JPH1074697A

JPH1074697A - 多結晶シリコン膜、多結晶シリコンの製造方法、薄膜トランジスタの製造方法、液晶表示装置の製造方法、及びレーザアニール装置

Info

Publication number: JPH1074697A
Application number: JP22856196A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kawamura; 真一河村; Yuki Matsuura; 由紀松浦; Yasuto Kawahisa; 慶人川久; Hiroshi Ito; 弘伊藤; Akitaka Yamada; 明孝山田; Shuichi Ishida; 修一石田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1998-03-17

Abstract

(57)【要約】【課題】多結晶シリコンを製造する際に水素脱気によ
るアブレーションを起こさず、良質で結晶粒径の大きい
多結晶シリコンを得ることを目的とする。【解決手段】エネルギービームの走査方向に裾を持た
せ、非単結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネル
ギー密度は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、１６０ｍＪ
／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエネルギーが照射され
る場合は、前ショット以前に受けたエネルギー密度の最
大値＋１５ｍＪ／ｃｍ² 以下であり、かつ実質的な最大
エネルギー密度のエネルギーが１０回以上１２０回以下
照射されることを特徴とする。また、最大エネルギーが
照射された後には、それよりも低いエネルギー密度で５
回以上照射されないことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非単結晶シリコン
を多結晶化する際に水素脱気によるダメージのない多結
晶シリコン膜、また水素脱気によるダメージが生じるこ
とのない均一な多結晶シリコンの製造方法、薄膜トラン
ジスタの製造方法、及び液晶表示装置の製造方法に関す
る。また、本発明は、その製造方法を具現化するために
用いられるレーザアニール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビーム照射により多結晶シリコン
を製造する場合、従来は水素脱気により膜にダメージを
生じてしまい、良質の膜を得ることができなかった。こ
の問題を解決するために、現在は非晶質シリコン膜を形
成した後にあらかじめ水素脱気を行っておき、その後に
エネルギービームの照射により多結晶化を行う方法が採
られている。

【０００３】このような方法の一つとして、特開平２−
１７７４２２号公報には、光ビームスポットのエネルギ
ー分布を、スポットの走査方向の前方側から後方側に向
かって複数段階に分布させることにより、徐々に大きな
エネルギーを与える方法が開示されている。

【０００４】また、レーザアニールを行うレーザアニー
ル装置に関しては、出射されたレーザ光を最終的に整形
する線状ビームの長軸方向、短軸方向にそれぞれ強度の
均一化を行うが、従来の均一化は、カライドスコープに
より両方向ともに行っていた。

【０００５】また、線状ビームに裾を形成して照射を行
う方法において、その裾を形成するためのレーザアニー
ル装置としては、例えば特開平２−１７７４２号公報に
は、透過率の異なる複数のフィルタを積層しそこへレー
ザ光を透過することで、レーザビームのエネルギー強度
分布を階段状又は緩やかにする、という技術が開示され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た方法でも最初に照射されるエネルギービームの大き
さ、及び一段階ごとの変化の大きさ等によってはシリコ
ン膜にダメージが生じてしまう、という問題があった。

【０００７】また、徐々にエネルギー密度の大きいエネ
ルギーを照射していき、最終的に最大エネルギー密度の
エネルギーを照射するが、その最大エネルギー密度の照
射が充分でない場合には、形成された多結晶シリコンの
所望の特性が得られないという問題があった。さらに、
最大エネルギー密度で照射された後に再度それよりも低
いエネルギーで多数回照射されるとシリコンが溶融し始
めて結晶性が劣化する（粒径が小さくなる）という問題
があった。

【０００８】また、レーザアニール装置においては、カ
ライドスコープの出射口の大きさを線状ビームの大きさ
と同程度としなければならないため、光学系全体が大き
くなってしまう問題があった。

【０００９】さらに、線状ビームの裾を形成する場合
に、従来は積層フィルタを透過させているためこの透過
によるレーザエネルギーの損失は全エネルギーの２０〜
５０％と大きな値となる。そのためレーザエネルギーの
利用効率が低下してしまうという問題があった。

【００１０】本発明は上記問題点に鑑みなされたもの
で、水素脱気によるダメージのない良質な多結晶シリコ
ン膜、多結晶シリコンの製造方法、薄膜トランジスタの
製造方法、及び液晶表示装置の製造方法を提供し、ま
た、小型化が可能で、レーザーエネルギーの利用効率を
良く、線状ビームの裾を制御することのできるレーザー
アニール装置を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に非単
結晶シリコンを形成する工程と、前記非単結晶シリコン
にエネルギービームを１ショットの照射毎に、相対的に
所定距離だけ走査させて照射し前記非単結晶シリコンを
多結晶化する工程とを有する多結晶シリコンの製造方法
において、前記非単結晶シリコンの任意の点が最初に受
けるエネルギー密度は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、
１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエネルギー
が照射される場合は、前ショット以前で受けたエネルギ
ー密度の最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ² 以下の大きさであ
り、かつ実質的な最大エネルギー密度のエネルギーを１
０ショット以上１２０ショット以下受けることを特徴と
する多結晶シリコンの製造方法である。

【００１２】また本発明は、前記非単結晶シリコンの任
意の点が最初に受けるエネルギー密度は１６０ｍＪ／ｃ
ｍ² 未満であり、１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／
ｃｍ² 未満のエネルギー密度のエネルギーが照射される
場合はそのショットで受けるエネルギー密度が前ショッ
ト以前で受けたエネルギー密度の３／２倍以下の大きさ
であり、かつ実質的な最大エネルギー密度のエネルギー
を１０ショット以上１２０ショット以下受けることを特
徴とする多結晶シリコンの製造方法である。

【００１３】また本発明は、前記非単結晶シリコンの任
意の点が最初に受けるエネルギー密度は１６０ｍＪ／ｃ
ｍ² 未満であり、１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／
ｃｍ² 未満のエネルギー密度のエネルギーが照射される
場合はそのショットで受けるエネルギー密度が前ショッ
ト以前で受けたエネルギー密度の３／２倍以下の大きさ
であり、２７０ｍＪ／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエ
ネルギーが照射される場合はそのショットで受けるエネ
ルギー密度が（前ショット以前で受けたエネルギー密度
の最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ² ）以下の大きさであり、か
つ実質的な最大エネルギー密度のエネルギーを１０ショ
ット以上１２０ショット以下受けることを特徴とする多
結晶シリコンの製造方法である。

【００１４】さらに本発明は、最大エネルギー密度で照
射された後には、実質的な最大エネルギー密度よりも低
いエネルギーで５回以上照射されないことを特徴とする
多結晶シリコンの製造方法である。

【００１５】上記したような多結晶シリコンの製造方法
によれば、水素脱気によるアブレーションを起こすこと
なく、大粒径の結晶を得ることができる。また本発明
は、（１１１）配向した多結晶シリコン膜である。ま
た、（１１１）配向されかつ粒径が０．３μｍ以上１．
２μｍ以下である多結晶シリコン膜である。また、（１
１１）配向された多結晶シリコン膜である。

【００１６】このような多結晶シリコン膜は、ＴＦＴ等
の構成部材となったときに移動度、閾値の経時変化等に
関し、良好な特性を示す。また本発明は、上記多結晶シ
リコンの製造方法を用いた薄膜トランジスタの製造方法
である。

【００１７】また本発明は、上記多結晶シリコンの製造
方法を用いた液晶表示装置の製造方法である。また、本
発明は、レーザ光を出射するレーザ出射手段と、このレ
ーザ出射手段から出射されたレーザ光を線状に整形する
光学系と、前記光学系により整形された線状ビームが照
射される被処理物を設置するチャンバと、を備えたレー
ザアニール装置において、前記光学系は、前記レーザ光
を一方向に均一化し前記線状ビームが長軸方向に均一化
されるためのレンズ群と、前記レーザ光を前記一方向と
垂直な方向に均一化し前記線状ビームが短軸方向に均一
化され、光反射面を対向させて平行に配置された多重反
射手段と、を備えたことを特徴とするレーザアニール装
置である。

【００１８】このような構成にすることにより、多重反
射手段の間隙を通過したレーザ光は、通過後も線状ビー
ムの長軸方向に徐々に拡大されていくことになるので光
反射手段の長軸方向の長さよりも長い線状ビームを得る
ことができる。

【００１９】また、本発明は、多重反射手段を２枚の単
独な光反射手段で構成され、前記レーザ光の進行方向ま
たは光反射面に垂直な方向に、それぞれ単独に可動であ
ることを特徴とするレーザアニール装置である。このよ
うな構成にすることにより、整形される線状ビームの短
軸方向の幅、裾幅、裾の対称、非対称を自由に制御でき
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下実施例１、２に多結晶シリコ
ンの製造方法及びその方法により形成された多結晶シリ
コン膜について詳細に説明する。

