WO1999031719A1 - Couche mince de semi-conducteur, son procede et son dispositif de fabrication, composant a semi-conducteur et son procede de fabrication - Google Patents

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WO1999031719A1
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semiconductor
thin film
film
manufacturing
energy beam
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PCT/JP1998/005701
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Yoshinao Taketomi
Keizaburo Kuramasu
Masumi Izuchi
Hiroshi Satani
Hiroshi Tsutsu
Hikaru Nishitani
Mikihiko Nishitani
Masashi Goto
Yoshiko Mino
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention is applied to thin film transistors (TFTs) used for liquid crystal displays, optical sensors such as line sensors, photovoltaic elements such as solar cells, and memory LSIs such as SRAM (Static Random Access Memory).
  • TFTs thin film transistors
  • the present invention relates to a semiconductor film to be manufactured, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus. More specifically, the semiconductor film is, for example, a crystalline semiconductor thin film formed on a glass substrate or the like and formed by subjecting an amorphous material or the like to laser annealing.
  • the present invention also relates to a semiconductor device using such a semiconductor thin film and a method for manufacturing the same. Background technology
  • a plasma CVD method using glow discharge has been used as a method and apparatus for forming a high-quality silicon semiconductor thin film on an amorphous insulating substrate or the like that constitutes a thin film transistor (TFT) or the like.
  • plasma CVD equipment The hydrogenated amorphous silicon (a-Si) film obtained by these manufacturing methods and equipment has reached the level where it can function as a high-quality semiconductor thin film through years of vigorous research and development. For example, active mats in lab-top type notebook computers, engineering work stations, power stations, etc. Pixel LCD screen for liquid crystal display For electro-optical devices such as switching transistors, optical sensors for facsimile image sensors, solar cells for battery for calculators, and various integrated circuits. Has been put to practical use.
  • the greatest advantage of the hydrogenated amorphous silicon is that it can be produced on a large-area substrate at a process temperature of at most 300 with good reproducibility and stability.
  • the hydrogenated amorphous silicon has a field-effect mobility of at most 1.0 O cm 2 / V'sec, and electrical characteristics that sufficiently satisfy the above requirements cannot be obtained.
  • the crystallization is performed simultaneously with the formation of the semiconductor thin film.
  • the substrate needs to be heated to a relatively high temperature (600 ° C. or higher).
  • a relatively high temperature 600 ° C. or higher.
  • the common matrix used in the liquid matrix type liquid crystal display IS has a glass strain point of 593, and a heat treatment of 600 ° C or more.
  • mechanical deformation such as shrinkage or distortion of the glass substrate becomes conspicuous, so that an appropriate process for forming a semiconductor circuit or a process for manufacturing a liquid crystal panel becomes difficult.
  • multi-dimensional integration may cause thermal damage to previously formed circuit areas.
  • an amorphous silicon thin film is formed on a substrate and heated to form polycrystalline silicon (polysilicon: p—Si) S ⁇ . Since it is formed, a solid phase growth method in which heat treatment is performed at a temperature of about 60 O'C for a long time, and a laser annealing method (particularly, an excimer laser annealing method) are used.
  • Multi-dimensional integration such as crystallizing only the periphery of the pixel area to form a driver circuit that requires high speed, and sequentially without causing thermal damage to already formed circuits
  • CPU Central Processing Unit
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the outline of a TFT 110 having a coplanar structure.
  • FIG. 2 (a) is a plan view of the TFT 110
  • FIG. 2 (b) is FIG. 2 (a).
  • FIG. 2 As shown in FIG. 2, the above-mentioned TFT 110 is composed of an undercoat layer 112, a p-Si film 113, and a first non-green film on an insulating substrate 111. (Gate insulating film) 1 14, second insulating film 1 16, and three electrodes of gate electrode 1 15, source electrode 1 17 s and drain electrode 1 1 7 d It is composed of
  • the p-Si film 113 is a crystalline semiconductor layer made of Si (silicon).
  • the p-Si film 113 is formed on the undercoat Jgl 12 by patterning it into a predetermined shape. Further, the p-Si film 113 includes a channel region 113a, a source region 113b, and a drain region 113c. And the drain region 113c are located on both sides of the channel region 113a. This source area 113 b and drain area 113 c Is formed by doping an impurity ion such as phosphorus or boron.
  • the first insulating film 1 1 for example, Ri Do dioxide Shi Li co down (S i 0 2), are formed above the p-S i layer 1 1 3 and the under coat layer 1 1 2 .
  • the gate electrode 115 is a metal thin film made of, for example, aluminum (A 1).
  • the gate electrode 115 is located above the first insulating film 114 and provided at a position corresponding to the channel region 113a of the p-Si film 113.
  • Second Zemmidorimaku 1 1 6, for example, S i 0 2 Tona is, are stacked above the gate one Bok electrode 1 1 5 and the first insulation green film 1 1 4.
  • the first insulating film 1 1 4 and the second insulating film 1 1 6 are respectively provided with a contact reaching the source region 1 13 b or the drain region 1 13 c of the p-Si film 1 13.
  • a cut hole 1 18 ⁇ 1 18 is formed.
  • the source electrode 1 1 7 s and the drain electrode 1 1 7 d are connected to the source region 1 1 3 b or the drain region 1 1 3 It is formed so as to contact with c.
  • the gate electrode 115, the source electrode 117s, and the drain electrode 117d are patterned into a predetermined shape in a portion other than the cross section shown in the drawing, so that a wiring pattern is formed. Make up.
  • the above TFT 110 is manufactured as follows. First, on the insulating substrate 1 1 1, the formation of the under-coat layer 1 1 2 made of, for example, S i 0 2. Thereby, diffusion of impurities into the p-Si film 113 to be formed later and the like can be prevented. Next, an a-Si film (not shown) as an amorphous silicon is formed on the undercoat 112 by, for example, a plasma CVD method. — Pattern the Si film into a predetermined shape by etching. In addition, patterning May be performed after crystallization. Subsequently, the above a-Si film is irradiated with a short wavelength excimer laser or the like and allowed to cool (laser annealing).
  • the reforming that is, the a-Si film is polycrystallized to form the p-Si film 113.
  • the a-Si film has a large light absorption coefficient in the short wavelength region, if an excimer laser is used as the energy beam, only the a-Si film can be selectively heated. . Therefore, since the rise in temperature of the insulating substrate 111 is small, there is an advantage that a low-cost glass substrate or the like can be used as the material of the insulating substrate 111.
  • a first insulating film 114 is formed by a normal pressure CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
  • a gate electrode 1 15 is formed on 14.
  • the p-Si film 113 is formed on the p-Si film 113 by, for example, an ion-doping method. Specifically, an impurity ion such as phosphorus or porone is implanted. Thus, a channel region 113a, a source region 113b, and a drain region 113c are formed on the p-Si film 113.
  • contact holes 118 and 118 are formed, and for example, aluminum is vapor-deposited.
  • a source electrode 117 s and a drain electrode 117 d are formed.
  • a pulse oscillation type laser such as an excimer laser in the process of forming a p-Si film as described above has a large output.
  • a laser beam in the form of a line beam is scanned by moving the substrate. Irradiation while crystallization allows amorphous silicon to be crystallized over a large area at a time, which is advantageous for mass production of semiconductor devices. There is a problem that it is difficult to do so.
  • this type of laser has a very short irradiation time of one pulse of several 10 IIS, and a large temperature difference between irradiation and non-irradiation. Crystallizes during rapid cooling.
  • the excimer laser is generated by a method in which a mixed gas of a rare gas such as Xe or Kr and a halogen gas such as Cl or F is excited by an electron beam, but it is difficult to use it as it is. For this reason, a light beam shaped into a rectangular or line-like light having a uniform light intensity of about several cm square using an optical system called a beam homogenizer is used in the laser annealing method.
  • a non-monocrystalline thin film usually, an amorphous thin film
  • a method of irradiating the shaped light beam while scanning is used.
  • the laser beam 123a of the excimer laser 123 is applied to the precursor semiconductor film 122 while the 124 is heated to about 400 ° C. In this way, by using the method of heating the glass substrate at the time of laser light irradiation, high crystal quality, that is, relatively large and uniform crystal grains can be obtained, and the electrical characteristics are improved. I do.
  • the former (1) can be used for single crystallization, and the latter (2) can be applied relatively easily. If this technique is used, the variation in the field-effect mobility will be ⁇ 10%. It is said that it can be suppressed within.
  • the above-mentioned technologies have the following problems, and cannot sufficiently respond to the recent technological trends of multidimensional integration and cost reduction. .
  • the technique (1) requires a step of applying a reflective film or the like. This complicates the manufacturing process and raises costs. Also, since it is not easy to apply a reflective film or the like to a limited narrow area, it is difficult to crystallize a minute specific area.
  • the technique (2) a heating step for heating the substrate is required, so that the productivity is reduced accordingly.
  • the heating is not as high as in the solid-phase growth method, the process of heating and cooling the substrate takes a long time (for example, about 30 minutes to 1 hour), and the throughput is low.
  • the throughput is low.
  • this technology can reduce the variation in the field-effect mobility to some extent, it cannot sufficiently increase the field-effect mobility, so it is necessary to form a circuit that requires high speed. Not enough.
  • the glass substrate in order to prevent the glass substrate from being distorted, the glass substrate cannot be heated to more than about 550, and it is difficult to obtain higher crystal quality and the like. is there. Furthermore, since this technique is a method of heating the entire substrate, it is not suitable for crystallizing only a limited area (specific area) on the substrate.
  • each of the techniques (1) and (2) has problems such as an increase in manufacturing cost.
  • the techniques (1) and (2) (the same applies to other conventional techniques) have an inherent problem that it is difficult to realize various and multidimensional lamination. I have.
  • the means for controlling the temperature distribution employed by these technologies selectively selects a circuit region (polycrystalline region) requiring high speed and a circuit region (amorphous region) not requiring high speed on the same substrate. It is an unsuitable tool for shaping, and therefore, depending on these technologies, high integration and cost down And it is difficult to realize at the same time.
  • a polycrystalline thin film of a quality that can be realized by the above method is not sufficient.
  • a mobility of about 0.5 to 10 cm 2 / Vs is sufficient, but a peripheral circuit such as a gate circuit or a source circuit for controlling pixels is used.
  • a mobility of about 100 to 300 cm 2 / Vs is required.
  • the conventional technique using the light beam having the above characteristics cannot stably obtain a high mobility. That is, in general, in a polycrystalline silicon film, the larger the crystal grain size, the higher the transistor characteristics such as mobility become. Cannot obtain sufficient transistor characteristics.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the distribution of crystallinity when the rectangular light beam is irradiated on the amorphous silicon thin film formed on the substrate.
  • 1701 indicates the boundary of irradiation light
  • 1702 and 1704 indicate low crystallinity portions
  • the hatched portion 1703 indicates high crystallinity portions. Show.
  • the crystallinity is determined only at the hatched portion 1703 slightly inside the boundary 1701 of the irradiation light. It becomes higher, and a characteristic crystallinity distribution pattern of lower crystallinity is formed in the other parts (around the boundary 1702 and the center 1704). This is confirmed by Raman microscopy.
  • Fig. 6 shows the measurement results of the Raman intensity at the portion along the line A-A in Fig. 5.
  • the presence of a steep peak slightly inside the boundary indicates the presence of this portion. It can be seen that the crystallinity is high. In addition, since there is no peak in the central portion, it can be seen that the crystallinity of this portion is low.
  • a flat temperature region without a temperature gradient is formed in the center, and a steep temperature gradient is formed in the peripheral region because heat escapes to the surroundings.
  • the temperature is equal to or higher than the melting temperature of the silicon, after the irradiation is completed, first, the temperature distribution curve 1901 and the crystallization temperature line 1902 The temperature near the intersection (near the boundary) reaches the crystallization temperature. Therefore, a crystal nucleus (1903) is generated near this (Fig.7 (c)).
  • the amorphous silicon thin film exceeds the melting point, and crystallization occurs when the amorphous silicon thin film melts and solidifies in the region beyond the melting point. Crystallization is achieved.
  • the temperature further decreases (FIG.
  • crystallization proceeds from the crystal nucleus 1903 toward the central portion where the crystallization temperature has not yet reached the crystallization temperature.
  • Fig. 7 (e) shows that when a light beam with a uniform light energy intensity is used, the temperature rises with almost no surface temperature gradient in the center as shown in Fig. 7 (b, d, f). Descend. Therefore, at a certain point in the temperature drop, a relatively wide range reaches the crystallization temperature at the same time (Fig. 7 (f)). In any part of this range (1904), the crystallization temperature is equal. A nucleus can be generated. As a result, as shown in FIG.
  • FIG. 8 shows the mechanism that causes the non-uniform crystallinity as described above, and (a) shows the energy density distribution in the X and y directions of the excimer laser used, and (b) shows the excimer laser having such an energy density distribution.
  • C shows the temperature rise distribution of the amorphous silicon thin film when irradiated on the crystalline silicon thin film, and the laser is irradiated as shown in (a) and (b) above.
  • the perspective view of the polycrystalline silicon film transistor is shown. That is, Fig. 8 (a) As shown in Fig.
  • reference numeral 131 denotes a transparent insulating substrate
  • reference numeral 134 denotes a polycrystalline silicon thin film
  • reference numeral 141 denotes a crystal grain.
  • 1 3 9 generally dioxide ⁇ (S i 0 2) film is used in absolute ⁇
  • 1 4 0 is amorphous Shitsushi Li co down carrying film.
  • 151 is a laser oscillator
  • 152 is a reflecting mirror
  • 153 is a homogenizing device S
  • 154 is a window
  • 155 is a substrate on which an amorphous silicon layer is formed
  • Reference numeral 156 denotes a stage
  • 157 denotes a control device.
  • the entire surface of the substrate is irradiated under the same conditions while being shifted sequentially (for example, I. Asai, N. Kato, M. Fuse and T. Hamano, and Jana J. Applied Physics (Jpn. J. Appl. Phys.) 32 (1993) 474).
  • this laser-irradiation method in which the laser beam irradiation areas are overlapped and shifted while being sequentially shifted, if the laser energy density is increased, one of the evaluation criteria of the semiconductor film characteristics is considered.
  • the film quality becomes non-uniform at the seam of the irradiation area, and the uniformity of the entire semiconductor film is reduced.
  • laser irradiation is performed at a relatively low energy density, it is easy to improve the uniformity of the film quality, but it is difficult to increase the field-effect mobility due to the low energy density.
  • the present invention can form a semiconductor thin film with high crystal quality without lowering the through-hole rate, and can further improve the film characteristics of the semiconductor thin film.
  • the purpose of this project is to provide the technology and its manufacturing method.
  • crystallization is used to include both single crystallization and polycrystallization.
  • the method for producing a crystalline semiconductor thin film of the present invention is a method of producing a poly-Si thin film. Particularly useful for fabrication.
  • the present invention can form a semiconductor thin film having high crystal quality without causing a decrease in through-boat, and can further improve film characteristics of a semiconductor thin film.
  • the present inventors have conducted various studies and found that Focusing on the fact that the crystal grain size of the crystalline silicon thin film becomes smaller is due to the temperature distribution of the silicon thin film when heated by excimer laser irradiation.
  • a method of forming a polycrystalline silicon thin film having a large grain size in a region where a transistor is to be formed is devised.
  • the present inventors provide a region where high thermal conductivity is provided on both sides of a region where a transistor is formed, when performing multi-product processing using a laser.
  • the temperature in the transistor formation area is reduced. It was concluded that the silicon thin film could be crystallized first to increase the grain size.
  • the invention according to claim 1 has a first green insulation film having a first thermal conductivity on a substrate, and a second thermal conductivity different from the first thermal conductivity, Laminating a second insulating film selectively formed on a partial region; laminating a non-single-crystal semiconductor thin film on the first insulating film and the second insulating film; Irradiating the single crystal semiconductor thin film with an energy beam to grow a crystal.
  • the thermal conductivity of the insulating film of the amorphous silicon thin film different between the region where the transistor is formed and the other region.
  • the thermal conductivity of the amorphous silicon thin film in the region where the transistor is formed is higher than that of the amorphous silicon thin film in other regions.
  • the temperature of the silicon thin film in the transistor forming region is lower than that in other regions during polycrystallization, and crystallization occurs from the transistor forming region.
  • the grain size of the polycrystalline silicon in the transistor formation region can be increased.
  • the invention according to claim 12 is characterized in that at least at least a part of the periphery of the surface of the semiconductor film is provided with one or more protrusions extending substantially in a horizontal direction with respect to the semiconductor film. are doing.
  • crystal nuclei in the peripheral portion of the semiconductor film are generated earlier than crystal nuclei in the central portion, and then, The crystal grain size and crystal orientation can be controlled by growing the crystal nuclei at the central part toward the central part before the crystal nuclei are generated or grown at the central part. At the same time, preventing interference between crystals in the process of crystal growth, and obtaining a sufficient crystal grain size.
  • the semiconductor film after the annealing treatment is formed.
  • the heat accumulated in the peripheral protrusions is diffused in a plurality of outward directions (for example, three directions when the protrusions have a rectangular shape) in the horizontal plane, while the heat accumulated in the central portion is Since there is only an escape area in the horizontal plane that has not yet been cooled in the horizontal plane, the perimeter, including the protrusions, cools down much faster than the center.
  • the crystal nuclei at the periphery occur earlier than the crystal nuclei at the center, and the crystal nuclei generated at the periphery before the crystal nuclei occur or grow at the center. Since the crystal grows toward, the crystal grain size and crystal orientation can be controlled. This prevents interference between crystals in the course of crystal growth, and allows a sufficient crystal grain size to be obtained.
  • the crystal generated and grown on the protrusion further grows toward the center.
  • the crystal grows from the adjacent protrusion to the center, and It is anticipated that the crystal will grow as much as possible without interfering with the crystal growth from the protrusion on the opposite side toward the center.
  • a step of forming an amorphous semiconductor film and selecting at least one protrusion extending substantially horizontally in at least a part of the peripheral green of the amorphous semiconductor film are selected.
  • Forming an amorphous semiconductor film on which the projections are formed by annealing and crystallizing the amorphous semiconductor film. This is a method for manufacturing a semiconductor film.
  • the semiconductor film manufactured according to claim 19 has the same effect as that of claim 12.
  • the crystal nuclei in the peripheral portion of the semiconductor film are generated earlier than the crystal nuclei in the central portion, and then, the crystal nuclei generated in the peripheral portion are formed in the central portion. Since the crystal nuclei are grown toward the central portion before the crystal nuclei are generated or grown in the portion, the crystal grain size and crystal orientation can be controlled.
  • an invention according to claim 26 has a channel region, and a source region and a drain region arranged on both sides of the channel region.
  • the crystalline semiconductor layer is obtained by crystallizing a non-single crystalline thin film, and the crystalline semiconductor layer At least in the channel region, a crystal growth direction control gap for controlling the crystal growth direction is provided.
  • the crystal growth direction control gap formed in the channel region controls the crystal growth direction of the channel region when the non-single crystalline thin film is crystallized. Therefore, the crystalline semiconductor layer having such a crystal growth direction control gap has a crystal shape and a crystal grain boundary density that are appropriately regulated, and thus the crystalline thin film transistor having the above-described configuration is formed. Transistors have excellent TFT characteristics such as field-effect mobility.
  • the crystal growth direction control gap is a depression (concave) formed on the surface of a crystalline semiconductor layer (a non-single crystalline thin film in a manufacturing stage). This depth may reach the lower layer (substrate surface or undercoat layer) of the crystalline semiconductor layer, or may not reach the lower layer.
  • the size and shape of the depression are not particularly limited. Therefore, it can be appropriately set in consideration of the size and thickness of the surface area and thickness of the crystalline semiconductor; or the desired field-effect mobility.
  • a hole having a circular or square surface or an elongated groove can be exemplified, and the cross-sectional shape of the hole or groove can be exemplified by a C-shape, a V-shape, and a U-shape.
  • the role and function of the crystal growth direction control gap are described in detail below.
  • a crystalline semiconductor layer having a channel region, a source region disposed on both sides of the channel region, and a drain region is formed on a substrate.
  • the semiconductor layer is obtained by crystallizing a non-single crystalline thin film, and at least a channel region of the crystalline semiconductor layer has a source region and a drain. And two or more rows of groove-shaped voids are provided in a direction connecting the connection region with the groove region.
  • the groove-shaped voids provided in two or more rows guide the crystal growth direction in the direction connecting the source region and the drain region during crystallization of the non-single-crystalline thin film.
  • the resulting poly-Si film is an aggregate of large crystal grains that are long in the direction connecting the source region and the drain region.
  • Such a poly-Si film has a low grain boundary density in the direction connecting the source region and the drain region, and therefore has a high carrier movement speed in this direction.
  • the crystalline thin-film transistor having the above-described configuration has excellent characteristics such as carrier mobility.
  • a groove-shaped crystal growth direction control gap (reference numeral 411) is formed on the surface of the non-single-crystalline thin film, which is a precursor of the crystalline semiconductor layer, between the source region and the drain region.
  • the thin film is irradiated with an absorbable energy beam according to a conventional method, and then the temperature of the thin film surface is changed to the crystal growth direction control gap, its vicinity, and the periphery of the semiconductor thin film.
  • the temperature distribution is low, and the temperature distribution is high in the main part of the channel region (the thin film portion where the crystal growth direction control gap is not formed).
  • the groove crystal growth direction control gap
  • the groove has a smaller thickness of the thin film or no thin film as compared with the other portions, so that the absorption of the energy beam is small, and this result is obtained.
  • the temperature of the groove becomes lower than that of the other parts. Normally, since there is no thin film outside the semiconductor thin film, the absorption of the energy beam is small, and the heat is diffused outward at the periphery, so the temperature is lower than that at the center of the thin film Because.
  • FIG. 11 is a diagram for conceptually explaining the state of crystal growth.
  • crystal nuclei are generated around the crystal growth direction control gap, which is lower in temperature than the main body.
  • the crystal nuclei move in the direction of higher temperature, that is, in the direction away from the groove-shaped crystal growth direction control gap (the direction perpendicular to the groove) as the temperature of the entire thin film decreases. grow up.
  • the crystal growth direction control voids are provided in two or more rows in the direction connecting the source region and the drain region.Therefore, the crystal nuclei generated near the two opposing crystal growth direction control voids are: It grows from the opposite direction toward the center of the channel region body.
  • the crystal grains collide with each other near the center of the main body of the channel region.However, the temperature near the center far from the crystal growth direction control gap is higher than that of other parts, and the molecules still remain. It is in a state where it can move freely. Therefore, crystal growth is induced in a direction that avoids collision, that is, in a direction connecting the source region and the drain region (a direction parallel to the groove) (see FIG. 11a). As a result, large crystal grains long in the direction connecting the source region and the drain region are formed (see Fig. 11b).
  • a channel region composed of an aggregate of crystal grains having such a shape has a small grain boundary density in a direction connecting the source region and the drain region, and thus has excellent TFT characteristics such as electric field effect mobility. Can form a crystalline thin film transistor o
  • the invention according to claim 28 is the invention according to claim 26, wherein a plurality of the crystal growth direction control gaps are discontinuously provided in a direction connecting the source region and the drain region. And features.
  • crystal nuclei are generated in the vicinity of the crystal growth direction control voids that rapidly cool down to the crystallization temperature. Before the crystal grows, it collides with other crystal grains and the crystal growth stops. At the same time, the crystal structure becomes distorted near the boundary where the crystal grains collide. Therefore, desired TFT characteristics cannot be obtained. For this reason, in order to enhance the TFT characteristics such as the field effect mobility, it is necessary to control not only the crystal growth direction but also the crystal nucleus generation density appropriately.
  • the density of crystal nuclei can be controlled by adjusting the number of voids and the spacing between voids.
  • This part is sufficiently heated by laser irradiation.
  • the invention of Claim I-29 is a semiconductor comprising a channel region, a source region disposed on both sides of the channel region, and a drain region; and a crystalline thin-film transistor in which i is formed on a substrate.
  • the crystalline semiconductor layer is obtained by crystallizing a non-single-crystalline thin film, and at least the channel region has an early crystallization temperature at which the crystallization start temperature is higher than that of the channel region body. It is characterized in that an area is provided.
  • the early crystallization region is a portion where the initial crystallization temperature is higher than that of the channel region main body, crystal nuclei are first generated in the early crystallization region in the cooling process. Therefore, thereafter, crystal growth is performed around this crystal nucleus. Therefore, by providing the early crystallization region, it is possible to prevent a phenomenon that a large number of crystal nuclei are generated at once, and as a result, As a result, it can form a polycrystalline semiconductor layer in which larger crystal grains are aggregated.
  • At least one early crystallization region may be disposed in the channel region, but at a position that does not hinder the movement of the carrier in the direction connecting the source region and the drain region. It is also possible to provide a plurality of early crystallization regions in the same. By scattering a plurality of early crystallization regions at appropriate positions and intervals on the thin film surface, the density of crystal nuclei can be appropriately controlled, and thus better results can be obtained. Note that “higher crystallization start temperature” in the above configuration means that crystallization is started at a higher temperature than in the channel region main body.
  • the invention according to claim 30 is the crystalline thin film transistor according to claim 29, wherein the early crystallization region has a shape elongated in a direction connecting the source region and the drain region. And features.
  • the early crystallization region is not a region where the carrier is moved, this region is preferably narrow in a direction connecting the source region and the drain region. This is because if the early crystallized region has a shape that is long in the direction perpendicular to the direction connecting the source region and the drain region, the early crystallized region may impair carrier mobility. .
  • the invention according to claim 31 is the crystalline thin film transistor according to claim 29, wherein the early crystallization region includes a component constituting a channel region main body portion and an impurity. This is the feature.
  • the crystalline thin-film transistor having the above configuration is excellent in TFT characteristics such as the field-effect mobility and is inexpensive.
  • the invention according to claim 32 is the crystalline thin film transistor according to claim 26.
  • the crystalline semiconductor layer is mainly composed of silicon or a compound of silicon and germanium.
  • Silicon or a compound of silicon and germanium is readily available and easily crystallized. Therefore, with the above configuration, a high-quality crystalline thin-film transistor can be provided at low cost.
  • the invention according to claim 33 is a method of manufacturing a crystalline thin film transistor including a crystalline semiconductor layer having a channel region, a source region disposed on both sides of the channel region, and a drain region.
  • the crystal growth direction control gap can be formed in a groove shape in a direction connecting the source region and the drain region.
  • a plurality can be formed discontinuously in the direction connecting the region and the drain region.
  • the invention according to claim 36 is the channel region, and both sides of the channel region.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a crystalline thin film transistor, comprising: a region forming step; and, after the early crystallization region forming step, irradiating an energy beam to crystallize the thin film.
  • a strip-shaped early crystallization region long in a direction connecting the source region and the drain region can be formed.
  • the early crystallization region can be discontinuously arranged in a direction connecting the source region and the drain region.
  • an excimer laser beam can be used as the energy beam.
  • Excimer lasers have high light energy and are absorbed by silicon because they are UV light. Therefore, by using an excimer laser beam, the non-single-crystal semiconductor layer can be efficiently crystallized. In the case of being composed, only the semiconductor layer can be selectively heated and melted. Therefore, the semiconductor layer can be crystallized without adversely affecting a portion other than the irradiation region, and the rise in the substrate temperature is small, so that an inexpensive glass substrate can be used. In addition, the combination of the excimer laser and the UV-absorbing thin film material causes a large temperature difference between the crystal growth direction control gap and the semiconductor chip body. Therefore, the function of the crystal growth direction control gap (the function of controlling the crystal growth direction) is sufficiently exhibited.
  • the present inventors have intensively studied a method for sufficiently growing a crystal, based on the above consideration of the crystallization mechanism. As a result, by intentionally making the light intensity distribution within the light beam width non-uniform, crystallization proceeds smoothly, and as a result, a high-quality crystalline thin film can be obtained. Issued. Based on such knowledge, the present invention having the following configuration has been completed.
  • the invention according to claim 40 is characterized in that the non-single-crystalline film formed on the substrate is irradiated with a light beam to crystallize or recrystallize the non-single-crystalline material.
  • the light beam is used so that a temperature gradient or a non-uniform temperature distribution is generated on the surface of the thin film to be irradiated. It is characterized by using a light beam whose distribution pattern of energy intensity is adjusted.
  • the invention of claim 41 is the method of manufacturing a crystalline thin film according to claim 40, wherein the light beam has a light intensity within a beam width monotonically increasing from one side to the other or from one side.
  • a light beam having a monotonically decreasing distribution pattern is used.
  • a temperature gradient is formed on the surface of the non-single-crystalline film, which is the surface to be irradiated, in response to the intensity of the light energy, and crystallization is induced from a low temperature portion to a high temperature direction. You. Therefore, generation of disordered crystal nuclei and disordered crystal growth can be prevented, so that the phenomenon described in FIGS. 7f and 7g can be surely prevented.
  • the intensity of light energy is preferably in a direction parallel to the source-drain direction.
  • the direction of crystal growth is regulated in a direction parallel to the direction of carrier movement, and the grain boundary density in this direction is reduced. Therefore, by employing this method, for example, a transfer assistance degree of about 300 cm 2 / Vs or more can be realized.
  • the invention of claim 42 is the method of manufacturing a crystalline thin film according to claim 40, wherein the light beam has a relatively high light intensity within a beam width and a relatively high light intensity within a beam width. It is characterized by using a light beam having a distribution pattern in which weak portions are alternately arranged in a plane.
  • a light beam having a striped pattern consisting of a portion having a high light intensity and a portion having a weak light intensity
  • a striped temperature distribution pattern consisting of a high temperature portion and a low temperature portion can be formed on the irradiated surface.
  • crystal growth is induced from a low temperature part (usually a strip) to a high temperature part.
  • the crystal grains abruptly form a continuous line of a grain boundary (continuous line like a mountain range). A slightly longer crystal grain is formed in a direction parallel to the line.
  • the phenomenon described with reference to FIGS. 7f and 7g can be prevented.
  • the effect is also obtained. That is, crystallization is performed by arranging a region having a relatively high light intensity and a region having a relatively low light intensity in parallel with the source-drain direction. In this case, the collision line of the crystal grains becomes parallel to the source-drain direction, and the carrier protrudes into the mouth of the crystal grain, which causes a significant decrease in mobility. Crossing the boundary). Thus, a channel region having high mobility can be formed.
  • at least two mutually coherent light beams are simultaneously irradiated as the light beam. It is characterized by using a light beam formed by generating ⁇ .
  • the present invention of claim 44 is the method for producing a crystalline thin film according to claim 40, wherein at least two mutually coherent light beams are simultaneously irradiated as the light beam, and Characterized by the use of a wavelike thousand square pattern formed by dynamically modulating at least one light phase.
  • the irradiation may be performed while moving the light beam relatively to the non-single-crystalline thin film on the substrate.
  • a light beam whose light energy intensity distribution pattern is adjusted is applied to the thin film surface so that a temperature gradient or a non-uniform temperature distribution occurs on the irradiated surface (non-monocrystalline thin film surface).
  • the invention according to claim 45 wherein the non-single-crystal thin film formed on the substrate is irradiated with a light beam, and then radiates heat to crystallize or recrystallize the non-single-crystal.
  • a method for producing a semiconductor thin film by maintaining an ambient atmospheric pressure at a certain value or more, a non-uniform temperature distribution is generated on a thin film surface irradiated with a light beam.
  • the invention according to claim 46 is the method for forming a crystalline thin film according to claim 45, wherein the atmospheric pressure of the predetermined value or more is 10 -5 torr or more when the atmospheric gas is hydrogen gas. It is characterized by.
  • the invention of claim 47 is a method for manufacturing a semiconductor film, wherein a precursor semiconductor film formed on a substrate has In particular, the absorption rate of the precursor semiconductor film is lower than that of the first energy beam that gives the precursor semiconductor film energy that can crystallize the precursor semiconductor film and that the first energy beam. And irradiating the precursor semiconductor film with a second energy beam that gives an energy smaller than that capable of crystallizing the precursor semiconductor film to crystallize the precursor semiconductor film. It is characterized by having a step of causing
  • the second energy beam easily reaches the lower part of the precursor semiconductor film and the substrate, and the precursor semiconductor film is heated in the thickness direction and the substrate is heated. Is also heated, and the temperature difference between the time when the first energy beam is irradiated and the time when the irradiation is completed is reduced. Then, the precursor semiconductor film heated and irradiated by the irradiation of the first energy beam is crystallized while being gradually cooled after the irradiation is completed. Therefore, crystal growth is promoted, relatively large crystal grains are formed, crystal defects are reduced, and the electrical characteristics of the semiconductor film are improved.
  • the invention of claim 48 is the method for manufacturing a semiconductor film of claim 47, wherein the precursor semiconductor film is an amorphous silicon thin film.
  • the invention according to claim 49 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam has an absorption coefficient of the precursor semiconductor film that is equal to a thickness of the precursor semiconductor film.
  • the second energy beam is characterized in that the absorption coefficient of the precursor semiconductor film is not more than the reciprocal of the film thickness of the precursor semiconductor film.
  • An invention according to claim 50 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam has an absorption coefficient of the precursor semiconductor film that is equal to a thickness of the precursor semiconductor film.
  • the reciprocal is approximately 10 times or more, and the second energy beam is characterized in that the absorption coefficient of the precursor semiconductor film is almost the reciprocal of the thickness of the precursor semiconductor film. are doing.
  • the precursor semiconductor film is more efficiently heated, and a semiconductor film having better crystal quality is formed.
  • the invention according to claim 51 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam and the second energy beam are lights having different wavelengths from each other. ing.
  • the lights having different wavelengths as described above include, for example, the first energy beam is a single-wavelength energy beam, and the second energy beam is at least a wavelength component in a visible light region. Light containing is applicable.
  • the first energy beam and the second energy beam For example, laser light and infrared light, laser light and incandescent light, or laser light and excimer light can be used.
  • the second energy beam emits at least wavelength components from the visible light region to the ultraviolet light region, such as xenon flash lamp light. Included light can also be used.
  • first energy beam and the second energy beam may be laser light.
  • the first energy beam is used as an argon-fluorine excimer laser, a crypton-flux, or the like.
  • the laser beam of any one of an oxygen excimer laser, a xenon chlorine excimer laser, and a xenon fluorine excimer laser, and the laser beam of an argon laser is used as the second energy beam.
  • an oxygen excimer laser, a xenon chlorine excimer laser, and a xenon fluorine excimer laser is used as the second energy beam.
  • the first energy beam is an argon fluorine excimer laser or a laser.
  • Each of the above excimer lasers can easily obtain a large output and is easily absorbed near the surface of the amorphous silicon thin film, while the laser light of the above-mentioned algorithmic laser is somewhat amorphous silicon.
  • Amorphous through the thin film It is easily absorbed in the thickness direction of the porous silicon thin film, and the laser light of the carbon dioxide gas laser passes through the amorphous silicon thin film relatively well and is easily absorbed by the glass substrate. Therefore, the amorphous silicon thin film can be efficiently heated, a polycrystalline silicon film having good crystal quality can be easily formed, and productivity can be improved. Both can be easily done.
  • the invention according to claim 61 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam and the second energy beam irradiate a strip-shaped region in the precursor semiconductor film. This is the feature.
  • the invention of claim 62 is the method of manufacturing a semiconductor film of claim 47, wherein the irradiation area of the second energy beam on the precursor semiconductor film is the same as that of the first energy beam. It is characterized in that the region is larger than the irradiation region on the precursor semiconductor film and includes the irradiation region of the first energy beam.
  • the invention of claim 63 is the method of manufacturing a semiconductor film of claim 47, wherein the first energy beam and the second energy beam are incident on the precursor semiconductor film almost perpendicularly. This is the feature of irradiation.
  • each energy beam enters the precursor semiconductor film almost perpendicularly. Irradiation reduces irradiation unevenness of each energy beam, so that a semiconductor film having uniform crystal quality can be easily formed after all.
  • the invention of claim 64 is the method of manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the second energy beam is irradiated at least prior to irradiating the first energy beam. It is characterized by The irradiation of the second energy beam prior to the first energy beam can be performed by controlling the irradiation timing of each energy beam, and for example, the formation of the precursor semiconductor film can be performed. Moving the substrate, and irradiating the second energy beam to a position forward of the first energy beam in the movement direction with respect to the irradiation position of the first energy beam on the precursor semiconductor film. You can also do this.
  • crystallization is performed by the first energy beam while the semiconductor film and the substrate are sufficiently heated by the second energy beam. Therefore, the crystallization step can be performed efficiently.
  • the invention according to claim 66 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam is irradiated in a P-intermittent manner, while the second energy beam is continuously irradiated. It is characterized by Specifically, for example, pulsed laser light can be used as the first energy beam, and continuous wave laser light can be used as the second energy beam.
  • the substrate and the precursor semiconductor film can be easily heated to a predetermined stable temperature, and the first energy beam can be easily heated.
  • Energy beam intermittently By doing so, it is easy to reliably crystallize the precursor semiconductor film while minimizing the transfer of heat to the substrate, preventing melting and distortion due to excessive heating of the substrate. Can be.
  • the invention according to claim 69 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam and the second energy beam are irradiated intermittently in synchronization with each other. It is characterized by As a specific irradiation timing, for example, the period of irradiating the first energy beam is within the period of irradiating the second energy beam and the irradiation period of the second energy beam. It is preferred that the period be less than two-thirds of the time. Further, each energy beam is specifically a pulsed laser beam as a first energy beam, a pulsed laser beam as a second energy beam, or intermittently lit. Can be used.
  • the invention according to claim 73 or claim 74 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam and the second energy beam are each formed of a precursor semiconductor film having a thickness of 3 nm. 0 or more and 1200 or less, more preferably 600. Heat to a temperature below C 1 1 0 0 It is characterized by irradiating so as to be performed.
  • the precursor semiconductor film By heating the precursor semiconductor film to a temperature in such a range, crystallization is performed while preventing crystal defects ⁇ non-uniform crystallization due to generation of partially fine crystals. In this case, the temperature change at the time is moderated to promote crystal growth, and large crystal grains can be easily formed.
  • the invention of claim 75 is the method of manufacturing a semiconductor according to claim 47, further comprising a step of heating the substrate on which the precursor semiconductor film is formed by a heater. It is a feature. Specifically, for example, it is preferable to heat the substrate on which the precursor semiconductor film is formed to a temperature of from 300 to 600 ° C.
  • the precursor semiconductor film can be further efficiently heated, and the gradual temperature can be further improved.
  • productivity can be easily improved.
  • the invention of claim 77 is the method of manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the first energy beam irradiates a plurality of regions in the precursor semiconductor film, and This energy beam is characterized by irradiating only a part of the plurality of regions.
  • the invention according to claim 78 is the method for manufacturing a semiconductor film according to claim 47, wherein the second energy beam has an absorptance in the substrate that: It is characterized in that it is larger than the absorption rate of the precursor semiconductor film. Further, in the first energy beam, the absorption coefficient of the precursor semiconductor film is preferably at least about 10 times the reciprocal of the thickness of the precursor semiconductor film.
  • the first energy beam is formed of argon gas.
  • Laser light of any one of an excimer laser, a cryptofluorine excimer laser, a xenon chlorine excimer laser, and a xenon fluorine excimer laser, and the above-mentioned second energy beam As a result, the laser light of a carbon dioxide gas laser can be used.
  • the substrate is also heated. After the first energy beam irradiation is completed, the substrate is gradually cooled to promote crystal growth, so that relatively large crystal grains are reliably formed. And a semiconductor film having good crystal quality is formed.
  • An invention according to claim 81 is an apparatus for manufacturing a semiconductor film for crystallizing a precursor semiconductor film formed on a substrate, comprising: a first irradiation means for irradiating a first energy beam; A second irradiation means for irradiating a second energy beam having a lower absorption rate of the precursor semiconductor film than the energy beam.
  • the second energy beam easily reaches the lower portion of the precursor semiconductor film and the substrate, and the precursor semiconductor film is heated in the thickness direction and the substrate is heated. Is also heated, and the temperature difference between the time when the first energy beam is irradiated and the time when the irradiation is completed is reduced. So the first The precursor semiconductor film heated and melted by the irradiation of the energy beam is crystallized while being gradually cooled after the irradiation is completed. Therefore, crystal growth is promoted, relatively large crystal grains are formed, and crystal defects are reduced, and a semiconductor film with improved electrical characteristics can be manufactured.
  • the invention according to claim 82 is the apparatus for manufacturing a semiconductor film according to claim 81, wherein the second irradiating means is a lamp that radially emits a second energy beam, and Further, it is characterized by having a concave reflecting mirror for collecting the second energy beam.
  • the substrate and the like can be efficiently heated, and the temperature distribution can be made uniform to easily form a semiconductor film having uniform crystal quality.
  • the invention according to claim 83 is the apparatus for manufacturing a semiconductor film according to claim 81, further comprising reflecting one of the first energy beam and the second energy beam.
  • a reflector that transmits the other is provided, and the first energy beam and the second energy beam are configured to be incident almost perpendicularly on the precursor semiconductor film. are doing.
  • the irradiation of each energy beam is substantially perpendicular to the precursor semiconductor film, the irradiation unevenness of each energy beam is reduced.
  • the semiconductor film can be easily formed.
  • the first irradiation means and the second irradiation means as described above include, for example, the first irradiation means when the precursor semiconductor film is an amorphous silicon thin film.
  • the means are an argon fluorine excimer laser, a cryptofluorine excimer laser, a xenon chlorine excimer laser, or Alternatively, any of xenon fluorine excimer lasers and an argon laser can be used as the second irradiating means.
  • the first energy beam is used as the first energy beam.
  • As the energy beam laser light of a carbon dioxide laser can be used.
  • the invention of claim 86 is directed to crystal growth by irradiating an energy beam to a non-single-crystal semiconductor thin film formed on a substrate having an image display area and a drive circuit area.
  • the first irradiation of the image display area is performed using an energy beam having a linear beam cross section, while the drive circuit section area is formed.
  • the second irradiation is performed by using an energy beam having a rectangular cross section and a higher energy density than the first irradiation.
  • the invention according to claim 87 is a method of manufacturing a semiconductor thin film, comprising a step of irradiating a non-single-crystal semiconductor thin film formed on a substrate having an image display region and a drive circuit region region with an energy beam to grow crystals.
  • the energy beam is scanned relative to the substrate, and the irradiation area of the energy beam is shifted by a predetermined uniform amount.
  • the second irradiation to the drive circuit section area is stationary irradiation performed by fixing an energy beam relatively to the substrate, and is performed more than the first irradiation. It is also characterized by high energy density.
  • Different laser irradiation methods are used. That is, the amorphous silicon formed on the substrate is irradiated with a laser beam to melt and crystallize the amorphous silicon, thereby performing a laser anneal for forming polycrystalline silicon.
  • the energy density of the laser light irradiating the drive circuit area in the substrate surface is made higher than the energy density of the laser light irradiating the pixel area, and the laser circuit is run to perform the drive circuit section.
  • the mobility of the polycrystalline silicon in the drive circuit area is higher than the mobility of the polycrystalline silicon in the pixel area, while the polycrystalline silicon in the pixel area is increased.
  • the characteristics of the silicon can be made uniform in the plane.
  • the laser beam for the first laser beam irradiation is linear and the laser beam for the second laser beam irradiation is square, so that the stage for fixing the substrate is formed.
  • Laser annealing can be performed without rotating 90 degrees.
  • the first laser light irradiation is scanning irradiation in which the irradiation position of the laser beam is shifted a plurality of times while being shifted
  • the second laser light irradiation is stationary irradiation in which the irradiation position of the laser beam is fixed and irradiated.
  • different energy densities are applied to multiple regions in the drive circuit area. It is also possible to form a polycrystalline silicon having different characteristics in the drive circuit section region by irradiating the laser beam having the laser beam and performing laser annealing. In this case, laser annealing is performed by irradiating a laser beam having a different energy density in a region where the transfer gate is formed in the latch or shift register and the other region. Is preferred.
  • the semiconductor thin film manufacturing apparatus of the present invention includes: an energy beam generating means; and an equalizing means for shaping an energy beam emitted from the energy beam generating means into a predetermined beam cross section having uniform energy.
  • the energy beam generating means further includes: an energy beam generating means; and a uniformizing means for shaping the energy beam emitted from the energy beam generating means into a predetermined beam cross-sectional shape with uniform energy.
  • An apparatus for manufacturing a semiconductor thin film that irradiates a non-single-crystal semiconductor thin film formed thereon to grow a crystal wherein the uniformizing means selectively switches an energy beam into a plurality of beam cross-sectional shapes. It is characterized by being constructed so that it can be shaped and shaped.
  • Fig. 1 is a schematic diagram showing the transmittance characteristics of amorphous silicon thin films.
  • Fig. 2 is a plan view and a cross-sectional view of a conventional thin film transistor (TFT).
  • TFT thin film transistor
  • FIG. 3 is an explanatory view showing a conventional method of manufacturing a polysilicon thin film.
  • FIG. 4 is a view showing an intensity pattern of a light beam having a flat light intensity distribution according to the prior art.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the non-uniformity of crystallinity in the crystallized region in the prior art.
  • Fig. 6 shows the Raman intensity curve at the line A--A in Fig. 5.
  • Fig. 7 is an explanatory diagram for explaining the progress of crystallization when using a light beam with a flat light intensity distribution.
  • Fig. 8 is an explanatory diagram showing the principle of polycrystallization by laser light irradiation according to the conventional method.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a conventional laser annealing device.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a laser annealing region of a liquid crystal display.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing a crystal growth direction in an a-Si film provided with a crystal growth direction control gap.
  • FIG. 12 is an explanatory view showing the principle of polycrystallization of the embodiment 11;
  • FIG. 13 is a graph showing the degree of crystallization of the polycrystalline silicon thin film of the embodiment 11;
  • FIG. 14 is a plan view and a cross-sectional view of the TFT according to the embodiment 1-2.
  • FIG. 15 is a plan view and a cross-sectional view of the TFT according to the embodiment 13
  • FIG. 17 is a plan view and a cross-sectional view of the TFT according to the embodiment 2-2.
  • FIG. 18 is an explanatory view showing a manufacturing process of the TFT according to the embodiment 21.
  • FIG. FIG. 20 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a configuration of a TFT according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 (a) is a plan view
  • Fig. 20 (b) is a cross-sectional view of A-A in Fig. 20 (a))
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 20 (a) of the embodiment 3-1.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the TFT of the embodiment 3-1. Plan view and sectional view showing the structure of the TFT of Embodiment 3-2.
  • Figure 23 (a) is a plan view
  • Figure 23 (b) is a cross-sectional view taken along line C-C 'in Figure 23 (a))
  • FIG. 24 is a diagram of FIG. 23 (a) of the embodiment 32.
  • FIG. 25 is an explanatory view showing a manufacturing process of the TFT according to the embodiment 32.
  • FIG. 26 is a plan view showing a structure of the TFT according to the embodiment 33.
  • FIG. 27 is an embodiment 31 Crystal growth direction control vacancy of modified examples 3 to 3 Plan view showing the structure of a TFT having a gap
  • FIG. 28 shows Embodiment 3 — :! Sectional views showing the structures of TFTs having crystal growth direction control voids in other modified examples 3 to 3
  • Figure 29 is a diagram for explaining the progress of crystallization when a light beam with a light intensity gradient is used.
  • Figure 30 is a diagram schematically showing the state of irradiation while moving a light beam having a light intensity gradient.
  • Figure 31 shows the light transmission characteristics of a filter for producing a light beam with a light intensity gradient.
  • Figure 32 shows the progress of crystallization when a light beam in which relatively high light intensity portions and relatively low light intensity portions are alternately arranged in a plane is used. Illustration
  • Fig. 33 is a diagram schematically showing a state in which the light beam having the distribution pattern shown in Fig. 32a is irradiated while moving.
  • Fig. 34 shows the light transmission characteristics of the filter for producing the light beam shown in Fig. 32.
  • Fig. 35 shows a light intensity distribution pattern in another mode of a light beam in which portions having relatively high light intensity and portions having relatively low light intensity are alternately arranged in a plane.
  • Fig. 36 is a schematic diagram showing the principle of creating the light intensity distribution pattern shown in Fig. 35 by optical interference.
  • Fig. 37 is a diagram for explaining the progress of crystallization when the light beam in Fig. 35 is used.
  • Figure 38 is a schematic diagram for explaining a method of producing a light beam from a dynamic interference pattern in which bright and dark lines wave.
  • Figure 39 shows the light interference pattern formed in the thickness direction of the thin film A schematic diagram showing
  • Figure 40 shows the flow of heat from the thin film heated by light irradiation to the surroundings.
  • Figure 41 shows the relationship between the atmospheric pressure and the number of irradiations and the degree of crystallization (Raman intensity) during light irradiation.
  • Figure 42 is a schematic diagram showing crystallization using an excimer laser.
  • Figure 43 shows the experimental setup used to study the relationship between ambient pressure and crystallinity in laser annealing.
  • FIG. 44 is an explanatory view showing a method for manufacturing a polysilicon thin film according to the embodiment 5-1.
  • Figure 45 is a graph showing the Raman scattering measurement results of the polysilicon thin films of the embodiments 5-1 and 2.
  • FIG. 46 is an explanatory view showing a method for manufacturing a polysilicon thin film according to the embodiment 5-2.
  • Figure 47 is a graph showing the transmittance characteristics of the glass.
  • FIG. 48 is a perspective view showing the configuration of the glass substrate on which the microcrystalline silicon thin film of Embodiment 5-3 is formed.
  • FIG. 49 is an explanatory view showing a method for manufacturing a polysilicon thin film according to the fifth to third embodiments.
  • FIG. 50 is a graph showing the characteristics of the TFT according to each of Embodiments 5-3 to 9;
  • FIG. 51 is an explanatory diagram showing another method of manufacturing the polysilicon thin film of Embodiment 5-3.
