されている熱分を，第２領域の前記半導体材料の層に対して熱拡散することを抑えて蓄熱させ、かつ、発熱している前記第１領域の前記半導体材料の層において，等しい温度分布を有する部位を形成させて、前記半導体材料を結晶化させる。

第１８の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記半導体材料の層の前記第２領域での単位体積あたりの発熱量が、前記半導体材料の層の前記第１領域での単位体積あたりの発熱量よりも大きくなるように、前記ゲート電極の膜厚、前記絶縁層の膜厚、及び、前記非晶質性シリコン層の膜厚が構成されている。

第１９の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記半導体材料の層の前記第２領域は、前記第５工程における前記所定のレーザー光の前記基板に対する相対移動方向において、前記第１領域に対して上流領域および下流領域に対応している。

第２０の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記第２領域における単位体積あたりの発熱量が、前記第１領域における単位体積あたりの発熱量に比べて、前記ゲート電極の単位体積あたりの発熱量以上大きくなるように構成される。

第２１の態様の薄膜トランジスタ装置の製造方法では、前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、前記第５工程において、前記半導体材料の層の前記第１領域に形成される前記等しい温度分布を有する部位における大きさは、前記第１領域に対して０．８以上１．０以下となるように構成される。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る有機発光表示装置を構成する薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。

図２に示す薄膜トランジスタ１００は、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタであり、基板１０と、アンダーコート層１１と、ゲート電極１２と、ゲート絶縁層１３と、結晶質シリコン層１５と、非晶質シリコン層１６と、ｎ＋シリコン層１７と、ソース・ドレイン電極１８とを備える。

基板１０は、例えば透明なガラスまたは石英からなる絶縁基板である。

アンダーコート層１１は、基板１０上に形成され、例えば窒化珪素（ＳｉＮｘ）層、酸化珪素（ＳｉＯｘ）層、及びその積層等から構成される。ここで、アンダーコート層１１は、１．５＜ｘ＜２．０の酸化珪素（ＳｉＯｘ）で、３００ｎｍ以上〜１５００ｎｍ以下の膜厚で構成されるのが好ましい。より好ましいアンダーコート層１１の膜厚範囲は、５００ｎｍ以上〜１０００ｎｍ以下である。これは、アンダーコート層１１の厚みを厚くすると基板１０への熱負荷を低減できるが、厚すぎると膜剥がれやクラックが発生してしまうことによる。

ゲート電極１２は、アンダーコート層１１上に形成され、典型的にはモリブデン（Ｍｏ）等の金属やＭｏ合金等（例えばＭｏＷ（モリブデン・タングステン合金））の金属からなる。なお、ゲート電極１２は、シリコンの融点温度に耐えられる金属であればよいので、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）およびＭｏを含むこれらの合金からなるとしてもよい。ゲート電極１２の膜厚は、好ましくは３０ｎｍ以上〜３００ｎｍ以下であり、より好ましくは、５０ｎｍ以上〜１００ｎｍ以下である。これは、ゲート電極１２の膜厚が薄いと、ゲート電極１２の透過率が増加してしまい、以下に記すレーザー光の反射が低下しやすくなるからである。また、ゲート電極１２の膜厚が厚いと以下に説明するゲート絶縁層１３のカバレッジが低下してしまい、特にはゲート電極の端部でゲート絶縁膜が段切れすることでゲート電極１２とｎ＋シリコン層１７とが電気的に導通してしまうなど、薄膜トランジスタ１００の特性が劣化しやすくなるからである。

ゲート絶縁層１３は、ゲート電極１２を覆うように形成され、例えば酸化珪素膜、または窒化珪素膜からなる透明絶縁層である。

ゲート絶縁層１３の膜厚は、例えば、ゲート絶縁層１３の膜厚にゲート絶縁層１３の屈折率を積算した値であるゲート絶縁層１３の光学膜厚を、所定のレーザー光の波長で除算した値が、０．３５７〜０．６１７（好ましくは、０．４２２〜０．５１９）になるような膜厚で形成されている。つまり、ゲート絶縁層１３の膜厚は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層１５を形成する場合に好適な範囲があるということである。この好適な範囲は、一定の関係式で表現される。この一定の関係式の詳細については、後述する。

結晶質シリコン層１５は、ゲート絶縁層１３上に形成され、多結晶のシリコン層（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層）からなる。なお、この結晶質シリコン層１５は、ゲート絶縁層１３上にａ−Ｓｉからなる非晶質シリコン層１４（不図示）が形成後、その非晶質シリコン層１４をレーザー照射することにより多結晶質化（微結晶化も含む）することにより形成される。

ここで、多結晶とは、５０ｎｍ以上の結晶からなる狭義の意味での多結晶だけでなく、５０ｎｍ以下の結晶からなる狭義の意味での微結晶を含んだ広義の意味としている。以下、多結晶を広義の意味として記載する。

なお、レーザー照射に用いられるレーザー光源は、可視光領域の波長のレーザーである。この可視光領域の波長のレーザーは、約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長のレーザーであり、好ましくは４０５ｎｍ〜４８８ｎｍの波長のレーザーである。さらに好ましくは、４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの波長の青色レーザーである。

なぜなら、可視光の波長領域の中で、青色領域は非晶質シリコンの吸収率が大きいからである。例えば、ａ−Ｓｉ（４５ｎｍ）／ガラスの構成の基板において、λ＝４５５ｎｍのとき吸収率４５．５％であり、λ＝５３２ｎｍのとき吸収率で２４．１％である。これは、仮に、レーザー照射に用いられるレーザー光源の電力効率が同じである場合、青色レーザーを用いると、エネルギー効率良くアニールを行うことができるので、結晶化に要する電力を約半分にすることができることを意味する。また、青色レーザーでは、特に波長４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの領域で、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）の膜質が非晶質から結晶質に変化したとしても、吸収率の低下が約１０％と少ないからである。つまり、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）の膜質がばらついて、その光学定数が変動したとしても、高い吸収率を保つことができ、安定に結晶化することが可能であるからである。なお、現在、青色発光ダイオードレーザー単体の出力はｍＷオーダーと小さいが、それらを数多く束ねることにより、他の波長で得られている出力以上のレーザーを構築することが原理的に可能である。また、このような方式では必然的にインコヒーレントなレーザービームが形成されることから、レーザービーム成形がし易くなるという効果もある。

また、可視光領域の波長のレーザーは、連続発振または擬似連続の発振モードであればよい。なぜなら、この可視光領域の波長のレーザーが連続発振または擬似連続の発振モード以外の発振モードのパルス発振モードである場合、非晶質シリコン層１４にレーザー光を非連続に照射することになるため、非晶質シリコン層１４を常時溶融状態に保持することできないからである。また、擬似連続の発振モードも含まれる理由は、非晶質シリコン層１４がその融点以下まで冷却しないうちにパルスを当てて再加熱させることにより、その溶融状態を維持できるからである。すなわち、擬似連続発振モードの好ましい態様は、非晶質シリコン層１４がその融点以下まで冷却しないうちにパルスを当てて再加熱させることができ、かつ、その溶融状態を維持できるものである。また、この可視光領域の波長のレーザーは、固体レーザー装置であってもよく、半導体レーザー素子を用いたレーザー装置であってもよい。いずれにせよ、レーザー光を精度よく制御できるため好ましい。さらに、可視光領域の波長のレーザーは、結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を形成するため、非晶質シリコン層１４上に照射したときの照射エネルギー密度の変動が５％程度未満であれば好ましい。結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を形成することにより、薄膜トランジスタの当初設計特性が達成でき、また、特性の均一化が実現できることとなる。

非晶質シリコン層１４は、非晶質のシリコンすなわちａ−Ｓｉからなりゲート絶縁層１３上に形成される。非晶質シリコン層１４の膜厚は、例えば、非晶質シリコン層１４の膜厚に非晶質シリコン層１４の屈折率を積算した値である非晶質シリコン層１４の光学膜厚を、所定のレーザー光の波長で除算した値が、０．３５４〜０．７０９（好ましくは、０．４７３〜０．５９１）になるような膜厚で形成されている。非晶質シリコン層１４の膜厚は、例えば好ましくは、３０〜６０ｎｍであり、さらに好ましくは、４０ｎｍ〜５０ｎｍである。ここで、所定のレーザー光の波長は４５５ｎｍである。このように、非晶質シリコン層１４の膜厚は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層１５を形成する場合に好適な範囲があるということである。この好適な範囲は、以下で説明する技術思想に基づき、一定の関係式で表現される。なお、以下では、上述したようにゲート絶縁層１３が酸化珪素膜または窒化珪素膜で消衰係数が０．０１以下の透明絶縁層として形成されているとして説明する。