【００２１】（実施例１）図１にエキシマレーザーアニ
ール装置の模式的な構造を示す。このエキシマレーザー
アニール装置は線状ビームを形成する光学系を有してい
る。図１において、レーザー発振源として発振波長３０
８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ発振源１１を用いる。
このエキシマレーザー発振源１１から発振されたエネル
ギービーム１２はホモジナイザーを含む光学系１３を通
った後、ミラー１４により進路を変えられ、結像レンズ
１５によりＸ−Ｙテーブル１６上に載せられた基板１７
に線状ビーム１８として結像される。このＸ−Ｙテーブ
ル１６はＸ軸方向、およびＹ軸方向に移動することがで
き、Ｘ−Ｙテーブル１６のＸ軸方向への移動により、線
状ビームの短軸方向に走査していく。また、Ｘ−Ｙテー
ブル１６はレーザーの発振に同期して移動することがで
きる。

【００２２】まず、ガラス基板（コーニング社品番１７
３７）の一主面上にアンダーコート膜として絶縁膜Ｓｉ
Ｏ_X 、ＳｉＮ_X 等を成膜した後、プラズマＣＶＤ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）に
より非晶質シリコンを１０００オングストローム形成し
た。

【００２３】そしてこの後、波長３０８ｎｍＸｅＣｌエ
キシマレーザアニール装置により非晶質シリコン層の上
面より最大エネルギー密度１７０ｍＪ／ｃｍ² のエネル
ギービームを照射し、多結晶シリコンとした。

【００２４】このとき、エキシマレーザービームの形状
は図２に示すように線状ビームであり、この線状ビーム
の短軸方向のエネルギー密度分布は台形状の分布であ
り、最大エネルギー密度の９０％以上の部分の長さＬは
５００μｍであり、この台形状の裾幅ｌは２００μｍと
した。

【００２５】そしてこの線状ビームを１ショット毎に短
軸方向に相対的に５０μｍの走査ピッチで走査して照射
を行った。このように傾斜のある裾を持つ場合、非単結
晶シリコンは場所によって最初に照射されるエネルギー
密度が異なることになる。しかし、裾の長さが２００μ
ｍで１ショット毎の走査が５０μｍの場合は、非晶質シ
リコンの任意の点で最初に照射されるエネルギービーム
のエネルギー密度は１７０ｍＪ／ｃｍ² の１／４以下、
すなわち約４３ｍＪ／ｃｍ² 以下であり、その後のショ
ットでも徐々にエネルギー密度が増加して照射され、最
終的に最大エネルギー密度である１７０ｍ／ｃｍ² が照
射されることになる。さらに、最大エネルギー密度の９
０％以上の部分の長さが５００μｍであり、走査のピッ
チが５０μｍであるので、シリコン一カ所につき、最大
エネルギー密度のエネルギーが１０回、もしくは最多の
領域では１１回照射されることになり、充分に結晶化さ
れる。

【００２６】（実施例２）次に膜厚、及びエネルギービ
ームのエネルギー密度を変えて多結晶シリコン膜を形成
した。ガラスからなる基板の一主面上にアンダーコート
膜として絶縁膜ＳｉＯ_X 、ＳｉＮ_X 等を成膜した後に、
プラズマＣＶＤ法で非晶質シリコン層を５００オングス
トロームの厚さに形成した。そして図１に示す波長３０
８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザアニール装置により非
晶質シリコン層の上面より最大エネルギー密度３５０ｍ
Ｊ／ｃｍ² のエネルギービームを照射し、多結晶化し
た。ただしエキシマレーザのビーム形状は図９に示すよ
うに線状ビームであり、この線状ビームの短軸方向のエ
ネルギー密度分布は台形状の分布であり、この台形の走
査先方側の裾幅ｌ１を５００μｍ、走査後方側の裾幅ｌ
２を３５μｍ、最大エネルギー密度の部分の長さＬを４
００μｍとした。そして、この線状ビームを１ショット
毎に短軸方向に走査ピッチ２０μｍで基板に対して相対
的に走査することによりエネルギービームの照射を行っ
た。

【００２７】このように裾が傾斜している場合、実施例
１と同様に最初に照射されるエネルギー密度の大きさが
非単結晶シリコンの各場所によって異なるが、最初に照
射されるエネルギー密度が最大の部分で３５０ｍＪ／ｃ
ｍ² の１／２５、すなわち約１４ｍＪ／ｃｍ² であり、
その後、非単結晶シリコンのそれぞれの場所で増加量が
１５ｍＪ／ｃｍ² 以下であるエネルギー密度のエネルギ
ービームが照射され、最終的に最大エネルギー密度であ
る３５０ｍＪ／ｃｍ² の９０％以上のエネルギーが２０
回照射され、充分な粒径の多結晶シリコンを得ることが
できる。その後に、ビーム走査後方側では、最大エネル
ギー密度の９０％未満の低いエネルギー密度、この場合
は１回もしくは場所によっては２回照射されることにな
る。

【００２８】なお、エネルギービームの短軸方向のエネ
ルギー密度分布は上述のような台形形状に限らず、様々
な形状の分布に適用できる。例えば図８（ａ）に示すよ
うなガウシアン分布、同図（ｂ）に示すような複数の山
を持つ形状の分布、または同図（ｃ）に示すような階段
状分布でも同様な効果が得られる。

【００２９】また、上記した実施例においては、多結晶
化するためのレーザアニールと脱水素を兼ねて行ったた
め、脱水素工程を省略することができた。ただし、あら
かじめ脱水素を行った上で、本発明の方法によるレーザ
アニールを行うことももちろん可能である。

【００３０】このような方法により、各結晶粒の粒径の
ばらつきはあるものの、平均粒径３０００オングストロ
ーム（０．３μｍ）以上１２０００オングストローム
（１．２μｍ）以下の多結晶シリコンが得られた（ＳＥ
Ｍ観察による）。なお、多結晶シリコンの結晶粒は膜厚
方向には平たく、シリコン膜を平面から見たときには概
略円形をしている。そして粒径とは、このように多結晶
シリコン膜を平面から見たときの結晶の大きさとして規
定される。しかしながら各結晶は完全な円形をしている
わけでなく、粒径の求め方に種々の方法がある。本実施
例における粒径の求め方は、まず多結晶シリコン膜をセ
コエッチし各結晶を明確にし、それぞれの結晶粒の平面
的な面積を求める。そして各結晶を完全円形と仮定し
て、面積を基に各結晶の直径を算出する。この仮定円の
直径を各結晶粒の粒径とする。このようにして求めた複
数の結晶の粒径の平均値をこの多結晶シリコン膜の平均
粒径とした。

【００３１】さらに、このようにして形成された多結晶
シリコン膜は、（１１１）配向されており、Ｘ線回折に
よる（１１１）の回折強度Ｆ₁₁₁ と（２２０）の回折強
度Ｆ₂₂₀ の比は、０≦Ｆ₁₁₁ ／Ｆ₂₂₂ ≦０．３を満た
している。

【００３２】以下に、実施例１、２を含む本発明に至る
までの実験について詳細に説明する。まず、異なるエネ
ルギー密度のエネルギービームを２段階に非単結晶シリ
コンに照射させて水素脱気の影響を調べた。

【００３３】ガラス基板の一主面上にプラズマＣＶＤ法
により非晶質シリコンを８００オングストローム形成し
た後、非晶質分離型のイオン注入装置によりドーズ量５
×１０¹⁵／ｃｍ² のリンを注入して試料を作成した。そ
して、この試料に対して図１に示したエキシマレーザー
アニール装置を用いて非晶質シリコン薄膜の多結晶化を
行った。

【００３４】まず、第１段階目の照射としてエネルギー
密度、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５
０、１５５、１６０、１６５、１７０、１８０ｍＪ／ｃ
ｍ²のエキシマレーザを試料に１ショットずつ照射し
た。その結果１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上で試料表面に水素
脱気によるダメージが認められた。このときのシート抵
抗の変化を図２に示した。非晶質シリコンの膜厚が５０
０オングストロームから１０００オングストロームまで
の範囲では、第１段階目の照射エネルギー密度と水素脱
気によるダメージとの関係は、本実験結果とほぼ同じで
あった。図２の黒印のプロットより、第１段回目の照射
としては１６０Ｊｍ／ｃｍ² 未満のエネルギー密度でな
ければならないことが分かる。