  • FIG. 52 is an explanatory view showing a method for manufacturing a polysilicon thin film according to the fifth to fourth embodiments.
  • FIG. 53 shows a method for manufacturing a polysilicon thin film according to the fifth to fifth embodiments. Illustration
  • FIG. 54 is an explanatory view showing a method for manufacturing a polysilicon thin film according to the fifth to sixth and seventh embodiments.
  • FIG. 55 is a graph showing the relationship between the heating temperature and the crystal grain S according to the fifth embodiment.
  • FIG. 56 is a graph showing the relationship between the heating temperature and the field-effect mobility in the fifth embodiment.
  • FIG. 57 is an explanatory view showing a method for manufacturing a polysilicon thin film according to the embodiment 518.
  • FIG. 58 is an explanatory diagram showing the irradiation timing of the embodiment 5-18.
  • FIG. 59 is an explanatory diagram showing the method of manufacturing the polysilicon thin film of the embodiment 5-9.
  • FIG. 60 is an explanatory diagram showing a laser light irradiation area of the liquid crystal display in the embodiment 6-1.
  • FIG. 61 is an explanatory view showing a laser beam irradiation method in the embodiment 61-11.
  • FIG. 62 is a schematic view of a laser annealing apparatus according to the embodiment 62.
  • FIG. 63 is an explanatory view showing a laser light irradiation area in the embodiment 6-12.
  • Figure 64 is a graph showing the dependence of mobility on the number of laser irradiations in Embodiment 6-13.
  • FIG. 65 is a schematic view of a laser annealing device according to the embodiment 65.
  • FIG. 66 is a plan view showing the configuration of the mask member of the embodiment 6-5.
  • FIG. 67 is an explanatory view showing the laser annealing method of the embodiment 6-16.
  • FIG. 68 is an explanatory view showing another laser annealing method according to the sixth to sixth embodiments.
  • BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The contents of the present invention will be specifically described based on an embodiment.
  • a lower insulating film 202 is formed over the entire surface as shown in FIG. 12C.
  • a strip-shaped upper insulating film 203 made of a material having lower thermal conductivity than the lower insulating film 202 is partially formed.
  • an amorphous silicon thin film 204 is formed on the lower dust insulating film 202 and the upper insulating film 203.
  • a polycrystalline silicon film 210 is formed.
  • the thermal conductivity of the upper insulating film 203 is lower than the thermal conductivity of the lower insulating film 202 as described above, as shown in FIG.
  • the temperature of the region above the upper insulating film 203 in the crystalline silicon thin film 204 becomes higher than that of the region between the upper insulating films 203. Therefore, the crystallization of the amorphous silicon thin film 204 starts from the region between the upper insulating film 203 and the crystal grows toward the region on the upper insulating film 203.
  • the collision of crystal grains is less likely to occur, and a large crystal region 210b with relatively large crystal grains is formed, while the upper insulating film is formed.
  • the degree of crystallization between the polycrystalline silicon thin film 210 formed as described above and the polycrystalline silicon thin film polycrystallized by the conventional method was measured by Raman spectroscopy. The comparison was based on the peak intensity of the analysis. The results are shown in FIG.
  • a silicon nitride thin film having a thickness of 200 nm (thermal conductivity: 0. 1 9 W / cm ⁇ -C)
  • the upper insulating film 203 is a silicon oxide thin film with a thickness of 30 ⁇ m, a width of about 5 m, and an interval of 2 O ⁇ m (thermal conductivity: 0 0.14 W / cm ⁇ ° C).
  • a single-layer silicon oxide film having a thickness of 200 nm is used as the insulating film.
  • the thickness of the amorphous silicon thin film is 85 nm in both cases.
  • the measurement point of the Raman peak intensity is the center of the irradiation area in the X direction in Fig. 12 in both cases.
  • the conventional method has a low degree of crystallinity as a whole, whereas the method of the present invention has an upper insulating film denoted by A, B, and C 203.
  • the crystallinity of the upper part is low, the Raman peak intensity of the part above the lower insulating film 202 sandwiched between the upper insulating films 203 is large, and the crystallinity is greatly improved. It is recognized that it has been done.
  • the interval between the stripe patterns of the upper insulating film 203 is an optimal value according to the thermal conductivity of the lower eyebrow edge ⁇ 202 and the upper insulating layer ⁇ 203, the energy density to be irradiated, and the like.
  • the silicon in the y direction in FIG. Although an example in which the temperature distribution is provided on the surface of the thin film has been described above, the temperature distribution may be similarly provided in the X direction when the irradiation is performed while the laser beam is stationary. When scanning the laser beam in the X direction, consideration should be given to the influence on the temperature distribution due to the sequential movement of the irradiation area. In addition, the temperature distribution is adjusted by utilizing the difference in thermal conductivity as described above and making the energy density distribution of the laser beam different for each region. Is also good.
  • the thermal conductivity of the upper insulating film 203 was made lower than that of the lower insulating film 202, and the crystal grain size in the region where the upper insulating film 203 did not exist was increased.
  • the thermal conductivity of the upper insulating film may be made larger than that of the lower insulating film so as to increase the crystal grain size in the region where the upper insulating film is formed.
  • the vertical relationship between the layers referred to as the magnitudes of the thermal conductivity is not limited to the above, and may be reversed, so that a predetermined temperature distribution may be formed.
  • the etching selectivity (ratio of etchant) between the upper insulating film and the lower insulating film is set to be large, the desired shape (etching ratio) can be obtained.
  • the thickness of the upper insulating film can be easily formed, so that the upper insulating layer can be formed with a uniform thickness over a large area, and as a result, the uniform grain size can be increased over the entire surface of the substrate.
  • a crystalline silicon thin film can be easily obtained.
  • the thickness of a silicon thin film may be changed by etching or the like. In this case, the accuracy of the etching process must be relatively high, but the two-layer insulating film is formed as described above. Since there is no necessity, the manufacturing process can be simplified.
  • the crystallinity can be similarly improved. Can be.
  • Fig. 14 (a) is a plan view and diagram of a polycrystalline silicon thin film transistor.
  • FIG. 14 (b) is a sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 14 (a).
  • 201 is a transparent insulating substrate
  • 202 is a lower insulating film
  • 203 is an upper insulating film
  • 205 is a gate insulating film
  • 206 is a source electrode film
  • 207 is a drain electrode film
  • 208 is a gate electrode ⁇
  • 210 b is a polycrystalline silicon thin film 2
  • the method of forming the gate insulating film 205, the source electrode film 206, the drain electrode film 207 and the gate electrode film 208 is the same as that of the conventional thin film transistor. The same method of thin film deposition and patterning can be applied
  • the polycrystalline thin-film transistor thus obtained has a field-effect mobility of about 180 cm 2 / V'sec, and was manufactured by a conventional method. Compared to the field-effect mobility of the transistor of 70 cm 2 / V ⁇ sec, the TFT characteristics were significantly improved.
  • the relationship between the direction of the upper insulating film 203 and the direction of the source-drain is not limited to the one as described above, and is formed according to the distance between the upper insulating films 203 and the like.
  • the long direction of the crystal grains to be formed should be in the direction of the source-drain.
  • this polycrystalline silicon thin film transistor is formed using two large crystal grain regions 210 b formed between three upper insulating films 203. This is different from the first and second embodiments.
  • the lower insulating film 202 has a thickness of about 200 nm formed by plasma CVD, a silicon nitride oxide thin film, and the upper insulating film 203 has a thickness of 200 nm.
  • a silicon oxide thin film of about 4 O nm is used.
  • the large crystal grain region 21 Ob was formed by forming an amorphous silicon thin film 204 having a thickness of 85 nm on the upper insulating film 203 formed by patterning. It is formed by irradiating excimer laser light to form a polycrystalline silicon thin film in the same manner as in Embodiment 1-1.
  • the temperature gradient is integrated without setting the interval between the upper insulating films 203 wide.
  • a thin film transistor having a large size and good characteristics can be obtained. It can be formed. Specifically, for example, a thin film transistor having very good characteristics, for example, a field effect mobility of about 200 cm 2 ZV ⁇ sec was obtained.
  • the method of manufacturing a polycrystalline silicon thin-film transistor according to the present invention can make only the region where the transistor is to be made a large crystal grain.
  • the insulating film formed on the substrate is not limited to silicon nitride, silicon nitride oxide and silicon oxide, but may be any combination having different thermal conductivity and capable of selective etching.
  • the material is not particularly limited.
  • Fig. 16 is a schematic diagram of a thin film transistor.
  • Fig. 16 (a) is a plan view
  • Fig. 16 (b) is a sectional view taken along the line A-A 'in Fig. 16 (a). is there.
  • reference numeral 301 denotes an insulating substrate.
  • An undercoat layer 302 is provided above the insulating substrate 301, and an amorphous layer of Si is provided above the undercoat layer 302.
  • a semiconductor layer 303 formed by crystallizing a semiconductor film is provided. As shown in FIG. 16 (a), the semiconductor layer 303 has a plurality of sides extending outward in the same plane as the semiconductor layer 303, on a pair of opposing sides of the semiconductor layer 303. Protrusions 303a are formed at predetermined intervals.
  • the protruding portion 303 a is formed in a substantially rectangular shape, and its length (protruding length from the semiconductor layer 303) and width (length in a direction perpendicular to the protruding length) are set to lm. ing.
  • the semiconductor layer A first insulating layer 304 is provided above the semiconductor layer 303 so as to cover 303, and a gate, which is a first electrode, is provided at a predetermined position on the first insulating layer 304.
  • the electrode 305 is provided.
  • a second insulating layer (306) is provided so as to cover the gate electrode (305), and the semiconductor layer (303) is provided at a predetermined position on the second insulating layer (306).
  • a source electrode 307 s and a drain electrode 307 d are provided as a pair of second electrodes that are in electrical contact with each other.
  • the width of the projection 303 a is not limited to 1 m, but one crystal nucleus is generated for each projection 303 a by making the crystal grain size more consistent.
  • the thickness of the semiconductor layer 303 is not less than (for example, 0.05 m) and not more than about 3 m.
  • the technical reason for adopting the above numerical range is that, when the width of the projection 303 a is smaller than the film thickness, the crystal nuclei generated in the projection 303 a are affected by surface tension, and the semiconductor layer 30 a is formed.
  • the crystal nucleus may not be able to survive due to being pulled into the projections 3, but if the width of the projection 303 a is larger than 3 ⁇ ⁇ , two or more crystals in the projection 303 a This is because nuclei may be generated.
  • the shape of the projection 303a is not limited to a rectangle, but may be another shape such as a semicircle or a triangle.
  • the protruding portion 303 a is not limited to being formed over the entire length of the opposing side of the semiconductor layer 303, and may be formed only at a portion corresponding to the gate electrode 305, for example. In addition, it is only necessary that it be formed in a channel portion that affects the characteristics of the element.
  • the interval between the adjacent projections 303 a can be appropriately selected depending on conditions such as a desired particle diameter.
  • the interval between the projections 303 a is different from the interval between the projections 303 a.
  • the length becomes substantially equal to the length (w) of the side orthogonal to the side on which the projection portion 303 is provided.
  • the projections 303 a are formed as described above, the projections 303 a are formed after the semiconductor layer 303 is irradiated with a laser beam and heated. Crystal nuclei are likely to be generated due to early cooling, and crystals grow from the crystal nuclei toward the center of the semiconductor layer 303. Also, at this time, the crystal grains growing from the adjacent protrusions 303a and the protrusions 303a on the opposing side do not overlap each other and reach the vicinity of the center of the semiconductor calendar 303. Because they grow easily, relatively large crystal grains are formed. Therefore, it is easy to increase the field effect mobility and improve the TFT characteristics.
  • FIG. 18 is a process chart showing a method of manufacturing a thin film transistor.
  • an undercoat layer 302 is formed on a green substrate 301, and a silicon is formed on the undercoat layer 302. .
  • a photo resist (not shown) is selectively formed on the semiconductor layer 303 in a predetermined shape, and the photo resist is used as a mask to form the photo resist as shown in FIG. ),
  • the amorphous semiconductor layer 303 is formed into a shape having a protrusion 303 a extending in the same plane over the entire length of the opposing side of the amorphous semiconductor layer 303. Remove the gist.
  • the amorphous semiconductor layer The crystal is irradiated with excimer laser light as an energy beam to be crystallized to form a poly-Si modified layer.
  • the heat accumulated in the peripheral protrusion 303 a diffuses in the outer three directions in a plane parallel to the semiconductor layer 303.
  • the heat accumulated in the central part has not yet been cooled down.3 ⁇ 4 Since there is only an escape place on the green side, the peripheral part, including the protrusion 303a, cools down much faster than the central part. Is done.
  • the crystal nucleus in the protrusion 303 a was generated earlier than the crystal nucleus in the central part, and was generated at the peripheral part before the crystal nucleus was generated or in the central part. Since the crystal nuclei grow toward the center, the crystal grain size and crystal orientation can be controlled. This prevents interference between crystals in the course of crystal growth, and facilitates obtaining a sufficient crystal grain size.
  • a first insulating layer 304 is formed on the semiconductor layer 303 and the undercoat layer 302, and the first insulating layer 304 is formed.
  • a gate electrode 305 as a first electrode is selectively formed on 304.
  • the gate electrode 300 is used as a mask, and the semiconductor layer 303 is ion-doped without ion implantation or mass separation.
  • a source region 303 s and a drain region 303 d are formed by adding an impurity which becomes a donor or an excipient by a method.
  • a contact hole is opened, and the source electrode 307s and the drain electrode 307 are formed.
  • a thin film transistor is obtained by selectively forming 07 d.
  • Si is used as the semiconductor layer 303, but another material such as a compound of Si and Ge may be used. Also S Other combinations between the IV groups, such as iC, combinations of the III and V groups, such as GaAs, and combinations of the II and VI groups, such as CdSe, may be used.
  • IV groups such as iC
  • III and V groups such as GaAs
  • II and VI groups such as CdSe
  • a polycrystalline silicon thin film transistor has been described as an example, the present invention is not limited to this, and it is of course possible to apply the present invention to various other semiconductor devices.
  • an excimer laser was used as the energy beam when the amorphous semiconductor layer 303 was polycrystallized, but the other laser beam, the Ar laser beam, was used.
  • a laser beam such as a YAG laser, an ion beam, an electron beam, or the like can be used.
  • Fig. 17 is a schematic diagram of a thin film transistor.
  • Fig. 17 (a) is a plan view
  • Fig. 17 (b) is a cross-sectional view taken along the line A-A 'in Fig. 17 (a). is there.
  • This thin-film transistor is different from the above-described Embodiment 2-1 mainly in that it has an inverted silicon structure, and the projections 303 a are formed over the entire circumference of the semiconductor layer 303. Is different.
  • reference numeral 301 denotes an insulating substrate, an undercoat layer 302 above the insulating substrate 301, and a gate electrode 300 as a first electrode above the insulating substrate 310.
  • a first insulating layer 304 covering the gate electrode 304 is provided, and a semiconductor layer 303 is provided on the first insulating layer 304.
  • the semiconductor layer 303 has a plurality of protrusions 3 extending outward in the same plane as the semiconductor layer 303 as shown in FIG. 0 3a is formed at a predetermined interval. The shape and the like of the protrusion 303 a are described in the embodiment. 2 — Same as 1.
  • the spacing between the projections 303 a is drawn narrow, but is set to be approximately the same as the width of the semiconductor layer 303 as in the embodiment 2-1. This is preferred. However, even if they are densely formed as shown in the figure or are formed with long intervals, relatively large crystal grains are formed by regular crystal growth from the periphery. Is obtained.
  • a source electrode 300 s and a drain electrode 300 d are formed as a pair of second electrodes that are in electrical contact with the semiconductor layer 303. I have.
  • FIG. 19 is a process chart showing a method of manufacturing a thin-film transistor.
  • an undercoat layer 302 is formed on a green substrate 301, and a first electrode is formed on the undercoat layer 302.
  • a certain gate electrode 305 is selectively formed.
  • a first insulating layer 304 is formed on the gate electrode 300 and the undercoat layer 302, and the first insulating layer 304 is formed. Silicon is deposited on the insulating layer 304 to form an amorphous (non-single-crystal) semiconductor layer 303.
  • a photo-resist (not shown) is selectively formed on the semiconductor layer 303 in a predetermined shape, and the photo-resist is used as a mask to form the photo-resist as shown in FIG.
  • the amorphous semiconductor layer 303 is formed in a shape having a projection portion 303 a extending in the same plane over the entire circumference, and then the photo resist is removed. I do.
  • the amorphous semiconductor layer 303 is irradiated with excimer laser light as an energy beam to be crystallized, and the poly-Si This is a modified layer.
  • the projections 303a are formed as described above, it is explained in the embodiment 2-1. As described above, it is easy to obtain a sufficient crystal grain size.
  • a resist 308 as a mask for doping is selectively formed on the semiconductor layer 303 in a predetermined shape.
  • the semiconductor; S 030 3 is doped with an impurity which becomes a donor or an acceptor by an ion implantation method or an ion doping method without performing quality S separation.
  • a source region 303 s and a drain region 303 d are formed, and thereafter, the register 308 is removed.
  • the source electrode 300 s and the drain electrode 307 d are selectively formed to obtain a thin film transistor.
  • Embodiment 2-2 various modifications similar to those described in Embodiment 2-1 can be applied.
  • TFT Thin Film Transistor
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing an outline of a forward staggered TFT 410, wherein FIG. 20 (a) is a plan view of the TFT 410, and FIG. 20 (b) is a diagram of FIG. FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line B-B 'in FIG. 20 (a).
  • the TFT 410 has an undercoat layer 402 on the insulating substrate 401 and a One Si film 403, a first insulating film 404, a second insulating film 406, a gate electrode 405, a source electrode 407s, and a drain electrode 40 7 d and three electrodes are provided.
  • the insulating substrate 401 is, for example, a glass substrate having a strain point 593′C and a thickness of 1.1 mm
  • the undercoat layer 402 is a thin film made of, for example, SiO 2 .
  • the p-Si S403 is a polycrystalline semiconductor scrap main body formed on the undercoat layer 402 by applying the method of the present invention.
  • the p-Si film 403 is composed of a channel region 403a, a source region 403b, and a drain region 403c. And the drain region 403c are located on both sides of the channel region 403a.
  • the source region 403b and the drain region 403c are formed by doping impurity ions such as phosphorus and porone.
  • the thickness of the P—Si film 403 is preferably 200 A to 150 ⁇ , more preferably 300 ⁇ to 100 ⁇ . It is assumed to be in Banzai. If the thickness is less than 20 OA, there is a problem in the uniformity of the film thickness. If the thickness exceeds 150 OA, a current flows between the source and the drain due to light irradiation. A problem with photoconduction occurs. On the other hand, if it is within the range of 300 A to 100 O A, both uniformity of the film thickness and photoconduction can be achieved at the same time.
  • the width of the channel region 403a in FIG. 20 (a) in the arrow X direction is, for example, about 12 ⁇ m
  • the width of the p-Si film 403 in the arrow Y direction is, for example, about 12 ⁇ m. 14 m.
  • FIG. 20 (a) and FIG. As shown in FIG. 1, a plurality of groove-shaped crystal growth direction control cavities 4 1 1... I have.
  • the crystal growth direction control gap 411 has a semicircular shape at both ends in the longitudinal direction and a rectangular parallelepiped shape at the center, and a groove width (a width in a direction orthogonal to the longitudinal direction) at the center is approximately 1: 1. m.
  • the shape of the crystal growth direction control gap 411 is not particularly limited. For example, it may be formed in the shape of a rectangle or the like in the direction from the source region 403b to the drain region 403c.
  • the crystal grains in the channel region 400 a have a shape that is elongated in the direction of the source region 403 b or the drain region 403 c, and a large number of such crystal particles are aggregated. As a result, a polycrystalline semiconductor layer relating to the channel region 403 a is formed.
  • the charge carrier has a high speed because the grain boundary density in the direction connecting the source region 4003 and the drain region 403c is small. You can move.
  • the first insulating film 4 0 for example, Ri absolute ⁇ der consisting S i 0 2, P - S i layer 4 0 3 and is formed above the under coat layer 4 0 2.
  • the gate electrode 405 is made of, for example, aluminum (A 1), and is located above the first insulating film 404 and in the channel region 403 a of the p-Si film 403. Is provided at a position corresponding to.
  • the first insulating film 404 and the second insulating film 406 each have a core reaching the source region 403b or the drain region 403c of the P-Si film 403, respectively.
  • Contact holes 408 and 408 are formed.
  • the source electrode 407 s and the drain electrode 407 d consist of, for example, A1. It is formed so as to be in contact with the source region 403b or the drain region 403c via the contact holes 408, 408.
  • the gate electrode 405, the source electrode 407s, and the drain electrode 407d are patterned into a predetermined shape at a portion other than the illustrated cross section, thereby forming a wiring pattern. ing.
  • FIG. 22 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of TFT4100.
  • an undercoat layer 402 is formed on an insulating substrate 401 by a normal pressure CVD method.
  • the thickness of the undercoat layer 402 is, for example, 300 A.
  • An Si layer is formed on the undercoat layer 402 by, for example, a plasma CVD method, and a photo resist (not shown) is formed in a predetermined shape on the Si layer. Form selectively. Next, after exposing the above-mentioned photoresist as a mask, it is patterned into a predetermined shape by etching, and then the above-mentioned photoresist is removed.
  • an a-Si film 413 as a non-single-crystalline semiconductor layer having the crystal growth direction control voids 411 can be formed.
  • the thickness of the a-Si film 413 is, for example, 65 OA.
  • a high-precision photo-register and exposure using interference fringes of light beams may be used.
  • the entire surface of the a—Si film 413 is irradiated with an excimer laser for one shot. After heating and melting the a-Si film 4 13, it is allowed to cool. Thus, a p-Si film 403 as a crystalline semiconductor layer is formed.
  • the a—Si film 413 has a large absorption coefficient in the ultraviolet region, so that the a—Si film While the temperature of the main body in 13 can be sufficiently raised, the crystal growth direction control gap 4 a 1 -S i has been removed. Since the laser light is not absorbed, the temperature can be kept low. Can be. Therefore, in the cooling step, the temperature near the crystal growth direction control gap 411 (and the periphery of the a-Si film 413) first reaches the crystallization start temperature, and The first crystal nucleus is generated. After that, crystal growth is performed centering on the crystal nucleus. As described above, the crystal growth direction is controlled by the crystal growth direction control gap 4 provided in parallel.
  • the cross-sectional shape of the beam is, for example, 50 ns whose side is several millimeters square.
  • the laser first light energy density (of Ri per unit area irradiation energy conservation one: m J / cm 2). Is a, a - S i layer 4 1 3 heated to a temperature that is appropriate to Ru is crystallized It may be set as appropriate so that it can be performed.
  • the excimer laser may be an excimer laser such as ArF, KrF, or XeF, in addition to XeCl.
  • the distance between the plurality of crystal growth direction control gaps 4 1 1 is appropriately set in consideration of the thickness of the a-Si film, irradiation conditions, and the desired moving speed of the charge carrier. In this embodiment, it is about 2 m. Also, the width of the crystal growth direction control gap 4 1 1 can be appropriately set according to the thickness of the a-Si film, the type and intensity of the energy beam to be irradiated, and the like. In the form, It is about 1 m.
  • a first insulating film 404 is formed on the p-Si film 403 by a normal pressure CVD method so as to have a film thickness.
  • the film is formed to have a thickness of 100 OA.
  • the A1 film for example, is sputtered on the first green film 404 so as to have a thickness of 200 OA, and is then etched with an A1 etchant for about 1 minute.
  • the gate electrode 405 and the wiring pattern are formed by patterning into a predetermined shape by performing the etching.
  • the ion without ion implantation or mass separation is applied to the p—Si film 403.
  • an impurity ion such as a donor or an acceptor, specifically, an impurity ion such as phosphorus or porone is implanted.
  • a channel region 403a, a source region 403b and a drain region 403c are formed in the p-Si film 403.
  • a second insulating film 406 made of, for example, Si 02 is formed on the gate electrode 405 by a normal pressure CVD method to a film thickness of 50 ⁇ .
  • the film is formed so as to have 0 OA.
  • the source region 400b or the drain region 403 of the p-Si film 403 is formed on the first insulating film 404 and the second insulating film 406, respectively.
  • the A1 film is subjected to sputtering so as to have a thickness of 300 A and 300 A, respectively, for example, dry etching using a BC13 / C12 system gas is performed.
  • the turning is performed in a predetermined shape.
  • the source electrode 407 s and the drain electrode 407 d and their wiring patterns are formed.
  • the source region 400 Large crystal grains having a long shape can be formed in the direction connecting b to the drain region 403c, whereby a staggered TFT having excellent field-effect mobility can be obtained.
  • a TFT having excellent field-effect mobility can be provided at low cost.
  • FIG. 23 is a schematic view showing an outline of an inverted staggered TFT 42.0 according to the present embodiment 3-2
  • FIG. 23 (a) is a plan view of the above-mentioned TFT 420
  • FIG. 23 (b) is a sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 23 (a).
  • FIG. 24 is a sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 23 (a).
  • the above-mentioned TFT 420 is composed of an undercoat layer 402, a p-Si film 400, and a first insulating film 4 on an insulating substrate 401. And three electrodes, that is, a gate electrode 405, a source electrode 407s, and a drain electrode 407d.
  • the gate electrode 405 is formed on the undercoat layer 402 on the insulating substrate 401.
  • the first insulating film 404 is formed on the undercoat layer 402 and the gate electrode 405. Further, a p-Si film 403 is formed on the first insulating film 404.
  • the channel region 403 a in the p-Si film 403 has a plurality of groove-like crystal growth direction controls as in the above-described Embodiment 3-1. .. Are formed in the direction from the source region 403 b to the drain region 403 c (see FIGS. 23 (a) and 24).
  • the source electrode 407 s and the drain electrode 407 d are in contact with the source region 403 b or the drain region 403 c on the p-Si film 403. It is formed in.
  • the gate electrode 405, the source electrode 407 s, and the drain electrode 407 are patterned in a predetermined shape at a portion other than the cross section shown in the drawing. Thus, a wiring pattern is formed.
  • FIG. 25 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of the TFT F 20.
  • an undercoat layer 402 is formed on an insulating substrate 401 in the same manner as in Embodiment 3-1. Further, the gate electrode 405 and the wiring pattern are formed by patterning the undercoat layer 402 so as to have a predetermined shape (see FIG. 25A).
  • a first insulating film 404 is formed on the gate electrode 405 and the undercoat layer 402. Further, an Si layer is formed on the first insulating film 404 by, for example, a plasma CVD method in the same manner as in the embodiment 3-1. After selectively forming a photo resist on the Si layer in a predetermined shape, exposing the photo resist as a mask, and etching the photo resist into a predetermined shape. In the evening. Then, the above-mentioned photoresist is removed. As a result, an a-Si film 41 13 having crystal growth direction control voids 4 11... Was formed, and as shown in FIG. 25 (c), the a-Si film 41 13 was formed. The entire surface of the substrate is irradiated with an excimer laser to crystallize the a-Si film 413 to form a p-Si film 403.
  • the channel region 400 a in the p-Si film Since the crystal growth direction control gaps 4 11 1 are provided, the crystal grains to be formed are formed in the source region 400 b or the drain region 400 c as in the embodiment 3-1.
  • the shape is elongated in the direction. Therefore, since the grain boundaries in the straight line connecting the source region 403b and the drain region 403c are actually reduced, the field effect ⁇ mobility can be improved. it can.
  • a resist agent is applied on the p-Si film 403, and is patterned into a predetermined shape by exposure and development, and the ion is shielded.
  • a resist mask 4 14 as a film is formed.
  • the resist mask 414 is not particularly limited as long as it masks impurity ions, and various known masks can be employed. Specifically, for example, a positive resist (trade name: 0FP-500, manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd.) and the like can be mentioned. Further, the material is not limited to a photosensitive material such as a resist agent, but may be a material that can be patterned by photolithography.
  • an impurity ion such as phosphorus or porone is implanted into the p-Si film 403 by, for example, an ion doping method.
  • the p-Si film 403 has a channel region 403a, and a source region 403b and a drain region 403c on both sides of the channel region 403a. Is formed.
  • the resist mask 414 is peeled off and, as shown in FIG. 25 (e), the source electrode 407s and the drain electrode 407d are selectively selected.
  • an inverted staggered TFT 420 according to the third embodiment is obtained.
  • the third embodiment is different from the first to third embodiments in that, instead of the crystal growth direction control voids in the third and third embodiments, the early crystallization region in which crystallization starts at a higher temperature than other regions. It is characterized by having provided.
  • the crystalline thin-film semiconductor transistor according to the third to third embodiments will be described with reference to FIG. It is to be noted that, except that an early crystallization region is provided in place of the crystal growth direction control gap, the same as in the above-mentioned Embodiment 3-1. Omitted. Also, the same reference numerals are given to components having the same functions as those of the thin-film transistor according to Embodiment 3-1 or Embodiment 3-2.
  • the TFT 430 having such a structure can be manufactured as follows.
  • an undercoat layer 402 is formed on the insulating substrate 401 by a normal pressure CVD method in the same manner as in Embodiment 3-1.
  • an Si layer is formed on the undercoat layer 402 by, for example, a plasma CVD method, and a photo resist is selectively formed into a predetermined shape on the Si layer. Form. After exposing using the photoresist as a mask, it is patterned into a predetermined shape by etching to form an a-Si film 413.
  • a band other than the phosphorus or pol- lon is formed in a band from the source region 403 b to the drain region 403 c. It is a substance and can increase the crystallization onset temperature Impurity ions are implanted to form early crystallization regions 421. Then, the entire surface of the a-Si film 413 on which the early crystallization region 421 was formed was irradiated with an excimer laser beam as an energy beam for about 50 ns, and then allowed to cool. A—Si film 4 13 is crystallized.
  • the temperature of the a—Si film 4 13 surface rises.
  • the temperature of 4 13 gradually decreases, but in the course of the temperature drop, the first crystal nucleus is generated in the early crystallization region 4 21 before the other regions. This is because, by implanting impurity ions into the early crystallization region 421, crystallization is started at a higher temperature than in other regions.
  • the steps after the crystallization are the same as those in Embodiment 3-1.
  • the method of injecting the impurity ions capable of increasing the crystallization start temperature into the a-Si film is not particularly limited, and various conventionally known methods can be employed. Further, in this embodiment, the example of the staggered type is shown, but the same effect can be obtained with the inverted staggered type.
  • the early crystallization region is not limited to the one in which the impurity ions are implanted as described above, and a partially crystallized region (bray crystal) is formed in advance, and the crystal is formed. A difference in melting point (crystallization temperature) depending on the degree of conversion may be used. Further, in order to form such a blurred crystal finely, for example, irradiation of interference fringes of coherent light may be used.o
  • the a-Si film 413 has a groove-shaped crystal growth direction control gap 41 long in the direction connecting the source region and the drain region.
  • the present invention is not limited to this embodiment.
  • discontinuous crystal growth direction control gaps 431 may be provided in the direction connecting the source region and the drain region.
  • an air gap having a depth that does not penetrate the a—Si film may be provided in the channel region of the a—Si film.
  • the void having such a shape may be formed discontinuously in an island shape.
  • the convex portion forming the gap is removed by etching or the like after the formation of the p-Si film is completed, and the surface of the P-Si film is flattened. It is also good.
  • a rod-shaped member having a specific heat different from that of the main body may be placed in the channel region of the a-Si film 4 13. It is also possible to form crystal growth direction control regions having different specific heats in the channel region. For example, if a member with a higher specific heat than the a-Si film is placed and irradiated with an energy beam for a short period of time, the temperature rise of the a-Si film contacting the above member is small. Crystal nuclei are generated earlier than in the region.
  • the a—Si film becomes The temperature of this member will be higher Therefore, the temperature of the middle part of the members placed in a plurality of rows becomes relatively low. Therefore, the first crystal nucleus is generated in this portion, and the effect of preventing the generation of disordered crystal nuclei is obtained.
  • SiC silicon carbide
  • IV groups compounds
  • GAAs gallium arsenide
  • III and V groups Compounds such as cadmium selenide (CdSe), which are a combination of Group II and Group V, can also be used.
  • A1 is used as a material of the gate electrode 405, the source electrode 407s, and the drain electrode 407d has been described.
  • a metal such as metal (Cr), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), titanium (Ti), or an alloy thereof may be used.
  • an embodiment was described in which an excimer laser was used as an energy beam when crystallizing the a-Si film 413.
  • an Ar laser or a YAG laser was used.
  • a laser beam, an ion beam, an electron beam, or the like may be used. Even if these energy beams are used, high-density energy can be easily locally irradiated in a short time, so that crystallization can be performed with the substrate temperature kept relatively low.
  • the light energy intensity within the beam width (light energy per unit plane, hereinafter simply referred to as light intensity) monotonically increases from one side to the other, or monotonically from one side to the other. Distribution The crystallization is performed using the light beam of the turn.
  • the distribution of a monotonic light beam which monotonically increases from one side to the other or monotonically decreases from one side to the other, has a linear light intensity gradient as shown in Figure 29a.
  • the light intensity may increase or decrease exponentially in a certain direction.
  • various lasers such as a He-Ne laser, an argon laser, a carbon dioxide laser, a ruby laser, and an excimer laser can be used.
  • an excimer laser because high output is obtained and it is absorbed well by silicon.
  • the laser annealing method according to the present invention using an excimer laser will be described.
  • Fig. 42 is a schematic view schematically showing a crystallization operation using the laser annealing method.
  • 140 is a light beam irradiation device
  • 140 is a light beam irradiation device.
  • reference numeral 1401 denotes a laser light generator using, for example, an XeC1 excimer laser
  • reference numeral 1402 denotes a mirror
  • reference numeral 1403 denotes a beam. It is a homogenizer.
  • the light generated by the laser light generator 1401 is guided to a beam homogenizer 1443 via a mirror 1442. After shaping into a predetermined light intensity pattern with, output is performed.
  • the beam homogenizer 1403 incorporates an optical system for shaping a light beam.
  • the most downstream side of the optical path is as shown in FIG.
  • a transmission filter having a light transmittance gradient is arranged (not shown). Therefore, when the light generated by the laser light generator 1401 passes through this transmission filter, it is shaped into a light beam having a pattern as shown in FIG. 29a. .
  • a low energy density regions L is 2 5 0 m J / cm 2
  • a high energy density region H is 3 5 O m J / cm 2
  • a light beam with a beam cross-sectional shape of 7 mm x 7 ram can be output. Crystallizes.
  • a non-monocrystalline silicon film 1 having a film thickness of 85 nm is formed on a glass substrate 1411 by, for example, a low pressure CVD method. 4 1 2 is formed.
  • the yo Ri Specifically, for example using a mono Sila Ngasu of a reaction gas (S i H 4) or disila Ngasu (S i 2 H e), and the pressure on the number T orr, glass substrate 1 4 1 While heating 1 to 350 ° C. to 53 O′C, a non-single crystalline silicon film 1412 is formed.
  • the base layer 1 4 1 3 made of, for example, S i 0 2 on the glass substrate 1 4 1 1, the underlying non-single-crystalline on the layer Li co down film 1 4 1 2 A film may be formed.
  • the method for forming the non-single-crystalline silicon film 1412 is not limited to the low pressure CVD method, but may be, for example, a plasma CVD method.
  • the thickness of the non-single-crystal silicon film 1412 is not limited to 85 nm, and may be set appropriately.
  • the excimer laser light shaped by the light beam irradiation device 1404 is applied to a specific region 1444 of the non-monocrystalline silicon film 1412 thus formed, for example.
  • the portion is melted by irradiation with a 10 shot, and then heat is released to crystallize.
  • the object to be irradiated 1410 is placed in an airtight container having a window made of a quartz plate, and the inside thereof is evacuated (about 10-torr).
  • room temperature approximately 23'C
  • a light beam is directed to a specific area 1444 through the above window.
  • the irradiation method was used (see Fig. 43), but in Fig. 42 the airtight container is omitted.
  • the above conditions are merely examples, and a light beam having a distribution pattern in which the light intensity within the beam width monotonically increases from one side to the other side or monotonically decreases from one side to the other side is used. Except for this, the other conditions are not particularly limited.
  • the light energy density may be any that has a sufficient intensity and a light intensity gradient to crystallize the non-single-crystalline silicon # 142.
  • the degree of the light intensity gradient is not particularly limited, and if a gradient that can suitably induce and control crystallization is set in consideration of the material, thickness, and the like of the non-monocrystalline film. Good.
  • the beam width of the light beam to be irradiated and the number of irradiations (the number of shots) are not limited to the above, and for example, a laser beam having a higher intensity may be irradiated only for one shot.
  • the cross-sectional shape of the light beam is not particularly limited, and may be, for example, a triangle, a circle, or the like.
  • the temperature of the irradiated surface is shown in Fig. 29b at 701 (temperature distribution curve).
  • the pattern has a temperature gradient that rises to the upper right in the center and a sharp temperature gradient in the periphery.
  • a sharp temperature gradient is formed in the surrounding area because the heat radiation to the surrounding area is large.
  • the vicinity of the intersection (near the boundary) between the temperature distribution curve 701 and the crystallization temperature line 72 becomes lower than the melting temperature. Therefore, a small crystal 704 is generated in this area (703 is a thin film section). Surface).
  • the method of irradiating the light beam may be performed in a state where both the irradiation side and the substrate side are fixed (an immobile state), or the light beam or the substrate side may be moved. Further, this movement may be a reciprocating movement.
  • this movement may be a reciprocating movement.
  • the crystal growth direction can be finely guided, and the crystal grain size and the uniformity of the crystallinity can be increased; and the light intensity gradient a degree and the degree of light irradiation intensity can be improved.
  • the moving speed to match the crystal, the crystal growth direction can be guided more finely.
  • FIG. 30 shows that the light beam is moved. However, the substrate side may be moved. Irradiation can be performed while shifting the irradiation position by several to tens of percent of the product.
  • the poly-Si thin film manufactured as described above has a central region as a channel region, and ion implantation of impurities such as lipo-polon is ion-implanted into both end portions of the poly-Si thin film.
  • a TFT is formed by forming a drain area.
  • the light beam having the energy intensity pattern described in this embodiment (FIG. 29a) is a relatively wide beam for forming peripheral circuits of an AM—LCD (Active Matrix Liquid Crystal Display). This is effective for crystallization of a narrow region.
  • AM—LCD Active Matrix Liquid Crystal Display
  • Embodiments 4-3 is an example effective for crystallizing a relatively wide region.
  • the light intensity distribution pattern of the light beam used in the present embodiment is shown in FIG.
  • the light beam according to the form 412 has a pattern in which H regions 721 and L regions 722 having high light intensity are alternately arranged on a plane.
  • the light intensity ratio between the H region and the L region is not particularly limited, and may be appropriately set. However, in general, the total amount of light energy is specified so that the entire irradiation surface (L region and H region) is melted within the number of irradiations.
  • this Kodewa a 3 0 0 m JZ cm 2, L region H region and ZOO m J / cm 2, the thickness of Amorufu Asushi Li co down thin as 5 O nm, performed for other conditions
  • Form 4 Same as 1.
  • the direction of crystal growth is L ⁇ H Guided in the direction. Therefore, crystal grains grow from the low-temperature region L on both sides of the high-temperature region H, and as a result, the crystal grains collide with each other near the center of the high-temperature region H near the center (Fig. 32g). . As a result, a grain boundary line is formed near the center of the high-temperature region H, and further, this collision induces further crystal growth in a direction parallel to the L ⁇ H direction. Therefore, after the collision, the crystal grows slightly in the direction orthogonal to the L ⁇ H direction, so that crystal grains having a long diameter in the direction orthogonal to L ⁇ H are formed.
  • crystallization in a relatively wide irradiation area of, for example, several cm square can be smoothly advanced.
  • the light beam is set so that the direction orthogonal to the carrier movement direction (source-drain direction) is the L ⁇ H direction, the light is irradiated. Since the rear can move without crossing the grain boundary line, a high-speed TFT can be realized.
  • 731 and 732 indicate the irradiation surface positions before and after the movement
  • 733 (shaded area) indicates the overlapping irradiation area
  • the arrow indicates the moving direction.
  • the movement is not limited to such movement.
  • a light beam in which a high-intensity portion H and a low-intensity portion L are arranged in a rectangular shape as shown in FIG. 32A is well known without requiring any special technology. It can be easily realized with the technology described above, and the means for realizing it is not limited at all.
  • filters that absorb light to be used to some extent are arranged at predetermined intervals, and a comb-shaped transmission filter having a transmission distribution as shown in FIG. 34 is manufactured.
  • This filter can be realized by providing the filter in the optical path of the light beam irradiation device (for example, in the beam homogenizer).
  • it can be realized by means of arranging in the optical path a filter in which a large number of metal fibers are arranged vertically or horizontally in a row. Furthermore, it can also be realized by means for preparing a striped light intensity pattern by a method of arranging a slit in the optical path and causing diffraction interference.
  • Embodiment 4-13 is a method for giving non-uniformity to the light intensity distribution using light interference. Since this method can control the light intensity distribution pattern relatively freely, it is suitable for crystallization of a relatively wide area, as in Embodiment 4-2.
  • FIG. 35 shows the pattern of the light intensity distribution of the light beam used in the present embodiment.
  • a light intensity distribution pattern is generated by means of simultaneously irradiating two coherent light beams 800 1 and 800 2 to generate a light beam. It can be easily formed.
  • semi-transparent laser light generated from the same light beam Interference can be generated by dividing the optical path into two optical paths by a shaped mirror and using a reflecting mirror to generate a relative angle in the optical paths of each other.
  • a portion having a high light intensity (a bright line portion H) and a portion having a low light intensity (a dark line portion L) are formed.
  • the period of the 1000 ⁇ pattern can be freely changed depending on the angle at which the two light beams intersect, and the degree of modulation (affects the ratio of light energy intensity between the bright and dark lines).
  • Fig. 37a When a light beam characterized by Fig. 37a is applied to a non-single-crystal silicon thin film, the temperature distribution pattern on the thin film is high in the bright line portion H and low in the dark line portion L (curve 90). 1) is formed (Fig. 37b). As shown in Fig. 37c, when the light irradiation ends and the temperature decreases, as shown in Fig. 37c, the part where the curve 901 first intersects the crystallization temperature line 902 (the lowest temperature in the low-temperature region L) Crystal nuclei 90 3 occur in the lower part). When the temperature further decreases (Fig.
  • the heat transferred from the high-temperature region H to the low-temperature region induces crystal growth in the L ⁇ H direction and generates new nuclei. It is similarly induced to grow (Fig. 37e). Such growth and growth of the crystal continues until the temperature of the high-temperature region H corresponding to the bright line portion H falls below the melting temperature (Fig. 37f, g).
  • a crystalline semiconductor thin film having a uniform crystallinity and a large field-effect mobility can be manufactured in a relatively wide range.
  • the boundary of the crystal grain boundary is formed at the center of the high-temperature region. As described in 4-2, a high field-effect mobility can be obtained if the direction orthogonal to the arrangement direction of H ⁇ L ⁇ HL is used as the carrier movement direction.
  • Embodiments 4 to 4 are basically the same as the embodiments 4 to 13. However, in this embodiment, the period of the interference pattern and the modulation factor are dynamically adjusted, so that the bright line portion H and the dark line portion L change dynamically. .
  • the contents of Embodiments 414 will be described.
  • At least one of the two coherent light beams is subjected to dynamic phase modulation, and the light and dark lines of the interference silk are changed. It forms a light beam whose position changes dynamically.
  • phase modulation for example, the phase of one light beam is sequentially changed to 0, ⁇ / 2, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ relative to the other light beam. By doing so, the positions of the bright and dark lines of the interference fringes are shifted in time series, and a light beam can be formed in which the striped pattern composed of the bright and dark lines changes wave-like.
  • a method of dynamically changing the optical path length of one of two optical beams using a mirror to change the phase, or a method of using a transparent body arranged in the optical path is used.
  • a method of dynamically changing the refractive index can be exemplified.
  • Such an optical system is, for example, a beam homogenizer. (1403 in Fig. 42).
  • a temperature distribution pattern in which the high-temperature region H and the low-temperature region L alternate with each other is formed on the surface of the thin film that is the irradiation surface, so that the effect of inducing crystal growth in a certain direction is great.
  • This method also has the effect of driving impurities out of the effective region, so that a high-quality crystalline thin film can be formed while purifying the film.
  • the effect of driving impurities out of the effective region is based on the following principle. That is, the physical properties such as the melting point and specific gravity of the thin film component and the impurity are different, so that when a dynamic temperature change is applied, a difference in the traveling speed occurs between the two.
  • the physical properties such as the melting point and specific gravity of the thin film component and the impurity are different, so that when a dynamic temperature change is applied, a difference in the traveling speed occurs between the two.
  • the adjustment of the period and the modulation degree of the interference pattern may be performed during one irradiation or for each irradiation of multiple irradiations. Further, the modulation degree may be controlled in accordance with each stage of the crystal growth. According to such a method, the crystal growth can be more appropriately induced.
  • Embodiments 4-3 and 4-4 similarly to Embodiment 4-11 or 4-12, either the optical laser or the substrate side is moved (reciprocating motion or the like). ), And the crystal growth can be properly controlled by this method.
  • this movement is performed in a direction parallel to the direction of the stripe pattern composed of the bright line ⁇ H and the dark line portion L, even in the case of the above-described Embodiment 4-1-3, This has the effect of pushing out things.
  • Fig. 39 shows the thin film of amorphous silicon layer 1101, in order from the irradiation direction (upper part of the figure).
  • Underlayer (S i 0 2) 1 1 0 2 is a schematic diagram showing how the light beam is irradiated to the irradiated object formed of a glass substrate 1 1 0 3.
  • the upper surface of the Ping film 1101 is cooled by radiating heat to the surrounding environment, and the lower surface (substrate side) conducts heat to the underlayer 1102 and the glass substrate 1103. Since heat is dissipated by the temperature distribution, a temperature distribution also exists in the thickness direction, and it is possible to increase the temperature distribution.
  • the above-mentioned interference pattern can be used. Specifically, for example, a reflecting mirror is installed on the lower surface of the glass substrate 1103 to raise the angle, or the refraction between the thin film 1101 and the underlying layer 1102 or the glass substrate 1103.
  • a temperature distribution can be formed in the thickness direction (vertical direction) by adjusting the period of the thousand-stripes, and thereby, crystal growth in the thickness direction can be controlled.
  • the substrate and the underlying layer are made of a material through which a light beam is transmitted.
  • the present embodiment is characterized in that a temperature gradient is formed on the surface to be crystallized by suitably setting the pressure of the atmospheric gas in the crystallization process.
  • FIG. 40 is a cross-sectional view of an irradiation object (laminate) similar to that of FIG. 39, in which 1200 is the light beam irradiation surface, 1201 is a thin film, and 1202 is an underlayer. , 1203 represents the substrate, and the arrow indicates the direction of heat transfer (radiation direction) of the thin film. As shown in Fig. 40, part of the heat diffuses into the ambient atmosphere (upward) and out of the irradiation area of the film (left and right in the figure), but most of the heat has a large contact area. And it is transmitted to the substrate side (downward) with high thermal conductivity.
  • the surrounding atmosphere is not set to a high vacuum, and the movement of gas molecules constituting the surrounding atmosphere is used to make the temperature of the light irradiation surface lower. It is intended to generate non-uniform parts.
  • the gas molecules forming the surrounding atmosphere and the gas molecules existing in the thin film collide with the surface of the thin film with a certain probability and move away.
  • the thermal energy level of these gas molecules is irradiated with light. Since it is smaller than a heated thin film, it absorbs the heat of the thin film when it collides with and escapes from the surface of the film. Considering the action of such gas molecules, a perturbed temperature distribution should have occurred on the thin film surface. Therefore, if the ambient atmosphere pressure and the type of gas molecules that compose the ambient atmosphere are properly set, even when a light beam with a uniform light intensity distribution is irradiated, the temperature will not be uniform in the light irradiation area. (A low temperature part) can be formed. If such sites can be formed, it is thought that nucleation and smooth crystal growth can be realized. Based on this idea, the following experiment was conducted.
  • crystal nuclei in the crystallization process play a role similar to the water vapor nuclei when the moisture in the atmosphere condenses.
  • a 200 nm-thick SiO 2 layer (underlying layer) was formed on a substrate (thickness: 1.1 mm) made of Corning # 7509 glass.
  • An object to which an amorphous silicon layer having a thickness of 5 O nm was formed was prepared as an irradiation object.
  • the above amorphous silicon layer 1503 is formed in an airtight container 1500 provided with a window 1501 made of quartz glass as shown in Fig. 43. Put the irradiated object, airtight The air in the vessel 150 was removed, and then hydrogen gas was introduced from a hydrogen gas cylinder 1502 to make the inside of the airtight container a predetermined hydrogen gas pressure.
  • the excimer laser generated by the laser irradiation device S1510 is irradiated onto the amorphous silicon layer 1503 of the irradiation object through the window 1501, and thereafter, The heat was released and crystallization was performed.
  • reference numeral 1511 denotes an excimer laser light generator
  • reference numeral 1512 denotes a mirror
  • reference numeral 1513 denotes a beam homogenizer
  • the six crystalline silicon thin films (poly-Si) prepared under the above conditions were visually observed by oblique light.
  • the Raman intensity was measured by micro-Raman spectroscopy, and the crystallinity was evaluated for each Raman intensity when the hydrogen gas pressure was 5 x 10- ⁇ torr, which was defined as 1. .
  • the results are listed in Table 1.
  • the atmosphere ffl air pressure is 1 xl 0 s torr. in shows four times the strength, in between lxl 0 _ 5 torr to a et of l O torr to show the Raman intensity of 7 times 6 times. From these results, the following becomes clear.
  • the atmospheric pressure is reduced as much as possible (high vacuum state), except in special cases such as the reaction of molecules in the atmosphere with the membrane material.