具体的には、まず、関係式を表現するための変数を定義する。すなわち、非晶質シリコン層１４の膜厚に、非晶質シリコン層１４の屈折率を積算した値である非晶質シリコン層１４の光学膜厚を、レーザー光の波長で除算した値をＸとする。続いて、ゲート絶縁層１３の膜厚にゲート絶縁層１３の絶縁層の屈折率を積算した値であるゲート絶縁層１３の光学膜厚を、レーザー光の波長で除算した値をＹとする。

さらに、非晶質シリコン層１４の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、ゲート電極１２の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとする。また、ゲート電極１２上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４と、ゲート電極１２の上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４の、レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときのゲート電極１２の吸収率の最大値をＡ_Ｇとし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおく。

そして、上記で定義したＸ、Ｙ、ΔＡ’を用いて、ゲート絶縁層１３の膜厚と、非晶質シリコン層１４の膜厚とそれぞれにおいて好適な範囲を定めることができる。具体的には、ゲート絶縁層１３の膜厚、及び非晶質シリコン層１４の膜厚は、下記の（式１）から（式４）により区画される範囲に属するＸ、及びＹを満たすように形成されるのが好ましい。

Ｙ≦−０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’） （式１）
Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’） （式２）
Ｙ≧−０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’） （式３）
Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’） （式４）

ここで、上記で定義したＸ、Ｙのより好ましい数値範囲を例示する。具体的には、ゲート絶縁層１３の膜厚、及び非晶質シリコン層１４の膜厚は、下記の（式５）および（式６）により区画される範囲に属するＸ、前記Ｙを満たすように形成されるのがより好ましい。

０．４７３≦Ｘ≦０．５９１ （式５）
０．４２２≦Ｙ≦０．５１９ （式６）

また、レーザー光が波長４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの青色レーザーを用いるのが好ましい。

非晶質シリコン層１６は、結晶質シリコン層１５上に形成されている。このようにして、薄膜トランジスタ１００は、結晶質シリコン層１５に非晶質シリコン層１６が積層された構造のチャネル層を有する。

ｎ＋シリコン層１７は、非晶質シリコン層１６と結晶質シリコン層１５の側面とゲート絶縁層１３とを覆うように形成されている。

ソース・ドレイン電極１８は、ｎ＋シリコン層１７上に形成され、例えばＭｏ、若しくはＭｏ合金などの金属、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）若しくはＡｌ合金などの金属、銅（Ｃｕ）若しくはＣｕ合金などの金属、または、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）若しくはタングステン（Ｗ）等の金属の材料からなる。

以上のように薄膜トランジスタ１００は、構成されている。

図３は、本発明の実施の形態に係る表示装置の等価回路を示す図である。

図３に示す有機発光表示装置は、スイッチングトランジスタ１と、駆動トランジスタ２と、データ線３と、走査線４と、電流供給線５と、キャパシタンス６と、有機ＥＬ素子７とを備える。

スイッチングトランジスタ１は、データ線３と走査線４とキャパシタンス６とに接続されている。

駆動トランジスタ２は、例えば図２に示す薄膜トランジスタ１００に相当し、電流供給線５とキャパシタンス６と有機ＥＬ素子７とに接続されている。

データ線３は、有機ＥＬ素子７の画素の明暗を決めるデータ（電圧値の大小）が、有機ＥＬ素子７の画素に伝達される配線である。

走査線４は、有機ＥＬ素子７の画素のスイッチ（ＯＮ／ＯＦＦ）を決めるデータが有機ＥＬ素子７の画素に伝達される配線である。

電流供給線５は、駆動トランジスタ２に大きな電流を供給するための配線である。

キャパシタンス６は、電圧値（電荷）を一定時間保持する。

以上のようにして有機発光表示装置は構成されている。

次に、上述した薄膜トランジスタ１００の製造方法について説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る有機発光表示装置の薄膜トランジスタの製造工程を示すフローチャートである。この薄膜トランジスタ１００は同時に複数製造されるが、以下では、説明を簡単にするため、１つの薄膜トランジスタを製造する方法として説明する。図５Ａ〜図５Ｊは、本発明の実施の形態に係る有機発光表示装置の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための図である。図６は、図４のＳ１４におけるレーザーアニールを模式的に示した図である。

まず、基板１０を準備し、基板１０上に、アンダーコート層１１を形成し（Ｓ１０）、続いて、アンダーコート層１１上にゲート電極を形成する（Ｓ１１）。

具体的には、基板１０上にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：気相成長）法により、アンダーコート層１１を成膜し、続いて、スパッタ法によりゲート電極となる金属膜を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより薄膜トランジスタ１００におけるゲート電極１２を形成する（図５Ａ）。ここで、ゲート電極１２は、典型的にはＭｏ等あるいはＭｏ合金等（例えばＭｏＷ（モリブデン・タングステン合金））の金属材料で形成される。

続いて、ゲート電極１２上にゲート絶縁層１３を形成する（Ｓ１２）。そして、ゲート絶縁層１３上に非晶質シリコン層１４を形成する（Ｓ１３）。

具体的には、プラズマＣＶＤ法により、ゲート電極１２の上にすなわちアンダーコート層１１とゲート電極１２とを覆うように、酸化珪素膜または窒化珪素膜を形成することによりゲート絶縁層１３を成膜し（図５Ｂ）、成膜したゲート絶縁層１３上に非晶質シリコン層１４を連続的に成膜する（図５Ｃ）。

ここで、非晶質シリコン層１４の膜厚は、例えば、２０〜６０ｎｍであり、好ましくは、５５ｎｍ〜６０ｎｍである。具体的には、上述したように、ゲート絶縁層１３の膜厚及び非晶質シリコン層１４の膜厚が、（式１）から（式４）により区画される範囲に属するＸ、及びＹを満たすように形成されるのが好ましい。より具体的には、ゲート電極１２が形成されている領域（以下、第１領域と呼ぶ）の上方の非晶質シリコン層１４のレーザー光に対する吸収率をＡ_Ｓｉ１とし、その吸収率Ａ_Ｓｉ１を非晶質シリコン層１４の膜厚ｄ_Ｓｉで除算したものを規格化吸収率Ａ_Ｓｉ１’とする。ゲート電極１２が形成されていない領域（以下、第２領域と呼ぶ）の上方の非晶質シリコン層１４のレーザー光に対する光吸収率をＡ_Ｓｉ２とし、その吸収率Ａ_Ｓｉ２を非晶質シリコン層１４の膜厚ｄ_Ｓｉで除算したものを規格化吸収率Ａ_Ｓｉ２’とする。そのとき、その差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’は、後述の説明で定義される値−ΔＡ’以下である。すなわち、Ｓ１２およびＳ１３において、（式７）という関係式を成立させる膜厚を有するゲート絶縁層１３及び非晶質シリコン層１４を形成する。

Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’ ≦−ΔＡ’ （式７）

なお、詳細は後述するため、ここでの説明を省略するが、これら非晶質シリコン層１４の吸収率は、非晶質シリコン層１４の膜厚及び光学定数、ゲート絶縁層１３の構成、膜厚及び光学定数、さらに下地のゲート電極１２を形成する金属材料の光学定数及び基板の光学定数をパラメータとして、レーザー光の多重干渉を考慮した光学計算により導かれる。

次に、非晶質シリコン層１４をレーザーアニール法により結晶質シリコン層１５にする（Ｓ１４）。具体的には、例えば波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを基板１０に対して一定の方向に相対移動させて、所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて非晶質シリコン層１４を結晶化させて結晶質シリコン層１５を生成する。より具体的には、先ず、形成された非晶質シリコン層１４に対して脱水素処理を実施する。その後、非晶質シリコン層１４をレーザーアニール法により、多結晶質（微結晶を含む）にすることにより結晶質シリコン層１５を形成する（図５Ｄ）。

ここで、このレーザーアニール法において、レーザー照射に用いられるレーザー光源は、上述したように、可視光領域の波長のレーザーである。この可視光領域の波長のレーザーは、約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長のレーザーであり、好ましくは４０５ｎｍ〜４８８ｎｍの波長のレーザーである。さらに好ましくは、４４５ｎｍ〜４５５ｎｍの波長の青色レーザーである。また、この可視光領域の波長のレーザーは、連続発振または擬似連続の発振モードであればよい。また、この可視光領域の波長のレーザーは、固体レーザー装置であってもよく、半導体レーザー素子を用いたレーザー装置であってもよい。さらに、可視光領域の波長のレーザーは、非晶質シリコン層１４上に照射したときの照射エネルギー密度の変動が５％程度未満である。

また、Ｓ１４の工程すなわち図５Ｃから図５Ｄの工程では、図６に示すように、線状に集光されたレーザー光が、非晶質シリコン層１４に照射されることで結晶質シリコン層１５を生成する。具体的には２つの方法がある。１つは線状に集光されたレーザー光の照射位置は固定であり、非晶質シリコン層１４が形成された基板１０がステージに載せられステージが移動する方法、もう１つは、前記ステージは固定であり、レーザー光の照射位置が移動する方法である。何れの方法においても、レーザー光が非晶質シリコン層１４に対して相対的に移動しながら照射される。このように、レーザー光を照射された非晶質シリコン層１４は、レーザー光のエネルギーを吸収し温度上昇して結晶化されることにより結晶質シリコン層１５になる。