【００３５】さらに、今度は線状エキシマレーザーをそ
の短軸方向（Ｘ軸方向）に走査しながら照射する実験を
行った。図３は、線状エネルギービームの短軸方向断面
のエネルギー密度分布を示している。このエネルギー密
度分布はトップフラットの台形状の分布を示している。
実質的な最大エネルギー密度の部分の長さ、いわゆる最
大エネルギー密度の９０％以上の部分の長さをＬとし
た。また、短軸方向の端部は最大エネルギー密度より低
い強度を持ついわゆる裾を引いている。ここで裾は最大
エネルギー密度の９０％未満の部分とし、その裾の短軸
方向の長さを裾幅ｌとする。光学系を変えることによ
り、裾幅ｌを変化させることが可能である。また、ここ
で、実質的な最大エネルギー密度を最大エネルギー密度
の９０％以上に規定した理由は、１ショットのエネルギ
ービームを照射したときにエネルギー密度の分布によっ
て結晶化が異なり、最大エネルギー密度の１００％から
９０％までのエネルギー密度が照射された領域の結晶粒
の大きさはほぼ同じであることによる。即ち、９０％未
満のエネルギー密度のエネルギーが照射された領域は１
００％のエネルギー密度のエネルギーが照射された領域
の結晶粒径に比べて結晶粒径の大きさが著しく不完全で
あるためである。

【００３６】そして、非晶質シリコンの膜厚５００オン
グストロームとして、図３に示したエネルギー密度分布
を持つビームを用いて、１ショット毎の走査ピッチＰを
２０μｍとして、ビームの裾幅ｌを１４０μｍ〜７００
μｍの範囲で変化させた。これにより、エネルギー密度
の増加量を変化させることができる。図５に、エネルギ
ー密度の増加量と水素脱気によるアブレーションエネル
ギーの関係を示す。アブレーションエネルギーとはシリ
コン膜がアブレーションを起こすときのエネルギー密度
である。同図よりエネルギー増加量が１５ｍＪ／ｃｍ²
以下であれば、所望の最大エネルギー密度、３２５ｍＪ
／ｃｍ² 以上のエネルギー密度でもアブレーションする
ことなく、粒径の大きい多結晶シリコンが得られること
が分かる。

【００３７】ちなみに、多結晶シリコンは多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタの活性層として用いられ、より高い
エネルギー密度で結晶化させる必要がある。図４に、最
大エネルギー密度と多結晶シリコンの粒径の関係を示
す。１ショット毎のエネルギーの増加量を１５ｍＪ／ｃ
ｍ² になるように設定し、最大エネルギー密度が２５０
〜３５０ｍＪ／ｃｍ² の範囲のエネルギービームを照射
して結晶化した多結晶シリコンの粒径である。最大エネ
ルギーを大きくするにつれて、粒径が拡大することがわ
かる。このように、非晶質シリコンの膜厚が５００〜８
００オングストロームの範囲内である場合、最大エネル
ギー密度は３２５ｍＪ／ｃｍ² 以上に設定することが好
ましい。

【００３８】次に、最大エネルギー密度の９０％以上の
部分が照射される回数の最適値を調べるため、一定のエ
ネルギー（例えば３５０ｍＪ／ｃｍ² ）で照射回数を２
から１４０回まで変化させた。図３に示すビーム形状の
長さＬを変えることにより、シリコンの一箇所に最大エ
ネルギー密度の部分が照射される回数が変化する。図６
に、多結晶シリコンの粒径と照射回数の関係を示す。最
大エネルギーが照射される回数が１０回未満では、完全
溶融しないため粒径は小さいままであり、１２０回より
も大きい場合では、下地膜との反応層が形成され、下地
／ｐ−Ｓｉ界面が荒れるためにアブレーションを生じて
しまう。従って、最大エネルギー密度の部分が照射され
る回数が１０から１２０回の範囲になるように長さＬを
設定すれば良好な結晶性の多結晶シリコンが得られるこ
とが分かった。

【００３９】さて、１ショット毎のエネルギー密度の増
加量を１５ｍＪ／ｃｍ² 以下とするとアブレーションが
起きず良好な多結晶シリコン膜が得られることは上述し
たが、図５からもう一つ言えることは、エネルギーの増
加量を増やしていくと、アブレーションエネルギーがお
よそ２７０ｍＪ／ｃｍ² で収束していることが分かる。
従って、２７０ｍＪ／ｃｍ² に到達するまでは増加量が
１５ｍＪ／ｃｍ² 以下でなくともアブレーションは発生
しないことが分かる。

【００４０】そこで、２７０ｍＪ／ｃｍ² 未満のエネル
ギー密度を照射する場合には、どの程度の増加量までな
らアブレーションなく、良好な多結晶シリコン膜が得ら
れるのかを確認すべく以下の実験を行った。

【００４１】第１段階目として、エネルギー密度１０
０、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０ｍＪ／ｃ
ｍ² のエキシマレーザを１ショットずつ照射したところ
に、第２段階目の照射として、それぞれに１６０ｍＪ／
ｃｍ² のエキシマレーザを照射した。第１段階目の照射
が１００ｍＪ／ｃｍ² の場合は膜表面に水素脱気による
ダメージが認められたが、第１段回目の照射が１１０か
ら１５０ｍＪ／ｃｍ² の場合は第２段階目のエネルギー
密度１６０ｍＪ／ｃｍ² でエキシマレーザを照射して
も、水素脱気によるダメージは認められなかった。

【００４２】また、第１段階目でエネルギー密度１５０
ｍＪ／ｃｍ² のエキシマレーザを照射した後、第２段階
目でエネルギー密度１６０、１７０、１８０、１９０、
２００、２１０、２２０、２３０ｍＪ／ｃｍ² のエキシ
マレーザをそれぞれ照射したところ、第２段階目の照射
が２３０ｍＪ／ｃｍ² の場合は試料表面に水素脱気によ
るダメージが認められたが、１６０から２２０ｍＪ／ｃ
ｍ² まではダメージは発生しなかった。このときのシー
ト抵抗の変化を図７に示す。

【００４３】この実験結果より、通常、照射した場合に
はシリコン膜にダメージを与えるような高いエネルギー
密度のエネルギービーム照射（１６０ｍＪ／ｃｍ² 以
上）でも、あらかじめ、低い強度のエネルギービームを
照射した後で行えばシリコンにダメージを与えることな
く多結晶化を促進することが可能であることが分かる。
上記実験結果から、１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上２７０ｍ／
ｃｍ² 以下のエネルギー密度のエネルギーを照射する場
合には、１５ｍＪ／ｃｍ² 以上の増加量であっても、そ
のショット以前に受けたエネルギー密度の３／２倍以下
のエネルギー密度であれば、水素脱気によるダメージが
防止可能であることが分かった。

【００４４】さらに、これまでは走査方向のエネルギー
密度分布の先方側の裾について述べてきたが、さらに結
晶性の高い多結晶シリコンを得るには、走査方向の後方
側のエネルギー密度分布も重要となる。最大エネルギー
密度が照射された後に、それよりも低いエネルギー密度
で５回以上照射されると、最大エネルギーで結晶化した
多結晶シリコンの結晶化率の約７０％程度に劣化してし
まうことがわかった。この実験結果から、図９に示すよ
うなエネルギー密度分布が結晶性の高い多結晶シリコン
を得られるエネルギー密度分布であり、後方側の裾によ
り照射される回数を５回未満にすることが望ましい。

【００４５】（実施例３）以下に、多結晶シリコン膜を
用いた薄膜トランジスタ、及びこの薄膜トランジスタを
用いた液晶表示装置の製造方法を詳細に説明する。

【００４６】図１０にオーミックコンタクト部のみを多
結晶シリコンとし、チャネル部を非晶質シリコンとした
薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置の構造を示す。
まず、薄膜トランジスタを含むアレイ基板６０の構成を
説明する。基板４１上にマトリクス状に遮光膜４２が形
成され、その上に絶縁膜４３が形成されている。さらに
画素領域に画素電極４８が形成され画素電極４８に接続
するソース電極４６と、このソース電極４６と同層にド
レイン電極４７及びドレイン電極４７と一体に図示しな
い信号線が形成されている。そして、ソース電極４６と
ドレイン電極４７の双方に接続するように半導体層が形
成され、この半導体層はソース電極４６及びドレイン電
極４７に接続し、多結晶シリコンからなるオーミックコ
ンタクト部５０、５１と非晶質シリコンからなるチャネ
ル部４９に分かれている。さらにチャネル部４９上にゲ
ート絶縁膜５４として第１の窒化シリコン膜５２と第２
の窒化シリコン膜５３、さらにゲート電極５７、及びゲ
ート電極と一体に図示しない走査線としてアルミニウム
膜５５とモリブデン膜５６が積層されている。このよう
にしてアレイ基板６０上に薄膜トランジスタが形成され
る。