  • high vacuum state In general, light irradiation was performed at room temperature.
  • good crystallinity could not be obtained.
  • the crystallinity increases as the hydrogen gas pressure increases.
  • the hydrogen gas pressure as the atmospheric pressure was set to 5 x 10 0- e torr and 1 torr, and the number of light beam irradiations was 1, 10, 100, 50 under each hydrogen gas pressure condition.
  • a crystalline silicon thin film (poly-Si) was prepared in the same manner as in Experiment 1 except that the value was changed to 0. Then, the Raman intensity was measured in the same manner as above, and the influence of the hydrogen gas pressure on the relationship between the number of irradiations and the crystallization was examined. The results are shown in Figure 41.
  • hydrogen gas which has a large specific heat and a large thermal cooling effect
  • the gas constituting the surrounding atmosphere was hydrogen gas. It is not limited to.
  • an inert gas such as N 2, He, or Ar can be used, and a gas mixture of two or more of these gas molecules may be used.
  • a suitable gas pressure it is preferable to set a suitable gas pressure according to the type of the gas molecule.
  • an excimer laser is used as the light beam, but the light beam used in the present invention is not limited to an excimer laser. No.
  • a laser that continuously oscillates such as a He—Ne laser and an argon laser as described above, but also a light such as an ultraviolet lamp can be used.
  • the present invention is particularly useful as a polycrystallization method, but it is needless to say that it can be used as a method for producing single crystallization.
  • the content of the present invention has been described above mainly with respect to the method of forming a crystalline semiconductor thin film.
  • the technology according to the present invention is directed to the modification of a substance using light energy, for example, melt molding of a polymer. It can be widely applied to thermal annealing operation for alloys.
  • Embodiment 5-1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 44 and 45.
  • FIG. 44 is a diagrammatic representation of Embodiment 5-1 of the present invention.
  • an amorphous silicon thin film 522 as a precursor semiconductor thin film is formed on a glass substrate 521 by a plasma CVD method.
  • the thickness of the amorphous silicon thin film 522 is not particularly limited, but usually varies depending on the application. For example, when used for a TFT, it is about 300 to 100 OA, and the optical sensor When used for solar cells or photovoltaic elements (such as solar cells), the thickness is about 1 m or more.
  • the glass substrate 52 1 on which the amorphous silicon thin film 52 2 is formed is placed on the substrate stage 5 35 5, and the amorphous silicon thin film 52 2 is crystallized.
  • Laser beam 531a of the Xe C excimer laser 531 which is the first energy beam for activation, and Ar laser 532 which is the second energy beam for the preheating Irradiate the laser beam 532a in a stationary state for 5 seconds.
  • the XeC1 excimer laser 531 has an oscillation frequency of 50 Hz, a wavelength of 30 nm, The irradiation energy is 30 O m JZ cm 2, and the Ar laser 532 has fast continuous oscillation, a wavelength of 4888 nm, and an output of 2 OW / cm 2 .
  • the laser beam 531a is transmitted through the laser mirror 533 and irradiated, while the laser beam 532a is reflected by the laser mirror 533. Irradiated.
  • the irradiation area 53 lb, 53 32 b of each laser beam 53 la, 53 32 a in the amorphous silicon thin film 52 2 is band-shaped, and the laser beam 53 32 a is the laser beam 5 Irradiation is performed on a wider irradiation area 532b including the irradiation area 531b of 31a.
  • the laser beams 531a and 532a are irradiated perpendicularly to the amorphous silicon thin film 522 by using a neutral mirror 533 as described above. This is preferable in that the variation in the crystal grain size and the field effect mobility can be easily reduced.However, even if the irradiation is not always performed exactly vertically, for example, two The mirrors may be arranged with a slight offset, for example, so that they are irradiated substantially vertically. Also, instead of the XeCl excimer laser 531, various lasers having a wavelength of 400 nm or less, such as ArF, KrF, and XeF excimer laser, are used. Alternatively, various lasers having a wavelength of 450 to 55 O nm may be used instead of the Ar laser 532.
  • the amorphous silicon thin film 522 has, for example, a transmittance characteristic as shown in FIG. 1 when the film thickness is 100 OA.
  • the wavelength is against the light at approximately 5 0 O nm
  • the absorption coefficient Ri 1 0 5 cm- 1 der about the inverse of film thickness
  • the absorption coefficient is 10 ⁇ cm " 1 or more, and it hardly transmits.
  • the laser beam 531a of the XeCl excimer laser 531 with a wavelength of 308 nm is almost Amorphous silicon thin film 5 2 2
  • the amorphous silicon thin film 522 is mainly heated to about 1200 by the absorption near the surface, and the temperature rise and the conduction of the heat thereby mainly heat the amorphous silicon thin film 522.
  • the laser beam 532a of the Ar laser 532 having a wavelength of 4888 nm is absorbed over almost the entire area of the amorphous silicon thin film 522 in the thickness direction.
  • the glass substrate 521 is heated to about 400 by the conduction heat. Therefore, the laser beam 5 3 1a, 5 3
  • the amorphous silicon film 52 2 is gradually cooled to promote the crystal growth, and a polysilicon thin film 52 3 having large crystal grains is formed.
  • Raman scattering measurements were performed to evaluate the crystallization state of the silicon thin film. Each measurement result is indicated by the symbol P or R in Fig. 45.
  • the laser beam 532a of the Ar laser 532 is more effective than the laser beam 53R of the XeCl excimer laser 531 (R). It was confirmed that Raman scattering intensity was higher and crystallinity was better in the case of simultaneous irradiation (P).
  • the irradiation area 5332b of the laser beam 5332a includes the irradiation area 53lb of the laser beam 53la as described above. It is preferable that the area is larger. (Embodiment 5-2)
  • an infrared lamp 5334 having a long wavelength may be used instead of the Ar laser 532 of the embodiment 5-1. That is, the glass substrate 52 1 has, for example, a transmittance characteristic as shown in FIG. 47, and the infrared light 5 34 a emitted from the infrared light lamp 5 34 4 is formed of the amorphous silicon thin film 5. Most of the light is transmitted through 22 and absorbed by the glass substrate 52 1. Thus, when the laser beam 531a of the 6-1 excimer laser 531 is irradiated, the laser beam 53 la is mainly used to irradiate the amorphous silicon as in the case of Embodiment 5-1.
  • the glass substrate 521 is mainly heated by the infrared light 534 a of the infrared lamp 534. Therefore, after the irradiation of the laser beam 531a and the infrared light 534a, the amorphous silicon thin film 522 is gradually cooled, and the crystal growth is promoted, and the crystal grains are increased. A silicon thin film 523 is formed.
  • the polycrystalline silicon thin film 523 formed under the same conditions as in the embodiment 5-1 was obtained by using a laser.
  • the measurement result of the light scattering measurement is indicated by the symbol Q in Fig. 45.
  • the intensity of the Raman disturbance is larger than that of the case where only the laser beam 53 la of the XeCl excimer laser 53 1 is irradiated (R), and the crystallinity is higher. It was confirmed that it was excellent. It was also confirmed that the uniformity of the crystal grains was as high as in Embodiment 5-1.
  • the laser beam 532a of the Ar laser 532 may be irradiated similarly to the embodiment 5-1.
  • the amorphous silicon thin film 5a is also formed by using a half-mirror or the like. Irradiation may be perpendicular to 22.
  • Embodiment 5-3 of the present invention will be described based on FIG. 48 or FIG.
  • a microcrystalline silicon thin film 524 as a precursor semiconductor thin film is formed on a glass substrate 521 by an inductively coupled plasma CVD apparatus.
  • mono- Sila Ngasu as a reaction gas (S i H 4) and hydrogen gas 2 using a mixed mixed-gas at a rate of 3, a substrate temperature (reaction temperature) 3 5 0 -
  • a microcrystalline silicon thin film 524 having a thickness of 85 nm is formed.
  • an amorphous silicon thin film 522 may be formed in the same manner as in Embodiment 5-1.
  • an LP (Low Power) CVD apparatus instead of a plasma CVD apparatus, an LP (Low Power) CVD apparatus, a sputtering apparatus, or the like may be used.
  • the glass substrate 521, on which the microcrystalline silicon thin film 524 is formed is subjected to a heat treatment at 400 to 50,000 for 30 minutes or more, and the microcrystalline silicon thin film 52 Perform dehydrogenation treatment to release hydrogen in 4. That is, at the time of laser annealing, which will be described later, it is possible to prevent the hydrogen incorporated in the microcrystalline silicon thin film 524 from being rapidly released and causing damage to the microcrystalline silicon thin film 524. Try to do it.
  • the glass substrate 52 1 is placed in a chamber 54 1 in which an irradiation window 54 1 a made of a quartz plate is formed, and an XeCl excimer laser 5 is placed.
  • the microcrystalline silicon chrysanthemum film 524 is crystallized by irradiating the laser beam 5 3 la of 3 1 and the incandescent light 5 4 2 a of the incandescent lamp 5 4 2 A cone thin film 523 is formed.
  • the laser beam 531a is The pulse oscillation has a pulse width of several 10 ns, the wavelength is 308 nm, the irradiation energy is 350 mJ / cm 2 , and the number of irradiation is 10 times.
  • the laser beam 53 la is irradiated via a laser light attenuator 543, a homogenizer (laser light homogenizing device S) 544, and a reflecting mirror 545.
  • the incandescent light 542a is applied so that the microcrystalline silicon thin film 524 is heated to about 400 ⁇ (: approximately).
  • the cut in the polysilicon thin film 52 3 was cut. Hydrogenation is performed to terminate the bond with hydrogen.
  • a thin film transistor is formed by performing ion implantation, ion implantation, and the like.
  • the patterning of the polysilicon thin film 523 may be performed before laser annealing.
  • the incandescent light 542a is not irradiated simultaneously with the irradiation of the laser beam 533a, and for example, as shown in FIG. 5 Place the glass substrate 5 21 on the S and move it in the direction indicated by the arrow A in the same figure while moving it beyond the irradiation area of the laser beam 5 31 a on the microcrystalline silicon thin film 5 24
  • the heating by the incandescent light 542a may be performed prior to the heating by the laser beam 531a. A similar effect is obtained.
  • TFT of the fifth to fourth embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 52 and 50.
  • an amorphous silicon thin film 522 is formed on a glass substrate 521 by using a plasma CVD method.
  • the reaction gas a mixed gas of mono Sila Ngasu (S i H 4) and hydrogen gas
  • the substrate temperature is 1 8 0 'C ⁇ 3 0 0
  • pressures is 0.8
  • an amorphous silicon thin film 522 having a thickness of 85 nm is formed.
  • the amorphous silicon thin film is used.
  • a dehydrogenation process is performed on the glass substrate 5221 on which the film 5222 is formed.
  • the laser beam 53 la of the XeCl excimer laser 531, and the excimer lamp of the excimer lamp 55 1 The amorphous silicon thin film 52 2 is crystallized by irradiating light 55 1 a to form a polysilicon thin film 52 3. More specifically, the laser beam 53 la has an irradiation energy of 350 mJ / cm 2 , and the irradiation area 53 lb in the amorphous silicon thin film 52 2 is 500 mx 7 O mm Irradiate so as to form a band.
  • the irradiation area 53 3 lb of each pulse of the laser beam 53 la overlaps 90% at a time, so that all of the amorphous silicon thin film 52 2
  • the region is irradiated with the laser beam 531a 10 times each.
  • the excimer lamp light 55 la is light in the visible light region to the ultraviolet light region, and directly and through the concave reflecting mirror 552 to the irradiation region 531 b of the laser beam 531 a. Irradiation is performed so that the amorphous silicon thin film 52 2 is heated to about 50 O′C in the irradiation area 55 1 b of 5 mm x 70 mm including the same.
  • the crystal grain size of the polysilicon thin film 523 formed as described above was measured by SEM and TEM, it was l / m, which was the same as that of the conventional polysilicon. It was confirmed that the crystal grain size was larger than 0.3 m in the silicon film.
  • the field-effect mobility increases from the conventional 50 cm 2 / V ′ sec to 120 cm 2 / V ′ sec, and further increases the interface and the interface of the polysilicon thin film 52 3.
  • the total defect density in the film decreased from 1.3 xi 0 12 cm—Z e V ⁇ 1 to 1.1 I xl 0 12 cm— 2 e V ⁇ . That is, when irradiating the laser beam 53 la By using the heating with the excimer lamp 551, the crystal grain diameter of the polysilicon thin film 523 is increased, and the film quality is improved.
  • a TFT is formed by performing a process of forming a predetermined insulating film or conductive film, patterning by etching, ion implantation, and the like.
  • an amorphous silicon thin film 522 is formed on a glass substrate 521, and dehydrogenation is performed.
  • the laser beam 531 a of the XeCl excimer laser 531 and the glass beam 531 are moved while moving the glass substrate 521 in the direction indicated by the arrow A.
  • the excimer lamp 5 51 is irradiated with the excimer lamp light 55 la, and the glass substrate 52 1 is heated from the bottom side by the heater 56 1, and the polysilicon thin film 5 23 is formed.
  • the irradiation conditions and the like of the laser beam 531a and the excimer lamp light 55la are the same as those in the embodiment 5-4, and the glass substrate 5 is heated by the heater 561.
  • Embodiment 2 is different from Embodiment 5-4 in that the whole 1 is heated to 450.
  • Embodiment 5-3 a hydrogenation treatment is performed in the same manner as in Embodiment 5-3.
  • the crystal grain size of the polysilicon thin film 523 formed as described above was measured using SEM and TEM, it was 1.5 m, which was the same as that of the conventional polysilicon thin film. It was confirmed that the crystal grain size was increased with respect to 0.3 im in the silicon film.
  • the field-effect mobility increases from 50 cm 2 / V'sec to lSDcmS ⁇ V'sec from the conventional 50 cm2 / V'sec.
  • the total defect density in the, 1 3 xl 0 1 2 cm- 2 e V -. from 1, 8 7 x 1 0 1 1 cm ⁇ 2 e V - was reduced to 1..
  • the heating by the excimer lamp 55 1 and the heater 56 1 are used together to further increase the crystal grain size of the polysilicon thin film 52 3. ⁇ Large and improved film quality.
  • Embodiments 5-6 of the present invention will be described with reference to FIGS. 54 and 50.
  • an amorphous silicon film 522 is formed on a glass substrate 521, and dehydrogenation is performed.
  • the glass substrate 52 1 The laser beam 571a of the KrF excimer laser 571 and the excimal beam 551a of the excimer lamp 551, while irradiating the glass substrate, are moved in the 5 2 1 is heated from the bottom side to form a polysilicon thin film 5 2 3.
  • the excimer light 551a mainly passes through the wavelength-selective reflector 572 from directly above the glass substrate 521.
  • a KrF excimer laser 571 is used in place of the irradiation point and the XeC1 excimer laser 531, and the laser beam 571a passes through the wavelength-selective reflector 572.
  • the point of irradiation is different.
  • the excimer lamp light 55 la is applied to an irradiation area 55 1 b of 5 mm x 100 mm including an irradiation area 571 b of the laser beam 57 la.
  • Other heating conditions and the like are the same as in Embodiments 5 to 5.
  • the wavelength-selective reflector 572 that reflects light having a wavelength shorter than 280 nm and transmits light having a wavelength longer than 280 nm is used.
  • the laser beam 57 la (wavelength: 248 nm) of the KrF excimer laser 571, in which KrF is used for electric discharge, is reflected by the wavelength-selective reflector 572 and becomes amorphous.
  • the thin film 522 is irradiated almost perpendicularly to the thin film 522, and the excimer lamp light 551a in the visible to ultraviolet region is transmitted through the wavelength-selective reflector 572 to form an amorphous form.
  • the silicon thin film 522 is irradiated almost perpendicularly.
  • the polysilicon thin film 5 23 formed by vertically irradiating the amorphous silicon thin film 52 2 with the laser beam 57 la and the excimer lamp light 55 1 a The crystal grain size, field-effect mobility, and defect density of each were the same as in Embodiments 5 to 5, 1.5 ⁇ m, lSO cm S / V'sec, and 8.7 xl, respectively. 0 1 1 cm ⁇ 2 e V ⁇ 1 , but the variation in the crystal grain size and the field-effect mobility in each region of the polysilicon thin film 523 was even smaller, and the entire surface of the polysilicon thin film 523 was Almost uniform characteristics were obtained.
  • the selective reflection and transmission according to the wavelength of the laser beam or the like by the wavelength selective reflector 572 can be easily performed by using the KrF excimer laser 571 as described above.
  • the invention is not limited thereto, and a short-wavelength laser using XeBr, KrCl, ArF, or ArCl may be used.
  • Embodiments 5 to 7 of the present invention will be described with reference to FIG. 54 or FIG. 56 and FIG.
  • Embodiments 5 to 7 are different from Embodiments 5 to 6 in that the irradiation area 55 1 b of the excimer beam 551 a is a 5 mm ⁇ 7 O mm area, The difference is that the heating temperature of the amorphous silicon thin film 522 by the pump 551 is set variously, and other heating conditions and the like are the same as those of the fifth to sixth embodiments. That is, by adjusting the irradiation intensity of the excimer beam 5551a in FIG. 54, the heating temperature of the amorphous silicon film 522 was varied from room temperature to 120O'C. Then, a polysilicon thin film 523 was formed, and the crystal grain size of the polysilicon thin film 523 and the field effect mobility were measured.
  • the amorphous silicon thin film 522 when the amorphous silicon thin film 522 is heated to about 300 or more as shown in FIG. The temperature increases in accordance with the heating temperature of m or more. If the temperature exceeds 100 ° C., the surface of the glass substrate 52 1 is melted at the minus portion and crystal growth is hindered, so that the crystal grain size becomes small. Further, as shown in FIG. 56, the field effect mobility of the polysilicon thin film 523 is still less than that of the amorphous silicon film 522, about 300 or less. When heated upward, it increases according to the heating temperature, and in the case of 1000, it reaches a maximum of 450 cm 2 / V'sec and 100 Beyond, it becomes smaller.
  • the glass substrate 52 1 is heated by the heater 56 1, and the amorphous silicon thin film 52 2
  • the amorphous silicon thin film 52 2 By heating the film in the range of 600 ° C. (up to 110 ° C.), in particular, the effect of enlarging the crystal grain size and improving the film quality of the polysilicon thin film 523 can be obtained.
  • a TFT is formed on the polysilicon film 523 in the same manner as in Embodiment 5-3, and the gate voltage (V g) —drain current (I d)
  • V g gate voltage
  • I d drain current
  • Embodiments 5 to 8 of the present invention will be described based on FIG. 57, FIG. 58, and FIG.
  • an Xe flash lamp 581 that emits a pulse light is mainly used instead of the excimer lamp 551. Is different.
  • the laser beam 57 la of the KrF excimer laser 571 similar to that of the fifth to seventh embodiments is formed by an amorphous silicon.
  • Irradiation area 5 7 1 b in thin film 5 2 2 is 5 0 ⁇ mx Irradiate to form a 200 mm strip.
  • the Xe flash lamp light 581a in the range from visible light to ultraviolet light emitted from the Xe flash lamp 581 is irradiated with the laser beam 571a. Irradiation is performed such that the amorphous silicon film 5222 is heated to about 10000 to a 5 mm ⁇ 200 mm irradiation area 581b including 1b. Further, as shown in FIG.
  • the Xe flash lamb light 58 la is irradiated in synchronization with the irradiation pulse of the laser beam 57 la as a pulse having a width extending before and after the irradiation pulse. I do.
  • the irradiation pulse of the laser beam 571a is irradiated so that the pulse width becomes 2/3 or less of the irradiation cycle.
  • the heating conditions other than the above are the same as those in Embodiments 5-7.
  • the crystal grain size and the field-effect mobility of the polysilicon thin film 52 23 formed as described above are the same as those of the amorphous silicon thin film 5 in Embodiments 5 to 7, respectively. 2 2 to 1 0 0 0. C was almost the same as when heated, but in Embodiments 5-7, the glass substrate 52 1 was slightly distorted, whereas in Embodiments 5-8, the distortion was not. It does not occur, making it easier to more reliably form appropriate semiconductor circuits. In addition, since the heating efficiency of the Xe flash lamp 581 is high and a large area can be heated at one time, productivity can be easily improved.
  • Embodiment 5-3 when a TFT was formed and the gate voltage (V g) -drain current (Id) characteristics were measured, as shown in FIG. Even better TFT characteristics were obtained than in Embodiments 5-7.
  • Embodiments 5 to 9 of the present invention will be described with reference to FIGS. 59 and 50. A description will be given below.
  • Embodiment 5-9 as shown in FIG. 59, a laser beam 571a emitted from the same KrF excimer laser 571a as in Embodiment 5-8, Reflected by the wavelength-selective reflector 572, a rectangular irradiation area of about 500 mm X 200 mm in the amorphous silicon thin film 522 is formed.
  • the laser beam 591a and the laser beam 591 a are formed by the wavelength-selective reflector 572 and the reflector 592 so that the amorphous silicon thin film 52 2 Incident perpendicularly.
  • the irradiation timing of the laser beam 57 1 a and the laser beam 59 1 a, the pulse width, the irradiation energy of the laser beam 57 la, and the heating of the glass substrate 52 1 by the heater 56 1 The temperature and the like are the same as in Embodiments 5 to 8.
  • the heating temperature of the amorphous silicon thin film 522 with the laser beam 591a of the YAG laser device 591 was set to 1200 from room temperature.
  • the silicon film was formed in a range of C to form a polysilicon film 523, and the crystal grain size and the field-effect mobility were measured.
  • the heating temperature of the membrane 522 was 110 ° C.
  • the maximum reached 5.5 JJL m and 600 cm 2 / V ′ sec, respectively.
  • the YAG laser device 91 was used for pre-heating, the glass substrate 52 1 was distorted even when the amorphous silicon book 52 2 was heated to a relatively high temperature.
  • Embodiment 5-3 when a TFT was formed and the gate voltage (V g) -drain current (Id) characteristics were measured, as shown in FIG. 50, Even better TFT characteristics were obtained than in Embodiments 5 to 8.
  • the laser device for preheating is not limited to the YAG laser device 591 as described above.
  • a pulse laser such as an XeC1 excimer laser may be used.
  • the wavelength is different from that of the F excimer laser 571, and the pulse width is longer than that of the excimer laser 571, depending on the gas mixing ratio and the like. The same effect can be obtained by irradiating with the timing shown in Fig. 5.
  • a continuous wave laser device such as an Ar laser may be used.
  • Si silicon
  • germanium gallium, or the like may be used.
  • a III-V semiconductor such as arsenic (GaAs) or a II-VI semiconductor such as zinc selenium (ZnSe)
  • the conditions such as heating temperature are not necessarily the same. It has been confirmed that similar effects can be obtained.
  • silicon carbon (SiC) ⁇ silicon germanium (SiGe) may be used. Irradiation of the amorphous silicon thin film 522 with the laser beam 532a is performed from the glass substrate 521 side, or the amorphous silicon thin film 522 side. And from both the glass substrate 52 1 side.
  • a substrate made of an organic material such as quartz or plastic is used, or a conductive substrate surface (a substrate formed with an infinity in ffi) is used. Is also good.
  • the laser beam 532a for preheating is applied to the entire area of the amorphous silicon thin film 522, and is applied only to the area where high TFT characteristics are required. In other regions, the laser beam 531a or the like for crystallization may be irradiated only as in the conventional case.
  • the thin film transistor provided in the image display area needs to have uniform transistor characteristics in order to reduce unevenness of the displayed image.
  • the film transistor used in the drive circuit (driver circuit) arranged in the periphery of the image display area needs to have high responsiveness.
  • the method of laser irradiation is made different for each region of the semiconductor film (amorphous silicon layer) formed on the substrate. The required characteristics are obtained. That is, the first laser is applied to the entire surface of the substrate or only the image display area.
  • the drive circuit area is irradiated with the second laser light at a higher energy density than the first laser light irradiation.
  • reference numeral 151 denotes a laser oscillator
  • reference numeral 152 denotes a reflecting mirror
  • reference numeral 153 denotes a homogenizer
  • reference numeral 154 denotes a window
  • reference numeral 155 denotes a substrate on which an amorphous silicon layer is formed
  • reference numeral 1 denotes a substrate.
  • Reference numeral 56 denotes a stage
  • reference numeral 157 denotes a control device.
  • the laser beam emitted from the laser oscillator 151 is guided to the homogenizer 153 by the reflecting mirror 152 so that the energy is uniform.
  • a laser beam shaped into a predetermined shape is irradiated through a window 154 onto a substrate 155 fixed to a stage 156 in a processing chamber.
  • the control device 157 can irradiate the laser beam only to a predetermined region of the substrate 155 and can control the irradiation condition to be different in each region. It's getting up.
  • a laser beam having a linear beam cross-section (for example, a width of 30 Orn and a length of 10 cm) is passed through a homogenizing device 153 to obtain an energy density.
  • a second laser is used to irradiate the drive circuit section regions 1555b and 1555c with laser light at an energy density of 40 OmJ / cm2 higher than the above. Irradiation is performed (scanning irradiation using linear laser light).
  • the substrate 155 for example, after forming an amorphous silicon layer with a thickness of 500 A on a glass substrate by plasma CVD, Dehydrogenated for 1 hour at ° C was used.
  • the laser beam oscillates with a pulse width of, for example, 25 ns and an internal frequency of 300 Hz while moving the substrate 155 at a predetermined speed.
  • Laser scanning was performed relatively.
  • the second laser beam irradiation as shown in FIG. 61, scanning was performed so that the irradiation areas were overlapped by 30 / m (overlap rate was 10%).
  • the joint-out eye region irradiated laser beam is overlapped, so the region not as a characteristic Jill uneven raw force such as mobility 5, Remind as in figure, TFT 6 1 a 0 If they are formed so that they do not overlap at seams, and the seams are used for wiring patterns, etc., it becomes easy to reduce variations in TFT characteristics and the like.
  • the linear beam direction is set in the direction parallel to each side of the substrate 150 (the solid line in the drive circuit area 1505b and 1505c in FIG. 60). By scanning in the direction perpendicular to each side (in the direction shown), the total time required for irradiation can be shortened.
  • laser irradiation may be performed by rotating the stage on which the substrate 155 is fixed by 90 degrees (the linear beam direction of the laser beam may be rotated by 90 degrees, but Is generally difficult.)
  • the first laser light irradiation crystallization is performed so that the uniformity of the semiconductor film characteristics required for the image display area 1555a is maintained, while the second laser is irradiated.
  • the light irradiation high field-effect mobility can be obtained in the drive circuit section regions 1555b and 1555c. That is, when the present inventors performed laser irradiation under various irradiation conditions and performed scanning irradiation at an energy density of 300 mJ / cm 2 or more, each scan was performed. It was found that unevenness of the field-effect mobility was generated at the joints of the irradiation regions, and that the region became sharper.
  • the image display area 1 5 5 a uniformity is required in-plane properties of the polycrystalline sheet re co on to cormorants yo above, 3 0 0 m J / cm 2 good laser at low energy densities Ri While illuminating light, the driving circuit area 1505b, 155c has a smaller surface area than the image area and requires characteristics such as high field-effect mobility. Ri by a laser beam with high energy density Ri good m J / cm 2 in the this to morphism irradiation, even rather is both an improvement and uniformity of the film properties, the image display area 1 5 5 a and the driving circuit With the partial regions 1555b and 1555, it is possible to form polycrystalline silicon layers having different characteristics according to the needs of each region.
  • the beam cross-sectional shape is linear as in the above-mentioned Embodiment 6-1 whereas the second laser beam irradiation is performed.
  • the difference is that the cross-sectional shape of the beam is square.
  • the laser annealing device used in this protruding mode is different from the device in FIG. 9 in that, as shown in FIG. The difference is that the homogenizing device A 621 for shaping into a uniform shape and the uniformizing device B 622 for shaping into a square shape (for example, a 1 cm square) are CS. (Note that the same components as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.)
  • the laser annealing device is used to pass through the homogenizing device @A 621 to pass through the entire surface of the substrate 155 or only the image display area 155a.
  • Energy density that maintains uniformity 2 Laser annealing is performed with a linear laser beam at 8 OmJ / cm 2 (scanning irradiation using a linear laser beam).
  • the uniformizing device B 622 is used, and as shown in FIG.
  • each of the irradiation areas 6 55 b and 15 3 1, 6 3 2 to be paired the energy density is irradiated with 4 0 O m J / cm 2 of the square-shaped laser beam (scanning irradiation with an angular-shaped laser beam).
  • the substrate 1555 is rotated 90 degrees as in Embodiment 6-1.
  • laser annealing can be performed in the drive circuit section areas 1555b and 1555c. Therefore, as in Embodiment 6-1, polycrystalline silicon having different characteristics in the pixel region and the drive circuit region can be obtained, and the simplification of the device and the manufacturing process can be facilitated. And force s.
  • the second laser beam irradiation in Embodiment 6-2 may be performed a plurality of times. That is, as in the case of 6-2, the substrate 15 5 is not moved during the irradiation of the second laser light, and the drive circuit areas 15 5 b and 15 5 c are not moved as shown in FIG. 63.
  • the irradiation position of the laser beam may be fixed and the stationary irradiation may be performed.
  • the regions 631 and 632 are, for example, in a region where the laser beam is not irradiated in a superimposed manner when the laser beam has a square shape of 1 cm and is overlapped by about 3 at a time.
  • the field effect mobility can be easily increased significantly, and the uniformity in the region can be improved.
  • the characteristics such as the mobility are uneven in the region where the laser beam is repeatedly irradiated and the region where the laser beam is not irradiated.
  • uniform uniformity over the entire area such as the image display area 1555a is not always necessary.
  • a drive circuit is formed so that the semiconductor film pattern (TFT pattern) does not overlap with the laser beam end (laser beam end), and the seam portion is a wiring pattern. It may be used for That is, only a portion of the polycrystalline silicon having uniform characteristics may be used for forming a TFT or the like.
  • the use efficiency of the drive circuit section regions 1555b and 1555c does not decrease much because the area is relatively small.
  • the laser light irradiation is performed a plurality of times (for example, 30 times) in each of the irradiation areas 631 and 632, so that one;
  • the film characteristics can be improved.
  • Figure 64 shows the relationship between the number of times of static irradiation and the mobility of the obtained polycrystalline silicon. As is clear from the figure, there is an appropriate range for the number of laser irradiations, and the mobility decreases even if the number of irradiations is smaller or larger than this range.
  • the rather to prefer multi has high field-effect mobility 4 0 0 times from 8 0 times Crystal silicon can be obtained. It should be noted that the effect of improving the field-effect mobility by performing the stationary irradiation of the laser light on the drive circuit area as described above can be obtained even when a linear laser light is used or when a rectangular laser light is used. Less, but still possible.
  • the laser beam irradiation conditions are only different between the image display area 1505a and the drive circuit section areas 1505b and 155c as in the sixth to sixth to third embodiments described above. Instead, it should be divided into more areas and made different, and polycrystalline silicon with different characteristics should not be formed in the drive circuit area. Anything is fine. That is, for example, when the second laser light is radiated in the sixth to third embodiments, the transistors of the latch shift register in the drive circuit section regions 1555b and 1555c are not used.
  • the region where the inductor is formed needs high mobility, so it is irradiated with a high energy density (for example, 400 mJ / cm 2 ), and the other parts are noise and adjustment.
  • this laser annealing apparatus has a mask member 641 having a partially different laser beam transmittance between the window 154 and the stage 1556, as shown in FIG. Is different.
  • the mask member 641 has an attenuation area 641a corresponding to the image display area 1555a of the substrate 155, and a drive circuit section area 1555b. , And 155 c are formed. More specifically, for example, a quartz plate is partially covered with an optical thin film such as an ND filter or a dielectric multilayer film, so that the transmittance of the laser light is partially increased to a predetermined value. With this setting, the laser beam irradiation energy-density in the pixel portion can be reduced.
  • the laser beam or the mask member 641 and the stage 156 are moved, for example, in order to irradiate the entire surface of the substrate with a linearly shaped laser beam.
  • the image display area 1555a is the same as in the above-mentioned Embodiment 6-1 and the like Can and this to Rezaaniru at an energy density of 2 8 O m J / cm 2 . That is, semiconductor films having different characteristics can be simultaneously formed in the pixel portion and the drive circuit portion.
  • the mask member 641 is not limited to being disposed with a space between the window 1554 and the substrate 1555, but may be in close contact with the substrate 1555. Therefore, the flatness of the laser beam irradiation surface may be improved, the mask member 641 and the window 1554 may be made the same body, and the mask member 641 and the window 1554 may be provided in the homogenizing device 1553. Furthermore, instead of attenuating the laser beam intensity, a device that changes the laser beam intensity using a refractive optical system or the like may be used.
  • this laser annealing apparatus is provided with a uniforming optical element 651 for scattering an incident laser beam above a substrate 150.
  • a uniforming optical element 651 for scattering an incident laser beam above a substrate 150.
  • a highly uniform optical element 652 having a scattering area 652a and a mirror-finished transmissive area 652b is used to form a highly uniform semiconductor layer. It may be possible to simultaneously form a region having crystallinity and a region having high crystallinity.
  • a region where a transistor is to be formed can be a polycrystalline silicon film having a larger grain size, and a transistor such as a field-effect mobility can be formed.
  • the characteristics can be greatly improved. For example, there is an effect that a large-scale driving circuit can be built in a liquid crystal display device or the like.
  • a silicon nitride oxide film in which oxygen is added to silicon nitride as an insulating film the amount of hydrogen a in the film can be reduced and the stress can be reduced, and a more stable transistor can be obtained. It is possible to obtain a register.
  • the crystal grain size and the crystal orientation can be controlled, and interference between crystals in the process of crystal growth can be prevented, so that a sufficient crystal grain size can be obtained.
  • the timing at which the crystal nuclei are generated in the peripheral portion is earlier than before, so that the crystal growth can be performed earlier than before. .
  • the crystal growth direction is controlled in the direction of the source region and the drain region.
  • the regions are provided, large crystal grains having a large grain size are formed long in the direction connecting the source region and the drain region. Therefore, the crystalline thin film transistor having a small grain boundary density in this direction is formed.
  • a thin film transistor such as this has excellent TFT characteristics such as field-effect mobility.
  • the precursor semiconductor film is heated in the thickness direction and the substrate is heated. Is also heated, so that the precursor semiconductor film is crystallized while being gradually cooled. Therefore, crystal growth is promoted, relatively large crystal grains are formed, crystal defects are reduced, and the semiconductor film has an effect of improving its mechanical properties.
  • the substrate can be heated in a shorter time than when a heater or the like is used, so that productivity can be improved.

Description

明 細 書 半導体薄膜、 その製造方法、 および製造装匿、 な らびに半導体素子、 およびその製造方法 技 術 分 野
本発明は、 液晶ディ スプレイ に用い られる薄膜 ト ラ ンジスタ （ T F T )、 ライ ンセンサ等の光セ ンサや太陽電池などの光起電力素子、 S R A M ( Static Random Access Memory) などのメモ リ L S I等 に適用される半導体膜、 その製造方法、 および製造装置に関する も のである。 上記半導体膜は、 よ り詳し く は、 例えば、 ガラス基板上 などに形成される、 非晶質材料などがレーザァニール処理される こ とによって形成された結晶性を有する半導体薄膜である。 また、 そ のよ う な半導体薄膜を用いた半導体素子、 およびその製造方法に関 する ものである。 背 景 技 術
従来、 薄膜 ト ラ ンジスタ （ T F T ) 等を構成する髙品質なシ リ コ ンの半導体薄膜を非晶質絶縁基板上などに形成する方法および装置 と して、 グロ一放電を用いるプラズマ C VD法およびプラズマ C V D装置が用い られている.。 これらの製造方法および装置で得られる 水素化アモルフ ァス シ リ コ ン （ a— S i ) 膜は、 長年にわたる精力 的な研究開発によって、 高品質な半導体薄膜と して機能する水準に 達 し、 例えばラ ッ ブ ト ヅ プ型ゃノ 一 ト 型のノ S—ソ ナルコ ンビュ一 タ 、 エン ジニア リ ングワーク ステーシ ョ ン、 力一ナ ビゲ一シ ヨ ン装 置等におけるァクテ ィ ブマ ト リ クス液晶ディ スプレイ の画素用スィ ツ チ ン グ ト ラ ン ジス タ、 フ ァ ク シ ミ リ のイ メ ー ジセ ンサ用光セ ン サ、 電卓用バ ッテ リ の太陽電池などの電気光学装置や、 各種集積回 路等において実用化されている。 上記水素化アモルフ ァ スシ リ コ ン の最大の長所は、 高々 3 0 0て程度のプロセス温度で大面積の基板 上に再現性よ く 安定して製造できる こ とである。
一方、 近年、 ディ スプレイ やイ メージセ ンサの大型化、 画素の高 密度化 （高精細化） が進むに したがって、 よ り 高速な駆動に追随で きる シ リ コ ン半導体薄膜が要求される よ う になっている。 また、 軽 量化や低コス ト化を図るために、 液晶ディ ス プレイ の周辺回路部分 に形成される ド ライ バ素子に適用するためにも、 高速な動作を し得 る こ とが必要と される。 とこ ろが、 例えば上記水素化アモルフ ァ ス シ リ コ ンの電界効果移動度は、 高々 1 . O c m 2 / V ' s e cであ り 、 上記要求を充分満たす電気的特性は得られない。
そ こで、 結晶性を有する半導体薄膜を形成して電界効果移動度等 を向上させる手法が研究され、 そのプロセス と して、
( 1 ) シラ ンガスに水素や S i F 4 を混合してプラズマ C V D法を 用いる こ とによって、 堆積する薄膜を結晶化させる製造方法、 およ び
( 2 ) アモルフ ァス シ リ コ ンを前駆休と して結晶化を試みる製造方 法
が開発されている。
上記 （ 1 ) は、 半導体薄膜の形成と同時に結晶化を行わせる もの であるが、 基板を比較的高温 （ 6 0 0 'C以上） に加熱する必要があ る。 そのために、 基板と して、 高温に耐える高価な石英基板等を用 いる必要があ り 、 安価なガラス基板を用いる こ とが困難であ り 、 製 造コス ト が高 く つ く という欠点がある。 具体的には、 例えばァク テ ィ ブマ ト リ クス型の液晶表示装 ISに多 く 用い られるコ一ニング 7 0 5 9力'ラスは、 ガラス歪点が 5 9 3てであ り 、 6 0 0 'C以上の加熱 処理を行う と、 ガラス基板の縮みや歪みなどの機械的な変形等が顕 著になるため、 適正な半導体回路の形成プロセスや液晶パネルの作 製プロ セス等が困難になる。 また、 多次元的な集積を図ろ う とする と、 先に形成した回路領域に熱的損傷を与える恐れがある。
また、 上記 （ 2 ) は、 基板上にアモルフ ァ ス シ リ コ ン薄膜を形成 し、 これを加熱 して多結晶シ リ コ ン （ポ リ シ リ コ ン ： p— S i ) 菏 胶を形成する も ので、 主と して 6 0 O 'C程度の温度で長時間熱処理 を行う 固相成長法と、 レーザァニール法 （特にエキシマ レーザァニ ール法） とが用いられる。
前者の固相成長法は、 アモルフ ァ ス薄膜が形成された基板を加熱 し、 6 0 0て以上の温度に 2 0時間以上保つ必要があるため、 やは り、 製造コス ト の増大等を招 く 。 .