次に、２層目の非晶質シリコン層１６を形成し（Ｓ１５）、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域のシリコン層をパターニングする（Ｓ１６）。

具体的には、プラズマＣＶＤ法により、ゲート絶縁層１３上に、２層目の非晶質シリコン層１６を形成する（図５Ｅ）。そして、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域が残るようにシリコン層膜層（結晶質シリコン層１５および非晶質シリコン層１６の層）をパターニングし、除去すべき非晶質シリコン層１６と結晶質シリコン層１５とをエッチングにより除去する（図５Ｆ）。それにより、薄膜トランジスタ１００において所望のチャネル層を形成することができる。

次に、ｎ＋シリコン層１７とソース・ドレイン電極１８とを成膜する（Ｓ１７）。

具体的には、プラズマＣＶＤ法により、非晶質シリコン層１６と結晶質シリコン層１５の側面とゲート絶縁層１３とを覆うようにｎ＋シリコン層１７を成膜する（図５Ｇ）。そして、成膜したｎ＋シリコン層１７上に、スパッタ法によりソース・ドレイン電極１８となる金属が堆積される（図５Ｈ）。ここで、ソース・ドレイン電極は、Ｍｏ若しくはＭｏ合金などの金属、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）若しくはＡｌ合金などの金属、銅（Ｃｕ）若しくはＣｕ合金などの金属、または、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）若しくはタングステン（Ｗ）等の金属の材料で形成される。

次に、ゲート電極１２に対応する結晶質シリコン層１５上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する。つまり、ソース・ドレイン電極１８のパターニングを行う（Ｓ１８）。そして、ｎ＋シリコン層１７をエッチングし、その過程で、２層目の非晶質シリコン層１６を一部エッチングする（Ｓ１９）。

具体的には、ソース・ドレイン電極１８をフォトリソグラフィーおよびエッチングにより形成する（図５Ｉ）。また、ｎ＋シリコン層１７をエッチングし、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域の非晶質シリコン層１６を一部エッチングする（図５Ｊ）。言い換えると、非晶質シリコン層１６は、薄膜トランジスタ１００のチャネル領域の非晶質シリコン層１６を一部残すようにチャネルエッチングされる。

このようにして、薄膜トランジスタ１００は製造される。

以上のように、本実施の形態における薄膜トランジスタ１００は、ボトムゲート構造を有するＰｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴとして形成される。この薄膜トランジスタ１００の製造時には、ゲート絶縁層１３と非晶質シリコン層１４を、上述した関係式を成立させる膜厚を有するように成膜する。そして、ａ−Ｓｉ膜からなる非晶質シリコン層１４を、例えば青色レーザーを用いてレーザーアニールして結晶化することで、非晶質シリコン層１４をＰｏｌｙ−Ｓｉからなる結晶質シリコン層１５にする。このとき、薄膜トランジスタが形成されるチャネル領域に相当する非晶質シリコン層１４にレーザー光が到達する前にゲート電極１２を熱的に飽和させた状態とすることができ、最終的に得るチャネル領域に相当する結晶質シリコン層１５の結晶化を均一に行うことができる。

つまり、ゲート絶縁層１３と非晶質シリコン層１４の膜厚とに、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層１５を形成する場合に好適な範囲があるということである。以下、このメカニズムについて説明する。

一般的に、非晶質シリコン層にレーザー光を照射したとき、非晶質シリコン層の発熱による到達温度と結晶化後の結晶質シリコン層の結晶度とには相関がある。非晶質シリコン層の発熱による到達温度が高いほど、結晶化後に形成された結晶質シリコン層の結晶度は大きくなる。そこで、薄膜トランジスタの第１領域（ゲート電極が形成されている領域の上方）における非晶質シリコン層を充分かつ均一に結晶化を図るために、薄膜トランジスタの第１領域における非晶質シリコン層の発熱による到達温度の分布を均一にすることが必要となる。

しかしながら、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタにおいては、非晶質シリコン層の下部にゲート絶縁層を挟んでゲート電極が存在し、かつ、ゲート電極を構成する金属の熱伝導率がゲート絶縁層の熱伝導率に比べて大きい。そのため、レーザー光照射によって発生した非晶質シリコン層の熱は瞬時にゲート絶縁層を介してゲート電極へと伝播してしまう。その結果、ゲート電極が形成されている領域上方の非晶質シリコン層では発熱が不十分となる領域を生じ、その到達温度が不均一となる。このような理由により、図１に示すような結晶化後の結晶質シリコン層の結晶度のムラ（結晶ムラ）が生じる。

したがって、この結晶ムラが生じてしまう現象を回避するためには、薄膜トランジスタの第１領域にレーザー光が到達する前に、後述するように、ゲート電極を熱的に飽和させた状態にするのが望ましい。そこで、本実施の形態では、上述した薄膜トランジスタ１００の構成となるように製造する。すなわち、非晶質シリコン層１４の膜厚及びゲート絶縁層１３の膜厚を上述したＸおよびＹを満たすように形成する。それにより、ゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）の非晶質シリコン層１４の発熱をゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４の発熱より大きくすることができる。

換言すると、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ１００の構成となる、非晶質シリコン層１４の膜厚及びゲート絶縁層１３の膜厚を上述したＸおよびＹを満たすように形成する。それにより、まず、レーザー光の照射によりゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）の非晶質シリコン層１４において発生した熱は、ゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４にレーザー光が到達する前に、ゲート電極１２に伝わりゲート電極１２の温度を上昇させる。つまり、ゲート電極１２は、まず、レーザー光が到達する前に予備加熱されることとなる。これは、第２領域にある非晶質シリコン層１４にレーザー光が照射されて熱が発生すると、上記構成により、第２領域の温度が、レーザー光が未だ到達していない第１領域の温度より高くなるため、第２領域にある非晶質シリコン層１４に発生した熱が、ゲート電極１２に伝わりゲート電極１２の温度を上昇させるからである。次に、レーザー光が第１領域に到達すると、第１領域での非晶質シリコン層１４が発熱し、第１領域での非晶質シリコン層１４の発熱量に対応した熱がゲート電極１２に伝わる（レーザー光による加熱）。ゲート電極１２は、このレーザー光による加熱と上記の予備加熱との両方により加熱されて、ゲート電極１２を熱的に飽和される。ここで、ゲート電極１２を熱的に飽和させるとは、ゲート電極１２の面内でゲート電極１２の温度が均一化されていることを意味する。

このように、本実施の形態に係る薄膜トランジスタの構成によれば、非晶質シリコン層１４を結晶化する際に、ゲート電極１２を熱的に飽和することができる。それにより、非晶質シリコン層１４を結晶化するためのレーザー光による熱が、ゲート電極１２に吸収されてしまうことなく、結晶質シリコン層１５を形成するために用いられ、結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を生成することができるという効果を奏する。

次に、ΔＡ’の算出方法について説明する。上述したように、ゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）、及びゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）それぞれの非晶質シリコン層１４のレーザー光に対する規格化吸収率の差が−ΔＡ’以下になることにより、本実施の形態に係る効果が得られる。

ここで、非晶質シリコン層１４で吸収されるレーザー光の光吸収エネルギーの１００％が非晶質シリコン層の発熱に寄与すると仮定し、レーザー光の単位面積当たりのエネルギーをエネルギー密度Ｅとする。以下では、ゲート電極１２が形成されている領域上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４を第１領域の非晶質シリコン層１４と呼び、ゲート電極１２が形成されていない領域上方（第２領域）の非晶質シリコン層１４を第２領域の非晶質シリコン層１４と呼ぶ。また、第１領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率をＡ_Ｓｉ１、レーザー光を吸収したことによる非晶質シリコン層１４の発熱量（単位面積当たり）をＱ_Ｓｉ１とする。第２領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率をＡ_Ｓｉ２、レーザー光を吸収したことによる非晶質シリコン層１４の発熱量（単位面積当たり）をＱ_Ｓｉ２とする。さらに、ゲート電極１２上にゲート絶縁層１３が形成されており、さらにその上に非晶質シリコン層が形成されている本構成において、ゲート電極１２のレーザー光吸収率をＡ_Ｇ、レーザー光を吸収したことによるゲート電極１２の発熱量（単位面積当たり）をＱ_Ｇとする。

また、仮に、非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３を所定の膜厚にすることで、第１領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率と第２領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率が等しくなるとする。すなわち、Ａ_Ｓｉ１＝Ａ_Ｓｉ２が成立するとする。その場合には、Ｑ_Ｓｉ１＝Ｑ_Ｓｉ２、が成立する。しかし、実際には非晶質シリコン層１４を透過した光はゲート電極１２にも吸収されてゲート電極も発熱する（Ｑ_Ｇ＞０）。そのために第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度は第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度より大きくなる。