【００４７】さらにこの薄膜トランジスタ上に絶縁保護
膜５９が形成され、基板全体に配向膜６４が形成されて
いる。さらに液晶表示装置は、このアレイ基板６０と対
向基板６３とからなり、対向基板６３を構成する対向基
板６３は、基板６１上に対向電極６２と配向膜６５が形
成されている。

【００４８】そして、上記のアレイ基板６０と対向基板
６３とがそれぞれの配向膜６４、６５側を内側にして対
向配置され、その間隙に液晶６８が封入されている。さ
らにアレイ基板６０と対向基板６３とのそれぞれ外側の
面に偏光板６６、６７が形成されて液晶表示装置が構成
されている。

【００４９】次に、この薄膜トランジスタ、及び液晶表
示装置について、製造工程を追って順に説明する。ま
ず、薄膜トランジスタを含むアレイ基板６０の製造方法
を示す。図１１に示すように、ガラスからなる基板４１
の一主面上に、遮光膜４２及び酸化シリコンからなる絶
縁膜４３を形成した。そしてスパッタ法によりＩＴＯ
（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）からなる透明導電
膜とモリブデン・タングステン合金の金属膜を積層形成
し、フォトリソグラフィー法によりパターニング加工し
て画素電極４８とソース電極４６及びドレイン電極４
７、さらに図示しない信号線を形成した。次にこれらソ
ース電極４６、ドレイン電極４７及び画素電極４８を覆
うように非晶質シリコンと窒化シリコンをそれぞれ１０
００オングストロームの厚さにプラズマＣＶＤ法により
順次積層し、フォトリソグラフィーによりパターニング
して後にオーミックコンタクト部及びチャネル部とを形
成する半導体層と、後に第１の窒化シリコン膜５２とな
る窒化シリコン膜を形成した。

【００５０】次いで図１２に示すように、後に第２の窒
化シリコン膜５３となる窒化シリコン膜をプラズマＣＶ
Ｄ法で３０００オングストロームの厚さに成膜した。さ
らに、アルミニウム及びモリブデンをスパッタ法により
順次積層し、モリブデン、アルミニウムをフォトリソグ
ラフィーによりパターニングし、図１３に示すように、
モリブデン膜５６とアルミニウム膜５５からなるゲート
電極５７、及び図示しない走査線を形成した。さらに、
ゲート電極５７と同一パターンで窒化シリコン膜２層を
パターニングし、第１の窒化シリコン膜５２と第２の窒
化シリコン膜５３からなるゲート絶縁膜５４を形成す
る。

【００５１】次いで、ゲート電極５７をマスクとして自
己整合的に非質分離型のイオン注入装置により、加速電
圧６０ｋＶ、トータルドーズ量５×１０¹⁵／ｃｍ² のリ
ンを添加し、オーミックコンタクト部５０、５１をｎ型
非晶質シリコン層とした。

【００５２】そしてこの後、波長３０８ｎｍＸｅＣｌエ
キシマレーザアニール装置により半導体層の上面よりエ
ネルギー密度１７０ｍＪ／ｃｍ² のエネルギービームを
照射し、リンが添加されたオーミックコンタクト部５
０、５１を多結晶シリコンとする。このエネルギービー
ムの照射法に関しては、実施例１に記載したとおりであ
る。

【００５３】そして、図１４に示すごとく例えばプラズ
マＣＶＤ装置により窒化シリコンなどを基板４１全面に
形成し、パターニングして絶縁保護膜５９とする。さら
に、画素領域には画素電極４８上にモリブデン・タング
ステン合金の金属膜４５が残存しているので絶縁保護膜
５９と共にエッチング除去する。さらに、基板全面にポ
リイミドからなる配向膜６４（図１０参照）を塗布し、
配向膜に配向処理を施してアレイ基板６０を得た。

【００５４】次に、図１０における対向基板６３の製造
方法を示す。基板６１上にＩＴＯからなる対向電極６２
を形成し、さらにポリイミドからなる配向膜６５を塗布
する。そして配向膜６５に配向処理を施して対向基板６
３を得た。

【００５５】そして、このアレイ基板６０と対向基板６
３とを配向膜６４、６５をそれぞれ内側にして対向配置
し、液晶の注入口を除いてシール材にて封止した。さら
に注入口から液晶を注入して注入口も封止する。最後に
アレイ基板６０と対向基板６３とのそれぞれ外側の面に
偏光板６６、６７を貼り付けて液晶表示装置を形成し
た。

【００５６】このようにチャネル部に非晶質シリコンを
用いる薄膜トランジスタの場合、従来はエネルギービー
ムを照射する前に脱水素を行う工程と、エネルギービー
ムを照射した後に水素を添加する工程とが必要であった
が、本実施例によればエネルギービームの最大エネルギ
ー密度を１７０ｍＪ／ｃｍ² としエネルギービームの走
査方向の裾を２００μｍとし、１ショットの走査の幅を
５０μｍとしたことで、最初に照射されるエネルギー密
度が最大の場所でも約４３ｍＪ／ｃｍ² であり、しかも
多結晶化されるシリコンの１カ所に照射されるエネルギ
ー密度が増加率３／２倍以下で徐々に大きくなるので急
激な水素脱気を避けられ、ダメージがなく良質で結晶粒
径の大きい多結晶シリコン膜を得ることができる。さら
に、この方法ではゲート電極がマスクとなりチャネル部
の水素は抜けないために新たに水素を添加する工程も必
要ない。

【００５７】（実施例４）本実施例は実施例３と薄膜ト
ランジスタの構造が異なるものであり、チャネル部も多
結晶シリコンからなる薄膜トランジスタ、及びこの薄膜
トランジスタを用いた液晶表示装置である。

【００５８】図１４に本実施例の薄膜トランジスタ、及
び液晶表示装置の構造を示す。まず薄膜トランジスタを
含むアレイ基板８８は、基板７１上にアンダーコート層
として絶縁膜を形成した後に、半導体層が形成されてお
り、この半導体層はチャネル部７２とソース領域７３と
ドレイン領域７４とを含んでいる。その上にゲート絶縁
膜７５が形成され、このゲート絶縁膜７５上のチャネル
部７２に対応する領域にゲート電極７６及びゲート電極
７６と一体に図示しない走査線が形成されている。さら
にゲート電極７６及び走査線を覆うように層間絶縁膜７
７が形成されている。そして、層間絶縁膜７７とゲート
絶縁膜７５とのソース領域７３およびドレイン領域７４
上にコンタクトホール７９、８０が形成されている。そ
して、層間絶縁膜７７上に形成されたソース電極８３と
ドレイン電極８４とはコンタクトホール７９、８０を介
してそれぞれソース領域７３とドレイン領域７４とに接
続されている。このように薄膜トランジスタがアレイ基
板８８上に形成されている。そしてソース電極８３は画
素領域に形成された画素電極７８に接続されている。ま
た、ドレイン電極７４と一体に図示しない信号線が層間
絶縁膜上に形成されている。これらを被覆するように絶
縁保護膜８６が被覆されている。さらには基板全面に配
向膜８７が形成されて、薄膜トランジスタを含むアレイ
基板８８を得る。

【００５９】次に、液晶表示装置はアレイ基板８８と対
向基板９０とからなり、対向基板９０の構成は、基板９
１上の一主面上に対向電極９２、及び配向膜９３が形成
されて成る。

【００６０】そして、アレイ基板８８と対向基板９０と
の間隙に液晶９４が挟持されている。さらに、アレイ基
板８８及び対向基板９０の外側の面にはそれぞれ偏光板
９５、９６が形成されている。

【００６１】また、必要に応じて、アレイ基板８８また
は対向基板９０にカラーフィルタや遮光膜等を形成して
も良い。このようにして液晶表示装置が形成されてい
る。次にこの薄膜トランジスタ、及び液晶表示装置の製
造方法を工程を追って順に説明する。

【００６２】まず、図１６に示すようにガラスからなる
基板７１の一主面上に図示しないアンダーコート膜とし
て絶縁膜ＳｉＯ_X 、ＳｉＮ_X 等を成膜した後に、プラズ
マＣＶＤ法で非晶質シリコン層を５００オングストロー
ムの厚さに形成した。そして波長３０８ｎｍのＸｅＣｌ
エキシマレーザアニール装置により非晶質シリコン層の
上面よりエネルギー密度３５０ｍＪ／ｃｍ² のエネルギ
ービームを照射し、多結晶シリコン層とした。このとき
の照射方法は実施例２に記載したとおりである。

【００６３】次いで、図１７に示すように多結晶シリコ
ン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、酸
化シリコンからなるゲート絶縁膜７５を８００オングス
トロームの厚さでプラズマＣＶＤ法により積層した。