—方、 後者のエキシマレ一ザァニール法は、 例えば IEEE Electro n Device Letters, 7( 1986 )pp.276 - 278や、 IEEE Transactions onEl ectron Devi ces , 42 ( 1995 )p .251-257 {こ開示されて レ、る よう {こ、 ァ モルフ ァス シ リ コ ン薄膜に、 光エネルギが大きい U V光であるェキ シマレーザ光を照射 して結晶化させる もので、 直接ガラス基板を加 熱する ； とな く 、 電界効果移動度の高い （ > 1 0 0 c m z /V . s e c )、 比較的良好な電気的特性の多結晶シ リ コ ン薄膜を得る こ と に成功 している。 すなわち、 アモルフ ァスシ リ コ ンは、 図 1 に示す よ う な透過率特性を有 し、 例えば X e C 1エキシマ レ一ザによる波 長が 3 0 8 n mの レ一ザ光に対しては、 吸収係数が 1 0 6 c m " 1 程度であるため、 レーザ光は、 ほとんどアモルフ ァス シ リ コ ンの表 面から 1 0 O A程度の領域で吸収され、 基板の温度はほとんど上昇 する こ とな く （概ね 6 0 0 °C以下）、 アモルフ ァス シ リ コ ンだけが 高温になって、 結晶化 （多結晶化または単結晶化） する。 それゆえ、 安価なガラス基板が使用でき、 また、 局所的に光ビームを照射して 結晶化させる こ とができるので、 さほど高速性の要求されない画素 領域をアモルフ ァス薄腴のま ま と し、 画素領域の周辺のみを結晶化 してこ こ に高速性の要求される ドライバ回路を形成する といった多 次元的な集積や、 既に形成されている回路に熱的ダメージを与える こ とな く 、 順次、 同一基板上の特定領域に良質の結晶質薄膜を形成 する こ とが可能になる。 更に、 この技術によ る と C P U ( Central Processing Un i t )などを同一基板上に集積する こ とも可能になる。
こ こで、 上記のよ うな p— S iを用いた半導体素子の例と しての T F Tの一般的な構造および製造方法について説明する。
図 2は、 コ プレナ （coplanar) 構造の T F T 1 1 0の概略を示す 模式図であ り 、 図 2 ( a ) は T F T 1 1 0の平面図、 図 2 ( b ) は 図 2 ( a ) における P— P， 矢視断面図である。 図 2 に示すよ う に、 上記 T F T 1 1 0は、 絶縁性基板 1 1 1上に、 アンダーコー ト層 1 1 2 と、 p— S i膜 1 1 3 と、 第 1 の絶緑膜 （ゲー ト絶緣膜） 1 1 4 と、 第 2の絶緣膜 1 1 6 と、 ゲー ト電極 1 1 5、 ソース電極 1 1 7 s及び ド レイ ン電極 1 1 7 dの 3つの電極とが設けられて構成さ れている。 p— S i膜 1 1 3は、 S i (シ リ コ ン） からなる結晶性 半導体層である。 また、 p— S i膜 1 1 3は、 アンダーコー ト Jg l 1 2上に、 所定の形状にパターニングされて形成されている。 更に、 p— S i膜 1 1 3は、 チャネル領域 1 1 3 a と、 ソース領域 1 1 3 b及び ド レ イ ン領域 1 1 3 c とからなってお り 、 上記ソース領域 1 1 3 b及び ド レ イ ン領域 1 1 3 cは、 チャ ネル領域 1 1 3 aの両側 に位置する。 こ の ソース領域 1 1 3 b及び ド レ イ ン領域 1 1 3 c は、 リ ン又はボロ ン等の不純物イ オンを ドーピングする こ とによ り 形成される。
第 1の絶縁膜 1 1 4は、 例えば二酸化シ リ コ ン （ S i 0 2 ) から な り 、 上記 p— S i膜 1 1 3及びアンダーコー ト層 1 1 2の上方に 形成されている。上記ゲー ト電極 1 1 5は、 例えばアル ミ ニウム （ A 1 ) 等からなる金属薄膜である。 該ゲー ト電極 1 1 5は、 第 1 の絶 緣膜 1 1 4の上方に位置し、 かつ p— S i膜 1 1 3のチャネル領域 1 1 3 aに対応する位置に設け られている。 第 2 の絶緑膜 1 1 6 は、 例えば S i 0 2 からな り 、 上記ゲ一 卜電極 1 1 5及び第 1 の絶 緑膜 1 1 4の上方に積層されている。
第 1 の絶縁膜 1 1 4及び第 2の絶縁膜 1 1 6 には、 それぞれ p— S i膜 1 1 3のソース領域 1 1 3 b又は ド レイ ン領域 1 1 3 cに達 するコ ンタ ク トホール 1 1 8 · 1 1 8が形成されている。 ソース電 極 1 1 7 s及び ド レイ ン電極 1 1 7 dは、 このコ ンタ ク ト ホール 1 1 8 · 1 1 8を介して、 ソース領域 1 1 3 b又は ド レ イ ン領域 1 1 3 c と接触する よ う に形成されている。 上記ゲー ト電極 1 1 5、 ソ —ス電極 1 1 7 s及び ド レイ ン電極 1 1 7 dは、 図示の断面以外の 部分で所定の形状にパターニングされる こ とによ り 、 配線パターン を構成している。
上記 T F T 1 1 0は次のよ う に して製造されている。 先ず、 上記 絶縁性基板 1 1 1上に、 例えば S i 0 2 からなるアンダーコー ト層 1 1 2 を成膜する。 これによ り 、 後に形成される p— S i膜 1 1 3 等への不純物の拡散防止などが図られる。 次に、 上記アンダーコ一 ト曆 1 1 2上に、 非晶質性シ リ コ ン と しての a— S i膜 （図示しな い） を例えばプラズマ C VD法によって成胶し、 該 a— S i膜をェ ツチングにて所定の形状にパタ一ニングする。 なお、 パターニング は結晶化の後に行っても よい。 統いて、 上記 a — S i膜に短波長の エキシマ レ一ザ一等を照射 して放冷する （ レーザ一ァニール）。 こ れによ り 、 改質、 すなわち上記 a— S i膜が多結晶化 して p — S i 膜 1 1 3 が形成される。 こ こで、 a — S i膜は短波長領域での光の 吸収係数が大きいので、 エネルギービーム と してエキシマ レーザー を用いる と、 a — S i膜のみを選択的に加熱する こ とができる。 し たがって、 絶縁性基板 1 1 1 の温度の上昇が小さいので、 絶縁性基 板 1 1 1 の材料と して、 低コス トのガラス基板等を採用できる とい う利点がある。
上記で形成した p — S i膜 1 1 3 の上に、 第 1 の絶縁膜 1 1 4 を 常圧 C V D ( Chemical Vapor Deposition ) 法にて成膜し、 さ ら に 第 1 の絶緑膜 1 1 4上に、 ゲー ト電極 1 1 5 を形成する。 次に、 上 記ゲー ト電極 1 1 5 をマスク と して、 p — S i膜 1 1 3 に、 例えば イ オン ド一ビング法にて、 ドナ一若 し く はァクセプ夕 となる不純物 イ オン、 具体的には リ ン又はポロ ン等の不純物イ オンを注入する。 これによ り 、 上記 p — S i膜 1 1 3 に、 チャ ネル領域 1 1 3 a と、 ソース領域 1 1 3 b及び ド レイ ン領域 1 1 3 c とが形成される。 次に、 ゲー ト電極 1 1 5上に第 2 の絶縁膜 1 1 6 を成膜した後、 コ ンタ ク ト ホール 1 1 8 · 1 1 8 を形成 し、 例えばアル ミ ニ ウムを 蒸着させ、 パターニングしてソース電極 1 1 7 s および ド レイ ン電 極 1 1 7 d を形成する。
上記のよ う な p — S i膜形成過程におけるエキシマ レ一ザ等のパ ルス発振方式の レーザは、 出力が大き く 、 例えばラ イ ン ビーム状の レーザ光を基板を移動させるなどして走査しながら照射する こ とに よ り、 一度に広い面積のアモルフ ァスシ リ コ ンを結晶化させる こ と ができ るので半導体装置の量産に有利であるが、 結晶品質を向上さ せる こ とが困難である という課題を有 している。 すなわち、 この種 の レーザは、 1 パルスの照射時間が数 1 0 II S程度と非常に短 く 、 照射時と非照射時との温度差が大き く なるため、 溶融されたシ リ コ ン膜は急速に冷却される過程で結晶化する。 それゆえ、 結晶成長程 度や結晶方位の制御が困難であ り 、 十分な結晶成長が行われに く く、 結晶粒径が小さ く なつて結晶粒界密度が大き く なつた り 、 ば ら つきが大き く なつた り しがちである と ともに、 結晶欠陥が多 く な り がちである。 よ り詳細には、 レーザ照射後の冷却過程において、 結 晶核が無秩序に発生 し、 無秩序に発生 した各々の結晶核は、 これま たそれぞれ無秩序な方向に成長する。 そ して、 結晶粒同志が互いに ぶっか り 合った状態で結晶成長が止まる。 このよう な成長過程を経 て生成された結晶粒は、 小粒でラ ンダムな形状のもの となる。 こ の ため、 結晶粒界が多数存在する po l y- S i膜とな り 、 このような po l y- S i膜では、 電荷キャ リ アがスムーズに移動できないので、 電 界効果移動度等の T F T特性に劣る ものとなる。
以下、 結晶成長のメ カニズム、 および良好な結晶成長を行わせる こ とが困難な理由について、 よ り 詳細に説明する。 上記エキシマ レ 一ザは、 X e、 K r などの希ガス と C l、 Fなどのハロゲンの混合 ガスを電子ビームで励起する方法によ り発生するが、 このままでは 好適に使用 し難い。 このため、 ビームホモジナイ ザーと呼ばれる光 学系を用いて数 c m角程度の矩形あるいはラ イ ン状の均一な光強度 を持つものに整形 した光ビームが、 レーザァニール法において使用 されている。 そ して、 基板上に形成された非単結晶質薄膜 （通常、 アモルフ ァス薄膜） の結晶化に際しては、 こ の整形された光ビーム をスキャ ン しながら照射する手法が用いられている。
しか し、 この方法においても解決すべき幾つかの課題を抱えてお り 、 例えば結晶粒径や結晶化度の均一性が悪 く 、 ト ラ ン ジス タ特性 が安定 しない、 電界効果移動度が低いといった課題を抱えている。 このため、 これらの課題を解決するための方法と して、
( 1 ) 照射面の一部に反射膜や吸収膜を被せ薄膜面の光吸収性を制 御する こ とによ り強度分布を形成して、 結晶の成長方向を誘導する 技術や、
( 2 ) 基板を加熱 （ 4 0 0 'C ) した状態で レーザ照射を行う こ とに よ り 、 糸吉晶ィ匕を円滑に進行させる技術 ( Extended Abstracts of th e 1991 International Conference on Solid State Devices and M aterials, Yokohama, 1991 , p.p. 623-625 ) など力 s提案されてい る。 また、 例えば Jpn. J.Appl.Phys.31( 1992)p4550-4554に開示され ている ものも知られている。 これは、 例えば図 3 に示すよう に、 前 駆体半導体薄膜 1 2 2が形成されたガラス基板 1 2 1 を基板ステ一 ジ 1 2 4に載 Sし、 基板加熱ヒータ 1 2 5 によって基板ステージ 1 2 4を 4 0 0 °C程度に加熱 した状態で、 エキシマ レーザ 1 2 3の レ —ザ光 1 2 3 aを前駆体半導体簿膜 1 2 2 に照射する ものである。 このよ う に、 レーザ光の照射時にガラス基板を加熱する方法が併用 される こ とによって、 高い結晶品質、 すなわち、 比較的、 大き く 、 かつ均一な結晶粒が得られ、 電気的特性が向上する。
このう ち、 前者（ 1 )は単結晶化を図る こ ともでき、 また後者（ 2 ) は比較的簡便に適用でき、 こ の技術を用いる と電界効果移動度のば らつきが ± 1 0 %以内に抑え られる と される。 しか しながら、 上記 技術には下記のよう な問題点があ り、 多次元的な集積と一屑のコス ト ダウ ンを図ろ う とする最近の技術動向に十分に対応できる もので はない。
すなわち、 上記 （ 1 ) の技術は、 反射膜等を施す工程が必要であ るので、 その分製造工程が煩雑にな り コス ト上昇を招 く 。 また、 限 定された狭い領域に反射膜等を施すのは容易でないので、 微小な特 定領域の結晶化を図 り 難い。
他方、 上記 （ 2 ) の技術では、 基板を加熱するための加熱工程を 必要とするので、 その分生産性が低下する。 すなわち、 固相成苌法 ほど高温には加熱しないものの、 基板を加熱および冷却するプロセ スには、 やは り 時間がかか り （例えば 3 0分〜 1 時間程度）、 スル —ブッ 卜 が低下する という問題点も有 している。 この問題点は、 基 板の面積が大き く なるほど、 基板の歪みを緩和するために加熱およ び冷却に要する時間が長く な り 、 一層顕著なものになる。 またこの 技術は、 電界効果移動度のばらつきをある程度減少させる こ とがで きる ものの、 電界効果移動度目体を十分に高める こ とができないの で、 高速性が要求される回路を形成するには不十分である。 すなわ ち、 ガラス基板の歪み等を生 じさせないためには、 5 5 0て程度以 上にガラス基板を加熱するこ とはできず、 よ り高い結晶品質等を得 る こ とが困難である。 更にこの技術は基板全体を加熱する方法であ るので、 基板上の限定された領域 （特定領域） のみの結晶化を図る には不向きである。
以上のよう に上記 （ 1 )、 （ 2 ) の技術は、 いずれも製造コス ト を 上昇させる等の課題を有する。 そ して特に上記 （ 1 )、 （ 2 ) の技術 (従来の他の技術について も同様である） は、 多様かつ多次元的な 積層を実現 しに く いという本質的問題点を有 している。 すなわち、 これらの技術が採用する温度分布の制御手段は、 高速性が要求され る回路領域 （多結晶化領域） と、 そうでない回路領域 （ァモルフ ァ ス領域） とを同一基板上に選択的に形成するには不向きな手段であ り 、 それゆえ これらの技術によっては、 高度な集堉化とコス ト ダウ ンとを同時に実現し難い。
こ こで、 限定された任意の領域のみを結晶化できる技術の有用性 について説明する。 従来技術にかかる レ一ザァニール法において は、 図 4に示すよ うな、 ビームの側部 （エッ ジ部） が急峻で頂上が 平坦 （単位面 当た り のエネルギー強度が同一） な光ビームが用い られている。 このよ う な特性の光ビームを用いた poiy- S i薄膜で あって も、 従来ではそれほど高速な動作が要求されない例えば画素 電極のスイ ッチング回路等を形成するために使用されていたので十 分であった。
しか し、 ゲー ト駆動回路やソース駆動回路、 さ らには C P Uな ど の高速な動作を必要とする素子をも同一の基板上に一体的に形成し よう とする場合においては、 上記従来技術で実現できる程度の品質 の多結晶質薄膜では不十分である。 具体的には、 例えば L C Dの画 素領域においては 0 . 5〜 1 0 c m 2 /V s程度の移動度で十分で あるが、 画素を制御するためのゲー ト 回路やソース回路等の周辺駆 動回路では、 1 0 0〜 3 0 0 c m 2 /V s程度の移動度が必要であ る。 と こ ろが、 上記特性の光ビームを用いる従来技術では、 安定 し て高い移動度を得る こ とができない。 すなわち、 一般に多結晶シ リ コ ン菏膜では、 結晶の粒径が大きければ大きいほど移動度等の ト ラ ンジス タ特性が高 く なるが、 上記のよ う な多結晶化処理によ って は、 十分な ト ラ ンジスタ特性を得るこ とはできない。
この原因と しては、 上記特性の光ビームでは、 結晶粒や結晶化度 の不均一性が大き く な り 、 また結晶粒を大き く し結晶化度を高めよ う と して、 照射強度を強めた り照射回数を増やすと、 一層結晶粒の 大き さ が不揃いになって結晶化度がば らつ く よ う になるからであ る。 以下、 こ の原因について詳細に検討する。 図 5 は、 基板上に形成された非晶質シ リ コ ン薄膜に上記矩形状の 光ビームを照射 したときにおける結晶化度の分布を示す模式図であ る。 図 5 において、 1 7 0 1 は照射光の境界を示 し、 1 7 0 2、 1 7 0 4 は結晶化度の低い部分を示し、 斜線部 1 7 0 3 は結晶化度の 高い部分を示す。 この図に示すごと く 、 エネルギー強度が均一なェ キシマ レーザを用いた従来法による と、 照射光の境界 1 7 0 1 よ り 少し内側に入った斜線部 1 7 0 3 のみで結晶化度が高 く な り 、 他の 部分 （境界付近 1 7 0 2 および中央部 1 7 0 4 ) では結晶化度が低 く なる という特徴的な結晶化度の分布パターンが形成される。 そ し て、 このこ とは、 顕微ラマン分光法によって確認される。
すなわち、 図 5 の A— A線に沿う部分のラ マン強度の測定結果を 図 6 に示すが、 図 6 において、 境界よ り少し内側に入ったとこ ろの 急峻な ピークの存在から、 この部分の結晶化度が高いこ とがわか る。 また、 中央部分にピークが存在 しないこ とから、 この部分の結 晶化度が低いこ とがわかる。
次に、 図 7 を参照 しながら、 このよ う な結晶化度の不均一が生 じ るメ カニズムついて考察する。 非晶質シ リ コ ン薄膜に光ビームを照 射し、 薄膜温度をシ リ コ ンの溶融温度以上 （約 1 4 0 0 'C以上） に 加熱した後、 光照射を止める と、 放熱によ り 薄膜温度が低下 し、 こ の過程で溶融していたシ リ コ ンが析出 し結晶化する。 こ こで、 図 7 ( a ) のよ う な均一な光強度分布の光ビームを照射 した場合、 薄膜 面には図 7 ( b ) に示すような温度分布パターンが形成される。 す なわち、 中央部には温度勾配のない平坦な温度領域が形成され、 周 辺部では熱が周囲に逃げるために急峻な温度勾配が形成されるが、 この場合、 中央部の温度がシ リ コ ンの溶融温度以上であれば、 照射 終了後に、 先ず温度分布曲線 1 9 0 1 と結晶化温度線 1 9 0 2 との 交点付近 （境界付近） の温度が結晶化温度に達する。 よって、 この 付近に結晶核 （ 1 9 0 3 ) が発生する （図 ·7 ( c ))。 すなわち、 非 晶質シ リ コ ン薄膜が溶融点を超え、 溶融点を超えた領域で非晶質シ リ コ ン薄膜が溶融し固化する ときに結晶化が起こ る こ とによ り多結 晶化が図 られる。 次いで、 更に温度が下がる と （図 7 ( d ) )、 前記 結晶核 1 9 0 3 を開始点と して未だ結晶化温度に達 していない中央 部方向に向かって結晶化が進行 してい く （図 7 ( e )) が、 光エネ ルギー強度の均一な光ビームを用いた場合では、 図 7 ( b、 d、 f ) の如 く 中央部に面方向の温度勾配が殆どない状態で温度降下する。 したがって、 温度降下のある時点で比較的広い範囲が同時に結晶化 温度に到達 し （図 7 ( f )). こ の範囲 （ 1 9 0 4 ) の何れの部位に おいて も等 しい確率で結晶核が発生 し得る よ う になる。 このため、 図 7 ( g ) に示すよう に、 1 9 0 4の全面において同時的に微小な 結晶核が ¾生 し、 その結果と して微小な多数の結晶粒からなる poly - S i薄膜が形成される。 このよ うな poly- S i薄膜は、 当然に結 晶粒界の密度が大きい。 よって、 結晶粒界にキャ リ アが捕捉される 程度が大き く なるので、 電界効果移動度が小さ く なる。 なお、 図 7 ( c ) の 1 9 0 0は簿膜の断面を示している。
また、 上記のよ うな結晶化度の不均一が生 じるメ カニズムは、 図 8に示すよう にライ ン状のレーザビームを照射する場合も同様であ る。 こ こ で、 図 8 において、 （ a ) は、 使用するエキシマ レ一ザの X , y方向のエネルギー密度分布を、 （ b ) は、 このよ う なェネル ギー密度分布を有するエキシマ レーザを非晶質シ リ コ ン薄膜上に照 射 した場合の非晶質シ リ コ ン薄膜の温度上昇分布を、 （ c ) は上記 の （ a ) 及び （ b ) のよう に して レーザが照射される多結晶シ リ コ ン簿膜 ト ラ ンジスタの斜視図を示 している。 すなわち、 図 8 ( a ) に示すよ う にエネルギー分布を有する レーザを用いている こ とに起 因 して、 被照射領域の y方向の温度分布はほぼ均一である ものの、 図 8 ( b ) に示すよう に、 X方向では中央部が高 く 両側が低い温度 分布を生 じる。 このような温度分布の結果と して、 結晶化は X方向 の周辺部から 中央へ進み、 多数の核生成によ り 中央部ではそれそれ の成長面が出会う こ とにな り 、 図 8 ( c ) に多結晶シ リ コ ン薄膜の 結晶化状態を模式的に示すよう に、 レーザビームのライ ンビームェ ネルギ一密度が低い部分の結晶粒は大きいものの、 エネルギー密度 が高い部分 （中央部） の結晶粒は小さ く なつて しま う。 なお、 図 8 において、 1 3 1 は透明絶縁性基板、 1 3 4 は多結晶シ リ コ ン薄膜 で 1 4 1 は結晶粒を示している。 また、 1 3 9 は絶緣膜で一般には 2酸化珪索（ S i 0 2 )膜が用い られ、 1 4 0 は非晶質シ リ コ ン簿膜 である。
なお、 上記の例では、 説明を簡単化するために 1 回のエネルギビ —ムの照射を行った場合を示 したが、 複数回照射する場合などでも 同様である。
また、 従来のレーザァニールにおいては、 上記のよ う に琯界効果 移動度の向上が困難である こ とに加えて、 半導体膜の膜質の均一性 を向上させる こ とが困難であ り 、 特に上記両者を両立させるこ とが 困難である という問題点を有 していた。
こ こで、 従来の レーザァニール装置の構成について図 9 に基づい て説明する。 図 9 において、 1 5 1 はレーザ発振器、 1 5 2 は反射 鏡、 1 5 3 は均一化装 S、 1 5 4 は窓、 1 5 5 は非晶質シ リ コ ン層 が形成された基板、 1 5 6 はステージ、 1 5 7 は制御装置を示 して いる。 そ して、 非晶質シリ コ ン層の レーザァニールの際には、 レ一 ザ発振器 1 5 1 から発振したレーザ光を反射鏡 1 5 2 によって均一 化装置 1 5 3 に導き、 エネルギーの均一な所定の形に整形された レ —ザビームを窓 1 5 4 を通して処理室内のステージ 1 5 6 に固定さ れた基板 1 5 5 に照射する よ う になっている。
上記のよ う な レーザァニ一ル装直を用いてァニール処理を行う場 合、 レーザビームを基板全面に一括で照射する こ とは困難であるた め、 実際には、 レーザの照射領域を重ね合わせつつ、 順次ずら しな がら基板全面を同一条件で照射 している （例えば、 I .Asai，N.Kato， M. Fuse and T.Hamano，ジヤノ ン ジエイ アプラ イ フ ィ ジ ッ ク ス (Jpn. J.Appl .Phys. ) 32 ( 1993 )474)。 しか しながら、 このよう に レ —ザビームの照射領域を重ねつつ、 順次ずら しながら照射する レ一 ザァニールの方法では、 レーザエネルギー密度を高 く すれば、 半導 体膜特性の評価基準の一つである移動度が高 く な り 、 全体的に胶質 が向上する ものの、 照射領域の継き目で膜質の不均一が生 じ、 半導 体膜全体の均一性が低 く なる。 一方、 比較的低いエネルギー密度で レーザ照射する と、 膜質の均一性を向上させる こ とは容易にな る が、 エネルギー密度が低いために電界効果移動度を高 く する こ とが 困難になる。
それゆえ、 例えば T F Tが形成された基扳を液晶ディ スプレイ に 用いる場合、 図 1 0 に示すよう に比較的大面積の画像表示領域 1 5 8 に必要とされる膜質の均一性と、 周辺回路部 （ ドライバ回路） 1 5 9 に必要とされる鼋界効果移動度とを満足する半導体膜を形成す るこ とは困難であった。 なお、 このよ うな問題点に対 しては、 例え ば米国 U S P 5 7 5 6 3 6 4号に開示されている よ う に、 画像表示 領域 1 5 8 と周辺回路部 1 5 9 とで レ一ザビームの強度を異ならせ る こ とが提案されているが、 このよ う に レーザビームの強度を異な らせるだけでは、 周辺回路部 1 5 9 において十分な電界効果移動度 を持たせる こ とが困難である。
上記のよ う に、 従来のレーザァニール方法においては、 結晶粒径 や結晶方位を制御する こ とが困難であ り、 高い結晶品質、 すなわち、 大き く 、 かつ均一な結晶粒径を有 し、 結晶欠陥も少ない半導体薄膜 を形成する こ とが困難である と ともに、 スルーブヅ ト を向上させて 製造コス ト を低減する こ と も困難であ り 、 しかも、 半導体薄膜の膜 特性 （電界効果移動度等） の向上と膜質の均一性を同時に達成する こ とができないという問題点を有 していた。
本発明は、 上記の点に鑑み、 スルーブヅ ト の低下を招 く こ とな く 、 しかも、 高い結晶品質の半導体簿膜を形成する'こ とができ、 さ らに、 半導体薄膜の膜特性の向上と膜質の均一性を同時に達成する こ とが できる半導体薄膜の製造方法、 および装 s、 な らびにそのような半 導体薄膜を用いた、 電界効果移動度等の T F T特性に優れた薄膜 ト ラ ンジス夕、 およびその製造方法の提供を目的と している。
なお、 この明細書で結晶化という ときには、 単結晶化と多結晶化 の双方を含めた意味で使用 してあるが、 本発明の結晶質半導体薄膜 の作製方法は po l y- S i 薄膜の作製に特に有用である。
発 明 の 開 示
本発明は、 上記の点に鑑み、 スルーブッ 卜 の低下を招 く こ とな く 、 しかも、 高い結晶品質の半導体薄腴を形成する こ とができ、 さ らに、 半導体薄膜の膜特性の向上と膜質の均一性を同時に達成するこ とが できる半導体薄膜の製造方法、 および装置、 な らびにそのよう な半 導体薄膜を用いた、 電界効果移動度等の T F T特性に優れた薄膜 ト ラ ンジス夕、 およびその製造方法の提供を 目的と している。
上記の課題を解決するため、 本発明者等は種々検討した結果、 多 結晶シ リ コ ン薄膜の結晶粒が小さ く なる原因が、 エキシマ レ一ザ照 射によ り加熱された際のシ リ コ ン薄膜の温度分布による ものである こ とに着目 し、 少な く と も ト ラ ンジスタ を形成する領域に関 して大 きな粒径を持つ多結晶シ リ コ ン薄膜化する方法を考え出 した。
すなわち本発明者等は、 レーザによる多結品化処理を行う際に、 ト ラ ンジス 夕 を形成する領域を挟んで、 その両側に熱伝導が高い領 域を設ける こ とによ り 、 ト ラ ンジスタが形成される領域の周囲の領 域の温度が高 く なる よう に し、 ト ラ ンジスタ形成領域の温度を周囲 に比較 して相対的に低く する こ とで、 ト ラ ンジスタ形成領域のシ リ コ ン薄膜を最初に結晶化させて粒径の増大化を行い得る と考える に 至った。
そ こで、 請求項 1 の発明は、 基板上に、 第 1 の熱伝導率を有する 第 1 の絶緑膜と、 上記第 1 の熱伝導率と異なる第 2 の熱伝導率を有 し、 部分的な領域に選択的に形成された第 2 の絶縁膜とを積層する 工程と、 上記第 1 の絶緣膜および第 2 の絶縁膜上に非単結晶半導体 薄膜を積層する工程と、 上記非単結晶半導体薄膜にエネルギビーム を照射 して結晶成長させる工程とを有するこ とを特徴と している。 具体的には、 例えば非晶質シ リ コ ン薄膜の絶綠膜の熱伝導率を ト ラ ンジ ス夕が形成される領域とその他の領域とで異な ら しめる こ と によ り .、 ト ラ ンジスタが形成される領域の非晶質シ リ コ ン薄膜の熱 伝導性をその他の領域の非晶質シ リ コ ン薄膜よ り も高 く する。
この構成によれば、 多結晶化を行う際の、 ト ラ ンジスタ形成領域 のシ リ コ ン薄膜の温度がその他の領域よ り も低いた.め、 結晶化が ト ラ ンジス夕形成領域から発生する こ とにな り、 ト ラ ンジスタ形成領 域の多結晶シ リ コ ンの粒径を大き く するこ とができる。 また、 請求項 1 2 の発明は、 半導体膜表面の周緣の少な く と も一 部には、 半導体膜に対 して略水平方向に延びる 1 つ以上の突起部が 設けられる こ とを特徴と している。
こ こで、 本発明の理解に供するため、 本発明に到るアプローチに ついて簡単に説明する。 まず、 本発明者らは、 従来技術の上記課超 の要因を究明すべ く検討を重ね、 十分明確には解明されなかったも のの、 その要因と して以下の事項を想定する に到った。 すなわち、 一般に、 結晶核の発生および結晶成長は、 半導体膜がァニール処理 によ り 一旦， 加熱され、 その後、 冷却される こ とによ り成される。 と こ ろで、 従来技術においては、 ァニール処理後の半導体膜は、 その中央部および周辺部にかかわ らず、 ほぼ一様に冷却されて お り 、 この結果、 結晶核がラ ンダムな位置にほぼ同時期に発生 して し ま う ので、 結晶粒径や結晶方位を制御する こ とが困難になっている と想定される。 また、 このこ とによ り、 結晶核が比較的近接した位 置にほぼ同時に発生するおそれがあ り、 この場合、 結晶成長の過程 で結晶同士が干渉し合い、 十分な結晶粒径を得る こ とが困難となつ ている。
そ して、 上記した事項を念頭に鋭意検討した結果、 本発明者らは、 「半導体膜の周辺部における結晶核を， 中央方部における結晶核よ り も早い時期に発生させ、 その後、 周辺部部に発生 した結晶核を、 中央部において結晶核が発生も し く は結晶成長する以前に、 中央部 に向けて結晶成長させる こ とによ り 、 結晶粒径や結晶方位を制御可 能にする と共に、 結晶成長の過程にある結晶同士の干渉を防止 し て、 十分な結晶粒径を得る。」 とい う 本究明の技術的思想を創出 し たのである。
すなわち、 請求項 1 2 によれば、 ァニール処理後の半導体膜にお いて、 周緣の突起部に蓄積された熱は水平面において外側の複数の 方向 （例えば、 突起部が矩形状を有する場合、 3 方向） に拡散する のに対 して、 中央部に蓄積された熱は水平面内において未だ冷却さ れていない周緣側に しか逃げ場がないので、 突起部を含めて周緑が 中央部に較べて十分早 く 冷却される。
この結果、 周縁における結晶核は、 中央部における結晶核よ り も 早い時期に発生 し、 中央部において結晶核が発生も し く は結晶成長 する以前に、 この周縁に発生 した結晶核が中央部に向けて結晶成長 するので、 結晶粒径や結晶方位が制御可能となる。 このこ とによ り 、 結晶成長の過程にある結晶同士の千渉が防止され、 十分な結晶粒径 を得る こ とができる。
また、 請求項 1 3 によれば、 突起部に 1 つの結晶核のみが発生 し て、 この結晶核が結晶成長する こ とになる。 なお、 請求項 1 4、 1 5 によれば、 桔晶の粒径がよ り整い、 突起部毎に 1 つの結 核が確 実に発生する。
また、 請求項 1 6 によれば、 突起部に発生 し成長した結晶は、 さ らに、 中央部に向かって成長するが、 この場合、 隣り合う突起部か ら中央部に向かう結晶成長および、 対向する辺の突起部から中央部 に向かう結晶成長に対して、 極力、 干渉し合う こ とな く 、 結晶成長 する こ とが見込まれる。
また、 請求項 1 8 によれば、 突起部はゲー ト電極に対応する領域 に設け られるので、 良好な導電特性を得る こ とができる。
また、 請求項 1 9 は、 非晶質半導体膜を形成する工程と、 前記非 晶質半導体膜の周緑の少な く と も一部に、 略水平方向に延びる } つ 以上の突起部を選択的に形成する工程と、 前記突起部が形成された 非晶質半導体膜をァニール処理して結晶化させる工程を含むこ とを 特徴とする半導体膜の製造方法である。
請求項 1 9 によ り製造された半導体膜においては、 請求項 1 2 と 同様の効果を奏する。
さ ら に、 請求項 2 2 によれば、 半導体膜の周辺部における結晶核 を中央部における結晶核よ り も早い時期に発生させ、 その後、 前記 周辺部に発生 した前記結晶核を、 前記中央部において結晶核が'発生 も し く は結晶成長する以前に、 中央部に向けて結晶成長させる の で、 結晶粒径や結晶方位が制御可能となる。
このこ とによ り、 結晶成長の過程にある結晶同士の干渉が防止さ れ、 十分な結晶粒径を得る こ とができる.。 また、 上記の課題を解決するために、 請求項 2 6 に記載の発明は、 チャ ネル領域と、 前記チャ ネル領域の両側に配置され.たソース領 域、 および ド レ イ ン領域とを有する結晶質半導体層が基板上に形成 されてなる結晶質薄膜 ト ラ ンジスタにおいて、 前記結晶質半導体層 は、 非単結晶質薄膜を結晶化 してなるものであ り 、 前記結晶質半導 体層の少な く と もチャネル領域には、 結晶成長方向を制御する結晶 成長方向制御空隙が設けられている こ とを特徴とする。
上記構成による と、 チャネル領域に形成された結晶成長方向制御 空隙が、 非単結晶質薄膜の結晶化に際 してチャ ネル領域の結晶成長 方向を制御する。 したがって、 このような結晶成長方向制御空隙を 有 してなる結晶質半導体層は、 結晶形状や結晶粒界密度が好適に規 制されたもの となっているので、 上記構成の結晶質薄膜 ト ラ ンジス タは、 電界効果移動度等の T F T特性に優れる。
こ こで、 上記結晶成長方向制御空隙とは、 結晶質半導体層 （製造 段階では非単結晶質薄膜） の表面に形成された窪み （凹） であ り 、 こ の ¾みは結晶質半導体層の下層 （基板面ま たはアンダーコー 卜 層） にまで達する ものであっても よ く 、 また下層にまで達しないも のであっても よい。 また、 窪みの大きさや形状についても特に制限 されない。 よって、 結晶質半導体; iの表面積の大小、 厚み、 或いは 所望する電界効果移動度等を勘案して適当に設定できる。 例えば表 面形状が円形、 方形の穴、 或いは細長い溝などが例示でき、 穴また は溝の断面形状と しては C字型や V型、 コ の字型な どが例示で き る。 なお、 結晶成長方向制御空隙の役割 · 機能の詳細については下 記する。
請求項 2 7 に記載の発明は、 チャネル領域と、 前記チャネル領域 の両側に配置されたソース領域、 および ド レ イ ン領域とを有する結 晶質半導体層が基板上に形成されてなる結晶質薄膜 ト ラ ンジスタ に おいて、 前記半導体層が、 非単結晶質薄膜を結晶化 してなる もので あ り 、 前記結晶質半導体層の少な く と もチャ ネル領域には、 ソース 領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向に溝状の空隙が、 2列以上設け ら れている こ とを特徴とする。
この構成による と、 2列以上設けられた溝状の空隙が、 非単結晶 質薄膜の結晶化に際 して、 結晶の成長方向をソース領域と ド レイ ン 領域とを結ぶ方向に誘導する よう に機能するので、 その結果物と し ての po l y - S i膜は、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向に長 い、 大粒の結晶粒の集合体となる。 このよう な po l y- S i膜は、 ソ ース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向における結晶粒界密度が小さ いので、 この方向におけるキャ リ ア移動速度が速い。 つま り 、 上記 構成の結晶質薄膜 ト ラ ンジスタは、 キヤ リ ア移動度等の特性に優れ る。
こ こで、 結晶成長方向制御空隙を設ける と、 結晶成長方向が制御 された大粒の結晶粒が得られる理由を、 図 1 1 および図 2 0 を参照 しながら詳説する。
図 2 0 に示すよ う に、 結晶質半導体層の前駆体である非単結晶質 薄膜表面に、 溝状の結晶成長方向制御空隙 （符号 4 1 1 ) をソース 領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向に 2列以上形成し、 しかる後、 常 法に従って当該薄膜に可吸収性のエネルギービームを照射する と、 薄膜面の温度は、 結晶成長方向制御空隙とその近傍および半導体薄 膜周緣部に低 く 、 チャ ネル領域本体部 （結晶成長方向制御空隙が形 成されていない薄膜部分） に高い温度分布となる。
なぜな ら、 溝部分 （結晶成長方向制御空隙） は、 他の部分に比べ 薄膜の厚みが菏 く なっているか、 または薄膜が存在 しないので、 ェ ネルギービームの吸収が少な く 、 この結果と して溝部分の温度が他 の部分に比べて低く なるからである。 孝た、 通常、 半導体薄膜の外 側には薄膜が存在しないのでエネルギービームの吸収が少ないと共 に、 周縁部では熱が外側に拡散するので、 薄膜中央部分に比較し温 度が低 く なるからである。
次に、 結晶成長方向制御空隙および周緣部に低い温度分布をも つ た非単結晶質薄膜における結晶成長過程を説明する。 なお、 非単結 晶質薄膜の周緑部の温度が低いのは従来技術において も同様なこ と であるので、 こ こでは結晶成長方向制御空隙と結晶成長方向との関 係について、 図 1 1 を参照しながら説明する。
図 1 1 は結晶成長の様を概念的に説明するための図である。 先ず 本体部よ り も温度の低い結晶成長方向制御空隙の周辺に結晶核が発 生する。 そ して、 こ の結晶核は薄膜全体の温度降下に伴って、 よ り 温度の高い方向、 すなわち溝状の結晶成長方向制御空隙から遠ざか る方向 （溝に対 し垂直な方向） に向かって成長する。 こ こで、 上記 構成では、 結晶成長方向制御空隙がソース領域と ド レ イ ン領域と を 結ぶ方向に 2 列以上設け られているので、 対向する 2 つの結晶成長 方向制御空隙付近でそれそれ発生 した結晶核は、 逆の方向からそれ それチ ヤ ネル領域本体部の中央に向かって成長する。
このため、 結晶粒同志がチャ ネル領域本体部の中央付近でぶっか り合う こ とになるが、 結晶成長方向制御空隙から遠い中央付近は他 の部分よ り も温度が高 く 、 未だ分子が自由に動き得る状態にある。 よって、 ぶっか り合いを避ける方向、 すなわちソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向（溝と平行な方向） に結晶成長が誘導される （図 1 1 a参照）。 この結果、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向 に長い大粒の結晶粒が形成される （図 1 1 b参照）。 このよ う な形 状の結晶粒の集合体からなるチャネル領域である と、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向の結晶粒界密度が小さいので、 電界効果 移動度等の T F T特性に優れた結晶質薄膜 ト ラ ン ジス タが構成で き る o
請求項 2 8 に記載の発明は、 請求項 2 6 に記載の発明において、 前記結晶成長方向制御空隙が、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ 方向に不連続的に複数設けられているこ とを特徴とする。
不連続的に複数の結晶成長方向制御空隙を配置 したこの構成であ る と、 結晶成長がよ り極め細かに制御され、 特に結晶成長方向制御 空隙を 2 列以上配列 した場合には、 結晶粒の大きさや形状を一層極 め細かに制御できる。 この理由を次に説明する。
上記請求項 2 7 で説明 したよ う に、 よ り早 く 結晶化温度にまで降 温する結晶成長方向制御空隙の近傍で結晶核が発生するが、 各々の 結晶核の間隔が狭いと、 十分に成長する前に他の結晶粒とぶっかつ て結晶成長が止まるため、 多数の微小な結晶粒からなる多結晶質と なる と共に、 結晶粒同志が衝突する境界付近では結晶構造が歪にな る。 このため、 所望の T F T特性が得られない。 このこ とから、 鼋 界効果移動度等の T F T特性を高めるためには、 結晶成長方向を制 御する と共に、 結晶核の発生密度をも適正に制御する必要がある。
こ こで、 空隙を不連続的に配 Sする と、 空隙の近傍で結晶核が発 生するが、 空隙と隣の空隙との中間部分では結晶核が発生 し難い。 したがって、 空隙の数や空隙同志の間隔を調節する こ とによ り 結晶 核の発生密度を制御できる こ とになる。 なお、 空隙と隣の空隙との 中間部分において結晶核が発生 しに く いのは、 この部分 （薄膜物質 が存在する部分） は レーザ照射によ って十分に昇温するからであ る。
請求 I貝 2 9 の発明は、 チャネル領域と、 前記チャネル領域の両側 に配置されたソース領域、 および ド レイ ン領域とを有する半導体; i が基板上に形成されてなる結晶質薄膜 ト ラ ンジスタ において、 前記 結晶質半導体層が、 非単結晶質薄膜を結晶化 してなる ものであ り 、 少な く ともチャネル領域には、 チャネル領域本体部に比較 して結晶 化開始温度が高い早期結晶化領域が設けられている こ とを特徴とす る。
上記構成による と、 早期結晶化領域がチャ ネル領域本体部の結晶 成長を制御する よ う に機能する結果、 結晶粒界密度の小さい良質の 結晶質半導体層が形成できる。 この理由は次の通り である。
早期結晶化領域は、 チャ ネル領域本体部に比較して結晶化閧始温 度が高い部分であるので、 放冷過程において先ず最初に早期結晶化 領域で結晶核が発生する。 よ って、 その後はこの結晶核を中心に し て結晶成長が行われる。 よって、 早期結晶化領域を設ける こ とによ り、 一度に多数の結晶核が発生する現象を防止でき、 その結果と し て、 よ り 大きな結晶粒が集合 した多結晶質半導体層となすこ とがで ぎる。
こ こで、 早期結晶化領域は、 少な く と もチャネル領域に 1 つ以上 配 Ξすればよいが、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向へのキ ャ リ アの移動を障害 しない位置に複数の早期結晶化領域を設けるの も よい。 適正な位置および間隔で複数の早期結晶化領域を薄膜面に 点在させる と、 結晶核の発生密度を適正に制御できるので、 一層良 好な結果が得 られる。 なお、 上記構成における 「結晶化開始温度が 高い」 とは、 チャネル領域本体部に比較し、 よ り高い温度において 結晶化が開始される こ とを意味する。
請求項 3 0 の発明は、 請求項 2 9 に記載の結晶質薄膜 ト ラ ンジス タ において、 前記早期結晶化領域が、 ソース領域と ド レイ ン領域と を結ぶ方向に長い形状のものである こ とを特徴とする。
早期結晶化領域はキヤ リ ア移動させる領域ではないので、 この領 域はソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向に対し幅狭がよい。 な ぜな ら、 早期結晶化領域がソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向 と直交方向に長い形状である と、 早期結晶化領域がキヤ リ ア移動度 を陣害する原因になるからである。
請求項 3 1 の発明は、 請求項 2 9 に記載の結晶質薄膜 ト ラ ンジス 夕 において、 前記早期結晶化領域が、 チャネル領域本体部を構成す る成分と不純物とを含んでなる ものである こ とを特徴とする。
半導体層に不純物を含ませて結晶化開始温度を上げる手段である と、 比較的簡単に早期結晶化領域を形成する こ とができる。 よって、 上記構成の結晶質薄膜 ト ラ ンジスタは、 電界効果移動度等の T F T 特性に優れ、 しかも安価となる。
請求項 3 2 の発明は、 請求項 2 6 に記載の結晶質薄膜 ト ラ ンジス 夕 において、 前記結晶質半導体層が、 シ リ コ ン、 またはシ リ コ ン と ゲルマニ ウ ムの化合物を主成分 とする ものである こ と を特徴とす る
シ リ コ ン、 またはシ リ コ ン とゲルマニウムの化合物は、 入手し易 く かつ結晶化 し易い。 よって、 上記構成である と、 高品質の結晶質 薄膜 ト ラ ンジス タ を安価に提供できる。
以下に記載する請求項 3 3 〜 3 9 の発明は、 上記請求項 2 6 〜 3 2 の結晶質薄膜 ト ラ ン ジスタ の製造方法に関する。 そ して請求項 3 3 〜 3 9 の発明の作用効果は、 概ね上記請求項 2 6 ~ 3 2 の説明で 記載 した と同様である。 したがって、 以下では作用効果の詳細な説 明は省略する。
請求項 3 3 の発明は、 チャ ネル領域と、 前記チャ ネル領域の両側 に配置されたソース領域、 および ド レイ ン領域とを有する結晶質半 導体層を備える結晶質薄膜 ト ラ ンジスタの製造方法において、 少な く とも絶緑性基板の上に非単結晶質簿膜を堆積する工程と、 前記非 単結晶質薄膜に、 結晶成長方向制御空隙を形成する工程と、 結晶成 長方向制御空隙が形成された非単結晶質半導体薄膜に、 エネルギー ビームを照射 して当該薄膜を結晶化する工程と を備える結晶質薄膜 ト ラ ンジスタの製造方法に関する。
上記 求項 3 3 の発明において、 前記結晶成長方向制御空隙を、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向に溝状に形成する こ とがで き、 更に前記結晶成長方向制御空隙を、 ソース領域と ド レイ ン領域 とを結ぶ方向に不連続的に複数形成する こ とができる。 そ してこれ らの構成によ り 、 上記 した請求項 2 6 〜 2 8 の結晶質薄膜 ト ラ ンジ スタが作製できる。
請求項 3 6 の発明は、 チャネル領域と、 前記チャネル領域の両側 に配置されたソース領域、 および ド レイ ン領域とを有する結晶質半 導体層が形成されてなる結晶質薄膜 ト ラ ンジスタの製造方法におい て、 少な く と も絶縁性基板の上に非単結晶質薄膜を堆積する工程 と、 前記非単結晶質半導体薄膜の一部に、 当該部分の結晶化開始温 度を高める不純物をイ オン注入して不純物を含む早期結晶化領域を 形成する早期結晶化領域形成工程と、 前記早期結晶化領域形成工程 の後、 エネルギービームを照射 して当該薄膜の結晶化を行う工程 と、 を備える結晶質薄膜 ト ラ ンジスタの製造方法に関する。
上記請求項 3 6 の発明において、 前記早期結晶化領域形成工程 で、 前記ソース領域と前記 ド レ イ ン領域とを結ぶ方向に長い帯状の 早期結晶化領域を形成する こ と がで き、 更に前記早期結晶化領域 を、 前記ソース領域と前記 ド レ イ ン領域とを結ぶ方向に不連続的に 配置する こ とができる。 そ してこれらの構成によ り 、 上記した請求 項 2 9 〜 3 1 の結晶質薄腴 ト ラ ンジスタが作製できる。
更に、 製造方法に関する上記各発明においては、 前記エネルギー ビーム と して、 エキシマ レ一ザビームを用い る こ とがで きる。
エキシマ レ一ザは、 光エネルギーが大きいと共に、 U V光である のでシ リ コ ンによ く 吸収される。 よって、 エキシマ レ一ザビームを 用いる と、 効率よ く 非単結晶質半導体層の結晶化を行う こ とがで き、 特に非単結晶質半導体眉がシ リ コ ン等の紫外線吸収性の物質で 組成されている場合においては、 半導体層のみを選択的に加熱 し溶 融させる こ とができる。 したがって、 照射領域以外の部分に対し熱 的悪影響を及ぼすこ とな く 、 半導体層の結晶化を行える と共に、 基 板温度の上昇が小さいので、 安価なガラス基板が使用できる。 更に エキシマ レーザと U V吸収性の薄膜材料との組み合わせである と、 結晶成長方向制御空隙と、 吸半導体屑本体部との温度差が大き く な るので、 結晶成長方向制御空隙の機能 （結晶成長方向を制御する機 能） が十分に発揮される。 また、 本発明者らは、 結晶化のメ カニズムに対する上記考察を踏 まえて、 結晶を十分に成長させる方法について鋭意研究 した。 その 結果、 光ビーム幅内の光強度分布を意図的に不均一にする こ とによ り 、 結晶化が円滑に進行し、 その結果と して良質の結晶質薄膜が得 られる こ とを見出 した。 このよ う な知見に基づいて以下の構成の本 発明を完成 した。
すなわち、 請求項 4 0 の発明は、 基板上に形成された非単結晶質 からなる ^膜に光ビームを照射する こ とによ り 、 前記非単結晶質を 結晶化または再結晶化して結晶質半導体薄膜となす結晶質半導体薄 膜の作製方法において、 上記光ビーム と して、 被照射面である前記 薄膜表面に温度勾配若 し く は温度分布の不均一が生 じる よう に、 光 エネルギー強度の分布パターンが調節された光ビームを用いる こ と を特徴とする。
この構成である と、 光ビームが照射された非単結晶質薄膜表面に 温度勾配若 し く は温度分布の不均一が生じるので、 広い範囲で同時 的に微小な結晶核が発生する という上記図 7 f 、 gで説明 した現象 が防止できる。 したがって、 相対的に大きな結晶粒が得られ、 また 結晶化度の均一性が高まる。 この結果、 結晶粒界の密度が小さ く な り、 電界効果移動度が向上する。
請求項 4 1 の発明は、 請求項 4 0記載の結晶質薄膜の作製方法に おいて、 前記光ビーム と して、 ビーム幅内における光強度が一方か ら他方へ単調に増加 しまたは一方から他方へ単調に減少する分布パ ターンを有する光ビームを用いる こ とを特徴とする。 この構成である と、 光エネルギー強度の高低に対応 して、 被照射 面である非単結晶質菏膜表面に温度勾配が形成され、 結晶化が温度 の低い所から温度の高い方向に誘導される。 よって、 無秩序な結晶 核の発生や無秩序な結晶の成長が防止されるので、 上記図 7 f 、 g で説明 したよ う な現象が確実に防止でき る。
こ こで、 結晶質薄膜を例えばソース領域一チャネル領域一ド レイ ン領域とからなる半導体回路に使用する場合においては、 好ま し く はソース 一 ド レイ ン方向と平行な方向に光エネルギーの強度勾配を 形成する。 このよう にする と、 結晶成長の方向がキャ リ アの移動方 向と平行する方向に規制され、 この方向における結晶粒界密度が小 さ く なる。 よって、 この方法の採用によ り 、 例えば 3 0 0 c m 2 / V s程度ない しそれ以上の移助度が実現できる。
請求項 4 2 の発明は、 請求項 4 0記載の結晶質薄膜の作製方法に おいて、 前記光ビーム と して、 ビーム幅内において相対的に光強度 の強い部分と相対的に光強度の弱い部分とが平面的に交互に配列さ れた分布パターンを有する光ビームを用いる こ とを特徴とする。 光強度の強い部分と弱い部分とからなる縞状のパターンを有する 光ビームが照射される と、 照射面に温度の高い部分と低い部分とか らなる縞状の温度分布パターンが形成できる。 このよう な縞状の温 度分布パターンにおいては、 温度の低い部分 （通常帯状になってい る） から温度の高い部分方向に結晶成長が誘導される。 そ して、 温 度の高い部分 （带） の中央部付近で結晶粒が街突 し、 こ こ に結晶粒 界の連続線 （山脈のよ う な連続線） が形成される と共に、 この連続 線と平行な方向にやや長い結晶粒が形成される。
したがって、 この構成によっても、 上記図 7 f 、 gで説明 したよ う な現象が防止でき、 更に上記請求項 4 1 の発明における と同様な 効果も得られる。 すなわち、 相対的に光強度の強い領域と光強度の 弱い領域とをソース一ド レイ ン方向に平行させて配置 し結晶化を行 う。 このよ う にする と、 結晶粒の衝突線がソース一ド レイ ン方向と 平行にな り 、 キヤ リ アが移動度を大き く 低下させる原因になる結晶 粒の銜突線 （結晶粒界の境界線） を横断する こ とがな く なる。 よつ て、 高い移動度を有するチャネル領域が形成できる こ とになる。 請求項 4 3 の本発明は、 請求項 4 2 記載の結晶質薄膜の作製方法 において、 前記光ビーム と して、 少な く と も 2 つの互いにコ ヒーレ ン 卜 な光を同時に照射 して光千涉を生 じさせるこ とによ り形成した 光ビームを用いる こ とを特徴とする。
光干渉を利用する この構成である と、 きめ細かな光強度分布を形 成でき、 その結果と して照射面にきめ細かな縞状の温度分布が形成 できる。 よって、 こ の構成による と、、 比較的幅の広い領域の結晶 化を円滑に進行させる こ とができる。
請求項 4 4 の本発明は、 請求項 4 0 記載の結晶質薄膜の作製方法 において、 前記光ビーム と して、 少な く とも 2 つの互いにコ ヒーレ ン ト な光を同時に照射 し、 かつ前記光の少な く とも 1 つの光の位相 を動的に変調する こ とによ り形成した波動的な千涉パターンを用い る こ とを特徴とする
動的な光干涉パターンを利用する この構成では、 光ビームのエネ ルギー強度分布が波動的に変化 し、 これに対応 して照射面の温度が —方向に移動 してい く よ う に波動的に変化する。 よって、 この構成 である と、 非結晶質薄膜中に含まれる不純物を徐々に有効領域外に 追いやる こ とがで き、 その結果と して高純度かつ移動度に優れた結 晶質薄膜を形成できる。
なお、 上記請求項 4 0 〜 4 4 記載の結晶質薄膜の作製方法におい て、 前記光ビームを基板上の非単結晶質薄膜に対 して相対的に移動 させながら照射 しても よい。 照射面 （非単結晶質薄膜面） に温度勾 配若 し く は温度分布の不均一が生 じる よ う に、 光エネルギー強度の 分布パターンが調節された光ビームを、 薄膜面に対 し相対的に移動 させながら照射する この構成である と、 きめ細かに結晶成長方向を 誘導で きる。 よって、 結晶化度の均一性が高 く 、 一定方向における 結晶粒界密度の小さい良質な結晶質薄膜が得 られる。