以上を鑑みると、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱量が第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱量とゲート電極の発熱量との総和以上であれば、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度が第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度以上になると考えられる。この関係は、（式８）で示すことができる。

Ｑ_Ｓｉ１＋Ｑ_Ｇ≦Ｑ_Ｓｉ２ （式８）

そして、この（式８）を変形すると、（式９）のように表すことができる。

Ｑ_Ｓｉ１−Ｑ_Ｓｉ２≦−Ｑ_Ｇ （式９）

ここで、非晶質シリコン層１４の膜厚、密度、比熱をそれぞれｄ_Ｓｉ、ρ_Ｓｉ、ｃ_Ｓｉ、ゲート電極の膜厚、密度、比熱をそれぞれｄ_Ｇ、ρ_Ｇ、ｃ_Ｇと定義すると、第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱量、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱量およびゲート電極の発熱量はそれぞれ、以下のように表すことができる。

Ｑ_Ｓｉ１＝Ｅ×Ａ_Ｓｉ１／（ｄ_Ｓｉ×ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）
Ｑ_Ｓｉ２＝Ｅ×Ａ_Ｓｉ２／（ｄ_Ｓｉ×ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）
Ｑ_Ｇ＝Ｅ×Ａ_Ｇ／（ｄ_Ｇ×ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）

次に、これらの式を（式９）に代入して整理すると、（式１０）のようになる。

（Ａ_Ｓｉ１−Ａ_Ｓｉ２）／ｄ_Ｓｉ≦−（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ） （式１０）

ここで、吸収率を膜厚で除算したものを規格化吸収率と定義し、Ａ_Ｓｉ１／ｄ_Ｓｉ＝Ａ_Ｓｉ１’、Ａ_Ｓｉ２／ｄ_Ｓｉ＝Ａ_Ｓｉ２’と以下では記載する。さらに（式１０）の右辺を−ΔＡ’と定義する。すると、（式１０）は、Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’≦−ΔＡ’となり、（式７）が導かれる。

（式７）は、以下のことを示している。すなわち、第１領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率と第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率との差が−ΔＡ’で定義される値以下になる条件を満足させるように非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３の膜厚を構成すると、第２領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度が第１領域の非晶質シリコン層１４の発熱温度以上になる。つまり、この条件を満足させる非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３の膜厚が形成されると、例えば青色レーザーを用いて非晶質シリコン層がレーザーアニール（結晶化）される場合に、結晶化に対するゲート電極１２による熱吸収、伝播の影響を小さくすることができるので、薄膜トランジスタの第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一にできる。

このようにして、（式７）が示すように、レーザー光の波長、ゲート電極の材質と膜厚に依存せずに、薄膜トランジスタ１００の第１領域おける非晶質シリコン層１４を充分かつ均一に結晶化を図り、結晶質シリコン層１５を生成することができる。

以上のように、ゲート絶縁層１３と非晶質シリコン層１４の膜厚とを上述した条件を満たすように形成することで、さまざまな波長のレーザー光、ゲート電極の材質と膜厚であっても、結晶ムラのない結晶質シリコン層１５を生成することができる。つまり、例えば、ゲート電極１２のパターン形状等、特に薄膜トランジスタ１００の構造に変更を加えることなく、ゲート電極１２上に形成された結晶質シリコン層の結晶性のばらつきを低減することができ、安定した結晶化が可能となる。それにより、これを使用した薄膜トランジスタの特性のばらつきを抑え、ＬＣＤやＯＬＥＤなどの表示装置で高精細化が進んでも、その表示品位を向上させることができるという効果を奏する。

なお、以上の記載では、線状に集光されたレーザー光を用いて非晶質シリコン層が結晶化される場合の例を示したが、本願ではこのほかにもスポット状（円形や楕円形その他も含む）のレーザー光を使ってもよい。その場合は、レーザー光を結晶化に適したスキャン方法で実施することが好ましい。

以上のように、本実施の形態における薄膜トランジスタ１００の製造方法によれば、非晶質シリコン層１４およびゲート絶縁層１３の膜厚が上述した条件を満たすことにより、第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一にして、第１領域おける非晶質シリコン層１４を充分かつ均一に結晶化を図ることができる。

以下、非晶質シリコン層１４およびゲート絶縁層１３の膜厚が満たすべき条件を、実施例に詳細に説明する。

（実施例）
まず、計算方法について説明する。

図７Ａ及び図７Ｂは、振幅透過率及び振幅透過率の計算方法を説明するための図である。

図７Ａ及び図７Ｂは、図２に示す薄膜トランジスタ１００の構造をモデル化した多層構造のモデル構造を示している。図７Ａに示すモデル構造では、複素屈折率Ｎ_１からなる層４０１と、複素屈折率Ｎ_２からなる４０２と、複素屈折率Ｎ_３からなる層４０３と、複素屈折率Ｎ_４からなる基板４０４とを備える。このモデル構造では、層４０３、層４０２及び層４０１がこの順に基板４０４上に積層されたものを示している。なお、図７Ｂに示すモデル構造は、図７Ａの層４０３がない場合のモデル構造を示している。また、図中に示す複素屈折率Ｎ_０の領域は、モデル構造の外部であり、レーザー光がモデル構造に入射される側を示している。この領域は、例えば空気であり、その場合、屈折率１、消衰係数０である。

基板４０４は、例えば透明なガラスまたは石英からなる絶縁基板であり、例えば屈折率１．４７を有し、図５Ａに示す基板１０に対応する。層４０３は、例えば屈折率３．１０３、消衰係数３．７１７を有し、膜厚が５０ｎｍのＭｏＷで構成されており、図５Ａに示すゲート電極１２に対応する。層４０２は、例えば屈折率１．４７７、消衰係数０の酸化珪素（ＳｉＯｘ）で構成されており、図５Ａに示すゲート絶縁層１３に対応している。層４０１は、例えば屈折率５．３５９、消衰係数１．３７０の非晶質シリコン層１４に対応する。

なお、本モデル構造においては、アンダーコート層１１に対応する層を省略した。なぜなら、アンダーコート層１１は透明な層であり、レーザー光に対する吸収がない層であるとすれば、その膜厚によらず本計算結果に影響を与えないからである。よって、以下、アンダーコート層１１に対応する層を省略したモデル構造にて計算を進める。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、外部から層４０１へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_０１、層４０１から層４０２へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_１２、層４０２から層４０３へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_２３、層４０３から基板４０４へ入射される光に対する振幅反射係数をｒ_３４、また、層４０２から基板４０４へ入射される光に対する振幅反射係数ｒ_２４をとしている。また、外部から層４０１へ入射される光の振幅透過係数をｔ_０１、層４０１から層４０２へ入射される光の振幅透過係数をｔ_１２、層４０２から層４０３へ入射される光の振幅透過係数をｔ_２３、層４０３から基板４０４へ入射される光の振幅透過係数をｔ_３４、また、層４０２から基板４０４へ入射される光の振幅透過係数をｔ_２４としている。

さらに、ゲート電極１２に対応する層４０３が形成されている領域上方の（第１領域に相当）各層全体の振幅反射係数をそれぞれｒ_０１２３（Ｒ１）、ｒ_１２３（Ｒ２）としている。具体的には、層４０３及び層４０２を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_１２３（Ｒ２）とし、層４０３、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_０１２３（Ｒ１）としている。また、第１領域の各層全体の振幅透過係数をそれぞれｔ_０１２３（Ｔ１）、ｔ_１２３（Ｔ２）としている。具体的には、層４０３及び層４０２を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_１２３（Ｔ２）とし、層４０３、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_０１２３（Ｔ１）としている。

次に、図７Ｂに示すように、ゲート電極に対応する層４０３が形成されていない領域上方の（第２領域の）各層全体の振幅反射係数をそれぞれｒ_０１２４（Ｒ１’）、ｒ_１２４（Ｒ２’）としている。具体的には、基板４０４、層４０２を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_１２４（Ｒ２’）とし、基板４０４、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅反射係数をｒ_０１２４（Ｒ１’）としている。また、第２領域の各層全体の振幅透過係数をそれぞれｔ_０１２４（Ｔ１’）、ｔ_１２４（Ｔ２’）としている。具体的には、基板４０４、層４０２を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_１２４（Ｔ２’）とし、基板４０４、層４０２及び層４０１を１層とみなしたときの振幅透過係数をｔ_０１２４（Ｔ１’）としている。

そして、第１領域の各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数は、下記の（式１１）〜（式１４）で表すことができる。

また、第２領域の各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数は、下記の（式１５）〜（式１８）で表すことができる。

ここで、

であり、ｄは各層の膜厚、θは各層での入射角・透過角、λはレーザー光の波長である。

また、θは下式のスネルの法則より以下に示す通りに算出できる。

また、各層それぞれの振幅反射係数ｒ_０１、ｒ_１２、ｒ_２３、ｒ_２４及び振幅透過係数ｔ_０１、ｔ_１２、ｔ_２３、ｔ_２４は下記の（式１９）〜（式２６）を用いて算出できる。