【００６４】そしてスパッタ法によりモリブデン・タン
タル合金を形成し、フォトリソグラフィによりパターニ
ングしてゲート電極７６、及びゲート電極と一体に図示
しない走査線を形成した。

【００６５】そして、ゲート電極７６をマスクにして、
自己整合的にゲート電極が上部に位置しない領域に非晶
質分離型のイオン注入装置により加速電圧８０ｋＶ、ド
ーズ量５×１０¹⁵／ｃｍ² のリンを添加し、リンが添加
された多結晶シリコン領域をｎ型多結晶シリコンのソー
ス領域７３及びドレイン領域７４を形成した。

【００６６】次に図１８に示すように、この上に例えば
プラズマＣＶＤ法により酸化シリコンなどの層間絶縁膜
７７を被覆した。次にスパッタ法により層間絶縁膜７７
上にＩＴＯからなる透明導電膜を積層し、フォトリソグ
ラフィによりパターニングし画素電極７８を形成した。

【００６７】そして、ソース領域７３、ドレイン領域７
４上のゲート絶縁膜７５および層間絶縁膜７７にコンタ
クトホール７９、８０を形成した。そして、図１５に示
すように、スパッタ法によりアルミニウム層８１及びモ
リブデン層８２を積層し、フォトリソグラフィによりパ
ターニングしてソース電極８３、ドレイン電極８４、及
び図示しない信号線を形成した。

【００６８】さらに全体を例えばプラズマＣＶＤ法によ
り窒化シリコンなどの絶縁保護膜８６で被覆し、周辺電
極と画素電極７８上をエッチング除去し、配向膜８７を
成膜して薄膜トランジスタを含むアレイ基板８７を形成
した。

【００６９】さらに、このアレイ基板を用いて、実施例
３と同様の手順で対向基板９０を用意し、液晶表示装置
を形成した。

【００７０】（実施例５）さて次に、レーザアニール装
置に関して詳細に説明する。図１に示すエキシマレーザ
アニール装置にチャンバを含めた構成を図１９に示す。
この装置の構成をレーザ光の光路に沿って順次説明す
る。レーザ光出射手段としてのエキシマレーザ発振源１
１と、レーザ光を平行光にするための図示しないコリメ
ータと、コリメータを通過したレーザ光を整形される線
状ビームの長軸方向及び短軸方向に強度を均一化する光
学系１３と、均一化されたレーザ光を角度を変えるため
のミラー１４と、レーザ光を所望の線状に集光するため
の結像レンズ１５と、被処理物である基板１７が配置さ
れ、線状ビームが照射されるスペースであるチャンバ１
０９とから成る。チャンバ１０９内には２次元的に可動
なＸ−Ｙテーブル１６が配置されている。さらにチャン
バ１０９には線状ビームがチャンバ１０９に入射される
ように線状ビームを透過する透過窓１０８、外界と遮断
するためのゲートバルブＧを備えており、不活性雰囲気
下でアニール処理を行うためにＮ２ガスをチャンバ１０
９内に導入するＮ２ボンベが、バルブを介して接続され
ている。さらにはチャンバ１０９内を真空にすることが
できるようにターボ分子ポンプ等の真空ポンプがバルブ
を介して接続されている。

【００７１】図１９における光学系１３と、結像レンズ
１５の部分を、図２０を用いてさらに詳細に説明する。
なお、図２０には簡略のためミラー１４は省略した。ま
た、以下の説明中のレーザ光の進行方向とは、レーザ光
が出射されてから各手段により基板１７に照射される線
状ビームになるまでの、整形されていく経路の方向のこ
とを指す。（図２０参照）レーザ光の進行方向に沿って
説明すると、まず、複数のスリットを持つスリットマス
ク１１７が配置されている。このスリットマスク１１７
の次にシリンドリカルアレイレンズ１１８が配置されて
いる。スリットマスク１１７は、シリンドリカルアレイ
レンズ１１８の稜線の方向と一致し、シリンドリカルア
レイレンズのレンズパターンに対応するようにスリット
が形成されている。最終的に整形された線状ビーム１８
の長軸方向をＹ方向とし、短軸方向をＸ方向とすると、
スリットマスク１１７のスリットと、シリンドリカルア
レイレンズ１１８の稜線はＸ方向に平行になるように配
置されている。さらにこの後方にＸ方向の稜線をもつ第
１シリンドリカルレンズ１１９が配置されており、Ｙ方
向の稜線を持つ第２シリンドリカルレンズ１２２が配置
されている。

【００７２】そしてこの後方に、多重反射手段１３０と
して、光反射面を対向させて平行に配置された２枚の光
反射手段１２３ａ、１２３ｂが配置されている。この２
枚の光反射手段１２３ａ、１２３ｂの間隙は、レーザ光
の光路となり、入射されたレーザ光が光反射面で多重反
射を繰り返しながら進行方向に進行し、Ｘ方向に均一な
密度分布を持つレーザ光にした状態で出射することにな
る。この光反射手段１２３ａ、１２３ｂにはそれぞれを
進行方向に駆動する駆動機構１２５ａ、１２５ｂ、及び
光反射手段１２３ａ、１２３ｂを光反射面に垂直な方向
に駆動する駆動機構１２６ａ、１２６ｂが設けられてい
る。これら駆動機構は例えばピエゾ素子やパルスモータ
等を用いたアクチュエータによって構成されている。さ
らにこの多重反射手段１３０から出射されたレーザ光を
Ｘ方向に集光するように結像レンズ１５が配置されてい
る。

【００７３】これら各構成要素は、以下の位置関係で配
置される。シリンドリカルアレイレンズ１１８の焦点距
離をｆ₁ 、第１シリンドリカルレンズ１１９の焦点距離
をｆ₂ 、第２シリンドリカルレンズ１２２の焦点距離を
ｆ₃ 、結像レンズ１５の焦点距離をｆ₄ 、結像レンズの
結像倍率をｍとしたとき、線状ビームが基板１７に照射
される照射面から、ｋ₂ 前方に結像レンズが配置され、
さらに結像レンズよりｋ₁ 前方に多重反射手段の出射端
が位置している。（ただし、ｋ₁ ＝（１＋１／ｍ）・ｆ
₄ 、ｋ₂ ＝（１＋ｍ）・ｆ₄ ）また、多重反射手段の入射端からｆ₃ 前方に第２シリン
ドリカルレンズ１２２、照射面からｆ₂ 前方に第１シリ
ンドリカルレンズ１１９が配置されている。さらに、第
１シリンドリカルレンズ１１９の直前にシリンドリカル
アレイレンズ１１８が配置されており、その前方ｆ₁ に
スリットマスク１１７が配置されている。また、スリッ
トマスク１１７のスリットの幅をＤとしたとき、線状ビ
ームのＹ方向の長さＬY は、以下の式（１）で表され
る。

【００７４】Ｌ_Y ＝ｆ₂ ・Ｄ／ｆ₁ …（１）この位置関係で配置されたときに線状ビームは照射面で
ちょうど結像されることになる。

【００７５】次に、本発明のレーザアニール装置におい
て、レーザ光が線状ビームに整形される過程を説明す
る。まず、スリットマスク１１７を経たレーザ光がシリ
ンドリカルアレイレンズ１１８により、Ｙ方向に分割さ
れ、第１シリンドリカルレンズ１１９により分割された
レーザ光を重ね合わせることにより、Ｙ方向のレーザ光
の強度を均一化する。そして、この位置からレーザ光は
Ｙ方向に徐々に拡がっていくことになる。また、スリッ
トマスク１１７によりシリンドリカルアレイレンズ１１
８に入射するレーザ光を制御することにより、最終的に
整形される線状ビームのＹ方向の端部において、エネル
ギー強度の弱い領域（裾）がない線状ビームを得ること
ができる。

【００７６】次に、多重反射手段１３０の入射端にレー
ザ光を入射させるために、第２シリンドリカルレンズ１
２２によりレーザ光をＸ方向に収束させる。そして、多
重反射手段１３０に入射されたレーザ光は多重反射を繰
り返し、Ｘ方向のレーザ光の強度を均一化する。

【００７７】次に多重反射手段１３０から出射された
Ｘ、Ｙ両方向に均一化されたレーザ光が、結像レンズ１
５により照射面に結像される。そして、チャンバ１０９
内にあるＸ−Ｙテーブル１６上に固定され、Ｎ₂ 雰囲気
中で基板１７に線状ビームが照射されることになる。