請求項 4 5 の発明は、 基板上に形成された非単結晶質からなる薄 膜に光ビームを照射し、 しかる後放熱 して、 前記非単結晶質を結晶 化または再結晶化する結晶質半導体薄膜の作製方法において、 周囲 雰囲気圧力を一定値以上に保つこ とによ り 、 光ビームの照射された 薄膜面に不均一な温度分布を生 じさせる こ とを特徴とする。
この構成である と、 雰囲気ガスを構成する気体分子が溥膜面に衝 突 し離脱する際に薄膜の熱を奪い、 局所的に温度の低い部位を形成 する。 よって、 この部位で結晶核が発生 し、 この結晶核が結晶の成 長を促進するので、 上記図 7 f 、 gで説明 したよ う な現象が防止で ぎる
請求項 4 6 の発明は、 請求項 4 5 に記載の結晶質薄膜の形成方法 において、 前記一定値以上の雰囲気圧力が、 雰囲気ガスが水素ガス のとき、 1 0 -5 t o r r以上である こ とを特徴とする。
1 0 -5 t o r r以上の水素ガス圧中で レーザァニール処理を行う と、 比熱の高い水素分子の運動によ り 上記請求項 4 5 に記載した作 用効果が確実に得られる。 また、 上記の課題を解決するため、 請求項 4 7 の発明は、 半導体 膜の製造方法であって、 基板上に形成された前駆体半導体膜に、 少 な く と も、 上記前駆体半導体膜を結晶化させ得るエネルギを上記前 駆体半導体膜に与える第 1 のエネルギビーム と、 上記第 1 のェネル ギビームよ り 上記前駆体半導体膜の吸収率が小さ く 、 かつ、 上記前 駆体半導体膜を結晶化させ得るエネルギょ り も小さいエネルギを上 記前駆体半導体膜に与える第 2 のエネルギビーム とを照射 して、 上 記前駆体半導体膜を結晶化させる工程を有する こ とを特徴と してい る。
これによ り 、 第 2 のエネルギビームは、 前駆体半導体膜の下部お よび基板にまで到達 しやす く 、 前駆体半導体膜が、 その厚さ方向に わたって加熱される と と もに、 基板も加熱され、 第 1 のエネルギ ビ —ムの照射時と照射終了後との温度差が減少する。 そ こで、 第 1 の エネルギビームが照射される こ とによって加熱され、 溶融した前駆 体半導体膜は、 その照射が終了 した後に、 徐冷されながら、 結晶化 する。 それゆえ、 結晶成長が促進され、 比較的大きな結晶粒が形成 される と ともに、 結晶欠陥が減少 し、 半導体膜の電気的特性が向上 する。
請求項 4 8 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記前駆体半導体膜は、 非晶質シ リ コ ン薄膜である こ とを特徵 と している。
これによ り 、 結晶品質の良好で、 電界効果移動度などの電気的特 性が良好な多結晶シ リ コ ン薄膜を容易に形成する こ とができる。 請求項 4 9 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 1 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数 が、 上記前駆体半導体膜の膜厚のほぼ逆数以上である と ともに、 上 記第 2 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数が、 上 記前駆体半導体膜の膜厚のほほ逆数以下である こ とを特徴と してい る。
これによ り 、 多 く の第 1 のエネルギ ビームが前駆体半導体膜の表 面付近で吸収される一方、 多 く の第 2 のエネルギビームは前駆体半 導体膜の下部および基板にまで到達するので、 前駆体半導体膜が効 率よ く 加熱される と と もに、 基板も加熱され、 第 1 のエネルギビー ムの照射が終了 した後に、 徐冷されて結晶成長が促進されるので、 比較的大きな結晶粒を確実に形成され、 結晶品質の良好な半導体腴 が形成される。
請求項 5 0 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 1 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数 が、 上記前駆体半導体膜の膜厚の逆数のほぼ 1 0倍以上である と も に、 上記第 2 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係 数が、 上記前駆体半導体膜の膜厚のほほ逆数である こ とを特徴と し ている。
これによ り 、 前駆体半導体膜が、 一層、 率よ く加熱され、 よ り 結晶品質の良好な半導体膜が形成される。
請求項 5 1 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であつ て、 上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 互いに波長の異なる光である こ とを特徴と している。
これによ り 、 上記のよ う な吸収率の差を容易に与える こ とがで き る。
上記のよ う な互いに波長の異なる光は、 例えば、 上記第 1 のエネ ルギビームは、 単波長のエネルギビームである と ともに、 上記第 2 のエネルギビームは、 少な く と も可視光領域の波長成分を含む光が 適用で き る。
よ り 具体的には、 第 1 のエネルギビーム と第 2 のエネルギビーム とは、 例えば、 レーザ光と赤外線ラ ンプと、 レーザ光と 白熱光と、 または レ一ザ光とエキシマラ ンブ光となどを用いる こ とができる。 また、 上記のよ う な互いに波長の異なる光と して、 例えば、 上記第 2 のエネルギビームは、 キセノ ンフラ ッ シュ ラ ン プ光など、 少な く とも可視光領域から紫外光領域の波長成分を含む光を用いる こ と も できる。
さ ら に、 上記第 1 のエネルギービーム、 および第 2 のエネルギビ ームは、 レーザ光であっても よい。
すなわち、 レーザ光を用いれば、 エネルギ密度の大きなエネルギ ビームを容易に照射する こ とができるので、 前駆体半導体膜および 基板を効率よ く 加熱する こ とが容易にできる。
具体的には、 例えば、 上記前駆体半導体膜が非晶質シ リ コ ン薄膜 である場合に、 上記第 1 のエネルギビーム と して、 アルゴンフ ヅ素 エキシマ レ一ザ、 ク リ プ ト ンフ ッ素エキシマ レーザ、 キセノ ン塩素 エキシマ レ一ザ、 またはキセノ ンフ ッ素エキシマ レーザのう ちの何 れかの レーザ光、 上記第 2 のエネルギビーム と して、 アルゴン レ一 ザのレーザ光を用いる こ とができる。
また、 上記基板がガラス基板であ り 、 上記前駆体半導体膜が非晶 質シ リ コ ン薄膜である場合に、 上記第 1 のエネルギ ビーム と して、 アルゴン フ ッ素エキシマ レ一ザ、 ク リ プ ト ン フ ッ ^エキシマ レー ザ、 キセ ノ ン塩素エキシマ レ一ザ、 またはキセノ ン フ ッ素エキシマ レーザのう ちの何れかの レーザ光、 上記第 2 のエネルギビーム と し て、 炭酸ガス レーザの レーザ光を用いる こ とができ る。
上記各エキシマ レーザは、 大きな出力を得やすい と ともに、 非晶 質シ リ コ ン薄膜の表面付近で吸収されやすい一方、 上記アルゴ ン レ 一ザの レーザ光は、 ある程度非晶質シ リ コ ン薄膜を透過 して、 非晶 質シ リ コ ン薄膜の厚さ方向にわたって吸収されやす く 、 また、 炭酸 ガス レーザの レーザ光は、 非晶質シ リ コ ン薄膜を比較的よ く 透過 し て、 ガラ ス基板に吸収されやすいので、 非晶質シ リ コ ン薄膜を効率 よ く 加熱でき、 結晶品質の良好な多結晶シ リ コ ン范膜を形成する こ とが容易にで き る と ともに、 生産性を向上させる こ とも容易にで き る。
請求項 6 1 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜における帯状の領域に照射する こ とを特徴と し ている。
このよう に帯状の領域に照射する こ とによ り 、 均一な温度分布で 加熱する こ とが容易にでき、 一様な結晶品質の半導体膜を容易に形 成する こ とができる と ともに、 結晶化工程に要する時間を短 く 抑え る こ と も容易にできる。
請求項 6 2 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 2 のエネルギビームにおける上記前駆体半導体膜への照 射領域は、 上記第 1 のエネルギビームにおける上記前駆体半導体膜 への照射領域よ り も大き く 、 かつ、 上記第 1 のエネルギビームの照 射領域を含む領域である こ とを特徴と している。
これによ り 、 やは り 、 均一な温度分布で加熱する こ とが容易にで き、 一様な結晶品質の半導体膜を容易に形成する こ とができる。 請求項 6 3 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜にほぽ垂直に入射する よ う に照射する こ とを特 徴と している。
このよ う に、 各エネルギビームが前駆体半導体膜にほぼ垂直に入 射する こ と に よ り 、 各エネルギ ビーム の照射む らが低減される の で、 やは り 、 一様な結晶品質の半導体膜を容易に形成する こ とがで さる。
請求項 6 4 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であつ て、 第 2 のエネルギビームは、 少な く と も、 上記第 1 のエネルギ ビ —ムを照射するのに先立って照射する こ とを特徴と している。 上記 第 1 のエネルギ ビームに先立つ上記第 2 のエネルギ ビームの照射 は、 各エネルギビームの照射タイ ミ ングを制御する こ とによ り 行う こ とができるほか、 例えば、 上記前駆体半導体膜の形成された基板 を移動させる と ともに、 上記第 2 のエネルギ ビームは、 上記前駆体 半導体膜における上記第 1 のエネルギビームの照射位置よ り も、 上 記移動方向前方側の位置に照射する こ となどによっても行う こ とが できる。
このよ う な照射を行う こ とによ り 、 第 2 のエネルギビームによつ て半導体膜や基板が十分に加熱された状態で、 第 1 のェネルギビ一 ムによ って結晶化が行われるので、 効率よ く 結晶化工程を行う こ と ができる。
請求項 6 6 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であつ て、 上記第 1 のエネルギビームは、 P 欠的に照射する一方、 上記第 2 のエネルギビームは、 連続的に照射する こ とを特徴と している。 具体的には、 例えば、 第 1 のエネルギビーム と して、 パルス発振の レーザ光、 第 2 のエネルギビーム と して、 連続発振の レーザ光ゃラ ンプの光を用いる こ とができる。
このよ う に、 第 2 のエネルギビームを連続的に照射する こ とによ り 、 基板および前駆体半導体膜を所定の安定 した温度に加熱する こ とが容易にできる と と もに、 第 1 のエネルギビームを間欠的に照射 するこ とによ り 、 基板への熱の伝達を少な く 抑えて、 基板の過大な 加熱による溶融や歪みの発生を防止 しつつ、 前駆体半導体膜の結晶 化を確実に行う こ とが容易にできる。
請求項 6 9 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 互いに同期させて、 問欠的に照射する こ とを特徴と している。 具体 的な照射タイ ミ ングと しては、 例えば、 上記第 1 のエネルギビーム を照射する期間は、 上記第 2 のエネルギ ビームを照射する期間内 で、 かつ、 上記第 2 のエネルギビームの照射周期の 3 分の 2 以下の 期間になるよ う にする こ とが好ま しい。 また、 各エネルギビームは、 具体的には、 第 1 のエネルギビーム と して、 パルス発振の レーザ光、 第 2 のエネルギビーム と して、 パルス発振の レ一ザ光や、 間欠的に 点灯される ラ ンプの光を用いる こ とができる。
このよ う に、 第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のェネルギビ一 ムを間欠的に照射する こ とによ り 、 単位面積あた り に大きな光量で 照射する こ とが容易にでき、 基板の過大な加熱による溶融や歪みの 発生を防止しつつ、 大きなエネルギを与えて加熱するこ とができ る ので、 前駆体半導体膜の結晶化を確実に行う こ とが容易にできる。 特に、 パルス発振の レーザ光は、 大出力のものが得やす く 、 広い面 積にわたって高温に加熱する こ とが容易にでき るので、 結晶化工程 に要する時間を短 く 抑えて生産性を向上させる こ と も容易にで き る。
請求項 7 3 、 または請求項 7 4 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜 の製造方法であって、 上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のェ ネルギビームは、 上記前駆体半導体膜が 3 0 0 以上 1 2 0 0 以 下、 さ ら に好ま し く は、 6 0 0 。C以上 1 1 0 0 て以下の温度に加熱 される よ う に照射する こ とを特徴と している。
このよ う な範囲の温度に前駆体半導体膜を加熱する こ とによ り 、 部分的に微細な結晶が生 じる こ とによる結晶欠陥ゃ不均一な結晶化 を防止 しつつ、 結晶化する際の温度変化をゆるやかに して結晶成長 を促進 し、 大きな結晶粒を形成する こ とが容易にできる。
請求項 7 5 の発明は、 請求項 4 7 の半導体胶の製造方法であ つ て、 さ ら に、 上記前駆体半導体膜の形成された基板をヒータ によ り 加熱する工程を有する こ とを特徴と している。 具体的には、 例えば、 上記前駆体半導体膜の形成された基板が 3 0 0て以上 6 0 0 'C以下 の温度になる よ う に加熱する こ とが好ま しい。
このよ う に、 第 2 のエネルギビームに加えて、 ヒー夕 によって基 板を加熱する こ とによって、 一層、 前駆体半導体膜を効率よ く加熱 する こ とができ る と と もに、 徐礼して結晶成長を促進する こ とが容 易にできる。 しかも、 従来のヒータだけによつて基板を加熱する場 合に比べて、 短時間で所定の温度に加熱する こ とができるので、 生 産性を容易に向上させる こ とができる。
請求項 7 7 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 1 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜における複 数の領域に照射する と ともに、 上記第 2 のエネルギビームは、 上記 複数の領域の一部についてだけ照射する こ と を特徴と している。
この よ う に部分的に第 2 のエネルギ ビーム を照射する こ とに よ り 、 例えば特に高い電気的特性が必要な領域だけについて結晶性を 向上させる こ とができ るので、 短時間の結晶化工程で、 必要十分な 結晶化を行い、 生産性を向上させる こ とが容易にでき る。
請求項 7 8 の発明は、 請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であ つ て、 上記第 2 のエネルギビームは、 上記基板における吸収率が、 上 記上記前駆体半導体膜における吸収率よ り も大きいこ とを特徴と し ている。 また、 さ ら に、 上記第 1 のエネルギ ビームは、 上記前駆体 半導体膜の吸収係数が、 上記前駆体半導体膜の膜厚の逆数のほぼ 1 0倍以上である こ とが好ま しい。
具体的には、 例えば、 上記基板はガラ ス基板であ り 、 上記前駆体 半導体膜が非晶質シ リ コ ン溥膜である場合に、 上記第 1 のエネルギ ビーム と して、 アルゴン フ ッ素エキシマ レーザ、 ク リ プ ト ン フ ッ 素 エキシマ レ一ザ、 キセノ ン塩素エキシマ レ一ザ、 またはキセノ ンフ ッ素エキシマ レ一ザのう ちの何れかの レーザ光、 上記第 2 のェネル ギ ビーム と して、 炭酸ガス レ ーザの レ ーザ光 を用 い る こ とがで き る。
これによ り 、 多 く の第 1 のエネルギビームが前駆体半導体膜の表 面付近で吸収される一方、 多 く の第 2 のエネルギビームは基板に吸 収されるので、 前駆体半導体膜が効率よ く加熱される と と もに、 基 板も加熱され、 第 1 のエネルギビームの照射が終了 した後に、 徐冷 されて結晶成長が促進されるので、 比較的大きな結晶粒を確実に形 成され、 結晶品質の良好な半導体膜が形成される。
請求項 8 1 の発明は、 基板上に形成された前駆体半導体膜を結晶 化させる半導体膜の製造装置であって、 第 1 のエネルギ ビームを照 射する第 1 の照射手段と、 上記第 1 のエネルギビーム よ り上記前駆 体半導体膜の吸収率が小さい第 2 のエネルギビーム とを照射する第 2 の照射手段とを備えたこ とを特徴と している。
これによ り 、 第 2 のエネルギビームは、 前駆体半導体膜の下部お よび基板にまで到達 しやす く 、 前駆体半導体膜が、 その厚さ方向に わたって加熱される と と も に、 基板も加熱され、 第 1 のエネルギ ビ —ムの照射時と照射終了後との温度差が減少する。 そこで、 第 1 の エネルギビームが照射される こ とによって加熱され、 溶融した前駆 体半導体膜は、 その照射が終了 した後に、 徐冷されながら、 結晶化 する。 それゆえ、 結晶成長が促進され、 比較的大きな結晶粒が形成 される と と もに、 結晶欠陥が減少 し、 電気的特性が向上 した半導体 膜を製造する こ とができ る。
請求項 8 2 の発明は、 請求項 8 1 の半導体膜の製造装置であ つ て、 上記第 2 の照射手段は、 放射状に第 2 のエネルギビームを発す るラ ンプである と と もに、 さ ら に、 上記第 2 のエネルギビームを集 光する凹面反射鏡を備えたこ とを特徴と している。
これによ り 、 基板等を効率よ く 加熱する こ とができる と ともに、 温度分布を均一化 して、 一様な結晶品質の半導体膜を形成する こ と が容易にできる。
請求項 8 3 の発明は、 請求項 8 1 の半導体膜の製造装置であ つ て、 さ ら に、 上記第 1 のエネルギビーム と第 2 のエネルギビーム と のう ち、 いずれか一方を反射する一方、 他方を透過させる反射板を 備え、 上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームを、 何れも上記前駆体半導体膜にほぼ垂直に入射させる よう に構成され ている こ と を特徴と している。
このよ う に、 各エネルギビームが前駆体半導体膜にほぼ垂直に入 射する こ と に よ り 、 各エネルギ ビームの照射む らが低减される の で、 やは り 、 一様な結晶品質の半導体膜を容易に形成する こ とがで ぎる。
上記のよう な第 1 の照射手段、 および第 2 の照射手段は、 具体的 には、 例えば、 上記前駆体半導体膜が非晶質シ リ コ ン薄膜である場 合に、 上記第 1 の照射手段は、 アルゴンフ ッ素エキシマ レーザ、 ク リ プ ト ン フ ッ素エキシマレーザ、 キセ ノ ン塩素エキシマ レ一ザ、 ま たはキセノ ン フ ッ素エキシマレーザのう ちの何れか、 上記第 2 の照 射手段と して、 アルゴン レ一ザを用いる こ とができる。
また、 上記基板がガラス基板であ り 、 上記前駆体半導体胶が非晶 質シ リ コ ン薄膜である場合に、 上記第 1 のエネルギビームと して、 アル ゴ ン フ ッ 索エキ シ マ レ 一ザ、 ク リ プ ト ン フ ッ 素エキ シマ レ ー ザ、 キセ ノ ン塩素エキシマ レ一ザ、 ま たはキセ ノ ン フ ッ素エキ シマ レーザの う ちの何れかの レーザ光、 上記第 2 のエネルギビーム と し て、 炭酸ガス レーザの レーザ光を用いる こ とができる。 また、 上記の課題を解決するために、 請求項 8 6 の発明は、 画像 表示領域と駆動回路部領域とを有する基板上に形成された非単結晶 半導体薄膜にエネルギビームを照射 して結晶成長させる工程を有す る半導体薄膜の製造方法であって、 上記画像表示領域への第 1 の照 射は、 ビームの断面形状が線状のエネルギ ビーム を用いて行う 一 方、 上記駆動回路部領域への第 2 の照射は、 ビームの断面形状が角 状のエネルギビームを用い、 かつ、 上記第 1 の照射よ り も高いエネ ルギ密度で行う こ と を特徴と している。
また、 請求項 8 7 の発明は、 画像表示領域と駆動回路部領域と を 有する基板上に形成された非単結晶半導体薄膜にエネルギビームを 照射 して結晶成長させる工程を有する半導体薄膜の製造方法であつ て、 上記画像表示領域への第 1 の照射は、 上記基板に対 して相対的 にエネルギビームを走査 し、 エネルギビームの照射領域を所定のォ 一バラ ッ ブ量でずら しながら照射する走査照射である一方、 上記駆 動回路部領域への第 2 の照射は、 上記基板に対 して相対的にェネル ギビームを固定 して行う静止照射で、 かつ、 上記第 1 の照射よ り も 高いエネルギ密度で行う こ とを特徴と している。 具体的には、 例えば液晶表示装置を構成する薄膜 ト ラ ン ジス 夕 の、 半導体膜特性の均一性が要求される画素部分と、 特性 （特に移 動度の高さ） が求め られる駆動回路部分とで レ一ザ照射方法を異な ら しめる。 すなわち、 基板上に形成された非晶質シ リ コ ンに レーザ 光を照射 して非晶質シ リ コ ンを溶融、 結晶化させて多結晶シ リ コ ン を形成する レーザァニ一ルをする際に、 基板面内の駆勛回路部領域 に照射する レーザ光のエネルギー密度を、 画素部領域に照射する レ 一ザ光のエネルギー密度よ り高 く して レーザァニ一ルを行って駆動 回路部領域と画素部領域とで特性の異なる多結晶シ リ コ ンを形成す る ものである。 よ り 具体的には、 例えば、 画素部領域のみ、 または 基板全面に対 して第 1 の レーザ光照射を行った後、 駆動回路領域に 対して前記第 1 のレーザ光照射の際の レーザ光よ り もエネルギー密 度の高い第 2 の レーザ光照射を行う。
この構成によれば、 駆動回路部領域の多結晶シ リ コ ンの移動度が 画素部領域の多結晶シ リ コ ンの移動度よ り も高 く なる一方で、 画素 部領域の多結晶シ リ コ ンの特性を面内で均一にする こ とができる。
また、 第 1 の レーザ光照射の際の レーザ光が線状と し、 第 2 の レ —ザ光照射の際の レーザ光が角状とする こ と によ り 、 基板を固定す るステージを 9 0 度回転させる こ とな く レーザァニールを行う こ と ができる。
さ ら に、 第 1 のレーザ光照射がレーザビームの照射場所をずら し ながら複数回照射する走査照射と し、 第 2の レーザ光照射がレーザ ビームの照射場所を固定 して照射する静止照射とする こ とによ り 、 駆動回路部領域の多結晶シ リ コ ンの移動度を高める と と もに、 均一 性も達成する こ とがで きる。
また、 駆動回路部領域内の複数の領域に異なるエネルギー密度を 有する レーザ光を照射して レーザァニールを行い、 前記駆動回路部 領域内で特性の異な る多結晶シ リ コ ンを形成する こ と も可能であ る。 こ の場合、 ラ ッチやシ フ ト レ ジス 夕 内の ト ラ ンス フ ァ一ゲー ト の形成される領域とその他の領域で異なるエネルギー密度を有する レーザ光を照射 して レーザァニールを行う こ とが好ま しい。
さ ら に以上の レーザァニール方法においては、 T F Tパターン上 に レーザビーム端がこないよ う に レーザ光を照射する こ とが好ま し い o
また、 本発明の半導体薄膜の製造装置は、 エネルギビーム発生手 段と、 上記エネルギビーム発生手段から発せられたエネルギビーム をエネルギの均一な所定の ビーム断面形状に整形する均一化手段と を備え、 上記整形されたエネルギビームを、 基板上に形成された非 単結晶半導体簿膜に照射 して結晶成長させる半導体薄膜の製造装置 であって、 さ らに、 上記エネルギビームの透過率が互いに異なる領 域を有する フ ィ ルタを備え、 上記フ ィ ルタ を介して、 上記非単結晶 半導体薄胶における複数の領域に、 互いに異なるエネルギ密度で上 記エネルギビームの照射を行う よう に構成されたこ とを特徴と して いる。
こ の構成によ り 、 同一基板面内に特性の異なる複数の多結晶半導 体膜を形成する こ とが可能となる。
上記の構成において、 マスクの透過率が光学薄膜等によって変化 している レ一ザァニール装置とする こ とによ り 、 透過率の分布を正 確に作成する こ とが可能とな り 、 また、 マス ク と レーザ光を処理室 内の基板に照射するための窓が同一体である レーザァニール装置と する こ とによ り 、 装置の構造が簡略化される と と も に、 光量の減衰 を輊減する こ とが可能となる。 また、 エネルギビーム発生手段と、 上記エネルギビーム発生手段 から発せられたエネルギビームをエネルギの均一な所定のビーム断 面形状に整形する均一化手段とを備え、 上記整形されたエネルギビ ームを、 基板上に形成された非単結晶半導体薄膜に照射 して結晶成 長させる半導体薄胶の製造装置であって、 上記均一化手段が、 エネ ルギ ビームを複数のビーム断面形状に選択的に切 り 替えて整形し得 る よ う に構成されている こ とを特激と している。
この構成によ り 、 基板上の各場所に最適な形状の レーザ光を照射 する こ とが可能となる。
図 面 の 簡 単 .な 説 明 図 1 は、 アモルフ ァス シ リ コ ン薄膜の透過率特性を示すグラ フ 図 2 は、 従来の薄膜 ト ラ ンジスタ （ T F T ) の概略を示す平面図、 断面図
図 3 は、 従来のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示す説明図 図 4は、 従来技術にかかる平坦な光強度分布を も った光ビームの 強度パターンを示す図
図 5 は、 従来技術における結晶化領域内の結晶化度の不均一性を 示す模式図
図 6 は、 図 5 の A— A線部分におけるラ マ ン強度曲線
図 7 は、 平坦な光強度分布をも った光ビームを用いた場合におけ る結晶化の進行状況を説明するための説明図
図 8 は、 従来方式による レーザ光照射での多結晶化の原理を示す 説明図
図 9 は、 従来の レーザァニール装置の概略図 図 1 0は、 液晶ディ スブレイ の レーザァニール領域を示す説明図 図 1 1 は、 結晶成長方向制御空隙を設けた a— S i膜における結 晶成長方向を示す説明図
図 1 2は、 実施の形態 1 一 1 の多結晶化の原理を示す説明図 図 1 3は、 実施の形態 1 一 1 の多結晶シ リ コ ン薄膜の結晶化度合 レ、を示すグラ フ
図 1 4は 、 実施の形態 1 一 2の T F Tの平面図、 断面図 図 1 5は、 実施の形態 1一 3の T F Tの平面図、 断面図 図 1 6は、 実施の形態 2 — 1 の T F Tの平面図、 断面図 図 1 7は、 実施の形態 2 — 2の T F Tの平面図、 断面図 図 1 8は、 実施の形態 2 一 1 の T F Tの製造工程を示す説明図 図 1 9は、 実施の形態 2 — 2の T F Tの製造工程を示す説明図 図 2 0は、 実施の形態 3 — 1 の T F Tの構成を示す平面図、 断面 図
(図 2 0 ( a ) は平面図、 図 2 0 ( b ) は図 2 0 ( a ) の A— A， 断面図）
図 2 1 は 、 実施の形態 3 — 1 の図 2 0 ( a ) の B— B， 断面図 図 2 2は 、 実施の形態 3 — 1 の T F Tの製造工程を示す説明図 図 2 3は 、 実施の形態 3 — 2の T F Tの構成を示す平面図、 断面 図
(図 2 3 ( a ) は平面図、 図 2 3 ( b ) は図 2 3 ( a ) の C一 C ' 断面図）
図 2 4は 実施の形態 3 2の図 2 3 ( a ) の！）一 D ' 断面図 図 2 5は 実施の形態 3 2の T F Tの製造工程を示す説明図 図 2 6は 実施の形態 3 3の T F Tの構成を示す平面図 図 2 7 は 実施の形態 3 1〜 3の変形例の結晶成長方向制御空 隙を有する T F Tの構成を示す平面図
図 2 8 は、 実施の形態 3 — ：！ 〜 3 の他の変形例の結晶成長方向制 御空隙を有する T F Tの構成を示す断面図
図 2 9 は、 光強度勾配を有する光ビームを用いた場合における結 晶化の進行状況を説明するための図
図 3 0 は、 光強度勾配を有する光ビームを移動 しながら照射 した 様子を模式的に表した図
図 3 1 は、 光強度勾配を有する光ビームを作製するためのフ ィ ル 夕の光透過特性を示す図
図 3 2 は、 相対的に光強度の強い部分と相対的に光強度の弱い部 分とが平面的に交互に配列された光ビームを用いた場合における結 晶化の進行状況を説明するための図
図 3 3 は、 図 3 2 aに示 した分布パターンを有する光ビームを移 動しながら照射 した様子を模式的に表 した図
図 3 4は、 図 3 2 に示 した光ビームを作製するためのフ ィ ルタの 光透過特性を示す図
図 3 5 は、 相対的に光強度の強い部分と相対的に光強度の弱い部 分とが平面的に交互に配列された光ビームの他の態様における光強 度分布パターンを示す図
図 3 6 は、 図 3 5 に示す光強度分布パターンを光干渉によ り 作 り だす原理を示す模式図
図 3 7 は、 図 3 5 の光ビームを用いた場合における結晶化の進行 状況を説明するための図
図 3 8 は、 明線部と暗線部が波動する動的な干渉パターンから光 ビームの作製方法を説明するための模式図
図 3 9 は、 光の干渉パターンが薄膜の厚み方向に形成された様子 をを示す模式図
図 4 0 は、 光照射によ り昇温した薄膜から周囲へ熱が流れてい く 様子を示す図
図 4 1 は、 光照射時における雰囲気圧力及び照射回数と結晶化度 (ラマン強度） との関係を示す図
図 4 2 は、 エキシマ レ一ザを用いて結晶化を行っている様子を示 す模式図
図 4 3 は、 レーザァニールにおける雰囲気圧力 と結晶化度との関 係を調べるための実験装置を示す図
図 4 4 は、 実施の形態 5 — 1 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示 す説明図
図 4 5 は、 実施の形態 5 — 1 、 2 のポ リ シ リ コ ン薄膜のラマン散 乱測定結果を示すグラ フ
図 4 6 は、 実施の形態 5 — 2 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示 す説明図
図 4 7 は、 ガラ スの透過率特性を示すグラ フ
図 4 8 は、 実施の形態 5 — 3 の微結晶シ リ コ ン薄胶が形成された ガラス基板の構成を示す斜視図
図 4 9 は、 実施の形態 5 — 3 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示 す説明図
図 5 0 は、 各実施の形態 5 — 3 〜 9 の T F Tの特性を示すグラ フ 図 5 1 は、 実施の形態 5 — 3 のポ リ シ リ コ ン薄膜の他の製造方法 を示す説明図
図 5 2 は、 実施の形態 5 — 4 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示 す説明図
図 5 3 は、 実施の形態 5 — 5 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示 す説明図
図 5 4 は、 実施の形態 5 — 6、 7 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法 を示す説明図
図 5 5 は、 実施の形態 5一 7 の加熱温度と結晶粒 Sとの関係を示 すグラ フ
図 5 6 は、 実施の形態 5一 7 の加熱温度と電界効果移動度との関 係を示すグラ フ
図 5 7 は、 実施の形態 5一 8 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示 す説明図
図 5 8 は 実施の形態 5一 8 の照射タ イ ミ ングを示す説明図 図 5 9 は 実施の形態 5 — 9 のポ リ シ リ コ ン薄膜の製造方法を示 す説明図
図 6 0 は 実施の形態 6 - 1 における液晶ディ スプレイ の レーザ 光の照射領域を示す説明図
図 6 1 は、 実施の形態 6一 1 における レーザ光の照射方法を示す 説明図
図 6 2 は 実施の形態 6一 2 における レーザァニール装置の概略 図
図 6 3 は 実施の形態 6一 2、 3 における レーザ光の照射領域を 示す説明図
図 6 4は 実施の形態 6一 3 における レーザ照射回数に対する移 動度の依存性を示すグラ フ
図 6 5 は、 実施の形態 6一 5 における レーザァニール装置の概略 図
図 6 6 は、 実施の形態 6 - 5 のマスク部材の構成を示す平面図 図 6 7 は、 実施の形態 6一 6 の レーザァニール方法を示す説明図 図 6 8 は、 実施の形態 6 — 6 の他のレーザァニール方法を示す説 明図 発明を実施するための最良の形態 実施例に基づいて本発明の内容を具体的に説明する。
(実施の形態 1一 1 )
基板上に熱伝導率の異なる領域を設け、 半導体薄膜に温度分布を 持たせて、 結晶成長を制御する例を図 1 2 に基づいて説明する。
ガラ ス基板等の透明絶縁性基板 2 0 1 上には、 図 1 2 ( c ) に示 すよ う に、 全面にわたって下層絶縁膜 2 0 2 が形成されている。 下 層絶縁膜 2 0 2上には、 部分的に、 上記下層絶縁膜 2 0 2 よ り も熱 伝導率が低い材料から成るス 卜 ライ ブ状の上層絶緣膜 2 0 3 が形成 されている。 さ らに、 上記下屑絶縁膜 2 0 2 上、 および上層絶縁膜 2 0 3 上には、 非晶質シ リ コ ン薄膜 2 0 4が形成されている。
上記非晶質シ リ コ ン薄膜 2 0 4 に、 図 1 2 ( a ) に示すような X , y方向のエネルギ密度分布を有する ラ イ ン状の レーザ光を照射する こ とによ り 、 多結晶シ リ コ ン簿膜 2 1 0 が形成される。 その際、 上 記のよ う に上層絶緣膜 2 0 3 の熱伝導率が下層絶縁膜 2 0 2 の熱伝 導率よ り も低いため、 図 1 2 ( b ) に示すよ う に、 非晶質シ リ コ ン 薄膜 2 0 4 における上層絶縁膜 2 0 3 上の領域の方が、 上層絶緣膜 2 0 3 の間の領域よ り も高い温度になる。 そこで、 非晶質シ リ コ ン 薄膜 2 0 4の結晶化は、 上層絶緑膜 2 0 3 の間の領域から始ま り 、 上層絶緣膜 2 0 3上の領域に向けて結晶が成長する。 それゆえ、 上 層絶緣膜 2 0 3 の間の領域では結晶粒同士の衝突が生 じに く く 、 比 較的結晶粒の大きな大結晶粒領域 2 1 0 bが形成される一方、 上層 絶縁膜 2 0 3 の上方の領域では、 上層絶縁膜 2 0 3 の両側から成長 してきた結晶粒同士が衝突するため、 小結晶粒領域 2 1 0 aが形成 される。
上記のよ う に して形成された多結晶シ リ コ ン薄膜 2 1 0 と、 従来 の方法によって多結晶化が行われた多結晶シ リ コ ン薄膜との結晶化 度合いをラ マ ン分光分析のピーク強度によ り 比較した。 結果を図 1 3 に示す。
こ こで、 本実施の形態の多結晶シ リ コ ン薄膜 2 1 0 では、 下層絶 緑膜 2 0 2 と して、 厚さが 2 0 0 n mの窒化珪素薄膜 （熱伝導率 ： 0 . 1 9 W / c m ■ -C ) , 上層絶緣膜 2 0 3 と して、 厚さが 3 0 η m、 幅が約 5 m、 間隔が 2 O ^ mの酸化珪素薄膜 （熱伝導率 ： 0 . 0 1 4 W / c m · °C ) を用いている。 一方、 従来の方法では、 絶縁 膜と して、 厚さが 2 0 0 n mの 1 層の酸化珪素漭膜を用いている。 また、 非晶質シ リ コ ン薄膜の膜厚は、 両者と も 8 5 n mに形成して いる。 なお、 ラマンピーク強度の測定個所は、 両者と もに図 1 2 に おける X方向の照射領域の中央部である。
図 1 3 から明 らかなよう に、 従来の方法では全体に結晶化度が小 さいのに対 し、 本発明の方法の場合には、 A、 B 、 Cで示す上層絶 縁膜 2 0 3上の部分の結晶化度は低いが、 上層絶縁膜 2 0 3 に挟ま れた、 下層絶縁膜 2 0 2 上の部分のラマンピーク強度は大き く なつ てお り 、 結晶化度が大き く 改善されている こ とが認められる。
なお、 上層絶縁膜 2 0 3 のス ト ライ ブパターンの間隔は、 下眉絶 縁胰 2 0 2および上層絶縁胶 2 0 3 の熱伝導率や、 照射するェネル ギ密度等に応 じて最適値が変化するが、 上記の例では、 5 〜 5 0 m、 よ り望ま し く は 1 0 〜 3 0 mが安定に大きな結晶が得られる 範囲と して望ま しかった。
なお、 上記の説明では、 図 1 2 における y方向に関 して、 シ リ コ ン薄膜の表面に温度分布を持たせる例を示 したが、 レーザビームを 静止させて照射する場合には、 同様に X方向に関 して も温度分布を 持たせる よ う に しても よい。 また、 レーザビームを X方向にスキヤ ンする場合には、 照射領域が順次移動する こ とによる温度分布への 彫響も考慮すればよい。 また、 上記のよ う に熱伝導率の差を利用す る と と も に、 さ らにレーザビームのエネルギ密度分布を領域ごとに 異な らせる こ とによって、 温度分布を調整する よう に してもよい。 また、 上記の例では、 上層絶縁膜 2 0 3 の熱伝導率を下層絶縁膜 2 0 2 よ り も低 く して、 上層絶縁膜 2 0 3 の存在 しない領域の結晶 粒径を大き く したが、 逆に、 上層絶縁膜の熱伝導率を下層絶縁膜よ り も大き く して、 上層絶緣膜の形成された領域上の結晶粒径を大き く する よう に しても よい。 ただ し、 一般に前者のほう力 s、 熱伝導率 が高い （シ リ コ ン薄膜の表面温度が低い） 領域の面積を大き く する こ とが容易なため、 シ リ コ ン表面の温度分布における温度勾配をよ り 大き く しゃすい。
また、 熱伝導率の大小 と稱層の上下関係は上記に限ら ず、 逆でも よ く 、 所定の温度分布が形成される よう にすればよい。
また、 上記のよ う に絶縁胰を 2層構造とする場合には、 上層絶縁 膜と下層絶緑膜のエッチング選択比 （エ ッチングレー ト の比） を大 き く 設定すれば、 所望の形状 （厚さ） に上層絶縁膜を形成する こ と が容易にできるため、 大面楨にわたつて均一な厚さで上層絶緣胶を 形成でき、 結果と して、 基板全面にわたって均一な粒径の多結晶シ リ コ ン薄膜を容易に得る こ とができ る。 一方、 熱伝導率が異なる領 域を設けるためには、 例えばシ リ コ ン薄膜の厚さ をエッチング加工 等によって変化させても よい。 この場合には、 エッチング加工の精 度を比較的高 く する必要があるが、 上記のよ う に 2層の絶縁膜を形 成する必要性がないので、 製造工程の簡素化が図られる。
また、 上記のよ う に熱伝導率を異な らせるのに代えて、 熱容量が 異なる領域を形成する こ とによって温度分布を生 じさせる よ う に し ても、 同様に結晶性を向上させる こ とができる。
(実施の形態 1 — 2 )
上記のよ う に して形成された半導体薄膜を用いて形成された多結 晶シ リ コ ン薄膜 ト ラ ンジス タ の例を説明する。
図 1 4 ( a ) は、 多結晶シ リ コ ン薄膜 ト ラ ンジスタの平面図、 図
1 4 ( b ) は、 図 1 4 ( a ) における A— A ' 断面図である。 図 1 4 において、
2 0 1 は透明絶緣性基板、 2 0 2 は下層絶緣膜、 2 0 3 は上層絶緣 膜、
2 0 5 はゲー ト絶縁膜、 2 0 6 はソース電極膜、 2 0 7 は ド レイ ン 電極膜、 2 0 8 はゲ一 卜電極胶、 2 1 0 bは多結晶シ リ コ ン薄膜 2 1 0 の大結晶粒領域 2 1 O bである。 すなわち、 この多結晶シ リ コ ン薄膜 ト ラ ンジスタは、 前記実施の形態 1一 1 で説明 したよ う に し て多結晶化された多結晶シ リ コ ン薄膜 2 1 0 における上層絶縁膜 2 0 3 に挟まれた領域の大結晶粒領域 2 1 0 b だけをエッチング等に よ り選択的に残して用い、 かつ、 ソース一ド レイ ンの方向が上層絶 緣膜 2 0 3 のス ト ライ ブパターンの方向と平行となる よ う に形成さ れている。 なお、 ゲー ト絶縁膜 2 0 5 、 ソース電極膜 2 0 6 、 ド レ ィ ン電極膜 2 0 7 およびゲー ト電極膜 2 0 8 の形成方法と しては、 従来の薄膜 ト ラ ン ジスタ と同様の薄膜堆積、 パターニングによる方 法が適用できる。
このよ う に して得られた多結晶薄膜 ト ラ ン ジスタは、 電界効果移 動度が約 1 8 0 c m 2 / V ' s e c であ り 、 従来の方法で作製 した ト ラ ン ジス タ の電界効果移動度が 7 0 c m 2 / V · s e c であるの と比べて、 T F T特性を大幅に向上させる こ とができた。
なお、 上層絶緣膜 2 0 3 の方向とソース一 ド レイ ンの方向との関 係は上記のよ う に一致させる ものに限らず、 上層絶縁膜 2 0 3 の間 隔等に応 じて形成される結晶粒の長い方向がソース — ド レイ ンの方 向になる よ う にするればよい。
(実施の形態 1 一 3 )
上記実施の形態 1 一 2 よ り も大きなサイ ズの多結晶シ リ コ ン薄膜 ト ラ ンジスタ を形成する例を説明する。
この多結晶シ リ コ ン薄膜 ト ラ ンジスタは、 図 1 5 に示すよう に、 3 本の上層絶緣膜 2 0 3 の間に形成された 2 つの大結晶粒領域 2 1 0 b を用いて形成されている点が上記実施の形態 1 — 2 と異なる。 また、 下層絶緣膜 2 0 2 と しては、 プラズマ C V Dによ り形成され た、 厚さが約 2 0 0 n mの窒化酸化珪素薄膜、 上層絶縁膜 2 0 3 と しては、 厚さが約 4 O n mの酸化珪素薄膜が用い られている。 また、 大結晶粒領域 2 1 O bは、 パターニ ングされて形成された上層絶縁 膜 2 0 3 上に厚さが 8 5 n mの非晶質シ リ コ ン薄膜 2 0 4 を形成 し、 実施の形態 1 ― 1 と同様にエキシマ レ一ザ光の照射を行って多 結晶シ リ コ ン薄膜化する こ とによ り形成されている。
すなわち、 ト ラ ンジスタのサイ ズを大き く するために上層絶縁膜 2 0 3 の間隔を広 く する と、 多結晶化の処理を行う際に、 シ リ コ ン 薄膜表面における ト ラ ンジスタ形成領域と ト ラ ンジスタ形成領域の 周囲の領域の との間の温度勾配を十分大き く する こ とが困難にな り 、 結果と して、 ト ラ ンジスタ形成領域における シ リ コ ンの結晶粒 径を十分に大き く する こ とができないおそれがある。 そこで、 上記 のよ う に上層絶緣膜 2 0 3 の間隔を広 く 設定せずに、 温度勾配を積 極的に大き く して、 良好な結晶状態の大結晶粒領域 2 1 O b を複数 形成し、 これを組み合わせる こ とによ り、 大きなサイ ズで、 しかも 特性の良好な薄膜 ト ラ ンジスタ を形成する こ とができる。 具体的に は、 例えば電界効果移動度が約 2 0 0 c m 2 Z V · s e c と、 非常 に良好な特性の薄膜 ト ラ ン ジス タ が得 られた。
以上のよ う に、 本発明による多結晶シ リ コ ン薄膜 ト ラ ンジスタの 製造方法は ト ラ ンジスタ を作製すべき領域のみを大きな結晶粒とす る こ とがで きるが、 透明絶緑性基板上に形成する絶縁膜と しては、 窒化珪素 と窒化酸化珪素および酸化珪素に限定される ものではな く 、 熱伝導率が異なる組み合わせで、 かつ選択的なエッチングがで きる ものであれば、 特に材料を限定する ものではない。
(実施の形態 2 — 1 )
実施の形態 2 - 1 の半導体素子と して、 やは り 結晶粒の大きな半 導体素子と しての薄膜 ト ラ ン ジス タ の例を説明する。
図 1 6 は薄膜 ト ラ ンジスタの概略図であ り 、 図 1 6 ( a ) は平面 図、 図 1 6 ( b ) は図 1 6 ( a ) における A — A ' 断面図を示 した ものである。
図 1 6 において、 3 0 1 は絶縁性基板であ り 、 こ の絶縁性基板 3 0 1 の上方にアンダーコー ト層 3 0 2 、 さ ら に、 その上方に S i よ り なる非晶質半導体膜が結晶化されて成る半導体層 3 0 3 が設け ら れている。 この半導体層 3 0 3 には、 図 1 6 ( a ) に示すよ う に、 半導体層 3 0 3 の対向する一対の辺に、 半導体層 3 0 3 と同一平面 内で外方に延びる複数の突起部 3 0 3 aが所定の間隔をあけて形成 されている。 なお、 突起部 3 0 3 aは、 ほぼ長方形状に形成され、 その長さ （半導体層 3 0 3 からの突出長） 及び幅 （前記突出長と直 角方向の長さ） が l mに設定されている。 さ ら に、 上記半導体層 3 0 3 を覆う よ う に、 半導体層 3 0 3 の上方に第 1 の絶縁層 3 0 4 が設けられ、 この第 1 の絶縁層 3 0 4上の所定位置に第 1 の電極で あるゲー ト電極 3 0 5 が設け られている。 そ して、 ゲー ト電極 3 0 5 を ¾う よ う に、 第 2 の絶綠層 3 0 6 が設けられ、 第 2 の絶縁層 3 0 6 上の所定位置に、 半導体層 3 0 3 に電気的に接触する一対の第 2 の電極である ソース電極 3 0 7 s と ド レイ ン電極 3 0 7 dが設け られている。
こ こで、 上記突起部 3 0 3 aの幅は、 1 mに限らないが、 結晶 の粒径をよ り 整合させて、 突起部 3 0 3 a毎に 1 つの結晶核を発生 させる よ う にするために、 半導体層 3 0 3 の膜厚 （例えば 0 . 0 5 m ) 以上であって 3 m以下程度とする こ とが望ま しい。 上記数 値範囲を採る技術的理由は、 突起部 3 0 3 aの幅が膜厚よ り 小さい 場合、 突起部 3 0 3 a において発生する結晶核が表面張力の作用を 受け、 半導体層 3 0 3 に引き込まれて しまい、 結晶核が存続し得な い虞がある一方、 突起部 3 0 3 aの幅が 3 ^ ιηよ り 大きい場合、 突 起部 3 0 3 a において 2 つ以上の結晶核が発生する虞があるためで ある。 また、 突起部 3 0 3 aの形状は、 長方形に限らず、 半円形状 や三角形状等の他の形状でも良い。 突起部 3 0 3 aは半導体層 3 0 3 における対向する辺の全長にわたって形成する ものに限らず、 例 えば、 ゲー ト電極 3 0 5 に対応する部分のみに形成 して も良 く 、 要 する に、 素子の特性に影響を与えるチヤ ンネル部分に形成されてい れば良い。 さ らに、 ソース、 ド レ イ ン間の中間付近に位置するよ う に形成する よ う に して も よい。 また、 隣り合う突起部 3 0 3 aの間 隔は、 所望粒径等の条件によ り 適宜選択する こ とができるが、 本実 施の形態においては、 突起部 3 0 3 aの間隔と して、 この突起部 3 0 3 aが設け られる辺に直交する辺の長さ （ w ) と略等 し く なる よ う に設定されている。 なお、 このよ う に設定する こ とは、 縦横方向 の結晶粒の長さがほぼ等 しい大きな結晶粒が形成されやす く なる点 で好ま しいが、 この よ う に設定しない場合でも、 周辺部から規則的 に結晶成長させる こ とによ り 比較的大きな結晶粒が形成される効果 は得られる。
上記のよ う な突起部 3 0 3 aが形成されている こ と に よ り 、 半導 体層 3 0 3 に レーザビームが照射されて加熱された後に、 突起部 3 0 3 a の方が早期に冷却される ため結晶核が発生 しやすい と と も に、 こ の結晶核から半導体層 3 0 3 の中央部に向かって結晶が成長 する。 また、 その際、 隣り合う突起部 3 0 3 a、 および対向する辺 の突起部 3 0 3 aから成長する結晶粒が互いに千涉する こ とな く 半 導体暦 3 0 3 の中央部付近まで成長 しやすいため、 比較的大きな結 晶粒が形成される。 それゆえ、 電界効果移動度を高めて、 T F T特 性を向上させる こ とが容易にできる。
次に、 上記のよう な簿膜 ト ラ ン ジスタ の製造方法について、 図 1 8 を参照 しながら説明する。 図 1 8 は薄膜 ト ラ ン ジス タの製造方法 を示す工程図である。
まず、 図 1 8 ( a ) に示すよ う に、 絶緑性基板 3 0 1 上にアンダ 一コー ト層 3 0 2 を形成し、 上記アンダーコー ト層 3 0 2 上にシ リ コ ンを.被着させて、 非晶質 （非単結晶） の半導体層 3 0 3 を形成す る。 次に、 半導体層 3 0 3上にフ ォ ト レ ジス ト （不図示） を所定の 形状に選択形成 し、 こ の フ ォ ト レ ジス ト をマス ク と して、 前記図 1 6 ( a ) に示すよ う に、 非晶質の半導体層 3 0 3 の対向する辺の全 長にわたって同一平面内で延びる突起部 3 0 3 aを有する形状に形 成し、 その後、 上記フ ォ ト レ ジス ト を除去する。
次に、 図 1 8 ( b ) に示すよ う に、 上記非晶質の半導体層 3 0 3 にエネルギービーム と してのエキシマ レ一ザ光を照射 して結晶化さ せ、 p o l y— S i の改質層 とする。 こ こで、 レ一ザ光の照射後、 周縁の突起部 3 0 3 a に蓄積された熱は半導体層 3 0 3 と平行な平 面内において外側の 3 方向に拡散するのに対 して、 中央部に蓄積さ れた熱は未だ冷却されていない/ ¾緑側に しか逃げ場がないので、 突 起部 3 0 3 a を含めて周緣部の方が中央部に較べて十分早 く 冷却さ れる。 そこで、 突起部 3 0 3 a における結晶核は、 中央部における 結晶核よ り も早い時期に発生 し、 中央部において結晶核が発生も し く は結晶成長する以前に、 こ の周縁に発生 した結晶核が中央部に向 けて結晶成長するので、 結晶粒径や結晶方位が制御可能となる。 こ のこ と によ り 、 結晶成長の過程にある結晶同士の干渉が防止され、 十分な結晶粒径を得る こ とが容易にできる。
続いて、 図 1 8 ( c ) に示すよ う に、 半導体層 3 0 3 及びアンダ —コー ト層 3 0 2上に第 1 の絶縁層 3 0 4 を形成し、 前記第 1 の絶 緣層 3 0 4 上に第 1 の電極である ゲー ト 電極 3 0 5 を遴択形成す る。
その後、 図 1 8 ( d ) に示すよ う に、 前記ゲー ト電極 3 0 5 をマ スク と して用い、 前記半導体層 3 0 3 にイ オン注入法または質量分 離を行わないイ オン ドーピング法によ り ドナーも し く はァクセブタ となる不純物を添加する こ とによって、 ソース領域 3 0 3 s 及び ド レ イ ン領域 3 0 3 d を形成する。
最後に、 図 1 8 ( e ) に示すよ う に、 第 2 の絶綠層 3 0 6 を形成 した後、 コ ンタ ク ト ホールを開口 し、 ソース電極 3 0 7 s 、 ド レイ ン電極 3 0 7 d を選択形成して薄膜 ドラ ンジス夕が得られる。
なお、 上記の例では、 半導体層 3 0 3 と して S i を用いたが、 他 の材料と して S i と G eの化合物などであって も構わない。 また S i Cのよ う な I V族どう しの他の組み合わせや、 G a A sのよ う な I I I族と V族の組み合わせ、 C d S eのよ う な I I族と V I族の 組み合わせでも良い。 また、 多結晶シ リ コ ン薄膜 ト ラ ンジスタ を例 示 して説明 したが、 これに限らず、 他の種々の半導体素子に適用す る こ と も勿論、 可能である。
さ らに、 非晶質の半導体層 3 0 3を多結晶化させる際に、 ェネル ギ一ビーム と してエキシマ レ一ザ一を用いたが、 他のエネルギービ —ムである A r レーザ一、 Y A Gレーザー等の レーザー光、 イ オン ビーム、 電子ビーム等を使用する こ と もできる。
(実施の形態 2 — 2 )
実施の形態 2 — 2の半導体素子と して、 逆ス夕 ガ型の薄胶 ト ラ ン ジス夕の例を説明する。
図 1 7は薄膜 ト ラ ンジスタの概略図であ り 、 図 1 7 ( a ) は平面 図、 図 1 7 ( b ) は図 1 7 ( a ) における A— A ' 断面図を示 した ものである。
この薄膜 ト ラ ンジスタは、 前記実施の形態 2 — 1 と比べて、 主と して、 逆ス夕ガ構造である点と、 突起部 3 0 3 aが半導体層 3 0 3 の全周にわたって形成されている点が異なる。