なお、ここで光は単色レーザー光であり、その偏光はＰ偏光を仮定している。

次に、以上の式を用いて、次のようにして第１領域における各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数を算出する。すなわち、まず、ｒ_１２３を、（式１２）に（式２０）及び（式２１）を代入することにより算出する。次いで、ｒ_０１２３を、（式１１）に（式１９）及びｒ_１２３を代入することにより算出する。次いで、ｔ_１２３を、（式１４）に（式２０）、（式２１）、（式２４）および（式２５）を代入することにより算出する。次いで、ｔ_０１２３を、（式１３）に（式１９）、（式２３）、ｒ_１２３及びｔ_１２３を代入することにより算出する。

さらに、次のようにして第２領域における各層全体の振幅反射係数、振幅透過係数を算出する。すなわち、まず、ｒ_１２４を、（式１６）に（式２０）及び（式２２）を代入することにより算出する。次いで、ｒ_０１２４を、（式１５）に（式１９）及びｒ_１２４を代入することにより算出する。次いで、ｔ_１２４を、（式１８）に（式２０）、（式２２）、（式２４）及び（式２６）を代入することにより算出する。次いで、ｔ_０１２４を、（式１７）に（式１９）、（式２３）、ｒ_１２４及びｔ_１２４を代入することにより算出する。

次に、第１領域における各層での反射率Ｒ１及びＲ２、透過率Ｔ１、及びＴ２を（式２７）〜（式３０）により算出する。

さらに、第２領域における各層での反射率Ｒ１’及びＲ２’、透過率Ｔ１’及びＴ２’を（式３１）〜（式３４）により算出する。

最後に、（式３５）によって、第１領域の非晶質シリコン層への光吸収率Ａ_Ｓｉ１を算出することができる。

また、（式３６）によって、第２領域の非晶質シリコン層への光吸収率Ａ_Ｓｉ２を算出することができる。

以上より、非晶質シリコン層の膜厚ｄ_Ｓｉを用いて、第１領域の非晶質シリコン層の規格化吸収率Ａ_Ｓｉ１’から第２領域の非晶質シリコン層の規格化吸収率Ａ_Ｓｉ２’を減算した値を算出することができる。

次に、上述した計算方法を用いて、図７Ａ及び図７Ｂに示すモデル構造に対して垂直に、すなわちθ_０ ＝ ０、またはｓｉｎθ_０ ＝ ０が近似的に成り立つ範囲の入射角θ_０において波長λ（４０５ｎｍ≦λ≦４８８ｎｍ）のレーザー光（主に青色レーザー光）を入射した場合に、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層へのレーザー光の規格化吸収率を算出し、その差を計算した。また、この場合、レーザー光の偏光がＳ偏光としても計算結果は同じである。

図８は、レーザーアニール結晶化法により結晶質シリコン層を形成する場合にゲート絶縁層と非晶質シリコン層とに好適な膜厚範囲があることを示すための図である。具体的には、図８は、図７Ａ及び図７Ｂに示すモデル構造を用いて、非晶質シリコン層１４の膜厚と、ゲート絶縁層１３の膜厚とをそれぞれ変化させた場合の、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’の計算結果を示す等高線図である。横軸は、非晶質シリコン層１４の光学膜厚、すなわち、非晶質シリコン層１４の屈折率ｎ_Ｓｉに非晶質シリコン層１４の膜厚ｄ_Ｓｉを乗じた値を、レーザー光の波長λで除算した値、すなわち（ｎ_Ｓｉ×ｄ_Ｓｉ）／λを示している。縦軸は、酸化珪素膜、または窒化珪素膜で構成される透明絶縁膜であるゲート絶縁層１３の光学膜厚、すなわちｎ_ＳｉＯ×ｄ_ＳｉＯ、または、ｎ_ＳｉＮ×ｄ_ＳｉＮを、レーザー光の波長λで除算した値、すなわち、（ｎ_ＳｉＯ×ｄ_ＳｉＯ）／λ、または、（ｎ_ＳｉＮ×ｄ_ＳｉＮ）／λを示している。ここでゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されるとしたとき屈折率をｎ_ＳｉＯ、膜厚をｄ_ＳｉＯとして、ゲート絶縁層１３が窒化珪素膜で構成されるとしたときの屈折率をｎ_ＳｉＮ、膜厚をｄ_ＳｉＮとしている。

また、本モデル構造における酸化珪素膜または窒化珪素膜で構成されるゲート絶縁層１３においては、そのキャパシタンスが一定になるようにゲート絶縁層１３の膜厚を変化させている。具体的には、酸化珪素膜及び窒化珪素膜の比誘電率及びキャパシタンスをそれぞれε_ＳｉＯ、ε_ＳｉＮ、真空の誘電率をε_０とおく。このとき、酸化珪素膜または窒化珪素膜で構成されるゲート絶縁層１３の単位面積あたりのキャパシタンスＣ＝ε_０／（ｄ_ＳｉＯ／ε_ＳｉＯ＋ｄ_ＳｉＮ／ε_ＳｉＮ）が一定になるようにゲート絶縁層１３の膜厚すなわち酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚を変化させる。

ところで、例えばλ＝４０５ｎｍのときの非晶質シリコン層１４の屈折率を用いると、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換することができる。図９は、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換した値の例を示す図である。図９には、λ＝４０５ｎｍのとき、λ＝４４５ｎｍのとき、λ＝４５５ｎｍのとき、及びλ＝４８８ｎｍのときの、図８の横軸の値を非晶質シリコン層の膜厚に変換した値を示している。

また、例えばλ＝４０５ｎｍのとき、酸化珪素膜または窒化珪素膜の屈折率を用いることで、図８の縦軸の値からゲート絶縁層１３を構成している酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚を算出することができる。図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８の縦軸の値を、ゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜または窒化珪素膜の膜厚に変換した値の例を示す図である。図１０Ａは、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜により構成される場合に、λ＝４０５ｎｍ、λ＝４４５ｎｍ、λ＝４５５ｎｍ、およびλ＝４８８ｎｍのときのゲート絶縁層１３を構成する酸化珪素膜の膜厚を算出した値を示している。同様に、図１０Ｂは、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が窒化珪素膜により構成される場合に、λ＝４０５ｎｍ、λ＝４４５ｎｍ、λ＝４５５ｎｍ、およびλ＝４８８ｎｍのときのゲート絶縁層１３を構成する窒化珪素膜の膜厚を算出した値を示している。

図８において、−ΔＡ’で表される等高線の線上及び内側領域は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’が−ΔＡ’以下になる領域であることを示している。換言すると、図８の点線で示される曲線は、規格化吸収率差が−０．０００４の等高線を示している。つまり、この曲線上、及びその内側領域の規格化吸収率差は−０．０００４以下である。また、この領域は、非晶質シリコン層１４及びゲート絶縁層１３の膜厚と、それらの光学定数と、ゲート電極１２及び基板１０の光学定数とから上述した式（計算方法）により算出される。そして、算出された第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’が−ΔＡ’以下になる条件を満たすとき、薄膜トランジスタ１００の第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一できる。それにより、第１領域おける非晶質シリコン層１４は充分かつ均一に結晶化されて結晶質シリコン層１５になる。

図１１は、図８において、ゲート絶縁層と非晶質シリコン層との好適な膜厚範囲を算出するために用いた図である。

図１１において、非晶質シリコン層１４の光学膜厚をレーザー光の波長で除算したものをＸ、ゲート絶縁層１３の光学膜厚をレーザー光の波長で除算したものをＹとおいている。なお、これらのＸとＹは上述したものと同じである。そして、これらＸとＹとを用いて、−ΔＡ’で表される等高線の線上及び内側領域を数式で近似する。すなわち、Ｌ１〜Ｌ４で示される集合の積（式３７）で表すことができる。

なお、Ｌ１〜Ｌ４は、以下のように表すことができるが、これらはそれぞれ上述した（式１）〜（式４）に相当する。

Ｌ１：Ｙ≦−０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
Ｌ２：Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’）
Ｌ３：Ｙ≧−０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’）
Ｌ４：Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’）

なお、ΔＡ’は、上述したように、ΔＡ’＝（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）で表される。ここで、ρ_Ｓｉ、ｃ_Ｓｉはそれぞれ非晶質シリコン層１４の密度、及び比熱であり、ｄ_Ｇ、ρ_Ｇ、ｃ_Ｇはそれぞれゲート電極の膜厚、密度、及び比熱である。