【００７８】さて、Ｙ方向のレーザ光については、シリ
ンドリカルアレイレンズ１１８から遠ざかるほど長くな
るので、多重反射手段１３０に入射するときのＹ方向の
長さより、出射するときの長さの方が長くなっており、
さらに、多重反射手段１３０からの出射後もさらにＹ方
向には長くなっていく。この構成により、従来のように
線状ビームのＹ方向の長さとほぼ同じ長さのカライドス
コープを用いる必要がなく、装置を小型化することが可
能である。即ち、カライドスコープのようにＸ、Ｙ両方
向を同じ場所で均一化するのではなく、本実施例ではＹ
方向のレーザ光を手前で均一化し、Ｙ方向に拡大させつ
つ、その後にＸ方向を均一化することで、シリンドリカ
ルアレイレンズ１１８と第１シリンドリカルレンズ１１
９から成るレンズ群から、照射面までの距離をとること
により、光学系の大きさに比べて線状ビームのＹ方向の
長さを長くすることができる。このように本発明はＸ、
Ｙ方向の均一化を別々の位置で行うことが特徴である。
なお、本発明の場合には、多重反射手段１３０として、
２枚の光反射手段１２３ａ、１２３ｂの代わりにカライ
ドスコープのような筒状のものを用いてもかまわない
が、その際は、Ｙ方向（図では上下方向）で多重反射を
起こさないものを用いる必要がある。

【００７９】さて、多重反射手段１３０を構成する２枚
の光反射手段１２３ａ、１２３ｂにはレーザ光の進行方
向と、光反射面の垂直方向に駆動できるように駆動機構
が設けられている。この２枚の光反射手段１２３ａ、１
２３ｂを動かしたときに整形される線状ビームとの関係
について以下に詳細に説明する。

【００８０】まず、光反射手段１２３ａ、１２３ｂの間
隙を広げるように移動すると、線状ビームのＸ方向の幅
Ｌ_X を変えることができる。また、進行方向に移動する
ことにより線状ビームのＸ方向のエネルギー密度分布
に、エネルギー密度の弱い領域の幅、いわゆる裾幅を変
えることができる。２枚の光反射手段１２３ａ、１２３
ｂの間隙の幅をｓとし、結像レンズ１０７の結像倍率を
ｍとすると、照射面における線状ビームのＸ方向の幅Ｌ
_X は以下の式（２）で表される。

【００８１】Ｌ_X ＝ｓ・ｍ …（２）これに対し、２枚の光反射手段１２３ａ、１２３ｂをレ
ーザ光の進行方向前方に移動させた場合は、線状ビーム
のＸ方向に裾を形成することができる。この場合、２枚
の光反射手段１２３ａと１２３ｂとを同じだけ動かせ
ば、線状ビームはＸ方向の両側に裾を持たせることがで
き、片側をのみを移動させれば線状ビームはＸ方向の片
側に裾を持たせることができる。さらに、２枚の光反射
手段１２３ａと１２３ｂとの移動量を変えることで、線
状ビームの走査方向前方と後方とでＸ方向の裾に対して
異なる幅を持たせることができる。

【００８２】図２１に示すように光反射手段１２３ａを
レーザ光の入射方向にｘだけ移動させると、照射面での
線状ビームのＸ方向でのレーザ光の強度分布は、照射面
においてレーザ光強度がエッヂ部で裾をもったテーパ状
になる。これは光反射手段１２３ａが、レーザ光の進行
方向に沿って自身へのレーザ光の入射側にずれたことに
よって、本来は光反射手段１２３ａで反射されるべきで
あるが、そうされずに漏れ出たレーザ光とが、結像レン
ズ１５でレーザ光軸に対して対称に集光されるからであ
る。つまり、ここではレーザ光軸に対して左右非対称に
照射面と結像面との位置を異ならせることになる。図２
１で説明すると、照射面は光反射手段１２３ｂに関して
は結像面になるのであるが、それに対してレーザ光の進
行方向に沿ってレーザ光の出射側に本来の設定位置から
ｘだけ変位させられた光反射手段１２３ａに対しては、
結像面から進行方向の出射側へずれていることとなる。
以上の現象はレーザ光軸に対して、Ｘ方向について左右
非対称に照射面と結像面との位置を異ならせていると解
釈している。よって本実施例においては、光反射手段１
２３ａに対する結像面と光反射手段１２３ｂに対する結
像面とを分けて論じている。

【００８３】ここで照射面においてエッジ部でレーザ光
強度がもつ裾幅ｌは、第１シリンドリカルレンズ１１９
においてのレーザ光のビーム径をＤ_inとし、第１シリン
ドリカルレンズ１１９の焦点距離をｆ₃ とし、光反射手
段１２３ａをレーザ光の進行方向前方にｘだけ変位させ
たとすると、以下の（３）式で表される。ｌ＝（Ｄ_in／２・ｆ₃ ）・ｘ・ｍ …（３）なお、光反射手段１２３ａ、１２３ｂのうちの片側のみ
を移動させた場合には、レーザ光軸に対称にエッジ部が
裾を持つこととなる。また、光反射手段１２３ａ、１２
３ｂの双方を移動させた場合には、線状ビームのＸ方向
でのレーザ光の照射面において、双方のエッジ部Ｅが裾
を持つ。即ち上記の（３）式により照射エネルギー分布
を可変にすることができる。

【００８４】本発明のレーザアニール装置によれば、多
重反射手段１３０のＹ方向に対応する部分の大きさを、
所望の線状ビームのＹ方向の長さより小さくすることが
可能であり、しかもエネルギー損失を少なく、線状ビー
ムの照射面での強度分布を自由に制御することが可能で
ある。具体的にはＸ方向のビーム幅や、Ｘ方向断面での
裾幅、裾の対称、非対称、Ｙ方向断面の裾のシャープネ
ス等、を制御することができる。

【００８５】このようなレーザアニール装置を用いるこ
とによって、上記した多結晶シリコンの製造方法におけ
る線状ビームのエネルギー密度分布を好適に形成するこ
とが可能となる。

【００８６】ただし、実施例１、２に示した多結晶シリ
コンの製造方法における線状ビームは、実施例３の装置
以外の装置でももちろん実現可能である。例えば、Ｘ、
Ｙ両方向の均一化を同位置で行うカライドスコープを用
いたレーザアニール装置を用いても可能であることはい
うまでもない。例えば、カライドスコープまたは基板を
レーザ光の進行方向に沿って移動させても結像レンズを
ズーミングしてもかまわないし、レーザ光の光路中に特
定の屈折率を持つ透明平板を挿入しても良い。これらは
結像面を基板から平行にずらすという同じ作用を持つも
のであり、透明平板を挿入した場合を図２２に示す。こ
の場合には照射される基板面上では図３に示すような台
形状のエネルギー密度分布が得られる。また、レーザ光
の光路中に特定の屈折率を持つプリズムを挿入したり、
レーザ光を基板に対して斜め方向から照射すると、結像
面を基板と交わる方向にずらせることができる。プリズ
ムを挿入した場合を図２３に示す。このような場合には
左右非対称であるエネルギー密度分布が得られる。

【００８７】

【発明の効果】本発明によれば、多結晶シリコンを形成
する際に、アブレーションによる膜ダメージを与えるこ
となく、均一で良質、かつ結晶粒径の大きい多結晶シリ
コンを得ることが可能となる。

【００８８】また、最大エネルギー密度で結晶化させた
後に、それよりも低いエネルギーで多数回照射されない
ので、結晶性の劣化を防止できる。また、チャネル部が
非晶質シリコンであり、オーミックコンタクト部が多結
晶シリコンである薄膜トランジスタの場合には、オーミ
ックコンタクト部を多結晶化する際にチャネル部はゲー
ト電極によりマスクされているので脱水素が行われず、
改めてチャネル部に水素を添加する工程を省略すること
が可能になる。

【００８９】また本発明のレーザアニール装置によれ
ば、装置自体を小型化することができる。また、エネル
ギー損失を少なく、線状ビームの照射面での強度分布を
自由に制御することが可能である。具体的にはＸ方向の
ビーム幅や、Ｘ方向断面での裾幅、裾の対称、非対称、
Ｙ方向断面の裾のシャープネス等、を制御することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用するエキシマレーザアニール装置
の外観図である。

【図２】本発明の実験におけるビーム照射時のエネルギ
ー密度とシート抵抗及び膜ダメージとの関係を示す図で
ある。

【図３】本発明の実験における線状エネルギービームの
走査方向断面のエネルギー密度の分布である。

【図４】本発明の実験における最大エネルギー密度と形
成された多結晶シリコンの粒径の関係を示す図である。

【図５】本発明の実験におけるビーム端でのエネルギー
増大幅とアブレーションエネルギーの関係を示す図であ
る。

【図６】本発明の実験における最大エネルギー密度と形
成された多結晶シリコンの粒径の関係を示す図である。

【図７】本発明の実験における第１段階目の照射として
エネルギー密度１５０ｍＪ／ｃｍ² のビームを照射した
後の第２段階目の照射ビームのエネルギー密度とシート
抵抗及び膜ダメージとの関係を示す図である。