図 1 7 において、 3 0 1 は絶緣性基板であ り 、 この絶緣性基板 3 0 1 の上方にアンダーコー ト層 3 0 2、 その上方に第 1 の電極であ るゲー ト電極 3 0 5が設け られている。 さ ら に、 ゲー ト電極 3 0 5 を覆う 第 1 の絶緑層 3 0 4が設け られ、 第 1 の絶緣層 3 0 4上に半 導体層 3 0 3が設けられている。 この半導体層 3 0 3 には、 図 1 7 ( a ) に示すよ う に、 半導体層 3 0 3の全周に、 半導体層 3 0 3 と 同一平面内で外方に延びる複数の突起部 3 0 3 aが所定の問隔をぁ けて形成されている。 この突起部 3 0 3 aの形状等は、 実施の形態 2 — 1 と同様である。 こ こ で、 同図においては、 便宜上、 各突起部 3 0 3 aの間隔を狭く 描いているが、 実施の形態 2 — 1 と同様に半 導体層 3 0 3 の幅と同程度に設定する こ とが好ま しい。 ただ し、 同 図に示すよ う に密に形成 した り 、 逆に間隔を長 く 形成した り する場 合でも、 周辺部から規則的に結晶成長させる こ とによ り 比較的大き な結晶粒が形成される効果は得られる。 半導体層 3 0 3 上には、 半 導体層 3 0 3 に電気的に接触する一対の第 2 の電極である ソース電 極 3 0 7 s 、 ド レ イ ン電極 3 0 7 dが形成されている。
次に、 上記のよ うな薄膜 ト ラ ンジスタの製造方法について、 図 1 9 を参照 しながら説明する。 図 1 9 は薄膜 ト ラ ン ジス タ の製造方法 を示す工程図である。
まず、 図 1 9 ( a ) に示すよ う に、 絶緑性基板 3 0 1 上にアンダ 一コー ト層 3 0 2 を形成し、 前記アンダーコー ト層 3 0 2 上に第 1 の電極であるゲー ト電極 3 0 5 を選択形成する。
次に、 図 1 9 ( b ) に示すよ う に、 前記ゲー ト電極 3 0 5及びァ ンダ一コー ト層 3 0 2上に第 1 の絶縁層 3 0 4 を形成し、 前記第 1 の絶緣層 3 0 4上にシ リ コ ンを被着させて、 非晶質 （非単結晶） の 半導体層 3 0 3 を形成する。 次に、 半導体層 3 0 3上にフ ォ ト レ ジ ス ト （不図示） を所定の形状に選択形成し、 この フ ォ ト レ ジス ト を マスク と して、 前記図 1 7 ( a ) に示すよ う に、 非晶質の半導体層 3 0 3 の全周にわたって同一平面内で延びる突起部 3 0 3 aを有す る形状に形成 し、 その後、 上記フ ォ ト レ ジス ト を除去する。
次に、 図 1 9 ( c ) に示すよ う に、 上記非晶質の半導体層 3 0 3 にエネルギービーム と してのエキシマレ一ザ光を照射 して結晶化さ せ、 p o l y — S i の改質層とする。 こ こで、 上記のよう に突起部 3 0 3 aが形成されている こ とによ り 、 前記実施の形態 2 — 1 で説 明 したの と同様に、 十分な結晶粒径を得る こ とが容易にできる。 その後、 図 1 9 ( d ) に示すよ う に、 前記半導体層 3 0 3上に ド —ビングに対するマスク と してのレ ジス ト 3 0 8 を所定の形状に選 択形成 し、 前記レ ジス ト 3 0 8 をマスク と して、 前記半導体; S 3 0 3 にイ オン注入法または質 S分離を行わないイ オン ドービング法に よ り ドナ一、 も し く はァクセプタ となる不純物を添加する こ とによ つて、 ソース領域 3 0 3 s及び ド レ イ ン領域 3 0 3 dを形成し、 そ の後、 レ ジス ト 3 0 8 を除去する。
最後に、 図 1 9 ( e ) に示すよう に、 ソース電極 3 0 7 s、 ド レ イ ン電極 3 0 7 dを選択形成 して薄膜 ト ラ ン ジスタが得られる。 なお、 本実施の形態 2 — 2 において も、 前記実施の形態 2 — 1 で 説明したの と同様の種々の変形が適用可能である。
また、 上記のよ う な逆スタガ型の薄膜 ト ラ ンジスタ に限らず、 前 記実施の形態 2 ― 1 と同様のスタガ型の菏膜 ト ラ ンジスタ を形成し ても、 同様の効果は得られる。 また、 上記のよ う に突起部 3 0 3 a を半導体層 3 0 3の全周にわたって形成するのに代えて、 実施の形 態 2 — 1 と同様に対向する辺だけに形成する よ う に しても よい。 (実施の形態 3 — 1 )
図 2 0ない し図 2 2 に基づいて説明する。 初めに、 本実施の形態 に係る薄膜 ト ラ ンジスタ （ T F T : Thin Film Transistor) の構造 を説明する。
図 2 0 は、 順ス タ ガ型の T F T 4 1 0 の概略を示す模式図であ り 、 図 2 0 ( a ) は T F T 4 1 0の平面図、 図 2 0 ( b ) は図 2 0 ( a ) における A— A ' 矢視断面図である。 図 2 1 は、 図 2 0 ( a ) における B — B ' 矢視断面図である。 図 2 0 に示すよ う に、 T F T 4 1 0は、 絶緣性基板 4 0 1上に、 アンダーコー ト層 4 0 2 と、 p 一 S i膜 4 0 3 と、 第 1 の絶縁膜 4 0 4 と、 第 2の絶縁膜 4 0 6 と、 ゲ一 卜電極 4 0 5、 ソース電極 4 0 7 s及び ド レイ ン電極 4 0 7 d の 3つの電極とが設けられて構成されている。
上記絶縁性基板 4 0 1 は、 例えば歪み点 5 9 3 'C、 厚さ 1 . l m mのガラス基板であ り 、 アンダーコー ト層 4 0 2は例えば S i O 2 からなる薄膜である。 また上記 p— S i胶 4 0 3は、 アンダーコ ー ト層 4 0 2上に本発明の方法を適用 して形成 した多結晶質半導体屑 本体部である。 こ の p— S i膜 4 0 3は、 チャネル領域 4 0 3 aと、 ソース領域 4 0 3 b及び ド レ イ ン領域 4 0 3 c とで構成されてお り 、 ソース領域 4 0 3 b及び ド レ イ ン領域 4 0 3 cは、 チャ ネル領 域 4 0 3 aの両側に位置 している。 該ソース領域 4 0 3 b及び ド レ イ ン領域 4 0 3 cは、 リ ン又はポロ ン等の不純物イ オンを ドーピン グする こ とによ り構成されている。
上記 P— S i膜 4 0 3の材料と しては、 例えばシ リ コ ン （ S i )、 若 し く はシ リ コ ン とゲルマニウム （ G e ) との化合物を用いる。 ま た P— S i膜 4 0 3の膜厚と しては、 好ま し く は 2 0 0 A〜 1 5 0 0 Α、 よ り好ま し く は 3 0 0 Α〜 1 0 0 0 Αの範西内とする。 2 0 O A未満の厚さである と、 膜厚の均一性に問題が生 じ、 1 5 0 O A を超え る と、 光照射によ り ソース · ド レイ ン間に電流が流れる とい う いわゆる フ ォ ト コ ンダク シ ヨ ンの問題が生 じる。 これに対 し 3 0 0 A ~ 1 0 0 O Aの範囲内である と、 膜厚の均一性およびフ ォ ト コ ンダク シ ョ ンの双方を両立できるからである。
更に、 図 2 0 ( a ) のチャネル領域 4 0 3 aの矢印 X方向の幅は、 例えば約 1 2 ^ mと し、 p— S i膜 4 0 3の矢印 Y方向における幅 は、 例えば約 1 4 mとする。
こ こ で、 上記チャ ネル領域 4 0 3 aには、 図 2 0 ( a ) 及び図 2 1 に示すよ う に、 複数の溝状の結晶成長方向制御空隙 4 1 1 …がソ ース領域 4 0 3 b と ド レイ ン領域 4 0 3 c とを結ぶ方向に平行 して 形成されている。 こ の結晶成長方向制御空隙 4 1 1 は、 長手方向の 両端部が半円形状で中央部が直方体形状であ り 、 中央部における溝 幅 （長手方向に直交する方向の潢幅） は約 1 mである。 但 し、 結 晶成長方向制御空隙 4 1 1 の形状は、 特に限定される ものではな い。 例えば長方形等の形状でソース領域 4 0 3 bから ド レイ ン領域 4 0 3 c の方向に形成されていてもよい。
上記チャネル領域 4 0 3 a における結晶粒は、 ソース領域 4 0 3 b又は ド レ イ ン領域 4 0 3 c の方向に細長く 広がった形状となって お り 、 このよ う な結晶粒が多数集合 してチャ ネル領域 4 0 3 a にか かる多結晶半導体層が構成されている。 このよ うな多結晶構造のチ ャネル領域 4 0 3 aでは、 ソース領域 4 0 3 と ド レイ ン領域 4 0 3 c とを結ぶ方向における結晶粒界密度が小さいので、 電荷キヤ リ ァが高速で移動できる。
第 1 の絶縁膜 4 0 4は、 例えば S i 0 2 からなる絶緣膜であ り 、 P - S i膜 4 0 3 及びアンダーコー ト層 4 0 2 の上方に形成されて いる。 ゲー ト電極 4 0 5 は、 例えばアル ミ ニウム （ A 1 ) 等からな り 、 第 1 の絶緣膜 4 0 4 の上方で、 かつ p — S i膜 4 0 3 のチヤネ ル領域 4 0 3 aに対応する位置に設けられている。 また第 2 の絶縁 膜 4 0 6 は、 例えば S i 0 2 からな り 、 上記第 1 の絶緑膜 4 0 4及 びゲー ト電極 4 0 5 の上方に積層されている。
上記第 1 の絶縁膜 4 0 4及び第 2 の絶縁膜 4 0 6 には、 それぞれ P - S i膜 4 0 3 のソース領域 4 0 3 b又は ド レ イ ン領域 4 0 3 c に達するコ ン タ ク ト ホール 4 0 8， 4 0 8 が形成されている。 ソー ス電極 4 0 7 s 及び ド レイ ン電極 4 0 7 dは、 例えば A 1 からな り 上記コ ンタ ク ト ホール 4 0 8 ， 4 0 8を介 して、 上記ソース領域 4 0 3 b又は ド レ イ ン領域 4 0 3 c と接触する よ う に形成されて い る。 ゲー ト電極 4 0 5、 ソース電極 4 0 7 s及び ド レ イ ン電極 4 0 7 dは、 図示の断面以外の部分で所定の形状にパターニングされる こ とによ り 、 配線パターンが構成されている。
次に'、 本実施の形態に係る T F T 4 1 0の製造方法を説明する。 図 2 2は、 T F T 4 1 0の製造工程を示す断面模式図である。 先 ず、 図 2 2 ( a ) に示すよ う に、 絶縁性基板 4 0 1上に、 アンダー コー ト層 4 0 2 を常圧 C V D法にて成膜する。 アンダーコー ト層 4 0 2の膜厚は、 例えば 3 0 0 0 Aとする。
上記ア ンダーコー ト層 4 0 2上に、 例えばプラ ズマ C V D法に て、 S i層を形成し、 この S i層上に、 フ ォ ト レ ジス ト （図示 しな い） を所定の形状に選択的に形成する。 次に、 上記フ ォ ト レ ジス ト をマス ク と して露光 した後、 ェヅチングにて所定の形状にパ夕一二 ングし、 しかる後、 上記フ ォ ト レ ジス ト を除去する。
これによ り 、 前記結晶成長方向制御空隙 4 1 1 …を有する非単結 晶質半導体層と しての a— S i膜 4 1 3が形成できる。 こ こで、 a 一 S i膜 4 1 3の膜厚は、 例えば 6 5 O Aとする。 なお、 結晶成長 方向制御空隙 4 1 1 を微細に形成する場合には、 高精度フ ォ ト レ ジ ス ト と可千渉光の干渉縞による露光を用いるなど しても よい。
a— S i膜 4 1 3の形成に続いて、 図 2 2 ( b ) に示すよ う に、 上記 a— S i膜 4 1 3の全面にエキシマ レーザ一を 1 シ ョ ッ ト照射 して、 該 a— S i膜 4 1 3 を加熱溶融した後、 放冷する。 これによ り 、 結晶質半導体層と しての p— S i膜 4 0 3が形成される。
こ こ で、 エキシマ レーザ一を用いる結晶化法による と、 a— S i 膜 4 1 3は紫外光領域における吸収係数が大きいので、 a— S i膜 1 3 の本体部の温度を十分に上昇させる こ とができる一方、 a — S i が除去された結晶成長方向制御空隙 4 1 1 …の部分は レーザ光 が吸収されないので温度を低 く 保つこ とができる。 したがって、 放 冷過程において、 裒先に結晶成長方向制御空隙 4 1 1 の近傍 （およ び a — S i膜 4 1 3 の周緣部） の温度が結晶化開始温度に到達 し、 こ こ で最初の結晶核が生成する。 そ して、 その後はこの結晶核を中 心に して結晶成長が行われる こ とになるが、 既に説明 したよ う に、 結晶成長方向は、 平行 して設け られた結晶成長方向制御空隙 4 1 1 …に規制されて、 ソース領域 4 0 3 b と ド レ イ ン領域 4 0 3 c と を 結ぶ方向に誘導される。 この結果、 ソース領域 4 0 3 b と ド レ イ ン 領域 4 0 3 c とを結ぶ方向における結晶粒界密度の小さい p — S i 膜が形成される。
前記エネルギービームの照射条件と しては、 例えば X e C l (波 長 3 0 8 n m ) 等のエキシマ レーザーの場合、 ビームの断面形状が、 例えば一辺が数ミ リ の方形である 5 0 n s の レーザ一光パルスを使 用する。 レーザ一光のエネルギー密度 （単位面積当た り の照射エネ ルギ一 ： m J / c m 2 ) と しては、. a - S i 膜 4 1 3 を結晶化させ るのに適 した温度に加熱できる よ う に、 適宜設定すればよい。
なお、 上記エキシマ レ一ザ一と しては、 X e C l の他に、 A r F、 K r F、 X e F等のエキシマ レ一ザ一であっても よい。 複数の結晶 成長方向制御空隙 4 1 1 の相互の間隔については、 a — S i膜の膜 厚や照射条件、 更には所望する電荷キヤ リ アの移動速度を勘案 して 適宜に設定する こ とができ、 こ の実施の形態においては、 約 2 m と してある。 また、 結晶成長方向制御空隙 4 1 1 の幅についても、 a — S i膜の膜厚や、 照射するエネルギービームの種類や強度な ど に応じて適当に設定する こ とができ、 この実施の形態においては、 約 1 mと している。
上記 した結晶化の後、 図 2 2 ( c ) に示すよ う に、 上記 p— S i 膜 4 0 3上に、 第 1 の絶縁膜 4 0 4を常圧 C V D法にて、 膜厚が 1 0 0 O Aとなる よう に成膜する。 更に、 第 1 の絶緑膜 4 0 4上に、 例えば A 1膜を膜厚 2 0 0 O Aになる よう にスパ ッ タ リ ング し、 A 1エッチヤ ン ト液を用いて約 1分間ゥ エ ツ トェヅチングするこ とに よ り 、 所定の形状にパターニングして、 ゲー ト電極 4 0 5及び配線 パターンを形成する。
次に、 図 2 2 ( d ) に示すよう に、 上記ゲー ト電極 4 0 5 をマス ク と して、 p — S i膜 4 0 3 に、 イ オン注入法又は質量分離を行わ ないイ オン ドーピング法にて、 ドナ一若し く はァクセプタ となる不 純物イ オン、 具体的には リ ン又はポロ ン等の不純物イ オンを注入す る。 これによ り 、 上記 p— S i膜 4 0 3 に、 チャネル領域 4 0 3 a と、 ソース領域 4 0 3 b及び ド レイ ン領域 4 0 3 c とが形成さ れ る。
更に図 2 2 ( e ) に示すよう に、 上記ゲー ト電極 4 0 5上に、 例 えば S i 0 2 からなる第 2の絶緣膜 4 0 6 を、 常圧 C V D法にて膜 厚 5 0 0 O Aとなる よう に成膜する。 続いて、 この第 1 の絶緣膜 4 0 4及び第 2の絶緣膜 4 0 6 に、 それそれ p— S i膜 4 0 3のソ一 ス領域 4 0 3 b又は ド レイ ン領域 4 0 3 c に達する コ ンタ ク ト ホ一 ル 4 0 8 , 4 0 8 を開口する。 続いて、 A 1膜をそれぞれ膜厚 3 0 0 0 A及び 3 0 0 0 Aになる よ う にスパッ夕 リ ング した後、 例えば B C 1 3 / C 1 2系ガスを用いた ド ライ エッチングによ り 、 所定の 形状にノ、'ターニングする。 これによ り 、 ソース電極 4 0 7 s及び ド レイ ン電極 4 0 7 d と、 これらの配線パターン とが形成される。 以上で説明 した本実施の形態 3 — 1 による と、 ソース領域 4 0 3 bと ド レイ ン領域 4 0 3 c とを結ぶ方向に長い形状の大粒の結晶粒 が形成でき、 これによ り電界効果移動度に優れたス タガ型の T F T が得られる。 そ してこの実施の形態では、 絶縁性基板 4 0 1 や p— S i膜 4 0 3 に高価な材料を用いていないので、 電界効果移動度に 優れた T F Tを安価に提供できる。
(実施の形態 3 — 2 )
本発明にかかる実施の形態 3 — 2 について、 図 2 3〜図 2 5 に基 づいて説明する。 なお、 実施の形態 3 — 2 にかかる薄膜 ト ラ ンジス 夕の構成要素のう ち、 機能が前記実施の形態 3 — 1 と同様な構成部 材については、 同一の名称と符号を付 して詳細な説明を省略する。 図 2 3は、 本実施の形態 3 — 2 に係る逆ス タガ型の T F T 4 2.0 の概略を示す模式図であって、 図 2 3 ( a ) は上記 T F T 4 2 0の 平面図であ り、 図 2 3 ( b ) は図 2 3 ( a ) における A— A ' 矢視 断面図である。 図 2 4は、 図 2 3 ( a ) における B— B ' 矢視断面 図を示 している。 図 2 3 に示すよ う に、 上記 T F T 4 2 0は、 絶縁 性基板 4 0 1上に、 アンダーコー ト層 4 0 2 と、 p— S i膜 4 0 3 と、 第 1 の絶緣膜 4 0 4 と、 ゲー ト電極 4 0 5、 ソース電極 4 0 7 s及び ド レイ ン電極 4 0 7 dの 3つの電極とが設け られて構成され ている。
上記ゲー ト電極 4 0 5は、 絶縁性基板 4 0 1上のアンダーコー ト 層 4 0 2上に形成されている。 上記第 1 の絶綠膜 4 0 4は、 上記ァ ンダ一コー ト層 4 0 2及びゲー ト電極 4 0 5上に形成されている。 更に、 該第 1 の絶緣膜 4 0 4上には、 p— S i膜 4 0 3が形成され ている。
こ こで、 上記 p— S i膜 4 0 3におけるチャ ネル領域 4 0 3 aに は、 前記実施の形態 3 — 1 と同様に、 複数の溝状の結晶成長方向制 御空隙 4 1 1 …がソース領域 4 0 3 bから ド レイ ン領域 4 0 3 cの 方向に形成されている （図 2 3 ( a ) 及び図 2 4参照。）。 ソース鼋 極 4 0 7 s及び ド レイ ン電極 4 0 7 dは、 p— S i膜 4 0 3上のソ —ス領域 4 0 3 b又は ド レイ ン領域 4 0 3 c と接触するよ う に形成 されている。 尚、 上記ゲー ト ®極 4 0 5、 ソ ース ¾極 4 0 7 s及び ド レイ ン電極 4 0 7 は、 図示の断面以外の部分で.所定の形状にパ ターニングされる こ とによ り 、 配線パターンを構成している。
この実施の形態に係る T F T 4 2 0の製造方法を図 2 5 を参照 し ながら説明する。 図 2 5は、 上記 T F T 4 2 0の製造工程を示す断 面模式図である。 先ず、 前記実施の形態 3 — 1 と同様に して、 絶縁 性基板 4 0 1 上にアンダーコー ト層 4 0 2 を形成する。 さ らに、 該 アンダーコ一 ト層 4 0 2上に所定の形状となる よ う にパターニング して、 ゲー ト電極 4 0 5及び配線パターンを形成する （図 2 5 ( a ) 参照）。
次に、 図 2 5 ( b ) に示すよう に、 上記ゲー ト電極 4 0 5及びァ ンダ一コー ト層 4 0 2上に、 第 1 の絶緣膜 4 0 4を形成する。 更に、 前記実施の形態 3 — 1 と同様に して、 該第 1 の絶縁膜 4 0 4上に、 例えばプラズマ C V D法にて S i層を形成する。 この S i層上に、 フ ォ 卜 レ ジス ト を所定の形状に選択的に形成した後、 このフ ォ 卜 レ ジス ト をマス ク と して露光 した後、 エッチングにて所定の形状にパ 夕一ニングする。 その後、 上記フ ォ ト レ ジス ト を除去する。 これに よ り 、 結晶成長方向制御空隙 4 1 1…を備えた a - S i膜 4 1 3 を 形成し、 図 2 5 ( c ) に示すよ う に、 上記 a— S i膜 4 1 3の全面 にエキシマ レーザ一を照射し、 該 a— S i膜 4 1 3 を結晶化させて p— S i膜 4 0 3 を形成する。
こ こで、 p— S i膜 4 0 3におけるチャネル領域 4 0 3 aには結 晶成長方向制御空隙 4 1 1 …が設けられているので、 前記実施の形 態 3 — 1 と同様に、 形成される結晶粒はソース領域 4 0 3 b又は ド レイ ン領域 4 0 3 cの方向に細長く広がった形状となる。 従って、 ソース領域 4 0 3 b と ド レイ ン領域 4 0 3 c とを結ぶ直線方向にお ける結品粒界を実 的に低減させるので、 ¾界効 ίβ移動度の向上を 図る こ とができる。
その後、 図 2 5 ( d ) に示すよ う に、 上記 p — S i膜 4 0 3 上に レ ジス ト剤を塗布 し、 露光及び現像によ り所定の形状にパターニン グ し、 イ オン遮蔽膜と しての レジス 卜 マスク 4 1 4 を形成する。 上 記レ ジス ト マスク 4 1 4 と しては、 不純物イ オンを遮蔽する もので あれば特に限定される ものではな く 、 公知の種々のものを採用する こ とができる。 具体的には、 例えばポジ レジス 卜 （商品名 ： 0 F P R— 5 0 0 0、 東京応化株式会社製） 等が挙げられる。 また、 レ ジ ス ト剤のよ う に感光性を有するものに限らず、 フ ォ ト リ ソグラ フ ィ —によってパターニング し得るもの等でも よい。
上記レ ジス ト マス ク 4 1 4 をマス ク と して、 p — S i 膜 4 0 3 に、 例えばイ オン ドービング法にて、 リ ン又はポロ ン等の不純物ィ オンを注入する。 これによ り 、 上記 p — S i膜 4 0 3 に、 チャネル 領域 4 0 3 a と、 該チャネル領域 4 0 3 aの両側にソース領域 4 0 3 b及び ド レイ ン領域 4 0 3 c とが形成される。 その後、 上記レ ジ ス ト マスク 4 1 4 を剥離 し、 更に、 図 2 5 ( e ) に示すよ う に、 ソ —ス電極 4 0 7 s及び ド レイ ン電極 4 0 7 d を選択的に形成して、 本実施の形態 3 — 2 に係る逆ス タ ガ型の T F T 4 2 0 を得る。
このよう に して作製した逆スタ ガ型の T F Tにおいても、 上記実 施の形態 3 — 1 と同様に電界効果移動度の向上などの効果が得られ る。 (実施の形態 3 - 3 )
この実施の形態 3 — 3は、 実施の形態 3 — 1、 3 — 2 における結 晶成長方向制御空隙に代えて、 他の領域よ り も高い温度において結 晶化が開始される早期結晶化領域を設けた こ と を特徴とする 。 以 下、 図 2 6 に基づいて実施の形態 3 — 3 にかかる結晶質薄膜半導体 ト ラ ン ジス タについて説明する。 なお、 結晶成長方向制御空隙に代 えて早期結晶化領域を設けたこ と以外は、 前記実施の形態 3 — 1 と 同様であるので、 以下の説明においては、 早期結晶化領域に関する 事項以外の説明を省略する。 また、 前記実施の形態 3 — 1 又は実施 の形態 3 — 2の薄膜 ト ラ ンジスタ と同様の機能を有する構成要素に ついて， 同一の符号を付 した。
図 2 6 に示すよ う に、 p— S i膜 4 0 3 には、 チャネル領域に、 ソース領域から ド レイ ン領域の方向に リ ン又はポロ ン等以外の不純 物イ オンが注入された帯状の早期結晶化領域 4 2 1が形成されてお り 、 このよ う な構造を有する T F T 4 3 0は次のよう に して製造で ぎる
先ず、 前記実施の形態 3 — 1 と同様に して、 上記絶縁性基板 4 0 1 上にアンダーコー ト層 4 0 2 を、 常圧 C V D法にて成膜する。 次 に、 上記アンダーコー ト層 4 0 2上に、 例えばプラズマ C V D法に て、 S i層を形成し、 この S i層上に、 フ ォ ト レ ジス ト を所定の形 状に選択的に形成する。 該フォ ト レ ジス 卜 をマスク と して露光 した 後、 エ ッチングにて所定の形状にパターニングして、 a— S i膜 4 1 3を形成する。
次いで、 a— S i膜 4 1 3のチャネル領域 4 0 3 aにおいて、 ソ —ス領域 4 0 3 bから ド レイ ン領域 4 0 3 c の方向に帯状に リ ン又 はポロ ン等以外の物質でかつ結晶化開始温度を高める こ とのできる 不純物イ オンを注入 して、 早期結晶化領域 4 2 1 を形成する。 そ し て、 早期結晶化領域 4 2 1 が形成された a — S i膜 4 1 3 の全面に エネルギービーム と してのエキシマ レ一ザビームを 5 0 n s程度照 射し、 しかる後放冷して a — S i膜 4 1 3 の結晶化を行う。
こ こで、 a — S i胶 4 1 3 の全面にエネルギービームを照射 した とき、 a— S i膜 4 1 3 面の温度が高ま り 、 その後の放冷によ り a 一 S i膜 4 1 3 の温度が次第に低下するが、 温度降下の過程におい て、 他の領域に先ん じて早期結晶化領域 4 2 1 に最初の結晶核が発 生する。 なぜな ら、 早期結晶化領域 4 2 1 は不純物イ オンを注入す る こ とによ り 、 他の領域よ り も高い温度で結晶化が開始される よ う になっているからである。
その後、 早期結晶化領域 4 2 1 で発生 した結晶核を中心に して結 晶成長が行われる。 よって、 大きな結晶粒が集合した p o l y- S i膜 が形成できる。
なお、 結晶化の後の工程は、 前記実施の形態 3 — 1 と同様である。 上記結晶化開始温度を高める こ とのできる不純物イ オンを a — S i膜に注入する方法は、 特に限定される ものではな く 、 従来公知の 種々の方法を採用する こ とができる。 また、 この実施の形態ではス タガ型の例を示 したが、 逆スタガ型であって も同様な効果が得 られ る。 また、 早期結晶化領域と しては、 上記のよ う に不純物イ オン を 注入したも のに限らず、 あ らかじめ部分的に結晶化させた領域 （ブ レ結晶） を形成し、 結晶化度に応 じた融点 （結晶化温度） の相違を 利用するなど しても よい。 また、 このよ う なブレ結晶を微細に形成 する ためには、 例えば可干渉光の干渉縞の照射な どを用いて も よ い o
(実施の形態 3 - 1 - 3 一 3 についてのその他の事項） 前記実施の形態 3 - 1 及び実施の形態 3 - 2 においては、 a — S i膜 4 1 3 にソース領域と ド レ イ ン領域とを結ぶ方向に長い溝状の 結晶成長方向制御空隙 4 1 1 …を設けたが、 本発明はこの態様に限 定される ものではない。 例えば、 図 2 7 に示すよう に、 ソース領域 と ド レ イ ン領域とを結ぶ方向に不連続な結晶成長方向制御空隙 4 3 1 …を設けて も よい。 この態様においては、 ソース領域と ド レイ ン 領域とを結ぶ方向における結晶成長方向制御空隙 4 3 1 の間隔、 ま たはこ の間隔と共に、 該方向に直行する方向における隣合う結晶成 長方向制御空隙 4 3 1 の間隔を適正に調整する こ とによ り 、 結晶粒 の該方向における粒径を制御する こ とができる。
また、 本発明では、 図 2 8 に示すよ う に、 a — S i膜のチャ ネル 領域に、 a — S i膜を貫通しない深さの空隙を設けて も よい。 更に、 このよ う な形状の空隙を不連続的に島状に形成したものであって も よい。
なお、 上記貫通しない空隙である場合には、 p — S i膜の形成ェ 程が終了後に空隙を形成する凸部分をエッチング等によ り除去 し、 P - S i膜の表面を平坦にするのも よい。
更に、 a — S i膜 4 1 3 のチャネル領域に、 本体部と比熱の異な る、 例えば棒状の部材を載置 して もよい。 ま た、 チャネル領域に比 熱の異なる結晶成長方向制御領域を形成するのも よい。 例えば a — S i膜よ り も比熱の大きい部材を載置 して、 エネルギービームを短 時間照射した場合、 上記部材が接触している a — S i膜部分の温度 上昇が小さいので、 他の領域に比べて早期に結晶核が発生する。 他方、 例えば a — S i膜よ り も比熱の小さい部材を、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向に複数列載置 し、 エネルギービームを短 時間照射する と、 a — S i膜よ り も この部材の温度の方が高 く なる ので、 複数列載置 した部材の中間部分の.温度が相対的に低く なる。 したがって、 この部分に最初の結晶核が発生する こ とにな り 、 無秩 序な結晶核の発生を防止する効果が得られる。
上記実施の形態では、 p— S i膜 4 0 3の材料と して、 S i若 し く は S i と G e とを用いた態様を示 したが、 また、 本発明において は、 これらの他に炭化シ リ コ ン （ S i C ) のよう な I V族同士の組 み合わせによる化合物や、 ヒ化ガ リ ウム （ G a A s ) のよう な I I I族と V族との組み合わせによる化合物、 セ レ ン化カ ド ミ ウム （ C d S e ) のよ うな I I族と V族との組み合わせによる化合物なども 使用可能である。
更に、 本発明においては、 ゲー ト電極 4 0 5、 ソース電極 4 0 7 s及び ド レイ ン電極 4 0 7 dの材料と して A 1 を使用 した態様を示 したが、 その他に、 ク ロ ム （ C r ) や、 モ リ ブデン （ M o )、 タ ン タル （ T a )、 チタ ン （ T i ) 等の金属又はこれらの合金等を使用 しても よい。
更に、 本発明においては、 a— S i膜 4 1 3 を結晶化する際に、 エネルギービーム と してエキシマ レーザ一を使用 した態様を示 した が、 その他に、 A r レーザーや、 Y A Gレーザ一等のレーザ一光、 イ オン ビーム、 電子ビーム等を使用 しても よい。 これらのエネルギ —ビームを使用 しても、 高密度のエネルギーを、 短時間で局所的に 照射する こ とが容易に行えるので、 基板温度を比較的低温に保っ た 状態で結晶化できる。
(実施の形態 4一 1 )
この形態 4一 1 では、 ビーム幅内における光エネルギー強度 （単 位面横当た り の光エネルギー、 以下、 単に光強度とする） が一方か ら他方へ単調に増加 しまたは一方から他方へ単調に減少する分布パ ターンの光ビームを用いて結晶化を行う。
—方から他方へ単調に増加 しまたは一方か ら他方へ単調に減少す る分布ノ、'ターンの光ビームの典型は、 図 2 9 aに示すような直線的 な光強度勾配を有する ものであるが、 一定方向に指数関数的に光強 度が増加または減少する ものなどであっても よい。
上記光ビームの発生光源 （整形前のもの） と しては、 例えば H e 一 N e レーザ、 アルゴン レーザ、 炭酸ガス レーザ、 ルビーレーザ、 エキシマ レーザなどの各種のレーザが使用可能である。 但し、 高出 力が得 られ、 シ リ コ ンによ く 吸収される こ となどから、 エキシマ レ 一ザを使用するのが好ま しい。 以下、 エキシマ レ一ザを用いた本発 明にかかる レーザァニール法について説明する。
図 4 2 は、 レーザァニール法を用いた結晶化操作を模式的に示 し た見取り 図であ り 、 図 4 2 中、 1 4 0 0 は光ビーム照射装置、 1 4 1 0 は光ビームが照射される被照射体を示 し、 更に 1 4 0 1 は例え ば X e C l エキシマレ一ザを用いたレーザ光発生器であ り 、 1 4 0 2 は ミ ラ一、 1 4 0 3 はビームホモジナイ ザーである。 この光ビ一 ム照射装置 1 4 0 0 では、 レーザ光発生器 1 4 0 1 で発生させた光 を ミ ラー 1 4 0 2 を介 して ビームホモ ジナイ ザ一 1 4 0 3 に導き、 こ こで所定の光強度パターンに整形 した後、 出力する よう になっ て いる。 ビームホモジナイ ザ一 1 4 0 3 には、 光ビームを整形する た めの光学系が組み込まれてお り 、 この実施の形態においては、 光路 の最下流側に図 3 1 に示すよ う な光透過度勾配を有する透過フ ィ ル ターが配置 （不図示） されている。 よって、 レーザ光発生器 1 4 0 1 で発生 した光がこ の透過フ ィ ルターを透過する こ とによ り 、 図 2 9 aのよ う なパターンの光ビームに整形される こ とになる。
上記光ビーム照射装置 1 4 0 0 では、 例えば平均的なエネルギー 密度 （単位面積当た り の照射エネルギー） が 3 0 0 m J / c m 2 、 エネルギー密度の低い領域 Lが 2 5 0 m J / c m 2 , エネルギー密 度の高い領域 Hが 3 5 O m J / c m 2 、 ビーム断面形状が 7 m m x 7 ra mに整形された光ビームが出力でき、 この光ビームをァモルフ ァス シ リ コ ン薄膜などの被結晶化面に照射して被結晶化物質を結晶 化する。
よ り 具体的に結晶化工程を説明する。 先ず図 4 2 の被照射体 1 4 1 0 に示すよ う に、 ガラス基板 1 4 1 1 の上に、 例えば減圧 C V D 法によって膜厚が 8 5 n mの非単結晶質シ リ コ ン膜 1 4 1 2 を成膜 する。 よ り 具体的には、例えば反応ガス と してのモノ シラ ンガス （ S i H 4 ) またはジシラ ンガス （ S i 2 H e ) を用い、 圧力を数 T o r r に して、 ガラス基板 1 4 1 1 を 3 5 0 'C ~ 5 3 O 'Cに加熱した 状態で、 非単結晶質シ リ コ ン膜 1 4 1 2 を成膜する。
こ こで、 ガラス基板 1 4 1 1 の上に例えば S i 0 2 からなる下地 層 1 4 1 3 を形成し、 この下地層の上に非単結晶質シ リ コ ン膜 1 4 1 2 を成膜しても よい。 また、 非単結晶質シ リ コ ン膜 1 4 1 2 の成 膜方法と しては、 減圧 C V D法に限定される ものではな く 、 例えば プラズマ C V D法を用いて も よい。 また、 上記非単結晶質シ リ コ ン 膜 1 4 1 2 の膜厚は、 8 5 n mに限らず、 適当に設定すればよい。 このよ う に して形成した非単結晶質シ リ コ ン膜 1 4 1 2 の特定の 領域 1 4 0 4 に対 し、 光ビーム照射装置 1 4 0 0 から整形されたェ キシマレーザ光を例えば 1 0 シ ョ ッ ト照射 して当該部分を溶融し、 しかる後、 放熱 して結晶化する。 この実施の形態では、 光ビームの 照射に際 して、 被照射体 1 4 1 0 を石英板か らなる窓を有する気密 容器に入れ、 内部を真空 （約 1 0 - 。 t o r r ) と し、 室温 （約 2 3 'C ) 条件下で、 上記窓を介 して特定の領域 1 4 0 4 に光ビームを 照射する方法 （図 4 3参照） によ り 行ったが、 図 4 2 では気密容器 を省略して描いてある。
なお、 上記 した各条件はあ く までも例示であ り 、 ビーム幅内にお ける光強度が一方から他方へ単調に増加 しまたは一方から他方へ単 調に減少する分布パターンの光ビームを用いる点を除き、 その他の 条件は特に限定される ものではない。 例えば、 光エネルギー密度と しては、 非単結晶質シ リ コ ン胶 1 4 1 2 を結晶化させるために十分 な強度でかつ光強度勾配をもたせたものであればよい。
また、 光強度勾配の程度についても特に制限される こ とはな く 、 非単結晶質溥膜の材質や厚み等を考慮 して結晶化を好適に誘導 · 制 御でき る勾配を設定すればよい。 更に、 照射する光ビームの ビーム 幅、 および照射回数 （シ ョ ッ ト 回数） も、 上記に限られず、 例えば よ り強い強度の レーザ光を 1 ショ ッ ト だけ照射するよ う に しても よ い o
また、 光ビームの断面形状についても、 特に限定される ものでは な く 、 例えば三角形、 円形等であっても よい。
次に、 図 2 9 a〜 gを参照 しながら、 光強度勾配を有する光ビー ムを用いた場合における結晶の成長挙動について説明する。
非単結晶質シ リ コ ン薄膜に図 2 9 aに示す光強度パターンの光ビ ームを照射する と、 照射面の温度は、 図 2 9 bの 7 0 1 (温度分布 曲線） に示すよう に、 中央部において右上が り の温度勾配を有 し、 周辺部に急激な温度勾配をも ったパターン となる。 周辺部に急激な 温度勾配が形成されるのは、 周囲への放熱が大きいからである。 次 いで光照射を止める と、 先ず最初に温度分布曲線 7 0 1 と結晶化温 度ラ イ ン 7 0 2 の交点付近 （境界付近） が溶融温度以下になる。 よ つて、 この付近に微小な結晶 7 0 4が生成される （ 7 0 3 は薄膜断 面を示 している）。
そ して、 この結晶 7 0 4 を核と して、 未だ結晶化温度以上である 図面右方向に向かって結晶成長が進行する。 こ こにおいて、 前記図 7 における場合と異な り 、 図 2 9 bでは中央部に温度勾配が形成さ れているので、 高温領域側 （ H側） から低温領域側 （ L側） に向か つて熱が流れ込み、 この熱が急激な温度低下を緩和する と共に、 結 晶成長を高温側 （図面右側） に誘導する よう に作用する。 よって、 結晶核の発生とその成長が円滑に進行 し、 その結果と して結晶粒の 粒径や結晶化度の均一性が高まる と共に、 L側から H側方向 （結晶 成長方向） に長い結晶粒が生成する。 つま り 、 光強度勾配を持った 光ビームを用いる と、 結晶成長方向に向かって高い移動度を も った 結晶質薄膜が作製できる こ とになる。
とこ ろで、 光ビームの照射方法と しては、 照射側、 基板側と もに 固定 した状態 （不動状態） で行って も よいが、 光ビームまたは基板 側の何れかを移動させても よ く 、 更にこの移動を往復運動と しても よい。 移動または往復運動 しながら照射する方法においては、 好ま し く は図 3 0 に示すよう に、 光強度の勾配方向 （ L→H方向または H→ L方向） に移動させるのがよい。 この方向である と、 きめ細か に結晶成長方向を誘導で き、 結晶粒の粒佳や結晶化度の均一性を高 める ； とができ、 更に光強度勾配の a度や光照射強度の程度に適合 させて移動速度を調節する と一層きめ細かに結晶成長方向を誘導で ぎる。
なお、 図 3 0 の矢印は移動方向、 7 1 1 、 7 1 2 は移動前後の照 射面、 7 1 3 (斜線部） は重複照射領域を示 している。 また図 3 0 では、 光ビームを移動する様を示 しているが、 基板側を動か して も よ く 、 更に光ビームを複数回シ ョ ッ ト する場合には、 例えば照射面 積の数％から数十％ずつ照射位置をずら しながら照射する こ と もで さる。
上記の よ う に して作製した poly- S i薄膜は、 一般にはその中央 部をチャ ネル領域と し、 こ の両端部分に リ ンゃポロ ンなどの不純物 をイ オン注入 して ソース領域および ド レ イ ン領域を形成するなど し て T F T となす。 そ して、 この実施の形態で説明したエネルギー強 度パターンの光ビーム （図 2 9 a ) は、 AM— L C D (Active Mat rix Liquid Crystal Display) の周辺回路などを形成するための、 比較的幅の狭い領域の結晶化に有効である。
(実施の形態 4一 2 )
この実施の形態 （後述する形態 4— 3 について も 同様） は、 比較 的幅の広い領域を結晶化するのに有効な例である。
本実施の形態において使用する光ビームの光強度分布パターンを 図 3 2 aに示す。 本図に示すよう に、 形態 4一 2にかかる光ビーム は、 光強度の大きい H領域 7 2 1 と小さい L領域 7 2 2 とが平面上 に交互に並んだパターンを している。 ここで、 H領域と L領域の光 強度比率については、 特に限定される ものではないので、 適当に設 定すればよい。 但 し、 一般には照射回数内で照射面の全面 （ L領域 と H領域） が溶融する よ う に光エネルギー総量を規定する。 なお、 こ こでは、 H領域を 3 0 0 m J Z c m 2、 L領域を Z O O m J / c m 2 と し、 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜の厚みを 5 O n mと し、 他の 条件については実施の形態 4 — 1 と同様に した。
以下で、 こ の実施の形態における結晶化の挙動を、 図 3 2 a〜 g を参照 しながら説明する。 先ず、 図 3 2 aに示す光分布特性を有す る光ビームを照射する と、 薄膜表面の温度は、 図 3 2 bに示すよ う な分布パターン となる。 そ して、 光照射が終了 し、 照射面の温度が 下がってい く 過程においては、 L領域 7 2 2 の温度が結晶化温度ラ イ ン 7 2 3 にさ しかかった時点で、 図 3 2 c に示すよ う に、 L領域 7 2 2 に対応する位置に結晶核 7 2 4が発生する （ 7 2 5 は薄膜断 面を示 している）。 さ ら に温度が下がる と （図 3 2 d )、 高温領域 H から低温領域 Lに向かって伝逮される熱によ って結晶成長が高温領 域 H側に誘導される と共に、 この過程で新たな結晶核も発生 し同様 に成長する （図 3 2 e )。
このよ う な結晶の発生と成長が、 高温領域 Hの温度が溶融温度以 下になる まで続 く （図 3 2 f 、 g ) が、 この実施の形態では結晶成 長の方向が L→H方向に誘導される。 よって、 高温領域 Hを挟む双 方の低温領域 Lからそれそれ結晶粒が成長し、 その結果、 結晶粒同 志が高温領域 Hの中央部付近 7 2 6 (図 3 2 g ) で衝突 し合う。 こ れによ り 、 高温領域 Hの中央部付近に結晶粒界線が形成される と共 に、 この衝突によ り 更なる結晶成長が L→H方向と平行する方向に 誘導される。 よって、 衝突の後に若干 L → H方向と直交する方向 に結晶成長するため、 L →H と直交する方向に長い径を有する結 晶粒が形成される。
以上のよう なメ カニズムから、 この実施の形態による と、 例えば 数 c m角と比較的広い照射領域内の結晶化を円滑に進行させる こ と ができる。 また、 既に説明 したごと く 、 キャ リ アの移動方向 （ソー ス一 ド レイ ン方向） と直交する方向が、 L →H方向になるよ う に 光ビームを設定 して光照射する と、 キヤ リ アが結晶粒界線を横断す る こ とな く 移動できるので、 高速な T F Tが実現できる。
この実施の形態においても、 実施の形態 4一 1 と同様に して、 図 3 3 に示すよ う に照射時間内 （ t = t 1 から t = t 2 ) において、 光ビームまたは基板の何れかを移動 （往復運動等も含む） 移動させ ながら照射 しても よい。 このよう にする こ とによ り 、 結晶化度の均 一性をさ ら に高める こ とが可能になる。 なお、 図 3 3 中の 7 3 1、 7 3 2 は移動前後の照射面位置、 7 3 3 (斜線部） は重複照射領域 を示 し、 矢印は移動方向を示 している。 但し、 このよ う な移動に限 定される ものではないこ とは勿論である。
とこ ろで、 上記図 3 2 aに示 したような光強度の強い部分 H と弱 い部分 L とが搞状に配列されてなる光ビームは、 特別な技術を要す るこ とな く 周知の技術でも って容易に実現でき、 その実現手段は何 ら限定されない。 例えば使用する光をある程度吸収する フ ィ ルター を所定間隔を開けて配置 し、 図 3 4 に示すよ う な透過分布を持つ櫛 形の透過、フ ィ ルタ を作製する。 そ して、 このフ ィ ルタ一を光ビーム 照射装置の光路中 （例えばビームホモジナイ ザ一内） に設 Sする こ とによ り実現できる。 また、 例えば金属繊維が縦若 レく は横一列に 多数平行に並んだフ ィ ルタを光路に配置する手段によっても実現で きる。 更には光路にス リ ッ ト を配置し回折干渉を生 じさせる手法で 縞状の光強度パターンを作製する手段によっても実現できる。
(実施の形態 4 - 3 )
本実施の形態 4一 3 は、 光干渉を利用 して光強度分布に不均一性 を与える方法である。 この方法は、 比較的自在に光強度分布パター ンを制御できるので、 実施の形態 4 — 2 と同様、 比較的広い領域の 結晶化に適する。
本実施の形態において使用する光ビームの光強度分布のパターン を図 3 5 に示す。 このよ うな光強度分布パターンは、 図 3 6 に示す がごと く 、 それぞれコ ヒーレ ン ト な 2 つの光ビーム 8 0 1 , 8 0 2 を 同時に照射 して光千涉を起こ させる手段に よ り 容易に形成で き る。 具体的には、 例えば同一光線から発生 した レーザー光を半透過 型鏡によ り 2 の光路に分け、 反射鏡を使用 して互いの光路に相対角 度を生 じさせる こ とによ り 、 干渉を生 じさせる こ とができる。
と こ ろで、 それぞれコ ヒ一レ ン ト な 2 つの光を千渉させる と、 光 強度の強い部分 （明線部 H ) と光強度の弱い部分 （暗線部 L ) とが 形成されるが、 千涉パター ンの周期は 2 つの光ビームの交差する角 度によって 自在に変化させる こ とができ、 ま たその変調度 （明線部 と暗線部の光のエネルギー強度の比に影響する） は 2 つの光ビーム のエネルギー強度を変える こ とによ り容易に変化させる こ とができ るので、 明線部 H と暗線部 L との間隔や強度比は比較的自在に設定 できる。 よって、 被照射面である非結晶質薄膜の厚さ等を勘案 して 上記間隔や強度比を適正に設定する。
以下、 このよう な干涉パターンを生 じさせてなる光ビームを照射 した場合における結晶成長挙動を図 3 7 a〜 g に基づいて説明す る。 なお、 この実施の形態における操作条件は、 前記実施の形態 4— 1 等と同様である。
図 3 7 aで特徴付け られる光ビームを非単結晶シ リ コ ン薄膜に照 射する と、 薄膜上では明線部 Hにおいては高 く 、 暗線部 Lにおいて は低い温度分布パターン （曲線 9 0 1 ) が形成される （図 3 7 b )。 光照射が終了 し、 温度が下がってい く過程では、 図 3 7 c に示すよ う に、 曲線 9 0 1 が結晶化温度線 9 0 2 と最初に交わる部分 （低温 铕域 Lの最も温度の低い部分） に結晶核 9 0 3 が発生する。 そ して、 更に温度が低下する と （図 3 7 d )、 高温領域 Hから低温領域 に 向かって伝達される熱によって結晶成長が L→H方向に誘導される と共に、 新たに核が発生 し同様に誘導され成長する （図 3 7 e )。 このよ う な結晶の 6生と成長は、 明線部 Hに対応する高温領域 Hの 温度が溶融温度以下に下がる まで続 く （図 3 7 f 、 g )。 以上の結晶化のメ カニズムか ら、 こ の実施の形態 4 - 3 に よ る と、 比較的広い範囲において、 結晶化度が均一で電界効果移動度の 大きい結晶質半導体薄膜を作製できる。 また、 この実施の形態にお いて も、 前記実施の形態 4 - 2 と同様、 結晶粒界の境界線 （結晶粒 の衝突線） が高温領域の中央部に形成されるので、 前記実施の形態 4 - 2 で述べたよ う に、 H→ L→ H Lの配列方向に直交する方向 をキヤ リ ァ移動方向と して利用する と、 高い電界効果移動度が得 ら れる。
(実施の形態 4一 4 )
実施の形態 4 — 4は、 基本的には実施の形態 4一 3 の場合と 同様 である。 但 し、 この実施の形態では、 干渉パターンの周期と変調度 の調節を動的に行う こ とによ り、 明線部 H と暗線部 L とが波動的に 変化する よ う になっている。 以下、 実施の形態 4一 4の内容を説明 する。
図 3 8 に示すよ う に、 それぞれコ ヒーレ ン ト な 2 つの光ビームの う ち、 少な く と も一方の光に動的な位相変調を与えて、 干渉絹の明 線部、 暗線部の位置が波動的に変化する光ビームを形成する。 位相 変調と しては、 例えば一方の光ビームの位相を他方の光ビームに対 して相対的に 0、 ΤΓ / 2、 ΤΓ と順次変化させる。 このよ う にする と 干渉縞の明線部と暗線部の位置が時系列的にずれ、 明線部と暗線部 とからなる縞状のパターンが波動的に変化する光ビームが形成で き る （図 3 8 )。
位相を変調する手段と しては、 例えば ミ ラーを用いて 2 つの光ビ ームのう ちの一方の光路長を動的に変動させ位相を変化させる方法 や、 光路内に配置 した透明体の屈折率を動的に変化させる方法な ど が例示でき、 このよ う な光学系を例えば前記ビームホモジナイ ザー (図 4 2 の 1 4 0 3 ) 内に組み込む。
この実施の形態による と、 照射面である薄膜表面には高温領域 H と低温領域 L とが波動的に入れ代わる温度分布パターンが形成され るので、 結晶成長を一定方向に誘導する効果が大きい。 また、 この 方法は、 不純物を有効領域外に追いやる とい う効果もあるので、 膜の高純度化を図 り つつ高品質の結晶質薄膜が形成できる。 なお、 不純物を有効領域外に追いやる効果は次の原理に基づ く 。 すなわ ち、 薄膜成分と不純物とでは融点、 比重等の物性が異なるので、 波 動的な温度変化が加わる と、 両者の間に進行速度の差が生 じる。 よ つて、 多数回の照射を行う こ と、 微量な不純物と薄膜成分とが分離 される。
こ こで、 干渉パターンの周期と変調度の調節は、 1 回の照射中、 あるいは多数回照射の各照射ごとに行っても よい。 更に、 結晶成長 の各段階に応 じて変調度の制御を行うのも よ く 、 このような方法に よる と、 結晶成長をよ り好適に誘導できる。
また、 上記実施の形態 4 — 3、 4 — 4のいずれにおいて も、 前記 実施の形態 4一 1 または 4一 2 と同様、 光レ一ザまたは基板側の何 れかを移動 （往復運動等を含む） させながら照射する こ と もでき、 この方法によ り 結晶成長を適正に制御できる。 そ して、 この移動を 明線^ H と暗線部 Lからなる縞模様の方向と平行する方向に向かつ て行った場合には、 上記実施の形態 4一 3 の場合であっても、 不純 物を追い出す効果が得られる。
と こ ろで、 以上では主に照射領域の面方向の温度分布を想定して 説明 したが、 図 3 9 に示すよ う に、 照射する薄膜の厚み方向に光干 涉による光強度分布を形成させる こ ともできる。 図 3 9 は、 照射方 向 （同図の上方） よ り順にアモルフ ァスシ リ コ ン層の薄膜 1 1 0 1、 下地層 （ S i 0 2 ) 1 1 0 2 、 ガラス基板 1 1 0 3 からなる被照射 体に光ビームが照射された様子を示す模式図である。 被照射体に上 下方向 （厚み方向） に光強度分布を有する光ビームが入射する と、 この波形に対応する温度分布が厚み方向に形成されるが、 T F T に 使用される シ リ コ ン薄胶の；？みは、 通常数十ナノ メー トルと薄 く 、 干渉縞の周期よ り 距離が短いので、 厚み方向に周期的な温度分布を 形成する こ とは困難である。
しかし、 萍膜 1 1 0 1 の上面は、 周囲環境に熱輻射する こ とによ り 冷却され、 下面 （基板側） は下地層 1 1 0 2 やガラス基板 1 1 0 3 に熱伝導する こ とによ り放熱されるので、 厚み方向にも温度分布 が存在 してお り 、 この温度分布を大き く する こ とは可能である。 そ して、 光照射によ り 厚み方向の温度分布を拡大する手段と して、 上 記した千渉パターンを利用で きる。 具体的には、 例えばガラス基板 1 1 0 3 の下面に反射鏡を設置 して千涉を起こ させる、 または薄膜 1 1 0 1 と下地層 1 1 0 2 またはガラス基板 1 1 0 3 との屈折率の 差を大き く して、 薄膜 1 1 0 1 側から入射 した光と、 各層の界面で 反射 した光によ り 干渉を生 じさせる。 また、 千涉縞の周期を調節す るなどして、 厚み方向 （上下方向） に温度分布を形成する こ とがで き、 これによ り厚み方向における結晶成長を制御できる。
厚み方向の温度分布を制御する場合においては、 非単結晶質薄膜 の厚さ、 下地層および基板の熱伝導率を考慮 して個々具体的に好適 な設定条件を決定するのがよい。 また、 1 つの光源から発 した光を 2 つに分割 し、 一方を薄膜面側 （上方） から照射 し、 他方を基板側 (下方） から照射して、 薄膜内部で干渉させる こ と もできる。 但 し、 この場合には基板および下地層を光ビームが透過する材質とする。 (実施の形態 4一 5 ) 本実施の形態は、 結晶化プロセスにおける雰囲気ガスの圧力を好 適に設定する こ とによ り 、 被結晶化面に温度勾配を形成する点に特 徴を有する。 これに対し、 上記実施の形態 4 一 ；！ 〜 4一 4では、 光 ビームの光強度パターンを調節 · 制御する こ とによ り 、 結晶化度の 向上と均一化を図る ものである。 よって、 本実施の形態と実施の形 態 4 — 1〜 4一 4 とは全 く 考え方を異にする。 以下に本実施の形態 の内容を説明する。