次に、波長４５５ｎｍの青色レーザー光を、図７Ａ及び図７Ｂのモデル構造上方から垂直に照射した場合を考える。ここで非晶質シリコン層１４の密度を２３４０（ｋｇ／ｍ３）、比熱を（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））とする。また、ゲート電極１２を膜厚５０ｎｍのＭｏＷとし、その密度を１１７２０（ｋｇ／ｍ３）、比熱を２２６．４（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））とする。このとき、第１領域の非晶質シリコン層１４のレーザー光の波長に対する吸収率と第２領域の非晶質シリコン層のレーザー光の波長に対する吸収率とが等しくなる、すなわち、Ａ_Ｓｉ１＝Ａ_Ｓｉ２が成立するとする。そして、Ａ_Ｓｉ１＝Ａ_Ｓｉ２が成立するときの非晶質シリコン層及びゲート絶縁層を構成する酸化珪素層及び窒化珪素層の膜厚と、上述の光学計算式（式１２）〜（式４７）と用いてゲート電極の吸収率の最大値Ａ_Ｇを計算する。その結果、Ａ_Ｇは０．０３と計算され、そこからΔＡ’が０．０００４と算出される。なお、Ａ_Ｇは、Ａ_Ｇ＝Ｔ１×Ｔ２×Ｔ３×（１−Ｒ_Ｇ）の関係式から計算される。ここでＲ_Ｇは窒化珪素を媒質とした場合のゲート電極１２の反射率であり、Ｒ_Ｇ＝｛（ｎ_ＳｉＮ−ｎ_Ｇ）＾２＋ｋ_Ｇ＾２｝／｛（ｎ_ＳｉＮ＋ｎ_Ｇ）＾２＋ｋ_Ｇ＾２｝と計算される。また、窒化珪素の屈折率ｎ_ＳｉＮ、ゲート電極の屈折率ｎ_Ｇ、ゲート電極の消衰係数ｋ_Ｇとしている。以上のように、ΔＡ’が０．０００４と算出される。この値を用いて、上記のＬ１〜Ｌ４で示される（式３７）の集合の積で表す範囲が決定される。

次に、λ＝４５５ｎｍの青色レーザー光を、図７Ａ及び図７Ｂで示されるモデルに対して垂直に照射しスキャンしたときの、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーションを実施した。図１２に、シミュレーションに用いたモデルを示す。本モデルは、図１２に示すように、基板１０と、ゲート電極５１２と、ゲート絶縁膜５１３と、非晶質シリコン層５１４とで構成されている。本モデルにおいて、ゲート電極５１２のレーザースキャン方向の長さは３０μｍとし、非晶質シリコン層５１４およびゲート電極５１２の物性値として、上述した値を用いた。

図１３は、図８において、本シミュレーションで実施した膜厚条件箇所を示す図である。すなわち、図１３に示す星（☆）が付された１〜１３（星１〜星１３）の点の箇所は、本シミュレーションで実施した膜厚条件を示している。

また、星２、星３、星４、星５、星６、星９、星１０、星１１、星１２における規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’は−ΔＡ’（＝−０．０００４）より大きく、星１、星７、星８、星１３における規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’は−ΔＡ’より小さい。また、星２、星６、星９、星１２は、図１３の点線付近のその内側領域に存在している。

ここで、例えば、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されているとすると、星１の箇所は、非晶質シリコン層１４の膜厚が３０ｎｍ、ゲート絶縁層１３の膜厚１４０ｎｍである。なお、この値は、λ＝４５５ｎｍ、かつ、ゲート絶縁層のキャパシタンスが０．３５４に相当するときの値の一例である。同様に、星２〜星７の点の箇所は、非晶質シリコン層厚がそれぞれ３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍであり、ゲート絶縁膜１３の膜厚は１４０ｎｍで共通である。また、星８〜星１３の点の箇所は、ゲート絶縁膜１３の膜厚はそれぞれ、１１０ｎｍ、１２０ｎｍ、１３０ｎｍ、１５０ｎｍ、１６０ｎｍ、１７０ｎｍであり、非晶質シリコン層の膜厚は４５ｎｍで共通である。

なお、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が窒化珪素膜で構成されているとすると、星２〜星７の点の箇所は、非晶質シリコン層厚がそれぞれ３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍであり、ゲート絶縁膜１３の膜厚は１０５．０ｎｍで共通である。また、星８〜星１３の点の箇所は、ゲート絶縁膜１３の膜厚はそれぞれ、８２．５ｎｍ、９０．０ｎｍ、９７．５ｎｍ、１１２．５ｎｍ、１２０ｎｍ、１２７．５ｎｍであり、非晶質シリコン層の膜厚は４５ｎｍで共通である。

図１４及び図１５は、第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層表面の最高到達温度の位置依存性のシミュレーション結果を示す図である。横軸は、位置座標を示しており、縦軸は、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示している。図１４は、透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されている場合において、図１３に示す星１〜星７の箇所における膜厚条件のシミュレーション結果を示している。具体的には、図１４は、図１３に示す星１〜星７の箇所において、ゲート絶縁層１３の膜厚を一定に保ち、非晶質シリコン層１４の膜厚を変化させたときのシミュレーション結果を示している。図１５は、図１３に示す星８〜星１０、星４、星１１〜星１３の箇所における膜厚条件のシミュレーション結果を示している。具体的には、図１５は、図１３に示す星８〜星１０、星４、星１１〜星１３の箇所において、非晶質シリコン層１４の膜厚を４０ｎｍと一定に保ち、ゲート絶縁層１３の膜厚をそれぞれ変化させたときのシミュレーション結果を示している。

図１４に示すように、星１および星７の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦でないのに対して、星２〜星６の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦であることがわかる。さらに、図１５に示すように、星８、星１３の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦でないのに対して、星９〜星１２、及び、星４の箇所における膜厚条件においては、非晶質シリコン層１４表面の最高到達温度を示す曲線がゲート電極１２上の第１領域で平坦であることがわかる。

以上のシミュレーション結果によれば、−ΔＡ’で表される等高線の線上及びその内側の領域の第１領域及び第２領域の非晶質シリコン層１４の規格化吸収率差Ａ_Ｓｉ１’−Ａ_Ｓｉ２’を非晶質シリコン層１４の膜厚及びゲート絶縁層１３の膜厚が満たすとき、薄膜トランジスタ１００の第１領域における非晶質シリコン層１４の発熱による到達温度の分布を均一できることがわかる。それにより、薄膜トランジスタ１００の第１領域おける非晶質シリコン層１４を充分かつ均一に結晶化した結晶質シリコン層１５を生成することが可能となる。

なお、図１１では、−ΔＡ’で表される等高線の線上及びその内側の領域（点線で囲まれる領域）においては、さらに好ましい領域として領域Ｆ１が示されている。

図１１に示す範囲の領域Ｆ１は、点線で囲まれた領域においてさらに好ましい領域である。なぜなら、この領域Ｆ１では、この領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲で薄膜トランジスタ１００を構成するゲート絶縁膜１３および非晶質シリコン層１４の膜厚を形成すると、それらの膜厚がそれぞれ目標膜厚から１０％程度変化しても、結晶率のばらつきが抑制された結晶質シリコン層１５を生成できるという効果を奏する。つまり、この領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲だとプロセスマージンがあるため好ましい。

次に、この領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲にプロセスマージンがあることを検証した結果について説明する。

トータルキャパシタンスを一定すなわち透明絶縁層であるゲート絶縁層１３が酸化珪素膜で構成されている場合において、ゲート絶縁層１３の膜厚を１４０ｎｍに固定した上で、非晶質シリコン層１４の膜厚を変化したときの、第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出した結果を、図１６Ａ〜図１６Ｅに示している。

図１６Ａは、非晶質シリコン層を３５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。つまり、図１６Ａでは、ゲート絶縁層１３の膜厚すなわち酸化珪素膜（図中ＳｉＯと表記）を１４０ｎｍで固定し、非晶質シリコン層１４の膜厚すなわち非晶質シリコン（図中ａ−Ｓｉと表記）を３５ｎｍで形成する場合のプロセスマージンを検証するための図である。図１６Ａでは、ゲート絶縁層１３の膜厚／非晶質シリコン層１４の膜厚をａ−Ｓｉ／ＳｉＯと示している。また、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝３５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称し、ゲート絶縁膜１３（酸化珪素膜）及び非晶質シリコン層１４の膜厚をセンター膜厚からそれぞれ±１０％変化させた場合（２×３×３＝１８の膜厚水準をサンプルとした）第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出している。

同様に、図１６Ｂは、非晶質シリコン層を４０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図であり、図１６Ｃは、非晶質シリコン層を４５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。また、図１６Ｄは、非晶質シリコン層を５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図であり、図１６Ｅは、非晶質シリコン層を５５ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。つまり、図１６Ｂでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４０ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称し、図１６Ｃは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称する。また、図１６Ｄでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝５０ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称し、図１６Ｅではａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝５５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称している。そして、図１６Ｂ〜図１６Ｅではそれぞれのセンター膜厚をそれぞれ±１０％変化させた場合（２×３×３＝１８の膜厚水準をサンプルとした）第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出している。

また、非晶質シリコン層１４の膜厚を４５ｎｍに固定した上で、酸化珪素膜で構成されるゲート絶縁層１３の膜厚を変化したときの、第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出した結果を、図１７Ａ〜図１７Ｄに示している。