【図８】（ａ）は線状エネルギービームの走査方向断面
のエネルギー密度がガウシアン分布を示す図であり、
（ｂ）は複数の山を持つ分布を示す図であり、（ｃ）は
階段状分布を示す図である。

【図９】本発明の実験における線状エネルギービームの
走査方向断面のエネルギー密度の分布である。

【図１０】本発明の（実施例１）における液晶表示装置
の断面図である。

【図１１】図１０における液晶表示装置の製造工程を示
す図である。

【図１２】図１０における液晶表示装置の製造工程を示
す図である。

【図１３】図１０における液晶表示装置の製造工程を示
す図である。

【図１４】図１０における液晶表示装置の製造工程を示
す図である。

【図１５】本発明の（実施例２）における液晶表示装置
の断面図である。

【図１６】図１５におけるアレイ基板の製造工程を示す
図である。

【図１７】図１５におけるアレイ基板の製造工程を示す
図である。

【図１８】図１５におけるアレイ基板の製造工程を示す
図である。

【図１９】本発明におけるレーザアニール装置の概略図
である。

【図２０】本発明におけるレーザアニール装置の光学系
を示す図である。

【図２１】本発明の実施例における光学系の配置を示す
図である。

【図２２】本発明の実施例におけるレーザ光路中に透明
平板を挿入した図である。

【図２３】本発明の実施例におけるレーザ光路中にプリ
ズムを挿入した図である。

【符号の説明】

１８…線状ビーム１７、４１、６１、７１…基板４９、７２…チャネル部５０、５１…オーミックコンタクト部７３…ソース領域７４…ドレイン領域１１…エキシマレーザ発振源１３…光学系１６…Ｘ−Ｙテーブル１０９…チャンバ１１７…スリットマスク１１８…シリンドリカルアレイレンズ１１９、１２２…シリンドリカルレンズ１３０…多重反射手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/336 (72)発明者伊藤弘神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者山田明孝神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者石田修一神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された非単結晶シリコン
に、エネルギービームを１ショットの照射毎に前記基板
と相対的に所定距離だけ走査させて照射し、前記非単結
晶シリコンを多結晶化する工程を有する多結晶シリコン
の製造方法において、前記非単結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネル
ギー密度は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に
１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエネルギー
が照射される場合は、前ショット以前で受けたエネルギ
ー密度の最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ² 以下の大きさであ
り、かつ前記任意の点は実質的な最大エネルギー密度の
エネルギーを１０ショット以上１２０ショット以下受け
ることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
【請求項２】基板上に形成された非単結晶シリコン
に、エネルギービームを１ショットの照射毎に前記基板
と相対的に所定距離だけ走査させて照射し、前記非単結
晶シリコンを多結晶化する工程を有する多結晶シリコン
の製造方法において、前記非単結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネル
ギー密度は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に
１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／ｃｍ² 未満のエネ
ルギー密度のエネルギーが照射される場合はそのショッ
トで受けるエネルギー密度が前ショット以前で受けたエ
ネルギー密度の３／２倍以下の大きさであり、かつ前記
任意の点は実質的な最大エネルギー密度のエネルギーを
１０ショット以上１２０ショット以下受けることを特徴
とする多結晶シリコンの製造方法。
【請求項３】基板上に形成された非単結晶シリコン
に、エネルギービームを１ショットの照射毎に前記基板
と相対的に所定距離だけ走査させて照射し、前記非単結
晶シリコンを多結晶化する工程と有する多結晶シリコン
の製造方法において、前記非単結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネル
ギー密度は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に
１６０ｍＪ／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／ｃｍ² 未満のエネ
ルギー密度のエネルギーが照射される場合はそのショッ
トで受けるエネルギー密度が前ショット以前で受けたエ
ネルギー密度の３／２倍以下の大きさであり、２７０ｍ
Ｊ／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエネルギーが照射さ
れる場合はそのショットで受けるエネルギー密度が、前
ショット以前で受けたエネルギー密度の最大値＋１５ｍ
Ｊ／ｃｍ² 以下の大きさであり、かつ前記任意の点は実
質的な最大エネルギー密度のエネルギーを１０ショット
以上１２０ショット以下受けることを特徴とする多結晶
シリコンの製造方法。
【請求項４】前記実質的な最大エネルギー密度は、最
大エネルギー密度の９０％以上のエネルギー密度である
ことを特徴とする請求項１、２または３いずれか記載の
多結晶シリコンの製造方法。
【請求項５】前記エネルギービームの走査方向のエネ
ルギー密度分布は台形状であることを特徴とする請求項
１、２または３いずれか記載の多結晶シリコンの製造方
法。
【請求項６】前記エネルギービームの走査方向のエネ
ルギー密度分布はガウシアン分布であることを特徴とす
る請求項１、２または３いずれか記載の多結晶シリコン
の製造方法。
【請求項７】前記エネルギービームの走査方向のエネ
ルギー密度分布は、実質的な最大エネルギー密度をもつ
部分が前記所定距離の１０倍以上１２０倍以下の長さで
あることを特徴とする請求項１、２または３いずれか記
載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項８】実質的な最大エネルギー密度をもつ部分
より走査方向の後方側の、実質的な最大エネルギー密度
を持たない部分の長さは、前記所定距離の５倍未満であ
ることを特徴とする請求項１、２または３いずれか記載
の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項９】前記非単結晶シリコンは、非晶質シリコ
ンであることを特徴とする請求項１、２または３いずれ
か記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項１０】前記エネルギービームは、照射面で前
記走査方向に短軸を持ち前記走査方向に垂直な方向に長
軸を持つ線状ビームであることを特徴とする請求項１、
２または３いずれか記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項１１】前記エネルギービームは、前記非単結
晶シリコンとは異なる面上で結像することを特徴とする
請求項１、２または３いずれか記載の多結晶シリコンの
製造方法。
【請求項１２】Ｘ線回折による（１１１）の回折強度
Ｆ₁₁₁ と（２２０）の回折強度Ｆ₂₂₀ の比が、０≦Ｆ
₂₂₀ ／Ｆ₁₁₁ ≦０．３であることを特徴とする多結晶シ
リコン膜。
【請求項１３】平均粒径が０．３μｍ以上１．２μｍ
以下であることを特徴とする請求項１２記載の多結晶シ
リコン膜。
【請求項１４】基板上に、ゲート絶縁膜を介してゲー
ト電極と多結晶シリコンとを形成する工程と、前記多結
晶シリコンに接続するようにソース電極、及びドレイン
電極を形成する工程と、を備えた薄膜トランジスタの製
造方法において、前記多結晶シリコンを形成する工程は、非単結晶シリコ
ンにエネルギービームを１ショットの照射毎に前記基板
と相対的に所定距離だけ走査させて照射し、前記非単結
晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネルギー密度は
１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に１６０ｍＪ
／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエネルギーが照射され
る場合は、前ショット以前で受けたエネルギー密度の最
大値＋１５ｍＪ／ｃｍ² 以下の大きさであり、かつ実質
的な最大エネルギー密度の照射を１０ショット以上１２
０ショット以下受けることを特徴とする薄膜トランジス
タの製造方法。
【請求項１５】基板上に、ゲート絶縁膜を介してゲー
ト電極と多結晶シリコンとを形成する工程と、前記多結
晶シリコンに接続するようにソース電極、及びドレイン
電極を形成する工程と、を備えた薄膜トランジスタの製
造方法において、前記多結晶シリコンを形成する工程は、非単結晶シリコ
ンにエネルギービームを１ショットの照射毎に前記基板
と相対的に所定距離だけ走査させて照射し、前記非単結
晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネルギー密度は
１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に１６０ｍＪ
／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／ｃｍ² 未満のエネルギー密度
のエネルギーが照射される場合はそのショットで受ける
エネルギー密度が前ショット以前で受けたエネルギー密
度の３／２倍以下の大きさであり、２７０ｍＪ／ｃｍ²
以上のエネルギー密度のエネルギーが照射される場合は
そのショットで受けるエネルギー密度が、前ショット以