図 4 0 は、 図 3 9 と同様な被照射体 （積層体） の断面図であ り 、 1 2 0 0 は光ビームの照射面、 1 2 0 1 は薄膜、 1 2 0 2 は下地層、 1 2 0 3 は基板を表 し、 矢印は薄膜の熱の伝達方向 （放熱方向） を 示 している。 図 4 0 に示す如 く 、 熱の一部は周囲雰囲気中 （上方向） および簿膜の照射領域外方向 （図の左右方向） に拡散するが、 大部 分の熱は接触面積が大き く かつ熱伝導率の大きい基板側 （下方向） に伝達される。 こ こにおいて、 従来の レーザァニール法では、 高度 な真空雰囲気中で、 しかも均一な光強度分布の光ビームを照射する 方法で行われている。 したがって、 前記実施の形態 4一 1 で説明 し たよ う に、 照射面の中央部には殆ど温度勾配が形成されないので、 放熱の初期段階においては、 中央部に核が発生 しに く い。 その一方、 放熱過程のある段階で同時多発的に多数の核が発生する と言った現 象が起きる。
本実施の形態では、 上記従来法と異な り周囲雰囲気を高度な真空 に しないこ とを特徴と してお り 、 周囲雰囲気を構成する気体分子の 運動を利用 して、 光照射面において温度の不均一部位を発生させよ う とする ものである。
初めに、 この実施の形態 4一 5 における原理を説明する。 一般に エキシマ レ一ザのよ うなパルス光の 1 シ ョ ッ ト （ 1 パルス） の時間 は、 2 0 〜 5 0 n s e c と極めて短い。 したがって、 この短い照射 時間内でシ リ コ ン等を融点以上に昇温させる必要があ り 、 それゆえ シ リ コ ン等を数十 n mと極めて薄い薄膜とするのが一般的である。 こ の よ う に極めて薄い薄膜である と、 放熱過程において周囲の気体 分子の彩饗が極めて大き く なる。
すなわち、 周囲雰囲気を構成する気体分子や薄膜中に存在する気 体分子は、 一定の確率で薄膜表面に衝突 し離脱する運動を行ってい るが、 こ の気体分子の熱エネルギー レベルは光照射され加熱された 薄膜よ り も小さいので、 溥膜表面に衝突し雠脱する際に薄膜の熱を 奪う。 このよ う な気体分子の作用を考慮する と、 薄膜面では摂動的 な温度分布が生 じているはずである。 よって、 周囲雰囲気圧力や周 囲雰囲気を構成する気体分子の種類を適正に設定すれば、 均一な光 強度分布の光ビームを照射した場合であって も、 光照射領域内に温 度の不均一な部位 （温度の低い部位） を形成できる。 このよ うな部 位を形成する こ とができれば、 核の発生と結晶成長の円滑化が実現 できる と考え られる。 こ の考えのも と、 以下の実験を行った。
なお、 結晶化プロセスにおける結晶核は、 大気中の水分が結露す る際における水蒸気核に似た役割を演じている と考え られる。
(実験 1 )
実験条件
先ず、 コ ーニング社製 # 7 0 5 9 ガラスか らなる基板 （厚み 1 . l m m ) の上に、 膜厚 2 0 0 n mの S i 0 2 層 （下地層） を形成し、 更にこの上に膜厚 5 O n mのアモルフ ァ ス シ リ コ ン層を形成した も のを被照射体と して用意 した。 次に、 図 4 3 に示すよ う な石英ガラ スからなる窓 1 5 0 1 が設け られた気密容器 1 5 0 0 内に上記ァモ ルフ ァ ス シ リ コ ン層 1 5 0 3 が形成された被照射体を入れ、 気密容 器 1 5 0 0内の空気を除去 し、 その後、 水素ガスボンベ 1 5 0 2か ら水素ガスを導入 して気密容器内を所定水素ガス圧と した。 次い で、 レーザ照射装 S 1 5 1 0で発生させたエキシマ レーザを窓 1 5 0 1 を介 して被照射体のアモルフ ァ ス シ リ コ ン層 1 5 0 3 に照射 し、 しかる後、 放熱 して結晶化を行った。
上記における所定水素ガス圧 （雰囲気圧力） と しては、 5 X 1 0 一 e t o r r、 l x l 0 " s t o r r 、 1 x 1 0 一 2 t o r r 、 1 X 1 0 一 1 t o r r、 l t o r r、 l O t o r rの 6通り と した。 また、 レーザ照射条件と しては、 1 パルス （ 1 ショ ッ ト ） が 3 O n . s e c、 ビームが幅 7 mm x 7 tnm、 光強度が 3 5 0 m J / c m 2 の光強度分布の均一な従来型光ビームを用いた。 そ して、 この光ビ ームを 1 0 0パルス照射 した後、 室温環境下で放熱させて、 ァモル フ ァス シ リ コ ン層 1 5 0 3を多結晶化 した。
なお、 図 4 3中、 1 5 1 1はエキシマレ一ザ光発生器、 1 5 1 2 は ミ ラ一、 1 5 1 3はビームホモジナイ ザーを示 している。
雰囲気圧力 と結晶化度の関係
上記条件で作製 した 6通 り の結晶質シ リ コ ン薄膜 （poly- S i ) について、 斜光による 目視観察を行った。 また、 顕微ラ マ ン分光法 でラマン強度を測定 し、 水素ガス圧が 5 x 1 0 - β t o r rの と き にお る ラ マ ン強度を 1 と して、 各々の結晶化度を評価 した。 こ の 結果を表 1 に一覧表示 した。
(表 1 )
* o
表 1 に示すよう に、 目視観察において、 レーザァニール処理後の シ リ コ ン薄膜の状態が製造時の雰囲気圧力に対応して変化する こ と が認められた。 すなわち、 水素ガス圧 （雰囲気圧力） が i o - e t o r r台では、 青みのある散乱光がわずかに認め られるのみであつ たが、 1 0 ― s t o r r台では前記散乱光が緑色側にシ フ 卜 して、 全体が明る く なつた。 さ らに水素ガス圧が 1 0 - 1 に高まる と、 散 乱が顕著とな り 、 白濁 したよ うな状態が観察され、 その後 1 0 t ο r r程度までは、 ほぼ同様の状態が確認された。
他方、 顕微ラマン分光法による結晶化度評価による と、 水素ガス 圧が § X I 0 ― θ t o r rで結晶化された試料のラマン強度を基準 とする と き、 雰 ffl気圧力が 1 x l 0 s t o r rでは 4倍の強度を 示 し、 さ らに l x l 0 _ 5 t o r rから l O t o r rの間では 6倍 から 7倍のラマン強度を示 した。 これらの結果から次のこ とが明 ら かとなる。
従来では雰囲気中の分子と簿膜物質とを反応させる等の特別な場 合を除き、 雰囲気圧力をできるだけ下げた状態 （高度な真空状態） で光照射を行う のが一般的であつたが、 表 1 で明らかなごと く 、 高 度な真空状態とする と、 良好な結晶化度が得 られない。 他方、 水素 ガス圧が高ま る に従い結晶化度が向上する。 この実験結果か ら し て、 レーザァニール処理による結晶化においては、 周囲雰囲気圧力 を一定値以上に設定するのがよ く 、 好ま し く は 1 x 1 0 — 2 t o r r以上の雰囲気圧力とするのがよい。
なお、 高度な真空状態とする と、 良好な結晶化度が得られないの は、 気体分子の運動による摂動的な温度の不均一性が形成できない ためである と考え られる。 他方、 水素ガス圧が存在する場合におい て結晶化度が向上 したのは、 水素分子が菏膜表面に衝突 し離脱する 際に薄膜の熱を奪い、 局所的 · 摂動的な温度不均一を生じさせるか ら と考え られる。 つま り 、 表 1 の結果は上記考察を衷付ける もので ある。
(実験 2 )
雰囲気圧力と しての水素ガス圧を 5 x 1 0 — e t o r r、 1 t o r rの 2 通り と し、 それぞれの水素ガス圧条件において光ビームの 照射回数を 1 、 1 0 、 1 0 0、 5 0 0 に変化させたこ と以外は、 上 記実験 1 と同様に して結晶質シ リ コ ン薄膜 （poly- S i ) を作製 し た。 そ して、 上記と同様に してラマン強度を測定し、 照射回数と結 晶化享との関係において、 水素ガス圧の影響を調べた。 この結果を 図 4 1 に示 した。
図 4 1 よ り 明らかなごと く 、 水素ガス圧が I t o r rの場合にお いては、 照射回数が増える に従ってラマン強度が上昇 し、 結晶化度 が向上する こ とが認められた。 他方、 水素ガス圧が 5 X I 0 - β t o r rの場合においては、 1 0 回を超えて照射回数を増や しても ラ マン強度が増加せず、 結晶化度の向上がなかった。 この結果から、 光ビームを多数回照射 して結晶化を図る方法にお いても、 雰囲気圧力を高度な真空に しない方がよいこ とが判る。 そ して、 この結果において、 少な く とも水素ガス圧を l t o r r とす れぱ、 照射回数の ¾加と と もに結晶化度が向上する こ とが確認され た。
と こ ろで、 実験 1 では、 1 0 t o r r を超える条件にお.ける結果 を示 してないが、 1 0 t o r r を超える条件において も、 良質な結 晶質薄膜が形成される と考え られる。 この理由は次の通り である。 水素ガス圧が高まる と、 薄膜表面に衝突 · 離脱する水素分子の数が 多 く なるので、 温度分布の不均一を生 じさせる効果が弱まる と考え られる。 しかし、 次のよ うな効果'が付加される。 すなわち、 光照射 によ り 簿膜温度が融点温度以上に加熱される と、 薄膜内部の蒸気圧 が高ま り 、 この蒸気圧が結晶の成長を阻害 し、 また薄膜を構成する 物質の飛散が生 じるが、 周囲の圧力が高い と、 この圧力によって薄 膜物質の飛散等が抑制され、 その結果と して結晶化の進行が円滑に なる。
とこ ろで、 上記実験 1 、 2 では、 周囲雰囲気を構成するガス と し て、 比熱が大き く 熱冷却効果が大きい水素ガス （ H 2 ) を用いたが、 周囲雰囲気を構成するガスは水素ガスに限定される ものではない。 例えば N 2 や H e 、 A r などの不活性ガスが使用でき、 これらの気 体分子を 2 つ以上混ぜ合わせた混合ガスであって も よい。 但し、 気 体分子の種類によって、 比熱や薄膜物質に与える影響 （悪影饗を含 む） が異なるので、 気体分子の種類によって好適なガス圧を設定す るのが好ま しい。
また、 以上では、 光ビーム と してエキシマ レーザを用いたが、 本 発明で使用する光ビームはエキシマ レ一ザに限定される ものではな い。 例えば前記したよ う な H e— N e レーザ、 アルゴン レーザ等の 連続発振をする レーザのみな らず、 紫外線ラ ンプなどの光も使用可 能である。
また、 本発明は、 多結晶化法と して特に有用であるが、 単結晶化 を作製する方法と して利用できる こ とは勿 ¾5である。
更に、 以上では結晶質半導体薄膜の形成方法を中心と して本発明 の内容を説明 したが、 本発明にかかる技術は、 光エネルギーを用い て行う物質の改質、 例えばポ リ マーの溶融成形、 合金に対する熱ァ ニール操作等、 に広 く適用できる。
(実施の形態 5 — 1 )
本発明の実施の形態 5 - 1 について、 図 4 4および図 4 5 に基づ いて説明する。
まず、 図 4 4 に示すように、 ガラス基板 5 2 1 に、 プラズマ C V D法によって、 前駆体半導体薄膜と してのアモルフ ァスシ リ コ ン薄 膜 5 2 2 を形成する。 こ のアモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 の膜厚 は特に限定されないが、 通常、 用途に応じて異な り 、 例えば T F T に用いる場合は 3 0 0 - 1 0 0 O A程度、 光セ ンサや光起電力素子 (太陽電池な ど） に用いる場合は 1 m以上程度の厚さに形成され る。
次に、 上記アモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 が形成されたガラ ス 基板 5 2 1 を基板ステージ 5 3 5 に載置 し、 アモルフ ァ ス シ リ コ ン 薄膜 5 2 2 に、 結晶化用の第 1 のエネルギビームである X e C l ェ キシマ レ一ザ 5 3 1 の レーザビーム 5 3 1 a、 および予備加熱用の 第 2 のエネルギビームである A r レ一ザ 5 3 2 の レーザビーム 5 3 2 aを静止状態で 5秒間照射する。 よ り詳 し く は、 上記 X e C 1 ェ キシマ レーザ 5 3 1 は、 発振周波数が 5 0 H z、 波長が 3 0 8 n m 、 照射エネルギが 3 0 O m J Z c m 2 であ り、 A r レーザ 5 3 2は、 速続発振、 波長が 4 8 8 n m、 出力が 2 O W/ c m 2 である。 また、 レーザビーム 5 3 1 aは、 ノヽ 一フ ミ ラ一 5 3 3を透過して照射され る一方、 レ一ザビーム 5 3 2 aは、 ノヽーフ ミ ラ一 5 3 3 によって反 射されて照射される。 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2における各 レーザビーム 5 3 l a , 5 3 2 aの照射領域 5 3 l b , 5 3 2 bは、 帯状で、 かつ、 レーザビーム 5 3 2 aは、 レーザビーム 5 3 1 aの 照射領域 5 3 1 b を含む、 よ り 広い照射領域 5 3 2 bに照射され る。
なお、 上記のよ う にノヽ 一フ ミ ラー 5 3 3を用いるなどして、 レー ザビーム 5 3 1 a， 5 3 2 aがアモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 に 垂直に照射される よう にする こ とは、 結晶粒径や電界効果移動度の ば らつきの低減が容易であるなどの点で好ま しいが、 必ず しも正確 に垂直に照射されな く ても、 例えば 2枚の ミ ラ一をわずかにずら し て配置するなどして、 実質的にほぼ垂直に照射される よ う に しても よい。 また、 X e C lエキシマ レ一ザ 5 3 1 に代えて、 例えば A r F、 K r F、 X e Fエキシマ レ一ザなどの波長が 4 0 0 n m以下の 種々の レ一ザを用いても よい一方、 A r レーザ 5 3 2 に代えて、 波 長が 4 5 0〜 5 5 O n mの種々のレーザを用いて もよい。
こ こで、 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2は、 例えば膜厚が 1 0 0 O Aの場合、 図 1 に示すよ う な透過率特性を有 している。 すなわ ち、 例えば波長が約 5 0 O n mの光に対 しては、 吸収係数は膜厚の 逆数程度の 1 0 5 c m— 1 であ り 、 4 0 0 n mよ り短波長の光に対 しては、 吸収係数は 1 0 β c m " 1 以上で、 ほとんど透過させない。 そこで、 波長が 3 0 8 n mの X e C lエキシマレ一ザ 5 3 1 のレー ザビーム 5 3 1 aは、 ほとんどアモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2の 表面付近で吸収され、 これによる温度上昇、 およびその熱の伝導に よって、 主と してアモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2が 1 2 0 0て程 度に加熱される。 一方、 波長が 4 8 8 n mの A r レ一ザ 5 3 2の レ 一ザビーム 5 3 2 aは、 アモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2の厚さ方 向のほぼ全域で吸収され、 伝導熱によって、 ガラス基板 5 2 1 が 4 0 0て程度に加熱される。 それゆえ、 レーザビ一ム 5 3 1 a， 5 3
2 aの照射終了後、 アモルフ ァス シ リ コ ン簿膜 5 2 2は徐冷され、 結晶成長が促進されて、 結晶粒の大きいポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3が 形成される。
上記のよ う に して形成されたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3、 および従 来と同様に X e C lエキシマ レ一ザ 5 3 1 だけによつて結晶化させ たポ リ シ リ コ ン薄膜の結晶化の状態を評価するために、 ラ マ ン散乱 測定を行った。 それぞれの測定結果を図 4 5 に記号 Pまたは Rで示 す。 同図から明らかなよう に、 X e C lエキシマレーザ 5 3 1 の レ —ザビーム 5 3 l aだけを照射した場合 （ R ) よ り も、 A r レーザ 5 3 2の レーザビーム 5 3 2 aを併せて照射 した場合 （ P )の方が、 ラマン散乱強度が大き く 、 結晶性の優れている こ とが確認された。 また、 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2が形成されたガラス基板 5 2 1 を例えば 3 mmZ s e cの速度で移動させながら、 ァモル フ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2の全域に同様に レーザビーム 5 3 1. a， 5
3 2 aを照射し、 形成されたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の複数の領域 についてラマン散乱測定を行って結晶化の分布を調べた と こ ろ、 非 常に均一性の高いこ とが確認された。
なお、 結晶化の均一性を高 く するためには、 前記のよう に レーザ ビーム 5 3 2 aの照射領域 5 3 2 bが、 レーザビーム 5 3 l aの照 射領域 5 3 l bを含む、 よ り広い領域である こ とが好ま しい。 (実施の形態 5 — 2 )
上記実施の形態 5 - 1の A r レーザ 5 3 2 に代えて、 図 4 6 に示 すよ う に、 例えば波長が の赤外線ラ ンプ 5 3 4を用いても よ い。 すなわち、 ガラス基板 5 2 1 は、 例えば図 4 7 に示すような透 過率特性を有 し、 赤外線ラ ンプ 5 3 4から発せられる赤外線 5 3 4 aは、 アモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 を透過 して、 大部分がガラ ス基板 5 2 1 に吸収される。 そこで、 6 〇 1ェキシマ レーザ5 3 1のレーザビーム 5 3 1 aを照射する と、 実施の形態 5 — 1 と同様 に、 レ一ザビーム 5 3 l aによって、 主と してアモルフ ァスシ リ コ ン簿膜 5 2 2が加熱される一方、 赤外線ラ ンプ 5 3 4の赤外線 5 3 4 aによって、 主と してガラス基板 5 2 1 が加熱される。 それゆえ、 レーザビーム 5 3 1 aおよび赤外線 5 3 4 aの照射終了後、 ァモル フ ァ ス シ リ コ ン薄膜 5 2 2は徐冷され、 結晶成長が促進されて、 結 晶粒の大きいポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3が形成される。
上記のよ う に赤外線ラ ンプ 5 3 4を用いる こ とを除いて実施の形 態 5 — 1 と同様の条件によ り形成されたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 に ついて、 ラ マ ン散乱測定を行っ た測定結果を図 4 5 に記号 Qで示 す。 同図から明らかなよ う に、 やは り 、 X e C lエキシマ レーザ 5 3 1の レーザビーム 5 3 l aだけを照射 した場合 （ R ) よ り も、 ラ マン 乱強度が大き く 、 結晶性の優れている こ とが確認された。 また、 結晶粒の均一性も、 実施の形態 5 — 1 と同様に高いこ とが 確認された。
なお、 上記赤外線 5 3 4 aに加えて、 さ ら に、 実施の形態 5 — 1 と同様に、 A r レーザ 5 3 2の レーザビーム 5 3 2 aも照射する よ う に しても よい。 また、 赤外線 5 3 4 aも、 実施の形態 5 — 1 と同 様にハーフ ミ ラーを用いるなどして、 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2 に垂直に照射される よ う に しても よい。
(実施の形態 5 — 3 )
本発明の実施の形態 5 — 3 について、 図 4 8ない し図 5 0 に基づ いて説明する。
まず、 図 4 8に示すよう に、 ガラス基板 5 2 1 に、 誘導結合ブラ ズマ C V D装置によって、 前駆体半導体薄膜と しての微結晶シ リ コ ン薄膜 5 2 4を形成する。 詳し く は、 例えば、 反応ガス と してモノ シラ ンガス （ S i H 4 ) と水素ガス とを 2 : 3の割合で混合した混 合ガスを用い、 基板温度 （反応温度） が 3 5 0 〜 5 3 0て、 圧力 が数 m T o r rの反応条件で、 膜厚が 8 5 n mの微結晶シ リ コ ン薄 膜 5 2 4を形成する。 なお、 微結晶シ リ コ ン薄膜 5 2 4に代えて、 実施の形態 5 — 1 と同様にアモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2 を形成 しても よい。 また、 プラズマ C V D装置に代えて、 L P (Low Powe r ) C V D装置やスパッ 夕装置等を用いるな ど しても よい。
次に、 上記微結晶シ リ コ ン薄膜 5 2 4が形成されたガラス基板 5 2 1 を 4 0 0て〜 5 0 0てで 3 0分以上熱処理 し、 微結晶シ リ コ ン 薄膜 5 2 4中の水素を放出させる脱水素処理を行う。 すなわち、 後 述する レーザァニール時において、 微結晶シ リ コ ン薄膜 5 2 4中に 取り 込まれた水素が急激に放出されて微結晶シ リ コ ン薄膜 5 2 4に 損傷 生 じるのを防止する よ う にする。
次に、 レ一ザァニールを行う。 すなわち、 図 4 9 に示すよう に、 石英板による照射窓 5 4 1 aが形成されたチャ ンバ 5 4 1 内に上記 ガラ ス基板 5 2 1 を設置 し、 X e C lエキシマ レ一ザ 5 3 1 の レ一 ザビーム 5 3 l a、 および白熱ラ ンプ 5 4 2の白熱光 5 4 2 aを照 射 して、 微結晶シ リ コ ン菊膜 5 2 4を結晶化させてポ リ シ リ コ ン薄 膜 5 2 3 を形成する。 よ り詳 しく は、 上記レーザビーム 5 3 1 aは、 パルス幅が数 1 0 n sのパルス発振、 波長が 3 0 8 n m、 照射エネ ルギが 3 5 0 m J / c m 2 、 照射回数は 1 0回である。 また、 レー ザビーム 5 3 l aは、 レーザ光減衰器 5 4 3、 ホモジナイザ （ レー ザ光均一化装 S) 5 4 4、 および反射鏡 5 4 5 を介 して照射される。 一方、 白熱光 5 4 2 aは、 微結晶シ リ コ ン薄膜 5 2 4が 4 0 0 ·(：程 度に加熱される よう に照射する。
さ ら に、 上記ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 を水素プラズマ雰囲気中で 3 5 0て以上に加熱するこ とによ り 、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3中の 切断された結合手を水素で終端する水素化処理を行う。
上記のよ う に して形成されたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径 を S E Mおよび T E Mを用いて測定 したとこ ろ、 0 . 7 mであ り 、 従来のポ リ シ リ コ ン膜での 0 . 3 mに対して結晶粒径が増大して いる こ とが確認された。 また、 電界効果移動度は、 従来の 5 0 c m z /V ' s e cから、 8 0 c m 2 ZV ' s e cに増大し、 さ らに、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の界面および膜中の合計の欠陥密度は、 1 . 3 x l 0 1 2 c m— 2 e V— 1 から、 1 . 0 x l 0 l z c m一
2 e V - 1 に減少 した。 すなわち、 レーザビーム 5 3 l aの照射時 に白熱ラ ンプ 5 4 2 による加熱を併用する こ とによって、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径の増大、 および膜質の向上がなされる。 な ¾、 レーザビーム 5 3 l aの照射条件を種々に変更して実験 し た と こ ろ、 照射エネルギが 2 0 O m J / c m 2 以上で結晶化が生 じ、 5 0 0 m J / c m 2 以上では微結晶シ リ コ ンが消失する。 また、
3 0 0 m J / c m 2 以上、 4 5 0 m J / c m 2 以下の範囲では、 結 晶成長が十分に行われ、 結晶粒径が大き く なる。 また、 照射回数が 5回以上で、 結晶欠陥の発生が抑制され、 結晶性が向上する。
次に、 所定の絶緣膜ゃ導電膜の成膜処理、 エッチングによるパタ —ニング、 イ オン注入などを行う こ とによ り 、 簿膜 ト ラ ンジスタ （ T F T ) を形成する。 なお、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3のパターニング はレーザァニールの前に行っても よい。
上記のよ う に して形成された T F Tのゲー ト電圧 （ V g) — ド レ イ ン電流 （ I d ) 特性を計測 した と ころ、 図 5 0に示すよ う に、 従 来の T F Tに比べて、 ゲー ト電圧に対する ド レ イ ン電流の立ち上が り が急にな り 、 サブス レ ツ シ ョ ル ド特性の向上 したこ とが確認さ れ、 閾値電圧も低下 した。
なお、 上記のよ う に レーザビーム 5 3 1 aの照射と同時に 白熱光 5 4 2 aを照射せずに、 例えば図 5 1 に示すよ う に、 水平方向に移 動可能な基板ステージ 5 3 5 にガラス基板 5 2 1 を載 Sし、 同図に 矢印 Aで示す方向に移動させながら、 微結晶シ リ コ ン薄膜 5 2 4に おける レーザビーム 5 3 1 aの照射領域よ り も移動方向前方側に白 熱光 5 4 2 aを照射する こ とによ り 、 レーザビーム 5 3 1 aによ る 加熱に先立って 白熱光 5 4 2 aによる加熱を行う よ う に しても、 同 様の効果は得られる。
(実施の形態 5 — 4 )
本発明の実施の形態 5 — 4の T F Tについて、 図 5 2および図 5 0に基づいて説明する。
まず、 図 5 2 に示すよ う に、 ガラス基板 5 2 1 に、 プラズマ C V D法を用いて、 アモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 を形成する。 詳 し く は、 例えば反応ガス と してモノ シラ ンガス （ S i H 4 ) と水素ガ ス との混合ガスを用い、 基板温度が 1 8 0 'C〜 3 0 0 、 圧カが 0 . 8 T o r rの反応条件で、 膜厚が 8 5 n mのアモルフ ァスシ リ コ ン 薄膜 5 2 2 を形成する。
次に、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 上記アモルフ ァス シ リ コ ン薄 膜 5 2 2が形成されたガラス基板 5 2 1 に脱水素処理を行う。
次に、 ガラス基板 5 2 1 を図 5 2に矢印 Aで示す^向に移動させ ながら、 X e C lエキシマ レーザ 5 3 1 のレーザビーム 5 3 l a、 およびエキシマラ ンプ 5 5 1 のエキシマラ ン プ光 5 5 1 aを照射 し、 アモル フ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 を結晶化させてポ リ シ リ コ ン 薄膜 5 2 3 を形成する。 よ り詳し く は、 上記レーザビーム 5 3 l a は、 照射エネルギが 3 5 0 m J / c m 2 で、 アモルフ ァスシ リ コ ン 薄膜 5 2 2 における照射領域 5 3 l bが 5 0 0 m x 7 O mmの帯 状になる よ う に照射する。 また、 ガラス基板 5 2 1 の移動に伴って、 レーザビーム 5 3 l aの各パルスの照射領域 5 3 l bが 9 0 %ずつ 重なる よ う に して、 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2の全ての領域 に、 それぞれ 1 0回ずつレーザビーム 5 3 1 aが照射される よ う に する。 一方、 エキシマラ ンプ光 5 5 l aは、 可視光から紫外光領域 の光で、 直接、 および凹面反射鏡 5 5 2を介 して、 上記レーザビ一 ム 5 3 1 aの照射領域 5 3 1 bを含む 5 mm x 7 0 mmの照射領域 5 5 1 bに、 アモルフ ァ スシ リ コ ン薄膜 5 2 2が 5 0 O 'C程度に加 熱される よ う に照射する。
さ らに、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 水素化処理を行う。
上記のよ う に して形成ざれたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径 を S E Mおよび T E Mを用いて測定した とこ ろ、 l / mであ り 、 従 来のポ リ シ リ コ ン膜での 0 . 3 mに対して結晶粒径が增大してい るこ とが確認された。 また、 電界効果移動度は、 従来の 5 0 c m 2 /V ' s e cから、 1 2 0 c m 2 /V ' s e cに増大 し、 さ らに、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 の界面および膜中の合計の欠陥密度は、 1 . 3 x i 0 1 2 c m — Z e V - 1 から、 1 . I x l 0 1 2 c m — 2 e V - いに減少 した。 すなわち、 レーザビーム 5 3 l aの照射時 にエキシマラ ンプ 5 5 1 による加熱を併用する こ と によって、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒'径の増大、 および膜質の向上がなされ る。
次に、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 所定の絶縁膜や導電膜の成膜 処理、 エ ッチングによるパターニング、 イ オ ン注入などを行う こ と によ り 、 T F Tを形成する。
上記のよう に して形成された T F Tのゲー ト電圧 （ V g ) — ド レ イ ン電流 （ I d ) 特性を計測 したとこ ろ、 図 5 0 に示すよ う に、 や は り 、 従来の T F Tに比べて、 ゲー ト電圧に対する ド レイ ン電流の 立ち上が り が急にな り 、 サブス レ ッ ジ ョル ド特性が向上 し、 また、 閾値電圧が 5 . 0 Vから 4 . 2 Vに減少 した こ とが確認された。 (実施の形態 5 — 5 )
本発明の実施の形態 5 — 5 について、 図 5 3および図 5 0 に基づ いて説明する。
まず、 実施の形態 5 — 4 と同様に、 ガラス基板 5 2 1 にァモル フ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 を形成し、 脱水素処理を行う。
次に、 図 5 3 に示すよ う に、 ガラス基板 5 2 1 を矢印 Aで示す方 向に移動させながら、 X e C lエキシマ レ一ザ 5 3 1 のレーザビ一 ム 5 3 1 a、 およびエキシマラ ンプ 5 5 1 のエキシマラ ンプ光 5 5 l aを照射する と と もに、 ヒータ 5 6 1 によって、 ガラス基板 5 2 1 を底面側から加熱して、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 を形成する。 す なわち、 上記レーザビーム 5 3 1 a、 およびエキシマラ ンプ光 5 5 l aの照射条件等は、 実施の形態 5 — 4 と同 じであるが、 さ らに、 ヒータ 5 6 1 によってガラス基板 5 2 1全体を 4 5 0てに加熱する 点が実施の形態 5 — 4 と異なる。
さ らに、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 水素化処理を行う。 上記のよ う に して形成されたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径 を S E Mおよび T E Mを用いて測定したとこ ろ、 1 . 5 mであ り 、 従来のポ リ シ リ コ ン膜での 0 . 3 imに対して結晶粒径が増大 して いる こ とが確認された。 また、 電界効果移動度は、 従来の 5 0 c m 2 / V ' s e c から、 l S D c m S ^ V ' s e c に増大し、 さ らに、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 の界面および膜中の合計の欠陥密度は、 1 . 3 x l 0 1 2 c m— 2 e V — 1 から、 8 . 7 x 1 0 1 1 c m ~ 2 e V - 1 に減少 した。 すなわち、 レ一ザビーム 5 3 l aの照射時 に、 エキシマラ ンブ 5 5 1、 およびヒータ 5 6 1 による加熱を併用 する こ とによって、 一層、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径の增 大、 および膜質の向上がなされる。
また、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 T F Tを形成し、 ゲー ト電圧 ( V g ) — ド レイ ン電流 （ I d ) 特性を計測 したとこ ろ、 図 5 0 に 示すよう に、 実施の形態 5 — 4よ り も、 さ らにゲー ト電圧に対する ド レイ ン電流の立ち上がり が急にな り 、 サブス レ ツ ショル ド特性等 の向上 したこ とが確認された。
なお、 ガラ ス基板 5 2 1 の温度を種々 に設定 して実験 した と こ ろ、 ガラス基板 5 2 1の温度を 3 0 0て以上に加熱すれば結晶品質 の向上効果が得られるが、 6 0 0 'C以上になる と、 ガラス基板 5 2 1 に歪みが生 じ、 T F T等の素子の作製が困難になる。
(実施の形態 5 — 6 )
本発明の実施の形態 5 — 6について、 図 5 4および図 5 0に基づ いて説明する。
ます、 実施の形態 5 — 4 と同様に、 ガラス基板 5 2 1 にァモルフ ァスシ リ コ ン簿膜 5 2 2を形成し、 脱水素処理を行う。
次に、 図 5 4に示すよう に、 ガラス基板 5 2 1 を矢印 Aで示す方 向に移動させながら、 K r Fエキシマ レーザ 5 7 1 の レーザビーム 5 7 1 a、 およびエキシマラ ンプ 5 5 1 のエキシマラ ンブ光 5 5 1 aを照射する と ともに、 ヒータ 5 6 1 によって、 ガラス基板 5 2 1 を底面側から加熱して、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3を形成する。 こ こ で、 実施の形想 5 — 5 と比べる と、 主と して、 上記エキシマラ ンブ 光 5 5 1 aがガラス基板 5 2 1 の真上から波長選択性反射板 5 7 2 を透過して照射される点、 および X e C 1エキシマレ一ザ 5 3 1 に 代えて K r Fエキシマ レーザ 5 7 1 が用いられ、 レーザビーム 5 7 1 aは、 波長選択性反射板 5 7 2 を介して照射される点が異なる。 また、 エキシマラ ンプ光 5 5 l aは、 レーザビーム 5 7 l aの照射 領域 5 7 1 bを含む 5 mm x l 0 0 mmの照射領域 5 5 1 bに照射 される。 その他の加熱条件等は実施の形態 5 — 5 と同様である。 上記波長選択性反射板 5 7 2は、 2 8 0 n mよ り も短い波長の光 を反射する一方、 2 8 0 n mよ り も長い波長の光を透過させる もの が用いられる。 そこで、 K r Fが放電に用い られる K r Fエキシマ レーザ 5 7 1 の レーザビーム 5 7 l a (波長が 2 4 8 n m) は、 波 長選択性反射板 5 7 2に反射されてアモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2 にほぼ垂直に照射される と ともに、 可視光から紫外光領域のェキ シマラ ンプ光 5 5 1 aは、 波長選択性反射板 5 7 2 を透過 してァモ ルフ ス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 にほぼ垂直に照射される。
さ らに、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 水素化処理を行う。
上記のよ う に、 レーザビーム 5 7 l aおよびエキシマラ ンプ光 5 5 1 aがアモルフ ァ ス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 に垂直に照射されて形成 されたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径、 電界効果移動度、 およ び欠陥密度は、 それそれ実施の形態 5 — 5 と同 じ く 、 1 . 5 〃 m、 l S O c m S /V ' s e c、 および 8 . 7 x l 0 1 1 c m ~ 2 e V ― 1 であっ たが、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の各領域における結晶粒 径ゃ電界効果移動度のばらつきは一層少な く 、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の全面にわたって、 ほぼ均一な特性が得 られた。
また、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 T F Tを形成し、 ゲー ト電圧 ( V g ) 一 ド レイ ン電流 （ I d ) 特性を計測 したとこ ろ、 図 5 0 に 示すよ う に、 実施の形態 5 — 5 と同 じ特性が得られた。
なお、 波長選択性反射板 5 7 2 による レーザビーム等の波長に応 じた選択的反射 ' 透過は、 上記のよ う に K r Fエキシマレ一ザ 5 7 1 を用いる こ とによって容易に行わせる こ とができるが、 これに限 らず、 X e B r、 K r C l、 A r F、 A r C l な どを使用 した短波 長レーザを用いても よい。
(実施の形態 5— 7 )
本発明の実施の形態 5 — 7 について、 図 5 4ない し図 5 6、 およ び図 5 0 に基づいて説明する。
こ の実施の形態 5 — 7 においては、 実施の形態 5 — 6 と比べて、 エキシマラ ンブ光 5 5 1 aの照射領域 5 5 1 bが 5 mm x 7 O mm の領域である点と、 エキシマラ ンプ 5 5 1 によるアモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2の加熱温度を種々に設定している点が異な り 、 その 他の加熱条件等は実施の形態 5 — 6 と同様である。 すなわち、 図 5 4におけるエキシマラ ンブ光 5 5 1 aの照射強度を調整 し、 ァモル フ ァス シ リ コ ン簿膜 5 2 2の加熱温度を室温から 1 2 0 O 'Cまでの 範囲で種々に設定 して、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 を形成 し、 ポ リ シ リ コ ン薄胶 5 2 3の結晶粒径、 および電界効果移動度を測定 した。 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径は、 図 5 5 に示すよ う に、 ァ モル フ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 を約 3 0 0 以上に加熱する と、 そ の加熱温度に応 じて大き く な り 、 1 0 0 0 'Cの場合に、 最大の 5 m以上になる。 1 0 0 0 'Cを越える と、 ガラス基板 5 2 1 の表面が —部溶融 し、 結晶成長が妨げられるため、 結晶粒径は小さ く なる。 また、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の電界効果移動度は、 図 5 6 に示 すよ う に、 やは り アモルフ ァス シ リ コ ン簿膜 5 2 2 を約 3 0 0 以 上に加熱する と、 その加熱温度に応 じて大き く な り 、 1 0 0 0ての 場合に、 最大の 4 5 0 c m 2 /V ' s e c になる と と も に、 1 0 0 0てを越える と小さ く なる。
すなわち、 レーザビーム 5 7 l aの照射に加えて、 ヒータ 5 6 1 によってガラス基板 5 2 1 を加熱する と と も に、 エキシマラ ンブ光 5 5 l aの照射によって、 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2 を 6 0 0 ° (：〜 1 1 0 0 °cの範囲で加熱する こ とによ り 、 特に、 ポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3の結晶粒径の拡大および膜質の向上効果が得られる。 また、 上記ポ リ シ リ コ ン ^膜 5 2 3 に対 して、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 T F Tを形成 し、 ゲー ト電圧 （ V g ) — ド レイ ン電流 （ I d ) 特性を計測 した と こ ろ、 例えばアモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2の加熱温度が 6 0 0 'Cの場合の例を図 5 0 に示すよう に、 実施の 形態 5 — 5 , 5 — 6 よ り も、 さ ら に良好な T F T特性が得られた。 (実施の形態 5 — 8 )
本発明の実施の形態 5 — 8について、 図 5 7、 図 5 8、 および図 5 0に基づいて説明する。
この実施の形態 5 — 8 においては、 前記実施の形態 5 — 7 と比べ て、 主と して、 エキシマラ ンプ 5 5 1 に代えてパルス発光する X e フ ラ ッ シュ ラ ンプ 5 8 1 が用い られる点が異なる。
よ り 詳 し く は、 図 5 7 に示すよ う に、 実施の形態 5 — 7 と同様の K r Fエキシマ レ一ザ 5 7 1 の レーザビーム 5 7 l aは、 ァモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 における照射領域 5 7 1 bが 5 0 0 ^ m x 2 0 0 m mの帯状になる よ う に照射する。 一方、 X e フ ラ ッ シュ ラ ンブ 5 8 1 から発せられる可視光から紫外光領域の X e フ ラ ッ シュ ラ ンブ光 5 8 1 aは、 上記レーザビーム 5 7 1 aの照射領域 5 7 1 b を含む 5 m m x 2 0 0 m mの照射領域 5 8 1 b に、 アモルフ ァ ス シ リ コ ン 膜 5 2 2 が 1 0 0 0 て程度に加熱される よ う に照射す る。 ま た、 この X e フラ ッ シュラ ンブ光 5 8 l aは、 図 5 8 に示す よう に、 レーザビーム 5 7 l aの照射パルス と同期 して、 その照射 パルスの前後にわたる幅のパルス と して照射する。 また、 レーザビ ーム 5 7 1 aの照射パルスは、 その照射周期の 2 / 3 以下のパルス 幅になる よ う に照射する。 上記以外の加熱条件等は実施の形態 5 — 7 と同様である。
上記のよ う に して形成されたポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 の結晶粒 径、 および電界効果移動度は、 それぞれ実施の形態 5 — 7 において アモル フ ァ ス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 を 1 0 0 0 。Cに加熱 した場合とほ ほ同等であつたが、 実施の形態 5 — 7 においてはガラス基板 5 2 1 に多少の歪みが生 じたのに対 し、 本実施の形態 5 — 8 では歪みは生 じず、 よ り確実に適正な半導体回路を形成する こ となどが容易にな る。 しかも、 X e フ ラ ッ シュラ ンプ 5 8 1 の加熱効率が高 く 、 一度 に大きな面積を加熱する こ とができるため、 生産性を容易に向上さ せる こ とができる。
また、 実施の形態 5 — 3 と同様に、 T F T を形成し、 ゲー ト電圧 ( V g ) — ド レイ ン電流 （ I d ) 特性を計測 した とこ ろ、 図 5 0 に 示すよ う に、 実施の形態 5 — 7 よ り も、 さ ら に良好な T F T特性が 得られた。
(実施の形態 5 — 9 )
本発明の実施の形態 5 — 9 について、 図 5 9 、 および図 5 0 に基 づいて説明する。
この実施の形態 5 — 9 においては、 図 5 9 に示すよ う に、 実施の 形態 5 — 8 と同様の K r Fエキシマ レ一ザ 5 7 1 から発せられる レ —ザビーム 5 7 1 a が、 波長選択性反射板 5 7 2 に よ り 反射さ れ て、 アモル フ ァ ス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 におけ る 5 0 0 m X 2 0 0 m m程度の带状の照射領域 5 7 1 b に照射される と と もに、 Y A G レーザから発せ られたレーザビームを K T P結晶を用いて 2 分の 1 波長に変換する Y A G レ一ザ装置 5 9 1 からの レーザビーム 5 9 1 aが、 反射板 5 9 2 によ り反射されて、 アモルフ ァスシ リ コ ン薄膜 5 2 2 における 5 m m x 2 0 O m mの照射領域 5 9 1 b に照射さ れ る。 上記の よ う に、 波長選択性反射板 5 7 2 および反射板 5 9 2 に よって、 レーザビーム 5 7 1 aおよびレーザビーム 5 9 1 aは、 ァ モルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 に垂直に入射する。 また、 レーザビ —ム 5 7 1 aおよびレーザビーム 5 9 1 aの照射タイ ミ ング、 およ びパルス幅、 レーザビーム 5 7 l aの照射エネルギ、 並びに ヒータ 5 6 1 による ガラス基板 5 2 1 の加熱温度等は、 実施の形態 5 — 8 と同様である。
上記 Y A G レーザ装置 5 9 1 の レーザビーム 5 9 1 aによるァモ ルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 の加熱温度を室温から 1 2 0 0 。Cの範 囲で學々 に設定 してポ リ シ リ コ ン菏膜 5 2 3 を形成し、 結晶粒径、 および電界効果移動度を測定 した と こ ろ、 アモルフ ァ ス シ リ コ ン薄 膜 5 2 2 の加熱温度が 1 1 0 0 °Cの場合に、 それそれ最大の 5 . 5 JJL m、 および 6 0 0 c m 2 / V ' s e c になった。 すなわち、 Y A G レーザ装 9 1 を予備加熱に用いたこ と によ り 、 アモル フ ァ ス シ リ コ ン簿胶 5 2 2 を比較的高温に加熱 して も、 ガラ ス基板 5 2 1 が歪んだ り 、 溶融してポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3 に不純物が混入 した り する こ とがな く 、 実施の形態 5 — 7でエキシマラ ンブ 5 5 1 によ つてアモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2を加熱 した場合よ り も、 さ ら に良好な結晶性のポ リ シ リ コ ン薄膜 5 2 3が得られた。 ただ し、 ァ モルフ ァ ス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 を 1 2 0 0 まで加熱 した場合に は、 結品粒 ί圣、 および ¾界効果移動度が、 何れも低下 した。 これは、 Y A G レーザ装置 5 9 1 による予備加熱時に既に微結晶シ リ コ ンが 形成され、 これが K r Fエキシマ レ一ザ 5 7 1 による結晶成長に悪 影響を与えているからである。
また、 実施の形態 5— 3 と同様に、 T F Tを形成し、 ゲー ト電圧 ( V g ) — ド レイ ン電流 （ I d ) 特性を計測 した と こ ろ、 図 5 0 に 示すよ う に、 実施の形態 5 — 8 よ り も、 さ ら に良好な T F T特性が 得られた。
なお、 予備加熱用の レーザ装置と しては、 上記のよ う に Y A G レ 一ザ装置 5 9 1 に限らず、 例えば X e C 1エキシマ レ一ザなどのパ ルス レーザを用いて も、 K r Fエキシマ レ一ザ 5 7 1 と異なる波長 で、 かつ、 ガスの混合比等によって、 Κ Γ Ϊ"エキシマ レ一ザ 5 7 1 よ り も長いパルス幅で、 さ ら に、 例えば図 5 8に示すタ イ ミ ングで 照射すれば、 同様の効果が得 られる。 さ らに、 A r レーザ等の連続 発振の レーザ装置を用いても よい。
な：^、 上記各実施の形態においては、 半導体と してシ リ コ ン （ S i ) を用いた例を示 したが、 これに限らず、 例えば、 ゲルマニウム ( G e ) や、 ガ リ ウム ヒ素 （ G a A s ) 等の I I I一 V族半導体、 亜鉛セ レ ン （ Z n S e ) 等の I I一 V I族半導体などを用いても、 加熱温度等の条件は必ず し も同一でないが、 同様の効果が得 られる こ とは確認されている。 さ ら に、 シ リ コ ン炭素 （ S i C ) ゃシ リ コ ンゲルマニ ウム （ S i G e ) な どを用いても よい。 ま た、 アモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2 への レーザビーム 5 3 1 aの照射等は、 ガラス基板 5 2 1 側から行っ た り 、 アモルフ ァス シ リ コ ン薄膜 5 2 2側およびガラス基板 5 2 1 側の両方から行う よ う にする など して も よい。
また、 ガラス基板 5 2 1 に代えて、 石英、 またはブラスチ ッ ク な どの有機材料等の基板を用いた り 、 導電性の基板の表（ffiに絶緣胶が 形成されたものを用いるなど しても よい。
また、 予備加熱のためのレーザビーム 5 3 2 a等は、 ァモルフ ァ スシ リ コ ン薄膜 5 2 2 の全ての領域に対 して照射せす、 高い T F T 特性が必要な領域についてだけ照射 し、 他の領域については、 従来 と同様に、 結晶化用のための レーザビーム 5 3 1 a等だけを照射す る よう に して も よレ、。
(実施の形態 6 - 1 )
以下、 半導体素子と しての薄膜 ト ラ ンジス夕が液晶表示装置に適 用される例を説明する。
ァク テ ィ ブマ ト リ クス型の液晶表示装置においては、 画像表示領 域に設けられる薄膜 ト ラ ンジスタは、 表示画像のむ ら を低減するた めに、 ト ラ ンジスタ特性の均一性を高 く する必要がある一方、 画像 表示領域の周辺部に配置される駆動回路 （ ドラ イ バ回路） に用い ら れる菏膜 ト ラ ンジス タは、 高い応答性が必要 と される。 しか しなが ら、 特性の均一性と高い応答性とを両立する こ とは、 種々の結晶成 長方法等が検討されているにもかかわ らず容易ではない。 そこで、 本実施の形態においては、 基板上に形成された半導体膜 （非晶質シ リ コ ン層） の領域毎に レーザの照射方法を異な らせる こ と によ り 、 それそれの領域に必要と される特性が得られる よ う に している。 す なわち、 基板の全面、 または画像表示領域のみに対 して第 1 の レー ザ光照射を行った後、 駆動回路部領域に対 して上記第 1 の レーザ光 照射よ り も高いエネルギー密度で第 2 の レーザ光照射を行って い る。 以下、 レーザァニール装置及びレーザァニール方法について図 面を参照 しながら具体的に説明する。
こ の実施の形態で用い ら れる レーザァニール装置は、 基本的に は、 前記図 9で示 した従来の装置 と同様の構成を有したものを用い る こ とができる。 図 9 において、 1 5 1 はレーザ発振器、 1 5 2は 反射鏡、 15 3 は均一化装置、 1 5 4は窓、 1 5 5は非晶質シ リ コ ン層が形成された基板、 1 5 6はステージ、 1 5 7は制御装置を示 している。 そ して、 非晶質シ リ コ ン層のレ一ザァニールの際には、 レーザ発振器 1 5 1 から発振 した レーザ光を反射鏡 1 5 2によって 均一化装 1 5 3 に導き、 エネルギーの均一な所定の形に整形され た レーザビームを窓 1 5 4を通 して処理室内のステージ 1 5 6 に固 定された基板 1 5 5 に照射する よ う になっている。 ただ し、 制御装 置 1 5 7は、 基板 1 5 5における所定の領域ご とに限定して レーザ 光を照射 し得る と とも に、 各領域で照射条件を異な らせる よう に、 制御できる よ う になつている。