図１７Ａは、ゲート絶縁層１３を１２０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。つまり、図１７Ａでは、非晶質シリコン層１４を４５ｎｍで固定し、ゲート絶縁層１３の膜厚を１２０ｎｍで形成する場合のプロセスマージンを検証するための図である。図１７Ａでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１２０ｎｍをセンター膜厚と称し、ゲート絶縁膜１３（酸化珪素膜）及び非晶質シリコン層１４の膜厚をセンター膜厚からそれぞれ±１０％変化させた場合に、第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率を算出している。

同様に、図１７Ｂは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１３０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図であり、図１７Ｃは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１５０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。また、図１７Ｄは、ゲート絶縁層１３の膜厚を１６０ｎｍとした場合に第１領域及び第２領域におけるシリコンの吸収率の算出結果を示す図である。図１７Ｂでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１３０ｎｍをセンター膜厚と称し、図１７Ｃでは、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１４０ｎｍをセンター膜厚と称している。また、図１７Ｄではａ−Ｓｉ／ＳｉＯ＝４５ｎｍ／１６０ｎｍをセンター膜厚と称している。

上記の図１６Ａ〜図１７Ｄにおいてシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＜第２領域（ゲート外）なる膜厚水準が多いか否かを検証することで、プロセスマージンがあるかを検証することができる。

図１６Ｂから図１６Ｄ、ならびに図１７Ｂおよび図１７Ｃに示すように、ほぼすべての膜厚水準でシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＜第２領域（ゲート外）となった。ここで、図１６Ｂおよび図１６Ｄ、ならびに図１７Ｂおよび図１７Ｃでは、点線の円で囲った領域の膜厚水準（一部の膜厚水準）でシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＞第２領域（ゲート外）となる膜厚水準が算出されたが、この領域は、膜厚水準から変化が大きい膜厚の領域において算出されている。そのため、これらの膜厚水準にはプロセスマージンがあるといえる。

それに対して、図１６Ａ、図１６Ｅ、図１７Ａ、図１７Ｅでは、点線の円で囲った領域の膜厚水準（一部の膜厚水準）でシリコンの吸収率が第１領域（ゲート上）＞第２領域（ゲート外）となる膜厚水準が算出されたが、この領域は、膜厚水準から変化が小さい膜厚の領域において算出されている。そのため、これらの膜厚水準にはプロセスマージンがあるといえない。

以上の結果から、ゲート絶縁層１３の膜厚が１２０ｎｍ〜１５０ｎｍ、非晶質シリコン層１４の膜厚が４０ｎｍ〜５０ｎｍすなわち領域Ｆ１で定められる条件式を満たす範囲だとプロセスマージンがあることがわかる。つまり、好ましい領域Ｆ１の範囲では、ゲート絶縁膜１３および非晶質シリコン層１４の膜厚がそれぞれ目標膜厚から１０％程度変化しても、結晶率のばらつきが抑制された結晶質シリコン層１５を生成できることがわかる。

なお、上記検証は、ゲート絶縁層１３が窒化珪素膜で構成されている場合にも同様のことがいえるので、説明を省略する。

総括すると、通常、レーザー結晶化プロセスにおいて、非晶質シリコン層の下部にゲート絶縁層を介してゲート電極が存在する場合、ゲート電極の熱吸収、熱伝播の影響により、ゲート電極上方の非晶質シリコン層の発熱が不十分かつ不均一になり、形成された結晶質シリコン層の結晶度にばらつきを生じさせる。しかし、上述した膜厚範囲で非晶質シリコン層とその下地膜である絶縁層を成膜すると、図１８Ａに示すようにレーザー結晶化プロセスにおいて、ゲート電極の熱吸収、熱伝播の影響を抑えて、結晶化を行える。そのため、非晶質シリコン層とその下地膜であるゲート絶縁層とを備える薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）では、均質な薄膜トランジスタの特性を実現できることとなる。なお、図１８Ｂおよび図１８Ｃは、比較として、従来の構造１および２に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。

つまり、図１８Ａは、本発明の実施の形態の構造に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。図１８Ｂは、従来の構造１に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図であり、図１８Ｃは、従来の構造２に対して可視光領域の固体レーザーを用いてレーザーアニール結晶化法を行った場合の結晶質シリコン層の結晶性を示す図である。図１８Ａ〜図１８Ｃでは、単位時間当たりのレーザー光のエネルギー密度５０ＫＷ／ｃｍ２で、レーザースキャンのスピードを４００ｍｍ／ｓとした場合の例を示している。

従来の構造１では、１００ｎｍ〜２００ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域と、２００ｎｍ〜５００ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域とがある。また、従来の構造２では、１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域と、５ｎｍ〜１０ｎｍの結晶粒径で結晶化されている領域とがある。それに対して、本発明の実施の形態の構造では、５０ｎｍ〜７０ｎｍの結晶粒径で均一に結晶化されているのがわかる。

図１９は、本発明の実施の形態における効果を説明するための図である。つまり、図１９は、ゲート電極１２を熱的に飽和させる手段として、ゲート電極１２以外の領域に着目し、ゲート電極１２上方に無い（第２領域の）非晶質シリコン層の発熱を利用していることを示している。具体的には、非晶質シリコン層１４とゲート絶縁層１３の膜厚を適切な範囲におくことで、ゲート電極１２の有無による光の干渉効果の差を利用し、１）ゲート電極上方のシリコン薄膜の光吸収率より、ゲート電極上方にないシリコン薄膜の光吸収率が大きくなるように、すなわち、レーザーアニールを施した際、ゲート電極１２上方（第１領域）の非晶質シリコン層１４の発熱より、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４の発熱が大きくなるように設定でき、かつ、２）ゲート電極１２上方（第１領域）のシリコン薄膜の発熱温度がシリコンの融点以上になるように設定できる。

そして、１）と設定できることにより、第２領域の非晶質シリコン層１４から発生した熱をゲート電極１２に吸収、伝播させることができる。これにより、レーザー光がゲート電極１２上（第１領域）の非晶質シリコン層１４をアニールする前に、予めゲート電極１２を熱的に飽和することができるので、ゲート電極１２上の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の結晶化において、ゲート電極１２の熱吸収・伝播の影響を低減することができる。さらに、２）と設定できることにより、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）シリコン薄膜の光吸収率が、ゲート電極上方のシリコン薄膜の光吸収率より過渡に大きい場合、すなわち、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４の発熱が、ゲート電極１２上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の発熱より極端に大きくなった場合においても、ゲート電極１４上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４とゲート電極１２上方にない（第２領域の）非晶質シリコン層１４との双方の領域における非晶質シリコン層１４が溶融することにより溶融シリコン層となり、その熱伝導率が、一般的にゲート電極１２として用いられる金属の熱伝導率と同程度の値まで増加する。

従って、ゲート電極１２上方にない（第２領域の）溶融シリコン層より発生した熱は、主にゲート電極１２上方の（第１領域の）溶融したシリコン層へ伝播するようになるので、ゲート絶縁層１３を介してゲート電極１２に過度に吸収されることは無い。それゆえに、ゲート電極１２の温度分布が悪化することなく、その上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の発熱温度分布に影響を与えない。

よって、上記の１）と２）の複合効果より、ゲート電極１２上方の（第１領域の）非晶質シリコン層１４の発熱温度分布を均一に維持できるので、その際に得られる結晶質シリコン層１５内に生成される結晶組織の均一性を保つことができるという効果を奏する。

以上、本発明によれば可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン膜を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた表示装置を実現することができる。具体的には、前記シリコン薄膜及び、ゲート絶縁層を、それぞれの膜厚が所定の条件を満足するように形成することにより、例えば、ゲート電極のパターン形状等、特に薄膜トランジスタの構造に変更を加えることなく、可視光領域の波長のレーザーを用いて、結晶性の安定した結晶シリコン層を形成することができる薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた表示装置を実現することができる。

さらに、図２０に示す表示装置に、本発明の薄膜トランジスタを用いた場合には、均質なＴＦＴ特性を備える高画質な表示装置を実現することができる。また、表示品位の向上による歩留り向上、コストダウンも可能となる。

なお、本発明によれば、例えば、ゲート電極のパターン形状等、特に薄膜トランジスタの構造に変更を加えることなく、膜厚条件を上記の範囲にとるだけ効果を実現することが可能になるので、例えば、より高精細な表示装置を作製する場合においても、その設計の柔軟性を保つことが出来る点が従来の技術より優れているといえる。

以上、本発明の薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた表示装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、薄膜トランジスタ装置の製造方法、薄膜トランジスタ、それを用いた液晶パネルまたは、有機ＥＬパネル等のＥＬパネルを含む表示装置に利用でき、特に、レーザー結晶化プロセスにおいて、非晶質シリコン膜の下部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が存在する場合において、ゲート電極の熱吸収、熱伝播の影響を抑えて、安定した結晶化を行えるため、均質なＴＦＴ特性を備える高画質な液晶パネルまたは、有機ＥＬパネル等のＥＬパネルを含む表示装置の製造などに利用できる。