前で受けたエネルギー密度の最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ²
以下の大きさであり、かつ実質的な最大エネルギー密度
の照射を１０ショット以上１２０ショット以下受けるこ
とを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１６】基板上に形成された非単結晶シリコン
に、エネルギービームを１ショットの照射毎に前記基板
と相対的に所定距離だけ走査させて照射し、前記非単結
晶シリコンを多結晶化する工程と、ゲート絶縁膜を形成
する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成す
る工程と、前記多結晶化されたシリコンにソース領域及
びドレイン領域を形成する工程と、前記ゲート電極上を
含む領域に層間絶縁膜を形成する工程と、前記ソース領
域及び前記ドレイン領域上の前記層間絶縁膜にコンタク
トホールを形成する工程と、前記ソース領域上に形成さ
れたコンタクトホールを介して前記ソース領域に接続す
るようにソース電極を形成し、前記ドレイン領域上に形
成されたコンタクトホールを介して前記ドレイン領域に
接続するように形成されたドレイン電極を形成する工程
と、を有する薄膜トランジスタの製造方法において、前記非単結晶シリコンを多結晶化する工程は、前記非単
結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネルギー密度
は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に１６０ｍ
Ｊ／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエネルギーが照射さ
れる場合は、前ショット以前で受けたエネルギー密度の
最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ² 以下の大きさであり、かつ実
質的な最大エネルギー密度の照射を１０ショット以上１
２０ショット以下受けることを特徴とする薄膜トランジ
スタの製造方法。
【請求項１７】基板上に形成された非単結晶シリコン
に、エネルギービームを１ショットの照射毎に前記基板
と相対的に所定距離だけ走査させて照射し、前記非単結
晶シリコンを多結晶化する工程と、ゲート絶縁膜を形成
する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成す
る工程と、前記多結晶化されたシリコンにソース領域及
びドレイン領域を形成する工程と、前記ゲート電極上を
含む領域に層間絶縁膜を形成する工程と、前記ソース領
域及び前記ドレイン領域上の前記層間絶縁膜にコンタク
トホールを形成する工程と、前記ソース領域上に形成さ
れたコンタクトホールを介して前記ソース領域に接続す
るようにソース電極を形成し、前記ドレイン領域上に形
成されたコンタクトホールを介して前記ドレイン領域に
接続するように形成されたドレイン電極を形成する工程
と、を有する薄膜トランジスタの製造方法において、前記非単結晶シリコンを多結晶化する工程は、前記非単
結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネルギー密度
は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に１６０ｍ
Ｊ／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／ｃｍ² 未満のエネルギー密
度のエネルギーが照射される場合はそのショットで受け
るエネルギー密度が前ショット以前で受けたエネルギー
密度の３／２倍以下の大きさであり、２７０ｍＪ／ｃｍ
² 以上のエネルギー密度のエネルギーが照射される場合
はそのショットで受けるエネルギー密度が、前ショット
以前で受けたエネルギー密度の最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ
²以下の大きさであり、かつ前記任意の点は実質的な最
大エネルギー密度のエネルギーを１０ショット以上１２
０ショット以下受けることを特徴とする薄膜トランジス
タの製造方法。
【請求項１８】基板上に形成された非単結晶シリコン
上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜
上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を形
成した後にこのゲート電極をマスクとして前記非単結晶
シリコンにエネルギービームを１ショットの照射毎に相
対的に所定距離だけ走査させて照射し前記非単結晶シリ
コンの一部を多結晶化する工程と、を有する薄膜トラン
ジスタの製造方法において、前記非単結晶シリコンを多結晶化する工程は、前記非単
結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネルギー密度
は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に１６０ｍ
Ｊ／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／ｃｍ² 未満のエネルギー密
度のエネルギーが照射される場合はそのショットで受け
るエネルギー密度が前ショット以前で受けたエネルギー
密度の３／２倍以下の大きさであり、かつ前記任意の点
は実質的な最大エネルギー密度のエネルギーを１０ショ
ット以上１２０ショット以下受けることを特徴とする薄
膜トランジスタの製造方法。
【請求項１９】第１の基板上に非単結晶シリコンを形
成する工程と、前記非単結晶シリコンにエネルギービー
ムを１ショットの照射毎に前記基板と相対的に所定距離
だけ走査させて照射し多結晶シリコンを形成する工程
と、前記第１の基板上に走査線及びゲート電極を形成する工
程と、前記第１の基板上に信号線、ドレイン電極、及び
ソース電極を形成する工程と、前記ソース電極に接続す
るように画素電極を形成する工程と、第２の基板上に共通電極を形成する工程と、前記第１の基板と前記第２の基板との間隙に液晶を封止
する工程と、を有する液晶表示装置の製造方法におい
て、前記非単結晶シリコンを多結晶化する工程は、前記非単
結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネルギー密度
は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に１６０ｍ
Ｊ／ｃｍ² 以上のエネルギー密度のエネルギーが照射さ
れる場合は、前ショット以前で受けたエネルギー密度の
最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ² 以下の大きさであり、かつ実
質的な最大エネルギー密度の照射を１０ショット以上１
２０ショット以下受けることを特徴とする液晶表示装置
の製造方法。
【請求項２０】第１の基板上に非単結晶シリコンを形
成する工程と、前記非単結晶シリコンにエネルギービー
ムを１ショットの照射毎に前記基板と相対的に所定距離
だけ走査させて照射し多結晶シリコンを形成する工程
と、前記第１の基板上に走査線及びゲート電極を形成する工
程と、前記第１の基板上に信号線、ドレイン電極、及び
ソース電極を形成する工程と、前記ソース電極に接続す
るように画素電極を形成する工程と、第２の基板上に共通電極を形成する工程と、前記第１の基板と前記第２の基板との間隙に液晶を封止
する工程と、を有する液晶表示装置の製造方法におい
て、前記非単結晶シリコンを多結晶化する工程は、前記非単
結晶シリコンの任意の点が最初に受けるエネルギー密度
は１６０ｍＪ／ｃｍ² 未満であり、それ以後に１６０ｍ
Ｊ／ｃｍ² 以上２７０ｍＪ／ｃｍ² 未満のエネルギー密
度のエネルギーが照射される場合はそのショットで受け
るエネルギー密度が前ショット以前で受けたエネルギー
密度の３／２倍以下の大きさであり、２７０ｍＪ／ｃｍ
² 以上のエネルギー密度のエネルギーが照射される場合
はそのショットで受けるエネルギー密度が、前ショット
以前で受けたエネルギー密度の最大値＋１５ｍＪ／ｃｍ
²以下の大きさであり、かつ前記任意の点は実質的な最
大エネルギー密度のエネルギーを１０ショット以上１２
０ショット以下受けることを特徴とする液晶表示装置の
製造方法。
【請求項２１】レーザ光を出射するレーザ出射手段
と、このレーザ出射手段から出射されたレーザ光を線状に整
形する光学系と、前記光学系により整形された線状ビームが照射される被
処理物を設置するチャンバと、を備えたレーザアニール
装置において、前記光学系は、前記レーザ光の光強度を一方向に均一化することで前記
線状ビームの光強度を前記線状ビームの長軸方向に均一
化するレンズ群と、互いに光反射面を対向させて平行に配置され、前記レー
ザ光の光強度を前記一方向と垂直な方向に均一化するこ
とで前記線状ビームの光強度を前記線状ビームの短軸方
向に均一化する多重反射手段と、を備えたことを特徴と
するレーザアニール装置。
【請求項２２】前記多重反射手段は、前記光反射面を
互いに対向させ前記レーザ光の進行方向に平行に配置さ
れた２枚の光反射手段から構成されることを特徴とする
請求項２１記載のレーザアニール装置。
【請求項２３】前記多重反射手段は、前記レーザ光の
進行方向に可動であることを特徴とする請求項２１また
は２２いずれか記載のレーザアニール装置。
【請求項２４】前記多重反射手段は、前記光反射面に
垂直な方向に可動であることを特徴とする請求項２１ま
たは２２いずれか記載のレーザアニール装置。
【請求項２５】前記レンズ群は、シリンドリカルアレ
イレンズと、前記シリンドリカルアレイレンズよりレー
ザ光の進行方向の出射側に配置され、前記シリンドリカ
ルアレイレンズの稜線と同一方向の稜線を持つ第１シリ
ンドリカルレンズと、からなることを特徴とする請求項
２１記載のレーザアニール装置。
【請求項２６】前記シリンドリカルアレイレンズより
前記進行方向の入射側に、前記シリンドリカルアレイレ
ンズを構成する各シリンドリカルレンズに対応する開口
部が形成されたスリットマスクが配置されていることを
特徴とする請求項２１記載のレーザアニール装置。
【請求項２７】前記多重反射手段よりレーザ光の進行
方向の入射側に、前記多重反射手段の間隙にレーザ光を
収束させて入射させる第２シリンドリカルレンズが配置
されていることを特徴とする請求項２１記載のレーザア
ニール装置。