上記レーザァニール装置を用い、 まず、 均一化装置 1 5 3 を通 し て ビーム断面形状が線状 （例えば幅が 3 0 O rn、 長さが 1 0 c m ) に整形された レーザ光を、 エネルギー密度が 2 8 0 m J / c m 2 に なる よ う に、 基板 1 5 5を動かしながら、 照射領域を部分的に重ね 合わせつつ基板 1 5 5の全面に照射する第 1 の レーザ光照射を行う (線状の レーザ光を用いた走査照射）。 なお、 こ の レーザ の照射 は、 図 6 0 に示す画像表示領域 1 5 5 aだけに対 して行って も よ い。 次に、 上記よ り も高い 4 0 O m J / c m 2 のエネルギー密度で、 駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c に レーザ光を照射する第 2の レ 一ザ光照射を行う （線状の レーザ光を用いた走査照射）。
こ こ で、 上記基板 1 5 5 と しては、 例えばガラス基板上にブラ ズ マ C V D によ り 5 0 0 Aの膜厚で非晶質シ リ コ ン層を形成した後、 4 5 0 °Cで 1 時間の脱水素処理を行ったものを用いた。 また、 レー ザ光は、 例えば 2 5 n s の ノ ルス幅で、 3 0 0 H z のイ ンタ ーノ ル で発振する も のを用い、 基板 1 5 5 を所定の速度で移動させなが ら、 相対的に レーザ光の走査を行った。 さ ら に、 第 2 の レーザ光照 射では、 図 6 1 に示すよう に、 照射領域が 3 0 / mずつ重ね合わさ る よ う に （オーバラ ッ プ率が 1 0 % ) 走査した。 この場合、 レーザ 光が重ねて照射された継き 目の領域と、 そう でない領域とで移動度 等の特性にムラが生 じる力5、 同図に示すよ う に、 T F T 6 1 0 な ど を継き目 にかからないよ う に形成し、 維ぎ目部分は配線パターンな どに使用すれば、 T F T特性などのばらつきを小さ く する こ とが容 易になる。 また、 第 2 の レーザ光照射では、 線状の ビーム方向を基 板 1 5 5 の各辺に平行な方向 （図 6 0 の駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c 内に実線で示す方向） に して、 各辺に垂直な方向に走査す れば、 照射に要する合計の時間を短 く する こ とができる。 このため には、 基板 1 5 5 が固定されているステージを 9 0 度回転させて レ 一ザ照射を行えばよい （レーザ光の線状のビーム方向を 9 0 度回転 させて よいが、 これは一般に困難である。）。
上記第 1 の レ一ザ光照射によ り 、 画像表示領域 1 5 5 a に必要 と される半導体膜特性の均一性が保たれる よ う に結晶化が行われる一 方、 第 2 の レーザ光照射によ り 、 駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c では、 高い電界効果移動度を得る こ とができ る。 すなわち、 本発 明者らが種々の照射条件で レーザ光の照射を行った と こ ろ、 3 0 0 m J / c m 2 以上のエネルギー密度で走査照射を行う と、 各走査で の照射領域の継ぎ目の部分で電界効果移動度のムラが発生 しゃす く なる こ とが判明 した。 そこで、 上記のよ う に多結晶シ リ コ ンの特性 における面内の均一性が求め られる画像表示領域 1 5 5 aにおいて は、 3 0 0 m J / c m 2 よ り も低いエネルギー密度で レーザ光を照 ¾する一方、 画尜部領域よ り も面楨が小さ く 、 高い電界効果移動度 な どの特性が必要な駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c において は、 3 0 O m J / c m 2 よ り も高いエネルギー密度で レーザ光を照 射する こ とによ り 、 膜特性の均一性と向上と を両立させな く ても、 画像表示領域 1 5 5 a と駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 とで、 それそれのニーズに合った、 特性の互いに異なる多結晶シ リ コ ン層 を形成する こ とがで き る。
(実施の形態 6 — 2 )
薄膜 ト ラ ン ジ ス タ が液晶表示装置に適用 さ れる他の例を説明す る。
この例では、 第 1 の レーザ光照射の際には、 ビーム断面形状が前 記実施の形態 6 — 1 と同 じ く 線状であ.るのに対して、 第 2 の レ一ザ 光照射の際には、 ビーム断面形状が角状である点が異なる。
この突施の形態で用い られる レーザァニール装置は、 図 9 の装置 と比べて、 図 6 2 に示すよ う に、 均一化装置 1 5 3 に代えて、 レー ザ光の.ビーム断面形状を線状に整形する均一化装置 A 6 2 1 と、 角 状 （例えば 1 c m角） に整形する均一化装置 B 6 2 2 とを CSえてい る点が異なる。 （なお、 図 9 と同 じ構成要素については同一の符号 を付 して説明を省略する。）
上記レーザァニール装置を用いて、 まず図 6 2 ( a ) に示すよ う に、 均一化装 @ A 6 2 1 を通 して、 基板 1 5 5 の全面ま たは画像表 示領域 1 5 5 aのみに対 して、 均一性の保たれるエネルギー密度 2 8 O m Jノ c m 2 で線状の レーザ光によ り レーザーァニ一ルを行う (線状の レーザ光を用いた走査照射）。 その後に、 図 6 2 ( b ) に 示すよ う に均一化装置 B 6 2 2 を用い、 図 6 3 に示すよう に、 駆動 回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c の各照射領域 6 3 1 , 6 3 2 に対 し て、 エネルギー密度が 4 0 O m J / c m 2 の角状の レーザ光を照射 する （角状の レーザ光を用いた走査照射）。
上記のよ う に、 第 2 のレーザ光照射の際のレーザ光を角状にする 場合には、 実施の形態 6 — 1 のよ う に基板 1 5 5 を 9 0度回転させ る こ とな く 駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c のレーザァニールを する こ とができる。 したがって、 実施の形態 6 — 1 と同様に画素部 領域と駆動回路部領域で異なる特性を持つ多結晶シ リ コ ンを得る こ とができる と と もに、 装置や製造工程の簡素化を容易に図る こ と力 s でさる。
(実施の形態 6 — 3 )
前記実施の形態 6 — 2 における第 2 の レーザ光照射を複数回行う よ う に しても よい。 すなわち 6 - 2 と同様に第 2 の レ一ザ光照射の 際に、 基板 1 5 5 を移動させず、 図 6 3 に示すよ う に駆動回路部領 域 1 5 5 b , 1 5 5 c における、 角型の レーザビーム形状に対応 し た各照射領域 6 3 1 ， 6 3 2 ごとに、 レーザ光の照射場所を固定 し て静止^射を行う よ う に して も よ く 、 各照射領域 6 3 1 , 6 3 2 は、 例えば レーザ光が 1 c mの角状であるのに対 して、 3 程度ず つ重なる よ う にする と、 レーザ光が重ねて照射されていない領域に おける電界効果移動度を大幅に高 く する こ とが容易にできる と と も に、 領域内での均一性も向上させる こ とがで きる。 こ こで、 上記の よう に レーザ光のエネルギー密度が高い場合には、 レーザ光が重ね て照射された領域と、 そう でない領域とで移動度等の特性にムラが 生 じるが、 駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 では、 画像表示領域 1 5 5 aのよ う な全領域にわたる一様な均一性は必ず しも必要では ない。 すなわち、 レ一ザシ ョ ッ トの維き目 （ レーザビーム端） に半 導体膜のパターン （ T F Tパターン） が重な らないよ う に駆動回路 を形成 して、 継ぎ 目部分は配線パターンなどに使用する よ う にすれ ばよい。 つま り 、 多結晶シ リ コ ンの均一な特性を有する部分のみを T F Tの形成等に使用すればよい。 また、 そのよ う な重ねて照射さ れる領域を使用 しない場合でも、 その面檳は比較的小さいので、 駆 動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c の使用効率はあま り低下 しない。 また、 レーザ光の照射は、 各照射領域 6 3 1 , 6 3 2 ご とに複数 回 （例えば 3 0 回など） 行う こ とによ り 、 一；！膜特性を向上させる こ とがで きる。 こ こで、 静止照射回数と得られた多結晶シ リ コ ンの 移動度との関係を図 6 4 に示す。 同図から明らかなよ う に、 レーザ の照射回数には適切な範囲が存在 し、 こ の範囲よ り照射回数が少な く なつて も多 く なつて も移動度は減少する。 静止照射のエネルギー 密度を 4 0 0 m J / c m 2 と した場合には、 照射回数が 5 0 回以 上、 好ま し く は 8 0 回から 4 0 0 回で高い電界効果移動度を有する 多結晶シ リ コ ンを得る こ とができる。 なお、 上記のよ う な駆動回路 部領域に対 して レーザ光の静止照射を行う こ とによ る電界効果移動 度の向上効果は、 線状の レーザ光を用いる場合でも、 角状の場合よ り 少ないが、 やは り 得 られる。
(実施の形態 6 — 4 )
レーザ光の照射条件は、 上記実施の形態 6 — 1 〜 6 — 3 のよ う に 画像表示領域 1 5 5 a と駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c とで異 な らせるだけでな く 、 さ ら に多 く の領域に分けて異な らせる よう に し、 駆動回路部領域内で特性の異なる多結晶シ リ コ ンを形成するな ど して も よい。 すなわち、 例えば実施の形態 6 — 3 での第 2 の レ一 ザ光照射の際に、 駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c における、 ラ ツ チゃ シ フ ト レ ジスタ の ト ラ ン ス フ ァ 一ゲ一 卜 が形成される領域 は、 高い移動度が必要なので、 高いエネルギー密度 （例えば 4 0 0 m J / c m 2 ) で照射 し、 他の部分は、 ノ イ ズや調整ば らつきの軽 減による均一性やビームを広げて照射領域を大き く する こ とによ る 生産性の向上を優先させるために 3 3 O m J / c m 2 程度で照射す る よう に して も よい。 なお、 照射条件の相違と しては、 照射回数を 異な らせる こ となどでも、 同様の効果が得 られる。
(実施の形態 6 — 5 )
レ一ザァニール装置のさ ら に多の例を説明する。
この レーザァニール装置は、 図 9 の装置に比べて、 図 6 5 に示す よう に、 窓 1 5 4 とステージ 1 5 6 との間に、 レーザ光の透過率が 部分的に異なるマスク部材 6 4 1 を備えている点が異なる。 上記マ スク部材 6 4 1 は、 図 6 6 に示すよ う に、 基板 1 5 5 の画像表示領 域 1 5 5 a に対応する減衰領域 6 4 1 a と、 駆動回路部領域 1 5 5 b , 1 5 5 c に対応する透過領域 6 4 1 b とが形成されて構成され ている。 具体的には、 例えば石英板に部分的に N D フ ィ ル夕や誘電 体多層膜な どの光学薄膜等で笾う こ とによ り 、 レ ーザ光の透過率を 部分的に所定の大き さ に設定 し、 画素部での レーザ光照射エネルギ —密度を低下させる こ とができる。
上記のよ う な レーザァニール装置を用いる こ と によ り 、 例えば線 状に整形された レーザ光を基板全面に照射するために、 レーザビー ムまたは、 マス ク部材 6 4 1 およびステージ 1 5 6 を動かすと と も に、 基板全面をエネルギー密度 4 0 O m J / c m 2 で照射すれば、 画像表示領域 1 5 5 a に対 しては前記実施の形態 6 — 1 等と同様に 2 8 O m J / c m 2 のエネルギー密度で レーザァニールする こ とが できる。 すなわち、 画素部と駆動回路部で特性の異なる半導体膜を 同時に形成する こ とが可能になる。
なお、 マス ク部材 6 4 1 は、 図 6 5 に示すよ う に窓 1 5 4や基板 1 5 5 と間を空けて配置するのに限らず、 基板 1 5 5 に密着させる こ とによ り 、 レーザ光照射表面の平坦性を向上させた り 、 マスク部 材 6 4 1 と窓 1 5 4 を同一体とするなど して も よ く 、 また、 均一化 装置 1 5 3 内に設けた り 、 さ ら に、 レーザ光強度を減衰させるので はな く 、 屈折光学系などによ り レーザ光強度を変化させるものを用 いるな ど して も よい。
(実施の形態 6 - 6 )
画像表示領域における均一性をさ らに向上させる こ とができる レ —ザァニール装置の例を説明する。
こ の レーザァニール装置は、 図 6 7 に示すよ う に、 基板 1 5 5 の 上方に、 入射 した レーザビームを散乱させる均一化光学素子 6 5 1 が設け られている。 これによ り、 レ一ザビーム形状に回祈等に起因 して生 じる光 Sむら を低減 し、 また、 基板 1 5 5 からの反射光がレ 一ザ発振器に戻る こ とによ って レーザパルスが不安定になるのを防 止する こ とができる。
また、 図 6 8 に示すよ う に、 散乱性領域 6 5 2 a と鏡面仕上げな どされた透過領域 6 5 2 b と を有する複合均一化光学素子 6 5 2 を 用い、 半導体層における高い均一性を有する領域と、 高い結晶性を 有する領域とを同時に形成 し得る よ う に しても よい。
なお、 上記各実施の形態は、 それぞれ上記のよ う な効果を得る こ とができるが、 作用が矛盾 しない限 り 、 各実施の形態の構成を組み 合わせて、 それそれの作用による効果や相乗的な効果が得られる よ う に して も よい。 産 業 上 の 禾 |J 用 可 能 性 本発明は、 以上説明 したよ う な形態で実施され、 以下に記載され る よ う な効果を奏する。
すなわち、 本発明によれば、 ト ラ ンジスタ を作製すべき領域を よ り 大きな粒径を有する多結晶シ リ コ ン菏膜とする こ とができ、 電界 効果移動度な どの ト ラ ン ジス タ 特性を大き く 向上させる こ と がで き、 例えば液晶表示装置等において大規模な駆動回路を内蔵化で き るなどの効果がある。 また、 絶緣膜と して、 窒化珪素に酸素を添加 した窒化酸化珪素菏膜を用いる こ とで、 膜中の水素 a量の低下と応 力の低減がで き、 よ り 安定な ト ラ ン ジス タ を得る こ とが可能と な る。 また、 結晶粒径や結晶方位が制御可能となる と共に、 結晶成長 の過程にある結晶同士の千渉が防止され、 十分な結晶粒径を得る こ とができる。 また、 本発明によれば、 結晶核が周辺部に発生する タ イ ミ ングは、 従来に較べて早 く なる結果、 結晶成長が従来に較べて 早 く 行われる よ う にする こ と もできる。
また、 非単結晶質半導体層の少な く と もチ ャ ネル領域に、 結晶の 成長方向をソース領域と ド レ イ ン領域の方向に制御する結晶成長方 向制御.空隙等の結晶成長方向制御領域を設ける本発明による と、 ソ ース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向に長い大粒径の結晶粒が形成 されるので、 こ の方向における結晶粒界密度の小さい結晶質薄膜 ト ラ ンジス 夕が得 られ、 このよ う な結晶質薄膜 ト ラ ンジスタは、 電界 効果移動度等の T F T特性に優れる。
また、 光ビームの強度パターンを適当に調節する手段によ り 、 結 晶粒の均一性と結晶化度の向上を ^るので、 このよ う な本発明によ る と、 他の回路に悪影響を与える こ とな く 、 基板上の限定された特 定部分にのみによ り高い電界効果移動度を有する結晶化領域を形成 する こ とがで きる。 したがって、 例えば画素 ト ラ ンジスタ と これよ り も数十倍から数百倍高い移動度が要求される駆動回路とを同一基 板上に一体的に形成する こ とが可能である。 また、 C P U等を同一 基板上に集積的に形成する こ と も可能にな る ので、 本発明に よ る と、 高性能、 高集積度の A M— L C D などを安価に提供できる とい う優れた効果が得られる。
また、 前駆体半導体膜の吸収率が異なる少な く と も 2 種類のエネ ルギビームを照射する こ と によ り 、 前駆体半導体膜が、 その厚さ方 向にわたって加熱される と と も に、 基板も加熱されるので、 前駆体 半導体膜は、 徐冷されながら、 結晶化する。 それゆえ、 結晶成長が 促進され、 比較的大きな結晶粒が形成される と と もに、 結晶欠陥が 減少 し、 半導体膜の ' 気的特性が向上する という効果を奏する。 し かも、 ヒータ な どを用いる場合に比べて、 短時間で基板を加熱する こ とができるので、 生産性を向上させる こ と もできる。
また、 基板面内に半導体膜の特性の高い領域と特性の均一性の高 い領域の異なる特徴をも った複数の領域を形成する こ とが可能であ り 、 これによ り 、 例えば周辺駆動回路を内蔵 した液晶パネル用薄膜 ト ラ ンジス タア レイ において、 回路部に必要な高い特性と画素部に 必要な高い均一性を実現できる。

Claims

請 求 の 範 囲
( 1 )
基板上に、 第 1 の熱伝導率を有する第 1 の絶緣膜と、 上記第 1 の 熱伝導率と異なる第 2 の熱伝導率を有 し、 部分的な領域に遝択的に 形成された第 2 の絶緣膜と を積層する工程と、
上記第 1 の絶縁膜および第 2 の絶緣膜上に非単結晶半導体薄膜を 積層する工程と、
上記非単結晶半導体菊膜にエネルギビーム を照射 して結晶成長さ せる工程と
を有する こ とを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 2 )
請求項 1 の半導体薄膜の製造方法であって、
上記基板上に上記第 1 の絶縁膜を積層 した後に、 上記第 2 の絶緑 膜を積層する と ともに、
上記第 2 の熱伝導率を上記第 1 の熱伝導率よ り も低 く 設定する こ とを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 3 )
請求項 2 の半導体薄膜の製造方法であって、
上 第 1 の絶緣膜が、 望化珪素化合物と窒化酸化珪素化合物との う ちの何れか一方から成り 、
上記第 2 の絶縁膜が、 酸化珪素化合物から成る こ とを特徴とする 半導体薄膜の製造方法。
( 4 )
基板上に、 第 1 の熱伝導率を有する第 1 の絶緣膜と、 上記第 1 の 熱伝導率と異なる第 2 の熱伝導率を有 し、 部分的な領域に選択的に 形成された第 2 の絶緣膜とを積層する工程と、
上記第 1 の絶緣膜および第 2 の絶縁膜上に非単結晶半導体薄膜を 積層する工程と、
上記非単結晶半導体薄膜にエネルギビーム を照射 して結晶成長さ せる工程と、
上記結晶成長した半導体薄膜における、 上記第 1 の絶緑膜と上記 第 2 の絶緑膜とのう ちの熱伝導率が高い方に対応する領域を用いて 半導体素子を形成する工程と
を有する こ と を特徴とする半導体素子の製造方法。
( 5 )
請求項 4 の半導体素子の製造方法であって、
上記結晶成長 した半導体薄膜における、 上記第 1 の絶縁膜と上記 第 2 の絶縁胶との う ちの熱伝導率が低い方に対応する領域を除去 し、 残った領域を用いて半導体素子を形成する こ とを特徴とする半 導体素子の製造方法。
( 6 )
請求項 4 の半導体素子の製造方法であって、
上記基板上に上記第 1 の絶縁膜を積層 した後に、 上記第 2 の絶緑 膜を積層する と と も に、
上^第 2 の熱伝導率を上記第 1 の熱伝導率よ り も低 く 設定する こ とを特徴とする半導体素子の製造方法。
( 7 )
請求項 6 の半導体素子の製造方法であって、
上記第 1 の絶縁膜が、 窒化珪素化合物と窒化酸化珪素化合物との う ちの何れか一方から成 り 、
上記第 2 の絶緣膜が、 酸化珪素化合物から成る こ とを特徴とする 半導体素子の製造方法。
( 8 )
請求項 4の半導体素子の製造方法であって、
上記第 2 の絶緑膜を、 ス ト ライ ブ状にパターニングされた領域に 選択的に形成する こ とを特徴とする半導体素子の製造方法。
( 9 )
請求項 8 の半導体素子の製造方法であって、
上記エネルギビームの照射を、 上記第 2 の絶縁膜のス ト ライ プ状 ノ ター ン における長手方向に走査 しながら行う と と もに、
上記走査方向がほほ電流経路の方向 と一致する よう に、 上記半導 体素子の形成を行う こ とを特徴とする半導体素子の製造方法。 ( 1 0 )
基板上と、
上記基板上に積層され、 第 1 の熱伝導率を有する第 1 の絶緣膜、 および上記第 1 の熱伝導率と異なる第 2 の熱伝導率を有 し、 部分的 な領域に遝択的に形成された第 2 の絶緣膜と、
上記第 1 の絶縁膜および第 2 の絶緣膜上に積層された非単結晶半 導体薄膜がエネルギビー ム の照射によ り結晶成長した半導体薄膜と を有する半導体素子であって、
上記 晶成長 した半導体薄膜における、 上記第 1 の絶縁膜と上記 第 2 の絶緣膜とのう ちの熱伝導率が高い方に対応する領域が、 電流 絰路中に設け られている こ と を特徴とする半導体素子。
( 1 1 )
請求項 1 0 の半導体素子であって、
上記結晶成長 した半導体薄膜における上記領域を複数有 し、 上記各領域が、 それぞれ、 並列に電流が流れる複数の電流経路中 に設け られている こ とを特徴とする半導体素子。
( 1 2 )
非単結晶半導体薄膜がエネルギビームの照射によ り 結晶成長した 半導体薄膜であって、
上記半導体 ¾膜の周緣部に、 上記半導体薄膜と同一平面内で外方 に延びた突起部が形成されている こ とを特徴とする半導体薄膜。 ( 1 3 )
請求項 1 2 の半導体簿膜であって、
上記突起部は、 上記エネルギビームの照射による結晶成長時に、 1 つの結晶核が発生する大きさに形成されている こ と を特徴とする 半導体薄膜。
( 1 4 )
請求項 1 3 の半導体薄膜であって、
上記突起部は、 突出方向の突出長さが、 上記半導体薄膜の膜厚以 上、 かつ、 3 m以下に形成されている こ と を特徴とする半導体薄 膜。
( 1 5 )
請求項 1 3 の半導体薄膜であって、
上記突起部は、 突出方向と直交する幅方向の長さが、 半導体薄膜 の膜 以上、 かつ、 以下に形成されている こ とを特徴とする 半導体薄膜。
( 1 6 )
請求項 1 2 の半導体菊膜であって、
上記半導体蒗膜は、 対向する 1 対の辺を有する形状に形成され、 上記対向する辺にそれぞれ複数の上記突起部が形成される と と も に、 上記各辺に形成された互いに隣り 合う上記突起部の間隔が、 上記 対向する辺の間隔にほぼ等 し く なる よ う に設定されている こ と を特 徴とする半導体菏膜。
( 1 )
非単結晶半導体薄膜がエネルギビームの照射によ り 結晶成長した 半導体薄膜を有する半導体素子であって、
上記半導体菏膜の周緣部に、 上記半導体菏胰と 同一平面内で外方 に延びた突起部が形成されている こ とを特徴と する半導体素子。 ( 1 8 )
請求項 1 7 の半導体素子であって、
上記半導体溥膜によ り形成されたソース領域とゲ一 ト領域と ド レ イ ン領域とを有する薄膜 ト ラ ンジスタが形成される と と もに、 上記突起部は、 少な く と も上記ゲー ト領域の周縁部に形成されて いる こ とを特徴とする半導体素子。
( 1 9 )
基板上に、 非単結晶半導体薄膜であって、 その非単結晶半導体薄 膜と同一平面内で外方に延びた突起部を有する非単結晶半導体薄膜 を形成する工程と、
上記非単結晶半導体薄膜をエネルギ ビームの照射によ り 結晶成長 させる工程と
を有する こ と を特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 2 0 )
請求項 1 9 の半導体 ¾膜の製造方法であって、
上記エネルギービームが、 レーザ一光、 電子ビーム、 イ オン ビー ムのう ちの少な く と も何れか一つを含むこ と を特徴とする半導体薄 膜の製造方法。 ( 2 1 )
請求項 2 0 の半導体薄膜の製造方法であって、
上記エネルギービームが、 エキシマ レーザー光を含むこ とを特徴 とする半導体薄膜の製造方法。
( 2 2 )
非単結晶半導体薄膜をァニール処理によ り 結晶化させる半導体薄 胶の製造方法であって、.
上記非単結晶半導体薄膜の周辺部における結晶核を中央部におけ る結晶核よ り も早い時期に発生させ、 その後、 前記周辺部に発生 し た前記結晶核を、 前記中央部において結晶核が発生も し く は結晶成 長する以前に、 中央部に向けて結晶成長させる こ とを特徴とする半 導体薄膜の製造方法。
( 2 3 )
請求項 2 2 の半導体^胶の製造方法であって、
ァニール処理された半導体薄膜において、 周辺部を中央部よ り も 早 く 冷却させる こ とによ り 、 半導体薄膜の周辺部における結晶核を 中央部における結晶核よ り も早い時期に発生させる こ とを特徴と す る半導体薄膜の製造方法。
( 2 4 )
請求.項 2 3 の半導体薄膜の製造方法であって、
周辺部は略突起形状を有する周緣を含み、 周緣部におけるァニ ー ル処理によ り 発生 して蓄積された熱の上記半導体薄膜と平行な面方 向における逃げ方向を複数の方向とな し、 以て、 周辺部を中央部に 較べて早 く 冷却させる こ と を特徴とする半導体薄膜の製造方法。 ( 2 5 )
非単結晶半導体溥膜をァニール処理によ り 結晶化させた半導体薄 膜を有する半導体素子であって、
上記非単結晶半導体薄膜の周辺部における結晶核を中央部におけ る結晶核よ り も早い時期に発生させ、 その後、 前記周辺部に発生 し た前記結晶核を、 前記中央部において結晶核が発生も し く は結晶成 長する以前に、 中央部に向けて結晶成長させた半導体 ¾膜を有する 半導体素子。
( 2 6 )
チャ ネル領域と、 前記チャ ネ ル領域の両側に配置されたソース領 域、 および ド レイ ン領域とを有する結晶質半導体層が基板上に形成 されてなる半導体素子において、
前記結晶質半導体屑は、 非単結晶質薄膜を結晶化 してなる もので あ り 、
前記結晶質半導体層の少な く と もチャ ネル領域には、 結晶成長方 向を制御する結晶成長方向制御空陴が設けられている こ とを特徴と する半導体素子。
( 2 7 )
請求項 2 6 の半導体素子であって、
前記結晶成長方向制御空隙は、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結 ぶ方向に溝状の空隙が、 2 列以上設け られて構成されている こ と を 特徴と.する半導体素子。
( 2 8 )
請求項 2 6 の半導体素子であって、
前記結晶成長方向制御空隙が、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結 ぶ方向に不逑続的に複数設け られている こ と を特徴とする半導体素 子。
( 2 9 ) チャ ネル領域と、 前記チャネル領域の両側に配置されたソ一ス領 域、 および ド レイ ン領域と を有する結晶質半導体層が基板上に形成 されてなる半導体素子において、
前記結晶質半導体層は、 非単結晶質薄膜を結晶化 してなる も ので あ り 、
少な く と もチ ャ ネル領域には、 チャ ネル領域本体部に比較 して結 晶化開始温度が高い早期結晶化領域が設け られている こ とを特徴と する半導体素子。
( 3 0 )
請求項 2 9 の半導体素子であって、
前記早期結晶化領域は、 ソース領域と ド レイ ン領域とを結ぶ方向 に長い形状である こ とを特徴とする半導体素子。
( 3 1 )
請求項 2 9 の半導体索子であって、
前記早期結晶化領域は、 チャ ネル領域本体部を構成する成分に不 純物を a ませてなる ものである こ とを特徴とする半導体素子。 ( 3 2 )
請求項 2 6 の半導体素子であって、
前記結晶質半導体屑は、 シ リ コ ン、 またはシ リ コ ン とゲルマニウ ムの化合物を主成分と する も のである こ と を特徴と する半導体素 子。
( 3 3 )
チャネル領域と、 前記チャネル領域の両側に配置されたソース領 域、 および ド レイ ン領域とを有する結晶質半導体層が基板上に形成 されてなる半導体素子の製造方法において、 少な く と も、
絶縁性基板の上に非単結晶質薄膜を堆積する工程と、 前記非単結晶質薄膜に、 結晶成長方向制御空隙を形成する工程 と、
結晶成長方向制御空隙が形成された非単結晶質半導体薄膜に、 ェ ネルギービームを照射 して当該薄膜を結晶化する工程と、
を え る こ とを特徴とする半導体素子の製造方法。
( 3 4 )
請求項 3 3 の半導体素子の製造方法であって、
前記結晶成長方向制御空隙を、 ソ ース領域と ド レ イ ン領域と を結 ぶ方向に溝状に形成する こ とを特徴とする半導体素子の製造方法。 ( 3 5 )
請求項 3 3 の半導体素子の製造方法であって、
記結晶成長方向制御空隙を、 ソ ース領域と ド レ イ ン領域と を結 ぶ方向に不連続的に複数形成する こ とを特徴とする半導体素子の製 造方法。
( 3 6 )
チャネル領域と、 前記チャネル領域の両側に配置されたソース領 域、 および ド レ イ ン領域とを有する結晶質半導体層が形成されてな る半導体素子の製造方法において、 少な く と も
絶緣性基板の上に非単結晶質蒗膜を堆積する工程と、
前^非単結晶質半導体薄膜の一部に、 当該部分の結晶化開始温度 を高める不純物をイ オン注入して不純物を含む早期結晶化領域を形 成する早期結晶化領域形成工程と、
前記早期結晶化領域形成工程の後、 エネルギービームを照射 して 当該薄膜の結晶化を行う工程と、
を備える こ とを特徴とする半導体素子の製造方法。
( 3 7 ) 請求項 3 6 の半導体素子の製造方法であって、
前記早期結晶化領域形成工程において、 前記ソース領域と前記 ド レイ ン領域とを結ぶ方向に長い帯状の早期結晶化領域を形成する こ とを特徴とする半導体索子の製造方法。
( 3 8 )
請求項 3 6 の半導体素子の製造方法であって、
前記早期結晶化領域が、 前記ソース領域と前記 ド レイ ン領域と を 結ぶ方向に不連続的に配置する こ と を特徴とする半導体素子の製造 方法。
( 3 9 )
請求項 3 3 の半導体素子の製造方法であって、
前記エネルギー ビームが、 エキシマ レ一ザ ビームであ る こ と を特 徴とする半導体素子の製造方法。
( 4 0 )
基板上に形成された非単結晶質からなる薄胶に光ビームを照射す る こ と によ り 、 前記非単結晶質を結晶化または再結晶化 して結晶質 半導体薄膜となす半導体薄膜の製造方法において、
上記光ビーム と して、 被照射面である前記薄膜表面に温度勾配若 し く は温度分布の不均一が生 じる よ う に、 光エネルギー強度の分布 パターンが調節された光ビームを用い、 上記光ビームを静止状態で 照射する こ と を特徴とする半導体菏胶の製造方法。
( 4 1 )
請求項 4 0 の半導体薄膜の製造方法であって、
前記光エネルギー強度の分布パターンは、 ビーム幅内における光 強度が一方から他方へ単調に増加 しまたは一方から他方へ単調に減 少する分布パター ンである こ と を特徴とする半導体薄膜の製造方 法。
( 4 2 )
請求項 4 0 の半導体薄膜の製造方法であって、
前記光エネルギー強 の分布パターンは、 ビーム幅内において相 対的に光強度の強い部分と相対的に光強度の弱い部分とが平面的に 交互に配列された分布バタ一ンである こ とを特徴とする半導体薄膜 の製造方法。
( 4 3 )
請求項 4 2 の半導体薄膜の製造方法であって、
前記光エネルギー強度の分布パターンは、 少な く とも 2 つのそれ それコ ヒー レ ン ト な光を同時に照射 して光干渉を生 じさせる こ とに よ り 形成さ れた も のであ る こ と を特徴と する半導体薄膜の製造方 法。
( 4 )
請求項 4 2 の半導体菏膜の製造方法であ って、
前記エネルギー強度の分布ノ、 'ターンは、 少な く と も 2 つのそれそ れコ ヒ一 レ ン ト な光を同時に照射 し、 かつ前記光の少な く と も 1 つ の光の位相を動的に変調する こ とによ り 形成 した波動的な干渉パタ ーンである こ とを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 5 )
基板上に形成さ れた非単結晶質か ら なる 薄膜に光 ビームを照射 し、 しかる後放熱 して、 前記非単結晶質を結晶化または再結晶化す る結晶質半導体薄膜の作製方法において、
前記作製方法は、 周囲雰囲気圧力 を一定値以上に保つ こ と に よ り 、 光ビー ム の照射された薄膜面に不均一な温度分布を生 じさせる こ と を特徴とする半導体薄膜の製造方法。 ( 6 )
請求項 4 5 の半導体薄膜の製造方法であって、
前記一定値以上の雰囲気圧力は、 雰囲気ガスが水素ガスのと き、 1 0 ― 3 t o r r以上である半導体簿膜の製造方法。
( 4 7 )
基板上に形成された前駆体半導体膜に、 少な く と も、 上記前駆体 半導体膜を結晶化させ得るエネルギを上記前駆体半導体膜に与え る 第 1 のエネルギビーム と、 上記第 1 のエネルギビーム よ り 上記前駆 体半導体膜の吸収率が小さ く 、 かつ、 上記前駆体半導体膜を結晶化 させ得るエネルギょ り も小さいエネルギを上記前駆体半導体膜に与 える第 2 のエネルギビーム とを照射 して、 上記前駆体半導体膜を結 晶化させる工程を有する こ とを特徴とする半導体膜の製造方法。 ( 4 8 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記前駆体半導体膜は、 非晶質シ リ コ ン菏膜である こ とを特徴と する半導体膜の製造方法。
( 4 9 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギ ビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数 が、 J 記前駆体半導体膜の膜厚のほほ逆数以上である と と も に、 上記第 2 のエネルギ ビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数 が、 上記前駆体半導体膜の膜厚のほぼ逆数以下である こ とを特徴と する半導体膜の製造方法。
( 5 0 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数 が、 上記前駆体半導体膜の膜厚の逆数のほほ 1 0倍以上である と と もに、
上記第 2 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数 が、 上記前駆体半導体膜の膜厚のほぼ逆数である こ と を特徴とする 半 ¾体膜の製造方法。
( 5 1 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 互 いに波長の異なる光である こ とを特徴とする半導体膜の製造方法。 ( 5 2 )
請求項 5 1 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 単波長のエネルギビームである と ともに、
上記第 2 のエネルギビームは、 少な く とも可視光領域の波長成分 を含む光である こ と を特徴とする半導体膜の製造方法。
( 5 3 )
請求項 5 2 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 レーザ光である と と も に、 上記第 2 のエネルギビームは、 赤外線ラ ン プである こ とを特徴と する半導体膜の製造方法。
( 5 4 )
請求項 5 2 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 レーザ光である と と もに、 上記第 2 のエネルギビームは、 白熱光である こ とを特徴とする半 導体膜の製造方法。
( 5 5 ) 請求項 5 2 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 レーザ光である と と も に、 上記第 2 のエネルギビームは、 エキシマラ ンプ光である こ とを特 徴とする半導体膜の製造方法。
( 5 6 )
請求項 5 1 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 2 のエネルギビームは、 少な く と も可視光領域から紫外光 領域の波長成分を含む光である こ とを特徴とする半導体膜の製造方 法。
( 5 7 )
請求項 5 6 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 レーザ光である と と も に、 上記第 2 のエネルギビームは、 キセノ ンフ ラ ッ シユ ラ ンブ光であ る こ とを特徴とする半導体膜の製造方法。
( 5 8 )
0音求項 5 1 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギービーム、 および第 2 のエネルギビームは、 レーザ光である こ と を特徴とする半導体膜の製造方法。
( 5 9 )
請求項 5 8 の半導体膜の製造方法であって、
上記前駆体半導体膜は、 非晶質シ リ コ ン薄膜であ り 、
上記第 1 のエネルギビームは、 アルゴン フ ッ素エキシマ レ一ザ、 ク リ プ ト ンフ ッ素エキシマ レ一ザ、 キセノ ン塩素エキシマ レーザ、 またはキセ ノ ンフ ッ素エキシマ レ一ザのう ちの何れかの レーザ光で ある と と もに、
上記第 2 のエネルギビームは、 アルゴン レーザの レーザ光である こ と を特徴とする半導体膜の製造方法。
( 6 0 )
請求項 5 8 の半導体膜の製造方法であって、
上記基板はガラス基板であ り 、
上記前駆体半導体胶は、 非晶質シ リ コ ン薄膜であ り 、
上記第 1 のエネルギビームは、 アルゴンフ ッ素エキシマ レーザ、 ク リ ブ ト ン フ ッ素エキシマ レ一ザ、 キセノ ン塩素エキシマ レ一ザ、 またはキセノ ンフ ッ素エキシマ レーザのう ちの何れかの レ一ザ光で ある と と もに、
上記第 2 のエネルギビームは、 炭酸ガス レーザの レ一ザ光である こ とを特徴とする半導体膜の製造方法。
( 6 1 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギ ビームは、 上 記前駆体半導体膜における帯状の領域に照射する こ と を特徴とする 半導体膜の製造方法。
( 6 2 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 2 のエネルギビームにおける上記前駆体半導体膜への照射 領域は、 上記第 1 のエネルギビームにおける上記前駆体半導体膜へ の照射領域よ り も大き く 、 かつ、 上記第 1のエネルギ ビームの照射 領域を含む領域である こ とを特徴とする半導体膜の製造方法。 ( 6 3 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 上 記前駆体半導体膜にほぼ垂直に入射する よ う に照射する こ とを特徴 とする半導体膜の製造方法。
( 6 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
第 2 のエネルギビームは、 少な く と も、 上記第 1 のェネルギビ一 ムを照射する のに先立って照射する こ と を特徴とする半導体膜の製 造方法。
( 6 5 )
請求項 6 4 の半導体膜の製造方法であって、
上記前駆体半導体膜の形成された基板を移動させる と と もに、 上 記第 2 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜における上記第 1 のエネルギ ビームの照射位置よ り も、 上記移動方向前方側の位置に 照射する こ と を特徴とする半導体膜の製造方法。
( 6 6 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 間欠的に照射する一方、 上記第 2 のエネルギビームは、 連統的に照射する こ とを特徴とす る半導体膜の製造方法。
( 6 7 )
請求項 6 6 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギ ビームは、 パルス発振の レーザ光である 一 方、
上記第 2 のエネルギビームは、 連続発振の レーザ光である こ と を 特徴とする半導体膜の製造方法。
( 6 8 )
請求項 6 6 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギ ビームは、 パルス発振の レ一ザ光である 一 方、
上記第 2 のエネルギビームは、 ラ ンプの光である こ とを特徴とす る半導体膜の製造方法。
( 6 9 )
請求項 4 7 の半導体胶の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 互 いに同期させて、 間欠的に照射する こ とを特徴とする半導体膜の製 造方法。
( 7 0 )
請求項 6 9 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームを照射する期間は、 上記第 2 のェネル ギビームを照射する期間内で、 かつ、 上記第 2 のエネルギビームの 照射周期の 3 分の 2 以下の期間である こ とを特徴と する半導体膜の 製造方法。
( 7 1 )
請求項 6 9 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 パ ルス発振の レーザ光である こ とを特徴とする半導体腴の製造方法。 ( 7 2 )
請求項 6 9 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギ ビームは、 パルス発振の レーザ光であ る一 方、
上記第 2 のエネルギビームは、 間欠的に点灯される ラ ンプの光で ある こ と を特徴とする半導体膜の製造方法。
( 7 3 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、 上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 上 記前駆体半導体膜が 3 0 0 て以上 1 2 0 0 て以下の温度に加熱され る よ う に照射する こ とを特徴とする半導体胶の製造方法。
( 7 4 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームは、 上 記前駆体半導体膜が 6 0 0 °C以上 1 1 0 0 て以下の温度に加熱され る よう に照射するこ とを特徴とする半導体膜の製造方法。
( 7 5 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、 さ らに、
上記前駆体半導体膜の形成された基板を ヒータ によ り加熱するェ 程を有する こ とを特徴とする半導体膜の製造方法。
( 7 6 )
請求項 7 5 の半導体膜の製造方法であって、
上記前駆体半導体膜の形成された基板が 3 0 0 °C以上 6 0 0 以 下の温度になる よ う に加熱する こ とを特徴とする半導体膜の製造方 法。
( 7 7 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギビームは、 上記前駆体半導体膜における複数 の領域に照射する と とも に、
上記第 2 のエネルギビームは、 上記複数の領域の一部についてだ け照射する こ と を特徴とする半導体膜の製造方法。
( 7 8 )
請求項 4 7 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 2 のエネルギビームは、 上記基板における吸収率が、 上記 上記前駆体半導体膜における吸収率よ り も大きいこ とを特徴とする 半導体膜の製造方法。
( 7 9 )
請求項 7 8 の半導体膜の製造方法であって、
上記第 1 のエネルギ ビームは、 上記前駆体半導体膜の吸収係数 が、 上記前駆体半導体膜の膜厚の逆数のほぼ 1 0倍以上である こ と を特徴とする半導体膜の製造方法。
( 8 0 )
請求項 7 8 の半導体膜の製造方法であって、
上記基板はガラス基板であ り 、
上記前駆体半導体膜は、 非晶質シ リ コ ン薄膜であ り 、
上記第 1 のエネルギ ビームは、 アルゴン フ ヅ素エキシマ レーザ、 ク リ プ ト ン フ ッ素エキシマ レーザ、 キセノ ン塩素エキシマ レーザ、 またはキセノ ン フ ッ素エキシマ レ一ザのう ちの何れかのレーザ光で ある と と も に、
上記第 2 のエネルギビームは、 炭酸ガス レ一ザの レーザ光である こ とを特徴とする半導体膜の製造方法。
( 8 1 )
基板上に形成された前駆体半導体膜を結晶化させる半導体膜の製 造装寧であって、
第 1 のエネルギビームを照射する第 1 の照射手段と、
上記第 1 のエネルギビームよ り 上記前駆体半導体膜の吸収率が小 さい第 2 のエネルギビーム と を照射する第 2 の照射手段と
を備えたこ とを特徴とする半導体膜の製造装置。
( 8 2 )
請求項 8 1 の半導体膜の製造装置であって、 上記第 2 の照射手段は、 放射状に第 2 のエネルギビームを発する ラ ンプである と とも に、
さ らに、 上記第 2 のエネルギビームを集光する凹面反射鏡を備え たこ とを特徴とする半導体膜の製造装置。
( 8 3 )
請求項 8 1 の半導体膜の製造装置であって、
さ らに、 上記第 1 のエネルギビーム と第 2 のエネルギビーム との う ち、 いずれか一方を反射する一方、 他方を透過させる反射板を備 え、
上記第 1 のエネルギビーム、 および第 2 のエネルギビームを、 何 れも上記前駆体半導体膜にほぼ垂直に入射させる よ う に構成されて いる こ と を特徴とする半導体膜の製造装置。
( 8 4 )
請求項 8 1 の半導体膜の製造装置であって、
上記前駆体半導体膜は、 非晶質シ リ コ ン薄膜であ り 、
上記第 1 の照射手段は、 アルゴンフ ッ素エキシマ レ一ザ、 ク リ プ ト ンフ ッ素エキシマ レーザ、 キセノ ン塩素エキシマ レ一ザ、 または キセノ ン フ ッ素エキシマ レーザのう ちの何れかである と と もに、 上記第 2 の照射手段は、 アルゴン レーザである こ とを特徴とする 半導 膜の製造装置。
( 8 5 )
請求項 8 1 の半導体膜の製造装置であって、
上記基板はガラス基板であ り 、
上記前駆体半導体膜は、 非晶質シ リ コ ン薄膜であ り 、
上記第 1 のエネルギビームは、 アルゴンフ ッ素エキシマ レーザ、 ク リ プ ト ン フ ッ素エキシマ レ一ザ、 キセ ノ ン塩素エキシマ レ一ザ、 またはキセ ノ ンフ ッ素エキシマ レ一ザのう ちの何れかの レーザ光で ある と と もに、
上記第 2 のエネルギビームは、 炭酸ガス レーザの レーザ光である こ とを特徴とする半導体膜の製造装置。
( 8 6 )
画像表示領域と駆勅回路部領域とを有する基板上に形成された非 単結晶半導体薄膜にエネルギビームを照射 して結晶成長させる工程 を有する半導体菏膜の製造方法であって、
上記画像表示領域への第 1 の照射は、 ビームの断面形状が線状の エネルギビームを用いて行う 一方、
上記駆動回路部領域への第 2 の照射は、 ビームの断面形状が角状 のエネルギビームを用い、 かつ、 上記第 1 の照射よ り も高いエネル ギ密度で行う こ とを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 8 7 )
画像表示領域と駆動回路部領域とを有する基板上に形成された非 単結晶半導体薄膜にエネルギビームを照射して結晶成長させる工程 を有する半導体薄膜の製造方法であって、
上記画像表示領域への第 1 の照射は、 上記基板に対 して相対的に エネルギ ビームを走査 し、 エネルギビームの照射領域を所定のォー パラ ッ プ量でずら しながら照射する走査照射である一方、
上記駆動回路部領域への第 2 の照射は、 上記基板に対 して相対的 にエネルギビームを固定 して行う静止照射で、 かつ、 上記第 1 の照 射よ り も高いエネルギ密度で行う こ と を特徴とする半導体薄膜の製 造方法。
( 8 8 )
請求項 8 7 の半導体薄胶の製造方法であって、 上記第 2 の照射は、 上記基板に対して相対的にエネルギビームを 固定した状態で、 複数回行う こ とを特徴とする半導体薄膜の製造方 法。
( 8 9 )
画像表示領域と駆動回路部領域とを有する基板上に形成された非 単結晶半導体簿胰にエネルギビームを照射 して結晶成長させる工程 を有する半導体簿膜の製造方法であって、
上記画像表示領域と、 上記駆動回路部領域における所定の複数の 領域と に対 して、 それぞれ互いに異なるエネルギ密度で、 かつ、 上 記画像表示領域よ り も上記駆動回路部領域のほうが高いエネルギ密 度で、 エネルギビームの照射を行う こ とを特徴とする半導体薄膜の 製造方法。
( 9 0 )
請求項 8 9 の半導体薄膜の製造方法であって、
上記駆動回路部領域における上記各領域の う ち、 ラ ッチ回路およ びシ フ ト レ ジス タ の う ちの少な く と も何れかを構成する ト ラ ンス フ ァゲー ト が形成される領域へのエネルギビームの照射は、 他の領域 へのエネルギビームの照射よ り も高いエネルギ密度で行われる こ と を特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 9 1 )
画像表示領域と駆動回路部領域とを有する基板上に形成された非 単結晶半導体薄膜にエネルギビームを照射 して結晶成長させる工程 を有する半導体薄膜の製造方法であって、
上記画像表示領域に対応 した領域が上記駆動回路部領域に対応 し た領域よ り も上記エネルギ ビームの透過率が低い フ ィ ルタ を介 し て、 上記画像表示領域および上記駆動回路部領域へのエネルギビー ムの照射を同時に行う こ とを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 9 2 )
基板上に形成された非単結晶半導体菏膜にエネルギビームを照射 して結晶成長させる工程を有する半導体薄膜の製造方法であって、 上記エネルギビームの照射を、 エネルギビームの散乱性を有する 均一化素子を介 して行う こ とを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
( 9 3 )
請求項 9 2 の半導体薄膜の製造方法であって、
上記均一化素子は、 部分的にエネルギビームの透過性を有する領 域を有 し、
上記透過性を有する領域に入射 したエネルギ ビームをそのま ま透 過させて、 上記非単結晶半導体薄膜に照射する こ とを特徴とする半 導体薄膜の製造方法。
( 9 4 )
エネルギビーム究生手段と、
上記エネルギビーム発生手段から発せられたエネルギビームをェ ネルギの均一な所定のビーム断面形状に整形する均一化手段と を備 え、
上記整形されたエネルギビームを、 基板上に形成された非単結晶 半導体薄膜に照射 して結晶成長させる半導体薄膜の製造装置であつ て、
さ らに、 上記エネルギビームの透過率が互いに異なる領域を有す るフ ィ ルタ を備え、
上記フ ィ ルタ を介 して、 上記非単結晶半導体簿膜における複数の 領域に、 互いに異なるエネルギ密度で上記エネルギビームの照射を 行う よ う に構成されたこ と を特徴とする半導体薄膜の製造装置。 ( 9 5 )
請求項 9 4 の半導体薄膜の製造装置であって、
上記フ ィ ル夕は、 光学薄膜によ り、 上記エネルギビームの透過率 が互いに異なる領域を有する よ う に構成されている こ とを特徴とす る半導体簿膜の製造装置。
( 9 6 )
請求項 9 4 の半導体薄膜の製造装置であって、
さ らに、 上記基板が配置されるチャ ンバを備え、 上記チャ ンバに 形成された窓を介 して上記エネルギビームの照射が行われる よ う に 構成される と ともに、
上記フ ィ ルタが、 上記窓に設けられている こ とを特徴とする半導 体薄膜の製造装置。
( 9 7 )
エネルギビーム発生手段と、
上記エネルギビーム発生手段から発せられたエネルギビームをェ ネルギの均一な所定のビーム断面形状に整形する均一化手段と を備 え、
上記整形されたエネルギビームを、 基板上に形成された非単結晶 半導体薄膜に照射 して結晶成長させる半導体薄膜の製造装置であつ て、
上記均一化手段が、 エネルギビームを複数の ビーム断面形状に選 択的に切 り 替えて整形し得る よう に構成されている こ とを特徴とす る半導体薄膜の製造装置。
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