１ スイッチングトランジスタ
２ 駆動トランジスタ
３ データ線
４ 走査線
５ 電流供給線
６ キャパシタンス
７ 有機ＥＬ素子
１０、４０４、５１０ 基板
１１ アンダーコート層
１２、５１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁層
１４、１６、５１４ 非晶質シリコン層
１５ 結晶質シリコン層
１７ ｎ＋シリコン層
１８ ソース・ドレイン電極
１００ 薄膜トランジスタ
４０１、４０２、４０３ 層

Claims (21)

1. 基板を準備する第１工程と、
   前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、
   前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、
   前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、
   波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、
   前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、
   前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、
   さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、
   前記絶縁層の膜厚と前記非晶質性シリコン層の膜厚は、下記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす
   薄膜トランジスタ装置の製造方法。
   式１）Ｙ≦‐０．５６３４Ｘ＋（０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
   式２）Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋（０．２３６３＋２７．０８３×ΔＡ’）
   式３）Ｙ≧‐０．５４８Ｘ＋（０．６５４５−２９．１６７×ΔＡ’）
   式４）Ｙ≧０．５４８Ｘ＋（０．０７１５−２９．１６７×ΔＡ’）
2. 前記非晶質性シリコン層の膜厚、及び前記絶縁層の膜厚は、下記の式５）および式６）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす
   請求項１に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
   式５）０．４７３≦Ｘ≦０．５９１
   式６）０．４２２≦Ｙ≦０．５１９
3. 前記第６工程において、前記所定のレーザーは、発振モードは連続発振または擬似連続発振モードの発振モードで前記レーザー光を照射する
   請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
4. 前記絶縁層は、前記レーザー光の波長に対する前記絶縁層の消衰係数が０．０１以下である膜である
   請求項１に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
5. 前記絶縁層は、酸化珪素膜である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
6. 前記絶縁層は、窒化珪素膜である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
7. 前記所定のレーザーの波長は、４４５ｎｍ〜４５５ｎｍである
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
8. 前記所定のレーザーは、固体レーザー装置に備えられる
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
9. 前記所定のレーザーは、半導体レーザー素子を用いたレーザー装置に備えられる
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
10. 前記第６工程において、前記レーザー光の前記非晶質性シリコン層上における照射エネルギー密度の変動は、５％程度未満である
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
11. 前記第２工程は、前記基板上に酸化シリコンからなるアンダーコート層を形成する工程と、前記アンダーコート層上に複数のゲート電極を形成する工程とを含む
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
12. 基板と、
    前記基板上に形成された複数のゲート電極と、
    前記窒化シリコン層上に積層された絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成された結晶性シリコン層と、
    前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、
    前記結晶性シリコン層は、
    前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成後、所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて生成され、
    前記非晶質性シリコン層の膜厚に前記非晶質性シリコン層の屈折率を積算した値である前記非晶質性シリコン層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＸとし、前記絶縁層の膜厚に前記絶縁層の屈折率を積算した値である前記絶縁層の光学膜厚を、前記レーザー光の波長で除算した値をＹとし、さらに、前記非晶質性シリコン層の密度をρ_Ｓｉ、比熱をｃ_Ｓｉとし、前記ゲート電極の膜厚をｄ_Ｇ、密度をρ_Ｇ、比熱をｃ_Ｇとし、前記ゲート電極の上方のシリコン層と前記ゲート電極の上方にないシリコン層の、前記レーザー光に対するそれぞれの光吸収率が等しいときの前記ゲート電極の吸収率の最大値をＡ_Ｇ、とし、（Ａ_Ｇ／ｄ_Ｇ）×（ρ_Ｓｉ×ｃ_Ｓｉ）／（ρ_Ｇ×ｃ_Ｇ）の式にて算出される値をΔＡ’とおいたとき、
    前記絶縁層の膜厚、及び前記非晶質性シリコン層の膜厚は、下記の式１）から式４）により区画される範囲に属する前記Ｘ、及び前記Ｙを満たす
    薄膜トランジスタ装置。
    式１）Ｙ≦‐０．５６３４Ｘ＋ （０．８３５７＋２７．０８３×ΔＡ’）
    式２）Ｙ≦０．５６３４Ｘ＋ （０．２３６３＋２７．０８３ × ΔＡ’）
    式３）Ｙ≧‐０．５４８Ｘ＋ （０．６５４５−２９．１６７ × ΔＡ’）
    式４）Ｙ≧０．５４８Ｘ＋ （０．０７１５−２９．１６７ × ΔＡ’）
13. 液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを含む表示装置であって、
    請求項１２に記載の薄膜トランジスタ装置を備え、
    前記薄膜トランジスタ装置は、前記液晶パネルまたは有機ＥＬパネルを駆動させる
    表示装置。
14. 前記表示装置は、有機ＥＬパネルである
    請求項１３に記載の表示装置。
15. 基板を準備する第１工程と、
    前記基板上に複数のゲート電極を形成する第２工程と、
    前記複数のゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、
    前記絶縁層上に非晶質性シリコン層を形成する第４工程と、
    波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザーを前記基板に対して一定の方向に相対移動させて、前記所定のレーザーから照射されるレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を結晶化させて結晶性シリコン層を生成する第５工程と、
    前記複数のゲート電極の各々に対応する前記結晶性シリコン層上の領域にソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、
    前記第２工程、前記第３工程、及び前記第４工程では、
    前記第５工程において、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の、前記ゲート電極外の前記所定のレーザーの相対移動方向の上流領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度が、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記ゲート電極上の領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度より高くなるように、且つ、前記ゲート電極上の領域内では、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記非晶質性シリコン層の最高到達温度がほぼ一定になるように、構成されている
    薄膜トランジスタ装置の製造方法。
16. 前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、
    前記第５工程において、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の、前記ゲート電極外の前記所定のレーザーの相対移動方向の上流領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度が、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記ゲート電極上の領域での前記非晶質性シリコン層の最高到達温度より高くなるように、且つ、前記ゲート電極上の内領域では、前記所定のレーザー光を用いて前記非晶質性シリコン層を照射した際の前記非晶質性シリコン層の最高到達温度がほぼ一定になるように、
    前記ゲート電極の膜厚、前記絶縁層の膜厚、及び、前記非晶質性シリコン層の膜厚が構成されている
    請求項１５に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
17. 基板を準備する第１工程と、
    前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、
    前記ゲート電極上に絶縁層を形成する第３工程と、
    前記絶縁層上に半導体材料を含む層を形成する第４工程と、
    前記半導体材料の層に対して波長が４０５ｎｍ以上４８８ｎｍ以下である所定のレーザー光を照射し、前記半導体材料を結晶化させて半導体層を生成する第５工程と、
    前記ゲート電極に対応する領域である第１領域とは異なる、前記ゲート電極に対応しない領域である第２領域における前記半導体層上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する第６工程と、を含み、
    前記第２工程、前記第３工程及び前記第５工程において、
    前記半導体材料の層の前記第２領域での単位体積あたりの発熱量が、前記半導体材料の層の前記第１領域での単位体積あたりの発熱量よりも大きくなるように前記結晶性シリコン層を生成することにより、前記第５工程において、前記所定のレーザー光が照射されることによって発熱した前記第１領域の前記半導体材料の層から、前記ゲート電極に対して熱伝導して前記ゲート電極に吸収されている熱分を、第２領域の前記半導体材料の層に対して熱拡散することを抑えて蓄熱させ、かつ、発熱している前記第１領域の前記半導体材料の層において、等しい温度分布を有する部位を形成させて、前記半導体材料を結晶化させる
    薄膜トランジスタ装置の製造方法。
18. 前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、
    前記半導体材料の層の前記第２領域での単位体積あたりの発熱量が、前記半導体材料の層の前記第１領域での単位体積あたりの発熱量よりも大きくなるように、
    前記ゲート電極の膜厚、前記絶縁層の膜厚、及び、前記非晶質性シリコン層の膜厚が構成されている
    請求項１７に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
19. 前記半導体材料の層の前記第２領域は、前記第５工程における前記所定のレーザー光の前記基板に対する相対移動方向において、前記第１領域に対して上流領域および下流領域に対応している
    請求項１７に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
20. 前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、
    前記第５工程において、前記第２領域における単位体積あたりの発熱量が、前記第１領域における単位体積あたりの発熱量に比べて、前記ゲート電極の単位体積あたりの発熱量以上大きくなるように
    構成される
    請求項１７に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。
21. 前記第２工程、前記第３工程及び前記第４工程では、
    前記第５工程において、前記半導体材料の層の前記第１領域に形成される前記等しい温度分布を有する部位における大きさは、前記第１領域に対して０．８以上１．０以下となるように構成される
    請求項１７に記載の薄膜トランジスタ装置の製造方法。

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